JPH09283786A - 導波路型半導体受光素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成長接合と単純メサ構造の導波路型半導体受
光素子では、低暗電流特性、信頼性が劣化される。これ
を改善しようとしたメサ・プレーナ構造では作製歩留り
が低くなる。 【解決手段】 ｐ導電型のＩｎＰ基板１上に、ｐ導電型
半導体層２、ｎ導電型光吸収層３、ｎ導電型キャップ層
４を積層し、これをストライプ状に形成してメサストラ
イプを形成する。また、光吸収層３とキャップ層４の側
壁をｎ型に反転した反転領域５を形成する。成長接合と
単純メサ構造を採用しながらも、低暗電流特性、信頼性
が改善され、かつ素子作製歩留りが改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用に用いて
好適な導波路構造を有する半導体受光素子とその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信を構成する三大要素とし
て、光源、伝送媒体としての光ファイバ、光信号を検出
する光検出器が挙げられる。この内、半導体受光素子は
小型、軽量、高感度である利点を生かして光源の光モニ
タ用としてと共に、光信号の検出器用として用いられて
いる。このような半導体受光素子として、波長０．８μ
ｍ帯域用の検出器を構成するために、Ｓｉ材料を用いた
ＰＩＮ型のフォトダイオード（ＰＤ）が開発されてい
る。あるいは、高電界を利用するために高いバイアス電
圧を必要とするが、素子内部に光電変換された信号を増
幅する作用を有する為にＰＤと比べさらに高感度が得ら
れるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が開発
されている。また、光ファイバの伝送損失の低減に伴
い、いわゆる長波長帯用の受光素子としてＧｅ材料を用
いたＰＤあるいはＡＰＤも開発されている。しかしなが
ら、Ｇｅ材料は第１に光検出器として暗電流が大きい、
第２に光ファイバの極低損失波長である１．５５μｍ光
に対して材料的に光電変換効率が極端に低下する、第３
にこの光電変換効率を改善するためには半導体空乏化領
域を広げる必要があるが、この時、高いバイアス電圧が
必要等の問題がある。

【０００３】このＧｅ材料に変わる半導体受光素子とし
てＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓＰ材料、特に
この系の最長波長端組成であるＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ
（以下、ＩｎＧａＡｓと略称）材料を光吸収層としたＰ
ＩＮ−ＰＤあるいはＡＰＤが研究開発されてきた。現
在、このＩｎＧａＡｓ材料を用いたＰＩＮ−ＡＤあるい
はＡＰＤが、光通信の中心波長である１．３μｍあるい
は１．５５μｍ用の光検出器として用いられている。こ
れらの半導体受光素子は半導体主表面上に不純物種を拡
散等の手法により選択的に施してｐｎ接合を形成するこ
とにより受光領域を設けている。この構造では、通常、
光は半導体主表面に垂直に入射する、いわゆるプレーナ
構造が多く、これは信頼性、生産歩留まり等の点から優
れた構造として広く採用されている。

【０００４】また一方、最近においては、各種光デバイ
スを含む光通信に必要な要素技術も着実に進展してはい
るが、更に多量の情報を安価に伝達したいという需要も
飛躍的に増大しており、超高性能・高速受光素子を低価
格で提供できる技術対応が求められている。

【０００５】超高速光通信に対応する受光素子と言う点
から、最近、上記した面入射型とは異なる導波路型が注
目されている。これは、光信号を効率よく高感度で検出
するためには高い光電変換効率が要求されるが、従来の
面入射型では高い光電変換効率を得るために比較的厚い
光吸収層を用いる必要がある。ところが、この厚さが最
終的には光生成キャリアの光吸収層内走行時間を規定す
ることになり、この走行時間制限で高速性能が律則さ
れ、超高速を実現するためには光電変換効率を犠牲にす
る必要があると言う問題点が顕在化してきた。

【０００６】また、高速性能を律則する要因として走行
時間と共に、ＣＲ時定数即ち、容量の低減も重要とな
る。容量値はｐｎ接合面積には付随した量であり、低容
量化には受光ｐｎ接合面積の狭小化が必須となるが、こ
れは被測定光との結合が容易でなくなることを意味して
おり、面入射型で走行時間で規定された遮断周波数２０
ＧＨｚ以上の高速応答を実現しても、実用上は効率よく
光信号を検出する上からは余り意味のある面入射型素子
が得られないものと考えられている。この速度と効率の
トレードオフ関係を解決する構造として、最近、入射光
を光吸収層と平行な方向から導入する導波路型構造が注
目されている。

【０００７】従来の高効率で高速性能を狙った導波路型
半導体受光素子（導波路型ＰＩＮ−ＰＤ）の模式断面図
を図５に示す。素子構造として、半絶縁性ＩｎＰ基板３
１上にｎ⁺ −ＩｎＰバッファ層３２、ｎ⁺ −ＩｎＧａＡ
ｓＰ中間屈折率層３３、ｎ^-−ＩｎＧａＡｓ薄膜光吸収
層３４、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層３５、ｐ⁺
−ＩｎＰクラッド層３６、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層３７を有しており、これらをストライプ形状を残し
て結晶表面より上記ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層
３３までエッチングし、ｐ側電極としてＡｕＺｕ膜３８
及びＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ３９，ｎ側電極としてのＡｕＧｅ
Ｎｉ膜４０及びＴｉ／Ｐｕ／Ａｕ膜３９、及びポリイミ
ド保護膜４１が形成されている。

【０００８】ここで、ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率
層３３およびｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層３５
は、光吸収層の層厚と平行な角度で入射した光に対して
層厚方向の導波モードを２次モードまで許容して、光フ
ァイバとの結合効率を高めるための中間屈折率の半導体
層である。ｎ⁺ −ＩｎＰバッファ層３２及びｐ⁺ −Ｉｎ
Ｐクラッド層３６はクラッド層として働く。さらに、ｎ
⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層３３は伝導体不連続緩
和層として、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層３５は
価電子帯不連続緩和層として、ｎ⁺ −ＩｎＰバッファ層
３２はｎ側のコンタクト層としての働きも兼ね備えてい
る。ここで、キャリア走行時間低減のため、動作時にこ
れらの高濃度層は空乏化させず、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光
吸収層３４のみを空乏化させて用いる。このような構成
の導波路型ＰＩＮ−ＰＤは面入射型ＰＤと比べて、光吸
収層を薄くしても高効率を維持して超高速特性を実現で
きる構造として注目され、トータルでの光電変換効率を
５０％程度に維持して遮断周波数１００ＧＨｚを越える
研究成果も報告されている。

【０００９】また、最近、導波路型構造ではあるが、光
吸収層厚を厚くして、光ファイバとの結合特性に優れた
導波路型ＰＩＮ−ＰＤが加入者用受光素子として着目さ
れている。これは、導波路型受光素子が、光源である半
導体レーザー等における光信号が層厚方向と平行な端面
出射である構造と同様の構成になっている点にある。こ
れにより、発光・受光素子を含んだ、光素子の駆動、信
号増幅回路等すべての構成部品を２次元的にレイアウト
することが可能となり、自動組立等を考えたとき有利に
なるものと考えられているためである。

【００１０】加入者用に開発されている従来例を図６に
示す。ウエハ層構造としては、半絶縁性ＩｎＰ基板３１
上にｎ⁺ −ＩｎＰクラッド層３２、厚膜ｎ−ＩｎＧａＡ
ｓＰ中間屈折率層４２、厚膜ｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸
収層４３、ｎ^- −ＩｎＰクラッド層４４を有する。ここ
でｎ−ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層４２の組成はＩｎＰ
とｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層組成波長の中間波長値
に近い値をとる。この様なウエハの一部領域、すなわち
ストライプ形状をした受光領域としての用を成す領域
に、ｐ型不純物の選択拡散等の技術により拡散の先端領
域がｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層４３に達するような
ｐ⁺ 拡散領域４６が形成されており、このｐ⁺ 拡散領域
４６を囲むようなストライプ形状を残して結晶表面より
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層４２まで取り除かれ、
ｐ型電極としてのＡｕＺｕ膜３８及びＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ
膜３９がｐ⁺ 拡散領域４６上に、ｎ型電極としてのＡｕ
ＧｅＮｉ膜４０及びＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜３９がエッチン
グ除去されたｎ⁺ −ＩｎＰクラッド層上にそれぞれ形成
されている。また、結晶成長された表面のｐ型電極領域
以外はＳｉＮｘ膜等の絶縁膜４５で覆われている。

【００１１】この様な導波路型ＰＩＮ−ＰＤにおいて
は、光吸収層の組成により長波長端の波長感度領域は制
限されるが、光吸収層層厚を厚くすればするほど、非空
乏化領域が存在すると、この領域での光電変換後の光キ
ャリアが拡散電流として生じることにより応答劣化が生
じるため、光吸収層を完全空乏化するための動作電圧が
高くなるが、光ファイバとの縦方向の光結合は容易にな
る。また、この様な構造は、光の入射端面においては劈
開によりｐｎ接合が端面にむき出され、あるいは、この
様なｐｎ接合むき出し端面がＳｉＮｘ等の絶縁膜で覆わ
れてはいるが、この領域以外のｐｎ接合端は結晶表面に
ありメサ・プレーナ構造と見なすことが出来、成長接合
と比べて安定性、暗電流特性等で優れることが予想され
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の導波路型ＰＩＮ−ＰＤでは、例えば、成長接合に
よりｐｎ接合を作製した後、メサ行程により導波路化し
た素子ではｐｎ接合が端面にむき出しになっている為、
暗電流が大きいという問題が、またこれに起因して信頼
性が劣る等の問題がある。また一方、これら成長接合の
問題点を回避する構造として所望の素子層構造作成後、
一部領域をストライプ状に選択的にｐｎ接合を形成し、
これを覆うような形でメサ構造を作製したメサ・プレー
ナ構造等の構造も有るが、拡散の制御性、歩留まり、コ
スト低減等の点から必ずしも良い構造とは言い難い。

【００１３】本発明の目的は、上記のような従来型の導
波路型ＰＩＮ−ＰＤとは異なり、構成、製造工程を工夫
することにより、低暗電流と言う光検出器の基本特性を
満足し、かつ高い信頼性を有する導波路型ＰＩＮ−ＰＤ
を比較的簡単なプロセス工程により歩留まりよく製造す
ることが可能な導波路型半導体受光素子とその製造方法
を提供することである。

【００１４】本発明の導波路型半導体受光素子は、第一
導電型あるいは半絶縁性半導体基板上に、少なくとも、
第一導電型半導体層、第二導電型あるいは高純度あるい
は高抵抗半導体光吸収層、第二導電型半導体キャップ層
を積層状態に有し、かつ少なくとも前記光吸収層とキャ
ップ層でメサストライプが構成され、かつこのメサスト
ライプにおける前記キャップ層及び光吸収層の側壁領域
には第一導電型に反転された反転領域を有することを特
徴とする。

【００１５】また、本発明の好ましい形態の導波路型半
導体受光素子としては、第一導電型あるいは半絶縁性半
導体基板の一領域に、少なくとも、第一導電型半導体
層、第二導電型あるいは高純度あるいは高抵抗特性を有
する光吸収層、及び光吸収層を積層状態に有し、かつ前
記基板の隣接する領域にはこれらの層と途切れることな
く連続して形成された前記光吸収層のバンドギャップエ
ネルギより大きなバンドギャップエネルギを有する第一
導電型半導体層、光吸収層、第二導電型半導体キャップ
層を有し、少なくとも前記キャップ層及び光吸収層でメ
サストライプが形成され、かつこのメサストライプにお
ける前記光吸収層及びキャップ層の側壁領域には第一導
電型に反転された反転領域を有し、かつ前記隣接する領
域のメサストライプに光導入窓層を有することを特徴と
する。

【００１６】ここで、光吸収層上部に位置するキャップ
層の不純物濃度Ｎ_B （ｃｍ^-3）がその構成半導体のバン
ドギャップエネルギをＥ_g （単位ｅＶ）したとき、 Ｎ_B ＜６^4/3 ×（Ｅ_g ／１．１）² ×１０¹⁶ なる関係を満足するような不純物濃度として構成するこ
とが好ましい。

【００１７】また、光吸収層の直上にキャップ層とは異
なる第二導電型半導体層を有し、かつこの第二導電型半
導体層の屈折率あるいはバンドギャップエネルギが前記
光吸収層とキャップ層の各々の値の中間値を有すること
が好ましい。この第二導電型半導体層は、第二導電型高
純度低不純物濃度あるいは高抵抗半導体層で構成され
る。この場合、第二導電型高純度低不純物濃度あるいは
高抵抗半導体層の厚みは、光吸収層の層厚以内であるこ
とが好ましい。

【００１８】さらに、半導体基板と光吸収層の間に両半
導体層の中間バンドギャップエネルギを有するかあるい
は中間の屈折率を有する第一導電型半導体層を有するこ
とが好ましい。この場合、第一導電型半導体層の不純物
濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることが好ましい。

【００１９】本発明における製造方法は、第一導電型あ
るいは半絶縁性半導体基板上に、第一導電型半導体層、
第二導電型あるいは高純度あるいは高抵抗半導体光吸収
層、第二導電型半導体キャップ層を順次積層する工程
と、少なくとも前記第二導電型半導体キャップ層、半導
体光吸収層をストライプ状に残してメサ・エッチングし
てメサストライプを形成する工程と、前記メサストライ
プにおける前記光吸収層及び第二導電型半導体キャップ
層の側壁領域に不純物を選択導入して第一導電型の反転
領域を形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００２０】また本発明の好ましい製造方法としては、
第一導電型あるいは半絶縁性半導体基板上に、第一導電
型半導体層、第一導電型中間層、第二導電型あるいは高
純度あるいは高抵抗半導体光吸収層、第二導電型中間
層、第二導電型半導体キャップ層を順次積層する工程
と、少なくとも前記第二導電型半導体キャップ層、第二
導電型中間層、半導体光吸収層、第一導電型中間層の一
部をストライプ状に残してメサ・エッチングしてメサス
トライプを形成する工程と、前記メサストライプにおけ
る前記第二導電型半導体キャップ層、第二導電型中間
層、及び光吸収層の側壁領域に不純物を選択導入して第
一導電型の反転領域を形成する工程とを含むことを特徴
とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態による
導波路型半導体受光素子を示しており、同図（ａ）は斜
視外観概略図、同図（ｂ）は図（ａ）のＡＡ線に対応し
たメサストライプと直交する横断面概略図を示してい
る。この構造をその製造工程順に説明する。まず、（１
００）面を有するｐ⁺ −ＩｎＰ基板１上に、例えば有機
金属を原料として用いた気相成長（ＭＯＶＰＥと略称す
る）法により、ｐ⁺ −ＩｎＰ層２を１μｍ程度形成した
後、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層３を３μｍ厚形成し、
最後に、不純物濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3前後のｎ−ＩｎＰ
キャップ層４を約２μｍ厚に形成する。

【００２２】次に、このウエハのｎ−ＩｎＰ表面全域
に、図示は省略するが、例えばＳｉＯ₂ 絶縁膜を熱ＣＶ
Ｄ等の装置を用いて０．２μｍ程度形成する。この絶縁
膜を、よく知られたフォトリソグラフィの技術を用い
て、ストライプ状（短冊状）の領域を残して選択的にエ
ッチングする。次に、残された短冊形状の絶縁膜をマス
クにして、例えば臭素とメチルアルコールの混合溶液に
よって、このウエハをエッチングする。エッチングの深
さは最低限ｐ⁺ −ＩｎＰ層２に達している必要がある。
次に、このウエーハを、例えばＭＯＣＶＤ装置を用い
て、フォスフィン、ジエチル亜鉛を雰囲気ガスとして導
入した反応官中に１５分程度放置することにより亜鉛を
絶縁膜で覆われた領域以外のメサ側壁を含む全ての領域
にわたり拡散させ、メサ側壁のｎ型領域をｐ型反転領域
５とする。

【００２３】次に、前記絶縁膜を一旦除去した後、全域
に新たな絶縁膜、例えばプラズマＣＶＤ等の装置を用い
てＳｉＮｘ絶縁膜６を形成する。この様にして作製した
ウエハをフォトリソグラフィ技術を用いてｎ−ＩｎＰキ
ャップ層４の直上に位置する絶縁膜６の所定の一部を除
去した後、ｎ側電極７を、基板側にはｐ側電極８を形成
し、壁開等の手段によって短冊状のメサ台地を２分割し
た後、壁開端面にＳｉＮｘ等の反射防止絶縁膜９を導入
する光に対して最も反射率が低くなるような厚さで形成
することによって本実施形態の導波路型半導体受光素子
が形成される。

【００２４】この構成においては、ｐｎ接合として、ｇ
ｒｏｗｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎを利用し且つメサ構造を形
成した後、メサ端面を選択的に導電型反転（拡散）する
ことにより導波路型素子を実現している点が特徴とされ
る。これにより、ｐｎ接合面としては、低暗電流、信頼
性の優れることが期待される従来の選択拡散併用による
メサプレーナ構造と等価な構造を簡便な導電型反転（具
体的には、制御性を必要としない拡散等の手段）により
形成でき、作製が簡便、容易で高信頼、高歩留まりな導
波路型ＰＩＮ−ＰＤが得られる。

【００２５】また、光吸収層３の上部に位置するキャッ
プ層４の不純物濃度Ｎ_B （ｃｍ^-3）がその構成半導体の
バンドギャップエネルギをＥ_g （単位ｅＶ）したとき、 Ｎ_B ＜６^4/3 ×（Ｅ_g ／１．１）² ×１０¹⁶ なる関係を満足するような不純物濃度とすることによ
り、通常素子の動作電圧としては５Ｖ程度が標準的であ
るが、素子としての降伏電圧をこの動作電圧の二倍以
上、即ち、１０Ｖ以上とすることが可能となる。この式
は、例えばＳｚｅ著のPhysics of Simiconductor Devic
es(1969 年,John Wiley ＆ Sons,Inc ）の１１４ページ
の経験則に基づいたものである。

【００２６】さらに、通常の半導体の成長において、ア
ンドープあるいは高純度層を成長したときの導電型とし
てｎ型が一般的である点から、高純度を必要とする光吸
収層をｎ型とすることがより適当であること、あるい
は、化合物への不純物拡散としてはｐ型拡散は比較的容
易であるがｎ型拡散は比較的困難等の理由により、ここ
では第一導電型としてｐ型を用いた形態を示している。

【００２７】次に、本発明の第２実施形態について図２
を用いて説明する。本実施形態は、素子作成用成長技術
としてＭＯＶＰＥによる選択成長技術を用いると、極め
て都合良く所望の素子構造を得ることが出来る。図２
（ａ）は、その所望の選択成長を行うために必要なＩｎ
Ｐ基板上に形成されたＳｉＯ₂ マスク・パターンの形状
外観を、同図（ｂ）には同図（ａ）のＢＢ線に対応した
メサストライプに沿う方向のエピタキシャル成長層の断
面構造概略図を示す。ウエーハ作製方法に特徴があるの
で、この点について詳しく説明する。まず始めに、（１
００）面を有するｐ⁺ −ＩｎＰ基板１上全面に選択成長
用のマスクとなる、例えばＳｉＯ₂ 膜を０．２μｍ厚程
度熱ＣＶＤ等の手段によって形成する。このＳｉＯ₂ 膜
をフォトリソグラフィの技術を用いて、ＳｉＯ₂ 膜が除
去された空隙長手方向が０１１方向となる様に、短冊形
状のＳｉＯ₂ 膜ペア１０を残して不要な領域のＳｉＯ₂
を除去する。この時、図２（ａ）のように、例えば、Ｓ
ｉＯ₂ の幅として５０μｍ幅で空隙１５μｍのＳｉＯ₂
膜ペア１０とする。

【００２８】この様なＳｉＯ₂ 膜ペア１０でパターニン
グされた基板を用いてＭＯＶＰＥにより選択エピタキシ
ャル成長を行う。最初に、ｐ⁺ −ＩｎＰ層２を１μｍ程
度成長後、不純物濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ−ＩｎＧａ
ＡｓＰ四元層１１を形成する。次にｎ^- −ＩｎＧａＡｓ
光吸収層１２を１μｍ形成した後、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ
Ｐ四元層１３を１μｍ形成し、最後に不純物濃度約１×
１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰキャップ層４を形成する。こ
こまで述べてきた各層の層厚は、ＳｉＯ₂ 膜ペア１０で
挟まれた領域での厚さであり、多元混晶の格子整合条件
も同様にＳｉＯ₂ 膜ペア１０で挟まれた領域で満足する
ように成長条件を決めてある。

【００２９】この様にして選択ＭＯＶＰＥ成長すると、
ＳｉＯ₂ 膜ペア１０で挟まれた領域とこの領域外、即ち
全面成長した領域での多元混晶の組成が変化するのが選
択ＭＯＶＰＥの特徴である。その組成変化の特徴は、マ
スクに挟まれた領域での成長が、マスク上に運ばれた成
長用原料がマスク上に堆積することなく拡散現象によっ
て運ばれてくる成長原料の影響を受け、ＳｉＯ₂ 膜ペア
１０で挟まれた領域での成長速度、即ち成長厚が増大す
ることである。また、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）の様な多元混
晶の成長を考えたとき、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，（Ｐ）各原
料のマスク上からの拡散としてはＩｎの拡散が最も強調
され、Ｉｎの成長層中への取り込みがＳｉＯ₂ 膜ペア１
０のマスク幅に依存して顕在化する特徴も有する。この
結果、多元成長層として、ＳｉＯ₂ マスクで挟まれた領
域でのバンドギャップエネルギが全面成長領域と比べて
小さくなり、格子定数が大きくなる特徴を持つ。

【００３０】この様なウエハを用いて、例えば、上記選
択成長された１５μｍ幅の中心領域を用いて、ストライ
プ幅１０μｍのメサ形状を上記ＳｉＯ₂ 膜ペア１０に挟
まれた領域とそれ以外の領域を含んでストライプ状に形
成する。そして、このメセストライプに対して第１実施
形態と同様の工程により、光吸収層とキャップ層の側壁
領域をｐ導電型に反転したｐ型反転領域を形成すること
により、第１実施形態と同様の導波路形態を持つ導波路
型受光素子が得られる。そして、この時の受光端面とし
ては、図２（ｂ）に鎖線で示すように、上記多元混晶の
バンドギャップの大きなＳｉＯ₂ 膜ペア１０の無い領域
に対応した領域を用いている。これにより、若干構造は
複雑になるが、暗電流の低減、信頼性をより完璧なもの
とすることが可能となる。

【００３１】また、この実施形態では、選択成長を用い
ているために、格子整合条件を全成長領域で満足するこ
とは出来ないため、高品質な厚膜ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１２混晶を得ることは容易でない。そのため、中間屈折
率層ＩｎＧａＡｓＰ層１１，１３を用いることにより、
比較的薄い光吸収層を用いてはいるが光ファイバとの結
合効率を低下させないことが可能となる。また、バンド
ギャップエネルギの大きな光の窓層領域下にもＧｒｏｗ
ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎを含むための接合面積の増大によ
る容量増大を生じており、これを抑制する役割を高純度
ｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰ層１３が果たしている。

【００３２】ここで、光吸収層１２とキャップ層４の中
間にこれらの中間の屈折率あるいは中間のバンドギャッ
プエネルギを持つｎ導電型中間層１３を挿入することに
より、横方向（ストライプ方向）より導入される光に対
して光を光吸収層に閉じこめる、あるいは導波を強める
ことが可能となる。また光吸収層を薄くした高速性が要
求されるときにより有効であるが層厚方向に導波モード
を高次モードまで許容することにより光ファイバとの接
合効率を高めることが可能となる。

【００３３】さらに、中間層１３を高純度低不純物濃度
あるいは高抵抗半導体層として形成することで、光吸収
層に隣接して、逆バイアス印加により空乏化する層を設
けたことになり、これによりｐｎ接合面積を一定下（大
面積を必要とする場合）での低容量化を促進して、ＣＲ
時定数制限による高速性能律則要因を回避することが可
能となる。この場合、中間層１３の厚みを光吸収層１２
の層厚以内とすることで、低容量化のための新たな半導
体層での空乏化は、また走行時間制限を受けることにな
るので、ＣＲ時定数制限と、これと拮抗する程度の走行
時間制限を規定することになる。

【００３４】一方、半導体基板１と光吸収層１２との間
に、これらの中間の屈折率あるいは中間のバンドギャッ
プエネルギを持つｐ導電型中間層１１を挿入することに
より、前記した中間層１３の場合と同様の効果が得られ
る。また、メサエッチング後においてもこの中間層１１
が残されることにより、横方向での光導波を強め、かつ
基板として半絶縁性基板を使用した場合にはコンタクト
層としての役割を果たすことが可能となる。さらに、こ
の中間層１１の不純物濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とす
ることで、中間層11での高濃度添加による光吸収層側へ
の不純物の固層拡散を防止し、あるいは（ｐ型であると
きに特に顕著であるが）入射光のフリーキャリア吸収に
よる損失を抑制することができる。また、この中間層１
１を低濃度化することにより逆バイアス印加時に空乏化
を促進して低容量化を促進することが可能となる。

【００３５】次に、本発明の第３実施形態について図３
を用いて説明する。本実施形態においても選択ＭＯＶＰ
Ｅ技術を用いて、バンドギャップの大きな窓構造を有す
る導波路型ＰＩＮ−ＰＤを構成する点は第２実施形態と
共通するが、本実施形態では光吸収層として薄膜多重量
子井戸構造を採用しており、この薄膜光吸収層への光結
合の難しさをバンドギャップの大きな窓構造をテーパ形
状導波路として用いることにより光結合を容易ならしめ
ている。すなわち、図３（ａ）は選択成長に用いるマス
クの形状を表す模式図であり、同図（ｂ）は図（ａ）の
ＣＣ線に沿う断面層構造の概略図である。本実施形態例
では第２実施形態とは異なる形状のＳｉＯ₂ 膜ペア１４
を用いている。その特徴は、ＳｉＯ₂ 膜ペア１４の一端
部をテーパ状とすることで、これらに挟まれた選択成長
領域の一端がラッパ状にに拡大していることにある。こ
の様なマスクを使うことにより、同図（ｂ）に示すよう
な成長が可能となる。

【００３６】すなわち、成長層として、まず始めに、
（１００）面を有するｐ⁺ −ＩｎＰ基板１上に同図
（ａ）の様な形状のＳｉＯ ₂膜ペア１４を有するウエハ
を用いてｐ⁺ −ＩｎＰ層２を１μｍ程度成長する。これ
に引き続いてｎ^- −ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸
構造の光吸収層１５を０．２５μｍ厚形成する。ここで
の多重量子井戸構造としては、井戸層としてのＩｎＧａ
Ａｓは均一幅なＳｉＯ₂ 膜ペアで挟まれた領域で格子整
合条件を満足しつつ層厚として２０ｎｍを障壁層として
のＩｎＰ層も同様の位置に置いて３０ｎｍ厚を有してお
り、この５周期構造によって光吸収領域が構成されてい
る。次に、ｎ^- −ＩｎＰ中間層１６を０．２μｍ形成の
後、最後に、不純物濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰ
キャップ層４を１μｍ形成することにより所望のウエハ
を作製する。

【００３７】このようなＳｉＯ₂ 膜ペア１４をマスクと
して用いることにより、同図（ｂ）の点ＢからＡにわた
りバンドギャップエネルギが徐々に大きく、且つ層厚が
徐々に薄くなる窓構造を作製することが出来る。このよ
うにして作製したウエハのＳｉＯ₂ 膜ペア１４により挟
まれた中心領域を用いて光の導入方向に向かってラッパ
形状を付加したストライプ形状のメサ台地をエッチング
により形成した後、二点鎖線で示す点Ａの付近を劈開、
切断し、窓構造とする。これ以降の工程として、第１実
施形態と同様に、メサにおける光吸収層とキャップ層の
側壁領域をｐ型に反転させる工程を経ることにより所望
の導波路型ＰＩＮ−ＰＤを得ることが出来る。

【００３８】本実施形態においては、光吸収層にとって
は窓構造となっているラッパ状薄膜多重量子井戸構造が
光吸収層から光の入射端面へ向かってテーパ状に薄膜化
しており、且つ光入射端面での最も薄いのを利用して入
射光との弱い結合を利用して実効的な結合効率の高い導
波路付きＰＩＮ−ＰＤを得ることが出来る。また、中間
層１６を設けることで、第２実施形態と同様の効果を得
ることが可能となる。

【００３９】次に、本発明の第４実施形態について図４
を用いて詳細に説明する。図４（ａ）は素子の上面概略
図であり、同図（ｂ），（ｃ）は同図（ａ）におけるＤ
Ｄ線、ＥＥ線での概略横断面をそれぞれ示す。まず、
（１００）面を有する半絶縁性（ＳＩと呼ぶ）ＩｎＰ基
板１７上全面に、例えば、分子線エピタキシャル成長装
置によりベリリウムをｐ型不純物として用いて、不純物
濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍのｐ⁺ −ＩｎＰ
層１８を成長し、続けて同様にベリリウムをｐ型不純物
として用いて、不純物濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3厚さ１μｍ
で波長組成１．３μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層１９を成
長する。次に、連続してｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層２
０を０．３μｍに成長後、不純物濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3
で波長組成１．３μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層２１を
１．５μｍ成長し、最後に不純物濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3
で厚さ１μｍのｎ−ＩｎＰキャップ層４を成長する。

【００４０】この様にして作製したウエハを用いて、例
えば、ドライエッチング技術を用いて幅２μｍで長さ２
０μｍのメサ台地を形成する。この時、図１でも説明し
たようにエッチングのマスクとしてはＳｉＯ₂ あるいは
ＳｉＮｘ等の絶縁膜及びレジスト膜が使用でき、この時
のエッチング深さを受光素子部ではｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
層１９中までエッチングした後、エッチング側壁を拡散
等の手法によりｐ型反転させてｐ型反転領域５を形成す
ることにより受光領域を形成する。また一方、ｐ型反転
後、ｎ電極取り出し部はＳＩ−ＩｎＰ基板１７まで達す
るように、受光領域外にエッチングを追加することによ
り同図（ｃ）の構造を得る。この様なウエハに絶縁膜６
を形成後、ｎ型電極７、ｐ型電極８を作製し、メサ領域
を劈開後、劈開端面を絶縁膜等で無反射コーティングす
ることにより本実施形態の導電型半導体受光素子が得ら
れる。

【００４１】この実施形態においても、前記第１実施形
態と同様の効果が得られ、かつ中間層１９，２１を有す
ることで第２実施形態、第３実施形態と同様な効果を得
ることが可能となる。また、基板として半絶縁性ＩｎＰ
基板を用いており、これに接するｐ⁺ −Ｉｎｐ層１８の
不純物種としてベリリウムを用いているので、通常Ｉｎ
Ｐ基板を半絶縁性にするために鉄を添加するが、この
時、成長層のｐ型不純物として亜鉛を用いると、成長
時、亜鉛と鉄が相互に固相拡散することが報告されてお
り、これにより接合の位置が移動することが懸念され
る。しかしながら、結合安定性に優れたベリリウムを用
いることで、このような相互拡散を抑制することがで
き、ｐｎ接合の位置を制御することが可能となる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、新たな新
技術を導入することなく従来の比較的簡単な技術を組み
合わせることにより、受光素子として基本性能である暗
電流の低い信頼性に優れた導波路型半導体受光素子を得
ることができ、しかもこれを高い歩留まりで作製するこ
とが可能となる。具体的には、従来のｇｒｏｗｎ ｊｕ
ｎｃｔｉｏｎメサ構造の導波路型ＰＩＮ−ＰＤにおい
て、５Ｖバイアス時の暗電流が１００ｎＡ程度であった
ものが、ほぼ同一のディメンジョンで作製した本発明の
実施形態においては数ｎＡ程度と、少なくとも十分の一
以下に低減できた。これは、本発明の単純なメサ側壁拡
散（導電型反転）という手段により、従来の複雑な選択
拡散技術を必要としたメサ・プレーナと同様の効果が得
られていることを示しており、単純な工程で有るが故
に、高い歩留まりで作製可能となったものと言える。素
子信頼性も、例えば、２００℃−７Ｖバイアス、これは
通常の使用条件よりかなり厳しい条件下であるが、１０
００時間経過後も暗電流等受光素子としての基本性能の
劣化は見られていない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の模式的な斜視図とそ
のＡＡ線に沿う断面図である。

【図２】本発明の第２の実施形態を示し、その製造工程
の模式的な斜視図と、そのＢＢ線に沿うウェハの断面図
である。

【図３】本発明の第３の実施形態を示し、その製造工程
の平面図と、そのＣＣ線に沿うウェハの断面図である。

【図４】本発明の第４の実施形態の平面図と、ＤＤ線、
ＥＥ線に沿う断面図である。

【図５】従来の導波路型半導体受光素子の一例の断面図
である。

【図６】従来の導波路型半導体受光素子の他の例の断面
図である。

【符号の説明】

１ ｐ⁺ −ＩｎＰ基板 ２ ｐ⁺ −ＩｎＰ層 ３ ｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層 ４ ｎ−ＩｎＰキャップ層 ５ ｐ型反転領域 ６ 絶縁膜 ７ ｎ電極 ８ ｐ電極 ９ 反射防止膜 １０ ＳｉＯ₂ 膜ペア １１ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層 １２ ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １３ ｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰ層 １４ ＳｉＯ₂ 膜ペア １５ ｎ^- −多重量子井戸構造光吸収層 １６ ｎ^- −ＩｎＰ層 １７ 半絶縁性ＩｎＰ基板 １８ ｐ⁺ −ＩｎＰ層 １９ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層 ２０ ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ２１ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一導電型あるいは半絶縁性半導体基板
   上に、少なくとも、第一導電型半導体層、第二導電型あ
   るいは高純度あるいは高抵抗半導体光吸収層、第二導電
   型半導体キャップ層を積層状態に有し、かつ少なくとも
   前記光吸収層とキャップ層でメサストライプが構成さ
   れ、かつこのメサストライプにおける前記キャップ層及
   び光吸収層の側壁領域には第一導電型に反転された反転
   領域を有することを特徴とする導波路型半導体受光素
   子。
2. 【請求項２】 第一導電型あるいは半絶縁性半導体基板
   の一領域に、少なくとも、第一導電型半導体層、第二導
   電型あるいは高純度あるいは高抵抗特性を有する光吸収
   層、及び光吸収層を積層状態に有し、かつ前記基板の隣
   接する領域にはこれらの層と途切れることなく連続して
   形成された前記光吸収層のバンドギャップエネルギより
   大きなバンドギャップエネルギを有する第一導電型半導
   体層、光吸収層、第二導電型半導体キャップ層を有し、
   少なくとも前記キャップ層及び光吸収層でメサストライ
   プが形成され、かつこのメサストライプにおける前記光
   吸収層及びキャップ層の側壁領域には第一導電型に反転
   された反転領域を有し、かつ前記隣接する領域のメサス
   トライプに光導入窓層を有することを特徴とする導波路
   型半導体受光素子。
3. 【請求項３】 光吸収層上部に位置するキャップ層の不
   純物濃度Ｎ_B （ｃｍ^-3）がその構成半導体のバンドギャ
   ップエネルギをＥ_g （単位ｅＶ）したとき、 Ｎ_B ＜６^4/3 ×（Ｅ_g ／１．１）² ×１０¹⁶ なる関係を満足するような不純物濃度である請求項１ま
   たは２の導波路型半導体受光素子。
4. 【請求項４】 光吸収層の直上にキャップ層とは異なる
   第二導電型半導体層を有し、かつこの第二導電型半導体
   層の屈折率あるいはバンドギャップエネルギが前記光吸
   収層とキャップ層の各々の値の中間値を有する請求項１
   ないし３のいずれかの導波路型半導体受光素子。
5. 【請求項５】 光吸収層とキャップ層との間で、かつ光
   吸収層の直上に第二導電型高純度低不純物濃度あるいは
   高抵抗半導体層を有する請求項１ないし４のいずれかの
   導波路型半導体受光素子。
6. 【請求項６】 光吸収層直上に位置する第二導電型高純
   度低不純物濃度あるいは高抵抗半導体層の厚みが、光吸
   収層の層厚以内である請求項５の導波路型半導体受光素
   子。
7. 【請求項７】 半導体基板と光吸収層の間に両半導体層
   の中間バンドギャップエネルギを有するかあるいは中間
   の屈折率を有する第一導電型半導体層を有する請求項１
   ないし６のいずれかの導波路型半導体受光素子。
8. 【請求項８】 第一導電型半導体層の不純物濃度を１×
   １０¹⁸ｃｍ^-3以下とした請求項７の導波路型半導体受光
   素子。
9. 【請求項９】 第一導電型あるいは半絶縁性半導体基板
   上に、第一導電型半導体層、第二導電型あるいは高純度
   あるいは高抵抗半導体光吸収層、第二導電型半導体キャ
   ップ層を順次積層する工程と、少なくとも前記第二導電
   型半導体キャップ層、半導体光吸収層をストライプ状に
   残してメサ・エッチングしてメサストライプを形成する
   工程と、前記メサストライプにおける前記光吸収層及び
   第二導電型半導体キャップ層の側壁領域に不純物を選択
   導入して第一導電型の反転領域を形成する工程とを含む
   ことを特徴とする導波路型半導体受光素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 第一導電型あるいは半絶縁性半導体基
    板上に、第一導電型半導体層、第一導電型中間層、第二
    導電型あるいは高純度あるいは高抵抗半導体光吸収層、
    第二導電型中間層、第二導電型半導体キャップ層を順次
    積層する工程と、少なくとも前記第二導電型半導体キャ
    ップ層、第二導電型中間層、半導体光吸収層、第一導電
    型中間層の一部をストライプ状に残してメサ・エッチン
    グしてメサストライプを形成する工程と、前記メサスト
    ライプにおける前記第二導電型半導体キャップ層、第二
    導電型中間層、及び光吸収層の側壁領域に不純物を選択
    導入して第一導電型の反転領域を形成する工程とを含む
    ことを特徴とする導波路型半導体受光素子の製造方法。