CN102280516A

CN102280516A - 半导体受光元件

Info

Publication number: CN102280516A
Application number: CN2011101535537A
Authority: CN
Inventors: 笹畑圭史; 中路雅晴
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2011-12-14
Also published as: US20110303949A1; JP2011258809A

Abstract

本发明涉及一种能够降低响应失真并且抑制受光灵敏性的降低的半导体受光元件。在n型InP衬底（10）上依次层叠有n型的光吸收复合层（12）、n型的多层反射膜（14）、光吸收层（16）以及窗层（18）。在窗层（18）的一部分上形成有p型掺杂区域（20）。p侧电极（22）与p型掺杂区域（20）连接。n侧电极（26）与n型InP型衬底（10）的下表面连接。窗层（18）的带隙能量比光吸收层（16）的带隙能量大。光吸收复合层（12）的带隙能量比n型InP衬底（10）的带隙能量小。

Description

半导体受光元件

技术领域

本发明涉及能够降低响应失真并且抑制受光灵敏性的降低的半导体受光元件。

背景技术

近年来，伴随着半导体受光元件的宽频带化，存在光吸收层的厚度薄膜化为0.5～2μm并且半导体受光元件的灵敏性降低这样的问题。因此，公知有为了抑制受光灵敏性的降低而在光吸收层之下设置有对透过光吸收层的光进行反射的多层反射膜的半导体受光元件 (例如，参照专利文献1的图2)。

此外，由于光吸收层的薄膜化，未被光吸收层吸收而透过的入射光的比例增加。该透过的光被衬底下表面的电极反射，该反射光被光吸收层的未耗尽化的区域吸收，作为光电流被取出。对于该光电流来说，相对于入射光，响应延迟，所以，存在产生响应失真的问题。

专利文献1：日本特开平9-45954号公报。

例如，若使用将对于波长为1.27μm的入射光吸收系数较大的InGaAs层层叠了10层左右较厚的多层反射膜，则来自衬底的反射光被吸收，所以，能够降低响应失真。但是，当使吸收系数较大时，多层反射膜的反射率变低，所以，存在半导体受光元件的受光灵敏性降低的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于得到一种能够降低响应失真并且抑制受光灵敏性的降低的半导体受光元件。

本发明提供一种半导体受光元件，具有：第一导电型的半导体衬底；在所述半导体衬底上依次层叠的掺杂有杂质的第一导电型的光吸收复合层、第一导电型的多层反射膜、光吸收层以及窗层；第二导电型的掺杂区域，在所述窗层的一部分上形成；第一电极，与所述掺杂区域连接；第二电极，与所述半导体衬底的下表面连接，其中，所述窗层的带隙能量比所述光吸收层的带隙能量大，所述光吸收复合层的带隙能量比所述半导体衬底的带隙能量小。

根据本发明，能够降低响应失真并且抑制受光灵敏性的降低。

附图说明

图1是表示实施方式1的半导体受光元件的剖面图。

图2是表示比较例的半导体受光元件的剖面图。

图3是表示实施方式2的半导体受光元件的剖面图。

图4是表示实施方式3的半导体受光元件的剖面图。

图5是表示实施方式4的半导体受光元件的剖面图。

附图标记说明：

10 n型InP衬底（半导体衬底）

12 光吸收复合层

14 多层反射膜

16 光吸收层

18 窗层

20 p型掺杂区域(掺杂区域)

22 p侧电极（第一电极）

26 n侧电极（第二电极）

30 雪崩倍增层（倍增层）

34 势垒层。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式的半导体受光元件进行说明。对相同的构成要素标注相同的附图标记，并且有时省略重复说明。

实施方式1

图1是表示实施方式1的半导体受光元件的剖面图。该半导体受光元件是InGaAs类的光电二极管。

在载流子浓度为约5×10¹⁸cm^-3的n型InP衬底10上，依次层叠有由载流子浓度为1×10¹⁹cm^-3的n型InGaAs构成的厚度约0.5～2.0μm的光吸收复合层12、载流子浓度为约5×10¹⁸cm^-3的n型的多层反射膜14、由非掺杂InGaAs构成的厚度为0.5～2μm的光吸收层16以及由非掺杂InP构成的厚度约2μm的窗层18。

在窗层18的一部分上形成有载流子浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3的p型掺杂区域20。由Ti/Au等构成的p侧电极22与p型掺杂区域20连接。在窗层18上形成有由SiN构成的表面保护膜24。由AuGe/Au构成的n侧电极26与n型InP衬底10的下表面连接。

此处，入射光的波长为1.26μm～1.36μm，例如是作为光通信波长带的1.27μm。窗层18的带隙能量比光吸收层16的带隙能量大。光吸收复合层12的带隙能量比n型InP衬底10的带隙能量小。多层反射膜14是将具有入射光的波长的1/4的厚度且折射率不同的InP层和InAlGaAs层交替地层叠的布拉格反射膜。表面保护膜24的厚度是入射光的波长的1/4。表面保护膜24也起到防反射膜的作用。

接着，简单地对上述的半导体受光元件的制造方法进行说明。首先，在n型InP衬底10上，使用MOCVD（Metal organic chemical vapor deposition）法等，依次外延生长光吸收复合层12、多层反射膜14、光吸收层16以及窗层18。

然后，在窗层18的一部分上，使Zn从窗层18的表面扩散到达光吸收层16，形成p型掺杂区域20。该扩散方法是使用了掩模等的气相扩散或热扩散等。例如，在进行热扩散的情况下，使SiN膜（未图示）等的扩散源成膜，在该SiN膜的形成p型掺杂区域20的区域上的区域形成开口部，在包含该开口部上的区域的SiN膜上形成ZnO膜（未图示）等，将SiN膜作为掩模进行预定时间的热处理。并且，也能够在扩散中使用Cd或Be等的杂质来代替Zn。然后，除去SiN膜或ZnO膜等。

然后，利用等离子体CVD法等，在窗层18的表面形成表面保护膜24。将光刻技术和使用了氢氟酸等的刻蚀进行组合，然后在形成p侧电极22的区域，在表面保护膜24上形成开口部。在表面保护膜24上形成光致抗蚀剂膜（未图示），并且，对其进行构图，在表面保护膜24的开口部的区域进一步形成开口部，之后，利用电子束（EB）蒸镀形成Ti/Au膜之后，将该膜的不需要部分与光致抗蚀剂膜一起剥离，形成p侧电极22。此时，在表面保护膜24上同时形成与p侧电极22连接的焊盘（未图示）。然后，对n型InP衬底10的下表面进行研磨，在n型InP衬底10的下表面形成n侧电极26。利用以上工序制造出图1所示的半导体受光元件。

接着，对半导体受光元件的基本动作进行说明。以n侧电极26为正、p侧电极22为负的方式从外部施加反向偏置电压。在该状态下，利用由p型掺杂区域20和n型InP衬底10构成的pn结，在光吸收层16中形成耗尽层28。从半导体受光元件的上方向p型掺杂区域20入射的入射光透过表面保护膜24和InP窗层18，在光吸收层16的耗尽层28被吸收，产生电子和空穴。该电子和空穴被电场吸引，分别流向n型InP衬底10和p型掺杂区域20。由此产生的光电流作为信号电流从p侧电极22以及n侧电极26取出。

然后，关于实施方式1的效果，与比较例进行比较说明。图2是表示比较例的半导体受光元件的剖面图。在比较例中，不存在实施方式1的光吸收复合层12和多层反射膜14。

在比较例中，当光吸收层16薄膜化时，半导体受光元件的灵敏性降低。另一方面，在本实施形式中，未被光吸收层16吸收而透过的入射光的大部分被多层反射膜14反射，被光吸收层16吸收。因此，能够抑制受光灵敏性的降低。

此外，在比较例中，未被光吸收层16吸收而透过的入射光被n侧电极26反射，该反射光被光吸收层16的未耗尽化的区域吸收，作为光电流而取出。对于该光电流来说，相对于入射光，响应延迟，所以，产生响应失真。另一方面，在本实施方式中，未被光吸收层16吸收而透过并且未被多层反射膜14反射而透过的光被光吸收复合层12吸收，产生电子和空穴。在光吸收复合层12中掺杂有杂质，所以，在光吸收复合层12中产生的电子和空穴不滞留地进行复合而消失。因此，能够降低响应失真。

此处，优选光吸收复合层12的光学厚度是入射光的波长的1/4的整数倍。由此，光吸收复合层12也发挥多层反射膜的功能，所以，能够抑制反射率的降低。此外，优选光吸收复合层12的厚度为0.5μm以上。由此，几乎能够全部吸收透过光吸收层16以及多层反射膜14的光。

此外，当多层反射膜14由对于入射光波长吸收较大的材料构成时，多层反射膜14的反射率降低。因此，为了降低多层反射膜14的入射光的吸收，所以，优选多层反射膜14的带隙能量比0.8eV大。由此，能够提高多层反射膜14的反射率。其结果是，透过多层反射膜14的入射光的比例减少，所以，能够降低响应失真。

例如，在波长1.27μm的入射光用的受光元件中，在使用将InP层和InGaAs层（带隙能量为0.75eV）交替地层叠的多层反射膜的情况下，InGaAs层的光的吸收较多，所以，得不到高的反射率。另一方面，当使用将InP层和InAlGaAs层交替地层叠的多层反射膜时，由于InAlGaAs层的光的吸收较少，所以，得到高的反射率。但是，由于折射率差随着使Al组成增大而变小，所以，反射率在某个Al组成为最大，然后逐渐降低。因此，选择多层反射膜14的Al组成，使得反射率最大。此外，即便在将InP层和InGaAsP层交替地层叠的多层反射膜的情况下，也同样地存在优选的P组成。

并且，在本实施方式中，使光吸收复合层12为n型InGaAs，但是，也可以是n型InGaAsP或者n型AlGaInAs。

实施方式2

图3是示出实施方式2的半导体受光元件的剖面图。该半导体受光元件是在实施方式1的结构中追加了使光吸收层16所生成的载流子倍增的雪崩倍增层30与使从雪崩倍增层30朝向光吸收层16的电场强度缓和的电场缓和层32的雪崩光电二极管。

雪崩倍增层30设置在多层反射膜14和光吸收层16之间，电场缓和层32设置在雪崩倍增层30和光吸收层16之间。电场缓和层32由厚度为0.03～0.06μm、载流子浓度为0.5～1×10¹⁸cm^-3的p型InP构成。雪崩倍增层由厚度为0.15～0.4μm的非掺杂AlInAs构成。

在对半导体受光元件施加的反向偏置电压充分高的情况下，在雪崩倍增层30中，电子进行离子化，产生新的电子-空穴对。该新产生的电子和空穴进一步引起离子化，电子和空穴雪崩地倍增（雪崩倍增）。由此，能够使受光灵敏性上升。

并且，在本实施方式中，使电场缓和层32为p型InP，但是，也可以是p型AlInAs。也能够根据情况省略电场缓和层32。

实施方式3

图4是表示实施方式3的半导体受光元件的剖面图。该半导体受光元件是在实施方式1的结构中追加了势垒层34的光电二极管。

势垒层34设置在光吸收复合层12和光吸收层16之间，由载流子浓度为1×10¹⁸cm^-3、厚度约0.5μm的n型AlInAs或者n型AlGaInAs构成。势垒层34的带隙能量与光吸收复合层12的带隙能量（0.75eV）相比充分大。

此处，透过多层反射膜14的入射光被光吸收复合层12吸收，产生电子和空穴。当该电子和空穴在消失之前由于扩散而漂移并到达耗尽层28时，作为光电流而取出，成为信号的失真成分。相对于此，在本实施形式中，势垒层34防止电子和空穴向耗尽层28流入，所以，能够降低响应失真。

实施方式4

图5是表示实施方式4的半导体受光元件的剖面图。该半导体受光元件是在实施方式1的结构中追加了实施方式2的电场缓和层32以及雪崩倍增层30和实施方式3的势垒层34的雪崩光电二极管。由此，能够得到实施方式1～3的效果。

Claims

1. 一种半导体受光元件，其特征在于，具有：

第一导电型的半导体衬底；

依次层叠在所述半导体衬底上的掺杂有杂质的第一导电型的光吸收复合层、第一导电型的多层反射膜、光吸收层以及窗层；

第二导电型的掺杂区域，形成在所述窗层的一部分上；

第一电极，与所述掺杂区域连接；以及

第二电极，与所述半导体衬底的下表面连接，

所述窗层的带隙能量比所述光吸收层的带隙能量大，

所述光吸收复合层的带隙能量比所述半导体衬底的带隙能量小。

2. 如权利要求1所述的半导体受光元件，其特征在于，

所述多层反射膜是将具有入射光的波长的1/4的厚度且折射率不同的两种半导体层交替地层叠的布拉格反射膜。

3. 如权利要求1或2所述的半导体受光元件，其特征在于，

所述光吸收复合层的光学厚度是入射光的波长的1/4的整数倍。

4. 如权利要求1或2所述的半导体受光元件，其特征在于，

所述多层反射膜的带隙能量比0.8eV大。

5. 如权利要求1或2所述的半导体受光元件，其特征在于，

所述半导体衬底由InP构成，

所述光吸收复合层由InGaAs、InGaAsP或者AlGaInAs构成。

6. 如权利要求1或2所述的半导体受光元件，其特征在于，

还具有设置在所述多层反射膜和所述光吸收层之间并且对所述光吸收层生成的载流子进行倍增的倍增层。

7. 如权利要求1或2所述的半导体受光元件，其特征在于，

还具有设置在所述光吸收复合层和所述光吸收层之间并且带隙能量比所述光吸收复合层的带隙能量大的势垒层。

8. 如权利要求7所述的半导体受光元件，其特征在于，

所述势垒层由AlInAs或者AlGaInAs构成。