CN101593784A - 光半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供光半导体装置，其响应的线性良好，量子效率高。在n型InP衬底(10)(半导体衬底)上，依次形成有n型DBR层(12)(第一导电型的分布布喇铬反射层)、低载流子浓度的i－InGaAs光吸收层(14)(光吸收层)、和p型InP窗口层(16)(第二导电型的半导体层)。在n型DBR层(12)中交替地层叠有折射率低的n型InP层(12a)(第一半导体层)和折射率高的n型InGaAs层(12b)(第二半导体层)。在n型InP层(12a)中，带隙波长大于入射光的波长λ，不吸收入射光。另一方面，在n型InGaAs层(12b)中，带隙波长小于入射光的波长λ，吸收入射光。n型InP层(12a)的光学层厚度大于n型InGaAs层(12b)的光学层厚度。

Description

光半导体装置
技术领域
本发明涉及具有分布布喇铬反射层的光半导体装置，特别涉及响应的线性良好且量子效率高的光半导体装置。
背景技术
一种在光吸收层与半导体衬底之间具有分布布喇铬反射(DBR：Distributed Bragg Reflector)层的光电二极管被提案。在光吸收层未被吸收而透过的光在DBR层中被反射并再次在光吸收层中被吸收。由此，在具有DBR层的光电二极管中得到高的量子效率。
此外，存在以下应用，以光电二极管对由光纤传送来的光信号进行光电转换，将其转换成电信号，不经由电放大器而直接作为电波释放。在此情况下，需要光电二极管即使在射入非常强的光的情况下也不损坏且线性良好地进行响应。为了使响应的线性良好，需要使光电二极管的散热性良好，抑制光吸收层附近的温度上升。之所以如此，是因为当光吸收层的温度上升时，光吸收而产生的电子和空穴的移动速度降低，滞留在光吸收层内的电子和空穴遮蔽光吸收层内的电场(空间电荷效应)，电流变得不流动。
但是，作为DBR层的构成材料的AlInAs等三元混晶半导体、InGaAsP等四元混晶半导体与作为半导体衬底的构成材料的InP、GaAs等二元混晶半导体相比，其热阻高近10倍。因此，在具有DBR层的光电二极管中，存在在光吸收层产生的热量难以向半导体衬底散热的问题。
这样的DBR层的散热性的问题在作为对温度上升较敏感的发光元件的面发光激光器(VCSEL)中相当显著。作为其解决方法，公开有以下方法，使两层成对的DBR层中的作为热阻较高的层的三元混晶半导体层或四元混晶半导体层较薄，使热阻较低的层较厚(例如，参照专利文献1～3)。
专利文献1：日本专利申请公开平5-283808号公报
专利文献2：日本专利申请公开2005-354061号公报
专利文献3：日本专利申请公开2005-19599号公报
发明要解决的问题
但是，当使两层成对的DBR层中的热阻较高的层较薄，使热阻较低的层较厚时，存在DBR层的反射率下降，光半导体装置的量子效率变低的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的是获得响应的线性良好、且量子效率高的光半导体装置。
第一发明为一种光半导体装置，其特征在于，在半导体衬底上依次形成有第一导电型的分布布喇铬反射层、光吸收层、和第二导电型的半导体层，上述第一导电型的分布布喇铬反射层具有：带隙波长大于入射光的波长的第一半导体层、和带隙波长小于入射光的波长的第二半导体层，上述第一半导体层的光学层厚度(optical layer thickness)大于上述第二半导体层的光学层厚度。
第二发明为一种光半导体装置，其特征在于，在半导体衬底上依次形成有第一导电型的分布布喇铬反射层(distributed bragg reflectorlayer)、光吸收层、和第二导电型的分布布喇铬反射层，上述第一导电型的分布布喇铬反射层和上述第二导电型的分布布喇铬反射层具有：带隙波长大于入射光的波长的第一半导体层、和带隙波长小于入射光的波长的第二半导体层，上述第一半导体层的光学层厚度大于上述第二半导体层的光学层厚度。
第三发明为一种光半导体装置，其特征在于，在半导体衬底上依次形成有第一导电型的分布布喇铬反射层、活性层、和第二导电型的分布布喇铬反射层，上述第一导电型的分布布喇铬反射层和上述第二导电型的分布布喇铬反射层具有：带隙波长大于出射光的波长的第一半导体层、和带隙波长小于出射光的波长的第二半导体层，上述第一半导体层的光学层厚度大于上述第二半导体层的光学层厚度。
发明的效果
根据本发明，能够得到响应的线性良好、且量子效率高的光半导体装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的光半导体装置的截面图。
图2是表示光半导体装置的参考例的截面图。
图3是计算DBR层的反射率和热阻的图。
图4是表示本发明的实施方式2的光半导体装置的截面图。
图5是表示本发明的实施方式3的光半导体装置的截面图。
图6是表示本发明的实施方式4的光半导体装置的截面图。
图7是表示本发明的实施方式5的光半导体装置的截面图。
图8是表示本发明的实施方式6的光半导体装置的截面图。
图9是表示本发明的实施方式7的光半导体装置的截面图。
图10是表示本发明的实施方式8的光半导体装置的截面图。
附图标记的说明
10   n型InP衬底(半导体衬底)
12   n型DBR层(第一导电型的分布布喇铬反射层)
12a  n型InP层(第一半导体层)
12b  n型InGaAs层(第二半导体层)
14   i-InGaAs光吸收层(光吸收层)
16   p型InP窗口层(第二导电型的半导体层)
26   p型InP层(第二导电型的半导体层)
28   n型InP倍增层(载流子倍增层)
32   n型AlInAs倍增层(载流子倍增层)
38   p型DBR层(第二导电型的分布布喇铬反射层)
38a  p型InP层(第一半导体层)
38b  p型InGaAs层(第二半导体层)
42   i-InGaAs活性层(活性层)
具体实施方式
图1是表示本发明的实施方式1的光半导体装置的截面图。该光半导体装置是具有分布布喇铬反射层的光电二极管。
在n型InP衬底10(半导体衬底)上，依次形成有n型DBR层12(第一导电型的分布布喇铬反射层)、低载流子浓度的i-InGaAs光吸收层14(光吸收层)、和p型InP窗口层16(第二导电型的半导体层)。在p型InP窗口层16上形成有兼作反射防止膜和表面保护膜的SiN等绝缘膜18和阳极(anode)(p型)电极20。在n型InP衬底10的背面形成有阴极(cathode)(n型)电极22。
n型DBR层12交替地层叠有折射率低的n型InP层12a(第一半导体层)和折射率高的n型InGaAs层12b(第二半导体层)。在n型InP层12a中，带隙波长大于入射光的波长λ，不吸收入射光。另一方面，在n型InGaAs层12b中，带隙波长小于入射光的波长λ，吸收入射光。
此外，一层n型InP层12a的光学层厚度(＝层厚度×折射率)与一层n型InGaAs层12b的光学层厚度之和为入射光的波长λ的一半(＝λ/2)。因此，n型DBR层12相对于波长λ的入射光效率良好地作为反射层起作用。
此外，在本实施方式中，n型InP层12a的光学层厚度大于n型InGaAs层12b的光学层厚度。例如，InP层的光学层厚度除以InGaAs层的光学层厚度所得的值为约2.2。在后面对此结构的效果进行详细的说明。
对本实施方式的光半导体装置的工作进行说明。施加0.5～3V的反偏压，使得阳极电极20的电位低于阴极22的电位。入射光从图的上侧通过绝缘膜18和p型InP窗口层16向i-InGaAs光吸收层14入射。于是，入射光在i-InGaAs光吸收层14中被吸收。
当使i-InGaAs光吸收层14的层厚度为t，使i-InGaAs光吸收层14的相对于入射光的吸收系数为α时，被i-InGaAs光吸收层14吸收的入射光的比例(＝量子效率)由以下的式(1)表示。
1-exp(-α·t)…(1)
在i-InGaAs光吸收层14未被吸收而透过的光在n型DBR层12被反射，再次在i-InGaAs光吸收层14中被吸收。当使n型DBR层12的光的反射率为R时，在考虑了由n型DBR层12引起的返回光的情况下的量子效率由以下的式(2)表示。
1-exp(-α·t)+R·exp(-α·t)·(1-exp(-α·t))…(2)
式(1)与式(2)的差是n型DBR层12导致的量子效率增加的量。在i-InGaAs光吸收层14中，由于反偏压而耗尽层化。电场被施加到耗尽层中，电子和孔穴分别流向阴极电极22和阳极电极20侧，作为电流被取出。
与参考例相比较，对本实施方式的光半导体装置的效果进行说明。图2是表示光半导体装置的参考例的截面图。在n型DBR层100中交替地层叠有折射率不同的n型InP层100a和n型InGaAsP层100b。n型InP层100a和n型InGaAsP层100b，双方的带隙波长均大于入射光的波长λ，不吸收入射光。除DBR层以外，与本实施方式的光半导体装置相同。
参考例的n型DBR层100在n型InP层100a的光学层厚度和n型InGaAsP层100b的光学层厚度分别为λ/4的情况下，反射率为最大。例如，在λ为1.55μm的情况下，当使InP的折射率为3.169时，n型InP层100a的层厚度为0.123μm，当使InGaAsP的折射率为3.437时，n型InGaAsP层100b的层厚度为0.113μm。
这里，InP的导热率为约70W/mk，与InGaAs、InGaAsP的导热率(＝约5W/mk)相比，约高10倍。因此，为了提高反射层的导热率(＝降低热阻)，增加InP层的层厚度，降低InGaAs(P)层的层厚度即可。但是，在参考例中，当减小n型InGaAsP层100b的层厚度时，反射率下降。与此相对，在本实施方式中，不使反射率降低，就能够减小n型InGaAsP层12b的层厚度。关于其理由，在以下进行详细的说明。
图3是计算DBR层的反射率和热阻的图。图3的横轴是“InP层的光学层厚度÷InGaAs(P)层的光学层厚度”。使入射光的波长为1.55μm，使InGaAsP的带隙波长为1.4μm，作为从InGaAs光吸收层向DBR层射入光的方式进行计算。“吸收性DBR层”为层叠有13对InP层和InGaAs层的结构，与本实施方式的DBR层对应。另一方面，“非吸收性DBR层”为层叠有13对InP层和InGaAsP层的结构，与参考例的DBR层对应。
在非吸收性DBR层中，在“InP层的光学层厚度÷InGaAsP层的光学层厚度”为1的情况下反射率最大。另一方面，在吸收性DBR层中，在“InP层的光学层厚度÷InGaAs层的光学层厚度”为1.75附近时反射率最大。因此，在吸收性DBR层中，能够将反射率保持为与非吸收性DBR层相同的程度，同时使InGaAs层比非吸收性DBR层更薄。这是因为，通过使吸收入射光的InGaAs层变薄，使得吸收减少，获得高的反射率。此外，是因为与InGaAsP相比，InGaAs相对于InP的折射率差较大。
如图3所示，在参考例中，“InP层的光学层厚度÷InGaAs层的光学层厚度”为1，反射率为最大。与此相对，在实施方式1中，“InP层的光学层厚度÷InGaAs层的光学层厚度”为约2.2，能够实现与参考例相同程度的反射率(＝66％)。因此，由于InGaAs层较薄，所以与参考例相比，甚至能够将DBR层的热阻降低900k/W。由此，本实施方式的光半导体装置的响应的线性良好，量子效率高。
其中，不限于上述的值，在实施方式1的结构中，如果使“InP层的光学层厚度÷InGaAs层的光学层厚度”为1.2～3的话，能够在将DBR层的反射率保持为与参考例相同的程度的同时，降低DBR层的热阻。
再有，也可以代替n型InP层12a，使用GaAs层、S层、AlInAs层、带隙波长大于入射光的波长的InGaAsP层或AlGaInAs层等。也可以代替n型InGaAs层12b，使用带隙波长小于入射光的波长的InGaAsP层或AlGaInAs层等。
实施方式2
图4是表示本发明的实施方式2的光半导体装置的截面图。该光半导体装置是以选择性扩散形成有p型区域的平面型pin光电二极管。
在i-InGaAs光吸收层14上形成有低载流子浓度的n型InP层24，在n型InP层24的一部分中通过选择性扩散等形成有p型InP层26(第二导电型的半导体层)。其它结构与实施方式1相同。由此，能够获得与实施方式1相同的效果。
实施方式3
图5是表示本发明的实施方式3的光半导体装置的截面图。该光半导体装置是平面型InP雪崩光电二极管(avalanche photodiode)。
在i-InGaAs光吸收层14上形成有n型InP倍增层28(载流子倍增层)，在n型InP倍增层28的一部分中通过选择性扩散等形成有p型InP层26(第二导电型的半导体层)。通过Be的离子注入等在p型InP层26的外周形成有保护环30。n型InP倍增层28对在i-InGaAs光吸收层14中产生的光载流子进行雪崩倍增。其它结构与实施方式1相同。
雪崩光电二极管特别容易产生空间电荷效应，并且因为在高电压下使用而发热量大，但是通过降低DBR层的热阻，在高的光输入时也能够稳定地工作。
实施方式4
图6是表示本发明的实施方式4的光半导体装置的截面图。该光半导体装置是平面型AlInAs雪崩光电二极管。
在n型DBR层12与i-InGaAs光吸收层14之间，形成有n型AlInAs倍增层32(载流子倍增层)和电场缓和层34。n型AlInAs倍增层32对在i-InGaAs光吸收层14中产生的光载流子进行雪崩倍增。其它结构与实施方式2相同。
因为在成为发热源的n型AlInAs倍增层32的附近存在热阻较低的n型InP层12a，所以能够效率良好地进行散热。此外，作为n型DBR层12的折射率较低的层，如果代替n型InP层12a，使用与n型AlInAs倍增层32相同的AlInAs层，则因为材料相同，所以能够稳定地进行结晶生长。
实施方式5
图7是表示本发明的实施方式5的光半导体装置的截面图。该光半导体装置与实施方式4同样是平面型AlInAs雪崩光电二极管。
在n型DBR层12的n型InP层12a与n型AlInAs倍增层32之间插入有载流子浓度高的n型AlInAs层36。其它结构与实施方式4相同。由此，因为n型AlInAs倍增层32的电场不施加在n型InP层12a上，所以n型InP层12a中的孔穴的倍增被抑制，能够实现低噪声的雪崩光电二极管。
实施方式6
图8是表示本发明的实施方式6的光半导体装置的截面图。该光半导体装置是从衬底侧射入光的背面入射谐振型光电二极管。
在n型InP衬底10的背面形成有反射防止膜40。而且，从n型InP衬底10的背面侧射入光。其它结构与实施方式2相同。
n型DBR层12虽然位于光的入射侧，但是因为折射率高的n型InGaAs层12b较薄，所以有入射光的损失较少的优点。除此以外，能够得到与实施方式1、2相同的效果。
实施方式7
图9是表示本发明的实施方式7的光半导体装置的截面图。该光半导体装置是谐振型光电二极管。
代替实施方式1的p型InP窗口层16，形成有p型DBR层38(第二导电型分布布喇铬反射层)。其它结构与实施方式1相同。
在p型DBR层38中，交替地层叠有折射率低的p型InP层38a(第一半导体层)和折射率高的p型InGaAs层38b(第二半导体层)。在p型InP层38a中，带隙波长大于入射光的波长λ，不吸收入射光。另一方面，在p型InGaAs层38b中，带隙波长小于入射光的波长λ，吸收入射光。
此外，一层p型InP层38a的光学层厚度与一层p型InGaAs层38b的光学层厚度之和为入射光的波长λ的一半(＝λ/2)。因此，n型DBR层12相对于波长λ的入射光效率良好地作为反射层发挥作用。
此外，p型InP层38a的光学层厚度大于p型InGaAs层38b的光学层厚度。具体而言，“InP层的光学层厚度÷InGaAs层的光学层厚度”为1.2～3。这样，因为热阻较大的p型InGaAs层38b较薄，所以n型DBR层12的散热性良好。
这样，当以DBR层夹着i-InGaAs光吸收层14的上下时，虽然通过光在上下的DBR层之间往返而得到高的灵敏度，但是散热场所消失，使得热量被封闭在i-InGaAs光吸收层14中。因此，通过如上所述那样使用散热良好的DBR层，能够改善散热性。由此，本实施方式的光半导体装置的响应的线性良好，量子效率高。此外，因为折射率高的p型InGaAs层38b较薄，所以还有入射光的损失少的优点。
实施方式8
图10是表示本发明的实施方式8的光半导体装置的截面图。该光半导体装置是面发光激光器。
在n型InP衬底10(半导体衬底)上依次形成有n型DBR层12(第一导电型的布喇铬反射层)、低载流子浓度的i-InGaAs活性层42(活性层)、和p型DBR层38(第二导电型的布喇铬反射层)。在p型DBR层38上形成有兼作反射防止膜和表面保护膜的SiN等的绝缘膜18和阳极(p型)电极20。在n型InP衬底10的背面形成有阴极(n型)电极22。
在n型DBR层12中，交替地层叠有折射率较低的n型InP层12a(第一半导体层)和折射率较高的n型InGaAs层12b(第二半导体层)。在p型DBR层38中，交替地层叠有折射率较低的p型InP层38a(第一半导体层)和折射率较高的p型InGaAs层38b(第二半导体层)。在n型InP层12a和p型InP层38a中，带隙波长大于出射光的波长λ，不吸收出射光。另一方面，在n型InGaAs层12b和p型InGaAs层38b中，带隙波长小于出射光的波长λ，吸收出射光。
此外，一层n型InP层12a的光学层厚度与一层n型InGaAs层12b的光学层厚度之和为出射光的波长λ的一半，一层p型InP层38a的光学层厚度与一层p型InGaAs层38b的光学层厚度之和为出射光的波长λ的一半。因此，n型DBR层12和p型DBR层38相对于波长λ的入射光效率良好地作为反射层发挥作用。
此外，n型InP层12a的光学层厚度大于n型InGaAs层12b的光学层厚度，p型InP层38a的光学层厚度大于p型InGaAs层38b的光学层厚度。具体而言，“InP层的光学层厚度÷InGaAs层的光学层厚度”为1.2～3。这样，因为热阻较大的n型InGaAs层12b和p型InGaAs层38b较薄，所以n型DBR层12和p型DBR层38的散热性良好。
这样，当以DBR层夹着i-InGaAs活性层42的上下时，虽然光在上下的DBR层之间往返而发生激光振荡，但是散热场所消失，使得热量被封闭在i-InGaAs活性层42中。因此，通过如上所述那样使用散热良好的DBR层，能够改善散热性。由此，本实施方式的光半导体装置的响应的线性良好，量子效率高。此外，因为折射率高的p型InGaAs层38b较薄，所以还有出射光的损失少的优点。

Claims (8)

1.一种光半导体装置，其特征在于，
在半导体衬底上依次形成有第一导电型的分布布喇铬反射层、光吸收层、和第二导电型的半导体层，
所述第一导电型的分布布喇铬反射层具有：带隙波长大于入射光的波长的第一半导体层、和带隙波长小于入射光的波长的第二半导体层，
所述第一半导体层的光学层厚度大于所述第二半导体层的光学层厚度。
2.如权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
所述第一半导体层的光学层厚度与所述第二半导体层的光学层厚度之和为入射光的波长的一半。
3.如权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
所述第一半导体层的光学层厚度除以所述第二半导体层的光学层厚度所得的值为1.2～3。
4.如权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
在所述光吸收层与所述第二导电型的半导体层之间形成有载流子倍增层，该载流子倍增层对在所述光吸收层中产生的光载流子进行雪崩倍增。
5.如权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
在所述第一导电型的分布布喇铬反射层与所述光吸收层之间形成有载流子倍增层，该载流子倍增层对在所述光吸收层中产生的光载流子进行雪崩倍增。
6.如权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于，
从所述半导体衬底的背面侧射入光。
7.一种光半导体装置，其特征在于，
在半导体衬底上依次形成有第一导电型的分布布喇铬反射层、光吸收层、和第二导电型的分布布喇铬反射层，
所述第一导电型的分布布喇铬反射层和所述第二导电型的分布布喇铬反射层具有：带隙波长大于入射光的波长的第一半导体层、和带隙波长小于入射光的波长的第二半导体层，
所述第一半导体层的光学层厚度大于所述第二半导体层的光学层厚度。
8.一种光半导体装置，其特征在于，
在半导体衬底上依次形成有第一导电型的分布布喇铬反射层、活性层、和第二导电型的分布布喇铬反射层，
所述第一导电型的分布布喇铬反射层和所述第二导电型的分布布喇铬反射层具有：带隙波长大于出射光的波长的第一半导体层、和带隙波长小于出射光的波长的第二半导体层，
所述第一半导体层的光学层厚度大于所述第二半导体层的光学层厚度。
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