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WO2007000996A1 - アバランシ・フォトダイオード - Google Patents

アバランシ・フォトダイオード Download PDF

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WO2007000996A1
WO2007000996A1 PCT/JP2006/312800 JP2006312800W WO2007000996A1 WO 2007000996 A1 WO2007000996 A1 WO 2007000996A1 JP 2006312800 W JP2006312800 W JP 2006312800W WO 2007000996 A1 WO2007000996 A1 WO 2007000996A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
type
avalanche
light absorption
absorption layer
Prior art date
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Application number
PCT/JP2006/312800
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tadao Ishibashi
Seigo Ando
Yukihiro Hirota
Yoshifumi Muramoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Electronics Corp
NTT Inc
Original Assignee
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Priority to DE602006017371T priority patent/DE602006017371D1/de
Priority to EP06767417A priority patent/EP1898472B1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
    • H10F30/225—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
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    • H10F30/2255—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers form heterostructures, e.g. SAM structures

Definitions

  • the present invention relates to an ultrafast avalanche photodiode having a long wavelength band. More specifically, the high-speed operation avalanche relates to a guard ring structure that ensures stable operation of the photodiode.
  • APD avalanche photodiode
  • the long wavelength band APD using InGaAs as the light absorption layer is a narrow SAM (avalanche layer) separated from the light absorption layer in order to suppress the increase in dark current due to the gap semiconductor ( Separated Absorption and Multiplication) structure is common.
  • SAM avalanche layer
  • an electric field control layer and a band gap gradient layer are provided between the light absorption layer and the avalanche multiplication layer.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of a conventional mesa APD.
  • the electron-injected APD shown in Fig. 4 has a light absorption layer 46 made of depleted InGaAs and an avalanche increase with InAlAs or InP force. It has a structure with double layer 43. More specifically, an electric field control layer 44 and a band gap gradient layer 45 are provided between the avalanche multiplication layer 43 formed on the n-InP electrode layer 41 and the InGaAs light absorption layer 46.
  • An InGaAs electrode layer 47 is formed on the light absorption layer 46, and an electrode 49 is further formed.
  • An electrode 48 is also provided on the n—InP electrode layer 41.
  • a guard ring structure using Zn diffusion technology cannot be used, so a typical electron injection type APD must have a mesa type element shape as shown in Fig. 4. .
  • a typical electron injection type APD must have a mesa type element shape as shown in Fig. 4. .
  • the dark current around the junction of the device increases.
  • Non-Patent Document 1 a structure in which the periphery of the mesa of the device is covered with an InP regrowth layer has been proposed, and good characteristics have been reported.
  • a structure that modulates the electric field distribution around the operating region by ion implantation (Non-patent Document 2) has also been reported.
  • a buffer layer having a partially n-type doped region in the plane is provided between the avalanche multiplication layer and the n electrode layer so that the electric field strength around the mesa is lower than the inside during operation.
  • An inserted structure Patent Document 1 is also proposed!
  • Non-Patent Document 1 In the technology of Non-Patent Document 1, it is generally difficult to embed a semiconductor mesa structure by regrowth because the growth behavior differs depending on the plane index. It is also disadvantageous in terms of manufacturing costs.
  • the structure of Non-Patent Document 2 that modulates the electric field distribution around the operating region by ion implantation generates trap levels due to damage of the implanted ions. Since impurities are activated according to the trap order, there remains concern about the stability of the device.
  • no specific guidelines have been disclosed yet regarding how to design a buffer layer having a partially n-type doped region.
  • the electron injection type APD is expected to have characteristics superior to those of the conventional hole injection type APD, but there are problems in increasing the dark current and securing the lifetime of the device.
  • a structure in which the APD mesa is embedded with a semiconductor has also been proposed, but the problem has not been solved in terms of difficulty in manufacturing technology and manufacturing cost.
  • the present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to provide a manufacturing technique of an electron injection type APD capable of stable operation with a low dark current without using a diffusion technique. There is to do.
  • this electron injection type A It is applied to the technology related to the “guard ring structure” for the stable operation of PD. Details will be described below.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application 2003-318783
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application No. 2004-027302
  • Non-Patent Document 1 S. Tanaka, S. Fujisaki, Y. Matsuoka, T. Tsuchiya, S. Tsuji, "lOGbit / s Avalanche Photodiodes Applicable to Non-Hermetic Receiver Modules," OFC2003, Vol.1, MF55, p67,
  • Non-Patent Document 2 Masano, Endo, Imoto, Watanabe, Makita, Nakata, "High-sensitivity planar APD for 10Gbit / S compact optical receiver module” 2004 IEICE General Conference C-4-37, p365 invention Disclosure of
  • the present invention according to claim 1 is formed by sequentially laminating an n-type electrode layer, an avalanche multiplication layer, an electric field control layer, and a band gap gradient layer.
  • the n-type electrode layer and the avalanche multiplication layer A buffer layer formed between the buffer layer and the buffer layer, in contact with the n-type electrode layer and on the inner side of a region where the mesa structure is formed in the stacked surface;
  • An n-type doping region having a substantially trapezoidal cross section in the vertical direction, and an upper side of the substantially trapezoidal cross section of the n-type doping region in a state where the P-type electrode layer and the n-type electrode layer are reverse-biased Deplete the neighborhood A feature that.
  • the n-type doping region is directed from the avalanche multiplication layer to the n-type electrode layer, and from the outer peripheral portion to the center portion of the n-type doping region.
  • each has a concentration distribution that monotonously increases.
  • the light absorption layer includes a p-type first light absorption layer formed under a p-type electrode, the first light absorption layer, and the band gap gradient. And a low-concentration second light absorption layer formed between the p-type electrode layer and the n-type electrode layer in a reverse-biased state.
  • the invention according to claim 4 is that the second light absorption layer has an avalanche multiplication factor.
  • the in-plane distribution is set to a maximum thickness that satisfies the condition that the central force of the n-type doping region also monotonously decreases in the peripheral direction.
  • the invention according to claim 5 is that the avalanche multiplication layer, the light absorption layer, the first light absorption layer, and the second light absorption layer are made of InP, InGaAsP, or InAlGaAs. It consists of a compound semiconductor.
  • an edge electric field around the avalanche multiplication region can be relaxed without using a diffusion technique, and an electron injection type APD with a low dark current can be manufactured with good controllability.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an APD that works on the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of an APD that works on the second embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a change in position of M using the thickness of the lightly doped light-absorbing layer as a parameter.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional mesa APD.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining electric field concentration in the buffer layer.
  • FIG. 1 is a structural diagram of an APD that works on the first embodiment of the present invention.
  • an InP buffer layer 12 On the n-type InP electrode layer 11, an InP buffer layer 12, an InP avalanche multiplication layer 13, an InP electric field control layer 14, and an InGaAsP bandgap gradient layer 15 are sequentially formed. Further, a p-type InGaAs light absorbing layer 16, a p-type InGaAsP electrode layer 17, and a metal electrode 18 having a mesa structure are formed on the InGaAsP bandgap inclined layer 15. A metal electrode 19 is also provided on the n-type InP electrode layer 11.
  • n-type InP doping regions 12-1 and 12-2 force S are formed in a part of the InP buffer layer 12.
  • the n-type InP doping region 12-2 is included in the n-type InP doping region 12-1.
  • the n-type InP doping regions 12-1 and 12-2 have different doping concentrations. Detailed structure and manufacturing method will be described later. As described below, the n-type InP doping regions 12-1 and 12-2 are arranged to form an APD structure in which the surrounding region functions as a “guard ring”.
  • the n-type InP doping region 12-1 is arranged so that the n-type InP doping region 12-1 is inside the outer periphery of the mesa structure of the InGaAs light absorption layer 16. It is an important point.
  • Fig. 1 shows the cross-sectional structure of the device. When viewed from the top of Fig. 1 (upper view), that is, when viewed from the direction perpendicular to the stacked surface of each layer of the device, the n-type I nP doping region —1 is generally circular or elliptical.
  • the n-type InP doping region 12-1 is arranged so that the outer periphery of the n-type InP doping region 12-1 is inside the mesa structure region defined by the InGaAs light absorption layer 16.
  • This arrangement structure depletes the mesa side surface of the InGaAs light absorption layer 16 by reducing the electric field strength of the InP avalanche multiplication region 13 where there is no n-type InP doping region 12-1 directly under the applied voltage. And the generation of electric field can be suppressed. By suppressing the generation of the electric field, the dark current caused by the surface of the mesa structure side surface can be significantly reduced, and further, the reliability of the device can be improved.
  • the APD with a guard ring structure of the present invention including the n-type InP doping region 12-1 can be manufactured as follows, for example. First, an n—InP layer corresponding to the n-type InP electrode layer 11 is grown on an InP substrate, and an undoped InP layer is grown on the InP layer to form an InP buffer layer 12. After the formation of the noffer layer 12, n-type InP doping regions 12-1 and 12-2 are formed by Si ion implantation. After the activation heat treatment of the implanted ions, the remaining layers, that is, the InP avalanche multiplication layer 13 to the p-type InGaAsP electrode layer 17 are sequentially stacked and grown.
  • the mesa processing the structure of the InGaAs light absorption layer 16 and the avalanche multiplication layer 13 is defined, and finally the metal electrodes 18 and 19 which are ohmic electrodes are subjected to vapor deposition and heat treatment.
  • a part of the InP avalanche multiplication layer 13, that is, the upper part of the n-type InP doping regions 12 1, 12-2 is an avalanche multiplication active region (high electric field region) where the depletion layer is thinner than its surroundings. Become.
  • the n-type doping region 12-1 shows the cross section perpendicular to the stacked surface of each APD layer as shown in Fig. 1. In this way, the vicinity of the upper side is generally trapezoidal. However, when the n-type doping region 12-1 having a convex trapezoidal shape is introduced, local electric field concentration tends to occur in a part of the InP avalanche multiplication layer 13 side.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the state of electric field concentration when an embedded n-type InP region is provided in the buffer layer.
  • the basic structure of the APD in Figure 5 is the same as in Figure 1. 1 differs from FIG. 1 in that a buried n-type InP region 52-1 is provided in the buffer layer 52. In this case, local electric field concentration occurs as indicated by arrows in the peripheral portion of the buried n-type InP region 52-1 on the avalanche double layer 53 side.
  • the n-type InP doping region 12-1 should have a doping concentration distribution, and the depleted region should penetrate deeply into the n-type I nP doping region 12-1 at the periphery of the n-type doping region 12. Is a major feature. A potential drop is generated at the intrusion portion of this depleted region. This potential drop suppresses the rise of the electric field above the part where this potential drop occurs, that is, the InP avalanche multiplication layer 13 side, and causes the so-called local breakdown (edge breakdown). Can be mitigated.
  • edge breakdown edge breakdown
  • two n-type InP doping regions 12-1 and 12-2 are shown to show that there is a difference in doping concentration inside the doping region. Therefore, it should be noted that the two doped regions are not necessarily intended to be formed by discontinuously forming regions having different properties.
  • the doping profile of the n-type InP doping region 12-1 is changed from the avalanche multiplication layer 13 side to the n-type electrode layer. It is only necessary to increase the force monotonically toward 11 and toward the inside of the center from the periphery of the n-type InP doping region 12-1.
  • This doping profile is called a so-called gradient concentration distribution.
  • the gradient concentration distribution can be formed by using the depth direction and lateral extent of ion implantation. That is, by setting the projection length of the implanted ions near the interface between the n-type InP electrode layer 11 and the InP buffer layer 12 layer, the lateral electric field change can be made gentle. Therefore, n-type dough
  • the local concentration of the electric field can be suppressed in the bing region 12-1 and the local breakdown can be effectively suppressed. This can be achieved by a relatively simple ion implantation method without using a diffusion technique.
  • the edge electric field around the avalanche multiplication region is relaxed, the dark current is low, and the electron injection type APD is manufactured with good controllability. be able to.
  • FIG. 2 is a structural diagram of an APD that works on the second embodiment of the present invention.
  • an InP buffer layer 22 On the n-type InP electrode layer 21, an InP buffer layer 22, an InP avalanche multiplication layer 23, an InP electric field control layer 24, and an InGaAsP bandgap gradient layer 25 are sequentially formed!
  • the force by which the light absorption layer and the like having a mesa structure is formed on the InGaAsP band gap inclined layer 25 is characterized in that the second light absorption layer is provided in this embodiment. There is.
  • a low-concentration second InGaAs light absorption layer 26-2 that is depleted in the operating state is formed on the InGaAsP band gap inclined layer 25.
  • a first p-type InGaAs light absorbing layer 26-1, a p-type InGaAsP electrode layer 27, and a metal electrode 29, which are the same as those in the first embodiment, are provided on the InGaAsP band gap inclined layer 25.
  • n-type InP doping regions 22-1 and 22-2 are formed in part of the InP buffer layer 22.
  • the n-type InP doping region 22-2 is included in the n-type InP doping region 22-1, and the n-type InP doping regions 22-1, 22-2 have different doping concentrations.
  • the outer peripheral force of the n-type InP doping region 22-1 is arranged inside the outer periphery of the mesa structure of the first p-type InGaAs light absorption layer 26-1 as in the first embodiment.
  • An APD having this structure can be manufactured by the same method as in the first embodiment.
  • n-type InP doping region 22-1, 2—2 force The second InGaAs light absorption layer is formed inside the outer periphery of the mesa structure region when the direction force perpendicular to each APD layer is also seen.
  • a depleted region 30 is formed in 26-2.
  • simply increasing the thickness of the InP buffer layer 22 also has an effect of suppressing depletion of the side surface of the light absorption layer and suppressing generation of an electric field in the avalanche doubling layer.
  • First fruit The effect is small compared to the case of introducing the guard link structure of the embodiment, but there is an effect of suppressing depletion.
  • the second embodiment is characterized in that it includes two light absorption layers in addition to the guard link structure of the first embodiment.
  • a low-concentration second InGaAs light absorbing layer 26-2 is further added between the conventional first p-type InGaAs light absorbing layer 26-1 and the InP avalanche doubling layer 23.
  • the light receiving efficiency of the light absorption layer can be improved and the operating band is not reduced by the increase in the thickness of the entire light absorption layer. This is as described in detail in Japanese Patent Application No. 2004-027302 (Patent Document 2) by the present inventors.
  • the second InGaAs light absorbing layer 26-2 having an arbitrary thickness and a low concentration can be used. Therefore, edge breakdown is not always avoided.
  • the thickness of the second InGaAs light absorption layer 26-2 is set as thick as possible within a range in which the edge breakdown does not occur.
  • Fig. 3 schematically shows how the avalanche multiplication factor M changes in the device when the layer thickness of the second InGaAs light absorption layer 26-2 having a low doping concentration is changed. It is shown as an example. If W is thicker than the threshold W, the central point force of the mesa structure of the element also increases outward, and the avalanche multiplication factor M increases once and then decreases. That is, a breakdown occurs. In this state, even if the electric field of the InP avalanche multiplication layer 23 decreases and the ionization rate decreases, the effect that the effective avalanche multiplication layer thickness increases becomes dominant, and the avalanche multiplication factor M value is It will increase.
  • the thickness of the second InGaAs light absorption layer 26-2 having a low concentration is set to the maximum thickness that monotonously decreases from the central point of the avalanche multiplication factor M force to the outer periphery. As a result, edge breakdown can be avoided.
  • the concentration of doping region 22 is 2 X 10 17 / cm 3 and W is approximately 4000A.
  • the electron injection type APD is conventionally expected to have superior performance in principle compared to the hole injection type APD that uses the avalanche multiplication layer of the conventional InP.
  • advanced manufacturing technology is required.
  • a problem to be solved in terms of cost According to the present invention, by introducing a “guard link structure”, an electron injection type APD that maximizes light receiving efficiency without edge breakdown using a relatively easy manufacturing technique such as ion implantation can be achieved. Can be produced. Since diffusion technology is not required, not only is it advantageous in terms of manufacturing cost, but it is also possible to realize an APD element that can be applied to the next-generation 40GbZs system.
  • an edge electric field around the avalanche multiplication region can be relaxed without using a diffusion technique, and an electron injection type APD with a low dark current can be manufactured with good controllability.

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  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

　ｎ形ドーピングされた領域を持つＩｎｐバッファ層がなだれ増倍層とｎ形電極層との間に配置された電子注入形ＡＰＤにおいては、暗電流の増大防止とデバイスの寿命確保という課題があった。特に、エッジブレークダウンを防止して信頼性を向上させること、簡単な製造技術により低コストで製造ができることが望まれていた。ＩｎＰバッファ層内に、光吸収層によって規定される領域の内側にｎ形ドーピング領域を設け、イオン注入法により所定のドーピングプロファイルとすることによって、なだれ増倍層における電界集中を緩和した。さらに、低濃度の第２の光吸収層を光吸収層となだれ増倍層の間に設けて、受光効率を最大化し、光吸収層の側面の空乏化を抑制して電界集中を防止する。エッジブレークダウン抑制し、素子の信頼性を向上させた。

Description

明 細 書
アバランシ ·フォトダイオード
技術分野
[0001] 本発明は長波長帯の超高速アバランシ 'フォトダイオードに関する。より詳細には、 高速動作アバランシ 'フォトダイオードの安定動作を確保するガードリング構造に関 する。
背景技術
[0002] 近年のインターネットやマルチメディアの普及に対応するため、高速大容量の光通 信システムが要求されている。このような要求の中で、チャネル伝送速度の高速ィ匕と WDMの多チャネル化により、伝送速度 40Gbit/sシステムの実現が期待されている。 光通信システムにおいて、システムの性能を左右する最も重要なキー部品に、光信 号力も電気信号の変換を行うアバランシ 'フォトダイオードがある。アバランシ 'フォトダ ィオード（以下 APD)は、光吸収で発生したキャリア (電子とホール)を、なだれ機構 により増倍させ、その出力電流を取り出すことによりノイズの低い光レシーバとして用 いるデバイスである。
[0003] 長波長帯の APDは、すでに 2. 5 Gbit/s及び 10 Gbit/sシステムに広く導入され、 さらに次世代の 40 Gbit/sシステム向けの素子も開発されつつある。比較的低速向 けの APD構造として、 InPをなだれ増倍層とするホール注入形 APDが典型的に使 われて来た。最近は、動作速度の点でさらに有利な電子注入形 APDが注目されて いる。
[0004] InGaAsを光吸収層に用いる長波長帯の APDは、狭 、ギャップ半導体に起因する 暗電流の増大を抑制するため、光吸収層となだれ増倍層（アバランシ層）を分離した SAM (Separated Absorption and Multiplication)構造が一般的である。光吸収層とな だれ増倍層の電界強度を独立に制御するために、光吸収層となだれ増倍層の間に 電界制御層とバンドギャップ傾斜層が設けられて 、る。
[0005] 図 4は、従来のメサ形 APDの断面構造を示す図である。図 4に示す電子注入形 AP Dは、空乏化 InGaAsからなる光吸収層 46と、 InAlAsもしくは InP力もなるなだれ増 倍層 43を備える構造を持つ。より詳細には、 n— InP電極層 41上に形成されたなだ れ増倍層 43と InGaAs光吸収層 46の間に、電界制御層 44とバンドギャップ傾斜層 4 5を備えている。光吸収層 46の上には InGaAs電極層 47が形成され、さらに電極 49 が形成される。 n— InP電極層 41上には、電極 48も設けられる。ホール注入形 APD の場合とは異なり Zn拡散技術を用いたガードリング構造が使えないため、典型的な 電子注入形 APDは図 4に示したようなメサ形の素子形状を取らざるを得な 、。その結 果、素子の接合周辺の暗電流が大きくなつてしまうという、基本的な問題がある。
[0006] この暗電流の問題を解決するために、様々な提案がなされて 、る。例えば、素子の メサ周辺を InPの再成長層で覆う構造 (非特許文献 1参照)が提案され、良好な特性 が報告されている。また、イオン注入で動作領域周辺の電界分布を変調する構造（ 非特許文献 2)も報告されている。さらに、動作時にメサ周辺の電界強度が内部よりも 低くなる様、その面内で部分的に n形ドーピングされた領域を持つバッファ層が、なだ れ増倍層と n電極層との間に挿入された構造 (特許文献 1)も提案されて!ヽる。
[0007] し力しながら、上記に提案されている技術においても、依然として、次のような問題 があった。非特許文献 1の技術においては、半導体のメサ構造を再成長により埋め 込むのは、面指数により成長の振る舞いが異なるために、一般には難しい技術であ る。製造コストの点でも不利である。また、非特許文献 2の、イオン注入によって動作 領域周辺の電界分布を変調する構造は、注入イオンのダメージによるトラップ準位を 発生させる。トラップ順位により不純物を活性ィ匕させるため、素子の安定性に懸念が 残る。また特許文献 1の構造については、この部分的に n形ドーピングされた領域を 持つバッファ層をどのように設計するかに関しては、具体的な指針はまだ開示されて いないのが現状である。
[0008] 以上に述べたように、電子注入形 APDは、従来のホール注入形 APDに優る特性 が期待されるが、暗電流の増大と素子の寿命確保の面で問題があった。 APDのメサ を半導体で埋め込む構造も提案されているが、製造技術の困難性や製造コストの点 で問題は解決されていない。本発明はこの様な問題に鑑みてなされたものであり、そ の目的とするところは、拡散技術を用いることなしに、低暗電流で安定動作な可能な 電子注入形 APDの製造技術を提供することにある。本発明では、この電子注入形 A PDの安定動作を目的とした「ガードリング構造」に関する技術に適用される。以下、 詳細に説明する。
[0009] 特許文献 1 :特願 2003— 318783
特許文献 2：特願 2004— 027302
非特許文献 1 : S. Tanaka, S. Fujisaki, Y. Matsuoka, T. Tsuchiya, S. Tsuji, "lOGbit/s Avalanche Photodiodes Applicable to Non-Hermetic Receiver Modules, "OFC2003, Vol.1, MF55, p67,
非特許文献 2 :正野，遠藤，井元，渡辺，牧田，中田， " 10Gbit/S小型光受信モジュ ール用高感度プレーナ型 APD"2004年電子情報通信学会総合大会 C-4-37 , p365 発明の開示
[0010] 本発明は、このような目的を達成するために、請求項 1に記載の発明は、 n形電極 層、なだれ増倍層、電界制御層およびバンドギャップ傾斜層が順次積層して形成さ れ、前記バンドギャップ傾斜層上に、メサ構造を形成する光吸収層および p形電極層 が順次積層されたアバランシ 'フォトダイオードにおいて、前記 n形電極層と前記なだ れ増倍層との間に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の内部であって、前記 n 形電極層に接し、前記積層面内において前記メサ構造の形成される領域の内部側 に形成され、前記積層面に垂直な断面が略台形状の n形ドーピング領域とを備え、 前記 P形電極層と前記 n形電極層間が逆バイアスされた状態において、前記 n形ドー ビング領域の前記略台形状の断面の上辺近傍部分をおおむね空乏化することを特 徴とする。
[0011] 請求項 2に記載の発明は、前記 n形ドーピング領域は、前記なだれ増倍層から前記 n形電極層に向力つて、並びに、前記 n形ドーピング領域の外周部から中心部に向 かって、それぞれ単調増加する濃度分布を有することを特徴とする。
[0012] 請求項 3に記載の発明は、前記光吸収層は、 p形電極の下に形成された p形の第 1 の光吸収層と、前記第 1の光吸収層および前記バンドギャップ傾斜層との間に形成さ れ、前記 p形電極層と前記 n形電極層間を逆バイアスされた状態で空乏化する低濃 度の第 2の光吸収層とを含むことを特徴とする。
[0013] 請求項 4に記載の発明は、前記第 2の光吸収層の厚さは、なだれ増倍係数の素子 面内分布が前記 n形ドーピング領域の中心部力も周辺方向に向力つて単調減少する 条件を満たすような最大の厚さに設定することを特徴とする。
[0014] 請求項 5に記載の発明は、前記なだれ増倍層、前記光吸収層、前記第 1の光吸収 層、並びに前記第 2の光吸収層は、 InP、 InGaAsP系、または InAlGaAs系の化合 物半導体から成ることを特徴とする。
[0015] 本発明によれば、拡散技術を用いることなくなだれ増倍領域周辺部のエッジ電界を 緩和し、暗電流が低 、電子注入形の APDを制御性良く製作することができる。 図面の簡単な説明
[0016] [図 1]図 1は第 1の実施形態に力かる APDの構造を示す断面図である。
[図 2]図 2は、第 2の実施形態に力かる APDの構造を示す断面図である。
[図 3]図 3は、低ドーピング光吸収層の厚さをパラメータとした Mの位置変化を示す図 である。
[図 4]図 4は、従来のメサ形 APDの構造を示す断面図である。
[図 5]図 5は、バッファ層における電界集中を説明する図である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] (第一の実施形態）
図 1は、本発明の第一の実施形態に力かる APDの構造図である。 n形の InP電極 層 11の上に、 InPバッファ層 12、 InPなだれ増倍層 13、 InP電界制御層 14、 InGaA sPバンドギャップ傾斜層 15力 順次形成されている。さらに、 InGaAsPバンドギヤッ プ傾斜層 15上には、メサ構造をなす p形の InGaAs光吸収層 16、 p形 InGaAsP電 極層 17、および金属電極 18が形成されている。 n形の InP電極層 11の上には、金属 電極 19も設けられている。
[0018] さらに、 InPバッファ層 12の一部には、 n形 InPドーピング領域 12— 1、 12— 2力 S形 成されている。 n形 InPドーピング領域 12— 2は、 n形 InPドーピング領域 12— 1の中 に包含される関係となっている。さらに、 n形 InPドーピング領域 12—1、 12— 2は、そ のドーピング濃度が異なる。詳細の構造、製造方法は後述する。以下に説明する様 に，この n形 InPドーピング領域 12—1、 12— 2を配置することにより、その周りの領域 が「ガードリング」として機能する APD構造となる。 [0019] 本発明においては、 n形 InPドーピング領域 12—1が、 InGaAs光吸収層 16のメサ 構造外周よりも内側にあるように n形 InPドーピング領域 12 - 1が配置されて 、ること 1S 重要な点である。図 1は、デバイスの断面構造であるが、図 1の上方より見た（上 面図）場合、すなわちデバイス各層の積層面に垂直の方向から見た場合には、 n形 I nPドーピング領域 12—1は概ね、円形または楕円形である。 n形 InPドーピング領域 12- 1の外周が、 InGaAs光吸収層 16で規定されるメサ構造領域の内側にあるよう に形 InPドーピング領域 12—1が配置されている。この配置構造により、一定の印加 電圧において、直下に n形 InPドーピング領域 12— 1が無い InPなだれ増倍領域 13 部分の電界強度を低下させることで、 InGaAs光吸収層 16のメサ側面の空乏化を抑 え、電界発生を抑えることができる。電界発生を抑えることにより、メサ構造側面の表 面に起因する暗電流を著しく低減すことができ、さらにデバイスの信頼性の向上に寄 与できる。
[0020] この n形 InPドーピング領域 12— 1を備えた、本発明のガードリング構造付き APD は、例えば、以下のように製作することができる。最初に、 InP基板上に、 n形 InP電 極層 11に相当する n— InP層を成長させ、その上にアンドープ InP層を結晶成長さ せて InPバッファ層 12を形成する。ノ ッファ層 12を形成後、 Siのイオン注入法により 、 n形 InPドーピング領域 12—1、 12— 2を形成する。注入イオンの活性化熱処理を 行った後、さらに残りの各層、すなわち InPなだれ増倍層 13から p形 InGaAsP電極 層 17までを順次積層して成長させる。メサ加工により、 InGaAs光吸収層 16となだれ 増倍層 13の構造を規定し、最後にォーミック電極である金属電極 18、 19の蒸着お よび熱処理を施す。
[0021] 金属電極 18と金属電極 19に逆バイアス電圧を印加すると、 InPなだれ増倍層 13に 高電界が発生し、 InP電界制御層 14は、バンドギャップ傾斜層 15およびバンドギヤッ プ傾斜層 15に近接する InGaAs光吸収層 14部分の電界差を所定の値に調整する 機能を果たす。 InPなだれ増倍層 13の一部、すなわち、 n形 InPドーピング領域 12 1、 12— 2の上部は、空乏層の厚さがその周辺よりも薄ぐなだれ増倍活性領域（ 高電界領域)となる。
[0022] n形ドーピング領域 12—1は、 APD各層の積層面に垂直な断面を見ると、図 1のよ うに、上辺近傍が丸まった概ね台形状となる。し力しながら、凸型の台形形状をした n 形ドーピング領域 12— 1を導入すると、 InPなだれ増倍層 13側の一部に局所的な電 界集中が起こりやすい。
[0023] 図 5は、バッファ層内に埋め込み型 n形 InP領域を設けた場合の、電界集中の様子 を説明する図である。図 5の APDの基本的な構造は、図 1と同じである。バッファ層 5 2の中に、埋め込み n形 InP領域 52— 1が設けられている点が図 1と異なる。この場合 、埋め込み n形 InP領域 52— 1のなだれ倍増層 53側の周辺部に、矢印で示したよう な、局所的な電界の集中が発生する。
[0024] 本発明のドーピング領域の構造においても、この電界集中のために所望の APD動 作を実現できない場合がある。そこで、 n形 InPドーピング領域 12—1にドーピング濃 度分布を持たせ、 n形ドーピング領域 12の周辺部において、空乏化した領域を n形 I nPドーピング領域 12— 1内部に十分深く侵入させることを、大きな特徴としている。こ の空乏化した領域の侵入部分に電位降下を発生させる。この電位降下によって、こ の電位降下発生部分の上方側、すなわち、 InPなだれ増倍層 13側における電界上 昇を抑え、いわゆる局所ブレークダウン（エッジブレークダウン）の原因となる「エッジ 部分の電界集中」を緩和することができる。図 1においては、ドーピング領域の内部に 、ドーピング濃度の差異があることを示すために、 2つの n形 InPドーピング領域 12— 1、 12— 2が示されている。したがって、この 2つのドーピング領域が、性質の異なる 領域が不連続に形成されて 、ることを必ずしも意図して 、な 、点に留意する必要が ある。
[0025] したがって、より効果的に局所ブレークダウン (エッジブレークダウン)を防止するた めには、 n形 InPドーピング領域 12—1のドーピングプロファイルを、なだれ増倍層 13 側から n形の電極層 11に向力つて、および、 n形 InPドーピング領域 12— 1の周囲か ら中心部の内側に向力つて、それぞれ単調増加するようにすれば良い。このドーピン グプロファイルは、いわゆる傾斜濃度分布と呼ばれる。傾斜濃度分布は、イオン注入 の深さ方向と横方向の広がりを利用して形成することができる。すなわち、注入イオン の Projection長を n形の InP電極層 11層と InPバッファ層 12層との界面付近に設定す ることによって、横方向の電界変化は緩や力とすることができる。したがって、 n形ドー ビング領域 12— 1に電界の局所集中を抑え、局所ブレークダウンを効果的に抑える ことができる。拡散技術を使用しないで、比較的簡単なイオン注入法により実現可能 である。
[0026] 以上述べたように、本発明特有のガードリング構造を採用することにより、なだれ増 倍領域周辺部のエッジ電界を緩和し、暗電流が低 、電子注入形 APDを制御性良く 製作することができる。
[0027] (第二の実施形態）
図 2は、本発明の第二の実施形態に力かる APDの構造図である。 n形の InP電極 層 21の上に、 InPバッファ層 22、 InPなだれ増倍層 23、 InP電界制御層 24、 InGaA sPバンドギャップ傾斜層 25が順次形成されて!、る。さらに、 InGaAsPバンドギャップ 傾斜層 25の上には、メサ構造をなす光吸収層他が形成される力 本実施形態にお V、ては、第 2の光吸収層を設けて 、る点に特徴がある。
[0028] すなわち、 InGaAsPバンドギャップ傾斜層 25の上には、まず、動作状態において 空乏化する低濃度の第 2の InGaAs光吸収層 26— 2が形成される。この上に、第 1の 実施形態と同じぐ第 1の p形 InGaAs光吸収層 26— 1、 p形 InGaAsP電極層 27、金 属電極 29が設けられている。 n形の InP電極層 21の上には、金属電極 29も設けられ ている。
[0029] 第 1の実施形態同様、 InPバッファ層 22の一部には、 n形 InPドーピング領域 22— 1、 22— 2が形成されている。 n形 InPドーピング領域 22— 2は、 n形 InPドーピング領 域 22— 1の中に包含される関係となっており、 n形 InPドーピング領域 22—1、 22— 2 は、そのドーピング濃度が異なる。 n形 InPドーピング領域 22— 1の外周力 第 1の p 形 InGaAs光吸収層 26— 1のメサ構造外周の内側に配置されて 、るのも、第 1の実 施形態と同じである。この構造の APDは、第 1の実施形態と同様の方法により製作可 能である。 n形 InPドーピング領域 22—1、 22— 2力 APDの各積層面に垂直な方向 力も見た場合に、メサ構造領域の外周より内側に形成されているので、第 2の InGaA s光吸収層 26— 2内には、空乏化領域 30が生じる。
[0030] 一般に、単に InPバッファ層 22の厚さを適度に厚くすることによつても、光吸収層側 面の空乏化を抑え、なだれ倍増層における電界発生を抑える効果がある。第 1の実 施形態のガードリンク構造を導入する場合と比べればその効果は小さ 、が、空乏化 を抑える効果が存在する。
[0031] 本第 2の実施形態は、第 1の実施形態のガードリンク構造とともに、 2つの光吸収層 を備えるところに特徴がある。すなわち、従来の第 1の p形 InGaAs光吸収層 26— 1と InPなだれ倍増層 23との間に、さらに、低濃度の第 2の InGaAs光吸収層 26— 2を追 加している点に大きな特徴がある。この構成により、光吸収層全体の厚さが増大した 分だけ、光吸収層の受光効率を改善でき、動作帯域を低下させることもない。これは 、本願発明者らによる特願 2004— 027302 (特許文献 2)においても、詳細に述べら れている通りである。
[0032] 第一の実施形態において示されたガードリング構造、すなわち「電界集中緩和構 造」を導入しても、任意の厚さの低濃度の第 2の InGaAs光吸収層 26— 2に対して、 常にエッジブレークダウンが避けられるわけではない。本発明においては、エツジブ レークダウンが発生しない範囲で、第 2の InGaAs光吸収層 26— 2の厚さを可能なか ぎり厚く設定する。次に、第 2の InGaAs光吸収層の厚さの決定方法について説明す る。
[0033] 図 3は、低ドーピング濃度の第 2の InGaAs光吸収層 26— 2の層厚を変えたときに、 なだれ増倍係数 Mが、素子内においてどの様な変化を示すかを、模式的に示したも のである。 W が閾値 W よりも厚いと、素子のメサ構造の中心点力も外側に 向かって、なだれ増倍係数 M値は一旦増加し、その後減少する。すなわち、 レークダウンが発生してしまう。この状態では、 InPなだれ増倍層 23の電界が下がり、 イオン化率が低下しても、実効的なだれ増倍層の厚さが拡がる効果の方が支配的と なり、なだれ増倍係数 M値は増加してしまう。
[0034] したがって、低濃度の第 2の InGaAs光吸収層 26— 2の層厚を、なだれ増倍係数 M力 サ構造中心点から外周部に向力つて単調減少するような最大の厚さとすること により、エッジブレークダウンを回避することができる。
層厚が W = 2500Aの典型的な InPなだれ増倍層を持つ APD構造では、 n形 InP
AV
ドーピング領域 22の濃度を 2 X 1017/cm3として、 W はおおよそ 4000Aと計
Adep(cntical)
算される。もちろん、 W によって W は変化し、 W が厚いほど W も大
AV Adep(critical) AV Adep(critical) きくなる。
[0035] 以上、詳細に述べてきたように、従来、電子注入形 APDは、従来の InPをなだれ増 倍層とするホール注入形 APDに比べ、原理的に優れた性能が期待されるものの、安 定で信頼性の高 、素子を実現するには高度な製造技術が必要とされて 、た。コスト 的にも解決すべき問題があった。本発明によれば、「ガードリンク構造」を導入するこ とにより、イオン注入などの比較的容易な製造技術を用い、エッジブレークダウンが 発生せず、受光効率を最大とする電子注入形 APDを製作することができる。拡散技 術を必要としな 、ので製造コストの面で有利となるのみならず、次世代の 40GbZsシ ステムに適用可能な APD素子を実現することが可能となる。
産業上の利用可能性
[0036] 本発明によれば、拡散技術を用いることなくなだれ増倍領域周辺部のエッジ電界を 緩和し、暗電流が低 、電子注入形の APDを制御性良く製作することができる。

Claims

請求の範囲
[1] n形電極層、なだれ増倍層、電界制御層およびバンドギャップ傾斜層が順次積層し て形成され、前記バンドギャップ傾斜層上に、メサ構造を形成する光吸収層および p 形電極層が順次積層されたアバランシ 'フォトダイオードにおいて、
前記 n形電極層と前記なだれ増倍層との間に形成されたバッファ層と、 前記バッファ層の内部であって、前記 n形電極層に接し、前記積層面内において 前記メサ構造の形成される領域の内部側に形成され、前記積層面に垂直な断面が 略台形状の n形ドーピング領域とを備え、
前記 P形電極層と前記 n形電極層間が逆バイアスされた状態において、前記 n形ド 一ビング領域の前記略台形状の断面の上辺近傍部分をおおむね空乏化することを 特徴とするアバランシ 'フォトダイオード。
[2] 前記 n形ドーピング領域は、前記なだれ増倍層から前記 n形電極層に向かって、並 びに、前記 n形ドーピング領域の外周部から中心部に向力つて、それぞれ単調増加 する濃度分布を有することを特徴とする請求項 1に記載のアバランシ 'フォトダイォー ド、。
[3] 前記光吸収層は、
前記 P形電極層の下に形成された p形の第 1の光吸収層と、
前記第 1の光吸収層および前記バンドギャップ傾斜層との間に形成され、前記 p形 電極層と前記 n形電極層間が逆バイアスされた状態で空乏化する低濃度の第 2の光 吸収層と、
を含むことを特徴とする請求項 1または請求項 2に記載のアバランシ 'フォトダイォー ド、。
[4] 前記第 2の光吸収層の厚さは、なだれ増倍係数の素子面内分布が前記 n形ドーピ ング領域の中心部力 周辺方向に向力つて単調減少する条件を満たすような最大の 厚さに設定することを特徴とする請求項 1乃至請求項 3に記載のアバランシ ·フォトダ ィオード。
[5] 前記なだれ増倍層、前記光吸収層、前記第 1の光吸収層、並びに前記第 2の光吸 収層は、 InP、 InGaAsP系、または InAlGaAs系の化合物半導体から成ることを特 徴とする請求項 1乃至請求項 4に記載のアバランシ 'フォトダイオード。
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