JP3031238B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JP3031238B2
JP3031238B2 JP8103821A JP10382196A JP3031238B2 JP 3031238 B2 JP3031238 B2 JP 3031238B2 JP 8103821 A JP8103821 A JP 8103821A JP 10382196 A JP10382196 A JP 10382196A JP 3031238 B2 JP3031238 B2 JP 3031238B2
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敦彦 日下部
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体受光素子に
関し、特に光計測や光通信に用いて好適な半導体受光素
子に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の従来の半導体受光素子が、例え
ば特開平4−92479号公報、特開平5−28373
0号公報、特開昭62−296481号公報等に提案さ
れている。
【0003】現在光通信用路線として光ファイバが用い
られている。光通信用路線として敷設されている光ファ
イバ網の保守管理方法として、OTDR(Optical Time
Domain Reflectometer)がある。OTDRとは、敷設
されている光ファイバの破断点を調べる装置であり、そ
の基本原理は、ファイバ内に入射されたパルス光がファ
イバ内を伝搬するときに生じるレーリー散乱光をモニタ
ーし、もしファイバ内で破断点が生じている場合にはレ
ーリー散乱光は戻らなくなる。このため、このレーリー
散乱光がなくなるまでの時間を距離に換算することで破
断点の位置を正確に知ることができる。但し、この場
合、通信回線をOTDR装置に接続しなければならな
く、そのために通信回線が一時遮断されるという問題が
ある。
【0004】そこで、この問題を解決するために、光通
信の送信波長1.3μmあるいは1.5μmとは異なる
波長1.65μm帯の光を用い、通信回線を使用しなが
ら、同時に回線の監視を常時行う方法が考えられてい
る。
【0005】図4に、1.65μmの波長に対して感度
を持つ受光素子の従来例を示す。図4は、上記特開平5
−283730号公報に提案される受光素子の構成を示
した図であり、格子不整合緩和層44として歪格子層5
4と歪超格子層55とを組み合わせ、格子不整合緩和層
44を介して基板上にその基板材料とは格子整合しない
光吸収層45を設けた受光素子における暗電流特性を改
善したものである。
【0006】すなわち、図4を参照して、この受光素子
は、InP基板1上にInPバッファ層2、GaInA
sバッファ層26、歪格子層24、InP/GaInA
s歪超格子層25を順次エピタキシャル成長させ、その
上にGaInAs光吸収層4を成長させ、InPキャッ
プ層7を順次成長させた構造からなる。この受光素子の
場合、光吸収層4に歪GaInAsを用いることで、
1.65μmの光に対し感度を持つことができる。但
し、素子自体にキャリアの増幅機能を持っていないた
め、微弱な散乱光を検出するOTDRへの使用には適し
ていない。
【0007】この種の受光素子の第2の従来例を図5に
示す。図5を参照して、n+−Inp基板1上にn+−I
nP緩衝層2を成長させた後、厚さ1.5〜2μmのn
-−InAs/GaAs超格子光吸収層27、厚さ0.
1μmのn-−InGaAsP層5、厚さ1.5μmの
+−InP増倍層6、厚さ1μmのp−InP層9を
順次成長させた結晶に、メサエッチングを施したあと、
p側電極12としてTiPtAu、n側電極14として
AuGeNiを蒸着して受光素子を形成している。この
ように、光吸収層27をInAsとGaAsの超格子層
構造とすることにより、吸収端の波長を3.2μmまで
拡大することができる。
【0008】但し、ここで問題となることは、上記第2
の従来例の場合、InP上にInAsとGaAsの超格
子を形成する都合上、その界面に格子不整合が生じるこ
ととなり、その格子欠陥より暗電流が発生する。この暗
電流によってノイズが生じるために感度が低下する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このように、上記した
従来技術は下記記載の問題点を有している。
【0010】図4を参照して説明した上記第1の従来技
術においては、感度が低く微弱な散乱光を検出するOT
DRへの使用には適していないという問題点を有してい
る。
【0011】その理由は、素子自体にキャリアの増幅機
能を持っていないためである。
【0012】また、図5を参照して説明した上記第2の
従来技術のAPD(アバランシェ・フォトダイオード)
においては、格子欠陥より暗電流が発生し、その暗電流
によってノイズが生じるために感度が低下するという問
題点がある。
【0013】その理由は、InP上にInAsとGaA
sの超格子を形成する都合上、その界面に格子不整合が
生じることとなり、その格子欠陥より暗電流が発生する
ためである。
【0014】従って、本発明は、上記従来技術の問題点
を解消し、例えば光通信用ファイバ網の回線監視用の受
光素子に用いた場合に好適な、波長1.65μmの光に
対し、高い量子効率と低い暗電流と、高い電流増倍率と
を得ることを可能とした半導体受光素子を提供すること
を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、第1導電型InP基板上に、第1導電型
歪InGaAs層と、第1導電型InGaAs層と、第
1導電型InP増倍層と、第1導電型InP窓層と、が
順次形成されてなるヘテロエピタキシャル層構造を備
え、前記窓層内及び/又は前記増倍層内に部分的に第2
導電型InP領域を設け、更に、前記窓層内の前記第2
導電型InP領域上に設けられた第2導電型電極と、前
記第1導電型InP基板に設けられた第1導電型電極
と、を備えてなることを特徴とする半導体受光素子を提
供する。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して以下に説明する。
【0017】まず、図1を参照して、本発明の実施の形
態は、n+−(第1導電型)InP基板1上に、この第
1導電型歪InGaAs層(吸収端波長λ=1.85μ
m)3と、第1導電型InGaAs層(吸収端波長λ=
1.65μm)4と、第1導電型InP増倍層6と、第
1導電型InP窓層7と、が順次構成されたヘテロエピ
タキシャル層構造を備え、窓層7内及び/又は増倍層6
内に部分的に、p−(第2導電型)InP領域9を設
け、窓層7内に設けた第2導電型InP領域9上に設け
たp側(第2導電型)電極12と、第1導電型InP基
板1上に設けたn側(第1導電型)電極14と、を備え
たものである。
【0018】本発明の実施の形態の原理を以下に説明す
る。歪InGaAsとInGaAsの2つの光吸収層を
持つAPD(アバランシェフォトダイオード)に、1.
65μmの光を入射すると、光は窓層7側からp+拡散
領域9内に入射され、増倍層6、中間層5、InGaA
s光吸収層4を透過した後、歪n−InGaAs光吸収
層3にて吸収される。ここで吸収された光によって生成
されたキャリアは、p側電極12とn電極14間に印加
された電界により加速されp側電極12に流れ、外部回
路へと吐き出され光電流となる。
【0019】一方、1.55μm或いは1.3μmの光
を入射すると、光は窓層7側からp+拡散領域9内に入
射され、増倍層6、中間層5を透過した後、InGaA
s光吸収層4にて吸収される。ここで吸収された光によ
って生成されたキャリアは、p側電極12とn電極14
間に印加された電界により加速されp側電極12に流
れ、外部回路へと吐き出され光電流となる。
【0020】すなわち、1.55/1.3μmの光は上
層側の光吸収層4で、1.65μmの光は下層側の歪光
吸収層3でそれぞれ吸収後、光電変換されることとな
る。
【0021】このような構造としたことにより、後述す
るように、1.65μmの光を例えば0.85A/W以
上の高い効率で吸収することができる。
【0022】また、InGaAs光吸収層4とInP基
板1との間に歪n-−InGaAs光吸収層3を挟むこ
とで、格子不整合を抑えることができるため、20nA
以下の低い暗電流特性が得られる。さらに、歪n−In
GaAs光吸収層3或いはInGaAs光吸収層4にて
光吸収によって生成されたキャリアは、n+−InP増
倍層6に印加された電界によりアバランシェ増倍を引き
起こすことで、例えば30倍以上の高い増倍率が得られ
る。
【0023】
【実施例】上記した本発明の実施形態をより詳細に説明
すべく本発明の実施例を以下に図面を参照して説明す
る。
【0024】図1は、本発明に係る半導体受光素子の一
実施例の構成を断面図にて模式的に示したものである。
【0025】図1を参照して、n+−InP基板1上
に、気相成長法により、好ましくはキャリア濃度1015
〜2×1016cm-3、層厚1〜3μmとされるn−In
P緩衝層2と、1.65μmの光を吸収するために好ま
しくは吸収端波長λ=1.85μm、キャリア濃度10
15〜2×1016cm-3、層厚1〜3μmの歪n−InG
aAs光吸収層3と、1.55μmあるいは1.3μm
の光を吸収するためのn-−InGaAs光吸収層とし
て、好ましくはキャリア濃度1015〜5×1015
-3、層厚3〜4μmのn-−InGaAs光吸収層4
を成長した後、好ましくは、キャリア濃度3×1015
1016cm-3、層厚0.03〜0.5μmのn−InG
aAsP中間層5を成長させ、その後増倍層層として、
好ましくはキャリア濃度1016〜4×1016cm-3、層
厚0.5〜3μmのn+−InP増倍層6を成長する。
最後に窓層として、好ましくはキャリア濃度2×1015
〜6×1015cm-3層厚1〜2μmのn-−InP窓層
7を成長する。
【0026】本実施例では、一例として、n+−InP
基板1上に、気相成長法により、上記したn−InP緩
衝層2は、キャリア濃度を1015cm-3、層厚を2μ
m、歪n−InGaAs光吸収層3は、キャリア濃度を
1015cm-3、層厚を2μm、n-−InGaAs光吸
収層4は、キャリア濃度を3×1015cm-3、層厚を4
μmとして成長させ、n−InGaAsP中間層5は、
キャリア濃度を1016cm-3、層厚を0.5μmとし、
+−InP増倍層6は、キャリア濃度を3×1016
-3、層厚を1.4μmとし、n-−InP窓層7は、
キャリア濃度を5×1015cm-3、層厚を1.4μmと
して成長させた。
【0027】このように成長を行ったエピタキシャルウ
ェハーの表面にマスクをCVD(化学気相成長)法によ
り成長し、ガードリング8を例えばBeのイオン注入法
により形成する。
【0028】次に、ガードリング8に重なるように拡散
マスクの窓開けを行い、例えばZnの封止拡散により受
光部分に相当する1017〜1020cm-3のp+領域9を
選択的に形成する。
【0029】その後、表面側に通常の方法で絶縁膜11
を成長した後、p+領域9上の絶縁膜10の一部に穴開
けを行いp側コンタクト電極11をたとえば蒸着法によ
り形成したのち、加熱処理を行う。そして、p側コンタ
クト電極11を覆うようにp側電極12を形成する。
【0030】続いて、n−InP基板1の裏面にn側コ
ンタクト電極13をたとえば蒸着法により形成した後、
加熱処理を行い、最後にn側コンタクト電極13を覆う
ようにn側電極14を形成する。
【0031】このようにして製作した、歪InGaAs
とInGaAsの2つの光吸収層3、4を持つAPDの
分光感度特性を図2に示す(横軸は波長、縦軸は感
度)。
【0032】このAPDに、1.65μmの光を入射す
ると、光はInP窓層7側からp+拡散領域9内に入射
され、増倍層6、中間層5を透過した後、InGaAs
光吸収層4および歪n−InGaAs光吸収層3にて吸
収される。ここで吸収された光によって生成されたキャ
リアは、p側電極12とn電極14間に印加された電界
により加速され、p側電極12に流れ、外部回路へと吐
き出され光電流となる。
【0033】一方、1.55μm或いは1.3μmの光
を入射すると、光は窓層7側からp+拡散領域9内に入
射され、増倍層6、中間層5を透過した後、InGaA
s光吸収層4にて吸収される。ここで吸収された光によ
って生成されたキャリアは、p側電極12とn電極14
間に印加された電界により加速されp側電極12に流
れ、外部回路へと吐き出され光電流となる。
【0034】すなわち、1.55/1.3μmの光は上
側の光吸収層4で、1.65μmの光は下側の歪光吸収
層3で、それぞれ吸収後、光電変換されることとなる。
【0035】このような構造を採ることにより、1.6
5μmの光を0.85A/W以上の高い効率で吸収する
ことができ、かつ1.55/1.3μmの光に対しては
高速応答が可能となる。
【0036】また、InGaAs光吸収層4とInP基
板1との間に、歪n-−InGaAs光吸収層3を挟む
ことで、格子不整合を抑えることができるため、20n
A以下の低い暗電流特性が得られる。
【0037】また、上記した本実施例の作用効果によ
り、歪n−InGaAs光吸収層3或いはInGaAs
光吸収層4にて生成されたキャリアはn+−InP増倍
層6に印加された電界によりアバランシェ増倍を引き起
こし、30倍以上の高い増倍率が得られる。
【0038】上記効果は、気相成長法によるエピタキシ
ャルウェハー以外に、CVD法、MOCVD(有機金属
CVD)法、MBE(分子線エピタキシャル成長)法、
ALE(原子層エピタキシャル成長)法等によるエピタ
キシャルウェハーにおいても同じ効果が得られる。
【0039】本発明の第2の実施例について図面を参照
して説明する。図3は本発明に係る半導体受光素子の第
2の実施例の構成を断面図にて示したものである。な
お、図3では、基板裏面を上側として図示されている。
【0040】図3を参照して、n+−InP基板1上
に、気相成長法により、好ましくは、キャリア濃度10
15〜2×1016cm-3、層厚1〜3μmのn−InP緩
衝層2と、1.65μmの光を吸収するために、好まし
くは、吸収端波長λ=1.85μm、キャリア濃度10
15〜2×1016cm-3、層厚1〜3μmの歪n−InG
aAs光吸収層3と、1.55μmあるいは1.3μm
の光を吸収するためのn-−InGaAs光吸収層とし
て、好ましくはキャリア濃度1015〜5×1015
-3、層厚3〜4μmのn-−InGaAs光吸収層4
を成長した後、好ましくは、キャリア濃度3×1015
1016cm-3、層厚0.03〜0.5μmのn−InG
aAsP中間層5を成長させ、その後、増倍層層とし
て、好ましくはキャリア濃度1016〜4×1016
-3、層厚0.5〜3μmのn+−InP増倍層6を成
長する。最後に、窓層として、好ましくは、キャリア濃
度2×1015〜6×1015cm-3、層厚1〜2μm(今
回はキャリア濃度5E15cm−3層厚1.4μm)の
-−InP窓層7を成長する。
【0041】本実施例では、n−InP緩衝層2は、キ
ャリア濃度1015cm-3、層厚2μm、歪n−InGa
As光吸収層3は、キャリア濃度1015cm-3、層厚2
μm、n-−InGaAs光吸収層4は、キャリア濃度
3×1015cm-3、層厚4μm、n−InGaAsP中
間層5は、キャリア濃度1016cm-3、層厚0.5μ
m、n+−InP増倍層6は、キャリア濃度3×1016
cm-3、層厚1.4μm、n-−InP窓層7は、キャ
リア濃度5×1015cm-3、層厚1.4μm、として成
長させた。
【0042】このように成長を行ったエピタキシャルウ
ェハーの表面に、マスクをCVD法により成長し、ガー
ドリング8を例えばBeのイオン注入法により形成す
る。
【0043】次に、ガードリング8に重なるように拡散
マスクの窓開けを行い、例えばZnの封止拡散により受
光部分に相当する1017〜1020cm-3のp+領域(p
−InP)9を選択的に形成する。
【0044】その後、表面側に通常の方法で絶縁膜10
を成長した後、p+領域9上の絶縁膜10に穴開けを行
いp側コンタクト電極11をたとえば蒸着法により形成
したのち、加熱処理を行う。p側コンタクト電極11を
覆うようにp側電極12を形成する。
【0045】続いてn−InP基板1の裏面に化学的方
法にてエッチングを行い、半径120μmないし150
μm程の凸型形状を形成し、レンズとする。
【0046】このレンズの表面に反射防止膜15(AR
付きレンズ)を形成する。レンズを囲むようにn+−I
nP基板1の裏面にn側コンタクト電極13をたとえば
蒸着法により形成した後、加熱処理を行い、最後にnコ
ンタクト電極13を覆うようにn側電極14を形成す
る。
【0047】このようにして製作した、歪InGaAs
とInGaAsの2つの光吸収層3、4を持つ裏面入射
型APDに1.65μmの光を入射すると、光は裏面の
レンズ15側からInP基板1、InP緩衝層2を透過
した後、歪n−InGaAs光吸収層3にて吸収され
る。ここで吸収された光によって生成されたキャリア
は、p側電極12とn電極14間に印加された電界によ
り加速されp側電極12に流れ、外部回路へと吐き出さ
れ光電流となる。
【0048】一方、1.55μm或いは1.3μmの光
を入射すると、光は裏面のレンズ15側からInP基板
1、InP緩衝層2を透過した後、歪n−InGaAs
光吸収層3およびInGaAs光吸収層4にて吸収され
る。ここで吸収された光によって生成されたキャリア
は、p側電極12とn電極14間に印加された電界によ
り加速されp側電極12に流れ、外部回路へと吐き出さ
れ光電流となる。つまり1.55/1.3μmの光は歪
n−InGaAs光吸収層3およびInGaAs光吸収
層4で、1.65μmの光は歪光吸収層3でそれぞれ吸
収後、光電変換されることとなる。
【0049】このような構造を採ることにより、1.6
5μmの光を0.85A/W以上の高い効率で吸収する
ことが可能となり、かつ1.55/1.3μmの光に対
しては高速応答が可能となる。また、InGaAs光吸
収層5とInP基板1との間に歪n−InGaAs光吸
収層3を挟むことで、格子不整合を抑えることができる
ため、20nA以下の低い暗電流特性が得られる。
【0050】また、本実施例の上記作用効果により、歪
n−InGaAs光吸収層3或いはInGaAs光吸収
層4にて生成されたキャリアはn+−InP増倍層6に
印加された電界により30倍以上の高い増倍率が得られ
る。
【0051】また、本実施例の上記効果は、気相成長法
によるエピタキシャルウェハー以外に、CVD法、MO
CVD法、MBE法、ALE法によるエピタキシャルウ
ェハーにおいても同様な作用効果が得られる。
【0052】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
下記記載の各種効果を奏するものである。
【0053】その第1の効果は、1.65μmの光を例
えば0.85A/W以上の高い効率で吸収することがで
きるということである。これは、本発明においては、
1.65μmの光に対しては、InGaAs光吸収層お
よび歪光吸収層の2つの層にて吸収されるため、高い受
光感度が得られることによる。
【0054】本発明の第2の効果として、例えば20n
A以下の低い暗電流特性が得られるということである。
これは、本発明によれば、InGaAs光吸収層とIn
P基板との間に歪n-−InGaAs光吸収層を挟むこ
とで、格子不整合を抑えることができるためである。
【0055】本発明の第3の効果は、30倍以上の高い
増倍率が得られるということである。これは、歪n−I
nGaAs光吸収層或いはInGaAs光吸収層にて生
成されたキャリアはn+−InP増倍層に印加された電
界によりアバランシェ増倍を引き起こすからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体受光素子の一実施例の断面
を示す図である。
【図2】本発明に係る半導体受光素子の一実施例の感度
分布を示す図である。
【図3】本発明に係る半導体受光素子の第2の実施例の
断面を示す図である。
【図4】従来の半導体受光素子の断面を示す図である。
【図5】別の従来の半導体受光素子の断面を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 n+−InP基板 2 n−InP緩衝層 3 歪n−InGaAs光吸収層 4 n−InGaAs光吸収層 5 n−InGaAsP中間層 6 n+−InP増倍層 7 n-−InP窓層 8 ガードリング 9 p+領域 10 絶縁膜 11 p側コンタクト電極 12 p側電極 13 n側コンタクト電極 14 n側電極 15 AR付きレンズ 16 Zn拡散領域 17 ポリイミド 18 Si34膜 19 SiO2膜 20 Au/Zn電極 21 Au/Cr電極 22 Au/Sn電極 23 緩和層 24 歪格子層 25 歪超格子層 26 InGaAsバッファ層 27 InAs/GaAs超格子光吸収層

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型InP基板上に、第1導電型歪
    InGaAs層と、第1導電型InGaAs層と、第1
    導電型InP増倍層と、第1導電型InP窓層と、が順
    次形成されてなるヘテロエピタキシャル層構造を備え、
    前記第1導電型歪InGaAs層と前記第1導電型In
    GaAs層はそれぞれ一層構造とされ、 前記窓層内及び/又は前記増倍層内に部分的に第2導電
    型InP領域を設け、 前記窓層内の前記第2導電型InP領域上に設けられた
    第2導電型電極と、 前記第1導電型InP基板に設けられた第1導電型電極
    と、 を備えてなることを特徴とする半導体受光素子。
  2. 【請求項2】前記第1導電型InP基板裏面に形成され
    た所定径の凸型形状のレンズを備え、前記レンズ表面に
    は反射防止膜が形成され、前記第1導電型InP基板裏
    面に前記レンズを囲むようにコンタクト電極及び第2導
    電型電極を備えたことを特徴とする請求項1記載の半導
    体受光素子。
  3. 【請求項3】前記第1導電型歪InGaAs層の吸収端
    波長λが1.85μmとされ、前記第1導電型InGa
    As層の吸収端波長λが1.65μmとされたことを特
    徴とする請求項1又は2記載の半導体受光素子。
  4. 【請求項4】前記第1導電型歪InGaAs層の層厚が
    1μmないし5μmからなることを特徴とする請求項1
    乃至3のいずれか一に記載の半導体受光素子。
  5. 【請求項5】前記第1導電型歪InGaAs層の層厚が
    1μmないし3μmからなることを特徴とする請求項
    至3のいずれか一に記載の半導体受光素子。
  6. 【請求項6】前記第1導電型InGaAs層の層厚が2
    μmないし5μmからなることを特徴とする請求項1
    3のいずれか一に記載の半導体受光素子。
  7. 【請求項7】第1導電型InP基板と第1導電型InG
    aAs光吸収層との間に第1導電型歪InGaAs光吸
    収層を挿入し、 導入された第1の波長の入射光については、前記第1導
    電型InGaAs光吸収層で吸収し、前記第1の波長
    の入射光よりも波長の短い第2の波長の入射光は、前記
    第1導電型InGaAs光吸収層で吸収することを特徴
    とする半導体受光素子。
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