JP4223774B2 - Semiconductor photo detector - 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し、特に1μm帯域の光通信用の半導体受光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、波長が1.3μm、1.55μmなどの光信号が用いられており、受光素子には、1.3μm光のみを選択的に受光するもの、1.55μm光のみを選択的に受光するものが要求される。
【0003】
長波長(例えば1.55μm)光を受光せず、短波長(例えば1.3μm)光を選択的に受光するためには、受光層のバンドギャップ波長(λg)を長波長光と短波長光の間(例えば、λg=1.4μm)にすれば容易に実現する。
【0004】
短波長(例えば1.3μm)光は受光せず、長波長(例えば1.55μm)光のみを選択的に受光するのは比較的困難で、これを実現可能にした受光素子として、特許文献1や特許文献2に開示されたものがある。
【0005】
上記特許文献1,2の受光素子では共に、光の入射方向に対して、光フィルタ層と受光層を順次形成し、前記光フィルタ層では、前記受光層(例えば、InGaAs層)よりもバンドギャップ波長を短く(例えば、InGaAsP層に)している。
【0006】
前記InGaAs受光層と、前記InGaAsP光フィルタ層とを組合せると、1.3μmの光(1次光)は光フィルタ層で吸収されキャリアを発生させる。光フィルタ層に電圧が掛かっていない場合は、キャリアが留まり、発光再結合し、InGaAsP光フィルタ層のバンドギャップ波長とほぼ等しい波長の光(2次光)を放出することになる。この2次光は前記InGaAs受光層によって吸収されるため、あたかも1.3μmの光をInGaAs受光層で受光したかのような振舞いをすることになる。よって、1.55μmの光の選択比は低下する。
【0007】
上記の対策として、上記特許文献1,2では共に、前記2次光が全方向に放出される特性を活かし、光フィルタ層と受光層との距離を伸ばして、受光領域(PD:Photo Diode)に入射する2次光の立体角を小さくし、1.55μmの光の選択比を向上させている。
【特許文献1】
特開2000−252511号公報
【特許文献2】
特開2000−036615号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1においては、2素子を貼り合せるため、貼り合せ精度が悪いと受光できなくなること、2素子を必要となるため2倍の製造コストがかかること、実装コストも通常の受光素子よりも高くなることなどの問題があった。
【0009】
また、上記特許文献1において、発光再結合(2次光の発生)を防ぐためにInGaAsP光フィルタ層に電圧を掛けてキャリアを強制的に排除しようとすると、通常の受光素子では電極がp、nの2つであるのに対し、電極を3つ以上設ける必要があり、モジュール設計に大きな負担をかけるという問題があった。
【0010】
上記特許文献2においては、エピタキシャル成長(エピ成長)したウェハ(エピウェハ)の裏面にエピ成長するのは困難で、受光素子の良品歩留りが極めて低下してしまうこと、通常の受光素子ではエピウェハの裏面を研磨して素子厚を150μm程度にしているが、裏面にエピ成長しているために裏面研磨ができずダイシングが困難になること、また、素子厚を薄くするために裏面研磨してからエピ成長しようとすると、エピ成長時の高温によりp+−InP(選択拡散領域)の拡散が進みデバイス特性が劣化することなどの問題があった。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1の半導体受光素子は、第1波長の第1入射光と第1波長よりも長い第2波長の第2入射光のうち、第2入射光のみを受光する半導体受光素子において、n型又はp型の第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の一端側に接合された第1導電型のバッファ層と、このバッファ層の前記半導体基板とは反対側に接合された第1導電型の光フィルタ層と、この光フィルタ層の前記バッファ層とは反対側に接合された第1導電型のバリア層と、このバリア層の前記光フィルタ層とは反対側に接合され且つ第2入射光を受光する第1導電型の受光層と、この受光層の前記バリア層とは反対側に接合された第1導電型のキャップ層及びp型又はn型の第2導電型のコンタクト層と、この第2導電型のコンタクト層に接合された正電極と、前記半導体基板の他端側に接合された負電極とを備え、前記光フィルタ層は、前記第1入射光と第2入射光の中間の長さのバンドギャップ波長を持つ第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第1半導体層に接合された第1導電型の第2半導体層と、前記受光層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第2半導体層に接合された第1導電型の第3半導体層とを備え、前記光フィルタ層として、前記第1,第2,第3半導体層を夫々備えた光フィルタ層からなる第1,第2,第3の光フィルタ層が直列状に接合され、少なくとも前記第1の光フィルタ層の第3半導体層に第1導電型のドーパントを含有させたことを特徴としている。
【0012】
請求項2の半導体受光素子は、第1波長の第1入射光と第1波長よりも長い第2波長の第2入射光のうち、第2入射光のみを受光する半導体受光素子において、n型又はp型の第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の一端側に接合された第1導電型のバッファ 層と、このバッファ層の前記半導体基板とは反対側に接合された第1導電型の光フィルタ層と、この光フィルタ層の前記バッファ層とは反対側に接合された第1導電型のバリア層と、このバリア層の前記光フィルタ層とは反対側に接合され且つ第2入射光を受光する第1導電型の受光層と、この受光層の前記バリア層とは反対側に接合された第1導電型のキャップ層及びp型又はn型の第2導電型のコンタクト層と、この第2導電型のコンタクト層に接合された正電極と、前記半導体基板の他端側に接合された負電極とを備え、前記光フィルタ層は、前記第1入射光と第2入射光の中間の長さのバンドギャップ波長を持つ第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第1半導体層に接合された第1導電型の第2半導体層と、前記受光層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第2半導体層に接合された第1導電型の第3半導体層とを備え、前記光フィルタ層として、前記第1,第2,第3半導体層を夫々備えた光フィルタ層からなる第1,第2,第3,第4の光フィルタ層が直列状に接合され、前記第2,第4の光フィルタ層が入射光の進行方向に対して入射側と出射側が逆になるように反転され、第1,第3の光フィルタ層に接合され、少なくとも前記第1の光フィルタ層の第3半導体層に第1導電型のドーパントを含有させたことを特徴としている。
請求項3の半導体受光素子は、第1波長の第1入射光と第1波長よりも長い第2波長の第2入射光のうち、第2入射光のみを受光する半導体受光素子において、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板の一端側に接合されたn型又はp型の第1導電型のバッファ層と、このバッファ層の前記半絶縁性基板とは反対側に接合された第1導電型の光フィルタ層と、この光フィルタ層の前記バッファ層とは反対側に接合された第1導電型の第1コンタクト層と、この第1コンタクト層の前記光フィルタ層とは反対側に接合され且つ第2入射光を受光する第1導電型の受光層と、この受光層の前記第1コンタクト層とは反対側に接合された第1導電型のキャップ層及びp型又はn型の第2導電型の第2コンタクト層と、この第2導電型の第2コンタクト層に接合された正電極と、前記第1導電型の第1コンタクト層に接合された負電極とを備え、前記光フィルタ層は、前記受光層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ前記バッファ層に接合された第1導電型の第3半導体層と、前記第1入射光と第2入射光の中間の長さのバンドギャップ波長を持ち且つ前記第3半導体層に接合された第1導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層よりも短いバンドギャップ波長を持ち且つ第2半導体層に接合された第1導電型の第1半導体層とを備え、少なくとも前記光フィルタ層の第3半導体層に第1導電型のドーパントを含有させたことを特徴としている。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例1】
図1は実施例1の半導体受光素子の受光素子断面及びエネルギーバンド図であり、この半導体受光素子は波長が1.3μmの光(第1波長の第1入射光に相当する)と1.55μmの光(第2波長の第2入射光に相当する)の光信号が素子裏面から入射し、1.55μmの光のみを選択的に受光するものである。
【0014】
n+型InP半導体基板101上に、n+型InPバッファ層102と、n型光フィルタ層103と、n型InPバリア層104と、n−型InGaAs受光層105(バンドギャップ波長(λg):λga=1.65μm)と、n−型InPキャップ層106とが順次形成されている。尚、「n型」が第1導電型に相当し、「p型」が第2導電型に相当する。
【0015】
n型光フィルタ層103は、InGaAsP第1半導体層107(1.3μm<λg1<1.55μm:λg1=1.40μm)と、InGaAsP第2半導体層108(λg2>λg1:λg2=1.45μm)と、InGaAs第3半導体層109(λg3>λga:λg3=1.70μm)とから形成されている。
【0016】
n+型InPバッファ層102は、n型光フィルタ層103を構成しているInGaAsP第1半導体層107とn+型InP基板101とを格子整合させるための緩衝(バッファ)層として機能しており、n型InPバリア層104は、n型光フィルタ層103で発生した正孔がn−型InGaAs受光層105に流出するのを阻止する機能を有している(図1のエネルギーバンド図参照)。
【0017】
n−型InPキャップ層106内の受光領域には選択拡散法により、p+型InPコンタクト層110が形成されている。
【0018】
p+型InPコンタクト層110上にp電極111が形成され、n+型InP基板101上にn電極112が形成されている。
【0019】
p電極111以外のp+型InPコンタクト層110上とn−型InPキャップ層106上にはパシベーション膜としてシリコン窒化膜(SiN膜)113が形成されている。
【0020】
n電極112以外のn+型InP基板101上、すなわち入射光の入射面には1.55μm用の反射防止膜(ARコート膜)114が形成されている。
【0021】
次に、図2を用いて、前記の受光素子の動作について説明する。
【0022】
図2は、図1の素子のp電極111及びn電極112を通して逆方向印加電圧が掛けられている図である。
【0023】
素子裏面から入射した波長1.3μmと1.55μmの光は、n+型InP基板101、n+型InPバッファ層102を透過し、n型光フィルタ層103に入射する。
【0024】
1.3μmの光はn型光フィルタ層103内のInGaAsP第1半導体層107で吸収されキャリアを発生させる(図2(a)参照)。
【0025】
1.3μmの光のうち、InGaAsP第1半導体層107で吸収されきらなかった光は、次のInGaAsP第2半導体層108で吸収されキャリアを発生させる(図2(a)参照)。
【0026】
1.3μmの光のうち、InGaAsP第2半導体層108でも吸収されきらなかった光は、次のInGaAs第3半導体層109で吸収されキャリアを発生させる(図2(a)参照)。
【0027】
1.3μmの光のうち、InGaAs第3半導体層109でも吸収されきらなかった光は、n−型InGaAs受光層105で受光される(図2(a)参照)。
【0028】
1.55μmの光は、n型光フィルタ層103内のInGaAsP第1半導体層107、InGaAsP第2半導体層108ではほとんど吸収されず、InGaAs第3半導体層109では、層厚を十分薄く設定すれば若干吸収されるのみで、大半の光がn−型InGaAs受光層105で受光される(図2(b)参照)。
【0029】
n型光フィルタ層103内のInGaAsP第1半導体層107で発生したキャリアのうち電子201はn+型InPバッファ層102にドリフトし、正孔202はInGaAsP第2半導体層108にドリフトする(図2(c)参照)。
【0030】
InGaAsP第2半導体層108で発生した電子201はInGaAsP第1半導体層107にドリフトし、正孔202はInGaAs第3半導体層109にドリフトする(図2(c)参照)。
【0031】
n−型InGaAs受光層105で発生した正孔202はそのまま電気信号としてp電極111に到達し、発生した電子201はn型InPバリア層104を通ってInGaAs第3半導体層109にドリフトする(図2(c)参照)。
【0032】
InGaAs第3半導体層109で発生した正孔及びInGaAs第3半導体層109に移動してきた正孔202は、価電子帯115のギャップが大きいために移動することができずに留まることになるため、InGaAs第3半導体層109にて発光再結合し、キャリアは消滅する(図2(d)参照)。
【0033】
InGaAs第3半導体層109にて発光再結合した光の波長は、n−型InGaAs受光層105のバンドギャップ波長よりも長いため、n−型InGaAs受光層105を透過する(図2(d)参照)。
【0034】
また、1.55μm光の選択比を向上させるためにInGaAsP第1半導体層107の層厚を厚くした場合、発生もしくは移動してきたキャリアがドリフトしきる前に発光再結合してしまうが、放出された光はInGaAsP第2半導体層108で吸収され、キャリアを発生させ、上記同様ドリフトすることになる(図2(e)参照)。
【0035】
また、InGaAsP第2半導体層108で発光再結合して放出された光は、InGaAs第3半導体層109にて吸収される。
【0036】
以下、図3、図6、図7、図9において、実施例1の前記光フィルタ層103を部分的に変更した受光素子を紹介し、図4、図5、図8を用いてこれを説明する。
【0037】
図3は、図1の受光素子において、光フィルタ層103を形成している各層の層厚を薄くし、各層から組を形成し、当該複数組で光フィルタ層103を形成することで、更に効率的に1.55μm光の選択比を向上させることができる受光素子のエネルギーバンド図である。
【0038】
図3(a)に示す第1例の受光素子においては、InGaAsP第1半導体層107とInGaAsP第2半導体層108とInGaAs第3半導体層109とで組を形成し、当該組がn型光フィルタ層103内に3組直列状に形成されている。
【0039】
図3(a)に記載の受光素子は、図1の光フィルタ層103に比べ、光フィルタ層103内の各の層厚を薄くすることが可能になるため、第1半導体層107や第2半導体層108でのキャリアのドリフト中の発光再結合確率を下げ、結果的に1.55μm光の選択比を向上させることができる。
【0040】
図3(b)に示す第2例の受光素子においては、InGaAsP第1半導体層107とInGaAsP第2半導体層108とで組を形成し、当該組が3組とInGaAs第3半導体層109とがn型光フィルタ層103内に直列状に形成されている。
【0041】
図3(b)に記載の受光素子は、図1の光フィルタ層103に比べ、光フィルタ層103内の第3半導体層109のトータル層厚を薄くでき、1.55μm光の光フィルタ層103中での吸収損失を低減することが可能となるため、結果的に1.55μm光の選択比を向上させることができる。
【0042】
図3(c)に示す第3例の受光素子においては、InGaAsP第1半導体層107とInGaAsP第2半導体層108とInGaAs第3半導体層109とで組を形成し、当該組のうち真ん中の組を入射光の進行方向に対して入射側と出射側とが逆になるように反転させて組合せ、n型光フィルタ層103を形成している。
【0043】
図3(c)に記載の受光素子は、光フィルタ層103内で発生したキャリアを電界によるドリフトと、キャリア自身の拡散によって、第3半導体層109に移動させて、発光再結合させている。
【0044】
図3(c)に記載の受光素子では、光フィルタ層103内に発生キャリアをドリフトさせるだけの十分な電界が掛かっていなかった場合でも、第3半導体層109以外での発光再結合を低く抑えることが可能になる。
【0045】
ここで、第2半導体層108の効果を説明するために、第2半導体層108を除いて、第1半導体層107と第3半導体層109とで組を形成し、光フィルタ層103内に3組直列状に形成した場合の例を図4に示す。
【0046】
図5は、図3(a)の受光素子と図4の受光素子の1.55μm光の選択比を計算し、比較したグラフである。
【0047】
ここで、1.3μm光によって光フィルタ層103内で発生したキャリアが第3半導体層109以外で発光再結合することにより発生した2次光と、光フィルタ層103で吸収されきらなかった1.3μm光とに対する、光フィルタ層103を透過した1.55μm光の選択比をR(=10*Log(1.3μm光起因の受光感度/1.55μm光の受光感度))とした。
【0048】
第3半導体層109の厚みをXとし、図3(a)では、第1半導体層107の厚みを20X、第2半導体層108の厚みを10Xとし、図4では、第1半導体層107の厚みを30Xとして光フィルタ層103の厚みを等しくした。また、図3(a)、図4において光フィルタ層103内の組が3組の場合を示したが、ここではそれぞれ5組とし、受光層105の厚みはそれぞれ2.0μmとして計算した。
【0049】
図5から、第3半導体層109の厚みを500Åとした時、第1半導体層107及び第2半導体層108の発光再結合確率が0%の場合、図3(a)ではR=−27.90dB(計算値501参照)、図4ではR=−26.85dB(計算値502参照)となり大差はないが、この発光再結合確率が10%の場合、図3(a)ではR=−15.00dB(計算値503参照)、図4ではR=−12.11dB(計算値504参照)となり、第2半導体層108が効果的に1.55μmの選択比を向上させていることが分かる。
【0050】
図6は、実施例1の図3(a)に示す第1例の受光素子の第2半導体層108を複数層にし、第3半導体層109以外での発光再結合をより低減させた第4例の受光素子のエネルギーバンド図である。
【0051】
図5に示すように、光フィルタ層103内の第3半導体層109以外での発光再結合が1.55μm光の選択比を劣化させてしまうため、図6のように第2半導体層108を複数層にし、且つ各層を薄くすることで、第3半導体層109以外での発光再結合確率を低減することができ、1.55μm光の選択比はより向上することになる。
【0052】
図7は、図3(a)に示す第1例の受光素子の第1半導体層107及び第2半導体層108での発光再結合確率を低減させ、第3半導体層109での発光再結合確率を向上させている受光素子のエネルギーバンド図である。
【0053】
図7の受光素子は、第1半導体層107と第2半導体層108と第3半導体層109とで組を形成し、光フィルタ層103内に3組直列状に形成されている。
【0054】
図3(a)では、光フィルタ層103内の各層の厚みは等しく、図7では光の進行方向に対して各層の厚みが徐々に厚くなっており、光フィルタ層103内の各組での1.3μm光の吸収率をおおよそ等しくしてある。
【0055】
図8に基づいて、図3(a)及び図7の受光素子の動作を説明する。
【0056】
1.55μmの光の選択比を議論する上で、1.3μm光起因の2次光の発生が最も重要なので、ここでは1.3μm光が入射した場合のみを図示する。
【0057】
図8(a)、(b)は、図3(a)の受光素子に1.3μm光を素子裏面から入射した場合であり、図8(c)、(d)は、図7の受光素子に1.3μm光を素子裏面から入射した場合である。
【0058】
図8(a)において、1.3μm光は、光フィルタ層103内でも光の進行方向に対して最前の第1の光フィルタ層801で大半が吸収され、大量のキャリアが発生する。
【0059】
第1半導体層107の厚みがそれぞれ1.2μm、第2半導体層108の厚みがそれぞれ1.0μm、第3半導体層109の厚みがそれぞれ500Åとすると、入射した1.3μm光は、第1の光フィルタ層801で86%、第2の光フィルタ層802で12%、第3の光フィルタ層803で2%が吸収される。
【0060】
図8(b)において、発生したキャリアのうち、電子201はInP基板101側にドリフトし、正孔202は受光層105側にドリフトするから、第1の光フィルタ層801の第3半導体層109には、発生した正孔202のうち86%が入り込み、発生した電子201のうち12%が入り込む。
【0061】
つまり、第1の光フィルタ層801の第3半導体層109では、発生したキャリアのうちの12%程度しか発光再結合せず、残りの74%の正孔202が第2の光フィルタ層802側に漏れ出す可能性がある。
【0062】
第2の光フィルタ層802側に漏れ出した正孔202の全てが第2の光フィルタ層802中の第3半導体層109に留まれば問題はないが、ドリフト中の第1半導体層107、第2半導体層108で発光再結合する恐れがある。
【0063】
図8(c)において、1.3μm光は、光フィルタ層103内各組でほぼ均等に吸収され、発生するキャリア数は各組でほぼ同数になっている。
【0064】
第1の光フィルタ層801の第1半導体層107の厚みが0.21μm、第2半導体層108では0.18μm、第2の光フィルタ層802の第1半導体層107では0.34μm、第2半導体層108では0.30μm、第3の光フィルタ層803の第1半導体層107では3.05μm、第2半導体層108では2.52μmとし、各組の第3半導体層109の厚みを500Å共通とした時、各組での1.3μm光の吸収率はほぼ33%程度になる。
【0065】
図8(d)で、前記同様にキャリアがドリフトする場合、各組で発生したキャリアの数がほぼ等しいため、各組の第3半導体層109での発光再結合確率もほぼ等しくなり、隣の組にドリフトする正孔202の数は激減し、第3半導体層109以外での発光再結合確率は極端に低くなる。
【0066】
図9は、実施例1の図3(a)又は図8(a)に示す受光素子において、の第1の光フィルタ層801で大量発生したキャリアを第3半導体層109で効率良く発光再結合させる受光素子のエネルギーバンド図である。
【0067】
図9では、第1の光フィルタ層801の第3半導体層109にドナーを高濃度ドープして、メジャリティキャリアである電子を伝導帯116中にあらかじめ多くしてある。
【0068】
これにより、大量発生した正孔を第3半導体層109において効率的に発光再結合することが可能となる。
【0069】
尚、図9ではドナーをドープしたが、p型n型が反転した構造においてはアクセプタをドープすることになる。
【0070】
以上の実施例1の受光素子(図1、図3、図6、図7、図9)を部分的に変更した例について説明する。これら素子の表裏面でpn電極を形成しているが、光フィルタ層103内でのキャリアの拡散を利用すれば、素子表面にてpn電極を形成しても良い。また、エッチングによりn型InPバリア層104を露出させ、n電極を形成しても良い。
【0071】
また、以上の実施例1の受光素子では、構造が複雑なものほどエピウェハコストが高くなってしまうため、顧客から要求される特性とコストとのバランスを考え、最適と思われる構造を採用することが望ましい。
【0072】
【実施例2】
図10は実施例2の半導体受光素子の断面図及びエネルギーバンドの模式図であり、本発明では波長が1.3μm光と1.55μm光の光信号が素子裏面から入射し、1.55μm光のみを選択的に受光する場合である。
【0073】
半絶縁性InP基板1001上にInPバッファ層1002と、光フィルタ層1003と、n+型InPコンタクト層1004(第1コンタクト層に相当する)と、n−型InGaAs受光層105(バンドギャップ波長(λg):λga=1.65μm)、n−型InPキャップ層106とが順次形成されている。
【0074】
ここでInP基板に半絶縁性のものを使用したのは、n型に比べて1.55μm光の透過率が高いため、1.55μm光の受光感度の上昇が期待できるからである。
【0075】
光フィルタ層1003は、InGaAs第3半導体層109(λg3>λga:λg3=1.70μm)とInGaAsP第2半導体層108(λg2>λg1:λg2=1.45μm)とInGaAsP第1半導体層107(1.3μm<λg1<1.55μm:λg1=1.40μm)とから形成されている。
【0076】
n−型InPキャップ層106内の受光領域には選択拡散法により、p+型InPコンタクト層110(第2コンタクト層に相当する)が形成されている。
【0077】
n−型InPキャップ層106とn−型InGaAs受光層105とはエッチングによりメサ形状が形成されている。
【0078】
p+型InPコンタクト層110上にp電極111が形成され、n+型InPコンタクト層1004上にn電極112が形成されている。
【0079】
p電極111以外のp+型InPコンタクト層110表面とn−型InPキャップ層106表面及び側面、n−型InGaAs受光層105側面、n電極112以外のn+型InPコンタクト層1004表面にはパシベーション膜としてSiN膜113が形成されている。
【0080】
半絶縁性InP基板1001上、すなわち光の入射面には1.55μm用のARコート膜114が形成されている。
【0081】
次に、図11を用いて、実施例2の受光素子の動作について説明する。
【0082】
図11は、図10の素子のp電極111及びn電極112を通して逆方向印加電圧が掛けられている図である。
【0083】
素子裏面から入射した波長1.3μm光と1.55μm光は、半絶縁性InP基板1001、InPバッファ層1002を透過し、光フィルタ層1003に入射する。
【0084】
1.3μm光は光フィルタ層1003内で吸収されキャリアを発生させ、1.55μm光は光フィルタ層1003ではほとんど吸収されず、大半がn−型InGaAs受光層105で受光される(図11(a)参照)。
【0085】
n−型InGaAs受光層105で発生した正孔202はそのまま電気信号としてp電極111に到達し、発生した電子201はn電極112に到達する(図11(b)参照)。
【0086】
光フィルタ層1003内で発生したキャリアは、拡散によりInGaAs第3半導体層109に移動し、発光再結合する(図11(b)参照)。
【0087】
本受光素子の場合、発光再結合するInGaAs第3半導体層109がn−型InGaAs受光層105から離れているため、受光領域に入射する立体角が小さくなり、1.55μmの選択比が向上する。
【0088】
ここで、立体角の説明として、図12に点光源から全方向に放出される2次光が受光領域に入り込む場合を示す。
【0089】
点光源1201から受光領域1202までの距離L1とL2はL1<L2であるとし、受光領域1202の面積をSとする。
【0090】
距離L1での受光領域1202に入射する光の割合はS/4πL12、距離L2での受光領域1202に入射する光の割合はS/4πL22となり、受光領域に入射する光の割合は発光再結合位置と受光領域の距離の二乗に反比例している。
【0091】
すなわち、発光再結合位置と受光領域との距離を2倍にすると、受光領域に入射する光の割合は1/4に減少する。
【0092】
図13は、第2の実施形態を更に効率的に1.55μm光の選択比を向上させた受光素子のエネルギーバンド図である。
【0093】
図13では、InGaAsP第2半導体層108を複数層にし、且つバンドギャップ波長を光の進行方向に対して徐々に短くしている。
【0094】
図13に示す受光素子では、エピウェハのコストが高くなるが、各層厚を薄くできることから、発光再結合確率を低下させることが可能になる上、キャリアの拡散をスムーズにすることが可能になる。
【0095】
尚、図14(a)は、実施例1の光フィルタ層103を部分的に変更した例であり、図14(b)は、実施例2の光フィルタ層1003層を部分的に変更した例であり、無電界時でもキャリアが第3半導体層109にドリフトするようにした時のエネルギーバンド図である。
【0096】
図14(a)はn型光フィルタ層103、図14(b)は光フィルタ層1003の各層にドーパントを含有させている。
【0097】
ビルトインポテンシャルはヘテロ接合のバンドギャップエネルギーとキャリア濃度によって決まるため、各層に適当な量のドーパントを含有させて、ビルトインポテンシャルを大きくし、無電界時でもキャリアが第3半導体層109にドリフトできるように、特に正孔の易動度は遅いので正孔がドリフトしやすくなるように設計する。
【0098】
これにより、pn接合が最低2箇所できるため寄生容量が発生し、応答速度が低下しかねないが、光フィルタ層内に電界が掛かっていない場合でもキャリアは発光再結合されないため選択比は向上し、且つ光フィルタ層とPDとが電気的に分離されているため電気的なノイズも減り、更に選択比の向上が見込める。
【0099】
以上、実施例1及び実施例2の受光素子では、受光領域にPINフォトダイオード型の受光素子を例示したが、アバランシェ型やフォトトランジスタ型などの受光領域を設けても同様の選択比が得られる。
【0100】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、この半導体受光素子を、1つの半導体基板からなる1素子で製造できるので、実装コストを抑制できる。また、バッファ層により光フィルタ層とを格子整合させるための緩衝(バッファ)層を設けることができ、バリア層により光フィルタ層で発生した正孔が受光層に流出するのを阻止することができる。
【0101】
また、第1入射光を光フィルタ層で吸収させ、第3半導体層において発光再結合させて受光層を透過する光に変換し、更に、第1半導体層において発光再結合した光を第2半導体層において吸収させ、第3半導体層において発光再結合させて受光層を透過する光に変換するので、光フィルタ層を透過した第2入射光のみを受光層において選択的に受光することができる。
さらに、光フィルタ層内の各層厚を薄くし、複数の層から形成することが可能になるため、第1半導体層や第2半導体層でのキャリアのドリフト中の発光再結合確率を下げ、結果的に第2波長の第2入射光の選択比を向上させることができ、第1の第3半導体層にドナー或いはアクセプタを高濃度ドープして、メジャリティキャリアである電子或いは正孔を伝導帯中にあらかじめ多くしてあるので、大量発生した正孔或いは電子を第3半導体層において効率的に発光再結合することが可能となる。
請求項2の発明によれば、光フィルタ層内で発生したキャリアを電界によるドリフトと、キャリア自身の拡散によって、第3半導体層に移動させて、発光再結合させることができる。このため、光フィルタ層内に発生したキャリアをドリフトさせるだけの十分な電界が掛かっていなかった場合でも、第3半導体層以外での再結合を低く押させることが可能となる。
また、第1の第3半導体層にドナー或いはアクセプタを高濃度ドープして、メジャリティキャリアである電子或いは正孔を伝導帯中にあらかじめ多くしてあるので、大量発生した正孔或いは電子を第3半導体層において効率的に発光再結合することが可能となる。
請求項3の発明によれば、第3半導体層から順に光の進行方向に対してバンドギャップ波長が短くなっていき、光フィルタ層内で短波長光を吸収させることができる。光フィルタ層内の第3半導体層が受光領域から離れた位置にあるために立体角が小さくなり、短波長起因の2次光が受光領域に入射する割合が低減し、且つ光フィルタ層とPDとが電気的に分離されているために電気的なノイズが低減し、結果的に長波長光を選択的に受光する半導体素子が実現する。
また、光フィルタ層に第1導電型若しくは第2導電型のドーパントを含有させてビルトインポテンシャルを大きし、光フィルタ層内で発生したキャリアを無電界でも効率的に第3半導体層に運ぶことが可能となり、第3半導体層と受光層との距離を伸ばすことで受光領域(PD)との立体角を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の半導体受光素子の断面図とエネルギーバンド図である。
【図2】図1の受光素子の動作説明用のエネルギーバンド図であり、(a)は1.3μm光が光フィルタ層と受光層で吸収されて、キャリアを発生させた状態を示す図、(b)は1.55μm光が光フィルタ層と受光層で吸収されて、キャリアを発生させた状態を示す図、(c)は発生したキャリアのドリフト状態を示す図、(d)は発生したキャリアが第3半導体層で発光再結合した状態を示す図、(e)は第2半導体層で吸収され発生したキャリアが第1半導体層で発光再結合した状態を示す図である。
【図3】実施例1の光フィルタ層を部分的に変更したエネルギーバンド図であり、(a)は第1例の受光素子、(b)は第2例の受光素子、(c)は第3例の受光素子のエネルギーバンド図である。
【図4】第2半導体層を除いて、第1半導体層と第3半導体層とで光フィルタ層を構成した受光素子のエネルギーバンド図である。
【図5】図3(a)と図4の受光素子の1.55μm光の選択比の計算結果を示す線図である。
【図6】実施例1の光フィルタ層を部分的に変更した第4例の受光素子のエネルギーバンド図である。
【図7】実施例1の光フィルタ層を部分的に変更した第5例の受光素子のエネルギーバンド図である。
【図8】図3(a)の第1例の受光素子及び図7の第5例の受光素子の動作説明用エネルギーバンド図であり、(a)は第1例の受光素子において1.3μm光が光フィルタ層で吸収されて、キャリアを発生させた状態を示す図、(b)は発生したキャリアのドリフトと発光再結合状態を示す図、(c)は第5例の受光素子において1.3μm光が光フィルタ層で吸収されて、キャリアを発生させた状態を示す図、(d)は発生したキャリアのドリフトと発光再結合状態を示す図である。
【図9】図8(a)の第1の光フィルタ層801内の第3半導体層109にドナーを高濃度ドープした第6例の受光素子のエネルギーバンド図である。
【図10】本発明の実施例2の半導体受光素子の断面図とエネルギーバンド図である。
【図11】図10の受光素子の動作説明用のエネルギーバンド図であり、(a)は1.3μm光と1.55μm光がフィルタ層で吸収されて、キャリアを発生させた状態を示す図、(b)は発生したキャリアのドリフト状態を示す図である。
【図12】点光源から全方向に放出される光が受光領域に入り込む場合を示す模式図である。
【図13】本発明の実施例2の光フィルタ層を部分的に変更した受光素子のエネルギーバンド図である。
【図14】(a)は図3(a)の光フィルタ層の各層にドーパントを含有させた状態を示すエネルギーバンド図であり、(b)は図10の光フィルタ層の各層にドーパントを含有させた状態を示すエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
101 n+型InP基板
102 n+型InPバッファ層
103 n型光フィルタ層
104 n型InPバリア層
105 n−型InGaAs受光層
106 n−型InPキャップ層
107 InGaAsP第1半導体層
108 InGaAsP第2半導体層
109 InGaAs第3半導体層
110 p+型InPコンタクト層
111 p電極
112 n電極
113 シリコン窒化膜
114 1.55μm用反射防止膜
115 価電子帯
116 伝導帯
201 電子
202 正孔
203 発光再結合で消滅した電子
204 発光再結合で消滅した正孔
501 図3(a)の構造における発光再結合確率0%の場合の計算値
502 図4の構造における発光再結合確率0%の場合の計算値
503 図3(a)の構造における発光再結合確率10%の場合の計算値
504 図4の構造における発光再結合確率10%の場合の計算値
801 第1組の光フィルタ層
802 第2組の光フィルタ層
803 第3組の光フィルタ層
1001 半絶縁性InP基板
1002 InPバッファ層
1003 光フィルタ層
1004 n+型InPコンタクト層
1201 点光源
1202 受光領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light receiving element, and more particularly to a semiconductor light receiving element for optical communication in a 1 μm band.
[0002]
[Prior art]
In optical communication systems, optical signals with wavelengths of 1.3 μm, 1.55 μm, etc. are used, and the light receiving element selectively receives only 1.3 μm light, and selectively selects only 1.55 μm light. It is required to receive light.
[0003]
In order to selectively receive short wavelength (eg, 1.3 μm) light without receiving long wavelength (eg, 1.55 μm) light, the band gap wavelength (λg) of the light receiving layer is set to long wavelength light and short wavelength light. This can be easily realized by setting the interval between (for example, λg = 1.4 μm).
[0004]
It is relatively difficult to selectively receive only long-wavelength (for example, 1.55 μm) light without receiving short-wavelength (for example, 1.3 μm) light. And those disclosed in Patent Document 2.
[0005]
In the light receiving elements of Patent Documents 1 and 2 described above, an optical filter layer and a light receiving layer are sequentially formed in the light incident direction. In the optical filter layer, a band gap is larger than that of the light receiving layer (for example, an InGaAs layer). The wavelength is shortened (for example, in the InGaAsP layer).
[0006]
When the InGaAs light receiving layer and the InGaAsP optical filter layer are combined, 1.3 μm light (primary light) is absorbed by the optical filter layer to generate carriers. When no voltage is applied to the optical filter layer, carriers remain, recombine light emission, and emit light (secondary light) having a wavelength substantially equal to the band gap wavelength of the InGaAsP optical filter layer. Since the secondary light is absorbed by the InGaAs light receiving layer, it behaves as if 1.3 μm light is received by the InGaAs light receiving layer. Therefore, the light selection ratio of 1.55 μm decreases.
[0007]
As the above countermeasures, in both Patent Documents 1 and 2, taking advantage of the characteristic that the secondary light is emitted in all directions, the distance between the optical filter layer and the light receiving layer is increased, and a light receiving region (PD: Photo Diode) is obtained. The solid angle of the secondary light incident on is reduced, and the selectivity of 1.55 μm light is improved.
[Patent Document 1]
JP 2000-252511 A
[Patent Document 2]
JP 2000-036615 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned Patent Document 1, since two elements are bonded together, it becomes impossible to receive light if the bonding accuracy is poor, and since two elements are required, the manufacturing cost is doubled, and the mounting cost is also higher than that of a normal light receiving element. There were problems such as becoming higher.
[0009]
Further, in Patent Document 1, when a voltage is applied to the InGaAsP optical filter layer to forcibly exclude carriers in order to prevent light emission recombination (generation of secondary light), in an ordinary light receiving element, the electrodes are p, n However, there is a problem that it is necessary to provide three or more electrodes, which places a heavy burden on the module design.
[0010]
In the above-mentioned Patent Document 2, it is difficult to epi-grow on the back surface of an epitaxially grown (epi-grown) wafer (epi-wafer), and the yield of non-defective products of the light-receiving element is extremely reduced. Although the device thickness is about 150 μm by polishing, epi-growth on the back surface makes back-surface polishing difficult and dicing is difficult, and epi-growth after polishing the back surface to reduce device thickness When trying to do so, there is a problem that the diffusion of p + -InP (selective diffusion region) proceeds and the device characteristics deteriorate due to the high temperature during epi growth.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor light-receiving element according to claim 1 is an n-type semiconductor light-receiving element that receives only the second incident light among the first incident light having the first wavelength and the second incident light having the second wavelength longer than the first wavelength. Alternatively, a p-type first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type buffer layer bonded to one end of the semiconductor substrate, and a first conductivity bonded to the opposite side of the buffer layer from the semiconductor substrate. Type optical filter layer, a barrier layer of the first conductivity type bonded to the opposite side of the buffer layer of the optical filter layer, and a second layer of the barrier layer bonded to the opposite side of the optical filter layer. A first conductive type light receiving layer for receiving incident light, a first conductive type cap layer and a p-type or n-type second conductive type contact layer bonded to the opposite side of the light receiving layer to the barrier layer A positive electrode joined to the contact layer of the second conductivity type, and the half And a negative electrode bonded to the other end of the body substrateThe optical filter layer includes a first semiconductor layer of a first conductivity type having a band gap wavelength having an intermediate length between the first incident light and the second incident light, and a band gap wavelength longer than that of the first semiconductor layer. And a first conductivity type second semiconductor layer bonded to the first semiconductor layer and a first conductivity type third semiconductor having a band gap wavelength longer than that of the light receiving layer and bonded to the second semiconductor layer A first, second, and third optical filter layers made of optical filter layers each including the first, second, and third semiconductor layers are joined in series as the optical filter layer, A dopant of the first conductivity type is contained in at least the third semiconductor layer of the first optical filter layer.It is characterized by that.
[0012]
ContractClaim2The semiconductor light receiving elementIn the semiconductor light receiving element that receives only the second incident light out of the first incident light having the first wavelength and the second incident light having the second wavelength longer than the first wavelength, the n-type or p-type first conductivity type Semiconductor substrate, and a first conductivity type buffer bonded to one end of the semiconductor substrate A first conductivity type optical filter layer bonded to the opposite side of the buffer layer to the semiconductor substrate, and a first conductivity type barrier bonded to the optical filter layer opposite to the buffer layer. A first conductive type light-receiving layer that is bonded to the opposite side of the barrier layer to the optical filter layer and receives second incident light, and is bonded to the opposite side of the light-receiving layer to the barrier layer A first conductivity type cap layer and a p-type or n-type second conductivity type contact layer; a positive electrode joined to the second conductivity type contact layer; and the other end of the semiconductor substrate. A negative electrode, and the optical filter layer includes a first conductive type first semiconductor layer having a band gap wavelength having an intermediate length between the first incident light and the second incident light, and the first semiconductor layer. Having a long bandgap wavelength and being bonded to the first semiconductor layer Comprising electrically a conductive type second semiconductor layer, and a first conductivity type third semiconductor layer which is bonded to the light receiving layer and the second semiconductor layer has a long band gap wavelength than the previousAs the optical filter layer, first, second, third, and fourth optical filter layers comprising optical filter layers each including the first, second, and third semiconductor layers are joined in series, and the first The second and fourth optical filter layers are inverted so that the incident side and the outgoing side are opposite to the traveling direction of the incident light, and are joined to the first and third optical filter layers.AndIt is characterized in that a dopant of the first conductivity type is contained in at least the third semiconductor layer of the first optical filter layer.
Claim3The semiconductor light receiving element is a semiconductor light receiving element that receives only the second incident light out of the first incident light having the first wavelength and the second incident light having the second wavelength longer than the first wavelength. An n-type or p-type first conductivity type buffer layer bonded to one end of the semi-insulating substrate, and a first conductivity type buffer layer bonded to the opposite side of the buffer layer from the semi-insulating substrate. An optical filter layer, a first contact layer of a first conductivity type bonded to the opposite side of the optical filter layer to the buffer layer, and an optical filter layer of the first contact layer bonded to the opposite side of the optical filter layer; A first conductivity type light-receiving layer that receives the second incident light, a first conductivity type cap layer and a p-type or n-type second conductivity bonded to the light-receiving layer on the opposite side of the first contact layer. The second contact layer of the mold and the second contact layer of the second conductivity type. A positive electrode and a negative electrode joined to the first contact layer of the first conductivity type, the optical filter layer having a longer band gap wavelength than the light receiving layer and joined to the buffer layer A third semiconductor layer of the first conductivity type, and a second semiconductor of the first conductivity type having a band gap wavelength of an intermediate length between the first incident light and the second incident light and joined to the third semiconductor layer And a first conductivity type first semiconductor layer having a band gap wavelength shorter than that of the second semiconductor layer and bonded to the second semiconductor layer.e,It is characterized in that a dopant of the first conductivity type is contained in at least the third semiconductor layer of the optical filter layer.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described based on examples.
[Example 1]
FIG. 1 is a light-receiving element cross section and energy band diagram of the semiconductor light-receiving element of Example 1. The semiconductor light-receiving element has a wavelength of 1.3 μm (corresponding to a first incident light having a first wavelength) and 1.55 μm. Light (corresponding to second incident light of the second wavelength) is incident from the back surface of the element and selectively receives only 1.55 μm light.
[0014]
On an n + type
[0015]
The n-type
[0016]
The n + -type
[0017]
A p + type
[0018]
A p-
[0019]
A silicon nitride film (SiN film) 113 is formed as a passivation film on the p + type
[0020]
An antireflection film (AR coat film) 114 for 1.55 μm is formed on the n +
[0021]
Next, the operation of the light receiving element will be described with reference to FIG.
[0022]
FIG. 2 is a diagram in which a reverse applied voltage is applied through the p-
[0023]
Light having a wavelength of 1.3 μm and 1.55 μm incident from the back surface of the element passes through the n +
[0024]
The 1.3 μm light is absorbed by the InGaAsP
[0025]
Of the 1.3 μm light, the light that has not been absorbed by the InGaAsP
[0026]
Of the 1.3 μm light, light that has not been absorbed by the InGaAsP
[0027]
Of the 1.3 μm light, light that has not been absorbed by the InGaAs
[0028]
The light of 1.55 μm is hardly absorbed by the InGaAsP
[0029]
Of the carriers generated in the InGaAsP
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
Since the holes generated in the InGaAs
[0033]
Since the wavelength of the light recombined by the InGaAs
[0034]
Further, when the thickness of the InGaAsP
[0035]
In addition, light emitted by recombination of light emitted from the InGaAsP
[0036]
Hereinafter, in FIG. 3, FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 9, a light receiving element in which the
[0037]
FIG. 3 shows the light receiving element of FIG. 1 in which the thickness of each layer forming the
[0038]
In the light receiving element of the first example shown in FIG. 3A, an InGaAsP
[0039]
In the light receiving element shown in FIG. 3A, the thickness of each layer in the
[0040]
In the light receiving element of the second example shown in FIG. 3B, an InGaAsP
[0041]
In the light receiving element shown in FIG. 3B, the total thickness of the
[0042]
In the light receiving element of the third example shown in FIG. 3C, a pair is formed by the InGaAsP
[0043]
In the light receiving element shown in FIG. 3C, the carriers generated in the
[0044]
In the light receiving element illustrated in FIG. 3C, light emission recombination other than the
[0045]
Here, in order to explain the effect of the
[0046]
FIG. 5 is a graph in which the selection ratio of 1.55 μm light between the light receiving element in FIG. 3A and the light receiving element in FIG. 4 is calculated and compared.
[0047]
Here, the secondary light generated when the carriers generated in the
[0048]
The thickness of the
[0049]
From FIG. 5, when the thickness of the
[0050]
FIG. 6 shows a fourth example in which the
[0051]
As shown in FIG. 5, since the light emission recombination other than the
[0052]
FIG. 7 shows the light emission recombination probability in the
[0053]
In the light receiving element of FIG. 7, the
[0054]
3A, the thickness of each layer in the
[0055]
Based on FIG. 8, the operation of the light receiving element of FIG. 3 (a) and FIG. 7 will be described.
[0056]
In discussing the light selection ratio of 1.55 μm, the generation of secondary light caused by 1.3 μm light is the most important, so only the case where 1.3 μm light is incident is shown here.
[0057]
8A and 8B show a case where 1.3 μm light is incident on the light receiving element of FIG. 3A from the back side of the element, and FIGS. 8C and 8D show the light receiving element of FIG. In this case, 1.3 μm light is incident from the back side of the element.
[0058]
In FIG. 8A, most of the 1.3 μm light is absorbed in the
[0059]
When the thickness of the
[0060]
8B, among the generated carriers, the
[0061]
That is, in the
[0062]
There is no problem if all of the
[0063]
In FIG. 8C, 1.3 μm light is absorbed almost evenly in each set in the
[0064]
The thickness of the
[0065]
In FIG. 8D, when carriers drift in the same manner as described above, since the number of carriers generated in each pair is substantially equal, the light emission recombination probabilities in the third semiconductor layers 109 of each pair are also substantially equal. The number of
[0066]
FIG. 9 is a diagram showing an example of the light-receiving element shown in FIG. 3A or FIG. 8A according to the first embodiment. The
[0067]
In FIG. 9, the
[0068]
As a result, it is possible to efficiently recombine the generated holes in the
[0069]
Although the donor is doped in FIG. 9, the acceptor is doped in the structure in which the p-type and n-type are inverted.
[0070]
An example in which the light receiving element (FIGS. 1, 3, 6, 7, and 9) of Example 1 described above is partially changed will be described. Although the pn electrodes are formed on the front and back surfaces of these elements, the pn electrodes may be formed on the element surface by utilizing carrier diffusion in the
[0071]
Further, in the light receiving element of Example 1 described above, the more complicated the structure, the higher the epi wafer cost. Therefore, considering the balance between the characteristics required by the customer and the cost, the structure that seems to be optimal is adopted. It is desirable.
[0072]
[Example 2]
FIG. 10 is a cross-sectional view and a schematic diagram of the energy band of the semiconductor light-receiving element of Example 2. In the present invention, optical signals with wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm are incident from the back of the element, and 1.55 μm light. In this case, only light is selectively received.
[0073]
On a
[0074]
Here, the reason why the semi-insulating substrate is used for the InP substrate is that the transmittance of 1.55 μm light is higher than that of the n-type, so that an increase in the light receiving sensitivity of 1.55 μm light can be expected.
[0075]
The
[0076]
A p + type InP contact layer 110 (corresponding to the second contact layer) is formed in the light receiving region in the n − type
[0077]
The n − type
[0078]
A p-
[0079]
A passivation film is formed on the surface of the p + type
[0080]
An
[0081]
Next, the operation of the light receiving element of Example 2 will be described with reference to FIG.
[0082]
FIG. 11 is a diagram in which a reverse applied voltage is applied through the p-
[0083]
Light having a wavelength of 1.3 μm and 1.55 μm incident from the back surface of the element passes through the
[0084]
The 1.3 μm light is absorbed in the
[0085]
The
[0086]
Carriers generated in the
[0087]
In the case of this light receiving element, since the InGaAs
[0088]
Here, as an explanation of the solid angle, FIG. 12 shows a case where the secondary light emitted from the point light source in all directions enters the light receiving region.
[0089]
The distances L1 and L2 from the
[0090]
The ratio of light incident on the
[0091]
That is, when the distance between the light emission recombination position and the light receiving region is doubled, the ratio of light incident on the light receiving region is reduced to ¼.
[0092]
FIG. 13 is an energy band diagram of a light receiving element in which the selection ratio of 1.55 μm light is improved more efficiently than in the second embodiment.
[0093]
In FIG. 13, a plurality of InGaAsP second semiconductor layers 108 are formed, and the band gap wavelength is gradually shortened with respect to the light traveling direction.
[0094]
In the light receiving element shown in FIG. 13, although the cost of the epi-wafer is increased, the thickness of each layer can be reduced, so that the light emission recombination probability can be lowered and carrier diffusion can be made smooth.
[0095]
14A is an example in which the
[0096]
14A shows the n-type
[0097]
Since the built-in potential is determined by the band gap energy and the carrier concentration of the heterojunction, an appropriate amount of dopant is added to each layer to increase the built-in potential so that carriers can drift to the
[0098]
As a result, since at least two pn junctions can be formed, parasitic capacitance is generated and the response speed may be lowered. However, even when no electric field is applied in the optical filter layer, carriers are not recombined by light emission, so that the selection ratio is improved. In addition, since the optical filter layer and the PD are electrically separated, electrical noise is reduced, and further improvement in the selection ratio can be expected.
[0099]
As described above, in the light receiving elements of the first and second embodiments, the PIN photodiode type light receiving element is exemplified in the light receiving region. However, a similar selection ratio can be obtained even if a light receiving region such as an avalanche type or a phototransistor type is provided. .
[0100]
【The invention's effect】
According to invention of Claim 1, since this semiconductor light receiving element can be manufactured with one element which consists of one semiconductor substrate, mounting cost can be suppressed. In addition, a buffer layer for lattice matching with the optical filter layer can be provided by the buffer layer, and holes generated in the optical filter layer can be prevented from flowing out to the light receiving layer by the barrier layer. .
[0101]
AlsoThe first incident light is absorbed by the optical filter layer, recombined in the third semiconductor layer, converted into light that passes through the light receiving layer, and the light recombined in the first semiconductor layer is further reflected in the second semiconductor layer. , And the light is recombined in the third semiconductor layer to be converted into light that passes through the light receiving layer, so that only the second incident light that has passed through the optical filter layer can be selectively received by the light receiving layer.
furtherSince each layer in the optical filter layer can be made thinner and formed from a plurality of layers, the light emission recombination probability during carrier drift in the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is lowered, and as a result In addition, the selection ratio of the second incident light having the second wavelength can be improved.Since the first third semiconductor layer is highly doped with a donor or an acceptor and electrons or holes that are major carriers are increased in advance in the conduction band, a large number of holes or electrons generated in the third band are added to the third semiconductor layer. Emission recombination can be efficiently performed in the semiconductor layer.
Claim2According to this invention, carriers generated in the optical filter layer can be moved to the third semiconductor layer by the drift due to the electric field and the diffusion of the carriers themselves, and can be recombined for light emission. For this reason, even when a sufficient electric field for drifting carriers generated in the optical filter layer is not applied, recombination other than in the third semiconductor layer can be pushed down.
AlsoSince the first third semiconductor layer is highly doped with a donor or an acceptor and electrons or holes that are major carriers are increased in advance in the conduction band, a large number of holes or electrons generated in the third band are added to the third semiconductor layer. Emission recombination can be efficiently performed in the semiconductor layer.
Claim3According to the invention, the band gap wavelength becomes shorter with respect to the light traveling direction in order from the third semiconductor layer, and the short wavelength light can be absorbed in the optical filter layer. Since the third semiconductor layer in the optical filter layer is located away from the light receiving region, the solid angle is reduced, the ratio of incident secondary light due to short wavelengths to the light receiving region is reduced, and the optical filter layer and the PD Are electrically separated from each other, so that electrical noise is reduced, and as a result, a semiconductor element that selectively receives long wavelength light is realized.
AlsoThe built-in potential can be increased by adding a dopant of the first conductivity type or the second conductivity type to the optical filter layer, and carriers generated in the optical filter layer can be efficiently transported to the third semiconductor layer even without an electric field. Accordingly, the solid angle with the light receiving region (PD) can be reduced by increasing the distance between the third semiconductor layer and the light receiving layer.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a cross-sectional view and an energy band diagram of a semiconductor light receiving element according to a first embodiment of the present invention.
2 is an energy band diagram for explaining the operation of the light receiving element of FIG. 1, wherein (a) is a diagram showing a state in which 1.3 μm light is absorbed by the optical filter layer and the light receiving layer to generate carriers; (B) is a diagram showing a state in which 1.55 μm light is absorbed by the optical filter layer and the light receiving layer to generate carriers, (c) is a diagram showing a drift state of the generated carriers, and (d) is generated. The figure which shows the state in which the carrier recombined luminescence in the 3rd semiconductor layer, (e) is the figure which shows the state in which the carrier which was absorbed and generated in the 2nd semiconductor layer was radiatively recombined in the 1st semiconductor layer.
FIGS. 3A and 3B are energy band diagrams in which the optical filter layer of Example 1 is partially changed, where FIG. 3A is a light receiving element of the first example, FIG. 3B is a light receiving element of the second example, and FIG. It is an energy band figure of the light receiving element of 3 examples.
FIG. 4 is an energy band diagram of a light receiving element in which an optical filter layer is constituted by a first semiconductor layer and a third semiconductor layer except for a second semiconductor layer.
5 is a diagram showing a calculation result of a selection ratio of 1.55 μm light of the light receiving elements of FIG. 3 (a) and FIG. 4;
6 is an energy band diagram of a light receiving element of a fourth example in which the optical filter layer of Example 1 is partially changed. FIG.
7 is an energy band diagram of a light receiving element of a fifth example in which the optical filter layer of Example 1 is partially changed. FIG.
8 is an energy band diagram for explaining the operation of the light receiving element of the first example of FIG. 3A and the light receiving element of the fifth example of FIG. 7, and FIG. 8A is 1.3 μm in the light receiving element of the first example. The figure which shows the state which light was absorbed by the optical filter layer, and generate | occur | produced the carrier, (b) is the figure which shows the drift of the produced | generated carrier and the light emission recombination state, (c) is 1 in the light receiving element of a 5th example. FIG. 5D is a diagram showing a state in which .3 μm light is absorbed by the optical filter layer to generate carriers, and FIG. 6D is a diagram showing a drift of the generated carriers and a light emission recombination state.
FIG. 9 is an energy band diagram of a sixth example light receiving element in which a
FIGS. 10A and 10B are a cross-sectional view and an energy band diagram of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment of the present invention. FIGS.
11 is an energy band diagram for explaining the operation of the light receiving element of FIG. 10, wherein (a) is a diagram showing a state in which 1.3 μm light and 1.55 μm light are absorbed by the filter layer to generate carriers. (B) is a figure which shows the drift state of the generate | occur | produced carrier.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a case where light emitted from a point light source in all directions enters a light receiving region.
FIG. 13 is an energy band diagram of a light receiving element in which the optical filter layer according to the second embodiment of the present invention is partially changed.
14A is an energy band diagram showing a state where a dopant is contained in each layer of the optical filter layer of FIG. 3A, and FIG. 14B is a diagram containing a dopant in each layer of the optical filter layer of FIG. It is an energy band figure which shows the state made to do.
[Explanation of symbols]
101 n + type InP substrate
102 n + type InP buffer layer
103 n-type optical filter layer
104 n-type InP barrier layer
105 n-type InGaAs absorption layer
106 n-type InP cap layer
107 InGaAsP first semiconductor layer
108 InGaAsP second semiconductor layer
109 InGaAs third semiconductor layer
110 p + type InP contact layer
111 p electrode
112 n electrode
113 Silicon nitride film
114 1.55μm Antireflection Film
115 Valence band
116 conduction band
201 electrons
202 holes
203 Electron annihilated by radiative recombination
204 Holes annihilated by radiative recombination
501 Calculated value when the light emission recombination probability is 0% in the structure of FIG.
502 Calculated value when the light emission recombination probability is 0% in the structure of FIG.
503 Calculated value when the light emission recombination probability is 10% in the structure of FIG.
504 Calculated value when the light emission recombination probability is 10% in the structure of FIG.
801 First set of optical filter layers
802 Second set of optical filter layers
803 Third optical filter layer
1001 Semi-insulating InP substrate
1002 InP buffer layer
1003 Optical filter layer
1004 n + type InP contact layer
1201 Point light source
1202 Light receiving area
Claims (3)
n型又はp型の第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の一端側に接合された第1導電型のバッファ層と、
このバッファ層の前記半導体基板とは反対側に接合された第1導電型の光フィルタ層と、
この光フィルタ層の前記バッファ層とは反対側に接合された第1導電型のバリア層と、
このバリア層の前記光フィルタ層とは反対側に接合され且つ第2入射光を受光する第1導電型の受光層と、
この受光層の前記バリア層とは反対側に接合された第1導電型のキャップ層及びp型又はn型の第2導電型のコンタクト層と、
この第2導電型のコンタクト層に接合された正電極と、
前記半導体基板の他端側に接合された負電極とを備え、
前記光フィルタ層は、前記第1入射光と第2入射光の中間の長さのバンドギャップ波長を持つ第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第1半導体層に接合された第1導電型の第2半導体層と、前記受光層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第2半導体層に接合された第1導電型の第3半導体層とを備え、
前記光フィルタ層として、前記第1,第2,第3半導体層を夫々備えた光フィルタ層からなる第1,第2,第3の光フィルタ層が直列状に接合され、
少なくとも前記第1の光フィルタ層の第3半導体層に第1導電型のドーパントを含有させたことを特徴とする半導体受光素子。In the semiconductor light receiving element that receives only the second incident light among the first incident light of the first wavelength and the second incident light of the second wavelength longer than the first wavelength,
an n-type or p-type first conductivity type semiconductor substrate;
A buffer layer of a first conductivity type joined to one end side of the semiconductor substrate;
A first conductivity type optical filter layer bonded to the opposite side of the buffer layer from the semiconductor substrate;
A barrier layer of a first conductivity type bonded to the side of the optical filter layer opposite to the buffer layer;
A light-receiving layer of a first conductivity type that is bonded to the opposite side of the barrier layer from the optical filter layer and receives the second incident light;
A first conductivity type cap layer and a p-type or n-type second conductivity type contact layer bonded to the opposite side of the light-receiving layer from the barrier layer;
A positive electrode bonded to the second conductivity type contact layer;
A negative electrode joined to the other end of the semiconductor substrate ,
The optical filter layer has a first semiconductor layer of a first conductivity type having a band gap wavelength having an intermediate length between the first incident light and the second incident light, and a band gap wavelength longer than that of the first semiconductor layer. A first conductive type second semiconductor layer that is held and bonded to the first semiconductor layer; and a first conductive type third semiconductor layer that has a band gap wavelength longer than that of the light receiving layer and is bonded to the second semiconductor layer. And
As the optical filter layer, first, second, and third optical filter layers made of optical filter layers each including the first, second, and third semiconductor layers are joined in series,
A semiconductor light receiving element, wherein a dopant of the first conductivity type is contained in at least a third semiconductor layer of the first optical filter layer .
n型又はp型の第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の一端側に接合された第1導電型のバッファ層と、
このバッファ層の前記半導体基板とは反対側に接合された第1導電型の光フィルタ層と、
この光フィルタ層の前記バッファ層とは反対側に接合された第1導電型のバリア層と、
このバリア層の前記光フィルタ層とは反対側に接合され且つ第2入射光を受光する第1導電型の受光層と、
この受光層の前記バリア層とは反対側に接合された第1導電型のキャップ層及びp型又はn型の第2導電型のコンタクト層と、
この第2導電型のコンタクト層に接合された正電極と、
前記半導体基板の他端側に接合された負電極とを備え、
前記光フィルタ層は、前記第1入射光と第2入射光の中間の長さのバンドギャップ波長を持つ第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第1半導体層に接合された第1導電型の第2半導体層と、前記受光層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ第2半導体層に接合された第1導電型の第3半導体層とを備え、
前記光フィルタ層として、前記第1,第2,第3半導体層を夫々備えた光フィルタ層からなる第1,第2,第3,第4の光フィルタ層が直列状に接合され、
前記第2,第4の光フィルタ層が入射光の進行方向に対して入射側と出射側が逆になるように反転され、第1,第3の光フィルタ層に接合され、
少なくとも前記第1の光フィルタ層の第3半導体層に第1導電型のドーパントを含有さ せたことを特徴とする半導体受光素子。 In the semiconductor light receiving element that receives only the second incident light among the first incident light of the first wavelength and the second incident light of the second wavelength longer than the first wavelength,
an n-type or p-type first conductivity type semiconductor substrate;
A buffer layer of a first conductivity type joined to one end side of the semiconductor substrate;
A first conductivity type optical filter layer bonded to the opposite side of the buffer layer from the semiconductor substrate;
A barrier layer of a first conductivity type bonded to the side of the optical filter layer opposite to the buffer layer;
A light-receiving layer of a first conductivity type that is bonded to the opposite side of the barrier layer from the optical filter layer and receives the second incident light;
A first conductivity type cap layer and a p-type or n-type second conductivity type contact layer bonded to the opposite side of the light-receiving layer from the barrier layer;
A positive electrode bonded to the second conductivity type contact layer;
A negative electrode joined to the other end of the semiconductor substrate,
The optical filter layer has a first semiconductor layer of a first conductivity type having a band gap wavelength having an intermediate length between the first incident light and the second incident light, and a band gap wavelength longer than that of the first semiconductor layer. A first conductive type second semiconductor layer that is held and bonded to the first semiconductor layer; and a first conductive type third semiconductor layer that has a band gap wavelength longer than that of the light receiving layer and is bonded to the second semiconductor layer. And
As the optical filter layer, first, second, third, and fourth optical filter layers made of optical filter layers each including the first, second, and third semiconductor layers are joined in series,
The second and fourth optical filter layers are inverted so that the incident side and the outgoing side are opposite to the traveling direction of incident light, and are joined to the first and third optical filter layers ,
Semiconductors receiving element characterized that it contained at least the first first-conductivity type dopant into the third semiconductor layer of the optical filter layer.
半絶縁性基板と、
前記半絶縁性基板の一端側に接合されたn型又はp型の第1導電型のバッファ層と、
このバッファ層の前記半絶縁性基板とは反対側に接合された第1導電型の光フィルタ層と、
この光フィルタ層の前記バッファ層とは反対側に接合された第1導電型の第1コンタクト層と、
この第1コンタクト層の前記光フィルタ層とは反対側に接合され且つ第2入射光を受光する第1導電型の受光層と、
この受光層の前記第1コンタクト層とは反対側に接合された第1導電型のキャップ層及びp型又はn型の第2導電型の第2コンタクト層と、
この第2導電型の第2コンタクト層に接合された正電極と、
前記第1導電型の第1コンタクト層に接合された負電極とを備え、
前記光フィルタ層は、前記受光層よりも長いバンドギャップ波長を持ち且つ前記バッファ層に接合された第1導電型の第3半導体層と、前記第1入射光と第2入射光の中間の長さのバンドギャップ波長を持ち且つ前記第3半導体層に接合された第1導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層よりも短いバンドギャップ波長を持ち且つ第2半導体層に接合された第1導電型の第1半導体層とを備え、
少なくとも前記光フィルタ層の第3半導体層に第1導電型のドーパントを含有させたことを特徴とする半導体受光素子。In the semiconductor light receiving element that receives only the second incident light among the first incident light of the first wavelength and the second incident light of the second wavelength longer than the first wavelength,
A semi-insulating substrate;
An n-type or p-type first conductivity type buffer layer bonded to one end of the semi-insulating substrate;
A first conductivity type optical filter layer bonded to the opposite side of the buffer layer from the semi-insulating substrate;
A first contact layer of a first conductivity type bonded to the side of the optical filter layer opposite to the buffer layer;
A light-receiving layer of a first conductivity type that is bonded to the side opposite to the optical filter layer of the first contact layer and receives second incident light;
A first conductivity type cap layer and a p-type or n-type second conductivity type second contact layer bonded to the opposite side of the light-receiving layer to the first contact layer;
A positive electrode bonded to the second contact layer of the second conductivity type;
A negative electrode joined to the first contact layer of the first conductivity type,
The optical filter layer has a band gap wavelength longer than that of the light receiving layer and a first conductive type third semiconductor layer bonded to the buffer layer, and an intermediate length between the first incident light and the second incident light. A second semiconductor layer of the first conductivity type having a thickness of a band gap and bonded to the third semiconductor layer, and a band gap wavelength shorter than that of the second semiconductor layer and bonded to the second semiconductor layer. A first semiconductor layer of a first conductivity type,
A semiconductor light receiving element, wherein a dopant of the first conductivity type is contained in at least the third semiconductor layer of the optical filter layer .
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