JPH11112013A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH11112013A
JPH11112013A JP9266224A JP26622497A JPH11112013A JP H11112013 A JPH11112013 A JP H11112013A JP 9266224 A JP9266224 A JP 9266224A JP 26622497 A JP26622497 A JP 26622497A JP H11112013 A JPH11112013 A JP H11112013A
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JP
Japan
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layer
semiconductor
semiconductor layer
type
light
Prior art date
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Pending
Application number
JP9266224A
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English (en)
Inventor
Yoshifumi Muramoto
好史 村本
Kazutoshi Kato
和利 加藤
Tadao Ishibashi
忠夫 石橋
Naofumi Shimizu
直文 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高出力性と高速性とを同時に有する半導体受光
素子において、光吸収層のまわりに光ガイド層を設けた
導波路型構造で光を層構造に平行に入射する形態とする
ことでさらに高効率性も満たす半導体受光素子を提供す
ること。 【解決手段】p型の光吸収層11の両側に、層11より
も広くInPよりも狭いバンドギャップを持つ光ガイド
層12、13、14を設け、層14をp型にドーピング
し、層12を低濃度にドーピングし、層13をn型にド
ーピングし、さらに、p型のコンタクト層16とp型の
InP層15とn型あるいは半絶縁性のInP層(図1
においては半絶縁性のInP基板17がこれを兼ねる)
とを設けて導波路構造を形成し、コンタクト層16とn
型光ガイド層13の表面に、それぞれ、電極18と19
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体受光素子に関
する。
【0002】
【従来の技術】高速用の半導体受光素子として用いられ
るpinフォトダイオードでは空乏層を通過するキャリ
アのみが外部回路に電流として取り出されるため、キャ
リアが発生してから空乏層を通過するまでの時間が受光
素子の応答速度を決定する要因の一つとなる。図3に概
念で示す従来の一般的なpinフォトダイオードにおい
ては、光吸収層31を低濃度層とする事で動作電圧にお
いて完全に空乏化する。そのためキャリアは発生すると
同時に空乏層の内部電界によって加速されるが、この場
合、発生するキャリアのうちホールの速度が電子に比べ
て小さいためにフォトダイオードの応答速度はホールの
ドリフト速度によって制限される事になる。また、高出
力を得る目的で光アンプ等によって増幅された信号光を
入射した場合、キャリアの大量発生に伴って空乏層内で
空間電荷効果を生じ、内部電界が変調を受け、高速応答
が不安定になる。
【0003】これに対して光吸収層をp型層とし、近接
した半導体層を光吸収層よりも広いバンドギャップを持
つ低濃度層とする事によって、光吸収層と空乏層を分離
した構造が提案されている(特願平8−83704号公
報)。図2に概念を示す本構造では光吸収層21で発生
したキャリアのうち電子は拡散行程で空乏層22に到達
するが、ホールは直接p電極27へ流れるために空乏層
を通過するキャリアとはならない。よって走行速度の速
いキャリアのみを用いる事となり、高速応答が可能にな
る。また光吸収層と空乏層を分離し、速度が速いキャリ
アのみが空乏層を通過するようにしたため、高入力時に
おいても空間電荷効果による空乏層への影響は少なく、
より高入力の光でも高速応答が可能である。しかし、こ
の構造では電子が拡散行程で空乏層に到達する時間によ
ってフォトダイオードの応答速度が決まるために、超高
速応答を可能にするためにはより薄い光吸収層が必要と
なる。そのため光を層構造に垂直に入射する面入射とし
た場合には内部量子効率の低下を引き起こし、層構造に
平行に入射する端面入射とした場合には入射光との結合
効率の低下を引き起こし、いずれにせよ効率とのトレー
ドオフを生じるという問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術における問題点を解消するものであって、高出力性と
高速性とを同時に有する半導体受光素子において、光吸
収層のまわりに光ガイド層を設けた導波路型構造で光を
層構造に平行に入射する形態とすることでさらに高効率
性も満たす半導体受光素子を提供することを目的とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の構成は以下の点を特徴とする。
【0006】1)光吸収層として作用する第1の導電型
の第1の半導体層と、第2の導電型の第2の半導体層
と、これらの半導体層に挾まれ、上記第1の半導体層と
第2の半導体層よりも低いドーピング濃度を持つ第3の
半導体層と、上記第1の半導体層に接して、上記第3の
半導体層の反対側に第1の導電型の第4の半導体層とを
設け、上記第2および上記第3および上記第4の半導体
層は光吸収層として機能しないように上記第1の半導体
層よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つように
設定した半導体受光素子において、上記第4の半導体層
に接して上記第1の半導体層と反対側に第1の導電型の
第5の半導体層と、上記第2の半導体に接して上記第3
の半導体層と反対側に第2の導電型あるいは半絶縁性の
第6の半導体層を設け、上記第5と上記第6の半導体層
のバンドギャップエネルギーを上記第2および上記第3
および上記第4の半導体層よりも大きく設定したこと。
【0007】2)特徴1の半導体受光素子において、少
なくとも第5の半導体層から第1の半導体層まで、ある
いは第6の半導体層から第1の半導体層までをメサ形状
に加工し、光を各層構造に平行に入射することを特徴と
する半導体受光素子。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
き詳細に説明する。本形態は光吸収層をp型ドーピング
し、近接した半導体層を光吸収層よりも広いバンドギャ
ップを持ち低濃度層とした半導体受光素子において、図
1に示すように光吸収層の両側に光ガイド層を設けて導
波路型構造とし、光を層構造に水平に入射することを特
徴とする。従来構造では図2に示すように、基板裏面か
ら光を入射する面入射構造であるために応答速度を上げ
る目的で吸収層を薄層化した場合に、効率の低下が生じ
た。本形態では光吸収層の両側に光ガイド層を設ける事
で導波路型構造とし、光を層構造に水平に入射する点が
従来構造と異なる。また図3の従来構造とはエネルギー
バンド構造が異なる。
【0009】光吸収層11をp型にドーピングし、その
両側に光ガイド層12、13、14を設け、片側の光ガ
イド層14を一様にp型にドーピングし、反対側の光ガ
イド層は光吸収層から順番に低濃度層12、n型ドーピ
ング層13の多層構造とする。さらに、この半導体構造
を挟み込むように、p型にドーピングしたコンタクト層
16とInP層15、およびn型あるいは半絶縁性のI
nP層(図1においては半絶縁性のInP基板17がこ
れを兼ねる)を設けて導波路構造としている。p型コン
タクト層16とn型光ガイド層13の表面には、それぞ
れ、電極18と19が設けてある。
【0010】動作電圧において空乏化する領域は低濃度
層とした光ガイド層12である。光ガイド層12、1
3、14は光吸収層11とInP層との間のバンドギャ
ップエネルギーに設定され、屈折率も両層の中間の屈折
率を有するため、光吸収層と空乏層を完全に分離するこ
とができる。光吸収層11で発生したキャリアのうち電
子は拡散行程で空乏層12に到達した後に空乏層の内部
電界によって加速され外部回路に電流として取り出され
るが、ホールは直接p電極18に流れ込むために空乏層
は通過しない。その結果、一般的なpinフォトダイオ
ードが光吸収層と空乏層を併用しているために走行速度
が遅いホールも走行キャリアとして作用し、ホールの走
行速度によってフォトダイオードの応答速度が制限され
るのに対して、走行速度が速いキャリアである電子のみ
を空乏層走行キャリアとして用いる事によってより高速
での応答が可能になる。また光吸収層と空乏層が分離し
ているために高入力光を入射した時の大量のキャリア発
生による空間電荷効果が空乏層の内部電界に及ぼす影響
もほとんど無く、光入射パワーへの耐性も向上し高出力
化が可能となる。
【0011】また本構造では電子が拡散行程によって空
乏層に到達するまでの時間によって応答速度が制限され
るが、より高速での応答を可能にするために光吸収層を
薄層化した場合にも、本構造が導波路構造となっている
ため、導波路長さを十分長くする事によって高い効率を
得ることが可能となる。
【0012】
【実施例】図1に示す半導体受光素子をさらに具体的に
説明すると以下の通りである。11はp−InGaAs
光吸収層、12はアンドープのInGaAsP(バンド
ギャップ波長:1.3μm)光ガイド層、13はn+
InGaAsP(バンドギャップ波長:1.3μm)光
ガイド層、14はp−InGaAsP(バンドギャップ
波長:1.3μm)光ガイド層、15はp−InP層、
16はp+−InGaAsP(バンドギャップ波長:
1.3μm)コンタクト層、17は半絶縁性のInP基
板、18はオーミックp電極、19はオーミックn電極
である。
【0013】一例として、3dB帯域を100GHz以
上、効率50%以上を性能目標として考える。100G
Hz以上の3dB帯域を得るためには11のp−InG
aAs光吸収層は厚さ0.2μm以下にする必要があ
る。図2に示す従来構造でp−InGaAs光吸収層の
厚さを0.2μmとした場合、半絶縁性のInP基板2
6の裏面から光を入射し、p電極27で光が全反射する
としても効率は25%以下になる。これに対して本構造
ではp−InGaAs光吸収層11の厚さを0.2μm
とした場合、12、13、14の各光ガイド層の厚さを
合わせた総厚を1.8μmとする事で、レンズ系または
先端加工ファイバー等でスポットサイズを1.3μmと
した光に対して導波路長10μmで50%以上の効率を
得る事が可能となる。これは従来構造の2倍以上の値で
ある。
【0014】上述の実施例においては長波長系であるI
nGaAsP系の材料を用いた例を示したが、これに代
えて、InAlAsP系や他の長波長III−V族材料系
を用いても同様の効果がある。また基板にInP基板を
用いた長波長系の例を示したが、GaAs基板上でAl
GaAs系材料を用いた短波長系でも同様の効果があ
る。
【0015】
【発明の効果】以上実施の形態とともに詳細に説明した
ように本発明は、半導体受光素子において、光吸収層は
p型にドーピングし、近接した半導体層を光吸収層より
も大きなバンドギャップに設定し低濃度層とする事で光
吸収層と空乏層を分離した構造により高速性と高出力性
とを同時に実現させる事が可能である。また構造の特徴
である薄層の光吸収層に対しても光吸収層の両側に光ガ
イド層を設け、かつ、光ガイド層の少なくとも一部をメ
サ形状に加工し、層構造に平行に光を入射させ、その光
をデバイス長方向に導波することによって、デバイス長
方向において十分に高い効率を得ることができ、高速、
高出力、高効率の全ての条件を同時に満たすことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例において例示した高速性と高出
力性と高効率性の全てを同時に満たす導波路型半導体受
光素子の(a)層構造を表す図と(b)エネルギーバン
ド構造を表す図である。
【図2】従来の高速性と高出力性を同時に満たす面入射
型半導体受光素子の(a)層構造を表す図と(b)エネ
ルギーバンド構造を表す図である。
【図3】従来の高速性と高効率性を同時に満たす導波路
型半導体受光素子の(a)層構造を表す図と(b)エネ
ルギーバンド構造を表す図である。
【符号の説明】
11…p型のInGaAs光吸収層 12…アンドープのInGaAsP(バンドギャップ波
長:1.3μm)光ガイド層 13…n+型のInGaAsP(バンドギャップ波長:
1.3μm)光ガイド層 14…p型のInGaAsP(バンドギャップ波長:
1.3μm)光ガイド層15…p型のInP層 16…p+型のInGaAsP(バンドギャップ波長:
1.3μm)コンタクト層 17…半絶縁性のInP基板 18…オーミックp電極 19…オーミックn電極 21…p型のInGaAs光吸収層 22…アンドープInP層 23…n+型のInP層 24…p型のInGaAsPキャリア拡散抑制層 25…p+型のInGaAsコンタクト層 26…半絶縁性のInP基板 27…オーミックp電極 28…オーミックn電極 31…アンドープのInGaAs光吸収層 32…n+型のInGaAsP(バンドギャップ波長:
1.3μm)光ガイド層 33…p+型のInGaAsP(バンドギャップ波長:
1.3μm)光ガイド層 34…p+型のInP層 35…p+型のInGaAsP(バンドギャップ波長:
1.3μm)コンタクト層 36…半絶縁性のInP基板 37…オーミックp電極 38…オーミックn電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 直文 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光吸収層として作用する第1の導電型の第
    1の半導体層と、第2の導電型の第2の半導体層と、こ
    れらの半導体層に挾まれ、上記第1の半導体層と第2の
    半導体層よりも低い第2の導電型のドーピング濃度を持
    つ第3の半導体層と、上記第1の半導体層に接して、上
    記第3の半導体層の反対側に第1の導電型の第4の半導
    体層とを設け、上記第2および上記第3および上記第4
    の半導体層は光吸収層として機能しないように上記第1
    の半導体層よりも大きなバンドギャップエネルギーを持
    つように設定した半導体受光素子において、上記第4の
    半導体層に接して上記第1の半導体層と反対側に第1の
    導電型の第5の半導体層と、上記第2の半導体に接して
    上記第3の半導体層と反対側に第2の導電型あるいは半
    絶縁性の第6の半導体層を設け、上記第5と上記第6の
    半導体層のバンドギャップエネルギーを上記第2および
    上記第3および上記第4の半導体層よりも大きく設定す
    ることを特徴とする半導体受光素子。
  2. 【請求項2】請求項1の半導体受光素子において、少な
    くとも第5の半導体層から第1の半導体層までか、もし
    くは第6の半導体層から第1の半導体層までをメサ形状
    に加工し、光を各層構造に平行に入射させることを特徴
    とする半導体受光素子。
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Cited By (3)

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