JP2009188171A - 半導体受光素子およびその製造方法ならびに光通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】キャリアの走行時間の増大を最低限に抑制しつつ、容量を低減することの可能な半導体受光素子を提供する。
【解決手段】半導体積層構造２０は、第１導電型層１１と、光吸収層１２と、光入射面１３Ａを有する第２導電型層１３とを半導体基板１０側から順に含んで構成されている。半導体積層構造２０のうち第１導電型層１１の一部と、光吸収層１２とにより柱状のメサ部１４が構成されており、光吸収層１２の内部に、または第１導電型層１１と光吸収層１２との間に酸化層１９が設けられている。酸化層１９は、光入射面１３Ａとの対向領域内に設けられた非酸化領域１９Ａと、非酸化領域１９Ａの周囲に設けられた環形状の酸化領域１９Ｂとを積層面内に有しており、酸化領域１９Ｂの比誘電率が、他の層（第１導電型層１１、光吸収層１２、第２導電型層１３）の比誘電率よりも小さくなっている。
【選択図】図２
【解決手段】半導体積層構造２０は、第１導電型層１１と、光吸収層１２と、光入射面１３Ａを有する第２導電型層１３とを半導体基板１０側から順に含んで構成されている。半導体積層構造２０のうち第１導電型層１１の一部と、光吸収層１２とにより柱状のメサ部１４が構成されており、光吸収層１２の内部に、または第１導電型層１１と光吸収層１２との間に酸化層１９が設けられている。酸化層１９は、光入射面１３Ａとの対向領域内に設けられた非酸化領域１９Ａと、非酸化領域１９Ａの周囲に設けられた環形状の酸化領域１９Ｂとを積層面内に有しており、酸化領域１９Ｂの比誘電率が、他の層（第１導電型層１１、光吸収層１２、第２導電型層１３）の比誘電率よりも小さくなっている。
【選択図】図２
Description
本発明は、光通信に好適に適用可能な半導体受光素子およびその製造方法、ならびにその半導体受光素子を備えた光通信装置に関する。
一般に、光通信用のＰＩＮフォトダイオード (p-intrinsic-n photo diode) では、例えば、特許文献１に記載されているように、ｎ型半導体基板上に、ｎ型バッファ層、光吸収層およびｐ型キャップ層を積層してなる柱状のメサ部が形成されており、そのメサ部の上面に、光入射領域に開口を有するリング状の上部電極が設けられ、ｎ型半導体基板の裏面に下部電極が設けられている。このような構成のＰＩＮフォトダイオードでは、上部電極と下部電極との間に逆バイアス電圧が印加された状態で、光入射領域に光が入射すると、その光が光吸収層でフォトカレントに変換され、変換されたフォトカレントが上部電極および下部電極から光出力信号として出力される。
光通信用のＰＩＮフォトダイオードでは、大容量通信を実現させるために、高速応答が要求される。応答速度は、基本的には、ＣＲ時定数と、光吸収層内のキャリアの走行時間とによって制限される。ＣＲ時定数においては、容量を下げるために、光吸収層を厚くすることが好ましいが、キャリアの走行時間においては、光吸収層を薄くすることが好ましい。また、光入射領域に入射した光を効率良くフォトカレントに変換するためには、光吸収層の積層面内方向の面積を大きくすることが好ましいが、そのようにした場合には、容量の増加を招いてしまう。つまり、高速応答を実現するためには、これらのパラメータを最適化することが必要となる。
上記特許文献１には、ＣＲ時定数を改善するために、メサ部に隣接して低誘電率層を設け、この低誘電率層の上面に、メサ部上面の上部電極に接続された引出電極を形成することにより、引出電極と下部電極との間の容量を低減する方策が示されている。また、特許文献２には、バッファ層を低ドープにして上部電極と下部電極との間の容量を低減する方策が示されている。
しかし、特許文献１の方策では、上部電極と下部電極との間の容量が低減されておらず、依然として大きいという問題がある。また、特許文献２の方策では、上部電極と下部電極との間の容量を十分に下げるためには、バッファ層の厚さを光吸収層と同程度の厚さとすることが必要となり、キャリアの走行時間が増大してしまうという問題がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、キャリアの走行時間の増大を最低限に抑制しつつ、容量を低減することの可能な半導体受光素子およびその製造方法ならびに光通信装置を提供することにある。
本発明の半導体受光素子は、第１導電型層と、光吸収層と、光入射面を有する第２導電型層とを順に含む半導体積層構造を備えたものである。光吸収層内に、または第１導電型層と光吸収層との間には、積層面内方向に非酸化領域と酸化領域とを含む酸化層が設けられている。
本発明の光通信装置は、上記半導体受光素子を用いたものである。
本発明の半導体受光素子および光通信装置では、光吸収層内に、または第１導電型層と光吸収層との間に、積層面内方向に非酸化領域と酸化領域とを含む酸化層が設けられている。これにより、酸化層内の酸化領域の比誘電率を光吸収層の比誘電率よりも十分に低くすることが可能となる。
本発明の半導体受光素子の製造方法は、以下の（１）〜（３）の各工程を含むものである。
（１）第１導電型層と、光吸収層と、光入射面を有する第２導電型層とを順に含むと共に、光吸収層内に、または第１導電型層と光吸収層との間に光吸収層よりも酸化され易い材料からなる被酸化層を含む半導体積層構造を形成する工程
（２）半導体積層構造を選択的にエッチングすることにより、側面に少なくとも被酸化層が露出するメサ部を形成する工程
（３）被酸化層を側面側から酸化することにより被酸化層の外縁に酸化領域を形成すると共に、被酸化層のうち酸化領域で囲まれた部分に非酸化領域を形成する工程
（１）第１導電型層と、光吸収層と、光入射面を有する第２導電型層とを順に含むと共に、光吸収層内に、または第１導電型層と光吸収層との間に光吸収層よりも酸化され易い材料からなる被酸化層を含む半導体積層構造を形成する工程
（２）半導体積層構造を選択的にエッチングすることにより、側面に少なくとも被酸化層が露出するメサ部を形成する工程
（３）被酸化層を側面側から酸化することにより被酸化層の外縁に酸化領域を形成すると共に、被酸化層のうち酸化領域で囲まれた部分に非酸化領域を形成する工程
本発明の半導体受光素子の製造方法では、光吸収層内に、または第１導電型層と光吸収層との間に設けられた被酸化層を側面側から酸化することにより被酸化層の外縁に酸化領域が形成される。これにより、被酸化層内の酸化領域の比誘電率を光吸収層の比誘電率よりも十分に低くすることが可能となる。
本発明の半導体受光素子およびその製造方法ならびに光通信装置によれば、光吸収層内に、または第１導電型層と光吸収層との間に、積層面内方向に非酸化領域と酸化領域とを含む酸化層を設けるようにしたので、酸化領域を厚くしなくても容量を十分に低下させることができる。また、酸化領域を厚くしなくても容量を十分に低下させることができることから、キャリアの走行時間の増大を最低限に抑制することができる。このように本発明では、キャリアの走行時間の増大を最低限に抑制しつつ、容量を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る面発光型の半導体受光素子１の上面図を、図２、図３は図１の半導体レーザ１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例をそれぞれ表したものである。なお、図１ないし図３は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
この半導体受光素子１は、ＬＳＩ等の半導体チップ間の信号伝送（光伝送）を行う光通信装置に好適に適用可能なものであり、半導体基板１０上に、第１導電型層１１、光吸収層１２、第２導電型層１３を半導体基板１０側からこの順に含む積層構造２０を備えたものである。この積層構造２０には、第１導電型層１１の全部または一部と、光吸収層１２と、第２導電型層１３とに渡って、柱状のメサ部１４が形成されており、そのメサ部１４の上面に上部電極１５が形成されている。この上部電極１５は、第２導電型層１３の光入射面１３Ａとの対向領域に開口１５Ａを有しており、環形状となっている。さらに、積層構造２０の側面に接して、低誘電率部１６が形成されている。この低誘電率部１６の上面は積層構造２０の上面とほぼ同一面内に形成されており、低誘電率部１６の上面には、上部電極１５と電気的に接続された引出電極１７が形成されている。また、半導体基板１０の裏面には、裏面全体に渡って下部電極１８が形成されている。
ここで、半導体基板１０は、例えば、｛１００｝面（例えば（１００）面）を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板からなる。なお、ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。第１導電型層１１は、例えば、ｐ型ＧａＡｓからなる。
光吸収層１２は、光入射面１３Ａに入射した光を吸収し、吸収した光の出力レベルに応じた電気信号（フォトカレント）に変換するためのものであり、例えば、アンドープのＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓからなる。なお、光吸収層１２で生じた電気信号は、引出電極１７および下部電極１８に接続された光通信演算回路（図示せず）に光通信信号として入力され、この光通信演算回路において光入射面１３Ａに入射した光の信号レベルを判定するために用いられる。
第２導電型層１３は、第１導電型層１１とは異なる導電型の半導体、例えば、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる。なお、ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。従って、積層構造２０は、光吸収層１２を導電型の互いに異なる半導体層によって挟み込んだサンドイッチ構造（ＰＩＮ構造）となっている。
上部電極１５および引出電極１７は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を半導体基板１０側からこの順に積層した構造を有しており、積層構造２０の上面（第２導電型層１３）と電気的に接続されている。下部電極１８は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とを半導体基板１０側からこの順に積層した構造を有しており、半導体基板１０と電気的に接続されている。また、低誘電率部１６は、引出電極１７と下部電極１８との間の容量を下げると共に、上部電極１５および引出電極１７における段切れを防止するためのものであり、例えば、ポリイミドや、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）などの絶縁性材料からなる。
ところで、本実施の形態では、図２、図３に例示したように、光吸収層１２内に、または第２導電型層１３（光入射面１３Ａとは反対側の導電型半導体層）と光吸収層１２との間に、酸化層１９を備えている。この酸化層１９は、積層面内方向に、非酸化領域１９Ａと、酸化領域１９Ｂとを含んで構成されている。なお、酸化層１９を、光吸収層１２との関係で光入射面１３Ａとは反対側寄りに設けたのは、光入射面１３Ａから入射してきた光が光吸収層１２で吸収されるのを酸化層１９によって妨げられるのを防ぐためである。
非酸化領域１９Ａは、光入射面１３Ａとの対向領域内に設けられており、光入射面１３Ａとの対向領域の中央に設けられていることが好ましい。この非酸化領域１９Ａは、被酸化層１９Ｄを側面から酸化した際に、酸化されずに残った領域に相当し、被酸化層１９Ｄと同一材料、例えば光吸収層１２の材料にＡｌを含ませたもの（例えばｎ型ＡｌＧａＡｓまたはｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ）により構成されている。酸化領域１９Ｂは、非酸化領域１９Ａの周囲に設けられており、環形状となっている。この酸化領域１９Ｂは、上記被酸化層１９Ｄを側面から酸化した際に、酸化された領域に相当し、例えばＡｌ２Ｏ３を含む絶縁性の領域となっている。
次に、本実施の形態の半導体受光素子１の製造方法の一例について説明する。
図４〜図６は、本実施の形態の半導体受光素子１の製造工程の各工程における断面構成を表したものである。半導体受光素子１を製造するためには、例えば（１００）面を主面とするＧａＡｓからなる半導体基板１０上に、ＧａＡｓ系化合物半導体を、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法などのエピタキシャル結晶成長法により一括に形成する。この際、ＧａＡｓ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン (ＡｓＨ３)などのメチル系有機金属ガスを用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。
具体的には、まず、図４に示したように、半導体基板１０上に、第１導電型層１１、光吸収層１２、第２導電型層１３を半導体基板１０側からこの順に含むと共に、光吸収層１２内に、または第１導電型層１１と光吸収層１２との間に光吸収層１２よりも酸化され易い材料からなる被酸化層１９Ｄを含む積層構造２０Ｄを形成する。
次に、図５に示したように、円形状のレジスト層（図示せず）を形成したのち、このレジスト層をマスクとして、積層構造２０Ｄを選択的にエッチングする。これにより、このレジスト層の直下に、少なくとも被酸化層１９Ｄが側面に露出する柱状のメサ部１４が形成される。
次に、図６に示したように、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部１４の側面から被酸化層１９Ｄを選択的に酸化する。これにより被酸化層１９Ｄの外縁領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。これにより、外縁領域に酸化領域１９Ｂが形成され、その中央領域が非酸化領域１９Ａとなる。このようにして、酸化層１９が形成される。
次に、図２に示したように、メサ部１４の側面に接して低誘電率部１６を形成したのち、メサ部１４の上面に上部電極１５を形成すると共に低誘電率部１６上面に引出電極１７を形成し、さらに、半導体基板１０の裏面に下部電極１８を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体受光素子１が製造される。
本実施の形態の半導体受光素子１では、例えば、下部電極１８を半導体受光素子１のグラウンド電極とし、上部電極１５から半導体受光素子１に逆バイアスを印加した上で、半導体受光素子１の光入射面１３Ａに光を入射させると、光入射面１３Ａに入射した光は、光吸収層１２に吸収され、吸収された光の出力レベルに応じた電気信号（フォトカレント）に変換されたのち、電気信号は上部電極１５および下部電極１８を介してＬＳＩチップなどに出力される。
ところで、本実施の形態では、図２、図３に例示したように、光吸収層１２内に、または第２導電型層１３（光入射面１３Ａとは反対側の導電型半導体層）と光吸収層１２との間に、積層面内方向に非酸化領域１９Ａと酸化領域１９Ｂとを含む酸化層１９が設けられている。
ここで、例えば、非酸化領域１９ＡがＡｌＧａＡｓ（比誘電率１０．０６〜１２．９０）からなり、酸化領域１９ＢがＡｌ２Ｏ３（比誘電率９）を含んで構成され、光吸収層１２がアンドープのＧａＡｓ（比誘電率１２．９）からなる場合、すなわち、酸化領域１９Ｂの比誘電率が、他の層（第１導電型層１１、光吸収層１２、第２導電型層１３）の比誘電率よりも小さくなっている場合に、酸化層１９のうち被酸化層１９Ｄの占める割合が酸化層１９のうち非酸化領域１９Ａの占める割合よりも十分に大きいときには、酸化層１９を設けていない場合と比べて、上部電極１５と下部電極１８との間の容量を下げることが可能である。また、酸化領域１９Ｂの比誘電率（９）は、光吸収層１２の比誘電率（１２．９）よりも格段に小さいことから、酸化層１９を厚くしなくても、上部電極１５と下部電極１８との間の容量を十分に下げることができる。また、酸化層１９が薄くても、上部電極１５と下部電極１８との間の容量を十分に下げることができることから、酸化層１９を薄くすることにより、キャリアの走行時間の増大を最低限に抑制することができる。このように、本実施の形態では、キャリアの走行時間の増大を最低限に抑制しつつ、容量を低減することができる。
なお、上記特許文献２では、半導体受光素子の電極間に、低ドープのＩｎＰ層を導入しているが、ＩｎＰの比誘電率は１２．５であり、本実施の形態で例示したＡｌ２Ｏ３の比誘電率よりもかなり大きく、ＧａＡｓの比誘電率よりもわずかに小さいだけである。そのため、上記特許文献２では、ＩｎＰ層を光吸収層と同程度の厚さにしないと、容量を十分に低減することができず、仮にそのようにした場合には、キャリアの走行時間が大幅に増大してしまう。
［適用例］
次に、上記実施の形態の半導体受光素子１を光通信装置２に適用した場合について説明する。
次に、上記実施の形態の半導体受光素子１を光通信装置２に適用した場合について説明する。
図７は、本適用例に係る光通信装置２の断面構成の一例を表すものである。この光通信装置２は、プリント配線基板２１上に、２つのＬＳＩチップ２２，２３が実装されたものである。一方のＬＳＩチップ２２の表面上には、半導体レーザなどの半導体発光素子２４が配置されており、ＬＳＩチップ２２からの電気信号が半導体発光素子２４によって光信号に変換され、光信号が半導体発光素子２４から出力されるようになっている。他方のＬＳＩチップ２３の表面上には、上記実施の形態の半導体受光素子１が配置されており、半導体受光素子１に入力された光信号が半導体受光素子１で電気信号に変換され、電気信号がＬＳＩチップ２３に入力されるようになっている。
半導体発光素子２４の光射出面と、半導体受光素子１の光入射面１３Ａと、光導波路２８の両端には、レンズ２５が設けられている。このレンズ２５は、例えば、発散光を平行光化したり、平行光を集光したりするコリメートレンズである。また、ＬＳＩチップ２２，２３の上面には、半導体発光素子２４や半導体受光素子１を覆う筒状のオス型コネクタ２６が設けられている。このオス型コネクタ２６の上面には、開口２６Ａが設けられており、この開口２６Ａを塞ぐと共にオス型コネクタ２６と嵌合するメス型コネクタ２７が設けられている。このメス型コネクタ２７は、光導波路２８に沿って設けられており、光導波路２８を支持する機能も有している。
本適用例では、オス型コネクタ２６とメス型コネクタ２７とが互いに接続されたのち、半導体発光素子２４が駆動されると、半導体発光素子２４から光が射出され、その光がレンズ２５を介して光導波路２８の一端に入射する。光導波路２８に入射した光は、光導波路２８を導波したのち、光導波路２８の他端から出力され、レンズ２５を介して半導体受光素子１に入射する。半導体受光素子１に入射した光は、光吸収層１２に吸収され、吸収された光の出力レベルに応じた電気信号（フォトカレント）に変換されたのち、電気信号は上部電極１５および下部電極１８を介してＬＳＩチップ２２に出力される。
ところで、本適用例では、図２、図３に例示したように、半導体受光素子１の光吸収層１２内に、または第２導電型層１３（光入射面１３Ａとは反対側の導電型半導体層）と光吸収層１２との間に、積層面内方向に非酸化領域１９Ａと酸化領域１９Ｂとを含む酸化層１９が設けられている。これにより、半導体受光素子１の光吸収層１２内に酸化層１９を設けていない場合と比べて、キャリアの走行時間の増大を最低限に抑制しつつ、容量を低減することができるので、高速応答が可能となり、大容量通信を実現することができる。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく種々変形可能である。
例えば、上記実施の形態等では、積層構造２０内に第１導電型層１１が設けられていたが、半導体基板１０の導電型が第１導電型層１１の導電型と同じ場合には、必要に応じて第１導電型層１１を省略することも可能である。
また、上記実施の形態等では、半導体材料をＧａＡｓ系化合物半導体により構成した場合について説明したが、他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系（赤系）材料またはＡｌＧａＡｓ系（赤外系）や、ＧａＮ系（青緑色系）などにより構成することも可能である。
１…半導体受光素子、１０…半導体基板、１１…第１導電型層、１２…光吸収層、１３…第２導電型層、１３Ａ…光入射面、１４…メサ部、１５…上部電極、１５Ａ…開口、１６…低誘電率部、１７…引出電極、１８…下部電極、１９…酸化層、１９Ａ…非酸化領域、１９Ｂ…酸化領域、１９Ｄ…被酸化層、２０，２０Ｄ…半導体積層構造、２１…プリント配線基板、２２，２３…ＬＳＩチップ、２４…半導体発光素子、２５…レンズ、２６…オス型コネクタ、２６Ａ…開口、２７…メス型コネクタ、２８…光導波路。
Claims (8)
- 第１導電型層と、光吸収層と、光入射面を有する第２導電型層とを順に含む半導体積層構造を備え、
前記光吸収層内に、または前記第１導電型層と前記光吸収層との間に、積層面内方向に非酸化領域と酸化領域とを含む酸化層を有する
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記酸化領域の比誘電率は、前記光吸収層の比誘電率よりも小さくなっている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記非酸化領域は、前記光入射面との対向領域内に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記非酸化領域は、前記光入射面との対向領域の中央に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記半導体積層構造は、側面に少なくとも前記酸化層が露出するメサ部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記メサ部の側面に接して設けられた低誘電率部と、
前記低誘電率部の上面から前記半導体積層構造の上面に渡って設けられた電極と
を備える
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。 - 第１導電型層と、光吸収層と、光入射面を有する第２導電型層とを順に含むと共に、前記光吸収層内に、または前記第１導電型層と前記光吸収層との間に前記光吸収層よりも酸化され易い材料からなる被酸化層を含む半導体積層構造を形成する工程と、
前記半導体積層構造を選択的にエッチングすることにより側面に少なくとも前記被酸化層が露出するメサ部を形成する工程と、
前記被酸化層を前記側面側から酸化することにより前記被酸化層の外縁に酸化領域を形成すると共に、前記被酸化層のうち前記酸化領域で囲まれた部分に非酸化領域を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。 - 半導体受光素子を用いた光通信装置であって、
前記半導体受光素子は、
第１導電型層と、光吸収層と、光入射面を有する第２導電型層とを順に含む半導体積層構造を備え、
前記光吸収層内に、または前記第１導電型層と前記光吸収層との間に、積層面内方向に非酸化領域と酸化領域とを含む酸化層を有し、
前記酸化領域の比誘電率は、前記光吸収層の比誘電率よりも低くなっている
ことを特徴とする光通信装置。
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