JP2751846B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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Description
よび光計測などに適用される半導体受光素子に係わり、
特にアバランシェ増倍型半導体受光素子に関するもので
ある。
体受光素子としてInP基板上に格子整合したIn0.53
Ga0.47As層(以下、InGaAs層と略す)を光吸
収層とするPIN型半導体受光素子(「光通信素子工
学」、米津氏著、工学図書株式会社刊、371頁(19
83年)に記載)およびアバランシェ増倍型半導体受光
素子(エレクトロニクス・レターズ(Electronics Let
ters)1984年,20巻,pp653−654に記
載)が知られている。特に後者は、アバランンシェ増倍
作用による内部利得効果および高速応答性を有する点で
長距離通信用として実用化されている。
下、アバランシェ増倍型半導体受光素子はAPDと略
す)の構造を示す断面図である。図6において、1はn
型InP基板、2はn+ 型InPバッファ層、9はSi
NX パッシベーション膜、10はn型オーミック電極、
11はp型オーミック電極、12は入射光、13はn-
InGaAs光吸収層、14はn型InP増倍層、20
はn型InPキャップ層、21はp+ 型受光領域、22
はp- 型ガードリング領域である。
吸収層13で発生した光キャリアの中で正孔キャリアが
電界によりn型InP増倍層14に注入される。このn
型InP増倍層14は、高電界が印加されているので、
イオン化衝突が生じ、増倍特性に至る。この場合、素子
特性上、重要な雑音,高応答特性は、増倍過程でのキャ
リアのランダムなイオン化プロセスに支配されているこ
とが知られている。具体的には、増倍層であるInP層
14の電子と正孔とのイオン化率に差があるほどイオン
化率が大きくとれ(電子および正孔のイオン化率をそれ
ぞれα,βとすると、α/β>1のときには電子、β/
α>1のときには正孔がイオン化衝突を起こす主キャリ
アとなるべきである)、素子特性上望ましい。
/α)は、材料物性的に決定されており、InPでは高
々β/α=2程度である。これは、低雑音特性を有する
Siのα/β=20と大きな違いがあり、より低雑音お
よび高応答性を実現するために画期的な技術革新が要求
されている。
型半導体受光素子において、増倍層に超格子構造を適用
し、伝導帯不連続エネルギーによる電子のイオン化促進
を意図した超格子APDまたは階段型APDが研究され
ている。特にInAlAs/InAlGaAs超格子層
を増倍層とした超格子APDにおいて、利得帯域幅積1
20GHzが報告されている(アイ・イー・イー・イー
フォトニクス テクノロジー レターズ(IEEE
photonics TechnologyLette
rs)1993年、5巻、pp675−677に記
載)。
成傾斜多周期層を増倍層とした階段型APDにおいて
は、超格子APDを超える高増倍特性が報告されている
(ジャパン・ジャーナル・アプライド・フィジックス
(Jan.J.Appl.Phys.)1994年、3
3巻、pp.L32−34に記載)。
aAs超格子APDの構造を示す断面図である。図7に
おいて、このAPDは、まず、n型InP基板1上に気
相成長法によりn+ 型InPバッファ層2,n+ 型In
AlAsバッファ層3,n-型InAlAs/InAl
GaAs超格子増倍層4,p+ 型電界緩和層5,p-型
光吸収層6,p+ 型InPキャップ層7およびp+ 型I
nGaAsコンタクト層8が順次積層して形成され、超
格子増倍層4は、n- 型In0.52Al0.48As増倍障壁
層15とn- 型In0.5Al0.23Ga0.27 As増倍井戸
層16とから構成されている。
成を行い、SiNX をパッシベーション膜9として表面
に堆積させる。その後、蒸着によりn側オーミック電極
10およびp側オーミック電極11を形成して完成す
る。なお、入射光12は表面から入射される。
および階段型APDにおいては、実用化されているIn
GaAs−APDを凌駕する特性が報告されている。し
かしながら、これら超格子APDおよび階段型APDで
は、素子構造がメサ型であるため、メサ型構造側面のパ
ッシベーションの不完全さから、長期間における信頼性
は確立されていない。これは、プレーナ構造と二重ガー
ドリング構造との採用により、寿命10万時間以上を確
立しているInGaAs−APDと大きく異なってい
る。
面に配置したパッシベーション膜9としてSiNX など
のアモルファスまたは多結晶膜を用いていることによ
り、単結晶で形成された素子構造と多結晶パッシベーシ
ョン膜との間に格子定数の違いによるダングリングボン
ドが多数発生し、このダングリングボンドの経時的不安
定性から暗電流の増加などの原因となっていた。また、
単結晶膜と多結晶膜とで熱膨張係数差が大きいことか
ら、メサ界面に応力が負荷され、転位の増殖などの原因
にもなっていた。
を解決するためになされたものであり、その目的は、メ
サ界面のダングリングボンドをなくし、APD特性の経
時的劣化を抑制し、その結果、寿命10万時間以上の高
感度,高速特性および高信頼性が得られる半導体受光素
子を提供することにある。
るために本発明による半導体受光素子は、メサ型構造の
メサ側面に単結晶の高抵抗層と、半導体基板と同一導電
型の高濃度層とからなるエピタキシャル多重層を設け、
所定の電圧が印加されたときにメサ側面と高抵抗層との
界面よりのびる空乏層が高濃度層に到達する程度の厚さ
に高抵抗層を形成したものである。また、他の発明によ
る半導体受光素子は、メサ型構造のメサ側面に半導体基
板と同一導電型の単結晶の低濃度層と高濃度層とからな
るエピタキシャル多重層を設け、所定の電圧が印加され
たときにメサ側面と低濃度層との界面よりのびる空乏層
が高濃度層に到達する程度の厚さに低濃度層を形成した
ものである。
タキシャル多重層を設けたことにより、メサ界面のダン
グリングボンドが完全に終端されるとともに、欠陥の導
入が低減され、さらに界面品質の経時変化が少なくな
り、高信頼性特性が実現できる。
説明する。 (実施例1)図1は、本発明による半導体受光素子の一
実施例による構成を説明するための超格子APDの素子
構造示す断面図であり、図7と同一部分には同一符号を
付してある。図1において、メサ型構造のメサ側面Sに
パッシベーション膜としてInAlAs高抵抗層17′
とn+ 型InP基板1と同一導電型のn+ 型高濃度空乏
層終端層18′とからなるエピタキシャル多重層が配設
されている。
説明するための図である。従来では高抵抗層を作製する
には、成長層にFeをドーピングすることが一般的に行
われていた。このため、Feを供給するためのフェロセ
ン(CP2 Fe)などの材料を必要としていたが、本実
施例では、新たな材料を不要としてInAlAs高抵抗
層17′を得ることができる。
正孔濃度のV/III比依存性を示しており、この図2から
分かるように低V/III 比の条件下では、ドーピングした
Znと結晶欠陥との複合体により、InAlAs膜が高
抵抗化することが分かる。Znはp層を形成するために
必要なドーパントであるため、InAlAs高抵抗層1
7′とn+ 型高濃度空乏層終端層18′とをメサ側面S
に形成する際には、ZnドープInAlAs成長におい
て、V/III 比を変化させるのみで簡単に作製することが
できる。
キシャル多重層を形成することにより、単結晶で形成さ
れた素子構造界面との間に生ずるダングリングボンドの
発生および歪応力負荷の問題を解決することができる。
ことにより、新たに発生する問題点に対しても対処して
いる。すなわち、パッシベーション膜が絶縁特性を有し
ない場合、パッシベーション膜側にも空乏層が伸び、電
界が印加される。よってその電界強度のコントロールす
る必要があるが、単層であると、このコントロールが困
難となり、メサ界面への電界の集中および空乏層の突き
抜けなどが生じてしまう。
乏層終端層18′とからなるエピタキシャル多重層構造
を採用しているので、メサ界面からエピタキシャル多重
層側に伸びる空乏層は、高抵抗層17′を空乏化し、メ
サ界面の電界強度を下げ、その後、この高濃度空乏層終
端層18′に達すると、終端する。さらに高抵抗層1
7′には上述したようにバンドギャップが広いInAl
As層を用いているので、耐圧が高く、メサ界面での電
界印加による暗電流の増加などの劣化現象を抑圧してい
る。これらの作用により、経時的な特性劣化の少ないメ
サ型構造APDを実現できる。
受光素子の他の実施例による構成を示す断面図であり、
図1と同一部分には同一符号を付してある。図3におい
ては、メサ型構造のメサ側面Sにパッシベーション膜と
してn- 型低濃度層19′とn+ 型高濃度空乏層終端層
18′とからなるエピタキシャル多重層が配設されてい
る。このエピタキシャル多重層は単結晶であり、かつ多
層構造からなり電界強度をコントロールしているので、
上記実施例1と同様の作用効果が得られる。さらに次の
作用が加わる。すなわち、上記実施例1では、図2に示
したようにドーピングしたZnと欠陥の複合体により高
抵抗化したInAlAs層を採用しているが、層中に欠
陥を有しているので、これを介した暗電流の増加が不可
避であるのに対してこの実施例では、低濃度層19′を
採用しているので、この暗電流増加分が除去できる。こ
れにより、実施例1の作用効果に加えて低暗電流特性が
実現できる。
具体例を説明する。 (具体例1)図4は、本発明による半導体受光素子の実
施例1の具体例を説明するInAlAs−APDの構成
を示す断面図である。図4において、n+ 型InP(1
00)基板1上には、厚さ0.3μmのn+ 型InPバ
ッファ層2(n=7×1017cm-3),厚さ0.3μm
のn+ 型InAlAsバッファ層3(n=7×1017 c
m-3),厚さ0.25μmのノンドープn- 型ヘテロ周
期構造増倍層4,厚さ0.1μmのp+ 型InP電界緩
和層5(p=5×1017cm-3),厚さ0.9μmのp
- 型InGaAs光吸収層6,厚さ0.1μmのp+ 型
InPキャップ層7(p=1×1018cm-3)および厚
さ0.2μmのp+ 型InGaAsコンタクト層8(p
=5×1018cm-3)がそれぞれ順次積層されて形成さ
れている。
は、厚さ120Åのn- 型In0.52Al0.48As増倍障
壁層15と厚さ80Åのn- 型In0.5 Al0.23Ga
0.27As増倍井戸層16とが多層に積層されて構成され
ている。また、p+ 型InGaAsコンタクト層8の表
面には、反射防止膜としてSiNX 膜23が1500Å
の厚さに堆積され、ウェットエッチングによりメサ型構
造が形成されている。また、このメサ型構造のメサ側面
Sには、エピタキシャル成長法により厚さ2μmの高抵
抗InAlAs層17と、厚さ0.3μmのn+ 型In
AlAs空乏層終端層18とからなるエピタキシャル多
重層が形成されている。さらにn型オーミック電極10
として厚さ1500ÅのAuGe/Niと、厚さ500
ÅのTiPtAuとが堆積されて形成され、p側オーミ
ック電極11として厚さ1500ÅのAuZnが堆積さ
れて素子構造が完成される。
サ側面Sに空乏層を伸ばし、メサ側面Sの電界強度を下
げる高抵抗InAlAs層17と、空乏層を終端させる
高濃度n+ 型InAlAs空乏層終端層18とからなる
エピタキシャル多重層のパッシベーション膜を設けたこ
とにより、メサ界面のダングリングボンドの除去および
印加電界のコントロールにより、APD特性の経時変化
が少なくなるので、寿命が約10万時間以上で暗電流
0.5μA(増倍率20において)の低雑音,高速応答
特性を有する高信頼性のアバランシェ増倍型半導体受光
素子が得られる。
およびn+ 型InAlAs空乏層終端層18は、InP
またはInGaAsPなどの組成であっても問題はな
い。また、p型半導体基板上に素子構造を形成した場
合、メサ側面に形成するエピタキシャルパッシベーショ
ン膜は、高抵抗InAlAs層17と、p+ 型InAl
As空乏層終端層との構成になる。さらに本発明による
素子構造は、具体的にはMOVPE法,MBE法,ガス
ソースMBE法などの成長技術により、作製することが
できる。
受光素子の実施例2の具体例による構成を説明するIn
AlAs−APDの断面図である。図5において、n+
型InP(100)基板1上には、厚さ0.3μmのn
+ 型InPバッファ層2(n=7×1017cm-3),厚
さ0.3μmのn+ 型InAlAsバッファ層3(n=
7×1017cm-3),厚さ0.25μmのノンドープn
- 型ヘテロ周期構造増倍層4,厚さ0.1μmのp+ 型
InP電界緩和層5(p=5×1017cm-3),厚さ
0.9μmのp- 型InGaAs光吸収層6(p=8×
1015cm-3),厚さ0.1μmのp+ 型InPキャッ
プ層7(p=1×1018cm-3)および厚さ0.2μm
のp+ 型InGaAsコンタクト層8(p=5×1018
cm-3)がそれぞれ順次積層されて形成されている。
は、厚さ120Åのn- 型In0.52Al0.48As増倍障
壁層15と厚さ80Åのn- 型In0.5 Al0.23Ga
0.27As増倍井戸層16とが交互に多層に積層されて構
成されている。また、p+ 型InGaAsコンタクト層
8の表面には、反射防止膜として厚さ1500ÅのSi
NX 膜23が堆積され、ウェットエッチングによりメサ
型構造が形成されている。また、メサ型構造のメサ側面
Sには、エピタキシャル成長法により厚さ2μmのn-
型InAlAs層19と、厚さ0.3μmのn+ 型In
AlAs空乏層終端層18とからなるエピタキシャル多
重層が形成されている。さらにn型オーミック電極10
として厚さ1500ÅのAuGe/Niと、厚さ500
ÅのTiPtAuとが堆積されて形成され、p側オーミ
ック電極11として厚さ1500ÅのAuZnが堆積さ
れて素子構造が完成される。
サ側面Sに空乏層を伸ばし、メサ側面Sの電界強度を下
げ、暗電流増加分を除去する低濃度n- 型InAlAs
層19と、空乏層を終端させる高濃度n+ 型InAlA
s空乏層終端層18とからなるエピタキシャル多重層の
パッシベーション膜を設けたことにより、メサ界面のダ
ングリングボンドの除去および印加電界のコントロール
により、APD特性の経時変化が少なくなるので、寿命
10万時間以上で暗電流0.2μA(増倍率20におい
て)の低雑音,高速応答特性を有するアバランシェ増倍
型半導体受光素子が実現できる。
およびn+ 型InAlAs空乏層終端層18は、InP
またはInGaAsPなどの組成であっても問題はな
い。また、p型半導体基板上に素子構造を形成した場
合、メサ側面に形成するエピタキシャルパッシベーショ
ン膜は、p- 型InAlAs層19とp+ 型InAlA
s空乏層終端層との構成になる。さらに本発明による素
子構造は、具体的にはMOVPE法,MBE法,ガスソ
ースMBE法などの成長技術により、作製することがで
きる。
長距離光通信に使用される1μm帯の半導体受光素子に
おいて、高感度,高速特性を有し、かつ高信頼性が得ら
れるという極めて優れた効果が得られる。
る構成を示すInAlAs−APDの断面図である。
グInAlAs膜の正孔濃度のV/III 比依存性を示す図
である。
例による構成を示すInAlAs−APDの断面図であ
る。
る構成を示す断面図である。
よる構成を示す断面図である。
面図である。
る。
層、3…n+型InAlAsバッファ層、4…ノンドー
プn- 型InAlAs/InAlGaAs超格子増倍
層、5…p+ 型InP電界緩和層、6…p- 型InGa
As光吸収層、7…p+ 型InPキャップ層、8…p+
型InGaAsコンタクト層、9…SiNXパッシベー
ション膜、10…n型オーミック電極、11…p型オー
ミック電極、12…入射光、13…n- 型InGaAs
光吸収層、14…n型InP増倍層、15…n-型In
0.52Al0.48As増倍障壁層、16…n-型In0.5Al
0.23 Ga0.27As増倍井戸層、17…高抵抗InAl
As層、18,18′…n+ 型InAlAs空乏層終端
層、19,19′…p- 型InAlAs層、20…n型
InPキャップ層、21…p+ 型受光領域、22…p-
型ガードリング領域、23…SiNX 反射防止膜、S…
メサ側面。
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板上に少なくとも光吸収層およ
び増倍層を積層形成してなるメサ型構造を有する半導体
受光素子において、 前記メサ型構造のメサ側面に単結晶の高抵抗層と、前記
半導体基板と同一導電型の高濃度層とからなるエピタキ
シャル多重層を設け、前記高抵抗層は所定の電圧が印加
されたときに負記メサ側面と前記高抵抗層との界面より
のびる空乏層が前記高濃度層に到達する程度の厚さに形
成されていることを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項2】 半導体基板上に少なくとも光吸収層およ
び増倍層を積層形成してなるメサ型構造を有する半導体
受光素子において、 前記メサ型構造のメサ側面に半導体基板と同一導電型の
単結晶の低濃度層と、高濃度層とからなるエピタキシャ
ル多重層を設け、前記低濃度抗層は所定の電圧が印加さ
れたときに前記メサ側面と前記低濃度層との界面よりの
びる空乏層が前記高濃度層に到達する程度の厚さに形成
されていることを特徴とする半導体受光素子。
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