【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信用の超格子アバランシェフォトダイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】高速・高感度・高信頼性の光通信システムを構成するには、高速応答、低暗電流、かつ、高信頼性を有する半導体受光素子が不可欠である。 このため、
近年シリカ系光ファイバの低損失波長域１．３〜１．６
μｍに適応できるＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）やｐｉｎフォトダイオード（ｐｉｎＰＤ）の高速化・高感度化に対する研究が活発となっている。 現在、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＡＰＤでは、利得帯域幅（ＧＢ）積８０ＧＨｚ程度、最大帯域８
ＧＨｚ程度の高速・高信頼性の素子が実用化されている。

【０００３】しかしながら、この素子構造では、アバランシェ増倍層であるＩｎＰのイオン化率比β／α（α：
電子のイオン化率、β：正孔のイオン化率比）が約２と小さいため、ＧＢ積の最大値が８０〜１００ＧＨｚ程度に制限され、また、過剰雑音指数Ｘ（イオン化率比が小さいほど大きくなる）が約０．７と大きくなり、高速化・低雑音高感度化には限界がある。 これは、他のバルクの３−５族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた場合も同様であり、高ＧＢ積化（高速応答特性）・低雑音化を達成するにはイオン化率比α／βを意図的に増大させる必要がある。

【０００４】そこでカパッソ（Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ）等は、アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉ
ｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８２年、
第４０巻、第１号、３８〜４０頁で超格子による伝導帯エネルギー不連続量ΔＥｃを電子の衝突イオン化に利用してイオン化率比α／βを人工的に増大させる構造を提案し、実際にＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系超格子でイオン化率比α／βの増大（バルクＧａＡｓの約２に対して超格子で約８）を確認した。

【０００５】さらに、香川らは、ジャーナル・オブ・クォンタム・エレクトロニクス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）１９９２
年、第２８巻、第６号、１４１９〜１４２３頁で長距離光通信に用いられる波長１．３〜１．６μｍ帯に受光感度を有するＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＡｌＡｓ系超格子を用いて同様の構造を形成し、やはりイオン化率比α／βの増大（バルクＩｎＧａＡｓの約２に対して超格子層で約１０）を報告した。 その素子構造を図３に示す。 この超格子構造では伝導帯不連続量ΔＥｃが０．３９ｅＶと価電子帯不連続量ΔＥｖの０．０３ｅＶより大きく、井戸層に入ったときバンド不連続により獲得するエネルギーが電子の方が正孔より大きく、これによって電子がイオン化しきい値エネルギーに達しやすくなることで電子イオン化率が増大し、イオン化率比α／βの増大とそれによる低雑音化が図られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従来の超格子アバランシェフォトダイオードは、メサ側壁の半導体３３，３４，３５／ＳｉＮ表面パッシベーション膜３１０界面における界面順位、半導体表面の残留酸化膜・欠陥を介して経時的にリーク電流が発生増大し、
実用的な増倍率領域（１０〜２０）において暗電流が０．８〜数μＡオーダ程度となり、この暗電流による雑音増加がイオン化率比改善による低雑音効果を打ち消してしまうという欠点を有する。

【０００７】また、このパッシベーション界面は従来報告されているように一般的な信頼性試験の条件（例えば雰囲気温度２００℃、逆方向電流１００μＡのバイアス条件）のもとでは経時的に不安定であり、暗電流増加による素子特性の信頼性が十分でないという欠点を有する。

【０００８】一方、図４に示すように、中村等がプロシーディングス・オブ・ユーロピアン・コンファレンス・
オン・オプティカル・ファイバ・コムニケーション（Ｐ
ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）ＴｕＣ５−４、２６１
−２６４頁、１９９１年で報告したポリイミド膜４１０
をメサパッシベーション膜に用いた超格子ＡＰＤの構造においても、高電界時におけり界面順位、半導体表面の残留酸化膜・欠陥を介して発生するリーク暗電流・信頼性の問題は図３の従来例の場合と本質的に同様である。

【０００９】他方、図５に示すように、特開平４−１０
４７８号公報に記載されたプレーナ型の素子では、超格子増倍層５５をキャリア濃度１０ ¹⁶ ｃｍ ^-3以下のｐ ^-型のドーピングにより形成しなければならないが、現在用いられている結晶成長法では、このような低濃度のｐ型ドーピングを行ったアルミニウムを含む混晶を結晶性を損うことなく再現性良く形成することが困難であるという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、メサ型ｐｎ接合フォトダイオードで問題となる表面リーク暗電流を低減し低暗電流で信頼性の高い超格子アパランシェフォトダイオードを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の超格子アバランシェフォトダイオードは、高濃度の一導電型ＩｎＰ基板上に順次積層して形成した高濃度の一導電型バッファ層、高濃度の一導電型光吸収層、一導電型の電界緩和層、アンドープもしくは低濃度の逆導電型超格子層、低濃度の逆導電型キャップ層からなるメサ形の積層構造と、前記逆導電型キャップ層内に形成した高濃度の逆導電型拡散領域を有する。

【００１２】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施例を示す断面図である。

【００１４】図１に示すにうに、ｐ ⁺型ＩｎＰ基板１１
の上に厚さ０．５μｍのｐ ⁺型Ｉｎｐバッファ層１２
（バンドギャップＥｇ ₁ ）と、厚さ１μｍでキャリア濃度約２×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3のｐ ^-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１
３（バンドギャップＥｇ ₂ ）と、厚さ０．２μｍでキャリア濃度約５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3のｐ ⁺型ＩｎＰ電界緩和層１４（バンドギャップＥｇ ₃ ）と、厚さ０．２３μｍでキャリア濃度約１×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3のアンドープｉ型もしくはｎ ^-型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子増倍層１５と、厚さ０．５μｍでキャリア濃度約５×１０ ¹⁵
ｃｍ ^-3のｎ型ＩｎＰキャップ層１６（バンドギャップＥ
ｇ ₄ ）と、厚さ０．１μｍでキャリア濃度約１×１０ ¹⁶
ｃｍ ^-3のｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７（バンドギャップＥｇ ₅ ）とを順次ガスソース分子線成長法（ガスソースＭＢＥ法）により積層して形成する。

【００１５】次に、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７
の表面よりＳｉイオンを選択的にイオン注入してｎ型Ｉ
ｎＰキャップ層１６中に直径２０μｍ程度でキャリア濃度約１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3のｎ ⁺型拡散領域１１０およびｎ ⁺型コンタクト層１７ａを形成する。 ここでｎ ⁺型拡散領域１１０の底部は超格子増倍層１５の表面に接しているか又はｎ型ＩｎＰキャップ層１６を介して０．１μｍ以下に近接して形成しても良い。

【００１６】次に、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７
からｐ ⁺型ＩｎＰバッファ層１２までを選択的に順次エッチングしてｎ ⁺型拡散領域１１０を同心円とする直径３０μｍのメサ形状を形成し、メサの側面を含む表面にパッシベーション膜１１２を形成する。 次に、パッシベーション膜１１２を選択的にエッチングして開口部を設け、この開口部のｎ ⁺型コンタクト層１７ａと接続するＡｕＧｅＮｉからなるｎ側電極１８およびｐ ⁺型ＩｎＰ
基板１１と接続するＡｕＺｎからなるｐ側電極１９を形成する。 ここで、バッファ層１２およびキャップ層１７
としてＩｎＡｌＡｓ層を用いても良い。

【００１７】なお、各層のバンドギャップは次の関係にある。

【００１８】Ｅｇ ₁ 〉Ｅｇ ₂ ，Ｅｇ ₃ 〉Ｅｇ ₂ ，Ｅ
ｇ ₄ 〉Ｅｇ ₂ ，Ｅｇ ₅ 〈Ｅｇ ₄また、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７は省いても良い。

【００１９】図４に示す従来例では、パッシベーション用のポリイミド膜４１０と、メサ側壁の半導体４３，４
４，４５の界面には多数の界面順位（２×１０ ¹² ｃｍ ^-2
／ｅＶ以上）が存在する、この界面順位は通常の半導体／ポリイミド膜界面のダングリングボンドと、メサ形成後に生成した半導体自然酸化膜／半導体界面のタングリングボンド、さらには、表面欠陥に起因するもの等が挙げられる。 特に、逆バイアス時に空乏化する半導体層（４３，４４，４５）の中で、比較的禁制帯幅の小さなｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４３中には前者が、また、
自然酸化されやすいアルミニウム原子を含む超格子増倍層４３，４４中では後者が多く存在すると考えられる。
したがって、従来構造では、アバランシェ増倍が得られるような高電界（従来構造では電界分布はメサ中央、端部ともに図２（ａ）に示すような電界強度分布になり、
その値は増倍層で約５００から６００ｋＶ／ｃｍ）になる。 ときには、これらの界面順位を介する表面リーク暗電流が発生し、μＡオーダとなってしまう。 また、経時的にも高電界によるパッシベーション膜へのホットキャリア注入効果などでこれらの界面順位や表面欠陥が増大し、暗電流が増加することで素子の信頼性は不十分なものとなる。

【００２０】これに対して図１に示す本発明の実施例では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、メサ中央部に比較して、メサ端部でｎ型キャップ層１６にも空乏層が延びるために最大電界強度が６００ｋＶ／ｃｍ程度から３
００ｋＶ／ｃｍ程度に大幅に低減できる。 さらに、キャップ層１６のキャリア濃度を適切な値（１０ ¹⁶ ｃｍ ^-3台以下）に設定すれば、メサ端部では空乏層が超格子増倍層とキャップ層だけに広がり、光吸収層側には広がらないようにする事ができ、禁制帯幅の小さなｐ ^- ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層１３のメサ表面の導電型反転が起きたとしても逆バイアス暗電流特性への影響を及ぼさなくする事ができる。

【００２１】このように、従来のメサ型のフォトダイオード構造と比較して、本発明の構造ではメサ表面の電界強度を緩和することでリーク暗電流が減少し、さらに経時的変化についても従来と比較して抑制され、素子信頼性が向上した半導体受光素子を実現できる。

【００２２】ここで、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ
超格子を増倍層として用いた場合について説明したが、
ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子、あるいはＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ超格子を増倍層として用いた場合も同様の効果が得られる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、キャップ層に高濃度の拡散領域を選択的に形成することにより、
波長１．３〜１．６μｍ帯に受光感度を有し、高イオン化率比α／βで低雑音・高速応答特性と同時に、表面リーク暗電流が小さく、高信頼性を有するアバランシェフォトダイオードを実現することがでるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す模式的断面図。

【図２】本発明の一実施例のメサ中央部およびメサ端部の電界強度分布を示す図。

【図３】従来の超格子アバランシェフォトダイオードの第１の例を示す模式的断面図。

【図４】従来の超格子アバランシェフォトダイオードの第２の例を示す模式的断面図。

【図５】従来の超格子アバランシェフォトダイオードの第３の例を示す模式的断面図。

【符号の説明】

１１，５１ ｐ ⁺型ＩｎＰ基板 １２，５２ ｐ ⁺型ＩｎＰバッファー層 １３，５３ ｐ ^-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １４ ｐ ⁺型ＩｎＰ電界緩和層 １５ アンドーブｉ型又はｎ ^-型ＩｎＡｌＧａＡｓ／
ＩｎＡｌＡｓ超格子増倍層 １６ ｎ型ＩｎＰキャップ層 １７ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １７ａ ｎ ⁺型コンタクト層 １８，３８，４８ ｎ側電極 １９，３９，４９ ｐ側電極 １１０ ｎ ⁺型拡散層 １１１ 反射防止膜 １１２ 表面パッシベーション膜 ３１，４１ ｎ ⁺型ＩｎＰ基板 ３２ ｎ ⁺型ＩｎＰバッファー層 ３３ ｎ ^-型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＡｌＡｓ超格子アバランシェ増倍層 ３４ ｐ型ＩｎＰ電界緩和層 ３５，４５ ｐ ^-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ３６ ｐ ⁺型ＩｎＰキャップ層 ３７，４７ Ｐ ⁺型ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ３１０ ＳｉＮパッシベーション膜 ３１１ ポリイミド膜 ４２ ｎ ⁺型ＩｎＡｌＡｓバッファー層 ４３ ｎ ^-型ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ格子アバランシェ増倍層 ４４ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層 ４６ ｐ ⁺型ＩｎＡｌＡｓキャップ層 ４１０ ポリイミドパッシベーション膜 ４１１ 反射防止膜 ５４ ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界緩和層 ５５ ｐ型ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子アバランシェ増倍層 ５６ ｐ型ＩｎＰキャップ層 ５７ 高濃度ｎ型ＩｎＰ領域 ５８ 低濃度ｎ型ＩｎＰ領域 ５９ ＡｕＧｅＮｉオーミック電極 ５１０ ＡｕＺｎＮｉオーミック電極 ５１１ 光入射用窓