JPH04179278A - 受光素子 - Google Patents

受光素子

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JPH04179278A
JPH04179278A JP2308094A JP30809490A JPH04179278A JP H04179278 A JPH04179278 A JP H04179278A JP 2308094 A JP2308094 A JP 2308094A JP 30809490 A JP30809490 A JP 30809490A JP H04179278 A JPH04179278 A JP H04179278A
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light
film
electrode
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dielectric material
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Takeshi Himoto
樋本　健
Ichirou Karauchi
一郎 唐内
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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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】
この発明は受光素子の応答速度を速めるための改良に関
する。ホトダイオードはＰＩＮ構造を持ち逆バイアスし
て用いられる。例えば基板の裏面には全面的に電極か形
成され、反対側の光の入射する側の受光領域にはリング
状の電極が形成される。受光領域を通って、ｐｎ接合に
光が到達すると電子と正孔が励起され電子はｎ型領域に
正孔はｐ型頭域に分離するので電流が流れる。
【　　従　　来　　の　　技　　術　　】第７図、第８
図に従来例に係るＰＩＮ構造のホトダイオードの構造を
示す。ｎ”−１ｎＰ基板１の上に、ノンドープＩｎＰバ
ッファ層２ａ、ノンドープＩｎＧａＡｓ受光層２ｂ、ノ
ンドープＩｎＰ窓層２Ｃがエピタキシャル成長しである
。ノンドープＩｎＰ窓層の方からｐ型の不純物を打ち込
んでｎ型領域３が素子の中央部に形成されている。ｎ型
領域３の周縁部にリング状の１〕側電極５が形成される
。 ｎ側電極５に囲まれる部分が受光領域である。 ここには反則防止膜４が形成されている。リング状のｎ
側電極５の外側には素子保護膜８が形成されている。基
板１の裏面にはｎ側電極７がある。 ｎ側電極５とｎ側電極７の間に電圧を印加しｐ　＋１接
合に逆バイアスを掛ける。光はｎ側電極５で囲まれる反
射防止膜４を通ってノンドープＩｎＧａＡｓ受光層２１
）のｐ　＋〕接合に到達し電子と正孔の対を発生する。 電界の作用により電子はｎ側電極７に正孔はｎ側電極５
に向かって走行し電流出力を生ずる。
【発明が解決しようとする課題】
従来例のホトダイオードの場合、リング状のｎ側電極５
の外側にも光が入射する。この部分は本来光が入射すべ
き部分ではないので非受光領域と呼ぶ。非受光領域に入
射する光によっても電荷が生じるのであるが、電極間に
印加した電圧による電界が存在しないので、電荷の密度
勾配に導がれ拡散してｐｎ接合に到達し光電流として取
り出される。ところが拡散による移動は遅いので、光の
入射から電流発生まで長い時間がかかる。 このため従来のホトダイオードの応答特性は第６図に示
すように、終端に尾を引いた形となる。 この図において横軸は時間（ｎｓ）で、縦軸はホトダイ
オード電流量である。 このようにリング状電極で囲まれた受光領域以外の非受
光領域に入射した光の存在がポトダイオードの応答を遅
くしていた。 ホトダイオードを光通信に用いる場合、光ファイバから
入射した光はホトダイオード中央の受光領域に入射され
るように集光される。しかしレンズ系、光ファイバの軸
ずれなど光学系の乱れにより一部の光が受光領域の外側
に漏れ、外側の領域で電荷を発生することがある。この
場合前述のように電流信号が尾を引くことになり、ホト
ダイオードの応答速度が低下する。 特に高速応答性のホトダイオードの場合は接合容量を下
げるために受光領域の面積を小さくしている。このため
受光領域の外側の非受光領域に入射する光の割合が大き
い。このため応答速度の遅い拡散部分が増加し、応答特
性が悪くなりやすい。これは受信側に設けた受光素子の
問題であるが発信側に設けたモニタ用の受光素子につい
ても問題がある。 発信側において半導体レーザの出力を一定に保つために
半導体レーザの後方端面がら出射した光をホトダイオー
ドで受けて出力を基準値と比較しその結果によって半導
体レーザの駆動電流を帰還制御することがある。この場
合、半導体レーザから出射した光がホトダイオードの受
光領域の外側の非受光領域にも拡がってしまうと上記の
ような拡散による電流が生ずる。このため応答速度が遅
くなり帰還制御が遅れ光出力を一定にできないという難
点がある。
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子は、受光領域以外の部分を誘電体で覆
い、誘電体により光を吸収、反射して光が半導体層の中
に入るのを阻止するようにしたものである。特に誘電体
で多層膜を形成し入射光の殆ど全てを反射するようにす
ると良い。また光の吸収の大きい誘電体として光が入射
するが誘電体の中で減衰するようにしても良い。 第１図、第２図によって本発明の発光素子の構造を説明
する。これは基板をｎ型とする例である。基板をｐ型と
することも勿論できるがその場合はｎとｐとが全く逆に
なる。ｎ型半導体基板Ｉの上に、ノンドープの半導体層
よりなる受光層２を設ける。これは場合によって何層に
もなることがある。受光層２の中央部にｐ型不純物をド
ーピングしてｐ型頭域３を形成する。これが受光領域で
ある。断面が皿型のｐｎ接合ができる。基板の裏面にｎ
側電極７が設けられる。ｐ型頭域の周辺部にリング状の
ｎ側電極５を設ける。リング状電極で囲まれる領域には
反射防止膜４を付ける。リング状のＰ側電極５の外側に
は、素子保護膜８が形成されている。以上の構成は従来
のものと異ならない。本発明ではさらにリング状電極の
外側の部分に誘電体層６を形成している。この誘電体層
６と素子保護膜８を合わせた多層膜は光を殆ど反射する
か殆ど吸収するかであって半導体の内部にまで光が浸透
しないようになっている。
【　　作　　用　　】
リング状電極で囲まれる受光領域外の部分が誘電体層６
と素子保護膜８を合わせた多層膜によって覆われている
。このために光の一部がリング状電極の外に漏れても誘
電体層６と素子保護膜８よりなる多層膜に遮られて、半
導体の内部に入ることがない。このために非受光領域に
入った光による電荷発生、拡散による電流が生じない。 したがって応答速度の遅い信号が発生する余地がなく、
発光素子の応答速度特性を改善できる。
【　　実　　施　　例　　】
第８図、第４図によって本発明の詳細な説明する。これ
は基板をｎ型とする例である。基板の上に順次以下の半
導体層を成長させた。 ｎ１型１ｎＰ基板１　　　ｎ　＝　２　ｘ　１０１８ｃ
ｍ−３ノンド一プＩｎＰバツフア層２ａ ｎ＝２Ｘ　１０１５ｃｍ−’　　厚さ２μｍノンドープ
１ｎＧａＡｓ受光層２ｂ ｎ＝２Ｘ　１０１５ｃｍ””　　厚さ３．５μｎ＋ノン
ド一プＩｎＰ窓層２Ｃ ｎ＝２Ｘ　１０１５ｃｍ−３厚さ２μｍ封管法により素
子の中央部にＺｎを選択拡散しｐ型頭域３を形成した。 これが受光領域となる。こうしてＰＴＮ構造ができる。 ｐ型頭域３の直径は１００１１ｍである。ｐ型頭域の周
辺部にｐ側電極５を形成する。基板１の裏面にはＩ〕側
電極７を設ける。 ｐ側電極５で囲まれる受光領域の表面には反射防止膜４
を設ける。これは例えば屈折率が１．８のＳｉＮ膜を２
０００人程度堆積して形成する。 ｐ側電極５の外側の非受光領域の表面には素子保護膜８
がある。これは例えばＰ−ＣＶＤ法により形成したＳｉ
Ｎ膜、ＳｔＯＮ膜等であり、後述の誘電体膜６と合わせ
て光をほとんど反射するか、はとんど吸収する多層膜を
形成する事を目的として例えば屈折率１．８、膜厚２Ｉ
５〇八となるように形成する。本発明においてはさらに
非受光領域の素子保護膜８の上に光を吸収、反射して光
の入射を防止するための誘電体層６を設ける。これは適
当な屈折率、膜厚の誘電体を組合わせた多層膜で構成で
きる。ここでは誘電体層６ａ、６ｂを交互に積層したも
のとして多層膜を示す。 例えば波長１．５５μｍの半導体レーザの光を受光する
場合を想定すると第５図に示すように誘電体層を形成で
きる。第５図に於いて半導体レーザの電極を含む主要部
が既に出来ているとする。この構造は公知であり製作法
も公知である。 リング状の電極、反射防止膜４、素子保護膜８のｈで誘
電体層を形成しない中央の部分に２μｍ程度の厚さのフ
ォトレジスト膜９を通常のフォトリソグラフィ法により
形成する。これは半導体ウェハの全体にフォトレジスト
を塗付し、マスクを用いて露光し現像することによりな
される。これが第５図の（ａ　）である。この状態では
フ−ｔ　Ｉ−レジストによって被覆されていない部分に
は素子保護膜８が露出している。 その後Ｅ　ＣＲプラズマＣＶＤ法を用い、例えば屈折率
３．２のアモルファスＳ１膜１２００人、と屈折率１．
８のＳｉＮ膜２１５ＯＡを交互に例えば４層ずつ計１３
４００人の厚みに形成し、その上にさらにアモルファス
Ｓ１膜６ａを】層、フォトレジスト９と素子保護膜８の
上に形成する。これか第５図（ｂ）の状態である。フィ
トレジスト９と素子保護膜８の上に多層膜よりなる誘電
体層６が存在する。この図の右横に誘電体層の拡大図を
示す。６ａがアモルファスＳｉ膜、６ｂがＳｉＮ膜を示
す。 次に有機溶剤を用いてフオトレジスｌ−９を除去する。 フォトレジスト９の上にあった誘電体層はフォトレジス
ト ８の上にあった誘電体層はそのまま残る。 この誘電体層６と素子保護膜８を合わせた多層膜は多重
反射の作用によって波長１．５５μｍの光に対してほぼ
１００％の反射率を有する。従って非受光領域に入射し
た光はこの誘電体層６によって１００％反射され半導体
層の中には入らない。したがってこの光によって電荷が
発生せず拡散によってｐｎ接合に到達する応答速度の遅
い信号部分が生じない。このため光信号に対して受光素
子の信号が長く尾を引くということがない。　誘電体多
層膜の反射については良く知られているがここでも簡単
に説明する。高い屈折率の媒質から低い屈折率の媒質に
光が当たると位相がπだけずれたものが反射される。そ
こで２つの異なる媒質からなる層を作りそれぞれの実効
的な厚みが波長の１／４とすると、垂直に入射した光が
これらの層を往復すると位相がπだけずれる。空気の屈
折率は１である。空気に近い側の媒質の屈折率、厚みを
ｎ。 、ｄｌとし反対側の媒質の屈折率、厚みをｎ２、ｄ２と
し ｎｔ　ｄ、−λ／　４　　　　　　（］）ｎ２ｄ２−λ
／４−　　　　　　（２）として、さらに ｎｌ＞ｎ２　　　　　　　　（３） であれば媒質１と空気の境界で反射された光に対して、
媒質２と媒質１の境界で反射された光は位相が一致する
。このため空気中に戻る方向の反射光が強め合う。これ
に反し媒質２より下の基板に入ってゆく方向への反射光
ももちろん存在する。 しかしこれは位相がπだけ異なり互いに弱め合う。こう
いうわけで前記の条件を満足する２層の誘電体は高い反
射率を得ることができるのである。 前記の例ではａ−５ｉについて屈折率ｎ１が３．２で厚
みｄ、が１２０〇八であるから、積ｒｌ＋ｄ＋−３８４
０人でこれは波長１５５００人の１７４である。ＳｉＮ
について屈折率ｎ２が１．８で厚みが２１５０人である
から、積ｎ　２　ｄ　）　＝３８７０八でこれも波長の
１７４である。ａ−５ｉの屈折率３．２が、ＳｉＮの屈
折率１，８より大きくなっている。 このような反射の非対称を利用した全反射膜や反射防止
膜は公知である。前記のＳｉＮによる反射防止膜４は上
記とは反対の非対称性を利用している。ｌｎＰよりもＳ
ｉＮの屈折率が低いので反射を軽減する。ｌｎＰの反射
率を１１３として、ｎ３　　＝ｌ１２（４） であればＳｉＮの表面での反射とＳｉＮ／ｌｎＰの境界
での反射が打ち消し合うので反射を小さくすることがで
きる。 ここでは誘電体層として反射率の高い多層膜を用いてい
るが、そうではなくて吸収の大きい不透明な誘電体層を
用いて半導体層への光の到達を防ぐようにしてもよい。
【　　発　　明　　の　　効　　果　　】本発明の受光
素子は、非受光領域に光が大割してもこれを全部反射１
２あるいは吸収して減衰できるので拡散による遅い電荷
移動を生ずることがない。このため受光素子の応答速度
の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の受光素子の平面図。 第２図は第１図と同じ受光素子の断面図。 第３図は本発明の実施例に係る受光素子の平面図。 第４図は第３図と同じ受光素子の断面図。 第５図は本発明の受光素子を製作する工程を示す断面図
であり、第５図（ａ）は半導体ウェハの全体にフォトレ
ジストを塗付したもの、第５図（ｂ）はフォトレジスト
と素子保護膜の上に誘電体層を形成したもの、第５図（
ｃ）は有機溶剤を用いてフォトレジストを除去したもの
を示す。 第６図は従来例に係る受光素子のパルス応答特性を示す
グラフ。 第７図は従来例に係る受光素子の平面図。 第８図は第７図と同じ受光素子の断面図。 １・・・・・半導体基板 ２・・・・・受光層 ２ａ・・・・ノンドープｌｎＰバ・ソファ層２ｂ・・・
・ノンドープ１ｎＧａＰ　Ａｓ受光層２Ｃ・・・・ノン
ドープＩｎＰ窓層 ３・・・・・ｐ型領域 ４・・・・・反射防止膜 ５・・・・・ｎ側電極 ６ａ・・・・アモルファスＳｉ膜 ６ｂ・・・・ＳｉＮ膜 ７・・・・・ｎ側電極 ８・・・・・素子保護膜 ９・・・・・フ第１・レジスト膜 発　　明　　者　　　　　　　　　　　　樋　　本　　
　　　健店　　内　　一部 特許出願人　　　　　　住友電気工業株式会社”ｑｒｘ ０（ｄ ０　　　、〇　　　− ！ｒ　　　　　　　　　ば） ９　　　　　　　　　　　　　　Ｌ”

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）第１の導電型を示す半導体基板と、半導体基板の
    上に積層されたノンドープ半導体層と、ノンドープ半導
    体層の一部に選択的に設けられた第２の導電型の領域と
    、半導体基板上に形成した第１の電極と、第２の導電型
    領域の上面周辺に設けた第２の電極とよりなり第２の電
    極で囲まれた部分を受光領域とするＰＩＮ構造の受光素
    子において、受光領域外となる第２の電極の外側の部分
    に光を吸収または反射して半導体層への光の入射を阻止
    できる誘電体層を形成した事を特徴とする受光素子。
JP2308094A 1990-11-13 1990-11-13 受光素子 Pending JPH04179278A (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2308094A JPH04179278A (ja) 1990-11-13 1990-11-13 受光素子
EP91309749A EP0487209A1 (en) 1990-11-13 1991-10-22 Photodetector
CA002054566A CA2054566A1 (en) 1990-11-13 1991-10-30 Photodetector
US07/787,954 US5214276A (en) 1990-11-13 1991-11-05 Semiconductor structure for photodetector
NO91914401A NO914401L (no) 1990-11-13 1991-11-11 Fotodetektor
US08/028,123 US5345075A (en) 1990-11-13 1993-03-09 Semiconductor photodetector with dielectric shielding
US08/035,215 US5345074A (en) 1990-11-13 1993-03-22 Semiconductor light source

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2308094A JPH04179278A (ja) 1990-11-13 1990-11-13 受光素子

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JPH04179278A true JPH04179278A (ja) 1992-06-25

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ID=17976795

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2308094A Pending JPH04179278A (ja) 1990-11-13 1990-11-13 受光素子

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US (1) US5214276A (ja)
EP (1) EP0487209A1 (ja)
JP (1) JPH04179278A (ja)
CA (1) CA2054566A1 (ja)
NO (1) NO914401L (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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