JP2011171367A - Semiconductor light receiving element and semiconductor light receiving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体受光素子および半導体受光装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light receiving element and a semiconductor light receiving device.
光通信等における光信号の検出には、例えば、フォトダイオード等の半導体受光素子が用いられている。半導体受光素子を用いた光検出器(半導体受光装置)により光検出を行う場合、アバランシェ・フォトダイオード(Avalanche Photodiodes=APD)を用いることで、微弱光の検出や、特に光強度の弱い光子検出などの計測・信号検出が可能であることが知られている。 For detection of an optical signal in optical communication or the like, for example, a semiconductor light receiving element such as a photodiode is used. When light detection is performed by a photodetector (semiconductor light receiving device) using a semiconductor light receiving element, by using an avalanche photodiode (Avalanche Photodiodes = APD), detection of weak light, detection of photons with particularly low light intensity, etc. It is known that measurement and signal detection can be performed.
図7(a)および図7(b)に、APDの一例の構成を示す。図7(a)は、APDの断面図である。図7(b)は、図7(a)中の領域D部分の層構造を示す図である。前記両図において、同一部分には同一符号を付している。この半導体受光素子60は、n型半導体基板11上に、n+型バッファ層12と、アバランシェ・フォトダイオード(APD)層63と、p+型バッファ層14と、p+型コンタクト層15とが、前記順序で積層されている。APD動作をする部分はメサ構造で、基板上の他の領域のエピ層と分離されている。前記メサ構造は、前記n型半導体基板11の厚み方向の途中まで形成されている。前記n型半導体基板11の前記APD層63側の面とは反対側の面には、反射防止膜19が形成されている。前記n型半導体基板11の前記反射防止膜19側の面とは反対側の面の、前記APD層63、前記p+型バッファ層14、前記p+型コンタクト層15の表面には、パッシベーション膜18が設けられている。前記p+型コンタクト層15上部には、前記パッシベーション膜18が設けられていない部分が形成されている。この部分には、p型電極16が形成されている。前記p型電極16は、前記p+型コンタクト層15に電気的に接続されている。前記n型半導体基板11の上部には、前記パッシベーション膜18が設けられていない部分が形成されている。この部分には、n型電極17が形成されている。前記APD層63は、増倍層631、電界緩和層632、光吸収層633が、前記n+型バッファ層12側から、この順序で積層されている。本例のAPDでは、前記増倍層631は、単一組成の層である。
FIG. 7A and FIG. 7B show an exemplary configuration of an APD. FIG. 7A is a cross-sectional view of the APD. FIG. 7B is a diagram illustrating a layer structure of a region D portion in FIG. In both the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. The semiconductor
一方、APDで微弱光(もしくは光子)信号のような信号検出を行う場合、超伝導受光素子などと比較して暗電流(ダークカウント)成分が多いため、検出信号とダークカウントのS/N比を上昇させて通信時のエラーを低減する必要がある。そのため、APDを構成する半導体結晶の結晶性を向上させたり、受光素子の動作温度を下げることにより、暗電流値を低減させてS/N比の改善を図る方法があるが、これらの方法によるS/N比の改善には限界があった。そのため、S/N比の改善にあたっては、素子構造から最適化を図り、より高いS/N比が期待できるAPDの開発がなされてきた(例えば、特許文献1〜3、非特許文献1参照)。
On the other hand, when a signal such as a weak light (or photon) signal is detected by an APD, since there are more dark current (dark count) components than a superconducting light-receiving element, the S / N ratio between the detection signal and the dark count. It is necessary to reduce the error at the time of communication. Therefore, there are methods for improving the S / N ratio by reducing the dark current value by improving the crystallinity of the semiconductor crystal constituting the APD or lowering the operating temperature of the light receiving element. There was a limit to improving the S / N ratio. Therefore, in improving the S / N ratio, optimization of the element structure has been attempted, and APDs that can be expected to have a higher S / N ratio have been developed (see, for example,
しかしながら、上記文献に記載の半導体受光素子においては、S/N比の改善は必ずしも十分とはいえなかった。また、素子の構造が複雑であり、低コスト化が困難となる場合がある。 However, in the semiconductor light receiving element described in the above document, the improvement of the S / N ratio has not always been sufficient. In addition, the structure of the element is complicated, and it may be difficult to reduce the cost.
本発明の目的は、特に微弱光(もしくは光子)の検出信号のS/N比を向上させることができる半導体受光素子、および、それを用いた高感度な半導体受光装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor light receiving element that can improve the S / N ratio of a detection signal of particularly weak light (or photons), and a highly sensitive semiconductor light receiving device using the same.
前記目的を達成するために、本発明の半導体受光素子は、
光信号を電気信号に変換するフォトダイオード層を有し、
前記フォトダイオード層が、光吸収層と、電界緩和層と、増倍層とを含み、
前記電解緩和層は、前記光吸収層と前記増倍層とに挟まれており、
前記増倍層が、第一増倍層および第二増倍層を含み、
前記第一増倍層および前記第二増倍層は、前記電界緩和層側から前記順序で積層され、
前記第二増倍層は、前記第一増倍層に隣接しており、
前記第一増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をEg1min、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最大値をEg2max、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をEg2minとしたとき、Eg1min≧Eg2maxかつEg1min>Eg2minの関係を満たすことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the semiconductor light receiving element of the present invention comprises:
A photodiode layer for converting an optical signal into an electrical signal;
The photodiode layer includes a light absorption layer, an electric field relaxation layer, and a multiplication layer,
The electrolytic relaxation layer is sandwiched between the light absorption layer and the multiplication layer,
The multiplication layer comprises a first multiplication layer and a second multiplication layer;
The first multiplication layer and the second multiplication layer are laminated in the order from the electric field relaxation layer side,
The second multiplication layer is adjacent to the first multiplication layer;
The minimum value of the band gap of the material contained in the first multiplication layer is Eg1 min , the maximum value of the band gap of the material contained in the second multiplication layer is Eg2 max , and the second multiplication layer is in the second multiplication layer. when the minimum value of the band gap of the material included was Eg2 min, characterized by satisfying the relation of Eg1 min ≧ Eg2 max and Eg1 min> Eg2 min.
また、本発明の半導体受光装置は、前記本発明の半導体受光素子を備えることを特徴とする。 The semiconductor light receiving device of the present invention includes the semiconductor light receiving element of the present invention.
本発明によれば、高いS/N比の得られる半導体受光素子を提供することができる。したがって、前記本発明の半導体受光素子を備える本発明の半導体受光装置は、高感度である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor light receiving element with which high S / N ratio is obtained can be provided. Therefore, the semiconductor light receiving device of the present invention including the semiconductor light receiving element of the present invention has high sensitivity.
以下、本発明の半導体受光素子について、詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, the semiconductor light receiving element of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
(実施形態1)
図1(a)および図1(b)に、本実施形態の半導体受光素子の一例の構成を示す。図1(a)は、本実施形態の半導体受光素子の断面図である。図1(b)は、本実施形態の断面図(図1(a))における領域A部分の層構造を示す図である。前記両図において、同一部分には同一符号を付している。この半導体受光素子10は、n型半導体基板11上に、n+型バッファ層12と、アバランシェ・フォトダイオード(APD)層13と、p+型バッファ層14と、p+型コンタクト層15とが、前記順序で積層されている、アバランシェ・フォトダイオード(APD)である。APD層13は、前記「フォトダイオード層」である。前記APDの主要部の半導体層構造を下記表1に示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1A and FIG. 1B show a configuration of an example of the semiconductor light receiving element of this embodiment. FIG. 1A is a cross-sectional view of the semiconductor light receiving element of this embodiment. FIG. 1B is a diagram showing the layer structure of the region A in the cross-sectional view (FIG. 1A) of the present embodiment. In both the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. The semiconductor
APD動作をする部分はメサ構造で、基板上の他の領域のエピ層と分離されている。前記メサ構造は、前記n型半導体基板11の厚み方向の途中まで形成されている。前記メサ構造は、受光方向(紙面の上下方向)から見て円形または楕円形に形成されているが、本発明は、この例に限定されない。なお、前記円形および楕円形には、例えば、極めて円形や楕円形に近い多角形を含むものとする。前記メサ構造が円形である場合、その直径は100μm以下であることが好ましい。また、前記メサ構造が楕円形である場合、その長径は100μm以下であることが好ましく、短径は20μm以上であることが好ましい。前記n型半導体基板11の前記APD層13側の面とは反対側の面には、反射防止膜19が形成されている。前記n型半導体基板11の前記反射防止膜19側の面とは反対側の面の、前記APD層13、前記p+型バッファ層14、前記p+型コンタクト層15の表面には、パッシベーション膜18が設けられている。前記p+型コンタクト層15上部には、前記パッシベーション膜18が設けられていない部分が形成されている。この部分には、p型電極16が形成されている。前記p型電極16は、前記p+型コンタクト層15に電気的に接続されている。前記n型半導体基板11の上部には、前記パッシベーション膜18が設けられていない部分が形成されている。この部分には、n型電極17が形成されている。APDは、例えば、単一光子(シングルフォトン)のような非常に弱い光であっても増幅により検知可能である。
The portion that performs the APD operation has a mesa structure, and is separated from the epi layer in other regions on the substrate. The mesa structure is formed halfway in the thickness direction of the n-
本実施形態においては、前記n+型バッファ層12は、前記n型半導体基板11から前記p+型バッファ層14に向かって、第一のn+型バッファ層12aと第二のn+型バッファ層12bとが、この順序で積層されている。前記APD層13は、前記n型半導体基板11から前記p+型バッファ層14に向かって、下記表2に示すように、増倍層131と、電界緩和層132と、光吸収層133とが、前記順序で積層されている。すなわち、電界緩和層132は、光吸収層133と増倍層131とに挟まれている。
In the present embodiment, the n +
前記増倍層131は、第一増倍層131aと、これに隣接する第二増倍層131bとの二層構造からなる。増倍層材料には、電子増倍型の材料とホール増倍型の材料とがあるが、本実施形態においては、前記増倍層131は、電子増倍型の材料を用いたものである。前記増倍層131は、前記n型半導体基板11から前記p+型バッファ層14に向かって、第二増倍層131bと第一増倍層131aとが、この順序で積層されている。前記第一増倍層131aは、バンドギャップが一定である層である。本実施形態において、前記第二増倍層131bは、超格子構造を有している。本実施形態の半導体受光素子10の各層の材料、層厚等の構成の一例を表3に示す。表中のMin、Maxは、それぞれの好ましい範囲の最小値および最大値を表わす。同じくTypは、代表値を表わす。
The
電子増倍型の材料として、InxAlyGa(1−x−y)As(0<x<1、0<y<1、0<x+y≦1)を用いる場合、Al組成比yが、0.25以上0.48以下であることが好ましい。また、前記InxAlyGa(1−x−y)Asは、後述するInP等のn型半導体基板11に、格子整合条件または、格子に破綻のない程度に抑えられた歪組成とすることが好ましい。
When In x Al y Ga (1-xy) As (0 <x <1, 0 <y <1, 0 <x + y ≦ 1) is used as the electron multiplying material, the Al composition ratio y is It is preferable that it is 0.25 or more and 0.48 or less. Further, the In x Al y Ga (1-xy) As has a strain composition that is suppressed to a lattice matching condition or a lattice failure in an n-
なお、本発明において、「組成」とは、半導体層等を構成する元素の原子数の量的関係をいう。「組成比」とは、前記半導体層等を構成する特定の元素の原子数と、他の元素の原子数との相対的な割合をいう。例えば、InxAlyGa(1−x−y)Asの組成で表される半導体層において、yの数値を「Al組成比」という。 In the present invention, “composition” refers to the quantitative relationship of the number of atoms of elements constituting a semiconductor layer or the like. “Composition ratio” refers to a relative ratio between the number of atoms of a specific element constituting the semiconductor layer and the like and the number of atoms of another element. For example, in a semiconductor layer represented by a composition of In x Al y Ga (1-xy) As, the numerical value of y is referred to as “Al composition ratio”.
前記増倍層131のドーピング濃度(不純物濃度)は、なるべく低いことが好ましく、例えば1×1016cm−3以下、さらに好ましくは、5×1015cm−3以下である。このようなドーピング濃度を採用することで、半導体受光素子10の動作時において、前記増倍層131の電界強度が層方向に沿って一定(均一電界)とすることができる。
The doping concentration (impurity concentration) of the
前記第一増倍層131aおよび前記第二増倍層131bは、高電界の印加によりアバランシェ増倍を引き起こし、多量のキャリアを発生させる層である。前記第一増倍層131aは、そのバンドギャップEg1が一定の層である。本発明では、低暗電流な増倍を行う観点から、前記第一増倍層は、前記Eg1が一定の層であることが好ましい。また、増倍暗電流低減の観点から、前記第一増倍層の厚みは、0.2μm以上であることが好ましい。同様の理由により、前記第一増倍層の厚みが、前記増倍層全体の厚みの半分以上であることが好ましい。前記第一増倍層の厚みは、厚くするとともに格子ずれ許容範囲が小さくなることから、結晶性低下等を避けるため、2.0μm以下とすることが好ましい。前記厚みは、より好ましくは、1.5μm以下であり、さらに好ましくは、0.5μm以上1.0μm以下の範囲である。前記第一増倍層131aの材料は、InAlGaAsが好ましく、その中でもGa組成比が0であるInAlAsが最も好ましい。また、前記第一増倍層131aの材料の別の一例として、InGaAsPが好ましく、その中でも、Ga組成比およびAs組成比が0であるInPが最も好ましい。
The
前記第二増倍層131bは、前記電界緩和層132とn+型バッファ層12とで挟まれた増倍層131のうち、n+型バッファ層12側に近い層である。前記第二増倍層131bは、電界緩和層132側に近い前記第一増倍層131aに比べてイオン化率が高いことが好ましい。イオン化率は、バンドギャップを調整することにより変化させることができる。前記第二増倍層131bをバンドギャップ一定の構造で構成する場合、前記第二増倍層131bのバンドギャップをEg2とすると、Eg1>Eg2を満たす構成にする。上記材料はInPに格子整合する材料であることが最も好ましい。
The
前記第二増倍層131bは超格子構造としてもよい。前記第二増倍層131bを超格子構造とする場合、前記超格子の平均バンドギャップをEg2(av)としたときに、Eg1>Eg2(av)を満たす構成にしてもよい。ここで、前記平均バンドギャップは、超格子構造から生ずる量子井戸やミニバンド間のエネルギーギャップではなく、障壁層と井戸層のそれぞれのエネルギーギャップEgを層厚の比を勘案して平均化して導出した値である。また、障壁層のバンドギャップをEg2b、井戸層のバンドギャップをEg2wとしたとき、Eg1≧Eg2b、Eg2b>Eg2wの関係を満たすように構成する。
The
超格子構造の材料は、Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As/Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)Asや、In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)/In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2)を用いることが好ましい。ここで、0<x1<1、0<y1<1、0<x1+y1≦1、0<x2<1、0<y2<1、0<x2+y2≦1、0≦a1≦1、0≦b1≦1、0≦a2≦1、0≦b2≦1である。超格子構造の材料は、InAlAs/Inx3Aly3Ga(1−x3−y3)As(0<x3<1、0<y3<1、0<x3+y3≦1)であることが、より好ましい。また、例えば、前記第一増倍層が、Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As(0<x1<1、0<y1<1、0<x1+y1≦1)から形成され、前記第二増倍層が、Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As/Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)As(0<x2<1、0<y2<1、0<x2+y2≦1)で表される超格子構造を有し、Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)AsのバンドギャップEg(Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As)が、Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)AsのバンドギャップEg(Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)As)より大きいことが、さらに好ましい。別の一例として、前記第一増倍層が、In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)(0≦a1≦1、0≦b1≦1)から形成され、前記第二増倍層が、In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)/In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2)(0≦a2≦1、0≦b2≦1)で表される超格子構造を有し、In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)のバンドギャップEg(In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1))が、In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2)のバンドギャップEg(In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2))より大きいことが、さらに好ましい。 The material of the superlattice structure is In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As / In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As or In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1- b1) / In (1-a2) Ga a2 As b2 P (1-b2) is preferably used. Here, 0 <x1 <1, 0 <y1 <1, 0 <x1 + y1 ≦ 1, 0 <x2 <1, 0 <y2 <1, 0 <x2 + y2 ≦ 1, 0 ≦ a1 ≦ 1, 0 ≦ b1 ≦ 1 0 ≦ a2 ≦ 1 and 0 ≦ b2 ≦ 1. The material of the superlattice structure is more preferably InAlAs / In x3 Al y3 Ga (1-x3-y3) As (0 <x3 <1, 0 <y3 <1, 0 <x3 + y3 ≦ 1). For example, the first multiplication layer is formed of In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As (0 <x1 <1, 0 <y1 <1, 0 <x1 + y1 ≦ 1), The double multiplication layer is In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As / In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As (0 <x2 <1, 0 <y2 <1, 0 <x2 + y2 ≦ has a superlattice structure represented by 1), in x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) band gap Eg of as (in x1 Al y1 Ga ( 1-x1-y1) as) is, an in x2 Al y2 Ga (1-x2-y2 ) band gap Eg of As (in x2 Al y2 Ga ( 1-x2-y2) As) that larger is more preferable. As another example, the first multiplication layer is formed of In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) (0 ≦ a1 ≦ 1, 0 ≦ b1 ≦ 1), and the second multiplication layer is formed. Double layer is In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) / In (1-a2) Ga a2 As b2 P (1-b2) (0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1) has a superlattice structure represented in, in (1-a1) Ga a1 as b1 band gap Eg of P (1-b1) (in (1-a1) Ga a1 as b1 P (1-b1)) is , in (1-a2) Ga a2 As b2 P band gap Eg of (1-b2) (in ( 1-a2) Ga a2 As b2 P (1-b2)) that larger is more preferable.
前記第二増倍層131b内でのバンドギャップの最大値と最小値がそれぞれ、Eg2max、Eg2minであるとき、前記Eg2maxは、前記第一増倍層131aのバンドギャップEg1と同等か、より小さい(Eg1≧Eg2max)。また、本発明においては、波長λの光に対応するバンドギャップをEλとしたとき、前記第二増倍層全体において、バンドギャップEλが、Eλ≧Eλ1(λ1=1.2μm)を満たすことが好ましい。すなわち、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値Eg2minが、Eg2min≧Eλ1(λ1=1.2μm)の関係を満たすことが好ましい。なお、前記第二増倍層から発生したダークキャリアは、ホール注入に近い形となり、増倍率があまり大きくならない。
Each maximum and minimum values of the band gap in said
前記第二増倍層131bの層厚は、前記第一増倍層131aと前記第二増倍層131bの合計層厚の半分未満とすることが好ましい。すなわち、前記第一増倍層131aより前記第二増倍層131bが薄い(dmEg1>dmEg2)ことが好ましい。前記第二増倍層131bでイオン化の効果を発揮するためには、20nm以上で作成されることが好ましく、より好ましくは、20nm以上、200nm以下の範囲である。前記第二増倍層131bの超格子構造において、障壁層の厚みdbと井戸層の厚みdwとの比、rdw=dw/dbは、前記第二増倍層131b内で一定であってもよいが、前記n+型バッファ層12側に近づくに従って擬似的にEgを下げるため、rdwを大きくしてもよい。
The layer thickness of the
前記電界緩和層132は、前記増倍層131に印加される高電界と、前記光吸収層133に印加される比較的低い電界との差異を緩和させるために設けられる層である。前記電界緩和層132は、前記第一増倍層131aおよび前記光吸収層133に直接接触している。この電界緩和層132を設けることにより、前記増倍層131へ高い電界を安定的に印加することが可能となる。本実施形態において、前記電界緩和層132は、p型不純物を含有しており、前記光吸収層133および前記第一増倍層131aと同一の構成材料を用いてもよい。
The electric
前記光吸収層133は、入射光を電気に変換する役割を果たす層であり、受光すべき光を吸収可能なバンドギャップを有する。前記光吸収層133の構成材料は、入射光の波長に応じて適宜選択される。
The
前記n型半導体基板11を形成する材料は、特に制限されず、例えば、InP等があげられる。
The material for forming the n-
前記n+型バッファ層12は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記n+型バッファ層12を形成する材料としては、例えば、InP、InAlGaAs、InAlAs、InGaAsP等があげられる。本実施形態のように、前記n+型バッファ層12が、第一のn+型バッファ層12aと第二のn+型バッファ層12bとの2層構造である場合、前記第一のn+型バッファ層12aがInP、前記第二のn+型バッファ層12bがInAlGaAsまたはInAlAsであることが好ましい。この構成とすると、例えば、InP基板上にInP層から積層を始めることになり、作製上容易である。また、第二のバッファ層はそのバンドギャップEgが、第二増倍層が一定バンドギャップの場合はそのEgと同等かそれ以上であることが好ましく、超格子構造の場合はその障壁層のバンドギャップ(Eg)と同等かそれ以上であることが好ましい。前記第一のn+型バッファ層12aがInP、前記第二のn+型バッファ層12bがInAlGaAsまたはInAlAsとすると、第二増倍層に接する層のバンドギャップが高いので、増倍特性が良好なものとなる点でも好ましい。
The n +
前記APD層13は、光信号を電気信号に変換する。前記APD層13において、前記光吸収層133がp−型、前記電界緩和層132がp+型である場合、前記光吸収層133は、光信号を受けて光キャリアを発生させる。前記増倍層131は、前記光吸収層133で発生したキャリアを増倍させる。前記電界緩和層132は、前記増倍層131と前記光吸収層133との間に、大きな電界強度差を持たせる。
The
前記p+型バッファ層14は、前記光吸収層133の前記電界緩和層132側の面とは反対側の面に形成されている。前記p+型バッファ層14は、充分な不純物濃度と厚みを有し、動作電圧を印加した場合でも空乏化しないことが好ましい。前記p+型バッファ層14を形成する材料としては、例えば、InP、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs等があげられる。
The p + -
前記p+型コンタクト層15は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記p+型コンタクト層15を形成する材料としては、例えば、InAlAs、InAlGaAs、InGaAs、InGaAsP等があげられる。
The p +
前記パッシベーション膜18は、絶縁性を有する。前記パッシベーション膜18を形成する材料としては、例えば、SiNx、SiON、SiO2等のSi(シリコン)系材料;ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)等の樹脂系材料等があげられる。前記パッシベーション膜18の膜厚は、前記Si系材料では、例えば、0.1〜0.4μmの範囲であり、前記樹脂系材料では、例えば、0.2〜2μmの範囲である。前記パッシベーション膜の形成方法は、後述する。
The
前記p型電極16および前記n型電極17は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記両電極を形成する材料としては、例えば、Ti、Pt、Au等の金属があげられる。前記金属は、一種類を単独で用いてもよいし、二種類以上を併用してもよい。前記両電極の形成方法は、後述する。
The p-
前記反射防止膜19は、特に制限されず、従来公知のものを使用可能である。前記反射防止膜19を形成する材料としては、例えば、SiNx等があげられる。前述の材料を用いて、例えば、屈折率が1.9付近、厚みdの反射防止膜を形成することができる。前記厚みdは、例えば、信号波長λs、反射防止膜の屈折率をnとすると、下記式(I)により設定することができる。
d=λs/4n (I)
The
d = λs / 4n (I)
本実施形態の半導体受光素子は、例えば、以下のようにして動作する。
まず、半導体受光素子の暗電流を十分低減するための温度環境を準備する。暗電流は、環境温度が低いほど低減されるが、実用化のため通信機に搭載する目的の場合、受信パッケージの基板上に搭載可能な程度の大きさである必要があるため、ペルチェ素子で冷却し、−60℃程度に設定する。
次に素子にバイアスTを用い、ブレークダウンに近い電圧のDCバイアスを印加する。DCバイアスを印加すると、図3に示すような電界が印加される。さらに、バイアスTのACターミナルからパルスバイアスを印加してパルスバイアスの間ブレークダウン電圧を超えるような状態にする。これにより、周期的に10の6乗から7乗程度の利得を得て光子検出レベルの利得が得られる状態にする。
The semiconductor light receiving element of this embodiment operates as follows, for example.
First, a temperature environment for sufficiently reducing the dark current of the semiconductor light receiving element is prepared. The dark current is reduced as the ambient temperature is lower. However, for the purpose of mounting on a communication device for practical use, the dark current needs to be large enough to be mounted on the substrate of the receiving package. Cool and set to about -60 ° C.
Next, a bias T is applied to the element, and a DC bias having a voltage close to breakdown is applied. When a DC bias is applied, an electric field as shown in FIG. 3 is applied. Further, a pulse bias is applied from the AC terminal of the bias T so that the breakdown voltage is exceeded during the pulse bias. As a result, a gain of about 10 6 to 7 is periodically obtained to obtain a photon detection level gain.
図1(a)に示すように、信号光(フォトン)100が前記n型半導体基板11側から、この半導体受光素子10に入射されると、前記APD層13は、前記信号光100を受光、増幅して、光電流を発生させる。前記信号光100として、一定周期のパルスバイアスに同期させて、光パルス信号を入射させる。入射光の強度は、0.1phpp〜1.0phpp程度に設定する。ここで、phppは、一つのパルス信号に含まれる平均フォトン数を表す単位である。前記APD層13は、前記光吸収層133で光子信号を光電変換して光キャリア(フォトン起因の電子とホールのペア)を生成し、片方のキャリアを前記p+型バッファ層14、もう片方のキャリアを前記電界緩和層132を通じて前記増倍層131に注入させる。前記増倍層131に注入されたキャリアはアバランシェ増倍を起こし、信号は増幅されて前記p型電極16および前記n型電極17の両方に増幅された信号を出力する。光子検出時にパルスバイアスで動作させた場合、利得は10の6乗程度以上が見込まれ、単一キャリアでも検出可能なレベルまで増幅することができる。
As shown in FIG. 1A, when signal light (photon) 100 is incident on the semiconductor
本発明において、前記増倍層131では、前記第二増倍層131bの働きで、光キャリアが前記電界緩和層132から前記増倍層131を横切って前記n+型バッファ層12まで走行する間に感じるイオン化率は高まり、層全体のイオン化能力は、前記第二増倍層131bを含まないものに比較して高くなる。
In the present invention, in the
イオン化率とバンドギャップの関係は定式化されていないが、ブレークダウン電圧とバンドギャップとの関係から類推できる。
ブレークダウン電圧VBは、下記式(II)の関係が知られている。
Breakdown voltage V B are known relationship of the following formula (II).
電子増倍型の増倍層では、増倍層がダイオードPN接合の間の空乏層部分に位置しているとして、P型層の側から注入されたキャリア(逆バイアス印加時のキャリアの走行方向から考えて電子になる)は、増倍率が高くなり、N型層の側から注入されたキャリア(逆バイアス印加時のキャリアの走行方向から考えてホールになる)は増倍層が相対的に低くなることが知られている。ホール増倍型の増倍層の場合は、これの反対の現象がみられる。増倍層内部の中間位置で発生した場合には、これらの中間の増倍率を示す。 In the electron multiplication type multiplication layer, it is assumed that the multiplication layer is located in the depletion layer portion between the diode PN junctions, and carriers injected from the P-type layer side (carrier traveling direction when reverse bias is applied) From the N-type layer side, carriers that are injected from the N-type layer side (holes are considered from the direction of carrier travel when a reverse bias is applied) are relatively in the multiplication layer. It is known to be lower. In the case of a hole multiplication type multiplication layer, the opposite phenomenon is observed. If it occurs at an intermediate position inside the multiplication layer, the intermediate multiplication factor is indicated.
本発明の半導体受光素子では、増倍層におけるダークキャリアは、増倍層内のN型層の側でより多く発生するため、ダークキャリアの多くは、バンドギャップが一定の増倍層での増倍に比較して増倍率が小さくなる。このような波高分布を持つ信号は、後段のアンプに入力されて、線形に増幅される。アンプの出力信号は、識別器に入力され、閾値判定されて、1と0で出力される。閾値を適切に調節することにより、S/N比の良い信号検出を実現することができる。したがって、本実施形態の半導体受光素子を備える半導体受光装置は、高感度なものとすることができる。 In the semiconductor light receiving device of the present invention, dark carriers in the multiplication layer are generated more on the N-type layer side in the multiplication layer, so that many of the dark carriers are increased in the multiplication layer having a constant band gap. The multiplication factor is smaller than the double. A signal having such a wave height distribution is input to a subsequent amplifier and amplified linearly. The output signal of the amplifier is input to the discriminator, the threshold value is determined, and 1 and 0 are output. By appropriately adjusting the threshold value, signal detection with a good S / N ratio can be realized. Therefore, the semiconductor light receiving device including the semiconductor light receiving element of the present embodiment can be highly sensitive.
本実施形態の半導体受光素子は、次のように製造することができる。
第一の工程は、エピタキシャル結晶成長である。
半導体基板上に、結晶成長装置により、n型半導体基板11上に、前記表1の順に各層を積層する。
The semiconductor light receiving element of this embodiment can be manufactured as follows.
The first step is epitaxial crystal growth.
Each layer is laminated on the semiconductor substrate in the order shown in Table 1 on the n-
つぎに、図2に基づき、本実施形態の半導体受光素子の製造方法を説明する。図2において、図1と同一部分には同一符号を付している。本実施形態の半導体受光素子の製造方法は、エピタキシャル結晶層積層工程と、プロセス工程とを含む。前記プロセス工程は、メサ構造形成工程と、パッシベーション膜形成工程と、電極形成工程と、研磨工程と、反射防止膜形成工程とを含む。図2Aに、エピタキシャル結晶層積層工程を示す。図2Bに、メサ構造形成工程と、パッシベーション膜形成工程とを示す。図2Cに、電極形成工程を示す。図2Dに、研磨工程と、反射防止層形成工程とを示す。 Next, a method for manufacturing the semiconductor light receiving element of this embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the same parts as those in FIG. The manufacturing method of the semiconductor light receiving device of this embodiment includes an epitaxial crystal layer stacking step and a process step. The process steps include a mesa structure forming step, a passivation film forming step, an electrode forming step, a polishing step, and an antireflection film forming step. FIG. 2A shows an epitaxial crystal layer stacking step. FIG. 2B shows a mesa structure forming step and a passivation film forming step. FIG. 2C shows an electrode forming process. FIG. 2D shows a polishing process and an antireflection layer forming process.
まず、図2Aに示すように、n型半導体基板11上に、n+型バッファ層12、APD層13、p+型バッファ層14、p+型コンタクト層15となるエピタキシャル結晶層を積層する(エピタキシャル結晶層積層工程)。前記エピタキシャル結晶層の各層は、前述のとおりである。前記各層は、分子線エピタキシー(MBE)、ガスソースMBE、有機金属気相成長(MOVPE)等により積層される。
First, as shown in FIG. 2A, an epitaxial crystal layer to be an n + -
つぎに、図2Bに示すように、前記p+型コンタクト層15から前記n型半導体基板11の途中までメサ型にエッチングして、メサ構造を形成する(メサ構造形成工程)。前記エッチングは、例えば、パターニングによりエッチングマスクを形成後、ブロム・メタノール、ブロム・水、または、ブロム・臭化水素・水等の非選択エッチング液を用いて、ウェットエッチングにより行うことが好ましい。前記エッチングマスクは、エッチング液耐性のあるレジストや、SiO2等を用いることができる。ついで、形成されたメサ構造および前記n型半導体基板11の全面にパッシベーション膜18を形成する(パッシベーション膜形成工程)。
Next, as shown in FIG. 2B, a mesa structure is etched from the p + -
つぎに、図2Cに示すように、前記p+型コンタクト層15上のパッシベーション膜18の一部、および前記n型半導体基板11上のパッシベーション膜18の一部を除去する。パッシベーション膜18の一部を除去するには、パターニングにより、エッチングマスクを形成し、その後パッシベーション膜18を所望の領域だけ除去すればよい。パッシベーション膜18がSi02やSiNx等であれば、その除去にはBHF(バッファードフッ酸)等を用いることができる。この除去された部分に、前述の金属を形成して電極を形成する。このようにして、前記p+型コンタクト層15に接触させたp型電極16と、前記n型半導体基板11に接触させたn型電極17とを形成する(電極形成工程)。
Next, as shown in FIG. 2C, a part of the
つぎに、図2Dに示すように、前記n型半導体基板11の前記APD層13が形成されている側の面とは反対側の面を研磨して、前記ハンドリングに適当な厚みまで薄くする。また、この面を鏡面研磨して、鏡面化する(研磨工程)。ついで、前記n型半導体基板11の鏡面研磨を行った面に、反射防止膜19を形成する(反射防止膜形成工程)。前記形成には、例えば、プラズマ化学気相成長(p−CVD)等を用いることができる。このようにして、本実施形態の半導体受光素子を製造可能である。ただし、本実施形態の半導体受光素子の製造方法は、この例に限定されない。
Next, as shown in FIG. 2D, the surface of the n-
(実施形態2)
図4に、本実施形態の半導体受光素子の一例の構成を示す。図4(a)は、本実施形態の半導体受光素子の断面図である。図4(b)は、本実施形態の断面図(図4(a))における領域B部分の層構造を示す図である。図4(c)は、本実施形態の第二増倍層431bの層構造を示す図である。前記各図において、図1と同一部分には同一符号を付している。この半導体受光素子40は、n型半導体基板11上に、n+型バッファ層12と、アバランシェ・フォトダイオード(APD)層43と、p+型バッファ層14と、p+型コンタクト層15とが、前記順序で積層されている、アバランシェ・フォトダイオード(APD)である。前記APD層43は、前記n型半導体基板11から前記p+型バッファ層14に向かって、増倍層431と、電界緩和層432と、光吸収層433とが、前記順序で積層されている。前記増倍層431は、第一増倍層431aおよび第二増倍層431bの二層構造となっている。増倍層材料には、電子増倍型の材料とホール増倍型の材料とがあるが、本実施形態においては、前記増倍層431は、電子増倍型の材料を用いたものを示す。前記増倍層431は、前記n型半導体基板11から前記p+型バッファ層14に向かって、第二増倍層431bと第一増倍層431aとが、この順序で積層されている。前記第一増倍層431aは、バンドギャップが一定である層である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 shows a configuration of an example of the semiconductor light receiving element of the present embodiment. FIG. 4A is a cross-sectional view of the semiconductor light receiving element of this embodiment. FIG. 4B is a diagram showing the layer structure of the region B in the cross-sectional view (FIG. 4A) of the present embodiment. FIG. 4C is a diagram illustrating a layer structure of the
本実施形態において、前記第二増倍層431bは、そのバンドギャップまたは平均バンドギャップが、層内で傾斜する(前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的にまたは階段状に減少する)傾斜構造を有している以外は、前記実施形態1と同様である。本実施形態では、前記第二増倍層431b内で、前記第一増倍層431aから離れる方向に向かってバンドギャップが小さくなるようにバンドギャップを傾斜させる構成にする。前記第二増倍層431bの材料を、InAlGaAs、InGaAsP等で構成することで傾斜構造を構成することができる。前記傾斜構造は、連続的に傾斜していても、階段状に傾斜していてもよい。階段状に傾斜(前記第一増倍層側から反対側に向かって減少)する場合、例えば、図4(c)に示すように、前記第二増倍層431bは、431b−1、431b−2、431b−3の各部分において、バンドギャップの異なる材料を用い、バンドギャップが前記の順で大きくなるようにすることができる。階段状にバンドギャップが変化する場合、階段の数(段数)は、一段でもよい。前記第二増倍層431b内でのバンドギャップの最大値と最小値がそれぞれ、Eg2max、Eg2minであるとき、前記Eg2maxは、前記第一増倍層431aのバンドギャップEg1と同等か、より小さい(Eg1≧Eg2max)。波長λの光に対応するバンドギャップをEλとしたとき、前記第二増倍層全体において、トンネル暗電流を低減するため、バンドギャップEλが、Eλ≧Eλ1(λ1=1.2μm)を満たすことが好ましい。すなわち、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値Eg2minが、Eg2min≧Eλ1(λ1=1.2μm)の関係を満たすことが好ましい。
In the present embodiment, the
本発明において、例えば、前記第一増倍層のバンドギャップが、第二増倍層側の面で最小値Eg1minをとり、前記第二増倍層のバンドギャップが、第二増倍層側の面で最大値Eg2maxをとり、Eg1minおよびEg2maxが、Eg1min=Eg2maxの関係を満たし、前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的に減少することが好ましい。 In the present invention, for example, the band gap of the first multiplication layer has a minimum value Eg1 min on the surface on the second multiplication layer side, and the band gap of the second multiplication layer is on the second multiplication layer side. The maximum value Eg2 max is taken, Eg1 min and Eg2 max satisfy the relationship Eg1 min = Eg2 max , and the band gap of the second multiplication layer is directed from the first multiplication layer side to the opposite side. It is preferable to decrease continuously.
前記構成を有することで、前記実施形態1と同様にS/N比向上が可能な半導体受光素子を得ることができる。本実施形態の半導体受光素子を備える半導体受光装置は、高感度なものとすることができる。 By having the above configuration, it is possible to obtain a semiconductor light receiving element capable of improving the S / N ratio as in the first embodiment. A semiconductor light receiving device including the semiconductor light receiving element of the present embodiment can be highly sensitive.
(実施形態3)
図5に、本実施形態の半導体受光素子の一例の構成を示す。図5(a)は、本実施形態の半導体受光素子の断面図である。図5(b)は、本実施形態の断面図(図5(a))における領域C部分の層構造を示す図である。前記各図において、図1と同一部分には同一符号を付している。また、下記表4に、本実施形態の半導体受光素子の層構造を示す。この半導体受光素子50は、n型半導体基板11上に、n+型バッファ層12と、アバランシェ・フォトダイオード(APD)層53と、p+型バッファ層14と、p+型コンタクト層15とが、前記順序で積層されている、アバランシェ・フォトダイオード(APD)である。前記APD層53は、前記n型半導体基板11から前記p+型バッファ層14に向かって、光吸収層533と、電界緩和層532と、増倍層531とが、前記順序で積層されている。前記増倍層531は、第一増倍層531aおよび第二増倍層531bの二層構造となっている。増倍層材料には、電子増倍型の材料とホール増倍型の材料とがあるが、本実施形態においては、前記増倍層531は、ホール増倍型の材料を用いたものを示す。前記ホール増倍型の材料としては、InP等を用いることができる。ホール増倍型の増倍層の場合、前記増倍層531は、n+型電界緩和層と前記APD層53に隣接するp+型バッファ層14に挟まれて構成される。前記増倍層531は、前記n型半導体基板11から前記p+型バッファ層14に向かって、第一増倍層531aと第二増倍層531bとが、この順序で積層されている。前記第一増倍層531aは、バンドギャップが一定である層である。
(Embodiment 3)
FIG. 5 shows a configuration of an example of the semiconductor light receiving element of the present embodiment. FIG. 5A is a cross-sectional view of the semiconductor light receiving element of this embodiment. FIG. 5B is a diagram showing the layer structure of the region C in the cross-sectional view (FIG. 5A) of the present embodiment. In the drawings, the same parts as those in FIG. Table 4 below shows the layer structure of the semiconductor light receiving element of this embodiment. The semiconductor
本実施形態においては、前記APD層53は、前記光吸収層533が前記n型半導体基板11側となるように積層されている。前記第二増倍層531bは、超格子構造である。本実施形態の半導体受光素子50の各層の材料、層厚等の構成の一例を表5に示す。表中のMin、Maxは、それぞれの好ましい範囲の最小値および最大値を表わす。同じくTypは、代表値を表わす。
In the present embodiment, the
本実施形態において、前記増倍層531は、上述の実施形態と同様に、ドーピング濃度(不純物濃度)を低く設定して作製することが好ましく、具体的には、1×1016cm−3以下であればよく、さらに好ましくは、5×1015cm−3以下である。このようなドーピング濃度を採用することで、半導体受光素子10の動作時において、前記増倍層531の電界強度が層方向に沿って一定(均一電界)とすることができる。
In the present embodiment, the multiplication layer 531 is preferably produced by setting the doping concentration (impurity concentration) to be low, specifically, 1 × 10 16 cm −3 or less, as in the above-described embodiment. What is necessary is just to be 5 * 10 < 15 > cm <-3> or less. By adopting such a doping concentration, the electric field strength of the multiplication layer 531 can be made constant (uniform electric field) along the layer direction during the operation of the semiconductor
上記表5においては、前記第二増倍層531bが超格子構造の場合を示しているが、前記第二増倍層531bは、上述の傾斜構造を有していてもよい。
Table 5 shows the case where the
前記構成を有することで、前記実施形態1と同様にS/N比向上が可能な半導体受光素子を得ることができる。本実施形態の半導体受光素子を備える半導体受光装置は、高感度なものとすることができる。 By having the above configuration, it is possible to obtain a semiconductor light receiving element capable of improving the S / N ratio as in the first embodiment. A semiconductor light receiving device including the semiconductor light receiving element of the present embodiment can be highly sensitive.
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例によってなんら限定ないし制限されない。 Next, examples of the present invention will be described. The present invention is not limited or restricted by the following examples.
[実施例1]
図1(a)に示す半導体受光素子10を、前述の実施形態1で述べた半導体受光素子の製造方法により作製した。まず、MBE結晶成長装置を用いて、n型半導体基板11上に、n+型バッファ層12、APD層13、p+型バッファ層14、p+型コンタクト層15となるエピタキシャル結晶層を積層した(エピタキシャル結晶層積層工程)。下記表6に、前記エピタキシャル結晶層における各層の材料、層厚等の構成を示す。表中の材料は、主成分を表わしており、例えば、各層間の界面における成分の拡散等による組成のズレが存在する可能性がある。表中のTypは、代表値を表わす。前記エピタキシャル結晶層における第二増倍層131bにおいて、一周期が下記表7に示す障壁層/井戸層の組み合わせ層構造を10周期作製した。
[Example 1]
A semiconductor
このエピタキシャル結晶層の前記p+型コンタクト層15側の面に、パターニングによりマスク(ネガレジストまたはSiO2)を形成した。この状態で、非選択エッチング液(ブロム・水またはブロム・メタノール等)を用いて、前記n型半導体基板11の途中までエッチングした。このようにして、メサ構造を形成した(メサ構造形成工程)。エッチング深さは、最も深い場所で3.6μm程度とした。
A mask (negative resist or SiO 2 ) was formed on the surface of the epitaxial crystal layer on the p + -
前記マスクを除去した後に、形成されたメサ構造および前記n型半導体基板11の全面にパッシベーション膜18(材料:SiNx)を形成した(パッシベーション膜形成工程)。 After removing the mask, a passivation film 18 (material: SiN x ) was formed on the entire surface of the formed mesa structure and the n-type semiconductor substrate 11 (passivation film forming step).
電極とのコンタクトをとるために、まず、前記パッシベーション膜18の全面にマスク(ネガレジストまたはSiO2)を形成した。ついで、このマスクの前記p+型コンタクト層15上に位置する部分を除去した。また、このマスクのn型半導体基板11上に位置する一部を除去した。この状態で、バッファード・フッ酸等により、前記マスクが除去された部分に対応するパッシベーション膜18を除去した。このようにして、電極を接続するための窓を形成した。つぎに、前記マスクを除去した後に、全面にTi/AuやTi/Pt/Auの順序で金属を形成して電極を形成した。形成された電極のうち、p型電極およびn型電極に該当する部分にマスクを形成した。この状態で、ミリング装置等を用いて、アルゴンガス(アルゴンイオンビーム)を照射して、p型電極およびn型電極に該当する以外の部分の金属を除去した。このようにして、前記p+型コンタクト層15に接触させたp型電極16と、前記n型半導体基板11に接触させたn型電極17とを形成した(電極形成工程)。
In order to make contact with the electrode, first, a mask (negative resist or SiO 2 ) was formed on the entire surface of the
つぎに、前記n型半導体基板11の前記APD層13が形成されている側の面とは反対側の面を研磨して、前記n型半導体基板11を150μm程度まで薄くするとともに、この面に鏡面研磨を行い、鏡面化した(研磨工程)。
Next, the surface of the n-
前記n型半導体基板11の鏡面化した面に、p−CVDまたはスパッタ装置等を用いて、反射防止膜19(SiNx膜、膜厚:2000Å(200nm)程度)形成した(反射防止膜形成工程)。このようにして、本実施例に用いる半導体受光素子10を作製した。
An antireflection film 19 (SiN x film, film thickness: about 2000 mm (200 nm)) is formed on the mirror-finished surface of the n-
この半導体受光素子10をモジュール化(ピグテイルモジュール等)した。
The semiconductor
[比較例1]
比較のため、実施例1の半導体受光素子10において、増倍層が単一バンドギャップで構成された半導体受光素子(図7に相当)を作製した。下記表8に、エピタキシャル結晶層における各層の材料、層厚等の構成を示す。表中の材料は、主成分を表わしており、例えば、各層間の界面における成分の拡散等による組成のズレが存在する可能性がある。表中のTypは、代表値を表わす。得られた半導体受光素子を、実施例1と同様にモジュール化(ピグテイルモジュール等)した。
[Comparative Example 1]
For comparison, a semiconductor light receiving element (corresponding to FIG. 7) in which the multiplication layer is configured with a single band gap in the semiconductor
[特性評価]
実施例1および比較例1で作製したモジュールを、ペルチェ素子を用いて冷却し、−60℃程度の一定温度とした。この状態で、バイアスTを用いて、前記半導体受光素子のブレークダウン電圧に近い電圧のDCバイアスを印加する。さらに、バイアスTのACターミナルからパルスバイアスを印加してパルスバイアスの間ブレークダウン電圧を超えるような状態にした。
[Characteristic evaluation]
The modules produced in Example 1 and Comparative Example 1 were cooled using a Peltier element to a constant temperature of about −60 ° C. In this state, a DC bias having a voltage close to the breakdown voltage of the semiconductor light receiving element is applied using the bias T. Further, a pulse bias was applied from the AC terminal of the bias T so that the breakdown voltage was exceeded during the pulse bias.
この状態で、0.1phppの光強度に設定された光パルス信号を、前記パルスバイアスに同期させて照射した。このときの出力信号を識別器に入力した。この結果を図6に示す。図6において、横軸には、各素子の室温(RT)におけるブレークダウン電圧(Vb)の90%のバイアス電圧における暗電流値(Id(@0.9Vb,RT))を、縦軸には、ダークカウント(量子効率10%、T=−60℃)をプロットしている。実施例1の素子の測定結果を●印、比較例1の素子の測定結果を▲印で示す。実施例1の素子は、比較例1の素子と比較して暗電流が高い特性であることがわかる。この結果から予測するに、実施例1の素子は、従来技術どおりの性能の素子であれば、暗電流が主因と考えられているダークカウント値は、比較例1の素子より高い傾向を示すと考えられる。しかしながら、実施例1の素子のダークカウントの値は、識別レベルを適切に設定することにより、比較例1の素子より3倍以上低減された値を得ることができている。これは、量子効率が10%の条件下において光子検出のS/N比を3倍以上向上させることができたことに相当する。なお、S/N比は、量子効率に依存し、一般に量子効率が高くなるとS/N比が下がる傾向にある。したがって、前記のようにS/N比を3倍以上向上させるためには、量子効率を大きく低減させなければならなかった。しかし、本発明によれば、例えば、本実施例のように、高い量子効率と高いS/N比とを両立させることが可能である。
In this state, an optical pulse signal set to a light intensity of 0.1 php was irradiated in synchronization with the pulse bias. The output signal at this time was input to the discriminator. The result is shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents the dark current value (Id (@ 0.9Vb, RT)) at a bias voltage of 90% of the breakdown voltage (Vb) at room temperature (RT) of each element, and the vertical axis represents , Dark count (
[実施例2]
図5に示す半導体受光素子50を、以下のようにして作製した。まず、MBE結晶成長装置を用いて、n型半導体基板11上に、n+型バッファ層12、APD層53、p+型バッファ層14、p+型コンタクト層15となるエピタキシャル結晶層を積層した(エピタキシャル結晶層積層工程)。下記表9に、前記エピタキシャル結晶層における各層の材料、層厚等の構成を示す。表中のTypは、代表値を表わす。前記エピタキシャル結晶層における第二増倍層531bにおいて、一周期が下記表10に示す障壁層/井戸層の組み合わせ層構造を10周期作製した。これら以外は、実施例1と同様にして、本実施例の半導体受光素子50を作製した。
[Example 2]
The semiconductor
この半導体受光素子50をモジュール化(ピグテイルモジュール等)した。本実施例2の半導体受光素子を用いたモジュールも、実施例1と同様に、高い量子効率と高いS/N比との両立が可能である。
The semiconductor
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。 A part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
(付記1)光信号を電気信号に変換するフォトダイオード層を有し、
前記フォトダイオード層が、光吸収層と、電界緩和層と、増倍層とを含み、
前記電解緩和層は、前記光吸収層と前記増倍層とに挟まれており、
前記増倍層が、第一増倍層および第二増倍層を含み、
前記第一増倍層および前記第二増倍層は、前記電界緩和層側から前記順序で積層され、
前記第二増倍層は、前記第一増倍層に隣接しており、
前記第一増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をEg1min、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最大値をEg2max、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をEg2minとしたとき、Eg1min≧Eg2maxかつEg1min>Eg2minの関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
(Additional remark 1) It has a photodiode layer which converts an optical signal into an electric signal,
The photodiode layer includes a light absorption layer, an electric field relaxation layer, and a multiplication layer,
The electrolytic relaxation layer is sandwiched between the light absorption layer and the multiplication layer,
The multiplication layer comprises a first multiplication layer and a second multiplication layer;
The first multiplication layer and the second multiplication layer are laminated in the order from the electric field relaxation layer side,
The second multiplication layer is adjacent to the first multiplication layer;
The minimum value of the band gap of the material contained in the first multiplication layer is Eg1 min , the maximum value of the band gap of the material contained in the second multiplication layer is Eg2 max , and the second multiplication layer is in the second multiplication layer. A semiconductor light-receiving element that satisfies a relationship of Eg1 min ≧ Eg2 max and Eg1 min > Eg2 min , where the minimum value of the band gap of the contained material is Eg2 min .
(付記2)前記第一増倍層のバンドギャップが一定であることを特徴とする付記1記載の半導体受光素子。
(Supplementary note 2) The semiconductor light receiving element according to
(付記3)前記第一増倍層の厚みが、0.2μm以上である付記1または2記載の半導体受光素子。
(Additional remark 3) The semiconductor light receiving element of
(付記4)前記第一増倍層の厚みが、前記増倍層全体の厚みの半分以上であることを特徴とする付記1から3のいずれかに記載の半導体受光素子。
(Additional remark 4) The thickness of the said 1st multiplication layer is more than half of the thickness of the whole said multiplication layer, The semiconductor light receiving element in any one of
(付記5)前記第二増倍層が、超格子構造を有することを特徴とする、付記1から4のいずれかに記載の半導体受光素子。
(Additional remark 5) Said 2nd multiplication layer has a superlattice structure, The semiconductor light receiving element in any one of
(付記6)前記第一増倍層が、Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As(0<x1<1、0<y1<1、0<x1+y1≦1)から形成され、
前記第二増倍層が、Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As/Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)As(0<x2<1、0<y2<1、0<x2+y2≦1)で表される超格子構造を有し、
Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)AsのバンドギャップEg(Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As)が、Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)AsのバンドギャップEg(Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)As)より大きいことを特徴とする、付記5記載の半導体受光素子。
(Supplementary Note 6) The first multiplication layer is formed of In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As (0 <x1 <1, 0 <y1 <1, 0 <x1 + y1 ≦ 1),
The second multiplication layer includes In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As / In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As (0 <x2 <1, 0 <y2 <1, 0 < having a superlattice structure represented by x2 + y2 ≦ 1),
In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As band gap Eg (In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As) is In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As band gap The semiconductor light-receiving element according to appendix 5, which is larger than Eg (In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As).
(付記7)前記第一増倍層が、In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)(0≦a1≦1、0≦b1≦1)から形成され、
前記第二増倍層が、In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)/In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2)(0≦a2≦1、0≦b2≦1)で表される超格子構造を有し、
In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)のバンドギャップEg(In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1))が、In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2)のバンドギャップEg(In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2))より大きいことを特徴とする、付記5記載の半導体受光素子。
(Supplementary Note 7) The first multiplication layer is formed of In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) (0 ≦ a1 ≦ 1, 0 ≦ b1 ≦ 1),
The second multiplication layer is made of In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) / In (1-a2) Ga a2 As b2 P (1-b2) (0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ a superlattice structure represented by b2 ≦ 1),
In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) band gap Eg of (In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1)) is, In (1-a2) Ga a2 As b2 being greater than P (1-b2) the band gap Eg of (in (1-a2) Ga a2 as b2 P (1-b2)), Appendix 5 semiconductor photodetector according.
(付記8)前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的にまたは階段状に減少することを特徴とする、付記1から7のいずれかに記載の半導体受光素子。
(Supplementary note 8) Any one of
(付記9)前記第一増倍層のバンドギャップが、第二増倍層側の面で最小値Eg1minをとり、
前記第二増倍層のバンドギャップが、第一増倍層側の面で最大値Eg2maxをとり、
Eg1minおよびEg2maxが、Eg1min=Eg2maxの関係を満たし、
前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的に減少することを特徴とする、付記8記載の半導体受光素子。
(Appendix 9) The band gap of the first multiplication layer takes a minimum value Eg1 min on the surface of the second multiplication layer,
The band gap of the second multiplication layer takes a maximum value Eg2 max on the surface on the first multiplication layer side,
Eg1 min and Eg2 max satisfy the relationship Eg1 min = Eg2 max ,
9. The semiconductor light receiving element according to appendix 8, wherein a band gap of the second multiplication layer continuously decreases from the first multiplication layer side toward the opposite side.
(付記10)前記第二増倍層が、異なるバンドギャップを有する複数の層で構成され、それらのバンドギャップが、前記第一増倍層から離れるに従って階段状に小さくなることを特徴とする、付記8記載の半導体受光素子。 (Supplementary Note 10) The second multiplication layer is composed of a plurality of layers having different band gaps, and the band gaps are reduced stepwise as the distance from the first multiplication layer increases. The semiconductor light receiving element according to appendix 8.
(付記11)波長λの光に対応するバンドギャップをEλとしたとき、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値Eg2minが、Eg2min≧Eλ1(λ1=1.2μm)の関係を満たすことを特徴とする、付記1から10のいずれかに記載の半導体受光素子。
(Additional remark 11) When the band gap corresponding to the light of wavelength λ is Eλ, the minimum value of the band gap Eg2 min of the material contained in the second multiplication layer is Eg2 min ≧ Eλ 1 (λ 1 = 1 .2 μm), the semiconductor light receiving element according to any one of
(付記12)付記1から11のいずれかに記載の半導体受光素子を備えることを特徴とする半導体受光装置。
(Supplementary note 12) A semiconductor light-receiving device comprising the semiconductor light-receiving element according to any one of
10、40、50、60 半導体受光素子
11 n型半導体基板
12、12a、12b n+型バッファ層
13、43、53、63 アバランシェ・フォトダイオード層
131、431、531、631 増倍層
131a、431a、531a 第一増倍層
131b、431b、531b 第二増倍層
132、432、532、632 電界緩和層
133、433、533、633 光吸収層
14 p+型バッファ層
15 p+型コンタクト層
16 p型電極
17 n型電極
18 パッシベーション膜
19 反射防止膜
100 信号光(フォトン)
10, 40, 50, 60 Semiconductor light receiving element 11 n-
Claims (10)
前記フォトダイオード層が、光吸収層と、電界緩和層と、増倍層とを含み、
前記電解緩和層は、前記光吸収層と前記増倍層とに挟まれており、
前記増倍層が、第一増倍層および第二増倍層を含み、
前記第一増倍層および前記第二増倍層は、前記電界緩和層側から前記順序で積層され、
前記第二増倍層は、前記第一増倍層に隣接しており、
前記第一増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をEg1min、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最大値をEg2max、前記第二増倍層内に含まれる材料のバンドギャップの最小値をEg2minとしたとき、Eg1min≧Eg2maxかつEg1min>Eg2minの関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。 A photodiode layer for converting an optical signal into an electrical signal;
The photodiode layer includes a light absorption layer, an electric field relaxation layer, and a multiplication layer,
The electrolytic relaxation layer is sandwiched between the light absorption layer and the multiplication layer,
The multiplication layer comprises a first multiplication layer and a second multiplication layer;
The first multiplication layer and the second multiplication layer are laminated in the order from the electric field relaxation layer side,
The second multiplication layer is adjacent to the first multiplication layer;
The minimum value of the band gap of the material contained in the first multiplication layer is Eg1 min , the maximum value of the band gap of the material contained in the second multiplication layer is Eg2 max , and the second multiplication layer is in the second multiplication layer. A semiconductor light-receiving element that satisfies a relationship of Eg1 min ≧ Eg2 max and Eg1 min > Eg2 min , where the minimum value of the band gap of the contained material is Eg2 min .
前記第二増倍層が、Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As/Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)As(0<x2<1、0<y2<1、0<x2+y2≦1)で表される超格子構造を有し、
Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)AsのバンドギャップEg(Inx1Aly1Ga(1−x1−y1)As)が、Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)AsのバンドギャップEg(Inx2Aly2Ga(1−x2−y2)As)より大きいことを特徴とする、請求項5記載の半導体受光素子。 The first multiplication layer is formed of In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As (0 <x1 <1, 0 <y1 <1, 0 <x1 + y1 ≦ 1),
The second multiplication layer includes In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As / In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As (0 <x2 <1, 0 <y2 <1, 0 < having a superlattice structure represented by x2 + y2 ≦ 1),
In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As band gap Eg (In x1 Al y1 Ga (1-x1-y1) As) is In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As band gap The semiconductor light receiving element according to claim 5, wherein the semiconductor light receiving element is larger than Eg (In x2 Al y2 Ga (1-x2-y2) As).
前記第二増倍層が、In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)/In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2)(0≦a2≦1、0≦b2≦1)で表される超格子構造を有し、
In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1)のバンドギャップEg(In(1−a1)Gaa1Asb1P(1−b1))が、In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2)のバンドギャップEg(In(1−a2)Gaa2Asb2P(1−b2))より大きいことを特徴とする、請求項5記載の半導体受光素子。 The first multiplication layer is formed of In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) (0 ≦ a1 ≦ 1, 0 ≦ b1 ≦ 1);
The second multiplication layer is made of In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) / In (1-a2) Ga a2 As b2 P (1-b2) (0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ a superlattice structure represented by b2 ≦ 1),
In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1) band gap Eg of (In (1-a1) Ga a1 As b1 P (1-b1)) is, In (1-a2) Ga a2 As b2 P (1-b2) the band gap Eg of (in (1-a2) Ga a2 as b2 P (1-b2)) being greater than, the semiconductor light receiving device according to claim 5, wherein.
前記第二増倍層のバンドギャップが、第一増倍層側の面で最大値Eg2maxをとり、
Eg1minおよびEg2maxが、Eg1min=Eg2maxの関係を満たし、
前記第二増倍層のバンドギャップが、前記第一増倍層側から反対側に向かって連続的に減少することを特徴とする、請求項8記載の半導体受光素子。 The band gap of the first multiplication layer takes a minimum value Eg1 min on the surface on the second multiplication layer side,
The band gap of the second multiplication layer takes a maximum value Eg2 max on the surface on the first multiplication layer side,
Eg1 min and Eg2 max satisfy the relationship Eg1 min = Eg2 max ,
9. The semiconductor light receiving element according to claim 8, wherein a band gap of the second multiplication layer continuously decreases from the first multiplication layer side toward the opposite side.
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