JP5992867B2 - アバランシェフォトダイオード - Google Patents

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。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、光吸収で発生したキャリアの数をなだれ増倍機構により増幅することで、ノイズの低い光レシーバとして用いるデバイスである。最近の長波長帯のアバランシェフォトダイオードは、光吸収層となだれアバランシェ層（増倍層）とを分離した、ＳＡＭ（Separeted Absorption and Multiplication）構造が一般的である。

上述したように、アバランシェフォトダイオードの最大の特徴は、一般的なＰＩＮ−フォトダイオードと比較して高い受信感度を得ることである。しかし、アバランシェフォトダイオードを実際の光通信に用いる際には、最小受信感度とともに、最大受信感度と呼ばれるパラメーターも極めて重要である。実際の光通信では、通信方式や通信距離に依存して、−２０ｄＢｍ以下の極めて微弱な信号光から、０ｄＢｍ以上の強い信号光も入射される場合があるためである。

一般的にアバランシェフォトダイオードは、一定の光強度に対しても、増倍作用により高い電流値が得られるため、一般的なＰＩＮ−フォトダイオードと比較して強い光に対する耐性が低い。このため、微小な信号光を受光する際には、アバランシェフォトダイオードのバイアス電圧を高く設定することにより、アバランシェフォトダイオードの増倍作用を大きくし、また強い信号光を受ける際には、アバランシェフォトダイオードのバイアス電圧を低く設定し、増倍率を下げて使用することが必要である。

E. Ishimura et al.,"Degradation Mode Analysis on Highly Reliable Guardring-Free Planar InAlAs Avalanche Photodiodes",JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol.25, no.12, pp.3683-3693, 2007. Y. Hirota, Y. Muramoto, T. Takeshita, T. Ito, H. Ito, S. Ando and T. Ishibashi, "Reliable non-Zn-diffused InP=InGaAs avalanche photodiode with buried n-InP layer operated by electron injection mode", ELECTRONICS LETTERS 14th, vol.40, no.21, 2004. Masahiro Nada, Yoshifumi Muramoto, Haruki Yokoyama, Naoteru Shigekawa, Tadao Ishibashi, and Satoshi Kodama, "Inverted InAlAs/InGaAs Avalanche Photodiode with Low.High.Low Electric Field Profile",Japanese Journal of Applied Physics, vol.51,02BG03, 2012. Y. Muramoto and T. Ishibashi, "InP=InGaAs pin photodiode structure maximising bandwidth and efficiency", ELECTRONICS LETTERS 27th, vol.39, no.24, 2003.

しかし、アバランシェフォトダイオードにおいては、高い増倍動作の際にも、ＩｎＧａＡｓなどから構成している光吸収層において、アバランシェブレークダウンあるいはツェナーブレークダウンが生じず、アバランシェ層でのみブレークダウンが生じるように、光吸収層とアバランシェ層の間に電界制御層を設け、両者の電界強度を最適化している。このため、アバランシェフォトダイオードは、バイアス印加時から数Ｖまでは、光電流が検出されない。光電流が検出され始める電圧値をオン電圧と呼ぶ。

オン電圧は一般的に、光吸収層に電界がかかり始める電圧であるが、この時にはすでにアバランシェ層には一定の電界強度が生じている。従って、オン電圧時にはすでに一定の増倍率に達している。

更に、光吸収層として一般的に用いられるＩｎＧａＡｓと、アバランシェ層として一般に用いられるＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＰなどの間には、バンドギャップの差に伴うバンドオフセットが存在している。このため、オン電圧においても、高周波光信号によって生み出された電気信号は、上述したバンドオフセットに阻害され、高周波の電気信号としては取り出すことができない。高周波電気信号として取り出すことのできる電圧は、オン電圧より更に数Ｖ高いところにあり、従って増倍率もより高い状態になっている。

このように、アバランシェフォトダイオードにおいてより高い最大受信感度を得るためには、いかに低い増倍率で高周波の電気信号を取り出すことができるかが重要になる。

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、より低い増倍率で高周波の電気信号が取り出せ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、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１コンタクト層と、第１コンタクト層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるアンドープのアバランシェ層と、アバランシェ層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第２導電型の複数の電界制御層と、複数の電界制御層のうち第１コンタクト層と反対に位置する電界制御層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層と、光吸収層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２コンタクト層とを備え、複数の電界制御層の各バンドギャップエネルギーは、光吸収層のバンドギャップエネルギー以上で、アバランシェ層のバンドギャップエネルギー以下とされ、複数の電界制御層は、光吸収層に近いほどより小さいバンドギャップエネルギーを有する。

上記アバランシェフォトダイオードにおいて、隣り合う電界制御層の間に形成されて隣接する２つの電界制御層の間のバンドギャップエネルギーとされたアンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるバンド連続層を備える。また、バンド連続層は、層厚方向に連続的にバンドギャップエネルギーが変化しているようにすればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、より低い増倍率で高周波の電気信号が取り出せ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１におけるアバランシェフォトダイオードの各層の積層方向のバンドギャップエネルギーの変化を示すバンド図である。 図３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４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各層の積層方向のバンドギャップエネルギーの変化を示すバンド図である。 図５は、本発明の実施の形態３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６は、本発明の実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードの各層の積層方向のバンドギャップエネルギーの変化を示すバンド図である。

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、図１，図２を用いて説明する。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１では、断面を模式的に示している。また、図２は、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各層の積層方向のバンドギャップエネルギーの変化を示すバンド図である。

このアバランシェフォトダイオードは、まず、基板１０１の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１コンタクト層１０２と、第１コンタクト層１０２の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるアンドープのアバランシェ層１０３とを備える。

また、アバランシェ層１０３の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第２導電型の複数の電界制御層と、複数の電界制御層のうち第１コンタクト層１０２と反対に位置する電界制御層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層１０６とを備える。実施の形態１では、第１電界制御層１０４および第２電界制御層１０５を備える場合を例に説明する。従って、光吸収層１０６は、第２電界制御層１０５の上に形成されている。

また、実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードは、光吸収層１０６の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２コンタクト層１０７を備える。また、実施の形態１では、第１電界制御層１０４と第２電界制御層１０５との間に、バンド連続層１０８を備える。

実施の形態１では、基板１０１の上に、第１コンタクト層１０２，アバランシェ層１０３，第１電界制御層１０４，バンド連続層１０８，第２電界制御層１０５，光吸収層１０６，および第２コンタクト層１０７が、これらの順に積層されている。なお、第２コンタクト層１０７には第１電極１１１が接続し、第１コンタクト層１０２には第２電極１１２が接続している。

なお、複数の電界制御層の各バンドギャップエネルギーは、光吸収層以上のバンドギャップエネルギー以上で、アバランシェ層１０３のバンドギャップエネルギー以下となっていることが重要である。ここで、複数の電界制御層（第１電界制御層１０４，第２電界制御層１０５）は、光吸収層１０６に近いほどより小さいバンドギャップエネルギーを有する。実施の形態１では、第１電界制御層１０４より第２電界制御層１０５の方が小さいバンドギャップエネルギーとされている。

ここで、第１電界制御層１０４は、アバランシェ層１０３の側に配置されており、アバランシェ層１０３に近い（と同じ）バンドギャップエネルギーであるとよい。同様に、第２電界制御層１０５は、光吸収層１０６の側に配置されており、光吸収層１０６に近い（と同じ）バンドギャップエネルギーであるとよい。

また、バンド連続層１０８は、隣接する第１電界制御層１０４と第２電界制御層１０５との間のバンドギャップエネルギーとされている。ここで、第１電界制御層１０４と第２電界制御層１０５とのバンドギャップエネルギーの差があまり大きくない場合、バンド連続層１０８は用いなくてもよい。なお、実施の形態１では、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である。

例えば、基板１０１は、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１コンタクト層１０２は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰから構成されていればよい。また、アバランシェ層１０３は、アンドープのＩｎＡｌＡｓから構成されていればよい。ＩｎＡｌＡｓは、電子イオン化率が正孔イオン化率より高い材料である。

また、第１電界制御層１０４は、ｐ型のＩｎＡｌＡｓから構成されていればよい。また、バンド連続層１０８は、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶとなる組成のＩｎＡｌＧａＡｓから構成されていればよい。また、第２電界制御層１０５は、ｐ型のＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。

また、光吸収層１０７は、ＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、第２コンタクト層１０７は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓから構成されていればよい。

なお、アバランシェ層１０３，第１電界制御層１０４，バンド連続層１０８，第２電界制御層１０５，光吸収層１０７，および第２コンタクト層１０７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、アバランシェ層１０３，第１電界制御層１０４，バンド連続層１０８，第２電界制御層１０５，光吸収層１０７，および第２コンタクト層１０７は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。また、メサの側面（側壁）は、窒化シリコンなどのパッシベーション膜（不図示）で保護されている。なお、図示していないが、第１電極１１１および第２電極１１２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。

ここで、実施の形態１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の側より入射した光が光吸収層１０７で吸収される構成となっている。

次に、上述した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、ｎ型のＩｎＰ（第１コンタクト層１０２）、アンドープのＩｎＡｌＡｓ（アバランシェ層１０３）、ｐ型のＩｎＡｌＡｓ（第１電界制御層１０４）、アンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ（バンド連続層１０８）、ｐ型のＩｎＧａＡｓ（第２電界制御層１０５）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層１０７）、およびｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓ（第２コンタクト層１０７）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ＩｎＡｌＧａＡｓの層の上に、第１電極１１１を形成する。例えば、第１電極１１１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コンタクト層１０７）にオーミック接続する第１電極１１１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、アンドープのＩｎＡｌＡｓ，ｐ型のＩｎＡｌＡｓ，アンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ，ｐ型のＩｎＧａＡｓ，アンドープのＩｎＧａＡｓ，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）としたアバランシェ層１０３，第１電界制御層１０４，バンド連続層１０８，第２電界制御層１０５，光吸収層１０７，および第２コンタクト層１０７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コンタクト層１０２の上に、第２電極１１２を形成する。第２電極１１２は、チタン層／白金層／金層の３層構造とする。第１電極１１１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１１２を形成すればよい。

次に、実施の形態１のアバランシェフォトダイオードの動作について、図２のバンド図を用いて説明する。まず、前述したように、実施の形態１のアバランシェフォトダイオードは、アバランシェ層１０３を電子イオン化率が正孔イオン化率より高いＩｎＡｌＡｓから構成した、電子注入型のアバランシェフォトダイオードである。

このため、アバランシェフォトダイオードへ電圧を印加するに従って、アバランシェ層１０３での電界強度が高くなるとともに、まず、第１電界制御層１０４の空乏化が進行する。次いで、第１電界制御層１０４の空乏化が完了した時点で、バンド連続層１０８における電界強度が高くなるとともに、第２電界制御層１０５の空乏化が進行する。この後、最終的に第２電界制御層１０５の空乏化が完了した時点で、光吸収層１０７に電界がかかり始め、この時の電圧がオン電圧となる。

ここで、図２の（ｂ）に示すように、オン電圧時点ではすでに第２電界制御層１０５，バンド連続層１０８，および第１電界制御層１０４における電界強度は十分高く、光吸収層１０７から注入される光電子は，第２電界制御層１０５〜アバランシェ層１０３までの伝導帯バンドオフセットの影響を受けにくい。従って、実施の形態１によれば、電子注入型のアバランシェフォトダイオードにおいて、オン電圧から高周波電気信号を取り出すことのできる電圧までの差を小さくすることができ、低い増倍率での高周波動作を可能にする。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図３，図４を用いて説明する。図３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では、断面を模式的に示している。また、図４は、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各層の積層方向のバンドギャップエネルギーの変化を示すバンド図である。

このアバランシェフォトダイオードは、まず、基板２０１を備える。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１コンタクト層２０２を備える。また、第１コンタクト層２０２の側から基板２０１の側に向かって、第１コンタクト層２０２の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるアンドープのアバランシェ層２０３と、アバランシェ層２０３の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第２導電型の複数の電界制御層とを備える。

また、複数の電界制御層のうち第１コンタクト層２０２と反対に位置する電界制御層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層２０６を備える。実施の形態２では、第１電界制御層２０４および第２電界制御層２０５を備える場合を例に説明する。従って、光吸収層２０６は、第２電界制御層２０５の上に形成されている。

また、実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードは、光吸収層２０６の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２コンタクト層２０７を備える。また、実施の形態２では、第１電界制御層２０４と第２電界制御層２０５との間に、バンド連続層２０８を備える。

実施の形態２では、基板２０１の上に、第２コンタクト層２０７，光吸収層２０７，第２電界制御層２０５，バンド連続層２０８，第１電界制御層２０４，アバランシェ層２０３，および第１コンタクト層２０２が、これらの順に積層されている。なお、第２コンタクト層２０７には第１電極２１１が接続し、第１コンタクト層２０２には第２電極２１２が接続している。

なお、複数の電界制御層の各バンドギャップエネルギーは、光吸収層以上のバンドギャップエネルギー以上で、アバランシェ層２０３のバンドギャップエネルギー以下となっていることが重要である。ここで、複数の電界制御層（第１電界制御層２０４，第２電界制御層２０５）は、光吸収層２０６に近いほどより小さいバンドギャップエネルギーを有する。実施の形態２では、第１電界制御層２０４より第２電界制御層２０５の方が小さいバンドギャップエネルギーとされている。

ここで、第１電界制御層２０４は、アバランシェ層２０３の側に配置されており、アバランシェ層２０３に近い（と同じ）バンドギャップエネルギーであるとよい。同様に、第２電界制御層２０５は、光吸収層２０７の側に配置されており、光吸収層２０７に近い（と同じ）バンドギャップエネルギーであるとよい。

また、バンド連続層２０８は、隣接する第１電界制御層２０４と第２電界制御層２０５との間のバンドギャップエネルギーとされている。ここで、第１電界制御層２０４と第２電界制御層２０５とのバンドギャップエネルギーの差があまり大きくない場合、バンド連続層２０８は用いなくてもよい。なお、実施の形態２では、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である。

例えば、基板２０１は、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第２コンタクト層２０７は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰから構成されていればよい。また、光吸収層２０６は、ＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。

また、第２電界制御層２０５は、ｎ型のＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、バンド連続層２０８は、バンドギャップエネルギーが１．０ｅＶとなる組成のＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。また、第１電界制御層２０４は、ｎ型のＩｎＰから構成されていればよい。また、アバランシェ層２０３は、アンドープのＩｎＰから構成されていればよい。ＩｎＰは、正孔イオン化率が電子イオン化率より高い材料である。また、第２コンタクト層２０７は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓから構成されていればよい。

なお、第２コンタクト層２０７，光吸収層２０６，第２電界制御層２０５，バンド連続層２０８，第１電界制御層２０４，アバランシェ層２０３，および第１コンタクト層２０２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、第２コンタクト層２０７，光吸収層２０６，第２電界制御層２０５，バンド連続層２０８，第１電界制御層２０４，アバランシェ層２０３，および第１コンタクト層２０２は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。また、メサの側面（側壁）は、窒化シリコンなどパッシベーション膜（不図示）で保護されている。なお、図示していないが、第１電極２１１および第２電極２１２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。

次に、上述した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２０１上に、ｎ型のＩｎＰ（第２コンタクト層２０７）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層２０６）、ｎ型のＩｎＧａＡｓ（第２電界制御層２０５）、ＩｎＧａＡｓＰ（バンド連続層２０８）、ｎ型のＩｎＰ（第１電界制御層２０４）、アンドープのＩｎＰ（アバランシェ層２０３）、およびｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓ（第２コンタクト層２０７）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ＩｎＡｌＧａＡｓの層の上に、例えばリング状の第２電極２１２を形成する。例えば、第２電極２１２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ＩｎＡｌＧａＡｓの層（第２コンタクト層２０７）にオーミック接続する第２電極２１２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、ｎ型のＩｎＰ，アンドープのＩｎＧａＡｓ，ｎ型のＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ｎ型のＩｎＰ，アンドープのＩｎＰ，およびｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓの層をパターニングし、所望の形状（メサ形状）とした、第２コンタクト層２０７，光吸収層２０６，第２電界制御層２０５，バンド連続層２０８，第１電界制御層２０４，アバランシェ層２０３，および第１コンタクト層２０２を形成する。

この後、上記パターニングにより露出した第２コンタクト層２０７の上に、第１電極１１１を形成する。第１電極１１１は、チタン層／白金層／金層の３層構造とする。第１電極２１１と同様に、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法とにより第１電極１１１を形成すればよい。

次に、実施の形態２のアバランシェフォトダイオードの動作について、図４のバンド図を用いて説明する。まず、前述したように、実施の形態２のアバランシェフォトダイオードは、アバランシェ層２０３を正孔イオン化率が電子イオン化率より高いＩｎＡｌＡｓから構成した、正孔注入型のアバランシェフォトダイオードである。

このため、アバランシェフォトダイオードへ電圧を印加するに従って、アバランシェ層２０３での電界強度が高くなるとともに、まず、第１電界制御層２０４の空乏化が進行する。次いで、第１電界制御層２０４の空乏化が完了した時点で、バンド連続層２０８における電界強度が高くなるとともに、第２電界制御層２０５の空乏化が進行する。この後、最終的に第２電界制御層２０５の空乏化が完了した時点で、光吸収層２０６に電界がかかり始め、この時の電圧がオン電圧となる。

ここで、図４の（ｂ）に示すように、オン電圧時点ではすでに第２電界制御層２０５，バンド連続層２０８，および第１電界制御層２０４における電界強度は十分高く、光吸収層２０６から注入される光正孔は第２電界制御層２０５〜アバランシェ層２７までの価電子帯バンドオフセットの影響を受けにくい。従って、実施の形態２によれば、正孔注入型のアバランシェフォトダイオードにおいて、オン電圧から高周波電気信号を取り出すことのできる電圧までの差を小さくすることができ、低い増倍率での高周波動作を可能にする。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図５，図６を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３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５では、断面を模式的に示している。また、図６は、実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードの各層の積層方向のバンドギャップエネルギーの変化を示すバンド図である。

このアバランシェフォトダイオードは、まず、基板３０１の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１コンタクト層３０２と、第１コンタクト層３０２の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるアンドープのアバランシェ層３０３とを備える。

また、アバランシェ層３０３の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第２導電型の複数の電界制御層と、複数の電界制御層のうち第１コンタクト層３０２と反対に位置する電界制御層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層３０６とを備える。実施の形態３では、第１電界制御層３０４および第２電界制御層３０５を備える場合を例に説明する。従って、光吸収層３０６は、第２電界制御層３０５の上に形成されている。

また、実施の形態３におけるアバランシェフォトダイオードは、光吸収層３０６の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２コンタクト層３０７を備える。また、実施の形態３では、第１電界制御層３０４と第２電界制御層３０５との間に、バンド連続層３０８を備える。

実施の形態３では、基板３０１の上に、第１コンタクト層３０２，アバランシェ層３０３，第１電界制御層３０４，バンド連続層３０８，第２電界制御層３０５，光吸収層３０７，および第２コンタクト層３０７が、これらの順に積層されている。なお、第２コンタクト層３０７には第１電極３１１が接続し、第１コンタクト層３０２には第２電極３１２が接続している。

なお、複数の電界制御層の各バンドギャップエネルギーは、光吸収層以上のバンドギャップエネルギー以上で、アバランシェ層３０３のバンドギャップエネルギー以下となっていることが重要である。ここで、複数の電界制御層（第１電界制御層３０４，第２電界制御層３０５）は、光吸収層３０６に近いほどより小さいバンドギャップエネルギーを有する。実施の形態３では、第１電界制御層３０４より第２電界制御層３０５の方が小さいバンドギャップエネルギーとされている。

ここで、第１電界制御層３０４は、アバランシェ層３０３の側に配置されており、アバランシェ層３０３に近い（と同じ）バンドギャップエネルギーであるとよい。同様に、第２電界制御層３０５は、光吸収層３０７の側に配置されており、光吸収層３０７に近い（と同じ）バンドギャップエネルギーであるとよい。

また、バンド連続層３０８は、隣接する第１電界制御層３０４と第２電界制御層３０５との間のバンドギャップエネルギーとされ、加えて、層厚方向に連続的にバンドギャップエネルギーが変化している。バンド連続層３０８は、光吸収層３０６（第２電界制御層３０５）のバンドギャップエネルギーからアバランシェ層３０３（第１電界制御層３０４）のバンドギャップエネルギーにかけて、バンドギャップエネルギーが連続的に変化している。なお、実施の形態３では、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である。

例えば、基板３０１は、鉄をドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１コンタクト層３０２は、高濃度に不純物が導入されたｎ型のＩｎＰから構成されていればよい。また、アバランシェ層３０３は、アンドープのＩｎＡｌＡｓから構成されていればよい。ＩｎＡｌＡｓは、電子イオン化率が正孔イオン化率より高い材料である。

また、第１電界制御層３０４は、ｐ型のＩｎＡｌＡｓから構成されていればよい。また、バンド連続層３０８は、ｘが、基板３０１の側から光吸収層３０６の側にかけて１から０に連続的に変化する組成のＩｎＡｌ_xＧａ_1-xＡｓから構成されていればよい。また、第２電界制御層３０５は、ｐ型のＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。

また、光吸収層３０６は、ＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、第２コンタクト層３０７は、高濃度に不純物が導入されたｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓから構成されていればよい。

なお、アバランシェ層３０３，第１電界制御層３０４，バンド連続層３０８，第２電界制御層３０５，光吸収層３０６，および第２コンタクト層３０７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、アバランシェ層３０３，第１電界制御層３０４，バンド連続層３０８，第２電界制御層３０５，光吸収層３０６，および第２コンタクト層３０７は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。また、メサの側面（側壁）は、窒化シリコンなどパッシベーション膜（不図示）で保護されている。なお、図示していないが、第１電極３１１および第２電極３１２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。

ここで、実施の形態３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３０１の側より入射した光が光吸収層３０６で吸収される構成となっている。

次に、上述した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３０１上に、ｎ型のＩｎＰ（第１コンタクト層３０２）、アンドープのＩｎＡｌＡｓ（アバランシェ層３０３）、ｐ型のＩｎＡｌＡｓ（第１電界制御層３０４）、アンドープのＩｎＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（バンド連続層３０８）、ｐ型のＩｎＧａＡｓ（第２電界制御層３０５）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層３０６）、およびｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓ（第２コンタクト層３０７）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ＩｎＡｌＧａＡｓの層の上に、第１電極３１１を形成する。例えば、第１電極３１１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コンタクト層３０７）にオーミック接続する第１電極３１１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、アンドープのＩｎＡｌＡｓ，ｐ型のＩｎＡｌＡｓ，アンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ，ｐ型のＩｎＧａＡｓ，アンドープのＩｎＧａＡｓ，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）としたアバランシェ層３０３，第１電界制御層３０４，バンド連続層３０８，第２電界制御層３０５，光吸収層３０６，および第２コンタクト層３０７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コンタクト層３０２の上に、第２電極３１２を形成する。第２電極３１２は、チタン層／白金層／金層の３層構造とする。第１電極３１１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３１２を形成すればよい。

次に、実施の形態３のアバランシェフォトダイオードの動作について、図６のバンド図を用いて説明する。まず、前述したように、実施の形態３のアバランシェフォトダイオードは、アバランシェ層３０３を電子イオン化率が正孔イオン化率より高いＩｎＡｌＡｓから構成した、電子注入型のアバランシェフォトダイオードである。

このため、アバランシェフォトダイオードへ電圧を印加するに従って、アバランシェ層３０３での電界強度が高くなるとともに、まず、第１電界制御層３０４の空乏化が進行する。次いで、第１電界制御層３０４の空乏化が完了した時点で、バンド連続層３０８における電界強度が高くなるとともに、第２電界制御層３０５の空乏化が進行する。この後、最終的に第２電界制御層３０５の空乏化が完了した時点で、光吸収層３０６に電界がかかり始め、この時の電圧がオン電圧となる。

ここで、図６の（ｂ）に示すように、オン電圧時点ではすでに第２電界制御層３０５，バンド連続層３０８，および第１電界制御層３０４における電界強度は十分高く、光吸収層３０６から注入される光電子は第２電界制御層３０５〜アバランシェ層３０３までの伝導帯バンドオフセットの影響を受けにくい。

加えて、実施の形態３では、バンド連続層３０８を組成変位層とし、光吸収層３０６のバンドギャップエネルギーからアバランシェ層３０３のバンドギャップエネルギーにかけて、層厚方向に連続的にバンド連続層３０８のバンドギャップエネルギーを変化させている。この構成により、更に、バンドオフセットによる影響を緩和できるようになる。

以上のことにより、実施の形態３によれば、電子注入型のアバランシェフォトダイオードにおいて、オン電圧から高周波電気信号を取り出すことのできる電圧までの差を小さくすることができ、低い増倍率での高周波動作を可能にする。

以上に説明したように、本発明によれば、光吸収層とアバランシェ層との間に、複数の電界制御層を設け、複数の電界制御層は、光吸収層に近いほど小さなバンドギャップエネルギーを有するようにしたので、より低い増倍率で高周波の電気信号が取り出せるようになる。上述した構成により、光吸収層とアバランシェ層の間に存在するバンドオフセット部分の電界強度を局所的に高くすることができるようになり、オン電圧時点において、オフセットが存在する部分のバンドを湾曲させる。この結果、オン電圧において、高周波電気信号を阻害してきたバンドオフセットが存在しなくなるため、高周波電気信号を取り出すことができる電圧における増倍率を低減させることができ、より高い最大受信感度を実現できる。

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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。上述では、２つの電界制御層を用いる場合を例に説明したが、これに限るものではなく、３つ以上の電界制御層を用いるようにしても同様である。いずれの場合であっても、第２コンタクト層に近いほどバンドギャップエネルギーが小さくなっていればよい。

また、上述した実施の形態では、単純なメサ構造のアバランシェフォトダイオードを例としたが、これに限るものではない。例えば、エッジブレークダウン防止のためのガードリングを有するアバランシェフォトダイオードについても、本発明が適用可能である。

また、Ｚｎ拡散やＳｉイオン注入、またこれらのような選択的ドーピングを不要とする、反転型アバランシェフォトダイオードにおいても、本発明は適用化のである（非特許文献１，２，３参照）。更に、光吸収層をアンドープのＩｎＧａＡｓから構成する場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、ｐ型／アンドープ型を積層した、所謂ＭＩＣ吸収層を有するアバランシェフォトダイオードについても、本発明は適用可能である（非特許文献４参照）。

更に、反転型アバランシェフォトダイオードにおいて適用されている、アバランシェ層を挟んで電界制御層とは反対側に、第２の導電型の層を有することでアバランシェフォトダイオードの電界構造を「Ｌｏｗ−ｈｉｇｈ−ｌｏｗ」としても、本発明の一般性を失わない（非特許文献３参照）。

１０１…基板、１０２…第１コンタクト層、１０３…アバランシェ層、１０４…第１電界制御層、１０５…第２電界制御層、１０６…光吸収層、１０７…第２コンタクト層、１０８…バンド連続層、１１１…第１電極、１１２…第２電極。

Claims (2)

1. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１コンタクト層と、
   前記第１コンタクト層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるアンドープのアバランシェ層と、
   前記アバランシェ層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する第２導電型の複数の電界制御層と、
   複数の前記電界制御層のうち前記第１コンタクト層と反対に位置する前記電界制御層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層と、
   前記光吸収層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２コンタクト層と、
   隣り合う前記電界制御層の間に形成されて隣接する２つの前記電界制御層の間のバンドギャップエネルギーとされたアンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるバンド連続層と
   を備え、
   複数の前記電界制御層の各バンドギャップエネルギーは、前記光吸収層のバンドギャップエネルギー以上で、前記アバランシェ層のバンドギャップエネルギー以下とされ、
   複数の前記電界制御層は、前記光吸収層に近いほどより小さいバンドギャップエネルギーを有することを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
2. 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、
   前記バンド連続層は、層厚方向に連続的にバンドギャップエネルギーが変化し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。

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