JP5519442B2

JP5519442B2 - アバランシェフォトダイオード

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Publication number: JP5519442B2
Application number: JP2010180066A
Authority: JP
Inventors: 允洋名田; 好史村本; 直輝重川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-08-11
Also published as: JP2012039026A

Description

本発明は、アバランシェ現象を利用したアバランシェフォトダイオードに関する。

受光素子の１つに、アバランシェフォトダイオードがある。アバランシェフォトダイオードは、アバランシェ現象を利用したフォトダイオードであり、光を吸収した半導体光吸収層で生成した電子ならびに正孔を、アバランシェ現象により倍増させている。アバランシェ現象は、半導体光吸収層で生成されたキャリア（電子ならびに正孔）が、電圧により加速されて格子位置原子に衝突し、この衝突により二次電子ならびに正孔が生じ、生じた二次電子および正孔がさらに電圧で加速され、また格子原子と衝突して電子正孔対を生むことが連鎖的に発生する現象である。アバランシェフォトダイオードは、素子自体が電流の増幅機能を有しており、１００％を大きく超える量子効率が可能である。

光通信用に用いられるアバランシェフォトダイオードは、通信用の波長帯である１．５５μｍや１．３μｍの光信号を電気信号に効率よく変換するため、光吸収層を構成する材料としてＩｎＧａＡｓを用いている。しかしながら、この材料を用いると、アバランシェ増倍を起こす高電界状態ではリーク電流が増大するという問題がある。このため、よりバンドギャップの大きな材料であるＩｎＰやＩｎＡｌＡｓを増倍層とし、素子の動作時には光吸収層の電界は低く、増倍層のみが高電界となるＳＡＭ構造が一般的に用いられている（非特許文献１参照）。

また、電子および正孔が衝突イオン化を引き起こすイオン化率はお互いに異なり、この比率が材料によっても変わる。従って、イオン化率の大きなキャリアを光吸収層から増倍層に注入する構造とするために、正孔のイオン化率が大きいＩｎＰを用いる場合は正孔注入型となり、電子のイオン化率が大きいＩｎＡｌＡｓを用いる場合は電子注入型が一般的となる。

ここで、アバランシェフォトダイオードの動作として、増倍率Ｇと帯域幅Ｂとの関係を図９に示す。増倍率の小さな領域での素子の帯域幅は、素子容量および抵抗によるＣＲ時定数での制限と、発生するキャリアの走行時間による制限を受ける。さらに、高感度化のために増倍率を増加させると、増倍に要する時間の制限も受けることになり、最終的に帯域幅と増倍率の積が一定の値になる。この積は、利得帯域幅積（ＧＢＰ：Gain Bandwidth Product）と呼ばれ、アバランシェフォトダイオードの性能指標の１つである。例えば、電子注入型のアバランシェフォトダイオードにおける利得帯域幅積ＧＢＰは、以下の式（１）で表される。

なお、式（１）において、αは電子のイオン化率、βは正孔のイオン化率、ｖ_eは電子速度、ｖ_hは正孔速度、Ｌは増倍層厚、Ｎはイオン化率比に依存する定数である。

N.Susa et al. , "Characteristics in InGaAsAnP Avalanche Photodiodes with Separated Absorption and Multiplication Regions",IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, vol. QE-17, no.2, pp.243-50, 1981. S.L.Chuang, "Efficient band-structure calculation of strained quantum wells", Phys. Rev. B, vol.43, no.12, pp.9649-9661, 1991. Y.Muramoto and T.Ishibashi, "InP/InGaAs pin photodiode structure maximising bandwidth and efficiency", ELECTRONICS LETTERS, vol.39, no.24,2003.

ところで、光通信用のアバランシェフォトダイオードでは、増倍率を増加させた場合でも広帯域特性を保つことが重要となる。このため、より大きな利得帯域幅積を実現することが求められる。利得帯域幅積を大きくする方法の１つとして、式（１）から明らかなように、増倍層を薄くする方法が考えられる。

しかしながら、増倍層を薄くすると、空乏層幅が狭くなることで素子容量が増大し、ＣＲ時定数による帯域制限が大きくなった結果、素子帯域が低下するという問題がある。図９の破線に示すように、増倍層を薄くすると利得帯域幅積は増加するが、ＣＲ時定数によって全体的に帯域幅が抑制されるため、所望の増倍率での帯域幅が狭くなる。また、増倍層の薄層化に伴う素子容量増大を抑えるためには素子面積を小さくする方法もあるが、この場合、受光面が小さくなるため、光の結合が困難になるという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、増倍層の層厚を薄くしなくてもアバランシェフォトダイオードの利得を高くし、帯域を広くできるようにすることを目的とする。

本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、基板の上に形成された、ｎ型の半導体からなる第１半導体層、アンドープの半導体からなる増倍層、ｐ型の半導体からなる電界制御層、半導体からなる光吸収層、およびｐ型の半導体からなる第２半導体層からなる積層構造と、第２半導体層の上に形成された第１電極と、第１半導体層に形成された第２電極とを少なくとも備え、第１半導体層の側より、増倍層、電界制御層、光吸収層、および第２半導体層は、これらの順に配置され、光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層，増倍層，電界制御層，および第２半導体層は、光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層，電界制御層，および第２半導体層は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層は、第１半導体層および第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、増倍層の格子定数は、第１半導体層，電界制御層，光吸収層，および第２半導体層とは異なる。

上記アバランシェフォトダイオードにおいて、増倍層の格子緩和状態での格子定数は、第１半導体層，電界制御層，光吸収層，および第２半導体層より大きい状態であればよい。また、光吸収層の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型光吸収層を備え、ｐ型光吸収層は、光吸収層と同じ半導体から構成され、ｐ型光吸収層の不純物濃度は、動作電圧の印加により光吸収層が空乏化した状態でｐ型光吸収層の光吸収層との接続面のみが空乏化される範囲とされているようにしてもよい。

上記アバランシェフォトダイオードにおいて、増倍層の層厚は、臨界膜厚より小さい範囲とされている。

以上説明したように、本発明によれば、増倍層の格子緩和状態での格子定数を、第１半導体層，電界制御層，光吸収層，および第２半導体層とはことなるものとしたので、増倍層の層厚を薄くしなくてもアバランシェフォトダイオードの利得を高くし、帯域を広くできるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図３は、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓにおける格子歪みと価電子帯の関係とを示す説明図である。図４は、利得帯域幅の増倍層の層厚依存性を計算した結果を示す特性図である。図５は、実施の形態２のアバランシェフォトダイオードにおける増倍率Ｇと帯域幅Ｂとの関係を示す特性図である。図６は、本発明の実施３の形態におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図７は、本発明の実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図８は、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓのＩｎ組成ｘと臨界膜厚の関係を示す特性図である。図９は、増倍層を薄層化した場合のアバランシェフォトダイオードにおける増倍率Ｇと帯域幅Ｂとの関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施１の形態におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。このアバランシェフォトダイオードは、基板１０１の上に形成された、ｎ型の半導体からなる第１半導体層１０２、アンドープの半導体からなる増倍層１０３、ｐ型の半導体からなる電界制御層１０４、半導体からなる光吸収層１０５、およびｐ型の半導体からなる第２半導体層１０６からなる積層構造と、第２半導体層１０６の上に形成された第１電極と、第１半導体層１０２に形成された第２電極とを備える。

また、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードは、第１半導体層１０２の側より、増倍層１０３、電界制御層１０４、光吸収層１０５、および第２半導体層１０６は、これらの順に配置され、加えて、増倍層１０３の格子緩和状態での格子定数は、第１半導体層１０２，電界制御層１０４，光吸収層１０５，および第２半導体層１０６とは異なるものとされている。例えば、増倍層１０３の格子緩和状態での格子定数は、第１半導体層１０２，電界制御層１０４，光吸収層１０５，および第２半導体層１０６より大きいものとされていればよい。

ここで、光吸収層１０５は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層１０２，増倍層１０３，電界制御層１０４，および第２半導体層１０６は、光吸収層１０５を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層１０２，電界制御層１０４，および第２半導体層１０６は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層１０５は、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。

例えば、基板１０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層１０２は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰ（ｎ⁺−ＩｎＰ）から構成されていればよい。また、増倍層１０３は、アンドープのＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓから構成されていればよい。また、電界制御層１０４は、ｐ型のＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成されていればよい。また、光吸収層１０５は、アンドープのＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。光吸収層は、例えば、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓから構成すれば、１．５５μｍ帯光通信に対応させることができる。また、第２半導体層１０６は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰ）から構成されていればよい。

なお、増倍層１０３，電界制御層１０４，光吸収層１０５，および第２半導体層１０６は、所望とする形状にパターニングされ、例えば、よく知られたメサ構造とされている。例えば、増倍層１０３，電界制御層１０４，光吸収層１０５，および第２半導体層１０６は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。なお、図示していないが、第１電極１０７および第２電極１０８には、各々引き出し配線が接続され、電位が印加可能とされている。

また、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードは、所謂下面入射型であり、基板１０１の側より入射して光吸収層１０５を抜けてきた入射光は、第１電極１０７で反射し、再び光吸収層１０５に戻る。この構造の場合、光吸収層１０５と反射層を兼ねる第１電極１０７との間に、基板１０１のような各半導体層よりも非常に厚みのある物体が入らない。このため、たとえ第１電極１０７によって反射光が広がったとしても、光吸収層１０５に到達するまでの広がりは極わずかで済み、ほとんどの光は光吸収層１０５に再び戻っていく。このため、下面入射型とすることで、受光部を小さくしても光電変換効率の低下を抑えることが可能となる。

次に、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１上に、Ｓｉを不純物としてドーピングしたｎ型のＩｎＰ（第１半導体層１０２）、アンドープのＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓ（増倍層１０３）、ｐ型のＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ（電界制御層１０４）、アンドープのＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ（光吸収層１０５）、およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（第２半導体層１０６）をエピタキシャル成長により順次堆積する。これらは、よく知られたＭＯＶＰＥ法により形成すればよい。

次に、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層の上に、第１電極１０７を形成する。例えば、第１電極１０７となる領域に開口部を備えるレジストマスクパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法により、チタン層／白金層／金層の３層積層膜を形成する。この後、レジストマスクパターンを除去すれば、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層（第２半導体層１０６）にオーミック接続する第１電極１０７が形成できる。これは、所謂リフトオフ法と呼ばれる製造方法である。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（ウエットエッチング）により、上述したアンドープのＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓ、ｐ型のＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ、アンドープのＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ、およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層をパターニングし、所望の形状（メサ形状）とした増倍層１０３，電界制御層１０４，光吸収層１０５，第２半導体層１０６を形成する。この後、上記パターニングにより露出した第１半導体層１０２の上に、第２電極１０８を形成する。第２電極１０８は、チタン層／白金層／金層の３層構造とする。第１電極１０７と同様に、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法とにより第２電極１０８を形成すればよい。

次に、本実施の形態における増倍層１０３について、より詳細に説明する。増倍層１０３を構成するＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓは、Ｉｎ組成比ｘを０．５２以外の値（ｘ≠０．５２）とすれば、他の層に対して格子緩和状態での格子定数が異なる格子不整合の状態となる。Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成した電界制御層１０４および、ＩｎＧａＡｓより構成した光吸収層１０５は、ＩｎＰからなる基板１０１に格子整合している。これに対し、ｘ≠０．５２としたＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓからなる増倍層１０３は、基板１０１に対して格子不整合であり、この状態で基板１０１の上にエピタキシャル成長した増倍層１０３は、歪みが与えられた状態となる。また、ｘ＞０の範囲で、ｘの値を適宜に設定することで、増倍層１０３に対して任意の歪みを与えることができる。

前述したように、アバランシェフォトダイオードの性能の指標であるＧＢＰは、増倍層１０３内における電子ならびに正孔の走行時間によって支配されているが、一般的には、電子に比べ正孔の移動度は１桁以上小さく、正孔の移動度によってＧＢＰが制限されている。正孔の移動度は、正孔の状態密度有効質量に依存している。また、状態密度有効質量は、正孔の状態密度によって支配されている。

格子整合系の半導体材料においては、価電子帯の頂上付近では有効質量の大きい正孔のバンドと有効質量の小さいバンドが縮退している。このため、格子整合している状態の正孔の状態密度は、上述した両者の各々の状態密度を重複して計数することになり、非常に大きくなる。結果として、正孔の状態密度有効質量は大きくなり、正孔の移動度が小さくなり、輸送特性は劣化する。

上述した状態に対し、増倍層１０３に格子歪を与えることで、価電子帯の縮退を解くことができるようになり、いずれか片方のバンドの状態密度のみを正孔の輸送特性に寄与させることができる。これにより、正孔の状態密度有効質量が低減し、正孔の増倍層１０３内における輸送特性が向上するようになる。結果として、増倍層１０３内の正孔の走行時間を低減し、ＧＢＰを向上させることができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図２では、断面を模式的に示している。このアバランシェフォトダイオードは、基板２０１の上に形成された、ｎ型の半導体からなる第１半導体層２０２、アンドープの半導体からなる増倍層２０３、ｐ型の半導体からなる電界制御層２０４、半導体からなる光吸収層２０５、およびｐ型の半導体からなる第２半導体層２０６からなる積層構造と、第２半導体層２０６の上に形成された第１電極と、第１半導体層２０２に形成された第２電極とを備える。

また、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードは、第１半導体層２０２の側より、増倍層２０３、電界制御層２０４、光吸収層２０５、および第２半導体層２０６は、これらの順に配置されている。また、本実施の形態では、増倍層２０３の格子緩和状態での格子定数が、第１半導体層２０２，電界制御層２０４，光吸収層２０５，および第２半導体層２０６より大きいものとされている。

ここで、光吸収層２０５は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層２０２，増倍層２０３，電界制御層２０４，および第２半導体層２０６は、光吸収層２０５を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層２０２，電界制御層２０４，および第２半導体層２０６は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層２０５は、第１半導体層２０２および第２半導体層２０６よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。

例えば、基板２０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層２０２は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰ（ｎ⁺−ＩｎＰ）から構成されていればよい。また、増倍層２０３は、アンドープのＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓから構成されていればよい。また、電界制御層２０４は、ｐ型のＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成されていればよい。また、光吸収層２０５は、アンドープのＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。光吸収層は、例えば、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓから構成すれば、１．５５μｍ帯光通信に対応させることができる。また、第２半導体層２０６は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰ）から構成されていればよい。

上述した構成は、ほぼ前述した実施の形態１と同様である。本実施の形態では、増倍層２０３の格子緩和状態での格子定数を、他の層より大きいものとすることで、他の層と異なる状態としている。また、本実施の形態２では、増倍層２０３と第１半導体層２０２との間に配置されて不純物を導入することで形成されたｎ型領域２０９ａを備える第３半導体層２０９を備える。ｎ型領域２０９ａは、増倍層２０３の形成領域内に配置されて増倍層２０３より小さい面積に形成されている。第３半導体層２０９は、例えば、ＩｎＰから構成されていればよい。また、ｎ型領域２０９ａは、例えば、Ｓｉを不純物として導入することでｎ型とされていればよい。ｎ型領域２０９ａは、イオン注入法および拡散法により形成すればよい。本実施の形態では、第３半導体層２０９，増倍層２０３，電界制御層２０４，光吸収層２０５，および第２半導体層２０６が、所望とする形状にパターニングされ、例えば、よく知られたメサ構造とされている。なお、増倍層２０３の格子緩和状態での格子定数は、第３半導体層２０９よりも大きいものとされている。

本実施の形態２では、増倍層２０３の格子緩和状態での格子定数を他の層より大きい状態とし、増倍層２０３において、成長方向に対して格子に引張り歪みを与えるようにした。

一般的に、格子整合系の半導体材料においては、図３の（ｂ）に示すように、有効質量の大きい正孔バンド（ＨＨ）と有効質量の小さい正孔バンド（ＬＨ）とが縮退しているため、正孔の移動度は低く、電界中での正孔速度は小さい。これに対し、図３の（ａ）および（ｃ）に示すように、格子歪みを与えることで、有効質量の大きい正孔バンド（ＨＨ）と有効質量の小さい正孔バンド（ＬＨ）との縮退を解くことが可能となる。特に、図３の（ｃ）に示すように、正孔の走行方向に引張り歪みを与えることで、有効質量の小さい正孔バンド（ＬＨ）のエネルギー位置を、有効質量の大きい正孔バンド（ＨＨ）のエネルギー位置よりも上に配置することが可能となる(非特許文献２参照)。

実際には、増倍層２０３を構成するＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓのＩｎ組成比を、格子整合時（ｘ＝０．５２）よりも大きくし、この層を形成するときの成長方向に対して格子に引張り歪みを与える。これにより、増倍層２０３を走行する正孔は、選択的に有効質量の小さい正孔バンドを走行することになり、正孔の移動度および速度を向上させることが可能となる。この結果、本実施の形態によれば、増倍層２０３の層厚を薄くしなくても、アバランシェフォトダイオードの利得を高くし、帯域を広くできるようになる。

また、本実施の形態では、ｎ型領域２０９ａを増倍層２０３より小さい面積（電界閉じ込め構造）としたので、増倍層２０３にかかる電圧を面方向に対して狭く集中することができ、結果としてアバランシェフォトダイオードの動作に必要な電界、すなわちオン電圧Ｖ_onを小さくすることができる。

次に、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードにおける、増倍層２０３の層厚と利得帯域幅積（ＧＢＰ）との関係について説明する。図４は、利得帯域幅の増倍層の層厚依存性を計算した結果を示している。図４において、実線は、格子不整合とした増倍層２０３を用いた本実施の形態における特性であり、２点鎖線は、格子整合とした増倍層を用いた場合の特性である。なお、実線では、格子不整合により格子歪みを加えた結果、正孔の移動度が２倍になったと仮定したときの増倍層２０３の層厚に対する利得帯域幅積の依存性を示している。

図４からも明らかなように、同じ増倍層厚としても、格子不整合として歪みを加えて正孔速度を向上させることで、利得帯域幅積が向上することがわかる。

次に、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードにおける、増倍率に対する帯域幅の変化について図５を用いて説明する。図５は、増倍率Ｇと帯域幅Ｂとの関係を示している。本実施の形態では、正孔の速度向上で利得帯域幅積（ＧＢＰ）を増大させるため、ＣＲ時定数に伴う帯域制限は変わらず、広い帯域幅を保った状態で大きな増倍率が得られることがわかる。

以上に説明したように、成長方向に引張り歪みを加えた増倍層を用いることで、増倍層を薄層化することなく利得帯域幅積の増大が達成され、高利得・広帯域なアバランシェフォトダイオードが実現できる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図６は、本発明の実施３の形態におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。このアバランシェフォトダイオードは、基板６０１の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層６０２と、第１半導体層６０２の上に形成されたアンドープの半導体からなる増倍層６０３と、増倍層６０３の上に形成されたｐ型の半導体からなる電界制御層６０４とを備える。

また、このアバランシェフォトダイオードは、電界制御層６０４の上に形成されたアンドープの半導体からなる光吸収層６０５と、光吸収層６０５の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型光吸収層６１０と、ｐ型光吸収層６１０の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層６０６と、第２半導体層６０６の上の周辺部に接して形成された第１電極６０７と、第１半導体層６０２に形成された第２電極６０８とを備える。

また、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードは、第１半導体層６０２の側より、増倍層６０３、電界制御層６０４、光吸収層６０５、ｐ型光吸収層６１０、および第２半導体層６０６は、これらの順に配置されている。また、増倍層６０３の格子緩和状態での格子定数は、例えば、第１半導体層６０２，電界制御層６０４，光吸収層６０５，ｐ型光吸収層６１０，および第２半導体層６０６より大きいものとされている。

ここで、光吸収層６０５およびｐ型光吸収層６１０は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層６０２，増倍層６０３，電界制御層６０４，および第２半導体層６０６は、光吸収層６０５を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成されている。また、第１半導体層６０２，電界制御層６０４，ｐ型光吸収層６１０，および第２半導体層６０６は、不純物を導入することで各々の導電型とされている。なお、光吸収層６０５は、アンドープの状態に限らず、第１半導体層６０２，ｐ型光吸収層６１０，および第２半導体層６０６よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。

例えば、基板６０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層６０２は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰ（ｎ⁺−ＩｎＰ）から構成されていればよい。また、増倍層６０３は、アンドープのＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓから構成されていればよい。また、電界制御層６０４は、ｐ型のＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓから構成されていればよい。また、光吸収層６０５は、アンドープのＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。また、ｐ型光吸収層６１０は、ｐ型のＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。これら光吸収層は、例えば、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓから構成すれば、１．５５μｍ帯光通信に対応させることができる。また、第２半導体層６０６は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰ）から構成されていればよい。

なお、増倍層６０３，電界制御層６０４，光吸収層６０５，ｐ型光吸収層６１０，および第２半導体層６０６は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第１半導体層６０２は露出し、この露出領域に第２電極６０８が形成されている。例えば、増倍層６０３，電界制御層６０４，光吸収層６０５，ｐ型光吸収層６１０，および第２半導体層６０６は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。なお、図示していないが、第１電極６０７および第２電極６０８には、各々引き出し配線が接続され、電位が印加可能とされている。

本実施の形態では、前述した実施の形態に対し、ｐ型光吸収層６１０を追加しているところに特徴がある。ｐ型光吸収層６１０は、アバランシェフォトダイオードを動作させるために電圧を印加してアンドープのＩｎＧａＡｓからなる光吸収層６０５を空乏化した場合でも、光吸収層６０５との界面を除くｐ型光吸収層６１０の全領域が空乏化されないよう、印加電圧と層厚に応じたドーピング濃度分布（不純物濃度）とする。例えば、ｐ型光吸収層６１０の不純物濃度は、動作電圧の印加により光吸収層６０５が空乏化したときに、ｐ型光吸収層６１０では光吸収層６０５との接続面（界面）のみが空乏化される程度の範囲とされていればよい。

本実施の形態では、光吸収は、光吸収層６０５およびｐ型光吸収層６１０の両方において生じ、かつ生じたキャリアの輸送機構は独立である。このため、アバランシェフォトダイオードそのものの特徴から、量子効率を高めるために光吸収層の層厚（アンドープ光吸収層６０５とｐ型光吸収層６１０とを合わせた層厚）を厚くしても、各々の層厚の比を最適化することで高速応答が可能である（非特許文献３参照）。

例えば、アンドープの光吸収層６０５の層厚を０．４μｍ、ｐ型光吸収層６１０の層厚を０．４μｍとする。これにより、光吸収層の全体の層厚は０．８μｍとなる。この層厚において、帯域幅は、利得帯域幅積の制限よりも低い増倍率において４０ＧＨｚに達することが可能である。また、本実施の形態では、光を基板６０１の裏面から入射し、素子上面（第１電極６０７）で反射させる形態をとっているが、光の結合効率を１００％、上面での反射率を９５％以上と仮定すると、増倍率が１とした場合の受光感度は、０．８Ａ／Ｗ以上になる。

本実施の形態で示すような増倍層６０３に電子を注入するアバランシェフォトダイオードでは、増倍率の低い状態での素子帯域を支配するのは光吸収層におけるキャリアの走行時間になる。従って、格子緩和状態での格子定数を他の層より大きいものとするなどのことにより増倍層６０３に歪みを導入し、加えて、上述した２つの光吸収層により素子帯域を広帯域化することで、さらに高利得・広帯域なアバランシェフォトダイオードが実現できる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図７は、本発明の実施の形態４におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。図７では、断面を模式的に示している。このアバランシェフォトダイオードは、基板２０１の上に形成された、ｎ型の半導体からなる第１半導体層２０２、アンドープの半導体からなる増倍層７０３、ｐ型の半導体からなる電界制御層２０４、半導体からなる光吸収層２０５、およびｐ型の半導体からなる第２半導体層２０６からなる積層構造と、第２半導体層２０６の上に形成された第１電極と、第１半導体層２０２に形成された第２電極とを備える。

また、このアバランシェフォトダイオードは、増倍層７０３と第１半導体層２０２との間に配置されて不純物を導入することで形成されたｎ型領域２０９ａを備える第３半導体層２０９を備える。また、第１半導体層２０２の側より、増倍層７０３、電界制御層２０４、光吸収層２０５、および第２半導体層２０６は、これらの順に配置されている。また、増倍層７０３の格子緩和状態での格子定数は、第１半導体層２０２，電界制御層２０４，光吸収層２０５，および第２半導体層２０６とは異なるものとされている。例えば、増倍層７０３の格子緩和状態での格子定数は、第１半導体層２０２，電界制御層２０４，光吸収層２０５，および第２半導体層２０６より大きいものとされていればよい。

本実施の形態では、層厚を最適化した増倍層７０３を用いているところに特徴があり、他の構成は、前述した実施の形態２と同様である。なお、増倍層７０３は、増倍層２０３と同様に、アンドープのＩｎ_xＡｌ_1-xＡｓから構成されていればよい。本実施の形態では、増倍層７０３の層厚を、Ｉｎ組成比ｘに応じて臨界膜厚よりも小さい範囲としたところに特徴がある。臨界膜厚は、図８に示すように、Ｉｎ組成比ｘに応じて変化する。

前述した実施の形態で説明したように、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓからなる増倍層のＩｎ組成比を変化させて他の層とは格子緩和状態での格子定数が異なる状態として増倍層に歪みを導入すれば、アバランシェフォトダイオードの特性を向上させることが可能となる。ここで、歪みを導入した層がある膜厚を越えると、歪みの持つ内部エネルギーを緩和するためにミスフィット転位を生ずる。この転位が生じる膜厚を臨界膜厚と呼ぶ。転位が生じると、転位発生箇所の上下の半導体層の結晶性にも影響し、リーク電流が増大し、アバランシェブレークダウン電圧が不安定となり、素子特性の信頼性に影響する。

従って、増倍層７０３の層厚を、図８に示した臨界膜厚以下とすることで、上述したような素子の信頼性低下を招くミスフィット転位の発生が抑制でき、高利得・広帯域でかつ信頼性の高いアバランシェフォトダイオードが作製できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓより増倍層を構成した例を用いて説明したが、これに限るものではない。例えば、増倍層は、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，Ｓｉ，およびＳｉＧｅなどの他の半導体材料で構成してもよい。また、増倍層は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓなどの超格子構造としてもよい。

また、上述では、電界閉じ込め構造をイオン注入法によるＳｉドーピングにより作製したが、この限りではなく、例えば選択拡散や所謂ガードリング構造を採用してもよい。また、素子最上層の第２半導体層（電極コンタクト層）の外周を、下層（光吸収層）の外周以下にすることによる電界閉じ込め構造でもよい。

また、上述した実施の形態では、各層の形成に有機金属気相成長法を用いたが、分子線エピタキシー法などの他の結晶成長方法を用いてもよい。また、上述した実施の形態では、下面入射型を例に説明したが、これに限るものではなく、基板の反対側より光が入射する構成としてもよいことはいうまでもない。

また、上述した実施の形態では、基板の側にｎ型の半導体からなる第１半導体層が配置される場合について説明したが、これに限るものではなく、基板の側にｐ型の半導体からなる第２半導体層が配置されるようにしてもよい。この場合、基板の側より、第２半導体層、光吸収層、電界制御層、増倍層、および第１半導体層が、これらの順に積層されることになる。いずれにしても、第１半導体層の側より、増倍層、電界制御層、光吸収層、および第２半導体層が、これらの順に配置されていればよい。

なお、基板の側にｐ型の半導体からなる第２半導体層が配置される場合、第１半導体層を、増倍層の形成領域内に配置されて増倍層より小さい面積に形成することで、増倍層にかかる電圧を面方向に対して狭く集中することができ、ｎ型領域を備える第３半導体層の構成を設ける構成と同様の効果が得られる。

本発明のアバランシェフォトダイオードは、従来のアバランシェフォトダイオードと異なり、増倍層を格子不整合系の材料で構成し、増倍層を他の格子整合系の材料と比較して格子定数の大きな材料で構成することで、成長方向に引張り歪みを導入し、正孔の移動度を高めることで、高利得・広帯域なアバランシェフォトダイオードを提供するものである。さらに、光吸収層を、アンドープ光吸収層とｐ型の光吸収層とより構成することで、さらなる広帯域化がが可能になる。また歪みの導入された増倍層の層厚を、臨界膜厚以下に設定することで、高信頼性も兼ね備えたアバランシェフォトダイオードを提供する。

１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…増倍層、１０４…電界制御層、１０５…光吸収層、１０６…第２半導体層、１０７…第１電極、１０８…第２電極。

Claims

基板の上に形成された、ｎ型の半導体からなる第１半導体層、アンドープの半導体からなる増倍層、ｐ型の半導体からなる電界制御層、半導体からなる光吸収層、およびｐ型の半導体からなる第２半導体層からなる積層構造と、
前記第２半導体層の上に形成された第１電極と、
前記第１半導体層に形成された第２電極と
を少なくとも備え、
前記第１半導体層の側より、前記増倍層、前記電界制御層、前記光吸収層、および前記第２半導体層は、これらの順に配置され、
前記光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、
前記第１半導体層，増倍層，電界制御層，および前記第２半導体層は、前記光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、
前記第１半導体層，電界制御層，および前記第２半導体層は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、
前記光吸収層は、前記第１半導体層および前記第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、
前記増倍層の格子緩和状態での格子定数は、前記第１半導体層，前記電界制御層，前記光吸収層，および前記第２半導体層とは異なり、
前記増倍層の層厚は、臨界膜厚より小さい範囲とされている
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
請求項１記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記増倍層の格子緩和状態での格子定数は、前記第１半導体層，前記電界制御層，前記光吸収層，および前記第２半導体層より大きいことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
請求項１または２記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記光吸収層の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型光吸収層を備え、
前記ｐ型光吸収層は、前記光吸収層と同じ半導体から構成され、
前記ｐ型光吸収層の不純物濃度は、動作電圧の印加により前記光吸収層が空乏化した状態で前記ｐ型光吸収層の前記光吸収層との接続面のみが空乏化される範囲とされている
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。