JP2000124493A

JP2000124493A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2000124493A
Application number: JP10290277A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Matsuoka; 松岡　　裕; Yoshifumi Muramoto; 好史村本; Kazutoshi Kato; 和利加藤; Tadao Ishibashi; 忠夫石橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-04-28
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: JP3688909B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速性、高効率性、高出力性を同時に備えた導
波路型半導体受光素子を提供することを目的とする。【解決手段】絶縁性ＩｎＰ基板１上に第１〜第５の半導
体層を形成し、第１の半導体層１０２は、ｐ型の第３の
半導体層１０５と極性が逆のｎ型で、第１の半導体層１
０２のＢＧＥ（バンドギャップエネルギ）はＩｎＰ基板
１のＢＧＥと第３の半導体層１０５のＢＧＥとの中間の
値とし、第２の半導体層１０３のドーピング濃度は第１
及び第３の半導体層１０２、１０５のドーピング濃度よ
り低くし、第２の半導体層１０３のＢＧＥは第１の半導
体層１０２のＢＧＥよりも大きい値にし、第４の半導体
層１０６はｐ型とし、ＢＧＥは第３の半導体層１０２の
ＢＧＥよりも大きい値とし、第５の半導体層１０７はｐ
型とし、ＢＧＥは第４の半導体層１０６のＢＧＥよりも
大きい値とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速電子回路や光
変調器等に用いられる長波長帯の半導体受光素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】長波長帯（１．５μｍ帯）の高速半導体
受光素子として、ＩｎＧａＡｓを光吸収層とするｐｉｎ
フォトダイオードが一般的である。このｐｉｎフォトダ
イオードでは、光吸収層は空乏化されており、光励起に
よって生成された電子および正孔は空乏化された光吸収
層を内部電界によってドリフト走行してそれぞれｎ型
層、ｐ型層に達して電気信号として取り出される。ｐｉ
ｎフォトダイオードの応答速度は、キャリアの走行時間
とＣＲ時定数の両者によって制限されるが、よく知られ
ているようにこの両者はトレードオフの関係にある。従
って通常のｐｉｎフォトダイオードでは、応答時間に自
ずと制限があった。また、高出力のフォトダイオード
は、電気増幅を介さずに高速電子回路や光変調器を直接
発動することを可能にするという点で非常に有用である
が、フォトダイオードから高出力を得るために光アンプ
等によって増幅された信号光を入射した場合、キャリア
の大量発生に伴って空乏層内で空間電荷効果を生じ、内
部電界が変調を受け、高速応答が不可能になるという問
題もあった。

【０００３】この問題を解決するために、光吸収層をｐ
型層とし、正孔は空乏層を走行させることなく電極へ取
り出し、光吸収層に近接した半導体層を光吸収層よりも
広いバンドギャップを持つ低濃度層として空乏化させ、
その領域を走行させるキャリアとして電子のみを利用す
る構造が提案されている（特開平９−２７５２２４号公
報）。正孔のドリフト走行速度は電子のそれに比べて極
めて小さいので、この構造では、キャリアの走行時間と
ＣＲ時定数のトレードオフによる応答速度制限が大幅に
緩和される。また、ドリフト走行速度の大きい電子のみ
を走行キャリアとして用いることは、空間電荷効果の低
減をもたらし、空間電荷効果の生じる領域がワイドギャ
ップ半導体層であることと相俟って、飽和出力を向上さ
せる効果も大きい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の半導体受光素子においては、光吸収層で生成された
電子は拡散によって空乏層に到達することが必要であ
り、応答速度を上げるためには、光吸収層を薄くする必
要があり、吸収効率を上げられないという欠点があっ
た。また、吸収効率を増大するために、上記構造の特徴
を活かしつつ光ガイド層を付加し、半導体層の一部をメ
サ形状に加工し、光を各層に並行に入射する導波路型フ
ォトダイオードが提案されている（特願平９−２６６２
２４号）。この導波路型構造における電子走行層は導波
路型構造を形成するための光ガイド層を兼ねており、そ
のバンドギャップエネルギーは、光吸収層のバンドギャ
ップエネルギーと半導体基板のバンドギャップエネルギ
ーの中間の値をとっている。従って、ＩｎＰを半導体基
板として用い光吸収層をＩｎＧａＡｓとして長波長帯の
半導体受光素子を構成する場合、電子走行層のバンドギ
ャップエネルギーは１ｅＶ程度と小さいためイオン化率
が大きく、電子のみを走行キャリアとして用い空間電荷
効果が抑制されているとはいえ、高電流密度では動作が
不安定になり高出力化をはかることが困難であった。

【０００５】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、高速性、高効率性、高出力性を同時に備え
た導波路型の半導体受光素子を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、半導体基板上に少なくとも５層
以上の複数の半導体層を形成し、少なくとも上記半導体
層の一部をメサ形状に加工し、上記半導体層の外側層に
それぞれオーミック電極を設け、光信号を上記半導体層
に沿って入射させ、上記光信号から電気信号を取り出す
半導体受光素子において、上記半導体基板側から順次第
１〜第５の半導体層を形成し、上記第３の半導体層は第
１の導電型を有し、光吸収層として働き、上記第１の半
導体層は上記第３の半導体層と極性が逆の第２の導電型
を有し、バンドギャップエネルギーが上記半導体基板の
バンドギャップエネルギーと上記第３の半導体層のバン
ドギャップエネルギーとの中間の値を有し、上記第２の
半導体層はドーピング濃度が上記第１及び第３の半導体
層のドーピング濃度より低く、バンドギャップエネルギ
ーが上記第１の半導体層のバンドギャップエネルギーよ
りも大きい値を有し、上記第４の半導体層は上記第１の
導電型を有し、バンドギャップエネルギーが上記第３の
半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を
有し、上記第５の半導体層は上記第１の導電型を有し、
バンドギャップエネルギーが上記第４の半導体層のバン
ドギャップエネルギーよりも大きい値を有する半導体受
光素子を構成する。

【０００７】また、上記第３の半導体層のバンドギャッ
プエネルギーを０．８５ｅＶ以下とし、上記第２の半導
体層のバンドギャップエネルギーを１．２ｅＶ以上と
し、上記第２の半導体層の厚さを０．１μｍから０．３
μｍの間とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る半導体受光
素子の実施の形態を示す、導波路型半導体受光素子の断
面構造とバンド構造の模式図である。図に示すように、
半絶縁性ＩｎＰ基板(半導体基板)１０１上に、第１の半
導体層１０２、第２の半導体層１０３、ＩｎＧａＡｓＰ
層１０４、第３の半導体層１０５、第４の半導体層１０
６、第５の半導体層１０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０
８およびオーミックコンタクト層１０９が順次積層さ
れ、第１の半導体層１０２はｎ型不純物を１×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3にドープした厚さ１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰ（バ
ンドギャップエネルギー０．９５４ｅＶ）層で光ガイド
層として働き、第２の半導体層１０３はｎ型不純物を３
×１０¹⁶ｃｍ^-3にドープした厚さ０．２μｍのＩｎＰ層
で電子走行層として働き、ＩｎＧａＡｓＰ１０４は第２
の半導体層１０３のＩｎＰと第３の半導体層１０５のＩ
ｎＧａＡｓの伝導帯不連続によるブロッキング効果を低
減するために導入したアンドープ層及びｎ型にドープし
た層の２層からなる厚さ０．０１μｍのＩｎＧａＡｓＰ
（バンドギャップエネルギー０．９５４ｅＶ）層であ
り、第３の半導体層１０５はｐ型不純物を３×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3にドープした厚さ０．２μｍのＩｎＧａＡｓ（バン
ドギャップエネルギー０．８５ｅＶ以下）層で光吸収層
として働き、第４の半導体層１０６はｐ型にドープした
厚さ０．８μｍのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネ
ルギー０．９５４ｅＶ）層で光ガイド層として働き、第
５の半導体層１０７はｐ型にドープした厚さ０．５μｍ
のＩｎＰ層であり、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０８はｐ型
にドープしたＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネルギ
ー０．９５４ｅＶ）層であり、オーミックコンタクト層
１０９はｐ型にドープしたＩｎＧａＡｓ層である。さら
に、オーミックコンタクト層１０９の上にｐ型オーミッ
ク電極１１０を形成し、第１の半導体層１０２の一部に
ｎ型オーミック電極１１１が形成されている。

【０００９】ここで、第１の半導体層１０２のバンドギ
ャップエネルギーは半導体基板１のバンドギャップエネ
ルギーと第３の半導体層１０５のバンドギャップエネル
ギーとの中間の値を有し、第２の半導体層１０３のバン
ドギャップエネルギーは第１の半導体層１０２のバンド
ギャップエネルギーよりも大きい値を有し、第４の半導
体層１０６のバンドギャップエネルギーは第３の半導体
層１０５のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を
有し、また、第５の半導体層１０７のバンドギャップエ
ネルギーは第４の半導体層１０６のバンドギャップエネ
ルギーよりも大きい値を有している。なお、本実施の形
態では、第１の導電型としてｐ型、第２の導電型として
ｎ型を用いたが、その逆であってもよいことは勿論であ
る。

【００１０】本発明の実施の形態の効果について、従来
技術と対比しながら詳しく説明する。図２は従来技術に
よる半導体受光素子の断面構造とバンド構造の模式図で
ある（例えば特願平９−２６６２２４号に記載があ
る）。図に示すように、第２の半導体層２０３はアンド
ープのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネルギー０．
９５４ｅＶ）層で光ガイド層を兼ねる電子走行層であ
り、第２の半導体層２０３を除けば２０１〜２１１はそ
れぞれ図１の１０１〜１１１と同様な構造である。すな
わち、本発明と従来の技術では、第３の半導体層（光吸
収層）１０５、２０５にｐ型不純物をドープしたＩｎＧ
ａＡｓ層を用いていること、第２の半導体層（電子走行
層）１０３、２０３に第３の半導体層（光吸収層）１０
５、２０５よりもバンドギャップエネルギーの大きい材
料を用いていること、第３の半導体層（光吸収層）１０
５、２０５を挾んでそれぞれ第３の半導体層１０５、２
０５よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料の第
４の半導体層（光ガイド層）１０６、２０６を設けてい
ること、第４の半導体層１０６、２０６の外側に第４の
半導体層１０６、２０６よりもバンドギャップエネルギ
ーの大きい第５の半導体層１０７、２０７を設けている
こと、メサ形状を形成して光信号を半導体層に沿って入
射させる導波路型構造を採用していることは共通であ
る。このような構造とすることにより、電子のみを走行
キャリアとして用いるのでキャリアの走行時間とＣＲ時
定数のトレードオフによる制限を緩和して動作速度を上
げると共に、空間電荷の影響を低減し、高出力化をはか
ることができる。ただし従来の技術の構造では、第２の
半導体層２０３は光ガイドを兼ねるため、そのバンドギ
ャップエネルギーは第３の半導体層２０５のバンドギャ
ップエネルギーより大きいとはいえ、１ｅＶ以下に設定
していたが、本発明では、第２の半導体層（電子走行
層）１０３と第１の半導体層（光ガイド層）１０２の役
割を完全に分離している。図１の本発明の実施の形態で
は、第３の半導体層１０５はバンドギャップエネルギー
が０．８５ｅＶ以下のＩｎＧａＡｓ層である。第２の半
導体層（電子走行層）１０３はバンドギャップエネルギ
ー１．３５ｅＶのＩｎＰ層である。第２の半導体層（電
子走行層）１０３のバンドギャップエネルギーを１．２
ｅＶ以上にすることにより、従来の構造では不安定であ
った高電流密度の動作が安定し、高出力化をはかること
が可能になる。

【００１１】第２の半導体層（電子走行層）１０３は、
バンドギャップエネルギーを大きくするだけでなく、そ
の厚さと不純物のドーピング濃度を適切に設定する必要
がある。第２の半導体層（電子走行層）１０３が薄すぎ
る場合は、接合容量が大きくなると共に接合に印加する
バイアス電圧を大きくしたときの動作が不安定になり、
厚すぎる場合は、電子走行時間が増大すると共に、光閉
じこめが悪くなるため光吸収効率が低下する。また、走
行するキャリアは電子だけであるので、正孔を使う場合
に比較して空間電荷の影響が少ないとはいえ、高電流密
度で動作する場合その影響を無視することはできない。
本実施の形態では、接合容量、高電流密度の動作安定
性、電子走行時間、光吸収効率の低下の影響を勘案し
て、第２の半導体層（電子走行層）１０３の厚さを０．
１μｍ〜０．３μｍの間である０．２μｍとした。走行
キャリアによる空間電荷の効果を抑制するためにはドー
ピング濃度を高くする必要があるが、一方接合容量を低
くするためには低くする必要があり、特願平９−２８６
８２号にあるように、第２の半導体層（電子走行層）１
０３のドーピング濃度を、半導体受光素子を動作させる
所望の最大電流密度になったときのキャリアの濃度に近
いように設定することが有効である。電子のオーバーシ
ュート効果を勘案して第２の半導体層（電子走行層）１
０３中の電子の平均速度を４×１０⁷ｃｍ／ｓとし、最
大電流密度２×１０⁵Ａ／ｃｍ²で動作させることを想定
して、第２の半導体層（電子走行層）１０３中の不純物
ドーピング濃度を３×１０¹⁶／ｃｍ³とした。第２の半
導体層１０３中の不純物ドーピング濃度は第１及び第３
の半導体層１０２、１０５の不純物ドーピング濃度より
低くなっている。

【００１２】上述のように、絶縁性ＩｎＰ基板１０１上
に第１〜第５の半導体層を形成することにより、高速
性、高効率性、高出力性を同時に備えた導波路型半導体
受光素子を実現することができた。なお、本発明の効果
を発揮するためには上記の実施の形態に限定されるもの
ではないことはいうまでもない。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る半導
体受光素子においては、第１の半導体層、第２の半導体
層、第３の半導体層を有する従来の電子のみを走行キャ
リアとして用いる導波路型半導体受光素子と同様に、動
作速度、吸収効率、出力が大きいという特徴があること
に加えて、第１の半導体層と第２の半導体層を分離し、
半導体受光素子が高電流密度でも安定に動作するよう第
２の半導体層のバンドギャップエネルギーを十分に大き
く設定して、動作速度と吸収効率が大きいという特徴を
活かしたまま、高バイアスや高電流密度で動作するとき
の動作安定性を増大して出力を大幅に増大することが可
能となった。

【００１４】また、第３の半導体層のバンドギャップエ
ネルギーを０．８５ｅＶ以下とし、第２の半導体層のバ
ンドギャップエネルギーを１．２ｅＶ以上とし、第２の
半導体層の厚さを０．１μｍから０．３μｍの間とする
ことにより、特に長波長帯における上記効果を実現する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体受光素子の実施の形態を示
す、導波路型半導体受光素子の断面構造とバンド構造の
模式図である。

【図２】従来技術による半導体受光素子の断面構造とバ
ンド構造の模式図である。

【符号の説明】

１０１半絶縁性ＩｎＰ基板１０２第１の半導体層（光ガイド層）１０３第２の半導体層（電子走行層）１０４ＩｎＧａＡｓＰ層１０５第３の半導体層（光吸収層）１０６第４の半導体層（光ガイド層）１０７第５の半導体層（ｐ型ＩｎＰ層）１０８ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０９オーミックコンタクト層１１０ｐ型オーミック電極１１１ｎ型オーミック電極２０１半絶縁性ＩｎＰ基板２０２第１の半導体層（光ガイド層）２０３第２の半導体層（電子走行層）２０４ＩｎＧａＡｓＰ層２０５第３の半導体層（光吸収層）２０６第４の半導体層（光ガイド層）２０７第５の半導体層（ｐ型ＩｎＰ層）２０８ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０９オーミックコンタクト層２１０ｐ型オーミック電極２１１ｎ型オーミック電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤和利東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者石橋忠夫東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F049 MA04 MB07 NA01 NA03 QA03 QA08 SS04 WA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に少なくとも５層以上の複数
の半導体層を形成し、少なくとも上記半導体層の一部を
メサ形状に加工し、上記半導体層の外側層にそれぞれオ
ーミック電極を設け、光信号を上記半導体層に沿って入
射させ、上記光信号から電気信号を取り出す半導体受光
素子において、上記半導体基板側から順次第１〜第５の
半導体層を形成し、上記第３の半導体層は第１の導電型
を有し、光吸収層として働き、上記第１の半導体層は上
記第３の半導体層と極性が逆の第２の導電型を有し、バ
ンドギャップエネルギーが上記半導体基板のバンドギャ
ップエネルギーと上記第３の半導体層のバンドギャップ
エネルギーとの中間の値を有し、上記第２の半導体層は
ドーピング濃度が上記第１及び第３の半導体層のドーピ
ング濃度より低く、バンドギャップエネルギーが上記第
１の半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい
値を有し、上記第４の半導体層は上記第１の導電型を有
し、バンドギャップエネルギーが上記第３の半導体層の
バンドギャップエネルギーよりも大きい値を有し、上記
第５の半導体層は上記第１の導電型を有し、バンドギャ
ップエネルギーが上記第４の半導体層のバンドギャップ
エネルギーよりも大きい値を有することを特徴とする半
導体受光素子。
【請求項２】上記第３の半導体層のバンドギャップエネ
ルギーを０．８５ｅＶ以下とし、上記第２の半導体層の
バンドギャップエネルギーを１．２ｅＶ以上とし、上記
第２の半導体層の厚さを０．１μｍから０．３μｍの間
とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素
子。