JP2004111548A - 半導体受光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】短波長光と長波長光が混在する光信号の中から、長波長光の光信号のみを選択的に受光できる受光素子を提供する。
【解決手段】短波長光のみを選択的に吸収する第１半導体層１０７と、当該第１半導体層１０７で発光再結合した光を吸収する第２半導体層１０８と、第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８で発生したキャリアを発光させて消滅させるための第３半導体層１０９とを組合せた光フィルタ１０３を形成している。
【選択図】 図１
【解決手段】短波長光のみを選択的に吸収する第１半導体層１０７と、当該第１半導体層１０７で発光再結合した光を吸収する第２半導体層１０８と、第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８で発生したキャリアを発光させて消滅させるための第３半導体層１０９とを組合せた光フィルタ１０３を形成している。
【選択図】 図１
Description
【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１μｍ帯域の光通信用の半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、波長が１．３μｍ、１．５５μｍなどの光信号が用いられており、受光素子には、１．３μｍ光のみを選択的に受光するもの、１．５５μｍ光のみを選択的に受光するものが要求される。
【０００３】
長波長（例えば１．５５μｍ）光を受光せず、短波長（例えば１．３μｍ）光を選択的に受光するためには、受光層のバンドギャップ波長（λｇ）を長波長光と短波長光の間（例えば、λｇ＝１．４μｍ）にすれば容易に実現する。
【０００４】
短波長（例えば１．３μｍ）光は受光せず、長波長（例えば１．５５μｍ）光のみを選択的に受光するのは比較的困難で、これを実現可能にした受光素子として、特開２０００−２５２５１１号や特開２０００−０３６６１５号に開示されるものがある。
【０００５】
上記公報では共に、光の入射方向に対して、光フィルタ層と受光層を順次形成し、前記光フィルタ層では、前記受光層（例えば、ＩｎＧａＡｓ層）よりもバンドギャップ波長を短く（例えば、ＩｎＧａＡｓＰ層に）している。
【０００６】
前記ＩｎＧａＡｓ受光層と、前記ＩｎＧａＡｓＰ光フィルタ層とを組合せると、１．３μｍの光（１次光）は光フィルタ層で吸収されキャリアを発生させる。光フィルタ層に電圧が掛かっていない場合は、キャリアが留まり、発光再結合し、ＩｎＧａＡｓＰ光フィルタ層のバンドギャップ波長とほぼ等しい波長の光（２次光）を放出することになる。この２次光は前記ＩｎＧａＡｓ受光層によって吸収されるため、あたかも１．３μｍの光をＩｎＧａＡｓ受光層で受光したかのような振舞いをすることになる。よって、１．５５μｍの光の選択比は低下する。
【０００７】
上記の対策として、上記公報では共に、前記２次光が全方向に放出される特性を活かし、光フィルタ層と受光層との距離を伸ばして、受光領域（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）に入射する２次光の立体角を小さくし、１．５５μｍの光の選択比を向上させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開２０００−２５２５１１号公報においては、２素子を貼り合せるため、貼り合せ精度が悪いと受光できなくなること、２素子必要となるため２倍の製造コストがかかること、実装コストも通常の受光素子よりも高くなることなどの問題があった。
【０００９】
また、上記特開２０００−２５２５１１号公報において、発光再結合（２次光の発生）を防ぐためにＩｎＧａＡｓＰ光フィルタ層に電圧を掛けてキャリアを強制的に排除しようとすると、通常の受光素子では電極がｐ、ｎの２つであるのに対し、電極を３つ以上設ける必要があり、モジュール設計に大きな負担をかけるという問題があった。
【００１０】
上記特開２０００−０３６６１５号公報においては、エピタキシャル成長（エピ成長）したウェハ（エピウェハ）の裏面にエピ成長するのは困難で、受光素子の良品歩留りが極めて低下してしまうこと、通常の受光素子ではエピウェハの裏面を研磨して素子厚を１５０μｍ程度にしているが、裏面にエピ成長しているために裏面研磨ができずダイシングが困難になること、また、素子厚を薄くするために裏面研磨してからエピ成長しようとすると、エピ成長時の高温によりｐ＋−ＩｎＰ（選択拡散領域）の拡散が進みデバイス特性が劣化することなどの問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本願の第１の発明からなる半導体受光素子は、第１光（短波長）と第２光（長波長）とが入射する場合において、光の入射方向に対して光フィルタ層と受光層を形成し、前記光フィルタ層はバンドギャップ波長が前記第１光の波長と前記第２光の波長の間にある第１半導体層と、前記第１半導体層よりもバンドギャップ波長が長い第２半導体層と、前記第２光の波長よりもバンドギャップ波長が長い第３半導体層とから成り、前記受光層は前記第３半導体層よりもバンドギャップ波長が短い第４半導体層から成り、前記第１光を前記光フィルタ層で吸収させ、前記第３半導体層において発光再結合させて前記受光層で受光しない光に変換し、更に、前記第１半導体層において発光再結合してしまった光を前記第２半導体層において吸収させ、前記第３半導体層において発光再結合させて前記受光層で受光しない光に変換し、前記光フィルタ層を透過した前記第２光のみを前記受光層において選択的に受光することを特徴とする。
【００１２】
本願の第２の発明からなる半導体受光素子は、前記第２半導体層が、前記第１半導体層のバンドギャップ波長と前記第３半導体層のバンドギャップ波長の間になるようなバンドギャップ波長を持った複数の層から形成され、前記第３半導体層から順に光の進行方向に対してバンドギャップ波長が短くなっていき、且つ前記光フィルタ層に第１導電型若しくは第２導電型のドーパントを含有させてビルトインポテンシャルを大きし、光フィルタ層内で発生したキャリアを無電界でも効率的に前記第３半導体層に運ぶことが可能で、前記第３半導体層と前記受光層との距離を伸ばすことで受光領域（ＰＤ）との立体角を小さくすることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）図１は本発明の第１の実施形態の受光素子断面及びエネルギーバンド図であり、本発明では波長が１．３μｍと１．５５μｍの光信号が素子裏面から入射し、１．５５μｍの光のみを選択的に受光する場合である。
【００１４】
ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１上にｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２、ｎ型光フィルタ層１０３、ｎ型ＩｎＰバリア層１０４、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５（バンドギャップ波長（λｇ）：λｇａ＝１．６５μｍ）、ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６が順次形成されている。
【００１５】
ｎ型光フィルタ層１０３は、ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７（１．３μｍ＜λｇ１＜１．５５μｍ：λｇ１＝１．４０μｍ）と、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８（λｇ２＞λｇ１：λｇ２＝１．４５μｍ）と、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９（λｇ３＞λｇａ：λｇ３＝１．７０μｍ）とから形成されている。
【００１６】
ｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２は、ｎ型光フィルタ層１０３を構成しているＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７とｎ＋型ＩｎＰ基板１０１とを格子整合させるための緩衝（バッファ）層として機能しており、ｎ型ＩｎＰバリア層１０４は、ｎ型光フィルタ層１０３で発生した正孔がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５に流出するのを阻止する機能を果たしている。
【００１７】
ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６内の受光領域には選択拡散法により、ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０が形成されている。
【００１８】
ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０上にｐ電極１１１が形成され、ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１上にｎ電極１１２が形成されている。
【００１９】
ｐ電極１１１以外のｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０上とｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６上にはパシベーション膜としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１１３が形成されている。
【００２０】
ｎ電極１１２以外のｎ＋型ＩｎＰ基板１０１上、すなわち光の入射面には１．５５μｍ用の反射防止膜（ＡＲコート膜）１１４が形成されている。
【００２１】
次に、図２を用いて、第１の実施形態の受光素子の動作について説明する。
【００２２】
図２は、図１の素子のｐ電極１１１及びｎ電極１１２を通して逆方向印加電圧が掛けられている図である。
【００２３】
素子裏面から入射した波長１．３μｍと１．５５μｍの光は、ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１、ｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２を透過し、ｎ型光フィルタ層１０３に入射する。
【００２４】
１．３μｍの光はｎ型光フィルタ層１０３内のＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７で吸収されキャリアを発生させる（図２（ａ））。
【００２５】
１．３μｍの光のうち、ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７で吸収されきらなかった光は、次のＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で吸収されキャリアを発生させる（図２（ａ））。
【００２６】
１．３μｍの光のうち、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８でも吸収されきらなかった光は、次のＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９で吸収されキャリアを発生させる（図２（ａ））。
【００２７】
１．３μｍの光のうち、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９でも吸収されきらなかった光は、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光される（図２（ａ））。
【００２８】
１．５５μｍの光は、ｎ型光フィルタ層１０３内のＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８ではほとんど吸収されず、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９では、層厚を十分薄く設定すれば若干吸収されるのみで、大半の光がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光される（図２（ｂ））。
【００２９】
ｎ型光フィルタ層１０３内のＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７で発生したキャリアのうち電子２０１はｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２にドリフトされ、正孔２０２はＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８にドリフトする（図２（ｃ））。
【００３０】
ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で発生した電子２０１はＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７にドリフトし、正孔２０２はＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にドリフトする（図２（ｃ））。
【００３１】
ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で発生した正孔２０２はそのまま電気信号としてｐ電極１１１に到達し、発生した電子２０１はｎ型ＩｎＰバリア層１０４を通ってＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にドリフトする（図２（ｃ））。
【００３２】
ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９で発生した正孔及びＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９に移動してきた正孔２０２は、価電子帯１１５のギャップが大きいために移動することができずに留まることになるため、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にて発光再結合し、キャリアは消滅する（図２（ｄ））。
【００３３】
ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にて発光再結合した光の波長は、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５のバンドギャップ波長よりも長いため、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光されることはない（図２（ｄ））。
【００３４】
また、１．５５μｍ光の選択比を向上させるためにＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７を厚くした場合、発生もしくは移動してきたキャリアがドリフトしきる前に発光再結合してしまうが、放出された光はＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で吸収され、キャリアを発生させ、上記同様ドリフトすることになる（図２（ｅ））。
【００３５】
また、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で発光再結合して放出された光は、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にて吸収される。
【００３６】
以下、図３、図６、図７、図９において、本発明の第１の実施形態をより具現化した実施例を紹介し、図４、図５、図８を用いてこれを説明する。
【００３７】
図３は、本発明の第１の実施形態である図１の受光素子において、前記光フィルタ層１０３を形成している各層の層厚を薄くし、各層から組を形成し、当該複数組で前記光フィルタ層１０３を形成することで、更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる受光素子のエネルギーバンド図である。
【００３８】
図３（ａ）は、前記ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７と前記ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８と前記ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９とで組を形成し、当該組が前記ｎ型光フィルタ層１０３内に３組形成されている。
【００３９】
図３（ａ）記載の受光素子は、図１に比べ、前記光フィルタ層１０３内の各層厚を薄くすることが可能になるため、前記第１半導体層１０７や前記第２半導体層１０８でのキャリアのドリフト中の発光再結合確率を下げ、結果的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる。
【００４０】
図３（ｂ）は、前記ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７と前記ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８とで組を形成し、当該組が３組と前記ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９とが前記ｎ型光フィルタ層１０３内に形成されている。
【００４１】
図３（ｂ）記載の受光素子は、図１に比べ、前記光フィルタ層１０３内の前記第３半導体層１０９のトータル層厚を薄でき、１．５５μｍ光の前記光フィルタ層１０３中での吸収損失を低減することが可能となるため、結果的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる。
【００４２】
図３（ｃ）は、前記ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７と前記ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８と前記ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９とで組を形成し、当該組を光の進行方向に対して反転させて組合せ、前記ｎ型光フィルタ層１０３を形成している。
【００４３】
図３（ｃ）記載の受光素子は、前記光フィルタ層１０３内で発生したキャリアを電界によるドリフトと、キャリア自身の拡散によって、前記第３半導体層１０９に移動させて、発光再結合させている。
【００４４】
図３（ｃ）記載の受光素子では、前記光フィルタ層１０３内に発生キャリアをドリフトさせるだけの十分な電界が掛かっていなかった場合でも、第３半導体層１０９以外での発光再結合を低く抑えることが可能になる。
【００４５】
ここで、前記第２半導体層１０８の効果を説明するために、図４において、前記第２半導体層１０８を除いて、前記第１半導体層１０７と前記第３半導体層１０９とで組を形成し、前記光フィルタ層１０３内に３組形成した場合の図を示した。
【００４６】
図５は、図３（ａ）と図４の受光素子の１．５５μｍ光の選択比を計算し、比較したグラフである。
【００４７】
ここで、１．３μｍ光によって前記光フィルタ層１０３内で発生したキャリアが前記第３半導体層１０９以外で発光再結合することにより発生した２次光と、前記光フィルタ層１０３で吸収されきらなかった１．３μｍ光とに対する、前記光フィルタ層１０３を透過した１．５５μｍ光の選択比をＲ（＝１０＊Ｌｏｇ（１．３μｍ光起因の受光感度／１．５５μｍ光の受光感度））とした。
【００４８】
第３半導体層１０９の厚みをＸとし、図３（ａ）では、第１半導体層１０７の厚みを２０Ｘ、第２半導体層１０８の厚みを１０Ｘとし、図４では、第１半導体層１０７の厚みを３０Ｘとして光フィルタ層１０３の厚みを等しくした。また、図３（ａ）、図４において光フィルタ層１０３内の組が３組の場合を示したが、ここではそれぞれ５組とし、受光層１０５の厚みはそれぞれ２．０μｍとして計算した。
【００４９】
図５から、第３半導体層１０９の厚みを５００Åとした時、第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８の発光再結合確率が０％の場合、図３（ａ）ではＲ＝−２７．９０ｄＢ、図４ではＲ＝−２６．８５ｄＢとなり大差はないが、前記発光再結合確率が１０％の場合、図３（ａ）ではＲ＝−１５．００ｄＢ、図４ではＲ＝−１２．１１ｄＢとなり、第２半導体層１０８が効果的に１．５５μｍの選択比を向上させていることが分かる。
【００５０】
図６は、本発明の第１の実施形態を具現化した実施例図３（ａ）の前記第２半導体層１０８を複数層にし、前記第３半導体層１０９以外での発光再結合をより低減させた受光素子のエネルギーバンド図である。
【００５１】
図５からも分かるように前記光フィルタ層１０３内の前記第３半導体層１０９以外での発光再結合が１．５５μｍ光の選択比を劣化させてしまうため、図６のように第２半導体層１０８を複数層にし、且つ各層を薄くすることで、前記第３半導体層１０９以外での発光再結合確率を低減することができ、１．５５μｍ光の選択比はより向上することになる。
【００５２】
図７は、本発明の第１の実施形態を具現化した実施例図３（ａ）の第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８での発光再結合確率を低減し、第３半導体層１０９での発光再結合確率を向上させている受光素子のエネルギーバンド図である。
【００５３】
図７及び図３（ａ）の受光素子は、第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８及び第３半導体層１０９とで組を形成し、光フィルタ層１０３内に３組形成されている。
【００５４】
図３（ａ）では、光フィルタ層１０３内の各層の厚みは等しく、図７では光の進行方向に対して各層の厚みが徐々に厚くなっており、光フィルタ層１０３内の各組での１．３μｍ光の吸収率をおおよそ等しくしてある。
【００５５】
図８において、図３（ａ）及び図７の受光素子の動作を説明する。
【００５６】
１．５５μｍ光の選択比を議論する上で、１．３μｍ光起因の２次光の発生が最も重要なので、ここでは１．３μｍ光が入射した場合のみを考察する。
【００５７】
図８（ａ）、（ｂ）は、図３（ａ）の受光素子に１．３μｍ光を素子裏面から入射した場合であり、図８（ｃ）、（ｄ）は、図７の受光素子に１．３μｍ光を素子裏面から入射した場合である。
【００５８】
図８（ａ）において、１．３μｍ光は、光フィルタ層１０３内でも光の進行方向に対して最前の第１組８０１で大半が吸収され、大量のキャリアが発生する。
【００５９】
第１半導体層１０７の厚みがそれぞれ１．２μｍ、第２半導体層１０８の厚みがそれぞれ１．０μｍ、第３半導体層１０９の厚みがそれぞれ５００Åとすると、入射した１．３μｍ光は、第１組８０１で８６％、第２組８０２で１２％、第３組８０３で２％が吸収される。
【００６０】
図８（ｂ）において、発生したキャリアのうち、電子２０１はＩｎＰ基板１０１側にドリフトし、正孔２０２は受光層１０５側にドリフトするから、第１組８０１の第３半導体層１０９には、発生した正孔２０２のうち８６％が入り込み、発生した電子２０１のうち１２％が入り込む。
【００６１】
つまり、第１組８０１の第３半導体層１０９では、発生したキャリアのうちの１２％程度しか発光再結合せず、残りの７４％の正孔２０２が第２組８０２側に漏れ出す可能性がある。
【００６２】
第２組８０２側に漏れ出した正孔２０２の全てが第２組８０２中の第３半導体層１０９に留まれば問題はないが、ドリフト中の第１半導体層１０７、第２半導体層１０８で発光再結合する恐れがある。
【００６３】
図８（ｃ）において、１．３μｍ光は、光フィルタ層１０３内各組でほぼ均等に吸収され、発生するキャリア数は各組でほぼ同数になっている。
【００６４】
第１組８０１の第１半導体層１０７の厚みが０．２１μｍ、第２半導体層１０８では０．１８μｍ、第２組８０２の第１半導体層１０７では０．３４μｍ、第２半導体層１０８では０．３０μｍ、第３組８０３の第１半導体層１０７では３．０５μｍ、第２半導体層１０８では２．５２μｍとし、各組の第３半導体層１０９の厚みを５００Å共通とした時、各組での１．３μｍ光の吸収率はほぼ３３％程度になる。
【００６５】
図８（ｄ）で、前記同様にキャリアがドリフトする場合、各組で発生したキャリアの数がほぼ等しいため、各組の第３半導体層１０９での発光再結合確率もほぼ等しくなり、隣の組にドリフトする正孔２０２の数は激減し、第３半導体層１０９以外での発光再結合確率は極端に低くなる。
【００６６】
図９は、本発明の第１の実施形態を具現化した実施例図３（ａ）（又は図８（ａ））の第１組８０１で大量発生したキャリアを第３半導体層１０９で効率良く発光再結合させる受光素子のエネルギーバンド図である。
【００６７】
図９では、第１組８０１の第３半導体層１０９にドナーを高濃度ドープして、メジャリティキャリアである電子を伝導帯１１６中にあらかじめ多くしてある。
【００６８】
これにより、大量発生した正孔を第３半導体層１０９において効率的に発光再結合することが可能となる。
【００６９】
ちなみに、図９ではドナーをドープしたが、ｐ型ｎ型が反転した構造においてはアクセプタをドープすることになる。
【００７０】
以上の本発明の第１の実施形態の受光素子（図１、図３、図６、図７、図９）では、素子の表裏面でｐｎ電極を形成しているが、光フィルタ層内でのキャリアの拡散を利用すれば、素子表面にてｐｎ電極を形成しても良い。また、エッチングにより前記ｎ型ＩｎＰバリア層１０４を露出させ、ｎ電極を形成しても良い。
【００７１】
また、以上の本発明の第１の実施形態の受光素子では、構造が複雑なものほどエピウェハコストが高くなってしまうため、顧客から要求される特性とコストとのバランスを考え、最適と思われる構造を採用することが望ましい。
【００７２】
（実施例２）図１０は本発明の第２の実施形態の半導体受光素子の断面及びエネルギーバンドの模式図であり、本発明では波長が１．３μｍと１．５５μｍの光信号が素子裏面から入射し、１．５５μｍ光のみを選択的に受光する場合である。
【００７３】
半絶縁性ＩｎＰ基板１００１上にＩｎＰバッファ層１００２、光フィルタ層１００３、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層１００４、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５（バンドギャップ波長（λｇ）：λｇａ＝１．６５μｍ）、ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６が順次形成されている。
【００７４】
ここでＩｎＰ基板に半絶縁性を使用したのは、ｎ型に比べて１．５５μｍ光の透過率が高いため、１．５５μｍ光の受光感度の上昇が期待できるからである。
【００７５】
光フィルタ層１００３は、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９（λｇ３＞λｇａ：λｇ３＝１．７０μｍ）とＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８（λｇ２＞λｇ１：λｇ２＝１．４５μｍ）とＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７（１．３μｍ＜λｇ１＜１．５５μｍ：λｇ１＝１．４０μｍ）とから形成されている。
【００７６】
ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６内の受光領域には選択拡散法により、ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０が形成されている。
【００７７】
ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６とｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５とはエッチングによりメサ形状が形成されている。
【００７８】
ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０上にｐ電極１１１が形成され、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層１００４上にｎ電極１１２が形成されている。
【００７９】
ｐ電極１１１以外のｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０表面とｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６表面及び側面、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５側面、ｎ電極１１２以外のｎ＋型ＩｎＰコンタクト層１００４表面にはパシベーション膜としてＳｉＮ膜１１３が形成されている。
【００８０】
半絶縁性ＩｎＰ基板１００１上、すなわち光の入射面には１．５５μｍ用のＡＲコート膜１１４が形成されている。
【００８１】
次に、図１１を用いて、第２の実施形態の受光素子の動作について説明する。
【００８２】
図１１は、図１０の素子のｐ電極１１１及びｎ電極１１２を通して逆方向印加電圧が掛けられている図である。
【００８３】
素子裏面から入射した波長１．３μｍと１．５５μｍの光は、半絶縁性ＩｎＰ基板１００１、ＩｎＰバッファ層１００２を透過し、光フィルタ層１００３に入射する。
【００８４】
１．３μｍ光は光フィルタ層１００３内で吸収されキャリアを発生させ、１．５５μｍ光は光フィルタ層１００３ではほとんど吸収されず、大半がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光される（図１１（ａ））。
【００８５】
ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で発生した正孔２０２はそのまま電気信号としてｐ電極１１１に到達し、発生した電子２０１はｎ電極１１２に到達する（図１１（ｂ））。
【００８６】
光フィルタ層１００３内で発生したキャリアは、拡散によりＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９に移動し、発光再結合する（図１１（ｂ））。
【００８７】
本素子の場合、発光再結合するＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５から離れているため、受光領域に入射する立体角が小さくなり、１．５５μｍの選択比が向上する。
【００８８】
ここで、立体角の説明として、図１２に点光源から全方向に放出される光が受光領域に入り込む場合を示す。
【００８９】
点光源１２０１から受光領域１２０２までの距離Ｌ１とＬ２はＬ１＜Ｌ２であるとし、受光領域１２０２の面積をＳとする。
【００９０】
距離Ｌ１での受光領域１２０２に入射する光の割合はＳ／４πＬ１２、距離Ｌ２での受光領域１２０２に入射する光の割合はＳ／４πＬ２２となり、受光領域に入射する光の割合は発光再結合位置と受光領域の距離の二乗に反比例していることが分かる。
【００９１】
すなわち、発光再結合位置と受光領域との距離を２倍にすると、受光領域に入射する光の割合は１／４に減少する。
【００９２】
図１３は、本発明の第２の実施形態を更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる受光素子のエネルギーバンド図である。
【００９３】
図１３では、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８を複数層にし、且つバンドギャップ波長を光の進行方向に対して徐々に短くしている。
【００９４】
本受光素子では、エピウェハのコストが高くなるが、各層厚を薄くできることから、発光再結合確率を低下させることが可能になる上、キャリアの拡散をスムーズにすることが可能になる。
【００９５】
図１４は、本発明の第２の実施形態を具現化した実施例であり、無電界時でもキャリアが前記第３半導体層１０９にドリフトするようにした時のエネルギーバンド図である。
【００９６】
図１４（ａ）は前記ｎ型光フィルタ層１０３、図１４（ｂ）は前記光フィルタ層１００３の各層にドーパントを含有させている。
【００９７】
ビルトインポテンシャルはヘテロ接合のバンドギャップエネルギーとキャリア濃度によって決まるため、各層に適当な量のドーパントを含有させて、ビルトインポテンシャルを大きくし、無電界時でもキャリアが前記第３半導体層１０９にドリフトできるように、特に正孔の易動度は遅いので正孔がドリフトしやすくなるように設計する。
【００９８】
これにより、ｐｎ接合が最低２箇所できるため寄生容量が発生し、応答速度が低下しかねないが、光フィルタ層内に電界が掛かっていない場合でもキャリアは発光再結合されないため選択比は向上し、且つ光フィルタ層とＰＤとが電気的に分離されているため電気的なノイズも減り、更に選択比の向上が見込める。
【００９９】
以上、本発明の第１及び第２の実施形態の受光素子では、受光領域にＰＩＮフォトダイオード型の受光素子を例示したが、アバランシェ型やフォトトランジスタ型などの受光領域を設けても同様の選択比が得られる。
【０１００】
【発明の効果】
本願の第１の発明からなる半導体受光素子では、光フィルタ層において短波長光を吸収させ、発生したキャリアを光フィルタ層内の第３半導体層にて発光再結合させて受光層で受光しない波長の光に変換し、また、受光層で受光し得る波長の光が光フィルタ層内で発生した場合のために第２半導体層を設けて短波長光起因の２次光を低減させ、且つ光フィルタ層内の各層厚を薄くすることで第３半導体層以外の光フィルタ層内での発光再結合確率を低減することが可能となるため、結果的に長波長光を選択的に受光する半導体受光素子が実現できる。
【０１０１】
本願の第２の発明からなる半導体受光素子では、光フィルタ層内で短波長光を吸収させ、光フィルタ層内の第３半導体層が受光領域から離れた位置にあるために立体角が小さくなり、短波長起因の２次光が受光領域に入射する割合が低減し、且つ光フィルタ層とＰＤとが電気的に分離されているために電気的なノイズが低減し、結果的に長波長光を選択的に受光する半導体素子が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体受光素子の断面図及びエネルギーバンド図
【図２】図１の受光素子の動作説明図
【図３】本発明の第１の実施形態を更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上できる受光素子のエネルギーバンド図
【図４】第２半導体層を除いて、第１半導体層と第３半導体層とで光フィルタ層を構成している場合のエネルギーバンド図
【図５】図３（ａ）と図４の受光素子の１．５５μｍ光の選択比の計算結果
【図６】本発明の第１の実施形態の半導体受光素子の第２半導体層を複数層にした場合のエネルギーバンド図
【図７】図３（ａ）の各組の各層厚が光の進行方向に対して徐々に厚くなっている受光素子のエネルギーバンド図
【図８】図３（ａ）及び図７の受光素子の動作説明図
【図９】図８（ａ）の第１組８０１内の第３半導体層１０９にドナーを高濃度ドープした受光素子のエネルギーバンド図
【図１０】本発明の第２の実施形態の半導体受光素子の断面図及びエネルギーバンド図
【図１１】図１０の受光素子の動作説明図
【図１２】点光源から全方向に放出される光が受光領域に入り込む場合を示す模式図
【図１３】本発明の第２の実施形態を更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上できる受光素子のエネルギーバンド図
【図１４】光フィルタ層の各層にドーパントを含有させた時のエネルギーバンド模式図
【符号の説明】
１０１ ｎ＋型ＩｎＰ基板
１０２ ｎ＋型ＩｎＰバッファ層
１０３ ｎ型光フィルタ層
１０４ ｎ型ＩｎＰバリア層
１０５ ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層
１０６ ｎ−型ＩｎＰキャップ層
１０７ ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層
１０８ ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層
１０９ ＩｎＧａＡｓ第３半導体層
１１０ ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層
１１１ ｐ電極
１１２ ｎ電極
１１３ シリコン窒化膜
１１４ １．５５μｍ用反射防止膜
１１５ 価電子帯
１１６ 伝導帯
２０１ 電子
２０２ 正孔
２０３ 発光再結合で消滅した電子
２０４ 発光再結合で消滅した正孔
５０１ 図３（ａ）の構造で発光再結合確率０％
５０２ 図４の構造で発光再結合確率０％
５０３ 図３（ａ）の構造で発光再結合確率１０％
５０４ 図４の構造で発光再結合確率１０％
８０１ 第１組
８０２ 第２組
８０３ 第３組
１００１ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１００２ ＩｎＰバッファ層
１００３ 光フィルタ層
１００４ ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層
１２０１ 点光源
１２０２ 受光領域
【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１μｍ帯域の光通信用の半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、波長が１．３μｍ、１．５５μｍなどの光信号が用いられており、受光素子には、１．３μｍ光のみを選択的に受光するもの、１．５５μｍ光のみを選択的に受光するものが要求される。
【０００３】
長波長（例えば１．５５μｍ）光を受光せず、短波長（例えば１．３μｍ）光を選択的に受光するためには、受光層のバンドギャップ波長（λｇ）を長波長光と短波長光の間（例えば、λｇ＝１．４μｍ）にすれば容易に実現する。
【０００４】
短波長（例えば１．３μｍ）光は受光せず、長波長（例えば１．５５μｍ）光のみを選択的に受光するのは比較的困難で、これを実現可能にした受光素子として、特開２０００−２５２５１１号や特開２０００−０３６６１５号に開示されるものがある。
【０００５】
上記公報では共に、光の入射方向に対して、光フィルタ層と受光層を順次形成し、前記光フィルタ層では、前記受光層（例えば、ＩｎＧａＡｓ層）よりもバンドギャップ波長を短く（例えば、ＩｎＧａＡｓＰ層に）している。
【０００６】
前記ＩｎＧａＡｓ受光層と、前記ＩｎＧａＡｓＰ光フィルタ層とを組合せると、１．３μｍの光（１次光）は光フィルタ層で吸収されキャリアを発生させる。光フィルタ層に電圧が掛かっていない場合は、キャリアが留まり、発光再結合し、ＩｎＧａＡｓＰ光フィルタ層のバンドギャップ波長とほぼ等しい波長の光（２次光）を放出することになる。この２次光は前記ＩｎＧａＡｓ受光層によって吸収されるため、あたかも１．３μｍの光をＩｎＧａＡｓ受光層で受光したかのような振舞いをすることになる。よって、１．５５μｍの光の選択比は低下する。
【０００７】
上記の対策として、上記公報では共に、前記２次光が全方向に放出される特性を活かし、光フィルタ層と受光層との距離を伸ばして、受光領域（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）に入射する２次光の立体角を小さくし、１．５５μｍの光の選択比を向上させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開２０００−２５２５１１号公報においては、２素子を貼り合せるため、貼り合せ精度が悪いと受光できなくなること、２素子必要となるため２倍の製造コストがかかること、実装コストも通常の受光素子よりも高くなることなどの問題があった。
【０００９】
また、上記特開２０００−２５２５１１号公報において、発光再結合（２次光の発生）を防ぐためにＩｎＧａＡｓＰ光フィルタ層に電圧を掛けてキャリアを強制的に排除しようとすると、通常の受光素子では電極がｐ、ｎの２つであるのに対し、電極を３つ以上設ける必要があり、モジュール設計に大きな負担をかけるという問題があった。
【００１０】
上記特開２０００−０３６６１５号公報においては、エピタキシャル成長（エピ成長）したウェハ（エピウェハ）の裏面にエピ成長するのは困難で、受光素子の良品歩留りが極めて低下してしまうこと、通常の受光素子ではエピウェハの裏面を研磨して素子厚を１５０μｍ程度にしているが、裏面にエピ成長しているために裏面研磨ができずダイシングが困難になること、また、素子厚を薄くするために裏面研磨してからエピ成長しようとすると、エピ成長時の高温によりｐ＋−ＩｎＰ（選択拡散領域）の拡散が進みデバイス特性が劣化することなどの問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本願の第１の発明からなる半導体受光素子は、第１光（短波長）と第２光（長波長）とが入射する場合において、光の入射方向に対して光フィルタ層と受光層を形成し、前記光フィルタ層はバンドギャップ波長が前記第１光の波長と前記第２光の波長の間にある第１半導体層と、前記第１半導体層よりもバンドギャップ波長が長い第２半導体層と、前記第２光の波長よりもバンドギャップ波長が長い第３半導体層とから成り、前記受光層は前記第３半導体層よりもバンドギャップ波長が短い第４半導体層から成り、前記第１光を前記光フィルタ層で吸収させ、前記第３半導体層において発光再結合させて前記受光層で受光しない光に変換し、更に、前記第１半導体層において発光再結合してしまった光を前記第２半導体層において吸収させ、前記第３半導体層において発光再結合させて前記受光層で受光しない光に変換し、前記光フィルタ層を透過した前記第２光のみを前記受光層において選択的に受光することを特徴とする。
【００１２】
本願の第２の発明からなる半導体受光素子は、前記第２半導体層が、前記第１半導体層のバンドギャップ波長と前記第３半導体層のバンドギャップ波長の間になるようなバンドギャップ波長を持った複数の層から形成され、前記第３半導体層から順に光の進行方向に対してバンドギャップ波長が短くなっていき、且つ前記光フィルタ層に第１導電型若しくは第２導電型のドーパントを含有させてビルトインポテンシャルを大きし、光フィルタ層内で発生したキャリアを無電界でも効率的に前記第３半導体層に運ぶことが可能で、前記第３半導体層と前記受光層との距離を伸ばすことで受光領域（ＰＤ）との立体角を小さくすることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）図１は本発明の第１の実施形態の受光素子断面及びエネルギーバンド図であり、本発明では波長が１．３μｍと１．５５μｍの光信号が素子裏面から入射し、１．５５μｍの光のみを選択的に受光する場合である。
【００１４】
ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１上にｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２、ｎ型光フィルタ層１０３、ｎ型ＩｎＰバリア層１０４、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５（バンドギャップ波長（λｇ）：λｇａ＝１．６５μｍ）、ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６が順次形成されている。
【００１５】
ｎ型光フィルタ層１０３は、ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７（１．３μｍ＜λｇ１＜１．５５μｍ：λｇ１＝１．４０μｍ）と、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８（λｇ２＞λｇ１：λｇ２＝１．４５μｍ）と、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９（λｇ３＞λｇａ：λｇ３＝１．７０μｍ）とから形成されている。
【００１６】
ｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２は、ｎ型光フィルタ層１０３を構成しているＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７とｎ＋型ＩｎＰ基板１０１とを格子整合させるための緩衝（バッファ）層として機能しており、ｎ型ＩｎＰバリア層１０４は、ｎ型光フィルタ層１０３で発生した正孔がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５に流出するのを阻止する機能を果たしている。
【００１７】
ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６内の受光領域には選択拡散法により、ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０が形成されている。
【００１８】
ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０上にｐ電極１１１が形成され、ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１上にｎ電極１１２が形成されている。
【００１９】
ｐ電極１１１以外のｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０上とｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６上にはパシベーション膜としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１１３が形成されている。
【００２０】
ｎ電極１１２以外のｎ＋型ＩｎＰ基板１０１上、すなわち光の入射面には１．５５μｍ用の反射防止膜（ＡＲコート膜）１１４が形成されている。
【００２１】
次に、図２を用いて、第１の実施形態の受光素子の動作について説明する。
【００２２】
図２は、図１の素子のｐ電極１１１及びｎ電極１１２を通して逆方向印加電圧が掛けられている図である。
【００２３】
素子裏面から入射した波長１．３μｍと１．５５μｍの光は、ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１、ｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２を透過し、ｎ型光フィルタ層１０３に入射する。
【００２４】
１．３μｍの光はｎ型光フィルタ層１０３内のＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７で吸収されキャリアを発生させる（図２（ａ））。
【００２５】
１．３μｍの光のうち、ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７で吸収されきらなかった光は、次のＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で吸収されキャリアを発生させる（図２（ａ））。
【００２６】
１．３μｍの光のうち、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８でも吸収されきらなかった光は、次のＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９で吸収されキャリアを発生させる（図２（ａ））。
【００２７】
１．３μｍの光のうち、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９でも吸収されきらなかった光は、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光される（図２（ａ））。
【００２８】
１．５５μｍの光は、ｎ型光フィルタ層１０３内のＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８ではほとんど吸収されず、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９では、層厚を十分薄く設定すれば若干吸収されるのみで、大半の光がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光される（図２（ｂ））。
【００２９】
ｎ型光フィルタ層１０３内のＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７で発生したキャリアのうち電子２０１はｎ＋型ＩｎＰバッファ層１０２にドリフトされ、正孔２０２はＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８にドリフトする（図２（ｃ））。
【００３０】
ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で発生した電子２０１はＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７にドリフトし、正孔２０２はＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にドリフトする（図２（ｃ））。
【００３１】
ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で発生した正孔２０２はそのまま電気信号としてｐ電極１１１に到達し、発生した電子２０１はｎ型ＩｎＰバリア層１０４を通ってＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にドリフトする（図２（ｃ））。
【００３２】
ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９で発生した正孔及びＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９に移動してきた正孔２０２は、価電子帯１１５のギャップが大きいために移動することができずに留まることになるため、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にて発光再結合し、キャリアは消滅する（図２（ｄ））。
【００３３】
ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にて発光再結合した光の波長は、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５のバンドギャップ波長よりも長いため、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光されることはない（図２（ｄ））。
【００３４】
また、１．５５μｍ光の選択比を向上させるためにＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７を厚くした場合、発生もしくは移動してきたキャリアがドリフトしきる前に発光再結合してしまうが、放出された光はＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で吸収され、キャリアを発生させ、上記同様ドリフトすることになる（図２（ｅ））。
【００３５】
また、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８で発光再結合して放出された光は、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９にて吸収される。
【００３６】
以下、図３、図６、図７、図９において、本発明の第１の実施形態をより具現化した実施例を紹介し、図４、図５、図８を用いてこれを説明する。
【００３７】
図３は、本発明の第１の実施形態である図１の受光素子において、前記光フィルタ層１０３を形成している各層の層厚を薄くし、各層から組を形成し、当該複数組で前記光フィルタ層１０３を形成することで、更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる受光素子のエネルギーバンド図である。
【００３８】
図３（ａ）は、前記ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７と前記ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８と前記ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９とで組を形成し、当該組が前記ｎ型光フィルタ層１０３内に３組形成されている。
【００３９】
図３（ａ）記載の受光素子は、図１に比べ、前記光フィルタ層１０３内の各層厚を薄くすることが可能になるため、前記第１半導体層１０７や前記第２半導体層１０８でのキャリアのドリフト中の発光再結合確率を下げ、結果的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる。
【００４０】
図３（ｂ）は、前記ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７と前記ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８とで組を形成し、当該組が３組と前記ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９とが前記ｎ型光フィルタ層１０３内に形成されている。
【００４１】
図３（ｂ）記載の受光素子は、図１に比べ、前記光フィルタ層１０３内の前記第３半導体層１０９のトータル層厚を薄でき、１．５５μｍ光の前記光フィルタ層１０３中での吸収損失を低減することが可能となるため、結果的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる。
【００４２】
図３（ｃ）は、前記ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７と前記ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８と前記ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９とで組を形成し、当該組を光の進行方向に対して反転させて組合せ、前記ｎ型光フィルタ層１０３を形成している。
【００４３】
図３（ｃ）記載の受光素子は、前記光フィルタ層１０３内で発生したキャリアを電界によるドリフトと、キャリア自身の拡散によって、前記第３半導体層１０９に移動させて、発光再結合させている。
【００４４】
図３（ｃ）記載の受光素子では、前記光フィルタ層１０３内に発生キャリアをドリフトさせるだけの十分な電界が掛かっていなかった場合でも、第３半導体層１０９以外での発光再結合を低く抑えることが可能になる。
【００４５】
ここで、前記第２半導体層１０８の効果を説明するために、図４において、前記第２半導体層１０８を除いて、前記第１半導体層１０７と前記第３半導体層１０９とで組を形成し、前記光フィルタ層１０３内に３組形成した場合の図を示した。
【００４６】
図５は、図３（ａ）と図４の受光素子の１．５５μｍ光の選択比を計算し、比較したグラフである。
【００４７】
ここで、１．３μｍ光によって前記光フィルタ層１０３内で発生したキャリアが前記第３半導体層１０９以外で発光再結合することにより発生した２次光と、前記光フィルタ層１０３で吸収されきらなかった１．３μｍ光とに対する、前記光フィルタ層１０３を透過した１．５５μｍ光の選択比をＲ（＝１０＊Ｌｏｇ（１．３μｍ光起因の受光感度／１．５５μｍ光の受光感度））とした。
【００４８】
第３半導体層１０９の厚みをＸとし、図３（ａ）では、第１半導体層１０７の厚みを２０Ｘ、第２半導体層１０８の厚みを１０Ｘとし、図４では、第１半導体層１０７の厚みを３０Ｘとして光フィルタ層１０３の厚みを等しくした。また、図３（ａ）、図４において光フィルタ層１０３内の組が３組の場合を示したが、ここではそれぞれ５組とし、受光層１０５の厚みはそれぞれ２．０μｍとして計算した。
【００４９】
図５から、第３半導体層１０９の厚みを５００Åとした時、第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８の発光再結合確率が０％の場合、図３（ａ）ではＲ＝−２７．９０ｄＢ、図４ではＲ＝−２６．８５ｄＢとなり大差はないが、前記発光再結合確率が１０％の場合、図３（ａ）ではＲ＝−１５．００ｄＢ、図４ではＲ＝−１２．１１ｄＢとなり、第２半導体層１０８が効果的に１．５５μｍの選択比を向上させていることが分かる。
【００５０】
図６は、本発明の第１の実施形態を具現化した実施例図３（ａ）の前記第２半導体層１０８を複数層にし、前記第３半導体層１０９以外での発光再結合をより低減させた受光素子のエネルギーバンド図である。
【００５１】
図５からも分かるように前記光フィルタ層１０３内の前記第３半導体層１０９以外での発光再結合が１．５５μｍ光の選択比を劣化させてしまうため、図６のように第２半導体層１０８を複数層にし、且つ各層を薄くすることで、前記第３半導体層１０９以外での発光再結合確率を低減することができ、１．５５μｍ光の選択比はより向上することになる。
【００５２】
図７は、本発明の第１の実施形態を具現化した実施例図３（ａ）の第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８での発光再結合確率を低減し、第３半導体層１０９での発光再結合確率を向上させている受光素子のエネルギーバンド図である。
【００５３】
図７及び図３（ａ）の受光素子は、第１半導体層１０７及び第２半導体層１０８及び第３半導体層１０９とで組を形成し、光フィルタ層１０３内に３組形成されている。
【００５４】
図３（ａ）では、光フィルタ層１０３内の各層の厚みは等しく、図７では光の進行方向に対して各層の厚みが徐々に厚くなっており、光フィルタ層１０３内の各組での１．３μｍ光の吸収率をおおよそ等しくしてある。
【００５５】
図８において、図３（ａ）及び図７の受光素子の動作を説明する。
【００５６】
１．５５μｍ光の選択比を議論する上で、１．３μｍ光起因の２次光の発生が最も重要なので、ここでは１．３μｍ光が入射した場合のみを考察する。
【００５７】
図８（ａ）、（ｂ）は、図３（ａ）の受光素子に１．３μｍ光を素子裏面から入射した場合であり、図８（ｃ）、（ｄ）は、図７の受光素子に１．３μｍ光を素子裏面から入射した場合である。
【００５８】
図８（ａ）において、１．３μｍ光は、光フィルタ層１０３内でも光の進行方向に対して最前の第１組８０１で大半が吸収され、大量のキャリアが発生する。
【００５９】
第１半導体層１０７の厚みがそれぞれ１．２μｍ、第２半導体層１０８の厚みがそれぞれ１．０μｍ、第３半導体層１０９の厚みがそれぞれ５００Åとすると、入射した１．３μｍ光は、第１組８０１で８６％、第２組８０２で１２％、第３組８０３で２％が吸収される。
【００６０】
図８（ｂ）において、発生したキャリアのうち、電子２０１はＩｎＰ基板１０１側にドリフトし、正孔２０２は受光層１０５側にドリフトするから、第１組８０１の第３半導体層１０９には、発生した正孔２０２のうち８６％が入り込み、発生した電子２０１のうち１２％が入り込む。
【００６１】
つまり、第１組８０１の第３半導体層１０９では、発生したキャリアのうちの１２％程度しか発光再結合せず、残りの７４％の正孔２０２が第２組８０２側に漏れ出す可能性がある。
【００６２】
第２組８０２側に漏れ出した正孔２０２の全てが第２組８０２中の第３半導体層１０９に留まれば問題はないが、ドリフト中の第１半導体層１０７、第２半導体層１０８で発光再結合する恐れがある。
【００６３】
図８（ｃ）において、１．３μｍ光は、光フィルタ層１０３内各組でほぼ均等に吸収され、発生するキャリア数は各組でほぼ同数になっている。
【００６４】
第１組８０１の第１半導体層１０７の厚みが０．２１μｍ、第２半導体層１０８では０．１８μｍ、第２組８０２の第１半導体層１０７では０．３４μｍ、第２半導体層１０８では０．３０μｍ、第３組８０３の第１半導体層１０７では３．０５μｍ、第２半導体層１０８では２．５２μｍとし、各組の第３半導体層１０９の厚みを５００Å共通とした時、各組での１．３μｍ光の吸収率はほぼ３３％程度になる。
【００６５】
図８（ｄ）で、前記同様にキャリアがドリフトする場合、各組で発生したキャリアの数がほぼ等しいため、各組の第３半導体層１０９での発光再結合確率もほぼ等しくなり、隣の組にドリフトする正孔２０２の数は激減し、第３半導体層１０９以外での発光再結合確率は極端に低くなる。
【００６６】
図９は、本発明の第１の実施形態を具現化した実施例図３（ａ）（又は図８（ａ））の第１組８０１で大量発生したキャリアを第３半導体層１０９で効率良く発光再結合させる受光素子のエネルギーバンド図である。
【００６７】
図９では、第１組８０１の第３半導体層１０９にドナーを高濃度ドープして、メジャリティキャリアである電子を伝導帯１１６中にあらかじめ多くしてある。
【００６８】
これにより、大量発生した正孔を第３半導体層１０９において効率的に発光再結合することが可能となる。
【００６９】
ちなみに、図９ではドナーをドープしたが、ｐ型ｎ型が反転した構造においてはアクセプタをドープすることになる。
【００７０】
以上の本発明の第１の実施形態の受光素子（図１、図３、図６、図７、図９）では、素子の表裏面でｐｎ電極を形成しているが、光フィルタ層内でのキャリアの拡散を利用すれば、素子表面にてｐｎ電極を形成しても良い。また、エッチングにより前記ｎ型ＩｎＰバリア層１０４を露出させ、ｎ電極を形成しても良い。
【００７１】
また、以上の本発明の第１の実施形態の受光素子では、構造が複雑なものほどエピウェハコストが高くなってしまうため、顧客から要求される特性とコストとのバランスを考え、最適と思われる構造を採用することが望ましい。
【００７２】
（実施例２）図１０は本発明の第２の実施形態の半導体受光素子の断面及びエネルギーバンドの模式図であり、本発明では波長が１．３μｍと１．５５μｍの光信号が素子裏面から入射し、１．５５μｍ光のみを選択的に受光する場合である。
【００７３】
半絶縁性ＩｎＰ基板１００１上にＩｎＰバッファ層１００２、光フィルタ層１００３、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層１００４、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５（バンドギャップ波長（λｇ）：λｇａ＝１．６５μｍ）、ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６が順次形成されている。
【００７４】
ここでＩｎＰ基板に半絶縁性を使用したのは、ｎ型に比べて１．５５μｍ光の透過率が高いため、１．５５μｍ光の受光感度の上昇が期待できるからである。
【００７５】
光フィルタ層１００３は、ＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９（λｇ３＞λｇａ：λｇ３＝１．７０μｍ）とＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８（λｇ２＞λｇ１：λｇ２＝１．４５μｍ）とＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層１０７（１．３μｍ＜λｇ１＜１．５５μｍ：λｇ１＝１．４０μｍ）とから形成されている。
【００７６】
ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６内の受光領域には選択拡散法により、ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０が形成されている。
【００７７】
ｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６とｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５とはエッチングによりメサ形状が形成されている。
【００７８】
ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０上にｐ電極１１１が形成され、ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層１００４上にｎ電極１１２が形成されている。
【００７９】
ｐ電極１１１以外のｐ＋型ＩｎＰコンタクト層１１０表面とｎ−型ＩｎＰキャップ層１０６表面及び側面、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５側面、ｎ電極１１２以外のｎ＋型ＩｎＰコンタクト層１００４表面にはパシベーション膜としてＳｉＮ膜１１３が形成されている。
【００８０】
半絶縁性ＩｎＰ基板１００１上、すなわち光の入射面には１．５５μｍ用のＡＲコート膜１１４が形成されている。
【００８１】
次に、図１１を用いて、第２の実施形態の受光素子の動作について説明する。
【００８２】
図１１は、図１０の素子のｐ電極１１１及びｎ電極１１２を通して逆方向印加電圧が掛けられている図である。
【００８３】
素子裏面から入射した波長１．３μｍと１．５５μｍの光は、半絶縁性ＩｎＰ基板１００１、ＩｎＰバッファ層１００２を透過し、光フィルタ層１００３に入射する。
【００８４】
１．３μｍ光は光フィルタ層１００３内で吸収されキャリアを発生させ、１．５５μｍ光は光フィルタ層１００３ではほとんど吸収されず、大半がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で受光される（図１１（ａ））。
【００８５】
ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５で発生した正孔２０２はそのまま電気信号としてｐ電極１１１に到達し、発生した電子２０１はｎ電極１１２に到達する（図１１（ｂ））。
【００８６】
光フィルタ層１００３内で発生したキャリアは、拡散によりＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９に移動し、発光再結合する（図１１（ｂ））。
【００８７】
本素子の場合、発光再結合するＩｎＧａＡｓ第３半導体層１０９がｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層１０５から離れているため、受光領域に入射する立体角が小さくなり、１．５５μｍの選択比が向上する。
【００８８】
ここで、立体角の説明として、図１２に点光源から全方向に放出される光が受光領域に入り込む場合を示す。
【００８９】
点光源１２０１から受光領域１２０２までの距離Ｌ１とＬ２はＬ１＜Ｌ２であるとし、受光領域１２０２の面積をＳとする。
【００９０】
距離Ｌ１での受光領域１２０２に入射する光の割合はＳ／４πＬ１２、距離Ｌ２での受光領域１２０２に入射する光の割合はＳ／４πＬ２２となり、受光領域に入射する光の割合は発光再結合位置と受光領域の距離の二乗に反比例していることが分かる。
【００９１】
すなわち、発光再結合位置と受光領域との距離を２倍にすると、受光領域に入射する光の割合は１／４に減少する。
【００９２】
図１３は、本発明の第２の実施形態を更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上させることができる受光素子のエネルギーバンド図である。
【００９３】
図１３では、ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層１０８を複数層にし、且つバンドギャップ波長を光の進行方向に対して徐々に短くしている。
【００９４】
本受光素子では、エピウェハのコストが高くなるが、各層厚を薄くできることから、発光再結合確率を低下させることが可能になる上、キャリアの拡散をスムーズにすることが可能になる。
【００９５】
図１４は、本発明の第２の実施形態を具現化した実施例であり、無電界時でもキャリアが前記第３半導体層１０９にドリフトするようにした時のエネルギーバンド図である。
【００９６】
図１４（ａ）は前記ｎ型光フィルタ層１０３、図１４（ｂ）は前記光フィルタ層１００３の各層にドーパントを含有させている。
【００９７】
ビルトインポテンシャルはヘテロ接合のバンドギャップエネルギーとキャリア濃度によって決まるため、各層に適当な量のドーパントを含有させて、ビルトインポテンシャルを大きくし、無電界時でもキャリアが前記第３半導体層１０９にドリフトできるように、特に正孔の易動度は遅いので正孔がドリフトしやすくなるように設計する。
【００９８】
これにより、ｐｎ接合が最低２箇所できるため寄生容量が発生し、応答速度が低下しかねないが、光フィルタ層内に電界が掛かっていない場合でもキャリアは発光再結合されないため選択比は向上し、且つ光フィルタ層とＰＤとが電気的に分離されているため電気的なノイズも減り、更に選択比の向上が見込める。
【００９９】
以上、本発明の第１及び第２の実施形態の受光素子では、受光領域にＰＩＮフォトダイオード型の受光素子を例示したが、アバランシェ型やフォトトランジスタ型などの受光領域を設けても同様の選択比が得られる。
【０１００】
【発明の効果】
本願の第１の発明からなる半導体受光素子では、光フィルタ層において短波長光を吸収させ、発生したキャリアを光フィルタ層内の第３半導体層にて発光再結合させて受光層で受光しない波長の光に変換し、また、受光層で受光し得る波長の光が光フィルタ層内で発生した場合のために第２半導体層を設けて短波長光起因の２次光を低減させ、且つ光フィルタ層内の各層厚を薄くすることで第３半導体層以外の光フィルタ層内での発光再結合確率を低減することが可能となるため、結果的に長波長光を選択的に受光する半導体受光素子が実現できる。
【０１０１】
本願の第２の発明からなる半導体受光素子では、光フィルタ層内で短波長光を吸収させ、光フィルタ層内の第３半導体層が受光領域から離れた位置にあるために立体角が小さくなり、短波長起因の２次光が受光領域に入射する割合が低減し、且つ光フィルタ層とＰＤとが電気的に分離されているために電気的なノイズが低減し、結果的に長波長光を選択的に受光する半導体素子が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体受光素子の断面図及びエネルギーバンド図
【図２】図１の受光素子の動作説明図
【図３】本発明の第１の実施形態を更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上できる受光素子のエネルギーバンド図
【図４】第２半導体層を除いて、第１半導体層と第３半導体層とで光フィルタ層を構成している場合のエネルギーバンド図
【図５】図３（ａ）と図４の受光素子の１．５５μｍ光の選択比の計算結果
【図６】本発明の第１の実施形態の半導体受光素子の第２半導体層を複数層にした場合のエネルギーバンド図
【図７】図３（ａ）の各組の各層厚が光の進行方向に対して徐々に厚くなっている受光素子のエネルギーバンド図
【図８】図３（ａ）及び図７の受光素子の動作説明図
【図９】図８（ａ）の第１組８０１内の第３半導体層１０９にドナーを高濃度ドープした受光素子のエネルギーバンド図
【図１０】本発明の第２の実施形態の半導体受光素子の断面図及びエネルギーバンド図
【図１１】図１０の受光素子の動作説明図
【図１２】点光源から全方向に放出される光が受光領域に入り込む場合を示す模式図
【図１３】本発明の第２の実施形態を更に効率的に１．５５μｍ光の選択比を向上できる受光素子のエネルギーバンド図
【図１４】光フィルタ層の各層にドーパントを含有させた時のエネルギーバンド模式図
【符号の説明】
１０１ ｎ＋型ＩｎＰ基板
１０２ ｎ＋型ＩｎＰバッファ層
１０３ ｎ型光フィルタ層
１０４ ｎ型ＩｎＰバリア層
１０５ ｎ−型ＩｎＧａＡｓ受光層
１０６ ｎ−型ＩｎＰキャップ層
１０７ ＩｎＧａＡｓＰ第１半導体層
１０８ ＩｎＧａＡｓＰ第２半導体層
１０９ ＩｎＧａＡｓ第３半導体層
１１０ ｐ＋型ＩｎＰコンタクト層
１１１ ｐ電極
１１２ ｎ電極
１１３ シリコン窒化膜
１１４ １．５５μｍ用反射防止膜
１１５ 価電子帯
１１６ 伝導帯
２０１ 電子
２０２ 正孔
２０３ 発光再結合で消滅した電子
２０４ 発光再結合で消滅した正孔
５０１ 図３（ａ）の構造で発光再結合確率０％
５０２ 図４の構造で発光再結合確率０％
５０３ 図３（ａ）の構造で発光再結合確率１０％
５０４ 図４の構造で発光再結合確率１０％
８０１ 第１組
８０２ 第２組
８０３ 第３組
１００１ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１００２ ＩｎＰバッファ層
１００３ 光フィルタ層
１００４ ｎ＋型ＩｎＰコンタクト層
１２０１ 点光源
１２０２ 受光領域
Claims (8)
- 第１光（短波長）と第２光（長波長）とが入射する場合において、光の入射方向に対して光フィルタ層と受光層を形成し、前記光フィルタ層はバンドギャップ波長が前記第１光の波長と前記第２光の波長の間にある第１半導体層と、前記第１半導体層よりもバンドギャップ波長が長い第２半導体層と、前記第２光の波長よりもバンドギャップ波長が長い第３半導体層とから成り、前記受光層は前記第３半導体層よりもバンドギャップ波長が短い第４半導体層から成り、前記第１光を前記光フィルタ層で吸収させ、前記第３半導体層において発光再結合させて前記受光層で受光しない光に変換し、更に、前記第１半導体層において発光再結合してしまった光を前記第２半導体層において吸収させ、前記第３半導体層において発光再結合させて前記受光層で受光しない光に変換し、前記光フィルタ層を透過した前記第２光のみを前記受光層において選択的に受光することを特徴とする半導体受光素子。
- 前記受光層と前記光フィルタ層とを第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層とで挟み、光フィルタ層内で発生したキャリアを効率的に前記第３半導体層に運ぶことを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 前記第１半導体層と前記第２半導体層と前記第３半導体層、又は前記第１半導体層と前記第２半導体層、又は前記第２半導体層と前記第３半導体層、又は前記第１半導体層、前記第３半導体層とで１つの組を形成し、各層の配置順は光の進行方向には捕われず、これらの組の組合せによって前記光フィルタ層を形成していることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 前記第２半導体層が、前記第１半導体層のバンドギャップ波長と前記第３半導体層のバンドギャップ波長の間になるようなバンドギャップ波長を持った複数の層から形成されることを特徴とする請求項１又は請求項３記載の半導体受光素子。
- 前記第１半導体層と前記第２半導体層、又は前記第１半導体層若しくは前記第２半導体層のいずれかが、光の進行方向に対して徐々に厚くなっていくことを特徴とする請求項３記載の半導体受光素子。
- 前記組において、キャリアの発生率の高い組の前記第３半導体層に第１導電型若しくは第２導電型のドーパントを含有させ、前記第３半導体層での発光再結合を促すことを特徴とする請求項１又は請求項３記載の半導体受光素子。
- 第１光（短波長）と第２光（長波長）とが入射する場合において、光の入射方向に対して光フィルタ層と受光層を形成し、前記光フィルタ層において、光の進行方向に対して、前記第２光の波長よりもバンドギャップ波長が長い第３半導体層があり、前記第３半導体層よりもバンドギャップ波長の短い第２半導体層の単層若しくは、徐々にバンドギャップ波長が短くなる第２半導体層の複数層が存在し、バンドギャップ波長が前記第１光の波長と前記第２光の波長の間にある第１半導体層に至る構造を有し、前記受光層は前記第３半導体層よりもバンドギャップ波長が短い第４半導体層から成り、前記第１光を前記光フィルタ層で吸収させ、前記第３半導体層において発光再結合させて前記受光層で受光しない光に変換し、且つ前記第３半導体層を前記受光層から離しているために受光領域に入射する立体角を小さくでき、結果的に前記第２光の選択比を向上させることを特徴とする半導体受光素子。
- 前記光フィルタ層に第１導電型若しくは第２導電型のドーパントを含有させてビルトインポテンシャルを大きくし、光フィルタ層内で発生したキャリアを無電界でも効率的に前記第３半導体層に運ぶことを特徴とする請求項１又は請求項７記載の半導体受光素子。
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