JP2010268000A - アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程でガードリング構造を作り込むことのできるアバランシェフォトダイオードの製造方法を提供する。
【解決手段】拡散によりｐｎ接合を形成する工程で、拡散マスク２６の開口部２８の一部に、拡散制御層２４を設ける。拡散マスクを経てＺｎを窓層２０に拡散し、受光部とガードリングとを同時に形成する。拡散制御層と窓層とで拡散係数がほぼ等しい場合、単純に拡散制御層の厚さに相当する厚みが拡散フロントでの深さの差となる。
【選択図】 図１Ｃ

Description

本発明は、アバランシェフォトダイオード、特にガードリングを有するアバランシェフォトダイオードおよびその製造方法に関する。

半導体の受光素子としてＰＩＮフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードが知られている。これらは高速、高感度を有することから、光通信用の受光に用いられている。
特にアバランシェフォトダイオードは、素子内部に増幅機能を持つことから、ＰＩＮフォトダイオードよりもより低いレベルの信号を受信する目的に適している。

アバランシェフォトダイオードは比較的高い電圧を印加して動作させるため、接合構造の端部での電界集中による降伏が問題となる。この降伏を回避するために、接合中央部に均一に電界を印加するように素子構造を工夫することが必要である。従来、ＩｎＰ/ＩｎＧａＡｓ系のプレーナ型アバランシェフォトダイオードにおいては、受光領域となる接合部周辺にガードリングを設けた構造が用いられている。その構造とその製造方法として、例えば以下の例が知られている。

第１の例としてＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｍｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＱＥ−２０， Ｎｏ．３， ２５６-２６４（１９８４）では、亜鉛（Ｚｎ）の２回の拡散により受光部とその周辺のガードリングとを形成している。１回目のＺｎ拡散は５２０℃で１時間行い、直径１４０μm、深さ４．５μmのガードリングを形成する。続いて２回目の拡散（４８０℃、１時間）を行うことで、１回目の拡散で形成した領域中に直径１００μm、深さ５．２μmの受光領域を形成する。この結果、図６に示す断面形状の拡散領域を形成できる。

また、特開昭６０-１７３８８２号公報に開示された例では、以下の方法でガードリングが形成されている。ウエハにベリリウム（Ｂｅ）のイオンを２重のリング（輪）状に注入する。熱処理を施した後、内側のリング状注入領域の内側の領域に、リングの外部にはみ出さないようにＺｎを拡散する。これにより図７に示す断面形状のp型領域が得られる。

あるいは特開平２−２００７４号公報に開示された例では、リング状にカドミウム（Ｃｄ）を拡散、熱処理し、続いてリング中央部へＺｎの拡散を施す。この結果、図８に示すように、受光部の周辺にＣｄのドーピングによりp型となったガードリングが形成される。

特開昭６０−１７３８８２号公報 特開平２−２００７４号公報

ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｍｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＱＥ−２０， Ｎｏ．３， ２５６-２６４（１９８４）

しかしながら拡散を用いる従来技術では、拡散熱平衡状態における原子の移動に基づく現象で、温度と時間で、深さ、プロファイルが決まる。したがって受光領域周辺にガードリングを形成するためには、１回の拡散で所望の拡散プロファイルを得るのは困難で、異なった拡散マスクを用いた複数回の拡散工程が必要である。個々の拡散マスクの形成のために、フォトリソグラフィを用いたパターニングとエッチングが少なくとも必要であるから、全体の工程数が増大する。

また、各回の拡散条件によって受光部とガードリングの深さを制御しているため、受光部形成時の工程の揺らぎと、ガードリング形成時の工程の揺らぎとの２つの変動要因により、拡散深さの差の制御が容易ではない。

また、イオン注入を併用したガードリング形成法では、拡散工程は１回になるが、代わりに特別な装置を必要とするイオン注入工程が必要となり、工程が複雑になる。

さらには、イオン注入と拡散という異なる原理を利用した工程によって受光領域とガードリングを形成しており、受光領域形成時の工程条件の揺らぎと、ガードリング形成時の工程条件の揺らぎとの２つの変動要因により、拡散深さの差の制御が容易ではない。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、簡単な工程でガードリング構造を作り込むことにある。

本発明のアバランシェフォトダイオードの製造方法によれば、拡散によりｐｎ接合を形成する工程で、拡散マスクの開口部の一部に、拡散制御層を設ける。

拡散制御層と拡散マスクの開口部の窓（ウィンドウ）層とで拡散係数がほぼ等しい場合、単純に拡散制御層の厚さに相当する厚みが拡散フロントでの深さの差となる。

さらに材料によって拡散係数が異なることを利用すれば、拡散制御層の有無で、拡散フロントでの拡散原子の濃度プロファイルに差異を生じさせることができる。この濃度プロファイルの差により、ガードリングとしての機能をより顕著に発揮させることができる。

本発明の製造方法によれば、１回の拡散でガードンリグを作り込むことができる。この場合、ガードリングと受光部とを同一の拡散条件で形成するため、拡散深さの差を正確に制御できる。

第１の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第１の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第１の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第１の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第１の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 アバランシェフォトダイオードの拡散制御層の厚みと耐圧の関係を示すグラフである。 アバランシェフォトダイオードの電流電圧特性を示すグラフである。 第２の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第２の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第２の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第２の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第２の実施例のアバランシェフォトダイオードの製造方法を説明するための各工程での断面図である。 第２の実施例において、表面入射型とした構造の断面図である。 従来の製造方法より製造されたアバランシェフォトダイオードの断面図である。 従来の製造方法より製造されたアバランシェフォトダイオードの断面図である。 従来の製造方法より製造されたアバランシェフォトダイオードの断面図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
（実施例１）

以下、本発明の第１の実施例を図面を参照して説明する。本実施例のアバランシェフォトダイオードは、表面側（加工側）から光を入射するいわゆる表面入射型構造である。

図１Ａに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１０上にＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ遷移層１６、ｎ−ＩｎＰ電界緩和層１８、ｎ−ＩｎＰ窓層２０、ｉ−ＩｎＧａＡｓ拡散制御層２２を順次結晶成長したものを基板として用いる。拡散制御層２２のＺｎ不純物に対する拡散係数は、窓層２０のＺｎ不純物に対する拡散係数にほぼ等しい。

次に、図１Ｂに示すように、フォトリソグラフィと選択化学エッチングとにより、ＩｎＧａＡｓ拡散制御層２２から直径４０μmの円形パターン部分２４を除去する。次に、図１Ｃに示すように、プラズマＣＶＤ法でその表面全面にＳｉＮ膜２６を形成し、再びフォトリソグラフィでこのＳｉＮ膜に先のパターン２４と同心の直径６０μmの円形開口部２８を形成する。このＳｉＮ膜２６は拡散における拡散マスクとして機能し、開口部２８のみから拡散が生じる。このウエハをＺｎＡｓとともに石英製のアンプルに真空封入し、５００℃、６０分間、Ｚｎの熱拡散を行わせた。開口部２８の周辺部には、拡散制御層２２が存在するので、図１Ｄに示すように、受光部に相当する拡散領域の中央部３０のＺｎ拡散が深く、それを取り囲むガードリングに相当する部分３２が浅い形状の拡散領域を形成することができる。

最後に、図１Ｅに示すように、拡散制御層２２上に環状のｐ型電極３４を、ＩｎＰ基板１０の裏面全体にｎ型電極３６を形成して、表面入射型構造のアバランシェフォトダイオードを作製した。

ガードリングの効果を確かめるため、拡散前に拡散制御層２２の一部をエッチングし、拡散制御層の厚みの異なったアバランシェフォトダイオードを作製した。図２に拡散制御層の厚みと耐圧の関係を示す。拡散制御層を全て除去したサンプルは、ガードリングがないことを意味しており、４４V程度の耐圧であった。これに対し、拡散制御層の厚さが０．５μm以上では耐圧が急激に約５V上昇し、４９V程度の値となっていることがわかる。ガードリングが本来の機能を発揮したことで、電界集中が抑制され、その結果耐圧が高くなったものと理解できる。

図３に拡散制御層の厚さを０．６μmとして作製したアバランシェフォトダイオードの電流電圧特性を示す。波長１．３μmの光を照射したときの特性を、光照射がないときと比較して示している。図より良好な増倍特性を示すことがわかる。

以上説明したように、第１の実施例のアバランシェフォトダイオードによれば、１回の拡散でガードリング構造を形成することができる。この工程の簡略化により、製造コストの低減、工程中での不良発生の低減が実現できる。また、拡散制御層の挿入により、１回の拡散でも拡散プロファイルを所望の形状に制御することが可能となったため。さらに、拡散領域に一部残るＩｎＧａＡｓ拡散制御層は、ｐ型電極との接触抵抗を低くするコンタクト補助層の機能を有する。
（実施例２）

以下、本発明の第２の実施例を図面を参照して説明する。本実施例のアバランシェフォトダイオードは、基板側から光を入射するいわゆる裏面入射型構造である。図４Ａに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１０上にＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ遷移層１６、ｎ−ＩｎＰ電界緩和層１８、ｎ−ＩｎＰ窓層２０、ｉ−ＩｎＧａＡｓ拡散制御層２２を順次結晶成長したものを基板として用いる。拡散制御層２２のＺｎ不純物に対する拡散係数は、窓層２０のＺｎ不純物に対する拡散係数にほぼ等しい。

次に、図４Ｂに示すように、フォトリソグラフィと選択化学エッチングによりＩｎＰ窓層２０上のＩｎＧａＡｓ拡散制御層２２を直径４０μmの円形パターン４０を残して除去した。

次に、図４Ｃに示すように、プラズマＣＶＤ法で全面にＳｉＮ膜２６を形成し、再びフォトリソグラフィで先のパターン４０と同心の直径６０μmの円形開口部４２を形成する。このＳｉＮ膜２６は拡散時の拡散マスクとして機能し、開口部４２のみから拡散が生じる。このウエハをＺｎＡｓとともに石英製のアンプルに真空封入し、５００℃、６０分間、Ｚｎ熱拡散を行わせた。開口部４２の中央部には、円形の拡散制御係数４０が存在するので、図４Ｄに示すように、Ｚｎ拡散プロファイルは中心部４４が浅く、ガードリングに相当する部分４６が深い構造が形成できる。

最後に、図４Ｅに示すように、拡散制御層２２を覆うように円形状のｐ型電極５０を、ＩｎＰ基板１０の裏面側に、環状のｎ型電極５２を形成し、裏面入射型構造のアバランシェフォトダイオードを作製した。

第２の実施例のアバランシェフォトダイオードの耐圧、増倍特性は第１の実施例とほぼ同様であった。また、第２の実施例のアバランシェフォトダイオードも、第１の実施例と同様の効果が得られた。

以上の第１および第２の実施例において、以下のように変更することもできる。
（１）ＩｎＧａＡｓ拡散制御層の代わりに、ＩｎＧａＡｓＰを用いてもよい。
（２）半導体層の導電型をｎ型からｐ型に変更してもよい。この場合、拡散層はｎ型となる。
（３）Ｚｎに拡散後に、ＩｎＧａＡｓ拡散制御層を、エッチングで除去してもよい。
（４）光入射面には反射防止層を設けることもできる。
（５）第２の実施例において、図５に示すように、円形状電極５０の代わりに環状電極５４を用い、ＩｎＰ基板１０の裏面全体に電極５６を形成することによって、表面入射型とすることもできる。

１０ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ｎ−ＩｎＰバッファ層１２
１４ ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１６ ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ遷移層
１８ ｎ−ＩｎＰ電界緩和層
２０ ｎ−ＩｎＰ窓層
２２ ｉ−ＩｎＧａＡｓ拡散制御層
２４、２８、４２ 開口
３４、３６、５０、５２、５４ 電極

Claims (13)

1. 半導体基板上に少なくとも光吸収層、電界緩和層、窓層が順に積層され、前記窓層内に受光部とガードリング部となるｐｎ接合を形成したアバランシェフォトダイオードにおいて、
   前記窓層の表面の少なくとも一部に前記窓層に拡散した不純物に対して前記窓層とほぼ等しい拡散係数を有する拡散制御層が設けられているアバランシェフォトダイオード。
2. 前記拡散制御層は、円形開口部を有し、前記円形開口部の周囲の前記拡散制御層上に環状の電極が設けられている、請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
3. 前記拡散制御層は、円形であり、前記拡散制御層を覆うと共に、前記窓層に接触するように円形の電極が設けられている、請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
4. 前記拡散制御層は、円形であり、前記拡散制御層の周囲を覆うと共に、前記窓層に接触するように環状の電極が設けられている、請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
5. 前記不純物がＺｎの場合に、前記半導体基板がn型ＩｎＰ層、前記光吸収層がｉ−ＩｎＧａＡｓ層、前記電界緩和層がｎ−ＩｎＰ層、前記窓層がｎ−ＩｎＰ層であり、前記拡散制御層はｉ−ＩｎＧａＡｓ層である、請求項１〜４のいずれかに記載のアバランシェフォトダイオード。
6. 前記不純物がＺｎの場合に、前記半導体基板がn型ＩｎＰ層、前記光吸収層がｉ−ＩｎＧａＡｓ層、前記電界緩和層がｎ−ＩｎＰ層、前記窓層がｎ−ＩｎＰ層であり、前記拡散制御層はｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層である、請求項１〜４のいずれかに記載のアバランシェフォトダイオード。
7. 半導体基板上に少なくとも光吸収層、電界緩和層、窓層が順に積層され、前記窓層内に受光部とガードリング部となるｐｎ接合を形成したアバランシェフォトダイオードの製造方法において、
   前記半導体基板上に少なくとも光吸収層、電界緩和層、窓層を順に結晶成長する工程と、
   前記窓層の表面に拡散制御層を成膜する工程と、
   前記拡散制御層に第１の開口部を設ける工程と、
   前記拡散制御層上に、前記拡散制御層の第１の開口部を含み、第１の開口部より大きい第２の開口部を有する拡散マスタを成膜する工程と、
   前記拡散マスタを経て、前記窓層に不純物を拡散し、受光部とガードリング部とを同時に形成する工程とを含むアバランシェフォトダイオードの製造方法。
8. 半導体基板上に少なくとも光吸収層、電界緩和層、窓層が順に積層され、前記窓層内に受光部とガードリング部となるｐｎ接合を形成したアバランシェフォトダイオードの製造方法において、
   前記半導体基板上に少なくとも光吸収層、電界緩和層、窓層を順に結晶成長する工程と、
   前記窓層の表面に拡散制御層を成膜する工程と、
   前記窓層の表面に、前記拡散制御層を含む開口部を有する拡散マスクを成膜する工程と、
   前記拡散マスタを経て、前記窓層に不純物拡散を行い、受光部とガードリング部とを同時に形成する工程とを含むアバランシェフォトダイオードの製造方法。
9. 前記拡散制御層の前記不純物に対する拡散係数は、前記窓層の前記不純物に対する拡散係数とほぼ等しい、請求項７または８に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
10. 前記不純物がＺｎの場合に、前記半導体基板がn型ＩｎＰ層、前記光吸収層がｉ−ＩｎＧａＡｓ層、前記電界緩和層がｎ−ＩｎＰ層、前記窓層がｎ−ＩｎＰ層であり、前記拡散制御層はＺｎに対する拡散係数がＩｎＰ層とほぼ等しいｉ−ＩｎＧａＡｓ層である、請求項９に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
11. 前記不純物がＺｎの場合に、前記半導体基板がn型ＩｎＰ層、前記光吸収層がｉ−ＩｎＧａＡｓ層、前記電界緩和層がｎ−ＩｎＰ層、前記窓層がｎ−ＩｎＰ層であり、前記拡散制御層はＺｎに対する拡散係数がＩｎＰ層とほぼ等しいｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層である、請求項９に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
12. 前記拡散制御層の前記不純物に対する拡散係数は、前記窓層の前記不純物に対する拡散係数と異なる、請求項７または８に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。
13. 前記不純物がＺｎの場合に、前記半導体基板がn型ＩｎＰ層、前記光吸収層がｉ−ＩｎＧａＡｓ層、前記電界緩和層がｎ−ＩｎＰ層、前記窓層がｎ−ＩｎＰ層であり、前記拡散制御層はＺｎに対する拡散係数がＩｎＰ層と異なる半導体層である、請求項１２に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。