JPH0555619A

JPH0555619A - 半導体受光装置

Info

Publication number: JPH0555619A
Application number: JP3212406A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Kuwazuka; 治彦鍬塚
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-08-23
Filing date: 1991-08-23
Publication date: 1993-03-05

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】光通信システムに用いるのに適した半導体受
光装置に関し、高速応答と高い量子効率を同時に実現す
ることの可能な半導体受光装置を提供することを目的と
する。【構成】受光しようとする光信号のフォトンエネルギ
より広いバンドギャップエネルギと、第１導電型を有す
る化合物半導体第１層１と、前記化合物半導体第１層上
に形成され、受光しようとする光信号のフォトンエネル
ギより狭いバンドギャップエネルギを有する化合物半導
体光吸収層２と、前記化合物半導体光吸収層上に形成さ
れ、受光しようとする光信号のフォトンエネルギより広
いバンドギャップエネルギと、第２導電型を有する化合
物半導体第２層３とを有し、少なくとも前記化合物半導
体第１層１、第２層３のいずれかの面が化合物半導体光
吸収層２に対して斜めにカットされて光入射面となって
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体受光装置に関
し、特に光通信システムに用いるのに適した半導体受光
装置に関する。

【０００２】半導体レーザ、光ファイバ等と共に半導体
受光素子は光通信の基本的要素である。近年、通信の高
度化に伴い、光通信の高速化が要求されている。このた
めには、光信号を電気信号に変換する半導体受光素子に
も高速化が要求されている。

【０００３】

【従来の技術】現在、光通信には１μｍ帯の光が多く用
いられている。受光素子としては、１μｍ帯の光を吸収
することのできるＩｎＧａＡｓを光吸収層として用いた
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合のｐｉｎホトダイオー
ドあるいはアバランシホトダイオードが多く用いられて
いる。

【０００４】ホトダイオードの応答速度を制限する要因
として、光吸収層で光励起されたキャリアが光吸収層を
走行する時間（キャリア走行時間）がある。ホトダイオ
ードの応答特性の改善には、キャリア走行時間の短縮が
望まれる。

【０００５】図２に、従来の技術によるホトダイオード
の構造を示す。図２（Ａ）は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓヘ
テロ接合構造のｐｉｎホトダイオードの構造を示す。ｎ
⁺型ＩｎＰ基板５１の上に、ｎ^-型ＩｎＧａＡｓの光吸
収層５２が形成され、その上にｎ^-型ＩｎＰ窓層５３が
形成される。

【０００６】この状態ではｐｎ接合ダイオードは形成さ
れていない。このｎ^-型ＩｎＰ窓層５３の一部に、ｐ型
不純物が拡散され、ｐ⁺型拡散領域５４が形成される。
このようにして、ｐ⁺型拡散領域５４の周囲に必要なだ
けの面積を持つｐｎ接合５５が形成される。ｐ⁺型拡散
領域５４の周辺部上には、ｐ側電極５８が形成され、ｎ
⁺型ＩｎＰ基板５１の裏表面上には、ｎ側電極５９が形
成される。

【０００７】なお、ｐ⁺型拡散領域５４のｐ側電極５８
で囲まれた中央部分上には、入射光を透過する窓領域を
画定する透明保護膜５６が形成され、ｐ側電極５８の外
側領域上には光を遮蔽する遮光保護膜５７が形成され
る。

【０００８】ｐ側電極５８、ｎ側電極５９の間に、逆バ
イアス電圧を印加すると、ｐ⁺型拡散領域５４下の光吸
収層５２に空乏層が広がる。透明保護膜５６を介して光
信号６１を半導体内に入射すると、光信号６１はＩｎＰ
で形成されたｐ⁺型拡散領域５４を透過し、ｎ^-型Ｉｎ
ＧａＡｓの光吸収層５２に入射する。ＩｎＧａＡｓ光吸
収層５２で光信号６１が吸収されると、吸収された光量
に対応して光励起された電子・正孔対が形成される。

【０００９】これらの電子・正孔対は、逆バイアス電圧
によって形成されている空乏層中を電界加速され、電子
波ｎ⁺型ＩｎＰ基板５１へ、正孔はｐ⁺型拡散領域５４
へ導かれ、ｎ側電極５９、ｐ側電極５８を介して信号電
流として取り出される。

【００１０】ここで、キャリアが発生してから電極に到
達するまでの走行時間のうち、キャリアが高不純物濃度
の領域５１、５４を走行する時間は短いので、光吸収層
５２を走行する時間が問題となる。

【００１１】キャリア走行時間を短縮する最も直接的な
方法は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層５２の厚さを減少するこ
とである。厚さを減少すれば、キャリアの走行距離が減
少し、走行時間も減少する。

【００１２】ところが、ＩｎＧａＡｓ光吸収層を薄くし
ていくと、入射する光信号をＩｎＧａＡｓ光吸収層で十
分吸収できなくなり、入射した光信号の一部はＩｎＰ基
板側に透過してしまう。

【００１３】このため、光電変換効率（または光子１個
当たりいくつのキャリアを励起することができるかを表
す量子効率）が低下すると言う問題が発生する。また、
図２（Ａ）の構成においては、光信号６１は基板上方か
ら入射されることになるが、光ファイバ等を支持基板に
対して垂直な方向に配置することは実装上、好ましくな
い。

【００１４】図２（Ｂ）は、このような問題を解決する
横方向入射ホトダイオードの構造例を示す。ｎ⁺型Ｉｎ
Ｐ基板５１の上に、ｎ型ＩｎＰ導波路層６２が形成され
る。この導波路層６２の一部６３は、その幅が狭くさ
れ、導波路を構成している。

【００１５】導波路層６２の幅の広い部分上にＩｎＧａ
ＡｓＰで形成されたマッチング層６５が形成される。こ
のマッチング層６５の上に、ＩｎＧａＡｓ光吸収層５２
が形成され、その上にはｐ型ＩｎＰ層５４が形成され
る。また、ｎ⁺型ＩｎＰ基板５１裏面上には、ｎ側電極
５９が形成され、ｐ型ＩｎＰ層５４上にはｐ側電極５８
が形成される。

【００１６】積層された半導体層のうち、入射する光信
号６１を吸収する性質を有する半導体は、光吸収層５２
のみである。光信号６１が、光導波路層６２、６３に入
射すると、入射した光はマッチング層６５を介して徐々
に光吸収層５２に移行し、そこで吸収される。光吸収層
５２、マッチング層６５の屈折率はその周囲の媒質の屈
折率より高く、光閉じ込め効果を有している。

【００１７】このような構成によれば、光吸収層５２の
厚さを十分薄くすることが可能である。光吸収層の厚さ
を薄くすることにより、キャリア走行時間を低減するこ
とができる。光吸収層５２の厚さを薄くしても、光吸収
層５２の光進行方向に沿う方向の長さを十分大きくすれ
ば、光電変換効率を向上させることができる。

【００１８】しかし、光電変換効率を高く保つために
は、光進行方向に長く光吸収層を配置する必要があり、
ｐｎ接合面積は増大する。このｐｎ接合面積の増大は、
付随する寄生容量の増大をもたらす。すなわち、応答速
度が制限されることになる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の構造によれば、高い応答速度と、高い量子効率を
両立させることは困難であった。

【００２０】本発明の目的は、高速応答と高い量子効率
を同時に実現することの可能な半導体受光装置を提供す
ることである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体受光装置
は、受光しようとする光信号のフォトンエネルギより広
いバンドギャップエネルギと、第１導電型を有する化合
物半導体第１層と、前記化合物半導体第１層上に形成さ
れ、受光しようとする光信号のフォトンエネルギより狭
いバンドギャップエネルギを有する化合物半導体光吸収
層と、前記化合物半導体光吸収層上に形成され、受光し
ようとする光信号のフォトンエネルギより広いバンドギ
ャップエネルギと、第２導電型を有する化合物半導体第
２層とを有し、少なくとも前記化合物半導体第１層、第
２層のいずれかの面が化合物半導体光吸収層に対して斜
めにカットされて光入射面となっている。

【００２２】このような構成の例を、図１（Ａ）に示
す。図１（Ａ）において、化合物半導体第１層１、化合
物半導体光吸収層２、化合物半導体第２層３は、積層構
造とされ、化合物半導体第１層１と化合物半導体第２層
３の少なくとも一方（図１（Ａ）においては、化合物半
導体第１層１）の面４は、化合物半導体光吸収層２に対
して斜めにカットされている。化合物半導体第１層１と
化合物半導体第２層３は、入射光１１に対して透明であ
り、化合物半導体光吸収層２は入射光１１を吸収する性
質を有する。

【００２３】

【作用】面４が斜めにカットされているため、入射光１
１は面４に入射し、屈折光１２となった時、光吸収層２
の表面１３に対して十分傾いた角度となることができ
る。

【００２４】化合物半導体第１層１と化合物半導体光吸
収層２の間の屈折率の差はあまり大きくはないため、屈
折光１２が光吸収層２に入射する時は大きな方向変化は
なく、屈折光１２は光吸収層２内を斜めに進行する。

【００２５】なお、光学的媒質表面における光の屈折
は、図１（Ｂ）に示すようにスネルの法則を満足する。
第１の媒質１５と第２の媒質１６が界面１７を形成し、
第１の媒質１５が屈折率ｎ１を有し、第２の媒質１６が
屈折率ｎ２を有するとする。

【００２６】ｎ１＜ｎ２の場合、第１媒質１５から入射
する光は、入射角Θ₁が９０度となった時、第２媒質１
６内で屈折角Θ₂が臨界角となって出射する。半導体は
一般的に屈折率ｎが高く、たとえば３〜４程度の値を有
する。このため、空気に対する臨界角は小さい。

【００２７】たとえば、図２（Ａ）に示すような構成の
場合、半導体積層に対して空気中から入射角を大きくし
て光を入射しても、半導体内での屈折角は小さく、光吸
収層５２に対して大きな入射角をもたせて光を入射する
ことはできない。

【００２８】図１（Ａ）の構成の場合、屈折光１２は上
述同様に面４に対しては大きな角度を形成することはで
きないが、面４自身が光吸収層２の界面１３に対して斜
めにされているため、屈折光１２を界面１３に対して大
きく傾けることが可能となる。このため、光吸収層２内
での光の進行距離を長くすることができる。

【００２９】光が斜めに進行することにより、光吸収層
２の厚さを薄くしても、その内部での光の進行距離は長
くなる。このため、十分な光吸収を実現することができ
る。また、光吸収層２の厚さを薄くすることができるた
め、高速応答を実現することができる。

【００３０】また、光は光吸収僧層に対して直接斜めに
入射するため、光吸収層と平行に光が入射する場合と比
べ、光吸収層の幅を著しく増大させる必要はない。この
ため、接合面積が著しく増加することを防止でき、接合
容量の著しい増大による動作速度の低減を防止すること
ができる。

【００３１】

【実施例】図３に、本発明の実施例による半導体受光装
置を示す。図示の状態は、半導体受光装置を完成後、実
装のために倒立させた状態を示す。

【００３２】たとえば、不純物濃度約１×１０¹⁸ｃｍ^-3
のｎ⁺型ＩｎＰ基板２１の上に、不純物濃度約２×１０
¹⁵ｃｍ^-3、厚さ約１．５μｍのｎ^-型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層２２、不純物濃度約２×１０¹⁵ｃｍ^-3、厚さ約１．
５μｍのｎ^-型ＩｎＰ窓層２３をエピタキシャル成長す
る。

【００３３】ｎ^-型ＩｎＰ窓層２３の表面から、イオン
注入、熱拡散等によりｐ型不純物（たとえばＺｎ）を不
純物濃度約２×１０¹⁸ｃｍ^-3ドープし、ｐ⁺型拡散領域
２４を光吸収層２２に到達するように作成する。このｐ
⁺型拡散領域２４の周囲にｐｎ接合３１が形成されてい
る。ｐｎ接合３１の主要部は光吸収層２２と平行であ
る。

【００３４】半導体表面上にはＳｉＮパッシベーション
膜２７を、たとえば厚さ約２００ｎｍ形成し、ホトリソ
グラフィにより電極を形成すべき部分等に開口を形成す
る。これらの開口を介して、ｐ⁺型拡散領域２４上にｐ
側電極２５をＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ積層によって形成し、ｎ
型ＩｎＰ層２３およびｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２側
面上に、ｎ側電極２６をＡｕ／ＡｕＧｅ積層等によって
形成する。

【００３５】なお、半導体基板２１は（１００）面を有
し、図中横方向に＜１１０＞方向を有する。このような
基板２１の側面をたとえばＢｒ−メタノールエッチング
液で異方性エッチングすることによって、（１１１）面
を露出させる。このような（１００）面と（１１１）面
は、約５４．７度の角度を持って交差する。

【００３６】このようにして、光吸収層２２に対して傾
いた光入射面３４を形成してある。なお、光入射面３４
表面上には、ＳｉＮで形成され、厚さ約２００ｎｍの反
射防止膜２８が形成されている。

【００３７】なお、光吸収層２２およびその上のｎ^-型
ＩｎＰ窓層２３には溝３３が形成され、ホトダイオード
部分とｎ側電極２６とを分離している。このように形成
されたホトダイオードを、ｐ⁺型拡散領域２４を下に、
図示のように配置すると、光入射面３４は水平面に対し
約５４．７度の角度をもって配置される。

【００３８】このような構成に、水平面と平行に入射光
３５を入射させると、入射角度は約３５．３度となり、
半導体内に入射後、光吸収層２２に入射する際の入射角
度は、約７４度となる。

【００３９】このため、光信号が光吸収層を通る方向の
距離は、光信号が光吸収層２２に垂直に入射する場合と
比べ、２倍以上となる。このため、垂直に入射した場合
の量子効率７０％と比べ、著しく向上された量子効率約
９０％を得ることができる。

【００４０】このような構成によれば、光吸収層２２の
厚さが薄く設定されているにも係わらず、入射光が光吸
収層を斜めに進行するため、高い量子効率を得ることが
できる。光吸収層の厚さが薄いため、キャリアが光吸収
層を通過する走行時間を短くすることができ、高速動作
が可能になる。

【００４１】さらに、入射光を水平方向ないしその近傍
に配置することが容易となり、光ファイバ等と組み合わ
せて実装することが容易になる。図４は、本発明の実施
例による光半導体装置の構成を示す。回路基板４１は、
その表面に選択的にストリップライン４５を形成した絶
縁基板で構成される。この回路基板４１の上に、図３に
示すような半導体受光装置４２が半導体基板２１を上方
に向けて、いわゆるフェイスダウンボンディングによっ
てボンディングされる。

【００４２】入射光信号を伝達する光ファイバ４３は、
支持部４８に支持されて回路基板４１上方に水平に配置
される。この光ファイバ４３と半導体受光装置４２の間
にはセルフォックレンズ４４が支持部４８に支持されて
配置されている。

【００４３】すなわち、光ファイバ４３から発する光
は、セルフォックレンズ４４で集光され、半導体受光装
置４２の斜め入射面３４の所定箇所に入射する。半導体
受光装置４２からの出力信号は、ストリップライン４５
を介して側方に導出され、接続ワイヤ４７を介して隣接
して配置されたＩＣ４６に接続される。

【００４４】このようにして、同一回路基板上に信号処
理用のＩＣを配置し、半導体受光装置４２からの出力信
号を直接信号処理ＩＣに供給し、処理することにより、
より低雑音で高速の信号処理を行うことができる。

【００４５】半導体受光装置４２は、水平に進行する光
を受光するため、光ファイバ４３を水平に配置すること
ができ、信号処理に便利である。以上実施例に沿って本
発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるもので
はない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が
可能なことは当業者に自明であろう。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
量子効率が高く、かつ高速動作の可能な半導体受光装置
が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】従来の技術を示す。図２（Ａ）は上面入射ホト
ダイオードの構成を示す断面図、図２（Ｂ）は横方向入
射ホトダイオードの斜視図である。

【図３】本発明の実施例による半導体受光装置を示す断
面図である。

【図４】本発明の実施例による半導体受光装置を有する
光半導体装置を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１化合物半導体第１層２化合物半導体光吸収層３化合物半導体第２層４面２１ｎ⁺型ＩｎＰ基板２２ｎ^-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３ｎ^-型ＩｎＰ窓層２４ｐ⁺型拡散領域２５ｐ側電極２６ｎ側電極２７パッシベーション膜２８反射防止膜３３溝部３４側面４１回路基板４２半導体受光装置４３光ファイバ４４セルフォックレンズ４５ストリップライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光しようとする光信号のフォトンエネ
ルギより広いバンドギャップエネルギと、第１導電型を
有する化合物半導体第１層（１）と、前記化合物半導体第１層上に形成され、受光しようとす
る光信号のフォトンエネルギより狭いバンドギャップエ
ネルギを有する化合物半導体光吸収層（２）と、前記化合物半導体光吸収層上に形成され、受光しようと
する光信号のフォトンエネルギより広いバンドギャップ
エネルギと、第２導電型を有する化合物半導体第２層
（３）とを有し、少なくとも前記化合物半導体第１層、
第２層のいずれかの面（４）が化合物半導体光吸収層に
対して斜めにカットされて光入射面となる半導体受光装
置。
【請求項２】前記化合物半導体第１層、第２層は、共
にＩｎＰを主成分とし、化合物半導体光吸収層との界面
に（１００）面を有し、前記斜めにカットされた面は
（１１１）面である請求項１記載の半導体受光装置。
【請求項３】前記化合物半導体第１層はその側面に
（１１１）面を形成し、主表面に（１００）面を有する
基板であり、前記化合物半導体第２層は前記化合物半導
体光吸収層の上に形成された第１導電型のエピタキシャ
ル層の一部に形成された不純物ドープ領域で形成され、
前記化合物半導体光吸収層は第１導電型かほぼ真性の半
導体で形成され、前記化合物半導体第２層を下にして回
路基板上にボンディングするのに適した請求項２記載の
半導体受光装置。