(57)【要約】【課題】増倍率が低い状態においても、光吸収層内で発生した電子の、光吸収層と電界調整層の界面への蓄積が抑制され、素子破壊に至る光信号強度を増加させることが可能な光吸収層を有するアバランシェホトダイオード及びこれを用いた光受信モジュールの提供。【解決手段】電気調整層のうち、積層方向の少なくとも一部における伝導帯端のエネルギー準位が、光吸収層における伝導帯端のエネルギー準位より高く、増倍層の伝導帯端のエネルギー準位より低いことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、少なくとも増倍層と、電界調整層と、光吸収層とを含む半導体層を積層してなるアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部における伝導帯端のエネルギー準位が、前記光吸収層における伝導帯端のエネルギー準位より高く、前記増倍層の伝導帯端のエネルギー準位より低い、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項２】
請求項１に記載のアバランシェホトダイオードであって、
さらに、前記電界調整層において、少なくとも一層の量子井戸層を含む、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項３】
請求項２に記載のアバランシェホトダイオードであって、
さらに、前記電界調整層は、前記増倍層側から前記光吸収層側へ、順に、障壁層となる第１電界調整層、量子井戸層となる第２電界調整層、障壁層となる第３電界調整層によって構成され、
前記第３電界調整層が厚さ１５ｎｍ以下である、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項４】
請求項１に記載のアバランシェホトダイオードであって、
さらに、前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部において、前記光吸収層側の端から前記増倍層側の端にかけて、伝導帯端のエネルギー準位が単調的に増加する、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項５】
請求項４に記載のアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層の少なくとも前記一部において、前記光吸収層側の端から前記増倍層側の端にかけて、該エネルギー準位が徐増する、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項６】
請求項４に記載のアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層の少なくとも前記一部において、前記光吸収層側の端から前記増倍層側の端にかけて、該エネルギー準位が段階的に増加する、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項７】
ｎ型ＩｎＰ半導体基板の上に、ＩｎＡｌＡｓ混晶から成る増倍層と、ｐ型電界調整層と、ＩｎＧａＡｓ混晶から成る光吸収層と、ｐ型コンタクト層とが、積層してなるアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層において、少なくとも一層の量子井戸層を含む、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項８】
請求項７に記載のアバランシェホトダイオードであって、
さらに、前記電界調整層は、前記増倍層側から前記光吸収層側へ、順に、障壁層となる第１電界調整層、量子井戸層となる第２電界調整層、障壁層となる第３電界調整層によって構成され、
前記第２電界調整層がｐ型ＩｎＧａＡｓ混晶からなり、
前記第３電界調整層がｐ型ＩｎＡｌＡｓ混晶からなる、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項９】
請求項８に記載のアバランシェホトダイオードであって、
さらに、前記第３電界調整層の厚さが１５ｎｍ以下である、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１０】
ｎ型ＩｎＰ半導体基板の上に、ＩｎＡｌＡｓ混晶から成る増倍層と、ｐ型電界調整層と、ＩｎＧａＡｓ混晶から成る光吸収層と、ｐ型コンタクト層とが、積層してなるアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部は、前記光吸収層の前記ＩｎＧａＡｓの組成と、前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成と、を内分して組成されている、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１１】
請求項１０に記載のアバランシェホトダイオードであって、
さらに、前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部において、その組成が、前記光吸収層側から前記増倍層側にかけて、より前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成に近づくように、前記光吸収層の前記ＩｎＧａＡｓの組成と、前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成と、を内分しながら単調的に変化する、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１２】
請求項１１に記載のアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層の少なくとも前記一部において、その組成が、前記光吸収層側から前記増倍層側にかけて、徐々に前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成に近づくように、変化する、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１３】
請求項１１に記載のアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層の少なくとも前記一部において、その組成が、前記光吸収層側から前記増倍層側にかけて、段階的に、前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成に近づくように、変化する、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載のアバランシェホトダイオードであって、
前記増倍層と、前記電界調整層と、前記光吸収層は、前記半導体基板側からこの順に積層してなり、積層方向に沿って、徐々に断面積を小さくなるよう、前記電界調整層の一部から前記半導体層の上端までからなるメサ構造が形成され、
前記メサ構造の周囲には、半絶縁性埋め込み層が形成される、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載のアバランシェホトダイオードであって、
前記電界調整層のうち、前記増倍層に接する部分が、ｐ型ＩｎＰによって形成される、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１６】
請求項１５に記載のアバランシェホトダイオードであって、
前記増倍層と、前記電界調整層と、前記光吸収層は、前記半導体基板側からこの順に積層してなり、積層方向に沿って、徐々に断面積を小さくなるよう、前記電界調整層のうち前記ｐ型ＩｎＰからなる層の上面から、前記半導体層の上端までからなるメサ構造が形成され、
前記メサ構造の周囲には、半絶縁性埋め込み層が形成される、
ことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載のアバランシェホトダイオードを、備える光受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光吸収層を有するアバランシェホトダイオード及びこれを用いた光受信モジュールに関し、特に、素子破壊に至る光信号強度の増加という性能向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体基板上に、光を吸収してキャリアを発生する光吸収層と、発生したキャリアを増倍する増倍層と、光吸収層と増倍層の間に位置する電界調整層とを備えるアバランシェホトダイオード（Avalanche Photodiode：以下、ＡＰＤと記す）がある。
【０００３】
図７は、従来技術に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。図７に示すＡＰＤは、裏面入射型ＡＰＤであって、図７の図中下側からｎ型ＩｎＰ基板７０１の裏面へ入射する光は、その後、光吸収層７０５で受光される。そして、光吸収層７０５において光電変換により発生した電子は、印加された電界により加速され、増倍層７０３を通過する。その際に、増倍層７０３において、アバランシェ増倍作用によりキャリアの増倍が行われ、電流として検出される。このように、ＡＰＤは、信号光電流に対する増倍作用を有しており、微弱光信号を受信する光通信用の受光素子として広く用いられている。
【０００４】
光吸収層７０５には、ＩｎＰ基板に格子整合し、１５５０ｎｍ帯の光信号に対して高い感度を有するＩｎＧａＡｓが用いられる。増倍層７０３には、ＩｎＰ基板に格子整合し、高いイオン化率比を有するＩｎＡｌＡｓが用いられる。また、光吸収層７０５と増倍層７０３の間には、ＩｎＡｌＡｓから成る電界調整層７０４が配置され、その濃度を適切に調整することにより、光吸収層７０５と増倍層７０３が適切な電界強度に印加されることが可能となる。電界調整層７０４は、メサ構造中心部が周辺部より厚くなっている構造を有し、これによりエッジ降伏を防止することが可能となっている。たとえば、特許文献１および特許文献２に、かかる構造を有する裏面入射型ＡＰＤが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２４９１１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＡＰＤは電流増倍機能を有するため、強い光信号が入力された場合にはＡＰＤの逆バイアス電圧を低下させて大電流の発生を抑える必要がある。このため、ＡＰＤと保護抵抗とを直列に接続することが一般的である。入力光強度が増加し、光電流が増加すると、保護抵抗による電圧降下が大きくなり、ＡＰＤの逆バイアス電圧が自動的に低下するためである。
【０００７】
しかしながら、従来技術に係る光吸収層を有するＡＰＤでは、増倍率が低い状態、すなわち、逆バイアス電圧が低く光吸収層に印加される電界強度が低い状態において、強い光信号が入力されると、光吸収層の一部が溶融し、素子破壊に至るという問題が生じている。
【０００８】
図８は、従来技術に係るＡＰＤの伝導帯端のエネルギー準位を示す概略図となっている。図８は、電界が印加されていない状態を示している。横方向は、位置を表し、左から順に、増倍層３、電界調整層４、光吸収層５の領域を示している。縦方向は、エネルギー準位である。
【０００９】
ＡＰＤに逆バイアス電圧が印加されると、伝導帯端のエネルギー準位は、その電界強度に応じて、右上がりに傾斜する。入射した光が、光吸収層５において受光されると、価電子帯にある電子が伝導帯へ励起し、伝導帯に電子が、価電子帯にホール（正孔）が出現する。この電子が印加された電界によって加速され、増倍層３まで到達すると、キャリアの増倍が行われることとなる。
【００１０】
しかし、図８に示す通り、電界調整層４の伝導帯端のエネルギー準位は、光吸収層５の伝導帯端のエネルギー準位より高くなっているため、光吸収層５に印加された電界が弱い場合には、光吸収層５内で発生した電子のうち、増倍層３まで達する電子の数は減少し、それ以外の電子が、光吸収層５と電界調整層４との界面に、停留蓄積してしまう。その結果、光吸収層５の一部がｎ型反転し、局部的に電界強度が高くなり、大電流が発生することとなる。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、増倍率が低い状態においても、光吸収層内で発生した電子の、光吸収層と電界調整層の界面への蓄積が抑制され、素子破壊に至る光信号強度を増加させることが可能な光吸収層を有するＡＰＤおよびこれを用いた光受信モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明に係るアバランシェホトダイオードは、半導体基板上に、少なくとも増倍層と、電界調整層と、光吸収層とを含む半導体層を積層してなるアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部における伝導帯端のエネルギー準位が、前記光吸収層における伝導帯端のエネルギー準位より高く、前記増倍層の伝導帯端のエネルギー準位より低い、ことを特徴とする。
【００１３】
（２）上記（１）に記載のアバランシェホトダイオードであって、さらに、前記電界調整層において、少なくとも一層の量子井戸層を含んでいてもよい。
【００１４】
（３）上記（２）に記載のアバランシェホトダイオードであって、さらに、前記電界調整層は、前記増倍層側から前記光吸収層側へ、順に、障壁層となる第１電界調整層、量子井戸層となる第２電界調整層、障壁層となる第３電界調整層によって構成され、前記第３電界調整層が厚さ１５ｎｍ以下であってもよい。
【００１５】
（４）上記（１）に記載のアバランシェホトダイオードであって、さらに、前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部において、前記光吸収層側の端から前記増倍層側の端にかけて、伝導帯端のエネルギー準位が単調的に増加していてもよい。
【００１６】
（５）上記（４）に記載のアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層の少なくとも前記一部において、前記光吸収層側の端から前記増倍層側の端にかけて、該エネルギー準位が徐増していてもよい。
【００１７】
（６）上記（４）に記載のアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層の少なくとも前記一部において、前記光吸収層側の端から前記増倍層側の端にかけて、該エネルギー準位が段階的に増加していてもよい。
【００１８】
（７）本発明に係るアバランシェホトダイオードは、ｎ型ＩｎＰ半導体基板の上に、ＩｎＡｌＡｓ混晶から成る増倍層と、ｐ型電界調整層と、ＩｎＧａＡｓ混晶から成る光吸収層と、ｐ型コンタクト層とが、積層してなるアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層において、少なくとも一層の量子井戸層を含む、ことを特徴とする。
【００１９】
（８）上記（７）に記載のアバランシェホトダイオードであって、さらに、前記電界調整層は、前記増倍層側から前記光吸収層側へ、順に、障壁層となる第１電界調整層、量子井戸層となる第２電界調整層、障壁層となる第３電界調整層によって構成され、前記第２電界調整層がｐ型ＩｎＧａＡｓ混晶からなり、前記第３電界調整層がｐ型ＩｎＡｌＡｓ混晶からなっていてもよい。
【００２０】
（９）上記（８）に記載のアバランシェホトダイオードであって、さらに、前記第３電界調整層の厚さが１５ｎｍ以下であってもよい。
【００２１】
（１０）本発明に係るアバランシェホトダイオードは、ｎ型ＩｎＰ半導体基板の上に、ＩｎＡｌＡｓ混晶から成る増倍層と、ｐ型電界調整層と、ＩｎＧａＡｓ混晶から成る光吸収層と、ｐ型コンタクト層とが、積層してなるアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部は、前記光吸収層の前記ＩｎＧａＡｓの組成と、前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成と、を内分して組成されている、ことを特徴とする。
【００２２】
（１１）上記（１０）に記載のアバランシェホトダイオードであって、さらに、前記電界調整層のうち、積層方向の少なくとも一部において、その組成が、前記光吸収層側から前記増倍層側にかけて、より前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成に近づくように、前記光吸収層の前記ＩｎＧａＡｓの組成と、前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成と、を内分しながら単調的に変化していてもよい。
【００２３】
（１２）上記（１１）に記載のアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層の少なくとも前記一部において、その組成が、前記光吸収層側から前記増倍層側にかけて、徐々に前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成に近づくように、変化していてもよい。
【００２４】
（１３）上記（１１）に記載のアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層の少なくとも前記一部において、その組成が、前記光吸収層側から前記増倍層側にかけて、段階的に、前記増倍層の前記ＩｎＡｌＡｓの組成に近づくように、変化していてもよい。
【００２５】
（１４）上記（１）乃至（１３）のいずれかに記載のアバランシェホトダイオードであって、前記増倍層と、前記電界調整層と、前記光吸収層は、前記半導体基板側からこの順に積層してなり、積層方向に沿って、徐々に断面積を小さくなるよう、前記電界調整層の一部から前記半導体層の上端までからなるメサ構造が形成され、前記メサ構造の周囲には、半絶縁性埋め込み層が形成されていてもよい。
【００２６】
（１５）上記（１）乃至（１３）のいずれかに記載のアバランシェホトダイオードであって、前記電界調整層のうち、前記増倍層に接する部分が、ｐ型ＩｎＰによって形成されていてもよい。
【００２７】
（１６）上記（１５）に記載のアバランシェホトダイオードであって、前記増倍層と、前記電界調整層と、前記光吸収層は、前記半導体基板側からこの順に積層してなり、積層方向に沿って、徐々に断面積を小さくなるよう、前記電界調整層のうち前記ｐ型ＩｎＰからなる層の上面から、前記半導体層の上端までからなるメサ構造が形成され、前記メサ構造の周囲には、半絶縁性埋め込み層が形成されていてもよい。
【００２８】
（１７）光受信モジュールが、上記（１）乃至（１６）のいずれかに記載のアバランシェホトダイオードを、備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、増倍率が低い状態においても、光吸収層内で発生した電子の、光吸収層と電界調整層の界面への蓄積が抑制され、素子破壊に至る光信号強度を増加させることが可能な光吸収層を有するＡＰＤ及びこれを用いた光受信モジュールとを、提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るＡＰＤ全体を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態及び従来技術に係るＡＰＤそれぞれについて、破壊光電流ＩｐとＡＰＤの逆バイアス電圧Ｖｒの関係を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＡＰＤの伝導帯端のエネルギー準位を示す図である。
【図７】従来技術に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。
【図８】従来技術に係るＡＰＤの伝導帯端のエネルギー準位を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下本発明の実施形態に係るＡＰＤについて、図面を参照しながら説明する。なお、同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
【００３２】
［第１の実施形態］
図１および図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係るＡＰＤについて説明する。なお、当該ＡＰＤは、裏面入射型ＡＰＤである。
【００３３】
図１は、本実施形態に係るＡＰＤをサブマウントに実装した組み立て完成品の概略図である。図１（ａ）は、完成品の全体斜視図であり、図１（ｂ）は、完成品の上面図である。
【００３４】
図２は、本実施形態に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。例えば、図１（ｂ）のＡＡ断面図の主要部を表している。
【００３５】
図２を参照して、当該ＡＰＤの構造および製造プロセスを説明する。なお、図２は、ＡＰＤの主要部の完成断面図であるが、当業者が参照すればその製造プロセスを理解可能である。
【００３６】
図２に示す通り、不純物濃度１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３のｎ型ＩｎＰ基板２０１に、分子線エピタキシャル成長法を用いて、順に、不純物濃度２×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０.７μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２０２、不純物濃度５×１０１４ａｔｏｍ／ｃｍ３以下で厚さ０.２μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層２０３、不純物濃度１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０.０２５μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ａ（第１電界調整層）、不純物濃度１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０.０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層２０４ｂ（第２電界調整層）、不純物濃度１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０.０１５μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃ（第３電界調整層）、不純物濃度１×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ１.２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０５、不純物濃度５×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ１.０μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層２０６、不純物濃度５×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０.１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７が、形成される。
【００３７】
その後、さらに上部に、円形のハードマスクが形成され、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層２０６、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０５およびｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃがエッチングされることにより、第１メサ構造２０８が形成される。第１メサ構造２０８は、図２において、太線にて示されている。図２に示すように、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０５、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層２０６およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７は、積層方向に沿って、順に、徐々に断面積が小さくなっている。ここで、エッチングの際に、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓに対して選択性があるエッチング液が交互に使用されることにより、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層２０４ｂの上面にてエッチング停止することが可能である。以上の工程により、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に第１メサ構造２０８が形成される。
【００３８】
次に、有機金属気相エピタキシャル（Metal Organic VaporPhase Epitaxy：以下、ＭＯＶＰＥと記す）法を用いて、第１メサ構造２０８の周囲に、不純物濃度１×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ１．６μｍのＦｅドーピングＩｎＰ結晶からなる埋め込み層２０９が、成長され、その後、ハードマスクが除去される。
【００３９】
次に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７、埋め込み層２０９の上部に、第１メサ構造２０８よりも径の大きい直径の円形の平面パターンを有するフォトレジストが形成され、このレジストをマスクとして、埋め込み層２０９、３層からなる電界調整層、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層２０３、ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２０２およびｎ型ＩｎＰ基板２０１の表面が、Ｂｒ系エッチング液により、エッチングされる。以上の工程により、第１メサ構造２０８の周囲に、第２メサ構造２１０が形成される。第２メサ構造２１０は、第１メサ構造２０８に対して同心円状の平面パターンを有している。なお、第２メサ構造２１０は、図２において、破線にて示されている。
【００４０】
そして、フォトレジストが除去された後、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表面全体が絶縁性の保護膜２１１によって被膜される。保護膜２１１は、ＳｉＮ層が０．２μｍとＳｉＯ２層０．３μｍとで構成される。保護膜２１１をフォトリソグラフィ技術で加工することによって、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７の一部（スルーホール）およびｎ型ＩｎＰ基板２０１の一部（図示せず）が露出され、コンタクト層１０７に接続されるｐ型電極２１２およびｎ型電極（図示せず）が形成される。ｎ型電極は、図２のｎ型ＩｎＰ基板２０１に接続される。
【００４１】
これら電極は、蒸着法で堆積した膜厚０．５μｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜（本明細書において、”／”は、基板に近い側、基板に遠い側の順に、配置されていることを記している）が、フォトリソグラフィ技術でパターニングすることによって、形成される。なお、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７に形成したスルーホールは二つの同心円からなるリング形状を有している。この結果、リング形状のスルーホール部以外は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７の上に保護膜２１１、メタライズとしてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜が形成され、鏡（ミラー）を構成する。
【００４２】
次に、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の裏面、すなわち、図２の図中下側の面には、厚さ０．２μｍのＳｉＮからなる反射防止膜２１３が被着され、ウエハが完成する。最後に、このウエハは、1対のｐ型電極２１２、ｎ型電極を含む１素子分毎に分割される。
【００４３】
図２で説明した当該ＡＰＤが、ＡＰＤ素子１０１として、図１に記されている。このＡＰＤ素子１０１が、窒化アルミニウム製（１×１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）のサブマウント１０２上に搭載されている。サブマウント１０２には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜によるＰ電極パターン１０３及びＮ電極パターン１０４が形成されている。Ｐ電極パターン１０３の一端には、ＡＰＤ素子１０１のｐ型電極２１２のサイズに合わせてＡｕＳｎはんだ蒸着パターンが、またＮ電極パターン１０４の一端には、ＡＰＤ素子１０１のｎ型電極のサイズに合わせてＡｕＳｎはんだ蒸着パターンが、形成されている。適切な荷重と温度を加え、両電極を同時にはんだ接続することにより、当該ＡＰＤが完成する。
【００４４】
なお、ＡＰＤ素子１０１は、裏面入射型ＡＰＤ素子であり、裏面から入射した受信光をミラーで反射して、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０５を双方向に通過させてキャリアを発生させることが可能であり、高感度である。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０５を薄くすることが可能となり、高速応答特性に優れている。
【００４５】
このようにして作製されたＡＰＤについて評価を行った。当該ＡＰＤに、逆バイアス電圧を印加したところ、降伏電圧（Ｖｂ）は３０Ｖで、０．９Ｖｂにおける暗電流は１０ｎＡと十分に低い値であった。高温逆バイアス通電試験（２００℃，１００μＡで一定）では、１０００時間後の電圧変動は１Ｖ以下であり、室温における降伏電圧、暗電流も試験前と変化がなく、高い信頼性を示し、良好な特性を示した。
【００４６】
また、光信号の増倍率は最大５０であり、メサ中央領域で均一であった。従来の１０ギガビット光受信器のＰＩＮ型ホトダイオードを当該ＡＰＤで置き換えて測定したところ、最小受信感度が−１９ｄＢｍから−２８ｄＢｍに大幅に改善された。この光受信器及びその他の必要部品を搭載して光モジュールが構成される。
【００４７】
図５は、素子破壊が発生した破壊光電流ＩｐとＡＰＤの逆バイアス電圧Ｖｒの関係を、従来技術に係るＡＰＤ、第１の実施形態に係るＡＰＤ、及び、後述する第２の実施形態に係るＡＰＤ、それぞれについて示す図である。図５において、従来技術に係るＡＰＤについてはシンボル▲で、第１の実施形態に係るＡＰＤについてはシンボル●で、第２の実施形態に係るＡＰＤについてはシンボル□で、それぞれ示されている。
【００４８】
いずれの場合にも、逆バイアス電圧Ｖｒが低く、光吸収層の電界強度が低い状態において、素子破壊が発生する破壊光電流Ｉｐが低下している。これは、電界強度が低い状態において、光吸収層内で発生した電子が光吸収層と電界調整層の界面に停留蓄積し易くなるために、弱い光電流においても光吸収層の一部がｎ型反転し、局部的に電界強度が高くなり、大電流が発生するためである。しかしながら、本実施形態である第１の実施形態に係るＡＰＤは、従来技術に係るＡＰＤに比べて、素子破壊が発生した破壊光電流Ｉｐの最小値が大きくなっている。これは、図６（ａ）に示す概略図によって説明出来る。
【００４９】
図６は、本発明に係るＡＰＤの伝導帯端のエネルギー準位を示す概略図となっている。図８と同様に、図６も、電界が印加されていない状態を示している。同様に、横方向は、位置を表し、左から順に、増倍層３、電界調整層４、光吸収層５の領域を示している。縦方向は、エネルギー準位である。
【００５０】
図６（ａ）は、本実施形態に係るＡＰＤの伝導帯端のエネルギー準位を模式的に示している。電界調整層４は、図中左から順に、障壁層となる第１電界調整層、井戸層となる第２電界調整層、障壁層となる第３電界調整層によって、構成されている量子井戸構造を有している。
【００５１】
第３電界調整層の伝導帯端のエネルギー準位は、図８に示す従来技術に係るＡＰＤの電界調整層４の伝導帯端のエネルギー準位と同様に、光吸収層５の伝導帯端のエネルギー準位よりも高くなっている。これにより、光吸収層５に印加された電界が弱い場合には、光吸収層５内で発生した電子のうち、同様に、増倍層３まで達する電子の数は減少するところ、量子井戸構造のトンネル効果により、電子が第３電界調整層を通過することが出来るので、この減少が抑制され、光吸収層５と電界調整層４との界面に停留蓄積される電子の数を抑制することが出来る。
【００５２】
なお、本実施形態に係るＡＰＤは、第１メサ構造２０８と第２メサ構造２１０を有している。上述した通り、上方から下方に、積層方向に沿って、当該第１メサ構造２０８の周囲の多層部分が、エッチングにより取り除かれ、第１メサ構造２０８の最下点は、電界調整層の一部に達している。このような場合、通常、電界調整層のどの部分にまで、エッチングするかは、このメサ構造の特性向上の観点から決められる。
【００５３】
さらに、本実施形態に係るＡＰＤのように、電界調整層が量子井戸構造を有し、上方からみて、障壁層となるｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃと、井戸層となるｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層２０４ｂが配置される場合、その後の工程において酸化されやすいＡｌを含んでいないｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層２０４ｂの上面に達するまで、エッチングされることになる。これらの観点により、障壁層となるｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃを設計すると、厚さがたとえば０．０２μｍ程度になる。
【００５４】
しかし、本実施形態に係るＡＰＤにおいては、障壁層となるｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃに生じるトンネル効果を大きくするとの観点から、厚さを０．０１５μｍ以下に薄くしたところ、図５に示す通り、破壊光電流Ｉｐの最小値が大幅に大きくなり、顕著な効果が得られている。
【００５５】
さらに、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃの層厚をさらに薄くすることにより、破壊光電流Ｉｐの最小値が増加する可能性があるが、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓのエッチング選択比が２５〜３０程度であり、またエッチングレートにウエハ面内分布があるために、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃが薄すぎる場合、ウエハ一部でｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層２０４ｂを突き抜けてｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ａまで、あるいは、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層２０３にまで、エッチングが進む恐れが生じる。それゆえ、本実施形態における実施例では、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃの膜厚は０.０１５μｍとしている。しかし、エッチング工程を工夫することにより、さらに薄くすることも可能であり、その場合、本発明の効果はさらに高まることとなる。
【００５６】
このように、本実施形態に係るＡＰＤでは、保護抵抗による電圧降下にてＡＰＤの逆バイアス電圧が自動的に低下した場合においても、光電流破壊耐力をより有するため、信頼性の優れた受光装置を実現することが可能となる。
【００５７】
［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。なお、当該ＡＰＤは、裏面入射型ＡＰＤであり、また、当該ＡＰＤをサブマウントに実装した組み立て完成品の構造は、第１の実施形態に係るＡＰＤと同様に、図１に示す通りである。
【００５８】
さらに、当該ＡＰＤの基本的な構造及び製造プロセスは、上述した第１の実施形態に係るＡＰＤと同様である。第１の実施形態に係るＡＰＤの主要な相違点は、以下の２点である。一つには、第１電界調整層が、不純物濃度１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さが０.０３μｍのｐ型ＩｎＰ電界調整層３０４ａで、第３電界調整層は同じ組成であるが厚さが０．０１μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層３０４ｃである点である。もう一つには、第１メサ構造３０８の最下点が、ｐ型ＩｎＰ電界調整層３０４ａの上面に達している点である。
【００５９】
このようにして作製されたＡＰＤについて評価を行ったところ、第１の実施形態に係るＡＰＤと同様に良好な特性を示した。すなわち、当該ＡＰＤに、逆バイアス電圧を印加したところ、降伏電圧（Ｖｂ）は３０Ｖ、０．９Ｖｂにおける暗電流は１０ｎＡと十分に低い値であった。高温逆バイアス通電試験（２００℃，１００μＡで一定）では、１０００時間後の電圧変動は１Ｖ以下であり、室温における降伏電圧、暗電流も試験前と変化がなく、高い信頼性を示し、良好な特性を示した。また、光信号の増倍率は最大５０であり、メサ中央領域で均一であった。従来の１０ギガビット光受信器のＰＩＮ型ホトダイオードを本アバランシェホトダイオードで置き換えたところ、最小受信感度が−１９ｄＢｍから−２８ｄＢｍに大幅に改善された。
【００６０】
上述の通り、図５には、本実施形態に係るＡＰＤについて、破壊光電流ＩｐとＡＰＤの逆バイアス電圧Ｖｒの関係が、シンボル□で、示されている。本実施形態に係るＡＰＤの場合、従来技術に係るＡＰＤのみならず、第１の実施形態に係るＡＰＤと比較しても、さらに、破壊光電流Ｉｐの最小値が、大きくなっている。
【００６１】
これは、第１の実施形態に係るＡＰＤにおいては、障壁層である第３電界調整層のｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃの厚さが０．０１５μｍであるのに対して、本実施形態に係るＡＰＤにおいては、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層２０４ｃの厚さが０．０１μｍと、０．００５μｍ薄くなっている。障壁層の厚さをさらに薄くすることにより、トンネル効果が大きくなり、光吸収層内で発生した電子が増倍層側へ通過する確率が増大し、より一層、光吸収層と電界調整層との界面に停留蓄積される電子の数を抑制することが出来ていると考えられる。
【００６２】
本実施形態におけるＡＰＤにおいて、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層３０４ｃの厚さを薄くすることが出来たのは、第１電気調整層をｐ型ＩｎＰ電界調整層３０４ａで構成することが出来たことによる。燐酸系のエッチング液を使用した場合、ＩｎＰに対するエッチングレートが、ＩｎＧａＡｓ及び、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓに対するエッチングレートと比較して、大幅に低くなる。そのため、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層３０４ｂやｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層３０４ｃの厚さに関係なく、ｐ型ＩｎＰ電界調整層３０４ａの上面にて、エッチング停止することが可能なのである。
【００６３】
このように、本実施形態に係るＡＰＤでは、保護抵抗による電圧降下にてＡＰＤの逆バイアス電圧が自動的に低下した場合においても、高い光電流破壊耐力をさらにより有するため、さらに信頼性の優れた受光装置を実現することが可能となる。
【００６４】
なお、図６（ａ）に示す電界調整層４の伝導帯端のエネルギー準位は、第１及び第２の実施形態に係るＡＰＤにおける電界調整層４の量子井戸構造を分かりやすく示したものであり、実際のエネルギー準位とは異なっている。井戸層及び障壁層それぞれのエネルギー準位の高さは、その組成によって調整することが出来る。また、第１及び第２の実施形態に係るＡＰＤでは、電界調整層４を、１つの井戸層を備える単一量子井戸構造の場合について示しているが、複数の井戸層を備える多重量子井戸構造であっても構わない。また、電界調整層４のうち、積層方向の一部に量子井戸構造を含んでいる場合であっても構わない。
【００６５】
［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態に係るＡＰＤの受光部メサ構造を示す断面図である。なお、当該ＡＰＤは、裏面入射型ＡＰＤであり、また、当該ＡＰＤをサブマウントに実装した組み立て完成品の構造は、第１の実施形態に係るＡＰＤと同様に、図１に示す通りである。
【００６６】
さらに、当該ＡＰＤの基本的な構造及び製造プロセスは、上述した第１の実施形態に係るＡＰＤと同様である。第１の実施形態に係るＡＰＤの主要な相違点は、以下の２点である。
【００６７】
一つには、電界調整層が、不純物濃度１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０．０３μｍのｐ型ＩｎＰ電界調整層４０４ａと、不純物濃度１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０．０２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ電界調整層４０４ｂの２層からなっている点である。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ電界調整層４０４ｂは、光吸収層４０５側の端からｐ型ＩｎＰ電界調整層４０４ａ側の端に向かって、エネルギーギャップが１．４μｍから１μｍまで連続的に変化し、なおかつ、ｎ型ＩｎＰ基板４０１と格子整合するように、組成を調整している。
【００６８】
もう一つには、第１メサ構造４０８の最下点が、第２の実施形態に係るＡＰＤと同様に、ｐ型ＩｎＰ電界調整層４０４ａの上面に達している点である。燐酸系のエッチング液を使用すると、第２の実施形態に係るＡＰＤと同様に、ｐ型ＩｎＰ電界調整層４０４ａの上面にて、エッチング停止することが可能である。
【００６９】
このようにして作製されたＡＰＤについて評価を行ったところ、第１の実施形態に係るＡＰＤと同様に良好な特性を示した。すなわち、当該ＡＰＤに、逆バイアス電圧を印加したところ、降伏電圧（Ｖｂ）は３０Ｖ、０．９Ｖｂにおける暗電流は１０ｎＡと十分に低い値であった。高温逆バイアス通電試験（２００℃，１００μＡで一定）では、１０００時間後の電圧変動は１Ｖ以下であり、室温における降伏電圧、暗電流も試験前と変化がなく、高い信頼性を示し、良好な特性を示した。また、光信号の増倍率は最大５０であり、メサ中央領域で均一であった。従来の１０ギガビット光受信器のＰＩＮ型ホトダイオードを本アバランシェホトダイオードで置き換えたところ、最小受信感度が−１９ｄＢｍから−２８ｄＢｍに大幅に改善された。
【００７０】
本実施形態に係るＡＰＤについても、破壊光電流ＩｐとＡＰＤの逆バイアス電圧Ｖｒの関係が測定され、その結果、図５に示す第２の実施形態に係るＡＰＤと同等の結果が得られた。
【００７１】
図６は、上述の通り、本発明に係るＡＰＤの伝導端のエネルギー準位を示す概略図であり、図６（ｂ）は、本発明の実施形態の一例に係るＡＰＤについて示している。図６（ｂ）においては、電界調整層４の伝導端のエネルギー準位が、電界調整層４の光吸収層５側の端においては、光吸収層５のエネルギー準位と等しく、電界調整層４の増倍層３側の端においては、増倍層３のエネルギー準位と等しく、電界調整層４の内部においては、図中右側から左側に対して、直線的に増加している。
【００７２】
当該ＡＰＤに逆バイアス電圧を印加すると、伝導帯端のエネルギー準位は、その電界強度に応じて、右上がりに傾斜する。すなわち、電界調整層４におけるエネルギー準位の増加の割合も、逆バイアス電圧に応じて、低減することとなる。光吸収層５内で発生した電子に対して、増倍層３まで到達することが容易くなっている。それにより、光吸収層５と電界調整層４との界面に停留蓄積される電子の数が抑制される。
【００７３】
電界調整層４の伝導帯端が、このようなエネルギー準位を持つためには、例えば、電界調整層４の組成を、光吸収層５側の端においては、光吸収層５の組成とほぼ等しくし、増倍層３側の端においては、増倍層３の組成とほぼ等しくし、光吸収層５側の端から増倍層３側の端にかけて、電界調整層４の組成を、これら組成を内分し、単調的に変化して、増倍層３の組成に近づくようにすればよい。この変化が直線に近づけば近づくほど、増倍層３まで達する電子の数はより増加するものと考えられる。
【００７４】
ここで、増倍層３がＩｎＡｌＡｓに、光吸収層５がＩｎＧａＡｓによって構成されている場合を例に考える。電界調整層４の組成は、増倍層３の組成であるＩｎＡｌＡｓと、光吸収層５の組成であるＩｎＧａＡｓを内分するＩｎＧａ１−ｘＡｌｘＡｓである。電界調整層４の光吸収層５側の端においては、ｘ＝０に近づくよう、増倍層３側の端においてはｘ＝１に近づくようにし、光吸収層５側の端から増倍層３側の端にかけて、ｘの値が単調的に増加するようにすればよい。
【００７５】
なお、電界調整層４の伝導帯端のエネルギー準位は、単調的に変化していることが望ましいのであって、必ずしも端から端まで同じ割合で変化していなければいけないわけではない。図６（ｃ）に示すＡＰＤの電界調整層４の伝導帯端のエネルギー準位は、右側の一部のみが、図中右側から左側に対して、直線的に増加しており、左側の残りの部分では、一定である。このような場合であっても、図８に示す従来技術に係るＡＰＤと比較して、光吸収層５と電界調整層４との界面に停留蓄積される電子の数が抑制されるのは、明らかである。
【００７６】
本実施形態に係るＡＰＤは、図６（ｃ）に示すＡＰＤと同様に、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ電界調整層４０４ｂにおいて、その組成が、光吸収層４０５側からｐ型ＩｎＰ電界調整層４０４ａ側にかけて、よりｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層２０３の組成に近づくよう、徐々に変化し、それに応じて、伝導帯端のエネルギー準位も徐々に増加しているものと考えられる。この変化は直線的である必要はないが、直線的な変化に近づくほど、本発明の効果はより大きくなる。上述の通り、第３の実施形態に係るＡＰＤにおいて、破壊光電流Ｉｐの最小値が、第２の実施形態に係るＡＰＤと同じ程度まで大きくなっており、その効果が顕著である。
【００７７】
このように、本実施形態に係るＡＰＤでは、保護抵抗による電圧降下にてＡＰＤの逆バイアス電圧が自動的に低下した場合においても、光電流破壊耐力をより有するため、信頼性の優れた受光装置を実現することが可能となる。
【００７８】
なお、図６（ｂ）と図６（ｃ）において、エネルギー準位が徐々に変化する場合について説明したが、図６（ｄ）に示すように、電界調整層４において伝導帯端のエネルギー準位が段階的に変化する場合であってもよい。このような場合であっても、図８に示す従来技術に係るＡＰＤと比べて、光吸収層５と電界調整層４との界面に停留蓄積される電子の数が抑制される。この場合、電界調整層４の組成を、積層に応じて、段階的に変化させればよく、連続的に変化する場合と比較して、より簡単な工程で積層することが出来る。
【００７９】
図６に示すように、本発明に係るＡＰＤの電界調整層４の伝導帯端のエネルギー準位は様々であるが、電界調整層４の少なくとも一部のエネルギー準位が、光吸収層５のエネルギー準位と、増倍層３のエネルギー準位との間に位置しているならば、図８に示す従来技術に係るＡＰＤと比較して、停留蓄積される電子の数が抑制され、本発明の効果を有する。さらに、その一部において、光吸収層５側から増倍層３側に対して、単調的に増加していればなおよい。
【００８０】
本発明の根幹は、積層方向に対して、少なくとも電界調整層の一部において、伝導帯端のエネルギー準位を、光吸収層の伝導帯端のエネルギー準位に近づけることにより、増倍層３へ到達する電子を増加させるというものである。その際に、電界調整層を複数の層によって構成させる場合が考えられる。それとは、別に、第１メサ構造では、その最下点が電界調整層の一部に達している。第１メサ構造は、エッチングにより作り出されるが、その最下点は、エッチング選択性によって決められると、複数の素子間でのばらつきなどが抑制される。よって、電界調整層の構造と第１メサ構造との両面を考慮して、ＡＰＤの作製がされることにより、その効果はより高まることとなる。特に、ＩｎＰが、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓに対して、選択性が非常に高いことは特筆すべきことである。
【００８１】
なお、本発明に係るＡＰＤは、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、裏面入射型ＡＰＤについて説明したが、表面入射型ＡＰＤ、端面入射型ＡＰＤなど他のＡＰＤについて広く適用可能である。たとえば、表面入射型ＡＰＤの場合、ｐ型電極はリング形状をしており、リング形状の内側には、表面から入射された光を透過する反射防止部を有している。
【００８２】
本発明の実施形態に係るＡＰＤを搭載した光受信モジュールは、当該ＡＰＤによりモジュールの特性が向上するということは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８３】
３  増倍層、４  電界調整層、５  光吸収層、１０１  ＡＰＤ素子、１０２  サブマウント、１０３  Ｐ電極パターン、１０４  Ｎ電極パターン、２０１  ｎ型ＩｎＰ基板、２０２  ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、２０３  ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、２０４ａ  ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層、２０４ｂ  ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層、２０４ｃ  ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層、２０５  ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、２０６  ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層、２０７  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２０８  第１メサ構造、２０９  埋め込み層、２１０  第２メサ構造、２１１  保護膜、２１２  ｐ型電極、２１３  反射防止膜、３０１  ｎ型ＩｎＰ基板、３０２  ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、３０３  ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、３０４ａ  ｐ型ＩｎＰ電界調整層、３０４ｂ  ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層、３０４ｃ  ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層、３０５  ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、３０６  ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層、３０７  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、３０８  第１メサ構造、３０９  埋め込み層、３１０  第２メサ構造、３１１  保護膜、３１２  ｐ型電極、３１３  反射防止膜、４０１  ｎ型ＩｎＰ基板、４０２  ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、４０３  ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、４０４ａ  ｐ型ＩｎＰ電界調整層、４０４ｂ  ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ電界調整層、４０５  ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、４０６  ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層、４０７  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、４０８  第１メサ構造、４０９  埋め込み層、４１０  第２メサ構造、４１１  保護膜、４１２  ｐ型電極、４１３  反射防止膜、７０１  ｎ型ＩｎＰ基板、７０２  バッファ層、７０３  増倍層、７０４  電界調整層、７０５  光吸収層、７０６  キャップ層、７０７  コンタクト層、７０８  第１メサ構造、７０９  埋め込み層、７１０  第２メサ構造、７１１  保護膜、７１２  ｐ型電極、７１３  反射防止膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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