JP4094471B2 - 半導体受光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いられる半導体受光装置に関し、特に長波長帯及び短波長帯で効率よく受光できる半導体受光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバ通信(以下、単に光通信)に用いられる半導体受光装置は、光ファイバを通して送信されてきた光信号を電気信号に変換する装置である。幹線系等の長距離伝送においては、現在、1.55μm帯、及び1.3μm帯のいわゆる長波長帯が利用され、半導体受光装置には、例えば、InGaAs/InP系の材料が使用されている。
【0003】
ここで、1μm帯(1.3、1.55μm帯等)を長波長帯、0.8μm帯(0.8〜0.9μm)を短波長帯と大別する光通信分野での区分法にほぼ準じ、便宜的に約0.9μmを境にして長波長側を長波長帯、短波長側を短波長帯と区別する。
【0004】
このInGaAs/InP系の半導体受光装置は、従来、一般に、図5に示すような構造になっている。例えば、InGaAs/InP系の半導体受光装置101は、n型InP基板111の上面にn型InPバッファ層112、低キャリア濃度のn型InGaAs光吸収層113、及びn型InPキャップ層114が順次積層形成されている。そして、このn型InPキャップ層114の受光部となる領域にZn等のp型ドーパントを選択的に拡散することによりp型領域115が形成されている。また、n型InPキャップ層114上面にSiN等からなる保護膜116が形成され、p型領域115上面にSiN等からなる反射防止膜118が形成され、p型領域115の上面周辺部に、リング状のp側電極119が形成され、更に、n型InP基板111の下面には、n側電極120が形成されている。
【0005】
そして、この半導体受光装置101においては、n型InGaAs光吸収層113とp型領域115とのpn接合に逆バイアス電圧が印加されたとき、入射した光信号は、n型InGaAs光吸収層113に形成される空乏領域で吸収されて、電子とホールに分離され、電界によりドリフトして光電流として検出されることが知られている。
【0006】
また、この半導体受光装置101は、n型InGaAs光吸収層113で発生した少数キャリアが表面再結合の影響を受けて、光電流に寄与する割合が減ることを防ぐために、n型InGaAs光吸収層113のバンドギャップより大きなバンドギャップを持つn型InPキャップ層114を積層して、このn型InPキャップ層114の一部にp型に転換されたp型領域115を設ける。そのために、InPのバンドギャップで制約される波長約0.92μmより長波長で、InGaAsのバンドギャップで制約される波長約1.67μmより短波長に対して、この半導体受光装置101は機能する。すなわち、実用的には約1.0μmから約1.6μmの波長に対して感度があり、従来の長距離伝送用の光通信で使用されている波長範囲を十分カバーできる特性を有する(例えば、特許文献1参照。)。
【0007】
近年、画像等の大容量の情報を伝送する要求がますます高まり、数100mから数10kmの伝送が可能な高速ネットワークの規格が標準化されている。長距離伝送では、幹線系光通信技術等を基にしており、1.55μm帯、1.3μm帯の長波長帯を使い、短距離伝送では、短波長帯の0.85μm帯が使用される。これらの新しい光通信ネットワークの普及のために、規格にある長波長帯と短波長帯の両波長帯を受光できる一体化した半導体受光装置が望まれている。
【0008】
ところで、上記InGaAs/InP系の半導体受光装置では、短波長帯の受光感度は、その光入射側の表面に設けられたInP窓層のバンドギャップ波長0.92μmによって制約を受けるため、短波長帯の0.85μm帯を受光することができないという問題がある。
【0009】
この従来の問題を解決するために、InPキャップ層の厚さを0.1μm以下に薄くして、例えば0.7〜0.8μm帯の入射光の一部はこのInPキャップ層で吸収されるものの、実用になる程度の光を通過させようとする半導体受光素子が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0010】
しかしながら、この半導体受光素子では、暗電流が、バイアス電圧5Vを越えると急激に大きくなる問題がある。
【0011】
また、InPキャップ層にAsを微量ドープして、その格子定数を大きくすることにより、InPキャップ層の光吸収係数を小さくして、入射光の吸収を減らすことによって、光吸収層へ到達する光量を増やして、結果として受光感度を高める受光素子が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。
【0012】
しかしながら、この受光素子では、受光感度は高まる傾向にあるものの、感度が不充分という問題がある。
【0013】
【特許文献1】
特開2002−50785号公報(第4頁、図8)
【0014】
【特許文献2】
特開平2−231775号公報(第3、4頁、第1図)
【0015】
【特許文献3】
特許第2860695号明細書(第2、3頁、第1図)
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、特許文献1の半導体受光装置においては、0.9μm以下の短波長帯の受光ができない問題があり、特許文献2の半導体受光素子は、暗電流が大きくなる問題があり、また特許文献3の受光素子は、受光感度が不充分という問題がある。
【0017】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、長波長帯から短波長帯まで受光でき、暗電流が低く、受光感度が高い半導体受光装置を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体受光装置は、半導体基板の主面に選択的に形成され、且つ第1の波長帯の光とそれより短波長の第2の波長帯の光とを吸収する第1導電型の光吸収層と、前記光吸収層表面に形成され、且つ前記第1の波長帯の光を透過し、前記第2の波長帯の光を吸収するキャップ層と、前記キャップ層に選択的に形成された第2導電型の拡散層と、前記半導体基板の主面に前記キャップ層及び前記光吸収層と隣接して並設され、且つ前記第2の波長帯の光を透過し、前記光吸収層に集光させる集光層とを有することを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0021】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体受光装置を図1乃至図3を参照して説明する。図1はその半導体受光装置を模式的に示す断面図、図2は半導体受光装置を模式的に示す平面図、そして、図3はその半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図2の各構成要素は、強調すべき構成要素を相対的に大きく描いてある図1及び図3の構成要素の大きさと比較すると、比率が異なって表現されている。
【0022】
まず、図1に示すように、例えば、InGaAs/InP系の半導体受光装置1は、半導体基板である第1導電型のn型InP基板11の主面、例えば上面全面にn型InPバッファ層12が形成され、そのn型InPバッファ層12表面の一部にn型InGaAs光吸収層13が選択的に形成され、そのn型InGaAs光吸収層13表面にn型InPキャップ層14が積層形成されている。
【0023】
そして、このn型InPキャップ層14の所定領域にZn等のp型ドーパントを選択的に拡散することにより、第2導電型であるp型領域15が形成されて、長波長帯の光に対してこれを窓層とする受光部を構成している。また、このp型領域15表面に所定膜厚のSiN等からなる第1の反射防止膜18が形成されており、n型InPキャップ層14表面にSiN等からなる保護膜16が形成されている。
【0024】
一方、n型InPバッファ層12表面の残部には、GaAlAs集光層27がn型InPキャップ層14及びn型InGaAs光吸収層13と隣接して並置され、しかも、そのn型InPキャップ層14及びn型InGaAs光吸収層13の側面と接触して設けられている。また、このGaAlAs集光層27は、短波長帯の入射光をn型InGaAs光吸収層13に集光するための曲率を持った凸形状に成形され、その表面には例えばSiN等からなる第2の反射防止膜21が形成されている。
【0025】
また、n型InPバッファ層12の露出表面には、反射防止膜21と同様の材料からなる保護膜22が形成されている。
【0026】
そして、図2に示すように、p型領域15(平面図には表示されない)の表面周辺部には、第1の反射防止膜18設けたリング状の開口を介して、Auを主成分とするp側電極19が形成されており、このp側電極19の一部分には、保護膜16上に延在した、ボンディングワイヤ等接続のためのボンディングパッド部を有する構造となっている。更に、n型InP基板11の主面と対向する面、例えば、下面には、Auを主成分とするn側電極20(平面図には表示されない)が形成されている。
【0027】
ここでは、第1の反射防止膜18の径である受光径は例えば30μmであり、それを取り巻くリング状のp側電極の幅は例えば5μmであり、また、その外側にあるリング状の第2の反射防止膜21の平面図上の幅は例えば5μmである。
【0028】
次に、上記構造の半導体受光装置の製造方法について、図3を参照して説明する。まず、図3(a)に示すように、キャリア濃度1〜7E18/cm3のn型InP基板11を、例えばMOCVD装置内に載置し、その表面全面にキャリア濃度1〜5E18/cm3、膜厚2〜3μmのn型InPバッファ層12を成長させ、次に、格子整合されたキャリア濃度0.8〜2E15/cm3、膜厚約1μmのn型InGaAs光吸収層13を成長させた後、キャリア濃度1〜5E15/cm3、膜厚約3μmのn型InPキャップ層14を順次成長させる。その後、MOCVD装置から成長済みのn型InP基板11を取り出して、n型InPキャップ層14の、pn接合及びボンディングパッド形成予定領域を含む所定表面部をフォトレジスト31でマスクして、例えばHCl系の薬液あるいはドライエッチング法を用いて、露出したn型InPキャップ層14及びn型InGaAs光吸収層13部分をn型InPバッファ層12に到達する深さまで、選択的にエッチング除去する。
【0029】
次に、図3(b)に示すように、フォトレジスト31を除去し、その後の所定表面部に、例えばSiO2マスク32を形成する。そして、例えば、再びMOCVD装置内に載置し、n型InPバッファ層12の露出面上にn型InPキャップ層14の表面と同一面をなし、且つn型InPキャップ層14及びn型InGaAs光吸収層13の側面と接するようにGaAlAs層26を選択的に成長させる。そして、MOCVD装置から取り出して、SiO2マスクをエッチング除去する。
【0030】
次に、図3(c)に示すように、例えばSiNからなる保護膜16を、周知のCVD法等により、n型InPキャップ層14及びGaAlAs層26表面に形成した後、n型InPキャップ層14のpn接合の形成予定領域にドライエッチング法等で開口部を設けて、周知の熱拡散法によりp型ドーパントであるZnをn型InPキャップ層14表面から選択的に拡散して、p型領域15を形成する。このZnの拡散は、pn接合面がn型InGaAs光吸収層13に到達した直後で止まるように行う。
【0031】
その後、図3(d)に示すように、例えば、SiNからなる第1の反射防止膜18をp型領域15及び保護膜16の表面に堆積した後、第1の反射防止膜18に開口を設け、次に、例えばパターニングされたリフトオフマスク等を使用して、Auを主とする導電性膜を蒸着法等で堆積し、p側電極19以外の導電性膜はリフトオフマスクとともに除去して、p型領域15に接続したp側電極19を形成する。このp側電極19は、例えば、径30μmの第1の反射防止膜18の回りにp型領域15に接触するようにリング状に形成され、そのリング状の一部に保護膜16上に延在するボンディングパッド部を有する構造に形成されている。
【0032】
この後、n型InP基板11の裏面を機械的、化学的研磨法等でn型InP基板11の厚さを120〜200μmになるまで研磨除去して、最終的には鏡面に仕上げる。そして、Auを主とする導電性膜を蒸着等で形成して、熱処理を行って、n側電極20を形成する。この熱処理によって、両側の電極のオーミック接触が形成される。
【0033】
そして、p側電極19を含む第1の反射防止膜18及び保護膜16の表面全体に例えばフォトレジスト33を塗布し、p型領域15を挟んでn型InPキャップ層14とは反対側に約5μm離れた位置から外側面までのGaAlAs層26の領域表面上のフォトレジスト33を開口した後、このフォトレジスト33をマスクとして、破線で示す露出した保護膜16、GaAlAs層26をドライエッチング法等で表面に垂直方向に順次除去し、その後、フォトレジスト33を除去する。
【0034】
次に、図3(e)に示すように、例えばフォトレジスト34をマスクにして、GaAlAs層26上の保護膜16を除去して、GaAlAs層26を露出させる。
【0035】
次に、フォトレジスト34をマスクにしてGaAlAs層26を例えば硫酸系の薬液による等方性のエッチングによりエッチングすると、角に近い部分ほど速くエッチングされるので表面が凸形状の曲率を有する曲面、すなわちレンズ状の断面形状に成形されたGaAlAs集光層27が形成される。なお、エッチング条件によって、曲率等が変化するが、所望の形状を得るために、GaAlAs層26の膜厚を予め厚めあるいは薄めに成長させることは差し支えない。
【0036】
この後、第1の反射防止膜18、p側電極19、保護膜16等からなる部分を例えばフォトレジスト(図示略)でカバーして、レンズ状のGaAlAs集光層27表面に所定の厚さのSiN等の第2の反射防止膜21を形成するとともに、n型InPバッファ層12上にSiN等の保護膜22を形成して、フォトレジストとフォトレジスト上のSiNを除去することにより、図1に示すような半導体受光装置1を作製する。
【0037】
上述した本実施の形態の半導体受光装置1によれば、n型InGaAs光吸収層13を共有しながら、p型領域15を通して長波長帯の光及びGaAlAs集光層27を通して短波長帯の光をそれぞれ入射することができる構造となっている。
【0038】
即ち、図1に示すように、長波長帯の光に対しては、図中の矢印に示すように、例えば、n型InP基板11にほぼ垂直な方向から、第1の反射防止膜18及びp型領域15を通して光を入射することができる。この入射光はp型領域15を通過して、n型InGaAs光吸収層13で吸収されて、光を電気に変換する。この部分は、従来の長波長帯のInGaAs/InP系の半導体受光装置と全く同じである。
【0039】
一方、波長0.85μmの短波長帯では、図中の矢印に示すように、例えばn型InP基板11に垂直な方向から数10度傾斜させた方向から、第2の反射防止膜21に光を入射させることができる。更に、入射光はGaAlAs集光層27を通過して、n型InGaAs光吸収層13で吸収されて、光を電気に変換する。GaAlAs集光層27は、GaとAsの組成比により、バンドギャップが変化するが、例えば、バンドギャップ波長を0.75μmに設定しておけば、0.85μmの短波長は吸収されることなく通過して、n型InGaAs光吸収層13に送ることができる。GaAlAs集光層27表面はレンズ状に加工されているために、集光することができ、入射光を効率良くn型InGaAs光吸収層13に送ることができ、必要な変換効率を確保できる。
【0040】
そして、長波長帯の光に対して、p型領域15は通常の表面再結合を防止する窓層として機能する。すなわち、n型InGaAs光吸収層13で発生した少数キャリアが表面再結合の影響を受けて効率が落ちることを防止して従来の高い効率を維持できる。
【0041】
更に、キャップ層または窓層の膜厚が薄いと電界が高くなり暗電流が増加するという問題が発生する場合があるが、p型領域15は十分な膜厚を持っているので、高い電界がかかることはなく暗電流が増加するという問題は発生しない。また、pn接合は従来と同じ構造であり接合面積が増加することもないので接合容量が増加することはなく、従って10Gbpsの伝送速度を維持できる。
【0042】
一方、短波長帯の光に対して、光がn型InGaAs光吸収層13に入射してキャリアが発生した後は、上記長波長帯の光の場合と全く同じ作用効果が期待できる。すなわち、この場合も、p型領域15はn型InGaAs光吸収層13で発生した少数キャリアが表面再結合することを防止し、その影響で効率が落ちることを抑制するので高い効率を維持できる。
【0043】
また、本実施の形態の半導体受光装置の受光径、マウント形状等は従来の半導体受光装置と同様であるため、従来の半導体受光装置を置き換えて使用することができる。また、n型InP基板の主面側からの入射光で、短波長帯の光と長波長帯の光とを受けることができるので、この半導体受光装置のマウント位置等を波長帯によって変更しなくても使用できる。
【0044】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体受光装置を図4を参照して説明する。図4は、第1の実施の形態の図1に対応する半導体受光装置を模式的に示す断面図であり、第1の実施の形態と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【0045】
本実施の形態の半導体受光装置2が第1の実施の形態と異なる点は、n型InPバッファ層12とGaAlAs集光層15との間に、それら層の格子定数の中間の格子定数を有する例えばInAlAs中間層25を形成したことにある。
【0046】
即ち、図4に示すように、第1導電型のn型InP基板11表面上のn型InPバッファ層とGaAlAs集光層27との間に、InAlAs中間層25を、例えば厚さ約0.1μmに形成している。このInAlAs中間層25は、n型InPバッファ層12における格子定数、例えば約0.587nmとGaAlAS集光層27における格子定数、例えば約0.566nmとの中間の格子定数、例えば0.575nmを有している。
【0047】
次に、半導体受光装置2の製造方法は、図3(a)に示す第1の実施の形態の工程が終了した後、図3(b)に示す工程において、n型InP窓層14とn型InGaAs吸収層13を選択的にエッチング除去し、フォトレジスト等を除去した後、フォトレジスト除去後のn型InPキャップ層14表面に、例えばSiO2マスク32を形成する。そして、例えば、再びMOCVD装置内に載置し、露出されたn型InPバッファ層12表面上に、格子定数がn型InPバッファ層12の約0.587nmとGaAlAS層26の約0.566nmの中間にある格子定数(0.575nm)を有するInAlAs中間層25を厚さ約0.1μm成長させる。更に、そのInAlAs中間層25表面上にGaAlAs層26をn型InP窓層14の表面と同一平面をなし、且つn型InGaAs吸収層13及びn型InPキャップ層14の側面と接するように選択的に成長させる。そして、MOCVD装置から取り出して、SiO2マスク32をエッチング除去する。
【0048】
その後は、第1の実施の形態の図3(c)以降の工程に従って、第1の実施形態と同様の工程を経て図4に示すような半導体受光装置2を作製する。
【0049】
上述した第2の実施の形態の半導体受光装置2によれば、第1の実施の形態と同様の作用効果を有する他に、格子定数が下地のn型InPバッファ層12とGaAlAs集光層27の中間にあるInAlAs中間層25を、これらの間に挿入することによって、格子不整合による歪を緩和できる。従って、GaAlAS集光層27の結晶欠陥等の低減が可能となるため、光の透過率を向上させたり、凸形状のレンズを作製する時に、異常な表面の荒れ等を防ぐことができる。
【0050】
本発明は、上述した第1及び第2の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。
【0051】
例えば、所望の波長の光が、材料のバンドギャップ波長より長波側か、短波側かによって、吸収または透過が決まるので、0.8〜0.9μm帯の短波長帯の光を集光する材料として、本実施の形態ではGaAlAs系を使用した。しかしながら、バンドギャップによる制約を回避できる材料として、他に、InAlAs、InAlP、InGaP等が考えられる。また、格子整合を取るために、格子定数が集光層と下地層との中間にあたる材料からなる層を挿入する方法を例示したが、化合物の3族組成を、例えばMOCVD成長時に、グレーディッドに変化させて、格子定数差を緩和することも有効である。
【0052】
また、本実施の形態では、n型InP基板の上に、全面にバッファ層、光吸収層及びキャップ層を形成し、エッチング除去した後、短波長帯の光を透過する集光層等を成長させたが、n型InP基板の上に、例えばSiO2等からなるマスクをして、まず、バッファ層、光吸収層及びキャップ層を選択的に成長させ、次に、キャップ層の上に例えばSiO2等からなるマスクをして、中間層及び集光層を選択的に成長させてもよい。更に、バッファ層まではInP基板の全面に成長させ、バッファ層より上の層の成長において、例えばSiO2マスク等を使用して選択成長させてもよい。
【0053】
また、本実施の形態では、光通信用の長波長帯の1.3μm、1.55μmの光と、短波長帯の0.85μmの光を想定した例を示したが、波長のより短い0.78μm帯や0.65μm帯等の波長に感度を有する半導体受光装置においても、本実施の形態の半導体受光装置の考え方を適用できることは言うまでもない。また、本発明をアバランシェ・フォトダイオードに適用しても、長波長帯、短波長帯等の光に対して、フォトダイオードで得られた効果が同様に得られることは言うまでもない。
【0054】
【発明の効果】
本発明によれば、長波長帯から短波長帯まで受光でき、暗電流が低く、受光感度が高い半導体受光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【図2】 本発明の第1の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す平面図。
【図3】 本発明の第1の実施の形態に係る半導体受光装置の製造工程を模式的に示す断面図。
【図4】 本発明の第2の実施の形態に係る半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【図5】 従来の半導体受光装置を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
1、2、101 半導体受光装置
11、111 n型InP基板
12、112 n型InPバッファ層
13、113 n型InGaAs光吸収層
14、114 n型InPキャップ層
15、115 p型領域(拡散層)
16、22、116 保護膜
18 第1の反射防止膜
19、119 p側電極
20、120 n側電極
21 第2の反射防止膜
25 InAlAs中間層
26 GaAlAs層
27 GaAlAs集光層
31、33、34 フォトレジスト
32 SiO2マスク
118 反射防止膜
Claims (5)
- 半導体基板の主面に選択的に形成され、且つ第1の波長帯の光とそれより短波長の第2の波長帯の光とを吸収する第1導電型の光吸収層と、
前記光吸収層表面に形成され、且つ前記第1の波長帯の光を透過し、前記第2の波長帯の光を吸収するキャップ層と、
前記キャップ層に選択的に形成された第2導電型の拡散層と、
前記半導体基板の主面に前記キャップ層及び前記光吸収層と隣接して並設され、且つ前記第2の波長帯の光を透過し、前記光吸収層に集光させる集光層と、
を有することを特徴とする半導体受光装置。 - 前記集光層は、表面が凸形状の曲率を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体受光装置。
- 前記拡散層は、前記光吸収層に達していることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体受光装置。
- 前記半導体基板と前記集光層との間に、前記半導体基板と前記集光層の格子定数の中間の格子定数を有する中間層を設けたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体受光装置。
- 前記集光層は、前記半導体基板側で接する第1領域における格子定数とそれ以外の第2領域における格子定数が異なり、且つ前記第1領域における格子定数は、前記第2領域の格子定数と前記半導体基板の格子定数の間の格子定数であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体受光装置。
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