JP5239568B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、共振型の半導体受光素子に関し、特に量子効率の波長依存性を低減することができる半導体受光素子に関するものである。
近年、光通信に用いる光伝送システムの超高速化に伴い、光伝送システムの基幹デバイスである半導体受光素子の高効率化・高速化が求められている。こうした要望に応えるために、素子内で光の反射を繰り返すことで光の吸収効率を高める共振型フォトダイオード（ＰＤ）が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
図８は、表面入射型の共振型フォトダイオードを示す断面図である。半導体基板１００の上面に、半導体基板１００側から順番に、ｎ型の多層反射層１０２、ｎ型の位相調整層１０４、光吸収層１０６、ｐ型の位相調整層１０８、ｐ型の多層反射層１１０及びアノード電極１１２が形成されている。半導体基板１００の下面にカソード電極１１４が形成されている。このＰＤは台座１１６上に実装されている。
多層反射層１０２，１１０は、例えばＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰなどの屈折率の異なる半導体層を交互に積層したもので、光を反射または透過する働きがある。位相調整層１０４，１０８は、光吸収層１０６よりもバンドギャップが大きく、例えばＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰなどからなる。この位相調整層１０４，１０８により、多層反射層１０２と多層反射層１１０の間に共振モードが発生する。
次に、図８の共振型ＰＤの動作について簡単に説明する。アノード電極１１２の電位がカソード電極１１４の電位に比べて低くなるように、５Ｖほどの逆バイアスが印加される。図の上側から入射された光は、多層反射層１０２と多層反射層１１０の間を往復（共振）しながら、光吸収層１０６で吸収される。吸収された光から電子と正孔のペアが発生し、それぞれカソード電極１１４とアノード電極１１２側に流れて電流として出力される。このように、共振型ＰＤでは、光を何回も吸収層を往復（共振）させて吸収するので、吸収層を薄くしても高い量子効率が得られ、光の共振Ｑ値を高めることができる。なお、量子効率とは、１つの光子がＰＤに入射した場合に、１つの電子・正孔ペアが発生する確率をいう。
このような共振型ＰＤは光の共振現象を利用しているため、量子効率の波長依存性が大きいという問題があった。そこで、発明者は以下に示す図９のＰＤを考案した。図９は、裏面入射型の共振型フォトダイオードを示す断面図である。半導体基板１１８の下面に、ｎ型の多層反射層１２０、光吸収層１２２、ｐ型の位相調整層１２４及びアノード電極１２６が順番に形成されている。半導体基板１１８の上面にカソード電極１２８が形成され、カソード電極１２８の開口部に反射防止膜１３０が形成されている。図の上側から入射された光は、図８のＰＤと同じように、多層反射層１２０とアノード電極１２６の間を往復（共振）しながら、光吸収層１２２で吸収される。
図１０は、図９のＰＤの量子効率の波長依存性を示す図である。図９のＰＤは、多層反射層１２０とアノード電極１２６の間に有る共振キャビティの厚みに対する光吸収層１２２の厚みが占める割合が大きく、かつ、反射率の波長依存性が小さいアノード電極２２を反射膜として使用しているため、量子効率の波長依存性が小さい。量子効率がピークから１０％低下する波長幅は４５ｎｍである。この波長幅が大きいほど、量子効率の波長依存性が小さいことを意味する。
図９のＰＤは、図８のＰＤよりも波長依存性が抑制されるが、量子効率の波長依存性がまだまだ大きい。光通信では１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの範囲の様々な波長の光がＰＤに入射されるが、波長によって量子効率が３０％程度変化してしまう。このため、図９のＰＤを光受信機の受信用ＰＤとして用いると、波長によっては十分な受信感度が得られなかった。また、量子効率の波長依存性が大きいと、出荷前に受信機の性能を検査する際に、色々な波長で検査を行なわなければならなかった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、量子効率の波長依存性を低減することができる半導体受光素子を得るものである。
本発明は、半導体基板の下面に、前記半導体基板側から順番に、第１の多層反射層、第１の光共振層、第２の多層反射層、光吸収層及び反射膜が形成され、前記半導体基板の上面に反射防止膜が形成され、前記第１の光共振層は、前記第１，第２の多層反射層を構成する各半導体層よりも厚く、前記第２の多層反射層と前記反射膜の間に有る膜の光学膜厚を第１の光学膜厚とし、前記第１の光共振層の光学膜厚を第２の光学膜厚とし、ｎを整数、λを入射光の波長とすると、前記第１の光学膜厚は（２ｎ−１）λ／４であり、前記第２の光学膜厚は２ｎλ／４であることを特徴とする半導体受光素子である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、量子効率の波長依存性を低減することができる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は裏面入射型の共振型フォトダイオードである。
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は裏面入射型の共振型フォトダイオードである。
ｎ型ＩｎＰ基板１０（半導体基板）の下面に、ｎ型ＩｎＰ基板１０側から順番に、ｎ型の第１の多層反射層１２、ｎ型の第１の光共振層１４、ｎ型の第２の多層反射層１６、ｉ型ＩｎＧａＡｓの光吸収層１８、ｐ型の位相調整層２０及びアノード電極２２（反射膜）が形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１０の上面にカソード電極２４が形成され、カソード電極２４の開口部に反射防止膜２６が形成されている。このＰＤは台座２８上に実装されている。
第１，第２の多層反射層１２，１６は、屈折率の異なる複数の半導体層を積層した分布型ブラグ反射器（DBR: Distributed Bragg Reflector）である。第１，第２の多層反射層１２，１６を構成する各半導体層の光学膜厚は、ＰＤに入射する光の波長の概ね４分の１のｎ倍（ｎ＝１，３，５，７，…）である。第１，第２の多層反射層１２，１６として、具体的にはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、組成の異なるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、組成の異なるＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓなどの組み合わせや、これらの材料を３種類以上組み合わせたものなどを用いる。
第１の光共振層１４は、第１，第２の多層反射層１２，１６を構成する各半導体層よりも厚く、光吸収層１８よりもバンドギャップの大きい材料（例えばＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ）からなる。
ｐ型位相調整層２０は、光吸収層１８よりもバンドギャップの大きい材料、例えばＩｎＰからなる。アノード電極２２は、光吸収層１８を透過してきた光を反射して再び光吸収層１８へ戻す。台座２８は、アノード電極２２に給電し、ＰＤで発生した熱を逃がす機能が有る。
次に、本実施の形態の効果について、図９のＰＤと対比させながら説明する。第２の多層反射層１６とアノード電極２２の間に有る光吸収層１８と位相調整層２０の光学膜厚を第１の光学膜厚Ｌｏｐｔ１とすると、第１の光学膜厚Ｌｏｐｔ１とＰＤに入射される入射光の波長λとが式（１）の条件を満たす時に、第２の多層反射層１６とアノード電極２２の間における光の共振（第１の共振モード）が最大になり、光吸収層１８内を光が何度も往復するので高い感度が得られる。
Ｌｏｐｔ１＝ｎλ／４ ・・・（１）
ここで、ｎは整数である。これにより、図９のＰＤでは、ある特定の波長λ１のみで高い量子効率が得られる。
Ｌｏｐｔ１＝ｎλ／４ ・・・（１）
ここで、ｎは整数である。これにより、図９のＰＤでは、ある特定の波長λ１のみで高い量子効率が得られる。
一方、本実施の形態では、第１の多層反射層１２と第２の多層反射層１６の間に第１の光共振層１４を設けている。これにより、第１の多層反射層１２と第２の多層反射層１６の間おいて光の共振（第２の共振モード）が発生する。そして、第１の光共振層１４の光学膜厚を第２の光学膜厚Ｌｏｐｔ２とすると、Ｌｏｐｔ１とＬｏｐｔ２は異なる。即ち、式（２）の条件を満たす。
Ｌｏｐｔ１≠Ｌｏｐｔ２ ・・・（２）
これにより、本実施の形態では、波長λ１とは異なる波長λ２でも量子効率のピークを持つ。このように量子効率のピーク波長が２つに分散されるため、量子効率の波長依存性を低減することができる。具体的には、第２の光学膜厚Ｌｏｐｔ２は、第１の光学膜厚Ｌｏｐｔ１の数分の１から数倍の範囲である。
Ｌｏｐｔ１≠Ｌｏｐｔ２ ・・・（２）
これにより、本実施の形態では、波長λ１とは異なる波長λ２でも量子効率のピークを持つ。このように量子効率のピーク波長が２つに分散されるため、量子効率の波長依存性を低減することができる。具体的には、第２の光学膜厚Ｌｏｐｔ２は、第１の光学膜厚Ｌｏｐｔ１の数分の１から数倍の範囲である。
また、ｎを整数、λを入射光の波長とすると、式（３）（４）の条件を満たせば、量子効率の波長依存性を更に低減することができる。
Ｌｏｐｔ１＝（２ｎ−１）λ／４ ・・・（３）
Ｌｏｐｔ２＝２ｎλ／４ ・・・（４）
Ｌｏｐｔ１＝（２ｎ−１）λ／４ ・・・（３）
Ｌｏｐｔ２＝２ｎλ／４ ・・・（４）
式（３）（４）の条件を満たすとき、量子効率の波長依存性が減少する理由は、式（３）で表される第１の共振モードの共振ピーク波長と式（４）で表される第２の共振モードの共振ボトム波長が一致しているためである。逆に、以下の関係を満たす時も、同じ理由で量子効率の波長依存性を低減できる。
Ｌｏｐｔ１＝２ｎλ／４ ・・・（５）
Ｌｏｐｔ２＝（２ｎ−１）λ／４ ・・・（６）
Ｌｏｐｔ１＝２ｎλ／４ ・・・（５）
Ｌｏｐｔ２＝（２ｎ−１）λ／４ ・・・（６）
図２は、図１の半導体受光素子の量子効率の波長依存性を示す図である。式（３）（４）の条件を満たすものとし、吸収層の厚みを０．８μｍとした。図９のＰＤの量子効率の波長依存性を示す図１０と比較すると、明らかに量子効率の波長依存性が低下している。量子効率がピークとなる波長１５５５ｎｍから量子効率の低下が１０％以内である波長範囲は９５ｎｍである。図９のＰＤの当該波長範囲は４５ｎｍであるため、波長範囲は約２倍に拡大したことになる。
また、第１の多層反射層１２の反射率は、第２の多層反射層１６の反射率よりも小さいことが好ましい。具体的には、第１の多層反射層１２の層数Ｎ１を第２の多層反射層１６の層数Ｎ２よりも少なくすればよい。即ち、式（７）の条件を満たせばよい。
Ｎ１＜Ｎ２ ・・・（７）
これにより、第１の共振モードによる量子効率改善効果が損なわれないため、高い量子効率を得ることができる。
Ｎ１＜Ｎ２ ・・・（７）
これにより、第１の共振モードによる量子効率改善効果が損なわれないため、高い量子効率を得ることができる。
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０と第１の多層反射層１２の間に、ｎ型ＩｎＰ基板１０側から順番に、第３の多層反射層３０及び第２の光共振層３２が更に形成されている。第２の光共振層３２は、第１〜第３の多層反射層１２，１６，３０を構成する各半導体層よりも厚い。その他の構成は実施の形態１と同様である。
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０と第１の多層反射層１２の間に、ｎ型ＩｎＰ基板１０側から順番に、第３の多層反射層３０及び第２の光共振層３２が更に形成されている。第２の光共振層３２は、第１〜第３の多層反射層１２，１６，３０を構成する各半導体層よりも厚い。その他の構成は実施の形態１と同様である。
この構成により、第１の多層反射層１２と第３の多層反射層３０の間おいて光の共振（第３の共振モード）が発生する。そして、第２の光共振層３２の光学膜厚Ｌｏｐｔ３は、第１の光学膜厚Ｌｏｐｔ１や第２の光学膜厚Ｌｏｐｔ２とは異なる。即ち、式（８）の条件を満たす。
Ｌｏｐｔ１≠Ｌｏｐｔ２≠Ｌｏｐｔ３ ・・・（８）
これにより、本実施の形態では、波長λ１，λ２とは異なる波長λ３でも量子効率のピークを持つ。このように量子効率のピーク波長が３つに分散されるため、より広い波長範囲で量子効率の波長依存性を低減することができる。
Ｌｏｐｔ１≠Ｌｏｐｔ２≠Ｌｏｐｔ３ ・・・（８）
これにより、本実施の形態では、波長λ１，λ２とは異なる波長λ３でも量子効率のピークを持つ。このように量子効率のピーク波長が３つに分散されるため、より広い波長範囲で量子効率の波長依存性を低減することができる。
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。実施の形態１の第１の光共振層１４を、バンドギャップ波長が入射光の波長よりも長い第１の光共振層３４に置き換えたものである。この吸収性の第１の光共振層３４で発生した電子と正孔を光電流として取り出せば、より高い量子効率を得ることができる。
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。実施の形態１の第１の光共振層１４を、バンドギャップ波長が入射光の波長よりも長い第１の光共振層３４に置き換えたものである。この吸収性の第１の光共振層３４で発生した電子と正孔を光電流として取り出せば、より高い量子効率を得ることができる。
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面に、ｎ型ＩｎＰ基板１０側から順番に、第１の多層反射層１２、第１の光共振層１４、第２の多層反射層１６、光吸収層１８、第３の多層反射層３６、第２の光共振層３８及びアノード電極２２（反射膜）が形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
図５は、本発明の実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面に、ｎ型ＩｎＰ基板１０側から順番に、第１の多層反射層１２、第１の光共振層１４、第２の多層反射層１６、光吸収層１８、第３の多層反射層３６、第２の光共振層３８及びアノード電極２２（反射膜）が形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
また、実施の形態１と同様に、第１，第２の光共振層１４，３８は、第１〜第３の多層反射層１２，１６，３６を構成する各半導体層よりも厚い。そして、第２の多層反射層１６と第３の多層反射層３６の間に有る光吸収層１８の光学膜厚、第１の光共振層１４の光学膜厚、第２の光共振層３８の光学膜厚はそれぞれ異なる。
これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、光吸収層１８の上下において共振キャビティが対称になるので、量子効率の波長依存性を量子効率のピーク波長に対して対称にすることができる。
実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は表面入射型の共振型フォトダイオードである。
図６は、本発明の実施の形態５に係る半導体受光素子を示す断面図である。この半導体受光素子は表面入射型の共振型フォトダイオードである。
ｎ型ＩｎＰ基板１０（半導体基板）の上面に、ｎ型ＩｎＰ基板１０側から順番に、ｎ型の第１の多層反射層４０、ｎ型の位相調整層４２、ｉ型ＩｎＧａＡｓの光吸収層４４、ｐ型の位相調整層４６、ｐ型の第２の多層反射層４８、ｐ型の光共振層５０、ｐ型の第３の多層反射層５２及びアノード電極２２が形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１０の下面にカソード電極２４が形成されている。
実施の形態１と同様に、光共振層５０は、第１，第２の多層反射層４８を構成する各半導体層よりも厚い。第１の多層反射層４０と第２の多重反射層の間に有る膜の光学膜厚を第１の光学膜厚とし、光共振層５０の光学膜厚を第２の光学膜厚とすると、第１の光学膜厚と第２の光学膜厚は異なる。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６に係る半導体受光素子を示す断面図である。第３の多層反射層５２が無く、光共振層５０の上面は空気に晒されている点以外は実施の形態５と同じである。空気と光共振層５０は屈折率が異なるため、光共振層５０の上面（光入射面）で光が反射し、第３の多層反射層５２と同様に機能する。なお、光共振層５０の上面に絶縁膜等の反射膜や反射抑制膜を設けて反射率を調整してもよい。
図７は、本発明の実施の形態６に係る半導体受光素子を示す断面図である。第３の多層反射層５２が無く、光共振層５０の上面は空気に晒されている点以外は実施の形態５と同じである。空気と光共振層５０は屈折率が異なるため、光共振層５０の上面（光入射面）で光が反射し、第３の多層反射層５２と同様に機能する。なお、光共振層５０の上面に絶縁膜等の反射膜や反射抑制膜を設けて反射率を調整してもよい。
１０ ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
１２，４０ 第１の多層反射層
１４，３４ 第１の光共振層
１６，４８ 第２の多層反射層
１８，４４ 光吸収層
２２ アノード電極（反射膜）
２６ 反射防止膜
３０，３６，５２ 第３の多層反射層
３２，３８ 第２の光共振層
５０ 光共振層
１２，４０ 第１の多層反射層
１４，３４ 第１の光共振層
１６，４８ 第２の多層反射層
１８，４４ 光吸収層
２２ アノード電極（反射膜）
２６ 反射防止膜
３０，３６，５２ 第３の多層反射層
３２，３８ 第２の光共振層
５０ 光共振層
Claims (3)
- 半導体基板の下面に、前記半導体基板側から順番に、第１の多層反射層、第１の光共振層、第２の多層反射層、光吸収層及び反射膜が形成され、
前記半導体基板の上面に反射防止膜が形成され、
前記第１の光共振層は、前記第１，第２の多層反射層を構成する各半導体層よりも厚く、
前記第２の多層反射層と前記反射膜の間に有る膜の光学膜厚を第１の光学膜厚とし、前記第１の光共振層の光学膜厚を第２の光学膜厚とし、
ｎを整数、λを入射光の波長とすると、前記第１の光学膜厚は（２ｎ−１）λ／４であり、前記第２の光学膜厚は２ｎλ／４であることを特徴とする半導体受光素子。 - 半導体基板の下面に、前記半導体基板側から順番に、第１の多層反射層、第１の光共振層、第２の多層反射層、光吸収層及び反射膜が形成され、
前記半導体基板の上面に反射防止膜が形成され、
前記第１の光共振層は、前記第１，第２の多層反射層を構成する各半導体層よりも厚く、
前記第２の多層反射層と前記反射膜の間に有る膜の光学膜厚を第１の光学膜厚とし、前記第１の光共振層の光学膜厚を第２の光学膜厚とし、
ｎを整数、λを入射光の波長とすると、前記第１の光学膜厚は２ｎλ／４であり、前記第２の光学膜厚は（２ｎ−１）λ／４であることを特徴とする半導体受光素子。 - 前記第１の光共振層のバンドギャップ波長が入射光の波長よりも長いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
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