WO2021100088A1 - アバランシェフォトダイオード - Google Patents

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允洋 名田
詔子 辰己
友輝 山田
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to the structure of an avalanche photodiode that enables high sensitivity.
  • Avalanche PhotoDiode is a type of photodiode (PD) that utilizes a phenomenon called avalanche multiplication in which a photomultiplier tube is amplified by a strong electric field inside the semiconductor layer, and because of its high photoelectric conversion efficiency. It is a light receiving element that can realize higher reception sensitivity than general photodiodes, and is widely applied to image sensors and optical communications. Especially in optical communication applications, the transmission distance of optical signals can be extended in the case of an optical receiver using APD (APD optical receiver) compared to an optical receiver using ordinary PD, and metro access. Widely used in applications.
  • APD gain and bandwidth One of the trade-offs that govern the reception sensitivity performance of the APD optical receiver in optical communication is the APD gain and bandwidth, and the other is the APD gain and excess noise.
  • the trade-off between gain and bandwidth is often known as the gain-bandwidth product (GBP) of APD (Non-Patent Document 1).
  • GBP gain-bandwidth product
  • Non-Patent Document 1 As the gain of the APD increases, the operating band of the APD decreases. Therefore, when the operating band becomes insufficient with respect to the modulation speed applied by the APD, the improvement of the reception sensitivity as the APD optical receiver is saturated.
  • Non-Patent Document 2 This excess noise peculiar to APD is caused by the amplification process of carriers in the photomultiplier tube that amplifies the photocurrent inside the APD, and the degree of the noise is positive with the electron impact ionization rate peculiar to the material of the photomultiplier tube. It is said to be determined by the ratio of hole impact ionization rates (ionization rate ratio). Therefore, in order to obtain high gain and low noise characteristics in APD, it is necessary to carefully select the material of the multiplying layer.
  • InP and InAlAs have been used as multiplying layers due to the restriction of lattice matching with the InP substrate and the InGaAs light absorbing layer.
  • InAlAs has a smaller ionization ratio than InP, and is therefore widely used as a photomultiplier tube material for high-speed and high-sensitivity APDs.
  • photomultiplier tube materials such as InAlAsSb and Si, which have a smaller ionization ratio and lower noise than InAlAs, have also been developed (Non-Patent Documents 3 and 4).
  • the APD is an element that operates by applying a higher voltage than a normal PD and intensively inducing a high electric field in the multiplying layer. For this reason, it is generally said that it is difficult to realize normal operation and to secure long-term reliability as compared with normal PD.
  • APD uses process techniques such as selective diffusion and ion implantation, and has a structure called "electric field constriction structure" that induces high electric field strength in the center of the device while keeping the electric field on the side surface of the device weak. doing.
  • the multiplication factor of the APD cannot be sufficiently increased due to the edge breakdown. Therefore, even if the multiplication layer having a small excess noise is applied, the APD receiver is eventually used. There is a problem that the reception sensitivity cannot be sufficiently improved.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is an element capable of operating in a high gain state while having high reliability and low noise in an avalanche photodiode. To provide the structure.
  • One aspect of the present invention is characterized in that the following configuration is provided in order to achieve such an object.
  • (Structure 1) At least an increase between the first semiconductor contact layer in contact with the first electrode, the second semiconductor contact layer in contact with the second electrode, and the first semiconductor contact layer and the second semiconductor contact layer.
  • (Structure 2) The avalanche photodiode according to configuration 1.
  • Structure 3 The avalanche photodiode according to configuration 1.
  • Structure 4 The avalanche photodiode according to configuration 1.
  • An avalanche photodiode in which the electric field strength of the electric field relaxation layer is 300 kV / cm or less in an operating state.
  • (Structure 5) The avalanche photodiode according to configuration 1.
  • (Structure 6) The avalanche photodiode according to any one of configurations 1 to 5.
  • (Structure 7) An avalanche photodiode having a back-illuminated structure according to configuration 6.
  • FIG. It is sectional drawing of the substrate of the avalanche photodiode of Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing of the substrate of the avalanche photodiode of Embodiment 2. It is sectional drawing of the substrate of the avalanche photodiode of Embodiment 3. It is sectional drawing of the substrate of the avalanche photodiode of Embodiment 4. It is sectional drawing of the substrate of the avalanche photodiode of Embodiment 5.
  • FIG. 1 describes the structure of the first embodiment of the present invention.
  • the first embodiment is the basic structure in the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate of an avalanche photodiode (APD) 100 for explaining the first embodiment.
  • the APD 100 has a P-type InP contact layer 102, an undoped InGaAs light absorption layer 103, a P-type InAlAs electric field control layer 104, an InAlAs multiplication layer 105, and an N-type InAlAs electric field control layer 106 on the InP substrate 101. , InP electric field relaxation layer 107, InAlAs cap layer 109, and so on.
  • the Si ion implantation method is performed by the Si ion implantation method to form an N-type contact region (layer) 108, which is connected to the metal electrode 110 and a voltage is applied. ing.
  • the lower P-type InP contact layer 102 is also connected to the metal electrode 120 at an appropriate position and a voltage is applied.
  • the photodiode usually operates with a reverse bias, so that the metal electrode 110 connected to the N-type contact region 108 is biased to a high potential, and the metal electrode 120 connected to the P-type InP contact layer 102 is biased to a low potential. Generates an electric potential in the laminated structure.
  • the N-type contact region 108 is selectively doped in the cap layer 109, the area of the contact region is smaller than the area of the photomultiplier tube 105 and the like, and an electric field constriction structure is formed.
  • the area of either the first or second contact layer having different semiconductor types (P / N polarity) is smaller than the area of the multiplier layer or the like between the two contact layers. Is necessary, and even if the contact layer having the smaller area is used as the first contact layer, the generality is not lost.
  • the incident direction of the light received by the photodiode may be any direction as long as the light reaches the light absorption layer and an optical carrier can be generated.
  • the incident direction of light is not limited.
  • it can be an avalanche photodiode having a back-illuminated structure in which the detected light is incident on the substrate surface vertically upward from the back surface side (bottom) of the substrate.
  • the back-illuminated structure it is possible to improve the detection efficiency as a structure in which a mirror is arranged on the front surface side of the substrate to reflect the transmitted light from the light absorption layer and re-enter the light absorption layer.
  • the APD 100 In order for the APD 100 to operate as a light receiving element, it is necessary that the photocarrier generated in the InGaAs light absorbing layer 103 obtains a drift component by the electric field in the InGaAs light absorbing layer 103 and is injected into the multiplying layer 105. Therefore, the voltage at which the P-type electric field control layer 104 is depleted and an electric field is generated in the InGaAs light absorption layer 103 is the on-voltage (Von) in this APD.
  • Von on-voltage
  • the electric field strength in all the layers of the absorption layer 103, the multiplying layer 105, and the electric field relaxation layer 107 is increased with respect to the further applied voltage. It keeps rising.
  • the voltage at which the electric field strength of the multiplying layer 105 becomes so high that the gain of the APD 100 becomes sufficiently large is the breakdown voltage (Vb) of the APD 100.
  • electric field concentration occurs in the portion corresponding to the N-type contact layer 108 (the portion surrounded by the dotted line in FIG. 1).
  • This locally rising electric field is called an edge electric field.
  • the edge electric field reaches the multiplying layer 105, the multiplying factor locally rises in the multiplying layer 105, or a local tunnel caused by the edge electric field. Due to the generation of current, the dark current (current flowing even though there is no optical input) suddenly rises at a voltage lower than that of having sufficient gain as APD, leading to breakdown.
  • the electric field relaxation layer 107 is provided between the photomultiplier layer 105 and the N-type contact layer 108, so that the portion where the edge electric field is largest in the vicinity of the N-type contact layer 108 is the largest.
  • the photomultiplier tube 105 can be spatially separated. Therefore, it is possible to suppress a local electric field rise in the photomultiplier tube 105.
  • the N-type electric field control layer 106 by providing the N-type electric field control layer 106, the electric field strength of the entire electric field relaxation layer 107 can be suppressed to a small value even with the operating voltage of the APD 100. Therefore, an edge electric field is inevitably generated in the electric field relaxation layer 107, but its strength can be reduced to such an extent that the local tunnel current and the local multiplication in the electric field relaxation layer 107 do not occur.
  • the electric field relaxation layer 107 In order to suppress the influence of the edge electric field caused by the N-type contact layer 108 on the multiplying layer 105, the electric field relaxation layer 107 needs to have a certain thickness. Ultimately, the thickness of the electric field relaxation layer 107 is designed according to the desired band, but it is desirable to have a film thickness of 100 nm or more, and it is desirable to form a depletion layer at the operating voltage. Further, the larger the film thickness of the electric field relaxation layer 107, the more the effect of relaxation of the edge electric field is expected and the more it contributes to the reduction of the element capacitance, but conversely, the traveling delay of the carrier becomes large and the operating speed of the element is limited. Therefore, the maximum film thickness is designed according to the desired operating speed.
  • edge breakdown can be suppressed even when the gain of APD is large, and the sensitivity of the APD optical receiver can be improved.
  • FIG. 2 describes the structure of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a substrate of an avalanche photodiode (APD) 200 for explaining the second embodiment.
  • the APD200 grows an InP cap layer 209 on the N-type InP substrate 201, and the central portion thereof is locally implanted by the Si ion implantation method.
  • the N-type contact region 208 is formed by doping, and the N-type contact region 208 is connected to the electrode 210 via the N-type InP substrate 201.
  • the N-type InAlAs electric field relaxation layer 207, the N-type InAlAs electric field control layer 206, the InAlAs multiplying layer 205, the P-type InAlAs electric field control layer 204, the InGaAs light absorption layer 203, and the P-type InP contact layer 202 grow in this order.
  • the P-type InP contact layer 202 is connected to the electrode 220.
  • the operating principle of the light receiving element in the second embodiment is basically the same as that of the first embodiment except that the direction of the electric field is opposite to that of the first embodiment.
  • the electric field strength of the InAlAs photomultiplier tube 205 first increases, and at the same time, the depletion layers of the N-type and P-type InAlAs electric field control layers 206 and 204 arranged above and below the InAlAs multiplying layer 205 proceed.
  • the P-type electric field control layer 204 is depleted, the electric field strength of the InGaAs light absorption layer 203 increases with respect to a further applied voltage.
  • the N-type electric field relaxation layer 207 continues to be depleted. Therefore, after the P-type and N-type electric field control layers are depleted, the electric field strength of the InAlAs multiplying layer 205 and the InGaAs absorbing layer 203 continues to increase with respect to the voltage application, but the N-type InAlAs electric field relaxation layer 207 The increase in electric field strength becomes very gradual with respect to the applied voltage.
  • the electric field strength of the N-type electric field relaxation layer 207 is suppressed to be very small, so that the edge electric field does not affect the electric field relaxation layer 207.
  • the impurity doping concentration of the electric field relaxation layer 207 it is necessary to carefully design the impurity doping concentration of the electric field relaxation layer 207. If the concentration is too high, the electric field relaxation layer 207 will not be depleted even at the operating voltage of the APD 200, and the effect of electric field constriction inside the device by the N-type contact layer 208 will not be exhibited. On the other hand, if the concentration is too low, the N-type electric field relaxation layer 207 is immediately depleted with respect to the applied voltage after the N-type electric field control layer 206 is depleted, and the electric field strength in the electric field relaxation layer 207 easily increases.
  • the impurity concentration may be about 1 ⁇ 10 15 cm -3 to 1 ⁇ 10 17 cm -3.
  • the electric field strength of the electric field relaxation layer 207 may be 300 kV / cm.
  • edge breakdown can be suppressed even when the gain of APD is large, and the sensitivity of the APD optical receiver can be improved.
  • FIG. 3 describes the structure of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate of an avalanche photodiode (APD) 300 for explaining the third embodiment.
  • the APD 300 is formed based on silicon (Si) instead of a compound semiconductor, and germanium (Ge) is used for the light absorption layer 303.
  • the APD 300 of FIG. 3 has an N-type Si contact layer 308, a Si multiplication layer 305, a P-type Si electric field control layer 304, a Si electric field relaxation layer 307, a Ge light absorption layer 303, and a P-Ge contact layer on a Si substrate 301. It grows in the order of 302 and is laminated on the mesa structure, and the P-Ge contact layer 302 is connected to the electrode 320.
  • the operating principle of the light receiving element in the third embodiment is basically the same as that of the first embodiment except for the direction of the electric field and the structure of each layer.
  • the electric field strength of the Si multiplying layer 305 first increases, and at the same time, the depletion layer of the P-type Si electric field control layer 304 arranged above the layer increases.
  • the electric field strengths of the Si electric field relaxation layer 307 and the Ge light absorption layer 303 increase with respect to the further applied voltage.
  • the influence does not affect the Si multiplying layer 305, and the electric field strength of the Si electric field relaxation layer 307 is suppressed to be very small, so that the edge electric field becomes an electric field. It does not affect the mitigation layer.
  • edge breakdown can be suppressed even when the gain of APD is large, and the sensitivity of the APD optical receiver can be improved.
  • FIG. 4 describes the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a substrate of an avalanche photodiode (APD) 400 for explaining the fourth embodiment.
  • the PN polarity is reversed without changing the order of the layers of the first embodiment, the direction of the electric field is opposite to that of the first embodiment (FIG. 1), and the layer structure is a so-called multi-stage mesa structure. It has become.
  • the APD400 has an N-type InP contact layer 402, an InGaAs light absorption layer 403, an N-type InP electric field control layer 404, an InP multiplication layer 405, a P-type InP electric field control layer 406, and an InAlAs electric field relaxation on the InP substrate 401.
  • the layer 407 and the InAlAs cap layer 409 grow in this order and are laminated in the mesa structure.
  • a doping region is selectively formed in the central portion of the InAlAs cap layer 409 by the Zn selective diffusion method and connected to the electrode 420 as a P-type contact layer 408. Further, the P-type InP electric field control layer 406 is etched by general wet etching to form a two-stage mesa.
  • the electric field strength of the InP multiplying layer 405 first increases, and at the same time, the depletion layers of the P-type and N-type InP electric field control layers 406 and 404 arranged above and below the APD 400. The conversion progresses. After the P-type electric field control layer 406 is depleted, the electric field strengths of the InAlAs electric field relaxation layer 407 and the InGaAs light absorption layer 403 increase with respect to the further applied voltage.
  • the electric field strength of the InAlAs electric field relaxation layer 407 is kept small, and the edge breakdown of the electric field relaxation layer 407 itself is suppressed, and at the same time, the P-type contact layer 408 and the InP are multiplied spatially. By separating the layer 405, edge breakdown in the multiplying layer 405 is suppressed. Further, since the electric field relaxation layer 407 is composed of InAlAs (1.45 eV) having a large band gap, the influence of edge breakdown in the InAlAs electric field relaxation layer 407 can be eliminated.
  • the P-type InP electric field control layer 406 does not exist in the peripheral portion of the InP multiplying layer 405. Therefore, in the APD400 of the fourth embodiment, in principle, even if a voltage is applied, the electric field does not rise around or on the side surface of the lower mesa including the multiplying layer 405 and the absorbing layer 403. As a result, the side dark current that causes the dark current in the light receiving element can be suppressed.
  • edge breakdown can be suppressed and side dark current can be reduced even when the gain of APD is large.
  • the sensitivity of the APD optical receiver can be improved and its reliability can be improved.
  • FIG. 5 describes the structure of the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate of an avalanche photodiode (APD) 500 for explaining the fifth embodiment.
  • the P-type InP electric field control layer is deleted in the fourth embodiment to simplify the configuration.
  • the operating principle of the light receiving element in the fifth embodiment will be described.
  • the electric field strength of the InP multiplying layer 505 first increases, and at the same time, the electric field strength of the InAlAs electric field relaxation layer 507 also increases. Further, the depletion of the N-type InP electric field control layer 504 arranged below the layer progresses. After the N-type electric field control layer 504 is depleted, the electric field strength of the InGaAs light absorption layer 503 increases with respect to a further applied voltage.
  • the electric field strength of the InGaAs light absorption layer 503 is kept small at the operating voltage of the APD500, but the electric field strength of the electric field relaxation layer 507 becomes large as in the multiplying layer 505.
  • the semiconductor material constituting the electric field relaxation layer 507 as a material having a bandgap energy (for example, 0.8 eV or more) larger than that of the photomultiplier tube 505, the electric field strength is increased even if the electric field strength is the same.
  • the electric field relaxation layer can be configured to have a higher withstand voltage than the photomultiplier tube.
  • the area of the InAlAs electric field relaxation layer 507 is set to be smaller than that of the InP multiplying layer 505 and larger than that of the P-type contact region 508.
  • edge breakdown can be suppressed and side dark current can be reduced even when the gain of APD is large.
  • the sensitivity of the APD optical receiver can be improved and its reliability can be improved.
  • APD avalanche photodiode

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Abstract

高信頼性および低雑音性を有しながら、高利得状態で動作することができるアバランシェフォトダイオードの素子構造を提供する。第１および第２の半導体コンタクト層の間に少なくとも増倍層（１０５）と光吸収層（１０３）とを有し、第１の半導体コンタクト層（１０８）の面積が少なくとも増倍層（１０５）の面積よりも小さいアバランシェフォトダイオード（１００）であって、第１の半導体コンタクト層（１０８）と増倍層（１０５）の間に、動作電圧において空乏層化する電界緩和層（１０７）を有しているアバランシェフォトダイオードとした。

Description

アバランシェフォトダイオード
　本発明は、高感度化を可能としたアバランシェフォトダイオードの構造に関する。
　アバランシェフォトダイオード（Avalanche PhotoDiode：ＡＰＤ）は、半導体層内部の強電界により光電流が増幅されるアバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用したフォトダイオード（ＰＤ）の一種であって、その高い光電変換効率から、一般的なフォトダイオードと比べて高い受信感度を実現できる受光素子であり、イメージセンサや光通信に至るまで幅広く応用されている。特に光通信応用では、通常のＰＤを用いた光受信器と比べ、ＡＰＤを用いた光受信器（ＡＰＤ光レシーバ）の場合には、光信号の伝送距離を延長することができ、メトロ・アクセス用途において広く用いられている。
　光通信におけるＡＰＤ光レシーバの受信感度性能を支配するトレードオフとしては、一つはＡＰＤの利得と帯域幅、もう一つはＡＰＤの利得と過剰雑音が挙げられる。利得と帯域幅のトレードオフについては、しばしばＡＰＤの利得帯域積（Gain-bandwidth product; GBP）として知られる（非特許文献１）。ＡＰＤの利得の上昇に従い、ＡＰＤの動作帯域は低下するため、ＡＰＤの適用する変調速度に対し、動作帯域が不十分になったとき、ＡＰＤ光レシーバとしての受信感度の改善は飽和する。
　また、ＡＰＤの利得の上昇ともに、雑音電流も上昇する（非特許文献２）。このＡＰＤ特有の過剰雑音は、ＡＰＤ内部の光電流を増幅する増倍層におけるキャリアの増幅過程に起因しており、その雑音の程度は、増倍層の材料に固有の電子衝突イオン化率と正孔衝突イオン化率の比（イオン化率比）によって決まるとされている。このため、ＡＰＤにおいて高利得、低雑音の特性を得るためには、増倍層の材料を注意深く選ぶ必要がある。
　例えばＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で構成されるＡＰＤについては、ＩｎＰ基板、およびＩｎＧａＡｓ光吸収層に格子整合するという制約から、ＩｎＰおよびＩｎＡｌＡｓが増倍層として用いられてきた。特にＩｎＡｌＡｓは、ＩｎＰに比べてイオン化率比が小さいため、高速高感度のＡＰＤの増倍層材料として広く用いられている。また最近では、ＩｎＡｌＡｓＳｂやＳｉ等、ＩｎＡｌＡｓよりもさらに小さいイオン化率比および低雑音性を示す増倍層材料も開発されている（非特許文献３，４）
　ところで、ＡＰＤは通常のＰＤと比べて高い電圧を印加し、増倍層に集中的に高電界を誘起させて動作する素子である。このため、一般的には通常のＰＤと比べて正常動作を実現することも、また長期信頼性を確保することも難しいとされている。
　信頼性の観点では、ＡＰＤの素子の側面に電界が生じないことが必要条件とされている（非特許文献５）。このため、ＡＰＤは選択拡散やイオン注入などのプロセス技術を用い、素子の側面の電界は微弱に保ったまま、素子の中心部に高い電界強度を誘起する「電界狭窄構造」と呼ばれる構造を有している。
　一方で、この電界狭窄構造を用いることにより、狭窄部の端部に電界集中が生じ、ＡＰＤの中で局所的に増倍が生じることがある。しばしばこの現象は「エッジブレークダウン」と呼ばれる（非特許文献５、図１）。エッジブレークダウンが生じた場合、増倍層におけるＡＰＤの利得が十分大きくなるよりも低い電圧でブレークダウンが生じてしまうため、仮に増倍層として過剰雑音の小さい材料を用いていたとしても、大きな利得でＡＰＤ動作をすることができない。
　このように、高性能で高信頼なＡＰＤを実現するためには、雑音の小さい増倍層材料を用い、かつ電界狭窄構造を採用する必要があるが、電界狭窄構造の採用によりエッジブレークダウンが生じ、結果高い利得状態で動作することができず、ＡＰＤレシーバの高感度化が困難であるという問題があった。
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　背景技術においても説明した様に，光通信用のＡＰＤにおいては、高利得状態でも過剰雑音が小さくなるよう、増倍層の材料選択が重要になる。一方で、ＡＰＤの信頼性を高くするためには、素子の側面に電界がかからないように、電界狭窄構造をとる必要がある。
　しかしながら、従来のＡＰＤでは、電界狭窄構造を採用した場合、エッジブレークダウンにより、ＡＰＤの増倍率を十分に大きくすることができなくなるため、過剰雑音の小さい増倍層を適用しても結局ＡＰＤレシーバとしての受信感度を十分に向上させることができないという課題があった。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、アバランシェフォトダイオードにおいて、高信頼性および低雑音性を有しながら、高利得状態で動作することができる素子構造を提供することにある。
　本発明の一態様は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
　第１の電極に接触する第１の半導体コンタクト層と、第２の電極に接触する第２の半導体コンタクト層と、前記第１の半導体コンタクト層と前記第２の半導体コンタクト層の間に少なくとも増倍層と光吸収層とを有し、前記第１の半導体コンタクト層の面積が少なくとも前記増倍層の面積よりも小さいアバランシェフォトダイオードであって、
　前記第１の半導体コンタクト層と前記増倍層の間に、動作電圧において空乏層化する電界緩和層を有している
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
（構成２）
　構成１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
　前記電界緩和層の膜厚が100ｎｍ以上であり、濃度１×１０１５ｃｍ-3～１×１０１７ｃｍ-3の範囲でドーピングされている
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
（構成３）
　構成１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
　前記電界緩和層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーが前記増倍層よりも大きく０．８ｅＶ以上である
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
（構成４）
　構成１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
　前記電界緩和層の電界強度が、動作状態において300ｋＶ／ｃｍ以下である
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
（構成５）
　構成１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
　前記電界緩和層の面積が、増倍層の面積以下であり、かつ、前記第１の半導体コンタクト層の面積よりは大きい
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
（構成６）
　構成１から５のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
　検出される光が基板の裏面側から入射する裏面照射型の構造のアバランシェフォトダイオード。
（構成７）
　構成６に記載の裏面照射型の構造のアバランシェフォトダイオードであって、
　基板の表面側にミラーを配置して光吸収層からの透過光を反射し、再度光吸収層に入射する構造としたアバランシェフォトダイオード。
　以上記載したように、本発明によれば、高信頼性および低雑音性を有しながら、高利得状態で動作することができるアバランシェフォトダイオードを提供することが可能となる。
実施形態１のアバランシェフォトダイオードの基板断面図である。 実施形態２のアバランシェフォトダイオードの基板断面図である。 実施形態３のアバランシェフォトダイオードの基板断面図である。 実施形態４のアバランシェフォトダイオードの基板断面図である。 実施形態５のアバランシェフォトダイオードの基板断面図である。
（第１の実施形態）
　図１に、本発明における実施形態１の構造を説明する。本実施形態１は、本発明における基本構造である。
　図１は、実施形態１を説明するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１００の基板断面図である。本実施形態１では、ＡＰＤ１００は、ＩｎＰ基板１０１の上にＰ型ＩｎＰコンタクト層１０２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３、Ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界制御層１０４、ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０５、Ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界制御層１０６、ＩｎＰ電界緩和層１０７、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９、の順に積層された層構造を有している。
　また、最上層のＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９の中央には、Ｓｉイオン注入法により局所的なドーピングが行われＮ型コンタクト領域（層）１０８が形成されて、金属電極１１０に接続されて電圧を印加されている。下層のＰ型ＩｎＰコンタクト層１０２もまた、適宜の位置で金属電極１２０に接続されて電圧を印加されている。
　一般にフォトダイオードは通常逆バイアスで動作するので、Ｎ型コンタクト領域１０８に接続された金属電極１１０が高電位に、Ｐ型ＩｎＰコンタクト層１０２に接続された金属電極１２０が低電位にバイアスされて、積層構造に電界を発生する。
　Ｎ型コンタクト領域１０８は、キャップ層１０９内に選択ドープされているため、そのコンタクト領域の面積は増倍層１０５などの面積より小さく、電界狭窄構造を形成している。
　以下の実施形態も同様であるが、一般に半導体の型（Ｐ／Ｎ極性）を逆にしても動作電圧の極性を逆にすれば同様な動作が可能であるため、アバランシェフォトダイオードにおいて電界狭窄構造を形成するには、半導体型（Ｐ／Ｎ極性）が異なる第１、第２の２つのコンタクト層のどちらかの面積が、両コンタクト層の間にある増倍層などの面積よりも小さいことが必要であり、面積が小さいほうのコンタクト層を第１のコンタクト層としても一般性を失うことはない。
　またこれも以下の実施形態でも同様であるが、一般にフォトダイオードが受光する光の入射方向は、どの方向からであっても光吸収層に光が届いて光キャリアが生成可能であれば良く、光の入射方向はは限定されない。
　例えば、検出される光が基板の裏面側（下）から基板面に垂直に上向きに入射する、裏面照射型の構造のアバランシェフォトダイオードとすることができる。裏面照射型の構造では、基板の表面側にミラーを配置して光吸収層からの透過光を反射し、再度光吸収層に入射する構造として検出効率を高めることが可能である。また、基板内に設けられた他の光回路や光導波路、光ファイバなどから、基板面内方向（例えば図の紙面に垂直な方向）で入射する光を受光する構造とすることも可能である。
（実施形態１の動作説明）
　図１の実施形態１における受光素子の動作を説明する。ＡＰＤ１００に逆バイアス電圧を印加していくと、まずＩｎＡｌＡｓ増倍層１０５の電界強度が上昇すると同時に、その上下に配置されたＮ型およびＰ型ＩｎＡｌＡｓ電界制御層１０６，１０４の空乏層化が進行する。Ｎ型電界制御層１０６が空乏層化したのちは、さらなる印加電圧に対して、ＩｎＰ電界緩和層１０７の電界強度が上昇していく。同様に、Ｐ型電界制御層１０４の空乏層化後は、更なる印加電圧に対し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３の電界強度が上昇していく。
　ＡＰＤ１００が受光素子として動作するためには、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３において生じたフォトキャリアが、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３における電界によってドリフト成分を得て、増倍層１０５に注入される必要がある。このため、Ｐ型電界制御層１０４が空乏化し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３に電界が生じる電圧が、このＡＰＤにおけるオン電圧（Ｖｏｎ）である。
　さて、Ｐ型／Ｎ型の電界制御層１０４，１０６が空乏層化した後は、更なる印加電圧に対して吸収層１０３、増倍層１０５、電界緩和層１０７のすべての層において電界強度は上昇し続ける。基本的には増倍層１０５の電界強度がＡＰＤ１００の利得が十分大きくなる程度に高くなる電圧が、ＡＰＤ１００のブレークダウン電圧（Ｖｂ）である。
　しかしながら、本実施形態１の場合、Ｎ型コンタクト層１０８の際（きわ）に相当する部分（図１の点線で囲った部分）においては電界集中が生じる。この局所的に上昇する電界をエッジ電界と呼ぶが、エッジ電界が増倍層１０５に及ぶと、増倍層１０５内において局所的に増倍率が上昇する、ないしはエッジ電界に起因した局所的なトンネル電流の発生により、ＡＰＤとして十分な利得をもつよりも低い電圧で暗電流（光入力が無いのに流れる電流）が急上昇してしまい、ブレークダウンに至る。
　本実施形態１では、図１に示すように増倍層１０５とＮ型コンタクト層１０８との間に、電界緩和層１０７を設けることによって、Ｎ型コンタクト層１０８近傍の最もエッジ電界の大きくなる部分と、増倍層１０５を空間的に分離することができる。よって、増倍層１０５における局所的な電界上昇を抑制することができる。
　また、Ｎ型電界制御層１０６を設けることで、ＡＰＤ１００の動作電圧であっても、電界緩和層１０７全体の電界強度は小さく抑えることができる。このため、電界緩和層１０７には必然的にエッジ電界が発生するが、その強度は電界緩和層１０７における局所トンネル電流や、局所増倍が生じない程度に小さくすることができる。
　Ｎ型コンタクト層１０８に起因するエッジ電界が、増倍層１０５へ影響するのを抑制するためには、電界緩和層１０７はある程度の厚みが必要である。最終的には電界緩和層１０７の厚みは、所望する帯域に応じて設計されるが、100ｎｍ以上の膜厚を有することが望ましく、かつ動作電圧において空乏層化することが望ましい。また電界緩和層１０７の膜厚は、大きいほどエッジ電界の緩和の効果が期待され、また素子容量の低減に貢献するが、逆にキャリアの走行遅延が大きくなり、素子の動作速度を制限する。このため、最大膜厚は所望の動作速度に応じて設計される。
　以上の原理により、本実施形態１の構成に依れば、ＡＰＤの利得が大きい状態でもエッジブレークダウンを抑制することができ、ＡＰＤ光レシーバの感度を向上することができる。
（第２の実施形態）
　図２に、本発明における実施形態２の構造を説明する。図２は実施形態２を説明するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）２００の基板断面図である。本実施形態２では、概略実施形態１と逆の層順で積層されており、ＡＰＤ２００はＮ型ＩｎＰ基板２０１の上にＩｎＰキャップ層２０９を成長し、その中央部にはＳｉイオン注入法により局所的にドーピングを行われてＮ型コンタクト領域２０８が形成されており、Ｎ型コンタクト領域２０８はＮ型ＩｎＰ基板２０１を介して電極２１０に接続されている。
　その後、Ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層２０７、Ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界制御層２０６、ＩｎＡｌＡｓ増倍層２０５、Ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界制御層２０４、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０３、Ｐ型ＩｎＰコンタクト層２０２、の順に成長してメサ構造に積層され、Ｐ型ＩｎＰコンタクト層２０２は電極２２０に接続されている。
（実施形態２の動作説明）
　本実施形態２における受光素子の動作原理は、実施形態１と逆の層順序に応じて電界の方向が逆であることを除き基本的には実施形態１と同様である。ＡＰＤ２００に電圧を印加していくと、まずＩｎＡｌＡｓ増倍層２０５の電界強度が上昇すると同時に、その上下に配置されたＮ型およびＰ型ＩｎＡｌＡｓ電界制御層２０６，２０４の空乏層化が進行する。Ｐ型電界制御層２０４の空乏層化後は、更なる印加電圧に対し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０３の電界強度が上昇していく。
　一方、Ｎ型電界制御層２０６の空乏化後は、引き続きＮ型電界緩和層２０７の空乏層化が進行する。このため、Ｐ型、Ｎ型電界制御層の空乏化後は、電圧印加に対してＩｎＡｌＡｓ増倍層２０５およびＩｎＧａＡｓ吸収層２０３はその電界強度は上昇し続けるが、Ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層２０７の電界強度の上昇は印加電圧に対して非常に緩やかになる。
　このため、Ｎ型コンタクト層２０８に起因したエッジ電界が生じてもＮ型電界緩和層２０７の電界強度は非常に小さく抑えられるため、エッジ電界が電界緩和層２０７に影響を与えることはない。
　ここで、電界緩和層２０７の不純物ドーピング濃度については注意深く設計される必要がある。濃度が高すぎると、ＡＰＤ２００の動作電圧であっても、電界緩和層２０７が空乏化せず、Ｎ型コンタクト層２０８による素子内部への電界狭窄の効果が発揮されない。一方、濃度が低すぎると、Ｎ型電界制御層２０６の空乏化後の印加電圧に対し直ちにＮ型電界緩和層２０７が空乏層化し、電界緩和層２０７内の電界強度が容易に上昇する。
　これらの影響を避けて、適切にＡＰＤ動作を担保しながらもエッジ電界を緩和するためには、不純物濃度が１×１０１５ｃｍ-3～１×１０１７ｃｍ-3程度であればよく、またＡＰＤ２００の所望の動作電圧において、電界緩和層２０７の電界強度が300ｋＶ／ｃｍであればよい。
　以上の原理により、本実施形態２の構成に依れば、ＡＰＤの利得が大きい状態でもエッジブレークダウンを抑制することができ、ＡＰＤ光レシーバの感度を向上することができる。
（第３の実施形態）
　図３に、本発明における実施形態３の構造を説明する。図３は本実施形態３を説明するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３００の基板断面図である。本実施形態３では、実施形態１，２と異なり、ＡＰＤ３００は化合物半導体ではなくシリコン（Ｓｉ）をベースに形成されており、光吸収層３０３にはゲルマニウム（Ｇｅ）が用いられている。
　図３のＡＰＤ３００は、Ｓｉ基板３０１の上にＮ型Ｓｉコンタクト層３０８、Ｓｉ増倍層３０５、Ｐ型Ｓｉ電界制御層３０４、Ｓｉ電界緩和層３０７、Ｇｅ光吸収層３０３、Ｐ－Ｇｅコンタクト層３０２、の順に成長してメサ構造に積層され、Ｐ－Ｇｅコンタクト層３０２は電極３２０に接続する。
　本実施形態３における受光素子の動作原理は、電界の方向と各層の構造を除き基本的には実施形態１と同様である。ＡＰＤ３００に電圧を印加していくと、まずＳｉ増倍層３０５の電界強度が上昇すると同時に、その上層に配置されたＰ型Ｓｉ電界制御層３０４の空乏層化が進行する。Ｐ型Ｓｉ電界制御層３０４の空乏層化後は、更なる印加電圧に対し、Ｓｉ電界緩和層３０７およびＧｅ光吸収層３０３の電界強度が上昇していく。
　このため、Ｇｅ吸収層３０３に起因したエッジ電界が生じてもＳｉ増倍層３０５へはその影響はおよばず、またＳｉ電界緩和層３０７の電界強度は非常に小さく抑えられるため、エッジ電界が電界緩和層に影響を与えることはない。
　以上の原理により、本実施形態３の構成に依れば、ＡＰＤの利得が大きい状態でもエッジブレークダウンを抑制することができ、ＡＰＤ光レシーバの感度を向上することができる。
（第４の実施形態）
　図４に、本発明における実施形態４を説明する。図４は本実施形態４を説明するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）４００の基板断面図である。本実施形態４では概略、実施形態１の層の順序は変えずにＰＮ極性を反転しており、電界の方向は実施形態１（図１）とは逆であり、層構成はいわゆる多段メサ構造となっている。
　図４において、ＡＰＤ４００はＩｎＰ基板４０１の上にＮ型ＩｎＰコンタクト層４０２、ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０３、Ｎ型ＩｎＰ電界制御層４０４、ＩｎＰ増倍層４０５、Ｐ型ＩｎＰ電界制御層４０６、ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層４０７、ＩｎＡｌＡｓキャップ層４０９、の順に成長してメサ構造に積層されている。
　結晶成長後、ＩｎＡｌＡｓキャップ層４０９の中央部に、Ｚｎ選択拡散法により選択的にドーピング領域を形成しＰ型コンタクト層４０８として電極４２０に接続する。また、一般的なウエットエッチングにより、Ｐ型ＩｎＰ電界制御層４０６までをエッチングし、２段メサを形成する。
　図４の本実施形態４における受光素子の動作原理を説明する。本実施形態のＡＰＤ４００に電圧を印加していくと、まずＩｎＰ増倍層４０５の電界強度が上昇すると同時に、その上下層に配置されたＰ型およびＮ型ＩｎＰ電界制御層４０６，４０４の空乏層化が進行する。Ｐ型電界制御層４０６の空乏層化後は、更なる印加電圧に対し、ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層４０７およびＩｎＧａＡｓ光吸収層４０３の電界強度が上昇していく。
　これまでの実施形態と同様、ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層４０７はその電界強度が小さく保たれており、電界緩和層４０７そのもののエッジブレークダウンを抑制すると同時に、空間的にＰ型コンタクト層４０８とＩｎＰ増倍層４０５を分離することで、増倍層４０５でのエッジブレークダウンを抑制する。また、電界緩和層４０７はバンドギャップの大きいＩｎＡｌＡｓ（１．４５ｅＶ）で構成されているため、ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層４０７内におけるエッジブレークダウンの影響は排除できる。
　さらに、本ＡＰＤ４００においては、ＩｎＰ増倍層４０５の周辺部には、その上層にＰ型ＩｎＰ電界制御層４０６は存在しない。このため、本実施形態４のＡＰＤ４００では、原理的に電圧を印加しても増倍層４０５および吸収層４０３を含む下部のメサの周辺ないしは側面では電界が上昇しない。その結果、受光素子における暗電流の原因となる側面暗電流を抑制することができる。
　以上の原理により、本実施形態４の構成に依れば、ＡＰＤの利得が大きい状態でもエッジブレークダウンを抑制することができ、かつ側面暗電流を低減することができる。結果、ＡＰＤ光レシーバの感度を向上するとともにその信頼性を向上させることができる。
（第５の実施形態）
　図５に、本発明における実施形態５の構造を説明する。図５は実施形態５を説明するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）５００の基板断面図である。本実施形態５は、実施形態４においてＰ型ＩｎＰ電界制御層を削除して構成を簡素化したものである。
　本実施形態５における受光素子の動作原理を説明する。図５の本実施形態５のＡＰＤ５００に電圧を印加していくと、まずＩｎＰ増倍層５０５の電界強度が上昇すると同時に、ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層５０７の電界強度も上昇する。またその下層に配置されたＮ型ＩｎＰ電界制御層５０４の空乏化が進行する。Ｎ型電界制御層５０４の空乏層化後は、更なる印加電圧に対し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層５０３の電界強度が上昇していく。
　本実施形態５の場合、ＡＰＤ５００の動作電圧において、ＩｎＧａＡｓ光吸収層５０３の電界強度は小さく保たれるが、電界緩和層５０７の電界強度は、増倍層５０５と同様に大きくなる。しかしながら、電界緩和層５０７を構成する半導体材料を、意図的に増倍層５０５よりも大きいバンドギャップエネルギー（例えば０．８ｅＶ以上）を有する材料とすることで、同じ電界強度であっても、増倍層よりも電界緩和層の方がより大きい耐圧を持つように構成することができる。
　この結果、Ｐ型コンタクト層５０８に起因したエッジ電界が生じでも、ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層５０７におけるエッジ電界の影響は排除しながらも、増倍層５０５でのエッジブレークダウンを抑制することができる。
　また本実施形態５では図５からわかるように、ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層５０７の面積は、ＩｎＰ増倍層５０５よりも小さく、かつＰ型コンタクト領域５０８よりは大きく設定されている。この結果、ＡＰＤ５００の動作電圧においても、電界緩和層５０７および増倍層５０５の側面には高い電界が生じることなく、側面暗電流の低減および側面からの素子劣化を抑制することができる。
　以上の原理により、本実施形態５の構成に依れば、ＡＰＤの利得が大きい状態でもエッジブレークダウンを抑制することができ、かつ側面暗電流を低減することができる。結果として、ＡＰＤ光レシーバの感度を向上するとともにその信頼性を向上させることができる。
　以上説明した本発明のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の構造により、ＡＰＤの利得が大きい状態でもエッジブレークダウンを抑制することができ、感度を向上したＡＰＤ光レシーバを実現することができる。

Claims (7)

  1. 　第１の電極に接触する第１の半導体コンタクト層と、第２の電極に接触する第２の半導体コンタクト層と、前記第１の半導体コンタクト層と前記第２の半導体コンタクト層の間に少なくとも増倍層と光吸収層とを有し、前記第１の半導体コンタクト層の面積が少なくとも前記増倍層の面積よりも小さいアバランシェフォトダイオードであって、
    　前記第１の半導体コンタクト層と前記増倍層の間に、動作電圧において空乏層化する電界緩和層を有している
    ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
  2. 　請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
    　前記電界緩和層の膜厚が100ｎｍ以上であり、濃度１×１０１５ｃｍ-3～１×１０１７ｃｍ-3の範囲でドーピングされている
    ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
  3. 　請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
    　前記電界緩和層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーが前記増倍層よりも大きく０．８ｅＶ以上である
    ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
  4. 　請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
    　前記電界緩和層の電界強度が、動作状態において300ｋＶ／ｃｍ以下である
    ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
  5. 　請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
    　前記電界緩和層の面積が、増倍層の面積以下であり、かつ、前記第１の半導体コンタクト層の面積よりは大きい
    ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオードであって、
    　検出される光が基板の裏面側から入射する裏面照射型の構造のアバランシェフォトダイオード。
  7. 　請求項６に記載の裏面照射型の構造のアバランシェフォトダイオードであって、
    　基板の表面側にミラーを配置して光吸収層からの透過光を反射し、再度光吸収層に入射する構造としたアバランシェフォトダイオード。
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