JPH10112551A - 半導体導波路型受光素子 - Google Patents
半導体導波路型受光素子Info
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- JPH10112551A JPH10112551A JP8265853A JP26585396A JPH10112551A JP H10112551 A JPH10112551 A JP H10112551A JP 8265853 A JP8265853 A JP 8265853A JP 26585396 A JP26585396 A JP 26585396A JP H10112551 A JPH10112551 A JP H10112551A
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- layer
- semiconductor
- semiconductor layer
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 メサストライプ状の導波路構造を有する半導
体受光素子のメササイドのリークによる暗電流を抑制す
る。 【解決手段】 メサストライプ側壁のうち少なくとも光
吸収層の部分を、ストライプ方向と直交し、かつ、(1
11)方向より1°〜36°傾斜する法線を有する平面
にする。
体受光素子のメササイドのリークによる暗電流を抑制す
る。 【解決手段】 メサストライプ側壁のうち少なくとも光
吸収層の部分を、ストライプ方向と直交し、かつ、(1
11)方向より1°〜36°傾斜する法線を有する平面
にする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速度で低暗電流
の半導体導波路型受光素子及びその製造方法に関するも
のである。
の半導体導波路型受光素子及びその製造方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体導波路型受光素子は、低キ
ャリア濃度の光吸収層の上側にp型クラッド層を、下側
にn型クラッド層を有する半導体積層構造を半導体基板
上に形成して実現している。ここで、光吸収層のバンド
ギャップエネルギーは上下のクラッド層よりも小さく設
定され、受光素子端面より入射した信号光は光吸収層内
を導波するようになっており、p型クラッド層とn型ク
ラッド層の間に逆電圧を印加すれば、低キャリア濃度の
光吸収層が空乏化され、この空乏層内に生じる高電界に
よって、光吸収層内を導波する信号光が光電変換され
る。すなわち入射光によって発生した空乏層内の励起キ
ャリアを光電流として検出するものである。励起キャリ
アは、空乏層内で発生し、空乏層内に発生している電界
によって分離、ドリフトして、ホールの場合は、p型ク
ラッド層、電子の場合はn型クラッド層に達し、光電流
に寄与する。
ャリア濃度の光吸収層の上側にp型クラッド層を、下側
にn型クラッド層を有する半導体積層構造を半導体基板
上に形成して実現している。ここで、光吸収層のバンド
ギャップエネルギーは上下のクラッド層よりも小さく設
定され、受光素子端面より入射した信号光は光吸収層内
を導波するようになっており、p型クラッド層とn型ク
ラッド層の間に逆電圧を印加すれば、低キャリア濃度の
光吸収層が空乏化され、この空乏層内に生じる高電界に
よって、光吸収層内を導波する信号光が光電変換され
る。すなわち入射光によって発生した空乏層内の励起キ
ャリアを光電流として検出するものである。励起キャリ
アは、空乏層内で発生し、空乏層内に発生している電界
によって分離、ドリフトして、ホールの場合は、p型ク
ラッド層、電子の場合はn型クラッド層に達し、光電流
に寄与する。
【0003】このような半導体導波路型受光素子の動作
速度を高めるためには逆電圧印加時に発生する電気容量
を小さくすることが必要である。このためには、半導体
基板上に形成した半導体積層構造をエッチング等により
メサストライプ状に加工することによって逆電圧印加時
に生じる空乏層の断面積を小さくすることが有効であ
る。
速度を高めるためには逆電圧印加時に発生する電気容量
を小さくすることが必要である。このためには、半導体
基板上に形成した半導体積層構造をエッチング等により
メサストライプ状に加工することによって逆電圧印加時
に生じる空乏層の断面積を小さくすることが有効であ
る。
【0004】図2は、半導体基板上に形成した半導体積
層構造をエッチングによりメサストライプ状に加工した
従来の半導体導波路型受光素子の構造を示す説明図であ
る。図において、11はキャリア濃度5×1018cm-3の
n−InP基板であり、12は厚さ0.5μm、キャリ
ア濃度1×1018cm-3、エネルギーバンドの波長が1.
05μmのn−GaInAsP光閉じ込め層、13は厚
さ1μm、ノンドープのGaInAs光吸収層,14は
厚さ3μm,キャリア濃度1×1018cm-3、エネルギー
バンドの波長が1.05μmのp−GaInAsP光閉
じ込め層、15は厚さ2μm、キャリア濃度1×1018
cm-3p−InPクラッド層、16はキャリア濃度2×1
019cm-3、エネルギーバンドの波長が1.55μmのp
−GaInAsP層である。ここで、12から16の半
導体層は全てInP基板11に格子整合する組成に選択
されている。
層構造をエッチングによりメサストライプ状に加工した
従来の半導体導波路型受光素子の構造を示す説明図であ
る。図において、11はキャリア濃度5×1018cm-3の
n−InP基板であり、12は厚さ0.5μm、キャリ
ア濃度1×1018cm-3、エネルギーバンドの波長が1.
05μmのn−GaInAsP光閉じ込め層、13は厚
さ1μm、ノンドープのGaInAs光吸収層,14は
厚さ3μm,キャリア濃度1×1018cm-3、エネルギー
バンドの波長が1.05μmのp−GaInAsP光閉
じ込め層、15は厚さ2μm、キャリア濃度1×1018
cm-3p−InPクラッド層、16はキャリア濃度2×1
019cm-3、エネルギーバンドの波長が1.55μmのp
−GaInAsP層である。ここで、12から16の半
導体層は全てInP基板11に格子整合する組成に選択
されている。
【0005】そして、12の半導体層の一部及び13か
ら16の半導体層は、エッチングにより側面が(11
1)面であるメサストライプ状に加工されている。さら
に、誘電体膜17がメササイド(メサストライプの側
壁)を覆うように形成され、メサストライプ頂部にp側
オーミック電極18が、n−InP基板11の裏面には
n側オーミック電極19形成されている。
ら16の半導体層は、エッチングにより側面が(11
1)面であるメサストライプ状に加工されている。さら
に、誘電体膜17がメササイド(メサストライプの側
壁)を覆うように形成され、メサストライプ頂部にp側
オーミック電極18が、n−InP基板11の裏面には
n側オーミック電極19形成されている。
【0006】ここで、逆電圧印加時に発生する電気容量
低減のためには、空乏層を生じる領域である光吸収層1
3のみをメサストライプ状に加工すれば足りるのである
が、図2のように光吸収層13の上下の層もメサストラ
イプ状に加工されているのは製造工程上の理由などによ
るものである。
低減のためには、空乏層を生じる領域である光吸収層1
3のみをメサストライプ状に加工すれば足りるのである
が、図2のように光吸収層13の上下の層もメサストラ
イプ状に加工されているのは製造工程上の理由などによ
るものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述のような、半導体
基板上に形成した半導体積層構造をメサストライプ状に
加工した従来の半導体導波路型受光素子おいては、メサ
サイドを流れるリーク電流の低減が実用上の課題となっ
ている。このリーク電流は、メササイド表面の表面準位
や欠陥を介して流れることが知られており、メササイド
を覆う誘電体膜17は、これら表面準位や欠陥を介して
流れるリーク電流の低減を意図したものであるが、かか
る手段のみでは必ずしも十分な効果は得られておらず、
例えば、上記した従来の半導体導波路型受光素子におい
ては逆バイアス3Vでの暗電流値が1nA(ナノアンペ
ア)〜10nAと高く、暗電流値を更に低減することが
求められていた。
基板上に形成した半導体積層構造をメサストライプ状に
加工した従来の半導体導波路型受光素子おいては、メサ
サイドを流れるリーク電流の低減が実用上の課題となっ
ている。このリーク電流は、メササイド表面の表面準位
や欠陥を介して流れることが知られており、メササイド
を覆う誘電体膜17は、これら表面準位や欠陥を介して
流れるリーク電流の低減を意図したものであるが、かか
る手段のみでは必ずしも十分な効果は得られておらず、
例えば、上記した従来の半導体導波路型受光素子におい
ては逆バイアス3Vでの暗電流値が1nA(ナノアンペ
ア)〜10nAと高く、暗電流値を更に低減することが
求められていた。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の問題に
鑑みてなされたもので、半導体基板上に少なくとも第一
導電型を有する第一半導体層と、該第一半導体層よりも
バンドギャップエネルギーが小さい第二半導体層と、該
第二半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大き
く、かつ第二導電型の第三半導体層を有する半導体積層
構造を有し、少なくとも前記第二半導体層がメサストラ
イプ状に形成された半導体導波路型受光素子において、
前記第二半導体層のメサストライプ側面がストライプ方
向と直交し、かつ、(111)方向より1°〜36°傾
斜する法線を有する平面であることを特徴とする半導体
導波路型受光素子である。
鑑みてなされたもので、半導体基板上に少なくとも第一
導電型を有する第一半導体層と、該第一半導体層よりも
バンドギャップエネルギーが小さい第二半導体層と、該
第二半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大き
く、かつ第二導電型の第三半導体層を有する半導体積層
構造を有し、少なくとも前記第二半導体層がメサストラ
イプ状に形成された半導体導波路型受光素子において、
前記第二半導体層のメサストライプ側面がストライプ方
向と直交し、かつ、(111)方向より1°〜36°傾
斜する法線を有する平面であることを特徴とする半導体
導波路型受光素子である。
【0009】上述のように、メササイドを流れるリーク
電流の低減を図るためにメササイドを誘電体膜で覆うこ
となどが検討されていたが、従来はメサストライプ側面
の角度については特別な配慮はなされていなかった。そ
こで本願発明者がメサストライプ側面の傾斜角度が様々
に異なる半導体導波路型受光素子を作成し、その暗電流
特性を調べたところ、半導体基板上に少なくとも第一導
電型を有する第一半導体層と、該第一半導体層よりもバ
ンドギャップエネルギーが小さい第二半導体層と、該第
二半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、
かつ第二導電型の第三半導体層を有する半導体積層構造
を有し、少なくとも前記第二半導体層がメサストライプ
状に形成された半導体導波路型受光素子において、前記
第二半導体層のメサストライプ側面をストライプ方向と
直交し、かつ、(111)方向より1°〜36°傾斜す
る法線を有する平面(即ち、ストライプ方向と直交し、
かつ、(111)方向より1〜36°傾斜する法線を有
する平面)にした場合にはリーク電流が顕著に低減でき
ることを見いだしたものであり、特に第二半導体層のメ
サストライプ側面を(111)面に対して5°〜15°
傾斜した平面とした場合にその効果が著しい。
電流の低減を図るためにメササイドを誘電体膜で覆うこ
となどが検討されていたが、従来はメサストライプ側面
の角度については特別な配慮はなされていなかった。そ
こで本願発明者がメサストライプ側面の傾斜角度が様々
に異なる半導体導波路型受光素子を作成し、その暗電流
特性を調べたところ、半導体基板上に少なくとも第一導
電型を有する第一半導体層と、該第一半導体層よりもバ
ンドギャップエネルギーが小さい第二半導体層と、該第
二半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、
かつ第二導電型の第三半導体層を有する半導体積層構造
を有し、少なくとも前記第二半導体層がメサストライプ
状に形成された半導体導波路型受光素子において、前記
第二半導体層のメサストライプ側面をストライプ方向と
直交し、かつ、(111)方向より1°〜36°傾斜す
る法線を有する平面(即ち、ストライプ方向と直交し、
かつ、(111)方向より1〜36°傾斜する法線を有
する平面)にした場合にはリーク電流が顕著に低減でき
ることを見いだしたものであり、特に第二半導体層のメ
サストライプ側面を(111)面に対して5°〜15°
傾斜した平面とした場合にその効果が著しい。
【0010】かかる構成により、リーク電流が顕著に抑
制されるのは、(111)面のような低指数面ではダン
グリングボンド密度が非常に高く表面が金属的になるた
めにリーク電流が増大するが、ストライプ方向と直交
し、かつ、(111)方向より1〜36°傾斜する法線
を有する平面であればこのような低指数面が無く、低ダ
ングリング密度の表面が形成されることによるものと推
測される。
制されるのは、(111)面のような低指数面ではダン
グリングボンド密度が非常に高く表面が金属的になるた
めにリーク電流が増大するが、ストライプ方向と直交
し、かつ、(111)方向より1〜36°傾斜する法線
を有する平面であればこのような低指数面が無く、低ダ
ングリング密度の表面が形成されることによるものと推
測される。
【0011】なお上記効果は、逆電圧印加時に空乏層を
生じる領域のメササイドを(111)面から1°〜36
°傾斜させることにより達成されるものであるから、少
なくとも第二半導体層の側壁を(111)面から1°〜
36°傾斜した平面とすれば足り、第二半導体層以外の
半導体層は必ずしもメサストライプ形状とする必要はな
く、また、製造工程上の理由などから第二半導体層以外
の半導体層をもメサストライプ形状とする場合であって
も、その側壁は必ずしも(111)面から1°〜36°
傾斜させた平面である必要はない。
生じる領域のメササイドを(111)面から1°〜36
°傾斜させることにより達成されるものであるから、少
なくとも第二半導体層の側壁を(111)面から1°〜
36°傾斜した平面とすれば足り、第二半導体層以外の
半導体層は必ずしもメサストライプ形状とする必要はな
く、また、製造工程上の理由などから第二半導体層以外
の半導体層をもメサストライプ形状とする場合であって
も、その側壁は必ずしも(111)面から1°〜36°
傾斜させた平面である必要はない。
【0012】なお、本願発明におけるメサストライプの
形成はウェットエッチングにより行うことが好ましい。
これは、ドライエッチングを用いてもメサストライプ側
壁を任意の傾斜角に形成することは可能ではあるが、ド
ライエッチングは、メサ表面に損傷・欠陥を生じさせ易
いため、これによる暗電流の増大を生じるおそれがある
ためである。
形成はウェットエッチングにより行うことが好ましい。
これは、ドライエッチングを用いてもメサストライプ側
壁を任意の傾斜角に形成することは可能ではあるが、ド
ライエッチングは、メサ表面に損傷・欠陥を生じさせ易
いため、これによる暗電流の増大を生じるおそれがある
ためである。
【0013】
【発明の実施の形態】図1を用いて本発明の実施の形態
を説明する。図1は1.3μmの波長の光を吸収する半
導体導波路型受光素子の構造を示す説明図である。図に
おいて、1はキャリア濃度5×1018cm-3のn−InP
基板、2は厚さ0.5μm、キャリア濃度1×1018cm
-3、エネルギーバンドの波長が1.05μmのn−Ga
InAsP光閉じ込め層、3は厚さ1μm、ノンドープ
のGaInAs光吸収層,4は厚さ3μm,キャリア濃
度1×1018cm-3、エネルギーバンドの波長が1.05
μmのp−GaInAsP光閉じ込め層、5は厚さ2μ
m、キャリア濃度1×1018cm-3p−InPクラッド
層、6はキャリア濃度2×10 19cm-3、エネルギーバン
ドの波長が1.55μmのp−GaInAsP層であ
る。2から6の半導体層は全てInP基板1に格子整合
する組成に選択されている。このような半導体結晶を作
製した後、2から6までの半導体層をウエットエッチン
グ法によりメサストライプ状に加工した。
を説明する。図1は1.3μmの波長の光を吸収する半
導体導波路型受光素子の構造を示す説明図である。図に
おいて、1はキャリア濃度5×1018cm-3のn−InP
基板、2は厚さ0.5μm、キャリア濃度1×1018cm
-3、エネルギーバンドの波長が1.05μmのn−Ga
InAsP光閉じ込め層、3は厚さ1μm、ノンドープ
のGaInAs光吸収層,4は厚さ3μm,キャリア濃
度1×1018cm-3、エネルギーバンドの波長が1.05
μmのp−GaInAsP光閉じ込め層、5は厚さ2μ
m、キャリア濃度1×1018cm-3p−InPクラッド
層、6はキャリア濃度2×10 19cm-3、エネルギーバン
ドの波長が1.55μmのp−GaInAsP層であ
る。2から6の半導体層は全てInP基板1に格子整合
する組成に選択されている。このような半導体結晶を作
製した後、2から6までの半導体層をウエットエッチン
グ法によりメサストライプ状に加工した。
【0014】ウエットエッチングは次の4工程によって
行った。 (1)まず酒石酸水飽和液と過酸化水素を20:1に混
合した溶液を用いて、室温にて、GaInAsP層6を
エッチングする。 (2)塩酸とリン酸を3:1に混合した溶液(A)を用
いて、室温にて、InP層5とGaInAsP層4をエ
ッチングする。 (3)硫酸と過酸化水素と水を混合した溶液を用いて、
10℃で、GaInAsP光吸収層3をエッチングす
る。 (4)再度(A)の溶液を用いて,GaInAsP光閉
じ込め層2を0.2μmほどエッチングしたところでエ
ッチングを終了する。 (1)、(2)、(3)ではエッチングに選択性がある
ため自動的にエッチングは停止する。第4工程ではエッ
チング量をエッチング時間により制御した。
行った。 (1)まず酒石酸水飽和液と過酸化水素を20:1に混
合した溶液を用いて、室温にて、GaInAsP層6を
エッチングする。 (2)塩酸とリン酸を3:1に混合した溶液(A)を用
いて、室温にて、InP層5とGaInAsP層4をエ
ッチングする。 (3)硫酸と過酸化水素と水を混合した溶液を用いて、
10℃で、GaInAsP光吸収層3をエッチングす
る。 (4)再度(A)の溶液を用いて,GaInAsP光閉
じ込め層2を0.2μmほどエッチングしたところでエ
ッチングを終了する。 (1)、(2)、(3)ではエッチングに選択性がある
ため自動的にエッチングは停止する。第4工程ではエッ
チング量をエッチング時間により制御した。
【0015】以上の工程により作製したメサストライプ
の形状を走査型電子顕微鏡で観察したところ(1)、
(2)、(4)のエッチングで形成されたメサストライ
プ側面は底面と34°の角度をなす平面であり、(3)
のエッチングで形成された光吸収層3のメサ側面は底面
と41°の角度をなす平面であり、(111)面から1
3°傾斜した平面でに形成されていた。この後、メサス
トライプを覆うように誘電体膜7を形成し、メサ上部を
剥離した後、p−GaInAsP層6上にp型オーミッ
ク電極7を蒸着し、それをメサ上部を覆う大きさに形成
した。また、n−InP基板1の裏面にはn型オーミッ
ク電極9を蒸着し、光の入射する側の端面にはSiNx
からなる無反射膜を蒸着し、さらに、メサストライプ側
壁にはSiNx からなる誘電体膜を形成した。
の形状を走査型電子顕微鏡で観察したところ(1)、
(2)、(4)のエッチングで形成されたメサストライ
プ側面は底面と34°の角度をなす平面であり、(3)
のエッチングで形成された光吸収層3のメサ側面は底面
と41°の角度をなす平面であり、(111)面から1
3°傾斜した平面でに形成されていた。この後、メサス
トライプを覆うように誘電体膜7を形成し、メサ上部を
剥離した後、p−GaInAsP層6上にp型オーミッ
ク電極7を蒸着し、それをメサ上部を覆う大きさに形成
した。また、n−InP基板1の裏面にはn型オーミッ
ク電極9を蒸着し、光の入射する側の端面にはSiNx
からなる無反射膜を蒸着し、さらに、メサストライプ側
壁にはSiNx からなる誘電体膜を形成した。
【0016】このようして得られた半導体導波路型受光
素子にモードフィールド径が6μmの光ファーバーより
信号光を入射し、受光感度を測定したところ1.3μm
の波長の光を1.0A/Wという高感度で受光した。ま
た暗電流を測定すると逆バイアス3Vにおいて100素
子の平均で100pAであった。この値は光吸収層のメ
サ側面が(111)面である導波路型受光素子の場合、
同条件で測定した暗電流は1nA〜10nA程度であっ
たことからすれば、本願発明により暗電流特性が1桁か
ら2桁程度改善されたことを示すものである。
素子にモードフィールド径が6μmの光ファーバーより
信号光を入射し、受光感度を測定したところ1.3μm
の波長の光を1.0A/Wという高感度で受光した。ま
た暗電流を測定すると逆バイアス3Vにおいて100素
子の平均で100pAであった。この値は光吸収層のメ
サ側面が(111)面である導波路型受光素子の場合、
同条件で測定した暗電流は1nA〜10nA程度であっ
たことからすれば、本願発明により暗電流特性が1桁か
ら2桁程度改善されたことを示すものである。
【0017】
【発明の効果】以上説明したとおり、本願発明によれば
メサ側面を流れるリーク電流が低減され、低暗電流特性
に優れる導波路型半導体受光素子が得られる。
メサ側面を流れるリーク電流が低減され、低暗電流特性
に優れる導波路型半導体受光素子が得られる。
【図1】本発明の実施の態様を示す説明図である。
【図2】従来の導波路型受光素子を示す説明図である。
1はn−InP基板 2はn−GaInAsP光閉じ込め層 3はGaInAs光吸収層 4はp- GaInAsP光閉じ込め層 5はp−InPクラッド層 6はp−GaInAs層
Claims (1)
- 【請求項1】 半導体基板上に少なくとも第一導電型を
有する第一半導体層と、該第一半導体層よりもバンドギ
ャップエネルギーが小さい第二半導体層と、該第二半導
体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ第
二導電型の第三半導体層を有する半導体積層構造を有
し、少なくとも前記第二半導体層がメサストライプ状に
形成された半導体導波路型受光素子において、前記第二
半導体層のメサストライプ側面がストライプ方向と直交
し、かつ、(111)方向より1°〜36°傾斜する法
線を有する平面であることを特徴とする半導体導波路型
受光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8265853A JPH10112551A (ja) | 1996-10-07 | 1996-10-07 | 半導体導波路型受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8265853A JPH10112551A (ja) | 1996-10-07 | 1996-10-07 | 半導体導波路型受光素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10112551A true JPH10112551A (ja) | 1998-04-28 |
Family
ID=17422994
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8265853A Pending JPH10112551A (ja) | 1996-10-07 | 1996-10-07 | 半導体導波路型受光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10112551A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007125932A1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-08 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Photoelectric conversion element and manufacturing method of photoelectric conversion element |
JP2008066584A (ja) * | 2006-09-08 | 2008-03-21 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 光センサ |
JP2010283013A (ja) * | 2009-06-02 | 2010-12-16 | Renesas Electronics Corp | メサ型フォトダイオード及びその製造方法 |
-
1996
- 1996-10-07 JP JP8265853A patent/JPH10112551A/ja active Pending
Cited By (9)
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