JPS63177477A - 半導体受光素子及びその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体受光素子及びその製造方法に関し、特に
逆バイアス電圧で使用するプレーナ型の半導体受光素子
及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

現在、光通信用波長域としては、光ファイバーの伝送損
失の低い１〜１，６μｍ帯が主流であり、この波長域で
動作可能な光源、例えば半導体レーザ、ＬＥＤ及び光検
出器、例えばホトダイオード（以下ＰＤという）、アバ
ランシホトダイオード（以下ＡＰＤという）の研究開発
が活発に進められている。光源用としてはＩｎ）’−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系のものが、また光検出器としてはＧｅ−
ＡＰＤが主に用いられている。しかし、このＧｅ−ＡＰ
Ｄは暗電流と過剰雑音が大きく、温度特性もあまり良く
なく、必ずしも光通信の光信号を検出する素子としては
最適でなく、これに代わる化合物半導体材料によるＰＤ
及びＡＰＤが期待されている。

化合物半導体材料による素子の中では、ＩｎＧａＡｓ−
ＡＰＤの開発が中心となっている。１μｍ以上の波長域
で受光素子として使用する半導体材料は禁制帯幅が狭く
なるため、ＰＤやＡＰＤを作った場合、トンネル電流の
影響を受け、高性能な特性は期待できない。

ところで、ＩｎＧａＡｓ層はＩｎＰ層に格子接合したベ
テロ接合形成が可能であるため、ＩｎＧａＡｓＮを光吸
収層として、ここで発生した電子−正孔キャリアの一方
のみをアバランシ層であるＩｎＰ層へ輸送してアバラン
シ増倍させるような構造を採用することができる。この
構造によってトンネル電流の影響を受けず、過剰雑音が
小さい高性能な受光素子が可能である。

従来のこの種の半導体受光素子の一例を第４図に示す。

この半導体受光素子については既に特願昭５４−３９１
６９号において提案済みである。

ｎ”−Ｉｎｐ基板１上には順次、ｎ−１ｎＰバッファ層
２．　ｎ−−１ｎＧａＡｓ光吸収層３．ｎ−ＩｎＰアバ
ランシ増倍層４．ｎ−−１ｎＰ窓層５を形成した後ｎ−
−ＩｎＰ窓層５内に遍択拡散法によりｐ＋型の受光領域
６ａが形成されている。７は反射防止膜を兼ねた表面保
護膜で８，９は各々Ｐ側電極、ｎ側電極である。

受光領域６ａは、光入射面に対向する平坦面がｎ　−１
ｎｌ’アバランシ増倍層４の上面と接合してｐｎ接合を
形成する中央部と、この中央部につながって形成されｐ
側電極と接続しかつｎ−−ＩｎＰ窓層５に対して正の曲
率をもつ境界面を有する周辺部とを備え、これらは一様
に等しいキャリア濃度分布を有している。

この構造においては、電極８，９間に逆方向バイアス電
圧を印加し、空乏層をｎ　−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３
まで伸ばす事によって禁制帯幅の狭いｎ−−ＩｎＧａ人
ｓ光吸収層３で光を吸収させ、発生した正孔キャリアを
禁制帯幅の広いｎ　−Ｉｎ）’アバランシ増倍層４内に
設けたｐｎ接合まで輸送してアバランシ増倍を生じさせ
ている。すなわち、禁制帯幅の広いｎ　−１ｎＧアバラ
ンシ増倍層４で電圧降伏が生じるために低暗電流受光素
子が実現でき、従って低雑音で高性能な特性が期待でき
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来の半導体受光素子は、受光
領域６．が一様に等しいキャリア濃度分布を有し、周辺
部がｎ−＝ＩｎＰ窓層５に対して正の曲率をもつ境界面
を有する構造となっているので、この正の曲率をもつ曲
率境界部６Ｒに電界が集中するため平坦部６Ｆよりも低
い逆バイアス電圧において電圧降伏が生じ、平坦部６Ｆ
での充分なアバランシ増倍が得られないという欠点を有
している。

本発明の目的は、曲率境界部での電圧降伏を抑え、平坦
部でのアバランシ増倍を充分得ることができる高性能な
半導体受光素子及びその製造方法を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の発明の半導体受光素子は、半導体基板上に設けら
れた光吸収層と、この光吸収層上に設けられこの光吸収
層より禁制帯幅が大きいアバランシ増倍層と、このアバ
ランシ増倍層上に設けられた窓層と、この窓層内に設け
られ光入射面に対向する平坦面が前記アバランシ増倍層
の上面と接合してｐｎ接合を形成する中央部とこの中央
部につながって形成され上面で電極と接続しかつ前記窓
層に対して正の曲率をもつ境界面を有する周辺部とを備
えた受光領域とを含む半導体受光素子において、前記受
光領域の周辺部のキャリア濃度分布を、外側へ行くにし
たがって連続的に、前記中央部のキャリア濃度から徐々
に低下し最外周に至るまでに前記中央部のキャリア濃度
のほぼ１／３にした構成を有している。

第２の発明の半導体受光素子の製造方法は、半導体基板
上に光吸収層を形成する工程と、前記光吸収層上にこの
光吸収層より禁制帯幅が大きいアバランシ増倍層を形成
する工程と、前記アバランシ増倍層上に窓層を形成する
工程と、前記窓層内に集束イオンビーム・イオン注入法
を用いて、光入射面に対向する平坦面が前記アバランシ
増倍層の上面と接合してｐｎ接合を形成する中央部と、
この中央部につながって形成され上面で電極と接続しか
つ前記窓層に対して正の曲率をもつ境界面を有し、キャ
リア濃度分布が外側へ行くにしたがって連続的に前記中
央部のキャリア濃度から徐々に低下し最外周に至るまで
に前記中央部のキャリア濃度のほぼ１／３になる周辺部
とを備えた受光領域を形成する工程とを含んで構成され
る。

〔作用〕

キャリア濃度分布が一様であると曲率半径の小さい部分
である曲率境界部６λの電界強度が強くなり、その部分
で平坦部より先に電圧降伏、即ちエツジ・ブレークダウ
ン（ｅｄｇｅ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を起す、このエツ
ジ・ブレークダウンの発生は、キャリア濃度、キャリア
濃度分布により変化する。

そこで本発明の第１の発明においては、これらの関係を
実験的に求め、周辺部のキャリア濃度分布を中央部のキ
ャリア濃度から連続的に徐々に低下させ、最外周に至る
までに中央部のキャリア濃度のほぼ１／３になるように
した。

また、このようなキャリア濃度分布を得るには、従来の
通常のイオン注入方法では殆んど不可能であった。しか
し、集束イオンビーム（ＦＩＢ）イオン注入法を用いる
と、非常に簡便に層内のキャリア濃度分布を制御するこ
とができる。

そこで本発明の第２の発明においては、受光領域の形成
を集束イオンビーム・イオン注入法により行うようにし
た。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は第１の発明の一実施例を示す断面図である。

ｎ”−Ｉｎ！’基板１上には順次、厚さ１μｍのｎ　−
ＩｎＰバッファ層２，３．５μｍのｎ　−−ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層３．１μｍのｎ　−１ｎＰアバランシ増倍層
４．１．５／、（ｍのｎ−−ＩｎＰ窓層５が形成されて
いる。

ｎ−−ＩｎＰ窓層５内には、光入射面に対向する平坦面
がｎ　−１ｎＰアバランシ増倍層４の上面と接合してｐ
ｎ接合を形成する中央部６ｃとこの中央部６ｃとつなが
って形成され、上面でｐ側電極８と接続しかつｎ”’−
ＩｎＰ窓層５に対して正の曲率をもつ境界面を有し、キ
ャリア濃度分布が外側へ行くにしたがって連続的に、中
央部６Ｇのキャリア濃度から徐々に低下し最外周に至る
までに中央部６ｃのキャリア濃度のほぼ１／３になるよ
うな周辺部６Ｅとを備えたｐ型の受光領域６が形成され
ている。

また、ｎ−−ＩｎＰ窓層５及び受光領域６の上面には表
面保護膜７、ｎ”−ＩｎＰ基板１の底面にはｎ側電極９
が形成された構造となっている。

次に、第２の発明の一実施例について説明する。

まず、ｎ”−ＩｎＰ基板１上にｎ　−ＩｎＰバッファ層
２　、　ｎ　−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３．ｎ−ＩｎＰ
アバランシ増倍Ｒ４，ｎ−−ＩｎＰ窓層５をハイドライ
ド気相成長法を用いて形成する。次に、集束イオンビー
ム・イオン注入法を用いてｐ＋型の受光領域６を形成す
る。このときのイオン源としてはＢｅ”を用い、加速電
圧１００　ｋｅＶで注入をおこなう。

ドーズ量は第２図に示すように、中央部６ｃは５　Ｘ　
１０１３ｃｍ−２、周辺部６Ｂの最外周ではｌ、５×１
０”ｃｍ−２とし、この間でドーズ量が連続的に変化す
るように描画プログラムで制御する。

その後、表面保護膜７及びｐ側電極８とｎ側電極９とを
形成して半導体受光素子が形成される。

第３図は第１図に示された実施例の光電流特性図である
。

第３図から、周辺部６Ｅにおけるエツジ・ブレークダウ
ンが発生しない良好な増倍特性が得られることが分る。

この実施例の最大増倍率は約５０であった。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、受光領域の周辺部のキャ
リア濃度分布を、中央部のキャリア濃度から連続的に徐
々に低下させ周辺部の最外周に至るまでに中央部のキャ
リア濃度のほぼ１／３にしこれを集束イオンビーム・イ
オン注入法により形成することにより、周辺部の曲率境
界部でのエツジ・ブレークダウンを抑えることができ、
十分なアバランシ増倍を有する半導体受光素子を容易に
得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の一実施例を示す断面図、第２図は
第２の発明の一実施例を説明するためのドーズ量の制御
特性図、第３図は第１図に示された実施例の光電流特性
図、第４図は従来の半導体受光素子の一例を示す断面図
である。 １・・・ｎ”−ＩｎＰ基板、２・・・ｎ　−ＩｎＰバッ
ファ層、３−−−　ｎ　−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、４
−ｎ　−ＩｎＰアバランシ増倍層、５・・・ｎ−−Ｉｎ
Ｐ窓層、６，６ａ・・・受光領域、６ｃ・・・中央部、
６ε・・・周辺部、６Ｆ・・・平坦部、６Ｒ・・・曲率
境界部、７・・・表面保護膜、８・・・ｐ側電極、９・
・・ｎ側電極。 ７・　′ ｆ゛ 代理人　弁理士　　内　原　　晋′・、。 ’ｗ 茅　２　回 茅　３　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に設けられた光吸収層と、この光吸
   収層上に設けられこの光吸収層より禁制帯幅が大きいア
   バランシ増倍層と、このアバランシ増倍層上に設けられ
   た窓層と、この窓層内に設けられ光入射面に対向する平
   坦面が前記アバランシ増倍層の上面と接合してｐｎ接合
   を形成する中央部とこの中央部につながって形成され上
   面で電極と接続しかつ前記窓層に対して正の曲率をもつ
   境界面を有する周辺部とを備えた受光領域とを含む半導
   体受光素子において、前記受光領域の周辺部のキャリア
   濃度分布を、外側へ行くにしたがって連続的に、前記中
   央部のキャリア濃度から徐々に低下し最外周に至るまで
   に前記中央部のキャリア濃度のほぼ１／３にしたことを
   特徴とする半導体受光素子。
2. （２）半導体基板上に光吸収層を形成する工程と、前記
   光吸収層上にこの光吸収層より禁制帯幅が大きいアバラ
   ンシ増倍層を形成する工程と、前記アバランシ増倍層上
   に窓層を形成する工程と、前記窓層内に集束イオンビー
   ム・イオン注入法を用いて、光入射面に対向する平坦面
   が前記アバランシ増倍層の上面と接合してｐｎ接合を形
   成する中央部と、この中央部につながつて形成され上面
   で電極と接続しかつ前記窓層に対して正の曲率をもつ境
   界面を有し、キャリア濃度分布が外側へ行くにしたがっ
   て連続的に前記中央部のキャリア濃度から徐々に低下し
   最外周に至るまでに前記中央部のキャリア濃度のほぼ１
   ／３になる周辺部とを備えた受光領域を形成する工程と
   を含むことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。