JP2014192488A - Semiconductor light-receiving element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体受光素子に関し、特に、2μm付近の波長領域で動作する半導体受光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light receiving element, and more particularly to a semiconductor light receiving element that operates in a wavelength region near 2 μm.
近年、環境保護のため、例えば工場、発電所、ゴミ焼却施設、自動車などから排出されるガス量を削減する等、人的に発生する環境負荷を減らすことがますます重要になってきている。ガスの排出量を削減するためには、ガスの排出源や、大気中におけるガス濃度の高精度な計測が必要となる。ガス吸収線による光吸収を用いたガス計測は、リアルタイムでの計測、遠隔での計測ができ、さらにガスの同位体までも特定できるという特徴があり、様々なガス計測システムへ応用されている。 In recent years, in order to protect the environment, it has become increasingly important to reduce the environmental load generated by humans, for example, by reducing the amount of gas emitted from factories, power plants, garbage incineration facilities, automobiles, and the like. In order to reduce the amount of gas emission, it is necessary to measure the gas emission source and the gas concentration in the atmosphere with high accuracy. Gas measurement using light absorption by a gas absorption line is characterized in that it can be measured in real time, remotely, and even gas isotopes can be specified, and is applied to various gas measurement systems.
図7は、2μm付近の波長領域に吸収線を持つガス種とその強度とを示した図である。この波長領域には、地球の温室効果への影響が大きいCO2、CH4、N2Oなどのガス種だけではなく、大気汚染を抑制するために工場や焼却施設等からの排出基準が設けられているHCl、NH3、COなどのガス種の吸収線が存在する。このため、ガス計測において重要な波長領域の1つである。 FIG. 7 is a diagram showing gas types having absorption lines in the wavelength region near 2 μm and their intensities. In this wavelength range, not only gas species such as CO 2 , CH 4 , and N 2 O, which have a great impact on the global greenhouse effect, but also emission standards from factories and incineration facilities are established to control air pollution. There are absorption lines of gas species such as HCl, NH 3 , and CO. For this reason, it is one of the important wavelength regions in gas measurement.
図7では、各ガス種ごとに、吸収線強度の大きな波長領域は、太線で囲んでいるが、この太線で囲まれた範囲には、複数の孤立した吸収線が含まれる。この一例として、図8にCO2の2.05μm付近の波長領域における吸収線を示している。図8では、わずか5nmの波長領域に9本の強度の大きな吸収線が存在している。そして、これらの個々の吸収線は、ピーク半値幅が0.1nm以下と鋭いスペクトル形状を持っていることが分かる。 In FIG. 7, for each gas type, a wavelength region having a large absorption line intensity is surrounded by a thick line, and a range surrounded by the thick line includes a plurality of isolated absorption lines. As an example of this, FIG. 8 shows an absorption line in a wavelength region near 2.05 μm of CO 2 . In FIG. 8, nine strong absorption lines exist in a wavelength region of only 5 nm. It can be seen that these individual absorption lines have a sharp spectral shape with a peak half-value width of 0.1 nm or less.
一般に、ガス吸収線を用いたガス計測では、図8で一例を示したような複数の吸収線のうち、1本の吸収線を採用し、その1本の吸収線による光吸収量の変化により濃度計測を行うことが知られている。 In general, in gas measurement using a gas absorption line, one absorption line is employed among a plurality of absorption lines as shown in FIG. 8 as an example, and a change in the amount of light absorption by the one absorption line is employed. It is known to perform concentration measurement.
一方、光吸収量の変化を測定するためには、光源(単一波長光源)と受光素子とが必要となる。例えば、図8の例で説明したような1本の吸収線を用いてガス計測を行う場合、その光源と受光素子との動作波長域は、狭くてもよいので、例えば数nm程度で十分なことが多い。 On the other hand, in order to measure the change in the amount of light absorption, a light source (single wavelength light source) and a light receiving element are required. For example, when gas measurement is performed using a single absorption line as described in the example of FIG. 8, the operating wavelength range between the light source and the light receiving element may be narrow. There are many cases.
このように2μm付近の波長領域は、ガスの吸収線による光吸収を利用したガス計測において重要な領域となっている。このため、この波長領域で動作する光源と受光素子は高性能であることが求められる。 Thus, the wavelength region in the vicinity of 2 μm is an important region in gas measurement using light absorption by gas absorption lines. For this reason, the light source and the light receiving element operating in this wavelength region are required to have high performance.
2μmm付近の波長領域で動作する光源に関しては、InP基板上のInGaAs歪量子井戸層を含む多重量子井戸構造を活性層とする半導体レーザが実用化され、この半導体レーザによって、ガス種の波長に合わせたレーザを作製することができるようになっている。 For light sources operating in the wavelength region near 2 μm, a semiconductor laser having an active layer with a multiple quantum well structure including an InGaAs strained quantum well layer on an InP substrate has been put into practical use, and this semiconductor laser matches the wavelength of the gas species. The laser can be manufactured.
一方、受光素子に関しては一般に、以前は1〜2.9μmの広い波長領域で動作するPbSを光吸収層とする光導電型受光素子を用いられていた。しかしながら、光導電型受光素子は、応答速度が遅いという問題があるため、近年では拡張型InGaAs受光素子と呼ばれる応答速度の速い光起電力型受光素子が用いられている。 On the other hand, in general, a photoconductive light-receiving element having a light absorption layer of PbS operating in a wide wavelength region of 1 to 2.9 μm has been used in the past. However, since the photoconductive light receiving element has a problem that the response speed is slow, in recent years, a photovoltaic light receiving element having a high response speed called an extended InGaAs light receiving element has been used.
図9は、一般的な拡張型InGaAs受光素子900の層構成を模式的に示した図である。図9では、拡張型InGaAs受光素子900の層構成は、n型InP基板901の上にAs組成を段階的に増加させたInAsPバッファ層902と、InGaAs光吸収層903と、InAsP窓層904とからなる。
FIG. 9 is a diagram schematically showing a layer structure of a general extended type InGaAs
InGaAsの格子定数は、InPの格子定数と一致する状態で、In組成比が0.53であり、この場合のバンドギャップ波長は、1.67μmである。このため、InPに格子整合するInGaAsを光吸収層に用いた受光素子では、1.7μm以上の波長光の検出は困難である。 The InGaAs lattice constant matches the InP lattice constant, and the In composition ratio is 0.53. In this case, the band gap wavelength is 1.67 μm. For this reason, it is difficult to detect light having a wavelength of 1.7 μm or more in a light receiving element using InGaAs lattice-matched to InP as a light absorption layer.
ここで、InGaAs光吸収層903によって1.7μm以上の波長光を検出できるようにするには、そのIn組成比を増加させる必要がある。しかしながら、InP基板901上に、In組成比が大きく、しかも膜厚が大きいInGaAs光吸収層903を直接結晶成長させた場合、格子不整合によるミスフィット転位(図9において、太線で示してある。)に起因する結晶欠陥が多数発生し、受光素子の受光感度が低下してしまう。
Here, in order to be able to detect light having a wavelength of 1.7 μm or more by the InGaAs
そのため、拡張型InGaAs受光素子900では、InGaAs光吸収層903におけるミスフィット転位の発生を抑制するために、As組成を段階的に増加させたInAsPバッファ層902を採用し、InP基板901から離れるにつれInAsPバッファ層902の格子定数が大きくなるようにしてある。In組成比が比較的大きいInGaAs光吸収層903は、InAsPバッファ層の最上層とほぼ格子整合するようになっている。すなわち、拡張型InGaAs受光素子900では、InGaAs光吸収層903とInAsPバッファ層902との格子不整合によるミスフィット転位が発生しにくいように構成されている。
Therefore, the extended InGaAs light-receiving
現在、InGaAs光吸収層のIn組成比が0.8程度の拡張型InGaAs受光素子も市販されており、2.5μm付近の波長領域まで対応可能となっている。 At present, an extended InGaAs light-receiving element having an In composition ratio of the InGaAs light absorption layer of about 0.8 is also commercially available, and can cope with a wavelength region near 2.5 μm.
このように拡張型InGaAs受光素子900は、As組成を段階的に増加させたInAsPバッファ層902を用い、その格子定数を増加させていき、その最上層にInGaAs光吸収層903を格子整合条件に近い状態で結晶成長させることにより作製されている。その場合のInAsPバッファ層902における格子定数の増加は、InAsPバッファ層902中に格子緩和を起こさせることで実現される。この場合、InAsPバッファ層902には格子不整合によるミスフィット転位が発生するが、層構成や作製方法を工夫することで転位がInGaAs吸収層に伝播することを抑制している。従来のInGaAs光素子として、非特許文献1に開示されている。
As described above, the extended InGaAs light receiving
一般に、2μm付近の波長領域のガス吸収線による光吸収を利用したガス計測では、その受光器として拡張型InGaAs受光素子が用いられる。この拡張型InGaAs受光素子は、図9に示したように、格子不整合によるミスフィット転位をInAsPバッファ層中に発生させ、InAsP層中で格子定数を大きくすることを前提とした層構成となっている。しかしながら、このInAsPバッファ層で発生した転位のInGaAs吸収層への伝播を完全に抑制することは難しい。その結果、InGaAs吸収層にも結晶欠陥が発生することになる。InGaAs吸収層における結晶欠陥により、非特許文献1に開示の受光素子では、暗電流が増加する。このため、拡張型InGaAs受光素子では、暗電流を低減することが難しい。 In general, in gas measurement using light absorption by a gas absorption line in a wavelength region near 2 μm, an extended InGaAs light receiving element is used as the light receiver. As shown in FIG. 9, this extended type InGaAs light receiving element has a layer structure on the premise that misfit dislocations due to lattice mismatch are generated in the InAsP buffer layer and the lattice constant is increased in the InAsP layer. ing. However, it is difficult to completely suppress the propagation of dislocations generated in the InAsP buffer layer to the InGaAs absorption layer. As a result, crystal defects also occur in the InGaAs absorption layer. In the light receiving element disclosed in Non-Patent Document 1, dark current increases due to crystal defects in the InGaAs absorption layer. For this reason, it is difficult to reduce the dark current in the extended type InGaAs light receiving element.
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたもので、拡張型InGaAs受光素子のように格子定数を変化させるためのバッファ層を備えることなく、InP基板上に2μm付近の波長領域で動作可能な半導体受光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and operates in a wavelength region near 2 μm on an InP substrate without providing a buffer layer for changing a lattice constant unlike an extended InGaAs light receiving element. An object of the present invention is to provide a possible semiconductor light receiving element.
上記問題を解決するための本発明は、光信号を電気信号に変換する半導体受光素子であって、InP基板と、前記InP基板上に形成され、圧縮歪み構造を有するInGaAsSb光吸収層と、共振器を形成するための第1反射鏡および第2反射鏡とを備え、前記第1反射鏡は、前記InP基板と前記InGaAsSb光吸収層との間に形成され、多層構造を有するものである。 The present invention for solving the above problems is a semiconductor light receiving element for converting an optical signal into an electric signal, an InP substrate, an InGaAsSb light absorption layer formed on the InP substrate and having a compressive strain structure, and a resonance A first reflecting mirror and a second reflecting mirror for forming a container, wherein the first reflecting mirror is formed between the InP substrate and the InGaAsSb light absorbing layer and has a multilayer structure.
ここで、前記InGaAsSb光吸収層のSb組成比をxとすると、xは、0<x≦0.3の範囲にあり、前記InGaAsSb光吸収層の格子定数は、InPの格子定数よりも大きく、前記InGaAsSb光吸収層のInPに対する格子不整合の比率をPとすると、Pは、0%<P≦1.5%の範囲にあるようにしてもよい。 Here, when the Sb composition ratio of the InGaAsSb light absorption layer is x, x is in the range of 0 <x ≦ 0.3, and the lattice constant of the InGaAsSb light absorption layer is larger than the lattice constant of InP, If the lattice mismatch ratio of InGaAsSb light absorption layer to InP is P, P may be in the range of 0% <P ≦ 1.5%.
前記第1反射鏡の前記多層構造は、In、Ga、Al、AsおよびPのうちの2つ以上の元素を構成元素として含み、InPに格子整合するように構成するようにしてもよい。 The multilayer structure of the first reflecting mirror may include two or more elements of In, Ga, Al, As, and P as constituent elements, and may be configured to lattice match with InP.
本発明の本導体受光素子によれば、拡張型InGaAs受光素子のように格子定数を変化させるためのバッファ層を備えることなく、InP基板上に2μm付近の波長領域で動作することができる。 According to the conductor light receiving element of the present invention, it is possible to operate on the InP substrate in a wavelength region near 2 μm without providing a buffer layer for changing the lattice constant unlike the extended InGaAs light receiving element.
<第1実施形態>
以下、本発明の半導体受光素子の実施の形態1について説明する。この実施の形態の半導体受光素子は、光信号を電気信号に変換するように構成されている。
<First Embodiment>
The first embodiment of the semiconductor light receiving element of the present invention will be described below. The semiconductor light receiving element of this embodiment is configured to convert an optical signal into an electrical signal.
[半導体受光素子の構成]
先ず、本実施の形態の半導体受光素子100の構成例について図1を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態1における半導体受光素子100の構成例を示す図である。
[Configuration of semiconductor light receiving element]
First, a configuration example of the semiconductor
この半導体受光素子100は、n型InP基板101と、n型InP基板101上に形成された反射鏡(第1の反射鏡)102と、反射鏡102上に形成されたn型InGaAsP層103と、n型InGaAsP層103上に形成されたアンドープのInGaAsP層104と、InGaAsP層104上に形成されたアンドープのInGaAsSb光吸収層105と、InGaAsSb光吸収層105上に形成されたp型InGaAsP層106と、p型InGaAsP層106上に形成されたp型InGaAs層107とを備える。
The semiconductor
図1において、n型InGaAsP層103、InGaAsP層104およびp型InGaAsP層106の各バンドギャップ波長はともに、例えば1.5μmである。
In FIG. 1, the band gap wavelengths of the n-
InGaAsSb層105は、例えば、Sb組成比=0.04、In組成比=0.55、InPに対する格子不整合=+0.4%、バンドギャップ波長=1.83μm、および、膜厚=0.35μmで与えられる。なお、この実施の形態の説明において示される値は単なる例示であり、適宜変更してもよい。
反射鏡102は、半導体の多層構造で構成される。この多層構造は、例えば、バンドギャップ波長が1.5μmで膜厚が130nmとなるn型InGaAsP層と、バンドギャップ波長が1.5μmで膜厚が141nmとなるn型InP層とが1つのペアとして与えられ、反射鏡102内に例えば10ペア分が積層される。この場合、反射鏡102では、例えば1.78μmの波長を有する光に対する反射率が81%となるようにしてある。なお、1.78μmの波長は、図7で示したように、HClのガス吸収線が存在する波長に相当する。
The reflecting
p型InGaAs層107は、空気との境界で信号光を反射させる反射鏡(第2の反射鏡)として機能する。この実施形態の場合の反射率は、例えば30%となる。
The p-
図1において、上記構成要素101〜107以外の窒化シリコン膜108、p型電極109およびn型電極110は、後述する作製方法の説明において参照される。
In FIG. 1, the
[半導体受光素子の作製方法]
次に、本実施の形態の半導体受光素子100の作製方法について再度図1を参照して説明する。
[Method for Fabricating Semiconductor Light-Receiving Element]
Next, a method for manufacturing the semiconductor
エピタキシャルウェハの成長には、例えば、有機金属分子線エピタキシー法を用いる。この場合の原料として、例えば、III族原料としてトリエチルガリウム(TEGa)およびトリメチルインジウム(TMIn)、V族原料としてアルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)およびトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)、ドーパント原料としてスズ(Sn)およびベリリウム(Be)を用いる。結晶成長時の基板温度は、すべての層において、例えば500℃とする。 For the growth of the epitaxial wafer, for example, a metal organic molecular beam epitaxy method is used. As raw materials in this case, for example, triethylgallium (TEGa) and trimethylindium (TMIn) as group III raw materials, arsine (AsH 3 ), phosphine (PH 3 ) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as group V raw materials, dopant raw materials Tin (Sn) and beryllium (Be) are used. The substrate temperature during crystal growth is, for example, 500 ° C. in all layers.
図1において、InGaAsSb光吸収層105以外の層では、InPに対する格子定数差が0.1%未満になるように原料供給量を調整される。
In FIG. 1, in the layers other than the InGaAsSb
上述したエピタキシャルウェハを用いて、直径が例えば1130μmの円形メサ(図1を参照)を形成した後、窒素シリコン膜108を蒸着する。
After forming a circular mesa (see FIG. 1) having a diameter of, for example, 1130 μm using the above-described epitaxial wafer, a
このメサ部中央部の窒素シリコン膜108を除去した後、例えば、外径=1100mm、内径=1000mmのリング状のp型電極109を形成する。
After removing the
最後に、InP基板110を研磨により、所定の厚さに調整した後、n型電極110を形成する。
Finally, the
ここで、本実施の形態の半導体受光素子100において、例えば、動作温度=20℃、および、バイアス電圧=−5Vの場合、光電流のピーク波長は、1.78μmとなる。そして、そのピーク波長における量子効率は、62%となるが、これらの特性は、反射鏡102を備えない半導体受光素子(反射鏡102以外の構成要素101、103〜110を含む)よりも良くなる。
Here, in the semiconductor
反射鏡102を備えない半導体受光素子の場合、例えば、光電流のピーク波長=1.75μmが与えられたときの量子効率は21%となり、波長=1.78μmが与えられたときの量子効率は20%となる。つまり、半導体受光素子100では、反射鏡102を備えないものよりも、量子効率が約3倍向上している。これは、反射鏡102面と、p型ドープInGaAs層107の反射鏡面(空気との境界面)との間で、InGaAsSb吸収層105を含む領域が共振器として機能するためである。
In the case of a semiconductor light receiving element that does not include the reflecting
半導体受光素子100では、例えば、量子効率がピーク値の半分である31%以上となるのは、波長領域が1.72μmから1.82μmまでの場合である。
In the semiconductor
一般に、ガスの個々の吸収線は、図7および図8で説明したように、ピーク半値幅が0.1nm以下の鋭いスペクトル形状を持つことが知られており、ガス計測時には、複数本の吸収線の内の1本の吸収線を測定対象として用いられることが知られている。 In general, it is known that each absorption line of gas has a sharp spectral shape with a peak half-value width of 0.1 nm or less as described with reference to FIGS. 7 and 8. It is known that one absorption line among the lines is used as a measurement object.
この観点から、動作波長が狭くて量子効率が高い本実施の形態の半導体受光素子100では、ガス吸収線による光吸収を用いたガス計測に適用するのに好適である。
From this viewpoint, the semiconductor
半導体受光素子100において、暗電流は、動作温度=20℃、バイアス電圧=−0.5Vが与えられた場合、反射鏡102の有無にかかわらず、0.11±0.03μA(14±4μA/cm2)となる。すなわち、一般的な拡張型InGaAs受光素子よりも低くなる(例えば、K. R. Linga et al., “Dark current analysis and characterization of InxGa1-xAs/InAsyP1-y graded photodiodes with x > 0.53 for response to longer wavelengths (>1.7 μm),” IEEE Journal of Lightwave Technology,” Vol. 10, No. 8, 1992, 1050-1055 を参照)。これは、後述するが、InGaAsSb光吸収層105は、InP基板101と格子不整合があるものの、InGaAsSb光吸収層105の膜厚が薄く、ミスフィット転位による結晶欠陥が少なくなるためである。
In the semiconductor
ここで、半導体受光素子100では、InGaAsSb光吸収層105の膜厚は例えば、0.35μmとなっているが、これは、図9に示した一般的な受光素子の光吸収層に比べて薄い。
Here, in the semiconductor
本実施の形態の半導体受光素子100では、光吸収層105を薄くしても受光感度が高くなるように、反射鏡102を備えている。このような受光素子は一般に、Resonant Cavity Enhanced(RCE)Photodetectorと呼ばれている(例えば、K. Kishino et al., “Resonant cavity-enhanced (RCE) photodetectors,”IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 8, 1991, 2025-2034を参照)。反射鏡102の構成によって、反射率が高い波長領域の受光感度だけを選択的に増加させることができる。
In the semiconductor
なお、図1に示した反射鏡102において、InP層とInGaAsP層とを含む多層構造で形成される場合を例示しているが、In、Ga、Al、AsおよびPのうち2つ以上の元素を構成元素として含み、かつ、InP基板101に格子整合可能な材料でドーピングが可能な半導体材料であれば、これに限られない。反射鏡102の多層構造として、例えば、InPとInGaAsとで構成される多層膜、InGaAsとInAlAsとで構成さえる多層膜、InGaAsとInPとで構成される多層膜など考えられる。このようにしても、反射鏡102の膜厚を調整するようにすれば、本実施の形態の半導体受光素子10と同様の効果が得られることは明らかである。
In addition, although the case where the reflecting
本実施の形態の半導体受光素子100では、光吸収層105として、InPと格子整合しないInGaAsSb層を用いており、このInGaAsSb光吸収層105のバンドギャップ波長が格子整合するInGaAs層よりも長くなっている点に特徴がある。
In the semiconductor
次に、InGaAsSb光吸収層105のバンドギャップ波長について図2を参照して説明する。図2は、Sb組成比を変化させた場合のInGaAsSb光吸収層105のバンドギャップ波長の変化一例を説明するための図である。
Next, the band gap wavelength of the InGaAsSb
図2に示すように、InGaAsSbのInPに対する格子不整合は、0%、+0.2%、+0.5%、+1.0%、+1.5%となる値が与えられる。この場合、InGaAsSbが完全に格子緩和した場合のバンドギャップ波長は、図2に示すような値をとる。Sb組成比が0の場合、InGaAsのバンドギャップ波長となる。 As shown in FIG. 2, the lattice mismatch of InGaAsSb with respect to InP is given values of 0%, + 0.2%, + 0.5%, + 1.0%, and + 1.5%. In this case, the band gap wavelength when InGaAsSb is completely lattice-relaxed takes a value as shown in FIG. When the Sb composition ratio is 0, the band gap wavelength of InGaAs is obtained.
InGaAsSbのバンドギャップ波長は、図2に示すように、InPに対する格子不整合が0〜+1.5%のいずれの場合でも、Sb組成比が0〜0.3の範囲であれば、Sb組成比の増加に伴って長波長になることが分かる。すなわち、InGaAsSbおよびInGaAsにおいてともに、InPに対する格子不整合が等しい場合、InGaAsSbの組成比xが0<x≦0.3の範囲では、InGaAsSbの方がInGaAsよりもバンドギャップ波長は長くなることが分かる。換言すると、InGaAsに代えて、InGaAsSbを用いる場合には、バンドギャップ波長が容易に長波長化できることが分かる。 As shown in FIG. 2, the band gap wavelength of InGaAsSb is such that the Sb composition ratio is within the range of 0 to 0.3 when the Sb composition ratio is in the range of 0 to + 1.5% with respect to InP. It turns out that it becomes a long wavelength with an increase in. That is, in both InGaAsSb and InGaAs, when the lattice mismatch with InP is equal, InGaAsSb has a longer bandgap wavelength than InGaAs when the composition ratio x of InGaAsSb is in the range of 0 <x ≦ 0.3. . In other words, when InGaAsSb is used instead of InGaAs, the bandgap wavelength can be easily increased.
ここで、本実施形態の半導体受光素子100において、InP基板101上にInGaAsSbを成長させた場合、InP基板101の影響により、InGaAsSbの結晶格子が変形することになるが、この影響により、格子歪による伝導帯と、価電子帯のバンド端シフトが発生することになる。この場合のバンドギャップ波長の変化一例について図3を参照して説明する。
Here, in the semiconductor
図3は、InP基板101上のInGaAsSb光吸収層105について、Sb組成比を変化させた場合のバンドギャップ波長の変化を格子歪によるバンド端のシフトを考慮して説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the change of the band gap wavelength when the Sb composition ratio is changed in the InGaAsSb
図3に示すように、InGaAsSbのInPに対する格子不整合は、0%、+0.2%、+0.5%、+1.0%、+1.5%となる値が与えられる。この場合、InGaAsSbが完全に格子緩和していない場合のバンドギャップ波長は、図3に示すような値をとる。図3に示したバンドギャップ波長は、格子歪によりバンド端がシフトするので、図2で示した格子歪を考慮しない場合よりも短くなる。しかしながら、この格子歪によるバンド端のシフトを考慮した場合でも、格子歪の影響を考慮せずに値を例示した図2のものと同様に、InPに対する格子不整合が0〜+1.5%のいずれの範囲において、Sb組成比が0〜0.3の範囲であれば、Sb組成比の増加に伴って長波長になることが分かる。すなわち、InP基板101上に成長したInGaAsSb光吸収層105のように、格子歪によるバンド端のシフトがある場合でも、InGaAsSbの組成比xが0<x≦0.3の範囲であれば、InGaAsに代えてInGaAsSbを光吸収層として採用することで、バンドギャップ波長が容易に長波長化する。
As shown in FIG. 3, the lattice mismatch of InGaAsSb with respect to InP is given values of 0%, + 0.2%, + 0.5%, + 1.0%, and + 1.5%. In this case, the band gap wavelength when InGaAsSb is not completely lattice-relaxed takes a value as shown in FIG. The band gap wavelength shown in FIG. 3 is shorter than the case where the lattice distortion shown in FIG. 2 is not considered because the band edge is shifted by the lattice distortion. However, even when the band edge shift due to the lattice distortion is taken into consideration, the lattice mismatch with respect to InP is 0 to + 1.5% as in the case of FIG. 2 illustrating the value without considering the influence of the lattice distortion. In any range, when the Sb composition ratio is in the range of 0 to 0.3, it can be seen that the wavelength increases with an increase in the Sb composition ratio. That is, even if there is a band edge shift due to lattice distortion as in the InGaAsSb
例えば、InP基板101上に形成されるInGaAsSb光吸収層105の膜厚が薄い場合、格子緩和が起こらないようになるため、InGaAsSb光吸収層105のバンドギャップ波長は、例えば図3に示したような値に近くなる。
For example, when the thickness of the InGaAsSb
一方、InGaAsSb光吸収層105の膜厚が十分に厚い場合には、ミスフィット転位により、完全に格子緩和した状態になるので、例えば図2に示したバンドギャップ波長の値に近くなる。
On the other hand, when the thickness of the InGaAsSb
本実施の形態のInGaAsSb光吸収層105では、上述した格子緩和の割合に応じて、図2で示した値と図3に示した値の中間に位置するバンドギャップ波長をとる。
In the InGaAsSb
なお、一般的には、上述した格子緩和が生じうる膜厚は、臨界膜厚と呼ばれている。InGaAsSbの臨界膜厚については報告例がないが、InGaAsの臨界膜厚については多くの報告例がある。 In general, the above-described film thickness at which lattice relaxation can occur is called a critical film thickness. There is no report on the critical thickness of InGaAsSb, but there are many reports on the critical thickness of InGaAs.
本実施の形態の半導体受光素子100において、InGaAsSb光吸収層105のSb組成比を0.3以下とすれば、InGaAsSbの組成がInGaAsのものと近似し、InGaAsSb光吸収層105がInGaAsとほぼ同じ特性を有すると考えられる。この点について、以下説明する。
In the semiconductor
図4は、InP基板101上のInGaAsSb光吸収層105において、InPに対する格子不整合を変化させた場合において、格子緩和が生じる臨界膜厚の一例をInPに対する格子不整合の割合と関連付けて説明するための図である。
FIG. 4 illustrates an example of the critical film thickness at which lattice relaxation occurs when the lattice mismatch with respect to InP is changed in the InGaAsSb
図4に示した臨界膜厚の値は、一般に知られているInP上のInGaAsの膜厚(例えば、M. Gendry et al.,“Critical thicknesses of highly strained InGaAs layers on InP by molecular beam epitaxy,”Applied Physics Letters, Vol. 60, No. 18, 1992, 2249-2251を参照)の記載内容を考慮したものである。 The critical film thickness values shown in FIG. 4 are generally known for the thickness of InGaAs on InP (for example, M. Gendry et al., “Critical thicknesses of highly strained InGaAs layers on InP by molecular beam epitaxy,” Applied Physics Letters, Vol. 60, No. 18, 1992, 2249-2251).
図4から、InPに対する格子不整合が0から+1.5%までの間では、結晶成長が2次元的に進むために臨界膜厚が比較的大きくなる。一方、格子不整合が+1.5%よりも大きくなると、結晶成長が3次元的に進むために臨界膜厚が急激に小さくなることが分かる。このことから、InPに対する格子不整合の割合Pが0%よりも大きく+1.5%以下(0<P≦1.5)であれば、格子不整合に起因した結晶欠陥の導入が緩やかになる。このことについて、InP基板101上に成長した格子不整合のあるInGaAsSbのホトルミネセンス測定結果を用いて図5を参照して説明する。
From FIG. 4, when the lattice mismatch with respect to InP is between 0 and + 1.5%, the critical film thickness is relatively large because the crystal growth proceeds two-dimensionally. On the other hand, when the lattice mismatch becomes larger than + 1.5%, the critical film thickness rapidly decreases because the crystal growth proceeds three-dimensionally. Therefore, when the ratio P of lattice mismatch to InP is greater than 0% and not more than + 1.5% (0 <P ≦ 1.5), the introduction of crystal defects due to the lattice mismatch becomes slow. . This will be described with reference to FIG. 5 using a photoluminescence measurement result of lattice-mismatched InGaAsSb grown on the
図5は、InP基板101上に成長させたInPに対する格子不整合が+0.4%のInGaAsSbに関して、成長膜厚を変化させた場合の室温でのホトルミネセンススペクトルの変化一例を説明するための特性図である。なお、試料は、前述した有機金属分子線エピタキシー法にしたがって作製した。作製時において、各試料につき、InGaAsSb成長時の原料供給量は一定とした。
FIG. 5 illustrates an example of changes in the photoluminescence spectrum at room temperature when the growth film thickness is changed for InGaAsSb having a lattice mismatch of + 0.4% with respect to InP grown on the
図5から分かるように、InGaAsSbの膜厚が例えば0.22μmから0.35μmに増加すれば、ホトルミネセンスの発光ピーク波長は、1.80μmから1.84μmに変化し、ピーク強度は70%程度に低下する。この膜厚の増加に伴う発光ピーク波長の長波長化は、InGaAsSbの膜厚が増加したことにより、格子緩和が起こり、格子歪によるバンド端のシフトが抑制されたからである。 As can be seen from FIG. 5, when the thickness of InGaAsSb is increased from 0.22 μm to 0.35 μm, for example, the emission peak wavelength of photoluminescence changes from 1.80 μm to 1.84 μm, and the peak intensity is 70%. To a degree. The longer emission peak wavelength with this increase in film thickness is because the relaxation of the lattice occurs due to the increase in the film thickness of InGaAsSb, and the shift of the band edge due to the lattice distortion is suppressed.
発光ピーク強度の低下は、格子緩和により結晶欠陥が発生したためであるが、強度低下は30%程度の減少に過ぎない。 The decrease in emission peak intensity is due to the occurrence of crystal defects due to lattice relaxation, but the intensity decrease is only about 30% reduction.
そして、InGaAsSbの膜厚が0.35μmから0.42μmに増加しても、発光ピーク波長は、1.84μmの状態のままとなり、ピーク強度もほぼ一定となる。これは、図4で説明したように、InPに対する格子不整合の割合Pが0%<P≦+1.5%以下の比較的小さい場合、格子不整合に起因した結晶欠陥の導入が緩やかであることを示している。 And even if the film thickness of InGaAsSb increases from 0.35 μm to 0.42 μm, the emission peak wavelength remains at 1.84 μm, and the peak intensity becomes almost constant. As described with reference to FIG. 4, when the ratio P of lattice mismatch to InP is relatively small, 0% <P ≦ + 1.5% or less, the introduction of crystal defects due to lattice mismatch is gradual. It is shown that.
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子100によれば、InP基板101上の光吸収層にInPよりも格子定数が大きいInGaAsSbを用いることで、従来用いられてきたInGaAsを光吸収層とする受光素子よりも、動作波長を容易に長波長化させることができる。InGaAsSb光吸収層105は、ミスフィット転位による結晶欠陥の素子特性に与える影響が顕著にならない程度に薄くする必要があるが、受光素子100に入射した信号光が、InGaAsSb光吸収層105と、InP基板101の間に設けられた反射鏡102と、信号光の入射側に設置された反射鏡107との間で多重反射される。このため、InGaAsSb光吸収層105の膜厚が薄くても大きな受光感度を得ることができる。これにより、前述した拡張型InGaAs受光素子におけるInAsPバッファ層のような格子緩和を起こさせるための層(図9参照)を必要とせず、InP基板101上で波長が2μm付近の信号光を高感度に検知することができる。
As described above, according to the semiconductor
また、光吸収層105にInPとは格子整合しないInGaAsSb層を用いても、InPに対する格子不整合の割合が0%よりも大きく+1.5%以下であれば、格子不整合に起因した結晶欠陥が急激に導入されることはなく、その結果、暗電流を小さく抑えることができる。
Even if an InGaAsSb layer that is not lattice-matched with InP is used as the
本実施の形態では、InPに対する格子不整合の割合が例えば+0.4%のInGaAsSbを光吸収層105に用いた半導体受光素子100を例にとって説明したが、格子不整合が0%よりも大きく+1.5%以下の範囲内であれば、格子不整合に起因した結晶欠陥が急激に導入されることはないため、光吸収層105として適用できる。
In the present embodiment, the semiconductor
上記実施の形態では、作製方法として有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、InGaAsSb層が作製可能な成長方法であれば良く、例えば、分子線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法等の成長方法でも同様の効果が得られることは明らかである。 In the above embodiment, the case where the metalorganic molecular beam epitaxy method is used as the manufacturing method has been described. However, any growth method capable of forming an InGaAsSb layer may be used. For example, a molecular beam epitaxy method or a gas source molecular beam epitaxy method is used. It is obvious that the same effect can be obtained by a growth method such as a metal organic vapor phase epitaxy method.
<第2実施形態>
以下、本発明の半導体受光素子の実施の形態2について図6を参照して説明する。
Second Embodiment
Hereinafter, a second embodiment of the semiconductor light receiving element of the present invention will be described with reference to FIG.
[半導体受光素子の構成]
先ず、本実施の形態の半導体受光素子600の構成例について図6を参照して説明する。図6は、実施の形態2における半導体受光素子600の構成例を示す図である。
[Configuration of semiconductor light receiving element]
First, a configuration example of the semiconductor
図6に示すように、半導体受光素子600は、n型InP基板601と、n型InP基板601上に形成された反射鏡(第1の反射鏡)602と、反射鏡602上に形成されたn型InGaAsP層603と、n型InGaAsP層603上に形成されたアンドープInGaAsP層604と、InGaAsP層604上に形成されたアンドープInGaAsSb光吸収層605と、InGaAsSb光吸収層605上に形成されたアンドープInGaAsP層606と、InGaAsP層606上に形成されアンドープInP層607とを備える。これらの構成要素601〜607は、図1に示した構成要素101〜107と同様の機能を有する。
As shown in FIG. 6, the semiconductor
図6において、n型InGaAsP層603、InGaAsP層604およびp型InGaAsP層606の各バンドギャップ波長はともに、例えば1.6μmである。
In FIG. 6, the band gap wavelengths of the n-
InGaAsSb層605は、例えば、Sb組成比=0.08、In組成比=0.61、InPに対する格子不整合=+1.1%、バンドギャップ波長=2.07μm、および、膜厚=80nmで与えられる。
The
反射鏡(第1の反射鏡)602は、半導体の多層構造で構成される。この多層構造は、例えば、バンドギャップ波長が1.6μmで膜厚が149nmとなるn型InGaAsP層と、バンドギャップ波長が0.92μmで膜厚が164nmとなるn型InP層とが1つのペアとして与えられ、反射鏡602内に例えば15ペア分が積層される。この場合、反射鏡602では、例えば2.05μmの波長を有する光に対する反射率が約92%となるようにしてある。なお、2.05μmの波長は、図7で示したように、CO2のガス吸収線が存在する波長に相当する。
The reflecting mirror (first reflecting mirror) 602 has a semiconductor multilayer structure. In this multilayer structure, for example, an n-type InGaAsP layer with a band gap wavelength of 1.6 μm and a film thickness of 149 nm and an n-type InP layer with a band gap wavelength of 0.92 μm and a film thickness of 164 nm are formed as one pair. For example, 15 pairs are stacked in the reflecting
図6において、上記構成要素601〜607以外のSi/SiO2反射鏡(第2の反射鏡)608、p型電極609、n型電極610およびZn拡散領域611は、後述する作製方法の説明において参照される。
In FIG. 6, the Si / SiO 2 reflecting mirror (second reflecting mirror) 608 other than the
[半導体受光素子の作製方法]
次に、本実施の形態の半導体受光素子600の作製方法について再度図6を参照して説明する。
[Method for Fabricating Semiconductor Light-Receiving Element]
Next, a method for manufacturing the semiconductor
エピタキシャルウェハの成長には、実施の形態1のものと同様に、例えば、前述の有機金属分子線エピタキシー法を用いてエピタキシャルウェハを形成した。 For the growth of the epitaxial wafer, the epitaxial wafer was formed by using, for example, the above-described organometallic molecular beam epitaxy as in the first embodiment.
そして、このエピタキシャルウェハ上面において、直径が1100μmの円形領域に、図6に示すような亜鉛(Zn)の熱拡散プロセスを行なう(図6のZn拡散領域611を参照)。
Then, a zinc (Zn) thermal diffusion process as shown in FIG. 6 is performed on a circular region having a diameter of 1100 μm on the upper surface of the epitaxial wafer (see
次に、エピタキシャルウェハ表面に対して、例えば電子ビーム蒸着法を用い、波長が2.05μmの光に対する反射率が約75%となるような酸化シリコン(SiO2)とシリコン(Si)とから構成される反射鏡608を形成した。その後、外径=1100μm、内径=1000μmのリング状の領域において反射鏡608を除去し、この領域にp型電極609を形成した。最後に、InP基板601を研磨し、n型電極610を形成することにより、本実施の形態のプレーナ型の半導体受光素子600を作製した。
Next, the surface of the epitaxial wafer is composed of silicon oxide (SiO 2 ) and silicon (Si) so that the reflectance with respect to light having a wavelength of 2.05 μm is about 75% using, for example, an electron beam evaporation method. A reflecting
このようにして作製した半導体受光素子600は、動作温度=20℃、バイアス電圧=−5Vの状態において、光電流のピーク波長が2.05μmとなり、ピーク波長における量子効率は30%となった。この場合の量子効率は、反射鏡602がないもので8%であるのに対し、反射鏡602を有する半導体受光素子600の場合は、35%となった。このことから、ほぼ設計通りの量子効率が得られていることが確認できた。
In the semiconductor light-receiving
信号光がピーク波長から離れると、急激に量子効率は低下するものの、波長が2.02μmから2.06μmの波長範囲では、20%以上の量子効率が確認できた。 When the signal light is away from the peak wavelength, the quantum efficiency rapidly decreases, but in the wavelength range of 2.02 μm to 2.06 μm, a quantum efficiency of 20% or more was confirmed.
以上から、本実施の形態の半導体受光素子600によれば、反射率を高くすることで量子効率の増大が見られる波長範囲は減少するものの、反射率の高い波長領域では高い量子効率が得られる。暗電流は、例えば、動作温度=20℃、バイアス電圧=−0.5Vの場合において、1.05±0.21μA(134±27μA/cm2)となる。半導体受光素子600では、2μm以上の波長領域で動作する受光素子としては良好な特性が得られた。
From the above, according to the semiconductor
なお、本実施の形態では、反射鏡608として、酸化シリコンとシリコンから構成されるSi/SiO2膜を608としてを用いた半導体受光素子600を例にとって説明したが、高い反射率が得られる反射鏡ならば、他の種類の誘電体を用いた多層膜や半導体を用いた多層膜でも良い。このようにしても、本実施の形態の半導体受光素子600と同様の効果が得られるのは明らかである。
In this embodiment, the semiconductor
101,601 n−InP基板
102,602 半導体多層膜反射鏡(n−InGaAsP/n−InP)
103,603 n−InGaAsP
104,604 InGaAsP
105,605 InGaAsSb
106,606 p−InGaAsP
107 p−InGaAs
108 窒化シリコン
109,609 p型電極
110,610 n型電極
607 アンドープInP層
608 Si/SiO2反射鏡
900 受光素子
901 n型InP基板
902 InAsPバッファ層
903 InGaAs光吸収層
904 InAsP窓層
101,601 n-InP substrate 102,602 semiconductor multilayer mirror (n-InGaAsP / n-InP)
103,603 n-InGaAsP
104,604 InGaAsP
105,605 InGaAsSb
106,606 p-InGaAsP
107 p-InGaAs
108 silicon nitride 109,609 p-type electrode 110,610 n-
Claims (3)
InP基板と、
前記InP基板上に形成され、圧縮歪み構造を有するInGaAsSb光吸収層と、
共振器を形成するための第1反射鏡および第2反射鏡とを備え、
前記第1反射鏡は、前記InP基板と前記InGaAsSb光吸収層との間に形成され、多層構造を有する
ことを特徴とする半導体受光素子。 A semiconductor light receiving element that converts an optical signal into an electrical signal,
An InP substrate;
An InGaAsSb light absorption layer formed on the InP substrate and having a compressive strain structure;
A first reflecting mirror and a second reflecting mirror for forming a resonator;
The first reflecting mirror is formed between the InP substrate and the InGaAsSb light absorbing layer and has a multilayer structure.
前記InGaAsSb光吸収層の格子定数は、InPの格子定数よりも大きく、
前記InGaAsSb光吸収層のInPに対する格子不整合の比率をPとすると、Pは、0%<P≦1.5%の範囲に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。 When the Sb composition ratio of the InGaAsSb light absorption layer is x, x is in the range of 0 <x ≦ 0.3,
The lattice constant of the InGaAsSb light absorption layer is larger than the lattice constant of InP,
2. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein P is in a range of 0% <P ≦ 1.5%, where P is a lattice mismatch ratio of InGaAsSb light absorption layer to InP.
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