JPH02248081A

JPH02248081A - アバランシェフォトダイオード及びその製造方法

Info

Publication number: JPH02248081A
Application number: JP1067504A
Authority: JP
Inventors: Hideto Furuyama; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-03-22
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1990-10-03

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、光フアイバ通信等に用いられるアバランシェ
フォトダイオードに係わり、特にガードリング構造の改
良をはかったアバランシェフォトダイオードに関する。

（従来の技術）アバランシェフォトダイオード（ＡｖａｒａｎｃｈｅＰ
ｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ　；以下ＡＰＤと略記する）は、
高感度受光素子として主に光フアイバ通信用光検出器に
用いられている。光フアイバ通信で用いられるＡＰＤは
、石英系光ファイバの低損失領域（波長１．１−１．６
μｍ）に高い感度を有するＩｎＧａＡｓ　（ＩｎＰに格
子整合する組成）を光吸収層とし、そこで発生するキャ
リアをＩｎＰでアバランシェ増倍するものが一般に用い
られている。ＡＰＤは、半導体結晶のアバランシェ・キ
ャリア増倍を利用するため、素子内部に非常に高電界の
アバランシェ領域を有しており、このアバランシェ領域
外縁での局所ブレーク防止にガードリングが用いられる
。そのため、ガードリングの耐圧特性と共にその信頼性
確保がＡＰＤの信頼性確保に重要である。

第８図は従来のＡＰＤの構造例を示す構成断面図である
。各部分の構成としては、８０はｎ−ＩｎＰ基板、８１
はｎ−１ｎＰバッファ層、８２はｎ−−１ｎＧａＡｓ光
吸収層、８３゜８４はｎ−−１ｎＧａＡｓＰ中間層（そ
れぞれ吸収端波長で１．３μｍ、　　１．１μｍ組成）
、８５はｎ−１ｎＰアバランシ工増倍・電界緩和層、８
６はｎ−−ＩｎＰ層、８７は急傾斜ｐ形不純物による受
光領域、８８は緩傾斜ｐ形不純物によるガードリング、
９１は表面パッシベーションを兼ねた絶縁膜、９２は無
反射コート膜、９３．９４は電極である。このような構
成として、８７．８８のｐ影領域下部に逆バイアスによ
る空乏層を拡大させ、光吸収層８２に発生する光キャリ
アを８７　（ｐ”　）、８６　（ｎ−又はｐ−）、８５
　（ｎ）のｐｎ接合領域（高電界領域）に導いてアバラ
ンシェ増倍を起こさせることができる。また、急傾斜ｐ
形不純物領域８７の導入境界に緩傾斜ｐ形不純物領域（
ガードリング）８８を設けているため、急傾斜ｐｎ接合
の折れ曲がりによる曲率効果（局所ブレークダウン）が
抑制される。

この従来技術によるＡＰＤは、まず液相成長法、ハイド
ライド気相成長法或いは有機金属気相成長法等の結晶成
長法により８１〜８６の結晶層を結晶成長させ、次にＢ
ｅ等のｐ形不純物のイオン注入法による導入と熱処理に
よるアニール及び拡散を行って緩傾斜ｐｎ接合（ガード
リング）８８の形成を行う。そして、パッシベーション
兼絶縁膜９１の形成１．Ｃｄ、Ｚｎ等のｐ形不純物の拡
散による急傾斜ｐｎ接合（受光部）８７の形成、さらに
無反射コート膜９２゜電極９３．９４の形成を行って作
成されている。

しかしながら、この種のアバランシェフォトダイオード
にあっては、次のような問題があった。即ち、ガードリ
ング８８を形成するｐ形不純物導入領域の表面近傍で濃
度が低下し、しばしばガードリング８８表面にｎ形反転
層を形成することがある。これは、深さ方向プロファイ
ルを緩やかにするための熱処理によって生じ、最初に導
入された不純物が熱処理によって内部に拡散する際、表
面からの不純物放出が起きたり、表面近傍のストレスで
不純物の押し込みが起きることによるものと考えられる
。また、表面近傍の結晶自体がｎ形反転するほど低濃度
化しない場合においても、パッシベーション膜９１に蓄
積電荷がある場合やパッシベーション膜９１との剪断応
力等が存在する場合に見られることがある。

この様子を、第９図に示す。図中８８′の部分がｎ形反
転領域である。このｎ形反、転領域８８′が形成される
と、ガードリング８８の表面においてｐｎ接合境界の変
形が起こり、パッシベーション膜９１との界面を通じた
表面リーク電流（暗電流）や空乏層の変形による異常ブ
レークダウン等の原因となることが知られている（例え
ば、昭和６２年電子情報通信学会半導体・材料部門全国
大会講演論文集８２３．１）２−１１０）。

即ち、従来技術においては素子の特性及び信頼性を低下
させる要因が存在しており、信頼性まで含めた素子歩留
りが低いという問題があった。

（発明が解決しようと゛する課題）このように従来、ガードリング表面における導入不純物
濃度の低下により、素子特性及び信頼性の低下を招く問
題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたちので、その目
的とするところは、ガードリング表面での導入不純物濃
度低下を補うことができ、素子特性及び信頼性の向上を
はかり得るアバランシェフォトダイオード及びその製造
方法を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、緩傾斜接合形成で低下したガードリン
グ表面濃度を再び上昇させ、表面反転領域を消失させる
と共に高濃度領域による表面パッシベーションの強化を
行わせることにある。

即ち本発明は、半導体基板上に積層形成された光吸収層
及びアバランシェ増倍層を含む半導体多層膜と、この半
導体多層膜の表面部に形成された急傾斜ｐｎ接合による
受光領域と、この受光領域の外周部に一部重なるように
形成された緩傾斜ｐｎ接合によるガードリングとを備え
たアバランシェフォトダイオードにおいて、前記ガード
リング表面近傍の少なくとも外周部に、該ガードリング
よりも不純物濃度が高く且つ拡散深さの浅い高濃度不純
物拡散領域を形成するようにしたものである。

また本発明は、上記構造のアバランシェフォトダイオー
ドの製造方法において、半導体基板上に光吸収層及びア
バランシェ増倍層を含む半導体多層膜を積層形成したの
ち、この半導体多層膜の表面部にイオン注入又は熱拡散
により不純物を導入して、急傾斜ｐｎ接合による受光領
域及び該受光領域の外周部を囲む緩傾斜ｐｎ接合による
ガードリングを形成し、次いでガードリングの少なくと
も外周部に熱拡散により不純物を導入して、該ガードリ
ングよりも不純物濃度が高く且つ拡散深さの浅い高濃度
不純物拡散領域を形成するようにした方法である。

（作用）本発明によれば、ガードリングの少なくとも外周部に高
濃度不純物拡散層を形成することにより、従来のアバラ
ンシェフォトダイオードの特質を損なうこと無く、ガー
ドリング表面の反転層発生を防止することができる。従
って、素子特性の低下１分散を抑えると共に、高温及び
長期の信頼性に優れたアバランシェフォトダイオードを
得ることができる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わるＡＰＤの概略構
造を示す断面図である。図中１０はｎ−１ｎＰ基板であ
り、この基板１０上にｎ−ＩｎＰバッファ層１１．ｎ−
−１ｎＧａＡｓ光吸収層１２．ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ中
間層１３゜１４（それぞれ吸収端波長で１．３μｍ　、
１．１μｍの組成）、ｎ−１ｎＰアバランシ工増倍・電
界緩和層１５及びｎ−−１ｎＰウィンド層１６からなる
半導体多層膜が積層形成されている。

ＩｎＰ層１６には、急傾斜ｐ形不純物導入による受光領
域１７．緩傾斜ｐ形不純物導入によるガードリング１８
及びｐ形不純物拡散によるガードリング１８よりも浅い
高濃度不純物拡散領域１９が形成されている。また、図
中２１は表面パッシベーション膜を兼ねた絶縁膜（例え
ば窒化シリコン膜）　２２は無反射コート膜、２３．２
４は電極を示している。

各結晶層の不純物濃度、厚さは、例えば１１が５　Ｘ　
１０１１０ｌ６’　　０．５μｍ　、　１２が１×１０
１５ｃｍ−３，２μｍ、　１３及び１４が各々ＩＸＩ（
１”ａｍ−’、　　０．２μｍ　、　１５が２×↓０１
６ｃ＋ｇ−’、　　１．２μｍ、１６がＩ　Ｘ　１０”
ｃｍ−’、　　１．４μｍとする。

ガードリング１８は、例えばＢｅを加速電圧２００ｋＶ
テＩ　Ｘ”１０１２ｃｍ−２ドーズし、ＰＨ，を含ませ
たＨ２ガス中で７５０℃で２０分間アニールして形成す
る。受光領域１７は、例えばＣｄ、Ｐ。

をソースとして５８０℃で１５分間の熱拡散で形成する
。そして、ガードリング１８よりも浅い高濃度領域１９
の形成は、例えばＣｄ、Ｐ２をソースとして５２０℃で
１０分間の熱拡散で行う。

このような実施例の製造工程の例を第２図に示す。第２
図では簡単にするため、ガードリング部の形成について
示しである。

まず、前記第１図に示した１１〜１６の結晶を、例えば
有機金属気相成長法により　６２０℃の温度で結晶成長
させ、続いて第２図（ａ）に示す如くイオン注入マスク
３１を形成し、Ｂｅのイオン注入を行いイオン注入層３
２を形成する。

イオン注入マスク３１としては例えば５ｉｎ２膜を約０
．９μｍ形成し、通常のフォトリソグラフィーによって
内径６０μｍ、外径８０μｍの窓を形成する。

次いで、イオン注入マスク３１を弗酸で除去したのち、
不純物拡散のためのアニールを行い、第２図（ｂ）に示
す如く緩傾斜ｐｎ接合によるガードリング１８を形成す
る。さらに、ガードリング１８の外径と内径との中間程
度の窓を有するパッシベーション膜２１を形成する。パ
ッシベーション膜２１としては、例えば窒化シリコン膜
を０．２μｍ形成し、７０μｍの窓を設けておく。この
窓は受光部不純物の導入窓でありパッシベーション膜２
１が拡散マスクとしても用いられる。

次いで、第２図（ｃ）に示す如く、受光部不純物として
Ｃｄの拡散を行い急傾斜ｐｎ接合による受光領域１７を
形成する。続いて、無反射コート膜２２の形成を行う。

無反射コート膜２２としては、窒化シリコンや酸化シリ
コン等の耐熱性の透明膜を用い、内径６０μｍ又は７０
μｍ。

外径９０μｍの窓を設ける。さらに、無反射コート膜２
２の窓に露出したパッシベーション膜２１を除去する。

次いで、第２図（ｄ）に示す如く表面反転防止のための
Ｃｄ−拡散をガードリング１８よりも浅く行い、高濃度
不純物拡散領域１９を形成する。

これ以降は、電極２３．２４の形成を行って前記第１図
の構造を得る。電極２３．２４としては、例えば２３に
Ｔｉ　（０，１μｍ）　、　Ｐｔ（０，０５μｍ）　、
　Ａｕ　（０，５ｕ　ｍ）の積層膜、２４にＡｕＧｅ　
（Ｇｅ　〜３％、　０．５　ｕｍ）を用いる。

かくして作成されたＡＰＤにおいては、ガードリング部
のキャリア濃度は第３図に示す如くなる。即ち、Ｂｅの
イオン注入によるガードリング１８のキャリア濃度は、
表面が最大キャリア濃度よりも低くなる。これは、イオ
ン注入を用いた場合よく見られる。これに対し、Ｃｄの
拡散によるキャリア濃度は表面が最も高く深くなるほど
低くなり、且つ表面のキャリア濃度はＢｅのイオン注入
による最大キャリア濃度よりも十分高くできる。従って
、熱拡散による高濃度不純物拡散領域１９を形成するこ
とにより、ガードリング部におけるキャリア濃度は、表
面が最も高く深くなるほど低くなる分布を持つことにな
る。

このように本実施例によれば、パッシベーション膜２１
下部のｐ領域１９が高濃度であるため、ガードリング１
８の表面にｎ形反転層が形成されることはなく、またこ
のｐ領域１９をガードリング１８より十分浅く形成する
ことでガードリング耐圧や暗電流作成への影響は殆どな
い。従って、素子特性の低下６分散がな（信頼性の高い
ＡＰＤが得られる。なお、この実施例では表面反転層防
止のためのＣｄ拡散領域をガードリングより外側まで行
っているが、これはガードリングと略一致した領域であ
ってもよく、必ずしも大きめのパターンで形成する必要
はない。

第４図は本発明の第２の実施例の概略構造を示す断面図
である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。この実施例は、表面反転
防止のためのＣｄ拡散領域を自己整合的に形成した例で
ある。図に示すように、この例では表面反転層防止のた
めのＣｄ拡散領域１９をガードリング１８の内側全面に
形成している。第５図にその製造工程の例を示す。

まず、先の実施例と同様に１１〜１６の結晶を成長した
のち、第５図（ａ）に示す如く、イオン注入マスク２１
．３１を形成し、イオン注入層３２を形成する。このと
きのイオン注入マスクとしては、パッシベーションＩＩ
Ｉ（窒化シリコン、、０．２μｍ）２１と酸化シリコン
（Ｓｉ０２゜０．７μｍ）３１との２層膜とし、それぞ
れに内径６０μｍ、外径８０μｍの窓を形成しておく。

その後、弗化アンモニウム水溶液で酸化シリコン膜３１
を除去し、第５図（ｂ）に・示す如く不純物拡散のため
のアニールを行って、ガードリング１８を形成する。

次いで、第５図（Ｃ）に示す如く、ガードリング１８の
内側の窒化シリコン膜２１をフォトソリグラフィーを用
いて選択除去し、選択拡散膜（例えばＳ　ｉ　Ｏ□、　
　０．４．ｃｚｍ、窓径７０．ｃｚｍ）３３の形成と、
受光部Ｃｄ拡散を行い受光領域１７を形成する。しかる
のち、選択拡散膜３３を除去して、第５図（ｄ）に示す
如く表面反転層防止のためのＣｄ拡散領域１９を自己整
合マスク（パッシベーション膜２１）により形成する。

これ以降は、無反射コートＭ２２及び電極２３゜２４の
形成を行って前記第４図の構造を得る。

この実施例の特徴は、表面反転層防止のためのＣｄ拡散
領域が自己整合的に形成されるため、不必要なパターン
の拡大がなく、全体のｐｎ接合面積が従来技術と同等に
なることである。このため、素子の寄生容量においても
従来技術と変わりなく、寄生容量低減のためにパターン
余裕を厳しくすることなく、本発明を安定に適用するこ
とができる。なお、この実施例では、ガードリング１８
と自己整合性を得るため表面反転層防止のためＣｄ拡散
領域１９をガードリング１８の内側全面に形成している
が、これはガードリング１８と略同じ領域に形成するこ
とも可能である。、この場合、第５図（ｂ）の段階（ア
ニール後゛）で、続けて表面反転層防止のためのＣｄ拡
散を行うことで実現できる。

第６図は本発明の第３の実施例の概略構造を示す断面図
である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。この実施例は、前述した
例とはガードリングの構造が異なる例である。図に示す
ように、この例では受光部Ｃｄ拡散の周囲部を持ち上げ
て弯形させており、受光部Ｃｄ拡散の先端をＩｎＰ層１
５に近付けて応答速度の高速化が可能な構造である。こ
のような構造においても本発明が適用可能なことを示す
。

第７図はこの実施例の製造工程を示したものであり、こ
こでは第２の実施例に示した自己整合的な場合について
示す。

まず、第１の実施例と同様に１１〜１６の結晶成長を行
ったのち、第７図（ａ）に示す如くイオン注入マスク兼
選択結晶成長膜２１．３１を形成し、続いて選択結晶成
長を行う。この実施例ではｎ−−ＩｎＰ層１６の厚さを
１μｍとやや薄目に成長しておき、イオン注入マスク兼
選択結晶成長膜は第２の実施例と同様に設定する。

そして、選択結晶成長は例えばＩｎＰ（アンドープ、０
．４μｍ）２５を有機金属気相成長法により結晶成長さ
せる。ここで、選択成長させる結晶は必ずしも単結晶で
ある必要はない。次いで、第７図（ｂ）に示す如くガー
ドリング形成のためのイオン注入を行い、イオン注入層
３２を形成する。このとき、イオン注入マスクには、選
択結晶成長に用いたマスク３１をそのまま用いればよい
。

次いで、第２の実施例と同様にして、第７図（ｃ）に示
す如く酸化シリコン膜３１の選択除去。

アニールによるガードリング１８の形成、同図（ｄ）に
示す如く選択拡散膜３３の形成、受光部Ｃｄ拡散領域１
７の形成、同図（ｅ）に示す如く、表面反転層防止のた
めのＣｄ拡散領域１９の形成を行い、さらに無反射コー
ト膜２２と電極２３．２４の形成を行えばよい。ここで
、表面反転層防止のためのＣｄ拡散領域１９の形成は、
第２の実施％Ｉと同様に第７図（Ｃ）のアニール直後に
行ってもよい。

この実施例では、第２の実施例と同様の効果が得られる
ほか、受光部Ｃｄ拡散をｎ−ＩｎＰ層１５に近付けて形
成できるため、アバランシェ増倍時間の短い、即ち応答
速度の速いＡＰＤが得られる特徴を持っている。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例ではガードリングの表面部（こ形成する高
濃度不純物領域を熱拡散によリ°形成したが、これをイ
オン注入で形成することも可能である。この場合、ガー
ドリング表面部の不純物濃度を最も高くするため、ガー
ドリング表面上にイオン注入深さに、相当する薄膜を設
けておき、イオン注入後にこの薄膜を除去するようにす
ればよい。また、イオン注入時の加速電圧を段階的に変
え、最も低い加速電圧で最も高いドーズ量が得られるよ
うにしてもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、ガードリングの少
なくとも外周部に高濃度不純物拡散層を形成することに
より、ガードリング表面での導入不純物濃度低下が補わ
れ、且つ従来のアバランシェフォトダイオードの特質を
損なうこと無くガードリング表面の反転層発生を防止す
ることができる。従って、特性の低下１分散を抑えると
共に、高温及び長期の信頼性に優れたアバランシェフォ
トダイオードを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わるアバランシェフ
ォトダイオードの概略構造を示す断面図、第２図は上記
第１の実施例の製造工程を示す断面図、第３図は上記実
施例におけるガードリング部のキャリア濃度分布を示す
特性図、第４図は本発明の第２の実施例の概略構造を示
す断面図、第５図は上記第２の実施例の製造工程を示す
断面図、第６図は本発明の第３の実施例の概略構造を示
す断面図、第７図は上記第３の実施例の製造工程を示す
断面図、第８図及び第９図は従来構造を説明するための
断面図であ、る。１０・・・ｌｎＰ基板１１・・・１ｎＰバッファ層１２−Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ光吸収層１３、．１４−
１　ｎＧａＡｓ　Ｐ中間層１５・・・ＩｎＰ増倍層１６・・・ＩｎＰウィンド層１７・・・受光領域１８・・・ガードリング１９・・・Ｃｄ拡散領域（高濃度不純物拡散領域）２１
・・・パッシベーション膜２２・・・無反射コート膜２３．２４・・・電極１１ｇ１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に積層形成された光吸収層及びアバ
ランシェ増倍層を含む半導体多層膜と、この半導体多層
膜の表面部に形成された急傾斜ｐｎ接合による受光領域
と、この受光領域の外周部に一部重なるように形成され
た緩傾斜ｐｎ接合によるガードリングとを備えたアバラ
ンシェフォトダイオードにおいて、前記ガードリング表面近傍の少なくとも外周部に、該ガ
ードリングよりも不純物濃度が高く且つ拡散深さの浅い
高濃度不純物拡散領域を形成してなることを特徴とする
アバランシェフオトダイオード。
（２）半導体基板上に光吸収層及びアバランシェ増倍層
を含む半導体多層膜を積層形成する工程と、前記半導体
多層膜の表面部にイオン注入又は熱拡散により不純物を
導入して、急傾斜ｐｎ接合による受光領域及び該受光領
域の外周部を囲む緩傾斜ｐｎ接合によるガードリングを
形成する工程と、前記ガードリングの少なくとも外周部に熱拡散により不
純物を導入して、該ガードリングよりも不純物濃度が高
く且つ拡散深さの浅い高濃度不純物拡散領域を形成する
工程とを含むことを特徴とするアバランシェフォトダイ
オードの製造方法。