JP2013051338A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】安定動作をす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１上に、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２、多重反射層３、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、ＩｎＰ窓層９が順に積層されている。ＩｎＰ窓層９は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２，７より大きいバンドギャップを持つ。ＩｎＰ窓層９の一部にｐ型不純物拡散領域１１が設けられている。アノード電極１２はｐ型不純物拡散領域１１上に設けられ、光が入射する開口を持つ。ｎ型ＩｎＰ基板１の下面にカソード電極１３が設けられている。ｐ型不純物拡散領域１１の外側にメサ溝１４が設けられている。メサ溝１４を挟んでｐ型不純物拡散領域１１の反対側にｐ型不純物拡散領域１６が設けられている。ｐ型不純物拡散領域１６はＩｎＧａＡｓ光吸収層２に達し、金属膜１７はｐ型不純物拡散領域１６を介してＩｎＧａＡｓ光吸収層２に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光送受信機用の表面入射タイプの半導体受光素子に関し、特に様々な使用環境下で安定動作をすることができる半導体受光素子に関する。

光通信用の半導体受光素子としてアバランシェ・フォトダイオード（以下、ＡＰＤと称する）やフォトダイオード（以下、ＰＤと称する）が用いられている。最近の波長多重通信システム用の半導体受光素子では、特定波長の光に対する感度を上げる必要がある。そこで、多重反射層を設けたＡＰＤが提案されている。さらに、高速応答に対応するため、ＡｌＩｎＡｓ増倍層を用いたＡＰＤも提案されている（例えば、特許文献１の図５参照）。

特開２０１０−４５４１７号公報

従来の半導体受光素子は、特定波長の光に対する感度を上げるために半導体基板と光吸収層との間に多重反射膜を有する。しかし、この多重反射膜は、図８に示すように１００％の完全な反射膜になっていない。また、光吸収層を薄くすることでキャリアの走行時間を短くして応答速度を上げている。このため、入射光のうち光吸収層で吸収されず、かつ多重反射層で反射されなかった迷光が、基板裏面の電極で反射して戻り光となり、受光素子内部で共振する。この結果、図９に示すように、ある温度周期で最小受信感度が変動する。このように、受信感度が波長や温度に依存性して不安定であるため、従来の半導体受光素子は光送受信機として安定性に欠けていた。

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、その目的は安定動作をす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層された第１の光吸収層、多重反射層、第２の光吸収層、及び、前記第１及び第２の光吸収層より大きいバンドギャップを持つ窓層と、前記窓層の一部に設けられた第２導電型の第１の不純物拡散領域と、前記第１の不純物拡散領域上に設けられ、光が入射する開口を持つ上部電極と、前記半導体基板の下面に設けられた下部電極と、前記第１の不純物拡散領域の外側に設けられたメサ溝と、前記メサ溝を挟んで前記第１の不純物拡散領域の反対側に設けられ、前記第１の光吸収層に達する第２の不純物拡散領域と、前記第２の不純物拡散領域を介して前記第１の光吸収層に接続された金属膜とを備えることを特徴とする。

本発明により、安定動作をすることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の変形例１を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の変形例２を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。 従来の半導体受光素子の多重反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。 従来の半導体受光素子の最小受信感度の温度依存性を示す図である。

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。同じ又は対応する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、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図であり、図２はその平面図である。図２は受光素子を受光面側から見ている。この半導体受光素子は、１０Ｇｂ／ｓ、伝送距離８０ｋｍ以上の高速・長距離の波長多重システム用の受光素子である。

ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２、多重反射層３、ＩｎＰ障壁層４、ＡｌＩｎＡｓ増倍層５、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層６、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、ＩｎＧａＡｓＰグレーディッド層８、ＩｎＰ窓層９、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層１０が順に積層されている。

ＩｎＰ窓層９やＩｎＰ障壁層４は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２，７より大きいバンドギャップを持つ。多重反射層３はＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層からなる。ＩｎＧａＡｓ光吸収層２，７は、ＩｎＧａＡｓに限らず、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどでもよい。ＩｎＰ障壁層４は、ＩｎＰに限らず、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどでもよい。ＩｎＰ障壁層４は無くてもよい。

ＩｎＰ窓層９の一部に受光領域であるｐ型不純物拡散領域１１が設けられている。アノード電極１２はｐ型不純物拡散領域１１上に設けられ、光が入射する開口を持つ。ｎ型ＩｎＰ基板１の下面にカソード電極１３が設けられている。ｐ型不純物拡散領域１１の外側においてＩｎＧａＡｓ光吸収層７及びＩｎＰ窓層９にメサ溝１４が設けられている。ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０上及びメサ溝１４内壁に、表面保護膜を兼ねてＳｉＮ膜からなる無反射膜１５が設けられている。

メサ溝１４を挟んでｐ型不純物拡散領域１１の反対側、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２、多重反射層３、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、及びＩｎＰ窓層９にｐ型不純物拡散領域１６が設けられている。本実施の形態ではメサ溝１４の外側全てにｐ型不純物拡散領域１６が設けられている。そのｐ型不純物拡散領域１６上の全面に金属膜１７が設けられている。

ｐ型不純物拡散領域１６はＩｎＧａＡｓ光吸収層２に達し、金属膜１７はｐ型不純物拡散領域１６を介してＩｎＧａＡｓ光吸収層２に接続されている。金属膜１７はアノード電極１２及びカソード電極１３とは電気的に接続されていない。

続いて、上記の半導体受光素子の動作を説明する。まず、上方向からアノード電極１２で覆われていないｐ型不純物拡散領域１１に光が入射される。この光はｐ型不純物拡散領域１１を透過した後、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７に達し、光の一部はＩｎＧａＡｓ光吸収層７で吸収されて正孔と電子を発生する。

ＡＰＤには２５Ｖから５０Ｖ程度の高い逆バイアスが印加されているので、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層６及びＡｌＩｎＡｓ増倍層５は空乏化しており、発生した電子は空乏層の中をｎ型ＩｎＰ基板１に向かって流れる。高電界がかかるＡｌＩｎＡｓ増倍層５でアバランシェ増倍を起こして、新たな多数の電子と正孔を発生させる。この結果、光信号が増倍された電流信号としてＡＰＤから取り出される。取り出された電流信号は、増倍が生じない場合の数十倍程度の大きさになる。

ＩｎＧａＡｓ光吸収層７で吸収されなかった光は多重反射層３に達する。多重反射層３の反射率は１００％でないため、光は多重反射層３を透過し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２に達する。

この光をＩｎＧａＡｓ光吸収層２が吸収するため、ｎ型ＩｎＰ基板１を透過しカソード電極１３で反射する反射戻り光が無くなる。従って、受光素子内部での共振が抑制され、受信感度の波長及び温度依存性が無くなり、光送受信機の最小受信感度は使用温度範囲内で一定となり、安定動作をすることができる。

ただし、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２を設けただけでは、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２が光を吸収することで発生した電子と正孔が自然に再結合して熱に変わるため、入射光量が増加した場合に発熱による特性劣化が生じる。そこで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２をｐ型不純物拡散領域１６を通して金属膜１７に短絡させている。このため、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２で発生した電子と正孔は強制的に消滅させらされる。従って、特性劣化が生じないため光過入力耐性が向上する。

また、多重反射層３とＩｎＧａＡｓ光吸収層７との間に、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２，７より大きいバンドギャップを持つＩｎＰ障壁層４が設けられている。このため、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２で発生した電子や正孔が再結合をする前にＩｎＧａＡｓ光吸収層７へ拡散するのを防ぐことができる。また、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２及びＩｎＰ障壁層４は、キャリア濃度が高く、殆ど空乏化していないので、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２で発生した電子や正孔がＩｎＰ障壁層４を乗り越えることもない。

また、ＩｎＰ障壁層４とＩｎＧａＡｓ光吸収層７との間にＡｌＩｎＡｓ増倍層５が設けられている。このＡｌＩｎＡｓ増倍層５に達した電子がアバランシェ増倍を起こす。これにより、高速応答に対応することができる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の変形例１を示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の変形例２を示す平面図である。変形１ではｐ型不純物拡散領域１６をメサ溝１４の外側全てに設け、変形例２ではｐ型不純物拡散領域１６をメサ溝１４の外側に局所的に設けている。そして、両者とも金属膜１７を局所的に設けている。このように局所的に設けた金属膜１７をチップ番号等のチップ目印として用いることができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２、多重反射層３、ＩｎＰ障壁層４、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、ＩｎＧａＡｓＰグレーディッド層８、ｎ型ＩｎＰ電界緩和層１８、ＩｎＰ窓層９、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層１０が順に積層されている。ｐ型不純物拡散領域１１の周辺に、キャリア濃度の低いｐ型のガードリング領域１９が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態はｐ型不純物拡散領域１１の下方のＩｎＰ窓層９を増倍領域２０とするＡＰＤである。この増倍領域２０内で正孔がアバランシェ増幅を起こし、増倍された電流信号が取り出される。その他、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２、多重反射層３、ＩｎＰ障壁層４、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７、ＩｎＰ窓層９、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層１０が順に積層されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。本実施の形態はＰＤであるため、増倍層によるアバランシェ増倍はないが、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。実施の形態１では受光面側にメサ溝１４とｐ型不純物拡散領域１６と金属膜１７を設けているが、実施の形態４では基板裏面側にメサ溝２１とｐ型不純物拡散領域１６と金属膜１７を設けている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

具体的には、ｐ型不純物拡散領域１１の外側においてｎ型ＩｎＰ基板１にメサ溝２１が設けられている。メサ溝２１の外側の周辺領域、即ちメサ溝１４を挟んでｐ型不純物拡散領域１１の反対側において、ｎ型ＩｎＰ基板１及びＩｎＧａＡｓ光吸収層２にｐ型不純物拡散領域１６が設けられている。金属膜１７は、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に設けられ、ｐ型不純物拡散領域１６を介してＩｎＧａＡｓ光吸収層２に接続されている。金属膜１７はアノード電極１２及びカソード電極１３とは電気的に接続されていない。

このように基板裏面側にメサ溝２１とｐ型不純物拡散領域１６と金属膜１７を設けた場合でも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態はＡｌＩｎＡｓ増倍層を使うＡＰＤであるが、これに限らず、ＩｎＰ増倍層を使うＡＰＤ及びＰＤや多重反射層を用いないＡＰＤ及びＰＤなどにも本実施の形態の構成を適用することができる。

１ ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
２ ＩｎＧａＡｓ光吸収層（第１の光吸収層）
３ 多重反射層
４ ＩｎＰ障壁層（障壁層）
５ ＡｌＩｎＡｓ増倍層
７ ＩｎＧａＡｓ光吸収層（第２の光吸収層）
９ ＩｎＰ窓層（窓層）
１１ ｐ型不純物拡散領域（第１の不純物拡散領域）
１２ アノード電極（上部電極）
１３ カソード電極（下部電極）
１４，２１ メサ溝
１６ ｐ型不純物拡散領域（第２の不純物拡散領域）
１７ 金属膜

Claims (6)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に順に積層された第１の光吸収層、多重反射層、第２の光吸収層、及び、前記第１及び第２の光吸収層より大きいバンドギャップを持つ窓層と、
   前記窓層の一部に設けられた第２導電型の第１の不純物拡散領域と、
   前記第１の不純物拡散領域上に設けられ、光が入射する開口を持つ上部電極と、
   前記半導体基板の下面に設けられた下部電極と、
   前記第１の不純物拡散領域の外側に設けられたメサ溝と、
   前記メサ溝を挟んで前記第１の不純物拡散領域の反対側に設けられ、前記第１の光吸収層に達する第２の不純物拡散領域と、
   前記第２の不純物拡散領域を介して前記第１の光吸収層に接続された金属膜とを備えることを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記金属膜は前記第１及び第２の電極とは電気的に接続されていないことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 前記メサ溝は、前記第２の光吸収層及び前記窓層に設けられ、
   前記第２の不純物拡散領域は、前記第１の光吸収層、前記多重反射層、前記第２の光吸収層、及び前記窓層に設けられてい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。
4. 前記メサ溝は、前記半導体基板に設けられ、
   前記第２の不純物拡散領域は、前記半導体基板及び前記第１の光吸収層に設けられてい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。
5. 前記多重反射層と前記第２の光吸収層との間に設けられ、前記第１及び第２の光吸収層より大きいバンドギャップを持つ障壁層を更に備え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。
6. 前記障壁層と前記第２の光吸収層との間に設けられたＡｌＩｎＡｓ増倍層を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。

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