JP7433540B1

JP7433540B1 - アバランシェフォトダイオード

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Publication number: JP7433540B1
Application number: JP2023535022A
Authority: JP
Inventors: 智志西川; 学岩川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2023-02-06
Filing date: 2023-02-06
Publication date: 2024-02-19
Anticipated expiration: 2043-02-06

Abstract

アバランシェフォトダイオード（１００）は、第１面を有する半導体基板（１）と、第１面上に半導体基板側から順に積層された、アバランシェ増倍層（３）、電界制御層（４）、第１遷移層（５）、第２遷移層（６）、及び光吸収層（７）とを備える。第２遷移層及び電界制御層の各々は、第１導電型のドーパントを含む。第１遷移層は、ドーパントを含まない、又は第１導電型もしくは第１導電型とは異なる第２導電型のドーパントを含む。第１遷移層のキャリア濃度は、第２遷移層のキャリア濃度よりも低い。

Description

本開示は、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は、光通信分野において特に長距離伝送の受信側デバイスに使用されている。アバランシェフォトダイオードは、吸収層、電界制御層、及びアバランシェ増倍層を備える。光が吸収層に入射すると、吸収層内において電子－正孔対（フォトキャリア）が生成される。アバランシェ増倍層に到達した電子又は正孔は、アバランシェ効果により雪崩的に増倍される。そのため、アバランシェフォトダイオードによれば、入射した光を増幅して信号として取り出すことができる。

光通信分野では通信速度の高速化が進展しており、ボーレート５０ＧＨｚ超の信号を受信できる高速応答性がアバランシェフォトダイオードには求められる。

他方、一般的なアバランシェフォトダイオードは、利得（増倍率）を高くするほど高周波数帯域での受信感度が低下する性質を有する。アバランシェフォトダイオードにはアバランシェ増倍層を構成する材料に固有の利得帯域幅積の値が存在するためである。

アバランシェフォトダイオードにおいて例えば１０ｄＢといった比較的高い利得を実現しながら応答速度を高めるには、アバランシェ増倍層を構成する材料に、大きい利得帯域幅積を実現し得る材料を用いることが望ましい。下記の非特許文献１は、利得が高くなる駆動条件下において、ＡｌＧａＡｓＳｂからなるアバランシェ増倍層を備えるアバランシェフォトダイオードの利得帯域幅積が４２４ＧＨｚという大きな値を示すことを報告している。

SHIYU XIE, et al."InGaAs/AlGaAsSb avalanche photodiode with high gain-bandwidth product", Optics Express vol. 24, No. 21 (2016) 24242.

しかしながら、光吸収層とアバランシェ増倍層との間に形成されるヘテロ接合界面のバンド障壁が大きい場合、当該ヘテロ接合界面において光キャリアが滞留しやすく、応答速度が低下するという問題がある。本発明者らは、この問題が、大きな利得帯域積を実現できる材料からなるアバランシェ増倍層を備えるアバランシェフォトダイオードを定格の利得よりも低い利得を実現するための条件（以下、低利得条件とも記載する）下で駆動したときに、特に顕著となることを確認した。

本開示の主たる目的は、低利得条件下においても応答速度の低下が抑制され得るアバランシェフォトダイオードを提供することにある。

本開示に係るアバランシェフォトダイオードは、第１面を有する半導体基板と、第１面上に半導体基板側から順に積層された、アバランシェ増倍層、電界制御層、第１遷移層、第２遷移層、及び光吸収層とを備える。第２遷移層及び電界制御層の各々は、第１導電型のドーパントを含む。第１遷移層は、ドーパントを含まない、又は第１導電型もしくは第１導電型とは異なる第２導電型のドーパントを含む。第１遷移層のキャリア濃度は、第２遷移層のキャリア濃度よりも低い。

本開示によれば、低利得条件下においても応答速度の低下が抑制され得るアバランシェフォトダイオードを提供できる。

実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードを説明するための断面図である。実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの製造方法のフローチャートである。実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの増倍率（利得）と周波数帯域との関係に関する計算結果を示すグラフである。図４Ａは、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの積層構造を説明するための模式図である。図４Ｂは、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの電界強度分布を示す模式図である。図５Ａは、実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの積層構造を説明するための模式図である。図５Ｂは、図５Ａに示されるアバランシェフォトダイオードの電界強度分布を示す模式図である。図６Ａは、実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの積層構造の変形例を説明するための模式図である。図６Ｂは、図６Ａに示されるアバランシェフォトダイオードの電界強度分布の変形例を示す模式図である。比較例に係るアバランシェフォトダイオードを説明するための断面図である。図７に示される比較例に係るアバランシェフォトダイオードのバンド図である。図７に示される比較例に係るアバランシェフォトダイオードの増倍率（利得）と周波数帯域との関係に関する計算結果を示すグラフである。図１０Ａは、図７に示される比較例に係るアバランシェフォトダイオードの積層構造を説明するための模式図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示されるアバランシェフォトダイオードの電界強度分布を示す模式図である。

以下、図面を参照して本開示に係る実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

実施の形態１．
＜アバランシェフォトダイオードの構成＞
図１に示されるように、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオード１００は、半導体基板１、バッファ層２、アバランシェ増倍層３、電界制御層４、第１遷移層５、第２遷移層６、光吸収層７、窓層８、コンタクト領域９、保護膜１０、コンタクト層１１、第１電極１２、及び第２電極１３を備える。

アバランシェフォトダイオード１００において、電界制御層４、第２遷移層６、及びコンタクト領域９は、第１導電型を有しており、半導体基板１、バッファ層２、及び窓層８は、第１導電型とは異なる第２導電型を有している。本明細書において、「導電型を有している」とは、ｎ型キャリア濃度又はｐ型キャリア濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上である半導体を意味する。例えば、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。

アバランシェフォトダイオード１００において、アバランシェ増倍層３、第１遷移層５、及び光吸収層７の各々は、ドーパントを含まない（以下では、アンドープと記載する場合もある）ｉ型半導体である。本明細書において、「ドーパントを含まない」とは、意図的に添加されたドーパントを含まず、ｎ型キャリア濃度又はｐ型キャリア濃度が１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満であることを意味する。

半導体基板１は、例えばｎ型の化合物半導体基板である。半導体基板１を構成する材料は、例えばＩｎＰである。半導体基板１は、第１面１Ａと、第１面１Ａとは反対側に位置する第２面１Ｂとを有する。バッファ層２、アバランシェ増倍層３、電界制御層４、第１遷移層５、第２遷移層６、光吸収層７、及び窓層８は、第１面１Ａ上に半導体基板１側から順に積層している。

バッファ層２は、例えばｎ型の化合物半導体からなるエピタキシャル層である。バッファ層２を構成する材料は、例えばＡｌＧａＡｓＳｂである。バッファ層２のキャリア濃度は、例えば５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。バッファ層２の厚みは、例えば０．１０μｍ以上１．００μｍ以下である。

アバランシェ増倍層３は、ｉ型の化合物半導体からなるエピタキシャル層である。好ましくは、アバランシェ増倍層３を構成する材料は、アンチモン（Ｓｂ）を含む化合物半導体である。より好ましくは、アバランシェ増倍層３を構成する材料は、ＡｌＧａＡｓＳｂである。アバランシェ増倍層３は、０．１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上８×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下のキャリア濃度を有していてもよい。アバランシェ増倍層３の厚みは、例えば０．０５μｍ以上０．５０μｍ以下である。

電界制御層４は、例えばｐ型の化合物半導体からなるエピタキシャル層である。電界制御層４を構成する材料は、例えばＡｌＧａＡｓＳｂである。電界制御層４のキャリア濃度は、例えば２×１０^１7ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。電界制御層４の厚みは、例えば０．０１μｍ以上０．２０μｍ以下である。

第１遷移層５は、ｉ型の４元系化合物半導体混晶からなるエピタキシャル層である。好ましくは、第１遷移層５は、組成比が積層方向に変化するグレーディッド層である。第１遷移層５を構成する化合物半導体混晶は、例えばＡｌＧａＡｓＳｂである。この場合、第１遷移層５を構成する化合物半導体混晶の組成比は、上記積層方向において電界制御層４から遠ざかるほどアルミニウム（Ａｌ）の組成比が減少するように調整されていることが好ましい。言い換えると、第１遷移層５を構成する化合物半導体混晶の組成比は、上記積層方向において第２遷移層６に近づくにつれてアルミニウム（Ａｌ）の組成比が減少するように調整されていることが好ましい。第１遷移層５の厚みは、例えば０．０１μｍ以上０．２０μｍ以下である。

第２遷移層６は、ｐ型の４元系化合物半導体混晶からなるエピタキシャル層である。つまり、第１遷移層５のキャリア濃度は、第２遷移層６のキャリア濃度よりも低い。第２遷移層６を構成する化合物半導体混晶は、第１遷移層５を構成する化合物半導体混晶とは異なる。これにより、第１遷移層５と第２遷移層６との間では、バンド不連続（ヘテロ障壁）が形成されている。好ましくは、第２遷移層６は、組成比が積層方向に変化するグレーディッド層である。第２遷移層６を構成する化合物半導体混晶は、例えばＩｎＧａＡｌＡｓである。この場合、第２遷移層６を構成する化合物半導体混晶の組成比は、上記積層方向において光吸収層７から遠ざかるほどアルミニウム（Ａｌ）の組成比が増大するように調整されていることが好ましい。言い換えると、第２遷移層６を構成する化合物半導体混晶の組成比は、上記積層方向において第１遷移層５から遠ざかるにつれてアルミニウム（Ａｌ）の組成比が減少するように調整されていることが好ましい。第２遷移層６の厚みは、例えば０．０１μｍ以上０．２０μｍ以下である。

なお、第１遷移層５を構成する化合物半導体混晶及び第２遷移層６を構成する化合物半導体混晶の各組成比は、上記積層方向において一定とされていてもよい。

光吸収層７は、ｉ型の化合物半導体からなるエピタキシャル層である。光吸収層７を構成する材料は、例えばＩｎＧａＡｓである。光吸収層７の厚みは、例えば０．３０μｍ以上２．５０μｍ以下である。

窓層８は、ｎ型の化合物半導体からなるエピタキシャル層である。窓層８を構成する材料は、例えばＩｎＰである。窓層８のキャリア濃度は、例えば３×１０^１6ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。窓層８の厚みは、例えば０．５０μｍ以上２．００μｍ以下である。窓層８は、ｉ型の化合物半導体からなるエピタキシャル層であってもよい。

コンタクト領域９は、上記積層方向において窓層８の上面から光吸収層７にまでｐ型のドーパントが拡散されてなるｐ型領域である。コンタクト領域９の下端は、光吸収層７内に形成されている。コンタクト領域９に拡散しているｐ型のドーパントは、例えば亜鉛（Ｚｎ）である。

保護膜１０は、窓層８の上面上に形成されている。保護膜１０は、窓層８の上面のうちコンタクト層１１が形成されていない領域を覆うように形成されている。好ましくは、保護膜１０は、パッシベーション膜として作用するとともに、反射防止膜としても作用するように設けられている。保護膜１０を構成する材料は、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含む。好ましくは、保護膜１０は、保護膜１０の厚さｄ、屈折率ｎ、及び入射する光の波長λがｄ＝λ／４／ｎの関係式を満足するように、設けられている。

コンタクト層１１は、窓層８の上面上に形成されたｐ型の化合物半導体からなるエピタキシャル層がパターニングされることにより形成されている。コンタクト層１１は、コンタクト領域９と電気的に接続されている。

第１電極１２は、コンタクト層１１の上面上に形成されており、かつコンタクト層１１を介してコンタクト領域９と電気的に接続されている。第１電極１２は、いわゆるｐ側電極である。コンタクト層１１及び第１電極１２の各々の平面形状は、例えば円環形状である。

第２電極１３は、半導体基板１の第２面１Ｂ上に形成されており、かつ半導体基板１を介してバッファ層２と電気的に接続されている。第２電極１３は、いわゆるｎ側電極である。

＜アバランシェフォトダイオードの製造方法＞
以下、図２を参照して、アバランシェフォトダイオード１００の製造方法の一例を説明する。第１に、第１面１Ａを有する半導体基板１が準備される（工程Ｓ１）。

第２に、バッファ層２、アバランシェ増倍層３、電界制御層４、第１遷移層５、第２遷移層６、光吸収層７、及び窓層８が、第１面１Ａ上に半導体基板１側から順に形成される。さらにコンタクト層１１にパターニングされる前のエピタキシャル層が、窓層８の上面上に形成される（工程Ｓ２）。各層を形成する方法は、特に制限されないが、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法又はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法である。

第３に、ｐ型ドーパントが平面視において光吸収層７及び窓層８の各々の一部領域に拡散されることにより、コンタクト領域９が光吸収層７及び窓層８に形成される（工程Ｓ３）。ｐ型ドーパントを拡散する方法は、例えば選択熱拡散法である。この場合、コンタクト層１１にパターニングされる前の上記エピタキシャル層の上面上に、コンタクト領域９が形成されるべき領域上にのみ開口部が形成されている絶縁膜を形成し、その後、当該絶縁膜をマスクとしてｐ型ドーパントを拡散させる。開口部の平面形状は、例えば円形状である。拡散終了後、絶縁膜は除去される。

第４に、上記エピタキシャル層をパターニングすることにより、コンタクト層１１が形成される（工程Ｓ４）。

第５に、保護膜１０が窓層８の上面上に形成される。保護膜１０は、例えば、コンタクト層１１を覆うように成膜された後、コンタクト層１１の上面上に形成された部分が除去されることにより、形成される（工程Ｓ５）。

第６に、第１電極１２が、コンタクト層１１の上面上に形成される（工程Ｓ６）。
第７に、半導体基板１の第１面１Ａとは反対側の面を研磨することにより第２面１Ｂが形成された後、第２電極１３が第２面１Ｂ上に形成される（工程Ｓ７）。

以上のようにして、アバランシェフォトダイオード１００は製造され得る。
＜アバランシェフォトダイオードの動作＞
以下、アバランシェフォトダイオード１００の動作を説明する。アバランシェフォトダイオード１００には、第２電極１３側がプラス、第１電極１２側がマイナスとなるように外部から逆バイアス電圧が加えられている。逆バイアス電圧は、光吸収層７において入射光により生じた電子がアバランシェ増倍層３に到達したときに、アバランシェ増倍層３においてアバランシェ増倍が引き起こされ得るように設定されている。この逆バイアス電圧が印加されている状態において、光が光吸収層７に入射すると、光吸収層７において電子－正孔対が発生する。発生した電子は、電界制御層４を通過して、アバランシェ増倍が起き得る高い電界が印加されているアバランシェ増倍層３に到達する。これにより、アバランシェ増倍層３においてアバランシェ増倍が起こり、アバランシェ増倍層３に到達した電子は雪崩的に増倍される。このようにして、光が光吸収層７に入射している状態では、アバランシェフォトダイオード１００に大きな電流が流れる。光が光吸収層７に入射していない状態では、アバランシェ増倍層３においてアバランシェ増倍が起こらず、アバランシェフォトダイオード１００にが電流が流れない。

なお、アバランシェフォトダイオード１００に入射する光の強度が微弱である場合には、アバランシェフォトダイオード１００は定格の利得を実現可能な条件下で駆動され、アバランシェ増倍層３には定格の利得を実現可能な電圧が印加される。この駆動状態に対し、アバランシェフォトダイオード１００に入射する光の強度が増加した場合には、アバランシェフォトダイオード１００は低利得条件下で駆動される必要がある。

＜アバランシェフォトダイオードの効果＞
以下、アバランシェフォトダイオード１００の効果を、比較例との対比に基づいて説明する。図７に示される比較例に係るアバランシェフォトダイオード２００は、ｐ型の化合物半導体混晶からなる第２遷移層６に代えて、ｉ型の化合物半導体混晶からなる第３遷移層６１を備えている点でのみ、アバランシェフォトダイオード１００とは異なる。言い換えると、アバランシェフォトダイオード２００は、互いに異なる化合物半導体混晶からなりかつアンドープの２つのグレーディッド層（第１遷移層５及び第３遷移層６１）を光吸収層７とアバランシェ増倍層３との間に備えている点で、アバランシェフォトダイオード１００とは異なる。第３遷移層６１を構成する半導体混晶は、例えばＩｎＧａＡｌＡｓである。図８は、図７に示されるアバランシェフォトダイオード２００のバンド図である。

アバランシェフォトダイオード２００において、第１遷移層５及び第３遷移層６１は、光吸収層７とアバランシェ増倍層３との間のバンド不連続（ヘテロ障壁）を小さくするように設けられている。そのため、アバランシェフォトダイオード２００における光吸収層７とアバランシェ増倍層３との間のバンド不連続は、光吸収層７とアバランシェ増倍層３との間に第１遷移層５及び第３遷移層６１を備えていないアバランシェフォトダイオードのそれと比べて、小さい。他方、アバランシェフォトダイオード２００においても、光吸収層７とアバランシェ増倍層３との間、具体的には第１遷移層５と第３遷移層６１との間、にヘテロ接合界面が形成されることを回避できない。

図８に示されるように、第１遷移層５と第３遷移層６１とのヘテロ接合界面では、価電子帯及び伝導帯の各々のエネルギー準位が不連続となり、バンド不連続（ヘテロ障壁）が形成される。このバンド不連続は、光吸収又はアバランシェ増倍により生じた光キャリアがヘテロ接合界面に滞留する原因となり、光応答が低速化、言い換えると高周波数帯域での受信感度が低下、する要因となる。このバンド不連続の大きさをヘテロ接合界面においてキャリアが滞留することを抑制し得る程度にまで減少させることができ、かつ半導体基板１と格子整合し得る第１遷移層５及び第３遷移層６１を実現することは困難である。そのため、アバランシェフォトダイオード２００では、上記のようなバンド不連続に起因して、応答速度が低下するという問題がある。本発明者らは、以下に示す計算結果から、この問題が低利得条件下で特に顕著に表れることを確認した。

図９は、アバランシェフォトダイオード２００の周波数帯域の利得（増倍率）依存性の計算結果を示すグラフである。増倍率は、バイアス電圧を変えることにより変化させた。周波数帯域は、半導体シミュレータを用いて短パルス入射光に対する光電流の過渡応答を計算し、波形をフーリエ変換することにより算出した。図９に示されるように、増倍率が１０よりも低い条件下では、増倍率が小さいほど周波数帯域が低くなる傾向が確認された。特に、増倍率が６以下の条件では、この傾向が顕著であった。

図９に示される傾向は、ＩｎＡｌＡｓ増倍層を有するアバランシェフォトダイオードにおける傾向とは異なる。ＩｎＡｌＡｓ増倍層を有するアバランシェフォトダイオードでは、低利得域の周波数帯域がＣＲ時定数により制限される平坦な特性になる。アバランシェフォトダイオード２００において増倍率が小さいほど周波数帯域が低くなるメカニズムは、以下のように考えられる。

図１０Ａは、アバランシェフォトダイオード２００の積層構造の模式図であり、図１０Ｂは増倍率に応じたアバランシェフォトダイオード２００の電界強度分布を示す。図１０Ｂにおいて、実線は増倍率が４である条件下での電界強度分布を示し、破線は増倍率が１０である条件下での電界強度分布を示し、一点鎖線は界面１５の位置を示す。アバランシェフォトダイオード２００に逆バイアス電圧が印加されている状態では、空乏層が、アバランシェ増倍層３から光吸収層７においてコンタクト領域９以外の部分まで形成され、図１０Ｂにおいて実線及び破線で示される電界強度分布が生じる。空乏化していない半導体基板１、バッファ層２、及びコンタクト領域９の電界強度は小さい。

光キャリアの滞留が生じやすい位置は、バンド不連続が大きな第１遷移層５と第３遷移層６１との界面１５である。図１０Ｂに示されるように、増倍率が４であるときの界面１５の電界強度Ｂは、増倍率が１０であるときの界面１５の電界強度Ｃよりも小さい。増倍率が４であるときの界面１５の電界強度Ｂが光キャリアの滞留を解消するほどに大きくなく、増倍率が１０であるときの界面１５の電界強度Ｃが光キャリアの滞留を解消するほどに大きければ、図９に示されるように、増倍率が４であるときの周波数帯域は増倍率が１０であるときの周波数帯域よりも低くなる。

上記計算結果は、高利得条件下において高い利得帯域幅積を示すアバランシェフォトダイオードであっても、低利得条件下では高周波数帯域での受信感度が低下して応答速度が低下するおそれがあることを示唆している。

これに対し、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオード１００は、光吸収層７とアバランシェ増倍層３との間にｉ型の第１遷移層５とｐ型の第２遷移層６とを備える。

図３は、アバランシェフォトダイオード１００の周波数帯域の利得（増倍率）依存性の計算結果を示すグラフである。図３を得るために用いた計算方法は、図９を得るために用いた上記計算方法と同じである。図３に示されるように、アバランシェフォトダイオード１００では、増倍率が１０よりも低い条件下において増倍率が小さいほど周波数帯域が低くなる傾向が確認されなかった。増倍率が４である条件下での周波数帯域も、増倍率が６である条件下である周波数帯域も、増倍率が１０である条件下での周波数帯域と同等以上であることが確認された。アバランシェフォトダイオード１００において、アバランシェフォトダイオード２００において確認された増倍率が小さいほど周波数帯域が低くなる傾向が解消されたメカニズムは、以下のように考えられる。

図４Ａは、アバランシェフォトダイオード１００の積層構造の模式図であり、図４Ｂは増倍率が４である条件下でのアバランシェフォトダイオード１００の電界強度分布を示す。アバランシェフォトダイオード１００においても、逆バイアス電圧が印加されている状態では、空乏層が、アバランシェ増倍層３から光吸収層７においてコンタクト領域９以外の部分まで形成される。アバランシェフォトダイオード１００において、光キャリアの滞留が生じやすい位置は、バンド不連続が大きな第１遷移層５と第２遷移層６との界面１４である。図４Ｂにおいて、一点鎖線は界面１４の位置を示す。第２遷移層６はｐ型にドープされているため、第２遷移層６の電界強度は、光吸収層７の電界強度よりも大きくなり、また第３遷移層６１の電界強度よりも大きくなる。その結果、図４Ｂに示されるように、増倍率が４であるときの界面１４の電界強度Ａは、図１０Ｂに示されるアバランシェフォトダイオード２００における増倍率が４であるときの界面１５の電界強度Ｂよりも大きくなる。そのため、アバランシェフォトダイオード１００では、第２遷移層６のキャリア濃度及び厚みを調整することにより、増倍率が４であるときの界面１４の電界強度Ａが、光キャリアの滞留を解消するほどに大きくなり得る。その結果、アバランシェフォトダイオード１００では、低利得条件下においても応答速度の低下が抑制され得る。

また、アバランシェフォトダイオード２００では、アンドープの光吸収層７のバンドギャップが小さく、かつ界面１５の電界強度が光吸収層７における電界強度と同程度となるため、トンネル電流による暗電流が生じやすい。これに対し、アバランシェフォトダイオード１００では、界面１４の電界強度がアンドープの光吸収層７における電界強度よりも大きくなるため、アバランシェフォトダイオード２００と比べて上記暗電流が生じにくい。

実施の形態２．
実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードは、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオード１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を奏するが、第１遷移層５が第１導電型又は第２導電型を有する点で、アバランシェフォトダイオード１００とは異なる。以下では、アバランシェフォトダイオード２００がアバランシェフォトダイオード１００とは異なる点を主に説明する。

図５Ａは、ｎ型の第１遷移層５ｎを備えるアバランシェフォトダイオードの積層構造の模式図である。図５Ｂは、図５Ａに示されるアバランシェフォトダイオードの電界強度分布を示す。図５Ｂにおいて、一点鎖線は界面１４の位置を示す。第１遷移層５ｎのキャリア濃度は、第２遷移層６のキャリア濃度よりも低い。

図６Ａは、ｐ型の第１遷移層５ｐを備えるアバランシェフォトダイオードの積層構造の模式図である。図６Ｂは、図６Ａに示されるアバランシェフォトダイオードの電界強度分布を示す。図６Ｂにおいて、一点鎖線は界面１４の位置を示す。第１遷移層５ｐのキャリア濃度は、第２遷移層６のキャリア濃度よりも低い。

図５Ｂに示されるように、第１遷移層５ｎと第２遷移層６との界面１４の電界強度は、図１０Ｂに示されるアバランシェフォトダイオード２００における第１遷移層５と第３遷移層６１との界面１５の電界強度よりも大きくなり得る。同様に、図６Ｂに示されるように、第１遷移層５ｐと第２遷移層６との界面１４の電界強度は、図１０Ｂに示されるアバランシェフォトダイオード２００における第１遷移層５と第３遷移層６１との界面１５の電界強度よりも大きくなり得る。そのため、実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードも、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオード１００と同様の効果を奏することができる。

さらに、図５Ｂに示されるように、第１遷移層５ｎと第２遷移層６との界面１４の電界強度は、アンドープの光吸収層７の電界強度よりも大きくなる。同様に、図６Ｂに示されるように、第１遷移層５ｐと第２遷移層６との界面１４の電界強度は、アンドープの光吸収層７の電界強度よりも大きくなる。そのため、実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードにおいても、アバランシェフォトダイオード２００と比べて上記暗電流が生じにくい。

第１遷移層５ｎを備えるアバランシェフォトダイオードにおいては、好ましくは、｜Ｔ２×Ｃ２｜＞｜Ｔ１×Ｃ１｜との第１関係式が成立する。Ｔ１は第１遷移層５ｎの厚み、Ｃ１は第１遷移層５ｎのキャリア濃度、Ｔ２は第２遷移層６の厚み、Ｃ２は第２遷移層６のキャリア濃度を示している。

図５Ｂに示されるように、電界制御層４と第１遷移層５ｎとの接合界面の電界強度は、界面１４の電界強度よりも小さくなる。そのため、第１遷移層５ｎの厚みが厚すぎたり、第１遷移層５ｎのキャリア濃度が高すぎたりする場合には、電界制御層４と第１遷移層５ｎとの接合界面の電界強度が光吸収層７の電界強度と同等程度にまで小さくなり、キャリアの輸送を阻害してしまうおそれがある。これに対し、上記第１関係式が成立する場合には、電界制御層４と第１遷移層５ｎとの接合界面の電界強度が光吸収層７の電界強度よりも大きくなるため、キャリアの輸送が阻害されにくい。

第１遷移層５ｐを備えるアバランシェフォトダイオードにおいては、好ましくは、｜Ｔ３×Ｃ３｜＞｜Ｔ２×Ｃ２｜＞｜Ｔ１×Ｃ１｜との第２関係式が成立する。Ｔ１は第１遷移層５ｐの厚み、Ｃ１は第１遷移層５ｐのキャリア濃度、Ｔ２は第２遷移層６の厚み、Ｃ２は第２遷移層６のキャリア濃度、Ｔ３は電界制御層４の厚み、Ｃ３は電界制御層４のキャリア濃度を示している。

図６Ｂに示されるように、電界制御層４と第１遷移層５ｐとの接合界面の電界強度は、界面１４の電界強度よりも大きくなる。そのため、第１遷移層５ｐの厚みが厚すぎたり、第１遷移層５ｐのキャリア濃度が高すぎたりする場合には、第１遷移層５ｐの電界強度の変化量（図６Ｂ中の実線の傾き）が第２遷移層６の電界強度の変化量よりも多くなりすぎて、界面１４における接合強度を増大させることによって奏される上記効果が損なわれるおそれがある。これに対し、上記第２関係式が成立する場合には、第１遷移層５ｐの電界強度の変化量が第２遷移層６の電界強度の変化量よりも少なくなるため、上記効果を確保できる。

＜変形例＞
実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオード１００又は実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードは、以下のように変形され得る。

各層を構成する材料は、上述した材料に限られるものではない。また、導電型を有する各層は、上述した導電型とは異なる導電型を有していてもよい。

例えば、バッファ層２を構成する材料は、ＩｎＰであってもよい。アバランシェ増倍層３を構成する材料は、ＡｌＩｎＡｓ又はＡｌＡｓＳｂであってもよい。電界制御層４を構成する材料は、ＡｌＧａＩｎＡｓであってもよい。光吸収層７を構成する材料は、ＩｎＧａＡｓＰであってもよい。窓層８を構成する材料は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＡｓであってもよい。

また、バッファ層２をｎ型のＩｎＧａＡｓなどからなるコンタクト層とし、半導体基板１をＦｅドープ基板などの半絶縁性基板とし、かつ第２電極１３を半導体基板１の表面側に設ける構造としてもよい。

以上のように本開示の実施の形態について説明を行なったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本開示の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本開示の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

１半導体基板、１Ａ第１面、１Ｂ第２面、２バッファ層、３アバランシェ増倍層、４電界制御層、５，５ｎ，５ｐ第１遷移層、６第２遷移層、７光吸収層、８窓層、９コンタクト領域、１０保護膜、１１コンタクト層、１２第１電極、１３第２電極、１４界面、１００アバランシェフォトダイオード。

Claims

第１面を有する半導体基板と、
前記第１面上に前記半導体基板側から順に積層された、アバランシェ増倍層、電界制御層、第１遷移層、第２遷移層、及び光吸収層とを備え、
前記第２遷移層及び前記電界制御層の各々は、第１導電型のドーパントを含み、
前記第１遷移層は、ドーパントを含まない、又は前記第１導電型もしくは前記第１導電型とは異なる第２導電型のドーパントを含み、
前記第１遷移層のキャリア濃度は、前記第２遷移層のキャリア濃度よりも低く、
前記第１遷移層は、前記第２導電型のドーパントを含み、
前記第１遷移層の厚みをＴ１、前記第１遷移層のキャリア濃度をＣ１、前記第２遷移層の厚みをＴ２、前記第２遷移層のキャリア濃度をＣ２としたときに、｜Ｔ２×Ｃ２｜＞｜Ｔ１×Ｃ１｜との関係式が成立する、アバランシェフォトダイオード。
第１面を有する半導体基板と、
前記第１面上に前記半導体基板側から順に積層された、アバランシェ増倍層、電界制御層、第１遷移層、第２遷移層、及び光吸収層とを備え、
前記第２遷移層及び前記電界制御層の各々は、第１導電型のドーパントを含み、
前記第１遷移層は、ドーパントを含まない、又は前記第１導電型もしくは前記第１導電型とは異なる第２導電型のドーパントを含み、
前記第１遷移層のキャリア濃度は、前記第２遷移層のキャリア濃度よりも低く、
前記第１遷移層は、前記第１導電型のドーパントを含み、
前記第１遷移層の厚みをＴ１、前記第１遷移層のキャリア濃度をＣ１、前記第２遷移層の厚みをＴ２、前記第２遷移層のキャリア濃度をＣ２、前記電界制御層の厚みをＴ３、前記電界制御層のキャリア濃度をＣ３としたときに、｜Ｔ３×Ｃ３｜＞｜Ｔ２×Ｃ２｜＞｜Ｔ１×Ｃ１｜との関係式が成立する、アバランシェフォトダイオード。
前記アバランシェ増倍層を構成する材料は、アンチモン（Ｓｂ）を含む化合物半導体である、請求項１又は２に記載のアバランシェフォトダイオード。
前記第１遷移層を構成する材料は、第１半導体混晶であり、
前記第２遷移層を構成する材料は、前記第１半導体混晶とは異なる第２半導体混晶である、請求項１又は２に記載のアバランシェフォトダイオード。
前記第１半導体混晶は、ＡｌＧａＡｓＳｂであり、
前記第２半導体混晶は、ＩｎＧａＡｌＡｓである、請求項４に記載のアバランシェフォトダイオード。