図面 (/)

技術 アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 中島史人前田圭穂村本好史吉松俊英三条広明
出願日 2016年6月20日 (4年0ヶ月経過) 出願番号 2016-121780
公開日 2017年12月28日 (2年6ヶ月経過) 公開番号 2017-228569
状態 特許登録済
技術分野 受光素子3(フォトダイオード・Tr)
主要キーワード 受光部品 シグナル電極 AlGaAsコンタクト層 ブレイクダウン 温度上昇量 反転型 アバランシェ増倍 増倍率
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年12月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (18)

課題

高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させたアバランシェフォトダイオードを提供する。

解決手段

InPからなる第1の基板上にp型コンタクト層光吸収層アバランシェ層、およびn型コンタクト層が順に積層されたAPDメサから構成されるアバランシェフォトダイオードであって、前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、接着層を介して接合された第2の基板と、前記第2の基板および前記接着層を開口して、前記APDメサのn型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、前記第1の基板の裏面から開口したビアを介して前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備えた。

概要

背景

近年、データセンタなどにおける通信容量の増大に伴い、光ファイバ通信システム伝送容量の増大が求められている。従って、光ファイバ通信システムの受信器に内蔵される光電変換素子であるフォトダイオード高速化が要求されている。

フォトダイオードは、PN接合部に光を照射すると光の強弱に応じた電流を発生させる素子である。フォトダイオードの応答速度は、負荷抵抗および内部抵抗と、接合部の接合容量との時定数で決まる。従って、フォトダイオードを高速化するためには、接合容量を低減することが考えられる。接合容量の低減は、接合部の接合面積を小さくすることにより容易に実現できるが、接合面積を小さくすると放熱特性が悪化するというデメリットもある。

一方、フォトダイオードより、受光感度高感度化できるアバランシェフォトダイオードAPD)が知られている。APDは、高感度化により通信距離延伸できるとともに、低消費電力かつコンパクト受光部品により受信器を構成することができる。

図1に、従来の反転型APDの構造を示す。反転型APDは、InP基板101上に、p型コンタクト層(InAlGaAs)102、InGaAs光吸収層103、InAlAsアバランシェ層104、n型コンタクト層(InP)105、絶縁膜106が順に積層されたAPDメサから構成されている(例えば、特許文献1参照)。また、外部に接続するための電極を形成するためのメサが形成されていて、p型コンタクト層102にはシグナル電極107が接続され、n型コンタクト層105にはバイアス電極108が接続されている。また、InP基板101の裏面側には接着層を介してヒートシンク109が接合されている。APDのメサが形成された面から光111を入射する。

一般的なAPDにおいては、エッジブレイクダウンを抑制するために、選択的ドーピングによってガードリング構造を形成する必要がある。反転型APDでは、n型電極上層に配置されるため、選択的ドーピングの代わりに、n型電極の形状を決めればよいので、選択的ドーピングを用いることなく、エッジブレイクダウンを抑制することができる。また、反転型APDは、簡易作製方法により、十分な電界閉じ込めを実現することができ、信頼性が高いという利点がある(例えば、非特許文献1参照)。

概要

高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させたアバランシェフォトダイオードを提供する。InPからなる第1の基板上にp型コンタクト層、光吸収層、アバランシェ層、およびn型コンタクト層が順に積層されたAPDメサから構成されるアバランシェフォトダイオードであって、前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、接着層を介して接合された第2の基板と、前記第2の基板および前記接着層を開口して、前記APDメサのn型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、前記第1の基板の裏面から開口したビアを介して前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備えた。

目的

本発明の目的は、高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させたアバランシェフォトダイオードを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

InPからなる第1の基板上にp型コンタクト層光吸収層アバランシェ層、およびn型コンタクト層が順に積層されたAPDメサから構成されるアバランシェフォトダイオードであって、前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、接着層を介して接合された第2の基板と、前記第2の基板および前記接着層を開口して、前記APDメサのn型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、前記第1の基板の第1の面と対向する第2の面から開口したビアを介して前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備え、前記APDメサの前記アバランシェ層からの発熱は、前記バイアス電極を介して放熱されることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。

請求項2

前記p型コンタクト層はInAlGaAsからなり、前記光吸収層はInGaAsからなり、前記アバランシェ層はInAlAsからなり、前記n型コンタクト層はInPからなることを特徴とする請求項1に記載のアバランシェフォトダイオード。

請求項3

InPからなる第1の基板上にp型コンタクト層、光吸収層、アバランシェ層、およびn型コンタクト層が順に積層されたAPDメサから構成されるアバランシェフォトダイオードの製造方法であって、前記第1の基板上に前記APDメサと、シグナル電極を形成するための電極メサとを形成し、第1の接着層を形成して平坦化する第1工程と、前記APDメサのp型コンタクト層に形成された第1の電極と、前記電極メサのn型コンタクト層に形成された第2の電極とが露出するように前記第1の接着層を開口し、配線電極により前記第1および前記第2の電極を接続する第2工程と、前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、第2の接着層が形成された第2の基板を、前記第1および前記第2の接着層を介して接合する第3工程と、前記電極メサのn型コンタクト層に形成された前記第2の電極が露出するように前記第1の基板の第1の面と対向する第2の面から前記電極メサを開口したビアを介して、前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極を形成する第4工程と、前記APDメサのn型コンタクト層に形成された第3の電極が露出するように前記第2の基板および前記接着層を開口し、バイアス電極を形成する第5工程とを備えた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。

請求項4

前記p型コンタクト層はInAlGaAsからなり、前記光吸収層はInGaAsからなり、前記アバランシェ層はInAlAsからなり、前記n型コンタクト層はInPからなることを特徴とする請求項3に記載のアバランシェフォトダイオードの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法に関し、より詳細には、光ファイバ通信受光素子に適用されるアバランシェフォトダイオードおよびその製造方法に関する。

背景技術

0002

近年、データセンタなどにおける通信容量の増大に伴い、光ファイバ通信システム伝送容量の増大が求められている。従って、光ファイバ通信システムの受信器に内蔵される光電変換素子であるフォトダイオード高速化が要求されている。

0003

フォトダイオードは、PN接合部に光を照射すると光の強弱に応じた電流を発生させる素子である。フォトダイオードの応答速度は、負荷抵抗および内部抵抗と、接合部の接合容量との時定数で決まる。従って、フォトダイオードを高速化するためには、接合容量を低減することが考えられる。接合容量の低減は、接合部の接合面積を小さくすることにより容易に実現できるが、接合面積を小さくすると放熱特性が悪化するというデメリットもある。

0004

一方、フォトダイオードより、受光感度高感度化できるアバランシェフォトダイオード(APD)が知られている。APDは、高感度化により通信距離延伸できるとともに、低消費電力かつコンパクト受光部品により受信器を構成することができる。

0005

図1に、従来の反転型APDの構造を示す。反転型APDは、InP基板101上に、p型コンタクト層(InAlGaAs)102、InGaAs光吸収層103、InAlAsアバランシェ層104、n型コンタクト層(InP)105、絶縁膜106が順に積層されたAPDメサから構成されている(例えば、特許文献1参照)。また、外部に接続するための電極を形成するためのメサが形成されていて、p型コンタクト層102にはシグナル電極107が接続され、n型コンタクト層105にはバイアス電極108が接続されている。また、InP基板101の裏面側には接着層を介してヒートシンク109が接合されている。APDのメサが形成された面から光111を入射する。

0006

一般的なAPDにおいては、エッジブレイクダウンを抑制するために、選択的ドーピングによってガードリング構造を形成する必要がある。反転型APDでは、n型電極上層に配置されるため、選択的ドーピングの代わりに、n型電極の形状を決めればよいので、選択的ドーピングを用いることなく、エッジブレイクダウンを抑制することができる。また、反転型APDは、簡易作製方法により、十分な電界閉じ込めを実現することができ、信頼性が高いという利点がある(例えば、非特許文献1参照)。

0007

特許4728386号公報

先行技術

0008

Nada et.al., “Triple-mesa Avalanche Photodiode with Inverted P-Down Structure for Reliability and Stability,” J. of Lightwave Tech., VOL. 32, NO. 8,APRIL 15, 2014, p1543-1548.

発明が解決しようとする課題

0009

上述したように、反転型APDは、光吸収層103がアバランシェ層104よりもInP基板101の近くに配置される。APDにおいては、光を入力したときに発生する電流は、アバランシェ層104で増倍されるため、アバランシェ層104における発熱量が最も大きい。

0010

しかしながら、反転型APDにおいて、InP基板101側に配置されたInGaAs光吸収層103は、InP、InAlAs、Au等、他の材料に比べて熱伝導率が低い。従って、InP基板101にヒートシンク109を接合しても、アバランシェ層104における熱がヒートシンク109に伝わりにくく、素子温度下がりにくい。このため、光入力耐性を向上させるにあたっての課題となっていた。

課題を解決するための手段

0011

本発明の目的は、高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させたアバランシェフォトダイオードを提供することにある。

0012

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、InPからなる第1の基板上にp型コンタクト層、光吸収層、アバランシェ層、およびn型コンタクト層が順に積層されたAPDメサから構成されるアバランシェフォトダイオードであって、前記第1の基板上の前記APDメサが形成された第1の面に、接着層を介して接合された第2の基板と、前記第2の基板および前記接着層を開口して、前記APDメサのn型コンタクト層に接合されたバイアス電極と、前記第1の基板の裏面から開口したビアを介して前記APDメサのp型コンタクト層に接合されたシグナル電極とを備え、前記APDメサの前記アバランシェ層からの発熱は、前記バイアス電極を介して放熱されることを特徴とする。

発明の効果

0013

本発明によれば、アバランシェ層で発生した熱は、n型コンタクト層とバイアス電極を介して放熱され、バイアス電極にヒートシンクを接合することにより、効率よく放熱することができる。放熱性の向上により光入力耐性が向上した反転型APDを実現することができる。

図面の簡単な説明

0014

従来の反転型APDの構造を示す図である。
本発明の一実施形態にかかる反転型APDの構造を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
本実施形態の反転型APDの製造工程を示す図である。
APDのメサの大きさと温度上昇との関係を示す図である。

実施例

0015

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

0016

図2に、本発明の一実施形態にかかる反転型APDの構造を示す。InP基板(第1の基板)201上に形成された反転型APDに対して、APDのメサ210が形成された面(第1の面)に、接着層としてBCB(Benzocyclobutene)膜211を用いてシリコン基板(第2の基板)212を接合する。InP基板201の第1の面と対向する面(第2の面)からビアを開口し、シグナル電極207を接続する。接合されたシリコン基板212にもビアを開口し、シリコン基板212にバイアス電極208とヒートシンク209とを順に接合する。

0017

このような構成により、アバランシェ層204で発生した熱は、n型コンタクト層205とバイアス電極208を介して、ヒートシンク209に伝わるので、効率よく放熱することができる。放熱性の向上により光入力耐性が向上した反転型APDを実現することができる。

0018

図3〜15を参照して、本実施形態の反転型APDの製造方法を説明する。Feなどをドープした高抵抗なInPからなるInP基板201の第1の面上に、有機金属気相成長(MOVPE)法などのエピタキシャル成長法を利用し、p型InAlGaAsコンタクト層202、InGaAs光吸収層203、 InAlAsアバランシェ層204、n型InPコンタクト層205を順次形成する(図3)。

0019

次に、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により、上述したp型コンタクト層202、光吸収層203、アバランシェ層204、n型コンタクト層205をメサ型に加工する(図4)。このとき、APDを形成するためのAPDメサ210と、シグナル電極207を形成するための電極メサ220とを形成しておく。p型コンタクト層202、APDメサ210および電極メサ220のn型コンタクト層205に、オーミック接触する電極214,215,221をそれぞれ形成する(図5)。

0020

メサを形成した面をBCB膜211によりコーティングして平坦化し、接着層とする。BCB膜211の表面には、水分等から半導体表面を保護するためにSiN膜216を形成しておく(図6)。

0021

ドライエッチング法により、p型コンタクト層202の電極214および電極メサ220の電極221が露出するように、SiN膜216とBCB膜211を開口する(図7)。Auからなる配線電極217を、フォトリソグラフィー、リフトオフ技術、真空蒸着技術、または、めっき技術により形成し、p型コンタクト層202の電極214および電極メサ220の電極221とを接続する(図8)。

0022

次に、接着層としてBCB膜218を塗布したシリコン基板212を準備し、InP基板201のAPDメサ210を形成した第1の面のSiN膜216と、シリコン基板212のBCB膜218とを張り合わせる(図9、10)。InP基板201の第2の面を、グラインダ等の公知の技術を用いて研磨した後、1.3μm帯の通信用波長レーザ光に対して、透過率を向上させるための反射防止膜(AR膜)213を形成する(図11)。

0023

公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチング法により、電極メサ220の電極221が露出するように、AR膜213、InP基板201およびメサ220を開口する(図12)。公知のめっき法によりAu等のビアを形成して、AR膜213上にシグナル電極207を形成する(図13)。

0024

公知のフォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いて、メサ210のn型コンタクト層205に接合されている電極215が露出するように、シリコン基板212、BCB膜218,211およびSiN膜216を開口する(図14)。公知のめっき法によりAu等のビアを形成して、n型コンタクト層205に接続するバイアス電極208を形成する(図15)。

0025

最後にダイシングによりチップ化し、APDチップのバイアス電極208をヒートシンク209に接合して、本実施形態の反転型APDが完成する(図16)。

0026

バイアス電極208とシグナル電極207との間に、バイアス電圧印加し、InP基板201の第2の面、APDのメサが形成された面と対向する面から光231を入射する。バイアス電圧は、例えば、非特許文献1によれば、増倍率が10の場合、22V程度である。入射された光231は、光吸収層203において吸収され、光電流が発生する。光電流は電子ホールとから成り、このうち電子がアバランシェ層204に到達すると、アバランシェ増倍が発生し、新たな電子とホールが発生する。

0027

このとき、APDに印加された電圧と、光入射によって発生した光電流に比例して、ジュール熱が発生するが、主にアバランシェ層に電界が閉じ込められるようになっているため、アバランシェ層204における発熱が主となる。発生した熱は、n型コンタクト層205、バイアス電極208を介してヒートシンク209に伝導する。従って、従来の反転型APDと比較して、放熱特性が向上する。

0028

図17に、APDのメサの大きさと温度上昇との関係を示す。横軸は、反転型APDのメサの直径であり、縦軸は、APDの接合部における温度上昇量を示している。上述したように、図1に示した従来の反転型APDは、アバランシェ層104とヒートシンク109の間にInGaAs光吸収層103があるために、ヒートシンク109に熱が伝わりにくい。従来の反転型APDは、接合容量を低減するために接合面積を小さくする、すなわちメサの直径を小さくすると、温度上昇量が急激に増大する。

0029

一方、本実施形態の反転型APDは、アバランシェ層204とヒートシンク209の間には、熱伝導率の低いInGaAs層がないために、放熱特性が向上する。図17に示すとおり、メサの直径を小さくしても温度上昇量が少なく、従来の反転型APDと比較して温度上昇量が1/3〜1/5程度に抑制されている。従って、本実施形態によれば、高速化のために接合部の接合面積を小さくしても、素子温度の上昇を抑制し、光入力耐性を向上させることができる。

0030

なお、本実施形態においては、APDのメサ210が形成された面に接合する基板としてシリコン基板212を用いて説明したが、他の材料の基板、例えばInP基板を用いても同様の効果が得られることは自明である。

0031

また、各層の材料について、p型コンタクト層202をInAlGaAs、アバランシェ層204をInAlAs、n型コンタクト層205をInPにて説明したが、他の材料を用いた構成でもよい。例えば、p型、n型のコンタクト層は、InGaAsPでもよいし、アバランシェ層はInPでもよい。

0032

101,201InP基板
102,202 p型コンタクト層
103,203光吸収層
104,204アバランシェ層
105,205 n型コンタクト層
106絶縁膜
107,207シグナル電極
108,208バイアス電極
109,209ヒートシンク
210,220メサ
211,218 BCB膜
212シリコン基板
213 AR膜
214,215,221電極
216SiN膜
217配線電極
111,231 光

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • パナソニックIPマネジメント株式会社の「 固体撮像装置およびその製造方法」が 公開されました。( 2020/02/27)

    【課題】長波長(特に、赤外光)においても感度が高く、光の混色が抑制された、積層型の固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】固体撮像装置100は、撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部... 詳細

  • シャープ株式会社の「 アバランシェフォトダイオード」が 公開されました。( 2020/01/16)

    【課題】光感度が安定して高く、しかも、内部抵抗が低くて最大増幅電流を大きくできるアバランシェフォトダイオードを提供すること。【解決手段】この発明のアバランシェフォトダイオードは、第1導電型で均一な不純... 詳細

  • シャープ株式会社の「 アバランシェフォトダイオード」が 公開されました。( 2019/12/05)

    【課題】均一な電界強度分布を得ることで均一動作が可能なアバランシェフォトダイオードを提供する。【解決手段】アバランシェフォトダイオードは、第1導電型の半導体基板(1)内に形成された第1導電型半導体層(... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ