JP2638445B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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Description
用いられる半導体受光素子に関する。
報処理用の光感度長波長受光器として実用化され、中で
も大容量長距離光通信用の波長1.3μmあるいは1.
55μmに対する半導体受光素子の材料としてInGa
Asが広く使われている。
オードにおいて、40Gbps以上の超高速応答を実現
するするためには、(1)素子の接合容量をできるたけ
小さくすること、(2)キャリア走行時間を短縮するた
めに光吸収層を薄くすることが必要となる。
の受光素子に於いては、接合容量を小さくするために受
光径を小受光径化とすると、ファイバからの光を受光素
子に入射する際に光学結合が困難となり結合効率が低下
する。また受光素子のInGaAs光吸収層を薄膜化す
ることで、キャリアの走行時間を短縮することはできる
が、量子効率の低下を招くというトレードオフの関係に
ある。従っていずれの方法に於いても光の進行方向とキ
ャリアの走行方向が同一軸上であるため、高速応答を実
現する一方、受光感度の低下の影響を受けることとな
る。
ない手法として、光の入射(進行)方向と受光素子内で
生成されたキャリアの走行方向を90度ずらせた導波路
型受光素子が検討されている。
斜視図である。半絶縁性InP基板1A上に導波路型の
受光領域としてn−InGaAsPクラッド層21、n
- −InP基板1A上に導波路型の受光領域としてn−
InGaAsPクラッド層22、p−InP窓層23、
p−InGaAsPコンタクト層4Aを順次エピタキシ
ャル成長し、p側電極6Aをp−InGaAsPコンタ
クト層4Aから、n側電極7Aをn−InGaAsPク
ラッド層21からそれぞれ取っている。また上述の導波
路以外の部分はポリイミド14Aで埋め込んで、ボンデ
ィング領域の低容量化を図っている構造となっている。
この例に於いて光は導波路の端面から入射する構造で、
入射光は上下に設けられたクラッド層21,22に挟ま
れたn-InGaAs光吸収層3Anとp−InGaA
s光吸収層3Ap内を伝搬しながら吸収されることとな
る。光吸収により生成されたキャリアはp−InGaA
sPクラッド層22、p−InGaAsPコンタクト層
4Aを経てp側電極6Aから外部回路に流れることとな
る。この様に光の吸収は導波路の長さ方向で行われるた
め、高い量子効率が得られ、キャリアの走行方向は素子
の垂直方向となりn- −InGaAs光吸収層3Anの
厚さのみに依存することとなる。
間を短くするためにn- −InGaAs光吸収層3An
を薄くした場合、ファイバからの入射光の径が、n- I
nGaAs光吸収層幅3Anより十分大きい為に光の結
合効率が悪いという問題があり、逆に結合効率を高くす
るためにn- InGaAs光吸収層3Anを厚くするこ
とでキャリアの走行時間の増加をまねく。また素子の接
合容量は導波路の表面積(幅×長さ)で決まるため吸収
長を長くすると接合容量が大きくなるという問題が生じ
る。
素子の場合、キャリアの走行時間を短くするためにn-
−InGaAs光吸収層を薄くすると、ファイバからの
入射光の径が、n- InGaAs光吸収幅より十分大き
い為に光の結合効率が悪くなり、逆に結合効率を高くす
るためにn- −InGaAs光吸収層を厚くするとキャ
リアの走行時間の増加をまねくという問題があり、また
素子の接合容量は導波路の表面積(幅×長さ)で決まる
ため吸収長を長くすると接合容量が大きくなるという問
題もある。
は、半絶縁性半導体基板の表面を選択的に被覆する第1
のバンドギャップを有する半導体からなり半絶縁性領域
と第1導電型領域とが前記表面と平行な方向に交互に配
置されてなるバッファ層、前記バッファ層を被覆しこれ
より小さな第2のバンドギャップを有する半導体からな
り前記バッファ層の半絶縁性領域と接触し第1導電型領
域とは接触しない第2導電型領域と前記バッファ層の第
1導電型領域と接触する第1導電型領域とからなる光吸
収層、前記光吸収層より大きな第3のバンドギャップを
有する半導体からなり前記光吸収層の第2導電型領域と
接触し第1導電型領域とは接触しない第2導電型領域と
前記光吸収層の第1導電型領域と接触する半絶縁性領域
とからなるコンタクト層、前記バッファ層の第1導電型
領域と接触する第1の電極および前記コンタクト層の第
2導電型領域と接触する第2の電極を有する光電変換領
域と、前記半絶縁性半導体基板の表面を選択的に被覆し
前記バッファ層の一端に連結して設けられ前記第2のバ
ンドギャップより大きな第4のバンドギャップを有する
第1のクラッド層、前記第1のクラッド層を被覆し前記
第4のバンドキャップより小さく前記第2のバンドギャ
ップよりも大きな第5のバンドギャップを有し前記光吸
収層の一端に連結して設けられた光透過層および前記光
透過層を被覆しこれより大きな第6のバンドギャップを
有し前記コンタクト層の一端に連結して設けられた第2
のクラッド層を含み、前記光透過層の他端が前記光吸収
層と連結する一端より厚くなっている光結合領域とを有
するというものである。
を選択的に被覆する第1のバンドギャップ(1.35e
V)を有する半導体(屈折率3.40のInP)からな
り半絶縁性領域2Ii とn型領域2Ni とが前述の表面
と平行な方向に交互に配置されてなるバッファ層2、バ
ッファ層2を被覆しこれより小さな第2のバンドギャッ
プ(0.75eV)を有する半導体(屈折率3.56の
In0.47Ga0.53As、以下単にInGaAsと記す)
からなりバッファ層2の半絶縁性領域2Ii と接触しn
型領域領域2Ni とは接触しないP型領域3Pi とバッ
ファ層2のn型領域2Ni と接触するn- 型領域3Ni
とからなる光吸収層3、光吸収層3より大きな第3のバ
ンドギャップ(1.35eV)を有する半導体(In
P)からなり光吸収層3のp型領域3Pi と接触しn-
型領域3Ni とは接触しないp型領域4Pi と光吸収層
3のn- 型領域3Ni と接触する半絶縁性領域4Ii と
からなるコンタクト層4、バッファ層2のn型領域に接
触する第1の電極7−iおよびコントクト層4のp型領
域4Pi と接触する第2の電極6を有する光電変換領域
8と、半絶縁性InP基板1の表面を選択的に被覆しバ
ッファ層2の一端2I1 に連結して設けられ前記第2の
バンドギャップ(0.75eV)より大きな第4のバン
ドギャップ(1.35eV)を有するInPよりなる第
1のクラッド層9、第1のクラッド層9を被覆し第4の
バンドギャップ(1.35eV)より小さく第2のバン
ドギャップよりも大きな第5のバンドギャップ(0.8
0eV)、屈折率3.54を有し光吸収層3の一端に連
結して設けられたIn0.65Ga0.35As0.79P0.21( 以
下単にInGaAsPと記す)よりなる光透過層10お
よび光透過層10を被覆しこれより大きな第6のバンド
ギャップ(1.35eV)を有しコントクト層4の一端
に連結して設けられた第2のクラッド層11を含み、光
透過層10の他端が光吸収層3と連結する一端より厚く
なっている光結合領域13とを有するというものであ
る。
る。
板1上に光結合領域用のテーパー加工用を行うためのエ
ッチング用マスクとしてホトレジスト膜15を形成す
る。次に半絶縁性InP基板1をイオンビーム加工によ
り20°乃至30°、好ましくは25°の角度でテーパ
ー加工を行う。マスク除去を行った後、図3に示すよう
に、半絶縁性InP基板1のテーパー部分に、成長防止
マスクとしてSiO2 膜16を成長する。次に、このテ
ーパー加工済みの半絶縁性InP基板1上に気相成長法
により半絶縁性InP層2を2μm成長した後、半絶縁
性InP層(2)上に幅1.2μm、間隔1μmのSi
O2 膜17をイオン注入マスクとして形成する。次に、
n型となる不純物、例えばSiのイオン注入を行い、7
00℃の高温処理にて活性化させn−InP領域(n型
領域2N1 ,2N2 ,2N3 )を形成する。こうして半
絶縁性領域とn型領域とが2I1 ,2N1 ,2I2 ,2
N2,2A3 ,2N3 と交互に配置されたバッファ層2
が形成される。次に、イオン注入マスク除去後、図4に
示すように、キャリア濃度2×1015cm-3以下、好ま
しくは1×1015cm-3、厚さ1〜2μm、好ましくは
0.5μmのInGaAsからなる光吸収層3を0.5
μm成長させ、再びイオン注入用マスクとして幅1.2
μm、間隔0.8μm、バッファ層のn型領域2Niの
両側上にそれぞれ0.1μmの張り出させてSiO2 膜
18を形成した後、p型となる不純物、例えばBeのイ
オン注入を行ない、700℃の高温処理にて活性化させ
て、p型領域とn- 型領域とが3P1 ,3N1 ,3
P2 ,3N2 ,3P3 ,3N3 ,3P4 と交互に配置さ
れた光吸収層3を形成する。続いてイオン注入マスク除
去後、図5に示すように、InP層(4)を1μm成長
し、再びイオン注入用マスクとして幅1.6μm、間隔
0.4μm、光吸収層のn型領域3Ni の両側にそれぞ
れ0.2μm張り出させてSiO2 膜(図示しない)を
成長した後、p型となる不純物、例えばBeのイオン注
入を行ない、700℃の高温処理にて活性化させて、p
型領域と半絶縁性領域とが4P1 ,4I1 ,4P2 ,4
I2 ,4P3 ,4I3 ,4P4 と交互に配置されたコン
タクト層4を形成する。こうして光電変換領域の本体を
形成した後、続いて光結合領域加工のために光電変換領
域本体の表面に保護膜として図6に示すようにSiO2
膜19を成長する。テーパー部の成長防止マスク(図3
の16)除去後、半絶縁性InP基板1上にInPを第
1のクラッド層9として2μm、続いてキャリア濃度1
×1015〜3×1016cm-3、好ましくは1×1016cm
-3、厚さ10μmのn型InGaAsP層を成長する。
次に前回と傾斜角を同じくして方向が逆になるようにイ
オンビーム加工を行い、光吸収層3と接する個所で光吸
収層と同じ、すなわち0.5μm厚になるところまで、
テーパー加工を行って光透過層10を形成する。続い
て、テーパー加工部上に図7に示すように第2のクラッ
ド層11としてInPを0.5μm成長した後、最後に
キャリア濃度1×1016cm-3のn- InP埋め込み層
12を成長する。
トライプ状領域20残して反応性イオンビームエッチン
グを行い、InP層(2a,9a)を露出させる。次
に、図9に示すように、InP層を選択的に除去して光
電変換領域部にバッファ層2の張出し部2N1a,2
N2a,2N3aを形成し、ストライプ状領域20の片側に
ポリイミド膜14を設け、表面保護膜として例えばP−
CVD法によるSiNx 5を成長する。次にコンタクト
層4P1 ,4P2 ,4P3 ,4P4 上にコンタクト孔C
1 ,C2 ,C3 ,C4 を設け、図1に示すように線状の
p側コンタクト電極(2の電極6−1,6−2,6−
3,6−4)を設け、ポリイミド14上まで引き出した
後、ポリイミド上にボンディング用のp側電極(6)を
設ける。最後に張出し部2N1a,2N2a,2N3a上にn
側電極(第1の電極7−1,7−2,7−3)を形成す
る。
たとき、光結合領域13に於いて、上下に設けられた第
1,第2のクラッド層9,11により入射光は集束さ
れ、光電変換領域8の光吸収層3に入る。光吸収層3は
入射光の進行方向に対しp型領域3Pi と、n- 型領域
3Ni が交互に配置された形状となっており、逆バイア
スをかけたとき空乏層は2つのP型領域で挟まれたn-
型領域に広がる。空乏化されたn- 型領域3Ni 内で光
が吸収され生成したキャリアは印加電圧によって作られ
る電界により加速され、キャリア生成場所から近い方の
p型領域へと走行し、コンタクト層を通って第2の電極
へと流れ込む。このときキャリアの光吸収層内の走行距
離は最大でn- 型領域3Ni の幅の1/2となり、本実
施例の場合0.7μmであり走行時間の短縮が実現でき
る。また量子効率についてはこのp型領域とn- 型領域
のペアの数により、本実施例の場合3組であるため吸収
長は6μmとなり、波長1.3μmの光に於いて90%
以上の量子高率が得られた。接合容量は光吸収層のp型
領域3Pi については上がコンタクト層のp型領域4P
i であり下は半絶縁性InP層(2Ii ) であり、一方
n- 型領域3Ni とp型領域3Pi の界面のみとなる。
従って素子の接合容量はp型領域3Pi の断面積×pn
接合面数となり30fF以下に低容量化することがで
き、45GHz以上の超高速応答を実現できる。また、
光結合領域の入射端面での光透過層の厚さを大きくして
あり、かつ屈折率導波機構を有しているので70%以上
の結合効率が得られる。また量子効率は90%以上にす
ることができる。
ハーを使用した例について説明したが液相成長法、CV
D法、MOCVD法、ALE法によるエピタキシャルウ
エハーを使用してもよいことは当業者にとって明らかで
あろう。
膜5をストライプ状領域の上面に設けたが、その他の表
面及び入射端面に反射防止膜と表面保護を兼ねて設けて
もよく、そうすると入射端面による反射を低減させるこ
とにより量子効率をさらに3%程度向上させることがで
きる。
結合領域の光入射端の面積を大きくして、光透過層の上
下にクラッド層を設けることにより入射光は集束され、
光電変換領域の光吸収層に入るので高い結合高率が得ら
れ、光吸収層は入射光の進行方向に対しp型領域とn-
型領域が交互に形成された状態となっているため、キャ
リアの最大走行距離はn- 型領域の幅の1/2となり、
走行時間を1/2に短縮ができ、また接合容量はp型領
域の断面積のpn接合面数倍となり低容量化ができ、4
5GHz以上の応答が可能である。
る。
視図である。
視図である。
視図である。
視図である。
視図である。
視図である。
視図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 半絶縁性半導体基板の表面を選択的に被
覆する第1のバンドギャップを有する半導体からなり半
絶縁性領域と第1導電型領域とが前記表面と平行な方向
に交互に配置されてなるバッファ層、前記バッファ層を
被覆しこれより小さな第2のバンドギャップを有する半
導体からなり前記バッファ層の半絶縁性領域と接触し第
1導電型領域とは接触しない第2導電型領域と前記バッ
ファ層の第1導電型領域と接触する第1導電型領域とか
らなる光吸収層、前記光吸収層より大きな第3のバンド
ギャップを有する半導体からなり前記光吸収層の第2導
電型領域と接触し第1導電型領域とは接触しない第2導
電型領域と前記光吸収層の第1導電型領域と接触する半
絶縁性領域とからなるコンタクト層、前記バッファ層の
第1導電型領域と接触する第1の電極および前記コンタ
クト層の第2導電型領域と接触する第2の電極を有する
光電変換領域と、 前記半絶縁性半導体基板の表面を選択的に被覆し前記バ
ッファ層の一端に連結して設けられ前記第2のバンドギ
ャップより大きな第4のバンドギャップを有する第1の
クラッド層、前記第1のクラッド層を被覆し前記第4の
バンドキャップより小さく前記第2のバンドギャップよ
りも大きな第5のバンドギャップを有し前記光吸収層の
一端に連結して設けられた光透過層および前記光透過層
を被覆しこれより大きな第6のバンドギャップを有し前
記コンタクト層の一端に連結して設けられた第2のクラ
ッド層を含み、前記光透過層の他端が前記光吸収層と連
結する一端より厚くなっている光結合領域とを有するこ
とを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項2】 第1のバンドギャップ、第3のバンドギ
ャップ、第4のバンドギャップおよび第6のバンドギャ
ップが同一である請求項1記載の半導体受光素子。 - 【請求項3】 半絶縁性半導体基板のバンドギャップが
第1のバンドギャッップを有している請求項1または2
記載の半導体受光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5273334A JP2638445B2 (ja) | 1993-11-01 | 1993-11-01 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5273334A JP2638445B2 (ja) | 1993-11-01 | 1993-11-01 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07131055A JPH07131055A (ja) | 1995-05-19 |
JP2638445B2 true JP2638445B2 (ja) | 1997-08-06 |
Family
ID=17526445
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5273334A Expired - Fee Related JP2638445B2 (ja) | 1993-11-01 | 1993-11-01 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2638445B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009015307A1 (de) * | 2009-03-27 | 2010-09-30 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Anordnung optoelektronischer Bauelemente |
-
1993
- 1993-11-01 JP JP5273334A patent/JP2638445B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH07131055A (ja) | 1995-05-19 |
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