JP2006245345A

JP2006245345A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2006245345A
Application number: JP2005059640A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Makita; 紀久夫牧田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】
現在高速の光インターコネクションに使用できる波長帯域として期待されている、波長１μｍ付近の広い波長域を、高効率かつ高速に受光することが可能な半導体受光素子を提供する。
【解決手段】
半導体基板１１上に、入射光を吸収する光吸収層１３を含む半導体層より形成される半導体受光素子１であって、光吸収層１３の入射光側に形成された窓層１４を有し、窓層１４の禁制帯エネルギーが１．４ｅＶ以上であり、窓層１４の層厚が０．５μｍ以下である半導体受光素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体受光素子に関するものであり、特に波長１μm付近の広い波長領域の光を、高効率かつ高速に受光する半導体受光素子に関するものとする。

光通信、光情報、光計測、光加工の各分野において、光信号を電気信号に変換する光電変換素子として、半導体受光素子が用いられている。現在、高速の光インターコネクションに使用できる波長帯域として、波長１μｍ付近の光に期待が集まっている。そこで、波長１μｍ付近の広い波長帯域の光を、単一受光素子によって、高速に光信号を高効率に処理できる半導体受光素子が必要となる。

現在開発されている受光素子は、情報処理、データ通信に使用される１μｍ以下の波長帯域に用いられる半導体受光素子と、ファイバー損失の少ない１μｍ以上の光波長帯域に用いられる半導体受光素子に分かれている。

半導体受光素子において、信号処理に必要な波長帯域によって、使用される半導体材料が決定されている。これは、吸収する波長帯域が半導体材料の禁制帯エネルギーによって決まるためである。

前述の情報処理、データ通信に使用される１μｍ以下の波長帯域では、Ｓｉ系あるいはＧａＡｓ基板上に格子整合したＡｌＧａＡｓ系等が主に用いられていた。しかしながら、ＳｉやＡｌＧａＡｓの禁制帯エネルギーから、波長１μｍ以上の光信号を受光することは、不可能である。このことから、１μｍ付近に広い波長帯域を持つ半導体受光素子を作成することができないことになる。

これらに対して、前述のファイバー損失の少ない１μｍ以上の光波長帯域に用いられる半導体受光素子は、この半導体受光素子の吸収層に用いられる半導体の禁制帯エネルギーが小さいため、よりエネルギーの高い波長１μｍ以下の光を吸収することが可能である。

特許文献１においては、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体受光素子を用いて、窓層に光吸収層と格子定数が一致する組成のＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＡｓを用いることによって、窓層による短波長側の吸収を低減して分光感度波長帯域を拡大している。

しかしながら、窓層における入射光の吸収によって生じる電子が、電子の拡散長が長いために、拡散走行によって光吸収層に注入され、この光吸収層に流れ込んだ電子は、拡散電流として遅い成分として寄与するために、高速に光信号を処理することができないという問題があった。

ここで、従来構造の一例として、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体受光素子９０の構造を図１２に示す（例えば特許文献１）。このＩｎＧａＡｓＰ系半導体受光素子９０は、ＩｎＰ基板９１上に、格子整合したｎ型ＩｎＰバッファ層９２、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３およびp型ＩｎＰ窓層９４が形成されている。ｎ型ＩｎＰバッファ層９２は、ＩｎＰ基板９１とｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３との格子定数の違いから生じる不整合を緩和させるために設けられている。

入射した信号光はｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３で吸収され、光キャリア（電子・正孔対）に変換される。この光キャリアが、外部電界によりドリフト走行することによって、光電流として取り出される。ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３は、ＩｎＧａＡｓの禁制帯エネルギー（０．７５ｅＶ）以上の光エネルギーを有する信号光が受光可能である。

ｐ型ＩｎＰ窓層９４は、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３に発生する光キャリアの表面再結合を防ぐために設けられている。ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３に直接光を入射させると、ほとんどの光キャリアが入射側のｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３表面近傍で発生する。

このとき、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３の表面にできる酸化膜などによって、表面近傍で発生した光キャリアは動くことができず、表面近傍でホールと電子の再結合がおこり、熱によってエネルギーが拡散してしまう。このため、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３表面近傍で発生する光キャリアは、信号成分として寄与することができない。この現象を表面再結合という。表面再結合がおこると、半導体受光素子の光電効率及び光電変化の高速性に著しい劣化を招く。

表面再結合による光電効率の劣化を防ぐために、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３の禁制帯エネルギーより大きな禁制帯エネルギーを有するｐ型ＩｎＰ窓層９４を入射光側に積層している。そのため、ＩｎＰの禁制帯エネルギー１．３５ｅＶ以上（波長０．９２μｍ以下）の光信号はｐ型ＩｎＰ窓層９４に吸収される。これにより、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３には、波長０．９２μｍ以下の光をカットオフした光が入射されることになる。

しかし、電子の拡散長が長いために、ｐ型ＩｎＰ窓層９４に発生した電子の一部が、拡散走行によってｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３に注入される可能性が高い。ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３に流れ込んだ電子は、拡散電流として遅い成分として寄与するために、高速応答が要求される半導体受光素子では問題が生じる。

ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３に電子が流れ込むのを防ぐために、従来では、ｐ型ＩｎＰ窓層９４を１μｍ以上の厚い層で作成している。このことにより、厚い層の中で電子が再結合をおこすために、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９３には電子が流れ込まなくなる。しかしながら、窓層を厚い層で形成することは、光変換効率の低下につながり、高効率の面で問題が生じていた。
特開平０２−１００３７９号公報

以上のように、従来のＩｎＧａＡｓＰ系受光素子においては、波長１μｍ以下の光の受光感度を持つことができない構造を形成していた。また、窓層に発生する電子の影響によって、高速に光信号を高効率に処理できる半導体受光素子が開発されていなかった。

本発明の目的は、単一素子で波長１μｍ付近の広い波長領域を、高効率、高速に受光できる半導体受光素子を提供することにある。

本発明の一つの態様に係る半導体受光素子は、半導体基板上に、入射光を吸収する光吸収層を含む半導体層より形成される半導体受光素子であって、前記光吸収層の入射光側に形成された窓層を有し、前記窓層の禁制帯エネルギーが１．４ｅＶ以上であり、前記窓層の層厚が０．５μｍ以下であるものである。前述の禁制帯エネルギーを持つ物質で形成され、層厚が０．５μｍ以下の窓層を用いることによって、波長１μｍ付近の広い波長域を高効率かつ高速に受光す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。

また、前記光吸収層の前記半導体基板側に、アバランシェ増倍層と電界緩和層を有してもよい。さらに、前記光吸収層と前記窓層の間に、電子障壁層を有し、前記電子障壁層の層厚が０．１μｍ以下であるとよい。さらにまた、前記窓層が２種以上の電子親和力の異なる半導体多層膜で形成される半導体受光素子でもよい。

本発明の他の態様に係る半導体受光素子の製造方法では、半導体基板上に、入射光を吸収する光吸収層を形成し、前記光吸収層の入射光側に、禁制帯エネルギーが１．４ｅＶ以上の物質を用いて窓層を０．５μｍ以下の層厚で作成する半導体受光素子の製造方法である。

本発明により、波長１μｍ付近の広い波長域を高効率かつ高速に受光す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。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
本実施の形態に係る半導体受光素子１の構造を図１に、半導体受光素子１に関するバンドギャップ図を図２に示す。基板１１上に、格子整合したｎ型バッファ層１２、光吸収層１３、ｐ型窓層１４が形成されている。ｎ型バッファ層１２は、基板１１と光吸収層１３との格子定数のずれを緩和するために作成されている。

半導体受光素子１に入射された光は、ｐ型窓層１４を通り、光吸収層１３にて吸収される。光吸収層１３にて吸収された光のエネルギーによって、光キャリア（電子・正孔対）が発生する。この光キャリアは外部電界を印加されることによって、ドリフト走行して電流信号として取り出されることになる（図２参照）。

ここで、光吸収層１３に吸収される光の波長域は、光吸収層１３を構成する物質によって決定される。また、半導体受光素子１に入射された光のエネルギーがｐ型窓層１４を構成する物質の禁制帯エネルギーよりも大きい場合には、ｐ型窓層１４においても吸収がおこる。

本実施の形態においては、ｐ型窓層１４の禁制帯エネルギーは１．４ｅＶ以上とする。このことにより、従来のＩｎＰ窓層を用いた半導体受光素子では０．９２μｍ以上の波長域の光を受光可能であったが、本実施の形態においては、受光可能な短波長側の波長域が０．８μｍ付近まで拡大する。また、ｐ型窓層１４での吸収を制限し光吸収層１３での吸収を増大させることが可能となり、高効率の半導体受光素子を得ることが可能となる。

ｐ型窓層１４に用いられる物質としては、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂが良い。これは、これらの物質の禁制帯エネルギーが１．４ｅＶ以上で、通常使用されるＩｎＰ基板に格子整合する物質であるからである。

また、本実施の形態においては、ｐ型窓層１４の膜厚は０．５μｍ以下とする。これは、ｐ型窓層１４の膜厚を薄くすることによって、ｐ型窓層１４に発生した電子の拡散時間を短くしている。このため、ｐ型窓層１４に発生する電子が拡散することによって高周波領域の光信号がノイズに埋もれてしまうことを防ぐことができ、光信号の数十ＧＨｚ以下のの高周波数領域において、信号の検知を可能にしている。このことから、従来のＩｎＰ層をｐ型窓層に用いた受光素子よりも、光信号の周波数帯域を高周波数側に広げることが可能となる。

半導体受光素子１に入射された光のうち、光エネルギーが１．４ｅＶ以下（波長０．８８μｍ以上）の信号光は、光吸収層１３で吸収され、光キャリアが発生する。この光キャリアは、外部電界によりドリフト走行して電流信号として取り出される。ドリフト走行は、高速な現象であるため、高周波数帯域に影響を及ぼさない。

一方、光エネルギーが１．４ｅＶ以上（波長０．８８μｍ以下）の信号光は、ｐ型窓層１４と光吸収層１３の双方で吸収される。光の吸収は、一般的に指数関数的な吸収プロファイルを有している。ｐ型窓層１４で発生した光キャリアのうち、電子は、再結合による消滅または、拡散走行により光吸収層１３に注入され、正孔は、再結合または、誘電緩和によって消滅する。このような光キャリアの振舞の相違は、電子の拡散長が正孔と比べて圧倒的に長いことに起因する。

一般に拡散による走行時間ｔは、ｐ型窓層１４の層厚をｄ、拡散定数をＤとすると、ｔ＝ｄ^２／２Ｄで与えられる。ｐ型窓層１４の膜厚を０．５μｍ以下とすることによって、電子の拡散走行時間がサブナノ秒オーダーとなり、ｐ型窓層１４に生じる電子の拡散が影響を及ぼす光信号の周波数帯域が、数十ＧＨｚオーダーになる。このため、数十ＧＨｚオーダーまでの高周波数までの光信号を受信可能な半導体受光素子を得ることが可能となる。

図３に、本発明に係る半導体受光素子１の波長―感度特性を示す。ｐ型窓層１４の禁制帯エネルギーを１．４ｅＶ以上とし、層厚を０．５μｍ以下にすることによって、短波長側の吸収端が、従来構造と比較して大きく拡大している。また、高速の光インターコネクションとして適用可能な波長１μｍ付近での感度も増大している。

図４に、本発明に係る半導体受光素子１の高周波特性を示す。測定信号波長は、１μｍである。従来構造では、ｐ型窓層１４で発生した電子が、拡散電流として影響するために５ＧＨｚ以下での応答に劣化が生じる。これに対し、本発明に係る半導体受光素子１では、拡散電流の影響が除去され、２０ＧＨｚ以上の高周波数帯域においても、十分な信号強度を有している。

以上のように、本実施の形態においては、ｐ型窓層１４を構成する半導体の禁制帯エネルギーを１．４ｅＶ以上とし、ｐ型窓層１４の膜厚を０．５μｍ以下にすることによって、受光可能な波長域が短波長側に広がり、周波数の高い光信号を高効率に受信することができる。これらのことより、光通信などに必要とされる波長１μｍ付近の広い波長域を高効率かつ高速に受光することが可能な半導体受光素子を得ることが可能となる。

実施の形態２．
第２の実施の形態に半導体受光素子２は、ｐ型窓層と光吸収層の間に電子障壁層が挿入されている。半導体受光素子２の構造を図５に、半導体受光素子２に関するバンドギャップ図を図６に示す。構成要素や動作原理で実施の形態１と同様のものは省略する。

基板１１上に、格子整合したｎ型バッファ層１２、光吸収層１３、ｐ型窓層１４が形成されている。光吸収層１３とｐ型窓層１４の間には、０．１μｍ以下の電子障壁層１５が挿入されている。

ｐ型窓層１４の禁制帯エネルギーは１．４ｅＶ以上とし、ｐ型窓層１４の膜厚は０．５μｍ以下とする。このことにより、本実施の形態に係る半導体受光素子２においては、受光可能な波長域が短波長側に広がり、周波数の高い光信号を高効率に受信することが可能となる。

本実施の形態では、電子障壁層１５が光吸収層１３とｐ型窓層１４の間に挿入されている。電子障壁層１５は、ｐ型窓層１４に対して、正の伝導帯不連続を形成するような電子親和力を有している。このことによって、高速応答上問題となる、ｐ型窓層１４に生じる電子の拡散走行を、ブロックしている。

以上のことより、ｐ型窓層１４に生じる拡散電子が、信号電流に寄与することを防ぐことができ、光信号の高周波数領域における信号強度に影響を及ぼすことがなくなる。ここで、電子障壁層１５は、半導体受光素子２に入射された光を吸収するので、高効率化の観点より０．１μｍ以下という薄い層で形成する。また、電子障壁を十分に果たすために、p型窓層１４に対し５０ｍｅＶ以上の伝導帯不連続量を有している必要がある（図６参照）。

以上のことから、電子障壁層１５を光吸収層１３とｐ型窓層１４の間に挿入することにより、波長１μｍ付近の広い波長域が受光可能で、周波数の高い光信号を高効率に受信することが可能な半導体受光素子を得ることが可能となる。

実施の形態３．
第３の実施の形態に半導体受光素子３は、ｐ型窓層が電子親和力の相違する層の多層膜構造で形成されている。半導体受光素子３の構造を図７に、半導体受光素子３に関するバンドギャップ図を図８に示す。構成要素や動作原理で実施の形態１と同様のものは省略する。

基板１１上に、格子整合したｎ型バッファ層１２、光吸収層１３、多層構造を有するｐ型多重膜窓層１８が形成されている。ｐ型多重膜窓層１８は、電子親和力が相違する多層構造層１６、１７から形成されている。

ｐ型多重膜窓層１８を構成する多層構造層１６、１７の禁制帯エネルギーは１．４ｅＶ以上とし、ｐ型多重膜窓層１８の総膜厚は０．５μｍ以下とする。

多層構造層１６、１７の電子親和力が相違することによって、電子親和力の小さい層が、電子障壁層として働くことになる。また、前述の電子親和力の小さい層が光吸収層１３側に形成されている。このことにより、ｐ型多重膜窓層１８中で生じる電子の拡散を、ブロックすることが可能となる。

ここで、電子障壁を十分に果たすためには、多層構造層１６と多層構造層１７とには、５０ｍｅＶ以上の伝導体不連続量を有している必要性がある。また、ｐ型窓層に多層構造をとることによって、ｐ型多重膜窓層１８中で生じる電子の拡散を、より効率的に、ブロックすることが可能となる（図８参照）。

この結果、ｐ型多重膜窓層１８に生じる拡散電子が、信号電流に寄与することを防ぐことができ、光信号の高周波数領域における信号強度に影響を及ぼすことがなくなる。光信号の高周波特性に影響を及ぼすことがなくなる。このことにより、光信号の高周波数特性の良い半導体受光素子を得ることが可能となる。

実施の形態１、２、及び３における本発明の適用は、通常の半導体受光素子のみではなく、アバランシェ増倍型半導体受光素子においても適用可能である。例えば、実施の形態１における本発明をアバランシェ増倍型半導体受光素子に適用した半導体受光素子の構造図が図９にあたる。

半導体基板１１上に、格子整合したバッファ層１２、増倍層１９、電界緩和層２０、光吸収層１３、及びｐ型窓層１４が積層されており、ｐ型窓層１４は、禁制帯エネルギーが１．４ｅＶ以上の物質で形成され、層厚が０．５μｍ以下となっている。

本発明をアバランシェ増倍型半導体受光素子に用いることによって、広帯域、高効率の特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光素子を作成することが可能となる。

また、本発明を適用した半導体受光素子を用いた光通信装置、光計測装置、光加工装置は、広帯域の光信号を扱うことができるようになる。

実施例１．
本実施例における半導体受光素子の構造を、図１を参照にして説明する。ＩｎＰ基板１１上に、格子整合したｎ型ＩｎＰバッファ層１２、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３（層厚１μｍ）及びｐ型ＩｎＡｌＡｓ窓層１４が形成されている。

ｐ型ＩｎＡｌＡｓ窓層１４に用いるＩｎＡｌＡｓは、ＩｎＰ基板１１に格子整合した組成比で作成されている。このときのＩｎＡｌＡｓの禁制帯エネルギーは１．４９ｅＶ（光波長０．８３μｍに相当）である。また、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ窓層１４の膜厚は０．５μｍ以下とした。ここで、ｐｎ接合径を２５μｍΦとした。

従来構造のＩｎＰ窓層を用いた場合に波長０．９２μｍが短波長側の限界であったのに対して、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ窓層１４を用いることにより、短波長側の波長域が０．８μｍ付近にまで拡大した。

本実施例においては、波長域０．８０μｍ〜１．６５μｍにおいて、光・電流交換効率が７０％以上得られた。また、信号波長１μｍにおいては、３０ＧＨｚ以上の高周波特性を得た。

短波長限界が禁制帯エネルギーから予測される理論値より短波長側に拡大しているのは、ｐ型窓層で発生した光キャリアのうち電子が、拡散走行により光吸収領域に注入され、拡散電流として寄与しているためである。

このｐ型窓層の影響は、波長０．８５μｍ以下で顕著に生じており、遅い拡散電流成分として帯域に影響を与える。しかしながら、本実施例においては、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層の層厚を電子の拡散距離に比べて十分に薄くしたために、高い周波数帯域における信号電流の劣化が少ない。このため、波長０．８５μｍにおいても２０ＧＨｚ程度の高速特性を得ることができた。

本実施例では、ｐ型窓層１４はＩｎＡｌＡｓ層であったが、ＩｎＰ基板１１に格子整合が可能なＡｌＡｓＳｂ層でも適用可能である。ＡｌＡｓＳｂは、禁制帯エネルギーが１．９ｅＶであり、短波長限界が０．６５μｍとなる。また同様に、ＩｎＰ基板１１に積層が可能なＩｎＧａＡｌＡｓ層、ＡｌＧａＡｓＳｂ層等が、窓層として同様の効果を有する。この場合、格子整合あるいは格子整合を有さない場合でも歪による結晶劣化が生じない限りは、本発明構造は適用される。

実施例２．
本実施例における半導体受光素子の構造を、図５を参照にして説明する。ＩｎＰ基板１１上に、格子整合したｎ型ＩｎＰバッファ層１２、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３（層厚１μｍ）、及びｐ型窓層１４が形成されている。また、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３とｐ型窓層１４の間には、電子障壁層１５が形成されている。

ｐ型窓層１４はＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓによって形成されている。これは、ｐ型窓層１４をＩｎＰ基板１１に格子整合させるために、Ｉｎ組成を０．５２としている。Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓの禁制帯エネルギーは、１．４９ｅＶであり、光波長０．８３μｍに相当する。ｐ型窓層１４の膜厚は０．５μｍ以下である。ここで、ｐｎ接合径は２５μｍΦである。

電子障壁層１５のＩｎ組成は、正の伝導帯不連続を生じさせるために、ｐ型窓層１４のＩｎ組成よりも少なくしなければならない。本実施例においては、電子障壁層１５は、Ｉｎ_０．５０Ａｌ_０．５０Ａｓによって形成されている。電子障壁層１５の膜厚は、０．１０μｍである。

本実施例においては、波長域０．８３μｍ〜１．６５μｍにおいて光・電流変換効率７０％以上が得られた。また、信号波長１μｍにおいて３０ＧＨｚ以上の高周波特性を得た。

また、信号波長０．８５μｍ付近の信号光では、ｐ型窓層１４で吸収が生じるため、光キャリアが発生する。ｐ型窓層１４で発生した光キャリアのうち、電子が拡散する。しかしながら、電子障壁層１５によりこの拡散電子が捕捉されるため、光信号の高周波領域の光信号強度の劣化を防ぐことができる。このため、波長０．８５μｍにおいても２５ＧＨｚ程度の高速特性を得ることができた。

本実施例では、ｐ型窓層１４及び電子障壁層１５はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ／Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓ層であったが、ＩｎＰ基板１１に格子整合が可能なＡｌＡｓ_ｘＳｂ_1−ｘ層でも、適用可能である。この場合はＩｎＰ基板１１に格子整合したＡｌＡｓ_ｘＳｂ_1−ｘは、禁制帯エネルギーが１．９ｅＶであり、短波長限界が０．６５μｍとなる。

また同様に、ＩｎＰ基板１１に積層が可能なＩｎＧａＡｌＡｓ層、ＡｌＧａＡｓＳｂ層等の組み合わせにおいて、同様の効果を有する。この場合、格子整合あるいは格子整合を有さない場合でも歪による結晶劣化が生じない限りは、本実施例に適用される。

実施例３．
本実施例における半導体受光素子の構造を、図７を参照にして説明する。ＩｎＰ基板１１上に、格子整合したｎ型ＩｎＰバッファ層１２、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３（層厚１μｍ）、及びｐ型多重膜窓層１８が形成されている。

ｐ型多重膜窓層１８は電子親和力の相違するｐ型Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ／ｐ型Ｉｎ_０．５０Ａｌ_０．５０Ａｓの多層膜構造で形成されている。Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓの禁制帯エネルギーは１．４９ｅＶであり、光波長０．８３μｍに相当する。また、各々０．１０μｍとし、２層の繰り返し構造とした。ここで、ｐｎ接合径は２５μｍΦを有している。

従来構造のＩｎＰ窓層の場合には、１．３５ｅＶ（波長０．９２μｍに相当）が短波長側の限界であったが、本実施例に係る半導体受光素子において、短波長側の波長帯域が広がった。

また、波長０．８５μｍ付近の信号光ではｐ型多重膜窓層１８で吸収が生じるため、光キャリアが発生する。ｐ型多重膜窓層１８で発生した光キャリアのうち、電子が拡散する。しかしながら、多層膜構造により電子が捕捉されるため、遅い拡散電流成分が完全に除去される。このため、波長０．８５μｍにおいても２５ＧＨｚ程度の高速特性を得ることができた。

本実施例では、ｐ型多重膜窓層１８はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ／Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓ層であったが、さらにＩｎＰ基板１１に格子整合が可能なＡｌＡｓ_ｘＳｂ_1−ｘ層でも適用可能である。この場合はＩｎＰ基板１１に格子整合したＡｌＡｓ_ｘＳｂ_1−ｘは、禁制帯エネルギーが１．９ｅＶであり、短波長限界が０．６５μｍとなる。

実施例４．
図９に、実施例４に係る半導体受光素子４の構造を示す。本実施例は、ｐ型窓層を１．４ｅＶ以上の物質を用いて形成し、膜厚を０．５μｍ以下にすることによって、より高周波の光信号を得る本発明をアバランシェ増倍型受光素子に適用したものにおいてである。

ＩｎＰ基板１１上に、格子整合したｎ型ＩｎＰバッファ層１２、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１９、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層２０、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３（層厚１．５μｍ）、及びｐ型窓層１４が積層されている。

ｐ型窓層１４は、ＩｎＰ基板１１に格子整合した組成比のＩｎＡｌＡｓ層で構成された。この場合のＩｎＡｌＡｓにおける禁制帯エネルギーが１．４９ｅＶ（光波長０．８３μｍに相当）である。また、ｐ型窓層１４の膜厚は０．５μｍ以下とした。

これにより、従来構造のＩｎＰ窓層１４の場合に、１．３５ｅＶ（波長０．９２μｍに相当）が短波長側の限界であったが、本実施例にかかる半導体受光素子４においては、短波長側の波長域が０．８０μｍ付近にまで拡大する。

入射した信号光は、ｐ型窓層１４を介してｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で吸収され光キャリアが発生し、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１９によるアバランシェ増倍で内部利得を生じる。このため、小さな信号でも受信可能となる。このため、本実施例においては、光インターコネクションに使用される波長１μｍ付近の広い波長帯域に使用可能で、小さな信号でも受信可能な半導体受光素子を作成することが可能となる。

本実施例に係る半導体受光素子４は、ｐｎ接合径２５μｍΦを有しており、波長域０．８３μｍ〜１．６５μｍにおいて光・電流変換効率７０％以上が得た。また、信号波長１μｍで増倍率1において２０ＧＨｚ以上の高周波特性を得た。

短波長限界が禁制帯エネルギーから予測される理論値より短波長側に拡大しているのは、ｐ型窓層１４で発生した光キャリアのうち電子が、拡散走行により光吸収領域に注入され、拡散電流として寄与しているためである。

このｐ型窓層１４の影響は、波長０．８５μｍ以下で顕著に生じており、通常は遅い拡散電流成分として帯域に影響を与えるが、本発明構造ではｐ型窓層１４の層厚が電子の拡散距離に比べて十分に薄いために、光信号の帯域劣化が少ない。このため、波長０．８５μｍにおいても増倍率１で１０ＧＨｚ程度の高速特性を得ることができた。

本実施例では、ｐ型窓層１４はＩｎＡｌＡｓ層であったが、さらにＩｎＰ基板１１に格子整合が可能なＡｌＡｓＳｂ層でも可能である。ＡｌＡｓＳｂは、禁制帯エネルギーが１．９ｅＶであり、短波長限界が０．６５μｍとなる。

また同様に、ＩｎＰ基板１１に積層が可能なＩｎＧａＡｌＡｓ層、ＡｌＧａＡｓＳｂ層等が、ｐ型窓層１４として同様の効果を有する。この場合、格子整合あるいは格子整合を有さない場合でも歪による結晶劣化が生じない限りは、本実施例に適用される。

実施例５．
図１０に、実施例５に係る半導体受光素子５の構造を示す。本実施例は、ｐ型窓層と光吸収層の間に電子障害層を挿入することによって、波長１μｍ付近の広い波長帯域が受光可能で、周波数の高い光信号を高効率に受信する発明をアバランシェ増倍型受光素子に適用したものである。

ＩｎＰ基板１１上に、格子整合したｎ型ＩｎＰバッファ層１２、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１９、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層２０、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３（層厚１．５μｍ）、及びｐ型窓層１４が積層されている。ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３とｐ型窓層１４の間にｐ型電子障害層１５が形成されている。

ｐ型窓層１４は、ＩｎＰ基板１１に格子整合したＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ層で構成された。Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓにおける禁制帯エネルギーが１．４９ｅＶ（光波長０．８３μｍに相当）である。また、ｐ型窓層１４の膜厚は０．５μｍ以下とした。

ｐ型電子障壁層１５は、ｐ型窓層１４に正の伝導帯不連続を生じるさせるために、ｐ型窓層１４のＩｎ組成よりも少ないＩｎ_０．５０Ａｌ_０．５０Ａｓから形成される。また、ｐ型電子障壁層１５の層厚は０．１０μｍとした。

従来構造のＩｎＰ窓層の場合には、１．３５ｅＶ（波長０．９２μｍに相当）が短波長側の限界であったが、本実施例に係る半導体受光素子５において、短波長側の波長帯域が広がった。

本実施例に係る半導体受光素子５のｐｎ接合径２５μｍΦを有しており、波長域０．８３μｍ〜１．６５μｍにおいて光・電流変換効率７０％以上が得た。また、信号波長１μｍで増倍率1において２０ＧＨｚ以上の高周波特性を得た。

また、波長０．８５μｍ付近の信号光ではｐ型窓層１４で若干吸収が生じ、発生した光キャリアのうち電子が拡散するが、電子障壁層１５によりこの拡散電子が捕捉されるため、遅い拡散電流成分が除去される。このため、波長０．８５μｍにおいても増倍率１で１５ＧＨｚ程度の高速特性を得ることができた。

実施例６．
図１１に、実施例６に係る半導体受光素子６の構造を示す。本実施例は、ｐ型窓層を電子親和力の相違する層の多層膜構造で形成することによって、波長１μｍ付近の広い波長帯域が受光可能で、周波数の高い光信号を高効率に受信する発明をアバランシェ増倍型受光素子に適用したものである。

ＩｎＰ基板１１上に、格子整合したｎ型ＩｎＰバッファ層１２、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１９、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層２０、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３（層厚２．０μｍ）、及びｐ型多重膜窓層１８が積層されている。

従来構造のＩｎＰ窓層の場合には、１．３５ｅＶ（波長０．９２μｍに相当）が短波長側の限界であったが、本実施例に係る半導体受光素子６において、短波長側の波長帯域が広がった。

本実施例においては、波長域０．８３μｍ〜１．６５μｍにおいて光・電流変換効率７０％以上が得られた。また、信号波長１μｍにおいて２０ＧＨｚ以上の高周波特性を得た。

また、波長０．８５μｍ付近の信号光ではｐ型多重膜窓層１８で吸収が生じるため、光キャリアが発生する。ｐ型多重膜窓層１８で発生した光キャリアのうち、電子が拡散する。しかしながら、多層膜構造により電子が捕捉されるため、遅い拡散電流成分が完全に除去される。このため、波長０．８５μｍにおいても増倍率１で１５ＧＨｚ以上の高速特性を得ることができた。

以上のように、本発明の実施により、波長１μｍ付近の広い波長域を高効率かつ高速に受光す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。

なお、本発明は上述した実施の形態のみ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において種々の変更が可能であることは勿論である。

実施の形態１に係る半導体受光素子の構造図実施の形態１に係る半導体素子のバンド構造の概略図実施の形態１に係る半導体受光素子の波長―感度特性実施の形態１に係る半導体受光素子の高周波特性実施の形態２に係る半導体受光素子の構造図実施の形態２に係る半導体素子のバンド構造の概略図実施の形態３に係る半導体受光素子の構造図実施の形態３に係る半導体素子のバンド構造の概略図実施例４に係るアバランシェ増倍型受光素子の構造図実施例５に係るアバランシェ増倍型受光素子の構造図実施例６に係るアバランシェ増倍型受光素子の構造図従来における半導体素子の構造図

符号の説明

１１基板１２ｎ型バッファ層１３光吸収層１４ｐ型窓層
１５電子障壁層１６多層構造層１７多層構造層１８ｐ型多重膜窓層
１９増倍層２０ｐ型電界緩和層
９１ＩｎＰ基板９２ｎ型ＩｎＰバッファ層９３ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
９４ p型ＩｎＰ窓層

Claims

半導体基板上に、入射光を吸収する光吸収層を含む半導体層より形成される半導体受光素子であって、
前記光吸収層の入射光側に形成された窓層を有し、
前記窓層の禁制帯エネルギーが１．４ｅＶ以上であり、
前記窓層の層厚が０．５μｍ以下である半導体受光素子。
前記光吸収層の前記半導体基板側に、アバランシェ増倍層と電界緩和層とを有する請求項１記載の半導体素子。
さらに、前記光吸収層と前記窓層の間に、前記窓層に発生する電子の前記光吸収層への流入を妨げる電子障壁層を有する請求項１又は請求項２に記載の半導体受光素子。
前記電子障壁層の層厚が０．１μｍ以下である請求項３に記載の半導体受光素子。
前記光吸収層の電子親和力が前記窓層の電子親和力より大きく、
前記窓層の電子親和力が前記電子障壁層の電子親和力より大きい請求項３または請求項４に記載の半導体受光素子。
前記電子障壁層の伝導帯が前記窓層の伝導帯に対して５０ｍｅＶ以上の伝導帯不連続量を有している請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
前記窓層が２種以上の電子親和力の異なる半導体多層膜で形成される請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
前記窓層がＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、もしくはこれらの組み合わせで形成されている請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体受光素子を備えた光通信装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体受光素子を備えた光計測装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体受光素子を備えた光加工装置。