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技術 半導体受光素子

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 深野秀樹村本好史
出願日 1999年8月6日 (21年4ヶ月経過) 出願番号 1999-223956
公開日 2001年2月23日 (19年10ヶ月経過) 公開番号 2001-053328
状態 特許登録済
技術分野 受光素子3(フォトダイオード・Tr)
主要キーワード 到達領域 高受光感度 傾斜側壁 半絶縁性GaAs基板 度斜め ショットキーバリアハイト dB帯域 制限要因
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

光吸収層を薄くしながらも、高受光感度が得られ高速動作を可能とする。

解決手段

光受光層14を含む半導体多層構造となっており、光が層厚方向に対して斜めに入射する。光受光層14は、半導体層13,15により挟まれている。光入射側の半導体層15の屈折率は半導体層13の屈折率よりも大きく、半導体層13の屈折率は光受光層14の屈折率よりも小さくなっている。このため、光は光受光層14を透過した後、光受光層14と半導体層13との界面にて全反射して、再び光受光層14を透過する。このため実効的光吸収長が増大し、光吸収層の薄層化が実現できると共に、高受光感度が得られ高速動作が可能となる。

概要

背景

従来の光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、前記光受光層を入射光層厚方向に対し斜めに通過するようにした半導体受光素子を代表する屈折型半導体受光素子は、図2に示すような構造をしている。即ち、図2において、21は光入射面、22はp-InP層、23はInGaAs光受光層、24はn-InP 層、25はn-InP基板、26はp電極、27はn 電極である。

一般に、上層の電極26は、p 型の場合のAuZnNiやn 型の場合のAuGeNi等の金属を熱処理を施すことにより半導体層合金化を図り、オーミック電極としている。合金化のため、電極26と半導体間には微小凹凸が発生しており、屈折してきた光がここに到達しても、乱反射されたり、又、電極金属自身による光吸収もあって、電極部分での光の反射率は小さい。

概要

光吸収層を薄くしながらも、高受光感度が得られ高速動作を可能とする。

光受光層14を含む半導体多層構造となっており、光が層厚方向に対して斜めに入射する。光受光層14は、半導体層13,15により挟まれている。光入射側の半導体層15の屈折率は半導体層13の屈折率よりも大きく、半導体層13の屈折率は光受光層14の屈折率よりも小さくなっている。このため、光は光受光層14を透過した後、光受光層14と半導体層13との界面にて全反射して、再び光受光層14を透過する。このため実効的光吸収長が増大し、光吸収層の薄層化が実現できると共に、高受光感度が得られ高速動作が可能となる。

目的

本発明の目的は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした半導体受光素子において、薄い光吸収層でありながら高受光感度が得られ、又、超高速動作も可能となる半導体受光素子を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する第一の半導体層を含む上部半導体層と前記第一の半導体層より屈折率が大きい第二の半導体層を含む下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過し、前記第一の半導体層の前記光吸収層側の界面で全反射し、前記光吸収層を再度斜めに通過することを特徴とする半導体受光素子

請求項2

前記下部半導体層の少なくとも一部の側壁は、前記光吸収層の面となす角が鋭角傾斜側壁であり、前記入射光が前記傾斜側壁で屈折して前記光吸収層に入射することを特徴とする請求項1に記載の半導体受光素子。

請求項3

光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした半導体受光素子において、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層の屈折率が、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層の屈折率より大きい半導体層で構成されており、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層が光受光層より屈折率の小さな半導体層よりなり、その部分で光が全反射するように構成されていることを特徴とする半導体受光素子。

請求項4

光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層の屈折率が、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層の屈折率より大きい半導体層で構成されており、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層が光受光層より屈折率の小さな半導体層よりなり、その部分で光が全反射するように構成されていることを特徴とする半導体受光素子。

請求項5

前記光受光層に対し光入射側の半導体層が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい屈折率を有するInGaAsP 半導体層で構成されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の半導体受光素子。

請求項6

前記光受光層に対し光入射側の半導体層が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい屈折率を有するGaAs半導体層で構成されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の半導体受光素子。

技術分野

0001

本発明は、半導体受光素子に関するものであり、薄い光吸収層でありながら高受光感度が得られ、又、超高速動作も可能となるように工夫したものである。

背景技術

0002

従来の光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、前記光受光層を入射光層厚方向に対し斜めに通過するようにした半導体受光素子を代表する屈折型半導体受光素子は、図2に示すような構造をしている。即ち、図2において、21は光入射面、22はp-InP層、23はInGaAs光受光層、24はn-InP 層、25はn-InP基板、26はp電極、27はn 電極である。

0003

一般に、上層の電極26は、p 型の場合のAuZnNiやn 型の場合のAuGeNi等の金属を熱処理を施すことにより半導体層合金化を図り、オーミック電極としている。合金化のため、電極26と半導体間には微小凹凸が発生しており、屈折してきた光がここに到達しても、乱反射されたり、又、電極金属自身による光吸収もあって、電極部分での光の反射率は小さい。

発明が解決しようとする課題

0004

従って、屈折型半導体受光素子の特徴である屈折光が層厚方向に対し斜めに通過することによる実効吸収長の増大によって受光層厚の低減が図れるものの、十分大きな受光感度を得るためには、受光層23への屈折光の1回の通過で、光が十分吸収されるようにする必要がある。従って、受光層厚の薄層化には、このことによる制限があった。又、このため、受光層23を走行するキャリアの走行時間が半導体受光素子の応答速度の制限要因となって超高速でありかつ高受光感度の素子製作することができないという問題点があった。

0005

本発明の目的は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした半導体受光素子において、薄い光吸収層でありながら高受光感度が得られ、又、超高速動作も可能となる半導体受光素子を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決する本発明の構成は、光吸収層が前記光吸収層より小さな屈折率を有する第一の半導体層を含む上部半導体層と前記第一の半導体層より屈折率が大きい第二の半導体層を含む下部半導体層で挟まれた積層構造を有し、前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を層厚方向に対し斜めに通過し、前記第一の半導体層の前記光吸収層側の界面で全反射し、前記光吸収層を再度斜めに通過することを特徴とする。

0007

また本発明の構成は、下部半導体層の少なくとも一部の側壁は、光吸収層の面となす角が鋭角傾斜側壁であり、入射光が傾斜側壁で屈折して光吸収層に入射することを特徴とする。

0008

また本発明の構成は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした半導体受光素子において、光受光層に対し光入射側の半導体層の屈折率が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい半導体層で構成されており、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が光受光層より屈折率の小さな半導体層よりなり、その部分で光が全反射するように構成されていることを特徴とする。

0009

このため、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層で光が完全に全反射されることにより光が再度光受光層を通過することになり、光吸収効率が増大する。従来技術では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が合金化した電極で構成されており、この領域での反射が小さいが、本発明では、光受光層に対し光入射側の半導体層の屈折率が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい半導体層で構成されており、光受光層に接する光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が、この部分で光が全反射するような光受光層より屈折率の小さな半導体層で構成されていることにより、上層の電極部分まで光が行くことがなく、光受光層の上側界面において光が全反射する点が異なる。

0010

また本発明の構成は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、光受光層に対し光入射側の半導体層の屈折率が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい半導体層で構成されており、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が光受光層より屈折率の小さな半導体層よりなり、その部分で光が全反射するように構成されていることを特徴とする。

0011

このため、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層で光が完全に全反射されることにより光が再度光受光層を通過することになり、光吸収効率が増大する。従来技術では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が合金化した電極で構成されており、この領域での反射が小さいが、本発明では、光受光層に対し光入射側の半導体層の屈折率が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい半導体層で構成されており、光受光層に接する光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が、この部分で光が全反射するような光受光層より屈折率の小さな半導体層で構成されていることにより、上層の電極部分まで光が行くことがなく、光受光層の上側界面において光が全反射する点が異なる。

0012

また本発明の構成は、光受光層に対し光入射側の半導体層が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい屈折率を有するInGaAsP 半導体層で構成されていることを特徴とする。

0013

このため、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層で光が完全に全反射されることにより光が再度光受光層を通過することになり、光吸収効率が増大する。従来技術では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が合金化した電極で構成されており、この領域での反射が小さいが、本発明では、光受光層に接する光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が、この部分で光が全反射するような光受光層より屈折率の小さな半導体層で構成されており、上層の電極部分まで光が行くことがなく、光受光層の上側界面において光が全反射する点が異なる。

0014

また本発明の構成は、光受光層に対し光入射側の半導体層が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい屈折率を有するGaAs半導体層で構成されていることを特徴とする。

0015

このため、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層で光が完全に全反射されることにより光が再度光受光層を通過することになり、光吸収効率が増大する。従来技術では、光受光層の上層における屈折した入射光の主たる到達領域が合金化した電極で構成されており、この領域での反射が小さいが、本発明では、光受光層に接する光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が、この部分で光が全反射するような光受光層より屈折率の小さな半導体層で構成されており、上層の電極部分まで光が行くことがなく、光受光層の上側界面において光が全反射する点が異なる。

0016

〔作用〕このように、本素子は、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が、その部分で光が全反射するような光受光層より屈折率の小さな半導体層により構成されている。このため、受光層を光が2回通過することになり実効的光吸収長が2倍に増大する。このため、高い受光感度を得るための光吸収層厚の大幅な薄層化が可能となる。光吸収層厚の大幅な薄層化により、高受光感度を維持しながら、素子の超高速動作が可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0017

以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

0018

〔実施例1〕図1は本発明の第1の実施例を説明する断面斜視図である。12は0.2μm厚p + -InGaAsP(1.2μm組成)層、13は1.5μm厚p-InP層、14は0.4μm厚InGaAs光受光層、15は1μm厚n-InGaAsP (1.4μm組成)層、16はInGaAsP (1.4μm組成)層、17はp電極、18はn 電極である。なお、引出し電極パッド電極は、説明図が煩雑になり、説明の妨げになるため、この図では省略している。

0019

素子の受光層面積は30μm×50μmである。波長1.55μm光は、光受光層14に対し、70°の入射角で入射するようにしている。なお、15、14、13層がそれぞれ、請求項中の、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層、光受光層、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層に対応する。この例の他に、光受光層14の片側もしくは両側の界面に薄い半導体層が入っていてもよい。

0020

ここで、15、14、13層のそれぞれの屈折率3.439、3.59、3.17を考慮すると、この時、InGaAs光受光層14を光は通過角φ=25.8°で通過する。光は光受光層14に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層14より屈折率の小さなInP半導体層13により構成されているため、全反射の条件(φ< cos-1(n2/n1);ただし、n1は光受光層14の屈折率、n2は光入射側と反対側の半導体層13の屈折率)を満足し、光はこの部分で全反射するようになる。

0021

これにより、100%の反射光が再度吸収層14を通過し、吸収されることにより、印加逆バイアス1.0Vで受光感度0.8A/W以上の大きな値が得られた。また、光の反射が上記界面で起こるため、上層の電極17の状態などに反射率や光の位相が左右されないので、高効率化偏波制御等を設計性よく行うことが可能となる。ちなみに、上記界面で全反射しない従来構成で、p 電極が上面のほぼ全面に存在し、ここでの光反射効果のみを利用する場合では、0.6A/W程度しか得られなかった。

0022

この実施例では、光受光層14に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層14より屈折率の小さなInP半導体層13を用いているが、光受光層14の屈折率より適当に小さく、全反射の条件を満足できるものであれば、InGaAsPやInGaAlAs等、なんでも良い。また、この実施例は、波長1.55μmの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。

0023

この実施例では、表面側のp-InP層13は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープInP 層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Znの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定してもよい。

0024

また、半導体受光素子部分は、第1導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、In1-x-y Gax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)又は、In1-x-yGax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)とその上の薄いIn1-u Gau As1-v Pv (0≦u≦1,0≦v≦1)よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。

0025

また、この実施例は、下側にn-InGaAsP 層15を用い、上側をp-InP層13としているが、上記のp とn を逆にして同様に製作可能であり、また、n-InP やp-InP基板を用いても同様に製作可能である。

0026

また、ここでは、受光層14として均一組成バルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる Separate-absorption-graded-multiplication(SAGM)構造や Separate absorption and multiplication superlattice(SAM-SL)構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、InGaAsP /InP系以外のInGaAlAs/InGaAsP やAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。

0027

〔実施例2〕図3は本発明の第2の実施例を説明する断面斜視図である。31は光入射面、32は0.2μm厚p + -InGaAsP(1.2μm組成)層、33は1.5μm厚p-InP層、34は0.4μm厚InGaAs光受光層、35は1μm厚n-InGaAsP (1.45μm組成)層、36はInGaAsP (1.45μm組成)層、37は半絶縁性InP基板、38はp電極、39はn 電極である。なお、引出し電極とパッド電極は、説明図が煩雑になり、説明の妨げになるため、この図では省略している。

0028

素子の受光層面積は30μm×50μmである。光入射面31は、表面に対し60度の逆メサ形状で形成した。逆メサ部の形成は各種のウェットエッチング液ドライエッチング法を用いて形成してもよいし、結晶面を利用したり、エッチングマスク密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。入射面31には無反射膜を形成している。なお、35、34、33層がそれぞれ、請求項中の、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層、光受光層、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層に対応する。この例の他に、光受光層の片側もしくは両側の界面に薄い半導体層が入っていてもよい。

0029

ここで、35、34、33層のそれぞれの屈折率3.464、3.59、3.17を考慮すると、波長1.55μm光は、光受光層34に対し、68.3°の入射角で入射するようになる。この時、InGaAs光受光層34を光は通過角φ=26.3°で通過する。光は光受光層34に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層34より屈折率の小さなInP半導体層33により構成されているため、全反射の条件(φ< cos-1(n2/n1);ただし、n1は光受光層34の屈折率、n2は光入射側と反対側の半導体層33の屈折率)を満足し、光はこの部分で全反射するようになる。

0030

シングルモードファイバにより光を導入し、全反射により、100%の反射光が再度吸収層34を通過し、吸収されることにより、印加逆バイアス1.0Vで受光感度0.8A/W以上の大きな値が得られた。また、光の反射が上記界面で起こるため、上層の電極38の状態などに反射率や光の位相が左右されないので、高効率化や偏波制御等を設計性よく行うことが可能となる。ちなみに、上記界面で全反射しない従来構成で、p 電極が上面のほぼ全面に存在し、ここでの光反射効果のみを利用する場合では、0.6A/W程度しか得られなかった。また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化(受光面積を7μm×20μm)を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、3dB帯域50GHz の超高速動作が可能であった。

0031

この実施例では、光受光層34に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層34より屈折率の小さなInP半導体層33を用いているが、光受光層34の屈折率より適当に小さく、全反射の条件を満足できるものであれば、InGaAsPやInGaAlAs等、なんでも良い。また、この実施例は、波長1.55μmの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。

0032

この実施例では、表面側のp-InP層33は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープInP 層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Zn の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定してもよい。

0033

また、半導体受光素子部分は、第1導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、In1-x-y Gax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)又は、In1-x-yGax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)とその上の薄いIn1-u Gau As1-v Pv (0≦u≦1,0≦v≦1)よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。

0034

また、この実施例は、基板として半絶縁性InP37を用い、基板側にn-InGaAsP 層35を用いた例であるが、p-InGaAs層を用いても上記のp とn を逆にして同様に製作可能であり、また、n-InP やp-InP 基板を用いても同様に製作可能である。

0035

また、ここでは、受光層34として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる Separate-absorption-graded-multiplication(SAGM)構造や Separate absorption and multiplication superlattice(SAM-SL)構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、InGaAsP /InP系以外のInGaAlAs/InGaAsP やAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。

0036

〔実施例3〕図4は本発明の第3の実施例を説明する断面斜視図である。42は0.2μm厚p + -InGaAsP(1.2μm組成)層、43は1.5μm厚p-InP層、44は0.4μm厚InGaAs光受光層、45は1μm厚n-InGaAsP (1.4μm組成)層、46は半絶縁性GaAs基板、47はp電極、48はn 電極である。なお、引出し電極とパッド電極は、説明図が煩雑になり、説明の妨げになるため、この図では省略している。

0037

素子の受光層面積は30μm×50μmである。波長1.55μm光は、光受光層44に対し、75°の入射角で入射するようにしている。なお、46、44、43層がそれぞれ、請求項中の、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層、光受光層、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層に対応する。この例では、光受光層44の片側の界面に半導体層45が入っているが、両側や、反対側に入っていてもよい。

0038

ここで、46、45、44、43層のそれぞれの屈折率3.38、3.439、3.59、3.17を考慮すると、この時、InGaAs光受光層44を光は通過角φ=24.57°で通過する。光は光受光層44に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層44より屈折率の小さなInP半導体層43により構成されているため、全反射の条件(φ< cos-1(n2/n1);ただし、n1は光受光層44の屈折率、n2は光入射側と反対側の半導体層43の屈折率)を満足し、光はこの部分で全反射するようになる。

0039

シングルモードファイバにより光を導入し、全反射により、100%の反射光が再度吸収層44を通過し、吸収されることにより、印加逆バイアス1.0Vで受光感度0.8A/W以上の大きな値が得られた。また、光の反射が上記界面で起こるため、上層の電極47の状態などに反射率や光の位相が左右されないので、高効率化や偏波制御等を設計性よく行うことが可能となる。ちなみに、上記界面で全反射しない従来構成で、p 電極が上面のほぼ全面に存在し、ここでの光反射効果のみを利用する場合では、0.6A/W程度しか得られなかった。また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化(受光面積を7μm×20μm)を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、3dB帯域50GHz の超高速動作が可能であった。

0040

この実施例では、光受光層44に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層44より屈折率の小さなInP半導体層43を用いているが、光受光層44の屈折率より適当に小さく、全反射の条件を満足できるものであれば、InGaAsPやInGaAlAs等、なんでも良い。また、この実施例は、波長1.55μmの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。

0041

この実施例では、表面側のp-InP層43は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープInP 層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Zn の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定してもよい。

0042

また、半導体受光素子部分は、第1導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、In1-x-y Gax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)又は、In1-x-yGax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)とその上の薄いIn1-u Gau As1-v Pv (0≦u≦1,0≦v≦1)よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。

0043

また、この実施例は、基板として半絶縁性GaAs46を用い、基板側にn-InGaAsP 層45を用いた例であるが、p-InGaAsP 層を用いても上記のp とn を逆にして同様に製作可能であり、また、n-GaAsやp-GaAs基板を用いても同様に製作可能である。

0044

また、ここでは、受光層44として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる Separate-absorption-graded-multiplication(SAGM)構造や Separate absorption and multiplication superlattice(SAM-SL)構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、InGaAsP /InP系以外のInGaAlAs/InGaAsP やAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。

0045

〔実施例4〕図5は本発明の第4の実施例を説明する断面斜視図である。51は光入射面、52は0.2μm厚p + -InGaAsP(1.2μm組成)層、53は1.5μm厚p-InP層、54は0.5μm厚InGaAs光受光層、55は1μm厚n-InGaAsP (1.4μm組成)層、56は半絶縁性GaAs基板、57はp電極、58はn 電極である。なお、引出し電極とパッド電極は、説明図が煩雑になり、説明の妨げになるため、この図では省略している。

0046

素子の受光層面積は30μm×50μmである。光入射面51は、表面に対し60度の逆メサ形状で形成した。逆メサ部の形成は各種のウエットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。入射面51には無反射膜を形成している。また、本実施例では、光入射端面部分は屈折率1.5のエポキシ充填している。

0047

なお、56、54、53層がそれぞれ、請求項中の、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層、光受光層、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層に対応する。この例では、光受光層54の片側の界面に半導体層55が入っているが、両側や、反対側に入っていてもよい。

0048

ここで、56、55、54、53層のそれぞれの屈折率3.38、3.439、3.59、3.17を考慮すると、この時、InGaAs光受光層54を光は通過角φ=25.88°で通過する。光は光受光層54に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層54より屈折率の小さなInP半導体層53により構成されているため、全反射の条件(φ< cos-1(n2/n1);ただし、n1は光受光層54の屈折率、n2は光入射側と反対側の半導体層53の屈折率)を満足し、光はこの部分で全反射するようになる。

0049

シングルモードファイバにより光を導入し、全反射により、100%の反射光が再度吸収層54を通過し、吸収されることにより、印加逆バイアス1.0Vで受光感度0.8A/W以上の大きな値が得られた。また、光の反射が上記界面で起こるため、上層の電極57の状態などに反射率や光の位相が左右されないので、高効率化や偏波制御等を設計性よく行うことが可能となる。ちなみに、上記界面で全反射しない従来構成で、p 電極が上面のほぼ全面に存在し、ここでの光反射効果のみを利用する場合では、0.6A/W程度しか得られなかった。また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化(受光面積を7μm×20μm)を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、3dB帯域50GHz の超高速動作が可能であった。

0050

この実施例では、光受光層54に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層54より屈折率の小さなInP半導体層53を用いているが、光受光層54の屈折率より適当に小さく、全反射の条件を満足できるものであれば、InGaAsPやInGaAlAs等、なんでも良い。また、この実施例は、波長1.55μmの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。

0051

この実施例では、表面側のp-InP層53は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープInP 層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Zn の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定してもよい。

0052

また、半導体受光素子部分は、第1導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、In1-x-y Gax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)又は、In1-x-yGax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)とその上の薄いIn1-u Gau As1-v Pv (0≦u≦1,0≦v≦1)よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。

0053

また、この実施例は、基板として半絶縁性GaAs56を用い、基板側にn-InGaAsP 層55を用いた例であるが、p-InP層を用いても上記のp とn を逆にして同様に製作可能であり、また、n-GaAsやp-GaAs基板を用いても同様に製作可能である。

0054

また、ここでは、受光層54として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる Separate-absorption-graded-multiplication(SAGM)構造や Separate absorption and multiplication superlattice(SAM-SL)構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、InGaAsP /InP系以外のInGaAlAs/InGaAsP やAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。

0055

〔実施例5〕図6は本発明の第5の実施例を説明する断面斜視図である。62は0.2μm厚p + -InGaAsP(1.2μm組成)層、63は1.5μm厚p + -InP層、64は0.4μm厚InGaAs光受光層、65は0.4μm厚n-InGaAsP (1.4μm組成)層、66は半絶縁性InP基板、67はp電極、68はn 電極である。なお、引出し電極とパッド電極は、説明図が煩雑になり、説明の妨げになるため、この図では省略している。

0056

素子の受光層面積は30μm×150μmである。波長1.55μm光は、光受光層64に対し、84°の入射角で入射するようにしている。なお、66、64、63層がそれぞれ、請求項中の、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層、光受光層、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層に対応する。この例では、光受光層64の片側の界面に薄い半導体層65が入っているが、両側や、反対側に入っていてもよい。

0057

ここで、66、64、63層のそれぞれの屈折率3.17、3.59、3.1を考慮すると、この時、InGaAs光受光層64を光は通過角φ=28.8°で通過する。光は光受光層64に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層64より屈折率の小さなInP半導体層63により構成されており、さらに高濃度ドーピングにより、半絶縁性のInP 66に比べ屈折率が小さくなっているため、全反射の条件(φ< cos-1(n2/n1);ただし、n1は光受光層64の屈折率、n2は光入射側と反対側の半導体層63の屈折率)を満足し、光はこの部分で全反射するようになる。

0058

これにより、100%の反射光が再度吸収層64を通過し、吸収されることにより、印加逆バイアス1.0Vで受光感度0.8A/W以上の大きな値が得られた。また、光の反射が上記界面で起こるため、上層の電極67の状態などに反射率や光の位相が左右されないので、高効率化や偏波制御等を設計性よく行うことが可能となる。ちなみに、上記界面で全反射しない従来構成で、p 電極が上面のほぼ全面に存在し、ここでの光反射効果のみを利用する場合では、0.6A/W程度しか得られなかった。

0059

この実施例では、光受光層64に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層64より屈折率の小さな高濃度ドープInP半導体層63を用いているが、光受光層64の屈折率より適当に小さく、全反射の条件を満足できるものであれば、AlAsSbや高濃度ドープInGaAsP や高濃度ドープInGaAlAs等なんでも良い。また、この実施例は、波長1.55μmの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。

0060

この実施例では、表面側のp-InP層63は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープInP 層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Zn の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定してもよい。

0061

また、半導体受光素子部分は、第1導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、In1-x-y Gax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)又は、In1-x-yGax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)とその上の薄いIn1-u Gau As1-v Pv (0≦u≦1,0≦v≦1)よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。

0062

また、この実施例は、下側にn-InGaAsP 層65を用い、上側をp-InP層63としているが、上記のp とn を逆にして同様に製作可能であり、また、n-InP やp-InP基板を用いても同様に製作可能である。

0063

また、ここでは、受光層64として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる Separate-absorption-graded-multiplication(SAGM)構造や Separate absorption and multiplication superlattice(SAM-SL)構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、InGaAsP /InP系以外のInGaAlAs/InGaAsP やAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。

0064

〔実施例6〕図7は本発明の第6の実施例を説明する断面斜視図である。71は光入射面、72は0.2μm厚p + -InGaAsP(1.2μm組成)層、73は1.5μm厚p + -InP層、74は0.4μm厚InGaAs光受光層、75は0.4μm厚n-InGaAsP (1.45μm組成)層、76は半絶縁性InP基板、77はp電極、78はn 電極である。なお、引出し電極とパッド電極は、説明図が煩雑になり、説明の妨げになるため、この図では省略している。

0065

素子の受光層面積は30μm×150μmである。光入射面71は、表面に対し80度の逆メサ形状で形成した。逆メサ部の形成は各種のウエットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。また、(001)表面に対し、10度オフの基板を用いてPD部を製作し、劈開により80度の入射端面を形成してもよい。入射面71には無反射膜を形成している。

0066

なお、76、74、73層がそれぞれ、請求項中の、光受光層に対し光入射側の主たる半導体層、光受光層、光受光層に対し光入射側と反対側の主たる半導体層に対応する。この例では、光受光層74の片側の界面に薄い半導体層75が入っているが、両側や、反対側に入っていてもよい。

0067

ここで、76、74、73層のそれぞれの屈折率3.17、3.59、3.1を考慮すると、波長1.55μm光は、光受光層74に対し、83.14°の入射角で入射するようになる。この時、InGaAs光受光層74を光は通過角φ=28.75°で通過する。光は光受光層74に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層74より屈折率の小さなInP半導体層73により構成されており、さらに高濃度ドーピングにより、半絶縁性のInP 76に比べ屈折率が小さくなっているため、全反射の条件(φ< cos-1(n2/n1);ただし、n1は光受光層74の屈折率、n2は光入射側と反対側の半導体層73の屈折率)を満足し、光はこの部分で全反射するようになる。

0068

シングルモードファイバにより光を導入し、全反射により、100%の反射光が再度吸収層74を通過し、吸収されることにより、印加逆バイアス1.0Vで受光感度0.8A/W以上の大きな値が得られた。また、光の反射が上記界面で起こるため、上層の電極77の状態などに反射率や光の位相が左右されないので、高効率化や偏波制御等を設計性よく行うことが可能となる。ちなみに、上記界面で全反射しない従来構成で、p 電極が上面のほぼ全面に存在し、ここでの光反射効果のみを利用する場合では、0.6A/W程度しか得られなかった。また、シングルモードファイバの代わりに、先球ファイバを用い、素子の微小化(受光面積を7μm×50μm)を図ったもので、受光感度を高く保ちながら、3dB帯域30GHz の超高速動作が可能であった。

0069

この実施例では、光受光層74に対し光入射側と反対側の半導体層がInGaAs光受光層74より屈折率の小さな高濃度ドープInP半導体層73を用いているが、光受光層74の屈折率より適当に小さく、全反射の条件を満足できるものであれば、AlAsSbや高濃度ドープInGaAsP や高濃度ドープInGaAlAs等なんでも良い。また、この実施例は、波長1.55μmの入射光に対して述べているが、全反射の条件を満足できれば色々な波長の光に対しても同様の効果が得られる。

0070

この実施例では、表面側のp-InP層73は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープInP 層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Zn の拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定してもよい。

0071

また、半導体受光素子部分は、第1導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、In1-x-y Gax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)又は、In1-x-yGax Aly As(0≦x≦1,0≦y≦1)とその上の薄いIn1-u Gau As1-v Pv (0≦u≦1,0≦v≦1)よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。

0072

また、この実施例は、基板として半絶縁性InP76を用い、基板側にn-InGaAsP 層75を用いた例であるが、p-InGaAs層を用いても上記のp とn を逆にして同様に製作可能であり、また、n-InP やp-InP 基板を用いても同様に製作可能である。

0073

また、ここでは、受光層74として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる Separate-absorption-graded-multiplication(SAGM)構造や Separate absorption and multiplication superlattice(SAM-SL)構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、InGaAsP /InP系以外のInGaAlAs/InGaAsP やAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。

発明の効果

0074

以上説明したように、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした半導体受光素子において、光受光層に対し光入射側の半導体層の屈折率が、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層の屈折率より大きい半導体層で構成されており、光受光層に対し光入射側と反対側の半導体層が光受光層より屈折率の小さな半導体層よりなり、その部分で光が全反射するように構成されているため、受光層を100%反射光が再度通過することになり実効的光吸収長が大きく増大する。このため、高い受光感度を得るための光吸収層厚の大幅な薄層化が可能となる。また、光吸収層厚の大幅な薄層化により、高受光感度を維持しながら、超高速動作の可能な素子が製作可能となる。

図面の簡単な説明

0075

図1本発明の第1の実施例を説明する断面斜視図である。
図2従来の屈折型半導体光受光素子を説明する図である。
図3本発明の第2の実施例を説明する断面斜視図である。
図4本発明の第3の実施例を説明する断面斜視図である。
図5本発明の第4の実施例を説明する断面斜視図である。
図6本発明の第5の実施例を説明する断面斜視図である。
図7本発明の第6の実施例を説明する断面斜視図である。

--

0076

12 p + -InGaAsP層
13 p-InP層
14 InGaAs光受光層
15 n-InGaAsP 層
16 InGaAsP 層
17 p電極
18 n 電極
21光入射面
22 p-InP 層
23 InGaAs光受光層
24 n-InP 層
25 n-InP基板
26 p 電極
27 n 電極
31 光入射面
32 p + -InGaAsP層
33 p-InP 層
34 InGaAs光受光層
35 n-InGaAsP 層
36 InGaAsP 層
37半絶縁性InP 基板
38 p 電極
39 n 電極
42 p + -InGaAsP層
43 p-InP 層
44 InGaAs光受光層
45 n-InGaAsP 層
46半絶縁性GaAs基板
47 p 電極
48 n 電極
51 光入射面
52 p + -InGaAsP層
53 p-InP 層
54 InGaAs光受光層
55 n-InGaAsP 層
56 半絶縁性GaAs基板
57 p 電極
58 n 電極
62 p + -InGaAsP層
63 p + -InP層
64 InGaAs光受光層
65 n-InGaAsP 層
66 半絶縁性InP 基板
67 p 電極
68 n 電極
71 光入射面
72 p + -InGaAsP層
73 p + -InP層
74 InGaAs光受光層
75 n-InGaAsP 層
76 半絶縁性InP 基板
77 p 電極
78 n 電極

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