JP2000164916A - 積層型受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】素子の高速性を確保しつつ、従来よりも素子効
率の高い受光素子を提供すること、及び、単一の受光素
子から複数の電気信号の出力が可能な受光素子を提供す
ること。 【解決手段】基板１上に、第１の伝導型の半導体からな
る第１の電極層２、信号光を吸収する第１の光吸収層
３、第１のキャリア走行層４、第２の伝導型の半導体か
らなる第２の電極層５、第２のキャリア走行層６、信号
光を吸収する第２の光吸収層７、第１の伝導型の半導体
からなる第３の電極層８がこの順に積層され、層２、
５、８に、それぞれ、第１、第２、第３の電極９、１
０、１１が形成されてなることを特徴とする積層型受光
素子を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高効率性、高速性、
機能性を有する半導体受光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フォトダイオードに代表される受光素子
は光信号を電気信号に変換する素子であり、光通信や光
測定などの分野で幅広く使われいる。従来のｐｎ接合を
用いたフォトダイオードの一例を図６に示す。このフォ
トダイオードにおいて、図６に示すように、半導体基板
６１上に形成された光吸収層６３を電極層６２及び６４
で挟んだ構造が用いられている。そして、各電極層に接
して下部電極６５及び上部電極６６が形成される。例え
ば、ＩｎＰ基板上に下部電極層６２としてｎ型ＩｎＰ
層、光吸収層６３としてアンドープＩｎＧａＡｓ層、上
部電極層６４としてｐ型ＩｎＰ層が形成されてなる受光
素子がある。この受光素子は、光通信で重要な１．５５
μｍ帯の波長の光を受光するのに好適であり、様々な変
形例を伴って、広く用いられている。この受光素子は、
ＩｎＰが１．５５μｍ帯の波長の光に対して透明である
一方、ＩｎＧａＡｓの１．５５μｍ帯の波長の光の吸収
率が高いことを利用している。なお、ここでは信号光を
基板裏面から基板面に垂直に入射させる裏面入射型受光
素子の例を示したが、上部電極領域内に窓を設け、信号
光を基板表面から基板に垂直に入射させる表面入射型素
子や、基板の端面から信号光を入射させる導波路型受光
素子であっても良く、いずれの受光素子においても上記
の層構成が基本として用いられている。ちなみに、裏面
入射型の利点は、上部電極６４で反射された反射光６８
を有効に利用して素子効率を向上できることである。

【０００３】受光素子の効率は、主に光吸収層６３の厚
さに依存している。すなわち、光吸収層の厚さを厚くす
ることにより光吸収量を増大させ、素子効率を高くする
ことができる。一方、光吸収層の厚さを厚くすると、入
射光により発生したキャリアの電極までの走行距離が増
大するため、素子の高速特性が低下してしまうことにな
る。すなわち、素子効率と素子の高速性とはトレードオ
フの関係にあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上述
の従来技術における間題点を解消するものであって、素
子の高速性を確保しつつ、従来よりも素子効率の高い受
光素子を提供することにある。また、本発明の課題は、
単一の受光素子から複数の電気信号の出力が可能な受光
素子を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明では、光吸収層を電極層で挟んだ受光素子基
本層構成を複数組用い、各々の組の一方の電極層を他の
組の一方の電極層と共通となる様に構成して、積層構造
としたものである。この様な構成にすることにより、入
射光にとって実効的な吸収長が増大するため、素子の効
率を顕著に増大させることができる。また、各々の受光
素子に入射した信号を独立に取り出す様に電極を形成す
ることにより、入射光信号に同期した複数の電気信号を
独立に出力させることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。

【０００７】以下では、主に受光素子の一例として、高
速性、高出力性に優れるＵＴＣ−ＰＤ（Uni-Traveling-
Carrier Photodiode) と呼ばれるフォトダイオード（例
えば特開平９−２７５２２４号公報に記載）を用いた。

【０００８】（実施の形態１）図１は本発明の第１の実
施の形態を示す図である。図において、１は半絶縁性の
ＩｎＰからなる半導体基板、２はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
（組成：波長１．３μｍ相当）からなる第１の電極層、
３は信号光を吸収するｐ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の
光吸収層（ＩｎＰに格子整合する組成）、４はアンドー
プＩｎＰからなる第１のキャリア走行層、５はｎ型Ｉｎ
Ｐからなる第２の電極層、６はアンドープＩｎＰからな
る第２のキャリア走行層、７は信号光を吸収するｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓからなる第２の光吸収層（ＩｎＰに格子整合
する組成）、８はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成：波長１．
３μｍ相当）からなる第３の電極層、９は第１の電極、
１０は第２の電極、１１は第３の電極、１２は基板裏面
に設けられた反射防止膜、１３は入射光（波長１．５５
μｍ）、１４は反射光である。ここで、層２〜５からな
る受光素子を第１の素子部２１、層５〜８からなる受光
素子を第２の素子部２２と呼ぶことにする。なお、本発
明の構成には直接関係しないため、ここではＵＴＣ−Ｐ
Ｄの層構成は簡略化して記述している。

【０００９】また、素子の平面形状は、入射光との結合
を考えると円形に近い方が好ましいが、本実施の形態で
は、エッチング速度の緒晶方位依存性を考慮し、素子寸
法の制御性に優れた６角形状とした。この他にも、円形
や四角形などを用いることもできる。

【００１０】図１に示すように、本実施の形態では、メ
サ形状の裏面入射型受光素子が２組積層されて形成さ
れ、各電極層に接して各電極が設けられている。本実施
の形態では第２の電極層をｎ型、第１及び第３の電極層
をｐ型としたが、第２の電極層をｐ型、第１及び第３の
電極層をｎ型としても良い。しかし、ＩｎＰあるいはＩ
ｎＧａＡｓＰの場合、正孔移動度よりも電子移動度の方
が大きいので、ｐ型層よりもｎ型層の方が同じキャリア
濃度の場合シート抵抗を低くできる。従って、中間の電
極層をｎ型とする方が、素子薄層化の観点で有利であ
る。

【００１１】各素子部は信号光１３の入射に対して独立
に動作させることもできるが、入射光１３及び反射光１
４の半導体中での伝搬時間は、例えば半導体の屈折率を
３．４５（ＩｎＰ相当）、素子内での光の総伝搬距離を
２ミクロンとすると、０．０２ｐｓ程度となり、例えば
１００ＧＨｚ程度の素子動作（信号のパルス幅３ｐｓ程
度）においては無視できる遅延量である。従って、第１
及び第２の素子部の動作は入射信号光に対して同期して
いると考えることができる。

【００１２】図１に示した素子に配線を施す方法の例を
図２に示す。図２の（ａ）に示すように配線を施すこと
により、第１の素子部２１と第２の素子部２２との出力
を加算させ、出力を２倍程度に増大させることができ
る。なお、図２では、図面が煩雑になるのを避けるため
に、各素子部をダイオード記号で記載している。第１及
び第２の素子部への入力信号は、元々同一の信号である
ので、図２の（ａ）に示した構成は、実効的に光吸収層
の吸収長（厚さ）を増大させたことと等価である。従来
の受光素子では、本実施の形態と同一の吸収長を得るた
めには、光吸収層厚を２倍程度にしなければならない。
そのためにキャリアの電極までの走行距離も倍増し、素
子の動作速度は著しく低下してしまう。一方、本実施の
形態では、２組の素子部を積層化することだけでは、基
本的に余分な遅延時間の増大は生じない。第１の素子部
２１の面積を第２の素子部２２の面積よりも大きくした
場合は、素子容量は若干増大するが、素子速度がキャリ
ア走行時間で決まる構造範囲では、遅延時間の増大は無
視できる程度である。さらに、後述する様に、第１の光
吸収層３の面積を選択サイドエッチングで図１に示す様
に狭窄すれば、基本的に素子動作速度の低下を十分抑制
できる。

【００１３】図２の（ｂ）は別の配線例であって、各素
子部からの出力信号を独立に取り出せる様にしている。
このようにすることにより、独立でかつ同期した電気信
号を取り出すことができる。さらにそれらの信号の片方
の符号を反転させれば、差動型の入力を必要とする素子
もしくは回路等に、同期した差動信号を単一の素子だけ
で与えることができる。

【００１４】図２の（ｃ）は別の配線例であって、各素
子部からの出力信号を独立に取り出せる様にしていると
ともに、片方の線路に信号遅延回路２６を設けている。
この様にすることにより、同期した高速信号を独立に取
り出すことができるだけでなく、信号間の位相を任意の
量だけずらすことができ、例えば極めて短い時間間隔の
複数の信号入力を必要とする素子もしくは回路等に、入
力信号を単一の素子で与えることができる。信号遅延手
段としては、公知の素子で構成しても良いし、単に各々
の線路長を変えることでも良い。また、別の外部信号で
遅延量を制御するように構成するのも好適である。

【００１５】図１の素子において、光吸収層よりもキャ
リア走行層を広いメサに形成しておくことは、素子側面
における電界集中を抑制する意味で重要である。この様
な形状を形成するには、以下の工程を用いればよい。す
なわち、まず第３の電極１１をマスクとして第３の電極
層８及び第２の光吸収層７をエッチングする。次に、第
３の電極１１よりも広いフォトレジストをマスクとして
第２のキャリア走行層６をエッチングする。続いて、第
２の電極１０を形成し、これらよりも広いフォトレジス
トをマスクとして第２の電極層５及び第１のキャリア走
行層４をエッチングする。ここで、前記フォトレジスト
マスクを第２の電極１０の途中まで覆うようにして、メ
サ端は、第２の電極１０をマスクととして決まる様にし
ても良い。次に、少なくとも第１のキャリア走行層４を
エッチングせず第１の光吸収層３をエッチングする様な
選択性のある等方性エッチング手法で第１の光吸収層３
のみをエッチングすることにより、素子部以外の第１の
光吸収層を除去するとともに、サイドエッチングにより
第１の光吸収層３の領域を第１のキャリア走行層４より
も狭くかつ内側になる様にする。本実施の形態では、ク
エン酸と過酸化水素の混合水溶液を用いることにより、
第１のキャリア走行層４（ＩｎＰ）をエッチングするこ
となく第１の光吸収層３（ＩｎＧａＡｓ）のみをエッチ
ングして、サイドエッチングを行った。ここでさらに、
第１の電極層２に対しても選択制のあるエッチング手法
を用いれば、エッチングを第１の電極層２上で停止させ
るとともに、任意の距離だけ第１の光吸収層３（ＩｎＧ
ａＡｓ）のサイドエッチングを進行させることもでき
る。これにより、第１の素子部２１の素子容量を低滅で
きる。特に、第１及び第２の素子部の接合面積（光吸収
層の面積）を等しくするのが、素子速度及び効率の観点
から好適である。最後に、第１の電極９を形成し、全体
をカバーするフォトレジストをマスクとして第１の電極
層２をメサエッチングする。これらはもちろんウェット
エッチングだけでなく、ドライエッチングで行うことも
できる。

【００１６】図３は本発明の裏面入射型受光素子と従来
の裏面入射型受光素子の効率の膜厚依存性（計算値）を
比較したものである。ここでは、基板裏面での反射が無
く、入射光の吸収は光吸収層のみで生じると仮定してい
る。例えば、実施の形態１の光吸収層厚２５００オング
ストロームの場合、従来の受光素子では受光感度は０．
４Ａ／Ｗ程度にしかならないが、本発明の受光素子で
は、受光感度を０．７Ａ／Ｗ程度と２倍程度まで増大さ
せることができる。そして、この様に受光感度を増大さ
せても、素子の周波数帯域は従来素子と同様に１００Ｇ
Ｈｚ程度に保つことができる。別の比較をすると、本発
明の受光素子において、受光感度を０．４Ａ／Ｗ程度に
する場合、光吸収層厚を１１００オングストローム程度
まで薄くすることができる。そして、特に本実施の形態
ではＵＴＣ−ＰＤを用いているので、光吸収層厚を２５
００オングストロームから１１００オングストロームに
することにより、光吸収層内での電子走行時間を１／５
程度にまで減少させ、素子の高速性を著しく増大させる
ことができる。

【００１７】（実施の形態２）図４は本発明の第２の実
施の形態を説明する図であり、本実施の形態は、本発明
をメサ形状の表面入射型受光素子に適用したものであ
る。図４において、第３の電極１１がその領域内に受光
窓を有し、基板裏面ではなく受光窓上に反射防止膜１２
が設けられている点を除けば、各部の構成は図１と同様
である。本実施の形態では入射光は一度しか各光吸収層
を通過しないので、裏面入射型に比べて素子効率は低く
なる。しかし、このような表面入射型の構成は入射光の
導入が表面から簡便に行えるなどの利点を有しているの
で、従来から、目的に応じて広く用いられている。そし
て、本実施の形態は、従来の表面入射型受光素子に比
べ、素子効率を増大させることができる点や、複数の信
号を出力させることができるなどの効果に加え、上述の
配線形態や作製方法も同様に適用でき、同様の効果が得
られる点において優れている。

【００１８】（実施の形態３）図５は本発明の第３の実
施の形態を説明する図である。図において、１は半絶縁
性のＩｎＰからなる半導体基板、５１はｎ型ＩｎＰから
なる第１の電極層、５２はアンドープＩｎＧａＡｓＰ
（組成：波長１．３μｍ相当）からなる第１のキャリア
走行層、５３は信号光を吸収するｐ型ＩｎＧａＡｓから
なる第１の光吸収層（ＩｎＰに格子整合する組成）、５
４はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成：波長１．３μｍ相当）
からなる第２の電極層、５５は信号光を吸収するｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓからなる第２の光吸収層（ＩｎＰに格子整合
する組成）、５６はアンドープＩｎＧａＡｓＰ（組成：
波長１．３μｍ相当）からなる第２のキャリア走行層、
５７はｎ型ＩｎＰからなる第３の電極層、９は第１の電
極、１０は第２の電極、１１は第３の電極、１３は入射
光である。図５において、素子の左側は劈開面であり、
その面に反射防止膜５８が設けられている。また、層５
１〜５３及び層５５〜５７は層５４に近づくほど屈折率
が大きくなる様に構成されており、層５１〜５７及び基
板は全体として導波路として作用するようになってい
る。これは、端面から入射した入射光を導波路内に閉じ
こめ、素子効率を増大させるという点で効果的である。
そして、本願発明の積層構造を適用することにより、素
子効率を増大させることができる点や、複数の信号を出
力させることができるなどの効果に加え、実施の形態１
で述べた様な配線形態（ただしダイオードの極性は逆）
も同様に適用でき、同様の効果が得られる。

【００１９】本実施の形態では第２の電極層をｐ型、第
１及び第３の電極層をｎ型としたが、第２の電極層をｎ
型、第１及び第３の電極層をｐ型としても良い。しか
し、導波路型受光素子の場合、光吸収層をなるべく入射
光の中心に配置した方が効率が増大することを考慮する
と、フォトダイオードとしてＵＴＣ−ＰＤを用いる場合
は、各光吸収層を第２の電極層側に配した方が有利とな
る場合がある。通常のｐｉｎフォトダイオード構造を用
いる場合は、第２の電極層をｎ型とした方が第１及び第
２の光吸収層を近づけることができるので、有利となる
場合がある。これらは、入射光のビーム径や受光素子と
の結合効率などにより、適宜選択されるべきものであ
る。

【００２０】上述の実施の形態では、２つの受光素子を
積層させる例を示したが、積層させる受光素子の数は３
つ以上であっても良い。そしてその場合は、出カさせる
独立な信号の数を３つ以上にすることができる。

【００２１】また、上述の各実施の形態では、受光素子
としてフォトダイオードの一種であるＵＴＣ−ＰＤを用
いた。ＵＴＣ−ＰＤの層構成は、本実施の形態で示した
もの以外にも、光吸収層とキャリア走行層との間に複数
の層を挿入し、伝導帯不連続を低減することによりキャ
リアブロック現象を防止したり、キャリア走行層の一部
を光吸収層として用いるハイブリッド構造など、様々な
バリエーションが可能である。一方、ＵＴＣ−ＰＤでは
なく通常のｐｉｎフォトダイオードを用いる場合は、基
本的にｐ型電極層、アンドープもしくは低不純物濃度の
光吸収層、ｎ型電極層の３層構成で良く、上述の実施の
形態で示したキャリア走行層は不要である。また、フォ
トダイオードとしては、超格子構造の光吸収層を用いた
フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等、
その他のフォトダイオードを用いることもできる。さら
に、導波路構造や反射膜を素子内に作り込むために、各
層を必要に応じて多層構造としても良い。

【００２２】受光素子を構成する材料としては、上記実
施の形態ではＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＰ／ＧａＡ
ｓ（Ｐ）系を用いたが、ＩｎＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＩｎＧ
ａＡｓ、ＩｎＡ１Ａｓ／ＧａＡｓＳｂなどのＩｎＰに格
子整合する他の材料系、Ａ１ＧａＡｓ／（Ａ１）ＧａＡ
ｓ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓなどのＧａＡｓに格子整合す
る材料系、Ａ１ＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどのＧａ
Ｎに格子整合する半導体材料の組み合わせなどや、格子
不整合系材料など、通常の半導体材料の組み合わせを用
いることもできる。

【００２３】上記の実施の形態において、基板として半
絶縁性基板を用いたが、導電性、半導電性あるいは絶縁
性の基板を用いても良い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明は、光吸収層
を電極層で挟んだ受光素子となる基本層構成を含んだ層
構造を複数組用い、各々の組の一方の電極層を他の組の
一方の電極層と共通となる様に構成して積層構造とした
ものである。この様な構成にすることにより、入射光に
とって実効的な吸収長が増大するため、素子の効率を顕
著に増大させることができるという効果があり、また、
素子効率を一定に保つ条件下では、素子の高速化が図れ
るという効果を有する。さらに、各々の受光素子に入射
した信号光に対応する信号出力を独立に取り出す様に電
極を形成することにより、入射光信号に同期した複数の
電気信号を独立に出力させることができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の裏面入射型受光素子の実施の形態を示
す断面図である。

【図２】本発明の受光素子の配線例を示す図である。
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ高出力型、２出力
型、２位相差出力型を示す。

【図３】本発明の受光素子と従来の受光素子の素予効率
の光吸収層厚依存性を比較する図である。

【図４】本発明の表面入射型受光素子の実施の形態を示
す断面図である。

【図５】本発明の導波路型受光素子の実施の形態を示す
断面図である。

【図６】従来の裏面入射型受光素子の断面図である。

【符号の説明】

１…基板、２…第１の電極層、３…第１の光吸収層、４
…第１のキャリア走行層、５…第２の電極層、６…第２
のキャリア走行層、７…第２の光吸収層、８…第３の電
極層、９…第１の電極、１０…第２の電極、１１…第３
の電極、１２…反射防止膜、１３…入射光、１４…反射
光、２１…第１の受光素子部、２２…第２の受光素子
部、２３…出力端子、２４…第１の出力端子、２５…第
２の出力端子、２６…信号遅延回路、５１…第１の電極
層、５２…第１のキャリア走行層兼導波層、５３…第１
の光吸収層、５４…第２の電極層、５５…第２の光吸収
層、５６…第２のキャリア走行層兼導波層、５７…第３
の電極層、５８…反射防止膜、６１…半導体基板、６２
…下部電極層、６３…光吸収層、６４…上部電極層、６
５…下部電極、６６…上部電極、６７…入射光、６８…
反射光。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に、少なくとも、第１の伝導型の半
   導体からなる第１の電極層と、第１の半導体光吸収層
   と、第２の伝導型の半導体からなる第２の電極層と、第
   ２の半導体光吸収層と、第１の伝導型の半導体からなる
   第３の電極層とがこの順に積層され、前記第１、第２、
   第３の電極層に、それぞれ、第１、第２、第３の電極が
   形成されてなることを特徴とする積層型受光素子。
2. 【請求項２】前記第１の電極と前記第３の電極が短絡さ
   れてなることを特徴とする請求項１記載の積層型受光素
   子。
3. 【請求項３】前記第１の光吸収層が前記第２の電極層よ
   りも小さい面積に形成されていることを特徴とする請求
   項１又は２記載の積層型受光素子。