JP2002289909A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光吸収層の膜厚を薄くすることができ、光によ
り励起されたキャリアが走行する距離が短くなり、高速
応答に適した受光素子を提供する。 【解決手段】Ｓｉから成る基板１０上に一導電型を呈す
るバッファ層１１、一導電型半導体層１２、光吸収層１
３および窓層である逆導電型半導体層１４とを順次積層
してＧａＡｓ系の半導体受光層に構成し、そして、逆導
電型半導体層１４の上にオーミックコンタクト層１５と
ｐ側電極１７aとを順次積層し、基板１０の裏面にはｎ
側電極１７bを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体受光素子に関
し、特に光ファイバー通信などに使用する半導体受光素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体受光素子を図３により説明
する。

【０００３】同図はＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ層を成膜
した半導体受光素子である。

【０００４】２０はｎ型のＧａＡｓ基板２０であり、こ
のＧａＡｓ基板２０の上にｎ型のＧａＡｓバッファ層２
１、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層２２、ｎ-型の半絶縁ＧａＡ
ｓ光吸収層２３およびｐ型のＡｌＧａＡｓ窓層２４とを
順次形成し、ｐ型のＡｌＧａＡｓ窓層２４の一部表面上
にｐ+型のＧａＡｓコンタクト層２５を形成し、このＧ
ａＡｓコンタクト層２５上にｐ側電極２７aを設けてい
る。

【０００５】また、ＧａＡｓ基板２０の裏面にｎ側電極
２７bを設け、さらに素子全体に絶縁膜２６を被覆した
構造となっている。

【０００６】かかるＧａＡｓ半導体受光素子によれば、
バッファ層２１にはｎ型不純物が１×１０¹⁷〜１０¹⁹at
oms/cm³程度の比較的高濃度にて添加されている。

【０００７】ＡｌＧａＡｓ層２２においても、ｎ型不純
物が１×１０¹⁷〜１０¹⁹atoms/cm³程度の比較的高濃度
にて添加されている。

【０００８】さらに光吸収層２３では不純物を含有しな
いノンドープであるが、実際には不純物が５×１０¹⁵ a
toms/cm³程度の低濃度のｎ型になっている。

【０００９】さらにまた、ＡｌＧａＡｓ窓層２４では１
×１０¹⁷〜１０¹⁹atoms/cm³程度のｐ型になり、ＧａＡ
ｓコンタクト層２５では１×１０^{1 8}〜１０¹⁹atoms/cm³
程度の高濃度のｐ型になっている。

【００１０】そして、ｐ側電極２７aとｎ側電極２７bと
の間にて逆バイアス電圧を印加することで光吸収層２３
を空乏化させ、このような状態下にて入射光を入射させ
ると、光吸収層２３にて励起されたキャリアは光吸収層
２３にかかっている高電界によって加速され、これによ
り、短い時間でｎ型ＧａＡｓバッファ層２１、もしくは
ｐ型のＡｌＧａＡｓ窓層２４に移動し、その結果、高速
応答を実現することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光通信
で使用されるλ＝８５０ｎｍの波長であり、これに対す
る光吸収層であるＧａＡｓの光吸収係数は図４に示すよ
うに波長依存性が大きいため、素子の温度により吸収係
数が大きく変化してしまうという課題がある。

【００１２】すなわち、λ＝８５０ｎｍの光に対し、そ
の吸収係数は、同図に示す如く、８５００ｃｍ^-1の値を
示し、その急変な領域においては、温度変化により吸収
係数が大きく変化を起こしてしまう。

【００１３】さらに詳述するに、高温になると光吸収層
であるＧａＡｓのエネルギーギャップが小さくなり、そ
のために図４に示す吸収曲線は右側にシフトし、λ＝８
５０ｎｍの光に対する光吸収係数が大きくなるが、その
反面、低温になるとＧａＡｓエネルギーギャップが大き
くなり、これによって吸収曲線は左側にシフトし、λ＝
８５０ｎｍの光に対する光吸収係数が低下していた。

【００１４】したがって、このような構成の半導体受光
素子を作製するには、素子の使用温度内で特性を得るた
めに、低温規格温度、すなわち図４に示す吸収係数の曲
線が左方にシフトし、吸収係数が最も低くなることでも
って基準とし、その基準による吸収係数にて設計を行
い、低温においても充分な光吸収特性が得られるよう膜
厚の設計を行っている。

【００１５】ところが、このような低温規格温度を採用
することで、光吸収層を充分に厚くする必要があり、そ
のために受光素子の応答速度が低下していた。

【００１６】したがって本発明は上記事情に鑑みて完成
されたものであり、その目的は光吸収層の厚みを小さく
して、応答速度を高めた半導体受光素子を提供すること
にある。

【００１７】本発明の他の目的は、温度依存性を小さく
して高い信頼性を達成した半導体受光素子を提供するこ
とにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、Ｓｉから成る半導体基板上に一導電型半導体層と光
吸収層と逆導電型半導体層とを順次積層してＧａＡｓ系
の半導体受光層に構成せしめたことを特徴とする。

【００１９】本発明の他の半導体発光素子は、前記一導
電型半導体層のうち半導体基板側の層領域をＡｌＧａＡ
ｓにより、光吸収層側の層領域をＩｎＧａＡｓにより形
成したことを特徴とする。

【作用】本発明の半導体発光素子は、上記構成のように
Ｓｉから成る半導体基板と、一導電型半導体層と光吸収
層と逆導電型半導体とを順次積層してＧａＡｓ系の半導
体受光層とを組合せたことで、たとえばＭＯＣＶＤ法な
どの成膜技術にてＧａＡｓ系の半導体受光層を形成する
に当り、Ｓｉ半導体の熱膨張係数が２．５６×１０
^-6（Ｋ^-1）であることに対し、ＧａＡｓ系半導体の熱膨
張係数が５．７×１０ ^-6（Ｋ^-1）というように大きく、
そのために約５００〜８００℃の高温下で成膜した後、
室温まで冷却させると、そのＧａＡｓ系半導体受光層が
基板でもって約１．４×１０⁹（ｄｙｎ/ｃｍ²）程度の
引っ張り応力を受ける。

【００２０】このような引っ張り応力によって、ＧａＡ
ｓからなる光吸収層のエネルギーバンドギャップが小さ
くなり、これにより、図４に示す光吸収係数の曲線が右
側にシフトし、λ＝８５０ｎｍの光に対する光吸収係数
が高くなり、その結果、図３に示す如くＧａＡｓ基板上
にＧａＡｓ層を成膜した半導体受光素子に比べ、光吸収
係数が高くなる。

【００２１】したがって、同じ光吸収率を得るのに必要
な光吸収層の膜厚を薄くすることができ、これにより、
光により励起されたキャリアが走行する距離が短くな
り、高速応答に適した受光素子を得られる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体発光素子の
基本的な構成を図１と図２により詳細に説明する。

【００２３】図１は本発明の半導体受光素子の概略断面
図であり、図２は本発明の他の半導体受光素子の概略断
面図である。双方の半導体受光素子ともにＳｉ基板上に
ＧａＡｓ系ｐｉｎフォトダイオードを形成したものであ
る。

【００２４】図１に示す半導体発光素子によれば、１０
は一導電型の半導体基板（以下、基板と称する）であ
り、この基板１０の上に一導電型を呈するバッファ層１
１、一導電型半導体層１２、光吸収層１３および窓層で
ある逆導電型半導体層１４とを順次積層し、この逆導電
型半導体層１４の上にオーミックコンタクト層１５とｐ
側電極１７aとを順次積層している。

【００２５】また、基板１０の裏面にはｎ側電極１７b
を形成している。そして、素子の側面と表面上に絶縁膜
１６を設けている。

【００２６】次に各層の構成を詳述する。

【００２７】単結晶の半導体基板１０は(１００)面を<
０１１>方向に２〜７°オフさせたＳｉ基板である。

【００２８】バッファ層１１はガリウム砒素(ＧａＡｓ)
から形成され、一導電型不純物(Ｓｉ等)を１×１０¹⁷〜
１０¹⁹atoms/cm³ 程度含有させ、そして、２〜３μｍ程
度の厚みに形成し、これにより、基板１０と、その上の
半導体層との格子不整合からなるミスフィット転位を防
止したり、もしくは低減させている。

【００２９】一導電型半導体層１２はアルミガリウム砒
素(ＡｌＧａＡｓ)からなり、一導電型不純物(Ｓｉ等)を
１×１０¹⁷〜１０¹⁹atoms/cm³ 程度含有させ、そして、
０.２〜２.０μｍ程度の厚みに形成する。

【００３０】光吸収層１３はガリウム砒素(ＧａＡｓ)か
らなり、不純物を含有しないノンドープであるが、実際
には一導電型不純物(Ｃ等)を１×１０¹⁵ atoms/cm³程度
含有しており、０.５〜３.０μｍ程度の厚みである。

【００３１】逆導電型半導体層１４はアルミニウムガリ
ウム砒素(ＡｌＧａＡｓ)から形成され、亜鉛(Ｚｎ)の逆
導電型半導体不純物を１×１０^{1 7}〜１０¹⁹atoms/cm³ 程
度含有し、０.１〜３.０μｍ程度の厚みである。

【００３２】オーミックコンタクト層１５はガリウム砒
素(ＧａＡｓ)から形成され、亜鉛(Ｚｎ)などの逆導電型
半導体不純物を１×１０¹⁹〜１０²⁰atoms/cm³程度含有
し、０.０１〜０.３μｍ程度の厚みである。

【００３３】絶縁膜１６は窒化シリコン(ＳｉＮx)など
から形成され、３０００Å程度の厚みである。

【００３４】Ｐ側電極１７aとｎ側電極１７bは金/金・ゲ
ルマニウム (Ａｕ／ＡｕＧｅ)などから形成され、厚み
１μｍ程度である。

【００３５】かくして本発明の半導体受光素子によれ
ば、上記構成のようにＳｉから成る基板１０の上に、一
導電型半導体層１２と光吸収層１３と逆導電型半導体層
１４とを順次積層して成るＧａＡｓ系の半導体受光層を
形成したことで、ＧａＡｓ系半導体受光層が基板１０で
もって約１．４×１０⁹（ｄｙｎ/ｃｍ²）程度の引っ張
り応力を受け、これにより、光吸収層１３のエネルギー
バンドギャップが小さくなり、λ＝８５０ｎｍの光に対
する光吸収係数が高くなり、その結果、同じ光吸収率を
得るのに必要な光吸収層１３の膜厚を薄くすることがで
きる。

【００３６】したがって、光により励起されたキャリア
が走行する距離が短くなり、高速応答に適した受光素子
を得られる。

【００３７】ちなみに、ＭＯＣＶＤ法などの成膜技術に
てＧａＡｓ系の半導体受光層を形成するに当り、Ｓｉ半
導体の熱膨張係数が２．５６×１０^-6（Ｋ^-1）であり、
ＧａＡｓ系半導体の熱膨張係数が５．７×１０
^-6（Ｋ^-1）であり、その熱膨張係数差に起因して、約５
００〜８００℃の高温下で成膜した後、室温まで冷却さ
せると、ＧａＡｓ系半導体受光層が、たとえば約１．４
×１０⁹（ｄｙｎ/ｃｍ²）程度の引っ張り応力を受け
る。

【００３８】本発明者が繰り返しおこなった実験によれ
ば、室温（２５℃）にまで冷却させたことで、ＧａＡｓ
系半導体受光層が１．０×１０⁸（ｄｙｎ/ｃｍ²）以
上、好適には１．０×１０⁹（ｄｙｎ/ｃｍ²）以上、最
適には５．０×１０⁹（ｄｙｎ/ｃｍ²）以上の引っ張り
応力を受けることで、高速応答に適した受光素子を得ら
れる。

【００３９】そして、このＧａＡｓ系半導体受光層の引
っ張り応力は、基板１０の厚みやサイズ、形状、ならび
に一導電型半導体層１２と光吸収層１３と逆導電型半導
体層１４の各層の厚みやサイズ、形状、構成材の種類な
どによって決まるが、さらには要求される受光性能とも
関係して規定する。

【００４０】次に本発明の他の半導体受光素子を図２に
て説明する。

【００４１】この半導体受光素子によれば、図１に示す
半導体受光素子に比べて、ＧａＡｓ系半導体受光層の引
っ張り応力を容易に高めることができる点で優れてい
る。

【００４２】図２に示す半導体受光素子においては、一
導電型半導体層のうち半導体基板側の層領域をＡｌＧａ
Ａｓにより、光吸収層側の層領域をＩｎＧａＡｓにより
形成している。

【００４３】すなわち、図１の半導体受光素子に比べ
て、さらに一導電型半導体層１２と光吸収層１３との間
に、格子定数の大きい一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８を介
在させ、これによって、ＧａＡｓ系半導体受光層の引っ
張り応力を大きくしている。なお、その他の層構成は、
図１と同じである。

【００４４】このように格子定数の大きい一導電型Ｉｎ
xＧａ１-xＡｓ層１８（０＜ｘ＜０.２)を介在させる
と、光吸収層であるＧａＡｓが格子定数の大きいＩｎx
Ｇａ１-xＡｓ層の格子定数に整合しようとして引っ張り
応力を受け、ＧａＡｓ系半導体受光層の引っ張り応力が
大きくなる。

【００４５】また、一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８を介在
させるに当り、その原子組成比率をＩｎxＧａ１-xＡｓ
にて表示するに、０＜ｘ＜０.３にするとよい。

【００４６】ｘが０．３以上になると、格子不整合によ
る転位欠陥の発生が生じ、光吸収層の結晶性の低下を起
こし、暗電流の増加という点で不具合が生じる。

【００４７】一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８は一導電型半
導体層１２の一部の層領域であり、この層１２と同じ機
能を備える。よって、一導電型不純物(Ｓｉ等)を１×１
０¹⁷〜１０¹⁹atoms/cm³ 程度含有させればよい。

【００４８】また、一導電型半導体層１２の厚みは０.
２〜２.０μｍ程度であるが、その一部の層領域でもっ
てＩｎＧａＡｓ層１８を構成する。この層１８の厚みを
０.０１〜１.０μｍにすると、転位欠陥の発生もなく、
光吸収層に充分な引っ張り応力を与えられるという点で
よい。

【００４９】ＩｎＧａＡｓ層１８の厚みが０．０１μｍ
未満では、発生する応力が小さく、それほどの効果が期
待できない。一方、１．０μｍを超えると、ＩｎＧａＡ
ｓ層の界面より転位欠陥が発生し、暗電流の増加などの
特性低下が生じる。

【００５０】以上の通り、一導電型半導体層１２の内部
にＩｎＧａＡｓ層１８を構成したことで、ＧａＡｓ系半
導体受光層の引っ張り応力を、さらに高めることがで
き、光吸収層１３のエネルギーバンドギャップが小さく
なり、これにより、光吸収係が増大し、その結果、光吸
収層の膜厚をさらに薄くすることができ、高速応答に適
した半導体受光素子が得られた。

【００５１】本発明者が繰り返しおこなった実験によれ
ば、このように一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８を介在させ
たことで、その介在がない図１の半導体受光素子と比較
し、キャリアの走行距離が1割程度短くなり、そのため
に遮断周波数が1割程度向上したことを確認した。

【００５２】次に図１に示す本発明の半導体受光素子の
製造方法を説明する。この製法は各工程（１）〜（１
１）を順次経る。

【００５３】・工程（１） 半導体層はＭＯＣＶＤ法を用いて成膜する。

【００５４】一導電型ＧａＡｓからなる基板１０を、水
素(Ｈ₂)とアルシンガス(ＡｓＨ₃)とから成る雰囲気中に
投入し、７００℃〜１０００℃にまで昇温し、基板１０
の表面上の酸化物を除去する。

【００５５】・工程（２） 基板温度を５００℃〜８００℃に設定し、トリメチルガ
リウム(以下、ＴＭＧと略記する)とアルシンガス(Ａｓ
Ｈ₃)とシランガス(ＳｉＨ₄)とを反応管に供給してＳｉ
濃度が１×１０¹⁷〜１０¹⁹原子/ｃｍ³程度のバッファ層
１２を２〜３μｍの厚みにて形成する。

【００５６】・工程（３） 原料ガスとしてＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（以
下、ＴＭＡと略記する）、アルシンガス(ＡｓＨ₃) およ
びドーパントガスであるシランガス(ＳｉＨ₄)を反応管
に供給して、Ｓｉ濃度が１×１０¹⁷〜１０¹⁹原子/ｃｍ³
程度の一導電型半導体層１３を０.２〜２.０μｍの厚み
にて形成する。

【００５７】・工程（４） ＴＭＧとアルシンガス(ＡｓＨ₃)を用いて、同様にガリ
ウム砒素(ＧａＡｓ)からなる半絶縁性を呈する光吸収層
１３を１.０〜３.０μｍの厚みにて形成する。

【００５８】・工程（５） ＴＭＧ、ＴＭＡ、アルシンガス(ＡｓＨ₃)およびジメチ
ル亜鉛(以下、ＤＭＺと略記する)とを反応管に供給し
て、Ｚｎ濃度が１×１０¹⁷〜１０¹⁹原子/ｃｍ³程度のア
ルミニウムガリウム砒素(ＡｌＧａＡｓ)からなる逆導電
型半導体窓層１４を０.１〜２.０μｍの厚みで形成す
る。

【００５９】・工程（６） ＴＭＧ、アルシンガス(ＡｓＨ₃)およびＤＭＺとを反応
管に供給して、Ｚｎ濃度が１×１０¹⁹〜１０²⁰原子/ｃ
ｍ³程度のガリウム砒素(ＧａＡｓ)からなるオーミック
コンタクト層１５を０.０１〜０.３μｍ形成する。

【００６０】以上の通り、各工程（１）〜（６）におい
ては、ＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層１２と一導電
型半導体層１３と逆導電型半導体窓層１４とオーミック
コンタクト層１５の積層構造体を形成し、そして、次の
工程（７）と工程（８）でもって各半導体層をエッチン
グし、図１や図２に示すような構成にする。

【００６１】・工程（７） まず、硫酸―過酸化水素系のエッチング液を用いて、図
１に示す構成において、一導電型半導体層１２と光吸収
層１３と逆導電型半導体層１４の各端面を順メサ形状も
しくは逆メサ形状にする。

【００６２】・工程（８） 続けて、同様に硫酸―過酸化水素系のエッチング液を用
いて、オーミックコンタクト層１５の一部に対しエッチ
ングを行い、これによって受光領域を形成する。

【００６３】・工程（９） 蒸着法やスパッタリング法を用いて、金・クロムなどに
より遮光膜（図示せず）を形成する。この遮光膜は、逆
導電型半導体層１４の表面上にて、受光領域以外に形成
する。

【００６４】・工程（１０） プラズマＣＶＤ法でシランガス(ＳｉＨ₄)とアンモニア
(ＮＨ₄)を用いて窒化シリコン(ＳｉＮx)からなる絶縁膜
１６を被覆する。

【００６５】・工程（１１） しかる後、蒸着法やスパッタリング法を用いて金・ゲル
マニウム（ＡｕＧｅ）などにより電極１７ａ，１７ｂを
形成する。

【００６６】本発明者は、上述した製法に基づいて、Ｇ
ａＡｓ基板上にＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させた
試料と、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長
させた試料とを作成し、これら試料のフォトルミネッセ
ンス（ＰＬ）のスペクトルを測定した。

【００６７】図６の（ａ）はＧａＡｓ基板３０上にＧａ
Ａｓ膜３１をエピタキシャル成長させた測定用試料の断
面図であり、同図（ｂ）はＧａＡｓ基板３０上にＧａＡ
ｓ膜３１をエピタキシャル成長させた測定用試料の断面
図である。

【００６８】図６（ａ）の試料のＰＬスペクトルを測定
したところ、図５において、ａに示すようなスペクトル
線が得られた（７７Ｋ ＰＬスペクトル）。図５におい
て、横軸は波長であり、縦軸はＰＬ強度（相対値）を示
す。

【００６９】また、図６（ｂ）の試料のＰＬスペクトル
を測定したところ、図５において、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ
に示すようなスペクトル線が得られた。

【００７０】ｂはＧａＡｓ膜の厚みが４μｍの場合であ
り、ｃはＧａＡｓ膜の厚みが７μｍ、ｄはＧａＡｓ膜の
厚みが１５μｍ、ｅはＧａＡｓ膜の厚みが３０μｍ、ｆ
はＧａＡｓ膜の厚みが１００μｍの場合である。

【００７１】図５に示す結果から明かな通り、ａに示す
如く、ＧａＡｓ膜には応力がかからないが、ｂ〜ｆに示
すように、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ膜をエピタキシャル成
長させた場合には、そのＧａＡｓ膜に働く引っ張り応力
が、膜厚の増大にともなって増加し、これにより、エネ
ルギーギャップが小さくなり、その結果、ＰＬスペクト
ルが長波長側にシフトしている。

【００７２】本発明者の実験によれば、図３に示す如く
従来の半導体受光素子にて、その光吸収層の厚みが２〜
３μｍであったものが、同じ吸収率にすべく、図１に示
す本発明の半導体受光素子では、その光吸収層の厚みが
1.5〜2.5μｍにまで小さくすることができた。そして、
このような厚みの減少は、図５に示す結果でもって裏付
けることができた。

【００７３】

【発明の効果】以上の通り、本発明の半導体受光素子に
よれば、Ｓｉから成る半導体基板上に一導電型半導体層
と光吸収層と逆導電型半導体層とを順次積層してＧａＡ
ｓ系の半導体受光層に構成したり、さらには一導電型半
導体層のうち半導体基板側の層領域をＡｌＧａＡｓによ
り、光吸収層側の層領域をＩｎＧａＡｓにより形成した
ことで、ＧａＡｓ系半導体受光層が基板でもって引っ張
り応力を受け、これにより、光吸収層のエネルギーバン
ドギャップが小さくなり、光吸収係数が高くなり、その
結果、同じ光吸収率を得るのに必要な光吸収層の膜厚を
薄くすることができ、光により励起されたキャリアが走
行する距離が短くなり、高速応答に適した受光素子を得
られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体受光素子の概略断面図である。

【図２】本発明の他の半導体受光素子の概略断面図であ
る。

【図３】従来の半導体受光素子の概略断面図である。

【図４】光の波長に対するＧａＡｓの吸収係数を示す線
図である。

【図５】基板上のＧａＡｓ層の応力を示し、波長に対す
るＰＬ強度の特性を示す線図である。

【図６】（ａ）と（ｂ）は、ＰＬ強度を測定する試料の
概略図断面図である。

【符号の説明】

１０・・・半導体基板 １１・・・バッファ層 １２・・・一導電型半導体層 １３・・・光吸収層 １４・・・逆導電型半導体窓層 １５・・・オーミックコンタクト層 １６・・・絶縁膜 １７ａ・・・ｐ側電極 １７ｂ・・・ｎ側電極 １８・・・一導電型ＩｎＧａＡｓ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB05 BA01 CA05 CB02 CB20 5F049 MA04 MB07 NA01 NA20 NB01 PA04 SS03 WA01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｓｉから成る半導体基板上に一導電型半導
   体層と光吸収層と逆導電型半導体層とを順次積層してＧ
   ａＡｓ系の半導体受光層に構成せしめたことを特徴とす
   る半導体発光素子。
2. 【請求項２】前記一導電型半導体層のうち半導体基板側
   の層領域をＡｌＧａＡｓにより、光吸収層側の層領域を
   ＩｎＧａＡｓにより形成したことを特徴とする請求項１
   記載の半導体受光素子。