JP6507912B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体受光素子に関する。
光通信用の高速応答アバランシェフォトダイオードではＡｌＩｎＡｓが電子増倍層に用いられる。その中でも、近年は、半絶縁性ＩｎＰ基板上にｐ型コンタクト層、光吸収層、ｐ型電界緩和層、電子増倍層、ｎ型コンタクト層を順に成長したものが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。このような構造は高速応答の特性に優れる反面、半絶縁性ＩｎＰ基板中に含まれるＦｅとｐ型コンタクト層中のＺｎが相互拡散を起こしやすいため、デバイス歩留に影響することが懸念される（例えば、非特許文献２参照）。
Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 02BG03
Journal of Applied Physics 84 (1998) 8
特に基板上に複数のダイオードを並べて形成した場合に上記のＦｅとＺｎの相互拡散が原因でダイオード間が十分に分離できず、リーク電流が発生する問題があった。この問題を防ぐためにＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板上にアンドープＩｎＰ層をバッファ層として厚く成長することで基板とｐ型コンタクト層を離すことが考えられる。しかし、ＩｎＰバッファ層ではエピ層と基板の界面に残存するＳｉなどの不純物の影響が抑えられずにリーク電流を抑えられない。また、バッファ層の成長時間が長くなるため材料消費量など生産性の観点から好ましくない。さらに、バッファ層で入射光が吸収されて受光感度が低下する場合もある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はリーク電流を抑え、受光感度の低下を防ぐことができる半導体受光素子を得るものである。
本発明に係る半導体受光素子は、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板上に順に積層されたバッファ層、ｐ型コンタクト層、光吸収層、ｐ型電界緩和層、電子増倍層、ｎ型電界緩和層及びｎ型コンタクト層とを備え、前記バッファ層は、ＩｎＰ層とＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層（０．１６≦ｘ≦０．４８、０≦ｙ≦０．３１）を交互に積層した超格子を有し、電子に対するバリアを形成し、前記光吸収層で吸収される波長帯域の光を吸収しないことを特徴とする。
本発明では、バッファ層は、ＩｎＰ層とＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層（０．１６≦ｘ≦０．４８、０≦ｙ≦０．３１）を交互に積層した超格子を有し、光吸収層で吸収される波長帯域の光を吸収しない。これにより、リーク電流を抑え、受光感度の低下を防ぐことができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は電子増倍型のアバランシェフォトダイオード１００である。
Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１上にバッファ層２、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４、ｎ−型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層５、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層６、アンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層７、ｎ−型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層８、ｎ−型ＩｎＰ窓層９及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０が順に積層されている。ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０上にｎ電極１１が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３の一部の上方にある結晶層が除去され、そのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３の一部上にｐ電極１２が形成されている。
続いて、本実施の形態に係る半導体受光素子の動作を説明する。ｎ電極１１側が＋、ｐ電極１２側が−となるように外部から逆バイアス電圧を加えた状態で、検出しようとする光がＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１の裏面側から半導体受光素子に入射される。ここで、光通信波長帯である１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯の近赤外領域の光を入射させると、光はｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４において吸収されて電子−ホール対を発生し、電子はｎ電極１１側、ホールはｐ電極１２側に移動する。逆バイアス電圧が充分に高い場合、アンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層７において電子はイオン化して新たな電子−ホール対を生成し、新たに生成された電子、ホールと共にさらなるイオン化を引き起こす。これにより、電子とホールが雪崩的に増倍するアバランシェ増倍が引き起こされる。
図２は、本発明の実施の形態に係る半導体受光素子の基板とバッファ層のバンドエネルギーを示す図である。本実施の形態に係るバッファ層２は、ＩｎＰ層２ａとＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層２ｂを交互に１０回繰り返し積層した超格子である。ＩｎＰのバンドギャップエネルギーＥｇは１．３５ｅＶ、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２ＡｓのバンドギャップエネルギーＥｇは１．４２ｅＶである。ＩｎＰとＡｌＩｎＡｓをヘテロ接合した際に伝導帯のエネルギー差ΔＥｃが０．２４ｅＶ、価電子帯のエネルギー差ΔＥｖが−０．１７ｅＶとなる。
続いて、本実施の形態に係る半導体受光素子の製造方法を説明する。各半導体層の成長方法は有機金属気相成長法（MOVPE : Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）又は分子線エピタキシャル成長法（MBE : Molecular Beam Epitaxy）などである。ここでは、ＭＯＶＰＥ法を用い、成長温度を６００℃程度とする。なお、各半導体層の成長温度は６００〜６３０℃の間であれば所望の結晶層を成長することができる。
まず、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、厚み０．０２〜０．０５μｍのアンドープＩｎＰ層２ａと厚み０．０２〜０．０５μｍのアンドープＡｌＩｎＡｓ層２ｂを交互に１０回繰り返し成長させて厚み０．４〜１．０μｍのバッファ層２を形成する。
次に、キャリア濃度１．０〜５×１０１８ｃｍ−３、厚み０．１〜０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３を形成する。次に、キャリア濃度１〜５×１０１５ｃｍ−３、厚み１〜２μｍのｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４を形成する。次に、キャリア濃度１〜５×１０１５ｃｍ−３、厚み０．０１〜０．０５μｍのｎ−型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層５を形成する。次に、カーボンドープによるキャリア濃度０．５〜１×１０１８ｃｍ−３、厚み０．０５〜０．１５μｍのｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層６を形成する。
次に、厚み０．０５〜０．１μｍのアンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層７を形成する。次に、キャリア濃度１〜５×１０１６ｃｍ−３、厚み０．１〜０．３μｍのｎ−型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層８を形成する。次に、キャリア濃度１〜５×１０１６ｃｍ−３、厚み０．１〜０．５μｍのｎ−型ＩｎＰ窓層９を形成する。次に、キャリア濃度１〜５×１０１８ｃｍ−３、厚み０．３〜０．６μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０を形成する。
次に、直径２０μｍほどの円形をくり貫いたＳｉＯｘ膜をマスクとして、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０上にだけＡｕＧｅＮｉでｎ電極１１を形成する。次に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３上のＳｉＯｘ膜を除去する。次に、反応性イオンエッチングなどの手法を用いてｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３の一部の上方にある結晶層を除去し、そのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３の一部上にＡｕＺｎなどでｐ電極１２を形成する。最後にＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１の裏面、即ちバッファ層２が積層されている面と逆の面を研摩する。以上の工程により、本実施の形態に係る半導体受光素子が製造される。
上述の通り、本実施の形態に係るバッファ層２は、ＩｎＰ層２ａとＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層２ｂを交互に１０回繰り返し積層した超格子である。ＩｎＰ層２ａとＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層２ｂの伝導帯のエネルギー差ΔＥｃが電子に対して障壁となる。さらに、本実施の形態ではＩｎＰ層２ａとＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層２ｂを交互に積層した超格子により伝導帯エネルギー差ΔＥｃを稼ぐことで、リーク電流を抑えることができる。
また、本実施の形態に係るバッファ層２は、ヘテロ接合によるエネルギー差を利用してリーク電流を抑えるため、ＩｎＰ単層のバッファ層に比べて膜厚を厚くしなくてもよい。従って、バッファ層２の成長時間が短くなり、材料費も少なくなるため、生産性の観点から好ましい。さらに、ＡｌＩｎＡｓはＩｎＰと格子整合するため、結晶成長も容易である。
また、ＡｌＩｎＡｓはバンドギャップが光通信で使用する入射光のエネルギーよりも十分大きいため、バッファ層２はｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４で吸収される波長帯域の光を吸収しない。従って、バッファ層２で光の吸収による受光感度の低下を防ぐことができる。
図３は、本発明の実施の形態に係る半導体受光素子の変形例を示す断面図である。この例では同じＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１上に第１及び第２のアバランシェフォトダイオード１００ａ，１００ｂが並べて形成されている。
具体的には、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４ａ，４ｂがｐ型コンタクト層上に互いに分離して形成されている。ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４ａ上に、ｎ−型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層５ａ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層６ａ、アンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層７ａ、ｎ−型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層８ａ、ｎ−型ＩｎＰ窓層９ａ及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０ａが順に積層されている。ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４ｂ上に、ｎ−型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層５ｂ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層６ｂ、アンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層７ｂ、ｎ−型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層８ｂ、ｎ−型ＩｎＰ窓層９ｂ及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０ｂが順に積層されている。ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０ａ，１０ｂ上にそれぞれｎ電極１１ａ，１１ｂが形成され、上方にある結晶層が除去されたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３の一部上にｐ電極１２ａ，１２ｂが形成されている。
ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４ａ、ｎ−型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層５ａ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層６ａ、アンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層７ａ、ｎ−型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層８ａ、ｎ−型ＩｎＰ窓層９ａ及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０ａは第１のアバランシェフォトダイオード１００ａを構成する。ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４ｂ、ｎ−型ＡｌＧａＩｎＡｓ遷移層５ｂ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層６ｂ、アンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層７ｂ、ｎ−型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層８ｂ、ｎ−型ＩｎＰ窓層９ｂ及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０ｂは第２のアバランシェフォトダイオード１００ｂを構成する。
ここで、応答速度が早くなるにつれて単体ではなく複数のダイオードを並べて形成することが求められる。従来の構成では、基板界面に残存する不純物の影響でダイオード間が十分に分離できず、リーク電流が発生する問題があった。これに対して、本実施の形態ではバッファ層２としてＩｎＰ層２ａとＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層を交互に積層した超格子を用いる。これにより、基板界面に残存する不純物の影響を低減し、リーク電流を抑えることができる。
なお、本実施の形態ではバッファ層２はＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層２ｂを含む超格子であるが、これに限らずバッファ層２としてＩｎＰ層２ａとＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層（０．１６≦ｘ≦０．４８、０≦ｙ≦０．３１）を交互に積層した超格子を用いることができる。
また、バッファ層２はアンドープに限らず、Ｆｅ又はＲｕなどの遷移金属が半絶縁性ドーパントとしてドーピングされていてもよい。これにより、電流リークを抑制する効果が更に向上する。ただし、遷移金属をドーピングすることが成長装置の制約で困難な場合には、バッファ層２のＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層の成長時の温度やＶ族流量を調整することで酸素を取り込ませても同様の効果が期待できる。その際にバッファ層２のＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層中の酸素濃度を１Ｅ＋１５ｃｍ−３以上、１Ｅ＋２０ｃｍ−３以下にする。
１ Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板、２ バッファ層、２ａ ＩｎＰ層、２ｂ Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層、３ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、４，４ａ，４ｂ ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、６，６ａ，６ｂ ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層、７，７ａ，７ｂ アンドープＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層、８，８ａ，８ｂ ｎ−型ＡｌＩｎＡｓ電界緩和層、１０，１０ａ，１０ｂ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
Claims (4)
- 半絶縁性基板と、
前記半絶縁性基板上に順に積層されたバッファ層、ｐ型コンタクト層、光吸収層、ｐ型電界緩和層、電子増倍層、ｎ型電界緩和層及びｎ型コンタクト層とを備え、
前記バッファ層は、ＩｎＰ層とＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層（０．１６≦ｘ≦０．４８、０≦ｙ≦０．３１）を交互に積層した超格子を有し、電子に対するバリアを形成し、前記光吸収層で吸収される波長帯域の光を吸収しないことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記光吸収層は、前記ｐ型コンタクト層上に互いに分離して形成された第１及び第２の光吸収層を有し、
前記ｐ型電界緩和層は、前記第１及び第２の光吸収層上にそれぞれ形成された第１及び第２のｐ型電界緩和層を有し、
前記電子増倍層は、前記第１及び第２のｐ型電界緩和層上にそれぞれ形成された第１及び第２の電子増倍層を有し、
前記ｎ型電界緩和層は、前記第１及び第２の電子増倍層上にそれぞれ形成された第１及び第２のｎ型電界緩和層を有し、
前記ｎ型コンタクト層は、前記第１及び第２のｎ型電界緩和層上にそれぞれ形成された第１及び第２のｎ型コンタクト層を有し、
前記第１の光吸収層、前記第１のｐ型電界緩和層、前記第１の電子増倍層、前記第１のｎ型電界緩和層及び前記第１のｎ型コンタクト層は第１のアバランシェフォトダイオードを構成し、
前記第２の光吸収層、前記第２のｐ型電界緩和層、前記第２の電子増倍層、前記第２のｎ型電界緩和層及び前記第２のｎ型コンタクト層は第２のアバランシェフォトダイオードを構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記バッファ層は半絶縁性ドーパントがドーピングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
- 前記バッファ層の前記ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ層中の酸素濃度が１Ｅ＋１５ｃｍ−３以上、１Ｅ＋２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
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