JP2011258809A

JP2011258809A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2011258809A
Application number: JP2010133022A
Authority: JP
Inventors: Keiji Sasahata; 圭史笹畑; Masaharu Nakaji; 雅晴中路
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-22
Also published as: CN102280516A; US20110303949A1

Abstract

【課題】応答歪を低減し、かつ受光感度の低下を抑えることができる半導体受光素子を得る。
【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、ｎ型の光吸収再結合層１２、ｎ型の多層反射膜１４、光吸収層１６、及び窓層１８が順に積載されている。窓層１８の一部にｐ型ドーピング領域２０が形成されている。ｐ型ドーピング領域２０にｐ側電極２２が接続されている。ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面にｎ側電極２６が接続されている。窓層１８のバンドギャップエネルギーは、光吸収層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい。光吸収再結合層１２のバンドギャップエネルギーは、ｎ型ＩｎＰ基板１０のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、応答歪を低減し、かつ受光感度の低下を抑えることができる半導体受光素子に関する。

近年、半導体受光素子の広帯域化に伴って光吸収層の厚さが０．５〜２μｍと薄膜化し、半導体受光素子の感度が低下するという問題があった。そこで、受光感度の低下を抑えるため、光吸収層を透過した光を反射する多層反射膜を光吸収層の下に設けた半導体受光素子が報告されている（例えば、特許文献１の図２参照）。

また、光吸収層の薄膜化により、光吸収層で吸収されずに透過する入射光の割合が増加する。この透過した光は基板下面の電極で反射され、この反射光は光吸収層の空乏化されていない領域で吸収され、光電流として取り出される。この光電流は入射光に対して応答が遅いため、応答歪が生じるという問題があった。

特開平９−４５９５４号公報

例えば波長１．２７μｍの入射光に対して吸収係数の大きいＩｎＧａＡｓ層を１０層程度厚く積層した多層反射膜を用いれば、基板からの反射光が吸収されるので、応答歪を低減することができる。しかし、吸収係数を大きくすると多層反射膜の反射率が低くなるため、半導体受光素子の受光感度が低下するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、応答歪を低減し、かつ受光感度の低下を抑えることができる半導体受光素子を得るものである。

本発明に係る半導体受光素子は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に順に積載された、不純物がドーピングされた第１導電型の光吸収再結合層、第１導電型の多層反射膜、光吸収層、及び窓層と、前記窓層の一部に形成された第２導電型のドーピング領域と、前記ドーピング領域に接続された第１の電極と、前記半導体基板の下面に接続された第２の電極とを備え、前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記光吸収層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、前記光吸収再結合層のバンドギャップエネルギーは、前記半導体基板のバンドギャップエネルギーよりも小さい。

本発明により、応答歪を低減し、かつ受光感度の低下を抑えることができる。

実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図である。比較例に係る半導体受光素子を示す断面図である。実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体受光素子について図面を参照して説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子はＩｎＧａＡｓ系のフォトダイオードである。

キャリア濃度が約５×１０^１８ｃｍ^−３であるｎ型ＩｎＰ基板１０上に、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ約０．５〜２．０μｍの光吸収再結合層１２、キャリア濃度が約５×１０^１８ｃｍ^−３であるｎ型の多層反射膜１４、アンドープＩｎＧａＡｓからなる厚さ０．５〜２μｍの光吸収層１６、及びアンドープＩｎＰからなる厚さ約２μｍの窓層１８が順に積載されている。

窓層１８の一部に、キャリア濃度が１×１０^１９〜１×１０^２０ｃｍ^−３であるｐ型ドーピング領域２０が形成されている。ｐ型ドーピング領域２０に、Ｔｉ／Ａｕ等からなるｐ側電極２２が接続されている。窓層１８上に、ＳｉＮからなる表面保護膜２４が形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面に、ＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側電極２６が接続されている。

ここで、入射光の波長は１．２６μｍ〜１．３６μｍであり、例えば光通信波長帯である１．２７μｍである。窓層１８のバンドギャップエネルギーは、光吸収層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい。光吸収再結合層１２のバンドギャップエネルギーは、ｎ型ＩｎＰ基板１０のバンドギャップエネルギーよりも小さい。多層反射膜１４は、入射光の波長の１／４の厚さを有する屈折率の異なるＩｎＰ層とＩｎＡｌＧａＡｓ層を交互に積層したブラッグ反射膜である。表面保護膜２４の厚さは入射光の波長の１／４である。表面保護膜２４は反射防止膜としても機能する。

続いて、上記の半導体受光素子の製造方法について簡単に説明する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ（Metal organic chemical vapor deposition）法等を用いて、光吸収再結合層１２、多層反射膜１４、光吸収層１６、及び窓層１８を順にエピタキシャル成長させる。

次に、窓層１８の表面から窓層１８の一部にＺｎを光吸収層１６に達するまで拡散させて、ｐ型ドーピング領域２０を形成する。この拡散方法はマスク等を用いた気相拡散や熱拡散等である。例えば、熱拡散を行う場合には、ＳｉＮ膜（図示せず）等の拡散源を成膜し、このＳｉＮ膜のｐ型ドーピング領域２０を形成する領域上の領域に開口部を形成し、この開口部上の領域を含むＳｉＮ膜上にＺｎＯ膜（図示せず）等を形成し、ＳｉＮ膜をマスクとして所定時間の熱処理を行う。なお、Ｚｎの代わりにＣｄやＢｅ等の不純物を拡散に用いることも可能である。その後、ＳｉＮ膜やＺｎＯ膜等を除去する。

次に、プラズマＣＶＤ法等により窓層１８の表面に表面保護膜２４を形成する。フォトリソグラフィ技術とフッ酸等を用いたエッチングとを組み合わせて、後にｐ側電極２２を形成する領域に表面保護膜２４に開口部を形成する。表面保護膜２４上にフォトレジスト膜（図示せず）を形成し、これをパターニングして、表面保護膜２４の開口部の領域にさらに開口部を形成した後、電子ビーム（ＥＢ）蒸着によりＴｉ／Ａｕ膜を形成した後、この膜の不要部分をフォトレジスト膜と共にリフトオフしてｐ側電極２２を形成する。この際に、表面保護膜２４上に、ｐ側電極２２に接続されたボンディングパッド（図示せず）を同時に形成する。その後、ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面を研磨し、ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面にｎ側電極２６を形成する。以上の工程により図１に示す半導体受光素子が製造される。

続いて、半導体受光素子の基本動作について説明する。ｎ側電極２６がプラス、ｐ側電極２２がマイナスとなるように外部から逆バイアス電圧を加えられる。その状態でｐ型ドーピング領域２０とｎ型ＩｎＰ基板１０からなるｐｎ接合により、光吸収層１６に空乏層２８が形成される。半導体受光素子の上方からｐ型ドーピング領域２０に入射された入射光は、表面保護膜２４とＩｎＰ窓層１８とを透過して光吸収層１６の空乏層２８で吸収され、電子とホールが発生する。この電子とホールは電界に引かれてそれぞれｎ型ＩｎＰ基板１０とｐ型ドーピング領域２０に向かって流れる。これにより発生した光電流がｐ側電極２２及びｎ側電極２６から信号電流として取り出される。

次に、実施の形態１の効果について比較例と比較して説明する。図２は比較例に係る半導体受光素子を示す断面図である。比較例では、実施の形態１の光吸収再結合層１２と多層反射膜１４が存在しない。

比較例では、光吸収層１６が薄膜化すると、半導体受光素子の感度が低下する。一方、本実施の形態では、光吸収層１６で吸収されずに透過した入射光の大部分は多層反射膜１４で反射され、光吸収層１６で吸収される。従って、受光感度の低下を抑えることができる。

また、比較例では、光吸収層１６で吸収されずに透過した入射光は、ｎ側電極２６で反射され、この反射光は光吸収層１６の空乏化されていない領域で吸収され、光電流として取り出される。この光電流は入射光に対して応答が遅いため、応答歪が生じる。一方、本実施の形態では、光吸収層１６で吸収されずに透過し、かつ多層反射膜１４で反射されずに透過した光は、光吸収再結合層１２で吸収され、電子とホールが発生する。光吸収再結合層１２には不純物がドーピングされているために、光吸収再結合層１２で発生した電子とホールは滞留せずに再結合して消失する。従って、応答歪を低減することができる。

ここで、光吸収再結合層１２の光学厚みは、入射光の波長の１／４の整数倍であることが好ましい。これにより、光吸収再結合層１２が多層反射膜の機能も発揮するため、反射率の低下を抑制することができる。また、光吸収再結合層１２の厚さは０．５μｍ以上であることが好ましい。これにより、光吸収層１６及び多層反射膜１４を透過した光をほとんど吸収できる。

また、多層反射膜１４が入射光波長に対して吸収が大きい材料からなると、多層反射膜１４の反射率は低下する。そこで、多層反射膜１４における入射光の吸収を低減するため、多層反射膜１４のバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶよりも大きいことが好ましい。これにより、多層反射膜１４の反射率を高くすることができる。この結果、多層反射膜１４を透過する入射光の割合が減少するため、応答歪を低減することができる。

例えば波長１．２７μｍの入射光用の受光素子において、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層（バンドギャップエネルギー０．７５ｅＶ）を交互に重ねた多層反射膜を用いた場合、ＩｎＧａＡｓ層での光の吸収が多いため、高い反射率が得られない。一方、ＩｎＰ層とＩｎＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねた多層反射膜を用いると、ＩｎＡｌＧａＡｓ層での光の吸収が小さいため、高い反射率が得られる。ただし、Ａｌ組成を大きくするに従って屈折率差が小さくなるため、反射率はあるＡｌ組成で最大となり、その後は次第に低下する。従って、反射率が最大となるように多層反射膜１４のＡｌ組成を選択する。また、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層を交互に重ねた多層反射膜の場合でも同様に最適なＰ組成が存在する。

なお、本実施の形態では光吸収再結合層１２をｎ型ＩｎＧａＡｓとしたが、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ又はｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓとしてもよい。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は、実施の形態１の構成に、光吸収層１６が生成したキャリアを増倍するアバランシェ増倍層３０と、アバランシェ増倍層３０から光吸収層１６への電界強度を緩和させる電界緩和層３２とを追加したアバランシェフォトダイオードである。

アバランシェ増倍層３０は多層反射膜１４と光吸収層１６との間に設けられ、電界緩和層３２はアバランシェ増倍層３０と光吸収層１６との間に設けられている。電界緩和層３２は、厚さ０．０３〜０．０６μｍでキャリア濃度０．５〜１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＩｎＰからなる。アバランシェ増倍層は、厚さ０．１５〜０．４μｍのアンドープＡｌＩｎＡｓからなる。

半導体受光素子に印加された逆バイアス電圧が充分に高い場合、アバランシェ増倍層３０において電子がイオン化して新たな電子−ホール対が発生する。この新たに発生した電子とホールが更なるイオン化を引き起こして、電子とホールが雪崩的に増倍する（アバランシェ増倍）。これにより、受光感度を上昇させることができる。

なお、本実施の形態では電界緩和層３２をｐ型ＩｎＰとしたが、ｐ型ＡｌＩｎＡｓとしてもよい。状況により電界緩和層３２を省略することもできる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は、実施の形態１の構成にバリア層３４を追加したフォトダイオードである。

バリア層３４は、光吸収再結合層１２と光吸収層１６との間に設けられ、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である厚さ約０．５μｍのｎ型ＡｌＩｎＡｓ又はｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなる。バリア層３４のバンドギャップエネルギーは、光吸収再結合層１２のバンドギャップエネルギー（０．７５ｅＶ）よりも十分に大きい。

ここで、多層反射膜１４を透過した入射光は光吸収再結合層１２で吸収されて電子とホールが発生する。この電子とホールが消失するまでに拡散によりドリフトして空乏層２８に到達すると、光電流として取り出され、信号の歪成分となってしまう。これに対して、本実施の形態では、バリア層３４が電子とホールの空乏層２８への流れ込みを防ぐため、応答歪を低減することができる。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は、実施の形態１の構成に実施の形態２の電界緩和層３２及びアバランシェ増倍層３０と実施の形態３のバリア層３４を追加したアバランシェフォトダイオードである。これにより、実施の形態１〜３の効果を得ることができる。

１０ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
１２光吸収再結合層
１４多層反射膜
１６光吸収層
１８窓層
２０ｐ型ドーピング領域（ドーピング領域）
２２ｐ側電極（第１の電極）
２６ｎ側電極（第２の電極）
３０アバランシェ増倍層（増倍層）
３４バリア層

Claims

第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に順に積載された、不純物がドーピングされた第１導電型の光吸収再結合層、第１導電型の多層反射膜、光吸収層、及び窓層と、
前記窓層の一部に形成された第２導電型のドーピング領域と、
前記ドーピング領域に接続された第１の電極と、
前記半導体基板の下面に接続された第２の電極とを備え、
前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記光吸収層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
前記光吸収再結合層のバンドギャップエネルギーは、前記半導体基板のバンドギャップエネルギーよりも小さいことを特徴とする半導体受光素子。
前記多層反射膜は、入射光の波長の１／４の厚さを有する屈折率の異なる２種類の半導体層を交互に積層したブラッグ反射膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
前記光吸収再結合層の光学厚みは、入射光の波長の１／４の整数倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
前記多層反射膜のバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶよりも大きいことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体受光素子。
前記半導体基板はＩｎＰからなり
前記光吸収再結合層はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体受光素子。
前記多層反射膜と前記光吸収層との間に設けられ、前記光吸収層が生成したキャリアを増倍する増倍層を更に備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体受光素子。
前記光吸収再結合層と前記光吸収層との間に設けられ、前記光吸収再結合層よりもバンドギャップエネルギーの大きいバリア層を更に備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体受光素子。
前記バリア層はＡｌＩｎＡｓ又はＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする請求項７に記載の半導体受光素子。