JP5109981B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
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Description
この従来のメサ型APD素子は、半導体基板601上に、n型電界緩和層603、増倍層604、p型電界緩和層605、p型光吸収層606、p型バッファ層608、p型コンタクト層609を順に積層し、pn接合全体を一つのメサとしてエッチングにより形成されており、パッシベーション膜612が外部に形成されている。p型電極610及びn型電極611をそれぞれ形成して、その他研磨や反射防止膜(ARコート)形成工程、素子分離工程を経て、表面入射もしくは裏面入射型の半導体受光用のダイオードを作製する。
実際の文献としては、次のものが挙げられる。
I.Watanabe,et al.,JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.15,NO.6,JUNE 1997,p.1012,"Design and Performance of InAlGaAs/InAlAs Superlattice Avalanche Photodiodes"
一方で、メサ型は、構造が単純なため、設計や作製条件の把握がプレーナ型と比較して容易である。したがって、メサ型の信頼性を向上させることができれば、APDの開発期間短縮や、設計及び仕様の変更等が迅速化され、コスト低減が可能である。
図1を用いて、本発明の第1の実施形態の構成について説明する。
第1の実施形態の半導体受光素子は、半導体基板101上に、第一の導電型の選択エッチング層102と、第一の導電型の電界緩和層103と、増倍層104(アンドープ層)と、第二の導電型の電界緩和層105と、第二の導電型の光吸収層106と、第二の導電型の選択エッチング層107と、第二の導電型のバッファ層108と、第二の導電型のコンタクト層109と、第二の導電型側電極110とを、順に積層した層構造を有する。
平面視において、第二メサの外周縁は、第一メサの外周縁より外側に位置し、第一メサと第二メサの側面は、パッシベーション膜112で覆われている。
まず、エピタキシャル結晶として、半導体基板101上に、半導体基板101から順に、第一の導電型の選択エッチング層102、第一の導電型の電界緩和層103、増倍層104、第二の導電型の電界緩和層105、第二の導電型の光吸収層106、第二の導電型の選択エッチング層107、第二の導電型のバッファ層108、第二の導電型のコンタクト層109、第二の導電型電極110を順に積層する。例えば、半導体基板101は、InP基板とすることができる。
具体的には、第二の導電型のバッファ層108及び第二の導電型のコンタクト層109は、たとえば、InAlAs、InGaAs、InAlGaAs等のAs系材料から形成する。また、第二の導電型の選択エッチング層107は、InPやInGaAsP等のP系材料もしくはPを含む材料から形成する。これらの材料を用いることにより、ウェットエッチングで選択比を取ることができる。この際、ウェットエッチング液として、酢酸・燐酸・過水などを用い、第一メサエッチングを行う。
具体的には、第二の導電型のバッファ層108及び第二の導電型のコンタクト層109は、たとえば、InPやInGaAsP等のP系材料から形成する。また、第二の導電型の選択エッチング層107は、InAlAs系材料もしくはInAlGaAsを含む材料から形成する。これらの材料を用いることにより、ウェットエッチングでもドライエッチングでも選択比を取ることができる。ウェットエッチング法の場合は塩酸・燐酸などを用いる。また、ドライエッチング法の場合はCH4:H2:Cl2などを用いる。このようにして、第一メサエッチングを行い、選択的に第一メサを形成する。
第二メサの第一のメサからの張り出し量(d2−d1)/2は、空乏層厚み(増倍層104、第二の導電型の電界緩和層105、第二の導電型の光吸収層106、第二の導電型の選択エッチング層107の合計厚み)より厚くなるようにする。これにより、電界変調の効果を高くすることができる。一般的な半導体受光素子の空乏層厚みは、1.0〜2.0μm程度である。そこで、(d2−d1)/2≧2.0μmの条件を満たすようにすることにより、電界変調の効果が高まる。
つまり、第二の導電型の光吸収層106と第二の導電型の選択エッチング層107は、第二の導電型の光吸収層106の電界緩和量をΔEabとし、第二の導電型の選択エッチング層107の電界緩和量をΔE2seとしたとき、ΔEab+ΔE2se≦100kV/cmの関係を満たすようにすることができる。
ΔE=N×d×e0/(ε0×εr)
で表現できる。
この式から上記条件を満たす組み合わせは、第二の導電型の光吸収層106の層厚をdabとし、不純物濃度をNabとし、第二の導電型の選択エッチング層107の層厚をd2seとし、不純物濃度をN2seとしたとき、
(1)dab=0.5μm、Nab=1.0×1016cm−3、の場合:
d2se=0.1μmのとき、N2se≦2×1016cm−3
d2se=0.2μmのとき、N2se≦1×1016cm−3
(2)dab=1.0μm、Nab=5.0×1015cm−3、の場合:
d2se=0.1μmのとき、N2se≦2×1016cm−3
d2se=0.2μmのとき、N2se≦1×1016cm−3
(3)dab=1.5μm、Nab=4×1015cm−3、の場合:
d2se=0.1μmのとき、N2se≦1.2×1016cm−3
d2se=0.2μmのとき、N2se≦0.6×1016cm−3
の関係を満たすようにすることができる。
したがって、0.02μm≦d2se≦0.2μmとすれば、選択エッチングの機能を保持させつつ、動作電圧を下げることができ、電界変調の効果を得ることができる。
エピタキシャル結晶として、半導体基板上201から順に、n型選択エッチング層202、n型バッファ層203、増倍層204、p型電界緩和層205、p型光吸収層206、p型選択エッチング層207、p型バッファ層208、p型コンタクト層209、p型電極210を順に積層する。
図3を用いて、本発明の第2の実施形態の構成について説明する。第2の実施形態の半導体受光素子は、半導体基板301上に、第一の導電型の選択エッチング層302と、第一の導電型のバッファ層303と、と、増倍層304(アンドープ層)と、第二の導電型の電界緩和層305と、第二の導電型の光吸収層306と、第二の導電型の選択エッチング層307と、第二の導電型のバッファ層308と、第二の導電型のコンタクト層309と、第二の導電型側電極310とを、順に積層した層構造を有する。
まず、エピタキシャル結晶として、半導体基板301上に、半導体基板301から順に、第一の導電型の選択エッチング層302、第一のバッファ層303、増倍層304と、第二の導電型の電界緩和層305、第二の導電型の光吸収層306、第二の導電型の選択エッチング層307、第二の導電型のバッファ層308、第二の導電型のコンタクト層309を順に積層する。例えば、半導体基板301は、InP基板とすることができる。
このとき、第二の導電型の選択エッチング層307は、InP及びInxGa(1−x)AsyP(1−y)いずれかで形成することができる。具体的には、第二の導電型の選択エッチング層307には、P系材料もしくはPを含む材料(例えば、InP、InGaAsP)を用いる。このような材料を用いることにより、ウェットエッチングで選択比を取ることができるが、この場合、選択比は必ずしも大きくなくてもよい。この際、ウェットエッチング液として、酢酸・燐酸・過水などを用いて第一メサエッチングを行う。
ここで、第一メサの表面上に形成するマスクの厚みは、0.5μm以上とすることができる。マスクの厚みの上限は特に定めないが、1.0μm以下とするとより好ましい。
また、この方法を用いた場合には、装置構成(RIE、ICP−RIE等)やデポ条件(RF出力やガスのレシピ、エッチングレート、エッチング時間)や基板温度(25℃(室温)〜300℃)に依存して、エッチングガス起因の第二メサの上表面に対して水素パッシベーションを施すことが可能となる。
(1)dab≦0.5μmでは、
第二の導電型の電界緩和層305側では、Nab≦7.0×1017cm−3、
(2)0.5μm≦ dab≦1.0μmでは、
第二の導電型の電界緩和層305側では、Nab≦6×1016cm−3、
(3)1.0μm≦ dab≦2.0μmでは、
表面側より1.0μm以上の領域が、Nab≦5.6×1017cm−3、
以上のように、表面側から1.0μm以内の領域では、水素パッシベーション量と同等の濃度までNabを高めることができる。このとき、水素パッシベーション313の効果と同様に濃度傾斜構造をつけると、さらにNabを高くすることができる。
エピタキシャル結晶として、半導体基板401上から順に、n型選択エッチング層402、n型バッファ層403、増倍層404、p型電界緩和層405、p型光吸収層406、p型選択エッチング層407、p型バッファ層408、p型コンタクト層409を順に積層する。
また、光キャリアがない状態の暗電流の流れに関して、半導体素子/パッシベーション膜界面起因のダークキャリアと比較して層構造内部で発生する暗電流が多くなり、光入射のない状態でも側壁電流が相対的に少ない動作が可能である。
一方で、暗電流量は、d1及びd2に依存する。d1が大きいほど、また同一のd1ではd2が大きいほど暗電流は大きくなり、また最大増倍率が下がる傾向にある。このため、素子の用途(アプリケーション)によりd1、d2を適当に決定することができる。
実施例3の半導体受光素子は、水素パッシベーションを利用して電界制御を行い、内部電界を高めパッシベーション界面との電界を下げたPIN−PD構造を有する。
エピタキシャル結晶として、半導体基板501上から順に、n型選択エッチング層502、n型バッファ層503、n型走行層504、p型光吸収層506、p型選択エッチング層507、p型バッファ層508、p型コンタクト層509を順に積層する。
例えば、実施例では、第二メサを形成した後、メサ表面から水素化処理をして水素パッシベーションを施す例を示したが、第二メサを形成する前に、水素化処理をしてもよい。第二メサを形成する前に水素化処理をした場合でも、本発明で意図する構造とほぼ同一であり、その効果も同様に得ることができる。
(1)半導体基板上に第一の導電型の層、アンドープ層、第二の導電型の光吸収層、第二の導電型の選択エッチング層、第二の導電型のバッファ層、の順に積層する構造で、PN接合全体がメサ状に形成されるメサ型半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層とその上部が第一メサ、選択エッチング層とその下部が第一メサより広い第二メサの二つの大きさのメサからなる半導体受光素子。
(2)(1)に記載の半導体受光素子のうち、InP基板上に形成された半導体受光素子。
(3)(2)に記載の半導体素子のうち、アバランシェ・フォトダイオードである半導体受光素子。
(4)(2)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層濃度が2×10e17cm−3以上である半導体受光素子。
(5)(1)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層の厚みd2seが、0.02μm≦d2seである半導体受光素子。
(6)(1)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層の厚みd2seが、d2se≦0.2μmである半導体受光素子。
(7)(1)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層の厚みd2seが、0.02μm≦d2se≦0.2μmである半導体受光素子。
(8)(1)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層がInPもしくはInxGa(1−x)AsyP(1−y)で形成されている半導体受光素子。
(9)(8)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層のバンドギャップが、InGaAsに比較して十分多い(InxGa(1−x)AsyP(1−y)、y<0.5)素子。
(10)(8)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層より上部がPを含まない半導体受光素子。
(11)(1)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層がInAlAsもしくはInxGa(1−x)AsyP(1−y)で形成されている半導体受光素子。
(12)(10)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型の選択エッチング層のバンドギャップが、InGaAsに比較して十分多い(InxGa(1−x)AsyP(1−y),y<0.5または(InxAlyGa(1−x−y)As:(y>0.25)素子。
(13)(10)に記載の半導体受光素子のうち、第二の導電型のバッファ層より上部が、InPもしくはInxGa(1−x)AsyP(1−y)で形成される半導体受光素子。
(14)(1)に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔEabと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔE2seの合計は、100kV/cm以下になる組み合わせである半導体受光素子。
(15)(1)に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔEabと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔE2seの合計は、100kV/cm以下になる組み合わせ、光吸収層厚dab=0.5μm,濃度N2ab=1.0×10e16cm−3、の場合d2se=0.1μmでN2se≦2×1016cm−3を満たす半導体受光素子。
(16)(1)に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔEabと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔE2seの合計は、100kV/cm以下になる組み合わせ、dab=1.0μm、濃度N2ab=5.0×1015cm−3、の場合にd2se=0.1μmでN2se≦2×1016cm−3を満たす半導体受光素子。
(17)(1)に記載の半導体受光素子のうち、光吸収層の電界緩和量ΔEabと第二の選択エッチング層の電界緩和量ΔE2seの合計は、100kV/cm以下になる組み合わせ、dab=1.5μm、濃度N2ab=4×1015cm−3、の場合d2se=0.1μmでN2se≦1.2×10e16cm−3を満たす半導体受光素子。
(18)(1)に記載の半導体素子について、第一メサより外周にある第二メサ部分の水素濃度が少なくとも1×1016cm−3程度以上含有する半導体受光素子。
(19)(1)に記載の半導体素子について、第一メサより外周にある第二メサ部分の水素濃度の分布が、その最大値において少なくとも5×1017cm−3程度以上含有する半導体受光素子。
(20)(1)に記載の半導体素子について、第二メサの水素化処理工程の際に0.5μm以上の厚みのマスクを第一メサ上に形成することを特徴とする半導体受光素子。
Claims (29)
- 半導体基板上に、第一の導電型の層と、第二の導電型の光吸収層と、第二の導電型の選択エッチング層と、第二の導電型のバッファ層と、第二の導電型のコンタクト層と、第二の導電型側電極と、を順に積層した層構造を有し、
前記半導体基板上に、第二メサを形成させ、前記第二メサ上に第一メサを形成させた半導体受光素子であって、
前記第一メサは、前記第二の導電型のバッファ層と、前記第二の導電型のコンタクト層と、前記第二の導電型側電極と、を含み、
前記第二メサは、平面視において前記第一メサの外周縁より外側に位置する外周縁を有し、前記第一の導電型の層と、前記第二の導電型の光吸収層と、前記第二の導電型の選択エッチング層と、水素パッシベーション領域と、を含む第二メサ半導体積層構造を備え、
少なくとも前記第二メサ半導体積層構造の側面がパッシベーション膜で覆われていることを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1に記載の半導体受光素子において、前記パッシベーション膜は、水素パッシベーションを与えるパッシベーション膜であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1または23に記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、前記第二メサ半導体積層構造の表面から前記第二メサ半導体積層構造の内部に渡って形成されることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1、23および24いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、前記第二メサ半導体積層構造の表面のうち、前記基板と平行で且つ前記第一メサで覆われていない表面から、前記第二メサ半導体積層構造の内部に渡って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1および23乃至25いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、前記第二メサ半導体積層構造の表面から、前記第二メサ半導体積層構造の表面から深さ約1μmの領域に渡って形成されることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至26いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域の水素濃度の値は、前記第二メサ半導体積層構造の表面から深さ方向に対して濃度勾配を有することを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至27いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域の水素濃度は、前記第二メサ半導体積層構造の表面付近において1×1016cm−3以上5×1018cm−3以下であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至28いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域の水素濃度の最大値は、5×1017cm−3以上であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至29いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域は、少なくとも前記第二の導電型の光吸収層を含むことを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至30いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域に含まれる前記第二の導電型の光吸収層の水素濃度は、1×1016cm−3以上5×1018cm−3以下であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至31いずれかに記載の半導体受光素子において、前記水素パッシベーション領域に含まれる前記第二の導電型の光吸収層の水素濃度の最大値は、5×1017cm−3以上であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至32いずれかに記載の半導体受光素子において、前記半導体基板は、InP基板であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至33いずれかに記載の半導体受光素子は、pinフォトダイオードであることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至34いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二メサ半導体積層構造は、前記第一の導電型の層と前記第二の導電型の光吸収層との間に、アンドープ層を有することを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項35に記載の半導体受光素子は、アバランシェ・フォトダイオードであることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至36いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型のバッファ層の不純物濃度は、2×1017cm−3以上であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至37いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをd2seとしたとき、0.02μm≦d2seであることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至37いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをd2seとしたとき、d2se≦0.2μmであることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至37いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層の厚みをd2seとしたとき、0.02μm≦d2se≦0.2μmであることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至40いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、InP又はInxGa(1−x)AsyP(1−y)で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41に記載の半導体受光素子において、前記第一メサは、リンを含まないことを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至40いずれかに記載された半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、InAlAs又はInxAlyGa(1−x)Asで形成されることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項43に記載の半導体受光素子において、前記第一メサは、InPまたはInxGa(1−x)AsyP(1−y)で形成されることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至42いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、InxGa(1−x)AsyP(1−y)で形成され、かつ、y≦0.5であることを特徴とする半導体受光素子
- 請求項1および23乃至42いずれかに記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の選択エッチング層は、InxAlyGa(1−x−y)Asで形成され、かつ、y≧0.25であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1および23乃至46いずれかに記載の半導体受光素子において、前記光吸収層と前記第二の導電型の選択エッチング層は、前記第二の導電型の光吸収層の電界緩和量をΔEabとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の電界緩和量をΔE2seとしたとき、
ΔEab+ΔE2se≦100kV/cm
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項47に記載の半導体受光素子において、前記第二の導電型の光吸収層の層厚をdabとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をNabとしたとき、
dab=0.5μm、
Nab=1.0×1016cm−3、
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をd2seとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をN2seとしたとき、
d2se=0.1μm、
N2se≦2×1016cm−3
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項47に記載の半導体受光素子において、
前記第二の導電型の光吸収層の層厚をdabとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をNabとしたとき、
dab=1.0μm、
Nab=5.0×1015cm−3
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をd2seとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をN2seとしたとき、
d2se=0.1μm、
N2se≦2×1016cm−3
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項47に記載の半導体受光素子において、
前記第二の導電型の光吸収層の層厚をdabとし、前記第二の導電型の光吸収層の不純物濃度をNabとしたとき、
dab=1.5μm、
Nab=4×1015cm−3、
の関係を満たし、かつ、
前記第二の導電型の選択エッチング層の層厚をd2seとし、前記第二の導電型の選択エッチング層の不純物濃度をN2seとしたとき、
d2se=0.1μm、
N2se≦1.2×1016cm−3
の関係を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
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