CN101521244B - 半导体受光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体受光元件。得到制造容易、受光灵敏性较高且不从外部施加偏置电压就能够高速动作的半导体受光元件。在n型InP衬底(11)(第一导电型的半导体衬底)上依次形成有InGaAs光吸收层(12)(第一光吸收层)、P型InP层(13)(第一个第二导电型半导体层)、n型InP层(14)(第一个第一导电型半导体层)、InGaAs光吸收层(15)(第二光吸收层)及p型区域(17)(第二个第二导电型半导体层)。阳极电极(18)(第一电极)与P型区域(17)连接，阴极电极(19)(第二电极)与n型InP衬底(11)连接。金属电极(23)(第三电极)将n型InP层(14)和p型InP层(13)电连接。阳极电极(18)、阴极电极(19)及金属电极(23)分别电独立。金属电极(23)形成在受光区域的外侧。

Description

半导体受光元件
技术领域
本发明涉及制造容易、受光灵敏性高并且不从外部施加偏置电压就能够进行高速动作的半导体受光元件。
背景技术
为了接收光信号并得到电流信号，使用光电二极管(PD)。特别是，为了接收以高速进行调制后的光信号并得到以高速进行调制后的电流信号，需要从外部向PD施加0.5V以上的反向偏压。利用反向偏压使光吸收层耗尽化，对耗尽层施加电场，因此可以使电子和空穴快速移动。此外，通过使耗尽层扩展，电容与耗尽层的厚度成反比例地下降，能够进一步进行高速动作。
专利文献1：特开2000-164916号公报
专利文献2：特开昭63-127586号公报
专利文献3：特开昭64-59966号公报
专利文献4：特开平4-252080号公报
专利文献5：特开平4-230081号公报
具有如下的应用：利用PD对在光纤中传播的光信号进行光电转换，变为电信号，不通过功率放大器而以原来状态作为电波进行发射。此时，为了从外部向PD施加反向偏压，需要设置供电线。但是，即使不从外部施加反向偏置电压，若使用进行高速动作的PD，则不需要设置供电线。作为这样的半导体受光元件，考虑层叠两个PD并在偏压发生时使用一个PD。
提出不是作为高速动作用、但是将两个以上的PD进行层叠的半导体受光元件(例如，参照专利文献1～5)。在专利文献1中记载了pinnip结的半导体受光元件。在该半导体受光元件中，在pin-PD和nip-PD中产生的反方向的电流抵消，所以，不适于高速动作。
在专利文献2～5中记载了反复层叠pin结的半导体受光元件。但是，在层叠的pin结和pin结的中央所形成的np结妨碍直流电流的流过，因此PD不进行动作。因此，在专利文献4中，提出在pin结和pin结之间***由非晶硅、铬、铝、ITO等构成的欧姆层。但是，在将光通信中所使用的InGaAs作为吸收层的pin-PD的层叠构造之间，不能结晶生长如上所述的欧姆层。此外，即使***欧姆层，由于欧姆层不使光通过且电阻较高，因此受光灵敏性较低，不能够实现高速动作。
发明内容
本发明是为了解决如上所述的技术问题而进行的，其目的在于得到制造容易、受光灵敏性较高且不从外部施加偏置电压就能够进行高速动作的半导体受光元件。
本发明的半导体受光元件，具备：第一导电型的半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成的第一光吸收层、第一个第二导电型半导体层、第一个第一导电型半导体层、第二光吸收层及第二个第二导电型半导体层；与所述第二个第二导电型半导体层连接的第一电极；与所述半导体衬底连接的第二电极；将所述第一个第一导电型半导体层和所述第一个第二导电型半导体层电连接的第三电极，其中，第一电极、第二电极以及第三电极分别电独立，所述第三电极形成在接收光信号的受光区域的外侧。本发明的其他特征在以下可知。
根据本发明，能够实现制造容易、受光灵敏性较高并且不从外部施加偏置电压就能够进行高速动作。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的半导体受光元件的剖面图。
图2是表示图1的半导体受光元件的等价电路的图。
图3是表示无偏置电压时的频率响应特性的测定结果的图。
图4是表示量子效率的上部PD的吸收层的厚度依赖性的图。
图5是表示本发明实施方式2的半导体受光元件的剖面图。
图6是表示图5的半导体受光元件的等价电路的图。
图7是表示本发明实施方式3的半导体受光元件的剖面图。
图8是表示本发明实施方式4的半导体受光元件的剖面图。
图9是表示本发明实施方式5的半导体受光元件的剖面图。
图10是表示本发明实施方式6的半导体受光元件的剖面图。
图11是表示本发明实施方式7的半导体受光元件的剖面图。
图12是表示本发明实施方式8的半导体受光元件的剖面图。
图13是表示本发明实施方式9的半导体受光元件的剖面图。
图14是表示本发明实施方式10的半导体受光元件的剖面图。
具体实施方式
实施方式1
图1是表示本发明实施方式1的半导体受光元件的剖面图。在n型InP衬底11(第一导电型的半导体衬底)上，依次形成非掺杂(低载流子浓度)的InGaAs光吸收层12(第一光吸收层)、p型InP层13(第一个第二导电型半导体层)、n型InP层14(第一个第一导电型半导体层)、非掺杂(低载流子浓度)的InGaAs光吸收层15(第二光吸收层)、非掺杂(低载流子浓度)的n型InP层16。
在接收光的受光区域，在n型InP层16的一部分上形成有将锌等p型掺杂剂进行选择性地扩散的p型区域17(第二个第二导电型半导体层)。阳极(p侧)电极18(第一电极)与该p型区域17连接，阴极(n侧)电极19(第二电极)与n型InP衬底11的下表面连接。在n型InP层16上形成有兼作防反射膜和表面保护膜的SiN等的绝缘膜20。
形成从n型InP层16到达n型InP衬底11的沟槽21。由绝缘膜20覆盖该沟槽21。在接收光信号的受光区域的外侧，形成从n型InP层16到n型InP层14的沟槽22。在沟槽22的底部，金属电极23(第三电极)将n型InP层14和p型InP层13电连接(欧姆接合部24)。阳极电极18、阴极电极19及金属电极23不直接连接而是电气独立。
图2是表示图1的半导体受光元件的等价电路的图。上部PD和下部PD串连连接。上部PD由p型区域17、InGaAs光吸收层15及n型InP层14构成，下部PD由p型InP层13、InGaAs光吸收层12及n型InP衬底11构成。
当光射入到上部PD时，被InGaAs光吸收层15吸收。未被吸收而透射的光被下部PD的InGaAs光吸收层12吸收，并产生电流。利用在下部PD中产生的电流，产生相当于InGaAs光吸收层12的固有电位的+0.75V的电动势。在从下部PD产生的光电流比在上部PD中产生的光电流大的情况下，欧姆接合部24成为+0.75V。因此，对上部PD施加0.75V的反向偏置电压，耗尽层扩展，所以能够进行高速动作。此外，下部PD起到向上部PD施加偏置电压的DC电源用PD的作用，所以，不需要从外部施加偏置电压。
在欧姆接合部24处成为pin-金属-pin结，因此容易通过直流电流。但是，对于经由欧姆接合部24的电流路径来说，电阻较高，所以不适于高速动作。另一方面，由n型InP层14和p型InP层13构成的np结相当于电容较大的电容器，不流过直流电流，但是，高频电流容易流过。因此，高频电流流过np结，直流电流流过电阻较高的欧姆接合部24。这样，区分高频电流的路径和直流电流的路径，从而可以进行高速动作。
此外，金属电极23形成在受光区域的外侧，不遮挡射入的光，因此能够得到较高的受光灵敏性。并且，现有的欧姆层的结晶生长是困难的，但是，金属电极23的形成简单。
此外，对于DC电源用的下部PD来说，需要电容较大，使得在高频的光信号射入时不产生调制信号电流。因此，优选使上部PD的p型区域17的面积比下部PD的p型InP层13的面积小，使得下部PD的pn结直径比高速动作用的上部PD大。或者，优选使金属电极23的面积变大，增加电极电容。
为了使本实施方式的半导体受光元件不依赖于动作条件而在无偏压下进行动作，始终需要下部PD的产生电流比上部PD的产生电流多。因此，使上部PD和下部PD的吸收层为相同组成的半导体材料，使带隙相同。这是因为，在吸收层的带隙不同时，吸收系数的波长依赖性或温度依赖性也不同，二者的产生电流的平衡由于射入波长或使用温度的变化而破坏，上部PD不进行高速动作。
图3是表示无偏置电压时的频率响应特性的测定结果的图。在现有的10Gbps用PD中，在施加偏置电压时，得到10GHz以上的遮断频率(成为-3dB的频率)，但是，在无偏置电压时只能得到1GHz左右的遮断频率。另一方面，在实施方式1的PD中，得到约10GHz的遮断频率。因此，确认即使不从外部施加偏置电压，也能够可以进行高速动作。
图4是表示量子效率的上部PD的吸收层的厚度依赖性的图。使下部PD的光吸收层的厚度为3μm。在使上部PD的吸收层的厚度增加时，上部PD的量子效率增加。但是，在使上部PD的吸收层厚度增加时，光被遮断，下部PD的量子效率减少。在上部PD的量子效率比下部PD的量子效率高时，不能从下部PD向上部PD提供充分的电流。因此，上部PD的量子效率与下部PD的量子效率基本一致、并且下部PD的量子效率变高的上部PD的吸收层的厚度(1μm左右)为优选值。
实施方式2
图5是表示本发明实施方式2的半导体受光元件的剖面图。对与实施方式1不同的结构进行说明。
在n型InP衬底11和InGaAs光吸收层12之间，从n型InP衬底11侧依次形成非掺杂(低载流子浓度)的InGaAs光吸收层12’(第三光吸收层)、P型InP层13’(第三个第二导电型半导体层)以及n型InP层14’(第二个第一导电型半导体层)。
在受光区域的外侧，形成从n型InP层16到n型InP层14’的沟槽22’。在沟槽22’的底部，金属电极23’(第四电极)将n型InP层14’和p型InP层13’电连接(欧姆接合部24’)。阳极电极18、阴极电极19及金属电极23、23’不直接连接而是电气独立。
图6是表示图5的半导体受光元件的等价电路的图。上部PD、第一下部PD及第二下部PD这三个PD串连连接。上部PD由p型区域17、InGaAs光吸收层15及n型InP层14构成，第一下部PD由p型InP层13、InGaAs光吸收层12及n型InP层14’构成，第二下部PD由p型InP层13’、InGaAs光吸收层12’及n型InP衬底11构成。
当光射入到上部PD时，被InGaAs光吸收层15吸收。未被吸收而透射的光被第一及第二下部PD的InGaAs光吸收层12、12’吸收，并产生电流。利用在第一及第二下部PD中所产生的电流，产生相当于InGaAs光吸收层12、12’的固有电位的两倍的1.5V的电动势。在由第一及第二下部PD产生的光电流比在上部PD中所产生的光电流大的情况下，欧姆接合部24成为+1.5V。因此，对于本实施方式的半导体受光元件来说，能够对上部PD施加比实施方式1的半导体受光元件高的偏置电压。此外，可以得到与实施方式1相同的效果。
实施方式3
图7是表示本发明实施方式3的半导体受光元件的剖面图。在p型InP层13(下部层)和n型InP层14之间设置p型InGaAsP接触层25(上部层)。其他结构与实施方式1的结构相同。
在沟槽22的底部，金属电极23将n型InP层14和p型InGaAsP接触层25电连接(欧姆接合部24)。p型InGaAsP接触层25由与金属电极23的接触电阻比p型InP层13小的物质构成。因此，能够将与金属电极23的接触电阻降低，能够进一步进行高速动作。此外，p型InGaAsP接触层25也起到形成沟槽22时的刻蚀停止层的功能，还具有将下部PD的p型InP层13的片电阻降低的功能。
此外，对于p型InGaAsP接触层25来说，优选由带隙比p型InP层13小但不吸收射入光的大小的材料构成。除了InGaAsP外，也可以使用例如AlGaInAs。
实施方式4
图8是表示本发明实施方式4的半导体受光元件的剖面图。在p型InGaAsP接触层25和n型InP层14之间***非掺杂(低载流子浓度)的InP层26(半导体层)。其他结构与实施方式3的结构相同。
对上部PD和下部PD进行层叠，当p型InGaAsP接触层25和n型InP层14接触时，产生相互的掺杂剂进行相互扩散并混杂这一问题。对于此，***非掺杂的InP层26作为隔离层，从而能够防止该相互扩散。作为该隔离层的材料，除了InP以外，也可以使用InGaAsP或AlGaInAs。
实施方式5
图9是表示本发明实施方式5的半导体受光元件的剖面图。形成p型InP层27来代替n型InP层及p型区域17。其他结构与实施方式1的结构相同。即，实施方式1的上部PD是选择扩散型PD，但是，本实施方式5的上部PD是台面(mesa)型PD。由此，能够得到与实施方式1相同的效果。
实施方式6
图10是表示本发明实施方式6的半导体受光元件的剖面图。形成非掺杂(低载流子浓度)的InGaAsP光吸收层28(第二光吸收层)来代替InGaAs光吸收层15。InGaAsP光吸收层28的带隙为1.4μm波长，比InGaAs光吸收层12的带隙大。其他结构与实施方式1的结构相同。
作为高频信号，射入波长较短的光(例如，1.3μm波长)，作为下部PD用的光，射入波长较长的光(例如，1.55μm波长)。该下部PD用的光不被上部PD的InGaAsP光吸收层28吸收。因此，将上部PD的层厚变厚并使灵敏度增加，也不遮断下部PD用的光。
实施方式7
图11是表示本发明实施方式7的半导体受光元件的剖面图。在n型InP衬底11的下表面形成防反射膜29。其他结构与实施方式1的结构相同。
该半导体受光元件从n型InP衬底11的下表面射入光。在此情况下，也不从外部施加偏置电压就能够使上部PD工作。在从下表面射入光时，利用来自阳极电极18的反射光，可以提高上部PD的灵敏性。
实施方式8
图12是表示本发明实施方式8的半导体受光元件的剖面图。将半导体受光元件搭载在台座31上。利用引线33将金属电极23和芯片电容器32(电容器)连接。即，将芯片电容器32连接在阴极电极19和金属电极23之间。其他结构与实施方式1的结构相同。
这样，将电容器并联连接在DC电源用的下部PD上，由此，即使输入光量变动，也能够稳定地将电流提供给高速动作用的上部PD。
实施方式9
图13是表示本发明的实施方式9的半导体受光元件的剖面图。删除沟槽21、22的单侧，将半导体层叠结构形成为台形状。其他结构与实施方式1的结构相同。由此，由于没有较细的沟槽，因此加工变得容易。
实施方式10
图14是表示本发明实施方式10的半导体受光元件的剖面图。形成在芯片端面所形成的防反射膜34。其他结构与实施方式1的结构相同。
这样，在作成从芯片端面射入光的波导型PD时，使光的射入位置改变，由此，能够对与上部PD耦合的光量和与下部PD耦合的光量进行调整。因此，能够将DC电源用的下部PD的发电量调整为最优值。
符号说明：11是n型InP衬底(第一导电型的半导体衬底)，12是InGaAs光吸收层(第一光吸收层)；12’是InGaAs光吸收层(第三光吸收层)，13是P型InP层(第一个第二导电型半导体层、下部层)，13’是P型InP层(第三个第二导电型半导体层)，14是n型InP层(第一个第一导电型半导体层)，14’是n型InP层(第二个第一导电型半导体层)，15是InGaAs光吸收层(第二光吸收层)，17是p型区域(第二个第二导电型半导体层)，18是阳极电极(第一电极)，19是阴极电极(第二电极)，23是金属电极(第三电极)，23’是金属电极(第四电极)，25是p型InGaAsP接触层(上部层)，26是InP层(半导体层)，28是InGaAsP光吸收层(第二光吸收层)，32是芯片电容器(电容器)。

Claims (8)

1.一种半导体受光元件，其特征在于，
具备：第一导电型的半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成的第一光吸收层、第一个第二导电型半导体层、第一个第一导电型半导体层、第二光吸收层及第二个第二导电型半导体层；与所述第二个第二导电型半导体层连接的第一电极；与所述半导体衬底连接的第二电极；将所述第一个第一导电型半导体层和所述第一个第二导电型半导体层电连接的第三电极，
所述第三电极形成在接收光信号的受光区域即所述第二个第二导电型半导体层的外侧。
2.如权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
所述第二个第二导电型半导体层的面积比所述第一个第二导电型半导体层的面积小。
3.如权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
所述第一光吸收层和所述第二光吸收层的带隙相同。
4.如权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
还具备：在所述半导体衬底和所述第一光吸收层之间，从所述半导体衬底侧依次形成的第三光吸收层、第三个第二导电型半导体层以及第二个第一导电型半导体层；将第二个第一导电型半导体层与第三个第二导电型半导体层电连接的第四电极，
所述第四电极形成在接收光信号的受光区域即所述第二个第二导电型半导体层的外侧。
5.如权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
所述第一个第二导电型半导体层具有下部层和与所述第三电极连接的上部层，
所述上部层由与所述第三电极的接触电阻比所述下部层小的物质构成。
6.如权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
在所述第一个第二导电型半导体层和所述第一个第一导电型半导体层之间，还具备载流子浓度比所述第一个第二导电型半导体层和所述第一个第一导电型半导体层低的半导体层。
7.如权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
所述第二光吸收层的带隙比所述第一光吸收层的带隙大。
8.如权利要求1的半导体受光元件，其特征在于，
还具备连接在所述第三电极和所述第二电极之间的电容器。
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