JP3691631B2

JP3691631B2 - Waveguide type semiconductor photo detector

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Publication number: JP3691631B2
Application number: JP11221997A
Authority: JP
Inventors: 一昭西片
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: JPH10303449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型半導体受光素子に関し、更に詳細には、受光した光信号を高いリニアリティ（低変調歪）で電流信号に光−電気変換し、かつ高速動作性に優れた導波路型半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長波長帯の光伝送システムで使用されている受光素子には、空乏層で発生した電子・ホールが電極まで走行することによって発生する光電流を検出するＰＩＮ型、光電流を増幅する機能を有するＡＰＤ型、半導体層の表面に一対の電極を形成し、これらの電極の間に発生する光電流を検出するＭＳＭ型などの受光素子がある。
【０００３】
最も基本的な構造のＰＩＮ型の受光素子は、面入射型受光素子と呼ばれ、半導体層に垂直な方向から光を受光し、空乏化したｉ型の半導体層で光電変換して光電流を検出している。面入射型受光素子は、構造が簡単で、製造コストが低く、しかも感度などの特性が優れ、更に、低い逆バイアス印加電圧で駆動でき、雑音が小さいなどの長所がある。
ところで、アナログ光伝送の受光素子では、高速動作性に優れ、受光した光信号を高いリニアリティで電流信号に光−電気変換できること、即ち低変調歪で光−電気変換できることが重要であるが、面入射型の受光素子では、この要求を満足することが困難であった。この点について、以下に詳しく説明する。
面入射型受光素子では、一般に、ＧａＩｎＡｓ材料を光吸収層に使っている。
ＧａＩｎＡｓは光伝送システムで用いられる１．３μm 或いは１．５５μm の波長の光に対する吸収係数が大きいため、感度特性の点では優れた材料であるが、光吸収層のクラッド層との界面近傍で大きな光吸収が生じ、結果として界面近傍で多くの光キャリアが発生する。
光キャリアが一部分に密集して発生すると、光キャリア自身の空間電荷効果により、電界に不均一が生じ、そのためにキャリアの拡散が抑制され、その結果として変調歪が大きくなるので、面入射型受光素子には、変調歪が大きいという問題があった。
【０００４】
従来、面入射型受光素子で発生する変調歪を低減するために、図４に示すように、面入射型受光素子の受光面にフォーカスからずれた形で光を入射し、受光面全面にわたり出来るだけ均一な強度で光を受光するような試みも成された。
しかし、フォーカスからずれた形で光を入射すると、受光感度が低下し、また積層構造の深さ方向に見ると、やはり光キャリアが一部で集中して発生していることには変わり無く、変調歪の発生を抑制する効果には限界があった。
【０００５】
そこで、面入射型受光素子に代えて、図５に示すように、受光素子を構成する半導体積層構造の端面から光を受光して、光の入射方向に設けた導波路構造に光を導き、光吸収を受けながら導波させるようにした導波路型半導体受光素子が開発された。
導波路型半導体受光素子では、低キャリア濃度の光吸収層の上下にＰ型及びＮ型の導電層がそれぞれ配置され、ＰＮ接合を形成している。Ｐ型導電層とＮ型導電層との間に逆バイアス電圧を印加して、低キャリア濃度の光吸収層を空乏化すると共に空乏層内に生じた高電界を利用して、光吸収層に入射した信号光を光電変換し、発生した光電流を検出する。
すなわち、入射光によって励起キャリアが空乏層内でホール・電子の対として発生し、空乏層内に形成されている電界によって分離され、ドリフトする。この結果、ホールはＰ型導電層に、電子はＮ型導電層に達し、光電流として検出される。
導波路型半導体受光素子では、光吸収層が最も高い屈折率を有し、光吸収層を挟むＰ型導電層とＮ型導電層が光吸収層より低い屈折率を有するように構成することにより、光吸収層と１対の光閉じ込め層とからなる導波路構造を形成し、光吸収を受けつつ、端面で受光した入射光を導波する。
導波路型半導体受光素子では、光吸収層を薄くすることにより、キャリアの走行時間を短くして、高速動作性を向上させ、変調歪を抑制することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の導波路型受光素子では、光吸収層の厚さを２μm 以上にして感度を向上させているために、高速動作性及び変調歪の特性が、面入射型の受光素子に比べて優れているとは評価できなかった。
また、導波路構造のヘテロ界面の価電子帯のエネルギー段差に起因したノッチに有効質量の大きいホールがパイルアップするために、変調歪が増大するという問題もあった。
【０００７】
そこで、受光感度が高く、高速動作性及び低変調歪特性に優れた導波路型受光素子を実現するために、以下に列挙するような種々の試みが成されている。
（１）クラッド層と光吸収層の間に、両者の中間的な屈折率を持つ光閉じ込め層を設け、導波光のスポットサイズを拡大するとともに、高次モードの励起を可能にする。
（２）（１）と同様に光閉じ込め層を設け、かつ光吸収層の層厚を２μm から３μm の範囲の厚さにする。
（３）（１）と同様に光閉じ込め層を設け、（２）とは逆に光吸収層の層厚を０．１μm 以下の厚さに薄くする。
【０００８】
ところで、（１）又は（２）の方法では、受光感度を高めることはできるが、高速動作性の向上と低変調歪とを実現することは難しかった。
また、（３）の方法では、高速動作性を向上させ、低変調歪を実現できるものの、光吸収層が薄いために光の閉じ込め能が弱くなり、その結果、実効的な吸収係数が小さくなるので、十分な光吸収を行って受光感度を高くするためには、長い導波路長が必要になる。一方、光吸収層が薄いために、空乏層が薄くなって、大きな内部容量が発生するので、それを改善するには、導波路長を短くする必要がある。このように、満足すべき両者の導波路長条件が相反しているために、（３）のやり方では、高感度、高速動作性及び低変調歪を満足できる導波路型受光素子を実現することは難しかった。
【０００９】
上述した問題に照らして、本発明の目的は、感度が高く、高速動作性に優れ、しかも優れた光−電気変換歪特性を有する導波路型半導体受光素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成する上で、受光感度、高速動作性及び変調歪に関係する因子として、結合効率、導波路の吸収係数、光閉じ込め係数、空乏層の厚さ、光閉じ込め層の厚さ及びクラッド層の厚さを挙げ、それぞれについて以下のように考察した。
【００１１】
（１）結合効率
受光感度は、受光素子の最も基本的な特性であって、一次近似では基本モードのスポットサイズ（１／ｅ²になる全幅）によって決まる。
図６は、基板及びクラッド層をＩｎＰ、光閉じ込め層を３μm 厚でエネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、及び光吸収層をＧａＩｎＡｓで、それぞれ形成した層構造の場合に、光吸収層の厚さに対して計算で求めたスポットサイズの大きさを示すグラフである。また、図６は、波長１．３μm の光をＤＳＦ（Dispersion Shift Fiber)から入射したときの結合効率を同時に示している。図６で用いたＧａＩｎＡｓＰ層、及びＧａＩｎＡｓ層は、それぞれ、基板のＩｎＰに格子整合している。
図６によれば、光吸収層の厚さが薄くなるに従い、スポットサイズが大きくなり、結合効率は大きくなる。例えば、スポットサイズが２．２μm では結合効率が８０％、２．７μm では９０％となる。図６に示す計算値は、同様な層構造を有する試料の実験結果とも一致している。
高感度を得るには、少なくとも７０％以上の結合効率、望ましくは、波長１．３μm の光の受光感度が０．８４Ａ／Ｗ、また波長１．５５μm の光の受光感度が１．０Ａ／Ｗになる、８０％以上の結合効率が必要である。８０％以上の結合効率を得るためには、図６によれば、光吸収層の厚さは、０．１μm 以下、望ましくは０．０７μm 以下にすることが必要である。
【００１２】
（２）導波路の吸収係数
導波路で局部的に光が吸収され、光キャリアがそこに密に発生すると、変調歪が大きくなる。従って、導波路の光の吸収係数を下げ、光の吸収を導波路領域全域で受けるようにすれば、このような現象を防いで、変調歪の発生を抑制することができる。
即ち、受光感度を高くするには、吸収係数が大きいことが望ましいが、一方、低変調歪を実現するためには、吸収係数が小さく、導波路長に沿って均一に光吸収が生じるようにすることが必要である。
ところで、導波路の光の吸収係数は、材料で決まる値αと導波路の構造で決まる光閉じ込め係数Гとの積、Гαで表されるので、光閉じ込め係数Гを下げることにより、光の吸収係数を擬似的に下げることが可能である。
図７は、導波路の光の吸収係数をパラメータとした、導波路長と受光感度との関係を示すグラフである。グラフでは、飽和感度を１Ａ／Ｗとした。例えば、吸収係数が１０００cm^-1の場合には、光は導波路長５０μm で殆ど吸収されるが、吸収係数が１００cm^-1のときには、導波路長３００μm でも、波路長５０μm の時の光吸収の９５％程度の吸収しか起きない。
従って、実用的な導波路長は５０μm 以上であり、また後述する容量の制限から導波路長を３００μm 以下にすることが必要であることを考慮すると、受光感度を０．６５Ａ／Ｗ以上にするには、導波路の吸収係数は、２００cm^-1から１０００cm^-1の範囲、好ましくは３００cm^-1から４００cm^-1の範囲である。
【００１３】
（３）光閉じ込め係数
光閉じ込め係数Гとは、光吸収層に存在する光エネルギーの導波光に対する割合であって、光吸収層の厚さと光閉じ込め層の厚さで決まる係数である。ＩｎＰに格子整合した波長１．５５μm 以上のＧａＩｎＡｓＰ層やＧａＩｎＡｓ層を光吸収層として用いる場合、バルクの吸収係数αは、波長１．５５μm の光に対して５ｘ１０³cm^-1から６．９ｘ１０³cm^-1である。
従って、ＧａＩｎＡｓの場合、導波路の吸収係数をそれぞれ２００cm^-1、３００cm^-1、４００cm^-1及び１０００cm^-1にするために必要な光閉じ込め係数Гは、それぞれ、２．９％、４．４％、５．９％及び１４．７％である。よって、導波路の吸収係数を２００cm^-1から１０００cm^-1の範囲、好ましくは３００cm^-1から４００cm^-1の範囲にするためには、光閉じ込め係数を２．９％〜１４．７％、好ましくは４．４％〜５．９％にする。
【００１４】
図８は、光吸収層の厚さと光閉じ込め係数との関係を示すグラフであって、その層構造は、図６と同様に、基板及びクラッド層がＩｎＰ、光閉じ込め層が３μm 厚でエネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、及び光吸収層がＧａＩｎＡｓで形成されている。図８によれば、光吸収層の厚さが０．０５μm のときには、光閉じ込め係数は３．５％であるが、厚さが０．１μm のときには、光閉じ込め係数は１２％になる。
従って、導波路の吸収係数を上述した特定の範囲にするために、光閉じ込め係数を２．９％から１４．７％の範囲にするには、図８のグラフを外挿して、光吸収層の厚さは、０．０４μm から０．１２μm の範囲になり、光閉じ込め係数を４．４％から５．９％の範囲にするには、光吸収層の厚さは０．０５５μm から０．０６６μm の範囲になる。
（１）で述べたように、光吸収層の厚さは受光感度からも制限を受けるので、双方を満足させるには、光吸収層の厚さが０．０４μm から０．１μm の範囲、好ましくは、０．０５５μm から０．０６６μm の範囲にあることが必要である。
【００１５】
（４）空乏層の厚さ
先ず、導波路構造について考える。
従来の導波路型半導体受光素子では、図９に示すように、ｉ層の光吸収層の両面をｐ層及びｎ層によって挟むような導波路構造になっている。そのため、図９に示すように、導波路構造のヘテロ界面の価電子帯のエネルギー段差に起因したノッチに、有効質量の大きいホールがパイルアップし、変調歪が増大するという問題を招いている。
そこで、本発明者は、ヘテロ界面の価電子帯のエネルギー段差によるホールのパイルアップをなくすために、ヘテロ界面に高電界を作用させることを着想した。即ち、図１０に示すように、光吸収層に隣接するｐ層及びｎ層のうち所定厚さだけの境界層をｉ層に転化しておくことにより、逆バイアス電圧の印加時、境界層が空乏化し、ヘテロ界面に高電界が発生して、ホールのパイルアップを抑制することができる。
【００１６】
空乏層の厚さ、即ちｐ層及びｎ層の境界層の厚さは、ドープ濃度を階段状に変えることにより、材料の種類に因ることなく定義することができる。例えば、１ｘ１０¹⁵ｃｍ^-3の低濃度のキャリア濃度では、逆バイアス電圧が１Ｖでも、２μm 程度の厚さの層が空乏化するが、キャリア濃度が１ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3では、逆バイアス電圧が１０Ｖでも、０．１μm 程度の厚さの層しか空乏化しない。
従って、空乏化したい領域を１ｘ１０¹⁵ｃｍ^-3以下のキャリア濃度又はノンドープ層とし、空乏化させない領域を１ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3程度のキャリア濃度にしておけば、逆バイアス電圧に依存しない空乏層の厚さを設定することができる。
【００１７】
ところで、光吸収層を薄くした場合は、トンネル電流がツェナーブレークダウンにより発生して暗電流として検知され、信号電流のＳ／Ｎ比の劣化、寿命の低下などの原因となるので、その発生を押さえなければならない。
そこで、光吸収層の厚さを０．０４μm から０．１μm の範囲、好ましくは、０．０５５μm から０．０６６μm の範囲に薄くするためには、空乏層の厚さを厚くして、ツェナーブレークダウンを防止する必要がある。
図１１は、空乏層の厚さをパラメータとし、逆バイアス電圧に対してＧａＩｎＡｓ光吸収層に流れるトンネル電流を計算により求め、その計算値を示したグラフである。図１１に示すトンネル電流の計算値は、その正さが実験によって確認されている。
図１１に示すように、薄い空乏層から厚い空乏層の順に、同じ逆バイアス電圧で、大きなトンネル電流が発生する。
受光素子に印加する逆バイアス電圧の大きさは、電子回路などの設計条件に依存しており、最近の小消費電力化の傾向に応じて、３Ｖ程度の低バイアス化が進んでいる。しかし、アナログ用途の低歪性受光素子の場合、ビデオ回路が高い電圧で駆動されるため、受光素子にも８Ｖ程度の逆バイアス電圧を印加することが多い。一方、１０ｎＡ以下のトンネル電流であれば、素子の特性の低下は顕著でない。
よって、最大逆バイアス電圧を８Ｖ、許容トンネル電流を１０ｎＡとすれば、図１１により、空乏層の厚さ、即ちｐ層及びｎ層の境界層の厚さは、０．４μm 以上であれば良い。
【００１８】
また、容量について見ると、図１２に示すように、同じ導波路長では、空乏層の厚さを薄くするにつれて、容量が増大する。図１２は、空乏層の厚さをパラメータとした、導波路長と容量との関係を示すグラフである。
受光素子の帯域、出力インピーダンス、Ｓ／Ｎなどの観点から、０．８ｐＦ以下に容量を制限することが好ましいので、１００μm から２００μm の範囲を最適な導波路長としたとき、空乏層の厚さは０．５μm 以上あることが必要である。
【００１９】
空乏層では、光電変換により励起したキャリアは、空乏層内の高電界によって拡散、走行してして、ｐ層及びｎ層に到達する。この空乏層の走行時間が、受光素子の帯域を決める１つの要因となる。
図１３は、光吸収層の厚さをパラメータとした、キャリアの速度と帯域幅との関係を示すグラフである。２．４ＧＨｚの帯域幅が高速受光素子の１つの基準であるとすれば、空乏層の厚さを３μm 以下とすると、３ＧＨｚ以上の帯域を有するためには、図１３から、キャリアの速度を１ｘ１０⁶cm／sec 以上にする必要がある。
【００２０】
図１４は、ＧａＩｎＡｓ層中の電子とホールの速度と電界強度との関係を示すグラフである。図１４に示すように、有効質量の小さい電子は、１０ｋＶ／cm以下の低い電界でも、１ｘ１０⁶cm／sec 以上の十分に速い速度を有するが、有効質量の大きいホールは、１０ｋＶcm以上の大きな電界が必要となる。
【００２１】
図１５は、空乏層の厚さをパラメータとして、バイアス電圧と電界との関係を示すグラフである。空乏層の厚さを１μm 以下にすることで、１Ｖ以上の逆バイアス電圧によって２０ｋＶ／cm以上の電界強度をもつことができる。
図１５に示すように、空乏層の厚さが薄いと、同じ逆バイアス電圧で電界強度が大きくなるが、一方、図１１に示すように、大きなトンネル電流が発生する。
これは、トレードオフの関係にある。
【００２２】
以上の許容トンネル電流値、容量及びキャリアの速度を総合して、本発明者は、空乏層の厚さは、０．５μm 以上でかつ３μm 以下、好適には０．７μm 以上、１．５μm 以下であるとした。
【００２３】
図１４に示すように、２０ｋＶ／cmの電界では、電子の速度は、ホールの速度の５倍、１００ｋＶ／cmの電界では、電子の速度は、ホールの速度の２倍である。
キャリアの拡散では、ホールの方に問題があることを考えると、ｐ層に隣接する空乏層を薄くする方が効果的であって、ｐ層に隣接する空乏層の厚さは、ｎ層に隣接する空乏層の１／１５から１／２、好ましくは１／５から１／２の厚さにする。すなわち、ｐ層に近い領域を０．５μm の厚さでノンドープで配置するときには、ｎ層に近い領域を１μm の厚さでノンドープで配置することが好ましい。
【００２４】
（５）光閉じ込め層の厚さ
図１６は、光閉じ込め層の厚さと最大励起次数との関係を示すグラフである。
図１６では、図６と同様に、基板及びクラッド層をＩｎＰ、光閉じ込め層を３μm 厚でエネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、及び光吸収層をＧａＩｎＡｓで形成した層構造を想定し、光吸収層の厚さを０．０６μm としいる。
図１６に示すように、光吸収層の厚さを０．０６μm としたとき、光閉じ込め層の厚さを厚くするにつれて、最大励起次数は増える。最大励起次数が大きいほど、軸ずれを生じた際に放射光の発生を押さえることができ、感度の低下が少ない。
位置ずれを生じた際の感度低下の許容量を実装許容量と言うが、光ファイバとの突き合わせのモジュール作製を考えた場合、０．５ｄＢ程度の低下を許容するとして、光ファイバと受光素子との芯合わせを１．５μm 程度の位置ずれ以内に収める必要がある。これを実現するためには、最大励起次数は、少なくとも４以上、好適には、６以上となる。
このためには、図１６によれば、光閉じ込め層の厚さは、少なくとも２μm 、好適には３μm 以上にする。しかし、厚さをあまりに厚くすると、良質の結晶成長を行うことが難しくなるので、現実的には光閉じ込め層の厚さは５μm 以下にする。
【００２５】
（６）クラッドの厚さ
図１７は、６次の導波光のフィールドの形を示したものである。図１７では、図６と同様に、基板及びクラッド層をＩｎＰ、光閉じ込め層を３μm 厚でエネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、及び光吸収層をＧａＩｎＡｓで形成した層構造を想定している。図１７は、厚さ３μm の光閉じ込め層を越えてクラッドに滲み出した光が励起されていることを示している。
このため、クラッド層の厚さは、０．５μm 以上、好適には１μm 以上にする。特に、基板をＩｎＰとした場合、基板をクラッドとして使用することもあるが、基板とエピタキシャル成長層の界面は、光を散乱する原因となる種々の欠陥が存在しているため、基板側には、バッファーとしてクラッド層の厚さを０．５μm 以上、好適には１μm 以上にすることが必要である。
【００２６】
上記目的を達成するために、以上の知見に基づいて、本発明に係る導波路型半導体受光素子は、半導体基板上に、第１の半導体層と、第１の半導体層上にあって所定波長の光を吸収する第２の半導体層と、第２の半導体層上の第３の半導体層とを有し、かつ第１及び第３の半導体層のエネルギーギャップが第２の半導体層のエネルギーギャップより大きな半導体積層構造の導波路を備え、第２の半導体層に平行に入射した光を積層構造の端面で受光する導波路型受光素子において、
第１及び第３の半導体層を成す半導体層のうち、第２の半導体層と界面を有する所定厚さの境界層が、それぞれ、１ｘ１０¹⁵ｃｍ^-3以下の低いキャリア濃度層又はノンドープ層であることを特徴としている。
【００２７】
好適には、第１及び第３の半導体層の境界層のうちの少なくとも一方の所定厚さが、それぞれ、０．５μｍ以上であって３μｍ以下であるようにする。
また、第１の半導体層及び第３の半導体層がそれぞれｎドープ及びｐドープされており、かつ第１の半導体層の境界層の所定厚さが第１の半導体層の境界層の所定厚さの２倍から１５倍、好ましくは２倍から５倍である。
更に、好適には、第１から第３の半導体層からなる半導体積層構造がＩｎＰからなる基板上に形成されたＩｎＰ系の半導体積層構造で構成され、第１の半導体層及び第３の半導体層のそれぞれの外側に、０．５μｍ以上の層厚のＩｎＰ層を基板とは別に設ける。
本発明の好適な実施態様では、導波路型受光素子は、半導体積層構造の端面に平行な導波路の断面の幅が、電極との接触面で最大に、光吸収層で最小になるように、逆台形型に形成されたリッジストライプ構造の導波路を有する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施例１
本実施例は、ＧａＩｎＡｓを光吸収層にした受光素子に本発明に係る導波路型半導体受光素子の構成を適用した実施例であって、図１は本導波路型半導体受光素子の要部の層構造を示す模式的断面図である。
本実施例の導波路型半導体受光素子１０（簡単に受光素子１０と言う）は、図１に示すように、キャリア濃度４ｘ１０¹⁸cm^-3のｎ−ＩｎＰ基板１２と、基板１２上に、順次、基板と格子整合してエピタキシャル成長させた、バッファ層（兼下部クラッド層）１４、ｎ−光閉じ込め層１６、光吸収層１８、ｐ−光閉じ込め層２０、ｐ−上部クラッド層２２、ｐ−コンタクト層２４及びｐ−バッファ層２６からなる半導体層の積層構造とから構成されている。
【００２９】
以下に各半導体層の構成を示す。

【００３０】
本実施例では、ｎ−光閉じ込め層１６の光吸収層１８と接する厚さ０．６μm の境界層１６ａ、及び、ｐ−光閉じ込め層２０の光吸収層１８と接する厚さ０．３μm の境界層２０ａは、それぞれ、ノンドープ層として構成されている。
【００３１】
以下に、実施例１の受光素子１０の作製方法を説明する。
先ず、基板１２上に、基板と格子整合して、順次、ｎ−バッファ層（兼下部クラッド層）１４、ｎ−光閉じ込め層１６、光吸収層１８、ｐ−光閉じ込め層２０、ｐ−上部クラッド層２２、ｐ−コンタクト層２４及びｐ−バッファ層２６をエピタキシャル成長させ、半導体積層構造を形成した。
尚、ｎ−光閉じ込め層１６及びｐ−光閉じ込め層２０のドーピングする際には、それそれ、境界層１６ａ及び境界層２０ａをノンドープ層として形成するような条件でドーピングする。
次いで、通常のフォトリソグラフの手法によりパターン形成を行い、図２に示すように、ｐ−ブッファ層２６、ｐ−コンタクト層２４、ｐ−上部クラッド層２２、ｐ−光閉じ込め層２０、光吸収層１８及びｎ−光閉じ込め層１６の一部をウェットエッチングし、断面が逆台形型のリッジストライプ状に加工した。ストライプの幅は１８μm 、長さは３００μm であった。ストライプの方向は、〔０１１〕方向であり、ウエットエッチングは臭化メタノール溶液を用いた。
リッジを形成した後、ｐ−バッファ層２６上にＳｉＮを蒸着し、パッシベーションと絶縁の処理を施し、次いで、ポリイミドを蒸着し、素子分離する領域からポリイミドを除去した。
【００３２】
次に、ストライプ上の一部のＳｉＮを除去してコンタクト用の窓とし、その上にＴｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるｐ型オーミック電極２８を蒸着した。電極はストライプ上部からポリイミド上に引き出し、ポリイミド上で５０μm 四方のボンディング領域のみを形成した。ボンディング領域は、４μm と厚いポリイミドの上に配置し、不要な容量が発生しないようにした。
基板１２を裏面から研磨して１２０μm の板厚に調節した後、基板１２の裏面にＡｕＧｅＮｉ合金とＡｕからなるｎ型オーミック電極２９を蒸着した。
ストライプの中央部で、ストライプに垂直にへき開し、平坦な受光端面を作製した。これにより、ストライプ長さは１５０μm に制限される。更に、光の入射する側の端面には、ＳｉＮｘからなる無反射膜を蒸着した。
最後に、個々の受光素子に分離して、本実施例の受光素子１０を得た。
【００３３】
得た受光素子１０の特性を評価するために、次の評価試験を行った。
先ず、受光素子１０とＤＳＦ（Dispersion Shift Fiber)ファイバとをバッドジョイントで突き合わせ結合して受光素子１０の感度を測定したところ、最大結合点で１．５５μm の波長の光に対して０．９５Ａ／Ｗ、１．３μm の波長の光に対して０．９Ａ／Ｗという高感度で受光した。
受光素子１０の素子容量は０．２ｐＦ、直列抵抗も５Ωと良好であり、５０Ωの負荷抵抗により周波数特性を試験したところ、３Ｖの逆バイアス電圧印加時で３ｄＢ低下の帯域幅が９ＧＨｚという良好な値を得ることができた。
変調周波数が２４４ＭＨｚ及び２５０ＭＨｚ、変調度７０％、平均入力電力０ｄＢｍの試験条件で光ヘテロダイン法により、受光素子１０の２次及び３次の相互変調歪を求めたところ、２次及び３次の変調歪は、それぞれ、平均で−８０ｄＢｃ及び−１１０ｄＢｃであり、従来の受光素子の中で最良値を示した。
また、位置ずれによる感度の低下を調べたところ、最大結合点から±２．０μm の位置で０．５ｄＢの低下が観測された。±２．０μm という実装許容度は、モジュール化を極めて容易にする数値である。
受光素子１０の暗電流を測定したところ、逆バイアス電圧が３Ｖで１００ｐＡと極めて低かった。更に、逆バイアス電圧を上げ、テェナーブレークダウンを生じさせた時の降伏電圧は、２０Ｖと高かった。
【００３４】
実施例２
本実施例は、波長が１．３μm の光専用に用いる受光素子に本発明に係る導波路型半導体受光素子の構成を適用した実施例であって、図３は本導波路型半導体受光素子の要部の層構造を示す模式的断面図である。
本実施例の導波路型半導体受光素子３０（簡単に受光素子３０と言う）は、図３に示すように、キャリア濃度４ｘ１０¹⁸cm^-3のｎ−ＩｎＰ基板３２上に、順次、基板と格子整合してエピタキシャル成長させた、ｎ−バッファ層（兼下部クラッド層）３４、ｎ−光閉じ込め層３６、光吸収層３８、ｐ−光閉じ込め層４０、ｐ−上部クラッド層４２、ｐ−コンタクト層４４及びｐ−バッファ層４６の半導体層の積層構造とから構成されている。
実施例２の受光素子３０は、図３に示すように、バンドギャップ波長１．４μm のＧａＩｎＡｓＰで光吸収層３８を構成し、ｎ−光閉じ込め層３６及びｐ−光閉じ込め層４０の光吸収層３８に接する厚さ１μm 及び０．１μm の境界層３６ａ及び４０ａがノンドープ層となっていることを除いて、実施例１の受光素子１０の構成と同じである。
【００３５】
受光素子３０では、光吸収層３８とｎ−光閉じ込め層３６及び光吸収層３８とｐ−光閉じ込め層４０との屈折率差が小さいので、スポットサイズが大きくなり、光閉じ込め係数が小さくなる効果を奏する。
受光素子３０は、ストライプの長さを１００μm にしたことを除いて、実施例１の受光素子１０と同様にして作製されている。
実施例１と同様にして、受光素子３０の変調歪を求めたところ、２次、３次の変調歪は平均で−９０ｄＢｃと−１１０ｄＢｃであり、実施例１と同様にこれまでの受光素子の最良値を示した。特に、２次歪は、以下に述べるように容量が低下しているために、更に、良くなっている。
空乏層の厚さが厚くなったことと、ストライプの長さが短くなったことのために、素子容量は０．１ｐＦと極めて低くなった。
３ｄＢ低下の高周波応答のバイアス依存性を調べたところ、逆バイアス電圧が３Ｖのときは、電界が低く、ホールの速度が十分でないため８ＧＨｚであったが、１０Ｖの逆バイアス電圧を印加すると、ホールが十分加速されて３ｄＢ帯域も３０ＧＨｚまで延びた。
【００３６】
以上、実施例では、光閉じ込め層にＧａＩｎＡｓＰ層を用いているが、ＡｌＧａＩｎＡｓなどの材料を用いても同様な効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、光吸収層の第２の半導体層を第１及び第３の半導体層で挟んだ半導体積層構造で構成された導波路を有する導波路型受光素子において、第１及び第３の半導体層のうち、それぞれ第２の半導体層との界面を有する所定厚さの境界層を１ｘ１０¹⁵ｃｍ^-3以下の低いキャリア濃度層又はノンドープ層にすることにより、高感度で、高速動作性に優れ、しかも低変調歪の導波路型受光素子を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の導波路型半導体受光素子の要部の層構造を示す模式的断面図である。
【図２】実施例１の導波路型半導体受光素子の斜視図である。
【図３】実施例２の導波路型半導体受光素子の要部の層構造を示す模式的断面図である。
【図４】従来の面入射型受光素子の層構造を示す模式的断面図である。
【図５】従来の導波路型半導体受光素子の層構造を示す模式的断面図である。
【図６】基板及びクラッド層をＩｎＰ、光閉じ込め層を３μm 厚でエネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、光吸収層をＧａＩｎＡｓにした層構造の場合の、光吸収層の厚さに対して計算で求めたスポットサイズの大きさ、及びＤＳＦにより入射したときの結合効率を示す。
【図７】導波路の光の吸収係数をパラメータとした、導波路長と受光感度との関係を示すグラフである。
【図８】図６と同じ層構造の場合の、光吸収層の厚さと光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。
【図９】従来の光吸収層付近でのキャリアの挙動を示す模式図である。
【図１０】本発明に係る導波路型半導体受光素子の光吸収層付近でのキャリアの挙動を示す模式図である。
【図１１】空乏層の厚さをパラメータとし、逆バイアス電圧に対してＧａＩｎＡｓ光吸収層に流れるトンネル電流を強度を示したグラフである。
【図１２】空乏層の厚さをパラメータとした、導波路長と容量との関係を示すグラフである。
【図１３】光吸収層の厚さをパラメータとした、キャリアの速度と帯域幅との関係を示すグラフである。
【図１４】ＧａＩｎＡｓ層中の電子とホールの速度と電界強度との関係を示すグラフである。
【図１５】空乏層の厚さをパラメータとして、バイアス電圧と電界との関係を示すグラフである。
【図１６】図６と同じ層構造とし、光吸収層の厚さを０．０６μm とした時の、光閉じ込め層の厚さと最大励起次数との関係を示すグラフである。
【図１７】図６と同じ層構造における６次の導波光のフィールドの形を示したものである。
【符号の説明】
１０実施例１の導波路型半導体受光素子
１２基板
１４ｎ−バッファ層（兼下部クラッド層）
１６ｎ−光閉じ込め層
１６ａｎ−光閉じ込め層うちのノンドープ層
１８光吸収層
２０ｐ−光閉じ込め層
２０ａｐ−光閉じ込め層うちのノンドープ層
２２ｐ−上部クラッド層
２４ｐ−コンタクト層
２６ｐ−バッファ層
２８ｐ型電極
２９ｎ型電極
３０実施例２の導波路型半導体受光素子
３２基板
３４バッファ層（兼下部クラッド層）
３６ｎ−光閉じ込め層
３６ａｎ−光閉じ込め層うちのノンドープ層
３８光吸収層
４０ｐ−光閉じ込め層
４０ａｐ−光閉じ込め層うちのノンドープ層
４２ｐ−上部クラッド層
４４ｐ−コンタクト層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveguide-type semiconductor light-receiving element, and more specifically, a waveguide-type semiconductor that converts a received optical signal into a current signal with high linearity (low modulation distortion) and is excellent in high-speed operation. The present invention relates to a light receiving element.
[0002]
[Prior art]
A light receiving element used in an optical transmission system in a long wavelength band has a PIN type for detecting a photocurrent generated when electrons and holes generated in a depletion layer travel to an electrode, and has a function of amplifying the photocurrent. There is a light receiving element such as an APD type and an MSM type that forms a pair of electrodes on the surface of a semiconductor layer and detects a photocurrent generated between these electrodes.
[0003]
The PIN light-receiving element having the most basic structure is called a plane-incidence light-receiving element, which receives light from a direction perpendicular to the semiconductor layer and photoelectrically converts the photocurrent by a depleted i-type semiconductor layer. Detected. The front-illuminated type light receiving element has advantages such as a simple structure, low manufacturing cost, excellent characteristics such as sensitivity, driving with a low reverse bias voltage, and low noise.
By the way, in a light receiving element for analog light transmission, it is important that the received light signal is excellent in high-speed operation, and that the received light signal can be converted into a current signal with high linearity, that is, it can be converted into a current signal with low modulation distortion. In the incident type light receiving element, it is difficult to satisfy this requirement. This point will be described in detail below.
In a surface incidence type light receiving element, a GaInAs material is generally used for a light absorption layer.
GaInAs is an excellent material in terms of sensitivity characteristics because it has a large absorption coefficient for light with a wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm used in an optical transmission system, but it is large near the interface between the light absorption layer and the cladding layer. Light absorption occurs, and as a result, many optical carriers are generated near the interface.
When optical carriers are concentrated in a part, the space charge effect of the optical carrier itself causes nonuniformity in the electric field, which suppresses carrier diffusion and, as a result, increases modulation distortion. The element has a problem of large modulation distortion.
[0004]
Conventionally, in order to reduce the modulation distortion generated in the surface incident type light receiving element, as shown in FIG. 4, light is incident on the light receiving surface of the surface incident type light receiving element in a form deviated from the focus, and the entire surface of the light receiving surface can be formed. Attempts have been made to receive light with uniform intensity only.
However, if light is incident in a form deviated from the focus, the light receiving sensitivity is lowered, and when viewed in the depth direction of the laminated structure, the optical carriers are still generated in a concentrated manner, There is a limit to the effect of suppressing the generation of modulation distortion.
[0005]
Therefore, instead of the surface incident type light receiving element, as shown in FIG. 5, light is received from the end face of the semiconductor multilayer structure constituting the light receiving element, and the light is guided to the waveguide structure provided in the light incident direction, A waveguide-type semiconductor light-receiving element has been developed that guides light while absorbing light.
In the waveguide type semiconductor light-receiving element, P-type and N-type conductive layers are respectively disposed above and below a light absorption layer having a low carrier concentration to form a PN junction. A reverse bias voltage is applied between the P-type conductive layer and the N-type conductive layer to deplete the light absorption layer having a low carrier concentration and to utilize the high electric field generated in the depletion layer to form the light absorption layer. The incident signal light is photoelectrically converted, and the generated photocurrent is detected.
That is, excited carriers are generated as a hole-electron pair in the depletion layer by incident light, and are separated and drifted by an electric field formed in the depletion layer. As a result, holes reach the P-type conductive layer and electrons reach the N-type conductive layer, and are detected as photocurrent.
In the waveguide type semiconductor light-receiving element, the light absorption layer has the highest refractive index, and the P-type conductive layer and the N-type conductive layer sandwiching the light absorption layer are configured to have a lower refractive index than the light absorption layer. A waveguide structure composed of a light absorption layer and a pair of light confinement layers is formed, and incident light received at the end face is guided while receiving light absorption.
In the waveguide type semiconductor light-receiving element, by reducing the thickness of the light absorption layer, the traveling time of carriers can be shortened, high-speed operability can be improved, and modulation distortion can be suppressed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional waveguide type light receiving element, the sensitivity is improved by making the thickness of the light absorption layer 2 μm or more. Therefore, the high-speed operability and modulation distortion characteristics are higher than those of the surface incident type light receiving element. It could not be evaluated as excellent.
Another problem is that modulation distortion increases because holes with a large effective mass pile up at notches caused by energy steps in the valence band at the heterointerface of the waveguide structure.
[0007]
Therefore, various attempts as listed below have been made in order to realize a waveguide type light receiving element having high light receiving sensitivity and excellent in high-speed operability and low modulation distortion characteristics.
(1) An optical confinement layer having an intermediate refractive index between the cladding layer and the light absorption layer is provided to increase the spot size of the guided light and enable higher-order mode excitation.
(2) A light confinement layer is provided in the same manner as in (1), and the thickness of the light absorption layer is set in the range of 2 μm to 3 μm.
(3) A light confinement layer is provided in the same manner as (1), and conversely to (2), the thickness of the light absorption layer is reduced to a thickness of 0.1 μm or less.
[0008]
By the way, in the method (1) or (2), it is possible to increase the light receiving sensitivity, but it is difficult to realize high-speed operability and low modulation distortion.
Further, although the method (3) can improve high-speed operability and realize low modulation distortion, the light confinement ability becomes weak because the light absorption layer is thin, and as a result, the effective absorption coefficient becomes small. Therefore, in order to sufficiently absorb light and increase the light receiving sensitivity, a long waveguide length is required. On the other hand, since the light absorption layer is thin, the depletion layer is thin and a large internal capacitance is generated. In order to improve this, it is necessary to shorten the waveguide length. As described above, since the two waveguide length conditions to be satisfied are contradictory, the method (3) realizes a waveguide type light receiving element that can satisfy high sensitivity, high speed operability, and low modulation distortion. Was difficult.
[0009]
In light of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a waveguide type semiconductor light-receiving element having high sensitivity, excellent high-speed operability, and excellent optical-electrical conversion distortion characteristics.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventor, as factors relating to light receiving sensitivity, high-speed operability, and modulation distortion, include coupling efficiency, waveguide absorption coefficient, optical confinement coefficient, depletion layer thickness, optical confinement layer. The thickness of each and the thickness of the cladding layer were given, and each was considered as follows.
[0011]
(1) Coupling efficiency
The light receiving sensitivity is the most basic characteristic of the light receiving element. In the first order approximation, the spot size of the basic mode (1 / e²The total width).
FIG. 6 shows the thickness of the light absorption layer in the case of a layer structure in which the substrate and cladding layer are InP, the light confinement layer is 3 μm thick and GaInAsP with an energy gap wavelength of 1.15 μm, and the light absorption layer is GaInAs. It is a graph which shows the magnitude | size of the spot size calculated | required by calculation. FIG. 6 also shows the coupling efficiency when light having a wavelength of 1.3 μm is incident from a DSF (Dispersion Shift Fiber). The GaInAsP layer and the GaInAs layer used in FIG. 6 are lattice-matched to InP of the substrate, respectively.
According to FIG. 6, as the thickness of the light absorption layer is reduced, the spot size is increased and the coupling efficiency is increased. For example, the coupling efficiency is 80% when the spot size is 2.2 μm, and 90% when the spot size is 2.7 μm. The calculated values shown in FIG. 6 are consistent with the experimental results of a sample having a similar layer structure.
In order to obtain high sensitivity, the coupling efficiency is at least 70% or more, preferably the light receiving sensitivity of light having a wavelength of 1.3 μm is 0.84 A / W, and the light receiving sensitivity of light having a wavelength of 1.55 μm is 1.0 A / W. A coupling efficiency of 80% or more is required. In order to obtain a coupling efficiency of 80% or more, according to FIG. 6, the thickness of the light absorption layer needs to be 0.1 μm or less, preferably 0.07 μm or less.
[0012]
(2) Waveguide absorption coefficient
When light is locally absorbed by the waveguide and optical carriers are densely generated there, modulation distortion increases. Therefore, if the absorption coefficient of light in the waveguide is lowered and light absorption is received in the entire waveguide region, such a phenomenon can be prevented and the generation of modulation distortion can be suppressed.
That is, in order to increase the light receiving sensitivity, it is desirable that the absorption coefficient is large. On the other hand, in order to realize low modulation distortion, the absorption coefficient is small, and light absorption occurs uniformly along the waveguide length. It is necessary to.
By the way, the light absorption coefficient of the waveguide is expressed by the product of the value α determined by the material and the optical confinement coefficient Γ determined by the structure of the waveguide. Therefore, by reducing the optical confinement coefficient Γ, the light absorption coefficient The coefficient can be lowered in a pseudo manner.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the light receiving sensitivity using the light absorption coefficient of the waveguide as a parameter. In the graph, the saturation sensitivity is 1 A / W. For example, the absorption coefficient is 1000cm^-1In this case, the light is almost absorbed at a waveguide length of 50 μm, but the absorption coefficient is 100 cm.^-1In this case, even if the waveguide length is 300 μm, only about 95% of light absorption occurs when the waveguide length is 50 μm.
Therefore, the practical waveguide length is 50 μm or more, and considering that it is necessary to make the waveguide length 300 μm or less due to the limitation of capacitance described later, the light receiving sensitivity is 0.65 A / W or more. The absorption coefficient of the waveguide is 200 cm^-1To 1000cm^-1Range, preferably 300cm^-1From 400cm^-1Range.
[0013]
(3) Optical confinement factor
The light confinement coefficient Γ is a ratio of the light energy existing in the light absorption layer to the guided light, and is a coefficient determined by the thickness of the light absorption layer and the thickness of the light confinement layer. When a GaInAsP layer or a GaInAs layer having a wavelength of 1.55 μm or more that is lattice-matched to InP is used as the light absorption layer, the bulk absorption coefficient α is 5 × 10 5 for light with a wavelength of 1.55 μm.^Threecm^-1To 6.9x10^Threecm^-1It is.
Therefore, in the case of GaInAs, the absorption coefficient of the waveguide is 200 cm each.^-1, 300cm^-1, 400cm^-1And 1000cm^-1The optical confinement coefficients Γ required for the above are 2.9%, 4.4%, 5.9% and 14.7%, respectively. Therefore, the absorption coefficient of the waveguide is 200 cm.^-1To 1000cm^-1Range, preferably 300cm^-1From 400cm^-1In order to achieve the above range, the optical confinement factor is set to 2.9% to 14.7%, preferably 4.4% to 5.9%.
[0014]
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thickness of the light absorption layer and the optical confinement coefficient. The layer structure is the same as in FIG. 6, and the substrate and cladding layer are InP, the optical confinement layer is 3 μm thick, and the energy gap is A GaInAsP having a wavelength of 1.15 μm and a light absorption layer are formed of GaInAs. According to FIG. 8, when the thickness of the light absorption layer is 0.05 μm, the light confinement factor is 3.5%, but when the thickness is 0.1 μm, the light confinement factor is 12%.
Therefore, in order to make the optical confinement coefficient in the range of 2.9% to 14.7% in order to make the absorption coefficient of the waveguide within the specific range described above, the graph of FIG. The thickness of the light absorption layer is in the range of 0.04 μm to 0.12 μm, and in order to make the optical confinement coefficient in the range of 4.4% to 5.9%, the thickness of the light absorption layer is 0.055 μm to 0.32 μm. The range is 066 μm.
As described in (1), since the thickness of the light absorption layer is also limited by the light receiving sensitivity, the thickness of the light absorption layer is preferably in the range of 0.04 μm to 0.1 μm to satisfy both. Needs to be in the range of 0.055 μm to 0.066 μm.
[0015]
(4) Depletion layer thickness
First, consider the waveguide structure.
As shown in FIG. 9, the conventional waveguide-type semiconductor light-receiving element has a waveguide structure in which both surfaces of an i-layer light absorption layer are sandwiched between a p-layer and an n-layer. Therefore, as shown in FIG. 9, a hole having a large effective mass piles up at a notch due to the energy step of the valence band at the hetero interface of the waveguide structure, resulting in an increase in modulation distortion.
Therefore, the present inventor has conceived that a high electric field is applied to the hetero interface in order to eliminate the pile-up of holes due to the energy level difference of the valence band at the hetero interface. That is, as shown in FIG. 10, by converting a boundary layer having a predetermined thickness out of the p layer and the n layer adjacent to the light absorption layer into an i layer, the boundary layer is formed when a reverse bias voltage is applied. As a result of depletion, a high electric field is generated at the heterointerface, and hole pile-up can be suppressed.
[0016]
The thickness of the depletion layer, that is, the thickness of the boundary layer between the p layer and the n layer can be defined regardless of the type of material by changing the doping concentration stepwise. For example, 1x10¹⁵cm^-3With a low carrier concentration, a layer having a thickness of about 2 μm is depleted even when the reverse bias voltage is 1 V, but the carrier concentration is 1 × 10¹⁸cm^-3Then, even when the reverse bias voltage is 10 V, only a layer having a thickness of about 0.1 μm is depleted.
Therefore, the region to be depleted is 1 × 10¹⁵cm^-3The following carrier concentration or non-doped layer is used, and a region not depleted is 1 × 10¹⁸cm^-3If the carrier concentration is set to a certain level, the thickness of the depletion layer that does not depend on the reverse bias voltage can be set.
[0017]
By the way, when the light absorption layer is made thin, a tunnel current is generated due to a Zener breakdown and is detected as a dark current, which causes deterioration of the S / N ratio of signal current, shortening of life, etc. I have to hold it down.
Therefore, in order to reduce the thickness of the light absorption layer in the range of 0.04 μm to 0.1 μm, preferably in the range of 0.055 μm to 0.066 μm, the thickness of the depletion layer is increased and the zener break is increased. It is necessary to prevent down.
FIG. 11 is a graph showing the calculated value obtained by calculating the tunnel current flowing in the GaInAs light absorption layer with respect to the reverse bias voltage using the thickness of the depletion layer as a parameter. The correctness of the calculated value of the tunnel current shown in FIG. 11 has been confirmed by experiments.
As shown in FIG. 11, a large tunnel current is generated with the same reverse bias voltage in the order from a thin depletion layer to a thick depletion layer.
The magnitude of the reverse bias voltage applied to the light receiving element depends on the design conditions of the electronic circuit and the like, and the bias is reduced to about 3 V in accordance with the recent trend of lower power consumption. However, in the case of a low distortion light receiving element for analog use, a video circuit is driven at a high voltage, and thus a reverse bias voltage of about 8 V is often applied to the light receiving element. On the other hand, if the tunnel current is 10 nA or less, the deterioration of the device characteristics is not remarkable.
Therefore, if the maximum reverse bias voltage is 8 V and the allowable tunnel current is 10 nA, the thickness of the depletion layer, that is, the thickness of the boundary layer between the p layer and the n layer may be 0.4 μm or more as shown in FIG. .
[0018]
In terms of capacitance, as shown in FIG. 12, with the same waveguide length, the capacitance increases as the thickness of the depletion layer is reduced. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the capacitance using the thickness of the depletion layer as a parameter.
In view of the band of the light receiving element, output impedance, S / N, etc., it is preferable to limit the capacitance to 0.8 pF or less. Therefore, when the optimum waveguide length is in the range of 100 μm to 200 μm, the thickness of the depletion layer Must be 0.5 μm or more.
[0019]
In the depletion layer, carriers excited by photoelectric conversion diffuse and travel due to a high electric field in the depletion layer, and reach the p layer and the n layer. The running time of this depletion layer is one factor that determines the band of the light receiving element.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the carrier velocity and the bandwidth using the thickness of the light absorption layer as a parameter. Assuming that the 2.4 GHz bandwidth is one reference for the high-speed light receiving element, assuming that the thickness of the depletion layer is 3 μm or less, in order to have a band of 3 GHz or more, the carrier speed is 1 × 10 5 from FIG.⁶Must be at least cm / sec.
[0020]
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the velocity of electrons and holes in the GaInAs layer and the electric field strength. As shown in FIG. 14, an electron with a small effective mass is 1 × 10 1 even in a low electric field of 10 kV / cm or less.⁶A hole having a sufficiently high speed of cm / sec or more, but having a large effective mass requires a large electric field of 10 kVcm or more.
[0021]
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the bias voltage and the electric field using the thickness of the depletion layer as a parameter. By setting the thickness of the depletion layer to 1 μm or less, an electric field strength of 20 kV / cm or more can be obtained by a reverse bias voltage of 1 V or more.
As shown in FIG. 15, when the depletion layer is thin, the electric field strength increases with the same reverse bias voltage. On the other hand, as shown in FIG. 11, a large tunnel current is generated.
This is a trade-off relationship.
[0022]
By combining the above allowable tunnel current value, capacity and carrier velocity, the present inventor has found that the thickness of the depletion layer is 0.5 μm or more and 3 μm or less, preferably 0.7 μm or more and 1.5 μm or less. It was said that.
[0023]
As shown in FIG. 14, in the electric field of 20 kV / cm, the electron velocity is five times the hole velocity, and in the electric field of 100 kV / cm, the electron velocity is twice the hole velocity.
Considering that there is a problem with holes in the diffusion of carriers, it is more effective to make the depletion layer adjacent to the p layer thinner, and the thickness of the depletion layer adjacent to the p layer is smaller than that of the n layer. The thickness of the adjacent depletion layer is 1/15 to 1/2, preferably 1/5 to 1/2. That is, when the region close to the p layer is non-doped with a thickness of 0.5 μm, the region close to the n layer is preferably non-doped with a thickness of 1 μm.
[0024]
(5) Thickness of optical confinement layer
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the thickness of the optical confinement layer and the maximum excitation order.
In FIG. 16, as in FIG. 6, assuming a layer structure in which the substrate and the clad layer are made of InP, the optical confinement layer is made of GaInAsP having a thickness of 3 μm and an energy gap wavelength of 1.15 μm, and the light absorption layer is made of GaInAs. The layer thickness is 0.06 μm.
As shown in FIG. 16, when the thickness of the light absorption layer is 0.06 μm, the maximum excitation order increases as the thickness of the light confinement layer is increased. The larger the maximum excitation order, the more the generation of radiated light can be suppressed when the axis shift occurs, and the decrease in sensitivity is small.
The allowable amount of sensitivity reduction when a positional shift occurs is referred to as a mounting allowable amount. However, when considering a module for matching with an optical fiber, it is assumed that a reduction of about 0.5 dB is allowed. It is necessary to keep the center alignment within a positional deviation of about 1.5 μm. In order to realize this, the maximum excitation order is at least 4 or more, preferably 6 or more.
For this purpose, according to FIG. 16, the thickness of the optical confinement layer is at least 2 μm, preferably 3 μm or more. However, if the thickness is made too thick, it becomes difficult to perform good-quality crystal growth. Therefore, the thickness of the optical confinement layer is practically 5 μm or less.
[0025]
(6) Cladding thickness
FIG. 17 shows the shape of the sixth-order guided light field. In FIG. 17, similarly to FIG. 6, a layer structure is assumed in which the substrate and the cladding layer are made of InP, the optical confinement layer is made of GaInAsP having a thickness of 3 μm and an energy gap wavelength of 1.15 μm, and the light absorption layer is made of GaInAs. FIG. 17 shows that the light oozing into the cladding beyond the 3 μm thick optical confinement layer is excited.
For this reason, the thickness of the cladding layer is 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more. In particular, when the substrate is InP, the substrate may be used as a clad, but the interface between the substrate and the epitaxial growth layer has various defects that cause light to be scattered. The thickness of the cladding layer as a buffer needs to be 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more.
[0026]
In order to achieve the above object, based on the above knowledge, a waveguide type semiconductor light receiving device according to the present invention is provided on a semiconductor substrate, on a first semiconductor layer and on a first semiconductor layer, having a predetermined wavelength. And a third semiconductor layer on the second semiconductor layer, and the energy gap between the first and third semiconductor layers is the energy gap of the second semiconductor layer. In a waveguide type light receiving element that includes a waveguide having a larger semiconductor multilayer structure and receives light incident in parallel to the second semiconductor layer at an end face of the multilayer structure,
Of the semiconductor layers constituting the first and third semiconductor layers, the boundary layer having a predetermined thickness having an interface with the second semiconductor layer is 1 × 10 3 respectively.¹⁵cm^-3It is characterized by the following low carrier concentration layer or non-doped layer.
[0027]
Preferably, the predetermined thickness of at least one of the boundary layers of the first and third semiconductor layers is 0.5 μm or more and 3 μm or less, respectively.
Further, the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are respectively n-doped and p-doped, and the predetermined thickness of the boundary layer of the first semiconductor layer is the predetermined thickness of the boundary layer of the first semiconductor layer. 2 to 15 times, preferably 2 to 5 times.
Furthermore, it is preferable that the semiconductor multilayer structure composed of the first to third semiconductor layers is composed of an InP-based semiconductor multilayer structure formed on a substrate composed of InP, and the first semiconductor layer and the third semiconductor layer. An InP layer having a thickness of 0.5 μm or more is provided separately from the substrate on the outer side of each.
In a preferred embodiment of the present invention, the waveguide type light receiving element is configured such that the width of the cross section of the waveguide parallel to the end face of the semiconductor multilayer structure is maximized at the contact surface with the electrode and minimized at the light absorption layer. The waveguide has a ridge stripe structure formed in an inverted trapezoidal shape.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the accompanying drawings.
Example 1
This embodiment is an embodiment in which the structure of the waveguide type semiconductor light receiving element according to the present invention is applied to a light receiving element using GaInAs as a light absorption layer. FIG. It is typical sectional drawing which shows a layer structure.
As shown in FIG. 1, the waveguide type semiconductor light receiving element 10 (simply referred to as the light receiving element 10) of the present embodiment has a carrier concentration of 4 × 10.¹⁸cm^-3N-InP substrate 12, buffer layer (also serving as a lower cladding layer) 14, n-light confinement layer 16, light absorption layer 18, p-light The semiconductor layer includes a confinement layer 20, a p-upper cladding layer 22, a p-contact layer 24 and a p-buffer layer 26.
[0029]
The structure of each semiconductor layer is shown below.

[0030]
In this embodiment, the boundary layer 16a having a thickness of 0.6 μm in contact with the light absorption layer 18 of the n-light confinement layer 16 and the boundary having a thickness of 0.3 μm in contact with the light absorption layer 18 of the p-light confinement layer 20 are used. Each of the layers 20a is configured as a non-doped layer.
[0031]
A method for manufacturing the light receiving element 10 of Example 1 will be described below.
First, an n-buffer layer (also serving as a lower clad layer) 14, an n-light confinement layer 16, a light absorption layer 18, a p-light confinement layer 20, and a p-upper portion are sequentially arranged on the substrate 12 in lattice matching. The clad layer 22, the p-contact layer 24, and the p-buffer layer 26 were epitaxially grown to form a semiconductor multilayer structure.
In addition, when doping the n-light confinement layer 16 and the p-light confinement layer 20, the doping is performed under such conditions that the boundary layer 16a and the boundary layer 20a are formed as non-doped layers.
Next, pattern formation is performed by a normal photolithographic technique. As shown in FIG. 2, a p-buffer layer 26, a p-contact layer 24, a p-upper cladding layer 22, a p-light confinement layer 20, and a light absorption layer. 18 and a part of the n-light confinement layer 16 were wet-etched and processed into a ridge stripe shape having an inverted trapezoidal cross section. The width of the stripe was 18 μm and the length was 300 μm. The stripe direction was the [011] direction, and a wet bromide solution was used for wet etching.
After forming the ridge, SiN was vapor-deposited on the p-buffer layer 26, and passivation and insulation treatments were performed. Then, polyimide was vapor-deposited, and the polyimide was removed from the region for element isolation.
[0032]
Next, a part of SiN on the stripe was removed to form a contact window, and a p-type ohmic electrode 28 made of Ti, Pt and Au was deposited thereon. The electrode was drawn from the upper part of the stripe onto the polyimide, and only a 50 μm square bonding region was formed on the polyimide. The bonding area was placed on 4 μm thick polyimide so that unnecessary capacitance was not generated.
After the substrate 12 was polished from the back surface and adjusted to a thickness of 120 μm, an n-type ohmic electrode 29 made of AuGeNi alloy and Au was deposited on the back surface of the substrate 12.
At the center of the stripe, cleavage was performed perpendicular to the stripe to produce a flat light receiving end face. This limits the stripe length to 150 μm. Further, a non-reflective film made of SiNx was vapor-deposited on the end face on the light incident side.
Finally, it was separated into individual light receiving elements to obtain the light receiving element 10 of this example.
[0033]
In order to evaluate the characteristics of the obtained light receiving element 10, the following evaluation test was performed.
First, when the light receiving element 10 and a DSF (Dispersion Shift Fiber) fiber are butted and connected by a bad joint and the sensitivity of the light receiving element 10 is measured, 0.95 A / mm is obtained for light having a wavelength of 1.55 μm at the maximum coupling point. W was received with a high sensitivity of 0.9 A / W with respect to light having a wavelength of 1.3 μm.
The element capacitance of the light receiving element 10 is as good as 0.2 pF and the series resistance is 5 Ω. When the frequency characteristics are tested with a load resistance of 50 Ω, the bandwidth of 3 dB reduction is 9 GHz when a reverse bias voltage of 3 V is applied. The value could be obtained.
When the second and third order intermodulation distortion of the light receiving element 10 was obtained by the optical heterodyne method under the test conditions of a modulation frequency of 244 MHz and 250 MHz, a modulation degree of 70%, and an average input power of 0 dBm, the second and third order modulations were obtained. The distortions were -80 dBc and -110 dBc on average, respectively, and showed the best value among the conventional light receiving elements.
Further, when a decrease in sensitivity due to the positional deviation was examined, a decrease of 0.5 dB was observed at a position ± 2.0 μm from the maximum coupling point. The mounting tolerance of ± 2.0 μm is a numerical value that makes modularization very easy.
When the dark current of the light receiving element 10 was measured, the reverse bias voltage was 3 V and it was extremely low at 100 pA. Furthermore, the breakdown voltage when the reverse bias voltage was raised to cause a tenor breakdown was as high as 20V.
[0034]
Example 2
This embodiment is an embodiment in which the structure of the waveguide type semiconductor light receiving element according to the present invention is applied to a light receiving element used exclusively for light having a wavelength of 1.3 μm. FIG. It is typical sectional drawing which shows the layer structure of the principal part.
As shown in FIG. 3, the waveguide type semiconductor light receiving element 30 (simply referred to as the light receiving element 30) of this embodiment has a carrier concentration of 4 × 10.¹⁸cm^-3An n-buffer layer (also serving as a lower clad layer) 34, an n-light confinement layer 36, a light absorption layer 38, and a p-light confinement layer are sequentially grown on the n-InP substrate 32 by lattice matching with the substrate. 40, a p-upper cladding layer 42, a p-contact layer 44, and a p-buffer layer 46, which are stacked semiconductor layers.
As shown in FIG. 3, the light receiving element 30 of the second embodiment includes a light absorption layer 38 made of GaInAsP having a band gap wavelength of 1.4 μm, and a light absorption layer of an n-light confinement layer 36 and a p-light confinement layer 40. The configuration is the same as that of the light receiving element 10 of the first embodiment except that the boundary layers 36a and 40a having a thickness of 1 μm and 0.1 μm in contact with the surface 38 are non-doped layers.
[0035]
In the light receiving element 30, since the difference in refractive index between the light absorption layer 38 and the n-light confinement layer 36 and between the light absorption layer 38 and the p-light confinement layer 40 is small, the effect of increasing the spot size and reducing the light confinement coefficient. Play.
The light receiving element 30 is manufactured in the same manner as the light receiving element 10 of Example 1 except that the stripe length is 100 μm.
When the modulation distortion of the light receiving element 30 was determined in the same manner as in Example 1, the second and third modulation distortions were -90 dBc and -110 dBc on average. The best value was shown. In particular, the secondary distortion is further improved because the capacity is reduced as described below.
Due to the increase in the thickness of the depletion layer and the shortening of the stripe length, the element capacitance was as extremely low as 0.1 pF.
When the bias dependence of the high-frequency response of 3 dB reduction was examined, when the reverse bias voltage was 3 V, the electric field was low and the hole speed was insufficient, so that it was 8 GHz. However, when a reverse bias voltage of 10 V was applied, Was sufficiently accelerated and the 3 dB band also extended to 30 GHz.
[0036]
As described above, although the GaInAsP layer is used for the light confinement layer in the embodiments, the same effect can be obtained by using a material such as AlGaInAs.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the waveguide type light receiving element having the waveguide configured by the semiconductor stacked structure in which the second semiconductor layer of the light absorption layer is sandwiched between the first and third semiconductor layers, the first and third 1 × 10 of boundary layers having a predetermined thickness each having an interface with the second semiconductor layer.¹⁵cm^-3By using the following low carrier concentration layer or non-doped layer, a waveguide type light receiving element having high sensitivity, excellent high speed operation, and low modulation distortion is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a main part of a waveguide type semiconductor light receiving element of Example 1. FIG.
FIG. 2 is a perspective view of a waveguide type semiconductor light receiving element of Example 1. FIG.
3 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a main part of a waveguide type semiconductor light receiving element of Example 2. FIG.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a conventional surface incident light receiving element.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a conventional waveguide type semiconductor light receiving element.
FIG. 6 shows the calculation for the thickness of the light absorption layer in the case of a layer structure in which the substrate and cladding layer are InP, the light confinement layer is 3 μm thick and GaInAsP with an energy gap wavelength of 1.15 μm, and the light absorption layer is GaInAs. The size of the spot size obtained in (1) and the coupling efficiency when incident by DSF are shown.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the light receiving sensitivity using the light absorption coefficient of the waveguide as a parameter.
8 is a graph showing the relationship between the thickness of the light absorption layer and the optical confinement coefficient in the case of the same layer structure as FIG.
FIG. 9 is a schematic diagram showing the behavior of carriers in the vicinity of a conventional light absorption layer.
FIG. 10 is a schematic diagram showing the behavior of carriers in the vicinity of the light absorption layer of the waveguide type semiconductor light receiving element according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the intensity of the tunnel current flowing in the GaInAs light absorption layer with respect to the reverse bias voltage, using the thickness of the depletion layer as a parameter.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the capacitance using the thickness of the depletion layer as a parameter.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between carrier velocity and bandwidth using the thickness of the light absorption layer as a parameter.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the velocity of electrons and holes in a GaInAs layer and the electric field strength.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the bias voltage and the electric field with the thickness of the depletion layer as a parameter.
16 is a graph showing the relationship between the thickness of the light confinement layer and the maximum excitation order when the layer structure is the same as in FIG. 6 and the thickness of the light absorption layer is 0.06 μm.
FIG. 17 shows the shape of a sixth-order guided light field in the same layer structure as FIG. 6;
[Explanation of symbols]
10 Waveguide type semiconductor light receiving element of Example 1
12 Substrate
14 n-buffer layer (also lower clad layer)
16 n-light confinement layer
16a Non-doped layer of n-light confinement layer
18 Light absorption layer
20 p-light confinement layer
20a Non-doped layer of p-light confinement layer
22 p-upper cladding layer
24 p-contact layer
26 p-buffer layer
28 p-type electrode
29 n-type electrode
30 Waveguide type semiconductor light receiving device of Example 2
32 substrates
34 Buffer layer (also lower clad layer)
36 n-light confinement layer
36a Non-doped layer of n-light confinement layer
38 Light absorption layer
40 p-light confinement layer
40a Non-doped layer of p-light confinement layer
42 p-upper cladding layer
44 p-contact layer

Claims

A semiconductor substrate includes a first semiconductor layer, a second semiconductor layer that is on the first semiconductor layer and absorbs light of a predetermined wavelength, and a third semiconductor layer on the second semiconductor layer. And a waveguide having a semiconductor stacked structure in which the energy gap between the first and third semiconductor layers is larger than the energy gap of the second semiconductor layer, and the light incident on the second semiconductor layer is absorbed by the stacked structure. In the waveguide type light receiving element for receiving light
The waveguide length is 100-200 μm,
Of the semiconductor layers forming the first and third semiconductor layers, the boundary layers having a predetermined thickness having an interface with the second semiconductor layer are low carrier concentration layers or non-doped layers of 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ or less, respectively. A waveguide-type semiconductor light-receiving element, wherein a predetermined thickness of at least one of the boundary layers of the first and third semiconductor layers is not less than 0.5 μm and not more than 3 μm .

The first semiconductor layer and the third semiconductor layer are respectively n-doped and p-doped, and the predetermined thickness of the boundary layer of the first semiconductor layer is 2 which is the predetermined thickness of the boundary layer of the third semiconductor layer. 2. The semiconductor waveguide type light receiving element according to claim 1 , wherein the light receiving element is doubled to 15 times, preferably 2 times to 5 times.

A semiconductor multilayer structure having first to third semiconductor layers is composed of an InP-based semiconductor multilayer structure formed on a substrate made of InP, and outside each of the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, semiconductor waveguide type light receiving element according to claim 1 or 2, characterized in that provided separately from the substrate an InP layer of the layer thickness of more than 0.5 [mu] m.

The width of the cross section of the waveguide parallel to the end face of the semiconductor multilayer structure is maximized at the contact surface with the electrode, and becomes smaller as it approaches the light absorption layer, and the ridge stripe structure formed in an inverted trapezoidal shape is used. semiconductor waveguide type light receiving element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it has a waveguide.