雪崩光电二极管的制作方法

专利名称：雪崩光电二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用了半导体的受光元件，特别涉及暗电流低、长期 地可靠性高的雪崩光电二极管。
背景技术：
在光通信等中使用的雪崩光电二极管是通过除了设置进行光电 变换的光吸收层之外、还设置使进行了光电变换的载流子雪崩倍增的 层而提高感光灵敏度的半导体受光元件，对雪崩光电二极管要求暗电 流低且具有高的可靠性。上述雪崩光电二极管大多由化合物半导体形成，根据其结构，可 大致分成台式结构和平面结构。台式结构采取在衬底上形成台(台面) 并在该台中采用包含PN结的结构，在台周边的表面上容易产生击穿。 为了抑制该击穿， 一般采用设置了倾斜状的结构，进而采取在台的外 周区域设置成为高电阻部分的埋入层等的结构，进行了将暗电流抑制 得较低的改进(例如专利文献1)。平面结构是通过设置选择扩散区域而形成PN结的结构，但上述 PN结的边缘部分中的边缘击穿成为问题。如果在边缘部分中流过电 流，则即使增大电压、位于中央的受光部的PN结的反向电压也几乎 不增加，故不能发挥作为雪崩光电二极管的功能。因此，采取了例如 在上述边缘部分中利用杂质注入等设置高电阻的保护环等的对策(例 如专利文献2)。专利文献l:特开2002 - 324911号公报(图1)专利文献2:特开平7-312442号公报(第4-6页，图2、 6) 但是，在现有的雪崩光电二极管中存在以下那样的问题。 在倾斜型台式结构中，为了在台的外周区域中设置埋入层，有必 要进行利用有机金属气相生长法(MO-CVD)法等、部分地且不管 结晶面如何、均匀地使其进行结晶再生长这样的处理，故存在制造成 本上升、成品率差这样的问题。此外，虽然采取了降低暗电流的对策， 但存在抑制效果不充分的这样的问题。在平面结构中(在专利文献2记载为模拟平面结构)，例如在补 偿受光区周边部分的电场緩和层的p导电型以形成保护环的方法中， 必须形成槽并进行Ti等的离子注入，有必要设置刻蚀中止层。再者， 由于在其外周设置杂质扩散层，故处理变得复杂，制造成本上升，同 时在成品率方面也存在问题。此外，由于在光吸收层中的保护环的电 场强度变高，故也存在隧道暗电流变大等的问题。发明内容本发明是为了解决这些问题而进行的，其目的在于提供能用简易 的工序制作且抑制了暗电流、确保了长期可靠性的雪崩光电二极管。本发明的雪崩光电二极管具有衬底，该衬底具备第1电极和电连 接到第1电极的由第1导电型构成的第1半导体层，在上述衬底上至 少层叠了雪崩倍增层、光吸收层和能带隙比上述光吸收层的能带隙大 的第2半导体层，在上述第2半导体层内形成了第2导电型导电区域， 将上述第2导电型导电区域电连接到第2电极上。按照本发明，能用简易的工序提供低暗电流且长期可靠性高的雪 崩光电二极管。


图l是表示本发明的实施方式l的雪崩光电二极管的概略结构的 剖面图。图2是表示了本发明的实施方式1的图1的A - A，剖面中的深度方向的电场强度分布的特性图。图3是表示了本发明的实施方式1的图1的B - B，剖面和C - C， 剖面中的面方向的电场强度分布的特性图。图4是表示了本发明的实施方式1的深度方向上的载流子浓度的 差别的特性图。图5是表示了本发明的实施方式2的雪崩光电二极管的导带和价 带的层接合部分中的能量分布的特性图。图6是表示本发明的实施方式3的雪崩光电二极管的概略结构的 剖面图。图7是表示本发明的实施方式3的雪崩光电二极管的概略结构的 剖面图。图8是表示本发明的实施方式4的雪崩光电二极管的概略结构的 剖面图。图9是关于本发明的实施方式4的雪崩光电二极管、表示了电流 和倍增率M与反偏置电压的关系的特性图。图IO是表示本发明的实施方式5的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。图11是表示本发明的实施方式6的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。图12是表示本发明的实施方式7的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。图13是表示本发明的实施方式8的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。图14是表示本发明的实施方式8的雪崩光电二极管的受光灵敏 度分布的特性图。图15是表示本发明的实施方式9的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。图16是表示本发明的实施方式9的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。图17是关于本发明的实施方式9的雪崩光电二极管、表示了电 流和倍增率M与反偏置电压的关系的特性图。图18是表示本发明的实施方式9的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。图19是表示本发明的实施方式10的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。符号的说明1村底，2、 19笫l半导体层，3中止层，4雪崩倍增层，5电 场緩和层，6光吸收层，7迁移层，8第2半导体层，9接触层，10 第2导电型导电区，11耗尽区，12保护膜，13第1电极，14第2 电极，15绝缘膜，23布拉格反射层，24反射调整层，25侧面，26 槽，27劈开面，28光，29半绝缘性衬底，30堵头孔，110第2导 电型周边导电区，120表面保护膜兼反射防止膜具体实施方式
实施方式1.图l是表示本发明的实施方式l的雪崩光电二极管的概略结构的 剖面图。在此，使用了 n型作为第l导电型、p型作为第2导电型、 n电极作为第l电极、p电极作为第2电极。例如在n型InP等的晶 片状的村底1上使用MO-CVD或分子束外延生长法(MBE)等可 实现各半导体层的制作。在本实施方式l中，用以下的工序顺序进行 了制作。在衬底1上，例如依次使载流子浓度0.2 2xl0"cm^的n型 InP等的第l半导体层2 (以下称为緩冲层)生长为厚度0.1 lpm、 使i型AlInAs的雪崩倍增层4生长为厚度0.15 ~ 0.4nm、使载流子浓 度0.5~ lxlO n^的p型InP等的电场緩和层5生长为厚度0.03 ~ 0.06nm、使载流子浓度1 ~ 5xl0lscnT3的p —型GalnAs等的光吸收层 6生长为厚度l 1.5pm、使i型InP等的能带隙比上述光吸收层6的 能带隙大的第2半导体层8生长为厚度1.0 2ium、使i型GalnAs接 触层9生长为厚度0.1 0.5nm。在此，由于采取从与村底l相反一侧入射被检测光的结构(以下称为表面入射)，故上述第2半导体层8 的能带隙比被检测光的能量大。此外，由于第2半导体层8使被检测 光透过，故以下将第2半导体层8称为窗层。下面，将挖通了直径25~55nm的圆形的SiOx膜作为掩摸，在 未被上述掩摸覆盖的圆形部分例如用Zn选择热扩散方法形成p型导 电区域IO。接着，用刻蚀除去中央部和外部，使得上述p型导电区域 10上的i型GalnAs接触层9遗留下来成为宽度5~ 10nm的环状。再 者，利用蒸镀形成SiNx表面保护膜兼反射防止膜120，除去处于上述 接触层9的上部的上述SiNx表面保护膜兼反射防止膜120，在上述接 触层9上利用AuZn形成p电极14。再者，在衬底l中研磨与层叠了 緩冲层2的面相反的面，利用AuGe形成n电极13，使上述緩冲层2 电连接到上述n电极13上。再者，将晶片状的衬底1劈开分离，作 成具有劈开面27的约300|im见方的元件。以下说明用上述的工序制作的雪崩光电二极管的工作。在从外部 施加了反偏置电压使得n电极13 —側成为正、p电极14 一侧成为负 的状态下，使光28从p电极14一侧入射。例如，如果使作为光通信 波长带的1.3nm带或1.51im带的近红外区域的光入射到上述接触层9 的环内部，则光透过窗层8，在光吸收层6中被吸收，生成电子-空 穴对，上述电子移动到n电极13—侧，上述空穴移动到p电极14一 侧。在反偏置电压足够高时，电子在上述雪崩倍增层4中离子化生成 新的电子-空穴对，与新生成的电子、空穴一起引起进一步的离子化， 从而引起电子、空穴雪崩地倍增的雪崩倍增。下面，说明在图1中表示的本实施方式的雪崩光电二极管中的电 场强度。图2是表示了图1的A-A，剖面中的深度方向的电场强度分 布的特性图，图3是表示了图1的B-B，剖面和C-C，剖面中的面方 向的电场强度分布的特性图。图2和图3的横轴的符号表示上述形成 的各半导体层，图中将A-A，剖面表示为A-A，， 将B-B，剖面表 示为B-B，， 将C-C，剖面表示为C-C，。如图2中所示，成为最 高电场的部分成为雪崩倍增层4。再者，如图3的B-B，剖面中的电场强度分布中所示，在其中上述p型导电区10正下方的受光区域中央部分成为电场强度最高的区域，越朝向周边部分电场强度越小。此外，如图3的C-C，剖面中的电场强度分布中所示，上述p型导电区 域10的周边部分的电场强度因扩散区域的有限的曲率而比中央部分 高，但如果与图2的B-B，剖面中的电场强度分布比较，则比与雪崩 倍增层4的电场强度低，故可抑制在作为边缘击穿而已知的周边部分 的电流，可起到作为雪崩光电二极管的功能。再者，由于在能带隙比光吸收层6的能带隙大的窗层8内形成了 扩散区周边的电场强度局部地高的区域、即在图3的C-C，剖面中在 上述p型导电区域10的周边部分电场强度变高的部分，故可抑制从 上述电场强度变高的部分流过隧道暗电流。因而，本实施方式的雪崩 光电二极管没有必要设置抑制边缘击穿的被称为保护环的结构，可简 易地实现具有低暗电流、高可靠性的雪崩光电二极管。再有，在本实施方式中说明了由使用Zn的选择热扩散形成p型 导电区域10的例子，但所使用的原子只要是赋予p导电型的原子即 可。作为其它的形成方法，例如将挖通了圆形的SiOx膜作为掩摸， 用Zn选择热扩散方法形成了 p型导电区后除去作为扩散的供给源的 Zn膜和上述SiOx膜、进而再次进行热扩散处理使p型导电区内部的 Zn扩散(以下称为Zn附加扩散)。此外，例如也可将挖通了圆形的 光致抗蚀剂膜作为掩摸，在进行了 Be的离子注入后除去光致抗蚀剂 膜、通过在约700。C下进行约12小时的热退火处理来形成(以下称为 Be注入)。图4是表示使用上述Zn选择热扩散(图中D) 、 Zn附加扩散 (图中E)和Be注入(图中F)作为p型导电区域10的形成方法的 情况下，深度方向(导电区域10-窗层8接合部分)上的栽流子浓度 的差别的特性图(横轴的符号相当于各个层)。由此，由于在使用了 Zn附加扩散的情况下与载流子浓度显著地变化的Zn选择热扩散相比 可使载流子浓度变化变得緩和，故可将导电区域10 - P窗层8接合部 分中的电场强度抑制得较低，可抑制隧道暗电流。此外，在Be注入中，可进一步使载流子浓度变化变得緩和。再有，在本实施方式中，示出了将电场緩和层5作成了 p型InP 的例子，但也可作成AlInAs。根据情况，也可省略电场緩和层5。此 外，示出了为了使p型导电区域10与p电极14电连接而设置接触层 9的例子，但也可直接使p型导电区域10与p电极14接触。示出了 使用i型InP作为窗层8的例子，但导电型可以是半绝缘性、绝缘性、 n型或导电性低的p型的任一种。如果在窗层8与光吸收层6之间设 置包含GalnAsP、 AlInAs、 AlGalnAs、 GalnAsP等的中止层3，则 可抑制p型导电区域从p型导电区域10朝向光吸收层6扩散，是更 为理想的。实施方式2.在本发明的实施方式2的雪崩光电二极管中，在上述实施方式l 中示出的雪崩光电二极管中，在光吸收层6与窗层8之间还设置了过 渡层7。作为形成方法，在上述实施方式1中使光吸收层6生长的工 序之后，例如使i型GalnAsP生长为厚度0.01 0.05iam，作成了过渡 层7。图5示出了本实施方式的雪崩光电二极管的导带和价带的层接 合部分中的能量分布。横轴的符号表示所层叠的各半导体层，纵轴表 示能量，图中G表示了导带，图中H表示价带，图中I表示了空穴 各自的能量。根据图5可知，过渡层7的价带能量取比光吸收层6低、 比窗层8高的值、即光吸收层6与窗层8之间的值。这一点表示了通 过在光吸收层6与窗层8之间夹有过渡层7，价带的不连续量变小， 空穴容易从光吸收层6起流动。因而，可防止在异质结( 亍口 )界 面中的空穴的聚积，可实现更高速的光响应。再有，上述过渡层7采用了单层，但也可作成使能带隙阶梯性地 变化的多层。通过采用多层使价带的不连续量进一步变小，其结果是 空穴变得容易流动，故可实现更高速的光响应。此外，如在图5中用 虚线所示的那样，也可作成使能带隙连续地变化的层。在本实施方式中，示出了使用i型GalnAsP作为过渡层7的例子，但也可使用AlInAs、 AlGalnAs、 GalnAsP。特别是在使用InP 作为窗层8的情况下，起到笫2导电型区域的扩散中止层的功能。 实施方式3.在本发明的实施方式3的雪崩光电二极管中，在上述实施方式1、 2中示出的雪崩光电二极管中，在p型导电区域10的周边还设置了 p 型周边导电区域110。图6、图7是表示本实施方式的雪崩光电二极 管的概略结构的剖面图，在此，6是光吸收层、3是中止层，兼作空 穴迁移和扩散中止层。8是窗层，9是接触层。在图6中表示的雪崩光电二极管中，在超过接触层9的外周的宽 阔范围内以不达到过渡层7的程度较浅地进行选择热扩散而形成p型 周边导电区域110，其后，在比上述p型周边导电区域110的区域窄 的范围内以达到过渡层7的程度较深地进行选择热扩散而形成p型导 电区域IO。对于上述p型导电区域10的区域来说，重叠地进行了选 择热扩散。这样，由于可充分地提高p型导电区域10的电阻，进而 用p型周边导电区域110包围其周边，故可降低表面电场强度。因而， 可进一步抑制击穿，能增加可靠性。此外，在图7中表示的雪崩光电二极管中，将p型周边导电区域 110形成为环状，使其围绕形成于接触层9下方的p型导电区域10 的周边。这样，即使形成p型导电区域10和p型周边导电区域110， 也可谋求表面电场强度的下降，可抑制击穿。实施方式4.图8是表示本发明的实施方式4的雪崩光电二极管的概略结构的 剖面图。为了说明现象，以图像的方式表示了耗尽区域11。在本实施 方式中，在上述实施方式l中表示的雪崩光电二极管中包含p型导电 区域10，把上述p型导电区域10的周边区域保留成直径约100 nm 的圆形，除去其外周的窗层8、光吸收层6直至到达电场緩和层5， 形成侧面25 (以下称为侧面除去)。图9是对于进行了上述侧面除去的雪崩光电二极管，示出了电流 和倍增率M与反偏置电压的关系的特性图。图中虚线是未进行上述侧面除去而仅劈开使元件分离的上述实施方式l的雪崩光电二极管的暗电流特性。不依赖于反偏置电压的暗电流(图中Idark)是来自光 吸收层6的发生暗电流，在仅劈开了的结构中，由于上述发生暗电流 经由劈开面而流动，故暗电流成为10_7A电平(图中Idark虚线)。 与其相比，在本实施方式的雪崩光电二极管中，由于能隔断来自光吸 收层6的发生暗电流路径，故可将暗电流减少到10 —8A电平(图中 Idark实线)。如上所述，由于暗电流主要从光吸收层6发生并以耗尽区域11 为路径而流动，故至少除去包围耗尽区域11的光吸收层6即可。如 果考虑耗尽区域11的扩展，则例如可从第2导电型导电区域起留下 大于等于l(Him的宽度的光吸收层6并进行侧面除去即可。如果减小利用上述侧面除去而留下的光吸收层6的宽度，则由于 上述进行了侧面除去的面的电场强度变高，长期可靠性也下降，故将 利用侧面除去而留下的光吸收层6的宽度定为约大于等于10nm且小 于等于200jam是较为理想的。此外，利用上述侧面除去而留下的光吸 收层6的形状不作特别限定，可留下成为圆形、椭圆形状，也可成为 四角形状、多角形状。在采用上述四角形状、多角形状的情况下，如 果在角部设置圆角，则可防止在上述角部中的电场集中，是较为理想 的。作为侧面除去的方法，有例如使用HBr/过氧化氢水混合溶液进 行蚀刻的方法。此外，也可使用采用了柠檬酸、酒石酸等的有机酸与 过氧化氢水的混合溶液的有机酸蚀刻。也可定为利用反应性离子蚀刻 (RIE)等的干法蚀刻。此外，在有选择地蚀刻InP系列材料的情况 下，可使用盐酸/磷酸混合溶液等的盐酸系列溶液。在有选择地蚀刻 AlGalnAs系列材料、GalnAsP系列材料的情况下，可使用有机酸(柠 檬酸、酒石酸等)/过氧化氢水混合溶液等的有机酸系列溶液、硫酸系 列溶液。如果在其中适当地组合选择蚀刻性小的HBr/过氧化氢水、 Br/甲醇等的Br系列溶液等，则可实现所希望的侧面除去。此外，在本实施方式中示出了进行侧面除去直至达到电场緩和层5的例子，但也可进行侧面除去直至比雪崩倍增层4更深的层。在本实施方式中示出了使窗层8与光吸收层6接合的例子，但也可如上述实施方式2或实施方式3中所示那样在窗层8与光吸收层6之间设置过渡层7或中止层3。在本实施方式中示出了形成导电区域10的例子，但也可如上述实施方式3中所示那样形成周边导电区域110。 实施方式5.图10是表示本发明的实施方式5的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。在本实施方式中，在上述实施方式4中示出的雪崩光电二 极管中形成了侧面25使得光吸收层6的宽度比窗层8和电场緩和层5 的宽度小。例如，如果使用有机酸与过氧化氢水的混合溶液，则可有 选择地将光吸收层6蚀刻得较深。通过这样地在光吸收层6和电场緩 和层5中设置台阶差，暗电流难以流动，可将上述暗电流减少到小于 等于10 —8A电平。再有，在没有特别必要设置电场緩和层5的情况下，可省略上述 电场緩和层5，在其下的雪崩倍增层4与光吸收层6中设置台阶差即 可。实施方式6.图ll是表示本发明的实施方式6的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。在本实施方式中，在上述实施方式4中示出的雪崩光电二 极管中，在用盐酸/磷酸溶液对窗层8进行了侧面除去并利用有机酸/ 过氧化氢水溶液对光吸收层6进行了侧面除去后，在从光吸收层6的 侧面25起离开约10|um的位置上使用HBr/过氧化氢氷混合溶液除去 电场緩和层5、雪崩倍增层4、緩冲层2的一部分而形成槽26。在这 样地至少对光吸收层6进行了侧面除去之后，通过再设置上述槽26， 暗电流难以从光吸收层6起流动，可将上述暗电流减少到小于等于10 —8A电平。再有，将上述侧面25与上述槽26的间隔定为10|im，但也可定 为大于等于10nm。除去电场緩和层5、雪崩倍增层4、緩冲层2而形成槽26，但至 少除去电场緩和层5即可。在不设置电场緩和层5的情况下，至少除 去最上层即可。实施方式7.图12是表示本发明的实施方式7的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。在本实施方式中，在上述实施方式4~6中示出的雪崩光 电二极管中利用SiNx形成了保护膜12使其至少覆盖被除去的光吸收 层6的侧面25。通过设置上述保护膜12，由于可防止氧化、水分吸收，可抑制 暗电流发生，可得到长期可靠性。再者，也有可防止因元件处理时的 接触引起的破损的效果。再有，由于如果使用SiNx作为保护膜12，则也可使其具有防止 反射的效果，故是较为理想的，但从保护的观点来看，也可使用SiOx 等的电介质、聚酰亚胺等的有机材料。在本实施方式的图12中，示出了不仅在光吸收层6的側面25 上、也在上面和其它的层的侧面上设置了保护膜12的例子，但如果 至少覆盖被除去的光吸收层6的侧面25,则也可只是在其他必要的部 位上部分地设置保护膜12。实施方式8.图13是表示本发明的实施方式8的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。与上述实施方式l同样，在n型InP衬底1上依次使载流 子浓度2乂1018~2乂1019 11-3的n型AlInAs/GalnAs分布布拉格(f ， 、7夕')反射层23生长为预定的厚度、使n型AlInAs反射调整层24 生长为预定的厚度、使i型AlInAs的雪崩倍增层4生长为0.1 ~ 0.3nm、使载流子浓度lxl0" 2xl0"cm-3的p型InP电场緩和层5 生长为0.03~0.06|nm、使载流子浓度1 ~ 5xl015cnT3的p型GalnAs 光吸收层6生长为1.0 ~ 1.51im、使i型GalnAs过渡层7生长为0.02 ~ 0.2|im、使i型InP窗层8生长为1.0 ~ 2.(Hun、使i型GalnAs接触层 9生长为0.1 ~ 0.4nm。在此，所谓上述分布布拉格反射层23的预定的厚度，指的是将 想要检测的光的波长定为 u将折射率定为n、满足由 i/(4n)的奇数 倍给出的布拉格反射条件。最好定为最小的X/ (4n)。此外，所谓反射调整层24的预定的厚度，指的是将厚度定为t" 折射率定为n"雪崩倍增层4的厚度定为ta、折射率定为na、电场緩 和层5的厚度定为te、折射率定为ne，则满足下式<formula>formula see original document page 15</formula> ( k是奇数)。 最好使用最小值。再者，与上述实施方式l同样地形成p型导电区10、接触层9， 与上述实施方式4同样地进行侧面除去，与上述实施方式7同样地利 用SiNx在上面和侧面上形成保护膜12。在本实施方式的雪崩光电二极管中，如果将n电极13定为正、 p电极14定为负，在从外部施加了反偏置电压的状态下使光28入射， 则光在光吸收层6中被吸收，生成电子-空穴对。 一部分的光不在光 吸收层6中被吸收而透过，但被具有上述预定厚度的反射调整层24 和分布布拉格反射层23有效地反射，再次入射到光吸收层6中而被 吸收。该光进一步生成电子-空穴对，在光吸收层6因反偏置电压而 耗尽了的区域中，由电场发生的电子漂移到正侧，空穴漂移到负侧。 由于到达了过渡层7的空穴抑制了上述各层间的价带的不连续量，故 无滞后地到达p型导电区域10。因而，可实现更高速的响应。特别是在反偏置电压足够高时，到达了雪崩倍增层4的电子离子 化，生成电子-空穴对，所生成的电子、空穴分别在相反方向上漂移。 通过这些电子、空穴进一步离子化，电子、空穴能以雪崩的方式倍增。关于本实施方式的雪崩光电二极管中的电场强度分布，也与上述 实施方式1中示出的图2同样，在雪崩倍增层4中最高，以便引起由 离子化产生的雪崩倍增，在电场緩和层5中变化，能不在光吸收层6 中产生隧道击穿。再者，与图3同样，与各层平行的方向(面方向) 的电场强度分布在雪崩倍增层4中在p型导电区IO正下方最高，以 免产生边缘击穿。此外，由于设置了能带隙大的过渡层7，故更加难以产生击穿。此外，由于对光吸收层6进行了侧面除去，故可隔断暗 电流路径，与上述实施方式2的例子相比，可进一步抑制在过渡层7 中的电场强度的上升。图14是表示了本实施方式的感光灵敏度分布的特性图，用将峰 值定为1的规格化光电流来表示。从图14可知，在p型导电区域10 中央部分中灵敏度最高，没有边缘击穿，可得到良好的雪崩倍增。在本实施方式中，由于设置了分布布拉格反射层23和反射调整 层24,可使在光吸收层6中未被吸收而透过了的光再次朝向光吸收层 6反射，故可进一步提高在光吸收层6中的光吸收量。因而，可提高 雪崩光电二极管的光灵敏度。再有，在本实施方式中示出了将分布布拉格反射层23定为 AlInAs/GalnAs的例子，但交替地层叠折射率高的层与低的层也可。 作为折射率高的层，可使用GalnAs、 As组成比高的GalnAsP、或 Ga组成比高的AlGalnAs等。作为折射率低的层，可使用AI组成比 高的AlGalnAs、特别是AlInAs、 P组成比高的GalnAsP、 InP。此外，在本实施方式中示出了使用折射率低的AlInAs作为反射 调整层24的例子，但也可使用InP、 AlGalnAs、 GalnAsP等。关于分布布拉格反射层23、反射调整层24中的n型栽流子浓度， 在电阻对于工作速度不成为问题的范围内使其变化也可，越大越好。此外，在本实施方式中示出了在衬底1与雪崩倍增层4之间设置 了分布布拉格反射层23和反射调整层24的例子，但在光吸收层6的 光射出面一侧以预定的厚度设置分布布拉格反射层23和反射调整层 24也可。也可在光吸收层6与布拉格反射层23之间夹住其它的层。 在该情况下，将布拉格反射层23的预定厚度定为在将所检测的光的 波长定为h将上述布拉格反射层的折射率定为n时用A7 Un)表示 的数值的奇数倍，在将反射调整层24的折射率定为nr、将在光吸收 层6与分布布拉格反射层23之间被夹住的层的厚度定为t,、 t2、 ...tn、 将折射率定为ih、 n2、 n3、 ...nn、 k采用奇数时，反射调整层24的预 定厚度tr为满足下式的数值即可tr-l/(4xnr) (kx入-4xZ (tnxnn) ) >0。此外，在本实施方式中说明了进行侧面除去直至电场緩和层5 的例子，但可根据需要省略电场緩和层5，也可进行侧面除去直至反 射调整层24。通过进行侧面除去直至反射调整层24，可防止耗尽区 域11的露出，故进一步提高可靠性。实施方式9，图15是表示本发明的实施方式9的雪崩光电二极管的概略结构 的剖面图。在本实施方式中，在上述实施方式4~9中示出的雪崩光 电二极管中进行了侧面除去后，在外周部上设置绝缘膜15，除去该绝 缘膜15的一部分而形成了 n电极13。由于本实施方式的雪崩光电二 极管可在元件表面上配置n电极13和p电极14，故可一起对n电极 13、p电极14进行导线布线接合。此外，对于n电极13如果使用AuZn 等形成凸点电极，则可进行倒装式安装。此外，也可用同样的材料同 时形成n电极13和p电极14。再有，本实施方式中的绝缘膜15也可使用保护膜12。此外，在本实施方式中示出在反射调整层24上形成n电极13 的例子，但如果在构成反射调整层24和分布布拉格反射层23的层中、 能带隙小的层上配置n电极13,则可减少接触电阻。作为材质，最好 使其与GalnAs接触。此外，在本实施方式中示出了进行侧面除去直至反射调整层24 的例子，但也可直至光吸收层6，也可直至电场緩和层5或雪崩倍增 层4。此外，也可省略过渡层7、电场緩和层5。也可省略反射调整层 24、分布布拉格反射层23。也可设置在上述实施方式3中示出的p 型周边导电区域110。此外，侧面除去没有必要全部进行到劈开面27，例如，如图16 中所示，也可以除去外周的第1导电型半导体衬底上层叠的层中至少 光吸收层的方式、从上面开始除去而部分地形成堵头孔30。图17是 表示了设置了堵头孔30的情况下的电流和倍增率M与反偏置电压的 关系的特性图。图中虚线是不进行上述侧面除去而仅劈开从而使元件分离的上述实施方式1的雪崩光电二极管的暗电流特性。可知通过设置堵头孔30，由于耗尽区域的扩展发生变化，故光电流(图中Iphoto) 一度减少，但与上述实施方式4同样，可将暗电流减少到10_8A电平 (图中Idark实线)。再有，上述堵头孔30的形状不作特别限定，可保留成环状、履 带(卜，，7夕)形状。所谓上述环状，不仅包含抽去了圆形的中央部 分的形状，也包含抽去了四角形状、多角形状的中央部分的形状。最 好是在角部上设置了圆角的形状以便防止电场集中。同样，所谓上述 履带形状，指的是用半圆包围长方形的两端并抽去了中央部分的形 状，但上述半圆部分包含作为四角形状、多角形状的一部分的形状。 同样，最好是在角部上设置了圆角的形状。此外，上述履带形状也包 含抽去了椭圆形状的中央部分的形状。此外，如图18中所示，可设置上述堵头孔30并进而在其外侧设 置第2堵头孔30。如果设置多个堵头孔30,则可使在处理时发生的 崩裂、裂紋中止于外侧，可提高成品率、可靠性。此外，如果在上面使n电极13引出，则安装变得更加容易。也 可在外周部分设置p型周边导电区域110。在上述实施方式1 ~ 9中，也可使用半绝缘性村底29作为衬底1， 采用表面入射。在该情况下，由于可抑制静电电容，故可提高工作带 区域。再有，在本实施方式中示出了为了使n电极13和p电极14配 置在元件表面上而设置堵头孔30的例子，但堵头孔30可用作这样的 元件留下第2导电型导电区域10和上述第2导电型导电区域的周 围的第2半导体层8、在其外周的衬底上层叠的层中至少光吸收层的 侧面除去。即在上述实施方式1~8中的在衬底1的背面上设置了第1 电极13的本发明的雪崩光电二极管中也可设置堵头孔30作为侧面除 去元件，同样地起到可降低暗电流的效果。实施方式IO.图19是表示本发明的实施方式10的雪崩光电二极管的概略结构的剖面图。在本实施方式中，在上述实施方式1~9中示出的雪崩光 电二极管中使用基于Fe杂质等的InP等的半绝缘性衬底29作为衬底 1。此外，使光28从半绝缘性衬底29衬底一侧入射。作为半导体的 层叠方法，例如在半绝缘性村底29上依次使载流子浓度2xl018~ 2xl0"cm-3的n型AlInAs緩沖层19、使i型AlInAs的雪崩倍增层4生 长为0.1 ~ 0.3jLim、使载流子浓度lxl017~ 2xlO"cnT3的p型InP电场 緩和层5生长为0.03 ~ 0.06|im、使载流子浓度lx1015 ~ 5xl015cm3的 p型GalnAs光吸收层6生长为1.0 ~ 1.5pm、使i型AlGalnAs过渡层 7生长为0.02~0.2^n、使i型InP的第2半导体层8 (在从背面使光 入射的情况下，起到顶层的功能)生长为1.0~2.0|Lim、使i型GalnAs 接触层9生长为0.1 0.4nm后，形成了 p型导电区域10、 GalnAs 接触层9和p电极14。再者，进行侧面除去直至n型AlInAs緩沖层 19，设置了保护膜12使其覆盖上面和侧面25，形成了 n电极13使其 与n型AlInAs緩沖层19接触。
由于本实施方式的雪崩光电二极管如上述那样来构成，故可使光 28从背面入射，可利用p电极14使透过了光吸收层6的光反射。此 外，由于在InP半绝缘性衬底29的表面上设置了 n电极13和p电极 14，故可进行倒装式安装。此外，由于通过使用Fe掺杂InP半绝缘 性衬底可减少电容，故可实现高速化。也有抑制衬底中的吸收的效果。 此外，由于设置了侧面25,故也可用作侧面入射导波路型，可减少元 件容量。
在本实施方式中，使光28入射到半绝缘性衬底29的背面，但也 可在半绝缘性衬底29上设置反射防止膜。也可作成ii型緩冲/包层来 代替n型AlInAs緩冲层19。也可在p型导电区域10的周边设置p 型周边导电区域110。
再有，在上述实施方式1~10中示出了使用n型作为第l导电型、 p型作为第2导电型、使用n电极作为第1电极、p电极作为第2电 极的例子，但也可使用p型作为第l导电型、n型作为第2导电型、 使用p电极作为第1电极、n电极作为第2电极。关于导电区域10的形成，示出了固相扩散的例子，但也可使用 气相扩散。作为n电极13、 p电极14的材料，也可使用AuZn/Au、 AuGe/Ni/Au、 Ti/Au。
作为雪崩倍增层4，也可作成GalnAsP、 AlInAs/AlGalnAs超晶 格、AlInAs/GalnAsP超晶格。
再有，在上述实施方式1~10中示出了关于雪崩倍增层4、使用 了更加倍增电子的Al系列材料的例子，在倍增层一侧是p型的情况 下，由于空穴移动到倍增层中，故可使用更加倍增空穴的InP系列材 料作为雪崩倍增层4。
在不特别需要的情况下，可省略电场緩和层5，但最好是能带隙 大的材料。由于InP的空穴的离子化率高、AlInAs的电子的离子化率 高，故如果将电子的离子化率更高的材料、例如AlInAs等的Al系列 材料用作雪崩倍增层4时，同样地使用电子的离子化率高的AlIiiAs 电场緩和层5，则关于工作速度、噪声可得到更优良的特性。
关于光吸收层6，可定为i型的，也可定为小于等于3xlO"cnT3 的的n导电型的。此外，上述i型、n导电型也可只是在光吸收层6 的上部。
关于过渡层7，可定为AlInAs、 GalnAsP。
关于窗层8，可定为AlInAs、 AlGalnAs。此外，也可定为掺了 Fe的半绝缘性型。
关于接触层9，可以是非导电型的。如果能用低电阻来接触窗层 8的导电区域10与p电极14，则可省略接触层9。
再有，即使在上述实施方式1~10各自的组合的方式中，也能起 到上述效果。
权利要求
1.一种雪崩光电二极管，其特征在于包括第1电极、和具有电连接到该第1电极的由第1导电型构成的第1半导体层的衬底，在上述衬底上至少层叠了雪崩倍增层、光吸收层和能带隙比上述光吸收层大的第2半导体层，在上述第2半导体层内形成第2导电型导电区域，将上述第2导电型导电区域电连接到第2电极上，而且，留下第2导电型导电区域和上述第2导电型导电区域的周围的第2半导体层的一部分，至少在其外周的衬底上层叠了的层中的光吸收层被除去而形成上述光吸收层的侧面，上述光吸收层形成得比上述雪崩倍增层窄。
2. —种雪崩光电二极管，其特征在于包括第1电极、和具有电连接到该笫1电极的由第l导电型构成 的第l半导体层的衬底，在上述衬底上至少层叠了雪崩倍增层、光吸收层和能带隙比上述光吸收层大的第2半导体层，在上述第2半导体 层内形成第2导电型导电区域，将上述第2导电型导电区域电连接到 第2电极上，而且，留下第2导电型导电区域和上述第2导电型导电区域的周围的第 2半导体层的一部分，至少在其外周的衬底上层叠了的层中的光吸收 层被除去而形成上述光吸收层的侧面，除去比上述雪崩倍增层深的层 为止而形成上述侧面。
3. 如权利要求1或2中所述的雪崩光电二极管，其特征在于 上述光吸收层形成得比其它的层窄，从而在层间设置台阶差。
4. 如权利要求1或2中所述的雪崩光电二极管，其特征在于 在上述第2导电型导电区域的周围还形成了第2导电型周边导电区域。
5. 如权利要求1或2中所述的雪崩光电二极管，其特征在于 在上述侧面设置有保护膜。6.如权利要求1或2中所述的雪崩光电二极管，其特征在于 在离开上述侧面的部位的外周的衬底上层叠了的层中设置槽。
全文摘要
在备有具备第1电极和电连接到该第1电极上的由第1导电型构成的第1半导体层的衬底的雪崩光电二极管中，配置成在上述衬底上至少层叠了雪崩倍增层、光吸收层和能带隙比上述光吸收层的能带隙大的第2半导体层，在上述第2半导体层内形成第2导电型导电区域并将上述第2导电型导电区域电连接到第2电极上。利用该结构可用简易的工序提供低暗电流且长期可靠性高的雪崩光电二极管。此外，留下上述第2导电型导电区域和第2导电型导电区域的周围的第2半导体层，除去在其外周的衬底上层叠的层中的至少光吸收层，从而形成上述光吸收层的侧面。利用该结构可进一步减少暗电流。
文档编号H01L31/102GK101232057SQ20071030591
公开日2008年7月30日 申请日期2004年10月25日 优先权日2004年10月25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