JPH07123170B2 - 受光素子 - Google Patents
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- JPH07123170B2 JPH07123170B2 JP2209584A JP20958490A JPH07123170B2 JP H07123170 B2 JPH07123170 B2 JP H07123170B2 JP 2209584 A JP2209584 A JP 2209584A JP 20958490 A JP20958490 A JP 20958490A JP H07123170 B2 JPH07123170 B2 JP H07123170B2
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
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- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はIII-V族半導体結晶のヘテロ接合を用いた受光
素子に利用する。特に、分光感度特性の改善に関する。
素子に利用する。特に、分光感度特性の改善に関する。
本明細書において三元系または四元系の半導体を表す場
合に、その半導体を構成する元素を表すときには、例え
ば「GaInAs」のように、元素を列記して表す。また、組
成を表す場合には、例えば「GaxIn1-xAs」のように、混
晶比を付記して表す。
合に、その半導体を構成する元素を表すときには、例え
ば「GaInAs」のように、元素を列記して表す。また、組
成を表す場合には、例えば「GaxIn1-xAs」のように、混
晶比を付記して表す。
本発明は、InP基板上にGaInAs光吸収層を設けた受光素
子において、 光吸収層にGaの混晶比が小さな材料を用いて吸収端波長
を長波長側に延長することにより、 分光感度特性の温度依存性を小さくし、しかも入射光ス
ペクトル幅依存性の少ない光パワー測定を可能とするも
のである。
子において、 光吸収層にGaの混晶比が小さな材料を用いて吸収端波長
を長波長側に延長することにより、 分光感度特性の温度依存性を小さくし、しかも入射光ス
ペクトル幅依存性の少ない光パワー測定を可能とするも
のである。
波長の比較的長い光を受光する場合には、特殊な場合を
除き、ゲルマニウムGeやガリウム・インジウム・ヒ素リ
ンGaInAsPを材料とする受光素子が従来から用いられて
いる。特にGaxIn1-xAsyP1-y（ただしｘ、ｙは混晶比）
は、その混晶比を適当に選択することにより、格子定数
をInP結晶に一致させながらバンドギャップエネルギを
変化させることができる。これにより、ほぼ１〜1.7μ
ｍの波長帯域において所望の分光感度波長帯域をもつの
光吸収層が、InP結晶基板上にエピタキシャル成長可能
となる。
除き、ゲルマニウムGeやガリウム・インジウム・ヒ素リ
ンGaInAsPを材料とする受光素子が従来から用いられて
いる。特にGaxIn1-xAsyP1-y（ただしｘ、ｙは混晶比）
は、その混晶比を適当に選択することにより、格子定数
をInP結晶に一致させながらバンドギャップエネルギを
変化させることができる。これにより、ほぼ１〜1.7μ
ｍの波長帯域において所望の分光感度波長帯域をもつの
光吸収層が、InP結晶基板上にエピタキシャル成長可能
となる。
このようなGaxIn1-xAsyP1-yの光吸収層は、基板との間
でpn接合を形成することにより、アバランシェ・ホトダ
イオードとして用いられる。また、光吸収層上にInPキ
ャップ層を形成し、PINホトダイオードとして利用した
ものも公知である。また最近では、暗電流、周波数応答
特性、増倍雑音特性などの電気的特性や約1.5μｍより
長波長側の分光感度特性の点でGe受光素子より優れたGa
InAsP受光素子が製造されている。詳しくは文献（１）
に示されている。
でpn接合を形成することにより、アバランシェ・ホトダ
イオードとして用いられる。また、光吸収層上にInPキ
ャップ層を形成し、PINホトダイオードとして利用した
ものも公知である。また最近では、暗電流、周波数応答
特性、増倍雑音特性などの電気的特性や約1.5μｍより
長波長側の分光感度特性の点でGe受光素子より優れたGa
InAsP受光素子が製造されている。詳しくは文献（１）
に示されている。
GaxIn1-xAsyP1-yのうち特に混晶比がｘ＝0.47、ｙ＝１
のもの、すなわちGa0.47In0.53Asは、格子定数がInPに
一致するもののうち、バンドギャップエネルギが室温で
0.75eVと最も小さい。このため、これを光吸収層として
用いた受光素子では、約0.9〜1.7μｍの分光感度波長が
得られている。１μｍ以下の短波長側における分光感度
の低下は、光吸収層の入射側に設けたInPキャップ層と
の光吸収によるものである。また、長波長側の分光感度
の低下は、Ga0.47In0.53As光吸収層の吸収端波長が1.65
μｍ付近にあり、この波長より長い波長の光は吸収され
ないからである。
のもの、すなわちGa0.47In0.53Asは、格子定数がInPに
一致するもののうち、バンドギャップエネルギが室温で
0.75eVと最も小さい。このため、これを光吸収層として
用いた受光素子では、約0.9〜1.7μｍの分光感度波長が
得られている。１μｍ以下の短波長側における分光感度
の低下は、光吸収層の入射側に設けたInPキャップ層と
の光吸収によるものである。また、長波長側の分光感度
の低下は、Ga0.47In0.53As光吸収層の吸収端波長が1.65
μｍ付近にあり、この波長より長い波長の光は吸収され
ないからである。
第10図は従来の受光素子の波長に対する分光感度、すな
わち分光感度波長特性の測定例を示す。この測定は文献
（２）に示されたものであり、市販のGa0.47In0.53As/I
nP-PINホトダイオードを用い、−15.9℃、−４℃、19.9
℃および39.7℃の各温度で測定したものである。分光感
度は入射光パワー〔Ｗ〕あたりの出力電流〔Ａ〕で表さ
れ、入射光パワーについては、高精度カロリーメータに
より測定されている。
わち分光感度波長特性の測定例を示す。この測定は文献
（２）に示されたものであり、市販のGa0.47In0.53As/I
nP-PINホトダイオードを用い、−15.9℃、−４℃、19.9
℃および39.7℃の各温度で測定したものである。分光感
度は入射光パワー〔Ｗ〕あたりの出力電流〔Ａ〕で表さ
れ、入射光パワーについては、高精度カロリーメータに
より測定されている。
また、このような分光感度波長特性については、入射光
に対する反射防止幕の構造を考慮し、実験により得られ
たPINホトダイオード構造の外部量子効率ηext＝〔分光
感度／絶対分光感度〕を用いることにより、かなり正確
にシミュレーション計算できる。このシミュレーション
の手法については、文献（３）に示されている。
に対する反射防止幕の構造を考慮し、実験により得られ
たPINホトダイオード構造の外部量子効率ηext＝〔分光
感度／絶対分光感度〕を用いることにより、かなり正確
にシミュレーション計算できる。このシミュレーション
の手法については、文献（３）に示されている。
さらに、受光素子の分光感度波長特性がその素子の光パ
ワー測定誤差に関係することが文献（４）に示されてい
る。
ワー測定誤差に関係することが文献（４）に示されてい
る。
文献（１） 酒井士郎他、電子通信学会論文誌、 第J62−Ｃ巻、第10号、′79/10 文献（２） ヤマギシ他、IEEEトランザクション・オン・インストル
メント・アンド・メジャリメント第38巻1989年、第578
頁 （H.Yamagishi,Y.Suzuki and A.Hiraida,“Precise Mea
surement of Photodiode Spectral Responses Using th
e Calorimetric Method",IEEE Trans.Instrum.Meas.38
（1989）578） 文献（３） ワダ他、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジクス第29巻1990年L401（M.Wada,M.Seko,K.Saka
kobara and Y.Sekiguchi,“GaInAs/InP PIN Photodiode
Fabricated by MOVPE and a New Zn Diffusino Techni
que",Jpn.J.Appl.Phys.29（1990）L401） 文献（４） ウェンドランド他、プライマリイ・スタンダード・シン
ポジウム、1986年９月 （B.wendland and P.wendland,“Optical Power Measur
emant Brrors Arising From Source Spectral width",P
rimary Standerd Symposium,NBS Boulder,Sept.1986"） 〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、Ga0.47In0.53Asを光吸収層として用いた受光素
子では、石英ガラス光ファイバの極低伝搬損失領域であ
りGaInAsP系レーザの発振波長領域でもある光通信、光
計測その他の応用上で重要な1.55μｍ付近の波長で、分
光感度の低下が始まってしまう。このため、 （１）波長1.5μｍ付近より波長長側では、温度変化に
より分光度が大きく変動する、 （２）入射光のスペクトル幅により光パワーの測定値に
誤差が生じる などの問題があった。
メント・アンド・メジャリメント第38巻1989年、第578
頁 （H.Yamagishi,Y.Suzuki and A.Hiraida,“Precise Mea
surement of Photodiode Spectral Responses Using th
e Calorimetric Method",IEEE Trans.Instrum.Meas.38
（1989）578） 文献（３） ワダ他、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジクス第29巻1990年L401（M.Wada,M.Seko,K.Saka
kobara and Y.Sekiguchi,“GaInAs/InP PIN Photodiode
Fabricated by MOVPE and a New Zn Diffusino Techni
que",Jpn.J.Appl.Phys.29（1990）L401） 文献（４） ウェンドランド他、プライマリイ・スタンダード・シン
ポジウム、1986年９月 （B.wendland and P.wendland,“Optical Power Measur
emant Brrors Arising From Source Spectral width",P
rimary Standerd Symposium,NBS Boulder,Sept.1986"） 〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、Ga0.47In0.53Asを光吸収層として用いた受光素
子では、石英ガラス光ファイバの極低伝搬損失領域であ
りGaInAsP系レーザの発振波長領域でもある光通信、光
計測その他の応用上で重要な1.55μｍ付近の波長で、分
光感度の低下が始まってしまう。このため、 （１）波長1.5μｍ付近より波長長側では、温度変化に
より分光度が大きく変動する、 （２）入射光のスペクトル幅により光パワーの測定値に
誤差が生じる などの問題があった。
第一の問題点である分光感度の温度変化について詳しく
説明する。
説明する。
第11図は分光感度の温度変化を示す図であり、Ｔ℃にお
ける分光感度RT（λ）［A/W］が20℃における分光感度R
20（λ）［A/W］からどの程度変化するかを百分率で表
す。すなわち、 により求めた結果を表す。
ける分光感度RT（λ）［A/W］が20℃における分光感度R
20（λ）［A/W］からどの程度変化するかを百分率で表
す。すなわち、 により求めた結果を表す。
第11図に示されたように、Ga0.47In0.53As光吸収層の吸
収端波長近傍の波長1.5μｍから、ΔＲが急激に大きく
なる。これは、Ga0.47In0.53Asの直接エネルギギャップ
E9（バンド構造のΓ点すなわちｋ＝０の点におけるバン
ドギャップ）の温度変化ΔE9/T〔eV/K〕に起因し、内部
量子効果、反射防止膜その他の波長依存性を含む分光感
度波長特性の形状にも関係している。
収端波長近傍の波長1.5μｍから、ΔＲが急激に大きく
なる。これは、Ga0.47In0.53Asの直接エネルギギャップ
E9（バンド構造のΓ点すなわちｋ＝０の点におけるバン
ドギャップ）の温度変化ΔE9/T〔eV/K〕に起因し、内部
量子効果、反射防止膜その他の波長依存性を含む分光感
度波長特性の形状にも関係している。
これを更に詳しく解析するため、第12図に示すような断
面構造の受光素子を考える。この受光素子はInP/GaInAs
/InPヘテロ構造のPINホトダイオードであり、n+形InP基
板21上にn+形InPバッフア層22、ｎ形GaInAs光吸収層23
およびｎ形InPキャップ層24がエピタキシャルに形成さ
れる。InPキャップ層24の表面のうち受光領域の周辺の
部分には、SiO2膜25が設けられる。受光領域には、キャ
ップ層24から光吸収層23にかけてZn拡散領域26が形成さ
れる。Zn拡散領域26の表面にはAu-Zn/Au電極27が設けら
れ、基板21の裏面にはAu-Sn/Au電極28が設けられる。Zn
拡散領域26を含むキャップ層24の表面には、反射防止膜
として、Si3N4膜29およびSiO2膜30が設けられる。
面構造の受光素子を考える。この受光素子はInP/GaInAs
/InPヘテロ構造のPINホトダイオードであり、n+形InP基
板21上にn+形InPバッフア層22、ｎ形GaInAs光吸収層23
およびｎ形InPキャップ層24がエピタキシャルに形成さ
れる。InPキャップ層24の表面のうち受光領域の周辺の
部分には、SiO2膜25が設けられる。受光領域には、キャ
ップ層24から光吸収層23にかけてZn拡散領域26が形成さ
れる。Zn拡散領域26の表面にはAu-Zn/Au電極27が設けら
れ、基板21の裏面にはAu-Sn/Au電極28が設けられる。Zn
拡散領域26を含むキャップ層24の表面には、反射防止膜
として、Si3N4膜29およびSiO2膜30が設けられる。
分光感度波長特性に影響する各層の不純物濃度および厚
さは、 バッファ層22 １〜３×1018cm-3 0.3μｍ 光吸収層23 １〜２×1015cm-3 2.8μｍ Si3N4膜29 0.117μｍ SiO2膜30 0.12nm とする。また、簡単のため、キャップ層24の表面および
InP/GaInAs界面での光生成キャリアの再結合は無いもの
とし、キャップ層24の光の多重反射の影響を無視する。
これらの影響は、波長1.5μｍ付近では小さいからであ
る。
さは、 バッファ層22 １〜３×1018cm-3 0.3μｍ 光吸収層23 １〜２×1015cm-3 2.8μｍ Si3N4膜29 0.117μｍ SiO2膜30 0.12nm とする。また、簡単のため、キャップ層24の表面および
InP/GaInAs界面での光生成キャリアの再結合は無いもの
とし、キャップ層24の光の多重反射の影響を無視する。
これらの影響は、波長1.5μｍ付近では小さいからであ
る。
さらに、バンドギャップエネルギの温度変化による影響
を求めるため、バンドギャップエネルギがバーシュニ
（V.P.Varshni）の経験式、 E9＝E0−（αT2）／（Ｔ＋β） ［eV］ にしたがうものとした。InPとGaInAsのそれぞれE0、α
およびβの値は次の表のとおりである。
を求めるため、バンドギャップエネルギがバーシュニ
（V.P.Varshni）の経験式、 E9＝E0−（αT2）／（Ｔ＋β） ［eV］ にしたがうものとした。InPとGaInAsのそれぞれE0、α
およびβの値は次の表のとおりである。
以上の仮定のもとに、−16℃、−４℃、20℃および40℃
の各温度における分光感度特性を上述した文献（３）に
基づいて計算した。この結果を第13図ないし第15図に示
す。
の各温度における分光感度特性を上述した文献（３）に
基づいて計算した。この結果を第13図ないし第15図に示
す。
第13図は反射防止膜の反射率の計算結果、第14図は分光
感度波長特性の計算結果、第15図は分光感度の温度変化
ΔＲをそれぞれ示す。第15図では、ΔＲの計算結果を実
線で示し、第11図に示した測定結果と同じデータを点お
よび破線で示す。
感度波長特性の計算結果、第15図は分光感度の温度変化
ΔＲをそれぞれ示す。第15図では、ΔＲの計算結果を実
線で示し、第11図に示した測定結果と同じデータを点お
よび破線で示す。
測定値とのずれが少しあるものの、分光感度の温度変化
ΔＲを上述の計算方法で記述できることがわかる。測定
値とのずれは、計算に用いた文献のGaInAs吸収端波長
（バンドギャップエネルギ）が若干短波長側（大きめ）
であったためと考えられる。
ΔＲを上述の計算方法で記述できることがわかる。測定
値とのずれは、計算に用いた文献のGaInAs吸収端波長
（バンドギャップエネルギ）が若干短波長側（大きめ）
であったためと考えられる。
第16図は第15図を書き替えたものであり、光通信や光計
測その他の光応用分野で重要な波長1.3μｍおよび1.55
μｍに着目し、それぞれの波長における分光感度の変化
ΔＲの測定値および計算値を示す。この図から、1.3μ
ｍより1.55でΔＲが大きくなっていることがわかる。
測その他の光応用分野で重要な波長1.3μｍおよび1.55
μｍに着目し、それぞれの波長における分光感度の変化
ΔＲの測定値および計算値を示す。この図から、1.3μ
ｍより1.55でΔＲが大きくなっていることがわかる。
次に、第二の問題点である入射光スペクトルによる光パ
ワー測定の誤差について説明する。
ワー測定の誤差について説明する。
第17図は、GaInAs/InP-PINホトダイオードの分光感度特
性と、スペクトル幅Ｗ＝10、20および40nmのそれぞれの
光パワーメータを校正したときの誤差とを示す。また、
第18図は、波長1.55μｍにおける誤差の入射光スペクト
ル依存性を示す。
性と、スペクトル幅Ｗ＝10、20および40nmのそれぞれの
光パワーメータを校正したときの誤差とを示す。また、
第18図は、波長1.55μｍにおける誤差の入射光スペクト
ル依存性を示す。
光パワー測定の誤差は、上述の文献（４）に示されたよ
うに、分光感度波長特性が平坦でないために生じる。こ
れは1.55μｍ付近の波長に限ったことではなく、短波長
側でも同等である。このため、スペクトル幅がある値に
固定された光源を用いて特定の波長で光パワーを校正し
たとしても、実際の光パワー測定時には、光源のスペク
トル幅により誤差が生じることになる。
うに、分光感度波長特性が平坦でないために生じる。こ
れは1.55μｍ付近の波長に限ったことではなく、短波長
側でも同等である。このため、スペクトル幅がある値に
固定された光源を用いて特定の波長で光パワーを校正し
たとしても、実際の光パワー測定時には、光源のスペク
トル幅により誤差が生じることになる。
本発明は、以上の課題を解決し、1.55μｍ近傍における
分光感度の温度依存性が小さく、しかも入射光スペクト
ル幅依存性の小さい光パワー測定が可能な受光素子を提
供することを目的とする。
分光感度の温度依存性が小さく、しかも入射光スペクト
ル幅依存性の小さい光パワー測定が可能な受光素子を提
供することを目的とする。
本発明の受光素子は、入射光を吸収して電流担体を生成
する光吸収層をInP基板上に備え、光吸収層は混晶比ｘ
が0.47より小さいGaxIn1-xAsを主成分として形成され、
光吸収層と基板との間にこれらの間の格子不整合を緩和
する緩和層を備えた受光素子において、緩和層は、光吸
収層を構成するGaxIn1-xAsと混晶比ｘが実質的に同一の
GaxIn1-xAsにより形成されたGaInAs層と、このGaInAs層
と光吸収層との間に形成された歪格子層とを含み、この
歪格子層は、光吸収層およびGaInAs層をそれぞれ構成す
る材料に比較してInPに対する格子不整合率が大きいGaI
nAsからなる層とInP層とを複数交互に含むことを特徴と
する。
する光吸収層をInP基板上に備え、光吸収層は混晶比ｘ
が0.47より小さいGaxIn1-xAsを主成分として形成され、
光吸収層と基板との間にこれらの間の格子不整合を緩和
する緩和層を備えた受光素子において、緩和層は、光吸
収層を構成するGaxIn1-xAsと混晶比ｘが実質的に同一の
GaxIn1-xAsにより形成されたGaInAs層と、このGaInAs層
と光吸収層との間に形成された歪格子層とを含み、この
歪格子層は、光吸収層およびGaInAs層をそれぞれ構成す
る材料に比較してInPに対する格子不整合率が大きいGaI
nAsからなる層とInP層とを複数交互に含むことを特徴と
する。
光吸収層の入射側にはさらに、InPを主成分とするキャ
ップ層と、このキャップ層の表面に接する電極とを備え
ることができる。このとき、キャップ層の少なくとも受
光領域が、電極が設けられた部分より薄く形成されるこ
とが望ましい。
ップ層と、このキャップ層の表面に接する電極とを備え
ることができる。このとき、キャップ層の少なくとも受
光領域が、電極が設けられた部分より薄く形成されるこ
とが望ましい。
キャップ層として、InPの代わりに、光吸収層と格子定
数が実質的に一致する混晶比ｐ、ｑのAlpIn1-pAsqP
1-q、特にAlpIn1-pAsまたはInAsqP1-qを用いることもで
きる。この場合にも、キャップ層の少なくとも受光領域
は、電極が設けられた部分より薄く形成されることが望
ましい。
数が実質的に一致する混晶比ｐ、ｑのAlpIn1-pAsqP
1-q、特にAlpIn1-pAsまたはInAsqP1-qを用いることもで
きる。この場合にも、キャップ層の少なくとも受光領域
は、電極が設けられた部分より薄く形成されることが望
ましい。
混晶比ｘが0.47より小さいGaxIn1-xAsは、吸収端波長が
Ga0.47In0.53Asより長波長となっており、波長1.5〜1.6
μｍにおける分光感度波長特性が平坦になる。
Ga0.47In0.53Asより長波長となっており、波長1.5〜1.6
μｍにおける分光感度波長特性が平坦になる。
しかし、ｘ＜0.47ではInPとの格子整合が得られない。
そこで、InP基板と光吸収層との間に歪格子層その他の
緩和層を挿入する。これにより、光吸収層内の結晶欠陥
が減少し、分光感度の劣化を防止できる。
そこで、InP基板と光吸収層との間に歪格子層その他の
緩和層を挿入する。これにより、光吸収層内の結晶欠陥
が減少し、分光感度の劣化を防止できる。
また、キャップ層を設ける場合には、その層を薄くする
ことにより、光吸収層との格子不整合による欠陥の発生
を防止することができる。しかも、キャリアの表面再結
合の影響が大きくなって分光感度が低下しない程度にキ
ャップ層を薄くすることにより、その層による短波長側
の光吸収を低減させることができ、波長約１μｍ以下に
おける分光感度の低下を抑えることができる。
ことにより、光吸収層との格子不整合による欠陥の発生
を防止することができる。しかも、キャリアの表面再結
合の影響が大きくなって分光感度が低下しない程度にキ
ャップ層を薄くすることにより、その層による短波長側
の光吸収を低減させることができ、波長約１μｍ以下に
おける分光感度の低下を抑えることができる。
キャップ層を薄くする場合でも、電極が設けられる部分
については厚くしておく。これにより、電極金属が拡散
してその影響が受光素子の接合部に達することを防止で
き、電極形成の信頼性を確保することができる。
については厚くしておく。これにより、電極金属が拡散
してその影響が受光素子の接合部に達することを防止で
き、電極形成の信頼性を確保することができる。
さらに、キャップ層の材料として、InPの代わりにAlpIn
1-pAsまたはInAsqP1-qを用いることにより、光吸収層と
の間で格子整合を得ることもできる。この場合にも、キ
ャップ層を薄くすることができる。
1-pAsまたはInAsqP1-qを用いることにより、光吸収層と
の間で格子整合を得ることもできる。この場合にも、キ
ャップ層を薄くすることができる。
第１図は本発明実施例の受光素子の構造を示す断面図で
あり、第２図はその一部の拡大断面図である。この実施
例は本発明をPINホトダイオードに実施したものであ
る。
あり、第２図はその一部の拡大断面図である。この実施
例は本発明をPINホトダイオードに実施したものであ
る。
この受光素子は、入射光を吸収して電流担体（以下「キ
ャリア」という）を生成する光吸収層３をInP基板１上
に備える。さらに、光吸収層３の光入射側にはInPキャ
ップ層４を備え、このキャップ層４の表面のうち受光領
域の周辺の部分にはSiNx膜５が設けられる。受光領域に
は、キャップ層４から光吸収層３にかけてZn拡散領域６
が形成される。Zn拡散領域６の表面にはAu-Zn/Au電極７
が設けられ、基板１の裏面にはAu-Su/Au電極８が設けら
れる。Zn拡散領域６を含むキャップ層４の表面、および
素子側面には、、反射防止膜として、SiNX膜９およびSi
O2膜10が設けられる。
ャリア」という）を生成する光吸収層３をInP基板１上
に備える。さらに、光吸収層３の光入射側にはInPキャ
ップ層４を備え、このキャップ層４の表面のうち受光領
域の周辺の部分にはSiNx膜５が設けられる。受光領域に
は、キャップ層４から光吸収層３にかけてZn拡散領域６
が形成される。Zn拡散領域６の表面にはAu-Zn/Au電極７
が設けられ、基板１の裏面にはAu-Su/Au電極８が設けら
れる。Zn拡散領域６を含むキャップ層４の表面、および
素子側面には、、反射防止膜として、SiNX膜９およびSi
O2膜10が設けられる。
ここで本実施例の特徴とするところは、光吸収層３は混
晶比ｘが0.47より小さいGaxIn1-xAsを主成分として形成
され、光吸収層３と基板１との間に、これらの間の格子
不整合を緩和する緩和層として、GaInAs層11および歪格
子層12を備えたことにある。
晶比ｘが0.47より小さいGaxIn1-xAsを主成分として形成
され、光吸収層３と基板１との間に、これらの間の格子
不整合を緩和する緩和層として、GaInAs層11および歪格
子層12を備えたことにある。
この素子の製造方法について説明する。InPおよびGaInA
sの各エピタキシャル層については、すべて有機金属気
相成長（MOVPE）により成長させるものとする。
sの各エピタキシャル層については、すべて有機金属気
相成長（MOVPE）により成長させるものとする。
基板１はＳ添加n+形InP結晶であり、これに、400℃でＳ
添加n+形InPを50〜70nmに成長させてバッファ層２とす
る。
添加n+形InPを50〜70nmに成長させてバッファ層２とす
る。
続いて、InPとの格子不整合率（Δa/a）が0.5％のＳ添
加n+形GaInAsを厚さ1.3μｍに成長させてGaInAs層11と
し、次に、格子不整合率約0.9％のＳ添加n+形GaInAs層
と、Ｓ添加n+形InP層とを交互に成長させ、歪格子層12
とする。ここで一旦成長を止め、700℃と200℃との間で
昇温と降温とを数回繰り返し、歪格子層12内の結晶欠陥
および内部歪を低減する。
加n+形GaInAsを厚さ1.3μｍに成長させてGaInAs層11と
し、次に、格子不整合率約0.9％のＳ添加n+形GaInAs層
と、Ｓ添加n+形InP層とを交互に成長させ、歪格子層12
とする。ここで一旦成長を止め、700℃と200℃との間で
昇温と降温とを数回繰り返し、歪格子層12内の結晶欠陥
および内部歪を低減する。
この後、格子不整合率0.5％、ｎ形キャリア濃度１〜３
×1015cm-3のGaInAsを約1.3μｍの厚さにエピタキシャ
ル成長させ、光吸収層３とする。さらに、ｎ形InPを薄
く（例えば厚さ20nm）成長させてキャップ層４とする。
ここまでの工程で得られる構造を第２図に示す。
×1015cm-3のGaInAsを約1.3μｍの厚さにエピタキシャ
ル成長させ、光吸収層３とする。さらに、ｎ形InPを薄
く（例えば厚さ20nm）成長させてキャップ層４とする。
ここまでの工程で得られる構造を第２図に示す。
次に、SiNx膜５をマスクにしてZnを拡散させ、p+形のZn
拡散領域６とする。これにより、光吸収層３内にp+−ｎ
−接合が形成される。
拡散領域６とする。これにより、光吸収層３内にp+−ｎ
−接合が形成される。
さらに、受光領域に反射防止膜としてSiNx膜９およびSi
O2膜10を形成し、Zn拡散領域６の表面と基板１の裏面と
それぞれオーミックな電極７、８を形成する。
O2膜10を形成し、Zn拡散領域６の表面と基板１の裏面と
それぞれオーミックな電極７、８を形成する。
第３図は基板１にバッファ層２、GaInAs層11、歪格子層
12、光吸収層３およびキャップ層４をエピタキシャル成
長させた構造の断面の二次電子顕微鏡写真であり、第４
図は同じ構造に対するＸ線回析測定の結果を示す。第４
図を参照すると、光吸収層３によるGaInAsのピーク（半
値全幅約100秒）が基板１によるInPのピークと分離さ
れ、格子不整合率が約0.5％で混晶比ｘがｘ＜0.4となっ
ていることを示している。
12、光吸収層３およびキャップ層４をエピタキシャル成
長させた構造の断面の二次電子顕微鏡写真であり、第４
図は同じ構造に対するＸ線回析測定の結果を示す。第４
図を参照すると、光吸収層３によるGaInAsのピーク（半
値全幅約100秒）が基板１によるInPのピークと分離さ
れ、格子不整合率が約0.5％で混晶比ｘがｘ＜0.4となっ
ていることを示している。
第５図は、格子不整合率0.5％のGaInAsと、格子不整合
率0.88％の歪格子層とのそれぞれについて、ホトルミネ
ッセンス・ピークエネルギの温度依存性を示す。このピ
ークエネルギはバンドギャップエネルギにほぼ一致す
る。室温（300K）におけるこのGaInAsのホトルミネッセ
ンス・ピークエネルギは0.71eVであり、これに対応する
吸収端波長は1.75μｍである。したがって、分光感度を
長波長側に延ばすことができる。
率0.88％の歪格子層とのそれぞれについて、ホトルミネ
ッセンス・ピークエネルギの温度依存性を示す。このピ
ークエネルギはバンドギャップエネルギにほぼ一致す
る。室温（300K）におけるこのGaInAsのホトルミネッセ
ンス・ピークエネルギは0.71eVであり、これに対応する
吸収端波長は1.75μｍである。したがって、分光感度を
長波長側に延ばすことができる。
第６図は上述の構造で実際に試作した受光素子の20℃に
おける分光感度波長特性の測定結果を示す。光吸収層３
の吸収端波長が長波長側に延びて、波長1.5〜1.65μｍ
で平坦な特性が得られた。
おける分光感度波長特性の測定結果を示す。光吸収層３
の吸収端波長が長波長側に延びて、波長1.5〜1.65μｍ
で平坦な特性が得られた。
この例では、光吸収層３の厚さを約１μｍとしているた
め、分光感度が50〜60［A/W］（外部量子効率約50％）
程度であるが、光吸収層３の厚さを２μｍ以上にすれ
ば、0.8［A/W］以上の分光感度が得られると考えられ
る。また、20℃と０℃とで分光感度特性を測定したとこ
ろ、波長1.55μｍの分光感度の温度依存性は、1.3μｍ
のそれより0.2〜0.3％大きいだけであった。
め、分光感度が50〜60［A/W］（外部量子効率約50％）
程度であるが、光吸収層３の厚さを２μｍ以上にすれ
ば、0.8［A/W］以上の分光感度が得られると考えられ
る。また、20℃と０℃とで分光感度特性を測定したとこ
ろ、波長1.55μｍの分光感度の温度依存性は、1.3μｍ
のそれより0.2〜0.3％大きいだけであった。
したがって、GaInAsの吸収端波長を本実施例のように長
波長側に延ばすことにより、波長15μｍ付近の波長帯域
で平坦な分光感度を有する受光素子を実現できる。これ
により、この波長帯域の分光感度の温度依存性を小さく
でき、光パワー測定で問題となる入射光スペクトル幅が
大きい場合の測定校正誤差を小さくできる。
波長側に延ばすことにより、波長15μｍ付近の波長帯域
で平坦な分光感度を有する受光素子を実現できる。これ
により、この波長帯域の分光感度の温度依存性を小さく
でき、光パワー測定で問題となる入射光スペクトル幅が
大きい場合の測定校正誤差を小さくできる。
また、キャップ層４を薄くすることによって、格子不整
合による欠陥の発生を防止できるだけでなく、短波長側
の分光感度を高め、分光感度特性の平坦性を向上させる
ことができる。
合による欠陥の発生を防止できるだけでなく、短波長側
の分光感度を高め、分光感度特性の平坦性を向上させる
ことができる。
第７図は種々の受光素子の分光感度波長特性を示す。こ
の図において、 実施例1:上述の実施例にしたがって試作した受光素子で
あり、光吸収層の厚さが約１μｍ、InPキャップ層の厚
さが0.02μｍのもの、 実施例2:上述した実施例において光吸収層の厚さを２μ
ｍにしたもの、ただしこれは計算値 比較例1:従来の構造の受光素子であり、InPキャップ層
の厚さが0.7μｍ、光吸収層の厚さが1.4μｍ程度のも
の、 比較例2:Aとほぼ同じ構造であり、光吸収層の厚さは1.4
μｍ程度であるが、InPキャップ層の厚さは0.07μｍと
したもの、 比較例3:市販のGaInAs-PINホトダイオード、光吸収層の
厚さは２μｍ以上、 Ge:市販のGe-PINホトダイオード、 をそれぞれ示す。実施例２以外は実測値である。
の図において、 実施例1:上述の実施例にしたがって試作した受光素子で
あり、光吸収層の厚さが約１μｍ、InPキャップ層の厚
さが0.02μｍのもの、 実施例2:上述した実施例において光吸収層の厚さを２μ
ｍにしたもの、ただしこれは計算値 比較例1:従来の構造の受光素子であり、InPキャップ層
の厚さが0.7μｍ、光吸収層の厚さが1.4μｍ程度のも
の、 比較例2:Aとほぼ同じ構造であり、光吸収層の厚さは1.4
μｍ程度であるが、InPキャップ層の厚さは0.07μｍと
したもの、 比較例3:市販のGaInAs-PINホトダイオード、光吸収層の
厚さは２μｍ以上、 Ge:市販のGe-PINホトダイオード、 をそれぞれ示す。実施例２以外は実測値である。
実施例１は、光吸収層が薄いため分光感度が全体的に低
くなっているが、長波長測ではむしろGe以外の従来の素
子より感度が高く、しかも平坦な特性が得られている。
また、短波長側でも、市販の比較例３のような感度低下
がなく、平坦な特性が得られている。これはInPキャッ
プ層を薄くしたためであり、その効果は比較例１と比較
例２とを比較することによりさらに明確である。
くなっているが、長波長測ではむしろGe以外の従来の素
子より感度が高く、しかも平坦な特性が得られている。
また、短波長側でも、市販の比較例３のような感度低下
がなく、平坦な特性が得られている。これはInPキャッ
プ層を薄くしたためであり、その効果は比較例１と比較
例２とを比較することによりさらに明確である。
比較例１と比較例２との差異は、InPキャップ層の厚さ
だけである。これだけの差異でも、短波長側の分光感度
が向上し、InPキャップ層内での光の多重反射の影響が
小さくなって、分光感度特性の平坦性も向上することが
わかる。
だけである。これだけの差異でも、短波長側の分光感度
が向上し、InPキャップ層内での光の多重反射の影響が
小さくなって、分光感度特性の平坦性も向上することが
わかる。
以上の実施例ではキャップ層の材料としてInPを用いる
場合について説明したが、光吸収層を構成するGaxIn1-x
Asと格子整合を得ることのできる材料、例えばAlInAsP
を用いるこもでる。
場合について説明したが、光吸収層を構成するGaxIn1-x
Asと格子整合を得ることのできる材料、例えばAlInAsP
を用いるこもでる。
第８図はGaxIn1-xAsとAlpIn1-pAsのそれぞれの混晶比に
対するバンドギャップエネルギおよび格子定数の変化を
示す。
対するバンドギャップエネルギおよび格子定数の変化を
示す。
光吸収層を構成するGaxIn1-xAsの吸収端波長を長波長側
に延ばしたとき、その格子定数の変化に対応してAlpIn
1-pAsの混晶比ｐを変化させれば、両者の格子整合が得
られる。このとき、キャップ層が入射光に対して透明と
なるように、AlpIn1-pAsのバンドギャップエネルギがGa
xIn1-xAsのバンドギャップエネルギより大きくなるよう
に選択する。
に延ばしたとき、その格子定数の変化に対応してAlpIn
1-pAsの混晶比ｐを変化させれば、両者の格子整合が得
られる。このとき、キャップ層が入射光に対して透明と
なるように、AlpIn1-pAsのバンドギャップエネルギがGa
xIn1-xAsのバンドギャップエネルギより大きくなるよう
に選択する。
第９図はGa1-xInxAsとInAsqP1-qのそれぞれの混晶比に
対するバンドギャップエネルギおよび格子定数の変化を
示す。ただし、GaInAsに対する混晶比の軸を第８図と逆
にしている。
対するバンドギャップエネルギおよび格子定数の変化を
示す。ただし、GaInAsに対する混晶比の軸を第８図と逆
にしている。
この場合にも、光吸収層を構成するGaxIn1-xAsの吸収端
波長を長波長側に延ばしたとき、その格子定数の変化に
対応してInAsqP1-qの混晶比ｑを変化させれば、両者の
格子整合が得られる。
波長を長波長側に延ばしたとき、その格子定数の変化に
対応してInAsqP1-qの混晶比ｑを変化させれば、両者の
格子整合が得られる。
キャップ層にInP以外の材料を使用する場合にも、受光
領域を電極形成領域より薄く形成する。
領域を電極形成領域より薄く形成する。
これにより、分光感度特性を平坦化し、短波長側（キャ
ップ層の光吸収がある波長領域）の分光感度を改善で
き、受光素子への接合部への電極金属の拡散の影響をな
くして電極形成の信頼性を高めることができる。
ップ層の光吸収がある波長領域）の分光感度を改善で
き、受光素子への接合部への電極金属の拡散の影響をな
くして電極形成の信頼性を高めることができる。
以上説明したように本発明の受光素子は、GaInAs光吸収
層をその吸収端波長が長波長側に延びるように組成を変
化させて形成し、それに伴うInPとの格子不整合に起因
する欠陥を緩和層を用いて低減する。これにより、従来
のInPに格子整合したGaInAsを用いた受光素子では得ら
れない長波長側での分光感度が得られ、波長1.5μｍ付
近で平坦な分光感度波長特性を実現できる。
層をその吸収端波長が長波長側に延びるように組成を変
化させて形成し、それに伴うInPとの格子不整合に起因
する欠陥を緩和層を用いて低減する。これにより、従来
のInPに格子整合したGaInAsを用いた受光素子では得ら
れない長波長側での分光感度が得られ、波長1.5μｍ付
近で平坦な分光感度波長特性を実現できる。
また、分光感度（量子効率）の凸凹をなくすことで、光
パワー測定時の温度の影響や入射光のスペクトル幅の影
響によって生じる誤差を大幅に低減できる。
パワー測定時の温度の影響や入射光のスペクトル幅の影
響によって生じる誤差を大幅に低減できる。
波長1.55μｍ付近の光は、InP系レーザの発振波長帯域
であって、光通信や種々の光測定機器の使用波長となっ
ており、これらの応用分野で光パワーは基本的な測定量
である。したがって、このような波長を小さい誤差で測
定できる本発明の受光素子は実用的価値が高い。
であって、光通信や種々の光測定機器の使用波長となっ
ており、これらの応用分野で光パワーは基本的な測定量
である。したがって、このような波長を小さい誤差で測
定できる本発明の受光素子は実用的価値が高い。
さらに、キャップ層の受光領域を電極形成領域より薄く
すると、電極形成の信頼性を損なうことなく、短波長側
の分光感度も改善される。したがって、従来にはない非
常に広い波長帯域で分光感度の高い受光素子が実現でき
る。
すると、電極形成の信頼性を損なうことなく、短波長側
の分光感度も改善される。したがって、従来にはない非
常に広い波長帯域で分光感度の高い受光素子が実現でき
る。
第１図は本発明実施例受光素子の断面図。 第２図は実施例素子の一部の拡大図。 第３図は基板にバッファ層、GaInAs層、歪格子層、光吸
収層およびキャップ層をエピタキシャル成長させた構造
の結晶構造を示す二次電子顕微鏡写真。 第４図は同じ構造に対するＸ線回折測定結果を示す図。 第５図はホトルミネッセンス・ピークエネルギの温度依
存性を示す図。 第６図は試作した受光素子の分光感度波長特性を示す
図。 第７図は種々の受光素子の分光感度波長特性を示す図。 第８図はGaxIn1-xAsおよびAlpIn1-pAsのバンドギャップ
エネルギおよび格子定数の変化を示す図。 第９図はGa1-xInxAおよびInAsqP1-qのバンドギャップエ
ネルギおよび格子定数の変化を示す図。 第10図は従来の受光素子の分光感度波長特性の一例を示
す図。 第11図は分光感度の温度変化を示す図。 第12図は解析のための素子モデルを示す図。 第13図は反射防止膜の反射率の計算値を示す図。 第14図は分光感度波長特性の計算値を示す図。 第15図は分光感度の温度変化の計算値を実測値とともに
示す図。 第16図は波長1.3μｍおよび1.55μｍにおける分光感度
の変化の測定値および計算値を示す図。 第17図はGaInAs/InP-PINホトダイオードの分光感度特性
とその誤差を示す図。 第18図は波長1.55μｍにおける誤差の入射光スペクトル
依存性を示す図。 １、21……基板、２、22……バッファ層、３、23……光
吸収層、４、24……キャップ層、５、９……SiNx膜、
６、26……Zn拡散領域、７、８、27、28……電極、10、
25、30……SiO2膜、11……GaInAs層、12……歪格子層、
29……Si3N4膜。
収層およびキャップ層をエピタキシャル成長させた構造
の結晶構造を示す二次電子顕微鏡写真。 第４図は同じ構造に対するＸ線回折測定結果を示す図。 第５図はホトルミネッセンス・ピークエネルギの温度依
存性を示す図。 第６図は試作した受光素子の分光感度波長特性を示す
図。 第７図は種々の受光素子の分光感度波長特性を示す図。 第８図はGaxIn1-xAsおよびAlpIn1-pAsのバンドギャップ
エネルギおよび格子定数の変化を示す図。 第９図はGa1-xInxAおよびInAsqP1-qのバンドギャップエ
ネルギおよび格子定数の変化を示す図。 第10図は従来の受光素子の分光感度波長特性の一例を示
す図。 第11図は分光感度の温度変化を示す図。 第12図は解析のための素子モデルを示す図。 第13図は反射防止膜の反射率の計算値を示す図。 第14図は分光感度波長特性の計算値を示す図。 第15図は分光感度の温度変化の計算値を実測値とともに
示す図。 第16図は波長1.3μｍおよび1.55μｍにおける分光感度
の変化の測定値および計算値を示す図。 第17図はGaInAs/InP-PINホトダイオードの分光感度特性
とその誤差を示す図。 第18図は波長1.55μｍにおける誤差の入射光スペクトル
依存性を示す図。 １、21……基板、２、22……バッファ層、３、23……光
吸収層、４、24……キャップ層、５、９……SiNx膜、
６、26……Zn拡散領域、７、８、27、28……電極、10、
25、30……SiO2膜、11……GaInAs層、12……歪格子層、
29……Si3N4膜。
フロントページの続き (72)発明者 岩岡 秀人 東京都武蔵野市中町２丁目11番13号 光計 測技術開発株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−291184（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−100379（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−254473（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−227053（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】入射光を吸収して電流担体を生成する光吸
収層をInP基板上に備え、 前記光吸収層は混晶比ｘが0.47より小さいGaxIn1-xAsを
主成分として形成され、 前記光吸収層と前記基板との間にこれらの間の格子不整
合を緩和する緩和層を備えた 受光素子において、 前記緩和層は、前記光吸収層を構成するGaXIn1-xAsと混
晶比ｘが実質的に同一のGaxIn1-xAsにより形成されたGa
InAs層と、このGaInAs層と前記光吸収層との間に形成さ
れた歪格子層とを含み、 この歪格子層は、前記光吸収層および前記GaInAs層をそ
れぞれ構成する材料に比較してInPに対する格子不整合
率が大きいGaInAsからなる層とInP層とを複数交互に含
む ことを特徴とする受光素子。
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