JPH04123474A - 受光装置およびその製造方法 - 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、光通信等に用いる高速受光装置の構造および
その製造方法に関する。

〔従来の技術〕

光通信システムの大容量化に伴い、それらシステムに用
いるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の高速化
がいそがれている。ＡＰＤの帯域制限要因の１つにＣＲ
時定数があり、高速化のためには素子容量の低減が必要
である。そのための有力な素子構造として、接合面をエ
ツチングにより限定したメサ型素子に裏面より光を入れ
る方式が知られている。この種の素子としては、例えば
アプライド　フィジクス　レター、第５１巻。

第１４５４頁（Ａｐｐｌｅ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、　５
１　、　ｐ　１４５４　。

１９８７）などの報告例がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記、裏面入射方式メサ型ＡＰＤにより、高速化のため
の必要条件である容量の低減は達成される。しかし、上
記従来技術では、以下に示す２つの問題を含んでおり、
素子特性に重大な影響を与える。

１、入射光の一部がメサ側壁部または、ｐｎ接合曲率部
にかかり、光感度（増倍特性）が不安定になる。

２、メサ側壁部をパイ、パスとする暗電流成分が大きい
。

本発明の目的は、上記問題のない素子構造を有する受光
装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

以下、模式図により従来素子構造と本発明による問題解
決の手段を示す。第２図に従来構造、第１図に本発明の
素子構造の断面図を示す。光ファイバ１７より素子裏面
から入射した光ビーム１８は、光吸収層１７（第１光吸
収層）で吸収され、フォトキャリアを生じる。フォトキ
ャリアは、印加電界により加速され増倍層１３でアバラ
ンシェ増倍により利得を生ずる。

従来素子構造における第１の問題点は、入射光１８が、
電気的、化学的に不安定なメサ側面部に当たるために生
ずる。これは、光ファイバと素子間の位置合せのばらつ
き、およびビーム１８の素子内部での径の拡がり等によ
る。この問題を解決するため、本発明では、新たな光吸
収層（第２光吸収層）２０を導入する。

また、同様な効果は、第２吸収層の代りに、光を反射す
る構造を設けることによっても達成できる。

以下、吸収層の場合について述べるが、反射層でも効果
は同様である。

上記光吸収層は、■中央部に光透過用の窓構造を持つこ
と、および■キャリア濃度、吸収層位置を調整し生成キ
ャリアの再結合を支配的にすることにより、この吸収層
で生じたフォトキャリアの素子内高電界部への拡散を防
止する構造とすることが重要である。

本発明により、メサ側面部への照射を防止できることは
明らかである。また、フォトキャリアによる拡散電流を
も防止できるため、素子の高速化への支障もない。

また、前述の表面電流に関する第２の問題点も第１の問
題点と同様、メサ側壁部の電気的化学的不安定性に基づ
く。本発明では、素子内部の電位分布を変化させること
、及び上述の光照射部の制約により、この問題に対応す
る。本発明の特徴である第１図の光吸収層２ｏの導電型
を隣接部と異ならせること、あるいは、２０のバンドギ
ャップを隣接部より大きくすることにより、電位分布上
、電流は主に光吸収層２０の中央部の光透過領域を通る
ようになる。その結果、メサ周辺部を流れる電流は、素
子内を流れる電流に比べて減少する。

さらに光吸収層２０により本来の光吸収層１４内の光照
射領域を素子中央部に限定できるため、光吸収層１４内
で生じたフォトキャリアの内、増倍に寄与しないメサ周
辺を流れる電流成分を抑制できる。以上の２つの効果に
より表面電流の大幅な減少が達成できる。

〔実施例〕

［実施例１］ 第３図に本発明の一実施例になるＩｎＰ系ＡＰＤの断面
図を示す１本素子は、裏面入射方式メサ型のＡＰＤであ
り、層３７が、本発明の第２の光吸収層である。

本実施例の層構造は、ｎ−ＩｎＰ基板３８（ｎ＝　２　
Ｘ　１０”ａｍ−”、膜厚ｄ＝２００μｍ）上に、リン
グ状のｐ−１ｎＧａＡｓ第２光吸収層３６（ｐ　＝　２
　Ｘ　１０”ａｎ−３、ｄ＝３μｍ）、３７の中央部を
埋めたｎ−ＩｎＰ電界緩和層３６　（ｎ＝２ＸＩＯ１ｓ
ａｎ−’、中央部ｄ　＝　６　μｍ）　−ｎ　−ＩｎＧ
ａＡｓ第１光吸収層３５　（ｎ　＝　Ｉ　Ｘ　１０１Ｓ
ａｎ−”、ｄ＝１μｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア
パイルアップ防止、電界緩和層３４　（Ｅｇ＝１．５０
ｅＶ、ｎ＝　Ｉ　Ｘ　１０１６ａｍ−”、ｄ＝０．２．
ｕｍ）、ｎ−ＩｎＰ増倍層３３　（ｎ＝２Ｘ１０”ａ＋
＋−’　　ｄ＝０．３μｍ）、ｐ　＝ＩｎＰバッファ層
３２　（ｐ＝５ｘ１０１１１ａｎ−３、ｄ＝２μｍ）、
ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３１（ｐ＝１ｘ１．０１
″ロー３、ｄ＝０．２μｍ）より構成し、３０．３９は
、それぞれｐ側。

ｎ側の電極である。

３７の導電型が周辺と異なる理由は、前述したとおりで
ある。また、３７の周辺部で生成したフォトキャリアの
一部は、ｐｎ接合の方向（図では上側）に拡散する。し
かし、層３６が高キャリア濃度で膜厚が厚いため、その
中で再結合を起こし、高速特性への影響はない。

次に本素子の作製プロセスを示す。

多層構造の形成には、２回の液相エピタキシ（ＬＰＥ）
を用いた。初めにｐ−ＩｎＧａＡｓを成長し、硫酸系の
ウェットエツチングにより素子中央部の円形の光透過穴
を形成する。続いて、３７〜３１の層を２回目のＬＰＥ
により形成する。

ＬＰＥは成長条件６２０℃、冷却速度０．５　℃／分で
行なった。

メサエッチングには、ＨＢｒ系のウェットエツチングを
用い、表面パシベーションには、プラズマＣＶＤ法によ
り形成したＳｉＮを用いた。ｐ。

ｎ電極には、それぞれＴｉ／Ａｕ（電極ビーム蒸着）　
、ＡｕＧｅＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ　（抵抗線加熱蒸着）を用
いた。

本発明の効果を見積るため、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２光吸
収層を持たない試料をも作製し、特性の比較を行なった
。

本発明の素子は、比較素子に比べ光ファイバとの位置合
せの精度をそれほど必要とせずに安定した利得特性を得
ることができた。特に、電圧−増倍特性の再現性におい
て、本発明では増倍率Ｍ＝１０．０±０．１、比較素子
ではＭ＝１０．０±０．８　と有意な差を得た。また、
Ｍ＝１での表面リーク電流成分（３０μｍφ円形素子）
は、本発明で５〜１０ｎＡ、比較素子で５０〜７０　ｎ
　Ａであり、本発明の効果がみとめられた。

［実施例２］ 次に本発明をＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　Ａ
　Ｑ　Ａ　ｓ超格子ＡＰＤに適用した例を第４図に示す
。本実施例の特徴は、材料系が異なること以外に、本発
明の第２光吸収層の作製法にある。

素子構造は、ｐ−ＩｎＰ基板４８　（ｐ＝ｓｘ１０”ａ
ｍ−’、ｄ＝１００μｍ）　、ｎ−超格子第２光吸収層
４７　（ｎ　＝　２　Ｘ　Ｉ　Ｑ”ａｍ−３、ｄ＝２μ
ｍ）、ｐ−ＩｎＡＱＡｓバッファ層４６（ｐ＝２ｘｌｏ
１″Ｃａ１ｌ−”、ｄ＝２μｍ）　、ｎ　　ＩｎＧａＡ
ｓ第１光吸収層４５　（ｎ　＝　Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−
’、ｄ＝１．０μｍ）、ｎ　−Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
　／　Ｉ　ｎ　Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ超格子増倍層４４　（ｎ
　＝　Ｉ　Ｘ　１０”ａｎ−’、ｄ＝０．４ｐｍ）、ｎ
　−Ｉ　ｎ　Ａ　Ｑ　Ａ　ｓバラフッ層４３（ｎ＝２Ｘ
１０”（ｍ−’、ｄ＝１μｍ）　、ｎ−ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層４２　　（ｎ　＝　５　Ｘ　１０”ｃｍ−３
、ｄ＝０．２μｍ）の多層構造、及び電極４１．４９よ
り構成される。

第２光吸収層４７は、膜厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓ／Ｉ
ｎＡｌＡｓｌＯＯ周期より構成され、素子中央の光透過
窓は、Ｚｎの選択拡散を用いた超格子の混晶化により作
製した。また、超格子増倍層４４は、ｄ＝２０ｎｍのＩ
　ｎＧａＡｓ井戸層、ｄ＝３０ｎｍのＩ　ｎ　Ａ　Ｑ　
Ａ　ｓ障壁層８周期より構成した。また、超格子増倍層
４４内でのキャリアのパイルアップを防止するため、井
戸層陽極側をＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ　４元グ
レーデッド層とした。

第２光吸収層４７の光吸収部（素子周辺、Ｚｎ拡散のさ
れていない部分）の導電型が隣接部と異なる理由、及び
、ｐ−バッファ層４６が高濃度の厚膜である理由は、実
施例１と同様である。

本実施例では、結晶成長に２回の分子線エピタキシ成長
法を用いた。まず層４７を成長後、中央部にＺｎを選択
拡散し、混晶化を行なった。その後、層４６〜４１を順
次成長した。このとき、主な成長条件は、基板温度５０
０℃、Ａｓ電圧、５Ｘ　１０−５Ｔｏｒｒであり、３〜
４元層はすべて格子不整合が±０．ｏ５％以内になるよ
うに抑えた。

本素子の高周波特性をヘテロダイン方式で評価し、最大
増倍率３０．最大遮断周波数１１ＧＨｚ（利得９．５）
　、利得・帯域積〜１００　Ｇ　Ｈｚ、利得１での暗電
流１５ｎＡの特性を得た。

また、光吸収層４７の代りに、半導体薄膜による積層構
造で構成した反射４７′を持つ同様な素子を作製した。

このとき、反射層４７′は、第５図の如く膜厚２１０ｎ
ｍのＩｎＧａＡｓ５１及び膜厚２２．ＯｎｍのＩ　ｎ　
Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ　５２各１０層から構成した。本実施例
の素子は、入射波長１．５５μｍに対し実施例２とほぼ
同様な特性を示した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、主に裏面入射方式のメサ型ＡＰＤにお
いて、容量の低減、利得の安定性２表面リーク電流の低
減を同時に満足できる。また、製作法が比較的容量であ
り、本発明により高速。

高性能のＡＰＤが容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の裏面入射方式メサ型ＡＰＤの原理的構
成を示す断面図、第２図は従来例の裏面入射方式メサ型
ＡＰＤの断面図、第３図、第４図は本発明の実施例にな
るＡＰＤの断面図、第５図は本発明の実施例における超
薄膜反射層の断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、裏面入射型のｐｎ接合を有する受光装置において、
   動作時に電界が印加される第１の光吸収層と、電界が印
   加されない第２の光吸収層を積層した構造を有し、第２
   の光吸収層を第１の光吸収層及びｐｎ接合に対し光の入
   射部に近い位置に設置したことを特徴とする受光装置。 ２、請求項１記載の受光装置において、第２の光吸収層
   の一部に、入射光を透過する構造を設け、この透過部の
   形状を透過部より入射した光がｐｎ接合の周辺部、また
   は曲率部にあたらないような形状とすることを特徴とす
   る受光装置。 ３、請求項１もしくは２に記載の受光装置において、第
   ２の光吸収層に用いる材料を、隣接部の材料に対し、バ
   ンドギャップを大きくすること、あるいは、導電型を異
   ならさしめることを特徴とする受光装置。 ４、請求項１乃至３のいずれかに記載の受光装置におい
   て、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子増倍層を持つメ
   サ型アバランシェフォトダイオードが形成されてなるこ
   とを特徴とする受光装置。 ５、第２の光吸収層の作製に、不純物を介した超格子の
   混晶化現象を用いることを特徴とする請求項１乃至４記
   載の受光装置を製造する方法。 ６、請求項１もしくは２に記載の第２の光吸収層のかわ
   りに、光を反射する構造を有してなることを特徴とする
   受光装置。 ７、請求項１６に記載の反射構造として、半導体薄膜の
   積層構造を用いることを特徴とする受光装置。