CN101521245B - 半导体受光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于得到一种能够提高波长稳定性的半导体受光元件。n型InP衬底(11)(半导体衬底)具有彼此对置的下表面(第一主面)和上表面(第二主面)。在n型InP衬底11的下表面从n型InP衬底(11)侧依次形成的n型多层反射层(12)(第一反射层)、吸收层(13)、p型相位调整层(14)和阳极电极(15)(第二反射层)。在n型InP衬底(11)的上表面上形成的防反射膜(17)。n型多层反射层(12)是层叠了折射率不同的半导体层的多层反射层。吸收层(13)的带隙比n型InP衬底(11)小。p型相位调整层(14)的带隙比吸收层(13)大。n型多层反射层(12)和吸收层(13)不通过其他层地接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够提高波长稳定性的半导体受光元件。
背景技术
图9是示出表面射入型的共振型光电二极管(PD)的截面图。在n型InP衬底101的上表面依次形成n型多层反射层102、n型相位调整层103、i型InGaAs吸收层104、p型相位调整层105以及p型多层反射层106。在p型多层反射层106上形成有阳极电极107，在n型InP衬底101下表面形成有阴极电极108。该PD安装在基座109上。
对于n型多层反射层102、p型多层反射层106来说，例如，是层叠了InP和InGaAsP等折射率不同的半导体层的结构，具有使光反射或透过的作用。n型相位调整层103、p型相位调整层105与吸收层104相比，带隙较大。
接下来，简单地说明上述共振型PD的动作。施加5V左右的反偏压，使得阳极电极107的电位比阴极电极108的电位低。从图的上侧射入的光在n型多层反射层102和p型多层反射层106之间往返(共振)，并且由吸收层104吸收。由所吸收的光产生电子和空穴的对，分别流向阴极电极108和阳极电极107侧，作为电流进行输出。这样，在共振型PD中，由于使光在吸收层中往返(共振)多次而吸收，所以，即使吸收层变薄也能够得到较高的量子效率，提高光的共振Q值。所谓量子效率是在一个光子射入到PD中的情况下，产生一个电子空穴对的几率。
图10是示出背面射入型的共振型光电二极管(PD)的截面图。在n型InP衬底101的下表面，依次形成n型多层反射层102、n型相位调整层103、i型InGaAs吸收层104、p型相位调整层105以及反射层110。在n型InP衬底101的上表面形成防反射膜111。从图的上侧射入的光，与图9的PD相同地，在n型多层反射层102和反射层110之间往返(共振)，并且由吸收层104吸收(例如，参考专利文献1)。
专利文献1特开2001-308368号公报
图11、12分别是示出图9、图10的PD的量子效率的波长依赖性的仿真结果。当射入光的波长改变时，在几nm的较小的周期内量子效率产生激烈地变化。因此，即使射入光的波长仅变化1nm，从PD输出的电流也会大幅度地变化，波长稳定性变差。
因此，发明人分析在图9、图10的PD中为什么量子效率的波长依赖性大。在图9的PD中，射入到吸收层104中的光的一部分透过n型多层反射层102而进入n型InP衬底101中。并且，进入n型InP衬底101中的光在阴极电极108和n型多层反射层102之间往返，在n型InP衬底101内产生共振模式。另一方面，在吸收层104的附近，存在n型多层反射层102和p型多层反射层106之间的模式、n型多层反射层102和吸收层104之间的模式、p型多层反射层106和吸收层104之间的模式。发明人通过计算发现，该吸收层104附近的三个共振模式和n型InP衬底101内的共振模式干涉，产生复合共振模式，所以，产生上述量子效率的波长依赖性。特别是，可知在接近n型InP衬底101一侧的n型相位调整层103内产生的共振模式容易与n型InP衬底101内的共振模式耦合而形成复合共振模式，对量子效率的波长依赖性有很大的影响。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而进行的，其目的是得到一种能够提高波长稳定性的半导体受光元件。
本发明的半导体受光元件的特征在于，具备：具有彼此对置的第一主面和第二主面的半导体衬底；在半导体衬底的第一主面上从半导体衬底侧依次形成的第一反射层、吸收层、相位调整层以及第二反射层；在半导体衬底的第二主表面上形成的防反射膜，其中，第一反射层是层叠有折射率不同的半导体层的多层反射层，吸收层的带隙比半导体衬底小，相位调整层的带隙比吸收层大，第一反射层和吸收层不通过其他层地接触。本发明的其他特征在以下明确。
附图说明
图1是示出本发明实施方式1的半导体受光元件的截面图。
图2是示出图1的半导体受光元件的量子效率的波长依赖性的仿真结果。
图3是示出本发明实施方式1的半导体受光元件的量子效率以及多层反射层的反射率的层数依赖性的图。
图4是示出本发明实施方式2的半导体受光元件的截面图。
图5是示出本发明实施方式3的半导体受光元件的截面图。
图6是示出本发明实施方式4的半导体受光元件的截面图。
图7是示出本发明实施方式5的半导体受光元件的截面图。
图8是示出本发明实施方式6的半导体受光元件的截面图。
图9是示出表面射入型的共振型光电二极管(PD)的截面图。
图10是示出背面射入型的共振型光电二极管(PD)的截面图。
图11是示出图9的PD的量子效率的波长依赖性的仿真结果。
图12是示出图10的PD的量子效率的波长依赖性的仿真结果。
具体实施方式
实施方式1
图1是示出本发明实施方式1的半导体受光元件的截面图。本实施方式的半导体受光元件是从图的上侧射入光的背面射入型共振型光电二极管(PD)。
n型InP衬底11(半导体衬底)具有彼此对置的下表面(第一主面)和上表面(第二主面)。在n型InP衬底11的下表面，从n型InP衬底11侧依次形成n型多层反射层12(第一反射层)、吸收层13、p型相位调整层14(相位调整层)和阳极电极15(第二反射层)。在n型InP衬底11的上表面形成阴极电极16。阴极电极16具有用于射入光的开口。在阴极电极16的开口中形成防反射膜17。该PD安装在基座18上。
在此，n型多层反射层12是层叠有折射率不同的半导体层的多层反射层。各层的光学膜厚是射入到PD的波长的大约四分之一的n倍(n＝1，3，5，7，...)。具体地说，作为n型多层反射层12，使用InGaAs/InP、InGaAsP/InP、AlInAs/AlGaInAs、AlInAs/InGaAs等的组合、或组成不同的InGaAsP/InGaAsP、AlGaInAs/AlGaInAs或组合三种以上这些材料的材料。
此外，吸收层13由带隙比n型InP衬底11小的材料例如InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs构成，通常是低载流子浓度。优选吸收层13的光学膜厚比射入到PD中的波长的大约四分之一大。防反射膜17由SiN或TiO2/SiO2等绝缘膜(电介质膜)构成。阳极电极15具有对透过吸收层13的光进行反射、并使其再次返回到吸收层13的功能。基座18具有对阳极电极15供电或散发PD中产生的热量的功能。
p型相位调整层14由带隙比吸收层13大的材料例如p型InP构成。但是，对于p型相位调整层14来说，可以是InGaAsP或AlGaInAs等，也可以在i型InP层中利用选择扩散形成p型区域。
说明本实施方式的半导体受光元件的效果。从防反射膜17射入的光透过n型多层反射层12进入到吸收层13内，一边在阳极电极15和n型多层反射层12间往返(共振)一边由吸收层13吸收。因此，即便使吸收层变薄，也可以得到较高的量子效率。
由n型多层反射层12反射后的光再次返回到n型InP衬底11。n型InP衬底11上表面的防反射膜17实际上具有0.4％左右的残留反射率，所以，反射光不会放出到外部的空间，而是在n型InP衬底11内产生共振模式。
在此，在图9、图10的PD中，从吸收层104观察，在靠近n型InP衬底101的一侧具有n型相位调整层104，所以，该n型相位调整层104内的共振模式与n型InP衬底101内的共振模式耦合，形成复合共振模式。另一方面，在本实施方式中，n型多层反射层12和吸收层13不通过其他层地接触。即，从吸收层13观察，在靠近n型InP衬底11的一侧没有相位调整层。因此，能够减少复合共振模式，提高波长稳定性。
图2是示出图1的半导体受光元件的量子效率的波长依赖性的仿真结果。在该计算中，使防反射膜17的反射率为0.4％。比较图2和图11、图12，明显地在较小的周期内产生的量子效率的变动减少。例如，在图11中，波长变化仅4nm左右，量子效率最大变化50％，与此相对，在图2中，即使波长变化4nm，量子效率的变化量也是2～3％以下。
此外，吸收层13的光学膜厚与射入光的波长的四分之一波长相比充分大时，吸收层13中的共振的Q值降低，所以，更难以发生复合共振模式。
此外，成为共振端面的n型多层反射层12和阳极电极15的间隔D与吸收层13和p型相位调整层14的总计膜厚相同。因此，在吸收层13的膜厚比p型相位调整层14的膜厚大时，间隔D的一半以上由吸收层13占有，吸收层13中的共振Q值急剧地下降到阈值以下，难以发生复合共振模式。例如，在间隔D的60％由吸收层13占有的情况下，在1555nm波长附近几乎不会产生量子效率的波长依赖性。
此外，调整p型相位调整层14的膜厚，使得吸收层13和p型相位调整层14的光学膜厚的总计是射入光的波长的四分之一的整数倍。由此，可以防止在吸收层13中产生的电子或空穴在p型相位调整层14和阳极电极15的界面复合。并且，调整从阳极电极15反射的光的相位，使得在吸收层13中对于所希望的波长产生共振。
此外，图3是示出本发明实施方式1的半导体受光元件的量子效率和多层反射层的反射率的层数依赖性的图。可知在n型多层反射层12的层数是5～10对的情况下，PD的量子效率变高。在这种情况下，n型多层反射层12的反射率是20％～70％。这是因为，当n型多层反射层12的反射率变高时，在吸收层13中容易产生共振，但是，使反射率过高时，向吸收层射入的光减少。
此外，优选阳极电极15的反射率为40％以上。阳极电极15的反射率越高，PD的量子效率越高。
此外，在图9、图10的PD中，由热传导性较差的多层反射层夹持吸收层的上下，所以，所产生的热集中，吸收层的温度上升。此外，多层反射层的电阻较高的情况很多，这也成为发热的原因。由于这样的温度上升，量子效率的波长依赖性变化。与此相对，在本实施方式中，在基座18和吸收层13之间不存在多层反射层。因此，发热变少，并且热难以集中，所以，能够谋求量子效率的稳定化。
并且，代替n型InP衬底11，也可以使用透光性较高的掺杂Fe的InP衬底。在此情况下，需要将阴极电极16另外连接到n型半导体层例如n型多层反射层12上。
实施方式2
图4是示出本发明实施方式2的半导体受光元件的截面图。接触层21环状地配置于在接收光的受光区域配置的阳极电极15(第二反射层)的周围，并且，连接到p型相位调整层14。作为接触层21，使用带隙比p型相位调整层14小的InGaAs或InGaAsP等半导体层或AuZn等接触电阻较小的金属。其他结构与实施方式1的结构相同。
利用接触层21使阳极电极15和p型相位调整层14的接触电阻降低，所以，发热被抑制，量子效率变稳定。并且，可以将接触层21设置在p型相位调整层14和阳极电极15之间的整个面上。但是，一般地，对于接触层21来说，光的反射率较低，所以，如上所述，若仅在受光区域的外侧设置接触层21，就能够不降低反射率地来降低电阻。
实施方式3
图5是示出本发明实施方式3的半导体受光元件的截面图。反射率较高的反射增强层22(第二反射层)设置在p型相位调整层14上的接收光的受光区域。接触层21环状地配置在反射增强层22的周围，并且，连接到p型相位调整层14。在反射增强层22以及接触层21上设置有阳极电极15(金属膜)。其他结构与实施方式1的结构相同。
设置反射增强层22，由此，能够进一步提高PD的量子效率。作为反射增强层22，使用Si3N4、SiO2、非晶Si、Al2O3、TiO2等电介质的单层或多层膜。在该情况下，具有抑制p型相位调整层14和阳极电极15的合金化的作用，所以，进一步提高反射率。此外，作为反射增强层22，也可以使用半导体的单层或多层膜。例如，作为反射增强层22，如果使用多层反射层，能够提高反射率。
此外，如果使用电介质或半导体的多层膜作为反射增强层22，并且调整光学膜厚，则反射增强层22也起到产生吸收层13中的共振的相位调整层的作用。
此外，在阳极电极15和p型相位调整层14进行合金化时，反射率降低。因此，作为在阳极电极15和p型相位调整层14之间所设置的反射增强层22，可以使用例如铂、钼、Ni、Cr或Ti等与p型相位调整层14难以合金化的金属(势垒金属)。换句话说，作为反射增强层22，使用与p型相位调整层14的连接成为肖特基连接的金属。由此，可以提高来自阳极电极15的反射率。但是，由于肖特基连接，也存在当低光电流动作时连接电阻增加的顾虑。因此，作为配置在受光区域周围的接触层21，使用与p型相位调整层14的连接成为欧姆连接的金属例如AuZn、Ti、Cr等。由此，能够不使连接电阻恶化地得到较高的反射率。
实施方式4
图6是示出本发明实施方式4的半导体受光元件的截面图。将实施了防反射膜17的作为光射入面的n型InP衬底11的上表面(第二主表面)加工成凹状。其他结构与实施方式3相同。
在此情况下，由n型多层反射层12反射后的返回光例如由防反射膜17再次反射，也向受光区域外扩散，不返回到受光区域。其结果是，不产生n型InP衬底11中的共振模式，所以，能够进一步提高波长稳定性。
实施方式5
图7是示出本发明实施方式5的半导体受光元件的截面图。本实施方式的半导体受光元件是从图的上侧射入光的表面射入型的共振型PD。
n型InP衬底11(半导体衬底)具有彼此对置的上表面(第一主面)和下表面(第二主面)。在n型InP衬底11的上表面，从n型InP衬底11侧依次形成有n型多层反射层12(第一反射层)、吸收层13、p型多层反射层23(第二反射层)和阳极电极15。在n型InP衬底11的下表面形成阴极电极16。阴极电极16(电极)在受光区域的正下方具有开口。在阴极电极16的开口中设置防反射膜17。
n型多层反射层12以及p型多层反射层23是层叠有折射率不同的半导体层的多层反射层。此外，吸收层13由带隙比n型InP衬底11小的材料例如InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs构成，通常是低载流子浓度。
光从阴极电极16的开口透过防反射膜17而射出到n型InP衬底11之外。由此，不会产生位于n型多层反射层12和阴极电极16之间的n型InP衬底11中的共振模式，所以，能够提高波长稳定性。
实施方式6
图8是示出本发明实施方式6的半导体受光元件的截面图。本实施方式的半导体受光元件是从图的上侧射入光的表面射入型的共振型PD。
n型InP衬底11(半导体衬底)具有彼此对置的上表面(第一主面)和下表面(第二主面)。在n型InP衬底11的上表面，从n型InP衬底11侧依次形成第一吸收层13a、n型多层反射层12(第一反射层)、第二吸收层13b、p型多层反射层23(第二反射层)和阳极电极15。在n型InP衬底11的下表面形成防反射膜17。
n型多层反射层12以及p型多层反射层23是层叠了折射率不同的半导体层的多层反射层。此外，第一以及第二吸收层13a、13b由带隙比n型InP衬底11小的材料例如InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs构成，通常是低载流子浓度。
在n型InP衬底11和n型多层反射层12之间插入第一吸收层13a，由此，由第一吸收层13a吸收透过n型多层反射层12的光。由此，位于n型多层反射层12和阴极电极16之间的n型InP衬底11中不会产生共振模式，所以，能够提高波长稳定性。
实施方式7
在本实施方式中，图1的n型多层反射层12的一部分是雪崩光电二极管的倍增层。即，以成为n型多层反射层12的一部分的方式设定倍增层的光学膜厚。或者，也可以在p型相位调整层14中设置倍增层。其他结构与实施方式1的结构相同。这样，本发明也能够应用于雪崩光电二极管。
符号说明：11是n型InP衬底(半导体衬底)，12是n型多层反射层(第一反射层)，13是吸收层，13a是第一吸收层，13b是第二吸收层，14是p型相位调整层(相位调整层)，15是阳极电极(第二反射层)，16是阴极电极(电极)，17是防反射膜，21是接触层，22是反射增强层(第二反射层)，23是p型多层反射层(第二反射层)。
Claims (11)
1.一种半导体受光元件，其特征在于，
具备：
具有彼此对置的第一主面和第二主面的半导体衬底；
在所述半导体衬底的所述第一主面上从所述半导体衬底侧依次形成的第一反射层、吸收层、相位调整层以及第二反射层；以及
形成在所述半导体衬底的所述第二主表面上的防反射膜，
所述第一反射层是层叠有折射率不同的半导体层的多层反射层，
所述吸收层的带隙比所述半导体衬底的带隙小，
所述相位调整层的带隙比所述吸收层的带隙大，
所述第一反射层和所述吸收层不通过其他层地接触。
2.根据权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
所述吸收层的膜厚比所述相位调整层的膜厚大。
3.根据权利要求1或2的半导体受光元件，其特征在于，
所述第二反射层是金属膜。
4.根据权利要求3的半导体受光元件，其特征在于，
所述第二反射层和所述相位调整层的连接是肖特基连接。
5.根据权利要求1或2的半导体受光元件，其特征在于，
还具备：
配置在所述第二反射层周围且连接到所述相位调整层的接触层。
6.根据权利要求1或2的半导体受光元件，其特征在于，
所述第二反射层具有由电介质或半导体的单层或多层膜构成的反射增强层。
7.根据权利要求6的半导体受光元件，其特征在于，
所述第二反射层还具有设置在所述反射增强层上的金属膜。
8.根据权利要求1或2的半导体受光元件，其特征在于，
所述半导体衬底的所述第二主表面加工成凹状。
9.根据权利要求1或2的半导体受光元件，其特征在于，
所述多层反射层的一部分或者所述相位调整层的一部分是雪崩光电二极管的倍增层。
10.一种半导体受光元件，其特征在于，
具备：
具有彼此对置的第一主面和第二主面的半导体衬底；
在所述半导体衬底的所述第一主面上从所述半导体衬底侧依次形成的第一反射层、吸收层和第二反射层；
形成在所述半导体衬底的所述第二主表面上并且具有开口的电极；以及
设置在所述电极开口中的防反射膜，
所述第一以及第二反射层是层叠有折射率不同的半导体层的多层反射层，
所述吸收层的带隙比所述半导体衬底的带隙小，
所述第一反射层和第二反射层夹着所述吸收层构成共振器，
射入到半导体受光元件的射入光在所述第一反射层和第二反射层之间往返。
11.一种半导体受光元件，其特征在于，
具备：
具有彼此对置的第一主表面和第二主表面的半导体衬底；
在所述半导体衬底的所述第一主表面上从所述半导体衬底侧依次形成的第一吸收层、第一反射层、第二吸收层以及第二反射层；以及
形成在所述半导体衬底的所述第二主表面上的防反射膜，
所述第一以及第二反射层是层叠有折射率不同的半导体层的多层反射层，
所述第一以及第二吸收层的带隙比所述半导体衬底的带隙小，
所述第一反射层和第二反射层夹着所述第二吸收层构成共振器，
射入到半导体受光元件的射入光在所述第一反射层和第二反射层之间往返。
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