JPH10308527A - 半導体光検出器 - Google Patents
半導体光検出器Info
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Abstract
けるエッジ降伏を被らず、共通保護リング層にエッチン
グを施して同じ基板上に造られるAPDの保護リングを
形成する必要のない、保護リングの周辺にパシベーショ
ンを施す追加処理を必要としないSAM−APDを提供
すること。 【解決手段】 SAM−APD100は、n--InGa
As吸光層104、n--InGaAsP中間層106、
n-InPアバランシェ増倍層108、および均一なp+
-InPキャップ層110から構成される層構造102
が、n+-InP基板112上に配置される。n+-InP
基板112上において、層構造102を構成する層のエ
ピタキシャル成長が順次実施される。
Description
トダイオードに係り、とりわけ、高利得半導体のアバラ
ンシェフォトダイオードに関する。
APDと称す)は、露光すると荷電キャリアが発生し増
倍される半導体デバイスである。APDは、高速通信に
おいて広く用いられている。APDは、高ピーク電界が
降伏に近い、逆バイアス下で動作する。適合する波長範
囲内、すなわち、300〜1600nm内の入射フォト
ンによって、半導体材料に荷電キャリア(電子および/
または正孔)が生じる。荷電キャリアは、大きい逆バイ
アスによって電極に向かって加速される。こうして加速
されたキャリアは、半導体材料内における衝突電離によ
って二次キャリアを発生する。この結果、得られるアバ
ランシェの利得は103を超える可能性がある。APD
によって、受光器の感度を10dB向上させることが可
能である。
mの範囲の波長の場合、APDの吸光層は、禁止帯の幅
が狭い半導体材料から形成されなければならない。しか
し、大きい逆バイアスをかけることによって、一般に、
禁止帯の幅が狭い材料を流れる大きな暗電流に起因する
過剰ノイズが生じることになる。この過剰ノイズを抑制
するため、より禁止帯の幅が広い材料の独立した層を設
けて、アバランシェ増倍を可能にしている。こうして構
成されるAPDは、一般に、独立した吸光および増倍
(SAM)APDとして知られている。
造、すなわち、平面構造またはメサ構造が存在する。メ
サ構造SAM−APDの場合、増倍層のエピタキシャル
成長が施される。これによって、層の厚さおよび不純物
のドーパント濃度に関して精密な制御が可能になる。し
かし、メサ構造は、メサ表面の強電界領域を露出する。
最近まで、この表面のパシベーションは、十分に立証さ
れておらず、メサ構造APDは好感を持たれなかった。
表面における電界強度がメサ構造APDよりも低い。平
面構造APDの場合、P−N接合は、一般に、p型ドー
ピングエージェント(ドーパント)をエピタキシャル成
長させたn型層に拡散することによって形成される。増
倍層の厚さは、P−N接合の位置によって形成される。
図8には、n+-InP基板15上に、n型のInPバッ
ファ層10、n--InGaAs吸光層11、n--InG
aAsP中間層12、n-InPアバランシェ増倍層1
3、およびn--InPウインドウ層14を順次エピタキ
シャル成長させた、従来の平面SAM−APDが示され
ている。p+-InP拡散層16およびp型保護リング1
7が、選択的拡散またはイオン注入技法によってn--I
nPウインドウ層14に形成される。デバイスの上部表
面には、P側電極18が設けられており、n+-InP基
板15の下部表面には、N側電極19が形成されてい
る。
n--InGaAs吸光層11における吸光によって発生
する正孔は、ドリフトして、n-InPアバランシェ増
倍層13内に入り込み、アバランシェ増倍を開始する。
APDは、n--InGaAs吸光層11における電界が
暗電流を抑制するのに十分な弱さに保たれるように設計
するのが理想である。n--InGaAs吸光層11に発
生する正孔が、n--InGaAs吸光層11とn型のn
-InPアバランシェ増倍層13の間に形成されたヘテ
ロ接合の価電子帯に蓄積される。これによって、APD
の応答時間が増す。この欠点を克服するため、n--In
GaAs吸光層11とn型のn-InPアバランシェ増
倍層13の間に、n--InGaAsP中間層12が配置
される。
層14とp+-InP拡散層16との間のP−N接合21
に沿って均一なアバランシェ増倍を実現することが必要
になる。そのため、降伏領域をP−N接合21の平面部
分と同じだけ広がるAPDの中央部分に制限することが
必要になる。ずっと以前から、湾曲によって電界強度が
増すことが認識されてきた。従って、P−N接合21の
両端間が所定の電位差の場合、電界強度は、P−N接合
の湾曲部分20のほうが平面部分より高くなる。この電
界強度の増大によって、湾曲部分20に早期降伏を生じ
させる可能性がある。この降伏は、一般に、エッジ降伏
として知られるものである。
散層16を包囲するp型保護リング17が設けられてい
る。p型保護リング17は、n--InPウインドウ層1
4とn-InPアバランシェ増倍層13との両方の間に
第2のP−N接合22が生じるように形成されている。
第2のP−N接合22は、P−N接合21より一般に深
くなる。該p型保護リング17によって、P−N接合2
1の湾曲部分20が有効に排除される。
n--InPウインドウ層14は、キャリア濃度が低くな
る場合が多く、よりキャリア濃度の高いn型のn-In
Pアバランシェ増倍層13上にエピタキシャル成長させ
られる。第2のP−N接合22は、高温で、n--InP
ウインドウ層14に対して、Beイオン等の選択的拡
散、または、注入および焼なまし(annealing)を施す
ことによって形成される。P−N接合21は、一般に、
拡散源としてCdまたはZnを利用し、n--InPウイ
ンドウ層14に対して、P+-InP拡散層16を形成す
るp型ドーパントの選択的拡散を施すことによって形成
される。
P−N接合21は、n-InPアバランシェ増倍層13
の近くまたは内部に位置するように、できるだけ深く配
置される。さらに、応答時間を短縮するため、増倍層
は、ドーパント濃度が高くなければならない。このため
には、光で発生するキャリアが所望の利得を得るのに十
分な量だけ抽出されるように、n-InPアバランシェ
増倍層13およびp型保護リング17のドーピングと厚
さの両方に対して高度な制御を施すことが必要になる。
また、n--InGaAs吸光層11における電界は、過
剰な暗電流を回避するため、弱く保たなければならな
い。
ある。拡散を利用して形成することが可能な構造の精度
には限界がある。例えば、100GHzの利得帯域幅積
を実現するには、均一にドープされた増倍層は、必要と
される±0.004μmで約0.7μmの厚さを備えて
いなければならない。拡散テクノロジによってこの精度
を実現するのは極めて困難である。同様の理由から、保
護リングのドーピングおよび位置を正確に制御するのは
困難である。このため、APDの生産において生産の歩
留まりが減少し、コストが増大する場合が多い。生産の
歩留まりの減少は、高利得帯域幅積のAPDを製造する
場合の重大な欠点である。
おいて、本発明の発明者は、メサのまわりに保護リング
をエピタキシャル再成長させることによって、メサ表面
における平面P−N接合のパシベーションに関する問題
を解決した、メサ構造SAM−APDを開示している。
該デバイスの断面図が図9に示されている。n+-InP
基板26上に、n--InGaAs吸光層23、n--In
GaAsP中間層24、n-InPアバランシェ増倍層
25、および均一なp+-InPキャップ層27のエピタ
キシャル成長が順次実施される。n-InPアバランシ
ェ増倍層25およびp+-InPキャップ層27によっ
て、第1の平面P−N接合28が形成される。p+-In
Pキャップ層27の厚さを完全に貫いて延びる部分、お
よびn-InPアバランシェ増倍層25の厚さを部分的
に貫いて延びる部分を除去することによって、メサ構造
が形成される。
タキシャル再成長が実施されて、メサが包囲され、保護
リング29とn-InPアバランシェ増倍層25との間
の界面に第2のP−N接合34が形成される。保護リン
グ29は、保護リング29の再成長前に、メサ構造の表
面において露出された、第1の平面P−N接合28を保
護する。保護リング29は、p+-InPキャップ層27
と同じ半導体材料から形成するのが望ましいが、保護リ
ング29の電界を弱めるため、不純物の濃度はより低
い。
および湾曲部分37が含まれている。平面部分36は、
n-InPアバランシェ増倍層25に隣接して、平行に
配置されている。湾曲部分37は、第1の平面P−N接
合28よりもn--InGaAs吸光層23に近接して配
置されている。さらに、保護リング29は、不純物の濃
度がn-InPアバランシェ増倍層25より低いことが
望ましい。この構造によって、第1の平面P−N接合2
8に近接した電界が大幅に弱まり、エッジ降伏の可能性
が低下する。
す従来の平面構造APDのn--InPウインドウ層14
に対応するウインドウ層が欠けている。ウインドウ層を
省くことによって、アバランシェの立ち上がり時間が大
幅に短縮され、この結果、従来の平面構造APDに比べ
て、メサ構造APDの応答時間が短縮される。
7に接触して配置されている。N側電極31が、半導体
基板であるn+-InP基板26の下方表面に形成されて
いる。
果は、多少の残留エッジ降伏が生じることを表してい
る。こうした残留エッジ降伏の原因に関する発明者の分
析によれば、APDの利得が、第1のP−N接合の両端
間において均一ではなく、この接合がメサ構造の側部と
交差するところにピークがあるということである。発明
者の分析によれば、利得ピークの原因は、メサ構造とエ
ピタキシャル再成長させた保護リングとの界面に残る鋭
角コーナ32ということになる。少量ドープした増倍層
および保護リングに隣接して配置された、多量ドープし
たp型材料の鋭角部分によって、第1のP−N接合の両
端における電界強度が急激に増大する。
生産歩留まりは、期待より少なかった。複数APDが、
共通基板上に造られ、ウェーハの全表面に、単一保護リ
ング層のエピタキシャル再成長が施される場合、デバイ
スの保護リングを互いに分離するため、後続の追加エッ
チングが必要になる。保護リングがエッチングによって
形成される場合、保護リングの周囲に、第2の再成長に
よって、または、窒化珪素のような適合する融電体薄膜
によってパシベーションを施し、過剰な表面漏洩電流を
阻止することが必要になる。追加処理によって、良好な
APDの歩留まりが減少する。
P−N接合および保護リングの界面におけるエッジ降伏
を被らないSAM−APDを提供することにある。本発
明のもう1つの目的は、共通保護リング層にエッチング
を施して、同じ基板上に造られるAPDの保護リングを
形成する必要のない、また、保護リングの周辺にパシベ
ーションを施す追加処理を必要としない、SAM−AP
Dを提供することにある。
造の表面におけるp+バッファ領域によって、バッファ
領域の形成以前に、少量ドープしたn型増倍層およびp
型保護リングに隣接して存在したキャップ層の鋭角をな
す多量ドープした部分が排除される。この結果、平面エ
ピタキシャルP−N接合の端部における電界強度が低下
し、この接合のエッジ降伏が阻止される。SAM−AP
Dには、保護リングの再成長以前にマスキング層に形成
されたウインドウによって側方範囲が画定される、保護
リングが含まれている。この保護リング構造によって、
保護リングの側方範囲を画定し、保護リングの周囲にパ
シベーションを施す追加処理ステップを実施する必要が
なくなる。
層、バッファ領域を含むメサ構造、および保護リングか
ら構成される半導体光検出器が得られる。半導体層構造
は、第1の導電性タイプの層構造であり、吸光層および
アバランシェ増倍層を含んでいる。アバランシェ増倍層
は、第1の不純物濃度を有している。キャップ層は、第
2の導電性タイプの半導体材料から形成され、アバラン
シェ増倍層に近接して配置され、増倍層と第1のP−N
接合を形成する。メサ構造には、キャップ層、第1のP
−N層、第1のP−N接合、およびアバランシェ増倍層
の上方部分が含まれている。バッファ領域は、メサ表面
からメサ構造内に入り込む第2の導電性タイプの領域で
ある。保護リングは、第2の導電性タイプのエピタキシ
ャル半導体材料製であり、メサ構造のバッファ領域に近
接して配置され、第1のP−N接合を包囲する。保護リ
ングは、第1の不純物濃度より低い第2の不純物濃度を
有している。
製造する方法も得られる。該方法の場合、半導体層構造
が得られる。半導体層構造には、第1の導電性タイプの
キャップ層と、第2の導電性タイプの吸光層およびアバ
ランシェ増倍層とが含まれている。増倍層は、キャップ
層に近接して配置されて、第1のP−N接合を形成す
る。半導体層構造にエッチングを施すことによって、キ
ャップ層およびアバランシェ増倍層の一部を含むメサ構
造が形成される。メサ表面に不純物を注入することによ
って、第1の導電性タイプのバッファ領域が形成され
る。次に、メサ構造のまわりに、第1の導電性タイプの
エピタキシャル半導体材料の層を選択的に再成長させる
ことによって、保護リングが形成される。
層、メサ構造、メサ表面の一部をカバーするマスキング
層、およびマスキング層のウインドウによって側方範囲
が画定される保護リングから構成される半導体光検出器
も得られる。半導体層構造は、第1の導電性タイプの層
構造であり、吸光層およびアバランシェ増倍層を含んで
いる。アバランシェ増倍層は、第1の不純物濃度を有し
ている。キャップ層は、第2の導電性タイプの半導体材
料から形成され、アバランシェ増倍層に近接して配置さ
れ、増倍層と第1のP−N接合を形成する。メサ構造に
は、キャップ層、第1のP−N接合、およびアバランシ
ェ増倍層の一部が含まれている。マスキング層は、メサ
表面の一部をカバーし、メサ構造の少なくとも側部をカ
バーするウインドウを形成する。保護リングは、第2の
導電性タイプのエピタキシャル半導体材料であり、ウイ
ンドウと同じだけ広がっている。保護リングは、第1の
不純物濃度より低い第2の不純物濃度を有している。
検出器の製造方法が得られる。この方法の場合、半導体
層構造が形成される。この半導体層構造には、第1の導
電性タイプのキャップ層と、第2の導電性タイプの吸光
層およびアバランシェ増倍層とが含まれる。アバランシ
ェ増倍層は、キャップ層に近接して配置され、第1のP
−N接合を形成する。半導体層構造にエッチングを施す
ことによって、キャップ層とアバランシェ増倍層の一部
を含むメサ構造とが形成される。メサ構造の表面の一部
に、第1の導電性タイプのエピタキシャル半導体材料の
層を選択的に再成長させることによって、保護リングが
形成される。エピタキシャル半導体材料の層を選択的に
再成長させることによって、メサ構造に対する所定の側
方範囲が画定される。
アバランシェフォトダイオード(APD)100の第1
の実施形態が示されている。この場合、n--InGaA
s吸光層104、n--InGaAsP中間層106、n
-InPアバランシェ増倍層108、および均一なp+-
InPキャップ層110から構成される層構造102
が、n+-InP基板112上に配置される。n+-InP
基板112上において、該層構造102を構成する層の
エピタキシャル成長が順次実施される。p+-InPキャ
ップ層110とn-InPアバランシェ増倍層108の
間の界面には、平面である第1のP−N接合114が配
置される。第1のP−N接合114は、2つのエピタキ
シャル成長させた層間における階段平面接合である。第
1のP−N接合114は、不純物濃度が増倍層よりかな
り高いp+-InPキャップ層110のために非対称性で
ある。
110と、n-InPアバランシェ増倍層108の一部
を通って延びている。メサ構造120の場合、メサ上部
122は、傾斜するメサ側部126によってメサ肩12
4に接続されている。メサ構造120のメサ表面128
は、環状ウインドウ162、166を形成するマスキン
グ層164によってカバーされている。マスキング層1
64は、一般に、窒化珪素の層であり、3つの主たる役
割を担っている。SAM−APD100の生産時に、後
述のように、マスキング層164によって保護リングの
側方範囲が画定される。生産後、マスキング層164
は、保護リングによってカバーされていないメサ表面1
28の部分にパシベーションを施し、キャップ層をカバ
ーするマスキング層164の部分は、反射防止コーティ
ングとして機能することが可能である。
らメサ構造120内に入り込む、多量ドープしたp+領
域である。バッファ領域130の不純物濃度は、p+-I
nPキャップ層110と同様であることが望ましい。バ
ッファ領域130は、メサ構造の傾斜するメサ側部12
6、およびメサ肩124の少なくとも一部にp型不純物
の浅い拡散を施すことによって、形成することが可能で
ある。さらに詳細に後述するように、バッファ領域13
0は、環状ウインドウ162によって形成されるメサ構
造120の表面の一部にp型の不純物を選択的に拡散す
ることによって形成するのが望ましい。しかし、マスキ
ング層164が、バッファ領域130の形成後に追加さ
れる場合には、代わりに、メサ構造120の全メサ表面
128に非選択的拡散を施すことによって、バッファ領
域130を形成することが可能である。
合するp型の不純物イオンをメサ構造120のメサ表面
128に注入することによって形成することも可能であ
る。イオン注入は、メサ構造120のメサ側部126お
よび少なくともメサ肩124の一部に選択的に行うのが
望ましいが、非選択的に実施することも可能である。拡
散によるバッファ領域の形成に比較すると、イオン注入
によるバッファ領域の形成の場合、バッファ領域におけ
る不純物濃度、およびバッファ領域の深さをより精密に
制御することが可能である。しかし、イオン注入による
バッファ領域の形成には、より多くの処理ステップが必
要になる。
ンシェ増倍層108とP−N接合を形成する。このP−
N接合、すなわち第2のP−N接合116は、p型の不
純物をn型の増倍領域に拡散または注入することによっ
て形成される結果として、傾斜の穏やかな接合になる。
第2のP−N接合116には、平面部分136および湾
曲部分138が含まれている。
らn-InPアバランシェ増倍層108およびp+-In
Pキャップ層110内に入り込んでいる。しかし、p+-
InPキャップ層110におけるバッファ領域130の
一部の特性は、p+-InPキャップ層110におけるp
型の不純物が既に高レベルであるため、p+-InPキャ
ップ層110の特性とほぼ同じである。バッファ領域1
30は、後述するように保護リング140内にもわずか
に入り込んでおり、マスキング層164の下を側方に延
びている。従って、マスキング層164によって、第2
のP−N接合116とメサ表面128の交差部134が
パシベーションを施される。
0の深さのために、バッファ領域130は、SAM−A
PD100の通常動作中に完全に空乏状態になる。通常
動作中、第2のP−N接合116の空乏領域は、バッフ
ァ領域130を通って、保護リング140内に入り込
む。
ャップ層110から延び、一部がメサ構造120のメサ
肩124にまで達しているので、保護リング140によ
って、中央部144の外側のメサ上部122の一部とメ
サ構造120のメサ肩124の一部とがカバーされるこ
とになる。保護リング140は、単一の選択的エピタキ
シャル再成長プロセスによって形成される。n+-InP
基板112に配置される複数APDの保護リングが、そ
れぞれ、マスキング層164の環状ウインドウ162に
おいて別個に成長させられる。このように、パシベーシ
ョン層のウインドウにおいて複数APDの保護リングを
別個に再成長させることによって、連続した保護リング
層を複数APDのそれぞれのために分割し、各保護リン
グの周囲にパシベーションを施す追加処理の必要がなく
なる。SAM−APD100の場合、後述のように、マ
スキング層164によって、メサ構造の表面にパシベー
ションが施され、単一処理工程で保護リングの側方範囲
が画定される。
ンドウ162に保護リング140を選択的に再成長させ
たAPDは、保護リング層の一部をエッチバックするこ
とによって保護リングの側方範囲を画定したAPDとは
物理的に異なっている。選択的に再成長させた保護リン
グ140には、環状ウインドウ162のエッジに隣接し
て付着成長の輪郭146が含まれている。エッチバック
によって再成長させた保護リングには、こうした輪郭が
ない。さらに、選択的に再成長させた保護リング140
のメサ肩124は、フラットであるが、エッチバックに
よる保護リングの場合、通常、エッチバックプロセスに
よって、保護リングの側方範囲に一致する側部を備えた
第2のメサが形成される。
0は、p+キャップ層と同じ半導体材料から形成され
る。しかし、保護リング140は、p+-InPキャップ
層110およびバッファ領域130に比べて不純物の濃
度が低い。このため、保護リング140の電界が弱くな
る。バッファ領域130によって、バッファ領域130
の形成前に、少量ドープしたn型のn-InPアバラン
シェ増倍層108およびp型の保護リング140に隣接
して存在したp+-InPキャップ層110の鋭角をなす
多量ドープした部分が有効に排除される。
110に接触させて配置することが可能である。N側電
極152は、半導体基板であるn+-InP基板112の
下方表面に形成される。電極は、環状または中実とする
ことが可能である。この開示のため、中実電極は、p+-
InPキャップ層110またはn+-InP基板112を
完全にカバーしていることにする。環状電極は、中央に
配置されるアパーチャを形成する。
0は環状であり、N側電極152は中実である。P側電
極150は、マスキング層164の環状ウインドウ16
6を介してp+-InPキャップ層110に接触する。さ
もなければ、マスキング層164は、p+-InPキャッ
プ層110をカバーして、p+-InPキャップ層110
の表面にパシベーションを施す。マスキング層164の
厚さは、SAM−APD100によって検出される光の
波長に関して、マスキング層164が反射防止コーティ
ングの働きをし、SAM−APD100の検出効率を高
めるように選択することが可能である。
InGaAsP中間層106は、その導電性を変更する
ことを意図して添加される不純物ドーパントが存在しな
いという意味において真性とみなされる。しかし、実際
には、これらの層は、一般に、低濃度のn型不純物を含
んでいる。
38と平面部分136が含まれている。第2のP−N接
合116の輪郭は、メサ構造120のメサ表面128の
輪郭146によって決まる。従って、湾曲部分138
は、メサ構造120のメサ側部126およびメサ肩12
4の交差部の穏やかに湾曲した輪郭に従い、平面部分1
36は、メサ構造120のメサ肩124の平面輪郭に従
う。
N接合116は、全体として、SAM−APD100の
幅を横切って延びる連続したP−N接合を形成するが、
この連続したP−N接合は、SAM−APD100の幅
にわたって傾斜の穏やかな接合から階段接合へと変化
し、さらに、傾斜の穏やかな接合に戻る。連続P−N接
合は、第1のP−N接合114と第2のP−N接合11
6とが接するところで湾曲している。しかし、n-In
Pアバランシェ増倍層108から明らかなように、第1
のP−N接合114と第2のP−N接合116の直線部
分との間の角度αは、優角、すなわち、180゜を超え
る。P−N接合の優角をなす湾曲によって、このポイン
トにおける電界は、第1のP−N接合114の中心にお
ける電界まで弱くなる。第1のP−N接合114のエッ
ジにおける電界のこの弱化によって、エッジ降伏が排除
される。P−N接合は、また、第2のP−N接合116
の湾曲部分138でも湾曲する。この場合、P−N接合
は、鈍角、すなわち、90゜〜180゜の角度をなして
穏やかに湾曲する。この湾曲によって、このポイントに
おける電界がわずかに強まるが、第2のP−N接合11
6のこの部分における電界は、第1の第1のP−N接合
114の電界に比べるとはるかに弱いので、このために
エッジ降伏が生じることはない。
ェフォトダイオードであるSAM−APD100の製造
方法が示されている。図2には、n+-InP基板112
上に、n--InGaAs吸光層104、n--InGaA
sP中間層106、n-InPアバランシェ増倍層10
8、およびp+-InPキャップ層110を順次成長させ
ることによって形成される層構造102が示されてい
る。従来のエピタキシャル結晶成長プロセスを利用し
て、n+-InP基板112上における層の成長が実施さ
れる。望ましい実施形態の場合、層の成長は、有機金属
熱分解(OMCVD)を利用して実施された。
層110の露出表面の一部は、適合するマスク(不図
示)を利用して保護される。次に、エッチングを施し
て、p+-InPキャップ層110およびn-InPアバ
ランシェ増倍層108の非保護部分を除去することによ
って、メサ構造120が形成される。除去部分は、図3
に示すように、p+-InPキャップ層110の厚さを完
全に貫いて延び、n-InPアバランシェ増倍層108
の厚さを部分的に貫いて延びている。結果生じるメサ構
造120には、p+-InPキャップ層110の厚さ全
体、およびn-InPアバランシェ増倍層108の上方
部分160が含まれている。エッチングによって、メサ
構造120のメサ側部126におけるp+-InPキャッ
プ層110とn-InPアバランシェ増倍層108の間
に形成された第1のP−N接合114が露出する。エッ
チングの後、第1のP−N接合114の下の肩の深さの
ために、保護リング140(図1)の再成長後、メサ肩
124の下に位置するn--InGaAsP中間層106
の一部の電界が、第1のP−N接合114の下に位置す
るn--InGaAsP中間層106の一部の電界よりも
弱くなる。
マスキング層164を被着させ、従来のマスクおよびエ
ッチングプロセスを利用して選択的に除去することによ
って、環状ウインドウ162が形成される。環状ウイン
ドウ162は、図4に示すように、メサ上部122の周
囲から延びて、メサ側部126を横切り、メサ肩124
を部分的に横切ることになる。環状ウインドウ162に
よって、保護リング140を再成長させるメサ表面12
8の位置が決まる。望ましい実施形態におけるマスキン
グ層164の材料として、窒化珪素が利用された。上述
のように、マスキング層164は、保護リング140お
よびP側電極150の一部によって後でカバーされるメ
サ表面128の一部を除くと、メサ表面128の全てを
カバーするパシベーション層の働きもする。
層構造102は、OMCVD反応室に戻され、ホスフェ
ン(PH3:phosphene)雰囲気(atmosphere)中にお
いて、通常のエピタキシャル成長が行われる温度範囲よ
り低い温度まで加熱される。p型InPの成長に用いら
れるドーパントである、ジエチル亜鉛流が、5〜10分
の範囲の所定の時間にわたって噴射される。この結果、
マスクによって保護されていない層構造102のメサ表
面128の部分に亜鉛層が被着する。次に、亜鉛は、該
メサ表面128の保護されていない部分に拡散し、図5
に示すバッファ領域130を形成する。拡散工程は、良
好なエピタキシャル成長が生じる温度範囲より低い温度
で実施される。なぜならば、温度がそれより高くなる
と、メサ表面128に被着した亜鉛が再蒸発し、表面内
に拡散しないためである。
経過すると、ジエチル亜鉛流が止められ、層構造102
の温度が、良好なエピタキシャル成長が生じる温度範囲
内の温度まで上昇させられて、保護リング140の再成
長が可能になる。
領域130をイオン注入によって形成すべき場合には、
上述のマスキングプロセス後に、イオン注入反応器内に
層構造102を配置して、ベリリウム、マグネシウム、
または、亜鉛イオンの注入を実施し、メサ構造120内
に約0.1±0.05μmの深さまで入り込むバッファ
領域130が形成される。この注入は、1013〜10
14cm-2の範囲の濃度が得られるまで続行される。次
に、層構造102が反応室内に戻され、保護リング14
0の再成長が可能になるように、良好なエピタキシャル
成長が生じる温度範囲内の温度まで加熱される。再成長
プロセスの間中、層構造102をこの温度に維持するこ
とによって、層構造102の焼なましも行われ、イオン
注入プロセスによって生じた構造の損傷が修復される。
プロセス、例えば、気相エピタクシまたは分子ビームエ
ピタクシを利用して再成長させることが可能である。し
かし、説明したばかりのように、ごくわずかな追加処理
でバッファ領域130の形成が可能になるので、OMC
VDが望ましい。成長条件を適正に選択すれば、保護リ
ング140を形成することになるp--InPが、メサ表
面128の露出部分、すなわち、環状ウインドウ162
内に成長するが、マスキング層164の表面には成長し
ない。従って、保護リング140は、成長すると、環状
ウインドウ162内に配置されたメサ構造120のメサ
上部122の周囲部分、メサ側部126、およびメサ肩
124の一部をカバーすることになる。すなわち、保護
リング140は、図6に示すように、メサ構造120の
メサ側部126と、p+-InPキャップ層110とn-
InPアバランシェ増倍層108との間の第1のP−N
接合114との交差部分をカバーする。
キング層164に選択的にエッチングを施して、環状ウ
インドウ166が形成される。次に、従来の金属蒸着お
よび除去技法を利用して、P側電極150およびN側電
極152が形成される。P側電極150は、環状ウイン
ドウ166を介してp+-InPキャップ層110に接触
する。
護リング140の範囲が、マスキング層164の環状ウ
インドウ162によって画定されるように、また、層構
造102に形成される隣接APDの保護リングが同じ再
成長工程において個別に形成されるように、保護リング
を選択的に成長させることによって、生産プロセスが単
純化され、良好なAPDの歩留まりが増大する。説明し
たばかりの方法で保護リングを成長させることによっ
て、追加エッチバックまたは陽子注入工程を実施し、メ
サ上部を露出させる必要がなくなる。さらに、マスキン
グ層164によってその側方範囲が画定される保護リン
グ140を成長させることによって、保護リング140
の外周にパシベーションを施す追加工程を実施する必要
がなくなる。
ル再成長を実施して保護リング140を形成すると、保
護リング140の不純物濃度を隣接するn-InPアバ
ランシェ増倍層108より低くすることができる。この
不純物濃度の関係は、従来の拡散技法を用いて実現する
ことはできない、なぜならば、拡散テクノロジの場合、
n-InPアバランシェ増倍層108の不純物濃度が増
すと、n-InPアバランシェ増倍層108と逆の導電
性モードの保護リングを形成するために、増倍層内に拡
散させなければならない不純物の濃度もそれだけ増すこ
とになるためである。これによって、保護リングにおけ
る電界が大幅に強くなる。保護リング140をエピタキ
シャル再成長させることによって、n-InPアバラン
シェ増倍層108における不純物濃度とは関係なく、保
護リング140における不純物濃度を選択することが可
能になる。すなわち、保護リング140における不純物
濃度をn-InPアバランシェ増倍層108における不
純物濃度より大幅に低くして、なおかつ、p型材料から
保護リング140を形成することが可能になる。従来の
拡散APDと比較して、保護リングにおける不純物濃度
が低いので、保護リング140の電界は弱くなる。
保護リング140の再成長の進行につれて変動させるこ
とが可能である。例えば、保護リング140のn-In
Pアバランシェ増倍層108に隣接した部分における不
純物濃度は、n-InPアバランシェ増倍層108の不
純物濃度に匹敵するようにし、保護リング140のn-
InPアバランシェ増倍層108から遠隔の部分におけ
る不純物濃度は、n-InPアバランシェ増倍層108
の不純物濃度より高くすることが可能である。さらに、
保護リング140の材料を再成長の途中で変更すること
も可能である。
施形態が示されている。図7の場合、図1に示す第1の
実施形態と同じ構成要素は同じ参照番号で表示されてお
り、ここで再度の説明は控えることにする。第1の実施
形態の構成要素と同様の構成要素は、同じ参照番号に1
00を加算して表示されている。
の面積は第1の実施形態の保護リング140よりも広く
なっている。この面積の拡大によって、保護リング24
0の再成長がより制御しやすくなる。保護リングのサイ
ズを拡大するため、マスキング層264のトポロジは、
マスキング層164のトポロジと異なっている。マスキ
ング層264は、メサ肩124からメサ上部122の中
心まで、メサ構造120のメサ表面128を横切って延
びる単一の円形ウインドウ262を形成する。円形ウイ
ンドウ262の形状の結果として、バッファ領域230
および保護リング240は両方とも円形であり、メサ肩
124からメサ上部122の中心までメサ構造120の
表面を横切って延びる。保護リング240を再成長させ
て、メサ構造120をカバーするが、第1の実施形態の
ように、マスキング層264によって、再成長時に、メ
サ構造120のメサ肩124における保護リング240
の側方範囲が画定される。従って、保護リング240の
側方範囲を画定するのに、エッチバックおよびパシベー
ション処理の必要がない。
面に形成される。
110との間における直列抵抗の増大という犠牲を払う
ことによって、保護リング240の再成長の制御が容易
になる。しかし、この直列抵抗によって性能が損なわれ
る場合、保護リング240の中心にエッチバックを施し
て、キャップ層を露出させることによって、直列抵抗を
減らすことが可能である。環状p接触250は、キャッ
プ層の環状部分と直接接触するように形成される。保護
リング240にエッチバックを施して、メサ構造の肩に
おける保護リングの側方範囲を画定する発明者の先行技
法とは異なり、保護リング240にエッチバックを施し
て、キャップ層の一部を露出させることは、P−N接合
の露出にはならない。従って、保護リングにエッチバッ
クを施して、キャップ層を露出させた後で、追加パシベ
ーションステップを行う必要がない。
連した上述の方法と同じ方法で行われる。
/InP系化合物半導体から形成された半導体に関する
ものであるが、本発明は、例えば、InAlAs/In
GaAs、AlGaAsSb、GaAs、Si等の他の
材料から形成された半導体デバイスにも適用することが
可能である。さらに、本発明のp型層およびn型層は、
それぞれn型層およびp型層に置き換えることが可能で
ある。
形態が明らかにされているが、もちろん、本発明は、解
説の実施形態そのままに制限されるものではなく、付属
の請求項によって規定の本発明の範囲内において、さま
ざまな修正を加えることが可能である。
増倍層とを備えた第1の導電性タイプの半導体層構造
と、前記アバランシェ増倍層に近接して配置され、第1
のP−N接合を形成する第2の導電性タイプの半導体材
料から形成されたキャップ層と、前記キャップ層と前記
第1のP−N接合と前記アバランシェ増倍層の上部とを
含み、メサ表面を備え、前記メサ表面から内部に入り込
む前記第2の導電性タイプのバッファ領域を含むメサ構
造と、前記メサ構造の前記バッファ領域に近接して配置
され、前記第1のP−N接合を包囲し、前記第1の不純
物濃度より低い第2の不純物濃度を有する前記第2の導
電性タイプのエピタキシャル半導体材料による保護リン
グと、を具備した半導体光検出器。
物濃度と同様の最高不純物濃度を有している上記1記載
の半導体光検出器。
ャップ層内に部分的に入り込んでいる上記1記載の半導
体光検出器。
ェ増倍層と第2のP−N接合を形成し、前記第1のP−
N接合および前記第2のP−N接合が優角をなして湾曲
する前記メサ表面に近い部分を備えたP−N接合を全体
として(collectively)構成する上記1記載の半導体光
検出器。
領域が前記メサ表面上において同じ範囲で側方へ広がっ
ている上記1記載の半導体光検出器。
拡散された前記第2の導電性タイプの不純物領域である
上記1記載の半導体光検出器。
注入された前記第2の導電性タイプの不純物領域である
上記1記載の半導体光検出器。
アバランシェ増倍層とを備えた第1の導電性タイプの半
導体層構造と、前記アバランシェ増倍層に近接して配置
され、第1のP−N接合を形成する第2の導電性タイプ
の半導体材料から形成されたキャップ層と、前記キャッ
プ層と前記第1のP−N接合と前記アバランシェ増倍層
の上部とを含み、メサ表面を備え、側部を含むメサ構造
と、前記メサ構造の少なくとも前記側部に重なるウイン
ドウを形成する、前記メサ表面の一部をカバーするマス
キング層と、前記ウインドウと同じ範囲に広がってお
り、前記第1の不純物濃度より低い第2の不純物濃度を
有する前記第2の導電性タイプのエピタキシャル半導体
材料による保護リングと、を具備した半導体光検出器。
の双方が第1の半導体材料から形成されており、前記保
護リングの不純物濃度が前記キャップ層のドーパント濃
度より低い上記8記載の半導体光検出器。
前記メサ構造内に入り込む前記第2の導電性タイプのバ
ッファ領域を含む上記9記載の半導体光検出器。
ウと同じ範囲に広がっている上記10記載の半導体光検
出器。
の少なくとも前記側部に重なる環状ウインドウを形成す
る上記8記載の半導体光検出器。
ャップ層の一部の上に延び、前記キャップ層に反射防止
コーティングを施している上記8記載の半導体光検出
器。
と第2の導電性タイプの吸光層およびアバランシェ増倍
層とを含む半導体層構造を設け、前記アバランシェ増倍
層を前記キャップ層に近接して配置することによって、
第1のP−N接合を形成し、前記半導体層構造にエッチ
ングを施して、前記キャップ層と前記アバランシェ増倍
層の一部とを含みメサ表面を備えたメサ構造を形成し、
前記メサ表面に不純物を注入して、前記第1の導電性タ
イプのバッファ領域を形成し、前記メサ構造のまわりに
前記第1の導電性タイプの半導体材料によるエピタキシ
ャル層を選択的に再成長させて、保護リングを形成する
半導体光検出器製造方法。
肩とを含み、さらに、前記メサ構造の前記肩の少なくと
も一部をカバーし、前記メサの側部を包囲するマスクを
前記メサ表面の一部に形成し、前記メサ表面に前記不純
物を注入するステップにおいて、前記不純物が前記マス
クによってカバーされていない前記メサ表面の一部に注
入される上記14記載の半導体光検出器製造方法。
の導電性タイプのエピタキシャル半導体材料の層を選択
的に再成長させて保護リングを形成するステップにおい
て、前記マスクによってカバーされていない前記メサ構
造の前記表面の一部に前記エピタキシャル半導体材料を
選択的に再成長させる上記15記載の半導体光検出器製
造方法。
するステップにおいて、前記不純物が拡散によって前記
メサ構造の前記表面に注入される上記14記載の半導体
光検出器製造方法。
するステップが、良好なエピタキシャル再成長が生じる
温度より低い温度にまで前記層構造を加熱し、所定の時
間にわたって前記メサ表面にアクセプタ不純物を含むガ
ス流を当て、良好なエピタキシャル再成長が行われる温
度まで前記層構造に加熱してから、前記半導体材料層を
エピタキシャル再成長させて前記保護リングを形成する
上記17記載の半導体光検出器製造方法。
するステップにおいて、前記不純物がイオン注入によっ
て前記メサ構造の前記表面に注入される上記14記載の
半導体光検出器製造方法。
て、前記キャップ層がある濃度の不純物を含んでいる層
構造が設けられ、不純物を拡散するステップにおいて、
前記キャップ層の不純物の前記濃度にほぼ等しい最高濃
度になるように前記不純物を拡散させる上記14記載の
半導体光検出器製造方法。
と第2の導電性タイプの吸光層およびアバランシェ増倍
層とを含む半導体層構造を設け、前記アバランシェ増倍
層を前記キャップ層に近接して配置することによって、
第1のP−N接合を形成し、前記半導体層構造にエッチ
ングを施して、前記キャップ層と前記アバランシェ増倍
層の一部とを含み、メサ表面を備えたメサ構造を形成
し、前記メサ構造の前記表面の一部に前記第1の導電性
タイプのエピタキシャル半導体材料層を選択的に再成長
させて保護リングを形成し、前記メサ構造に係る所定の
側方範囲を有する半導体光検出器製造方法。
を選択的に再成長させるステップにおいて、不純物濃度
が前記アバランシェ増倍層の不純物ドーパント濃度より
低くなるように前記エピタキシャル半導体材料層を選択
的に再成長させる上記21記載の半導体光検出器製造方
法。
肩とを含み、さらに、前記メサ構造の前記肩の少なくと
も一部をカバーし、前記メサの前記側部を包囲するマス
クを前記メサ表面の一部に形成し、前記エピタキシャル
半導体材料層を選択的に再成長させて、前記保護リング
を形成するステップにおいて、前記マスクによってカバ
ーされていない前記メサ表面の一部に前記エピタキシャ
ル半導体材料層を選択的に再成長させる上記21記載の
半導体光検出器製造方法。
するステップにおいて、前記エピタキシャル半導体材料
層を選択的に再成長させて前記保護リングを形成するス
テップの前に、前記不純物が前記マスクによってカバー
されていない前記メサ表面の一部に注入される上記23
記載の半導体光検出器製造方法。
を選択的に再成長させて前記保護リングを形成するステ
ップが、前記再成長時に前記半導体材料に添加される不
純物の濃度と前記半導体材料の組成との少なくとも一方
を変更するステップを含む上記23記載の半導体光検出
器製造方法。
の表面におけるp+バッファ領域によって、バッファ領
域の形成以前に、少量ドープしたn型増倍層およびp型
保護リングに隣接して存在したキャップ層の鋭角をなす
多量ドープした部分が排除される。この結果、平面エピ
タキシャルP−N接合の端部における電界強度が低下
し、この接合のエッジ降伏が阻止される。
再成長以前にマスキング層に形成されたウインドウによ
って側方範囲が画定される保護リングが含まれている。
この保護リング構造によって、保護リングの側方範囲を
画定し、保護リングの周囲にパシベーションを施す追加
処理ステップを実施する必要がなくなる。
ドの第1の実施形態を示す断面図である。
発明による製造方法を示す断面図である。
発明による製造方法を示す断面図である。
発明による製造方法を示す断面図である。
発明による製造方法を示す断面図である。
発明による製造方法を示す断面図である。
ドの第2の実施形態を示す断面図である。
面図である。
ドを示す断面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 吸光層と第1の不純物濃度を有するアバ
ランシェ増倍層とを備えた第1の導電性タイプの半導体
層構造と、 前記アバランシェ増倍層に近接して配置され、第1のP
−N接合を形成する第2の導電性タイプの半導体材料か
ら形成されたキャップ層と、 前記キャップ層と前記第1のP−N接合と前記アバラン
シェ増倍層の上部とを含み、メサ表面を備え、前記メサ
表面から内部に入り込む前記第2の導電性タイプのバッ
ファ領域を含むメサ構造と、 前記メサ構造の前記バッファ領域に近接して配置され、
前記第1のP−N接合を包囲し、前記第1の不純物濃度
より低い第2の不純物濃度を有する前記第2の導電性タ
イプのエピタキシャル半導体材料による保護リングと、
を具備したことを特徴とする半導体光検出器。
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