JP2004319684A - 半導体受光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】長波長帯から短波長帯まで受光でき、暗電流が低く、受光感度が高い半導体受光装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１１の主面に選択的に第１の波長帯の光とそれより短波長の第２の波長帯の光とを吸収する第１導電型の光吸収層１３を形成し、この光吸収層１３表面に第１の波長帯の光を透過し、第２の波長帯の光を吸収する第１導電型のキャップ層１４を積層形成し、このキャップ層１４に第２導電型の拡散層１５を選択的に形成している。そして、半導体基板１１の主面に表面が凸形状の曲率を有し、且つ第２の波長帯の光を透過し、光吸収層１３に集光する集光層２７を、光吸収層１３及びキャップ層１４と隣接して並設する。これにより、キャップ層１４を透過した第１の波長帯の光と集光層２７を透過した第２の波長帯の光とを光吸収層１３に導入する。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体基板１１の主面に選択的に第１の波長帯の光とそれより短波長の第２の波長帯の光とを吸収する第１導電型の光吸収層１３を形成し、この光吸収層１３表面に第１の波長帯の光を透過し、第２の波長帯の光を吸収する第１導電型のキャップ層１４を積層形成し、このキャップ層１４に第２導電型の拡散層１５を選択的に形成している。そして、半導体基板１１の主面に表面が凸形状の曲率を有し、且つ第２の波長帯の光を透過し、光吸収層１３に集光する集光層２７を、光吸収層１３及びキャップ層１４と隣接して並設する。これにより、キャップ層１４を透過した第１の波長帯の光と集光層２７を透過した第２の波長帯の光とを光吸収層１３に導入する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いられる半導体受光装置及びその製造方法に関し、特に長波長帯及び短波長帯で効率よく受光できる半導体受光装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信（以下、単に光通信）に用いられる半導体受光装置は、光ファイバを通して送信されてきた光信号を電気信号に変換する装置である。幹線系等の長距離伝送においては、現在、１．５５μｍ帯、及び１．３μｍ帯のいわゆる長波長帯が利用され、半導体受光装置には、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の材料が使用されている。
【０００３】
ここで、１μｍ帯（１．３、１．５５μｍ帯等）を長波長帯、０．８μｍ帯（０．８〜０．９μｍ）を短波長帯と大別する光通信分野での区分法にほぼ準じ、便宜的に約０．９μｍを境にして長波長側を長波長帯、短波長側を短波長帯と区別する。
【０００４】
このＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置は、従来、一般に、図５に示すような構造になっている。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置１０１は、ｎ型ＩｎＰ基板１１１の上面にｎ型ＩｎＰバッファ層１１２、低キャリア濃度のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３、及びｎ型ＩｎＰキャップ層１１４が順次積層形成されている。そして、このｎ型ＩｎＰキャップ層１１４の受光部となる領域にＺｎ等のｐ型ドーパントを選択的に拡散することによりｐ型領域１１５が形成されている。また、ｎ型ＩｎＰキャップ層１１４上面にＳｉＮ等からなる保護膜１１６が形成され、ｐ型領域１１５上面にＳｉＮ等からなる反射防止膜１１８が形成され、ｐ型領域１１５の上面周辺部に、リング状のｐ側電極１１９が形成され、更に、ｎ型ＩｎＰ基板１１１の下面には、ｎ側電極１２０が形成されている。
【０００５】
そして、この半導体受光装置１０１においては、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３とｐ型領域１１５とのｐｎ接合に逆バイアス電圧が印加されたとき、入射した光信号は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３に形成される空乏領域で吸収されて、電子とホールに分離され、電界によりドリフトして光電流として検出されることが知られている。
【０００６】
また、この半導体受光装置１０１は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３で発生した少数キャリアが表面再結合の影響を受けて、光電流に寄与する割合が減ることを防ぐために、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３のバンドギャップより大きなバンドギャップを持つｎ型ＩｎＰキャップ層１１４を積層して、このｎ型ＩｎＰキャップ層１１４の一部にｐ型に転換されたｐ型領域１１５を設ける。そのために、ＩｎＰのバンドギャップで制約される波長約０．９２μｍより長波長で、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップで制約される波長約１．６７μｍより短波長に対して、この半導体受光装置１０１は機能する。すなわち、実用的には約１．０μｍから約１．６μｍの波長に対して感度があり、従来の長距離伝送用の光通信で使用されている波長範囲を十分カバーできる特性を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
近年、画像等の大容量の情報を伝送する要求がますます高まり、数１００ｍから数１０ｋｍの伝送が可能な高速ネットワークの規格が標準化されている。長距離伝送では、幹線系光通信技術等を基にしており、１．５５μｍ帯、１．３μｍ帯の長波長帯を使い、短距離伝送では、短波長帯の０．８５μｍ帯が使用される。これらの新しい光通信ネットワークの普及のために、規格にある長波長帯と短波長帯の両波長帯を受光できる一体化した半導体受光装置が望まれている。
【０００８】
ところで、上記ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置では、短波長帯の受光感度は、その光入射側の表面に設けられたＩｎＰ窓層のバンドギャップ波長０．９２μｍによって制約を受けるため、短波長帯の０．８５μｍ帯を受光することができないという問題がある。
【０００９】
この従来の問題を解決するために、ＩｎＰキャップ層の厚さを０．１μｍ以下に薄くして、例えば０．７〜０．８μｍ帯の入射光の一部はこのＩｎＰキャップ層で吸収されるものの、実用になる程度の光を通過させようとする半導体受光素子が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１０】
しかしながら、この半導体受光素子では、暗電流が、バイアス電圧５Ｖを越えると急激に大きくなる問題がある。
【００１１】
また、ＩｎＰキャップ層にＡｓを微量ドープして、その格子定数を大きくすることにより、ＩｎＰキャップ層の光吸収係数を小さくして、入射光の吸収を減らすことによって、光吸収層へ到達する光量を増やして、結果として受光感度を高める受光素子が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１２】
しかしながら、この受光素子では、受光感度は高まる傾向にあるものの、感度が不充分という問題がある。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００２−５０７８５号公報（第４頁、図８）
【００１４】
【特許文献２】
特開平２−２３１７７５号公報（第３、４頁、第１図）
【００１５】
【特許文献３】
特許第２８６０６９５号明細書（第２、３頁、第１図）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、特許文献１の半導体受光装置においては、０．９μｍ以下の短波長帯の受光ができない問題があり、特許文献２の半導体受光素子は、暗電流が大きくなる問題があり、また特許文献３の受光素子は、受光感度が不充分という問題がある。
【００１７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、長波長帯から短波長帯まで受光でき、暗電流が低く、受光感度が高い半導体受光装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体受光装置は、半導体基板の主面に選択的に形成され、且つ第１の波長帯の光とそれよりも短波長の第２の波長帯の光とを吸収する第１導電型の光吸収層と、前記光吸収層表面に積層形成され、且つ前記第１の波長帯の光を透過し、前記第２の波長帯の光を吸収する第１導電型のキャップ層と、前記キャップ層に選択的に形成された第２導電型の拡散層と、前記半導体基板の主面に前記キャップ層及び前記光吸収層と隣接して並設され、表面が凸形状の曲率を有し、且つ前記第２の波長帯の光を透過し、前記光吸収層に集光させる集光層とを有して、前記拡散層を透過した前記第１の波長帯の光と前記集光層を透過した前記第２の波長帯の光とを前記光吸収層に導入することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の別の態様の半導体受光装置の製造方法は、半導体基板の主面に第１の波長帯の光及びそれより短波長の第２の波長帯の光を吸収する第１導電型の光吸収層と前記第１の波長帯の光に透明な第１導電型のキャップ層とをこの順序で選択的に積層形成する工程と、前記半導体基板の主面に前記光吸収層及び前記キャップ層の側面と隣接して並設され、前記第２の波長帯の光に透明な半導体層を形成する工程と、前記キャップ層に選択的に第２導電型の不純物を導入して第２導電型の拡散層を形成する工程と、前記拡散層表面に第１の反射防止膜を形成する工程と、前記拡散層に接続する第１の電極を形成し、前記半導体基板の主面と対向する面に第２の電極を形成する工程と、前記半導体層表面を凸形状の曲率を有する曲面に形成して、前記第２の波長帯の光を前記光吸収層に集光させる集光層を形成する工程と、前記集光層表面に第２の反射防止膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１はその半導体受光装置を模式的に示す断面図、図２は半導体受光装置を模式的に示す平面図、そして、図３はその半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図２の各構成要素は、強調すべき構成要素を相対的に大きく描いてある図１及び図３の構成要素の大きさと比較すると、比率が異なって表現されている。
【００２２】
まず、図１に示すように、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置１は、半導体基板である第１導電型のｎ型ＩｎＰ基板１１の主面、例えば上面全面にｎ型ＩｎＰバッファ層１２が形成され、そのｎ型ＩｎＰバッファ層１２表面の一部にｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３が選択的に形成され、そのｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３表面にｎ型ＩｎＰキャップ層１４が積層形成されている。
【００２３】
そして、このｎ型ＩｎＰキャップ層１４の所定領域にＺｎ等のｐ型ドーパントを選択的に拡散することにより、第２導電型であるｐ型領域１５が形成されて、長波長帯の光に対してこれを窓層とする受光部を構成している。また、このｐ型領域１５表面に所定膜厚のＳｉＮ等からなる第１の反射防止膜１８が形成されており、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４表面にＳｉＮ等からなる保護膜１６が形成されている。
【００２４】
一方、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２表面の残部には、ＧａＡｌＡｓ集光層２７がｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３と隣接して並置され、しかも、そのｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３の側面と接触して設けられている。また、このＧａＡｌＡｓ集光層２７は、短波長帯の入射光をｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に集光するための曲率を持った凸形状に成形され、その表面には例えばＳｉＮ等からなる第２の反射防止膜２１が形成されている。
【００２５】
また、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２の露出表面には、反射防止膜２１と同様の材料からなる保護膜２２が形成されている。
【００２６】
そして、図２に示すように、ｐ型領域１５（平面図には表示されない）の表面周辺部には、第１の反射防止膜１８設けたリング状の開口を介して、Ａｕを主成分とするｐ側電極１９が形成されており、このｐ側電極１９の一部分には、保護膜１６上に延在した、ボンディングワイヤ等接続のためのボンディングパッド部を有する構造となっている。更に、ｎ型ＩｎＰ基板１１の主面と対向する面、例えば、下面には、Ａｕを主成分とするｎ側電極２０（平面図には表示されない）が形成されている。
【００２７】
ここでは、第１の反射防止膜１８の径である受光径は例えば３０μｍであり、それを取り巻くリング状のｐ側電極の幅は例えば５μｍであり、また、その外側にあるリング状の第２の反射防止膜２１の平面図上の幅は例えば５μｍである。
【００２８】
次に、上記構造の半導体受光装置の製造方法について、図３を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、キャリア濃度１〜７Ｅ１８／ｃｍ３のｎ型ＩｎＰ基板１１を、例えばＭＯＣＶＤ装置内に載置し、その表面全面にキャリア濃度１〜５Ｅ１８／ｃｍ３、膜厚２〜３μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層１２を成長させ、次に、格子整合されたキャリア濃度０．８〜２Ｅ１５／ｃｍ３、膜厚約１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３を成長させた後、キャリア濃度１〜５Ｅ１５／ｃｍ３、膜厚約３μｍのｎ型ＩｎＰキャップ層１４を順次成長させる。その後、ＭＯＣＶＤ装置から成長済みのｎ型ＩｎＰ基板１１を取り出して、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４の、ｐｎ接合及びボンディングパッド形成予定領域を含む所定表面部をフォトレジスト３１でマスクして、例えばＨＣｌ系の薬液あるいはドライエッチング法を用いて、露出したｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３部分をｎ型ＩｎＰバッファ層１２に到達する深さまで、選択的にエッチング除去する。
【００２９】
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト３１を除去し、その後の所定表面部に、例えばＳｉＯ２マスク３２を形成する。そして、例えば、再びＭＯＣＶＤ装置内に載置し、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２の露出面上にｎ型ＩｎＰキャップ層１４の表面と同一面をなし、且つｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３の側面と接するようにＧａＡｌＡｓ層２６を選択的に成長させる。そして、ＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ＳｉＯ２マスクをエッチング除去する。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、例えばＳｉＮからなる保護膜１６を、周知のＣＶＤ法等により、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びＧａＡｌＡｓ層２６表面に形成した後、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４のｐｎ接合の形成予定領域にドライエッチング法等で開口部を設けて、周知の熱拡散法によりｐ型ドーパントであるＺｎをｎ型ＩｎＰキャップ層１４表面から選択的に拡散して、ｐ型領域１５を形成する。このＺｎの拡散は、ｐｎ接合面がｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に到達した直後で止まるように行う。
【００３１】
その後、図３（ｄ）に示すように、例えば、ＳｉＮからなる第１の反射防止膜１８をｐ型領域１５及び保護膜１６の表面に堆積した後、第１の反射防止膜１８に開口を設け、次に、例えばパターニングされたリフトオフマスク等を使用して、Ａｕを主とする導電性膜を蒸着法等で堆積し、ｐ側電極１９以外の導電性膜はリフトオフマスクとともに除去して、ｐ型領域１５に接続したｐ側電極１９を形成する。このｐ側電極１９は、例えば、径３０μｍの第１の反射防止膜１８の回りにｐ型領域１５に接触するようにリング状に形成され、そのリング状の一部に保護膜１６上に延在するボンディングパッド部を有する構造に形成されている。
【００３２】
この後、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面を機械的、化学的研磨法等でｎ型ＩｎＰ基板１１の厚さを１２０〜２００μｍになるまで研磨除去して、最終的には鏡面に仕上げる。そして、Ａｕを主とする導電性膜を蒸着等で形成して、熱処理を行って、ｎ側電極２０を形成する。この熱処理によって、両側の電極のオーミック接触が形成される。
【００３３】
そして、ｐ側電極１９を含む第１の反射防止膜１８及び保護膜１６の表面全体に例えばフォトレジスト３３を塗布し、ｐ型領域１５を挟んでｎ型ＩｎＰキャップ層１４とは反対側に約５μｍ離れた位置から外側面までのＧａＡｌＡｓ層２６の領域表面上のフォトレジスト３３を開口した後、このフォトレジスト３３をマスクとして、破線で示す露出した保護膜１６、ＧａＡｌＡｓ層２６をドライエッチング法等で表面に垂直方向に順次除去し、その後、フォトレジスト３３を除去する。
【００３４】
次に、図３（ｅ）に示すように、例えばフォトレジスト３４をマスクにして、ＧａＡｌＡｓ層２６上の保護膜１６を除去して、ＧａＡｌＡｓ層２６を露出させる。
【００３５】
次に、フォトレジスト３４をマスクにしてＧａＡｌＡｓ層２６を例えば硫酸系の薬液による等方性のエッチングによりエッチングすると、角に近い部分ほど速くエッチングされるので表面が凸形状の曲率を有する曲面、すなわちレンズ状の断面形状に成形されたＧａＡｌＡｓ集光層２７が形成される。なお、エッチング条件によって、曲率等が変化するが、所望の形状を得るために、ＧａＡｌＡｓ層２６の膜厚を予め厚めあるいは薄めに成長させることは差し支えない。
【００３６】
この後、第１の反射防止膜１８、ｐ側電極１９、保護膜１６等からなる部分を例えばフォトレジスト（図示略）でカバーして、レンズ状のＧａＡｌＡｓ集光層２７表面に所定の厚さのＳｉＮ等の第２の反射防止膜２１を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２上にＳｉＮ等の保護膜２２を形成して、フォトレジストとフォトレジスト上のＳｉＮを除去することにより、図１に示すような半導体受光装置１を作製する。
【００３７】
上述した本実施の形態の半導体受光装置１によれば、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３を共有しながら、ｐ型領域１５を通して長波長帯の光及びＧａＡｌＡｓ集光層２７を通して短波長帯の光をそれぞれ入射することができる構造となっている。
【００３８】
即ち、図１に示すように、長波長帯の光に対しては、図中の矢印に示すように、例えば、ｎ型ＩｎＰ基板１１にほぼ垂直な方向から、第１の反射防止膜１８及びｐ型領域１５を通して光を入射することができる。この入射光はｐ型領域１５を通過して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で吸収されて、光を電気に変換する。この部分は、従来の長波長帯のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置と全く同じである。
【００３９】
一方、波長０．８５μｍの短波長帯では、図中の矢印に示すように、例えばｎ型ＩｎＰ基板１１に垂直な方向から数１０度傾斜させた方向から、第２の反射防止膜２１に光を入射させることができる。更に、入射光はＧａＡｌＡｓ集光層２７を通過して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で吸収されて、光を電気に変換する。ＧａＡｌＡｓ集光層２７は、ＧａとＡｓの組成比により、バンドギャップが変化するが、例えば、バンドギャップ波長を０．７５μｍに設定しておけば、０．８５μｍの短波長は吸収されることなく通過して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に送ることができる。ＧａＡｌＡｓ集光層２７表面はレンズ状に加工されているために、集光することができ、入射光を効率良くｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に送ることができ、必要な変換効率を確保できる。
【００４０】
そして、長波長帯の光に対して、ｐ型領域１５は通常の表面再結合を防止する窓層として機能する。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で発生した少数キャリアが表面再結合の影響を受けて効率が落ちることを防止して従来の高い効率を維持できる。
【００４１】
更に、キャップ層または窓層の膜厚が薄いと電界が高くなり暗電流が増加するという問題が発生する場合があるが、ｐ型領域１５は十分な膜厚を持っているので、高い電界がかかることはなく暗電流が増加するという問題は発生しない。また、ｐｎ接合は従来と同じ構造であり接合面積が増加することもないので接合容量が増加することはなく、従って１０Ｇｂｐｓの伝送速度を維持できる。
【００４２】
一方、短波長帯の光に対して、光がｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に入射してキャリアが発生した後は、上記長波長帯の光の場合と全く同じ作用効果が期待できる。すなわち、この場合も、ｐ型領域１５はｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で発生した少数キャリアが表面再結合することを防止し、その影響で効率が落ちることを抑制するので高い効率を維持できる。
【００４３】
また、本実施の形態の半導体受光装置の受光径、マウント形状等は従来の半導体受光装置と同様であるため、従来の半導体受光装置を置き換えて使用することができる。また、ｎ型ＩｎＰ基板の主面側からの入射光で、短波長帯の光と長波長帯の光とを受けることができるので、この半導体受光装置のマウント位置等を波長帯によって変更しなくても使用できる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体受光装置を図４を参照して説明する。図４は、第１の実施の形態の図１に対応する半導体受光装置を模式的に示す断面図であり、第１の実施の形態と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００４５】
本実施の形態の半導体受光装置２が第１の実施の形態と異なる点は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２とＧａＡｌＡｓ集光層１５との間に、それら層の格子定数の中間の格子定数を有する例えばＩｎＡｌＡｓ中間層２５を形成したことにある。
【００４６】
即ち、図４に示すように、第１導電型のｎ型ＩｎＰ基板１１表面上のｎ型ＩｎＰバッファ層とＧａＡｌＡｓ集光層２７との間に、ＩｎＡｌＡｓ中間層２５を、例えば厚さ約０．１μｍに形成している。このＩｎＡｌＡｓ中間層２５は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２における格子定数、例えば約０．５８７ｎｍとＧａＡｌＡＳ集光層２７における格子定数、例えば約０．５６６ｎｍとの中間の格子定数、例えば０．５７５ｎｍを有している。
【００４７】
次に、半導体受光装置２の製造方法は、図３（ａ）に示す第１の実施の形態の工程が終了した後、図３（ｂ）に示す工程において、ｎ型ＩｎＰ窓層１４とｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１３を選択的にエッチング除去し、フォトレジスト等を除去した後、フォトレジスト除去後のｎ型ＩｎＰキャップ層１４表面に、例えばＳｉＯ２マスク３２を形成する。そして、例えば、再びＭＯＣＶＤ装置内に載置し、露出されたｎ型ＩｎＰバッファ層１２表面上に、格子定数がｎ型ＩｎＰバッファ層１２の約０．５８７ｎｍとＧａＡｌＡＳ層２６の約０．５６６ｎｍの中間にある格子定数（０．５７５ｎｍ）を有するＩｎＡｌＡｓ中間層２５を厚さ約０．１μｍ成長させる。更に、そのＩｎＡｌＡｓ中間層２５表面上にＧａＡｌＡｓ層２６をｎ型ＩｎＰ窓層１４の表面と同一平面をなし、且つｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１３及びｎ型ＩｎＰキャップ層１４の側面と接するように選択的に成長させる。そして、ＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ＳｉＯ２マスク３２をエッチング除去する。
【００４８】
その後は、第１の実施の形態の図３（ｃ）以降の工程に従って、第１の実施形態と同様の工程を経て図４に示すような半導体受光装置２を作製する。
【００４９】
上述した第２の実施の形態の半導体受光装置２によれば、第１の実施の形態と同様の作用効果を有する他に、格子定数が下地のｎ型ＩｎＰバッファ層１２とＧａＡｌＡｓ集光層２７の中間にあるＩｎＡｌＡｓ中間層２５を、これらの間に挿入することによって、格子不整合による歪を緩和できる。従って、ＧａＡｌＡＳ集光層２７の結晶欠陥等の低減が可能となるため、光の透過率を向上させたり、凸形状のレンズを作製する時に、異常な表面の荒れ等を防ぐことができる。
【００５０】
本発明は、上述した第１及び第２の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。
【００５１】
例えば、所望の波長の光が、材料のバンドギャップ波長より長波側か、短波側かによって、吸収または透過が決まるので、０．８〜０．９μｍ帯の短波長帯の光を集光する材料として、本実施の形態ではＧａＡｌＡｓ系を使用した。しかしながら、バンドギャップによる制約を回避できる材料として、他に、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＰ等が考えられる。また、格子整合を取るために、格子定数が集光層と下地層との中間にあたる材料からなる層を挿入する方法を例示したが、化合物の３族組成を、例えばＭＯＣＶＤ成長時に、グレーディッドに変化させて、格子定数差を緩和することも有効である。
【００５２】
また、本実施の形態では、ｎ型ＩｎＰ基板の上に、全面にバッファ層、光吸収層及びキャップ層を形成し、エッチング除去した後、短波長帯の光を透過する集光層等を成長させたが、ｎ型ＩｎＰ基板の上に、例えばＳｉＯ２等からなるマスクをして、まず、バッファ層、光吸収層及びキャップ層を選択的に成長させ、次に、キャップ層の上に例えばＳｉＯ２等からなるマスクをして、中間層及び集光層を選択的に成長させてもよい。更に、バッファ層まではＩｎＰ基板の全面に成長させ、バッファ層より上の層の成長において、例えばＳｉＯ２マスク等を使用して選択成長させてもよい。
【００５３】
また、本実施の形態では、光通信用の長波長帯の１．３μｍ、１．５５μｍの光と、短波長帯の０．８５μｍの光を想定した例を示したが、波長のより短い０．７８μｍ帯や０．６５μｍ帯等の波長に感度を有する半導体受光装置においても、本実施の形態の半導体受光装置の考え方を適用できることは言うまでもない。また、本発明をアバランシェ・フォトダイオードに適用しても、長波長帯、短波長帯等の光に対して、フォトダイオードで得られた効果が同様に得られることは言うまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、長波長帯から短波長帯まで受光でき、暗電流が低く、受光感度が高い半導体受光装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す平面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【図５】従来の半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１、２、１０１ 半導体受光装置
１１、１１１ ｎ型ＩｎＰ基板
１２、１１２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
１３、１１３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１４、１１４ ｎ型ＩｎＰキャップ層
１５、１１５ ｐ型領域（拡散層）
１６、２２、１１６ 保護膜
１８ 第１の反射防止膜
１９、１１９ ｐ側電極
２０、１２０ ｎ側電極
２１ 第２の反射防止膜
２５ ＩｎＡｌＡｓ中間層
２６ ＧａＡｌＡｓ層
２７ ＧａＡｌＡｓ集光層
３１、３３、３４ フォトレジスト
３２ ＳｉＯ２マスク
１１８ 反射防止膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いられる半導体受光装置及びその製造方法に関し、特に長波長帯及び短波長帯で効率よく受光できる半導体受光装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信（以下、単に光通信）に用いられる半導体受光装置は、光ファイバを通して送信されてきた光信号を電気信号に変換する装置である。幹線系等の長距離伝送においては、現在、１．５５μｍ帯、及び１．３μｍ帯のいわゆる長波長帯が利用され、半導体受光装置には、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の材料が使用されている。
【０００３】
ここで、１μｍ帯（１．３、１．５５μｍ帯等）を長波長帯、０．８μｍ帯（０．８〜０．９μｍ）を短波長帯と大別する光通信分野での区分法にほぼ準じ、便宜的に約０．９μｍを境にして長波長側を長波長帯、短波長側を短波長帯と区別する。
【０００４】
このＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置は、従来、一般に、図５に示すような構造になっている。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置１０１は、ｎ型ＩｎＰ基板１１１の上面にｎ型ＩｎＰバッファ層１１２、低キャリア濃度のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３、及びｎ型ＩｎＰキャップ層１１４が順次積層形成されている。そして、このｎ型ＩｎＰキャップ層１１４の受光部となる領域にＺｎ等のｐ型ドーパントを選択的に拡散することによりｐ型領域１１５が形成されている。また、ｎ型ＩｎＰキャップ層１１４上面にＳｉＮ等からなる保護膜１１６が形成され、ｐ型領域１１５上面にＳｉＮ等からなる反射防止膜１１８が形成され、ｐ型領域１１５の上面周辺部に、リング状のｐ側電極１１９が形成され、更に、ｎ型ＩｎＰ基板１１１の下面には、ｎ側電極１２０が形成されている。
【０００５】
そして、この半導体受光装置１０１においては、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３とｐ型領域１１５とのｐｎ接合に逆バイアス電圧が印加されたとき、入射した光信号は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３に形成される空乏領域で吸収されて、電子とホールに分離され、電界によりドリフトして光電流として検出されることが知られている。
【０００６】
また、この半導体受光装置１０１は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３で発生した少数キャリアが表面再結合の影響を受けて、光電流に寄与する割合が減ることを防ぐために、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１３のバンドギャップより大きなバンドギャップを持つｎ型ＩｎＰキャップ層１１４を積層して、このｎ型ＩｎＰキャップ層１１４の一部にｐ型に転換されたｐ型領域１１５を設ける。そのために、ＩｎＰのバンドギャップで制約される波長約０．９２μｍより長波長で、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップで制約される波長約１．６７μｍより短波長に対して、この半導体受光装置１０１は機能する。すなわち、実用的には約１．０μｍから約１．６μｍの波長に対して感度があり、従来の長距離伝送用の光通信で使用されている波長範囲を十分カバーできる特性を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
近年、画像等の大容量の情報を伝送する要求がますます高まり、数１００ｍから数１０ｋｍの伝送が可能な高速ネットワークの規格が標準化されている。長距離伝送では、幹線系光通信技術等を基にしており、１．５５μｍ帯、１．３μｍ帯の長波長帯を使い、短距離伝送では、短波長帯の０．８５μｍ帯が使用される。これらの新しい光通信ネットワークの普及のために、規格にある長波長帯と短波長帯の両波長帯を受光できる一体化した半導体受光装置が望まれている。
【０００８】
ところで、上記ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置では、短波長帯の受光感度は、その光入射側の表面に設けられたＩｎＰ窓層のバンドギャップ波長０．９２μｍによって制約を受けるため、短波長帯の０．８５μｍ帯を受光することができないという問題がある。
【０００９】
この従来の問題を解決するために、ＩｎＰキャップ層の厚さを０．１μｍ以下に薄くして、例えば０．７〜０．８μｍ帯の入射光の一部はこのＩｎＰキャップ層で吸収されるものの、実用になる程度の光を通過させようとする半導体受光素子が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１０】
しかしながら、この半導体受光素子では、暗電流が、バイアス電圧５Ｖを越えると急激に大きくなる問題がある。
【００１１】
また、ＩｎＰキャップ層にＡｓを微量ドープして、その格子定数を大きくすることにより、ＩｎＰキャップ層の光吸収係数を小さくして、入射光の吸収を減らすことによって、光吸収層へ到達する光量を増やして、結果として受光感度を高める受光素子が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１２】
しかしながら、この受光素子では、受光感度は高まる傾向にあるものの、感度が不充分という問題がある。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００２−５０７８５号公報（第４頁、図８）
【００１４】
【特許文献２】
特開平２−２３１７７５号公報（第３、４頁、第１図）
【００１５】
【特許文献３】
特許第２８６０６９５号明細書（第２、３頁、第１図）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、特許文献１の半導体受光装置においては、０．９μｍ以下の短波長帯の受光ができない問題があり、特許文献２の半導体受光素子は、暗電流が大きくなる問題があり、また特許文献３の受光素子は、受光感度が不充分という問題がある。
【００１７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、長波長帯から短波長帯まで受光でき、暗電流が低く、受光感度が高い半導体受光装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体受光装置は、半導体基板の主面に選択的に形成され、且つ第１の波長帯の光とそれよりも短波長の第２の波長帯の光とを吸収する第１導電型の光吸収層と、前記光吸収層表面に積層形成され、且つ前記第１の波長帯の光を透過し、前記第２の波長帯の光を吸収する第１導電型のキャップ層と、前記キャップ層に選択的に形成された第２導電型の拡散層と、前記半導体基板の主面に前記キャップ層及び前記光吸収層と隣接して並設され、表面が凸形状の曲率を有し、且つ前記第２の波長帯の光を透過し、前記光吸収層に集光させる集光層とを有して、前記拡散層を透過した前記第１の波長帯の光と前記集光層を透過した前記第２の波長帯の光とを前記光吸収層に導入することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の別の態様の半導体受光装置の製造方法は、半導体基板の主面に第１の波長帯の光及びそれより短波長の第２の波長帯の光を吸収する第１導電型の光吸収層と前記第１の波長帯の光に透明な第１導電型のキャップ層とをこの順序で選択的に積層形成する工程と、前記半導体基板の主面に前記光吸収層及び前記キャップ層の側面と隣接して並設され、前記第２の波長帯の光に透明な半導体層を形成する工程と、前記キャップ層に選択的に第２導電型の不純物を導入して第２導電型の拡散層を形成する工程と、前記拡散層表面に第１の反射防止膜を形成する工程と、前記拡散層に接続する第１の電極を形成し、前記半導体基板の主面と対向する面に第２の電極を形成する工程と、前記半導体層表面を凸形状の曲率を有する曲面に形成して、前記第２の波長帯の光を前記光吸収層に集光させる集光層を形成する工程と、前記集光層表面に第２の反射防止膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１はその半導体受光装置を模式的に示す断面図、図２は半導体受光装置を模式的に示す平面図、そして、図３はその半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図２の各構成要素は、強調すべき構成要素を相対的に大きく描いてある図１及び図３の構成要素の大きさと比較すると、比率が異なって表現されている。
【００２２】
まず、図１に示すように、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置１は、半導体基板である第１導電型のｎ型ＩｎＰ基板１１の主面、例えば上面全面にｎ型ＩｎＰバッファ層１２が形成され、そのｎ型ＩｎＰバッファ層１２表面の一部にｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３が選択的に形成され、そのｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３表面にｎ型ＩｎＰキャップ層１４が積層形成されている。
【００２３】
そして、このｎ型ＩｎＰキャップ層１４の所定領域にＺｎ等のｐ型ドーパントを選択的に拡散することにより、第２導電型であるｐ型領域１５が形成されて、長波長帯の光に対してこれを窓層とする受光部を構成している。また、このｐ型領域１５表面に所定膜厚のＳｉＮ等からなる第１の反射防止膜１８が形成されており、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４表面にＳｉＮ等からなる保護膜１６が形成されている。
【００２４】
一方、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２表面の残部には、ＧａＡｌＡｓ集光層２７がｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３と隣接して並置され、しかも、そのｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３の側面と接触して設けられている。また、このＧａＡｌＡｓ集光層２７は、短波長帯の入射光をｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に集光するための曲率を持った凸形状に成形され、その表面には例えばＳｉＮ等からなる第２の反射防止膜２１が形成されている。
【００２５】
また、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２の露出表面には、反射防止膜２１と同様の材料からなる保護膜２２が形成されている。
【００２６】
そして、図２に示すように、ｐ型領域１５（平面図には表示されない）の表面周辺部には、第１の反射防止膜１８設けたリング状の開口を介して、Ａｕを主成分とするｐ側電極１９が形成されており、このｐ側電極１９の一部分には、保護膜１６上に延在した、ボンディングワイヤ等接続のためのボンディングパッド部を有する構造となっている。更に、ｎ型ＩｎＰ基板１１の主面と対向する面、例えば、下面には、Ａｕを主成分とするｎ側電極２０（平面図には表示されない）が形成されている。
【００２７】
ここでは、第１の反射防止膜１８の径である受光径は例えば３０μｍであり、それを取り巻くリング状のｐ側電極の幅は例えば５μｍであり、また、その外側にあるリング状の第２の反射防止膜２１の平面図上の幅は例えば５μｍである。
【００２８】
次に、上記構造の半導体受光装置の製造方法について、図３を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、キャリア濃度１〜７Ｅ１８／ｃｍ３のｎ型ＩｎＰ基板１１を、例えばＭＯＣＶＤ装置内に載置し、その表面全面にキャリア濃度１〜５Ｅ１８／ｃｍ３、膜厚２〜３μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層１２を成長させ、次に、格子整合されたキャリア濃度０．８〜２Ｅ１５／ｃｍ３、膜厚約１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３を成長させた後、キャリア濃度１〜５Ｅ１５／ｃｍ３、膜厚約３μｍのｎ型ＩｎＰキャップ層１４を順次成長させる。その後、ＭＯＣＶＤ装置から成長済みのｎ型ＩｎＰ基板１１を取り出して、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４の、ｐｎ接合及びボンディングパッド形成予定領域を含む所定表面部をフォトレジスト３１でマスクして、例えばＨＣｌ系の薬液あるいはドライエッチング法を用いて、露出したｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３部分をｎ型ＩｎＰバッファ層１２に到達する深さまで、選択的にエッチング除去する。
【００２９】
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト３１を除去し、その後の所定表面部に、例えばＳｉＯ２マスク３２を形成する。そして、例えば、再びＭＯＣＶＤ装置内に載置し、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２の露出面上にｎ型ＩｎＰキャップ層１４の表面と同一面をなし、且つｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３の側面と接するようにＧａＡｌＡｓ層２６を選択的に成長させる。そして、ＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ＳｉＯ２マスクをエッチング除去する。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、例えばＳｉＮからなる保護膜１６を、周知のＣＶＤ法等により、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４及びＧａＡｌＡｓ層２６表面に形成した後、ｎ型ＩｎＰキャップ層１４のｐｎ接合の形成予定領域にドライエッチング法等で開口部を設けて、周知の熱拡散法によりｐ型ドーパントであるＺｎをｎ型ＩｎＰキャップ層１４表面から選択的に拡散して、ｐ型領域１５を形成する。このＺｎの拡散は、ｐｎ接合面がｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に到達した直後で止まるように行う。
【００３１】
その後、図３（ｄ）に示すように、例えば、ＳｉＮからなる第１の反射防止膜１８をｐ型領域１５及び保護膜１６の表面に堆積した後、第１の反射防止膜１８に開口を設け、次に、例えばパターニングされたリフトオフマスク等を使用して、Ａｕを主とする導電性膜を蒸着法等で堆積し、ｐ側電極１９以外の導電性膜はリフトオフマスクとともに除去して、ｐ型領域１５に接続したｐ側電極１９を形成する。このｐ側電極１９は、例えば、径３０μｍの第１の反射防止膜１８の回りにｐ型領域１５に接触するようにリング状に形成され、そのリング状の一部に保護膜１６上に延在するボンディングパッド部を有する構造に形成されている。
【００３２】
この後、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面を機械的、化学的研磨法等でｎ型ＩｎＰ基板１１の厚さを１２０〜２００μｍになるまで研磨除去して、最終的には鏡面に仕上げる。そして、Ａｕを主とする導電性膜を蒸着等で形成して、熱処理を行って、ｎ側電極２０を形成する。この熱処理によって、両側の電極のオーミック接触が形成される。
【００３３】
そして、ｐ側電極１９を含む第１の反射防止膜１８及び保護膜１６の表面全体に例えばフォトレジスト３３を塗布し、ｐ型領域１５を挟んでｎ型ＩｎＰキャップ層１４とは反対側に約５μｍ離れた位置から外側面までのＧａＡｌＡｓ層２６の領域表面上のフォトレジスト３３を開口した後、このフォトレジスト３３をマスクとして、破線で示す露出した保護膜１６、ＧａＡｌＡｓ層２６をドライエッチング法等で表面に垂直方向に順次除去し、その後、フォトレジスト３３を除去する。
【００３４】
次に、図３（ｅ）に示すように、例えばフォトレジスト３４をマスクにして、ＧａＡｌＡｓ層２６上の保護膜１６を除去して、ＧａＡｌＡｓ層２６を露出させる。
【００３５】
次に、フォトレジスト３４をマスクにしてＧａＡｌＡｓ層２６を例えば硫酸系の薬液による等方性のエッチングによりエッチングすると、角に近い部分ほど速くエッチングされるので表面が凸形状の曲率を有する曲面、すなわちレンズ状の断面形状に成形されたＧａＡｌＡｓ集光層２７が形成される。なお、エッチング条件によって、曲率等が変化するが、所望の形状を得るために、ＧａＡｌＡｓ層２６の膜厚を予め厚めあるいは薄めに成長させることは差し支えない。
【００３６】
この後、第１の反射防止膜１８、ｐ側電極１９、保護膜１６等からなる部分を例えばフォトレジスト（図示略）でカバーして、レンズ状のＧａＡｌＡｓ集光層２７表面に所定の厚さのＳｉＮ等の第２の反射防止膜２１を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２上にＳｉＮ等の保護膜２２を形成して、フォトレジストとフォトレジスト上のＳｉＮを除去することにより、図１に示すような半導体受光装置１を作製する。
【００３７】
上述した本実施の形態の半導体受光装置１によれば、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３を共有しながら、ｐ型領域１５を通して長波長帯の光及びＧａＡｌＡｓ集光層２７を通して短波長帯の光をそれぞれ入射することができる構造となっている。
【００３８】
即ち、図１に示すように、長波長帯の光に対しては、図中の矢印に示すように、例えば、ｎ型ＩｎＰ基板１１にほぼ垂直な方向から、第１の反射防止膜１８及びｐ型領域１５を通して光を入射することができる。この入射光はｐ型領域１５を通過して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で吸収されて、光を電気に変換する。この部分は、従来の長波長帯のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体受光装置と全く同じである。
【００３９】
一方、波長０．８５μｍの短波長帯では、図中の矢印に示すように、例えばｎ型ＩｎＰ基板１１に垂直な方向から数１０度傾斜させた方向から、第２の反射防止膜２１に光を入射させることができる。更に、入射光はＧａＡｌＡｓ集光層２７を通過して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で吸収されて、光を電気に変換する。ＧａＡｌＡｓ集光層２７は、ＧａとＡｓの組成比により、バンドギャップが変化するが、例えば、バンドギャップ波長を０．７５μｍに設定しておけば、０．８５μｍの短波長は吸収されることなく通過して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に送ることができる。ＧａＡｌＡｓ集光層２７表面はレンズ状に加工されているために、集光することができ、入射光を効率良くｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に送ることができ、必要な変換効率を確保できる。
【００４０】
そして、長波長帯の光に対して、ｐ型領域１５は通常の表面再結合を防止する窓層として機能する。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で発生した少数キャリアが表面再結合の影響を受けて効率が落ちることを防止して従来の高い効率を維持できる。
【００４１】
更に、キャップ層または窓層の膜厚が薄いと電界が高くなり暗電流が増加するという問題が発生する場合があるが、ｐ型領域１５は十分な膜厚を持っているので、高い電界がかかることはなく暗電流が増加するという問題は発生しない。また、ｐｎ接合は従来と同じ構造であり接合面積が増加することもないので接合容量が増加することはなく、従って１０Ｇｂｐｓの伝送速度を維持できる。
【００４２】
一方、短波長帯の光に対して、光がｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３に入射してキャリアが発生した後は、上記長波長帯の光の場合と全く同じ作用効果が期待できる。すなわち、この場合も、ｐ型領域１５はｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で発生した少数キャリアが表面再結合することを防止し、その影響で効率が落ちることを抑制するので高い効率を維持できる。
【００４３】
また、本実施の形態の半導体受光装置の受光径、マウント形状等は従来の半導体受光装置と同様であるため、従来の半導体受光装置を置き換えて使用することができる。また、ｎ型ＩｎＰ基板の主面側からの入射光で、短波長帯の光と長波長帯の光とを受けることができるので、この半導体受光装置のマウント位置等を波長帯によって変更しなくても使用できる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体受光装置を図４を参照して説明する。図４は、第１の実施の形態の図１に対応する半導体受光装置を模式的に示す断面図であり、第１の実施の形態と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００４５】
本実施の形態の半導体受光装置２が第１の実施の形態と異なる点は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２とＧａＡｌＡｓ集光層１５との間に、それら層の格子定数の中間の格子定数を有する例えばＩｎＡｌＡｓ中間層２５を形成したことにある。
【００４６】
即ち、図４に示すように、第１導電型のｎ型ＩｎＰ基板１１表面上のｎ型ＩｎＰバッファ層とＧａＡｌＡｓ集光層２７との間に、ＩｎＡｌＡｓ中間層２５を、例えば厚さ約０．１μｍに形成している。このＩｎＡｌＡｓ中間層２５は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２における格子定数、例えば約０．５８７ｎｍとＧａＡｌＡＳ集光層２７における格子定数、例えば約０．５６６ｎｍとの中間の格子定数、例えば０．５７５ｎｍを有している。
【００４７】
次に、半導体受光装置２の製造方法は、図３（ａ）に示す第１の実施の形態の工程が終了した後、図３（ｂ）に示す工程において、ｎ型ＩｎＰ窓層１４とｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１３を選択的にエッチング除去し、フォトレジスト等を除去した後、フォトレジスト除去後のｎ型ＩｎＰキャップ層１４表面に、例えばＳｉＯ２マスク３２を形成する。そして、例えば、再びＭＯＣＶＤ装置内に載置し、露出されたｎ型ＩｎＰバッファ層１２表面上に、格子定数がｎ型ＩｎＰバッファ層１２の約０．５８７ｎｍとＧａＡｌＡＳ層２６の約０．５６６ｎｍの中間にある格子定数（０．５７５ｎｍ）を有するＩｎＡｌＡｓ中間層２５を厚さ約０．１μｍ成長させる。更に、そのＩｎＡｌＡｓ中間層２５表面上にＧａＡｌＡｓ層２６をｎ型ＩｎＰ窓層１４の表面と同一平面をなし、且つｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１３及びｎ型ＩｎＰキャップ層１４の側面と接するように選択的に成長させる。そして、ＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ＳｉＯ２マスク３２をエッチング除去する。
【００４８】
その後は、第１の実施の形態の図３（ｃ）以降の工程に従って、第１の実施形態と同様の工程を経て図４に示すような半導体受光装置２を作製する。
【００４９】
上述した第２の実施の形態の半導体受光装置２によれば、第１の実施の形態と同様の作用効果を有する他に、格子定数が下地のｎ型ＩｎＰバッファ層１２とＧａＡｌＡｓ集光層２７の中間にあるＩｎＡｌＡｓ中間層２５を、これらの間に挿入することによって、格子不整合による歪を緩和できる。従って、ＧａＡｌＡＳ集光層２７の結晶欠陥等の低減が可能となるため、光の透過率を向上させたり、凸形状のレンズを作製する時に、異常な表面の荒れ等を防ぐことができる。
【００５０】
本発明は、上述した第１及び第２の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。
【００５１】
例えば、所望の波長の光が、材料のバンドギャップ波長より長波側か、短波側かによって、吸収または透過が決まるので、０．８〜０．９μｍ帯の短波長帯の光を集光する材料として、本実施の形態ではＧａＡｌＡｓ系を使用した。しかしながら、バンドギャップによる制約を回避できる材料として、他に、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＰ等が考えられる。また、格子整合を取るために、格子定数が集光層と下地層との中間にあたる材料からなる層を挿入する方法を例示したが、化合物の３族組成を、例えばＭＯＣＶＤ成長時に、グレーディッドに変化させて、格子定数差を緩和することも有効である。
【００５２】
また、本実施の形態では、ｎ型ＩｎＰ基板の上に、全面にバッファ層、光吸収層及びキャップ層を形成し、エッチング除去した後、短波長帯の光を透過する集光層等を成長させたが、ｎ型ＩｎＰ基板の上に、例えばＳｉＯ２等からなるマスクをして、まず、バッファ層、光吸収層及びキャップ層を選択的に成長させ、次に、キャップ層の上に例えばＳｉＯ２等からなるマスクをして、中間層及び集光層を選択的に成長させてもよい。更に、バッファ層まではＩｎＰ基板の全面に成長させ、バッファ層より上の層の成長において、例えばＳｉＯ２マスク等を使用して選択成長させてもよい。
【００５３】
また、本実施の形態では、光通信用の長波長帯の１．３μｍ、１．５５μｍの光と、短波長帯の０．８５μｍの光を想定した例を示したが、波長のより短い０．７８μｍ帯や０．６５μｍ帯等の波長に感度を有する半導体受光装置においても、本実施の形態の半導体受光装置の考え方を適用できることは言うまでもない。また、本発明をアバランシェ・フォトダイオードに適用しても、長波長帯、短波長帯等の光に対して、フォトダイオードで得られた効果が同様に得られることは言うまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、長波長帯から短波長帯まで受光でき、暗電流が低く、受光感度が高い半導体受光装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す平面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【図５】従来の半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１、２、１０１ 半導体受光装置
１１、１１１ ｎ型ＩｎＰ基板
１２、１１２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
１３、１１３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１４、１１４ ｎ型ＩｎＰキャップ層
１５、１１５ ｐ型領域（拡散層）
１６、２２、１１６ 保護膜
１８ 第１の反射防止膜
１９、１１９ ｐ側電極
２０、１２０ ｎ側電極
２１ 第２の反射防止膜
２５ ＩｎＡｌＡｓ中間層
２６ ＧａＡｌＡｓ層
２７ ＧａＡｌＡｓ集光層
３１、３３、３４ フォトレジスト
３２ ＳｉＯ２マスク
１１８ 反射防止膜
Claims (11)
- 半導体基板の主面に選択的に形成され、且つ第１の波長帯の光とそれより短波長の第２の波長帯の光とを吸収する第１導電型の光吸収層と、
前記光吸収層表面に積層形成され、且つ前記第１の波長帯の光を透過し、前記第２の波長帯の光を吸収する第１導電型のキャップ層と、
前記キャップ層に選択的に形成された第２導電型の拡散層と、
前記半導体基板の主面に前記キャップ層及び前記光吸収層と隣接して並設され、表面が凸形状の曲率を有し、且つ前記第２の波長帯の光を透過し、前記光吸収層に集光させる集光層と、
を有して、前記拡散層を透過した前記第１の波長帯の光と前記集光層を透過した前記第２の波長帯の光とを前記光吸収層に導入することを特徴とする半導体受光装置。 - 前記拡散層は、前記光吸収層に達していることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
- 前記キャップ層はＩｎＰ層、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光装置。
- 前記集光層の組成は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎからなる３族元素と、Ａｓ及びＰからなる５族元素とを組合せたＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ、ｚ≦１）と表される化合物であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の半導体受光装置。
- 前記半導体基板と前記集光層との間に、前記半導体基板と前記集光層の格子定数の中間の格子定数を有する中間層を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体受光装置。
- 前記集光層は、前記半導体基板側で接する第１領域における格子定数とそれ以外の第２領域における格子定数が異なり、且つ前記第１領域における格子定数は、前記第２領域の格子定数と前記半導体基板の格子定数の間の格子定数であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体受光装置。
- 半導体基板の主面に第１の波長帯の光及びそれより短波長の第２の波長帯の光を吸収する第１導電型の光吸収層と前記第１の波長帯の光に透明な第１導電型のキャップ層とをこの順序で選択的に積層形成する工程と、
前記半導体基板の主面に前記光吸収層及び前記キャップ層の側面と隣接して並設され、前記第２の波長帯の光に透明な半導体層を形成する工程と、
前記キャップ層に選択的に第２導電型の不純物を導入して第２導電型の拡散層を形成する工程と、
前記拡散層表面に第１の反射防止膜を形成する工程と、
前記拡散層に接続する第１の電極を形成し、前記半導体基板の主面と対向する面に第２の電極を形成する工程と、
前記半導体層表面を凸形状の曲率を有する曲面に形成して、前記第２の波長帯の光を前記光吸収層に集光させる集光層を形成する工程と、
前記集光層表面に第２の反射防止膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体受光装置の製造方法。 - 前記光吸収層はｎ型ＩｎＧａＡｓ層、前記キャップ層はｎ型ＩｎＰ層であることを特徴とする請求項７に記載の半導体受光装置の製造方法。
- 前記集光層の組成は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎからなる３族元素と、Ａｓ及びＰからなる５族元素とを組合せたＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ、ｚ≦１）と表される化合物であることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体受光装置の製造方法。
- 前記集光層となる前記半導体層は、前記半導体基板と前記集光層のそれらの格子定数の中間の格子定数を有する中間層を介して設けられることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の半導体受光装置の製造方法。
- 前記集光層は、前記半導体基板側と接する第１領域における格子定数がそれ以外の第２領域における格子定数に比べて、前記半導体基板の格子定数に近い格子定数を持つように形成されることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の半導体受光装置の製造方法。
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