雪崩光电二极管的制作方法

1.本公开涉及雪崩光电二极管(apd：avalanche photo diode)。


背景技术：

2.雪崩光电二极管在光通信领域中特别是在长距离传输的接收侧设备中使用。若光入射到雪崩光电二极管，则在ingaas光吸收层内生成由电子和空穴构成的光载流子。其中，电子在alinas倍增层内通过时因雪崩效应而倍增。由此，能够放大接收到的光信号。
3.在通过zn扩散形成雪崩光电二极管的p型区域的情况下，将zn扩散慢的alinas窗口层配置在ingaas光吸收层与inp窗口层之间(例如，参照专利文献1)。由此能够控制zn扩散的深度，形成所希望的pn结。
4.专利文献1：日本专利第4956944号公报
5.但是，al组成高的结晶材料与inp相比热阻大。因此，有时由于在光入射时生成光载流子而产生局部的热引起的温度上升，从而使电特性恶化。


技术实现要素：

6.本公开是为了解决上述那样的课题所做出的，其目的在于得到一种能够改善散热性的雪崩光电二极管。
7.本公开的雪崩光电二极管具备：半导体基板；依次层积在所述半导体基板之上的缓冲层、倍增层、光吸收层、窗口层以及接触层；以及在所述窗口层掺杂了杂质的p型区域，所述窗口层的带隙大于所述光吸收层，所述窗口层具有第一窗口层和第二窗口层，所述第二窗口层形成在所述第一窗口层之上，且所述杂质的扩散速度比所述第一窗口层快，所述第一窗口层是掺杂了ru、rh或os的inp层。
8.在本公开中通过使用掺杂了ru、rh或os的inp窗口层，从而与使用alinas窗口层的现有技术相比，能够改善散热性。其结果能够实现温度特性优异的雪崩光电二极管。
附图说明
9.图1是表示实施方式1的雪崩光电二极管的剖视图。
10.图2是表示比较例的雪崩光电二极管的剖视图。
11.图3是表示实施方式1以及比较例的雪崩光电二极管的倍增层附近的温度的图。
12.图4是表示在实施方式1以及比较例的雪崩光电二极管中变更了窗口层的膜厚的情况下的倍增层附近的温度的图。
13.图5是表示实施方式2的雪崩光电二极管的剖视图。
14.图6是表示实施方式3的雪崩光电二极管的剖视图。
15.图7是表示实施方式3的雪崩光电二极管的变形例的剖视图。
16.图8是表示实施方式4的雪崩光电二极管的剖视图。
17.图9是表示实施方式4的雪崩光电二极管的变形例的剖视图。
具体实施方式
18.参照附图对实施方式的雪崩光电二极管进行说明。对相同或对应的构成要素标注相同的附图标记，有时省略重复说明。
19.实施方式1.
20.图1是表示实施方式1的雪崩光电二极管的剖视图。在n型inp基板1之上依次层积有n型inp缓冲层2、i型alinas雪崩倍增层3、p型alinas电场缓和层4、n型ingaas光吸收层5、掺杂了钌(ru)的半绝缘性的ru掺杂inp窗口层6、n型inp窗口层7以及p型ingaas接触层8。ru掺杂inp窗口层6以及n型inp窗口层7的带隙大于n型ingaas光吸收层5。
21.n型inp缓冲层2的载流子浓度为1～5
×
10
18
cm-3
，膜厚为0.1～0.5μm。i型alinas雪崩倍增层3的膜厚为0.1～0.2μm。p型alinas电场缓和层4的载流子浓度为0.5～1
×
10
18
cm-3
，膜厚为0.05～0.15μm。n型ingaas光吸收层5的载流子浓度为1～5
×
10
15
cm-3
，膜厚为1～1.5μm。ru掺杂inp窗口层6的掺杂浓度为0.1～1.0
×
10
18
cm-3
，膜厚为0.05～1μm。n型inp窗口层7的载流子浓度为0.1～5
×
10
15
cm-3
，膜厚为0.5～1μm。p型ingaas接触层8的载流子浓度为1～5
×
10
18
cm-3
，膜厚为0.1～0.5μm。
22.报告了在掺杂有ru的inp中，即使使zn与掺杂的inp层接触，zn也几乎不扩散。因此，n型inp窗口层7的zn的扩散速度比ru掺杂inp窗口层6快。利用该特性，在zn的扩散速度快的n型inp窗口层7掺杂zn来形成p型区域9，由zn的扩散速度慢的ru掺杂inp窗口层6控制p型区域9的深度。由此能够得到所希望的pn结的形状。
23.同心圆状的p型ingaas接触层8形成在p型区域9之上。p型ingaas接触层8以外的上表面被表面保护膜10覆盖。表面保护膜10由sinx构成，也兼作防反射膜。在p型ingaas接触层8之上形成有p型电极11。p型电极11的材质为auzn等。在n型inp基板1的背面形成有n型电极12。n型电极12的材质为augeni等。
24.接下来，对本实施方式的雪崩光电二极管的制造方法进行说明。通过有机金属气相生长法(movpe:metal organic vapor phase epitaxy)以生长温度600℃左右，在n型inp基板1之上依次使n型inp缓冲层2、i型alinas雪崩倍增层3、p型alinas电场缓和层4、n型ingaas光吸收层5、ru掺杂inp窗口层6、n型inp窗口层7以及p型ingaas接触层8生长。另外，作为晶体生长方法也可以使用分子束外延生长法(mbe：molecular beam epitaxy)等。
25.在晶片表面通过溅射等形成siox膜，制作直径50μm的圆形图案掩膜。使zn在掩膜未覆盖的圆形部扩散而形成p型区域9。接着，实施蚀刻，以使p型ingaas接触层8在p型区域9上仅残留成宽度2.5～5.0μm的同心圆状。接下来，将表面保护膜10在晶片表面成膜后，仅对p型ingaas接触层8的上部去除表面保护膜10。在p型ingaas接触层8之上形成p型电极11。最后，研磨n型inp基板1的背面，在背面形成n型电极12。
26.接着，对本实施方式的雪崩光电二极管的动作进行说明。以n型电极12侧为+，p型电极11侧为-的方式从外部施加反向偏置电压。在该状态下，使作为光通信波段的1.3μm波段或1.5μm波段的光从p型电极11侧入射至p型区域9。光被n型ingaas光吸收层5吸收，产生作为光载流子的电子-空穴对，电子向n型电极12侧移动，空穴向p型电极11侧移动。当反向偏置电压足够高时，在i型alinas雪崩倍增层3中，电子离子化而生成新的电子-空穴对，新生成的电子和空穴共同引起进一步的离子化。由此，引起电子和空穴雪崩地倍增的雪崩倍增。因此，雪崩动作时的雪崩光电二极管的热源集中在i型alinas雪崩倍增层3附近。
27.接着，将本实施方式的效果与比较例进行比较来说明。图2是表示比较例的雪崩光电二极管的剖视图。在比较例中，使用n型alinas窗口层13来代替实施方式1的ru掺杂inp窗口层6。其他结构相同，两者的制造方法几乎相同。在zn的扩散速度快的n型inp窗口层7形成p型区域9，由zn的扩散速度慢的n型alinas窗口层13控制p型区域9的深度。相对于inp的热阻为68[w/mk]，alinas的热阻为10[w/mk]，具有接近约7倍的差。因此，设备构造的散热性取决于如何减薄整体的alinas的膜厚。在本实施方式中，通过使用ru掺杂inp窗口层6，与使用了n型alinas窗口层13的比较例相比，能够改善散热性。其结果能够实现温度特性优异的雪崩光电二极管。
[0028]
图3是表示实施方式1以及比较例的雪崩光电二极管的倍增层附近的温度的图。在计算中，将比较例的n型alinas窗口层13的膜厚设为1um，将实施方式1的ru掺杂inp窗口层6的膜厚设为1um，其他层设定为相同的结构。假设光入射而在i型alinas雪崩倍增层3产生了0.6w的热源，使基板侧与理想的散热器接触而定义为0[k]的状态。对于该情况下的i型alinas雪崩倍增层3附近的温度，分析性地求解热传导方程式而计算出作为基准的来自散热器的温度。i型alinas雪崩倍增层3附近的温度在比较例中为281k，而在实施方式1中降低至246[k]，散热性改善了约14％。
[0029]
图4是表示在实施方式1以及比较例的雪崩光电二极管中变更了窗口层的膜厚的情况下的倍增层附近的温度的图。若在比较例中也将n型alinas窗口层13减薄至膜厚0.05um，则能够改善到与实施方式1中ru掺杂inp窗口层6的膜厚为1um的情况几乎相同的温度。但是为了控制p型区域9的深度，需要使n型alinas窗口层13的膜厚为0.5um以上。另一方面，即使使热阻低的ru掺杂inp窗口层6的膜厚在0.05um～1um之间变化，温度的变化也为1％左右，几乎看不到膜厚的影响。因此在实施方式1中，即使使窗口层的膜厚比较厚，在温度特性上也没有问题，因而容易形成p型区域9。另外，无论是n型alinas窗口层13还是ru掺杂inp窗口层6，如果厚膜化，则会影响高速响应性，因此窗口层的膜厚存在上限。
[0030]
另外，也可以使用掺杂了掺杂浓度为1.0
×
10
18
cm-3
的rh(铑)或os(锇)的inp层来代替ru掺杂inp窗口层6。掺杂了rh的inp层与掺杂了ru的inp层同样地热稳定。报告了即使zn与掺杂的inp层接触，zn在掺杂了rh的inp中也几乎不扩散。由于掺杂了rh的inp中的载流子的陷阱能级比掺杂了ru的inp深，因此所形成的p型区域9及雪崩光电二极管的温度特性进一步稳定。在掺杂了os的inp层中也是同样的。
[0031]
实施方式2.
[0032]
图5是表示实施方式2的雪崩光电二极管的剖视图。膜厚为0.01～0.1μm、载流子浓度为1～5
×
10
15
cm-3
的n型ingaasp过渡层14被插入n型ingaas光吸收层5与ru掺杂inp窗口层6之间。其他结构与实施方式1相同。
[0033]
通过插入n型ingaasp过渡层14，能够缓和ingaas与inp的带不连续量。因此，能够改善光入射时产生的光载流子的高速响应性。
[0034]
若将n型ingaasp过渡层14的材料用in
1-x
ga
x
asyp
1-y
(0＜x＜1，0＜y＜1)表示，则通过控制x和y的组成而能够得到所希望的带隙的ingaasp层。例如在x＝0.28、y＝0.61时，n型ingaasp过渡层14带隙λ(eg)为1.2ev。
[0035]
ingaasp与inp同样地，与alinas相比热阻小。而且，从高速响应性的观点来看，n型ingaasp过渡层14被层积得较薄为0.1μm以下。因此，不会因n型ingaasp过渡层14的追加而
使散热性恶化。另外，由于ingaasp层与inp晶格匹配，因此能够比较容易地生长。除此之外，能够得到与实施方式1同样的效果。
[0036]
另外，n型ingaasp过渡层14并不局限于单层的ingaasp层，也可以由多层构成。不过，优选由in
1-x
ga
x
asyp
1-y
的带隙决定的波长从n型ingaas光吸收层5趋向ru掺杂inp窗口层6逐渐变短。在该情况下，若使带隙连续地变化，而不是呈阶梯状变化，则更加有效。另外，过渡层的材料并不局限于ingaasp，只要带隙在ingaas与inp的中间，例如即使是由al、ga、in、as、p、sb等的组成构成的其他材料也能够期待同样的效果。
[0037]
实施方式3.
[0038]
图6是表示实施方式3的雪崩光电二极管的剖视图。p型区域9是具有第一p型区域9a和比第一p型区域9a深的第二p型区域9b的阶梯状。其他结构与实施方式1相同。
[0039]
接下来，对第一p型区域9a及第二p型区域9b的制造方法进行说明。首先，在晶片表面通过溅射等形成siox膜，形成具有直径50μm的圆形的开口的第一掩膜。使锌从未被第一掩膜覆盖的圆形的开口扩散来形成第二p型区域9b。此时，控制为第二p型区域9b的zn扩散的深度在n型inp窗口层7中。
[0040]
接下来，从其上形成具有直径30μm的圆形的开口的第二掩膜。使锌从未被第二掩膜覆盖的圆形的开口扩散来形成第一p型区域9a。此时，控制为第一p型区域9a的zn扩散的深度在ru掺杂inp窗口层6中。
[0041]
如以上说明的那样，在本实施方式中，将p型区域9形成为阶梯状。在该情况下，pn结容量c用c＝εs1/d1+εs2/d2+εs1/d1表示。在此，将介电常数设为ε[f/m]，将第一p型区域9a的pn结面积设为s1[m2]，将第二p型区域9b的pn结面积设为s2[m2]，将从n型ingaas光吸收层5的下端到第一p型区域9a的距离(耗尽层距离)设为d1[m]，将从n型ingaas光吸收层5的下端到第二p型区域9b的距离(耗尽层距离)设为d2[m]。
[0042]
由于d1＞d2，因此能够缩小pn结面积。由此，能够减少接收雪崩光电二极管的光的区域的容量。因此，与实施方式1相比，光入射时产生的光载流子的高速响应性改善。另外，在为了缩小pn结面积而单纯地减小实施方式1的p型区域9的情况下，接收光的有效受光区域变窄，雪崩光电二极管的使用的便利性变差。相对于此，在本实施方式中，通过将p型区域9形成为阶梯状，能够不缩小有效受光区域地实现高速响应性。除此之外，能够得到与实施方式1同样的效果。
[0043]
图7是表示实施方式3的雪崩光电二极管的变形例的剖视图。交替层积有多个zn扩散慢的ru掺杂inp窗口层6和zn扩散快的n型inp窗口层7的对。由此也能够将p型区域9形成为2级以上。由热阻值低的inp构成窗口层，由于散热性几乎不取决于inp窗口层的膜厚，因此能够进行这样的控制。
[0044]
实施方式4.
[0045]
图8是表示实施方式4的雪崩光电二极管的剖视图。在本实施方式中，代替实施方式1的ru掺杂inp窗口层6，而在n型ingaas光吸收层5与n型inp窗口层7的边界在n型ingaas光吸收层5之上形成有表面载流子浓度为0.1～1.0
×
10
12
cm-2
的siδ掺杂层15。其他结构与实施方式1相同。
[0046]
siδ掺杂层15通过供给si原料而不供给in、ga等来在n型ingaas光吸收层5的晶体之上以埃为单位二维地层积si而形成。siδ掺杂层15的载流子浓度用表面载流子浓度(cm-2
)
表示。
[0047]
由于siδ掺杂层15中的si阻止来自p型区域9的zn的扩散，因此zn停留在siδ掺杂层15，而不会到达n型ingaas光吸收层5。由此，能够得到所希望的pn结的形状。
[0048]
另外，siδ掺杂层15是二维的层，膜厚实质上是埃数量级。因此，认为即使形成siδ掺杂层15也对散热性没有影响。
[0049]
另外，siδ掺杂层15能够使用具有通用性的si来比较简易地制造，而不使用钌那样的新材料。siδ掺杂是在hemt设备等中使用的技术，通过控制温度或材料供给量而能够比较容易地将表面载流子浓度控制在0.01～10.0
×
10
12
cm-2
的范围。
[0050]
图9是表示实施方式4的雪崩光电二极管的变形例的剖视图。交替层积有多个siδ掺杂层15和n型inp窗口层7的对。由此能够将p型区域9形成为2级以上。因此，能够缩小pn结面积，减少接收雪崩光电二极管的光的区域的容量。
[0051]
另外，在实施方式1～4中，对倍增层使用了alinas，但作为倍增层的材料也可以使用algainas。倍增层的材料只要是与inp晶格匹配且电子的离子化率比空穴的离子化率大的半导体即可，也可以使用alinas/algainas超晶格、ingaasp、alassb或algaassb。
[0052]
另外，在对倍增层使用alinas的情况下，为了抑制来自inp基板的杂质扩散或者提高结晶品质，也可以使生长容易的alinas层作为缓冲层生长。但由于al组成高的材料的膜厚加厚，因此散热性恶化。
[0053]
另外，在对倍增层使用inp的情况下，与使用alinas倍增层的情况相比，散热性优异，但噪声特性差。另外，该空穴倍增型雪崩光电二极管为了防止局部的电场集中而需要在设备内形成保护环构造。因此，制造方法特殊，制造伴有困难。
[0054]
另外，对使zn在p型区域9扩散的情况进行了说明，但只要是赋予p导电型的原子，则也可以使用例如cd或be等来代替zn。zn扩散的方法可以是使用zno的固相扩散法、或者使用晶体生长炉的zn气相扩散法。
[0055]
另外，对使要检测的光从p型电极11侧射入p型区域9的表面入射型构造进行了说明，但相反地，即使是使光从n型inp基板1侧射入的背面入射型构造、使光从n型ingaas光吸收层5的端面射入的端面入射型构造也能够期待同样的效果。
[0056]
附图标记说明
[0057]1…
n型inp基板(半导体基板)；2
…
n型inp缓冲层(缓冲层)；3
…
i型alinas雪崩倍增层(倍增层)；5
…
n型ingaas光吸收层(光吸收层)；6
…
ru掺杂inp窗口层(第一窗口层)；7
…
n型inp窗口层(第二窗口层)；8
…
p型ingaas接触层(接触层)；9
…
p型区域；9a
…
第一p型区域；9b
…
第二p型区域；14
…
n型ingaasp过渡层(过渡层)；15
…
siδ掺杂层。

技术特征：
1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，具备：半导体基板；依次层积在所述半导体基板之上的缓冲层、倍增层、光吸收层、窗口层以及接触层；以及在所述窗口层掺杂了杂质的p型区域，所述窗口层的带隙大于所述光吸收层，所述窗口层具有第一窗口层和第二窗口层，所述第二窗口层形成在所述第一窗口层之上，且所述杂质的扩散速度比所述第一窗口层快，所述第一窗口层是掺杂了ru、rh或os的inp层。2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于所述杂质为zn、cd或be。3.根据权利要求1或2所述的雪崩光电二极管，其特征在于，还具备插入到所述光吸收层与所述窗口层之间的过渡层，所述过渡层由带隙在所述光吸收层的材料与inp之间的材料构成。4.一种雪崩光电二极管，其特征在于，具备：半导体基板；依次层积在所述半导体基板之上的缓冲层、倍增层、光吸收层、窗口以及接触层；以及在所述窗口层掺杂了杂质的p型区域，所述窗口层的带隙大于所述光吸收层，在所述光吸收层与所述窗口层的边界形成有siδ掺杂层。5.根据权利要求1～4中的任一项所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述p型区域具有：第一p型区域、和深度比所述第一p型区域深的第二p型区域。

技术总结
本发明的雪崩光电二极管，在半导体基板(1)之上依次层积有缓冲层(2)、倍增层(3)、光吸收层(5)、窗口层(6、7)以及接触层(8)。在窗口层(6、7)掺杂杂质而形成有p型区域(9)。窗口层(6、7)的带隙大于光吸收层(5)。窗口层(6、7)具有第一窗口层(6)、和形成在第一窗口层(6)之上且杂质的扩散速度比第一窗口层(6)快的第二窗口层(7)。第一窗口层(6)是掺杂有Ru、Rh或Os的InP层。层。层。


技术研发人员：山口晴央
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：2021.01.21
技术公布日：2023/8/16