JP2003234494A

JP2003234494A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2003234494A
Application number: JP2002033081A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Inoguchi; 康博猪口; Akira Yamaguchi; 章山口; Manabu Shiozaki; 学塩▼崎▲; Takashi Iwasaki; 孝岩▼崎▲; Kenji Oki; 健嗣大木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-08-22
Also published as: US6835990B2; US20030151057A1

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｓＰ半導体膜を用いて所望のフィ
ルタ特性を実現可能な構造を有する半導体受光素子を提
供する。【解決手段】半導体受光素子１ａは半導体部２を有す
る。半導体部２は、基板２ａ、光検知部２ｂ及びフィル
タ部２ｃを備える。基板２ａ、光検知部２ｂ及びフィル
タ部２ｃは、所定の軸方向に順に配置されている。光検
知部２ｂは、III−V族半導体層を含む光吸収層８、III
−V族半導体層を含む窓層１０およびアノード半導体領
域１２を有する。光吸収層８は、ｎ型導電型半導体層あ
るいはｉ型導電型半導体層である。光吸収層８は、III
−V族半導体層６と窓層１０との間に配置されている。
半導体基板４の面４ａには、III−V族半導体層６を介し
て光検知部２ｂが配置されている。フィルタ部２ｃは、
ＩｎＧａＡｓＰ半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、II
I−V族半導体層２６ａ、２６ｂ、２６ｃとを備える。

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
関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信の分野においては、信号光とし
て、１．３μｍ帯および１．５５μｍ帯の波長成分の光
が使用されている。ある光通信路では、１．３μｍ帯及
び１．５５μｍ帯の波長成分の光が単一の光ファイバを
伝搬されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような光通信路か
らの信号光を受ける受光素子では、複数の波長成分の一
方の波長成分の光を選択的に受ける必要がある。この受
光素子は、１．３μｍ帯の波長成分の光を遮断すると共
に、１．５５μｍ帯の波長成分の光を受光することが求
められる。この波長選択を実現するために、半導体基板
と光吸収層との間に単一のＩｎＧａＡｓＰ半導体層を設
けている。このＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、１．３μｍ
帯の波長成分の光を吸収すると共に、１．５５μｍ帯の
波長成分の光を透過可能である。１．３μｍ帯の光の十
分な吸収を実現するためには、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
の膜厚は数マイクロメートル程度となる。発明者は、例
えば、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層が吸収係数α＝８５００
ｃｍ^-1および吸収端波長λ_g＝１．４４μｍを有すると
き、半導体層の膜厚が５．５μｍ程度であると見積もっ
ている。

【０００４】しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰ半導体の相
図には非混和領域(ミシビリティギャップ)があり、成長
膜厚を大きくすると相分離しやすい傾向になる。一方、
上記の見積もりでは、十分なフィルタ特性を得るために
数マイクロメートルの膜厚が必要である。この膜厚を得
るために、成膜条件に関して厳格な管理を行いながらＩ
ｎＧａＡｓＰ半導体膜を成長している。

【０００５】所望のフィルタ特性を得るために十分な膜
厚のＩｎＧａＡｓＰ半導体膜を成長することは難しい
が、ＩｎＧａＡｓＰ半導体膜を用いて半導体受光素子に
おいて所望のフィルタ特性を実現することが求めされて
いる。

【０００６】そこで、本発明の目的は、ＩｎＧａＡｓＰ
半導体膜を用いて所望のフィルタ特性を実現可能な構造
を有する半導体受光素子を提供することとした。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の一側面は、半導
体受光素子に係わる。半導体受光素子は、光入射面と、
光検知部と、フィルタ部とを備える。光検知部は、III
−V半導体を含む光吸収層を有する。フィルタ部は、光
入射面と光検知部との間に設けられている。フィルタ部
は、複数のIII−V半導体層及び複数のＩｎＧａＡｓＰ半
導体層を有している。III−V半導体層およびＩｎＧａＡ
ｓＰ半導体層は交互に配置されている。

【０００８】フィルタ部は複数のＩｎＧａＡｓＰ半導体
層を備えるので、これらの半導体層の総膜厚として所望
のフィルタ特性を実現できる。

【０００９】半導体受光素子では、光入射面と光検知部
との間に設けられ入射光が透過可能な基板を更に備える
ことができる。裏面入射型の半導体受光素子が提供され
る。

【００１０】半導体受光素子としては、下記の形態があ
る。フィルタ部は、光検知部と基板との間に位置してい
るようにできる。この形態では、フィルタ部は、基板の
側面から入射するノイズ光も遮断できる。また、フィル
タ部は、基板と光入射面との間に位置しているようにで
きる。この形態では、フィルタ部と光検知部との間に基
板が位置するので、フィルタ部において生成された電子
正孔対が光検知部に到達する可能性が低くなる。さら
に、半導体受光素子は、別のフィルタ部を更に備えるこ
とができる。別のフィルタ部は、複数のIII−V半導体層
および複数のＩｎＧａＡｓＰ半導体層を有している。複
数のIII−V半導体層および複数のＩｎＧａＡｓＰ半導体
層は所定の軸方向に交互に配置されている。基板は、フ
ィルタ部と別のフィルタ部との間に位置している。

【００１１】半導体受光素子では、各ＩｎＧａＡｓＰ半
導体層の膜厚は１．５マイクロメートル以下であること
が好ましい。各ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚が小さく
できるので、相分離が生じることを低減できる。

【００１２】半導体受光素子では、ＩｎＧａＡｓＰ半導
体層の数は５以上であることが好ましい。所望のフィル
タ特性を得やすくなる。

【００１３】半導体受光素子では、フィルタ部における
各III−V半導体層はＩｎＰ半導体層を含むことができ
る。各ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚は互いに異なるよ
うにすることが好ましい。この構成によれば、フィルタ
部の複数の半導体層が周期的に配置されないようにでき
る。

【００１４】半導体受光素子では、フィルタ部における
各III−V半導体層はＩｎＰ半導体層を含むことが好まし
い。ＩｎＰ半導体層の膜厚は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
の膜厚より薄い。

【００１５】半導体受光素子では、フィルタ部における
各III−V半導体層はＩｎＰ半導体層を含むことができ
る。フィルタ部のＩｎＰ半導体層及びＩｎＧａＡｓＰ半
導体層の膜厚は、このフィルタ部が１．４５マイクロメ
ートル以上１．６５マイクロメートル以下の波長範囲に
おいて光透過窓を有するように決定されている。

【００１６】半導体受光素子は、ＩｎＰ窓層を更に備え
ることができる。光検知部は、ＩｎＰ窓層とＩｎＰ基板
との間に位置している。光検知部は、光吸収層の導電型
と異なる導電型の半導体部を含む。この半導体部は、光
吸収層と接合を構成する。

【００１７】本発明の上記の目的および他の目的、特
徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発
明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述からより容易
に明らかになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明は、添付図面と共に以下の
詳細な記述を考慮することによって容易に理解される。
図面に共通な同一要素を示すために、可能な場合には、
同一の参照番号が使用される。

【００１９】(第１の実施の形態)図１は、本実施の形態
に係わる半導体受光素子の斜視図である。半導体受光素
子１ａは、半導体部２を有しており、半導体部２は、基
板２ａ、光検知部２ｂおよびフィルタ部２ｃを備える。
基板２ａ、光検知部２ｂおよびフィルタ部２ｃは、所定
の軸方向に順に配置されている。半導体部２は、所定の
軸と交差する一対の面２ｄ及び２ｅを有する。

【００２０】基板２ａは、ｎ⁺−ＩｎＰ半導体基板とい
った半導体基板４を有する。半導体基板４は、一対の面
４ａ及び４ｂを有する。一方の面４ａには、ｎ^-−Ｉｎ
Ｐ層といったIII−V族半導体層６を備えることができ
る。また、一方の面４ａには、III−V族半導体層６を介
して光検知部２ｂが配置されている。

【００２１】光検知部２ｂは、III−V族半導体層を含む
光吸収層８、III−V族半導体層を含む窓層１０およびｐ
型半導体領域１２を有する。光吸収層８は、ｎ型導電型
半導体層あるいはｉ型導電型半導体層であることができ
る。光吸収層８のバンドギャップは半導体基板４のバン
ドギャップより小さく、光吸収層８は、半導体基板４お
よびIII−V族半導体層６を透過してきた光を吸収して電
子正孔対を生成する。光吸収層８は、III−V族半導体層
６と窓層１０との間に配置されている。光吸収層８の材
料を例示すれば、ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩｎＧａＡｓ
Ｐ半導体の少なくともいずれかである。

【００２２】ｐ型半導体領域１２は、ドーパントが添加
されたIII−V族半導体からなる。ｐ型半導体領域１２
は、ｐ型半導体領域１２と光吸収層８とが接合するよう
に、半導体部２の一方の面２ｄから所定の軸に沿って窓
層１２内を伸びている。窓層１０は、光吸収層８とｐ型
半導体領域１２との接合部分を覆うように設けられてい
る。この覆いにより、電子正孔対の生成に係わる接合を
保護できる。

【００２３】ｐ型半導体領域１２の周囲には、キャリア
吸収半導体領域１４が設けられている。キャリア吸収半
導体部１４は、ｐ型半導体領域１２を囲むように設けら
れている。キャリア吸収半導体部１４は、ノイズとなる
キャリアの吸収を効率的にするものである。図１の実施
の形態では、例えば、キャリア吸収半導体部１４は、キ
ャリア吸収半導体領域１４と光吸収層８とが接合を形成
するように、半導体部２の一方の面２ｄから所定の軸に
沿って窓層１２内を伸びている。

【００２４】半導体部２の一方の面２ｄには、絶縁性シ
リコン化合物といった絶縁膜１６が設けられている。絶
縁膜１６はパッシベーション膜として働く。絶縁膜１６
は、また、ｐ型半導体領域１２の位置に合わせて設けら
れた開口部を有する。この開口部を覆うように、アノー
ド電極１８が設けられている。

【００２５】半導体部２の他方の面２ｅには、カソード
電極２０が設けられている。カソード電極２０は、開口
部を有する。開口部には、反射防止膜２２が設けられて
いる。本実施の形態では、例えば、この開口部は、開口
部を通過する光がｐ型半導体領域１２に到達するように
位置決めされている。

【００２６】フィルタ部２ｃは、ＩｎＧａＡｓＰ半導体
層２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、III−V族半導体層２６
ａ、２６ｂ、２６ｃとを備える。ＩｎＧａＡｓＰ半導体
層２４ａ、２４ｂ、２４ｃの総膜厚は、所望の光吸収率
を得るように決定されている。III−V族半導体層２６
ａ、２６ｂ、２６ｃのバンドギャップは、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃのバンドギャップよ
り大きい。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層２４ａ、２４ｂ、２
４ｃと、III−V族半導体層２６ａ、２６ｂ、２６ｃと
は、交互に配置されている。各ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
２４ａ、２４ｂ、２４ｃの膜厚は、互いに異なってい
る。この構成によれば、フィルタ部２ｃの複数の半導体
層が周期的に配置されないようにできる。フィルタ部２
ｃは、半導体層が周期的に配置されることに起因する干
渉特性を示さないように構成される。また、フィルタ部
２ｃでは、複数の半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２
６ａ、２６ｂ、２６ｃの間の境界において光反射が生じ
る。複数の半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２６ａ、
２６ｂ、２６ｃの膜厚は、この光反射に起因する反射特
性が１．４５マイクロメートル以上１．６５マイクロメ
ートル以下の波長範囲において光透過窓を有するように
決定されている。光透過窓内では、透過光の損失値は
０．１ｄＢ以下であることが好ましい。

【００２７】半導体受光素子では、フィルタ部のＩｎＰ
半導体層及びＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚は、このフ
ィルタ部が１．２５マイクロメートル以上１．３２マイ
クロメートルの波長範囲の光を十分に吸収できるように
決定されている。一方、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の結晶
組成は、１．４５マイクロメートル以上１．６５マイク
ロメートルの光が透過するように決定されている。

【００２８】半導体受光素子の構造を例示的に示せば、基板４：ｎ⁺−ＩｎＰＩｎＰ基板 III−V族半導体層６：ｎ^-−ＩｎＰ半導体層光吸収層８：ｎ型又はｉ型ＩｎＧａＡｓ半導体層窓層１０：ｎ型ＩｎＰ半導体層ＩｎＧａＡｓＰ半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：ｎ型
Ｉｎ_0.6525Ｇａ_0.3474Ａｓ_0.7806Ｐ_0.2194半導体層半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：ｎ型ＩｎＰ半導体
層である。

【００２９】これらの半導体層は、例えば有機金属気相
エピタキシャル成長(ＯＭＶＰＥ)法、液相エピタキシャ
ル成長(ＬＰＥ)法、気相エピタキシャル成長(ＶＰＥ)法
により形成できる。

【００３０】図２(ａ)は、半導体受光素子の動作を説明
するための模式図である。半導体受光素子１ａでは、波
長成分λ₁及びλ₂の光が背面に照射されている。波長を
例示すれば、λ₁＝１．５５マイクロメートルであり、
λ₂＝１．３０マイクロメートルである。図２(ｂ)は、
半導体受光素子１ａ内に入射してλ₁の光の強度変化を
示す図面である。図２(ｃ)は、半導体受光素子１ａ内に
入射してλ₂の光の強度変化を示す図面である。波長成
分λ₁の光は、フィルタ部２ｃおよび半導体基板２ａを
通過して、光吸収層８に到達する。光吸収層８におい
て、波長成分λ₁の光は電子正孔対を生成するにつれて
光の強度が減衰していく。波長成分λ₂の光は、フィル
タ部２ｃのＩｎＰ半導体層を透過すると共に、フィルタ
部２ｃのＩｎＧａＡｓＰ半導体層により吸収されるにつ
れて減衰していく。波長成分λ₂の光の強度は、基板２
ａおよび光検知部２ｂにおいては十分に小さくなってい
る。したがって、光検知部２ｂのＩｎＧａＡｓ半導体層
は１．５５μｍ及び１．３０μｍ波長帯の波長成分の光
に感度を示すけれども、光検知部２ｂには１．５５μｍ
波長帯の光成分のみが入射して検知される。

【００３１】(第２の実施の形態)図３(ａ)〜３(ｃ)を参
照しながら、別の形態の半導体受光素子１ｂを説明す
る。半導体受光素子１ｂは、光検知部２ｂと基板２ａと
の間にフィルタ部２ｃが配置されている。

【００３２】図３(ａ)は、半導体受光素子の動作を説明
するための模式図である。半導体受光素子１ｂでは、図
２(ａ)と同様に、波長成分λ₁及びλ₂の光が背面に照射
されている。半導体受光素子１ｂでは、基板２ａの側面
からの波長λ₂のノイズ光もフィルタ部２ｃにより吸収
される。図３(ｂ)は、半導体受光素子１ｂ内に入射して
λ₁の光の強度変化を示す図面である。図３(ｃ)は、半
導体受光素子１ｂ内に入射してλ₂の光の強度変化を示
す図面である。波長成分λ₁の光は、図２(ｂ)と同様
に、フィルタ部２ｃおよび半導体基板２ａを通過して、
光吸収層８に到達する。光吸収層８において、波長成分
λ₁の光は電子正孔対を生成するにつれて、光の強度が
減衰していく。波長成分λ₂の光は、半導体基板２ａを
通過して、フィルタ部２ｃのＩｎＰ半導体層を透過する
と共に、フィルタ部２ｃのＩｎＧａＡｓＰ半導体層によ
り吸収されるにつれて、光の強度が減衰していく。波長
成分λ ₂の光の強度は、光検知部２ｂにおいては十分に
小さくなっている。

【００３３】(第３の実施の形態)図４(ａ)〜４(ｃ)を参
照しながら、更に別の形態の半導体受光素子１ｃを説明
する。半導体受光素子１ｃは、光検知部２ｂと基板２ａ
との間にフィルタ部２ｃを備えると共に、基板２ａと光
入射面との間にもフィルタ部２ｆを備える。フィルタ２
ｆは、複数のＩｎＧａＡｓＰ半導体層および複数のIII
−V族半導体層を備え、これらの半導体層は交互に配置
されている。フィルタ部２ｆは、フィルタ部２ｃと同様
の構造を備えることができるが、これに限定されるもの
ではない。

【００３４】図４(ａ)は、半導体受光素子の動作を説明
するための模式図である。半導体受光素子１ｃでは、図
２(ａ)と同様に、波長成分λ₁及びλ₂の光が背面に照射
されている。半導体受光素子１ｃでは、図３(ａ)と同様
に、基板２ａの側面からの波長λ₂のノイズ光もフィル
タ部２ｃにより吸収される。図４(ｂ)は、半導体受光素
子１ｃ内に入射してλ₁の光の強度変化を示す図面であ
る。図４(ｃ)は、半導体受光素子１ｃ内に入射してλ₂
の光の強度変化を示す図面である。波長成分λ₁の光
は、図２(ｂ)と同様に、フィルタ部２ｆ及び２ｃ並びに
半導体基板２ａを通過して、光吸収層８に到達する。光
吸収層８において、波長成分λ₁の光は電子正孔対を生
成するにつれて減衰していく。波長成分λ₂の光は、ま
ず、フィルタ部２ｆのＩｎＰ半導体層を透過すると共
に、フィルタ部２ｆのＩｎＧａＡｓＰ半導体層により吸
収されるにつれて減衰していく。この後、波長成分λ₂
の減衰した光は、半導体基板２ａを通過して、フィルタ
部２ｃのＩｎＰ半導体層を透過すると共に、フィルタ部
２ｃのＩｎＧａＡｓＰ半導体層により吸収されるにつれ
て減衰していく。波長成分λ₂の光の強度は、光検知部
２ｂにおいては十分に小さくなっている。半導体受光素
子１ｃにおいて、フィルタ部２ｃ及び２ｆ内のＩｎＧａ
ＡｓＰ半導体層の膜厚の総和は、例えば、半導体受光素
子１ｂのフィルタ部２ｃ内のＩｎＧａＡｓＰ半導体層の
膜厚の総和と等しくできるが、半導体受光素子１ｂにお
ける総和より厚くてもよい。

【００３５】半導体受光素子１ａ、１ｂ、１ｃにおいて
は、各ＩｎＰ半導体層は、応力といった界面相互作用を
隣接するＩｎＧａＡｓ半導体層に及ぼす。この界面相互
作用は、ＩｎＧａＡｓ半導体層の膜厚が厚くなるにつれ
て弱くなる。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ半導体層はそ
の両側からＩｎＰ半導体層により挟まれているので、所
望の特性を有するＩｎＧａＡｓ半導体層が得られる。故
に、各ＩｎＰ半導体層は、この界面相互作用が十分に働
くような厚さであることが好ましい。

【００３６】また、半導体受光素子１ａ、１ｂ、１ｃに
おいては、光吸収層はフィルタ部と十分な間隔が取られ
ている。フィルタ部と光吸収層との間には、ＩｎＰ半導
体層といったIII−V族半導体層が設けられている。励起
電子数が十分に少なくなるようにIII−V族半導体層の厚
さを決定することが好ましい。故に、フィルタ部のＩｎ
ＧａＡｓＰ半導体層において吸収された光は電子を励起
するけれども、これらの電子のほとんどは非発光中心等
を介して元のエネルギ準位に戻る。

【００３７】(第４の実施の形態)発明者は、本実施の形
態に係わる半導体受光素子について更に詳細な検討を行
った。図５(ａ)〜５(ｃ)は、数値実験のためのモデルを
示す図面である。図６は、発明者によって行われた数値
実験に利用された条件を示す図面である。図７は、発明
者によって行われた別の数値実験に利用された条件を示
す図面である。

【００３８】図５(ａ)は、比較用受光素子の構造を示し
ている。図５(ｂ)は受光素子の構造を示しており、この
構造は第２の実施の形態に示された受光素子の構造を一
般化したものである。図に示された記号Ｎは、フィルタ
部におけるＩｎＰ半導体層とＩｎＧａＡｓＰ半導体層と
からなる対の数を示す。図５(ｃ)は、数値実験に使用さ
れた光モジュールの構造を示している。光モジュール３
０は、パッシブアライメント構造を有している。図５
(ｃ)を参照すると、光モジュール３０は、フィルタ素子
３４により選択された光が受光素子３６へ入射できるよ
うな構造を備えている。フィルタ素子３４は、所定の方
向に延びる光導波路３２に交差するように配置されてい
る。光導波路３２、フィルタ素子３４および受光素子３
６は、光導波路３２を伝搬する光が透過可能な樹脂３８
内に配置されている。光導波路３２は、光ファイバ４０
からの光Ｌ₁を受ける。この光Ｌ₁は、フィルタ素子３４
により所定の波長が選択されて受光素子３６の光入射面
に向かう光Ｌ₂になる。光Ｌ₂は光入射面を介して受光素
子３６に入射して光Ｌ₃になり、光検知部で検知され
る。なお、この実験において、α＝β＝３０(ｄｅｇ)、
γ＝１４．２(ｄｅｇ)とした。樹脂３８の屈折率は１．
５２とした。

【００３９】ＩｎＧａＡｓＰ半導体膜(λｇ＝１．４４
μｍ、厚さ約１μｍ)とＩｎＰ半導体膜(厚さ約０．５μ
ｍ)をそれぞれ４層積層してフィルタ部を構成した。こ
のフィルタ部の光学的な測定を行った。この程度の膜厚
では、ＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＡｓＰ半導体膜を安定し
て成長できる。

【００４０】一方、それぞれ４層積層からなるＩｎＧａ
ＡｓＰ半導体膜(λｇ＝１．４４μｍ、厚さ１μｍ)とＩ
ｎＰ半導体膜(厚さ０．５μｍ)により構成されたフィル
タ部を下記の数値Ｇａ_XＩｎ_1-XＡｓ_YＰ_1-Y半導体においてを用いてモデル化して数値実験を行った。

【００４１】この両結果を比較すると、１．３μｍ波長
帯における透過率が良い一致を示していると共に、１．
５５μｍ波長帯における反射ロスに関しても良い一致を
示した。故に、この実験手法は十分に信頼できる。ま
た、所望のフィルタ特性を得るために必要なＩｎＧａＡ
ｓＰ半導体層の膜厚を複数の半導体膜により達成できる
ことが明らかになった。

【００４２】図６を参照すると、Ｎ＝４であるフィルタ
部の構成例を示している。また、図７を参照すると、Ｎ
＝５であるフィルタ部の構成例を示している。これらの
条件における数値実験では、１．４５μｍ以上１．６５
μｍ以下の波長範囲において最大反射率を最小化するよ
うに、シミュレーティッドアニーリング法を用いて数値
実験を行った。

【００４３】図６及び図７の条件Ｃ１〜Ｃ６において、
フィルタ部のＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚は、０．５
μｍ以上１．５μｍ以下の範囲で変更可能であり、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ半導体層の総膜厚は５μｍという制約条件を
課した。

【００４４】条件Ｃ１では、各ＩｎＰ半導体層の膜厚は
０．５μｍであり、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚を変
化させた。上記の波長領域内において最小化された最大
反射率は、−１７．４ｄＢであった。

【００４５】条件Ｃ２では、各ＩｎＰ半導体層の膜厚が
０．１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で変更可能であ
り、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚を変化させた。図８
(ａ)〜８(ｃ)は、それぞれ、条件Ｃ２におけるフィルタ
部の反射率であり、当該フィルタ部のPolarization Dep
endent Loss(ＰＤＬ)であり、当該フィルタ部のPolariz
ation Dependent Sensitivity (ＰＤＳ)である。上記の
波長領域内において最小化された最大反射率は、−１
６．０ｄＢであった。

【００４６】条件Ｃ３では、各ＩｎＰ半導体層の膜厚は
０．５μｍであり、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚を変
化させた。上記の波長領域内において最小化された最大
反射率は、−１８．４ｄＢであった。

【００４７】条件Ｃ４では、各ＩｎＰ半導体層の膜厚が
０．１μｍであり、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚を変
化させた。図９(ａ)〜９(ｃ)は、それぞれ、条件Ｃ３に
おけるフィルタ部の反射率であり、当該フィルタ部のＰ
ＤＬであり、当該フィルタ部のＰＤＳである。上記の波
長領域内において最小化された最大反射率は、−１９．
７ｄＢであった。

【００４８】条件Ｃ５では、各ＩｎＰ半導体層の膜厚が
０．２μｍであり、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚を変
化させた。図１０(ａ)〜１０(ｃ)は、それぞれ、条件Ｃ
４におけるフィルタ部の反射率であり、当該フィルタ部
のＰＤＬであり、当該フィルタ部のＰＤＳである。上記
の波長領域内において最小化された最大反射率は、−１
８．２ｄＢであった。

【００４９】条件Ｃ６では、各ＩｎＰ半導体層の膜厚が
０．１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で変更可能であ
り、ＩｎＰ半導体層及びＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚
を変化させた。図１１(ａ)〜１１(ｃ)は、それぞれ、条
件Ｃ５におけるフィルタ部の反射率であり、当該フィル
タ部のＰＤＬであり、当該フィルタ部のＰＤＳである。
上記波長領域内において最小化された最大反射率は−２
１．１ｄＢであった。

【００５０】条件Ｃ０では、各ＩｎＰ半導体層の膜厚は
０．５μｍであり、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚は
１．０μｍである。上記の波長領域内における最大反射
率は−９．７ｄＢであった。

【００５１】上記の最大反射率の比較から、Ｎ＝５のフ
ィルタ部の最大反射率は、１．４５μｍ以上１．６５μ
ｍ以下の波長範囲においてＮ＝４のフィルタ部より小さ
くできることが理解される。つまり、Ｎ≧５が好適であ
る。

【００５２】また、条件Ｃ０のフィルタ部と条件Ｃ１〜
６を比較から、フィルタ部を構成する半導体層により干
渉が生じないように半導体層の膜厚を決定することが、
上記波長範囲において最大反射率を最小化するために有
効である。

【００５３】さらに、条件Ｃ３〜５を比較から、フィル
タ部のＩｎＰ半導体層の膜厚をより薄くすると、上記波
長範囲において最大反射率を最小化するために有効であ
る。

【００５４】またさらに、条件Ｃ６のフィルタ部と条件
Ｃ３〜５を比較から、フィルタ部のＩｎＰ半導体層の膜
厚を一定値に揃えるようにするより膜厚を変化させるこ
とが、上記波長範囲において最大反射率を最小化するた
めに有効である。

【００５５】図１２(ａ)〜１２(ｃ)は、それぞれ、比較
用受光素子の反射率であり、当該受光素子のＰＤＬであ
り、当該受光素子のＰＤＳである。

【００５６】これまでの説明より理解されるように、
１．３μｍ波長帯の光を十分に吸収できるようにフィル
タ部を構成する必要がある。このためには、ＩｎＰ半導
体との格子整合条件を維持しながら約５μｍの厚さのＩ
ｎＧａＡｓＰ半導体を成長する必要がある。しかしなが
ら、ＩｎＧａＡｓＰ半導体(λｇ＝１．４〜１．４４μ
ｍ)をエピタキシャル成長する技術は、非常に高度な制
御が必要である。なぜなら、ＩｎＧａＡｓＰ半導体の相
図には非混和領域があり、この領域では結晶成長法(Ｍ
Ｏ、ＶＰＥ、ＬＰＥ)に関係なく相分離を生じ易いから
である。

【００５７】ところが、本実施の形態に示された受光素
子では、総膜厚に上限はない。故に、フィルタ部は十分
な光吸収率を実現できる。また、ＩｎＧａＡｓＰ半導体
層の各層厚を薄くできるので、結晶成長が容易になる。
詳述すれば、Ｇａ_XＩｎ_1-XＡｓ_YＰ_1-Y半導体において、
ＩｎＰ半導体に対する格子整合条件は、Ｙ＝０．４２Ｘ
／(０．１８＋０．０２Ｘ)である。しかしながら、実際
の成膜においては、この条件が厳格に満たされるような
成長条件が維持できるわけではない。成長する半導体膜
の厚さが薄ければ、良好な結晶性を維持できる格子定数
差も相対的に大きくなる。故に、Ｇａ_XＩｎ_1-XＡｓ_YＰ
_1-Y半導体において、相分離を生じること無く結晶成長
可能な化学量論的組成の範囲が拡大できる。発明者は、
ＩｎＧａＡｓＰ半導体膜厚が１．５μｍ以下であれば、
相分離を起こす可能性が十分に小さいと考えている。

【００５８】加えて、フィルタ部の複数の半導体層の膜
厚は、これらの半導体層が周期的に配置されることに起
因する干渉を所定の波長領域で示さないように決定され
る。故に、フィルタ部における光の干渉に起因する透過
光の損失を小さくできる。

【００５９】(第５の実施の形態)図１３は、光通信シス
テムの構成を示す模式図である。光通信システム５０
は、光送受信モジュール５２と、光送受信モジュール５
４と、これらを光学的に結合する光通信路５６とを備え
る。光送受信モジュール５２は、１．５５μｍ波長帯と
いった波長帯域内の第１の波長成分λ₁の光信号を電気
信号に基づいて発生できると共に、１．３μｍ波長帯と
いった波長帯域内の第２の波長成分λ₂の光信号を受け
て電気信号を発生できる。光送受信モジュール５４は、
１．３μｍ波長帯といった波長帯域内の第２の波長成分
λ₂の光信号を電気信号に基づいて発生できると共に、
１．５５μｍ波長帯といった波長帯域内の第１の波長成
分λ₁の光信号を受けて電気信号を発生できる。光送受
信モジュール５２及び５４間は、光ファイバといった光
通信路５６により接続されている。光通信路５６では、
光送受信モジュール５２から光送受信モジュール５４へ
向けて第１の波長成分λ ₁の光信号Ｓ₁が伝搬しており、
光送受信モジュール５４から光送受信モジュール５２へ
向けて第２の波長成分λ₂の光信号Ｓ₂が伝搬している。

【００６０】例示的なシステムでは、光送受信モジュー
ル５２の受光部は、１．３μｍ波長帯域に感度を有する
と共に１．５５μｍ波長帯域に感度を有さない。光送受
信モジュール５２は、半導体レーザ素子といった半導体
発光素子５２ａと、フォトダイオードといった半導体受
光素子５２ｂと、半導体発光素子５２ａ及び半導体受光
素子５２ｂを光伝送路に光学的に結合する光合分波器５
２ｃとを備える。また、光送受信モジュール５４の受光
部は、１．５５μｍ波長帯域に感度を有すると共に１．
３μｍ波長帯域に感度を有さない。光送受信モジュール
５４は、半導体レーザ素子といった半導体発光素子５４
ａと、フォトダイオードといった半導体受光素子５４ｂ
と、半導体発光素子５４ａ及び半導体受光素子５４ｂを
光伝送路に光学的に結合する光合分波器５４ｃとを備え
る。半導体発光素子５４ａは、１．３μｍ波長帯の波長
成分の光を発生する。半導体受光素子５４ｂは、１．３
μｍ波長帯の波長成分を吸収するフィルタ部を備えると
共に、１．５５μｍ波長帯域の波長成分に応答する光吸
収部を備える。この半導体受光素子５４ｂには、上記の
実施の形態で記述した半導体受光素子を使用できる。

【００６１】好適な実施の形態において本発明の原理を
図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から
逸脱することなく配置および詳細において変更され得る
ことは、当業者によって認識される。例えば、光送受信
モジュールの構成は、必要なように変更されることがで
きる。また、フィルタ部のための半導体層と基板との間
にバッファ層を設けるようにしてもよい。したがって、
特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修
正および変更に権利を請求する。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＩｎＧａＡｓＰ半導体膜を用いて所望のフィルタ特性を
実現可能な構造を有する半導体受光素子が提供された。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本実施の形態の半導体受光素子の斜視
図である。

【図２】図２(ａ)は、第１の実施の形態の半導体受光素
子の構造を示す図面であり、図２(ｂ)及び２(ｃ)は、こ
の半導体受光素子の特性図である。

【図３】図３(ａ)は、別の形態の半導体受光素子の構造
を示す図面であり、図３(ｂ)及び３(ｃ)は、この半導体
受光素子の特性図である。

【図４】図４(ａ)は、更に別の形態の半導体受光素子の
構造を示す図面であり、図４(ｂ)及び４(ｃ)は、この半
導体受光素子の特性図である。

【図５】図５(ａ)〜５(ｃ)は、数値実験のためのモデル
を示す図面である。

【図６】図６は、発明者による数値実験のための条件を
示す図面である。

【図７】図７は、発明者による別の数値実験のための条
件を示す図面である。

【図８】図８(ａ)〜８(ｃ)は、それぞれ、条件Ｃ２にお
けるフィルタ部の反射率を示す特性図であり、当該フィ
ルタ部のＰＤＬを示す特性図であり、当該フィルタ部の
ＰＤＳを示す特性図である。

【図９】図９(ａ)〜９(ｃ)は、それぞれ、条件Ｃ３にお
けるフィルタ部の反射率を示す特性図であり、当該フィ
ルタ部のＰＤＬを示す特性図であり、当該フィルタ部の
ＰＤＳを示す特性図である。

【図１０】図１０(ａ)〜１０(ｃ)は、それぞれ、条件Ｃ
４におけるフィルタ部の反射率を示す特性図であり、当
該フィルタ部のＰＤＬを示す特性図であり、当該フィル
タ部のＰＤＳを示す特性図である。

【図１１】図１１(ａ)〜１１(ｃ)は、それぞれ、条件Ｃ
５におけるフィルタ部の反射率を示す特性図であり、当
該フィルタ部のＰＤＬを示す特性図であり、当該フィル
タ部のＰＤＳを示す特性図である。

【図１２】図１２(ａ)〜１２(ｃ)は、それぞれ、比較用
受光素子の反射率を示す特性図であり、当該受光素子の
ＰＤＬを示す特性図であり、当該受光素子のＰＤＳを示
す特性図である。

【図１３】図１３は、光通信システムの構成を示す模式
図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ…半導体受光素子、２…半導体部、２
ａ…基板、２ｂ…光検知部、２ｃ…フィルタ部、４…基
板、６…III−V族半導体層、８…光吸収層、１０…窓
層、１２…Ｐ⁺型半導体領域、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ
…ＩｎＧａＡｓＰ半導体層、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…
III−V族半導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者塩▼崎▲ 学神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者岩▼崎▲ 孝兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者大木健嗣兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 4M118 AB10 BA01 CA01 CA34 CB01 CB02 CB03 FC16 FC17 GA09 5F049 MA03 MA04 MB07 NA10 NB01 QA06 SS04 SZ07 SZ08 SZ20 TA11 TA20 WA01 5K002 AA03 BA01 BA05 CA03 CA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光入射面と、 III−V半導体を含む光吸収層を有する光検知部と、前記光入射面と前記光検知部との間に設けられたフィル
タ部と、を備え、前記フィルタ部は、複数のIII−V半導体層および複数の
ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を有しており、前記複数のIII
−V半導体層および前記複数のＩｎＧａＡｓＰ半導体層
は所定の軸方向に交互に配置されており、前記III−V半導体層のバンドギャップは、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ半導体層のバンドギャップより大きい、半導体受光素
子。
【請求項２】前記光入射面と前記光検知部との間に設
けられ入射光が透過可能な基板を更に備え、前記フィルタ部は、前記基板と前記光入射面との間に位
置している、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】前記光入射面と前記光検知部との間に設
けられ入射光が透過可能な基板を更に備え、前記フィルタ部は、前記光検知部と前記基板との間に位
置している、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項４】前記光入射面と前記光検知部との間に設
けられ入射光が透過可能な基板と、別のフィルタ部とを更に備え、前記別のフィルタ部は、複数のIII−V半導体層および複
数のＩｎＧａＡｓＰ半導体層を有しており、前記複数の
III−V半導体層および前記複数のＩｎＧａＡｓＰ半導体
層は所定の軸方向に交互に配置されており、前記基板は、前記フィルタ部と前記別のフィルタ部との
間に位置している、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項５】各ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚は、
１．５マイクロメートル以下である、請求項１から請求
項４のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項６】前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層及び前記II
I−V半導体層から構成される対の数は５以上である、請
求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体受光素
子。
【請求項７】前記フィルタ部における各III−V半導体
層はＩｎＰ半導体層を含む、請求項１から請求項６のい
ずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項８】各ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚は互い
に異なる、請求項１から請求項７のいずれかに記載の半
導体受光素子。
【請求項９】前記フィルタ部における各III−V半導体
層はＩｎＰ半導体層を含み、前記ＩｎＰ半導体層の膜厚は、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導
体層の膜厚より薄い、請求項１から請求項８のいずれか
に記載の半導体受光素子。
【請求項１０】前記フィルタ部における各III−V半導
体層はＩｎＰ半導体層を含み、前記フィルタ部を構成する前記ＩｎＰ半導体層および前
記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の膜厚は、このフィルタ部が
１．４５マイクロメートル以上１．６５マイクロメート
ル以下の波長範囲において光透過窓を有するように決定
されている、請求項１から請求項９のいずれかに記載の
半導体受光素子。