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JPH04256376A - Avalanche photodiode and its manufacture - Google Patents

Avalanche photodiode and its manufacture

Info

Publication number
JPH04256376A
JPH04256376A JP3017615A JP1761591A JPH04256376A JP H04256376 A JPH04256376 A JP H04256376A JP 3017615 A JP3017615 A JP 3017615A JP 1761591 A JP1761591 A JP 1761591A JP H04256376 A JPH04256376 A JP H04256376A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
type
layer
resistance
avalanche
impurity concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3017615A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaaki Sawara
正哲 佐原
Hiroyasu Nakamura
浩康 中村
Mikio Kyomasu
幹雄 京増
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to JP3017615A priority Critical patent/JPH04256376A/en
Publication of JPH04256376A publication Critical patent/JPH04256376A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a reach-through type avalanche photo diode which operates stably at a low voltage. CONSTITUTION:In an avalanche photo diode having a low resistance P-type semiconductor substrate 11, a high resistance P-type photo absorbing layer 14 formed thereon, a P-type avalanche doubled layer 15 formed thereon and a low resistance N-type anode layer 20 formed thereon, a P-type cap layer 13 is provided between the low resistance P-type semiconductor substrate 11 and the high resistance P-type photo absorbing layer 14, which has an intermediate impurity concentration thereof. It is possible to restrain resistivity of the P-type photo absorbing layer 14 very small and to realize reduction of a reach- through voltage. Furthermore, it is possible to improve impurity concentration of the P-type avalanche doubled layer 15, to realize low voltage of avalanche yield and to restrain variation of maximum electric field EMAX due to dispersion of impurity concentration of the low resistance N-type cathode layer 20.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、光吸収層とアバランシ
ェ降伏を利用した増倍層とを有するリーチスルー型のア
バランシェホトダイオードに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reach-through type avalanche photodiode having a light absorption layer and a multiplication layer utilizing avalanche breakdown.

【0002】0002

【従来の技術】図7は、従来からある一般的なリーチス
ルー型アバランシェホトダイオードの構造を示す断面図
である。このアバランシェホトダイオードは、p+ 型
半導体基板1にp− 型エピタキシャル層2を成長し、
その上にアバランシェ電界用のp層3とアノードとなる
N+ 層6が2重拡散によって形成されたn+ pp−
 p+ 構造を持っている。つまり、アバランシェ降伏
を利用した増倍用p領域3と光吸収用のp− 領域2が
互いに分離されており、100V前後の動作電圧で空乏
層がリーチスルーして高速高感度の光検出器となる。な
お、符号4及び5はそれぞれガードリング及びチャネル
ストッパを示している。また、図8はこのアバランシェ
ホトダイオードのn+ pp− p+ 構造と対応する
電界分布及び不純物濃度分布を示すものであり、同図(
A)は電界分布、同図(B)はn+ pp− p+ 構
造、同図(C)は不純物濃度分布をそれぞれ示している
2. Description of the Related Art FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a conventional reach-through type avalanche photodiode. This avalanche photodiode has a p- type epitaxial layer 2 grown on a p+ type semiconductor substrate 1,
On top of that, a p layer 3 for an avalanche electric field and an N+ layer 6 to serve as an anode are formed by double diffusion.
It has a p+ structure. In other words, the p-region 3 for multiplication using avalanche breakdown and the p- region 2 for light absorption are separated from each other, and the depletion layer reaches through at an operating voltage of around 100V, forming a high-speed and highly sensitive photodetector. Become. Note that numerals 4 and 5 indicate a guard ring and a channel stopper, respectively. Moreover, FIG. 8 shows the electric field distribution and impurity concentration distribution corresponding to the n+ pp- p+ structure of this avalanche photodiode.
A) shows the electric field distribution, (B) shows the n+ pp-p+ structure, and (C) shows the impurity concentration distribution.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】この従来型のアバラン
シェホトダイオードにおいては、p− 型エピタキシャ
ル層2の比抵抗を十分に高くすることができない。これ
は、低抵抗p+ 半導体基板からの不純物の外方拡散に
起因する。具体的には、200Ωcm程度が限界で通常
は100Ωcm前後の値が採用される。そのため、空乏
層をp+ 半導体基板1までリーチスルーさせるために
は、上述したように100V前後の印加電圧を必要とす
る。100Vの電圧供給は、電源の安定化の困難性、処
理回路等の関連システムやアバランシェホトダイオード
自身の破壊の危険性等がある。
In this conventional avalanche photodiode, the specific resistance of the p-type epitaxial layer 2 cannot be made sufficiently high. This is due to out-diffusion of impurities from the low resistance p+ semiconductor substrate. Specifically, the limit is about 200 Ωcm, and a value of around 100 Ωcm is usually adopted. Therefore, in order to reach through the depletion layer to the p+ semiconductor substrate 1, an applied voltage of about 100V is required as described above. When supplying a voltage of 100 V, it is difficult to stabilize the power supply, and there is a risk of destruction of related systems such as processing circuits and the avalanche photodiode itself.

【0004】0004

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するためになされたものであり、低抵抗のp型半
導体基板と、その上に形成された高抵抗のp型光吸収層
と、その上に形成されたp型アバランシェ増倍層と、さ
らにその上に形成された低抵抗のn型アノード層とを有
するアバランシェホトダイオードにおいて、低抵抗のp
型半導体基板と高抵抗p型光吸収層との間にその中間不
純物濃度を持つp型キャップ層を設けたものである。さ
らに、p型アバランシェ増倍層と低抵抗n型カソード層
との間にp型アバランシェ増倍層よりも不純物濃度の低
いp型半導体層と低抵抗n型カソード層よりも不純物濃
度の低いn型半導体層を設けることが望ましい。
[Means for Solving the Problems] The present invention has been made to solve the above problems, and includes a low-resistance p-type semiconductor substrate and a high-resistance p-type light absorption layer formed thereon. , a p-type avalanche multiplication layer formed thereon, and a low-resistance n-type anode layer further formed thereon, the low-resistance p
A p-type cap layer having an intermediate impurity concentration is provided between a type semiconductor substrate and a high-resistance p-type light absorption layer. Furthermore, between the p-type avalanche multiplication layer and the low-resistance n-type cathode layer, a p-type semiconductor layer with a lower impurity concentration than the p-type avalanche multiplication layer and an n-type semiconductor layer with a lower impurity concentration than the low-resistance n-type cathode layer are provided. It is desirable to provide a semiconductor layer.

【0005】[0005]

【作用】p型半導体基板とp型光吸収層との間にp型キ
ャップ層が存在するので、p型半導体基板からp型光吸
収層への不純物拡散を防止できる。そのため、p型光吸
収層の不純物濃度を非常に小さく抑えることができ、リ
ーチスルー電圧の低減化を図ることができる。また、p
型アバランシェ増倍層と低抵抗n型カソード層との間に
p型アバランシェ増倍層よりも不純物濃度の低いp型半
導体層を介在させることによりトンネル効果を抑えるこ
とができるため、p型アバランシェ増倍層の不純物濃度
を高めてアバランシェ降伏の低電圧化を図ることができ
る。さらに、低抵抗n型カソード層よりも不純物濃度の
低いn型半導体層が存在することで、低抵抗n型アノー
ド層の不純物濃度のバラツキによる最大電界EMAX 
の変動を抑制することができる。
[Operation] Since the p-type cap layer exists between the p-type semiconductor substrate and the p-type light absorption layer, impurity diffusion from the p-type semiconductor substrate to the p-type light absorption layer can be prevented. Therefore, the impurity concentration of the p-type light absorption layer can be kept very low, and the reach-through voltage can be reduced. Also, p
By interposing a p-type semiconductor layer with a lower impurity concentration than the p-type avalanche multiplier layer between the avalanche multiplier layer and the low-resistance n-type cathode layer, the tunnel effect can be suppressed. By increasing the impurity concentration of the double layer, it is possible to lower the avalanche breakdown voltage. Furthermore, due to the presence of the n-type semiconductor layer with a lower impurity concentration than the low-resistance n-type cathode layer, the maximum electric field EMAX due to the variation in the impurity concentration of the low-resistance n-type anode layer is
fluctuations can be suppressed.

【0006】[0006]

【実施例】図1は本発明の一実施例を示す断面図であり
、図2及び図3はその製造工程を示す図である。はじめ
に、製造工程を説明する。まず、不純物濃度が1018
cm−3以上のp+ 型のSi半導体基板11の裏面全
体にポリシリコン12(またはSiO2 )を形成する
(図2(A)参照)。これは、後の工程におけるボロン
不純物の汚染を防止するためである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are diagrams showing the manufacturing process thereof. First, the manufacturing process will be explained. First, the impurity concentration is 1018
Polysilicon 12 (or SiO2) is formed on the entire back surface of a p+ type Si semiconductor substrate 11 of cm-3 or more (see FIG. 2(A)). This is to prevent contamination with boron impurities in subsequent steps.

【0007】つぎに、100Ωcm前後の準高抵抗p−
 層13を1〜4μm程度の厚さにエピタキシャル成長
法により形成する(図2(B)参照)。この層13がつ
ぎの高抵抗p−−層14のためのオートドープ防止用の
キャップ層となる。
Next, a semi-high resistance p-
The layer 13 is formed to a thickness of about 1 to 4 μm by epitaxial growth (see FIG. 2B). This layer 13 becomes a cap layer for the next high-resistance p--layer 14 to prevent autodoping.

【0008】つぎに、1000Ωcm前後の非常に高い
比抵抗を持つ不純物濃度が1.2×1013cm−3の
p−−光吸収層14を10〜50μmの厚さにエピタキ
シャル成長法により形成する(図2(C)参照)。この
p−−光吸収層14をエピタキシャル成長させる際に、
p+ 半導体基板11内の高濃度不純物(ボロン)は、
p−キャップ層13によって外方拡散が抑えられる。す
なわち、p−−光吸収層14中へのボロンのオードドー
ピングが起こらない。そのため、p+ 半導体基板11
上に光吸収層を直接エピタキシャル成長させている従来
のプロセスでは得られない1KΩcm以上の高抵抗光吸
収層14を形成することができる。なお、この層の厚さ
は用途に応じて適宜選択することになるが、たとえば、
光分光特性で800nm程度の赤外光を受光する光検出
器とする場合には、30μm程度とする。
[0008] Next, a p-- light absorbing layer 14 having an impurity concentration of 1.2 x 1013 cm-3 and having a very high resistivity of around 1000 Ωcm is formed to a thickness of 10 to 50 μm by epitaxial growth (Fig. 2 (See (C)). When epitaxially growing this p--light absorption layer 14,
The high concentration impurity (boron) in the p+ semiconductor substrate 11 is
Outdiffusion is suppressed by the p-cap layer 13. That is, no boron doping into the p-- light absorption layer 14 occurs. Therefore, p+ semiconductor substrate 11
It is possible to form a high-resistance light-absorbing layer 14 with a resistance of 1 KΩcm or more, which cannot be obtained by a conventional process in which a light-absorbing layer is directly epitaxially grown thereon. Note that the thickness of this layer will be selected appropriately depending on the application, but for example,
In the case of a photodetector that receives infrared light with optical spectral characteristics of about 800 nm, the thickness is about 30 μm.

【0009】つぎに、光吸収層14の表面にSiO2 
膜16を形成し、これをパターンニングしたマスクを用
いてボロンのイオン注入を行い、p型アバランシェ増倍
層15を形成する(図2(D)参照)。
Next, SiO2 is applied to the surface of the light absorption layer 14.
A film 16 is formed, and boron ions are implanted using a patterned mask to form a p-type avalanche multiplication layer 15 (see FIG. 2(D)).

【0010】ついで、表面のSiO2 膜16を除去し
て比較的高抵抗のp− 層17をエピタキシャル成長法
により形成する。このとき、p型アバランシェ増倍層1
5の拡がりを防止するために低温エピタキシャル成長法
を用いる。このp− 層17の厚みはAPDの動作電圧
により適宜設定し、低電圧化の場合は1μm以下の薄い
層となる。引き続き、低温エピタキシャル成長法を用い
て、厚さ1μm以下の薄いn型層18を形成する(図3
(A)参照)。
[0010] Next, the SiO2 film 16 on the surface is removed and a relatively high resistance p- layer 17 is formed by epitaxial growth. At this time, p-type avalanche multiplication layer 1
In order to prevent the spread of 5, a low temperature epitaxial growth method is used. The thickness of this p- layer 17 is appropriately set depending on the operating voltage of the APD, and in the case of lower voltage, it becomes a thin layer of 1 μm or less. Subsequently, a thin n-type layer 18 with a thickness of 1 μm or less is formed using a low-temperature epitaxial growth method (Fig. 3
(See (A)).

【0011】その後、このアバランシェホトダイオード
のアノードn領域を分離するために、チャネルストッパ
ー用p型層19をボロンのイオン注入により周辺に形成
する。さらに、n型層18の表面にn+ アノード層2
0をAs拡散で浅く形成する(図3(B)参照)。
Thereafter, in order to isolate the anode n region of this avalanche photodiode, a channel stopper p-type layer 19 is formed around it by boron ion implantation. Further, an n+ anode layer 2 is provided on the surface of the n-type layer 18.
0 is formed shallowly by As diffusion (see FIG. 3(B)).

【0012】最後に、表面のSiO2 膜21にコンタ
クトホールを形成してAlのアノード電極22を形成し
、基板11の裏面にカソード電極23を形成してアバラ
ンシェホトダイオード23を完成する(図1参照)。符
号24は光遮蔽膜としてのAl膜である。
Finally, a contact hole is formed in the SiO2 film 21 on the front surface to form an anode electrode 22 of Al, and a cathode electrode 23 is formed on the back surface of the substrate 11 to complete the avalanche photodiode 23 (see FIG. 1). . Reference numeral 24 is an Al film as a light shielding film.

【0013】なお、この製造方法ではp型アバランシェ
増倍層15をイオン注入技術により形成しているが、エ
ピタキシャル成長法を用いて形成することもできる。す
なわち、図2(C)の状態から、p型アバランシェ増倍
層に適した不純物濃度と厚みのエピタキシャル層を光吸
収層14上に形成した後、受光面領域以外を除去して上
述したイオン注入によるp型アバランシェ増倍層15と
同等の層を形成することができる。エピタキシャル層を
部分的に除去する方法としては、シリコンエッチングで
削りとる方法や、選択酸化によって表面からボロンを吸
い出して不純物濃度を下げてしまう方法等がある。その
後は、図3(A)及び(B)で説明した方法と同じ方法
を用いることによって、同様のアバランシェホトダイオ
ードを完成させることができる。
In this manufacturing method, the p-type avalanche multiplication layer 15 is formed by ion implantation, but it can also be formed by epitaxial growth. That is, from the state shown in FIG. 2C, an epitaxial layer with an impurity concentration and thickness suitable for a p-type avalanche multiplication layer is formed on the light absorption layer 14, and then the area other than the light-receiving surface area is removed and the above-mentioned ion implantation is performed. A layer equivalent to the p-type avalanche multiplication layer 15 can be formed. Methods for partially removing the epitaxial layer include a method of scraping it off by silicon etching, and a method of sucking out boron from the surface by selective oxidation to lower the impurity concentration. Thereafter, a similar avalanche photodiode can be completed by using the same method as described in FIGS. 3(A) and 3(B).

【0014】このようにして得られた本実施例のアバラ
ンシェホトダイオードは、n+ np− pp−−p−
 p+ 構造を有することになる。図2はこのアバラン
シェホトダイオードのn+ np− pp−−p− p
+ 構造と対応する電界分布及び不純物濃度分布を示す
ものであり、同図(A)は電界分布、同図(B)はn+
 np− pp−−p− p+ 構造、同図(C)は不
純物濃度分布をそれぞれ示している。
The avalanche photodiode of this example thus obtained has n+ np- pp--p-
It will have a p+ structure. Figure 2 shows the n+ np- pp--p- p of this avalanche photodiode.
It shows the electric field distribution and impurity concentration distribution corresponding to the + structure, where (A) shows the electric field distribution and (B) shows the n+ structure.
In the np-pp--p-p+ structure, Figure (C) shows the impurity concentration distribution, respectively.

【0015】つぎに、このように構成されたアバランシ
ェホトダイオードの動作を説明する。可視から赤外(1
100nm以下)の光がこのアバランシェホトダイオー
ドに入射されると、p−−光吸収層14で光の吸収が起
こり、電子・正孔対が発生する。この電子及び正孔は、
外部から与えられた電界によって空乏層を移動し、電子
は強電界のp型アバランシェ増倍層15に注入され、こ
こで増倍作用が生じる。これがリーチスルー型アバラン
シェホトダイオードの動作原理である。この動作原理か
らわかるように、リーチスルー型アバランシェホトダイ
オードはp−−光吸収層14を完全に空乏化することを
基本とするものであり、これにより、キャリアのドリフ
ト走行応答で決まる高速化設計を可能にする。p−−光
吸収層14を空乏化しない場合、または空乏化が不完全
である場合には、キャリアは拡散で移動することになり
、遅延成分となる。
Next, the operation of the avalanche photodiode constructed as described above will be explained. Visible to infrared (1
When light (100 nm or less) is incident on this avalanche photodiode, the light is absorbed in the p--light absorption layer 14, and electron-hole pairs are generated. These electrons and holes are
Electrons are moved through the depletion layer by an externally applied electric field and are injected into the p-type avalanche multiplication layer 15 with a strong electric field, where a multiplication effect occurs. This is the operating principle of a reach-through type avalanche photodiode. As can be seen from this operating principle, the reach-through type avalanche photodiode is based on completely depleting the p- light absorption layer 14, which allows for a high-speed design determined by the carrier drift response. enable. If the p-- light absorption layer 14 is not depleted, or if the depletion is incomplete, carriers will move by diffusion and become a delay component.

【0016】n+ p接合からの空乏層の延びは、印加
電圧とp−−光吸収層14の比抵抗に依存する。すなわ
ち、空乏層幅Wは W=α(V/NA )1/2            
   …(1)で与えられる。ここに、Vは印加電圧、
NA はp−−層の不純物濃度、αは比例定数である。 つまり、不純物濃度NA [cm−3]を下げると、1
/2乗で空乏層幅が拡がることになる。この実施例では
、p− キャップ層13を用いて、極めて高抵抗のp−
−光吸収層14の形成を実現しており、そのために、小
さな印加電圧で空乏層が拡がる。比抵抗が1KΩcm以
上のp−−光吸収層14を実現した場合、空乏層は5V
で25μm以上、8Vで30μm以上の幅となる。リー
チスルー電圧が8V足らずであれば、動作電圧を20〜
30V程度で設定することができる。
The extension of the depletion layer from the n+p junction depends on the applied voltage and the resistivity of the p-- light absorption layer 14. That is, the depletion layer width W is W=α(V/NA)1/2
...It is given by (1). Here, V is the applied voltage,
NA is the impurity concentration of the p-layer, and α is a proportionality constant. In other words, if the impurity concentration NA [cm-3] is lowered, 1
The depletion layer width increases by /2. In this embodiment, a p-cap layer 13 is used to provide an extremely high resistance p-cap layer 13.
- Formation of the light absorption layer 14 is realized, so that the depletion layer expands with a small applied voltage. When realizing the p- light absorption layer 14 with a specific resistance of 1KΩcm or more, the depletion layer has a voltage of 5V.
The width is 25 μm or more at 8V, and 30 μm or more at 8V. If the reach-through voltage is less than 8V, increase the operating voltage to 20~
It can be set at about 30V.

【0017】一方、このようなリーチスルー電圧の低電
圧化にともなって、アバランシェ増幅を起こす強電界域
の低電圧化が必要となる。そのためには、強電界発生部
であるp型アバランシェ増倍層15の不純物濃度を上げ
なければならない。しかし、不純物濃度の高いpn接合
の場合、トンネル効果が起ってしまう。このトンネル効
果を防止するために、本実施例では高抵抗のp− 層1
7が設けて、pn接合部の最大電界EMAX を抑えつ
つ強電界部の幅を広げている。これにより、強電界域の
低電圧化に必要なp型アバランシェ増倍層15での高い
不純物濃度を十分に確保しつつ、トンネル効果及び過剰
雑音を抑えることができる。
On the other hand, as the reach-through voltage is lowered, it is necessary to lower the voltage in the strong electric field region where avalanche amplification occurs. To achieve this, it is necessary to increase the impurity concentration of the p-type avalanche multiplication layer 15, which is a strong electric field generating section. However, in the case of a pn junction with a high impurity concentration, a tunnel effect occurs. In order to prevent this tunnel effect, in this embodiment, a high resistance p- layer 1 is used.
7 is provided to widen the width of the strong electric field portion while suppressing the maximum electric field EMAX of the pn junction. This makes it possible to sufficiently secure a high impurity concentration in the p-type avalanche multiplication layer 15 necessary for lowering the voltage in the strong electric field region, while suppressing the tunnel effect and excessive noise.

【0018】さらに、空乏層がp+ 半導体基板11に
リーチスルーすると同時に、p−−光吸収層14で発生
した電子によりp型アバランシェ増倍層15で増倍動作
が生じるようにするためには、一定の印加電圧に対して
最大電界EMAX が安定的に所望の値になるようにす
ることが必要となる。そのために、本実施例ではn+ 
p接合の間に比抵抗が0.1〜1Ωcmのn型エピタキ
シャル層18が設けられている。このn型エピタキシャ
ル層18によって、n+ アノード層20の不純物濃度
のバラツキによる最大電界EMAX の変動を抑制して
いる。
Furthermore, in order to cause a multiplication operation to occur in the p-type avalanche multiplication layer 15 by electrons generated in the p-- light absorption layer 14 at the same time that the depletion layer reaches through to the p+ semiconductor substrate 11, It is necessary to ensure that the maximum electric field EMAX stably reaches a desired value for a constant applied voltage. Therefore, in this embodiment, n+
An n-type epitaxial layer 18 having a specific resistance of 0.1 to 1 Ωcm is provided between the p junctions. This n-type epitaxial layer 18 suppresses fluctuations in the maximum electric field EMAX due to variations in the impurity concentration of the n+ anode layer 20.

【0019】図5(A)は最大電界EMAX とn+ 
アノード層20の不純物濃度のバラツキとの関係を示す
ものである。同図において、n+ アノード層20が符
号41〜43で示すようにばらついたとすると、一定の
印加電圧の下で、特性はそれぞれ実線A1〜A3のよう
に変化する。一方、図5(B)はn型エピタキシャル層
18に相当する層を持っていない図7に示す従来素子に
おける最大電界EMAX とn+ アノード層6の不純
物濃度のバラツキとの関係を示しており、特性B1〜B
3がそれぞれ不純物バラツキによるn+ アノード層6
の3つの状態51〜53に対応している。これらの2つ
の図を比較すると明らかなように、本実施例ではn型エ
ピタキシャル層18が存在するために、最大電界EMA
X の変動ΔEMAX が著しく小さくなる。つまり、
p型アバランシェ増倍層15における空乏層電界強度分
布が一定の傾きになり、しかも、n+ とpが接してい
ないためにEMAX がn+ のバラツキに影響されず
ほぼ一定となる。そのため、動作電圧の制御性が非常に
高くなる。
FIG. 5(A) shows the maximum electric field EMAX and n+
It shows the relationship with variations in the impurity concentration of the anode layer 20. In the figure, if the n+ anode layer 20 varies as shown by symbols 41 to 43, the characteristics change as shown by solid lines A1 to A3 under a constant applied voltage. On the other hand, FIG. 5B shows the relationship between the maximum electric field EMAX and the variation in the impurity concentration of the n+ anode layer 6 in the conventional device shown in FIG. B1~B
3 is n+ anode layer 6 due to impurity variation.
This corresponds to three states 51 to 53. As is clear from comparing these two figures, in this example, due to the presence of the n-type epitaxial layer 18, the maximum electric field EMA
The variation ΔEMAX in X becomes significantly smaller. In other words,
The depletion layer electric field strength distribution in the p-type avalanche multiplication layer 15 has a constant slope, and since n+ and p are not in contact, EMAX is not affected by variations in n+ and remains almost constant. Therefore, the controllability of the operating voltage becomes extremely high.

【0020】図6は上述したアバランシェホトダイオー
ドを同一の基板上に複数個設けてアレイ化した例を示す
ものである。このアバランシェホトダイオードアレイの
製造方法は、基本的には上述した単一のアバランシェホ
トダイオードと同じである。
FIG. 6 shows an example in which a plurality of the above-described avalanche photodiodes are provided on the same substrate to form an array. The method of manufacturing this avalanche photodiode array is basically the same as that for the single avalanche photodiode described above.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上説明したように本発明のアバランシ
ェホトダイオード及びその製造方法によれば、光吸収層
の比抵抗をかなり低くすることができるので、従来のも
のに比較して飛躍的に低い電圧での動作が可能となる。 そのため、電源の安定化が容易となり、他の機能素子や
ICとのモノリシック化も可能となる。また、p型アバ
ランシェ増倍層と低抵抗n型カソード層との間にp型ア
バランシェ増倍層よりも不純物濃度の低いp型半導体層
と低抵抗n型カソード層よりも不純物濃度の低いn型半
導体層を設けたことにより、動作電圧を安定的に制御で
き、トンネル効果及び過剰雑音を防止することができ、
さらに、広い領域で面内の増幅率を均一化することがで
きる。広い領域での増幅率の均一性はアレイ化にとって
非常に有効である。
Effects of the Invention As explained above, according to the avalanche photodiode and its manufacturing method of the present invention, the specific resistance of the light absorption layer can be made considerably low, so the voltage can be dramatically lowered compared to the conventional one. operation is possible. Therefore, it becomes easy to stabilize the power supply, and it becomes possible to form a monolithic structure with other functional elements or ICs. In addition, between the p-type avalanche multiplication layer and the low-resistance n-type cathode layer, a p-type semiconductor layer with a lower impurity concentration than the p-type avalanche multiplication layer and an n-type semiconductor layer with a lower impurity concentration than the low-resistance n-type cathode layer are provided. By providing a semiconductor layer, the operating voltage can be stably controlled and tunnel effects and excessive noise can be prevented.
Furthermore, the in-plane amplification factor can be made uniform over a wide area. Uniformity of amplification factor over a wide area is very effective for array formation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の一実施例であるリーチスルー型アバラ
ンシェホトダイオードの構造を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a reach-through type avalanche photodiode that is an embodiment of the present invention.

【図2】図1のアバランシェホトダイオードの製造方法
(前半)を示す工程断面図。
FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a method (first half) of manufacturing the avalanche photodiode shown in FIG. 1;

【図3】図1のアバランシェホトダイオードの製造方法
(後半)を示す工程断面図。
3 is a process cross-sectional view showing the second half of the method for manufacturing the avalanche photodiode shown in FIG. 1; FIG.

【図4】図1のアバランシェホトダイオードの電界分布
及び不純物濃度分布を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing the electric field distribution and impurity concentration distribution of the avalanche photodiode in FIG. 1;

【図5】最大電界EMAX とn+ アノード層20の
不純物濃度のバラツキとの関係を説明するための図。
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the maximum electric field EMAX and the variation in impurity concentration of the n+ anode layer 20.

【図6】リーチスルー型アバランシェホトダイオードを
アレイ状に配列した例を示す断面図。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of reach-through type avalanche photodiodes arranged in an array.

【図7】従来のリーチスルー型アバランシェホトダイオ
ードを示す断面図。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional reach-through type avalanche photodiode.

【図8】従来のリーチスルー型アバランシェホトダイオ
ードにおける電界分布及び不純物濃度分布を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing electric field distribution and impurity concentration distribution in a conventional reach-through type avalanche photodiode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…p+ 型のSi半導体基板 13…p− キャップ層 14…p−−光吸収層 15…p型アバランシェ増倍層 17…p− 層 18…n型層 20…n+ アノード層 11...p+ type Si semiconductor substrate 13...p- Cap layer 14...p--light absorption layer 15...p-type avalanche multiplication layer 17...p- layer 18...n-type layer 20...n+ anode layer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  低抵抗のp型半導体基板と、その上に
形成された高抵抗のp型光吸収層と、その上に形成され
たp型アバランシェ増倍層と、さらにその上に形成され
た低抵抗のn型アノード層とを有するアバランシェホト
ダイオードにおいて、前記低抵抗のp型半導体基板と前
記高抵抗p型光吸収層との間にその中間不純物濃度を持
つp型キャップ層を設けたことを特徴とするアバランシ
ェホトダイオード。
1. A low-resistance p-type semiconductor substrate, a high-resistance p-type light absorption layer formed thereon, a p-type avalanche multiplication layer formed thereon, and further formed thereon. In the avalanche photodiode having a low resistance n-type anode layer, a p-type cap layer having an intermediate impurity concentration is provided between the low-resistance p-type semiconductor substrate and the high-resistance p-type light absorption layer. An avalanche photodiode featuring:
【請求項2】  請求項1に記載のアバランシェホトダ
イオードにおいて、前記p型アバランシェ増倍層と前記
低抵抗n型カソード層との間に前記p型アバランシェ増
倍層よりも不純物濃度の低いp型半導体層と前記低抵抗
n型カソード層よりも不純物濃度の低いn型半導体層を
設けたことを特徴とするアバランシェホトダイオード。
2. The avalanche photodiode according to claim 1, wherein a p-type semiconductor having an impurity concentration lower than that of the p-type avalanche multiplication layer is provided between the p-type avalanche multiplication layer and the low-resistance n-type cathode layer. An avalanche photodiode comprising an n-type semiconductor layer having a lower impurity concentration than the low-resistance n-type cathode layer.
【請求項3】請求項2に記載のアバランシェホトダイオ
ードがp型半導体基板を共通にして複数個形成されてい
ることを特徴とするアバランシェホトダイオードアレイ
3. An avalanche photodiode array characterized in that a plurality of avalanche photodiodes according to claim 2 are formed using a common p-type semiconductor substrate.
【請求項4】低抵抗のp型半導体基板と、その上に形成
された高抵抗のp型光吸収層と、その上に形成されたp
型アバランシェ増倍層と、さらにその上に形成された低
抵抗のn型アノード層とを有するアバランシェホトダイ
オードの製造方法において、前記p型光吸収層の形成は
、前記p型半導体基板上に中間不純物濃度を持つ薄いp
型キャップ層をエピタキシャル成長した後に高抵抗のp
型層をエピタキシャル成長することにより達成すること
を特徴とするアバランシェホトダイオードの製造方法。
4. A low resistance p-type semiconductor substrate, a high resistance p-type light absorption layer formed thereon, and a p-type semiconductor substrate formed thereon.
In the method for manufacturing an avalanche photodiode having an avalanche multiplication layer and a low-resistance n-type anode layer formed thereon, the formation of the p-type light absorption layer includes the step of forming an intermediate impurity on the p-type semiconductor substrate. thin p with concentration
After epitaxially growing the type cap layer, a high-resistance p
A method for manufacturing an avalanche photodiode, which is achieved by epitaxially growing a mold layer.
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