JPH0745855A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH0745855A
JPH0745855A JP5203653A JP20365393A JPH0745855A JP H0745855 A JPH0745855 A JP H0745855A JP 5203653 A JP5203653 A JP 5203653A JP 20365393 A JP20365393 A JP 20365393A JP H0745855 A JPH0745855 A JP H0745855A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 2つのPINホトダイオードを直列に接続し
たバランスト型受光素子に於いて、直列に接続されたと
きにn型−n型層間に流れるリーク電流のため2つのP
INホトダイオード間に生じる暗電流特性のアンバラン
スを無くし、高感度な受光素子を得ることを目的とす
る。 【構成】 本発意の半導体受光素子は、隣合う2つの素
子間にp型のキャリアブロック層を設けることで、一方
の素子のn型層ともう一方の素子のn型層間の基板を介
したリーク電流の発生を防ぐことができるため、両素子
間の暗電流の発生経路は等しくなり、暗電流及びS/N
の差が1%以下となる。その結果感度を0.7dB改善
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】本発明は光計測や光通信に用いら
れる半導体受光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光通信に於いて、光の強度変調により情
報を伝える光通信に替わり、光の周波数や位相を変調し
て情報を伝えるコヒーレント光通信技術が検討されてい
る。この様に光波の特徴を利用することで従来の強度変
調方式と比べ、伝送距離の拡大(超スパン化)、光周波
数の分割多重による高密度化が可能なため、今後の超長
距離・大容量光通信技術として検討されている。
【0003】コヒーレント光通信システムの一例を図1
0に示す。図10はヘテロダイン検波方式の例で、信号
を取り出す送信部及びヘテロダイン検波・偏波ダイバー
シティ受信を行う受信部に分かれている。受信部は伝送
路である単一モード光ファイバケーブルの偏波状態を補
償するため直交する2つの偏波に分離させる偏波ビーム
スプリッタ(PBS)、ヘテロダイン検波用の局部発振
光レーザーダイオード(局発LD)、それぞれの偏波状
態に分離された信号光と局部発振光(以後局発光)を混
合しπだけ位相のずれた2つの光に分割する3dB光カ
プラ、混合された光を電気に変えビート信号を取り出す
ために2つのPINポトダイオードを直列に接続したバ
ランスト型受光素子(Dual−PIN又はDual−
PINを2個集積したQuad−PIN)、そして低雑
音のプリアンプと検波回路で構成されている。
【0004】この様な受信部の構成に於いて、(1)局
発光の出力を大きくすること(2)バランスト型受光素
子により局発LDからの強度雑音を相殺することで最小
受信感度が量子雑音限界に達し、高感度化がはかれる。
従って高感度化のためのバランスト型受光素子に求めら
れる特性は、直列に接続された2つのPIN−PDが光
学的・電気的に等価であること、両素子の特性(量子効
率、暗電流、接合容量、応答速度、S/N)がそろって
いることが必要であり、これらの要求を満たすためにモ
ノリシックに集積化したDual−PINが検討されて
いる。図11にバランスト型受光素子の一例であるDu
al−PINの従来例を示す。 半絶縁性InP基板1
上に間隔を於いて設けられた2つの受光素子を集積した
構成となっている。それぞれの受光素子は、半絶縁性基
板1上にキャリア濃度1E15cm−3層厚2μmのn−
InP緩衝層3、キャリア濃度3E15cm−3層厚2μ
mのn- −InGaAs光吸収層4、最後にキャリア濃
度5E15cm−3層厚1.4μmのn- −InP窓層5
と、窓層内に形成された1E18cm−3のp−InP領
域6から構成されている。この2つの受光素子のうち、
一方のp−InP受光領域から引きだしたp側電極を、
もう一方の受光素子のn−InP窓層上に設けたn型電
極につなげることでDual−PINの出力側となる共
通電極8を形成している。ここでn側電極と共通電極か
ら構成される受光素子をN素子、共通電極とp側電極か
ら構成される受光素子をP素子と呼ぶ。
【0005】この様な構成のバランスト型受光素子に、
πだけ位相のずれた信号光と局発光との混合光をP素
子、N素子に同時に入射した場合、それぞれの素子にて
光電変換されたキャリアは共通電極へ流れ、結果として
バランスト型受光素子の出力側には両者の差分信号が出
力される。このため局発光LDからの光の強度雑音成分
を相殺することができ、受信感度の量子雑音限界を達成
することができる。ここで局発光LDの強度雑音を相殺
するためには前記したようにP素子、N素子の出力が等
価であることが重要である。ここで2つのPIN−PD
をモノリシック集積化したこと、またP素子のn側電極
とN素子のp側電極を兼ねる共通電極を中心にP素子・
N素子を対称に配置したことで、エピ厚ばらつきによる
量子効率のばらつきと容量のばらつきは1%以下に抑え
られ良好なバランス特性が得られている。
【0006】但し、ここで問題となるのは雑音特性と関
わる暗電流特性である。図12に従来例のP素子・N素
子それぞれの暗電流特性を示す。図12より明らかなよ
うにp側電極9−共通電極8で構成されるP素子の暗電
流がVr=5Vで0.1nAであるのに対し、共通電極
8−n側電極10で構成するN素子は0.5nAと大き
な差が生じている。この暗電流特性のアンバランスの原
因を図13を用いて説明する。P素子側の暗電流の流れ
る経路はp側電極9→p−InP領域6→n−InP窓
層5→共通電極8へと流れるp−n接合を介した経路
のみであり、通常のPIN−PDと同じである。一方、
N素子側はP素子と同様にn側電極10→n−InP窓
層5→p−InP層6→共通電極8を流れるp−n接合
を介した経路に加え、n側電極10→n−InP窓層
5→n−InGaAs光吸収層4→n−InP緩衝層3
→半絶縁性InP基板1→n−InP緩衝層3→n−I
nGaAs光吸収層4→n−InP窓層5→共通電極8
と流れる基板を介したリーク電流が生じる。これはD
ual−PINの構造上、N素子のp側電極がP素子の
n側電極と共通であるために、N素子のn側電極とP素
子のn側電極間に電界がかかり、結果として基板を介し
てn型層−n型層間にリーク電流が発生することにな
る。従って図→に示す様な暗電流特性の差が生じ、その
結果雑音特性にアンバランスが生じることになり、これ
が最小受信感度の劣化を招く原因となっている。
【0007】
【発明が解決しようとする問題点】上記した従来例のバ
ランスト型受光素子において、従来例のP素子・N素子
それぞれの暗電流特性が、p側電極−共通電極で構成す
るP素子の暗電流が0.1nAに対し、共通電極−n側
電極で構成するN素子は0.5nAと大きな差が生じ
る。この暗電流特性のアンバランスの原因として、P素
子側の暗電流の流れる経路がp側電極→p−InP→n
−Inp cap層→共通電極へ流れるp−n接合を介
した経路のみであるのに対し、N素子側はP素子と同様
にn側電極→n−InP cap→p−InP層→共通
電極を流れるp−n接合を介した経路に加え、n側電極
→n−InP cap層→n−InGaAs光吸収層→
n−InP Buffer→S.I.基板→n−InP
Buffer→n−InGaAs光吸収層→n−In
P cap層→共通電極と流れる基板を介したリーク電
流が加わる。これはDual−PINの構造上、N素子
のp側電極がP素子のn側電極と共通であるために、N
素子のn側電極とP素子のn側電極間に電界がかかり、
結果として基板を介してn型層−n型層間にリーク電流
が発生することになる。従って、上記リーク電流成分の
分だけ暗電流特性の差が生じ、その結果雑音特性にアン
バランスが生じることになり、これが最小受信感度の劣
化を招く原因となるという問題点があった。
【0008】
【問題点を解決する為の手段】本発明の半導体受光素子
は、半絶縁性基板(Eg1)上に第一導伝型キャリアブ
ロック層(Eg2)と第二導伝型緩衝層(Eg1)と第
二導伝型光吸収層(Eg2)と第二導伝型窓層(Eg
1)がEg1>Eg2の条件にて順次構成されたヘテロ
エピタキシャル層と、前記窓層内に部分的に第一導伝型
領域(Eg1)を設けた素子構造を、前記半絶縁性基板
上に間隔を於いて二つ以上形成した構造と、前記第一素
子の第一導伝型領域と前記第二素子の第二導伝型窓層と
を導伝性金属にて接続した構造を特徴とするものであ
る。本発明において、例えば、半絶縁性基板(Eg1)
はS.I.ーInP、第一導伝型キャリアブロック層(Eg
2)はp−InPキャリアブロック層、第二導伝型緩衝
層(Eg1)はn−InP緩衝層、第二導伝型光吸収層
(Eg2)はn−InGaAs光吸収層、第二導伝型窓
層(Eg1)はn−InP窓層である。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 [実施例1]図1は本発明の半導体受光素子の実施例を
示す。図2(a)〜(d)及び図3(e)〜(h)は本
発明の半導体受光素子の製法を示す。半絶縁性InP基
板1上に気相成長法によりキャリア濃度1E16〜2E
17cm−3層厚1〜5μmが好ましく、今回はキャリア
濃度1E15cm−3層厚2μmのp−InPキャリアブ
ロック層2、キャリア濃度1E15〜2E16cm−3層
厚1〜3μmが好ましく、今回はキャリア濃度1E15
cm−3層厚2μmのn−InP緩衝層3、キャリア濃度
1E15〜5E15cm−3層厚3〜4μmが好ましく、
今回はキャリア濃度3E15cm−3層厚2μmのn-
InGaAs光吸収層4を成長した後、最後に窓層とし
てキャリア濃度2E15〜6E15cm−3層厚1〜2μ
mが好ましく、今回はキャリア濃度5E15cm−3層厚
1.4μmのn- −InP窓層5を成長する(図2
(a))。上記エピタキシャルウエハに拡散マスクとし
てSiO2 膜14を例えばCVD法により形成した後、
受光領域に相当する部分に穴開けを行い、例えばZnの
封止拡散により受光部分に相当する1E17〜1E20
cm−3のp+領域6を選択的に形成する(図2
(b))。
【0010】前記拡散マスクを除去した後、前記受光領
域を除くn−InP窓層5を3分割する様にエッチング
用マスク15をCVD法により成長(図2(c))した
後、前記窓層5側から半絶縁性InP基板1までを例え
ばRIE(Reactive Ion Ettching )法により除去する
(図2(d))。前記エッチング用マスクを除去した
後、露出している素子表面に反射防止膜を兼ねた表面保
護膜として例えばSiNx膜7をP−CVD法等により
形成する(図3(e))。次に前記受光領域上のSiN
x膜の一部をホトレジストをマスクにして穴開けを行い
p−InP領域を露出させた後、p型オーミック電極1
2として例えばAuZnを蒸着法等を用いて蒸着を行い
(図3(f))、蒸着後ホトレジストマスクを除去し、
蒸着したAuZnを合金化するため380℃の加熱処理
を施す。
【0011】次に前記受光領域外にn側電極及び共通電
極を設けるためn−InP cap層上のSiNx膜の
一部をホトレジストをマスクにして穴開けを行いn−I
nP領域を露出させた後、n型オーミック電極11とし
て例えばAuGeを蒸着法等を用いて蒸着を行い(図3
(g))、蒸着後ホトレジストマスクを除去し、蒸着し
たAuZnを合金化するため360℃の加熱処理を施
す。最後にN素子のp型オーミック電極12と共通電極
8及び、P素子のp型オーミック電極12とp型電極を
つなぐように空中配線13を、例えばAuメッキを用い
て形成し、また配線用としてn型電極10、p型電極9
及び共通電極8部分をAuメッキを用いて形成する(図
3(h))。
【0012】このようにして作成したDual−PIN
において、N素子のn側電極10−共通電極8間にバイ
アスをかけた時、n側電極10→n−InP窓層5→n
−InGaAs光吸収層4→n−InP緩衝層3を通っ
た電流は、p−InPキャリアブロック層2により妨げ
られるため、基板1を介してn型層−n型層間を流れる
リーク電流とはならない。本実施例のDual−PIN
の暗電流特性を図4に示す。n型層−n型層の間にp−
InPキャリアブロック層2を入れてn−p−n構造と
することによりリーク電流が防げ、N素子に発生する暗
電流の経路はP素子と同じpn接合を介した経路のみと
なるため、P素子とN素子の暗電流の差は10pA以下
となり、結果としてS/Nが良好なバランス特性が得ら
れ受信感度を0.7dB改善することができる。上記効
果は気相成長法によるエピタキシャルウエハー以外に、
液相成長法、CVD法、MOCVD法、MBE法、AL
E法によるエピタキシャルウエハーにおいても同じ効果
が得られる。
【0013】[実施例2]図5に本発明の第2の実施例
の受光素子の断面図を示す。製法は実施例1と同じく、
共通電極8をn−InGaAs光吸収層4上に形成した
ことを特徴としている。実施例1と同様一方の素子のn
型層ともう一方の素子のn型層間の基板を介したリーク
電流の発生を防ぐことができるため、両素子間の暗電流
の発生経路は等しくなり、P素子とN素子の暗電流の差
は10pA以下となり、結果としてS/Nが良好なバラ
ンス特性が得られ受信感度を0.7dB改善することが
できる。
【0014】[実施例3]図6に本発明の第3の実施例
の受光素子の断面図を示す。製法は実施例1と同じく、
共通電極8をn−InP緩衝層3上に形成したことを特
徴としている。実施例1と同様一方の素子のn型層とも
う一方の素子のn型層間の基板を介したリーク電流の発
生を防ぐことができるため、両素子間の暗電流の発生経
路は等しくなり、P素子とN素子の暗電流の差は10p
A以下となり、結果としてS/Nが良好なバランス特性
が得られ受信感度を0.7dB改善とすることができ
る。
【0015】[実施例4]以下、本発明の第4の実施例
について図面を参照して説明する。図7は本発明の半導
体受光素子の実施例を示す。図8(a)〜(d)及び図
9(e)〜(h)は本発明の半導体受光素子の製法を示
す。半絶縁性InP基板1上に気相成長法によりキャリ
ア濃度1E15〜2E16cm−3層厚1〜3μmが好ま
しく、今回はキャリア濃度1E15cm−3層厚2μmの
n−InP緩衝層3、キャリア濃度1E15〜5E15
cm−3層厚3〜4μmが好ましく、今回はキャリア濃度
3E15cm−3層厚2μmのn- −InGaAs光吸収
層4を成長した後、最後に窓層としてキャリア濃度2E
15〜6E15cm−3層厚1〜2μmが好ましく、今回
はキャリア濃度5E15cm−3層厚1.4μmのn-
InP窓層5を成長する(図8(a))。上記エピタキ
シャルウエハに素子分離のためのエッチング用マスク1
5をCVD法により成長(図8(b))した後、前記窓
層5側から半絶縁性InP基板1までを例えばRIE
(Reactive Ion Ettching )法により除去し素子分離を
行う。
【0016】前記エッチングにより露出したエピタキシ
ャル層とエピタキシャル層の間の半絶縁性InP基板表
面に、前記エッチング用マスクを用いて例えばBeのイ
オン注入法により不純物注入を行った後、エッチング用
マスクを除去し、新たにCVD法によりリン酸化ガラス
とSiO2 の保護膜14を成長した後700℃の高温処
理を行いイオン注入領域にp−InPキャリアブロック
層2を形成する。(図8(c))。次に受光領域に相当
する部分の保護膜14に穴開けを行い、例えばZnの封
止拡散により受光部分に相当する1E17〜1E20cm
−3のp+領域6を選択的に形成する(図8(d))。
前記保護膜を除去した後、露出している素子表面に反射
防止膜を兼ねた表面保護膜として例えばSiNx膜7を
P−CVD法等により形成する(図9(e))。
【0017】次に前記受光領域上のSiNx膜の一部を
ホトレジストをマスクにして穴開けを行いp−InP領
域を露出させた後、p型オーミック電極12として例え
ばAuZnを蒸着法等を用いて蒸着を行い(図9
(f))、蒸着後ホトレジストマスクを除去し、蒸着し
たAuZnを合金化するため380℃の加熱処理を施
す。次に前記受光領域外にn側電極10及び共通電極8
を設けるためn−InP窓層5上のSiNx膜7の一部
をホトレジストをマスクにして穴開けを行いn−InP
領域6を露出させた後、n型オーミック電極11として
例えばAuGeを蒸着法等を用いて蒸着を行い(図9
(g))、蒸着後ホトレジストマスクを除去し、蒸着し
たAuZnを合金化するため360℃の加熱処理を施
す。最後にN素子のp型オーミック電極と共通電極及
び、P素子のp型オーミック電極12とp型電極9をつ
なぐように空中配線13を例えばAuメッキを用いて形
成し、また配線用としてn型電極、p型電極及び共通電
極部分をAuメッキを用いて形成する(図9(h))。
【0018】この様にして作成したDual−PINに
おいて、N素子のn側電極−共通電極間にバイアスをか
けた時、n側電極10→n−InP窓層5→n−InG
aAs光吸収層4→n−InP緩衝層3を通った電流
は、p−InPキャリアブロック層2により妨げられる
ため、基板を介してn型層−n型層間を流れるリーク電
流とはならない。従ってN素子に発生する暗電流の経路
はP素子と同じpn接合を介した経路のみとなるため、
P素子とN素子の暗電流の差は10pA以下となり、結
果としてS/Nが良好なバランス特性が得られ受信感度
を0.7dB改善することができる。上記効果は気相成
長法によるエピタキシャルウエハー以外に、液相成長
法、CVD法、MOCVD法、MBE法、ALE法によ
るエピタキシャルウエハーにおいても同じ効果が得られ
る。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
隣合う2つの素子間にp型のキャリアブロック層を設け
ることで、一方の素子のn型層ともう一方の素子のn型
層間の基板を介したリーク電流の発生を防ぐことができ
るため、両素子間の暗電流の発生経路は等しくなり、暗
電流及びS/Nの差が1%以下となる。その結果感度を
0.7dB改善することができるという効果を奏するも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の半導体受光素子の断面図で
ある。
【図2】本発明の実施例1の半導体受光素子の製法
(a)〜(d)の説明図である。
【図3】本発明の実施例1の半導体受光素子の製造
(e)〜(h)の説明図である。
【図4】本発明の実施例1の半導体受光素子の暗電流特
性図である。
【図5】本発明の実施例2の半導体受光素子の断面図で
ある。
【図6】本発明の実施例3の半導体受光素子の断面図で
ある。
【図7】本発明の実施例4の半導体受光素子の断面図で
ある。
【図8】本発明の実施例4の半導体受光素子の製法
(a)〜(d)の説明図である。
【図9】本発明の実施例4の半導体受光素子の製造
(e)〜(h)の説明図である。
【図10】従来例の応用例である。
【図11】従来例の半導体受光素子の断面図である。
【図12】従来例の半導体受光素子の暗電流特性図であ
る。
【図13】従来例の半導体受光素子の暗電流発生の説明
図である。
【符号の説明】
1 n+ −InP基板 2 キャリアブロック層 3 n−InP緩衝層 4 n- −InGaAs光吸収層 5 n−InP窓層 6 p−InP領域 7 SiNx膜 8 共通電極 9 p側電極 10 n側電極 11 n側オーミック電極 12 p側オーミック電極 13 空中配線 14 SiO2 膜 15 エッチング用マスク 16 ホトレジスト

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半絶縁性基板(Eg1)上に第一導伝型
    キャリアブロック層(Eg2)と第二導伝型緩衝層(E
    g1)と第二導伝型光吸収層(Eg2)と第二導伝型窓
    層(Eg1)がEg1>Eg2の条件にて順次構成され
    たヘテロエピタキシャル層と、前記窓層内に部分的に第
    一導伝型領域(Eg1)を設けた素子構造を、前記半絶
    縁性基板上に間隔を置いて二つ以上形成した構造と、前
    記第一素子の第一導伝型領域と前記第二素子の第二導伝
    型窓層とを導伝性金属にて接続したことを特徴とする半
    導体受光素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体受光素子におい
    て、第二素子の第二導伝型窓層の替わりに第二導伝型光
    吸収層と第一素子の第一導伝型領域とを導伝性金属にて
    接続したことを特徴とする半導体受光素子。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の半導体受光素子におい
    て、第二素子の第二導伝型窓層の替わりに第二導伝型緩
    衝層と第一素子の第一導伝型領域とを導伝性金属にて接
    続したことを特徴とする半導体受光素子。
  4. 【請求項4】 半絶縁性基板(Eg1)上に第二導伝型
    緩衝層(Eg1)と第二導伝型光吸収層(Eg2)と第
    二導伝型窓層(Eg1)がEg1>Eg2の条件にて順
    次構成されたヘテロエピタキシャル層と、前記窓層内に
    部分的に第一導伝型領域(Eg1)を設けた素子構造
    を、前記半絶縁性基板上に間隔を置いて二つ以上形成し
    た構造と、前記第一素子及び第二素子を除く半絶縁性基
    板上に第一導伝型不純物を注入した構造と、前記第一素
    子の第一導伝型領域と前記第二素子の第二導伝型窓層と
    を導伝性金属にて接続したことを特徴とする半導体受光
    素子。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の半導体受光素子におい
    て、第二素子の第二導伝型窓層の替わりに第二導伝型緩
    衝層と第一素子の第一導伝型領域とを導伝性金属にて接
    続したことを特徴とする半導体受光素子。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の半導体受光素子におい
    て、第二素子の第二導伝型窓層の替わりに第二導伝型緩
    衝層と第一素子の第一導伝型領域とを導伝性金属にて接
    続したことを特徴とする半導体受光素子。
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JPS6214479A (ja) * 1985-07-12 1987-01-23 Oki Electric Ind Co Ltd 発光・受光装置
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