专利名称：雪崩光电二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及雪崩光电二极管的设备构造。
背景技术：
雪崩倍增形光电二极管(雪崩光电二极管、APD)作为高灵敏度的光接收设备被广泛导入使用了长波长带(1.5微米带)的光载波的光通信系统等。在长波长带下动作的典型的APD设备是以InP为雪崩倍增层的空穴注入形，通常，具有由通过向InP的Zn热扩散而形成的Pn结规定雪崩倍增区域，并在结面的周边部配置了保护环的构造。另一方面，在高速性和雪崩过剩噪声特性的点，相比于以InP为雪崩倍增层的空穴注入形，以InAlAs为雪崩倍增层的电子注入形AH)更有利。InAlAs的电子与空穴间的离子化率比更大，所以雪崩过剩噪声低，相应地增益频带积(GB积)大，所以相比于InP - APD,接收灵敏度更优良。但是，在元件制作技术面中，用于抑制结周边的边缘击穿的所谓“保护环技术”未达到空穴注入形程度的完成度。其理由之一在于，难以形成在空穴注入形中通常使用的“离子注入类型的保护环构造”。因此，提出了代替离子注入类型的保护环的构造。报告了不制作意图的保护环而避免边缘电场向雪崩倍增层的影响的构造(例如，参照非专利文献1、2 )，并且在雪崩倍增层的下部设置了低浓度的埋入η电极的构造(例如，参照专利文献I)等。专利文献1:日本专利4234116号专利文献2:日本特开2010 - 147177号公报非专利文献1:E.Yagyu et al.、IEEE Photon.Tech.Lett.vol.18N0.1、pp.76 —
78.2006.
非专利文献2:F.Levine et al.、IEEE Photon.Tech.Lett.vol.18、pp.1898 —
1900.2006.
发明内容
非专利文献2是关于InGaAs/InAlAs的APD构造的报告，在η型基板侧配置雪崩倍增层，在上面的P电极侧配置耗尽化的InGaAs光吸收层，在其上配置宽带隙层和P电极层。反映P电极层的形状的边缘电场在P电极层、宽带隙层、以及InGaAs光吸收层内产生，但电场上升未到达雪崩倍增层，所以能够抑制边缘击穿的发生。但是，该构造在施加了偏置的动作时InGaAs光吸收层耗尽化，所以残留一定的电位效果，为此，随着缩小台面的横向尺寸，台面的InGaAs侧面(表面)所引起的暗电流倾向于变高。在专利文献I中，在基板侧配置埋入η电极层来规定雪崩区域，能够使用P型的InGaAs光吸收层，所以受光灵敏度优良。最近，通过修正专利文献I的构造，提出了更稳定地抑制边缘电场的方法(例如,参照专利文献2)。图6是说明专利文献2公开的反转形AH)构造的图。专利文献2的反转形APD是在基板侧配置P型、以及低杂质浓度的InGaAs的光吸收层(33A、33B)，并且在雪崩倍增层36与η电极层缓冲层38Α之间设置“电子行进层37Β”，使APD的内部电场分布成为“低(光吸收层33Β) —高(雪崩倍增层36) —低(电子行进层37Β)”，在η型电极缓冲层38Α和电子行进层37Β中发生边缘电场的构造。能够使电子行进层37Β的带隙比InGaAs充分大(例如InP, InAlAs)，所以即使存在依赖于η型电极层38Β的形状的电场集中，也抑制电子行进层37Β部分的电场集中所致的击穿发生。同时，通过在η型电极层38Β与雪崩倍增层36之间插入电子行进层37Β来隔开距离，边缘电场不会波及雪崩倍增层36，而还能够抑制雪崩倍增层36的边缘击穿。一般，如果成为低杂质浓度的光吸收层33Β耗尽化的状况(发生电压下降)，则第I台面101的侧面露出，所以第I台面101表面所引起的暗电流易于增大。但是，虽然在专利文献2中，关于反转形Aro构造，公开了使电子行进层37Β的电场比雪崩倍增层36降低，使该部分的离子化率降低的内容，但未明确应将电子行进层37Β的电场如何设定为最佳的值、使用什么样的材料来构成电子行进层37Β和η型电极缓冲层38Α。因此，专利文献2记载的反转形APD构造存在难以降低台面表面所引起的暗电流、发生η型电极缓冲层38Α的隧道电流这样的课题。因此，本发明的目的在于提供一种降低台面表面、电极层的形状所引起的、包含隧道电流的暗电流的APD。为了达成上述目的，本发明的APD使η型电场控制层的总施主浓度和ρ型电场控制层的总受主浓度处于规定的关系。具体而言，本发明的APDl具备:半绝缘性基板；在所述半绝缘性基板面上，按照P型电极层、P型光吸收层、低杂质浓度的光吸收层、带隙倾斜层、P型电场控制层、雪崩倍增层、η型电场控制层、以及低杂质浓度的电子行进层的顺序层叠的第I层叠结构所构成的第I台面；以及从层叠方向观察时，外周处于所述第I台面的外周的内侧，在所述第I台面的所述电子行进层侧的表面上，按照η型电极缓冲层、以及η型电极层的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面，所述η型电场控制层的总施主浓度比所述ρ型电场控制层的总受主浓度低2X IO11 IXlO1Vcm2的范围。通过使η型电场控制层的总施主浓度和ρ型电场控制层的总受主浓度处于规定的关系，能够防止在使施加电压上升了时P型电场控制层的外周部耗尽化，降低暗电流。因此，本发明能够提供能够降低台面表面、电极层的形状所引起的暗电流的APD。在本发明的APD中，所述η型电极缓冲层的施主浓度是2 X IO16 I X IO1Vcm3的范围。在第2台面的外周部，η型电极缓冲层的耗尽层扩展，电场集中被缓和。因此，即使在η型电极缓冲层中应用了带隙比较小的材料，也能够抑制隧道电流、雪崩电流的发生。在本发明的Aro中，从层叠方向观察时，所述η型电极层的外周处于所述η型电极缓冲层的外周的内侧。η型电极层配置于η型电极缓冲层的内侧，所以在η型电极缓冲层的外周部发生的耗尽区域不会波及η型电极层。因此，电压的施加时的边缘电场的集中被缓和，能够抑制边缘击穿、边缘隧道电流的发生。本发明能够提供能够降低台面表面、电极层的形状所引起的暗电流的APD。
图1是说明本发明的APD的图。(a)是上面图、(b)是剖面图。图2是说明本发明的APD的图。图3是说明本发明的APD的带图。图4是说明本发明的APD的带图。图5是说明本发明的APD的图。图6是说明以往的APD的图。(符号说明)1、31:半绝缘性基板;2、32:p型电极层;3A、33A:p型光吸收层;3B、33B:光吸收层；4、34:带隙倾斜层；5、35:p型电场控制层；6、36:雪崩倍增层；7A、37A:n型电场控制层;7B、37B:电子行进层;8A、38A:n型电极缓冲层;8B、28B、38B:n型电极层;9、39:n电极；
10,40:p电极；12A、12B、22B:耗尽区域；13:空穴残留的部分；101 第I台面；102:第2台面;300、301、302 =APD0
具体实施例方式以下，具体示出实施方式来详细说明本发明，但本申请的发明不限于以下的记载。另外，在本说明书以及附图中符号相同的构成要素表示相互相同的部分。(实施方式I)图1是说明APD301的元件的示意图。图1 (a)是上面图，图1 (b)是剖面图。另夕卜，在本说明书中，相对半绝缘性基板1，使η电极9侧成为上侧以及层叠方向而进行说明。APD301具备:半绝缘性基板I ;在半绝缘性基板I面上，按照P型电极层2、ρ型光吸收层3Α、低杂质浓度的光吸收层3Β、带隙倾斜层4、ρ型电场控制层5、雪崩倍增层6、η型电场控制层7Α、以及低杂质浓度的电子行进层7Β的顺序层叠的第I层叠结构所构成的第I台面101 ;以及从层叠方向观察时，外周处于第I台面101的外周的内侧，在第I台面101的电子行进层7Β侧的表面上，按照η型电极缓冲层8Α、以及η型电极层SB的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面102，η型电场控制层7Α的总施主浓度比ρ型电场控制层5的总受主浓度低2 X 1011 IXlO1Vcm2的范围。进而，APD301在η型电极层8Β上具备环状的η电极9，并在与第I台面101不同的部分的ρ型电极层2上具备ρ电极10。APD301是电子注入形APD元件。例如，半绝缘性基板I是ΙηΡ，ρ型电极层2是ρ — InAlGaAs, ρ型光吸收层3Α是P型地掺杂的InGaAs,光吸收层3Β是InGaAs,带隙倾斜层4是使带隙在层叠方向(上侧方向)上逐渐扩展的InAlGaAs, ρ型电场控制层5是ρ — InAlAs,雪崩倍增层6是InAlAs, η型电场控制层7Α是η — InAlAs，电子行进层7Β是低杂质浓度的ΙηΡ，η型电极缓冲层8Α是InGaAsP, η型电极层8Β是InGaAsP。此处,使η型电极缓冲层8Α以及η型电极层8Β中使用的InGaAsP的带隙能量如后所述根据选择蚀刻加工的难易性成为leV。为了制作APD301，例如，在半绝缘性基板I上，从P型电极层2至η型电极层8Β依次使用MO — VPE法等来外延生长。接下来，对外延生长的各层实施台面加工，形成第I台面101以及第2台面102。台面加工与通常的台面形的APD的制作工序相同。例如，使用化学蚀刻，从上部依次，从η型电极层SB和η型电极缓冲层8Α形成圆筒状的第2台面102。接下来，对电子行进层7Β和其下部依次进行台面加工，形成矩形形状的第I台面101。之后，形成η电极9、以及ρ电极10，根据需要进行布线、元件分离等。图2是说明对APD301施加了偏置的动作状态下的、设备构造内的耗尽化的样子的图。对于各层，在施加了电压的动作状态下，以使虚线部12Α所示的部分(从ρ型光吸收层3Α的η型电极层SB侧的一部分，光吸收层3Β、带隙倾斜层4、ρ型电场控制层5、雪崩倍增层6、η型电场控制层7Α、电子行进层7Β、η型电极缓冲层8Α的半绝缘性基板I侧的一部分)耗尽化的方式，调整了掺杂浓度。因此，在对η电极9与ρ电极10之间施加了充分的电压时，第I台面101的ρ型电场控制层5和η型电场控制层7Α耗尽化，第2台面102的下部(η型电极层SB的一部分)成为耗尽区域12Β。此处，η型电场控制层7Α的总施主浓度被调整为比P型电场控制层5的总受主浓度相对低2X IO11 IX IO1Vcm2的范围。随着使偏置电压上升，最初，在第I台面101整体，η型电场控制层7Α和ρ型电场控制层5的耗尽化发展。此处，η型电场控制层7Α的总施主浓度相对少，所以在η型电场控制层7Α的施主全部离子化了的时刻，耗尽化扩展到η型电极层8Β侧，如果使电压进一步增大，则ρ型电场控制层5耗尽化，设备的活性部成为在图3中示意地示出的带图以及电场轮廓的状态(图2的Yl — ΥΓ剖面)。雪崩倍增层6的两侧的层的电场根据η型电场控制层7Α的总施主浓度与P型电场控制层5的总受主浓度之差而形成阶梯。例如，如果η型电场控制层7Α的总施主浓度被设定为比P型电场控制层5的总受主浓度低5 X IO1Vcm2的值，则该电场强度的阶梯成为大致 70kV/cm。另一方面，在未配置第2台面102的第I台面101的周边部(边缘部)，伴随电压的施加而η型电场控制层7Α耗尽化了的时刻，ρ型电场控制层5的耗尽化几乎不发展。其原因为，P型电场控制层5的耗尽化的发展被由第I台面101的边缘部和第2台面102的配置决定的边缘电容支配。其结果，如图2那样，ρ型电场控制层5部分性地耗尽化，在符号13所示的其他部分残留空穴。图4示意地示出该状态的(图2的Υ2 — Υ2’剖面)带图以及电场轮廓的状态。P型电场控制层5的ρ型光吸收层3Α侧保持中性，所以成为与光吸收层(3Α、3Β)相同的电位，成为对光吸收层(3Α、3Β)不施加电压的状态。其结果，不会产生第I台面101侧面的光吸收层(3Α、3Β)的表面的电位变化，虽然少数载波的扩散电流成分残留，但能够大幅降低暗电流。另外，在本实施方式中，将η型电场控制层7Α的总施主浓度调整为比P型电场控制层5的总受主浓度相对低2Χ1011 IXlO1Vcm2的范围，其数值范围的设定理由如以下所述。对于浓度差的下限(2X IO11 )，基本上，基于ρ型中性层稳定地残留(=存在空穴)于图2的13部分的条件。通常，对于P型电场控制层5的衬底受主浓度，考虑掺杂控制的难易性,通常设为大致2 X IO17 8 X IO1Vcm3的浓度。对于这些浓度中的ρ型中性层中的空穴的空间的模糊的程度，能够以设备清洗长(Debye Screening Length)为目标,大致是100A 50ACA是埃)。将于该100A 50A的厚度对应的片受主浓度计算为2X IO11 4X 10n/cm2。即，能够将所需最小限的浓度差估计为2X10n/Cm2。
浓度差的上限有赖于几个主要原因，但抑制η型电极缓冲层8A中的隧道电流是必要条件。即，即使使波及η型电极缓冲层8Α的电场集中成为最佳，至少在耗尽区域12Α所示的活性部分中InGaAsP中的电场不超过隧道电流发生的阈值成为条件。
在通常的雪崩光电二极管的电场轮廓设计中，在最大的动作电压中，将光吸收层(3B)的电场设定为150kV/cm附近。在这样的状况下，在电子行进层7B与η型电极缓冲层8Α的界面中，对150kV/cm加上与上述浓度差相当的电场。设为电子行进层7B具有均匀的电场轮廓，IeV的InGaAsP的隧道电流发生的阈值是约300kV/cm，所以需要即使加上η型电场控制层7Α的总施主浓度的减少量也不超过300kV/cm。其结果，将使提供300 — 150=150kV/
cm的电场差的η型电场控制层7Α的总施主浓度降低时的、浓度差的上限计算为约I X IO12/
2
cm ο在2Χ1016 IXlO1Vcm3的范围内调整η型电极缓冲层8Α的施主浓度。通过在该范围内调整施主浓度，η型电极缓冲层8Α的耗尽化区域在层叠方向上夹在大致0.1
0.2um之间。此处，η型电极缓冲层8Α的浓度的大小不会对ρ型电场控制层5的耗尽化状态造成大的影响。其原因为，之前叙述的边缘电容不会增大。通过将η型电极缓冲层8Α的施主浓度设定为上述范围，能够得到“台面的加工精度提高，能够实现稳定的设备制作”这样的效果。其理由如下所述。如果将η型电极缓冲层8Α的施主浓度设定为上述范围，则η型电极缓冲层8Α的边缘的耗尽化向图2的符号12部分扩展。其结果，边缘电场的 集中被缓和，在η型电极缓冲层8Α中，针对InP的选择蚀刻加工变得容易、即使应用带隙小的InGaAsP材料也能够抑制隧道电流、雪崩电流的发生。S卩，如果将η型电极缓冲层8Α的施主浓度设定为上述范围，则在η型电极缓冲层8Α的材料中，并非与电子行进层7Β的带隙差大的材料，而能够应用与电子行进层7Β的化学蚀刻的选择性大的材料。例如，在APD301的情况下，将虽然与电子行进层7Β的InP的带隙差小但化学蚀刻的选择性大的InGaAsP应用于η型电极缓冲层8Α。因此，APD301的第2台面102的加工精度提高，能够实现稳定的设备制作。(实施方式2)图5是说明APD302的元件的示意图(剖面图)。APD302与图1以及图2的APD301的差异点在于，在APD302中，作为η型电极层8Β的代替，具备η型电极层28Β。η型电极层28Β的形成与η型电极层8Β不同。即，从层叠方向观察时，η型电极层28Β的外周处于η型电极缓冲层8Α的外周的内侧。APD302的制作与APD301相同，但对于η型电极层28Β和η型电极缓冲层8Α的台面，改变它们的尺寸而独立地进行。即，首先，进行η型电极层28Β的化学蚀刻，但以使η型电极缓冲层8Α的蚀刻速度变慢的方式，改变η型电极层28Β的组成。例如，通过使η型电极缓冲层8Α的带隙成为1.2eV，使η型电极层28Β的带隙成为0.9eV，确保充分的蚀刻选择性。通过实施该选择性的化学蚀刻，能够在η型电极缓冲层8Α的内侧高精度地配置η型电极层28Β。第I台面101的形成步骤与APD301相同。图5的符号22Β是在η型电极缓冲层8Α的边缘部分中发生的耗尽区域。在APD302中，η型电极层28Β配置于η型电极缓冲层8Α的充分内侧，所以耗尽区域22Β不会波及η型电极层28Β。因此，电压施加时的边缘电场的集中被缓和，能够抑制边缘击穿、边缘隧道电流的发生。此处，即使η型电极缓冲层8Α的耗尽化的形状变化，在ρ型电场控制层5的耗尽化的样子中也无大的变化。因此，与APD301同样地，ρ型电场控制层5的光吸收层(3Α、3Β)侧能够保持中性状态，能够保持对光吸收层(3Α、3Β )不施加电压的状态。因此，APD302不会产生第I台面101侧面的光吸收层(3Α、3Β)的表面的电位变化，虽然残留少数载波的扩散电流成分，但能够大幅降低暗电流。(其他实施方式)在实施方式I以及2中，叙述了使InAlAs成为雪崩倍增层、使InGaAs成为光吸收层的APD (301、302)的例子，但未限制半导体材料的种类。还能够将APD (301、302)中的说明的构造同样地应用于通过其他半导体材料的组合得到的APD元件。
权利要求
1.一种雪崩光电二极管，其特征在于包括: 半绝缘性基板； 在所述半绝缘性基板面上，按照P型电极层、P型光吸收层、低杂质浓度的光吸收层、带隙倾斜层、P型电场控制层、雪崩倍增层、η型电场控制层、以及低杂质浓度的电子行进层的顺序层叠的第I层叠结构所构成的第I台面；以及 从层叠方向看，外周处于所述第I台面的外周的内侧，在所述第I台面的所述电子行进层侧的表面上，按照η型电极缓冲层、以及η型电极层的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面， 所述η型电场控制层的总施主浓度比所述P型电场控制层的总受主浓度低2Χ IO11 I X IO1Vcm2 的范围。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于:所述η型电极缓冲层的施主浓度是2 X IO16 I X IO1Vcm3的范围。
3.根据权利要求1或者2所述的雪崩光电二极管，其特征在于:从层叠方向看，所述η型电极层的外周处于所述η型电极缓冲层的外周的内侧。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种能够降低台面表面、电极层的形状所引起的暗电流的APD。APD(301)具备半绝缘性基板(1)；在半绝缘性基板(1)面上，按照p型电极层(2)、p型光吸收层(3A)、低杂质浓度的光吸收层(3B)、带隙倾斜层(4)、p型电场控制层(5)、雪崩倍增层(6)、n型电场控制层(7A)、以及低杂质浓度的电子行进层(7B)的顺序层叠的第1层叠结构所构成的第1台面(101)；以及从层叠方向看，外周处于第1台面(101)的外周的内侧，在第1台面(101)的电子行进层(7B)侧的表面上，按照n型电极缓冲层(8A)、以及n型电极层(8B)的顺序层叠的第2层叠结构所构成的第2台面(102)，n型电场控制层(7A)的总施主浓度比p型电场控制层(5)的总受主浓度低2×1011～1×1012/cm2的范围。
文档编号H01L31/107GK103081129SQ201180042210
公开日2013年5月1日 申请日期2011年9月1日 优先权日2010年9月2日
发明者石桥忠夫, 安藤精后, 名田允洋, 村本好史, 横山春喜 申请人:Ntt电子股份有限公司, 日本电信电话株式会社