JP2000082837A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力特性を発揮する半導体受光素子を提供
する。 【解決手段】 この受光素子は、互いに逆導電型である
半導体層１１，１３の間に光吸収層１２が介装されてい
る半導体受光素子において、光吸収層１２が、ｉ型半導
体層１２ａとｐ型半導体層１２ｂとｉ型半導体層１２ｃ
とをこの順序で積層して成る層構造を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体受光素子に関
し、更に詳しくは、高出力特性を発揮するフォトダイオ
ードに関する。

【０００２】

【従来の技術】光信号を電気信号に変換する半導体フォ
トダイオードは、通常、図５で示したような層構造にな
っている。すなわち、下部クラッド層としても機能する
ｎ型半導体層１，光吸収層として機能するｉ型半導体層
２、および上部クラッド層としても機能するｐ型半導体
層３をこの順序で積層してｐｉｎ接合構造を形成し、ｐ
型半導体層３の上にｐ型電極４，ｎ型半導体層１の背面
にｎ型電極５をそれぞれ形成した構造である。

【０００３】このフォトダイオードでは、ｐ型電極４と
ｎ型電極５にバイアス電圧を印加すると光吸収層（ｉ型
半導体層）２は空乏層に転化し、そしてその空乏層に入
射した光によって発生した電子正孔対（キャリア）のう
ち、電子はｎ型電極５に、また正孔はｐ型電極４の方に
引き抜かれることにより、光信号が電気信号に変換され
る。

【０００４】ところで、近年のインターネットの普及に
象徴されるように、通信ネットワークシステムを利用す
る情報量は急速に増大しており、近い将来では要求され
る伝送容量は数百Ｇビット／secの規模になるものと想
定されている。そのため、超大容量伝送路の提供が可能
な光ファイバ通信システムへの期待は非常に高まってお
り、その研究開発が進められてきている。

【０００５】例えば、基幹伝送路である光ケーブルシス
テムにおいては、Ｅｒドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦ
Ａ）を用いた光中継器の導入により、飛躍的な発展をと
げてきている。このＥＤＦＡは、ビットレートや符号信
号が異なる光信号に対しても同一の中継利得を示すと同
時に、波長多重の光信号に対しても一括して増幅可能で
あるという特徴を備えており、更には、ビットレート増
大を容易とし、波長多重信号のアップグレードも可能に
するので、経済的でかつ迅速な光通信システムの構築を
可能にしている。

【０００６】一方、前記した従来のｐｉｎ接合構造のフ
ォトダイオードの場合、最小受光感度の点で問題がある
とされていたが、このフォトダイオードの直前に前記Ｅ
ＤＦＡを配置することにより、広帯域で高出力の電子回
路を、単純なｐｉｎ型フォトダイオードとプリアンプの
組合せという非常に単純なシステムに置換することが可
能になっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したシステムにお
いて、仮にフォトダイオードの入出力特性を充分に高め
ることができるとすれば、現在では一層高利得化が進ん
でいるＥＤＦＡを用いることによりプリアンプの配置も
省略することができ、一層広帯域で、単純なシステムの
構築が可能になる。その場合、フォトダイオードとして
は、１Ｖ以上の出力特性を発揮するものが必要とされ
る。

【０００８】しかしながら、従来のｐｉｎ型フォトダイ
オードにおいては、高出力を得るために高入力の光を入
射すると次のような問題が発生する。まず、入射光パワ
ーの増大とともに空乏層に発生するキャリア数は増加し
ていくが、そのことに伴って空乏層内には電荷の蓄積が
進行する。そして、このキャリア蓄積による空間電荷に
より、空乏層内における電界分布は実質的に不均一とな
り、キャリア蓄積が一層助長されることになる。その場
合のキャリア蓄積は、一般に、有効質量が大きい正孔
側、すなわち価電子帯側で顕著に進行し、その結果、ｐ
ｉｎ接合構造の光吸収層におけるエネルギーバンド構造
は、図６で示したように、下に凸に湾曲する曲線形状に
なる。

【０００９】したがって、従来のｐｉｎ型フォトダイオ
ードにおいては、空乏層に発生したキャリアの引き抜き
が上記した空間電荷効果により充分に行われず、入出力
特性における線形性の悪化，キャリア蓄積に伴うＣＲ時
定数の増大に基づく高周波特性の劣化などが起こり、そ
の結果、高光入力による高出力化を実現することは困難
となる。

【００１０】実際、現在までのところ、ｐｉｎ型ダイオ
ードに関しては、最小受信感度に対する要求特性は厳し
いが、最大受光感度、すなわち飽和出力に対する要求特
性は高々０dB程度であり、上記したシステム構築用のフ
ォトダイオードたり得ないという問題がある。本発明
は、従来のｐｉｎ型フォトダイオードにおける上記した
問題を解決し、低入力時は勿論のこと、光の高入力時に
あっても、空乏層内における空間電荷効果の発生を抑制
し、もって高出力特性を発揮する半導体受光素子の提供
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、互いに逆導電型である半導
体層の間に光吸収層が介装されている半導体受光素子に
おいて、前記光吸収層が、ｉ型半導体層とｐ型半導体層
とｉ型半導体層とをこの順序で積層して成る層構造を有
することを特徴とする半導体受光素子が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の受光素子の基本
的な層構造を示す。図１において、例えばｎ−ＩｎＰか
ら成る基板１０の上には、例えばｎ−ＩｎＰから成る下
部クラッド層１１、例えばノンドープＩｎＧａＡｓから
成るｉ型半導体層１２ａ、例えばｐ−ＩｎＧａＡｓから
成るｐ型半導体層１２ｂ、例えばノンドープＩｎＧａＡ
ｓから成るｉ型半導体層１２ｃ、および例えばｐ−Ｉｎ
Ｐから成る上部クラッド層１３がこの順序で積層され、
上部クラッド層１３の上にはｐ型電極１４が、基板１０
の裏面にはｎ型電極１５がそれぞれ形成された構造にな
っている。

【００１３】この層構造においては、ｉ型半導体層１２
ａとｐ型半導体層１２ｂとｉ型半導体層１２ｃとをもっ
て光吸収層１２が形成され、この光吸収層１２がｎ型の
下部クラッド層１１とｐ型の上部クラッド層１３でサン
ドウィッチされることにより、全体としてのｐｉｎ接合
構造が形成されている。なお、基板１０と下部クラッド
層１１の間には、例えばＩｎＰから成るバッファ層と更
にその上に例えばｎ−ＩｎＧａＡｓから成るコンタクト
層を介在させてもよく、また上部クラッド層１３の上に
は例えばｐ−ＩｎＧａＡｓから成るコンタクト層を形成
し、その上にｐ型電極１４を形成してもよい。

【００１４】この層構造において、光吸収層１２に介在
するｐ型半導体層１２ｂの働きにより、全体のｐｉｎ接
合構造の光吸収層におけるエネルギーバンド構造は、図
２で示したように、上に凸に湾曲する曲線形状になる。
したがって、この光吸収層においては、光の高入力時に
発生するキャリア数が増加しても、そのことによって空
乏層内の電荷蓄積が増加するという問題は起こりづら
く、そのため、空乏層内の電界が不均一になるという事
態が抑制されることになり、もって空間電荷効果の発現
が抑制されてキャリアの引き抜きが実現することにな
る。

【００１５】この光吸収層１２において、ｐ型半導体層
１２の厚みやｐ型ドーパントの濃度は、製造する受光素
子の使用条件に応じて適切な値に設定されることにな
る。例えば厚みに関しては、通常、１０〜１００nm程度
であれば充分である。また、用いるｐ型ドーパントとし
ては、このｐ型半導体層が極めて薄くてもよいというこ
とからすると、拡散定数の小さいものを用いることが必
要であり、具体的には炭素であることが好ましい。

【００１６】更には、光吸収層１２と、下部クラッド層
１１および上部クラッド層１３との接合界面はいずれも
ヘテロ接合界面になっているので、伝導帯にはヘテロ接
合スパイクが形成され、それに伴う井戸ポテンシャルが
キャリア引き抜きに悪影響を及ぼすことも考えられる
が、そのような場合には、上記した接合界面におけるエ
ネルギーバンド構造が滑らかとなるようにグレーデット
領域を形成するなどの対策を採ることができることはい
うまでもない。

【００１７】なお、光吸収層におけるｐ型半導体層１２
ｂに代えてｎ型半導体層を介在させることも有効である
ように考えられるが、その場合には、光吸収層に電界が
印加できないこととなり、キャリアのうちの正孔の引き
抜きが悪くなり、光の低入力時における出力特性が劣化
するので好ましくない。

【００１８】

【実施例】ＭＯＣＶＤ法で図３で示した層構造の受光素
子を製造した。まず、ｎ−ＩｎＰ基板１０の上に、Ｉｎ
Ｐから成る厚み０.５μｍのバッファ層１６，ｎ−Ｉｎ
ＧａＡｓから成る厚み０.５μｍのコンタクト層１７を
順次成膜した。

【００１９】ついで、このコンタクト層１７の上に、ｎ
−ＩｎＰから成る厚み２μｍの下部クラッド層１１を成
膜し、更にその上に、ノンドープＩｎＧａＡｓから成る
厚み０.１μｍのｉ型半導体層１２ａ，炭素をドーピン
グした例えばｐ−ＩｎＧａＡｓから成る厚み１０nmのｐ
型半導体層１２，ノンドープＩｎＧａＡｓから成る厚み
０.２μｍのｉ型半導体層１２ｃを成膜して光吸収層１
２を形成し、また、前記ｉ型半導体層１２ｃの上にｐ−
ＩｎＰから成る厚み２μｍの上部クラッド層１３，ｐ−
ＩｎＧａＡｓから成る厚み０.５μｍのコンタクト層１
８を順次成膜した。

【００２０】ついで、コンタクト層１８の表面に常用の
フォトリソグラフィー技術によりエッチングマスクを形
成したのちウェットエッチングを行って、コンタクト層
１７までの層構造を部分的に除去して路高５μｍ，路幅
５０μｍの導波路を形成し、更に、コンタクト層１８の
上にｐ型電極１４，基板１０の裏面にｎ型電極１５を形
成したのち、全体をＳｉＮｘの保護膜で被覆して実施例
の導波路型フォトダイオードを製造した。

【００２１】比較のために、実施例における光吸収層を
全てノンドープＩｎＧａＡｓで形成したことを除いては
実施例と同様の層構造を有するフォトダイオードを製造
した。この２種類のフォトダイオードにつき、両電極間
に３Ｖのバイアス電圧を印加し、１GHzに変調された波
長１.５５μｍの光を入射して、光入射強度と高出力特
性との関係を調べた。その結果を図４に示した。

【００２２】図４から明らかなように、比較例のフォト
ダイオードの場合には応答性の光入射強度依存性が非常
に大きいが、実施例のフォトダイオードの場合は光入射
強度１５mWまで応答性は略一定であり、高出力特性に優
れたものになっている。このことは、光吸収層１２にｐ
型半導体層１２ｂを介在させたことの効果を明白に立証
するものである。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体受光素子は、高入力光に対応する高出力特性を発
揮することができる。これは、光吸収層に薄いｐ型半導
体層を介在させることにより、空乏層内における空間電
荷を抑制することによってもたらされる効果である。

【００２４】本発明の半導体受光素子は、それを用いる
ことにより、アンプフリーの光通信システムの構築が可
能となるので、この工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の受光素子の基本的な層構造を示す断面
図である。

【図２】本発明の受光素子におけるｐｉｎ接合構造のエ
ネルギーバンド構造を示す模式図である。

【図３】本発明の実施例の導波路型フォトダイオードを
示す断面図である。

【図４】光入射強度と出力との関係を示すグラフであ
る。

【図５】従来のｐｉｎ型フォトダイオードを示す断面図
である。

【図６】図５のフォトダイオードにおけるｐｉｎ接合構
造のエネルギーバンド構造を示す模式図である。

【符号の説明】

１０ 基板 １１ ｎ型の下部クラッド層（ｎ−ＩｎＰ層） １２ 光吸収層 １２ａ ｉ型半導体層（ノンドープＩｎＧａＡｓ層） １２ｂ ｐ型半導体層（ＣドープＩｎＧａＡｓ層） １２ｃ ｉ型半導体層（ノンドープＩｎＧａＡｓ層） １３ ｐ型の上部クラッド（ｐ−ＩｎＧａＡｓ層） １４ ｐ型電極 １５ ｎ型電極 １６ バッファ層（ＩｎＰ層） １７ コンタクト層（ｎ−ＩｎＧａＡｓ層） １８ コンタクト層（ｐ−ＩｎＧａＡｓ層）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに逆導電型である半導体層の間に光
   吸収層が介装されている半導体受光素子において、 前記光吸収層が、ｉ型半導体層とｐ型半導体層とｉ型半
   導体層とをこの順序で積層して成る層構造を有すること
   を特徴とする半導体受光素子。
2. 【請求項２】 前記ｐ型半導体層が、炭素をドープして
   成る請求項１の半導体受光素子。