JP4025651B2 - 複数の光吸収層間に加速用のスペーサ層を介在させた半導体受光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
＜技術分野＞
本発明は半導体受光素子及びその製造方法に係り、特に、高速、高効率な受光特性を有する半導体受光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
＜背景技術＞
従来より、光信号を電気信号に変換する半導体素子で形成された半導体受光素子が知られている。
【０００３】
図７は、このような一般的な半導体受光素子として、端面屈折型の半導体受光素子の構成を示す斜視図である。
【０００４】
図８は、このような一般的な半導体受光素子として、端面屈折型の半導体受光素子の構成を示す横断面図である。
【０００５】
すなわち、この端面屈折型の半導体受光素子は、図７及び図８に示すように、ｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板１上に、ｉ−ＩｎＰからなる走行層２が形成されている。
【０００６】
この走行層２上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層３、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰからなるブロック層４、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層５が形成されている。
【０００７】
このコンタクト層５の上面には、ｐ電極６が取付けられている。
【０００８】
また、上記基板１の下面には、ｎ電極７が取付けられている。
【０００９】
さらに、上記走行層２、光吸収層３、ブロック層４及びコンタクト層５の側面の一部と、ｐ電極６の下面には、キャパシタンスを減らすためにポリイミド８が形成されている。
【００１０】
図８に示すように、この端面屈折型の半導体受光素子では、基板１の傾斜した端面１ａに光が入射される。
【００１１】
この入射光は、端面１ａで屈折された後、走行層２を介して光吸収層３に入射される。
【００１２】
そして、この入射光は、光吸収層３で吸収された後、電子と正孔に光電変換される。
【００１３】
ここで、ｐ電極６とｎ電極７との間に、所定の逆バイアス電圧が印加されている。
【００１４】
図９は、この逆バイアス電圧印加時における端面屈折型の半導体受光素子のバンドダイヤグラムを示す図である。
【００１５】
次に、このバンドダイヤグラムを用いて、端面屈折型の半導体受光素子の動作原理を詳細に考察する。
【００１６】
前述したように、入射光が光吸収層３において吸収された後、電子と正孔に光電変換される結果、伝導帯に電子９が、価電子帯に正孔１０が生成される。
【００１７】
一般に、光吸収層３がノンドープの場合には、価電子帯の正孔１０の質量が大きいために、大きなバイアス電圧を印加しないと正孔１０は移動しにくいので、電流として取出しにくい。
【００１８】
その結果、半導体受光素子では、大きなバイアス電圧を印加しなければならず、印加電圧と流れる電流の積で与えられるジュール熱が大きくなることによる熱破壊が生じ易すいことが一般に知られている。
【００１９】
このような不都合を解決するため、この半導体受光素子においては、光吸収層３はｐ型にドープされた下記のような構造が報告されている。
【００２０】
つまり、光吸収層３には内部電界は存在しないが、正孔１０は多数キャリアであるため、質量が大きいにもかかわらずその移動は速く、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層５へ移動した後、ｐ電極６を通して外部に出力される。
【００２１】
一方、伝導帯において少数キャリアである電子９は、内部電界が存在しない光吸収層３内を拡散により走行層２まで移動する。
【００２２】
ここで、走行層２には内部電界が存在するため、この領域に達した電子９はその内部電界によるドリフトのために大きな速度でｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板１に達し、ｎ電極７を通して、外部に取出される。
【００２３】
ここで、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰからなるブロック層４は、光吸収層３において生成された電子９がｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層５側に流れないように、電子９をブロックしている。
【００２４】
このように、ノンドープ層である走行層２を走るキャリアは電子９のみであるため、光吸収層３をｐ型にドープした半導体受光素子は単一走行キャリア受光素子（Ｕｎｉｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｃａｒｒｉｅｒ ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ：以下、ＵＴＣ−ＰＤと言う）と呼ばれている（下記特許文献１参照）。
【００２５】
しかしながら、上述したＵＴＣ−ＰＤにおいては、まだ、解消すべき、次のような問題を有している。
【００２６】
すなわち、入射光は光吸収層３において吸収されるので、外部から単一走行キャリア型の半導体受光素子に入射した光を効率良く電子９と正孔１０に変換するには、光吸収層３の厚みを厚くする必要がある。
【００２７】
ところが、前述したように、ＵＴＣ−ＰＤでは、ｐ型にドープされた光吸収層３内には内部電界が存在せず、少数キャリアである電子９は、その光吸収層３内を拡散でのみ移動する。
【００２８】
この場合、電子９の質量は軽いものの、一般に、電子９の拡散長は長くない。
【００２９】
そのため、このような単一走行キャリア型の半導体受光素子においては、外部から入射した光が電流へ変換される効率を高める目的で、光吸収層３を電子９の拡散長よりも厚くすると、電子９は走行層２に達することができずに、所望の高速応答が得られなくなってしまう。
【００３０】
さらに、このような単一走行キャリア型の半導体受光素子においては、移動できずに伝導帯に蓄積された電子９のため、光が新たに吸収されることができなくなり、外部から入射した光が電子９と正孔１０に変換される効率も結果的に低下する。
【００３１】
すなわち、このＵＴＣ−ＰＤでは、ｐ型にドープされた光吸収層３が有する厚みの制限のため、高速応答を得るために厚みを薄くすると、光が電子９と正孔１０に変換される効率が低下し、逆に、高い変換効率を得るために厚みを厚くすると、高速応答が得られなくなるため、高速かつ高効率という２つの性格を併せ持つ半導体受光素子を実現することが困難であるという問題を有している。
【００３２】
ちなみに、５０ＧＨｚ以上の応答速度を再現性良く実現するには、電子９の拡散長の観点から、光吸収層３の厚みとして、０．３μｍ程度が限度である。
【００３３】
つまり、入射光を電子９と正孔１０への変換効率を高めるために、光吸収層３の厚みを、例えば、０．６μｍ程度に厚くすると、上記した電子９の拡散長約０．３μｍよりもかなり長くなるために動作周波数が著しく劣化するという問題が派生するからである。
【００３４】
さらに、ＵＴＣ−ＰＤでは、光吸収層３の厚みが電子の拡散長より薄い場合にも光の入射光量が低いと生成された電子間に生じる反発力が小さいため、電子はその反発力を利用することができない。
【００３５】
その結果、ＵＴＣ−ＰＤでは、周波数応答特性が劣化するという問題を生じることがわかっている。
【００３６】
すなわち、光の入射光量が低い場合には、生成された電子の数が少ないため電子間での反発力が殆どなく、光吸収層３内に生成された電子は純粋に拡散により移動することになるからである。
【００３７】
その結果、ＵＴＣ−ＰＤでは、光の人射光量が小さい場合には、周波数応答特性が劣化する。
【００３８】
つまり、ＵＴＣ−ＰＤでは、高い入射光量の場合にのみ速い応答が可能であるため、適用できるシステムとしては高い入射光量を当該ＵＴＣ−ＰＤに供給することができなければならないという使用制限がある。
【００３９】
通常の光ファイバ通信システムでは、光ファイバ内での吸収や通信システム内で使用する光デバイスの挿入損失などのために、受光素子に入る光の強度が弱くなっている。
【００４０】
従って、ＵＴＣ−ＰＤを使用するためには、この受光素子に光を導く前にファイバ増幅器を使用する必要があるなど通信システムのコストの観点からも問題を有している。
【００４１】
【特許文献１】
特開平９−２７５２２４号公報
＜発明の開示＞
本発明の目的は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、複数の光吸収層間に加速用のスペーサ層を介在させることにより、光吸収層における電子の高速移動を可能とし、全体として厚い光吸収層の採用を可能とするとともに、入射光量の大小にかかわらず、高速かつ高効率の半導体受光素子及びその製造方法を提供することにある。
【００４２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によると、
ｎ電極（７）と、
上記ｎ電極（７）の上方に設けられたｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層（２）と、
上記ｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層（２）の上方に設けられた半導体光吸収層と、
上記半導体光吸収層の上方に設けられたｐ型の半導体ドープ層（４、５）と、
上記ｐ型の半導体ドープ層（４、５）の上方に設けられたｐ電極（６）とを備え、
上記半導体光吸収層は、ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極（７）とｐ電極（６）との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極（７）とｐ電極（６）との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在しない程度に高い濃度でｐ型にドープされた少なくとも２層の部分（１１，１３）と、当該２層の部分（１１，１３）に挟まれた半導体材料からなり、上記ｎ電極（７）とｐ電極（６）との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極（７）とｐ電極（６）との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該半導体材料部分に電界が印加されることにより、入射光が該半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させる加速用のスペーサ層（１２）とを有し、
上記スペーサ層（１２）は、上記半導体材料として、ｉ−ＩｎＧａＡｓ、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むノンドープ型の第１の半導体材料またはｎ−ＩｎＧａＡｓ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むｎ型にドープされた第２の半導体材料またはｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極（７）とｐ電極 （６）との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料を含み、上記ｎ電極（７）とｐ電極（６）との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極（７）とｐ電極（６）との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該第１の半導体材料または第２の半導体材料または第３の半導体材料部分に電界が印加されることにより、前記入射光が前記半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させることを可能とすることを特徴とする半導体受光素子が提供される。
【００４４】
上記目的を達成するために、本発明の第２の態様によると、
上記半導体光吸収層は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の各部分のバンドギャップ波長が上記ｐ電極（６）側から上記ｎ電極（７）側に向かって長くなるように設定されていることを特徴とする第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【００４５】
上記目的を達成するために、本発明の第３の態様によると、
上記半導体光吸収層は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のバンドギャップ波長が上記ｐ電極（６）側から上記ｎ電極（７）側に向かって傾斜的に長くなるように設定されていることを特徴とする第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【００４６】
上記目的を達成するために、本発明の第４の態様によると、
上記半導体光吸収層は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のドーパント濃度が、上記ｐ電極（６）側から上記ｎ電極（７）側に向かって薄くなるように設定されていることを特徴とする第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【００４７】
上記目的を達成するために、本発明の第５の態様によると、
上記スペーサ層（１２）が、上記内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料からなるとき、
上記第３の半導体材料からなるスペーサ層（１２）のドーパント濃度が、上記ｐ電極 （６）側から上記ｎ電極（７）側に向かって薄くなるように設定されていることを特徴とする第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【００４９】
上記目的を達成するために、本発明の第６の態様によると、
ｎ電極を形成し、
上記ｎ電極の上方にｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層を形成し、
上記ｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層の上方に半導体光吸収層を形成し、
上記半導体光吸収層の上方にｐ型の半導体ドープ層を形成し、
上記ｐ型の半導体ドープ層の上方にｐ電極を形成し、
上記半導体光吸収層の形成は、ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在しない程度に高い濃度でｐ型にドープされた少なくとも２層の部分を形成し、
当該２層の部分に挟まれた半導体材料からなり、上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該半導体材料部分に電界が印加されることにより、入射光が該半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させる加速用のスペーサ層を形成し、
上記スペーサ層は、上記半導体材料として、ｉ−ＩｎＧａＡｓ、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むノンドープ型の第１の半導体材料またはｎ−ＩｎＧａＡｓ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むｎ型にドープされた第２の半導体材料またはｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料を含み、上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該第１の半導体材料または第２の半導体材料または第３の半導体材料部分に電界が印加されることにより、前記入射光が前記半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させることを可能とすることを特徴とする半導体受光素子の製造方法が提供される。
【００５１】
上記目的を達成するために、本発明の第７の態様によると、
上記半導体光吸収層の形成は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の各部分のバンドギャップ波長を上記ｐ電極側から上記ｎ電極側に向かって長くなるように形成することを特徴とする第６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【００５２】
上記目的を達成するために、本発明の第８の態様によると、
上記半導体光吸収層の形成は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のバンドギャップ波長を上記ｐ電極側から上記ｎ電極側に向かって傾斜的に長くなるように形成することを特徴とする第６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【００５３】
上記目的を達成するために、本発明の第９の態様によると、
上記半導体光吸収層の形成は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のドーパント濃度を上記ｐ電極側からｎ電極側に向かって薄くなるように形成することを特徴とする第６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【００５４】
上記目的を達成するために、本発明の第１０の態様によると、
上記スペーサ層が、上記内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料からなるとき、
上記第３の半導体材料からなるスペーサ層のドーパント濃度が、上記ｐ電極側からｎ電極側に向かって薄くなるように設定されていることを特徴とする第６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【００５６】
＜発明を実施するための最良の形態＞
以下、本発明の各実施の形態を図面を用いて説明する。
【００５７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す斜視図である。
【００５８】
図１において、図７に示した従来の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細を省略するものとする。
【００５９】
すなわち、図１に示すように、ｎ型の半導体ドープ層としてのｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板１上には、ノンドープ型のｉ−ＩｎＰもしくはｎ型のｎ−ＩｎＰからなる走行層２が形成されている。
【００６０】
この走行層２上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなる第２の光吸収層１３、例えば、ノンドープ型のｉ−ＩｎＧａＡｓからなるスペーサ層１２、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなる第１の光吸収層１１、ｐ型の半導体ドープ層としてのｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰからなるブロック層４、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層５が形成されている。
【００６１】
このコンタクト層５の上面には、ｐ電極６が取付けられている。
【００６２】
上記基板１の下面には、ｎ電極７が取付けられている。
【００６３】
さらに、上記走行層２、第２の光吸収層１３、スペーサ層１２、第１の光吸収層１１、ブロック層４及びコンタクト層５の側面の一部と、ｐ電極６の下面には、キャパシタンスを減らすためにポリイミド８が形成されている。
【００６４】
すなわち、図７に示す従来の半導体受光素子に対して最も異なるところは、この第１実施形態の半導体受光素子は、ｐ−ＩｎＧａＡｓの同一半導体材料からなる複数の光吸収層１１、１３を採用しており、この複数の光吸収層１１、１３の間に、例えば、ノンドープ型のｉ−ＩｎＧａＡｓからなるスペーサ層１２を介在させていることである。
【００６５】
なお、第１実施形態の半導体受光素子では、光吸収層１１、１３の数は２層であるが、それらの間にスペーサ層１２を挟んでいる限りは３層以上であってもよい。
【００６６】
なお、スペーサ層１２を形成する、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓ等のｉ型（ノンドープ型）半導体は、一般に、わずかにｎ型の特性を有していることが知られている。
【００６７】
従って、スペーサ層１２は、ｉ−ＩｎＧａＡｓ等のｉ型（ノンドープ型）半導体に限定されるものではなく、その内部で電子と正孔とを加速走行させることを可能とする半導体材料からなるものであれば良い。
【００６８】
例えば、上記スペーサ層１２は、ｎ型にドープされた半導体材料からなるもの、あるいは、内部電界が存在する程度に薄く（例えば、１×１０¹⁷ｃｍ^-3）ｐ型にドープされた半導体材料からなるものであっても良い。
【００６９】
また、スペーサ層１２の半導体材料としては、半導体材料を組合わせた多重量子井戸構造を採用しても良い。
【００７０】
また、スペーサ層１２自体でも光を吸収する光吸収層として機能させるようにしても良い。
【００７１】
ここで、ｐ電極６とｎ電極７との間には、所定の値の逆バイアス電圧が印加される。
【００７２】
図２は、この逆バイアス電圧印加時における半導体受光素子のバンドダイヤグラムを示す図である。
【００７３】
次に、この図２に示すバンドダイヤグラムを用いて、以上のように構成された本発明の第１実施形態による半導体受光素子の特徴を説明する。
【００７４】
前述したように、図７乃至図９に示す従来の半導体受光素子においては、入射した光を電子９と正孔１０に高効率に変換するために光吸収層３の厚みを電子の拡散長より厚くすると、光が光吸収層３に吸収される結果として生成された電子９は走行層２に達することができず、高速な動作が不可能であるという問題を有している。
【００７５】
しかるに、本発明による第１実施形態の半導体受光素子では、第１及び第２の光吸収層１１、１３間に介在されているスペーサ層１２には電界が印加されているので、入射した光が光吸収層において吸収されて生じた電子９や正孔１０は、このスペーサ層１２において加速されることになる。
【００７６】
したがって、光吸収層が電子９の拡散長よりも厚い場合にも、その光吸収層を、第１、第２の光吸収層１１、１３からなる複数層に分割し、両者の間に介在されたスペーサ層１２において加速されることにより、電子９は走行層２に達することが可能となる。
【００７７】
さらに、本発明による第１実施形態の半導体受光素子では、ｐ型にドープされた個々の光吸収層の厚みが従来比で１／２程度と薄いために、光の入射光量が小さい場合であっても、電子９は個々の光吸収層内で充分に速く応答することができる。
【００７８】
すなわち、この場合、光吸収層内で発生した電子の数が少なく互いの反発力を期待できないことによって、電子９が純粋に拡散のみで移動しなければならない場合においても、ｐ型にドープされた各光吸収層の厚みが薄いので、電子９は充分に速く応答することができる。
【００７９】
一方、入射した光にとっては、光吸収層としての厚みｔは複数の光吸収層１１、１３の各厚みｔ₁ 、ｔ₂ の合計の厚み（ｔ₁ ＋ｔ₂ ）となるので、入射した光が電子９と正孔１０とに変換される効率を著しく上昇させることができるようになる。
【００８０】
したがって、本発明の第１実施形態によると、高速かつ高効率な半導体受光素子を実現することができる。
【００８１】
なお、前述した本実施形態のように、スペーサ層１２でも光を吸収する場合には、その厚みは光吸収層としての厚みｔに加算される。
【００８２】
さらに、スペーサ層１２においては、電子９と正孔１０との両方が走行しているが、スペーサ層１２の厚みは０．３μｍ程度以下と薄いので、印加すべき逆バイアス電圧の値は小さくて済む。
【００８３】
次に、複数の光吸収層間に挿入されたスペーサ層１２が半導体受光素子としてのキャパシタンスに与える影響を検証する。
【００８４】
スペーサ層１２が１層の場合、キャパシタンスについての考察を簡単化できるので、図１及び図２に示す第１実施形態の半導体受光素子を用いて、スペーサ層１２が半導体受光素子全体としてのキャパシタンスに与える影響についての考察を行う。
【００８５】
スペーサ層１２に起因するキャパシタンスをＣ_S とし、走行層２のキャパシタンスをＣ_M とする。
【００８６】
すると、半導体受光素子全体としてのキャパシタンスＣ_G は、これら２つのキャパシタンスＣ_S 、Ｃ_M を合成して（１）式で求められる。
【００８７】
１／Ｃ_G ＝（１／Ｃ_S ）＋（１／Ｃ_M ） …（１）
ここで、例えば、スペーサ層１２の厚みが数ｎｍから数１０ｎｍの場合、そのキャパシタンスＣ_S は走行層２（例えば、０．４μｍ程度）のキャパシタンスＣ_M と比較して充分大きい。
【００８８】
従って、式（１）において、右辺第１項は、右辺第２項と比較して無視することができるので、その結果として、半導体受光素子全体としてのキャパシタンスＣ_G は走行層２に起因するキャパシタンスＣ_M とほぼ等しくなる。
【００８９】
これにより、スペーサ層１２が半導体受光素子全体としてのキャパシタンスＣ_G に与える影響を殆ど無視することができることになる。
【００９０】
逆に、スペーサ層１２のキャパシタンスＣ_S が小さくなり、走行層２のキャパシタンスＣ_M と同程度になった場合には、半導体受光素子全体としてのキャパシタンスＣ_G はスペーサ層１２のキャパシタンスＣ_S の約半分となる。
【００９１】
以上においては、簡単のために、スペーサ層１２を１層のみ有する実施形態について半導体受光素子全体としてのキャパシタンスＣ_G に与える影響を考察している。
【００９２】
しかるに、スペーサ層１２が半導体受光素子全体としてのキャパシタンスＣ_G を大きくせず、高速応答に悪影響を与えないという事実は、複数個のスペーサ層１２及び複数個の光吸収層が存在する受光素子についても成り立つ。
【００９３】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係わる半導体受光素子の逆バイアス電圧印加時における半導体部のバンドダイヤグラムを示す図である。
【００９４】
図３において、図２に示した第１実施形態の半導体受光素子のバンドダイヤグラムと同一部分には、同一符号を付してある。
【００９５】
なお、本発明の第２実施形態に係わる半導体受光素子全体の構成を示す斜視図は、図１に示した第１実施形態の半導体受光素子とほぼ同一である。
【００９６】
したがって、ここでは、主に、第１実施形態の半導体受光素子と異なる部分についてのみ説明する。
【００９７】
図３に示すように、この第２実施形態の半導体受光素子においては、第２の光吸収層１３ａにバンドギャップ波長が第１の光吸収層１１ａよりも長い半導体材料を用いている。
【００９８】
言い換えれば、図３に示すように、第２の光吸収層１３ａのバンドギャップエネルギーｅ₂ が、第１の光吸収層１１ａのバンドギャップエネルギーｅ₁ より小さく設定されている（ｅ₂ ＜ｅ₁ ）。
【００９９】
例えば、１．５５μｍの波長の光を吸収する場合には、第２の光吸収層１３ａとしてそのバンドギャップ波長が第１の光吸収層１１ａよりも長い半導体材料を使用すれば良い。
【０１００】
例えば、第１の光吸収層１１ａと第２の光吸収層１３ａとの半導体材料として、バンドギャップ波長が各々１．５８μｍ、１．６２μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰやｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓを用いれば本実施形態の半導体受光素子を実現することができる。
【０１０１】
さらに、第１の光吸収層１１ａとしてｐ−ＩｎＧａＡｓＰやｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓを用い、第２の光吸収層１３ａとしてバンドギャップ波長がより長いｐ−ＩｎＧａＡｓを用いても良い。
【０１０２】
なお、バンドギャップ波長はこれらの値に限らないことは言うまでもない。
【０１０３】
また、３層以上の光吸収層を使用する場合には、ｐ電極６側からｎ電極７側に向かって、それぞれの光吸収層のバンドギャップ波長が段階的に長くなるようにｐ−ＩｎＧａＡｓＰやｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓを使用し、ｎ電極７に最も近い層にｐ−ＩｎＧａＡｓを用いても良い。
【０１０４】
このように、本発明の第２実施形態の半導体受光素子においては、スペーサ部１２でのドリフト効果が上がり、電子９がより加速されるので、前述した第１の実施形態の半導体受光素子に比較して、より一層の高速応答が可能となる。
【０１０５】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係わる半導体受光素子の逆バイアス電圧印加時における半導体部のバンドダイヤグラムを示す図である。
【０１０６】
図４において、図２に示した第１実施形態の半導体受光素子のバンドダイヤグラムと同一部分には、同一符号を付してある。
【０１０７】
なお、本発明の第３実施形態に係わる半導体受光素子全体の構成を示す斜視図は、図１に示した第１実施形態の半導体受光素子とほぼ同一である。
【０１０８】
したがって、ここでは、主に、第１実施形態の半導体受光素子と異なる部分についてのみ説明する。
【０１０９】
この第３実施形態の半導体受光素子においては、第１の光吸収層１１ｂのバンドギャップ波長と第２の光吸収層１３ｂのバンドギャップ波長とは互いに等しい（バンドギャップエネルギー；ｅ₁ ＝ｅ₂ ）が、それらのｐ型のドーパント濃度を異ならしている。
【０１１０】
例えば、第１の光吸収層１１ｂのｐ型のドーパント濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3とすると、第２の光吸収層１３ｂのｐ型のドーパント濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3のように第１の光吸収層１１ｂのｐ型のドーパント濃度より小さく設定している。
【０１１１】
なお、ｐ型のドーパント濃度は、これらの値に限らないことは言うまでもない。
【０１１２】
このように、ｎ電極７側の第２の光吸収層１３ｂのｐ型のドーパント濃度を、ｐ電極６側の第１の光吸収層１１ｂのｐ型のドーパント濃度より小さく設定しているので、スペーサ層１２でのドリフトの改善の効果が上がる。
【０１１３】
よって、本発明の第３実施形態の半導体受光素子においては、光吸収層内で電子９がより一層加速されるので、図２に示した第１の実施形態の半導体受光素子に比較して、より一層の高速応答が可能となる。
【０１１４】
なお、３層以上の光吸収層を使用する場合には、それぞれの光吸収層のｐドーパント濃度をｐ電極６側からｎ電極７側に向かって順番に小さくすればよい。
【０１１５】
なお、複数の光吸収層のバンドギャップ波長は異なっても良いことは言うまでもない。
【０１１６】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４実施形態に係わる半導体受光素子の逆バイアス電圧印加時における半導体部のバンドダイヤグラムを示す図である。
【０１１７】
図５において、図２に示した第１実施形態の半導体受光素子のバンドダイヤグラムと同一部分には、同一符号を付してある。
【０１１８】
なお、本発明の第４実施形態に係わる半導体受光素子全体の構成を示す斜視図は、図１に示した第１実施形態の半導体受光素子とほぼ同一である。
【０１１９】
したがって、ここでは、主に、第１実施形態の半導体受光素子と異なる部分についてのみ説明する。
【０１２０】
この第４実施形態の半導体受光素子では、第１の光吸収層１１ｃのバンドギャップ波長と第２の光吸収層１３ｃのバンドギャップ波長とを、それぞれ、ｐ電極６側からｎ電極７側に向かって徐々に長くすなわち傾斜的に設定している。
【０１２１】
言い換えれば、図５に示すように、第１の光吸収層１１ｃのバンドギャップエネルギーｅ₁ と、第２の光吸収層１３ｃのバンドギャップエネルギーｅ₂ とを、それぞれ、ｐ電極６側からｎ電極７側に向かって徐々に小さくなるように傾斜させて設定している。
【０１２２】
このように、各光吸収層１１ｃ、１３ｃ内でバンドギャップ波長（バンドギャップエネルギー）を傾斜させることにより、電子９を各光吸収層内１１ｃ、１３ｃでも加速することができる。
【０１２３】
従って、本発明の第４実施形態の半導体受光素子においては、バンドギャップ波長が各光吸収層１１ａ、１３ａ内で一定である図３に示した第２実施形態の半導体受光素子に比較して、より一層の高速応答が可能となる。
【０１２４】
さらに、本発明の第４実施形態の半導体受光素子においても、ｐ型のドーパント濃度をｐ電極６側からｎ電極７側へ向かうに伴って小さく設定するようにしても良い。
【０１２５】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５実施形態に係わる半導体受光素子の逆バイアス電圧印加時における半導体部のバンドダイヤグラムを示す図である。
【０１２６】
図６において、図２に示した第１実施形態の半導体受光素子のバンドダイヤグラムと同一部分には、同一符号を付してある。
【０１２７】
なお、本発明の第５実施形態に係わる半導体受光素子全体の構成を示す斜視図は、図１に示した第１実施形態の半導体受光素子とほぼ同一である。
【０１２８】
したがって、ここでは、主に、第１実施形態の半導体受光素子と異なる部分についてのみ説明する。
【０１２９】
この第５実施形態の半導体受光素子においては、第１の光吸収層１１ｄと第２の光吸収層１３ｄ内は、ｐ型のドーパント濃度が内部電界強度が存在する程度に薄く設定されている。
【０１３０】
このように、第５実施形態の半導体受光素子においては、各光吸収層１１ｄ、１３ｄ内のｐ型ドーパント濃度を薄く設定することにより、第１の光吸収層１１ｄと第２の光吸収層１３ｄの中において、電子９と正孔１０とが加速されるので、より一層の高速応答が可能となる。
【０１３１】
但し、この場合、各光吸収層１１ｄ、１３ｄ内のｐ型のドーパント濃度は、その値をあまり低く設定すると、正孔１０を移動させるための電界強度が大きくなる。
【０１３２】
この結果、必要となるバイアス印加電圧も、それだけ大きくなる。
【０１３３】
これにより、前述したようなジュール熱により半導体受光素子の破壊が生じてしまう恐れがある。
【０１３４】
従って、各光吸収層１１ｄ、１３ｄ内のｐ型のドーパント濃度はそれを避け得る範囲内に設定すべきである。
【０１３５】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。
【０１３６】
各実施形態の半導体受光素子では、光吸収層の数は２層であったが、本発明では複数の光吸収層間に加速用のスペーサ層が介在されていることを特徴としている。
【０１３７】
従って、この条件を満たしている限り、光吸収層が３層以上であっても良いことはいうまでもない。
【０１３８】
また、各実施形態ではスペーサ層１２の半導体材料としては、各光吸収層１１、１３と同じ半導体材料に限らず、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ等を含むその他の半導体材料を採用することが可能である。
【０１３９】
また、スペーサ層１２の半導体材料としては、半導体材料を組合わせた多重量子井戸構造を採用しても良い。
【０１４０】
なお、スペーサ層１２のバンドギャップエネルギーｅを大きく設定することによって、半導体受光素子としてのノイズの発生量を低減することができる。
【０１４１】
また、前述したように、スペーサ層１２は、ｉ−ＩｎＧａＡｓ等のｉ型（ノンドープ型）半導体に限定されるものではなく、その内部で電子と正孔とを加速走行させることを可能とする半導体材料からなるものであれば良い。
【０１４２】
例えば、上記スペーサ層１２は、ｎ型にドープされた半導体材料からなるもの、あるいは、内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた半導体材料からなるものであっても良い。
【０１４３】
また、スペーサ層自体でも光を吸収する光吸収層として機能させるようにしても良い。
【０１４４】
さらに、光吸収層とスペーサ層の接合部においてバンドにノッチができる場合には、光吸収層側に濃度の高いｐ型ドーパントによるドープを行って、その接合部に入れれば、このバンドのノッチを小さくすることが可能となる。
【０１４５】
さらに、各実施形態においては、入射された光の波長は１．５５μｍであると仮定したが、１．３μｍ等を含む他の波長でも可能である。
【０１４６】
また、光吸収層の半導体材料としてはｐ−ＩｎＧａＡｓの他、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ等の４元混晶の他、ｐ型にドーピングした多重量子井戸でも良い。
【０１４７】
また、コンタクト層５の半導体材料としては、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓ以外にも、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ等の各種の半導体材料を使用することができる。
【０１４８】
以上説明したように、本発明の半導体受光素子によれば、光吸収層を複数層で形成するとともに、複数の光吸収層相互間に加速用のスペーサ層を介在させている。
【０１４９】
すなわち、本発明の半導体受光素子は、ｐ型にドープされた複数の光吸収層間にドリフト効果を有する加速用のスペーサ層を挟んで使用する。
【０１５０】
このため、本発明によると、半導体受光素子の応答速度を決める電子の拡散状態が、従来の光吸収層が１層で厚い場合と比較して大幅に改善される結果、半導体受光素子として高速応答が可能となる。
【０１５１】
さらに、本発明による半導体受光素子では、ｐ型にドープされた個々の光吸収層の厚みが従来比で１／２程度と薄いため、光の入射光量が小さい場合であっても、電子は個々の光吸収層内で充分に速く応答することができる。
【０１５２】
すなわち、この場合、光吸収層内で発生した電子の数が少なく互いの反発力を期待できないことによって、電子が純粋に拡散のみで移動しなければならない場合においても、ドープした各光吸収層の厚みが薄いので、電子は充分に速く応答することができる。
【０１５３】
一方、入射した光にとっては、光吸収層としての厚みは複数の光吸収層の各厚みの合計の厚みとなるので、入射した光が電子と正孔とに変換される効率を著しく上昇させることができるようになる。
【０１５４】
従って、従来のＵＴＣ−ＰＤと比較して、本発明の半導体受光素子では、光の入射光量が小さい場合にも速い周波数応答特性を実現できることになる。
【０１５５】
これにより、本発明の半導体受光素子では受光素子に光を導く前にファイバ増幅器を使用する必要がなく、通信システムのコストの観点からも有利である。
【０１５６】
以上、詳述したように、本発明によれば、複数の光吸収層間に加速用のスペーサ層を介在させることにより、光吸収層における電子の高速移動を可能とするとともに、全体として厚い光吸収層の採用を可能とし、入射光量の大小にかかわらず、高速かつ高効率の半導体受光素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の第１実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す斜視図であり、
【図２】 図２は、本発明の第１実施形態に係わる半導体受光素子のに逆バイアス電圧を印加したときのバンドダイヤグラムを示す図であり、
【図３】 図３は、本発明の第２実施形態に係わる半導体受光素子のに逆バイアス電圧を印加したときのバンドダイヤグラムを示す図であり、
【図４】 図４は、本発明の第３実施形態に係わる半導体受光素子のに逆バイアス電圧を印加したときのバンドダイヤグラムを示す図であり、
【図５】 図５は、本発明の第４実施形態に係わる半導体受光素子のに逆バイアス電圧を印加したときのバンドダイヤグラムを示す図であり、
【図６】 図６は、本発明の第５実施形態に係わる半導体受光素子のに逆バイアス電圧を印加したときのバンドダイヤグラムを示す図であり、
【図７】 図７は、従来の半導体受光素子の概略構成を示す斜視図であり、
【図８】 図８は、従来の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【図９】 図９は、従来の半導体受光素子に逆バイアス電圧を印加したときのバンドダイヤグラムを示す図である。

Claims (10)

1. ｎ電極と、
   上記ｎ電極の上方に設けられたｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層と、
   上記ｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層の上方に設けられた半導体光吸収層と、
   上記半導体光吸収層の上方に設けられたｐ型の半導体ドープ層と、
   上記ｐ型の半導体ドープ層の上方に設けられたｐ電極とを備え、
   上記半導体光吸収層は、ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在しない程度に高い濃度でｐ型にドープされた少なくとも２層の部分と、当該２層の部分に挟まれた半導体材料からなり、上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該半導体材料部分に電界が印加されることにより、入射光が該半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させる加速用のスペーサ層とを有し、
   上記スペーサ層は、上記半導体材料として、ｉ−ＩｎＧａＡｓ、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むノンドープ型の第１の半導体材料またはｎ−ＩｎＧａＡｓ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むｎ型にドープされた第２の半導体材料またはｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料を含み、上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該第１の半導体材料または第２の半導体材料または第３の半導体材料部分に電界が印加されることにより、前記入射光が前記半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させることを可能とすることを特徴とする半導体受光素子。
2. 上記半導体光吸収層は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の各部分のバンドギャップ波長が上記ｐ電極側から上記ｎ電極側に向かって長くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 上記半導体光吸収層は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のバンドギャップ波長が上記ｐ電極側から上記ｎ電極側に向かって傾斜的に長くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
4. 上記半導体光吸収層は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のドーパント濃度が、上記ｐ電極側からｎ電極側に向かって薄くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
5. 上記スペーサ層が、上記内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料からなるとき、
   上記半導体材料からなるスペーサ層のドーパント濃度が、上記ｐ電極側からｎ電極側に向かって薄くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の記載の半導体受光素子。
6. ｎ電極を形成し、
   上記ｎ電極の上方にｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層を形成し、
   上記ｎ型の半導体ドープ層またはノンドープ層の上方に半導体光吸収層を形成し、
   上記半導体光吸収層の上方にｐ型の半導体ドープ層を形成し、
   上記ｐ型の半導体ドープ層の上方にｐ電極を形成し、
   上記半導体光吸収層の形成は、ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在しない程度に高い濃度でｐ型にドープされた少なくとも２層の部分を形成し、
   当該２層の部分に挟まれた半導体材料からなり、上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該半導体材料部分に電界が印加されることにより、入射光が該半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させる加速用のスペーサ層を形成し、
   上記スペーサ層は、上記半導体材料として、ｉ−ＩｎＧａＡｓ、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むノンドープ型の第１の半導体材料またはｎ−ＩｎＧａＡｓ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含むｎ型にドープされた第２の半導体材料またはｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料を含み、上記ｎ電極とｐ電極との間に逆バイアス電圧の印加時に上記ｎ電極とｐ電極との間の半導体部に生じるバンドダイヤグラムに基づいて当該第１の半導体材料または第２の半導体材料または第３の半導体材料部分に電界が印加されることにより、前記入射光が前記半導体光吸収層で吸収されて生ずる電子と正孔とを加速走行させることを可能とすることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
7. 上記半導体光吸収層の形成は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の各部分のバンドギャップ波長を上記ｐ電極側から上記ｎ電極側に向かって長くなるように形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。
8. 上記半導体光吸収層の形成は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のバンドギャップ波長を上記ｐ電極側から上記ｎ電極側に向かって傾斜的に長くなるように形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。
9. 上記半導体光吸収層の形成は、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓまたはｐ−ＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含んだ２層の部分の少なくとも一方のドーパント濃度を上記ｐ電極側からｎ電極側に向かって薄くなるように形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。
10. 上記スペーサ層が、上記内部電界が存在する程度に薄くｐ型にドープされた第３の半導体材料からなるとき、
    上記第３の半導体材料からなるスペーサ層のドーパント濃度が、上記ｐ電極側からｎ電極側に向かって薄くなるように設定されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。

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