JP3717040B2 - 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】
従来の光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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ことを特徴とする半導体受光素子を代表する屈折型半導体受光素子は、図２に示すような構造をしている。
図２において、２１は光入射端面、２２はｐ−ＩnＰ層、２３は光受光層、２４はｎ−ＩnＰ層、２５は半絶縁性ＩnＰ基板、２６はｐ電極、２７はｎ電極である。
【０００３】
一般に、光受光層とその上下の半導体層には屈折率に違いがあり、入射光の偏光状態（ｓ偏光、ｐ偏光）によりそれぞれの界面での透過率および反射率に違いが発生するため、受光感度に光の偏光状態による依存性が起きてしまう。
図３は、中央のＩnＧaＡs光受光層が上下のＩnＰ層ではさまれた従来構造において、光の入射角が６９．１度（図２の構造において逆メサ角θが６０度に対応）における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示す。
【０００４】
偏光依存性は振動的に変化しており、受光層厚が１．５μｍでは０．２ｄＢでこれ以上では０．３ｄＢ以下と小さい。
しかしながら、素子の高速化には光受光層の薄層化が必須であるが、薄層化に伴い、偏光依存性が大きくなる（例えば、受光層厚が０．２５μｍになると偏光依存性が０．６ｄＢ以上）という問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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ことを特徴とする半導体受光素子において、受光感度の偏光依存性が小さい半導体受光素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過することを特徴とする半導体受光素子において、前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記光吸収層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る半導体受光素子は、光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過することを特徴とする半導体受光素子において、前記上部半導体層又は前記下部半導体層に受光部分への透過光と反射光の位相を調整する位相調整用半導体層を設け、前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記位相調整用半導体層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする。
又、上記目的を達成する本発明の請求項３に係る半導体受光素子は、光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過する半導体受光素子において、前記上部半導体層及び前記下部半導体層に受光部分への透過光と反射光の位相を調整する一層以上の位相調整用半導体層を設け、前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記位相調整用半導体層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成する本発明の請求項４に係る半導体受光素子は、請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、前記下部半導体層の側壁と前記光吸収層の面とがなす角を鋭角とし、前記入射光を前記側壁で屈折させて受光部分に入射させることを特徴とする。
【０００９】
〔作用〕
光が、積層構造に対し、斜めに入射される場合、入射光方向に対し、各界面は上下又は左右が対称ではなくなるため、偏光状態によって、反射率（透過率）に差異が生じる。
しかしながら、多層構造における入射光の反射率は、定性的には、各界面からの反射光の総和と入射光の位相関係によって決まる。
一方、各界面からの反射光の第一の入射界面における位相は、構成する層の層厚や屈折率により変化する。
従って、層厚や屈折率の調整又は位相調整層の挿入により、個々の界面からの反射光の量は偏光状態により異なるものの、各界面からの反射光の総和によって決まる反射率としては、異なる偏光に対し、ほとんど等しくなるように調整することが可能になる。
【００１０】
本素子は、光受光層の層厚がある特定の値に選ばれているかまたは、光受光層の上層または下層に一層以上の光の位相調整用半導体層を設けることにより、素子高遠化のために、光吸収層厚の薄層化を図っても、透過光と反射光の位相が調整されているため、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
また、受光部分が光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっても、位相調整用半導体層を設けることにより、受光部分への透過光と反射光の位相が調整されるため、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
光吸収層厚の大幅な薄層化や受光部分の層構成変更により、素子の超高速動作化を図っても、総合的には受光感度の偏光依存性が出ないようにすることが可能となる。
【００１１】
【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。
図１において、１２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１３は０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、１５は半絶縁性ＩnＰ基板、１６はｐ電極、１７はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層１４に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
【００１２】
図３は、中央のＩnＧaＡs光受光層１３が上下のＩnＰ層１２，１４ではさまれた構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化するため、偏光依存性がゼロとなる点や、振動の谷部分に光受光層厚を設定すればよい。
本実施例では、光受光層厚を０．４６６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．４Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００１３】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとしたものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
【００１４】
このように、光受光層厚を特定の値に設定することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層１２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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても光受光層厚を波長にあわせて特定の値に設定することにより、同様の効果が得られる。
【００１５】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００１６】
〔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４に示す。
図４において、４１は光入射端面、４２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、４３は０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、４４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、４５は半絶縁性ＩnＰ基板、４６はｐ電極、４７はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層４４に対し、６９．１度（図４の構造において逆メサ角θが６０度に対応）の入射角で入射するようにしている。
【００１７】
図３は、中央のＩnＧaＡs光受光層４３が上下のＩnＰ層４２，４４ではさまれた構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化するため、偏光依存性がゼロとなる点や、振動の谷部分に光受光層厚を設定すればよい。
本実施例では、光受光層厚を０．４６６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．４Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００１８】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとしたものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
【００１９】
このように、光受光層厚を特定の値に設定することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても光受光層厚を波長にあわせて特定の値に設定することにより、同様の効果が得られる。
【００２０】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００２１】
〔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５に示す。
図５において、５２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、５３は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、５４は０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、５５はｎ−ＩnＰ層、５６は半絶縁性ＩnＰ基板、５７はｐ電極、５８はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２２】
波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層５５に対し、６９．１°の入射角で入射するようにしている。
図６は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．２ｄＢ以下になる。
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．５Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００２３】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層５３の下側に位相調整用半導体層５４を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
【００２４】
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００２５】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００２６】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例に係る半導体受光素子を図７に示す。
図７において、７１は光入射端面、７２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、７３は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、７４は０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、７５はｎ−ＩnＰ層、７６は半絶縁性ＩnＰ基板、７７はｐ電極、７８はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２７】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層７５に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
図６は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．２ｄＢ以下になる。
【００２８】
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．５Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
【００２９】
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層７３の下側に位相調整用半導体層７４を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
【００３０】
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００３１】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない
【００３２】
〔実施例５〕
本発明の第５の実施例に係る半導体受光素子を図８に示す。
図８において、８１は光入射端面、８２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、８３は０．２８μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、８４は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、８５は０．２０７μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、８６はｎ−ＩnＰ層、８７は半絶縁性ＩnＰ基板、８８はｐ電極、８９はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００３３】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層８５に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
図９は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が極めて小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は約０．０１ｄＢ以下になる。
【００３４】
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．５Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
【００３５】
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層８５の両側に位相調整用半導体層８３，８５を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
【００３６】
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００３７】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００３８】
〔実施例６〕
本発明の第６の実施例に係る半導体受光素子を図１０に示す。
図１０において、１０１は光入射端面、１０２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１０３は０．４５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）位相調整層、１０４は１．２５μｍ厚ｐ−ＩnＰ位相調整層、１０５は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１０６は０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）位相調整層、１０７はｎ−ＩnＰ層、１０８は半絶縁性ＩnＰ基板、１０９はｐ電極、１０１０はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００３９】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層１０７に対し、６９．１°の入射角で入射するようにしている。
図１１は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．２μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．１ｄＢ以下になる。
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．６Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００４０】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層１０５の両側に３層よりなる位相調整用半導体層１０３，１０４，１０６を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
【００４１】
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００４２】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない
【００４３】
〔実施例７〕
本発明の第７の実施例に係る半導体受光素子を図１２に示す。
図１２において、１２１は光入射端面、１２２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１２３は０．２５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）層、１２４は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１２５は０．５７μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、１２６は、０．３３μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）層、１２７はｎ−ＩnＰ層、１２８は半絶縁性ＩnＰ基板、１２９はｐ電極、１２１０はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００４４】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層１２７に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
図１３は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．１ｄＢ以下になる。
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．６Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００４５】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層１２４の両側に３層よりなる位相調整用半導体層１２３，１２５，１２６を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
【００４６】
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００４７】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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半導体受光素子において、光受光層の層厚がある特定の値に選ばれているか、または、光受光層の上層または下層に一層以上の光の位相調整用半導体層を設けているため、素子高速化のために、光吸収層厚の薄層化を図っても、透過光と反射光の位相が調整され、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
また、受光部分が光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっても、位相調整用半導体層を設けることにより、受光部分への透過光と反射光の位相が調整されるため、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
このため、光吸収層厚の大幅な薄層化や受光部分の層構成変更により、素子の超高速動作化を図っても、総合的には受光感度の偏光依存性が出ないような超高速動作の可能な素子が製作可能となる。
【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（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図２】従来の光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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ことを特徴とする半導体受光素子を代表する屈折型半導体受光素子の構造概念図である。
【図３】中央のＩnＧaＡs光受光層が上下のＩnＰ層ではさまれた構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図５】本発明の第３の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図６】図５の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図７】本発明の第４の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図８】本発明の第５の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図９】図８の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図１０】本発明の第６の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図１１】図１０の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図１２】本発明の第７の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図１３】図１２の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【符号の説明】
１２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
１３ ０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
１４ １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
１５ 半絶縁性ＩnＰ基板
１６ ｐ電極
１７ ｎ電極
４１ 光入射端面
４２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
４３ ０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
４４ １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
４５ 半絶縁性ＩnＰ基板
４６ ｐ電極
４７ ｎ電極
５２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
５３ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
５４ ０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
５５ ｎ−ＩnＰ層
５６ 半絶縁性ＩnＰ基板
５７ ｐ電極
５８ ｎ電極
７１ 光入射端面
７２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
７３ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
７４ ０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
７５ ｎ−ＩnＰ層
７６ 半絶縁性ＩnＰ基板
７７ ｐ電極
７８ ｎ電極
８１ 光入射端面
８２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
８３ ０．２８μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
８４ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
８５ ０．２０７μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
８６ ｎ−ＩnＰ層
８７ 半絶縁性ＩnＰ基板
８８ ｐ電極
８９ ｎ電極
１０１ 光入射端面
１０２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
１０３ ０．４５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）位相調整層
１０４ １．２５μｍ厚ｐ−ＩnＰ位相調整層
１０５ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
１０６ ０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）位相調整層
１０７ ｎ−ＩnＰ層
１０８ 半絶縁性ＩnＰ基板
１０９ ｐ電極
１０１０ ｎ電極
１２１ 光入射端面
１２２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
１２３ ０．２５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）位相調整層
１２４ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
１２５ ０．５７μｍ厚ｎ−ＩnＰ位相調整層
１２６ ０．３３μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）位相調整層
１２７ ｎ−ＩnＰ層
１２８ 半絶縁性ＩnＰ基板
１２９ ｐ電極
１２１０ ｎ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】
従来の光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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ことを特徴とする半導体受光素子を代表する屈折型半導体受光素子は、図２に示すような構造をしている。
図２において、２１は光入射端面、２２はｐ−ＩnＰ層、２３は光受光層、２４はｎ−ＩnＰ層、２５は半絶縁性ＩnＰ基板、２６はｐ電極、２７はｎ電極である。
【０００３】
一般に、光受光層とその上下の半導体層には屈折率に違いがあり、入射光の偏光状態（ｓ偏光、ｐ偏光）によりそれぞれの界面での透過率および反射率に違いが発生するため、受光感度に光の偏光状態による依存性が起きてしまう。
図３は、中央のＩnＧaＡs光受光層が上下のＩnＰ層ではさまれた従来構造において、光の入射角が６９．１度（図２の構造において逆メサ角θが６０度に対応）における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示す。
【０００４】
偏光依存性は振動的に変化しており、受光層厚が１．５μｍでは０．２ｄＢでこれ以上では０．３ｄＢ以下と小さい。
しかしながら、素子の高速化には光受光層の薄層化が必須であるが、薄層化に伴い、偏光依存性が大きくなる（例えば、受光層厚が０．２５μｍになると偏光依存性が０．６ｄＢ以上）という問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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ことを特徴とする半導体受光素子において、受光感度の偏光依存性が小さい半導体受光素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過することを特徴とする半導体受光素子において、前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記光吸収層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る半導体受光素子は、光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過することを特徴とする半導体受光素子において、前記上部半導体層又は前記下部半導体層に受光部分への透過光と反射光の位相を調整する位相調整用半導体層を設け、前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記位相調整用半導体層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする。
又、上記目的を達成する本発明の請求項３に係る半導体受光素子は、光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過する半導体受光素子において、前記上部半導体層及び前記下部半導体層に受光部分への透過光と反射光の位相を調整する一層以上の位相調整用半導体層を設け、前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記位相調整用半導体層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成する本発明の請求項４に係る半導体受光素子は、請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、前記下部半導体層の側壁と前記光吸収層の面とがなす角を鋭角とし、前記入射光を前記側壁で屈折させて受光部分に入射させることを特徴とする。
【０００９】
〔作用〕
光が、積層構造に対し、斜めに入射される場合、入射光方向に対し、各界面は上下又は左右が対称ではなくなるため、偏光状態によって、反射率（透過率）に差異が生じる。
しかしながら、多層構造における入射光の反射率は、定性的には、各界面からの反射光の総和と入射光の位相関係によって決まる。
一方、各界面からの反射光の第一の入射界面における位相は、構成する層の層厚や屈折率により変化する。
従って、層厚や屈折率の調整又は位相調整層の挿入により、個々の界面からの反射光の量は偏光状態により異なるものの、各界面からの反射光の総和によって決まる反射率としては、異なる偏光に対し、ほとんど等しくなるように調整することが可能になる。
【００１０】
本素子は、光受光層の層厚がある特定の値に選ばれているかまたは、光受光層の上層または下層に一層以上の光の位相調整用半導体層を設けることにより、素子高遠化のために、光吸収層厚の薄層化を図っても、透過光と反射光の位相が調整されているため、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
また、受光部分が光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっても、位相調整用半導体層を設けることにより、受光部分への透過光と反射光の位相が調整されるため、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
光吸収層厚の大幅な薄層化や受光部分の層構成変更により、素子の超高速動作化を図っても、総合的には受光感度の偏光依存性が出ないようにすることが可能となる。
【００１１】
【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。
図１において、１２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１３は０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、１５は半絶縁性ＩnＰ基板、１６はｐ電極、１７はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層１４に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
【００１２】
図３は、中央のＩnＧaＡs光受光層１３が上下のＩnＰ層１２，１４ではさまれた構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化するため、偏光依存性がゼロとなる点や、振動の谷部分に光受光層厚を設定すればよい。
本実施例では、光受光層厚を０．４６６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．４Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００１３】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとしたものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
【００１４】
このように、光受光層厚を特定の値に設定することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層１２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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても光受光層厚を波長にあわせて特定の値に設定することにより、同様の効果が得られる。
【００１５】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００１６】
〔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４に示す。
図４において、４１は光入射端面、４２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、４３は０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、４４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、４５は半絶縁性ＩnＰ基板、４６はｐ電極、４７はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層４４に対し、６９．１度（図４の構造において逆メサ角θが６０度に対応）の入射角で入射するようにしている。
【００１７】
図３は、中央のＩnＧaＡs光受光層４３が上下のＩnＰ層４２，４４ではさまれた構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化するため、偏光依存性がゼロとなる点や、振動の谷部分に光受光層厚を設定すればよい。
本実施例では、光受光層厚を０．４６６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．４Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００１８】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとしたものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
【００１９】
このように、光受光層厚を特定の値に設定することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても光受光層厚を波長にあわせて特定の値に設定することにより、同様の効果が得られる。
【００２０】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００２１】
〔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５に示す。
図５において、５２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、５３は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、５４は０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、５５はｎ−ＩnＰ層、５６は半絶縁性ＩnＰ基板、５７はｐ電極、５８はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２２】
波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層５５に対し、６９．１°の入射角で入射するようにしている。
図６は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．２ｄＢ以下になる。
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．５Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００２３】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層５３の下側に位相調整用半導体層５４を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
【００２４】
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００２５】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００２６】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例に係る半導体受光素子を図７に示す。
図７において、７１は光入射端面、７２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、７３は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、７４は０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、７５はｎ−ＩnＰ層、７６は半絶縁性ＩnＰ基板、７７はｐ電極、７８はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２７】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層７５に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
図６は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．２ｄＢ以下になる。
【００２８】
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．５Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
【００２９】
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層７３の下側に位相調整用半導体層７４を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
【００３０】
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００３１】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない
【００３２】
〔実施例５〕
本発明の第５の実施例に係る半導体受光素子を図８に示す。
図８において、８１は光入射端面、８２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、８３は０．２８μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、８４は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、８５は０．２０７μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層、８６はｎ−ＩnＰ層、８７は半絶縁性ＩnＰ基板、８８はｐ電極、８９はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００３３】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層８５に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
図９は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が極めて小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は約０．０１ｄＢ以下になる。
【００３４】
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．５Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
【００３５】
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層８５の両側に位相調整用半導体層８３，８５を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
【００３６】
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００３７】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００３８】
〔実施例６〕
本発明の第６の実施例に係る半導体受光素子を図１０に示す。
図１０において、１０１は光入射端面、１０２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１０３は０．４５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）位相調整層、１０４は１．２５μｍ厚ｐ−ＩnＰ位相調整層、１０５は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１０６は０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）位相調整層、１０７はｎ−ＩnＰ層、１０８は半絶縁性ＩnＰ基板、１０９はｐ電極、１０１０はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００３９】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層１０７に対し、６９．１°の入射角で入射するようにしている。
図１１は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．２μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．１ｄＢ以下になる。
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．６Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００４０】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層１０５の両側に３層よりなる位相調整用半導体層１０３，１０４，１０６を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
【００４１】
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００４２】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない
【００４３】
〔実施例７〕
本発明の第７の実施例に係る半導体受光素子を図１２に示す。
図１２において、１２１は光入射端面、１２２は１．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１２３は０．２５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）層、１２４は０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１２５は０．５７μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、１２６は、０．３３μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）層、１２７はｎ−ＩnＰ層、１２８は半絶縁性ＩnＰ基板、１２９はｐ電極、１２１０はｎ電極である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００４４】
逆メサ角θは６０度で、波長１．５５μｍ光は、ｎ−ＩnＰ層１２７に対し、６９．１度の入射角で入射するようにしている。
図１３は、この層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示している。
この図からわかるように、受光感度の偏光依存性は振動的に変化しているが、光受光層厚が０．３μｍ以上の領域では、その振幅が小さく、任意の光受光層厚に対し、受光感度の偏光依存性は０．１ｄＢ以下になる。
本実施例では、光受光層厚を０．６μｍに選んでいる。
印加逆バイアス１．０Ｖで受光感度０．６Ａ／Ｗ以上の値が得られ、また、受光感度の偏光依存性は約０．２ｄＢであった。
【００４５】
受光感度の偏光依存性測定においては、用いた光源のパワー変動や偏波ローテーター自身にも偏光依存性がある等のため、測定系自体に約０．２ｄＢの測定誤差がある。
このため、フォトダイオード自身の偏光依存性は０．２ｄＢ以下であると推定される。
ちなみに、光受光層厚を０．６μｍとし、上下はＩnＰ層のみで構成したものでは、受光感度の偏光依存性は約０．６ｄＢと大きかった。
このように、本実施例では、光受光層１２４の両側に３層よりなる位相調整用半導体層１２３，１２５，１２６を入れ、組成すなわち屈折率及びその厚さを設計することにより、受光感度の偏光依存性が小さくできた。
【００４６】
この実施例は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードについての例であるが、受光部分が単一走行キャリアフォトダイオードのような光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっている場合においても、同様の設計を行うことにより、受光感度の偏光依存性を小さくできる。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、この実施例は、波長１．５５μｍの入射光に対して述べているが、色々な波長の光に対しても位相調整層厚及び組成を波長にあわせて同様の設計指針で設定することにより、同様の効果が得られる。
【００４７】
また、上面電極に光反射率の高い材料を用いたり、ノンアロイ電極として反射率を向上させることにより光の反射を有効利用するような構造にした場合においても、同様の設計指針により受光感度の偏光依存性がほとんどないようにできる。
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よいことは言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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半導体受光素子において、光受光層の層厚がある特定の値に選ばれているか、または、光受光層の上層または下層に一層以上の光の位相調整用半導体層を設けているため、素子高速化のために、光吸収層厚の薄層化を図っても、透過光と反射光の位相が調整され、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
また、受光部分が光受光層を含む複雑な半導体多層構造よりなっても、位相調整用半導体層を設けることにより、受光部分への透過光と反射光の位相が調整されるため、ｓ偏光およびｐ偏光に対する透過率と反射率がほとんど等しくなり、受光感度の偏光依存性がほとんど出ない。
このため、光吸収層厚の大幅な薄層化や受光部分の層構成変更により、素子の超高速動作化を図っても、総合的には受光感度の偏光依存性が出ないような超高速動作の可能な素子が製作可能となる。
【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（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図２】従来の光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、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ことを特徴とする半導体受光素子を代表する屈折型半導体受光素子の構造概念図である。
【図３】中央のＩnＧaＡs光受光層が上下のＩnＰ層ではさまれた構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図５】本発明の第３の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図６】図５の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図７】本発明の第４の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図８】本発明の第５の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図９】図８の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図１０】本発明の第６の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図１１】図１０の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【図１２】本発明の第７の実施例を示す断面斜視図である（素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。）。
【図１３】図１２の層構造において、光の入射角が６９．１度における受光感度の偏光依存性の受光層厚に対する変化の計算結果を示したグラフである。
【符号の説明】
１２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
１３ ０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
１４ １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
１５ 半絶縁性ＩnＰ基板
１６ ｐ電極
１７ ｎ電極
４１ 光入射端面
４２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
４３ ０．４６６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
４４ １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
４５ 半絶縁性ＩnＰ基板
４６ ｐ電極
４７ ｎ電極
５２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
５３ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
５４ ０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
５５ ｎ−ＩnＰ層
５６ 半絶縁性ＩnＰ基板
５７ ｐ電極
５８ ｎ電極
７１ 光入射端面
７２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
７３ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
７４ ０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
７５ ｎ−ＩnＰ層
７６ 半絶縁性ＩnＰ基板
７７ ｐ電極
７８ ｎ電極
８１ 光入射端面
８２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
８３ ０．２８μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
８４ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
８５ ０．２０７μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．２μｍ組成）位相調整層
８６ ｎ−ＩnＰ層
８７ 半絶縁性ＩnＰ基板
８８ ｐ電極
８９ ｎ電極
１０１ 光入射端面
１０２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
１０３ ０．４５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）位相調整層
１０４ １．２５μｍ厚ｐ−ＩnＰ位相調整層
１０５ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
１０６ ０．１４μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）位相調整層
１０７ ｎ−ＩnＰ層
１０８ 半絶縁性ＩnＰ基板
１０９ ｐ電極
１０１０ ｎ電極
１２１ 光入射端面
１２２ １．５μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
１２３ ０．２５μｍ厚ｐ−ＩnＧaＡsＰ（１．４２μｍ組成）位相調整層
１２４ ０．６μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
１２５ ０．５７μｍ厚ｎ−ＩnＰ位相調整層
１２６ ０．３３μｍ厚ｎ−ＩnＧaＡsＰ（１．３μｍ組成）位相調整層
１２７ ｎ−ＩnＰ層
１２８ 半絶縁性ＩnＰ基板
１２９ ｐ電極
１２１０ ｎ電極
Claims (4)
- 光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、
前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過する半導体受光素子において、
前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記光吸収層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする半導体受光素子。 - 光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、
前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過する半導体受光素子において、
前記上部半導体層又は前記下部半導体層に受光部分への透過光と反射光の位相を調整する位相調整用半導体層を設け、
前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記位相調整用半導体層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする半導体受光素子。 - 光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される上部半導体層と前記光吸収層より小さな屈折率を有する一層以上の半導体層で構成される下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、
前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過する半導体受光素子において、
前記上部半導体層及び前記下部半導体層に受光部分への透過光と反射光の位相を調整する一層以上の位相調整用半導体層を設け、
前記積層構造の各界面からの反射、透過光の総和によって決まる半導体受光素子の光吸収層における受光感度としては前記入射光のｓ偏光に対する透過率、反射率とｐ偏光に対する透過率、反射率がほとんど等しくなるように、前記位相調整用半導体層の組成、層厚又は層数を調整したことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記下部半導体層の側壁と前記光吸収層の面とがなす角を鋭角とし、前記入射光を前記側壁で屈折させて受光部分に入射させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体受光素子。
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