JP2723069B2 - Semiconductor light receiving element - Google Patents

Semiconductor light receiving element

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JP2723069B2
JP2723069B2 JP7055730A JP5573095A JP2723069B2 JP 2723069 B2 JP2723069 B2 JP 2723069B2 JP 7055730 A JP7055730 A JP 7055730A JP 5573095 A JP5573095 A JP 5573095A JP 2723069 B2 JP2723069 B2 JP 2723069B2
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light receiving
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雅子 山本
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体受光素子に係り、
特に光通信や光情報処理、光計測等で用いられる、PI
N型フォトダイオードの半導体受光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light receiving element.
In particular, PI used in optical communication, optical information processing, optical measurement, etc.
The present invention relates to a semiconductor light receiving element of an N-type photodiode.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、GI型プラスチックファイバ(G
I−POF)を利用した波長0.6μm近傍の光を用い
た高速光リンクの研究が検討されている。このプラスチ
ックファイバを用いた場合、伝送損失が大きいので長距
離の伝送は極めて困難であるが、ビル内あるいはコンピ
ュータ間での高速光リンク系においては、極めて安価で
あり、かつ、取扱いが容易という利点から期待されてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, GI plastic fibers (G
Research on a high-speed optical link using light having a wavelength of about 0.6 μm using I-POF) is being studied. When using this plastic fiber, transmission over a long distance is extremely difficult due to a large transmission loss. However, in a high-speed optical link system in a building or between computers, it is extremely inexpensive and easy to handle. Is expected from.

【0003】この光通信に用いられる受光素子として
は、低価格は勿論、低駆動電圧及びアライメントフリー
のための大口径化が必須である。現在のところ、適用可
能な受光素子の一つとして、従来から1μm帯以下の半
導体受光素子として利用されているシリコン(Si)を
材料としたPIN型受光素子が挙げられる(例えば、米
津氏著、「光通信素子光学」、工学図書株式会社刊、3
64頁,1983年)。このPIN型受光素子は構造が
簡単であり、比較的安価であるという特長を有する。
The light receiving element used in the optical communication is required to have a large diameter for low drive voltage and alignment free as well as low cost. At present, as one of the applicable light receiving elements, there is a PIN type light receiving element made of silicon (Si) which has been conventionally used as a semiconductor light receiving element of 1 μm band or less (for example, by Yonezu, "Optical Communication Device Optics", published by Kogyo Tosho Co., Ltd., 3
64, 1983). This PIN type light receiving element has the features that its structure is simple and that it is relatively inexpensive.

【0004】図8は従来の半導体受光素子の一例の構造
図を示す。この従来の半導体受光素子は、典型的なPI
N−PDの構造をしており、リーチスルー型と呼ばれる
ものである。この従来のPIN型受光素子は、p型基
板21上にi−Si光吸収層22及びn型受光領域2
3及びp型チャネンネルストッパ24が形成され、更
にそれらの上にパッシベーション膜25が形成されると
共に、n型受光領域23上にはAR膜29及びp側電
極30が形成されている。また、p型基板21の他方
の表面にはn側電極26が形成されている。
FIG. 8 shows a structural view of an example of a conventional semiconductor light receiving element. This conventional semiconductor light receiving element has a typical PI
It has an N-PD structure and is called a reach-through type. This conventional PIN type light receiving element comprises an i-Si light absorbing layer 22 and an n + type light receiving region 2 on a p + type substrate 21.
3 and p + -type channel stoppers 24 are formed, a passivation film 25 is further formed thereon, and an AR film 29 and a p-side electrode 30 are formed on the n + -type light receiving region 23. An n-side electrode 26 is formed on the other surface of the p + type substrate 21.

【0005】この従来のPIN型受光素子では、n側電
極26及びp側電極30間に逆バイアス電圧が印加され
ると、空乏層がn/p(i)界面から基板21側に
伸びる。この状態において入射光13がAR膜29上に
入射されると、空乏化したSi光吸収層22で光キャリ
アが発生し、この光キャリアのうち電界により正孔がp
側電極30方向に、電子がn側電極26方向に走行し、
その後電極26,30にそれぞれ到達して電流となるこ
とで光電変換がなされる。
In this conventional PIN light receiving element, when a reverse bias voltage is applied between the n-side electrode 26 and the p-side electrode 30, the depletion layer extends from the n + / p (i) interface to the substrate 21 side. . In this state, when the incident light 13 is incident on the AR film 29, photocarriers are generated in the depleted Si light absorption layer 22, and holes are generated by the electric field in the photocarriers.
In the direction of the side electrode 30, the electrons travel in the direction of the n-side electrode 26,
After that, the current reaches the electrodes 26 and 30 and becomes a current, whereby photoelectric conversion is performed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記したよ
うに、従来1μm帯の光波長領域以下では、図8に示し
たようなホモ接合構造を持つSi PIN−PD(フォ
トダイオード)が用いられているが、Siは間接遷移の
ため吸収係数が低く、量子効率を上げるには吸収層の厚
膜化が必要となる。そのため、帯域はキャリア走行時間
に制限され、厚膜空乏化によって動作電圧が大きくなる
(例えば20V)。また、付随的な問題として、表面再
結合及び表面高濃度層内での光励起−再結合による外部
量子効率の劣化もある。
However, as described above, below the conventional 1 μm band light wavelength region, a Si PIN-PD (photodiode) having a homojunction structure as shown in FIG. 8 is used. However, Si has a low absorption coefficient due to indirect transition, and it is necessary to increase the thickness of the absorption layer to increase the quantum efficiency. Therefore, the band is limited to the carrier transit time, and the operating voltage increases (for example, 20 V) due to the thick film depletion. As an incidental problem, there is also a deterioration in external quantum efficiency due to surface recombination and photoexcitation-recombination in the surface high concentration layer.

【0007】更に、GI−POF用としての大口径化の
場合、容量増大に伴うCRリミットも付加される。従来
より、大口径化の一手段として裏面レンズ入射型が知ら
れているが、Si基板自体が吸収するため、Si PI
N−PDには適応不可能である。
Further, in the case of a large diameter for GI-POF, a CR limit accompanying a capacity increase is also added. Heretofore, a back lens incidence type has been known as a means for increasing the aperture. However, since the Si substrate itself absorbs the light, a Si PI
It is not applicable to N-PD.

【0008】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
波長0.6μm近傍の光に感度を有し、低電圧、広帯域
かつ実効的な大受光領域を兼ね備え、GI−POF用等
の高速光リンクに適用可能な半導体受光素子を提供する
ことを目的とする。
[0008] The present invention has been made in view of the above points,
It is an object of the present invention to provide a semiconductor light receiving element having sensitivity to light near a wavelength of 0.6 μm, having a low voltage, a wide band, and an effective large light receiving area, and applicable to a high-speed optical link for GI-POF or the like. I do.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、GaP製の半導体基板の表面上に光吸収層
及び受光領域が順次に積層され構造により、半導体基
板の裏面側から導入する入射光に対して光電変換を行う
半導体受光素子において、光吸収層は、GaPと格子定
数がほぼ一致する窒素系エピタキシャル層で形成されて
いる構成としたものである。
The present invention SUMMARY OF] in order to achieve the above object, the structure in which the light-absorbing layer and the light-receiving region are sequentially stacked on a surface of the GaP made of a semiconductor substrate, a semiconductor group
In a semiconductor light receiving element that performs photoelectric conversion on incident light introduced from the back side of the plate , the light absorption layer is made of GaP and a lattice constant.
Formed of a nitrogen-based epitaxial layer whose number is almost the same
Is obtained by a structure in which there.

【0010】[0010]

【0011】[0011]

【0012】[0012]

【作用】図2は発明の作用を説明するための、GaP
基板とシリコン(Si)エピタキャル層あるいは窒素
(N)系エピタキシャル層の光吸収層の格子定数とバン
ドギャップの関係を示す。図2において、本発明におけ
る半導体基板材料であるGaPの格子定数は、aで示す
如く約5.5Åであり、一方、N系エピタキシャル層の
格子定数はbで示す如く約5.5Åで、両者はほぼ一致
しており、結晶成長時でのミスフィット転移等の欠陥導
入の懸念が無いことが予想される。
FIG. 2 shows GaP for explaining the operation of the present invention.
The relationship between the lattice constant and the band gap of the light absorption layer of the substrate and the silicon (Si) epitaxy layer or the nitrogen (N) based epitaxial layer is shown. In FIG. 2, the lattice constant of GaP, which is a semiconductor substrate material in the present invention, is about 5.5 ° as shown by a, while the lattice constant of the N-based epitaxial layer is about 5.5 ° as shown by b, and Are almost the same, and it is expected that there is no concern about introduction of defects such as misfit transition during crystal growth.

【0013】また、GaPの室温でのバンドギャップは
2.24eV(生駒氏監修「最新化合物半導体ハンドブ
ック」、サイエンスフォーラム刊、18頁)であり、こ
れはバンドギャップ波長では図2にaで示すように、
0.55μmに相当する。従って、GaPから構成され
た本発明の半導体基板は、0.6μm帯近傍の光波長領
域の光に対して透明であり、半導体基板裏面上にマイク
ロレンズを有した裏面入射構造が可能である。
The band gap of GaP at room temperature is 2.24 eV (the latest compound semiconductor handbook, supervised by Mr. Ikoma, published by Science Forum, p. 18). To
This corresponds to 0.55 μm. Therefore, the semiconductor substrate of the present invention made of GaP is transparent to light in a light wavelength region in the vicinity of the 0.6 μm band, and a back-illuminated structure having a microlens on the back surface of the semiconductor substrate is possible.

【0014】次に、SiとGaAsの光波長と吸収係数
との関係について図3と共に説明する。図3において、
曲線IはSiの光波長と吸収係数との特性を示し、曲線
IIは光波長と吸収係数との特性を示す。同図の曲線I
から分かるように、光波長領域の0.65μmの光に対
するSiの光吸収係数は3000/cmであるのに対
し、曲線IIから分かるように、同じ光に対するGaA
sの光吸収係数は20000/cmであり、Siの約7
倍の吸収係数を有していることが分かる。
Next, the relationship between the light wavelength of Si and GaAs and the absorption coefficient will be described with reference to FIG. In FIG.
Curve I shows the characteristics of light wavelength and absorption coefficient of Si, and curve II shows the characteristics of light wavelength and absorption coefficient. Curve I in FIG.
As can be seen from the graph, the light absorption coefficient of Si for light having a wavelength of 0.65 μm in the light wavelength region is 3000 / cm.
The light absorption coefficient of s is 20000 / cm,
It can be seen that it has twice the absorption coefficient.

【0015】よって、原理的には、同じ量子効率を得る
ためには、GaAsの場合、Siの層厚の1/7でよい
ことが分かる。しかし、GaAsは図2に示したよう
に、GaPとの格子定数が同程度ではないので光吸収層
としては不適であるが、GaPとの格子定数が同程度の
GaNAs系の光吸収係数もN組成が極微量である場合
にはGaAsと同等と考えられる。従って、光吸収層と
してN系エピタキシャル層を用いることにより、光吸収
層厚を薄膜化できる。
Therefore, in principle, it can be seen that in order to obtain the same quantum efficiency, in the case of GaAs, it is sufficient to use 1/7 of the Si layer thickness. However, as shown in FIG. 2, GaAs is not suitable as a light absorbing layer because its lattice constant is not substantially equal to that of GaP. When the composition is extremely small, it is considered to be equivalent to GaAs. Therefore, the thickness of the light absorbing layer can be reduced by using the N-type epitaxial layer as the light absorbing layer.

【0016】 次に、マイクロレンズの作用について図
4と共に説明する。同図(A)は素子構造の概略断面
図、同図(B)は帯域への影響を示す。なお、図4
(B)中、αは吸収係数、Ctは容量、Nは濃度を示
す。図4(A)に示すように、本発明の半導体受光素子
は、PIN構造を持つ半導体基板1の裏面にマイクロレ
ンズ8を有しており、半導体基板1の裏面から導入され
た光は、マイクロレンズ8により光吸収層2に集光され
る。
[0016] will be described in the following, in conjunction with FIG. 4 the operation of Ma microlenses. FIG. 1A is a schematic sectional view of the element structure, and FIG. 1B shows the effect on the band. FIG.
In (B), α indicates the absorption coefficient, Ct indicates the capacity, and N indicates the concentration. As shown in FIG. 4A, the semiconductor light receiving device of the present invention has a micro lens 8 on the back surface of a semiconductor substrate 1 having a PIN structure, and light introduced from the back surface of the semiconductor substrate 1 The light is focused on the light absorbing layer 2 by the lens 8.

【0017】図4(B)は、遮断周波数(帯域)と光吸
収層厚の関係をpn接合径を変数と表しているが、pn
接合径(受光径)が100μm以上の大受光径素子の場
合、帯域はCR時定数制限(主に素子容量制限)により
制限される。受光径(pn接合径)に対する素子容量及
び帯域の関係は、光吸収層厚3μmとした場合、受光径
100μmで約0.35pFであり、また、図4(B)
には図示していないが受光径300μmで約2.2pF
であり、それぞれ帯域は7GHz、1.2GHz程度と
なる。
FIG. 4B shows the relationship between the cut-off frequency (band) and the thickness of the light absorbing layer with the pn junction diameter as a variable.
In the case of a large light receiving element having a junction diameter (light receiving diameter) of 100 μm or more, the band is limited by the CR time constant limitation (mainly the element capacity limitation). The relationship between the device capacity and the band with respect to the light receiving diameter (pn junction diameter) is about 0.35 pF at a light receiving diameter of 100 μm when the light absorbing layer thickness is 3 μm, and FIG.
Although not shown, about 2.2 pF at a light receiving diameter of 300 μm
And the bands are about 7 GHz and 1.2 GHz, respectively.

【0018】これに対し、図4(A)に示したように、
マイクロレンズを有した裏面入射型素子の場合、小pn
接合径を維持した状態で有効受光径を拡大できる。経験
的には、帯域15GHz以上の特性が得られるpn接合
径20μmでも、マイクロレンズ8を設けることによ
り、有効受光径を100μm以上に拡大できる。GI−
POFでアライメントフリーの観点から必要とされる有
効受光径500μm素子においても、マイクロレンズ8
の適用により、pn接合径200μm以下で、帯域2.
5GHz以上が得られる。
On the other hand, as shown in FIG.
In the case of a back illuminated element having a micro lens, a small pn
The effective light receiving diameter can be enlarged while maintaining the junction diameter. Empirically, the effective light receiving diameter can be increased to 100 μm or more by providing the microlens 8 even if the pn junction diameter is 20 μm, which can provide the characteristics of the band of 15 GHz or more. GI-
Even in an element having an effective light receiving diameter of 500 μm required from the viewpoint of alignment-free POF, the microlens 8
Is applied, the pn junction diameter is 200 μm or less, and the band 2.
5 GHz or more can be obtained.

【0019】[0019]

【0020】[0020]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は本発明の第1実施例の構造断面図を
示す。本実施例の構造としては、まず、p型GaP(1
00)基板1上に高密度i−Si光吸収層2を20μm
積層する。このi−Si光吸収層2はエピタキシャル層
である。次に、n型受光領域3及びp型チャネルス
トッパ4を選択拡散により形成し、パッシベーション膜
として表面にSiNx膜5を800Å堆積する。n側電
極6がSiNx膜5を貫通してn型受光領域3に接続
されており、更にn側電極6上にパッド電極7を被覆形
成する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a structural sectional view of a first embodiment of the present invention. As the structure of this embodiment, first, p-type GaP (1
00) A high-density i-Si light-absorbing layer 2 having a thickness of 20 μm
Laminate. This i-Si light absorption layer 2 is an epitaxial layer. Next, an n + type light receiving region 3 and ap + type channel stopper 4 are formed by selective diffusion, and a SiNx film 5 is deposited on the surface as a passivation film by 800Å. The n-side electrode 6 penetrates through the SiNx film 5 and is connected to the n + -type light receiving region 3, and further forms a pad electrode 7 on the n-side electrode 6.

【0021】このようにして得られた基板裏面を所望の
厚みまで研磨した後、裏面にマイクロレンズ8を形成
し、更にAR膜9、p側電極10を裏面に形成すること
により、素子構造を完成する。
After polishing the back surface of the substrate obtained as described above to a desired thickness, a microlens 8 is formed on the back surface, and an AR film 9 and a p-side electrode 10 are further formed on the back surface. Complete.

【0022】次に、本実施例の動作について説明する。
n側電極6及びp側電極10間に逆バイアス電圧が印加
されると、空乏層がn/p(i)界面からp型Ga
P基板1側に伸びる。この状態において0.6μmの光
波長領域の入射光13が基板裏面のマイクロレンズ8に
入射されると、マイクロレンズ8により光吸収層2に集
光され、空乏化した光吸収層2で光キャリアが発生し、
この光キャリアのうち電界により正孔がp側電極10方
向に、電子がn側電極6方向に走行し、その後電極6,
10にそれぞれ到達して電流となることで光電変換がな
される。
Next, the operation of this embodiment will be described.
When a reverse bias voltage is applied between the n-side electrode 6 and the p-side electrode 10, the depletion layer forms p-type Ga from the n + / p (i) interface.
It extends to the P substrate 1 side. In this state, when the incident light 13 in the light wavelength region of 0.6 μm enters the microlens 8 on the back surface of the substrate, it is condensed on the light absorbing layer 2 by the microlens 8 and the light carrier is depleted by the depleted light absorbing layer 2. Occurs,
Out of the photocarriers, holes move toward the p-side electrode 10 and electrons move toward the n-side electrode 6 due to the electric field.
The photoelectric conversion is performed when the current reaches each of 10 and becomes a current.

【0023】本実施例によれば、前記作用の項で説明し
たように、マイクロレンズ8の適用により動作電圧10
V、受光径500μmで帯域1MHz、外部量子効率9
0%のPIN型受光素子を実現できる。
According to the present embodiment, as described in the operation section, the operation voltage 10
V, band width 1 MHz with light receiving diameter of 500 μm, external quantum efficiency 9
A 0% PIN type light receiving element can be realized.

【0024】 次に、本発明の第2実施例について説明
する。図5は本発明の第2実施例の構造断面図を示す。
本実施例はフリップチップ型PIN−PDの実施例で、
その構造としては、まず、p型GaP(100)基板1
上に高密度i−Si光吸収層2を20μm積層する。次
に、n型受光領域3を選択拡散により形成し、エッチ
ングにより基板深さまでメサを形成した後、パッシベー
ション膜として表面にSiNx膜5を800Å堆積す
る。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a structural sectional view of a second embodiment of the present invention.
This example in the embodiment of flip chip type PIN-PD,
First, a p-type GaP (100) substrate 1 is used.
The high-density i-Si light absorbing layer 2 is laminated thereon by 20 μm. Next, an n + -type light receiving region 3 is formed by selective diffusion, a mesa is formed to the substrate depth by etching, and then a SiNx film 5 is deposited on the surface as a passivation film at 800 °.

【0025】n側電極6がSiNx膜5を貫通してn
型受光領域3に接続され、p側電極10がGaP基板1
上に形成される。そして、段差配線11をp側電極10
及び光吸収膜2上に形成し、更にn側電極6及び段差配
線11上にバンプ電極12を形成する。このようにして
得られた基板裏面を所望の厚みまで研磨した後、裏面に
マイクロレンズ8を形成し、更にAR膜9を堆積するこ
とにより、素子構造を完成する。
An n-side electrode 6 penetrates through the SiNx film 5 and n +
And the p-side electrode 10 is connected to the GaP substrate 1.
Formed on top. Then, the step wiring 11 is connected to the p-side electrode 10.
And a bump electrode 12 is formed on the n-side electrode 6 and the step wiring 11. After polishing the back surface of the substrate thus obtained to a desired thickness, a microlens 8 is formed on the back surface, and an AR film 9 is further deposited to complete the element structure.

【0026】本実施例も第1実施例と同様に、前記作用
の項で説明したように、マイクロレンズ8の適用により
動作電圧10V、受光径500μmで帯域1MHz、外
部量子効率90%のPIN型受光素子を実現できる。上
記の実施例の素子構造は、具体的には分子線エピタキシ
ャル成長法(MBE)、ガスソースMBE、気相エピタ
キシャル成長法(VPE)等の成長技術により、作成す
ることができる。なお、本実施例の動作は第1実施例と
同様であるので、その説明は省略する。
Similar to the first embodiment, the present embodiment employs a PIN type having an operating voltage of 10 V, a light receiving diameter of 500 μm, a bandwidth of 1 MHz, and an external quantum efficiency of 90% by applying the microlens 8 as described in the section of the operation. A light receiving element can be realized. The device structure of the above embodiment can be specifically formed by a growth technique such as molecular beam epitaxy (MBE), gas source MBE, and vapor phase epitaxy (VPE). Note that the operation of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

【0027】 次に、本発明の第3実施例について説明
する。図6は本発明の第3実施例の構造断面図を示す。
本実施例の構造としては、まず、p型GaP(100)
基板1上にi−GaN0.08As0.92光吸収層1
4を5μm積層する。このi−GaN0.08As
0.92光吸収層14はエピタキシャル層である。次
に、n型受光領域3を選択拡散により形成し、パッシ
ベーション膜として表面にSiNx膜5を800Å堆積
した後、n側電極6及びパッド電極7をそれぞれ積層す
る。このようにして得られた基板裏面を所望の厚みまで
研磨した後、裏面にマイクロレンズ8を形成し、更にA
R膜9、p側電極10を裏面に形成することにより、素
子構造を完成する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a structural sectional view of a third embodiment of the present invention.
As the structure of this embodiment, first, p-type GaP (100)
I-GaN 0.08 As 0.92 light absorbing layer 1 on substrate 1
4 is laminated by 5 μm. This i-GaN 0.08 As
The 0.92 light absorbing layer 14 is an epitaxial layer. Next, an n.sup. + Type light receiving region 3 is formed by selective diffusion, an SiNx film 5 is deposited on the surface as a passivation film by 800.degree., And an n-side electrode 6 and a pad electrode 7 are respectively laminated. After polishing the back surface of the substrate obtained as described above to a desired thickness, a micro lens 8 is formed on the back surface, and A
The element structure is completed by forming the R film 9 and the p-side electrode 10 on the back surface.

【0028】次に、本実施例の動作について説明する。
n側電極6及びp側電極10間に逆バイアス電圧が印加
されると、空乏層がn/p(i)界面からp型Ga
P基板1側に伸びる。この状態において入射光13が基
板裏面のマイクロレンズ8に入射されると、マイクロレ
ンズ8により光吸収層14に入射光13が集光され、空
乏化した光吸収層2で光キャリアが発生し、この光キャ
リアのうち電界により正孔がp側電極10方向に、電子
がn側電極6方向に走行し、その後電極6,10にそれ
ぞれ到達して電流となることで光電変換がなされる。
Next, the operation of this embodiment will be described.
When a reverse bias voltage is applied between the n-side electrode 6 and the p-side electrode 10, the depletion layer forms p-type Ga from the n + / p (i) interface.
It extends to the P substrate 1 side. In this state, when the incident light 13 is incident on the microlens 8 on the rear surface of the substrate, the incident light 13 is condensed on the light absorbing layer 14 by the microlens 8, and photocarriers are generated in the depleted light absorbing layer 2, Of these photocarriers, holes travel in the direction of the p-side electrode 10 and electrons travel in the direction of the n-side electrode 6 due to the electric field.

【0029】本実施例によれば、前記作用の項で説明し
たように、マイクロレンズ8の適用により動作電圧5V
以下、受光径500μmで帯域3MHz、外部量子効率
90%のPIN型受光素子を実現できる。
According to this embodiment, as described in the section of the operation, the operation voltage of 5 V
Hereinafter, a PIN light receiving element having a light receiving diameter of 500 μm, a band of 3 MHz, and an external quantum efficiency of 90% can be realized.

【0030】 次に、本発明の第4実施例について説明
する。図7は本発明の第4実施例の構造断面図を示す。
本実施例は、フリップチップ型PIN−PDである。本
実施例では、まず、p型GaP(100)基板1上にi
−GaN0.08As0.92光吸収層14を5μm積
層する。次に、n型受光領域3を選択拡散により形成
し、エッチングにより基板深さまでメサを形成した後、
パッシベーション膜として表面にSiNx膜5を800
Å堆積する。そして、n側電極6及びp側電極10をそ
れぞれ形成した後、段差配線11、バンプ電極12を形
成する。このようにして得られた基板裏面を所望の厚み
まで研磨した後、裏面にマイクロレンズ8を形成し、更
にAR膜9を堆積することにより、素子構造を完成す
る。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 shows a structural sectional view of a fourth embodiment of the present invention.
This embodiment is a flip-chip PIN-PD. In this embodiment, first, i-type is formed on the p-type GaP (100) substrate 1.
-The GaN 0.08 As 0.92 light absorption layer 14 is laminated by 5 μm. Next, an n + type light receiving region 3 is formed by selective diffusion, and a mesa is formed to a substrate depth by etching.
800N SiNx film 5 as passivation film
Å Deposit. Then, after forming the n-side electrode 6 and the p-side electrode 10 respectively, the step wiring 11 and the bump electrode 12 are formed. After polishing the back surface of the substrate thus obtained to a desired thickness, a microlens 8 is formed on the back surface, and an AR film 9 is further deposited to complete the element structure.

【0031】本実施例によれば、前記作用の項で説明し
たように、マイクロレンズ8の適用により動作電圧5V
以下、受光径500μmで帯域3MHz、外部量子効率
90%のPIN型受光素子を実現できた。上記の実施例
による素子構造は、具体的にはMBE、ガスソースMB
E、VPE等の成長技術により、作成することができ
る。
According to the present embodiment, as described in the operation section, the operation voltage is 5 V by applying the microlens 8.
Hereinafter, a PIN type light receiving element having a light receiving diameter of 500 μm, a band of 3 MHz, and an external quantum efficiency of 90% was realized. The device structure according to the above-described embodiment is specifically MBE, gas source MB.
It can be formed by a growth technique such as E or VPE.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光吸収及び光電変換を行う層を支持する半導体基板をG
aPにより構成したため、0.6μm帯近傍の光波長領
域の光に対して透明にでき、この半導体基板裏面から
0.6μm帯近傍の光波長領域の光を入射する高速光リ
ンク系の半導体受光素子として使用できる。また、本発
明によれば、光吸収層としてN系エピタキシャル層を用
いることにより、光吸収層厚をシリコンエピタキシャル
層を用いたときよりも薄膜化でき、光吸収層としてシリ
コンエピタキシャル層を用いた場合も、電極反射による
効果が得られるため、従来のSi PIN−PDと比較
しても2/3程度までの薄膜化できるため、キャリア
の走行時間短縮による高速化、空乏化層厚低減による
低動作電圧、等のメリットを有する。
As described above, according to the present invention,
The semiconductor substrate supporting the layer that performs light absorption and photoelectric conversion is G
Since it is made of aP, it can be made transparent to light in the light wavelength region near the 0.6 μm band, and a semiconductor light receiving element of a high-speed optical link system in which light in the light wavelength region near the 0.6 μm band enters from the back of the semiconductor substrate. Can be used as Further, according to the present invention, by using the N-based epitaxial layer as the light absorbing layer, the thickness of the light absorbing layer can be made thinner than when using the silicon epitaxial layer, and when the silicon epitaxial layer is used as the light absorbing layer. Also, since the effect by electrode reflection is obtained, the thickness can be reduced to about 2/3 as compared with the conventional Si PIN-PD, so that the speed is increased by shortening the traveling time of the carrier and the operation is reduced by reducing the thickness of the depletion layer. It has advantages such as voltage.

【0033】また、本発明によれば、PIN構造を持つ
半導体基板1の裏面にマイクロレンズを有しているた
め、半導体基板の裏面から導入された光を、マイクロレ
ンズにより光吸収層に効率的に集光でき、有効受光径5
00μm素子においても、マイクロレンズの適用によ
り、pn接合径200μm以下で、帯域2.5GHz以
上が得られる。以上より、本発明によれば、高速光リン
クに使用して好適な高速特性を有し、かつ、高量子効率
な半導体受光素子を実現できる。
Further, according to the present invention, since the semiconductor substrate 1 having the PIN structure has microlenses on the back surface, light introduced from the back surface of the semiconductor substrate can be efficiently transmitted to the light absorbing layer by the microlenses. Light can be collected at an effective light receiving diameter of 5
Even in the case of the 00 μm element, a band of 2.5 GHz or more can be obtained with a pn junction diameter of 200 μm or less by applying a micro lens. As described above, according to the present invention, a semiconductor photodetector having high-speed characteristics suitable for use in a high-speed optical link and having high quantum efficiency can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施例の構造断面図である。FIG. 1 is a structural sectional view of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の作用の説明のための格子定数とバンド
ギャップの関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a lattice constant and a band gap for explaining the operation of the present invention.

【図3】本発明の作用の説明のためのSiとGaAsの
光波長と吸収係数の関係を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the light wavelength of Si and GaAs and the absorption coefficient for explaining the operation of the present invention.

【図4】 半導体受光素子説明図である。4 is a semiconductors light receiving element illustration.

【図5】本発明の第2実施例の構造断面図である。FIG. 5 is a structural sectional view of a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3実施例の構造断面図である。FIG. 6 is a structural sectional view of a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第4実施例の構造断面図である。FIG. 7 is a structural sectional view of a fourth embodiment of the present invention.

【図8】従来の一例の構造断面図である。FIG. 8 is a structural cross-sectional view of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaP基板 2 i−Si光吸収層 3 n型受光領域 4 p型チャンネルストッパ 5 SiNx膜 6 n側電極 7 パッド電極 8 マイクロレンズ 9 AR膜 10 p側電極 11 段差配線 12 バンプ電極 13 入射光 14 i−GaN0.08As0.92光吸収層Reference Signs List 1 GaP substrate 2 i-Si light absorbing layer 3 n + type light receiving region 4 p + type channel stopper 5 SiNx film 6 n side electrode 7 pad electrode 8 micro lens 9 AR film 10 p side electrode 11 step wiring 12 bump electrode 13 incidence Light 14 i-GaN 0.08 As 0.92 Light absorbing layer

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 少なくともGaP製の半導体基板の表面
上に光吸収層及び受光領域が順次に積層され構造によ
り、該半導体基板の裏面側から導入する入射光に対して
光電変換を行う半導体受光素子において、前記光吸収層は、GaPと格子定数がほぼ一致する窒素
系エピタキシャル層で形成されている ことを特徴とする
半導体受光素子。
1. A semiconductor light receiving device that performs photoelectric conversion on incident light introduced from the back surface side of a semiconductor substrate by a structure in which a light absorbing layer and a light receiving region are sequentially laminated on at least a surface of a semiconductor substrate made of GaP. In the device, the light absorption layer is formed of nitrogen whose lattice constant substantially matches that of GaP.
A semiconductor light-receiving element characterized by being formed of a system epitaxial layer .
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