JPH0482277A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH0482277A
JPH0482277A JP2198263A JP19826390A JPH0482277A JP H0482277 A JPH0482277 A JP H0482277A JP 2198263 A JP2198263 A JP 2198263A JP 19826390 A JP19826390 A JP 19826390A JP H0482277 A JPH0482277 A JP H0482277A
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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] この発明は光通信における半導体受光素子に関するもの
である。
[従来の技術] 第12図は例えば「光通信素子工学」 (工学図書株式
会社版、米津宏雄著、372頁、図6.7(c))に示
された従来の半導体受光素子を示す断面図である。ここ
ではp +拡散領域/ n −−1nGaAs/ n 
−InP構造によるPIN型フォトダイオードの場合に
ついて説明する。第12図において(1)はn−電極、
(2)は半導体基板で、(3)のn”−InP半導体基
板と(4)のn −1nPバツフア一層とから成り立っ
ている。(5)はn ”’ −1nGaAsの光吸収層
である。(6)はn −−1nGaAsPの光透過層で
ある。この光透過層(6)の材料はn−−1nPでもよ
い、(7)は第2導電型半導体領域であるp1拡散領域
で、光透過層(6)と光吸収層(5)にまたがって配置
されている。  (13)は接合面で。
p1拡散領域(7)と光吸収層(5)あるいは光透過層
(6)をなす第1導電型半導体とのp−n接合の接合面
である。接合面(13)の底111tl(14)は光吸
収層(5)のみに形成されている。(8)はp−n接合
による空乏層、(15)は空乏層端、(9)はSi3N
、の表面保護膜、(10)は反射防止膜、(11)は電
極コンタクト、(12)はp−電極である。
次に動作について説明する。
第13図はフォトダイオードを使用するときの回路図で
ある。第13図においてhνは光量子である。
上記のように構成されたフォトダイオードは通常第13
図に示されるような回路構成の下で使用される。PIN
型フォトダイオードは抵抗を介して電源と結ばれ逆方向
バイアス電圧が印加される。
第12図において反射防止膜(10)を透してp4拡散
領域〈7)に入射した光は光透過層(6)を通過し、光
吸収層(5)で吸収され、電子正孔対を発生する。この
電子正孔対は空乏層(8)中において、電界により分離
し、n−電極(1)とp−電極(11)との間に起電力
を発生し、光電流が得られる9空乏層(8)の領域はn
−電極(1)とp−電極(12)との間にバイアス電圧
を印加することにより制御され得るが、第12図の従来
例のように空乏層(8)が光吸収層(5)にある場合は
、バイアス電圧がなくても光入射があれば起電力が発生
し光電流が得られる。
またp−n接合による空乏層(8)は材料の比誘電率で
定まる空乏層容量を持ちフォトダイオードの応答速度に
影響を与える。すなわち応答速度はCR時定数の大きさ
により定まり、この値が大きくなると応答速度は小さく
なる。このCR時定数のCは主として空乏層容JICB
で、第1式で示される。
第1式において、Aはp−n接合の面積、kは比誘電率
、NBはキャリア濃度、■、はバイアス電圧、v(、は
ビルトイン電圧、εo、  qはそれぞれ定数である。
またCR時定数のRは光電流(高周波信号)に対する負
荷抵抗で、第13図におけるRt、に相当する。
第14図は第2の従来例を示す断面図である。
第14図ではp9拡散領域(7)もp−n接合による空
乏層(8)も共に光透過層(6)に存在する場合である
。この場合はp“拡散領域(7)が光透過層(6ンにあ
るため、第1式から分かるように光透過層(6)と光吸
収層(5)とのキャリア濃度N1が同程度であるとすれ
ば、光透過層(6)の比誘電率が光吸収層(5)の比誘
電率より小さいと、空乏層が光吸収層(5)にまたがっ
て存在する場合に比較し空乏層容量が小さくなり、応答
速度が大きくなる。なお、光透過層(6)のキャリア濃
度NBが光吸収層(5)のキャリア濃度NBより/JX
さければ空乏層容量がより小さくなり応答速度が大きく
なることは言うまでもない。
ただ第2の従来例では光吸収層(5)に空乏層(8)が
存在しないため、光吸収層(5)で発生した電子正孔対
が分離せず再結合し、起電力が発生しない。このため光
電流を得るためには必ずバイアス電圧を印加し空乏層端
(15)を光吸収層(5)内まで延ばす必要がある。
[発明が解決しようとする課題] 従来の半導体受光素子は以上の様に構成されているので
次の様な問題点があった。すなわち半導体受光素子が通
信に使用される場合には、光ファイバーと接続されるが
光フアイバー終端から半導体受光素子の受光面に直接光
を入れる直接結合の場合は、光束が拡散するので受光面
が広い方が結合が容易である。更に大きな光電流を得る
為にも受光面積すなわちp−n接合の面積が広い方がよ
い。しかしp−n接合の面積が広がるとそれに伴う空乏
層も広くなる。第15図は単位面積当りの空乏層容量C
3を用いて示した第1の従来例の半導体受光素子の全空
乏層容量C11の等価回路図である。第15図から分か
るようにp−n接合の面積が増加すると並列結合される
、単位面積当りの空乏層容量C8の数が増加し全空乏層
容量C!lが増加する。従ってCR時定数が大きくなり
、高速応答性のよい半導体受光素子が得られない、この
ため空乏層が存在する領域の比誘電率はできるだけ小さ
くしたいという要請がある。
また、第2の従来例ではp1拡散領域も空乏層もともに
空乏層容量が小さくなり応答速度が大きくなるが必ずバ
イアス電圧を印加し空乏層を光吸収層内まで延ばす必要
がある。バイアス電圧が必要になると、結晶欠陥による
もれ電流やp−n接合の表面露出部の表面もれ電流はバ
イアス電圧を印加することにより増加するので、光電流
ともれ電流との合成である出力に対してそのS/N比が
悪くなる。
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもの
で、従来の構造より空乏層容量が小さくかつ零バイアス
においても光感度をもつ半導体受光素子を得ることを目
的とし、延いては応答速度が大きくかつ信頼性の高い半
導体受光素子を得ることを目的としている。
[課題を解決するための手段] この発明に係わる半導体受光素子は第1導電型半導体の
光吸収層に密着して配置された、光吸収層より比誘電率
の小きい第1導電型半導体の光透過層を備え、この光透
過層に第2導電型半導体領域を選択的に配置すると共に
、この第2導電型半導体領域の接合の上記光吸収層に対
向する部分に、光吸収層に貫入するような上記第2導電
型半導体領域の突出部を備えたものである。
[作用] この発明における半導体受光素子においては、全空乏層
容量は光吸収層の空乏層容量と光透過層の空乏層容量と
が直列接続された容量と、光吸収層のみの空乏層容量と
が並列接続された容量となるので、全空乏層容量が低減
すると共に、空乏層の端は光吸収層内に存在するので零
バイアスで光電流が得られる。
[発明の実施例コ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第1図はこの発明の半導体受光素子を示す断面図であり
、第2図は第1図のA −A!!断面図である。ここで
もp ’F拡散領域/ n −−1nGaAs/ n 
−InP構造によるPIN型フォトダイオードの場合に
ついて説明する。(1)〜(13)、(15)は従来例
とおなしであるので説明を省略する。(16)は第2導
電型半導体領域、ここではp+拡散領域の突出部である
第1図、第2図においてp+拡散領域(7)の突出部(
16)は一方向に溝形状をなしながら繰り返し突出して
いて、p +拡散領域(7)がその横断面では光透過層
(6)から光吸収層(5)に櫛の歯状に配置されている
。櫛の歯状になっている部分の寸法はたとえば8寸法、
5寸法とも1μm程度である。それ故空乏層端(15)
はp−n接合が光透過層(6)にある部位でも若干光透
過層(6)の方に波打つ程度で光吸収層(5)にある。
第3図は第1図に示された半導体受光素子の空乏層容量
の等価回路図である。従来例と比較すると、p−n接合
が光吸収層(5)にあるところでは単位面積当りの空乏
層容量はC1となり従来例と同じであるが、p−n接合
が光透過層(6)にあるところでは、光透過層(6)の
比誘電率が光吸収層(5)の比誘電率よりも小さいので
、単位面積当りの空乏層容量は光吸収層(5)のところ
の空乏層容量Cユと光透過層(6)のところの空乏層容
量c2との直列接続となるので小さくなる。そのため全
空乏層容量CBは従来例に比べ低減し、フォトダイオー
ドの応答速度が大きくなる。
また空乏層端(15)はp−n接合が光透過層(6)に
ある場合でも若干光透過層(6)の方に波打つ程度で全
体として光吸収層(5)にあるから零バイアスでも光電
流が得られる。
次に製造方法について説明する。
第4図から第9図は製造の段階に従って示された半導体
受光素子の断面図である。
n“−InP半導体基板(3)にn −1nPバツフア
一層(4)を気相成長させ、この両者で構成されるもの
を基板(2)とし、この基板(2)のn−InPバッフ
ァー層(4)の上にn −−1nGaAsの光吸収層(
5)を、光吸収層(5)の上にn−−1nGaAsPや
n”’−1nPの光透過層(6)を、光透過層(6)の
上にn ”’ −1nGaAsのコンタクト層(20)
を、コンタクト層(20)の上にn−−1nPのマスク
層(21)をそれぞれ順次気相成長により積層する。こ
の段階の半導体受光素子の断面図が第4図である。
次にマスク層(21)のエツチングパターンの材料とし
てSiN膜(22)を形成し、CF4などによるドライ
エツチングを行いエツチングパターンを形成する。この
段階の半導体受光素子の断面図が第5図である。
次にn−−1nPのマスク層(21)をMCIなどでエ
ツチングする。この段階の半導体受光素子の断面図が第
6図である。
次に受光部のSiN膜(22)をCF4などを用いドラ
イエツチングを行ない除去した後、p今不純物を拡散し
、p“拡散領域(7)を形成する。この段階の半導体受
光素子の断面図が第7図である。
この後SiN膜(22) 、マスク層(21)を除去し
、電極コンタクト(11)とする部分を残してコンタク
ト層(20)を除去する。この段階の半導体受光素子の
断面図が第8図である。
更に光透過層(6)の上にSi3N、膜を蒸着し、表面
保護膜(9)、反射防止膜(10)とする。この段階の
半導体受光素子の断面図が第9図である、 以上がこの発明に係わる半導体受光素子の製造方法であ
る9 なお、上記実施例はp+拡散領域(7)の突出ell(
16)は一方向に溝形状をなしながら繰り返し突出して
いて、p +拡散領域(7)がその横断面では光透過層
(6)から光吸収層(5)に櫛の画状に配置されている
場合について説明したが、突出8D(16)を光吸収層
に繰り返し突出させながら平面形状を種々に変化させて
もよい。第10図、第11図は第1図のA−Ag断面と
同様の断面における断面図である。第10図は断面形状
が同心円形状の実施例、第11図は同じく断面形状が格
子形状の実施例である。
[発明の効果] この発明によれば空乏層容量が低減でき、かつ零バイア
スでも空乏層が光吸収層に延びているので、応答速度が
大きくなると共に零バイアスでも光電流かえられるとい
う効果がある。
(6)は光透過層、(7)は第2導電型半導体領域、(
16)は突出部である。
なお図中、同一符号は同− 又は相当部分を示 す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  第1導電型の半導体基板と、 この半導体基板の主面に密着して配置された第1導電型
    半導体の光吸収層と、 この光吸収層に密着して上記半導体基板の主面に対向す
    るように配置された、上記光吸収層より比誘電率の小さ
    い第1導電型半導体の光透過層とを備え、 この光透過層に選択的に配置された第2導電型半導体領
    域を有すると共に、この第2導電型半導体領域の接合の
    上記光吸収層に対向する部分に、上記光吸収層に貫入す
    るように配置された上記第2導電型半導体領域の突出部
    を備えた半導体受光素子。
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