JP3708758B2

JP3708758B2 - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP3708758B2
Application number: JP19727299A
Authority: JP
Inventors: 好史村本; 秀樹深野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP2001024211A

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し、詳しくは、キャリア発生にともなう光電流のｐｎ接合面内における電流密度分布の不均一性が小さく、かつ、素子の出力特性を制限している入射端近傍における電流密度最高値を下げて高出力化することができる半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速用の半導体受光素子として用いられるｐｉｎフォトダイオードでは、光吸収層は低濃度であるため、動作電圧において完全に空乏化されており、キャリアとして発生した電子とホールが空乏層の内部電界によって加速される。しかし、ホールの速度が電子に比べて小さいため、フォトダイオードの応答速度はホールのドリフト速度によって制限される。また、高出力を得る目的で、光アンプ等によって増幅された信号光を入射した場合、キャリアの大量発生にともなって空乏層内で空間電荷効果を生じ、内部電界が変調を受けて高速応答が不安定になる。
【０００３】
これに対して、光吸収層をｐ型層とし、近接した半導体層を光吸収層よりも広いバンドギャップを持ったｎ型低濃度層とすることによって、光吸収層と空乏層を分離した構造が従来技術１（特願平８−８３７０４）に提案されている。
【０００４】
この構造では、光吸収層で発生したキャリアのうち、電子のみが拡散行程でｎ型低濃度層に到達し、動作電圧において完全に空乏化したｎ型低濃度層の内部電界で加速される。また、ホールは直接ｐ電極へ流れるため、空乏層を通過するキャリアにはならない。光吸収層と空乏層が分離され、速度が速いキャリアのみが空乏層を通過するため、高速応答が可能になるとともに、高入力時においても空間電荷効果による空乏層への影響は少なく、高入力の光でも高速応答が可能である。
【０００５】
また、薄い光吸収層をもった半導体受光素子の効率を高くする方法として、光吸収層の両側に光ガイド層を設けた導波路型構造とし、光を層構造に平行に入射して高出力、高速応答および高効率特性を同時に満たす半導体受光素子が、従来技術２（特願平９−２６６２２４）に提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術１の構造では、光吸収層で発生したキャリアのうち、電子のみが拡散行程でｎ型低濃度層に到達し、動作電圧において完全に空乏化されたｎ型低濃度層の内部電界によって加速される。また、ホールは直接ｐ電極へ流れるため、空乏層を通過するキャリアにはならない。光吸収層と空乏層が分離され、速度が速いキャリアのみが空乏層を通過するため、高速応答が可能になるとともに、高入力時においても空間電荷効果による空乏層への影響は少なく、高入力の光でも高速応答が可能である。
【０００７】
しかし、この構造では電子が拡散行程で空乏層に到達する時間によってフォトダイオードの応答速度が決まるため、高速応答を可能にするためには光吸収層を薄くする必要がある。そのため、光が層構造に垂直に入射する面入射の場合は、内部量子効率の低下を引き起こし、層構造に平行に光が入射する端面入射の場合は、入射光との結合効率の低下を引き起こし、いずれの場合も高速度と効率とのトレードオフが生じ、両者を同時に満足できないという問題があった。
【０００８】
また、上記従来技術２の場合、半導体受光素子では、入射された光は吸収層で指数関数的に吸収されるため、導波路型受光素子のようにｐｎ接合に平行に光が入射した場合は、光の吸収とキャリアの発生は光の入射端近傍に集中する。そのため、キャリア発生にともなう光電流の電流密度は、ｐｎ接合面内で一様な分布を示さず、入射端近傍において電流密度の最高値を持つような不均一な分布を示す。さらに、半導体受光素子の出力特性は、光電流の電流密度によって決定されるため、入射する光のパワーを上げて高出力を得ようとすると、導波路型受光素子では入射端近傍における電流密度の最高値によって出力が制限されてしまうという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術における問題を解決し、高速かつ高出力を有する導波路型の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】
上記目的を達成するため、本発明の半導体受光素子は、膜厚が０．２μｍ以下の光吸収層である第１の半導体層と、当該第１の半導体層の第１および第２の面の上にそれぞれ形成された光ガイド層である第２および第３の半導体層と、当該第２および第３の半導体層上にそれぞれ形成された光を閉じ込めるためのクラッド層である第４および第５の半導体層を少なくとも具備し、導波路内で励振される導波光の分布が二つのピークを持ち、当該二つのピークのうち、上記第１の半導体層内に存在するピークが、他の一つのピークと同等若しくは当該他の一つのピークより低くなるように、上記第２の半導体層と上記第３の半導体層の厚さが互いに異なっていることを特徴とする。
【００１１】
従来の半導体受光素子の場合は、光吸収層の両側に設けられる光ガイド層は、両者の厚さが互いに等しくなるように形成されたので、両者の膜厚の差は膜形成の際における膜厚の制御精度以下であった。しかし、本発明では、光吸収層の両側に設けられる光ガイド層は、膜厚が互いに異なるように形成されるので、両者の膜厚の差は上記膜厚の制御精度より十分大きくなる。
【００１２】
すなわち、本発明によれば、導波路型の半導体受光素子において、光ガイド層である第２および第３の半導体層の厚さが互いに異なるため、導波路内で励振される導波光分布の中心と光吸収層である上記第１の半導体層の位置が一致せずにずれる。そのため、光吸収とキャリアの発生が導波路の長さ方向に分散され、ｐｎ接合面内における電流密度分布の不均一性が緩和されて、入射端近傍での電流密度の最高値が低下し、高出力化が達成される。
【００１３】
膜厚が０．２μｍ以下の光吸収層として作用する第１導電型を有する第１の半導体層と、当該第１の半導体層の一方の側に形成された上記第１導電型を有する第２の半導体層と、上記第１の半導体層の他方の側に形成された第２導電型を有する第３の半導体層と、上記第２の半導体層上に形成された上記第１導電型を有する第４の半導体層と、上記第３の半導体層上に形成された上記第２導電型を有する第５の半導体層と、上記第１の半導体層と第３の半導体層の間に当該第１および第３の半導体層に接して形成された上記第２導電型を有し、かつ上記第１および第３の半導体層よりドーピング濃度が低い第６の半導体層を有し、上記第３、第６および第２の半導体層は上記第１の半導体層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、上記第４および第５の半導体層はバンドギャップエネルギーが上記第３、第６および第２の半導体層よりも大きく、導波路内で励振される導波光の分布が二つのピークを持ち、当該二つのピークのうち、上記第１の半導体層内に存在するピークが他の一つのピークと同等若しくは当該他の一つのピークより低くなるように、上記第３の半導体層と上記第６の半導体層の厚さの和が、上記第２の半導体層の厚さと異なるという構成とすることができる。
【００１４】
この場合、上記第３の半導体層と第６の半導体層によって下部の光ガイド層が構成され、上記第２の半導体層が上部の光ガイド層として作用する。上記第３および第６の半導体層の厚さの和が、上記第２の半導体層の厚さと異なるので、導波路内で励振される導波光分布の中心と、光吸収層である上記第１の半導体層の中心の位置が一致せずにずれる。そのため、光吸収とキャリアの発生の入射端近傍における集中は緩和されて導波路の長さ方向に分散され、ｐｎ接合面内における電流密度分布の不均一性が緩和されて、入射端近傍での電流密度の最高値が低下し、高出力化が達成される。しかも、導波路内で励振される導波光は二つのピークを有し、一方のピークは他方のピークと同等若しくは当該他方のピークより低くなるように、第３および第６の半導体層の厚さの和と、第２の半導体層の厚さは互いに異なっている。
【００１６】
上記第１の半導体層の厚さが０．２μｍ以下であると極めて好ましい結果が得られる。すなわち、導波路構造を非対称構造にすることによって素子の高出力化が可能になるが、光吸収層である上記第１の半導体層が厚い場合は、実効的なコア層の厚さを厚くするとともに、上部光ガイド層と下部光ガイド層の厚さの差を大きくし、さらに素子の長さを長くすることが必要であり、このようにしてはじめてその効果が認められる。
【００１７】
しかし、このようにすると、素子サイズが大きくなってしまうので好ましくない。このような素子サイズの増大なしに高速動作を実現するには、光吸収層の厚さを、非対称効果がより顕著に認められるようになる０．２μｍ以下にし、さらに導波路内で励振される導波光分布が二つのピークを持ち、光吸収層内に存在するピークがもう一つのピークと同等か、若しくは小さくなるように、上部光ガイド層と下部光ガイド層の厚さが互いに異なるようにすることが有効である。
【００１８】
上記第１の半導体層の厚さを０．２μｍ以下にすれば顕著な効果が得られ、この厚さが薄いほど好ましいので、亀裂やピンホールなどの障害が発生せず、光吸収層として支障なく動作できる範囲内で、できるだけ薄い膜を用いるのがよい。
【００１９】
導波路内で励振される導波光の分布が二つのピークを持ち、当該二つのピークのうち、上記第１の半導体層内に存在するピークが他の一つのピークと同等若しくは当該他の一つのピークより低いことが好ましい。従来は、例えば図２（ｂ）に示したように、上記導波路内で励振される導波光の分布のピークは一般に一つであったが、本発明では第２の半導体層と第３の半導体層の厚さが互いに異なるので、導波光の分布は二つのピークを有し、しかも、一方のピークは他のピークと同等若しくは当該他の一つのピークより低い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
〈実施例１＞
本発明の第１の実施例を図面を用いて詳細に説明する。本実施例の半導体受光素子は、図１（ａ）にその層構造を示したように、アンドープ光吸収層１１の両面に、第１導電型（本実施例ではｐ型）を有する上部の光ガイド層１２と第２導電型（本実施例ではｎ型）を有する下部の光ガイド層１３が、それぞれ接して形成されており、上記上部および下部の光ガイド層１２、１３の厚さは互いに異なる。これら光吸収層１１、上部の光ガイド層１２および下部の光ガイド層１３が、導波路構造における実効的なコア層となるので、以下、これらの層をすべて合わせたものをコア層と記す。さらにこのコア層を、第１導電型を有するクラッド層１４と第２導電型を有するクラッド層１５によって挟み込んで、導波路構造が形成されている。
【００２１】
一方、従来の構造は、図２（ａ）にその層構造を示したように、光吸収層２１の両面にそれぞれ接して形成された、上部の光ガイド層２２と下部の光ガイド層２３の層厚は均等であり、光吸収層２１の中心とコア層の中心とが一致している対称構造である。そのため、図２（ｂ）に示したように、光が入射した時に励振される導波光分布の中心は光吸収層２１の中心と一致し、キャリアの発生は入射端面近傍において最も多く、しかも、導波路長さ方向におけるキャリアの発生は不均一であった。そのため、キャリア発生にともなう光電流の電流密度はｐｎ接合面内で一様な分布を示さずに、入射端近傍において電流密度の最高値を持つような不均一な分布を示し、出力特性はこの入射端近傍における電流密度の最高値によって制限されていた。
【００２２】
しかし、本実施例では、上記のように、上部の光ガイド層１２と下部の光ガイド層１３の膜厚が互いに異なるため、光吸収層１１の中心とコア層の中心が一致せずにずれている非対称構造となっており、対称構造を有する上記従来構造とは著しく異なる。
【００２３】
このように、光ガイド層を含む実効的なコア層が形成されている導波路型の半導体受光素子では、コア層内における光吸収層の位置とは無関係に、コア層の中心に光が入射された時に、結合効率は常に最も高くなる。本実施例においては、コア層の中心と光吸収層１１の中心が一致せずにずれているため、結合効率が最も高くなるようにコア層の中心に光を入射すると、図１（ｂ）に示したように、励振される導波光分布の中心は、光吸収層１１の中心とずれる。導波路型受光素子では光吸収係数は光電界の光吸収層１１への閉じ込め量に比例するため、図１に示した非対称構造によって、光吸収層１１への閉じ込めを弱め、入射端近傍におけるキャリア発生の集中を緩和して、導波路長さ方向にキャリア発生を分散させることができる。その結果、キャリア発生にともなう光電流のｐｎ接合面内における電流密度分布の不均一性は緩和され、素子の出力特性を制限している入射端近傍における電流密度最高値を下げて素子の出力を高くすることができた。
【００２４】
図１に示した本実施例の導波路型半導体受光素子をさらに具体的に説明する。上記光吸収層１１としてはアンドープのＩｎＧａＡｓ層、上部の光ガイド層１２としてｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）層、下部の光ガイド層１３としてはｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）層、クラッド層１４としてはｐ−ＩｎＰ層、第２導電型クラッド層１５としてはｎ−ＩｎＰ基板をそれぞれ用いた。図１において、符号１６はｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１７はオーミックｐ電極、１８はオーミックｎ電極をそれぞれ表わす。
【００２５】
また、図２において、符号２１はアンドープのＩｎＧａＡｓ層からなる光吸収層、２２はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）層からなる光ガイド層、２３はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）層からなる光ガイド層、２４はクラッド層となるｐ−ＩｎＰ層、２５は下部クラッド層となるｎ−ＩｎＰ基板、２６はｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２７はオーミックｐ電極、２８はオーミックｎ電極をそれぞれ表わす。
【００２６】
上記光吸収層１１の厚さを０．１μｍ、上部の光ガイド層１２の厚さを０．３μｍ、下部の光ガイド層１３の厚さを１．７μｍに、それぞれした時の導波路長さに対する効率をビーム伝搬法によって求め、その結果から、導波路長さ３０μｍの素子で、２０ｍＡの光電流が得られる時の導波路長さ方向に対する電流密度分布を求め、得られた結果を図３に示した。
【００２７】
図３において、実線３１は図１に示した本実施例の非対称導波路構造における計算結果を示す。点線３２は図２にで示した従来の対称型導波路構造において、ＩｎＧａＡｓ層からなる光吸収層２１の厚さを０．１μｍ、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長；１．３μｍ）層からなる上部の光ガイド層２２の厚さを１．０μｍとし、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）層からなる下部光ガイド層２３の厚さを１．０μｍとしたときの結果を示している。
【００２８】
両者とも光吸収層と光ガイド層を合わせたコア層の厚さは２．１μｍであり、光の入射位置はいずれもコア層の中心とした。図３から明らかなように、本実施例の構造では、光吸収層１１の中心がコア層の中心から０．７μｍずれているため、光吸収層１１での閉じ込めが弱くなり、その結果、従来の対称型導波路構造よりも、入射端近傍における光の吸収とキャリア発生の集中が緩和されて、導波路長さ方向に分散されていることが認められた。この結果から、導波路長さ３０μｍの素子で同じ出力を得る際に、本実施例における非対称構造の導波路型受光素子の電流密度の最高値は、図２に示した従来の対称構造の素子の最高値の１／２以下になり、はるかに高出力化できることが確認された。
【００２９】
〈実施例２＞
本発明の第２の実施例を図面を用いて詳細に説明する。本実施例においては、図４（ａ）に示したように、光吸収層４１としてはｐ型にドーピングした膜を用い、光吸収層４１の一方の面（図４では下面）に接した半導体層４３として、光吸収層４１よりも広いバンドギャップを持つｎ型の低濃度層を用い、さらに上記半導体層４３に接して光吸収層４１とは反対側（図４では下側）に上記半導体層４３と等しいバンドギャップをもったｎ型の半導体層４２を設けた。これにより、半導体層４２と半導体層４３を合わせた２層によって下部の光ガイド層を構成した。
【００３０】
さらに、上記光吸収層４１に接して上記半導体層４３とは反対側（図４では上側）に、上記半導体層４２および半導体層４３と同じバンドギャップをもったｐ型の半導体層４４を設けて、上部の光ガイド層とした。
【００３１】
本実施例の素子はこのような構造を有しており、半導体層４２および半導体層４３の両者から構成される下部の光ガイド層の厚さと、上部の光ガイド層である半導体層４４の層の厚さは亙いに異なっている。なお、光は層構造に水平に入射される。本実施例においても、上部および下部の光ガイド層を構成するすべての半導体層４２、４３、４４と光吸収層４１を合わせたものが、導波路構造における実効的なコア層となるので、以後これらの層をすべて合わせたものをコア層と記す。
【００３２】
一方、従来の構造は、図５（ａ）にその層構造を示したように、半導体層５４で構成される上部光ガイド層と、半導体層５２と半導体層５３で構成される下部光ガイド層と層厚が均等であり、光吸収層５１の中心とコア層の中心とが一致している対称構造である。そのため、図５（ｂ）に示したように、光を入射した時に励振される導波光分布の中心は光吸収層５１の中心と一致し、入射端面近傍におけるキャリア発生が最も多く、導波路長さ方向においてキャリアの発生が不均一である。そのため、キャリア発生にともなう光電流の電流密度は、ｐｎ接合面内で一様な分布を示さず、入射端近傍において電流密度の最高値を持った不均一な分布となり、出力特性がこの入射端近傍における電流密度の最高値によって制限されていた。
【００３３】
しかし、本実施例では、上記のように、半導体層４４からなる上部の光ガイド層と、半導体層４２と半導体層４３から構成される下部の光ガイド層の厚さが、互いに異なる非対称構造を有しており、この点が上記従来構造とは著しく異なっている。
【００３４】
光ガイド層を含んで実効的なコア層を形成する導波路型の半導体受光素子においては、コア層内における光吸収層の位置とは無関係に、コア層の中心に光を入射した時に、結合効率が常に最も高くなる。本実施例においては、光吸収層４１の中心とコア層の中心が一致せずにずれているため、結合効率が最も高くなるようにコア層の中心に光を入射すると、図４（ｂ）に示したように、励振される導波光分布の中心と光吸収層４１の中心がずれる。導波路型受光素子の場合、光吸収係数は光電界の光吸収層４１への閉じ込め量に比例する。本実施例は非対称構造を有しているため、光吸収層４１への閉じ込めは低下し、入射端近傍におけるキャリア発生の集中は緩和されて、キャリア発生は導波路の長さ方向に分散される。その結果、キャリアの発生にともなう光電流のｐｎ接合面内における電流密度分布の不均一性は緩和され、素子の出力特性を制限している入射端近傍での電流密度の最高値が低下して素子が高出力化された。
【００３５】
なお、本実施例においても、光吸収層４１が厚い場合は、それにともなって実効的なコア層厚を厚く、さらに半導体層４２と半導体層４３を合わせた下部光ガイド層の厚さと上部光ガイド層４４の厚さの差を大きくし、素子の長さを長くすることが必要である。したがって、素子サイズを大きくすることなしに高速動作を達成するためには、上記のように、非対称効果がより顕著に表われ出す、光吸収層４１の厚さを０．２μｍ以下として、導波路内で励振される導波光分布が二つのピークを持ち、さらに光吸収層４１内に存在する一方のピークが他方のピークと同等若しくは小さくなるように、半導体層４２と半導体層４３を合わせた下部光ガイド層の厚さと上部光ガイド層４４の厚さが、互いに異なるようにするのが効果的である。
【００３６】
なお、図１および図４には、光吸収層１１、４１の両側に光ガイド層を設けた例を示したが、上部光ガイド層１２、４４を除いて、下部光ガイド層のみを設けても、同様の効果が得られた。同様に、下部光ガイド層を除いて上部光ガイド層を残すようにすることもできる。しかし、このようにすると、図４に示した構造の場合は、光吸収層４１の下面に接するアンドープの光ガイド層４３もなくなるので、下部クラッド層となるＩｎＰ層４６の、光吸収層４１の下面に接する面からある深さの領域をアンドープの領域とする必要がある。
【００３７】
図４に示した本実施例の導波路型半導体受光素子をさらに具体的に説明する。図４（ａ）において、符号４１はｐ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層、４２はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）からなる光ガイド層、４３はアンドープのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）からなる光ガイド層、４４はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）からなる光ガイド層、４５はｐ−ＩｎＰ層、４６はｎ−ＩｎＰ層、４７はｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、４８は半絶縁性ＩｎＰ基板、４９Ａはオーミックｐ電極、４９Ｂはオーミックｎ電極を、それぞれ表わす。
【００３８】
また、図５（ａ）において、符号５１はｐ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層、５２はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）からなる光ガイド層、５３はアンドープのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）からなる光ガイド層、５４はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）からなる光ガイド層、５５はｐ−ＩｎＰ層、５６はｎ−ＩｎＰ層、５７はｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、５８は半絶縁性ＩｎＰ基板、５９Ａはオーミックｐ電極、５９Ｂはオーミックｎ電極を、それぞれ表わす。
【００３９】
上記光吸収層４１の厚さを０．１μｍ、上部光ガイド層４４の厚さを０．３μｍとし、さらに厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）層４２と厚さ０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）層４３を合わせて厚さ１．７μｍの下部光ガイド層とした時の、導波路長さに対する効率をビーム伝搬法によって求め、その結果から導波路長さ３０μｍの素子で２０ｍＡの光電流が得られるときの、導波路長さ方向に対する電流密度分布を求めた結果を図６に示した。図６において、実線６１は図４に示した本実施例の非対称型導波路構造から得られた結果であり、点線６２は図５で示した従来の対称型構造において、光吸収層５１の厚さを０．１μｍ、上部光ガイド層５４の厚さを１．０μｍ、厚さ０．８μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）５２と厚さ０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）５３を合わせて厚さ１．０μｍの下部光ガイド層としたときの結果を示している。両者ともに光吸収層と光ガイド層を合わせたコア層の厚さは２．１μｍ、光の入射位置ははコア層の中心とした。
【００４０】
図６に示したように、本実施例で示した構造は、光吸収層４１の中心がコア層の中心から０．７μｍずれているため、光吸収層４１での閉じ込めが弱くなり、入射端近傍における光の吸収とキャリア発生の集中が緩和されて、導波路長さ方向に分散していることが認められた。この計算結果から、導波路長さ３０μｍの素子で比較したところ、同じ出力を得るとき、本実施例で示した非対称構造を有する導波路型受光素子の最高値は、図５に示した対称構造を有する素子の最高値の半分以下になることがわかった。
【００４１】
なお、上記実施例１、２ではＩｎＰ基板を用いた例を示したが、ＧａＡｓ等、他の基板を用いてもよい。また、半導体層としては、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料系を用いた例を示したが、たとえばＩｎＧａＡ１Ａｓ系やＡ１ＧａＡｓ系など、他の材料系の半導体層を用いても同様の効果を得ることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、導波路型受光素子の光吸収層の両側に、厚さが亙いに異なる上部および下部光ガイド層がそれぞれ設けられて非対称構造が形成されているので、対称構造を有する従来の導波路型受光素子よりも、キャリア発生にともなう光電流のｐｎ接合面内における電流密度分布の不均一性が緩和され、素子の出力特性を制限している入射端近傍での電流密度の最高値が低下して、素子が著しく高出力化される。
【００４３】
また、光吸収層としてｐ型半導体層を用い、光吸収層よりバンドギャップが大きいｎ型低濃度の半導体層を光吸収層に近接して設け、層構造に平行に光を入射する導波路型の半導体受光素子においても、両光ガイド層の厚さが互いに異なる非対称構造にすることにより、光吸収層内の閉じ込めは弱くなって、入射端近傍でのキャリア発生が集中は緩和され、従来の対称構造を有する導波路型受光素子よりも、導波路長さ方向に対してキャリアの発生が分散されて、キャリア発生にともなう光電流のｐｎ接合面内における電流密度分布の不均一性が緩和され、入射端近傍での電流密度最高値が低下して、さらなる高出力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を説明するための図、
【図２】対称構造を有する従来の導波路型半導体受光素子を説明するための図、
【図３】図１および図２に示した素子の特性を比較した図、
【図４】本発明の実施例２を説明するための図、
【図５】対称構造を有する従来の導波路型半導体受光素子を説明するための図、
【図６】図４および図５において示した素子の特性を比較した図。
【符号の説明】
１１、２１…アンドープ光吸収層、１２、２２、４４、５４…ｐ型光ガイド層、１３、２３、４２、５２…ｎ型光ガイド層、１４、２４、４５、５５…ｐ型ＩｎＰ層、１５、２５…ｎ型ＩｎＰ基板、１６、２６、４７、５７…ｐ⁺型コンタクト層、１７、２７、４９Ａ、５９Ａ…オーミックｐ電極、１８、２８、４９Ｂ、５９Ｂ…オーミックｎ電極、４１、５１…ｐ型光吸収層、４３、５３…アンドープ光ガイド層、４６、５６…ｎ型ＩｎＰ層、４８、５８…半絶縁性ＩｎＰ基板、３１、６１、…非対称受光素子における電流密度分布、３２、６２、…対称受光素子における電流密度分布。

Claims

膜厚が０．２μｍ以下の光吸収層である第１の半導体層と、当該第１の半導体層の第１および第２の面の上にそれぞれ形成された光ガイド層である第２および第３の半導体層と、当該第２および第３の半導体層上にそれぞれ形成された光を閉じ込めるためのクラッド層である第４および第５の半導体層を少なくとも具備し、導波路内で励振される導波光の分布が二つのピークを持ち、当該二つのピークのうち、上記第１の半導体層内に存在するピークが、他の一つのピークと同等若しくは当該他の一つのピークより低くなるように、上記第２の半導体層と上記第３の半導体層の厚さが互いに異なることを特徴とする半導体受光素子。
膜厚が０．２μｍ以下の光吸収層として作用する第１導電型を有する第１の半導体層と、当該第１の半導体層の一方の側に形成された上記第１導電型を有する第２の半導体層と、上記第１の半導体層の他方の側に形成された第２導電型を有する第３の半導体層と、上記第２の半導体層上に形成された上記第１導電型を有する第４の半導体層と、上記第３の半導体層上に形成された上記第２導電型を有する第５の半導体層と、上記第１の半導体層と第３の半導体層の間に当該第１および第３の半導体層に接して形成された上記第２導電型を有し、かつ上記第１および第３の半導体層よりドーピング濃度が低い第６の半導体層を有し、上記第３、第６および第２の半導体層は上記第１の半導体層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、上記第４および第５の半導体層はバンドギャップエネルギーが上記第３、第６および第２の半導体層よりも大きく、導波路内で励振される導波光の分布が二つのピークを持ち、当該二つのピークのうち、上記第１の半導体層内に存在するピークが、他の一つのピークと同等若しくは当該他の一つのピークより低くなるように、上記第３の半導体層と上記第６の半導体層の厚さの和が上記第２の半導体層の厚さと異なることを特徴とする半導体受光素子。