(57)【要約】【課題】  高周波特性に優れかつ高歩留りで容易に製造可能なアバランシェフォトダイオードを得る。【解決手段】  アバランシェフォトダイオードを、環状溝13に取り囲まれた受光領域101と、上記受光領域101に形成された第１電極11と、上記環状溝13を介した上記受光領域外部に形成された第２電極12と、で構成して、上記第１電極11直下の半導体層の導電型および上記第２電極直下の半導体層の導電型を同一とした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状溝に取り囲まれた受光領域と、
前記受光領域に形成された第１電極と、
前記環状溝を介した前記受光領域外部に形成された第２電極と、を備え、
前記第１電極直下の半導体層の導電型および前記第２電極直下の半導体層の導電型が同一であ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】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された光吸収層、第１導電型電界緩和層、アバランシェ増倍層、第２導電型キャップ層および第２導電型コンタクト層と、
前記第２導電型キャップ層および前記第２導電型コンタクト層中に形成された環状溝と、
前記環状溝に囲まれた受光領域と、
前記受光領域の第２導電型コンタクト層上に形成された第１電極と、
前記受光領域外部の前記第２導電型コンタクト層上で前記環状溝を取り囲むように設けられた環状の第２電極と、
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】
前記アバランシェ増倍層と前記キャップ層間にエッチングストップ層が設けられ、前記環状溝の底面が前記エッチングストップ層の上面と略一致していることを特徴とする請求項２記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項４】
前記半導体基板および電界緩和層が、いずれもインジウム燐（ＩｎＰ）で構成されていることを特徴とする請求項２または３記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項５】
前記環状溝の底面から前記アバランシェ増倍層を貫通するようにイオン注入領域が設けられていることを特徴とする請求項２記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項６】
第１電極用ボンディングパッドが前記受光領域外部に形成され、前記環状の第２電極が一部途切れている部分に配設された第１電極用引出し配線を介して、前記第１電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項７】
外部環状溝が、前記環状の第２電極の前記環状溝と対向する側で前記環状の第２電極に沿って環状に設けられていることを特徴とする請求項２記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項８】
第２電極用ボンディングパッドが前記第２電極に近接して設けられ、第２電極用引出し配線によって前記第２電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項９】
前記第１電極用ボンディングパッドおよび第２電極用ボンディングパッドのいずれか一方あるいは双方が、前記引出し配線の配設された部分以外においてボンディングパット用環状溝で取り囲まれていることを特徴とする請求項６または７記載の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、アバランシェフォトダイオードに関し、特に高周波特性に優れかつ高歩留りで製造可能なアバランシェフォトダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のアバランシェフォトダイオードでは、例えば特許文献１の図１に示されるように、ｐ＋型ＩｎＰ基板上にｐ＋型ＩｎＰバッファ層、ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｐ＋型ＩｎＰ電界降下層、ｎ−型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子増倍層、ｎ＋型ＩｎＡｌＡｓキャップ層およびｎ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、の各結晶成長層が順次形成され、さらに、選択熱拡散により上記半導体層中にｐ＋型導電領域を形成した後、ｐ＋型導電領域とｎ＋型導電領域の接する領域に、超格子増倍層に達するまで各半導体層を除去した環状溝を形成し、この環状溝によって取り囲まれた円柱状のｎ型各半導体層からなる受光領域の上部に円状のｎ型電極を設けていた。なお、光が裏面側から入射するフリップチップ電極構造が適用されていた。ここでｎ型各半導体層とは、超格子増倍層、キャップ層およびコンタクト層の各層を指す。
【０００３】
上述の従来のアバランシェフォトダイオードでは、低暗電流、高信頼性を実現するために、ｎ型の受光領域周辺に環状のｐ＋型導電領域を形成することにより、逆バイアス電圧印加時にｐｎ接合から伸張する空乏層が受光領域の側面部分に到達するのを防止していた。受光領域の側面部分には多数の表面準位が存在し、かかる界面準位に高電界がかかると、表面リーク暗電流が発生して素子の信頼性が損なわれるからである。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３１２４４２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のアバランシェフォトダイオードでは、上述の環状のｐ＋型導電領域を亜鉛（Ｚｎ）の選択熱拡散等によって形成しなければならなかったが、かかる選択熱拡散を採用した製造方法では製造工程の複雑化、素子の歩留まり低下、コスト高等の問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、高周波特性に優れかつ高歩留りで容易に製造可能なアバランシェフォトダイオードを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアバランシェフォトダイオードを、環状溝に取り囲まれた受光領域と、上記受光領域に形成された第１電極と、上記環状溝を介した上記受光領域外部に形成された第２電極と、で構成して、上記第１電極直下の半導体層の導電型および上記第２電極直下の半導体層の導電型を同一とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るアバランシェフォトダイオードは上述のように構成されるので、ｐ＋型導電領域形成を目的とした拡散工程を省略できるため、高周波特性に優れかつ高歩留りで製造可能なアバランシェフォトダイオードの素子構造が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの素子構造を示す断面図（ａ）および上面図（ｂ）である。先ず、実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの製造方法を図２〜４に基づき説明する。
【００１０】
半絶縁性ＩｎＰ基板（半導体基板）１上に、層厚０．２〜１．０μｍのｎ＋型ＩｎＰバッファ層２、層厚０．５〜１．０μｍのｐ＋型ＩｎＰバッファ層３、層厚１．０〜１．５μｍでノンドープｉ型もしくはキャリア濃度〜１×１０１６ｃｍ−３のｐ−型ＧａＩｎＡｓ光吸収層４、層厚０．０１〜０．０５μｍでキャリア濃度０．５〜１×１０１８ｃｍ−３のｐ＋型（第１導電型）ＩｎＰ電界緩和層５、層厚０．１〜０．３μｍでノンドープｉ型もしくはキャリア濃度〜５×１０１５ｃｍ−３のｎ−型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層６、層厚０．００５〜０．０５μｍでノンドープｉ型ＩｎＰエッチングストップ層７、層厚０．５〜１．０μｍでキャリア濃度１〜１０×１０１９ｃｍ−３のｎ＋型（第２導電型）ＡｌＩｎＡｓキャップ層８、層厚０．１〜０．５μｍでキャリア濃度１〜１０×１０１９ｃｍ−３のｎ＋型（第２導電型）ＧａＩｎＡｓコンタクト層９、の各層を順次、エピタキシャル結晶成長する（図２）。かかるエピタキシャル結晶成長方法としては、固体ソースあるいは気体ソース分子線成長法（ＭＢＥ）あるいは有機金属気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ）等が好適である。
【００１１】
次に、受光領域１０１となる部位周辺のｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９およびｎ＋型ＡｌＩｎＡｓキャップ層８を、クエン酸等の有機酸、過酸化水素水、水の混合溶液を用いて、ｉ型ＩｎＰエッチングストップ層７に達するまで選択的にエッチング除去する。この結果、受光領域１０１を取り囲んだ環状溝１３が形成される（図３）。なお、エッチングマスクとしては、公知のリソグラフィ技術によってパターン形成したレジストあるいはレジストを利用してパターン形成したＳｉＮＸやＳｉＯ２を用いる。
【００１２】
続いて、環状溝１３領域に、ｐ＋型ＩｎＰ電界緩和層５近傍の深さにピークを有するｐ型を打ち消すチタン（Ｔｉ）等をイオン注入した後、６００℃以上の熱処理を行い活性化することによって、受光領域１０１周辺でのｐ＋型ＩｎＰ電界緩和層５のキャリア濃度を実効的に低下させる（図４）。かかるＴｉイオン注入領域１０２は、ガードリングとして機能する。なお、イオン注入種として、上述のＴｉ以外にＨ、Ｈｅ、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ａｒ、Ｂ、Ｆｅ等の元素を用いても同様な効果が得られる。
【００１３】
次に、所望の形状とすべくｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９の一部を選択的にエッチング除去した後、ＳｉＮＸ等の反射防止膜兼表面パシベーション膜１０をウエハ表面に成膜する。
【００１４】
所望の形状に形成されたｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９上部で表面パッシベーション膜１０を選択的に除去した領域に対して、ＡｕＺｎ、ＡｕＴｉ、ＡｕＴｉＰｔ、ＡｕＧｅＮｉ等の合金により、受光領域１０１のｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９上に第１電極１１を、受光領域１０１外部のｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９上で環状溝１３を取り囲むような位置に第２電極１２をそれぞれ形成する。つまり、第１電極１１および第２電極１２の直下には、ともにｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９が位置する。
【００１５】
図１（ｂ）の素子上面図に示すように、外部回路との接続のために、第１電極１１および第２電極１２に金線をワイヤボンディングするための第１電極用ボンディングパッド１１ａおよび第２電極用ボンディングパッド１２ａをそれぞれ設け、第１電極１１と第１電極用ボンディングパッド１１ａ間、第２電極１２と第２電極用ボンディングパッド１２ａ間に、両者を電気的に接続する第１電極用引出し配線１１ｂおよび第２電極用引出し配線１２ｂをそれぞれ設ける。以上の工程を経て、図１に示すようなアバランシェフォトダイオードの主要部が完成する。
【００１６】
本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの特徴は、従来のアバランシェフォトダイオードと比べて、受光領域１０１外部においてもｎ型の導電型を有するｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９および同じくｎ型の導電型を有するｎ＋型ＡｌＩｎＡｓキャップ層キャップ層８が設けられ、従来のアバランシェフォトダイオードのような一方がｐ型で他方がｎ型の導電型を有する層で構成されていない点にある。すなわち、従来のアバランシェフォトダイオードでは、各電極間はｐｎ構造、つまりダイオード構造となっているのに対して、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードでは、逆バイアス電圧を印加する第１電極１１と第２電極１２との間は、ｎｐｎ構造、つまりトランジスタ構造となっている点で顕著に相違する。ここで、最初の”ｎ”とは受光領域１０１のｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９およびｎ＋型ＡｌＩｎＡｓキャップ層８を、”ｐ”とはｐ＋型ＩｎＰ電界緩和層５を、後の”ｎ”とは受光領域外部のｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９およびｎ＋型ＡｌＩｎＡｓキャップ層８を、それぞれ指す。
【００１７】
かかる素子構造の適用により、従来のアバランシェフォトダイオードを製造する際に不可欠であったｐ＋型導電型形成を目的としたｐ型不純物の選択熱拡散工程が省略でき、製造工程が著しく簡便となる。一般に、選択熱拡散の精密な制御は難しく、さらに後工程における熱処理で一旦拡散された不純物が再拡散する場合もあるので、従来のアバランシェフォトダイオードの素子構造を高歩留りで製造するのは極めて困難であった。これに対して、本実施の形態のアバランシェフォトダイオードでは、上述のようにｎｐｎ構造を採用したため選択熱拡散工程が不要となるので、従来に比べてより一層高歩留りで製造可能なアバランシェフォトダイオードの素子構造が得られる。
【００１８】
図５〜７に本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの素子特性の実測結果を示す。図５は逆バイアス電圧、−Ｖｂに対する光電流（Ｉｐｈｏｔｏ）および暗電流（Ｉｄａｒｋ）特性ならびに増倍率Ｍを示している。図５から、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードでは、高逆バイアス電圧、つまり、電圧２７Ｖに至るまでエッジブレークダウンもトンネルブレークダウンも発生せず、かつ５０倍程度と高いアバランシェ増倍（ブレークダウン）が実現されている。かかる良好な素子特性は、従来のｐｎ構造に代えて本実施の形態の特徴であるｎｐｎ構造を採用しても素子特性上は何ら遜色無いことに加えて、Ｔｉイオン注入領域１０２によるガードリングが充分機能していることを表している。
【００１９】
図６は従来のｐｎ構造と本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード、つまり、ｎｐｎ構造におけるそれぞれのＳ１１パラメータを比較したグラフである。なお、縦軸はＳ１１パラメータ、横軸は周波数である。かかる実験結果に基づき等価回路を作成して電極容量を見積もったところ、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードでは従来構造と比較して電極パッド容量を約２０％低減できることが判明し、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードは高周波特性に対しても有利であることが実証された。
図７は、本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの信頼性試験を示す図である。図７は、１７５℃の加熱で１００μＡの定電流動作の条件下による信頼性試験結果を示し、図中の横軸は動作時間を、縦軸は増倍率１０が得られる場合の暗電流値をそれぞれ表す。初期のエージング段階で急激に暗電流が減少して素子が良化した後は、素子は安定に動作していることがわかる。ＩｎＰを主な構成材料としたアバランシェフォトダイオードの活性化率は１．０ｅＶ以上と見積もられるが、かかる活性化率値を適用すると５０℃の動作温度では１００万時間の動作時間に相当し、本実施の形態に係るｎｐｎ構造のアバランシェフォトダイオードは、実用上充分な信頼性が実証された。
【００２０】
なお、上述の素子構造では、半導体基板１の上部（主面側）から光を入射させる構成としたが、半導体基板１の裏面側から入射させる構成としても良い。この際、第１電極１１は図８の素子上面図に示すように受光領域１０１から環状溝１３を超えて受光領域１０１外部に引き出す必要が無くなるので、フリップチップ・ボンディングが可能となる。
【００２１】
実施の形態２．
本実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの上面図を図９〜１２にそれぞれ示す。図９の上面図に示す素子構造では、環状の第２電極１２で環状溝１３と近接している側面とは反対側に、さらに、環状の第２電極１２を取り囲むように外部環状溝１５が設けられている。また、第２電極用ボンディングパッド１２ａが第２電極１２に近接して設けられ、第２電極用引出し配線１２ｂによって第２電極１２と電気的に接続されている。
【００２２】
図１０の上面図に示す素子構造では、図９に示す素子構造に加えて、さらに第２電極用ボンディングパッド１２ａの周囲にも第２電極用ボンディングパッド用環状溝１６を設けている。
【００２３】
図１１の上面図に示す素子構造では、実施の形態１の素子構造に加えて、第１電極用ボンディングパッド１１ａの周囲にも第１電極用ボンディングパッド用環状溝１７を設けている。
【００２４】
図１２の上面図に示す素子構造では、図１１に示す素子構造に加えて、第１電極用引出し配線１１ｂの両側面に沿って、上述の環状溝１３と第１電極用ボンディングパッド用環状溝１６とを結ぶ第１電極用引出し配線用溝１８を設ける。
【００２５】
以上の各溝は、ｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９およびｎ＋型ＡｌＩｎＡｓキャップ層８をｉ型ＩｎＰエッチングストップ層７に達するまで選択的にエッチング除去することにより形成される。また、上述の各溝を環状溝１３と同時に形成すると製造工程がより簡便になる。
【００２６】
以上の各素子構造によると、各溝の作用で実効的な電極容量が低減するので、より高速動作が可能でかつ高歩留りで製造可能なアバランシェフォトダイオードの素子構造が得られる。
【００２７】
なお、上述の実施の形態では、半導体基板１として半絶縁性基板を用いたが、ｐ型半導体基板もしくはｎ型半導体基板を用いても良い。なお、ｐ型半導体基板を適用した場合は、ｎ＋型ＩｎＰバッファ層２を設けずに、受光領域外部の第２電極１２を半導体基板１の裏面側に設けても良い。一方、ｎ型半導体基板を適用した場合は、ｐ＋型ＩｎＰバッファ層３を設けずに受光領域外部の第２電極１２を半導体基板１の裏面側に設けても良い。
【００２８】
また、上述の実施の形態では、アバランシェ増倍層６をＡｌＩｎＡｓで構成したが、実施の形態１のアバランシェフォトダイオードでは電子のイオン化率がホールのイオン化率より高ければ良いので、ＡｌxＧａyＩｎ１−x−yＡｓ，ＧａxＩｎ１−xＡｓyＰ１−yや、アンチモン（Ｓｂ）を含む化合物半導体、またはこれらを組み合わせた超格子構造としても良い。
【００２９】
また、ｐ型とｎ型を反転させ、アバランシェ増倍層６にホールのイオン化率が電子のイオン化率より高い性質を具備するＩｎＰ等を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの断面図および上面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの製造工程の一部を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの製造工程の一部を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの製造工程の一部を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの素子特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの素子特性を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの素子特性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係るアバランシェフォトダイオードの上面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの上面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係るアバランシェフォトダイオードの上面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  半絶縁性ＩｎＰ基板（半導体基板）、  ２  ｎ＋型ＩｎＰバッファ層、  ３  ｐ＋型ＩｎＰバッファ層、  ４  ノンドープｉ型もしくはｐ−型ＧａＩｎＡｓ光吸収層、  ５  ｐ＋型（第１導電型）ＩｎＰ電界緩和層、  ６  ｎ−型ＡｌＩｎＡｓアバランシェ増倍層、  ７  ノンドープｉ型ＩｎＰエッチングストップ層、  ８  ｎ＋型（第２導電型）ＡｌＩｎＡｓキャップ層、  ９  ｎ＋型（第２導電型）ＧａＩｎＡｓコンタクト層、  １０  表面パッシベーション膜、  １１  第１電極、  １１ａ  第１電極用ボンディングパッド、  １１ｂ  第１電極用引出し配線、  １２  第２電極、  １２ａ  第２電極用ボンディングパッド，  １２ｂ  第２電極用引出し配線，  １３  環状溝、  １５  外部環状溝、  １６  第２電極用ボンディングパッド用環状溝、  １７  第１電極用ボンディングパッド用環状溝、  １８  第１電極用引出し配線用溝、  １０１  受光領域、  １０２  Ｔｉイオン注入領域。
【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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【図７】
2005285921.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005285921.tif 000011
【図１０】
2005285921.tif 000012
【図１１】
2005285921.tif 000013
【図１２】
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