JP4168678B2 - 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。
【０００２】
【従来の技術】
光通信において、光ファイバを伝搬してきた光信号を受けるために半導体受光素子を用いる。この半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、このＩｎＰ基板上に設けられたＩｎＰバッファ層と、このＩｎＰバッファ層上に設けられた光吸収層と、光吸収層上に設けられたＩｎＰ層とを備える。この半導体受光素子は、１．３マイクロメートル帯、１．５５マイクロメートル帯といった波長帯の信号光を受けるために、信号光の波長よりも長い波長に対応するバンドギャップを有する光吸収層を備える。この光吸収層のための半導体材料は、ＩｎＰ半導体に格子整合するＩｎＧａＡｓ半導体である。この格子整合しているので、半導体層の結晶性は良い。半導体受光素子は、高い製造歩留まりと低い暗電流を示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、光通信システムのための半導体受光素子の開発に携わっている。光通信においては、信号光を受ける半導体受光素子に加えて、監視光を受ける半導体受光素子も求められている。本出願時点においては、監視光には信号光の波長と異なる波長を用い、監視光の波長は１．６マイクロメートル以上１．７マイクロメートル以下の波長帯域内にある。この監視光の波長帯域に受光感度を示す半導体受光素子を得るために、光吸収層の組成を変更することが必要である。発明者の見積もりによれば、監視光のための半導体受光素子は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数をＩｎＰ半導体の格子定数より＋０．２パーセント程度大きくすることにより得られる。
【０００４】
本発明の目的は、半導体光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数と異なる半導体受光素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面によれば、半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＧａＡｓ半導体、ＩｎＧａＡｓＰ半導体、及びＡｌＧａＩｎＡｓ半導体の少なくともいずれかを含み、前記ＩｎＰ基板上に設けられたIII−V族化合物半導体光吸収層と、前記ＩｎＰ基板と前記III−V族化合物半導体光吸収層との間に設けられたＩｎＧａＡｓＰ半導体層と、ＩｎＧａＡｓＰ半導体からなる別の III − V 族化合物半導体層とを備える。前記ＩｎＰ基板は、第１の熱膨張係数を有しており、前記III−V族化合物半導体光吸収層は、第２の熱膨張係数を有しており、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、第３の熱膨張係数を有しており、前記第３の熱膨張係数の値は、前記第１の熱膨張係数の値と前記第２の熱膨張係数の値との間であり、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、前記ＩｎＰ基板の格子定数より大きく、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、前記III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数より小さく、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、同一組成の単一膜であり、前記 III − V 族化合物半導体光吸収層は、前記別の III − V 族化合物半導体層と前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層との間に設けられており、前記別の III − V 族化合物半導体層は同一組成の単一膜の窓層であり、室温において、前記III−V族化合物半導体光吸収層と前記ＩｎＰ基板との格子不整度△ａ／ａが＋０．１パーセント以上であり、該格子不整度△ａ／ａが＋０．４パーセント以下であり、ここで、△ａ／ａ＝(ａ光吸収層−ａＩｎＰ)／ａＩｎＰを示し、シンボルａＩｎＰはＩｎＰの格子定数を示しており、シンボルａ光吸収層は光吸収層の格子定数を示し、前記ＩｎＰ基板と前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層との間の接合には格子不整があり、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層と前記III−V族化合物半導体光吸収層との間の接合には格子不整があり、当該半導体受光素子は上面入射型または裏面入射型のいずれかである。
本発明に係る半導体受光素子では、前記別のIII−V族化合物半導体層の格子定数は、前記ＩｎＰ基板の格子定数と異なると共に、前記III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数と異なっている。
【０００６】
半導体受光素子は、半導体基板と、 III − V 族化合物半導体光吸収層と、 III − V 族化合物半導体層とを備える。 III − V 族化合物半導体光吸収層は、半導体基板の格子定数と異なる格子定数を有しており、半導体基板上に設けられている。 III − V 族化合物半導体層の格子定数は、半導体基板の格子定数と異なると共に半導体光吸収層の格子定数と異なっている。 III − V 族化合物半導体層は、半導体基板と III − V 族化合物半導体光吸収層との間に設けられている。
III−V族化合物半導体層は、半導体基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に配置されることにより、III−V族化合物半導体層と、III−V族化合物半導体層に隣接する半導体層との間の格子定数差を小さくするために役立つ。
【０００７】
この半導体受光素子において、半導体基板は第１の熱膨張係数を有しており、III−V族化合物半導体光吸収層は第２の熱膨張係数を有しており、III−V族化合物半導体層は第３の熱膨張係数を有している。第３の熱膨張係数の値は第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間にある。この半導体素子では、III−V族化合物半導体層の格子定数、半導体基板の格子定数、及び半導体光吸収層の格子定数の大きさの順を動作温度及び成膜温度において調整できる。
【０００８】
この半導体受光素子は、別のIII−V族化合物半導体層を更に備えることができる。別のIII−V族化合物半導体層の格子定数は、半導体基板の格子定数と異なると共に、III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数と異なっている。III−V族化合物半導体光吸収層は、III−V族化合物半導体層と別のIII−V族化合物半導体層との間に設けられている。この構成により、III−V族化合物半導体光吸収層と別のIII−V族化合物半導体層との間における格子定数差を小さくできる。
【０００９】
この半導体受光素子において、別のIII−V族化合物半導体層は、第４の熱膨張係数を有している。第４の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。この半導体素子では、別のIII−V族化合物半導体層の格子定数、半導体基板の格子定数、及び半導体光吸収層の格子定数の大きさの順序を動作温度及び成膜温度において調整できる。
【００１０】
この半導体受光素子においては、III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数の値は、半導体基板の格子定数の値より大きい。発明者の知見によれば、光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数より大きい半導体受光素子は、光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数より小さい半導体受光素子に比べてミスフィット転位が入りやすいけれども、このIII−V族化合物半導体層は、ミスフィット転位の発生を低減するために役立つ。
【００１１】
本発明の別の側面によれば、半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、III−V族化合物半導体光吸収層と、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層とを備える。III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数の値は、ＩｎＰ基板の格子定数の値と異なる。III−V族化合物半導体光吸収層はＩｎＰ基板上に設けられている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、ＩｎＰ基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に設けられている。
【００１２】
ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層とＩｎＰ基板との間の格子定数差及びＩｎＧａＡｓＰ半導体層とIII−V族化合物半導体光吸収層との間の格子定数差を、ＩｎＰ基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間の格子定数差より小さくするために役立つ。また、四元半導体材料であるＩｎＧａＡｓＰ半導体を採用すれば、半導体のバンドギャップ及び格子定数を別個に変更できる。
【００１３】
半導体受光素子においては、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数はＩｎＰ基板の格子定数より大きく、また、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数はIII−V族化合物半導体光吸収層の格子定数より小さい。
【００１４】
この半導体受光素子において、III−V族化合物半導体光吸収層は、ＩｎＧａＡｓ半導体、ＩｎＧａＡｓＰ半導体、及びＡｌＧａＩｎＡｓ半導体の少なくともいずれかを含むことができる。
【００１５】
この半導体受光素子においては、室温において、III−V族化合物半導体光吸収層とＩｎＰ基板との格子不整度△ａ／ａが＋０．１パーセント以上であることができる。ここで、△ａ／ａ＝(ａ光吸収層−ａInP)／ａInP、ａInPはＩｎＰの格子定数を示しており、シンボルａ光吸収層は光吸収層の格子定数を示している。
【００１６】
発明者の知見によれば、光吸収層と半導体基板との格子不整度を示す０．１パーセントを超えると転位が発生しやすい。
【００１７】
この半導体受光素子において、III−V族化合物半導体光吸収層の厚さは、２マイクロメートル以上であることができる。この厚さは、十分な感度を有する半導体受光素子を得るためには好適である。しかしながら、半導体受光素子にIII−V族化合物半導体層或いはＩｎＧａＡｓＰ半導体層を用いない場合、この厚さの光吸収層を有する半導体受光素子を得ることは容易ではない。
【００１８】
半導体受光素子は、III−V族化合物半導体光吸収層上に設けられた別のＩｎＧａＡｓＰ半導体層を備えることができる。
【００１９】
本発明の更なる別の側面は、半導体受光素子に係わる。半導体受光素子は、半導体基板と、III−V族化合物半導体光吸収層と、III−V族化合物半導体層とを備える。半導体基板は、第１の熱膨張係数を有する。III−V族化合物半導体光吸収層は、第２の熱膨張係数を有しており、半導体基板上に設けられている。III−V族化合物半導体層は、第３の熱膨張係数を有しており、半導体基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に設けられている。第３の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。
【００２０】
半導体受光素子はいくつかの半導体層を備えており、これらの半導体層は、半導体受光素子が動作する動作温度と異なる成膜温度において形成される。III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数と半導体基板の格子定数との間の格子定数差は動作温度と成膜温度とにおいて異なる。III−V族化合物半導体層は、半導体基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に配置されることにより、動作温度及び成膜温度における隣接半導体層間の格子定数差を調整できる。
【００２１】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体受光素子に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２３】
(第１の実施の形態)
図１は、本実施の形態に係わる半導体受光素子の斜視図である。半導体受光素子１ａは、ｐｉｎ型受光素子であって、上面入射型のプレーナー構造を備える。半導体受光素子１ａは、光電変換部２と、基板４と、絶縁膜８と、アノード電極１０と、カソード電極１２とを備える。光電変換部２および基板４は、所定の軸方向に沿って順に配置されている。基板４は、高濃度に不純物が添加されたＩｎＰ半導体基板といった半導体基板であることができる。基板４は、一対の面４ａおよび４ｂを備えており、これらの面４ａおよび４ｂは、互いに対向している。基板４の一方の面４ａ上には、光電変換部２が配置されている。基板４の一方の面４ｂ上には、その全面に金属膜１２が設けられている。
【００２４】
光電変換部２は、基板４の一方の面４ａ上に配置されている。光電変換部２は、第１から第３のIII−V族化合物半導体層１６、１８、２０を含む。第１から第３のIII−V族化合物半導体層１６、１８、２０は、基板４の一方の面４ａ上に所定の軸方向に沿って順に配置されている。第２のIII−V族化合物半導体層１８のバンドギャップは第１から第３のIII−V族化合物半導体層１６及び２０のバンドギャップより小さい。第２のIII−V族化合物半導体層１８は、光吸収層として機能するように構成されている。この光吸収層により吸収される光は、第２のIII−V族化合物半導体層１８のバンドギャップエネルギに対応する波長より短い波長を有する。
【００２５】
光電変換部２は、その内に、アノード拡散領域といったｐ型半導体領域２２を更に備える。ｐ型半導体領域２２は、一方の面２ａから光吸収層１８に到達するように設けられている。ｐ型半導体領域２２は、ｐ型ドーパントして亜鉛(Ｚｎ)を含むが、これに限定されるものではない。半導体受光素子１ａは、ｐ型半導体領域２２の周囲を囲むようにｐ型半導体領域を備えるようにしてもよい。
【００２６】
第１のIII−V族化合物半導体層１６は、半導体基板２と光吸収層１８との間に設けられている。本実施の形態では、第１のIII−V族化合物半導体層１６は、半導体基板４の一方の面４ａ上に直接に設けられている。光吸収層１８は、第１のIII−V族化合物半導体層１６上に直接に設けられている。半導体受光素子１ａは、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１６と半導体基板４との間に格子不整を有する界面を備えており、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１６と光吸収層との間に格子不整を有する界面を備えている。
【００２７】
受光素子１ａにおいて、光吸収層１８は、半導体基板４上に設けられており、半導体基板４の格子定数と異なる格子定数を有している。第１のIII−V族化合物半導体層１６の格子定数は、動作温度ＴOPEにおいて、半導体基板４の格子定数と光吸収層１８の格子定数との間の値を有している。III−V族化合物半導体層１６は、半導体基板４と光吸収層１８との間に位置しており、これにより、光吸収層１８と半導体基板４との間の格子定数差及び光吸収層１８と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をそれぞれ小さくするために役立つ。さらに、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差を、２つの界面、つまり、第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との界面及び第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との界面に配分できる。
【００２８】
また、受光素子１ａにおいて、半導体基板４、第１のIII−V族化合物半導体層１６、及び第２のIII−V族化合物半導体層１８の熱膨張係数は、それぞれ、第１、第３及び第２の熱膨張係数を有している。第３の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。半導体受光素子１ａにおいて、半導体層１６、１８は、半導体受光素子１ａが動作する動作温度ＴＯＰＥと異なる成膜温度ＴＤＥＰにおいて基板４上に形成される。光吸収層１８の格子定数と半導体基板４の格子定数との間の動作温度ＴＯＰＥにおける格子定数差は、光吸収層１８の格子定数と半導体基板４の格子定数との間の成膜温度ＴＤＥＰにおける格子定数差は異なっている。しかしながら、半導体素子１ａでは、III−V族化合物半導体層の格子定数、半導体基板の格子定数、及び半導体光吸収層の格子定数の動作温度における大きさの順序は、成膜温度における順序と変わらない。
【００２９】
第３の熱膨張係数の値は第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間であり、加えて、光吸収層１８は半導体基板４の格子定数と異なる格子定数を有している。III−V族化合物半導体層１６の格子定数が、半導体基板４の格子定数と半導体光吸収層１８の格子定数との間にある。III−V族化合物半導体層１６は、成膜温度ＴＤＥＰにおいて、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間における格子定数差よりも、第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差及び第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をより小さくするために役立つ。III−V族化合物半導体層１６は、動作温度ＴＯＰＥにおいて、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間における格子定数差より、第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差及び第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をそれぞれ小さくするために役立つ。また、上記の熱膨張係数及び格子定数の関係により、動作温度ＴＯＰＥにおける第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差と、動作温度ＴＯＰＥにおける第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差との比が、成膜温度Ｔ ＤＥＰ における第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差と、成膜温度Ｔ ＤＥＰ における第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差との比から大きく変化することを防止できる。
【００３０】
さらに、受光素子１ａにおいて、光吸収層１８の格子定数は半導体基板４の格子定数よりも大きい。発明者の知見によれば、光吸収層１８の格子定数が半導体基板４の格子定数より大きい半導体受光素子では、光吸収層１８の格子定数が半導体基板４の格子定数より小さい半導体受光素子に比べてミスフィット転位が入りやすい。光吸収層１８の格子定数が半導体基板４の格子定数より大きいときでも、III−V族化合物半導体層によれば、ミスフィット転位の発生を低減することが可能になる。
【００３１】
図１を参照すると、受光素子１ａは、窓層として働くことができる第３のIII−V族化合物半導体層を更に備えることができる。受光素子１ａにおいて、第３のIII−V族化合物半導体層２０は、半導体基板４及び光吸収層１８の格子定数と異なる格子定数を有しており、光吸収層１８上に設けられている。つまり、光吸収層１８と第３のIII−V族化合物半導体層２０との格子定数差が大きくなると、光吸収層１８と第３のIII−V族化合物半導体層２０との界面に転位が発生する可能性が高くなる。窓層と光吸収層との間の格子不整の許容値は、−０．２パーセント以上であり＋０．２パーセント以下であることが好ましい。バンドギャップに関する制約を満たすと共にこの格子不整に関する制約を満たすように、窓層の半導体の構成元素の組成を決定できる。
【００３２】
第３のIII−V族化合物半導体層２０は、光吸収層１８上に位置している。III−V族化合物半導体層２０の格子定数が、半導体基板４の格子定数と半導体光吸収層１８の格子定数との間にある。III−V族化合物半導体層２０は、成膜温度ＴDEPにおいて、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差よりも、第３のIII−V族化合物半導体層２０と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をより小さくするために役立つ。また、第３のIII−V族化合物半導体層２０の熱膨張係数は、第４の熱膨張係数を有している。第４の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第３の熱膨張係数の値との間であることができる。第３のIII−V族化合物半導体層２０の格子定数は、第２のIII−V族化合物半導体層１８の格子定数より小さい。半導体層２０は、半導体受光素子１ａが動作する動作温度ＴOPEと異なる成膜温度ＴDEPにおいて光吸収層１８上に形成される。しかしながら、半導体素子１ａでは、III−V族化合物半導体層２０の格子定数、半導体基板４の格子定数、及び半導体光吸収層１８の格子定数の動作温度における大きさの順序は、成膜温度における順序と変わらない。
【００３３】
半導体受光素子１ａの構造を例示的に示すと以下の構造である。
ｐ型半導体領域２２：Ｚｎ添加半導体領域。
シンボルλｇはバンドギャップに対応する波長を示す。
【００３４】
これらの半導体層１８、２０のキャリア濃度は、１×１０15ｃｍ-3程度ある。しかしながら、これらの半導体層１８、２０のキャリア濃度は、５×１０15ｃｍ-3以下であってもよい。半導体領域２２のキャリア濃度は、４×１０18ｃｍ-3程度ある。好適な実施の形態では、半導体層２０は、窓層として機能する。光吸収層として機能する半導体層１８は、III−V族半導体層２０を透過してきた光を吸収して光電流を生成する。
【００３５】
III−V族化合物半導体層１６及び２０の半導体材料としてＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いている。故に、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の構成元素の組成を変化させることにより、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数及びバンドギャップをそれぞれ変更できる。例えば、裏面入射型受光素子においては、III−V族化合物半導体層１６のバンドギャップは、入射光がIII−V族化合物半導体層１６を透過できるように決定される。また、上面入射型受光素子においては、窓層として働くIII−V族半導体層２０のバンドギャップは、入射光がIII−V族化合物半導体層２０を透過できるように決定される。
【００３６】
光電変換部２の一方の面２ａ上には、シリコン・ナイトライド膜といった絶縁膜６が設けられている。また、一方の面２ａ上には、シリコン・オキシナイトライド膜といった反射防止膜８が設けられている。絶縁膜６は、ｐ型半導体領域２２の位置に開口部６ｂを有している。この開口部６ｂは、光入射領域２６を含むように設けられている。また、反射防止膜８は、ｐ型半導体領域２２上に位置する開口部８ｂを有する。開口部８ｂは開口部６ｂの周縁に沿って位置しており、開口部６ｂは開口部８ｂと部分的に重なっている。開口部８ｂにはアノード電極１０が設けられている。つまり、アノード電極１０は、ｐ型半導体領域２２の周縁部上に位置しており、光入射領域２６を規定するように閉じた形状で設けられている。アノード電極１０に囲まれた領域には、反射防止膜８が位置しているけれども、絶縁膜６は除かれている。故に、この領域は光入射面として機能する。反射防止膜８の厚さ及び屈折率は、検出する光の波長に関連して決定される。カソード１２は、半導体基板４の裏面４ｂの全面に設けられている。
【００３７】
光Ａは光入射面の反射防止膜を透過して、それから光電変換部２に入射する。この光Ａは、光吸収層１８において多数の電子正孔対を生成する。生成された正孔Ｈは、ｐ型半導体領域２２に向けて移動する。生成された電子Ｅは、ｎ型半導体基板４に向けて移動する。
【００３８】
半導体受光素子１ａは、プレーナ構造を採用すると共にｎ型半導体基板４を備えているので、ｎ型電極を設けるために半導体メサを形成する必要がない。また、半導体受光素子１ａは、カソード領域として働くｎ型半導体領域をｐ型半導体領域２２の周囲に備えることができる。
【００３９】
発明者は、図１に示された半導体受光素子における格子定数と温度との関係を調査した。発明者の調査によれば、ＩｎＰ半導体の格子定数は、０．５８６８８ナノメートル(５．８６８８オングストローム)である。また、ＩｎＰ半導体の熱膨張係数は４．７５×１０-6Ｋ-1であり、ＩｎＧａＡｓ半導体の熱膨張係数は５．９４×１０-6Ｋ-1であり、ＩｎＧａＡｓＰ半導体の熱膨張係数は５．３０×１０-6Ｋ-1である。
【００４０】
図２(ａ)は、ある半導体受光素子について調査された格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ａ)を参照すると、この半導体受光素子は、室温ＴROOMにおいて、−０．２パーセント以上＋０．２パーセント以下である格子不整度△ａ／ａを有する。△ａ／ａは(ａ光吸収層−ａInP)／ａInPにより規定され、シンボルａInPはＩｎＰの格子定数を示しており、シンボルａ光吸収層は光吸収層の格子定数を示している。特性線ＣSは、基板の格子定数の温度依存性を示しており、特性線ＣAP+は、室温において＋０．２パーセントの格子不整度を有する光吸収層の格子定数の上限界線の温度依存性を示しており、特性線ＣAP-は、室温において−０．２パーセントの格子不整度を有する光吸収層の格子定数の下限界線の温度依存性を示している。
【００４１】
発明者は、下記の点に着目している。ＩｎＰ半導体の熱膨張係数は、ＩｎＧａＡｓ半導体の熱膨張係数より小さいので、成膜温度に近づくにつれて、特性線ＣS(ＩｎＰ基板の格子定数)が特性線ＣAP-に近づいていくと共に、特性線ＣAP+から離れていく。つまり、温度が上昇するにつれて、ＩｎＰの格子定数線は、格子不整の上限線から離れてゆき、格子不整の下限線に近づいていく。摂氏６００度といった成膜温度の領域では、ＩｎＰの格子定数線は、格子不整の下限線と交差している。結果的に、温度が上昇するにつれて、格子不整度は、正の格子不整度を示す格子定数の半導体に対しては大きくなる。
【００４２】
発明者は、図３に示される受光素子を用いて様々な実験を行っている。この実験用の受光素子１００は、ＩｎＰ基板１０２、ＩｎＰバッファ層１０４、光吸収層１０６、ＩｎＰ層１０８、アノード電極１１０、カソード電極１１２を有する。発明者の実験によれば、室温における格子不整度が＋０．１パーセント越えると＋０．２パーセント以下であっても、高い歩留まりは得られていない。しかし、図１に示される受光素子の構造を採用すれば、高い歩留まりが得られる。
【００４３】
図２(ｂ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｂ)を参照すると、特性線Ｃ1はＩｎＰ基板の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ 3はＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ 2はＧａＩｎＡｓＰ半導体層の格子定数の温度依存性を示している。室温と成膜温度との間のいずれの温度においても、特性線C2と特性線C1との間隔及び特性線C2と特性線C3との間隔は、特性線C3と特性線C1との間隔より小さい。室温ＴＲＯＯＭと成膜温度ＴＤＥＰとの間のいずれの温度においても、ＩｎＰ基板、ＩｎＧａＡｓ光吸収層、及びＧａＩｎＡｓＰ半導体層の熱膨張係数及び格子定数の関係のおかげで、特性線C1〜C3の配列順序は同じである。
【００４４】
図２(ｃ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子の変形例を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｃ)を参照すると、特性線Ｃ4はＩｎＰ基板の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ5はＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ6はＧａＩｎＡｓＰ半導体層の格子定数の温度依存性を示している。室温から成膜温度へ温度が上昇するにつれて、特性線C5と特性線C4との間隔及び特性線C4と特性線C6との間隔は小さくなる。
【００４５】
(第２の実施の形態)
図４(ａ)、図４(ｂ)、図５(ａ)、図５(ｂ)は、半導体受光素子を作製する製造工程を示す図面である。図４(ａ)に示されるように、硫黄(Ｓ)添加ＩｎＰ基板３０を準備する。
【００４６】
(成膜工程)
図４(ｂ)に示されるように、ＩｎＰ基板３０の主面３０ａ上に、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３２、ＩｎＧａＡｓ半導体層３４、およびＩｎＧａＡｓＰ半導体層３６を順にエピタキシャル成長してエピタキシャル基板３８を形成する。結晶成長は、クロライド気相成長(クロライドＶＰＥ)法を用いて行われるが、これに限定されるものではない。成長温度は摂氏６５０度であり、室温(摂氏２５度)におけるＩｎＧａＡｓ半導体とＩｎＰ半導体との格子不整度は＋０．２５パーセントである。ＩｎＰ基板３０とＩｎＧａＡｓＰ半導体層３２との接合３８ａ、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３２とＩｎＧａＡｓ半導体層３４との接合３８ｂ、及びＩｎＧａＡｓ半導体層３４とＩｎＧａＡｓＰ半導体層３６との接合３８ｃに、格子不整が存在する。半導体層３２、３６の存在のおかげでＩｎＧａＡｓＰ半導体とＩｎＰ半導体との格子不整度は＋０．１２パーセントである。
【００４７】
(ｐ型拡散工程)
図５(ａ)に示されるように、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３６上に窒化シリコン層４０を形成する。窒化シリコン層４０は、ｐ型ドーパントとして、例えば亜鉛(Ｚｎ)が拡散される領域を示す開口部４０ａを有する。窒化シリコン層４０をマスクにして、ｐ型ドーパントをエピタキシャル基板３８に拡散させて、ｐ型半導体領域４２を形成する。例えば、開口部４０ａは円形状であり、その直径は２００マイクロメートル程度である。ｐ型半導体領域４２はアノード拡散領域を規定している。
【００４８】
(電極形成工程)
図５(ｂ)に示されるように、次いで、アノード電極４４及びカソード電極４６を形成する。アノード電極４４は、ｐ型半導体領域４２上に設けられ、ＡｕＺｎＡｕ金属層を含む。カソード電極４６は、基板３０の裏面３０ｂ上に設けられ、ＡｕＧｅＮｉ金属層を含む。
【００４９】
これによって、半導体受光素子が完成する。この受光素子は、光吸収層によって規定される所望の波長帯域に感度を有している。発明者は、上記の製造工程により製造された半導体受光素子の電気的に特性を測定したが、半導体受光素子の電気的に特性は良好であった。Ｘ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が無いことを示している。また、暗電流もウエハ全面にわたって十分に小さい値であった。
【００５０】
発明者は、更なる実験を行っている。この実験では、発明者は、格子不整度＋０．４５パーセントを有する半導体受光素子を作製している。Ｘ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が無いことを示している。
【００５１】
例えば、監視光を受ける半導体受光素子では、１，６３マイクロメートルにおける受光感度は、摂氏−４０度において−０．３ｄＢ以上でることが好ましい。
【００５２】
発明者は、実験において、図３に示される構造の半導体受光素子を作製している。受光素子の格子不整度は、△ａ／ａ＝０パーセントである。図６は、この受光素子の感度特性を示す図面である。図６では、摂氏−４０度の特性線Ｔ−４０℃、摂氏０度の特性線Ｔ０℃、及び摂氏２５度の特性線Ｔ２５℃が示されている。図６を参照すると、特性線Ｔ−４０℃において、波長１６００ナノメートルを超える波長領域で、受光感度が急激に低下している。この構造の受光素子は、監視光を受光するための素子として好適ではない。しかしながら、ウエハのＸ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が無いことを示している。
【００５３】
次いで、発明者は、実験において、図３に示される構造の受光素子を作製している。受光素子の格子不整度は、△ａ／ａは０．２５パーセントである。図７は、この受光素子の感度特性を示す図面である。図７では、摂氏−４０度の特性線Ｔ−４０℃、及び摂氏２５度の特性線Ｔ２５℃が示されている。図７を参照すると、摂氏−４０度においても所定の感度を有しており、波長１６３０ナノメートルを超える波長領域で、受光感度の低下が０．３ｄＢである。この構造の受光素子は、監視光よりも短波長の光を受光するための素子として好適である。ウエハのＸ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が存在することを示している。
【００５４】
以上説明したことから理解されるように、光ファイバを用いる通信では、半導体受光素子が使用される。ある半導体受光素子は、ＩｎＧａＡｓ半導体を光吸収層として使用する。半導体受光素子を形成するためには、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ半導体層及びＩｎＰ窓層を順次にエピタキシャル成長法により形成している。この構造の素子は、１．３マイクロメートル帯及び１．５５マイクロメートル帯における光通信のために使用できる。光吸収層のバンドギャップに対応する波長は、受信光の波長よりも長くなければならない。ＩｎＰ半導体の格子定数に格子整合するバンドギャップをＩｎＧａＡｓ半導体が有するとき、ＩｎＧａＡｓ半導体のバンドギャップに対応する波長は、約１．６５マイクロメートルである。このＩｎＧａＡｓ半導体は、１．３マイクロメートル帯及び１．５５マイクロメートル帯における光に高い感度を示す。１．３マイクロメートル帯及び１．５５マイクロメートル帯における光通信においては、ＩｎＰ半導体(基板)とＩｎＧａＡｓ半導体(光吸収層)との格子不整度△ａ／ａが、−０．２％以上＋０．２％以下の範囲にある。この範囲の格子不整度では、ＩｎＰ半導体領域上にＩｎＧａＡｓ半導体層を形成するときに結晶欠陥が実質的に無い。結果的に、半導体受光素子の暗電流は小さい。
【００５５】
これに対して、ＷＤＭ通信のための監視光の波長は、１．６マイクロメートルから１．７マイクロメートルの波長範囲にある。監視光を受ける半導体受光素子は、この波長範囲に高い感度を有することが求められる。監視光の波長に感度を有するＩｎＧａＡｓ半導体を得るために、ＩｎＧａＡｓ半導体中におけるＩｎＡｓの混晶比を高くすることが必要である。発明者の見積もりによれば、監視光用のＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数は、信号光用のＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数に比べて、室温において、＋０．２％程度大きくしなければならない。
【００５６】
しかしながら、発明者がこの半導体受光素子の特性を測定してみると、多くの半導体受光素子は良好な特性を示さず、暗電流の増加が観測された。発明者は、暗電流の増加がミスフィット転位に起因するものと推定している。発明者は、暗電流の増加の原因を明らかにするために検討を行っている。そして、発明者は、暗電流の増加が下記の事項に関連していると考えている。
(１)ＩｎＰ半導体の熱膨張係数はＩｎＧａＡｓ半導体の熱膨張係数より小さい。(２)半導体受光素子のための半導体層を成膜する温度(摂氏６００度程度)においては、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数はＩｎＰ半導体の格子定数より＋０．３パーセント程度にまで大きくなっている。
(３)格子不整は、室温における格子不整度よりも成膜温度における格子不整度が、ミスフィットの発生に関連している。
【００５７】
発明者は、これらの事項の組み合わせにより暗電流の増加が生じたと考えている。したがって、求められていることは、これらの要因の複合により生じる暗電流を低減することである。
【００５８】
具体的な見積もりを行う。ＩｎＧａＡｓ半導体のエピタキシャル成長は、摂氏６００度程度の温度において行われる。既に説明したように、ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩｎＰ半導体の熱膨張係数が異なる。信号光用受光素子の作製においては、成長温度においてＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数とＩｎＰ半導体の格子定数との格子整合を得るためには、室温において格子不整度△ａ／ａ＝−０．１％程度になる。しかしながら、監視光用受光素子の作製においては、ＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数とＩｎＰ半導体の格子定数との格子不整度を室温において＋０．２％程度大きくすることが必要である。結果として、室温において格子不整度△ａ／ａ＝＋０．３％程度になる。格子不整度が大きくなると、ＩｎＧａＡｓ半導体とＩｎＰ半導体との境界においてミスフィット転位といった格子欠陥が生じる可能性が高くなる。ミスフィット転位密度が多くなると、暗電流が増加する。ミスフィット転位の発生は、格子不整度だけでなく、ＩｎＧａＡｓ半導体の膜厚にも関連している。ＩｎＧａＡｓ半導体の膜厚が厚いときには、ミスフィット転位が生じやすくなる。
【００５９】
一方、受光素子の受光感度は、光吸収層の厚さに関連している。より厚い光吸収層は、より高い感度を示す。発明者の知見によれば、光吸収層は、２マイクロメートル以上の厚さを有することが好適である。しかしながら、発明者の実験によれば、厚さ２マイクロメートル以上であり、且つ室温における格子不整度が＋０．２パーセント以上であると、高い確率でミスフィット転位が発生する。
【００６０】
本実施の形態に係わる半導体受光素子では、ＩｎＧａＡｓ半導体層とＩｎＰ半導体領域との間に、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を設けている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体の格子定数は、ＩｎＰ半導体の格子定数とＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数との間の値である。故に、ＩｎＰ半導体の格子定数とＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数との差は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体の格子定数とＩｎＰ半導体の格子定数との差よりも小さく、且つＩｎＧａＡｓＰ半導体の格子定数とＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数との差よりも小さい。発明者の調査によれば、ＩｎＰ半導体の格子定数は、０．５８６８８ナノメートル(５．８６８８オングストローム)である。ＩｎＰ半導体に格子整合するＩｎＧａＡｓの結晶組成は、Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓである。故に、監視光の受光に使用するＩｎＧａＡｓのＧａ組成は、０．５３よりも小さい。ＩｎＰ半導体に格子整合するＩｎＧａＡｓＰ(λ＝１．２５マイクロメートル)の組成は、Ｉｎ0.759Ｇａ0.241Ａｓ0.547Ｐ0.453である。故に、監視光の受光に使用するＩｎＧａＡｓＰのＧａ組成は０．２４１よりも小さく、Ｐ組成は０．４５３よりも小さい。
【００６１】
故に、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を用いると、隣接する半導体領域間の格子不整度が小さくなる。この構造によれば、ミスフィット転位の発生を防止できる。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を監視光が十分に透過できるように、ＩｎＧａＡｓＰ半導体のバンドギャップに対応する波長は、１．４マイクロメートルより短くすることが好適である。また、１．６マイクロメートル以上１，７マイクロメートル以下の光を受ける受光素子では、隣接する半導体層間における格子不整度△ａ／ａが０．１％以上であることが好ましい。さらに、ＷＤＭ通信における監視光の波長帯域に受光感度を得るためには、格子不整度△ａ／ａがせいぜい０．４％程度であることが好ましい。この半導体受光素子は、１．７マイクロメートルを越える波長領域においても感度を有すると共に、暗電流が小さい。したがって、高い製造歩留まりで光通信用半導体受光素子が得られる。
【００６２】
以上説明したように、半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、光吸収層と、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層とを備える。半導体受光素子において、光吸収層は、ＩｎＰ基板の格子定数と異なる格子定数を有しており、ＩｎＰ基板上に設けられている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数と異なると共に光吸収層の格子定数と異なっている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、ＩｎＰ基板と光吸収層との間に設けられている。加えて、半導体受光素子において、ＩｎＰ基板は、第１の熱膨張係数を有する。光吸収層は、第２の熱膨張係数を有しており、ＩｎＰ基板上に設けられている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、第３の熱膨張係数を有しており、ＩｎＰ基板と光吸収層との間に設けられている。第３の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。好適な実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は単一層からなることが好ましい。ＩｎＰ半導体基板とＩｎＧａＡｓＰ半導体層とはヘテロ界面を形成する。光吸収層とＩｎＧａＡｓＰ半導体層とはヘテロ界面を形成する。ヘテロ界面では界面リーク電流が生じる可能性があるので、ヘテロ界面の数はより少ないことが好ましい。
【００６３】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本実施の形態に示された受光素子は、上面入射型受光素子であるけれども、裏面入射型の受光素子であってもよい。また、本実施の形態に示された受光素子は、プレーナ型受光素子であるけれども、メサ型の受光素子であってもよい。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数と異なる半導体受光素子が提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係わる半導体受光素子を示す斜視図である。
【図２】図２(ａ)は、図１に示された半導体受光素子における格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｂ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｃ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子の変形例を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。
【図３】図３は、様々な実験を行うための受光素子を示す図面である。
【図４】図４(ａ)及び図４(ｂ)は半導体受光素子のための製造工程を示す図面である。
【図５】図５(ａ)及び図５(ｂ)は半導体受光素子のための製造工程を示す図面である。
【図６】図６は、この受光素子の感度特性を示す図面である。
【図７】図７は、この受光素子の感度特性を示す図面である。
【符号の説明】
１ａ…半導体受光素子、２…光電変換部、４…基板、８…絶縁膜、１０…アノード電極、１２…カソード電極、１４…金属膜、１６、１８、２０…III−V族化合物半導体層、２２…ｐ型半導体領域
【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。
【０００２】
【従来の技術】
光通信において、光ファイバを伝搬してきた光信号を受けるために半導体受光素子を用いる。この半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、このＩｎＰ基板上に設けられたＩｎＰバッファ層と、このＩｎＰバッファ層上に設けられた光吸収層と、光吸収層上に設けられたＩｎＰ層とを備える。この半導体受光素子は、１．３マイクロメートル帯、１．５５マイクロメートル帯といった波長帯の信号光を受けるために、信号光の波長よりも長い波長に対応するバンドギャップを有する光吸収層を備える。この光吸収層のための半導体材料は、ＩｎＰ半導体に格子整合するＩｎＧａＡｓ半導体である。この格子整合しているので、半導体層の結晶性は良い。半導体受光素子は、高い製造歩留まりと低い暗電流を示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、光通信システムのための半導体受光素子の開発に携わっている。光通信においては、信号光を受ける半導体受光素子に加えて、監視光を受ける半導体受光素子も求められている。本出願時点においては、監視光には信号光の波長と異なる波長を用い、監視光の波長は１．６マイクロメートル以上１．７マイクロメートル以下の波長帯域内にある。この監視光の波長帯域に受光感度を示す半導体受光素子を得るために、光吸収層の組成を変更することが必要である。発明者の見積もりによれば、監視光のための半導体受光素子は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数をＩｎＰ半導体の格子定数より＋０．２パーセント程度大きくすることにより得られる。
【０００４】
本発明の目的は、半導体光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数と異なる半導体受光素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面によれば、半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＧａＡｓ半導体、ＩｎＧａＡｓＰ半導体、及びＡｌＧａＩｎＡｓ半導体の少なくともいずれかを含み、前記ＩｎＰ基板上に設けられたIII−V族化合物半導体光吸収層と、前記ＩｎＰ基板と前記III−V族化合物半導体光吸収層との間に設けられたＩｎＧａＡｓＰ半導体層と、ＩｎＧａＡｓＰ半導体からなる別の III − V 族化合物半導体層とを備える。前記ＩｎＰ基板は、第１の熱膨張係数を有しており、前記III−V族化合物半導体光吸収層は、第２の熱膨張係数を有しており、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、第３の熱膨張係数を有しており、前記第３の熱膨張係数の値は、前記第１の熱膨張係数の値と前記第２の熱膨張係数の値との間であり、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、前記ＩｎＰ基板の格子定数より大きく、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、前記III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数より小さく、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、同一組成の単一膜であり、前記 III − V 族化合物半導体光吸収層は、前記別の III − V 族化合物半導体層と前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層との間に設けられており、前記別の III − V 族化合物半導体層は同一組成の単一膜の窓層であり、室温において、前記III−V族化合物半導体光吸収層と前記ＩｎＰ基板との格子不整度△ａ／ａが＋０．１パーセント以上であり、該格子不整度△ａ／ａが＋０．４パーセント以下であり、ここで、△ａ／ａ＝(ａ光吸収層−ａＩｎＰ)／ａＩｎＰを示し、シンボルａＩｎＰはＩｎＰの格子定数を示しており、シンボルａ光吸収層は光吸収層の格子定数を示し、前記ＩｎＰ基板と前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層との間の接合には格子不整があり、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層と前記III−V族化合物半導体光吸収層との間の接合には格子不整があり、当該半導体受光素子は上面入射型または裏面入射型のいずれかである。
本発明に係る半導体受光素子では、前記別のIII−V族化合物半導体層の格子定数は、前記ＩｎＰ基板の格子定数と異なると共に、前記III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数と異なっている。
【０００６】
半導体受光素子は、半導体基板と、 III − V 族化合物半導体光吸収層と、 III − V 族化合物半導体層とを備える。 III − V 族化合物半導体光吸収層は、半導体基板の格子定数と異なる格子定数を有しており、半導体基板上に設けられている。 III − V 族化合物半導体層の格子定数は、半導体基板の格子定数と異なると共に半導体光吸収層の格子定数と異なっている。 III − V 族化合物半導体層は、半導体基板と III − V 族化合物半導体光吸収層との間に設けられている。
III−V族化合物半導体層は、半導体基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に配置されることにより、III−V族化合物半導体層と、III−V族化合物半導体層に隣接する半導体層との間の格子定数差を小さくするために役立つ。
【０００７】
この半導体受光素子において、半導体基板は第１の熱膨張係数を有しており、III−V族化合物半導体光吸収層は第２の熱膨張係数を有しており、III−V族化合物半導体層は第３の熱膨張係数を有している。第３の熱膨張係数の値は第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間にある。この半導体素子では、III−V族化合物半導体層の格子定数、半導体基板の格子定数、及び半導体光吸収層の格子定数の大きさの順を動作温度及び成膜温度において調整できる。
【０００８】
この半導体受光素子は、別のIII−V族化合物半導体層を更に備えることができる。別のIII−V族化合物半導体層の格子定数は、半導体基板の格子定数と異なると共に、III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数と異なっている。III−V族化合物半導体光吸収層は、III−V族化合物半導体層と別のIII−V族化合物半導体層との間に設けられている。この構成により、III−V族化合物半導体光吸収層と別のIII−V族化合物半導体層との間における格子定数差を小さくできる。
【０００９】
この半導体受光素子において、別のIII−V族化合物半導体層は、第４の熱膨張係数を有している。第４の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。この半導体素子では、別のIII−V族化合物半導体層の格子定数、半導体基板の格子定数、及び半導体光吸収層の格子定数の大きさの順序を動作温度及び成膜温度において調整できる。
【００１０】
この半導体受光素子においては、III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数の値は、半導体基板の格子定数の値より大きい。発明者の知見によれば、光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数より大きい半導体受光素子は、光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数より小さい半導体受光素子に比べてミスフィット転位が入りやすいけれども、このIII−V族化合物半導体層は、ミスフィット転位の発生を低減するために役立つ。
【００１１】
本発明の別の側面によれば、半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、III−V族化合物半導体光吸収層と、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層とを備える。III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数の値は、ＩｎＰ基板の格子定数の値と異なる。III−V族化合物半導体光吸収層はＩｎＰ基板上に設けられている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、ＩｎＰ基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に設けられている。
【００１２】
ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層とＩｎＰ基板との間の格子定数差及びＩｎＧａＡｓＰ半導体層とIII−V族化合物半導体光吸収層との間の格子定数差を、ＩｎＰ基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間の格子定数差より小さくするために役立つ。また、四元半導体材料であるＩｎＧａＡｓＰ半導体を採用すれば、半導体のバンドギャップ及び格子定数を別個に変更できる。
【００１３】
半導体受光素子においては、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数はＩｎＰ基板の格子定数より大きく、また、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数はIII−V族化合物半導体光吸収層の格子定数より小さい。
【００１４】
この半導体受光素子において、III−V族化合物半導体光吸収層は、ＩｎＧａＡｓ半導体、ＩｎＧａＡｓＰ半導体、及びＡｌＧａＩｎＡｓ半導体の少なくともいずれかを含むことができる。
【００１５】
この半導体受光素子においては、室温において、III−V族化合物半導体光吸収層とＩｎＰ基板との格子不整度△ａ／ａが＋０．１パーセント以上であることができる。ここで、△ａ／ａ＝(ａ光吸収層−ａInP)／ａInP、ａInPはＩｎＰの格子定数を示しており、シンボルａ光吸収層は光吸収層の格子定数を示している。
【００１６】
発明者の知見によれば、光吸収層と半導体基板との格子不整度を示す０．１パーセントを超えると転位が発生しやすい。
【００１７】
この半導体受光素子において、III−V族化合物半導体光吸収層の厚さは、２マイクロメートル以上であることができる。この厚さは、十分な感度を有する半導体受光素子を得るためには好適である。しかしながら、半導体受光素子にIII−V族化合物半導体層或いはＩｎＧａＡｓＰ半導体層を用いない場合、この厚さの光吸収層を有する半導体受光素子を得ることは容易ではない。
【００１８】
半導体受光素子は、III−V族化合物半導体光吸収層上に設けられた別のＩｎＧａＡｓＰ半導体層を備えることができる。
【００１９】
本発明の更なる別の側面は、半導体受光素子に係わる。半導体受光素子は、半導体基板と、III−V族化合物半導体光吸収層と、III−V族化合物半導体層とを備える。半導体基板は、第１の熱膨張係数を有する。III−V族化合物半導体光吸収層は、第２の熱膨張係数を有しており、半導体基板上に設けられている。III−V族化合物半導体層は、第３の熱膨張係数を有しており、半導体基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に設けられている。第３の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。
【００２０】
半導体受光素子はいくつかの半導体層を備えており、これらの半導体層は、半導体受光素子が動作する動作温度と異なる成膜温度において形成される。III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数と半導体基板の格子定数との間の格子定数差は動作温度と成膜温度とにおいて異なる。III−V族化合物半導体層は、半導体基板とIII−V族化合物半導体光吸収層との間に配置されることにより、動作温度及び成膜温度における隣接半導体層間の格子定数差を調整できる。
【００２１】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体受光素子に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２３】
(第１の実施の形態)
図１は、本実施の形態に係わる半導体受光素子の斜視図である。半導体受光素子１ａは、ｐｉｎ型受光素子であって、上面入射型のプレーナー構造を備える。半導体受光素子１ａは、光電変換部２と、基板４と、絶縁膜８と、アノード電極１０と、カソード電極１２とを備える。光電変換部２および基板４は、所定の軸方向に沿って順に配置されている。基板４は、高濃度に不純物が添加されたＩｎＰ半導体基板といった半導体基板であることができる。基板４は、一対の面４ａおよび４ｂを備えており、これらの面４ａおよび４ｂは、互いに対向している。基板４の一方の面４ａ上には、光電変換部２が配置されている。基板４の一方の面４ｂ上には、その全面に金属膜１２が設けられている。
【００２４】
光電変換部２は、基板４の一方の面４ａ上に配置されている。光電変換部２は、第１から第３のIII−V族化合物半導体層１６、１８、２０を含む。第１から第３のIII−V族化合物半導体層１６、１８、２０は、基板４の一方の面４ａ上に所定の軸方向に沿って順に配置されている。第２のIII−V族化合物半導体層１８のバンドギャップは第１から第３のIII−V族化合物半導体層１６及び２０のバンドギャップより小さい。第２のIII−V族化合物半導体層１８は、光吸収層として機能するように構成されている。この光吸収層により吸収される光は、第２のIII−V族化合物半導体層１８のバンドギャップエネルギに対応する波長より短い波長を有する。
【００２５】
光電変換部２は、その内に、アノード拡散領域といったｐ型半導体領域２２を更に備える。ｐ型半導体領域２２は、一方の面２ａから光吸収層１８に到達するように設けられている。ｐ型半導体領域２２は、ｐ型ドーパントして亜鉛(Ｚｎ)を含むが、これに限定されるものではない。半導体受光素子１ａは、ｐ型半導体領域２２の周囲を囲むようにｐ型半導体領域を備えるようにしてもよい。
【００２６】
第１のIII−V族化合物半導体層１６は、半導体基板２と光吸収層１８との間に設けられている。本実施の形態では、第１のIII−V族化合物半導体層１６は、半導体基板４の一方の面４ａ上に直接に設けられている。光吸収層１８は、第１のIII−V族化合物半導体層１６上に直接に設けられている。半導体受光素子１ａは、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１６と半導体基板４との間に格子不整を有する界面を備えており、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１６と光吸収層との間に格子不整を有する界面を備えている。
【００２７】
受光素子１ａにおいて、光吸収層１８は、半導体基板４上に設けられており、半導体基板４の格子定数と異なる格子定数を有している。第１のIII−V族化合物半導体層１６の格子定数は、動作温度ＴOPEにおいて、半導体基板４の格子定数と光吸収層１８の格子定数との間の値を有している。III−V族化合物半導体層１６は、半導体基板４と光吸収層１８との間に位置しており、これにより、光吸収層１８と半導体基板４との間の格子定数差及び光吸収層１８と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をそれぞれ小さくするために役立つ。さらに、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差を、２つの界面、つまり、第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との界面及び第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との界面に配分できる。
【００２８】
また、受光素子１ａにおいて、半導体基板４、第１のIII−V族化合物半導体層１６、及び第２のIII−V族化合物半導体層１８の熱膨張係数は、それぞれ、第１、第３及び第２の熱膨張係数を有している。第３の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。半導体受光素子１ａにおいて、半導体層１６、１８は、半導体受光素子１ａが動作する動作温度ＴＯＰＥと異なる成膜温度ＴＤＥＰにおいて基板４上に形成される。光吸収層１８の格子定数と半導体基板４の格子定数との間の動作温度ＴＯＰＥにおける格子定数差は、光吸収層１８の格子定数と半導体基板４の格子定数との間の成膜温度ＴＤＥＰにおける格子定数差は異なっている。しかしながら、半導体素子１ａでは、III−V族化合物半導体層の格子定数、半導体基板の格子定数、及び半導体光吸収層の格子定数の動作温度における大きさの順序は、成膜温度における順序と変わらない。
【００２９】
第３の熱膨張係数の値は第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間であり、加えて、光吸収層１８は半導体基板４の格子定数と異なる格子定数を有している。III−V族化合物半導体層１６の格子定数が、半導体基板４の格子定数と半導体光吸収層１８の格子定数との間にある。III−V族化合物半導体層１６は、成膜温度ＴＤＥＰにおいて、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間における格子定数差よりも、第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差及び第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をより小さくするために役立つ。III−V族化合物半導体層１６は、動作温度ＴＯＰＥにおいて、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間における格子定数差より、第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差及び第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をそれぞれ小さくするために役立つ。また、上記の熱膨張係数及び格子定数の関係により、動作温度ＴＯＰＥにおける第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差と、動作温度ＴＯＰＥにおける第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差との比が、成膜温度Ｔ ＤＥＰ における第１のIII−V族化合物半導体層１６と半導体基板４との間の格子定数差と、成膜温度Ｔ ＤＥＰ における第１のIII−V族化合物半導体層１６と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差との比から大きく変化することを防止できる。
【００３０】
さらに、受光素子１ａにおいて、光吸収層１８の格子定数は半導体基板４の格子定数よりも大きい。発明者の知見によれば、光吸収層１８の格子定数が半導体基板４の格子定数より大きい半導体受光素子では、光吸収層１８の格子定数が半導体基板４の格子定数より小さい半導体受光素子に比べてミスフィット転位が入りやすい。光吸収層１８の格子定数が半導体基板４の格子定数より大きいときでも、III−V族化合物半導体層によれば、ミスフィット転位の発生を低減することが可能になる。
【００３１】
図１を参照すると、受光素子１ａは、窓層として働くことができる第３のIII−V族化合物半導体層を更に備えることができる。受光素子１ａにおいて、第３のIII−V族化合物半導体層２０は、半導体基板４及び光吸収層１８の格子定数と異なる格子定数を有しており、光吸収層１８上に設けられている。つまり、光吸収層１８と第３のIII−V族化合物半導体層２０との格子定数差が大きくなると、光吸収層１８と第３のIII−V族化合物半導体層２０との界面に転位が発生する可能性が高くなる。窓層と光吸収層との間の格子不整の許容値は、−０．２パーセント以上であり＋０．２パーセント以下であることが好ましい。バンドギャップに関する制約を満たすと共にこの格子不整に関する制約を満たすように、窓層の半導体の構成元素の組成を決定できる。
【００３２】
第３のIII−V族化合物半導体層２０は、光吸収層１８上に位置している。III−V族化合物半導体層２０の格子定数が、半導体基板４の格子定数と半導体光吸収層１８の格子定数との間にある。III−V族化合物半導体層２０は、成膜温度ＴDEPにおいて、半導体基板４と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差よりも、第３のIII−V族化合物半導体層２０と第２のIII−V族化合物半導体層１８との間の格子定数差をより小さくするために役立つ。また、第３のIII−V族化合物半導体層２０の熱膨張係数は、第４の熱膨張係数を有している。第４の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第３の熱膨張係数の値との間であることができる。第３のIII−V族化合物半導体層２０の格子定数は、第２のIII−V族化合物半導体層１８の格子定数より小さい。半導体層２０は、半導体受光素子１ａが動作する動作温度ＴOPEと異なる成膜温度ＴDEPにおいて光吸収層１８上に形成される。しかしながら、半導体素子１ａでは、III−V族化合物半導体層２０の格子定数、半導体基板４の格子定数、及び半導体光吸収層１８の格子定数の動作温度における大きさの順序は、成膜温度における順序と変わらない。
【００３３】
半導体受光素子１ａの構造を例示的に示すと以下の構造である。
シンボルλｇはバンドギャップに対応する波長を示す。
【００３４】
これらの半導体層１８、２０のキャリア濃度は、１×１０15ｃｍ-3程度ある。しかしながら、これらの半導体層１８、２０のキャリア濃度は、５×１０15ｃｍ-3以下であってもよい。半導体領域２２のキャリア濃度は、４×１０18ｃｍ-3程度ある。好適な実施の形態では、半導体層２０は、窓層として機能する。光吸収層として機能する半導体層１８は、III−V族半導体層２０を透過してきた光を吸収して光電流を生成する。
【００３５】
III−V族化合物半導体層１６及び２０の半導体材料としてＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いている。故に、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の構成元素の組成を変化させることにより、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数及びバンドギャップをそれぞれ変更できる。例えば、裏面入射型受光素子においては、III−V族化合物半導体層１６のバンドギャップは、入射光がIII−V族化合物半導体層１６を透過できるように決定される。また、上面入射型受光素子においては、窓層として働くIII−V族半導体層２０のバンドギャップは、入射光がIII−V族化合物半導体層２０を透過できるように決定される。
【００３６】
光電変換部２の一方の面２ａ上には、シリコン・ナイトライド膜といった絶縁膜６が設けられている。また、一方の面２ａ上には、シリコン・オキシナイトライド膜といった反射防止膜８が設けられている。絶縁膜６は、ｐ型半導体領域２２の位置に開口部６ｂを有している。この開口部６ｂは、光入射領域２６を含むように設けられている。また、反射防止膜８は、ｐ型半導体領域２２上に位置する開口部８ｂを有する。開口部８ｂは開口部６ｂの周縁に沿って位置しており、開口部６ｂは開口部８ｂと部分的に重なっている。開口部８ｂにはアノード電極１０が設けられている。つまり、アノード電極１０は、ｐ型半導体領域２２の周縁部上に位置しており、光入射領域２６を規定するように閉じた形状で設けられている。アノード電極１０に囲まれた領域には、反射防止膜８が位置しているけれども、絶縁膜６は除かれている。故に、この領域は光入射面として機能する。反射防止膜８の厚さ及び屈折率は、検出する光の波長に関連して決定される。カソード１２は、半導体基板４の裏面４ｂの全面に設けられている。
【００３７】
光Ａは光入射面の反射防止膜を透過して、それから光電変換部２に入射する。この光Ａは、光吸収層１８において多数の電子正孔対を生成する。生成された正孔Ｈは、ｐ型半導体領域２２に向けて移動する。生成された電子Ｅは、ｎ型半導体基板４に向けて移動する。
【００３８】
半導体受光素子１ａは、プレーナ構造を採用すると共にｎ型半導体基板４を備えているので、ｎ型電極を設けるために半導体メサを形成する必要がない。また、半導体受光素子１ａは、カソード領域として働くｎ型半導体領域をｐ型半導体領域２２の周囲に備えることができる。
【００３９】
発明者は、図１に示された半導体受光素子における格子定数と温度との関係を調査した。発明者の調査によれば、ＩｎＰ半導体の格子定数は、０．５８６８８ナノメートル(５．８６８８オングストローム)である。また、ＩｎＰ半導体の熱膨張係数は４．７５×１０-6Ｋ-1であり、ＩｎＧａＡｓ半導体の熱膨張係数は５．９４×１０-6Ｋ-1であり、ＩｎＧａＡｓＰ半導体の熱膨張係数は５．３０×１０-6Ｋ-1である。
【００４０】
図２(ａ)は、ある半導体受光素子について調査された格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ａ)を参照すると、この半導体受光素子は、室温ＴROOMにおいて、−０．２パーセント以上＋０．２パーセント以下である格子不整度△ａ／ａを有する。△ａ／ａは(ａ光吸収層−ａInP)／ａInPにより規定され、シンボルａInPはＩｎＰの格子定数を示しており、シンボルａ光吸収層は光吸収層の格子定数を示している。特性線ＣSは、基板の格子定数の温度依存性を示しており、特性線ＣAP+は、室温において＋０．２パーセントの格子不整度を有する光吸収層の格子定数の上限界線の温度依存性を示しており、特性線ＣAP-は、室温において−０．２パーセントの格子不整度を有する光吸収層の格子定数の下限界線の温度依存性を示している。
【００４１】
発明者は、下記の点に着目している。ＩｎＰ半導体の熱膨張係数は、ＩｎＧａＡｓ半導体の熱膨張係数より小さいので、成膜温度に近づくにつれて、特性線ＣS(ＩｎＰ基板の格子定数)が特性線ＣAP-に近づいていくと共に、特性線ＣAP+から離れていく。つまり、温度が上昇するにつれて、ＩｎＰの格子定数線は、格子不整の上限線から離れてゆき、格子不整の下限線に近づいていく。摂氏６００度といった成膜温度の領域では、ＩｎＰの格子定数線は、格子不整の下限線と交差している。結果的に、温度が上昇するにつれて、格子不整度は、正の格子不整度を示す格子定数の半導体に対しては大きくなる。
【００４２】
発明者は、図３に示される受光素子を用いて様々な実験を行っている。この実験用の受光素子１００は、ＩｎＰ基板１０２、ＩｎＰバッファ層１０４、光吸収層１０６、ＩｎＰ層１０８、アノード電極１１０、カソード電極１１２を有する。発明者の実験によれば、室温における格子不整度が＋０．１パーセント越えると＋０．２パーセント以下であっても、高い歩留まりは得られていない。しかし、図１に示される受光素子の構造を採用すれば、高い歩留まりが得られる。
【００４３】
図２(ｂ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｂ)を参照すると、特性線Ｃ1はＩｎＰ基板の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ 3はＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ 2はＧａＩｎＡｓＰ半導体層の格子定数の温度依存性を示している。室温と成膜温度との間のいずれの温度においても、特性線C2と特性線C1との間隔及び特性線C2と特性線C3との間隔は、特性線C3と特性線C1との間隔より小さい。室温ＴＲＯＯＭと成膜温度ＴＤＥＰとの間のいずれの温度においても、ＩｎＰ基板、ＩｎＧａＡｓ光吸収層、及びＧａＩｎＡｓＰ半導体層の熱膨張係数及び格子定数の関係のおかげで、特性線C1〜C3の配列順序は同じである。
【００４４】
図２(ｃ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子の変形例を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｃ)を参照すると、特性線Ｃ4はＩｎＰ基板の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ5はＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数の温度依存性を示しており、特性線Ｃ6はＧａＩｎＡｓＰ半導体層の格子定数の温度依存性を示している。室温から成膜温度へ温度が上昇するにつれて、特性線C5と特性線C4との間隔及び特性線C4と特性線C6との間隔は小さくなる。
【００４５】
(第２の実施の形態)
図４(ａ)、図４(ｂ)、図５(ａ)、図５(ｂ)は、半導体受光素子を作製する製造工程を示す図面である。図４(ａ)に示されるように、硫黄(Ｓ)添加ＩｎＰ基板３０を準備する。
【００４６】
(成膜工程)
図４(ｂ)に示されるように、ＩｎＰ基板３０の主面３０ａ上に、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３２、ＩｎＧａＡｓ半導体層３４、およびＩｎＧａＡｓＰ半導体層３６を順にエピタキシャル成長してエピタキシャル基板３８を形成する。結晶成長は、クロライド気相成長(クロライドＶＰＥ)法を用いて行われるが、これに限定されるものではない。成長温度は摂氏６５０度であり、室温(摂氏２５度)におけるＩｎＧａＡｓ半導体とＩｎＰ半導体との格子不整度は＋０．２５パーセントである。ＩｎＰ基板３０とＩｎＧａＡｓＰ半導体層３２との接合３８ａ、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３２とＩｎＧａＡｓ半導体層３４との接合３８ｂ、及びＩｎＧａＡｓ半導体層３４とＩｎＧａＡｓＰ半導体層３６との接合３８ｃに、格子不整が存在する。半導体層３２、３６の存在のおかげでＩｎＧａＡｓＰ半導体とＩｎＰ半導体との格子不整度は＋０．１２パーセントである。
【００４７】
(ｐ型拡散工程)
図５(ａ)に示されるように、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３６上に窒化シリコン層４０を形成する。窒化シリコン層４０は、ｐ型ドーパントとして、例えば亜鉛(Ｚｎ)が拡散される領域を示す開口部４０ａを有する。窒化シリコン層４０をマスクにして、ｐ型ドーパントをエピタキシャル基板３８に拡散させて、ｐ型半導体領域４２を形成する。例えば、開口部４０ａは円形状であり、その直径は２００マイクロメートル程度である。ｐ型半導体領域４２はアノード拡散領域を規定している。
【００４８】
(電極形成工程)
図５(ｂ)に示されるように、次いで、アノード電極４４及びカソード電極４６を形成する。アノード電極４４は、ｐ型半導体領域４２上に設けられ、ＡｕＺｎＡｕ金属層を含む。カソード電極４６は、基板３０の裏面３０ｂ上に設けられ、ＡｕＧｅＮｉ金属層を含む。
【００４９】
これによって、半導体受光素子が完成する。この受光素子は、光吸収層によって規定される所望の波長帯域に感度を有している。発明者は、上記の製造工程により製造された半導体受光素子の電気的に特性を測定したが、半導体受光素子の電気的に特性は良好であった。Ｘ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が無いことを示している。また、暗電流もウエハ全面にわたって十分に小さい値であった。
【００５０】
発明者は、更なる実験を行っている。この実験では、発明者は、格子不整度＋０．４５パーセントを有する半導体受光素子を作製している。Ｘ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が無いことを示している。
【００５１】
例えば、監視光を受ける半導体受光素子では、１，６３マイクロメートルにおける受光感度は、摂氏−４０度において−０．３ｄＢ以上でることが好ましい。
【００５２】
発明者は、実験において、図３に示される構造の半導体受光素子を作製している。受光素子の格子不整度は、△ａ／ａ＝０パーセントである。図６は、この受光素子の感度特性を示す図面である。図６では、摂氏−４０度の特性線Ｔ−４０℃、摂氏０度の特性線Ｔ０℃、及び摂氏２５度の特性線Ｔ２５℃が示されている。図６を参照すると、特性線Ｔ−４０℃において、波長１６００ナノメートルを超える波長領域で、受光感度が急激に低下している。この構造の受光素子は、監視光を受光するための素子として好適ではない。しかしながら、ウエハのＸ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が無いことを示している。
【００５３】
次いで、発明者は、実験において、図３に示される構造の受光素子を作製している。受光素子の格子不整度は、△ａ／ａは０．２５パーセントである。図７は、この受光素子の感度特性を示す図面である。図７では、摂氏−４０度の特性線Ｔ−４０℃、及び摂氏２５度の特性線Ｔ２５℃が示されている。図７を参照すると、摂氏−４０度においても所定の感度を有しており、波長１６３０ナノメートルを超える波長領域で、受光感度の低下が０．３ｄＢである。この構造の受光素子は、監視光よりも短波長の光を受光するための素子として好適である。ウエハのＸ線トポグラフの測定は、結晶欠陥が存在することを示している。
【００５４】
以上説明したことから理解されるように、光ファイバを用いる通信では、半導体受光素子が使用される。ある半導体受光素子は、ＩｎＧａＡｓ半導体を光吸収層として使用する。半導体受光素子を形成するためには、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ半導体層及びＩｎＰ窓層を順次にエピタキシャル成長法により形成している。この構造の素子は、１．３マイクロメートル帯及び１．５５マイクロメートル帯における光通信のために使用できる。光吸収層のバンドギャップに対応する波長は、受信光の波長よりも長くなければならない。ＩｎＰ半導体の格子定数に格子整合するバンドギャップをＩｎＧａＡｓ半導体が有するとき、ＩｎＧａＡｓ半導体のバンドギャップに対応する波長は、約１．６５マイクロメートルである。このＩｎＧａＡｓ半導体は、１．３マイクロメートル帯及び１．５５マイクロメートル帯における光に高い感度を示す。１．３マイクロメートル帯及び１．５５マイクロメートル帯における光通信においては、ＩｎＰ半導体(基板)とＩｎＧａＡｓ半導体(光吸収層)との格子不整度△ａ／ａが、−０．２％以上＋０．２％以下の範囲にある。この範囲の格子不整度では、ＩｎＰ半導体領域上にＩｎＧａＡｓ半導体層を形成するときに結晶欠陥が実質的に無い。結果的に、半導体受光素子の暗電流は小さい。
【００５５】
これに対して、ＷＤＭ通信のための監視光の波長は、１．６マイクロメートルから１．７マイクロメートルの波長範囲にある。監視光を受ける半導体受光素子は、この波長範囲に高い感度を有することが求められる。監視光の波長に感度を有するＩｎＧａＡｓ半導体を得るために、ＩｎＧａＡｓ半導体中におけるＩｎＡｓの混晶比を高くすることが必要である。発明者の見積もりによれば、監視光用のＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数は、信号光用のＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数に比べて、室温において、＋０．２％程度大きくしなければならない。
【００５６】
しかしながら、発明者がこの半導体受光素子の特性を測定してみると、多くの半導体受光素子は良好な特性を示さず、暗電流の増加が観測された。発明者は、暗電流の増加がミスフィット転位に起因するものと推定している。発明者は、暗電流の増加の原因を明らかにするために検討を行っている。そして、発明者は、暗電流の増加が下記の事項に関連していると考えている。
(１)ＩｎＰ半導体の熱膨張係数はＩｎＧａＡｓ半導体の熱膨張係数より小さい。(２)半導体受光素子のための半導体層を成膜する温度(摂氏６００度程度)においては、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の格子定数はＩｎＰ半導体の格子定数より＋０．３パーセント程度にまで大きくなっている。
(３)格子不整は、室温における格子不整度よりも成膜温度における格子不整度が、ミスフィットの発生に関連している。
【００５７】
発明者は、これらの事項の組み合わせにより暗電流の増加が生じたと考えている。したがって、求められていることは、これらの要因の複合により生じる暗電流を低減することである。
【００５８】
具体的な見積もりを行う。ＩｎＧａＡｓ半導体のエピタキシャル成長は、摂氏６００度程度の温度において行われる。既に説明したように、ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩｎＰ半導体の熱膨張係数が異なる。信号光用受光素子の作製においては、成長温度においてＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数とＩｎＰ半導体の格子定数との格子整合を得るためには、室温において格子不整度△ａ／ａ＝−０．１％程度になる。しかしながら、監視光用受光素子の作製においては、ＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数とＩｎＰ半導体の格子定数との格子不整度を室温において＋０．２％程度大きくすることが必要である。結果として、室温において格子不整度△ａ／ａ＝＋０．３％程度になる。格子不整度が大きくなると、ＩｎＧａＡｓ半導体とＩｎＰ半導体との境界においてミスフィット転位といった格子欠陥が生じる可能性が高くなる。ミスフィット転位密度が多くなると、暗電流が増加する。ミスフィット転位の発生は、格子不整度だけでなく、ＩｎＧａＡｓ半導体の膜厚にも関連している。ＩｎＧａＡｓ半導体の膜厚が厚いときには、ミスフィット転位が生じやすくなる。
【００５９】
一方、受光素子の受光感度は、光吸収層の厚さに関連している。より厚い光吸収層は、より高い感度を示す。発明者の知見によれば、光吸収層は、２マイクロメートル以上の厚さを有することが好適である。しかしながら、発明者の実験によれば、厚さ２マイクロメートル以上であり、且つ室温における格子不整度が＋０．２パーセント以上であると、高い確率でミスフィット転位が発生する。
【００６０】
本実施の形態に係わる半導体受光素子では、ＩｎＧａＡｓ半導体層とＩｎＰ半導体領域との間に、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を設けている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体の格子定数は、ＩｎＰ半導体の格子定数とＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数との間の値である。故に、ＩｎＰ半導体の格子定数とＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数との差は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体の格子定数とＩｎＰ半導体の格子定数との差よりも小さく、且つＩｎＧａＡｓＰ半導体の格子定数とＩｎＧａＡｓ半導体の格子定数との差よりも小さい。発明者の調査によれば、ＩｎＰ半導体の格子定数は、０．５８６８８ナノメートル(５．８６８８オングストローム)である。ＩｎＰ半導体に格子整合するＩｎＧａＡｓの結晶組成は、Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓである。故に、監視光の受光に使用するＩｎＧａＡｓのＧａ組成は、０．５３よりも小さい。ＩｎＰ半導体に格子整合するＩｎＧａＡｓＰ(λ＝１．２５マイクロメートル)の組成は、Ｉｎ0.759Ｇａ0.241Ａｓ0.547Ｐ0.453である。故に、監視光の受光に使用するＩｎＧａＡｓＰのＧａ組成は０．２４１よりも小さく、Ｐ組成は０．４５３よりも小さい。
【００６１】
故に、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を用いると、隣接する半導体領域間の格子不整度が小さくなる。この構造によれば、ミスフィット転位の発生を防止できる。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を監視光が十分に透過できるように、ＩｎＧａＡｓＰ半導体のバンドギャップに対応する波長は、１．４マイクロメートルより短くすることが好適である。また、１．６マイクロメートル以上１，７マイクロメートル以下の光を受ける受光素子では、隣接する半導体層間における格子不整度△ａ／ａが０．１％以上であることが好ましい。さらに、ＷＤＭ通信における監視光の波長帯域に受光感度を得るためには、格子不整度△ａ／ａがせいぜい０．４％程度であることが好ましい。この半導体受光素子は、１．７マイクロメートルを越える波長領域においても感度を有すると共に、暗電流が小さい。したがって、高い製造歩留まりで光通信用半導体受光素子が得られる。
【００６２】
以上説明したように、半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、光吸収層と、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層とを備える。半導体受光素子において、光吸収層は、ＩｎＰ基板の格子定数と異なる格子定数を有しており、ＩｎＰ基板上に設けられている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数と異なると共に光吸収層の格子定数と異なっている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、ＩｎＰ基板と光吸収層との間に設けられている。加えて、半導体受光素子において、ＩｎＰ基板は、第１の熱膨張係数を有する。光吸収層は、第２の熱膨張係数を有しており、ＩｎＰ基板上に設けられている。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、第３の熱膨張係数を有しており、ＩｎＰ基板と光吸収層との間に設けられている。第３の熱膨張係数の値は、第１の熱膨張係数の値と第２の熱膨張係数の値との間である。好適な実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は単一層からなることが好ましい。ＩｎＰ半導体基板とＩｎＧａＡｓＰ半導体層とはヘテロ界面を形成する。光吸収層とＩｎＧａＡｓＰ半導体層とはヘテロ界面を形成する。ヘテロ界面では界面リーク電流が生じる可能性があるので、ヘテロ界面の数はより少ないことが好ましい。
【００６３】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本実施の形態に示された受光素子は、上面入射型受光素子であるけれども、裏面入射型の受光素子であってもよい。また、本実施の形態に示された受光素子は、プレーナ型受光素子であるけれども、メサ型の受光素子であってもよい。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体光吸収層の格子定数が半導体基板の格子定数と異なる半導体受光素子が提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係わる半導体受光素子を示す斜視図である。
【図２】図２(ａ)は、図１に示された半導体受光素子における格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｂ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。図２(ｃ)は、本実施の形態に係わる半導体受光素子の変形例を構成する半導体層に関して格子定数と温度との関係を示す図面である。
【図３】図３は、様々な実験を行うための受光素子を示す図面である。
【図４】図４(ａ)及び図４(ｂ)は半導体受光素子のための製造工程を示す図面である。
【図５】図５(ａ)及び図５(ｂ)は半導体受光素子のための製造工程を示す図面である。
【図６】図６は、この受光素子の感度特性を示す図面である。
【図７】図７は、この受光素子の感度特性を示す図面である。
【符号の説明】
１ａ…半導体受光素子、２…光電変換部、４…基板、８…絶縁膜、１０…アノード電極、１２…カソード電極、１４…金属膜、１６、１８、２０…III−V族化合物半導体層、２２…ｐ型半導体領域
Claims (5)
- 半導体受光素子であって、
ＩｎＰ基板と、
ＩｎＧａＡｓ半導体、ＩｎＧａＡｓＰ半導体、及びＡｌＧａＩｎＡｓ半導体の少なくともいずれかを含み、前記ＩｎＰ基板上に設けられたIII−V族化合物半導体光吸収層と、
前記ＩｎＰ基板と前記III−V族化合物半導体光吸収層との間に設けられたＩｎＧａＡｓＰ半導体層と、
ＩｎＧａＡｓＰ半導体からなる別の III − V 族化合物半導体層と
を備え、
前記ＩｎＰ基板は、第１の熱膨張係数を有しており、
前記III−V族化合物半導体光吸収層は、第２の熱膨張係数を有しており、
前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、第３の熱膨張係数を有しており、
前記第３の熱膨張係数の値は、前記第１の熱膨張係数の値と前記第２の熱膨張係数の値との間であり、
前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、前記ＩｎＰ基板の格子定数より大きく、
前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の格子定数は、前記III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数より小さく、
前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、同一組成の単一膜であり、
前記 III − V 族化合物半導体光吸収層は、前記別の III − V 族化合物半導体層と前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層との間に設けられており、
前記別の III − V 族化合物半導体層は同一組成の単一膜の窓層であり、
室温において、前記III−V族化合物半導体光吸収層と前記ＩｎＰ基板との格子不整度△ａ／ａが＋０．１パーセント以上であり、該格子不整度△ａ／ａが＋０．４パーセント以下であり、ここで、△ａ／ａ＝(ａ光吸収層−ａＩｎＰ)／ａＩｎＰを示し、シンボルａＩｎＰはＩｎＰの格子定数を示しており、シンボルａ光吸収層は光吸収層の格子定数を示し、
前記ＩｎＰ基板と前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層との間の接合には格子不整があり、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体層と前記III−V族化合物半導体光吸収層との間の接合には格子不整があり、
当該半導体受光素子は上面入射型または裏面入射型のいずれかである、半導体受光素子。 - アノードのためのｐ型半導体領域を更に備え、
前記ｐ型半導体領域は、前記III−V族化合物半導体光吸収層に到達するように設けられている、請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記別のIII−V族化合物半導体層の格子定数は、前記ＩｎＰ基板の格子定数と異なると共に、前記III−V族化合物半導体光吸収層の格子定数と異なっている、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
- 前記別のIII−V族化合物半導体層は、第４の熱膨張係数を有しており、
前記第４の熱膨張係数の値は、前記第１の熱膨張係数の値と前記第２の熱膨張係数の値との間である、請求項３に記載の半導体受光素子。 - 前記III−V族化合物半導体光吸収層の厚さは、２マイクロメートル以上である、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体受光素子。
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