JPH0353565A - 多重量子井戸構造光検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，小型で動作速度が早く、かつ、増幅作用を有
する多重量子井戸構造光検出器に関するものである。

〔従来の技術〕

受光素子は、従来、素子上面から入射する光を検知する
上面受光型が一般的であり，各種光素子を平面上に配置
して接続を形成する，いわゆる光集積回路に対する整合
性が悪かった．このため、素子の側面から入射した光を
検知する、いわゆる端面受光型の受光素子が提案されて
いる（信学技報：ＯＱＥ８６−１８１　（１９８６）参
照）．上記文献に記載されたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ端
面受光型ホトダイオードは図示された構造をなしており
，光吸収層の厚さは１μ、光検知領域が５５×１２０ｕ
ｔａ”程度で、受光感度は０．４Ａ／Ｗ　（波長ｌ．３
／ＩＴＩ１）以下と通常の表面受光型ホトダイオードの
０．６Ａ／Ｗに較べてかなり小さい。また、光吸収長が
１２０ＩＩｍと長く，シたがって素子容量が大きくなっ
て高速応答が達或できない（上記文峨では１．８ＧＨｚ
まで）という欠点があった。さらにｐｎ接合が空気中に
露出して信頼性を損なうのを防ぐため，接合が素子外部
に露出しない埋込み構造を採用しているが、光吸収層端
面の形状がエッチングプロセスと埋込み層結品戊長の性
質上、剪開面と平行にならず、いわゆる面だれを生じ、
Ｉ　ｎ　Ｐ　塊込み層と光吸収層との界面で光が反射す
る割合が増し、光吸収層に実際に入射する光が減少して
受光感度が下がる。これらの欠点を克服するために特開
昭６４−３９７８１号が提案され、壁面を受光面になる
劈開面と平行にするために反応性イオンエッチング法を
用い、液相エピタキシャル成長法で光吸収層を３．５−
と厚く或長して、受光感度を０．６Ａ／Ｗと向上してい
る．しかし、上記方法は上記文献の抜本的改良とはいい
がたく、また，高速性にも問題があった。

一方，光通信の長距離化、大容量化に伴って高速で低雑
音の受光器の開発が重要となり、ＰＩＮホトダイオード
とＦＥＴとを同一基板上に集積したＰＩＮ／ＦＥＴの研
究が活発になってきている（文献，アイ・イー・イー・
イー、ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス
、キューイー２２、（　Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　　Ｊ　．　Ｑ
ｕａｎｔｕｍ　　Ｅ　ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：ＱＥ２２
）１９８６年参照）。これらはそれぞれデータを出して
いるものの、作製プロセスが複雑で歩留りが度外視され
ており、まだ実用的なものとはいえない段階である。

また、最近ＳｉとＳｉ−Ｇｅの混晶を組合わせた多重量
子井戸構造（以下．ＭＱＷと称す）において光導波形の
アバランシ・ホトダイオード（ＡＰＤ）が提案された（
　Ｔ　ｅｍｋｉｎら、アプライド・フィジクス・レター
ズ（Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．Ｌａｔｔ．）　４　９巻８
０９頁、ｌ９８６年）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記提案は、もともと間接遷移型であるために吸収係数
が小さい上記材料で、光導波構造を採用して吸収長を大
きくし、量子効率の向上を狙ったものであり、一応の特
性は得られているが、結晶内に存在する歪のために、ま
た．ｐｎ接合が直接空気にさらされており，かつ端面に
電界集中を生じるために、暗電流が大きいという欠点が
ある。

本発明の目的は、吸収係数が大きいＭＱＷ構造を採用し
て受光感度を高めるとともに，吸収長を短かくして素子
容量を減らし、高感度で高速な多重量子井戸構造光検出
器を得ることにある。

なお、電界印加による吸収端エネルギーの長波長側への
シフトを利用して、空気中に露出しているｐｎ接合部に
は，直接光を吸収しないように電極を工夫して信頼性を
高めるとともに、高電界印加による増倍作用を利用して
、受光感度が高い端面受光型の多重量子井戸構造光検出
器を得るようにした。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、一導電型の半導体基板上に、該基板と格子
整合する井戸層と障壁層とからなる多重量子井戸構造を
コアとする光導波構造を形威し、さらにその上に、上記
半導体基板とは反対の導電型の積層と、上記多重量子井
戸構造に垂直に所定の電界を印加する電極と，上記半導
体基板および光導波部分からなる面と垂直に所定の電界
を印加する電極とを備え、上記電極が受光面より所定の
長さだけ光導波部分上で短かくすることにより達成され
る． 〔作用〕 本発明は．ＭＱＷ構造をコアとする光導波構造を採用し
て、光を素子の側面から入射させる端面受光型を最も主
要な特徴とする多重量子井戸構造光検出器である。ＭＱ
Ｗ構造では、室温における励起子吸収ピークが第７図に
示すように明瞭に観測され、そのピークにおいてはバル
クに較べて３倍以上も吸収係数が大きくなる（理想的に
は４倍）。また、上記ピークの位置は、ＭＱＷ層と垂直
に電界が印加されると，電界強度の２乗に比例して第８
図に示すように長波長側にシフトする（Ｇ．Ｂ　ａｓｔ
ａｒｄらのフィジカル・レビュー・ビー（Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ，　Ｂ）　２　８巻、３２４１−３
２４５頁．１９８３年参照）。

第９図はＭＱＷ構造をコアとする光導波構造を用いた構
成の特徴およびその原理を説明するための図で、（ａ）
は光の入射状態，（ｂ）はその断面図、（ｃ）は光の吸
収量と距離との関係をそれぞれ示す図である。（ａ）に
示すような基板５１．グラッド層５２、光導波層５３、
上部クラッド層５４、キャップ層５５、埋込み層５８，
電極５６および５７を構成要素とする光導波型の端面受
光型の光検出器では、上記光導波部に光が入射した場合
に（ｃ）に示すような光の吸収を生じる．すなわち、端
面の反射率をＲ、吸収係数をα、光の閉じ込め係数（入
射光のうちどれだけ光導波部分に光が存在するかという
割合ｒ、試料の長さをＬとすると，光の吸収量は （１−Ｒ）　（１　−ｅｘｐＣ−　ａ・ｒ−Ｌ）’ｔと
なる。したがって吸収係数αの値が大きければ，また、
光の閉じ込め係数Ｆの値が大きければ，同じ光の吸収量
を得るのに小さなＬですむことになる．上記のように量
子井戸構造を用いると，吸収係数は通常のパルクに較べ
て大きくなるので，小さなＬで大きな吸収が得られる。

したがって，素子の面積が小さくてすみ素子容量Ｃが小
さくなるため、素子の容量と抵抗で決まるいわゆるＣＲ
時定数が小さくでき、高速応答が得られる。一方、ｒの
値は光導波部のコアの厚さとコアおよびクラッド層の屈
折率で決まる。コアの屈折率を上げるか厚さを厚くすれ
ばＦは大きくなる．さらに、電極を工夫すれば、光入射
面において直接空気にさらされるｐｎ接合部分に高電界
が印加することなく，いわゆるエッジブレークダウンが
生じにくくなるため、安定な増倍ができ、また信頼性に
もよい。入射波長も端面付近では透明な光を用いること
ができ（上記の電圧印加による吸収端の長波長シフトに
よる）、空気中に露出しているｐｎ接合部に光吸収は生
じないため、端面の劣化も生じにくい． 〔実施例〕 つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による多重量子井戸構造光検出器の第１
実施例を示す図で，（ａ）は平面図，（ｂ）は正面図，
（Ｃ）は側面図、第２図は上記実施例の特性を示す図，
第３図は本発明の第２実施例を示す斜視図，第４図は本
発明の第３実施例を示す斜視図、第５図は本発明の第４
の実施例を示す斜視図，第６図は本発明の第５実施例を
示す斜視図である．第ｌ図において、１は基板、２はｎ
　一ＩｎＡＱＡｓクラッド層、３はノンドープＭＱＷ光
吸収層（　Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓまたはＩｎＧａＡｎ
Ａｓ井戸層，ＩｎＡａＡｓ障壁層）、４はｐ−ＩｎＡｌ
ｌＡｓクラッド層、５はｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層，
６はｐ電極、７はｎ電極、８はポリイミド、９はボンデ
ィング用バットで，素子容量を減らすためハイ゛メサ構
造としている。また、ボンディングパット９の下にはポ
リイミド８を用いて浮遊容量を減らしている。

上記実施例は、ＩｎＰ基板上にｎ−クラッド層０．２−
０．４ＩＩｍ．ＭＱＷ層０．４−１．０−、ｐクラッド
層〜１．Ｏ−、キャップ層０．２−を、順次分子線エビ
タキシーで成長させる。その後、幅３〜５−を残して基
板までを、反応性ドライエッチングまたは化学エッチン
グでエッチングし、ポリイミドを用いてメサ部全体をス
ピンコーティングする．その後、電極をつけ、ホトリソ
グラフィでパターニングし、再びドライエッチングでボ
ンディングパット部（〜５　ｏ４ｘ　５　０μ）以外の
部分を除去し、ボンディングワイヤをつける．光は形成
層に平行に入射し、電圧はｐｎクラッド層に挟まれたＭ
ＱＷ層にかかるようになっている。このため，吸収端は
電界印加により長波長側にシフトし、−電極がない部分
では吸収されない光が、電極がある部分で吸収される．
この端から電極までの距離は数一であればよい．上記の
ような構成のため、ｐｎ接合の空気中に露出している部
分では電界集中が生じにくく、エッジブレークダウンは
生じない。このため第２図に示すような電圧対光吸収電
流特性が得られ、電流の増倍が確認された． 第３図は本発明の第２実施例を示す図で，絶縁性の基板
ｌｌ上に各層を成長させている．通常の成長をｎ−クラ
ッド層１２．ＭＱＷ層１３，Ｐ−クラッド層１４，ｐ−
キャップ層１５の順に形成したのち，片側を基板まで，
また他の片側をｎ−クラッド層ｌ２の途中までエッチン
グする．あるいは両側を基板までエッチングしたのち，
片側にｎ−クラッド層を上記クラッド層ｌ２よりも薄く
成長させてもよい．上記エッチング面を覆って窒化シリ
コン膜１９をプラズマＣＶＤ法でつける．その後、他の
片側にはポリイミド１８をコートし、ｐ電極ｌ６、ｎ電
極１＝７を形成する．上記構造によればｐｎの電極が同
一面側に存在するため，集積化に都合がよい。

第４図は本発明の第３実施例を示す図であり、上記第３
図に示す第２実施例の構成に加えて，埋込み構造２８を
採用し、光の導波モードスポット径を対称に近づけるた
め，光導波構造のコア部よりも屈折率が小さい材料で埋
込んで，光導波の横方向の閉じ込めを第１図に示す素子
よりも小さくしている．埋込み層には絶縁性の材料を用
いているので、浮遊容量は小さく高速動作が可能である
。

例えば、ＩｎＰ基板を用いた場合は，絶縁材料として半
絶縁性ＩｎＰが適している．ストライプ幅３μのもので
３ｄＢ劣化周波数帯域幅として３５Ｇ触以上が得られて
いる． 第５図は本発明の第４実施例を示す図であり、上記第１
図に示す第１実施例の構成と同じであるが、エッチング
の深さをＭＱＷ層３３０直ぐ上までとし、それ以上はエ
ッチングを行わないいわゆるリッジ型導波路を形成した
のち．ｎ．ｐの電極３７および３６を形成する。３８は
絶縁層である．上記いずれの実施例においても電極は端
面がら数＃ｍＩｌｌしてあり、かつ、その形状もゆるや
かな電界集中を生じないようにする．その結果、上記に
示したいずれの実施例もエッジブレークダウンを生じる
ことなく、良好な電流増倍を行うことができる． 第６図に示す本発明の第５実施例は，その構或は上記第
４図と同じであるが，埋込み層４８が半絶縁性の半導体
である点が異なる．すなわち第４図においては埋込み層
２８の部分における浮遊容量を減らすため，電極をスト
ライプ状にする必要があるが、第６図では半絶縁性半導
体で埋込んでいるため，そのような必要はなく，ただ、
受光部より所定の距離だけ離れた部分に電極をつければ
よい。

上記説明では、ｎ型基板に基づいて説明したが，逆の導
電型であるｐ型基板についても同様な効果が期待できる
。ただし，この場合にはｎ−クラッド層，ｐ−クラッド
層、ｐ−キャップ層の各層はそれぞれ反対の導電型を有
することはいうまでもない． 一方、本願発明においては入射光が光導波部分に入るた
め、入射光のスポット径と光導波されるスポッ１一径の
モード不整合が光の結合効率の大きさを決定しており、
通常の光が面に垂直に入射するいわゆる上面受光型の光
検出器に較べて、結合効率力Σ低いことが問題になるが
，電極がない部分での導波光スポット径は、電極直下光
導波部でのスポット径に較べ電圧印加時には大きくなり
、上記の問題は緩和される。さらに、上記電極がない部
分での屈折率を、例えば急激な温度上昇によるＭＱＷ層
の混晶化現象（例えばＴ　．　Ｍｉｙａｚａｗａら、ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．　Ｐｈｙｓ．　）　２　８巻５号、１７３０頁参照
）を利用して、その部分での吸収端を短波長側にシフト
し、かつその屈折率を下げて導波するスポット径を大き
くしてやれば、より一層結合効率を改善することができ
る。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による多重量子井戸構造光検出器は
、一導電型の半導体基板上に、該基板と格子整合する井
戸層と障壁層とからなる多重量子井戸構造をコアとする
光導波構造を形威し、その上に、非半導体基板と反対の
導電型を有する層と，上記多重量子井戸構造に垂直に所
定の電界を印加する電極と、上記半導体基牽および光導
波部分からなる面に、上記基板を垂直に襞開して得られ
る受光面とを備え、上記電極が受光面より所定の長さだ
け光導波部分の上で短かくしたことにより，多重量子井
戸をコアとする光導波構造を採用して短かい吸収長で十
分な量子効率を得，かつ，素子容量が小さいため高速応
答性がある．また、電極を端面から離して形成している
ためエッジブレークダウンがなく、量子井戸の電界効果
を利用しているため，入射光に対して透明な部分が存在
し、端面での光吸収が少なく信頼性も良好である．上記
の利点の他に、光が結晶層に平行に入射する構威である
ため、他の光素子との集積化に対して遊離であり、整合
性もよい．電界印加による電流増倍があるので，新たに
増幅器を設ける必要がない．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による多重量子井戸構造光検出器の第ｌ
実施例を示す図で，（ａ）は平面図，（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図、第２図は上記実施例の特性を示す図，
第３図は本発明の第２実施例を示す斜視図、第４図は本
発明の第３実施例を示す斜視図，第５図は本発明の第４
実施例を示す斜視図，第６図は本発明の第５実施例を示
す斜視図、第７図はＭＱＷとバルクとの吸収係数の差を
示す図，第８図は電界印加により吸収端が長波長側にシ
フトするのを示す図、第９図は本発明の原理を説明する
図で．（ａ）は光導波型検出器の外観斜視図、（ｂ）は
光の入射を示す図、（ｃ）は光の吸収量と距離との関係
を示す図である．１１．　２１．　３１．　４１・・・
半導体基板１３、２３．　３３、４３・・・多重量子井
戸層１６、２６、３６、４６・・・ｎ電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一導電型の半導体基板上に、該基板と格子整合する
   井戸層と障壁層とからなる多重量子井戸構造をコアとす
   る光導波構造を形成し、その上に、上記半導体基板と反
   対の導電型を有する層と、上記多重量子井戸構造に垂直
   に所定の電界を印加する電極と、上記半導体基板および
   光導波部分からなる面に、上記基板を垂直に劈開して得
   られる受光面とを備え、上記電極が受光面より所定の長
   さだけ光導波部分の上で短かい多重量子井戸構造光検出
   器。 ２、一導電型の半導体基板上に、該基板と格子整合する
   井戸層と障壁層とからなる多重量子井戸構造をコアとす
   る光導波構造を形成し、所定の幅を残して上記基板に至
   るまで両側をエッチングし、その両側を屈折率が光導波
   構造のコア部屈折率よりも小さい層で埋込み、上記多重
   量子井戸層に所定の電界を垂直に印加する電極と、半導
   体基板および光導波部分からなる面に、上記基板を垂直
   に劈開して得られる受光面を備え、上記電極が受光面よ
   り所定の長さだけ光導波部分の上で短かい多重量子井戸
   構造光検出器。 ３、上記半導体基板は、絶縁性の半導体基板であり、該
   基板上に形成した一導電型を有する層上に上記光導波構
   造を形成し、所定の幅を残して片側を上記基板に至るま
   でエッチングし、他側を基板の直上層の途中までエッチ
   ングし、その両側を屈折率が光導波構造のコア部屈折率
   より小さい層で埋込み、受光面より所定の長さだけ光導
   波部分の上で短かい電極を、上記エッチングで残した所
   定幅の上に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載した多重量子井戸構造光検出器。 ４、上記特許請求の範囲第１項ないし第３項において、
   受光面より所定の長さだけ光導波部分の上で短かい電極
   の下部にある光導波部分の屈折率を、その内部の光導波
   部分より小さくしたことを特徴とする多重量子井戸構造
   光検出器。