JP2010239166A - Pin type light receiving element - Google Patents

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Masateru Yanagisawa
昌輝 柳沢
Hiroshi Yano
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pin-type light receiving element having a low dark current owing to the reduction of a leak current and having a high speed response and high light receiving sensitivity owing to the reduction of an element capacity. <P>SOLUTION: There are laminated in succession on a semiconductor substrate 20 composed of InP etc. an n-type semiconductor layer 30 composed of Si doped GaInAs, an i-type semiconductor layer 31 composed of undoped GaInAs, and a p-type semiconductor layer 32 composed of Zn doped GaInAs with surroundings of the i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 formed into mesa forms. The surrounding of the mesa has a passivation semiconductor layer 40. Furthermore, the thickness h2 of a light receiving region at a messa central part of the p-type semiconductor layer 32 is made thinner than the thickness h1 of its surrounding. In a pin-type light receiving element having such a structure depletion layer capacity is reduced while keeping a low dark current characteristic to largely improve a responce speed. Furthermore, light absorption at the p-type semiconductor layer 32 is reduced and high receiving sensitivity is also largely improved. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、光情報伝送系に用いられるpin型半導体受光素子に関する。   The present invention relates to a pin type semiconductor light receiving element used in an optical information transmission system.

pin型受光素子は、光ファイバ通信用の受光デバイスとして用いられる。特に、光電子集積回路に用いられる受光デバイスとして、メサ構造を備えたpin型受光素子が形成されている。光電子集積回路は、通信システムの高速化・大容量化に対応する光機能および高性能でかつ低コストの光デバイスを実現するために、光デバイスと電子回路を同一基板上に形成したデバイスである。メサ構造を備えたpin型受光素子は、現在、光通信分野で広く用いられているプレーナ構造よりも、集積の容易さや素子間の絶縁の容易さなどの点で優れている。また、メサ型のpin受光素子は、pin構造をドーピングの均一性の高いエピタキシャル成長で形成するため、ウエハの大口径化が容易であり、低コスト化が期待できる。また、メサ型では動作に寄与しない不要な部分を除去しているため素子容量が小さく高速応答が可能であるといった特徴を有する。   The pin type light receiving element is used as a light receiving device for optical fiber communication. In particular, as a light receiving device used in an optoelectronic integrated circuit, a pin type light receiving element having a mesa structure is formed. An optoelectronic integrated circuit is a device in which an optical device and an electronic circuit are formed on the same substrate in order to realize an optical function and high performance and low cost optical device corresponding to high speed and large capacity of a communication system. . A pin-type light receiving element having a mesa structure is superior to a planar structure widely used in the field of optical communication at present in terms of easy integration and easy insulation between elements. Further, since the mesa pin light receiving element is formed by epitaxial growth with high uniformity of doping in the pin structure, it is easy to increase the diameter of the wafer, and cost reduction can be expected. Further, the mesa type has a feature that the element capacity is small and high-speed response is possible because unnecessary portions that do not contribute to the operation are removed.

メサ型のpin受光素子では、メサ部のpn接合領域および半導体層表面が露出するために、他の受光素子に比べて表面リーク電流に基づく暗電流が大きい。この暗電流を低減するために、メサ部の側面を絶縁体保護膜やInPパッシベーション半導体膜で被覆する構造がとられている。特に、このInPパッシベーション構造による方法では、格段に暗電流を低減することができる。たとえば先行技術として、文献“1996年電子情報通信学会総合大会論文集エレクトロニクス1、SC−2−3、pp.435−436、1996)、および“特開平09−213988”などに詳細に記載されている。   In the mesa-type pin light receiving element, the pn junction region of the mesa portion and the surface of the semiconductor layer are exposed, so that the dark current based on the surface leakage current is larger than in other light receiving elements. In order to reduce this dark current, a structure is employed in which the side surface of the mesa portion is covered with an insulator protective film or an InP passivation semiconductor film. In particular, in the method using the InP passivation structure, dark current can be significantly reduced. For example, as the prior art, it is described in detail in the documents “Electronic Information Communication Society General Conference Proceedings of 1996, Electronics 1, SC-2-3, pp. 435-436, 1996”, “JP 09-213988”, and the like. Yes.

図11に、従来のInPパッシベーション構造を備えたメサ型のpin受光素子の素子構造を示した。InP半導体基板20上にn型半導体層30/i型半導体層31/p型半導体層32が順次積層される。i型半導体層31及びp型半導体層32は同一の第1の半導体材料で構成されている。ここでは、たとえば第1の半導体材料としてGaInAsを用いている。メサ型に形成された光信号光の受光層の表面を第1の半導体材料よりバンドギャップエネルギーの大きなノンドープ−InP材料で覆った構造となっている。これにより、メサ型に形成されたi型半導体層31及びp型半導体層32のメサ表面は、いわゆるワイドバンドギャップ半導体層に対する良好な半導体ヘテロ接合になる。このバンドギャップエネルギーの異なる半導体−半導体からなる半導体ヘテロ接合の界面準位密度は、半導体−絶縁体保護膜の界面準位密度に比べて非常に低いため、界面準位に基づくリーク電流が低減できるため、格段に暗電流を小さくすることができる。   FIG. 11 shows an element structure of a mesa-type pin light receiving element having a conventional InP passivation structure. On the InP semiconductor substrate 20, an n-type semiconductor layer 30 / i-type semiconductor layer 31 / p-type semiconductor layer 32 are sequentially stacked. The i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 are made of the same first semiconductor material. Here, for example, GaInAs is used as the first semiconductor material. The surface of the light-receiving layer for optical signal light formed in a mesa shape is covered with a non-doped InP material having a band gap energy larger than that of the first semiconductor material. As a result, the mesa surfaces of the i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 formed in a mesa shape are good semiconductor heterojunctions with a so-called wide band gap semiconductor layer. The interface state density of the semiconductor heterojunction made of a semiconductor-semiconductor having different band gap energies is very low compared to the interface state density of the semiconductor-insulator protective film, so that the leakage current based on the interface state can be reduced. Therefore, the dark current can be remarkably reduced.

また、文献“1996年電子情報通信学会総合大会論文集エレクトロニクス1、SC−2−3、pp.435−436、1996)によれば、InPパッシベーション構造によるメサ型のpin受光素子の応答速度は、受光径が100μmφの素子において、−1V以下の比較的低電圧駆動でも、2GHz前後の高い応答速度を有している。   In addition, according to the document “1996 Electronic Information Communication Society General Conference Proceedings Electronics 1, SC-2-3, pp. 435-436, 1996), the response speed of the mesa-type pin light-receiving element having the InP passivation structure is An element having a light receiving diameter of 100 μmφ has a high response speed of around 2 GHz even when driven at a relatively low voltage of −1 V or less.

特開平09−213988JP 09-213988

“1996年電子情報通信学会総合大会論文集エレクトロニクス1、SC−2−3、pp.435−436、1996)“The 1996 IEICE General Conference Proceedings Electronics 1, SC-2-3, pp. 435-436, 1996)

しかし、最近の光通信システムでは、大容量化、高速化の要求が急速な勢いで高まっており、半導体光デバイスの動作速度・応答速度をさらに高速化する必要がある。図11に示されたInPパッシベーション構造によるメサ型のpin受光素子構造では、次世代光伝送の主力となるであろう40GHz程度の高速光通信用受光デバイスに用いることは困難である。InPパッシベーション構造によるメサ型のpin受光素子の応答速度は、主に、素子抵抗Rと素子容量Cとの積CRで決まるCR時定数によって制限されている。特に、図11に示された従来の構造では、p型半導体層からp型不純物である亜鉛(Zn)がi型半導体層中に拡散し、空乏層容量が大きくなることから、さらなる高速化が困難であるという問題がある。   However, in recent optical communication systems, demands for large capacity and high speed are increasing rapidly, and it is necessary to further increase the operation speed and response speed of semiconductor optical devices. The mesa-type pin light-receiving element structure having the InP passivation structure shown in FIG. 11 is difficult to use for a light-receiving device for high-speed optical communication of about 40 GHz, which will be the mainstay of next-generation optical transmission. The response speed of the mesa-type pin light receiving element having the InP passivation structure is limited mainly by the CR time constant determined by the product CR of the element resistance R and the element capacitance C. In particular, in the conventional structure shown in FIG. 11, zinc (Zn), which is a p-type impurity, diffuses from the p-type semiconductor layer into the i-type semiconductor layer, and the depletion layer capacitance increases. There is a problem that it is difficult.

また、メサ型のpin受光素子の応答速度の高速化のために、素子の素子容量を低減するための手段として、メサ型受光素子のメサ径を小さくする必要があるが、これに伴って当然、受光径も小さくなるので、受光感度も小さくなるという問題がある。   Further, in order to increase the response speed of the mesa-type pin light-receiving element, it is necessary to reduce the mesa diameter of the mesa-type light-receiving element as a means for reducing the element capacity of the element. Since the light receiving diameter is also reduced, there is a problem that the light receiving sensitivity is also reduced.

本願発明者等は、試行錯誤を繰り返し、多数のpin型受光素子を試作した結果、メサ径を小さくすることに加えて、pin型受光素子の素子容量を低減し、受光感度を向上させる手段として、p型半導体層の厚みを薄くする方法を見出した。しかし、p型半導体層の厚みを薄くすることによって、素子の暗電流が徐々に増加し、素子特性が劣化するといった問題が、新たに生じることがわかった   As a result of repeating trial and error and making a large number of pin-type light receiving elements as prototypes, the inventors of the present application, as a means for reducing the element capacity of the pin-type light receiving element and improving the light receiving sensitivity, in addition to reducing the mesa diameter. The present inventors have found a method for reducing the thickness of the p-type semiconductor layer. However, it has been found that by reducing the thickness of the p-type semiconductor layer, the dark current of the device gradually increases and the device characteristics deteriorate.

そこで、本発明は、メサ型のpin受光素子の暗電流を増加させることなく、素子の素子容量の低減による応答速度の向上と受光感度の向上を同時に実現し、かつ他の電子デバイスとモノリシックに集積化が容易な光伝送システム用受光素子を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention achieves an improvement in response speed and an improvement in light receiving sensitivity by reducing the element capacitance of the element without increasing the dark current of the mesa-type pin light receiving element, and monolithically with other electronic devices. An object of the present invention is to provide a light receiving element for an optical transmission system that can be easily integrated.

上記の目的を達成するために、本発明のうちで請求項1記載のpin型受光素子は、(a)半導体基板と、(b)この半導体基板上に形成され、第1導電型の不純物をドープして構成された第1の半導体層と、(c)この第1の半導体層上に形成され、第1の半導体材料に不純物を故意にドープしないで構成された第2の半導体層と、(d)この第2の半導体層上に形成され、第1の半導体材料に第1導電型とは異なる第2の導電型の不純物をドープして構成された第3の半導体層とであって、第2の半導体層と第3の半導体層は一つのメサ部を形成しており、第2の半導体層の厚さはメサ部において一様であり、第3の半導体層は、メサ部周囲における厚さがメサ部中央における厚さよりも厚く形成されていて、(e)第1ないし第3の半導体層を覆うように形成され、第1の半導体材料よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料に、不純物を故意にドープしないで構成された第4の半導体層を備えていることを特徴としたものである。   In order to achieve the above object, a pin type light receiving element according to claim 1 of the present invention includes: (a) a semiconductor substrate; and (b) an impurity of a first conductivity type formed on the semiconductor substrate. A first semiconductor layer configured by doping; and (c) a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and configured without intentionally doping impurities into the first semiconductor material; (D) a third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer and configured by doping the first semiconductor material with an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type; The second semiconductor layer and the third semiconductor layer form one mesa portion, the thickness of the second semiconductor layer is uniform in the mesa portion, and the third semiconductor layer is around the mesa portion. (E) the first to third half portions are formed to be thicker than the thickness at the center of the mesa portion. A second semiconductor material formed so as to cover the body layer and having a band gap energy larger than that of the first semiconductor material, the fourth semiconductor layer configured without intentionally doping impurities. It is a feature.

このようなpin型受光素子においては、メサ周辺近傍では、第2及び第3の半導体層を構成する第1の半導体材料よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料に、不純物を故意にドープしないで構成された第4の半導体層が、第1ないし第3の半導体層を覆うように形成されている。したがって、このような構造では、従来のメサ型のInPパッシベーション構造と同様の構造が実現されており、第1の半導体層と第3の半導体層との間におけるpn接合領域の界面は、界面準位密度の少ない、いわゆるワイドバンドギャップ半導体層に対する良好なヘテロ接合になっている。これにより、第3の半導体層が均一の厚みで形成された従来のInPパッシベーション構造を有するメサ型pin受光素子と同様に、第2及び第3の半導体層の壁面に沿って、界面準位密度に基づいてメサ表面を流れるリーク電流を格段に低減できる。さらに、メサ表面を流れるリーク電流は、メサ周囲近傍領域の第3の半導体層の厚みに関係しており、メサ周辺近傍の第3の半導体層の厚みのみを所定の厚み以上にすることで、十分にこのリーク電流を低減することができる。   In such a pin-type light receiving element, in the vicinity of the mesa, impurities are intentionally added to the second semiconductor material having a larger band gap energy than the first semiconductor materials constituting the second and third semiconductor layers. A fourth semiconductor layer configured without doping is formed to cover the first to third semiconductor layers. Therefore, in such a structure, a structure similar to the conventional mesa type InP passivation structure is realized, and the interface of the pn junction region between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer is the interface state. It is a good heterojunction with a so-called wide band gap semiconductor layer having a low density. As a result, the interface state density along the wall surfaces of the second and third semiconductor layers is similar to that of the conventional mesa pin light-receiving element having the InP passivation structure in which the third semiconductor layer is formed with a uniform thickness. Based on this, the leakage current flowing on the mesa surface can be remarkably reduced. Further, the leakage current flowing on the mesa surface is related to the thickness of the third semiconductor layer in the vicinity of the mesa area, and only the thickness of the third semiconductor layer in the vicinity of the mesa area is set to a predetermined thickness or more. This leakage current can be sufficiently reduced.

さらに、本発明に係わるpin型受光素子では、メサ部中央の第3の半導体層の厚みが薄い構造を備えているので、入射信号光に対する第3の半導体層での光吸収が低減され、主にフォトキャリアが生成される第2の半導体層へ到達する信号光量が増大することにより、受光感度が向上する。   Furthermore, since the pin type light receiving element according to the present invention has a structure in which the third semiconductor layer at the center of the mesa portion is thin, light absorption in the third semiconductor layer with respect to incident signal light is reduced. The light receiving sensitivity is improved by increasing the amount of signal reaching the second semiconductor layer where photocarriers are generated.

また、本発明に係わるpin型受光素子では、メサ部中央の第3の半導体層の厚みが薄い構造を備えることによって、製造工程中に第3の半導体層から第2の半導体層中への不純物の拡散を抑制でき、素子の素子容量を低減することができる。   Further, in the pin type light receiving element according to the present invention, the third semiconductor layer in the center of the mesa portion has a thin thickness, so that impurities from the third semiconductor layer into the second semiconductor layer during the manufacturing process can be obtained. Diffusion can be suppressed, and the element capacitance of the element can be reduced.

メサ型のpin受光素子の応答速度は、素子抵抗と素子容量で決まるCR時定数によって制限されているため、電子とホールの走行時間で決まる素子の動作速度限界までは達していない。したがって本願発明のpin型受光素子において、応答速度を40GHz程度の高周波帯域まで拡大することは、十分可能である   The response speed of the mesa-type pin light-receiving element is limited by the CR time constant determined by the element resistance and the element capacitance, and thus does not reach the operating speed limit of the element determined by the travel time of electrons and holes. Therefore, in the pin type light receiving element of the present invention, it is possible to expand the response speed to a high frequency band of about 40 GHz.

請求項2記載のpin型受光素子は、請求項1記載のpin型受光素子において、第1の半導体材料をGaInAsとするとともに、第2の半導体材料をInPとすることを特徴とする。   The pin type light receiving element according to claim 2 is characterized in that, in the pin type light receiving element according to claim 1, the first semiconductor material is GaInAs and the second semiconductor material is InP.

請求項3記載のpin型受光素子は、請求項1記載のpin型受光素子において、半導体基板と第1ないし第4の半導体層とを覆うように形成された絶縁体層をさらに備えることを特徴とする。   The pin type light receiving element according to claim 3 is the pin type light receiving element according to claim 1, further comprising an insulator layer formed so as to cover the semiconductor substrate and the first to fourth semiconductor layers. And

請求項4記載のpin型受光素子は、請求項1ないし請求項3のいずれか一つに記載のpin型受光素子において、第1導電型をn型とするとともに、第2導電型をp型とすることを特徴とする。   The pin type light receiving device according to claim 4 is the pin type light receiving device according to any one of claims 1 to 3, wherein the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. It is characterized by.

請求項5記載のpin型受光素子は、請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載のpin型受光素子において、第3の半導体層の厚みが薄い領域に、第3の半導体層上にオーミック接触して形成された第1の電極層を備えることを特徴とする。これにより、第3の半導体層の厚みが薄い領域を、メサ周辺部領域まで形成することができるため、受光面積を広くすることが可能となる。このため、比較的受光感度を大きくし易く、かつ光ファイバを通して信号光を受信させるときに、光ファイバとメサ型pin−PDとの位置合わせを容易にすることができる。   The pin type light receiving element according to claim 5 is the pin type light receiving element according to any one of claims 1 to 4, wherein the third semiconductor layer is formed on the third semiconductor layer in a region where the thickness is small. And a first electrode layer formed in ohmic contact with the first electrode layer. Thereby, since the area | region where the thickness of a 3rd semiconductor layer is thin can be formed to a mesa peripheral part area | region, it becomes possible to enlarge a light-receiving area. For this reason, it is relatively easy to increase the light receiving sensitivity, and when the signal light is received through the optical fiber, the alignment between the optical fiber and the mesa pin-PD can be facilitated.

請求項6記載のpin型受光素子は、請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載のpin型受光素子において、第3の半導体層の厚みが厚い領域に、第3の半導体層上にオーミック接触して形成された第1の電極層を備えることを特徴とする。これは、第3の半導体層が厚い周辺部に電極を形成することにより、第1の電極層と、第1の半導体層及び第2の半導体層との間におけるpn接合領域との距離を大きくできるため、いっそう暗電流を小さくすることができる。さらに、第1の電極層下の第3の半導体層の厚みを厚くすることで、さらに素子容量が低減することができる。素子容量の低減と暗電流の抑制に基づいて素子特性を格段に向上させることができる。   The pin type light receiving element according to claim 6 is the pin type light receiving element according to any one of claims 1 to 4, wherein the third semiconductor layer is formed on the third semiconductor layer in a region where the third semiconductor layer is thick. And a first electrode layer formed in ohmic contact with the first electrode layer. This is because the distance between the first electrode layer and the pn junction region between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is increased by forming the electrode in the peripheral portion where the third semiconductor layer is thick. Therefore, the dark current can be further reduced. Further, by increasing the thickness of the third semiconductor layer under the first electrode layer, the element capacity can be further reduced. The element characteristics can be remarkably improved based on the reduction of the element capacitance and the suppression of dark current.

請求項7記載のpin型受光素子は、請求項1ないし請求項6のいずれか一つに記載のpin型受光素子において、第3の半導体層のメサ部周囲の厚みh1が、0.2μm≦h1≦0.5μmの範囲にあることを特徴とする。   The pin type light receiving device according to claim 7 is the pin type light receiving device according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness h1 around the mesa portion of the third semiconductor layer is 0.2 μm ≦ It is in the range of h1 ≦ 0.5 μm.

これは、第3の半導体層のメサ部周囲の厚みh1が0.2μm以上あれば、第2及び第3の半導体層の壁面に沿って、界面準位密度に基づいてメサ表面を流れるリーク電流を十分抑制できることが実験により明らかにされた。また、逆に、第3の半導体層のメサ部周囲の厚みh1の厚みが増すと素子容量も増加する。このため、第3の半導体層のメサ部周囲の厚みh1を0.5μm以下にすることで、素子容量の増加を抑制できる。   This is because if the thickness h1 around the mesa portion of the third semiconductor layer is 0.2 μm or more, the leakage current that flows on the mesa surface along the wall surface of the second and third semiconductor layers based on the interface state density It has been clarified by experiments that can be sufficiently suppressed. Conversely, as the thickness h1 around the mesa portion of the third semiconductor layer increases, the element capacitance also increases. For this reason, an increase in element capacitance can be suppressed by setting the thickness h1 around the mesa portion of the third semiconductor layer to 0.5 μm or less.

請求項8記載のpin型受光素子は、請求項1ないし請求項7のいずれか一つに記載のpin型受光素子において、第3の半導体層のメサ部中央の厚みh2が、0.02μm<h2≦0.25μmの範囲にあることを特徴とする。   The pin type light receiving device according to claim 8 is the pin type light receiving device according to any one of claims 1 to 7, wherein the thickness h2 of the center of the mesa portion of the third semiconductor layer is 0.02 μm <. It is characterized by being in the range of h2 ≦ 0.25 μm.

これは、メサ部中央の第3の半導体層の層厚h2を0.25μmより薄くすることによって受光感度の向上および素子容量の低減が得られるが、同時に素子抵抗が大きくなる。そのため、第2の半導体層中で生成された正孔が第3の半導体層を走行し、第1の電極層まで到達するための走行時間が長くなり、感度の低下及び周波数特性の劣化の原因となる。メサ部中央の第3の半導体層の層厚h2を0.02μm以上にすることで、素子抵抗の増加およびこれにともなう感度の低下及び周波数特性の劣化を抑制できる。   This is because the light receiving sensitivity can be improved and the device capacitance can be reduced by making the thickness h2 of the third semiconductor layer in the center of the mesa portion thinner than 0.25 μm, but the device resistance is increased at the same time. Therefore, holes generated in the second semiconductor layer travel through the third semiconductor layer and travel time for reaching the first electrode layer becomes longer, causing a decrease in sensitivity and a deterioration in frequency characteristics. It becomes. By setting the layer thickness h2 of the third semiconductor layer at the center of the mesa portion to 0.02 μm or more, it is possible to suppress an increase in element resistance, a decrease in sensitivity, and a deterioration in frequency characteristics.

以上、詳細に説明したように、本発明のpin型受光素子においては、第1のメサ部の第3の半導体層において、メサ中央部の受光領域の厚みのみを薄くすることによって、素子容量が低減される。したがって、受光素子の応答速度を制限しているCR時定数を小さくできるので、高速応答特性が得られる。さらに、第3の半導体層での信号光の光吸収が減少し、第2の半導体層に到達する光量が増加するため、受光感度も向上する。   As described above in detail, in the pin type light receiving element of the present invention, in the third semiconductor layer of the first mesa portion, by reducing only the thickness of the light receiving region at the center of the mesa, the element capacitance is reduced. Reduced. Therefore, since the CR time constant that limits the response speed of the light receiving element can be reduced, high-speed response characteristics can be obtained. Further, the light absorption of the signal light in the third semiconductor layer is reduced and the amount of light reaching the second semiconductor layer is increased, so that the light receiving sensitivity is also improved.

また、メサ部周辺の第3の半導体層の厚みを厚い状態で保持することにより、従来のInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子と同様に、i型半導体層及びp型半導体層の各壁面に沿って流れるリーク電流が低減できる   Further, by maintaining the thickness of the third semiconductor layer around the mesa portion in a thick state, each of the i-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer is similar to the conventional pin-type light receiving element including the InP passivation semiconductor layer. Leakage current flowing along the wall can be reduced

したがって、本発明のpin型受光素子において、暗電流を抑制しながら、素子容量の低減および受光感度の向上に基づいて素子特性が向上するという効果を提供することができる。   Therefore, in the pin type light receiving element of the present invention, it is possible to provide an effect that the element characteristics are improved based on the reduction of the element capacity and the improvement of the light receiving sensitivity while suppressing the dark current.

次に、本発明のpin型受光素子の製造方法においては、メサ型に加工された第3の半導体層のメサ周辺領域は厚い第1の半導体材料が形成され、受光領域であるメサ型の中央領域のみ第3の半導体層の厚みが薄い構造が、簡単に再現性よく実現される。さらに、第1の半導体材料で共に構成された第2及び第3半導体層の周囲に、ワイドバンドギャップ半導体層である第4の半導体層を形成する。そのため、第4の半導体層の結晶性が比較的良好に保持されるとともに、pn接合領域の配置が、第1ないし第3の半導体層を形成する工程のみに基づいて決定される。したがって、第4の半導体層によってpn接合領域を完全に被覆させるという効果を提供することができる。   Next, in the manufacturing method of the pin type light receiving element of the present invention, a thick first semiconductor material is formed in the mesa peripheral region of the third semiconductor layer processed into the mesa type, and the mesa type center that is the light receiving region is formed. A structure in which the third semiconductor layer is thin only in the region is easily realized with good reproducibility. Further, a fourth semiconductor layer, which is a wide band gap semiconductor layer, is formed around the second and third semiconductor layers that are both formed of the first semiconductor material. Therefore, the crystallinity of the fourth semiconductor layer is maintained relatively well, and the arrangement of the pn junction region is determined based only on the process of forming the first to third semiconductor layers. Therefore, the effect that the pn junction region is completely covered by the fourth semiconductor layer can be provided.

本発明の第1の実施形態に係るpin型受光素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pin type light receiving element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るpin型受光素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pin type light receiving element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図1のpin型受光素子の製造工程を順次示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially showing manufacturing steps of the pin type light receiving element of FIG. 1. 図1のpin型受光素子における図3に後続する製造工程を順次示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view sequentially illustrating manufacturing steps subsequent to FIG. 3 in the pin type light receiving element of FIG. 1. 図1のpin型受光素子及び図2のpin型受光素子におけるp型半導体層の厚みと素子の素子容量の関係についての実験結果を示すグラフである。3 is a graph showing experimental results on the relationship between the thickness of a p-type semiconductor layer and the element capacitance of the element in the pin-type light-receiving element of FIG. 1 and the pin-type light-receiving element of FIG. 2. 図1のpin型受光素子及び図2のpin型受光素子におけるp型半導体層の厚みと素子の受光感度の関係についての実験結果を示すグラフである。3 is a graph showing experimental results on the relationship between the thickness of a p-type semiconductor layer and the light-receiving sensitivity of the element in the pin-type light-receiving element of FIG. 1 and the pin-type light-receiving element of FIG. 図2のpin型受光素子におけるバイアス電圧―暗電流特性を示すグラフである。3 is a graph showing bias voltage-dark current characteristics in the pin type light receiving element of FIG. 2. 図1のpin型受光素子及び図2のpin型受光素子におけるp型半導体層の厚みと素子の暗電流の関係についての実験結果を示すグラフである。3 is a graph showing experimental results on the relationship between the thickness of a p-type semiconductor layer and the dark current of the element in the pin-type light-receiving element of FIG. 1 and the pin-type light-receiving element of FIG. 2. 従来のInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子におけるp型半導体層の厚みと素子の素子容量及び受光感度の関係についての実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result about the relationship between the thickness of the p-type semiconductor layer, the element capacity of an element, and the light receiving sensitivity in the pin type light receiving element provided with the conventional InP passivation semiconductor layer. 従来のInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子におけるp型半導体層の厚みと素子の暗電流の関係についての実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result about the relationship between the thickness of the p-type semiconductor layer in the pin type light receiving element provided with the conventional InP passivation semiconductor layer, and the dark current of an element. 従来のInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pin-type light receiving element provided with the conventional InP passivation semiconductor layer.

以下、本発明に係る諸々の実施形態の構成および作用について、図1ないし図4を参照して説明する。なお、図面の説明においては同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。   Hereinafter, configurations and functions of various embodiments according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

(第1の実施形態)
図1に示すように、pin型受光素子としてpin−PD1が、第1ないし第3の半導体層としてn型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32を、半導体基板20上に順次積層して構成されている。i型半導体層31及びp型半導体層32は、メサ型にそれぞれ形成され、円錐台状の第1のメサ部を一体として構成している。周辺が第1のメサ部を形成するp型半導体層32は、メサ周辺部のみ厚く、メサ中央部の受光領域が所定の厚みに薄く形成されている。また、n型半導体層30の周辺は、メサ型に形成された円錐台状の第2のメサ部を構成している。この第2のメサ部は、第1のメサ部の底面下にi型半導体層31との接合面より外側のn型半導体層30の周辺に、第1のメサ部と連続せずに単独で構成している。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, pin-PD 1 as a pin-type light receiving element, n-type semiconductor layer 30, i-type semiconductor layer 31, and p-type semiconductor layer 32 as first to third semiconductor layers are formed on a semiconductor substrate 20. It is configured by sequentially stacking. The i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 are each formed in a mesa shape, and integrally form a truncated cone-shaped first mesa portion. The p-type semiconductor layer 32 whose periphery forms the first mesa portion is thick only at the mesa periphery, and the light receiving region at the center of the mesa is formed thin to a predetermined thickness. In addition, the periphery of the n-type semiconductor layer 30 constitutes a second mesa portion having a truncated cone shape formed in a mesa shape. The second mesa portion is independent from the periphery of the n-type semiconductor layer 30 outside the bonding surface with the i-type semiconductor layer 31 below the bottom surface of the first mesa portion, without being continuous with the first mesa portion. It is composed.

また、第2のメサ部の頂面上には、第2の電極層として所定パターンのn型電極層60が、n型半導体層30に対してオーミック接触して形成されている。第1のメサ部の中央の厚みの薄いp型半導体層32の頂面上には、第1の電極層として所定パターンのp型電極層61が、p型半導体層32に対してオーミック接触して形成されている。第1のメサ部のp型半導体層の厚みが厚い部分と薄い部分を含む頂面及び側壁上と、第2のメサ部の頂面上とには、すなわち、p型半導体層32、i型半導体層31及びn型半導体層30の周囲には、第4の半導体層としてパッシベーション半導体層40が形成されている。   On the top surface of the second mesa portion, an n-type electrode layer 60 having a predetermined pattern is formed as a second electrode layer in ohmic contact with the n-type semiconductor layer 30. A p-type electrode layer 61 having a predetermined pattern as the first electrode layer is in ohmic contact with the p-type semiconductor layer 32 on the top surface of the thin p-type semiconductor layer 32 at the center of the first mesa portion. Is formed. The p-type semiconductor layer 32, i-type is formed on the top surface and the side wall including the thick and thin portions of the p-type semiconductor layer of the first mesa portion and on the top surface of the second mesa portion. A passivation semiconductor layer 40 is formed as a fourth semiconductor layer around the semiconductor layer 31 and the n-type semiconductor layer 30.

さらに、半導体基板20の表面上と、n型半導体層30の側壁上と、パッシベーション半導体層40の表面上を被覆する絶縁体層として、第1のパッシベーション絶縁体層80が形成されている。ただし、第1のパッシベーション絶縁体層80は、n型電極層60及びp型電極層61の表面上にそれぞれ開口を有している。   Further, a first passivation insulator layer 80 is formed as an insulator layer covering the surface of the semiconductor substrate 20, the sidewall of the n-type semiconductor layer 30, and the surface of the passivation semiconductor layer 40. However, the first passivation insulator layer 80 has openings on the surfaces of the n-type electrode layer 60 and the p-type electrode layer 61, respectively.

なお、半導体基板20は、Feを濃度約0.7〜0.8wt・ppmでドープした直径3インチ径で厚み600μmの半絶縁性のInPで構成されている。n型半導体層30は、第1導電型の不純物としてSiを濃度約4×1018cm−3でドープしたn型のGaInAsで構成されており、層厚約500nmを有する。なお、n型半導体層30を構成する材料としては、InPまたはGaInAsPなどのInP基板に格子整合する材料を用いてもよい。i型半導体層31は、第1の半導体材料としてGaInAsを用いることにより、故意に不純物をドープしない高抵抗性すなわちi型のGaInAsで構成されており、層厚約2.5μmを有する。ただし、一般に、i型半導体層31は、比較的低濃度で含む不純物によって実質的に第1導電型を有するn型のGaInAsで構成されている。p型半導体層32は、第1の半導体材料としてGaInAsを用いることにより、第1導電型とは異なる第2導電型の不純物としてZnを濃度約1×1019cm−3でドープしたp型のGaInAsで構成されており、メサ部周辺領域の層厚h1が約300nmで、受光領域であるメサ中央部領域の層厚h2が約50nmを有する。特に、p型半導体層の層厚h1については、暗電流を十分抑制するためには200nm以上の層厚とすることが望ましい。また、逆に、p型半導体層の層厚h1の厚みが増すと素子容量も増加するため、素子容量の増加を抑制するためには500nm以下にすることが望ましい。一方、p型半導体層の層厚h2を薄くすることによって受光感度の向上および素子容量の低減が得られるが、同時に素子抵抗が大きくなる。そのため、i型半導体層31中で生成された正孔がp型半導体層32を走行しp型電極層61まで到達するための走行時間が長くなり、感度の低下及び周波数特性の劣化の原因となるため、p型半導体層の層厚h2としては、20nm〜250nmの層厚にすることが望ましい。 The semiconductor substrate 20 is made of semi-insulating InP having a diameter of 3 inches and a thickness of 600 μm doped with Fe at a concentration of about 0.7 to 0.8 wt · ppm. The n-type semiconductor layer 30 is made of n-type GaInAs doped with Si as a first conductivity type impurity at a concentration of about 4 × 10 18 cm −3 and has a layer thickness of about 500 nm. In addition, as a material constituting the n-type semiconductor layer 30, a material that lattice matches with an InP substrate such as InP or GaInAsP may be used. The i-type semiconductor layer 31 is made of high-resistance i-type GaInAs that is not intentionally doped with impurities by using GaInAs as the first semiconductor material, and has a layer thickness of about 2.5 μm. However, in general, the i-type semiconductor layer 31 is composed of n -type GaInAs having substantially the first conductivity type due to impurities contained at a relatively low concentration. The p-type semiconductor layer 32 uses p-type semiconductor doped with Zn as a second conductivity type impurity different from the first conductivity type at a concentration of about 1 × 10 19 cm −3 by using GaInAs as the first semiconductor material. The mesa portion peripheral region has a layer thickness h1 of about 300 nm, and the mesa central region, which is a light receiving region, has a layer thickness h2 of about 50 nm. In particular, the layer thickness h1 of the p-type semiconductor layer is desirably 200 nm or more in order to sufficiently suppress dark current. Conversely, as the thickness h1 of the p-type semiconductor layer increases, the device capacity also increases. Therefore, in order to suppress the increase in device capacity, it is desirable that the thickness be 500 nm or less. On the other hand, by reducing the thickness h2 of the p-type semiconductor layer, it is possible to improve the light receiving sensitivity and reduce the element capacitance, but at the same time, the element resistance increases. Therefore, the travel time for holes generated in the i-type semiconductor layer 31 to travel through the p-type semiconductor layer 32 and reach the p-type electrode layer 61 becomes longer, causing a decrease in sensitivity and a deterioration in frequency characteristics. Therefore, the layer thickness h2 of the p-type semiconductor layer is desirably 20 nm to 250 nm.

また、パッシベーション半導体層40は、第1の半導体材料より大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料としてInPを用いることにより、故意に不純物をドープしない高抵抗性すなわちi型のInPで構成されており、層厚約10〜500nmを有するが、メサ部表面を完全に覆うために、300nm以上の厚みにするのが望ましい。n型電極層60は、AuGe/Niで構成されており、AuGe領域及びNi領域の各層厚として約100nm及び約30nmをそれぞれ有する。p型電極層61は、Ti/Pt/Auで構成されており、Ti領域、Pt領域及びAu領域の各層厚として約20nm、約40nm及び約100nmをそれぞれ有する。第1のパッシベーション絶縁体層80はSiNで構成されており、層厚約100〜200nmを有する。   In addition, the passivation semiconductor layer 40 is composed of high-resistance, i-type InP that is not intentionally doped with impurities by using InP as the second semiconductor material having a larger band gap energy than the first semiconductor material. Although the layer thickness is about 10 to 500 nm, it is desirable that the thickness be 300 nm or more so as to completely cover the mesa surface. The n-type electrode layer 60 is made of AuGe / Ni, and has thicknesses of about 100 nm and about 30 nm, respectively, for the AuGe region and the Ni region. The p-type electrode layer 61 is made of Ti / Pt / Au, and has thicknesses of about 20 nm, about 40 nm, and about 100 nm as thicknesses of the Ti region, the Pt region, and the Au region, respectively. The first passivation insulator layer 80 is made of SiN and has a layer thickness of about 100 to 200 nm.

ここで、i型半導体層31及びp型半導体層32は、第1の半導体材料としてバンドギャップエネルギー約0.75eVを有するGaInAsで共に構成されているが、それぞれ異なる導電型を有する。パッシベーション半導体層40は、i型半導体層31及びp型半導体層32を構成する第1の半導体材料よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料として、バンドギャップエネルギー約1.35eVを有するInPで構成され、高抵抗性を有する。   Here, the i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 are both composed of GaInAs having a band gap energy of about 0.75 eV as the first semiconductor material, but have different conductivity types. The passivation semiconductor layer 40 is an InP having a band gap energy of about 1.35 eV as a second semiconductor material having a larger band gap energy than the first semiconductor material constituting the i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32. It has a high resistance.

続いて、第1の実施形態によるpin−PD1の製造工程について説明する。まず、図3(a)に示すように、通常の有機金属気相成長(MOVPE;Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法に基づいて、半導体基板20の表面上にn型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32を、順次積層して形成する。III族原料としてトリエチルガリウム(TEG;Tri-ethyl Gallium)及びトリメチルインジウム(TMI;Tri-methyl Indium)、を、V族原料としてアルシン(AsH;Arsine)及びホスフィン(PH;Phosphine)を用いた。また、ドーパント不純物の原料としては、n型半導体に対してはシラン(Si)が使用でき、p型半導体に対してはジエチル亜鉛(DEZ;Di-ethyl Zinc)が使用できる。上記のガスを適宜所定の流量で供給することにより、所望の厚さ、混晶組成およびキャリア濃度が実現される。n型半導体層30ないしp型半導体層32の成長温度は適宜設定されて良いが、結晶性を考慮すれば、いずれの層についても600℃〜700℃が好ましい。 Subsequently, a manufacturing process of the pin-PD 1 according to the first embodiment will be described. First, as shown in FIG. 3A, an n-type semiconductor layer 30 and an i-type semiconductor layer are formed on the surface of a semiconductor substrate 20 based on a normal metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method. 31 and a p-type semiconductor layer 32 are sequentially stacked. Triethyl gallium (TEG) and tri-methyl indium (TMI) were used as Group III materials, and arsine (AsH 3 ; Arsine) and phosphine (PH 3 ; Phosphine) were used as Group V materials. . As a dopant impurity material, silane (Si 2 H 6 ) can be used for an n-type semiconductor, and diethylzinc (DEZ; Di-ethyl Zinc) can be used for a p-type semiconductor. A desired thickness, mixed crystal composition, and carrier concentration are realized by supplying the above gas at a predetermined flow rate as appropriate. The growth temperature of the n-type semiconductor layer 30 to the p-type semiconductor layer 32 may be set as appropriate, but it is preferably 600 ° C. to 700 ° C. for any layer in consideration of crystallinity.

続いて、図3(b)に示すように、通常のフォトリソグラフィ技術に基づいて、p型半導体層32の第1のメサ部形成領域上に円状パターンの第1のマスクを形成する。次に、通常のウエットエッチング法に基づいて、第1のマスクから露出したp型半導体層32の周辺領域及びi型半導体層31の周辺領域を、i型半導体層31とn型半導体層30の界面が露出するまでリン酸(HPO)系のエッチング液で除去する。そのため、p型半導体層32及びi型半導体層31はメサ型に順次加工され、第1のメサ部が形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 3B, a first mask having a circular pattern is formed on the first mesa portion forming region of the p-type semiconductor layer 32 based on a normal photolithography technique. Next, based on a normal wet etching method, the peripheral region of the p-type semiconductor layer 32 and the peripheral region of the i-type semiconductor layer 31 exposed from the first mask are formed into the i-type semiconductor layer 31 and the n-type semiconductor layer 30. It is removed with a phosphoric acid (H 3 PO 4 ) -based etching solution until the interface is exposed. For this reason, the p-type semiconductor layer 32 and the i-type semiconductor layer 31 are sequentially processed into a mesa shape, thereby forming a first mesa portion.

続いて、図3(c)に示すように、通常のフォトリソグラフィ技術に基づいて、メサ部頂面上に同心円上の第2のマスクを形成する。次に、通常のウエットエッチング法に基づいて、第2のマスクから露出したp型半導体層32のメサ中央部領域をリン酸(HPO)系のエッチング液により、p型半導体層32を所定の厚みだけ残して、エッチングする。そのため、p型半導体層32のメサ周辺部は当初の厚膜を維持した状態で、メサ中央部の信号光受光領域のp型半導体層32のみが薄くエッチングされた凹状の形状50が形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 3C, a concentric second mask is formed on the top surface of the mesa portion based on a normal photolithography technique. Next, based on a normal wet etching method, the p-type semiconductor layer 32 is removed from the mesa central region of the p-type semiconductor layer 32 exposed from the second mask with a phosphoric acid (H 3 PO 4 ) -based etching solution. Etching is performed leaving a predetermined thickness. Therefore, a concave shape 50 is formed by thinly etching only the p-type semiconductor layer 32 in the signal light receiving region at the center of the mesa while maintaining the original thick film at the mesa periphery of the p-type semiconductor layer 32. .

続いて、図3(d)に示すように、通常のMOVPE法に基づいて、p型半導体層32、及びi型半導体層31の各表面上、つまり少なくとも第1のメサ部の周囲に、パッシベーション半導体層40を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 3D, the passivation is performed on each surface of the p-type semiconductor layer 32 and the i-type semiconductor layer 31, that is, at least around the first mesa portion, based on a normal MOVPE method. The semiconductor layer 40 is formed.

ここで、第1のメサ部のp型半導体層32及びi型半導体層31が同一の半導体材料であるGaInAsで構成されていることから、パッシベーション半導体層40を形成する際に、p型半導体層32及びi型半導体層31の構成材料から元素を蒸発させないために行う処置が容易である。すなわち、GaInAsの蒸発を防止するためには、反応ガスにおけるAsの分圧を制御すればよい。そのため、これらp型半導体層32及びi型半導体層31の周囲においては、パッシベーション半導体層40のエピタキシャル成長が良好かつ容易になる。   Here, since the p-type semiconductor layer 32 and the i-type semiconductor layer 31 of the first mesa portion are composed of the same semiconductor material, GaInAs, the p-type semiconductor layer is formed when the passivation semiconductor layer 40 is formed. The treatment to be performed so as not to evaporate the elements from the constituent materials of the 32 and i-type semiconductor layers 31 is easy. That is, in order to prevent GaInAs from evaporating, the partial pressure of As in the reaction gas may be controlled. Therefore, the epitaxial growth of the passivation semiconductor layer 40 is good and easy around the p-type semiconductor layer 32 and the i-type semiconductor layer 31.

仮に、第1のメサ部のp型半導体層32及びi型半導体層31が相互に異なる半導体材料で構成されている場合、例えばGaInAs及びInPという複数の半導体材料が存在すると、これらの構成材料から元素を蒸発させないために行う処置が複雑になる。すなわち、GaInAs及びInPの蒸発をそれぞれ防止するためには、反応ガスにおけるAsの分圧とPの分圧とをバランスさせて制御する必要がある。そのため、これらp型半導体層32及びi型半導体層31の周囲においては、パッシベーション半導体層40の良好なエピタキシャル成長が困難になるので、p型半導体層32及びi型半導体層31を同一の半導体材料で構成することが望ましい。   If the p-type semiconductor layer 32 and the i-type semiconductor layer 31 of the first mesa portion are composed of different semiconductor materials, for example, if there are a plurality of semiconductor materials such as GaInAs and InP, The procedure to prevent the elements from evaporating is complicated. That is, in order to prevent the evaporation of GaInAs and InP, it is necessary to balance and control the partial pressure of As and the partial pressure of P in the reaction gas. Therefore, it is difficult to achieve good epitaxial growth of the passivation semiconductor layer 40 around the p-type semiconductor layer 32 and the i-type semiconductor layer 31. Therefore, the p-type semiconductor layer 32 and the i-type semiconductor layer 31 are made of the same semiconductor material. It is desirable to configure.

続いて、n型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32とこれら層の表面上に形成された、パッシベーション半導体層40との結晶界面を整え、再成長界面の界面準位をさらに低減するために、550〜700℃の温度で90分〜120分の熱処理を行う。これにより、p型半導体層32に接合するパッシベーション半導体層40及びi型半導体層31の各界面領域に、p型半導体層32から第2導電型の不純物としてZnを拡散してドープさせる。そのため、p型半導体層32に接合するパッシベーション半導体層40及びi型半導体層31の各界面領域に、不純物拡散領域が形成される。これによってパッシベーション半導体層40とp型半導体層32との間におけるヘテロ接合領域付近では、n型半導体層30とp型半導体層32との間におけるpn接合領域の界面は、パッシベーション半導体層40内のホモ接合になる。そのため、i型半導体層31及びp型半導体層32の壁面に沿って流れるリーク電流がいっそう低減することができる。なお、このようにp型半導体層32からパッシベーション半導体層40及びi型半導体層31に拡散させる第2の導電型の不純物としては、Znに限定する必要は何らなく、例えば、Be、Mn,Cd等の第2導電型を示す元素であれば良いが、拡散しやすい元素の方が好ましい。   Subsequently, the crystal interface between the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, the p-type semiconductor layer 32, and the passivation semiconductor layer 40 formed on the surface of these layers is adjusted, and the interface state of the regrowth interface is adjusted. In order to further reduce, heat treatment is performed at a temperature of 550 to 700 ° C. for 90 minutes to 120 minutes. Thus, Zn is diffused and doped as an impurity of the second conductivity type from the p-type semiconductor layer 32 into each interface region of the passivation semiconductor layer 40 and the i-type semiconductor layer 31 bonded to the p-type semiconductor layer 32. Therefore, an impurity diffusion region is formed in each interface region of the passivation semiconductor layer 40 and the i-type semiconductor layer 31 bonded to the p-type semiconductor layer 32. Thus, in the vicinity of the heterojunction region between the passivation semiconductor layer 40 and the p-type semiconductor layer 32, the interface of the pn junction region between the n-type semiconductor layer 30 and the p-type semiconductor layer 32 is within the passivation semiconductor layer 40. Homozygous. Therefore, the leakage current that flows along the wall surfaces of the i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 can be further reduced. The second conductivity type impurity diffused from the p-type semiconductor layer 32 to the passivation semiconductor layer 40 and the i-type semiconductor layer 31 is not necessarily limited to Zn. For example, Be, Mn, Cd Any element that exhibits the second conductivity type may be used, but an element that easily diffuses is preferable.

この後、図4(a)に示すように、パッシベーション半導体層40の表面に所定パターンの第3のマスクを形成し、この第3のマスクから露出したパッシベーション半導体層40の内側領域を塩酸(HCl)系のエッチング液で除去する。これにより、p型半導体層32の所定領域には、p型電極層形成領域として露出される。また、同時に、n型半導体層30の所定領域は、n型電極層形成領域として露出される。このとき、n型半導体層30上に形成されたパッシベーション半導体層40で第1のメサ部の周囲領域の第2のメサ部形成領域も除去され、n型半導体層30が露出される。   Thereafter, as shown in FIG. 4A, a third mask having a predetermined pattern is formed on the surface of the passivation semiconductor layer 40, and the inner region of the passivation semiconductor layer 40 exposed from the third mask is formed with hydrochloric acid (HCl). ) Remove with an etching solution. As a result, a predetermined region of the p-type semiconductor layer 32 is exposed as a p-type electrode layer formation region. At the same time, a predetermined region of the n-type semiconductor layer 30 is exposed as an n-type electrode layer forming region. At this time, the second mesa portion formation region around the first mesa portion is also removed by the passivation semiconductor layer 40 formed on the n-type semiconductor layer 30, and the n-type semiconductor layer 30 is exposed.

続いて、図4(b)に示すように、通常のフォトリソグラフィ技術に基づいて、n型半導体層30の第2のメサ部形成領域上に円状パターンの第4のマスクを形成する。そして、通常のウエットエッチング法に基づいて、第4のマスクから露出したn型半導体層30の周辺領域をリン酸(HPO)系のエッチング液で除去する。これにより、n型半導体層30はメサ型に順次加工され、第2のメサ部が形成される。なお、この工程で、図示しない同一基板上に作製された電子素子とメサ型のpin受光素子との素子分離が行われる。 Subsequently, as shown in FIG. 4B, a fourth mask having a circular pattern is formed on the second mesa portion formation region of the n-type semiconductor layer 30 based on a normal photolithography technique. Then, based on a normal wet etching method, the peripheral region of the n-type semiconductor layer 30 exposed from the fourth mask is removed with a phosphoric acid (H 3 PO 4 ) -based etching solution. As a result, the n-type semiconductor layer 30 is sequentially processed into a mesa shape to form a second mesa portion. In this step, element separation between an electronic element manufactured on the same substrate (not shown) and a mesa-type pin light receiving element is performed.

この後、通常のウエットエッチング法に基づいて、n型半導体層30、i型半導体層31、p型半導体層32及びパッシベーション半導体層40の周囲を、塩酸系(HCl)系またはフッ酸(HF)系のいずれかの洗浄液に浸漬する。これにより、n型半導体層30、i型半導体層31、p型半導体層32及びパッシベーション半導体層40の露出された各表面は、酸化膜や各種の不純物などが除去され、洗浄される。   After that, based on a normal wet etching method, the periphery of the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, the p-type semiconductor layer 32, and the passivation semiconductor layer 40 is hydrochloric acid-based (HCl) -based or hydrofluoric acid (HF). Immerse in any cleaning solution in the system. As a result, the exposed surfaces of the n-type semiconductor layer 30, i-type semiconductor layer 31, p-type semiconductor layer 32, and passivation semiconductor layer 40 are cleaned by removing oxide films and various impurities.

なお、このような表面処理を行う洗浄液としては、n型半導体層30、i型半導体層31、p型半導体層32及びパッシベーション半導体層40を構成する各半導体材料に対してほとんどエッチングすることなく、非常に小さいエッチング速度で反応するものであって、実質的にこれらの半導体材料の表面に存在する酸化膜、各種の不純物等のみに反応するものが望ましい。   As a cleaning liquid for performing such surface treatment, the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, the p-type semiconductor layer 32, and the semiconductor material constituting the passivation semiconductor layer 40 are hardly etched, It is desirable to react at a very low etching rate, and to react only with oxide films, various impurities, etc. existing on the surface of these semiconductor materials.

その後、図4(c)に示したように、通常のプラズマ化学気相蒸着(CVD;Chemical Vapor Deposition)法に基づいて、半導体基板20、n型半導体層30、i型半導体層31、p型半導体層32及びパッシベーション半導体層40の露出された各表面上に、第1のパッシベーション絶縁体層80を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 4C, the semiconductor substrate 20, the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, and the p-type are formed on the basis of an ordinary plasma chemical vapor deposition (CVD) method. A first passivation insulator layer 80 is formed on each exposed surface of the semiconductor layer 32 and the passivation semiconductor layer 40.

さらに、通常のフォトリソグラフィ技術に基づいて、第1のパッシベーション絶縁体層80の表面上に所定パターンの第5のマスクを形成し、この第5のマスクから露出した第1のパッシベーション絶縁体層80の内側領域を除去する。それにより、n型電極層60及びp型電極層61が形成されるn型半導体層30およびp型半導体層32の表面は、各種配線層形成領域としてそれぞれ露出される。   Further, a fifth mask having a predetermined pattern is formed on the surface of the first passivation insulator layer 80 based on a normal photolithography technique, and the first passivation insulator layer 80 exposed from the fifth mask is formed. Remove the inner region of. Thereby, the surfaces of the n-type semiconductor layer 30 and the p-type semiconductor layer 32 on which the n-type electrode layer 60 and the p-type electrode layer 61 are formed are exposed as various wiring layer formation regions, respectively.

続いて、上記の工程で露出されたn型半導体層30およびp型半導体層32の所定領域に、n型電極層60及びp型電極層61を形成する方法について説明する。通常のネガレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィ技術に基づいて、このネガレジストの表面上に所定パターンの第6のマスクを形成し、この第6のマスクから露出したp型半導体層32の所定領域に、通常の真空蒸着法に基づいて、p型電極層61を形成する。その後、p型電極層61を形成する以外の領域にデポした金属は、通常のリフトオフ法を用いてレジストを除去する際に同時に除去され、p型電極パターンが形成される。同様に、通常のネガレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィ技術に基づいて、このネガレジストの表面上に所定パターンの第7のマスクを形成し、この第7のマスクから露出したn型半導体層30の所定領域に、通常の真空蒸着法に基づいて、n型半導体層30の露出した所定領域にn型電極層60を形成する。この時、n型電極層60を形成する以外の領域にデポした金属は、通常のリフトオフ法を用いてレジストを除去する際に同時に除去され、n型パターン電極が形成され、図6(c)に示したpin型受光素子が完成される。   Next, a method for forming the n-type electrode layer 60 and the p-type electrode layer 61 in predetermined regions of the n-type semiconductor layer 30 and the p-type semiconductor layer 32 exposed in the above process will be described. A normal negative resist is applied, a sixth mask having a predetermined pattern is formed on the surface of the negative resist based on a normal photolithography technique, and a predetermined p-type semiconductor layer 32 exposed from the sixth mask is formed. A p-type electrode layer 61 is formed in the region based on a normal vacuum deposition method. Thereafter, the metal deposited in a region other than the region where the p-type electrode layer 61 is formed is simultaneously removed when the resist is removed using a normal lift-off method to form a p-type electrode pattern. Similarly, a normal negative resist is applied, a seventh mask having a predetermined pattern is formed on the surface of the negative resist based on a normal photolithography technique, and the n-type semiconductor layer exposed from the seventh mask is formed. The n-type electrode layer 60 is formed in the predetermined region where the n-type semiconductor layer 30 is exposed in the predetermined region 30 based on a normal vacuum deposition method. At this time, the metal deposited in the region other than the region where the n-type electrode layer 60 is formed is simultaneously removed when the resist is removed using a normal lift-off method to form an n-type pattern electrode, and FIG. The pin type light receiving element shown in FIG.

このような製造工程においては、第1の半導体材料であるGaInAsで共に構成されたn型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32の周囲に、第1の半導体材料よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料であるInPで構成されたパッシベーション半導体層40を形成する。これにより、パッシベーション半導体層40は、同一の半導体材料で構成されたn型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32の表面上に、ワイドバンドギャップ半導体層として形成される。   In such a manufacturing process, the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, and the p-type semiconductor layer 32 that are both composed of the first semiconductor material GaInAs are larger than the first semiconductor material. A passivation semiconductor layer 40 made of InP, which is a second semiconductor material having band gap energy, is formed. Thus, the passivation semiconductor layer 40 is formed as a wide band gap semiconductor layer on the surfaces of the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, and the p-type semiconductor layer 32 made of the same semiconductor material.

これにより、パッシベーション半導体層40を構成する第2の半導体材料は、n型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32を構成する第1の半導体材料に対する格子整合を一定に保持してエピタキシャル成長するので、比較的良好な結晶性で形成される。また、n型半導体層30とp型半導体層32との間におけるpn接合領域の配置は、パッシベーション半導体層40を形成する工程に依存しないので、n型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32を形成する工程のみに基づいて決定される。したがって、パッシベーション半導体層40によってpn接合領域を完全に被覆させることができる。   As a result, the second semiconductor material constituting the passivation semiconductor layer 40 maintains constant lattice matching with respect to the first semiconductor material constituting the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, and the p-type semiconductor layer 32. Therefore, it is formed with relatively good crystallinity. Further, since the arrangement of the pn junction region between the n-type semiconductor layer 30 and the p-type semiconductor layer 32 does not depend on the process of forming the passivation semiconductor layer 40, the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, and the p-type semiconductor layer 30. It is determined based only on the process of forming the type semiconductor layer 32. Therefore, the pn junction region can be completely covered with the passivation semiconductor layer 40.

次に、pin−PD1の作用について説明する。このpin−PD1においては、第1のメサ部のp型半導体層32において、メサ中央部の受光領域の厚みh2を薄くしてあるので、第1のメサ部のp型半導体層32からi型半導体層31への亜鉛(Zn)不純物の拡散が抑制されるため、空乏層容量が低減する。したがって、素子のCR時定数が低減し、応答速度が向上できる。さらに、第1のメサ部のp型半導体層32において、メサ中央部の受光領域の厚みh2を薄くすることによって、入射信号光に対するp型半導体層32での光吸収が低減され、i型半導体層31への信号光量が増加するため、このi型半導体層31でのフォトキャリアの生成が増大する。このことによって、メサ型のpin受光素子の受光感度は、さらに向上する。   Next, the operation of pin-PD1 will be described. In this pin-PD1, since the thickness h2 of the light receiving region in the central portion of the mesa is reduced in the p-type semiconductor layer 32 of the first mesa portion, the i-type is changed from the p-type semiconductor layer 32 of the first mesa portion. Since the diffusion of zinc (Zn) impurities into the semiconductor layer 31 is suppressed, the depletion layer capacitance is reduced. Therefore, the CR time constant of the element is reduced and the response speed can be improved. Furthermore, in the p-type semiconductor layer 32 of the first mesa portion, the light absorption in the p-type semiconductor layer 32 with respect to the incident signal light is reduced by reducing the thickness h2 of the light receiving region in the central portion of the mesa, and the i-type semiconductor. Since the amount of signal light to the layer 31 increases, the generation of photocarriers in the i-type semiconductor layer 31 increases. As a result, the light receiving sensitivity of the mesa pin light receiving element is further improved.

また、第1のメサ中央部のp型半導体層32を凹状に形成した受光領域として、第1のメサ部の周辺部領域まで形成することができるので、受光面積を広くすることが可能となるため、比較的受光感度を大きくし易く、かつ光ファイバを通して信号光を受信させるときに、光ファイバとメサ型pin−PDとの位置合わせを容易にすることができる。   In addition, since the p-type semiconductor layer 32 at the center of the first mesa can be formed as a concave light receiving region, it can be formed up to the peripheral region of the first mesa portion, so that the light receiving area can be increased. Therefore, it is relatively easy to increase the light receiving sensitivity, and when the signal light is received through the optical fiber, the alignment between the optical fiber and the mesa pin-PD can be facilitated.

一方、n型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32を構成する第1の半導体材料であるGaInAsよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料として、InPに不純物を故意にドープしないで構成されたパッシベーション半導体層40を、n型半導体層30、i型半導体層31及びp型半導体層32の周囲に形成されている。これにより、n型半導体層30とp型半導体層32との間におけるpn接合領域の界面は、界面準位の少ない良好なパッシベーション半導体層40に対するヘテロ接合になる。したがって、i型半導体層31及びp型半導体層32の各壁面に沿って流れるリーク電流が低減できる。   On the other hand, as a second semiconductor material having a larger band gap energy than GaInAs, which is the first semiconductor material constituting the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, and the p-type semiconductor layer 32, impurities are intentionally added to InP. A passivation semiconductor layer 40 that is not doped is formed around the n-type semiconductor layer 30, the i-type semiconductor layer 31, and the p-type semiconductor layer 32. As a result, the interface of the pn junction region between the n-type semiconductor layer 30 and the p-type semiconductor layer 32 becomes a heterojunction with respect to the good passivation semiconductor layer 40 with few interface states. Therefore, the leakage current flowing along the wall surfaces of the i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 can be reduced.

特に、第1のメサ部のp型半導体層32においては、メサ中央部の受光領域の厚みh2のみを薄くし、メサ周辺部領域のp型半導体層32の厚みh1を、所定の厚みを維持しながら厚く保たれている。したがって、i型半導体層31及びp型半導体層32の各壁面に沿って流れるリーク電流を十分低減できる程度に、n型半導体層30とp型半導体層32との間におけるpn接合領域の界面からp型半導体層32の第1のメサ部周辺の頂面上までの距離を十分大きくとれるので、暗電流の抑制に基づいて素子特性を向上させることができる。   In particular, in the p-type semiconductor layer 32 in the first mesa portion, only the thickness h2 of the light receiving region in the mesa central portion is reduced, and the thickness h1 of the p-type semiconductor layer 32 in the mesa peripheral portion region is maintained at a predetermined thickness. While kept thick. Therefore, from the interface of the pn junction region between the n-type semiconductor layer 30 and the p-type semiconductor layer 32, the leakage current flowing along the respective wall surfaces of the i-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 can be sufficiently reduced. Since the distance to the top surface around the first mesa portion of the p-type semiconductor layer 32 can be made sufficiently large, device characteristics can be improved based on suppression of dark current.

(第2の実施形態)
次に、本発明に係るpin型受光素子の第2の実施形態について説明する。図2に示すように、pin型受光素子としてpin−PD2は、上記第1の実施形態のpin−PD1とほぼ同様にして構成されている。ただし、第1のメサ部のp型半導体層32の凹状にエッチングして厚みを薄くしたメサ中央部の受光領域は、上記第1の実施形態のpin−PD1よりも径を小さくしp型電極層61の内側に形成されている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the pin type light receiving element according to the present invention will be described. As shown in FIG. 2, pin-PD2 as a pin-type light receiving element is configured in substantially the same manner as pin-PD1 of the first embodiment. However, the light-receiving region in the central portion of the mesa that has been thinned by etching into the concave shape of the p-type semiconductor layer 32 in the first mesa portion has a smaller diameter than the pin-PD1 of the first embodiment, and the p-type electrode. It is formed inside the layer 61.

この所定パターンのp型電極層61は、第2の電極層として、第1のメサ部の周辺の厚みの厚いp型半導体層32の頂面上に、p型半導体層32に対してオーミック接触して形成されている。   The p-type electrode layer 61 of this predetermined pattern is in ohmic contact with the p-type semiconductor layer 32 on the top surface of the thick p-type semiconductor layer 32 around the first mesa portion as the second electrode layer. Is formed.

次に、pin−PD2の製造工程について説明する。このpin−PD2は、上記第1の実施形態のpin−PD1とほぼ同様にして製造される。ただし、pin−PD1では、第1のメサ部頂上のp型半導体層32のメサ中央部領域のみをエッチングする工程において、図3(c)に示したとおり第1のメサ部頂面上に形成された同心円状の第2のマスクは、比較的大きな同心円状のパターンを有している。この結果、その後のエッチング工程において、メサ部周辺近傍までp型半導体層32が薄くエッチングされ、比較的大きな同心円の凹状の形状50が形成される。これに対して、pin−PD2においては、第1のメサ部頂面上に形成された同心円状の第2のマスクは、第2のマスクから露出したp型半導体層32のメサ中央部領域のエッチング工程で形成された凹状の形状の径が小さいパターンを有する。したがって、その後に続いて行われるp型電極層形成工程において、p型半導体層32のp型電極層61が、エッチングされずに残ったメサ周辺部の厚膜を維持した領域に形成されるだけの領域を確保できる。   Next, the manufacturing process of pin-PD2 is demonstrated. This pin-PD2 is manufactured in substantially the same manner as the pin-PD1 of the first embodiment. However, in the pin-PD1, in the step of etching only the mesa central region of the p-type semiconductor layer 32 on the top of the first mesa portion, the pin-PD1 is formed on the top surface of the first mesa portion as shown in FIG. The concentric second mask thus formed has a relatively large concentric pattern. As a result, in the subsequent etching process, the p-type semiconductor layer 32 is thinly etched to the vicinity of the periphery of the mesa portion, and a relatively large concentric concave shape 50 is formed. On the other hand, in pin-PD2, the concentric second mask formed on the top surface of the first mesa portion is the mesa center region of the p-type semiconductor layer 32 exposed from the second mask. A concave shape formed in the etching step has a small diameter pattern. Accordingly, in the subsequent p-type electrode layer forming step, the p-type electrode layer 61 of the p-type semiconductor layer 32 is only formed in a region maintaining the thick film around the mesa remaining without being etched. Can be secured.

次に、pin−PD2の作用について説明する。このpin−PD2は、上記第1の実施形態のpin−PD1とほぼ同様にして作用する。ただし、第1のメサ部のp型半導体層の厚みが厚い周辺部に電極を形成することにより、p型電極層61とn型半導体層30及びp型半導体層32との間におけるpn接合領域との距離が大きいために、上記第1の実施形態のpin−PD1に比べて、いっそう暗電流を小さくすることができる。さらに、p型電極層下のp型半導体層の厚みを厚くすることで、さらに素子容量が低減できる。以上の素子容量の低減と暗電流の抑制に基づいて素子特性を格段に向上させることができる。   Next, the operation of pin-PD2 will be described. This pin-PD2 acts in substantially the same manner as the pin-PD1 of the first embodiment. However, the pn junction region between the p-type electrode layer 61 and the n-type semiconductor layer 30 and the p-type semiconductor layer 32 is formed by forming an electrode in the peripheral portion where the thickness of the p-type semiconductor layer of the first mesa portion is thick. Therefore, the dark current can be further reduced as compared with the pin-PD1 of the first embodiment. Furthermore, by increasing the thickness of the p-type semiconductor layer under the p-type electrode layer, the device capacity can be further reduced. The element characteristics can be remarkably improved based on the reduction of the element capacitance and the suppression of the dark current.

以下、本発明に係る実施例について、図5ないし図10を参照して説明する。まず、本発明者らは、メサ型のpin受光素子の構造と素子特性の関係を調べるために、メサ型のpin受光素子のp型半導体層の厚さとpin受光素子の素子容量、受光感度及び暗電流の関係について実験検討を行った。その結果を以下に説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to FIGS. First, in order to investigate the relationship between the structure and element characteristics of a mesa-type pin light-receiving element, the present inventors investigated the thickness of the p-type semiconductor layer of the mesa-type pin light-receiving element, the element capacity of the pin light-receiving element, the light-receiving sensitivity, An experimental study was conducted on the relationship between dark current. The results will be described below.

図11に示した従来のpin型受光素子においては、信号光はp型半導体層で大きな光吸収を受けるので、p型半導体層の厚みを薄くすることによって、このp型半導体層での信号光の吸収を減少させ、電子と正孔から成るフォトキャリアが主に生成されるi型半導体層まで到達する光量を大きくすることによって、受光感度の改善が達成される。そこで、pin型受光素子の受光感度を改善させるために、p型半導体層の厚みの異なるpin型受光素子を多数試作し、その素子特性を評価した。   In the conventional pin-type light receiving element shown in FIG. 11, the signal light is greatly absorbed by the p-type semiconductor layer. Therefore, the signal light in the p-type semiconductor layer is reduced by reducing the thickness of the p-type semiconductor layer. The light receiving sensitivity is improved by increasing the amount of light that reaches the i-type semiconductor layer where photocarriers mainly composed of electrons and holes are mainly generated. Therefore, in order to improve the light receiving sensitivity of the pin type light receiving element, a large number of pin type light receiving elements having different thicknesses of the p type semiconductor layer were manufactured, and the element characteristics were evaluated.

図9に、第1の半導体材料としてGaInAsを用いたpin型受光素子において、p型半導体層の厚みに対する受光感度の関係についての実験結果を示す。合わせて、同図9には、p型半導体層の厚みに対する素子容量の関係も示した。ここで、図9においては、横軸にp型半導体層の厚みを設定し、縦軸に素子の受光感度及び静電容量の値を設定した。また、pin受光素子の受光感度を丸黒点で、素子容量を四角黒点で示す。また、図10に、p型半導体層の厚みに対する暗電流の関係についての実験結果を示した。このときのpin型受光素子の受光径は100μmであり、測定条件として素子容量測定時の印加電圧が−3V、暗電流測定時の印加電圧が−5Vで、素子を暗所に置いて測定して得られた値をそれぞれプロットした。また、図10においては、同様に横軸にp型半導体層の厚みを設定し、縦軸に暗電流の値を設定した。   FIG. 9 shows an experimental result on the relationship between the light receiving sensitivity and the thickness of the p-type semiconductor layer in the pin-type light receiving element using GaInAs as the first semiconductor material. In addition, FIG. 9 also shows the relationship of the element capacitance to the thickness of the p-type semiconductor layer. Here, in FIG. 9, the horizontal axis indicates the thickness of the p-type semiconductor layer, and the vertical axis indicates the light receiving sensitivity and capacitance value of the element. The light receiving sensitivity of the pin light receiving element is indicated by a round black dot, and the element capacitance is indicated by a square black dot. FIG. 10 shows the experimental results regarding the relationship between the dark current and the thickness of the p-type semiconductor layer. The light receiving diameter of the pin type light receiving element at this time is 100 μm, and the measurement condition is that the applied voltage at the time of measuring the element capacitance is −3 V, the applied voltage at the time of dark current measurement is −5 V, and the element is placed in a dark place. The values obtained were plotted. In FIG. 10, similarly, the horizontal axis indicates the thickness of the p-type semiconductor layer, and the vertical axis indicates the dark current value.

図9に示したように、メサ領域のp型半導体層の厚みを薄くすることによって、受光感度が向上していることがわかる。さらに、従来の図11に示したpin型受光素子の課題であった素子の素子容量も低下することがわかった。p型−GaInAs層の厚みを従来の250nmから50nmに薄くすることによって、素子の素子容量を約2/3に低減することができた。これは、p型半導体層の厚みを薄くすることにより、p型半導体層にドープされた不純物である亜鉛(Zn)がi型半導体層中に拡散することが抑制されたためと考えられる。   As shown in FIG. 9, it can be seen that the light receiving sensitivity is improved by reducing the thickness of the p-type semiconductor layer in the mesa region. Furthermore, it was found that the element capacity of the element, which was a problem of the conventional pin type light receiving element shown in FIG. By reducing the thickness of the p-type -GaInAs layer from the conventional 250 nm to 50 nm, the element capacitance of the element could be reduced to about 2/3. This is presumably because the diffusion of zinc (Zn), which is an impurity doped in the p-type semiconductor layer, into the i-type semiconductor layer is suppressed by reducing the thickness of the p-type semiconductor layer.

上記のように、メサ領域のp型半導体層の厚みを薄くすることによって、pin型受光素子の受光感度の向上および素子容量の低減に基づく素子特性の向上が得られる。この素子の素子容量の低減と受光感度の向上のためには、メサ型のpin受光素子において、信号光を受光するメサ中央部の窓領域の厚みのみを薄くすればよい。   As described above, by reducing the thickness of the p-type semiconductor layer in the mesa region, it is possible to improve the light-receiving sensitivity of the pin-type light-receiving element and improve the element characteristics based on the reduction of the element capacitance. In order to reduce the element capacity and improve the light receiving sensitivity of this element, it is only necessary to reduce the thickness of the window region at the center of the mesa for receiving signal light in the mesa pin light receiving element.

次に、p型半導体層の厚みと暗電流の関係を調査した。図10に示したように、メサ領域のp型半導体層の厚みを均一に薄くした場合、素子の暗電流が徐々に増加する。   Next, the relationship between the thickness of the p-type semiconductor layer and the dark current was investigated. As shown in FIG. 10, when the thickness of the p-type semiconductor layer in the mesa region is uniformly reduced, the dark current of the element gradually increases.

しかし、本願発明による上記第1の実施形態及び第2の実施形態のpin型受光素子においては、メサ部周辺のp型半導体層の厚みを所定の厚み以上に保つことで、電流の増加が抑制でき、かつp型半導体層の厚みを薄くすることにる素子容量の低減と受光感度の向上に基づく素子特性の向上も達成できることがわかった。   However, in the pin-type light receiving elements of the first and second embodiments according to the present invention, an increase in current is suppressed by maintaining the thickness of the p-type semiconductor layer around the mesa portion at a predetermined thickness or more. In addition, it has been found that the device characteristics can be improved based on the reduction of the device capacity and the improvement of the light receiving sensitivity by reducing the thickness of the p-type semiconductor layer.

第1のメサ部周辺のp型半導体層の厚みh1を厚くし、メサ部中央のp型半導体層の厚みh2を薄くした上記第1の実施形態及び第2の実施形態のpin型受光素子に対して、同様にpin受光素子の構造と素子特性の関係を調べるために、上記第1の実施形態及び第2の実施形態のpin型受光素子のp型半導体層の厚さとpin受光素子の素子容量、受光感度及び暗電流の関係について実験検討を行った。その結果を以下に説明する。   The pin-type light receiving element of the first and second embodiments in which the thickness h1 of the p-type semiconductor layer around the first mesa portion is increased and the thickness h2 of the p-type semiconductor layer in the center of the mesa portion is decreased. On the other hand, in order to similarly examine the relationship between the structure and the element characteristics of the pin light receiving element, the thickness of the p type semiconductor layer of the pin light receiving element of the first embodiment and the second embodiment and the element of the pin light receiving element. An experimental study was conducted on the relationship between capacitance, light receiving sensitivity, and dark current. The results will be described below.

上記の第1の実施形態及び第2の実施形態の記載と略同一に第1のメサ中央部に形成した受光領域のp型半導体層の厚みを薄くし、凹状に形成したpin型受光素子において、第1のメサ中央部のp型半導体層の厚みh2を変えたときの素子の素子容量の値を測定した結果を図5に示す。測定したそれぞれのpin型受光素子の受光径は50μmである。測定は、素子に−3Vのバイアス電圧を印加して行った。図5においては、横軸にメサ中央部のp型半導体層の厚みh2を設定し、縦軸に素子の静電容量の値を設定した。また、第1の実施形態のpin型受光素子の実験結果を丸黒点で示し、第2の実施形態のpin型受光素子の実験結果を丸白点で示す。   In the pin type light receiving element formed in a concave shape by reducing the thickness of the p type semiconductor layer in the light receiving region formed in the central part of the first mesa substantially the same as described in the first and second embodiments above. FIG. 5 shows the result of measuring the element capacitance value when the thickness h2 of the p-type semiconductor layer at the center of the first mesa is changed. The measured light receiving diameter of each pin type light receiving element is 50 μm. The measurement was performed by applying a bias voltage of −3 V to the element. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the thickness h2 of the p-type semiconductor layer at the center of the mesa, and the vertical axis indicates the capacitance value of the element. Also, the experimental result of the pin type light receiving element of the first embodiment is indicated by a round black point, and the experimental result of the pin type light receiving element of the second embodiment is indicated by a round white point.

図5に示すように、第1の実施形態及び第2の実施形態のpin型受光素子のいずれにおいても、第1のメサ中央部のp型半導体層の厚みh2を薄くすることによって、素子の素子容量が低減している。従来の第1のメサ部のp型半導体層の厚みが均一でかつ厚みが250nmと厚膜の構造を備えたInPパッシベーション半導体層付きのpin型受光素子の素子容量の典型値は0.47pFである。したがって、例えば、第1のメサ中央部のp型半導体層の厚みh2が50nmの厚みの第1の実施形態のpin型受光素子の素子容量は、従来のInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子の約87%程度に低減される。特に、第2の実施形態のpin型受光素子においては、第1の実施形態のpin型受光素子に比較して、さらに約2%程度、素子容量が減少する。   As shown in FIG. 5, in both the pin type light receiving elements of the first embodiment and the second embodiment, by reducing the thickness h2 of the p type semiconductor layer at the center of the first mesa, The element capacity is reduced. The typical value of the element capacitance of a conventional pin type light receiving element with an InP passivation semiconductor layer having a uniform thickness of 250 nm and a thick film structure of the p-type semiconductor layer of the conventional first mesa portion is 0.47 pF. is there. Therefore, for example, the element capacity of the pin-type light receiving element of the first embodiment in which the thickness h2 of the p-type semiconductor layer at the center of the first mesa is 50 nm is the pin-type light receiving with the conventional InP passivation semiconductor layer. It is reduced to about 87% of the element. In particular, in the pin type light receiving element of the second embodiment, the element capacitance is further reduced by about 2% compared to the pin type light receiving element of the first embodiment.

上記の実験結果から、第1の実施形態及び第2の実施形態のpin型受光素子のいずれにおいても、第1のメサ中央部のp型半導体層の厚みh2を薄くすることによって素子の素子容量が低減されていることが分かる。   From the above experimental results, in both the pin-type light-receiving elements of the first embodiment and the second embodiment, the element capacitance of the element is reduced by reducing the thickness h2 of the p-type semiconductor layer at the center of the first mesa. It can be seen that is reduced.

同様に、上記の実施例で述べたpin受光素子を用いて、第1のメサ中央部のp型半導体層の厚みh2に対する受光感度の関係について測定した結果を図6に示す。図6においては、横軸にメサ中央部のp型半導体層の厚みh2を設定し、縦軸にpin型受光素子の受光感度の値を設定した。また、第1の実施形態のpin型受光素子の実験結果を丸黒点で示し、第2の実施形態のpin型受光素子の実験結果を丸白点で示す。   Similarly, FIG. 6 shows the result of measurement of the relationship between the light receiving sensitivity and the thickness h2 of the p-type semiconductor layer at the center of the first mesa using the pin light receiving element described in the above embodiment. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the thickness h2 of the p-type semiconductor layer in the center of the mesa, and the vertical axis indicates the light receiving sensitivity value of the pin-type light receiving element. Also, the experimental result of the pin type light receiving element of the first embodiment is indicated by a round black point, and the experimental result of the pin type light receiving element of the second embodiment is indicated by a round white point.

図6に示すように、第1の実施形態及び第2の実施形態のpin型受光素子のいずれにおいても、ほぼ同様に、第1のメサ中央部のp型半導体層の厚みh2を薄くすることによって、pin型受光素子の受光感度が大幅に向上する。特に、メサ中央部のp型半導体層の厚みh2を約125nm以下にすることで、大きな受光感度が得られることが分かる。   As shown in FIG. 6, the thickness h2 of the p-type semiconductor layer at the center of the first mesa is reduced in almost the same manner in both of the pin-type light receiving elements of the first and second embodiments. As a result, the light receiving sensitivity of the pin type light receiving element is greatly improved. In particular, it can be seen that a large light receiving sensitivity can be obtained by setting the thickness h2 of the p-type semiconductor layer in the center of the mesa to about 125 nm or less.

次に、上記の第1の実施形態及び第2の実施形態の記載と略同一のメサ型のpin受光素子に対して、第1のメサ中央部に受光領域のp型半導体層の厚みのみを薄くし、メサ部の周辺領域のp型半導体層の厚みは、従来のように厚膜のままにした構造を備えることによって、従来のメサ部のp型半導体層の厚みが均一であるInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子と同様の暗電流の抑制が行われることを確認する実験を行った。ここで、2種類の対比するpin型受光素子としては、第2の実施形態の記載と略同一に第1のメサ中央部に形成した受光領域のp型半導体層の厚みのみをh2=90nmまで薄くし、凹状に形成したpin型受光素子と、第1のメサ部のp型半導体層の厚みが均一である点のみで第1の実施形態の記載とは異なるものとを、それぞれ試作した。   Next, only the thickness of the p-type semiconductor layer in the light-receiving region at the center of the first mesa is compared with the mesa-type pin light-receiving element substantially the same as described in the first and second embodiments. The thickness of the p-type semiconductor layer in the peripheral region of the mesa portion is reduced, and the thickness of the p-type semiconductor layer in the conventional mesa portion is uniform so that the thickness of the p-type semiconductor layer in the conventional mesa portion is uniform. An experiment was conducted to confirm that the dark current was suppressed in the same manner as the pin type light receiving element including the semiconductor layer. Here, as two types of contrasting pin type light receiving elements, only the thickness of the p type semiconductor layer in the light receiving region formed in the central portion of the first mesa is substantially the same as the description in the second embodiment up to h2 = 90 nm. A thin pin-type light receiving element formed in a concave shape and a different one from the description of the first embodiment only in that the thickness of the p-type semiconductor layer of the first mesa portion is uniform were each prototyped.

これら2種類のpin型受光素子をそれぞれ暗所に設置した上で、各電流−電圧特性を測定した結果を図7に示す。図7においては、横軸にバイアス電圧の電圧値を設定するとともに、縦軸に暗電流の電流値を設定した。また、第1のメサ中央部に形成した受光領域のp型半導体層の厚みのみを薄くし、凹状に形成したpin型受光素子の特性曲線を実線で示し、従来のp型半導体層の厚みが均一でかつ厚膜のpin型受光素子の特性曲線を点線で示す。   FIG. 7 shows the result of measuring each current-voltage characteristic after installing these two types of pin type light receiving elements in a dark place. In FIG. 7, the voltage value of the bias voltage is set on the horizontal axis, and the current value of the dark current is set on the vertical axis. Further, only the thickness of the p-type semiconductor layer in the light-receiving region formed in the center of the first mesa is thinned, and the characteristic curve of the pin-type light-receiving element formed in a concave shape is shown by a solid line, and the thickness of the conventional p-type semiconductor layer is A characteristic curve of the uniform and thick pin type light receiving element is indicated by a dotted line.

図7に示すように、第1のメサ中央部に形成した受光領域のp型半導体層の厚みのみを薄くし、メサ部の周辺領域を厚膜のまま残した構造にすることにより、従来のメサ部のp型半導体層の厚みが均一でかつ厚膜であるInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子と同様の低い暗電流特性が得られている。ここでは、第2の実施形態のpin型受光素子の電流−電圧特性を示したが、第1の実施形態のpin型受光素子についても、同様の低い暗電流特性が得られている。   As shown in FIG. 7, the thickness of the p-type semiconductor layer in the light receiving region formed at the center of the first mesa is reduced, and the peripheral region of the mesa is left as a thick film. Low dark current characteristics similar to those of the pin-type light-receiving element having a uniform InP passivation semiconductor layer with a uniform thickness of the p-type semiconductor layer in the mesa portion are obtained. Here, the current-voltage characteristic of the pin type light receiving element of the second embodiment is shown, but the same low dark current characteristic is also obtained for the pin type light receiving element of the first embodiment.

そのため、本願の第1の実施形態及び第2の実施形態のpin型受光素子においては、従来のメサ部のp型半導体層の厚みが均一でかつ厚膜であるInPパッシベーション半導体層を備えたpin型受光素子と同様に、暗電流の発生がパッシベーション半導体層の形成に基づいて抑制されていることが分る。   Therefore, in the pin type light receiving element of the first embodiment and the second embodiment of the present application, the pin including the InP passivation semiconductor layer in which the thickness of the p type semiconductor layer of the conventional mesa portion is uniform and is thick. As with the type light receiving element, it can be seen that the generation of dark current is suppressed based on the formation of the passivation semiconductor layer.

図5及び図6と同様に、上記の実施例で述べたpin受光素子を用いて、第1のメサ中央部のp型半導体層の厚みh2に対する暗電流の関係について測定した結果を図8に示す。測定は、素子に−5Vのバイアス電圧を印加して行った。図8においては、横軸にメサ中央部のp型半導体層の厚みh2を設定し、縦軸にpin型受光素子の暗電流の値を設定した。また、第1の実施形態のpin型受光素子の実験結果を丸黒点で示し、第2の実施形態のpin型受光素子の実験結果を丸白点で示す。   Similar to FIGS. 5 and 6, FIG. 8 shows the result of measurement of the relationship between the dark current and the thickness h <b> 2 of the p-type semiconductor layer at the center of the first mesa using the pin light-receiving element described in the above embodiment. Show. The measurement was performed by applying a bias voltage of −5 V to the element. In FIG. 8, the horizontal axis represents the thickness h2 of the p-type semiconductor layer in the center of the mesa, and the vertical axis represents the dark current value of the pin-type light receiving element. Also, the experimental result of the pin type light receiving element of the first embodiment is indicated by a round black point, and the experimental result of the pin type light receiving element of the second embodiment is indicated by a round white point.

図8に示すように、第2の実施形態のpin型受光素子においては、第1の実施形態のpin型受光素子と同様のパッシベーション半導体層の形成に基づく暗電流の低減に加えて、メサ部のp型半導体層が厚い周辺部に電極を形成したことにより、いっそう暗電流が低減されていることがわかる。   As shown in FIG. 8, in the pin type light receiving element of the second embodiment, in addition to the reduction of dark current based on the formation of the passivation semiconductor layer similar to the pin type light receiving element of the first embodiment, the mesa portion It can be seen that the dark current is further reduced by forming the electrode in the peripheral portion where the p-type semiconductor layer is thick.

1,2…pin型受光素子、20…半導体基板、30…第1の半導体層、 31…第2の半導体層、32…第3の半導体層、40…第4の半導体層、60…第1の電極層、61…第2の電極層、80…第1のパッシベーション絶縁体層、h1…メサ周辺部における第3の半導体層の厚み、h2…メサ中央部における第3の半導体層の厚み   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Pin type light receiving element, 20 ... Semiconductor substrate, 30 ... 1st semiconductor layer, 31 ... 2nd semiconductor layer, 32 ... 3rd semiconductor layer, 40 ... 4th semiconductor layer, 60 ... 1st Electrode layer, 61... Second electrode layer, 80... First passivation insulator layer, h1... Thickness of third semiconductor layer in mesa peripheral portion, h2... Thickness of third semiconductor layer in mesa central portion

Claims (8)

半導体基板と、
この半導体基板上に形成され、第1導電型の不純物をドープして構成された第1の半導体層と、
この第1の半導体層上に形成され、第1の半導体材料に不純物を故意にドープしないで構成され第2の半導体層と、
この第2の半導体層上に形成され、前記第1の半導体材料に前記第1導電型とは異なる第2導電型の不純物をドープして構成された第3の半導体層であって、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層は一つのメサ部を形成しており、前記第2の半導体層の厚さは前記メサ部において一様であり、前記第3の半導体層は前記メサ部周囲における厚さが前記メサ部中央における厚さよりも厚く形成されており、
前記第1ないし第3の半導体層を覆うように形成され、前記第1の半導体材料よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体材料に、不純物を故意にドープしないで構成された第4の半導体層と
を備えることを特徴とするpin型受光素子。
A semiconductor substrate;
A first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate and doped with an impurity of the first conductivity type;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and configured without intentionally doping impurities in the first semiconductor material;
A third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer, wherein the first semiconductor material is doped with an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type; The second semiconductor layer and the third semiconductor layer form one mesa portion, the thickness of the second semiconductor layer is uniform in the mesa portion, and the third semiconductor layer is the mesa portion. The thickness around the part is formed thicker than the thickness at the center of the mesa part,
A fourth semiconductor material formed so as to cover the first to third semiconductor layers and having a larger band gap energy than the first semiconductor material is formed without intentionally doping impurities. A pin type light receiving element comprising: a semiconductor layer.
前記第1の半導体材料はGaInAsであり、前記第2の半導体材料はInPであることを特徴とする請求項1に記載のpin型受光素子。   2. The pin type light receiving element according to claim 1, wherein the first semiconductor material is GaInAs and the second semiconductor material is InP. 3. 前記半導体基板と前記第1ないし第4の半導体層とを覆うように形成された絶縁体層をさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のpin型受光素子。   3. The pin type light receiving element according to claim 1, further comprising an insulator layer formed to cover the semiconductor substrate and the first to fourth semiconductor layers. 前記第1導電型をn型であり、前記第2導電型をp型であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一つに記載のpin型受光素子。   4. The pin type light receiving element according to claim 1, wherein the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type. 5. 前記第3の半導体層の厚みが薄い領域に、前記第3の半導体層上にオーミック接触して形成された第1の電極層を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載のpin型受光素子。   The first electrode layer formed in ohmic contact with the third semiconductor layer in a region where the thickness of the third semiconductor layer is thin. The pin type light receiving element as described in one. 前記第3の半導体層の厚みが厚い領域に、前記第3の半導体層上にオーミック接触して形成された第1の電極層を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載のpin型受光素子。   5. The device according to claim 1, further comprising: a first electrode layer formed in ohmic contact with the third semiconductor layer in a region where the third semiconductor layer is thick. The pin type light receiving element as described in one. 前記第3の半導体層において、メサ部周囲の厚みh1が、0.2μm≦h1≦0.5μmの範囲にあることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一つに記載のpin型受光素子。   7. The pin according to claim 1, wherein in the third semiconductor layer, a thickness h1 around the mesa portion is in a range of 0.2 μm ≦ h1 ≦ 0.5 μm. Type light receiving element. 前記第3の半導体層において、メサ部中央の厚みh2が、0.02μm<h2≦0.25μmの範囲にあることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一つに記載のpin型受光素子。   8. The pin according to claim 1, wherein in the third semiconductor layer, the thickness h <b> 2 at the center of the mesa portion is in a range of 0.02 μm <h <b> 2 ≦ 0.25 μm. Type light receiving element.
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