(57)【要約】【課題】従来のアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層をアンドープとした場合には、動作時のバイアス電圧が高くなり、光吸収層を僅かにドープした場合にはそのドープ量の制御が困難であるために容易に製造できなかった。【解決手段】この発明に係るアバランシェフォトダイオードは、第１導電型の基板と、基板の主面上に基板側から順に積層して設けられた、アバランシェ増倍層と、光吸収層と、窓層とを有するアバランシェフォトダイオードであって、窓層の一部が第２導電型領域であり、光吸収層は、第１光吸収層と、第１光吸収層より導電率の高い第２光吸収層とを備えたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた第１導電型の半導体層と、
前記第１導電型の半導体層上に順に積層して設けられた、アバランシェ増倍層と、光吸収層と、窓層とを有し、
前記窓層の一部が第２導電型領域であり、
前記光吸収層は、第１光吸収層と、第１光吸収層より導電率の高い第２光吸収層とを備えたことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項２】
第２光吸収層は、第１光吸収層の窓層側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項３】
第２光吸収層は、第１導電型光吸収層であり、第１光吸収層は、アンドープ型光吸収層であることを特徴とする請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項４】
光吸収層は、第１導電型光吸収層と第２導電型光吸収層とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項５】
光吸収層は、アンドープ型光吸収層と第２導電型光吸収層とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項６】
光吸収層と窓層との間にパイルアップ防止層または拡散抑制層を設けたことを特徴と請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に設けられた第１導電型の半導体層と、
前記第１導電型の半導体層上に順に積層して設けられた、アバランシェ増倍層と、光吸収層と、窓層とを有し、
前記第２導電型窓層に前記第２導電型窓層の下側に接する層まで達する溝が設けられ、
前記光吸収層は、第１光吸収層と、第１光吸収層より導電率の高い第２光吸収層とを備えたことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項８】
第２光吸収層は、第１光吸収層の窓層側に形成されたことを特徴とする請求項７に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項９】
第２光吸収層は、第１導電型光吸収層であり、第１光吸収層は、アンドープ型光吸収層であることを特徴とする請求項８に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項１０】
光吸収層は、動作時に前記光吸収層の深さ方向全体にわたり空乏化することを特徴とする請求項１または請求項７に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項１１】
第１導電型光吸収層の不純物濃度は０．３×１０１５ｃｍ−３以上、３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項３または請求項９に記載のアバランシェフォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を上昇させたフォトダイオードで、光ファイバ通信などに用いられるアバランシェフォトダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アバランシェフォトダイオードは、光吸収領域とアバランシェ増倍領域とを備えている。逆バイアス電圧を印加した状態でアバランシェフォトダイオードに光が入射すると、光吸収領域において光を吸収して電子−正孔対が発生し、光吸収領域で発生したフォトキャリアが、強い電界が印加されたアバランシェ増倍領域において、イオン化衝突によって雪崩的に増倍される。近赤外光を受光するアバランシェフォトダイオードにおいては、光ファイバ通信に用いられることを目的として、高感度で高速応答であることに加えて、高信頼性、低消費電力、高効率であることが求められる。
【０００３】
このような、近赤外光を受光するアバランシェフォトダイオードにおいては、素子の長寿命化および静電容量の低減による高速化のために、電界が印加される領域を素子の内側に限定したアバランシェフォトダイオードが知られていた（例えば特許文献１）。このようなアバランシェフォトダイオードにおいては、光吸収領域は、全くドープしないか、あるいは１０１６ｃｍ−３程度に僅かにドープされることが多かった。
【０００４】
また、高速応答と高量子効率とを両立させることを目的として、アバランシェフォトダイオードの光吸収領域に、動作時に空乏化する空乏化層と、前記空乏化層よりキャリア密度が高い空乏化終端層とを設ける例が知られていた（例えば特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５３９３６８号公報（第５頁〜第６頁）
【特許文献２】特開２００３−４６１１４号公報（第４頁〜第５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光吸収領域が二層構造のアバランシェフォトダイオードにおいては、低抵抗であるため電界が印加されず空乏化しない領域ができるため、電子および正孔が高速にドリフト移動せず、電子および正孔が再結合によって消滅する割合が増加して光に対する感度や応答が低下する場合があった。
【０００７】
また、従来の光吸収領域が一層構造のアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収領域をアンドープ型とした場合には、光吸収領域に均一な電界が印加されるため、動作時のバイアス電圧が高くなることにより消費電力が高くなる場合があった。一方、光吸収層を僅かにドープした場合は、トンネル暗電流の発生を抑制しつつ光に対する応答性を低下させないために、キャリア濃度を高くすることができず、キャリア濃度を１０１５ｃｍ−３レベルで精密に制御して結晶成長する必要があった。しかしながら、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯ−ＣＶＤ）法や分子線エピタキシャル成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法などで結晶成長する場合、不純物を意図的に添加しない場合であっても１０１５ｃｍ−３レベルのｎ型あるいはｐ型導電性を示し、キャリア濃度を正確に制御することは非常に困難であった。
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、製造が容易、かつ、低消費電力で高い光感度を有するアバランシェフォトダイオードを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、基板と、前記基板上に設けられた第１導電型の半導体層と、前記第１導電型の半導体層上に順に積層して設けられた、アバランシェ増倍層と、光吸収層と、窓層とを有し、前記窓層の一部が第２導電型領域であり、前記光吸収層は、第１光吸収層と、第１光吸収層より導電率の高い第２光吸収層とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低消費電力で高い光感度を有し、製造が容易なアバランシェフォトダイオードを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。本実施の形態においては、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明する。
【００１２】
図１において、低抵抗ｎ型でＩｎＰ材料の基板１０の第一の主面上に、膜厚０．１〜１μｍでキャリア濃度が１〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ型でＩｎＰ材料のバッファ層２０が形成されている。バッファ層２０の上には、膜厚が０．１〜０．５μｍでキャリア濃度が０．１〜３×１０１５ｃｍ−３のアンドープ型でＡｌＩｎＡｓ材料のアバランシェ増倍層３０が形成されている。アバランシェ増倍層３０の上には、膜厚が０．０１〜０．１μｍでキャリア濃度が０．１〜１×１０１８ｃｍ−３のｐ型でＩｎＰ材料の電界調節層４０が形成されている。電界調節層４０の上には、膜厚が０．５〜２μｍのＧａＩｎＡｓ材料のアンドープ型光吸収層５１、膜厚が０．２〜２μｍでキャリア濃度が０．３〜３×１０１６ｃｍ−３のＧａＩｎＡｓ材料のｎ型光吸収層５２が順に形成されている。ｎ型光吸収層５２の上には、膜厚が０．５〜２μｍでキャリア濃度が０．３〜３×１０１６ｃｍ−３のＡｌＩｎＡｓ材料のｎ型窓層６１、膜厚が０．５〜２μｍのＡｌＩｎＡｓ材料のアンドープ型窓層６２が順に形成されている。
【００１３】
ここで、アンドープ型光吸収層５１（第１光吸収層）とｎ型光吸収層５２（第２光吸収層）とを合わせて光吸収層５０と呼び、ｎ型窓層６１とアンドープ型窓層６２とを合わせて窓層６０と呼ぶ。当然ながら、アンドープ型光吸収層５１とｎ型光吸収層５２とは導電率が異なっており、ｎ型光吸収層５２の導電率の方がアンドープ型光吸収層５１の導電率より高い。また、ｎ型窓層６１の導電率の方がアンドープ型窓層６２の導電率より高い。
このとき、ＧａＩｎＡｓ材料、ＡｌＩｎＡｓ材料の層の組成はＩｎＰにほぼ格子整合するように選択されており、ＧａＩｎＡｓ材料のバンドギャップはＩｎＰ材料のバンドギャップより小さく、ＩｎＰ材料のバンドギャップはＡｌＩｎＡｓ材料のバンドギャップより小さい。
【００１４】
ｎ型窓層６１およびアンドープ型窓層６２の上面から見て中央付近の直径２０〜１００μｍの領域には、ｐ型領域８０が形成されている。また、ｐ型領域８０の上面から見た外周部表面には、幅５〜１０μｍのリング状にｐ型でＧａＩｎＡｓ材料のコンタクト領域７０が形成されている。
さらに、ｐ型のコンタクト領域７０の上部にはＴｉ／Ａｕ構成のｐ電極１００が形成されている。また、コンタクト領域７０が形成されていないアンドープ型窓層６２の表面にはＳｉＮｘ材料の保護層９０が形成されている。基板１０の第一の主面の反対側の面に接して全面に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構成のｎ電極１１０が形成されている。
【００１５】
図２は、図１に断面模式図を示した実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードを上面から見た上面図である。図２に示すように、基板１０上および基板１０上に形成されたアンドープ型窓層６２は、おおよそ３００μｍ角の四角い形状をしており、その内部に、ｐ型領域８０が形成されている。ｐ型領域８０の外周部には、コンタクト領域７０およびｐ電極１００が形成されている。
なお、図１および図２には図示しないが、一般的にはアバランシェフォトダイオードの上面の上にｐ電極１００に接続する引き出し電極が設けられる。
【００１６】
次に、本実施の形態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。図１および図２に示したアバランシェフォトダイオードは、以下に示すようにして製造できる。
【００１７】
まず、ｎ型でＩｎＰ材料の基板１０上に、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯ−ＣＶＤ）法や分子線エピタキシャル成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法などを用いて、ｎ型でＩｎＰ材料のバッファ層２０、アンドープ型でＡｌＩｎＡｓ材料のアバランシェ増倍層３０、ｐ型でＩｎＰ材料の電界調節層４０、ＧａＩｎＡｓ材料のアンドープ型光吸収層５１、ＧａＩｎＡｓ材料のｎ型光吸収層５２、ＡｌＩｎＡｓ材料のｎ型窓層６１、ＡｌＩｎＡｓ材料のアンドープ型窓層６２、アンドープ型ＧａＩｎＡｓ材料のコンタクト層を、基板１０側から順にエピタキシャル成長する。
【００１８】
つづいて、前述のようにエピタキシャル成長したものの上に拡散マスクＳｉＮｘ膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成し、２０μｍ〜１００μｍ径の所定の受光領域を除く領域のみ拡散マスクＳｉＮｘ膜を除去する。次に、受光領域の表面の拡散マスクＳｉＮｘ膜を除去した領域から、アンドープ型コンタクト層、アンドープ型窓層６２、ｎ型窓層６１にまで選択的にＺｎを熱拡散させる。Ｚｎの熱拡散後、アンドープ型コンタクト層はｐ型コンタクト層になり、Ｚｎが熱拡散したアンドープ型窓層６２、ｎ型窓層６１の領域はｐ型領域８０になる。さらに、残った拡散マスクＳｉＮｘ膜を除去後、ｐ型コンタクト層を幅５〜１０μｍのリング状に残るように不要部分をエッチング除去し、ｐ型のコンタクト領域７０を形成する。つづいて、コンタクト領域７０、ｐ型領域８０、アンドープ型窓層６２の表面上にＳｉＮｘ表面保護層を形成し、コンタクト領域７０の上部や必要のない箇所にあるＳｉＮｘ表面保護層を除去し、ＳｉＮｘ材料の保護膜９０を形成する。次に、ｐ型コンタクト領域７０の上部にＴｉ／Ａｕを蒸着することによりｐ電極１００を形成する。
【００１９】
さらに、基板１０を裏面側からエッチングと研摩によって薄くして、基板１０の裏面側全面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、ｎ電極１１０を形成する。その後、シンター処理を行ってｐ電極１００およびｎ電極１１０をそれぞれオーミック接合化した後、基板１０を劈開分離して、図１および図２に示した３００μｍ角程度のアバランシェフォトダイオードを得ることができる。
なお、ＳｉＮｘの保護膜９０は反射防止膜としても機能し、反射防止膜として機能する膜厚を選択して形成される。
【００２０】
つづいて、本発明の本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの動作について説明する。
ｎ電極１１０側がプラス、ｐ電極１００側がマイナスになるように外部から逆バイアス電圧を加えた状態で、ｐ電極１００側からｐ型領域８０に向けて検出しようとする光を入射させる。ここで、光通信波長帯である１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯の近赤外領域の光を入射させると、入射した光は、空乏化したアンドープ型窓層６２またはｎ型窓層６１において吸収されて電子−正孔対を発生し、電子はｎ電極１１０側、正孔はｐ電極１００側に移動する。逆バイアス電圧を充分に高くしているので、アバランシェ増倍層３０において電子はイオン化して新たな電子−正孔対を生成し、新たに生成された電子、正孔と共にさらなるイオン化を引き起こすことによって、電子、正孔が雪崩的に増倍するアバランシェ増倍が引き起こされる。
【００２１】
図３に、本発明の本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの深さ方向の電界強度分布を、光吸収層がアンドープ型単層のアバランシェフォトダイオード、光吸収層がｐ型単層のアバランシェフォトダイオード、光吸収層がｎ型単層のアバランシェフォトダイオードの動作中の垂直方向の電界強度分布と比較して示す。図３の（ａ）は本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの、図３の（ｂ）は光吸収層５０がアンドープ型単層のアバランシェフォトダイオードの、図３の（ｃ）は光吸収層５０がｐ型単層のアバランシェフォトダイオードの、図３の（ｄ）は光吸収層５０がｎ型単層のアバランシェフォトダイオードの、それぞれ電界強度分布である。
図３において、ＥｂとＥｔとはそれぞれ、アバランシェ増倍層において無限連鎖のアバランシェ増倍が引き起こされてアバランシェブレークダウンが生じる電界強度、光吸収層においてトンネル電流の発生を抑止するための上限電界強度、であり、一般的に、Ｅｂは６０ＭＶ／ｍ以上、Ｅｔは２０ＭＶ／ｍ以下、好ましくは１５ＭＶ／ｍ以下である。
【００２２】
図３（ａ）において、イオン化衝突を引き起こしアバランシェ増倍を得るために、アバランシェ増倍層３０には高電界が印加されている。一方、光吸収層５０には、光吸収により発生したキャリアを高速にドリフト移動させるためにある程度以上の大きさの電界が印加されているが、その大きさは、トンネル暗電流が発生する電界Ｅｔ以下の大きさになるように、電界調節層４０によって制御されている。
【００２３】
本発明の本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードにおいては、光吸収層５０がアンドープ型光吸収層５１とｎ型光吸収層５２との二層構造で構成されているため、図３（ａ）に示すように、アンドープ型光吸収層５１においては深さ方向の電界強度変動が無視できるほど小さく一定で、ｎ型光吸収層５２においては深さ方向に電界強度は変動する。
一方、図３（ｂ）においては、光吸収層５０全体にほぼ一定の電界が印加されるが、低バイアス電界強度時から光応答が得られるようにし、また、光吸収層５０と窓層６０との界面にキャリアがパイルアップして応答速度が低下することを抑制するため、Ｅｔを上限として、できる限り電界が光吸収層５０に印加されるように設定される。
【００２４】
ここで、アバランシェフォトダイオードに印加されるバイアス電圧は、電界の積分、つまり図３の各線の下部の面積で与えられるが、図３の（ａ）と（ｂ）を比較すると、図３の（ａ）の方が下部の面積が小さくなる。したがって、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの方が、光吸収層がアンドープ型単層のアバランシェフォトダイオードよりも、小さなバイアス電圧、すなわち、低消費電力で動作させることができる。
【００２５】
また、光吸収層５０をｐ型単層、または、ｎ型単層のように全体を導電性にした場合には、低いバイアス電圧時からの光感度や高速応答が得られ、また、図３の（ｃ）、（ｄ）に示したように、小さなバイアス電圧で動作させることができるが、別の観点から制約が発生する。
【００２６】
アバランシェフォトダイオードの動作時には光吸収層５０全体を空乏化させるだけの電圧を印加しなければ、特許文献２の例のように効率が低下する。光吸収層５０全体を空乏化させる電界強度変化量ｄＥは、
ｄＥ＝（ｑ×ｔ／ε）×Ｎ                                            （１）
で与えられる。ただし、ｑは電気素量、ｔは光吸収層の膜厚（ｃｍ）、ε（Ｆ／ｍ）は光吸収層の誘電率、Ｎは光吸収層のキャリア濃度（ｃｍ−３）である。同一の電界強度変化量を与えるためには、式（１）に示される関係から、層厚ｔが小さければ小さいほどキャリア濃度を大きくできる。
【００２７】
式（１）からわかるように、光吸収層５０に添加する不純物密度がわずかに上昇し、キャリア濃度が増加しただけで、光吸収層５０のキャリア数も同様に増加し、光吸収層５０全体を空乏化させる電界強度も増加する。この電界強度がＥｔを超えないように制御する必要があるため、光吸収層５０に添加する不純物密度の高度な制御が必要となる。しかしながら、前述のように、１０１５ｃｍ−３レベルで正確に制御されたキャリア濃度を有するｎ型あるいはｐ型導電性の膜をＣＶＤ法などで形成することは非常に困難であることから、キャリア濃度のばらつきを考慮して大きめの電界を印加して、結果的に消費電力が大きめになる。
【００２８】
このように、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードにおいては、光吸収層５０が深さ方向全体に空乏化するようにアンドープ型光吸収層５１およびｎ型光吸収層５２の厚さおよび不純物濃度が選択され、特に、ｎ型光吸収層５２の不純物濃度を０．３×１０１５ｃｍ−３以上、３×１０１５ｃｍ−３以下としているため、動作時にバイアス電圧が低い条件下でも一定の光感度や高速応答が得られ、図３（ｂ）に示したアンドープ単層型光吸収層のものより低消費電力で、図３（ｃ）および(ｄ）に示した光吸収層５０全体を導電性にしたものより低消費電力でトンネル電流が発生しにくいアバランシェフォトダイオードを得ることができる。
【００２９】
また、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードは、正孔のパイルアップの発生を抑制し、高速応答を実現する効果も奏する。
本実施の形態に示したバンドギャップの小さな光吸収層５０とバンドギャップの大きな窓層６０とを有するアバランシェフォトダイオードにおいては、光吸収層５０と窓層６０とのヘテロ界面の主に価電子帯にバンド不連続が生じる。価電子帯のバンド不連続は正孔をパイルアップさせ、有効質量の大きな正孔のパイルアップは特に応答速度を低下させる。この現象は、窓層６０の電子濃度が低い場合に、より顕著になる。
このように、本実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードにおいては、低バイアス電圧時から光吸収層５０のｐ型領域８０側により高い電界が印加されるため、この電界が正孔のパイルアップの発生を抑制し、高速応答が実現できる。
【００３０】
さらに、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードによれば、ｐ型領域８０の周辺部の直下のアバランシェ増倍層３０でのみアバランシェ増倍が生じるエッジブレークダウンと呼ばれる現象を抑制することができる。
その理由を以下に説明する。
表面からのＺｎ拡散によって形成されたｐ型領域８０の界面は、図１に示したように、断面コーナー部で曲率を有している。このため、ｐ型領域８０の断面コーナー部でアクセプタとなるＺｎ濃度が低くなる、すなわち、ｎ型キャリアである電子の濃度が高くなる。
ここで、断面コーナー部の電界強度Ｅｃは、断面コーナー部の曲率半径をｒ、半径方向の電荷密度分布をρ、ε０を真空の誘電率、κを比誘電率とすれば、ポアソン方程式より、Ｃを定数として、
2010135360.tif 000003
で与えられる。式（２）からわかるように、電荷密度分布、この場合は、ｎ型キャリア濃度が高いほど断面コーナー部の電界強度Ｅｃは高くなる。ｐ型領域８０の断面コーナー部の電界強度Ｅｃが大きいと、相対的に、その直下のアバランシェ増倍層３０における電界強度が小さくなり、アバランシェ増倍層３０のエッジブレークダウンを抑制することができる。
【００３１】
また、アンドープ型光吸収層５１およびアンドープ型窓層６２には、意図的な不純物添加を行なっていないが、原料など含まれる不純物などにより僅かに導電性を有することがある。したがって、ｎ型光吸収層５２とｎ型窓層６１とは、このような意図的に不純物が添加されていない層より高い不純物濃度を有することが望ましい。また、ｎ型光吸収層５２とｎ型窓層６１とがｎ型であることにより、正孔の進行方向界面の電界強度を高めることができ、したがって、正孔のパイルアップを抑制することができる。さらには周辺部でのエッジブレークダウンを抑制することができる。
【００３２】
なお、本実施の形態では、光吸収層５０および窓層６０を共に複数層構成としたが、窓層６０は単一層構成としてもよい。また、光吸収層５０を複数の層構成としないで、一部もしくは全体にわたって、連続的にキャリア濃度（不純物濃度）が変化する層としても良い。
【００３３】
また、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードにおいては、光吸収層５０と窓層６０とが直接接するように構成されているが、図４に示すように、光吸収層５０と窓層６０との間に光吸収層５０と窓層６０との中間のエネルギーレベルの価電子帯を有するパイルアップ防止層１２０を設けてもよい。また、図５に示すように、光吸収層５０と窓層６０との間にＺｎの拡散を抑制するための拡散抑制層１３０を設けてもよい。パイルアップ防止層１２０および拡散抑制層１３０は、ｎ型である方がさらに好ましい。パイルアップ防止層１２０およびＺｎ拡散抑制層１３０がｎ型であることにより、正孔の進行方向界面での電界強度を高めることができ、したがって、正孔のパイルアップを抑制することができる。さらには周辺部でのエッジブレークダウンを抑制することができる。
【００３４】
さらに、本実施の形態では光吸収層５０をアバランシェ増倍層３０側からみて順にアンドープ型、ｎ型の二層構成の例を示したが、光吸収層５０は、アンドープ型とｎ型とｐ型を自由に組み合わせた二層以上の構成としてもよい。例えば、光吸収層５０をアバランシェ増倍層３０側からみて、順にアンドープ型−ｐ型としてもよい。また、順序を変更して、アバランシェ増倍層３０側からみて光吸収層５０をｎ型−アンドープ型、あるいは、アバランシェ増倍層３０側からみてｎ型−ｎ型、ｎ型−ｐ型、ｐ型−アンドープ型、ｐ型−ｎ型、ｐ型−ｐ型などとしてもよい。
ｐ型とｎ型とを組み合わせた場合、窓層６０側に向かって光吸収層５０の電界強度が下がるため、ｐ型とｎ型との双方のキャリア濃度範囲を広くすることができ、作製が容易になる効果がある。この場合、ｎ型キャリア濃度をより高くすることができるため、電界強度を高められパイルアップが抑制でき、さらには周辺部でのエッジブレークダウンを抑制できる。
【００３５】
また、光吸収層５０が三層以上の構成であっても二層の場合と同様の効果を奏する。その代表的な例をあげると、図６に示すように、光吸収層５０をアバランシェ増倍層３０側からみて順に、ｐ型光吸収層５３−アンドープ型光吸収層５１−ｎ型光吸収層５２の三層構成であってもよいし、図７に示すように、ｎ型光吸収層５４−ｐ型光吸収層５３−アンドープ型光吸収層５１−ｎ型光吸収層５２の四層構成であってもよい。これら三層および四層構成の例では、光吸収層５０中のｐ型部分（ｐ型光吸収層５３）によってｐ型部分に接している部分（アンドープ型光吸収層５１）の電界強度が下がり、これに続くｎ型光吸収層５２の電界強度を、その窓層６０側で高めることができるため、高速応答で低消費電力のアバランシェフォトダイオードを得ることができる。また、ｎ型部分とｐ型部分とは電界強度が互いに補償して釣合うように選択されている。
【００３６】
また、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードにおいては、ｎ型の基板１０に接してｎ電極１１０を設けたが、図８にその断面模式図を示すように、ｎ型のバッファ層２０を露出させるように加工し、バッファ層２０に接するようにｎ電極１１０を設けてもよい。図８のような構成にすることにより、基板１０を低抵抗にする必要がなくなるため、低抵抗のｎ型の基板１０に換えて、半絶縁性の基板を使用することができる。半絶縁性の基板を使用すると、素子容量を減少させることができ、さらに高速に動作するアバランシェフォトダイオードを得ることができる。また、半絶縁性の基板は光吸収が小さいため、基板側から光を入射させる裏面入射構造をとることもできる。
さらに、光の入射方向は、表面入射、裏面入射に加え横方向入射構造であってもよく、例えば導波路構造にすることにより、より素子容量を減少させ高速動作を得ることができる。
【００３７】
また、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードにおいては、図１に示したように空乏化したアバランシェ増倍層３０が側面に露出しているが、図９に示すように、表面側からアバランシェ増倍層３０の下側の層に至るまでリング溝２００を設け、リング溝２００の内部にまで保護膜９０を設けてアバランシェ増倍層３０の側面を保護してもよい。アバランシェ増倍層３０の側面を保護することにより、光が入射しないときの電流である暗電流を、低下させることができる。加えて、保護膜９０を設ける前にリング溝２００に露出する光吸収層５０の側面をわずかにエッチングすれば、さらに暗電流を低減できる。
【００３８】
さらに、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードにおいては、アバランシェ増倍層３０と電界調節層４０とを独立に設けたが、アバランシェ増倍層３０をｐ型の導電型として、アバランシェ増倍層３０と電界調節層４０を兼ねさせてもよい。また、本実施の形態のアバランシェ増倍層３０はＡｌＩｎＡｓ材料としたが、アバランシェ増倍層３０は正孔より電子のイオン化率が高いアバランシェ増倍層３０であればこれに限るものではなく、ＡｌＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰの４元層や、ＡｌＩｎＡｓ材料の層と他の組成の層を組み合わせた超格子構造であってもよい。
【００３９】
また、光吸収層５０からアバランシェ増倍層３０への電子の移動を容易にし、電子のパイルアップを抑制するため、アバランシェ増倍層３０と光吸収層５０との間に、図１０に示すように、電界調節層４０の代わりに伝導帯のバンド不連続を小さくする組成の伝導帯連続化層１４０を設けてもよい。伝導帯連続化層１４０をｐ型にして、図１に示したように電界調節層４０としての機能も合わせ持つようにしてもよいし、また、伝導帯連続化層１４０をアンドープ型またはｎ型にして、高電界を印加して電子の移動を助け高速応答させるようにしてもよい。
【００４０】
さらに、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードにおいては、光吸収層５０を二層構造の層構造としたが、層構成とせずともよく、一部もしくは全体にわたって、連続的にキャリア濃度が変化する層を用いても良い。
また、ｐ型領域８０を形成するためのアクセプタ不純物は、Ｚｎに限るものではなく、Ｃｄなど他のアクセプタ不純物であってもよい。
【００４１】
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２によるアバランシェフォトダイオードの概略構造を示す断面図である。図１１において、実施の形態１において二層構成であった窓層６０がｐ型窓層６３の一層で形成され、ｐ型窓層６３と光吸収層５０との間にエッチングストップ層１６０を設け、ｐ型窓層６３を２０μｍ〜１００μｍ径の所望の受光サイズの島状にするリング状の溝１５０を設けてあることの他は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明を省略する。
【００４２】
ここで、ｐ型窓層６３は厚さ０．５〜２．０μｍのＡｌＩｎＡｓ材料でキャリア濃度は０．３〜３×１０１６ｃｍ−３とし、エッチングストップ層１６０は膜厚０．０１〜０．０５μｍでキャリア濃度が０．３〜３×１０１６ｃｍ−３のｎ型でＩｎＰ材料とした。また、ｐ型でＧａＩｎＡｓ材料のコンタクト領域７０は、０．０１〜１×１０１５ｃｍ−３のキャリア濃度で厚さは０．１〜０．５μｍとした。
【００４３】
次に、本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードの製造方法の主な部分を説明する。まず、ｎ型でＩｎＰ材料の基板１０上に、ＭＯ−ＣＶＤ法やＭＢＥ法などを用いて、ｎ型でＩｎＰ材料のバッファ層２０、アンドープ型でＡｌＩｎＡｓ材料のアバランシェ増倍層３０、ｐ型でＩｎＰ材料の電界調節層４０、ＧａＩｎＡｓ材料のアンドープ型光吸収層５１、ＧａＩｎＡｓ材料のｎ型光吸収層５２、ＩｎＰ材料のエッチングストップ層１６０、ＡｌＩｎＡｓ材料のｐ型窓層６３、ｐ型でＧａＩｎＡｓ材料のコンタクト層を、基板側から順に、エピタキシャル成長する。
【００４４】
つづいて、コンタクト層を幅５〜１０μｍのリング状に残るようにエッチング加工して、ｐ型のコンタクト領域７０とする。次に、ｐ型窓層６３を２０ｕｍ〜１００ｕｍ径の所望の受光サイズの島状になるようにエッチングストップ層１６０までエッチングして、リング状の溝１５０を設ける。次に、ＳｉＮｘ材料の保護膜９０を形成し、コンタクト領域７０上の保護膜９０を除去し、その除去部分上にＴｉ／Ａｕ蒸着により第１電極１００を形成する。
【００４５】
実施の形態２のアバランシェフォトダイオードにおいては、Ｚｎ拡散工程を行なうことなく実施の形態１に示したアバランシェフォトダイオードと同様の特性を有するアバランシェフォトダイオードが得られ、実施の形態１と同様に、バイアス電圧が低い条件下でも一定の光感度や高速応答が得られ、低消費電力、高速応答で、製造が容易なアバランシェフォトダイオードを得ることができる。
【００４６】
また、本実施の形態によるアバランシェフォトダイオードにおいても、実施の形態１と同様に、受光部であるｐ型窓層６３は周辺部において極めて小さい曲率をもっているとみなすことができ、ｐ型窓層６３は周辺部において電子濃度が高くなる。ｐ型窓層６３の周辺部のエッチングストッパ層１６０や光吸収層５０において電子濃度が高くなるため、電界強度Ｅｃが大きくなり、相対的に、その直下のアバランシェ増倍層３０における電界強度が小さくなる。したがって、アバランシェ増倍層３０のエッジブレークダウンを抑制することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態においては、エッチングによって設けた溝１５０は、リング状としたが、これに限るものではなく、四角形や多角形、楕円など他の形状の溝１５０であってもよく、また、周辺全体を除去しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの動作中の深さ方向の電界強度分布図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図８】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図９】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態１におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態２におけるアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  基板、２０  バッファ層、３０  アバランシェ増倍層、４０  電界調節層、５０  光吸収層、６０  窓層、７０  コンタクト領域、８０  第２導電型領域、９０  保護膜、１００  第１電極、１１０  第２電極、１２０  パイルアップ防止層、１３０  拡散抑制層、１４０  伝導帯連続化層、１５０  溝、１６０  エッチングストップ層、２００  リング溝。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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