(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された半導体からなる吸収層と、
基板の上に形成された半導体からなる増倍層と、
前記吸収層と前記増倍層との間に形成された半導体または金属からなる電圧制御層と、
前記吸収層の前記増倍層の形成側とは反対側に形成された第１導電型の半導体からなる第１コンタクト層と、
前記増倍層の前記吸収層の形成側とは反対側に形成された第２導電型の半導体からなる第２コンタクト層と、
前記第１コンタクト層に電気的に接続する第１電極と、
前記第２コンタクト層に電気的に接続する第２電極と、
前記電圧制御層に電気的に接続する第３電極と
を備え、
前記電圧制御層は、前記基板の側に配置される前記吸収層、または前記基板の側に配置される前記増倍層より小さい面積に形成されていることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
請求項１記載の受光素子において、
前記電圧制御層は、導電型を有する半導体から構成されていることを特徴とする受光素子。
【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よる受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオードの一つであるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、半導体吸収層で発生したキャリアを高電界で加速することにより、格子位置原子に衝突させて二次電子ならびに正孔を発生し、更に発生した電子と正孔が電界で加速され衝突を繰り返していくアバランシェ増倍を利用したフォトダイオードである。一般的なフォトダイオードでは光を電気に変換する際の効率は１００％が限界となるのに対し、ＡＰＤでは素子自身に増倍機能を有するため、１００％を大きく超える高効率化が可能となる。
【０００３】
光通信へ応用する高速・高感度ＡＰＤでは、通信用の波長帯である１．５５μｍ帯や１．３μｍ帯の光信号を電気信号に効率よく変換するために、吸収層としてＩｎＧａＡｓが用いられる。しかしながら、アバランシェ増倍を起こす高電界状態では、ＩｎＧａＡｓから構成される吸収層でのリーク電流が増大してしまうため、よりバンドギャップの大きなＩｎＰやＩｎＡｌＡｓを増倍層としつつ、動作状態においては、吸収層を構成するＩｎＧａＡｓの電界強度は低く、増倍層の電界強度は高くする「Ｌｏｗ−ｈｉｇｈ」の電界構造が一般的に用いられる。このため、光通信用の高速・高感度ＡＰＤにおいては、電界強度を制御するための層（電界制御層）を増倍層の周辺に設け、吸収層と増倍層を分離するＳＡＭ（Separated Absorption and Multiplication）構造が用いられている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】N. Susa et al., "Characteristics in InGaAsAnP Avalanche Photodiodes with Separated Absorption and Multiplication Regions", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE-17, no.2, pp.243-250, 1981.
【非特許文献２】T. Shimatsu and M. Uomoto, "Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal films", Journal of Vacuum Science & Technology B, vol.28, no.4, pp.706-714, 2010.
【非特許文献３】C. R. Crowell and S. M. Sze, "BALLISTIC MEAN FREE PATH MEASUREMENTS OF HOT ELECTRONS IN Au FILMS", Physical Review Letters, vol.15, no.16, pp.659-661, 1965.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＡＰＤの動作電圧（電流−電圧特性）に高い再現性を要求する場合，電界制御層の不純物濃度に高い制御性が要求される。これは、ＡＰＤが、電圧の印加に伴い、まず電界制御層が空乏化され、この後に吸収層の電界強度が上昇していくように設計されているためである。電界制御層の不純物濃度の設計値からのずれは、光電流が生じ始めるオン電圧、およびブレークダウン電圧に直接的に影響する。例えば、電界制御層の膜厚、濃度として一般的に用いられる範囲内においては、２０％の不純物濃度のずれは２Ｖ以上のオン電圧、ブレークダウン電圧の変動に相当する。
【０００６】
上述のように、ＡＰＤでより高速・高感度動作が得られるＳＡＭ構造では、動作電圧の再現性を２Ｖ以内の精度で確保するために、電界制御層の不純物濃度にプラスマイナス１０％以内の高い制御性が要求されている。このため、高速・高感度動作を実現するＳＡＭ構造は、製造が容易ではないという問題があった。
【０００７】
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、高速・高感度動作が実現できるアバランシェフォトダイオードが、より容易に製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る受光素子は、基板の上に形成された半導体からなる吸収層と、基板の上に形成された半導体からなる増倍層と、吸収層と増倍層との間に形成された半導体または金属からなる電圧制御層と、吸収層の増倍層の形成側とは反対側に形成された第１導電型の半導体からなる第１コンタクト層と、増倍層の吸収層の形成側とは反対側に形成された第２導電型の半導体からなる第２コンタクト層と、第１コンタクト層に電気的に接続する第１電極と、第２コンタクト層に電気的に接続する第２電極と、電圧制御層に電気的に接続する第３電極とを備える。
【０００９】
上記受光素子において、電圧制御層は、導電型を有する半導体から構成されていてもよい。
【００１０】
上記受光素子において、電圧制御層は、基板の側に配置される吸収層、または基板の側に配置される増倍層より小さい面積に形成されている。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、吸収層と増倍層との間に電圧制御層を設けるようにしたので、高速・高感度動作が実現できるアバランシェフォトダイオードが、より容易に製造できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における受光素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における受光素子の各層の積層方向におけるバンドギャップエネルギーの変化を示すバンド図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における受光素子の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態３における受光素子の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態４における受光素子の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態５における受光素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における受光素子の構成を示す断面図である。この受光素子は、基板１０１の上に形成された半導体からなる吸収層１０４と、基板１０１の上に形成された半導体からなる増倍層１０６と、吸収層１０４と増倍層１０６との間に形成された半導体または金属からなる電圧制御層１０５とを備える。
【００１５】
また、この受光素子は、吸収層１０４の増倍層１０６の形成側とは反対側に形成された第１導電型の半導体からなる第１コンタクト層１０２と、増倍層１０６の吸収層１０４の形成側とは反対側に形成された第２導電型の半導体からなる第２コンタクト層１０７とを備える。また、第１コンタクト層１０２に電気的に接続する第１電極１２１と、第２コンタクト層１０７に電気的に接続する第２電極１２２を備える。加えて、電圧制御層１０５に電気的に接続する第３電極１２３を備える。
【００１６】
実施の形態１では、基板１０１の上に、第１コンタクト層１０２，エッチストップ層１０３，吸収層１０４，電圧制御層１０５，増倍層１０６，第２コンタクト層１０７が、これらの順に積層されている。ここで、エッチストップ層１０３，吸収層１０４，および電圧制御層１０５により第１メサが形成され、増倍層１０６および第２コンタクト層１０７により第２メサが形成されている。
【００１７】
第２メサは、第１メサより平面視で小さい面積とされて第１メサの内側に配置されている。従って、側面の形状は、階段状となっている。この形状において、第１メサ周囲の第１コンタクト層１０２の上面に、第１電極１２１が接して形成されている。また、第２メサ周囲の第１メサ（電圧制御層１０５）の上面に、第３電極１２３が接して形成されている。第２電極１２２は、第２コンタクト層１０７の上面に接して形成されている。なお、実施の形態１において、電圧制御層１０５は、基板１０１の側に配置される吸収層１０４と同じ面積に形成されている。
【００１８】
実施の形態１では、第１コンタクト層１０２は、ｐ型の半導体から構成し、第２コンタクト層１０７は、ｎ型の半導体から構成している。従って、実施の形態１では、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。
【００１９】
例えば、ＩｎＰからなる基板１０１の上に、より高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層、ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層、比較的低濃度にｐ型不純物を導入したｐ-−ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＡｌＡｓの層、より高濃度にｎ型不純物を導入したｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長する。ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層は、第１コンタクト層１０２となる。次に、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層上に、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第２電極１２２を形成する。
【００２０】
次に、ｉ−ＩｎＡｌＡｓおよびｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、増倍層１０６，第２コンタクト層１０７からなる第２メサを形成する。増倍層１０６とするｉ−ＩｎＡｌＡｓの層の下は、ｐ-−ＩｎＰの層であり、これらの間には、硫酸系エッチャントに関する選択性がある。従って、第２メサ形成における増倍層１０６形成のためのウエットエッチングにおいては、硫酸系エッチャントを用いることで、ｐ-−ＩｎＰの層でウエットエッチングは停止する。
【００２１】
次に、ＩｎＰ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ、ｐ-−ＩｎＰの層を、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、エッチストップ層１０３、吸収層１０４、電圧制御層１０５からなる第１メサを形成する。第１メサ形成において、リソグラフィー技術により形成するエッチングマスクのパターン形状は、第２メサ形成におけるエッチングマスクのパターン形状より広い面積とすればよい。ここで、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間には塩酸系エッチャントに関する選択性がある。従って、まず、塩酸系エッチャントでｐ-−ＩｎＰの層をエッチングして電圧制御層１０５を形成し、次に、硫酸系エッチャントでｉ−ＩｎＧａＡｓの層をエッチングして吸収層１０４を形成し、次に、塩酸系エッチャントでＩｎＰの層をエッチングしてエッチストップ層１０３を形成すればよい。各エッチングにおいては、下層がエッチング停止層となる。
【００２２】
以上のようにして各層を形成した後、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第１電極１２１および第３電極１２３を形成する。なお、各メサの形成は、ウエットエッチングではなくドライエッチングを用いてもよい。この場合、エッチストップ層は必要が無い。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態１における受光素子の動作原理について説明する。
【００２４】
上述した吸収層と増倍層とを分離するＳＡＭ構造のＡＰＤは、吸収層と増倍層に異なる強度の電界を印加することが可能である。しかしながら、吸収層の電界は、吸収層を構成する半導体のアバランシェブレークダウン電界強度以下、またはツェナーブレークダウン電界強度以下であることが必要であり、同時に増倍層の電界は増倍層を構成する半導体のアバランシェブレークダウン電界強度以上であることが必要である。
【００２５】
実施の形態におけるＡＰＤにおいて、図１に示すように、電圧制御層１０５を接地し、第１コンタクト層１０２と電圧制御層１０５の間に電圧Ｖ1を印加し、電圧制御層１０５と第２コンタクト層１０７の間に電圧Ｖ2を印加することで、吸収層１０４にＶ1、増倍層１０６にＶ2＋ＶBIの異なる電圧を印加することが可能である。ＶBIは、電圧制御層１０５と第２コンタクト層１０７間のビルトインポテンシャルを表す。
【００２６】
上述した構成の本発明によれば、第３電極１２３を設けたことにより、増倍層１０６および吸収層１０４への電圧印加端子が独立する構成となるため、増倍層１０６、吸収層１０４の各々に、任意の電界強度を生じさせることが可能である。このように、従来のＳＡＭ構造で課題であった高い不純物濃度の制御性を要求する電界制御層は、本発明においては必要としない。
【００２７】
なお、本発明の効果をより顕著に得るためには、増倍層１０６、第２コンタクト層１０７で決まる素子の横幅を５μｍ以下とすることが望ましい。また従来のＳＡＭ構造のような電界制御層を含む受光素子構造に、電圧制御層１０５を設ける構成としても、同等の効果を得ることができる。この場合、電界制御層の不純物濃度変動に対する許容範囲を大きく取ることができる。
【００２８】
ところで、上記の受光素子の動作原理は、図２に示すように、信号光によって吸収層１０４で光励起された電子（図２中黒丸）が増倍層１０６でアバランシェ増幅され、微弱な光信号に対して大きな電気信号を得ることができるというものである。これは従来のＡＰＤと同一であり、電圧制御層１０５に印加される電圧は、信号のＯＮ／ＯＦＦによらず一定であり、また電圧制御層１０５の空乏化領域の伸長によりキャリアの走行経路を狭窄するものでもない。
【００２９】
また、従来のＡＰＤでは、光強度を増加させた際に、空間電荷効果で実効的に増倍層１０６中の電界強度が低下し、結果的に増倍率が低下する。このため、動作電圧の光強度に対する線形性が良くなかった。一方、本発明によれば、外部から電圧Ｖ2を印加することで増倍層１０６中の電界強度を制御することが可能であるため、ＡＰＤの動作電圧の光強度に対する線形性を改善することができる。
【００３０】
以上に説明したように、本発明の実施の形態１によれば、ＡＰＤに高速性と高感度性を維持しながら、動作電圧に高い再現性が得られるようになる。
【００３１】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における受光素子の構成を示す断面図である。この受光素子は、基板２０１の上に形成された半導体からなる吸収層２０５と、基板２０１の上に形成された半導体からなる増倍層２０３と、吸収層２０５と増倍層２０３との間に形成された半導体または金属からなる電圧制御層２０４とを備える。
【００３２】
また、この受光素子は、吸収層２０５の増倍層２０３の形成側とは反対側に形成された第１導電型の半導体からなる第１コンタクト層２０６と、増倍層２０３の吸収層２０５の形成側とは反対側に形成された第２導電型の半導体からなる第２コンタクト層２０２とを備える。また、第１コンタクト層２０６に電気的に接続する第１電極２２１と、第２コンタクト層２０２に電気的に接続する第２電極２２２を備える。加えて、電圧制御層２０４に電気的に接続する第３電極２２３を備える。
【００３３】
実施の形態２では、基板２０１の上に、第２コンタクト層２０２，増倍層２０３，電圧制御層２０４，吸収層２０５，第１コンタクト層２０６が、これらの順に積層されている。ここで、増倍層２０３および電圧制御層２０４により第１メサが形成され、吸収層２０５および第１コンタクト層２０６により第２メサが形成されている。
【００３４】
第２メサは、第１メサより平面視で小さい面積とされて第１メサの内側に配置されている。従って、側面の形状は、階段状となっている。この形状において、第１メサ周囲の第２コンタクト層２０２の上面に、第２電極２２２が接して形成されている。また、第２メサ周囲の第１メサ（電圧制御層２０４）の上面に、第３電極２２３が接して形成されている。第１電極２２１は、第１コンタクト層２０６の上面に接して形成されている。なお、実施の形態２において、電圧制御層２０４は、基板２０１の側に配置される増倍層２０３と同じ面積に形成されている。
【００３５】
実施の形態２では、第１コンタクト層２０６は、ｎ型の半導体から構成し、第２コンタクト層２０２は、ｐ型の半導体から構成している。従って、実施の形態２では、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。
【００３６】
例えば、ＩｎＰからなる基板２０１の上に、より高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層、ＩｎＰの層、比較的低濃度にｎ型不純物を導入したｎ-−ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層、より高濃度にｎ型不純物を導入したｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長する。ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層は、第２コンタクト層２０２となる。次に、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層上に、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第１電極２２１を形成する。
【００３７】
次に、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層およびｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、吸収層２０５，第１コンタクト層２０６からなる第２メサを形成する。次に、ＩｎＰの層、ｎ-−ＩｎＰの層を、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、増倍層２０３および電圧制御層２０４からなる第１メサを形成する。
【００３８】
以上のようにして各層を形成した後、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第２電極２２２および第３電極２２３を形成する。なお、各メサの形成は、ウエットエッチングではなくドライエッチングを用いてもよい。
【００３９】
実施の形態２の受光素子の動作原理は、信号光によって吸収層２０５で光励起されたホールが増倍層２０３でアバランシェ増幅され、微弱な光信号に対して大きな電気信号を得ることができるというものである。
【００４０】
実施の形態２では、実施の形態１と同様に、電圧制御層２０４を接地し、第１コンタクト層２０６と電圧制御層２０４の間に電圧Ｖ1を印加し、電圧制御層２０４と第２コンタクト層２０２の間に電圧Ｖ2を印加することで、吸収層２０５にＶ1、増倍層２０３にＶ2＋ＶBIの異なる電圧を印加することが可能である。これにより、増倍層２０３のみに選択的にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる。このため、従来のＳＡＭ構造で課題であった高い不純物濃度の制御性を要求する電界制御層を、実施の形態２の構成においても必要としない。また従来のＳＡＭ構造のような電界制御層を含む受光素子構造に、電圧制御層を備える場合であっても、同等の効果を得ることができる。この場合、当該電界制御層の不純物濃度変動に対する許容範囲を大きく取ることができる。
【００４１】
実施の形態１と同様に、実施の形態２の受光素子の動作原理は、信号光によって吸収層２０５で光励起されたホールが増倍層２０３でアバランシェ増幅され、微弱な光信号に対して大きな電気信号を得ることができる。電圧制御層２０４に印加される電圧は、信号のＯＮ／ＯＦＦによらず一定であり、また電圧制御層２０４の空乏化領域の伸長によりキャリアの走行経路を狭窄するものでもない。加えて、実施の形態２でも、外部から電圧Ｖ2を印加することで増倍層２０３中の電界強度を制御することが可能であるため、ＡＰＤの動作電圧の光強度に対する線形性を改善することができる。
【００４２】
以上に説明したように、本発明の実施の形態２においても、ＡＰＤに高速性と高感度性を維持しながら、動作電圧に高い再現性が得られるようになる。
【００４３】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態３における受光素子の構成を示す断面図である。この受光素子は、基板３０１の上に形成された半導体からなる吸収層３０４と、基板３０１の上に形成された半導体からなる増倍層３０６と、吸収層３０４と増倍層３０６との間に形成された半導体または金属からなる電圧制御層３０５とを備える。
【００４４】
また、この受光素子は、吸収層３０４の増倍層３０６の形成側とは反対側に形成された第１導電型の半導体からなる第１コンタクト層３０２と、増倍層３０６の吸収層３０４の形成側とは反対側に形成された第２導電型の半導体からなる第２コンタクト層３０７とを備える。また、第１コンタクト層３０２に電気的に接続する第１電極３２１と、第２コンタクト層３０７に電気的に接続する第２電極３２２を備える。加えて、電圧制御層３０５に電気的に接続する第３電極３２３を備える。
【００４５】
実施の形態３では、基板３０１の上に、第１コンタクト層３０２，エッチストップ層３０３，吸収層３０４，電圧制御層３０５，増倍層３０６，第２コンタクト層３０７が、これらの順に積層されている。ここで、エッチストップ層３０３，吸収層３０４，および電圧制御層３０５により第１メサが形成され、増倍層３０６および第２コンタクト層３０７により第２メサが形成されている。
【００４６】
第２メサは、第１メサより平面視で小さい面積とされて第１メサの内側に配置されている。従って、側面の形状は、階段状となっている。この形状において、第１メサ周囲の第１コンタクト層３０２の上面に、第１電極３２１が接して形成されている。また、第２メサ周囲の第１メサ（電圧制御層３０５）の上面に、第３電極３２３が接して形成されている。第２電極３２２は、第２コンタクト層３０７の上面に接して形成されている。なお、実施の形態３において、電圧制御層３０５は、基板３０１の側に配置される吸収層３０４と同じ面積に形成されている。
【００４７】
実施の形態３では、第１コンタクト層３０２は、ｐ型の半導体から構成し、第２コンタクト層３０７は、ｎ型の半導体から構成している。従って、実施の形態３では、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。
【００４８】
例えば、ＩｎＰからなる基板３０１の上に、より高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層、ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層を、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長する。加えて、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層上に、電子ビーム蒸着法またはスパッタ法などにより、Ａｕからなる第１金属層を形成する。第１金属層は、厚さ数ｎｍ程度とすればよい。
【００４９】
一方、図示しない単結晶シリコンから構成した他基板に、ｎ型不純物を導入したｎ−Ｓｉの層、ｉ−Ｓｉの層を、よく知られた分子線エピタキシー法により成長する。加えて、ｉ−Ｓｉの層の上に、電子ビーム蒸着法またはスパッタ法などにより、Ａｕからなる第２金属層を形成する。第２金属層も、厚さ数ｎｍ程度とすればよい。
【００５０】
次に、基板３０１と他基板とを、第１金属層と第２金属層との原子拡散接合（金属−金属接合）により貼り合わせる（非特許文献２参照）。貼り合わせた後、他基板を除去する。例えば、よく知られた研磨、エッチング等により他基板を除去すればよい。この結果、基板３０１の上に、ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層、ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層，Ａｕからなる層，ｉ−Ｓｉの層，ｎ−Ｓｉの層が、これらの順に積層した状態が得られる。ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層は、第１コンタクト層３０２となる。
【００５１】
次に、ｎ−Ｓｉの層上に、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第２電極３２２を形成する。
【００５２】
次に、ｉ−Ｓｉの層，ｎ−Ｓｉの層の層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、増倍層３０６，第２コンタクト層３０７からなる第２メサを形成する。
【００５３】
次に、ＩｎＰ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ、Ａｕからなる層を、公知のリソグラフィー技術および所定のエッチング技術によりパターニングすることで、エッチストップ層３０３、吸収層３０４、電圧制御層３０５からなる第１メサを形成する。実施の形態３では、電圧制御層３０５は、Ａｕから構成されたものとなる。各々が厚さ数ｎｍとした第１金属層および第２金属層を貼り合わせたＡｕからなる層は、厚さ４〜６ｎｍ程度と１０ｎｍ未満となる。従って、Ａｕからなる層より構成される電圧制御層３０５は、厚さ４〜６ｎｍ程度と１０ｎｍ未満となる。
【００５４】
以上のようにして各層を形成した後、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第１電極３２１および第３電極３２３を形成する。
【００５５】
ここで、電圧印加時において、吸収層３０４では空乏化が進行しているため数十から数百ｋＶ／ｃｍの電界強度を有している。このため、光吸収により生じたフォトキャリア（電子）は、吸収層３０４を走行しているうちに高い運動エネルギーを有し、いわゆるホットキャリアの状態になっている。更に、電圧制御層３０５に用いたＡｕにおける電子の平均自由行程は、数１０ｎｍ程度といわれている（非特許文献３参照）。よって、上述したフォトキャリアは、厚さ１０ｎｍ未満とされている電圧制御層３０５におけるＡｕの影響をほとんど受けることなく、増倍層３０６に注入される。
【００５６】
実施の形態３でも、実施の形態１，２と同様に、吸収層３０４と増倍層３０６に異なる電圧を印加することができるため、増倍層３０６のみに選択的にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる。このため、従来のＳＡＭ構造で課題であった高い不純物濃度の制御性を要求する電界制御層を、本実施の形態の構成においては必要としない。
【００５７】
また、従来のＳＡＭ構造のような電界制御層を含む受光素子構造に、電圧制御層を具備している場合であっても、同等の効果を得ることができる。この場合、当該電界制御層の不純物濃度変動に対する許容範囲を大きく取ることができる。
【００５８】
実施の形態１と同様に、実施の形態３の受光素子の動作原理は、信号光によって吸収層３０４で光励起された電子が増倍層３０６でアバランシェ増幅され、微弱な光信号に対して大きな電気信号を得ることができる。電圧制御層３０５に印加される電圧は、信号のＯＮ／ＯＦＦによらず一定であり、また電圧制御層３０５の空乏化領域の伸長によりキャリアの走行経路を狭窄するものでもない。加えて、実施の形態３では、外部から電圧Ｖ1を印加することで増倍層３０６中の電界強度を制御することが可能であるため、ＡＰＤの動作電圧の光強度に対する線形性を改善することができる。
【００５９】
以上に説明したように、本発明の実施の形態３においても、ＡＰＤに高速性と高感度性を維持しながら、動作電圧に高い再現性が得られるようになる。
【００６０】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態４における受光素子の構成を示す断面図である。この受光素子は、基板４０１の上に形成された半導体からなる吸収層４０４と、基板４０１の上に形成された半導体からなる増倍層４０７と、吸収層４０４と増倍層４０７との間に形成された半導体または金属からなる電圧制御層４０６とを備える。
【００６１】
また、この受光素子は、吸収層４０４の増倍層４０７の形成側とは反対側に形成された第１導電型の半導体からなる第１コンタクト層４０２と、増倍層４０７の吸収層４０４の形成側とは反対側に形成された第２導電型の半導体からなる第２コンタクト層４０８とを備える。また、第１コンタクト層４０２に電気的に接続する第１電極４２１と、第２コンタクト層４０８に電気的に接続する第２電極４２２を備える。加えて、電圧制御層４０６に電気的に接続する第３電極４２３を備える。
【００６２】
実施の形態４では、基板４０１の上に、第１コンタクト層４０２，第１エッチストップ層４０３，吸収層４０４，第２エッチストップ層４０５，電圧制御層４０６，増倍層４０７，第２コンタクト層４０８が、これらの順に積層されている。ここで、第１エッチストップ層４０３および吸収層４０４により第１メサが形成され、第２エッチストップ層４０５および電圧制御層４０６により第２メサが形成され、増倍層４０７により第３メサが形成され、第２コンタクト層４０８により第４メサが形成されている。
【００６３】
第４メサは、第３メサより平面視で小さい面積とされて第３メサの内側に配置されている。第３メサは、第２メサより平面視で小さい面積とされて第２メサの内側に配置されている。第２メサは、第１メサより平面視で小さい面積とされて第１メサの内側に配置されている。従って、側面の形状は、階段状となっている。この形状において、第１メサ周囲の第１コンタクト層４０２の上面に、第１電極４２１が接して形成されている。また、第３メサ周囲の第２メサ（電圧制御層４０６）の上面に、第３電極４２３が接して形成されている。第２電極４２２は、第４メサを構成する第２コンタクト層４０８の上面に接して形成されている。
【００６４】
上述したように、実施の形態４では、電圧制御層４０６が、基板４０１の側に配置される吸収層４０４より小さい面積に形成されているところに特徴がある。なお、実施の形態４では、第１コンタクト層４０２は、ｐ型の半導体から構成し、第２コンタクト層４０８は、ｎ型の半導体から構成している。従って、実施の形態４では、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。
【００６５】
例えば、ＩｎＰからなる基板４０１の上に、より高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層、ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層、ＩｎＰの層、比較的低濃度にｐ型不純物を導入したｐ-−ＩｎＧａＡｓＰの層、ｉ−ＩｎＰの層、より高濃度にｎ型不純物を導入したｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長する。ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層は、第１コンタクト層４０２となる。次に、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層上に、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第２電極４２２を形成する。
【００６６】
次に、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第２コンタクト層４０８からなる第４メサを形成する。次に、ｉ−ＩｎＰの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、増倍層４０７からなる第３メサを形成する。
【００６７】
次に、ＩｎＰ、ｐ-−ＩｎＧａＡｓＰの層を、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第２エッチストップ層４０５、電圧制御層４０６からなる第２メサを形成する。次に、ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層を、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第１エッチストップ層４０３、吸収層４０４からなる第１メサを形成する。
【００６８】
第１エッチストップ層４０３、第２エッチストップ層４０５を用い、前述した実施の形態１と同様に、塩酸系エッチャントと硫酸系エッチャントとを使い分け、各層間のエッチャントに対する選択性を利用することで、ウエットエッチングによる各メサ形成においては、各メサの下層において自動的にエッチングを停止させることができる。なお、各メサ形成において、リソグラフィー技術により形成するエッチングマスクのパターン形状は、上に配置されるメサ形成におけるエッチングマスクのパターン形状より広い面積とすればよい。
【００６９】
以上のようにして各層を形成した後、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第１電極４２１および第３電極４２３を形成する。なお、各メサの形成は、ウエットエッチングではなくドライエッチングを用いてもよい。この場合、エッチストップ層は必要が無い。
【００７０】
吸収層４０４および増倍層４０７は、メサの側面に電界が印加されることで、表面暗電流の増加をまねく。これに対し、実施の形態４では、電圧制御層４０６のメサ径を吸収層４０４よりも小さく、また第２コンタクト層４０８のメサ径を増倍層４０７よりも小さくすることで、各々のメサ側面に印加される電圧を低減し、表面暗電流を抑制している。
【００７１】
実施の形態４の受光素子の動作原理も、信号光によって吸収層４０４で光励起された電子が増倍層４０７でアバランシェ増幅され、微弱な光信号に対して大きな電気信号を得ることができるというものである。
【００７２】
実施の形態４では、実施の形態１と同様に、吸収層４０４と増倍層４０７に異なる電圧を印加することができるため、増倍層４０７のみに選択的にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる。このため、従来のＳＡＭ構造で課題であった高い不純物濃度の制御性を要求する電界制御層を、本実施の形態の構成においては必要としない。
【００７３】
また従来のＳＡＭ構造のような電界制御層を含む受光素子構造に、電圧制御層４０６を備えるようにしても同等の効果を得ることができる。この場合、電界制御層の不純物濃度変動に対する許容範囲を大きく取ることができる。
【００７４】
実施の形態１と同様に、アバランシェ増幅されるなかで、電圧制御層４０６に印加される電圧は信号のＯＮ／ＯＦＦによらず一定であり、また電圧制御層４０６の空乏化領域の伸長によりキャリアの走行経路を狭窄するものでもない。加えて、実施の形態４でも、外部から電圧Ｖ1を印加することで増倍層４０７中の電界強度を制御することが可能であるため、ＡＰＤの動作電圧の光強度に対する線形性を改善することができる。
【００７５】
以上に説明したように、本発明の実施の形態４によれば、ＡＰＤに高速性と高感度性を維持しながら、動作電圧に高い再現性が得られるようになる。
【００７６】
［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態５における受光素子の構成を示す断面図である。この受光素子は、基板５０１の上に形成された半導体からなる吸収層５０４と、基板５０１の上に形成された半導体からなる増倍層５０７と、吸収層５０４と増倍層５０７との間に形成された半導体からなる第１電圧制御層５０５とを備える。
【００７７】
また、この受光素子は、吸収層５０４の増倍層５０７の形成側とは反対側に形成された第１導電型の半導体からなる第１コンタクト層５０２と、増倍層５０７の吸収層５０４の形成側とは反対側に形成された第２導電型の半導体からなる第２コンタクト層５１２とを備える。また、第１コンタクト層５０２に電気的に接続する第１電極５２１と、第２コンタクト層５１２に電気的に接続する第２電極５２２を備える。また、第１電圧制御層５０５に電気的に接続する第３電極５２３ａを備える。
【００７８】
上述した構成に加え、実施の形態５では、基板５０１の側から見て、増倍層５０７の上に、第２電圧制御層５０９，走行層５１１を備えるようにしている。第２電圧制御層５０９，走行層５１１は、増倍層５０７と第２コンタクト層５１２との間に設けられる。また、第２電圧制御層５０９に電気的に接続する第４電極５２３ｂを備える。
【００７９】
実施の形態５では、基板５０１の上に、第１コンタクト層５０２，第１エッチストップ層５０３，吸収層５０４，第１電圧制御層５０５，第２エッチストップ層５０６，増倍層５０７，第３エッチストップ層５０８，第２電圧制御層５０９，第４エッチストップ層５１０，走行層５１１，第２コンタクト層５１２が、これらの順に積層されている。
【００８０】
第１エッチストップ層５０３および吸収層５０４により第１メサが形成され、第１電圧制御層５０５により第２メサが形成され、第２エッチストップ層５０６および増倍層５０７により第３メサが形成され、第３エッチストップ層５０８および第２電圧制御層５０９により第４メサが形成され、第４エッチストップ層５１０および走行層５１１により第５メサが形成され、第２コンタクト層５１２により第６メサが形成されている。
【００８１】
第６メサは、第５メサより平面視で小さい面積とされて第５メサの内側に配置されている。第５メサは、第４メサより平面視で小さい面積とされて第４メサの内側に配置されている。第４メサは、第３メサより平面視で小さい面積とされて第３メサの内側に配置されている。第３メサは、第２メサより平面視で小さい面積とされて第２メサの内側に配置されている。第２メサは、第１メサより平面視で小さい面積とされて第１メサの内側に配置されている。従って、側面の形状は、階段状となっている。
【００８２】
この形状において、第１メサ周囲の第１コンタクト層５０２の上面に、第１電極５２１が接して形成されている。また、第３メサ周囲の第２メサ（第１電圧制御層５０５）の上面に、第３電極５２３ａが接して形成されている。また、第５メサ周囲の第４メサ（第２電圧制御層５０９）の上面に、第４電極５２３ｂが接して形成されている。第２電極５２２は、第６メサを構成する第２コンタクト層５１２の上面に接して形成されている。
【００８３】
上述したように、実施の形態５では、走行層５１１を備え、また、第１電圧制御層５０５，第２電圧制御層５０９を備えるところに特徴がある。なお、実施の形態５でも、第１電圧制御層５０５が、基板５０１の側に配置される吸収層５０４より小さい面積に形成されている。一方、第２電圧制御層５０９は、基板５０１の側に配置される増倍層５０７よりも小さい面積に形成されている。また、実施の形態５では、第１コンタクト層５０２は、ｐ型の半導体から構成し、第２コンタクト層５１２は、ｎ型の半導体から構成している。従って、実施の形態５では、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。
【００８４】
例えば、ＩｎＰからなる基板５０１の上に、高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層、高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓの層、比較的低濃度にｐ型不純物を導入したｐ-−ＩｎＧａＡｓの層、ｐ型不純物を導入したｐ−ＩｎＧａＡｓＰの層、ｉ−ＩｎＰの層、比較的低濃度にｎ型不純物を導入したｎ-−ＩｎＧａＡｓＰの層、ｎ−ＩｎＰの層、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰの層、ｉ−ＩｎＰの層、高濃度にｎ型不純物を導入したｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長する。ｐ+−ＩｎＧａＡｓＰの層は、第１コンタクト層５０２となる。
【００８５】
次に、ｎ+−ＩｎＧａＡｓＰの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第２コンタクト層５１２からなる第６メサを形成する。次に、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰの層およびｉ−ＩｎＰの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第４エッチストップ層５１０および走行層５１１からなる第５メサを形成する。
【００８６】
次に、第２コンタクト層５１２の上面、および第５メサの周囲のｎ−ＩｎＰの層の上に、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第２電極５２２、および第４電極５２３ｂを形成する。
【００８７】
次に、ｎ-−ＩｎＧａＡｓＰの層およびｎ−ＩｎＰの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第３エッチストップ層５０８、第２電圧制御層５０９からなる第４メサを形成する。次に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰの層およびｉ−ＩｎＰの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第２エッチストップ層５０６および増倍層５０７からなる第３メサを形成する。
【００８８】
次に、ｐ-−ＩｎＧａＡｓの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第１電圧制御層５０５からなる第２メサを形成する。次に、ｐ+−ＩｎＰの層およびｉ−ＩｎＧａＡｓの層を公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング技術によりパターニングすることで、第１エッチストップ層５０３および吸収層５０４からなる第１メサを形成する。
【００８９】
第１エッチストップ層５０３、第２エッチストップ層５０６，第３エッチストップ層５０８，第４エッチストップ層５１０を用い、前述した実施の形態１と同様に、塩酸系エッチャントと硫酸系エッチャントとを使い分け、各層間のエッチャントに対する選択性を利用することで、ウエットエッチングによる各メサ形成においては、各メサの下層において自動的にエッチングを停止させることができる。
【００９０】
例えば、第２コンタクト層５１２のＩｎＧａＡｓＰと走行層５１１のＩｎＰの間には硫酸系エッチャントに関する選択性があるため、走行層５１１でウエットエッチングは停止する。また、第４エッチストップ層５１０のＩｎＧａＡｓＰと第２電圧制御層５０９のＩｎＰの間には硫酸系エッチャントに関する選択性があるため、第２電圧制御層５０９でウエットエッチングは停止する。
【００９１】
また、第３エッチストップ層５０８のＩｎＧａＡｓＰと増倍層５０７のＩｎＰとの間には塩酸系エッチャントに関する選択性があるため、増倍層５０７でウエットエッチングは停止する。また、第２エッチストップ層５０６のＩｎＧａＡｓＰと第１電圧制御層５０５のＩｎＰの間には硫酸系エッチャントに関する選択性があるため、第１電圧制御層５０５でウエットエッチングは停止する。
【００９２】
また、第１電圧制御層５０５のＩｎＰと吸収層５０４のＩｎＧａＡｓ間には塩酸系エッチャントに関する選択性があるため、吸収層５０４でウエットエッチングは停止する。また、第１エッチストップ層５０３のＩｎＰと第１コンタクト層５０２のＩｎＧａＡｓＰの間には塩酸系エッチャントに関する選択性があるため、第１コンタクト層５０２でウエットエッチングは停止する。
【００９３】
なお、各メサ形成において、リソグラフィー技術により形成するエッチングマスクのパターン形状は、上に配置されるメサ形成におけるエッチングマスクのパターン形状より広い面積とすればよい。
【００９４】
以上のようにして各層を形成した後、蒸着法およびリフトオフ法により、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕなどの金属による第１電極５２１および第３電極５２３ａを形成する。なお、各メサの形成は、ウエットエッチングではなくドライエッチングを用いてもよい。この場合、エッチストップ層は必要が無い。
【００９５】
受光素子の素子容量は、空乏層幅や素子径に依存するが、実施の形態５のように、ノンドープの半導体で構成される走行層５１１を空乏化させることで、素子容量を低減することができる。また、走行層５１１は、増倍層５０７と第２コンタクト層５１２との間に配置することで、走行キャリアを電子に限定することができるため高速化につながる。ただし、走行層５１１でのブレークダウンを避けるためには、増倍層５０７よりも低い電界強度が印加されていることが重要となる。このため、走行層５１１と増倍層５０７との間に第２電圧制御層５０９を設ける。これにより、高いドーピング制御性が必要な電界制御層を用いることなく、電界強度を制御することが可能である。
【００９６】
また、実施の形態５では、第１電圧制御層５０５のメサ径を吸収層５０４よりも小さく、また第２コンタクト層５１２のメサ径を増倍層５０７よりも小さくしている。これにより、各々のメサ側面に印加される電圧を低減し、表面暗電流を抑制している。
【００９７】
実施の形態５の受光素子の動作原理も、信号光によって吸収層５０４で光励起された電子が増倍層５０７でアバランシェ増幅され、微弱な光信号に対して大きな電気信号を得ることができるというものである。
【００９８】
実施の形態５でも、実施の形態１と同様に、吸収層５０４と増倍層５０７に異なる電圧を印加することができるため、増倍層５０７のみに選択的にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる。このため、従来のＳＡＭ構造で課題であった高い不純物濃度の制御性を要求する電界制御層を、本実施の形態の構成においては必要としない。
【００９９】
また従来のＳＡＭ構造のような電界制御層を含む受光素子構造に、第１電圧制御層５０５を備えるようにしても同等の効果を得ることができる。この場合、電界制御層の不純物濃度変動に対する許容範囲を大きく取ることができる。
【０１００】
以上に説明したように、本発明の実施の形態５によれば、ＡＰＤに高速性と高感度性を維持しながら、動作電圧に高い再現性が得られるようになる。
【０１０１】
以上に説明したように、本発明によれば、吸収層と増倍層との間に電圧制御層を設けるようにしたので、高速・高感度動作が実現できるアバランシェフォトダイオードが、より容易に製造できるようになる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
例えば、上述では増倍層をＩｎＰから構成する場合を例に説明したが、これに限るものではなく、増倍層は、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＨｇＣｄＴｅ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ等他の半導体材料から構成してもよい。また、増倍層は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ等の超格子構造から構成してもよい。
【０１０４】
また、電圧制御層を金属から構成の例として原子拡散接合により貼り合わせた構造について説明を行ったが、金属薄膜を形成した後に表面活性化プロセスなどを行っても良い。また、接合技術を用いずに、ａ−Ｓｉやａ−Ｇｅなどのアモルファス層をそれぞれ増倍層、吸収層として利用することとして、金属からなる電圧制御層上にこれらを堆積した構造としても良い。吸収層としてｐ型半導体を用いて説明したが、ｎ型半導体でもよい。また、吸収層から接合面に向けてドーピング濃度を低下させる傾斜ドーピングを用いてもよい。また、作製方法としては分子線エピタキシー法などの他の結晶成長方法を用いてもよい。エッジブレークダウンを防ぐためにガードリング等を利用しても良い。
【０１０５】
また、更に素子の高感度化を実現するため、入射面の鏡面化、また誘電体多層膜による反射防止膜の形成などによる光の入射端での結合損の低下、ならびにミラー、導波路構造およびＤＢＲ等による光路長の拡大等の工夫を施しても、通常のＡＰＤないしはフォトダイオードに対して行われる一般的な設計事項であり本発明の一般性を失わない。
【符号の説明】
【０１０６】
１０１…基板、１０２…第１コンタクト層、１０３…エッチストップ層、１０４…吸収層、１０５…電圧制御層、１０６…増倍層、１０７…第２コンタクト層、１２１…第１電極、１２２…第２電極、１２３…第３電極。
【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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