(57)【要約】  本発明の半導体受光素子は、半導体基板上に、第一の導電型の選択エッチング層と、第一の導電型の電界緩和層と、増倍層と、第二の導電型の電界緩和層と、第二の導電型の光吸収層と、第二の導電型の選択エッチング層と、第二の導電型のバッファ層と、第二の導電型のコンタクト層と、第二の導電型側電極とを、順に積層した層構造を有し、半導体基板上に、第二メサを形成し、第二メサ上には第一メサを形成し、第一メサは、第二の導電型のバッファ層と、第二の導電型のコンタクト層と、第二の導電型側電極を含み、第二メサは、第一の導電型の層と、増倍層と、第二の導電型の光吸収層と、第二の導電型の選択エッチング層とを含み、平面視において、第二メサの外周縁は、第一メサの外周縁より外側に位置し、第一メサと第二メサの表面は、パッシベーション膜で覆われている。
2008090733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第一の導電型の層と、アンドープ層と、第二の導電型の光吸収層と、第二の導電型の選択エッチング層と、第二の導電型のバッファ層と、第二の導電型のコンタクト層と、第二の導電型側電極とを、順に積層した層構造を有し、
前記半導体基板上に、第二メサを形成させ、前記第二メサ上に第一メサを形成させた半導体受光素子であって、
前記第一メサは、前記第二の導電型のバッファ層と、前記第二の導電型のコンタクト層と、前記第二の導電型側電極とを含み、
前記第二メサは、前記第一の導電型の層と、前記アンドープ層と、前記第二の導電型の光吸収層と、前記第二の導電型の選択エッチング層とを含み、
平面視において、前記第二メサの外周縁が前記第一メサの外周縁より外側に位置し、
少なくとも前記第二メサの側面がパッシベーション膜で覆われていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体受光素子において、前記半導体基板は、ＩｎＰ基板であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体受光素子は、アバランシェ・フォトダイオードであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４】
請求項１または２に記載の半導体受光素子は、ｐｉｎフォトダイオードであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型のバッファ層の不純物濃度は、２×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをｄ２ｓｅとしたとき、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項７】
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをｄ２ｓｅとしたとき、ｄ２ｓｅ≦０．２μｍであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項８】
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをｄ２ｓｅとしたとき、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅ≦０．２μｍであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎＰ又はＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体受光素子において、前記第一メサは、リンを含まないことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１１】
請求項１乃至８いずれかに記載された半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ）Ａｓで形成されることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体受光素子において、前記第一メサは、ＩｎＰまたはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成されることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１０いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成され、かつ、ｙ≦０．５であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１０いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓで形成され、かつ、ｙ≧０．２５であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４いずれかに記載の半導体受光素子において、前記光吸収層と前記第二の導電型の選択エッチング層は、前記第二の導電型の光吸収層の電界緩和量をΔＥａｂとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の電界緩和量をΔＥ２ｓｅとしたとき、
ΔＥａｂ＋ΔＥ２ｓｅ≦１００ｋＶ／ｃｍ
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の半導体受光素子において、
前記第二の導電型の光吸収層の層厚をｄａｂとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をＮａｂとしたとき、
ｄａｂ＝０．５μｍ、
Ｎａｂ＝１．０×１０１６ｃｍ−３、
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をｄ２ｓｅとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をＮ２ｓｅとしたとき、
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍ、
Ｎ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１７】
請求項１５に記載の半導体受光素子において、
前記第二の導電型の光吸収層の層厚をｄａｂとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をＮａｂとしたとき、
ｄａｂ＝１．０μｍ、
Ｎａｂ＝５．０×１０１５ｃｍ−３
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をｄ２ｓｅとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をＮ２ｓｅとしたとき、
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍ、
Ｎ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１８】
請求項１５に記載の半導体受光素子において、
前記第二の導電型の光吸収層の層厚をｄａｂとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をＮａｂとしたとき、
ｄａｂ＝１．５μｍ、
Ｎａｂ＝４×１０１５ｃｍ−３、
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をｄ２ｓｅとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をＮ２ｓｅとしたとき、
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍ、
Ｎ２ｓｅ≦１．２×１０１６ｃｍ−３
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項１９】
請求項１乃至１８いずれかに記載の半導体素子において、前記第二メサの水素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２０】
請求項１９に記載の半導体素子において、前記第二の導電型の光吸収層の水素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２１】
請求項１乃至１８いずれかに記載の半導体素子において、前記第二メサ中の水素の分布濃度の最大値が、５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２２】
請求項２１に記載の半導体素子において、前記第二の導電型の光吸収層の水素濃度の最大値が、５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体受光素子には、様々の種類があるが、その中でもＰＩＮ型フォトダイオード（ｐ−ｉ−ｎ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ、以下、ＰＩＮ−ＰＤと略す）が良く知られている。これは、半導体の低濃度層（Ｉ層）をｐ型層及びｎ型層で挟んで電界を印加し、Ｉ層で発生したフォトキャリアを走行させて光電流として検知するものである。【０００３】
一方で、光通信や計測の分野では、受光素子は感度が高ければ高いほど有用である。半導体中に強い電界を印加した際に発生する雪崩効果（アバランシェ効果）を利用して光電流を増幅させる機能をもったアバランシェ・フォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ、以下、ＡＰＤと略す）というデバイスがよく使われている。ＡＰＤの層構造には、増倍層という内部電界の高い層があり、この層内で連鎖反応的にイオン化を発生させて、光キャリアを増幅させる。この増幅過程の雑音は、２ｑＩＭ２Ｆで表されるショットノイズ起因の雑音であるため、熱雑音と同程度のレベルになるまで増幅させて検出器の感度を向上させることができる。【０００４】
ＡＰＤの材料やデバイス構造については、まず基板材料（Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｐ）によるもの、構造（プレーナ型とメサ型）により大きく分類できる。光通信で用いられるＡＰＤは、近年ではＩｎＰ基板上に形成したプレーナ型素子が多く用いられている。これは、光ファイバ通信で用いられる波長λ＝１．５５μｍの光を受光するため、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層として用いるのが都合が良いからである。このＩｎＧａＡｓを用いることで、室温にて波長１．６μｍ程度までの光を受光することができる。また、プレーナ型構造がよく用いられるのは、光通信で必要とされる長期信頼性を実現する構造であるためである。メサ型構造は、作製が容易ではあるが、プレーナ型と比較すると一般に長期信頼性で劣るといわれている。【０００５】
図６にメサ型ＡＰＤ素子の従来例を示す。
この従来のメサ型ＡＰＤ素子は、半導体基板６０１上に、ｎ型電界緩和層６０３、増倍層６０４、ｐ型電界緩和層６０５、ｐ型光吸収層６０６、ｐ型バッファ層６０８、ｐ型コンタクト層６０９を順に積層し、ｐｎ接合全体を一つのメサとしてエッチングにより形成されており、パッシベーション膜６１２が外部に形成されている。ｐ型電極６１０及びｎ型電極６１１をそれぞれ形成して、その他研磨や反射防止膜（ＡＲコート）形成工程、素子分離工程を経て、表面入射もしくは裏面入射型の半導体受光用のダイオードを作製する。
実際の文献としては、次のものが挙げられる。
【非特許文献１】Ｉ．Ｗａｔａｎａｂｅ，ｅｔ  ａｌ．，ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．１５，ＮＯ．６，ＪＵＮＥ  １９９７，ｐ．１０１２，"Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ"
【特許文献１】特表２００５−５３９３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来例の光通信用のＡＰＤでは、プレーナ型構造が主に用いられている。これは主に光通信用部品に要求される高い信頼性基準によるものである。しかしながら、プレーナ型構造は、表面の加工により内部の２次元電界を制御して作製しなければならず、設計や作製条件の把握、作製トレランスの確保などが難しい。したがって、開発期間や仕様決定、歩留まりなど、様々の制約要因が発生することになる。
一方で、メサ型は、構造が単純なため、設計や作製条件の把握がプレーナ型と比較して容易である。したがって、メサ型の信頼性を向上させることができれば、ＡＰＤの開発期間短縮や、設計及び仕様の変更等が迅速化され、コスト低減が可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、半導体基板上に、第一の導電型の層と、アンドープ層と、第二の導電型の光吸収層と、第二の導電型の選択エッチング層と、第二の導電型のバッファ層と、第二の導電型のコンタクト層と、第二の導電型側電極とを、順に積層した層構造を有し、半導体基板上に、第二メサを形成させ、第二メサ上に第一メサを形成させた半導体受光素子であって、第一メサは、第二の導電型のバッファ層と、第二の導電型のコンタクト層と、第二の導電型側電極とを含み、第二メサは、第一の導電型の層と、アンドープ層と、第二の導電型の光吸収層と、第二の導電型の選択エッチング層とを含み、平面視において、第二メサの外周縁が第一メサの外周縁より外側に位置し、少なくとも第二メサの側面がパッシベーション膜で覆われていることを特徴とする半導体受光素子が提供される。【０００８】
また、本発明の半導体受光素子は、アバランシェ・フォトダイオードとすることができる。【０００９】
また、本発明の半導体受光素子は、ｐｉｎフォトダイオードとすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、メサ型構造の半導体受光素子において、パッシベーション膜で被膜した部分の劣化を抑えることにより、長期信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成について説明する図である。
【図２】実施例１の半導体受光素子の構成を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の構成について説明する図である。
【図４】実施例２の半導体受光素子の構成を説明する図である。
【図５】実施例３の半導体受光素子の構成を示す図である。
【図６】メサ型アバランシェ・フォトダイオード素子の従来例を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。【００１３】
（第１の実施形態）
図１を用いて、本発明の第１の実施形態の構成について説明する。
第１の実施形態の半導体受光素子は、半導体基板１０１上に、第一の導電型の選択エッチング層１０２と、第一の導電型の電界緩和層１０３と、増倍層１０４（アンドープ層）と、第二の導電型の電界緩和層１０５と、第二の導電型の光吸収層１０６と、第二の導電型の選択エッチング層１０７と、第二の導電型のバッファ層１０８と、第二の導電型のコンタクト層１０９と、第二の導電型側電極１１０とを、順に積層した層構造を有する。【００１４】
この半導体基板１０１上には、第二メサが形成され、第二メサ上には第一メサが形成されている。第一メサは、第二の導電型のバッファ層１０８と、第二の導電型のコンタクト層１０９と、第二の導電型側電極１１０とを含んでいる。また、第二メサは、第一の導電型の選択エッチング層１０２と、第一の導電型の電界緩和層１０３と、増倍層１０４と、第二の導電型の電界緩和層１０５と、第二の導電型の光吸収層１０６と、第二の導電型の選択エッチング層１０７とを含んでいる。
平面視において、第二メサの外周縁は、第一メサの外周縁より外側に位置し、第一メサと第二メサの側面は、パッシベーション膜１１２で覆われている。【００１５】
第１の実施形態の半導体受光素子は、以下のように作製される。
まず、エピタキシャル結晶として、半導体基板１０１上に、半導体基板１０１から順に、第一の導電型の選択エッチング層１０２、第一の導電型の電界緩和層１０３、増倍層１０４、第二の導電型の電界緩和層１０５、第二の導電型の光吸収層１０６、第二の導電型の選択エッチング層１０７、第二の導電型のバッファ層１０８、第二の導電型のコンタクト層１０９、第二の導電型電極１１０を順に積層する。例えば、半導体基板１０１は、ＩｎＰ基板とすることができる。【００１６】
つづいて、第一メサエッチングにて、第二の導電型の選択エッチング層１０７より上部の第二の導電型のバッファ層１０８、第二の導電型のコンタクト層１０９を選択エッチングにて除去し、円形に第一メサ（第二の導電型のバッファ層１０８、第二の導電型のコンタクト層１０９、第二の導電型側電極１１０）を形成する。【００１７】
ここで、第二の導電型の選択エッチング層１０７は、ＩｎＰ又はＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成されていてもよい。このとき、第一メサは、リンを含まない構成とすることができる。
具体的には、第二の導電型のバッファ層１０８及び第二の導電型のコンタクト層１０９は、たとえば、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等のＡｓ系材料から形成する。また、第二の導電型の選択エッチング層１０７は、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ等のＰ系材料もしくはＰを含む材料から形成する。これらの材料を用いることにより、ウェットエッチングで選択比を取ることができる。この際、ウェットエッチング液として、酢酸・燐酸・過水などを用い、第一メサエッチングを行う。【００１８】
また、第二の導電型の選択エッチング層１０７は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ）Ａｓで形成されていてもよい。このとき、第一メサは、ＩｎＰまたはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成することができる。
具体的には、第二の導電型のバッファ層１０８及び第二の導電型のコンタクト層１０９は、たとえば、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ等のＰ系材料から形成する。また、第二の導電型の選択エッチング層１０７は、ＩｎＡｌＡｓ系材料もしくはＩｎＡｌＧａＡｓを含む材料から形成する。これらの材料を用いることにより、ウェットエッチングでもドライエッチングでも選択比を取ることができる。ウェットエッチング法の場合は塩酸・燐酸などを用いる。また、ドライエッチング法の場合はＣＨ４：Ｈ２：Ｃｌ２などを用いる。このようにして、第一メサエッチングを行い、選択的に第一メサを形成する。【００１９】
なお、第二の導電型の選択エッチング層１０７は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成され、かつ、ｙ≦０．５とすることもできる。また、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓで形成され、かつ、ｙ≧０．２５とすることもできる。これにより、第二の導電型のバッファ層１０８の外周（もしくは側壁）の直下部分での暗電流増大を効果的に防ぐことができる。【００２０】
第一のメサエッチングの後、第一メサより直径の大きいメサ直径にてマスクを形成し、第二メサエッチングにて、エピ層全体をエッチングし、ｐｎ接合を含む第二メサを形成する。【００２１】
この後、第一の導電型の選択エッチング層１０２に対して選択エッチングを行い、横方向（面内方向）に狭めた構造とすることもできる。この場合、組み合わせにもよるが、第二の導電型の選択エッチング層１０７も横方向（面内方向）に狭められた構造となる。【００２２】
そして、メサ全体にパッシベーション膜１１２を形成し、第一メサの上部にパッシベーション膜１１２の窓明けを行い、第二の導電型側電極１１０を形成する。また、第一の導電型側の電極１１１は、別途メサ周辺部等に形成する。研磨や反射防止膜（ＡＲコート）形成工程、素子分離工程を経て、第１の実施形態の半導体受光素子を作製する。【００２３】
第一の実施形態の半導体受光素子において、信頼性向上の効果を得るためには、第二メサ内の電界が、第一メサ下部で高く、第二メサの周辺部で低くなるようにすることが必要である。そこで、第一の実施形態の半導体受光素子の構造及び不純物濃度は、以下のようにすることができる。【００２４】
第一メサの直径をｄ１（μｍ）、第二メサの直径をｄ２（μｍ）とすると、１０≦ｄ１≦１００のとき、０<ｄ２−ｄ１<ｄ１×５とすることができる。
第二メサの第一のメサからの張り出し量（ｄ２−ｄ１）／２は、空乏層厚み（増倍層１０４、第二の導電型の電界緩和層１０５、第二の導電型の光吸収層１０６、第二の導電型の選択エッチング層１０７の合計厚み）より厚くなるようにする。これにより、電界変調の効果を高くすることができる。一般的な半導体受光素子の空乏層厚みは、１．０〜２．０μｍ程度である。そこで、（ｄ２−ｄ１）／２≧２．０μｍの条件を満たすようにすることにより、電界変調の効果が高まる。【００２５】
第二の導電型のバッファ層１０８の電界緩和量ΔＥ２ｂは、少なくとも増倍電界の９０％以上を緩和する値とする。電界緩和量ΔＥ２ｂは、第二の導電型のバッファ層１０８の層厚ｄ２ｂと不純物濃度Ｎ２ｂの積から決まるので、例えば、ｄ２ｂ＝０．１μｍ、Ｎ２ｂ＝１×１０１８ｃｍ−３の組み合わせにすれば、十分な電界緩和量を与えることができる。【００２６】
第一の導電型の選択エッチング層１０２の不純物濃度Ｎ１ｓｅは、抵抗が十分低くなるようにする。例えば、第一の導電型の選択エッチング層１０２の不純物濃度Ｎ１ｓｅは、Ｎ１ｓｅ>２×１０１７ｃｍ−３とすることができる。【００２７】
第二の導電型のバッファ層１０８の不純物濃度Ｎ２ｂは流れる電流の抵抗が十分低くなるようにする。例えば、第二の導電型のバッファ層１０８の不純物濃度Ｎ２ｂは、２×１０１７ｃｍ−３以上とすることができる。【００２８】
また、第二の導電型側の空乏層終端位置は、第二の導電型の選択エッチング層１０７と第二の導電型のバッファ層１０８との界面近傍（±０．１μｍ程度）か、第二の導電型のバッファ層１０８の内部に位置させるようにすることができる。
つまり、第二の導電型の光吸収層１０６と第二の導電型の選択エッチング層１０７は、第二の導電型の光吸収層１０６の電界緩和量をΔＥａｂとし、第二の導電型の選択エッチング層１０７の電界緩和量をΔＥ２ｓｅとしたとき、ΔＥａｂ＋ΔＥ２ｓｅ≦１００ｋＶ／ｃｍの関係を満たすようにすることができる。【００２９】
電界緩和量は、不純物濃度Ｎ、層厚ｄ、電荷素量ｅ０、真空の誘電率ε０、比誘電率εｒとすると、
ΔＥ＝Ｎ×ｄ×ｅ０／（ε０×εｒ）
で表現できる。
この式から上記条件を満たす組み合わせは、第二の導電型の光吸収層１０６の層厚をｄａｂとし、不純物濃度をＮａｂとし、第二の導電型の選択エッチング層１０７の層厚をｄ２ｓｅとし、不純物濃度をＮ２ｓｅとしたとき、
（１）ｄａｂ＝０．５μｍ、Ｎａｂ＝１．０×１０１６ｃｍ−３、の場合：
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍのとき、Ｎ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３
ｄ２ｓｅ＝０．２μｍのとき、Ｎ２ｓｅ≦１×１０１６ｃｍ−３
（２）ｄａｂ＝１．０μｍ、Ｎａｂ＝５．０×１０１５ｃｍ−３、の場合：
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍのとき、Ｎ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３
ｄ２ｓｅ＝０．２μｍのとき、Ｎ２ｓｅ≦１×１０１６ｃｍ−３
（３）ｄａｂ＝１．５μｍ、Ｎａｂ＝４×１０１５ｃｍ−３、の場合：
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍのとき、Ｎ２ｓｅ≦１．２×１０１６ｃｍ−３
ｄ２ｓｅ＝０．２μｍのとき、Ｎ２ｓｅ≦０．６×１０１６ｃｍ−３
の関係を満たすようにすることができる。【００３０】
第二の導電型の選択エッチング層１０７の電界緩和量ΔＥ２ｓｅが同一の条件では、動作電圧を下げるために、第二の導電型の選択エッチング層１０７の厚みをｄ２ｓｅとしたとき、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅとすることができる。また、選択エッチングの機能を保持させるために、ｄ２ｓｅ≦０．２μｍとすることもできる。
したがって、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅ≦０．２μｍとすれば、選択エッチングの機能を保持させつつ、動作電圧を下げることができ、電界変調の効果を得ることができる。【００３１】
以下に、第１の実施形態の効果を詳細に述べる。【００３２】
図１で示すように、本実施の形態の発明によれば、メサ型構造の半導体受光素子において、第二の導電型側電極１１０と、第二の導電型のコンタクト層１０９と、第二の導電型のバッファ層１０８とを含む第一メサを介して光を入射させ、平面視にて第一メサの外周縁の外側に位置する第二のメサに含まれる第二の導電型の光吸収層１０６で受光させることができる。または、基板１０１より光を入射させ、光吸収層１０６で受光することができる。この場合は第二の導電型電極１１０により反射した光も光吸収層１０６で受光できる。この素子に動作電圧となる適当な電圧を印加した場合に、第二の導電型の光吸収層１０６、及びその下部のアンドープ層（増倍層１０４）と第一の導電型の層（第一の導電型の選択エッチング層１０２、第一の導電型の電界緩和層１０３）領域に渡って、パッシベーション膜１１２界面を有する側壁部分の電界を低くすることができ、第一メサの直下部分と比較して、第二メサの側壁や第一のメサの側壁は、相対的に電界が下がり、電流が流れにくくなる。したがって、パッシベーション膜１１２界面に流れる電流も相対的に下がることとなり、パッシベーション膜１１２界面の劣化を抑えることができ、半導体受光素子の長期信頼性を確保することが可能となる。【００３３】
図６で示した従来のメサ型半導体受光素子では、空乏層中の電界分布が一次元的な分布となるが、第１の実施形態の受光半導体素子では、空乏層の等電位面が変調を受ける。つまり、第二の導電型の光吸収層及び第一の電界緩和層、増倍層の領域に渡って、半導体素子／パッシベーション膜界面を有する側壁部分に比較して第二の導電型のバッファ層の外周（もしくは側壁）の直下部分の電界が高くなる。換言すると、第二の導電型層のうち、狭い第一メサの直下部分と比較して、広い第二メサかつ狭い第一メサの外側では相対的に電界が下がり、電流が流れにくくなるのである。したがって、増倍動作中の半導体素子／パッシベーション膜界面で発生する電流量を相対的に低減することができ、界面の劣化を抑えることができる。【００３４】
また、光が入っていないときは、暗電流の発生は電界強度に影響を受けるが、光キャリアがない状態の暗電流の流れに関して、半導体素子／パッシベーション膜界面に対して内部の電界の方が高くなる。つまり、半導体素子／パッシベーション界面部分での電界は、受光面内で相対的に下がることとなる。したがって、ダークキャリアの発生率が層構造内部で高まり、相対的に暗電流の発生量を下げることが出来るため、光入射のない状態でも側壁での電流を低減した動作が可能であり、高い電圧での動作時にも暗電流の発生を抑えることができる。【００３５】
第二の導電型のバッファ層の外周（もしくは側壁）の直下部分の内部電界は、等電位面の曲がりが最もきつくなり、局所的な電界上昇が発生する。そこで、第二の選択エッチング層の材料を第二の導電型の光吸収層に用いる材料に比較して十分バンドギャップ（Ｅｇ）が大きな材料にすることが有効である。例えば、第二の導電型の光吸収層にＩｎＧａＡｓを用いたとき、第二の導電型の選択エッチング層には、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ（ｙ≧０．２５）を用いる。また、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）（ｙ≦０．５））とする。これにより、第二の導電型のバッファ層の外周（もしくは側壁）の直下部分での暗電流増大を効果的に防ぐことができる。【００３６】
第１の実施形態の半導体受光素子を用いることにより、メサ型素子構造の長期信頼性を向上させることが可能となり、高速・高感度・高信頼なメサ型半導体受光素子を低コストで作製することができる。これにより、例えば、ギガビットアクセス系のような、従来に比べて非常に高速なアクセスネットワークに対しても低コストな光受信機を提供できるようになり、光アクセスネットワークの普及を図ることが出来る。
【実施例１】
【００３７】
実施例１の半導体受光素子の構成を表１及び図２に示す。
【表１】
2008090733.tif 000003
【００３８】
実施例１の半導体受光素子は、以下のように作製される。
エピタキシャル結晶として、半導体基板上２０１から順に、ｎ型選択エッチング層２０２、ｎ型バッファ層２０３、増倍層２０４、ｐ型電界緩和層２０５、ｐ型光吸収層２０６、ｐ型選択エッチング層２０７、ｐ型バッファ層２０８、ｐ型コンタクト層２０９、ｐ型電極２１０を順に積層する。【００３９】
まず、第一メサエッチングにて、ｐ型選択エッチング層２０７より上部のｐ型バッファ層２０８、ｐ型コンタクト層２０９を選択エッチングにて除去して円形の第一メサを形成する。ここで、第一メサの直径ｄ１が、ｄ１＝１０、２０、３０、５０、１００μｍとなるようにそれぞれ作製する。【００４０】
その後、第二メサエッチングにて、第一メサと同心円状でマスクを形成してエッチングし、ｐｎ接合を含む第二メサを形成する。このとき、第二メサの直径ｄ２が、ｄ２＝ｄ１＋２、５、１０、２０μｍとなるようにそれぞれ作製する。メサの高さは、エピ層厚より高くする。この実施例の場合、２．６μｍ以上、エッチング深さの最深部とメサ最上部の高低差が３〜５μｍ程度を想定する。【００４１】
メサ全体にパッシベーション膜２１２を形成する。パッシベーション膜２１２に電極用窓あけ後、ｐ型電極２１０をメサ上部に形成し、ｎ型電極２１１はメサ外周にてｎ型半導体層（若しくはｎ基板）とコンタクトさせ、メサ上部まで配線し、実装に備える。【００４２】
このように形成した半導体素子は、ｐ型光吸収層２０６及びｐ型電界緩和層２０５、増倍層２０４の領域に渡って半導体素子とパッシベーションとの膜界面を有する側壁部分に比較して選択エッチング層の側壁の直下部分の電界が高くなる。ｄ２を大きくした素子ほどこの効果は大きくなる。これにより、増倍動作中は半導体素子とパッシベーション膜との膜界面で発生する電流量が相対的に低減されて、信頼性向上効果を得る。【００４３】
また、光キャリアがない状態の暗電流の流れに関して、半導体素子／パッシベーション膜界面起因のダークキャリアと比較して層構造内部で発生する暗電流が多くなり、光入射のない状態でも側壁電流が相対的に少ない動作が可能である。一方で、暗電流量は、ｄ１及びｄ２に依存するため、ｄ１が大きいほど、また、同一のｄ１ではｄ２が大きいほど暗電流が大きくなるため、これらの素子では感度が下がる傾向にある。したがって、素子の用途（アプリケーション）によりｄ１、ｄ２を適当に決定することができる。【００４４】
（第２の実施形態）
図３を用いて、本発明の第２の実施形態の構成について説明する。第２の実施形態の半導体受光素子は、半導体基板３０１上に、第一の導電型の選択エッチング層３０２と、第一の導電型のバッファ層３０３と、と、増倍層３０４（アンドープ層）と、第二の導電型の電界緩和層３０５と、第二の導電型の光吸収層３０６と、第二の導電型の選択エッチング層３０７と、第二の導電型のバッファ層３０８と、第二の導電型のコンタクト層３０９と、第二の導電型側電極３１０とを、順に積層した層構造を有する。【００４５】
この半導体基板３０１上には、第二メサが形成され、第二メサ上に第一メサが形成されている。第一メサは、第二の導電型のバッファ層３０８と、第二の導電型のコンタクト層３０９と、第二の導電型側電極３１０とを含んでいる。また、第二メサは、第一の導電型の選択エッチング層３０２と、第一の導電型のバッファ層３０３と、増倍層３０４（アンドープ層）と、第二の導電型の電界緩和層３０５と、第二の導電型の光吸収層３０６と、第二の導電型の選択エッチング層３０７とを含んでいる。平面視において、第二メサの外周縁が第一メサの外周縁より外側に位置し、第一メサと第二メサの側面は、パッシベーション膜で覆われている。【００４６】
第２の実施形態の半導体受光素子は、以下のように作製される。
まず、エピタキシャル結晶として、半導体基板３０１上に、半導体基板３０１から順に、第一の導電型の選択エッチング層３０２、第一のバッファ層３０３、増倍層３０４と、第二の導電型の電界緩和層３０５、第二の導電型の光吸収層３０６、第二の導電型の選択エッチング層３０７、第二の導電型のバッファ層３０８、第二の導電型のコンタクト層３０９を順に積層する。例えば、半導体基板３０１は、ＩｎＰ基板とすることができる。【００４７】
つづいて、第一メサエッチングにて、第二の導電型の選択エッチング層３０７より上部の第二の導電型のバッファ層３０８、第二の導電型のコンタクト層３０９を選択エッチングにて除去し、円形に第一メサ（第二の導電型のバッファ層３０８、第二の導電型のコンタクト層３０９、第二の導電型側電極３１０）を形成する。【００４８】
ここで、増倍層３０４、第二の導電型の電界緩和層３０５、第二の導電型の光吸収層３０６は、Ａｓ系材料（例えば、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓなど）で形成する。
このとき、第二の導電型の選択エッチング層３０７は、ＩｎＰ及びＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）いずれかで形成することができる。具体的には、第二の導電型の選択エッチング層３０７には、Ｐ系材料もしくはＰを含む材料（例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ）を用いる。このような材料を用いることにより、ウェットエッチングで選択比を取ることができるが、この場合、選択比は必ずしも大きくなくてもよい。この際、ウェットエッチング液として、酢酸・燐酸・過水などを用いて第一メサエッチングを行う。【００４９】
その後、第一メサより直径の大きいメサ直径にてマスクを形成し、第二メサエッチングにて、エピ層全体をエッチングし、ｐｎ接合を含む第二メサ（第一の導電型の選択エッチング層３０２と、第一の導電型のバッファ層３０３と、増倍層３０４と、第二の導電型の電界緩和層３０５と、第二の導電型の光吸収層３０６と、第二の導電型の選択エッチング層３０７）を形成する。
ここで、第一メサの表面上に形成するマスクの厚みは、０．５μｍ以上とすることができる。マスクの厚みの上限は特に定めないが、１．０μｍ以下とするとより好ましい。【００５０】
第二メサエッチングの後、第一の導電型の選択エッチング層３０２に対して選択エッチングを行い、横方向（面内方向）に狭めた構造としてもよい。この場合、組み合わせにもよるが、第二の導電型のエッチング層３０７も横方向（面内方向）に狭められた構造となる。【００５１】
つづいて、第二メサエッチングの後、表面側より水素化処理を行い、水素パッシベーション３１３を形成する。水素化処理は、水素アニール、水素を含む原料によるプラズマ照射による。または、水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜３１２を形成すれば、この水素化処理工程を省くことが可能である。水素化処理は、第一メサ上に厚膜のマスクを形成することにより、第一メサの水素化を防止できる。これにより、第一メサエッチングと第二メサエッチングの間に水素化処理を行っても同様の効果を得ることができる。【００５２】
水素化処理による水素パッシベーション３１３を形成の際、及び水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜３１２の形成の際に第一メサの上面にて水素パッシベーション効果が発生すると、第二の導電型側電極３１０とのコンタクト抵抗や第二の導電型のコンタクト層３０９の抵抗が上昇する恐れがある。そこで、水素処理による水素パッシベーション３１３の形成の際、または水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜３１２形成工程の前に、第一メサ上部に水素パッシベーションを与えないパッシベーション膜３１４を形成する。これにより、第二の導電型のパッシベーション効果が最小になり、第二の導電型側電極３１０や第二の導電型のコンタクト層３０９における抵抗の上昇を避けることができる。【００５３】
また、別の手法として、第二の導電型の選択エッチング層３０７は、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓで形成させ、かつ、ｙ≧０．２５とする。このように、第二の導電型の選択エッチング層３０７としてＡｌを多く含む層を用いることにより、第一メサエッチングの際に、水素パッシベーション効果のないマスクを使えるようになる。このとき、第二の導電型のバッファ層３０８、および第二の導電型のコンタクト層３０９には、Ａｌ組成が小さい（＜２５％）、または、Ａｌを含まない層を用いる。そして、水素ガスを含むレシピのドライエッチング（例えば、ＣＨ４：Ｈ２：Ｃｌ２系）のドライエッチングにより、第二の導電型の選択エッチング層３０７までエッチングを行う。【００５４】
この方法では、第二の導電型の選択エッチング層３０７のＡｌ組成を高めることにより、エッチングの選択比を高めることができる。
また、この方法を用いた場合には、装置構成（ＲＩＥ、ＩＣＰ−ＲＩＥ等）やデポ条件（ＲＦ出力やガスのレシピ、エッチングレート、エッチング時間）や基板温度（２５℃（室温）〜３００℃）に依存して、エッチングガス起因の第二メサの上表面に対して水素パッシベーションを施すことが可能となる。【００５５】
上記種々の方法により施されたパッシベーション膜を電極用窓あけした後、第一の導電側電極３１１はメサ周辺部等に形成し、その他研磨や反射防止膜（ＡＲコート）形成工程、素子分離工程を経て、第２の実施形態の半導体受光素子を作製する。【００５６】
第２の実施形態の半導体受光素子において、信頼性向上の効果を得るために、第二メサ内の電界が、第一メサ下部で高く、第一メサの周辺部で低くなるようにする。そこで、構造及び不純物濃度の関係を以下のようにすることができる。【００５７】
第一のメサの直径をｄ１（μｍ）、第二のメサの直径をｄ２（μｍ）とすると、１０≦ｄ１≦１００のとき、０<ｄ２−ｄ１<ｄ１×５とすることができる。【００５８】
第一の導電型のバッファ層３０３の電界緩和量ΔＥ１ｂは、少なくとも増倍電界の９０％以上を緩和する値とする。電界緩和量ΔＥ１ｂは、第一の導電型のバッファ層３０３の層厚ｄ１ｂと不純物濃度Ｎ１ｂの積から決まるので、例えば、ｄ１ｂ＝０．１μｍ、Ｎ１ｂ＝１×１０１８ｃｍ−３の組み合わせにすれば、十分な電界緩和量を与えることができる。【００５９】
第一の導電型の選択エッチング層３０２の不純物濃度Ｎ１ｓｅは、抵抗が十分低くなるようにする。例えば、第一の導電型の選択エッチング層３０２の不純物濃度Ｎ１ｓｅは、Ｎ１ｓｅ>２×１０１７ｃｍ−３とすることができる。【００６０】
また、第二の導電型の光吸収層３０６と第二の導電型の選択エッチング層３０７は、第二の導電型の光吸収層３０６の電界緩和量をΔＥａｂとし、第二の導電型の選択エッチング層３０７の電界緩和量をΔＥ２ｓｅとしたとき、ΔＥａｂ＋ΔＥ２ｓｅ≦１００ｋＶ／ｃｍの関係を満たすようにすることができる。これを実現するためには、第二の導電型の光吸収層３０６の層厚ｄａｂと濃度Ｎａｂの積がある一定値より小さくなるようにする。【００６１】
水素パッシベーションの効果は、処理方法にも依存するが、水素化処理を実施後、表面から内部にいくに従って指数関数的に効果が減少するように、若しくはある特定の深さにてピークを持ち、それより内部にいくに従って指数関数的に効果が減少するように現れる。第二メサの表面における水素濃度は、処理方法にも依存するが、１×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下とすることができる。また、第二の導電型の光吸収層３０６の表面における水素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下とするとより好ましい。この範囲において、水素パッシベーション効果を好適に得ることができる。この水素パッシベーションを適用した第二の導電型のドーピング領域では、水素パッシベーション効果の分だけ第二の導電型の不純物濃度が下がったように動作する。水素パッシベーションが表面で最大５×１０１７ｃｍ−３、深さ１μｍで表面比１桁程度減衰するように傾斜的に影響を与えたとすると、この効果の分だけ不純物濃度を高くすることができる。したがって、第二メサ中の水素の分布濃度の最大値は、５×１０１７ｃｍ−３以上とすると好ましく、第二の導電型の光吸収層３０６の水素濃度の最大値が５×１０１７ｃｍ−３以上とするとより好ましい。【００６２】
第二の導電型の光吸収層３０６の不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３程度で作製することができるが、水素パッシベーションを施すと、光吸収層の第二メサの表面側では、以下の関係を満たすように、Ｎａｂを決定することができる。
（１）ｄａｂ≦０．５μｍでは、
第二の導電型の電界緩和層３０５側では、Ｎａｂ≦７．０×１０１７ｃｍ−３、
（２）０．５μｍ≦ ｄａｂ≦１．０μｍでは、
第二の導電型の電界緩和層３０５側では、Ｎａｂ≦６×１０１６ｃｍ−３、
（３）１．０μｍ≦ ｄａｂ≦２．０μｍでは、
表面側より１．０μｍ以上の領域が、Ｎａｂ≦５．６×１０１７ｃｍ−３、
以上のように、表面側から１．０μｍ以内の領域では、水素パッシベーション量と同等の濃度までＮａｂを高めることができる。このとき、水素パッシベーション３１３の効果と同様に濃度傾斜構造をつけると、さらにＮａｂを高くすることができる。【００６３】
図３で示すように、このように形成した半導体受光素子では、第二の導電型の光吸収層３０６及び第二の導電型の電界緩和層３０５、増倍層３０４の領域に渡って半導体素子／水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜３１２界面を有する側壁部分に比較して第二の導電型のバッファ層３０８の外周（もしくは側壁）の直下部分の電界が高くなる。電界分布の変調効果は水素化処理を行うことでより高まる。バイアスでみると、この効果は空乏層が第二の導電型の光吸収層３０６に伸びた状態（パンチスルー）より高いバイアスにおいて、この効果をはっきり見出すことができる。この効果により、光が入射している場合でもしていない場合でも増倍動作中は半導体／水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜３１２界面で発生する電流量が第一メサ直下の電流と比較して相対的に低減され、半導体／パッシベーション界面の劣化を防ぎ、信頼性向上効果を得ることができる。【００６４】
また、第２の導電型のバッファ層３０８の外周（もしくは側壁）の直下部分の内部電界は、等電位面が曲線を描くことから局所的な電界上昇が発生する。そこで、この部分での暗電流増大を防ぐため、第二の導電型の選択エッチング層３０７の材料を第二の導電型の光吸収層３０６に用いる材料（ＩｎＧａＡｓ）に比較して十分バンドギャップＥｇが大きな材料（ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ：（ｙ>１）、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）：ｙ<１）にすることが有効である。
【実施例２】
【００６５】
実施例２の半導体受光素子の構成を表２及び図４に示す。
実施例２の半導体受光素子は、水素パッシベーションを利用して電界制御を行い、内部電界を高めパッシベーション界面との電界を下げた構造を有する。
【表２】
2008090733.tif 000004
【００６６】
実施例２の半導体受光素子は、以下のように作製される。
エピタキシャル結晶として、半導体基板４０１上から順に、ｎ型選択エッチング層４０２、ｎ型バッファ層４０３、増倍層４０４、ｐ型電界緩和層４０５、ｐ型光吸収層４０６、ｐ型選択エッチング層４０７、ｐ型バッファ層４０８、ｐ型コンタクト層４０９を順に積層する。【００６７】
つづいて、第一メサエッチングにて、ｐ型選択エッチング層４０７より上部のｐ型バッファ層４０８、ｐ型コンタクト層４０９、ｐ型電極４１０を選択エッチングにて除去して円形の第一メサを形成する。ここで、第一メサの直径ｄ１が、ｄ１＝１０、２０、３０、５０、１００μｍとなるようにそれぞれ作製する。【００６８】
その後、第二メサエッチングにて、第一メサと同心円状の大きなメサ直径ｄ２のＳｉＯ２などの水素パッシベーションを与えないパッシベーション膜４１４をマスクとして形成してエッチングし、ｐｎ接合を含む第二メサを形成する。メサ高さは、エピ層厚より高いものとする。この実施例の場合、２．６μｍ以上、エッチング深さの最深部とメサ最上部の高低差が３〜５μｍ程度を想定する。【００６９】
メサ表面から水素化処理して水素パッシベーション４１３を施した後、メサ全体に水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜４１２を形成する。２層のパッシベーション膜に電極用窓あけ後、ｐ型電極４１０をメサ上部に形成し、ｎ型電極４１１はメサ外周にてｎ型半導体層（若しくはｎ基板）とコンタクトさせ、メサ上部まで配線し、実装に備える。【００７０】
このように形成した半導体受光素子では、ｐ型光吸収層４０６及びｐ型電界緩和層４０５、増倍層４０４の領域に渡って半導体素子／パッシベーション膜界面を有する側壁部分に比較して選択エッチング層の側壁の直下部分の電界が高くなる。ｄ２を大きくした素子ほどこの効果は大きくなる。これにより、増倍動作中は半導体素子／パッシベーション膜界面で発生する電流量が相対的に低減されて、信頼性向上効果を得る。
また、光キャリアがない状態の暗電流の流れに関して、半導体素子／パッシベーション膜界面起因のダークキャリアと比較して層構造内部で発生する暗電流が多くなり、光入射のない状態でも側壁電流が相対的に少ない動作が可能である。
一方で、暗電流量は、ｄ１及びｄ２に依存する。ｄ１が大きいほど、また同一のｄ１ではｄ２が大きいほど暗電流は大きくなり、また最大増倍率が下がる傾向にある。このため、素子の用途（アプリケーション）によりｄ１、ｄ２を適当に決定することができる。
【実施例３】
【００７１】
実施例３の半導体受光素子の構成を表３及び図５に示す。
実施例３の半導体受光素子は、水素パッシベーションを利用して電界制御を行い、内部電界を高めパッシベーション界面との電界を下げたＰＩＮ−ＰＤ構造を有する。
【表３】
2008090733.tif 000005
【００７２】
実施例３の半導体受光素子は、以下のように作製される。
エピタキシャル結晶として、半導体基板５０１上から順に、ｎ型選択エッチング層５０２、ｎ型バッファ層５０３、ｎ型走行層５０４、ｐ型光吸収層５０６、ｐ型選択エッチング層５０７、ｐ型バッファ層５０８、ｐ型コンタクト層５０９を順に積層する。【００７３】
つづいて、第一メサエッチングにて、ｐ型選択エッチング層５０７より上部のｐ型バッファ層５０８、ｐ型コンタクト層５０９を選択エッチングにて除去して円形の第一メサを形成する。ここで、第一メサの直径ｄ１が、ｄ１＝１０、２０、３０、５０、１００μｍとなるようにそれぞれ作製する。【００７４】
その後、第二メサエッチングにて、第一メサと同心円状で大きなメサ直径ｄ２（ｄ２＝ｄ１＋２、５、１０、２０μｍ）のＳｉＯ２などの水素パッシベーションを与えないパッシベーション膜５１４をマスクとして形成してエッチングし、ｐｎ接合を含む第二メサを形成する。メサ高さは、エピ層厚より高いものとする。この実施例の場合、２．６μｍ以上、エッチング深さの最深部とメサ最上部の高低差が３〜５μｍ程度を想定する。【００７５】
メサ表面から水素化処理をして水素パッシベーション５１３を施した後、メサ全体に水素化処理を与えるパッシベーション膜５１２を形成する。２層のパッシベーション膜に電極用窓あけ後、ｐ型電極５１０をメサ上部に形成し、ｎ型電極５１１はメサ外周にてｎ型半導体層（若しくはｎ型基板）とコンタクトさせ、メサ上部まで配線し、実装に備える。このように形成した半導体素子では、ｐ型光吸収層５０６、ｎ型走行層５０４の領域に渡って半導体／保護膜界面を有する側壁部分に比較して選択エッチング層の側壁の直下部分のほうが電界が高くなる。ｄ２を大きくした素子ほどこの効果は大きくなる。これにより、増倍動作中は半導体素子／パッシベーション膜界面で発生する電流量が相対的に低減されて、信頼性向上効果を得る。また、光キャリアがない状態の暗電流の流れに関して、半導体素子／パッシベーション保護膜界面起因のダークキャリアと比較して層構造内部で発生する暗電流が多くなり、光入射のない状態でも側壁電流が相対的に少ない動作が可能である。一方で、暗電流量は、ｄ１及びｄ２に依存する。ｄ１が大きいほど、また、同一のｄ１ではｄ２が大きいほど暗電流が大きくなるため、これらの素子では感度が下がる傾向にある。このため、半導体素子の用途（アプリケーション）により、ｄ１、ｄ２を適当に決定する。【００７６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、実施例では、第二メサを形成した後、メサ表面から水素化処理をして水素パッシベーションを施す例を示したが、第二メサを形成する前に、水素化処理をしてもよい。第二メサを形成する前に水素化処理をした場合でも、本発明で意図する構造とほぼ同一であり、その効果も同様に得ることができる。【００７７】
また、本実施形態の半導体受光素子は、アバランシェ・フォトダイオードとすることができる。従来のアバランシェ・フォトダイオードは長期信頼性を確保しつつ、作製を容易にすることができなかった。しかしながら、本発明によれば、長期信頼性を確保し、開発期間の短縮や、設計及び使用の変更等を迅速化し、コストを低減させることが可能なアバランシェ・フォトダイオードを提供することができる。【００７８】
また、本実施形態の半導体受光素子は、ｐｉｎフォトダイオードとすることができる。従来のｐｉｎフォトダイオードは長期信頼性を確保しつつ、作製を容易にすることができなかった。しかしながら、本発明によれば、長期信頼性を確保し、開発期間の短縮や、設計及び使用の変更等を迅速化し、コストを低減させることが可能なｐｉｎフォトダイオードを提供することができる【００７９】
また、本発明は以下の構成を採用することもできる。
（１）半導体基板上に第一の導電型の層、アンドープ層、第二の導電型の光吸収層、第二の導電型の選択エッチング層、第二の導電型のバッファ層、の順に積層する構造で、ＰＮ接合全体がメサ状に形成されるメサ型半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層とその上部が第一メサ、選択エッチング層とその下部が第一メサより広い第二メサの二つの大きさのメサからなる半導体受光素子。
（２）（１）に記載の半導体受光素子のうち、ＩｎＰ基板上に形成された半導体受光素子。
（３）（２）に記載の半導体素子のうち、アバランシェ・フォトダイオードである半導体受光素子。
（４）（２）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層濃度が２×１０ｅ１７ｃｍ−３以上である半導体受光素子。
（５）（１）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層の厚みｄ２ｓｅが、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅである半導体受光素子。
（６）（１）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層の厚みｄ２ｓｅが、ｄ２ｓｅ≦０．２μｍである半導体受光素子。
（７）（１）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層の厚みｄ２ｓｅが、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅ≦０．２μｍである半導体受光素子。
（８）（１）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層がＩｎＰもしくはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成されている半導体受光素子。
（９）（８）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層のバンドギャップが、ＩｎＧａＡｓに比較して十分多い（ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）、ｙ＜０．５）素子。
（１０）（８）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層より上部がＰを含まない半導体受光素子。
（１１）（１）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層がＩｎＡｌＡｓもしくはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成されている半導体受光素子。
（１２）（１０）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層のバンドギャップが、ＩｎＧａＡｓに比較して十分多い（ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ），ｙ＜０．５または（ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ：（ｙ＞０．２５）素子。
（１３）（１０）に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層より上部が、ＩｎＰもしくはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成される半導体受光素子。
（１４）（１）に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔＥａｂと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔＥ２ｓｅの合計は、１００ｋＶ／ｃｍ以下になる組み合わせである半導体受光素子。
（１５）（１）に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔＥａｂと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔＥ２ｓｅの合計は、１００ｋＶ／ｃｍ以下になる組み合わせ、光吸収層厚ｄａｂ＝０．５μｍ，濃度Ｎ２ａｂ＝１．０×１０ｅ１６ｃｍ−３、の場合ｄ２ｓｅ＝０．１μｍでＮ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３を満たす半導体受光素子。
（１６）（１）に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔＥａｂと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔＥ２ｓｅの合計は、１００ｋＶ／ｃｍ以下になる組み合わせ、ｄａｂ＝１．０μｍ、濃度Ｎ２ａｂ＝５．０×１０１５ｃｍ−３、の場合にｄ２ｓｅ＝０．１μｍでＮ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３を満たす半導体受光素子。
（１７）（１）に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔＥａｂと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔＥ２ｓｅの合計は、１００ｋＶ／ｃｍ以下になる組み合わせ、ｄａｂ＝１．５μｍ、濃度Ｎ２ａｂ＝４×１０１５ｃｍ−３、の場合ｄ２ｓｅ＝０．１μｍでＮ２ｓｅ≦１．２×１０ｅ１６ｃｍ−３を満たす半導体受光素子。
（１８）（１）に記載の半導体素子について、第一メサより外周にある第二メサ部分の水素濃度が少なくとも１×１０１６ｃｍ−３程度以上含有する半導体受光素子。
（１９）（１）に記載の半導体素子について、第一メサより外周にある第二メサ部分の水素濃度の分布が、その最大値において少なくとも５×１０１７ｃｍ−３程度以上含有する半導体受光素子。
（２０）（１）に記載の半導体素子について、第二メサの水素化処理工程の際に０．５μｍ以上の厚みのマスクを第一メサ上に形成することを特徴とする半導体受光素子。
【図１】
2008090733.tif 000006
【図２】
2008090733.tif 000007
【図３】
2008090733.tif 000008
【図４】
2008090733.tif 000009
【図５】
2008090733.tif 000010
【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月13日(2008.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第一の導電型の層と、第二の導電型の光吸収層と、第二の導電型の選択エッチング層と、第二の導電型のバッファ層と、第二の導電型のコンタクト層と、第二の導電型側電極と、を順に積層した層構造を有し、
前記半導体基板上に、第二メサを形成させ、前記第二メサ上に第一メサを形成させた半導体受光素子であって、
前記第一メサは、前記第二の導電型のバッファ層と、前記第二の導電型のコンタクト層と、前記第二の導電型側電極と、を含み、
前記第二メサは、平面視において前記第一メサの外周縁より外側に位置する外周縁を有し、前記第一の導電型の層と、前記第二の導電型の光吸収層と、前記第二の導電型の選択エッチング層と、水素パッシベーション領域と、を含む第二メサ半導体積層構造を備え、
少なくとも前記第二メサ半導体積層構造の側面がパッシベーション膜で覆われていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
（削除）
【請求項１２】
（削除）
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
（削除）
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
（削除）
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
（削除）
【請求項１９】
（削除）
【請求項２０】
（削除）
【請求項２１】
（削除）
【請求項２２】
（削除）
【請求項２３】
請求項１に記載の半導体受光素子において、前記パッシベーション膜は、水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２４】
請求項１または２３に記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、前記第二メサ半導体積層構造の表面から前記第二メサ半導体積層構造の内部に渡って形成されることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２５】
請求項１、２３および２４いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、前記第二メサ半導体積層構造の表面のうち、前記基板と平行で且つ前記第一メサで覆われていない表面から、前記第二メサ半導体積層構造の内部に渡って形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２６】
請求項１および２３乃至２５いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、前記第二メサ半導体積層構造の表面から、前記第二メサ半導体積層構造の表面から深さ約１μｍの領域に渡って形成されることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２７】
請求項１および２３乃至２６いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域の水素濃度の値は、前記第二メサ半導体積層構造の表面から深さ方向に対して濃度勾配を有することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２８】
請求項１および２３乃至２７いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域の水素濃度は、前記第二メサ半導体積層構造の表面付近において１×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２９】
請求項１および２３乃至２８いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域の水素濃度の最大値は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３０】
請求項１および２３乃至２９いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、少なくとも前記第二の導電型の光吸収層を含むことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３１】
請求項１および２３乃至３０いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域に含まれる前記第二の導電型の光吸収層の水素濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３２】
請求項１および２３乃至３１いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域に含まれる前記第二の導電型の光吸収層の水素濃度の最大値は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３３】
請求項１および２３乃至３２いずれかに記載の半導体受光素子において、前記半導体基板は、ＩｎＰ基板であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３４】
請求項１および２３乃至３３いずれかに記載の半導体受光素子は、ｐｉｎフォトダイオードであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３５】
請求項１および２３乃至３４いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二メサ半導体積層構造は、前記第一の導電型の層と前記第二の導電型の光吸収層との間に、アンドープ層を有することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３６】
請求項３５に記載の半導体受光素子は、アバランシェ・フォトダイオードであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３７】
請求項１および２３乃至３６いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型のバッファ層の不純物濃度は、２×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３８】
請求項１および２３乃至３７いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをｄ２ｓｅとしたとき、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３９】
請求項１および２３乃至３７いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをｄ２ｓｅとしたとき、ｄ２ｓｅ≦０．２μｍであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４０】
請求項１および２３乃至３７いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをｄ２ｓｅとしたとき、０．０２μｍ≦ｄ２ｓｅ≦０．２μｍであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４１】
請求項１および２３乃至４０いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎＰ又はＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４２】
請求項４１に記載の半導体受光素子において、前記第一メサは、リンを含まないことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４３】
請求項１および２３乃至４０いずれかに記載された半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ）Ａｓで形成されることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４４】
請求項４３に記載の半導体受光素子において、前記第一メサは、ＩｎＰまたはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成されることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４５】
請求項１および２３乃至４２いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）で形成され、かつ、ｙ≦０．５であることを特徴とする半導体受光素子
【請求項４６】
請求項１および２３乃至４２いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓで形成され、かつ、ｙ≧０．２５であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４７】
請求項１および２３乃至４６いずれかに記載の半導体受光素子において、前記光吸収層と前記第二の導電型の選択エッチング層は、前記第二の導電型の光吸収層の電界緩和量をΔＥａｂとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の電界緩和量をΔＥ２ｓｅとしたとき、
ΔＥａｂ＋ΔＥ２ｓｅ≦１００ｋＶ／ｃｍ
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４８】
請求項４７に記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の光吸収層の層厚をｄａｂとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をＮａｂとしたとき、
ｄａｂ＝０．５μｍ、
Ｎａｂ＝１．０×１０１６ｃｍ−３、
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をｄ２ｓｅとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をＮ２ｓｅとしたとき、
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍ、
Ｎ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４９】
請求項４７に記載の半導体受光素子において、
前記第二の導電型の光吸収層の層厚をｄａｂとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をＮａｂとしたとき、
ｄａｂ＝１．０μｍ、
Ｎａｂ＝５．０×１０１５ｃｍ−３
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をｄ２ｓｅとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をＮ２ｓｅとしたとき、
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍ、
Ｎ２ｓｅ≦２×１０１６ｃｍ−３
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５０】
請求項４７に記載の半導体受光素子において、
前記第二の導電型の光吸収層の層厚をｄａｂとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をＮａｂとしたとき、
ｄａｂ＝１．５μｍ、
Ｎａｂ＝４×１０１５ｃｍ−３、
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をｄ２ｓｅとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をＮ２ｓｅとしたとき、
ｄ２ｓｅ＝０．１μｍ、
Ｎ２ｓｅ≦１．２×１０１６ｃｍ−３
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【国際調査報告】
2008090733.tif 000012
2008090733.tif 000013
2008090733.tif 000014
2008090733.tif 000015