JP2675574B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JP2675574B2 JP63088589A JP8858988A JP2675574B2 JP 2675574 B2 JP2675574 B2 JP 2675574B2 JP 63088589 A JP63088589 A JP 63088589A JP 8858988 A JP8858988 A JP 8858988A JP 2675574 B2 JP2675574 B2 JP 2675574B2
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【発明の詳細な説明】 〔概要〕 半導体受光素子に関し、特にp−i−n構造を有する
フォト・ダイオードに関し、 高感度かつ高い周波数で動作でき、しかも少ない製造
工程で製造できる半導体受光素子を提供することを目的
とし、 基板と、基板上に設けられたn型半導体層と、n型半
導体層上に設けられたドープされていない光吸収層と、
光吸収層上に設けられた複数のp型半導体層と、各p型
半導体層上に設けられたオーミック・コンタクト層と、
各オーミック・コンタクト層上に設けられた電極とを具
備し、前記複数のp型半導体層に対応する複数の電極の
少なくとも1つを順方向にバイアスし、残りの電極の少
なくとも1つを逆方向にバイアスするように構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体受光素子に関し、特にp−i−n構造
を有するフォト・ダイオードに関する。
周知のとおり、半導体受光素子はp−i−n構造のも
のとアバランシェ・フォト・ダイオードとに大別され
る。
〔従来の技術〕
第7図は従来のp−i−n構造のフォト・ダイオード
の要部断面図である。同図において、10はn+‐InP基
板、11はn+‐InP層、12はn-‐InGaAs光吸収層、13はn-
‐InP層、14はZnを拡散して形成された円型のp型半導
体層、15はAuZnのオーミック・コンタクト層、16はAuGe
のオーミック・コンタクト層である。
第8図は上記フォト・ダイオードにバイアスをかけた
状態のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。バイア
スは、電極15及び16にそれぞれ負及び正の電源電圧を印
加することで行われる。光はフォト・ダイオードのp型
半導体層14側から入射する。光はp型半導体層14を透過
し、n-‐InGaAs光吸収層12に入る。p型半導体層14はそ
のバンドギャップに相当する光を吸収し、電子とホール
を生成する。電子は伝導帯(その下端のエネルギレベル
をEcで示す)中をn+‐InP層11に向けて走行する。一方
ホールは価電子帯(その上端のエネルギレベルをEvで示
す)中をp型半導体層14に向けて走行する。そして、最
終的にオーミック・コンタクト層15及び16に設けられた
電極間で、入射光に対応する電気的出力が得られる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記p−i−n構造のフォト・ダイオ
ードは、以下の問題点を有する。
第1に、p型電極用のコンタクト層15とn型電極用の
コンタクト層16とを異なる材料を用いて別々に形成しな
ければならないという問題点がある。コンタクト層15は
p型半導体層14上に設けられるためAuZnを用いて形成す
る必要があり、コンタクト層16はn型半導体であるn+
InPの基板10上に設けらるためAuGeを用いて形成する必
要がある。
第2に、p型半導体層14を形成するために、n-‐InP
層13内にZnを拡散する必要があるため、製造工程数が多
いという問題点がある。
第3に、コンタクト層15の周囲には図示しないAu電極
や配線ラインが設けられる。従って、光が入射するp型
半導体層14の径(通常、p型半導体層14は円形に作られ
る)は図示する場合よりも狭くなる。従って、p型半導
体層14の径は予め大きく作っておかなければならない。
例えば、20μmの受光径を必要とする場合には、少なく
ともp型半導体層14の径を35μm程度する必要がる。p
型半導体層14はn+‐InP層11とコンデンサを形成するの
で、p型半導体層14の径が大きくなればなる程、キャパ
シタンスが増える。キャパシタンスが増えると、フォト
・ダイオードのカットオフ周波数が低下する。従って、
従来のフォト・ダイオードでは動作可能な周波数に限界
がある。尚、カットオフ周波数を上げるためn-‐InGaAs
光吸収層12の厚みを増大させることも考えられるが、こ
のようにするとキャリアが走行する距離が増えるので、
応答速度は遅くなる。
従って、本発明は上記問題点を解決し、高感度かつ高
い周波数で動作でき、しかも少ない製造工程で製造でき
る半導体受光素子を提供することを目的とする。
〔課題を解決する手段〕
本発明は、基板20と、基板20上に設けられたn型半導
体層21と、n型半導体層21上に設けられたドープされて
いない光吸収層22と、光吸収層22上に設けられた複数の
p型半導体層23と、各p型半導体層23上に設けられたオ
ーミック・コンタクト層24a〜24cと、各オーミック・コ
ンタクト層24a〜24c上に設けられた電極26a〜26cとを具
備し、前記複数のp型半導体層に対応する複数の電極の
少なくとも1つ(例えば電極26bと26c)を順方向にバイ
アスし、残りの電極の少なくとも1つ(例えば電極26
a)を逆方向にバイアスするように構成する。
〔作用〕
本発明は光吸収層22上に設けられた複数のp型半導体
層23上にオーミック・コンタクト層24a〜24cを設けてい
るので、オーミック・コンタクト層24a〜24cを同一の材
料で形成できる。
また、光は基板20側から入射するので、オーミック・
コンタクト層24a〜24cの径を小さくすることができる。
更に、すべてのオーミック・コンタクト層24a〜24cは
同一側に設けられるため、製造工程が簡単になる。
更に、複数のp型電極の少なくとも1つ、例えば電極
26bと26cを順方向にバイアスして受光部ではない電極部
のpinを順方向にバイアスし、残りの電極の少なくとも
1つ(例えば電極26a)を逆方向にバイアスすることで
受光部のpinを逆方向にバイアスすることで、光が入射
する側とは反対側にのみ電極を設けた構成で受光素子と
して動作する。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。
第1図は、本発明の一実施例の要部断面図である。同
図において、20は半絶縁性のInP又はn+‐InP基板、21は
n+‐InPのn型半導体層、22はアンドープのInGaAs層で
構成される光吸収層、23はp+‐InGaAsのp型半導体層、
24a,24b及び24cはそれぞれAuZnのオーミック・コンタク
ト層、25はSiN又はSiO2の保護膜、26a,26b及び26cはそ
れぞれAu電極である。
ここで、主要部のパラメータを示すと、以下のとおり
である。
A.n+‐InPのn型半導体層21 不純物濃度(n):2×1018cm-3 厚み :3μm B.i-InGaAs光吸収層22 不純物濃度(n):1×1015cm-3以下 厚み :1.5μm C.p+‐InGaAsのp型半導体層23 不純物濃度(p):1×1018cm-3 厚み :1μm D.オーミック・コンタクト層24a 形状:円形 直径:20μm以下 また、第1図中、Aで示す領域は受光部、B及びCで
示す領域はそれぞれ電極部を形成する。受光部Aと電極
部B及びCとの間の幅は10μm以上である。
第2図(A)は、本発明実施例の平面図である。第1
図は、第2図(A)のI−I線方向の拡大断面を示して
いる。本実施例のフォト・ダイオードは、第2図(A)
に示すように、1つの受光部と4つの電極部(そのオー
ミック・コンタクト層を24b〜24eで示す)とを有してい
る。原理的には1つの受光部と1つの電極部とを有して
いれば良いが、本実施例のフォト・ダイオードはフリッ
プチップ型であって、電子部品が載置される基板に形成
されたパターン上に合わせて設けられるため、機械的バ
ランスをとるために、複数の電極部を設けている。
第2図(B)は3点支持の場合の実施例の平面図であ
る。この場合は1つの受光部(そのオーミック・コンタ
クト層を24fで示す)と、2つの電極部(そのオーミッ
ク・コンタクト層を24g及び24hで示す)とを有してい
る。第2図(B)のパターンを用いれば、受光部から延
びる配線長を第2図(A)の場合よりも短くできるの
で、より高いカットオフ周波数が得られる。
光は、基板20側から入射する。従って、受光部Aのオ
ーミック・コンタクト層24aの径を小さくすることがで
きる。前述したように、オーミック・コンタクト層24a
の径は20μm以下に設定できる。動作に際しては、受光
部Aのp+‐InGaAs/i-InGaAs/n+‐InPを逆方向にバイア
スし、電極部B及びCを順方向にバイアスする。勿論、
第2図(A)の他の電極部(オーミック・コンタクト層
24d及び24eを有する電極部)も、順方向にバイアスされ
る。
逆方向にバイアスをかけた状態での受光部Aのエネル
ギ・バンド・ダイヤグラムを第3図に示す。p型半導体
層23とi−半導体層22とはInGaAsを用いているため、エ
ネルギ・ハンドは連続している。基板20及びn型半導体
層21を透過した光は光吸収層22で吸収され、電子とホー
ルが生成される。電子は伝導帯Ecをn型半導体層21方向
に進み、ホールは価電子帯Evをp型半導体層23方向に進
む。
第4図は、本発明実施例の製造工程の説明図である。
まず、クロライドVPE法,MOCVD法又はMBE法を用いて、第
4図(A)に示すように基板20上に順にn型半導体層2
1、光吸収層22及びp型半導体層23を成長させる。次
に、p型半導体層23の全面にAuZn層27を付着させる。
次に、第4図(B)に示すように、Arを用いたイオン
ビームエッチングでオーミック・コンタクト層24a〜24c
の部分を除いて、AuZn層27及びp型半導体層23をメサエ
ッチングする。そして、オーミック・コンタクト層24a
〜24cを所定の温度で熱処理して合金化する。
次に、全面にSiN等の窒化膜を付着し、ケミカルエッ
チングで第4図(C)に示すように、オーミック・コン
タクト層24a〜24cを露出させる。そして、Au等の金属を
露出させたオーミック・コンタクト層24a〜24c上に蒸着
(通常のフォトリソ工程)して形成する。このようにし
て、第4図(D)に示す構造のフォト・ダイオードが製
造できる。
次に、本発明の他の実施例を第5図を参照して説明す
る。第5図(A)はこの他の実施例の要部断面図であ
り、第5図(B)は受光部Aのエネルギ・バンド・ダイ
ヤグラムである。
第1図に示す実施例ではn+‐InPのn型半導体層21とi
-InGaAsの光吸収層22とは直接接しているため、その禁
制帯幅の相異から、第3図に示すように界面に段差が生
じている。この段差は電子の走行の妨げとなる。第5図
(A)に示す実施例ではこの段差を軽減するため、n+
InPのn型半導体層21とi-InGaAsの光吸収層22との間
に、InGaAsPの4元素のグレーデッド層28を設けてい
る。このグレーデッド層28の組成は光吸収層22の界面で
Pの成分がなく、n型半導体層21に向うにつれて次第に
Pの成分が増大する。
第5図(B)はバイアスをかけた状態の受光部Aのエ
ネルギ・バンド・ダイヤグラムである。図示するよう
に、n型半導体層21と光吸収層22との間はゆるやかな傾
斜をもって結合している。従って、伝導帯Ecの電子は第
3図に示す段差でトラップされることなく、円滑にn型
半導体層21内に入ることができる。従って、第1図の構
成のフォト・ダイオードよりも一層の高速化及び大光入
力化を図ることができる。尚、光吸収層22とp型半導体
層23とは同一の材料で作られているため、エネルギ・レ
ベルは連続している。
上記グレーデッド層28は組成が連続的に変化するもの
であったが、階段状に変化するものであったとしても効
果はある。
第6図は本発明の更に他の実施例である。同図(A)
はその要部断面図であり、同図(B)は受光部のエネル
ギ・バンド・ダイヤフラムである。尚、図示するエネル
ギ・バンド・ダイヤフラムは逆バイアスをかけた状態の
ものである。
この実施例の特徴は、InGaAsPのグレーデッド層28とn
+‐InPのn型半導体層21との間に、n-‐InPのバッファ
層29を設けたことを特徴とする。第6図(A)に示す実
施例でも、光は基板20側から入射する。基板20側から入
射して光吸収層22に到達した光は主として、グレーデッ
ド層28の近くで多くのホールと電子を生成する。逆に、
従来の構造では光を電極側から入射させるため、p型半
導体層23の近くで多くのホールと電子を生成する。通
常、電子はホールより約2倍の速度で光吸収層22を走行
する。従って、第5図(B)で説明すると基板20側から
光を入射した場合にはホールがp+‐InGaAs層23に到達す
るに要する時間は、電子がn+‐InP層21に到達するに要
する時間より大となる。従って、第6図の実施例ではバ
ッファ層29を設けて、電子がn+‐InP層21に到達する時
間を、ホールがp+‐InGaAs層23に到達する時間にほぼ一
致させている。このようにすると、実質的に受光部Aの
キャパシタンスを下げることができるので、カットオフ
周波数は向上する。
以上、本発明の実施例を説明した。上記各実施例で
は、AuZnのオーミック・コンタクト層上に直接Au等の電
極を設けた構成であったが、フォト・ダイオードを基板
のパターン上にボンディングで固定する際の加熱により
Auが合金化されたAuZnに拡散するのを防止するため、Au
Zn上にTi/Pt/Ti/Ptのバリア層を設け、このバリア層上
にAuを設けることとしても良い。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、光吸収層上に
設けられた複数のp型半導体層上にオーミック・コンタ
クト層を設け、受光部でない電極部のpinを順方向にバ
イアスし、受光部のpinを逆方向にバイアスすること
で、受光素子として動作させることができるとともに、
オーミック・コンタクト層を同一の材料で形成できる。
また、光は基板側から入射するので、オーミック・コ
ンタクト層の径を小さくすることができる。
更に、すべてのオーミック・コンタクト層は同一側に
設けられるため、製造工程が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の要部断面図で、 第2図は本発明実施例の平面図、 第3図は本発明実施例のエネルギ・バンド・ダイヤフラ
ム、 第4図は本発明実施例の製造行程の説明図、 第5図は本発明の他の実施例の説明図、 第6図は本発明の更に他の実施例の説明図、 第7図は従来p−i−n構造のフォト・ダイオードの要
部断面図、及び 第8図は第7図の構造のエネルギ・バンド・ダイヤフラ
ムである。 図において、 20は基板、21はn型半導体層、22は光吸収層、23はp型
半導体層、24a,24b,24cはオーミック・コンタクト層、2
5は保護膜、26a,26b,26cはAu電極、27はAuZn層、28はグ
レーデッド層、29はバッファ層 を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板(20)と、 基板(20)上に設けられたn型半導体層(21)と、 n型半導体層(21)上に設けられたドープされていない
    光吸収層(22)と、 光吸収層(22)上に設けられた複数のp型半導体層(2
    3)と、 各p型半導体層(23)上に設けられたオーミック・コン
    タクト層(24a〜24c)と、 各オーミック・コンタクト層(24a〜24c)上に設けられ
    た電極(26a〜26c)とを具備し、 前記複数のp型半導体層に対応する複数の電極の少なく
    とも1つを順方向にバイアスし、残りの電極の少なくと
    も1つを逆方向にバイアスすることを特徴とする半導体
    受光素子。
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