JP3589831B2 - Phototransistor - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトトランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のフォトトランジスタの一例の概略断面図である。
【０００３】
９１は光入射面、９２はｎ型ＩｎＰ基板、９３はｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、９４はｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、９５はｎ型ＩｎＰエミッタ層、９６はｎ＋型ＩｎＰ層（下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（上層）からなるエミッタコンタクト層、９７はエミッタ電極、９８はコレクタ電極である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフォトトランジスタは、図６に示すように面型の受光構造からなり、光の入射方向が上面もしくは下面からに限定され（図６では上面）、光ファイバや光導波路等と横方向から直接光結合を行うことができないという問題があった。
【０００５】
また、受光感度を大きくするために前記光吸収層６３、６４を厚くすると、素子中のキャリア走行時間で素子の応答速度が制限される。このように、受光感度と素子の応答速度との間にトレードオフの関係があり、このため、従来構造では、素子を高速化しようとすると、受光感度が激減してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、横方向からの光入射が可能であり、高受光感度であり、かつ、高速のフォトトランジスタを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エミッタ、ベースおよびコレクタ層からなり、エミッタ層またはエミッタ層およびコレクタ層がベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな異種半導体からなる層を基板上に設けてなるヘテロ接合フォトトランジスタ構造において、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層が挿入されており、マルチモードの光導波路構造を有し、横方向からの光入力が可能なことを主要な特徴とする。さらに、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層より薄い、もしくはエミッタ側光ガイド層が無い構造において、導波モードの中心がコレクタ側光ガイド層中に存在するマルチモードの光導波路構造を有することを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本発明は、第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分、および、前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対しベース層とは反対側部分、の両方に互いに膜厚、もしくは組成の異なる光ガイド層となる半導体層を設け、上側の前記光ガイド層を下側の前記光ガイド層以下の厚さにし、前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、前記エミッタ層は前記ベース層の上側に位置し、該エミッタ層側には光ガイド層を設けず、前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、前記伝搬光の導波モードの中心が、前記コレクタ層中もしくは前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、前記コレクタ層は前記ベース層の上側に位置し、該コレクタ層側には光ガイド層を設けず、前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、前記伝搬光の導波モードの中心が、前記エミッタ層中もしくは前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
さらに、前記エミッタ層の膜厚が、０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層が挿入されて、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、光ファイバなどの光導波路と高効率の光結合が可能となり、したがって、ベース・コレクタ間をフォトダイオードとして動作させたときの受光感度（受光効率）が大きくできる。ここで、導波モードの中心は、光ファイバなどからの対称性のある光に対し、結合効率が最大となる層厚方向の軸上の位置を意味している。本発明において、エミッタが上側に位置するエミッタアップ構造では、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層より薄い、またはエミッタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタ層が精度良く容易に形成可能になり、素子の高速化が容易となる。また、コレクタが上側に位置するコレクタアップ構造では、コレクタ側光ガイド層がエミッタ側光ガイド層より薄い、またはコレクタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタ層が精度良く容易に形成可能になり、素子の高速化が容易となる。また、エミッタのバンドギャップがワイドギャップであって、低屈折率を有するエミッタ層の膜厚を０．１μｍ以下に薄層化することにより、光導波路中にエミッタ層が存在しても導波モードの電界分布が比較的なめらかになり、高効率の光結合が容易になる。このように、従来技術とは、横方向光入射が可能であり、かつ、光ファイバやその他の光導波路と直接光結合に対し高効率な受光ができ、微細構造が製作容易であり、かつ、高速応答が可能であるという点が異なる。
【００１４】
このように、本発明では、横方向からの光入射が可能であり、かつ、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層が挿入されて、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、従来の面型フォトトランジスタに比べ光吸収層厚が薄くても高効率な受光ができる。また同時に、光吸収層厚を薄くできるため、キャリアの走行時間による速度制限を受けにくくなり、高い受光感度を維持しながら高速応答の可能な素子が製作できる。また、上面から光を入射するタイプのフォトトランジスタでは、電極中に受光窓を設けることが必要なため、素子サイズが大きくなり、素子容量も大きくなってしまう。また、下面から光を入射するタイプのフォトトランジスタでは、基板厚である１００μｍ程度の光路長があるため、光ファイバ等との直接結合を考えたとき、その間の光の広がりを考慮して素子サイズを大きくしておく必要があるなどの問題がある。これに対して、本発明の場合は、受光は素子端面で行うため、電極中に受光窓を設けることがが不要となり、また、受光長としては、せいぜい数十μｍ程度で済むため、素子サイズが小さくなり、素子容量を小さくできる。さらに、エミッタアップ構造においては、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層よりも薄い、またはエミッタ側光ガイド層が無い構造、あるいは、コレクタアップ構造においては、コレクタ側光ガイド層がエミッタ側光ガイド層よりも薄い、またはコレクタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のエミッタあるいはコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタあるいはコレクタが精度良く容易に形成可能になり、素子サイズの微小化が容易に図れ、高速化が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明の第１の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００１６】
１１は半絶縁性ＩｎＰ基板、１２は膜厚が０．７μｍで、バンドギャップが波長１．１μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層の一部）、１３は膜厚が０．３μｍで、バンドギャップが波長１．１μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、１４は膜厚が０．０２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層、１５は膜厚０．０６μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、１６は膜厚０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、１７は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、１８は膜厚が０．８μｍで、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、１９は膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰ層、１１０はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、１１１はエミッタ電極、１１２はベース電極、１１３はコレクタ電極である。
【００１７】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズ（光強度が１／ｅ２になるビームの半径：ｅは自然対数の底）は０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、膜厚０．８μｍ以上と厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１２および１３と１８がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように既知の光導波路の設計手法により適宜設計、選択することができる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は５０以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も３０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、ベース電極１１２を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層１５および１６として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＡＧＭ（セパレート アブソープション グレーデッド マルチプリケーション（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ））構造、ＳＡＭ−ＳＬ（セパレート アブソープション アンド マルチプリケーション スーパーラティス（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ））構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等、また、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００１８】
実施の形態２
図２は、本発明の第２の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００１９】
２１は半絶縁性ＩｎＰ基板、２２は膜厚が０．８μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、２３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、２４は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層２３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２７μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。２５は膜厚０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、２６は膜厚０．０２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、２７は膜厚が０．８μｍで、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、２８は膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰ層（クラッド層）、２９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、２１０はエミッタ電極、２１１はベース電極、２１２はコレクタ電極である。
【００２０】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×２０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、膜厚０．８μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように既知の光導波路の設計手法により適宜設計、選択することができる。また、本実施の形態では、エミッタ層２６を膜厚０．０２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより、電子のベースへの注入に対してはトンネル効果が起きず、また、ベースからの正孔の逆注入に対しては十分大きなバリアとして働くが、光の導波モードにはこのエミッタ層の存在の影響は小さく、比較的なめらかなモードプロファイルが得られるようになっている。これによって、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．２４の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は５０以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、エミッタ層厚として０．０２μｍのものを用いたが、エミッタ層厚としては０．０１〜０．１μｍの範囲で同様の効果が得られる。また、本実施の形態では、ベース電極２１１を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層２４および２５として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００２１】
実施の形態３
図３は、本発明の第３の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００２２】
３１は半絶縁性ＩｎＰ基板、３２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、３３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、３４は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層３３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドーブＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。３５は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、３６は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、３７は膜厚が０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、３８は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰ層、３９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、３１０はエミッタ電極、３１１はベース電極、３１２はコレクタ電極である。
【００２３】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、計１．６μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３２、３７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように、既知の光導波路の設計手法により、適宜設計、選択することができる。また、エミッタ側光ガイド層３７を０．２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタが精度良く容易に形成可能になった。また、コレクタ側光ガイド層３２がエミッタ側光ガイド層３７より十分厚く、導波モードの中心がコレクタ側光ガイド層３２中に存在するマルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、ベース電極３１１を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層３４および３５として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層３２、３７として、共に、バンドギャップが１．４μｍに相当する組成のＩｎＧａＡｓＰ層３２、３７を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成の光ガイド層を用いてもよい。また、光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００２４】
実施の形態４
図４は、本発明の第４の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００２５】
４１は半絶縁性ＩｎＰ基板、４２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、４３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、４４は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層４３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。４５は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、４６は膜厚０．０２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、４７は膜厚０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、４８は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰ層（クラッド層）、４９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、４１０はエミッタ電極、４１１はベース電極、４１２はコレクタ電極である。
【００２６】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×２０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、計１．６μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４２、４７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように、既知の光導波路の設計手法により、適宜設計、選択することができる。また、本実施の形態では、エミッタ層４６の膜厚を０．０２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより電子のベースへの注入に対してはトンネル効果が起きず、また、ベースからの正孔の逆注入に対しては十分大きなバリアとして働くが、光の導波モードにはこのエミッタ層の影響は小さく、比較的なめらかなモードプロファイルが得られるようになっている。また、エミッタ側光ガイド層４７の膜厚を０．２μｍと薄層化している。これにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタが精度良く容易に形成可能になった。また、コレクタ側光ガイド層４２がエミッタ側光ガイド層４７より十分厚く、導波モードの中心がコレクタ側光ガイド層中に存在し、かつ、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、エミッタ層厚として０．０２μｍのものを用いたが、エミッタ層厚としては、０．０１〜０．１μｍの範囲で同様の効果が得られる。また、本実施の形態では、ベース電極４１１を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層４２、４７として、共にバンドギャップが１．４μｍに相当する組成のＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成の光ガイド層を用いてもよい。また、光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００２７】
実施の形態５
図５は、本発明の第５の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００２８】
５１は半絶縁性ＩｎＰ基板、５２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、５３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、５４は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層５３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。５５は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、５６は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、５７はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、５８はエミッタ電極、５９はベース電極、５１０はコレクタ電極である。
【００２９】
本実施の形態では、エミッタ層５６の膜厚が０．３μｍと少し厚く、クラッド層として作用している。素子のエミッタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、１．４μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５２がコレクタ層５４の外側に挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように、既知の光導波路の設計手法により、適宜設計、選択することができる。また、本実施の形態では、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。また、本実施の形態では、エミッタ側光ガイド層を無くしている。これにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタが精度良く容易に形成可能になった。なお、ここではエミッタ層５６が、上部クラッド層としての役割を兼ねている。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、エミッタ側光ガイド層がある場合に比べ、若干、受光効率の減少は見られるが、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．７以上の十分大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。また、本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、ベース電極５９を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層５４、５５として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタ側の光ガイド層５２として、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、これと異なる組成の光ガイド層を用いてもよいことは言うまでもない。また、光ガイド層５２は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３０】
実施の形態６
図６は、本発明の第６の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００３１】
本実施の形態は、コレクタが上側にあるコレクタアップ構造の場合である。６９はｎ＋型ＩｎＰ（膜厚０．１μｍ、下層）／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、膜厚０．１μｍ、上層）からなる膜厚０．２μｍのコレクタコンタクト層、６８は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰ層、６７は膜厚が０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ側光ガイド層、６６は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、６５は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層６６側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。６４は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、６３は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、６２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブエミッタ層（エミッタ側光ガイド層）、６１は半絶縁性ＩｎＰ基板、６１０はエミッタ電極、６１１はコレク電極である。
【００３２】
本実施の形態の素子のコレクタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６２、６７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。また、コレクタ側光ガイド層６７を０．２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なコレクタが精度良く容易に形成可能になった。また、エミッタ側光ガイド層６２がコレクタ側光ガイド層６７より十分厚く、導波モードの中心がエミッタ側光ガイド層６２中に存在するマルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくてすむ。素子の光利得は１００以上あり、光バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。なお、本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、前記ＳＡＧＭ構造やＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層として、共に１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成のガイド層を用いてもよい。また、光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡＳ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３３】
実施の形態７
図７は、本発明の第７の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００３４】
本実施の形態は、コレクタが上側にあるコレクタアップ構造の場合である。７９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのコレクタコンタクト層、７８は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰ層、７７は膜厚が０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ側光ガイド層、７６は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、７５は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層７６側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。７４は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、７３は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、７２は膜厚１．４μｍのバンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブエミッタ層（エミッタ側光ガイド層）、７１は半絶縁性ＩｎＰ基板、７１０はエミッタ電極、７１１はコレク電極である。
【００３５】
本実施の形態の素子のコレクタ面積は４μｍ×２０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層７２、７７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。また、エミッタ層を０．０２μｍと薄層化している。これは、電子のベースへの注入に対してはトンネル効果が起きず、また、ベースからの正孔の逆注入に対しては十分大きなバリアとして働くが、導波モードにはこのエミッタ層の影響が小さく、比較的なめらかなモードプロファイルが得られるようになっている。また、コレクタ側光ガイド層７７を０．２μｍと薄層化している。これにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くて済み、微細なコレクタが精度良く容易に形成可能になった。また、エミッタ側光ガイド層７２がコレクタ側光ガイド層７７より十分厚く、導波モードの中心がエミッタ側光ガイド層７２中に存在するマルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、ベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、光バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。なお、本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層として、ともに、１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成のガイド層を用いてもよい。また、光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪みを内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３６】
実施の形態８
図８は、本発明の第８の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００３７】
本実施の形態は、コレクタが上側にあるコレクタアップ構造の場合である。８７はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのコレクタコンタクト層、８６は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、８５は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層８６側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。８４は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、８３は膜厚０．２μｍのｎＩｎＰエミッタ層、８２は膜厚１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブエミッタ層（エミッタ側光ガイド層）、８１は半絶縁性ＩｎＰ基板、８８はエミッタ電極、８９はコレクタ電極である。
【００３８】
本実施の形態では、サブコレクタ層８６が膜厚０．３μｍと少し厚く、クラッド層として作用している。素子のコレクタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８２がエミッタ層の外側に挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。また、コレクタ側光ガイド層を無くしている。これにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くて済み、微細なコレクタが精度良く容易に形成可能になった。先球光ファイバを用い、ベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、コレクタ側光ガイド層がある場合に比べ、若干、受光効率の減少は見られるが、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．７以上の十分大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、光バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、吸収として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造やグレーデットエミッタ構造等各種構造を適用しても良いことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタ側の光ガイド層８２として、１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、これと異なる組成のガイド層を用いてもよいことはいうまよいことは言うまでもない。また光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪みを内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３９】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のフォトトランジスタによれば、横方向からの光入射が可能であり、かつ、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層を挿入し、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、従来の面型フォトトランジスタに比べ、光吸収層厚が薄くても高効率な受光ができる。また、光吸収層厚が薄くて済むため、キャリアの走行時間による速度制限を受けにくくなり、高い受光効率を維持しながら高速応答の可能な素子が製作できる。また、エミッタアップ構造では、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層より薄い、または、コレクタアップ構造では、コレクタ側光ガイド層がエミッタ側光ガイド層より薄い、またはエミッタ側あるいはコレクタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のエミッタあるいはコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタあるいはコレクタが精度良く容易に形成可能になり、素子の高速化が容易となる。このように、横方向光入射が可能であり、かつ、光ファイバや光導波路と直接光結合に対し、薄い光吸収層厚で高効率な受光と高速応答が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図８】本発明の第８の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図９】従来のフォトトランジスタの一例の概略断面図である。
【符号の説明】
１１…半絶縁性ＩｎＰ基板、１２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層の一部）、１３…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、１４…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層、１５…ｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、１６…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、１７…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、１８…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、１９…ｎ型ＩｎＰ層、１１０…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、１１１…エミッタ電極、１１２…ベース電極、１１３…コレクタ電極、
２１…半絶縁性ＩｎＰ基板、２２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、２３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、２４…ｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、２５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、２６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、２７…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、２８…ｎ型ＩｎＰ層、２９…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、２１０…エミッタ電極、２１１…ベース電極、２１２…コレクタ電極、
３１…半絶縁性ＩｎＰ基板、３２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、３３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、３４…ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドーブＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、３５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、３６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、３７…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、３８…ｎ型ＩｎＰ層、３９…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、３１０…エミッタ電極、３１１…ベース電極、３１２…コレクタ電極、
４１…半絶縁性ＩｎＰ基板、４２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、４３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、４４…ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、４５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、４６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、４７…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、４８…ｎ型ＩｎＰ層、４９…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、４１０…エミッタ電極、４１１…ベース電極、４１２…コレクタ電極、
５１…半絶縁性ＩｎＰ基板、５２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、５３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、５４…ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、５５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、５６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、５７…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、５８…エミッタ電極、５９…ベース電極、５１０…コレクタ電極、
９１…光入射面、９２…ｎ型ＩｎＰ基板、９３…ｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、９４…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、９５…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、９６…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、９７…エミッタ電極、９８…コレクタ電極。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a phototransistor.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 is a schematic sectional view of an example of a conventional phototransistor.
[0003]
91 is a light incident surface, 92 is an n-type InP substrate, 93 is an n-type InGaAs collector layer (light absorption layer), 94 is a p-type InGaAs base layer (light absorption layer), 95 is an n-type InP emitter layer, and 96 is n + Type InP layer (lower layer) and n + An emitter contact layer made of a type InGaAsP layer (upper layer), 97 is an emitter electrode, and 98 is a collector electrode.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
A conventional phototransistor has a planar light receiving structure as shown in FIG. 6, and the incident direction of light is limited to an upper surface or a lower surface (upper surface in FIG. 6), and is directly connected to an optical fiber or an optical waveguide from a lateral direction. There is a problem that optical coupling cannot be performed.
[0005]
When the light absorbing layers 63 and 64 are made thicker to increase the light receiving sensitivity, the response speed of the device is limited by the carrier transit time in the device. As described above, there is a trade-off relationship between the light receiving sensitivity and the response speed of the element. For this reason, the conventional structure has a problem that the light receiving sensitivity is drastically reduced when the element is operated at a higher speed.
[0006]
An object of the present invention is to provide a high-speed phototransistor capable of receiving light in a lateral direction, having high light-receiving sensitivity, and having a high speed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a heterojunction phototransistor structure comprising an emitter, a base, and a collector layer, wherein the emitter layer or the emitter layer and the collector layer are provided on a substrate with a layer made of a heterogeneous semiconductor having a larger band gap energy than the base layer. An optical guide layer is inserted in or near the emitter or collector layer, has a multi-mode optical waveguide structure, and is capable of inputting light from a lateral direction. Further, in a structure in which the light guide layer on the emitter side is thinner than the light guide layer on the collector side or the structure without the light guide layer on the emitter side, the center of the guided mode has a multi-mode light guide structure in which the light guide layer exists in the collector side. It is characterized by the following.
[0008]
That is, the present invention includes a structure in which an emitter layer having a first conductivity type, a base layer having a second conductivity type, and a collector layer having a first conductivity type are stacked in this order. In a heterojunction phototransistor in which a layer or the emitter layer and the collector layer are made of a semiconductor having a bandgap energy larger than that of the base layer, the heterojunction phototransistor in the emitter layer or the emitter layer is opposite to the base layer. Both in the side part and in the collector layer or on the part of the collector layer opposite the base layer Each other Provide a semiconductor layer to be a light guide layer having a different thickness or composition, The upper light guide layer has a thickness equal to or less than the lower light guide layer, The entire semiconductor laminated structure including the semiconductor layer serving as the light guide layer is configured to have an optical waveguide structure, and the semiconductor laminated structure is configured such that a waveguide mode of light propagating through the optical waveguide is multimode. The thickness and composition of each semiconductor layer are set.
Further, it has a structure in which an emitter layer having a first conductivity type, a base layer having a second conductivity type, and a collector layer having a first conductivity type are stacked in this order, wherein the emitter layer, or In the heterojunction phototransistor in which the emitter layer and the collector layer are made of a semiconductor having a bandgap energy larger than that of the base layer, any one of the collector layer and a portion opposite to the base layer with respect to the collector layer. Or Light Providing a semiconductor layer to be a guide layer, The emitter layer is located above the base layer, and no light guide layer is provided on the emitter layer side; The entire semiconductor laminated structure including the semiconductor layer serving as the light guide layer is configured to have an optical waveguide structure, and the semiconductor laminated structure is configured such that a waveguide mode of light propagating through the optical waveguide is multimode. The thickness and composition of each semiconductor layer are set.
Further, each semiconductor of the semiconductor laminated structure may be such that the center of the guided mode of the propagating light exists in the collector layer or in the light guide layer provided on the opposite side of the base layer with respect to the collector layer. The thickness and composition of the layer are set.
Further, it has a structure in which an emitter layer having a first conductivity type, a base layer having a second conductivity type, and a collector layer having a first conductivity type are stacked in this order, wherein the emitter layer, or In a heterojunction phototransistor in which the emitter layer and the collector layer are made of a semiconductor having a bandgap energy larger than that of the base layer, any one of the emitter layer and a portion of the emitter layer opposite to the base layer with respect to the emitter layer. Or Light Providing a semiconductor layer to be a guide layer, The collector layer is located above the base layer, and no light guide layer is provided on the collector layer side, The entire semiconductor laminated structure including the semiconductor layer serving as the light guide layer is configured to have an optical waveguide structure, and the semiconductor laminated structure is configured such that a waveguide mode of light propagating through the optical waveguide is multimode. The thickness and composition of each semiconductor layer are set.
Further, each semiconductor of the semiconductor laminated structure may be such that the center of the guided mode of the propagating light exists in the emitter layer or in the light guide layer provided on the side opposite to the base layer with respect to the emitter layer. The thickness and composition of the layer are set.
Further, the thickness of the emitter layer is in the range of 0.01 μm to 0.1 μm.
[0013]
According to the present invention, a light guide layer is inserted into or near the emitter or collector layer to form a multi-mode optical waveguide structure, thereby achieving high-efficiency optical coupling with an optical waveguide such as an optical fiber. Therefore, the light receiving sensitivity (light receiving efficiency) when operating between the base and the collector as a photodiode can be increased. Here, the center of the waveguide mode means the position on the axis in the layer thickness direction at which the coupling efficiency is maximum for symmetric light from an optical fiber or the like. In the present invention, in the emitter-up structure in which the emitter is located on the upper side, the emitter-side light guide layer is thinner than the collector-side light guide layer or has no emitter-side light guide layer, so that the emitter mesa etching during the manufacturing process can be performed. The height can be reduced, a fine emitter layer can be easily formed with high accuracy, and the device can be easily operated at high speed. In the collector-up structure in which the collector is located on the upper side, the collector-side light guide layer is thinner than the emitter-side light guide layer or the structure without the collector-side light guide layer allows the collector mesa etching height during the manufacturing process to be increased. , The fine emitter layer can be easily formed with high accuracy, and the device can be easily operated at high speed. In addition, the bandgap of the emitter is wide and the thickness of the emitter layer having a low refractive index is reduced to 0.1 μm or less. The electric field distribution becomes relatively smooth, and high-efficiency optical coupling is facilitated. Thus, with the prior art, it is possible to receive light in the horizontal direction, and it is possible to receive light with high efficiency for direct optical coupling with optical fibers and other optical waveguides, and it is easy to manufacture a fine structure, and The difference is that high-speed response is possible.
[0014]
As described above, according to the present invention, light can be incident from the lateral direction, and the light guide layer is inserted into or near the emitter or collector layer to form a multi-mode optical waveguide structure. As a result, high-efficiency light reception can be performed even when the thickness of the light absorption layer is smaller than that of a conventional planar phototransistor. At the same time, since the thickness of the light absorbing layer can be reduced, the speed is hardly limited by the traveling time of the carrier, and an element capable of high-speed response while maintaining high light receiving sensitivity can be manufactured. Further, in a phototransistor of a type in which light is incident from the upper surface, it is necessary to provide a light receiving window in the electrode, so that the element size increases and the element capacitance also increases. In addition, since a phototransistor of a type in which light is incident from the bottom has an optical path length of about 100 μm, which is the substrate thickness, when direct coupling with an optical fiber or the like is considered, the size of the element is taken into account in consideration of the spread of light therebetween. There is a problem that it is necessary to increase the size. In contrast, in the case of the present invention, since light is received at the end face of the element, it is not necessary to provide a light receiving window in the electrode, and the light receiving length can be at most about several tens of μm. And the element capacitance can be reduced. Further, in the emitter-up structure, the emitter-side light guide layer is thinner than the collector-side light guide layer, or in the structure without the emitter-side light guide layer, or in the collector-up structure, the collector-side light guide layer is By adopting a structure that is thinner than the guide layer or has no collector-side light guide layer, the emitter or collector mesa etching height during the manufacturing process can be low, and a fine emitter or collector can be easily formed with high precision. In addition, miniaturization of the element size can be easily achieved, and high-speed operation can be achieved.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1
FIG. 1 is a schematic sectional view of a phototransistor according to the first embodiment of the present invention.
[0016]
Numeral 11 is a semi-insulating InP substrate, 12 is n of a composition having a film thickness of 0.7 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.1 μm. + InGaAsP subcollector layer (part of the collector-side light guide layer) 13 is an n-type InGaAsP collector layer (collector-side light guide layer) having a thickness of 0.3 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.1 μm. , 14 are an n-type InGaAsP collector layer having a thickness of 0.02 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm, 15 is an n-type InGaAs collector layer (light absorption layer) having a thickness of 0.06 μm, and 16 is A 0.1 μm-thick p-type InGaAs base layer (light absorbing layer), 17 a 0.2 μm-thick n-type InP emitter layer, 18 a 0.8 μm-thick film, and a band gap corresponding to a wavelength of 1.3 μm. N-type InGaAsP emitter-side light guide layer having the following composition: 19, an n-type InP layer having a thickness of 0.5 μm; + Type InP layer (thickness 0.1 μm, lower layer) and n + Contact layer having a thickness of 0.2 μm, which is composed of a type InGaAsP layer (having a thickness of 0.1 μm and a band gap having a composition corresponding to a wavelength of 1.3 μm, upper layer), 111 is an emitter electrode, 112 is a base electrode, and 113 is a collector electrode It is.
[0017]
The emitter area of the device of this embodiment is 4 μm × 30 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of an InGaAs light absorption layer having a thickness of 0.4 μm, the light spot size (light intensity is 1 / e 2 (E is the natural logarithm base) of about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when the InGaAsP light guide layers 12 and 13 and 18 having a thickness of 0.8 μm or more are inserted outside the emitter and collector layers, respectively, as in the present embodiment, higher order modes besides the fundamental mode are obtained. Is a multi-mode waveguide that can propagate this mode. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. The thickness and composition of the light guide layer and the thickness and composition of the light absorbing layer can be appropriately designed and selected by a known optical waveguide design method so that the light propagation mode is multimode. When the light receiving efficiency was evaluated by using a forward spherical optical fiber as a photodiode between the base and the collector by light incident in the lateral direction, a non-reflective film was formed on the incident surface, and a reverse bias of 1.55 μm light was obtained. A large value of light receiving efficiency of 0.8 or more was obtained by applying 5 V. By the way, with the vertical light incidence of the conventional structure, only the light receiving efficiency of 0.1 was obtained. Further, as compared with the top light incidence type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, and therefore the element area can be reduced. The optical gain of the device is 50 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 30 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be similarly manufactured using an n-type InP substrate. Further, in this embodiment mode, the base electrode 112 is formed and the phototransistor is used with an electric bias. However, the base electrode is not necessarily required, and an optical bias may be used instead of the electric bias. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. Here, although bulks having a uniform composition are used as the light absorbing layers 15 and 16, a SAGM (Separate-absorption-graded-multiplication) structure used for an avalanche photodiode is used. Needless to say, a semiconductor layer having a SAM-SL (Separate Absorption and Multiplication Superlattice) structure or another superlattice structure may be used. Regarding the heterojunction structure, various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure, a graded emitter structure, etc. for the emitter, and a ballistic correction transistor (BCT) structure, a p-type collector structure, a graded collector structure for the collector, etc. It is needless to say that may be applied. Further, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP / InP system, such as an InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having an intrinsic strain.
[0018]
Embodiment 2
FIG. 2 is a schematic sectional view of a phototransistor according to the second embodiment of the present invention.
[0019]
Reference numeral 21 denotes a semi-insulating InP substrate, and 22 denotes an n-type composition having a thickness of 0.8 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm. + InGaAsP subcollector layer (collector-side light guide layer), 23 is an n-type InP subcollector layer having a thickness of 0.17 μm, and 24 is an n-type InGaAs collector layer (light absorption layer) having a thickness of 0.3 μm. The layer structure is as follows: from the n-type InP subcollector layer 23 side, an n-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, an undoped InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, a p-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm; .27 .mu.m undoped InGaAs layer. 25 is a p-type InGaAs base layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.1 μm, 26 is an n-type InP emitter layer having a thickness of 0.02 μm, 27 is 0.8 μm in thickness, and has a band gap of 1.3 μm. N-type InGaAsP emitter-side light guide layer having a composition corresponding to the following, 28 is an n-type InP layer (cladding layer) having a thickness of 0.5 μm, and 29 is n-type. + Type InP layer (thickness 0.1 μm, lower layer) and n + 0.2 μm-thick emitter contact layer composed of a type InGaAsP layer (thickness 0.1 μm, composition whose band gap corresponds to a wavelength of 1.3 μm, upper layer), 210 is an emitter electrode, 211 is a base electrode, and 212 is a collector electrode It is.
[0020]
The emitter area of the device of this embodiment is 4 μm × 20 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm, the light spot size is about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when an InGaAsP light guide layer having a thickness of 0.8 μm is inserted outside the emitter and collector layers as in the present embodiment, higher-order modes can propagate in addition to the fundamental mode. It becomes a multimode waveguide. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. The thickness and composition of the light guide layer and the thickness and composition of the light absorbing layer can be appropriately designed and selected by a known optical waveguide design method so that the light propagation mode is multimode. In this embodiment, the emitter layer 26 is made as thin as 0.02 μm. With this thickness, the tunnel effect does not occur for the injection of electrons into the base, and it acts as a sufficiently large barrier against the reverse injection of holes from the base. The effect of the presence of this emitter layer is small, and a relatively smooth mode profile can be obtained. As a result, highly efficient optical coupling is easily obtained, and the tolerance due to the displacement of the optical fiber is increased. When the light receiving efficiency was evaluated by using a forward spherical optical fiber as a photodiode between the base and the collector by light incident in the lateral direction, a non-reflective film was formed on the incident surface, and a reverse bias of 1.55 μm light was obtained. A large value of light receiving efficiency of 0.8 or more was obtained by applying 5 V. By the way, with the vertical light incidence of the conventional structure, only the light receiving efficiency of 0.24 was obtained. Further, as compared with the top light incidence type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, and therefore the element area can be reduced. The optical gain of the device is 50 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 40 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be similarly manufactured using an n-type InP substrate. Further, in this embodiment, the emitter layer having a thickness of 0.02 μm is used, but the same effect can be obtained when the emitter layer has a thickness of 0.01 to 0.1 μm. In this embodiment mode, the base electrode 211 is formed and the phototransistor is used with an electric bias. However, the base electrode is not necessarily required, and an optical bias may be used instead of the electric bias. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. In addition, here, bulks having a uniform composition are used as the light absorbing layers 24 and 25, but the SAGM structure, the SAM-SL structure, or another superlattice structure semiconductor layer used for an avalanche photodiode is used. Needless to say, this may be done. Further, as for the heterojunction structure, it goes without saying that various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure, and a graded emitter structure may be applied to the emitter. Further, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP / InP system, such as an InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having an intrinsic strain.
[0021]
Embodiment 3
FIG. 3 is a schematic sectional view of a phototransistor according to the third embodiment of the present invention.
[0022]
Reference numeral 31 denotes a semi-insulating InP substrate, and 32 denotes an n having a composition having a film thickness of 1.4 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm. + InGaAsP subcollector layer (collector-side light guide layer), 33 is an n-type InP subcollector layer having a thickness of 0.17 μm, and 34 is an InGaAs collector layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.23 μm. The structure includes an n-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, an undoped InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, a p-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, and a thickness of 0.2 μm from the n-type InP subcollector layer 33 side. Undoped InGaAs layer. 35 is a p-type InGaAs base layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.07 μm, 36 is an n-type InP emitter layer having a thickness of 0.2 μm, 37 is 0.2 μm in thickness, and has a band gap of 1.4 μm. N-type InGaAsP emitter-side light guide layer having a composition corresponding to the following, 38 is an n-type InP layer having a thickness of 0.2 μm, and 39 is n-type InP layer. + Type InP layer (thickness 0.1 μm, lower layer) and n + 0.2 μm-thick emitter contact layer composed of a p-type InGaAsP layer (thickness 0.1 μm, composition whose band gap corresponds to a wavelength of 1.4 μm, upper layer), 310 is an emitter electrode, 311 is a base electrode, 312 is a collector electrode It is.
[0023]
The emitter area of the device of this embodiment is 4 μm × 30 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm, the light spot size is about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when the InGaAsP light guide layers 32 and 37 as thick as 1.6 μm are inserted outside the emitter and collector layers as in the present embodiment, higher-order modes propagate in addition to the fundamental mode. A possible multimode waveguide. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. The thickness and composition of the light guide layer and the thickness and composition of the light absorption layer can be appropriately designed and selected by a known optical waveguide design method so that the light propagation mode is multimode. . The emitter-side light guide layer 37 is made as thin as 0.2 μm. With this thickness, the emitter mesa etching height during the manufacturing process can be reduced, and a fine emitter can be easily formed with high accuracy. Further, since the collector-side light guide layer 32 is sufficiently thicker than the emitter-side light guide layer 37 and has a multi-mode optical waveguide structure in which the center of the waveguide mode exists in the collector-side light guide layer 32, the above-described structure is achieved. As described above, highly efficient optical coupling is easily obtained, and the tolerance due to the displacement of the optical fiber is increased. When the light receiving efficiency was evaluated by using a forward spherical optical fiber as a photodiode between the base and the collector by light incident in the lateral direction, a non-reflective film was formed on the incident surface, and a reverse bias of 1.55 μm light was obtained. A large value of light receiving efficiency of 0.8 or more was obtained by applying 5 V. Incidentally, the light receiving efficiency of only 0.18 was obtained with the vertical light incidence of the conventional structure. Further, as compared with the top light incidence type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, and therefore the element area can be reduced. The optical gain of the device is 100 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 40 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be similarly manufactured using an n-type InP substrate. Further, in this embodiment mode, the base electrode 311 is formed and the phototransistor is used with an electric bias. However, the base electrode is not necessarily required, and an optical bias may be used instead of the electric bias. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. In addition, here, bulks having a uniform composition are used as the light absorption layers 34 and 35, but the SAGM structure, the SAM-SL structure, or another superlattice structure semiconductor layer used for an avalanche photodiode is used. Needless to say, this may be done. Further, as for the heterojunction structure, it goes without saying that various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure, and a graded emitter structure may be applied to the emitter. Further, in this embodiment, a ballistic collection transistor (BCT) structure is used for the collector, but various structures such as a normal collector structure, a p-type collector structure, and a graded collector structure may be applied. Needless to say. Further, in the present embodiment, the InGaAsP layers 32 and 37 having a composition corresponding to a band gap of 1.4 μm are used as the light guide layers 32 and 37 on the emitter and collector sides. Instead, light guide layers having different compositions may be used. The light guide layer may not have a uniform composition but may have a gradient composition. Further, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP / InP system, such as an InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having an intrinsic strain.
[0024]
Embodiment 4
FIG. 4 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a fourth embodiment of the present invention.
[0025]
Reference numeral 41 denotes a semi-insulating InP substrate, and reference numeral 42 denotes an n having a composition having a film thickness of 1.4 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm. + InGaAsP subcollector layer (collector-side light guide layer), 43 is an n-type InP subcollector layer having a thickness of 0.17 μm, and 44 is an InGaAs collector layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.23 μm. The structure includes an n-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, an undoped InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, a p-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, and a thickness of 0.2 μm from the n-type InP subcollector layer 43 side. Undoped InGaAs layer. 45 is a p-type InGaAs base layer (light absorption layer) having a thickness of 0.07 μm, 46 is an n-type InP emitter layer having a thickness of 0.02 μm, 47 is 0.2 μm in thickness, and has a band gap of 1.4 μm. N-type InGaAsP emitter-side light guide layer of a corresponding composition, 48 is an n-type InP layer (cladding layer) having a thickness of 0.3 μm, and 49 is n + Type InP layer (thickness 0.1 μm, lower layer) and n + 0.2 μm-thick emitter contact layer composed of a p-type InGaAsP layer (thickness: 0.1 μm, band gap: composition corresponding to a wavelength of 1.4 μm, upper layer), 410: emitter electrode, 411: base electrode, 412: collector electrode It is.
[0026]
The emitter area of the device of this embodiment is 4 μm × 20 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm, the light spot size is about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when the InGaAsP light guide layers 42 and 47 having a thickness of 1.6 μm in total are inserted outside the emitter and collector layers as in the present embodiment, a higher-order mode propagates in addition to the fundamental mode. A possible multimode waveguide. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. The thickness and composition of the light guide layer and the thickness and composition of the light absorption layer can be appropriately designed and selected by a known optical waveguide design method so that the light propagation mode is multimode. . In the present embodiment, the thickness of the emitter layer 46 is reduced to 0.02 μm. With this thickness, a tunnel effect does not occur when electrons are injected into the base, and it acts as a sufficiently large barrier against reverse injection of holes from the base. The effect of the emitter layer is small, and a relatively smooth mode profile can be obtained. Further, the thickness of the light guide layer 47 on the emitter side is reduced to 0.2 μm. As a result, the height of the emitter mesa etching during the manufacturing process can be reduced, and a fine emitter can be easily formed with high precision. Further, since the collector-side light guide layer 42 is sufficiently thicker than the emitter-side light guide layer 47, the center of the guided mode exists in the collector-side light guide layer, and the multi-mode optical waveguide structure is provided. As described above, highly efficient optical coupling can be easily obtained, and the tolerance due to the displacement of the optical fiber increases. When the light receiving efficiency was evaluated by using a forward spherical optical fiber as a photodiode between the base and the collector by light incident in the lateral direction, a non-reflective film was formed on the incident surface, and a reverse bias of 1.55 μm light was obtained. A large value of light receiving efficiency of 0.8 or more was obtained by applying 5 V. Incidentally, the light receiving efficiency of only 0.18 was obtained with the vertical light incidence of the conventional structure. Further, as compared with the top light incidence type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, and therefore the element area can be reduced. The optical gain of the device is 100 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 40 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be similarly manufactured using an n-type InP substrate. Further, in this embodiment, the emitter layer having a thickness of 0.02 μm is used, but the same effect can be obtained when the emitter layer thickness is in the range of 0.01 to 0.1 μm. In this embodiment mode, the base electrode 411 is formed and the phototransistor is used with an electric bias. However, the base electrode is not necessarily required, and an optical bias may be used instead of the electric bias. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. In addition, here, a bulk having a uniform composition is used as the light absorption layer, but a semiconductor layer having the SAGM structure, the SAM-SL structure, or another superlattice structure used for an avalanche photodiode may be used. Needless to say. Further, as for the heterojunction structure, it goes without saying that various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure, and a graded emitter structure may be applied to the emitter. Further, in this embodiment, a ballistic collection transistor (BCT) structure is used for the collector, but various structures such as a normal collector structure, a p-type collector structure, and a graded collector structure may be applied. Needless to say. Further, in the present embodiment, the InGaAsP layers each having a composition corresponding to a band gap of 1.4 μm are used as the light guide layers 42 and 47 on the emitter and collector sides. A light guide layer having a different composition may be used. The light guide layer may not have a uniform composition but may have a gradient composition. Further, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP / InP system, such as an InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having an intrinsic strain.
[0027]
Embodiment 5
FIG. 5 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a fifth embodiment of the present invention.
[0028]
Reference numeral 51 denotes a semi-insulating InP substrate; 52, an n-type composition having a film thickness of 1.4 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm; + InGaAsP subcollector layer (collector-side light guide layer), 53 is an n-type InP subcollector layer having a thickness of 0.17 μm, and 54 is an InGaAs collector layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.23 μm. The structure includes an n-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, an undoped InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, a p-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, and a thickness of 0.2 μm from the n-type InP subcollector layer 53 side. Undoped InGaAs layer. 55 is a p-type InGaAs base layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.07 μm; 56 is an n-type InP emitter layer having a thickness of 0.3 μm; + Type InP layer (thickness 0.1 μm, lower layer) and n + 0.2 μm-thick emitter contact layer composed of a p-type InGaAsP layer (thickness 0.1 μm, composition whose band gap corresponds to a wavelength of 1.4 μm, upper layer), 58 is an emitter electrode, 59 is a base electrode, and 510 is a collector electrode It is.
[0029]
In the present embodiment, the thickness of the emitter layer 56 is slightly thick at 0.3 μm, and functions as a cladding layer. The emitter area of the device is 4 μm × 30 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs absorption layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm, the light spot size is about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when the InGaAsP light guide layer 52 having a thickness of 1.4 μm is inserted outside the collector layer 54 as in the present embodiment, a multi-mode waveguide capable of transmitting higher-order modes in addition to the fundamental mode can be obtained. It becomes a wave path. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. The thickness and composition of the light guide layer and the thickness and composition of the light absorption layer can be appropriately designed and selected by a known optical waveguide design method so that the light propagation mode is multimode. . Further, in the present embodiment, the tolerance due to the displacement of the optical fiber also increases. In this embodiment, the light guide layer on the emitter side is eliminated. As a result, the height of the emitter mesa etching during the manufacturing process can be reduced, and a fine emitter can be easily formed with high precision. Here, the emitter layer 56 also functions as an upper cladding layer. The light-receiving efficiency was evaluated using a forward-facing optical fiber and a photodiode between the base and collector by the laterally incident light. The light-receiving efficiency was slightly reduced compared to the case with the emitter-side light guide layer. By forming a non-reflective film on the surface, a sufficiently large value of light receiving efficiency of 0.7 or more was obtained by applying a reverse bias of 1.5 V to light having a wavelength of 1.55 μm. Incidentally, the light receiving efficiency of only 0.18 was obtained with the vertical light incidence of the conventional structure. Further, as compared with the top light incidence type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, and therefore the element area can be reduced. The optical gain of the device is 100 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 40 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be similarly manufactured using an n-type InP substrate. Further, in the present embodiment, the base electrode 59 is formed and the phototransistor is used with electric bias. However, the base electrode is not necessarily required, and an optical bias may be used instead of the electric bias. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. In addition, here, bulks having a uniform composition are used as the light absorption layers 54 and 55. However, the SAGM structure, the SAM-SL structure, or another semiconductor layer having a superlattice structure used for an avalanche photodiode is used. Needless to say, this may be done. Further, as for the heterojunction structure, it goes without saying that various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure, and a graded emitter structure may be applied to the emitter. Further, in this embodiment, a ballistic collection transistor (BCT) structure is used for the collector, but various structures such as a normal collector structure, a p-type collector structure, and a graded collector structure may be applied. Needless to say. Further, in the present embodiment, as the light guide layer 52 on the collector side, an InGaAsP layer having a composition whose band gap corresponds to a wavelength of 1.4 μm is used, but a light guide layer having a composition different from this may be used. Needless to say. The light guide layer 52 may not have a uniform composition but may have a gradient composition. Further, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP / InP system, such as an InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having an intrinsic strain.
[0030]
Embodiment 6
FIG. 6 is a schematic sectional view of a phototransistor according to the sixth embodiment of the present invention.
[0031]
This embodiment is a case of a collector-up structure in which the collector is on the upper side. 69 is n + Type InP (0.1 μm thickness, lower layer) / n + A 0.2 μm thick collector contact layer made of a type InGaAsP (composition having a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm, a thickness of 0.1 μm, an upper layer); 68, an n-type InP layer with a thickness of 0.2 μm; An n-type InGaAsP collector-side light guide layer having a thickness of 0.2 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm, 66 is an n-type InP subcollector layer having a thickness of 0.17 μm, and 65 is a 0.1 μm-thick sub-collector layer. A 23 μm InGaAs collector layer (light absorbing layer) having a specific layer structure includes an n-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, an undoped InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, and a film from the n-type InP subcollector layer 66 side. It consists of a 0.01 μm thick p-type InGaAs layer and a 0.2 μm thick undoped InGaAs layer. 64 is a p-type InGaAs base layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.07 μm, 63 is an n-type InP emitter layer having a thickness of 0.2 μm, 62 is a film having a thickness of 1.4 μm and a band gap having a wavelength of 1.4 μm. N having a composition corresponding to + InGaAsP subemitter layer (emitter-side light guide layer), 61 is a semi-insulating InP substrate, 610 is an emitter electrode, and 611 is a collect electrode.
[0032]
The collector area of the device of this embodiment is 4 μm × 30 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm, the light spot size is about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when the InGaAsP light guide layers 62 and 67 are inserted outside the emitter and collector layers, respectively, as in the present embodiment, a multi-mode waveguide capable of propagating higher-order modes in addition to the fundamental mode. It becomes. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. The collector-side light guide layer 67 is made as thin as 0.2 μm. With this film thickness, the collector mesa etching height during the fabrication process can be reduced, and a fine collector can be easily formed with high accuracy. Further, since the emitter-side light guide layer 62 is sufficiently thicker than the collector-side light guide layer 67 and has a multi-mode optical waveguide structure in which the center of the waveguide mode exists in the emitter-side light guide layer 62, the above-described structure is achieved. As described above, highly efficient optical coupling is easily obtained, and the tolerance due to the displacement of the optical fiber is increased. When the light receiving efficiency was evaluated by using a forward spherical optical fiber as a photodiode between the base and the collector by light incident in the lateral direction, a non-reflective film was formed on the incident surface, and a reverse bias of 1.55 μm light was obtained. A large value of light receiving efficiency of 0.8 or more was obtained by applying 5 V. Incidentally, the light receiving efficiency of only 0.18 was obtained with the vertical light incidence of the conventional structure. Also, as compared with the top-illuminated type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, so that the element area can be small. The optical gain of the device is 100 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 40 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be manufactured similarly using an n-type InP substrate. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. In addition, here, a bulk having a uniform composition is used as the absorbing layer, but it goes without saying that the SAGM structure, the SAM-SL structure, or another semiconductor layer having a superlattice structure may be used. Regarding the heterojunction structure, it goes without saying that various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure, and a graded emitter structure may be applied to the emitter. Further, in this embodiment, a ballistic collection transistor (BCT) structure is used for the collector, but various structures such as a normal collector structure, a p-type collector structure, and a graded collector structure may be applied. Needless to say. In this embodiment, the 1.4 μm composition InGaAsP layers are both used as the light guide layers on the emitter and collector sides. However, the composition does not need to be the same, and guide layers having different compositions may be used. . The light guide layer may not have a uniform composition but may have a gradient composition. In addition, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP system, such as InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having intrinsic strain.
[0033]
Embodiment 7
FIG. 7 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a seventh embodiment of the present invention.
[0034]
This embodiment is a case of a collector-up structure in which the collector is on the upper side. 79 is n + Type InP layer (0.1 μm thickness, lower layer) / n + A 0.2 μm-thick collector contact layer made of a type InGaAsP layer (composition having a thickness of 0.1 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm, upper layer); 78, an n-type InP layer with a thickness of 0.2 μm; Denotes an n-type InGaAsP collector-side light guide layer having a composition having a film thickness of 0.2 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm; 76, an n-type InP subcollector layer having a thickness of 0.17 μm; .23 .mu.m InGaAs collector layer (light absorbing layer) having a specific layer structure of 0.01 .mu.m thick n-type InGaAs layer, 0.01 .mu.m undoped InGaAs layer from the n-type InP subcollector layer 76 side, The p-type InGaAs layer has a thickness of 0.01 μm and an undoped InGaAs layer has a thickness of 0.2 μm. 74 is a p-type InGaAs base layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.07 μm, 73 is an n-type InP emitter layer having a thickness of 0.2 μm, and 72 is a band gap having a thickness of 1.4 μm corresponding to a wavelength of 1.4 μm. Composition n + InGaAsP sub-emitter layer (emitter-side light guide layer), 71 is a semi-insulating InP substrate, 710 is an emitter electrode, and 711 is a collect electrode.
[0035]
The collector area of the device of the present embodiment is 4 μm × 20 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm, the light spot size is about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when the InGaAsP light guide layers 72 and 77 are inserted outside the emitter and collector layers, respectively, as in the present embodiment, a multi-mode waveguide capable of transmitting higher-order modes in addition to the fundamental mode. It becomes. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. Further, the emitter layer is made as thin as 0.02 μm. This is because the tunnel effect does not occur for the injection of electrons into the base and acts as a sufficiently large barrier against the back injection of holes from the base. Is small, and a relatively smooth mode profile can be obtained. The collector-side light guide layer 77 is made as thin as 0.2 μm. As a result, the collector mesa etching height during the manufacturing process can be reduced, and a fine collector can be easily formed with high precision. Further, since the emitter-side light guide layer 72 is sufficiently thicker than the collector-side light guide layer 77 and has a multimode optical waveguide structure in which the center of the waveguide mode exists in the emitter-side light guide layer 72, the above-described structure is achieved. As described above, highly efficient optical coupling is easily obtained, and the tolerance due to the displacement of the optical fiber is increased. The light receiving efficiency was evaluated using a spherical optical fiber and a photodiode between the base and collector. By forming a non-reflective film on the incident surface, the light receiving efficiency was applied at 1.55 μm wavelength with a reverse bias of 1.5 V applied. A large value of 0.8 or more was obtained. Incidentally, the light receiving efficiency of only 0.18 was obtained with the vertical light incidence of the conventional structure. Further, as compared with the top light incidence type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, and therefore the element area can be reduced. The optical gain of the device is 100 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 40 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be manufactured similarly using an n-type InP substrate. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. In addition, here, a bulk having a uniform composition is used as the absorption layer. However, the SAGM structure, the SAM-SL structure, or another semiconductor layer having a superlattice structure used for an avalanche photodiode may be used. Needless to say. Regarding the heterojunction structure, it goes without saying that various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure, and a graded emitter structure may be applied to the emitter. Further, in this embodiment, a ballistic collection transistor (BCT) structure is used for the collector, but various structures such as a normal collector structure, a p-type collector structure, and a graded collector structure may be applied. Needless to say. Further, in the present embodiment, the 1.4 μm composition InGaAsP layer is used for both the light guide layers on the emitter and collector sides. However, the composition does not need to be the same, and guide layers having different compositions may be used. Good. The light guide layer may not have a uniform composition but may have a gradient composition. Further, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP / InP system, such as an InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having an intrinsic strain.
[0036]
Embodiment 8
FIG. 8 is a schematic sectional view of a phototransistor according to the eighth embodiment of the present invention.
[0037]
This embodiment is a case of a collector-up structure in which the collector is on the upper side. 87 is n + Type InP layer (0.1 μm thickness, lower layer) / n + A 0.2 μm-thick collector contact layer composed of a p-type InGaAsP layer (composition having a thickness of 0.1 μm and a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm; 86) an n-type InP subcollector layer of 0.3 μm thickness Reference numerals 85 denote an InGaAs collector layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.23 μm. The specific layer structure is an n-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm from the n-type InP sub-collector layer 86 side. An undoped InGaAs layer having a thickness of 01 μm, a p-type InGaAs layer having a thickness of 0.01 μm, and an undoped InGaAs layer having a thickness of 0.2 μm. 84 is a p-type InGaAs base layer (light absorbing layer) having a thickness of 0.07 μm, 83 is an nInP emitter layer having a thickness of 0.2 μm, 82 is 1.4 μm, and has a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm. Composition n + InGaAsP subemitter layer (emitter-side light guide layer), 81 is a semi-insulating InP substrate, 88 is an emitter electrode, and 89 is a collector electrode.
[0038]
In the present embodiment, the sub-collector layer 86 is slightly thick, 0.3 μm in thickness, and functions as a cladding layer. The collector area of the device is 4 μm × 30 μm. A semiconductor waveguide having a double hetero structure in which an InGaAs light absorbing layer having a thickness of 0.4 μm or less is sandwiched between InP cladding layers is a single mode optical waveguide. At this time, for example, in the case of a 0.4 μm InGaAs light absorbing layer, the light spot size is about 0.3 μm. On the other hand, when the light in the long wavelength band emitted from the optical fiber is narrowed down by a lens or the like, the spot size is 1.0 μm or more, which is larger than that of the single mode optical waveguide, and both have a small coupling efficiency due to a large mismatch. It becomes. On the other hand, when the thick InGaAsP light guide layer 82 is inserted outside the emitter layer as in the present embodiment, the waveguide becomes a multi-mode waveguide through which higher-order modes can propagate in addition to the fundamental mode. Since the spot size of the higher-order mode increases with the film thickness of the light guide layer, optical coupling with the higher-order mode occurs, and the coupling efficiency as a sum of each mode is greatly improved. Also, the tolerance due to the displacement of the optical fiber increases. Also, the collector-side light guide layer is eliminated. As a result, the collector mesa etching height during the manufacturing process can be reduced, and a fine collector can be easily formed with high precision. The light receiving efficiency was evaluated using a spherical optical fiber and a photodiode between the base and collector. The light receiving efficiency was slightly reduced compared to the case where there was a collector-side light guide layer. By the formation of the above, a sufficiently large value with a light receiving efficiency of 0.7 or more was obtained by applying a reverse bias of 1.5 V with light having a wavelength of 1.55 μm. Incidentally, the light receiving efficiency of only 0.18 was obtained with the vertical light incidence of the conventional structure. Further, as compared with the top light incidence type, there is no need to provide an entrance window in the electrode portion, and therefore the element area can be reduced. The optical gain of the device is 100 or more. 5 A / cm 2 As a result, a value of the optical gain cutoff frequency of 40 GHz or more was obtained. Although the present embodiment is an example using a semi-insulating InP substrate, it can be similarly manufactured using an n-type InP substrate. Further, a high-speed photodiode can be operated between the base and the collector. Further, here, a bulk having a uniform composition is used as the absorption, but the SAGM structure, the SAM-SL structure, or another semiconductor layer having a superlattice structure used for an avalanche photodiode may be used. Needless to say. Regarding the heterojunction structure, it goes without saying that various structures such as a tunnel emitter structure, a resonant tunnel emitter structure and a graded emitter structure may be applied to the emitter. Further, in this embodiment, a ballistic collection transistor (BCT) structure is used for the collector, but various structures such as a normal collector structure, a p-type collector structure, and a graded collector structure may be applied. Needless to say. Further, in the present embodiment, a 1.4 μm composition InGaAsP layer is used as the light guide layer 82 on the emitter side, but it goes without saying that a guide layer having a composition different from this may be used. The light guide layer may not have a uniform composition but may have a gradient composition. Further, the present invention can be similarly applied to a material system other than the InGaAsP / InP system, such as an InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system having an intrinsic strain.
[0039]
Although the present invention has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the present invention. .
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the phototransistor of the present invention, light can be incident from the lateral direction, and the light guide layer is inserted into or near the emitter or collector layer, and the multi-mode With this optical waveguide structure, light can be received with high efficiency even when the thickness of the light absorption layer is small, as compared with the conventional planar phototransistor. Further, since the thickness of the light absorbing layer can be reduced, the speed is hardly limited by the traveling time of the carrier, and an element capable of high-speed response while maintaining high light receiving efficiency can be manufactured. In the emitter-up structure, the emitter-side light guide layer is thinner than the collector-side light guide layer. In the collector-up structure, the collector-side light guide layer is thinner than the emitter-side light guide layer. By adopting a structure without a layer, the height of the emitter or collector mesa etching during the manufacturing process can be reduced, and a fine emitter or collector can be easily formed with high accuracy, and the speed of the device can be easily increased. As described above, light can be incident in the lateral direction, and highly efficient light reception and high-speed response can be achieved with a small light absorption layer thickness for direct optical coupling with an optical fiber or an optical waveguide.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic sectional view of a phototransistor according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic sectional view of a phototransistor according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an example of a conventional phototransistor.
[Explanation of symbols]
11 ... Semi-insulating InP substrate, 12 ... n + -Type InGaAsP sub-collector layer (part of the collector-side light guide layer), 13 ... n-type InGaAsP collector layer (collector-side light guide layer), 14 ... n-type InGaAsP collector layer, 15 ... n-type InGaAs collector layer (light absorption layer) ), 16 ... p-type InGaAs base layer (light absorbing layer), 17 ... n-type InP emitter layer, 18 ... n-type InGaAsP emitter-side light guide layer, 19 ... n-type InP layer, 110 ... n + Type InP / n + Type InGaAsP emitter contact layer, 111: emitter electrode, 112: base electrode, 113: collector electrode,
21 ... semi-insulating InP substrate, 22 ... n + -Type InGaAsP sub-collector layer (collector-side light guide layer), 23 ... n-type InP sub-collector layer, 24 ... n-type InGaAs collector layer (n-type InGaAs layer, undoped InGaAs layer, p-type InGaAs layer, undoped InGaAs layer, light absorption 25) p-type InGaAs base layer (light absorbing layer), 26 ... n-type InP emitter layer, 27 ... n-type InGaAsP emitter side light guide layer, 28 ... n-type InP layer, 29 ... n + Type InP / n + Type InGaAsP emitter contact layer, 210 ... emitter electrode, 211 ... base electrode, 212 ... collector electrode,
31 ... Semi-insulating InP substrate, 32 ... n + -Type InGaAsP sub-collector layer (collector-side light guide layer), 33 ... n-type InP sub-collector layer, 34 ... InGaAs collector layer (n-type InGaAs layer, Andove InGaAs layer, p-type InGaAs layer, undoped InGaAs layer, light absorption layer) 35, p-type InGaAs base layer (light absorbing layer), 36, n-type InP emitter layer, 37, n-type InGaAsP emitter-side light guide layer, 38, n-type InP layer, 39, n + Type InP / n + Type InGaAsP emitter contact layer, 310 ... emitter electrode, 311 ... base electrode, 312 ... collector electrode,
41 ... Semi-insulating InP substrate, 42 ... n + -Type InGaAsP subcollector layer (collector-side light guide layer), 43... N-type InP subcollector layer, 44... InGaAs collector layer (n-type InGaAs layer, undoped InGaAs layer, p-type InGaAs layer, undoped InGaAs layer, light absorption layer) 45, p-type InGaAs base layer (light absorbing layer), 46, n-type InP emitter layer, 47, n-type InGaAsP emitter-side light guide layer, 48, n-type InP layer, 49, n + Type InP / n + Type InGaAsP emitter contact layer, 410 ... emitter electrode, 411 ... base electrode, 412 ... collector electrode,
51 ... Semi-insulating InP substrate, 52 ... n + InGaAsP subcollector layer (collector-side light guide layer), 53... N-type InP subcollector layer, 54... InGaAs collector layer (n-type InGaAs layer, undoped InGaAs layer, p-type InGaAs layer, undoped InGaAs layer, light absorption layer) , 55 ... p-type InGaAs base layer (light absorbing layer), 56 ... n-type InP emitter layer, 57 ... n + Type InP / n + Type InGaAsP emitter contact layer, 58 ... emitter electrode, 59 ... base electrode, 510 ... collector electrode,
91: Light incident surface, 92: n-type InP substrate, 93: n-type InGaAs collector layer (light absorbing layer), 94: p-type InGaAs base layer (light absorbing layer), 95: n-type InP emitter layer, 96 ... n + Type InP / n + Type InGaAsP emitter contact layer, 97 ... emitter electrode, 98 ... collector electrode.

Claims (6)

第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、
前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分、および、前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対しベース層とは反対側部分、の両方に互いに膜厚、もしくは組成の異なる光ガイド層となる半導体層を設け、
上側の前記光ガイド層を下側の前記光ガイド層以下の厚さにし、
前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、
かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とするフォトトランジスタ。A structure in which an emitter layer having a first conductivity type, a base layer having a second conductivity type, and a collector layer having a first conductivity type are stacked in this order,
In the heterojunction phototransistor, wherein the emitter layer, or the emitter layer and the collector layer are made of a semiconductor having a larger band gap energy than the base layer,
During the emitter layer or the opposite side portions and said base layer to the emitter layer, and, in the collector layer or the opposite side portions to the base layer to the collector layer, the film thickness from each other to both, Alternatively, a semiconductor layer serving as a light guide layer having a different composition is provided,
The upper light guide layer has a thickness equal to or less than the lower light guide layer,
The entire semiconductor laminated structure including the semiconductor layer serving as the light guide layer is configured to be an optical waveguide structure,
A phototransistor wherein the thickness and composition of each semiconductor layer of the semiconductor multilayer structure are set such that the waveguide mode of light propagating through the optical waveguide becomes a multimode. 第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、
前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、
前記エミッタ層は前記ベース層の上側に位置し、該エミッタ層側には光ガイド層を設けず、
前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、
かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とするフォトトランジスタ。A structure in which an emitter layer having a first conductivity type, a base layer having a second conductivity type, and a collector layer having a first conductivity type are stacked in this order,
In the heterojunction phototransistor, wherein the emitter layer, or the emitter layer and the collector layer are made of a semiconductor having a larger band gap energy than the base layer,
In the collector layer, or provided a semiconductor layer to be a light guide layer in any part of the collector layer opposite to the base layer,
The emitter layer is located above the base layer, and no light guide layer is provided on the emitter layer side;
The entire semiconductor laminated structure including the semiconductor layer serving as the light guide layer is configured to be an optical waveguide structure,
A phototransistor wherein the thickness and composition of each semiconductor layer of the semiconductor multilayer structure are set such that the waveguide mode of light propagating through the optical waveguide becomes a multimode. 第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、
前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、
前記コレクタ層は前記ベース層の上側に位置し、該コレクタ層側には光ガイド層を設けず、
前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、
かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とするフォトトランジスタ。A structure in which an emitter layer having a first conductivity type, a base layer having a second conductivity type, and a collector layer having a first conductivity type are stacked in this order,
In the heterojunction phototransistor, wherein the emitter layer, or the emitter layer and the collector layer are made of a semiconductor having a larger band gap energy than the base layer,
A semiconductor layer serving as a light guide layer is provided in the emitter layer, or in any part of the emitter layer opposite to the base layer,
The collector layer is located above the base layer, and no light guide layer is provided on the collector layer side,
The entire semiconductor laminated structure including the semiconductor layer serving as the light guide layer is configured to be an optical waveguide structure,
A phototransistor wherein the thickness and composition of each semiconductor layer of the semiconductor multilayer structure are set such that the waveguide mode of light propagating through the optical waveguide becomes a multimode. 前記伝搬光の導波モードの中心が、前記コレクタ層中もしくは前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする請求項１または２記載のフォトトランジスタ。The center of the waveguide mode of the propagating light is located in the collector layer or in the light guide layer provided on the side opposite to the base layer with respect to the collector layer. 3. The phototransistor according to claim 1, wherein a thickness and a composition are set. 前記伝搬光の導波モードの中心が、前記エミッタ層中もしくは前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする請求項１または３記載のフォトトランジスタ。The center of the waveguide mode of the propagating light exists in the emitter layer or in the light guide layer provided on the side opposite to the base layer with respect to the emitter layer. 4. The phototransistor according to claim 1, wherein a thickness and a composition are set. 前記エミッタ層の膜厚が、０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のフォトトランジスタ。6. The phototransistor according to claim 1, wherein said emitter layer has a thickness in a range of 0.01 μm to 0.1 μm.
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