JP4157698B2 - 半導体受光素子およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に伝送速度が１０Ｇｂｐｓあるいは４０Ｇｂｐｓ以上の高速・大容量光ファイバ通信システムにおいて使われる高速半導体受光素子に関する。
【従来の技術】
【０００３】
図１は、従来の基板入射型でフリップチップ実装型のアバランシェフォトダイオード２０の概略的な断面構造図を示す。また図２は、図１中、破線領域を詳細に示す拡大断面図である。
【０００４】
図１，２を参照するに、アバランシェフォトダイオード２０はｎ型ＩｎＰ基板１上に形成されており、前記基板１上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層２と、前記バッファ層２上に形成された低キャリア濃度のＩｎＧａＡｓ光吸収層３と、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層３上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰグレーデッド層１３を介して形成されたｎ型ＩｎＰ層４とを含み、前記グレーデッド層１３は前記ＩｎＧａＡｓ層３とＩｎＰ層４との間においてエネルギバンドの不連続を補間する。
【０００５】
前記ＩｎＰ増倍層４上には図示しないＳｉＮなどの絶縁膜が形成され、これをパターニングして形成したリング状の窓を介して選択的にｐ型不純物元素をイオン注入を行うことにより、前記ＩｎＰ層４中にガードリング１４が形成される。さらに、前記ＳｉＮ膜を除去し、図２に示す別のＳｉＮ膜５−１を形成し、かかるＳｉＮ膜５−１中の窓を介してｐ型不純物元素をイオン注入することにより、前記ＩｎＰ４中に前記ガードリング１４に囲まれるように、ｐ型ＩｎＰ領域６が形成される。ここでｎ型ＩｎＰ層４においてｐ型ＩｎＰ領域６の直下には増倍領域４−１が形成されたことになる。
【０００６】
さらに図１を参照しながらｐ側電極の詳細を説明すると、前記ＩｎＰ領域６上には例えばＡｕ／Ｚｎアロイ層よりなるｐ側オーミック電極７が形成されており、前記ｐ側オーミック電極７は、前記ＳｉＮ膜５−１および前記ｐ側電極７とＳｉＮ膜５−１との間に形成されたＩｎＰ層４のリング状露出部を覆うように形成された別のＳｉＮ膜５−２により、周辺部が覆われている。
【０００７】
さらに前記ｐ側オーミック電極７上には、前記ＳｉＮ膜５−２中にｐ側オーミック電極７を露出するように形成されたコンタクト窓において前記ｐ側オーミック電極７とコンタクトするように、例えばＴｉ／Ｐｔ積層構造を有するバリアメタル層９が形成され、前記バリアメタル層９上には、Ａｕピラー１０が形成される。さらに前記Ａｕピラー１０上には、半田バンプ１１が形成されている。前記バリアメタル層９は、前記ｐ側オーミック電極７とＡｕピラー１０との間において、Ａｕの拡散を抑制する。
【０００８】
さらに図１に示すように、前記ガードリング１４の周囲には、前記ｎ型ＩｎＰバッファ層２を露出する溝が形成され、前記溝には、前記バッファ層２とコンタクトするｎ側オーミック電極８が、前記溝側壁面に沿って前記ｎ型ＩｎＰ層４の表面にまで到達するように形成されている。前記ＩｎＰ層４上において、前記ｎ側オーミック電極８上には、前記バリアメタル層９と同様なバリアメタル層９Ａと、前記Ａｕピラー１０と同様なＡｕピラー１０Ａと、前記半田バンプ１１と同様な半田バンプ１１Ａとが形成されている。また、前記溝において露出側壁部および前記ｎ側オーミック電極８は、前記ＳｉＮ膜５−１および５−２よりなる保護絶縁膜５により覆われている。
【０００９】
また図１の受光素子２０では、基板１の裏面にマイクロレンズ１５がエッチングにより形成されており、さらに前記基板１の裏面は反射防止膜１２により覆われている。
【００１０】
次に、図１〜２の受光素子２０の動作について説明する。
【００１１】
動作時には、前記ｐ側オーミック電極７とｎ側オーミック電極８との間に逆バイアスを印加し、この状態において光ファイバ通信システムで使われる１３００ｎｍ近傍あるいは１４５０〜１６５０ｎｍの波長範囲の信号光を、前記基板１の側から供給する。
【００１２】
基板１を構成するＩｎＰ結晶は、前記波長の入射光に対して透明であり、このため信号光は前記光吸収層３に途中で吸収されることなく到達し、光吸収層３においてのみ吸収される。
【００１３】
ところで、このような受光素子の応答速度は、素子の静電容量Ｃと負荷抵抗Ｒとの積で与えられるＣＲ時定数と、入射光により励起されたキャリアの走行時間によって定義される。そこで、１０Ｇｂｐｓあるいは４０Ｇｂｐｓの伝送速度に対応して受光素子の応答速度を向上させようとすると、ＣＲ時定数とならんでキャリアの走行時間をも短縮する必要がある。キャリア走行時間は光吸収層３の厚さに比例して増加するため、キャリア走行時間を減少して応答速度を向上させるためには、光吸収層３の厚さを減少させる必要がある。しかし、高速化のために光吸収層３の厚さを減少させると、入射光が光吸収層３によって完全に吸収されなくなり、量子効率、すなわち受光感度が低下する。このように受光素子の応答速度と量子効率（受光感度）とはトレードオフの関係にあり、高速応答する受光素子を設計しようとしても、光吸収層の最適な膜厚を設定することができなかった。
【００１４】
これに対し、本発明の発明者は、図１あるいは２のｎ型ＩｎＰ層４上にミラーを形成し、光吸収層で吸収されなかった信号光をかかるミラーで光吸収層に戻す構成の高速受光素子３０を提案した。
【００１５】
図３は、上記先の提案による高速受光素子３０の構成を示す。ただし図３中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図２と同様に、図３は図１のアバランシェフォトダイオードの破線で囲んだ部分に対応する構造の断面図である。
【００１６】
図３を参照するに、受光素子３０では前記ｐ型領域６上にＳｉＮパターン５−２Ａが、前記ＳｉＮ膜５−２のパターニングにより形成されており、前記ｐ側電極７の代わりに、前記ＳｉＮパターン５−２ＡとＳｉＮ膜５−２との間のリング状開口部に、Ａｕ／Ｚｎアロイ層よりなるリング状のｐ側電極７Ａが形成されている。
【００１７】
前記リング状ｐ側オーミック電極７Ａ上には、Ｔｉ／Ｐｔ積層構造を有するリング状のバリアメタルパターン９Ａが、前記リング状ｐ側オーミック電極７Ａを覆うように、また前記ＳｉＮパターン５−２Ａの周辺部およびＳｉＮパターン５−２の前記リング状開口部に沿った周辺部を覆うように形成されており、前記バリアメタルパターン９Ａ上には、中央開口部において前記ＳｉＮパターン５−２Ａとコンタクトするように、Ａｕピラー１０が形成されている。Ａｕピラー１０上には、図１，２の構成と同様な半田バンプ１１が形成されている。
【００１８】
図３の受光素子３０では、前記基板１に入射した入射光は前記ＳｉＮパターン５−２ＡおよびＡｕピラー１０よりなる高反射率ミラーで反射され、光吸収層３に戻される。このため、受光素子３０は光吸収層１３の厚さを減少させても十分な量子効率を実現することが可能である。
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
一方、図１〜３に示す受光素子２０あるいは３０では、受光感度に大きな影響を与える光吸収層３の吸収端波長λｅが約１．７μｍであるため、Ｃバンドと呼ばれる１５５０ｎｍ付近の波長では十分な吸収係数が確保されるものの、Ｌバンドと呼ばれる１５８０ｎｍ以上の長波長域においては吸収係数が急激に低下する問題が生じる。これに伴い、いくら前記ミラーの反射率を向上させたとしても、また反射率の波長依存性を抑制したとしても、Ｌバンドにおける受光感度の大幅な低下を回避することができない。
【００２０】
そこで本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な高速受光素子を提供することを概括的課題とする。
【００２１】
本発明のより具体的な課題は、高速応答性を維持しつつ、しかも高い受光感度を実現し、かつ波長多重化光通信システムで使われる広い波長範囲の信号光に対しても十分な感度を維持できる受光素子を提供することにある。
【００２２】
本発明のその他の課題は、光吸収層の吸収係数が急激に低下するＬバンド領域においても十分な感度を維持できる高速受光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
バンドギャップがＥｇ（ｅＶ）で吸収端波長がλｅ（μｍ）の光吸収層を有する半導体受光素子において、
前記光吸収層がＩｎＧａＡｓの単一層からなり、
前記光吸収層の吸収端波長λｅが略１．７μｍであり、
前記光吸収層の層厚ｄ（ｍ）を、前記光吸収層に印加される電圧Ｖ（Ｖ）に対して、
Ｖ／ｄ＝２．５×１０ 6
を満足するように設定し、１５８０ｎｍよりも長波長の側であって１．６μｍ近傍の波長における前記光吸収層の吸収係数の値を、電界吸収効果が存在しない場合と比較して増加させることを特徴とする半導体受光素子により、または
請求項２に記載したように、
前記光吸収層を挟んで光入射面と対向する側に入射光を反射する反射領域を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項３に記載したように、
表面側と裏面側に設けられた電極によって電界が印加されることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項４に記載したように、
表面側に設けられた複数の電極によって電界が印加されることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項５に記載したように、
表面入射型であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項６に記載したように、
裏面入射型であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項７に記載したように、
増倍領域を備えたアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項８に記載したように、
ＰＩＮ構造を有するＰＩＮフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項９に記載したように、
層厚がｄ（ｍ）、バンドギャップがＥｇ（ｅＶ）で吸収端波長がλｅ（μｍ）の光吸収層を有する半導体受光素子の駆動方法であって、
前記光吸収層がＩｎＧａＡｓの単一層からなり、
前記光吸収層の吸収端波長λｅが略１．７μｍであり、
前記光吸収層に印加される電圧Ｖ（Ｖ）を、
Ｖ／ｄ＝２．５×１０ 6
を満足するように設定して印加し、１５８０ｎｍよりも長波長の側であって１．６μｍ近傍の波長における前記光吸収層の吸収係数の値を、電界吸収効果が存在しない場合と比較して増加させることを特徴とする半導体受光素子の駆動方法により、解決する。
【発明の実施の形態】
【００２４】
［第１実施例］
図４は、本発明の第１実施例による半導体受光素子４０の要部の構成を示す。ただし図４中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図４は、図１のアバランシェフォトダイオードの破線で囲んだ部分に相当する。
【００２５】
図４を参照するに、受光素子４０は先に図３で説明した半導体受光素子３０と同様な構成を有するが、前記光吸収層３の代わりに、光吸収層に印加される電圧Ｖに対してＶ／ｄ＝２．５×１０6［Ｖ／ｍ］の関係を満足するように厚さｄを設定されたＧａＩｎＡｓ光吸収層４３を有する。
【００２６】
図５は、図４の受光素子４０においてＳｉＮパターン５−２ＡとＡｕピラー１０とにより形成されるミラーの、１５００〜１６５０ｎｍ、すなわちＣバンドとＬバンドを含む波長範囲における反射スペクトルを示す。
【００２７】
図５を参照するに、図４の構成によれば、広い波長範囲においてほぼ１００％の非常に高い反射率が実現されていることがわかる。同様な反射率は、図３の構成の受光素子３０においても得られる。比較のため、図５中には、図２の構成の受光素子２０における反射スペクトルを示す。この場合は、１５００〜１６５０ｎｍの全波長帯域にわたり、３０％程度の反射率しか得られないことがわかる。
【００２８】
図６は、図４の受光素子４０において、すなわち光吸収層４３への印加電圧Ｖに対する層厚ｄを、関係式Ｖ／ｄ＝２．５×１０6［Ｖ／ｍ］を満足するように設定した場合の、ＩｎＧａＡｓ光吸収層４３の吸収係数を、電界吸収効果が存在しない場合のＩｎＧａＡｓ層の吸収係数と比較して示す。
【００２９】
図６を参照するに、受光素子４０では光吸収層４３の光吸収係数αが、光吸収層４３中に誘起された電界Ｅ（＝Ｖ／ｄ）の効果により波長と共に振動し、特に電界Ｅの値を上記のように設定した場合、１．６μｍ近傍の波長において、従来の受光素子の光吸収係数を上回る光吸収係数αが得られるのがわかる。
【００３０】
図７は、前記受光素子４０の受光感度特性を、１５１０〜１６３０ｎｍの波長範囲について示す。比較のため、図７には、図１の受光素子２０の受光感度特性を示す。
【００３１】
図７を参照するに、受光素子４０においては、波長多重化光通信システムで使われる１５１０〜１６３０ｎｍの波長範囲において大幅な感度特性の向上が得られており、特に従来の受光素子２０において見られる、１５８０ｎｍより長波長側における受光感度特性の急激な低下が解消されていることがわかる。
【００３２】
図８は、図４の受光素子４０に対して−４０〜８５℃の範囲で行った、熱サイクル試験の結果を示す。ただし図８の試験では、受光素子４０に対して１１５回の温度サイクルを与えている。
【００３３】
図８を参照するに、このような温度サイクルを行っても、受光素子４０の受光感度特性は、全波長帯域でほとんど変化しておらず、非常に優れた信頼性が実現されていることがわかる。
【００３４】
図９は、図４の受光素子４０において、光吸収層４３に印加される電界Ｅを０．９×１０6Ｖ／ｍに設定した場合の、光吸収層４３が示す光吸収係数αの波長依存性を示す。
【００３５】
図９を参照するに、先に図６で見られていた吸収係数αの変動幅が、電界強度Ｖ／ｄを１０6Ｖ／ｍよりも小さくすると減少してしまい、長波長帯域における吸収係数αの増大効果が従来のものと比べてほとんど得られないのがわかる。
【００３６】
これに対し図１０は、図４の受光素子４０において、光吸収層４３に印加される電界Ｅを１．１×１０7Ｖ／ｍに設定した場合の、光吸収層４３が示す光吸収係数αの波長依存性を示す。
【００３７】
図１０を参照するに、このように光吸収層中の電界強度Ｖ／ｄを１０7Ｖ／ｍよりも大きく設定すると、光吸収係数αは従来のものよりも減少してしまい、かえって好ましくない結果になってしまうのがわかる。
【００３８】
以上の結果から、図４の受光素子４０において、受光感度を１５１０〜１６３０ｎｍの波長域において得るためには、前記光吸収層４３の厚さｄを、光吸収層４３中の電界強度Ｖ／ｄがＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］を満足するように設定するのが好ましいことが結論される。あるいは、前記受光素子を、光吸収層中の電界強度が上記の半に収まるように、前記オーミック電極７とオーミック電極８（図１参照）との間に印加される駆動電圧を制御するのが好ましい。
［第２実施例］
図１１は、本発明の第２実施例による受光素子５０の要部の構成を示す。ただし図１１中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図１１の構造は、図１のアバランシェフォトダイオードの破線で囲んだ部分に相当する。
【００３９】
図１１を参照するに、本実施例においては前記ｎ型ＩｎＰ層４がガードリング１４の外側において前記光吸収層４３が露出するようにエッチングされ、メサ構造が形成される。
【００４０】
このようにして露出された光吸収層３には、前記ｎ側オーミック電極８と同様なｎ側オーミック電極１８が形成され、前記オーミック電極１８上には、前記Ａｕピラー１０と同じ高さまで延在する別のＡｕピラー１０Ｂが形成され、前記Ａｕピラー１０Ｂ上には別の半田バンプ１１Ｂが形成される。
【００４１】
図１１の受光素子５０では、前記ｐ側オーミック電極７および図１に示すｎ側オーミック電極８の他に、前記ｎ側オーミック電極１８が形成されており、従って受光素子５０は三端子素子を形成する。
【００４２】
このような三端子素子では、前記オーミック電極７と８との間に所望の逆バイアス電圧を印加し、この状態で前記オーミック電極１８に前記光吸収層４３中の電界強度が先の範囲に収まるような制御電圧を印加することにより、受光素子の長波長帯域における受光感度を、図７〜８と同様に向上させることが可能になる。
【００４３】
図１１の受光素子では、前記半田バンプ１１，１１Ａおよび１１Ｂの高さがそろっており、基板上へのフリップチップ実装に適している。
［第３実施例］
本発明は、アバランシェフォトダイオードのみならず、ＰＩＮフォトダイオードに対しても適用可能である。
【００４４】
図１２は、本発明の第３実施例による裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード６０の構成を示す。
【００４５】
図１２を参照するに、ＰＩＮフォトダイオード６０はｎ型ＩｎＰ基板６１上に形成されており、前記ｎ型ＩｎＰ基板６１上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６２と、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６２上に形成されたｎ型ＩｎＰ層６３とを含み、前記ｎ型ＩｎＰ層６の一部にはｐ型ＩｎＰ領域６４が形成されている。また前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６２中にも、前記ｐ型ＩｎＰ領域６４に対応してｐ型ＩｎＧａＡｓ領域６５が形成されている。
【００４６】
前記ＩｎＰ層６３上には、前記ｐ型ＩｎＰ領域６４に対応して先の実施例のＳｉＮパターン５−２Ａに相当するＳｉＮパターン６６が形成されており、前記ＩｎＰ層６３上には前記ＳｉＮ膜５−１および５−２に相当するＳｉＮ保護膜６６Ａ，６６Ｂが形成されており、前記ＳｉＮパターン６６とＳｉＮ保護膜６６Ｂとの間のリング状開口部には、前記ｐ型ＩｎＰ領域６４にコンタクトするようにリング状のｐ側オーミック電極６７が形成されている。また、前記リング状オーミック電極６７上にはＴｉ／Ｐｔ積層構造のリング状電極６８が形成され、さらに前記リング状電極６８上には、Ａｕピラー６９が形成されている。
【００４７】
また前記基板６１の下主面上にはリング状のｎ側オーミック電極７０が形成され、また前記オーミック電極７０が形成する開口部には、前記ＩｎＰ基板６１の下主面を覆うように反射防止膜７１が形成されている。
【００４８】
かかる構成のＰＩＮフォトダイオード６０においても、前記光吸収層６２の膜厚ｄを最適化し、電界Ｖ／ｄをＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］に設定することにより、１５８０ｎｍ以上の長波長帯域においても優れた受光感度を実現することが可能になる。
［第４実施例］
図１３は、本発明の第４実施例による表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す。
【００４９】
図１３を参照するに、ｎ型ＩｎＰ基板８１上にはｎ型ＩｎＰバッファ層８２が形成されており、前記バッファ層８２上にはｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８３が形成されている。さらに前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８３上にはｎ型ＩｎＰ層８４が形成され、前記ｎ型ＩｎＰ層８４の一部にはｐ型領域８５が形成されている。また前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８３中には、前記ｐ型領域８５に対応してｐ型領域８６が形成されている。
【００５０】
前記ｎ型ＩｎＰ層８４は、前記ｐ型領域８５に対応した開口部を有するＳｉＮ膜８７により覆われ、さらに前記ｐ型領域８５上には、先のＳｉＮパターン５−２Ａに対応するＳｉＮパターン８８が形成されている。また前記ＳｉＮ膜８７は先のＳｉＮ膜５−２に対応し前記ＳｉＮパターン８８を露出する開口部を有するＳｉＮ膜８９により覆われており、前記ＳｉＮパターン８８と前記ＳｉＮ膜８９の開口部との間に形成されるリング状の開口部には、リング状のｐ型オーミック電極９０が、前記ｐ型ＩｎＰ領域８５とコンタクトして形成されている。さらに前記リング状オーミック電極９０上にはＴｉ／Ｐｔ積層構造を有するリング状のバリア電極９１が形成されている。
【００５１】
さらに前記ＰＩＮフォトダイオード８０では前記ＩｎＰ基板８１の下主面上にリング状の開口部を有するＳｉＮ膜９２が形成されており、前記リング状開口部には前記ＩｎＰ基板８１にコンタクトするｎ側オーミック電極９３が形成されている。
【００５２】
さらに前記ＳｉＮ膜９２上には前記オーミック電極９３にコンタクトするようにＴｉ／Ｐｔ積層構造のバリア電極９４が形成されており、前記バリア電極９４上にはＡｕ反射電極９５が形成される。また前記Ａｕ反射電極９５上には半田バンプ９６が形成される。
【００５３】
図１３の表面入射型ＰＩＮフォトダイオード８０では、前記ＳｉＮパターン８８は反射防止膜として作用し、前記ＳｉＮパターン８８を通過して入射した入射光は光吸収層８３に入射する。その際前記光吸収層８３により吸収されなかった入射光成分は、前記ＩｎＰ基板８１底部においてＳｉＮ膜９２とＡｕ反射電極９５とにより形成されるミラーにより反射され、再び光吸収層８３に戻される。
【００５４】
本実施例においても、前記光吸収層８３の膜厚ｄを、印加電圧Ｖに対してＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］を満足するように設定することにより、ＰＩＮフォトダイオード８０の動作波長帯域を１５８０ｎｍよりも長い側に拡大することが可能になる。
【００５５】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【発明の効果】
【００５６】
本発明によれば、光吸収層の厚さｄを、印加電圧Ｖに対してＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］を満足するように設定することにより、受光素子の動作波長帯域を従来の限界の１５８０ｎｍよりも長波長側に拡大することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の裏面入射型アバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図２】図２の一部を拡大して示す図である。
【図３】先に提案された裏面入射型アバランシェフォトダイオードの要部を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例による裏面入射型アバランシェフォトダイオードの要部を示す図である。
【図５】図４のアバランシェフォトダイオードの反射特性を示す図である。
【図６】図４のアバランシェフォトダイオードにおける光吸収層の光吸収特性を、従来のものと比較して示す図である。
【図７】図４のアバランシェフォトダイオードの受光感度を示す図である。
【図８】図４のアバランシェフォトダイオードについて行った熱サイクル試験の結果を示す図である。
【図９】図４のアバランシェフォトダイオードにおいて光吸収層中に誘起される電界の下限を説明する図である。
【図１０】図４のアバランシェフォトダイオードにおいて光吸収層中に誘起される電界の上限を説明する図である。
【図１１】本発明の第２実施例による裏面入射型アバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例による裏面入射型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施例による表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す図である。
【符号の説明】
１，６１，８１ ｎ型ＩｎＰ基板
２，８２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
３，４３，６２，８３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
４，６３，８４ ｎ型ＩｎＰ層
４−１ 増倍領域
５ 誘電体膜
５−１．５−２，６６Ａ，６６Ｂ，８７，８９，９２ ＳｉＮ膜
５−２Ａ，６６，８８ ＳｉＮパターン
６，６４，８５ ｐ型ＩｎＰ領域
７，７Ａ，６７，９０ ｐ側オーミック電極
8，１８，７０，９３ ｎ側オーミック電極
９，９Ａ，６８，９１，９４ バリアメタル層
１０，１０Ａ、１０Ｂ，６９，９５ Ａｕピラー
１１，１１Ａ，１１Ｂ，９６ 半田バンプ
１２，７１ 反射防止膜
１３ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰグレーデッド層
１４ ガードリング
２０，３０，４０，５０ アバランシェフォトダイオード
６０，８０ フォトダイオード
６５，８６ ｐ型ＩｎＧａＡｓ領域
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に伝送速度が１０Ｇｂｐｓあるいは４０Ｇｂｐｓ以上の高速・大容量光ファイバ通信システムにおいて使われる高速半導体受光素子に関する。
【従来の技術】
【０００３】
図１は、従来の基板入射型でフリップチップ実装型のアバランシェフォトダイオード２０の概略的な断面構造図を示す。また図２は、図１中、破線領域を詳細に示す拡大断面図である。
【０００４】
図１，２を参照するに、アバランシェフォトダイオード２０はｎ型ＩｎＰ基板１上に形成されており、前記基板１上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層２と、前記バッファ層２上に形成された低キャリア濃度のＩｎＧａＡｓ光吸収層３と、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層３上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰグレーデッド層１３を介して形成されたｎ型ＩｎＰ層４とを含み、前記グレーデッド層１３は前記ＩｎＧａＡｓ層３とＩｎＰ層４との間においてエネルギバンドの不連続を補間する。
【０００５】
前記ＩｎＰ増倍層４上には図示しないＳｉＮなどの絶縁膜が形成され、これをパターニングして形成したリング状の窓を介して選択的にｐ型不純物元素をイオン注入を行うことにより、前記ＩｎＰ層４中にガードリング１４が形成される。さらに、前記ＳｉＮ膜を除去し、図２に示す別のＳｉＮ膜５−１を形成し、かかるＳｉＮ膜５−１中の窓を介してｐ型不純物元素をイオン注入することにより、前記ＩｎＰ４中に前記ガードリング１４に囲まれるように、ｐ型ＩｎＰ領域６が形成される。ここでｎ型ＩｎＰ層４においてｐ型ＩｎＰ領域６の直下には増倍領域４−１が形成されたことになる。
【０００６】
さらに図１を参照しながらｐ側電極の詳細を説明すると、前記ＩｎＰ領域６上には例えばＡｕ／Ｚｎアロイ層よりなるｐ側オーミック電極７が形成されており、前記ｐ側オーミック電極７は、前記ＳｉＮ膜５−１および前記ｐ側電極７とＳｉＮ膜５−１との間に形成されたＩｎＰ層４のリング状露出部を覆うように形成された別のＳｉＮ膜５−２により、周辺部が覆われている。
【０００７】
さらに前記ｐ側オーミック電極７上には、前記ＳｉＮ膜５−２中にｐ側オーミック電極７を露出するように形成されたコンタクト窓において前記ｐ側オーミック電極７とコンタクトするように、例えばＴｉ／Ｐｔ積層構造を有するバリアメタル層９が形成され、前記バリアメタル層９上には、Ａｕピラー１０が形成される。さらに前記Ａｕピラー１０上には、半田バンプ１１が形成されている。前記バリアメタル層９は、前記ｐ側オーミック電極７とＡｕピラー１０との間において、Ａｕの拡散を抑制する。
【０００８】
さらに図１に示すように、前記ガードリング１４の周囲には、前記ｎ型ＩｎＰバッファ層２を露出する溝が形成され、前記溝には、前記バッファ層２とコンタクトするｎ側オーミック電極８が、前記溝側壁面に沿って前記ｎ型ＩｎＰ層４の表面にまで到達するように形成されている。前記ＩｎＰ層４上において、前記ｎ側オーミック電極８上には、前記バリアメタル層９と同様なバリアメタル層９Ａと、前記Ａｕピラー１０と同様なＡｕピラー１０Ａと、前記半田バンプ１１と同様な半田バンプ１１Ａとが形成されている。また、前記溝において露出側壁部および前記ｎ側オーミック電極８は、前記ＳｉＮ膜５−１および５−２よりなる保護絶縁膜５により覆われている。
【０００９】
また図１の受光素子２０では、基板１の裏面にマイクロレンズ１５がエッチングにより形成されており、さらに前記基板１の裏面は反射防止膜１２により覆われている。
【００１０】
次に、図１〜２の受光素子２０の動作について説明する。
【００１１】
動作時には、前記ｐ側オーミック電極７とｎ側オーミック電極８との間に逆バイアスを印加し、この状態において光ファイバ通信システムで使われる１３００ｎｍ近傍あるいは１４５０〜１６５０ｎｍの波長範囲の信号光を、前記基板１の側から供給する。
【００１２】
基板１を構成するＩｎＰ結晶は、前記波長の入射光に対して透明であり、このため信号光は前記光吸収層３に途中で吸収されることなく到達し、光吸収層３においてのみ吸収される。
【００１３】
ところで、このような受光素子の応答速度は、素子の静電容量Ｃと負荷抵抗Ｒとの積で与えられるＣＲ時定数と、入射光により励起されたキャリアの走行時間によって定義される。そこで、１０Ｇｂｐｓあるいは４０Ｇｂｐｓの伝送速度に対応して受光素子の応答速度を向上させようとすると、ＣＲ時定数とならんでキャリアの走行時間をも短縮する必要がある。キャリア走行時間は光吸収層３の厚さに比例して増加するため、キャリア走行時間を減少して応答速度を向上させるためには、光吸収層３の厚さを減少させる必要がある。しかし、高速化のために光吸収層３の厚さを減少させると、入射光が光吸収層３によって完全に吸収されなくなり、量子効率、すなわち受光感度が低下する。このように受光素子の応答速度と量子効率（受光感度）とはトレードオフの関係にあり、高速応答する受光素子を設計しようとしても、光吸収層の最適な膜厚を設定することができなかった。
【００１４】
これに対し、本発明の発明者は、図１あるいは２のｎ型ＩｎＰ層４上にミラーを形成し、光吸収層で吸収されなかった信号光をかかるミラーで光吸収層に戻す構成の高速受光素子３０を提案した。
【００１５】
図３は、上記先の提案による高速受光素子３０の構成を示す。ただし図３中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図２と同様に、図３は図１のアバランシェフォトダイオードの破線で囲んだ部分に対応する構造の断面図である。
【００１６】
図３を参照するに、受光素子３０では前記ｐ型領域６上にＳｉＮパターン５−２Ａが、前記ＳｉＮ膜５−２のパターニングにより形成されており、前記ｐ側電極７の代わりに、前記ＳｉＮパターン５−２ＡとＳｉＮ膜５−２との間のリング状開口部に、Ａｕ／Ｚｎアロイ層よりなるリング状のｐ側電極７Ａが形成されている。
【００１７】
前記リング状ｐ側オーミック電極７Ａ上には、Ｔｉ／Ｐｔ積層構造を有するリング状のバリアメタルパターン９Ａが、前記リング状ｐ側オーミック電極７Ａを覆うように、また前記ＳｉＮパターン５−２Ａの周辺部およびＳｉＮパターン５−２の前記リング状開口部に沿った周辺部を覆うように形成されており、前記バリアメタルパターン９Ａ上には、中央開口部において前記ＳｉＮパターン５−２Ａとコンタクトするように、Ａｕピラー１０が形成されている。Ａｕピラー１０上には、図１，２の構成と同様な半田バンプ１１が形成されている。
【００１８】
図３の受光素子３０では、前記基板１に入射した入射光は前記ＳｉＮパターン５−２ＡおよびＡｕピラー１０よりなる高反射率ミラーで反射され、光吸収層３に戻される。このため、受光素子３０は光吸収層１３の厚さを減少させても十分な量子効率を実現することが可能である。
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
一方、図１〜３に示す受光素子２０あるいは３０では、受光感度に大きな影響を与える光吸収層３の吸収端波長λｅが約１．７μｍであるため、Ｃバンドと呼ばれる１５５０ｎｍ付近の波長では十分な吸収係数が確保されるものの、Ｌバンドと呼ばれる１５８０ｎｍ以上の長波長域においては吸収係数が急激に低下する問題が生じる。これに伴い、いくら前記ミラーの反射率を向上させたとしても、また反射率の波長依存性を抑制したとしても、Ｌバンドにおける受光感度の大幅な低下を回避することができない。
【００２０】
そこで本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な高速受光素子を提供することを概括的課題とする。
【００２１】
本発明のより具体的な課題は、高速応答性を維持しつつ、しかも高い受光感度を実現し、かつ波長多重化光通信システムで使われる広い波長範囲の信号光に対しても十分な感度を維持できる受光素子を提供することにある。
【００２２】
本発明のその他の課題は、光吸収層の吸収係数が急激に低下するＬバンド領域においても十分な感度を維持できる高速受光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
バンドギャップがＥｇ（ｅＶ）で吸収端波長がλｅ（μｍ）の光吸収層を有する半導体受光素子において、
前記光吸収層がＩｎＧａＡｓの単一層からなり、
前記光吸収層の吸収端波長λｅが略１．７μｍであり、
前記光吸収層の層厚ｄ（ｍ）を、前記光吸収層に印加される電圧Ｖ（Ｖ）に対して、
Ｖ／ｄ＝２．５×１０ 6
を満足するように設定し、１５８０ｎｍよりも長波長の側であって１．６μｍ近傍の波長における前記光吸収層の吸収係数の値を、電界吸収効果が存在しない場合と比較して増加させることを特徴とする半導体受光素子により、または
請求項２に記載したように、
前記光吸収層を挟んで光入射面と対向する側に入射光を反射する反射領域を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項３に記載したように、
表面側と裏面側に設けられた電極によって電界が印加されることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項４に記載したように、
表面側に設けられた複数の電極によって電界が印加されることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項５に記載したように、
表面入射型であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項６に記載したように、
裏面入射型であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項７に記載したように、
増倍領域を備えたアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項８に記載したように、
ＰＩＮ構造を有するＰＩＮフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子により、または
請求項９に記載したように、
層厚がｄ（ｍ）、バンドギャップがＥｇ（ｅＶ）で吸収端波長がλｅ（μｍ）の光吸収層を有する半導体受光素子の駆動方法であって、
前記光吸収層がＩｎＧａＡｓの単一層からなり、
前記光吸収層の吸収端波長λｅが略１．７μｍであり、
前記光吸収層に印加される電圧Ｖ（Ｖ）を、
Ｖ／ｄ＝２．５×１０ 6
を満足するように設定して印加し、１５８０ｎｍよりも長波長の側であって１．６μｍ近傍の波長における前記光吸収層の吸収係数の値を、電界吸収効果が存在しない場合と比較して増加させることを特徴とする半導体受光素子の駆動方法により、解決する。
【発明の実施の形態】
【００２４】
［第１実施例］
図４は、本発明の第１実施例による半導体受光素子４０の要部の構成を示す。ただし図４中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図４は、図１のアバランシェフォトダイオードの破線で囲んだ部分に相当する。
【００２５】
図４を参照するに、受光素子４０は先に図３で説明した半導体受光素子３０と同様な構成を有するが、前記光吸収層３の代わりに、光吸収層に印加される電圧Ｖに対してＶ／ｄ＝２．５×１０6［Ｖ／ｍ］の関係を満足するように厚さｄを設定されたＧａＩｎＡｓ光吸収層４３を有する。
【００２６】
図５は、図４の受光素子４０においてＳｉＮパターン５−２ＡとＡｕピラー１０とにより形成されるミラーの、１５００〜１６５０ｎｍ、すなわちＣバンドとＬバンドを含む波長範囲における反射スペクトルを示す。
【００２７】
図５を参照するに、図４の構成によれば、広い波長範囲においてほぼ１００％の非常に高い反射率が実現されていることがわかる。同様な反射率は、図３の構成の受光素子３０においても得られる。比較のため、図５中には、図２の構成の受光素子２０における反射スペクトルを示す。この場合は、１５００〜１６５０ｎｍの全波長帯域にわたり、３０％程度の反射率しか得られないことがわかる。
【００２８】
図６は、図４の受光素子４０において、すなわち光吸収層４３への印加電圧Ｖに対する層厚ｄを、関係式Ｖ／ｄ＝２．５×１０6［Ｖ／ｍ］を満足するように設定した場合の、ＩｎＧａＡｓ光吸収層４３の吸収係数を、電界吸収効果が存在しない場合のＩｎＧａＡｓ層の吸収係数と比較して示す。
【００２９】
図６を参照するに、受光素子４０では光吸収層４３の光吸収係数αが、光吸収層４３中に誘起された電界Ｅ（＝Ｖ／ｄ）の効果により波長と共に振動し、特に電界Ｅの値を上記のように設定した場合、１．６μｍ近傍の波長において、従来の受光素子の光吸収係数を上回る光吸収係数αが得られるのがわかる。
【００３０】
図７は、前記受光素子４０の受光感度特性を、１５１０〜１６３０ｎｍの波長範囲について示す。比較のため、図７には、図１の受光素子２０の受光感度特性を示す。
【００３１】
図７を参照するに、受光素子４０においては、波長多重化光通信システムで使われる１５１０〜１６３０ｎｍの波長範囲において大幅な感度特性の向上が得られており、特に従来の受光素子２０において見られる、１５８０ｎｍより長波長側における受光感度特性の急激な低下が解消されていることがわかる。
【００３２】
図８は、図４の受光素子４０に対して−４０〜８５℃の範囲で行った、熱サイクル試験の結果を示す。ただし図８の試験では、受光素子４０に対して１１５回の温度サイクルを与えている。
【００３３】
図８を参照するに、このような温度サイクルを行っても、受光素子４０の受光感度特性は、全波長帯域でほとんど変化しておらず、非常に優れた信頼性が実現されていることがわかる。
【００３４】
図９は、図４の受光素子４０において、光吸収層４３に印加される電界Ｅを０．９×１０6Ｖ／ｍに設定した場合の、光吸収層４３が示す光吸収係数αの波長依存性を示す。
【００３５】
図９を参照するに、先に図６で見られていた吸収係数αの変動幅が、電界強度Ｖ／ｄを１０6Ｖ／ｍよりも小さくすると減少してしまい、長波長帯域における吸収係数αの増大効果が従来のものと比べてほとんど得られないのがわかる。
【００３６】
これに対し図１０は、図４の受光素子４０において、光吸収層４３に印加される電界Ｅを１．１×１０7Ｖ／ｍに設定した場合の、光吸収層４３が示す光吸収係数αの波長依存性を示す。
【００３７】
図１０を参照するに、このように光吸収層中の電界強度Ｖ／ｄを１０7Ｖ／ｍよりも大きく設定すると、光吸収係数αは従来のものよりも減少してしまい、かえって好ましくない結果になってしまうのがわかる。
【００３８】
以上の結果から、図４の受光素子４０において、受光感度を１５１０〜１６３０ｎｍの波長域において得るためには、前記光吸収層４３の厚さｄを、光吸収層４３中の電界強度Ｖ／ｄがＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］を満足するように設定するのが好ましいことが結論される。あるいは、前記受光素子を、光吸収層中の電界強度が上記の半に収まるように、前記オーミック電極７とオーミック電極８（図１参照）との間に印加される駆動電圧を制御するのが好ましい。
［第２実施例］
図１１は、本発明の第２実施例による受光素子５０の要部の構成を示す。ただし図１１中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図１１の構造は、図１のアバランシェフォトダイオードの破線で囲んだ部分に相当する。
【００３９】
図１１を参照するに、本実施例においては前記ｎ型ＩｎＰ層４がガードリング１４の外側において前記光吸収層４３が露出するようにエッチングされ、メサ構造が形成される。
【００４０】
このようにして露出された光吸収層３には、前記ｎ側オーミック電極８と同様なｎ側オーミック電極１８が形成され、前記オーミック電極１８上には、前記Ａｕピラー１０と同じ高さまで延在する別のＡｕピラー１０Ｂが形成され、前記Ａｕピラー１０Ｂ上には別の半田バンプ１１Ｂが形成される。
【００４１】
図１１の受光素子５０では、前記ｐ側オーミック電極７および図１に示すｎ側オーミック電極８の他に、前記ｎ側オーミック電極１８が形成されており、従って受光素子５０は三端子素子を形成する。
【００４２】
このような三端子素子では、前記オーミック電極７と８との間に所望の逆バイアス電圧を印加し、この状態で前記オーミック電極１８に前記光吸収層４３中の電界強度が先の範囲に収まるような制御電圧を印加することにより、受光素子の長波長帯域における受光感度を、図７〜８と同様に向上させることが可能になる。
【００４３】
図１１の受光素子では、前記半田バンプ１１，１１Ａおよび１１Ｂの高さがそろっており、基板上へのフリップチップ実装に適している。
［第３実施例］
本発明は、アバランシェフォトダイオードのみならず、ＰＩＮフォトダイオードに対しても適用可能である。
【００４４】
図１２は、本発明の第３実施例による裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード６０の構成を示す。
【００４５】
図１２を参照するに、ＰＩＮフォトダイオード６０はｎ型ＩｎＰ基板６１上に形成されており、前記ｎ型ＩｎＰ基板６１上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６２と、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６２上に形成されたｎ型ＩｎＰ層６３とを含み、前記ｎ型ＩｎＰ層６の一部にはｐ型ＩｎＰ領域６４が形成されている。また前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６２中にも、前記ｐ型ＩｎＰ領域６４に対応してｐ型ＩｎＧａＡｓ領域６５が形成されている。
【００４６】
前記ＩｎＰ層６３上には、前記ｐ型ＩｎＰ領域６４に対応して先の実施例のＳｉＮパターン５−２Ａに相当するＳｉＮパターン６６が形成されており、前記ＩｎＰ層６３上には前記ＳｉＮ膜５−１および５−２に相当するＳｉＮ保護膜６６Ａ，６６Ｂが形成されており、前記ＳｉＮパターン６６とＳｉＮ保護膜６６Ｂとの間のリング状開口部には、前記ｐ型ＩｎＰ領域６４にコンタクトするようにリング状のｐ側オーミック電極６７が形成されている。また、前記リング状オーミック電極６７上にはＴｉ／Ｐｔ積層構造のリング状電極６８が形成され、さらに前記リング状電極６８上には、Ａｕピラー６９が形成されている。
【００４７】
また前記基板６１の下主面上にはリング状のｎ側オーミック電極７０が形成され、また前記オーミック電極７０が形成する開口部には、前記ＩｎＰ基板６１の下主面を覆うように反射防止膜７１が形成されている。
【００４８】
かかる構成のＰＩＮフォトダイオード６０においても、前記光吸収層６２の膜厚ｄを最適化し、電界Ｖ／ｄをＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］に設定することにより、１５８０ｎｍ以上の長波長帯域においても優れた受光感度を実現することが可能になる。
［第４実施例］
図１３は、本発明の第４実施例による表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す。
【００４９】
図１３を参照するに、ｎ型ＩｎＰ基板８１上にはｎ型ＩｎＰバッファ層８２が形成されており、前記バッファ層８２上にはｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８３が形成されている。さらに前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８３上にはｎ型ＩｎＰ層８４が形成され、前記ｎ型ＩｎＰ層８４の一部にはｐ型領域８５が形成されている。また前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８３中には、前記ｐ型領域８５に対応してｐ型領域８６が形成されている。
【００５０】
前記ｎ型ＩｎＰ層８４は、前記ｐ型領域８５に対応した開口部を有するＳｉＮ膜８７により覆われ、さらに前記ｐ型領域８５上には、先のＳｉＮパターン５−２Ａに対応するＳｉＮパターン８８が形成されている。また前記ＳｉＮ膜８７は先のＳｉＮ膜５−２に対応し前記ＳｉＮパターン８８を露出する開口部を有するＳｉＮ膜８９により覆われており、前記ＳｉＮパターン８８と前記ＳｉＮ膜８９の開口部との間に形成されるリング状の開口部には、リング状のｐ型オーミック電極９０が、前記ｐ型ＩｎＰ領域８５とコンタクトして形成されている。さらに前記リング状オーミック電極９０上にはＴｉ／Ｐｔ積層構造を有するリング状のバリア電極９１が形成されている。
【００５１】
さらに前記ＰＩＮフォトダイオード８０では前記ＩｎＰ基板８１の下主面上にリング状の開口部を有するＳｉＮ膜９２が形成されており、前記リング状開口部には前記ＩｎＰ基板８１にコンタクトするｎ側オーミック電極９３が形成されている。
【００５２】
さらに前記ＳｉＮ膜９２上には前記オーミック電極９３にコンタクトするようにＴｉ／Ｐｔ積層構造のバリア電極９４が形成されており、前記バリア電極９４上にはＡｕ反射電極９５が形成される。また前記Ａｕ反射電極９５上には半田バンプ９６が形成される。
【００５３】
図１３の表面入射型ＰＩＮフォトダイオード８０では、前記ＳｉＮパターン８８は反射防止膜として作用し、前記ＳｉＮパターン８８を通過して入射した入射光は光吸収層８３に入射する。その際前記光吸収層８３により吸収されなかった入射光成分は、前記ＩｎＰ基板８１底部においてＳｉＮ膜９２とＡｕ反射電極９５とにより形成されるミラーにより反射され、再び光吸収層８３に戻される。
【００５４】
本実施例においても、前記光吸収層８３の膜厚ｄを、印加電圧Ｖに対してＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］を満足するように設定することにより、ＰＩＮフォトダイオード８０の動作波長帯域を１５８０ｎｍよりも長い側に拡大することが可能になる。
【００５５】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【発明の効果】
【００５６】
本発明によれば、光吸収層の厚さｄを、印加電圧Ｖに対してＶ／ｄ＝２．５×１０ 6 ［Ｖ／ｍ］を満足するように設定することにより、受光素子の動作波長帯域を従来の限界の１５８０ｎｍよりも長波長側に拡大することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の裏面入射型アバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図２】図２の一部を拡大して示す図である。
【図３】先に提案された裏面入射型アバランシェフォトダイオードの要部を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例による裏面入射型アバランシェフォトダイオードの要部を示す図である。
【図５】図４のアバランシェフォトダイオードの反射特性を示す図である。
【図６】図４のアバランシェフォトダイオードにおける光吸収層の光吸収特性を、従来のものと比較して示す図である。
【図７】図４のアバランシェフォトダイオードの受光感度を示す図である。
【図８】図４のアバランシェフォトダイオードについて行った熱サイクル試験の結果を示す図である。
【図９】図４のアバランシェフォトダイオードにおいて光吸収層中に誘起される電界の下限を説明する図である。
【図１０】図４のアバランシェフォトダイオードにおいて光吸収層中に誘起される電界の上限を説明する図である。
【図１１】本発明の第２実施例による裏面入射型アバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例による裏面入射型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施例による表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す図である。
【符号の説明】
１，６１，８１ ｎ型ＩｎＰ基板
２，８２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
３，４３，６２，８３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
４，６３，８４ ｎ型ＩｎＰ層
４−１ 増倍領域
５ 誘電体膜
５−１．５−２，６６Ａ，６６Ｂ，８７，８９，９２ ＳｉＮ膜
５−２Ａ，６６，８８ ＳｉＮパターン
６，６４，８５ ｐ型ＩｎＰ領域
７，７Ａ，６７，９０ ｐ側オーミック電極
8，１８，７０，９３ ｎ側オーミック電極
９，９Ａ，６８，９１，９４ バリアメタル層
１０，１０Ａ、１０Ｂ，６９，９５ Ａｕピラー
１１，１１Ａ，１１Ｂ，９６ 半田バンプ
１２，７１ 反射防止膜
１３ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰグレーデッド層
１４ ガードリング
２０，３０，４０，５０ アバランシェフォトダイオード
６０，８０ フォトダイオード
６５，８６ ｐ型ＩｎＧａＡｓ領域
Claims (9)
- バンドギャップがＥｇ（ｅＶ）で吸収端波長がλｅ（μｍ）の光吸収層を有する半導体受光素子において、
前記光吸収層がＩｎＧａＡｓの単一層からなり、
前記光吸収層の吸収端波長λｅが略１．７μｍであり、
前記光吸収層の層厚ｄ（ｍ）を、前記光吸収層に印加される電圧Ｖ（Ｖ）に対して、
Ｖ／ｄ＝２．５×１０ 6
を満足するように設定し、１５８０ｎｍよりも長波長の側であって１．６μｍ近傍の波長における前記光吸収層の吸収係数の値を、電界吸収効果が存在しない場合と比較して増加させることを特徴とする半導体受光素子。 - 前記光吸収層を挟んで光入射面と対向する側に入射光を反射する反射領域を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 表面側と裏面側に設けられた電極によって電界が印加されることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 表面側に設けられた複数の電極によって電界が印加されることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 表面入射型であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 裏面入射型であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 増倍領域を備えたアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- ＰＩＮ構造を有するＰＩＮフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 層厚がｄ（ｍ）、バンドギャップがＥｇ（ｅＶ）で吸収端波長がλｅ（μｍ）の光吸収層を有する半導体受光素子の駆動方法であって、
前記光吸収層がＩｎＧａＡｓの単一層からなり、
前記光吸収層の吸収端波長λｅが略１．７μｍであり、
前記光吸収層に印加される電圧Ｖ（Ｖ）を、
Ｖ／ｄ＝２．５×１０ 6
を満足するように設定して印加し、１５８０ｎｍよりも長波長の側であって１．６μｍ近傍の波長における前記光吸収層の吸収係数の値を、電界吸収効果が存在しない場合と比較して増加させることを特徴とする半導体受光素子の駆動方法。
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