JP4861887B2 - 半導体受光装置、光受信モジュールおよび半導体受光装置の製造方法 - Google Patents

半導体受光装置、光受信モジュールおよび半導体受光装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体受光装置、光受信モジュールおよび半導体受光装置の製造方法に係り、速度特性の改善された特に埋め込みメサ構造を有する半導体受光装置、光受信モジュールおよび半導体受光装置の製造方法に関する。
特許文献1の図1ないし図9には、裏面入射型アバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photo Diode)の製造工程が説明されている。また、図11ないし図18には表面入射型APDの製造工程が説明されている。なお、図18の表面入射型APDが、p型リング電極を採用しているのに対し、図9の裏面入射型APDのp型電極とのコンタクト部(スルーホール)は、リング形状をしていない。しかし、裏面入射型APDでもp型電極との接続用のパッシベーション層のスルーホールをリング形状として、スルーホールの内側にミラーを形成することが一般的となっている。これは、コンタクト用スルーホールの内側のパッシベーション層と電極のメタライズとによって、ミラーが形成でき、ミラーを反射した光を再び吸収することができるからである。
また、特許文献2は、電界調整層を有するAPDの基本的な技術を開示している。
特開2004−179404号公報 特開2002−324911号公報
上述した技術では、裏面入射型APD、表面入射型APDとも内側の第1メサの径より、ミラーの外径または受光径が小さい。一方、APDの応答速度を向上するためには、素子容量を低減することが必要である。素子容量を低減するためには、第1メサの径を小さくする必要がある。しかし、裏面入射型APDのミラーの外径および表面入射型APD受光径を低減すると受光感度が低下または光ファイバとの光結合のトレランスが低下する。本発明は、受光感度を低下することなくまたは受光径を低減させることなく素子容量を低減する。
上述した課題は、半導体基板上に第1の導電型の半導体結晶層と第2の導電型の半導体結晶層とからなるpn接合を含む複数の半導体結晶層からなり、且つ上部に第1のコンタクト層を含むメサが形成され、前記メサの周囲が埋め込み層により埋め込まれており、前記埋め込み層の上に、前記埋め込み層と組成が異なる、前記第1のコンタクト層と接続された第2のコンタクト層が形成されており、前記第2のコンタクト層と前記第1のコンタクト層とを介して前記pn接合に電界を印加するメサ側電極と基板側電極とが接続された半導体受光装置において、前記メサ側電極部のコンタクト部は、リング形状であり、その内径は、前記メサの外形より大または同じであることを特徴とする半導体受光装置により、達成できる。
また、半導体基板上に第1の導電型の半導体結晶層と第2の導電型の半導体結晶層とからなるpn接合を含む複数の半導体結晶層からなり、且つ上部に第1のコンタクト層を含むメサを形成するステップと、前記メサを埋め込む埋め込み層を結晶成長によって形成するステップと、前記埋め込み層の上に前記第1のコンタクト層と接続された第2のコンタクト層を結晶成長によって形成するステップと、前記第2のコンタクト層に接続された電極層を形成するステップとからなる半導体受光装置の製造方法により、達成される。
本発明によれば、受光感度を低下させることなくまたは受光径を低減させることなく素子容量を低減することができる。
以下本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら説明する。なお、同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
図1および図2を参照して、実施例1を説明する。ここで、図1は裏面入射型APDの第2メサ周辺の断面図である。また、図2は光受信モジュールのブロック図である。
図1を参照して、裏面入射型APDの構造および製造プロセスを説明する。なお、図1および後述する図3は、主要部の完成断面図であるが、当業者が参照すればその製造プロセスを理解可能である。
図1において、不純物濃度1×10^18/cm^3(1×1018/cm)のn型InP基板101に分子線エピタキシャル成長法を用いて、n型InAlAs(不純物濃度2×10^18/cm^3、厚さ0.7μm)バッファ層103、n型InAlAs(5×10^14/cm^3、0.2μm)増倍層104、p型InAlAs/p型InGaAs/p型InAlAs(1×10^18/cm^3、各0.02μm)電界調整層105、p型InGaAs(1×10^15/cm^3、1.2μm)光吸収層106、p型InAlGaAs(5×10^17/cm^3、1.0μm)キャップ層107、p型InGaAs(5×10^19/cm^3、0.1μm)コンタクト層108を形成する。
円形のハードマスクを形成した後、コンタクト層108、キャップ層107、光吸収層106および電界調整層105をリン酸系のエッチング液でエッチングする。このとき、pn接合面(電界調整層105とその下層の増倍層104との界面)が露出しないようにするために、電界調整層105の途中でエッチングを停止する。ここまでの工程により、基板101上に第1メサ110が形成される。
次に、有機金属気相エピタキシャル(Metal Organic VaporPhase Epitaxy:MOVPE)法を用いて第1メサ110の周囲の基板101上にp型InP結晶からなる埋め込み層(1×10^15/cm^3、1.6μm)111を成長させる。さらに、ハードマスクを除去し、埋め込み層111の上部にp型InGaAs(5×10^19/cm^3、0.1μm)コンタクト層108aを再形成する。コンタクト層108aは、コンタクト層108と接続し、一体化する。
次に、コンタクト層108aの上部に第1メサ110よりも径の大きい直径の円形の平面パターンを有するレジストを形成し、このレジストをマスクにしてコンタクト層108a、埋め込み層111、電界調整層105、増倍層104、バッファ層103および基板101の表面をBr系エッチング液でエッチングする。
ここまでの工程により、第1メサ110の周囲の基板101上に第2メサ120が形成される。第2メサ120は、第1メサ110に対して同心円状の平面パターンを有している。
フォトレジストを除去した後、基板101の表面全体を絶縁性の保護膜で被覆する。保護膜は、SiN(0.2μm)膜113とSiO2(0.3μm)膜114とを堆積することによって形成する。
保護膜をフォトリソグラフィ技術で加工することによって、コンタクト層108aの一部(スルーホール)および基板101の図示しない一部を露出させた後、コンタクト層108aに接続されるp型電極115および基板101に接続される図示しないn型電極を形成する。電極は、蒸着法で堆積した膜厚0.5μmのTi/Pt/Au(本明細書において、”/”は、基板に近い側/基板に遠い側である)をフォトリソグラフィ技術でパターニングすることによって形成する。なお、コンタクト層108aに形成したスルーホールは二つの同心円からなるリング形状を有している。ここで、第1メサ110の直径は、内側の同心円の直径以下となるようにする。この結果、内側の同心円内部は、コンタクト層108の上に透明保護膜113、114、メタライズとしてTi/Pt/Auが形成され、鏡(ミラー)を構成する。
図1において、裏面入射型APD200は、裏面から入射した受信光をミラーで反射して、光吸収層106を双方向に通過させてキャリアを発生させ、キャリアを増倍する増倍層を設け、第1メサの径を小さくして素子容量を低減しているので、高感度でしかも速度特性に優れている。
図2に示す光受信モジュール300は、裏面入射型APD200とリミットアンプ付TIA(Trans Impedance Amplifier)330とで構成される。また、リミットアンプ付TIA330は、プリアンプ331と帰還抵抗332とリミットアンプ333とから構成され、電流入力を電圧出力に変換する負帰還アンプである。光受信モジュール300は、裏面入射型APD200において矢印で示した光信号を受信し、リミットアンプ付TIA330の正相出力であるOUT1端子310と、逆相出力であるOUT2端子320とから電気信号として、出力される。
この光受信モジュール300は、裏面入射型APD200の受光径が比較的大きいのに対し、容量が小さいため、低入力インピーダンスのプリアンプとの組み合わせが可能となり、優れた高周波応答特性を実現できる。また、光軸調芯がしやすく、2.5Gbit/s以上の高速用途で安価・製造歩留りの高いモジュールである。
上述した実施例に拠れば、第1メサの外側にコンタクト用のスルーホールを形成できる。この結果、感度、受光径から要求される最小の第1メサ径とすることができ、素子容量を低減できる。この結果、高速応答が可能である。また、第1メサの上部は全てミラーを形成することができる。この結果、受光感度の面内分布が均一となり、ファイバとの結合が容易となる効果がある。
図3を参照して、実施例2を説明する。ここで、図3は表面入射型APDの第2メサ周辺の断面図である。図3を参照して、表面入射型APDの構造および製造プロセスを説明する。
図3において、不純物濃度1×10^18/cm^3のn型InP基板101に分子線エピタキシャル成長法を用いて、n型InAlAs(2×10^18/cm^3、0.7μm)バッファ層103、n型InAlAs(5×10^14/cm^3、0.2μm)増倍層104、p型InAlAs/p型InGaAs/p型InAlAs(1×10^18/cm^3、各0.02μm)電界調整層105、p型InGaAs(1×10^15/cm^3、1.4μm)光吸収層106、p型InAlGaAs(5×10^17/cm^3、1.0μm)キャップ層107、p型InGaAs(5×10^19/cm^3、0.1μm)コンタクト層108を形成する。
円形のハードマスクを形成した後、コンタクト層108、キャップ層107、光吸収層106および電界調整層105をリン酸系のエッチング液でエッチングする。このとき、pn接合面が露出しないようにするために、電界調整層105の途中でエッチングを停止する。ここまでの工程により、基板101上に第1メサ110が形成される。
次に、有機金属気相エピタキシャル法を用いて第1メサ110の周囲の基板101上にp型InP結晶からなる埋め込み層(1×10^15/cm^3、1.6μm)111を成長させる。さらに、ハードマスクを除去し、埋め込み層111の上部にp型InGaAs(5×10^19/cm^3、0.1μm)コンタクト層108aを再形成する。コンタクト層108aは、コンタクト層108と接続され、一体化する。なお、実施例1では吸収層106の厚さが1.2μmであったのに対し、実施例2では1.4μmである。一方、埋め込み層111の厚さは、同じ1.6μmである。埋め込み層111の厚さは、薄すぎると第1メサ110側面が上端まで埋め込まれない。逆に厚すぎると突起状に盛り上がるので、適正化を図る必要がある。ここでは、発明者等は、実験的に同じ値で問題ないことを確認した。
次に、コンタクト層108の上部に第1メサ110よりも径の大きい直径の円形の平面パターンを有するレジストを形成し、このレジストをマスクにしてコンタクト層108a、埋め込み層111、電界調整層105、増倍層104、バッファ層103および基板101の表面をBr系エッチング液でエッチングする。
ここまでの工程により、第1メサ110の周囲の基板101上に第2メサ120が形成される。第2メサ120は、第1メサ110に対して同心円状の平面パターンを有している。
フォトレジストを除去した後、基板101の表面全体を絶縁性の保護膜で被覆する。保護膜は、SiN(0.2μm)膜113とSiO2(0.3μm)膜114とを堆積することによって形成する。
保護膜をフォトリソグラフィ技術で加工することによって、コンタクト層108aの一部(スルーホール)および基板101の図示しない一部を露出させる。ここで、コンタクト層108aに形成したスルーホールは、二つの同心円からなるリング形状をしており、第1メサ110の直径は内側の同心円の直径以下となるようにする。再度フォトリソグラフィ技術により、コンタクト層108a上に形成したスルーホールの内側のSiO2膜114をエッチングする。この結果、スルーホールの内側に残ったSiN膜113は、反射防止膜として機能する。
続いてのコンタクト層108aに接続されるp型電極115および基板101に接続される図示しないn型電極を形成する。電極は、蒸着法で堆積した膜厚0.5μmのTi/Pt/Auをフォトリソグラフィ技術でパターニングすることによって形成する。なお、p型電極115は、リング形状であり、その内側が受光部である。また、図3では断面部分のみ記載している。
図3において、表面入射型APD200Aは、表面から入射した受信光を実施例1より厚い光吸収層106を片方向に通過させてキャリアを発生させ、キャリアを増倍する増倍層を設け、素子容量を低減しているので、高感度でしかも特性に優れている。
図3を参照して説明した表面入射型APD200Aも図2の光受信モジュールとすることで、容量が小さく、低入力インピーダンスのプリアンプとの組み合わせが可能となり、優れた高周波応答特性を実現できる。また、光軸調芯がしやすく、2.5Gbit/s以上の高速用途で安価・製造歩留りの高いモジュールを得ることが可能である。
上述した実施例に拠れば、第1メサの外側にリング状電極を形成できる。この結果、受光径から要求される最小の第1メサ径とすることができ、素子容量を低減できる。この結果、高速応答が可能である。
裏面入射型APDの第2メサ周辺の断面図である。 光受信モジュールのブロック図である 表面入射型APDの第2メサ周辺の断面図である。
符号の説明
101…InP基板、103…バッファ層、104…増倍層、105…電界調整層、106…光吸収層、107…キャップ層、108…コンタクト層、110…第1メサ、111…埋め込み層、113…SiO2層、114…SiN層、115…p型電極、120…第2メサ、200…アバランシェフォトダイオード、300…光受信モジュール、310…OUT1端子、320…OUT2端子、330…リミットアンプ付TIA、331…プリアンプ、332…負帰還抵抗、333…リミットアンプ。

Claims (8)

  1. 半導体基板上に第1の導電型の半導体結晶層と第2の導電型の半導体結晶層とからなるpn接合を含む複数の半導体結晶層からなり、且つ上部に第1のコンタクト層を含むメサが形成され、
    前記メサの周囲が埋め込み層により埋め込まれており、
    前記埋め込み層の上に、前記埋め込み層と組成が異なる、前記第1のコンタクト層と接続された第2のコンタクト層が形成されており、
    前記第2のコンタクト層と前記第1のコンタクト層とを介して前記pn接合に電界を印加するメサ側電極と基板側電極とが接続された半導体受光装置において、
    前記メサ側電極部のコンタクト部は、リング形状であり、その内径は、前記メサの外形より大または同じであることを特徴とする半導体受光装置。
  2. 請求項1に記載の半導体受光装置であって、
    前記埋め込み層は、結晶成長にて形成された単一の導電型であることを特徴とする半導体受光装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の半導体受光装置であって、
    前記メサ側電極部は、リング形状であり、その内側に表面から入射された光を透過する反射防止部を有することを特徴とする半導体受光装置。
  4. 請求項1または請求項2に記載の半導体受光装置であって、
    前記メサ側電極は、裏面から入射された光を反射する鏡を有することを特徴とする半導体受光装置。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一つに記載の半導体受光装置と、電流入力を電圧出力に変換する負帰還アンプと、からなることを特徴とする光受信モジュール。
  6. 半導体基板上に第1の導電型の半導体結晶層と第2の導電型の半導体結晶層とからなるpn接合を含む複数の半導体結晶層からなり、且つ上部に第1のコンタクト層を含むメサを形成するステップと、
    前記メサを埋め込む埋め込み層を結晶成長によって形成するステップと、
    前記埋め込み層の上に前記第1のコンタクト層と接続された第2のコンタクト層を結晶成長によって形成するステップと、
    前記第2のコンタクト層に接続された電極層を形成するステップとからなる半導体受光装置の製造方法。
  7. 請求項6に記載の半導体受光装置の製造方法であって、
    前記埋め込み層と前記第2のコンタクト層とは異なる組成であることを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
  8. 請求項6または請求項7に記載の半導体受光装置の製造方法であって、
    前記埋め込み層は、単一の導電型であることを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
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