JPS62282469A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、逆バイアス電圧で使用する半導体受光素子に
関し、特に高速応答特性に優れたヘテロ接合型の半導体
受光素子に関する。

（従来の技術） 現在、光通信の実用化が進められている。この光通信で
使用する波長域は、光ファイバーの伝送損失が低い１〜
１．６μｍ帯が主流である。この波長域で動作可能な光
源（半導体レーザ（ＬＩＤ））及び光検出器（ホトダイ
オード（ＰＤ　）ヤアバランシホトダイオード（ＡＰＤ
　））の研究開発が活発に進められている。光源として
はＩｎＰ　−１ｎＧａＡｓＰ系が、光検出器としてはＧ
ｓ−ＡＰＤが主に用いられている。しかし、このＧｏ−
ＡＰＤは暗電流と過剰雑音が大きく、また温度特性も悪
いので必ずしも光通信用光信号を検出する素子としては
最適ではなく、これに代る化合物半導体材料によるＰＤ
及びＡＰＤが期待されている。

化合物半導体受光素子のうちでＩｎＧａＡｓ−ＰＸＮ−
ＦＤは現在勢力的に開発が進められている。

ＰＩＮ−１’Ｄは、低電圧動作ができ、ＦＦ！’ｒと組
み合せたＰＩＮ−ＩＰＥＴ受光素子は高速、高感度な受
光素子として注目されている。

第５図に従来の受光素子を示す。これは工ｎ（）ａへ〇
　を光吸収層、ＩｎＰ層を窓層とするＰＩＮ−ＦＤの模
式断面図である。この受光素子け　ｎ　＋−工ｎＰ基板
６上にｎ”　−！ｎＰバッファ層５、ｎ−一工ＨＧａＡ
ｓ光吸収層４、ｐ”　−ＩｎＧａＡｓ層３及びｐ′″−
工ｎｐ窓層２を順次に形成し、メサエッチ７グを施した
後にｐ側電極１及びｎ側電極７を形成してなる。入射光
１０はｐ＋−工ｎＰ層２から入る構造となっている。

この構造では、電極１．７間に逆方向バイアス電圧を印
加し、空乏層をＩｎＧａＡｓ層に伸ばし、光を吸収する
仕組になっている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第５図に示す構造では、光吸収層として
、工ｎＧａＡｓを用いているから十分な量子効率を得る
ためには、３〜５μｍ程度の層厚が必要となる。という
のは、工ｎＧａＡ＠の吸収端が１．７μｍ程度にあるか
らファイバーの損失が最小になる波長１．５５μｍでの
吸収係数は、１．３μｍのそれより半分以下となるから
、１．５５μｍでの光も十分吸収するためには３〜５μ
口という厚い層厚が必要となるわけである。しかし、光
吸収層の厚さが増すと、その中をキャリアが走行する時
間が問題となる。第５図に示す工ｎＧａＡｓ　−Ｐ　Ｘ
　Ｎ　−ＦＤの場合ＩｎＧａＡｓ層の層厚が４μｍ程度
であると、この走行時間は５０ｐ６程度であり、ＣＲ時
定数（数ｐｓ）の１０倍程度の値となり、ＰＩＮ−ＦＤ
の応答速度を制限してしまうことになる。この走行時間
を短かくするためには、簡単には光吸収層を薄くすれば
良いのであるが、すでに述べた様【量子効率の低下を招
き、感度の低下に結びつくので好ましくない。そこで、
本発明の目的は、この様な従来構造の欠点を除去せしめ
、高速に作動し、しかも量子効率が高い半導体受光素子
を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する手段□
は、第１の導電型を有する半導体層からなる光吸収層と
、前記半導体層とは反対の第２の導電型を有する半導体
層とを少なくとも有する積層構造を備えている半導体受
光素子であって、第１及び第２半導体層を交互に積層し
てなる超格子層が前記光吸収層の光の入射面とは反対側
の面側に設けてあり、前記第１半導体層は禁制帯幅がＥ
９１゜厚さがｄ８９反射係数がｎ、であり、前記第２半
導体層は禁制帯幅が即、（即、〉即、）、厚さがｄ、。

反射係数がｎｔ　（ｎ、＜　ｎｔ　）であり、前記第１
及び第２半導体層は、ある特定の波長λの光に対し、微
とする。

（作用） 本発明は上述の手段により従来型の欠点を解決した。第
１図は、本発明の主要な要素である超格子層を示す模式
図である。この超格子層は、光吸収層の下に設けられ、
反射器として作用する。第１半導体層１（禁制帯幅ＪＦ
Ｉ＋厚さｄ８９反射係数”ｔ）が！２半導体層２（禁制
帯＠’ｍｌｈ　（”Ｉ）ｔ　＞”Ｆｔ）、厚さｄ３１反
射係数係数（ｎ、＜ｎ、））をはさむ様な積層構造とな
っている。ここで各層の層厚と反射係数は特定の波長λ
の光だけを反射する様なブラッグ反射器を形成する条件
となっている。

足する関係であることは良く知られている。ここで反射
係数ｎは近似的に以下の式で表わされる（　　Ｍ、Ｂｏ
ｒｎ　　ａｎｄ　　ＴＬ、Ｗｏｌｆ　　：　　Ｐｒ１ｎ
ｃｉｐ１ａｌｌ　　０ｆＯｐｔｉｃｓ、　　ｃｈａｐ、
Ｌ、Ｐ５ｔ）。

ｎ＝３．３７十Ｂ・（λｇ−λ） ココテ、Ｂは定数（＝＝０．５９　μｍ−’　）　、　
　λＩは各層の禁制帯幅に相当する波長であ慝。例えば
λ；１．５５μｍのブラッグ反射器を工ｎＰとＩｎＧａ
Ａｇを用いて作ることを考える。第１半導体層を工ｎＰ
。

第２半導体層を工ｎＧａＡｓとすると、（１，＝２．９
９．　　　　ｎ、＝３．４３ｄ、＝１３００人、　　ｄ
ｔ＝１１００人となる。

上記の結果を基にしてブラッグ反射器を作成し、反射率
の測定をおこなった。工ｎＰの層厚は１３００人、工ｎ
ＧａＡｓの層厚は１１００人とし、２５層積層した構造
とした。

第２図に反射率と波長との関係を示す。波長１．５５μ
ｍ近傍で約６０％の反射率が得られ良好なブラッグ反射
器ができていることがわかる。したがってこのブラッグ
反射器を光吸収層の下に設けることにより、比較的薄い
光吸収層でも十分な量子効率が得られ、高速応答に優れ
たＰ　工Ｎ−Ｆ　Ｄが期待できる。

（実施例） 以下、第５図の従来例と同様に工ｎＰ／ＴＨＧＢＡｓ系
について詳述するが、他の化合物半導体、例えばＡ／Ｇ
ａＡｓ　／　ＧａＡｓ　、　　Ａ／ＧａＳｂ　／　Ｇａ
ｒｂ等についても全く同様であることは容易に理解でき
る。

第３図は本発明の構造をもつ受光素子の一実施例を示す
。ｎ”　−ＩｎＰ　基板６上にハイドライド気相成長装
置を用いて成長をおこなった。基板上に、ｎ＋−工ＨＰ
　ハフ　７ア層５を１μｍ＋　　工ｎＰ／ＩｎＧａＡｓ
超格子ブラッグ反射器８をＩｎＰ層１３００人。

ＩｎＧａＡｅ層１１００人として、２５層積層し、ｎ−
−ＩｎＧａＡｓｎＧａＡｓ全吸収層４　＋　　ｐ”　−
ＩｎＧａＡｓ層３をｌ　μｎ、　　ｐ”　−ＩｎＰ窓層
２を１．５μｍ成長し、ｐ側電極１としてＡｕＺｎ　、
　ｎ　＠電極７として、ＡｕＧ５Ｎｉを形成後、メサエ
ッチングをして素子化をおこなった。入射光１０け窓層
２から入射する。

この様にブラッグ反射器を設けることで、本実施例では
、光吸収層を従来の５μｍ程度から２μｍ程度と半分に
しても、吸収できなかった光がブラッグ反射器によって
反射されさらに吸収されるから量子効率に大きな低下は
見られなかった。

第４図に波長１．５５μｍでの周波数特性を示す。

本図において、破線は従来のＰＩＮ−ＦＤの周波数特性
を実線は第３図のＰＩＮ−ＦＤの周波数特性をそれぞれ
示している。この図から明らかな様に、ブラッグ反射器
を設けて光吸収層を短くした本実施例の素子のカットオ
フ（Ｃｕｔ　ｏｆｆ　）周波数は８ＧＨｚであり、従来
の素子のカットオフ周波数５　ＧＨｚを大きく上回って
いる。このように、第３図実施例は、量子効率が従来例
同様に高く、応答速度は従来例よりはるかに優れたＰＩ
Ｎ−ＦＤである。

（発明の効果） 以上に詳しく説明したように、本発明によれば、光吸収
層を薄くしても量子効率の低下がなく、高速で高感度な
半導体受光素子が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体受光素子に用いられるブラッグ
反射器の構造を示す模式図、第２図は本発明のブラッグ
反射器の反射率特性を示す図、第３図は本発明の一実施
例を示す断面図、第４図は第３図実施例の効果を示すだ
めの周波数特性図、第５図は従来の半導体受光素子の例
を示す断面図である。 １・・・ｐ側電極、２・・・ｐ＋−工ｎＰ層、３・・・
ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層、４　・・−ｎ−−ＩｎＧａＡｓ
層、５・・・ｎ＋−ＩｎＰ層、６・・・ｎ＋−工ｎｐ基
板、７・・・ｎ側電極、８・・・ＩｎＰ　／　ＩｎＧａ
Ａｓ超格子層、１０・・・入射光。 代理人　　弁理士　　本　庄　伸　介 Ｅ９１　　　Ｅ９２ 第１図 １．４５　　　１．５０　　　１．５５　　　１．６０
　　　１５５；＆＆（）Ｊｍ） 第２図 入村先 第３図 側　３反　救　（ＧＨｚ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の導電型を有する半導体層からなる光吸収層と、前
   記半導体層とは反対の第２の導電型を有する半導体層と
   を少なくとも有する積層構造を備えている半導体受光素
   子において、第１及び第２半導体層を交互に積層してな
   る超格子層が前記光吸収層の光の入射面とは反対側の面
   側に設けてあり、前記第１半導体層は禁制帯幅がＥｇ＿
   １、厚さがｄ＿１、反射係数がｎ＿１であり、前記第２
   半導体層は禁制帯幅がＥｇ＿２（Ｅｇ＿１＞Ｅｇ＿２）
   、厚さがｄ＿２、反射係数がｎ＿２（ｎ＿１＜ｎ＿２）
   であり、前記第１及び第２半導体層は、ある特定の波長
   λの光に対し、ｄ＿１＝λ／４ｎ＿１、ｄ＿２＝λ／４
   ｎ＿２を満足することを特徴とする半導体受光素子。