[发明专利]雪崩光电二极管

说明书

雪崩光电二极管包括:形成于第一导电型的基板(1)的第一导电型的第一半导体层(3)；形成于第一半导体层(3)下并与第一导电型为相反的第二导电型的第二半导体层(2)；形成于基板(1)的第一半导体层(3)的浅的部分并与第一半导体层(3)的杂质浓度相比为高浓度的第一导电型的第三半导体层(7)；形成于第三半导体层(7)的正下方的第一半导体层(3)内的区域的第一导电型的第四半导体层(6)；与第一半导体层(3)电性地连接的第一接点(11)；与第二半导体层(2)电性地连接的第二接点(12)。第四半导体层(6)的杂质浓度高于第一半导体层(3)的杂质浓度,且低于第三半导体层(7)的杂质浓度。

技术领域

本发明是关于雪崩光电二极管,具体而言,是提供一种暗计数率良好的雪崩光电二极管。

背景技术

在现有的光通信、飞行时间测距(TOF：Time of flight)中,有利用光电二极管的雪崩增幅(Avalanche)效果的雪崩光电二极管被用于作为高速地检测微弱光的受光元件。若雪崩光电二极管施加小于击穿电压(Breakdown电压)的反向偏置电压,则以线性模式动作,改变输出电流以使相对光接收量具有正相关性。

另一方面,若雪崩光电二极管施加大于击穿电压的反向偏置电压,则以盖革模式(Geiger mode)动作。盖革模式的雪崩光电二极管即使单一光子的入射,也会引起雪崩现象,因此可以得到大的输出电流。因此,盖革模式的雪崩光电二极管称为单光子雪崩二极管(SPAD:Single Photon Avalanche Diode)。

雪崩光电二极管在上述的盖革模式中,对阴极-阳极间施加电压,并控制电压以形成3.0×10⁵V/cm以上的电场强度。由此,由微弱光产生的电荷增幅,针对一个光子般的极小的信号作出反应并可以作为电信号输出。另外,对光信号而言,在数psec左右的极短时间内作出反应且时间分辨率优异。

另一方面,由于该高的增幅率,因此高电场施加时产生的微小的泄露电流也被增幅,并作为暗计数率作为信号以外的噪声来输出。

在此,为了使暗计数减少的目的而提高泄露电流特性(下面,称为抗干扰度),在现有的雪崩光电二极管中,作为阳极,不仅使用高浓度P+扩散,还使用低浓度的P阱,从而扩大耗尽层宽度而抑制了隧道电流。然而,这种情况下,存在如P阱的外周部的扩散形状的曲率高的部分的电场变强,雪崩增幅仅在周边部产生,从而雪崩增幅区域变窄的问题。面积最广的P阱的正下方电场强度低且未被增幅，因此作为整体,已引起增幅率低的问题。

因此,如图11所示,存在研究将面积最大的N阱的正下方的电场强度进行增幅的雪崩光电二极管(例如,参照特开2015-41746号公报(专利文献1))。在第一导电型(N阱)的第一半导体层204的正下方，形成第二导电型(P型层)的第二半导体层203,从而构成为抑制位于第一半导体层204与第二半导体层203接触的部分的耗尽层的延伸且增强电场强度的结构。此时,耗尽层超过第二半导体层203并扩展至外延层202的深部。

在图11中,200为芯片、201为硅基板、202为外延层、205为第三半导体层、206为接点、207为接点、208为耗尽区域、211为区域、213为电极、214为界面、215为嵌入分离层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:特开2015-41746号公报

发明内容

本发明所要解决的技术问题

然而,该图11所示的雪崩光电二极管中,存在因Si-SiO₂界面所存在的悬挂键等导致的缺陷等中的复合电流(泄露)使暗计数率劣化的情况。因此,在专利文献1中,通过在表面形成与第一半导体层204相反的导电型的第四半导体层212,从而作为抑制表面的影响的结构而存在。