JP6560642B2

JP6560642B2 - アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法

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Publication number: JP6560642B2
Application number: JP2016121780A
Authority: JP
Inventors: 史人中島; 圭穂前田; 好史村本; 俊英吉松; 広明三条
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: JP2017228569A

Description

本発明は、アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法に関し、より詳細には、光ファイバ通信の受光素子に適用されるアバランシェフォトダイオードおよびその製造方法に関する。

近年、データセンタなどにおける通信容量の増大に伴い、光ファイバ通信システムの伝送容量の増大が求められている。従って、光ファイバ通信システムの受信器に内蔵される光電変換素子であるフォトダイオードも高速化が要求されている。

フォトダイオードは、ＰＮ接合部に光を照射すると光の強弱に応じた電流を発生させる素子である。フォトダイオードの応答速度は、負荷抵抗および内部抵抗と、接合部の接合容量との時定数で決まる。従って、フォトダイオードを高速化するためには、接合容量を低減することが考えられる。接合容量の低減は、接合部の接合面積を小さくすることにより容易に実現できるが、接合面積を小さくすると放熱特性が悪化するというデメリットもある。

一方、フォトダイオードより、受光感度を高感度化できるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が知られている。ＡＰＤは、高感度化により通信距離を延伸できるとともに、低消費電力かつコンパクトな受光部品により受信器を構成することができる。

図１に、従来の反転型ＡＰＤの構造を示す。反転型ＡＰＤは、ＩｎＰ基板１０１上に、ｐ型コンタクト層（ＩｎＡｌＧａＡｓ）１０２、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３、ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層１０４、ｎ型コンタクト層（ＩｎＰ）１０５、絶縁膜１０６が順に積層されたＡＰＤメサから構成されている（例えば、特許文献１参照）。また、外部に接続するための電極を形成するためのメサが形成されていて、ｐ型コンタクト層１０２にはシグナル電極１０７が接続され、ｎ型コンタクト層１０５にはバイアス電極１０８が接続されている。また、ＩｎＰ基板１０１の裏面側には接着層を介してヒートシンク１０９が接合されている。ＡＰＤのメサが形成された面から光１１１を入射する。

一般的なＡＰＤにおいては、エッジブレイクダウンを抑制するために、選択的ドーピングによってガードリング構造を形成する必要がある。反転型ＡＰＤでは、ｎ型電極が上層に配置されるため、選択的ドーピングの代わりに、ｎ型電極の形状を決めればよいので、選択的ドーピングを用いることなく、エッジブレイクダウンを抑制することができる。また、反転型ＡＰＤは、簡易な作製方法により、十分な電界閉じ込めを実現することができ、信頼性が高いという利点がある（例えば、非特許文献１参照）。

特許４７２８３８６号公報

Nada et.al., "Triple-mesa Avalanche Photodiode with Inverted P-Down Structure for Reliability and Stability," J. of Lightwave Tech., VOL. 32, NO. 8, APRIL 15, 2014, p1543-1548.

上述したように、反転型ＡＰＤは、光吸収層１０３がアバランシェ層１０４よりもＩｎＰ基板１０１の近くに配置される。ＡＰＤにおいては、光を入力したときに発生する電流は、アバランシェ層１０４で増倍されるため、アバランシェ層１０４における発熱量が最も大きい。

しかしながら、反転型ＡＰＤにおいて、ＩｎＰ基板１０１側に配置されたＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、Ａｕ等、他の材料に比べて熱伝導率が低い。従って、ＩｎＰ基板１０１にヒートシンク１０９を接合しても、アバランシェ層１０４における熱がヒートシンク１０９に伝わりにくく、素子温度が下がりにくい。このため、光入力の耐性を向上させるにあたっての課題となっていた。

本発明の目的は、高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させたアバランシェフォトダイオードを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、ＩｎＰからなる第１の基板上にｐ型コンタクト層、光吸収層、アバランシェ層、およびｎ型コンタクト層が順に積層されたＡＰＤメサから構成されるアバランシェフォトダイオードであって、前記第１の基板上の前記ＡＰＤメサが形成された第１の面に、接着層を介して接合された第２の基板と、前記第２の基板および前記接着層を開口して、前記ＡＰＤメサのｎ型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、前記第１の基板の裏面から開口したビアを介して前記ＡＰＤメサのｐ型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備え、前記ＡＰＤメサの前記アバランシェ層からの発熱は、前記バイアス電極を介して放熱されることを特徴とする。

本発明によれば、アバランシェ層で発生した熱は、ｎ型コンタクト層とバイアス電極を介して放熱され、バイアス電極にヒートシンクを接合することにより、効率よく放熱することができる。放熱性の向上により光入力耐性が向上した反転型ＡＰＤを実現することができる。

従来の反転型ＡＰＤの構造を示す図である。本発明の一実施形態にかかる反転型ＡＰＤの構造を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。本実施形態の反転型ＡＰＤの製造工程を示す図である。ＡＰＤのメサの大きさと温度上昇との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２に、本発明の一実施形態にかかる反転型ＡＰＤの構造を示す。ＩｎＰ基板（第１の基板）２０１上に形成された反転型ＡＰＤに対して、ＡＰＤのメサ２１０が形成された面（第１の面）に、接着層としてＢＣＢ（Benzocyclobutene）膜２１１を用いてシリコン基板（第２の基板）２１２を接合する。ＩｎＰ基板２０１の第１の面と対向する面（第２の面）からビアを開口し、シグナル電極２０７を接続する。接合されたシリコン基板２１２にもビアを開口し、シリコン基板２１２にバイアス電極２０８とヒートシンク２０９とを順に接合する。

このような構成により、アバランシェ層２０４で発生した熱は、ｎ型コンタクト層２０５とバイアス電極２０８を介して、ヒートシンク２０９に伝わるので、効率よく放熱することができる。放熱性の向上により光入力耐性が向上した反転型ＡＰＤを実現することができる。

図３〜１５を参照して、本実施形態の反転型ＡＰＤの製造方法を説明する。Ｆｅなどをドープした高抵抗なＩｎＰからなるＩｎＰ基板２０１の第１の面上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などのエピタキシャル成長法を利用し、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層２０２、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０３、ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層２０４、ｎ型ＩｎＰコンタクト層２０５を順次形成する（図３）。

次に、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により、上述したｐ型コンタクト層２０２、光吸収層２０３、アバランシェ層２０４、ｎ型コンタクト層２０５をメサ型に加工する（図４）。このとき、ＡＰＤを形成するためのＡＰＤメサ２１０と、シグナル電極２０７を形成するための電極メサ２２０とを形成しておく。ｐ型コンタクト層２０２、ＡＰＤメサ２１０および電極メサ２２０のｎ型コンタクト層２０５に、オーミック接触する電極２１４，２１５，２２１をそれぞれ形成する（図５）。

メサを形成した面をＢＣＢ膜２１１によりコーティングして平坦化し、接着層とする。ＢＣＢ膜２１１の表面には、水分等から半導体表面を保護するためにＳｉＮ膜２１６を形成しておく（図６）。

ドライエッチング法により、ｐ型コンタクト層２０２の電極２１４および電極メサ２２０の電極２２１が露出するように、ＳｉＮ膜２１６とＢＣＢ膜２１１を開口する（図７）。Ａｕからなる配線電極２１７を、フォトリソグラフィー、リフトオフ技術、真空蒸着技術、または、めっき技術により形成し、ｐ型コンタクト層２０２の電極２１４および電極メサ２２０の電極２２１とを接続する（図８）。

次に、接着層としてＢＣＢ膜２１８を塗布したシリコン基板２１２を準備し、ＩｎＰ基板２０１のＡＰＤメサ２１０を形成した第１の面のＳｉＮ膜２１６と、シリコン基板２１２のＢＣＢ膜２１８とを張り合わせる（図９、１０）。ＩｎＰ基板２０１の第２の面を、グラインダ等の公知の技術を用いて研磨した後、１．３μｍ帯の通信用の波長のレーザ光に対して、透過率を向上させるための反射防止膜（ＡＲ膜）２１３を形成する（図１１）。

公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチング法により、電極メサ２２０の電極２２１が露出するように、ＡＲ膜２１３、ＩｎＰ基板２０１およびメサ２２０を開口する（図１２）。公知のめっき法によりＡｕ等のビアを形成して、ＡＲ膜２１３上にシグナル電極２０７を形成する（図１３）。

公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いて、メサ２１０のｎ型コンタクト層２０５に接合されている電極２１５が露出するように、シリコン基板２１２、ＢＣＢ膜２１８，２１１およびＳｉＮ膜２１６を開口する（図１４）。公知のめっき法によりＡｕ等のビアを形成して、ｎ型コンタクト層２０５に接続するバイアス電極２０８を形成する（図１５）。

最後にダイシングによりチップ化し、ＡＰＤチップのバイアス電極２０８をヒートシンク２０９に接合して、本実施形態の反転型ＡＰＤが完成する（図１６）。

バイアス電極２０８とシグナル電極２０７との間に、バイアス電圧を印加し、ＩｎＰ基板２０１の第２の面、ＡＰＤのメサが形成された面と対向する面から光２３１を入射する。バイアス電圧は、例えば、非特許文献１によれば、増倍率が１０の場合、２２Ｖ程度である。入射された光２３１は、光吸収層２０３において吸収され、光電流が発生する。光電流は電子とホールとから成り、このうち電子がアバランシェ層２０４に到達すると、アバランシェ増倍が発生し、新たな電子とホールが発生する。

このとき、ＡＰＤに印加された電圧と、光入射によって発生した光電流に比例して、ジュール熱が発生するが、主にアバランシェ層に電界が閉じ込められるようになっているため、アバランシェ層２０４における発熱が主となる。発生した熱は、ｎ型コンタクト層２０５、バイアス電極２０８を介してヒートシンク２０９に伝導する。従って、従来の反転型ＡＰＤと比較して、放熱特性が向上する。

図１７に、ＡＰＤのメサの大きさと温度上昇との関係を示す。横軸は、反転型ＡＰＤのメサの直径であり、縦軸は、ＡＰＤの接合部における温度上昇量を示している。上述したように、図１に示した従来の反転型ＡＰＤは、アバランシェ層１０４とヒートシンク１０９の間にＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３があるために、ヒートシンク１０９に熱が伝わりにくい。従来の反転型ＡＰＤは、接合容量を低減するために接合面積を小さくする、すなわちメサの直径を小さくすると、温度上昇量が急激に増大する。

一方、本実施形態の反転型ＡＰＤは、アバランシェ層２０４とヒートシンク２０９の間には、熱伝導率の低いＩｎＧａＡｓ層がないために、放熱特性が向上する。図１７に示すとおり、メサの直径を小さくしても温度上昇量が少なく、従来の反転型ＡＰＤと比較して温度上昇量が１／３〜１／５程度に抑制されている。従って、本実施形態によれば、高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、ＡＰＤのメサ２１０が形成された面に接合する基板としてシリコン基板２１２を用いて説明したが、他の材料の基板、例えばＩｎＰ基板を用いても同様の効果が得られることは自明である。

また、各層の材料について、ｐ型コンタクト層２０２をＩｎＡｌＧａＡｓ、アバランシェ層２０４をＩｎＡｌＡｓ、ｎ型コンタクト層２０５をＩｎＰにて説明したが、他の材料を用いた構成でもよい。例えば、ｐ型、ｎ型のコンタクト層は、ＩｎＧａＡｓＰでもよいし、アバランシェ層はＩｎＰでもよい。

１０１，２０１ＩｎＰ基板
１０２，２０２ｐ型コンタクト層
１０３，２０３光吸収層
１０４，２０４アバランシェ層
１０５，２０５ｎ型コンタクト層
１０６絶縁膜
１０７，２０７シグナル電極
１０８，２０８バイアス電極
１０９，２０９ヒートシンク
２１０，２２０メサ
２１１，２１８ＢＣＢ膜
２１２シリコン基板
２１３ＡＲ膜
２１４，２１５，２２１電極
２１６ＳｉＮ膜
２１７配線電極
１１１，２３１光

Claims

ＩｎＰからなる第１の基板上にｐ型コンタクト層、光吸収層、アバランシェ層、およびｎ型コンタクト層が順に積層されたＡＰＤメサから構成されるアバランシェフォトダイオードであって、
前記第１の基板上の前記ＡＰＤメサが形成された第１の面に、接着層を介して接合された第２の基板と、
前記第２の基板および前記接着層を開口して、前記ＡＰＤメサのｎ型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、
前記第１の基板の第１の面と対向する第２の面から開口したビアを介して前記ＡＰＤメサのｐ型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備え、
前記ＡＰＤメサの前記アバランシェ層からの発熱は、前記バイアス電極を介して放熱されることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
前記ｐ型コンタクト層はＩｎＡｌＧａＡｓからなり、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓからなり、前記アバランシェ層はＩｎＡｌＡｓからなり、前記ｎ型コンタクト層はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
ＩｎＰからなる第１の基板上にｐ型コンタクト層、光吸収層、アバランシェ層、およびｎ型コンタクト層が順に積層されたＡＰＤメサから構成されるアバランシェフォトダイオードの製造方法であって、
前記第１の基板上に前記ｐ型コンタクト層、前記光吸収層、前記アバランシェ層、および前記ｎ型コンタクト層を順に積層して、前記ＡＰＤメサと、シグナル電極を形成するための電極メサとを形成し、前記ＡＰＤメサのｐ型コンタクト層に第１の電極、前記ＡＰＤメサのｎ型コンタクト層に第２の電極、および前記電極メサのｎ型コンタクト層に第３の電極を形成し、前記ＡＰＤメサと前記電極メサとを形成した面に第１の接着層を形成して平坦化する第１工程と、
前記第１の電極と、前記第３の電極とが露出するように前記第１の接着層を開口し、配線電極により前記第１および前記第３の電極を接続する第２工程と、
前記第１の基板上の前記ＡＰＤメサが形成された第１の面に、第２の接着層が形成された第２の基板を、前記第１および前記第２の接着層を介して接合する第３工程と、
前記電極メサのｎ型コンタクト層に形成された前記第３の電極が露出するように前記第１の基板の第１の面と対向する第２の面から前記電極メサを開口したビアを介して、前記ＡＰＤメサのｐ型コンタクト層に接合されたシグナル電極を形成する第４工程と、
前記ＡＰＤメサのｎ型コンタクト層に形成された前記第２の電極が露出するように前記第２の基板および前記接着層を開口し、バイアス電極を形成する第５工程と
を備えたことを特徴とするアバランシェフォトダイオードの製造方法。
前記ｐ型コンタクト層はＩｎＡｌＧａＡｓからなり、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓからなり、前記アバランシェ層はＩｎＡｌＡｓからなり、前記ｎ型コンタクト層はＩｎＰからなることを特徴とする請求項３に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。