CN100576576C - 埋入波导型受光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种埋入到Fe掺杂绝缘体层中的埋入波导型受光元件，使该受光元件的泄漏电流减少。所述埋入波导型受光元件具有：n-金属包层(28)，其配设于Fe-InP衬底(24)上；波导(16a)，其配设于该n-金属包层(28)的一部分上、并从Fe-InP衬底(24)侧顺次以脊状层叠有：n-光引导层(30)、具有和所述n型金属包层(28)相同或更高的折射率同时具有比所述n型光引导层(30)的杂质浓度更低的1×1017cm-3以下的杂质浓度或者无掺杂的i-光引导层(31)、比该i-光引导层(31)折射率更高的光吸收层(32)、p-光引导层(34)、以及p-金属包层(36)；封闭层，其配设于Fe-InP衬底(24)上且埋入了波导16a的侧壁。

Description

埋入波导型受光元件
技术领域
本发明涉及一种埋入波导型受光元件，尤其涉及使用在光通讯系统等中的埋入导波型受光元件。
背景技术
伴随着通讯量的飞速增加，正在谋求通讯系统的大容量化，因此，光通讯机器的高速化、小型化、高效率化、低成本化成为必要。
在光通讯的传送系统中，使用两个波长带的光作为信号光。一个是信号光带的中心波长为1.3μm即1.3μm带的信号光和另外一个是信号光带的中心波长为1.55μm即1.55μm带的信号光。
1.55μm带的信号光其光纤的损失小，作为长距离通讯系统的信号光来使用。其称作都市间通讯(干线系统：trunk system)，例如使用于像东京至大阪这样的大都市间的通讯。
另一方面，1.3μm带的信号光其光纤损失大、波长分散少，作为短距离通讯系统的信号光来使用。其称作都市内通讯，比如使用于都市内的通讯。另外，1.3μm带的信号光，使用于称作存取系统的基地与各家庭间的通讯。
目前，作为使用于光通讯系统的接收模块中的半导体受光元件，使信号光从劈开端面入射的构造的受光元件被开发并大批量生产。作为公知的这种半导体受光元件有加感型(loading-type)受光元件(例如，专利文献1[0016]及图1、2及3参照)。该构造为，相对于来自劈开端面的入射光使光入射到透明的引导层，光被波导到形成于离开其入射部数μm以上的位置的光电转换部，在这个光电转换部从引导层露出于层厚方向的光(渐消失波：evanescent wave)进行光电转换，因此，光电转换的方式可以说是间接的，具有入射端面近旁的光电流的集中被缓和，即使在入射强度高的光的情况下也不容易引起响应速度的劣化或受光元件的破坏等这样的特点。
另一方面，为从引导层将露出于层厚方向的光进行光电转换，为了得到原理上的高感度，需要一定长度的波导路。但是，为了得到高感度而增长波导路长时，由于受光元件的元件容量增加，有时不能得到高的高速响应性能。也就是说，感度与高速响应性成为折衷关系。
另外，为了使引导层中的光的封闭很好地进行，并减少光电转换部以外的放射损失，在引导层和光电转换部的侧面，需要使用相对于构成这些的材料折射率比大的非半导体材料的覆膜(例如SiN膜)覆盖。然而，在半导体/非半导体的界面容易产生准位复合、也可能产生从集光的引导层端面、或施加高电场的光电转换部等劣化的情况。
作为解决这些问题的公知的受光元件，提出了埋入波导型受光元件，其具有波导层被埋入Fe掺杂InP层(以下将Fe掺杂InP层简称Fe-InP)的构造(例如，非专利文献1)。
在这种构造中，光封闭层和光吸收层等，通过由半导体构成的Fe-InP埋入，由此形成保护，因而能够得到高的信赖性。
并且，由于为具有光直接通过窗口层入射到光吸收层的构造，即使波导路长不取那样的长度，也能得到高感度，因而具有高感度并且能得到良好的高速响应性的特征。
而且，作为其它的公知例，公开了和n-光封闭层的光吸收层相接的厚度0.6μm的边界层、以及和p-光封闭层的光吸收层相接的厚度0.3μm的边界层分别作为无掺杂层构成的波导型半导体受光元件(例如，专利文献2、〔0030〕以及图1和图2参照)
另外，作为其它的公知例，公开了在光吸收层的下部形成i-InAIGaAs引导层(波长组成1.3μm，层厚0.2μm)、耗尽层更扩展、接合容量减少、能得到高速响应的加感式半导体受光元件。(例如，专利文献3、〔0030〕以及图1和图2参照)
作为其它的公知例，公开了光沿水平方向入射到层构造的波导型受光元件，其将光吸收层掺杂成p型，在其两侧设有光引导层，同样地将一侧光引导层掺杂成p型，相反侧的光引导层为将从光吸收层起顺序形成低浓度层(例如无掺杂层)、n型杂质层的多层构造在半绝缘性的InP衬底上形成台面形。(例如专利文献4、〔0004〕、〔0008〕、〔0009〕、〔0012〕以及图1参照)。
作为其他的公知例，公开了在半绝缘性的InP衬底上设有n-InGaAsP的光引导层，且在该光引导层上具有包含台面形的n-InP的电子迁移层、无掺杂及n型的两层构造的InGaAsP层、P-InGaAs的光吸收层的波导构造的半导体受光元件。(例如专利文献5、〔0004〕、〔0008〕、〔0009〕、〔0012〕以及图1参照)。
作为其他的公知例，公开了40Gbps通信用波导型雪崩光电二极管(avalanche photodiode)(例如非专利文献2参照)。
[专利文献1]特开2003-332613号公报
[专利文献2]特开平10-303449号公报
[专利文献3]特开2001-168371号公报
[专利文献4]特开平11-112013号公报
[专利文献5]特开2000-124493号公报
[非专利文献1][フリツプチツプ実装用40Gbps导波路型PD]石村栄太郎、中路雅晴他、第49回応用物理学関系连合讲演会2002年(平成14年)春季讲演予稿集(2002.3东海大学)1152页27a-ZG-7
[非专利文献2][40Gbps通信用导波路型アバランシエフオトダイオ一ド]清水省悟、芝和宏他、信学技报IEICE Technical ReportOCS2006-40，OPE2006-93，LQE2006-82(2006-10)：pp 11-15。
但是，在具有波导层埋入到Fe-InP层的构造的目前的埋入波导型受光元件中，由于在形成波导层之后使Fe-InP层将重新成长，有时产生p型掺杂剂和Fe相互扩散，在光吸收层和n型光封闭层之间增加暗电流，即增加泄漏电流的问题。作为用于预防这些问题的构造，考虑将光吸收层的层厚加厚，但存在有时高速响应性劣化、高光输入耐力劣化等问题。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明的目的是提供一种减少泄漏电流、具有高感度、可高速工作、波导埋入到Fe掺杂绝缘体层的波导型受光元件的构造。
本发明的埋入波导型受光元件，具有半导体衬底、n型金属包层、波导层、Fe掺杂绝缘体层。其中，所述n型金属包层设置在该半导体衬底上；所述波导层设置在所述n型金属包层的一部分上，并从半导体衬底侧面顺次以脊状层叠有：n型光引导层、具有和所述n型金属包层相同或更高的折射率同时具有比所述n型光引导层的杂质浓度更低的1×1017cm-3以下的杂质浓度或者无掺杂的第一半导体层、比所述第一半导体层折射率更高的光吸收层、p型光引导层、以及p型金属包层；所述Fe掺杂绝缘体层设置在所述半导体衬底上且埋入了所述波导层的侧壁。
本发明的埋入波导型受光元件，通过在n型光引导层和光吸收层之间配设具有1×1017cm-3以下的杂质浓度或者无掺杂的第一半导体层，由于耗尽层变厚，即使p型掺杂剂从p型光引导层经由Fe掺杂绝缘体层在光吸收层中扩散，也能减少暗电流。
附图说明
图1为有关本发明一实施例的埋入波导型受光元件的立体图；
图2为图1的II-II剖面的埋入波导型受光元件的剖面图；
图3为图1的III-III剖面的埋入波导型受光元件的剖面图；
图4为有关本发明一实施例的埋入波导型受光元件的电压-电流特性示意图；
图5为有关本发明一实施例的埋入波导型受光元件的变换例的剖面图；
图6为有关本发明一实施例的埋入波导型受光元件的变换例的剖面图；
图7为有关本发明一实施例的埋入波导路型受光元件的变换例的剖面图；
图8为有关本发明一实施例的埋入波导型受光元件的变换例的剖面图。
具体实施方式
以下的发明的实施例中，对作为光通讯系统的受光元件来使用的埋入波导型PD进行说明。
实施例1
图1为本发明一实施例的埋入波导型受光元件的立体图。
在图1中，该埋入波导型的pin-PD10的前面的劈开端面的受光部12接受箭头所示的信号光14。信号光14例如中心波长λ1为1.55μm。
在pin-PD10的上面侧，经由劈开端面的受光部12配设有含有导入信号光的波导的波导台面16，沿着该波导台面16的表面配设有Ti/Pt/Au的p电极18，或在波导台面16的两侧面及pin-PD10的上面配设有Ti/Au的n电极20。配设有p电极18及n电极20的部分以外的上面被绝缘膜22覆盖。
图2为图1的II-II剖面的埋入波导型受光元件的剖面图，即为与信号光入射方向交叉的方向的剖面、即用与波导垂直的剖面剖切的剖面图。
图3为图1的III-III剖面的埋入波导型受光元件的剖面图，即为沿信号光入射方向的剖面、用波导的延长方向的剖面剖切的剖面图。
另外，在图中相同符号是同一个部件或是相当的部件。
在图2中，在作为半导体衬底的例如半绝缘体的Fe-InP衬底24上，从Fe-InP衬底24起顺次设置有n型InGaAs(以下简称“n型”为“n-”，“p型”为“p-”，“无掺杂”为“i-”)的n-接触层26及n-InP的n-金属包层28。在该金属包层28的上面，经由受光部12配设有导入信号光14的波导台面16。
波导台面16，具有从n-接触层26一侧顺次层叠有：n-金属包层28的中央部的部分层、设置于该n-金属包层28的中央部的部分表面上的n-InGaAsP的n-光导层30、设置于该n-光导层30的表面上的作为第一半导体层的i-InGaAsP的i-光引导层31、设置于该i-光引导层31的表面上的i-InGaAs的光吸收层32、设置于光吸收层32的表面上的p-InGaAs的p-光引导层34、设置于该p-光引导层34的表面上的p-InP的金属包层36、以及设置于金属包层36表面上的p-InGaAs的p-接触层40的、作为波导层的波导16a；配设于波导16a的两侧、形成波导台面16的侧面的、作为Fe掺杂绝缘体层的Fe-InP的封闭层38。
配设于波导16a的两侧的封闭层38，用比光吸收层32折射率低的材料形成，由此，能够使其和波导16a的折射率差增大，从而能够提高光的封闭效率并提高受光元件的受光灵敏度。
更进一步地，p-接触层40的表面分别设有p电极18、和覆盖封闭层38的两侧面并且与n-接触层26的表面连接的n-电极20。未覆盖p电极18和n-电极20的波导台面16的表面设有绝缘膜22，p电极18和n-电极20通过绝缘膜22电分离。
在图3中，波导16a前方的受光侧具有劈开端面38a，例如设有Fe-InP的封闭层38。在波导16a的后方也设有Fe-InP的封闭层38。即波导16a的侧壁埋入Fe掺杂InP的封闭层38，且在该封闭层38中被劈开作为芯片而形成。并且，经由封闭层38的劈开端面的受光部12信号光被导入到波导16a。
在该实施例中，波导16a的长度方向、即光的前进方向的长度为20μm，波导16a的宽度为4μm。
在该实施例中，光吸收层32的层厚da设定为例如350nm，i-光引导层31也同样地设定为150nm。
在该实施例中，将Be作为p型掺杂剂时，其和Fe-InP之间的相互扩散是450nm左右。因而具有通过插入i-光引导层31充分降低暗电流的效果。该实施例的光吸收层32和i-光引导层31的层厚是一例，考虑频率特性、暗电流特性、使用的p型掺杂剂的浓度、以及Fe-InP层的Fe的浓度等，可以取各种各样的值。
例如，p型掺杂剂和Fe-InP层中的Fe之间相互扩散非常少时、和光吸收层32的层厚比较厚等时，即使i-光引导层31的层厚为50nm左右，也能得到降低暗电流的效果。另外，通过在频率特性和工作电压使用上没有问题的范围，将i-光引导层31加厚，可改善暗电流特性。例如，考虑在数V左右工作时，如果i-光引导层31的层厚为1μm以下，由于使其充分耗尽，就可以得到良好的暗电流。另外，例如，为了用于40Gbps通讯工作，考虑高速响应性时，i-光引导层31的层厚理想的是300nm以下，且设定在100nm～200nm之间的范围，由此，频率特性不会劣化，从而可以得到良好的暗电流特性。
n-光引导层30以及p-光引导层34的材料即InGaAsP的折射率比n-金属包层28以及p-金属包层36的材料的折射率大，从n-光引导层30、i-光引导层31以及p-光引导层34的材料的光学带隙(bandgap)求出的波长λg为1.4μm。
另外，在该实施例中，将i-光引导层31的折射率设定为比n-金属包层28的折射率还高，但和n-金属包层28的折射率相同也可以。
另外，将i-光引导层31的折射率设定为比光吸收层32的折射率低。
添加在各层的n型杂质为IV族元素(如Si、S等)、p型杂质为II族元素(如Be、Zn等)。在pin-PD10中光吸收层32为无掺杂，特别是不添加杂质。
各层载流子浓度为：n-接触层26为1×1018cm-3、n-金属包层28为1×1018cm-3、n-光引导层30为1×1018cm-3，i-光引导层31在该实施例中为无掺杂，但是n型的载流子浓度只要为1×1017cm-3以下，例如为1×1014cm-3～1×1017cm-3即可。
其他的各层载流子浓度为：p-光引导层34为1×1018cm-3，p-金属包层为36为5×1018cm-3，p-接触层40为1×1019cm-3。
因而，在波导16a中，p-光引导层34和n-光引导层30和夹在这两层之间的光吸收层32，也包括i-光引导层31，形成p/i/n结点。
接着，简要说明该实施例的pin-PD10的制造方法。
首先，在半绝缘的Fe掺杂的InP衬底24上，通过气相成长法例如MOCVD法以所定的厚度，将作为n-接触层26的n-InGaAs层、作为n-金属包层28的n-InP层、作为n-光引导层30的n-InGaAsP层、作为i-光引导层31的n-InGaAsP层、作为光吸收层32的i-InGaAs层、作为p-光引导层34的p-InGaAsP层、作为p-金属包层36的p-InP层、以及作为p-接触层40的p-InGaAs层顺次层叠。
其次，在作为这些层叠的最上层的p-接触层40的p-InGaAs层表面上形成SiO2膜，残留对应于应形成波导16a的上表面的SiO2膜，且在周围形成具有开口的绝缘膜图案，将该绝缘膜图案作为掩模进行蚀刻，由此，形成光的前进方向的长度方向的尺寸为20μm、宽度方向尺寸为4μm的波导16a。这时，绝缘膜图案按阶段加工，由此形成在作为n-金属包层28的n-InP层完全露出的地方停止蚀刻的部分、即波导16a的前面以及两侧面的部分、和直到InP衬底24露出之前进行蚀刻的部分、即波导16a的后方部分。
接着，将通过湿蚀刻除去干蚀刻时形成的损坏层、并用使用于蚀刻的绝缘膜图案进行选择成长，由此，形成波导16a并埋入Fe-InP的封闭层38。关于这种埋入成长，将SiO2膜的绝缘膜图案作为选择成长膜保留，由此，可防止在波导16a上Fe-InP的再成长，且以受光元件表面能够变得平坦的方式埋入封闭层38。例如，该封闭层38的Fe浓度为1×1017cm-3左右。
然后，除去绝缘膜图案，通过照相制版工艺重新形成绝缘膜图案，通过湿蚀刻形成波导台面16，形成n电极20，利用p-CVD装置通过SiN形成绝缘膜22，进一步形成p电极18。
之后，直到合适的厚度将InP衬底24的背面蚀刻并形成焊接用的背面金属，从而结束晶片制作工序。
这样构成的pin-PD10在形成波导16a后，进行将Fe-InP埋入波导16a的周围的埋入成长，但是，在进行埋入成长过程中p-光引导层34包含有的p型杂质，例如Be或Zn和Fe-InP层的Fe相互进行扩散，从而p型掺杂剂扩散在Fe-InP层中。
由于Be和Zn之类的p型掺杂剂和Fe之间的相互扩散速度非常大，在短时间内扩散到光吸收层32的侧面上，接着扩散到光吸收层32的内部。
在该实施例的pin-PD10中，即使在光吸收层32的内部形成扩散p型掺杂剂的扩散区域，由于在光吸收层32和n-光引导层30之间插入有i-光引导层31，在形成于光吸收层32内部的p型掺杂剂的扩散区域和n-光引导层30之间也不会构成局部的耗尽层的狭小区域。
也就是说，i-光引导层31的层厚量的耗尽层就会增加，就会在光吸收层32内部的耗尽层的基础上，确保i-光引导层31的层厚量的耗尽层。
因此，可以抑制光吸收层32内部的p型掺杂剂的扩散区域和n-光引导层30之间电场的增加。这样的结果是，能防止从光吸收层32向n-光引导层30流动的暗电流的增加。进而，可以防止受光元件的S/N比的下降。
进一步地，由于i-光引导层31比光吸收层32带隙大，通过将其插入而使暗电流降低。因此，即使假设将i-光引导层31的厚度量作为加厚光吸收层32并施加相同电场的情况下，在原理上，插入i-光引导层31的方法能够使暗电流降低。
图4为本发明一实施例埋入波导型受光元件的电压-电流特性示意图。
在图4中，横轴为反向电压，纵轴为暗电流。并且，实线的曲线a为本实施例的插入i-光引导层31的情况，虚线的曲线b为用于比较而记载的情况，表示没有插入i-光引导层31时的埋入波导型受光元件的电压-电流特性。
如图4所示可知，在施加相同的反向电压时，通过插入i-光引导层31可降低暗电流。
如上所述，在该实施例的埋入波导型受光元件中，用Fe-InP层埋入周围的波导16a，在光吸收层32和n-光引导层30之间插入有i-光引导层31。因此，即使在光吸收层32上形成经由Fe-InP层扩散的p型掺杂剂的扩散区域，也能确保p型掺杂剂的扩散区域和n-光引导层30之间充足的耗尽层厚度，因此，能够不增高电场而抑制暗电流的增加。进而，能防止受光元件的S/N比的下降。
变换例1
图5为本发明一实施例的埋入波导型受光元件的变换例的、用和波导垂直的剖面剖切的剖面图。图6为有关本发明一实施例的埋入波导型受光元件的变换例的、用波导的延长方向的剖面剖切的剖面图。
该变换例1的埋入波导型受光元件的立体图和实施例1的埋入波导型受光元件的立体图即图1相同。
因此，图5是图1的II-II剖面的埋入波导型受光元件的剖面图，即与信号光入射方向交叉的方向的剖面的剖面图，图6为图1的III-III剖面的埋入波导型受光元件的剖面图，即沿信号光入射方向剖面的剖面图。
在图5及图6中所示的pin-PD50和图2及图3中所示的pin-PD10不同的构成点为，相对于在pin-PD10上光吸收层仅由i-InGaAs的光吸收层32形成，在pin-PD50上，光吸收层由紧接i-光引导层31之后配设的i-InGaAs的第一光吸收层32a和紧接该第一光吸收层32a形成的p-InGaAs的第二光吸收层32b形成，紧接该第二光吸收层32b形成有p-光引导层34。
另外，pin-PD50的制造方法与pin-PD10的制造方法中层叠工序也有不同，其不同点只是：作为光吸收层形成i-InGaAs的第一光吸收层32a和紧接该第一光吸收层32a形成p-InGaAs的第二光吸收层32b。
在该变换例中，第一光吸收层32a由i-InGaAs形成，但为工作时充分耗尽的低载流子浓度，例如载流子浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3也可以。另外，第二光吸收层32b的载流子浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3，产生于第二光吸收层32b内的感光载流子接受内部电场且以电子的迁移率过冲(overshoot)的方式进行设计。
在变换例的pin-PD50中，i-光引导层31、第一光吸收层32a、以及第二光吸收层32b的层厚分别设定为，例如：150nm、350nm、及100nm。该变换例的i-光引导层31、第一光吸收层32a、及第二光吸收层32b的层厚是一例，考虑频率特性、暗电流特性、使用的p型掺杂剂浓度、以及Fe-InP层的Fe的浓度等，可以取各种各样的值。
例如p型掺杂剂和Fe-InP层中的Fe之间相互扩散非常少时、或光吸收层32的层厚比较厚时等，i-光引导层31的层厚为50nm左右也能得到使暗电流降低的效果。并且，在频率特性和工作电压没有使用问题的范围，将i-光引导层31加厚，由此，可改善暗电流特性。例如，考虑数V左右的工作时，如果i-光引导层31的层厚为1μm以下，由于充分耗尽，因此，可以得到良好的暗电流特性。另外，例如，为了用于40Gbps通讯工作而考虑高速响应性时，i-光引导层31的层厚理想的是300nm以下，且设在100nm～200nm的范围，因而，频率特性不会劣化，可以得到良好的暗电流特性。
在pin-PD50中的其他构成和实施例1的pin-PD10是同样的，和pin-PD10产生的效果也一样。
变换例2
图7为有关本发明的一实施例埋入波导型受光元件的变换例的、用和波导垂直的剖面剖切的剖面图。图8为有关本发明的一实施例埋入波导型受光元件的变换例的、用波导延长方向的剖面剖切的剖面图。
该变换例2的埋入波导型受光元件的立体图和实施例1的埋入波导路型受光元件的立体图即图1是相同的。因而，图7是图1的II-II剖面的埋入波导型受光元件的剖面图，即与信号光入射方向交叉方向剖面的剖面图，图8为图1的III-III剖面的埋入波导型受光元件的剖面图，即沿信号光入射方向剖面的剖面图。
图7及图8所示的埋入波导型受光元件是雪崩光电二极管(APD)。
在图7及图8中所示的APD60和图2及图3中所示的pin-PD10不同的构成为，n-光引导层30由载流子浓度为1×1019cm-3的n-AlInAs形成，i-光引导层31由无掺杂或n型载流子浓度为1×1017cm-3以下、例如1×1014cm-3～1×1017cm-3的AlInAs形成，p-光引导层34由载流子浓度为1×1018cm-3的n-AlInAs形成。
进一步地，在pin-PD10的构成的基础上，n-光引导层30和i-光引导层31之间，由无掺杂或载流子浓度例如为1×1014cm-3～1×1016cm-3的AlInAs形成的倍增层62、及由载流子浓度例如为1×1018cm-3的p-AlInAs形成的电场调整层64，从n-光引导层30侧开始顺次配设。
另外，APD60的制造方法和pin-PD10的制造方法中的层叠工序也有不同，其不同点只是：n-光引导层30由载流子浓度为1×1019cm-3的n-AlInAs形成，i-光引导层31由无掺杂或n型载流子浓度为1×1017cm-3以下、例如1×1014cm-3～1×1017cm-3的AlInAs形成，p-光引导层34由载流子浓度为1×1018cm-3的n-AlInAs形成。同时在n-光引导层30和i-光引导层31之间，自n-光引导层30侧起还形成作为倍增层62的AlInAs层以及作为电场调整层64的p-AlInAs。
在该变换例2中，i-光引导层31及光吸收层32的层厚都设定为250nm。而且各AlInAs层形成为和InP衬底进行格子整合的层。
这个构成也和实施例1的pin-PD10相同，能抑制光吸收层32内部的p型掺杂剂的扩散层与n-光引导层30之间电场的增加。其结果是，能够防止从光吸收层32向n-光引导层30流动的暗电流的增加。进而，能防止受光元件的S/N比的下降。
进一步，由于i-光引导层31比光吸收层32带隙大，因此，即使假设将i-光引导层31的厚度量作为加厚光吸收层32并施加相同电场的情况下，在原理上，插入i-光引导层31的方法也能够使暗电流降低。
而且，在变换例2的APD60中，将光吸收层设定为1层光吸收层32，而如变换例1的pin-PD50那样，光吸收层由紧接i-光引导层31配设的i-InGaAs的第一光吸收层32a和紧接该第一光吸收层32a配设的p-InGaAs的第二光吸收层32b形成也可以。
如上所述，与本发明有关的埋入波导型受光元件具有：半导体衬底；设置在该半导体衬底上的n型金属包层；波导层；设置在所述半导体衬底上且埋入所述波导层侧壁的Fe掺杂绝缘体层，
其中，所述波导层设置在所述n型金属包层的一部分上，并从半导体衬底侧面顺次以脊状层叠有：n型光引导层、具有和所述n型金属包层相同或更高的折射率同时具有比所n型光引导层的杂质浓度更低的1×1017cm-3以下的杂质浓度的或者无掺杂的第一半导体层、比所述第一半导体层折射率更高的光吸收层、p型光引导层、以及p型金属包层。
在与本发明有关的埋入波导型受光元件中，通过在n型光引导层与光吸收层之间设置具有低于1×1017cm-3以下的杂质浓度的、或者配设无掺杂的第一半导体层，由于耗尽层加厚，即使p型掺杂剂从p型光引导层经由Fe掺杂绝缘体层在光吸收层扩散也能减少暗电流。
因此，能构成泄漏电流少、感度高、可高速工作的、埋入到Fe掺杂绝缘体层中的波导型受光元件，进而可以构成S/N比高、功率效率高的波导型受光元件。
工业上的应用性
以上所述，与本发明有关的埋入波导型受光元件适用于光通讯系统使用的、高感度、要求高速工作、且S/N比高、功率效率高的埋入波导型受光元件。

Claims (8)

1.一种埋入波导型受光元件，其特征在于，具有：
半导体衬底；
设置在该半导体衬底上的n型金属包层；
波导层，设置在所述n型金属包层的一部分上，并从半导体衬底侧开始，以脊状顺次层叠有：n型光引导层、具有和所述n型金属包层相同或更高的折射率同时具有比所述n型光引导层的杂质浓度更低的1×1017cm-3以下的杂质浓度或者无掺杂的第一半导体层、比所述第一半导体层折射率更高的光吸收层、p型光引导层、p型金属包层；以及
Fe掺杂绝缘体层，设置在所述半导体衬底上且埋入了所述波导层的侧壁。
2.根据权利要求1所述的埋入波导型受光元件，其特征在于，
光吸收层具有：
设置在半导体衬底侧的无掺杂的第一光吸收层和设置在p型光引导层侧的p型第二光吸收层。
3.根据权利要求1或2所述的埋入波导型受光元件，其特征在于，
n型光引导层和第一半导体层之间还具有从半导体衬底侧顺次设置的无掺杂倍增层和p型电场调整层。
4.根据权利要求1或2所述的埋入波导型受光元件，其特征在于，
将第一半导体层的层厚设为50nm以上1μm以下。
5、根据权利要求1或2所述的埋入波导型受光元件，其特征在于，
第一半导体层由InGaAsP或InAlGaAs形成。
6.一种埋入波导型受光元件的制造方法，包括以下工序：
在半导体衬底上，顺次形成n型金属包层、n型光引导层、具有与n型金属包层相同或更高折射率同时具有比n型光引导层的杂质浓度更低的1×1017cm-3以下的杂质浓度或无掺杂的第一半导体层、比该第一半导体层折射率更高的光吸收层、p型光引导层、以及p型金属包层，从而形成半导体层叠结构的工序；
在半导体层叠结构的表面上，通过照相制版工艺形成掩模图案，将该掩模图案作为掩模从半导体层叠结构的表面开始直到完全去除n型光引导层为止进行蚀刻，形成脊状层叠的波导层的工序；以及
通过将用于蚀刻的掩模图案作为掩模选择成长，由Fe掺杂绝缘体层将波导层的侧壁埋入的工序。
7.根据权利要求6所述的埋入波导型受光元件的制造方法，其特征在于，
光吸收层由半导体衬底侧的无掺杂的第一光吸收层和该第一光吸收层上的p型第二光吸收层形成。
8.根据权利要求6或7所述的埋入波导型受光元件的制造方法，其特征在于，
在半导体层叠结构的n型光引导层和第一半导体层之间，还从半导体衬底侧顺次形成有无掺杂倍增层及p型电场调整层。
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010010450A (ja) * 2008-06-27 2010-01-14 Mitsubishi Electric Corp 導波路型受光素子
JP5742344B2 (ja) 2011-03-20 2015-07-01 富士通株式会社 受光素子、光受信器及び光受信モジュール
JP5983076B2 (ja) * 2012-06-15 2016-08-31 三菱電機株式会社 フォトダイオードアレイ
JP6138018B2 (ja) * 2013-10-03 2017-05-31 三菱電機株式会社 赤外線固体撮像素子
JP2015162576A (ja) * 2014-02-27 2015-09-07 住友電気工業株式会社 半導体光集積素子、半導体光集積素子を作製する方法
JP6807691B2 (ja) * 2016-09-27 2021-01-06 日本ルメンタム株式会社 半導体光素子、及びその製造方法
JP7037958B2 (ja) * 2018-02-27 2022-03-17 住友電気工業株式会社 半導体光集積デバイス
JP7147669B2 (ja) * 2019-04-09 2022-10-05 日本電信電話株式会社 半導体受光素子
US11978812B2 (en) 2020-02-26 2024-05-07 Mitsubishi Electric Corporation Waveguide photodetector
JP7294572B2 (ja) * 2020-03-02 2023-06-20 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 光導波路型受光素子
US20230178666A1 (en) * 2020-10-09 2023-06-08 Mitsubishi Electric Corporation Waveguide photodetector
KR20240127459A (ko) * 2022-01-27 2024-08-22 인피레이 테크놀로지 컴퍼니 리미티드 적외선 검출기 및 그 제조 방법
CN115113348B (zh) * 2022-06-30 2024-01-23 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司 一种硅光器件及其制备方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3184246B2 (ja) * 1990-06-04 2001-07-09 日本電信電話株式会社 導波路型半導体受光素子
US5889913A (en) * 1995-03-15 1999-03-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Optical semiconductor device and method of fabricating the same
JPH09283786A (ja) * 1996-04-19 1997-10-31 Nec Corp 導波路型半導体受光素子とその製造方法
JP3691631B2 (ja) * 1997-04-30 2005-09-07 古河電気工業株式会社 導波路型半導体受光素子
JPH11112013A (ja) * 1997-09-30 1999-04-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体受光素子
JPH11330536A (ja) * 1998-05-13 1999-11-30 Nec Corp 半導体受光素子
JP3688909B2 (ja) * 1998-10-13 2005-08-31 日本電信電話株式会社 半導体受光素子
JP3705013B2 (ja) * 1999-05-24 2005-10-12 日本電気株式会社 半導体素子
JP3452005B2 (ja) * 1999-12-06 2003-09-29 日本電気株式会社 装荷型半導体受光素子
US6664605B1 (en) * 2000-03-31 2003-12-16 Triquint Technology Holding Co. Dopant diffusion blocking for optoelectronic devices using InAlAs and/or InGaAlAs
JP4173716B2 (ja) * 2002-10-21 2008-10-29 三菱電機株式会社 導波路型フォトダイオードおよびその製造方法
JP3757955B2 (ja) * 2003-05-12 2006-03-22 日本電気株式会社 装荷型半導体受光素子
JP4318981B2 (ja) * 2003-07-29 2009-08-26 三菱電機株式会社 導波路型受光素子
JP4291085B2 (ja) * 2003-08-25 2009-07-08 三菱電機株式会社 導波路型受光素子

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