WO2018189898A1 - Semiconductor light-receiving element - Google Patents
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Definitions
- the composition of the buffer layer 13 is controlled so as not to be sensitive to the wavelength of incident light. Specifically, the composition ratio of AlGaInAs is adjusted. Further, the material of the buffer layer 13 need not be limited to AlGaInAs.
- the buffer layer 13 can be made of a material having a band gap between the band gap of AlInAs and the band gap of InP. For example, a layer formed of a combination of arbitrary materials among Al, Ga, In, As, and P can be used as the buffer layer.
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Abstract
The invention comprises: an InP substrate comprising InP; a buffer layer provided above the InP substrate, in contact or not in contact with the InP substrate; an electron multiplier layer provided above the buffer layer, in contact with the buffer layer, and formed from an Al-containing material; a photoabsorption layer provided above the electron multiplier layer, absorbing light to generate a carrier; and a contact layer provided above the photoabsorption layer. The invention is characterized in that the material of the buffer layer is a quaternary crystal having a lower Al composition than the electron multiplier layer.
Description
この発明は、例えば光通信に用いられる半導体受光素子に関する。
The present invention relates to a semiconductor light receiving element used for optical communication, for example.
光通信で長距離伝送を実現するためには、受信側で光信号を増幅させる作用を持つアバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photo Diode)が不可欠である。APDでは、受信した信号を増幅させる層として、InPを材料とする正孔増倍層か、AlInAsを材料とする電子増倍層が主に用いられる。
In order to realize long-distance transmission by optical communication, an avalanche photodiode (APD: Avalanche Photo Diode) having an action of amplifying an optical signal on the receiving side is indispensable. In the APD, as a layer for amplifying a received signal, a hole multiplication layer made of InP or an electron multiplication layer made of AlInAs is mainly used.
InPを材料とする正孔増倍層を設けるよりも、AlInAsを材料とする電子増倍層を設けた方が雑音指数に優れる。特許文献1には、AlInAsを材料とする電子増倍層を用いた、優れた雑音指数を有するアバランシェフォトダイオードが開示されている。
It is better to provide an electron multiplication layer made of AlInAs than a hole multiplication layer made of InP. Patent Document 1 discloses an avalanche photodiode having an excellent noise figure using an electron multiplier layer made of AlInAs.
非特許文献1には、Al組成が高くなる結晶材料であるAlInAsは、InPに比べて熱抵抗が大きいことが示されている。そのため、AlInAsを材料とする増倍層で発生した局所的な熱によりデバイス特性が悪化することがある。
Non-Patent Document 1 shows that AlInAs, which is a crystalline material with a high Al composition, has a higher thermal resistance than InP. Therefore, device characteristics may be deteriorated by local heat generated in the multiplication layer made of AlInAs.
特許文献2には、InPを材料とする正孔増倍層を有するアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層と半導体基板の間にバッファ層を挿入することが開示されている。しかしながら、正孔増倍層を有するアバランシェフォトダイオードでは、局所的な電界集中を防ぐためにデバイス内にガードリング構造を形成する必要があり、複雑な製造を要する。
Patent Document 2 discloses that in an avalanche photodiode having a hole multiplication layer made of InP, a buffer layer is inserted between a light absorption layer and a semiconductor substrate. However, in an avalanche photodiode having a hole multiplication layer, it is necessary to form a guard ring structure in the device in order to prevent local electric field concentration, and complicated manufacturing is required.
AlInAsを材料とする電子増倍層を有する半導体受光素子では、電子増倍層とその近傍の熱抵抗が高く、素子の放熱性が不十分になることがある。例えば、InP基板上に基板からの不純物拡散抑制と結晶品質向上のためにAlInAsを材料とするバッファ層を成長し、その後、電子増倍層を成長させることが考えられる。この場合、バッファ層の材料であるAlInAsはInPより熱抵抗が高いため、素子の高温動作時に熱が逃げにくい。そのため、素子の放熱性が不十分になる問題があった。
In a semiconductor light receiving element having an electron multiplier layer made of AlInAs, the thermal resistance of the electron multiplier layer and its vicinity is high, and the heat dissipation of the element may be insufficient. For example, it is conceivable to grow a buffer layer made of AlInAs on the InP substrate to suppress impurity diffusion from the substrate and improve crystal quality, and then grow an electron multiplication layer. In this case, since AlInAs, which is a material of the buffer layer, has a higher thermal resistance than InP, it is difficult for heat to escape during high-temperature operation of the element. Therefore, there is a problem that the heat dissipation of the element becomes insufficient.
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、Alを含む電子増倍層を用いつつ、放熱性を改善できる半導体受光素子を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light-receiving element that can improve heat dissipation while using an electron multiplying layer containing Al.
本願の発明にかかる半導体受光素子は、InP基板と、該InP基板の上に設けられたバッファ層と、該バッファ層の上に該バッファ層と接して設けられ、Alを含む材料で形成された電子増倍層と、該電子増倍層の上方に設けられた光吸収層と、該光吸収層の上方に設けられたコンタクト層と、を備え、該バッファ層の材料は電子増倍層よりもAl組成が低い四元の結晶であることを特徴とする。
A semiconductor light receiving element according to the present invention is formed of an InP substrate, a buffer layer provided on the InP substrate, and a material including Al provided on the buffer layer in contact with the buffer layer. An electron multiplying layer; a light absorbing layer provided above the electron multiplying layer; and a contact layer provided above the light absorbing layer, wherein the material of the buffer layer is from the electron multiplying layer. Is a quaternary crystal having a low Al composition.
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
Other features of the present invention will be clarified below.
この発明によれば、電子増倍層よりもAl組成が低いバッファ層を電子増倍層に接触させることで、Alを含む電子増倍層を用いつつ、放熱性を改善できる。
According to this invention, heat dissipation can be improved while using an electron multiplication layer containing Al by bringing a buffer layer having an Al composition lower than that of the electron multiplication layer into contact with the electron multiplication layer.
本発明の実施の形態に係る半導体受光素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
A semiconductor light receiving element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体受光素子10の断面図である。この半導体受光素子10は電子増倍型のアバランシェフォトダイオードである。半導体受光素子10はn型のInP基板12を備えている。InP基板12に、有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)又は分子線エピタキシャル成長法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)などの手法で各層を形成することで半導体受光素子を作成することができる。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductorlight receiving element 10 according to the first embodiment. The semiconductor light receiving element 10 is an electron multiplying avalanche photodiode. The semiconductor light receiving element 10 includes an n-type InP substrate 12. A semiconductor light-receiving element can be formed by forming each layer on the InP substrate 12 by a method such as metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) or molecular beam epitaxy (MBE). it can.
図1は、実施の形態1に係る半導体受光素子10の断面図である。この半導体受光素子10は電子増倍型のアバランシェフォトダイオードである。半導体受光素子10はn型のInP基板12を備えている。InP基板12に、有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)又は分子線エピタキシャル成長法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)などの手法で各層を形成することで半導体受光素子を作成することができる。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor
以下、製造方法を説明しつつ半導体受光素子10の構成を明らかにする。まず、MOVPE法により、600℃程度の成長温度でInP基板12上に以下の各層を順次成長させる。
(1)キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり、厚みが0.1~1μmのn型のAlGaInAsを材料とするバッファ層13。
(2)厚みが0.1~0.5μmであり、i型のAlInAsを材料とする電子増倍層14。
(3)キャリア濃度が0.5~1×1018cm-3であり、厚みが0.05~0.15μmのp型のAlInAsを材料とする電界緩和層15。
(4)キャリア濃度が1~5×1015cm-3であり、厚みが0.05~0.15μmであり、組成が異なるn-型のAlGaInAsを材料とする遷移層16、17、18。
(5)キャリア濃度が1~5×1015cm-3であり、厚みが1~2μmのn-型のInGaAsを材料とする光吸収層19。
(6)キャリア濃度が0.01~0.1×1015cm-3であり、厚みが0.5~1μmのn-型InP窓層20。
(7)キャリア濃度1~5×1018cm-3であり、厚みが0.1~0.5μmのp型のInGaAsを材料とするコンタクト層21。 Hereinafter, the structure of the semiconductorlight receiving element 10 will be clarified while explaining the manufacturing method. First, the following layers are sequentially grown on the InP substrate 12 at a growth temperature of about 600 ° C. by the MOVPE method.
(1) Thebuffer layer 13 made of n-type AlGaInAs having a carrier concentration of 1 to 5 × 10 18 cm −3 and a thickness of 0.1 to 1 μm.
(2) Anelectron multiplying layer 14 having a thickness of 0.1 to 0.5 μm and made of i-type AlInAs.
(3) An electricfield relaxation layer 15 made of p-type AlInAs having a carrier concentration of 0.5 to 1 × 10 18 cm −3 and a thickness of 0.05 to 0.15 μm.
(4) Transition layers 16, 17, and 18 made of n − type AlGaInAs having a carrier concentration of 1 to 5 × 10 15 cm −3 , a thickness of 0.05 to 0.15 μm, and different compositions.
(5) Thelight absorption layer 19 made of n − -type InGaAs having a carrier concentration of 1 to 5 × 10 15 cm −3 and a thickness of 1 to 2 μm.
(6) The n − -typeInP window layer 20 having a carrier concentration of 0.01 to 0.1 × 10 15 cm −3 and a thickness of 0.5 to 1 μm.
(7) Thecontact layer 21 made of p-type InGaAs having a carrier concentration of 1 to 5 × 10 18 cm −3 and a thickness of 0.1 to 0.5 μm.
(1)キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり、厚みが0.1~1μmのn型のAlGaInAsを材料とするバッファ層13。
(2)厚みが0.1~0.5μmであり、i型のAlInAsを材料とする電子増倍層14。
(3)キャリア濃度が0.5~1×1018cm-3であり、厚みが0.05~0.15μmのp型のAlInAsを材料とする電界緩和層15。
(4)キャリア濃度が1~5×1015cm-3であり、厚みが0.05~0.15μmであり、組成が異なるn-型のAlGaInAsを材料とする遷移層16、17、18。
(5)キャリア濃度が1~5×1015cm-3であり、厚みが1~2μmのn-型のInGaAsを材料とする光吸収層19。
(6)キャリア濃度が0.01~0.1×1015cm-3であり、厚みが0.5~1μmのn-型InP窓層20。
(7)キャリア濃度1~5×1018cm-3であり、厚みが0.1~0.5μmのp型のInGaAsを材料とするコンタクト層21。 Hereinafter, the structure of the semiconductor
(1) The
(2) An
(3) An electric
(4)
(5) The
(6) The n − -type
(7) The
上述の結晶成長により、InP基板12の上にバッファ層13が設けられ、バッファ層13の上に電子増倍層14が設けられる。さらに、電子増倍層14の上方に光吸収層19が設けられ、光吸収層19の上方にコンタクト層21が設けられる。
By the crystal growth described above, the buffer layer 13 is provided on the InP substrate 12, and the electron multiplication layer 14 is provided on the buffer layer 13. Further, a light absorption layer 19 is provided above the electron multiplication layer 14, and a contact layer 21 is provided above the light absorption layer 19.
次いで、例えば直径20μmの円形の開口を有するSiOx膜をマスクとして、そのマスクから露出したInP窓層20にZnを拡散させ、p型導電領域24を形成する。次いで、コンタクト層21の一部をエッチングで除去することで、p型導電領域24の上に平面視で円形又は同心円形を呈するコンタクト層21を得る。コンタクト層21の幅は例えば5μmとする。
Next, for example, using a SiOx film having a circular opening with a diameter of 20 μm as a mask, Zn is diffused into the InP window layer 20 exposed from the mask to form the p-type conductive region 24. Next, a part of the contact layer 21 is removed by etching, whereby the contact layer 21 having a circular shape or a concentric circular shape in plan view is obtained on the p-type conductive region 24. The width of the contact layer 21 is 5 μm, for example.
次いで、ウエハにSiNxを材料とする反射防止膜23を成膜する。反射防止膜23は表面保護膜としても機能する。その後、コンタクト層21の上部にある反射防止膜23を取り除く。
Next, an antireflection film 23 made of SiNx is formed on the wafer. The antireflection film 23 also functions as a surface protective film. Thereafter, the antireflection film 23 on the contact layer 21 is removed.
次いで、コンタクト層21の上にp電極22を形成する。p電極22の材料は例えばAuZnである。次いで、InP基板12のバッファ層13が積層された面と逆の面を研摩し、n電極11を形成する。n電極11の材料は例えばAuGeNiである。
Next, a p-electrode 22 is formed on the contact layer 21. The material of the p electrode 22 is, for example, AuZn. Next, the surface opposite to the surface on which the buffer layer 13 of the InP substrate 12 is laminated is polished to form the n-electrode 11. The material of the n electrode 11 is, for example, AuGeNi.
半導体受光素子10の動作を説明する。n電極11側が+電位、p電極22側が-電位となるように外部から半導体受光素子10に逆バイアス電圧を加える。この状態で、p電極22側からp型導電領域24に検出しようとする光を入射させる。光通信波長帯である1.3μm帯あるいは1.5μm帯の近赤外領域の光をp型導電領域24に入射させると、光は光吸収層19において吸収されて電子-ホール対が生成する。
The operation of the semiconductor light receiving element 10 will be described. A reverse bias voltage is applied to the semiconductor light receiving element 10 from the outside so that the n electrode 11 side is at a positive potential and the p electrode 22 side is at a negative potential. In this state, light to be detected is incident on the p-type conductive region 24 from the p-electrode 22 side. When light in the near infrared region of the optical communication wavelength band of 1.3 μm band or 1.5 μm band is incident on the p-type conductive region 24, the light is absorbed in the light absorption layer 19 to generate electron-hole pairs. .
生成した電子はn電極11の方へ移動し、生成したホールはp電極22の方へ移動する。上述の逆バイアス電圧が充分に高い時、電子増倍層14において電子がイオン化して新たな電子-ホール対を生成する。既存のキャリアと新たに生成されたキャリアがさらなるイオン化を引き起こす事によって、電子とホールが雪崩的に増倍するアバランシェ増倍が引き起こされる。
The generated electrons move toward the n electrode 11, and the generated holes move toward the p electrode 22. When the reverse bias voltage is sufficiently high, electrons are ionized in the electron multiplier layer 14 to generate new electron-hole pairs. Existing carriers and newly generated carriers cause further ionization, thereby causing avalanche multiplication in which electrons and holes multiply in an avalanche manner.
アバランシェ増倍が生じる電子増倍層14は最も活性な領域である。したがって、半導体受光素子10の動作時の熱源は電子増倍層14に中心があると考えられる。AlInAsを材料とする電子増倍層14にはAlが多く含まれるので、電子増倍層14は放熱性が悪い。そこで、電子増倍層14よりもAlの含有量が少ないAlGaInAsを材料とするバッファ層13を電子増倍層14に接触させた。InP基板12と電子増倍層14の間にこれらと接するようにバッファ層13を形成することで、熱源である電子増倍層14の周囲の熱抵抗を下げることができる。これにより素子内部における放熱性を改善することができる。
The electron multiplication layer 14 in which avalanche multiplication occurs is the most active region. Therefore, it is considered that the heat source during the operation of the semiconductor light receiving element 10 is centered on the electron multiplication layer 14. Since the electron multiplication layer 14 made of AlInAs contains a large amount of Al, the electron multiplication layer 14 has poor heat dissipation. Therefore, the buffer layer 13 made of AlGaInAs having a lower Al content than the electron multiplication layer 14 was brought into contact with the electron multiplication layer 14. By forming the buffer layer 13 between the InP substrate 12 and the electron multiplier layer 14 so as to be in contact with them, the thermal resistance around the electron multiplier layer 14 as a heat source can be lowered. Thereby, the heat dissipation within the element can be improved.
図2は、半導体受光素子の熱解析結果を示す図である。InP基板12側が理想的なヒートシンクに接して0[K]となり、熱源が電子増倍層14にある条件下で、熱伝導方程式を解析的に解いて基準となるヒートシンクから各層の温度を求めた。左側には膜厚500nmのAlInAsでバッファ層を形成した場合の電子増倍層14の温度が示されている。右側には膜厚500nmであり吸収短波長が1.2μmとなるように組成を調整したAlGaInAsでバッファ層を形成した場合の電子増倍層14の温度が示されている。
FIG. 2 is a diagram showing a thermal analysis result of the semiconductor light receiving element. Under the condition that the InP substrate 12 side is in contact with an ideal heat sink and becomes 0 [K], and the heat source is in the electron multiplication layer 14, the temperature of each layer is obtained from the heat sink as a reference by analytically solving the heat conduction equation. . On the left side, the temperature of the electron multiplying layer 14 when the buffer layer is formed of AlInAs having a thickness of 500 nm is shown. On the right side, the temperature of the electron multiplying layer 14 in the case where the buffer layer is formed of AlGaInAs having a film thickness of 500 nm and the composition adjusted so that the absorption short wavelength is 1.2 μm is shown.
図2から、AlInAsを材料とするバッファ層を用いると、電子増倍層14の温度はヒートシンクを基準として337Kとなることが分かる。また、AlGaInAsを材料とするバッファ層を用いると、電子増倍層14の温度はヒートシンクを基準として310Kとなることが分かる。したがって、バッファ層にAlGaInAsを用いるとAlInAsを用いたときよりも約8%だけ電子増倍層14の温度を低くできる。この結果は、AlGaInAsは、AlInAsよりもAl組成が小さく、電子増倍層付近の結晶の熱抵抗が減少することによって引き起こされたと考えられる。
FIG. 2 shows that when a buffer layer made of AlInAs is used, the temperature of the electron multiplying layer 14 is 337 K with respect to the heat sink. In addition, when a buffer layer made of AlGaInAs is used, it can be seen that the temperature of the electron multiplier layer 14 is 310 K with respect to the heat sink. Therefore, when AlGaInAs is used for the buffer layer, the temperature of the electron multiplier layer 14 can be lowered by about 8% compared to when AlInAs is used. This result is considered that AlGaInAs has an Al composition smaller than that of AlInAs and is caused by a decrease in the thermal resistance of the crystal near the electron multiplication layer.
図3は、バッファ層13の厚さと温度の関係を示す図である。図3には実施の形態1の半導体受光素子10のバッファ層13の層厚を0.1μm~1.2μmに変えた場合のInP基板12と電子増倍層14の温度差が示されている。バッファ層13が薄いほど電子増倍層14の放熱性が改善している。実際に結晶成長を実施する際にInP基板12からバッファ層13へ不純物拡散が生じたり、バッファ層13内での電界分布が電子増倍層14の動作に影響したりするので、バッファ層13は0.2μm以上の厚みを確保することが好ましい。他方、バッファ層13が厚すぎる場合は、放熱性の悪化に加えて、電子走行距離が長くなるため、半導体受光素子の高速応答が困難にある。そのため、バッファ層13の厚さは1.0μmを上限とすることが好ましい。したがって、バッファ層13の層厚は0.2μm以上1.0μm以下とすることが好ましい。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of the buffer layer 13 and the temperature. FIG. 3 shows the temperature difference between the InP substrate 12 and the electron multiplier layer 14 when the thickness of the buffer layer 13 of the semiconductor light receiving element 10 of the first embodiment is changed from 0.1 μm to 1.2 μm. . The thinner the buffer layer 13, the better the heat dissipation of the electron multiplying layer 14. When the crystal growth is actually performed, impurity diffusion occurs from the InP substrate 12 to the buffer layer 13, or the electric field distribution in the buffer layer 13 affects the operation of the electron multiplication layer 14. It is preferable to secure a thickness of 0.2 μm or more. On the other hand, when the buffer layer 13 is too thick, in addition to the deterioration of heat dissipation, the electron travel distance becomes long, so that the high-speed response of the semiconductor light receiving element is difficult. For this reason, the thickness of the buffer layer 13 is preferably 1.0 μm. Therefore, the layer thickness of the buffer layer 13 is preferably 0.2 μm or more and 1.0 μm or less.
図4は、仮にAlInAsを材料とするバッファ層を設けた場合のエネルギーバンド図である。図5は、実施形態1のInP基板12、バッファ層13および電子増倍層14のエネルギーバンド図である。上述のとおりバッファ層13の材料はAlGaInAsである。AlGaInAsを材料とするバッファ層13を設けた場合、熱抵抗を低減できるだけでなく、InP基板12とAlInAsを材料とする電子増倍層14との間のバンド不連続量を低減することもできる。バンド不連続量の低減は応答の高速化に貢献する。
FIG. 4 is an energy band diagram in the case where a buffer layer made of AlInAs is provided. FIG. 5 is an energy band diagram of the InP substrate 12, the buffer layer 13, and the electron multiplication layer 14 according to the first embodiment. As described above, the material of the buffer layer 13 is AlGaInAs. When the buffer layer 13 made of AlGaInAs is provided, not only the thermal resistance can be reduced, but also the band discontinuity between the InP substrate 12 and the electron multiplier layer 14 made of AlInAs can be reduced. Reduction of the band discontinuity contributes to speeding up the response.
バッファ層13による光吸収を防止するためには、入射する光の波長に感度を持たない様にバッファ層13の組成を設定することが重要である。バッファ層13のAl、Ga、In、Asの組成を制御することで、バンドギャップに相当する波長である吸収端波長を調整することができる。吸収端波長より短い波長はその層で吸収される。吸収端波長λ(Eg)[μm]は1.24/Egに等しい。ここで、Egはある層のバンドギャップエネルギー[eV]である。
In order to prevent light absorption by the buffer layer 13, it is important to set the composition of the buffer layer 13 so as not to be sensitive to the wavelength of incident light. By controlling the composition of Al, Ga, In, and As of the buffer layer 13, the absorption edge wavelength that is a wavelength corresponding to the band gap can be adjusted. Wavelengths shorter than the absorption edge wavelength are absorbed by the layer. The absorption edge wavelength λ (Eg) [μm] is equal to 1.24 / Eg. Here, Eg is the band gap energy [eV] of a certain layer.
バッファ層13の吸収端波長は、0.85μm以上かつ1.3μm以下とすることが好ましい。AlInAsを材料とする電子増倍層14のバンドギャップエネルギーは1.45eVであるから、電子増倍層14の吸収端波長λ(Eg)は、1.24/Eg=1.24/1.45=0.85[μm]である。よって、バッファ層13の吸収端波長を0.85μm以上とすることで、電子増倍層14で吸収される光がバッファ層13で吸収されることを防止できる。また、1.3μm帯の近赤外線を半導体受光素子10に入射させる場合、バッファ層13の吸収端波長を1.3μm以下とすることで、当該近赤外線がバッファ層13で吸収されることを防止できる。
The absorption edge wavelength of the buffer layer 13 is preferably 0.85 μm or more and 1.3 μm or less. Since the band gap energy of the electron multiplying layer 14 made of AlInAs is 1.45 eV, the absorption edge wavelength λ (Eg) of the electron multiplying layer 14 is 1.24 / Eg = 1.24 / 1.45. = 0.85 [μm]. Therefore, by setting the absorption edge wavelength of the buffer layer 13 to 0.85 μm or more, it is possible to prevent light absorbed by the electron multiplication layer 14 from being absorbed by the buffer layer 13. Further, when near infrared rays in the 1.3 μm band are incident on the semiconductor light receiving element 10, the near infrared rays are prevented from being absorbed by the buffer layer 13 by setting the absorption edge wavelength of the buffer layer 13 to 1.3 μm or less. it can.
本発明の実施の形態1に係る半導体受光素子10はAlが多い電子増倍層14では十分な放熱性を確保できない問題を解決するために、電子増倍層14にバッファ層13を接触させることで、放熱性を改善するものである。半導体受光素子10はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。
In order to solve the problem that the semiconductor light-receiving element 10 according to the first exemplary embodiment of the present invention cannot secure sufficient heat dissipation with the electron multiplying layer 14 having a large amount of Al, the buffer layer 13 is brought into contact with the electron multiplying layer 14. Thus, the heat dissipation is improved. The semiconductor light receiving element 10 can be variously modified within a range not losing its characteristics.
例えば、バッファ層13の材料は電子増倍層14よりもAl組成が低い四元の結晶であれば、特に限定されない。例えばAlGaInAs又はAlInAsPをバッファ層13の材料とすることができる。
For example, the material of the buffer layer 13 is not particularly limited as long as it is a quaternary crystal having an Al composition lower than that of the electron multiplication layer 14. For example, AlGaInAs or AlInAsP can be used as the material of the buffer layer 13.
また、電子増倍層14の材料はAlInAsに限らない。例えば電子増倍層14の材料をAlGaInAsとすれば電子増倍層14自体の熱抵抗を下げる効果が期待できる。電子増倍層14としては、InP基板12に格子整合し、電子のイオン化率がホールのイオン化率より大きい半導体であり、Alを含むあらゆる材料を採用することができる。例えばAlInAs/AlGaInAs超格子、またはInGaAsPを電子増倍層14の材料としてもよい。
The material of the electron multiplication layer 14 is not limited to AlInAs. For example, if the material of the electron multiplication layer 14 is AlGaInAs, the effect of lowering the thermal resistance of the electron multiplication layer 14 itself can be expected. The electron multiplying layer 14 is a semiconductor that is lattice-matched to the InP substrate 12 and has an electron ionization rate larger than the hole ionization rate, and any material containing Al can be employed. For example, AlInAs / AlGaInAs superlattice or InGaAsP may be used as the material of the electron multiplication layer 14.
本実施の形態では、Zn拡散によってp型導電領域24を形成した場合について説明したが、別のp導電型を付与する原子を用いてもよい。Zn拡散の手法として、ZnOを用いた固相拡散法、または結晶成長炉を使用したZn気相拡散法を用いることができる。コンタクト層21は結晶成長により成長してもよい。本実施の形態では、p電極22側からp型導電領域24に検出しようとする光を入射させる表面入射型構造について説明した。しかし、InP基板12側から光を入射させる裏面入射型構造を採用しても、上記の効果を得ることができる。
In this embodiment, the case where the p-type conductive region 24 is formed by Zn diffusion has been described. However, an atom imparting another p-type conductivity may be used. As a Zn diffusion method, a solid phase diffusion method using ZnO or a Zn vapor phase diffusion method using a crystal growth furnace can be used. The contact layer 21 may be grown by crystal growth. In the present embodiment, the surface incident type structure in which light to be detected is incident on the p-type conductive region 24 from the p-electrode 22 side has been described. However, even if a back-illuminated structure in which light is incident from the InP substrate 12 side is employed, the above effect can be obtained.
実施の形態1で言及した変形は以下の実施の形態に係る半導体受光素子に応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体受光素子は実施の形態1との類似点が多いので実施の形態1との相違点を中心に説明する。
The modifications mentioned in the first embodiment can be applied to semiconductor light receiving elements according to the following embodiments. Since the semiconductor light receiving element according to the following embodiment has many similarities to the first embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described.
実施の形態2.
図6は、実施の形態2に係る半導体受光素子の断面図である。実施の形態2の半導体受光素子のバッファ層13は組成の異なる複数の層13a、13b、13cを有している。層13a、13b、13cはAlGaInAsで形成されているが組成が異なる。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment. Thebuffer layer 13 of the semiconductor light receiving element of the second embodiment has a plurality of layers 13a, 13b, 13c having different compositions. The layers 13a, 13b, and 13c are formed of AlGaInAs but have different compositions.
図6は、実施の形態2に係る半導体受光素子の断面図である。実施の形態2の半導体受光素子のバッファ層13は組成の異なる複数の層13a、13b、13cを有している。層13a、13b、13cはAlGaInAsで形成されているが組成が異なる。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment. The
図7は、実施の形態2に係るバッファ層13等のエネルギーバンド図である。複数の層13a、13b、13cは電子増倍層14に近い層ほど短い吸収端波長を有する。またバンド不連続量を低減するに、複数の層13a、13b、13cの吸収端波長はInP基板12から電子増倍層14に向かって徐々に短くなる事が望ましい。バッファ層13を複数層で構成する場合、バッファ層13において連続的にバンドギャップを変化させることで、階段状にバンドギャップが変化する部分がなくなるようにしてもよい。
FIG. 7 is an energy band diagram of the buffer layer 13 and the like according to the second embodiment. The plurality of layers 13 a, 13 b, and 13 c have shorter absorption edge wavelengths as layers closer to the electron multiplication layer 14. In order to reduce the band discontinuity, it is desirable that the absorption edge wavelengths of the plurality of layers 13 a, 13 b, and 13 c gradually become shorter from the InP substrate 12 toward the electron multiplication layer 14. When the buffer layer 13 is composed of a plurality of layers, the band gap may be changed continuously in the buffer layer 13 so that the portion where the band gap changes stepwise may be eliminated.
実施の形態2に係る半導体受光素子によれば、電子増倍層14に近い層ほど短い吸収端波長を有する複数の層13a、13b、13cを備えたバッファ層13を設けることで、InP基板12と電子増倍層14の間のバンド不連続量を低減することができる。よって、実施の形態2の半導体受光素子は高速応答に適した素子である。
According to the semiconductor light receiving element according to the second embodiment, by providing the buffer layer 13 including the plurality of layers 13a, 13b, and 13c having shorter absorption edge wavelengths as the layer closer to the electron multiplier layer 14, the InP substrate 12 is provided. And the band discontinuity between the electron multiplication layer 14 can be reduced. Therefore, the semiconductor light receiving element of the second embodiment is an element suitable for high-speed response.
実施の形態1と同様に、バッファ層13の組成は、入射する光の波長に感度を持たない様に制御する。具体的には、AlGaInAsの組成比を調整する。また、バッファ層13の材料はAlGaInAsに限定する必要は無い。バンドギャップがAlInAsのバンドギャップとInPのバンドギャップの間にある材料でバッファ層13を構成することができる。例えば、Al、Ga、In、As、Pのうちの任意の材料の組み合わせにより構成される層をバッファ層とすることができる。
As in the first embodiment, the composition of the buffer layer 13 is controlled so as not to be sensitive to the wavelength of incident light. Specifically, the composition ratio of AlGaInAs is adjusted. Further, the material of the buffer layer 13 need not be limited to AlGaInAs. The buffer layer 13 can be made of a material having a band gap between the band gap of AlInAs and the band gap of InP. For example, a layer formed of a combination of arbitrary materials among Al, Ga, In, As, and P can be used as the buffer layer.
実施の形態2では層13a、13b、13cを備えるバッファ層13を説明したが、バッファ層13の層の数は3に限定されない。
Although the buffer layer 13 including the layers 13a, 13b, and 13c has been described in the second embodiment, the number of the buffer layers 13 is not limited to three.
10 半導体受光素子、 12 InP基板、 13 バッファ層、 14 電子増倍層、 19 光吸収層、 21 コンタクト層
10 semiconductor light-receiving element, 12 InP substrate, 13 buffer layer, 14 electron multiplication layer, 19 light absorption layer, 21 contact layer
Claims (7)
- InP基板と、
前記InP基板の上に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層の上に前記バッファ層と接して設けられ、Alを含む材料で形成された電子増倍層と、
前記電子増倍層の上方に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層の上方に設けられたコンタクト層と、を備え、
前記バッファ層の材料は前記電子増倍層よりもAl組成が低い四元の結晶であることを特徴とする半導体受光素子。 An InP substrate;
A buffer layer provided on the InP substrate;
An electron multiplying layer provided on the buffer layer in contact with the buffer layer and formed of a material containing Al;
A light absorption layer provided above the electron multiplication layer;
A contact layer provided above the light absorption layer,
The material of the buffer layer is a quaternary crystal having an Al composition lower than that of the electron multiplier layer. - 前記電子増倍層の材料はAlInAsであることを特徴とする請求項1に記載の半導体受光素子。 2. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the material of the electron multiplying layer is AlInAs.
- 前記バッファ層の材料はAlGaInAs又はAlInAsPであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体受光素子。 3. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the material of the buffer layer is AlGaInAs or AlInAsP.
- 前記バッファ層の吸収端波長は、0.85μm以上かつ1.3μm以下であることを特徴とする請求項3に記載の半導体受光素子。 4. The semiconductor light receiving element according to claim 3, wherein the absorption edge wavelength of the buffer layer is not less than 0.85 μm and not more than 1.3 μm.
- 前記バッファ層の層厚は0.2μm以上1.0μm以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の半導体受光素子。 5. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein a thickness of the buffer layer is 0.2 μm or more and 1.0 μm or less.
- 前記バッファ層は、組成の異なる複数の層を有し、
前記複数の層は、前記電子増倍層に近い層ほど短い吸収端波長を有することを特徴とする請求項3に記載の半導体受光素子。 The buffer layer has a plurality of layers having different compositions,
4. The semiconductor light receiving element according to claim 3, wherein the plurality of layers have shorter absorption edge wavelengths as a layer closer to the electron multiplication layer. - 前記電子増倍層の材料はAlGaInAsであることを特徴とする請求項1に記載の半導体受光素子。 2. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the material of the electron multiplying layer is AlGaInAs.
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