JPH0529642A - 半導体光検出素子 - Google Patents
半導体光検出素子Info
- Publication number
- JPH0529642A JPH0529642A JP3178330A JP17833091A JPH0529642A JP H0529642 A JPH0529642 A JP H0529642A JP 3178330 A JP3178330 A JP 3178330A JP 17833091 A JP17833091 A JP 17833091A JP H0529642 A JPH0529642 A JP H0529642A
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- JP
- Japan
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- layer
- type semiconductor
- impurity concentration
- conductivity type
- light
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体光検出素子の帯域特性及び光感度特性
の両方を向上する。 【構成】 光吸収層2上に透明の半絶縁膜4を成長し、
開口部5に接合形成用高濃度P型導電層3を形成するこ
とにより、吸収層2の受光面積を低減させないで、接合
面積を低減させた。 【効果】 受光面積を低減させないで、遮断周波数を決
定するPN接合面積を低減することができるので、半導
体光検出素子の光感度特性を低下させることなく、光感
度特性を向上することができる。
の両方を向上する。 【構成】 光吸収層2上に透明の半絶縁膜4を成長し、
開口部5に接合形成用高濃度P型導電層3を形成するこ
とにより、吸収層2の受光面積を低減させないで、接合
面積を低減させた。 【効果】 受光面積を低減させないで、遮断周波数を決
定するPN接合面積を低減することができるので、半導
体光検出素子の光感度特性を低下させることなく、光感
度特性を向上することができる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体光検出素子、更に
詳しくいえば、光通信や光情報処理における半導体受光
素子に関するもので、特に高速高感度PINフォトダイ
オードに関するものである。
詳しくいえば、光通信や光情報処理における半導体受光
素子に関するもので、特に高速高感度PINフォトダイ
オードに関するものである。
【0002】
【従来の技術】光通信においては、長距離の信号伝送に
よって減衰した微弱光を高感度かつ広い周波数帯域特性
をもって検出することが必要とされ、これまで種々の光
検出素子が開発されてきた。その代表的なものはSi、
GaAs、GaInAs等の単元素あるいは化合物の半
導体を素材としたPINフォトダイオードやアバランシ
ェフォトダイオードである。これら光検出素子の構造や
動作特性に関してはアール・シー・エー レビュー(R
CA Review)46(1985)496頁から5
09頁に詳細に述べられている。
よって減衰した微弱光を高感度かつ広い周波数帯域特性
をもって検出することが必要とされ、これまで種々の光
検出素子が開発されてきた。その代表的なものはSi、
GaAs、GaInAs等の単元素あるいは化合物の半
導体を素材としたPINフォトダイオードやアバランシ
ェフォトダイオードである。これら光検出素子の構造や
動作特性に関してはアール・シー・エー レビュー(R
CA Review)46(1985)496頁から5
09頁に詳細に述べられている。
【0003】これらの光検出素子は光通信素子としての
最小限必要な感度、周波数帯域特性を有しているもの
の、PINフォトダイオードは出力電圧が小さいため
に、高利得、低雑音の増幅器と組み合わせて使用する必
要がある。またアバランシェフォトダイオードは出力電
圧が大きい反面、動作に必要なバイアス印加電圧が通常
の電子回路の電源電圧よりかなり高いため集積化の点で
難点があり、広帯域特性や低雑音性でも問題点が残るこ
とはよく知られている。
最小限必要な感度、周波数帯域特性を有しているもの
の、PINフォトダイオードは出力電圧が小さいため
に、高利得、低雑音の増幅器と組み合わせて使用する必
要がある。またアバランシェフォトダイオードは出力電
圧が大きい反面、動作に必要なバイアス印加電圧が通常
の電子回路の電源電圧よりかなり高いため集積化の点で
難点があり、広帯域特性や低雑音性でも問題点が残るこ
とはよく知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来開発
されているPINフォトダイオードは低雑音、集積化に
適した反面、感度、周波数帯域特性は光通信素子として
の最小限必要程度の特性を保持しているにすぎず、十分
なものとはいえない。特にその感度と周波数帯域特性
は、相反する関係にあり、感度をあげれば、周波数帯域
特性は狭くなり、周波数帯域特性を広くすれば、感度が
落ちる関係にある。本発明の目的は、PINフォトダイ
オードの帯域特性と感度特性の一方を低下すること無く
他方を改善した高速高感度の光検出素子を提供すること
である。
されているPINフォトダイオードは低雑音、集積化に
適した反面、感度、周波数帯域特性は光通信素子として
の最小限必要程度の特性を保持しているにすぎず、十分
なものとはいえない。特にその感度と周波数帯域特性
は、相反する関係にあり、感度をあげれば、周波数帯域
特性は狭くなり、周波数帯域特性を広くすれば、感度が
落ちる関係にある。本発明の目的は、PINフォトダイ
オードの帯域特性と感度特性の一方を低下すること無く
他方を改善した高速高感度の光検出素子を提供すること
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ヘテロ接合PINフォトダイオードにお
いて、キャリヤ発生の光吸収層の光吸収層断面積より
も、キャリヤ収集用ヘテロ接合断面積を小さく構成し
た。ここで、光吸収層断面積とは光吸収層の光入射平面
の面積で、下記第3導電型層の受光面積とヘテロ接合を
形成する第1導電型層と第2導電型層の間のヘテロ接合
断面の面積の和となる。ヘテロ接合断面積を小さく構成
するために、ヘテロ接合を形成する第1導電型層と第2
導電型層(光吸収層)の間に、光吸収層で吸収される波
長の光に対しては光学的に透明で、高抵抗かつ光吸収層
の受光面積より小面積の第3導電型層を形成した。第3
導電型層の平面形状は特に限定されないが、製造上の都
合により、メッシュ状、ストライプ状、リング状、島
状、等が望ましい。また、光通信用光検出素子として、
1.3μmの光波長を検出するため光吸収層をInGa
Asで構成することが望ましい。その場合、上記第3導
電型層としては、不純物濃度の低いInP、GaAsあ
るいはこれらにFe、Ti、Crを含むものが使用され
る。
め、本発明は、ヘテロ接合PINフォトダイオードにお
いて、キャリヤ発生の光吸収層の光吸収層断面積より
も、キャリヤ収集用ヘテロ接合断面積を小さく構成し
た。ここで、光吸収層断面積とは光吸収層の光入射平面
の面積で、下記第3導電型層の受光面積とヘテロ接合を
形成する第1導電型層と第2導電型層の間のヘテロ接合
断面の面積の和となる。ヘテロ接合断面積を小さく構成
するために、ヘテロ接合を形成する第1導電型層と第2
導電型層(光吸収層)の間に、光吸収層で吸収される波
長の光に対しては光学的に透明で、高抵抗かつ光吸収層
の受光面積より小面積の第3導電型層を形成した。第3
導電型層の平面形状は特に限定されないが、製造上の都
合により、メッシュ状、ストライプ状、リング状、島
状、等が望ましい。また、光通信用光検出素子として、
1.3μmの光波長を検出するため光吸収層をInGa
Asで構成することが望ましい。その場合、上記第3導
電型層としては、不純物濃度の低いInP、GaAsあ
るいはこれらにFe、Ti、Crを含むものが使用され
る。
【0006】
【作用】本発明の作用について、図1に示した本発明に
よるメサ型ヘテロ接合PINダイオードの1実施例の断
面図を基に説明する。低抵抗の高濃度N型InP半導体
基板1上に、波長1.3μmの光吸収層として作用す
る、不純物濃度が低くて禁制帯幅が狭い低濃度N型In
GaAs層2を形成し、さらにInGaAs層2上の一
部に開口部5を持つ半絶縁性InP層4を積層し、開口
部5及び半絶縁性InP層4上に高濃度P型InP層3
が積層されている。なお、半絶縁性InP層(光吸収
層)断面4の平面形状は直径10μm、内径5μmのリ
ング状である。即ち、開口部5即ちキャリヤ収集用ヘテ
ロ接合断面は直径5μmの円形である。
よるメサ型ヘテロ接合PINダイオードの1実施例の断
面図を基に説明する。低抵抗の高濃度N型InP半導体
基板1上に、波長1.3μmの光吸収層として作用す
る、不純物濃度が低くて禁制帯幅が狭い低濃度N型In
GaAs層2を形成し、さらにInGaAs層2上の一
部に開口部5を持つ半絶縁性InP層4を積層し、開口
部5及び半絶縁性InP層4上に高濃度P型InP層3
が積層されている。なお、半絶縁性InP層(光吸収
層)断面4の平面形状は直径10μm、内径5μmのリ
ング状である。即ち、開口部5即ちキャリヤ収集用ヘテ
ロ接合断面は直径5μmの円形である。
【0007】高濃度N型InP半導体基板1及び高濃度
P型InP層3表面に取出し電極6が設けられている。
光検出素子としての光感度は光吸収層の低濃度N型In
GaAs2の体積により決まる。吸収層の厚さを1μm
とすると、光吸収により発生した電子と正孔の吸収層内
の空乏層に対する走行時間は周波数に換算して45GH
zに達する。
P型InP層3表面に取出し電極6が設けられている。
光検出素子としての光感度は光吸収層の低濃度N型In
GaAs2の体積により決まる。吸収層の厚さを1μm
とすると、光吸収により発生した電子と正孔の吸収層内
の空乏層に対する走行時間は周波数に換算して45GH
zに達する。
【0008】しかし、従来の半絶縁性InP層4を持た
ないメサ型ヘテロ接合PINダイオードの構造では、高
濃度P型InP層3と低濃度N型InGaAs2で形成
されるPN接合の面積が直径5μmの円形で与えられる
場合、接合容量による時定数の遅れを考慮すると、遮断
周波数が40GHzまで低下する。さらに直径10μm
の接合形状では、接合容量の増大によって、遮断周波数
が25GHzまで低下する。すなわち広帯域特性を向上
させるにはPN接合面積を少なくして、接合容量の減少
を図ることが不可欠となる。しかし、接合面積の低減は
光感度特性の低下にも関連し、従来のPINダイオード
の構造では、広帯域特性と感度特性は接合面積に関して
は裏腹の関係にある。
ないメサ型ヘテロ接合PINダイオードの構造では、高
濃度P型InP層3と低濃度N型InGaAs2で形成
されるPN接合の面積が直径5μmの円形で与えられる
場合、接合容量による時定数の遅れを考慮すると、遮断
周波数が40GHzまで低下する。さらに直径10μm
の接合形状では、接合容量の増大によって、遮断周波数
が25GHzまで低下する。すなわち広帯域特性を向上
させるにはPN接合面積を少なくして、接合容量の減少
を図ることが不可欠となる。しかし、接合面積の低減は
光感度特性の低下にも関連し、従来のPINダイオード
の構造では、広帯域特性と感度特性は接合面積に関して
は裏腹の関係にある。
【0009】本発明による上記実施例は、PN接合面が
直径10μmの円形の場合、中心部の5μm直径の領域
を残して、高濃度P型InP層3と低濃度N型InGa
As2の境界に半絶縁性のInP層4を介在させること
により、光は半絶縁性のInP層4を通過し低濃度N型
InGaAs2に入るので、光吸収層の体積を減少させ
ること無く、接合容量は開口部5の5μm直径のそれに
近い値まで低減できることが可能になる。中心の開口部
5直下よりずれたInGaAs層2で発生したキャリヤ
の走行距離は長くなるため、走行時間は多少長くなる
が、これを考慮しても遮断周波数は35GHz以上に保
たれる。また光感度特性は、開口部5を設けず、他の条
件を同じにし、PN接合の面積が直径10μmの円形で
与えられる場合のヘテロ接合PINダイオードと同等で
ある。
直径10μmの円形の場合、中心部の5μm直径の領域
を残して、高濃度P型InP層3と低濃度N型InGa
As2の境界に半絶縁性のInP層4を介在させること
により、光は半絶縁性のInP層4を通過し低濃度N型
InGaAs2に入るので、光吸収層の体積を減少させ
ること無く、接合容量は開口部5の5μm直径のそれに
近い値まで低減できることが可能になる。中心の開口部
5直下よりずれたInGaAs層2で発生したキャリヤ
の走行距離は長くなるため、走行時間は多少長くなる
が、これを考慮しても遮断周波数は35GHz以上に保
たれる。また光感度特性は、開口部5を設けず、他の条
件を同じにし、PN接合の面積が直径10μmの円形で
与えられる場合のヘテロ接合PINダイオードと同等で
ある。
【0010】
【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図2は本発明による半導体光検出素子の実施
例1の要部断面図を示す。以下の実施例の説明におい
て、簡単のため、電極構造は省略する。同図において、
高濃度N型InP基板11上に低濃度N型InGaAs
のエピタキシャル層12を成長する。厚さをd1とする
(d1≦2μm)。その上部に半絶縁性InP層14を
2μm以上形成する。メサエッチング加工により半絶縁
層に開口部15を設ける。開口部15の平面形状は正方
形で、その一辺をl1とする。発生したキャリアーの走
行距離の大幅な増加を押さえるために隣接する開口部1
5との間の距離を2d1以下に設定する。こうして低濃
度N型InGaAs12上に半絶縁性InP層14がメ
ッシュ状に形成される。引き続き、その表面に高濃度P
型In層13を成長させる。高濃度N型InP11と高
濃度P型InP13の表面に各々オーム性電極(図示せ
ず)を設けて、半導体光検出素子を構成する。
説明する。図2は本発明による半導体光検出素子の実施
例1の要部断面図を示す。以下の実施例の説明におい
て、簡単のため、電極構造は省略する。同図において、
高濃度N型InP基板11上に低濃度N型InGaAs
のエピタキシャル層12を成長する。厚さをd1とする
(d1≦2μm)。その上部に半絶縁性InP層14を
2μm以上形成する。メサエッチング加工により半絶縁
層に開口部15を設ける。開口部15の平面形状は正方
形で、その一辺をl1とする。発生したキャリアーの走
行距離の大幅な増加を押さえるために隣接する開口部1
5との間の距離を2d1以下に設定する。こうして低濃
度N型InGaAs12上に半絶縁性InP層14がメ
ッシュ状に形成される。引き続き、その表面に高濃度P
型In層13を成長させる。高濃度N型InP11と高
濃度P型InP13の表面に各々オーム性電極(図示せ
ず)を設けて、半導体光検出素子を構成する。
【0011】本実施例では、光吸収層12の受光面積
は、メサエッチングで規定されるInGaAs層12の
面積にほぼ等しくなるのに対し、CR時定数に関与する
接合面積は約1/(1+2d1/l1)2に減少する。な
お、メッシュ状に形成する高抵抗半絶縁性InP層14
に代えて、比誘電率の低い絶縁性薄膜を用いれば、寄生
容量の減少に一層の有効性が認めらる。
は、メサエッチングで規定されるInGaAs層12の
面積にほぼ等しくなるのに対し、CR時定数に関与する
接合面積は約1/(1+2d1/l1)2に減少する。な
お、メッシュ状に形成する高抵抗半絶縁性InP層14
に代えて、比誘電率の低い絶縁性薄膜を用いれば、寄生
容量の減少に一層の有効性が認めらる。
【0012】図3は本発明による半導体光検出素子の実
施例2の要部断面図を示す。本実施例の基本的な構成
は、図2に示した実施例と同様で、PN接合部の形成法
が異なる。高濃度N型InP基板21上に低濃度N型I
nGaAs22をエピタキシャル成長する。その上部に
引き続き半絶縁性InP層23を形成する。通常のリソ
グラフィ法とイオン打ち込み法又はドープオキサイド法
により、半絶縁性InP層23に正方形の島状にZnの
選択拡散を行い、高濃度P型InP24のモザイクを形
成する。島の一辺をl1とすると、前述の実施例の場合
と同じく、接合容量が低減される。
施例2の要部断面図を示す。本実施例の基本的な構成
は、図2に示した実施例と同様で、PN接合部の形成法
が異なる。高濃度N型InP基板21上に低濃度N型I
nGaAs22をエピタキシャル成長する。その上部に
引き続き半絶縁性InP層23を形成する。通常のリソ
グラフィ法とイオン打ち込み法又はドープオキサイド法
により、半絶縁性InP層23に正方形の島状にZnの
選択拡散を行い、高濃度P型InP24のモザイクを形
成する。島の一辺をl1とすると、前述の実施例の場合
と同じく、接合容量が低減される。
【0013】図4は本発明による半導体光検出素子の実
施例3の断面図を示す。高濃度N型InP基板31上に
低濃度N型InGaAs32をエピタキシャル成長す
る。その上に高濃度P型InGaAsP34を、さら
に、高濃度P型InP33を順次成長する。メサエッチ
ングで台形の接合ダイオードを形成した後、硫酸と過酸
化水素の混合液でエッチングを行うと、露出したInG
aAsPの4元系混晶が選択的に横方法にエッチングさ
れ、高濃度P型層33とN型層32の接合部にくびれを
生じる。正味の接合面積は残存するInGaAsP層3
4の面積に相当し、サイドエッチングの時間で面積は制
御される。くびれの空洞領域の機械的強度を補強するた
めに、マグネトロンスパッタ法によりSiO2膜35を
充填するように形成し、絶縁領域を形成する。この場合
も光吸収層の断面積を減少させること無く、接合容量の
減少が達成できる。
施例3の断面図を示す。高濃度N型InP基板31上に
低濃度N型InGaAs32をエピタキシャル成長す
る。その上に高濃度P型InGaAsP34を、さら
に、高濃度P型InP33を順次成長する。メサエッチ
ングで台形の接合ダイオードを形成した後、硫酸と過酸
化水素の混合液でエッチングを行うと、露出したInG
aAsPの4元系混晶が選択的に横方法にエッチングさ
れ、高濃度P型層33とN型層32の接合部にくびれを
生じる。正味の接合面積は残存するInGaAsP層3
4の面積に相当し、サイドエッチングの時間で面積は制
御される。くびれの空洞領域の機械的強度を補強するた
めに、マグネトロンスパッタ法によりSiO2膜35を
充填するように形成し、絶縁領域を形成する。この場合
も光吸収層の断面積を減少させること無く、接合容量の
減少が達成できる。
【0014】以上、光通信用として好ましい、光吸収層
が低濃度N型InGaAsであるヘテロ接合PINダイ
オードの実施例について説明したが、本発明は上記実施
例に限定されるものではなく、光吸収層が他の材質から
なるヘテロ接合PINダイオードを構成する場合も含ま
れる。
が低濃度N型InGaAsであるヘテロ接合PINダイ
オードの実施例について説明したが、本発明は上記実施
例に限定されるものではなく、光吸収層が他の材質から
なるヘテロ接合PINダイオードを構成する場合も含ま
れる。
【発明の効果】本発明によれば、光変換ダイオードの光
吸収層の体積を減ずること無く、接合容量の面積を低減
させることが可能となるため、高光感度特性ならび広帯
域特性を共にあわせて改善できる。また、接合端部の電
界の集中する個所の周辺は、素子構成上全て高抵抗の絶
縁層で保護されるため、そのパッシベーション作用によ
り、暗電流の少ない接合特性が得られるようになった。
吸収層の体積を減ずること無く、接合容量の面積を低減
させることが可能となるため、高光感度特性ならび広帯
域特性を共にあわせて改善できる。また、接合端部の電
界の集中する個所の周辺は、素子構成上全て高抵抗の絶
縁層で保護されるため、そのパッシベーション作用によ
り、暗電流の少ない接合特性が得られるようになった。
【図1】本発明による受光ダイオードの1実施例の断面
図である。
図である。
【図2】本発明による受光ダイオードの実施例1の断面
図である。
図である。
【図3】本発明による受光ダイオードの実施例2の断面
図である。
図である。
【図4】本発明による受光ダイオードの実施例3の断面
図である。
図である。
1、11、21、31…高濃度N型InP、
2、12、22、32…低濃度N型InGaAs、
3、13、24、33…高濃度P型InP、
4、14、23…半絶縁性InP、
34…高濃度P型InGaAsP、
5、15…PN接合領域、
6…電極、
35…絶縁膜。
フロントページの続き
(72)発明者 石田 宏司
東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (7)
- 【請求項1】 ヘテロ接合光検出ダイオードにおいて、
キャリヤ発生の光吸収層断面積よりも、キャリヤ収集用
ヘテロ接合断面積が小さく形成されたことを特徴とする
半導体光検出素子。 - 【請求項2】 光吸収層を構成する低不純物濃度の第1
導電型半導体層とヘテロ接合を形成する高不純物濃度の
反対導電型第2導電型半導体層との間に、平面面積が上
記第2導電型半導体層の平面面積より小さく、透明かつ
半絶縁性の半導体層が形成されたことを特徴とする半導
体光検出素子。 - 【請求項3】 高不純物濃度の第1導電型半導体基板、
低不純物濃度の第1導電型半導体層からなる光吸収層、
高不純物濃度の第2導電型半導体層が順次積層され、上
記低不純物濃度の第1導電型半導体層と上記光吸収層間
にヘテロ接合面が形成されるPINダイオードにおい
て、上記低不純物濃度の第1導電型半導体層と上記光吸
収層間の1部に半絶縁性半導体層が形成され、上記ヘテ
ロ接合面の面積が上記光吸収層の受光面積より狭く形成
されたことを特徴とする半導体光検出素子。 - 【請求項4】 請求項3記載の半導体光検出素子におい
て、半絶縁性半導体層の平面形状が、リング状、メッシ
ュ状、ストライプ状、島状のいずれかであることを特徴
とする半導体光検出素子。 - 【請求項5】 請求項3記載の半導体光検出素子におい
て、上記第1導電型半導体基板、上記光吸収層、及び上
記第2導電型半導体層及び半絶縁性半導体層がそれぞれ
InP層、InGaAs層、InP層及びInP層であ
ることを特徴とする半導体光検出素子。 - 【請求項6】 高不純物濃度の第1導電型半導体基板
と、低不純物濃度の第1導電型半導体層からなる光吸収
層と、高不純物濃度の第2導電型半導体層とが順次積層
され、上記低不純物濃度の第1導電型半導体層と上記光
吸収層間にヘテロ接合面が形成されるPINダイオード
において、上記低不純物濃度の第1導電型半導体層と上
記光吸収層間の1部に誘電体層が形成され、上記ヘテロ
接合面の面積が上記光吸収層の受光面積より狭く形成さ
れたことを特徴とする半導体光検出素子。 - 【請求項7】 高不純物濃度のN導電型InP基板、上
記基板上に形成された低不純物濃度のN導電型InGa
As層からなる光吸収層、上記光吸収層上の1部に形成
された高不純物濃度のP導電型InGaAsP層、上記
光吸収層上の他の部部分に形成されたSiO2層、上記
P導電型InGaAsP層及びSiO2層上に形成され
た高不純物濃度のP導電型InP層とを有して構成され
たことを特徴とする半導体光検出素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3178330A JPH0529642A (ja) | 1991-07-18 | 1991-07-18 | 半導体光検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3178330A JPH0529642A (ja) | 1991-07-18 | 1991-07-18 | 半導体光検出素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0529642A true JPH0529642A (ja) | 1993-02-05 |
Family
ID=16046609
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3178330A Pending JPH0529642A (ja) | 1991-07-18 | 1991-07-18 | 半導体光検出素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0529642A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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1991
- 1991-07-18 JP JP3178330A patent/JPH0529642A/ja active Pending
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