JP5307750B2 - Semiconductor photo detector - Google Patents
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Description
本発明は、半導体受光素子に関し、特に、高速,高効率な動作を可能にする半導体受光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light receiving element, and more particularly to a semiconductor light receiving element that enables high-speed and highly efficient operation.
光通信に用いる半導体受光素子として、フォトダイオードが一般的に用いられている。フォトダイオードは、半導体吸収層に対するバンドギャップ以上の波長の光入射により電子および正孔を生成させ、生成させた電子および正孔を電気的エネルギーとして取り出すことで光電変換している。 A photodiode is generally used as a semiconductor light receiving element used for optical communication. The photodiode performs photoelectric conversion by generating electrons and holes by light incidence with a wavelength equal to or greater than the band gap to the semiconductor absorption layer, and taking out the generated electrons and holes as electrical energy.
フォトダイオードは、動作時には、p型の半導体層,i型の光吸収層,n型の半導体層からなるpin接合間に電圧を印加し、光吸収層を空乏化させる。この状態で、入射した光により光吸収層に誘起された電子および正孔は、電圧が印加されているために、光吸収層内でドリフト移動し、この後で電極に達する。これが、pinフォトダイオードでの光電変換の基本原理である。 In operation, the photodiode depletes the light absorption layer by applying a voltage across a pin junction composed of a p-type semiconductor layer, an i-type light absorption layer, and an n-type semiconductor layer. In this state, the electrons and holes induced in the light absorption layer by the incident light drift in the light absorption layer because of the voltage applied, and then reach the electrode. This is the basic principle of photoelectric conversion in a pin photodiode.
上述したフォトダイオードに代表される半導体受光素子の応答速度は、一般的に素子のCR時定数とキャリアの走行時間に支配されている。従って、半導体受光素子の応答速度の向上のためには、両方を改善することが重要となる。 The response speed of a semiconductor light-receiving element typified by the photodiode described above is generally governed by the CR time constant of the element and the carrier travel time. Therefore, in order to improve the response speed of the semiconductor light receiving element, it is important to improve both.
まず、キャリアの走行時間を短くするためには、光吸収層を薄くすることが考えられる。しかし、光吸収層を薄くすると入射光を十分に吸収することができなくなり、光電変換効率が低下する。この光電変換効率の低下を改善するため、基板に対して上面から光を入射する上面入射型の半導体受光素子では、基板の裏面に金属、あるいは誘電体多層膜によるミラーを形成する方法が提案されている。このようにミラーを形成することで、光吸収層を抜けてきた入射光をミラーで反射して再び光吸収層に戻すことができ、薄い光吸収層でも入射光の光吸収層内の光路長を実効的に大きくすることができ、光電変換効率の低下を抑えながら走行時間を短縮することができる。 First, in order to shorten the traveling time of the carrier, it is conceivable to make the light absorption layer thin. However, if the light absorption layer is made thin, incident light cannot be sufficiently absorbed, and the photoelectric conversion efficiency is lowered. In order to improve this decrease in photoelectric conversion efficiency, a method of forming a mirror made of a metal or dielectric multilayer film on the back surface of the substrate has been proposed for a top-illuminated semiconductor light-receiving element that makes light incident on the substrate from the top surface. ing. By forming the mirror in this way, the incident light that has passed through the light absorption layer can be reflected by the mirror and returned to the light absorption layer again. Even with a thin light absorption layer, the optical path length in the light absorption layer of the incident light Can be effectively increased, and the traveling time can be shortened while suppressing a decrease in photoelectric conversion efficiency.
次に、CR時定数を小さくするためには、受光部を小さく作製して素子のキャパシタンスを低減させる必要がある。しかし、前述の基板裏面での反射を用いた構造で受光部を小さくすると、基板の厚さのために光路長が長く、基板裏面のミラーによって反射してくる光が大きく広がるため、戻ってくる光を受光部が受け切れなくなる。これに対して光吸収層の直下に、半導体多層膜のDBRミラーを形成する方法がある(例えば非特許文献1参照)。しかしながら、半導体DBRは波長依存性が大きく、用いられる波長帯によってミラー構成の最適化を行う必要があるなど、適用が容易ではない。 Next, in order to reduce the CR time constant, it is necessary to make the light receiving portion small to reduce the capacitance of the element. However, if the light receiving portion is made small by the structure using the reflection on the back surface of the substrate, the optical path length is long due to the thickness of the substrate, and the light reflected by the mirror on the back surface of the substrate greatly spreads, so it returns. The light receiving unit cannot receive light. On the other hand, there is a method of forming a DBR mirror of a semiconductor multilayer film immediately below the light absorption layer (see, for example, Non-Patent Document 1). However, the semiconductor DBR has a large wavelength dependency and is not easy to apply because it is necessary to optimize the mirror configuration depending on the wavelength band to be used.
上述した基板側反射の構成の問題を解消した半導体受光素子として、基板側から光を入射する下面入射型がある。以下、高速光通信に用いられている下面入射型pinフォトダイオードを例に説明する。このフォトダイオードは、図7に示すように、まず、半絶縁性のInPからなる基板701の上に、n+−InPからなるn電極コンタクト層702,アンドープのInGaAsからなる光吸収層703,p+−InGaAsからなるp電極コンタクト層704が、順次エピタキシャル成長により形成されている。また、p電極コンタクト層704の上には、Pt/Ti/Pt/Au/Pt/Ti多層膜からなるp電極兼反射層705が形成されている。また、エッチングにより露出させた一部のn電極コンタクト層702の上には、Ti/Pt/Au/Pt/Ti多層膜からなるn電極706が形成されている。
As a semiconductor light-receiving element that solves the problem of the substrate-side reflection configuration described above, there is a bottom surface incident type in which light is incident from the substrate side. Hereinafter, a bottom-illuminated pin photodiode used for high-speed optical communication will be described as an example. As shown in FIG. 7, this photodiode includes an n-
上述した下面入射型のフォトダイオードは、基板701の側より入射して光吸収層703を抜けてきた入射光を、最上面に形成したp電極兼反射層705で反射させ、再び光吸収層703に戻すようにしている。この構造の場合、光吸収層703とp電極兼反射層705との間に、基板701のような各半導体層よりも非常に厚みのある物体が入らない。このため、たとえp電極兼反射層705によって反射光が広がったとしても、光吸収層703に到達するまでの広がりは極わずかで済み、ほとんどの光は光吸収層703に再び戻っていく。このため、下面入射型とすることで、受光部を小さくしても光電変換効率の低下を抑えることが可能となる。
In the above-described bottom-illuminated photodiode, incident light that enters from the
しかしながら、上述した下面入射型では、ミラー(反射層)が電極を兼用しているため、ミラーとなる金属層が半導体層に接して形成されることになる。このように金属層と半導体層とが接触していると、製造過程における各種の加熱処理による熱履歴の結果、半導体層に金属層の金属元素が拡散し、また、半導体層と金属層との接触面に合金が形成されるようになる。このような状態では、半導体と金属層との界面での急峻性が損なわれ、ミラーとしての効果を十分発揮できなくなるという問題がある。 However, in the above-described bottom-illuminated type, the mirror (reflective layer) also serves as an electrode, so that the metal layer serving as the mirror is formed in contact with the semiconductor layer. When the metal layer and the semiconductor layer are in contact with each other in this manner, the metal element of the metal layer diffuses into the semiconductor layer as a result of thermal history due to various heat treatments in the manufacturing process, and between the semiconductor layer and the metal layer. An alloy is formed on the contact surface. In such a state, there is a problem that the steepness at the interface between the semiconductor and the metal layer is lost, and the effect as a mirror cannot be sufficiently exhibited.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、反射層を備える下面入射型の半導体受光素子における反射層における性能の劣化が抑制できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress deterioration in performance of a reflective layer in a bottom-illuminated semiconductor light-receiving element having a reflective layer. .
本発明に係る半導体受光素子は、基板の上に形成された第1導電型の半導体からなる第1半導体層と、この第1半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、この光吸収層の上に形成された第2導電型の半導体からなる第2半導体層と、この第2半導体層の上の周辺部に接して形成された第1電極と、第1半導体層に形成された第2電極と、第1電極の内側の第2半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層とを少なくとも備え、光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第1半導体層,および第2半導体層は、光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第1半導体層および第2半導体層は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層は、第1半導体層および第2半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、誘電体層は、第2半導体層側のTiO 2 の層およびTiO 2 の層の上に形成されたSiO 2 の層の積層から構成されている。 A semiconductor light receiving element according to the present invention includes a first semiconductor layer made of a first conductivity type semiconductor formed on a substrate, a light absorption layer made of a semiconductor formed on the first semiconductor layer, A second semiconductor layer made of a second conductivity type semiconductor formed on the light absorption layer, a first electrode formed in contact with a peripheral portion on the second semiconductor layer, and formed on the first semiconductor layer At least a reflective layer made of a metal formed on a second semiconductor layer inside the first electrode via a dielectric layer, and the light absorption layer has a wavelength of light of interest. The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are made of a semiconductor having a larger band gap energy than the semiconductor constituting the light absorption layer, and the first semiconductor layer and The second semiconductor layer has impurities Is the respective conductivity type by introducing the light absorbing layer, impurity concentration than the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is a low state, the dielectric layer is a layer of TiO 2 of the second semiconductor layer side And a stack of SiO 2 layers formed on the TiO 2 layer .
上記半導体受光素子において、光吸収層の上に形成された第2導電型の半導体からなる第2導電型光吸収層を備え、第2導電型光吸収層は、光吸収層と同じ半導体から構成され、第1導電型はn型であり、第2導電型はp型とされていてもよい。また、基板の側部に、基板の内側に入り込んで形成され、基板の平面に対して鋭角とされた切り子面からなる光入射面を備えるようにしてもよい。 The semiconductor light receiving element includes a second conductivity type light absorption layer made of a second conductivity type semiconductor formed on the light absorption layer, and the second conductivity type light absorption layer is made of the same semiconductor as the light absorption layer. The first conductivity type may be n-type, and the second conductivity type may be p-type. Moreover, you may make it equip the side part of a board | substrate with the light-incidence surface which consists of a facet formed in the inside of a board | substrate and made an acute angle with respect to the plane of a board | substrate.
以上説明したように、本発明によれば、第1電極の内側の第2半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層を備えるようにしたので、反射層を備える下面入射型の半導体受光素子における反射層における性能の劣化が抑制できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the reflective layer made of metal formed on the second semiconductor layer inside the first electrode via the dielectric layer is provided, so the reflective layer is provided. An excellent effect is obtained in that deterioration of the performance of the reflective layer in the bottom-illuminated semiconductor light-receiving element can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。図1Aおよび図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体受光素子の構成を示す断面図である。図1Bは、図1Aのbb線における断面である。
[Embodiment 1]
First,
本実施の形態における半導体受光素子は、基板101の上に形成された第1導電型の半導体からなる第1半導体層102と、第1半導体層102の上に形成された半導体からなる光吸収層103と、光吸収層103の上に形成された第2導電型の半導体からなる第2半導体層104と、第2半導体層104の上の周辺部に接して形成された第1電極105と、第1半導体層102に形成された第2電極106と、第1電極105の内側の第2半導体層104の上に誘電体層108を介して形成された金属からなる反射層109とを少なくとも備える。
The semiconductor light receiving element in the present embodiment includes a
ここで、光吸収層103は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第1半導体層102,および第2半導体層104は、光吸収層103を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第1半導体層102および第2半導体層104は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層103は、第1半導体層102および第2半導体層104よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。
Here, the
例えば、基板101は、半絶縁性のInPからなる半導体基板であればよい。また、第1半導体層102は、n型不純物が高濃度に導入されたn+−InPから構成されていればよい。また、光吸収層103は、アンドープのInGaAsから構成されていればよい。また、第2半導体層104は、p型の不純物が高濃度に導入されたp+−InGaAsPから構成されていればよい。これらの場合、上述した第1導電型が、n型となり、第2導電型がp型となる。
For example, the
なお、光吸収層103および第2半導体層104は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第1半導体層102は露出し、この露出領域に第2電極106が形成されている。例えば、光吸収層103および第2半導体層104は、直径22μm程度の円柱形状に加工されている。また、本実施の形態では、基板101,第1半導体層102,光吸収層103,および第2半導体層104より構成されている半導体受光素子の側部が、例えばポリイミドからなる保護膜107で覆われている。また、本実施の形態では、誘電体層108は、反射層109と第2半導体層104との間から、反射層109と第1電極105との間および保護膜107の外側側面のほぼ全域に形成している。なお、図示せず省略しているが、第1電極105および第2電極106には、各々引き出し配線が接続されている。
The
以下、本実施の形態における半導体受光素子の製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のInPからなる基板101の上に、n型のInP(第1半導体層102)、アンドープのInGaAs(光吸収層103)、およびp型のInGaAsP(第2半導体層104)を順次堆積する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により形成すればよい。また、n型の層は、例えばSiを不純物として用いればよく、p型の層は、例えばZnを不純物として用いればよい。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor light receiving element in the present embodiment will be briefly described. First, n-type InP (first semiconductor layer 102), undoped InGaAs (light absorption layer 103), and p-type InGaAsP (second semiconductor layer 104) are formed on a
次に、第2半導体層104となるInGaAsPの層の上に、第1電極105を形成する。例えば、第1電極105の形成領域が開放したレジストパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法によりPt,Ti,Auを順次蒸着し、Pt/Ti/Au多層膜を形成する。この後、レジストパターンを除去すればPt/Ti/Au多層膜から構成された第1電極105できる(リフトオフ法)。第1電極105は、例えば、平面視、内径18μm、外径22μm程度の円形のリング状に形成すればよい。
Next, the
次に、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチングにより、アンドープのInGaAsの層およびp型のInGaAsPの層をパターニングし、円柱状の光吸収層103および第2半導体層104を形成する。次に、このパターニングにより露出した第1半導体層102の所望の箇所に、上述した第1電極105と同様にすることで、Ti/Pt/Au/Pt/Ti多層膜から構成された第2電極106を形成する。
Next, the undoped InGaAs layer and the p-type InGaAsP layer are patterned by a known lithography technique and wet etching to form the cylindrical
次に、基板101,第1半導体層102,光吸収層103,第2半導体層104の側部、および第1半導体層102の露出部を覆う保護膜107を形成する。例えば、ポリイミド樹脂を塗布し、この塗布膜を200℃程度に加熱して硬化させることで、保護膜107が形成できる。
Next, a
次に、誘電体層108を形成する。例えば、TiO2の層およびSiO2の層を順次にスパッタ法で堆積し、TiO2およびSiO2の積層からなる誘電体層108を形成すればよい。ここで、誘電体層108の機能を発現させるためには、SiO2のみで十分であるが、第2半導体層104とSiO2との界面の密着性、濡れ性などを向上させることを目的として、TiO2の層を挿入する。
Next, the
次に、反射層109を形成する。例えば、電子ビーム法により選択的にAuを堆積することで、反射層109を形成すればよい。反射層109は、第1電極105の形成領域より内側の領域に形成する。なお、上述した引き出し配線なども形成する。
Next, the
以上のように、本実施の形態によれば、金属からなる反射層109は、誘電体層108を介して第2半導体層104の上に形成されるので、製造過程における各種の加熱処理による熱履歴が加わっても、誘電体層108に反射層109からの金属元素の拡散や、界面における合金の形成などが抑制されるようになる。この結果、反射層109における界面での急峻性が損なわれることが抑制され、性能の劣化が抑制でき、反射層109としての機能が十分に発揮されるようになる。
As described above, according to the present embodiment, the
次に、誘電体層108についてより詳細に説明する。まず、本実施の形態における半導体受光素子においては、基板101の側(裏面側)より入射する入射波と、入射した光が反射層109で反射した反射波とは、干渉により減衰することがある。図2は、誘電体層108を構成するSiO2層の層厚による反射率の変化を示したものである。図2では、誘電体層108を構成するTiO2層の層厚が、6nm(実線),30nm(一点鎖線),および60nm(点線)の3つの場合について示している。また、入射光の波長は1.55μmである。
Next, the
TiO2層の層厚がいずれの場合においても、SiO2層の層厚には反射率が最大となる最適値が存在し、この最大値より厚い場合および薄い場合の両者とも反射率は低下することがわかる。また、TiO2層の層厚が薄いほど反射率の最大値が向上していることもわかる。このように、誘電体層108の層厚により反射率は変化するため、誘電体層108の層厚は、実験により最大の反射率が得られる値を求めて適宜に設定すればよい。なお、TiO2層がない構造が最も反射率が良くなるが、TiO2層は、半導体層とSiO2層との密着性および濡れ性を改善するために重要となる。このため、TiO2層は、スパッタ法などにより確実に全面を覆うことができる層厚は最低でも必要となる。
Regardless of the thickness of the TiO 2 layer, there is an optimum value for the maximum reflectance in the thickness of the SiO 2 layer, and the reflectance decreases both when the thickness is thicker and thinner than this maximum value. I understand that. It can also be seen that the smaller the TiO 2 layer thickness, the higher the maximum reflectance. As described above, the reflectivity varies depending on the layer thickness of the
本実施の形態では、TiO2層についてはスパッタ法で確実に成層可能な6nm程度の層厚とした。このTiO2層の層厚とすることで、SiO2層の層厚を0.23μmとすると、最大の反射率を得ることが可能となる。なお、使用する成膜方法によって、均一な層がより薄くできる場合、TiO2層は、6nmよりも薄くしても良い。 In the present embodiment, the TiO 2 layer has a thickness of about 6 nm that can be reliably deposited by sputtering. By setting the thickness of the TiO 2 layer, the maximum reflectance can be obtained when the thickness of the SiO 2 layer is 0.23 μm. If the uniform layer can be made thinner by the film forming method used, the TiO 2 layer may be made thinner than 6 nm.
図3は、TiO2層の層厚を6nm,SiO2層の層厚を0.23μmとして誘電体層108を形成したときの、反射層109における反射率の波長依存性を示した特性図である。最適化されたSiO2層の層厚においては、波長1.55μmで96.3%、波長1.3μmで95.5%程度の反射率がある。このように、本実施の形態における半導体受光素子は、光通信用として一般的によく用いられている1.55μm帯および1.3μm帯のどちらの波長においても適用可能であることを示している。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the reflectance in the
以上のように反射率を向上させたことの効果について、1例として3dB帯域20GHz以上となる半導体受光素子とするために素子の接合面積(受光面積)を直径24μm、光吸収層の層厚を0.8μmとしたものについて説明する。ここでは、図7を用いて説明した半導体受光素子と、上述した本実施の形態における半導体受光素子とを比較する。電極兼反射ミラーを直接半導体層に形成した半導体受光素子では、製造プロセス中の温度履歴を経ることにより、反射率は50%以下となり、受光感度は0.65A/W以下となる。 As an example of the effect of improving the reflectance as described above, the junction area (light receiving area) of the element is set to 24 μm in diameter and the thickness of the light absorption layer is set in order to obtain a semiconductor light receiving element having a 3 dB band of 20 GHz or more as an example. The case of 0.8 μm will be described. Here, the semiconductor light receiving element described with reference to FIG. 7 is compared with the semiconductor light receiving element in the present embodiment described above. In the semiconductor light receiving element in which the electrode / reflecting mirror is directly formed on the semiconductor layer, the reflectance becomes 50% or less and the light receiving sensitivity becomes 0.65 A / W or less through the temperature history during the manufacturing process.
一方、誘電体層を介して反射層を形成した本実施の形態における半導体受光素子では、製造プロセス中の温度履歴を経た後でも、95%以上の高い反射率が得られ、受光感度は0.80A/W以上となる。 On the other hand, in the semiconductor light receiving element in the present embodiment in which the reflective layer is formed through the dielectric layer, a high reflectance of 95% or more is obtained even after a temperature history during the manufacturing process, and the light receiving sensitivity is 0. 80 A / W or more.
次に、反射率と受光感度との光吸収層厚依存性について説明する。図4は、反射層における反射率と受光感度との光吸収層厚依存性を示す相関図である。図4において、白丸は反射率100%、白三角は反射率50%、白四角は反射率0%の場合を示している。光吸収層の層厚が3μmと厚い場合は、光吸収層で入射光の大半を吸収できるため、反射率が悪くても受光感度に大きな差はない。しかし、高速応答可能な半導体受光素子とするために光吸収層を薄くした場合、反射率によって量子効率に大きな差を生じる。これは、光吸収層で吸収されなかった入射光が多くなり、相対的に反射ミラーからの反射光の寄与率が大きくなったためである。 Next, the dependence of the reflectance and light receiving sensitivity on the thickness of the light absorption layer will be described. FIG. 4 is a correlation diagram showing the light absorption layer thickness dependence of the reflectance and the light receiving sensitivity in the reflective layer. In FIG. 4, a white circle indicates a case where the reflectance is 100%, a white triangle indicates a reflectance of 50%, and a white square indicates a case where the reflectance is 0%. When the thickness of the light absorption layer is as thick as 3 μm, most of the incident light can be absorbed by the light absorption layer, so that there is no significant difference in light receiving sensitivity even if the reflectance is poor. However, when the light absorption layer is made thin in order to obtain a semiconductor light-receiving element capable of high-speed response, a large difference in quantum efficiency occurs depending on the reflectance. This is because the incident light that has not been absorbed by the light absorption layer is increased, and the contribution ratio of the reflected light from the reflection mirror is relatively increased.
これらのことから明らかなように、反射ミラーの反射率を向上させることが可能とする本実施の形態によれば、高速応答可能な半導体受光素子とするために光吸収層を薄くする場合に特に好適であり、図7を用いて説明した半導体受光素子に比較して、より高速に、また、より高感度にすることができる。 As is clear from these facts, according to the present embodiment that makes it possible to improve the reflectivity of the reflecting mirror, particularly when the light absorption layer is made thin in order to obtain a semiconductor light-receiving element capable of high-speed response. Compared with the semiconductor light receiving element described with reference to FIG. 7, it is possible to achieve higher speed and higher sensitivity.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図5Aおよび図5Bは、本発明の実施の形態2における半導体受光素子の構成を示す断面図である。図5Bは、図5Aのbb線における断面である。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 5A and 5B are cross-sectional views showing the configuration of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5B is a cross section taken along line bb of FIG. 5A.
本実施の形態における半導体受光素子は、基板501の上に形成されたn型の半導体からなる第1半導体層502と、第1半導体層502の上に形成された半導体からなる光吸収層503と、光吸収層503の上に形成されたp型の半導体からなるp型光吸収層504と、p型光吸収層504の上に形成されたp型の半導体からなる第2半導体層505と、第2半導体層505の上の周辺部に接して形成された第1電極506と、第1半導体層502に形成された第2電極507と、第1電極506の内側の第2半導体層505の上に誘電体層509を介して形成された金属からなる反射層510とを少なくとも備える。
The semiconductor light receiving element in this embodiment includes a
ここで、光吸収層503およびp型光吸収層504は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第1半導体層502,および第2半導体層505は、光吸収層503を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第1半導体層502,p型光吸収層504,および第2半導体層505は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層503は、第1半導体層502,p型光吸収層504,および第2半導体層505よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。
Here, the
例えば、基板501は、半絶縁性のInPからなる半導体基板であればよい。また、第1半導体層502は、n型不純物が高濃度に導入されたn+−InPから構成されていればよい。また、光吸収層503は、アンドープのInGaAsから構成されていればよい。また、p型光吸収層504は、p型の不純物が導入されたInGaAsから構成されていればよい。また、第2半導体層505は、p型の不純物が高濃度に導入されたp+−InGaAsPから構成されていればよい。
For example, the
なお、光吸収層503,p型光吸収層504,および第2半導体層505は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第1半導体層502は露出し、この露出領域に第2電極507が形成されている。例えば、光吸収層503,p型光吸収層504,および第2半導体層505は、直径22μm程度の円柱形状に加工されている。また、本実施の形態では、基板501,第1半導体層502,光吸収層503,p型光吸収層504,および第2半導体層505より構成されている半導体受光素子の側部が、例えばポリイミドからなる保護膜508で覆われている。また、本実施の形態では、誘電体層509は、反射層510と第2半導体層505との間から、反射層510と第1電極506との間および保護膜508の外側側面のほぼ全域に形成している。なお、図示していないが、第1電極506および第2電極507には、各々引き出し配線が接続されている。
The
以下、本実施の形態における半導体受光素子の製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のInPからなる基板501の上に、n型のInP(第1半導体層502)、アンドープのInGaAs(光吸収層503)、p型のInGaAs(p型光吸収層504)、およびp型のInGaAsP(第2半導体層505)を順次堆積する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により形成すればよい。また、n型の層は、例えばSiを不純物として用いればよく、p型の層は、例えばZnを不純物として用いればよい。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor light receiving element in the present embodiment will be briefly described. First, on a
次に、第2半導体層505となるInGaAsPの層の上に、第1電極506を形成する。例えば、第1電極506の形成領域が開放したレジストパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法により、Pt,Ti,Auを順次蒸着して,Pt/Ti/Au多層膜を形成する。この後、レジストパターンを除去すればPt/Ti/Au多層膜から構成された第1電極506できる(リフトオフ法)。第1電極506は、例えば、平面視、内径18μm、外径22μm程度のリング状に形成すればよい。
Next, the
次に、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチングにより、アンドープのInGaAsの層,p型のInGaAsの層,およびp型のInGaAsPの層をパターニングし、円柱状の光吸収層503,p型光吸収層504,および第2半導体層505を形成する。次に、このパターニングにより露出した第1半導体層502の所望の箇所に、上述した第1電極506と同様にすることで、Ti/Pt/Au/Pt/Ti多層膜から構成された第2電極507を形成する。
Next, the undoped InGaAs layer, the p-type InGaAs layer, and the p-type InGaAsP layer are patterned by a known lithography technique and wet etching to form a cylindrical
次に、基板501,第1半導体層502,光吸収層503,p型光吸収層504,第2半導体層505の側部、および第1半導体層502の露出部を覆う保護膜508を形成する。例えば、ポリイミド樹脂を塗布し、この塗布膜を200℃程度に加熱して硬化させることで、保護膜508が形成できる。
Next, a
次に、誘電体層509を形成する。例えば、TiO2の層およびSiO2の層を順次にスパッタ法で堆積し、TiO2およびSiO2の積層からなる誘電体層509を形成すればよい。ここで、誘電体層509の機能としては、SiO2のみで十分であるが、第2半導体層505とSiO2との界面の密着性、濡れ性などを向上させることを目的として、TiO2の層を挿入する。
Next, the
次に、反射層510を形成する。例えば、電子ビーム法により選択的にAuを堆積することで、反射層510を形成すればよい。反射層510は、第1電極506の形成領域より内側の領域に形成する。なお、上述した引き出し配線なども形成する。
Next, the
以上のように、本実施の形態においても、金属からなる反射層510は、誘電体層509を介して第2半導体層505の上に形成されるので、製造過程における各種の加熱処理による熱履歴が加わっても、誘電体層509に反射層510からの金属元素の拡散や、界面における合金の形成などが抑制されるようになる。この結果、反射層510における界面での急峻性が損なわれることが抑制され、性能の劣化が抑制でき、反射層510としての効果が十分に得られるようになる。
As described above, also in this embodiment, the
また、本実施の形態においては、前述した実施の形態とは異なり、p型光吸収層504を備える。p型光吸収層504は、半導体受光素子を動作させるために電圧を印加してアンドープのInGaAsからなる光吸収層503を空乏化した場合でもp型光吸収層504全領域が空乏化されないよう、印加電圧と層厚に応じたドーピング濃度分布とする。ただし、光吸収層503との接続面が空乏化するのまで阻止しようとすると、セミメタルに近い状態になるまで高濃度にドープする必要があるため、その程度は許容する。
In addition, the present embodiment includes a p-type
本実施の形態では、光吸収は光吸収層503およびp型光吸収層504の両方において生じ、かつ生じたキャリアの輸送機構は独立である。このため、半導体受光素子そのものの特徴から、量子効率を高めるために光吸収層の層厚(アンドープ光吸収層503とp型光吸収層504とを合わせた層厚)を厚くしても高速応答が可能である(例えば非特許文献2参照)。加えて、本実施の形態によれば、反射率の向上が図れる(反射率の低下が抑制できる)構成とした反射層510を備えるようにしたので、受光感度の低下を抑制した状態で、光吸収層を薄くしてさらなる高速化を図ることが可能となる。
In this embodiment mode, light absorption occurs in both the
例えば、3dB帯域20GHz以上となる半導体受光素子とする場合、素子の接合面積を直径24μm、アンドープの光吸収層の厚さを0.7μm、p型不純物をドープした光吸収層の厚さを0.5μmとする。これにより、光吸収層の全体の層厚は1.2μmとなる。この厚みでも、p型不純物をドープの光吸収層を備えているため、前述した実施の形態1の場合に比較してより高速な応答が可能である。 For example, in the case of a semiconductor light receiving element having a 3 dB band of 20 GHz or more, the junction area of the element is 24 μm in diameter, the thickness of the undoped light absorbing layer is 0.7 μm, and the thickness of the light absorbing layer doped with p-type impurities is 0. .5 μm. As a result, the total thickness of the light absorption layer is 1.2 μm. Even with this thickness, since the light absorption layer doped with the p-type impurity is provided, a faster response is possible than in the case of the first embodiment.
ここで、上述したようにp型不純物をドープした光吸収層を加えて光吸収層の全体の層厚が厚くすることで、図7を用いて説明したように反射層を電極と兼用して半導体の上に直接形成した場合でも、量子効率は0.85A/W程度になる。 Here, as described above, by adding the light absorption layer doped with the p-type impurity to increase the total thickness of the light absorption layer, the reflection layer can also be used as an electrode as described with reference to FIG. Even when formed directly on a semiconductor, the quantum efficiency is about 0.85 A / W.
これに対し、反射層を、誘電体層を介して半導体層の上に形成し、95%以上の反射率が維持できるようにすることで、受光感度は約1.0A/Wにまで向上させてより高感度にすることができる。一方、受光感度を0.85A/W程度としてもよい場合は、光吸収層の全体の層厚を0.8μmまで薄くすることができ、さらなる高速応答が可能となる。 On the other hand, the light receiving sensitivity is improved to about 1.0 A / W by forming the reflective layer on the semiconductor layer through the dielectric layer so that the reflectance of 95% or more can be maintained. Higher sensitivity. On the other hand, when the light receiving sensitivity may be about 0.85 A / W, the entire thickness of the light absorption layer can be reduced to 0.8 μm, and a further high-speed response is possible.
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について説明する。図6は、本実施の形態における半導体受光素子の構成を示す断面図である。本実施の形態における半導体受光素子は、基板601の上に形成された第1導電型の半導体からなる第1半導体層602と、第1半導体層602の上に形成された半導体からなる光吸収層603と、光吸収層603の上に形成された第2導電型の半導体からなる第2半導体層604と、第2半導体層604の上の周辺部に接して形成された第1電極605と、第1半導体層602に形成された第2電極606と、第1電極605の内側の第2半導体層604の上に誘電体層608を介して形成された金属からなる反射層609とを少なくとも備える。
[Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor light receiving element in the present embodiment. The semiconductor light receiving element in the present embodiment includes a
ここで、光吸収層603は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第1半導体層602,および第2半導体層604は、光吸収層603を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第1半導体層602および第2半導体層604は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層603は、第1半導体層602および第2半導体層604よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。
Here, the
例えば、基板601は、半絶縁性のInPからなる半導体基板であればよい。また、第1半導体層602は、n型不純物が高濃度に導入されたn+−InPから構成されていればよい。また、光吸収層603は、アンドープのInGaAsから構成されていればよい。また、第2半導体層604は、p型の不純物が高濃度に導入されたp+−InGaAsPから構成されていればよい。これらの場合、上述した第1導電型が、n型となり、第2導電型がp型となる。
For example, the
なお、光吸収層603および第2半導体層604は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第1半導体層602は露出し、この露出領域に第2電極606が形成されている。例えば、光吸収層603および第2半導体層604は、直径22μm程度の円柱形状に加工されている。また、本実施の形態では、基板601,第1半導体層602,光吸収層603,および第2半導体層604より構成されている半導体受光素子の側部が、例えばポリイミドからなる保護膜607で覆われている。また、本実施の形態では、誘電体層608は、反射層609と第2半導体層604との間から、反射層609と第1電極605との間および保護膜607の外側側面のほぼ全域に形成している。なお、図示していないが、第1電極605および第2電極606には、各々引き出し配線が接続されている。
Note that the
以上の構成は、前述した実施の形態1とほぼ同様である。本実施の形態では、誘電体層608は、第2半導体層604と反射層609との間に配置し、反射層609が第1電極605に接触した構成としている。反射層609は、半導体層と接触せずに形成されていればよく、第1電極605に接触していても問題はない。
The above configuration is almost the same as that of the first embodiment. In this embodiment mode, the
また、本実施の形態では、基板601の側部に、内側に入り込んで形成された切り子面611を備え、切り子面611を光入射面とした、公知の端面入射屈折型の半導体受光素子としている。
Further, in the present embodiment, a known end-face incidence refracting type semiconductor light-receiving element is provided that has a
切り子面611は、例えば、InPからなる基板601の側壁を、光吸収層603の面(基板平面)と鋭角をなすように、ウエットエッチングにより加工することで形成できる。なお、切り子面611の基板601の側(内側)の面が、基板601の第1半導体層602の側の平面に対して鋭角となるように形成されていればよい。入射光は、基板平面に対して鋭角をなした切り子面611屈折して光吸収層603に入射する。入射光は、光吸収層603の平面に対して斜めに入射される。このようにすることで、光吸収層603内での入射光および反射光の光路長が長くなり、光吸収層603の層厚を厚くした場合とほぼ等価な受光感度が得られる。
The
ここで、切り子面611の形成方法例について簡単に説明する。主面方位が(001)面に等価な面となっているInP基板を用い、側壁とするInP(−110)面に等価な面の一端を残し、これ以外の部分をレジスト等で保護する。次に、ブロムとメタノールの混合液、臭酸、塩酸と燐酸の混合液、および硫酸と過酸化水素の混合液などのエッチング液を用いたウエットケミカルエッチングにより、露出させてある面を異方性エッチングする。これにより、(111)B面、あるいはこれと等価な面が新たに露出し、第1半導体層602側の基板601表面とのなす角度が約54.7度となる、切り子面611が形成できる。
Here, an example of a method for forming the
上述したウエットエッチングにより形成した切り子面611に、基板601の平面に平行な入射光を入射すると、入射光は切り子面611で屈折し、光吸収層603に取り込まれる。ここで、反射層609および誘電体層608を、前述した実施の形態1の場合と同様に構成した場合、95%以上の反射率が得られるために受光感度はさらに向上する。また、本実施の形態によれば、入射光を側面から導入できるため、光モジュールの回路基板に実装する際に下面入射の穴を開ける必要がなくなり、実装しやすくなるという利点がある。
When incident light parallel to the plane of the
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
例えば、上述では、pinダイオード形式の半導体受光素子を例に説明したが、これに限るものではない。本発明は、アバランシェフォトダイオードおよび単一キャリア走行フォトダイオードを含め、層の積層方向に光を入射する半導体受光素子であれば同様に適用可能である。 For example, in the above description, the semiconductor light receiving element of the pin diode type has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The present invention can be similarly applied to any semiconductor light-receiving element including avalanche photodiodes and single-carrier traveling photodiodes that emit light in the layer stacking direction.
本発明の半導体受光素子は、基板の上に順次に積層された、第1導電型の半導体からなる第1半導体層、第1半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層、光吸収層の上に形成された第2導電型の半導体からなる第2半導体層、第2半導体層の上の周辺部に接して形成された第1電極、第1半導体層に形成された第2電極、および第1電極の内側の第2半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層を少なくとも備えることが特徴である。 The semiconductor light receiving element of the present invention includes a first semiconductor layer made of a first conductivity type semiconductor, a light absorption layer made of a semiconductor formed on the first semiconductor layer, and a light absorption layer, which are sequentially stacked on a substrate. A second semiconductor layer made of a semiconductor of a second conductivity type formed on the layer, a first electrode formed in contact with a peripheral portion on the second semiconductor layer, and a second electrode formed on the first semiconductor layer And a reflective layer made of metal formed on the second semiconductor layer inside the first electrode via a dielectric layer.
また、誘電体層は、TiO2/SiO2の積層構造として説明したが、入射光の波長帯で大きな吸収係数を持たない限り、Al2O3およびTa2O5などの他の酸化物、また、Si3N4,TiN,およびAlNなどの窒化物から構成してもよい。また、誘電体層を形成する半導体表面との密着性および濡れ性が十分にある場合は、TiO2/SiO2のように多層構造にする必要はない。材料を変更しても、誘電体層の層厚はTiO2/SiO2の場合と同様に、プロセスに支障をきたさないために必要最低限度以上の層厚で、かつ反射率が最大となる層厚にすればよい。 Further, the dielectric layer has been described as a laminated structure of TiO 2 / SiO 2 , but other oxides such as Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 as long as they do not have a large absorption coefficient in the wavelength band of incident light, Further, Si 3 N 4, TiN, and may be composed of nitrides such as AlN. In addition, when there is sufficient adhesion and wettability with the semiconductor surface on which the dielectric layer is formed, it is not necessary to have a multilayer structure like TiO 2 / SiO 2 . Even when the material is changed, the layer thickness of the dielectric layer is the layer thickness that is more than the minimum necessary to prevent troubles in the process as in the case of TiO 2 / SiO 2 and has the maximum reflectance. You can make it thick.
また、反射層を構成する金属はAuとして説明したが、入射光の波長に対する反射率が十分に確保できる金属材料で、かつ組み合わせて用いる誘電体層に拡散および誘電体層と合金化しないものであればよい。例えば、反射層を構成する材料としては、Ag,Pt,Al,Ni,Co,W,Cu,およびTiなどが挙げられる。 In addition, although the metal constituting the reflective layer has been described as Au, it is a metal material that can sufficiently ensure the reflectance with respect to the wavelength of incident light, and does not diffuse and alloy with the dielectric layer used in combination. I just need it. For example, examples of the material constituting the reflective layer include Ag, Pt, Al, Ni, Co, W, Cu, and Ti.
また、受光面積の直径を24μmとして説明したが、要求される帯域に応じて他の寸法の受光面積としてもよい。また、上述では、InGaAs/InP系化合物半導体を用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、P系、As系、N系、Sb系、などの化合物半導体を用いるようにしてもよく、またGe系、Si系などの単元素半導体材料でもよい。 Further, although the light receiving area has been described as having a diameter of 24 μm, the light receiving area may have other dimensions depending on a required band. In the above description, the InGaAs / InP compound semiconductor is used. However, the present invention is not limited to this. For example, a compound semiconductor such as P-based, As-based, N-based, or Sb-based may be used, or a single-element semiconductor material such as Ge-based or Si-based may be used.
また、上述した実施の形態1,3において、導電型を入れ替えてもよいことはいうまでもない。また、実施の形態2においては、基板の側より、p型とした半導体層,p型光吸収層,i型の光吸収層,n型とした半導体層の順に積層し、n型とした半導体層の上に、誘電体層を介して反射層を形成してもよい。 Needless to say, in the first and third embodiments, the conductivity types may be interchanged. In the second embodiment, a p-type semiconductor layer, a p-type light absorption layer, an i-type light absorption layer, and an n-type semiconductor layer are stacked in this order from the substrate side to form an n-type semiconductor. A reflective layer may be formed on the layer via a dielectric layer.
また、上述では、反射層を設ける側の電極を円形のリング状に形成したが、これに限るものではない。例えば、四角形および六角形などの外形の枠状に形成してもよく、基板の側より入射してきた光を反射することができる領域が、電極を形成する反射層に備えられるようにされていればよい。また、保護膜としてポリイミドを用いるようにしたが、これに限るものではなく、BCB(Benzo cyclo butene:ベンゾシクロブテン)などの有機系絶縁材料を用いるようにしてもよい。 In the above description, the electrode on the side where the reflective layer is provided is formed in a circular ring shape, but the present invention is not limited to this. For example, it may be formed in a frame shape having an outer shape such as a quadrangle and a hexagon, and a region capable of reflecting light incident from the substrate side is provided in the reflective layer forming the electrode. That's fine. Further, although polyimide is used as the protective film, the present invention is not limited to this, and an organic insulating material such as BCB (Benzocyclobutene) may be used.
101…基板、102…第1半導体層、103…光吸収層、104…第2半導体層、105…第1電極、106…第2電極、107…保護膜、108…誘電体層、109…反射層。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
この第1半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、
この光吸収層の上に形成された第2導電型の半導体からなる第2半導体層と、
この第2半導体層の上の周辺部に接して形成された第1電極と、
前記第1半導体層に形成された第2電極と、
前記第1電極の内側の前記第2半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層と
を少なくとも備え、
前記光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、
前記第1半導体層,および前記第2半導体層は、前記光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、
前記第1半導体層および前記第2半導体層は、不純物を導入することで各々の前記導電型とされ、
前記光吸収層は、前記第1半導体層および前記第2半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、
前記誘電体層は、前記第2半導体層側のTiO 2 の層および前記TiO 2 の層の上に形成されたSiO 2 の層の積層から構成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 A first semiconductor layer made of a first conductivity type semiconductor formed on a substrate;
A light absorption layer made of a semiconductor formed on the first semiconductor layer;
A second semiconductor layer made of a second conductivity type semiconductor formed on the light absorption layer;
A first electrode formed in contact with a peripheral portion on the second semiconductor layer;
A second electrode formed on the first semiconductor layer;
A reflection layer made of metal formed on the second semiconductor layer inside the first electrode via a dielectric layer, and
The light absorption layer is composed of a semiconductor having a band gap energy corresponding to the wavelength of light of interest,
The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are made of a semiconductor having a larger band gap energy than the semiconductor constituting the light absorption layer,
The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are each of the conductivity type by introducing impurities,
The light absorption layer has a lower impurity concentration than the first semiconductor layer and the second semiconductor layer ,
The dielectric layer is composed of a stacked layer of a TiO 2 layer on the second semiconductor layer side and a SiO 2 layer formed on the TiO 2 layer .
前記光吸収層の上に形成された第2導電型の半導体からなる第2導電型光吸収層を備え、
前記第2導電型光吸収層は、前記光吸収層と同じ半導体から構成され、
第1導電型はn型であり、第2導電型はp型である
ことを特徴とする半導体受光素子。 The semiconductor light-receiving element according to claim 1.
A second conductivity type light absorption layer made of a second conductivity type semiconductor formed on the light absorption layer;
The second conductivity type light absorption layer is composed of the same semiconductor as the light absorption layer,
The semiconductor light receiving element, wherein the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.
前記基板の側部に、前記基板の内側に入り込んで形成され、前記基板の平面に対して鋭角とされた切り子面からなる光入射面を備えることを特徴とする半導体光受光素子。 The semiconductor light receiving element according to claim 1 or 2,
A semiconductor light-receiving element comprising a light incident surface formed of a facet formed on a side portion of the substrate so as to enter the inside of the substrate and having an acute angle with respect to a plane of the substrate.
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