JPS63185074A - 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、長波長光通信用の受光素子に係り。

特に１０ＧＨｚ以上の高速応答を示す受光素子の構造に
関する。

〔従来の技術〕

表面入射型でプレーナ構造の受光素子としては現在周波
数帯域１４ＧＨｚのＰｉｎホトダイオードが試作されて
いる（「埋込み型Ｇ　ａ　Ｉ　ｎＡｓＰ　Ｔ　Ｎ−ＰＤ
の周波数特性の解析」鍬塚他、昭和６１年電子通信学会
光電波部門全国大会、第２−５０頁参照ン、上記ホトダ
イオードは埋込み構造を採用するなどして、容量を極め
て小さくした結果、高速応答性がホトキャリアの空乏層
走行時間で制限されている。

また裏面入射型でメサ構造の受光素子としては。

Ｂａ１ｌ研究所のグループにより周波数帯域が３０ＧＨ
ｚのＰｉｎホトダイオードが試作されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

裏面入射型のホトダイオードはメサ構造でありブレーナ
構造に比べて信頼性に問題がある。また、電子素子との
モノリシック集積化を考えた場合デバイス形状が異なる
ため、集積化が難しい欠点もある。

表面入射型のホトダイオードはプレーナ型で当初から電
子素子とのモノリシック集積化を目指した構造であるが
、デバイス構造の最適化を行なっても、周波数帯域の向
上がそれほど望めないという欠点がある。

上記プレーナ型ホトダイオードにおいて空乏層を走行す
るホトキャリアはホールである。ホールの高電界印加時
の飽和速度は電子に比べて１７２以下である６本発明の
目的は、空乏層を走行するホトキャリアを電子にするこ
とで走行時間を短縮し、走行時間で制限される周波数特
性を向上させることにある。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 上記目的は光吸収層の導電型をＰ型とし、光吸収層の少
数キャリアを電子とすることにより達成される。

〔作用〕 キャリアの走行時間をｔｔｒ、走行時間制限の遮断周波
数ｆ　ｃｔ、空乏層幅をＷ、飽和速度をＶ４ｇとすると
、以下の関係式が成立する。

００．＝□　　　　　　　　　　　　　・・・（１）Ｖ
ｄｊ！ ことで、高い量子効率を得るためには、吸収係数をαと
してαＷ４≧−２，３となることが必要であり、空乏層
幅Ｗをあまり小さくすることはできない。

したがって、飽和速度Ｖ４ｇの大きい少数キャリアを用
いて、遮断周波数ｆｃｔを向上させることが有利となる
。

〔実施例〕

以下１本発明の詳細な説明する 実施例１ 本発明を長波長１．５５μｍ帯受光素子に適応した実施
例を第１図により説明する。

第１図は、ｐ型ＩｎＰ基板を用いたＩｎＰ／ＴｎＧａＡ
ｓ　Ｐｉｎホトダイオードの断面図である。

まず構成を説明する。第１図に示すホトダイオードは表
面入射型でプレーナ構造である。

ｐ型ＩｎＰ基板１を用い、気相成長法、有機金属熱分解
気相成長法または分子線エピタキシー法により、ｐ″″
−ＩｎＰバッファ層２、ｐ″″−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
３、ｐ″″ＩｎＰ窓層４を連続成長させる。

ｆｉ＋　−ＩｎＰ層５はＳｉのイオン注入することによ
り、ＴｎＰ窓層とＩｎＧａＡｓ光吸収層の界面に接合フ
ロントが位置するように形成するｍ　ｐｎ接合の半径は
接合容量を低減するために３０μｍφに設定しである。

パッシベーション膜６はＳｉＮと５ｉＯｚの二重膜を用
い、受光面には５ｉＮ７の反射防止膜を設け、外部反射
を１％以内に抑えている。ｎ型オーミック電極８、ｐ型
オーミック電極９は、周知のオーミック電極材料をそれ
ぞれ用いている。

次に動作について説明する。

表面から入射した１μｍ帯の光はｎ−ＩｎＰ窓層を通過
し、逆バイアスされて空乏層化しているｐ′″−ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層で吸収され、ホトキャリアを生成する、
ホトキャリアの内で少数キャリアである電子は空乏層を
通過しｐ”ｎ接合に到達する光吸収層の厚さは１μｍで
あるので、（２）式より走行時間制限の遮断周波数は４
４　Ｇ　Ｈｚとなる。

またｐ”ｎ接合径が３０μｍであることから接合容量は
０．０３　　ｐＦとなり、負荷を５０ΩとするとＣＲ時
定数制限の遮断周波数は５３　Ｇ　Ｈｚとなる。ここで
は浮遊容量は０．０３　　ｐＦと仮定した。また、受光
面直径は２２μｍφで単一モードファイバとの結合は十
分可能となっている。

ＩｎＧａＡｓでは電子の飽和速度は正孔の飽和速度に比
べて、２倍程度といわれているため、走行時間制限遮断
周波数が、従来のｎ型基板を用いたホトダイオードに比
べて２倍改善されていることが分かる。

実施例２ 第２図は本発明をＩｎＧａＡｓホモ接合Ｐｉｎホトダイ
オードに適応した例である。

構成は実施例１とほぼ同一であり、窓層４を用いていな
い点が異なっている。

また動作原理も実施例１と同様であるが、ｎ÷−ＩｎＰ
層の厚みだけ量子効率が低くなる。

実施例２は製作プロセスが簡略化されていることが特長
で実施例１と同程度の高速応答性は期待できる。

実施例３ 第３図には半絶縁性ＩｎＰ基板を用いたＰｉｎホトダイ
オードの例を示す。

実施例１と異なる基板とバッファ層の間にコンタクト層
を挿入している点である。

動作原理・特性は実施例１とほぼ同一である。

実施例３は半絶縁性ＩｎＰ基板を用いているのが特長で
、電子素子との集積化に適した構造となっている。以上
ＩｎＰ基板を用いたデバイスの実施例について述べてき
たが、本発明は、Ｇａ　Ｓ　ｂ基板、Ｇａ−Ａｓ基板等
の他の化合物半導体材料を用いたとしても、その本質を
損なうものでないことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、長波長受光素子のホトキャリアとして
電子を用いることができるので、走行時間制限遮断周波
数を従来に比べて約２倍改善することができる効果があ
る。

上記効果を用いたホトダイオードの遮断周波数は４０Ｇ
Ｈｚ以上となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はｐ型ＩｎＰ基板を用いた窓層付きＰｉｎ・ホト
ダイオードの断面図である。 第２図はｐ型ＩｎＰ基板を用いた窓層無しＰｉｎホトダ
イオードの断面図である。 第３図は半絶縁性ＩｎＰ基板を用いたＰｉｎホトダイオ
ードの断面図である。 １・・・ｐ型ＩｎＰ基板、２・・・ｐ−−ＩｎＰバッフ
ァ層（２ｐｍ、　２　Ｘ　１０”（１ｍ−２１）　、　
　３−ｐ−−ＴｎＧａＡｓ光吸収ＭＩＪ（１μ腸＊　２
　Ｘ　１０　”ロー８）　、４・・・ｐ−−ＩｎＰ窓層
（１ｐｍ、　２　Ｘ　Ｉ　ＱＩＩ！Ｉｍ−”）　、５−
ｎ＋−Ｉ　ｎＰ５，６−８ｉＯｚ／ＳｉＮパツシベーシ
ヨン膜、７・・・ＳｉＮ反射防止膜、８・・・ｎ型オー
ミック電極、９・・・ｐ型オーミック電極、１１・・・
ｐ型ＩｎＰ基板、２・・・ｐ−ＩｎＰバッファ層（２μ
ｍ。 ２　Ｘ　Ｉ　Ｑ　１Ｂｃｎ−８）　、１３−　ｐ　−−
ＩｎＧａＡｓ光吸収層（１μｍ、２Ｘ１０１１Ｓｒａ−
８）　　、　　１４　＝　ｎ　＋　−ＩｎＧａＡｓ層（
０，１ｔｔｍ以下）　、　１５−８　ｉ　Ｏｘ／Ｓ　ｉ
　Ｎパッシベーション膜、１６・・・ＳｉＮ反射防止膜
、１７・・・ｎ型オーミック電極、１８・・・ｐ型オー
ミック電極、２１・・・半絶縁性ＴｎＰ基板、２２・・
・ｐ÷−ＩｎＰコンタクト層（１μｍｙｌＸｌ□ｔａ国
″″’）、２３”’ｐ″’　−Ｔ　ｎ　Ｐバッファ層（
２μｍ、２Ｘ１０”ｍ−３）　、　２４−　ｐ　−−Ｉ
ｎＧａＡｓ光吸収層（１μｍ、２Ｘ　１０１５ｒｘ−”
）　、　２５−　ｐ″″−ＩｎＰ窓層、２Ｇ−・・ｎ＋
−ＩｎＰｌ’ｊ、２７−８ｉＯｚ／ＳｉＮパツシベーシ
ヨン膜、２８・・・Ｓ　ｘ　Ｎ反射防止膜、２９・・・
ｎ型オーミック電極、３０・・・ｐ型オーミック電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方の化合物半導体基板上に少なくとも光を吸収す
   るための光吸収層を含む複数の半導体層を積層して構成
   される受光素子において、光吸収層の導電性をＰ型とす
   ることを特徴とする半導体受光素子。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の半導体受光素子にお
   いて、上記半導体基板を半絶縁性基板またはｐ型導電性
   基板とし、上記光吸収層をｐ＾−−ＩｎＧａＡｓ層、ま
   たはｐ＾−−ＧａＡｌＩｎＡｓ層とすることを特徴とす
   る半導体受光素子。 ３、特許請求の範囲第１項記載の半導体受光素子におい
   て、上記ｐ型光吸収層のキャリア濃度を５×１０＾１＾
   ５ｃｍ＾−＾３以下とすることを特徴とする半導体受光
   素子。