JPH04505233A - 電子なだれ型ホトダイオード - 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】 電子なだれ型ホトダイオード 産業上の利用分野 本発明は，電子なだれ型ホトダイオードに関し、さらに詳しくは，長波長の光通 信に適用するための．吸収と増殖との分離した領域を備える，改良されたヘテロ 構造の電子なだれ型ホトダイオードに関する． 発明の背景 光学ファイバは、遠距離通信、機械計測化，有線テレビジョン，放送網，及びデ ータの電送と配分の分野において，すぐれた利点を発揮する．光学ファイバの主 要な適用分野は、遠距離通信である．この１０年余りの間に、遠距離通信システ ムと情報サービスのために、それまでの電線と同軸ケーブルから光学ファイバと ，重要な転換が行なわれている．この予想された転換は，改良された技術上の利 点に加えて，経済的であることにより推進されている． 電線から光学ファイバに転換する重要な理由は、伝達チャンネルごとの高データ 量と広帯域幅のためのコストと需要の増加と，あらゆる都市地域における線梁が 既に充満して、新たな設備に対するスペースが不足していることである．さらに 光学ファイバは、ディジタル式のデータ処理設備を結合するのに好適であり、そ の技術は，現代のマイクロエレクトロニクス技術に適合するものである． 現代の光学ファイバ・システムの重要な構成要素の一つは、光検出器である．光 学ファイバ通信リンクにおける光検出器の機能は，光エネルギーを電気的な応答 に変換することである．光学ファイバ応用装置に使用される最も一般的な検出器 は、ホトダイオードで、これは、光エネルギーから電流への変換器として働く、 光学ファイバ応用装置に普通に使用される半導体ホトダイオードの形式は、逆方 向バイアスのｐ−ｎ接合である。

従来、光検出器として最も一般的に使用されているものは。

ｐ　−ｉ　−ｎ型ホトダイオード（ｐ／真性／ｎ形式の伝導度）及び電子なだれ 型ホトダイオード（Ａ　Ｐ　Ｄ）である０両形式のホトダイオードは、即時性の 光子−電子変換器で、光子を吸収して正孔電子の組を生成し、電流を発生する。

ｐ−１−ｎ（又はｐｉｎ）型及び電子なだれ型ホトダイオードは、異なるドーピ ングレベルの層を加えた、修正されたｐ−ｎ接合の装置で、より効率のよい量変 換、あるいは電離における電子なだれ利得が得られるものである。

基本的には、光子は、比較的高い電位の領域に吸収され、正孔電子の組が生成さ れる。これにより、検出器回路に電流が発生するｍ　ｐｉｎ型ホトダイオードは 、比較的高抵抗の中央真性領域において吸収をすることにより、高効率のｉ変換 を得る。

ｐｉｎ型ホトダイオードに対する他の一つの目標は、電子なだれ型ホトダイオー ド（Ａ　Ｐ　Ｄ）の場合のように、電子なだれ利得の効果によって、より高い検 出器電流を生成することである。この場合、１組の電子正孔が、数百組の二次電 子正孔を発生する。この現象は不規則に発生し、かつ統計的な性質のものである 故に、これらの装置内に発生するノイズは、検出における制限要因になり得る。

ソリッドステート・ホトダイオードの設計に際しては、量変換効率と応答速度と の間に、妥協がなされる。高効率の量変換のためには、ｐｉｎ型装置の真性領域 の幅を、適用される材料における光の吸収長の２倍ないし３倍に相当する寸法と するべきである。応答速度を高くして、担体の伝達時間を最小にするために、装 置をできるだけ薄くすべきである。

シリコン検出器は、波長０．９ミクロン以下で作動する場合は、高効率の量変換 （５０％以上）と、高速の応答（０，５ナノ秒（ｎｓ）以下）との両方を行なう 能力がある。しかし、より長波長の場合には、シリコンは応答時間が増加するの で、ホトダイオードの製造に、他の材料を適用しなければならない。

近年、長波長（０，９−１，６５ミクロン）において高感度が得られる最も好ま しい装置は、ＳＡＭ−ＡＰＤとして知られる。

吸収と増殖との領域が分離しているＡＰＤである。この装置は。

１９８１年に始めて発表されたもので、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　 Ｐ（インジウム−ガリウム−砒素化合物／燐化インジウム）を使用した異質構造 のメサ型で、１．６５ミクロンといった長波長に対して感度を有している。

残念ながら、メサ型ＡＰＤは、実際のシステムへ適用したときに信頼できないこ とが実証され、ＳＡＭ−ＡＰＤ装置の要求に適合できる平型構造の可能性を調査 する必要が生じている。

ＳＡＭ−ＡＰＤの基本的な設計概念は、広幅の間隔を設けたＩｎＰ増殖領域にお ける電界を、担体の増殖（したがって、光電流利得）を誘導するために充分に大 きくし、一方。

ＩｎＧａＡｓ吸収領域における電界を、トンネル漏洩電流を誘導乙ないために充 分に低くすることである。これらの制限条件により、エピタキシャル層、特にＩ ｎＰ層の厚さとドーピングに対する要求は、厳重なものとなっている。実際に、 これらの変数に対する許容値はきわめて厳密で、エツジ破損効果の変動を除去す るための、Ｐ−Ｎ接合エツジに防護リングを含む標準的な平形を使用することは 困難である。

米国特許第４，６５１，１８７号（１９８７年３月１７日付け、スギモト（Ｓｕ ｇｉｍｏｔｏ））及び同第４，６８４，９６９号（１９８７年８月４日付け、タ グチ（Ｔａｇｕｃｈｉ））の各明細書に、異質構造の電子なだれ型ホトダイオー ドの製造時における。かかる平型の例が示されている。

高度合成の再成長構造を使用して、防護リングの問題を解消するブレーナ構造が 発表されている。その−例は、米国特許第４．６５６，４９４号（１９８７年４ 月７日付け、コバヤシ（Ｋｏｂａｙａｃｈｉ））明細書に示されている。

このコバヤシ特許には、増殖領域と防護リング領域との間に水平面を設けた埋設 構造の電子なだれ型増殖ホトダイオードが示されている。コバヤシ特許に開示さ れた本質的な構造では、吸収領域に続いて、増殖領域を備えている。最終的には 、防護リングを含む環状領域が、１本の溝を残してエツチングされ、コバヤシ特 許の第６（ａ）図における吸収領域に深く浸透したメサ（３１）を形成する。低 い濃縮度及び伝導度の層（４）は、第５（ｅ）図に示すｎ　−ｒ　ｎ　ＰＪＩ（ ３）の除去された部分の表面に、選択的に成長させられる。その結果、吸収層（ ２）に、平坦で平行な表面が形成される。

この構造のものは、製作が面倒であり、また、装置の最高電位領域における再成 長境界面の高電位が不足することとなる。

またこの構造では、素材の成長と製造の条件を、可能な限り厳密に制御しない限 り、大きい漏洩電流が生じる。この装置は、限られた量しか一般的に利用できず 、かつ高価となる。

電子なだれ型ホトダイオードの他の例として、エツジ破損の防止と、円形接合に おける表面漏洩電流の増殖とによって。

機能を改良する試みが、米国特許第４，７００，２０９号（１９８７年１０月１ ３日、ウェブ（Ｗｅｂｂ））明細書に記載されている。

ウェブ特許では、ｎ型導電度の中心区域（３２ａ）と、背景濃縮層の上の修正導 電度濃縮層の超過領域を含むものとが提案さ九でいる。中心区域（３２ａ）は、 キャップ領域（３６）よりも常に小さい広さである。中心区域は、吸収領域から 離れており、キャップ領域は、増殖層として作用する。

エツジ破損を防ぎながら、電子なだれ型ホトダイオードの中心増殖領域の範囲の 活動力を強調することによって、光学ファイバシステムは、大容量のデータ電送 のための、広い中継器間隔を持つように設計される。そのため、システムの価格 は、相当に減少させる。改良された電子なだれ型ホトダイオードによるシステム が完成した場合には、波長１．２ないし１．６ミクロンの領域において、中継器 間隔を著しく増加させることが期待される。また、０．２デシベル／ｋｍのファ イバの合計損失は、０．２デシベル／ｋｍとなる。

これらの結果は、長波長のＡＰＤ検出器によって、光学ファイバシステムは、単 一モードのファイバを使用して毎秒１ギガビツトを伝送する際に、中継器の間隔 を６０ｋｍ以上にも広げる得ることを示している。波長１．５５ミクロンのレー ザを使用すると、中継器間隔を２００に一以上にも広げ得ると思われる。

本発明の１つの目的は、高感度かつ高信頼性を備え、また。

トンネル効果あるいはエツジ破損効果が小さくて、漏洩電流が少なく、製作が容 易なＳＡＭ−ＡＰＤを提供することである。

光匪立鷹遣一 本発明の電子なだれ型ホトダイオードは、半導体材料で構成された基層と、同じ 第１の半導体材料で構成された緩衝領域とからなり、緩衝領域は、基層を覆って 形成する。さらに、緩衝領域の上に三重の光吸収領域を形成し、この領域は、第 ２の半導体材料に、緩衝領域の上に形成した第１型導電物の不純物を添加したも ので構成する。好ましい実施例では、次いで１つの増殖領域を、吸収領域の一ヒ に形成させる。この領域は、第１型導電物の不純物を添加した第１の半導体材料 で構成する。増殖領域は、光吸収領域にヘテロ接合で形成し、その上部に低濃度 の第１型心電物の不純物を添加する。

本発明の電子なだれ型ホトダイオードは、高濃度の第１型導電物の不純物を添加 した第２の半３体材料で構成された中心領域髪備えている。中心領域は、増殖領 域の上に注入もしくは拡散される。第１の半導体材料で構成された少なくとも１ つの浮動リング領域に、中心領域と同じ高濃度の第２型導電物の不純物を添加す る１本明細書において「浮動リング」の用語は、外部の電流あるいは電圧のバイ アス源に、物理的に接触あるいは接続されていない、添加された領域を示すもの として使用する。

浮動リング領域は、ホトダイオードの最上面の中心領域に、同心円をなす円環で ある。このリング領域は、電圧源には直接には接触されていない、この構成にお いて、浮動リング領域は。

ホトダイオードの接合エツジの破損を防ぐ防諜リングとして機能し、それによっ て、中心領域におけるホトダイオードの利得と効率を強調し、かつ、ホトダイオ ードのエツジから離間する。

浮動リングは、中心領域内で同心円をなす複数個のリングとすることができる。

浮動リング構造に加えて、同じ第１の半導体材料に第２型導電物の不純物を添加 した薄い平板状領域を使用することＬこより。

ホトダイオードの効率の利得が強調される。この平板状領域は、中心領域と増殖 領域との間に設置される。かかる薄板を使用すると、エツジ破損を実質的に減少 させつつ、中心領域における電子なだれ型増幅効果は強調される。

本発明の改良されたＳＡＭ　ＡＰＤの変形としで、増殖領域と吸収領域との間に 、第３の半導体材料で構成された増速領域を設けることができる。この増速領域 は、第１と第２との材料の中間に、；Ｉ’状の隙間を設けた材料で構成される。

増速領域は。

増殖領域への担体の流れを助長することによって、高周波における装置の応答性 を強調する０本発明の電子なだれ型ホトダイオードは、作動の効率性のために、 ホトダイオードの最上面を覆い、かつ、中心領域を囲む、少なくとも２つの保護 層を持つべきである。

本発明の電子なだれ型ホトダイオードを製造する方法は、基層の上に緩衝領域を エピタキシャルに沈着する工程からなる。

緩衝領域及び基層は、ともに第１の半導体材料である。第２の半導体材料の三重 の吸収領域を、緩衝領域の上にエピタキシャルに沈着させ、第１型導電物の不純 物を添加する０次いで、増殖領域を、吸収領域の上に沈着させる。増殖領域は、 第１の半導体材料であり、低濃縮度の第】−０型導電物の不純物が添加される上 面を除いて、第１型導電物の不純物を添加する。

次に、第１の拡散障壁薄膜（窒化ケイ素あるいは二酸化ケイ素）を、ホトレジス トパターンを使用する写真製版技法によって、増殖領域の上に沈着させる０次い で、増殖領域の上面に、増殖領域の上面中心領域における第２型導電物の不純物 を添加し、拡散させる０次いで、複数個の同心円リングを、中心領域を囲む増殖 領域の上面に、拡散させ、添加する。これらのリングは、中心領域と同じ材料か らなり、同じ導電性を有してｔ）る。

リングは、中心領域の拡散と同時に拡散させることもできる。

リングを中心領域と同心円状に沈着した後に、増殖領域の上面を保護するために 、第２の薄膜を、第１の障壁薄膜の上に沈着させる。

次に、金属合金を５中心領域に導通して接続するように熱沈着し、第１の障壁薄 膜の上の第２の薄膜を、増殖領域の上面を保護するために沈着させる。

次に、金属合金を、中心領域に導通して接続するように熱沈着させる。接続は、 同心円リングに直接には接触せず、したがって、同心円リングは、中心領域の電 位から浮遊している。この手法により、電子なだれ型ホトダイオードにおける、 ホトダイオードのノイズ作用を強調するエツジ接合破損は、完全に減少する。

また、ここに開示した製造方法において、増殖領域の沈着に先立ち、吸収領域を 覆って、中間の帯状間隙を持つ第３型の半導体の増速領域を、エピタキシャル沈 着する工程を含めてもよ覧１゜ さらに、１つの薄板状領域を、電子なだれ型ホトダイオードの中にイオン注入す るか、あるいは成長させる。この薄板状領域は、第２型導電物の不純物が高濃度 で添加された第１の半導体材料で構成され、感光領域と増殖領域との間に配置さ れる。

この手法により、ホトダイオードの中心領域における利得は。

より大となる、 要約すれば、本発明の電子なだれ型ホトダイオードは、基層の上に順次に積層さ れた複数個の作動領域を備えるものである。

最上層は、増殖領域であり、第１型導電物の不純物が添加された第１の半導体材 料で作られる。中心領域には、第２型渾電物の不純物が添加される。中心領域は 、中心領域と同じ材料と導電性を持つ少なくとも１つの防護リングによって囲ま れている。

防護リングは、電流源には接続されていない、この手法により、ホトダイオード の電子なだれ効果は、実質的に中心領域に制限される。電子なだれ型ホトダイオ ードのエツジあるいは周縁に発生する破損は、実質的に減少する。

浮動リングに加えて、第１型導電物の不純物を高濃度で添加した第１の半導体材 料の薄板状領域が、中心領域の下部にイオン注入される。この手法により、中心 領域における電子なだれ効果は、さらに強調される。

図　の　単な　ロ 第１図は、従来の電子なだれ型ホトダイオードで、上表面に再成長によるメサ構 造を備えるものの断面図である。

第２図は、本発明の電子なだれ型ホトダイオードの好ましい実施例の断面図で、 複数の平らな層を積層したベテロ構造を持ち、中心領域（５０）と増殖領域（４ ６ａ）との間に、ヘテロ接合されて、電子なだれ効果を強調する防護リングを備 えている。また。

第２図は、別の実施例として、電子なだれ効果を強調する薄板（４８）を使用し たものをも示している。

第３図は７本発明のホトダイオードの第２図の■−■線より見た平面図で、中心 領域を囲む同心円状防護リングの形状を示している。

第４図は、ダイオード製造中における、本発明の電子なだれ型ホトダイオードの へテロ構造をなす複数層のエピタキシャル成長の第１段階を示す。

第５図は、ｌｌ造の第２段階を示す断面図で、ｐ−ｎ接合構成及びホトダイオー ドの上表面に形成された保護層を示す。

第６図は、中心領域（５０）及びリング（５４）　（５６）　（５ｇ）にイオン 注入した後に、上面を覆って第２の保護層（６２）を形成する工程及び構造を示 す。

第７図は、従来の標準的な防護されていないｐ−１−ｎ型光検出器の等電位グラ フである。

第８図は、第７図示のＩ！ｌＩ４的な防護されていないｐ−１−ｎ型光検出器の ｙ軸方向の電界分布を示す。

第９図は、単一の浮動防護リングを持つ電子なだれ型ホトダイオードの等電位グ ラフである。

第１０図は、第９図の断面を示すもので、単一の浮動防護リングを持つ電子なだ れ型ホトダイオードの電界電位を示す。

第１１図は、薄板状領域を使用した電子なだれ型ホトダイオードの等電位グラフ である。

第１２図は、薄板を備え、浮動防護リングを使用しない電子なだれ型ホトダイオ ードのｙ軸方向の電界グラフを示す。

第１３図は、ｐ−１−ｎ型ダイオードと浮動防護リングを備える電子なだれ型ホ トダイオードの電流及び電圧の特性を示す。

第１４図は、本発明の電子なだれ型ホトダイオードの防護リングの充電流特性に おける防護リングの効果を示す、゛第１５図は、浮動防護リングと薄板状領域を 組み合わせた実施例における等電位分配のグラフを示す。

第１６図は、第１５図示の浮動防護リングと薄板状領域を組み合わせた実施例の 電界断面を示すグラフである。

適な　例の　細な 第１図は、従来のホトダイオード（１０）の平型構成を示すもので、高度に合成 された再成長構造の使用によるエツジ破損を防ぐための、標準的な大型防護リン グの使用を避けるものである。

従来例におけるこの合成平型構造は、ｎ生型の導電性を付与するための不純物が 添加されたＩｎＰ（燐化インジウム）の基層を備えている。基層の下面は、金属 化したｎ型接合層（１２）で被覆する。基層（１４）の上には、燐化インジウム 材料の緩衝領域（１６）を介して、ｎ−ＩｎＧａＡｓ　（インジウム・ガリウム ・アルセニド）層（１８）を成長させる。吸収領域（１８）は、燐化インジウム ・ガリウム・アルセニド（ＩｎＧａＡｓＰ）で作った増速領域（２２）で被覆さ れる。増速領域は、吸収領域（２４Ａ）　（２４Ｂ）から電子が飛び出すことを 助けるが、第１図示のホトダイオード（１０）の低周波での作動には、必要でな い。

領域（２４Ａ）及び（２４Ｂ）の周側を、エツチングによりメサ形状とする。防 護リング（２６）を含む環状区域には、吸収領域（１８）の近くまで浸透する１ つの溝をエツチング加工する。装置を成長炉に戻し、メサエッチングにより形成 された溝の中に、ｎ型濃縮物あるいはｎ型１ｎＰ　（燐化インジウム）を再成長 させる。アクセプタの２段階の拡散により、大半径の防護リング（２６）は。

再成長領域中にｐ−ｎ接合の形式で誘導される。

中心領域（２８）は、燐化インジウムを拡散してｐ十型感電性に作られ、中心領 域（２８）の回りの周縁区域（２９）には、アクセプタのｒＰＪ濃縮物を添加す る。拡散をほどこした中心領域（２８）の上に、反射防止層（１７）を被覆する 。この最上層は、装置の受動性のために沈着される酸化層をも備えている。１個 のｐ型環状接点（１５）を、中心領域（２８）の環状突部（２９）の上に設置す る。

上述した従来の平型構造は、製造がきわめて複雑であり、かつ１本発明における 最高電位領域については、再成長境界面に欠陥を生じる可能性が高いものである 。そのため、材料の成長と製造を可能な限りの厳密な条件で行なわなければ、漏 洩電流が大きくなる。

このようにして製造されたホトダイオード装置では、限られた数量しか処理でき ず、高価となる０本発明以前には、第１図示のような平型構造では、作動不能で あり、かつ、設計上の許容公差が、はとんど実現不可能なほどに厳密であった。

第２図は１本発明の新規な単純化された平型ＳＡＭ−ＡＰＤ構造のホトダイオー ド（３０）を示す、この構造は、エツジ破損を防ぐための大型防護リングを再成 長させる必要性、及びそれにともなう問題を解消するものである０本発明の構造 では、ＩｎＰ　（燐化インジウム）に不純物及び添加物を加えて、高濃縮された ｎ生型導電性領域を形成した基層（３８）を備えている。

基層（３８）の下面に、ｎ型接合層（３２）が環状に固着され、ホトダイオード への入射光（３６）が入射する窓には、反射防止層（３４）が形成されている。

三重の吸収領域（４２）は、ｎ型導電性のＩｎＧａＡｓ　（インジウム・ガリウ ム・アルセニド）で作られる。

吸収領域（４２）の上に、半導体ＩｎＧａＡｓＰ　（燐化インジウム・ガリウム ・アルセニド）で作られた増速領域（４４）が配置されている。増速領域（４４ ）の上に、あるいは三重の吸収領域（４２）の上に直接に、主体の増殖領域（４ ６Ａ）が設けられている。増殖領域（４６＾）は、高濃縮度のドナーを添加した ｎ型導電性のＩｎＰである１本発明のホトダイオードの中心領域（５０）の上に は、ｐ型接点（５２）がある。

他の実施例では、高濃度の燐化インジウムを添加したｎ生型導電物で作られた薄 板（４８）がある、この薄板は、きわめて薄く、中心領域の下側に埋めこまれて いる。好ましい実施例では、薄板の厚さは、１０００〜５０００オングストロー ム（ＩＡ＝１０−１　ａ　ｍ　）の範囲である。薄板の効果は、接合の湾曲した エツジを離開して、影響を受けなくさせつつ、中心のｐ−ｎ接合の電界をすみや かに増加させることである。したがって、中心領域における破損電圧は、湾曲エ ツジのそれよりも低い値となり、エツジ破損を防止する。

従来例におけるエツジ破損を防止するための大径の防護リングは、不要となる０ 代わりに本発明のリングは、それぞれ（５４）（５６）及び（５８）で示す１個 あるいはそれ以上の防護リングを備えている。リング（５４）　（５６）及び（ ５８）は浮動リングで、中心領域（５０）と同じ材料で作られ、同じ程度、すな わち高濃縮度のｐ型導電物の不純物（Ｐ＋）が添加されている。リングは、それ らに電流が直接に接続されていない「浮動」である、金属接点（５２）は、中心 領域（５０）には結合されているが、金属のｐ接合（５２）は。

リング（５４）　（５６）あるいは（５８）のいずれにも、直接には結合されて いない。

第１の拡散障壁薄膜（６０）が増殖領域（４６Ｂ）の上面を被覆し、中心領域（ ５０）及びリング（５４）　（５６）　（５８）のＰ型ドーピングを許容する。

増殖領域（４６Ｂ）は、　（４６Ａ）とは異なるドーピング特性を備えている。

増殖領域（４６Ａ）には、ｎ型濃縮物（濃縮度１０１ｓ／ｃｍ”の自由担体によ る。）が添加され、増殖領域（４６Ａ）には。

濃縮度１−８Ｘ１０”７０ｍ”　（ｎ型導電性）が添加される。

増殖領域のドーピング量及び厚さは、４．５Ｘ］Ｏ’ボルト／ｃｍより大きい電 界ピーク値が得られ、かつ、増殖領域（４６Ａ）と吸収領域（４２）の境界（増 速領域（４４）がない場合）に、トンネル電界値を超える電界値が得られるよう に制御される。増殖領域（４６Ｂ）の上層中に浮動防護リングを拡散した後に、 第２の薄膜（６２）を沈積させる。

第３図は、本発明の電子なだれ型ホトダイオード（３０）の平面回である。ホト ダイオード（３０）の中心は、金属接点（５２）である。

金属接点り５２）のすぐ下面の中心領域の半径の範囲には領域（５０）があり、 これは図示されていない、保護被膜（６２）は、ホトダイオードの上面に展張さ れ、半径線（５４′）（５６′）及び（５８’）でそれぞれ示すように、各リン グによって分割されている。

第３図において、浮動リングは、半径１７ｔ　（５０”）で示す中心領域と等し い範囲の同心円である。しかし、この範囲は、等しくなくてもよく、各リングを 中心に接近させて、リングに近い範囲とすることもできる。

第４図、第５図及び第６図は１本発明の平型構造のＳＡＭ−Ａ、　Ｐ　Ｄの製造 方法を、順を追って示すものである。基層（３８）。

緩衝領＃：（４０）、吸収領域（４２）、必要に応じて増速領域（４４）、下部 増殖領域（４６Ａ）及び上部増殖領域（４６Ｂ）を含む各領域を、エピタキシャ ル成長技法によりエピタキシャル沈着させる。

第１の拡散障壁薄膜（６０）を、プラズマ強化化学真空蒸着装置によって沈着さ せる。この拡散障壁薄膜は、通常ＳｉＮｘ、好ましくは８１３Ｎ４である。この 第１の障壁薄膜は、通常７００から１５００オングストロームの厚さで沈着され 、１．９５ないし２．１０の範囲の屈折率を持っている。拡散用窓は、写真製版 技法で形成され、５１３Ｎ＋被膜は、フレオン・プラズマ・エツチングによって 除去される。レジスト膜は、酸素プラズマを使用して剥離される。好ましい実施 例では、Ｐ型厚電性領域を形成するために亜鉛拡散を使用する。この添加物拡散 により。

中心領域（５０）及び各防護リング（５４）　（５６）及び（５８）が創成され る。

中心領域（５０）及び各防護リング（５４）　（５６）　（５ｇ）の拡散の後、 第２のＳｉ３Ｎ４を沈着させる。この層（６２）（第６図）は、中心領域（５０ ）の直上の拡散窓の中心部の小領域を、充分に受動型ｐ−ｎ接合とするためのＰ 十接点を限定するために使用される。Ｐ側面接点（５２）を含む完全な構造が、 第２図に示されている。ｐ接点は、金−亜鉛合金を熱蒸着し、４２０℃でアニー ル処理をして作られる。下面にＮ接点（３２）を設けたウェハの背面には、金− 錫合金の層を熱蒸着する。上述の製造工程は、第２図及び第４図に示す増速領域 （４４）を含まない、この領域（４４）は、ＡＰＤ（３０）全体の設計の一部と して製作されるものである。

第９図から第１６図は２作動中のダイオードにおけるダイオードの表面と深さ方 向における電界と等電位を示すもので、第７図及び第８図に示す従来例の実験値 と比較対照させである。

第７図は、従来の標準的な防護されていないｐ−１−ｎ型ＩｎＧａＡｓ（インジ ウム・ガリウム・アルセニド）光検出器の等電位を示すグラフである。上側増殖 領域（７６）及び下側増殖領域（７６）を、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　、Ａ　ｓ材料で形 成されたｎ型導電性の吸収領域（７４）とのへテロ構造で示しである。ｐ−１− ｎ型Ｉ　ｎＧａＡｓ光検出器の増殖領域との境界血祭なすＩｎＰ（隣化インジウ ム）材料が添加されたＰ型の中心領域（７８）との境界面に、ｐ−ｎ接合が形成 されている。第７図は、Ｙ軸でホト・・ダイオードの中心から半径方向の距離を 、Ｙ軸で中心部におけるダイオードの上面からの深さ？示している６等電位界の 測定は、中心部（７１）と周辺部（７２）で行なわれる、 標準的な防護されていないｐ　−ｉ−ｎ型ＩｎＧａＡＳ光検出器の電界分布は、 第８図に示すように、中心部の電界値（７１’）が周辺部の電界＠（７２′）よ りも低強度である。第７図示の等電位線間の距離は、ダイオード内のあらゆる方 向について、電界値に反比例している。すなわち第７図において、線の間隔が狭 いところは、電界値が高いことを示す。

第８図は、第７図のＹ軸と平行な１！；Ａ（７１）及び（７２）に沿った。

従来例の電界値を示す、第７図及び第８図から明らかなように、防護されていな い構造では、接合のエツジにおける電界値が、接合の中心あるいは平坦部よりも 高くなっている。この電界密度の高まりによって、ｐ　−ｉ−ｎ型構造における 電源の局所集中、あるいはエツジ破損が生しることはよく知られており、ｐ−ｎ 接合のエツジの曲率半径は小さくなる。この効果によって、防護されていない電 子なだれ型ホトダイオードは、低ノイズ操作には適用されない、第８図によれば 、接合のエツジ部における電界値は、接合の中心部よりも約１．７倍大きくなっ ている。

コンピュータ・シミュレーション図で示しである第７図及び第８図の従来例に対 して、第９図は、本発明の単一の浮動防護リング（５４）を備えるＳＡＭ−ＡＰ Ｄの、コンピュータで計算した等電位線（実測値と実質的に一致する）を示して いる。より多数の防護リングを使用する方が好ましいが、単一の浮動防護リング （５４）でも、第９図示のような良好な計算結果が得られる。

第９図に示すように、中心のｐ−ｎ接合（あるいは能動接合）及び浮動リングの 外縁部における等電位線が詰まったところでも。

ｐ−１−ｎ型ダイオードよりも等電位線の密度は大幅に減少している。このこと は、第１０図の電界強度を示すコンピュータ・シミュレーション図形に明瞭に示 されている。この図では、エツジ部電界値が中心部電界値の１．３倍に減少して いる。グラフ線（８１’　）（８２’　）　（８３’　）及び（８４’）は、そ れぞれ、本発明のＡＰＤの半径方向の各位置（８１）　（８２）　（８３）及び （８４）における垂直軸に沿った電界強度値を示している。

唯一の浮動リングのみを使用して、エツジ部電界値をかなり大幅に減少させ得る ことは、重要なことである。好ましい装置には、少なくとも二重の浮動リングが 設けられるため、ＡＰＤ装置は、より充分に防護される。さらに、′／１−動リ ンブリング構造動型ｐ−ｎ接合領域とリングとを１度の拡散工程で形成するので 、ｐ−１−ｎ型装置とほぼ同一の方法で製造できる。他の防護リング方法と異な り、接合の外部に位置するｎ型ＩｎＰ領域における全体の固定された電荷は、Ｙ 軸に沿った横方向位置とは無関係に一定値である。かくして、トンネル効果なし ての増殖度は、横方向位置とは無関係に、厳密に固定される。櫟準的な、大きい ローブ型防護リングを使用した装置、たとえばシリコンＡＰＤ技術では、一般に このような状態は得られない。

浮動リングは、Ｘ軸に平行な半導体と絶縁物との境界面における電界値を、大幅 に減少する。このことは、典型的な「弱い」境界面に沿って生じる面破損の可能 性を除去し、それによって、ＡＰＤの信頼性と機能を強化する。防護リングは、 完全な単一′のリング構造になっていなくても、ローブ型リングよりもエツジ電 界値を確実に減少させる。

中心領域（５０）における破損をエツジ破損以上に強調するための一つの手法は 、ＷＩ板で防護されたＡＰＤを使用することである。この構造は、第１１図に示 すように、標準的なｐ−１−ｎ型車−拡散接合に、中心領域（５０）の拡散され た表面に接近して。

高濃度のｎ型ＩｎＰを添加した薄板を追加したものである。実験では、薄板は、 １０００オングストロームの厚さで、薄板のドーピング効果（０，５Ｘ　１０” ／ｃ　ｍ３）により中心のＰ型領域の電界値が急速に増加し、かつ、接合の湾曲 したエツジから影響を受けないように離間している。したがって、中心領域にお ける破損電圧は減少し、エツジ破損が除去される。

これらの効果は、第１２図に示されており、中心接合領域（５０）の電界値は、 エツジの電界値に等しいか、または僅かに高くなっている。中心電界値のグラフ （９１’）は、第１１図の垂直＠（９１）における測定値である。第１２図にお ける破線（９２’）は、第１１図の線（９１）に沿った電界値を示す、ここでは 、エツジの電界値（９２’）は、エツジ電界値（９１’）に等しいか、または僅 かにｔ　高くなっている。かくして、この装置では、全くエツジ破損を生じさせ ないという効果がある。この薄板は、予めエツチングされた中心接合領域（５０ ）に対するイオン注入、あるいはエピタキシャル再成長を適用して作ることがで きる。薄板の厚さによって、このエツチング及び再成長工程は、平型ダイオード における安定した結果を得る。

薄板構造は、浮動リング装置に比較して、製造がいくらか困難である。浮動リン グＡＰＤと同様に、薄板で防護された構造は、ＳＡＭ−ＡＰＤの作動に基本的に 存在するトンネル効果がないことによって、増殖のすべての要求に適合するもの である。

第１５図及び第１６図は、薄板及び浮動リングを組み合わせた最適な設計を示す ものである。第１Ｓ図の垂直線（１１１）（１１２）（１１３）及び（１１４） に沿った電界強度グラフは１本発明の他の実施例であるＡＰＤの上面におけるも のであり、この組み合わせ構造の全体の効果は、第１６図に示されている。電界 値のグラフ（１１１’）（１１２’）（１１３’）及び（１１４’）は、本発明 の他の実施例であるＡＰＤにおける。浮動リングと薄板とを組み合わせた構造の 結果を示している。

第１３図は、従来のｐ−１−ｎ型と、本発明のへテロ構造ダイオードである浮動 防護リングＡＰＤとを比較したものである。

曲線（１０１）は、従来のｐ−１−ｎ型ダイオードの電圧−電流特性を示し１曲 線（１０３）　（１０５）及び（１０７）は、本発明の好ましい実施例である浮 動リングを備えるＡＰＤの特性を示す、これらの装置において、ウェハを横切る 破損電圧は、標準的なｐ−１−ｎ型ダイオード（１０１）での約２０ボルトから 、他のダイオードにおける最大値３８ボルト（１０７）まで変化する。顕微鏡検 査によると、低い電圧で破損した装置では、リング構造の形状に崩れ、あるいは 破損が見られた。一方、最大破損電圧のＡＰＤには、幾何学的なひび割れがない ことが確認された。

本発明のＡＰＤの破損電圧が、従来のｐ　−ｉ　−ｎ型の２倍近くにもなること は、従来のｐ−１−ｎ型構造における破損の主原因である「早期の」エツジ破損 効果を減少させるための、防護リングの有効性を明確に示すものである。

破損電圧の約半分の低電圧では、ｐ−１−ｎ型と本発明のＡＰＤとの暗電流は、 同等（１ナノアンペア）である、下降領域が線化インジウム層（第２図の（４５ ））を貫通して、ペテロ構造の装置の特徴である吸収領域（４２）に達した場合 でも、暗電流は増加しない、いくつかの装置のテスト結果では、吸収層に効果的 に生じた接合は、ｘｎＰｍｍ層（４６）において接合があれば、破損電圧を７０ ボルトに高くすることが期待される。最初の実験では、ｐ−ｎ接合部に破損領域 は示されなかった。どの場合にも。

破損は、吸収層の近くで見られ、本発明の絶縁された浮動リングによって、エツ ジ破損効果が抑制されることが、明確に見られた。

第１４図は、中心接点近くのＡＰＤの上面への光照射による浮動リングの効果を 示す、７ボルト及び１４ボルトにおいて。

光電流に段差がつくという、特異な電流−電圧特性が明確に示されている。これ らの光電流を増加する段差は、抑制領域が１番目のリングから順次外側に達して 、光反応を増加させるためである。リングは、高度にｐ型添加されているので、 抑制領域がリングの内側面に到達するごとに、直ちに外側面に浸透して。

等電位面が形成される。ダイオードの表面における抑制領域の幅が急激に増加す ると５集光面積が増加し、それに対応して。

光電流は増加する０曲線（１０２）は、このことを示している０曲線（１００） は、光を遮蔽したときの特性で、ホトダイオードの逆バイアスにおける標準の暗 電流を示している。

ホトダイオードを、破損限度に近い光電流値に対応する最高破損電圧値を示すよ うに構成できることは、云うまでもない。

これは、防護リングをｒ食い違い」構造とすることであり、最も内側のリングの 、中心作動領域との距離を、外側のリングとの距離よりも小さくすることである 。

以上、ペテロ構造のＡＰＤ装置に、薄板と浮動防護リングとを使用した実施例に ついて述べた。他の実施例としては、装置の上表面に浮動防護リングを単独で使 用することが考えられる。

少なくとも１個の防護リングを設けることにより、電子なだれ性質の強調された 中心を破壊することができるが、複数個の防護リングを、ホトダイオードの中心 からＸ軸に沿って外側に等距離で設けることが望ましい、実施例では、防護リン グを等間隔で配置したものを示しであるが１等間隔以外の配置としたものも、本 発明の範囲に含まれる。

すなわち、本発明は、添付した「請求の範囲」の記載に基づいて、法律に従って 解釈される範囲のものであり、同価の変形例を含むものである。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．電子なだれ型ホトダイオードであって、第１の半導体材料で構成された基層 と、前記第１の半導体材料で構成され、該基層を覆って形成された緩衝領域と、 第２の半導体材料で構成され、第１の半導体材料の不純物が添加されて、前記緩 衝領域を覆って形成された三重の光吸収領域と、 第１型導電物の不純物が添加された前記第１の半導体材料で構成され、その上部 に前記第１型導電物の不純物が第１の濃縮度で添加され、前記光吸収領域とヘテ ロ接合を形成する増速領域と、 第２型導電物の不純物が、前記第１の濃縮度よりも大きい第２の濃縮度で添加さ れた、前記第１の半導体材料で構成され、前記増殖領域の上に植えこまれた中心 領域と、前記第２型の不純物が、前記中心領域と同じ高濃縮度で添加された、前 記第１の半導体材料で構成された、少なくとも１個の浮動リング領域とよりなり 、 前記浮動リング領域は、ホトダイオードの上表面において前記中心領域を同心的 に囲み、電圧源には直接には接続せず、かっ、前記増殖領域中に構えこむことに より、前記浮動リング領域が、ホトダイオードの接合エッジにおける破損を防止 する防護リングとして作用させ、前記中心領域において、前記ホトダイオードの 利得と効率を強調するようにした電子なだれ型ホトダイオード。
2. ２．第２型導電物の不純物が前記第１の濃縮度より大きい第３の濃縮度で添加さ れた、前記第１の半導体材料で構成され、前記中心領域と増殖領域との間に並置 された薄板領域を含み、それによって、前記中心領域における電子なだれ破損を 強調し、かつ、接合エッジの破損を実質的に減少させるようになっている請求項 １記載の電子なだれ型ホトダイオード。
3. ３．増殖領域と吸収領域との間に並置され、第３の半導体材料で構成された増速 領域を含み、 該増速領域は、前記増殖領域と１つのヘテロ接合を、また、前記吸収領域と他の ヘテロ接合を形成し、それによって、増殖領域への担体の流れを促進して、前記 増速領域の高周波数反応性を強調するようになっている請求項１記載の電子なだ れ型ホトダイオード。
4. ４．増殖領域と吸収領域との間に並置され、第３の半導体材料で構成された増速 領域を含み、 該増速領域は、前記増殖領域と１つのヘテロ接合を、また、前記吸収領域と他の ヘテロ接合を形成し、それによって、増殖領域への担体の流れを促進して、前記 増速領域の高周波数反応性を強調するようになっている請求項２記載の電子なだ れ型ホトダイオード。
5. ５．ホトダイオードの上表面を覆い、かつ、前記中心領域を囲む、少なくとも２ つの受動性層を含む請求項１記載の電子なだれ型ホトダイオード。
6. ６．電子なだれ型ホトダイオードの製造方法であって、基層を覆って第１の半導 体材料の緩衝領域をエピタキシャル沈着する工程と、 第１型導電物の不純物が添加された第２の半導体材料の三重の吸収領域を、前記 緩衝領域を覆ってエピタキシャル沈着する工程と、 前記第１の半導体材料で構成され、その上面を除いて（この増殖領域には、前記 第１型導電物の不純物が低濃縮度で添加されている。）前記第１型導電物の不純 物が添加された増殖領域を、前記三重の吸収領域を覆ってエピタキシャル沈着す る工程と、 前記増殖領域を覆って、第１の拡散障壁薄膜を、ポジチブ型レジストを使用する 写真製版技法により，１個の拡散窓を形成するように沈着する工程と、 前記増殖領域の上表面の中心領域において、第２型導電物の不純物を増殖領域の 上表面に拡散させ、沈着する工程と、前記中心領域と同じ材料で構成され、同型 の導電性を持つ複数個のリングを、前記中心領域を囲む上表面に拡散させ、添加 する工程と、 前記増殖領域の上表面を保護し、前記中心領域を前記拡散窓の中心に限定するた めの第２の拡散障壁薄膜を、前記第１の障壁薄膜の上に沈着する工程と、 金属合金を、前記中心領域に導通し、かつ、前記同心円リングには接続されない ように、熱沈着する工程とにより、エッジ接合の破損防護部を備えてホトダイオ ードの利得を強調する電子なだれ型ホトダイオードを完成させる電子なだれ型ホ トダイオードの製造方法。
7. ７．増殖領域の沈着に先立って、第３型半導体の増速領域を、吸収領域を覆って エピタキシャル沈着する工程を含む請求項６記載の電子なだれ型ホトダイオード の製造方法。
8. ８．第１の半導体材料で構成され、第２型導電物の不純物が高濃縮度で添加され た薄板状領域を、中心領域と増殖領域の間にイオン注入する工程を含み、 それによって、中心領域における利得を強調したホトダイオードを製造すること を特徴とする請求項６記載の電子なだれ型ホトダイオードの製造方法。
9. ９．電子なだれ型ホトダイオードであって、基層の上に順次積層して沈着された 増殖領域、三重の光吸収領域、中心領域及び増速領域よりなり、前記増殖領域は 、第１型導電物の不純物が添加された第１の半導体材料で作られ、 前記増速領域は、前記増殖領域に隣接して沈着され、第２の半導体材料で構成さ れ、 前記吸収領域は、前記第１型導電物の不純物が添加された第３の半導体材料で構 成され、 前記吸収領域は、前記増速領域に隣接して沈着され、前記中心領域は、前記増殖 領域の上表面にイオン注入され、第２型導電物の不純物が添加され、かつ、前記 中心領域は、同じ材料と導電性の少なくとも１つの防護リングで囲まれており、 前記防護リングは、電流源には接続されておらず、それによって、中心領域に限 定された電子なだれ効果を持つようにした電子なだれ型ホトダイオード。
10. １０．第１の半導体材料に、第１型導電物の不純物を高濃縮度で添加した薄板状 領域が、中心領域の下に注入されており、それによって、電子なだれ効果を強調 するようにした請求項９記載の電子なだれ型ホトダイオード。