JP7147669B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体受光素子（フォトダイオード（ＰＤ））に関し、特に、半導体受光素子の高速高感度化に関する。
半導体受光素子は、入射した光信号を電気信号に変換する役割を有しており、光通信における光レシーバやミリ波発振器向けのフォトミキサ等に広く応用されている。
半導体受光素子の性能の優劣は、しばしば受光感度と動作速度で議論される。これは、半導体受光素子の感度と動作速度は基本的にトレードオフの関係にあるためであり、半導体受光素子を設計する上では、その使用目的に合わせて感度と動作速度の最適化がなされる。
半導体受光素子の感度と動作速度にトレードオフの関係があることは、主に光吸収層の膜厚、および動作面積の２つの点に関連する。
光吸収層の膜厚については、その膜厚が大きいほど、半導体受光素子に信号光が入射された際に、信号光が光吸収層内を通過する距離(光路長)が大きくなる。一方で、光吸収層内で生じた電子、および正孔（キャリア）は、電極に到達するまでにより大きい距離を走行する必要がある。この為、光吸収層の膜厚が大きいほど、受光感度は高くなるが、動作速度は低下する。
一方、動作面積については、動作面積が大きいほど、入射光は半導体受光素子内に容易に光結合することが出来る。半導体受光素子に信号光を入射する際に、レンズを用いて入射光を絞り、小さい動作面積を有する半導体受光素子に対しても極力損失の無い光結合を実現することは一般的な技術であるが、実用上はレンズを用いても、入射光のスポットサイズは１０μｍ程度までにしか縮小できない。動作面外に照射された光信号は、電気信号には変換されない為、受光感度の観点からは損失となり、感度低下を引き起こす。一方、動作速度の観点からは、動作面積が小さくなるほど素子の容量が低下する。この為、ＲＣ時定数による速度制限が緩和され、半導体受光素子はより高速動作が可能になる。
上記のように、受光感度が大きく、かつ高速動作が可能な半導体受光素子を実現するためには、信号光の素子内における光路長を大きくとり、かつ動作面積を小さくしながらも可能な限り信号光を受光する面積を大きくする設計が求められる。この為、図１に示すように例えば素子の上部に、上方から見てリング状の電極１０６と反射ミラー１０５を備えた受光素子が提案されている（非特許文献１）。
図１に示す半導体受光素子１００の構造では、ＩｎＰ基板１０１上にｐ型のＩｎＰを含むコンタクト層１０２、アンドープのＩｎＧａＡｓを含む光吸収層１０３、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層１０４の順に積層された層構造を有している。また、最上部のｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層１０４は最も小さいメサに加工され、続いてアンドープのＩｎＧａＡｓを含む光吸収層１０３、Ｐ型のＩｎＰを含むコンタクト層１０２、の順にその外形が段階的に大きくなる多段メサ構造を有している。ｎ型のコンタクト層１０４の上部には、反射ミラー１０５及びリング状の電極１０６が形成されており、また反射ミラー１０５の側面にはリング状の電極１０６が形成される。図１に示す半導体受光素子１００の構造では、信号光は半導体受光素子１００のＩｎＰ基板１０１の裏面側より入射され、素子の上部の反射ミラー１０５で反射される。この為、信号光は光吸収層１０３を往復する（2-ｐａｓｓ構造）ことで光路長を拡大し、受光感度を向上させている。一方、電流を取り出すリング状の電極１０６（上部電極）は、反射ミラー１０５を取り囲むようなリング形状になっている。
リング状の電極１０６は、コンタクト層１０２とのオーミック接触および耐熱性、密着性の観点から、典型的にはＴｉ（下層）/Ｐｔ（中間層）/Ａｕ（上層）の積層構造により形成されている。一方、反射ミラー１０５は反射率を向上させるため、Ａｕにより形成されている。
E. Yagyu et al., "Recent advances in AlInAs Avalanche Photodiodes," in Proc. OFC2007, OThG2.
図１において、入射光が、リング状の電極１０６に照射された場合には、半導体を含むコンタクト層１０４とリング電極の金属との反射率が反射ミラー１０５よりも小さいため、受光感度はミラー部において反射された場合と比べて低下する。
この為、ある動作面積を有する半導体受光素子において、なるべく受光する面積を大きくとるためには、リング電極の電極幅を小さくしなければならない。しかしながら、リング状の電極１０６幅を縮小するためには、素子の作製工程におけるリソグラフィのプロセスマージンを縮小することとなり、実用上作製が困難になる。また、リング状の電極（金属電極）１０６と、半導体のコンタクト層１０４との接触面積も小さくなるため、接触抵抗が増大し、ＲＣ時定数による制限から、期待するほどの動作速度の向上は見込めなくなるという課題があった。
また、背景技術において説明した様に、垂直入射型の半導体受光素子においては、その受光面積を大きくとることが光レシーバとしての感度を拡大する上で必須である。この為、素子上部の電極は、リング状の電極形状が用いられてきた。しかし、高速化に向けて素子径を小さくしていった場合、リングの幅を小さくしていく必要があり、プロセスマージンの確保が困難になり、またコンタクト抵抗が増大し、結果高速高感度動作が困難になるという課題があった。
本発明は、従来技術の上記問題を鑑み、半導体受光素子において、作製プロセスのマージンを拡大し、受光感度を犠牲にすることなく高速動作を実現するものである。
本発明の半導体受光素子の一態様は、第一の不純物がドーピングされた半導体層と、前記第一の不純物がドーピングされた半導体層上の入射光を吸収するようバンドギャップエネルギーが調整された半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層上の第二の不純物がドーピングされた半導体層と、前記第二の不純物がドーピングされた半導体層上の、前記入射光を反射する金属を含むミラー膜と、前記第二の不純物がドーピングされた半導体の側面と接する金属電極と、を備えた半導体受光素子において、前記金属電極の側面は、前記第二の不純物がドーピングされた半導体層の成長方向に対し平行となる面であることを特徴とする。なお、前記第一の不純物がＰ型の不純物である場合、前記第二の不純物がｎ型の不純物であり、前記第一の不純物がｎ型の不純物である場合、前記第二の不純物がＰ型の不純物である。
本発明では、作製プロセスのマージンを拡大し、受光感度を犠牲にすることなく高速動作を実現できるという効果を有する。
以下、本発明の実施形態にかかる半導体受光素子について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
［第１の実施形態］
本発明における第１の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明における基本の実施形態である。
本発明における第１の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明における基本の実施形態である。
図２は第1の実施形態を説明する半導体受光素子２００の断面図である。本実施形態では、半導体受光素子２００はＩｎＰ基板２０１上にｐ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０２、アンドープのＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４の順に積層された層構造を有している。また、最上部のｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４は最も小さいメサに加工され、続いてアンドープのＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３、Ｐ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０２、の順にその外形が段階的に大きくなる多段メサ構造を有している。
Ｎ型のコンタクト層２０４の上部には、反射用のミラー膜２０５が形成されており、またｎ型コンタクト層の側面には金属電極２０６が形成され、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４の側面部と電気的に接触している。
すなわち、第１の実施形態の受光素子は、コンタクト層２０２（Ｐ型となるように不純物がドーピングされた半導体層）と、コンタクト層２０２上の光吸収層２０３（入射光を吸収するようバンドギャップエネルギーが調整された半導体光吸収層）と、光吸収層２０３上のコンタクト層２０４（Ｎ型になるように不純物がドーピングされた半導体層）と、コンタクト層２０４の側面と接する金属電極２０６と、を備えた半導体受光素子において、金属電極２０６の側面は、コンタクト層２０４の成長方向に対し平行となる面であることを特徴とする。
本実施形態における受光素子の動作原理を説明する。アンドープのＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３で光励起により生じた電子は、ｎ型のコンタクト層２０４に到達した後、多数キャリアとして金属電極２０６へと移動する。ここで、ミラー膜２０５を金属で形成した場合、金属を含むミラー膜２０５にも電子は移動することができる。しかし、一般的にミラー膜２０５には、半導体／ミラー界面の低反射率が要求され、その界面でのコンタクト抵抗の低減に特段の工夫を加える必要はない。仮にミラー/半導体界面の抵抗が大きくなったとしても、半導体/金属電極でのコンタクト抵抗が低減出来ればよい。
本実施形態の作製方法を説明する。図３に示すように、まず半絶縁性のＩｎＰ基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０２、アンドープのＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４をこの順にエピタキシャル成長する。結晶成長後、ｎ型のコンタクト層２０４が最も小さいメサとなり、次に、アンドープのＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３、ｐ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０２の順にその面積が大きくなるよう、順次、フォトリソグラフィおよびエッチングを行う。続いて、図３に示すように、フォトリソグラフィにより形成したフォトレジスト３０７を用い、ｎ型のコンタクト層２０４と同じ大きさとなるメタルを含むミラー膜２０５をスパッタにより形成する。その後、図４に示すように、フォトレジストを剥離し、再度フォトリソグラフィによりｎ型のコンタクト層２０４を中心とし、ｎ型のコンタクト層２０４の外周がその内径となるリング状の空隙を形成するようフォトレジスト４０７のパタニングを行う。この時、リング状の空隙の外径は３～５μｍ程度ｎ型のコンタクト層２０４よりも大きくなるようパタニングをし、リング状の空隙部分に蒸着により金属電極２０６を形成すればよい。金属電極２０６は、例えばＴｉ/Ｐｔ/Ａｕの層構造であれば、コンタクト抵抗を低減しつつ、半導体との高い密着強度を確保できる。また金属電極の形成においては、ウエハが自転しながら蒸着を行えばより均一にｎ型のコンタクト層２０４の側面へと金属を形成することができる。
ところで、本実施形態に示したメタルを含むミラー膜２０５と金属電極２０６は、接触していても目的とする特性を損なうことはない。これは、半導体受光素子２００で発生した電子はｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４から、金属電極２０６を介し、さらにミラー膜２０５及び金属電極２０６を介して外部回路へと取り出されることができるためであり、ミラーと電極が金属であれば、半導体と比べてその抵抗は小さいため、半導体受光素子２００全体の抵抗には影響しないためである。
この場合、図５に示すように、フォトレジストによりリング状の空隙を形成する必要はなく、ｎ型のコンタクト層２０４を中心とした円形の空隙を形成するフォトレジスト５０７を用いたパタニングを行い、電極５０６を形成すればよい。この形状の場合、リング状の空隙を形成するフォトレジストパタンと比べて、フォトリソグラフィ工程のプロセスマージンが更に拡大できる。
例えば、ｎ型のコンタクト層２０４の直径が１０μｍの円形メサ形状の半導体受光素子を考える。従来の図１のリング状の電極１０６の幅が２μｍであるとした場合、形成されるミラーの直径は６μｍとなり、有効な受光径はわずか６μｍとなる。一方、本実施形態に示した半導体受光素子では、受光径として１０μｍを得ることが出来る。
以上に示したように、本実施形態の半導体受光素子によって、高速化のためにメサ径を小径化した受光素子であっても、より大きい受光径を得ることが出来、プロセスマージンを拡大しながらも高速高感度な受光素子を実現できる。
本実施形態１に示した形態の半導体受光素子２００では、ｎ型のコンタクト層２０４の側面においてリング状の電極（金属電極）２０６を電気的に接触することにより、ミラー膜２０５の上面の面積を縮小させることなく金属電極を形成させることができる。
なお、光吸収層２０３に接しているＰ型のコンタクト層２０２の端部の上に電気的に接続する電極（不図示）が設けられている。
[第２の実施形態]
図６は、第２の実施形態を説明する、半導体受光素子６００の断面構造図である。本実施形態は、実施形態１において、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４に隣接する半導体層（ＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３）と、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４に接する金属電極２０６とを絶縁膜６０７によってアイソレーションした構造である。ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層（半導体層）２０４と成長方向に対し平行となる面で接する金属電極２０６と、ＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３とが、成長方向に垂直な面で接触していないことを特徴とする。
図６は、第２の実施形態を説明する、半導体受光素子６００の断面構造図である。本実施形態は、実施形態１において、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４に隣接する半導体層（ＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３）と、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４に接する金属電極２０６とを絶縁膜６０７によってアイソレーションした構造である。ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層（半導体層）２０４と成長方向に対し平行となる面で接する金属電極２０６と、ＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３とが、成長方向に垂直な面で接触していないことを特徴とする。
ここで第２の実施形態では、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４に隣接する層である、ＩｎＧａＡｓを含む光吸収層２０３の上面に、ＳｉＯ2を用いた絶縁膜６０７を堆積し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０３と、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４に接触する金属電極２０６とを、アイソレーションすることで、金属電極に厚み分に伴う寄生容量の拡大を抑制している。
本実施形態の半導体受光素子の作製方法としては、実施形態１に示した同様の工程により、ｎ型のコンタクト層２０４のメサを形成した後、スパッタにより、絶縁膜、例えば、ＳｉＯ2をウエハ全面に形成する。その後、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４によるメサ以外の部分をレジストで覆うようにしてリソグラフィを行い、同パタンに対して絶縁膜のドライエッチングを行い、絶縁膜６０７を形成する。その後、実施形態１と同様にメタルを含むミラー膜２０５および金属電極２０６を形成すればよい。
以上に示したように、本実施形態によって、高速化のためにメサ径を小径化した受光素子であっても、より大きい受光径を得ることが出来、プロセスマージンを拡大しながらも高速高感度な受光素子を実現できる。
[第３の実施形態]
第３の実施形態は、第２の実施形態で示した構造において、図７に示すように、さらに、金属からなるミラー膜２０５と半導体コンタクト層であるｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４との間に、絶縁膜７０７を形成した構造を有する半導体受光素子７００である。金属を含むミラー膜２０５と、金属電極２０６と接するコンタクト層（半導体層）２０４とが、接触していない構造となる。
第３の実施形態は、第２の実施形態で示した構造において、図７に示すように、さらに、金属からなるミラー膜２０５と半導体コンタクト層であるｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４との間に、絶縁膜７０７を形成した構造を有する半導体受光素子７００である。金属を含むミラー膜２０５と、金属電極２０６と接するコンタクト層（半導体層）２０４とが、接触していない構造となる。
絶縁膜７０７は、例えば、窒化珪素ＳｉＮであればよい。窒化珪素ＳｉＮは、半導体および金属の両方に対して密着性が良好であり、かつ光学特性も犠牲にしない。メサ状の半導体を含むコンタクト層２０４から、金属を含むミラー膜２０５への電気的接触は失われるが、これまでの実施形態と同様、ｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４の側面で接触した金属電極２０６を介して、半導体受光素子７００内の電子は取り出される。
また、本実施形態においては、半導体の成長方向と水平な面で、金属電極２０６と接触するｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４の膜厚を０．３μｍとしている。これは、金属電極２０６との接触面積を大きくとり、コンタクト抵抗を低減するためである。このｎ型のＩｎＰを含むコンタクト層２０４の膜厚は、厚ければ厚いほどコンタクト抵抗の低減に有効であることは言うまでもないが、現実的には、あまり厚くすることでエピ層の結晶品質を損なうことがある。動作帯域が５０ＧＨｚ程度までの受光素子であれば、コンタクト層２０４の膜厚は少なくとも０．３μｍ程度あれば、深刻なコンタクト抵抗の工程効果を招くことは無い。
図７では、絶縁膜として、絶縁膜７０７及び絶縁膜６０７を有する半導体受光素子７００の例を示したが、絶縁膜として、絶縁膜７０７を有し、光吸収層２０３と金属電極２０６とが接する半導体受光素子も実現できる。
以上に示したように、本実施形態によって、高速化のためにメサ径を小径化した受光素子であっても、より大きい受光径を得ることが出来、プロセスマージンを拡大しながらも高速高感度な受光素子を実現できる。
第１～第３の実施形態においては、円形のメサ型やリング状の電極を例にして説明してきたが、本発明における実施形態は、半導体のメサの形状や金属電極の形状に制限されないことは言うまでもない。例えば、メサの形状としては四角形でもよい。また、電極形状としてはメサ側面の一部ないしは複数部に形成されていても、本発明の一般性を失わない。
また、本発明における実施形態では、全てｎ型半導体のコンタクト層に対して、成長方向と水平な面で金属電極を形成したが、ｐ型半導体のコンタクト層に対して同様の電極構造を持つことが出来ることは言うまでもない。
本発明は、半導体受光素子（フォトダイオード）に関する技術分野に適用することができる。
１００、２００、６００、７００ 半導体受光素子
１０１、２０１ ＩｎＰ基板
１０２、２０２ コンタクト層
１０３、２０３ 光吸収層
１０４、２０４ コンタクト層
１０５ 反射ミラー
２０５ ミラー膜
１０６ リング状の電極
２０６ 金属電極
３０７、４０７、５０７ フォトレジスト
６０７、７０７ 絶縁膜
１０１、２０１ ＩｎＰ基板
１０２、２０２ コンタクト層
１０３、２０３ 光吸収層
１０４、２０４ コンタクト層
１０５ 反射ミラー
２０５ ミラー膜
１０６ リング状の電極
２０６ 金属電極
３０７、４０７、５０７ フォトレジスト
６０７、７０７ 絶縁膜
Claims (8)
- 第一の不純物がドーピングされた半導体層と、
前記第一の不純物がドーピングされた半導体層上の入射光を吸収するようバンドギャップエネルギーが調整された半導体光吸収層と、
前記半導体光吸収層上の第二の不純物がドーピングされた半導体層と、
前記第二の不純物がドーピングされた半導体層上の、前記入射光を反射する金属を含むミラー膜と、
前記第二の不純物がドーピングされた半導体層の側面と接触する金属電極と、
を備えた半導体受光素子において、前記金属電極の側面は、前記第二の不純物がドーピングされた半導体層の成長方向に対し平行となる面であることを特徴とする半導体受光素子。 - 前記第二の不純物がドーピングされた半導体層と前記第二の不純物がドーピングされた半導体層の成長方向に対し平行となる面で接触する前記金属電極と、前記半導体光吸収層とが、前記第二の不純物がドーピングされた半導体層の成長方向に垂直な面で接触していないことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
- 前記第一の不純物がｐ型の不純物である場合、前記第二の不純物がｎ型の不純物であり、
前記第一の不純物がｎ型の不純物である場合、前記第二の不純物がｐ型の不純物である請求項１又は請求項２に記載の半導体受光素子。 - 前記ミラー膜と前記金属電極が接触していることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 金属を含むミラー膜と、前記金属電極と接触する前記半導体光吸収層又は前記第二の不純物がドーピングされた半導体層とが、接触しないことを特徴とする請求項４に記載の半導体受光素子。
- 前記半導体光吸収層と前記金属電極との間に、絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記ミラー膜と前記金属電極と接する前記第二の不純物がドーピングされた半導体層との間に、絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項４又は請求項５いずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記金属電極が、Ｔｉ、Ｐｔ、及びＡｕを含むことを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項に記載の半導体受光素子。
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