(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性のＩｎＰ基体と、このＩｎＰ基体に接触してこれを覆っているｎ＋型ＩｎＰコンタクト層と、このｎ＋型ＩｎＰコンタクト層に接触してこれを覆っているドープされていないＩｎＧａＡｓ吸収層と、このドープされていないＩｎＧａＡｓ吸収層に接触してこれを覆っているｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層との多層構造を形成し、
多層構造のｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層上にパッシブ金属のｐ型コンタクトドットを付着させ、
多層構造をエッチングしてメサ構造を形成し、そのメサ構造はパッシブ金属のｐ型コンタクトドットと、ｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層と、ドープされていないＩｎＧａＡｓ吸収層とを含み、エッチングステップはｎ＋型ＩｎＰコンタクト層およびＩｎＰ基体を浸蝕しないエッチング液を使用して行われ、
ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層のパターン化処理を行い、
このパターン化処理されたｎ＋型ＩｎＰコンタクト層上にパッシブ金属のｎ型コンタクト層を付着させ、
上記メサ構造の一部分上にパターン化された有機ポリマー絶縁体層を付着させ、そのパターン化された有機ポリマー絶縁体層はパッシブ金属のｐ型コンタクトドットおよびパッシブ金属のｎ型コンタクト層を覆わないように形成され、
パターン化された有機ポリマー絶縁体層を硬化させ、
パッシブ金属のｐ型コンタクトドットおよびパッシブ金属のｎ型コンタクト層に金属コンタクト配線導体を付着させるステップを含んでいる光検出装置の製造方法。
【請求項２】
多層構造を形成するステップにおいて、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層がＳｉおよびＳｎからなるグループから選択されたドープ不純物を約１×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープされる請求項１記載の方法。
【請求項３】
多層構造を形成するステップにおいて、ｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層がベリリウムおよび亜鉛からなるグループから選択されたドープ不純物を約１×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープされる請求項１記載の方法。
【請求項４】
パッシブ金属のｐ型コンタクトドットを付着させるステップにおいて、金ベリリウム金属ドットを付着させる請求項１記載の方法。
【請求項５】
メサ構造にエッチングするステップにおいて、クエン酸、過酸化水素、およびリン酸の水溶液を使用してエッチングする請求項１記載の方法。
【請求項６】
ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層をパターン化処理するステップにおいて、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層を臭化水素および過酸化水素の水溶液によりエッチングする請求項１記載の方法。
【請求項７】
パッシブ金属のｎ型コンタクト層を付着させるステップにおいて、金ゲルマニウムサブ層、ニッケルサブ層、および金サブ層を有するコンタクトを付着させる請求項１記載の方法。
【請求項８】
パターン化処理された有機ポリマー絶縁体層を付着させるステップにおいて、ポリイミドを付着させる請求項１記載の方法。
【請求項９】
硬化するステップにおいて、窒素雰囲気中において有機ポリマー絶縁体層を加熱する請求項１記載の方法。
【請求項１０】
金属コンタクト配線導体を付着させるステップにおいて、チタニウム金サブ層を付着させ、その後、約２．５乃至３マイクロメータの厚さを有する金属を付着させる請求項１記載の方法。
【請求項１１】
多層構造を形成するステップにおいて、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層が約５×１０18／ｃｍ3 乃至１×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープされ、ｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層が約１×１０19／ｃｍ3 乃至３×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープされる請求項１記載の方法。
【請求項１２】
多層構造を形成するステップにおいて、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層が約０．５乃至１．５マイクロメータの厚さであり、約５×１０18／ｃｍ3 乃至１×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープされ、
ｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層が約０．２乃至０．６マイクロメータの厚さであり、約１×１０19／ｃｍ3 乃至３×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープされる請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検出装置の製造方法に関するものであり、特に、良好な直線性で電気信号に変換することのできる高い光パワー処理能力を有するＩｎＧａＡｓのＰＩＮ光検出装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光検出装置は入射した光を電気信号に変換する装置である。光ビームは光検出装置に導かれ、光検出装置の電気出力信号は光ビームの入射エネルギの尺度である。光検出装置は可視および赤外線エネルギの両者に対して利用可能である。
【０００３】
光検出装置は広い範囲の用途で使用されている。あるものでは、光検出装置は光の存在を検出することだけが必要であり、その他の能力は重要ではない。
【０００４】
しかしながら、別の用途では、光検出装置は信号処理システムで使用される。光検出装置は信号処理システムの一部として動作し、伝送または処理のために入射した光を電気信号に変換する。それ故、光検出装置は所望の入力光ビームのパワーを処理して良好な直線性と、良好な周波数範囲と、低い歪みで電気信号への変換ができなければならない。
【０００５】
近赤外線の領域でよく知られている光検出装置はＩｎＧａＡｓのＰＩＮダイオードである。１形式では、このダイオードはドープされないＩｎＧａＡｓ層の両側にｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層とｎ＋のＩｎＰ層とを有しており、この構造は光に透明なＩｎＰ基体上に支持されている。基体の前面に入射する光はｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層とｎ＋型のＩｎＰ層との間で電圧を生成し、その電圧は一般に入射した光の強度に比例している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このＩｎＧａＡａのＰＩＮダイオードは動作可能であるが、ＲＦおよびマイクロ波アンテナネットワークを使用するＣＡＴＶアナログ伝送システムのような特定の用途では幾つかの欠点を有している。そのようなシステムに対して最良の性能を達成するために、最大の光強度は光信号強度が１０ミリワット（ｍＷ）より大きい範囲でなければならず、光対電気信号変換は良好な直線性を有していなければならない。現在、数十ｍＷの範囲の光出力信号を生成することのできる半導体レーザが使用されている。しかしながら、多くの既存のＩｎＧａＡａのＰＩＮフォトダイオードは入射光信号の強度が約２ｍＷに制限されている。それ故、利用可能なＩｎＧａＡａのＰＩＮフォトダイオードを使用するシステムは高い光パワー出力の半導体レーザの能力を利用することができない。したがって、利用可能な光検出装置はこれらのシステムの性能を制限している。
【０００７】
したがって、高い強度の入射光パワーを処理してそれらを良好な直線性で電気信号に変換することのできる改良された光検出装置が必要である。本発明はこの要求を満足させ、さらに関連する利点を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＩｎＧａＡａのＰＩＮダイオードの製造技術を提供する。本発明のダイオードは１５ｍＷ以上の光強度で、良好な直線で電気信号に変換され、低雑音で動作可能である。ダイオードはマイクロ波周波数まで延在する広い周波数範囲に渡って動作可能である。本発明のＩｎＧａＡａのＰＩＮダイオードは既知の基本的構造を使用して良好な性能で製造処理を最適にする。
【０００９】
本発明によれば、光検出装置の製造方法は、半絶縁性のＩｎＰ基体と、このＩｎＰ基体上を覆うｎ＋型のＩｎＰコンタクト層と、このｎ＋型のＩｎＰコンタクト層を覆うドープされていないＩｎＧａＡｓ吸収層と、ドープされていないＩｎＧａＡｓ吸収層を覆うｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層とから構成されている多層構造を使用する。本発明の方法では、多層構造のｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層上にパッシブ金属のｐ型コンタクトドットを付着させ、多層構造をエッチングしてメサ構造を形成する。そのメサ構造はパッシブ金属のｐ型コンタクトドットと、ｐ＋ドープされたＩｎＧａＡｓ層と、ドープされていないＩｎＧａＡｓ層とを含んでいる。エッチングステップはｎ＋型ＩｎＰコンタクト層およびＩｎＰ基体を浸蝕しないエッチング液を使用して行われる。本発明の方法はさらに、ｎ＋型のＩｎＰコンタクト層をパターン化処理し、このパターン化処理されたｎ＋型のＩｎＰコンタクト層上にパッシブ金属のｎ型コンタクト層を付着させ、その構造の一部分上にパターン化された有機ポリマー絶縁体層を付着させる。そのパターン化された有機ポリマー絶縁体層はパッシブ金属のｐ型コンタクトドットおよび金属のｎ型コンタクト層を覆わないように形成される。パターン化された有機ポリマー絶縁体層はその後硬化され、装置はパツシベイト化される。金属コンタクト配線導体が付着されて金属のｐ型コンタクトドットに接続される第１の配線導体と金属ｎ型コンタクト層に接続される第２の配線導体とが形成される。
【００１０】
好ましい多層構造においては、約１マイクロメータの厚さのＩｎＰコンタクト層はＳｉまたはＳｎにより約１×１０19／cm3 の濃度にｎ＋ドープされる。吸収層はドープされないＩｎＧａＡｓであり、ここでドープされないとは意図的なドープが行われず、約５×１０15／cm3 より低いバックグラウンド濃度であることを示している。ドープされたＩｎＧａＡｓ層は、ベリリウムまたは亜鉛により約１×１０19／cm3 の濃度にｐ＋型にドープされている。
【００１１】
パッシブ金属のｐ型コンタクトドットは金ベリリウム金属であることが好ましい。金属のｎ型コンタクト層は金ゲルマニウム層、ニッケル層、および金層を含む複数のサブ層で形成されることが好ましい。有機ポリマー絶縁体層はポリイミドであることが好ましく、それは窒素雰囲気中において加熱されることによって硬化されパッシベートされる。金属コンタクト配線導体は厚い金の層であることが好ましく、最も好ましいのは約２．５乃至３マイクロメータの厚さである。
【００１２】
メサ構造はＩｎＧａＡｓ層を浸蝕するがＩｎＰ層は浸蝕しないエッチング液によってエッチングされる。好ましいエッチング液はクエン酸をベースとするものであり、最も好ましいのはクエン酸、過酸化水素、およびリン酸の混合水溶液である。
【００１３】
本発明の原型のＩｎＧａＡａのＰＩＮフォトダイオードは０から１５ｍＷ以上、場合によっては２０ｍＷ以上の光強度範囲において高度に直線性の出力を再現可能に生成することが測定によって確認された。このフォトダイオードは直流から２０ＧＨｚの広い帯域幅にわたって動作可能である。その他のフォトダイオードとしての特性も優れている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のその他の特徴および利点は、本発明の原理を例示している添付図面を参照にした以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明瞭になるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこのような好ましい実施形態によって限定されるものではない。
図１は、本発明の方法により製造されたＩｎＧａＡａのＰＩＮダイオード20の好ましい実施形態を示している。この構造は実寸で描かれてはいない。ダイオード20は半絶縁性ＩｎＰ（燐化インジュウム）で構成された基体22を備えている。基体22は任意の動作可能な厚さでよいが、典型的には直径３インチのウエハでは約６００マイクロメータである。基体22を覆ってドープされたＩｎＰコンタクト層24が接触している。このコンタクト層24は約０．５乃至約１．５マイクロメータの厚さでであることが好ましく、最も好ましいのは約１マイクロメータの厚さでである。ＩｎＰコンタクト層24はＳｉ（シリコン）またはＳｎ（錫）等の元素で約５×１０18乃至約１×１０19／cm3 の濃度でドープされており、好ましくは約１×１０19／cm3 である。
【００１５】
このＩｎＰコンタクト層24を覆ってそれに接触してＩｎＧａＡｓ（インジュウムガリウム砒素）の吸収層26が設けられており、この層は、ここでは“ドープされない”と呼ばれている意図的なドープが為されていない層である。吸収層26は意図的にドープされなくても、典型的に約５×１０15／cm3 より少ない少量のバックグラウンド不純物原子が存在している。吸収層26は約０．５乃至約１．５マイクロメータの厚さでであることが好ましく、最も好ましいのは約１マイクロメータの厚さでである。
【００１６】
吸収層26を覆ってそれに接触してドープされたＩｎＧａＡｓの層28が設けられている。この層28はＢｅ（ベリリウム）またはＺｎ（亜鉛）等のドープ物質によりｐ＋にドープされている。ドープ物質は約１×１０19乃至約３×１０19／cm3 の濃度でドープされており、好ましくは約１×１０19／cm3 の濃度である。層28は約０．２乃至約０．６５マイクロメータの厚さでであることが好ましく、最も好ましいのは約０．５マイクロメータの厚さでである。層24, 26, 28は共同してＰＩＮ構造を構成している。
【００１７】
図の水平方向における寸法の小さい金属のｐ型コンタクト30（以下金属ｐ型コンタクトドットと言う）が層28上に位置し、層28に接触している。ｐ型コンタクトドット30はパツシブ金属から構成され、好ましくは，重量％で示すと約１．５％の金と約９８．５％のベリリウムからなる組成のＡｕ−Ｂｅ（金・ベリリウム）合金で形成されている。
【００１８】
金属のｎ型コンタクト32はｐ型コンタクト30から図の水平方向において分離してコンタクト層24上に設けられている。このｎ型コンタクト32は約４０００オングストロームの厚さを有する層の形態で形成されることが好ましい。ｎ型コンタクト32はパツシブ金属の組合わせによって構成されている。最も好ましいｎ型コンタクト32は、層24上にそれと接触して設けられている金・ゲルマニウムサブ層32a （組成は重量で約８８％の金と約１２％のゲルマニウム）と、層32a 上にそれと接触して設けられているニッケルサブ層32b と、層32b 上にそれと接触して設けられている金サブ層32c とを含んでいる。
【００１９】
パツシブ有機ポリマー絶縁体層はポリイミドで構成されることが好ましく、上述の構造を覆って設けられ、ドット30およびｎ型コンタクト32の少なくとも１部分を露出させる開口を備えている。
【００２０】
第１の金属配線導体36はｐ型コンタクトドット30と接続されるように延在し、第２の金属配線導体38はｎ型コンタクト層32と接続されるように延在している。金属配線導体36, 38は薄いＴｉ- Ａｕ（チタニウム・金）メッキ平面層38b を覆っている約２．５乃至約３．０マイクロメータの厚さの厚いＡｕ（金）で形成されることが好ましい。これらの配線導体36, 38は比較的厚く、約２．５乃至約３．０マイクロメータの厚さである。この配線導体36, 38の厚さは電流の増加を可能にし、また、熱の放散を助ける。それらはいずれも高い強度の光を処理するダイオードの能力を改善する。このような理由から、さらに厚い配線導体36, 38が望ましい。
【００２１】
近赤外線（例えば、約１．３マイクロメータの波長）の光によって基体22を通して照射されたとき、ＰＩＮ構造は電位差を生成し、電流が配線導体36, 38を通って図示されていない外部の測定装置へ伝送される。
【００２２】
図２および３は、図１に示されたダイオードの好ましい製造方法の１例を示している。ステップ50, 52, 54, 56は層22, 24, 26, 28の多層構造を処理する方法を示している。ステップ50でＩｎＰ基体22が準備される。ステップ52でｎ＋型のＩｎＰコンタクト層24が基体22を覆って基体22に接触するように設けられる。ステップ54でＩｎＧａＡｓの吸収層26がコンタクト層24を覆って接触して設けられる。ステップ56でｐ＋型のＩｎＧａＡｓ層28が吸収層26を覆って接触して設けられる。ＩｎＰ基体22は市販されている。各層の厚さ、組成、ドープ不純物、およびその他の特徴については図１に関連して上述したとおりである。各付着ステップ52, 54, 56は任意の動作可能な付着技術により行うことができるが、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）或いは金属・酸化物気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）が好ましい。そのような付着技術は多の応用においてよく知られている。
【００２３】
ダイオード20はこの多層構造からステップ58乃至70に示されるような工程で製作される。ダイオード20を製作するために、ステップ58でｐ型コンタクトドット30が付着される。付着は通常のフォトリソグラフ技術を使用して層28の上側をパターン化処理し、そのパターンの開口を通ってコンタクトドット30を形成する金属を付着させることによって行われる。フォトリソグラフ技術を使用してパターン化処理、付着、エッチングの連続ステップで行われることが好ましい。それは典型的な場合に、同じＩｎＰ基体22上に多数のダイオード20が形成されるからである。コンタクトドット30はＡｕ−Ｂｅ合金を熱蒸着させることにより付着させて形成することが好ましい。各コンタクトドット30は典型的には直径が約２８マイクロメータで、１０００オングストロームの厚さである。
【００２４】
得られた構造はステップ60で示されるようにメサエッチングされる。メサエッチングでは構造の露出された上面が通常のフォトリソグラフ技術を使用してパターン化処理され、コンタクトドット30およびそれを囲む全体で直径が約３０マイクロメータの領域を覆っている保護層が除去される。共にＩｎＧａＡｓからなる層28および26の残っている保護されていない部分はエッチングにより除去される。エッチング液はクエン酸ベースのものであることが好ましく、最も好ましいのは１モルのクエン酸と、３０％の過酸化水素溶液と、および８５％のリン酸水溶液とを水２２０に対して５５：５：１の容積比で混合した混合液である。このエッチング液は露出されたＩｎＧａＡｓだけが除去してＩｎＰ層24に到達した時エッチングを停止するように選択される。
【００２５】
ｎ＋型のＩｎＰ層24はパターン化処理されて隣接するダイオード20のメサ領域を分離し、ステップ62に示されるように通常のフォトリソグラフ技術を使用して層24に取付ける電極の区域を定める。エッチングは４８％の臭化水素水溶液と３０％の過酸化水素水溶液とを水１００に対して２５０：２の容積比で混合した水溶液を使用して行われる。
【００２６】
ｎ型コンタクト層32はステップ64で示されるように通常のフォトリソグラフ技術を使用してパターン化処理されたｎ＋型のＩｎＰ層24上に付着される。このｎ型コンタクト層32は３つの重ねられたサブ層から構成されることが好ましい。金ゲルマニウムサブ層32a は９００オングストロームの厚さに層24上に付着される。次に、ニッケルサブ層32b がサブ層32a 上に１００オングストロームの厚さに付着される。金サブ層32c はサブ層32b 上に３０００オングストロームの厚さに付着される。
【００２７】
ポリマー絶縁体層34はステップ66で示されるように露出された表面の部分を覆って付着され、その後硬化される。付着は通常のフォトリソグラフ技術を使用して行われる。このためにポリマーはOlinマイクロエレクトロニクスマテリアル社から市販されているＰｒｏｂｉｍｉｄ７５０５のような光感知性ポリイミドが好ましい。ポリマーはｐ型コンタクトドット30とｎ型コンタクト層32の少なくともある程度の部分を除いて、露出された全表面を覆って付着される。ポリマーはスピン被覆法および標準的なフォトリソグラフ技術による範囲の限定を使用して付着される。付着後、ポリマーは加熱により硬化される必要がある。ポリマーの硬化と装置のパツシベーションを同時に行うために、純粋な窒素雰囲気中において適切な硬化温度に加熱される。好ましい材料であるポリイミドに対しては、硬化は３５０度Ｆで１時間加熱することにより行われる。
【００２８】
ステップ68で示されるように金属コンタクト配線導体36, 38はそれぞれｐ型コンタクトドット30とｎ型コンタクト層32に接続されるように付着される。これらの配線導体36, 38は比較的厚いので、それらは電気メッキにより付着されることが好ましい。ポリマー絶縁体層34上に電気メッキすることを可能にするために、チタニウム・金メッキ平面層38b が最初にスパッタリング等の技術を使用して構造の露出された全表面上に付着され、それにおいては約２００オングストロームの厚さのチタニウムと１０００オングストロームの厚さの金が付着される。上面はそれから通常のフォトリソグラフ技術を使用してパターン化処理されて配線導体36, 38を規定する開口が形成される。電気接続部としてメッキ平面層38b を使用して、配線導体36, 38の残りの厚さの部分が金層38a の電気メッキによって付着され、約２．５乃至約３．０マイクロメータの厚さにフォトレジストの開口を通して付着される。
【００２９】
最後に、チタニウム・金メッキ平面層38b の露出された部分がステップ70において除去され、これはイオンミーリングによって行われることが好ましい。それによって層34の上部表面は露出され、この露出された表面は配線導体36, 38を除いて絶縁される。
その結果、図１に示されたような構造のダイオード20が得られる。
【００３０】
本発明により処理されたダイオードが試験された。図４は通常の市販のＩｎＧａＡｓのＰＩＮダイオードと比較した本発明のダイオードの測定されたＲＦ地点間リンク損失を示している。本発明のダイオード20のＲＦ地点間リンク損失はダイオードの電流出力の変化に対してほぼ一定であり、望ましい特性を示している。一方、通常の市販のダイオードのリンク損失は電流の増加と共に実質的に増加している。図５は光電流の関数として出力パワーが基本波および最初の３つの高調波のそれぞれに対してほぼ直線性であることを示している。全ての測定結果は高い直線性を示し、全ての高調波は１５ＧＨｚの周波数帯域にわたって５ｍＡの光電流で６０ｄＢより低い。光検出装置の第３インターセプトは２２ｄＢｍであることが測定された。さらに、−５Ｖで測定された直流電流電圧特性および光検出装置のキャパシタンスはそれぞれ１０ナノアンペア以下、２０Ｖ以下の破壊電圧、１００ｆＦであった。光検出噐の直流応答特性は０．８Ａ／Ｗである。
【００３１】
本発明の特定の実施形態が例示の目的で詳細に説明されたが、当業者によって種々の多数のその他の構成、変形が本発明の技術的範囲を逸脱することなく考えることができることは明らかである。したがって、本発明は特許請求の範囲に記載された技術的事項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態によるＩｎＧａＡａのＰＩＮダイオードの断面図。
【図２】図１のダイオードの好ましい製造方法のブロックフロー図。
【図３】図１のダイオードの好ましい製造方法のブロックフロー図。
【図４】測定された光検出装置のＲＦ地点間リンク損失の特性図。
【図５】光電流の関数としてのＲＦパワーの特性図。
【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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