JPH09232619A

JPH09232619A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JPH09232619A
Application number: JP8324245A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Nishikata; 一昭西片; Masanori Irikawa; 理徳入川
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 1997-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】光吸収層とｐ型半導体層との界面における正
孔のパイルアップ現象を防止し、歪みのない信号電流が
得られる半導体受光素子を提供する。【解決手段】光吸収層と、この光吸収層に隣接するｐ
型半導体層との価電子帯の準位の差を０.０５ｅＶ以下
にする。特に基礎吸収端波長が１.６５〜１.５５μｍの
ＧaＩnＡsＰ層を光吸収層とし、基礎吸収端波長が１.５
５〜１.３０μｍのｐ型ＡlＧaＩnＡs層を上記光吸収層
に接するｐ型半導体層とすることで、波長１.５５μｍ
の光を高感度に、リニアリティ良く検出し得る導波路型
の半導体受光素子を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、受光量に対する
信号電流のリニアリティが高く、広帯域化と高速化を図
った半導体受光素子に関する。特に光吸収層とこの光吸
収層に接するｐ型半導体層との界面における正孔のパイ
ルアップ現象を防止して信号電流の歪みをなくした半導
体受光素子に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】ＰＩＮ構造の半導体受光素子は、
ｐ型の半導体層とｎ型の半導体層との間に、キャリア濃
度の低いｉ型の半導体層を挟んだ多層膜構造を持つ。特
に導波路型の半導体受光素子は、例えば図８に示すよう
に、ｎ型のＩnＰ基板１１上に、ｎ型ＩnＰ層１２，ｎ型
ＧaＩnＡsＰ層１３，ＩnＧａＡs層１４，ｐ型ＧaＩnＡs
Ｐ層１５，ｐ型ＩnＰ層１６、そしてｐ⁺型ＧaＩnＡs層
１９を順に結晶成長させて実現される。この半導体受光
素子の正電極１７は上記ｐ⁺型ＧaＩnＡs層１９の上に形
成され、負電極１８はｎ型ＩnＰ基板１１の下面（裏
面）に形成される。ちなみに正電極は１７にはＴi／Ｐt
／Ａuが用いられ、また負電極１８にはＡu-Ｇe-Ｎi／Ａ
uが用いられる。

【０００３】ところで前記ＩnＧａＡs層１４は、受光す
るに十分な光の基礎吸収端波長を持ち、それに応じて決
定された禁制帯幅の低不純物濃度の半導体層で、光吸収
層として機能する。またこの光吸収層に接するｎ型Ｇa
ＩnＡsＰ層１３およびｐ型ＧaＩnＡsＰ層１５は光閉じ
込め層をなすもので、入射光を光吸収層に効率よく導く
ために、その屈折率が光吸収層より低く、入射光を吸収
することのない半導体として、上記のＧaＩnＡsＰが用
いられる。更にｎ型ＩnＰ層１２およびｐ型ＩnＰ層１６
はクラッド層で、入射光を光吸収層と光閉じ込め層とに
効率よく閉じ込めて光吸収を促進する役割を果たす。こ
の為、クラッド層には光吸収層の屈折率よりも小さい屈
折率を持つ半導体として、上記のＩnＰが用いられる。

【０００４】上記構造の半導体受光素子は、前記正電極
１７と負電極１８との間に逆バイアス電圧を印加し、前
記光吸収層内に空乏層を形成した状態で用いられる。こ
の状態で半導体受光素子の端面に光Ｌを照射すると、こ
の光Ｌは前記光吸収層と光閉じ込め層とからなるコア層
に導かれて上記光吸収層内に入り込む。すると光吸収層
における空乏層において、光のエネルギを吸収して光電
変換が生じ、光量に応じた信号電荷が発生する。この信
号電荷が、前記正電極１７と負電極１８を介して信号電
流として出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記信号電荷
の内、特に質量の大きい正孔は、正電極１７に到達する
までに、例えば導波路層であるｐ型ＧaＩnＡsＰ層１５
とクラッド層であるｐ型ＩnＰ層１６とにおける禁制帯
の差が大きいとき、その界面において不要な蓄積する。
更には導波路であるｐ型ＧaＩnＡsＰ層１５と光吸収層
であるＩnＧａＡs層１４とにおける禁制帯の差が大きい
とき、その界面においても発生する。この正孔の不要な
蓄積（パイルアップ現象）は、前記信号電流を歪ませる
原因となる。但し、信号電荷の内、電子は質量が小さい
ので、信号電流の歪みには殆ど影響しない。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、光吸収層とこの光吸収層に隣接
するｐ型半導体層との界面における正孔の不要な蓄積
（パイルアップ現象）を防止し、受光信号に忠実な（リ
ニアリティの高い）信号電流、つまり歪みのない信号電
流を得ることのできる半導体受光素子を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく、本発明に係る半導体受光素子は、信号電流の歪み
の原因となる、前記光吸収層とｐ型半導体層（導波路
層）との界面における禁制帯の差が、該光吸収層と導波
路層とにおける価電子帯の準位の差に大きく依存するこ
とに着目し、光吸収層の価電子帯の準位と、この光吸収
層に接するｐ型半導体層の価電子帯の準位との差を０.
０５[ｅＶ]以下にしたことを特徴としている。

【０００８】即ち、本発明は常温において正孔が持つエ
ネルギの分布の幅が、ボルツマン定数ｋと温度Ｔとの積
で示される常温での熱エネルギ、約０.０２５[ｅＶ]の
約２倍であることに着目し、前記光吸収層とｐ型半導体
層とにおける価電子帯の準位の差を０.０５[ｅＶ]以下
に設定することで、例えばバイアス電圧が加えられない
状態においても、熱エネルギによって正孔の伝導が行わ
れるようにし、その界面における正孔のパイルアップ現
象の発生を防止することを特徴としている。

【０００９】特に前記光吸収層をなす半導体として低不
純物濃度のＧaＩnＡsＰを用い、また上記ｐ型半導体層
としてｐ型ＡlＩnＡsＰを用いることで上記各層の価電
子帯の準位を等しくし、或いは上記各層の価電子帯の準
位の差を実質的に無視できる程度に小さくし、その界面
において正孔のパイルアップ現象を防ぐようにしたこと
を特徴としている。

【００１０】望ましくは前記光吸収層を基礎吸収端波長
が１.６５〜１.５５μｍであるＧaＩnＡsＰ層とし、前
記ｐ型半導体層を基礎吸収端波長が１.５５〜１.３０μ
ｍで、且つ光吸収層の吸収端波長よりも短く設定したｐ
型ＡlＧaＩnＡs層とすることで、波長１.５５μｍの光
を高感度に、リニアリティ良く検出することを特徴とし
ている。或いは前記光吸収層を基礎吸収端波長が１.５
６〜１.３６μｍであるＧaＩnＡsＰ層とし、前記ｐ型半
導体層を基礎吸収端波長が１.３０〜１.１４μｍのｐ型
ＡlＧaＩnＡs層とすることで、波長１.３μｍの光を高
感度に、リニアリティ良く検出することを特徴としてい
る。

【００１１】より具体的には本発明は、ｎ型のＩnＰ基
板上に格子整合させて形成したｎ型のＩnＰ層またはｎ
型のＡlＩnＡs層からなるｎ側のクラッド層と、このｎ
側のクラッド層上に格子整合させて形成したｎ型のＧa
ＩnＡsＰ層またはｎ型のＡlＧaＩnＡs層からなり、波長
１.５５μｍ（または１.３μｍ）の光を吸収することの
ないｎ側の導波路層と、このｎ側の導波路層上に格子整
合させて形成したノンドープまたはｎ型の低濃度ドープ
のＧaＩnＡs層またはＧaＩnＡsＰ層からなり、波長１.
５５μｍ（または１.３μｍ）の光を吸収する光吸収層
と、この光吸収層上に格子整合させて形成したｐ型のＧ
aＩnＡsＰ層またはｐ型のＡlＧaＩnＡs層からなり、波
長１.５５μｍ（または１.３μｍ）の光を吸収すること
のないｐ側の光閉じ込め層と、このｐ側の光閉じ込め層
上に格子整合させて形成したｐ型のＩnＰ層またはｐ型
のＡlＩnＡs層からなり、波長１.５５μｍ（または１.
３μｍ）の光を吸収することのないｐ側クラッド層とを
備えた導波路型の半導体受光素子を実現するものであ
る。

【００１２】更に本発明は、ｎ型のＩnＰ基板上に設け
たノンドープまたはｎ型の低濃度ドープのＧaＩnＡs層
またはＧaＩnＡsＰ層からなる光吸収層と、この光吸収
層上に形成した基礎吸収端波長が１.５５〜１.１４μｍ
のＡlＧaＩnＡs層と、このＡlＧaＩnＡs層内にｐ型不純
物の拡散または打ち込みドーピングにより形成したｐ型
領域とを備えた面受光型の半導体受光素子を実現するも
のである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る半導体受光素子について説明する。この
実施形態に係る導波路型の受光素子は、図１に示すよう
な多層膜構造をなす。この素子構造についてその製作過
程と共に説明すると、波長１.５５μｍの光を検出する
受光素子を実現する場合には、先ず第１段階として有機
金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、図２に示すよ
うに、キャリア濃度が４×１０¹⁸ｃｍ ^-3のｎ型のＩnＰ
基板１上に、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型の
ＩnＰ層からなるｎ側クラッド層２を結晶成長させる。
更にその上にキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で、基礎
吸収端波長が１.３μｍのｎ型のＧaＩnＡsＰ層からなる
ｎ側導波路層３を結晶成長させる。更にその上にノンド
ープまたは不純物を低濃度にドープした半導体として、
基礎吸収端波長が１.６μｍのＧaＩnＡsＰ層からなる光
吸収層４を結晶成長させる。

【００１４】これらの各層の膜厚は、例えば上記ｎ側ク
ラッド層２を０.５μｍに、ｎ側導波路層３を１μｍ
に、また光吸収層４を０.１μｍとして形成する。但
し、上記ｎ側導波路層３の光吸収層４に接する厚み０.
４μｍ程度の領域を、ノンドープとすることが望まし
い。次いで図２に示した半導体層の積層体上に、第２段
階として分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、図
３に示すように、先ずキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3
で、基礎吸収端波長が１.４μｍのｐ型のＡlＧaＩnＡs
層からなるｐ側導波路層５を結晶成長させる。その上
に、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型のＡlＩnＡ
s層からなるｐ側クラッド層６を結晶成長させ、更にそ
の上にキャリア濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型ＧaＩnＡ
s層からなるコンタクト層７を結晶成長させる。

【００１５】これらの各層の膜厚は、例えば前記ｐ側導
波路層５を２μｍに、ｐ側クラッド層６を２μｍに、そ
してコンタクト層７を０.４μｍとして形成する。但
し、上記ｐ側導波路層５の光吸収層４に接する厚み０.
４μｍ程度の領域を、ノンドープとすることが望まし
い。この第２段階でＭＢＥ法を用いるのは、前述したＭ
ＯＣＶＤ法に比較して急峻なヘテロ界面を形成可能なこ
と、またモノレイヤー・レベルまで膜厚制御が可能なこ
とを利用して、前記光吸収層４との格子整合が良好で特
性の優れた半導体層、特に前記ｐ側導波路層５、更には
ｐ側クラッド層６を成長させる為である。

【００１６】しかる後、第３段階としてリソグラフィ法
を用いて、図４に示すように、例えば長さ２００μｍの
ストライプ状の素子領域を残して、前記コンタクト層
７、ｐ側クラッド層６、ｐ側導波路層５、光吸収層４、
そしてｎ側導波路層３の上半分を順に除去する。次いで
前記ストライプ領域の両側に、例えばポリイミド膜から
なる絶縁膜８を形成する。更に前記ストライプ領域の前
記コンタクト層７上に、レジストマスク（図示せず）を
形成し、このレジストマスクを用いて前記絶縁膜８の前
記ストライプ領域の上部に開口部を設ける。そしてこの
ような絶縁膜８を形成した後、前記レジストマスクを除
去する。

【００１７】次いで前記ストライプ領域のコンタクト層
７上と、その両側の絶縁膜８上にＴi／Ｐt／Ａu層から
なる正電極９を形成する。また前記ｎ型のＩnＰ基板１
の裏面側を研磨してその厚みを１００μｍ程度にした
後、該ＩnＰ基板１の裏面にＡu-Ｇe-Ｎi／Ａu層からな
る負電極１０を形成する。その後、前記ストライプ領域
の中央を劈開し、素子分離して図１に示すような素子構
造の半導体受光素子が完成される。

【００１８】ところで上述した如くして製造される半導
体受光素子の、光吸収層等を構成する半導体層の吸収端
波長は、その半導体層の禁制帯幅と密接に関係してい
る。そして半導体層の吸収端波長はプランク定数ｈ（＝
6.6256×10^-34 J・s）を、該半導体層の禁制帯幅で除し
た値として求められる。従って光吸収層４や、ｎ側導波
路層３およびｐ側の導波路層５としてそれぞれ成長させ
る半導体層の種類は、上記各層が必要とする吸収端波長
が決定されたとき、その吸収端波長にて前記プランク定
数を除算して求められる禁制帯幅を有し、且つ格子整合
性の良い組成の半導体として決定される。この例では、
前述した如く光吸収層４をなす半導体層としてＧaＩnＡ
sＰ、またｎ側およびｐ側の導波路層３，５をなす半導
体層としてＡlＧaＩnＡsが決定される。

【００１９】また上記光吸収層４をなすＧaＩnＡsＰ層
と、導波路層３，５をなすＡlＧaＩnＡs層との界面にお
けるバンドダイヤグラム、つまり上記各半導体層の禁制
帯幅とその価電子帯の準位について検討したところ、次
のような結果を得た。この検討は、計算機によるシミュ
レーションと、フォトルミネッセンスを用いた量子井戸
からの発光実験結果に基づいて行った。

【００２０】この検討結果について簡単に説明すると、
ＡlＧaＩnＡs層の禁制帯幅を０.９５[ｅＶ]に固定し、
ＡlＧaＩnＡs層に格子整合したＧaＩnＡsＰ層の禁制帯
幅を０.７５[ｅＶ]から１.３[ｅＶ]まで変化させたと
き、これらのＡlＧaＩnＡs層とＧaＩnＡsＰ層とのバン
ドダイヤグラムは、図５(ａ)〜(ｅ)に示すように変化し
た。但し、図５(ａ)〜(ｅ)はポテンシャルのノッチ等を
省略して、ＡlＧaＩnＡs層およびＧaＩnＡsＰ層におけ
る価電子帯および伝導帯の準位とを示してある。

【００２１】図５(ａ)に示すように、ＧaＩnＡsＰ層の
バンドギャップエネルギが小さいときには［Ｅg1 ＞
Ｅg2 ］、ＡlＧaＩnＡs層の価電子帯の準位Ｅv1と、Ｇa
ＩnＡsＰ層の価電子帯の準位Ｅv2とは、［Ｅv1 ＞Ｅv
2 ］となっている。しかしＧaＩnＡsＰ層のバンドギャ
ップエネルギが大きくなると、図５(ｂ)に示すように価
電子帯の準位の差ΔＥvが次第に小さくなり、或る条件
で上記差ΔＥv（＝Ｅv1−Ｅv2）が零［０］となる。

【００２２】この状態から更に前記ＧaＩnＡsＰ層のバ
ンドギャップエネルギを大きくして［Ｅg1 ＝Ｅg2 ］
となると、図５(ｃ)に示すように各層の価電子体の準位
が［Ｅv1 ＜Ｅv2 ］となる。更にＧaＩnＡsＰ層のバン
ドギャップエネルギを大きくすると、図５(ｄ)に示すよ
うに、今度は伝導帯の準位が等しくなる［Ｅc1 ＝Ｅc2
］。そして更に前記ＧaＩnＡsＰ層のバンドギャップエ
ネルギを大きくすると［Ｅg1 ＜Ｅg2 ］、図５(ｅ)に
示すようにＧaＩnＡsＰ層の伝導帯の準位がＡlＧaＩnＡ
s層の伝導帯の準位よりも高くなり［Ｅc1 ＜Ｅc2
］、同時に各層の価電子帯の準位が［Ｅv1 ＞Ｅv2
］となる。

【００２３】図６は前記ＡlＧaＩnＡs層の価電子帯の準
位Ｅg1と、ＧaＩnＡsＰ層の価電子帯の準位Ｅg2とが等
しくなり、図５(ｂ)に示したようにその準位の差ΔＥv
が零［０］となるときの上記ＡlＧaＩnＡs層およびＧa
ＩnＡsＰ層の禁制帯幅（バンドギャップ・エネルギ）、
ひいてはその基礎吸収端波長の関係を示している。前述
した如くして製造される半導体受光素子は、この図６に
示す関係に基づいて、光吸収層４をなすＧaＩnＡsＰ層
と、ｐ側の導波路層５をなすｐ型ＡlＧaＩnＡs層との各
吸収端波長、或いはその価電子帯の準位を定めている。
そして有効質量の重い正孔が、価電子帯の準位差に起因
するポテンシャル・ノッチによって伝導障害を受け、そ
の界面において不要な蓄積しないようにしている。

【００２４】かくして前述したようにして製造される半
導体受光素子は、光吸収層４の吸収端波長が１.６μｍ
のｉ型ＧaＩnＡsＰ層であり、またこの光吸収層４に隣
接するｐ側導波路層５が、吸収端波長１.４５μｍのｐ
型ＡlＧaＩnＡs層からなり、前記ＩnＰ基板１に格子整
合している。そして図６に示す関係から明らかなよう
に、吸収端波長が１.６μｍのｉ型ＧaＩnＡsＰ層からな
る光吸収層４の価電子帯の準位と、吸収端波長１.４５
μｍのｐ型ＡlＧaＩnＡs層からなるｐ側導波路層５の価
電子帯の準位とが、ほぼ等しく設定されている。

【００２５】従って光が導入された光吸収層４におい
て、該光のエネルギを受けて生じる光電変換によって生
起された電荷の内、質量の重い正孔は、ｐ側導波路層５
との界面の影響を受けることなしに、ｐ側導波路層５か
らｐ型クラッド層６へと移動する。つまり正孔は、光吸
収層４とｐ側導波路層５との界面において、その移動が
妨げられることなく、つまり正孔は、パイルアップ現象
を生じることなく移動する。この結果、電極９,１０を
介して出力される信号電流に歪みが生じることがなく、
受光量に対してリニアリティの良い信号電流を得ること
が可能となる。

【００２６】具体的には、このようにして製作した導波
路型受光素子における波長１.５５μｍの光に対する変
調歪を測定し、その特性を評価した。この測定は−５Ｖ
のバイアス電圧を印加した導波路型受光素子を、８°に
カットした光ファイバーの端面に１０μｍの距離まで近
付けて、光２トーン法（光ヘテロダイン法）により行っ
た。このときの測定条件は、変調周波数が２５０ＭＨｚ
と２４４ＭＨｚ、変調度が７０％である。このとき平均
入力電力０ｄＢｍにおいて、２次相互変調歪が−８０ｄ
Ｂｃ、また３次相互変調歪が−１１０ｄＢｃと、極めて
良い値を示すことが確認できた。この測定結果は、従来
の一般的な導波路型受光素子に比較して２０ｄＢｃ程度
の改善効果があることを示している。

【００２７】一方、本発明の別の実施形態として、波長
１.３μｍの光を検出する受光素子を実現するべく、前
述した光吸収層４として、基礎吸収端波長が１.４６μ
ｍのｉ型ＧaＩnＡsＰ層を成長させた。またこの光吸収
層４に隣接するｐ側導波路層５として、基礎吸収端波長
が１.１５μｍのｐ型ＡlＧaＩnＡs層を成長させた。但
し、その他の半導体層については前述した実施形態と同
様にした。

【００２８】このような光吸収層４とｐ側導波路層５と
を備えた導波路型受光素子においては、図６に示すよう
に基礎吸収端波長が１.４６μｍのｉ型ＧaＩnＡsＰ層か
らなる光吸収層４の価電子帯の準位と、基礎吸収端波長
１.１５μｍのｐ型ＡlＧaＩnＡs層からなるｐ側導波路
層５の価電子帯の準位がほぼ等しくなる。従ってこの波
長１.３μｍ用の導波路型受光素子でも、光吸収層４と
ｐ側導波路層５との界面における正孔のパイルアップ現
象が生じることがない。そして受光量に対してリニアリ
ティ性が高く、歪みのない信号電流が得られた。具体的
には上記導波路型受光素子における波長１.３μｍの光
に対する変調歪を、先の実施形態と同様にして調べた。
そして測定条件を同じくしたとき、２次相互変調歪が−
９０ｄＢｃ、また３次相互変調歪が−１０５ｄＢｃと、
極めて良い値を示すことが確認できた。

【００２９】また本発明の更に別の実施形態として、波
長１.５μｍの光を検出する受光素子を実現するべく、
前述した光吸収層４として基礎吸収端波長が１.６５μ
ｍのｉ型ＧaＩnＡsＰ層を成長させた。またこの光吸収
層４に隣接するｐ側導波路層５として、基礎吸収端波長
が１.４５μｍのｐ型ＡlＧaＩnＡs層を成長させた。但
し、その他の半導体層については前述した実施形態と同
様にした。

【００３０】この場合、図６に示すように基礎吸収端波
長が１.６５μｍのｉ型ＧaＩnＡsＰ層からなる光吸収層
４の価電子帯の準位と、基礎吸収端波長１.４５μｍの
ｐ型ＡlＧaＩnＡs層からなるｐ側導波路層５の価電子帯
の準位に若干のずれが生じたが、その準位の差は僅かで
あることから、光吸収層４とｐ側導波路層５との界面に
おける正孔のパイルアップ現象が大幅に抑圧された。こ
の結果、受光量に対して殆ど歪みを生じることのない信
号電流が得られた。

【００３１】ところで本発明は、上述した各実施形態に
示すような導波路型の受光素子のみならず、面受光型
（面入射型）の受光素子にも適用可能である。即ち、導
波路型受光素子は、結晶成長させた半導体層に対して平
行に光を導入し、その入射光を導波しながら光吸収を行
うので、局地的な光吸収の集中が起きにくく、歪みが小
さいと言う利点を持つ。また光電変換により生起された
キャリアの走行距離が短いので、この点でも歪みが小さ
いと言う利点を持つ。

【００３２】しかし光吸収層の厚さを、その受光感度が
劣化しない程度まで薄くしてキャリアの走行距離を短く
し、また光の入射範囲をできるだけ広くすれば、高感度
な面入射型の受光素子を実現できる。この場合にも、光
吸収層に接するｐ側の半導体層として、前述したように
その価電子帯の準位の差が殆どないものとすれば、前述
した各実施形態と同様にして正孔の流れを妨げの要因を
除き、信号電流の歪を抑制することができる。

【００３３】図７は本発明を面入射型の半導体受光素子
に適用した実施形態を示している。この受光素子は、第
１段階としてキャリア濃度が４×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型Ｉ
nＰ基板２１上に、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3の
ｎ型ＩnＰバッファ層２２、キャリア濃度が１×１０¹⁵
ｃｍ^-3のｎ型ＧaＩnＡs光吸収層２３、キャリア濃度が
１×１０¹⁷ｃｍ^-3で、吸収端波長が１.４５μｍのｎ型
ＡlＧaＩnＡs低歪挿入層２４、キャリア濃度が１×１０
¹⁷ｃｍ^-3のｎ型ＩnＰキャップ層２５を順に結晶成長さ
せて製造される。尚、これらの各層の結晶成長は、ＭＯ
ＣＶＤ法によりｎ型ＩnＰ基板２１に対して格子整合さ
せながら行われる。また上記各層の膜厚は、例えば上記
ｎ型ＩnＰバッファ層２２は０.５μｍ、ｎ型ＧaＩnＡs
光吸収層２３は２μｍ、ｎ型ＡlＧaＩnＡs低歪挿入層２
４は０.５μｍ、そしてｎ型ＩnＰキャップ層２５は３ｎ
ｍである。

【００３４】しかる後、第２段階として上記の半導体多
層膜の、例えばｎ型ＧaＩnＡs光吸収層２３の途中位置
までｐ型の不純物としてＺnを拡散し、その拡散領域を
ｐ型に反転させてｐ型Ｚn拡散領域２６とする。次いで
前記半導体多層膜の上にＳiＮ膜をパッシベーション膜
２７として設ける。そして前記ｐ型Ｚn拡散領域２６上
に位置するパッシベーション膜２７を、例えばリング状
に除去し、その除去領域上にリング状の正電極２８を形
成する。このリングの直径は、例えば５０μｍであり、
正電極２８としてはＴi／Ｐt／Ａuが用いられる。その
後、前記ｎ型ＩnＰ基板２１を厚さ１２０μｍ程度に研
磨して板厚調整し、その裏面に負電極２９を形成する。
負電極２９としては、Ａu-Ｇe-Ｎi／Ａuが用いられる。

【００３５】かくしてこのようにして製造される面入射
型の半導体受光素子によれば、ｎ型ＩnＰキャップ層２
５は、ｎ型ＡlＧaＩnＡs低歪挿入層２４に対する酸化防
止層として機能する。しかしｎ型ＩnＰキャップ層２５
の膜厚が３ｎｍと非常に薄いので、受光感度の低下や電
流電圧特性の劣化、更には変調歪増加の原因とはならな
い。

【００３６】ちなみにこの受光素子の上面から光を入射
したところ、波長１.０μｍ〜１.６μｍの範囲の光に対
して、０.９Ａ／Ｗ以上の受光感度が得られた。特に
ｎ型ＧaＩnＡs光吸収層２３で発生した電荷が伝導する
際、ｎ型ＡlＧaＩnＡs低歪挿入層２４での表面再結合電
流の発生が抑制されるので、波長の低い光に対してまで
も高い受光感度が得られた。

【００３７】この面入射型の受光素子に対して、８°カ
ットの光ファイバーからの光をレンズを介して集光して
照射し、その特性試験を行った。この際、意図的にその
焦点をずらして直径５０μｍの前記リング領域内の全体
に、一様に光が照射されるようにした。そして−１０Ｖ
のバイアス電圧を印加し、前述した実施形態の場合と同
様な測定条件にて変調歪を計測したところ、平均入力電
力０ｄＢｍにおいて、２次相互変調歪が−７５ｄＢｃ、
また３次相互変調歪が−１００ｄＢｃと、極めて良い値
を示すことが確認できた。

【００３８】尚、本発明は上述した実施の形態に限定さ
れるものではない。実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ
法やＭＢＥ法を用いて半導体層を形成したが、ガスソー
スＭＢＥ法や、ＣＢＥ（ケミカル・ビーム・エピタキ
シ）法を用いて半導体層を成長させるようにしても良
い。特にＭＯＣＶＤ法で全ての半導体層を一度に成長さ
せるようにしても良い。この場合には、クラッド層とし
てＩnＰ層を用いることが望ましい。また光吸収層とし
てノンドープまたは低濃度ドープのＧaＩnＡsを用いる
ことも可能であり、更には光吸収層に接するｐ側半導体
層としてＡlＧaＩnＡsを用いることも可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
吸収層と、この光吸収層に隣接するｐ型半導体層（導波
路層）との価電子帯の準位の差を０.０５[ｅＶ]以下に
し、また前記光吸収層をなす半導体として低不純物濃度
のＧaＩnＡsＰを用い、また上記ｐ型半導体層としてｐ
型ＡlＩnＡsＰを用いているので、上記各層の界面にお
いて正孔のパイルアップ現象を防ぐことができ、歪みの
ない信号電流を得ることができる。

【００４０】特に基礎吸収端波長が１.６５〜１.５５μ
ｍのＧaＩnＡsＰ層を光吸収層とし、基礎吸収端波長が
１.５５〜１.３０μｍのｐ型ＡlＧaＩnＡs層を上記光吸
収層に接するｐ型半導体層とすることで、波長１.５５
μｍの光を高感度に、リニアリティ良く検出し得る導波
路型の半導体受光素子を実現することができ、また基礎
吸収端波長が１.５６〜１.３６μｍであるＧaＩnＡsＰ
層を光吸収層をとし、基礎吸収端波長が１.３０〜１.１
４μｍのｐ型ＡlＧaＩnＡs層をｐ型半導体層をとするこ
とで、波長１.３μｍの光を高感度に、リニアリティ良
く検出し得る導波路型の半導体受光素子を実現すること
ができた。

【００４１】更に本発明によれば、ｎ型のＩnＰ基板上
に設けたノンドープまたはｎ型の低濃度ドープのＧaＩn
Ａs層またはＧaＩnＡsＰ層からなる光吸収層に基礎吸収
端波長が１.５５〜１.１４μｍのＡlＧaＩnＡs層を形成
し、このＡlＧaＩnＡs層内にｐ型不純物の拡散または打
ち込みドーピングによりｐ型領域を形成することで、リ
ニアリティの高い面受光型の半導体受光素子を実現する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る半導体受光素子の構
造を示す図。

【図２】図１に示す半導体受光素子の製造過程における
第１段階の状態を示す図。

【図３】図１に示す半導体受光素子の製造過程における
第２段階の状態を示す図。

【図４】図１に示す半導体受光素子の製造過程における
第３段階の状態を示す図。

【図５】ＡlＧaＩnＡs層の禁制帯幅を０.９５[ｅＶ]に
固定し、ＡlＧaＩnＡs層に格子整合したＧaＩnＡsＰ層
の禁制帯幅を０.７５[ｅＶ]から１.３[ｅＶ]まで変化さ
せたときの、上記ＡlＧaＩnＡs層とＧaＩnＡsＰ層との
禁制帯幅とその価電子帯の準位とを示すバンドダイヤグ
ラム。

【図６】ＧaＩnＡsＰおよびＡlＧaＩnＡsの禁制帯幅と
吸収端波長との関係、更にＧaＩnＡsＰおよびＡlＧaＩn
Ａsの価電子帯の準位が同じくなる条件を示す図。

【図７】本発明の別の実施形態に係る半導体受光素子の
構造を示す図。

【図８】従来一般的な半導体受光素子の構造を示す断面
図。

【符号の説明】

１ＩnＰ基板２ｎ側クラッド層（ｎ型のＩnＰ層）３ｎ側導波路層（ｎ型のＧaＩnＡsＰ層）４光吸収層（ＧaＩnＡsＰ層）５ｐ側導波路層（ｐ型のＡlＧaＩnＡs層）６ｐ側クラッド層（ｐ型のＡlＩnＡs層）７コンタクト層（ｐ型ＧaＩnＡs層）８絶縁膜（ポリイミド膜）９正電極（Ｔi／Ｐt／Ａu層）１０負電極（Ａu-Ｇe-Ｎi／Ａu層）２１ｎ型ＩnＰ基板２２ｎ型ＩnＰバッファ層２３ｎ型ＧaＩnＡs光吸収層２４ｎ型ＡlＧaＩnＡs低歪挿入層２５ｎ型ＩnＰキャップ層２６ｐ型Ｚn拡散領域２７パッシベーション膜（ＳiＮ膜）２８正電極（Ｔi／Ｐt／Ａu）２９負電極（Ａu-Ｇe-Ｎi／Ａu）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧaＩnＡsＰ層からなる光吸収層と、こ
の光吸収層に隣接するｐ型のＡlＧaＩnＡs層からなるｐ
型半導体層とを備えたことを特徴とするＰＩＮ構造の半
導体受光素子。
【請求項２】ＧaＩnＡsＰ層からなる光吸収層の価電
子帯と準位と、この光吸収層に隣接するｐ型のＡlＧaＩ
nＡs層からなるｐ型半導体層の価電子帯の準位の差が
０.０５ｅＶよりも小さく設定されていることを特徴と
する請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】前記光吸収層は、基礎吸収端波長が１.
６５〜１.５５μｍのＧaＩnＡsＰ層からなり、前記ｐ型
半導体層は、基礎吸収端波長が１.５５〜１.３０μｍ
で、且つ前記光吸収層の基礎吸収端波長よりも短い基礎
吸収端波長のｐ型のＡlＧaＩnＡs層からなることを特徴
とする請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】前記光吸収層は、基礎吸収端波長が１.
５６〜１.３６μｍのＧaＩnＡsＰ層からなり、ｐ型半導
体層は、基礎吸収端波長が１.３０〜１.１４μｍである
ｐ型のＡlＧaＩnＡs層からなることを特徴とする請求項
２に記載の半導体受光素子。
【請求項５】導波路型構造をなすことを特徴とする請
求項１乃至４のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項６】ｎ型のＩnＰ基板と、このｎ型のＩnＰ基板上に格子整合させて形成したｎ型
のＩnＰ層またはｎ型のＡlＩnＡs層からなるｎ側のクラ
ッド層と、このｎ側のクラッド層上に前記ｎ側のＩnＰ基板に格子
整合させて形成したｎ型のＧaＩnＡsＰ層またはｎ型の
ＡlＧaＩnＡs層からなり、波長１.５５μｍの光を吸収
することのないｎ側の導波路層と、このｎ側の導波路層上に格子整合させて形成したノンド
ープまたは低濃度ドープのＧaＩnＡs層またはＧaＩnＡs
Ｐ層からなり、波長１.５５μｍの光を吸収する光吸収
層と、この光吸収層上に格子整合させて形成したｐ型のＧaＩn
ＡsＰ層またはｐ型のＡlＧaＩnＡs層からなり、波長１.
５５μｍの光を吸収することのないｐ側の導波路層と、このｐ側の導波路層上に格子整合させて形成したｐ型の
ＩnＰ層またはｐ型のＡlＩnＡs層からなり、波長１.５
５μｍの光を吸収することのないｐ側クラッド層とを具
備し、上記各層と平行に光を入射することを特徴とする
導波路型の半導体受光素子。
【請求項７】ｎ型のＩnＰ基板と、このｎ型のＩnＰ基板上に格子整合させて形成したｎ型
のＩnＰ層またはｎ型のＡlＩnＡs層からなるｎ側のクラ
ッド層と、このｎ側のクラッド層上に格子整合させて形成したｎ型
のＧaＩnＡsＰ層またはｎ型のＡlＧaＩnＡs層からな
り、波長１.３μｍの光を吸収することのないｎ側の導
波路層と、このｎ側の導波路層上に前記ＩnＰ基板と格子整合させ
て形成したノンドープまたは低濃度ドープのＧaＩnＡs
層またはＧaＩnＡsＰ層からなり、波長１.３μｍの光を
吸収する光吸収層と、この光吸収層上に格子整合させて形成したｐ型のＧaＩn
ＡsＰ層またはｐ型のＡlＧaＩnＡs層からなり、波長１.
３μｍの光を吸収することのないｐ側の導波路層と、このｐ側の導波路層上に格子整合させて形成したｐ型の
ＩnＰ層またはｐ型のＡlＩnＡs層からなり、波長１.３
μｍの光を吸収することのないｐ側クラッド層とを具備
し、上記各層と平行に光を入射することを特徴とする導
波路型の半導体受光素子。
【請求項８】ｎ型のＩnＰ基板と、このｎ型のＩnＰ基板上に設けたノンドープまたはｎ型
の低濃度ドープのＧaＩnＡs層またはＧaＩnＡsＰ層から
なる光吸収層と、この光吸収層上に形成した、吸収端波長が１.５５〜１.
１４μｍのＡlＧaＩnＡs層と、このＡlＧaＩnＡs層内にｐ型不純物の拡散または打ち込
みドーピングにより形成されたｐ型領域とを具備し、上
記各層に光を面入射することを特徴とする請求項１乃至
４に記載の半導体受光素子。