专利名称：雪崩光电二极管的制作方法
技术领域：
本发明是关于雪崩光电二极管，特别是用于提高量产性的技术。
背景技术：
包括上述雪崩光电二极管在内，实际使用的二极管的结构都是将 p、 n导电型中的任一种导电型作为选择区域的具有长期可靠性的平面 型结构。特别是用于光通信的、使用了对InP进行晶格匹配的化合物 半导体的二极管中，作为上述选择区域使用将Zn作为p导电型杂质 扩散到导电性低的InP中的p型导电区域。而且，雪崩光电二极管中， 为了防止电场集中到上述p型导电区域周围所引起的、被称为"边缘击 穿"的局部电压降低，在边缘部还设置了被称为"护圏，，(guard ling) 的p型导电区域。该p型导电区域的形成方式有注入Be离子(如 专利文献l)或使Zn热扩散(如专利文献2)。
另外，专利文献3公开了一种雪崩光电二极管，在InP村底上作 为半导体至少依次层叠(i型)AlInAs雪崩倍增层、GalnAs光吸收层、 InP窗口层，在上述InP窗口层中形成p型导电区域。将AlInAs雪崩 倍增层设置在GalnAs光吸收层下面，能够减弱InP窗口层的电场强 度，因此不需要专门制作护圈，容易实现低暗电流、高性能的雪崩光 电二极管。而且，专利文献3中，p型导电区域通过热扩散Zn来形成。
[专利文献1特开昭58-48478号公报(图2)
[专利文献2美国专利第4857982号说明书(图2)
[专利文献3特开2004-200302号公报(图1)
3以往的雪崩光电二极管结构如上述，所以Zn扩散的深度决定了 pin二极管结构的i层厚度，在雪崩光电二极管中还决定倍增层的厚度。 因此，为了实现所期望的频率特性、电特性、电容等元件特性，必须 精密控制Zn扩散深度。但是，很难正确、重复性好、晶片内无偏差 地控制杂质的热扩散深度。因此，成品率低，量产性低。.
发明内容
本发明是为了解决上述问题而发明的，目的在于提供量产性高的 雪崩光电二极管。
本发明的雪崩光电二极管的特征在于，在InP衬底上作为半导体 层至少层叠光吸收层、雪崩倍增层和半导体窗口层，在半导体窗口层 中形成扩散Zn的导电区域；半导体窗口层包含由第3族元素和第5 族元素构成、以In和As为主要成分的第3族.第5族半导体层。
本发明的雪崩光电二极管的特征在于，在InP衬底上作为半导体 层至少层叠光吸收层、雪崩倍增层和半导体窗口层，在半导体窗口层 中形成扩散Zn的导电区域；半导体窗口层包含由第3族元素和第5 族元素构成、以In和As为主要成分的第3族.第5族半导体层，所以 扩散速度比在InP中扩散Zn的雪崩光电二极管的扩散速度慢。因此， 能够正确、重复性好、晶片面内无偏差地控制Zn扩散深度。另外， 由于处理时间的裕度较大，所以不容易受到扩散装置时间特性变化和 扩散时间的影响。由此，能够实现重复性好、成品率高、制作容易且 量产性好的雪崩光电二极管。
图1为表示实施方式1中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。 [图2为表示Zii在各中化合物半导体中热扩散的时间与扩散深 度的关系图。
图3为表示实施方式1中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。 [图4为表示实施方式2中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。[图5j为表示实施方式3中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。 [图6为表示实施方式3中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。 [图7j为表示实施方式3中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。
具体实施例方式
本发明的雪崩光电二极管的特征在于，由于Zn在InP中扩散速 度较快，但在AlInAs等中扩散速度较慢，因此窗口层材料使用AlInAs 等来代替InP (或二者都使用)。下面详细说明各实施方式。以下说 明中，衬底、光吸收层、雪崩倍增层、窗口层等均为n型，但并不限 定于n型，也可以是p型，还可以是载流子浓度低的"i型"。 <实施方式1〉
图1为表示实施方式1中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。在 半导体衬底(InP村底)上制作各半导体层的方法为在n型InP衬 底1上，使用有机金属汽相生长法(MO-CVD )或分子束外延法(MBE) 等方法形成。本实施方式中，用下述工序来制作。
在n型InP衬底1上，依次层叠栽流子浓度为l 5xl018cm-3、厚 度为(U lfim的n型InP緩沖层2，栽流子浓度为0.1 3xlO"cnT3、厚 度为l~3nm的n型GalnAs光吸收层3，带隙依次增大的、载流子浓 度为0.1~3xl015cnT3、厚度为0.1~0.5nm的n型GalnAsP过度层4， 载流子浓度为0.1~lxl018cm-3、厚度为0.01~0.1nm的n型InP电场调 节层5，载流子浓度为0.01~lxl016cm-3、厚度为0.2 0.8拜的n型InP 雪崩倍增层6，载流子浓度为0.01 lxl016cm-3、厚度为0.5 2.0fim的n 型AlInAs窗口层7，栽流子浓度为0.01 lxl0"cm-3、厚度为0.1 0.5jim 的n型GalnAs接触层(后面的工序中为p型GalnAs接触层8)。
接着，在直径为20 100nm的受光区域(图1中，与后述的p型 导电区域10—致)外围，在宽度为5 20nm的环状区域内注入Be离 子，由热处理使p导电型激活，形成p型周边区域9。 p型周边区域9 形成倾斜型结，作为用于防止边缘击穿的护圏。
然后，在上述受光区域上，将挖成圆形的SiNx膜(未图示)作 为掩模，选择地使Zn热扩散，直至n型IiiP雪崩倍增层6，掩模未覆盖的圆形部分形成p型导电区域10。 Zn的热扩散可以由汽相扩散 法(将有机Zn和金属Zn等作为扩散源)和固相扩散法(形成ZnO 膜，在氮气中经高温扩散一定时间)。经Zii的热扩散后，使上迷n 型GaliiAs接触层成为p型，由此形成p型GalnAs接触层8。
接着，通过蚀刻除去p型GalnAs接触层8的中央部分，在p型 导电区域10上保留宽度为5 10jmi的环状。然后通过蒸镀形成SiNx 表面保护膜兼防反射膜11,除去p型GalnAs接触层8上面的SiNx 表面保护膜兼防反射膜11，用AuZn/Au在p型GalnAs接触层8上 形成p电极12。研磨ii型InP衬底1中与层叠了 n型InP援冲层2 的面相反的一面，由AuGe/Ni/Au形成n电极13。并且将晶片状的n 型InP衬底l分开，形成大约300pm见方的元件。通过对该元件进4亍 规定的处理，形成雪崩光电二极管。而且，图l所示的本实施方式的 雪崩光电二极管中，p型导电区域10没有收敛在n型AlInAs窗口层 7中，而是穿透AlInAs窗口层7，到达n型雪崩倍增层6。
图2表示在退火温度为49(TC时，Zn在各种化合物半导体(InP、 GalnAs、 AlInAs )中热扩散时间与扩散深度关系的图表。扩散深度根 据扩散杂质的种类和所扩散的半导体种类的不同而有所差异，但大致 与扩散时间的平方根成比例。Zn在InP中扩散速度较快，在AlInAs 和GalnAs中扩散速度较慢。在AlInAs和GalnAs中的扩散深度大约 是在InP中扩散深度的2/5，在AlInAsP和GalnAsP中的扩散深度取 他们的中间值。因此，对于装置的时间波动和控制常数，在InP中扩 散时，扩散深度受到的影响最大，波动最大。如上述，Zn的扩散深度 决定pin二极管结构的i层厚度和倍增层厚度，在InP中扩散时，由 于制作裕度较小并且晶片内的特性不均匀，所以制作中的控制性和重 复性最低。另外，由于扩散速度对温度有很强的依赖性，所以热处理 时，在上述化合物半导体的温度上升到退火温度前，几乎不扩散。因 此，扩散时间很短的时候，扩散深度极浅，所以非常容易受到上述波 动的影响。
如上述，本实施方式的雪崩光电二极管中，将Zn热扩散到AlInAs(n型AlInAs窗口层7)，所以与以往的、将Zn热扩散到InP的雪 崩光电二极管相比，扩散速度变慢。因此，即使是在退火温度很低的 扩散初期，扩散速度也很稳定，不容易受到波动的影响。因此，能够 正确、重复性好、晶片内无偏差地控制Zn扩散深度。另外，由于处 理时间裕度较大，所以不容易受到扩散装置的时间特性变化和扩散时 间的影响，可靠性高。因此，能够实现重复性好、成品率高、制作容 易且量产性好的雪崩光电二极管。并且，由于扩散深度较浅且能够精 密控制，所以窗口层能够变薄，也可以缩短晶体生长所需要的时间。
上述图1的结构中，在受光区域(p型导电区域10)的外围上， 注入Be离子形成p型周边区域9，但并不限定于此，例如如图3所示， 也可以在与受光区域的周边离开的位置上，将Zn热扩散，形成p型 周边区域9。 P型周边区域9是将Zn热扩散后形成的，因此与p型导 电区域10—样，也可以精密地控制深度。另外，p型周边区域9与受 光区域的周边离开，其深度可以比p型导电区域10浅。虽然p型周 边区域9较浅时容易受到波动的影响，但如上述，通过将Zn热扩散 到AlInAs中，能够减少波动。图3中，p型导电区域10的中央较深， 端部向外侧的p型周边区域9突出，所以緩和了深的p型导电区域10 周边部分中电场和电流的集中，减弱了表面电场强度，提高了倍增动 作的稳定性和长期可靠性。而且，由于能够增大表面尺寸减小内部尺 寸，所以能够减小元件电容。
以上说明中，窗口层材料使用的是AlInAs，但并不限定于此， 只要是带隙大、被检测光能够通过且扩散速度比InP慢的材料都可以， 例如可以是GalnAs、 AlGalnAs、 GalnAsP、 AlGalnAsP等大于等于 三元素类的材料。即，包含由第3族元素及第5族元素构成、以In及 As为主要成分的半导体层(第3族.第5族半导体层)即可。由上述 结构，能够将窗口层在n型InP衬底1上进行晶格匹配，并且使Zn 的扩散速度比在InP中慢。
上述说明中，由于光从n型InP衬底1的相反面入射，所以称为 窗口层，当光从衬底这一侧或者侧面入射时，就会称为盖层而不是窗
7口层(实施方式2及之后也是一样)。 〈实施方式2〉
实施方式1中，只用Zn的扩散速度比在InP中慢的AlInAs来 形成窗口层，由此能够精密控制扩散深度。但是只由AlInAs构成窗口 层时，制作时间可能会过长。这时，就不一定只由AlInAs来构成窗口 层，除了 AlInAs,也可以包含一部分InP。
图4为表示实施方式2中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。在 半导体村底(InP衬底)上制作各半导体层的方法为在n型InP衬 底1上，使用有机金属汽相生长法(MO-CVD )或分子束外延法(MBE) 等方法形成。本实施方式中，用下述工序来制作。
在n型InP衬底1上，依次层叠载流子浓度为1 5xlO"cnT3、厚 度为0.1 ljim的n型InP緩沖层2,载流子浓度为0.1 3xlO"cnT3、厚 度为l~3nm的n型GalnAs光吸收层3，带隙依次增大的、载流子浓 度为0.1~3xl0lscnT3、厚度为0.1 0.5nm的n型GalnAsP过度层4， 载流子浓度为0.1~lxl018cm-3、厚度为0.01 0.1jim的n型InP电场调 节层5,载流子浓度为0.01~lxl016cm-3、厚度为0.2 1.2,的n型InP 雪崩倍增层6，栽流子浓度为0.01~lxl016cm-3、厚度为0.1~0.5nm的n 型AlInAs窗口层7，载流子浓度为0.01 lxl0"cm-3、厚度为0.1 2.0jim 的n型InP窗口层7a,栽流子浓度为0.01 lxl015cm-3、厚度为 (U 0.5nm的n型GalnAs接触层(后面的工序中为p型GalnAs接触 层8)。
接着，与直径为20 100fun的受光区域外围离开的位置上，通过 使Zn热扩散，形成宽度为3 10nm环状区域的p型周边区域9。 p型 周边区域9与实施方式1一样，为倾斜型结，作为护圈，用于防止边 缘击穿。
然后，在上述受光区域上，将圆形的SiNx膜(未图示)作为掩 模，选择地使Zii热扩散，直至ii型InP雪崩倍增层6，掩模未覆盖 的圆形部分形成p型导电区域10。该p型导电区域10的端部与图3 一样，向外侧的p型周边区域9突出。Zn的热扩散与实施方式1 一样，可以由汽相扩散法(将有机Zn和金属Zn等作为扩散源)和固相扩散 法(形成ZnO膜，在氮气中经高温扩散一定时间)。与实施方式1 一样，经Zn的热扩散后，上述n型GalnAs接触层作为p型，由此 形成p型GalnAs接触层8。
接着，通过蚀刻除去p型GalnAs接触层8的中央部分，在p型 导电区域10上保留宽度为5~10nm的环状。然后通过蒸镀形成SiNx 表面保护膜兼防反射膜11,除去p型GalnAs接触层8上面的SiNx 表面保护膜兼防反射膜11，用AuZn/Au在p型GalnAs接触层8上 形成p电极12。研磨n型InP衬底1中与层叠了 n型InP緩冲层2 的面相反的面，由AuGe/M/Au形成n电极13。并且将晶片状的n型 InP衬底l分开，形成大约300nm见方的元件。通过对该元件进4亍规 定处理，形成雪崩光电二极管。而且，图4所示的本实施方式的雪崩 光电二极管中，与图l及图4所示的实施方式1的雪崩光电二极管一 样，p型导电区域10没有收敛在n型AlInAs窗口层7中，而是穿透 AlInAs窗口层7，到达n型InP雪崩倍增层6。
图4的雪崩光电二极管是将图3所示的实施方式1的雪崩光电二 极管中的n型AlInAs窗口层7 (以及n型InP雪崩倍增层6 )变薄后 在上面添加了 n型InP窗口层7a而形成的。不仅仅由AlInAs构成窗 口层，还包含了一部分扩散速度较快的InP，由此，能够缩短制作时 间。即，通过任意调节窗口层所包含的AlInAs与InP的比例，能够 精密控制扩散深度的同时，还能够缩短制作时间。
由上述，本实施方式的雪崩光电二极管中的窗口层不只是由 AlInAs构成，还包含一部分InP。由此，除了能实现实施方式l的效 果，还能够缩短制作时间。 〈实施方式3〉
如图1、 3、 4所示，实施方式1 2中，为了防止边缘击穿，设置 了 p型周边区域9。但是，如专利文献3所示，将雪崩倍增层设置在 光吸收层下面，也能够减弱窗口层中的电场强度，所以不设置起护圏 作用的p型周边区域9也能够防止边缘击穿。
9图5为表示实施方式3中雪崩光电二极管大概结构的剖面图。在 半导体衬底(InP衬底)上制作各半导体层的方法为在n型InP衬 底1上，使用有机金属汽相生长法(MO-CVD )或分子束外延法(MBE) 等方法形成。本实施方式中，用下述工序来制作。
在n型InP村底1上，依次层叠栽流子浓度为l~5xl018cirT3、厚 度为0.1 lnm的n型InP緩沖层2，栽流子浓度为0.1 3xlO"cirT3、厚 度为0.1~0.5nm的n型AlInAs雪崩倍增层6a ，栽流子浓度为 0.1 lxl018cm3、厚度为0.01 0.1nm的p型InP电场调节层5a，栽流 子浓度为0.1 3xl015cm-3、厚度为1 3nm的n型GalnAs光吸收层3， 带隙依次增大的、载流子浓度为0.1~3xl015cnT3、厚度为0.1~0.5nm的 n型AlGalnAs过度层4a，载流子浓度为0.01 lxl016cnT3、厚度为 0.5 2.0nm的n型AlInAs窗口层7，载流子浓度为0.01 lxl015cnT3、 厚度为0.1~0.5nm的n型GalnAs接触层(后面的工序中为p型GalnAs 接触层8)。
接着，在直径为20~100nm的受光区域上，将挖成圆形的SiNx 膜(未图示)作为掩模，选择地使Zn热扩散到n型AlInAs窗口层7 上(未到达n型AlGalnAs过度层4a )，在掩模未覆盖的圆形部分形 成p型导电区域lO。 Zn的热扩散可以与实施方式1 2—样，由汽相 扩散法(将有机Zn和金属Zn等作为扩散源)和固相扩散法(形成 ZiiO膜，在氮气中经高温扩散一定时间)。与实施方式1 2—样，经 Zn的热扩散后，使上述n型GalnAs接触层成为p型，由此形成p型 GalnAs接触层8。
接着，通过蚀刻除去p型GalnAs接触层8的中央部分，在p型 导电区域10上保留宽度为5~10nm的环状。然后通过蒸镀形成SiNx 表面保护膜兼防反射膜11，除去p型GalnAs接触层8上面的SiNx 表面保护膜兼防反射膜11，用Ti/Au在p型GalnAs接触层8上形成 p电极12。研磨n型InP衬底l中与层叠了 n型InP緩冲层2的面相 反的一面，由AuGe/Ni/Au形成n电极13。并且将晶片状的n型InP 衬底1分开，形成大约300nm见方的元件。通过对该元件进行规定处理，形成雪崩光电二极管。
图1所示的实施方式1的雪崩光电二极管中，是在n型GalnAs 光吸收层3上设置了 n型GalnAsP过度层4、 n型InP电场调节层5 以及n型InP雪崩倍增层6，而图5的雪崩光电二极管中，在n型 GalnAs光吸收层3上面设置了 n型AlGalnAs过度层4a，在n型 GalnAs光吸收层3下面设置了 p型InP电场调节层5a以及n型AlInAs 雪崩倍增层6a，同时省去了 p型周边区域9，而且p型导电区域10 形成在n型AlInAs窗口层7中，没有突出到n型AlGalnAs过度层 4a上。即，将n型AlInAs雪崩倍增层6a设置在n型GalnAs光吸收 层3下面，与专利文献3—样，能够减弱n型AlInAs窗口层7中的 电场强度，可以省去p型周边区域9。而且，存在于n型GalnAs光 吸收层3与n型AlInAs窗口层7之间的过度层，使用的是不含P ( V 族原子中只含有As)的n型AlGalnAs过度层4a，而不是含有P的n 型GalnAsP过度层4，由此能够降低窗口层与过度层之间电子价带的 不连续量，防止空穴的流动。
如上述，本实施方式的雪崩光电二极管中，将n型AlInAs雪崩 倍增层6a设置在n型GalnAs光吸收层3下面，因此除了能实现实施 方式l的效果，还能够减弱n型AlInAs窗口层7中的电场强度。
上述说明中，使用图5说明了省去p型周边区域9的情况，但也 可以与实施方式1 2—样，形成p型周边区域9。形成p型周边区域 9能够进一步减弱ii型AlInAs窗口层7中的电场强度，所以更能提高 雪崩光电二极管的长期可靠性。
另外，上述说明中，使用图5说明了窗口层只由AlInAs窗口层 7构成时的单层结构，但是窗口层也可以是双层结构，如图6所示。 图6是在图5的基础上，与图3-4—样形成p型周边区域9，同时在 n型AlInAs窗口层7与SiNx表面保护膜兼防反射膜11之间设置InP 窗口层7b，构成双层结构的窗口层。图6中，n型AlInAs窗口层7 可以比图5中的薄，只要大于等于O.lfim (大于等于0.3pm较好，最 好大于等于0.5jtm)即可。另外，如图7所示，窗口层可以是三层结构。图7中是在图6的基础上，在n型AlInAs窗口层7与n型AlGalnAs 过度层4a之间插入InP窗口层7c，形成三层结构的窗口层。除了 n 型AlInAs窗口层7，还设置了 InP窗口层7b、 7c,由此，与实施方 式2—样，能够缩短制作时间。
上述说明中，过度层是不含P的n型AlGalnAs过度层4a，但过 度层材料使用含P的GalnAsP过度层时，可以使用含P的窗口层来 代替n型AlInAs窗口层7。
另外，上述说明中，光从n型InP衬底1的相反面入射，是表面 入射型，也可以是底面入射型，即使用半绝缘性衬底，n电极13与n 型緩冲层2电连接，光从衬底这一侧入射，或者也可以是波导结构， 即光从侧面入射。
权利要求
1. 一种雪崩光电二极管，其特征在于，在InP衬底上作为半导体层而至少依次层叠光吸收层、雪崩倍增层和半导体窗口层，在上述半导体窗口层中形成扩散了Zn的导电区域；在上述半导体窗口层中，上述导电区域周边具有p型周边区域，上述p型周边区域与上述导电区域的外围离开，上述导电区域的端部向上述p型周边区域突出。
2. —种雪崩光电二极管，其特征在于，在InP衬底上作为半导体层而至少依次层叠雪崩倍增层、光吸收 层和半导体窗口层，在上述半导体窗口层中形成扩散了 Zn的导电区域；在上述半导体窗口层中，上述导电区域周边具有p型周边区域，上述p型周边区域与上述导电区域的外围离开，上述导电区域的端部向上述p型周边区域突出。
全文摘要
本发明提供能够提高量产性的雪崩光电二极管。在InP衬底上作为半导体层而至少依次层叠光吸收层、雪崩倍增层和半导体窗口层，在上述半导体窗口层中形成扩散了Zn的导电区域；在上述半导体窗口层中，上述导电区域周边具有p型周边区域；上述p型周边区域与上述导电区域的外围离开；上述导电区域的端部向上述p型周边区域突出。
文档编号H01L31/107GK101431118SQ200810188598
公开日2009年5月13日 申请日期2006年9月12日 优先权日2005年9月12日
发明者中路雅晴, 柳生荣治, 石村荣太郎 申请人:三菱电机株式会社