JPH022691A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH022691A JPH022691A JP63149715A JP14971588A JPH022691A JP H022691 A JPH022691 A JP H022691A JP 63149715 A JP63149715 A JP 63149715A JP 14971588 A JP14971588 A JP 14971588A JP H022691 A JPH022691 A JP H022691A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
-
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- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、高速pinフォトダイオードに関するもので
ある。
ある。
(従来の技術)
高速大容量光通信システムや加入者系光通信システムを
可能にするには、Gb/sオーダーの高速応答特性を有
し、かつ、製作プロセスの簡便な半導体受光素子が必要
である。このため、近年シリカ系ファイバの低損失波長
域1.0μm−1,1iμmに適応できる1nGaAs
/ lnP系pin型フォトダイオードの高速化、製作
プロセスの簡易化に対する研究が活発となっている。プ
レーナ型へテロ接合ルミn型フォトダイオードの高速応
答化のためにはp−n接合形成の際、接合位置の制御が
重要となる。この理由を従来例を示す第2図を用いて説
明する。この構造は、石原等がエレクトロニクス・レタ
ー(Electron、Lett、) 20巻、Na1
B、P2S5〜G5[i 、Aug、 (1984年)
で発表したものであり、1はn0型1nP基板、2はn
型1nPバッファ層、3はn−型1nGaAs光吸収層
3.4はn型1nPウインドウ・キャップ層、5はp+
型Zn拡散領域、6は絶縁層、7はp側電極、8はn側
電極である。高速応答特性を存するpin型フォトダイ
オードでは、通常pゝ型領領域Znの熱拡散等により、
ウィンドウ・キャップ層4(光吸収層よりワイドギャッ
プ)と光吸収層3のへテロ界面と、その界面から光吸収
層中へ深さd程入った領域に形成されなければならない
。その深さdは、高速応答特性のpinフォトダイオー
ドの光吸収層厚が1〜2μmであることから経験的にそ
の10%である0、2μm程度以下でなければならない
。なぜならば p +層領域が光吸収層領域に入り込み
過ぎるとその領域は空乏化せずバイアス電界はこの領域
に印加されないためにフォトキャリアは拡散によってそ
の領域を走行しなければならず、この走行時間により応
答が劣化するからであり、一方、逆にp+型領領域ウィ
ンドウ・キャップ層途中までしか形成されていない場合
も、価電子帯不連続によるヘテロ障壁(ΔEv)によっ
てフォトキャリア(正孔)の移動が阻止されて応答が劣
化するからである。
可能にするには、Gb/sオーダーの高速応答特性を有
し、かつ、製作プロセスの簡便な半導体受光素子が必要
である。このため、近年シリカ系ファイバの低損失波長
域1.0μm−1,1iμmに適応できる1nGaAs
/ lnP系pin型フォトダイオードの高速化、製作
プロセスの簡易化に対する研究が活発となっている。プ
レーナ型へテロ接合ルミn型フォトダイオードの高速応
答化のためにはp−n接合形成の際、接合位置の制御が
重要となる。この理由を従来例を示す第2図を用いて説
明する。この構造は、石原等がエレクトロニクス・レタ
ー(Electron、Lett、) 20巻、Na1
B、P2S5〜G5[i 、Aug、 (1984年)
で発表したものであり、1はn0型1nP基板、2はn
型1nPバッファ層、3はn−型1nGaAs光吸収層
3.4はn型1nPウインドウ・キャップ層、5はp+
型Zn拡散領域、6は絶縁層、7はp側電極、8はn側
電極である。高速応答特性を存するpin型フォトダイ
オードでは、通常pゝ型領領域Znの熱拡散等により、
ウィンドウ・キャップ層4(光吸収層よりワイドギャッ
プ)と光吸収層3のへテロ界面と、その界面から光吸収
層中へ深さd程入った領域に形成されなければならない
。その深さdは、高速応答特性のpinフォトダイオー
ドの光吸収層厚が1〜2μmであることから経験的にそ
の10%である0、2μm程度以下でなければならない
。なぜならば p +層領域が光吸収層領域に入り込み
過ぎるとその領域は空乏化せずバイアス電界はこの領域
に印加されないためにフォトキャリアは拡散によってそ
の領域を走行しなければならず、この走行時間により応
答が劣化するからであり、一方、逆にp+型領領域ウィ
ンドウ・キャップ層途中までしか形成されていない場合
も、価電子帯不連続によるヘテロ障壁(ΔEv)によっ
てフォトキャリア(正孔)の移動が阻止されて応答が劣
化するからである。
(発明が解決しようとする課題)
以上の理由で高速応答特性を有するpin型フォトダイ
オードを形成するには深さ精度〜0.1 μmの高精度
な熱拡散技術が要求される。しかし、現在の熱拡散技術
では0.1μmの精度を再現性良く得ることは難しく、
素子製作上の歩留りを低下させる原因となっていた。
オードを形成するには深さ精度〜0.1 μmの高精度
な熱拡散技術が要求される。しかし、現在の熱拡散技術
では0.1μmの精度を再現性良く得ることは難しく、
素子製作上の歩留りを低下させる原因となっていた。
本発明は、上述の欠点を解決し、信頼性を損ねることな
く、p−n接合の位置を高精度に制御する必要がなく、
高速応答特性を有する半導体受光素子を実現することを
目的とする。
く、p−n接合の位置を高精度に制御する必要がなく、
高速応答特性を有する半導体受光素子を実現することを
目的とする。
(課題を解決するための手段)
本発明は、第1導電型もしくは、半絶縁性基板に、第1
導電型バッファー層、第1導電型光吸収層、第1導電型
キャップ層が順次積層された構造のpin型半導体受光
素子において、該キャップ層と該光吸収層の価電子帯不
連続量が、光吸収層からキャップ層に向かって段階的に
、あるいは、連続的に大きくなるようなバンド構造をも
つ少なくとも一層の層よりキャップ層が構成されている
ことを特徴とする半導体受光素子である。
導電型バッファー層、第1導電型光吸収層、第1導電型
キャップ層が順次積層された構造のpin型半導体受光
素子において、該キャップ層と該光吸収層の価電子帯不
連続量が、光吸収層からキャップ層に向かって段階的に
、あるいは、連続的に大きくなるようなバンド構造をも
つ少なくとも一層の層よりキャップ層が構成されている
ことを特徴とする半導体受光素子である。
(作用)
本発明は、上述の構成により従来の欠点を克服した。第
1図は、本半導体受光素子の一例を示す構造断面図であ
る。図において、1はn3型半導体基板、2はn型バッ
ファ層、3はn−型光吸収層、4はn−型キャップ層、
516は各々p側、n側電極、7は絶縁層、8はp”型
導電領域、9はn−型中間キャップ層である。第1図−
aでは光吸収層3からn−型キャップ層4に向かって価
電子帯不連続量(ΔEv)が連続的に、また、第1図−
すのn−型キャップ層4、n−型中間キャップ層では段
階的に大きくなるようなバンド構造を持つ少なくとも一
層以上の層よりなり、そのキャリア濃度は、空乏層が光
吸収層まで達する程(その層厚に対して)十分に低濃度
化されている。
1図は、本半導体受光素子の一例を示す構造断面図であ
る。図において、1はn3型半導体基板、2はn型バッ
ファ層、3はn−型光吸収層、4はn−型キャップ層、
516は各々p側、n側電極、7は絶縁層、8はp”型
導電領域、9はn−型中間キャップ層である。第1図−
aでは光吸収層3からn−型キャップ層4に向かって価
電子帯不連続量(ΔEv)が連続的に、また、第1図−
すのn−型キャップ層4、n−型中間キャップ層では段
階的に大きくなるようなバンド構造を持つ少なくとも一
層以上の層よりなり、そのキャリア濃度は、空乏層が光
吸収層まで達する程(その層厚に対して)十分に低濃度
化されている。
本発明の特徴を第3図に示す本構造のバンド図を用いて
説明する。図中の1〜4.8.9は第1図の同一数字で
示される箇所に対応する。また、6の点線は価電子帯不
連続量(ΔEv)が連続的に変化する場合のバンド構造
を示し、7の一点鎖線はp−n接合位置を示す。本構造
においては、p−n接合がn−型キャップ層4中のいず
れの位置にあっても、光吸収層3とキャンプ層4の価電
子帯不連続量(ΔEv)がキャップ層4に向かって徐々
に大きくなっていくため、光吸収層で発生した正孔キャ
リアはへテロ障壁(ΔEv)に移動を阻止されることが
ない。一方、p−n接合が光吸収層中にある場合は、第
2図に示される従来構造の場合と変わりはない。従って
、p−n接合の位置制御はキャップ層4の厚さに対応す
る量だけ、その精度が緩和されることになる。以上の結
果、高速応答特性を何するプレーナルミn型フォトダイ
オードをp−n接合の深さ精度が比較的緩い条件で容易
に製作することができる。
説明する。図中の1〜4.8.9は第1図の同一数字で
示される箇所に対応する。また、6の点線は価電子帯不
連続量(ΔEv)が連続的に変化する場合のバンド構造
を示し、7の一点鎖線はp−n接合位置を示す。本構造
においては、p−n接合がn−型キャップ層4中のいず
れの位置にあっても、光吸収層3とキャンプ層4の価電
子帯不連続量(ΔEv)がキャップ層4に向かって徐々
に大きくなっていくため、光吸収層で発生した正孔キャ
リアはへテロ障壁(ΔEv)に移動を阻止されることが
ない。一方、p−n接合が光吸収層中にある場合は、第
2図に示される従来構造の場合と変わりはない。従って
、p−n接合の位置制御はキャップ層4の厚さに対応す
る量だけ、その精度が緩和されることになる。以上の結
果、高速応答特性を何するプレーナルミn型フォトダイ
オードをp−n接合の深さ精度が比較的緩い条件で容易
に製作することができる。
(実施例)
以下、本発明の実施例としてlnP/ 1nGaAsP
/InGaAs系pinフオトダイオード、InP/
InA IAs/InGaAsAs/InGaAs系ル
ミn二側トダイオードする。
/InGaAs系pinフオトダイオード、InP/
InA IAs/InGaAsAs/InGaAs系ル
ミn二側トダイオードする。
(実施例1)
第1図−aに示す半導体受光素子を以下の工程によって
製作した。
製作した。
n+型!nP基板1上に、n型1nPバッフT層2を1
μm厚に、キャリア1度〜2 X I O”cra−3
のn−型”o 、 53ca0 、47AS光吸収層3
を1〜1.5μm厚に、キャリア1度〜1×10I6c
111−3のn−型1nGaAsP〜InPグレープン
ト・キャップ層4を1.5μm厚に、順次、有機金属気
相成長法を用いて成長する。ここで、1nGaAsP〜
[nPクレーf’ッドΦキャップ層4はInGaAs光
吸収層3がらInPキャップ層に向かって連続的にバン
ドギャップ(=価電子帯不連続量(ΔEv))が大きく
なるような構造をもっている。次に、5I02拡散マス
クを用いて直径20μmの円形領域に通常の方法でZn
拡散を深さ1.2〜1.6μmまで行う。これによりキ
ャップ層4の一部または全部をp1型化し、p3型導電
領域8を形成する。基板研磨後に絶縁層7を形成し、さ
らにp側電極5をAuZnでn側電極6をAuGeで形
成した。このグレーデッド拳キャップ層により、周波数
応答を劣化させることなく、拡散深さの位置制御が従来
の〜0.1μmから〜0.4μmに緩和することができ
る。
μm厚に、キャリア1度〜2 X I O”cra−3
のn−型”o 、 53ca0 、47AS光吸収層3
を1〜1.5μm厚に、キャリア1度〜1×10I6c
111−3のn−型1nGaAsP〜InPグレープン
ト・キャップ層4を1.5μm厚に、順次、有機金属気
相成長法を用いて成長する。ここで、1nGaAsP〜
[nPクレーf’ッドΦキャップ層4はInGaAs光
吸収層3がらInPキャップ層に向かって連続的にバン
ドギャップ(=価電子帯不連続量(ΔEv))が大きく
なるような構造をもっている。次に、5I02拡散マス
クを用いて直径20μmの円形領域に通常の方法でZn
拡散を深さ1.2〜1.6μmまで行う。これによりキ
ャップ層4の一部または全部をp1型化し、p3型導電
領域8を形成する。基板研磨後に絶縁層7を形成し、さ
らにp側電極5をAuZnでn側電極6をAuGeで形
成した。このグレーデッド拳キャップ層により、周波数
応答を劣化させることなく、拡散深さの位置制御が従来
の〜0.1μmから〜0.4μmに緩和することができ
る。
(実施例2)
第1図−bに示す半導体受光素子を以下の工程によって
製作した。
製作した。
n+型1nP基板1上に、n型!nPバッファー層2を
1μm厚4m、+ + ’J 7 ia度〜2 X 1
0 l5cm+−3のn−型1no、1s3Gao、4
tAS光吸収層3を1〜1.5μm厚に、キャリア濃度
〜lXl0’θcat−’のn−型ln0.52AI0
.48As中間キャップ層9を0.5μm厚に、キャリ
ア濃度〜2×1O−16CI11−3のInPキャップ
層4を1μm厚に順次、有機金属気相成長法を用いて成
長する。InA IAsとlnPの1nGaAsに対す
る価電子帯不連続N(ΔEv)は、各々0.21eV1
0.38eVであるため、これらの材料系は前述の条件
を満足する。とくに1nGaAsに帯する価電子帯不連
続量(ΔE、)が、InAlAsはlnPの約1/2で
あることから、実施例1のグレーデッド中間層の場合と
同様の効果を1nAIAs−層で得ることができる。
1μm厚4m、+ + ’J 7 ia度〜2 X 1
0 l5cm+−3のn−型1no、1s3Gao、4
tAS光吸収層3を1〜1.5μm厚に、キャリア濃度
〜lXl0’θcat−’のn−型ln0.52AI0
.48As中間キャップ層9を0.5μm厚に、キャリ
ア濃度〜2×1O−16CI11−3のInPキャップ
層4を1μm厚に順次、有機金属気相成長法を用いて成
長する。InA IAsとlnPの1nGaAsに対す
る価電子帯不連続N(ΔEv)は、各々0.21eV1
0.38eVであるため、これらの材料系は前述の条件
を満足する。とくに1nGaAsに帯する価電子帯不連
続量(ΔE、)が、InAlAsはlnPの約1/2で
あることから、実施例1のグレーデッド中間層の場合と
同様の効果を1nAIAs−層で得ることができる。
次に、S10゜拡散マスクを用いて直径20μmの円形
領域に通常の方法でZn拡散を深さ1.2〜1.6μm
まで行う。これによりキャップ層4.9の一部または全
部をp9型化し、p0型拡散領域8を形成する。基板研
磨後に絶縁層7を形成し、さらにp側電極5をAuZn
で、n側電極6をAuGeで形成した。この中間キャッ
プ層により、周波数応答を劣化させることなく、拡散深
さの位置制御が従来の〜0.1 μmから〜0.4μm
に緩和することができる。
領域に通常の方法でZn拡散を深さ1.2〜1.6μm
まで行う。これによりキャップ層4.9の一部または全
部をp9型化し、p0型拡散領域8を形成する。基板研
磨後に絶縁層7を形成し、さらにp側電極5をAuZn
で、n側電極6をAuGeで形成した。この中間キャッ
プ層により、周波数応答を劣化させることなく、拡散深
さの位置制御が従来の〜0.1 μmから〜0.4μm
に緩和することができる。
本実施例の系の特徴をさらに以下に述べる。
本実施例のInAlAs中間キャップ層をInGaA
IAsグレーデッド・キャップ層化する際、InGaA
sP系グレーデッド・キャップ層で結晶成長時にペテロ
界面の結晶性に大きな影響を与える三原原料ガスめ切り
替えが伴い、成長法に特別の留意が必要であるのに対し
て、王族原料ガスの切り替えのみによりAIとGaの組
成比を変化でき、比較的容易に1nGaAIAsグレー
デツド・キャップ層を成長することができる。本構造の
もう一つの特徴として、InPキャップ層4による!n
AlAs層の表面酸化の防止があげられ、従来のInP
/ InGaAsnGaAs系ルミnフォトダイオード
作プロセスを利用できる。
IAsグレーデッド・キャップ層化する際、InGaA
sP系グレーデッド・キャップ層で結晶成長時にペテロ
界面の結晶性に大きな影響を与える三原原料ガスめ切り
替えが伴い、成長法に特別の留意が必要であるのに対し
て、王族原料ガスの切り替えのみによりAIとGaの組
成比を変化でき、比較的容易に1nGaAIAsグレー
デツド・キャップ層を成長することができる。本構造の
もう一つの特徴として、InPキャップ層4による!n
AlAs層の表面酸化の防止があげられ、従来のInP
/ InGaAsnGaAs系ルミnフォトダイオード
作プロセスを利用できる。
(発明の効果)
この二つの実施例において、何れも、カットオフ周波数
が正孔キャリアの走行時間制限によって決定される値、
20GHz以上の素子が再現性良く得られた。特に、I
)−n接合位置を電子ビーム誘起電流(EBIC)像観
察により、それぞれ、InGaAsP層中(実施例1
) 、1nAIAs層中(実施例2)に確認した素子に
ついても、カットオフ周波数のへテロ障壁による劣化は
観測されなかった。
が正孔キャリアの走行時間制限によって決定される値、
20GHz以上の素子が再現性良く得られた。特に、I
)−n接合位置を電子ビーム誘起電流(EBIC)像観
察により、それぞれ、InGaAsP層中(実施例1
) 、1nAIAs層中(実施例2)に確認した素子に
ついても、カットオフ周波数のへテロ障壁による劣化は
観測されなかった。
また、従来のプレーナ構造と同じ<p−n接合界面がメ
サ・エツチング等で露出することがないため暗電流の増
加も観測されないなど、信頼性に関しても従来のプレー
ナ構造素子と同等であった。
サ・エツチング等で露出することがないため暗電流の増
加も観測されないなど、信頼性に関しても従来のプレー
ナ構造素子と同等であった。
以上、本発明の構造により、信頼性を損ねることなくp
−n接合位置制御に高い制御精度を必要としない高速応
答特性を有する光検出器を得ることができ、その価値は
大きい。
−n接合位置制御に高い制御精度を必要としない高速応
答特性を有する光検出器を得ることができ、その価値は
大きい。
第1図−aXbは本発明の半導体受光素子の一例を示す
構造断面図である。図において、1はn゛型半導体基板
、2はn型バッファ層、3はn−型光吸収層、4はn−
型グレーデッド・キャップ層、5.6は各々p側、n側
電極、7は絶縁層、8はp″型導電領域、9はn−型中
間キャノプ層である。 第2図は従来のプレーナ型pin型フォトダイオードの
構造断面図である。この図において、1はn1型1nP
基板、2はn型1nPバッファ層、3はn−型1nGa
As光吸収層、4はn−型1nPウインドウ・キャップ
層、Sはp+型Zn拡散領域、6は絶縁層、7はp側電
極、8はn側電極である。第3図は、本発明の半導体受
光素子のバンド図である。図において、1はn+型半導
体基板、2はn型バッファ層、3はn−型光吸収層、8
はp+型導電領域、9はn−型中間キャップ層であり、
6は連続的に価電子帯不連続量(ΔEv)が変化する場
合のバンド構造、7はp−n接合位置である。
構造断面図である。図において、1はn゛型半導体基板
、2はn型バッファ層、3はn−型光吸収層、4はn−
型グレーデッド・キャップ層、5.6は各々p側、n側
電極、7は絶縁層、8はp″型導電領域、9はn−型中
間キャノプ層である。 第2図は従来のプレーナ型pin型フォトダイオードの
構造断面図である。この図において、1はn1型1nP
基板、2はn型1nPバッファ層、3はn−型1nGa
As光吸収層、4はn−型1nPウインドウ・キャップ
層、Sはp+型Zn拡散領域、6は絶縁層、7はp側電
極、8はn側電極である。第3図は、本発明の半導体受
光素子のバンド図である。図において、1はn+型半導
体基板、2はn型バッファ層、3はn−型光吸収層、8
はp+型導電領域、9はn−型中間キャップ層であり、
6は連続的に価電子帯不連続量(ΔEv)が変化する場
合のバンド構造、7はp−n接合位置である。
Claims (1)
- 第1導電型もしくは、半絶縁性基板に、第1導電型バッ
ファー層、第1導電型光吸収層、第1導電型キャップ層
が順次積層された構造のpin型半導体受光素子におい
て、該キャップ層と該光吸収層の価電子帯不連続量が、
光吸収層からキャップ層に向かって段階的に、あるいは
、連続的に大きくなるようなバンド構造をもつ少なくと
も一層の層よりキャップ層が構成されていることを特徴
とする半導体受光素子。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63149715A JPH022691A (ja) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | 半導体受光素子 |
EP89305944A EP0347157A3 (en) | 1988-06-17 | 1989-06-13 | Pin semiconductor light receiving device |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63149715A JPH022691A (ja) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | 半導体受光素子 |
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JPH022691A true JPH022691A (ja) | 1990-01-08 |
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