JP2005064400A

JP2005064400A - 半導体受光素子とその製造方法

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Publication number: JP2005064400A
Application number: JP2003295795A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Muramoto; 好史村本; Yukihiro Hirota; 幸弘廣田; Hiroshi Ito; 弘伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】受光感度の偏波無依存化状態を得ることと、入射する光のスポットサイズにかかわらず偏波無依存化状態を安定して得ることを目的とする。
【解決手段】基板１４上に形成された光吸収層１２を含む半導体の積層構造１１，１２からなり、前記光吸収層１２に対し、入射光１８，１９を下方から斜めに入射させ、半導体の積層構造表面で反射させ再び光吸収層１２へ導く半導体受光素子において、積層構造表面上に形成された電極１５は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体受光素子とその製造方法に関する。

光通信や計測などの分野において、光信号を電気信号に変換する受光素子としてフォトダイオードが広く用いられている。
また、フォトダイオードにおいて、帯域の低下を抑制しつつ効率を増大させる方法として、光を光吸収層の層厚方向に対して基板下方より斜めに通過させることで実効的な吸収長を増大させる構成が報告されている。

その代表的な構造として屈折型半導体受光素子（特許文献１）の素子構造の一例を図４に示す。
図４において、３１は光入射端面、３２はｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、３３はアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層、３４はｎ⁺−ＩｎＰコンタクト層、３５は半絶縁性ＩｎＰ基板、３６はｐ電極、３７はｎ電極である。
この構造において、逆メサ形状の光入射端面３１を通して入射した信号光は基板下方から斜めに光吸収層３３を通過し、コンタクト層３２，光吸収層３３及びコンタクト層３４よりなる半導体積層構造表面で反射して再び光吸収層３３を斜めに通過する。

異なる屈折率を持つ材質の界面を光が斜めによぎる場合、光の偏光状態によって反射率に差が発生する。
その結果、受光感度に光の偏光状態による依存性が起きてしまうという問題があった。
この問題を解決する方法として、受光感度が入射光の偏光状態に対しほとんど等しくなるように層構造を最適化する手法が提案され（特許文献２）、この手法を利用した一例として、積層構造表面に形成する電極形状をリング型にした素子が報告されている（E-COC2000 Proceedings Vol.2 pp.109-pp.110）。

その素子構造を図５及び図６に示す。
図５、図６において、４１はｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、４２はノンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層、４３はｎ⁺−ＩｎＰコンタクト層、４４は半絶縁性のＩｎＰ基板、４５はリング型ｐ電極、４６はｎ電極、４７と４８は入射光である。
リング型ｐ電極４５の採用は積層構造表面において半導体と空気の界面で全反射を得るためであり、金属を反射面とした場合の金属と半導体界面の散乱による反射率の低下と界面の位置の不確定性を解消するためである。

図５（ａ）は入射光４７のスポットサイズ（パワーが最大値の１／ｅ²となる直径）がリングｐ電極４５の開口部よりも小さい場合の素子上面図であり、図５（ｂ）はその上面図におけるＡ−Ａ’での断面図を示している。
図５（ｂ）に示すように、基板４４から入射した信号光４７は、光吸収層４２を斜めに通過した後に、リング型ｐ電極４５の開口部で反射するが、ここで光のスポットサイズが電極開口部よりも小さいときは、全ての光は全反射条件で反射し、再び光吸収層４２を通過する。

しかし、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、入射光４８のスポットサイズが電極開口部よりも大きい場合、ｐ電極４５で反射して再び光吸収層４２を通過するのはその一部の光である。
本手法を用いた場合、反射面が電極界面であるか、空気や誘電体界面の様な全反射面であるかによって、偏波依存性は異なる。
よって図５及び図６に示すような素子構造を採った場合には、入射する光のスポットサイズを考慮し、電極での反射の割合も含めて最適な層構造を設計する必要がある。

しかし、上記の構造では実際のスポットサイズが異なり、入射位置が開口部中心からずれる場合、光が電極部にかかる割合が異なるため、偏波依存性の制御が難しくなるという問題があった。
また、リング型ｐ電極の開口部中心付近で発生したキャリアが電極に到達する間に、コンタクト層４１が抵抗層として作用し、高周波特性の劣化と、高電流動作時に発熱等で素子劣化が生じるという問題もあった。
特開平１０−１９００４２特開２００１−１１１０９２

本発明は、従来のリング型電極構造で生じるこれらの問題点を解消するためのものであって、基板上に形成された光吸収層を含む積層構造からなり、前記光吸収層に対し、入射光を斜めに入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び光吸収層へ導く構成の半導体受光素子において、受光感度の偏波無依存化状態を得ることと、入射する光のスポットサイズにかかわらず偏波無依存化状態を安定して得ることを目的とする。
更に、高周波特性の劣化と、高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造からなり、前記光吸収層に対し、入射光を斜め下方より入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び光吸収層へ導く半導体受光素子において、前記積層構造表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明の請求項２に係る半導体受光素子の製造方法は、請求項１に記載された半導体受光素子を製造する方法において、前記積層構造表面に絶縁膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上にリソグラフィにより格子状のレジストパターンを作製する工程と、反応性イオンエッチングにより前記絶縁膜を部分的に除去し、格子状の絶縁膜パターンを形成する工程と、前記レジストパターンを除去する工程と、前記格子状パターンを覆うように全面に電極用金属を堆積する工程により、格子状の電極を形成することを特徴とする。

本発明は、基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造に、入射光を斜めに入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び前記光吸収層へ導く構成の半導体受光素子において、表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることにより、受光感度の偏波無依存化状態を得ることと、入射する光のスポットサイズにかかわらず偏波無依存化状態を安定して得ることが可能になる。

また、電極は表面に接している部分の形状が格子状になっている事から、発生したキャリアが電極に到達する距離はリング型形状に比べて短くなるため、コンタクト層が抵抗層として作用することも無く、高周波数特性の劣化と、高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することが可能である。

本発明の最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本形態は基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造に信号光を基板下方から斜めに入射させ、積層構造表面で反射させ再び光吸収層へ導く構成の半導体受光素子において、図１、図２に示すように積層構造表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。

本形態では表面に接している部分の電極の形状が格子状であるため、図１（ａ）（ｂ）に示すように入射光のスポットサイズが小さい場合も、図２（ａ）（ｂ）に示すようにスポットサイズが大きい場合も、光が積層構造表面の電極で反射される割合は一定である。
そこで、予め格子状パターンの大きさを決めて、反射面における電極と電極開口部の割合で層構造を最適化しておくことにより、受光感度の偏波無依存化が可能になるとともに、スポットサイズにかかわらず常に安定した偏波無依存化状態の実現が可能となる。

また、電極は表面に接している部分の形状が格子状であることから、発生したキャリアが電極に到達する距離はリング型形状に比べて短くなるため、コンタクト層が抵抗層として作用することも無くなり、高周波特性の劣化と高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することが可能である。

本形態の素子を製作するにあたり、格子状の電極幅あるいは開口部の大きさが１μｍ以下になると、一般的な電極形成工法であるリフトオフ法による製作が困難になる。
そこで、図３に示すように電極を形成する基板表面に絶縁膜による格子状パターンを形成し、パターン全面を覆うように電極を形成することで、表面に接している部分の形状が１μｍ以下の微細な格子状である電極の形成が可能となる。

本発明の第一の実施例に係る半導体受光素子の具体例を図１、図２に示す。
図１、図２において、１１は０．１μｍ厚ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１２はアンドープ０．４７５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１３は０．５μｍ厚ｎ⁺−ＩｎＰコンタクト層、１４は半絶縁性のＩｎＰ基板、１５はｐ電極、１６はｎ電極、１７はＳｉＯ₂絶縁膜である。

ｐ電極１５はサイズ７μｍ×１６μｍ、電極幅０．５μｍ、開口部１．２μｍ×１．２μｍの格子状であり、反射面全体に対する電極部の面積の割合は０．５である。
即ち、コンタクト層１１とｐ電極１５が接している部分と、ＳｉＯ₂絶縁膜１７によりマスクされている部分の面積の割合は１：１である。

本実施例では、この割合を考慮して、受光感度偏波無依存化の最適な層構造、具体的には、アンドープ層ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の厚さを設計している。
図１（ａ）は波長１．５５μｍ、スポットサイズ３μｍの光１８が基板端面を介して斜めに入射した場合の上面図であり、図１（ｂ）は、その上面図のＡ−Ａ’における断面図である。
図２（ａ）は波長１．５５μｍ、スポットサイズ６μｍの光１９が基板端面を介して斜めに入射した場合の上面図であり、図２（ｂ）は、その上面図のＡ−Ａ’における断面図を示す。

どちらの場合でも反射面全体に対する電極部の面積の割合は０．５で変わらないため、偏波依存性も０．１ｄＢ以下に抑制されたままになる。
また、ｐ電極１５は表面に接している部分の形状が格子状であることから、発生したキャリアが電極に到達する距離はリング型形状に比べて短くなるため、コンタクト層１１が抵抗層として作用する効果はほとんど無視できる。
この結果、高周波特性の劣化と高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することが可能である。

本実施例では、ｐｉｎフォトダイオードとして説明したが、Uni-traveling-carrier（ＵＴＣ）フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードの様な半導体の多層膜で構成される半導体受光素子全てにおいて同様の効果がある。
また、反射面でのｐ電極開口部はＳｉＯ₂絶縁膜を堆積するとして説明したが、これはＳｉＮ_x膜やＴｉＯ₂膜の様な他の誘電体膜としても良い。
また、入射光の波長は１．５５μｍで説明したが、他の波長の光に対してもそれに応じた最適設計をする事で同様の効果が得られる。

また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓなどの他の材料系でも良い。
また、反射面全体に対する電極部の面積の割合を０．５となるように大きさを決定したが、用途に応じて割合を、例えば、０．１〜０．９の範囲で変えた場合でも、その割合に応じて最適化設計、具体的にはアンドープ光吸収層の範囲で厚さを最適化する事で同様の効果が得られる。

なお、反射面全体に対する電極部の面積の割合を０．１としたときは、電極開口部が大きいため、金属電極による全反射面の割合が大きくなり受光感度が上がる。一方、その割合を０．９とした時は、電極開口部が小さくなり、コンタクト抵抗が下がるという効果を奏する。

実施例１で説明したｐ電極を製作する方法を図３（ａ）〜（ｆ）を用いて具体的に説明する。
図３において、２１は０．１μｍ厚ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２２はＳｉＯ₂絶縁膜、２３はフォトレジスト、２４はｐ電極である。

先ず、図３（ａ）に示すように、積層構造の最表面層であるコンタクト層２１上にスパッタリング法によりＳｉＯ₂絶縁膜２２を堆積する。
次に、図３（ｂ）に示すように、サイズ１．２μｍ×１．２μｍの正方形を０．５μｍ間隔で並べたレジストパターンをフォトリソグラフィによりＳｉＯ₂絶縁膜２２上に形成する。

引き続き、図３（ｃ）に示すように、リアクティブイオンエッチング法によりレジストパターンを絶縁膜２２に転写し、その後、図３（ｄ）に示すように、レジストを除去する。この段階で格子状の電極の開口部が形成されている。

更に、図３（ｅ）に示すように、絶縁膜パターンを覆うようにｐ電極パターンをレジストでフォトリソグラフィにより形成し、ｐ電極用金属を堆積する。
最後に図３（ｆ）に示すように、リフトオフ法によりレジストと余分な金属を除去し、電極幅０．５μｍ、開口部１．２μｍ×１．２μｍの格子状ｐ電極２４が形成される。

本実施例では一般的なフォトリソグラフィで説明したが、更に微細化する事を目的として、電子描画リソグラフィを用いても良い。
また、ｐ電極２４の反射面における電極開口部をスパッタリング法により堆積したＳｉＯ₂絶縁膜として説明したが、これはＳｉＮ_x膜やＴｉＯ₂膜の様な他の誘電体膜で良いし、堆積もプラズマ−ＣＶＤ法の様な他の方法を用いても良い。
また、本実施例では入射光は下方より基板端面を介して斜めに入射させる形態について示したが、基板の裏面より斜めに入射させる形態でも良い。

このように説明したように、本発明は、光ファイバ通信や光計測に用いられる半導体受光素子に関するものであり、入射光を下方より斜めに入射させる形態の受光素子において、光吸収層上方に形成された電極が格子状であることに特徴がある。
このような構造をとることにより、入射光のスポットサイズに依存せず、常に受光感度が偏波無依存であり、かつ内部抵抗が低下することにより高周波特性に優れる半導体受光素子を実現できる。

本発明は光通信や計測などの分野において広く利用可能なものである。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体受光素子を示す上面図、図１（ｂ）はその上面図中のＡ−Ａ’線断面図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体受光素子を示す上面図、図２（ｂ）はその上面図中のＡ−Ａ’断面図である。図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施例に係る半導体受光素子の製造方法を示す工程図である。従来の半導体受光素子を示す断面図である。図５（ａ）は、リング型電極の形成された半導体受光素子の従来例を示す上面図、図５（ｂ）はその上面図中のＡ−Ａ’線断面図である。図６（ａ）は、リング型電極の形成された半導体受光素子の従来例を示す上面図、図６（ｂ）はその上面図中のＡ−Ａ’線断面図である。

符号の説明

１１ｐ⁺型のＩｎＧａＡｓコンタクト層
１２アンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層
１３ｎ⁺型のＩｎＰコンタクト層
１４半絶縁性のＩｎＰ基板
１５ｐ電極
１６ｎ電極
１７ＳｉＯ₂絶縁膜
１８入射光（波長１．５５μｍ、スポットサイズ３μｍ）
１９入射光（波長１．５５μｍ、スポットサイズ６μｍ）
２１ｐ⁺型のＩｎＧａＡｓコンタクト層
２２ＳｉＯ₂絶縁膜
２３フォトレジスト
２４ｐ電極
３１光入射端面
３２ｐ＋型のＩｎＧａＡｓコンタクト層
３３アンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層
３４ｎ⁺型のＩｎＰコンタクト層
３５半絶縁性のＩｎＰ基板
３６ｐ電極
３７ｎ電極
４１ｐ⁺型のＩｎＧａＡｓコンタクト層
４２アンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層
４３ｎ⁺型のＩｎＰコンタクト層
４４半絶縁性のＩｎＰ基板
４５ｐ電極
４６ｎ電極
４７入射光（波長１．５５μｍ、スポットサイズ３μｍ）
４８入射光（波長１．５５μｍ、スポットサイズ６μｍ）

Claims

基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造からなり、前記光吸収層に対し、入射光を下方から斜めに入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び前記光吸収層へ導く半導体受光素子において、積層構造表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする半導体受光素子。
請求項１記載の半導体受光素子を製造する方法において、前記積層構造表面に絶縁膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上にリソグラフィにより格子状のレジストパターンを作製する工程と、反応性イオンエッチングにより前記絶縁膜を部分的に除去し、格子状の絶縁膜パターンを形成する工程と、前記レジストパターンを除去する工程と、前記格子状パターンを覆うように全面に電極用金属を堆積する工程により、表面に接している部分の形状が格子状の電極を形成することを特徴とする半導体受光素子の製造方法。