JPH03126268A - アバランシェ・フォトダイオード - 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】 〔概　要〕 ガードリングを有するＡＰＤに関し。

受光領域とガードリング領域におけるアバランシェ・ブ
レークダウン電圧の差を増大させることにより該ＡＰＤ
のＳ／Ｎ比を向上させることを目的とし。

一導電型の半導体から成る光吸収層と、−導電型の半導
体から成り且つ該光吸収層上に形成された増倍層と、−
導電型の半導体から成り且つ該増倍層上に形成されたウ
ィンドウ層と、該ウィンドウ層に高濃度の反対導電型不
純物を導入して形成された受光領域と、該受光領域を包
囲する所定領域内の該ウィンドウ層に低濃度の反対導電
型不純物を導入して形成されたガードリング領域と、該
ガードリング領域に対向するようにして該光吸収層に形
成された低濃度の反対導電型の埋込み領域とを備え、且
つ、該受光領域に対向する該光吸収層における領域が一
導電型であるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ガードリングを有するアバランシェ・フォト
ダイオード（ＡＰＤ）に係り、とくに、光通信において
要求される高Ｓ／Ｎ比を有するＡＰＤに関する。

〔従来の技術〕

光通信に用いられるＡＰＤは、誤動作率が１０−９以下
（検出信号１０９ビツト当たりに許容される誤検出が１
ビツト以下）の高信頼性が要求される。このためには、
　ＡＰＤＯＳ／Ｎ比を向上することが不可欠であり２こ
のためにＡＰＤの暗電流を低減する努力が続けられてい
る。

第４図は、ガードリングを有する従来の一般的な八ＰＤ
の構造を示す要部断面図であって１例えば。

ｎ型のＩｎＰ基板１上に、ｎ型のＩｎＧａＡｓ層２．　
　ｎ型のＩｎＰＪ！ｉ３および４が積層されており、　
ＩｎＰ層４には高濃度のＰ型不純物が導入された受光領
域５が形成されている。さらに、　ＩｎＰ層４には、受
光領域５を包囲するようにして低濃度のｐ型不純物を導
入して成るガードリング領域６が形成されている。Ｉｎ
ＧａＡｓＮ２は光吸収層、　ＩｎＰ層３は増倍層。

ＩｎＰ層４はウィンドウ層（光入射窓）を構成し。

受光領域５とＩｎＰ層３との間にｐｎ接合が形成される
。

上記構造において、ガードリング領域６を負としてＩｎ
Ｐ基板１との間に逆バイアス電圧を印加した状態でＩｎ
ＧａＡｓ層２に光が入射して発生した正孔がＩｎＰ層３
に入り、ここの高電界で加速されてなだれ増倍が生じる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

受光領域５−ＩｎＰ基板１間に印加される逆バイアス電
圧は、上記ｐｎ接合がブレークダウンする直前の電圧（
アバランシェ・ブレークダウン電圧：以下ＶＡＢと略記
する）に設定される。ガードリング領域６と１０２層３
間の接合はｒ　　ＶＡＮにおいてはブレークダウンを生
じないが、実際にはある程度の逆方向電流（暗電流）が
流れ、この暗電流キャリヤによりＩｎＰ層３中で増倍が
行われる。すなわち、ガードリング領域６を流れる暗電
流はＳ／Ｎ比の低下ないしはその上限を決めることにな
る。

このような暗電流を低減するためには、受光領域５とガ
ードリング領域６のそれぞれにおける接合のｖＡＩＩ差
をできるだけ大きくする必要がある。

本発明は、受光領域とガードリング領域におけるｖＡ！
ｌの差を増大させ、これによりＳ／Ｎ比を向上させるこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、−導電型の半導体から成る光吸収層と、−
導電型の半導体から成り且つ該光吸収層上に形成された
増倍層と、−導電型の半導体から成り且つ該増倍層上に
形成されたウィンドウ層と。

該ウィンドウ層に高濃度の反対導電型不純物を導入して
形成された受光領域と、該受光領域を包囲する所定頭載
内の該ウィンドウ層に低濃度の反対導電型不純物を導入
して形成されたガードリング領域と、該ガードリング領
域に対向するようにして該光吸収層に形成された低濃度
の反対導電型の埋込み領域とを備え、且つ、該受光領域
に対向する該光吸収層における領域が一導電型であるこ
とを特徴とする本発明に係るＡＰＤによって達成される
。

〔作　用〕

一導電型の光吸収層中に、ガードリング領域と対向する
位置に反対導電型領域を形成する。これにより、ガード
リング領域における前記ＶＡＩが増大し、　Ｓ／Ｎ比が
向上される。その原理を第１図を参照して説明する。

第１図は８ガードリング領域を有するＡＰＤにアバラン
シェ・ブレークダウンを起こす直前の電圧を印加したと
きの受光領域およびガードリング領域における表面（Ｘ
・０）から深さ方向の電界分布を示すグラフであって、
実線は受光領域における分布１点線は第４図に示す従来
の構造における分布。

−点鎖線は本発明のＡＰＤのガードリング領域における
分布である。まず、前二者の曲線について説明する。

従来の構造においては、空乏層がガードリング領域に拡
がるため、ガードリング領域のＶＡＩｌ＋すなわち１点
線とＸ軸で囲まれた面積、が受光領域におけるＶＡＩＩ
すなわち、実線とＸ軸で囲まれた面積、に比べて大きく
なることが期待されている。

しかしながら、実際には、ガードリング領域においては
高電界の領域の幅（Ｗ　Ｉ　／□；通常、電界已が最大
電界値の１／２以上である領域の幅で評価される）が広
くなり、実効的なアバランシェ領域が拡がるため、最大
電界値がδだけ下がる。このため。

空乏層がガードリング領域に拡がった効果が、最大電界
が下がった効果により相殺され、ガードリング領域およ
び受光領域におけるそれぞれのＶ□の差が期待されたほ
どには大きくならない。

本発明は、ガードリング領域における上記最大電界値の
低下によるＶＡＩの低下を補うため、同図における一点
鎖線で示されたような電界分布を形成可能な構造を導入
する。このような電界分布が実現されると、ガードリン
グ領域におけるＶＡＩＩは。

斜線で覆われた面積で表されるようになり、従来の構造
におけるＶＡＩＩはもちろん、受光領域におけるＶＡＢ
に比べて充分に大きくなる。したがって。

ガードリング領域と受光領域におけるＶＡＢ差が従来よ
りも増大され、　Ｓ／Ｎ比が向上される。

上記本発明における電界分布は１例えば、光吸収層にお
いてガードリング領域に対向する領域をガードリングと
同じ導電型、すなわち、光吸収層と反対の導電型とする
ことにより実現される。ただし、光吸収層における受光
領域に対向する領域は従来と同じ導電型を維持させる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

以下の図面において、既出の図面におけるのと同じ部分
には同一符号を付しである。

第２図は本発明のＡＰＤの構造を示す要部断面図であっ
て３例えばｎ型のＩｎＰ基板１上に、光吸収層となるＩ
ｎＧａＡｓ層２と、増倍層となるｎ型の１ｎＰ層３と、
ウィンドウ層となるｎ型のＩｎＰｎ種層積層されており
、　ＩｎＰｎ種層は、高濃度のｐ型不純物を導入して成
る受光領域５と、受光領域５の周囲に低濃度のｐ型不純
物を導入して成るガードリング領域６が形成されている
。そして、　ＩｎＰ層４層面表面ガードリング領域６を
表出する開口を有する９例えばＳｉ、Ｎ、から成る反射
防止膜７によって覆われている。また、ガードリング領
域６表面には、Ｔｉ（チタン）層、Ｐｔ（白金）層、Ａ
ｕ（金）層とが積層されて成るｐ側電極８が、一方、　
ＩｎＰ基板１の裏面には、　Ａｕ−Ｇｅ（金・ゲルマニ
ウム）合金層とＡ１層が積層されて成るｎ側電極９が形
成されている。以上は従来の八ＰＤと同様である。

本発明の構造においては、ｎ型のＩｎＧａＡｓ層２に、
ガードリング領域６に対向してｐ型すなわち埋込み領域
２１が形成されている。ＩｎＧａＡｓ層２において受光
領域５と対向する領域はｎ型である。

埋込み領域２１は５例えばＩｎＰ基板１上にｎ型のＩｎ
ＧａＡｓ層２を成長させたのち、ガードリング領域６に
対向する領域を表出する例えばレジストマスクを用いて
、埋込み領域２１に選択的にｐ型不純物をイオン注入す
ることにより形成可能である。あるいは、後述するよう
に、　ＩｎＰ基板１上に形成されたｎ型のＩｎＧａＡｓ
層２に、ガードリング領域６に対向する領域を選択的に
エツチング除去して成る環状の溝を形成したのち、この
溝内にｐ型のＩｎＧａＡｓ層を選択的にエピタキシャル
成長させる方法により形成することも可能である。

後者を例に、第３図を参照して１本発明のＡＰＤの製造
工程を説明する。

第３図（ａ）に示すように、ｎ型のＩｎＰ基板１（ｎζ
１、ＯＸＩＯ”ｃｍ−’）に厚さ約２ａｍのｎ型のＩｎ
ＧａＡｓ層２（ｎ・５Ｘ１０Ｉｓｃｍ−’）を成長させ
る。この成長は。

ＭＯＣＶＤ　（有機金属化学気相堆積）法、液相成長法
。

ＭＢＥ　　（分子線エピタキシ）法等５周知のエピタキ
シャル成長法のいずれを用いてもよい。

次いで１例えば周知のＣＶＤ法を用いて、　ＩｎＧａＡ
ｓ層２上に厚さ約２０００人のＳｉｎｇ膜１１膜形１す
る。このＳｉＯ□膜１１を３周知のりソゲラフ技術を用
いてエツチング除去し、前記ガードリング領域６に対応
する領域を開口する。この開口内に表出するＩｎＧａＡ
ｓ層２を１例えば燐酸と過酸化水素水と水の混合溶液を
用いて選択的にエツチングして、第３図（ｂ）に示すよ
うに、　ＩｎＧａＡｓ層２に溝１２を形成する。このエ
ツチングにおいて、　ＩｎＰ　％板ｌはストッパとして
機能する。

次いで、　Ｓｉｎ、膜１１を残した状態で、第３図（Ｃ
）に示すように、溝１２内にｐ型のＩｎＧａＡｓ層２２
（ｐ＃　５　Ｘ１０　”　ｃｍ−３）　＋すなわち、前
記埋込み領域２１を成長させる。この成長も、　ＭＯＣ
ＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、液相成長法、　ＭＢ
Ｅ（分子線エピタキシ）法のいずれを用いてもよ（、Ｓ
ｉＯ□膜１１主１１上ｎＧａＡｓ層２２が成長しない選
択成長が行われる。

そののち、　ＳｉＯ□膜１１を除去したのち、’　Ｉｎ
ＧａＡｓ層２およびＩｎＧａＡｓ層２２上に、厚さ約１
μｍのｎ型のＩｎＰ　Ｍ３　（ｎ＃　２　Ｘｌ０１６ｃ
ｍ−３）、厚さ約１．５　ａｍのｎ型のＩｎＰ層４　（
ｎ＃　Ｉ　ＸＩＯ”ｃｍ：’）を順次成長させる。これ
らの成長も、　？１ＯＣＶｌ）　　（有機金属化学気相
堆積）法、液相成長法、　ＭＢＥ　　（分子線エピタキ
シ）法のいずれを用いても可能であり、添加不純物濃度
を変化させるだけで連続的に成長させることができる。

次いで、　ＩｎＰ層４上に厚さ２０００人程度変色ｉＪ
４膜１４を形成し、　Ｓｉ、Ｎ、膜１４に前記受光領域
５に対応する開口を形成したのち、この開口内に表出す
るＩｎＰ層４に９例えばＣｄ　（カドミウム）を熱拡散
することによりｐ型の受光領域５（表面における濃度ｐ
’＝　５　ＸＩＯ”ｃｍ−″）を形成する。こののち。

ＩｎＰ層４上に前記ガードリング領域６に対応する開口
を有するレジストマスクを形成し、この開口内に表出す
るＩｎＰ層４に５例えばＢｅ　（ベリリウム）をイオン
注入してｐ型のガードリング領域６を形成して第３図（
ｄ）に示す構造を得る。上記Ｂｅのイオン注入条件は１
例えば加速エネルギー１４０Ｋｅν。

ドーズ量ｐ＃　５　Ｘ１０１３ｃｍ−”である。

上記ののち、前記レジストマスクおよびＳｉ３Ｎ。

膜１４を除去し、ＩｎＰ１！１４上に前記反射防止膜７
となる厚さ約２０００人の５ｉ３Ｌ膜の形成、ｐ側電極
８およびｎ側電極９の形成を行って、第２図に示す構造
を有する本発明のＡＰＤが完成する。

なお１本発明は、上記実施例の各層の導電型を反対にし
た構造のＡＰＤ、および、１ｎＰ基板１側から信号光が
入射する構造のＡＰＤに対しても適用可能である。また
、シリコンから成るＡＰＤのように、光吸収層、増倍層
、ウィンドウ層が同一の半導体から成るＡＰＤに対して
も適用可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ガードリングを有するＡＰＤの受光領
域およびガードリング領域におけるアバランシェ・ブレ
ークダウン電圧の差を増大することができ、　Ｓ／Ｎ比
の向上による高信頬性を実現することを可能とする効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図。 第２図は本発明のＡＰＤの構造説明図。 第３図は本発明のＡＰＤの製造工程の一実施例説明図。 第４図は従来のＡＰＩ）の構造図 である。 図において。 １はＩｎＰ基板、　　２と２２はＩｎＧａＡｓ層。 ３と４はＬｒ＋Ｐ層、　　５は受光領域。 ６はガードリング領域、　　７は反射防止膜。 ８はｐ側電極、　　９はｎ側電極。 １１はＳｉｎ、膜、１４は５ｉＪ４膜。 １２は溝、２１は埋込み領域 である。 ２１ ギ 図 木に明のＡＰＤ０′）構造説明図 早 阻 １ 本発明のＡＰＤのＭ造１程の−犬走例

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一導電型の半導体から成る光吸収層と、 一導電型の半導体から成り且つ該光吸収層上に形成され
   た増倍層と、 一導電型の半導体から成り且つ該増倍層上に形成された
   ウィンドウ層と、 該ウィンドウ層に高濃度の反対導電型不純物を導入して
   形成された受光領域と、 該受光領域を包囲する所定領域内の該ウィンドウ層に低
   濃度の反対導電型不純物を導入して形成されたガードリ
   ング領域と、 該ガードリング領域に対向するようにして該光吸収層に
   形成された低濃度の反対導電型の埋込み領域 とを備え、且つ、該受光領域に対向する該光吸収層にお
   ける領域が一導電型であることを特徴とするアバランシ
   ェ・フォトダイオード。