(57)【要約】【課題】  特に微弱光（もしくは光子）の検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる半導体受光素子、および、それを用いた半導体受光装置を提供する。【解決手段】  光信号を電気信号に変換するフォトダイオード層１３が、光吸収層１３３と、増倍層１３１と、これらに挟まれた電界緩和層１３２とを含み、増倍層１３１において、第一増倍層１３１ａと、これに隣接する第二増倍層１３１ｂとが、電界緩和層１３２側から前記順序で積層され、第一増倍層１３１ａ内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ１ｍｉｎ、第二増倍層１３１ｂ内に含まれる材料のバンドギャップの最大値をＥｇ２ｍａｘ、第二増倍層１３１ｂ内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ２ｍｉｎとしたとき、Ｅｇ１ｍｉｎ≧Ｅｇ２ｍａｘかつＥｇ１ｍｉｎ＞Ｅｇ２ｍｉｎの関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。【選択図】  図１
2011171367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を電気信号に変換するフォトダイオード層を有し、
前記フォトダイオード層が、光吸収層と、電界緩和層と、増倍層とを含み、
前記電解緩和層は、前記光吸収層と前記増倍層とに挟まれており、
前記増倍層が、第一増倍層および第二増倍層を含み、
前記第一増倍層および前記第二増倍層は、前記電界緩和層側から前記順序で積層され、
前記第二増倍層は、前記第一増倍層に隣接しており、
前記第一増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ１ｍｉｎ、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最大値をＥｇ２ｍａｘ、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ２ｍｉｎとしたとき、Ｅｇ１ｍｉｎ≧Ｅｇ２ｍａｘかつＥｇ１ｍｉｎ＞Ｅｇ２ｍｉｎ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２】
前記第一増倍層のバンドギャップが一定であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記第一増倍層の厚みが、０．２μｍ以上である請求項１または２記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記第一増倍層の厚みが、前記増倍層全体の厚みの半分以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記第二増倍層が、超格子構造を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記第一増倍層が、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｘ１＋ｙ１≦１）から形成され、
前記第二増倍層が、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ／Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ａｓ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｘ２＋ｙ２≦１）で表される超格子構造を有し、
Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）ＡｓのバンドギャップＥｇ（Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ）が、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）ＡｓのバンドギャップＥｇ（Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ａｓ）より大きいことを特徴とする、請求項５記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記第一増倍層が、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）（０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦１）から形成され、
前記第二増倍層が、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）／Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２）（０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦１）で表される超格子構造を有し、
Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）のバンドギャップＥｇ（Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１））が、Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２）のバンドギャップＥｇ（Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２））より大きいことを特徴とする、請求項５記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的にまたは階段状に減少することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記第一増倍層のバンドギャップが、第二増倍層側の面で最小値Ｅｇ１ｍｉｎをとり、
前記第二増倍層のバンドギャップが、第一増倍層側の面で最大値Ｅｇ２ｍａｘをとり、
Ｅｇ１ｍｉｎおよびＥｇ２ｍａｘが、Ｅｇ１ｍｉｎ＝Ｅｇ２ｍａｘの関係を満たし、
前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的に減少することを特徴とする、請求項８記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体受光素子を備えることを特徴とする半導体受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子および半導体受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信等における光信号の検出には、例えば、フォトダイオード等の半導体受光素子が用いられている。半導体受光素子を用いた光検出器（半導体受光装置）により光検出を行う場合、アバランシェ・フォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ＝ＡＰＤ）を用いることで、微弱光の検出や、特に光強度の弱い光子検出などの計測・信号検出が可能であることが知られている。
【０００３】
図７（ａ）および図７（ｂ）に、ＡＰＤの一例の構成を示す。図７（ａ）は、ＡＰＤの断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）中の領域Ｄ部分の層構造を示す図である。前記両図において、同一部分には同一符号を付している。この半導体受光素子６０は、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ＋型バッファ層１２と、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）層６３と、ｐ＋型バッファ層１４と、ｐ＋型コンタクト層１５とが、前記順序で積層されている。ＡＰＤ動作をする部分はメサ構造で、基板上の他の領域のエピ層と分離されている。前記メサ構造は、前記ｎ型半導体基板１１の厚み方向の途中まで形成されている。前記ｎ型半導体基板１１の前記ＡＰＤ層６３側の面とは反対側の面には、反射防止膜１９が形成されている。前記ｎ型半導体基板１１の前記反射防止膜１９側の面とは反対側の面の、前記ＡＰＤ層６３、前記ｐ＋型バッファ層１４、前記ｐ＋型コンタクト層１５の表面には、パッシベーション膜１８が設けられている。前記ｐ＋型コンタクト層１５上部には、前記パッシベーション膜１８が設けられていない部分が形成されている。この部分には、ｐ型電極１６が形成されている。前記ｐ型電極１６は、前記ｐ＋型コンタクト層１５に電気的に接続されている。前記ｎ型半導体基板１１の上部には、前記パッシベーション膜１８が設けられていない部分が形成されている。この部分には、ｎ型電極１７が形成されている。前記ＡＰＤ層６３は、増倍層６３１、電界緩和層６３２、光吸収層６３３が、前記ｎ＋型バッファ層１２側から、この順序で積層されている。本例のＡＰＤでは、前記増倍層６３１は、単一組成の層である。
【０００４】
一方、ＡＰＤで微弱光（もしくは光子）信号のような信号検出を行う場合、超伝導受光素子などと比較して暗電流（ダークカウント）成分が多いため、検出信号とダークカウントのＳ／Ｎ比を上昇させて通信時のエラーを低減する必要がある。そのため、ＡＰＤを構成する半導体結晶の結晶性を向上させたり、受光素子の動作温度を下げることにより、暗電流値を低減させてＳ／Ｎ比の改善を図る方法があるが、これらの方法によるＳ／Ｎ比の改善には限界があった。そのため、Ｓ／Ｎ比の改善にあたっては、素子構造から最適化を図り、より高いＳ／Ｎ比が期待できるＡＰＤの開発がなされてきた（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１２８９０号公報
【特許文献２】特開２００９−１６４４５６号公報
【特許文献３】特許第２９３７４０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｗａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，‘Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ  Ｉｍｐａｃｔ−Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ＩｎＰ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ’，  ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１４，ＮＯ．１２，ＤＥＣＥＭＢＥＲ  ２００２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記文献に記載の半導体受光素子においては、Ｓ／Ｎ比の改善は必ずしも十分とはいえなかった。また、素子の構造が複雑であり、低コスト化が困難となる場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、特に微弱光（もしくは光子）の検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる半導体受光素子、および、それを用いた高感度な半導体受光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の半導体受光素子は、
光信号を電気信号に変換するフォトダイオード層を有し、
前記フォトダイオード層が、光吸収層と、電界緩和層と、増倍層とを含み、
前記電解緩和層は、前記光吸収層と前記増倍層とに挟まれており、
前記増倍層が、第一増倍層および第二増倍層を含み、
前記第一増倍層および前記第二増倍層は、前記電界緩和層側から前記順序で積層され、
前記第二増倍層は、前記第一増倍層に隣接しており、
前記第一増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ１ｍｉｎ、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最大値をＥｇ２ｍａｘ、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ２ｍｉｎとしたとき、Ｅｇ１ｍｉｎ≧Ｅｇ２ｍａｘかつＥｇ１ｍｉｎ＞Ｅｇ２ｍｉｎの関係を満たすことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の半導体受光装置は、前記本発明の半導体受光素子を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高いＳ／Ｎ比の得られる半導体受光素子を提供することができる。したがって、前記本発明の半導体受光素子を備える本発明の半導体受光装置は、高感度である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は、本発明の半導体受光素子の実施形態１における一例の構成を示す断面図である。図１（ｂ）は、本発明の半導体受光素子の実施形態１における一例の構成を示す断面図における領域Ａ部分の層構造を示す図である。
【図２Ａ】前記一例における製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２Ｂ】前記製造方法のその他の工程を示す断面図である。
【図２Ｃ】前記製造方法のさらにその他の工程を示す断面図である。
【図２Ｄ】前記製造方法のさらにその他の工程を示す断面図である。
【図３】本発明の半導体受光素子の動作時における電界強度分布を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の半導体受光素子の実施形態２における一例の構成を示す断面図である。図４（ｂ）は、本実施形態の断面図における領域Ｂ部分の層構造を示す図である。図４（ｃ）は、本実施形態における第二増倍層の層構造を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の半導体受光素子の実施形態３における一例の構成を示す断面図である。図５（ｂ）は、本実施形態の断面図における領域Ｃ部分の層構造を示す図である。
【図６】実施例１および比較例１の半導体受光素子の特性評価結果を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、アバランシェ・フォトダイオードの一例の構成を示す断面図である。図７（ｂ）は、前記断面図における領域Ｄ部分の層構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の半導体受光素子について、詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００１４】
（実施形態１）
図１（ａ）および図１（ｂ）に、本実施形態の半導体受光素子の一例の構成を示す。図１（ａ）は、本実施形態の半導体受光素子の断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態の断面図（図１（ａ））における領域Ａ部分の層構造を示す図である。前記両図において、同一部分には同一符号を付している。この半導体受光素子１０は、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ＋型バッファ層１２と、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）層１３と、ｐ＋型バッファ層１４と、ｐ＋型コンタクト層１５とが、前記順序で積層されている、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）である。ＡＰＤ層１３は、前記「フォトダイオード層」である。前記ＡＰＤの主要部の半導体層構造を下記表１に示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
ＡＰＤ動作をする部分はメサ構造で、基板上の他の領域のエピ層と分離されている。前記メサ構造は、前記ｎ型半導体基板１１の厚み方向の途中まで形成されている。前記メサ構造は、受光方向（紙面の上下方向）から見て円形または楕円形に形成されているが、本発明は、この例に限定されない。なお、前記円形および楕円形には、例えば、極めて円形や楕円形に近い多角形を含むものとする。前記メサ構造が円形である場合、その直径は１００μｍ以下であることが好ましい。また、前記メサ構造が楕円形である場合、その長径は１００μｍ以下であることが好ましく、短径は２０μｍ以上であることが好ましい。前記ｎ型半導体基板１１の前記ＡＰＤ層１３側の面とは反対側の面には、反射防止膜１９が形成されている。前記ｎ型半導体基板１１の前記反射防止膜１９側の面とは反対側の面の、前記ＡＰＤ層１３、前記ｐ＋型バッファ層１４、前記ｐ＋型コンタクト層１５の表面には、パッシベーション膜１８が設けられている。前記ｐ＋型コンタクト層１５上部には、前記パッシベーション膜１８が設けられていない部分が形成されている。この部分には、ｐ型電極１６が形成されている。前記ｐ型電極１６は、前記ｐ＋型コンタクト層１５に電気的に接続されている。前記ｎ型半導体基板１１の上部には、前記パッシベーション膜１８が設けられていない部分が形成されている。この部分には、ｎ型電極１７が形成されている。ＡＰＤは、例えば、単一光子（シングルフォトン）のような非常に弱い光であっても増幅により検知可能である。
【００１７】
本実施形態においては、前記ｎ＋型バッファ層１２は、前記ｎ型半導体基板１１から前記ｐ＋型バッファ層１４に向かって、第一のｎ＋型バッファ層１２ａと第二のｎ＋型バッファ層１２ｂとが、この順序で積層されている。前記ＡＰＤ層１３は、前記ｎ型半導体基板１１から前記ｐ＋型バッファ層１４に向かって、下記表２に示すように、増倍層１３１と、電界緩和層１３２と、光吸収層１３３とが、前記順序で積層されている。すなわち、電界緩和層１３２は、光吸収層１３３と増倍層１３１とに挟まれている。
【００１８】
【表２】
2011171367.tif 000004
【００１９】
前記増倍層１３１は、第一増倍層１３１ａと、これに隣接する第二増倍層１３１ｂとの二層構造からなる。増倍層材料には、電子増倍型の材料とホール増倍型の材料とがあるが、本実施形態においては、前記増倍層１３１は、電子増倍型の材料を用いたものである。前記増倍層１３１は、前記ｎ型半導体基板１１から前記ｐ＋型バッファ層１４に向かって、第二増倍層１３１ｂと第一増倍層１３１ａとが、この順序で積層されている。前記第一増倍層１３１ａは、バンドギャップが一定である層である。本実施形態において、前記第二増倍層１３１ｂは、超格子構造を有している。本実施形態の半導体受光素子１０の各層の材料、層厚等の構成の一例を表３に示す。表中のＭｉｎ、Ｍａｘは、それぞれの好ましい範囲の最小値および最大値を表わす。同じくＴｙｐは、代表値を表わす。
【００２０】
【表３】
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【００２１】
電子増倍型の材料として、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を用いる場合、Ａｌ組成比ｙが、０．２５以上０．４８以下であることが好ましい。また、前記ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓは、後述するＩｎＰ等のｎ型半導体基板１１に、格子整合条件または、格子に破綻のない程度に抑えられた歪組成とすることが好ましい。
【００２２】
なお、本発明において、「組成」とは、半導体層等を構成する元素の原子数の量的関係をいう。「組成比」とは、前記半導体層等を構成する特定の元素の原子数と、他の元素の原子数との相対的な割合をいう。例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓの組成で表される半導体層において、ｙの数値を「Ａｌ組成比」という。
【００２３】
前記増倍層１３１のドーピング濃度（不純物濃度）は、なるべく低いことが好ましく、例えば１×１０１６ｃｍ−３以下、さらに好ましくは、５×１０１５ｃｍ−３以下である。このようなドーピング濃度を採用することで、半導体受光素子１０の動作時において、前記増倍層１３１の電界強度が層方向に沿って一定（均一電界）とすることができる。
【００２４】
前記第一増倍層１３１ａおよび前記第二増倍層１３１ｂは、高電界の印加によりアバランシェ増倍を引き起こし、多量のキャリアを発生させる層である。前記第一増倍層１３１ａは、そのバンドギャップＥｇ１が一定の層である。本発明では、低暗電流な増倍を行う観点から、前記第一増倍層は、前記Ｅｇ１が一定の層であることが好ましい。また、増倍暗電流低減の観点から、前記第一増倍層の厚みは、０．２μｍ以上であることが好ましい。同様の理由により、前記第一増倍層の厚みが、前記増倍層全体の厚みの半分以上であることが好ましい。前記第一増倍層の厚みは、厚くするとともに格子ずれ許容範囲が小さくなることから、結晶性低下等を避けるため、２．０μｍ以下とすることが好ましい。前記厚みは、より好ましくは、１．５μｍ以下であり、さらに好ましくは、０．５μｍ以上１．０μｍ以下の範囲である。前記第一増倍層１３１ａの材料は、ＩｎＡｌＧａＡｓが好ましく、その中でもＧａ組成比が０であるＩｎＡｌＡｓが最も好ましい。また、前記第一増倍層１３１ａの材料の別の一例として、ＩｎＧａＡｓＰが好ましく、その中でも、Ｇａ組成比およびＡｓ組成比が０であるＩｎＰが最も好ましい。
【００２５】
前記第二増倍層１３１ｂは、前記電界緩和層１３２とｎ＋型バッファ層１２とで挟まれた増倍層１３１のうち、ｎ＋型バッファ層１２側に近い層である。前記第二増倍層１３１ｂは、電界緩和層１３２側に近い前記第一増倍層１３１ａに比べてイオン化率が高いことが好ましい。イオン化率は、バンドギャップを調整することにより変化させることができる。前記第二増倍層１３１ｂをバンドギャップ一定の構造で構成する場合、前記第二増倍層１３１ｂのバンドギャップをＥｇ２とすると、Ｅｇ１＞Ｅｇ２を満たす構成にする。上記材料はＩｎＰに格子整合する材料であることが最も好ましい。
【００２６】
前記第二増倍層１３１ｂは超格子構造としてもよい。前記第二増倍層１３１ｂを超格子構造とする場合、前記超格子の平均バンドギャップをＥｇ２（ａｖ）としたときに、Ｅｇ１＞Ｅｇ２（ａｖ）を満たす構成にしてもよい。ここで、前記平均バンドギャップは、超格子構造から生ずる量子井戸やミニバンド間のエネルギーギャップではなく、障壁層と井戸層のそれぞれのエネルギーギャップＥｇを層厚の比を勘案して平均化して導出した値である。また、障壁層のバンドギャップをＥｇ２ｂ、井戸層のバンドギャップをＥｇ２ｗとしたとき、Ｅｇ１≧Ｅｇ２ｂ、Ｅｇ２ｂ＞Ｅｇ２ｗの関係を満たすように構成する。
【００２７】
超格子構造の材料は、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ／Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ａｓや、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）／Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２）を用いることが好ましい。ここで、０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｘ１＋ｙ１≦１、０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｘ２＋ｙ２≦１、０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦１、０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦１である。超格子構造の材料は、ＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ（１−ｘ３−ｙ３）Ａｓ（０＜ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１、０＜ｘ３＋ｙ３≦１）であることが、より好ましい。また、例えば、前記第一増倍層が、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｘ１＋ｙ１≦１）から形成され、前記第二増倍層が、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ／Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ａｓ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｘ２＋ｙ２≦１）で表される超格子構造を有し、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）ＡｓのバンドギャップＥｇ（Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ）が、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）ＡｓのバンドギャップＥｇ（Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ａｓ）より大きいことが、さらに好ましい。別の一例として、前記第一増倍層が、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）（０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦１）から形成され、前記第二増倍層が、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）／Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２）（０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦１）で表される超格子構造を有し、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）のバンドギャップＥｇ（Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１））が、Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２）のバンドギャップＥｇ（Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２））より大きいことが、さらに好ましい。
【００２８】
前記第二増倍層１３１ｂ内でのバンドギャップの最大値と最小値がそれぞれ、Ｅｇ２ｍａｘ、Ｅｇ２ｍｉｎであるとき、前記Ｅｇ２ｍａｘは、前記第一増倍層１３１ａのバンドギャップＥｇ１と同等か、より小さい（Ｅｇ１≧Ｅｇ２ｍａｘ）。また、本発明においては、波長λの光に対応するバンドギャップをＥλとしたとき、前記第二増倍層全体において、バンドギャップＥλが、Ｅλ≧Ｅλ１（λ１＝１．２μｍ）を満たすことが好ましい。すなわち、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値Ｅｇ２ｍｉｎが、Ｅｇ２ｍｉｎ≧Ｅλ１（λ１＝１．２μｍ）の関係を満たすことが好ましい。なお、前記第二増倍層から発生したダークキャリアは、ホール注入に近い形となり、増倍率があまり大きくならない。
【００２９】
前記第二増倍層１３１ｂの層厚は、前記第一増倍層１３１ａと前記第二増倍層１３１ｂの合計層厚の半分未満とすることが好ましい。すなわち、前記第一増倍層１３１ａより前記第二増倍層１３１ｂが薄い（ｄｍＥｇ１＞ｄｍＥｇ２）ことが好ましい。前記第二増倍層１３１ｂでイオン化の効果を発揮するためには、２０ｎｍ以上で作成されることが好ましく、より好ましくは、２０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲である。前記第二増倍層１３１ｂの超格子構造において、障壁層の厚みｄｂと井戸層の厚みｄｗとの比、ｒｄｗ＝ｄｗ／ｄｂは、前記第二増倍層１３１ｂ内で一定であってもよいが、前記ｎ＋型バッファ層１２側に近づくに従って擬似的にＥｇを下げるため、ｒｄｗを大きくしてもよい。
【００３０】
前記電界緩和層１３２は、前記増倍層１３１に印加される高電界と、前記光吸収層１３３に印加される比較的低い電界との差異を緩和させるために設けられる層である。前記電界緩和層１３２は、前記第一増倍層１３１ａおよび前記光吸収層１３３に直接接触している。この電界緩和層１３２を設けることにより、前記増倍層１３１へ高い電界を安定的に印加することが可能となる。本実施形態において、前記電界緩和層１３２は、ｐ型不純物を含有しており、前記光吸収層１３３および前記第一増倍層１３１ａと同一の構成材料を用いてもよい。
【００３１】
前記光吸収層１３３は、入射光を電気に変換する役割を果たす層であり、受光すべき光を吸収可能なバンドギャップを有する。前記光吸収層１３３の構成材料は、入射光の波長に応じて適宜選択される。
【００３２】
前記ｎ型半導体基板１１を形成する材料は、特に制限されず、例えば、ＩｎＰ等があげられる。
【００３３】
前記ｎ＋型バッファ層１２は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記ｎ＋型バッファ層１２を形成する材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等があげられる。本実施形態のように、前記ｎ＋型バッファ層１２が、第一のｎ＋型バッファ層１２ａと第二のｎ＋型バッファ層１２ｂとの２層構造である場合、前記第一のｎ＋型バッファ層１２ａがＩｎＰ、前記第二のｎ＋型バッファ層１２ｂがＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであることが好ましい。この構成とすると、例えば、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ層から積層を始めることになり、作製上容易である。また、第二のバッファ層はそのバンドギャップＥｇが、第二増倍層が一定バンドギャップの場合はそのＥｇと同等かそれ以上であることが好ましく、超格子構造の場合はその障壁層のバンドギャップ（Ｅｇ）と同等かそれ以上であることが好ましい。前記第一のｎ＋型バッファ層１２ａがＩｎＰ、前記第二のｎ＋型バッファ層１２ｂがＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓとすると、第二増倍層に接する層のバンドギャップが高いので、増倍特性が良好なものとなる点でも好ましい。
【００３４】
前記ＡＰＤ層１３は、光信号を電気信号に変換する。前記ＡＰＤ層１３において、前記光吸収層１３３がｐ−型、前記電界緩和層１３２がｐ＋型である場合、前記光吸収層１３３は、光信号を受けて光キャリアを発生させる。前記増倍層１３１は、前記光吸収層１３３で発生したキャリアを増倍させる。前記電界緩和層１３２は、前記増倍層１３１と前記光吸収層１３３との間に、大きな電界強度差を持たせる。
【００３５】
前記ｐ＋型バッファ層１４は、前記光吸収層１３３の前記電界緩和層１３２側の面とは反対側の面に形成されている。前記ｐ＋型バッファ層１４は、充分な不純物濃度と厚みを有し、動作電圧を印加した場合でも空乏化しないことが好ましい。前記ｐ＋型バッファ層１４を形成する材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等があげられる。
【００３６】
前記ｐ＋型コンタクト層１５は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記ｐ＋型コンタクト層１５を形成する材料としては、例えば、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等があげられる。
【００３７】
前記パッシベーション膜１８は、絶縁性を有する。前記パッシベーション膜１８を形成する材料としては、例えば、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２等のＳｉ（シリコン）系材料；ポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等の樹脂系材料等があげられる。前記パッシベーション膜１８の膜厚は、前記Ｓｉ系材料では、例えば、０．１〜０．４μｍの範囲であり、前記樹脂系材料では、例えば、０．２〜２μｍの範囲である。前記パッシベーション膜の形成方法は、後述する。
【００３８】
前記ｐ型電極１６および前記ｎ型電極１７は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記両電極を形成する材料としては、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ等の金属があげられる。前記金属は、一種類を単独で用いてもよいし、二種類以上を併用してもよい。前記両電極の形成方法は、後述する。
【００３９】
前記反射防止膜１９は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記反射防止膜１９を形成する材料としては、例えば、ＳｉＮｘ等があげられる。前述の材料を用いて、例えば、屈折率が１．９付近、厚みｄの反射防止膜を形成することができる。前記厚みｄは、例えば、信号波長λｓ、反射防止膜の屈折率をｎとすると、下記式（Ｉ）により設定することができる。
ｄ＝λｓ／４ｎ    （Ｉ）
【００４０】
本実施形態の半導体受光素子は、例えば、以下のようにして動作する。
まず、半導体受光素子の暗電流を十分低減するための温度環境を準備する。暗電流は、環境温度が低いほど低減されるが、実用化のため通信機に搭載する目的の場合、受信パッケージの基板上に搭載可能な程度の大きさである必要があるため、ペルチェ素子で冷却し、−６０℃程度に設定する。
次に素子にバイアスＴを用い、ブレークダウンに近い電圧のＤＣバイアスを印加する。ＤＣバイアスを印加すると、図３に示すような電界が印加される。さらに、バイアスＴのＡＣターミナルからパルスバイアスを印加してパルスバイアスの間ブレークダウン電圧を超えるような状態にする。これにより、周期的に１０の６乗から７乗程度の利得を得て光子検出レベルの利得が得られる状態にする。
【００４１】
図１（ａ）に示すように、信号光（フォトン）１００が前記ｎ型半導体基板１１側から、この半導体受光素子１０に入射されると、前記ＡＰＤ層１３は、前記信号光１００を受光、増幅して、光電流を発生させる。前記信号光１００として、一定周期のパルスバイアスに同期させて、光パルス信号を入射させる。入射光の強度は、０．１ｐｈｐｐ〜１．０ｐｈｐｐ程度に設定する。ここで、ｐｈｐｐは、一つのパルス信号に含まれる平均フォトン数を表す単位である。前記ＡＰＤ層１３は、前記光吸収層１３３で光子信号を光電変換して光キャリア（フォトン起因の電子とホールのペア）を生成し、片方のキャリアを前記ｐ＋型バッファ層１４、もう片方のキャリアを前記電界緩和層１３２を通じて前記増倍層１３１に注入させる。前記増倍層１３１に注入されたキャリアはアバランシェ増倍を起こし、信号は増幅されて前記ｐ型電極１６および前記ｎ型電極１７の両方に増幅された信号を出力する。光子検出時にパルスバイアスで動作させた場合、利得は１０の６乗程度以上が見込まれ、単一キャリアでも検出可能なレベルまで増幅することができる。
【００４２】
本発明において、前記増倍層１３１では、前記第二増倍層１３１ｂの働きで、光キャリアが前記電界緩和層１３２から前記増倍層１３１を横切って前記ｎ＋型バッファ層１２まで走行する間に感じるイオン化率は高まり、層全体のイオン化能力は、前記第二増倍層１３１ｂを含まないものに比較して高くなる。
【００４３】
イオン化率とバンドギャップの関係は定式化されていないが、ブレークダウン電圧とバンドギャップとの関係から類推できる。
ブレークダウン電圧ＶＢは、下記式（ＩＩ）の関係が知られている。
【数１】
2011171367.tif 000006
前記式（ＩＩ）において、Ｅｇはバンドギャップ、ＮＢは、不純物濃度である。前記式（ＩＩ）によると、ブレークダウンに達する電界はバンドギャップと相関がある。Ｅｇが小さくなるとブレークダウン電圧も下がることから、Ｅｇが下がるとイオン化に必要な電界強度も下がる関係にある。従って、増倍層中に複数のバンドギャップの材料を積層すると、バンドギャップの小さい材料でイオン化率が高まり、増倍しやすくなる。一方、増倍層内で発生するダークキャリアは、バンドギャップＥｇが小さいほうが発生しやすいという関係から、超格子層や後述するＥｇ傾斜層において、他の部分より高い確率で発生する。しかし、増倍層材料は、増倍層へのキャリア注入位置により、増倍特性が異なるという特徴を持っている。
【００４４】
電子増倍型の増倍層では、増倍層がダイオードＰＮ接合の間の空乏層部分に位置しているとして、Ｐ型層の側から注入されたキャリア（逆バイアス印加時のキャリアの走行方向から考えて電子になる）は、増倍率が高くなり、Ｎ型層の側から注入されたキャリア（逆バイアス印加時のキャリアの走行方向から考えてホールになる）は増倍層が相対的に低くなることが知られている。ホール増倍型の増倍層の場合は、これの反対の現象がみられる。増倍層内部の中間位置で発生した場合には、これらの中間の増倍率を示す。
【００４５】
本発明の半導体受光素子では、増倍層におけるダークキャリアは、増倍層内のＮ型層の側でより多く発生するため、ダークキャリアの多くは、バンドギャップが一定の増倍層での増倍に比較して増倍率が小さくなる。このような波高分布を持つ信号は、後段のアンプに入力されて、線形に増幅される。アンプの出力信号は、識別器に入力され、閾値判定されて、１と０で出力される。閾値を適切に調節することにより、Ｓ／Ｎ比の良い信号検出を実現することができる。したがって、本実施形態の半導体受光素子を備える半導体受光装置は、高感度なものとすることができる。
【００４６】
本実施形態の半導体受光素子は、次のように製造することができる。
第一の工程は、エピタキシャル結晶成長である。
半導体基板上に、結晶成長装置により、ｎ型半導体基板１１上に、前記表１の順に各層を積層する。
【００４７】
つぎに、図２に基づき、本実施形態の半導体受光素子の製造方法を説明する。図２において、図１と同一部分には同一符号を付している。本実施形態の半導体受光素子の製造方法は、エピタキシャル結晶層積層工程と、プロセス工程とを含む。前記プロセス工程は、メサ構造形成工程と、パッシベーション膜形成工程と、電極形成工程と、研磨工程と、反射防止膜形成工程とを含む。図２Ａに、エピタキシャル結晶層積層工程を示す。図２Ｂに、メサ構造形成工程と、パッシベーション膜形成工程とを示す。図２Ｃに、電極形成工程を示す。図２Ｄに、研磨工程と、反射防止層形成工程とを示す。
【００４８】
まず、図２Ａに示すように、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ＋型バッファ層１２、ＡＰＤ層１３、ｐ＋型バッファ層１４、ｐ＋型コンタクト層１５となるエピタキシャル結晶層を積層する（エピタキシャル結晶層積層工程）。前記エピタキシャル結晶層の各層は、前述のとおりである。前記各層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ガスソースＭＢＥ、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）等により積層される。
【００４９】
つぎに、図２Ｂに示すように、前記ｐ＋型コンタクト層１５から前記ｎ型半導体基板１１の途中までメサ型にエッチングして、メサ構造を形成する（メサ構造形成工程）。前記エッチングは、例えば、パターニングによりエッチングマスクを形成後、ブロム・メタノール、ブロム・水、または、ブロム・臭化水素・水等の非選択エッチング液を用いて、ウェットエッチングにより行うことが好ましい。前記エッチングマスクは、エッチング液耐性のあるレジストや、ＳｉＯ２等を用いることができる。ついで、形成されたメサ構造および前記ｎ型半導体基板１１の全面にパッシベーション膜１８を形成する（パッシベーション膜形成工程）。
【００５０】
つぎに、図２Ｃに示すように、前記ｐ＋型コンタクト層１５上のパッシベーション膜１８の一部、および前記ｎ型半導体基板１１上のパッシベーション膜１８の一部を除去する。パッシベーション膜１８の一部を除去するには、パターニングにより、エッチングマスクを形成し、その後パッシベーション膜１８を所望の領域だけ除去すればよい。パッシベーション膜１８がＳｉ０２やＳｉＮｘ等であれば、その除去にはＢＨＦ（バッファードフッ酸）等を用いることができる。この除去された部分に、前述の金属を形成して電極を形成する。このようにして、前記ｐ＋型コンタクト層１５に接触させたｐ型電極１６と、前記ｎ型半導体基板１１に接触させたｎ型電極１７とを形成する（電極形成工程）。
【００５１】
つぎに、図２Ｄに示すように、前記ｎ型半導体基板１１の前記ＡＰＤ層１３が形成されている側の面とは反対側の面を研磨して、前記ハンドリングに適当な厚みまで薄くする。また、この面を鏡面研磨して、鏡面化する（研磨工程）。ついで、前記ｎ型半導体基板１１の鏡面研磨を行った面に、反射防止膜１９を形成する（反射防止膜形成工程）。前記形成には、例えば、プラズマ化学気相成長（ｐ−ＣＶＤ）等を用いることができる。このようにして、本実施形態の半導体受光素子を製造可能である。ただし、本実施形態の半導体受光素子の製造方法は、この例に限定されない。
【００５２】
（実施形態２）
図４に、本実施形態の半導体受光素子の一例の構成を示す。図４（ａ）は、本実施形態の半導体受光素子の断面図である。図４（ｂ）は、本実施形態の断面図（図４（ａ））における領域Ｂ部分の層構造を示す図である。図４（ｃ）は、本実施形態の第二増倍層４３１ｂの層構造を示す図である。前記各図において、図１と同一部分には同一符号を付している。この半導体受光素子４０は、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ＋型バッファ層１２と、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）層４３と、ｐ＋型バッファ層１４と、ｐ＋型コンタクト層１５とが、前記順序で積層されている、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）である。前記ＡＰＤ層４３は、前記ｎ型半導体基板１１から前記ｐ＋型バッファ層１４に向かって、増倍層４３１と、電界緩和層４３２と、光吸収層４３３とが、前記順序で積層されている。前記増倍層４３１は、第一増倍層４３１ａおよび第二増倍層４３１ｂの二層構造となっている。増倍層材料には、電子増倍型の材料とホール増倍型の材料とがあるが、本実施形態においては、前記増倍層４３１は、電子増倍型の材料を用いたものを示す。前記増倍層４３１は、前記ｎ型半導体基板１１から前記ｐ＋型バッファ層１４に向かって、第二増倍層４３１ｂと第一増倍層４３１ａとが、この順序で積層されている。前記第一増倍層４３１ａは、バンドギャップが一定である層である。
【００５３】
本実施形態において、前記第二増倍層４３１ｂは、そのバンドギャップまたは平均バンドギャップが、層内で傾斜する（前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的にまたは階段状に減少する）傾斜構造を有している以外は、前記実施形態１と同様である。本実施形態では、前記第二増倍層４３１ｂ内で、前記第一増倍層４３１ａから離れる方向に向かってバンドギャップが小さくなるようにバンドギャップを傾斜させる構成にする。前記第二増倍層４３１ｂの材料を、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等で構成することで傾斜構造を構成することができる。前記傾斜構造は、連続的に傾斜していても、階段状に傾斜していてもよい。階段状に傾斜（前記第一増倍層側から反対側に向かって減少）する場合、例えば、図４（ｃ）に示すように、前記第二増倍層４３１ｂは、４３１ｂ−１、４３１ｂ−２、４３１ｂ−３の各部分において、バンドギャップの異なる材料を用い、バンドギャップが前記の順で大きくなるようにすることができる。階段状にバンドギャップが変化する場合、階段の数（段数）は、一段でもよい。前記第二増倍層４３１ｂ内でのバンドギャップの最大値と最小値がそれぞれ、Ｅｇ２ｍａｘ、Ｅｇ２ｍｉｎであるとき、前記Ｅｇ２ｍａｘは、前記第一増倍層４３１ａのバンドギャップＥｇ１と同等か、より小さい（Ｅｇ１≧Ｅｇ２ｍａｘ）。波長λの光に対応するバンドギャップをＥλとしたとき、前記第二増倍層全体において、トンネル暗電流を低減するため、バンドギャップＥλが、Ｅλ≧Ｅλ１（λ１＝１．２μｍ）を満たすことが好ましい。すなわち、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値Ｅｇ２ｍｉｎが、Ｅｇ２ｍｉｎ≧Ｅλ１（λ１＝１．２μｍ）の関係を満たすことが好ましい。
【００５４】
本発明において、例えば、前記第一増倍層のバンドギャップが、第二増倍層側の面で最小値Ｅｇ１ｍｉｎをとり、前記第二増倍層のバンドギャップが、第二増倍層側の面で最大値Ｅｇ２ｍａｘをとり、Ｅｇ１ｍｉｎおよびＥｇ２ｍａｘが、Ｅｇ１ｍｉｎ＝Ｅｇ２ｍａｘの関係を満たし、前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的に減少することが好ましい。
【００５５】
前記構成を有することで、前記実施形態１と同様にＳ／Ｎ比向上が可能な半導体受光素子を得ることができる。本実施形態の半導体受光素子を備える半導体受光装置は、高感度なものとすることができる。
【００５６】
（実施形態３）
図５に、本実施形態の半導体受光素子の一例の構成を示す。図５（ａ）は、本実施形態の半導体受光素子の断面図である。図５（ｂ）は、本実施形態の断面図（図５（ａ））における領域Ｃ部分の層構造を示す図である。前記各図において、図１と同一部分には同一符号を付している。また、下記表４に、本実施形態の半導体受光素子の層構造を示す。この半導体受光素子５０は、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ＋型バッファ層１２と、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）層５３と、ｐ＋型バッファ層１４と、ｐ＋型コンタクト層１５とが、前記順序で積層されている、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）である。前記ＡＰＤ層５３は、前記ｎ型半導体基板１１から前記ｐ＋型バッファ層１４に向かって、光吸収層５３３と、電界緩和層５３２と、増倍層５３１とが、前記順序で積層されている。前記増倍層５３１は、第一増倍層５３１ａおよび第二増倍層５３１ｂの二層構造となっている。増倍層材料には、電子増倍型の材料とホール増倍型の材料とがあるが、本実施形態においては、前記増倍層５３１は、ホール増倍型の材料を用いたものを示す。前記ホール増倍型の材料としては、ＩｎＰ等を用いることができる。ホール増倍型の増倍層の場合、前記増倍層５３１は、ｎ＋型電界緩和層と前記ＡＰＤ層５３に隣接するｐ＋型バッファ層１４に挟まれて構成される。前記増倍層５３１は、前記ｎ型半導体基板１１から前記ｐ＋型バッファ層１４に向かって、第一増倍層５３１ａと第二増倍層５３１ｂとが、この順序で積層されている。前記第一増倍層５３１ａは、バンドギャップが一定である層である。
【００５７】
【表４】
2011171367.tif 000007
【００５８】
本実施形態においては、前記ＡＰＤ層５３は、前記光吸収層５３３が前記ｎ型半導体基板１１側となるように積層されている。前記第二増倍層５３１ｂは、超格子構造である。本実施形態の半導体受光素子５０の各層の材料、層厚等の構成の一例を表５に示す。表中のＭｉｎ、Ｍａｘは、それぞれの好ましい範囲の最小値および最大値を表わす。同じくＴｙｐは、代表値を表わす。
【００５９】
【表５】
2011171367.tif 000008
【００６０】
本実施形態において、前記増倍層５３１は、上述の実施形態と同様に、ドーピング濃度（不純物濃度）を低く設定して作製することが好ましく、具体的には、１×１０１６ｃｍ−３以下であればよく、さらに好ましくは、５×１０１５ｃｍ−３以下である。このようなドーピング濃度を採用することで、半導体受光素子１０の動作時において、前記増倍層５３１の電界強度が層方向に沿って一定（均一電界）とすることができる。
【００６１】
上記表５においては、前記第二増倍層５３１ｂが超格子構造の場合を示しているが、前記第二増倍層５３１ｂは、上述の傾斜構造を有していてもよい。
【００６２】
前記構成を有することで、前記実施形態１と同様にＳ／Ｎ比向上が可能な半導体受光素子を得ることができる。本実施形態の半導体受光素子を備える半導体受光装置は、高感度なものとすることができる。
【実施例】
【００６３】
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例によってなんら限定ないし制限されない。
【００６４】
［実施例１］
図１（ａ）に示す半導体受光素子１０を、前述の実施形態１で述べた半導体受光素子の製造方法により作製した。まず、ＭＢＥ結晶成長装置を用いて、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ＋型バッファ層１２、ＡＰＤ層１３、ｐ＋型バッファ層１４、ｐ＋型コンタクト層１５となるエピタキシャル結晶層を積層した（エピタキシャル結晶層積層工程）。下記表６に、前記エピタキシャル結晶層における各層の材料、層厚等の構成を示す。表中の材料は、主成分を表わしており、例えば、各層間の界面における成分の拡散等による組成のズレが存在する可能性がある。表中のＴｙｐは、代表値を表わす。前記エピタキシャル結晶層における第二増倍層１３１ｂにおいて、一周期が下記表７に示す障壁層／井戸層の組み合わせ層構造を１０周期作製した。
【００６５】
【表６】
2011171367.tif 000009
【００６６】
【表７】
2011171367.tif 000010
【００６７】
このエピタキシャル結晶層の前記ｐ＋型コンタクト層１５側の面に、パターニングによりマスク（ネガレジストまたはＳｉＯ２）を形成した。この状態で、非選択エッチング液（ブロム・水またはブロム・メタノール等）を用いて、前記ｎ型半導体基板１１の途中までエッチングした。このようにして、メサ構造を形成した（メサ構造形成工程）。エッチング深さは、最も深い場所で３．６μｍ程度とした。
【００６８】
前記マスクを除去した後に、形成されたメサ構造および前記ｎ型半導体基板１１の全面にパッシベーション膜１８（材料：ＳｉＮｘ）を形成した（パッシベーション膜形成工程）。
【００６９】
電極とのコンタクトをとるために、まず、前記パッシベーション膜１８の全面にマスク（ネガレジストまたはＳｉＯ２）を形成した。ついで、このマスクの前記ｐ＋型コンタクト層１５上に位置する部分を除去した。また、このマスクのｎ型半導体基板１１上に位置する一部を除去した。この状態で、バッファード・フッ酸等により、前記マスクが除去された部分に対応するパッシベーション膜１８を除去した。このようにして、電極を接続するための窓を形成した。つぎに、前記マスクを除去した後に、全面にＴｉ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの順序で金属を形成して電極を形成した。形成された電極のうち、ｐ型電極およびｎ型電極に該当する部分にマスクを形成した。この状態で、ミリング装置等を用いて、アルゴンガス（アルゴンイオンビーム）を照射して、ｐ型電極およびｎ型電極に該当する以外の部分の金属を除去した。このようにして、前記ｐ＋型コンタクト層１５に接触させたｐ型電極１６と、前記ｎ型半導体基板１１に接触させたｎ型電極１７とを形成した（電極形成工程）。
【００７０】
つぎに、前記ｎ型半導体基板１１の前記ＡＰＤ層１３が形成されている側の面とは反対側の面を研磨して、前記ｎ型半導体基板１１を１５０μｍ程度まで薄くするとともに、この面に鏡面研磨を行い、鏡面化した（研磨工程）。
【００７１】
前記ｎ型半導体基板１１の鏡面化した面に、ｐ−ＣＶＤまたはスパッタ装置等を用いて、反射防止膜１９（ＳｉＮｘ膜、膜厚：２０００Å（２００ｎｍ）程度）形成した（反射防止膜形成工程）。このようにして、本実施例に用いる半導体受光素子１０を作製した。
【００７２】
この半導体受光素子１０をモジュール化（ピグテイルモジュール等）した。
【００７３】
［比較例１］
比較のため、実施例１の半導体受光素子１０において、増倍層が単一バンドギャップで構成された半導体受光素子（図７に相当）を作製した。下記表８に、エピタキシャル結晶層における各層の材料、層厚等の構成を示す。表中の材料は、主成分を表わしており、例えば、各層間の界面における成分の拡散等による組成のズレが存在する可能性がある。表中のＴｙｐは、代表値を表わす。得られた半導体受光素子を、実施例１と同様にモジュール化（ピグテイルモジュール等）した。
【００７４】
【表８】
2011171367.tif 000011
【００７５】
［特性評価］
実施例１および比較例１で作製したモジュールを、ペルチェ素子を用いて冷却し、−６０℃程度の一定温度とした。この状態で、バイアスＴを用いて、前記半導体受光素子のブレークダウン電圧に近い電圧のＤＣバイアスを印加する。さらに、バイアスＴのＡＣターミナルからパルスバイアスを印加してパルスバイアスの間ブレークダウン電圧を超えるような状態にした。
【００７６】
この状態で、０．１ｐｈｐｐの光強度に設定された光パルス信号を、前記パルスバイアスに同期させて照射した。このときの出力信号を識別器に入力した。この結果を図６に示す。図６において、横軸には、各素子の室温（ＲＴ）におけるブレークダウン電圧（Ｖｂ）の９０％のバイアス電圧における暗電流値（Ｉｄ（＠０．９Ｖｂ，ＲＴ））を、縦軸には、ダークカウント（量子効率１０％、Ｔ＝−６０℃）をプロットしている。実施例１の素子の測定結果を●印、比較例１の素子の測定結果を▲印で示す。実施例１の素子は、比較例１の素子と比較して暗電流が高い特性であることがわかる。この結果から予測するに、実施例１の素子は、従来技術どおりの性能の素子であれば、暗電流が主因と考えられているダークカウント値は、比較例１の素子より高い傾向を示すと考えられる。しかしながら、実施例１の素子のダークカウントの値は、識別レベルを適切に設定することにより、比較例１の素子より３倍以上低減された値を得ることができている。これは、量子効率が１０％の条件下において光子検出のＳ／Ｎ比を３倍以上向上させることができたことに相当する。なお、Ｓ／Ｎ比は、量子効率に依存し、一般に量子効率が高くなるとＳ／Ｎ比が下がる傾向にある。したがって、前記のようにＳ／Ｎ比を３倍以上向上させるためには、量子効率を大きく低減させなければならなかった。しかし、本発明によれば、例えば、本実施例のように、高い量子効率と高いＳ／Ｎ比とを両立させることが可能である。
【００７７】
［実施例２］
図５に示す半導体受光素子５０を、以下のようにして作製した。まず、ＭＢＥ結晶成長装置を用いて、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ＋型バッファ層１２、ＡＰＤ層５３、ｐ＋型バッファ層１４、ｐ＋型コンタクト層１５となるエピタキシャル結晶層を積層した（エピタキシャル結晶層積層工程）。下記表９に、前記エピタキシャル結晶層における各層の材料、層厚等の構成を示す。表中のＴｙｐは、代表値を表わす。前記エピタキシャル結晶層における第二増倍層５３１ｂにおいて、一周期が下記表１０に示す障壁層／井戸層の組み合わせ層構造を１０周期作製した。これら以外は、実施例１と同様にして、本実施例の半導体受光素子５０を作製した。
【００７８】
【表９】
2011171367.tif 000012
【００７９】
【表１０】
2011171367.tif 000013
【００８０】
この半導体受光素子５０をモジュール化（ピグテイルモジュール等）した。本実施例２の半導体受光素子を用いたモジュールも、実施例１と同様に、高い量子効率と高いＳ／Ｎ比との両立が可能である。
【００８１】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００８２】
（付記１）光信号を電気信号に変換するフォトダイオード層を有し、
前記フォトダイオード層が、光吸収層と、電界緩和層と、増倍層とを含み、
前記電解緩和層は、前記光吸収層と前記増倍層とに挟まれており、
前記増倍層が、第一増倍層および第二増倍層を含み、
前記第一増倍層および前記第二増倍層は、前記電界緩和層側から前記順序で積層され、
前記第二増倍層は、前記第一増倍層に隣接しており、
前記第一増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ１ｍｉｎ、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最大値をＥｇ２ｍａｘ、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をＥｇ２ｍｉｎとしたとき、Ｅｇ１ｍｉｎ≧Ｅｇ２ｍａｘかつＥｇ１ｍｉｎ＞Ｅｇ２ｍｉｎの関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
【００８３】
（付記２）前記第一増倍層のバンドギャップが一定であることを特徴とする付記１記載の半導体受光素子。
【００８４】
（付記３）前記第一増倍層の厚みが、０．２μｍ以上である付記１または２記載の半導体受光素子。
【００８５】
（付記４）前記第一増倍層の厚みが、前記増倍層全体の厚みの半分以上であることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００８６】
（付記５）前記第二増倍層が、超格子構造を有することを特徴とする、付記１から４のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００８７】
（付記６）前記第一増倍層が、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｘ１＋ｙ１≦１）から形成され、
前記第二増倍層が、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ／Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ａｓ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｘ２＋ｙ２≦１）で表される超格子構造を有し、
Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）ＡｓのバンドギャップＥｇ（Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ａｓ）が、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）ＡｓのバンドギャップＥｇ（Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ａｓ）より大きいことを特徴とする、付記５記載の半導体受光素子。
【００８８】
（付記７）前記第一増倍層が、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）（０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦１）から形成され、
前記第二増倍層が、Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）／Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２）（０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦１）で表される超格子構造を有し、
Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１）のバンドギャップＥｇ（Ｉｎ（１−ａ１）Ｇａａ１Ａｓｂ１Ｐ（１−ｂ１））が、Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２）のバンドギャップＥｇ（Ｉｎ（１−ａ２）Ｇａａ２Ａｓｂ２Ｐ（１−ｂ２））より大きいことを特徴とする、付記５記載の半導体受光素子。
【００８９】
（付記８）前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的にまたは階段状に減少することを特徴とする、付記１から７のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００９０】
（付記９）前記第一増倍層のバンドギャップが、第二増倍層側の面で最小値Ｅｇ１ｍｉｎをとり、
前記第二増倍層のバンドギャップが、第一増倍層側の面で最大値Ｅｇ２ｍａｘをとり、
Ｅｇ１ｍｉｎおよびＥｇ２ｍａｘが、Ｅｇ１ｍｉｎ＝Ｅｇ２ｍａｘの関係を満たし、
前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的に減少することを特徴とする、付記８記載の半導体受光素子。
【００９１】
（付記１０）前記第二増倍層が、異なるバンドギャップを有する複数の層で構成され、それらのバンドギャップが、前記第一増倍層から離れるに従って階段状に小さくなることを特徴とする、付記８記載の半導体受光素子。
【００９２】
（付記１１）波長λの光に対応するバンドギャップをＥλとしたとき、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値Ｅｇ２ｍｉｎが、Ｅｇ２ｍｉｎ≧Ｅλ１（λ１＝１．２μｍ）の関係を満たすことを特徴とする、付記１から１０のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００９３】
（付記１２）付記１から１１のいずれかに記載の半導体受光素子を備えることを特徴とする半導体受光装置。
【符号の説明】
【００９４】
１０、４０、５０、６０  半導体受光素子
１１  ｎ型半導体基板
１２、１２ａ、１２ｂ  ｎ＋型バッファ層
１３、４３、５３、６３  アバランシェ・フォトダイオード層
１３１、４３１、５３１、６３１  増倍層
１３１ａ、４３１ａ、５３１ａ  第一増倍層
１３１ｂ、４３１ｂ、５３１ｂ  第二増倍層
１３２、４３２、５３２、６３２  電界緩和層
１３３、４３３、５３３、６３３  光吸収層
１４  ｐ＋型バッファ層
１５  ｐ＋型コンタクト層
１６  ｐ型電極
１７  ｎ型電極
１８  パッシベーション膜
１９  反射防止膜
１００  信号光（フォトン）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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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