JP2004241588A - 受光素子およびその製造方法ならびに当該受光素子を用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光吸収層で光を吸収することにより生じる再発光を抑制する、高性能な半導体受光素子およびその受光素子の製造方法ならびにその受光素子を用いた光モジュールを提供する。
【解決手段】半導体基板１０１と光吸収層１０３と、受光部１２０を構成するｐｎ接合１０９を有する受光層１０５とを備え、半導体基板１０１より上層に光吸収層１０３が配置され、光吸収層１０３より上層に受光層１０５が配置されていて、光吸収層１０３は、受光層１０５よりも吸収端波長が短く、光吸収層１０３は、非発光再結合中心となる元素を含んでいる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子およびその製造方法ならびに当該受光素子を用いた光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、センター局からデータや多チャンネル映像情報などの大容量の情報を一般家庭まで光ファイバを用いて伝送する光加入者系システムが提案され検討されている。これらのシステムでは、一般家庭とセンター局側で波長多重される光信号を同時に送受信でき、より安価で高性能な光送受信装置が必要となる。
【０００３】
上記のようなシステムにおいては、光送信装置および光受信装置がセンター局と加入者の双方に必要であるため、システムの普及を加速するためには、光送信装置および光受信装置の低コスト化が非常に重要となる。
【０００４】
低コスト化のためには、上記光送信装置と光受信装置を１つのパッケージ内に集積化する技術、さらに、光送信機能と光受信機能を一つの光学プラットホーム上に集積化する技術が重要となる。
【０００５】
光送信機能と光受信機能を一つの光学プラットホーム上に一体化することを目的とした双方向光送受信モジュールの構成例として、図５に示すような構成が提案されている。図５では、光ファイバ５０５を光導波路とした経路の途中に波長分岐フィルタとしてＷＤＭフィルタ５０１が挿入されている。半導体レーザ５０２から出射された送信光である波長１．３μｍの光λ１が光ファイバ５０５中を通過して、外部へと伝送される。また、外部から光ファイバ５０５に入射された受信光である波長１．５５μｍの光λ２は、ＷＤＭフィルタ５０１で反射し、光ファイバ５０５の外部に設置された受光素子５０３へ入射する。受光素子５０３に入射された光は、受光部５０４に達して、電気信号に変換される。
【０００６】
しかし、この光送受信装置では、半導体レーザ５０２からの送信光である波長１．３μｍの光λ１がＷＤＭフィルタ５０１を通過する際に、一部が受光素子５０３方向に進路を変え、受光素子５０３に入射されることがある。それにより、本来受光すべき波長１．５５μｍの光λ２以外に波長１．３μｍの光λ１が受光部５０４に入射する。これにより、クロストークが生じるという問題があった。
【０００７】
今後さらにモジュールの小型化や低コスト化が要望されると半導体レーザ５０２と受光素子５０３間の距離が短くなるため、波長１．５５μｍの光λ１に対する波長１．３μｍの光λ２のクロストークの影響は大きくなり、これを防ぐ必要がある。
【０００８】
そのため、例えば、図６に層断面図が示されている受光素子６０１が提案されている（特許文献１参照）。受光素子６０１は、ｎ^＋−ＩｎＰ基板６０６（キャリア濃度：３×１０^１８ｃｍ^−３）上に、厚さ５μｍのｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７（キャリア濃度：１×１０^１８ｃｍ^−３）、厚さ３μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層６０８（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３）が順次形成されている。なお、これらの各層は、エピタキシャル成長によって形成すればよい。ここでｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７のバンドギャップ波長は１．４２μｍに設定されている。
【０００９】
また、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層６０８の中央部にＺｎを拡散させることで、ｐ^＋領域６０９が形成され、その周辺に空乏層６０３が形成される。ｐ^＋領域６０９上にはｐ型電極６１０が形成されている。このように、受光部６０２が構成されている。受光部６０２の周辺部にはパッシベーション膜６１１としてＳｉＮ膜が形成されている。受光素子６０１は、裏面入射型の受光素子である。ｎ^＋−ＩｎＰ基板６０６の裏面には光入射部以外の領域にはｎ型電極６１２が形成され、光入射部には入射光に対する反射防止膜６１３が形成されている。以上の構成の受光素子６０１に光が入射し、受光部６０２に到達すると、電気に変換される。図７に、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７における、光の波長に対する透過率が示されている。図７に示すように、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７では、１．４２μｍより短い波長の光は吸収され、１．４２μｍより長い波長の光は透過する。したがって、受光素子６０１に入射した光が波長１．３μｍの光λ１の場合は、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７で吸収されてしまい、受光部６０２には到達しない。しかし、入射した光が、波長１．５５μｍの光λ２の場合には、受光部６０２に到達する。つまり、２種類の光λ１、λ２の光が、受光素子６０１に入射しても、受光部６０２に到達するのは、λ２の光のみであり、クロストークが起こらない。
【００１０】
しかし、上述の受光素子６０１では、波長１．３μｍの光λ１を吸収するｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７において、一旦吸収された光によって発生した電子とホールが再度結合して発光するという現象（発光再結合）が発生する。これにより、波長１．５５μｍの光λ２以外に、電子とホールの再結合によって、波長１．４２μｍ付近の光が生じ、この光が受光部６０２に入射することになる。そのため、信号の誤り率が高くなってしまうといった問題が生じる。この問題を解決するために、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７の厚みやキャリア濃度を増やすことも考えられるが、これらの対策を行なうと、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層６０７と、その上のｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層６０８とが良好な結晶性を保てなくなり、受光素子６０１の信頼性が低下する。またこれらの層の厚みを増やすことは結晶成長時間が長くなり、コストアップの要因となる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−２８４５４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みなされてもので、光吸収層で光を吸収することにより生じる再発光を抑制する、高性能な半導体受光素子およびその受光素子の製造方法ならびにその受光素子を用いた光モジュールを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子によれば、半導体基板と光吸収層と、受光部を構成するｐｎ接合を有する受光層とを備え、前記半導体基板より上層に前記光吸収層が配置され、前記光吸収層より上層に前記受光層が配置されていて、前記光吸収層は、前記受光層よりも吸収端波長が短く、前記光吸収層は、非発光再結合中心となる元素を含んでいる。
【００１４】
また、本発明の受光素子の製造方法は、半導体基板の上層に光吸収層を形成し、前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、前記受光層にｐｎ接合を形成し、前記光吸収層内で非発光再結合中心となる元素を前記半導体基板にイオン注入し、熱処理によって、前記半導体基板にイオン注入された前記非発光再結合中心となる元素を、前記光吸収層内に拡散させる。
【００１５】
また、本発明の受光素子の他の製造方法は、半導体基板の上層に光吸収層を形成し、前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、前記受光層にｐｎ接合を形成し、最上層の一部をマスクパターンで覆い、最上層から前記光吸収層の上面までエッチングによりメサを形成し、前記光吸収層よりも上部にある各層の側面に拡散防止層を形成し、前記光吸収層の上面の、前記エッチングを行なった箇所に、前記光吸収層内で非発光再結合中心となる元素を含む膜を堆積し、熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる。
【００１６】
また、本発明の受光素子の他の製造方法は、半導体基板の上層に光吸収層を形成し、前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、前記受光層にｐｎ接合を形成し、最上層の一部をマスクパターンで覆い、最上層から前記光吸収層の上面までエッチングによりメサを形成し、前記光吸収層よりも上部にある各層の側面に拡散防止層を形成し、前記エッチングにより露出した前記光吸収層の上面以外の領域をイオン注入されないように、レジストマスクで覆い、前記レジストマスクの上からイオン注入をすることで、直接前記光吸収層内に非発光再結合中心となる元素をイオン注入し、熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる。
【００１７】
また、本発明の受光素子の他の製造方法は、半導体基板の上層に光吸収層を形成し、前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、前記受光層にｐｎ接合を形成し、前記半導体基板に、前記光吸収層内で非発光再結合中心となる元素を含んでいるオーミック電極となる電極を蒸着して熱処理して、前記半導体基板にオーミック電極を形成し、かつ、前記熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる。
【００１８】
本発明の光モジュールは、上記受光素子を用いて構成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の受光素子は、発光素子では劣化の原因とされる非発光再結合を適用している。すなわち、光吸収層において、光が吸収されることによって発生した電子とホールとが再結合する際には、発光再結合ではなく、非発光再結合が生じる。そのため、入射光以外の光が生じず、信号の誤り率が高くなることはない。
【００２０】
また、本発明の半導体受光素子の製造方法によれば、上記受光素子を容易に製造することができるため、コストが低下する。
【００２１】
また、本発明の光モジュールは、上記本発明の受光素子を用いて構成されているので、クロストークが生じず、良好な特性が確保できる。
【００２２】
本発明の受光素子は、前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記受光層はＩｎＧａＡｓからなる構成としてもよい。
【００２３】
また、前記非発光再結合中心となる元素を銅としてもよい。
【００２４】
また、好ましくは、前記受光層において、前記受光部以外の領域にもｐｎ接合が形成されている。それにより、受光素子の側面から入射してくる光が、ｐｎ接合により生じている空乏層で吸収される。そのため、受光素子の側面から入射する光も、受光部には到達しないため、クロストークが生じない。
【００２５】
また、前記受光部において、光が入射する面に対して反対側の面は、電極で覆われている構成としてもよい。
【００２６】
また、好ましくは、前記半導体基板の底面には、当該底面に対して傾斜する傾斜面が形成され、前記傾斜面から入射された光が、前記受光部に導かれる。それにより、受光素子の底面から光を入射させることができない場合であっても、傾斜面から光を入射させることができる。特に、半導体レーザや光ファイバが受光素子と同一平面上に形成された構成の光送受信モジュールに適用できる。
【００２７】
本発明の受光素子の製造方法は、前記マスクパターンで覆った箇所は、受光部となるべき領域としてもよい。
【００２８】
また、好ましくは、前記半導体基板にオーミック電極となる電極を蒸着、熱処理して、前記半導体基板にオーミック電極を形成し、前記オーミック電極を形成するための熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる。それにより、オーミック電極形成時の熱処理の際に、非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させるため、製造工程が複雑化することはなく、コストアップにならない。
【００２９】
また、好ましくは、前記非発光再結合中心となる元素が前記光吸収層内に拡散した後に、加熱しつつ前記オーミック電極に電圧を印加する。それにより、前記非発光再結合中心となる元素が、非発光再結合中心として働く割合が増加する。そのため、高性能な受光素子を作製できる。
【００３０】
以下、本発明のさらに具体的な実施形態について説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る受光素子およびその製造方法について図１を用いて説明する。なお、実施の形態１に係る受光素子は、Ｃｕ蒸着によって形成した裏面の電極からＣｕを拡散させる、裏面入射型の受光素子である。
【００３２】
図１は、実施の形態１の受光素子の製造工程を示す層断面図である。図１（ａ）に示すように、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１（キャリア濃度：３×１０^１８ｃｍ^−３）上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１０２（キャリア濃度：３×１０^１７ｃｍ^−３）と、吸収端波長が１．４μｍとなる組成のｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３（キャリア濃度：１×１０^１８ｃｍ^−３）と、ｎ⁻−ＩｎＰ層１０４（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）と、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層１０５（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）と、ｎ⁻−ＩｎＰ層１０６（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）と、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）とを結晶成長により順次積層させていく。なお、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３の吸収端波長は、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層１０５の吸収端波長よりも短くなるようにする。例えば、受信光が波長１．５５μｍの光λ２であり、送信光が波長１．３μｍの光λ１である場合、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３の吸収端波長は、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層１０５の吸収端波長１．５５μｍに比べて小さい値（例えば、１．４μｍ）とすることが好ましい。これにより、波長１．３μｍの光λ１は、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３中で吸収される。波長１．５５μｍの光λ２は、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３では吸収されず、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層１０５に到達する。
【００３３】
また、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３の吸収端波長は、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３の組成比を変えることで変化させることができる。具体的には、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３の組成であるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙのｘ、ｙを変えることで、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３のバンドギャップエネルギーを変化させることができ、それにより、吸収端波長を所望の値とすることができる。
【００３４】
ついで積層した受光部に当たるｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を、エッチングによりリング状に加工して、ｎ⁻−ＩｎＰ層１０６を部分的に露出させる。さらに、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７のリングの内側にＺｎ_３Ｐ_２を拡散ソースに用いてＺｎを拡散させｐ^＋領域１０８を形成する。そうすることで、ｐｎ接合１０９を形成し受光部１２０を得る。ｐｎ接合１０９を形成する場合には、ｐ^＋領域に実際に逆バイアスを印加した際に、空乏層１１０がｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層１０５に形成されるように、Ｚｎがｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層１０５へ達するようにＺｎ拡散深さを調整する。
【００３５】
次に、受光部１２０以外の領域であるｎ⁻−ＩｎＰ層１０６上に絶縁膜１１１を積層し、ｐ^＋領域１０８とｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７上にｐ型オーミック電極１１２として金属積層膜（Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ａｕ（１０００ｎｍ））を蒸着し、上部電極を形成する。
【００３６】
次に図１（ｂ）に示すように、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１の底面１２１（受光素子の裏面）の、受信光が入射する部分には光透過率の高い絶縁膜としてＳｉＮ膜１１３を約１５０ｎｍの厚さに堆積し、それ以外の領域に、ＡｕとＧｅの合金膜１１４を２５０ｎｍの厚さに蒸着後、合金膜１１４上にＡｕ薄膜１１５を１００ｎｍ厚さに蒸着する。さらにＣｕを含むＡｕ合金１１６を１００ｎｍ蒸着する。
【００３７】
その後、３５０℃で熱処理を行なって、上記金属積層膜（合金膜１１４、Ａｕ薄膜１１５、Ｃｕを含むＡｕ合金１１６）とｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１とを合金化させｎ型のオーミック電極を形成する。この熱処理によって、Ｃｕが、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３内に拡散される。ここでｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３内でＣｕを非発光再結合中心として機能させるために、Ｃｕを含むＡｕ合金１１６中のＣｕの割合としては、１０ｗｔ％以上が望ましい。このように、オーミック電極の元になる上記金属積層膜に、非発光再結合中心となるＣｕを含有させておいて、オーミック電極を形成するための熱処理を利用して、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３内にＣｕを拡散させる。それにより、容易に、受光素子を作製できる。
【００３８】
以上のように作製された受光素子を、例えば図５で示したような構成の光モジュール内に実装後、７０℃で順方向に５Ｖのエージングを行うことにより、Ｃｕが非発光再結合中心として機能する割合がさらに増加する。なお、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３内に拡散させる材料は、Ｃｕ以外であっても非発光再結合中心として機能する元素であればよい。また、ｎ型のオーミック電極を形成するために、ＡｕとＧｅの合金膜１１４を用いたが、合金膜１１４は、例えばＡｕとＳｎとの合金膜でも同様の効果が得られる。
【００３９】
以上のように製造された、図１（ｂ）に示している受光素子に、光λ１（波長：１．３μｍ）と光λ２（波長：１．５５μｍ）が入射された場合に、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３で、光λ１は完全に吸収される。また、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３は、Ｃｕを含んでいる。そのため、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３で吸収した光λ１によって、発光再結合が起こる前に、発光を伴わない電子とホールの再結合である非発光再結合が生じる。すなわち、Ｃｕを介して非発光再結合することになり、光λ２以外の光は、生じない。それにより、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光部１２０には受信光である光λ２しか届かないため、クロストークを改善することができ、信号の誤り率を抑制することができる。なお、受光素子の裏面から入射された光だけでなく、その側面から斜めに入射された光についても、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３を通る限り吸収され、受光部１２０には到達しない。
【００４０】
上記のようにＣｕを非発光再結合中心として利用することは、ＩｎＰ系半導体レーザのＣｕ汚染による劣化現象を逆に応用するものである。これについては、例えば「ＩＥＥＥ ｔｈｅ ３５ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ．２６８−２７１，１９９７」等を参考にすることができる。
【００４１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る受光素子およびその製造方法について図２を用いて説明する。なお、実施の形態２に係る受光素子は裏面入射型であって、受光素子の裏面からイオン注入したＣｕを拡散させ、受光部以外の箇所にもｐｎ接合部を有する構成である。
【００４２】
図２は、実施の形態２の受光素子の製造工程を示す層断面図である。実施の形態２においては、受光素子製造時に、非発光再結合中心となる元素をイオン注入によって、光吸収層内へ導入する。
【００４３】
図２（ａ）は、実施の形態１の図１（ａ）と同様であるが、受光部１２０の周りにもＺｎ拡散を行なうことで、ｐｎ接合を形成して、空乏層１１０を形成している点が異なる。つまり、実施の形態２の受光素子の製造方法は、実施の形態１と同様に、各層を積層後、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を、エッチングによりリング状に加工してその内側に、Ｚｎ拡散を行い受光部１２０を形成する。Ｚｎ拡散を行なう際に、受光部１２０以外の箇所にも、Ｚｎ拡散を行う。それにより、ｐ^＋領域１０８を形成し、空乏層１１０を形成する。このようにして、受光部１２０を空乏層１１０によって取り囲むようにする。次に、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１の底面１２１全面にＣｕイオンを注入する。
【００４４】
Ｃｕイオン注入後、図２（ｂ）に示すように、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１の底面１２１の、受信光が入射する部分には光透過率の高い絶縁膜としてＳｉＮ膜１１３を約１５０ｎｍの厚さに堆積し、それ以外の領域に、ＡｕとＧｅの合金膜１１４を２５０ｎｍの厚さに蒸着する。その後、３５０℃で熱処理を行い、上記金属積層膜（合金膜１１４、Ａｕ薄膜１１５）とｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１とを合金化させｎ型のオーミック電極を形成する。また、この熱処理によって、注入したＣｕがｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３へ拡散する。その後、実施の形態１と同様に、受光素子を、例えば図５で示したような構成のモジュール内に実装後、７０℃で順方向に５Ｖのエージングを行うことにより、Ｃｕが非発光再結合中心として機能する割合がさらに増加する。以上の製造方法で、容易に、受光素子を作製できる。なお、Ｃｕがｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３へ拡散するためには、任意の段階で熱処理を行なえばよく、オーミック電極形成時の熱処理に限られるわけではない。
【００４５】
また、図２（ｂ）に示している作製された実施の形態２の受光素子において、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３は、Ｃｕを含んでいるため、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３で吸収した光λ１（波長：１．３μｍ）から発生した電子とホールは、再結合によって発光する前に、Ｃｕを介して非発光再結合することになる。それにより、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光部１２０には受信光であるλ２（波長：１．５５μｍ）の光しか届かないため、クロストークを改善することができ、信号の誤り率を抑制することができる。
【００４６】
また、受光部１２０は、空乏層１１０で取り囲まれているので、受光素子の側面から受光部１２０に向かって入射される光も、空乏層１１０で吸収される。それにより、さらにクロストークを改善することができる。
【００４７】
なお、実施の形態１においても、実施の形態２と同様に、受光部１２０の周囲に空乏層を設けてもよいし、またはｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１へのイオン注入によって、非発光再結合中心となる金属を拡散させてもよい。
【００４８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る受光素子およびその製造方法について図３を用いて説明する。なお、実施の形態３に係る受光素子は、遮光メタルからＣｕを拡散させる、裏面入射型のメサ型受光素子である。
【００４９】
実施の形態３では、遮光層から非発光再結合中心となる元素をｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層中に拡散させている。
【００５０】
図３（ａ）に示すように、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１（キャリア濃度：３×１０^１８ｃｍ^−３）上にｎ−ＩｎＰバッファ層１０２（キャリア濃度：３×１０^１７ｃｍ^−３）と、吸収端波長が１．４μｍとなる組成のｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３（キャリア濃度：１×１０^１８ｃｍ^−３）と、ｎ⁻−ＩｎＰ層１０４（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）と、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層１０５（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）と、ｎ⁻−ＩｎＰ層１０６（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）と、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７（キャリア濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３以下）とを結晶成長により順次積層させていく。
【００５１】
ついで積層した受光部に当たるｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を、エッチングによりリング状に加工して、ｎ⁻−ＩｎＰ層１０６を部分的に露出させる。さらに、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７のリングの内側にＺｎ_３Ｐ_２を拡散ソースに用いてＺｎを拡散させｐ^＋領域１０８を形成する。そうすることで、ｐｎ接合１０９を形成し受光部１２０を得る。なお、ここまでは、実施の形態１の製造方法と同一の工程で積層体を作製する。
【００５２】
次に、この積層体をマスクエッチングを用いてメサ型にする。具体的には、受光部１２０およびその周辺をレジストマスクでカバーして、塩酸系のエッチング液でｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３を露出させるようにエッチングして、メサ型としてから、受光部１２０およびその周辺のレジストマスクを除去する。その後、拡散防止層となる絶縁膜１１１ａを堆積してから、絶縁膜１１１ａのうち受光部１２０とｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を覆う部分およびその周辺を除去する。絶縁膜１１１ａを除去した箇所にｐ型電極１１２として金属積層膜（Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ａｕ（１０００ｎｍ））を蒸着する。さらにｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３上の絶縁膜１１１ａを除去し、ｐ型電極１１２以外の領域を覆うようにＴｉ膜１１７を蒸着し、さらにその上に遮光層（遮光メタル）でもあるＣｕを含むＡｕ合金１１６を厚さ１００ｎｍ蒸着する。Ｔｉ膜１１７は、Ｃｕを含むＡｕ合金１１６と下地（絶縁膜１１１ａおよびｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３）との密着性を向上させる目的で蒸着している。したがって、Ｔｉ膜１１７を形成せずに、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３上に直接、Ｃｕを含むＡｕ合金１１６を形成してもよい。
【００５３】
次に、図３（ｂ）に示すように、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１の底面１２１に、受信光が入射する部分には光透過率の高い絶縁膜としてＳｉＮ膜１１３を約１５０ｎｍの厚さに堆積し、それ以外の領域に、ＡｕとＧｅの合金膜１１４を２５０ｎｍの厚さに蒸着する。その後、３５０℃で熱処理を行い、上記金属積層膜（合金膜１１４、Ａｕ薄膜１１５）とｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１とを合金化させｎ型のオーミック電極を形成する。この熱処理の際に、Ｃｕを含むＡｕ合金１１６からＣｕがｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３中へ拡散し、非発光再結合中心となる。その後、実施の形態１と同様に、受光素子をモジュール内に実装後、７０℃で順方向に５Ｖのエージングを行うことにより、Ｃｕが非発光再結合中心として機能する割合がさらに増加する。以上の製造方法で、容易に、受光素子を作製できる。なお、Ｃｕがｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３へ拡散するためには、熱処理を行なえばよく、オーミック電極形成時の熱処理に限られるわけではない。
【００５４】
また、図３（ｂ）に示している作製された実施の形態３の受光素子によれば、受光部１２０の側面方向にＣｕを含むＡｕ合金１１６からなる遮光層が設けられたので、側面方向からの迷光の影響を受けることがない。また、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３は、Ｃｕを含んでいるため、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３で吸収した光λ１（波長：１．３μｍ）の光によって発生した電子とホールが再結合によって発光する前に、Ｃｕを介して非発光再結合することになる。それにより、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光部１２０には受信光である光λ２（波長：１．５５μｍ）しか届かないため、クロストークを改善することができる。
【００５５】
また、Ｃｕを含有する遮光層（Ｃｕを含むＡｕ合金１１６）を形成し、電極を熱処理する際に、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３にＣｕが遮光層（Ｃｕを含むＡｕ合金１１６）から拡散されるようにしているので、容易に受光素子を製造することができ、信号の誤り率を抑制することができる。
【００５６】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る受光素子およびその製造方法について図４を用いて説明する。なお、実施の形態４に係る受光素子は、上部からイオン注入したＣｕを拡散させた、側面入射型のメサ型受光素子である。実施の形態４の受光素子は、最下層のｎ^＋−ＩｎＰ基板に形成した斜面から光を入射させ、屈折させて受光部へ入射させる構造である。
【００５７】
実施の形態４の受光素子の製造方法は、実施の形態３の受光素子の製造方法と途中まで同一である。つまり、各層を積層後、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を、エッチングによりリング状に加工して、その内側に、Ｚｎ拡散を行い受光部１２０を形成する。その後、マスクエッチングによって、メサ型とする。その後、拡散防止層となる絶縁膜１１１ａを堆積してから、絶縁膜１１１ａのうち受光部１２０とｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を覆う部分およびその周辺を除去する。絶縁膜１１１ａを除去した箇所にｐ型電極１１２として金属積層膜（Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ａｕ（１０００ｎｍ））を蒸着する。さらにｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３上の絶縁膜１１１ａを除去する。ここまでは、実施の形態３と同一である。
【００５８】
その後、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３以外の箇所に、レジストマスク１１８を形成する。図４（ａ）に示しているように、レジストマスク１１８は、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３にＣｕイオンを注入するためのマスクである。レジストマスク１１８を形成後に、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３の露出された箇所から、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３にＣｕイオンを注入する。
【００５９】
図４（ｂ）に示しているように、レジストマスク１１８を除去し、ｐ型電極１１２以外の領域を覆うように、上方からの光を遮るための遮光層（遮光メタル）１１９としてＴｉ（５０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）を蒸着する。その後、４００℃でアニール処理を行い、注入したＣｕをｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１０３内に拡散させる。
【００６０】
次に図４（ｃ）に示すように、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１の底面１２１に対して、傾斜している傾斜面１２２をエッチングにより形成する。この傾斜面１２２は、受信光が入射する箇所である。具体的には、傾斜面１２２を形成する箇所以外をマスクとなる絶縁膜で覆った後、塩酸系エッチングによって、傾斜面１２２を形成する。その後、傾斜面１２２に光透過率の高い絶縁膜としてＳｉＮ膜１１３を約１５０ｎｍ堆積する。また、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１の底面１２１に、ＡｕとＧｅの合金膜１１４を２５０ｎｍ蒸着後、さらにＡｕ薄膜１１５を１００ｎｍ蒸着する。その後、３５０℃で熱処理を行なって、上記金属積層膜（合金膜１１４、Ａｕ薄膜１１５）とｎ^＋−ＩｎＰ基板とを合金化させｎ型のオーミック電極を形成する。
【００６１】
その後、実施の形態１と同様に、受光素子をモジュール内に実装後、７０℃で順方向に５Ｖのエージングを行うことにより、Ｃｕが非発光再結合中心として機能する割合がさらに増加する。以上の製造方法で、容易に、受光素子を作製できる。
【００６２】
なお、アニール処理によってＣｕを拡散させるようにしたが、実施の形態１〜実施の形態３と同様に、ｎ^＋−ＩｎＰ基板１０１の底面１２１にオーミック電極を形成する際の熱処理により行なってもよい。
【００６３】
また、図４（ｃ）に示している作製された実施の形態４の受光素子によれば、受光部１２０の側面方向に遮光層１１９が設けられたので、側面方向からの迷光の影響を受けることがない。また、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層は、Ｃｕを含んでいるため、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層で吸収したλ１（１．３μｍ）の光によって発生した電子とホールが再結合によって発光する前に、Ｃｕを介して非発光再結合することになる。それにより、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光部１２０には受信光であるλ２（１．５５μｍ）の光しか届かないため、クロストークを改善することができ、信号の誤り率を抑制することができる。
【００６４】
また、傾斜面１２２から光を入射させる構造であるため、例えば、半導体レーザや光導波路が受光素子と同一平面に形成されて、受光素子の底面（底面１２１）に対して垂直に光が入射できないような光モジュールを構成する場合であっても適用できる。傾斜面１２２から入射された入射光は、傾斜面１２２で屈折して、受光部１２０に入射される。
【００６５】
なお、実施の形態１〜実施の形態３の受光素子においても、実施の形態５の受光素子と同様に、傾斜面１２２を設けることで、同様に、受光素子の底面（底面１２１）に対して垂直に光が入射できないような場合であっても適用できる。
【００６６】
なお、実施の形態１〜実施の形態４の受光素子を、図５に示した光モジュールの受光素子５０３に用いることで良好な特性の光モジュールが実現できる。なお、図５では、光送受信用の光モジュールについて説明したが、実施の形態１〜実施の形態４の受光素子は、その他の用途の光モジュールにも用いることができる。
【００６７】
なお、実施の形態１〜実施の形態４で具体的に示した、材料、構造および温度等の製造条件は、あくまでも一例であり、本発明はこれらの具体例のみに限定されるものではない。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体中での非発光再結合現象を利用することで、光吸収層での再発光を抑制し、クロストークの小さい受光素子を実現できる。また、そのような受光素子を容易に製造することができる。さらに、そのような受光素子を用いた光モジュールは、良好な特性を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の受光素子の製造工程を示す層断面図
【図２】本発明の実施の形態２の受光素子の製造工程を示す層断面図
【図３】本発明の実施の形態３の受光素子の製造工程を示す層断面図
【図４】本発明の実施の形態４の受光素子の製造工程を示す層断面図
【図５】双方向光送受信モジュールの構成図
【図６】従来の裏面入射型光受光素子の層断面図
【図７】光吸収層の波長に対する透過特性図
【符号の説明】
１０１ ｎ^＋−ＩｎＰ基板
１０２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１０３ ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
１０４ ｎ⁻−ＩｎＰ層
１０５ ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓ受光層
１０６ ｎ⁻−ＩｎＰ層
１０７ ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０８ ｐ^＋領域
１０９ ｐｎ接合
１１０ 空乏層
１１１、１１１ａ 絶縁膜
１１２ ｐ型電極
１１３ ＳｉＮ膜
１１４ 合金膜
１１５ Ａｕ薄膜
１１６ Ｃｕを含むＡｕ合金
１１７ Ｔｉ膜
１１８ レジスト
１１９ 遮光メタル
１２０ 受光部
１２１ 底面
１２２ 傾斜面
５０１ ＷＤＭフィルタ
５０２ 半導体レーザ
５０３ 受光素子
５０４ 受光部
５０５ 光ファイバ
６０１ 受光素子
６０２ 受光部
６０３ 空乏層
６０６ ｎ^＋−ＩｎＰ基板
６０７ ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
６０８ ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層
６０９ ｐ^＋領域
６１０ ｐ型電極
６１１ パッシベーション膜
６１２ ｎ型電極
６１３ 反射防止膜

Claims (14)

1. 半導体基板と光吸収層と、受光部を構成するｐｎ接合を有する受光層とを備え、
   前記半導体基板より上層に前記光吸収層が配置され、
   前記光吸収層より上層に前記受光層が配置されていて、
   前記光吸収層は、前記受光層よりも吸収端波長が短く、
   前記光吸収層は、非発光再結合中心となる元素を含んでいる、ことを特徴とする受光素子。
2. 前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、
   前記受光層はＩｎＧａＡｓからなる、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記非発光再結合中心となる元素は銅である、請求項１または請求項２に記載の受光素子。
4. 前記受光層において、前記受光部以外の領域にもｐｎ接合が形成されている、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の受光素子。
5. 前記受光部において、光が入射する面に対して反対側の面は、電極で覆われている、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の受光素子。
6. 前記半導体基板の底面には、当該底面に対して傾斜する傾斜面が形成され、
   前記傾斜面から入射された光が、前記受光部に導かれる構成である、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の受光素子。
7. 半導体基板の上層に光吸収層を形成し、
   前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、
   前記受光層にｐｎ接合を形成し、
   前記光吸収層内で非発光再結合中心となる元素を前記半導体基板にイオン注入し、
   熱処理によって、前記半導体基板にイオン注入された前記非発光再結合中心となる元素を、前記光吸収層内に拡散させる、受光素子の製造方法。
8. 半導体基板の上層に光吸収層を形成し、
   前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、
   前記受光層にｐｎ接合を形成し、
   最上層の一部をマスクパターンで覆い、最上層から前記光吸収層の上面までエッチングによりメサを形成し、
   前記光吸収層よりも上部にある各層の側面に拡散防止層を形成し、
   前記光吸収層の上面の、前記エッチングを行なった箇所に、前記光吸収層内で非発光再結合中心となる元素を含む膜を堆積し、
   熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる、受光素子の製造方法。
9. 半導体基板の上層に光吸収層を形成し、
   前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、
   前記受光層にｐｎ接合を形成し、
   最上層の一部をマスクパターンで覆い、最上層から前記光吸収層の上面までエッチングによりメサを形成し、
   前記光吸収層よりも上部にある各層の側面に拡散防止層を形成し、
   前記エッチングにより露出した前記光吸収層の上面以外の領域をイオン注入されないように、レジストマスクで覆い、
   前記レジストマスクの上からイオン注入をすることで、直接前記光吸収層内に非発光再結合中心となる元素をイオン注入し、
   熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる、受光素子の製造方法。
10. 前記マスクパターンで覆った箇所は、受光部となるべき領域である、請求項８または請求項９に記載の受光素子の製造方法。
11. 前記半導体基板にオーミック電極となる電極を蒸着、熱処理して、前記半導体基板にオーミック電極を形成し、
    前記オーミック電極を形成するための熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる、請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
12. 半導体基板の上層に光吸収層を形成し、
    前記光吸収層よりも上層に、前記光吸収層よりも吸収端波長の長い受光層を形成し、
    前記受光層にｐｎ接合を形成し、
    前記半導体基板に、前記光吸収層内で非発光再結合中心となる元素を含んでいるオーミック電極となる電極を蒸着して熱処理して、前記半導体基板にオーミック電極を形成し、
    かつ、前記熱処理によって、前記非発光再結合中心となる元素を前記光吸収層内に拡散させる、受光素子の製造方法。
13. 前記非発光再結合中心となる元素が前記光吸収層内に拡散した後に、加熱しつつ前記オーミック電極に電圧を印加する、請求項１１または請求項１２に記載の半導体受光素子の製造方法。
14. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の受光素子を用いた光モジュール。

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