JP3030394B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体受光素子
に関し、特に、導波路型の半導体受光素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、加入者系の通信手段を、これまで
の電線ケーブルから光通信ケーブルに置き換えることが
検討されている。この場合、小型で信頼性の高い加入者
宅用の送受信装置を低コストで提供することが、最も大
きな技術的課題である。また、これまでに提案されてい
る送受信装置においては、集積回路による電子回路の小
型化と低消費電力化に加えて、図８に示すように、発光
素子８０１，受光素子８０２および光導波路８０３を一
つの基板８０４上に一体的に形成することが試みられて
いる。そして、光分岐回路８０５を備えた光導波路８０
３が形成された基板８０４上において、上述した素子を
一体的に形成するためには、発光素子８０１，受光素子
８０２ともに導波路構造をとることが重要である。な
お、図８中、８０６はモニタ用のフォトダイオードであ
る。

【０００３】このような導波路構造を有する受光素子と
しては、図９に示される半導体導波路型受光素子が、高
速動作に適しているという観点から検討されている。こ
の半導体導波路型受光素子は、まず、半絶縁性のＩｎＰ
からなる基板９０１上に、厚さ０．６μｍでバンドギャ
ップ波長１．３μｍのｎ形ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガ
イド層９０２が形成されている。また、この光ガイド層
９０２上の所定領域に、厚さ０．６μｍの低キャリア濃
度のｎ形ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層９０３が形成さ
れ、この上に、厚さ０．６μｍでバンドギャップ波長
１．３μｍのｐ形ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層９
０５が形成されている。また、光ガイド層９０５上に
は、厚さ０．５μｍのｐ形ＩｎＰからなるクラッド層９
０６が形成されている。

【０００４】そして、光ガイド層９０２の光吸収層９０
３が形成されていない領域上にはｎ形オーミック電極９
０７が形成され、クラッド層９０６上には、ｐ形オーミ
ック電極９０８が形成されている（Ｋ．Ｋａｔｏ他、
「Ａ．ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ５０ ＧＨｚ
ＩｎＧａＡｓ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｗａｖｅｇｕｉ
ｄｅ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ」ＩＥＥＥ Ｊｏｕ
ｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓ第２８巻第１２号２７２８頁１９９２年）。

【０００５】この図９に示される半導体受光素子の動作
原理は、次の通りである。すなわち、劈開面より入射し
た波長１．５５μｍの入射光は、基板９０１，光ガイド
層９０２，光吸収層９０３，光ガイド層９０５，およ
び，クラッド層９０６で構成される光導波路内を導波す
る。そして、光導波路内を導波していく中で、その入射
光は光吸収層９０３で吸収され、電子とホールに変換
（光電変換）される。この光電変換で生じた電子および
ホールは、ｐｎ接合に印加された逆バイアス電圧によっ
て生じる電界によって、それぞれｎ形およびｐ形半導体
層側に走行し、信号電流として素子外部に取り出され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うに、小型で信頼性の高い送受信装置を低コストで提供
する上で、受光素子として導波路型受光素子を用いる場
合には、以下に説明するような問題があった。

【０００７】まず、加入者系の送受信装置では、電子回
路の小型化と同時に低消費電力化も実現しなければなら
ない。このためには、低電圧駆動の集積回路を用いなけ
ればならないので、発光素子および受光素子の駆動電圧
も低くなる。したがって、受光素子に印加する電圧の大
きさは、低消費電力型の集積回路で使われる２Ｖ以下で
なければならなく、好ましくは１Ｖである。また、当然
このような受光素子にも高い光電変換効率（以下、単に
効率と称する）と、高速性が要求される。

【０００８】ここで、図９に示すような半導体導波路型
受光素子は、光導波構造をとるので、この点では、加入
者系の光通信化に必要な送受信装置の一体化に適してい
る。一方で、この半導体導波路型受光素子は、５０ＧＨ
ｚに及ぶ超高速性を備えているので、もっぱら交換機間
の大容量で高速な伝送システムへの適用が検討されてき
た。このため、以下に述べるように、駆動電圧が低いと
応答速度が遅くなるため、送受信装置内の電子回路の小
型化および低消費電力化には適していないという問題が
あった。

【０００９】まず、次に示す理由により、光吸収層はそ
の厚さが２μｍ以上なければならない。光ファイバを通
って送られてきた直径約１０μｍの光信号を、有限の長
さの半導体導波路型受光素子で受信しようとする場合、
光吸収層の厚さが厚いほど高効率に光電変換することが
できる。また、半導体導波路型受光素子では、容量を小
さくし、加えて光ファイバーから出射される光信号（直
径約１０μｍ）が光導波路に効率よく結合するように、
光吸収層を含む光導波路は幅約３０μｍのメサ構造（も
しくはリッジ構造）に加工されている。また、さらに容
量が所望の小さな値となるようにするためには、光吸収
層を含む光導波路の長さをより短縮しなくてはならな
い。

【００１０】以上説明したことにより、光吸収層を薄く
すると、信号光は吸収層で十分に吸収されなくなってし
まう。この光吸収層の厚さの違いによる光電変換の効率
は、例えば素子長が１００μｍのとき、厚さ３μｍの光
吸収層で９０％、厚さ２μｍの光吸収層では７５％の光
電変換が可能である。受光素子として使用するために７
０％以上の効率が必要なので、上述したことから、光吸
収層はその厚さが２μｍ以上なければならない。一方、
一般に半導体導波路型受光素子では、光吸収層を結晶成
長上可能な限り低濃度の１×１０¹⁵cm^-3程度のｎ形低キ
ャリア濃度にしている。その理由は、与えられたバイア
ス電圧で光吸収層を可能な限り空乏化し、光電変換で生
じるキャリア（電子およびホール）を高速で走行させる
ためである。

【００１１】しかし、発明者らは、以下に示す問題点を
見いだした。例えば１Ｖ程度の低いバイアス電圧では、
図１０に示すように、１×１０¹⁵cm^-3程度のキャリア濃
度の光吸収層１００１を約１．５μｍ程度しか空乏化し
ない。このため、光吸収層１００１の厚さが３μｍの素
子では、光吸収層１００１の空乏化されずに残った約
１．５μｍの厚さのｎ形の層１００２内では、光電変換
されて生じたホール１００４が拡散運動によって低速で
移動した後に空乏層１００３に入る。このため、この状
態では、１０ＭＨｚ以上の高速の信号には応答できない
という問題がある。

【００１２】以上をまとめると、従来の半導体導波路型
受光素子では、光電変換の効率を上げようとすると光吸
収層を例えば３μｍと厚くする必要がある。しかし、こ
のように光吸収層を厚くすると高速光信号に応答できな
い。すなわち、従来では、上述したような半導体受光素
子を加入者系の送受信装置の受光素子として用いた場
合、効率と高速性を同時に達成することが困難であっ
た。

【００１３】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、１Ｖ程度と低電圧で駆動
しても、光電変換効率を低下させることなく、高速光信
号に応答できるようにした半導体受光素子を提供するこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体受光素
子は、ｎ形を有する第１の層と、その第１の層上に接し
て形成されてｐ形を有する第２の層とから構成された光
吸収層を少なくとも備え、第２の層の光の吸収端の波長
は、その厚さ方向に前記第１の層より離れるほど小さく
なり、第１の層と第２の層との間に所定の逆バイアス電
圧を印加したとき、第１の層は総てが空乏化して第２の
層は一部が空乏化する状態となるようにした。また、ｎ
形を有する第１の層と、その第１の層に接して形成され
てｐ形を有する第２の層とから構成された光吸収層を少
なくとも備え、第２の層の不純物濃度は、その厚さ方向
に第１の層より離れるほど高くなり、第１の層と第２の
層との間に所定の逆バイアス電圧を印加したとき、第１
の層は総てが空乏化し、第２の層は一部が空乏化する状
態となるようにした。 また、ｎ形を有する第１の層と、
その第１の層に接して形成されてｐ形を有する第２の層
とから構成された光吸収層を少なくとも備え、第１の層
の不純物濃度は、その厚さ方向に第２の層よりも離れる
ほど高くなり、第２の層の不純物濃度は、その厚さ方向
に第１の層よりも離れるほど高くなり、第１の層と第２
の層との間に所定の逆バイアス電圧を印加したとき、第
１の層は総てが空乏化し、第２の層は一部が空乏化する
状態となるようにした。このように、所定の電圧を印加
したときに、第１の層では全域が空乏化しているので、
光励起キャリアである電子およびホールの移動速度が大
きいものとなる。また、第２の層では全域が空乏化され
ていなくても、光電変換に寄与する光励起キャリアは少
数キャリアである電子なので、その格段に大きな拡散速
度によって半導体受光素子の応答速度は速くなる。ま
た、第１の層側に配置して光吸収層よりも光の吸収端の
波長が短く屈折率の小さいｎ形を有する第１の半導体層
と、第２の側に配置して光吸収層よりも光の吸収端の波
長が短く屈折率の小さいｐ形を有する第２の半導体層と
を備えるようにした。このように構成した結果、第１の
半導体層と第２の半導体層およびそれらで挾まれた光吸
収層は、導波路を構成する。

【００１５】また、この発明の半導体受光素子は、光吸
収層の光の入射端面を除く側面が第２の層と同一の材料
からなるｎ形の第３の層で覆われ、第２の半導体層の光
の入射端面側を除く側面が第２の半導体層と同一の材料
からなるｎ形の第４の層で覆われ、加えて、第２の層お
よび第２の半導体層は、光の入射端面より光の導波方向
に向かって漸次広がって形成されているようにした。こ
のように構成したので、その構造をより容易に製造する
ことが可能となる。また、この発明の半導体受光素子で
は、第２の層の光の吸収端の波長が、その厚さ方向に第
１の層より離れるほど小さくなっているようにもしてい
るので第２の層においては、バンドギャップの勾配が形
成されるので、キャリア（電子）の第１の層側への移動
速度を電子の拡散速度以上とすることができる。

【００１６】また、この発明の半導体受光素子では、第
２の層の不純物濃度が、その厚さ方向に第１の層より離
れるほど高くなっているようにもしているので第２の層
においては、不純物濃度の勾配により空乏化されていな
い領域でも電界が形成されることになり、キャリア（電
子）の第１の層側への移動速度を電子の拡散速度以上と
することができる。また、この発明の半導体受光素子
は、第１の層の不純物濃度がその厚さ方向に第２の層よ
りも離れるほど高くなり、第２の層の不純物濃度がその
厚さ方向に第１の層よりも離れるほど高くなっているよ
うにもしているので、第１の層および第２の層両方にあ
まり空乏層が広がらなくても、それぞれの層において光
電変換に寄与する光励起キャリアが高速で移動するよう
になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。はじめに、この発明の基本的な構成
に関して、図１を用いて説明する。図１（ａ）に示すよ
うに、まず、Ｆｅがドープされた半絶縁性ＩｎＰからな
るクラッド層としての基板１０１上に、厚さ２μｍのバ
ンドギャップ波長１．２μｍのｎ形のＩｎＧａＡｓＰか
らなる光ガイド層１０２が配置されている。この光ガイ
ド層１０２には濃度１０¹⁸ｃｍ^-3でシリコンがドープさ
れてｎ形となっている。

【００１８】そして、この光ガイド層１０２上の所定領
域に、厚さ１．５μｍでバンドギャップ波長１．４μｍ
の低キャリア濃度のｎ形ＩｎＧａＡｓＰからなる下部光
吸収層１０３が形成され、この上に、厚さ１．５μｍで
バンドギャップ波長１．４μｍのｐ形ＩｎＧａＡｓＰか
らなる上部光吸収層１０４が形成されている。なお、下
部光吸収層１０３は、不純物を導入したものではない
が、濃度１０¹⁵ｃｍ^-3の微量なシリコンが含まれた状態
となっており、結果としてｎ形となっている。また、上
部光吸収層１０４には、不純物としてＺｎが濃度１０¹⁸
ｃｍ^-3ドープされてｐ形となっている。また、下部光吸
収層１０３と上部光吸収層１０４とをあわせると、所定
の量子効率を満たす厚さを備えた状態となっている。

【００１９】また、この上部光吸収層１０４上には、厚
さ２μｍでバンドギャップ波長１．２μｍの不純物とし
てＺｎが１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされたｐ形ＩｎＧａＡｓＰ
からなる光ガイド層１０５、および、厚さ０．５μｍで
不純物としてＺｎが１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされたｐ形Ｉｎ
Ｐからなるクラッド層１０６が形成されている。加え
て、光ガイド層１０２上の光吸収層が形成されていない
領域にｎ形オーミック電極１０７が形成され、クラッド
層１０６上にｐ形オーミック電極１０８が形成されてい
る。なお、この半導体導波路型受光素子では、光ガイド
層１０２，下部光吸収層１０３，上部光吸収層１０４，
光ガイド層１０５，および，クラッド層１０６が長さ１
００μｍ，幅３０μｍのリッジ構造となっている。そし
て、このリッジ構造において、垂直方向には下部光吸収
層１０３，上部光吸収層１０４をコア層とする光導波路
構造となっている。

【００２０】ここで、上述した構成において、光ガイド
層１０２から光ガイド層１０５までのバンド構造を見る
と、図１（ｂ）のバンドダイヤグラムで示されるように
なっている。この状態で、端面から入射された波長１．
３μｍの光は、導波路型受光素子内を導波しながら徐々
に下部光吸収層１０３，上部光吸収層１０４で光電変換
され、電子１１１ａ，１１１ｂとホール１１２ａ，１１
２ｂが生成されている。この中で、電子１１１ａ，１１
１ｂは光ガイド層１０２の方へ移動していき、ホール１
１２ａは上部光吸収層１０４の方へ移動していくことに
なる。一方、ホール１１２ｂは、ｐ形の上部光吸収層１
０４に熱的に励起されてわずかに存在する電子と結合し
て消滅する。

【００２１】ここで、空乏化している下部光吸収層１０
３の領域で、光吸収により生成されたホール１１２ａが
上部光吸収層１０４に到達し、また電子１１１ａが光ガ
イド層１０２に到達し、電子が少数キャリアである上部
光吸収層１０４で光吸収により生成された電子１１１ｂ
が下部光吸収層１０３を通過して光ガイド層１０２に到
達すること、すなわち電子およびホールが空乏化した領
域を通過することで光電変換電流が発生することにな
る。そして、まず、この半導体導波路型受光素子では、
上部光吸収層１０４から下部光吸収層１０３に空乏層が
広がる構成となっている。そして、下部光吸収層１０３
は厚さ１．５μｍであるため、１Ｖの印加電圧でも全体
が空乏化する。したがって、下部光吸収層１０３で光電
変換されて生じた光電変換電流に寄与するキャリアは、
ドリフト速度で移動するために高速応答できる。

【００２２】また上部光吸収層１０４の領域はｐ形半導
体であるため、ここで光電変換されて生じた光電変換電
流に寄与する電子１１１ｂの応答は、電子の拡散速度に
支配される。ここで、電子１１１ｂの拡散速度は、ホー
ルの拡散速度と比べて一桁以上大きく速い。すなわち、
電子１１１ｂは高速で移動するため、高速応答ができる
ことになる。したがって以上の２つのことにより、下部
光吸収層１０３，上部光吸収層１０４内に発生した、光
電変換電流の発生に寄与するキャリアすべてが高速応答
できるため、この半導体導波路型受光素子は、高い周波
数帯域の光信号を受信できることになる。実際、この半
導体受光素子においては、バイアス電圧１Ｖで、周波数
帯域１０ＧＨｚの光信号を光電変換効率８０％で受信す
ることが可能となり、この光電変換効率は、１Ｖで飽和
した。

【００２３】ところで、上記においては、光入射端面と
して劈開面を用いた例を示したが、光入射端面としてエ
ッチングで形成した面を用いても同様の効果が期待でき
る。また上記においては、半絶縁性半導体基板を用いた
例を示したが、導電性半導体基板を用いても同様の効果
が期待できる。その場合、一方の電極を半導体基板の裏
面に形成しても同様の効果が期待できる。

【００２４】実施の形態１図２は、本発明の実施の形態
１における半導体受光素子の構成を示す。図２（ａ）に
示すように、Ｆｅがドープされた半絶縁性のＩｎＰから
なるクラッド層としての基板２０１上に、厚さ２μｍで
バンドギャップ波長１．２μｍでＳｉが不純物として１
０¹⁸ｃｍ^-3ドープされたｎ形ＩｎＧａＡｓＰからなる光
ガイド層２０２が形成されている。また、この光ガイド
層２０２の所定領域上に、厚さ１．５μｍでバンドギャ
ップ波長１．４μｍの低キャリア濃度のｎ形ＩｎＧａＡ
ｓＰからなる下部光吸収層２０３が形成されている。な
お、この下部光吸収層２０３は、不純物を導入している
わけではないが、濃度１０¹⁵ｃｍ^-3の微量なシリコンが
含まれた状態となっており、結果としてｎ形となってい
る。

【００２５】加えて、この下部吸収層２０３上に、厚さ
１．５μｍの不純物として濃度１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎがド
ープされてｐ形となっているＩｎＧａＡｓＰからなる上
部吸収層２０４が形成されている。そして、この実施の
形態１においては、この上部光吸収層２０４は、下端か
ら上端に向かってバンドギャップ波長が１．４μｍから
１．３５μｍに徐々に変化している。また、その上部光
吸収層２０４上には、厚さ２μｍでバンドギャップ波長
１．２μｍの不純物としてＺｎが１０¹⁸ｃｍ^-3ドープさ
れたｐ形ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層２０５、お
よび、厚さ０．５μｍで不純物としてＺｎが１０¹⁸ｃｍ
^-3ドープされたｐ形ＩｎＰからなるクラッド層２０６が
形成されている。加えて、光ガイド層２０２の光吸収層
が形成されていない領域にｎ形オーミック電極２０７が
形成され、クラッド層２０６上にｐ形オーミック電極２
０８が形成されている。

【００２６】なお、この半導体導波路型受光素子では、
光ガイド層２０２，下部光吸収層２０３，上部光吸収層
２０４，光ガイド層２０５，および，クラッド層２０６
が、長さ１００μｍ，幅３０μｍのリッジ構造となって
いる。そして、このリッジ構造において、下部光吸収層
２０３と上部光吸収層２０４とを積層させたコア層から
なる光導波路構造となっている。そして、劈開された端
面から入射された光は、導波路型受光素子内を導波しな
がら徐々に光吸収層で光電変換される。

【００２７】ここで、光ガイド層２０２から光ガイド層
２０５までのバンド構造を見ると、図２（ｂ）のバンド
ダイヤグラムで示されるようになっている。この中で、
この実施の形態１の導波路型受光素子においても、下部
光吸収層２０３の領域は厚さ１．５μｍのｎ形低キャリ
ア濃度であるため、その全体が空乏化することになる。
したがって、下部光吸収層２０３で光電変換されて生じ
たキャリアは、ドリフト速度で移動するため高速応答で
きる。また、上部光吸収層２０４の領域は、ｐ形半導体
であるため、光電変換されて生じたキャリアの応答は電
子の拡散速度で支配される。そして、電子の拡散速度は
ホールの拡散速度と比べて一桁以上大きいため、高速応
答ができる。これは、前述した基本的な構成における導
波路型受光素子と同様のことである。

【００２８】そして、この実施の形態１における導波路
型受光素子においては、そのことに加え、上部光吸収層
２０４が、下端から上端に向かってバンドギャップ波長
が１．４μｍから１．３５μｍに徐々に変化している構
成とした。このため、上部光吸収層２０４内にはバンド
ギャップの勾配が生じている。すなわち、上部光吸収層
２０４においても光ガイド層２０２に向けて電子がドリ
フトする領域が形成されている状態となる。このため、
この上部光吸収層２０４においても、少数キャリアであ
る電子が加速されることになる。したがって、この実施
の形態１によれば、前述した基本的な構成の半導体受光
素子に比較して、より高速応答ができる状態となってい
る。なお、この実施の形態１においても、光入射端面と
して劈開面を用いた例を示したが、これに限るものでは
なく、光入射端面としてエッチングで形成した面を用い
ても同様の効果が期待できる。

【００２９】また本実施の形態１においては、半絶縁性
半導体基板を用いた例を示したが、導電性半導体基板を
用いても同様の効果が期待できる。その場合、一方の電
極を半導体基板の裏面に形成しても同様の効果が期待で
きる。以上、本実施の形態１においては、ｐ形光吸収領
域のバンドギャップ波長を徐々に変えた効果として応答
速度の向上を述べたが、ｐ形光吸収領域のバンドギャッ
プ波長を徐々に変えることによって、熱励起キャリアの
酔歩運動が制限され、暗電流が減少するという作用も合
わせ持っている。

【００３０】実施の形態２ 図３は、本発明の実施の形態２における半導体受光素子
の構成を示す。この半導体導波路型受光素子は、図３
（ａ）に示すように、まず、Ｆｅがドープされた半絶縁
性のＩｎＰからなるクラッド層としての基板３０１上
に、バンドギャップ波長１．２μｍでＳｉが不純物とし
て１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされたｎ形のＩｎＧａＡｓＰから
なる厚さ２μｍの光ガイド層３０２が形成されている。
そして、この光ガイド層３０２の所定領域に、厚さ１．
５μｍでバンドギャップ波長１．４μｍの低キャリア濃
度のｎ形ＩｎＧａＡｓＰからなる下部光吸収層３０３が
形成されている。なお、この下部光吸収層３０３は、不
純物を導入したものではないが、濃度１０¹⁵ｃｍ^-3の微
量なシリコンを含んでおり、結果としてｎ形となってい
る。

【００３１】加えて、この下部吸収層３０３上に、厚さ
１．５μｍでバンドギャップ波長１．４μｍでｐ形のＩ
ｎＧａＡｓＰからなる上部光吸収層３０４が形成されて
いる。ここで、この実施の形態２の半導体導波路型受光
素子では、この上部光吸収層３０４において、下端から
上端に向かってｐ形不純物であるＺｎ濃度が、１×１０
¹⁷cm^-3から１×１０¹⁸cm^-3に徐々に変化してドープされ
た状態としている。また、その上部光吸収層３０４上に
は、バンドギャップ波長１．２μｍで不純物としてＺｎ
が１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされた厚さ２μｍのｐ形ＩｎＧａ
ＡｓＰからなる光ガイド層３０５、および、厚さ０．５
μｍで不純物としてＺｎが１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされたｐ
形のＩｎＰからなるクラッド層３０６が形成されてい
る。加えて、光ガイド層３０２の光吸収層が形成されて
いない領域にｎ形オーミック電極３０７が形成され、ク
ラッド層３０６上にｐ形オーミック電極３０８が形成さ
れている。

【００３２】なお、この半導体導波路型受光素子でも、
光ガイド層３０２，下部光吸収層３０３，上部光吸収層
３０４，光ガイド層３０５，および，クラッド層３０６
が、長さ１００μｍ，幅３０μｍのリッジ構造となって
いる。そして、このリッジ構造において、下部光吸収層
３０３と上部光吸収層３０４とを積層させたコア層から
なる光導波路構造となっている。そして、劈開された端
面から入射された光は、導波路型受光素子内を導波しな
がら徐々に光吸収層で光電変換される。

【００３３】ここで、光ガイド層３０２から光ガイド層
３０５までのバンド構造を見ると、図３（ｂ）のバンド
ダイヤグラムで示されるようになっている。この中で、
この実施の形態２の半導体導波路型光素子においても、
下部キャリア層３０３の領域は厚さ１．５μｍのｎ形低
キャリア濃度であるため、１ボルトと低電圧で駆動して
も全体が空乏化することになる したがって、下部吸収
層３０３で光電変換されて生じた、光電変換電流に寄与
するキャリアは、ドリフト速度で移動するため高速応答
できる。また、上部光吸収層３０４は、ｐ形半導体であ
るため、光電変換されて生じた少数キャリアの応答は電
子の拡散速度で支配される。そして、電子の拡散速度は
ホールの拡散速度と比べて一桁以上大きいため、高速応
答ができる。これは、前述した基本的な構成や実施の形
態１における半導体導波路型光受光素子と同様のことで
ある。

【００３４】そして、この実施の形態２における半導体
導波型受光素子においては、そのことに加え、上部光吸
収層３０４内には不純物濃度勾配が形成されている。こ
のことにより、この上部光吸収層３０４においては、下
方から上方に向かって電界が生じている。すなわち、こ
の上部光吸収層３０４においても、光ガイド層３０２に
向けて電子がドリフトする領域が形成されている状態と
なっている。このため、この上部光吸収層３０４におい
ても、少数キャリアである電子が加速されることにな
り、より高速に応答できる状態となっている。つまり光
吸収層内に発生したキャリアすべてが高速応答できるた
め、この実施の形態２の半導体導波路型受光素子は、前
述した基本的な構成に比較して、より高速な光信号を受
信できることになる。なお、この実施の形態２において
も、光入射端面として劈開面を用いた例を示したが、こ
れに限るものではなく、光入射端面としてエッチングで
形成した面を用いても同様の効果が期待できる。

【００３５】実施の形態３ 図４は、本発明の実施の形態３における半導体受光素子
の構成を示す。同図においては、Ｆｅがドープされた半
絶縁性のＩｎＰからなるクラッド層としての基板４０１
上に、厚さ２μｍでバンドギャップ波長１．２μｍのｎ
形ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層４０２が形成され
ている。そして、この光ガイド層４０２の所定領域上
に、厚さ１．５μｍでバンドギャップ波長１．４μｍで
あり、下端から上端に向かってｎ形不純物であるＳｉ濃
度が、１×１０¹⁸cm^-3から１×１０¹⁷cm^-3に徐々に変化
しているＩｎＧａＡｓＰからなる下部光吸収層４０３が
形成されている。

【００３６】加えて、この下部光吸収層４０３上に、厚
さ１．５μｍでバンドギャップ波長１．４μｍのｐ形低
キャリア濃度のＩｎＧａＡｓＰからなる上部光吸収層４
０４が形成されている。この上部光吸収層４０４は、不
純物を導入したものではないが、その成長法法において
ｐ形を示すようになったものである。また、この上部光
吸収層４０４上には、厚さ２μｍでバンドギャップ波長
１．２μｍのｐ形ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層４
０５、および、厚さ０．５μｍのｐ形ＩｎＰからなるク
ラッド層４０６が形成されている。加えて、光ガイド層
４０２の光吸収層が形成されていない領域に、ｎ形オー
ミック電極４０７が形成され、クラッド層４０６上にｐ
形オーミック電極４０８が形成されている。

【００３７】なお、この半導体導波路型受光素子では、
光ガイド層４０２，下部光吸収層４０３，上部光吸収層
４０４，光ガイド層４０５，および，クラッド層４０６
が、長さ１００μｍ，幅３０μｍのリッジ構造となって
いる。そして、このリッジ構造において、下部光吸収層
４０３と上部光吸収層４０４とを積層させたコア層から
なる光導波路構造となっている。そして、劈開された端
面から入射された光は、導波路型受光素子内を導波しな
がら徐々に下部光吸収層４０３および上部光吸収層４０
４で光電変換される。

【００３８】ここで上部光吸収層４０４の領域が、低キ
ャリア濃度となっており、またその厚さ１．５μｍと薄
いので、１Ｖのバイアス電圧でも全体が空乏化すること
になる。したがって、上部光吸収層４０４で光電変換さ
れて生じた、光電変換電流に寄与する少数キャリアは、
ドリフト速度で移動するため高速応答できる。また、下
部光吸収層４０３の領域には、不純物濃度勾配が形成さ
れているので、価電子帯のバンドにも勾配が形成され、
光電変換電流に寄与する少数キャリアであるホールが、
その拡散速度以上で応答することことになる。つまり、
下部光吸収層４０３および上部光吸収層４０４内に発生
した少数キャリアすべてが高速応答できるため、この実
施の形態３に係る半導体導波路型受光素子は高速な光信
号を受信できることになる。実際、本実施の形態３の半
導体受光素子においては、５ＧＨｚの光信号を受信する
ことが可能となった。

【００３９】実施の形態４ 図５は、本発明の実施の形態４における半導体受光素子
の構成を示す断面図である。図５に示すように、まず、
Ｆｅがドープされた半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰからなる
クラッド層としての基板５０１上に、バンドギャップ波
長１．２μｍでＳｉが不純物として１０¹⁸ｃｍ^-3ドープ
されたｎ形のＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ２μｍの光ガ
イド層５０２が形成されている。そして、この光ガイド
層５０２の所定領域に、厚さ１．５μｍでバンドギャッ
プ波長１．４μｍであり、下端から上端に向かってｎ形
不純物であるＳｉ濃度が、１×１０¹⁸cm^-3から１×１０
¹⁷cm^-3に徐々に変化しているＩｎＧａＡｓＰからなる下
部光吸収層５０３が形成されている。

【００４０】加えて、この下部吸収層５０３上に、厚さ
１．５μｍでバンドギャップ波長１．４μｍでｐ形のＩ
ｎＧａＡｓＰからなる上部光吸収層５０４が形成されて
いる。ここで、この実施の形態４の半導体導波路型受光
素子では、この上部光吸収層５０４において、下端から
上端に向かってｐ形不純物であるＺｎ濃度が、１×１０
¹⁷cm^-3から１×１０¹⁸cm^-3に徐々に変化してドープされ
た状態としている。また、その上部光吸収層５０４上に
は、バンドギャップ波長１．２μｍで不純物としてＺｎ
が１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされた厚さ２μｍのｐ形ＩｎＧａ
ＡｓＰからなる光ガイド層５０５、および、厚さ０．５
μｍで不純物としてＺｎが１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされたｐ
形のＩｎＰからなるクラッド層５０６が形成されてい
る。加えて、光ガイド層５０２の光吸収層が形成されて
いない領域にｎ形オーミック電極５０７が形成され、ク
ラッド層５０６上にｐ形オーミック電極５０８が形成さ
れている。

【００４１】なお、この半導体導波路型受光素子でも、
光ガイド層５０２，下部光吸収層５０３，上部光吸収層
５０４，光ガイド層５０５，および，クラッド層５０６
が、長さ１００μｍ，幅３０μｍのリッジ構造となって
いる。そして、このリッジ構造において、下部光吸収層
５０３と上部光吸収層５０４とを積層させたコア層から
なる光導波路構造となっている。そして、劈開された端
面から入射された光は、導波路型受光素子内を導波しな
がら徐々に光吸収層で光電変換される。ここで、下部光
吸収層５０３の領域は、ｎ形半導体であるため、光電変
換されて生じた少数キャリアの応答はホールの拡散速度
で支配される。しかし、この下部光吸収層５０３内に
は、不純物濃度勾配によって実効的にバンドに勾配が形
成され、少数キャリアであるホールが高速に移動するこ
とになる。

【００４２】また、上部光吸収層５０４の領域はｐ形半
導体であるため、光電変換されて生じた少数キャリアの
応答速度は電子の拡散速度で支配される。この、電子の
拡散速度はホールの拡散速度に比べて一桁以上大きい。
このため、下部光吸収層５０３と上部光吸収層５０４と
のｐｎ接合からはあまり空乏層が広がらないが、上部光
吸収層５０４においては、もともと速い拡散速度の電子
が少数キャリアなので、高速応答が可能となる。そし
て、そのことに加えて、この上部光吸収層５０４内には
不純物濃度勾配が形成されているので、実効的にバンド
に勾配が形成され、より高速な応答を可能としている。

【００４３】つまり、この実施の形態４においては、下
部光吸収層５０３および上部光吸収層５０４内に発生し
た、光電変換電流に寄与する少数キャリアすべてが高速
応答できるため、半導体導波路型受光素子が高速な光信
号を受信できることになる。実際、本実施の形態４の半
導体受光素子においては、５ＧＨｚの光信号を受信する
ことが可能となった。尚、この実施の形態４において
は、光入射端面として劈開面を用いた例を示したが、光
入射端面としてエッチングで形成した面を用いても同様
の効果が期待できる。また、上記実施の形態４において
は、半絶縁性半導体基板を用いた例を示したが、導電性
半導体基板を用いても同様の効果が期待できる。その場
合、一方の電極を半導体基板の裏面に形成しても同様の
効果が期待できる。

【００４４】実施の形態５ ところで、上記実施の形態１〜４においては、リッジ構
造を形成するようにしているが、これに限るものではな
い。図６は、本発明の実施の形態５における半導体受光
素子の構成を示す斜視図である。この実施の形態５にお
いては、まず、Ｆｅがドープされた半絶縁性ＩｎＰから
なる基板６０１上に、厚さ２μｍのバンドギャップ波長
１．２μｍのｎ形のＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド層
６０２が配置されている。このクラッド６０２には濃度
１０¹⁸ｃｍ^-3でシリコンがドープされてｎ形となってい
る。

【００４５】そして、このクラッド層６０２上に、厚さ
３μｍでバンドギャップ波長１．４μｍの低キャリア濃
度のｎ形ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層６０３が形成
され、この上に、厚さ２μｍでバンドギャップ波長１．
２μｍの低キャリア濃度のｎ形のＩｎＧａＡｓＰからな
るクラッド層６０４が形成されている。これらの層は、
例えば、ＭＯＶＰＥ法により成長形成すればよい。そし
て、この半導体導波路型受光素子においては溝６０５が
形成されて、素子領域６０６と電極領域６０７と固定領
域６０８とに分離されている。なお、この溝６０５は形
成しない状態とすることもできる。しかし、溝６０５を
形成しておいた方が素子の性能を向上することができ
る。

【００４６】その素子領域６０６では、例えばＺｎなど
のｐ形不純物を選択的に導入することで、プレーナ導波
路６０９を形成するようにしている。このプレーナ導波
路６０９では、ｐ形不純物が半導体層６０３の中央まで
広がるように導入されている。このプレナー導波路６０
９の、半導体層６０３の部分が光吸収層６０９ａとな
る。そして、このプレーナ導波路６０９上より電極領域
６０７にかけて、ｐ形オーミック電極６１０が形成さ
れ、素子領域６０６の他の領域にｎ形オーミック電極６
１１が形成されている。なお、光入射面６１２が劈開に
よってきれいに形成されるように、その光入射面６１２
側には、溝６０５が形成されないようにしている。ま
た、固定領域６０８上にはハンダによる固定のための金
属膜６１３が形成されている。

【００４７】すなわち、この実施の形態５においては、
リッジ構造を形成せずに、不純物を選択的に所定領域に
導入することで、光吸収層に対応する領域を形成するよ
うにした。このとき、この実施の形態５においては、光
吸収層は半導体層６０３のｐ形不純物が導入された領域
とその下の領域となる。すなわち、プレーナ導波路６０
９の半導体層６０３の上半分の領域が上記実施の形態１
〜４における上部光吸収層となり、半導体層６０３にお
けるその下半分の領域が上記実施の形態１〜４における
下部吸収層となる。そして、その光吸収層においては、
上部がｐ形領域となっており、下部は半導体層６０３の
ままの低キャリア濃度となっている。

【００４８】このため、この実施の形態５によれば、リ
ッジ構造を形成することがないので、より容易に製造す
ることができることになる。すなわち、リッジ構造など
を形成する場合、ドライエッチングなどの高度な技術を
要する上、その歩留りと生産性は高いものとはいえな
い。これに対して、この実施の形態によれば、プレーナ
導波路６０９は、再現性が高く生産性の高い不純物の拡
散技術によって容易に形成できるものである。そして、
この実施の形態５においても、前述した基本的な構成の
半導体導波路型光素子と同様の効果を有するものとなっ
ており、バイアス電圧１Ｖで周波数帯域１ＧＨｚの光信
号を光電変換効率約８０％で受信することが可能となっ
た。

【００４９】加えて、この実施の形態５においては、平
面的に見て、長さ１００μｍの光吸収層６０９ａを含む
プレーナ導波路６０９が、光入射面６１２より幅２０μ
ｍから５０μｍへと広がるようにテーパ状に形成されて
いる。これは、ビーム伝搬法で計算したプレーナ導波路
６０９の導波光の広がりと一致させてある。この結果、
接合容量を例えば０．５ｐＦと低減することが可能とな
る。なお、プレーナ導波路６０９をテーパ状に形成せず
に、例えば一定幅としても、容量はある程度大きくなる
が、受光可能な光周波数帯域の減小は著しくないので、
要求される仕様によっては用いることが可能となる。な
お、この実施の形態５においても、前述した実施の形態
１と同様に、半導体層６０３の光の吸収端の波長が、そ
の厚さ方向に上部に行くほど小さくなっているようにし
てもよい。また、前述した実施の形態２と同様に、プレ
ーナ導波路６０９の半導体層６０３の部分における不純
物濃度が、膜厚方向下部に行くにしたがって低下してい
くようにしてもよい。

【００５０】実施の形態６ また上記実施の形態１〜５においては、光を水平に入射
する導波路型受光素子を用いた例を示したが、図７の断
面図に示すように、光を垂直に入射する面入射型受光素
子を用いても同様の効果が期待できる。なお、図７にお
いて、この面入射型受光素子では、ｎ形のＩｎＰからな
る基板７０１上に厚さ１．５μｍの低キャリア濃度のＩ
ｎＧａＡｓＰからなる下部光吸収層７０２と、厚さ１．
５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる上部光吸収層７０
３が形成された状態となっている。そして、基板７０１
裏面にはｎ形オーミック電極７０４が形成され、上部光
吸収層７０３上にはｐ形オーミック電極７０５が形成さ
れている。

【００５１】ここで、この実施の形態６において、上部
光吸収層の光の吸収端の波長が、下部光吸収層より離れ
るにしたがって小さくなっていくように構成しても良
い。また、上部光吸収層の不純物濃度が、下部光吸収層
より離れるにしたがって高くなっていくように構成して
も良い。それらのように構成することで、上部光吸収層
における少数キャリアである電子の移動がより高速にな
り、より高速に応答できるようになる。

【００５２】なお、上述では光吸収層の厚さを１．５＋
１．５＝３μｍとしたが、これに限るものではなく、光
吸収層の総厚を２μｍ以上とすればよい。光吸収層の総
厚が２μｍより小さいと、必要とする光電変換効率７５
％を安定して得られなくなる。また、導電形がｎ形とな
っている下部光吸収層は、逆バイアス電圧２Ｖを印加し
たときにその全域が空乏化する膜厚以下としたほうがよ
い。これは、それ以上の膜厚とすると、動作させるため
に２Ｖを越えた電圧が必要となり、消費電力の増加を招
いてしまうからである。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の半導体
受光素子では、ｎ形を有する第１の層およびこの第１の
層上に接して形成されてｐ形を有する第２の層から構成
された光吸収層とを備え、第１の層と第２の層との間に
所定の逆バイアス電圧を印加したとき、第１の層は総て
が空乏化して第２の層は一部が空乏化する状態となるよ
うにした。このように構成した結果、この半導体受光素
子においては、所定の電圧を印加したときに、第１の層
では全域が空乏化しているので、光励起キャリアである
ホールの移動速度が大きいものとなる。また、第２の層
では全域が空乏化されていなくても、光電変換に寄与す
る光励起キャリアは少数キャリアである電子なので、そ
の格段に大きな拡散速度によって半導体受光素子の応答
速度は速くなる。そして、１Ｖ程度と低電圧で駆動して
も、光電変換効率を低下させることなく、高速光信号に
応答できるという効果を有する。

【００５４】また、この半導体受光素子は、第２の層の
光の入射端面を除く側面がその第２の層と同一の材料か
らなるｎ形の第３の層で覆われ、第２の半導体層の光の
入射端面側を除く側面がｎ形で第２の半導体層と同一の
材料からなるｎ形の第４の層で覆われ、加えて、第２の
層および第２の半導体層は、光の入射端面より光の導波
方向に向かって漸次広がって形成されているようにし
た。このように構成したので、その構造をより容易に製
造することが可能となり、加えて、導波路を導波方向に
広がるようにしたので、接合容量を低減することが可能
となる。そして、１Ｖ程度と低電圧で駆動しても、光電
変換効率を低下させることなく、高速光信号に応答でき
るという効果を有する。

【００５５】また、この半導体受光素子は、第２の層の
光の吸収端の波長が、その厚さ方向に第１の層より離れ
るほど小さくなっているようにした。このように構成し
た結果、第２の層においては、バンドギャップの勾配が
形成されるので、キャリア（電子）の第１の層側への移
動速度を電子の拡散速度以上とすることができる。そし
て、１Ｖ程度と低電圧で駆動しても、光電変換効率を低
下させることなく、高速光信号に応答できるという効果
を有する。また、この半導体受光素子では、第２の層の
不純物濃度が、その厚さ方向に第１の層より離れるほど
高くなっているようにした。このように構成した結果、
第２の層においては、不純物濃度の勾配により、空乏化
されていない領域でも電界が形成されることになり、キ
ャリア（電子）の第１の層側への移動速度を電子の拡散
速度以上とすることができる。そして、１Ｖ程度と低電
圧で駆動しても、光電変換効率を低下させることなく、
高速光信号に応答できるという効果を有する。

【００５６】そして、この発明の半導体受光素子は、第
１の層の不純物濃度がその厚さ方向に第２の層よりも離
れるほど高くなり、第２の層の不純物濃度がその厚さ方
向に第１の層よりも離れるほど高くなっているようにし
た。このように構成したので、第１の層および第２の層
両方にあまり空乏層が広がらなくても、それぞれの層に
おいて光電変換に寄与する光励起キャリアが高速で移動
するようになる。そして、１Ｖ程度と低電圧で駆動して
も、光電変換効率を低下させることなく、高速光信号に
応答できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１における半導体受光素
子の構成を示す断面図およびバンドダイヤグラムであ
る。

【図２】 本発明の実施の形態２における半導体受光素
子の構成を示す断面図およびバンドダイヤグラムであ
る。

【図３】 本発明の実施の形態３における半導体受光素
子の構成を示す断面図およびバンドダイヤグラムであ
る。

【図４】 本発明の実施の形態４における半導体受光素
子の構成を示す断面図である。

【図５】 本発明の実施の形態５における半導体受光素
子の構成を示す断面図である。

【図６】 本発明の実施の形態６における半導体受光素
子の構成を示す斜視図である。

【図７】 本発明の実施の形態７における半導体受光素
子の構成を示す断面図である。

【図８】 光通信において用いられる集積化された送受
信装置の構成を示す斜視図である。

【図９】 従来よりある導波路型の半導体導受光素子の
構成を示す断面図である。

【図１０】 従来よりある導波路型の半導体導受光素子
のバンドダイヤグラムである。

【符号の説明】

１０１…基板、１０２…光ガイド層、１０３…下部光吸
収層、１０４…上部光吸収層、１０５…光ガイド層、１
０６…クラッド層、１０７…ｎ形オーミック電極、１０
８…ｐ形オーミック電極。

フロントページの続き 特許法第30条第１項適用申請有り 電子情報通信学会 1996年エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集１ （1996年８月30日発行）、Ｃ−336頁において発表 特許法第30条第１項適用申請有り ＥＬＥＣＴＲＯＮＩ ＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．32，Ｎｏ．22，（1996 年10月24日発行）、ｐ．2078−2079において発表 (72)発明者 村本 好史 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 中島 長明 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−30141（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−140658（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−26827（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/10 - 31/119

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ形を有する第１の層と、 前記第１の層に接して形成されてｐ形を有する第２の層
   と から構成された光吸収層を少なくとも備え、前記第２の層の光の吸収端の波長は、その厚さ方向に前
   記第１の層より離れるほど小さくなり、 前記第１の層と第２の層との間に所定の逆バイアス電圧
   を印加したとき、前記第１の層は総てが空乏化し、前記
   第２の層は一部が空乏化することを特徴とする半導体受
   光素子。
2. 【請求項２】 ｎ形を有する第１の層と、 前記第１の層に接して形成されてｐ形を有する第２の層
   と から構成された光吸収層を少なくとも備え、 前記第２の層の不純物濃度は、その厚さ方向に前記第１
   の層より離れるほど高くなり、 前記第１の層と第２の層との間に所定の逆バイアス電圧
   を印加したとき、前記第１の層は総てが空乏化し、前記
   第２の層は一部が空乏化する ことを特徴とする半導体受
   光素子。
3. 【請求項３】 ｎ形を有する第１の層と、 前記第１の層に接して形成されてｐ形を有する第２の層
   と から構成された光吸収層を少なくとも備え、 前記第１の層の不純物濃度は、その厚さ方向に前記第２
   の層よりも離れるほど高くなり、 前記第２の層の不純物濃度は、その厚さ方向に前記第１
   の層よりも離れるほど高くなり、 前記第１の層と第２の層との間に所定の逆バイアス電圧
   を印加したとき、前記第１の層は総てが空乏化し、前記
   第２の層は一部が空乏化する ことを特徴とする半導体受
   光素子。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半
   導体受光素子において、前記第１の層側に配置して前記光吸収層よりも光の吸収
   端の波長が短く屈折率の小さいｎ形を有する第１の半導
   体層と、 前記第２の側に配置して前記光吸収層よりも光の吸収端
   の波長が短く屈折率の小さいｐ形を有する第２の半導体
   層と を備えた ことを特徴とする半導体受光素子。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体受光素子におい
   て、前記第２の層の光の入射端面を除く側面が前記第２の層
   と同一の材料からなるｎ形の第３の層で覆われ、 前記第２の半導体層の前記光の入射端面側を除く側面が
   前記第２の半導体層と同一の材料からなるｎ形の第４の
   層で覆われている ことを特徴とする半導体受光素子。
6. 【請求項６】 請求項５記載の半導体受光素子におい
   て、前記第２の層および前記第２の半導体層は、前記光の入
   射端面より光の導波方向に向かって暫時広がって形成さ
   れている ことを特徴とする半導体受光素子。
7. 【請求項７】 ｐ形を有する第１の層と、 前記第１の層に接して形成されてｎ形を有する第２の層
   と から構成された光吸収層を少なくとも備え、 前記第１の層と第２の層との間に所定の逆バイアス電圧
   を印加したとき、前記第１の層は総てが空乏化し、前記
   第２の層は一部が空乏化し、前記第２の層は前記第１の
   層より離れるほど不純物濃度が 高くなっていることを特
   徴とする半導体受光素子。
8. 【請求項８】 請求項７記載の半導体受光素子におい
   て、 前記第１の層側に配置して前記光吸収層よりも光の吸収
   端の波長が短く屈折率の小さいｐ形を有する第１の半導
   体層と、 前記第２の側に配置して前記光吸収層よりも光の吸収端
   の波長が短く屈折率の小さいｎ形を有する第２の半導体
   層と を備えた ことを特徴とする半導体受光素子。
9. 【請求項９】 請求項１〜８いずれか１項記載の半導体
   受光素子において、前記光吸収層は厚さが２μｍ以上で
   あり、前記所定の逆バイアス電圧は２Ｖ以 下であること
   を特徴とする半導体受光素子。