(57)【要約】【課題】Ａｌ組成率が高い材料を用いることなく、アバランシェ層内のイオン化の確率を高め、アバランシェフォトダイオードのＧＢ積を拡大する。【解決手段】ＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４、０≦ｙ＜１−ｘ）から構成されたアバランシェ層１０３と、第１コンタクト層１０１の側でアバランシェ層１０３に接して形成された第１導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第１電界抑制層１０４と、第２コンタクト層１０２の側でアバランシェ層１０３に接して形成された第２導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第２電界抑制層１０５とを備える。【選択図】  図１
2019102630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、
第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、
前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との間に形成されてＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４、０≦ｙ＜１−ｘ）から構成されたアバランシェ層と、
前記第１コンタクト層の側で前記アバランシェ層に接して形成された第１導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第１電界抑制層と、
前記第２コンタクト層の側で前記アバランシェ層に接して形成された第２導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第２電界抑制層と、
前記第１電界抑制層と前記第１コンタクト層の間に形成されて化合物半導体から構成された光吸収層と
を備える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１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、
第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、
前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との間に形成されてＩｎＡｌＧａＡｓから構成されたアバランシェ層と、
前記第１コンタクト層の側で前記アバランシェ層に接して形成された第１導電型のＩｎＡｌＡｓから構成された第１電界抑制層と、
前記第２コンタクト層の側で前記アバランシェ層に接して形成された第２導電型のＩｎＰから構成された第２電界抑制層と、
前記第１電界抑制層と前記第１コンタクト層の間に形成されて化合物半導体から構成された光吸収層と
を備える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３】
第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、
第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、
前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との間に形成されてＩｎＧａＡｓＰから構成されたアバランシェ層と、
前記第１コンタクト層の側で前記アバランシェ層に接して形成された第１導電型のＩｎＰから構成された第１電界抑制層と、
前記第２コンタクト層の側で前記アバランシェ層に接して形成された第２導電型のＩｎＰから構成された第２電界抑制層と、
前記第１電界抑制層と前記第１コンタクト層の間に形成されて化合物半導体から構成された光吸収層と
を備えることを特徴とする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】
本発明は、アバランシェ現象を利用したアバランシェフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
データセンタなどにおける近年の通信容量の増大に伴い、受信器に内蔵される光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）も高速化が要求されている。このようなＰＤの一種に、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）がある。ＡＰＤでは、アバランシェ増幅現象を利用して受光感度を高める機能があり、低消費電力かつコンパクトな受光部品構成で通信距離を延伸できることから開発が進められている。
【０００３】
高速通信用途においては、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長し、成長させた各層をパターニングして素子に作製したＩｎＰ系ＡＰＤがよく使われる。例えば、反転型構造を有するＡＰＤは、単純な作製方法で、信頼性に必要な電界閉じ込めが実現できる利点がある(非特許文献１参照)。
【０００４】
この反転型ＡＰＤは、図５に示すように、ＩｎＰ基板２０１の上に、ｐ型コンタクト層２０２、ｐ型拡散防止層２０３、ｐ型光吸収層２０４ａ、アンドープ光吸収層２０４ｂ、第１電界抑制層２０５、アバランシェ層２０６、第２電界抑制層２０７、ｎ型バッファ層２０８、ｎ型コンタクト層２０９を積層している。このＡＰＤの特徴は、光吸収層（ＩｎＧａＡｓからなるｐ型光吸収層２０４ａ、アンドープ光吸収層２０４ｂが、ＩｎＡｌＡｓからなるアバランシェ層２０６よりもＩｎＰ基板２０１の側に配置されることにある。
【０００５】
高速通信においては、必要とされる光電変換の応答速度が高い利得で実現できることが求められる。しかしながら、利得と応答速度はトレードオフの関係があり、この関係は利得帯域幅積（ＧＢ積）と呼ばれる。高速のＡＰＤでは、このＧＢ積を高く設計することが求められる。一般的に、ＧＢ積を高くするためには、アバランシェ層を薄くすることで実現できると知られている（非特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら光電変換の応答速度が１０ＧＨｚを超えるような高速なＡＰＤにおいては、アバランシェ層内の高電界で加速された電子・ホールが、高エネルギーを保持したまま、薄くされたアバランシェ層の外に伝導し、伝導した先で半導体結晶を構成する原子と衝突して新たな電子・ホールを発生させることが考えられる。このような現象が発生すると、アバランシェ層の厚みを薄くすることによるＧＢ積の増大効果が抑制される。
【０００７】
例えば、特許文献１では、第１電界抑制層および第２電界抑制層を、ＩｎxＡｌ1-xＡｓ（０≦ｘ＜０．５２）からなるアバランシェ層よりワイドなバンドギャップのＩｎxＡｌ1-xＡｓ（ｘ≦０．４）から構成することで、アバランシェ層内のイオン化の確率を高め、ＧＢ積を拡大させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３７４００１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M. Nada et al., "Triple-mesa Avalanche Photodiode With Inverted P-Down Structure for Reliability and Stability", Journal of Lightwave Technology, vol. 32, no. 8, pp. 1543-1548, 2014.
【非特許文献２】R. B. Emmons, "Avalanche-Photodiode Frequency Response", Journal of Applied Physics, vol. 38, no. 9, pp. 3705-3714, 1967.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述した技術では、アバランシェ層より大きなバンドギャップとするために電界抑制層をＩｎxＡｌ1-xＡｓ（ｘ≦０．４）から構成している。しかしながら、Ａｌは酸化しやすく、酸化したＡｌが存在する状態で高い強度の電圧が印加されると、結晶欠陥が発生する可能性がある。このように結晶欠陥が発生すると、リークパスが形成されるなど、大きな問題となる。このように、高い電界強度を印加する必要があるＡＰＤにおいては、Ａｌ組成率が大きい材料を用いることは、信頼性の観点でリスクがあることが問題となっていた。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、Ａｌ組成率が高い材料を用いることなく、アバランシェ層内のイオン化の確率を高め、アバランシェフォトダイオードのＧＢ積を拡大することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に形成されてＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４、０≦ｙ＜１−ｘ）から構成されたアバランシェ層と、第１コンタクト層の側でアバランシェ層に接して形成された第１導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第１電界抑制層と、第２コンタクト層の側でアバランシェ層に接して形成された第２導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第２電界抑制層と、第１電界抑制層と第１コンタクト層の間に形成されて化合物半導体から構成された光吸収層とを備える。
【００１３】
また、本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に形成されてＩｎＡｌＧａＡｓから構成されたアバランシェ層と、第１コンタクト層の側でアバランシェ層に接して形成された第１導電型のＩｎＡｌＡｓから構成された第１電界抑制層と、第２コンタクト層の側でアバランシェ層に接して形成された第２導電型のＩｎＰから構成された第２電界抑制層と、第１電界抑制層と第１コンタクト層の間に形成されて化合物半導体から構成された光吸収層とを備える。
【００１４】
また、本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に形成されてＩｎＧａＡｓＰから構成されたアバランシェ層と、第１コンタクト層の側でアバランシェ層に接して形成された第１導電型のＩｎＰから構成された第１電界抑制層と、第２コンタクト層の側でアバランシェ層に接して形成された第２導電型のＩｎＰから構成された第２電界抑制層と、第１電界抑制層と第１コンタクト層の間に形成されて化合物半導体から構成された光吸収層と  を備える。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したことにより、本発明によれば、Ａｌ組成率が高い材料を用いることなく、アバランシェ層内のイオン化の確率を高め、アバランシェフォトダイオードのＧＢ積が拡大できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの電界分布の状態を示す説明図である。
【図３】図３は、実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの電子のイオン化率の状態を示す説明図である。
【図４】図４は、従来のアバランシェフォトダイオードの電子のイオン化率の状態を示す説明図である。
【図５】図５は、従来のアバランシェフォトダイオードの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態おけるアバランシェフォトダイオードについて図１を参照して説明する。このアバランシェフォトダイオードは、まず、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層１０１と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層１０２と、第１コンタクト層１０１と第２コンタクト層１０２との間に形成されてＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４、０≦ｙ＜１−ｘ）から構成されたアバランシェ層１０３とを備える。例えば、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。
【００１８】
また、このアバランシェフォトダイオードは、第１コンタクト層１０１の側でアバランシェ層１０３に接して形成された第１導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第１電界抑制層１０４と、第２コンタクト層１０２の側でアバランシェ層１０３に接して形成された第２導電型のＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成された第２電界抑制層１０５と、第１電界抑制層１０４と第１コンタクト層１０１の間に形成されて化合物半導体から構成された光吸収層１０６とを備える。
【００１９】
実施の形態では、第１コンタクト層１０１の上に、第１導電型の化合物半導体から構成された拡散防止層１０７を介して光吸収層１０６が形成されている。また、実施の形態では、第２電界抑制層１０５と第２コンタクト層１０２との間に、第２導電型の化合物半導体から構成されたバッファ層１０８を備えている。また、光吸収層１０６は、第１導電型の化合物半導体から構成された第１光吸収層１０６ａと、アンドープの化合物半導体から構成された第２光吸収層１０６ｂとから構成している。
【００２０】
なお、上述した各層は、Ｆｅなどをドープした高抵抗なＩｎＰからなる基板１１１の上に積層されている。製造方法について簡単に説明すると、基板１１１の上に、公知の有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などのエピタキシャル成長法を利用し、第１コンタクト層１０１、拡散防止層１０７、第１光吸収層１０６ａ、第２光吸収層１０６ｂ、第１電界抑制層１０４、アバランシェ層１０３、第２電界抑制層１０５、バッファ層１０８、第２コンタクト層１０２を、これらの順に順次に形成する。この後、所望とする素子形状にパターニングし、また、所定の電極（不図示）を、第１コンタクト層１０１および第２コンタクト層１０２の各々に電気的に接続して形成すればよい。
【００２１】
上述したように、アバランシェ層１０３をＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４、０≦ｙ＜１−ｘ）から構成し、第１電界抑制層１０４，第２電界抑制層１０５をＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成したところに特徴がある。この構成により、第１電界抑制層１０４，第２電界抑制層１０５をアバランシェ層１０３より大きなバンドギャップとすることで、アバランシェ層１０３内のイオン化の確率を高め、ＧＢ積を拡大させると共に、層構造全体としてＡｌの組成比を下げることで信頼性を高めることができるようになる。
【００２２】
なお、アバランシェ層１０３をＩｎＡｌＧａＡｓから構成し、第１電界抑制層１０４，をＩｎＡｌＡｓから構成し、第２電界抑制層１０５をＩｎＰから構成しても、上述同様の効果が得られる。また、アバランシェ層１０３をＩｎＧａＡｓＰから構成し、第１電界抑制層１０４，第２電界抑制層１０５をＩｎＰから構成しても、上述同様の効果が得られる。
【００２３】
以下、より詳細に説明する。以下では、第１電界抑制層１０４、第２電界抑制層１０５を、Ｉｎ0.53Ａｌ0.47Ａｓから構成する。Ｉｎ0.53Ａｌ0.47Ａｓは、ＩｎＰに格子整合する組成比である。
【００２４】
また、アバランシェ層１０３は、Ｉｎ0.53ＡｌyＧａ(0.47-y)Ａｓ（０≦ｙ＜１−ｘ）から構成する。例えば、アバランシェ層１０３は、Ｉｎ0.53Ａｌ0.23Ｇａ0.24Ａｓから構成する。
【００２５】
上述した材料構成とし、第１コンタクト層１０１の電位が第２コンタクト層１０２の電位よりも高くなるように電圧を印加すると、アバランシェ層１０３の積層方向両側に形成された第１電界抑制層１０４および第２電界抑制層１０５の効果により、アバランシェ層１０３において集中的に電界が高くなる。この電界分布の状態を図２に示す。アバランシェ層１０３に最も高い電界Ｅmaxが印加される。例えば、アバランシェ層１０３の層厚を１００ｎｍとした場合、アバランシェブレークダウンを発生させるためには、アバランシェ層１０３の電界強度は８８０ｋＶ／ｃｍ程度になる。アバランシェ層１０３の積層方向外側は、第１電界抑制層１０４および第２電界抑制層１０５の効果により、２００ｋＶ／ｃｍ以下の電界強度に抑制されている。
【００２６】
上述した電圧印加状態で、このＡＰＤに光を入射すると、光吸収層１０６で光が吸収されて電子・ホールが発生するが、このうち電子がアバランシェ層１０３に到達すると、アバランシェ増倍が発生し、新たな電子とホールが発生する。
【００２７】
しかしながら、アバランシェ層１０３でエネルギーを得た電子・ホールが、エネルギーを失うことなくアバランシェ層１０３の積層方向の外に伝導した場合、電界が抑制されていないことと同義の状態とみなせる。これを説明するために、全層にわたって最大電界強度が印加されているものと仮定した場合の電子のイオン化率を図３に示す。なお、イオン化率とは、キャリアが単位距離を移動した時にイオン化する確率である。参照のため、図５を用いて説明した従来の構成の、第１電界抑制層２０５、第２電界抑制層２０７およびアバランシェ層２０６を共にＩｎＡｌＡｓから構成したアバランシェフォトダイオードについても、電子のイオン化率を図４に示す。
【００２８】
実施の形態によれば、アバランシェ層１０３内のイオン化係数が、この両側の第１電界抑制層１０４および第２電界抑制層１０５の領域のイオン化係数と比較して高くなっている。一方、従来の構成では、これらが均一であることがわかる。したがって、実施の形態によれば、アバランシェ層１０３におけるイオン化の効率が向上することがわかる。このことにより、実施の形態によれば、実効的なアバランシェ層１０３をより薄くすることができるため、ＧＢ積をより拡大させることができるようになる。また、アバランシェ層１０３はＩｎＡｌＡｓよりもＡｌの組成を低くしていることから信頼性の観点でリスクが低減する効果がある。
【００２９】
以上に説明したように、本発明は、アバランシェ層をＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４、０≦ｙ＜１−ｘ）から構成し、第１電界抑制層，第２電界抑制層をＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０．５＜ｘ≦０．５４）から構成し、アバランシェ層を挟む第１電界抑制層，第２電界抑制層の電子のイオン化率よりも、アバランシェ層の電子のイオン化率を大きくしたところに特徴がある。この結果、本発明によれば、Ａｌ組成率が高い材料を用いることなく、アバランシェ層内のイオン化の確率を高め、アバランシェフォトダイオードのＧＢ積を拡大できるようになる。
【００３０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１…第１コンタクト層、１０２…第２コンタクト層、１０３…アバランシェ層、１０４…第１電界抑制層、１０５…第２電界抑制層、１０６…光吸収層、１０６ａ…第１光吸収層、１０６ｂ…第２光吸収層、１０７…拡散防止層、１０８…バッファ層、１１１…基板。
【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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