JP4030847B2

JP4030847B2 - 半導体受光装置

Info

Publication number: JP4030847B2
Application number: JP2002274305A
Authority: JP
Inventors: 鋼王; 昌博米田
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: US20040056250A1; JP2004111763A; US7368750B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光装置に関し、特に高速動作が可能で大容量光ファイバの通信システムに使用可能なＰＩＮ型フォトダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの大容量化に伴い、４０Ｇｂｐｓ以上の伝送システムが開発されている。このような大容量伝送システムで使用される半導体受光素子は、４０ＧＨｚ以上の高速動作をされることが必要とされているため、従来のものよりも高性能かつ高信頼性を有していなければならない。
【０００３】
この種の半導体受光装置として、例えば特許文献１にはテーパ光導波路構造を集積したＰＩＮ型フォトダイオードが開示されている。図８は、特許文献１に開示されたテーパ光導波路構造を集積したＰＩＮ型フォトダイオードの構成例を示す斜視図であり、図中のＡ部は、フォトダイオードの受光部の拡大断面図である。同図に示すように、フォトダイオード１００は、半絶縁性のＩｎＰ基板１０１上にテーパ光導波路構造１０２を受光素子１０３の側部に結合させている。テーパ光導波路構造１０２は、光ファイバからの光をスポットサイズに変換し、これを受光素子１０３の光吸収層１０４の側面から入射させている。
【０００４】
ｐ側の電極パッド１０５は、基板１０１上に絶縁膜を介して所定形状に形成され、他方、ｎ側の電極パッド１０６もｐ側電極パッド１０５と同一平面に形成されている。このため、フォトダイオード１００は、コプレーナストリップライン構造の基板と直接接続することが可能となっている。受光素子１０３の頂部にはＰ電極１０７が形成され、Ｐ電極１０７はエアーブリッジ１０７ａによってｐ側電極パッド１０５と接続される。
【０００５】
ｎ電極１０８は、受光素子１０３をメサ構造にエッチング形成することにより露出したｎ型の半導体層１０９の表面に形成される。ｎ電極１０８は、半導体層１０９上を延在するｎ側電極パッド１０６と接続される。ｎ側電極パッド１０６は比較的大きな面積を有している。これは、後述するバイパスコンデンサとの接続領域を確保し、高周波動作時にｎ電極１０８を確実に接地電位にするためである。
【０００６】
このようなＰＩＮ型フォトダイオードの一構成例を図９に示す。同図において、ＩｎＰ半導体基板１１１上に、Ｎ^＋のＩｎＰコンタクト層１１２、Ｎ⁻のＩｎＰバッファ層１１３、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層１１４、Ｐ⁻のＩｎＧａＡｓＰ組成傾斜層１１５、１１６、Ｐ^＋のＩｎＰ層１１７、及びＰ^＋のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１８が順次積層される。これらの半導体層は、エッチングされメサ構造に加工される。
【０００７】
Ｎ側のコンタクト層１１２には、例えばＡｕ／Ｇｅの二層金属によりＮ側電極１１９がオーミック接続され、Ｐ側のコンタクト層１１８には、例えばＡｕ／Ｚｎ二層金属によりＰ側電極１２０がオーミック接続される。
【０００８】
動作時には、Ｎ側電極１１９に正電位が供給され、Ｐ側電極１２０には接地電位が供給され、Ｐ型半導体層１１７とＮ型バッファ層１１３間に逆バイアスが印加される。そして、光吸収層１１４に光が入射されると、そこにキャリアが発生し、電子がＮ側電極１１９に、正孔がＰ側電極１２０によって取り出される。
【０００９】
このような受光素子の応答速度は、基本的にＣＲ時定数と空乏層内のキャリア（主として正孔）の走行時間によって規定される。Ｐ型半導体層１１７と光吸収層１１４界面におけるヘテロ障壁による正孔のトラップを抑制するため、組成傾斜の半導体中間層（グレーデッド層）１１５、１１６が介在される。他方、正孔の走行時間を増加させずに受光部のＰＮ接合容量を減少させるために、光吸収層１１４の下にバッファ層１１３を介在させている。バッファ層１１３の不純物濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３と小さくすることでバッファ層１１３に形成される空乏領域の厚さを増加させ、これによって静電容量Ｃを小さく、応答速度を速くしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１２７３３３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＰＩＮ型フォトダイオードの構造では、静電容量を低減させるためにバッファ層１１３を用いているが、このバッファ層１１３による光吸収層１１４界面でのヘテロ障壁による電子トラップの影響を全く考慮していなかった。実際に、バッファ層１１３の不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３より低くなると、バッファ層１３と光吸収層１１４と間のバンド不連続により電子の走行が妨げられてしまう。特に、４０ＧＨｚ以上の高速動作時および高光入射時では、正孔のみならず、電子のバンド不連続によるトラップ時間を無視することはできなくなり、周波数応答特性が劣化するという問題があった。
【００１２】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決し、高速動作が可能な半導体受光装置を提供することを目的とする。
【００１３】
さらに本発明は、４０ＧＨｚ以上の高速動作時および高光入射時の周波数応答特性を改善する半導体受光装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る半導体受光装置は、第一導電性の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第一導電性のバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、入射された光に応じてキャリアを発生する光吸収層と、前記光吸収層上に形成される第二導電性の半導体層と、前記バッファ層と前記光吸収層との間に配され、バッファ層と同じ材料からなり前記バッファ層より不純物濃度が高い高濃度半導体中間層とを有し、前記高濃度半導体中間層は、不純物濃度が２×１０ ^１８ｃｍ ^−３であり、かつ膜厚が１００ｎｍ以下であり、前記バッファ層の不純物濃度は１×１０ ^１７ｃｍ ^−３より低い。
【００２５】
請求項１の半導体受光装置によれば、前記バッファ層と前記光吸収層との間にバッファ層と同じ材料からなり前記バッファ層より不純物濃度が高い高濃度半導体中間層を設けたので、電子はトンネル効果により高濃度半導体中間層を通り抜けることができる。従って、電子は、光吸収層とバッファ層との間のバンド不連続による影響を実質的に受けることない。つまり、電子は、バッファ層と光吸収層間のバンド障壁を通り抜けることができるため、半導体受光装置の高周波数応答特性及び高入力飽和特性を改善することができる。
【００２６】
請求項２に半導体受光装置によれば、半絶縁性の基板と、該基板上に形成される第一導電性の半導体層と、該半導体層上に形成され、第一導電性のバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、入射された光に応じてキャリアを発生する光吸収層と、前記光吸収層上に形成される第二導電性の半導体層と、前記バッファ層と前記光吸収層との間に配され、バッファ層と同じ材料からなり前記バッファ層より不純物濃度が高い第一導電性の高濃度半導体中間層とを有し、前記高濃度半導体中間層は、不純物濃度が２×１０ ^１８ｃｍ ^−３であり、かつ膜厚が１００ｎｍ以下であり、前記バッファ層の不純物濃度は１×１０ ^１７ｃｍ ^−３より低い。
するものである。
【００２８】
半導体受光装置は、前記半導体基板と前記バッファ層との間にＮ型の高不純物濃度のコンタクト層を含むものであっても良く、かかるコンタクト層から電子を取り出すことも可能である。あるいは、それとは別に半導体基板の裏面に金属層を設け、ここから電子を取り出す構成であっても良い。
【００２９】
好ましくは半導体受光装置は、少なくとも前記光吸収層及び前記第二導電性の半導体層がメサ構造を有し、前記メサ構造によって露出された前記光吸収層の側面から光を入射されるものであっても良い。いわゆる端面入射型の受光装置である。あるいは、受光面を第二導電性の半導体層上に形成する表面型でも良いし、受光面を基板の裏面側に有するものであっても良い。さらに半導体受光装置は、前記光吸収層へ光を導くための半導体光導波路を基板若しくは半導体基板上に含むものであっても良い。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの断面を示す図である。本実施の形態によるＰＩＮ型フォトダイオード１０は、同図に示すように、例えばＩｎＰからなる半絶縁性の半導体基板１１上に、Ｎ^＋の不純物濃度を有するＩｎＰコンタクト層１２、Ｎ⁻の低不純物濃度（１×１０１６ｃｍ−３）を有するＩｎＰバッファ層１３、Ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ組成傾斜層（グレーデッド層）１４、１５、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層１６、Ｐ⁻の不純物濃度を含むＩｎＧａＡｓＰ組成傾斜層（グレーデッド層）１７、１８、Ｐ^＋の不純物濃度を有するＩｎＰ層１９、及びＰ^＋の不純物濃度を有するＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０が順次積層される。
【００３１】
コンタクト層１２には、Ａｕ／Ｇｅの２層金属からなるＮ側電極２１がオーミック接続され、コンタクト層２０には、Ａｕ／Ｚｎの２層金属からなるＰ側電極２２がオーミック接続される。動作時には、Ｎ側電極２１に外部電源から正電位が供給され、Ｐ側電極２２に接地電位が供給される。
【００３２】
ＩｎＧａＡｓＰ組成傾斜層１４、１５は、バッファ層１３と光吸収層１６との間に配され、バッファ層１３のバンドギャップ（禁制帯幅）と光吸収層のバンドギャップとの中間のバンドギャップを持つように選択された半導体中間層である。好ましくは、組成傾斜層１４は波長１．３μｍに相当するバンドギャップを有し、組成傾斜層１５は１．１μｍに相当するバンドギャップを有する。これらの組成傾斜層１４、１５を介在させることにより、バンドギャップの狭い光吸収層１６からバンドギャップの大きいバッファ層１３に至るまでのバンドギャップを段階的に傾斜させることができ、バッファ層１３と光吸収層１６界面のヘテロ障壁を緩和させることが可能となる。
【００３３】
Ｐ側の組成傾斜層１７、１８は、上記と同様に光吸収層１６とＰ型半導体層１９間のバンド不連続を緩和する。好ましくは、組成傾斜層１７は波長１．１μｍに相当するバンドギャップを有し、組成傾斜層１８は１．３μｍに相当するバンドギャップを有するように組成が選択される。
【００３４】
半導体基板１１上にはメサ構造の受光部２３が形成される。メサ構造２３は、コンタクト層２０からバッファ層１３に至るまでの半導体層をエッチングすることによって形成され、同時にこのエッチングによりコンタクト層１２の表面の一部が露出される。ここでは図示していないが、半導体基板上に光導波路を形成し、この導波路をメサ構造２３に結合させてもよく、その場合、光導波路によってガイドされた光が光吸収層１６の側面１６ａから入射される。
【００３５】
ＰＩＮ型フォトダイオードを動作させる時、Ｎ側電極２１とＰ側電極２２間にそれぞれ所定の電位が供給され、受光部には逆バイアスが印加される。光吸収層１６の側面１６ａから入射されると、光吸収層１６内に電子及び正孔のキャリアが発生し、これらのキャリアが光吸収層１６の厚さ方向に移動する。このとき、光吸収層１６とバッファ層１３との間には組成傾斜層（グレーデッド層）１４、１５が介在されているため、光吸収層１６とバッファ層１３間のヘテロ障壁が緩和され、そこでの電子トラップが解消あるいは抑制される。
【００３６】
光吸収層で発生された電子がドリフトされる様子を図７に示す。図７は、組成傾斜層１４、１５およびその周辺の領域におけるコンダクションバンドの状態を示すものである。同図に示すように、組成傾斜層１４、１５が存在することにより光吸収層１６とバッファ層１３との間には、２段階のステップが生じ、これによって、電子は光吸収層１６とバッファ層１３との大きなエネルギー差を直接に感じることがなくなる。このため、電子がスムースにＮ側電極２１から取り出すことができ、フォトダイオードの応答速度を速くし、周波数応答特性の低下を改善させることができる。
【００３７】
同様に光吸収層１６とＰ型半導体層１９とのバンド不連続が組成傾斜層１７、１８によって緩和されるため、光吸収層１６によって発生された正孔がヘテロ障壁においてトラップされるのを抑制され、Ｐ側電極２２から取り出される。
【００３８】
上記第１の実施の形態では、光吸収層１６にノンドープのＩｎＧａＡｓ層を用いたが、これ以外にもＰ型あるいはＮ型のＩｎＧａＡｓ層を用いることも可能である。さらに、上記実施の形態では、２層構造の組成傾斜層１４、１５を用いたが、層数は特に限定されるものではない。また、組成傾斜層１４、１５のバンドギャップは、光吸収層１６とバッファ層１３との中間のバンドギャップを選択すればよく、その範囲内において適宜変更が可能である。例えば、半導体中間層が複数の半導体層を含み、各半導体層の禁制帯幅が周期的に変化する構成とすることができる。
【００３９】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は第２の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの構成を示す断面図であり、第１の実施の形態と同一構成のものについては同一の参照番号を付してある。ここでは、バッファ層１３と光吸収層１６との間に、組成傾斜層を設ける代わりに高不純物濃度を有する半導体中間層３１を形成している。
【００４０】
半導体中間層３１は、２×１０^１８ｃｍ^−３の不純物濃度を有するＮ^＋ＩｎＰ層であり、その膜厚は好ましくは１００ｎｍ以下である。このような高不純物濃度の薄膜半導体層３１を介在させることで、光吸収層１６からの電子はバッファ層１３と光吸収層１６界面のヘテロ障壁をトンネル効果により通り抜けることが可能となる。従って、電子は、光吸収層１６とバッファ層１３との間のバンド不連続による影響を実質的に受けることなくＮ側電極２１に到達し、そこから取り出すことができる。その結果、フォトダイオードの高周波応答特性および高入力飽和特性を改善することができる。
【００４１】
次に本発明の第３の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードについて説明する。図３は第３の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの構成を示す断面図であり、第１の実施の形態と同一構成については同一参照番号を付してある。
本実施の形態のフォトダイオードは、光吸収層１６の上部にＰ^＋ＩｎＧａＡｓＰクラッド層４１を設け、かつ光吸収層１６の下部にＮ⁻ＩｎＧａＡｓＰを積層したクラッド層４２を設ける。クラッド層４１は、波長１．３μｍ相当のバンドギャップを有し、クラッド層４２は１．１〜１．３μｍまで連続して変化するバンドギャップを有する。
【００４２】
このような構造において、クラッド層４２はそれ自身が低濃度の層（コンタクト層１２よりも不純物濃度が低い）であるため、上述したバッファ層１３の機能を兼ねることができる。このため、クラッド層４２によって受光部の接合容量が低減され、かつクラッド層４２が光吸収層１６とバッファ層との間の中間的なバンドギャップを有するため、光吸収層１６とバッファ層１３間のバンド不連続を緩和し、ヘテロ障壁による電子トラップを抑制または解消することができる。
【００４３】
さらにクラッド層４１、４２は光吸収層１６よりもバンドギャップが大きいこと、かつ不純物濃度が高いため、その反射率が光吸収層１６の反射率よりも低くなる。このため、光吸収層１６に入射された光がクラッド層４１、４２によって閉じ込められ、光吸収層１６において入射光量に応じたキャリアを迅速に発生させることができる。その半面、光吸収層１６によって発生されたキャリアはクラッド層４１、４２によって閉じ込められることなく、光吸収層１６の界面におけるヘテロ障壁を通りＮ側電極２１に迅速に到達される。
【００４４】
なお、上記実施の形態では、クラッド層４２がバッファ層を兼用する例を示したが、これに限らずクラッド層４２とコンタクト層１２の間に他のバッファ層を設けても良い。
【００４５】
次に本発明の第４の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードについて説明する。図４は第４の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの構成を示す断面図であり、第１の実施の形態と同一構成については同一参照番号を付してある。
【００４６】
本実施の形態では、第３の実施の形態で用いたＰ側のクラッド層４１を多層構造のクラッド層５１に置き換えたものである。クラッド層５１は、Ｐ⁻ＩｎＧａＡｓＰを多層積層したものであり、波長１．１〜１．３μｍまでバンドギャップが連続的に変化される。クラッド層５１を多層構造にしそのバンドギャップの変化を連続的にすることでヘテロ障壁における正孔のトラップをより効果的に抑制することができ、フォトダイオードの高周波応答特性および高入力飽和特性を改善することができる。
【００４７】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４８】
上記実施の形態では、半導体基板１１上にＮ側電極を形成したが、これに限らず半導体基板の裏面に電極を形成しても良い。図１に示すＰＩＮ型フォトダイオードのＮ側電極の取出しを変更し、例えば図５に示すように、Ｎ型の低不純物濃度を有する半導体基板６１の裏面に電極層６２を形成し、これをＮ側電極とすることも可能である。この場合、コンタクト層１２は除去される。
【００４９】
さらに、上記実施の形態では、光吸収層１６の側面１６ａから光を入射させる端面入射型の構造について説明したが、これに限らず、メサ構造２３の表面を受光面にした表面入射型、あるいは基板の裏面に受光面を形成した裏面入射型の構造であっても良い。図１に示すＰＩＮ型フォトダイオードを変更し、例えば図６に示すように、Ｐ側電極７１を環状あるいはリング状に形成し、その中央部から光を入射させるようにすることも可能である。あるいは、基板７２の裏面をエッチング加工して凹部７３を形成して受光面を形成し、ここから入射させることも可能である。
【００５０】
さらに上記実施の態様では、半導体材料としてＩｎＰ基板上に、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓを使用しているが、これらの材料に限定されるものではない。これ以外にも、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体及び混晶、例えばＩｎＡｌＡｓやＧａＡｓ等の材料を用いることも可能である。要するに、光吸収層のバンドギャップがバッファ層のバンドギャップよりも狭く、かつそれらの層と格子定数の整合を取ることが可能な材料であれば良い。
【００５１】
さらに上記実施の態様では、ＰＩＮ型フォトダイオードを例に用いたが、これ以外にもアバランシェフォトダイオードやフォトトランジスタ等の他の半導体受光素子にも適用可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体受光装置に含まれるバッファ層と光吸収層との間に、バッファ層の禁制帯幅と光吸収層の禁制帯幅との中間の禁制帯幅を有するＮ型の半導体中間層を設けたことにより、光吸収層とバッファ層とのバンド不連続を緩和し、電子のトラップを解消あるいは抑制することができる。これによって半導体受光装置の高速動作が可能となり、例えば４０ＧＨｚ以上の高速動作時および高光入射時の周波数応答特性を従来品よりも改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの断面図である。
【図５】本発明のＰＩＮ型フォトダイオードの変形例を示す断面図である。
【図６】本発明のＰＩＮ型フォトダイオードの他の変形例を示す断面図である。
【図７】第１の実施の形態に係るＰＩＮ型フォトダイオードの受光部に光により発生された電子のドリフトを説明するためのバンド図である。
【図８】従来の半導体受光装置の一構成例を示す斜視図である。
【図９】従来のＰＩＮ型フォトダイオードの一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０：ＰＩＮ型フォトダイオード、１１：半導体基板、
１２、２０：コンタクト層、１３：バッファ層、
１４、１５：組成傾斜層、１６：光吸収層、
１７、１８：組成傾斜層、１９：ＩｎＰ層、
２１：Ｎ側電極、２２：Ｐ側電極、
３１：半導体中間層（高不純物濃度）４１、４２、５１：クラッド層、

Claims

第一導電性の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第一導電性のバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、入射された光に応じてキャリアを発生する光吸収層と、
前記光吸収層上に形成される第二導電性の半導体層と、
前記バッファ層と前記光吸収層との間に配され、バッファ層と同じ材料からなり前記バッファ層より不純物濃度が高い第一導電性の高濃度半導体中間層とを有し、
前記高濃度半導体中間層は、不純物濃度が２×１０ ^１８ｃｍ ^−３であり、かつ膜厚が１００ｎｍ以下であり、
前記バッファ層の不純物濃度は１×１０ ^１７ｃｍ ^−３より低い半導体受光装置。
半絶縁性の基板と、
該基板上に形成される第一導電性の半導体層と、
該半導体層上に形成され、第一導電性のバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、入射された光に応じてキャリアを発生する光吸収層と、
前記光吸収層上に形成される第二導電性の半導体層と、
前記バッファ層と前記光吸収層との間に配され、バッファ層と同じ材料からなり前記バッファ層より不純物濃度が高い第一導電性の高濃度半導体中間層とを有し、
前記高濃度半導体中間層は、不純物濃度が２×１０ ^１８ｃｍ ^−３であり、かつ膜厚が１００ｎｍ以下であり、
前記バッファ層の不純物濃度は１×１０ ^１７ｃｍ ^−３より低い半導体受光装置。
前記半導体受光装置は、前記半導体基板と前記バッファ層との間に第一導電性の高不純物濃度のコンタクト層を含み、前記コンタクト層には所定の電位が供給される、請求項１または２に記載の半導体受光装置。
少なくとも前記光吸収層及び前記第二導電性の半導体層がメサ構造を有し、前記メサ構造によって露出された前記光吸収層の側面から光が入射される、請求項１または２に記載の半導体受光装置。
前記半導体受光装置は、前記光吸収層へ光を導くための半導体光導波路を基板若しくは半導体基板上に含む、請求項４に記載の半導体受光装置。
前記半導体受光装置は、ＰＩＮ型のフォトダイオードを含む、請求項１ないし５いずれかに記載の半導体受光装置。
前記半導体受光装置は、アバランシェフォトダイオードを含む、請求項１ないし５いずれかに記載の半導体受光装置。
前記半導体受光装置は、前記第二導電性の半導体層上に受光面を有する、請求項１ないし３いずれかに記載の半導体受光装置。
前記半導体受光装置は、前記基板若しくは半導体基板の裏面側に受光面を有する、請求項１ないし３いずれかに記載の半導体受光装置。
前記第１導電性は、ｎ型である請求項１ないし９いずれかに記載の半導体受光装置。