JPH01149486A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔目　次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術　　　　　　　　　　（第２図）発明が解決
しようとする問題点 問題点を解決するための手段 作用 実施例 本発明の一実施例　　　　　　（第１図）発明の効果 〔概　要〕 半導体受光素子に関し、 表入射型で１．３μｍの光に対して増倍層に正孔注入を
実現して暗電流が少なく受光効率が良い構造の半導体受
光素子を提供することを目的とし、ＧａＳｂからなり高
濃度の一導電型の基板上に、ＡＮＸＧａ＋−ｘ　Ａｓｙ
Ｓｂ＋−ｙからなる組成であって、高濃度の一導電型の
第１の半導体層、ＡＮｘＧａ、−ＸＳｂからなる組成で
あって、低濃度の一導電型又は反対導電型の第２の半導
体層、Ｇａ５ｂからなる組成であって、濃度の反対導電
型の第３の半導体層、およびＡｊ！　ｘＧａ、−ｘ　Ａ
ｓ　ｙＳｂ＋−ｙからなる組成であって、低濃度の反対
導電型の第４の半導体層が順次設けられるとともに、第
１〜第４半導体層の側面が、第４半導体層から第１半導
体層に向かうに従って、末広がりとなるようなメサ構造
に形成され、該メサ構造の両側面に亘って高濃度の一導
電型の拡散層が形成されて覆われ、前記基板の一方の端
面に一導電型の電極が設けられるとともに、第４半導体
層の端面に反対導電型の電極が設けられ、第４半導体層
の方向から光を受光するような構造に構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体受光素子に係り、詳しくはメサ側面を
一方の導電型の拡散層で覆い擬似的にプレーナ構造とし
て性能を高めたアバランシェ・フォト・ダイオード（Ａ
ｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ　：以下Ａ
ＰＤという）に関する。

光を情報伝達媒体とする光通信は、光ファイバ、半導体
レーザなどのデバイスの発展により、今やその実用化時
代に入り、次世代情報通信を担う基幹技術の一つとして
重要な地位を占めつつある。

また、このような急ピッチな光通信技術の発達は、単に
基幹となる光伝送だけでなく、光データリンク、レーザ
プリンタ、光メモリ、光センサなどの新しい通信システ
ム、情報システム、測定システムなどをもたらしている
。このように、光通信技術は極めて多様な形で利用され
つつあり、そのすそは相当床がっている。このような光
通信システムを構成する上では、高性能な受光デバイス
を用意することが必要であり、受光デバイスに対しては
、受光感度が良いこと、低消費電力であること、低雑音
であること、信頼性が高いこと、小型、軽量であること
などが要求される。光通信に用いられる光受光デバイス
としては、フォトダイオードやＡＰＤが現在主に用いら
れている。

ＰＮ接合に加える逆方向電圧を非常に高くして、電子雪
崩効果の起きる直前の状態に保ち、接合面に光を照射す
ると、光によって生成された電子による衝突電離がトリ
ガーとなって電子雪崩が始まる。このような現象を利用
した光検出デバイスがＡＰＤである。ＡＰＤでは、入射
した１個の光子が多数の電子−正孔対を形成するから光
の検出感度は非常に高い。

〔従来の技術〕

−ａに、ＡＰＤは光吸収層とアバランシェ増幅領域から
なるフォトダイオードであり、ＰＩＮフォトダイオード
に増幅機能を持たせた受光素子である。ＡＰＤでは、入
射した光を吸収層で吸収してキャリアを発生させるとと
もに、このキャリアを電界に当てて加速し、結晶格子を
衝突させて新たなキャリアを生成するアバランシェ過程
を繰り返すことによって、大きな出力電流を得ている。

また、ＰＩＮフォトダイオードと同様に逆バイアスを印
加したときに、キャリアを発生させる光収集領域が殆ん
ど空乏層化されるため応答性に優れている。

このようなＡＰＤの場合、上記キャリアとして電子又は
正孔があるが、増幅領域を形成している材料のイオン化
率比が大きいキャリアを注入する方がより低雑音、高速
応答性が得られる。したがって、これら各特性の向上を
図るため、イオン化率比の良い様々な材料で各種の構造
のものが提案されている。

ところで、化合物半導体の一つであるＡＡｘＧａ＋−ｘ
ＳｂはＸ＝０．０６５近辺の組成で共鳴的にホールのイ
オン化率が増大しく電子よりもイオン化率が大きい）、
イオン化率比が大きくなるとされている材料であり、１
μｍ帯の波長が使われる光通信用ＡＰＤについて一層の
高速化、低雑音化が期待されるため、この材料を用いた
ＡＰＤの開発が行われている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来のＡＰＤにあっては、／
１／２ｘＧａ、−）ＩＳｂはＸ＝０．０６５の組成の場
合、エネルギバンドのバンドギャップが０．８ｅＶ程度
であり、光通信に現在使用されている１、３μｍの光は
吸収されてしまうという問題点があった。

これを解決するために、例えばこの組成の層を増倍層と
し、１．３μｍの光に対して正孔注入を実現するような
メサ構造かあるいは裏面入射構造のものが考えられる。

ところが、メサ構造の場合、暗電流が増加して好ましく
なく、一方、裏面入射構造の場合、ＡＰＤの製造プロセ
ス上の制御性が悪く、良品質のものが作りにくい。

また、これとは別に表入射プレーナ構造として、例えば
第２図に示すようなものも提案されている。

第２図において、ＧａＳｂからなる組成のｐ＋層１の上
にはＡ　１　ｏ、ｏｂｓ　Ｇ　ａ　ｏ、７ｚｓ　Ｓ　ｂ
からなる組成のｐ−層２、ＧａＳｂからなる組成のｐ−
層３およびＡｊ！ｘＧａ＋−ｘ　ＡｓｙＳｂ、−、から
なる組成のｐ−層４が順序積層されている。ｐ−層４に
はｎ゛埋込Ｎ５が形成されており、ｎ゛埋込層５の上面
には環状のｎ電極６が設けられ、一方、ｐ゛Ｎ１の下面
にはｐ電極７が設けられている。光は矢印で示すように
図中上方からＡＰＤに入射し、ｐ−Ｍ４が窓層、ｐ−層
３が光吸収層、ｐ−層２が増倍層（アバランシェ増幅領
域）となる。

しかしながら、第２図に示すものにおいても、増倍層の
電界を適切に制御するためには、窓層、光吸収層の厚み
、濃度をかなり精密に制御する必要があるが、精密な制
御は実際上難しく、必然的に増倍層の電界の制御性が悪
いという別の問題点があった。

そこで本発明は、表入射型で１．３μｍの光に対して増
倍層に正孔注入を実現して暗電流が少なく受光効率が良
い構造の半４体受光素子を提供することを目的としてい
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による半導体受光素子は上記目的達成のため、Ｇ
ａＳｂからなり高濃度の一導電型の基板上に、Ａｊｌｘ
Ｇａ１−ｘ　Ａｓ　ｙＳ　ｂ、−、からなる組成であっ
て、高濃度の一導電型の第１の半導体層、ＡｊｌＸＧａ
１−＊　Ｓｂからなる組成であって、低濃度の一導電型
又は反対導電型の第２の半導体層、ＧａＳｂからなる組
成であって、低濃度の反対導電型の第３の半導体層、お
よびＡＡｘＧａ、−ｘＡｓｙＳｂ、□からなる組成であ
って、低濃度の反対導電型の第４の半導体層が順次設け
られるとともに、第１〜第４半導体層の側面が、第４半
導体層から第１半導体層に向かうに従って、末広がりと
なるようなメサ構造に形成され、該メサ構造の両側面に
亘って高濃度の一導電型の拡散層が形成されて覆われ、
前記基板の一方の端面に一導電型の電極が設けられると
ともに、第４半導体層の端面に反対導電型の電極が設け
られ、第４半導体層の方向から光を受光するような構造
としている。

〔作　用〕

本発明では、基板上に、ｆｉ、Ｉ！　ＸＧａ＋−ｘ　Ａ
Ｓ　’ｊｓｂ、、からなる組成であって、高濃度の一導
電型の第１の半導体層、Ａ　１２　ｘ　Ｇ　ａ　Ｉ−Ｘ
　Ｓ　ｂからなる組成であって、低濃度の一導電型又は
反対導電型の第２の半導体層、ＧａＳｂからなる組成で
あって、低濃度の反対導電型の第３の半導体層、および
Ａｊｌ　ｘＧａｌ−ｘ　Ａ　ｓ　ｙ　Ｓ　ｂ、−、から
なる組成であって、低濃度の反対導電型の第４の半導体
層が順次設けられるとともに、第１〜第４半導体層の側
面が、メサ構造に形成され、その側面が一導電型の拡散
層で覆われ、さらに、基板に一方の電極が、第４半導体
層の端面に他方の電極が設けられる。そして、第４半導
体層の方向から光を受光する。

したがって、１．３μｍの光に対して増倍層に正孔注入
の条件を満足する構造となり、メサ構造に近いものであ
るが、擬似的にプレーナ構造となって、バンドギャップ
の広い層の所でｐ−ｎ接合が表面に出るため、暗電流が
少なく、ＡＰＤ本来の特長である低雑音、高速応答性が
達成される。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す
図であり、第１図は、特に、ＡＰＤの断面図を示してい
る。第１図において、１１はＧａＳｂからなる組成でｐ
゛型の基板であり、ｐ゛型１１の上面には次の各層１２
〜１５が順次積層されている。

ここで、ｐ＋型の基板とは、ｐ型の不純物を高濃度にド
ーピングした基板をいう。一方、ｐ−型とは、ｐ型の不
純物を低濃度にドーピングしたものをいう。これは、ｎ
型についても同様である。

（イ）第１半導体層１２ ＡＩ！ｘＧａ＋−ｘ　ＡｓＳｂからなる組成でｐ゛型の
層。但し、Ｘ≧０−２　、ｌ）　：　Ｉ　Ｘｌ０１ｈｃ
ｎｎ−”、厚さμｍ。

（ロ）第２半導体層１３ Ａ　ｌｏ、ｏａｓ　Ｇ　ａｏ、ｔｚｓ　Ｓ　ｂからなる
組成でｎ−型（又はｐ−型でもよい）の増倍層（アバラ
ンシェ増幅領域）。但し、１×１０Ｉ５ｃｆｆＩ−３≦
ｎ（又はｐ）型≦２　ＸＩＯ”ａｍ−’、厚さ１μｍ。

（ハ）第３半導体層１４ ＧａＳｂからなる組成でｎ−型の光吸収層。

但し、ｎ≦ｌ　ＸＩＱ”ｃ＋ｎ−３、厚さ２ｐｍ。

（ニ）第４半導体層１５ ＡＡ　ｘＧａ＋−ｘ　Ａ　ｓ　ｙ　Ｓ　ｂ＋−ｙからな
る組成でｎ−型の窓層。但し、ｎ　＝　Ｉ　Ｘ　１０Ｉ
１０ｌ５’、厚さ１μｍ。

これらの半導体層１２〜１５の積層された側面は第４半
導体層１５から第１半導体層１２に向かうに従って末広
がりとなるようなメサ構造に形成されており、この処理
は、例えば第４半導体層１５の上面をマスクで覆い上方
からエツチングすることによって行われ、これによりメ
サ構造とする。メサ構造の両側面にはＰ型のイオン打ち
込み等の処理によりｐ゛拡散層１６が設けられている。

したがって、メサ構造の周囲はｐ゛拡散層１６により覆
われることとなり、メサ構造の側面において、空乏層領
域が半導体外部と接触することはなくなる。すなわち、
空乏層領域はメサ上部の平らな領域で半導体外部と接触
するため、擬似的なプレーナ構造とみることができる。

第４半導体層１５にはイオン注入等によるｎ゛埋込層１
７が形成されており、第４半導体層１５の上面にはＳｉ
３Ｎ、又はＳｉＯ□等の酸化膜１８で覆った後、酸化膜
１８に電極用の窓をパターニングしてリング状のｎ電極
（反対導電型電極）　１９が設けられている。ｎ電極１
９は、例えばＡ　ｕ　／　Ｇ　ｅなる金属を蒸着して形
成される。なお、酸化膜１８を付けるのは、ｎ゛埋込層
１７を空気から遮断して暗電流を防止するいわゆるバン
シベーション膜としての機能と、光を透過させつつ光の
反射を防止する反射防止膜の機能をもたせるためである
。一方、基板１１の下端面にはｎ電極（−導電型電極）
２０が形成されており、ｎ電極２０は、例えばＡ　ｕ　
／　Ｚ　ｎなる金属を蒸着することにより形成される。

このようにして、図中上方から第４半導体層１５が光を
受ける窓層、第３半導体層１４が光吸収層、第２半導体
層１３が増倍層の領域にそれぞれ対応し、かつｎ電極１
９およびｎ電極２０が両端に位置する、いわゆるメサ構
造のＡＰＤが作られる。

次に、以上の構造のＡＰＤについて作用を述べつつ、従
来との効果を比較する。

ｎ電極１９、ｎ電極２０はそれぞれ直流電源の＋、−に
接続されており、この逆バイアス電圧は非常に高く　（
例えば、５０〜１００Ｖ）設定されている。

この状態では、半導体中の電子および正孔はそれぞれｐ
およびｎの電極付近に集まっており、中心部のｎｐ接合
面（第１半４体層１２、第２半導体層１３の境界）付近
には電界により空乏層が発生する。

該空乏層は第２半導体層１３から第４半導体層１５まで
広がっており、空乏層表面のｎｐ接合面は特に高電界と
なっている。いま、矢印で示すように図中上方より光が
照射されたとき、光は酸化膜１８を透過して光吸収層１
４で吸収され、電子−正孔対を作り電気伝導のキャリア
となる。発生した電子−正孔対は逆バイアスの高電界に
より加速されて、電子および正孔はそれぞれｎ電極１９
、ｐ電極２０に向かって前記空乏層内を高速で移動し、
第２半導体層（増倍層）　１３の内部で次々と中性原子
と衝突してねずみ算式に電子−正孔対を生む。発生した
電子−正孔対はｐｎ接合面をつき抜け、それぞれｎ電極
１９、ｐ電極２０に達し大きな電流を発生する。

これがアバランシェ（雪崩）効果による増幅であり、増
倍率は逆バイアスの増加とともに増加し最大増倍率値は
約１０３に達する。

ここに、ＡＰＤ中のキャリアのドリフト速度は、高電界
が印加されているので非常に速く、空乏層が長く延びて
いるため接合面の電荷容量が小さく、ＡＰＤは高速動作
に適している。実際のデバイスで応答速度を決めている
のはアバランシェ現象の立ち上がり時間である。このア
バランシェ・ビルドアップ時間は、増倍層のイオン化率
比と、アバランシェのトリガーとなるキャリアが、どち
らかということで決まる。イオン化率比は、大きい方が
望ましく、又イオン化率比の大きいキャリアをトリガー
とすることが望ましい。Ａ１゜、。、、ｓＧａ。、ｑ３
５Ｓｂは正札のイオン化率が電子のイオン化率に比べて
大きく高速応答性を期待出来るが、正孔がアバランシェ
のトリガーとなることが不可欠である。Ａ　１　ｏ、ｏ
ｂｓ　Ｇ　ａ　Ｏ，９３５Ｓ　ｂは、１．３μｍの光を
吸収してしまう。このため、Ａ７！。、。６５　Ｇａｏ
、ｑｚｓｓｂ増倍層１３で光を吸収させずに、かつ光吸
収層１４で発生したキャリアの内正孔のみを増倍層１３
に注入できる構造を表入射構造で作るには、上記のよう
な層構造のメサ構造がどうしても必要となる。

ここで、本実施例では半導体層１２〜１５がメサ構造で
その側面がｐ゛拡散Ｊ’ｉ１６で覆われているため、実
際にはメサ構造であるにも拘らず、動作上は擬似的なプ
レーナ構造とみなすことができる。すなわち、空乏層の
うち半導体外部に出ている部分は、図中Ｘの部分のみで
あるから、従来に比して実質上バンドギヤ・７プが広く
なっており、表面リークを少なくすることができる。す
なわち、バンドギャップが広いので、表面リークが発生
するには従来よりも大きいエネルギを要するから、本実
施例では結果的に表面リークが減ることになる。また、
本実施例の構造はいわゆる表入射型であり、上述したよ
うに、１．３μｍの光に対して増倍層に正孔を注入する
という条件を極めて良く満足している。

以上のことから、１．３μｍの光に対して増倍層で正孔
注入を実現して低雑音、高速応答性を達成し、暗電流（
表面リーク）も低減できる。

なお、上記実施例とは逆に、基板１１〜半導体層１５、
ｐ゛拡散層１６およびｎ埋込層１７の極性を逆にした構
造のＡＰＤであっても、本発明の適用が可能なことは勿
論である。

〔効　果〕

本発明によれば、基板上に所定の化合物半導体層を順次
積層してメサ構造に形成し、その周囲を一導電型の拡散
層で覆っているので、１．３μｍの光に対して増倍層に
正孔注入の条件を満足する構造とすることができ、メサ
構造に近いものであるが、擬似的にプレーナ構造となっ
てバンドギャップの広い層の所でｐ−ｎ接合が表面に出
るため、暗電流が少なく、ＡＰＤ木来の特長である低雑
音、高速応答性を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す
その断面図、 第２図は従来のＡＰＤを示すその断面図である。 １１・・・・・・基板、 １２・・・・・・第１半導体層、 １３・・・・・・第２半導体層、 １４・・・・・・第３半導体層、 １５・・・・・・第４半導体層、 １６・・・・・・ｐ゛拡散層、 １７・・・・・・ｎ゛埋込層、 １９・・・・・・ｎ電極（反対導電型電極）２０・・・
・・・ｎ電極（−導電型電極）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＧａＳｂからなり高濃度の一導電型の基板上に、
   Ａｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ＿ｙＳｂ＿１＿−＿ｙか
   らなる組成であって、高濃度の一導電型の第１の半導体
   層、Ａｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＳｂからなる組成であっ
   て、低濃度の一導電型又は反対導電型の第２の半導体層
   、ＧａＳｂからなる組成であって、低濃度の反対導電型
   の第３の半導体層、 およびＡｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ＿ｙＳｂ＿１＿−
   ＿ｙからなる組成であって、低濃度の反対導電型の第４
   の半導体層が順次設けられるとともに、 第１〜第４半導体層の側面が、第４半導体層から第１半
   導体層に向かうに従って、末広がりとなるようなメサ構
   造に形成され、 該メサ構造の両側面に亘って高濃度の一導電型の拡散層
   が形成されて覆われ、 前記基板の一方の端面に一導電型の電極が設けられると
   ともに、 第４半導体層の端面に反対導電型の電極が設けられ、 第４半導体層の方向から光を受光するような構造である
   ことを特徴とする半導体受光素子。
2. （２）前記第２の半導体層はＡｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘ
   Ａｓ＿ｙＳｂであって、Ｘ値が共鳴イオン化現象を生じ
   る値であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の半導体受光素子。