JP3608772B2 - 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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の屈折型半導体受光素子を図２に示す。
同図に示すように、この半導体受光素子は、ｎ−ＩｎＰ基板２５上にｎ−ＩｎＰ層２４、ＩｎＧａＡｓ光受光層２３、ｐ−ＩｎＰ層２２を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面２１を設けることにより、該光入射端面２１で入射光を屈折させて、前記光受光層２３を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するように構成されている。
【０００３】
ここで、上層の電極２６は、一般に、ｐ型の場合のＡｕＺｎＮｉやｎ型の場合のＡｕＧｅＮｉ等の金属に熱処理を施すことにより半導体層と合金化を図り、オーミック電極としている。
このような合金化のため、電極２６と半導体であるｐ−ＩｎＰ層２２の間には微小な凹凸が発生し、屈折してきた光がここに到達しても、乱反射されたり、又、電極金属自身による光吸収もあって、電極部分での光の反射率は小さい。
【０００４】
従って、屈折型半導体受光素子の特徴である屈折光が光受光層２３を層厚方向に対し斜めに通過することによる実効吸収長の増大によって光受光層２３の厚さの低減が図れるものの、十分大きな受光感度を得るためには、光受光層２３への屈折光の１回の通過で光が十分吸収されるようにする必要があり、そのためには、光受光層２３の厚さの薄層化に制限があった。
【０００５】
このため、光受光層２３を走行するキャリアの走行時間が半導体受光素子の応答速度の制限要因となって、超高速でありかつ高受光感度の素子を製作することができないという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、屈折型光受光素子において、薄い光吸収層でありながら高受光感度が得られ、又、超高速動作も可能となる半導体受光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１にかかる半導体受光素子は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、前記光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射することにより、受光層を屈折光が２回通過することになり光吸収長が増大するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
従って、入射光は光受光層の上面で完全に全反射されることにより、光受光層を再度通過することになり、光吸収効率が増大する。
従来技術では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が合金化した電極で構成されており、この領域での反射が小さいが、本発明では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端されており、光が完全に全反射される点が異なる。
【０００９】
また、本発明の請求項２にかかる半導体受光素子は、前記請求項１よりなる半導体受光素子において、前記光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分がｐｉｎ構造より構成され、全反射する上側半導体層側がｎ形の導電形の半導体層で構成されることを特徴とする。
一般に、半導体層と電極間の接触抵抗は、ｎ形の半導体層の方がｐ形の半導体層に比較してより小さくできる。
【００１０】
ここで、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射するように構成されているため、電極は、その周囲部分に形成せざるを得ないが、この電極部分はできるだけ小さいほうが接合容量の低減に有利である。
半導体層と電極間の接触抵抗の小さいｎ形の半導体層を上部に設定することにより、この電極面積を大きく低減でき、接合容量を低減できるだけでなく、さらに、ｎ形の半導体層は電気抵抗率もｐ形の半導体層に比べ小さいので、上側半導体層での抵抗発生が小さくでき、従って、素子の抵抗値も小さくできる。
この結果、ＣＲ時定数による速度制限が小さくできる。
【００１１】
また、フリーキャリアによる光吸収は、ｎ形の半導体層の方がｐ形の半導体層より小さいので、上層で光が全反射して半導体層を２回通過する時、その部分での光吸収量は、上側の半導体層がｎ形の場合の方が、ｐ形の場合より小さくなり、受光感度の向上に寄与する。
また、本発明の第３の請求項にかかる半導体受光素子は、本発明の第１又は第２の請求項にかかる半導体受光素子において、前記受光部分がメサ状であり、その上部の電極の下に位置する部分又はその一部分の光受光層が存在しないことを特徴とする。
【００１２】
光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射するように構成されているため、光吸収効率が大きく増大し、さらに、光を吸収する上で必要としない、上部の電極の外周部分の下に位置する部分の光吸収層が存在しないため、光吸収層面積が小さくなり、これに伴い面積で決まる接合容量が小さくなり、ＣＲ時定数による速度制限が小さくでき、超高速動作が可能となる。
【００１３】
〔作用〕
このように、本発明は、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端されているため、上面で光が完全に全反射されることになり、受光層を屈折光が２回の通過することになり実効的光吸収長が２倍に増大する。
このため、光吸収層厚の大幅な薄層化をしても、高い受光感度を得ることが可能となる。
光吸収層厚の大幅な薄層化により、高受光感度を維持しながら、素子の超高速動作が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係る半導体受光素子を図１に示す。
なお、図１においては、図が煩雑になり、説明の妨げになるため、引出し電極とパッド電極は省略した。
【００１５】
この半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板１６上に１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層１５、０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層１４、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層１３を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面１１を設けることにより、該光入射端面１１で入射光を屈折させて、前記光受光層１４を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子である。素子の光受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００１６】
光入射端面１１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように約５５度の逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。光入射端面１１には無反射膜を形成している。
【００１７】
更に、本実施例では、光受光層１４の上層における屈折した入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端されており、ｐ電極１７はその領域の外周部分に０．２μｍ厚ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層１２を介して形成されている。ｎ電極１８は、その側方においてｎ−ＩｎＰ層１５上に形成されている。
従って、側方からの波長１．３μｍの入射光は光入射端面１１で屈折し、上面に対して図のように角度φ＝２４．７度で進行する。
【００１８】
この時、半導体の屈折率を３．２０９とすると、全反射はφが７１．８度より小さい時に起きるため、本実施例は、この条件を満足している。
波長１．３μｍの光をシングルモードファイバにて導入すると、印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
ちなみに、従来構造のｐ電極２６が上面のほぼ全面に存在する場合では、０．７Ａ／Ｗ程度しか得られなかった。
【００１９】
なお、本実施例では、リング状の上面ｐ電極１７の内側部分は、上方からの光入射に対しては、いわゆる窓として利用できることになる。
従って、例えば、素子をチップ状に切り出す前のウェハの状態でオンウェハプロービング測定法を用いて上方からの入射により素子の周波数応答特性等を確認することができ、素子切り出し前の選別に有効利用できる。
この場合、受光感度はチップ状態の側方光入射の場合に比べ、小さくなるが、周波数応答特性評価にはほぼ影響ない。
【００２０】
受光感度の値については、予め垂直入射と側方入射の場合の校正表を作成しておけば、チップ状に切り出し後の値の見積りも可能であることはいうまでもない。
また、切り出し後の素子においても、当然、上面の窓を利用でき、例えば、２方向からの信号光（異なる２波長の光でも可）を入力することで、出力として２つの信号の合波や変調電気信号或いはミキシングされた電気信号が得られる応用などにも利用できる。
【００２１】
本実施例では、ｐ電極１７はリング形状にしているが、総合的な反射率は若干減少するものの、網目状の電極形状にしたり、あるいは、上層のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層を高濃度ｐドープ層として残し、シート抵抗の十分な低減を図り、一辺部分にのみｐ電極を形成するなど色々な構造を適用しても良い。
また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化（受光面積を７μｍ×２０μｍ）を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域５０ＧＨｚの超高速動作が可能であった。
【００２２】
本実施例では、屈折してきた入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端しているが、半導体の屈折率より適当に小さく、全反射の条件（φ＜ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１）；ただし、ｎ１は半導体の屈折率、ｎ２は終端物質の屈折率）を満足できるものであれば、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の無機物質の他、ポリイミドやエポキシ等の有機物質等、特に制限されるものではない。
例えば、屈折率１．５５のポリイミドを用いるときには、φが６１．１度より小さければ良い。
【００２３】
また、本実施例は、波長１．３μｍの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層１３は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩｎＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００２４】
また、半導体受光素子部分は、特願平９−５２７６０号に記載されるような第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第１の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩｎ１−ｕＧａｕＡｓ１−ｖＰｖ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなる半導体受光素子で構成しても良い。
【００２５】
また、この実施例は、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰ層を用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰ層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
【００２６】
また、ここでは、光受光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ＳＡＧＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｇｒａｄｅｄ−Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｕｐｅｒＬａｔｔｉｃｅ ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００２７】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係る半導体受光素子を図３に示す。
なお、図３においては、図が煩雑になり、説明の妨げになるため、引出し電極とパッド電極は省略した。
【００２８】
この半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板３６上に１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ（１．２μｍ組成）層３５、０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層３４、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層３３を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面３１を設けることにより、該光入射端面３１で入射光を屈折させて、前記光受光層３４を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子である。素子の光受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２９】
光入射端面３１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように約５５度の逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。光入射端面３１には無反射膜を形成している。
【００３０】
更に、本実施例では、光受光層３４の上層における屈折した入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端されており、ｎ電極３７はその領域の外周部分に０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層３２を介して形成されている。ｐ電極３８は、その側方においてｐ−ＩｎＰ層３５上に形成されている。
従って、側方からの波長１．３μｍの入射光は光入射端面３１で屈折し、上面に対して図のように角度φ＝２４．７度で進行する。
【００３１】
この時、半導体の屈折率を３．２０９とすると、全反射はφが７１．８度より小さい時に起きるため、本実施例は、この条件を満足している。
波長１．３μｍの光をシングルモードファイバにて導入すると、印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
ちなみに、従来構造のｐ電極２６が上面のほぼ全面に存在する場合では、０．７Ａ／Ｗ程度しか得られなかった。
【００３２】
また、本実施例では、上側にｎ形半導体層であるｎ−ＩｎＰ層３３を用いているため、上側にｐ形半導体層を用いた場合に比べ、シート抵抗が１桁以上低減され、素子抵抗も小さく抑えることができた。
なお、本実施例では、リング状の上面ｎ電極３７の内側部分は、上方からの光入射に対しては、いわゆる窓として利用できることになる。
従って、例えば、素子をチップ状に切り出す前のウェハの状態でオンウェハプロービング測定法を用いて上方からの入射により素子の周波数応答特性等を確認することができ、素子切り出し前の選別に有効利用できる。
【００３３】
この場合、受光感度はチップ状態の側方光入射の場合に比べ、小さくなるが、周波数応答特性評価にはほぼ影響ない。
受光感度の値については、予め垂直入射と側方入射の場合の校正表を作成しておけば、チップ状に切り出し後の値の見積りも可能であることはいうまでもない。
また、切り出し後の素子においても、当然、上面の窓を利用でき、例えば、２方向からの信号光（異なる２波長の光でも可）を入力することで、出力として２つの信号の合波や変調電気信号或いはミキシングされた電気信号が得られる応用などにも利用できる。
【００３４】
本実施例では、ｎ電極３７はリング形状にしているが、総合的な反射率は若干減少するものの、網目状の電極形状にしたり、あるいは、上層のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層を高濃度ｎドープ層とし、シート抵抗の十分な低減を図り、一辺部分にのみｎ電極を形成するなど色々な構造を適用しても良い。
また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化（受光面積を７μｍ×２０μｍ）を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域５０ＧＨｚの超高速動作が可能であった。
【００３５】
本実施例では、屈折してきた入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端しているが、半導体の屈折率より適当に小さく、全反射の条件（φ＜ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１）；ただし、ｎ１は半導体の屈折率、ｎ２は終端物質の屈折率）を満足できるものであれば、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の無機物質の他、ポリイミドやエポキシ等の有機物質等、特に制限されるものではない。
例えば、屈折率１．５５のポリイミドを用いるときには、φが６１．１度より小さければ良い。
【００３６】
また、本実施例は、波長１．３μｍの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層３３、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層（１．２μｍ組成）３２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、ｎ型不純物の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００３７】
また、ここでは、光受光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ＳＡＧＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｇｒａｄｅｄ−Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｕｐｅｒＬａｔｔｉｃｅ ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００３８】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例に係る半導体受光素子を図４に示す。
なお、図４においては、図が煩雑になり、説明の妨げになるため、引出し電極とパッド電極は省略した。
【００３９】
この半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板４６上に１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ（１．２μｍ組成）層４５、０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層４４、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層４３を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面４１を設けることにより、該光入射端面４１で入射光を屈折させて、前記光受光層４４を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子である。
【００４０】
光入射端面４１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように約５５度の逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。光入射端面４１には無反射膜を形成している。
【００４１】
更に、本実施例では、光受光層４４の上層における屈折した入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端されており、ｎ電極４７はその領域の外周部分に０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層４２を介して形成されている。ｐ電極４８は、その側方においてｐ−ＩｎＰ層４５上に形成されている。
素子の受光部メサ部分は面積は７μｍ×２０μｍであるが、受光層面積はサイドエッチングにより５μｍ×１８μｍと縮小化されている。
【００４２】
これにより、ｎ電極の接触面積は変化なく、従って、ｎ電極側での抵抗値にはほとんど変化はないが、接合面積で決まる接合容量を低減できるため、ＣＲ時定数による速度制限要素を小さくできる。
なお、サイドエッチング構造形成において、ｐ−ＩｎＰ層４５の上層又は中間部にＩｎＧａＡｓとのエッチング速度が大きくとれるＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ等の半導体層を挿入してサイドエッチング量を制御しやすくする等の層構造の変化を図っても良い。
【００４３】
従って、側方からの波長１．３μｍの入射光は光入射端面４１で屈折し、上面に対して図のように角度φ＝２４．７度で進行する。
この時、半導体の屈折率を３．２０９とすると、全反射はφが７１．８度より小さい時に起きるため、本実施例は、この条件を満足している。
波長１．３μｍの光をレンズ系を用いて集光して導入すると、印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られ、かつ、３ｄＢ帯域５５ＧＨｚ以上の超高速動作が可能であった。
ちなみに、従来構造のｐ電極２６が上面のほぼ全面に存在する場合では、０．７Ａ／Ｗ程度しか得られなかった。
【００４４】
また、本実施例では、上側にｎ形半導体層であるｎ−ＩｎＰ層４３を用いているため、上側にｐ形半導体層を用いた場合に比べ、シート抵抗が１桁以上低減され、素子抵抗も小さく抑えることができた。
なお、本実施例では、リング状の上面ｎ電極４７の内側部分は、上方からの光入射に対しては、いわゆる窓として利用できることになる。
従って、例えば、素子をチップ状に切り出す前のウェハの状態でオンウェハプロービング測定法を用いて上方からの入射により素子の周波数応答特性等を確認することができ、素子切り出し前の選別に有効利用できる。
【００４５】
この場合、受光感度はチップ状態の側方光入射の場合に比べ、小さくなるが、周波数応答特性評価にはほぼ影響ない。
受光感度の値については、予め垂直入射と側方入射の場合の校正表を作成しておけば、チップ状に切り出し後の値の見積りも可能であることはいうまでもない。
また、切り出し後の素子においても、当然、上面の窓を利用でき、例えば、２方向からの信号光（異なる２波長の光でも可）を入力することで、出力として２つの信号の合波や変調電気信号或いはミキシングされた電気信号が得られる応用などにも利用できる。
【００４６】
本実施例では、ｎ電極４７はリング形状にしているが、総合的な反射率は若干減少するものの、網目状の電極形状にしたり、あるいは、上層のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層を高濃度ｎドープ層とし、シート抵抗の十分な低減を図り、一辺部分にのみｎ電極を形成するなど色々な構造を適用しても良い。
本実施例では、屈折してきた入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端しているが、半導体の屈折率より適当に小さく、全反射の条件（φ＜ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１）；ただし、ｎ１は半導体の屈折率、ｎ２は終端物質の屈折率）を満足できるものであれば、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の無機物質の他、ポリイミドやエポキシ等の有機物質等、特に制限されるものではない。
【００４７】
例えば、屈折率１．５５のポリイミドを用いるときには、φが６１．１度より小さければ良い。
また、本実施例は、波長１．３μｍの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。
【００４８】
本実施例では、表面側のｎ−ＩｎＰ層４３、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層（１．２μｍ組成）４２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、ｎ型不純物の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００４９】
また、ここでは、光受光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ＳＡＧＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｇｒａｄｅｄ−Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｕｐｅｒＬａｔｔｉｃｅ ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射するように構成されているため、受光層を屈折光が２回通過することになり実効的光吸収長が２倍に増大する。
【００５１】
このため、光吸収層厚の大幅な薄層化をしても高い受光感度を得ることが可能となる。
また、光吸収層厚の大幅な薄層化により、高受光感度を維持しながら、超高速動作の可能な素子が製作可能となる。
さらに、全反射する上側半導体層側がｎ形の導電形半導体層で構成されることにより、リング状電極であっても抵抗値の増大が低く抑えられ、超高速応答に有利となる。
また、素子の受光部メサ部分の面積よりリング状電極直下の受光層部分が除去され、受光層面積が小さくなっていることにより接合容量が低減され、さらに超高速応答が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面斜視図である。
【図２】従来の屈折型半導体光受光素子を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明する断面斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施例を説明する断面斜視図である。
【符号の説明】
１１ 光入射面
１２ ０．２μｍ厚ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
１３ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
１４ ０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
１５ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
１６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
２１ 光入射面
２２ ｐ−ＩｎＰ層
２３ ＩｎＧａＡｓ光受光層
２４ ｎ−ＩｎＰ層
２５ ｎ−ＩｎＰ基板
２６ ｐ電極
２７ ｎ電極
３１ 光入射面
３２ ０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
３３ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
３４ ０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
３５ １μｍ厚ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
３６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
３７ ｎ電極
３８ ｐ電極
４１ 光入射面
４２ ０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
４３ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
４４ ０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
４５ １μｍ厚ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
４６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
４７ ｎ電極
４８ ｐ電極
【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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の屈折型半導体受光素子を図２に示す。
同図に示すように、この半導体受光素子は、ｎ−ＩｎＰ基板２５上にｎ−ＩｎＰ層２４、ＩｎＧａＡｓ光受光層２３、ｐ−ＩｎＰ層２２を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面２１を設けることにより、該光入射端面２１で入射光を屈折させて、前記光受光層２３を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するように構成されている。
【０００３】
ここで、上層の電極２６は、一般に、ｐ型の場合のＡｕＺｎＮｉやｎ型の場合のＡｕＧｅＮｉ等の金属に熱処理を施すことにより半導体層と合金化を図り、オーミック電極としている。
このような合金化のため、電極２６と半導体であるｐ−ＩｎＰ層２２の間には微小な凹凸が発生し、屈折してきた光がここに到達しても、乱反射されたり、又、電極金属自身による光吸収もあって、電極部分での光の反射率は小さい。
【０００４】
従って、屈折型半導体受光素子の特徴である屈折光が光受光層２３を層厚方向に対し斜めに通過することによる実効吸収長の増大によって光受光層２３の厚さの低減が図れるものの、十分大きな受光感度を得るためには、光受光層２３への屈折光の１回の通過で光が十分吸収されるようにする必要があり、そのためには、光受光層２３の厚さの薄層化に制限があった。
【０００５】
このため、光受光層２３を走行するキャリアの走行時間が半導体受光素子の応答速度の制限要因となって、超高速でありかつ高受光感度の素子を製作することができないという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、屈折型光受光素子において、薄い光吸収層でありながら高受光感度が得られ、又、超高速動作も可能となる半導体受光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１にかかる半導体受光素子は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、前記光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射することにより、受光層を屈折光が２回通過することになり光吸収長が増大するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
従って、入射光は光受光層の上面で完全に全反射されることにより、光受光層を再度通過することになり、光吸収効率が増大する。
従来技術では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が合金化した電極で構成されており、この領域での反射が小さいが、本発明では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端されており、光が完全に全反射される点が異なる。
【０００９】
また、本発明の請求項２にかかる半導体受光素子は、前記請求項１よりなる半導体受光素子において、前記光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分がｐｉｎ構造より構成され、全反射する上側半導体層側がｎ形の導電形の半導体層で構成されることを特徴とする。
一般に、半導体層と電極間の接触抵抗は、ｎ形の半導体層の方がｐ形の半導体層に比較してより小さくできる。
【００１０】
ここで、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射するように構成されているため、電極は、その周囲部分に形成せざるを得ないが、この電極部分はできるだけ小さいほうが接合容量の低減に有利である。
半導体層と電極間の接触抵抗の小さいｎ形の半導体層を上部に設定することにより、この電極面積を大きく低減でき、接合容量を低減できるだけでなく、さらに、ｎ形の半導体層は電気抵抗率もｐ形の半導体層に比べ小さいので、上側半導体層での抵抗発生が小さくでき、従って、素子の抵抗値も小さくできる。
この結果、ＣＲ時定数による速度制限が小さくできる。
【００１１】
また、フリーキャリアによる光吸収は、ｎ形の半導体層の方がｐ形の半導体層より小さいので、上層で光が全反射して半導体層を２回通過する時、その部分での光吸収量は、上側の半導体層がｎ形の場合の方が、ｐ形の場合より小さくなり、受光感度の向上に寄与する。
また、本発明の第３の請求項にかかる半導体受光素子は、本発明の第１又は第２の請求項にかかる半導体受光素子において、前記受光部分がメサ状であり、その上部の電極の下に位置する部分又はその一部分の光受光層が存在しないことを特徴とする。
【００１２】
光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射するように構成されているため、光吸収効率が大きく増大し、さらに、光を吸収する上で必要としない、上部の電極の外周部分の下に位置する部分の光吸収層が存在しないため、光吸収層面積が小さくなり、これに伴い面積で決まる接合容量が小さくなり、ＣＲ時定数による速度制限が小さくでき、超高速動作が可能となる。
【００１３】
〔作用〕
このように、本発明は、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端されているため、上面で光が完全に全反射されることになり、受光層を屈折光が２回の通過することになり実効的光吸収長が２倍に増大する。
このため、光吸収層厚の大幅な薄層化をしても、高い受光感度を得ることが可能となる。
光吸収層厚の大幅な薄層化により、高受光感度を維持しながら、素子の超高速動作が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係る半導体受光素子を図１に示す。
なお、図１においては、図が煩雑になり、説明の妨げになるため、引出し電極とパッド電極は省略した。
【００１５】
この半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板１６上に１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層１５、０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層１４、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層１３を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面１１を設けることにより、該光入射端面１１で入射光を屈折させて、前記光受光層１４を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子である。素子の光受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００１６】
光入射端面１１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように約５５度の逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。光入射端面１１には無反射膜を形成している。
【００１７】
更に、本実施例では、光受光層１４の上層における屈折した入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端されており、ｐ電極１７はその領域の外周部分に０．２μｍ厚ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層１２を介して形成されている。ｎ電極１８は、その側方においてｎ−ＩｎＰ層１５上に形成されている。
従って、側方からの波長１．３μｍの入射光は光入射端面１１で屈折し、上面に対して図のように角度φ＝２４．７度で進行する。
【００１８】
この時、半導体の屈折率を３．２０９とすると、全反射はφが７１．８度より小さい時に起きるため、本実施例は、この条件を満足している。
波長１．３μｍの光をシングルモードファイバにて導入すると、印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
ちなみに、従来構造のｐ電極２６が上面のほぼ全面に存在する場合では、０．７Ａ／Ｗ程度しか得られなかった。
【００１９】
なお、本実施例では、リング状の上面ｐ電極１７の内側部分は、上方からの光入射に対しては、いわゆる窓として利用できることになる。
従って、例えば、素子をチップ状に切り出す前のウェハの状態でオンウェハプロービング測定法を用いて上方からの入射により素子の周波数応答特性等を確認することができ、素子切り出し前の選別に有効利用できる。
この場合、受光感度はチップ状態の側方光入射の場合に比べ、小さくなるが、周波数応答特性評価にはほぼ影響ない。
【００２０】
受光感度の値については、予め垂直入射と側方入射の場合の校正表を作成しておけば、チップ状に切り出し後の値の見積りも可能であることはいうまでもない。
また、切り出し後の素子においても、当然、上面の窓を利用でき、例えば、２方向からの信号光（異なる２波長の光でも可）を入力することで、出力として２つの信号の合波や変調電気信号或いはミキシングされた電気信号が得られる応用などにも利用できる。
【００２１】
本実施例では、ｐ電極１７はリング形状にしているが、総合的な反射率は若干減少するものの、網目状の電極形状にしたり、あるいは、上層のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層を高濃度ｐドープ層として残し、シート抵抗の十分な低減を図り、一辺部分にのみｐ電極を形成するなど色々な構造を適用しても良い。
また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化（受光面積を７μｍ×２０μｍ）を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域５０ＧＨｚの超高速動作が可能であった。
【００２２】
本実施例では、屈折してきた入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端しているが、半導体の屈折率より適当に小さく、全反射の条件（φ＜ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１）；ただし、ｎ１は半導体の屈折率、ｎ２は終端物質の屈折率）を満足できるものであれば、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の無機物質の他、ポリイミドやエポキシ等の有機物質等、特に制限されるものではない。
例えば、屈折率１．５５のポリイミドを用いるときには、φが６１．１度より小さければ良い。
【００２３】
また、本実施例は、波長１．３μｍの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層１３は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩｎＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００２４】
また、半導体受光素子部分は、特願平９−５２７６０号に記載されるような第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第１の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩｎ１−ｕＧａｕＡｓ１−ｖＰｖ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなる半導体受光素子で構成しても良い。
【００２５】
また、この実施例は、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰ層を用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰ層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
【００２６】
また、ここでは、光受光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ＳＡＧＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｇｒａｄｅｄ−Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｕｐｅｒＬａｔｔｉｃｅ ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００２７】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係る半導体受光素子を図３に示す。
なお、図３においては、図が煩雑になり、説明の妨げになるため、引出し電極とパッド電極は省略した。
【００２８】
この半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板３６上に１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ（１．２μｍ組成）層３５、０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層３４、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層３３を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面３１を設けることにより、該光入射端面３１で入射光を屈折させて、前記光受光層３４を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子である。素子の光受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２９】
光入射端面３１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように約５５度の逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。光入射端面３１には無反射膜を形成している。
【００３０】
更に、本実施例では、光受光層３４の上層における屈折した入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端されており、ｎ電極３７はその領域の外周部分に０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層３２を介して形成されている。ｐ電極３８は、その側方においてｐ−ＩｎＰ層３５上に形成されている。
従って、側方からの波長１．３μｍの入射光は光入射端面３１で屈折し、上面に対して図のように角度φ＝２４．７度で進行する。
【００３１】
この時、半導体の屈折率を３．２０９とすると、全反射はφが７１．８度より小さい時に起きるため、本実施例は、この条件を満足している。
波長１．３μｍの光をシングルモードファイバにて導入すると、印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
ちなみに、従来構造のｐ電極２６が上面のほぼ全面に存在する場合では、０．７Ａ／Ｗ程度しか得られなかった。
【００３２】
また、本実施例では、上側にｎ形半導体層であるｎ−ＩｎＰ層３３を用いているため、上側にｐ形半導体層を用いた場合に比べ、シート抵抗が１桁以上低減され、素子抵抗も小さく抑えることができた。
なお、本実施例では、リング状の上面ｎ電極３７の内側部分は、上方からの光入射に対しては、いわゆる窓として利用できることになる。
従って、例えば、素子をチップ状に切り出す前のウェハの状態でオンウェハプロービング測定法を用いて上方からの入射により素子の周波数応答特性等を確認することができ、素子切り出し前の選別に有効利用できる。
【００３３】
この場合、受光感度はチップ状態の側方光入射の場合に比べ、小さくなるが、周波数応答特性評価にはほぼ影響ない。
受光感度の値については、予め垂直入射と側方入射の場合の校正表を作成しておけば、チップ状に切り出し後の値の見積りも可能であることはいうまでもない。
また、切り出し後の素子においても、当然、上面の窓を利用でき、例えば、２方向からの信号光（異なる２波長の光でも可）を入力することで、出力として２つの信号の合波や変調電気信号或いはミキシングされた電気信号が得られる応用などにも利用できる。
【００３４】
本実施例では、ｎ電極３７はリング形状にしているが、総合的な反射率は若干減少するものの、網目状の電極形状にしたり、あるいは、上層のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層を高濃度ｎドープ層とし、シート抵抗の十分な低減を図り、一辺部分にのみｎ電極を形成するなど色々な構造を適用しても良い。
また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化（受光面積を７μｍ×２０μｍ）を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域５０ＧＨｚの超高速動作が可能であった。
【００３５】
本実施例では、屈折してきた入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端しているが、半導体の屈折率より適当に小さく、全反射の条件（φ＜ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１）；ただし、ｎ１は半導体の屈折率、ｎ２は終端物質の屈折率）を満足できるものであれば、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の無機物質の他、ポリイミドやエポキシ等の有機物質等、特に制限されるものではない。
例えば、屈折率１．５５のポリイミドを用いるときには、φが６１．１度より小さければ良い。
【００３６】
また、本実施例は、波長１．３μｍの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層３３、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層（１．２μｍ組成）３２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、ｎ型不純物の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００３７】
また、ここでは、光受光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ＳＡＧＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｇｒａｄｅｄ−Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｕｐｅｒＬａｔｔｉｃｅ ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００３８】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例に係る半導体受光素子を図４に示す。
なお、図４においては、図が煩雑になり、説明の妨げになるため、引出し電極とパッド電極は省略した。
【００３９】
この半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板４６上に１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ（１．２μｍ組成）層４５、０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層４４、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層４３を順に積層した半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面４１を設けることにより、該光入射端面４１で入射光を屈折させて、前記光受光層４４を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子である。
【００４０】
光入射端面４１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように約５５度の逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。光入射端面４１には無反射膜を形成している。
【００４１】
更に、本実施例では、光受光層４４の上層における屈折した入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端されており、ｎ電極４７はその領域の外周部分に０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層４２を介して形成されている。ｐ電極４８は、その側方においてｐ−ＩｎＰ層４５上に形成されている。
素子の受光部メサ部分は面積は７μｍ×２０μｍであるが、受光層面積はサイドエッチングにより５μｍ×１８μｍと縮小化されている。
【００４２】
これにより、ｎ電極の接触面積は変化なく、従って、ｎ電極側での抵抗値にはほとんど変化はないが、接合面積で決まる接合容量を低減できるため、ＣＲ時定数による速度制限要素を小さくできる。
なお、サイドエッチング構造形成において、ｐ−ＩｎＰ層４５の上層又は中間部にＩｎＧａＡｓとのエッチング速度が大きくとれるＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ等の半導体層を挿入してサイドエッチング量を制御しやすくする等の層構造の変化を図っても良い。
【００４３】
従って、側方からの波長１．３μｍの入射光は光入射端面４１で屈折し、上面に対して図のように角度φ＝２４．７度で進行する。
この時、半導体の屈折率を３．２０９とすると、全反射はφが７１．８度より小さい時に起きるため、本実施例は、この条件を満足している。
波長１．３μｍの光をレンズ系を用いて集光して導入すると、印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られ、かつ、３ｄＢ帯域５５ＧＨｚ以上の超高速動作が可能であった。
ちなみに、従来構造のｐ電極２６が上面のほぼ全面に存在する場合では、０．７Ａ／Ｗ程度しか得られなかった。
【００４４】
また、本実施例では、上側にｎ形半導体層であるｎ−ＩｎＰ層４３を用いているため、上側にｐ形半導体層を用いた場合に比べ、シート抵抗が１桁以上低減され、素子抵抗も小さく抑えることができた。
なお、本実施例では、リング状の上面ｎ電極４７の内側部分は、上方からの光入射に対しては、いわゆる窓として利用できることになる。
従って、例えば、素子をチップ状に切り出す前のウェハの状態でオンウェハプロービング測定法を用いて上方からの入射により素子の周波数応答特性等を確認することができ、素子切り出し前の選別に有効利用できる。
【００４５】
この場合、受光感度はチップ状態の側方光入射の場合に比べ、小さくなるが、周波数応答特性評価にはほぼ影響ない。
受光感度の値については、予め垂直入射と側方入射の場合の校正表を作成しておけば、チップ状に切り出し後の値の見積りも可能であることはいうまでもない。
また、切り出し後の素子においても、当然、上面の窓を利用でき、例えば、２方向からの信号光（異なる２波長の光でも可）を入力することで、出力として２つの信号の合波や変調電気信号或いはミキシングされた電気信号が得られる応用などにも利用できる。
【００４６】
本実施例では、ｎ電極４７はリング形状にしているが、総合的な反射率は若干減少するものの、網目状の電極形状にしたり、あるいは、上層のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層を高濃度ｎドープ層とし、シート抵抗の十分な低減を図り、一辺部分にのみｎ電極を形成するなど色々な構造を適用しても良い。
本実施例では、屈折してきた入射光の主たる到達領域の直上は空気で終端しているが、半導体の屈折率より適当に小さく、全反射の条件（φ＜ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１）；ただし、ｎ１は半導体の屈折率、ｎ２は終端物質の屈折率）を満足できるものであれば、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の無機物質の他、ポリイミドやエポキシ等の有機物質等、特に制限されるものではない。
【００４７】
例えば、屈折率１．５５のポリイミドを用いるときには、φが６１．１度より小さければ良い。
また、本実施例は、波長１．３μｍの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。
【００４８】
本実施例では、表面側のｎ−ＩｎＰ層４３、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ層（１．２μｍ組成）４２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、ｎ型不純物の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００４９】
また、ここでは、光受光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ＳＡＧＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｇｒａｄｅｄ−Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｕｐｅｒＬａｔｔｉｃｅ ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射するように構成されているため、受光層を屈折光が２回通過することになり実効的光吸収長が２倍に増大する。
【００５１】
このため、光吸収層厚の大幅な薄層化をしても高い受光感度を得ることが可能となる。
また、光吸収層厚の大幅な薄層化により、高受光感度を維持しながら、超高速動作の可能な素子が製作可能となる。
さらに、全反射する上側半導体層側がｎ形の導電形半導体層で構成されることにより、リング状電極であっても抵抗値の増大が低く抑えられ、超高速応答に有利となる。
また、素子の受光部メサ部分の面積よりリング状電極直下の受光層部分が除去され、受光層面積が小さくなっていることにより接合容量が低減され、さらに超高速応答が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面斜視図である。
【図２】従来の屈折型半導体光受光素子を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明する断面斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施例を説明する断面斜視図である。
【符号の説明】
１１ 光入射面
１２ ０．２μｍ厚ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
１３ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
１４ ０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
１５ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
１６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
２１ 光入射面
２２ ｐ−ＩｎＰ層
２３ ＩｎＧａＡｓ光受光層
２４ ｎ−ＩｎＰ層
２５ ｎ−ＩｎＰ基板
２６ ｐ電極
２７ ｎ電極
３１ 光入射面
３２ ０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
３３ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
３４ ０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
３５ １μｍ厚ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
３６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
３７ ｎ電極
３８ ｐ電極
４１ 光入射面
４２ ０．２μｍ厚ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
４３ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
４４ ０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
４５ １μｍ厚ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（１．２μｍ組成）層
４６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
４７ ｎ電極
４８ ｐ電極
Claims (3)
- 光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が半導体層より屈折率の小さな媒質で終端され、その部分で光が全反射することにより、受光層を屈折光が２回通過することになり光吸収長が増大するように構成されていることを特徴とする半導体受光素子。
- 前記請求項１記載の半導体受光素子において、前記光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分がｐｉｎ構造より構成され、全反射する上側半導体層側がｎ形の導電形の半導体層で構成されることを特徴とする半導体受光素子。
- 前記請求項１又は２記載の半導体受光素子において、前記受光部分がメサ状であり、その上部の電極の下に位置する部分又はその一部分の光受光層が存在しないことを特徴とする半導体受光素子。
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-
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