JPS6060779A - なだれ光検出器用に適した半導体デバイスとその製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は半導体デバイス、特に分離された吸収及び増倍
領域を有する長波長なだれフォトダイオード及びその製
作方法に係る。

発明の背景 長波長（１，０μｍ≦λ≦１．６５μｍ）高ヒツトレー
ト通信システム用のなだれ光検出器の開発は、過度の暗
電流の存在により、妨げられてきた。過度の暗電流、特
にそのトンネル成分は、検出器雑音の著しい源である。

暗電流のトンネル成分は、なだれ利得を起すのに必要な
高電界により、増大する。長波長なだれフォトダイオー
ド中の暗電流のトンネル成分の説明については、ニス・
アール・フオレスト（Ｓ、　Ｒ，Ｆｏｒｒｅｓｔ　）ら
、アプライド・フィジックス・レタース（Ａｐｐｌ、　
Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　）　’；３７（３）、３２２
−５頁（１９８０）　を参照のこと。

暗電流のトンネル成分を本質的に除去する努力において
、三元又は四元の■−ｖ族半導体化合物を用いた長波長
なたれ光検出器の構造は、増倍及び吸収用の領域を含む
よう修正されてきた。これらの分離された領域は、トン
ネル電流を減すため、高なだれ電界及び低界面電界に適
応している。ＩｎＰＯ増倍領域とＩｎＧａＡｓＰの分離
された吸収領域を用いたそのようななだれフォトグイオ
ートの一つは、ケイ・ニシン（Ｋ、　Ｎ１５ｈｉｄａ　
）らにより、アプライド・フィジックス・レタース（Ａ
ｐｐｌ、　Ｐｈｙａ。

Ｌｅｔｔ、　）　、３５　（３）、２５１３頁（１９７
９）に示されている。同様に、オー・ケイ・キム（ｏ。

Ｋ、　Ｋｉｍ　）らはＩｎＰの増倍領域と分離されたＴ
ｎＧａＡｓ　の吸収領域を含むなだれ光検出器構造につ
いて、アプライド・フィジックス・レターズ（轡コ、　
Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、）　、３９　（５）、　４０２
−４頁（１９８１）に示した。

分離された吸収及び増倍領域なだれ光検出器は、暗電流
特性を改善してきたが、これらの光検出器は期待より遅
い周波数応答を示す。

この応答は遅い遷移応答により制限されており、これは
増倍及び吸収領域間すなわちヘテロ接合界面における価
電子帯不連続に電荷が蓄積することによる。

ヘテロ接合界面における電荷蓄積を減すため、ニス・フ
オレスト＜　Ｓ、　Ｆｏｒｒｅｓｔ　）らは、アプライ
ド・フィシツク・レターズ（’Ａｐｐ’Ｐｈｙｓ、　Ｌ
ｅｔｔ、　）、４１　（］、）、　９５−８頁（１９８
２）において、６００ないし１０００オングストローム
の距離に渡り、ヘテロ接合界面の組成勾配を導入し、そ
れによって価電子帯不連続を減すことを提案している。

電荷蓄積を減すための上で述べた技術の詳細・汀、広禁
制帯増倍領域及び狭禁制帯領域間に、中間禁制帯傾斜層
を成長させることである。そのような構造は価電子帯不
連続をもつが、これらの不連続は比較的小さい。ワイ・
マツシマ（Ｙ、　Ｍａｔｓｕｓｈｉｍａ　）らは、アイ
・イーイーイー・エレクトロン・デバイス・レタース（
Ｉ　ＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ　）　。

第ＥＤＬ−２巻、第７号、１７９（８１頁（１９８１）
において、傾斜領域を形成するため、３つの四元層（Ｉ
ｎＧａＡｓＰ　）の使用を示している。各四元層は吸収
領域に隣接した層から、増倍領域に隣接した層まで、禁
制帯が増加する。吸収領域の隣接した四元層は、Ｑ、　
８ｅＶ　（２ｇ−１，５５μｍ）の禁制帯を有し、中央
の四元層は０．９５　ｅＶ　（λｇ＝ｌ。３μｍ）の禁
制帯をもち、増倍領域の隣接した四元層は、１．０８　
ｅＶ　（λｇ＝１．１５μｍ）の禁制帯を有する。マツ
シマ（Ｍａｔｓｕｓｈｉｍａ　）らは、エレクトロンク
・レタース（Ｅｌｅｃｔ、　Ｔ、ｅｔｔ、　）、第１８
巻、第２２号。

９４５−６頁（１９８２）　において、傾斜領域を形成
するために、適当な禁制帯の列を用いることについて示
している。後者の々だれ光検出器において、吸収領域に
隣接した四元層は、０．８ｅＶ（λｇ　−＝　１．５５
　μｍ　）　の禁制帯を有し、−力増倍領域に隣接した
四元層は、０９５ｅＶ（λｇ　＝　１．３μｍ）の禁制
帯を有する。

マツシマ（Ｍａｔｓｕｓｈｉｍａ　）らは傾斜層として
二つの四元層を含む光検出器の場合、ヘテロ接合界面に
おける電荷蓄積が減少するため、パルス応答が改善され
たと主張しているが、デバイスは高量子効率と高速応答
（）　２００ＭＨ７，）　の両方の動作はできないこと
が明らかである。なぜならば、デノ＼イスは吸収領域中
で、高い光吸収と急速なキャリヤ輸送を同時に達成す名
ことができないからである。

上で述べたことから、高速通信用のなだれ光検出器は、
低暗電流、高量子効率及び急速な応答時間をもつべきこ
とが明らかである。

これらの特性を実現するために、デバイスは高なだれ電
界、低界面電界及び空乏吸収領域を備えなければならな
い。

発明の概要 高速（たとえば〉ＩＧＨ２）、高量子効率（ｆ？：、と
えば〉６０パーセント）、低暗電流（たとえば、なだれ
利得１０において〈１００ｎＡ）及び高なだれ利得（た
とえば〉１０）Ｖｉ、順次第１の伝導形半導体材料の端
子領域、第２の伝導形半導体材料′の第１及び第２の層
から成る増倍領域、及び第２の伝導形半導体材料の吸収
領域を含む、長波長なたれ光検出器が同時に示す。吸収
領域の禁制帯は増倍領域の禁制帯より小さい。

一実施例において、光検出器はｐ形インシウムりん（Ｉ
ｎＰ　）の端子領域、ｎ形インシウムりん（ＴｎＰ　）
の第１及び第２の層から成る増倍領域、ｎ形インジウム
・ガリウムひ素りん（ＴｎＣ；ａＡｓＰ　）の傾斜層及
びｎ形インジウム・ガリウムひ素（ＩｎＧａＡｓ　）　
の吸収領域を順次含む。

加れて、本発明の別の特徴として、少くとも増倍領域の
場合、本質的にバックグランド（ドナ）キャリヤ密度を
減すため、ｎ形インンウムりん融液を焼きなまし、次に
、所望のキャリヤ密度を実現するために、スス（Ｓｎ）
のようなｎ形ドーパントの十分な量を加えることにより
、均一に作られ好ましく、狭い許容度を有する範囲内で
、再現性よく保つことができることを見出した。

更に、領域はＩＩＴ−Ｖ族又はｎ　−ＶＩ族のような他
の半導体から成ってもよいことを、理解すべきである。

加えて、各領域の伝導形は逆転、すなわちｎ形の代りに
ｐ形及びｐ形の代りにｎ形としてもよい。更に、もしエ
ネルギー帯不連続により、応答時間に著しい影響を与え
るような電荷蓄積効果が生じないならば、傾斜層は省い
てもよい。

実施例の説明 第１図は裏面照射分離吸収及び増倍領域なだれ光検出器
の断面図である。便宜上第１図の光検出器は、実際の比
率どおりには描かれていない。以下の説明では、傾斜層
という用語を用いる。Ｎ傾斜層　という用語は、中間の
禁制帯の−ないし複数の層を意味し、層又は複数の層は
、層の厚さに渡って一様な厚さをもつか、組成の変化す
る層のいずれかである。

説明のためであり、限定をするためではないが、以下の
記述は光検出器として、■−Ｖ族化合物半導体を用い不
ことを、基本としている。画業者には、本発明の原理は
ｍ−ｖ族又はＩＩ−Ｖｌ化合物のような他の半導体にも
、等しく適用できることが明らかであろう。

光検出器の各種の半導体層を成長させるために、液相エ
ピタキシーを用いることができる。成長は計算機制御、
垂直液相エピタキシー容器のようなよく制御された反応
容器中で行うのが好ましい。

第１図において、基板１０はなだれ光検出器の端子領域
である。基板層１０はマグネシウムのようなｐ形ドーパ
ントを、１ｍ３　当り約１０１５　原子の濃度にトープ
したｐ形ｒｎＰから成る。基板層１０は切断され、１０
０方向に配置される。

層１０の１００面上に、周知の液相技術により、ＴｎＰ
のｐ形エピタキシャル層のｌ＼ツファ層１１を、約１．
０ないし５．０ミクロンの厚さに成長させる。バッファ
層１１は亜鉛のようなｐ形ドーパントを、１ｃｒｎ３当
シ１０１ｏ原子以下の濃度にトープするのが好ましい。

たとえば、１１ｙｎ３当り７×１０１８の濃度で十分で
ある。

バッファ層１１の成長に続いて、増倍領域を第１の増倍
層１２及び第２の増倍層１３から成るように、成長させ
る。第１図中で破線により示されたように、層１２及び
１３は、分離された本質的に同様のｎ形■ｎＰエピタキ
シャル層で、スズのようなｎ形ドーパントがｌｌ７ｎ３
当り約１０１６原子の濃度に、均一にトープされている
。組成は本質的に同一である。

キャリヤ密度は本質的に同様である。すなわち、それら
は１桁も違わない。キャリヤ密度と異なり、層１２及び
１３の厚さを調整することが必要である。たとえば、１
ｃｍ３当り］、、５　Ｘ　１０”原子の濃度で十分であ
る。層１２及び１３を組合せた厚さは３．０ミクロン以
下で、１．５ミクロンに等しいことが望ましい。

層厚及びドーピング濃度は、高なだれ電界、低界面電界
及び空乏吸収領域を実現するよう選択される。層１２及
び１３を成長させるために、周知の液相エピタキシャル
技術を用いてもよいが、好ましい液相技術により、より
良い結果が得られる。第２図に示されるとうりであり、
以下で述べる。

次に、増倍領域上に、周知の液相技術により、傾斜層１
４を成長させる。傾斜層１４は１．０ミクロン以下、好
甘しくは０．３ミクロンに等しい厚さを有するＩｎ、ｘ
Ｇ＊ｘＡｓ１−、　Ｐｙのｎ形エピタキシャル層から成
る。傾斜層１４のドーピングは、ススのようなｎ形ドー
パントを、１ｃｒｎ３当り１．５　Ｘ　１０”　ないし
２．Ｏｘ　１（）＋６原子の１・す濃度にトープするこ
とにより、実現される。層１４の場合、四元化合物の元
素は、得られる禁制帯が、傾斜領域、階段領域又は、一
定領域で、増倍領域の禁制帯より狭く、吸収領域の禁制
帯より広いならば、比率を変えて用いることができる。

Ｘ及びＹの値は、■ｎＰ増倍層に格子整合し、中間禁制
帯を生じるように選択される。一実施例において、組成
比Ｘの値は約０．３で、一方組成比ｙの値は約０．３５
である。

液相技術好ましくは、以下で第２図に示す方法を用いた
技術により成長させるべき最後の層は、吸収層１５で、
それはなだれ光検出器の吸収領域から成る。吸収層１５
は５ミクロン以上の厚さを有するＩｎ１１Ｇａ２Ａｓの
ｎ形エビクキシャル層である。バックグランドキャリヤ
（トナ）濃度レベルは、１ｃｒｎ３　当シフ　Ｘ　１０
”原子以下が好ましい。層１５の組成比Ｚは、吸収すべ
きフォトンのエネルギーよシ小さい禁制帯を生じるよう
に選ばれる。層１５の組成比２の一例は０．４７である
。

キャパシタンス及び端部電界効果を減すために、得られ
るグイオートを、第１図に示されるような裏面照射メサ
構造に整形するのが望ましい。典型的な場合、メサ及び
照射井戸は、当業者には周知の標準的なフォトリンクラ
フイ及び化学エツチンク技術てより、規定される。メサ
構造を規定するためには、稀釈（１％）臭素−メタノー
ルのようなエッチャントが適当である。直径約８０ミク
ロンの円状領域が最上部及び底部表面として典型的であ
る。

低抵抗接続１６及び１７が合金電極により、それぞれ吸
収層１５及び基板層１０に作成される。具体的な一実施
例において、金−ススが層１５への電極１６用として、
壕だ金−インジウム−亜鉛が電極層１０への電極１７用
として用いられた。動作中、グイオートに逆バイアスを
発生させるため、電極１６及び１７間に適当な電界が印
加され、それにより所望のなだれ動作が得られる。

なだれ光検出器用の層の厚さ及びキャリヤ密度の最適化
において、各種層の相互依存性を実現することが重要で
ある。第１になだれ利得は増倍領域（層１２及び１３）
中での十分な高電界により達成される。しかし、暗電流
からの著しいトンネル効果を防止するため、吸収領域（
層１５）中の電界は、十分低くすべきである。第２に、
ドリフト制限応答をし、高い量子効率が得られるように
、吸収領域（層１５）の空乏部分は十分広くする必要が
ある。従って、増倍領域から傾斜層を経て、吸収領域ま
で、各層の厚さ及びキャリヤ密度の許容度は狭い。た＋
えば、オー・ケー・キム（０，Ｋ、　Ｋｉｍ　）　ら、
アプライド・フィジックス・レターズ（支旦、独、に聾
）、３９（５）　、４．９２−４頁（１９８］、）　を
参照のこと。これらの許容度に合わせ、かつ本発明に従
い、増倍領域は二つの本質的に同様にトープされた層か
ら成り、それらは領域の厚さをより制御できるように組
成的に同一である。そして、少くとも増倍領域のハック
クランドキャリヤ密度を、所望のトーピングレベルの５
０パーセント以下に減すため、成長プロセス中注意が払
われる。−例において、ハックグランドキャリヤ密度は
少くとも１　ｃｒｎ３当り１０１５原子程度−まで減少
する。このプロセスの結果、所望のレベルまで戻した増
倍領域のドーピングにより、ハックグランド不純物濃度
の不規則なふらつきによるドーピング変化が除去され、
再現性よくドーピング（キャリヤ密度）レベルが得られ
る。

第２図は所望の均一なキャリヤ密度を得るだめの、標準
的な液相エピタキシャル成長プロセスに含まれる方法の
工程を示す。この方法によりハックグランド不純物濃度
の不規則なふらつきにより生じるドーピングの変化が除
かれ、再現性よく所望の濃度のレベルが得られる。この
方法は二つの鍵となる局面を含む。すなわち、残留不純
物を除き、バックグランドキャリヤ密度を減すためのＮ
ベークアウト〃段階及び所望のレベル丑でキャリヤ密度
を戻すもハックドーピング〃段階である。

ヘークアウト段階については、インターナショナル・シ
ンポジウム・ＧａＡｓ及び関連化合物、日本（１９８１
）で発表されたインスチテユート・フィジックス・コン
ファレンス・シリース（Ｉｎ５ｔ、　ｌ”Ｊｈｙｓ、　
Ｃｏｎｆ、　Ｓｅｒ、　）第６３号。

１０章、４．６７−４７１頁（１９８２）　のエイ・シ
ー・デンタイ（Ａ、　Ｇ、　Ｄｅｎｔａｉ　）　らによ
る　ＩｎＧａＡｓ　に関して述べられている。説明を容
易にするためであり、限定するためではないが、第２図
１で示された段階により、−例としてｎ形１ｎＰについ
てのプロセスが行える。

第１に、液相エピタキシャル成長反応容器中で用いられ
るクラファイトホードのヘーキングは、約１６００℃の
高温で、真空中において７２時間といった本質的に長時
間室われる。

次に、インジウムがヘークされたクラファイトホード中
に置かれ、インジウム溶媒が約６７５℃で約１６時間ヘ
ークされる。次に、成長溶液＜　ｍ　−ｖ化合物及びス
スのようなトナ物質）が、タラファイトホード中で、約
６７５℃においてほぼ同じ時間ヘークされる。００２な
いし０．Ｏ３ｐｐｍ程度の非常に低濃度のシリコンを含
む材料（インジウム）を、出発材料に使うこともｒｔし
い。最後に、純化された物質及び装置が、ｎ形ＩｎＰ層
の液相エピタキシャル成長に用いられ、１１１−Ｖ族化
合物に不純物として添加されだススが、層のトナ濃度を
所望のレベルにする。

ここで述べた方法は、それぞれ層１５及び１４のような
三元及び四元の層の成長にも、等しく適用できる。

第３図は、容量−電圧測定により得られるキャリヤ密度
分布の例を示す。

本発明に従って製作された長波長光検出器の解析から、
これらの光検出器の特性（ｒ：ｉ以下のとうりである。

なだれ利得１０において、光検出器は１０パーセントか
ら９０パーセントオで１．００ｐｓ　の立上り時間を示
し、３００ｐｓの立下り時間を示した。周波数応答測定
により、３ｄＢ帯域はなだれ利得１０でＩＧＨｚ。

なだれ利得５で２　ＧＨｚであるこ６が示された。

このことは、利得帯域は約１０　ＧＨｚであることを示
している。なだれ降伏電圧の５０パーセント及び９０パ
ーセントにおいて、暗電流はそれぞれ約１１　ｎＡ及び
３５　ｎＡである。

なだれ利得３７の場合、増幅された暗電流は多くとも］
、’５０ｎＡと低い。反射防止被膜のない光検出器の測
定された量子効率は、１．３μｍ及び１．５μｍにおい
て６８パーセントである。

これらの光検出器の理論的な最大量子効率は、７０パー
セントである。分子線エピタキシー又＋ｒ：ｉハライド
輸送法のような化学気相堆積のような化学気相堆積及び
有機金属化学気相堆積及び同様の方法を含む他の技術及
び形状も、製作に使用できることが当業者には明らかで
あろう。同様に、各層の伝導形を逆転すること、すなわ
ち、ｐ形をｎ形に、ｎ形をｐ形にすることも容易である
。上で述べた設計思想は同様に適用できる。加えて、メ
サ形状について具体的に述べたが、プレーナ形状もある
種の例では好ましい。更に、他の基板方向も考えられる
。

他の周知のｐ形又はｎ形ドーパントを用いてもよいこと
を、理解すべきである。加えて、１１１−　ＶＩ族化合
物半導体を使用してもよい。更に、吸収及び増倍領域が
二つの領域間の禁制帯の差のほとんどが、伝導帯の準位
の差から生じ、価電子帯が同じレベルにあるような半導
体材料から成るならば、傾斜領域は省いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従い製作された長波長なだれ光検出器
の実施例を示す図、 第２図は所望の均一なキャリヤ密度を達成するだめの方
法における工程のフローチャートを示す図、 第３図な第１図の光検出器用のｎ影領域のキャリヤ密度
分布を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 端子領域・・・１０　、増倍領域・・１２．１３吸収領
域・・・１５．第１の増倍層・・・１２第２の増倍層・
１３．傾斜領域・・１４出　願　人　：　アメリカン　
テレフォン　アンドテレグラフ　カムパニー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、順次、第１の伝導形の端子領域、第２の伝導形の増
   倍領域及び第２の伝導形の吸収領域を含み、各領域は半
   導体材料から成るなだれ光検出器用に適した半導体デバ
   イスにおいて、 該増倍領域は第１の増倍層及び第２の増倍層から成り、
   両方の増倍層は半導体組成に関しては本質的に同一で、
   キャリヤ密度に関しては実質的に同様であることを特徴
   とするなだれ光検出器用に適した半導体デバイス。 ２、特許請求の範囲第１項記載の半導体デバイスにおい
   て、 該増倍領域及び該吸収領域間の第２の伝導形の傾斜領域
   を含むことを特徴とするなだれ光検出器用に適した半導
   体デバイス。 ３、特許請求の範囲第２項記載の半導体デバイスにおい
   て、 各領域はＨｌｌ−Ｖ族及び■−■族化合物及びＩＶ族元
   素から選択された半導体材料から成ることを特徴とする
   なだれ光検出器用に適した半導体デバイス。 ４、特許請求の範囲第２項記載の半導体デバイスにおい
   て、 該端子領域及び両方の増倍領域は、イシジウムシんから
   成り、該傾斜領域はインジウム・ガリウムひ素りんから
   成り、該吸収領域はインジウム・カリウムひ素から成る
   ことを特徴とするなだれ光検出器用に適した半導体デバ
   イス。 ５、　特許請求の範囲第１．２．３．４項のいずれか１
   項記載の半導体デバイスにおいて、 該第１の伝導形はｐ形、該第２の伝導形はｎ形で、該端
   子領域は基板層及びバツブア層の両方から成ることを％
   徴とするなだれ光検出器用に適した半導体デバイス。 ６　特許請求の範囲第１又は第２項記載の半導体デバイ
   スにおいて、 各領域は■−■族及び■−■族化合物及び■族元素から
   選択された半導体から成り、該増倍領域Ｉ−ｔ、あらか
   じめ決められた所望のドーピング濃度の５０パーセント
   以下のバックグランドキャリヤ密度を有することを特徴
   とするなだれ光検出器用に適した半導体デバイス。 ７　特許請求の範囲第１ないし６項のいずれか１項記載
   の半導体デバイスにおいて、該増倍領域は第１の増倍層
   及び第２の増倍層から成シ、両方の増倍層は半導体組成
   が本質的に同一で、キャリヤ密度に関しては、実質的に
   同様であることを特徴とするなだれ光検出器用に適した
   半導体デバイス。 ８　特許請求の範囲第７項記載の半導体デバイスにおい
   て、 該端子領域及び両方の増倍層はインジウムリンから成り
   、該吸収領域はインジウム・ガリウムひ素から、また該
   吸収領域及び該増倍領域間の傾斜領域は、インジウム・
   ガリウムひ素りんから成ることを特徴とするなだれ光検
   出器用に適した半導体デバイス。 ９、特許請求の範囲第８項記載の半導体デバイスにおい
   て、 該第１の伝導形はｐ形、該第２の伝導形はｎ形で、該端
   子領域は基板層及びバッファ層から成ることを特徴とす
   るなだれ光検出器用に適した半導体デバイス。 １０　独立の増倍領域及び吸収領域を成長させる工程を
   含む、光検出器の製作方法において、 該増倍領域の成長工程は少くとも第１及び第２の増倍層
   の成長工程を含み、層は組成的に同一で、キャリヤ密度
   に関しては実質的に同様であるこ′とを特徴とする光検
   出器の製作方法。 １１、独立の増倍及び吸収領域の成長工程を含む、光検
   出器の製作方法において、 該増倍領域の成長工程は、該増倍領域のハックグランド
   キャリヤ密度を、所望のドーピング密度の少くとも５０
   パーセント以下に減す工程を含むことを特徴とする光検
   出器の製作方法。 １２、特許請求の範囲第１１項記載の方法において、 該減す工程は、該バックグランドキャリヤ密度を減すた
   めに、成長材料及び成長装置をベークアウトする工程と
   、所望のドーピング密度を得るため、増倍領域のドーピ
   ングを戻す工程を含むことを特徴とする光検出器の製作
   方法。