JP3589920B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光素子に関する。さらに詳しくは、高い外部量子効率を確保しつつ、高速応答が可能な半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に示すように、従来の半導体受光素子としては、例えば、半絶縁性ＩｎＰ基板２０上に、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２１（厚さ０．２μｍ）と、光吸収層としてのアンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）ＩｎＧａＡｓ層２２（厚さ０．４μｍ）及びｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層２３（厚さ０．２μｍ）と、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２４（厚さ０．２μｍ）と、ｐ＋−ＩｎＰ層２５（厚さ０．５μｍ）と、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２６（厚さ０．２μｍ）とを順次エピタキシャル成長させた層構造からなる導波路構造を備えた受光素子（ＰＩＮ−ＰＤ）が用いられている。この半導体受光素子は、さらに、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２１上に形成されたｎ側コンタクト（ＡｕＧｅＮｉ）２８と、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２６とポリイミド２７ａ上に形成されたｐ側コンタクト（ＡｕＺｎＮｉ）２９を有し、ｎ側コンタクト（ＡｕＧｅＮｉ）２８は、ポリイミド２７ｂ上に形成されるパッドとボンディングワイヤーで接続される。
この半導体受光素子の光吸収層を構成するアンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）ＩｎＧａＡｓ層２２は、ｐ−−ＩｎＧａＡｓ層、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層及びｎ―−ＩｎＧａＡｓ層の３層から構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体受光素子によると、高速応答性を実現するために光吸収層２２、２３を１μｍ以下の厚さ（０．４μｍ＋０．２μｍ）にしてキャリアの走行時間を短くしているため、光ファイバーからの入射光との結合効率が悪いという不都合があった。すなわち、導波路型ＰＩＮ−ＰＤの光吸収領域は、ＩｎＧａＡｓ層２２、２３の光吸収層とそれを上下から挟持するＩｎＧａＡｓＰ層２１、２４の導波路部からなるが、ファイバからの入射光のスポットサイズが約９μｍであるのに対し、光吸収領域の厚さは１μｍ（０．２μｍ＋０．４μｍ＋０．２μｍ＋０．２μｍ）しかないため、外部量子効率が低いものとならざるを得なかった。
【０００４】
従って、本発明の目的は、高い外部量子効率を確保しつつ、高速応答が可能な半導体受光素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、以下の半導体受光素子を提供する。
【０００６】
［１］受光領域を形成する導波路構造を備えた半導体受光素子において、
前記導波路構造が、薄膜化した一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層と、前記光吸収層を上下から挟持した一導電型のＩｎＧａＡｓＰクラッド層と、前記光吸収層及び前記クラッド層を上下から挟持した逆導電型のＩｎＰ層及び一導電型のＩｎＰ層とからなるエピタキシャル構造を多層に積層した構成を有することを特徴とする半導体受光素子。
【０００７】
［２］前記導波路構造が、その端面にｎ−ＩｎＰ窓層を備えた構成を有する［１］に記載の半導体受光素子。
【０００８】
［３］前記光吸収層が、その厚さが０．２±０．０５μｍである構成を有する［１］又は［２］に記載の半導体受光素子。
【０００９】
［４］前記導波路構造が、前記エピタキシャル構造を５層〜２０層積層した構成を有する［１］〜［３］のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００１０】
［５］前記導波路構造が、ｎ＋−ＩｎＰ、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｐ＋−ＩｎＰ、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層を順次積層した、５層のエピタキシャル構造を含む受光領域を有する［１］〜［４］ のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００１１】
本発明の半導体受光素子は、一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層を薄膜化し、かつ光吸収層及びクラッド層を上下から一導電型のＩｎＰ及び逆導電型のＩｎＰによって挟持した構造とすることで、１ボルト以下の電圧で一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層を空乏化させることができ、かつ低濃度層内のキャリアの走行距離を短くすることができるため、高速応答が可能となる。
【００１２】
また、薄膜化一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層及び逆導電型のＩｎＰ及び一導電型のＩｎＰの層を積層することで、実効的な吸収層の面積を広く取ることができる（約３μｍ）ため、かつ、一導電型のＩｎＧａＡｓＰクラッド層を設けたことで、導波路内の結合効率を高めることができるため、素子全体として高い結合効率を確保することができる。
【００１３】
さらに、窓層を設けることで、ｐｎ接合を保護することができるため、高い信頼性と安定した暗電流特性とを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１は、本発明の半導体受光素子の一の実施の形態を模式的に示す説明図で、（イ）は、全体斜視図、（ロ）は、断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板７上に、導波路構造として、薄膜化したｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１と、この光吸収層１を上下から挟持したｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２、３と、光吸収層１及 びクラッド層２、３を上下から挟持したｐ−ＩｎＰ層４及びｎ−ＩｎＰ層５とからなるエピタキシャル構造を多層に積層したもので、導波路構造の端面に、ｎ−ＩｎＰ窓層６を備えている。また、ＳｉＮｘ保護膜８、ｐ側電極９及びｎ側電極１０等を適宜設けることができる。
【００１６】
本発明に用いられるｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１の厚さは、好ましくは、０．２±０．０５μｍである。
【００１７】
また、本発明におけるエピタキシャル構造は、５層〜２０層、積層したものであることが好ましい。５層未満であると、有効断面積が小さくなり、結合効率が悪化することがある。２０層を超えて積層しても、結合部等に差が生じることがない。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
［実施例１］
半絶縁性ＩｎＰ基板上７に、ｎ＋−ＩｎＰ５（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．ｌμｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１（濃度＝１０１５／ｃｍ３、厚さ＝０．２μｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）、ｐ＋−ＩｎＰ４（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．１μｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１（濃度＝１０１５／ｃｍ３、厚さ＝０．２μｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）を順次積層して、５層のエピタキシャル構造を含む受光領域を有する導波路構造を形成した。
最後に、導波路構造の端面にｎ＋−ＩｎＰ窓層６（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．１μｍ）を設け、さらに、ＳｉＮｘ保護膜８、ｐ側電極９及びｎ側電極１０を所定箇所に設けた。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体受光素子によって、９０％以上の外部量子効率を確保しつつ、２０ＧＨｚ未満の高速応答が可能な半導体受光素子を提供することができる。
【００２０】
また、本発明の半導体受光素子によって、１ボルト未満の低電圧動作が可能になるとともに、高い信頼性と安定した暗電流特性とを得ることができる。
【００２１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体受光素子の一の実施の形態を模式的に示す説明図で、（イ）は、全体斜視図、（ロ）は、断面図である。
【図２】従来の半導体受光素子の一例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１：ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２：ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
３：ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
４：ｐ＋−ＩｎＰ
５：ｎ＋−ＩｎＰ層
６：ｎ＋−ＩｎＰ窓層
７：半絶縁性ＩｎＰ基板
８：ＳｉＮｘ保護膜
９：ｐ側電極
１０：ｎ側電極
２０：半絶縁性ＩｎＰ基板
２１：ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層
２２：アンドープトｎ−ＩｎＧａＡｓ層
２３：ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層
２４：ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層
２５：ｐ＋−ＩｎＰ層
２６：ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層
２７ａ：ポリイミド
２７ｂ：ポリイミド
２８：ｎ側コンタクト（ＡＧｅＮｉ）
２９：ｐ側コンタクト（ＡｕＺｎＮｉ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光素子に関する。さらに詳しくは、高い外部量子効率を確保しつつ、高速応答が可能な半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に示すように、従来の半導体受光素子としては、例えば、半絶縁性ＩｎＰ基板２０上に、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２１（厚さ０．２μｍ）と、光吸収層としてのアンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）ＩｎＧａＡｓ層２２（厚さ０．４μｍ）及びｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層２３（厚さ０．２μｍ）と、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２４（厚さ０．２μｍ）と、ｐ＋−ＩｎＰ層２５（厚さ０．５μｍ）と、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２６（厚さ０．２μｍ）とを順次エピタキシャル成長させた層構造からなる導波路構造を備えた受光素子（ＰＩＮ−ＰＤ）が用いられている。この半導体受光素子は、さらに、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２１上に形成されたｎ側コンタクト（ＡｕＧｅＮｉ）２８と、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層２６とポリイミド２７ａ上に形成されたｐ側コンタクト（ＡｕＺｎＮｉ）２９を有し、ｎ側コンタクト（ＡｕＧｅＮｉ）２８は、ポリイミド２７ｂ上に形成されるパッドとボンディングワイヤーで接続される。
この半導体受光素子の光吸収層を構成するアンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）ＩｎＧａＡｓ層２２は、ｐ−−ＩｎＧａＡｓ層、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層及びｎ―−ＩｎＧａＡｓ層の３層から構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体受光素子によると、高速応答性を実現するために光吸収層２２、２３を１μｍ以下の厚さ（０．４μｍ＋０．２μｍ）にしてキャリアの走行時間を短くしているため、光ファイバーからの入射光との結合効率が悪いという不都合があった。すなわち、導波路型ＰＩＮ−ＰＤの光吸収領域は、ＩｎＧａＡｓ層２２、２３の光吸収層とそれを上下から挟持するＩｎＧａＡｓＰ層２１、２４の導波路部からなるが、ファイバからの入射光のスポットサイズが約９μｍであるのに対し、光吸収領域の厚さは１μｍ（０．２μｍ＋０．４μｍ＋０．２μｍ＋０．２μｍ）しかないため、外部量子効率が低いものとならざるを得なかった。
【０００４】
従って、本発明の目的は、高い外部量子効率を確保しつつ、高速応答が可能な半導体受光素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、以下の半導体受光素子を提供する。
【０００６】
［１］受光領域を形成する導波路構造を備えた半導体受光素子において、
前記導波路構造が、薄膜化した一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層と、前記光吸収層を上下から挟持した一導電型のＩｎＧａＡｓＰクラッド層と、前記光吸収層及び前記クラッド層を上下から挟持した逆導電型のＩｎＰ層及び一導電型のＩｎＰ層とからなるエピタキシャル構造を多層に積層した構成を有することを特徴とする半導体受光素子。
【０００７】
［２］前記導波路構造が、その端面にｎ−ＩｎＰ窓層を備えた構成を有する［１］に記載の半導体受光素子。
【０００８】
［３］前記光吸収層が、その厚さが０．２±０．０５μｍである構成を有する［１］又は［２］に記載の半導体受光素子。
【０００９】
［４］前記導波路構造が、前記エピタキシャル構造を５層〜２０層積層した構成を有する［１］〜［３］のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００１０】
［５］前記導波路構造が、ｎ＋−ＩｎＰ、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｐ＋−ＩｎＰ、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層を順次積層した、５層のエピタキシャル構造を含む受光領域を有する［１］〜［４］ のいずれかに記載の半導体受光素子。
【００１１】
本発明の半導体受光素子は、一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層を薄膜化し、かつ光吸収層及びクラッド層を上下から一導電型のＩｎＰ及び逆導電型のＩｎＰによって挟持した構造とすることで、１ボルト以下の電圧で一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層を空乏化させることができ、かつ低濃度層内のキャリアの走行距離を短くすることができるため、高速応答が可能となる。
【００１２】
また、薄膜化一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層及び逆導電型のＩｎＰ及び一導電型のＩｎＰの層を積層することで、実効的な吸収層の面積を広く取ることができる（約３μｍ）ため、かつ、一導電型のＩｎＧａＡｓＰクラッド層を設けたことで、導波路内の結合効率を高めることができるため、素子全体として高い結合効率を確保することができる。
【００１３】
さらに、窓層を設けることで、ｐｎ接合を保護することができるため、高い信頼性と安定した暗電流特性とを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１は、本発明の半導体受光素子の一の実施の形態を模式的に示す説明図で、（イ）は、全体斜視図、（ロ）は、断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板７上に、導波路構造として、薄膜化したｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１と、この光吸収層１を上下から挟持したｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２、３と、光吸収層１及 びクラッド層２、３を上下から挟持したｐ−ＩｎＰ層４及びｎ−ＩｎＰ層５とからなるエピタキシャル構造を多層に積層したもので、導波路構造の端面に、ｎ−ＩｎＰ窓層６を備えている。また、ＳｉＮｘ保護膜８、ｐ側電極９及びｎ側電極１０等を適宜設けることができる。
【００１６】
本発明に用いられるｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１の厚さは、好ましくは、０．２±０．０５μｍである。
【００１７】
また、本発明におけるエピタキシャル構造は、５層〜２０層、積層したものであることが好ましい。５層未満であると、有効断面積が小さくなり、結合効率が悪化することがある。２０層を超えて積層しても、結合部等に差が生じることがない。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
［実施例１］
半絶縁性ＩｎＰ基板上７に、ｎ＋−ＩｎＰ５（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．ｌμｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１（濃度＝１０１５／ｃｍ３、厚さ＝０．２μｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）、ｐ＋−ＩｎＰ４（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．１μｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１（濃度＝１０１５／ｃｍ３、厚さ＝０．２μｍ）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．０３μｍ）を順次積層して、５層のエピタキシャル構造を含む受光領域を有する導波路構造を形成した。
最後に、導波路構造の端面にｎ＋−ＩｎＰ窓層６（濃度＝１０１６／ｃｍ３、厚さ＝０．１μｍ）を設け、さらに、ＳｉＮｘ保護膜８、ｐ側電極９及びｎ側電極１０を所定箇所に設けた。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体受光素子によって、９０％以上の外部量子効率を確保しつつ、２０ＧＨｚ未満の高速応答が可能な半導体受光素子を提供することができる。
【００２０】
また、本発明の半導体受光素子によって、１ボルト未満の低電圧動作が可能になるとともに、高い信頼性と安定した暗電流特性とを得ることができる。
【００２１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体受光素子の一の実施の形態を模式的に示す説明図で、（イ）は、全体斜視図、（ロ）は、断面図である。
【図２】従来の半導体受光素子の一例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１：ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２：ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
３：ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
４：ｐ＋−ＩｎＰ
５：ｎ＋−ＩｎＰ層
６：ｎ＋−ＩｎＰ窓層
７：半絶縁性ＩｎＰ基板
８：ＳｉＮｘ保護膜
９：ｐ側電極
１０：ｎ側電極
２０：半絶縁性ＩｎＰ基板
２１：ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層
２２：アンドープトｎ−ＩｎＧａＡｓ層
２３：ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層
２４：ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層
２５：ｐ＋−ＩｎＰ層
２６：ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層
２７ａ：ポリイミド
２７ｂ：ポリイミド
２８：ｎ側コンタクト（ＡＧｅＮｉ）
２９：ｐ側コンタクト（ＡｕＺｎＮｉ）
Claims (5)
- 受光領域を形成する導波路構造を備えた半導体受光素子において、前記導波路構造が、薄膜化した一導電型のＩｎＧａＡｓ光吸収層と、前記光吸収層を上下から挟持した一導電型のＩｎＧａＡｓＰクラッド層と、前記光吸収層及び前記クラッド層を上下から挟持した逆導電型のＩｎＰ層及び一導電型のＩｎＰ層とからなるエピタキシャル構造を多層に積層した構成を有することを特徴とする半導体受光素子。
- 前記導波路構造が、その端面にｎ−ＩｎＰ窓層を備えた構成を有する請求項１に記載の半導体受光素子。
- 前記光吸収層が、その厚さが０．２±０．０５μｍである構成を有する請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
- 前記導波路構造が、前記エピタキシャル構造を５層〜２０層積層した構成を有する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体受光素子。
- 前記導波路構造が、ｎ＋−ＩｎＰ、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｐ＋−ＩｎＰ、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層を順次積層した、５層のエピタキシャル構造を含む受光領域を有する請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光素子。
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