JPH05160426A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH05160426A
JPH05160426A JP3349014A JP34901491A JPH05160426A JP H05160426 A JPH05160426 A JP H05160426A JP 3349014 A JP3349014 A JP 3349014A JP 34901491 A JP34901491 A JP 34901491A JP H05160426 A JPH05160426 A JP H05160426A
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layer
inp
ingaas
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light absorption
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JP3349014A
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Atsuhiko Kusakabe
敦彦 日下部
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 n- 光吸収層を薄くかつ低濃度にできるよう
にして、高光入力時においてキャリアによって電界分布
に歪みが生じるのを防止し、高速応答性と低歪み特性を
得る。 【構成】 n+ −InP基板1上に、n−InP緩衝層
2、2.0μm以下の層厚で十分に低濃度のn- −In
GaAs光吸収層3、0.1μm程度の薄いn+−In
GaAs光吸収層4、n−InP窓層5を順にエピタキ
シャル成長させ、拡散によりp+ −InP領域6を形成
する。 【効果】 pn接合形成時において、拡散速度は窓層5
に比べn+ −InGaAs層4内で1/3になるため拡
散深さの制御性が向上する。また、光吸収層3がp型化
されるのが防止され、素子容量の増大を防止することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信装置や光情報処理
装置に用いられる半導体受光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】化合物半導体受光素子は、光通信用や光
情報処理用の高感度長波長受光器として実用化されてい
るが、中でもInGaAsを用いた波長1.3μmある
いは1.55μmに対する半導体受光素子は、大容量長
距離光通信用として広く使われている。
【0003】このInGaAsを使ったpinホトダイ
オードの従来例を図4に示す。従来は、n+ −InP基
板1上に、キャリア濃度1E15〜2E16cm-3、層厚
1〜3μmのn−InP緩衝層2、キャリア濃度1E1
4〜1E16cm-3、層厚1〜5μmのn- −InGaA
s光吸収層3、キャリア濃度1E15〜3E16cm-3
層厚0.5〜2μmのn−InP窓層5を、順次、気相
成長法により成長させて形成したエピタキシャルウェハ
に、受光部としてキャリア濃度1E17〜1E20cm-3
のp+ −InP領域6をZnの封止拡散により選択的に
形成し、さらに絶縁膜7、p側電極8、n側電極9を形
成して、pinホトダイオードを作成していた。
【0004】このホトダイオードに逆バイアス電圧が印
加されると、光吸収層であるInGaAs層内に空乏層
が広がる。そしてこのInGaAs層のバンドギャップ
エネルギーに相当する波長1.67μm以下の光、例え
ば1.3μmの光が入射されると、この光吸収層内にお
いて光電効果によるキャリアが生成される。生成された
キャリアは空乏層内の20〜100kV/cmの内部電界
によって飽和速度まで加速され、ホトカレントとして外
部回路へ取り出される。
【0005】このpinホトダイオードに1mA以上ホ
トカレントが生じるような光が入射すると、InGaA
s層内に高密度にキャリアが発生し、InGaAs層内
に印加された電界が多量の生成キャリアによって打ち消
されるために内部電界が低下する(空間電荷効果)。そ
のためInGaAs層内を走行するキャリアの速度が低
下し、結果としてpinホトダイオードの高速応答が妨
げられる。
【0006】また、アナログ伝送光通信の場合には、1
mA以上のホトカレントを生じさせる光入射が行われる
と、この空間電荷効果により空乏層内の電界分布が歪む
ことにより、速いキャリアと遅いキャリアが生じるため
相互変調歪みが発生し、これがアナログ伝送特性を劣化
させる原因となる。
【0007】上記した空間電荷効果を抑えるためには、
光吸収層であるInGaAs層を2μm以下に薄くしか
つそのキャリア濃度を2E15cm-3以下に低濃度化して
層間の電界を強化することが有効であることが知られて
いる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述した光吸収層を薄
くかつ低濃度化したpinホトダイオードでは、低濃度
化されている光吸収層内に1E18cm-3以上の高濃度の
p型不純物拡散を行うと、低濃度領域にその拡散フロン
トが達したと同時に拡散速度が増すため、拡散位置の制
御が困難になる。同時に、pn接合状態は片側に空乏層
が延びる片側階段接合が理想的であるところ、n型の低
濃度領域にp型の低濃度領域が形成されるため、その接
合は傾斜型接合となって両側に空乏層が延びることにな
る。さらに拡散が進んだ場合n型の低濃度領域がpの低
濃度領域に反転してしまい、その結果素子容量の増大を
招く。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体受光素子
は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形
成された低不純物濃度で第1導電型の第1の光吸収層
と、前記第1の光吸収層上に形成された、高不純物濃度
で第1導電型の第2の光吸収層と、前記第2の光吸収層
上に形成された第1導電型の窓層と、を備え、前記窓層
の表面から前記第2の光吸収層に到達する第2導電型の
拡散層が形成されたものである。
【0010】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は、本発明の第1の実施例を示す断面
図である。同図に示されるように、n+ −InP基板1
上に気相成長法により、キャリア濃度1E15〜2E1
6cm-3、層厚1〜3μmが好ましいn−InP緩衝層2
を、キャリア濃度1E15cm-3、層厚2μmに、キャリ
ア濃度2E15cm-3以下、層厚1〜2μmが好ましいn
- −InGaAs光吸収層3を、キャリア濃度1E15
cm-3、層厚1.4μmに、キャリア濃度3E15〜1E
16cm-3、層厚0.01〜1μmが好ましい、IV族元素
がドープされたn+ −InGaAs光吸収層4を、キャ
リア濃度1E16cm-3、層厚0.1μmに、それぞれ成
長させ、その後キャリア濃度1E15〜3E16cm-3
層厚0.5〜3μmが好ましいn−InP窓層5を、キ
ャリア濃度1E16cm-3、層厚1μmに成長させる。
【0011】このエピタキシャルウェハ上にSiO2
CVD法により成長させ、受光部分に50μmφの穴開
けを行って拡散マスクを形成し、Znの封止拡散によ
り、キャリア濃度1E17〜1E20cm-3のp+ −In
P領域6を選択的に形成する。このとき、n+ −InG
aAs光吸収層4により拡散速度が低下するためp+
InP領域の拡散フロントはこの層内に半自動的に停止
する。このn+ −InGaAs光吸収層の厚さは、1μ
m以上にすると光吸収層での電界強度が低下して高速性
が阻害され、また、0.01μm以下にすると、膜厚の
制御が困難となりかつ拡散フロントがこの層を突き抜け
る可能性が生じるので、上記範囲内に収めることが好ま
しい。
【0012】その後、拡散マスクを除去して新たに絶縁
膜7を堆積し、窓開けを行ってp側電極8を形成する。
次に、n+ −InP基板の裏面を基板厚が100〜20
0μmになるまで鏡面研磨し、その面に通常の方法でn
側電極9を形成する。
【0013】p+ −InP領域6を形成する拡散工程に
おいて、拡散フロントはn−InP窓層5からn+ −I
nGaAs光吸収層4に到達すると拡散速度が約1/3
に低下するため、拡散の制御性が向上するとともにn-
−InGaAs光吸収層3内のp型化が防止され、素子
容量の増加を防ぐことができる。このpinホトダイオ
ードに電圧VR を印加したときの光吸収層3、4内の電
界分布を図2に示す。
【0014】図3は、本発明の第2の実施例に係る裏面
入射型pinホトダイオードの断面図である。本実施例
は、先の実施例と同様な方法により、エピタキシャルウ
ェハを形成し、Znの拡散によりp+ −InP領域6を
形成した後、表面に絶縁膜7とp側電極8を、また裏面
に絶縁膜7とn側電極9を形成したものである。本実施
例でも先の実施例と同様の効果が得られ、その光吸収層
の電界分布も図2に示したものとなる。
【0015】一般に裏面入射のpinホトダイオードの
場合、光吸収層内の最も電界の低い部分と入射光強度の
最も高い部分とが一致するため、空間電荷効果による電
圧降下の影響を受けやすいが、本実施例では、VR =1
0Vの電圧を印加した場合、最も電界の低くなるn-
InGaAs光吸収層とn−InP緩衝層との界面にお
いても30kV/cm以上の電界強度が得られるため、こ
のような現象は生じない。よって、本発明により、高光
入力時にも高速応答性および低歪み特性の損なわれるこ
とのない裏面入射型ホトダイオードが得られる。
【0016】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、例え
ば、半導体材料について、InGaAs/InP系以外
のものを用いることができ、またエピタキシャルウェハ
の形成手段としては気相成長法に替え液相法、MBE
法、MOCVD法、ALE(AtomicLayer Epitaxy)法
等を用いることができる。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体受
光素子は、光吸収層内が高濃度と低濃度層とから構成さ
れ、高濃度層が窓層と接するようになされたものである
ので、本発明によれば、拡散層が低濃度光吸収層にまで
到達しないようにすることができる。よって、本発明に
よれば、低濃度光吸収層の層厚を薄くかつ十分に低濃度
にすることができる。従って、1mA以上のホトカレン
トを生じさせる高光入力があっても、空間電荷効果が現
れることがなく、相互変調歪みも−80dBc以下に抑
えることができる。また、低濃度光吸収層の導電型がp
型に反転することがなくなるので、素子容量を低く抑え
ることができ、空間電荷効果が抑制されたことと相まっ
て高速応答性が改善され、fc=10GHz以上の応答
性能を有するpinホトダイオードを得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図。
【図2】本発明の第1の実施例の電界強度分布図。
【図3】本発明の第2の実施例を示す断面図。
【図4】従来例の断面図。
【符号の説明】
1 n+ −InP基板 2 n−InP緩衝層 3 n- −InGaAs光吸収層 4 n+ −InGaAs光吸収層 5 n−InP窓層 6 p+ −InP領域 7 絶縁膜 8 p側電極 9 n側電極

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の半導体基板と、前記半導体
    基板上に形成された低不純物濃度で第1導電型の第1の
    光吸収層と、前記第1の光吸収層上に形成された、高不
    純物濃度で第1導電型の第2の光吸収層と、前記第2の
    光吸収層上に形成された第1導電型の窓層と、を備え、 前記窓層の表面から前記第2の光吸収層に到達する第2
    導電型の拡散層が形成されている半導体受光素子。
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