JPH1022520A - 半導体受光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体受光素子及びその製造方法

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JPH1022520A
JPH1022520A JP8169736A JP16973696A JPH1022520A JP H1022520 A JPH1022520 A JP H1022520A JP 8169736 A JP8169736 A JP 8169736A JP 16973696 A JP16973696 A JP 16973696A JP H1022520 A JPH1022520 A JP H1022520A
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semiconductor
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light
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JP8169736A
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Atsuhiko Kusakabe
敦彦 日下部
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 高い結合効率と高い内部量子効率および高速
応答が可能な受光素子を提供する。 【解決手段】 InP基板上に設けた導波路をUの字型
に曲げた構造からなり、光の進行方向から、第一傾斜吸
収領域Aと導波路型吸収領域Bと第二傾斜吸収領域Cと
で構成されている。受光面12に信号光を入射すると、
光ははじめに傾斜した第一傾斜吸収領域4によって吸収
され、ここで吸収されずに透過した光は導波路型吸収領
域Bにて吸収される。さらに第一傾斜吸収領域Aおよび
導波路型吸収領域Bにて吸収されずに透過した光は、第
二傾斜吸収領域Cに入射し、ここで吸収される。その結
果、端面側から見た光吸収層の厚みを実効的に厚くした
ことになり、光ファイバ等との結合が容易になるととも
に高い量子効率が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信や光情報処理
等に用いられる半導体受光素子及びその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】化合物半導体受光素子は、光通信や光情
報処理用の高感度広波長受光器として実用化され、中で
も大容量長距離光通信用の波長1.3μmあるいは1.
55μmに対する半導体受光素子の材料としてInGa
Asが広く使われている。
【0003】このInGaAsを使ったPINホトダイ
オードにおいて、40Gbps以上の超高速応答を実現
するためにはI素子の接合容量をできるだけ小さくする
ことJキャリア走行時間を短縮するために光吸収層を薄
くすることが必要となる。
【0004】しかし現在多く市販されている表面入射型
の受光素子に於いては、接合容量を小さくするために受
光径を小受光径化すると、ファイバからの光を受光素子
に入射する際に光学結合が困難となり結合効率が低下す
る。また受光素子のInGaAs光吸収層を薄膜化する
ことで、キャリアの走行時間を短縮することはできる
が、量子効率の低下を招くというトレードオフの関係に
ある。従っていずれの方法に於いても光の進行方向とキ
ャリアの走行方向が同一軸上であるため、高速応答を実
現する一方、受光感度の低下の影響を受けることとな
る。
【0005】そこで上記したトレードオフの影響を受け
ない方法として、光の入射(進行)方向と受光素子内で
生成されたキャリアの走行方向を90度ずらせた導波路
型受光素子が検討されている。
【0006】図5は導波路型受光素子の従来例を示す
(1991年電子情報通信学会春季全国大会P.4−2
00,C−183)。半絶縁性InP基板15上に導波
路型の受光領域としてn−InGaAsPクラッド層
3、n−InGaAs光吸収層4、p−InGaAs光
吸収層16、p−InGaAsPクラッド層5、p−I
nGaAsPコンタクト層17を順次エピタキシャル成
長し、p側電極9をp−InGaAsPコンタクト層1
7から、n側電極をn−InGaAsPクラッド層3か
らそれぞれ取っている。また上記導波路以外の部分はポ
リイミド11で埋め込んで、ボンディング領域の低容量
化を図っている構造となっている。この例に於いて光は
導波路の端面から入射する構造で、入射光は上下に設け
られたクラッド層に挟まれたn−InGaAs光吸収層
4とp−InGaAs光吸収層16内を伝搬しながら吸
収されることとなる。
【0007】光吸収により生成されたキャリアはp−I
nGaAsPクラッド層5→p−InGaAsPコンタ
クト層17を経てp側電極9から外部回路に流れること
になる。この様に光の吸収は導波路の長さ方向で行われ
るため、高い量子効率が得られ、キャリアの走行方向は
素子の垂直方向となりn−InGaAs光吸収層4の厚
さのみに依存することとなる。
【0008】ここで問題となることはキャリアの走行時
間を短くするためにn−InGaAs光吸収層4を薄く
した場合、ファイバからの入射光の径が、n−InGa
As光吸収層幅4より十分大きい為に光の結合効率が悪
いという問題があり、逆に結合効率を高くするためにn
−InGaAs光吸収層4を厚くすることでキャリアの
走行時間の増加をまねく。上記以外にも図6(特許出願
公開 特開平3−35555)や図7(特許出願公開
特開平4−268770)に示されるような導波路PI
Nが提案されているが、いずれも端面入射による結合効
率が低いという問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】第一の課題は、ファイ
バからの入射光の径が、n−InGaAs光吸収層幅よ
り十分大きい為に光の結合効率が悪いという問題を解決
することである。
【0010】その理由は、上記した従来の導波路型受光
素子の場合、キャリアの走行時間を短くするためにn−
InGaAs光吸収層を薄くした場合には、ファイバか
らの入射光の径が、n−InGaAs光吸収層幅より十
分大きい為に光の結合効率が悪くなる、逆に結合効率を
高くするためにn−InGaAs光吸収層4を厚くする
とキャリアの走行時間の増加をまねくという関係にあ
り、光の結合効率を良くすることができなかったためで
ある。
【0011】本発明は、光ファイバからの光を、導波路
型受光素子に効率よく入射させ、高い結合効率を得るこ
とを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板上に第1導電型の第1の半導体層、第1導電型の第
2の半導体層、第2導電型の第3の半導体層を有する半
導体受光素子において、第1の半導体層の側面が上下方
向又は左右方向に屈曲していることを特徴とする光導体
受光素子が得られる。
【0013】更に、第1、第2及び第3の半導体層が、
半導体基板上にテーパー型に埋め込まれていることを特
徴とする。
【0014】また半導体基板上に、第1導電型の第1の
緩衝層を有し、第1の緩衝層上に第1導電型の第1のク
ラッド層を有し、第1のクラッド層上に第1導電型の光
吸収層を有し、光吸収層上に第2導電型の第2のクラッ
ド層を有し、第2のクラッド層上に第2導電型の第2の
緩衝層を有し、第2の緩衝層上に第1の電極を有するこ
とを特徴とする半導体受光素子を提供する。
【0015】第1の緩衝層上で、第1のクラッド層を有
さない領域に、第2の電極を有することを特徴とする。
【0016】半導体基板がn型InPから成り、第1及
び第2の緩衝層がInPから成り、第1及び第2のクラ
ッド層がInGaAsPから成り、光吸収層がInGa
Asから成ることを特徴とする。
【0017】光吸収層の厚さが0.7μm以上1.3μ
m以下であることを特徴とする。
【0018】半導体基板上に層構造の導波路を有し、半
導体基板側面を受光面とする半導体受光素子において、
導波路が、受光面に対して、傾斜した領域を有すること
を特徴とする半導体受光素子を提供する。
【0019】半導体基板上にウエットエッチングにより
溝を形成する工程と、溝上にエピタキシャル成長により
導波路層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導
体受光素子の製造方法を提供する。
【0020】本発明によれば傾斜型導波路を持つ受光素
子の端面に光を入射すると、端面部分(受光面12)の
n−InP基板を透過した光は始めに、傾斜した第一傾
斜吸収領域のn−InGaAs光吸収層によって約60
%吸収されることとなる。次に第一吸収領域で吸収され
ずに透過した光はn−InGaAsPクラッド層とn−
InGaAs層とp−InGaAsPクラッド層とで構
成された導波路型吸収領域にて吸収されることとなる。
さらに第一傾斜吸収領域および導波路型吸収領域にて吸
収されずに透過した光は、第二傾斜吸収領域に入射され
ここで吸収されることとなる。次に各吸収領域にて吸収
された光はn−InGaAs層内で光電変換されキャリ
アを生成する。生成されたキャリアはp側電極およびn
側電極に印加された電界によってp−InGaAsPク
ラッド層からp−InP層を経てp側電極9から外部回
路へと流れることとなる。
【0021】このように導波路構造を、テーパに沿って
形成することにより、入射光に対して広い受光領域を確
保できるため高い結合効率を得ることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【0023】図1および図2は本発明の第1の実施の形
態例を表す半導体受光素子の断面図及び斜視図をそれぞ
れ示す。
【0024】図1の半導体受光素子は、第一の傾斜部分
に設けられた第一傾斜吸収領域Aと、光の進行方向にた
いして平行な光導波路型吸収領域Bと、第二の傾斜部に
設けられた第二傾斜吸収領域Cの3つの吸収領域から構
成されている。
【0025】図3は本発明の半導体受光素子の製造方法
を示す。n−InP等の半導体基板または半絶縁性基板
1上に幅5μm、間隔30μmのエッチング用マスク1
3を例えばフォトレジストを用いて設けた後、例えばウ
エットエッチング法により幅30μm、深さ10μmの
傾斜を持った溝を形成する(図3(a))。この時、n
−InP基板のエッチング角度は、結晶格子により約5
6°に均一に傾斜してエッチングされる。その後、前記
溝の両側すなわち非エッチング領域及び素子の前面/後
面に結晶成長防止マスクとして酸化膜14を形成する。
次に溝上に例えば気相成長法により半導体層を形成す
る。キャリア濃度2E15cm−3以下層厚1〜2μm
が好ましく、今回はキャリア濃度1E15cm−3層厚
0.5μmのn−InP緩衝層2を(図3(b))、続
いてキャリア濃度2E15cm−3以下層厚1〜2μm
が好ましく、今回はキャリア濃度1E15cm−3層厚
0.5μmのn−InGaAsPクラッド層3を成長し
た後(図3(c))、キャリア濃度2E15cm−3以
下層厚1〜2μmが好ましく、今回はキャリア濃度1E
15cm−3のn−InGaAs光吸収層4を1μm成
長する(図3(d))。続いて前記エピタキシャル層の
上にキャリア濃度2E15cm−3以下層厚1〜2μm
が好ましく、今回はキャリア濃度1E15cm−3、層
厚0.5μm、Eg=1.08eVのp−InGaAs
Pクラッド層5を成長した後(図3(e))、最後に溝
を埋めるようにキャリア濃度1E18cm−3のp−I
nP層6を成長する(図3(f))。
【0026】次に前記エピタキシャルを幅10μmのス
トライプ状に残し、n−InP基板1まで、例えばRI
BE(Reactiv Ion Beam Ettch
ing)法によりエッチングする。続いてn−InP基
板1までエッチングした領域をエピタキシャル成長した
層厚と同じ高さになるようにポリイミド11等を用いて
埋め込む。
【0027】前記、導波路型素子の表面に表面保護膜と
して例えばP−CVD法等によりSiNx膜7を成長す
る(図3(g))。次に前記p−InP層6上のSiN
x膜7に穴開けを行い線状のp側コンタクト電極8を設
け、ポリイミド11上まで引きだした後、ポリイミド1
1上にボンディング用のp側電極9を設ける。
【0028】最後にn−InP基板1の裏面にn側電極
10を形成する(図3(h))。
【0029】以上のようにして作成した傾斜型導波路受
光素子の端面に光を入射すると、端面部分(受光面1
2)のn−InP基板1を透過した光は始めに、傾斜し
た第一光吸収領域のn−InGaAs光吸収層3によっ
て約60%吸収されることとなる。次に第一吸収領域で
吸収されずに透過した光はn−InGaAsPクラッド
層3とn−InGaAs層4とp−InGaAsPクラ
ッド層5とで構成された導波路型吸収領域にて吸収され
ることとなる。さらに第一傾斜領域および導波路型吸収
領域にて吸収されずに透過した光は、第二傾斜吸収領域
に入射されここで吸収されることとなる。次に各吸収領
域にて吸収された光はn−InGaAs層内4で光電変
換されキャリアを生成する。生成されたキャリアはp側
電極9およびn側電極10に印加された電界によってp
−InGaAsPクラッド層5からp−InP層6を経
てp側電極9から外部回路へと流れることとなる。
【0030】その結果、半絶縁性基板あるいは第一導電
型基板(Eg1)上に第一導電型層1(Eg2)と第一
導電型層2(Eg3)と第二導電型層3(Eg2)から
なる層構造を有し、かつその各層のバンドギャップがE
g1>Eg2>Eg3の関係を有する導波路型受光素子
層構造となる。
【0031】以上のように導波路構造の両端を曲げた構
造を採ることにより、端面側から見たn−InGaAs
光吸収層4の厚みを実効的に厚くしたことと同等の効果
を得ることができるため、光ファイバ等によって素子端
面に結合するときの結合が容易になるとともに90%以
上の高い結合効率と、90%以上の高い量子効率を得る
ことができる。またn−InGaAs収層4の厚さを
0.7μm以上1.3μm以下で好ましくは1μmとす
ることで20Gbps以上の応答が可能となる。0.7
μm未満だと結合効率が低下しすぎてしまい、1.3μ
mより大きいとキャリアの走行時間が増加しすぎてしま
う。
【0032】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。
【0033】図4に本発明の第二の実施の形態例を示
す。
【0034】本発明の受光素子は、第一の実施の形態例
と同様に第一の傾斜部分に設けられた第一傾斜吸収領域
と、光の進行方向にたいして平行な光導波路型吸収領域
と、第二の傾斜部に設けられた第二傾斜吸収領域の3つ
の吸収領域から構成されている。以下に第二の実施例の
製造方法について説明する。
【0035】半絶縁性InP基板15上に幅5μm、間
隔30μmのエッチング用マスクを例えばフォトレジス
トを用いて設けた後、例えばウエットエッチング法によ
り幅30μm、深さ10μmの傾斜を持った溝を形成す
る。その後、前記溝の両側すなわち非エッチング領域及
び素子の前面/後面に結晶成長防止マスクの酸化膜12
を形成する。
【0036】次に前記傾斜を持った溝上に例えば気相成
長法によりキャリア濃度2E15cm−3以下層厚1〜
2μmが好ましく、今回はキャリア濃度1E15cm−
3層厚0.5μmのn−InP緩衝層2を、続いてキャ
リア濃度2E15cm−3以下層厚1〜2μmが好まし
く、今回はキャリア濃度1E15cm−3層厚0.5μ
mのn−InGaAsPクラッド層3を成長した後、キ
ャリア濃度2E15cm−3以下層厚1〜2μmが好ま
しく、今回はキャリア濃度1E15cm−3のn−In
GaAs光吸収層4を1μm成長する。続いて前記エピ
タキシャル層の上にキャリア濃度2E15cm−3以下
層厚1〜2μmが好ましく、今回はキャリア濃度1E1
5cm−3、層厚0.5μm、Eg=1.08eVのp
−InGaAsPクラッド層5を成長した後、最後に溝
を埋めるようにキャリア濃度1E18cm−3のp−I
nP層6を成長する。
【0037】次にエピタキシャルを幅10μmのストラ
イプ状に残し、一方を半絶縁性InP基板15まで、残
る一方をn−InP領域2まで例えばRIBE(Rea
ctiv Ion Beam Ettching)法に
よりエッチングする。続いて半絶縁性InP基板15ま
でエッチングした領域をエピタキシャル成長した層厚と
同じ高さになるようにポリイミド11等を用いて埋め込
む。
【0038】導波路型素子の表面に表面保護膜として例
えばP−CVD法等によりSiNx膜7を成長する。次
にp−InP層6上のSiNx膜7に穴開けを行い線状
のp側コンタクト電極8を設け、ポリイミド11上まで
引きだした後、ポリイミド11上にボンディング用のp
側電極9を設ける。
【0039】最後にn−InP基板1の表面にn側電極
10を形成する。
【0040】以上のようにして作成した傾斜型導波路受
光素子の端面に光を入射すると、端面部分(受光面1
2)の半絶縁性InP基板15を透過した光は始めに、
傾斜した第一光吸収領域のn−InGaAs光吸収層3
によって約60%吸収されることとなる。次に第一吸収
領域で吸収されずに透過した光はn−InGaAsP層
3とn−InGaAs層4とp−InGaAsP層5と
で構成された導波路型吸収領域にて吸収されることとな
る。さらに第一傾斜領域および導波路型吸収領域にて吸
収されずに透過した光は、第二傾斜吸収領域に入射され
ここで吸収されることとなる。次に各吸収領域にて吸収
された光はn−InGaAs層内4で光電変換されキャ
リアを生成する。生成されたキャリアはp側電極9およ
びn側電極10に印加された電界によってp−InGa
AsP層5からp−InP層6を経てp側電極9から外
部回路へと流れることとなる。
【0041】以上のように導波路構造の両端を曲げた構
造を採ることにより、端面側から見たn−InGaAs
光吸収層4の厚みを実効的に厚くしたことと同等の効果
を得ることができるため、光ファイバ等によって素子端
面に結合するときの結合が容易になるとともに90%以
上の高い結合効率と、90%以上の高い量子効率を得る
ことができる。またn−InGaAs収層4の厚さを1
±0.3μmとすることで20Gbps以上の応答が可
能となる。
【0042】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。
【0043】
【発明の効果】第一の効果は、光ファイバ等によって結
合するときの結合が容易になるとともに90%以上の高
い結合効率が得られる。
【0044】その理由は、導波路構造の両端を曲げるこ
とで、入射端面側から見たn−InGaAs光吸収層の
断面積(受光面積)を実効的に大きくしたことと同等の
効果を得ることができるため、光ファイバ等によって結
合するときの結合が容易になる。
【0045】第二の効果は、90%以上の高い量子効率
を得ることができることである。その理由は、導波路構
造の両端を曲げることで第一傾斜吸収領域と導波路型吸
収領域と第二傾斜吸収領域を有する構造をとなり、入射
端面側から見たn−InGaAs光吸収層の厚みを実効
的に厚くしたことと同等の効果を得ることができるため
である。
【0046】第三の効果は、20Gbps以上の高速応
答が可能である。
【0047】その理由は、n−InGaAs収層の厚さ
を1μmとすることでキャリアの走行時間の短縮が図れ
るためである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の第1の実施の形態例を示す半導
体受光素子の断面図である。
【図2】図2は本発明の第1の実施の形態例を示す半導
体受光素子の斜視図である。
【図3】図3(a)〜(h)は本発明の第1の実施の形
態例である半導体受光素子の製造方法を示す断面図であ
る。
【図4】図4は本発明の第2の実施の形態例を示す半導
体受光素子である。
【図5】図5は図1の従来例を示す半導体受光素子であ
る。
【図6】図6は第2の従来例を示す半導体受光素子であ
る。
【図7】図7は第3の従来例を示す半導体受光素子であ
る。
【符号の説明】
1 n−InP基板 2 n−InP層 3 n−InGaAsPクラッド層 4 n−InGaAs光吸収層 5 p−InGaAsPクラッド層 6 p−InP層 7 SiNx膜 8 p側コンタクト電極 9 p側電極 10 n側電極 11 ポリイミド 12 受光面 13 エッチングマスク 14 結晶成長防止マスク 15 半絶縁性InP基板 16 p−InGaAs光吸収層 17 p−InGaAsPコンタクト層 18 埋め込み領域 19 光導波路 20 接合形成層 21 コア層 22 半導体多層膜 A 第一傾斜吸収領域 B 導波路型吸収領域 C 第二傾斜吸収領域

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に第1導電型の第1の半導
    体層、第1導電型の第2の半導体層、第2導電型の第3
    の半導体層を有する半導体受光素子において、前記第1
    の半導体層の側面が上下方向又は左右方向に屈曲してい
    ることを特徴とする半導体受光素子。
  2. 【請求項2】 前記第1、第2及び第3の半導体層が、
    前記半導体基板上にテーパー型に埋め込まれていること
    を特徴とする請求項1記載の半導体受光素子。
  3. 【請求項3】 半導体基板上に、第1導電型の第1の緩
    衝層を有し、前記第1の緩衝層上に第1導電型の第1の
    クラッド層を有し、前記第1のクラッド層上に第1導電
    型の光吸収層を有し、前記光吸収層上に第2導電型の第
    2のクラッド層を有し、前記第2のクラッド層上に第2
    導電型の第2の緩衝層を有し、前記第2の緩衝層上に第
    1の電極を有することを特徴とする半導体受光素子。
  4. 【請求項4】 前記第1の緩衝層上で、前記第1のクラ
    ッド層を有さない領域に、第2の電極を有することを特
    徴とする請求項3記載の半導体受光素子。
  5. 【請求項5】 前記半導体基板がn型InPから成り、
    前記第1及び第2の緩衝層がInPから成り、前記第1
    及び第2のクラッド層がInGaAsPから成り、前記
    光吸収層がInGaAsから成ることを特徴とする請求
    項3記載の半導体受光素子。
  6. 【請求項6】 前記光吸収層の厚さが0.7μm以上
    1.3μm以下であることを特徴とする請求項3記載の
    半導体受光素子。
  7. 【請求項7】 半導体基板上に層構造の導波路を有し、
    前記半導体基板側面を受光面とする半導体受光素子にお
    いて、前記導波路が、前記受光面に対して、傾斜した領
    域を有することを特徴とする半導体受光素子。
  8. 【請求項8】 半導体基板上にウエットエッチングによ
    り溝を形成する工程と、前記溝上にエピタキシャル成長
    により導波路層を形成する工程とを含むことを特徴とす
    る半導体受光素子の製造方法。
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