KR890004963B1 - 반도체 광검출기 - Google Patents

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후지쓰 가부시끼가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 광검출기
제1도는 GaInAs/InP계를 갖는 PIN광다이오드의 단면도.
제2도는 GaInAs/InP계에서 PIN광다이오드내의 암전류와 격자오정합도(
Figure kpo00001
a/a)간의 상호관계를 나타내는 그래프.
제3도는 GaInAs/InP계에서 InP에 대한 격자정합조건을 나타내는 그래프.
제4도는 GaInAs층의 두께와 양자효율간의 상호관계를 나타내는 그래프.
제5도는 GaInAs/GaInAsP/InP계를 갖는 애버런치 광다이오드의 단면도.
본 발명은 PIN광다이오드와 애버런치 다이오드와 같은 반도체 광검출기들에 관한 것으로 특히 GaInAs/InP 및 GaInAsP/InP와 같은 Ⅲ-V합금으로 제조된 광검출기들의 개량에 관한 것이다. 1.3 내지 1.6㎛파장영역 내의 광섬유 통신시스템용 광검출기들은 Ⅲ-V합금계 예, GaInAs/InP계로 제조된 PIN광다이오드들과 애버런치 광다이오드들을 포함한다 그러한 광다이오드는 InP기판, InP버퍼층, GaInAs광흡수층 및 InP캡(cap)층을 포함하는데, 이 층들은 InP기관상에 연곡적으로 에피텍셜로 형성된다. InP완충층과 GaInAs층간과 GaIenAs층과 InP캡층간의 계면들에 이질접합들이 형성된다.
PIN광다이오드는 예를들어 다음 방법으로 제조된다. 우선 비도우프된(N--형) InP환충층이 (100)방위로 된 N+-형 InP기판상에 에피텍셜 성장된 다음, 비도우프된(N--형) GaInAs광흡스층에 InP환충층상에 에피텍셜 성장되며, 그 다음 N-형 INP컵층이 또한 GaIenAs층상에 에피텍셜 성장된다. 그 다음 P-형 영역이 열확산공정에 의해 InP캡측내에서 광수신영역으로서 형성된 다음, 비반사막이 P-형 영역상에 형성된 다음 보호막이 InP캡층상에 형성된다. 최종적으로 P-측 전극과 N-측 전극이 P+-형 영역과 InP기판상에 각각 형성된다. 에피텍셜 성정하는 동안 성장조건을 제어하여 성장층들의 격자상수를 InP기판의 것과 정합시켜서 격자오정합의 가능성을 제거한다. InP층의 격자상수를 InP기판의 것과 정합시키는 것은 쉽다. 왜냐하면, InP층과 InP기판은 동일한 조성물로 될수 있기 때문이다.
그러나 GaIenAs층이 InP층 즉, InP기판상에 에피텍셜 성장될때 필수적으로 Ga 내지 In의 조성비를 제어하여 GaInAs의 격자상수를 InP의 것과 정합시켜줄 필요가 있다. GaIenAs의 열팽창계수는 InP의 것보다 1.24배 더 크다. 즉, InP의 열팽창계수는 4.56×10-6K-1이고 GaInAs의 것은 5.66×10-6K-1이다. 그러므로 GaInAs 층이 일정온도에서 보통 600℃ 내지 700℃에서 성장되어 InP층과 격자정합을 얻을때 GaIenAs충의 수축은 실온에서 InP층의 것보다 크므로 그 결과 형태 변형이 발생되어 층들간에 오정합이 발생된다. 다른 방법으로 오정합 상태로 GaIenAs층을 성장시켜서 GaIenAs 및 InP를 실온에서 냉각시 정합되도록 하는 것이 가능하다.
상술한 두 성장방법들에 의해 두개의 GaInAs광흡수층들을 InP완충층상에 액상상태로 각각 에피텍셜 성장 시켜 각각의 얻어진 GaIenAs층들을 각각 X-레이 회절계에 의해 측정한 결과 상기 전자방법에서와 같이 에피텍설 성장온도 에, 60℃ 내지 700℃에서 GaInAs를 InP에 정합시키는 것이 바람직함을 밝혀냈다. 왜냐하면 이 성장방법은 상기 후자의 성장방법보다 오정합이 덜 발생하기 때문이다. 그러므로, Ga0.48In0.52As층은 격자 정합 상태하에서 상용성장온도 예, 650℃에서 InP층상에 액상성장된다. 이 경우에 실온에서, GaInAs의 격자 상구는 약 -0.07%의 격자오정합도 △a/a만큼 열팽창차이로 인해 InP의 것보다 더 작다. 여기서,
Figure kpo00002
액상 에피텍셜 성장의 상기 경험에 의하면 증기상 에피텍셜 성장에서조차 격자정합조건하에서 CaInAs층 의 성장은 실온에서 격자오정합도(△a/a)가 0.07%임에도 불구하고 GaInAs 및 InP층들간의 이질계면에서 최소한의 오정합이 유도되는 것으로 믿어왔다. 그러한 신념은 중기상 에피텍셜 성장과 액상 에피텍셜 성장 양자가 에퍼텍셜 성장들이라는 사실에 근거될 수도 있다. 그러나, 비록, PIN광다이오드들을 상술한 양호한 조건하에서 GaInAs의 증기상 에피텍셜 성장을 수행하여 동시에 제조한다 할지라도 제조된 PIN광다이오드들의 특성들이 만족되지 않고 특히 광다이오드들내의 암전류에 대한 문제점들이 빈번하게 발생한다.
본 발명의 목적은 GaInAs/InP또는 GaInAsP/InP계를 갖는 저암전류 특성을 갖는 PIN광다이오드 및 애버런치 광다이오드와 같은 광검출기를 제공하는데 있다.
본 발명은 실온에서 양(플러스) 범위(특히, 0 내지 0.2%)내로 GaIenAs(또는 GaInAsP) 광흡수층과 INP완충층간의 격자오정렬도 △a/a를 선택하는 것이 음(마이너스)범위 (0 내지 0.2%의 범위이외의 범위)의 것보다 암전류가 더 낮다. 암전류 발생영역인 에너지 밴드캡이 InP층보다 더 적은 GaIenAs(또는 GaInAsP) 광흡수층은 마이너스 △a/a에서 인장응력을 받고 있으나 플러스 △a/a에서 압축응력을 받는다. 여기서 본 발명자들은 압축응력을 받는 GaInAs(또는 GaInAsP)의 결정상태는 인장응력을 받는 것보다 더 안정하다고 추측해왔다.
본 발명에 의하면 InP기판, 제1 InP층, GaInAs(또는 GaInAsP)층, 그리고 제2 InP층을 포함하는 반도체 광검출기에서, 그 층들은 InP기판상에 에픽텍셜 성장되고, GaIenAs(또는 GaInAsP)충의 격자상수는 실온에서 제1 InP의 것보다 더 크다. 모든 층들은 증기상 에피텍셜 공정에 외해 순서적으로 성장된다.
본 발명의 양호한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도를 참조하면, PIN괌다이오드는 예를들어 N+-형 InP기판 1, 비도우프된 N--형 InP완충층 2, 비도우프된 N--형 GaInAsf또는 GaInAsP) 광흡수층 3, N-형 InP캡층 4, 그리고 불활성화막 5를 포함한다. P+-형 영역 6은 InP캡층 4내에 헝성되어 GaIenAs(또는 GaInAsP)층 3으로 연장된다. 비반사막 7은 P+-형 영역 6상에 형성되며, P-측 전극 8은 P+-형 영역 6의 일부분상에 형성되며, 그리고 N-측 전극 9는 InP기판 1상에 형성된다. 상기 구조는 PIN광다이오드의 것이다.
제1도에 나타낸 PIN광다이오드는 예를들어 다음과 같이 제조된다.
우선, 약 4×1018cm3의 불순물 농도를 갖는 (100)으로 방위된 N+-형 InP웨이퍼는 기판 1로서 제조된다. InP기판 1상에는 3㎛의 두께와 약 5×1014cm-3의 불순물 농도를 갖는 InP완충층 2가 다음 상태하에서 증기상 에피텍셜 공정에 의해 성장된다. H1의 운반가스는 반응기내로 300cm3/min의 유속으로 H2＋PCI3가스를 공급하도록 PCI3액체를 통하도록 되어 있다. 반응기내에서 In소오스와 InP기판 1은 각각 800℃와 670℃로 가열 된다. H2유속은 956cm3/min이다. 결과적으로 InP층 2는 약 12Å/sec의 성장속도로 성장된다.
그다음 1.6㎛의 두께와 약 1×1015cm-3의 불순물 농도를 갖는 GaInAs층 3은 다음과 같은 조건들하에서 증기상 에피텍셜에 의해 InP층 2상에 성장된다. H2의 운반가스는 반응기내로 H2＋AsCI3가스를 공급하도록 AsCI3액체를 통해 흐르도록 되어 있다. H2＋AsCI3가스의 일부분은 750℃에서 가열된 Ga소오스 위로 144cm3/min의 유속으로 흐르도록 되어 있고 H2＋AsCI3가스의 나머지는 800℃에서 가열된 또 다른 IN소오스 위치로 312cm3/min의 유속으로 흐르도록 되어 있다.
H2의 추가운반가스가 반응기로 공급되어 기판 1이 670℃로 가열되는 성장영역에서 총 H2유속은 956cm3/min이다. 결과적으로, Ga0.45In0.55As층 3은 약 3Å/sec의 성장속도로 성장된다. GaInAs에피텍셜 성장공정에서, Ga1-XInXAs에서 In대 Ga의 원자비는 In소오스위의 H2+AsCl3가스의 유속대 Ga소오스위의 H2+AsCl3가스의 유속비를 제어항에 의해 변화될 수 있다. 그러므로, GaInAs층의 격자상수는 변화될수 있으므로 격자오정합도 △a/a 역시 변화될 수 있다.
GaInAsP의 4원소 화합물층을 성장시키기 위해, Ga소오스나 In소오스중 하나위로 흐르는 H2+AsCl3가스 대신에 H2+AsCl3가스의 흐름으로 교체한다.
그후 1㎛의 두께와 약 1×1016cm-3의 불순물 농도를 갖는 InP캡층 4는 정공 불순물들(유황)이 도우프되는 것을 제외하고는 InP완충층 2의 것과 동일방식으로 성장된다.
약 0.18㎛의 두께를 갖는 실리콘 질화물의 불활성막 5는 플라즈마 화학증기증착(CVD)법에 의해 InP캡층 4상에 형성된다. 그 다음 실리콘 질화물막 5는 광검출영역을 위한 개구를 형성하도록 종래의 사진석판술에 의해 선택적으로 식각된다. P+-형영역 6은 500℃에서 실리콘 질화물 5의 개구를 통하여 InP캡층 4내로 아연 (Zn)을 열확산시켜줌으로서 형성된다. 확산된 Zn은 GaInAs층 3의 일부분에까지 도달하여 결국 P+-형 영역 7의 하부는 제1도에 보인 바와같이 GaIenAs층 3내에 있다. P+-형 영역 7의 표면불순물 농도는 약 4×1018cm-3이다.
그다음, 1.8㎛의 두께를 갖는 실러콘 질화물의 비반사막 7은 풀라즈마 CVD에 의해 P+-형 영역 6의 노출표면상에 형성된다. 이 경우에, 실리콘 질화물은 또한 형성된 실리큰 질화물막 5상에 증착되어 결국 실리콘 질화물의 불활성막 5의 두께가 증가하게 된다.
비반사막 7이 전극 8용 개구를 형성하도록 종래의 사진 석판술에 의해 선택적으로 식각된다. AuZn의 전극 8이 종래의 방법에 의해 형성되어 결국 그것은 P+-형 영역 6과 접촉 상태가 된다. AuGe의 전극 9는 종래의 방법에 의해 InP기관 1상에 형성된다. 따라서, PIN광다이오드가 얻어진다.
상술한 방법으로 제조된 대량의 PIN광다이오드들은 그 내의 암전류량과 실온에서 금aInAs층과 InP층간의 격자오정합도 △a/a에 대해 시험되었다. 격자오정합도는 X-레이 회전절격자법에 의해 측정되었다. 암전류량과 격자오정합도 △a/a 의 얻어진 결과들이 제2도에 나타나 있다. 각 교차부는 InP외이퍼내에 제조된 PIN광다이오드들의 암전류와 △a/a의 범위를 나타낸다. 제2도에 보인 바와같이, 저암전류 광다이오드들은 플라스측의 △a/a ; 바람직하게는 0 내지 + 0.2%가 얻어진다. 제2도에서 파선은 Ga0.48In0.52As층이 성장온도에서 격자정합 상태하에서 에피텍셜 성장되는 액상일때 얻어진 격자오정합도 △a/a (-0.07%)를 나타낸다. 본 발명에 의하면 GaInAs층은 성장된 GaInAs층의 격자상수가 성장온도에서 InP층의 것보다 더 큰 상태하에서 에피텍셜 성장된 증기상이다. 즉, 제3도에 보인 바와같이 GaInAsP 4원소계 내의 InP에 대한 격자정합상태는 GaInAs원소계내의 Ga0.47In0.53As를 포함하는 일점쇄선 A로 나타낸다. 종래의 경우에, 점 B의 조성물을 갖는 CaInAs는 △a/a<0으로 인해 성장되는 반면 본 발명에서, 지점 C의 한 조성물을 갖는 GaInAs는 0<△a/a<0.2의 제한하에서 성장된다.
GaInAs층의 두께에 대해, +△a/a를 갖는 GaIenAs층이 두꺼울수록 이질접합 계면상에 더 강한 힘이 가해진다. 따라서, GaIenAs층이 얇아지는 것이 좋다. 그러나 너무 얇은 GaInAs층은 층의 양자효율을 감소시켜 주게된다. 제4도는 GaInAs층 두께와 양자효율간의 상호관계를 나타내는 것으로 횡좌표는 GaInAs층의 두께를 나타내며 종좌표는 대응 양자효율을 나타낸다. 1.3㎛에서 양자효율 η은 다음식에 의해 산출된다.
η=1-e-aX
여기서 α는 광학흡수 계수(GaIenAs의 14 1.4×104cm-1)이고, X는 GaInAs층의 깊이이다. 제4도에서 볼수있는 바와같이, GaIenAs층 두께가 1㎛이하일때 양자효율은 더 감소한다. 그러므로, 광다이오드의 필요한 양자효율을 얻고 이질접합 계면상에 가해지는 힘이 작도록 하기위해 GaInAs층은 1 내지 2㎛의 두께를 갖는 것이 좋다. 더우기 GaIenAs층과 InP캡층간의 이질접합 계면상에 가해지는 칩은 InP캡층을 더 얇게 만들어줌으로써 바람직하게 감소된다. 실용상 InP캡층은 1.0 내지 0.3㎛의 두께를 갖는 것이 좋다.
제5도를 참조하면, 애버런치 광다이오드는 예를들어 (100) N+-형 InP기판 21, N-형 InP층 22, 비도우프된 N-형 GaInAs광흡수층 23, 비도우프된 N-형 GaInAsP박층 24, N-형 InP층 25 그리고 N-형 InP층 26을 포함한다. 불활성막 27은 N-형 InP층 26상에 형성되며, 비반사막 29는 P+-형 영역 28상에 형성된다. P-측 전극 30 및 N-측 전극 31은 P+-형 영역 28의 일부분상에 그리고 InP기판 21상에 각각 형성된다.
본 발명에 의하면, GaInAs층 23의 격자상수는 실온에서 InP층 22의 것보다 더 보다 더 크다. 바람직하게는 GaInAsP층의 격자상수는 실온에서 포괄적으로 InP격자상수와 GaIenAs층 격자상수간의 범위에 있는 것이 좋다. 또한 또 다른 비도우프된 N--형 GaInAsP박층(도시안됨)은 N--형 InP층 22와 GaInAsP층 23간에 형성되는 것이 바람직하다. GaInAsP층은 InP(1.35eV)와 GaInAs(0.75eV)의 것간의 중간값(0.9eV)를 갖는 에너지 밴드갭 Eg를 갖는다. GaInAsP층은 중간에너지 밴드갭과 격자상수값을 가지므로 결국 애버런치 광다이오드의 주파수 특성이 향상될 수 있다.
제5도에 보인 애버런치 광다이오드는 예를들어 다음 방식으로 제조된다. 약 4×1018cm-3의 불순물 농도를 갖는 (100)으로 방위된 N+-형 InP웨이퍼가 기판 21로서 준비된다.
InP기판상에는 표 1에 보인 두께와 불순물 농도를 갖는 층들 22 내지 26이 전술한 증기상 에피텍셜 공정에 의해 연속적으로 성장된다.
Figure kpo00003
N--형 GaInAs층 23의 형성시, 성장조건들은 실온에서 InP의 것보다 더 큰 GaInAs의 격자상수를 만들도록 제어된다. 마찬가지로, GaInAsP층 24에 대한 성장조건들은 실온에서 InP의 것보다 작지 않지만 정성된 GaInAs층의 것보다 크지 않은 GaInAsP의 격자상수를 만들도록 제어된다.
개구로서 실리콘 질화물은 종래의 사진 석판술에 의해 그리고 플라즈마 CVD방법에 외해 형성된다. 마스크로서 불활성막 27을 사용하여 Zn이 열화산공정에 외해 N--형 InP층 26으로 주입되어 4×1018cm-3의 표면 불순물 농도를 갖는 P+-형 영역 28이 형성된다.
그다음 두께 0.18㎛를 갖는 실리콘 질화물외 비반사막 29는 플라즈마 CVD공정에 의해 P+-형 영역 28상에 형성된다.
AuZn의 전극 30과 AuGe의 전극 31은 P+-형 영역 28과 InP기판 21상에 제 5도에 보인 바와같이 가각 형성된다. 광수신영역은 80㎛의 직경 d를 갖는다. 따라서 암전류가 낮온 애버런치 광다이오드가 얻어질 수 있다.

Claims (14)

  1. InP기판(1), 제1 InP층(2), GaIenAs층(3), 그리고 제2 InP층(4)을 포함하되 상기 층들은 상기 InP기판(1)상에 증기상 에피텍셜 공정에 의해 연속적으로 에피텍셜 성장되며, 상기 GaInAs층(3)의 격자상수는 실온에서 상기 제1 InP층(2)의 것보다 더 큰 것이 특징인 반도체 광검출기.
  2. 제1항에서, 상기 GaInAs층(3)과 상기 제1 InP층(2)간의 격자오정합도(△a/a)가 0 내지 0.2%이상이고, 여기서
    Figure kpo00004
    인 것이 특징인 반도체 광검출기.
  3. 제1항에서, 상기 GaInAs층(3)은 1 내지 2㎛의 두께를 갖는 것이 특징인 반도체 광검출기.
  4. 제1항에서, 상기 제1 InP-층(2)은 비도우프된 N--형 층이고, 상기 GaInAs층(3)은 비도우프된 N--형층이고, 그리고 상기 제2 InP층(4)은 N-형층이며, 여기서 제2 InP층(4)내에는 P-형 영역(6)이 형성되는 것이 특징인 반도체 광검출기.
  5. 제4항에서, 상기 P-형 영역 (6)은 상기 InGaAs층(3)의 일부분내로 연장되는 것이 특징인 반도체 광검출기.
  6. InP기판(1), 제1 InP층(2), GaInAsP층(3), 그리고 제2 InP층(4)을 포함하되, 이층들은 상기 InP기판 (1)상의 증기상 에피텍셜 공정에 의해 연속적으로 에피텍셜로 성장되며, 상기 GaInAsP층(3)외 격자상수는 실온에서 상기 제1 InP층(3)들의 것보다 더 큰 것이 특징인 반도체 광검출기.
  7. 제7항헤서, 상기 GaInAsP층(3)과 상기 제1 InP층(2)간의 격자오정합도(△a/a)는 0 내지 0.2%이상이고, 여기서
    Figure kpo00005
    인 것이 특징인 반도체 광검출기.
  8. 제7항에서, 상기 GaInAsP층(3)은 1 내지 2m의 두께를 갖는 것이 특징인 반도체 광검출기.
  9. 제7항에서, 상기 제1 InP층(2)은 비도우프된 H--형층이고, 상기 GaInAsP층(3)은 비도우프된 N--형층이고, 그리고 상기 제2 InP층(4)은 N-형층이며, 여기서 제2 InP층(4)내에는 P-형 영역 (6)이 형성되는것이 특징인 반도체 광검출기.
  10. 제10항에서, 상기 P-형 영역 (6)은 상기 InGaAsP층(3)의 일부분내로 연장되는 것이 특징인 반도체 광검출기.
  11. InP기판(21), 제1 InP층(22), GaInAs층(23), GaInAsP층(24) 그리고 제2 InP층(25)을 포함하되, 이 층들은 상기 InP기판(21)상에 증기상 에피텍셜 공정에 의해 연속적으로 에피텍셜 형성되며, 상기 GaInAs층(23)은 실온에서 상기 제1 InP층(22)의 것보다 더 크며, 그리고 상기 GaInAsP층(24)의 격자상수는 상기 InP층(22)격자상수와 상기 GaIenAs층(23) 격자상수간의 범위에 각각 있는 것이 특징인 반도체 광검출기.
  12. 제13항에서, 상기 GaInAs층(23)과 상기 제1 InP층(22)간의 격자오정합도(△a/a)는 0 내지 0.2%이상이고, 여기서,
    Figure kpo00006
    인 것이 특징인 반도체 광검출기.
  13. 제13항에서, 상기 제1 InP층(22)은 N-형층, 상기 제2 InP층(25)은 N-형층이고, 여기서 제2 InP층 GaIIAsP층(24)은 비도우프된 N--형층이고, 그리고 상기 제2 InP층(25)은 N-형층이고, 여기서 제2 InP층 (25)내에는 P-형 영역(28)이 형성되는 것이 특징인 반도체 광검출기.
  14. 제15항에서, 또 다른 비도우프된 InGaAsP층(24)은 상기 제1 InP층(22)과 상기 InGaAs층(23)간에 형성되는 것이 특징인 반도체 광검출기.
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