JP2005268710A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 光吸収層で生成されたメインキャリアを加速して増倍層に注入することを可能とし、周波数帯域特性および最小受信感度特性の改善を図ることが可能な半導体受光素子を提供すること。
【解決手段】 バッファ層２、光吸収層３、加速層４、電界緩和層５、増倍層６、ブロック層７、および、コンタクト層８が半導体基板上に積層されている半導体受光素子において、加速層４は、光吸収層３と電界緩和層との間に設けられ、電界緩和層から光吸収層に向かうに伴ってエネルギーギャップが減少し、少なくとも一部の領域に不純物がドープされている層であり、半導体受光素子の動作時に、メインキャリアを加速して増倍層に移動するようにした構成を有している。加速層４は、エネルギーギャップが、例えば、階段状に変化するように複数の層で構成されるのでもよい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アバランシェフォトダイオード等の半導体受光素子に関する。

従来、光通信用の受光素子として、ＩｎＰ基板上に格子整合するように設けられたＩｎＧａＡｓ層を光吸収層とする半導体受光素子が知られている。中でも、近年の光通信の高速化および高感度化への要請の高まりに伴って、これらの要請に応えるものとしてアバランシェフォトダイオードが注目されている。

ここで、アバランシェフォトダイオードは、光吸収層と増倍層とを有する構造を基本とし、これらの層の間に所定の中間挿入層を設けることが、しばしば行われる。このような中間挿入層としては、例えば、光吸収層の増倍層側の界面近傍における電界を緩和させるために設けられる電界緩和層や、メインキャリアのパイルアップを防ぐための中間層（例えば、特許文献１参照。）や、電界緩和層と光吸収層との間に設けられた中間層（例えば、特許文献２参照。）が知られている。

ここで、特許文献１に記載の中間層は、正孔型アバランシェフォトダイオードにおける光吸収層と増倍層とのヘテロ界面で生ずる価電子帯のバンド不連続を緩和しようとするものである。特許文献１に開示された技術では、中間層と光吸収層との界面、および、中間層と増倍層との界面のそれぞれの近傍にキャリア濃度が高濃度化された領域とキャリア濃度が低濃度化された領域とを設けることにより、ヘテロ界面におけるバンド不連続は緩和される。

また、特許文献２に記載の中間層は、アバランシェフォトダイオードの各層を形成中に電界緩和層にドープした不純物が光吸収層に拡散することを防止しようとするものである。電界緩和層にドープした不純物が光吸収層に拡散することを防止することによって、動作電圧において光吸収層でトンネル降伏が生ずることを防止しようとするものである。
特開平５−１７５５４０号公報 特開平４−２６３４７７号公報

しかし、このような従来の半導体受光素子では、上記の中間挿入層が、メインキャリアを加速して増倍層に注入する構成になっていないため、光吸収層で生成されたキャリアのうちのメインキャリアを中間挿入層で加速して増倍層に注入することができないという問題があった。そのため、メインキャリアが光吸収層で生成された後に増倍層を通過するまでに要する走行時間を短縮することができず、アバランシェフォトダイオード（特に正孔型）の動作速度の高速化（周波数帯域特性の改善）や最小受信感度特性の改善を図ることができなかった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、光吸収層で生成されたメインキャリアを加速して増倍層に注入することを可能とし、周波数帯域特性および最小受信感度特性の改善を図ることが可能な半導体受光素子を提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、入射された光を吸収してキャリアを生成する光吸収層と、前記光吸収層が生成したキャリアのうちの少なくとも一方のキャリアであるメインキャリアを増倍する増倍層と、前記増倍層と前記光吸収層との間に設けられ、前記増倍層から前記光吸収層方向への電界強度を低下させる電界緩和層とを含む複数の半導体層が半導体基板上に積層されている半導体受光素子において、前記光吸収層と前記電界緩和層との間に設けられる層であって、前記電界緩和層から前記光吸収層に向かうに伴ってエネルギーギャップが減少し、少なくとも一部の領域に不純物がドープされている加速層を備え、前記半導体受光素子の動作時に、前記加速層内で前記増倍層に移動するメインキャリアが加速されるようにした構成を有している。

この構成により、少なくとも一部の領域に不純物がドープされた加速層のエネルギーギャップが電界緩和層から光吸収層に向かうに伴って減少するようにしたため、光吸収層で生成されたメインキャリアを加速して増倍層に注入することを可能とし、周波数帯域特性および最小受信感度特性の改善を図ることが可能な半導体受光素子を実現することができる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記加速層は、エネルギーギャップが略一定の複数の加速構成層に分割され、階段状に変化するエネルギーギャップを有し、いずれか１つ以上の前記加速構成層が他の前記加速構成層よりも高濃度に不純物がドープされている高濃度構成層である構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加え、加速層が階段状に変化するエネルギーギャップを有するようにしたため、加速層を容易に形成することが可能な半導体受光素子を実現することができる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２において、前記増倍層は、前記光吸収層が生成したキャリアのうちの正孔をメインキャリアとするようにした構成を有している。

この構成により、請求項１または請求項２の効果に加え、メインキャリアに正孔を用いた好適な構成の半導体受光素子において問題となる長い走行時間を短縮し、動作速度を高速化することが可能な半導体受光素子を実現することができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２において、前記加速層にドープする不純物の濃度は、前記加速層のエネルギーギャップの増大に応じて増大または減少するようにした構成を有している。

この構成により、請求項１または請求項２の効果に加え、加速層のエネルギーギャップの増大に応じて加速層にドープする不純物の濃度を増大または減少するようにしたため、メインキャリアの加速を好適的に行うことができるように素子設計の自由度を増やすことが可能な半導体受光素子を実現することができる。

本発明は、少なくとも一部の領域に不純物がドープされた加速層のエネルギーギャップが電界緩和層から光吸収層に向かうに伴って減少するようにしたため、光吸収層で生成されたメインキャリアを加速して増倍層に注入することを可能とし、周波数帯域特性および最小受信感度特性の改善を図ることが可能な半導体受光素子を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について、半導体受光素子として順メサ構造のアバランシェフォトダイオードを例にとり説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る半導体受光素子の概略構成の一例を示す図であり、図１（ａ）は半導体受光素子の断面図であり、図１（ｂ）は外観斜視図である。

図１において、半導体受光素子１００は、ｎ^＋−ＩｎＰからなる半導体基板１上に、ｎ^＋−ＩｎＰからなるバッファ層２、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３、ｉ−Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ_ｙＰ_{（１−ｙ）}（以下、ＩｎＧａＡｓＰという。）からなる加速層４、ｎ^＋−ＩｎＰからなる電界緩和層５、ｐ⁻−ＩｎＰからなる増倍層６、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓＰからなるブロック層７、および、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層８が、この順番に積層された層構成を有する。

ここで、半導体受光素子１００は、光吸収層３で生成された電子−正孔対のうちの正孔が増倍層６で増倍されるメインキャリアとなるように構成されている。また、上記では、増倍層６を単一の組成の層で構成する例を示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、キャリアを増倍できるものであれば、超格子構造を有する構成にするのでも、複数の層で構成するのでも、その他の構成でもよい。

各層２〜８用のエピタキシャル膜は、例えば、ＭＯＶＰＥ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の技術を用いて形成される。また、ｐ型の不純物として、例えば、Ｚｎ、Ｂｅ等を用い、ｎ型の不純物として、例えば、Ｓｎ、Ｓ等を用いるのでもよい。

各層２〜８用のエピタキシャル膜の厚さは、例えば、半導体基板１側から、それぞれ、０．５〜１μｍ、０．５〜２μｍ（ｄ３）、０．１〜０．５μｍ（ｄ４）、０．０１〜０．１μｍ（ｄ５）、０．１〜１μｍ（ｄ６）、０．１〜１μｍ（ｄ７）、および、０．１〜０．５μｍとする。また、バッファ層２、電界緩和層５、増倍層６、ブロック層７、および、コンタクト層８の不純物濃度は、半導体基板１側から、それぞれ、１×１０^１８（ｃｍ^−３）、５×１０^１７（ｃｍ^−３）、５×１０^１６（ｃｍ^−３）、１×１０^１８（ｃｍ^−３）、および、５×１０^１８（ｃｍ^−３）程度とする。なお、これらの値は、一例であり、バッファ層２の不純物濃度を１×１０^１８（ｃｍ^−３）程度またはそれ以上とするのでもよい。また、コンタクト層８上に形成されるｐ電極１０とのコンタクト抵抗を低下させるために、コンタクト層８中の不純物濃度をさらに高くするのでもよい。

以下、ＩｎＧａＡｓＰからなる加速層４について図２を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は、加速層４の層構成を詳細に示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す層構成で、電圧を印加しないときの価電子帯の上端の準位および伝導帯の底の準位の、膜厚方向の変化の様子を示す図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す層構成で、電圧を印加したときのバッファ層２〜コンタクト層８における電界強度を示す図である。

図２（ａ）に示す層構成では、加速層４は、光吸収層３から電界緩和層５に向かってエネルギーギャップが増加するように組成「ｘ」および「ｙ」が設定されている。具体的には、加速層４が複数の層（以下、加速構成層という。）によって構成され、図２（ｂ）に示すように、光吸収層３から電界緩和層５に向かってエネルギーギャップが階段状に大きくなるように、組成「ｘ」および「ｙ」が設定されている。

なお、本発明は、エネルギーギャップが階段状に変化するものに限られるものではなく、光吸収層３から電界緩和層５に向かって徐々に拡大するように組成を設定するのでもよい（図４参照）。また上記の加速構成層は、電界の弱い光吸収層３側で層厚を厚くし、電界の強い電界緩和層５側で薄くするのでもよい。これにより各加速構成層間の電界強度を調整することが可能となる。

図２には、加速層４を構成する各層のうちの１つの加速構成層（以下、高濃度構成層という。）４ａの不純物濃度が他の加速構成層（以下、低濃度構成層という。）よりも高くなっている例が示されている。ここで、高濃度構成層の不純物濃度としては、例えば、１〜５×１０^１６（ｃｍ^−３）とするのでもよい。高濃度構成層の不純物濃度は、この層内でブレークダウンが生じない濃度の範囲内から選択することができる。

図２（ｃ）に示すように、高濃度構成層４ａが存在することによって、高濃度構成層４ａよりも光吸収層３側の低濃度構成層に発生する電界強度が電界緩和層５側の低濃度構成層に発生する電界強度よりも低くなっている。なお、加速層４の組成が連続的に変化するとき、高濃度構成層４ａは、予め決められた濃度範囲の領域を指すものとする。

また、メインキャリアが増倍されるように所定の電圧が印加された増倍層６における高い電界強度の電界は、電界緩和層５で緩和され、電界緩和層５から光吸収層３に向かって電界強度が低下するようになっている。図２には、高濃度構成層４ａが１つの場合の構成例を示したが、高濃度構成層４ａは複数であってもよい。

この場合、各高濃度構成層４ａの不純物濃度は、それぞれ異なるようになっているのでもよい。また、各低濃度構成層は、不純物がドープされていないのでも、それぞれ異なる不純物濃度であってもよい。さらに、加速層４中に連続的に不純物濃度が変化するように不純物をドープするのでもよい。加速層４中の不純物濃度は、加速層４のエネルギーギャップの増大に応じて、増大または減少するようになっているのでもよい。

以下、各層２〜８用のエピタキシャル膜を形成した後の素子形成のための処理について説明する。各層２〜８用のエピタキシャル膜を形成した後、順メサ構造にするために各エピタキシャル層２〜８をエッチングする。順メサ構造の形成は、フォトリソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いて行われる。まず、フォトリソグラフィ技術を用いて、コンタクト層８上にマスクパターンを形成する。

半導体基板１上に形成された各層２〜８は、このマスクパターンを用いて、半導体基板１が現れるまでウェットエッチングされ、例えば、円錐台型の順メサ構造が得られる。以下、この順メサ構造を有する部分を順メサ構造部という。

エッチングにより順メサ構造部を形成した後、半導体基板１の順メサ構造部を有する面に、例えば、ＳｉＮｘからなる保護膜９を形成する。次に、コンタクト層８上の保護膜９にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを介して、ｐ電極１０を、例えば、真空蒸着法によってコンタクト層８上に形成する。ここで、コンタクトホールは、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを用いて形成される。また、ｐ電極１０用のマスクパターンの形成は、フォトリソグラフィ技術を用いて行う。ｐ電極１０には、コンタクト層８とオーミック接触が得られる材料が用いられている。

ここで、上記のコンタクトホールは、ｎ電極１１ａ、１１ｂを設ける領域にも形成されているものとする。ｎ電極１１ａ、１１ｂは、半導体基板１上の保護膜９に設けられたコンタクトホールを介して、例えば、真空蒸着法によって半導体基板１上に形成される。ｎ電極１１ａ、１１ｂ用のマスクパターンの形成は、フォトリソグラフィ技術を用いて行う。ｎ電極１１ａ、１１ｂには、半導体基板１とオーミック接触が得られる材料が用いられている。ここで、ｐ電極１０およびｎ電極１１ａ、１１ｂに接続する配線を設ける方法については、本発明の趣旨の外にあるため、その説明を省略する。

次に、半導体受光素子１００の動作について、図３および図４を用いて説明する。図３は、図２に示す層構造の半導体受光素子のエネルギーダイアグラムである。図４は、加速層４のエネルギーギャップを徐々に変化させた構成の半導体受光素子のエネルギーダイアグラムである。ここで、ｐ電極１０とｎ電極１１ａ、１１ｂとの間には、ｐ電極１０が負電位で、増倍層６にアバランシェ効果が生じ始める大きさの電圧（以下、アバランシェ電圧という。）以上の所定の電圧が予め印加されているものとする。また、光信号は、半導体基板１におけるエピタキシャル層２〜８が形成された面と反対の面（以下、半導体基板の裏面という。）側から入射するものとする。

半導体基板１の裏面側から入射した光信号は、ＩｎＰのエネルギーギャップが光信号のエネルギーより大きいため、ｎ^＋−ＩｎＰからなる半導体基板１、ｎ^＋−ＩｎＰからなるバッファ層２、を透過し、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３に到達する。ＩｎＧａＡｓのエネルギーギャップは、光信号の波長に応じて決まるエネルギー（以下、光信号のエネルギーという。）より小さいため、光信号は、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３で電子−正孔対を形成して吸収される。

図３（ａ）は、図２（ａ）と同一の図であり、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれ、図３（ａ）に示す層構成の半導体受光素子１００に、電圧を印加しないとき、および、逆バイアスの動作電圧（図３（ｂ）に「Ｖ＝−Ｖｏ」と示す。）を印加したときの価電子帯の上端の準位および伝導帯の底の準位の、膜厚方向の変化の様子を示す図である。ハッチングが施された部分は、高濃度構成層４ａに対応する領域であることを示す。以下、図２〜図４に示す、価電子帯の上端の準位および伝導帯の底の準位の、膜厚方向の変化の様子を示す図をエネルギーダイアグラムという。

図３（ｃ）に示すｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３で形成された電子−正孔対のうちの正孔は、図３に示すように、加速層４にドリフトして行き、加速層４で加速されて電界緩和層５を通過し、増倍層６に移動していく。増倍層６には、アバランシェ電圧以上の電圧が印加されているため、増倍層６に入ってきた正孔は、増倍され、ブロック層７を経由してコンタクト層８に流れ込んで行き、ｐ電極１０によって光信号に応じた電流として検出される。上記の動作は、図４に示す、加速層４のエネルギーギャップが光吸収層３から電界緩和層５に向かって徐々に拡大する構成の半導体受光素子についても同様である。

図３（ｃ）に示すように、動作時（Ｖ＝−Ｖｏ）では、光吸収層３〜電界緩和層５までの領域におけるエネルギーダイアグラムに見られる小さい不連続を除けば、光吸収層３から増倍層６に向けて正孔が加速されるように価電子帯の上端が左上がりとなっている。

なお、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、加速層４を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成「ｘ」および「ｙ」を連続的に変化させ、エネルギーギャップが連続的に変化するように構成することによって、エネルギーダイアグラムに見られる小さい不連続は、除くことができる。

また、高濃度構成層４ａを設けることにより、高濃度構成層４ａの電界緩和層５側の低濃度構成層の電界強度を光吸収層３側の電界強度よりも高くすることができるため、光吸収層３の加速層４側の電界強度をさらに低くできると共に、電界緩和層５側で正孔をさらに加速することが可能となる。そして、高濃度構成層４ａを複数設けることによってさらに素子設計の自由度を向上させることが可能となる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る半導体受光素子は、少なくとも一部の領域に不純物がドープされた加速層のエネルギーギャップが電界緩和層から光吸収層に向かうに伴って減少するようにしたため、光吸収層で生成されたメインキャリアを加速して増倍層に注入することを可能とし、周波数帯域特性および最小受信感度特性の改善を図ることができる。

また、加速層が階段状に変化するエネルギーギャップを有するようにした構成では、加速層を容易に形成することができる。

また、メインキャリアに正孔を用いた好適な構成の半導体受光素子において問題となる長い走行時間を短縮し、動作速度を高速化することができる。

加速層のエネルギーギャップの増大に応じて加速層にドープする不純物の濃度を増大または減少するようにしたため、メインキャリアの加速を好適的に行うことができるように素子設計の自由度を増やすことができる。

本発明に係る半導体受光素子は、光吸収層で生成されたメインキャリアを加速して増倍層に注入することを可能とし、周波数帯域特性および最小受信感度特性の改善を図ることができるという効果が有用な光通信等の受光素子の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係る半導体受光素子の概略構成の一例を示す図 本発明の実施の形態に係る半導体受光素子の層構成および動作を説明するための図 図２に示す層構造の半導体受光素子のエネルギーダイアグラム 加速層４のエネルギーギャップを徐々に変化させた構成の半導体受光素子のエネルギーダイアグラム

符号の説明

１ 半導体基板
２ バッファ層
３ 光吸収層
４ 加速層
４ａ 高濃度構成層
５ 電界緩和層
６ 増倍層
７ ブロック層
８ コンタクト層
９ 保護膜
１０ ｐ電極
１１ａ、１１ｂ ｎ電極
１００ 半導体受光素子
ｄ３ 光吸収層の厚さ
ｄ４ 加速層の厚さ
ｄ５ 電界緩和層の厚さ
ｄ６ 増倍層の厚さ
ｄ７ ブロック層の厚さ

Claims (4)

1. 入射された光を吸収してキャリアを生成する光吸収層３と、前記光吸収層３が生成したキャリアのうちの少なくとも一方のキャリアであるメインキャリアを増倍する増倍層６と、前記増倍層６と前記光吸収層３との間に設けられ、前記増倍層６から前記光吸収層３方向への電界強度を低下させる電界緩和層５とを含む複数の半導体層２〜８が半導体基板１上に積層されている半導体受光素子１００において、
   前記光吸収層３と前記電界緩和層５との間に設けられる層であって、前記電界緩和層５から前記光吸収層３に向かうに伴ってエネルギーギャップが減少し、少なくとも一部の領域に不純物がドープされている加速層４を備え、
   前記半導体受光素子１００の動作時に、前記加速層４内で前記増倍層６に移動するメインキャリアが加速されるようにしたことを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記加速層４は、エネルギーギャップが略一定の複数の加速構成層に分割され、階段状に変化するエネルギーギャップを有し、いずれか１つ以上の前記加速構成層が他の前記加速構成層よりも高濃度に不純物がドープされている高濃度構成層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 前記増倍層６は、前記光吸収層３が生成したキャリアのうちの正孔をメインキャリアとするようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
4. 前記加速層４にドープする不純物の濃度は、前記加速層４のエネルギーギャップの増大に応じて増大または減少するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。

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