JP3505186B2 - 半導体導波路型受光素子とその製造方法 - Google Patents

半導体導波路型受光素子とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は半導体導波路型受光素子とその製造方法に関
し、更に詳しくは、実働時におけるリーク電流が低減
し、低暗電流特性に優れている半導体導波路を有する受
光素子とそれを製造する方法に関する。
背景技術 従来から知られている受光素子用の半導体導波路の断
面構造を第１図に示す。
この半導体導波路は、半導体基板の上に、ｎ型クラッ
ド層，低キャリア濃度の光吸収層,p型クラッド層，コン
タクト層がこの順序で積層されて半導体の積層構造とし
て形成されている。
そして、ｎ型クラッド層よりも上の積層構造の部分
は、光の導波方向（紙面と直交する方向）に延びるメサ
ストライプになっていて、当該メサストライプの側面が
誘電体膜で被覆されている。更に、コンタクト層の上に
電極（図示しない）が装荷され、また半導体基板の背面
にも電極（同じく図示しない）が装荷されていることに
より受光素子が構成される。
ここで、光吸収層のバンドギャップエネルギーは、そ
の上下に位置するｐ型クラッド層とｎ型クラッド層のバ
ンドギャップエネルギーよりも小さく設定され、この光
吸収層の光入射端面から入射した信号光は当該光吸収層
を導波するようになっている。
そして、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間に逆電
圧を印加すると、低キャリア濃度の光吸収層内に空乏層
が形成され、この空乏層内に発生する高電界によって光
吸収層を導波する信号光が光電変換される。
すなわち、この受光素子の場合、入射した信号光によ
って発生した空乏層内の励起キャリアが光電流として検
出される。励起キャリアは、空乏層内に発生している電
界によって分離・ドリフトし、励起キャリアがホールの
場合はｐ型クラッド層，電子の場合はｎ型クラッド層に
到達して光電流に寄与する。
また、半導体の積層構造を第１図で示したようなメサ
ストライプ形状にする理由は、受光素子の動作速度を高
めるためである。
すなわち、受光素子の動作速度を高めるためには、前
記した逆電圧の印加時に空乏層内に発生する電気容量を
小さくすることが必要であるが、そのことは、光吸収層
の断面積を小さくし、したがって、逆電圧印加時に形成
される空乏層の断面積も小さくすることによって有効に
実現することができるからである。
その場合、原理的には光吸収層の部分のみをメサスト
ライプ状にエッチング加工すればよいわけであるが、実
際の製作上は、第１図で示したように、ｎ型クラッド層
よりも上の部分がメサストライプ状に加工される。な
お、このときに、ｎ型クラッド層の一部も同時にエッチ
ング加工されることもある。
また、誘電体膜は、受光素子の動作時に、メサストラ
イプの側面を流れるリーク電流を低減するために設けら
れている。
すなわち、リーク電流は、メサストライプの側面にお
ける表面準位や欠陥を介して流れることが知られている
が、ここを誘電体膜で被覆することにより、表面準位や
欠陥の影響が封殺されるのである。
一方、上記した受光素子の場合、素子に光を効率よく
入射させるために、通常、劈開によって光入射端面が形
成される。劈開によって形成された光入射端面は、原子
レベルで平坦であり、光はそこで散乱することなく導波
路に進入できるからである。そして、この光入射端面
を、SiO2やSiNxから成る無反射膜で被覆して、入射する
光の反射を抑制することが行われている。
ところで、上記した構造の受光素子における最大の問
題は、当該受光素子の動作時に、前記したメサストライ
プの側面にリーク電流が流れるという問題である。
このリーク電流の発生を抑制するためには、前記した
ように、メサストライプの側面を誘電体膜で被覆するこ
とが行われているが、このような処置を施しても、リー
ク電流の発生を必ずしも充分に抑制できていないという
問題がある。
また、本発明者らの知見によれば、劈開した光入射端
面においても、可成り大きなリーク電流が発生している
という問題がある。
本発明の目的は、半導体導波路型受光素子の動作時に
おけるメサストライプ側面や劈開した光入射端面でのリ
ーク電流の発生を抑制することができる新規な半導体導
波路型受光素子を提供することである。
また、本発明の目的は、上記した半導体導波路型受光
素子の製造方法を提供することである。
発明の開示 本発明者らは、上記した目的を達成するために鋭意研
究を重ねる過程で、まず、半導体における表面準位の密
度はダングリング結合の密度の影響を強く受けるという
ことに着目した。具体的には、ダングリング結合の密度
が高くなると、当該半導体の表面準位は金属的になって
いくという事実である。
この観点に立って、前記した半導体の積層構造をエッ
チングしてメサストライプを形成する場合について以下
のような考察を加えた。
すなわち、メサストライプの形成時には、通常、ウェ
ットエッチングまたはドライエッチングが採用されてい
るが、通常のエッチング条件を採用した場合、例えばGa
InAsP層を臭化メタノールなどのエッチャントで（０−
１−１）面と平行な方向にエッチングした場合には、形
成されるメサストライプの側面は（111）面，（110）
面，（100）面のような低指数面になることが知られて
いる。
また、化学的な反応性の強いメタンガス系のドライエ
ッチングの場合や、物理的な反応の強い塩素系のドライ
エッチングの場合には、上記したと同様に低指数面にな
ることが知られている。
しかしながら、これら（111）面などの低指数面の場
合、その単位胞内における原子数は多いので、ダングリ
ング結合数も多くなっている。
例えば、InPに格子整合したGaInAsの場合、その（11
1）面におけるダングリング結合の密度は、6.7×1014at
oms/cm2と非常に高いレベルにある。
このような状態における表面準位は金属的になってい
て、リーク電流が流れやすい状態になっている。（11
0）面，（100）面などの他の低指数面の場合も同様であ
る。
一方、前記した劈開端面の場合、通常の劈開条件で劈
開して形成した光入射端面もまた、（011）面などの低
指数面になっていることが知られている。
したがって、この光入射端面（劈開面）においても、
上記したと同様の理由でその表面準位は金属的となって
いて、リーク電流が流れやすい状態になっているのであ
る。
本発明者らは、このような考察の結果、エッチングに
よって表出したメサストライプの側面または劈開によっ
て表出した光入射端面におけるダングリング結合の密度
が低減すれば、リーク電流の発生を抑制することができ
るとの着想を抱き、この着想に基づいて鋭意研究を重ね
た結果、本発明の半導体導波路型受光素子とその製造方
法を開発するに至った。
すなわち、本発明においては、ｐまたはｎ型の第１半
導体層と、前記第１半導体層上に設けた、前記第１半導
体層よりもバンドギャップエネルギーが小さい第２半導
体層と、前記第２半導体層上に設けた、前記第２半導体
層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前
記第１半導体層とは逆導電型の第３半導体層とが積層さ
れて成る積層構造が半導体基板の上に形成され、前記積
層構造の少なくとも前記第２半導体層がメサストライプ
をなしている半導体導波路を有する受光素子において、
少なくとも前記第２半導体層の側面または／および光入
射端面が曲面になっていることを特徴とする半導体導波
路型受光素子が提供される。
また、上記した積層構造において、少なくとも前記第
２半導体層の光入射端面が、前記半導体基板の表面に対
し鋭角をなして傾斜する平面になっている半導体受光素
子が提供される。
また、本発明においては、半導体基板の上に、ｐまた
はｎ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設け
た、前記第１半導体層よりもバンドギャップエネルギー
が小さい第２半導体層と、前記第２半導体層上に設け
た、前記第２半導体層よりもバンドギャップエネルギー
が大きく、かつ前記第１半導体層とは逆導電型の第３半
導体層を積層して積層構造を形成する工程； 前記積層構造にエッチング処理を行って少なくとも前
記第２半導体層を含む上部部分をメサストライプ形状に
する工程；とを備えている半導体導波路型受光素子の製
造方法において、 少なくとも前記第２半導体層のエッチング処理時に
は、酒石酸を含有する溶液，臭素を含有する溶液、また
は塩酸と酢酸と過酸化水素水との混合液のいずれかを用
いることを特徴とする半導体導波路型受光素子の製造方
法が提供される。
とくに、前記メサストライプ形状を形成したのち、臭
素を含有する溶液を用いてエッチング処理を行い、少な
くとも前記第２半導体層の側面を曲面にする半導体導波
路型受光素子の製造方法、また、前記積層構造にエッチ
ング処理または劈開を行なって光入射端面を形成したの
ち、臭素を含有する溶液または酒石酸を含有する溶液を
用いてエッチング処理を行い、少なくとも前記第２半導
体層の前記光入射端面を曲面にする半導体導波路型受光
素子の製造方法が提供される。
なお、本発明において、第１半導体層、第３半導体層
はともに、クラッド層および／または光吸収層の役割を
有している。
また、本発明は、第１半導体層と第２半導体層の間、
第２半導体層と第３半導体層の間には必要に応じて他の
半導体層が介在している場合も包含する。
第２図に基づいて、本発明の受光素子の製作に用いる
半導体導波路について詳細に説明する。
第２図において、半導体基板１の上には、第１半導体
層2,第２半導体層3,第３半導体層4,およびコンタクト層
５がこの順序で積層されて積層構造が形成されている。
そして、この積層構造における第１半導体層２よりも上
部の部分は、光の導波方向（紙面と垂直の方向）に延び
るメサストライプになっている。
なお、このメサストライプは、図のように、第１半導
体層２よりも上部だけに形成されていることに限定され
るものではなく、第１半導体層２の一部も含めた状態で
形成されていてもよい。
ここで、第１半導体層２はｎ型またはｐ型の導電型で
あり、下部クラッド層として機能し、この第１半導体層
２の上に積層されている第２半導体層３は前記第１半導
体層２よりもバンドギャップエネルギーが小さく、光吸
収層として機能する。
そして、第２半導体層３の上に積層されている第３半
導体層４は、前記第２半導体層３よりもバンドギャップ
エネルギーが大きく、かつ、前記第１半導体層２とは逆
導電型であって、上部クラッド層として機能する。その
上のコンタクト層５はこの上に装荷される電極とのオー
ミック接続を果たすために設けられている。
このメサストライプにおいて、少なくとも第２半導体
層（光吸収層）３の側面3aは曲面になっている。
このような曲面の場合、そこにおける単位胞の面積
が、平面である前記した低指数面における単位胞の面積
に比べて大きくなるので、ダングリング結合の密度は低
減する。また、曲面においては、結晶の表面エネルギー
を下げるようにダングリング結合間での結合が促進され
ることになるため、単位胞におけるダングリング結合の
密度は低下し、更には、曲面であるために、リークパス
が長くなって電界強度は低下する。このようなことの総
合的な結果として、この曲面においては、リーク電流の
発生が顕著に抑制されることになる。
なお、本発明においては、光が導波し、かつ逆電圧印
加時に空乏層が形成されなければならない第２半導体層
（光吸収層）３の側面3aは少なくとも部分的には曲面で
なければならず、他の半導体層は平坦面であってもよ
く、また第２半導体層３の場合と同様な曲面であっても
よい。
また、第２図においては、第２半導体層３の側面3aは
内側に凸となる曲面であるが、第３図で示したように、
外側に凸となる曲面3aであってもよい。更に、この曲面
は、全体として一定の曲率半径を有する曲面であること
に限定されるものではなく、位置によっては曲率半径が
異なっていてもよい。その場合、曲率半径は格別限定さ
れるものではないが、５〜200μｍの範囲内に設定する
ことが好ましい。
なお、第２図は、本発明の半導体導波路型受光素子に
おける半導体導波路の典型的な基本構成を例示するもの
であって、第１半導体層（下部クラッド層）２を省略し
て構成した場合も当然本発明に含まれる。
また、第２半導体層（光吸収層）３の上下に他の半導
波路層を付加する場合でも同様に本発明は成立するが、
この場合も少なくとも第２半導体層３の側面を曲面とす
れば上記した本発明の効果を得ることができる。
この半導体導波路は次のようにして製造することがで
きる。
まず、半導体基板１の上に、常法により、第１半導体
層２、第２半導体層3,第３半導体層４、およびコンタク
ト層５をこの順序で積層して積層構造を形成する。
ついで、この積層構造にエッチング処理を行って、第
２図で示したようなメサストライプを形成する。エッチ
ング処理としては、常用のドライエッチング，ウェット
エッチングを適用することができる。
そして、このエッチング処理時に、メサストライプに
おける少なくとも第２半導体層３の側面のエッチングに
関しては、水飽和酒石酸を含有する溶液，臭素を含有す
る溶液、塩酸と酢酸と過酸化水素との混合液をエッチャ
ントとして用いたウェットエッチングが行われる。その
ことにより、第２半導体層３の側面3aは曲面になる。
エッチャントとしては、例えば、第２半導体層３がAl
GaInAs系材料である場合には水飽和酒石酸と過酸化水素
との混合液を用いることが好適である。このとき、酒石
酸濃度やエッチング時の温度を変えることにより、形成
される曲面の曲率半径の大小を制御することができる。
この場合、水飽和酒石酸と過酸化水素との混合比は、
20:1〜20:2の範囲に設定することが好ましい。両者の混
合比がこの範囲内にあるときには、エッチング速度はほ
とんど変化せず、安定した状態で使用することができ
る。そして、混合比がこの範囲内にあるとき、エッチン
グ速度は温度変化に対しても鈍感であるため、厳しい温
度管理は不要になるが、過酸化水素は蒸発しやすいの
で、温度は18〜25℃に設定することが好ましい。
また、第２半導体層３がGaInAsP系材料である場合に
は、まず、ドライエッチングで側面が平坦なメサストラ
イプを形成したのち、臭素系のエッチャント、例えば、
水飽和臭素と臭化水素と水との混合液；塩酸と酢酸と水
との混合液；水飽和酒石酸と水との混合液；などでウェ
ットエッチングすることが好適である。
水飽和臭素と臭化水素と水との混合液の場合、これら
の混合比を1:1:10程度に設定することが好ましい。ま
た、低温で使用すると、反応むらなどが起こりやすくな
るので、使用温度は18〜20℃程度に設定することがよ
い。上記した混合液の場合、エッチング対象がGaInAsP
のとき、その組成がどのような組成であってもエッチン
グ速度は変わらない。すなわち、この混合液は等速エッ
チャントであるため、異なる組成のGaInAsPから成る積
層構造を有する半導体導波路型受光素子における整形処
理に用いて最適である。
また、塩酸と酢酸と水との混合液の場合、これらの混
合比を1:2:1程度に設定することが好ましい。この混合
液は、その調製時に反応熱が発生して溶液温度が上昇す
るので、18〜25℃程度に冷却して使用する。
このようにして製造された半導体導波路の表面を誘電
体膜で被覆し、更にコンタクト層５や半導体基板１の裏
面に常法により電極をそれぞれ装荷し、また光の入射端
面に無反射膜を形成することにより、本発明の受光素子
が得られる。
上記の説明は、メサストライプの側面におけるリーク
電流の発生を抑制する場合であるが、前記したように、
リーク電流は光の入射面である劈開端面においても発生
する。
それを抑制するためにも、劈開した光入射端面におけ
る少なくとも第２半導体層（光吸収層）３に対し、前記
したメサストライプの側面の場合と同じ状態で当該光入
射端面を曲面にすればよい。
その場合、光入射端面における少なくとも第２半導体
層（光吸収層）３を外側に凸となる曲面にすると、そこ
におけるリーク電流の発生を抑制できるとともに、当該
曲面のレンズ効果により入射光を第２半導体層（光吸収
層）３に向けて集中することができ、コンタクト層５で
発生する光電流に寄与しない吸収を減少させることがで
きるので、受光感度の向上が得られて好適である。
また、光入射端面に関しては、第４図で示したよう
に、少なくとも第２半導体層（光吸収層）３の光入射端
面を、半導体基板１の表面（積層表面）に対する角度θ
が鋭角となるような傾斜平面にすることも好適である。
劈開などで形成された（011）面のような面から傾斜
させた面として光入射端面を形成すると、当該光入射端
面が平面であっても、そこにおける単位胞内のダングリ
ング結合の密度は低くなり、リーク電流の発生を抑制す
ることができる。また、その光入射端面（平面）の傾斜
角度を半導体基板１の表面（水平面）に対し、鋭角
（θ）となるように設定すると、第２半導体層（光吸収
層）３に略平行に入射してくる光をその光入射端面で、
第４図の矢印で示したように半導体基板１側に屈折させ
ることができるので、コンタクト層５などで発生する光
電流に寄与しない吸収を減少させることができ、受光感
度は高くなる。
なお、この場合、光入射端面の半導体基板１に対する
傾斜角（θ）を、いわゆるブリュースター角にすれば、
Ｐ偏波で入射した光が完全に無反射となり、結合損失が
低減されるので好適である。
ここで、ブリュースター角は、入射角の補角をθＢ、
媒質１の屈折率をn1、媒質２の屈折率をn2とし、光は媒
質１から媒質２に入射するとした場合、次式： θＢ＝cot-1（n2/n1） で定義される。媒質１が空気、媒質２が半導体材料であ
るとすれば、n2＝１、n2≒3.5であるので、θＢ≒16゜
となる。
このような光入射端面（平面）は、ドライエッチング
で形成することができ、このときエッチング条件を変え
ることにより所望の傾斜角（θ）を得ることができる。
また、第２半導体層３が例えばGaInAsP係である場合
には、形成すべきメサストライプの方向を（011）方向
とし、メタノールと臭素の混合液を用いてエッチングし
てもよい。このとき、メタノールと臭素の混合比率を変
えることにより、傾斜角（θ）の調整は可能となる。
図面の簡単な説明 第１図は、従来の受光素子の半導体導波路におけるメ
サストライプの側面形状例を示す断面図； 第２図は、本発明受光素子の半導体導波路におけるメ
サストライプの基本的な側面形状を示す断面図； 第３図は、メサストライプの別の基本的な側面形状を
示す断面図； 第４図は、光入射端面が平面である場合を示す断面
図； 第５図は、実施例１のメサストライプにおける側面形
状を示す断面図； 第６図は、実施例２のストライプにおける側面形状を
示す断面図； 第７図は、実施例３のメサストライプにおける側面形
状を示す断面図； 第８図は、実施例４のストライプにおける側面形状を
示す断面図； 第９図は、実施例４の受光素子における半導体導波路
の光入射端面の形状を示す部分断面図； 第10図は、実施例5,6の受光素子における半導体導波
路の光入射端面の形状を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態 実施例１ 第５図で示した層構造の半導体導波路を次のようにし
て製造した。
キャリア濃度が５×1018cm-3のｎ−InP基板11の上
に、キャリア濃度１×1018cm-3,バンドギャップ波長1.2
μｍで厚み３μｍのｎ−AlGaInAs層（光閉じ込め層）1
2,バンドギャップ波長1.4μｍで厚み0.07μｍのノンド
ープAlGaInAs層（光吸収層）13,キャリア濃度１×1018c
m-3,バンドギャップ波長1.2μｍで厚み３μｍのｐ−AlG
aInAs層（光閉じ込め層）14,キャリア濃度１×1018cm-3
で厚み２μｍのｐ−InPクラッド層15、および、キャリ
ア濃度２×1018cm-3,バンドギャップ波長1.55μｍで厚
み0.3μｍのｐ−GaInAsP層（コンタクト層）16を積層し
た。
なお、これらの半導体層はいずれもｎ−InP基板11と
格子整合する組成に選択されている。また、ノンドープ
AlGaInAs層（本発明でいう第２半導体層）13と接触して
いるｎ−AlGaInAs層（本発明でいう第１半導体層）およ
びｐ−AlGaInAs層（本発明でいう第３半導体層）におけ
る0.3μｍの領域はノンドープの状態にしてある。
この積層構造に対し、次のようなエッチング処理を行
ってメサストライプを形成した。なお、形成すべきメサ
ストライプの方向は、エッチングによって順メサの出る
方向、すなわち（011）面方向とした。
（１）まず、水飽和酒石酸と過酸化水素を体積比で20:1
に混合して成る溶液（Ａ）を用いて、室温下で、ｐ−Ga
InAsP層16をエッチングした。この場合、エッチングに
より形成されるメサストライプの側面は平坦面になる。
そして、この溶液（Ａ）はInPを溶解しないので、エッ
チングはｐ−InPクラッド層15の表面で自動的に停止し
た。
（２）次に、塩酸とリン酸を体積比で3:1に混合して成
る溶液（Ｂ）を用いて、室温下で、ｐ−InPクラッド層1
5をエッチングした。この場合、エッチングにより形成
されるメサストライプ側面の形状は、（１）で示したメ
サストライプ側面よりも傾斜が若干ゆるやかな平坦面で
あった。また、この溶液（Ｂ）はAlGaInAsを溶解しない
ので、エッチングはｐ−AlGaInAs層（光閉じ込み層）14
の表面で自動的に停止した。
（３）更に、上記した溶液（Ａ）を用いて、室温下で、
ｐ−AlGaInAs層（光閉じ込め層）14,ノンドープAlGaInA
s層（光吸収層）13をエッチングし、ｎ−AlGaInAs層
（光閉じ込め層）12を0.2μｍ程度エッチングした時点
でエッチングを終了した。エッチングの深さはエッチン
グ時間により制御した。
その結果、メサストライプの側面におけるｎ−AlGaIn
As層12の一部，ノンドープAlGaInAs層13、およびｐ−Al
GaInAs層14の部分には、内側に凸になっている曲面が形
成された。この曲面を走査電顕で観察して曲率半径を測
定したところ15μｍであり、またメサストライプ全体の
平均的な傾斜角度は50゜程度になっていた。
その後、全体の表面に誘電体膜を形成し、メサストラ
イプ上面部の誘電体膜を部分的に除去し、ｐ−GaInAsP
層16の上に50μｍ角のｐ型オーミック電極を蒸着により
形成し、ｎ−InP基板11の裏面にはｎ型オーミック電極
を装着・装荷した。また、光の入射する側の端面にはSi
Nxを蒸着して無反射膜を形成して受光素子を製造した。
この受光素子は、波長1.3μｍの光は吸収するが、波
長1.55μｍの光は吸収しない波長選別機能を備えてい
る。
この受光素子に、モードフィールド径が６μｍの光フ
ァイバーから信号光を入射して受光感度を測定した。波
長1.3μｍの光を0.93A/Wという高感度で受光した。
また、この受光素子にモードフィールド径が50μｍの
マルチモード光ファイバから信号光を入射して受光感度
を測定した。波長1.3μｍの光を0.7A/Wという高感度で
受光した。
また、逆バイアス電圧3Vにおいて暗電流を測定したと
ころ、素子100個の平均値で10pAと極めて低かった。従
来の導波路型受光素子の暗電流は1nAから10nA程度であ
ったことからすれば、暗電流特性が３桁から４桁程度改
善されたことになる。なお、本実施例における暗電流特
性の向上をその原因で解析すると、拡散電流は無視でき
るほど微量、入射端面に流れる電流が4pA、界面と光吸
収層で発生する発生電流が6pAであり、メサストライプ
の側面に流れる表面電流は検知限界以下であった。この
ことから明らかなように、メサストライプの側面を曲面
にすることにより、そこを流れる表面電流が低減し暗電
流の大きな改善がもたらされていることが確認された。
実施例２ 第６図で示した層構造の半導体導波路を次のようにし
て製造した。
キャリア濃度が５×1018cm-3のｎ−InP基板21の上
に、キャリア濃度１×1018cm-3,バンドギャップ波長1.2
μｍで厚み３μｍのｎ−GaInAsP層（光閉じ込め層）22,
バンドギャップ波長1.66μｍで厚み２μｍのノンドープ
GaInAs層（光吸収層）23,キャリア濃度１×1018cm-3,バ
ンドギャップ波長1.2μｍで厚み３μｍのｐ−GaInAsP層
（光閉じ込め層）24,キャリア濃度１×1018cm-3で厚み
２μｍのｐ−InPクラッド層25、および、キャリア濃度
２×1018cm-3,バンドギャップ波長1.65μｍで厚み0.3μ
ｍのｐ−GaInAs層（コンタクト層）26を積層した。
なお、これらの半導体層はいずれもｎ−InP基板21と
格子整合する組成に選択されている。
この積層構造に対し、次のようなエッチング処理を行
ってメサストライプを形成した。形成すべきメサストラ
イプの方向は実施例１と同じ方向にした。
（１）まず、臭素とメタノールを体積比で1:300に混合
して成る溶液（Ｃ）を用いて、室温下で、ｐ−GaInAs層
26から、ｎ−GaInAsP層（光閉じ込め層）22までをエッ
チングした。エッチング量はエッチング時間で制御し、
ｎ−GaInAsP層（光閉じ込め層）22を0.5μｍ程度エッチ
ングした時点でエッチングを終了してメサストライプを
形成した。
形成されたメサストライプの側面は、傾斜角が54゜程
度の平坦な（111）面である。
（２）ついで、水飽和臭素と臭化水素と純水とを体積比
で1:1:10に混合して成る溶液（Ｄ）を用い、温度21℃で
前記メサストライプの側面をエッチングした。
エッチング後のメサストライプを走査電顕で観察した
ところ、その側面は、第６図で示したように、各半導体
層の湾曲の程度は異なっているが、ｎ−GaInAsP層22,ノ
ンドープGaInAs層23,p−GaInAsP層24では外側に凸の曲
面になっており、その曲率半径は62.5μｍ程度であっ
た。
この半導体導波路を用いて、以後は、実施例１と同様
にして誘電体膜，電極を形成することにより受光素子に
した。
この受光素子は、波長1.3μｍの光と波長1.55μｍの
光の両者を吸収できる機能を備えている。
この受光素子に、モードフィールド径が６μｍの光フ
ァイバーから信号光を入射して受光感度を測定した。波
長1.3μｍの光に対しては0.95A/W、波長1.55μｍの光に
対しては1.0A/Wという高い値を示した。
また、この受光素子にモードフィールド径が50μｍの
マルチモード光ファイバから信号光を入射して受光感度
を測定した。波長1.3μｍの光に対しては0.7A/W、波長
1.55μｍの光に対しては0.75A/Wという高い値を示し
た。
また、逆バイアス電圧3Vにおいて暗電流を測定したと
ころ、素子100個の平均値は100pAであった。
従来の素子の場合に比べて、暗電流特性は２桁から３
桁改善されている。
実施例３ 実施例２で示した積層構造に対し、次のようなエッチ
ング処理を行って第７図で示したような側面形状のメサ
ストライプを形成した。処理すべきメサストライプの方
向は実施例１の場合と同じである。
（１）まず、エッチャントとして塩素ガスを用い、ｐ−
GaInAs層26からｎ−GaInAsP層22までをドライエッチン
グした。エッチング処理は、ｎ−GaInAsP層22を0.2μｍ
程度エッチングした時点で終了した。
なお、ドライエッチングの場合は、使用する反応ガス
とエッチング条件を選定することにより、任意の角度で
エッチングすることができるが、この実施例では、メサ
ストライプの側面がｎ−InP基板21に対して垂直な平面
となるような条件を選定した。
（２）ついで、前記した溶液（Ｄ）を用いて、形成され
ているメサストライプの垂直な平面をエッチングした。
エッチング後のメサストライプを走査電顕で観察した
ところ、その側面は、第７図で示したように、各半導体
層の湾曲の程度は異なっているが、ｎ−GaInAsP層22は
内側に凸の曲面，ノンドープGaInAs層22も内側に凸の曲
面,p−GaInAsP層24は外側に凸の曲面になっており、そ
の曲率半径は100μｍ程度であった。
この半導体導波路を用いて、以後は、実施例２と同様
にして誘電体膜，電極を形成することにより受光素子に
した。
この受光素子に、モードフィールド径が６μｍの光フ
ァイバーから信号光を入射して受光感度を測定した。波
長1.3μｍの光に対しては0.95A/W、波長1.55μｍの光に
対しては1.0A/Wという高い値を示した。
また、この受光素子にモードフィールド径が50μｍの
マルチモード光ファイバから信号光を入射して受光感度
を測定した。波長1.3μｍの光に対しては0.7A/W、波長
1.55μｍの光に対しては0.75A/Wという高い値を示し
た。
また、逆バイアス電圧3Vにおいて暗電流を測定したと
ころ、素子100個の平均値は100pAであった。
メサストライプの側面形状は、実施例２の場合と異な
っているが、この実施例３の受光素子は、実施例２の受
光素子と同じ暗電流特性を示している。
実施例４ まず、メサストライプの側面が第８図で示したような
形状になっている半導体導波路を次のようにして製造し
た。
キャリア濃度が５×1018cm-3のｎ−InP基板31の上
に、キャリア濃度１×1018cm-3,バンドギャップ波長1.1
5μｍで厚み0.5μｍのｎ−GaInAsP層（光閉じ込め層）3
2,バンドギャップ波長1.4μｍで厚み３μｍのノンドー
プGaInAsP層（光吸収層）33,キャリア濃度１×1018c
m-3,バンドギャップ波長1.15μｍで厚み２μｍのｐ−Ga
InAsP層（光閉じ込め層）34,キャリア濃度１×1018cm-3
で厚み2.1μｍのｐ−InPクラッド層35、および、キャリ
ア濃度２×1019cm-3,バンドギャップ波長1.15μｍで厚
み0.3μｍのｐ−GaInAsP層（コンタクト層）36を積層し
た。
なお、これらの半導体層はいずれもｎ−InP基板31と
格子整合する組成に選択されている。
ついで、上記積層構造のコンタクト層36の上に厚み0.
1μｍのSiNx膜を形成したのち更にその上にレジスト膜
を形成し、ホトリソグラフィー技術を適用することによ
り形成すべきストライプのパターンを描画した。形成す
べきメサストライプの方向は、メサ形状が逆メサになる
方向、すなわち（０−11）方向に設定した。
そして、このストライプパターン以外のSiNx膜をエッ
チング除去したのち、更にストライプパターンの上に残
置しているレジスト膜をエッチング除去した。その結
果、上記積層構造の上面には、SiNx膜から成るストライ
プパターンが形成された。
このSiNx膜をマスクにして、次のようにしてメサスト
ライプを形成した。
（１）まず、実施例１で用いた溶液（Ａ）で室温下にお
いてエッチングを行った。ｐ−GaInAsP層36がエッチン
グされた。この溶液（Ａ）はInPを溶解しないので、エ
ッチングはｐ−InPクラッド層35の表面で自動的に停止
した。
（２）次に、実施例１で用いた溶液（Ｂ）で室温下にお
いてエッチングを行った。ｐ−InPクラッド層35がエッ
チングされた。この溶液（Ｂ）はGaInAsPを溶解しない
ので、エッチングはｐ−GaInAsP層34の表面で自動的に
停止した。
（３）ついで、臭素とメタノールを体積比で1:200に混
合してなる溶液（Ｅ）を用い、室温下で、エッチングの
深さが全体で８μｍになるまでエッチングを行ってメサ
ストライプを形成した。
この溶液（Ｅ）は選択比が非常に小さいので、エッチ
ング深さはエッチング時間で制御した。
実施例２の場合と異なり、メサストライプの方向が90
゜ずれているので、形成されたメサストライプの側面は
曲面であった。
このようにして製造した半導体導波路に対し、次に、
各メサストライプの間の溝に感光性ポリイミドを埋め込
み、メサストライプ間の溝の深さを４〜５μｍに浅くし
た。このとき、ノンドープGaInAsP層（光吸収層）33の
曲面は上記感光性ポリイミドで埋め込まれることにな
る。
ついで、常用のホトリソグラフィー技術により、各メ
サストライプのコンタクト層36の上にオーミック電極形
成用のマスクパターンを形成したのち、そこにｐ型のオ
ーミック電極を蒸着・装荷した。
ついで、チップ化を容易にするために、ｎ−InP基板3
1の裏面を研磨加工して基板の厚みを120μｍに調整した
のち、当該基板の裏面にｎ型のオーミック電極を蒸着・
装荷した。
そして、次のスクライブ工程により、300μｍ幅のバ
ー状に劈開を行い、劈開端面を有する素子にした。
この劈開端面に対し、次のようなエッチングを行っ
た。
（５）実施例２で用いた溶液（Ｄ）に、液温21℃におい
て、上記素子を８秒間浸漬した。
その結果、劈開端面のうち、ノンドープGaInAsP層
（光吸収層）33の劈開端面は、第９図で示したように、
外側に凸の曲面になっていた。そして、走査電顕でこの
曲面を観察して曲率半径を測定したところ約100μｍで
あった。
なお、ここまでの工程においては、電極などがエッチ
ャントに曝されることになるが、短時間の浸漬であるの
で受ける影響は少ない。これら電極などへのエッチャン
トの影響を確実に絶つためには、例えば全体の表面をレ
ジストやワックスなどで被覆して保護膜を形成し、エッ
チング処理後に保護膜を除去すればよい。
そして最後に、上記端面にSiNxを蒸着することにより
無反射膜を形成して受光素子にした。
この受光素子は、波長1.3μｍの光は吸収するが波長
1.55μｍの光は吸収しない波長選別機能を備えている。
この受光素子に、モードフィールド径が６μｍの光フ
ァイバーから信号光を入射して受光感度を測定した。波
長1.3μｍの光を0.98A/Wという高感度で受光した。
また、この受光素子にモードフィールド径が50μｍの
マルチモード光ファイバから信号光を入射して受光感度
を測定したところ、波長1.3μｍの光に対し0.85A/Wとい
う高感度で受光した。実施例１〜３の受光素子が0.7A/W
であったことからすると、大きな効果が得られている。
また、逆バイアス電圧3Vにおいて暗電流を測定したと
ころ、素子100個の平均値で70pA,逆バイアス電圧5Vにお
いて150pAと極めて低い値であった。
同様の材料と積層構造の受光素子において、劈開端面
とメサストライプの側面を曲面化しない従来の受光素子
の場合、逆バイアス電圧3V,5Vにおける暗電流はそれぞ
れ700pA,1nAであることからすると、この実施例素子の
暗電流特性は１桁以上向上していることになる。
実施例５ 実施例４において、劈開後における劈開端面のエッチ
ングを次のような態様で行ったことを除いては、実施例
４と同様にして受光素子を製造した。
（６）塩酸と酢酸と過酸化水素とを体積比で1:2:1に混
合して成る溶液（Ｆ）を用い、液温18℃において劈開後
の素子を10秒間浸漬した。
その結果、劈開端面のうち、ノンドープGaInAsP層
（光吸収層）33の劈開端面（光入射端面）は、第10図で
示したように、内側に凸の曲面になっていた。そして、
走査電顕でこの曲面を観察して曲率半径を測定したとこ
ろ約120μｍであった。
この受光素子に、モードフィールド径が６μｍの光フ
ァイバーから信号光を入射して受光感度を測定した。波
長1.3μｍの光を0.92A/Wという高感度で受光した。
また、この受光素子にモードフィールド径が50μｍの
マルチモード光ファイバから信号光を入射して受光感度
を測定した。波長1.3μｍの光に対し0.83A/Wという高感
度で受光した。この場合も、実施例１〜３の受光素子が
0.7A/Wであったことからすると、大きな効果が得られて
いる。
また、逆バイアス電圧3Vにおいて暗電流を測定したと
ころ、素子100個の平均値で90pA,逆バイアス電圧5Vにお
いて180pAと極めて低い値であった。
実施例６ 実施例４において、劈開後における劈開端面のエッチ
ングを次のような態様で行ったことを除いては、実施例
４と同様にして受光素子を製造した。
（７）実施例１で用いた溶液（Ａ）をエッチャントと
し、室温下において30秒間浸漬した。
その結果、劈開端面のうち、ノンドープGaInAsP層
（光吸収層）33の劈開端面（光入射端面）は、第10図で
示したように、内側に凸の曲面になっていた。そして、
走査電顕でこの曲面を観察して曲率半径を測定したとこ
ろ約150μｍであった。
この受光素子に、モードフィールド径が６μｍの光フ
ァイバーから信号光を入射して受光感度を測定した。波
長1.3μｍの光を0.92A/Wという高感度で受光した。
また、この受光素子にモードフィールド径が50μｍの
マルチモード光ファイバから信号光を入射して受光感度
を測定したところ、波長1.3μｍの光に対し0.83A/Wとい
う高感度で受光した。この場合も、実施例１〜３の受光
素子が0.7A/Wであったことからすると、大きな効果が得
られている。
また、逆バイアス電圧3Vにおいて暗電流を測定したと
ころ、素子100個の平均値で80pA,逆バイアス電圧5Vにお
いて170pAと極めて低い値であった。
実施例７ 実施例４と同様の積層構造を形成したのち、形成すべ
きメサストライプの方向を（011）方向に設定して、そ
の積層構造に対し下記のようなエッチング処理を行っ
た。
（８）まず、実施例１で用いた溶液（Ａ）をエッチャン
トにして、ｐ−GaInAsP層36をウェットエッチング除去
した。
（９）ついで、メタン系の混合ガスを用いて、InP層35
からInGaAsP層32の途中までをドライエッチングした。
その結果、実施例１の場合とはメサストライプの方向
が相違しているので側面は順メサになっていた。また、
ノンドープGaInAsP層（光吸収層）33の光入射端面は、
ｎ−InP基板31に対し約17゜程度傾斜している平面であ
った。
この導波路を用いて実施例４の場合と同様にして受光
素子を製造した。
この受光素子に、モードフィールド径が６μｍの光フ
ァイバーから信号光を入射して受光感度を測定した。波
長1.3μｍの光を0.99A/Wという高感度で受光した。
また、この受光素子にモードフィールド径が50μｍの
マルチモード光ファイバから信号光を入射して受光感度
を測定したところ、波長1.3μｍの光に対し0.88A/Wとい
う高感度で受光した。この場合も、実施例１〜３の受光
素子が0.7A/Wであったことからすると、大きな効果が得
られている。
また、逆バイアス電圧3Vにおいて暗電流を測定したと
ころ、素子100個の平均値で200pA,逆バイアス電圧5Vに
おいて500pAと極めて低い値であった。
産業上の利用可能性 このように、本発明の受光素子は、その半導体導波路
におけるメサストライプにおいて少なくとも光吸収層の
側面または／および光入射端が曲面になっているので、
単位胞内のダングリング結合の密度は小さく、またリー
クパスも長くなり、そのため、リーク電流の発生は低減
し、暗電流特性が優れたものになっている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−264870（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−241472（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−55542（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−116788（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−172482（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/10

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】下記から成る半導体導波路型受光素子； ｐまたはｎ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に
    設けた、前記第１半導体層よりもバンドギャップエネル
    ギーが小さい第２半導体層と、前記第２半導体層上に設
    けた、前記第２半導体層よりもバンドギャップエネルギ
    ーが大きく、かつ、前記第１半導体層とは逆導電型の第
    ３半導体層とが積層されて成る積層構造が半導体基板の
    上に形成され、前記積層構造の少なくとも前記第２半導
    体層がメサストライプをなしている半導体導波路を有す
    る；そして、 少なくとも前記第２半導体層の側面が曲面になってい
    る。
  2. 【請求項２】下記から成る半導体導波路型受光素子； ｐまたはｎ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に
    設けた、前記第１半導体層よりもバンドギャップエネル
    ギーが小さい第２半導体層と、前記第２半導体層上に設
    けた、前記第２半導体層よりもバンドギャップエネルギ
    ーが大きく、かつ、前記第１半導体層とは逆導電型の第
    ３半導体層とが積層されて成る積層構造が半導体基板の
    上に形成され、前記積層構造の少なくとも前記第２半導
    体層がメサストライプをなしている半導体導波路を有す
    る；そして、 少なくとも前記第２半導体層の光入射端面が曲面になっ
    ている。
  3. 【請求項３】請求項２の半導体導波路受光素子におい
    て、 前記光入射端面が外側に凸の曲面になっている。
  4. 【請求項４】請求項１の半導体導波路型受光素子におい
    て、 少なくとも前記第２半導体層の光入射端面が、前記半導
    体基板の表面に対し鋭角をなして傾斜する平面になって
    いる。
  5. 【請求項５】下記工程を備えている半導体導波路型受光
    素子の製造方法； 半導体基板の上に、ｐまたはｎ型の第１半導体層と、前
    記第１半導体層上に設けた、前記第１半導体層よりもバ
    ンドギャップエネルギーが小さい第２半導体層と、前記
    第２半導体層上に設けた、前記第２半導体層よりもバン
    ドギャップエネルギーが大きく、かつ前記第１半導体層
    とは逆導電型の第３半導体層とをこの順序で積層して積
    層構造を形成する工程； および、 前記積層構造にエッチング処理を行って少なくとも前記
    第２半導体層を含む上部部分をメサストライプ形状にす
    る工程；そして、 少なくとも前記第２半導体層のエッチング処理時には、
    酒石酸を含有する溶液，臭素を含有する溶液、または塩
    酸と酢酸と過酸化水素水との混合液のいずれかを用い
    る。
  6. 【請求項６】請求項５の半導体導波路型受光素子の製造
    方法において、 前記メサストライプ形状を形成したのち、臭素を含有す
    る溶液を用いてエッチング処理を行い、少なくとも前記
    第２半導体層の側面を曲面にする。
  7. 【請求項７】請求項５の半導体導波路型受光素子の製造
    方法において、 前記積層構造にエッチング処理または劈開を行って光入
    射端面を形成したのち、臭素を含有する溶液または酒石
    酸を含有する溶液を用いてエッチング処理を行い、少な
    くとも前記第２半導体層の前記光入射端面を曲面にす
    る。
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