JP2008288293A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】具体的にはＩｎＧａＡｓＮ光吸収層の膜厚が薄い場合であっても、大きな量子効率が得られ、加えて暗電流の少ない半導体受光素子を提供する。
【解決手段】ＩｎＰ基板１上に形成されたＩｎＧａＡｓＮ層を光吸収層５とし、信号光をＩｎＰ基板１とは反対側から入射させる半導体受光素子において、ＩｎＰ基板１とＩｎＧａＡｓＮ光吸収層５の間に信号光を反射するための半導体多層膜反射鏡２を設置し、さらにＩｎＧａＡｓＮ光吸収層５に対してＩｎＰ基板１の反対側には半導体多層膜２により反射された光をさらに反射するような反射鏡（例えばｐ−ＩｎＧａＡｓ層７と空気の界面で反射する反射鏡）を設置し、信号光をこの２つの反射鏡の間で共振させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体受光素子に関するものである。

波長１．７ミクロンメータ（μｍ）より長い近赤外から中赤外の波長域には、多くの分子の吸収線が存在している。分子は、その種類に応じて固有の波長の光を吸収するために、分子の吸収線に対する分光計測を用いれば、混合ガス中における特定のガスの濃度や物質中の特定の分子の濃度を測定することが可能となる。

半導体を用いた光受光素子では、その光吸収層は信号光の波長よりも長いバンドギャップ波長が必要である。しかしながら、光吸収層としては、半導体受光素子における暗電流と受光感度を考慮すると、測定する光の波長よりも極端に長いバンドギャップ波長の材料は相応しくない。これは、半導体を用いた受光素子では、光吸収層のバンドギャップ波長が長くなるに従い、暗電流の増加が顕著になることに加えて、入射させる光の波長を短くしていった場合の光吸収層における吸収係数は、光吸収層のバンドギャップ波長付近では急激に増加するもののその後は落ち着いてくるため、光吸収層のバンドギャップ波長を著しく長波長にしても吸収に対する利点が小さくなるためである。上記の理由により、波長１．７から３．２μｍ付近の光の検出には、これまで主としてバンドギャップ波長が３．４μｍであるＰｂＳの光導電効果を用いた受光素子が用いられてきた。

しかしながら、一般に光導電効果を用いた受光素子は、光起電力効果を用いた受光素子に対し、応答時間が遅い。このため、近年、このＰｂＳを用いた光導電検出器に代わり、光起電力効果を用いた拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子と呼ばれる受光素子が開発され、実用化されている。図３は、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子の層構成を模式的に示した図である。図３には、ＩｎＰ基板２１上に組成を段階的に変化させたＩｎＡｓＰバッファ層２２、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３、ＩｎＡｓＰ窓層２４からなる拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子の層構造が示されている。ＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰに格子定数が一致する条件ではＩｎ組成比が０．５３、バンドギャップ波長が１．６７μｍであり、波長１．７μｍ以上の光の検出は困難である。ＩｎＧａＡｓは、そのＩｎ組成比が増加するにしたがってバンドギャップ波長が増加するため、波長１．７μｍ以上の光を測定するためには、ＩｎＧａＡｓ吸収層のＩｎ組成比を０．５３以上に増加させる必要がある。図３の拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子では、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３のＩｎ組成比を増加させるための工夫がなされている。

具体的にはＩｎＰ基板２１上において、Ａｓ組成比を段階的に増加させたＩｎＡｓＰバッファ層２２をエピタキシャル成長により形成していき、ＩｎＡｓＰバッファ層２２の最後の層の格子定数をＩｎＧａＡｓ光吸収層２３と一致させるようにする。このようなＡｓ組成を段階的に増加させたＩｎＡｓＰバッファ層２２を用いることで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３のＩｎ組成比を０．５３以上にすることができ、そのバンドギャップ波長を１．６７μｍ以上にしても、下のＩｎＡｓＰバッファ層２２で発生した転位がＩｎＧａＡｓ光吸収層２３に伝播することを抑制することができる。拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子では、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３のＩｎ組成比が０．８を超え、波長２．６μｍ付近まで受光可能な受光素子が開発されている。

図３のような拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子における問題は、ＩｎＡｓＰバッファ層２２の層構成や作製方法を工夫することによりＩｎＧａＡｓ光吸収層２３に伝播する転位をある程度は低減することができても、格子不整合による欠陥の影響を完全に無くすことは極めて困難であり、欠陥密度をＩｎＰに格子整合する結晶と同程度にすることは不可能に近い。光吸収層２３における欠陥の増加は、半導体受光素子における量子効率を低減させ、暗電流を増加させる。半導体受光素子の性能向上のためには、結晶欠陥の発生を抑制することが極めて重要である。

このため、ＩｎＰに格子整合させつつ、そのバンドギャップ波長を１．７μｍよりも長くすることができるＩｎＧａＡｓＮが期待されている。通常、III-V 族化合物半導体では一般に格子定数が小さくなるに従ってバンドギャップ波長が減少するが、ＩｎＧａＡｓＮでは逆に窒素（Ｎ）組成比の増加に伴い、格子定数が小さくなるにも関わらずバンドギャップ波長が増加するという特徴を持つ。

図４は、ＩｎＰに格子整合し、Ｎ組成比が３．５％であるＩｎＧａＡｓＮの吸収スペクトルを示したものである。図４において、横軸は入射光の波長であり、縦軸は吸収係数である。図４から明らかなようにＩｎＧａＡｓＮのバンドギャップ波長は２．２μｍを超えており、さらにＮ組成比を増加させればバンドギャップ波長を増大させることができる。ＩｎＧａＡｓＳｂにＮを加えたＩｎＧａＡｓＮＳｂでも、ＩｎＧａＡｓＮと同様に結晶内への窒素の導入に伴うバンドギャップ波長の増加が確認されており（例えば、下記、非特許文献１を参照）、ＩｎＧａＡｓＮＳｂを用いても、ＩｎＰに格子整合しバンドギャップ波長が１．７μｍを超える受光素子の吸収層とすることが可能である。

V. Gambin et al., "GaInNAsSb for 1.3-1.6-μｍ-long wavelength lasers grown by molecular beam epitaxy, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics Vol.8, No.4,2002, pp.795-800 M. Herrera et al.,"Compositon modulation in GaInNAs quantum wells:Comparison of experiment and theory", Journal of Applied Physics, Vol.97,2005,p.73705 T.Okada et al., "The role of strain and composition on the morphology of InGaAsP layers grown on <001> InP substrates", Journal of Crystal Growth, Vol.179,1997,pp.339-348 K, Kishino et al.,"Resonant cavity-enhanced (RCE) photodetectors ", IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.27, No.8, 1991, pp.2025-2034 Q. Han et al.,"1.55μｍ GaInNAs resonant-cavity-enhenced photodetector grown on GaAs ", Applied physics Letters, Vol.87, 2005, p.11105 S. Jouba et al.,"2μｍ resonat cavity enhanced InP/InGaAs single quantum well photo-detector", Electronics Letters, Vol.35, No.15, 1999, pp.1272-1274 D. Vignaud et al.,"Free-carrier absorption and growth temperature of highly Be-doped InGaAs in molecular beam epitaxy",Journal of Crystal Growth, Vol.291, 2006, pp.107-111

ところで半導体を吸収層に用いる受光素子で一般的な構造は、アンドープの吸収層をｐ型ドープ層とｎ型ドープ層で挟んだいわゆるＰＩＮ型の層構造である。図５は、ＩｎＧａＡｓＮを吸収層に用いたＰＩＮ型受光素子の層構造を模式的に示した図である。

図５には、ＩｎＰ基板２５上にｎ−ＩｎＰバッファ層２６、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層２７、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２８からなる光受光素子の基本的な層構造が示されている。受光素子における光から電気への変換効率の指標としては、量子効率を目安とすることが一般的であり、波長１．７から３．２μｍ付近の分光計測では光源の光強度が弱いために高い量子効率が望ましい。量子効率を増大させるための一般的な手段は、光吸収層の膜厚の増大である。光吸収層の信号光に対する吸収係数は一般に１０００から１００００インバースセンチ（ｃｍ^-1）程度である。吸収係数を５０００ｃｍ^-1とすると、量子効率を５％にするだけでも０．２μｍ程度の膜厚が必要となる。

しかしながら、ＩｎＧａＡｓＮは、材料の特徴として均一な組成の膜を得ることが困難であり、成長方向に対して横方向でＩｎとＮの組成比が揺らぐことが知られている（例えば、上記、非特許文献２を参照）。このような組成変調がある場合、膜厚増加に伴い組成変調が大きくなるため、大きな膜厚の結晶を得ることは困難である（例えば、上記、非特許文献３を参照）。このため、ＩｎＰに格子整合し、そのバンドギャップ波長が１．７μｍ以上のＩｎＧａＡｓＮを光吸収層として半導体受光素子に用いる場合、光吸収層の膜厚を大きくできないため、高い量子効率が得られないという問題がある。また、光吸収層の膜厚を大きくした場合、組成変調による結晶欠陥が発生するため、暗電流の増加や量子効率の低下が懸念されることになる。

本発明は、上述のＩｎＧａＡｓＮを光吸収層に用いた半導体受光素子に関して従来技術が有する未解決の課題に着目してなされたものであり、具体的にはＩｎＧａＡｓＮ光吸収層の膜厚が薄い場合であっても、大きな量子効率が得られ、加えて暗電流の少ない半導体受光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成する第１発明の半導体受光素子は、半導体基板上に光吸収層として窒素を含む半導体層を有し、前記光吸収層に対して信号光を前記半導体基板とは反対方向から入射し、前記信号光から電気信号を取り出す半導体受光素子において、前記半導体基板と前記光吸収層の間に前記信号光を反射するような半導体多層膜を備えたことを特徴とするものである。

また、第２発明の半導体受光素子は、第１発明の半導体受光素子において、前記半導体基板はＩｎＰであり、前記光吸収層はバンドギャップに対応する波長が１．７ミクロンメータ以上であるＩｎＧａＡｓＮ層又はＩｎＧａＡｓＮＳｂ層の何れかであることを特徴とするものである。

また、第３発明の半導体受光素子は、第１発明または第２発明の半導体受光素子において、前記半導体基板はＩｎＰであり、前記半導体多層膜は、ＩｎＰに格子整合することが可能な半導体材料であって、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌのうち１つ以上、かつ、Ａｓ、Ｐのうち１つ以上を構成元素として含み、前記半導体多層膜のバンドギャップに対応する波長が０．８３ミクロンメータから１．６７ミクロンメータであることを特徴とするものである。

また、第４発明の半導体受光素子は、第１発明乃至第３発明の何れかの半導体受光素子において、前記光吸収層に対して、前記半導体基板の反対側には前記半導体多層膜により反射された光をさらに反射するための反射鏡が形成されており、前記半導体多層膜と前記反射鏡との間が前記信号光に対して共振器構造となっていることを特徴とするものである。

また、第５発明の半導体受光素子は、第４発明の半導体受光素子において、前記反射鏡は、半導体と気体の界面、または誘電体多層膜、または半導体多層膜を用いることを特徴とするものである。

上記の如く本発明に係る半導体受光素子では、ＩｎＰ基板などの半導体基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＮなどの窒素を含む半導体層を光吸収層とし、信号光を半導体基板（ＩｎＰ基板）とは反対側から入射させる半導体受光素子において、半導体基板（ＩｎＰ基板）とＩｎＧａＡｓＮなどの光吸収層の間に信号光を反射するための半導体多層膜（反射鏡）を設置し、さらにＩｎＧａＡｓＮなどの光吸収層に対して半導体基板（ＩｎＰ基板）の反対側には半導体多層膜により反射された光をさらに反射するような反射鏡を設置し、信号光をこの２つの反射鏡の間で共振させる。このような共振器構造を持つ半導体受光素子にすることで、１度の通過では光吸収層に吸収されなかった信号光を、反射鏡の間で共振させながら吸収させるようにできるため、量子効率を飛躍的に増加させることができる。その結果として、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層の膜厚が小さい場合には高い量子効率が得られないという従来の問題は解決される。また、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層の膜厚増加を抑えることができるため、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層における欠陥の発生を抑制することが可能であり、その結果として暗電流の増加も回避することができる。

上記のような共振器構造を持つ半導体受光素子は、これまで主としてＧａＡｓ基板上の受光素子の構造として検討されてきた（例えば、上記、非特許文献４、および非特許文献５を参照）。この共振器構造を持つ受光素子において量子効果を増大させるためには、検出光に対して入射側の反射鏡の反射率は３０％以上であれば問題ないが、吸収層に対して基板側に配置される半導体多層膜反射鏡の反射率は７０％以上であることが望まれる（上記、非特許文献４を参照）。半導体多層膜は、これを構成する２つの材料の屈折率差が大きいほど、所望の波長に対してその反射率を大きくすることができる。

しかしながら、ＩｎＰに格子整合することが可能な半導体材料（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐを構成元素とする材料が用いられることが一般的）では、光ファイバ通信に用いられる波長１．３μｍや１．５５μｍの光に対して、材料間で大きな屈折率差を持たせることが困難であり、その結果として高い反射率の半導体多層膜の作製が難しい。このことが、ＩｎＰ基板上で共振器構造を持つ半導体受光素子の作製を困難にしている一因である。一方で、ＩｎＰに格子整合する材料でも、そのバンドギャップ波長よりも十分に長い波長の光の場合、半導体多層膜による吸収が問題にならず、その結果として高い反射率の半導体多層膜を得ることが容易になる。実際にバンドギャップ波長が２μｍ程度のＩｎＧａＡｓ単一量子井戸層の光吸収層と、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓとＩｎＰとで構成した半導体多層膜反射鏡とを組み合わせた半導体受光素子において、量子効率を増大させた例が報告されている（上記、非特許文献６を参照）。ＩｎＧａＡｓＮのバンドギャップ波長は、ＩｎＰに格子整合するＩｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐからなる材料のバンドギャップ波長（０．８３μｍ〜１．６７μｍ）よりも長い１．７μｍ以上にすることができるため、ＩｎＧａＡｓＮを光吸収層に用いることで半導体多層膜反射鏡における吸収の問題がなく、高い反射率差が得られる２つの半導体材料を組み合わせた半導体多層膜を作製することが可能となる。

なお、ＩｎＧａＡｓＮはＮ組成比の増大に伴い、そのバンドギャップ波長を長波長化することができるため、ＩｎＧａＡｓＮのバンドギャップ波長には長波長側に対する制約はない。しかしながら、半導体受光素子全体で考えた場合、波長４μｍ以上の光ではコンタクト層等の他の層において価電子帯内での吸収が起こり（例えば、上記、非特許文献７を参照）、ＩｎＧａＡｓＮへの入射光量が減少する。共振器構造を用いた半導体光受光素子では、共振器内でのすべての層の吸収が問題となるため、実質的な波長の上限は４μｍ程度である。

［作用］
ＩｎＰを基板としＩｎＧａＡｓＮを光吸収層とする受光器（半導体受光素子）において、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層の上下に共振器構造となるような反射鏡を設けることにより、所望の波長の信号光に対して量子効率を増加させることができる。このため、膜厚を増加させることの難しいＩｎＧａＡｓＮを光吸収層に用いても、その光吸収層の膜厚が小さくても高い量子効率を得ることができ、さらに暗電流の低減も可能である。

以上説明したように本発明を用いれば、ＩｎＰ基板上の半導体受光素子において、吸収層の膜厚が小さくても波長１．７μｍ以上の信号光に対する量子効率を大きくすることができる。これにより、近赤外から中赤外の波長域において、高感度で暗電流の小さい半導体受光素子を作製でき、高感度な分光計測に応用できるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施の形態例を、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施の形態例］
図１は、本発明の第１の実施の形態例に係る半導体受光素子のウェハの層構造を示す断面図である。

まず、本実施の形態例に係る半導体受光素子の構成を説明する。図１に示すように、本実施の形態例に係る半導体受光素子は、ｎ−ＩｎＰ基板１と、ｎ−ＩｎＰ基板１上に形成された半導体多層膜反射鏡２と、半導体多層膜反射鏡２上に形成されたバンドギャップ波長が１．３μｍとなるｎ型ドープＩｎＧａＡｓＰ層３と、ｎ型ドープＩｎＧａＡｓＰ層３上に形成されたバンドギャップ波長が１．３μｍとなるＩｎＧａＡｓＰ層４と、ＩｎＧａＡｓＰ層４の上に形成された光吸収層となるＩｎＧａＡｓＮ層５と、ＩｎＧａＡｓＮ層５上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ層６と、ＩｎＧａＡｓＰ層６上に形成されたｐ型ドープＩｎＧａＡｓ層７とで構成されている。本半導体受光素子では、図１中に矢印で示す如く、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層５に対して信号光を、ｎ−ＩｎＰ基板１とは反対方向から入射し、前記信号光から電気信号を取り出す。

ここで、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層５は、窒素組成比が０．０３５、Ｉｎの組成比が０．６３であり、そのバンドギャップ波長は２．２μｍ、膜厚は１１５ｎｍである。また、半導体多層膜反射鏡２は、ｎ型ドープＩｎＧａＡｓ層（膜厚１４８ｎｍ）とｎ型ドープＩｎＰ層（膜厚１６３ｎｍ）を１つのペアとし、これを１３ペア分積層させ、波長２．０５μｍの光に対する反射率が約９０％になるようにした。信号光の入射側の反射鏡には、ｐ型ドープＩｎＧａＡｓ層７と空気の界面での反射（反射率３０％）を用いた。

比較のため、図１の層構造において、半導体多層膜反射鏡２がなく、その他の層構造が同じウェハも作製した。

次に、本実施の形態例に係る半導体受光素子の製造方法を説明する。エピタキシャルウェハの成長には、III 族原料がトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ｖ族原料がアルシン（ＡｓＨ₃）とフォスフィン（ＰＨ₃）と窒素（Ｎ₂）、ドーパント原料がスズ（Ｓｎ）とベリリウム（Ｂｅ）である有機金属分子線エピタキシー法を用いた。ＩｎＧａＡｓＮ層５の製造時には、窒素ガスを高周波プラズマ源の内部において原子状の窒素に分解してから基板へと供給した。成長時の基板温度は、ＩｎＧａＡｓＮ層５で４７０℃、これ以外の層では５００℃である。各層における原料供給量は、図１の半導体受光素子を構成する半導体各層においてＩｎＰに対する格子定数差が０．１％未満になるように調整した。直径４００μｍの円形メサを形成後、窒素シリコン膜８を蒸着させた。このメサ部中央部の窒素シリコン膜８を除去した後、外径３７０μｍ、内径２５０μｍのリング状のｐ型電極９を形成した。最後に、ＩｎＰ基板１を研磨しｎ型電極１０を形成した。

このようにして作製した半導体受光素子は、光電流のピーク波長が２．０５３μｍであり、ピーク波長における量子効率が２６％であった。一方、比較のために作製した半導体多層膜反射鏡２がない半導体受光素子では、光電流のピーク波長が２．０５７μｍにおいて量子効率が約３％であった。上記のように半導体多層膜反射鏡２があることにより、量子効率は５倍以上増大した。このことから、前述したようにＩｎＧａＡｓＮ層５を含む２つの反射鏡間の層が共振器として動作したことにより、量子効率が著しく増加することが分かった。一方、３倍以上の量子効率の増大が見られたのは、信号光の波長が２．０１μｍから２．０８μｍの範囲であり、１０ｎｍ近い波長範囲で量子効率を増大していることが確認された。

暗電流に関しては、半導体多層膜反射鏡２の有無によらず、バイアス電圧−１Ｖにおいて７２０±５０ｎＡであった。一方、同じ成長条件で作製したＩｎＧａＡｓＮ光吸収層５（膜厚１μｍ）を有し、半導体多層膜反射鏡２がない構造の半導体受光素子では、量子効率１８％が得られたものの、バイアス電圧−１Ｖにおける暗電流は１０μＡであった。半導体多層膜反射鏡２を有する半導体受光素子で暗電流が１０分の一程度であるのは、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層５の膜厚が小さく、結晶欠陥の発生を抑制できるためである。

なお、上記実施の形態例では、吸収ピーク波長が２．０５μｍ付近で量子効率が増加する半導体受光素子について説明したが、吸収ピーク波長が２．０５μｍ付近に限られるものではなく、ＩｎＰに格子整合するＩｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐからなる材料のバンドギャップ波長より長い１．７μｍ以上の波長を持つ信号光に対しては、図１における半導体多層膜反射鏡及びその他の層の組成ならびに膜厚を調整することにより、受光素子の吸収ピーク波長を変えることができ、上記の実施例と同様の効果が得られるのは明らかである。また、光吸収層としては、ＩｎＰに格子整合し、１．７μｍより長いバンドギャップ波長を持つ材料であれば良く、前述のようにＩｎＧａＡｓＮＳｂを光吸収層に用いても、同様の効果が得られるのは明らかである。

また、上記実施の形態例では、半導体多層膜反射鏡がＩｎＧａＡｓとＩｎＰから構成される場合を示したが、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓから構成される多層膜、あるいはＩｎＧａＡｌＡｓとＩｎＰから構成される多層膜など、ＩｎＰに格子整合可能な材料でドーピングが可能な半導体材料であれば、同様の効果が得られるのは明らかである。また、ここでＩｎＰに格子整合可能な材料とは、ＩｎＰに完全に格子定数が一致する必要はなく、若干の格子定数の差を有する材料を含み、格子定数の差に起因した格子緩和が発生しない程度であれば構わない。

また、上記実施の形態例では、ＩｎＰ基板としてｎ型にドープされたＩｎＰを用いたが、半絶縁性基板を用い、ｐ型電極とｎ型電極の両方を表面から取る構造を用いた場合でも、本構造の特徴を活かすことができるため、同様の効果が得られるのは明らかである。

また、上記実施の形態例では、作製方法として有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、ＩｎＧａＡｓＮ層が作製可能な成長方法で有れば良く、分子線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法等の成長方法でも同様の効果が得られることは明らかである。

［第２の実施の形態例］
図２は、本発明の第２の実施の形態例に係る半導体受光素子のウェハの層構造を示す断面図である。

まず、本実施の形態例に係る半導体受光素子の構成を説明する。図２に示すように、本実施の形態例に係る半導体受光素子は、ｎ−ＩｎＰ基板１１と、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に形成された半導体多層膜反射鏡１２と、半導体多層膜反射鏡１２上に形成されたバンドギャップ波長が１．３μｍとなるｎ型ドープＩｎＧａＡｓＰ層１３と、ｎ型ドープＩｎＧａＡｓＰ層１３上に形成されたバンドギャップ波長が１．３μｍとなるＩｎＧａＡｓＰ層１４と、ＩｎＧａＡｓＰ層１４の上に形成された光吸収層となるＩｎＧａＡｓＮ層１５と、ＩｎＧａＡｓＮ層１５上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ層１６と、ＩｎＧａＡｓＰ層１６上に形成されＩｎＰ層１７とで構成されている。本半導体受光素子では、図２中に矢印で示す如く、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層５に対して信号光を、ｎ−ＩｎＰ基板１１とは反対方向から入射し、前記信号光から電気信号を取り出す。

ここで、ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層１５は、窒素組成比が０．０３５、Ｉｎの組成比が０．６３であり、そのバンドギャップ波長は２．２μｍ、膜厚は１５０ｎｍである。また、半導体多層膜反射鏡１２は、ｎ型ドープＩｎＧａＡｓ層（膜厚１４５ｎｍ）とｎ型ドープＩｎＰ層（膜厚１５９ｎｍ）を１つのペアとし、これを１０ペア分積層させ、波長２μｍの光に対する反射率が約８０％になるようにした。上記のエピタキシャルウェハの成長には、前述の有機金属分子線エピタキシー法を用いた。このエピタキシャルウェハの上面の直径３００μｍの円形領域に、図１に示すような亜鉛（Ｚｎ）の熱拡散プロセスを行なった。さらに表面に電子ビーム蒸着法を用い、波長２μｍの光に対する反射率が約７５％となるような酸化シリコン（ＳｉＯ₂）とシリコン（Ｓｉ）から構成される反射鏡１８を形成した。その後、外径３００μｍ、内径２２０μｍのリング状の境域において反射鏡１８を除去し、この領域にｐ型電極１９を形成した。最後に、ＩｎＰ基板１１を研磨しｎ型電極２０を形成することにより、プレーナ型の受光素子を作製した。

このようにして作製した半導体受光素子は、光電流のピーク波長が１．９９６μｍであり、ピーク波長における量子効率は４２％であった。計算より求めた量子効率は、多層膜反射鏡１２がない構造で２．２％であるのに対し、半導体多層膜反射鏡１２がある構造で４９．３％あり、本実施の形態例の結果からほぼ設計通りの量子効率が得られていることが確認された。信号光がこのピーク波長から離れると急激に量子効率は低下するものの、波長が１．９９３μｍから１．９９７μｍの範囲では１０％以上の量子効率が確認された。以上のことから、共振器構造を構成する２つの反射鏡の反射率を大きくすることで、量子効率の増大が見られる波長域は減少するものの、顕著な増幅が見られることが分った。また、暗電流に関しても、バイアス電圧−１Ｖでは１２０±１６ｎＡと良好な特性が得られた。

なお、上記実施の形態例では、上部の反射鏡として酸化シリコンとシリコンから構成される反射鏡１８を用いた半導体受光素子について説明したが、高い反射率が得られる反射鏡ならば、他の種類の誘電体を用いた多層膜や半導体を用いた多層膜でも良く、上記の実施例と同様の効果が得られるのは明らかである。

本発明の第１の実施の形態例に係る半導体受光素子の層構成を模式的に説明するための断面図である（実施例１）。 本発明の第２の実施の形態例に係る半導体受光素子の層構成を模式的に説明するための断面図である（実施例２）。 拡張型ＩｎＧａＡｓ受光器の層構造を模式的に説明するための断面図である。 ＩｎＰと格子整合したＩｎＧａＡｓＮにおける吸収スペクトルを示した図である。 ＩｎＧａＡｓＮ光吸収層を用いた光受光器の層構造を模式的に説明するための断面図である。

符号の説明

１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ 半導体多層膜反射鏡（ｎ−ＩｎＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＰ）
３ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
４ ＩｎＧａＡｓＰ
５ ＩｎＧａＡｓＮ
６ ＩｎＧａＡｓＰ
７ ｐ−ＩｎＧａＡｓ
８ 窒化シリコン
９ ｐ型電極
１０ ｎ型電極
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ 半導体多層膜反射鏡（ｎ−ＩｎＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＰ）
１３ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
１４ ＩｎＧａＡｓＰ
１５ ＩｎＧａＡｓＮ
１６ ＩｎＧａＡｓＰ
１７ ＩｎＰ
１８ Ｓｉ／ＳｉＯ₂反射鏡
１９ ｐ型電極
２０ ｎ型電極
２１ ｎ−ＩｎＰ基板
２２ 組成を段階的に変化させたＩｎＡｓＰバッファ層
２３ ＩｎＧａＡｓ
２４ ＩｎＡｓＰ
２５ ｎ−ＩｎＰ基板
２６ ｎ−ＩｎＰ
２７ ＩｎＧａＡｓＮ
２８ ｐ−ＩｎＧａＡｓ

Claims (5)

1. 半導体基板上に光吸収層として窒素を含む半導体層を有し、前記光吸収層に対して信号光を前記半導体基板とは反対方向から入射し、前記信号光から電気信号を取り出す半導体受光素子において、
   前記半導体基板と前記光吸収層の間に前記信号光を反射するような半導体多層膜を備えたことを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記半導体基板はＩｎＰであり、
   前記光吸収層はバンドギャップに対応する波長が１．７ミクロンメータ以上であるＩｎＧａＡｓＮ層又はＩｎＧａＡｓＮＳｂ層の何れか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。
3. 前記半導体基板はＩｎＰであり、
   前記半導体多層膜は、ＩｎＰに格子整合することが可能な半導体材料であって、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌのうち１つ以上、かつ、Ａｓ、Ｐのうち１つ以上を構成元素として含み、
   前記半導体多層膜のバンドギャップに対応する波長が０．８３ミクロンメータから１．６７ミクロンメータであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
4. 前記光吸収層に対して、前記半導体基板の反対側には前記半導体多層膜により反射された光をさらに反射するための反射鏡が形成されており、前記半導体多層膜と前記反射鏡との間が前記信号光に対して共振器構造となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体受光素子。
5. 前記光吸収層に対し前記半導体基板とは反対側に設置された前記反射鏡は、半導体と気体の界面、または誘電体多層膜、または半導体多層膜を用いることを特徴とする請求項４に記載の半導体受光素子。

Images