WO2019053877A1 - 半導体受光素子およびその製造方法 - Google Patents

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WO2019053877A1
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layer
region
light receiving
electric field
field control
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亮太 竹村
石村　栄太郎
晴央 山口
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light receiving element and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor light receiving element having a guard ring region and a method of manufacturing the same.
  • an avalanche photodiode (APD) using InP as a material of a multiplication layer is widely used.
  • APD avalanche photodiode
  • InP InP multiplication layer
  • carriers generated by incident light are amplified by multiplying holes in order to improve the S / N ratio as a receiver. That is, an APD using an InP multiplication layer is a hole multiplication type.
  • a guard ring is generally formed around the light receiving region.
  • One purpose of forming a guard ring is to prevent edge breakdown due to abrupt multiplication at the edge of the light receiving area.
  • Another object is that the guard ring becomes a current path by causing reach through to the guard ring prior to the center of the light receiving area, which occurs when input light instantaneously increases. The purpose is to prevent destruction due to current concentration.
  • the guard ring has an APD structure. In general, when different reach-through APD structures are arranged in parallel, current flows first to a structure with low reach-through voltage.
  • APD structures with high breakdown voltage will be able to withstand higher voltages. Therefore, in order for the guard ring to have the intended function, it is required that the breakdown voltage of the guard ring be larger than that of the light receiving region and the reach through voltage of the guard ring be smaller than that of the light receiving portion. .
  • an Al-based multiplication layer made of a material containing Al atoms, such as AlInAs, has also been used as a multiplication layer for APD.
  • APDs using an Al-based multiplication layer are electron multiplying and are expected to operate at higher speed and lower noise than the above-mentioned hole multiplying type.
  • the bit rate required for the semiconductor light receiving element is increasing, and in response to this, the electron multiplication type is widely used.
  • n-type substrates are often used in APDs for optical communication applications, in which case an Al-based multiplication layer, a light absorption layer, and a window layer are sequentially stacked on the n-type substrate.
  • a multiplication layer is disposed between the substrate and the light absorption layer. That is, the multiplication layer is disposed at a deep position in the layer structure on the substrate.
  • the arrangement of such Al-based APD is different from the arrangement in InP-based APD. Therefore, it is difficult to apply the formation technique of the guard ring in InP-based APD as it is to Al-based APD.
  • an Al-based APD is disclosed, and a configuration in view of problems when a guard ring is applied is disclosed.
  • an electric field relaxation layer having a partially low concentration portion is provided in consideration of suppression of electric field concentration.
  • JP 2008-21725 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-330530
  • the present invention has been made to solve the problems as described above, and an object thereof is to provide a semiconductor capable of effectively providing a guard ring structure to an APD using a multiplication layer containing Al atoms. It is providing a light receiving element and its manufacturing method.
  • the semiconductor light receiving element of the present invention has a semiconductor substrate, a multiplication layer, an electric field control layer, a light absorption layer, a window layer, a light receiving region, and a guard ring region.
  • the semiconductor substrate has n-type.
  • the multiplication layer is provided on the semiconductor substrate and contains Al atoms.
  • the electric field control layer is provided on the multiplication layer and has p-type.
  • the electric field control layer includes a high concentration region having an impurity concentration higher than that of the multiplication layer, and a low concentration region provided outside the high concentration region and having an impurity concentration lower than the impurity concentration of the high concentration region. It is.
  • the light absorption layer is provided on the electric field control layer, and has an impurity concentration lower than the impurity concentration of the high concentration region of the electric field control layer.
  • the window layer is provided on the light absorption layer, has a band gap larger than the band gap of the light absorption layer, has an outer edge, and has n-type.
  • the light receiving region is provided on the window layer at a distance from the outer edge of the window layer, and at least partially faces the high concentration region of the electric field control layer through the window layer and the light absorption layer in the thickness direction Have a mold.
  • the guard ring area is separated from the light receiving area by the window layer, penetrates the window layer to reach the light absorbing layer, and has a p-type.
  • the method of manufacturing a semiconductor light receiving element according to the present invention includes a semiconductor substrate, a multiplication layer, an electric field control layer, a light absorption layer, a window layer, a light receiving region, and a guard ring region.
  • the semiconductor substrate is a method of manufacturing a semiconductor light receiving element having n-type.
  • the multiplication layer is provided on the semiconductor substrate and contains Al atoms.
  • the electric field control layer is provided on the multiplication layer and has p-type.
  • the electric field control layer includes a high concentration region having an impurity concentration higher than that of the multiplication layer, and a low concentration region provided outside the high concentration region and having an impurity concentration lower than the impurity concentration of the high concentration region. It is.
  • the light absorption layer is provided on the electric field control layer, and has an impurity concentration lower than the impurity concentration of the high concentration region of the electric field control layer.
  • the window layer is provided on the light absorption layer, has a band gap larger than the band gap of the light absorption layer, has an outer edge, and has n-type.
  • the light receiving region is provided on the window layer away from the outer edge of the window layer, and at least partially faces the high concentration region of the electric field control layer through the window layer and the light absorption layer Have a mold.
  • the guard ring area is separated from the light receiving area by the window layer, penetrates the window layer to reach the light absorbing layer, and has a p-type.
  • a semiconductor layer is formed having a p-type by containing Be atoms, and having a first region corresponding to a high concentration region of the electric field control layer and a second region to be a low concentration region of the electric field control layer.
  • Ru A light absorption layer is formed on the semiconductor layer.
  • a window layer is formed on the light absorption layer.
  • a mask having an opening is formed on the window layer.
  • Zn atoms are diffused from the openings of the mask.
  • a guard ring region having p-type is formed by containing Zn atoms, and the second of the semiconductor layers is compared with the concentration of Be atoms in the first regions of the semiconductor layers.
  • the electric field control layer is formed from the semiconductor layer by lowering the concentration of Be atoms in the region of.
  • an electric field control layer having a high concentration region and a low concentration region, and a guard ring region which penetrates the window layer and reaches the light absorption layer are provided.
  • a guard ring structure can be provided effectively.
  • FIG. 1 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor light receiving element in a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor light receiving element of Reference Example X.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor light receiving element of Reference Example Y. It is a graph which shows the desirable relationship between the voltage-current characteristic in a light-receiving part, and the voltage-current characteristic in an outer peripheral part. It is sectional drawing which shows the modification of FIG. It is sectional drawing which shows roughly the structure of the semiconductor light receiving element in Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 17 is a cross sectional view schematically showing a first step of a method of manufacturing a semiconductor light receiving element in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a cross sectional view schematically showing a second step of the method for manufacturing the semiconductor photodiode in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a cross sectional view schematically showing a third step of the method for manufacturing the semiconductor light receiving element in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a cross sectional view schematically showing a fourth step of the method for manufacturing the semiconductor light receiving element in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a cross sectional view schematically showing one step in a method of manufacturing a semiconductor light receiving element in a modification of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an APD 101 (semiconductor light receiving element) in the present embodiment.
  • the APD 101 has a light receiving portion RA and an outer peripheral portion RB (right and left portions in the drawing) disposed around the light receiving portion RA.
  • the APD 101 includes a semiconductor substrate 1, a multiplication layer 2, an electric field control layer 3, a light absorption layer 4, a window layer 5, a light receiving area 6, a guard ring area 7, an anode electrode 9 and a cathode electrode Not shown). At least one of the side surface and the top surface of the APD 101 may be covered by a passivation film made of SiN or the like.
  • the semiconductor substrate 1 straddles the light receiving portion RA and the outer peripheral portion RB.
  • the semiconductor substrate 1 has n-type.
  • the semiconductor substrate 1 is, for example, an InP substrate.
  • the multiplication layer 2 straddles the light receiving portion RA and the outer peripheral portion RB, and is provided on the semiconductor substrate 1.
  • the multiplication layer 2 may be an epitaxial layer formed on the semiconductor substrate 1.
  • the multiplication layer 2 is made of a semiconductor and contains at least an Al atom.
  • the multiplication layer 2 is an Al-based multiplication layer.
  • the multiplication layer 2 is an AlInAs layer.
  • the multiplication layer 2 can efficiently multiply electrons by containing Al atoms.
  • the impurity concentration of multiplication layer 2 is smaller than the impurity concentration of semiconductor substrate 1.
  • the electric field control layer 3 straddles the light receiving portion RA and the outer peripheral portion RB, and is provided on the multiplication layer 2.
  • the electric field control layer 3 may be an epitaxial layer formed on the multiplication layer 2.
  • the electric field control layer 3 has p type.
  • the electric field control layer 3 has a high concentration region 3H included in the light receiving portion RA and a low concentration region 3L included in the outer peripheral portion RB. Therefore, the low concentration region 3L is provided on the outer side (right and left in the figure) of the high concentration region 3H in the in-plane direction (lateral direction in the figure).
  • the high concentration region 3 H has an impurity concentration higher than that of the multiplication layer 2.
  • the low concentration region 3L has an impurity concentration lower than the impurity concentration of the high concentration region 3H.
  • the material of the electric field control layer 3 is, for example, InP or AlInAs.
  • the light absorption layer 4 is provided on the electric field control layer 3 across the light receiving portion RA and the outer peripheral portion RB.
  • the light absorption layer 4 may be an epitaxial layer formed on the electric field control layer 3.
  • the light absorption layer 4 is made of a semiconductor and has an impurity concentration lower than the impurity concentration of the high concentration region 3H of the electric field control layer 3.
  • the impurity concentration of the light absorption layer 4 is smaller than the impurity concentration of the semiconductor substrate 1.
  • the light absorption layer 4 is made of a material having a band gap smaller than the energy of incident light detected by the APD 101.
  • the wavelength of incident light to be detected is, for example, 1270 nm or more and 1610 nm or less.
  • the material of the light absorption layer 4 is selected from, for example, InGaAs and InGaAsP.
  • the band gap of the light absorption layer 4 can have an energy value corresponding to a wavelength of about 1670 nm.
  • the window layer 5 is provided on the light absorption layer 4.
  • the window layer 5 may be an epitaxial layer formed on the light absorption layer 4.
  • the window layer 5 is at least included in the light receiving portion RA, and straddles the light receiving portion RA and the outer peripheral portion RB in the configuration of FIG. 1.
  • the window layer 5 has an outer edge ED, and in the configuration of FIG. 1, the outer edge ED is located at the outer peripheral end (right end and left end in the figure) of the outer peripheral portion RB.
  • the window layer 5 has n-type.
  • the impurity concentration of the window layer 5 is smaller than the impurity concentration of the semiconductor substrate 1.
  • the window layer 5 is made of a material having a band gap larger than the band gap of the light absorption layer 4.
  • the material of the window layer 5 is selected from, for example, InP, AlInAs, AlGaInAs, and InGaAsP.
  • the band gap of the window layer 5 can be made to have an energy value corresponding to a wavelength of about 900 nm.
  • the light absorption layer 4 and the electric field control layer 3 and / or the light absorption layer 4 and the window layer 5 is provided with a relaxation layer for alleviating the band discontinuity.
  • the material of this relaxation layer is, for example, InGaAsP or AlGaInAs.
  • the light receiving area 6 has a p-type.
  • the impurity concentration of the light receiving region 6 is larger than the impurity concentration of the window layer 5.
  • the light receiving area 6 is included in the light receiving part RA, and provided on the window layer 5 apart from the outer edge ED of the window layer 5.
  • the light receiving region 6 at least partially opposes the high concentration region 3H of the electric field control layer 3 via the window layer 5 and the light absorption layer 4 in the thickness direction, and in the configuration of FIG. Are facing each other.
  • the light receiving region 6 can be formed by thermally diffusing the acceptor partially on the surface of the window layer 5.
  • the guard ring area 7 has p type.
  • the impurity concentration of the guard ring region 7 is larger than the impurity concentration of the window layer 5.
  • the impurity concentration of the guard ring region 7 is larger than the impurity concentration of the light absorption layer 4.
  • the guard ring area 7 is separated from the light receiving area 6 by the window layer 5 in the in-plane direction (lateral direction in the drawing).
  • the guard ring region 7 penetrates the window layer 5 in the thickness direction (vertical direction in the drawing) and reaches the light absorption layer 4.
  • the bottom of the guard ring region 7 is positioned deeper than the lower surface of the window layer 5, deeper than the upper surface of the light absorbing layer 4, and shallower than the lower surface of the light absorbing layer 4.
  • the guard ring region 7 at least partially opposes the low concentration region 3L of the electric field control layer 3 through the light absorption layer 4 in the thickness direction, and in the configuration of FIG. Are facing each other.
  • the guard ring region 7 can be formed by thermally diffusing the acceptor from part of the surface of the window layer 5 through the window layer 5 into the light absorption layer 4.
  • the light receiving area 6 has a circular shape
  • the guard ring area 7 has a ring shape so as to surround the circular shape.
  • the width W6 is the diameter of the circular shape
  • the width W7 is the dimension between the outer edge and the inner edge of the ring shape.
  • the anode electrode 9 is typically made of metal.
  • the anode electrode 9 is provided on the light receiving region 6 away from the window layer 5.
  • the metal anode electrode 9 is the surface of the semiconductor substrate 1 (FIG. Most of the light receiving area 6 may be covered on the upper surface.
  • the cathode electrode (not shown) is typically made of metal.
  • the cathode electrode may be disposed in contact with the semiconductor substrate 1.
  • the cathode electrode may be provided on the back surface of the semiconductor substrate 1.
  • the cathode electrode may be in contact with the semiconductor substrate 1 from the surface (upper surface in FIG.
  • the cathode electrode unnecessarily contacts other components other than the semiconductor substrate 1.
  • openings may be provided in these other configurations.
  • a region made of AlGaInAs, InGaAsP, InGaAs, or the like may be provided between the light receiving region 6 and the anode electrode 9 in order to reduce the contact resistance.
  • each element in APD101 should just have a characteristic required in order to implement
  • the breakdown voltage and the reach-through voltage of the embodiment of APD 101 (FIG. 1), APD 191 X of Reference Example X (FIG. 2), and APD 191 Y of Reference Example Y (FIG. 3) are examined by simulation.
  • the APD 191X (FIG. 2) does not have the guard ring area 7.
  • the guard ring region 7 of the APD 191 Y (FIG. 3) is formed shallower than the guard ring region of the APD 101 (FIG. 1) and extends to the boundary between the window layer 5 and the light absorbing layer 4 in the thickness direction. , Does not extend into the light absorbing layer 4.
  • the thickness range DLy where the depletion layer can be formed in the APD 191Y (FIG. 3) is thicker than the thickness range DL where the depletion layer can be formed in the APD 101 (FIG. 1).
  • the APD 191Y has an electric field control layer 3y in place of the electric field control layer 3 (FIG. 1).
  • the electric field control layer 3 y has a uniform impurity concentration in the in-plane direction, and the impurity concentration is the same as that of the high concentration region 3 H of the electric field control layer 3. The simulation results are shown below.
  • the line of "light receiving part” is a simulation result about light receiving part RA in each figure.
  • the configuration of the light receiving unit is common to the above three examples.
  • the “outer periphery” row is the simulation result for the outer periphery RB in each drawing. Since the configuration of the outer peripheral portion is different between the above three examples, different values are calculated.
  • “reach through voltage” is a voltage required for the depletion layer to reach from the semiconductor substrate 1 to the window layer 5 or the window layer 5 provided with the guard ring region 7.
  • FIG. 4 is a graph showing a desirable relationship between the voltage-current characteristics in the light receiving portion and the voltage-current characteristics in the outer peripheral portion.
  • the breakdown voltage of the outer peripheral portion be equal to or higher than the breakdown voltage of the light receiving portion (in FIG. , See arrow TB).
  • the reach through voltage of the outer peripheral portion be smaller than the reach through voltage of the light receiving portion in order to suppress current concentration on the light receiving portion (see the arrow TR in the figure). From this point of view, when the results shown in the above table are examined, it can be understood that the example is the most excellent configuration as compared with the reference examples X and Y.
  • the outer peripheral portion of the reference example Y (FIG. 3) has a state opposite to the desired state described in FIG. 4, which means that the guard ring area 7 has the intended function in the reference example Y. It means that you do not have. On the other hand, from the above results, it can be said that the guard ring area 7 has the intended function in the embodiment.
  • the electric field control layer 3 having the high concentration region 3H and the low concentration region 3L and the guard penetrating the window layer 5 and reaching the light absorption layer 4
  • a guard ring structure can be effectively provided.
  • the guard ring region 7 contains Zn atoms
  • the electric field control layer 3 contains Be atoms.
  • the guard ring region 7 preferably contains substantially no Be atoms
  • the electric field control layer 3 preferably contains substantially no Za atoms. Since Zn atoms are easily diffused and Be atoms are difficult to diffuse, as described above, by using different acceptor atoms, the step of adding an acceptor to a desired region in the production of APD 101 is more It can be easy.
  • the spacing SP (FIG. 1) between the light receiving area 6 and the guard ring area 7 is preferably 3 ⁇ m or more.
  • the guard ring area 7 is preferably separated from the light receiving area 6 by 3 ⁇ m or more. If the interval SP is too small, the high speed operation of the APD becomes difficult due to the increase in capacitance caused by the depletion layer extending from the light receiving region 6 being connected to the guard ring region 7 when the operating voltage is applied.
  • the carrier concentration of the window layer 5 is generally 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, and the depletion layer extends about 2 ⁇ m at the operating voltage of the APD. As described above, when the distance SP is 3 ⁇ m or more, the depletion layer extending from the light receiving region 6 can be prevented from being connected to the guard ring region 7.
  • the guard ring region 7 preferably has a carrier concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more as a peak value.
  • the guard ring region 7 is formed due to the small amount of the added dopant. Depth tends to be unstable. As a result, the accuracy of the thickness DL (FIG. 1) of the depletion layer formed below the guard ring region 7 is reduced, which makes it difficult to optimize the breakdown voltage and the reach through voltage in the outer peripheral portion RB.
  • the carrier concentration of the light absorption layer 4 is generally 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, as described above, if the carrier concentration of the guard ring region 7 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more, the thickness DL It is easy to ensure the accuracy of The carrier concentration similar to this may also be included in the light receiving region 6.
  • the guard ring area 7 preferably has a width W7 larger than the width W6 of the light receiving area 6.
  • the width W7 is larger than the width W6, a mask provided with both an opening for forming the light receiving region 6 and an opening for forming the guard ring region 7 is used.
  • the light receiving region 6 and the guard ring region 7 can be formed at one time by the thermal diffusion of the dopant of.
  • the above cross sectional view is a cross sectional view exposing the diameter, and the diameter of the circular shape corresponds to the width W6.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of an APD 101 v (semiconductor light receiving element) as a modification of the APD 101 (FIG. 1).
  • APD 101 v semiconductor light receiving element
  • FIG. 5 it is assumed that light enters the APD 101 v from the surface (upper surface in FIG. 5) of the semiconductor substrate 1.
  • the APD 101 v has an anode electrode 9 v instead of the anode electrode 9.
  • the anode electrode 9 v covers the light receiving region 6 on the surface of the semiconductor substrate 1 at a small ratio (for example, a ratio of half or less).
  • a small ratio for example, a ratio of half or less
  • FIG. 6 is a cross sectional view schematically showing a configuration of the APD 102 (semiconductor light receiving element) in the present embodiment.
  • APD 102 semiconductor light receiving element
  • the APD 102 on the semiconductor substrate 1, a mesa-shaped region 10 including the multiplication layer 2, the electric field control layer 3, the light absorption layer 4, the light receiving region 6 and the guard ring region 7 is formed.
  • the outside of the guard ring region 7 in the in-plane direction (lateral direction in the drawing) is tapered toward the depth direction (downward in the drawing).
  • a trench TR having a shape is formed. The sidewall of trench TR is separated from guard ring region 7 by window layer 5.
  • trench TR penetrates the window layer 5, the light absorption layer 4, the electric field control layer 3, and the multiplication layer 2 from the surface (upper surface in the drawing) of the window layer 5 and reaches the semiconductor substrate 1.
  • Trench TR can be formed by etching using an etching mask.
  • the mesa-shaped region 10 by providing the mesa-shaped region 10, it is possible to suppress the leak current flowing outside the APD, which is the cause of the dark current.
  • the APD 102 provided with the mesa shaped region 10 has a state in which a leak current flows in the current path along the sidewall of the mesa shaped region 10 when a voltage equal to or less than the reach through voltage is applied. Then, when a voltage exceeding the reach-through voltage is applied due to light entering the APD 102, the current path is instantaneously switched, and the current easily flows in the light receiving unit RA. According to the present embodiment, current concentration at this time is effectively reduced for the reason described in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a flow chart schematically showing a method of manufacturing APD 101 in the present embodiment.
  • FIG. 8 to FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing first to fourth steps of the manufacturing method.
  • step S10 multiplication layer 2 is formed on semiconductor substrate 1 by epitaxial growth.
  • step S20 the semiconductor layer 30 is formed on the multiplication layer 2 by epitaxial growth.
  • the semiconductor layer 30 has p-type by containing Be atoms.
  • the semiconductor layer 30 has a first region 30a corresponding to the high concentration region 3H (FIG. 1) and a second region to be the low concentration region 3L (FIG. 1).
  • the semiconductor layer 30 has a substantially uniform impurity concentration in the in-plane direction (lateral direction in the drawing).
  • the boundary between the first region 30a and the second region 30b in the figure does not mean the boundary between the regions having different physical properties, and the high concentration region 3H and the low concentration region 3H formed in a later step are low. It corresponds to the boundary with the concentration region 3L.
  • step S30 the light absorption layer 4 is formed on the semiconductor layer 30 by epitaxial growth.
  • step S40 the window layer 5 is formed on the light absorption layer 4 by epitaxial growth.
  • a light receiving region 6 is formed by thermally diffusing a dopant as an acceptor using a mask (not shown) having an opening.
  • step S60 (FIG. 7)
  • mask 50 having opening OP is formed on window layer 5.
  • step S70 (FIG. 7)
  • Zn atoms from the opening OP are thermally diffused as indicated by the arrow TD.
  • guard ring region 7 having p-type is formed by containing Zn atoms. Further, the concentration of Be atoms in the second region 30b (FIG. 10) is higher than the concentration of Be atoms in the first region 30a (FIG. 10) due to the influence of the above step of thermally diffusing Zn atoms. descend. Thereby, the electric field control layer 3 (FIG. 11) is formed from the semiconductor layer 30 (FIG. 10).
  • the phenomenon that the concentration of Be atoms is reduced is the occurrence of vacancies below the guard ring region 7 in the light absorption layer 4 due to the above-described thermal diffusion of Zn atoms, and the vacancies become semiconductor layers 30. It is inferred that they are generated to absorb Be atoms in the second region 30b of
  • the mask 50 is removed.
  • step S80 the anode electrode 9 is formed.
  • APD101 is obtained.
  • the cathode electrode described in Embodiment 1 may be formed at an appropriate timing.
  • the order of forming the light receiving area 6 and forming the guard ring area 7 may be reversed.
  • the acceptor of the light receiving region 6 may be different from the Zn atom.
  • the electric field control layer 3 (FIG. 10) having the high concentration region 3H and the low concentration region 3L can be obtained from the semiconductor layer 30 (FIG. 8) having no such concentration difference. It can be easily formed by utilizing the influence of the formation process of Therefore, the manufacturing method of APD101 can be simplified.
  • FIG. 12 is a cross sectional view schematically showing one step of a method of manufacturing APD 101 in the modification of the present embodiment described above.
  • mask 50v is formed after the process shown in FIG.
  • the mask 50v has an opening OPv in addition to the opening OP of the mask 50 (FIG. 11).
  • the opening OP has a width WV7 larger than the width WV6 of the opening OPv.
  • the light receiving area 6 can be formed simultaneously with the guard ring area.
  • the guard ring area 7 has a width W7 larger than the width W6 of the light receiving area 6.
  • APD102 (FIG. 6: Embodiment 2) can be obtained.
  • each embodiment can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted.
  • the present invention has been described in detail, the above description is an exemplification in all aspects, and the present invention is not limited thereto. It is understood that countless variations not illustrated are conceivable without departing from the scope of the present invention.
  • APD semiconductor light receiving element

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Abstract

ｎ型の半導体基板（１）上の増倍層（２）はＡｌ原子を含有する。増倍層（２）上の電界制御層（３）はｐ型を有する。電界制御層（３）は、高濃度領域（３Ｈ）と、高濃度領域（３Ｈ）の外側に設けられ高濃度領域（３Ｈ）の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する低濃度領域（３Ｌ）とを含む。電界制御層（３）上の光吸収層（４）は、高濃度領域（３Ｈ）の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する。光吸収層（４）上の窓層（５）は、光吸収層（４）のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、ｎ型を有する。受光領域（６）は、窓層（５）の外縁（ＥＤ）から離れて設けられ、窓層（５）および光吸収層（４）を介して高濃度領域（３Ｈ）に少なくとも部分的に対向し、ｐ型を有する。ガードリング領域（７）は、窓層（５）によって受光領域（６）から隔てられ、窓層（５）を貫通して光吸収層（４）内に達し、ｐ型を有する。

Description

半導体受光素子およびその製造方法
　本発明は、半導体受光素子およびその製造方法に関し、特に、ガードリング領域を有する半導体受光素子およびその製造方法に関するものである。
　光ファイバ通信等に用いられる半導体受光素子として、増倍層の材料としてＩｎＰを用いたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が広く用いられている。ＩｎＰ増倍層を用いたＡＰＤは、受信機としてのＳ／Ｎ比を向上させるために、入射光により発生したキャリアを、正孔を増倍させることによって増幅する。すなわち、ＩｎＰ増倍層を用いたＡＰＤは、正孔増倍型である。
　例えば特開２００８－２１７２５号公報（特許文献１）に示されているように、ＩｎＰ増倍層を用いたＡＰＤでは、一般的に、受光領域の周囲にガードリングが形成される。ガードリングを形成する一の目的は、受光領域の端での急激な増倍に起因したエッジブレイクダウンを防ぐことである。また他の目的は、入力光が瞬間的に増えたときに生じるリーチスルーを、受光領域の中心よりも先にガードリングへと生じさせることによって、ガードリングが電流パスとなることで、受光部への電流集中に起因しての破壊を防ぐことである。ここで、本来の受光領域だけでなく、ガードリングもＡＰＤ構造をなしている。一般的に、リーチスルーの異なるＡＰＤ構造が並列に配置されている場合、リーチスルー電圧が小さい構造へ先に電流が流れることになる。また、ブレイクダウン電圧が高いＡＰＤ構造が、より高い電圧まで耐えられることになる。よって、意図された機能をガードリングが有するためには、ガードリングのブレイクダイン電圧が受光領域のそれよりも大きく、かつ、ガードリングのリーチスルー電圧が受光部のそれよりも小さいことが求められる。
　近年、ＡＰＤの増倍層として、ＡｌＩｎＡｓ等、Ａｌ原子を含有する材料からなるＡｌ系増倍層も用いられてきている。Ａｌ系増倍層を用いたＡＰＤは、電子増倍型であり、前述の正孔増倍型よりも高速かつ低雑音での動作が見込まれる。半導体受光素子に要求されるビットレートは増加してきており、これに対応して、電子増倍型が広く用いられるようになってきている。一般的に光通信用途のＡＰＤではｎ型基板を用いることが多く、その場合、ｎ型基板上に、Ａｌ系増倍層、光吸収層、および窓層が順に積層される。よってこのようなＡｌ系ＡＰＤにおいては基板と光吸収層との間に増倍層が配置される。すなわち、増倍層が、基板上の層構造における深い位置に配置される。このようなＡｌ系ＡＰＤの配置は、ＩｎＰ系ＡＰＤにおける配置とは異なっている。よってＩｎＰ系ＡＰＤにおけるガードリングの形成技術をそのままＡｌ系ＡＰＤへ適用することは困難である。
　特開平１１－３３０５３０号公報によれば、Ａｌ系ＡＰＤが開示されており、ガードリングが適用された場合の問題点を鑑みての構成が開示されている。この構成においては、電界集中の抑制を考慮して、部分的に濃度の低い部分を有する電界緩和層が設けられている。
特開２００８－２１７２５号公報 特開平１１－３３０５３０号公報
　上述したように、Ａｌ原子を含有する増倍層を用いたＡＰＤへガードリング構造を適用する方法については、これまで十分な検討がなされてきていなかった。
　本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、Ａｌ原子を含有する増倍層を用いたＡＰＤへ、ガードリング構造を効果的に設けることができる、半導体受光素子およびその製造方法を提供することである。
　本発明の半導体受光素子は、半導体基板と、増倍層と、電界制御層と、光吸収層と、窓層と、受光領域と、ガードリング領域とを有している。半導体基板はｎ型を有している。増倍層は、半導体基板上に設けられており、Ａｌ原子を含有している。電界制御層は、増倍層上に設けられており、ｐ型を有している。電界制御層は、増倍層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する高濃度領域と、高濃度領域の外側に設けられ高濃度領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する低濃度領域とを含んでいる。光吸収層は、電界制御層上に設けられており、電界制御層の高濃度領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有している。窓層は、光吸収層上に設けられており、光吸収層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有しており、外縁を有しており、ｎ型を有している。受光領域は、窓層の外縁から離れて窓層上に設けられており、厚み方向において窓層および光吸収層を介して電界制御層の高濃度領域に少なくとも部分的に対向しており、ｐ型を有している。ガードリング領域は、窓層によって受光領域から隔てられており、窓層を貫通して光吸収層内に達しており、ｐ型を有している。
　本発明の半導体受光素子の製造方法は、半導体基板と、増倍層と、電界制御層と、光吸収層と、窓層と、受光領域と、ガードリング領域とを有している。半導体基板はｎ型を有する半導体受光素子の製造方法である。増倍層は、半導体基板上に設けられており、Ａｌ原子を含有している。電界制御層は、増倍層上に設けられており、ｐ型を有している。電界制御層は、増倍層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する高濃度領域と、高濃度領域の外側に設けられ高濃度領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する低濃度領域とを含んでいる。光吸収層は、電界制御層上に設けられており、電界制御層の高濃度領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有している。窓層は、光吸収層上に設けられており、光吸収層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有しており、外縁を有しており、ｎ型を有している。受光領域は、窓層の外縁から離れて窓層上に設けられており、厚み方向において窓層および光吸収層を介して電界制御層の高濃度領域に少なくとも部分的に対向しており、ｐ型を有している。ガードリング領域は、窓層によって受光領域から隔てられており、窓層を貫通して光吸収層内に達しており、ｐ型を有している。半導体受光素子の製造方法は、以下の工程を有している。Ｂｅ原子を含有することによってｐ型を有し、電界制御層の高濃度領域に対応する第１の領域と、電界制御層の低濃度領域となる第２の領域とを有する半導体層が形成される。半導体層上に光吸収層が形成される。光吸収層上に窓層が形成される。窓層上に、開口部を有するマスクが形成される。マスクの開口部からＺｎ原子が拡散させられる。Ｚｎ原子を拡散させる工程において、Ｚｎ原子を含有することによってｐ型を有するガードリング領域が形成され、かつ、半導体層の第１の領域中のＢｅ原子の濃度に比して半導体層の第２の領域中におけるＢｅ原子の濃度がより低下することによって半導体層から電界制御層が形成される。
　本発明によれば、高濃度領域および低濃度領域を有する電界制御層と、窓層を貫通して光吸収層内に達するガードリング領域とが設けられる。これにより、ガードリング構造を効果的に設けることができる。
　この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
本発明の実施の形態１における半導体受光素子の構成を概略的に示す断面図である。 参考例Ｘの半導体受光素子の構成を示す断面図である。 参考例Ｙの半導体受光素子の構成を示す断面図である。 受光部における電圧－電流特性と、外周部における電圧－電流特性との間の、望ましい関係を示すグラフ図である。 図１の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体受光素子の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体受光素子の製造方法を概略的に示すフロー図である。 本発明の実施の形態３における半導体受光素子の製造方法の第１の工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体受光素子の製造方法の第２の工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体受光素子の製造方法の第３の工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体受光素子の製造方法の第４の工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例における半導体受光素子の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
　＜実施の形態１＞
　（構成の概略）
　図１は、本実施の形態におけるＡＰＤ１０１（半導体受光素子）の構成を概略的に示す断面図である。ＡＰＤ１０１は、受光部ＲＡと、その周りに配置された外周部ＲＢ（図中、右部および左部）とを有している。ＡＰＤ１０１は、半導体基板１と、増倍層２と、電界制御層３と、光吸収層４と、窓層５と、受光領域６と、ガードリング領域７と、アノード電極９と、カソード電極（図示せず）とを有している。ＡＰＤ１０１の側面および上面の少なくともいずれかが、ＳｉＮなどからなるパッシベーション膜によって覆われていてもよい。
　半導体基板１は、受光部ＲＡおよび外周部ＲＢに跨っている。半導体基板１はｎ型を有している。半導体基板１は、例えば、ＩｎＰ基板である。
　増倍層２は、受光部ＲＡおよび外周部ＲＢに跨っており、半導体基板１上に設けられている。増倍層２は、半導体基板１上に形成されたエピタキシャル層であってよい。増倍層２は、半導体からなり、少なくともＡｌ原子を含有している。言い換えれば、増倍層２はＡｌ系増倍層である。例えば、増倍層２はＡｌＩｎＡｓ層である。増倍層２は、Ａｌ原子を含有することによって、電子を効率的に増倍させることができる。好ましくは、増倍層２の不純物濃度は半導体基板１の不純物濃度よりも小さい。
　電界制御層３は、受光部ＲＡおよび外周部ＲＢに跨っており、増倍層２上に設けられている。電界制御層３は、増倍層２上に形成されたエピタキシャル層であってよい。電界制御層３はｐ型を有している。電界制御層３は、受光部ＲＡに含まれる高濃度領域３Ｈと、外周部ＲＢに含まれる低濃度領域３Ｌとを有している。よって低濃度領域３Ｌは面内方向（図中、横方向）において高濃度領域３Ｈの外側（図中、右側および左側）に設けられている。高濃度領域３Ｈは、増倍層２の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。低濃度領域３Ｌは、高濃度領域３Ｈの不純物濃度よりも低い不純物濃度を有している。電界制御層３の材料は、例えばＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓである。
　光吸収層４は、受光部ＲＡおよび外周部ＲＢに跨っており、電界制御層３上に設けられている。光吸収層４は、電界制御層３上に形成されたエピタキシャル層であってよい。光吸収層４は、半導体からなり、電界制御層３の高濃度領域３Ｈの不純物濃度よりも低い不純物濃度を有している。好ましくは、光吸収層４の不純物濃度は半導体基板１の不純物濃度よりも小さい。光吸収層４は、ＡＰＤ１０１によって検出される入射光のエネルギーよりも小さなバンドギャップを有する材料からなる。検出される入射光の波長は、例えば、１２７０ｎｍ以上１６１０ｎｍ以下である。光吸収層４の材料は、例えば、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰから選択される。例えばＩｎＧａＡｓを用いることによって、光吸収層４のバンドギャップを、波長１６７０ｎｍ程度に相当するエネルギー値とすることができる。
　窓層５は光吸収層４上に設けられている。窓層５は、光吸収層４上に形成されたエピタキシャル層であってよい。窓層５は、少なくとも受光部ＲＡに含まれており、図１の構成においては受光部ＲＡおよび外周部ＲＢに跨っている。窓層５は外縁ＥＤを有しており、図１の構成においては外縁ＥＤは外周部ＲＢの外周端（図中、右端および左端）に位置している。窓層５はｎ型を有している。好ましくは、窓層５の不純物濃度は半導体基板１の不純物濃度よりも小さい。窓層５は、光吸収層４のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料からなる。窓層５の材料は、例えば、ＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、およびＩｎＧａＡｓＰから選択される。例えばＩｎＰを用いることによって、窓層５のバンドギャップを、波長９００ｎｍ程度に相当するエネルギー値とすることができる。
　なお、光吸収層４と電界制御層３との間、および、光吸収層４と窓層５との間の少なくともいずれかに、バンド不連続性を緩和するための緩和層が設けられてもよい。この緩和層の材料は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓである。
　受光領域６はｐ型を有している。好ましくは、受光領域６の不純物濃度は窓層５の不純物濃度よりも大きい。受光領域６は、受光部ＲＡに含まれており、窓層５の外縁ＥＤから離れて窓層５上に設けられている。受光領域６は、厚み方向において窓層５および光吸収層４を介して、電界制御層３の高濃度領域３Ｈに少なくとも部分的に対向しており、図１の構成においては受光領域６の全体が対向している。受光領域６は、窓層５の表面上において部分的にアクセプタを熱拡散させることによって形成され得る。
　ガードリング領域７はｐ型を有している。好ましくは、ガードリング領域７の不純物濃度は窓層５の不純物濃度よりも大きい。好ましくは、ガードリング領域７の不純物濃度は光吸収層４の不純物濃度よりも大きい。ガードリング領域７は、面内方向（図中、横方向）において、窓層５によって受光領域６から隔てられている。ガードリング領域７は、厚み方向（図中、縦方向）において、窓層５を貫通して光吸収層４内に達している。言い換えれば、ガードリング領域７の底部は、窓層５の下面よりも深く位置しており、光吸収層４の上面よりも深くかつ光吸収層４の下面よりも浅く位置している。よって、ガードリング領域７は、厚み方向において光吸収層４を介して電界制御層３の低濃度領域３Ｌに少なくとも部分的に対向しており、図１の構成においてはガードリング領域７の全体が対向している。ガードリング領域７は、窓層５の表面の一部から、窓層５を貫通して光吸収層４内へアクセプタを熱拡散させることによって形成され得る。
　平面レイアウトにおいては、典型例としては、受光領域６が円形形状を有しており、この円形を囲むようにガードリング領域７がリング形状を有している。この例の場合、図１において、幅Ｗ６は上記円形形状の直径であり、幅Ｗ７は上記リング形状の外縁と内縁との間の寸法である。
　アノード電極９は、典型的には金属からなる。アノード電極９は、窓層５から離れて、受光領域６上に設けられている。なお図１の構成においては、ＡＰＤ１０１内へ半導体基板１の裏面（図１における下面）から光が入ることが想定されているので、金属からなるアノード電極９が半導体基板１の表面（図１における上面）上において受光領域６の大部分を覆っていてよい。カソード電極（図示せず）は、典型的には金属からなる。カソード電極は、半導体基板１に接するように配置されていればよい。例えば、カソード電極は、半導体基板１の裏面上に設けられていてよい。あるいは、カソード電極は、例えば、半導体基板１の表面（図１における上面）側から半導体基板１に接していてもよく、この場合、カソード電極が半導体基板１以外の他の構成と不必要に接触しないように、これら他の構成に開口が設けられていてよい。なお、受光領域６とアノード電極９との間には、コンタクト抵抗を下げるために、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、またはＩｎＧａＡｓなどからなる領域が設けられていてもよい。
　なおＡＰＤ１０１における各要素の材料は、当該要素の機能を実現するために必要な特性を有するものであればよく、上記説明において具体的に挙げられた材料に限定されるものではない。
　（ブレイクダウン電圧およびリーチスルー電圧のシミュレーション結果）
　ＡＰＤ１０１（図１）の実施例と、参考例ＸのＡＰＤ１９１Ｘ（図２）と、参考例ＹのＡＰＤ１９１Ｙ（図３）とについて、ブレイクダウン電圧およびリーチスルー電圧を、シミュレーションによって検討する。ＡＰＤ１９１Ｘ（図２）は、ＡＰＤ１０１（図１）と異なり、ガードリング領域７を有していない。ＡＰＤ１９１Ｙ（図３）のガードリング領域７は、ＡＰＤ１０１（図１）のガードリング領域よりも浅く形成されており、厚み方向において、窓層５と光吸収層４との境界までは延びているものの、光吸収層４内までは延びていない。このため、ＡＰＤ１９１Ｙ（図３）において空乏層が形成され得る厚み範囲ＤＬｙは、ＡＰＤ１０１（図１）において空乏層が形成され得る厚み範囲ＤＬよりも厚くなっている。またＡＰＤ１９１Ｙは、電界制御層３（図１）に代わり、電界制御層３ｙを有している。電界制御層３ｙは、面内方向において均一な不純物濃度を有しており、当該不純物濃度は、電界制御層３の高濃度領域３Ｈのものと同じである。以下に、シミュレーション結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記表において、「受光部」の行は、各図中の受光部ＲＡについてのシミュレーション結果である。なお受光部の構成は、上記３つの例の間で共通である。一方、上記表において、「外周部」の行は、各図中の外周部ＲＢについてのシミュレーション結果である。外周部の構成は、上記３つの例の間で異なっていることから、異なる値が算出されている。また上記表において、「リーチスルー電圧」は、空乏層が半導体基板１から、窓層５、または、ガードリング領域７が設けられた窓層５へと達するのに要する電圧である。
　図４は、受光部における電圧－電流特性と、外周部における電圧－電流特性との間の、望ましい関係を示すグラフ図である。外周部が設けられることに起因してＡＰＤのブレイクダウン電圧がかえって低下することを避けるためには、外周部のブレイクダウン電圧が受光部のブレイクダウン電圧以上であることが必要である（図中、矢印ＴＢ参照）。この条件の下で、外周部のリーチスルー電圧は、受光部への電流集中を抑制するために、受光部のリーチスルー電圧よりも小さいことが望ましい（図中、矢印ＴＲ参照）。この観点で、上記表に示された結果を検討すると、参考例ＸおよびＹに比して、実施例が最も優れた構成であることがわかる。参考例Ｘの外周部のリーチスルー電圧も受光部のリーチスルー電圧に比して小さいが、実施例のリーチスルー電圧よりは大きく、この点で改善余地がある。参考例Ｙ（図３）の外周部は、図４で説明した望ましい状態とは反対の状態を有しており、このことは、ガードリング領域７が参考例Ｙにおいては、意図された機能を有していないことを意味している。一方、上記結果から、ガードリング領域７が実施例においては、意図された機能を有しているといえる。
　本実施の形態のＡＰＤ１０１によれば、以上の説明からわかるように、高濃度領域３Ｈおよび低濃度領域３Ｌを有する電界制御層３と、窓層５を貫通して光吸収層４内に達するガードリング領域７とが設けられることにより、ガードリング構造を効果的に設けることができる。
　（構成の詳細）
　アクセプタとして、ガードリング領域７（図１）はＺｎ原子を含有し、電界制御層３（図１）はＢｅ原子を含有していることが好ましい。ガードリング領域７はＢｅ原子を実質的に含有していないことが好ましく、電界制御層３はＺａ原子を実質的に含有していないことが好ましい。Ｚｎ原子は拡散しやすく、Ｂｅ原子は拡散しにくい性質を有しているので、上記のように、異なるアクセプタ原子を用いることによって、ＡＰＤ１０１の製造においてアクセプタを所望の領域へ添加する工程を、より容易なものとすることができる。
　受光領域６とガードリング領域７との間の間隔ＳＰ（図１）は３μｍ以上であることが好ましい。言い換えれば、ガードリング領域７は受光領域６から３μｍ以上離れていることが好ましい。間隔ＳＰが過小である場合、動作電圧が印加された際に、受光領域６から延びる空乏層がガードリング領域７とつながることに起因しての容量増加により、ＡＰＤの高速動作が困難となる。窓層５のキャリア濃度は一般的に１×１０１６ｃｍ－３以下であり、ＡＰＤの動作電圧では空乏層が約２μｍ延びる。上述したように間隔ＳＰが３μｍ以上であれば、受光領域６から延びる空乏層がガードリング領域７とつながることが避けられる。
　ガードリング領域７は、ピーク値として、１×１０１８ｃｍ－３以上のキャリア濃度を有していることが好ましい。光吸収層４のキャリア濃度に比してあまり高くないキャリア濃度を有するガードリング領域７が形成される場合は、添加されるドーパントの量が少ないことに起因して、ガードリング領域７が形成される深さが不安定となりやすい。その結果、ガードリング領域７の下方に形成される空乏層の厚みＤＬ（図１）の精度が低下し、よって外周部ＲＢにおけるブレイクダウン電圧およびリーチスルー電圧を最適化することが難しくなる。光吸収層４のキャリア濃度は一般的に１×１０１６ｃｍ－３以下であることから、上述したようにガードリング領域７のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ－３以上であれば、厚みＤＬの精度を十分に確保しやすくなる。なお、これと同様のキャリア濃度を受光領域６も有していてもよい。
　受光領域６の最大寸法が表れる断面視（例えば、図１）において、ガードリング領域７は受光領域６の幅Ｗ６に比して大きな幅Ｗ７を有していることが好ましい。一般に、開口部を有するマスクを用いてアクセプタとしてのドーパントを熱拡散させることによってｐ型領域が形成される場合、開口部の幅が大きいほど、大きな幅と大きな深さとを有するｐ型領域が形成される。よって、幅Ｗ６に比して幅Ｗ７の方が大きければ、受光領域６を形成するための開口部と、ガードリング領域７を形成するための開口部との両方が設けられたマスクを用いてのドーパントの熱拡散によって、受光領域６およびガードリング領域７を一度に形成することができる。なお受光領域６が平面レイアウトにおいて円形を有している場合、上記断面視は当該直径を露出する断面視であり、この円形の直径が幅Ｗ６に対応する。
　（変形例）
　図５は、ＡＰＤ１０１（図１）の変形例としてのＡＰＤ１０１ｖ（半導体受光素子）の構成を示す断面図である。図５の構成においては、ＡＰＤ１０１ｖ内へ半導体基板１の表面（図５における上面）から光が入ることが想定されている。これに対応して、ＡＰＤ１０１ｖは、アノード電極９に代わり、アノード電極９ｖを有している。アノード電極９ｖは、半導体基板１の表面上において受光領域６を小さな割合（例えば半分以下の割合）でしか覆っていない。これによりＡＰＤ１０１ｖ内へ半導体基板１の表面から光が効率的に入ることができる。
　＜実施の形態２＞
　図６は、本実施の形態におけるＡＰＤ１０２（半導体受光素子）の構成を概略的に示す断面図である。ＡＰＤ１０２においては、半導体基板１上において、増倍層２と電界制御層３と光吸収層４と受光領域６とガードリング領域７とを含むメサ形状領域１０が形成されている。図６の例においては、当該メサ形状領域を形成するために、面内方向（図中、横方向）におけるガードリング領域７の外側に、深さ方向（図中、下方向）へ向かってテーパ形状を有するトレンチＴＲが形成されている。トレンチＴＲの側壁は、窓層５によってガードリング領域７から隔てられている。トレンチＴＲは、窓層５の表面（図中、上面）から、窓層５と光吸収層４と電界制御層３と増倍層２とを貫通して、半導体基板１内へ達している。トレンチＴＲは、エッチングマスクを用いてのエッチングによって形成され得る。
　なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
　本実施の形態によれば、メサ形状領域１０が設けられることによって、暗電流の原因である、ＡＰＤの外側を流れるリーク電流を抑制することができる。メサ形状領域１０が設けられたＡＰＤ１０２は、リーチスルー電圧以下の電圧が印加されている際には、メサ形状領域１０の側壁に沿った電流パスをリーク電流が流れる状態を有する。そして、ＡＰＤ１０２へ光が入射することによってリーチスルー電圧を超える電圧が印加されると、電流パスが瞬間的に切り替わり、電流が受光部ＲＡ中を流れやすい状態となる。本実施の形態によれば、このときの電流集中が、実施の形態１で説明した理由で、効果的に低減される。
　＜実施の形態３＞
　本実施の形態では、ＡＰＤ１０１（図１：実施の形態１）に適した製造方法について説明する。図７は、本実施の形態におけるＡＰＤ１０１の製造方法を概略的に示すフロー図である。図８～図１１のそれぞれは、当該製造方法の第１～第４の工程を概略的に示す断面図である。
　図８を参照して、ステップＳ１０（図７）にて、半導体基板１上に増倍層２がエピタキシャル成長によって形成される。次に、ステップＳ２０（図７）にて、増倍層２上に半導体層３０がエピタキシャル成長によって形成される。半導体層３０は、Ｂｅ原子を含有することによってｐ型を有している。半導体層３０は、高濃度領域３Ｈ（図１）に対応する第１の領域３０ａと、低濃度領域３Ｌ（図１）となる第２の領域とを有している。半導体層３０は、面内方向（図中、横方向）において実質的に均一な不純物濃度を有している。よって、図中における第１の領域３０ａと第２の領域３０ｂとの境界線は、異なる物性を有する領域間の境界を意味するものではなく、後の工程において形成される高濃度領域３Ｈと低濃度領域３Ｌとの境界に対応している。次に、ステップＳ３０（図７）にて、半導体層３０上にエピタキシャル成長によって光吸収層４が形成される。次に、ステップＳ４０（図７）にて、光吸収層４上にエピタキシャル成長によって窓層５が形成される。
　図９を参照して、ステップＳ５０（図７）にて、開口部を有するマスク（図示せず）を用いてアクセプタとしてのドーパントを熱拡散させることによって、受光領域６が形成される。
　図１０を参照して、ステップＳ６０（図７）にて、窓層５上に、開口部ＯＰを有するマスク５０が形成される。ステップＳ７０（図７）にて、開口部ＯＰからＺｎ原子が、矢印ＴＤで示されているように熱拡散させられる。
　さらに図１１を参照して、Ｚｎ原子を熱拡散させる上記工程において、Ｚｎ原子を含有することによってｐ型を有するガードリング領域７が形成される。また、Ｚｎ原子を熱拡散させる上記工程の影響によって、第１の領域３０ａ（図１０）中のＢｅ原子の濃度に比して第２の領域３０ｂ（図１０）中におけるＢｅ原子の濃度がより低下する。これにより、半導体層３０（図１０）から電界制御層３（図１１）が形成される。このようにＢｅ原子の濃度が低下する現象は、Ｚｎ原子の上記熱拡散に起因して光吸収層４内のうちガードリング領域７下方に空格子点が発生し当該空格子点が半導体層３０の第２の領域３０ｂ中のＢｅ原子を吸い上げるために生じると推測される。
　次に、マスク５０が除去される。
　再び図１を参照して、ステップＳ８０（図７）にて、アノード電極９が形成される。これにより、ＡＰＤ１０１が得られる。なお、上記においては説明が省略されているが、実施の形態１で述べたカソード電極が、適当なタイミングで形成されてよい。また、受光領域６の形成およびガードリング領域７の形成の順番は逆であってもよい。なお上記方法においては、受光領域６のアクセプタは、Ｚｎ原子と異なるものであってもよい。
　本実施の形態によれば、高濃度領域３Ｈおよび低濃度領域３Ｌを有する電界制御層３（図１０）を、このような濃度差を有しない半導体層３０（図８）から、ガードリング領域７の形成工程の影響を利用して、容易に形成することができる。よってＡＰＤ１０１の製造方法を簡素化することができる。
　図１２は、上述した本実施の形態の変形例におけるＡＰＤ１０１の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。本変形例においては、図８に示された工程の後に、マスク５０ｖが形成される。マスク５０ｖは、マスク５０（図１１）の開口部ＯＰに加えて、開口部ＯＰｖを有している。開口部ＯＰｖの最大寸法が表れる断面視（例えば、図１２）において、開口部ＯＰは開口部ＯＰｖの幅ＷＶ６に比して大きな幅ＷＶ７を有している。次に、開口部ＯＰからＺｎ原子が矢印ＴＤで示されているように熱拡散させられると同時に、開口部ＯＰｖからＺｎ原子が矢印ＴＤｖで示されているように熱拡散させられる。これにより本変形例においては、受光領域６をガードリング領域と同時に形成することができる。この場合に得られるＡＰＤ１０１（図１）においては、ガードリング領域７は受光領域６の幅Ｗ６に比して大きな幅Ｗ７を有する。
　上記本実施の形態およびその変形例の製造方法にトレンチＴＲ（図６）の形成工程が付加されれば、ＡＰＤ１０２（図６：実施の形態２）を得ることができる。
　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
　ＥＤ　外縁、ＲＡ　受光部、ＲＢ　外周部、ＯＰ，ＯＰｖ　開口部、ＳＰ　間隔、ＴＲ　トレンチ、１　半導体基板、２　増倍層、３　電界制御層、３Ｈ　高濃度領域、３Ｌ　低濃度領域、４　光吸収層、５　窓層、６　受光領域、７　ガードリング領域、９，９ｖ　アノード電極、１０　メサ形状領域、３０　半導体層、３０ａ　第１の領域、３０ｂ　第２の領域、５０，５０ｖ　マスク、１０１，１０１ｖ，１０２　ＡＰＤ（半導体受光素子）。

Claims (7)

  1. 　ｎ型を有する半導体基板（１）と、
    　前記半導体基板（１）上に設けられ、Ａｌ原子を含有する増倍層（２）と、
    　前記増倍層（２）上に設けられｐ型を有する電界制御層（３）とを備え、前記電界制御層（３）は、前記増倍層（２）の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する高濃度領域（３Ｈ）と、前記高濃度領域（３Ｈ）の外側に設けられ前記高濃度領域（３Ｈ）の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する低濃度領域（３Ｌ）とを含み、さらに
    　前記電界制御層（３）上に設けられ、前記電界制御層（３）の前記高濃度領域（３Ｈ）の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する光吸収層（４）と、
    　前記光吸収層（４）上に設けられ、前記光吸収層（４）のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、外縁（ＥＤ）を有し、ｎ型を有する窓層（５）と、
    　前記窓層（５）の前記外縁（ＥＤ）から離れて前記窓層（５）上に設けられ、厚み方向において前記窓層（５）および前記光吸収層（４）を介して前記電界制御層（３）の前記高濃度領域（３Ｈ）に少なくとも部分的に対向し、ｐ型を有する受光領域（６）と、
    　前記窓層（５）によって前記受光領域（６）から隔てられ、前記窓層（５）を貫通して前記光吸収層（４）内に達し、ｐ型を有するガードリング領域（７）と、
    を備える、半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）。
  2. 　前記半導体基板（１）上において、前記増倍層（２）と、前記電界制御層（３）と、前記光吸収層（４）と、前記受光領域（６）と、前記ガードリング領域（７）とを含むメサ形状領域が形成されている、請求項１に記載の半導体受光素子（１０２）。
  3. 　前記ガードリング領域（７）はＺｎ原子を含有しており、前記電界制御層（３）はＢｅ原子を含有している、請求項１または２に記載の半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）。
  4. 　前記ガードリング領域（７）は前記受光領域（６）から３μｍ以上離れている、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）。
  5. 　前記ガードリング領域（７）は、１×１０１８ｃｍ－３以上のキャリア濃度を有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）。
  6. 　前記受光領域（６）の最大寸法が表れる断面視において、前記ガードリング領域（７）は前記受光領域（６）の幅に比して大きな幅を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）。
  7. 　半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）の製造方法であって、前記半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）は、
    　ｎ型を有する半導体基板（１）と、
    　前記半導体基板（１）上に設けられ、前記半導体基板（１）の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有し、Ａｌ原子を含有する増倍層（２）と、
    　前記増倍層（２）上に設けられｐ型を有する電界制御層（３）とを含み、前記電界制御層（３）は、前記増倍層（２）の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する高濃度領域（３Ｈ）と、前記高濃度領域（３Ｈ）の外側に設けられ前記高濃度領域（３Ｈ）の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する低濃度領域（３Ｌ）とを含み、前記半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）はさらに
    　前記電界制御層（３）上に設けられ、前記電界制御層（３）の前記高濃度領域（３Ｈ）の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する光吸収層（４）と、
    　前記光吸収層（４）上に設けられ、前記光吸収層（４）のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、外縁（ＥＤ）を有し、ｎ型を有する窓層（５）と、
    　前記窓層（５）の前記外縁（ＥＤ）から離れて前記窓層（５）上に設けられ、厚み方向において前記窓層（５）および前記光吸収層（４）を介して前記電界制御層（３）の前記高濃度領域（３Ｈ）に少なくとも部分的に対向し、ｐ型を有する受光領域（６）と、
    　前記窓層（５）によって前記受光領域（６）から隔てられ、前記窓層（５）を貫通して前記光吸収層（４）内に達し、ｐ型を有するガードリング領域（７）と、
    を含み、
    　前記半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）の製造方法は、
    　Ｂｅ原子を含有することによってｐ型を有し、前記電界制御層（３）の前記高濃度領域（３Ｈ）に対応する第１の領域（３０ａ）と、前記電界制御層（３）の前記低濃度領域（３Ｌ）となる第２の領域（３０ｂ）とを有する半導体層（３０）を形成する工程と、
    　前記半導体層上に前記光吸収層（４）を形成する工程と、
    　前記光吸収層（４）上に前記窓層（５）を形成する工程と、
    　前記窓層（５）上に、開口部（ＯＰ）を有するマスク（５０）を形成する工程と、
    　前記マスク（５０）の前記開口部（ＯＰ）からＺｎ原子を拡散させる工程と、
    を備え、前記Ｚｎ原子を拡散させる工程において、前記Ｚｎ原子を含有することによってｐ型を有する前記ガードリング領域（７）が形成され、かつ、前記半導体層（３０）の前記第１の領域（３０ａ）中の前記Ｂｅ原子の濃度に比して前記半導体層（３０）の前記第２の領域（３０ｂ）中における前記Ｂｅ原子の濃度がより低下することによって前記半導体層（３０）から前記電界制御層（３）が形成される、半導体受光素子（１０１，１０１ｖ，１０２）の製造方法。
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