JP2003152216A

JP2003152216A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2003152216A
Application number: JP2001352039A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshidaya; 弘明吉田谷
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-05-23

Abstract

(57)【要約】【課題】高い寸法安定性を確保して、受光特性のばら
つきを抑制する。【解決手段】半導体基板上１４に下部クラッド層２、
光吸収層３、上部クラッド層４を順番に積層し、半導体
基板１４の光入射端面１０から入射した光１５が下部ク
ラッド層２を透過して光吸収層３に入力されこの光吸収
層３において吸収されることにより生じたキャリアを、
上部クラッド層及び下部クラッド層をそれぞれ経て一対
の電極６、７から外部へ電気信号として出力する半導体
受光素子において、光入射端面１０は半導体基板１４に
おける底面１４ａに対して垂直な端面に形成され、下部
クラッド層２、光吸収層３及び上部クラッド層４は、半
導体基板１４における底面１４ａに対して傾斜した傾斜
面１４ｃ上に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は入射した光信号を電
気信号に変換する半導体受光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光信号を電気信号に変換する半導体素子
で形成された一般的な半導体受光素子の構成を図９に示
す斜視図を用いて説明する。

【０００３】n⁺-InPからなる半導体基板１上に、ｎ-InP
からなる下部クラッド層２が形成され、この下部クラッ
ド層２上にｉ-InGaAsからなる光吸収層３、p-InPからな
る上部クラッド層４、p⁺-InGaAsからなるコンタクト層
５が形成されている。このコンタクト層５の上面にｐ電
極６が取付けられ、半導体基板１の下面にｎ電極７が取
付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成さ
れている。

【０００４】n-InPからなる下部クラッド層２とｉ-InGa
Asからなる光吸収層３とp-InPからなる上部クラッド層
４とは、図９に示すように、この半導体受光素子の端面
の光入射端面から内部に入射した光を導波する光導波路
を構成している。

【０００５】このように構成された半導体受光素子にお
いては、端面に形成された光入射端面に対して垂直に入
射した光は、下部クラッド層２と光吸収層３と上部クラ
ッド層４とで構成された光導波路を伝播する間に、光吸
収層３により吸収され、正孔及び電子の各キャリアが発
生する。正孔は上部クラッド層４とコンタクト層５とを
経由してｐ電極６へ流入し、電子は下部クラッド層２と
半導体基板１を経由してｎ電極７へ流入する。

【０００６】しかしながら、このように入射した光を光
導波路内においていこの光導波路の敷設方向に沿って進
行させるようにした半導体受光素子においては、光は光
入射端面から短い距離の間にほとんど吸収され電流に変
換される。その結果、入射する光のパワーが大きいと光
入射端面から短い距離の間で発生するジュール熱が極め
て大きくなり、この半導体受光素子が破壊されてしまう
ことになる。

【０００７】このような不都合を解消するために、図１
０の横断面図で示すような構造を有した端面屈折型の半
導体受光素子が提唱されている（特開平11-195807号公
報）。半絶縁性InP（SI-IP）材料で形成された基板９上
に、n-InPからなる下部クラッド層２、i-InGaAsからな
る光吸収層３、ｐ-InPからなる上部クラッド層４、p⁺-I
nGaAsなるコンタクト層５が形成されている。そして、
このコンタクト層５の上側に電気信号を取出すためのｐ
電極６を取付け、n-InPからなる下部クラッド層２に同
じく電気信号を取出すためのｎ電極７を取付けている。

【０００８】そして、基板９と下部クラッド層２との端
面で形成される光入射端面１０をウェットエッチングに
より傾斜させている。なお、光入射端面１０の下部クラ
ッド層２の上面（光吸収層３の下面）に対する角度αは
エッチングの際に結晶の方位性から５４．７４°とな
る。

【０００９】このような構造の半導体受光素子において
は、入射した光は傾斜した入射端面１０において屈折さ
れた後、光吸収層３において吸収され、電気信号に変換
される。そして、図示するように、光は、吸収層３の全
体に下側から入射し、光吸収層３の全領域に亘ってほぼ
均等に吸収されることになるので、ジュール熱の発生に
よる素子破壊に対して、図９に示した半導体受光素子よ
りも有利である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示した半導体受光素子においてもまだ解消すべき次の
ような課題があった。

【００１１】すなわち、前述したように、光を吸収層３
の全体に下側から入射させるために、光入射端面１０を
ウェットエッチングにより、光入射端面１０の下部クラ
ッド層２の上面（光吸収層３の下面）に対して、結晶の
方位性から一義的に定まる角度α＝５４．７４°で傾斜
させている。

【００１２】例えば、InPのようなIII-V族化合物半導体
を形成する方法として、（１００）結晶面が露出した基
板上に結晶を成長させる手法が広く採用されているが、
図１１（ａ）に示すように、この（１００）結晶面に対
して内側に傾斜した光入射端面１０を形成するために、
基板の（１００）結晶面に耐エッチングマスク１３を形
成し、逆メサ形状の化学エッチングを行うと、不対電子
対を持たないため結合力の弱い（１１１）Ａ面と呼ばれ
る、III族原子で界面が終端される結晶面が残される。

【００１３】このとき、残される（１１１）Ａ結晶面の
角度は、基板の（１００）結晶面から測って、５４．７
４°になるはずであるが、実際は、５５°から６０°の
間となってしまう。

【００１４】これは、主に次の理由による。逆メサ形状
のエッチング工程においては、逆メサの角に位置する鋭
角部分が、エッチング液内に露出した結晶側方向と、耐
エッチングマスク１３と結晶表面との間に染み込んだエ
ッチング液に起因する基板表面側方向との２方向へエッ
チングが進む。

【００１５】特に、逆メサ形状ではエッチングにより残
される結晶の角度α（＝５４．７４°）は９０°に対し
て鋭角となるため、結晶のエッチング液に曝される面積
とエッチングされる結晶の体積の比（エッチング液に曝
される面積／エッチングされる結晶の体積：以後これを
エッチング面積体積比と呼ぶ）が逆メサの角の近傍で大
きくなることからエッチングが速く進み逆メサの結晶面
が垂直面に近づく。

【００１６】そして、基板の（１００）結晶面と耐エッ
チングマスク１３との間の密着状態、結晶面の酸化状
態、耐エッチングマスク１３を形成する工程における雰
囲気の組成やプラズマの発生状態、等のばらつきが原因
となり、耐エッチングマスク１３と結晶面との界面のエ
ッチング速度、すなわちアンダーカット速度がばらつく
ため、逆メサの角度αが一定とならない。

【００１７】このように光入射端面１０の角度αの再現
性が劣化すると、傾斜した入射端面１０からこの半導体
受光素子内に入射した光の屈折角度が半導体受光素子毎
にばらつく。このため、半導体受光素子内に入射した光
の光吸収層３への入射領域が一定とならず受光感度が半
導体受光素子毎にばらつくばかりでなく、光の一部が有
限長の光吸収層３の下面から外れる懸念がある。したが
って、半導体受光素子毎に受光感度がばらつく懸念があ
る。

【００１８】さらに、光が光入射端面１０に対して斜に
入射するため、光の偏光方向により光入射端面１０での
光透過率が異なるために、受光感度の偏光依存性が素子
毎に異なる問題があった。

【００１９】また、光吸収層３を一度通過した光はｐ電
極６のコンタクト抵抗を低減させるために形成された光
吸収層３と同一のバンドギャップを有するｐ型のコンタ
クト層５に入り、さらに、上側のｐ電極６の金属で反射
し再度コンタクト層５及び光吸収層３を通過する。

【００２０】このような構造の半導体受光素子において
は、コンタクト層５での光吸収過程及びフォトン・リサ
イクリングによる再発光過程が存在する。しかし、前者
の過程では、明らかに受光素子の感度が低下する。一
方、後者の過程では、電子と正孔との対で生成されたキ
ャリアはナノ秒オーダーの発光再結合寿命を有するた
め、数十GHzレベルの高速光伝送においては出力される
電気信号に雑音を発生させてしまう問題があった。

【００２１】そこで、光入射端面１０をウェットエッチ
ングではなくへき開により形成し、光と光入射端面１０
との相対角度を６０°に設定した半導体受光素子が提案
されている（特開2000-243984号公報）。

【００２２】すなわち、図１２に示すように、光入射端
面１０は半導体基板１に対するへき開で形成するため、
半導体光受光素子の上面あるいは下面に対して垂直であ
り、光入射端面１０の形成は極めて容易である。n⁺-InP
からなる半導体基板１の上面に、n-InPからなる下部ク
ラッド層２、i-InGaAsからなる光吸収層３、ｐ-InPから
なる上部クラッド層４、p⁺-InGaAsからなるコンタクト
層５か形成されている。このコンタクト層５の上面にｐ
電極６が取付けられ、半導体基板１の下面にｎ電極７が
取付けられている。そして、この半導体受光素子は素子
組込モジュール１２の下部の素子取付面に固定されてい
る。この素子組込モジュール１２の側壁に支持された光
ファイバ１１で光入射端面１０に光が入射される。

【００２３】このように構成された半導体受光素子にお
いては、光入射端面１０は、半導体基板１に対するへき
開で形成されているために、半導体光受光素子の上面あ
るいは下面に対して正確に垂直（９０°）に設定されて
いる。また、光ファイバ１１も素子組込モジュール１２
の側壁に、例えば６０°で固定されているとすると、光
を光入射端面１０に対して、正確に６０°で入射させる
ことができる。

【００２４】その結果、光入射端面１０からこの半導体
光受光素子内へ入射した光を正確に、光入射端面１０に
対する入射角、及び半導体基板１と下部クラッド層２と
光吸収層３の各屈折率で、目的とする光吸収層３へ入射
させることが可能である。さらに、へき開で形成された
光入射端面１０から下部クラッド層２と光吸収層３が形
成された位置までの距離も正確に設定可能である。

【００２５】よって、半導体光受光素子毎の受光特性の
ばらつきを図１０に示す半導体光受光素子に比較して大
幅に抑制することができる。

【００２６】しかしながら、図１２に示す半導体受光素
子及びこれを搭載した素子組込モジュール１２において
も以下のような問題があった。図１２においては、ファ
イバー１１を固定するフェルールが素子組込モジュール
１２の側壁に対して、下部の半導体受光素子が取付けら
れる素子取付面に、例えば６０°傾斜して取付けられ
る。一方、従来から存在する半導体受光素子の素子組込
モジュールにおいては、下部の半導体受光素子が取付け
られる素子取付面に対して平行にファイバーが取付けら
れている。

【００２７】このように、図１２に示す素子組込モジュ
ール１２は、従来から存在する一般的な素子組込モジュ
ールとは著しく形状が異なるため、この素子組込モジュ
ール１２が組み込まれる通信器機内などでの同素子組込
モジュール１２の配置に関して従来とは異なる設計を行
う必要が生じることからこの半導体受光素子のユーザの
便益を損ねる。また、素子組込モジュール１２の製作時
に反射鏡などの光線路変換手段を付加することによりフ
ァイバー１１を素子取付面に平行に取付けることも可能
であるが、素子組込モジュール１２の製作工程及び部品
点数の増加を招きコストを上昇させる問題があった。

【００２８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、下部クラッド層と光吸収層と上部クラッド
層とを基板の傾斜面上に形成することにより、光入射端
面の高い角度安定性を確保した状態で、光を基板の底面
に平行に光入射端面に入射させることができ、従来の素
子組込モジュールにそのまま装着でき、かつ、光入射端
面からか入射した光を光吸収層に対して下方から斜めに
入力させることができ、受光素子として優れた受光特性
を維持でき、製造歩留を向上できる半導体受光素子を提
供することを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に第１の導伝型の下部クラッド層、光吸収層、第２の導
伝型の上部クラッド層を順番に積層し、半導体基板の光
入射端面から入射した光が下部クラッド層を透過して光
吸収層に入力されこの光吸収層において吸収されること
により生じたキャリアを、上部クラッド層及び下部クラ
ッド層をそれぞれ経て一対の電極から外部へ電気信号と
して出力する半導体受光素子に適用される。

【００３０】そして、上記課題を解消するために、本発
明の半導体受光素子においては、光入射端面を半導体基
板における底面に対して垂直な端面に形成している。さ
らに、下部クラッド層、光吸収層及び上部クラッド層
を、半導体基板における底面に対して傾斜した傾斜面上
に形成している。

【００３１】このように構成された半導体受光素子にお
いては、下部クラッド層、光吸収層及び上部クラッド層
は半導体基板における底面に対して傾斜した傾斜面上に
形成されている。一方、この半導体受光素子における光
が入射する光入射端面は半導体基板の底面に垂直に形成
されている。

【００３２】したがって、たとえ、光を半導体基板の底
面に平行に、すなわち、光入射端面に対して垂直に入射
させたとしても、この光入射端面から受光素子内に入射
した光は下部クラッド層及び光吸収層に対して傾斜して
入力させることができる。

【００３３】その結果、光は光吸収層の広い範囲に亘っ
て入力されるので、光吸収層の端部近傍に吸収負荷が集
中して熱損傷が発生することを未然に防止できる。さら
に、光入射端面を半導体基板における底面に対してかな
り高い精度で垂直（９０°）に形成する製造手法が確立
されている。

【００３４】また、光を半導体基板の底面に平行に光入
射端面に対して入射させることができるので、この半導
体受光素子を従来の素子組込モジュールにそのまま装着
できる。

【００３５】また、半導体基板の底面に対して傾斜しか
つ上面に下部クラッド層、光吸収層及び上部クラッド層
が形成される傾斜面は、図１１（ｂ）に示すように、図
１１（ａ）の逆メサ形状の側面に対して逆である順メサ
形状の側面である。したがって、この傾斜面をウエット
エッチングで形成する場合、エッチングにより残される
結晶の角度αは９０°に対して鈍角となるため、前述し
たエッチング面積体積比が順メサの角の近傍で大きくな
ることはない。よって、耐エッチングマスク１３の先端
近傍の耐エッチングマスク１３の下面における図中右方
向へのエッチングが図中下方向（基板の底面方向）より
速く進むことはない。

【００３６】したがって、たとえ、傾斜面をウエットエ
ッチング手法で形成したとしても、傾斜面の半導体基板
の底面に対する傾斜角β（＝１８０―α）が、製造工程
で大きく変動することはないので、製造された半導体受
光素子相互間における受光感度のばらつきを大幅に抑制
できる。

【００３７】また、別の発明は、上記半導体基板におけ
る底面が（２１１）Ａ結晶面であるものを用い、この基
板上面に耐酸性の薄幕ストライプを形成し臭素系エッチ
ング液によりエッチングを行うと前記ストライプの両側
に（１１１）Ａ結晶面と、この面に続いて（２１１）Ａ
結晶面よりなる加工上面が残される。また、半導体基板
のエッチングされる部分がInGaAsPであるときはエッチ
ング液として臭素系のほかに硫酸系のものを用いても同
様の形状が得られる。

【００３８】このエッチングにより、一方の（１１１）
Ａ結晶面は前記底面に対して約１９．４７°（≒５４．
７４°−３５．２６°）となり、これを傾斜面とし、他
方の（１１１）Ａ結晶面は前記底面に対してほぼ垂直
（９０°≒５４．７４°＋３５．２６°）となり、これ
を光入射端面とするのである。本発明によれば、傾斜面
および光入射端面がともにエッチングにより残される結
晶面の角度αは鋭角となることはなくエッチング面積体
積比が大きくなることはない。このため傾斜面および光
入射端面の角度が大きく変動することがないばかりでな
く、半導体基板上に多数形成された受光素子の光入射端
面がエッチング工程により同時に形成されるため素子製
作コストが大幅に低下される利点もある。

【００３９】また、別の発明は、上述した発明の半導体
受光素子における下部クラッド層の屈折率を上部クラッ
ド層の屈折率よりも高く設定している。

【００４０】幾何光学におけるスネルの法則によると、
互いに屈折率が異なる二つの層が接していて、一方の層
から他方の層へ光を両者の境界面に傾斜させて入射させ
た場合、光の送出側の層の屈折率が光の入力側の層の屈
折率より大きい方が境界面で光が反射する確率（入射角
度範囲）が大きい。

【００４１】したがって、半導体基板の傾斜面から下部
クラッド層へ斜め方向に入射した光は光吸収層で吸収さ
れながら上部クラッド層との境界面に入射するが、上部
クラッド層の屈折率が下部クラッド層の屈折率より小さ
いので、光はこの境界面で反射して再度光吸収層内を進
行する確率が高くなる。光が光吸収層内を進行する距離
が長くなるので、光吸収層の光の吸収効率が高くなり、
半導体受光素子としての受光感度を向上できる。

【００４２】また、別の発明は、上述した発明の半導体
受光素子における下部クラッド層の等価屈折率を上部ク
ラッド層の等価屈折率よりも高く設定している。

【００４３】このように構成された半導体受光素子にお
いては、下部クラッド層や上部クラッド層が互いに屈折
率が異なる複数の層で形成されていたとしても、この複
数の層の屈折率を合成した等価屈折率が上述した関係を
維持していれば、上記発明とほぼ同様の効果を奏するこ
とが可能である。

【００４４】また、別の発明は、上述した発明の半導体
受光素子において、半導体基板内に光入射端面から入射
した光を光吸収層へ導く光導波路が形成されている。

【００４５】このように、半導体基板内に光導波路を形
成しているので、光入射端面から入射した光は効率的に
光吸収層へ導かれる。

【００４６】さらに、別の発明は、上記光導波路近傍の
等価屈折率を、上部クラッド層の屈折率より高く設定し
ている。

【００４７】このように、光導波路の屈折率を半導体基
板の屈折率より高く設定することによって、前述したス
ネルの法則により、光導波路内を進行する光が光導波路
外の半導体基板内へ漏れる量を大幅に抑制できるばかり
でなく、光吸収層と上部クラッド層の境界面で入射した
光の大部分が反射するため光吸収層で吸収され光パワー
が増大するので半導体受光素子の受光感度が向上する。

【００４８】また、別の発明は、上記発明の半導体受光
素子における下部クラッド層と光吸収層との間に、バン
ドギャップが下部クラッド層のバンドギャップより大き
い空乏化層を形成している。

【００４９】また、別の発明は、上記発明の半導体受光
素子における上部クラッド層と光吸収層との間に、バン
ドギャップが上部クラッド層のバンドギャップより大き
い空乏化層を形成している。

【００５０】このように光吸収層と上部クラッド層又は
下部クラッド層との間に各クラッド層のバンドギャップ
より大きいバンドギャップを有する空乏化層を形成する
ことにより、半導体受光素子における暗電流が減少し、
入射した光を電気信号に変換する際の雑音を大幅に抑制
でき、半導体受光素子から出力される電気信号のＳ／Ｎ
比を大幅に向上できる。

【００５１】さらに、別の発明は、上記発明の半導体受
光素子において、半導体基板における底面を（１００）
結晶面で形成し、半導体基板における傾斜面を（２１
１）Ａ結晶面で形成し、半導体基板における光入射端面
はへき開にて形成している。

【００５２】半導体基板の底面に垂直な光入射端面は、
底面が（１００）結晶面の場合、この（１００）結晶面
に直交する面はへき開手法にて簡単にかつ高い精度で形
成することが可能である。

【００５３】さらに、半導体基板における傾斜面を（２
１１）Ａ結晶面としている。この（２１１）Ａ結晶面
の、底面の（１００）結晶面に対する傾斜角βは３５．
２６°であるので、前述した図１１（ｂ）で説明した、
この傾斜面をウエットエッチングで形成する場合、エッ
チングにより残される結晶の角度αは１８０°―３５．
２６°＝１４４．７４°となり鈍角となる。したがっ
て、たとえ、この（２１１）Ａ結晶面からなる傾斜面を
ウエットエッチングで形成したとしても、傾斜面の半導
体基板の底面に対する傾斜角βが、製造工程で大きく変
動することはないので、製造された半導体受光素子相互
間における受光感度のばらつきを大幅に抑制できる。

【００５４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態を図面
を用いて説明する。（第１実施形態）図１は本発明の第１実施形態に係る半
導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図１０
に示す従来の半導体受光素子と同一部分には同一符号を
付して重複する部分の詳細説明を省略する。

【００５５】半絶縁性InP（SI-InP）材料で形成された
半導体基板１４の底面１４ａが（１００）結晶面であ
る。半導体基板１４の上面は、エッチング加工されてい
ない初期上面１４ｂと、エッチング加工された傾斜面１
４ｃと、エッチング加工された加工上面１４ｄとで構成
されている。初期上面１４ｂと加工上面１４ｄとは底面
１４ａに平行で（１００）結晶面である。傾斜面１４ｃ
はエッチング加工により（２１１）Ａ結晶面が露出して
いる。（２１１）Ａ結晶面の（１００）結晶面に対する
傾斜角は３５．２６°であるので、傾斜面１４ｃの底面
１４ａに対する傾斜角βも３５．２６°である。

【００５６】この半導体基板１４の初期上面１４ｂの端
面に光１５が入射される光入射端面１０が形成されてい
る。この光入射端面１０はへき開手法によって、（１０
０）結晶面を有する底面１４ａに対して垂直（直角）に
形成されている。したがって、この光入射端面１０は
（０１１）結晶面を有する。光１５は、半導体基板１４
の底面１４ａに平行でかつ光入射端面１０に対して垂直
に入射する。

【００５７】SI-InPからなる半導体基板１４の傾斜面１
４ｃ、初期上面１４ｂ及び加工上面１４ｄ上に、第１の
導伝型であるn-InＰもしくはn-InGaAsPからなる１μｍ
厚みの下部クラッド層２を形成し、この下部クラッド層
２上の傾斜面１４ｃに対向する位置に、０．５〜１μｍ
厚みのi-InGaAsからなる光吸収層３、第２の導伝型であ
る１μｍ厚みのｐ-InPからなる上部クラッド層４、p⁺-I
nGaAsからなるコンタクト層５が積層されている。そし
て、このコンタクト層５の上側に電気信号を取出すため
のｐ電極６が取付られ、n-InPもしくはn-InGaAsPからな
る下部クラッド層２における加工上面１４ｄに対向する
位置に電気信号を取出すためのｎ電極７が取付られてい
る。

【００５８】本実施形態では、光入射端面１０をへき開
手法で製造できるので、半導体基板１４の底面１４ａに
対してかなり高い精度で垂直（９０°）に設定すること
ができる。さらに、傾斜面１４ｃを順メサ形状の側面で
形成して、この傾斜面１４ｃをウエットエッチングで形
成する場合、エッチングにより残される結晶の角度αは
９０°に対して鈍角となるため、前述したエッチング面
積体積比が順メサの角の近傍で大きくなることはない。

【００５９】したがって、光入射端面１０の半導体基板
１４の底面１４ａに対する９０°の角度、及び傾斜面１
４ｃの半導体基板１４の底面１４ａに対する傾斜角β
（＝３５．２６°）が、製造工程で大きく変動すること
はないので、製造された半導体受光素子相互間における
受光感度のばらつきを大幅に抑制できる。

【００６０】さらに、光１５を半導体基板１４の底面１
４ａに平行に光入射端面１０に対して入射させることが
できるので、この半導体受光素子を従来の素子組込モジ
ュールにそのまま装着できる。

【００６１】次に、図２を用いて上述した第１実施形態
の半導体受光素子の製造方法を説明する。上面及び底面
に（１００）結晶面を有するSI-InPからなる半導体ウエ
ハ１７の上面の傾斜面１４ｃ及び加工上面１４ｄに対応
する位置に、耐エッチングマスク１３としてストライプ
状の窒化硅素薄膜を真空蒸着法により形成する（ａ）。

【００６２】その後、塩酸リン酸系や王水系のエッチン
グ液を用いて１０μｍ〜２０μｍの深さまでウエットエ
ッチングを行う。このようにして半導体基板１４の（１
００）結晶面の底面１４ａに対して３５．２６°の傾斜
角βを有する（２１１）Ａ結晶面の傾斜面１４ｃ、（１
００）結晶面の初期上面１４ｂ、（１００）結晶面の加
工上面１４ｄを有する台形状のメサが残された半導体基
板１４が形成される（ｂ）この半導体基板１４の初期上面１４ｂ、傾斜面１４ｃ、
加工上面１４ｄ上に、有機金属気相成長法などを用い
て、n-InGaAsPからなる１μｍ厚みの下部クラッド層
２、０．５〜１μｍ厚みのi-InGaAsからなる光吸収層
３、１μｍ厚みのｐ-InPからなる上部クラッド層４、p⁺
-InGaAsからなるコンタクト層５を順番に形成する
（ｃ）。

【００６３】その後、傾斜面１４ｃ上の下部クラッド道
２、光吸収層３、上部クラッド層４、コンタクト層５か
らなる多層構造を２００μｍ²程度の面積を残して光吸
収層３よりは深いが、下部クラッド層２は残るような深
さまでエッチングする（ｄ）。

【００６４】引き続き、加工上面１４ｄ上の下部クラッ
ド層２上にインピーダンス整合のとれたｎ電極７を取付
ける。さらに、コンタクト層５上にｐ電極６を取付け
る。この後、台形状メサの上面部分の絶縁性樹脂を除去
した後、へき開により光入射端面１０となる底面４１ａ
に直交する（０１１）結晶面を形成する（ｅ）。

【００６５】このように、この第１実施形態の半導体受
光素子は、通常の半導体製造方法を用いて簡単にかつ高
い寸法精度を確保した状態で製造される。

【００６６】（第２実施形態）図３は本発明の第２実施
形態に係る半導体受光素子の概略構成を示す横断面図で
ある。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一
部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省
略する。

【００６７】この第２実施形態の半導体受光素子におい
ては、下部クラッド層２、光吸収層３、上部クラッド層
４、コンタクト層５からなる多層構造における初期上面
１４ｂ上に位置する部分をエッチングで除去している。
電極６、７間に存在する多層構造の面積が少なくなる
と、電極６、７間の静電容量が小さくなるので、受光素
子としての応答特性を向上できる。

【００６８】このように、多層構造における光１５が直
接入射しない部分を削除することにより、受光素子とし
ての受光感度を低下することなく応答特性（周波数特
性）を向上できる。

【００６９】（第３実施形態）図４は本発明の第３実施
形態に係る半導体受光素子の概略構成を示す横断面図で
ある。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一
部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省
略する。

【００７０】この第３実施形態の半導体受光素子におい
ては、半導体基板１４の傾斜面１４ｃより下方部分１８
が異なる材料で形成されている。そして、この下方部分
１８の屈折率を上部クラッド層４の屈折率より高く設定
している。

【００７１】すなわち、超低キャリア濃度のi-InGaAsP
からなる下方部分１８を、バンドギャップ波長として例
えば１．２μｍとすると、波長が１．５５μｍの光に対
する下方部分１８の屈折率は、p-InPからなる上部クラ
ッド層４の屈折率（≒３．１７）よりも高い屈折率（≒
３．３９）となる。なお、この実施形態の半導体受光素
子においては、光吸収層３の屈折率は下部クラッド層２
の屈折率より高く設定されている。さらに、半導体基板
１４の屈折率は下部クラッド層２の屈折率に等しく設定
されている。

【００７２】なお、下方部分１８及び上部クラッド層４
が、それぞれ屈折率が異なる複数の材料で多層に構成さ
れている場合は、この複数の層の屈折率を合成した等価
屈折率が上記関係を満たすように設定されている。

【００７３】このように構成された半導体受光素子にお
いて、半導体基板１４の底面１４ａに平行に入射する、
例えば波長λ≒１．５５μｍを有する、光１５は光入射
端面１０に対して垂直に入射し、主に下方部分１８内を
底面１４ａに平行に進行する。光１５は下方部分１８内
を進行する過程で、図示する分布特性１６に示すよう
に、照射範囲が僅かながら拡散していく。照射範囲が拡
散された光１５は、傾斜面１４ｃを経て、この面に立て
た法線に対する入射角度約１９．４７°（＝５４．７４
°―３５．２６°）で下部クラッド層２内へ入射する。
この下部クラッド層２へ入射した光は、下部クラッド層
２内及び光吸収層３内を斜めに進行して、光吸収層３と
上部クラッド層４との境界面でその大部分が反射して、
再度、光吸収層３内を斜め下方向に進行していく。

【００７４】光１５が光吸収層３内を進行する過程で、
この光１５は、光吸収層３により吸収され、正孔及び電
子の各キャリアが発生する。正孔は上部クラッド層４と
コンタクト層５とを経由してｐ電極６へ流入し、電子は
下部クラッド層２を経由してｎ電極７へ流入する。

【００７５】ここで、光１５の各境界面での反射につい
て検証する。光入射端面１０には、通常、無反射幕が形
成されているので、光入射端面１０での光１５の反射は
ほとんど無視できる。下部クラッド層２の屈折率は半導
体基板１４の屈折率に等しく設定されているので、半導
体基板１４内を進行した光１５は、半導体基板１４と下
部クラッド層２との境界面で屈折や反射が発生すること
なく、この境界面をそのまま通過して、下部クラッド層
２内へ入射して、下部クラッド層２内を進行する。

【００７６】下部クラッド層２内を進行する光１５は、
下部クラッド層２と光吸収層３との境界面に斜め方向か
ら入射するが、下部クラッド層２の屈折率が光吸収層３
の屈折率より低いので、光１５の大部分はこの境界面で
反射されずに、光吸収層３内へ屈折して入射して、この
光吸収層３内を進行する。

【００７７】光吸収層３内を進行する光１５は、光吸収
層３と上部クラッド層４との境界面に斜め方向から入射
するが、光吸収層３の屈折率が上部クラッド層４の屈折
率より高いので、傾斜面１４ｃの傾斜角βに大きく依存
する光１５の境界面への入射角にもよるが、光１５の大
部分はこの境界面で反射され、再度、光吸収層３内を斜
め下方向に進行していく。

【００７８】したがって、光入射端面１０から入射した
光１５はほとんど減衰されずに光吸収層３へ斜めに入射
し、入射後は、上部クラッド層４で反射され、光吸収層
３内を長距離に亘って走行する。光１５が光吸収層３内
を進行する距離が長くなるので、光吸収層３の光１５の
吸収効率が高くなり、半導体受光素子としての受光感度
を向上できる。

【００７９】また、上記した境界面での反射のため光１
５の大部分はコンタクト層５に進行することはなく、コ
ンタクト層５での光吸収が大幅に削減されるため、さら
に受光感度が向上する。

【００８０】これに加え、本実施形態ではエッチングに
より残される傾斜面１４cと光入射端面１０はともに
（１１１）Ａ結晶面よりなるが傾斜面１４cは先に述べ
たように基板底面１４である（２１１）Ａ結晶面に対し
て角度βが約１９．４７°となり、一方、光入射端面１
０は、ほぼ垂直（９０°）となる。すなわち、傾斜面１
４cおよび光入射端面１０における角度αは、それぞ
れ、１６０．５°（≒１８０°−１９．４７°）および
９０°（≒１８０°−９０°）となるため、ともにメサ
の角が鋭角とはならず、この近傍におけるエッチング面
積体積比が小さくなり受光素子製造工程において、これ
らの面の角度を高い精度で設定できる。また、半導体基
板上に多数形成された受光素子の光入射端面１０をエッ
チングにより同時に形成できるため受光素子製造コスト
が大幅に低減できる。

【００８１】なお、図４では傾斜面１４cが全て下方部
分１８より成っているように図示されているが、本実施
形態では入射した光１５が、主に下方部分１８内を進行
していればよいから傾斜面１４cが必ず全て下方部分１
８より成っている必要はない。

【００８２】（第４実施形態）図５は本発明の第４実施
形態に係る半導体受光素子の概略構成を示す横断面図で
ある。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一
部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省
略する。

【００８３】この第４実施形態の半導体受光素子におい
ては、n-InGaAsPやn-InPからなる下部クラッド層２とi-
InGaAsからなる光吸収層３との間に空乏化層１９ａが形
成されている。この空乏化層１９ａは、AlGaInAs混晶や
AlGaAsSb混晶やGaInP混晶などのn-InGaAsPやn-InPから
なる下部クラッド層２のバンドギャップより大きいバン
ドギャップを有した半導体が採用される。

【００８４】（第５実施形態）図６は本発明の第５実施
形態に係る半導体受光素子の概略構成を示す横断面図で
ある。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一
部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省
略する。

【００８５】この第５実施形態の半導体受光素子におい
ては、p-InGaAsPやp-InPからなる上部クラッド層４とi-
InGaAsからなる光吸収層３との間に空乏化層１９ｂが形
成されている。この空乏化層１９ｂは、AlGaInAs混晶や
AlGaAsSb混晶やGaInP混晶などのp-InGaAsPやp-InPから
なる上部クラッド層４のバンドギャップより大きいバン
ドギャップを有した半導体が採用される。

【００８６】次に、第４、第５実施形態の半導体受光素
子のように、光吸収層３と下部クラッド層２の間、又は
光吸収層３と上部クラッド層４の間にバンドギャップの
大きい空乏化層１９ａ、１８ｂを挿入することの作用効
果を説明する。

【００８７】すなわち、第４、第５実施形態の半導体受
光素子においては、光吸収層３と下部クラッド層２の
間、又は光吸収層３と上部クラッド層４の間に逆バイア
ス印加により空乏化する空乏化層１９ａ、１８ｂを挿入
して、光吸収層３で発生した正孔と電子からなる生成キ
ャリアの一部をドリフトさせた後、電極６．７から電気
信号として取出す。

【００８８】そこで、空乏化層１９ａ、１９ｂとしてAl
GaInAs混晶やAlGaAsSb混晶やGaInP混晶などの、InGaAsP
やInPよりバンドギャップを大きく設定できる半導体を
用いる。この中で、InP に格子整合がとれるAlGaInAs
混晶系を取り上げてみると最大のバンドギャップを有す
るものはAlInAsであり、InPに比較してバンドギャップ
は約０．１２ｅＶも大きく、暗電流がInPに比較して1／
50 以下になる。

【００８９】すなわち、空乏化層１９ａ、１９ｂを有す
る半導体受光素子の暗電流が減少するため、光入射端面
１０から入射した光１５を電気信号に変換する際の雑音
を大幅に抑制でき、半導体受光素子から出力される電気
信号のＳ／Ｎ比を大幅に向上できる。

【００９０】また、第４および第５実施形態に対して各
層の配列順序が上下逆転している構造についても上記に
説明したものと同様の効果があることは明らかである。

【００９１】（第６実施形態）図７は本発明の第６実施
形態に係る半導体受光素子の概略構成を示す横断面図で
ある。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一
部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省
略する。

【００９２】この第５実施形態の半導体受光素子におい
ては、半導体基板１４内に、光入射端面１０から入射し
た光１５を光吸収層３へ導く光導波路２０が形成されて
いる。この光導波路２０は、へき開法により形成された
光入射端面１０に対して垂直で、かつ半導体基板１４の
底面１４ａに対して平行に形成されている。

【００９３】さらに、この光導波路２０の屈折率は、周
囲の半導体基板１４の屈折率より高く、かつ光吸収層３
の屈折率より低い材料が採用されている。このように構
成された第６実施形態の半導体受光素子においては、光
導波路２０の屈折率は周囲の半導体基板１４の屈折率よ
り高いので、光入射端面１０から光導波路２０内に入射
した光１５は、この光導波路２０に沿って伝播するた
め、光導波路２０内を進行する過程で、図示する光分布
特性１６は、ほとんど拡散せず光１５は効率的に光吸収
層３内に導かれる。したがって、受光素子としての受光
感度を向上できる。

【００９４】さらに、傾斜面１４cは、角度αが約１４
４．７°（≒１８０°−３５．２６°）と鈍角になるた
め前述したエッチング面積体積比が順メサの角の近傍で
大きくなることはない。また、光入射端面１０は、へき
開法で形成されるため光入射端面１０及び傾斜面１４ｃ
の半導体基板１４の底面１４ａに対する傾斜角β（＝１
９．４７°）が、製造工程で大きく変動することはない
ので、製造された半導体受光素子相互間における受光感
度のばらつきを大幅に抑制できる。

【００９５】（第７実施形態）図８は本発明の第７実施
形態に係る半導体受光素子の概略構成を示す横断面図で
ある。図７に示す第６実施形態の半導体受光素子と同一
部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省
略する。

【００９６】この第７実施形態の半導体受光素子におい
ては、半導体基板１４の底面１４ａは（２１１）Ａ結晶
面が露出している。したがって、初期上面１４ｂ及び加
工上面１４ｄも（２１１）Ａ結晶面が露出している。ま
た、傾斜面１４ｃは（１１１）Ａ結晶面が露出してい
る。（１１１）Ａ結晶面の（２１１）Ａ結晶面に対する
傾斜角は１９．４７°であるので、傾斜面１４ｃの底面
１４ａに対する傾斜角βも１９．４７°である。この傾
斜面１４ｃは、臭素系などのエッチング液を用いたウエ
ットエッチング手法を用いて形成される。

【００９７】一方、（２１１）Ａ結晶面が露出している
半導体基板１４の底面１４ａに直交する光入射端面１０
は、へき開法で形成できないので、傾斜面１４ｃと同様
にウエットエッチング手法を用いて形成される。

【００９８】このように構成された第７実施形態の半導
体受光素子においても、半導体基板１４の底面１４ａに
対向する上面に形成された傾斜面１４ｃは、順メサ形状
の側面で形成され、この傾斜面１４ｃをウエットエッチ
ングで形成する場合、エッチングにより残される結晶の
角度α（＝１８０°―１９．４７°≒１６０．５°）は
９０°に対して鈍角となるため、前述したエッチング面
積体積比が順メサの角の近傍で大きくなることはない。
また、（２１１）Ａ結晶面の底面１４ａに対して９０°
に正確にエッチングすることは比較的容易であり、か
つ、半導体基板上に多数形成された光受光素子の光入射
端面１０を同時に形成することができる。

【００９９】したがって、光１５は効率的に光吸収層３
導かれ、かつ、光入射端面１０の半導体基板１４の底面
１４ａに対する９０°の角度、及び傾斜面１４ｃの半導
体基板１４の底面１４ａに対する傾斜角β（＝１９．４
７°）が、製造工程で大きく変動することはないので、
製造された半導体受光素子相互間における受光感度のば
らつきを大幅に抑制できるため受光素子製造のコストが
大幅に削減できる。

【０１００】さらに、この第７実施形態においては、半
導体基板１４内の光導波路２０の近傍の等価屈折率が半
導体基板１４の屈折率よりも高くなる。そこで、例え
ば、半導体基板１４をInPとし、光導波路２０のバンド
がギャップ波長を１．５μｍおよび層厚を０．５μｍに
選択することで上記の傾斜角βにおいて波長が１．５５
μｍの光は第３実施形態と同様に、光吸収層３と上部ク
ラッド層４の境界面で大部分が反射されるため、コンタ
クト層５での光吸収が大幅に削減され、さらに受光感度
が向上する。

【０１０１】ここまで、幾つかの実施形態をInGaAsP／I
nP系の半導体材料を用いた受光素子について述べてきた
が、AlGaInAs／InP、AlGaAs／GaAsやAlGaInP／GaAs系な
ど他の半導体材料を用いた受光素子についても応用でき
ることは言うに及ばない。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体受
光素子においては、下部クラッド層と光吸収層と上部ク
ラッド層とを基板の傾斜面上に形成している。また、光
入射端面を基板の底面に対して垂直な端面に形成さいて
いる。

【０１０３】したがって、光入射端面の高い角度安定性
を確保した状態で、光を基板の底面に平行に光入射端面
に入射させることができ、従来の素子組込モジュールに
そのまま装着でき、かつ、光入射端面からか入射した光
を光吸収層に対して下方から斜めに入力させることがで
き、受光素子として優れた受光特性を維持でき、製造歩
留を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係わる半導体受光素子
の概略構成を示す横断面図

【図２】同第１実施形態の半導体受光素子の製造方法を
示す図

【図３】本発明の第２実施形態に係わる半導体受光素子
の概略構成を示す横断面図

【図４】本発明の第３実施形態に係わる半導体受光素子
の概略構成を示す横断面図

【図５】本発明の第４実施形態に係わる半導体受光素子
の概略構成を示す横断面図

【図６】本発明の第５実施形態に係わる半導体受光素子
の概略構成を示す横断面図

【図７】本発明の第６実施形態に係わる半導体受光素子
の概略構成を示す横断面図

【図８】本発明の第７実施形態に係わる半導体受光素子
の概略構成を示す横断面図

【図９】従来の半導体受光素子の概略構成を示す斜視図

【図１０】従来の別の半導体受光素子の概略構成を示す
横断面図

【図１１】同従来の別の半導体受光素子の問題点を説明
するための図

【図１２】従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成
を示す横断面図

【符号の説明】

２…下部クラッド層３…光吸収層４…上部クラッド層５…コンタクト層６…ｐ電極７…ｎ電極１０…光入射端面１２…素子組込モジュール１４…半導体基板１４ａ…底面１４ｂ…初期上面１４ｃ…傾斜面１４ｄ…加工上面１５…光１９ａ、１９ｂ…空乏化層２０…光導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に第１の導伝型の下部クラッ
ド層、光吸収層、第２の導伝型の上部クラッド層を順番
に積層し、前記半導体基板の光入射端面から入射した光
が前記下部クラッド層を透過して前記光吸収層に入力さ
れこの光吸収層において吸収されることにより生じたキ
ャリアを、前記上部クラッド層及び下部クラッド層をそ
れぞれ経て一対の電極から外部へ電気信号として出力す
る半導体受光素子において、前記光入射端面は前記半導体基板における底面に対して
垂直な端面に形成され、前記下部クラッド層、光吸収層
及び上部クラッド層は、前記半導体基板における前記底
面に対して傾斜した傾斜面上に形成されていることを特
徴とする半導体受光素子。
【請求項２】前記下部クラッド層の屈折率は前記上部
クラッド層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項
１記載の半導体受光素子。
【請求項３】前記下部クラッド層の等価屈折率は前記
上部クラッド層の等価屈折率よりも高いことを特徴とす
る請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項４】前記半導体基板内に前記光入射端面から
入射した光を前記光吸収層へ導く光導波路が形成されて
いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記
載の半導体受光素子。
【請求項５】前記光導波路の屈折率は、前記半導体基
板の屈折率より高く、かつ前記光吸収層の屈折率より低
いことを特徴とする請求項４記載の半導体受光素子。
【請求項６】前記下部クラッド層と前記光吸収層との
間に、バンドギャップが前記下部クラッド層のバンドギ
ャップより大きい空乏化層が形成されていることを特徴
とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の半導体受光
素子。
【請求項７】前記上部クラッド層と前記光吸収層との
間に、バンドギャップが前記上部クラッド層のバンドギ
ャップより大きい空乏化層が形成されていることを特徴
とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の半導体受光
素子。
【請求項８】前記半導体基板における底面は（１０
０）結晶面であり、前記半導体基板における傾斜面は
（２１１）結晶面であり、前記半導体基板における光入
射端面はへき開にて形成された端面であることを特徴と
する請求項１乃至７のいずれか１項記載の半導体受光素
子。
【請求項９】前記半導体基板における底面は（２１
１）結晶面であり、前記半導体基板における傾斜面およ
び光入射端面は（１１１）結晶面であることを特徴とす
る請求項１乃至７のいずれか１項記載の半導体受光素
子。