JP2005340339A - 半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半絶縁性の基板上に、化合物半導体からなる第1p型層を介して化合物半導体からなる第1n型層が形成されてなり、第1p型層を基板に平行な横方向に電流信号が流れる半導体素子において、基板と第1p型層の間に化合物半導体からなる第2n型層を形成して、電流信号のうちの交流成分が第2n型層に流れるようにした。
【選択図】図1
Description
この「電子と正孔が空乏化された層を走行する時間」と「なだれ増倍を起こす時間」は光吸収層4や増倍層9を薄膜化することにより小さくできる。
渡邊他、「プレーナ型超格子APD」信学技報LQE97−79pp69−74(1997)
図11の等価回路を用いて説明すると、カットオフ周波数fcは、1/2(2πC0×(R1+R2))となる。ここで、C0はダイオードD1のpn接合部の容量であり、R1は高キャリア濃度のp型層3の抵抗値、R2はZn拡散領域5とp型側電極6のオーミック抵抗をあわせた抵抗値である。10Gbps用のアバランシェフォトダイオードの場合、pn接合の径は45μmφ程度でその容量C0は0.25pF程度である。また、抵抗R2は通常5Ω程度である。高キャリア濃度のp型層3の層厚を2μm、キャリア濃度1×1018cm-3のInPとし、Ti注入ガードリング領域の幅を20μmとした場合、p型のキャリア濃度が1×1018cm−3のInP層の抵抗率は0.08Ωcmなので、R1は56.6Ωとなる。アバランシェフォトダイオードの負荷インピーダンスを50Ωとすると、fc=1/2(2×π×0.25pF×(56.6+5+50))=5.7GHzとなる。
実施の形態1.
本発明に係る実施の形態1の光半導体素子は、アバランシェフォトダイオードであって、図10の従来例のアバランシェフォトダイオードにおいて、半絶縁性のInP基板2と高キヤリア濃度p型層3の間にn型層18を形成した以外は、図10の従来例のアバランシェフォトダイオードと同様に構成される。
一般に、化合物半導体においては、同じキャリア濃度であれば、p型の層よりn型の層の方が抵抗を小さくできる。例えば、n型のInPはp型InPよりも、抵抗率が20分の1と小さいので、同じキャリア濃度で同じ層厚のp型InPからなるp型層3とn型InPからなるn型層18を図1に示すように結晶成長させると、抵抗R3は、R3=R/20となる。
本計算にあたって、まず、抵抗R1と抵抗R3を求める。従来例(図10)のp型InP層3を厚さを2μm、キャリア濃度1×1018cm−3とする。従来例の抵抗R1は、従来例の説明で述べたように56.6Ωである。本実施の形態1の場合は、p型InP層3とn型InP層18の厚さを1μmづつ(計2μm)とし、p型InP層3のキャリア濃度は1×1018cm−3、n型InP層18のキャリア濃度は5×1018cm−3とする。
従って、本実施の形態1によれば、カットオフ周波数の高いアバランシェフォトダイオードを提供することができる。
また、その他の効果として、n型層18は、p型層3のp型不純物が半絶縁性のInP基板2に拡散するのを防止する効果もある。これはp型不純物はn型不純物がある場所には拡散しにくい性質があるためである。
次に本発明に係る実施の形態2のアバランシェフォトダイオードついて説明する。
実施の形態1では、主として、p型層3とn型層18にInPを用いた場合について説明したが、実施の形態2では、図1の構造のアバランシェフォトダイオードにおいて、p型層3とn型層18に他の化合物半導体を用いた例について説明する。
このように、バンドッギャップが比較的小さい(おおむね1eVより小さい)材料を用いることにより、より周波数特性が改善される。
実施の形態3のアバランシェフォトダイオードは、基本的な化合物半導体積層構造は、実施の形態1のアバランシェフォトダイオードと同様としているが、実施の形態1のアバランシェフォトダイオードが基板2を介して光が入力されるのに対して、実施の形態3のアバランシェフォトダイオードでは、n型側電極が形成されている側から光が入力される点が異なる。
(1)InP基板2の裏面の反射防止膜1に代えて、素子ボンディング用金属膜22を形成している。
(2)n型側電極10に代えて、光を入射させるための開口部を有する環状のn型側電極10aを形成している。
(3)n型側電極10aの開口部のn型コンタクト層12上に反射防止膜1aを形成する。
上記(1)〜(3)以外は、実施の形態1と同様に構成される。
すなわち、バンドギャップの小さい材料をp型層3やn型層18に用いた場合に、図1のように基板2側から光を入射させると、バンドギャップの小さいp型層3やn型層18で光が吸収されてしまい、その結果、アバランシェフォトダイオードの感度が低下してしまうという問題が生じる。かかる場合、たとえば、図7のようにエピ成長層側から光を入射させる構造とすると、p型層3やn型層18での吸収の影響を受けずに入射した光が光吸収層4に到達する。
本発明に係る実施の形態4のアバランシェフォトダイオードは、実施の形態3のアバランシェフォトダイオードにおいて、p型層3に代えてp型の多層反射層23を形成し、n型層4に代えてn型の多層反射層24を形成した以外は実施の形態3と同様に構成される。
ここで、実施の形態4の多層反射層は、各層の光学厚が入射光波長の4分1に設定された屈折率の異なる材料の繰り返しからなっており、たとえば、InP/InGaAs(P)/InP/InGaAs(P)…やAlInAs/(Al)GaInAs/AlInAs/(Al)GaInAs…の繰り返しにより構成することが可能である。
例えば、1.55μmの波長の光を多層反射層23,24で50%以上反射させるためには、多層反射層を構成する各層の厚さがおおよそ0.1μmに設定されたInP/InGaAs(P)あるいはAlInAs/(Al)GaInAsのペアを約10ペアほど積層する。
従って、本実施の形態4のアバランシェフォトダイオードによれば、高周波特性に優れた受光感度の高いプレーナ型のアバランシェフォトダイオードを提供できる。
以上のようにしても実施の形態4と同様の作用効果を有する。
すなわち、本発明は、n型層よりp型層の方が高い抵抗値となるという事情を有する化合物半導体を用いて構成される素子において、その電流路となるp型層に対して、抵抗の低いn型層を含む高周波用電流路を並列に形成して高周波電流に対する抵抗値を下げようとするものであり、アバランシェフォトダイオード以外の他のデバイスについても幅広く適用できる。
尚、光変調器において、光吸収層はn型側電極とp型側電極の間に印加される電圧に対応して光の吸収率が変化し、光吸収層に入力される光を電流信号に対応させて変調するものである。
特に、光変調が可能な面発光レーザダイオード、端面発光レーザダイオードなどに適用することにより、高周波特性を向上させることができる。
Claims (13)
- 半絶縁性の基板上に、化合物半導体からなる第1p型層を介して化合物半導体からなる第1n型層が形成されてなり、上記第1p型層を上記基板に平行な横方向に電流信号が流れる半導体素子であって、
上記基板と上記第1p型層の間に化合物半導体からなる第2n型層を形成して、上記電流信号のうちの交流成分が上記第2n型層に流れるようにしたことを特徴とする半導体素子。 - 上記第2n型層は、InGaAs、AlGaAsIn及びInGaAsPからなる群から選択された1つからなり、かつそのバンドギャップが1eV以下に設定された請求項1に記載の半導体素子。
- 上記第1p型層と上記第1n型層の間に、第3層を有する請求項1又は2に記載の半導体素子。
- 上記第3層は、光吸収層である請求項3に記載の半導体素子。
- 上記第3層は、InP、InAlAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlGaInAs及びInGaAsPからなる群から選択された少なくとも1つからなる請求項3又は4に記載の半導体素子。
- 上記第1n型層と上記光吸収層の間に、不純物が添加されていない化合物半導体又は上記第1n型層よりキャリア濃度の低いn型又はp型の化合物半導体からなる増倍層を有する請求項4又は5に記載の半導体素子。
- 上記増倍層は、AlInAs層又はAlGaInAs層を含む請求項6記載の半導体素子。
- 上記第2n型層の膜厚W(μm)とキャリア濃度N(1/cm3)が、式N×W>5×1016を満足するように設定された請求項6又は7に記載の半導体素子。
- 上記第2n型層の膜厚W(μm)とキャリア濃度N(1/cm3)が、式N×W>5×1017を満足するように設定された請求項6又は7に記載の半導体素子。
- 上記第2n型層の膜厚W(μm)とキャリア濃度N(1/cm3)が、式N×W>2.5×1018を満足するように設定された請求項6又は7に記載の半導体素子。
- 上記第1n型層を介して光が入射される請求項6〜10のうちのいずれか1つに記載の半導体素子。
- 上記基板と上記第1p型層の間に、互いに屈折率が異なる化合物半導体層を積層してなる多層反射層を備え、その多層反射層の一部又は全部を上記第2n型層とした請求項11に記載の半導体素子。
- 上記光吸収層は、上記第1n型層に接続されたn型側電極と上記第1p型層に接続されたp型側電極の間に印加される電圧に対応して光の吸収率が変化する請求項4記載の光半導体素子。
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