JPH10303449A - Waveguide type semiconductor light-receiving element - Google Patents
Waveguide type semiconductor light-receiving elementInfo
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- JPH10303449A JPH10303449A JP9112219A JP11221997A JPH10303449A JP H10303449 A JPH10303449 A JP H10303449A JP 9112219 A JP9112219 A JP 9112219A JP 11221997 A JP11221997 A JP 11221997A JP H10303449 A JPH10303449 A JP H10303449A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、導波路型半導体受
光素子に関し、更に詳細には、受光した光信号を高いリ
ニアリティ（低変調歪）で電流信号に光−電気変換し、
かつ高速動作性に優れた導波路型半導体受光素子に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a waveguide-type semiconductor light receiving device, and more particularly, to a light-to-electric conversion of a received optical signal into a current signal with high linearity (low modulation distortion).
Also, the present invention relates to a waveguide type semiconductor light receiving element excellent in high-speed operation.
【０００２】[0002]
【従来の技術】長波長帯の光伝送システムで使用されて
いる受光素子には、空乏層で発生した電子・ホールが電
極まで走行することによって発生する光電流を検出する
ＰＩＮ型、光電流を増幅する機能を有するＡＰＤ型、半
導体層の表面に一対の電極を形成し、これらの電極の間
に発生する光電流を検出するＭＳＭ型などの受光素子が
ある。2. Description of the Related Art A light receiving element used in an optical transmission system in a long wavelength band has a PIN type, which detects a photocurrent generated when electrons and holes generated in a depletion layer travel to an electrode. There are light receiving elements such as an APD type having an amplifying function and an MSM type detecting a photocurrent generated between these electrodes by forming a pair of electrodes on the surface of a semiconductor layer.
【０００３】最も基本的な構造のＰＩＮ型の受光素子
は、面入射型受光素子と呼ばれ、半導体層に垂直な方向
から光を受光し、空乏化したｉ型の半導体層で光電変換
して光電流を検出している。面入射型受光素子は、構造
が簡単で、製造コストが低く、しかも感度などの特性が
優れ、更に、低い逆バイアス印加電圧で駆動でき、雑音
が小さいなどの長所がある。ところで、アナログ光伝送
の受光素子では、高速動作性に優れ、受光した光信号を
高いリニアリティで電流信号に光−電気変換できるこ
と、即ち低変調歪で光−電気変換できることが重要であ
るが、面入射型の受光素子では、この要求を満足するこ
とが困難であった。この点について、以下に詳しく説明
する。面入射型受光素子では、一般に、ＧａＩｎＡｓ材
料を光吸収層に使っている。ＧａＩｎＡｓは光伝送シス
テムで用いられる１．３μm 或いは１．５５μm の波長
の光に対する吸収係数が大きいため、感度特性の点では
優れた材料であるが、光吸収層のクラッド層との界面近
傍で大きな光吸収が生じ、結果として界面近傍で多くの
光キャリアが発生する。光キャリアが一部分に密集して
発生すると、光キャリア自身の空間電荷効果により、電
界に不均一が生じ、そのためにキャリアの拡散が抑制さ
れ、その結果として変調歪が大きくなるので、面入射型
受光素子には、変調歪が大きいという問題があった。A PIN type light receiving element having the most basic structure is called a surface illuminated type light receiving element, which receives light from a direction perpendicular to a semiconductor layer and photoelectrically converts the light into a depleted i-type semiconductor layer. Photocurrent is detected. The surface illuminated light receiving element has advantages such as a simple structure, low manufacturing cost, excellent characteristics such as sensitivity, furthermore, it can be driven by a low reverse bias applied voltage and small noise. By the way, it is important for a light receiving element for analog optical transmission to be excellent in high-speed operation and to be able to perform optical-to-electric conversion of a received optical signal into a current signal with high linearity, that is, to perform optical-to-electric conversion with low modulation distortion. It has been difficult for incident light receiving elements to satisfy this requirement. This will be described in detail below. In a surface-incidence type light receiving element, a GaInAs material is generally used for a light absorption layer. GaInAs is an excellent material in terms of sensitivity characteristics because it has a large absorption coefficient for light having a wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm used in an optical transmission system. However, GaInAs is large in the vicinity of the interface between the light absorption layer and the cladding layer. Light absorption occurs, and as a result, many photocarriers are generated near the interface. When the optical carriers are concentrated in a part, the electric field becomes non-uniform due to the space charge effect of the optical carriers themselves, which suppresses the diffusion of the carriers and consequently increases the modulation distortion. The element has a problem that the modulation distortion is large.
【０００４】従来、面入射型受光素子で発生する変調歪
を低減するために、図４に示すように、面入射型受光素
子の受光面にフォーカスからずれた形で光を入射し、受
光面全面にわたり出来るだけ均一な強度で光を受光する
ような試みも成された。しかし、フォーカスからずれた
形で光を入射すると、受光感度が低下し、また積層構造
の深さ方向に見ると、やはり光キャリアが一部で集中し
て発生していることには変わり無く、変調歪の発生を抑
制する効果には限界があった。Conventionally, in order to reduce the modulation distortion generated in the surface illuminated light receiving element, as shown in FIG. Attempts have also been made to receive light at an intensity as uniform as possible over the entire surface. However, when light is incident out of focus, the light receiving sensitivity is reduced, and when viewed in the depth direction of the laminated structure, the optical carriers are still concentrated in a part, and still remain. There is a limit to the effect of suppressing the generation of modulation distortion.
【０００５】そこで、面入射型受光素子に代えて、図５
に示すように、受光素子を構成する半導体積層構造の端
面から光を受光して、光の入射方向に設けた導波路構造
に光を導き、光吸収を受けながら導波させるようにした
導波路型半導体受光素子が開発された。導波路型半導体
受光素子では、低キャリア濃度の光吸収層の上下にＰ型
及びＮ型の導電層がそれぞれ配置され、ＰＮ接合を形成
している。Ｐ型導電層とＮ型導電層との間に逆バイアス
電圧を印加して、低キャリア濃度の光吸収層を空乏化す
ると共に空乏層内に生じた高電界を利用して、光吸収層
に入射した信号光を光電変換し、発生した光電流を検出
する。すなわち、入射光によって励起キャリアが空乏層
内でホール・電子の対として発生し、空乏層内に形成さ
れている電界によって分離され、ドリフトする。この結
果、ホールはＰ型導電層に、電子はＮ型導電層に達し、
光電流として検出される。導波路型半導体受光素子で
は、光吸収層が最も高い屈折率を有し、光吸収層を挟む
Ｐ型導電層とＮ型導電層が光吸収層より低い屈折率を有
するように構成することにより、光吸収層と１対の光閉
じ込め層とからなる導波路構造を形成し、光吸収を受け
つつ、端面で受光した入射光を導波する。導波路型半導
体受光素子では、光吸収層を薄くすることにより、キャ
リアの走行時間を短くして、高速動作性を向上させ、変
調歪を抑制することができる。In view of this, instead of the surface incident type light receiving element, FIG.
As shown in the figure, a waveguide that receives light from an end face of a semiconductor laminated structure constituting a light receiving element, guides the light to a waveguide structure provided in a light incident direction, and guides the light while receiving light absorption. Type semiconductor photodetectors have been developed. In a waveguide type semiconductor light receiving element, P-type and N-type conductive layers are respectively disposed above and below a light absorption layer having a low carrier concentration to form a PN junction. By applying a reverse bias voltage between the P-type conductive layer and the N-type conductive layer, the light absorbing layer having a low carrier concentration is depleted, and the high electric field generated in the depleting layer is used to apply a reverse electric field to the light absorbing layer. The incident signal light is photoelectrically converted, and the generated photocurrent is detected. That is, excited carriers are generated as pairs of holes and electrons in the depletion layer by the incident light, and are separated and drifted by the electric field formed in the depletion layer. As a result, holes reach the P-type conductive layer, electrons reach the N-type conductive layer,
Detected as photocurrent. In a waveguide type semiconductor light receiving device, the light absorbing layer has the highest refractive index, and the P-type conductive layer and the N-type conductive layer sandwiching the light absorbing layer have a lower refractive index than the light absorbing layer. A waveguide structure including a light absorption layer and a pair of light confinement layers is formed, and the incident light received at the end face is guided while receiving light absorption. In the waveguide-type semiconductor light receiving element, by making the light absorbing layer thin, the traveling time of carriers can be shortened, high-speed operation can be improved, and modulation distortion can be suppressed.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の導波路
型受光素子では、光吸収層の厚さを２μm 以上にして感
度を向上させているために、高速動作性及び変調歪の特
性が、面入射型の受光素子に比べて優れているとは評価
できなかった。また、導波路構造のヘテロ界面の価電子
帯のエネルギー段差に起因したノッチに有効質量の大き
いホールがパイルアップするために、変調歪が増大する
という問題もあった。However, in the conventional waveguide type light receiving element, since the sensitivity is improved by setting the thickness of the light absorbing layer to 2 μm or more, the characteristics of high-speed operation and modulation distortion are reduced. It could not be evaluated as being superior to a surface illuminated light receiving element. Further, there is also a problem that holes having a large effective mass pile up at a notch due to an energy step of a valence band at a hetero interface of a waveguide structure, so that modulation distortion increases.
【０００７】そこで、受光感度が高く、高速動作性及び
低変調歪特性に優れた導波路型受光素子を実現するため
に、以下に列挙するような種々の試みが成されている。 （１）クラッド層と光吸収層の間に、両者の中間的な屈
折率を持つ光閉じ込め層を設け、導波光のスポットサイ
ズを拡大するとともに、高次モードの励起を可能にす
る。 （２）（１）と同様に光閉じ込め層を設け、かつ光吸収
層の層厚を２μm から３μm の範囲の厚さにする。 （３）（１）と同様に光閉じ込め層を設け、（２）とは
逆に光吸収層の層厚を０．１μm 以下の厚さに薄くす
る。In order to realize a waveguide type light receiving element having high light receiving sensitivity, high speed operation and low modulation distortion characteristics, various attempts have been made as listed below. (1) A light confinement layer having an intermediate refractive index between the clad layer and the light absorption layer is provided to increase the spot size of guided light and to excite higher order modes. (2) A light confinement layer is provided in the same manner as in (1), and the thickness of the light absorption layer is set in a range of 2 μm to 3 μm. (3) A light confinement layer is provided in the same manner as in (1), and the thickness of the light absorption layer is reduced to 0.1 μm or less, contrary to (2).
【０００８】ところで、（１）又は（２）の方法では、
受光感度を高めることはできるが、高速動作性の向上と
低変調歪とを実現することは難しかった。また、（３）
の方法では、高速動作性を向上させ、低変調歪を実現で
きるものの、光吸収層が薄いために光の閉じ込め能が弱
くなり、その結果、実効的な吸収係数が小さくなるの
で、十分な光吸収を行って受光感度を高くするために
は、長い導波路長が必要になる。一方、光吸収層が薄い
ために、空乏層が薄くなって、大きな内部容量が発生す
るので、それを改善するには、導波路長を短くする必要
がある。このように、満足すべき両者の導波路長条件が
相反しているために、（３）のやり方では、高感度、高
速動作性及び低変調歪を満足できる導波路型受光素子を
実現することは難しかった。By the way, in the method (1) or (2),
Although the light receiving sensitivity can be increased, it has been difficult to achieve high-speed operation and low modulation distortion. Also, (3)
According to the method, although high-speed operation can be improved and low modulation distortion can be achieved, the light confinement ability is weakened due to the thin light absorption layer, and as a result, the effective absorption coefficient is reduced. In order to increase the light receiving sensitivity by performing absorption, a long waveguide length is required. On the other hand, since the light absorbing layer is thin, the depletion layer becomes thin, and a large internal capacitance is generated. To improve this, it is necessary to shorten the waveguide length. As described above, since the two waveguide length conditions to be satisfied are contradictory, in the method (3), it is necessary to realize a waveguide type light receiving element which can satisfy high sensitivity, high-speed operation, and low modulation distortion. Was difficult.
【０００９】上述した問題に照らして、本発明の目的
は、感度が高く、高速動作性に優れ、しかも優れた光−
電気変換歪特性を有する導波路型半導体受光素子を提供
することである。In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a high sensitivity, excellent high-speed operation, and an excellent light-
An object of the present invention is to provide a waveguide type semiconductor light receiving element having electric conversion distortion characteristics.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成する上で、受光感度、高速動作性及び変調歪に関係
する因子として、結合効率、導波路の吸収係数、光閉じ
込め係数、空乏層の厚さ、光閉じ込め層の厚さ及びクラ
ッド層の厚さを挙げ、それぞれについて以下のように考
察した。In order to achieve the above object, the present inventor has proposed a coupling efficiency, an absorption coefficient of a waveguide, an optical confinement coefficient, as factors relating to light receiving sensitivity, high-speed operation and modulation distortion. The thickness of the depletion layer, the thickness of the optical confinement layer, and the thickness of the cladding layer were listed, and each was considered as follows.
【００１１】（１）結合効率 受光感度は、受光素子の最も基本的な特性であって、一
次近似では基本モードのスポットサイズ（１／ｅ2にな
る全幅）によって決まる。図６は、基板及びクラッド層
をＩｎＰ、光閉じ込め層を３μm 厚でエネルギーギャッ
プ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、及び光吸収層を
ＧａＩｎＡｓで、それぞれ形成した層構造の場合に、光
吸収層の厚さに対して計算で求めたスポットサイズの大
きさを示すグラフである。また、図６は、波長１．３μ
m の光をＤＳＦ（Dispersion Shift Fiber)から入射し
たときの結合効率を同時に示している。図６で用いたＧ
ａＩｎＡｓＰ層、及びＧａＩｎＡｓ層は、それぞれ、基
板のＩｎＰに格子整合している。図６によれば、光吸収
層の厚さが薄くなるに従い、スポットサイズが大きくな
り、結合効率は大きくなる。例えば、スポットサイズが
２．２μm では結合効率が８０％、２．７μm では９０
％となる。図６に示す計算値は、同様な層構造を有する
試料の実験結果とも一致している。高感度を得るには、
少なくとも７０％以上の結合効率、望ましくは、波長
１．３μm の光の受光感度が０．８４Ａ／Ｗ、また波長
１．５５μm の光の受光感度が１．０Ａ／Ｗになる、８
０％以上の結合効率が必要である。８０％以上の結合効
率を得るためには、図６によれば、光吸収層の厚さは、
０．１μm 以下、望ましくは０．０７μm 以下にするこ
とが必要である。(1) Coupling efficiency The light receiving sensitivity is the most basic characteristic of the light receiving element, and is determined by the spot size of the fundamental mode (total width equal to 1 / e 2 ) in the first order approximation. FIG. 6 shows the thickness of the light absorbing layer when the substrate and the cladding layer were formed of InP, the light confinement layer was formed of GaInAsP having a thickness of 3 μm and an energy gap wavelength of 1.15 μm, and the light absorbing layer was formed of GaInAs. 6 is a graph showing the size of a spot size obtained by calculation with respect to FIG. FIG. 6 shows a wavelength of 1.3 μm.
Also, the coupling efficiency when the light of m is incident from a DSF (Dispersion Shift Fiber) is shown. G used in FIG.
The aInAsP layer and the GaInAs layer are lattice-matched to InP of the substrate, respectively. According to FIG. 6, the spot size increases and the coupling efficiency increases as the thickness of the light absorbing layer decreases. For example, when the spot size is 2.2 μm, the coupling efficiency is 80%, and when the spot size is 2.7 μm, the coupling efficiency is 90%.
%. The calculated values shown in FIG. 6 are also in agreement with the experimental results of samples having a similar layer structure. To get high sensitivity,
A coupling efficiency of at least 70% or more, desirably 0.84 A / W for light receiving at 1.3 μm wavelength and 1.0 A / W for light receiving at 1.55 μm wavelength;
A coupling efficiency of 0% or more is required. In order to obtain a coupling efficiency of 80% or more, according to FIG. 6, the thickness of the light absorbing layer is
It is necessary that the thickness be 0.1 μm or less, preferably 0.07 μm or less.
【００１２】（２）導波路の吸収係数 導波路で局部的に光が吸収され、光キャリアがそこに密
に発生すると、変調歪が大きくなる。従って、導波路の
光の吸収係数を下げ、光の吸収を導波路領域全域で受け
るようにすれば、このような現象を防いで、変調歪の発
生を抑制することができる。即ち、受光感度を高くする
には、吸収係数が大きいことが望ましいが、一方、低変
調歪を実現するためには、吸収係数が小さく、導波路長
に沿って均一に光吸収が生じるようにすることが必要で
ある。ところで、導波路の光の吸収係数は、材料で決ま
る値αと導波路の構造で決まる光閉じ込め係数Гとの
積、Гαで表されるので、光閉じ込め係数Гを下げるこ
とにより、光の吸収係数を擬似的に下げることが可能で
ある。図７は、導波路の光の吸収係数をパラメータとし
た、導波路長と受光感度との関係を示すグラフである。
グラフでは、飽和感度を１Ａ／Ｗとした。例えば、吸収
係数が１０００cm-1の場合には、光は導波路長５０μm
で殆ど吸収されるが、吸収係数が１００cm-1のときに
は、導波路長３００μm でも、波路長５０μm の時の光
吸収の９５％程度の吸収しか起きない。従って、実用的
な導波路長は５０μm 以上であり、また後述する容量の
制限から導波路長を３００μm 以下にすることが必要で
あることを考慮すると、受光感度を０．６５Ａ／Ｗ以上
にするには、導波路の吸収係数は、２００cm-1から１０
００cm-1の範囲、好ましくは３００cm-1から４００cm-1
の範囲である。(2) Absorption Coefficient of Waveguide When light is locally absorbed in the waveguide and optical carriers are generated densely therein, modulation distortion increases. Therefore, if the light absorption coefficient of the waveguide is reduced and light is absorbed in the entire waveguide region, such a phenomenon can be prevented, and generation of modulation distortion can be suppressed. In other words, it is desirable that the absorption coefficient is large in order to increase the light receiving sensitivity. On the other hand, in order to realize low modulation distortion, the absorption coefficient is small and light absorption occurs uniformly along the waveguide length. It is necessary to. By the way, the light absorption coefficient of a waveguide is represented by the product of the value α determined by the material and the light confinement coefficient 決 ま る determined by the structure of the waveguide, Гα. The coefficient can be reduced in a pseudo manner. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the light receiving sensitivity, using the light absorption coefficient of the waveguide as a parameter.
In the graph, the saturation sensitivity was 1 A / W. For example, when the absorption coefficient is 1000 cm −1 , the light has a waveguide length of 50 μm.
However, when the absorption coefficient is 100 cm -1 , even if the waveguide length is 300 μm, only about 95% of the light absorption when the waveguide length is 50 μm occurs. Accordingly, the practical waveguide length is 50 μm or more, and the light receiving sensitivity is set to 0.65 A / W or more in consideration of the fact that it is necessary to make the waveguide length 300 μm or less due to the capacity limitation described later. The absorption coefficient of the waveguide is 200 cm -1 to 10
Range of 00cm -1, preferably from 300 cm -1 400 cm -1
Range.
【００１３】（３）光閉じ込め係数 光閉じ込め係数Гとは、光吸収層に存在する光エネルギ
ーの導波光に対する割合であって、光吸収層の厚さと光
閉じ込め層の厚さで決まる係数である。ＩｎＰに格子整
合した波長１．５５μm 以上のＧａＩｎＡｓＰ層やＧａ
ＩｎＡｓ層を光吸収層として用いる場合、バルクの吸収
係数αは、波長１．５５μm の光に対して５ｘ１０3cm
-1から６．９ｘ１０3cm-1である。従って、ＧａＩｎＡ
ｓの場合、導波路の吸収係数をそれぞれ２００cm-1、３
００cm-1、４００cm-1及び１０００cm-1にするために必
要な光閉じ込め係数Гは、それぞれ、２．９％、４．４
％、５．９％及び１４．７％である。よって、導波路の
吸収係数を２００cm-1から１０００cm-1の範囲、好まし
くは３００cm-1から４００cm-1の範囲にするためには、
光閉じ込め係数を２．９％〜１４．７％、好ましくは
４．４％〜５．９％にする。(3) Light confinement coefficient The light confinement coefficient Г is a ratio of light energy existing in the light absorption layer to the guided light, and is a coefficient determined by the thickness of the light absorption layer and the thickness of the light confinement layer. . GaInAsP layer having a wavelength of 1.55 μm or more lattice-matched to InP or Ga
When the InAs layer is used as a light absorbing layer, the bulk absorption coefficient α is 5 × 10 3 cm for light having a wavelength of 1.55 μm.
-1 to 6.9 x 10 3 cm -1 . Therefore, GaInA
In the case of s, the absorption coefficients of the waveguides are 200 cm −1 and 3 respectively.
The light confinement coefficients 必要 required to achieve 00 cm −1 , 400 cm −1 and 1000 cm −1 are 2.9% and 4.4, respectively.
%, 5.9% and 14.7%. Therefore, to make the absorption coefficient of the waveguide in the range of 200 cm -1 to 1000 cm -1 , preferably in the range of 300 cm -1 to 400 cm -1 ,
The light confinement coefficient is 2.9% to 14.7%, preferably 4.4% to 5.9%.
【００１４】図８は、光吸収層の厚さと光閉じ込め係数
との関係を示すグラフであって、その層構造は、図６と
同様に、基板及びクラッド層がＩｎＰ、光閉じ込め層が
３μm 厚でエネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａ
ＩｎＡｓＰ、及び光吸収層がＧａＩｎＡｓで形成されて
いる。図８によれば、光吸収層の厚さが０．０５μmの
ときには、光閉じ込め係数は３．５％であるが、厚さが
０．１μm のときには、光閉じ込め係数は１２％にな
る。従って、導波路の吸収係数を上述した特定の範囲に
するために、光閉じ込め係数を２．９％から１４．７％
の範囲にするには、図８のグラフを外挿して、光吸収層
の厚さは、０．０４μm から０．１２μm の範囲にな
り、光閉じ込め係数を４．４％から５．９％の範囲にす
るには、光吸収層の厚さは０．０５５μm から０．０６
６μm の範囲になる。（１）で述べたように、光吸収層
の厚さは受光感度からも制限を受けるので、双方を満足
させるには、光吸収層の厚さが０．０４μm から０．１
μm の範囲、好ましくは、０．０５５μm から０．０６
６μm の範囲にあることが必要である。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thickness of the light absorbing layer and the light confinement coefficient. The layer structure is the same as that of FIG. Ga with an energy gap wavelength of 1.15 μm
InAsP and the light absorption layer are formed of GaInAs. According to FIG. 8, when the thickness of the light absorbing layer is 0.05 μm, the light confinement coefficient is 3.5%, but when the thickness is 0.1 μm, the light confinement coefficient is 12%. Therefore, in order to keep the absorption coefficient of the waveguide in the above-mentioned specific range, the light confinement coefficient is set to 2.9% to 14.7%.
The thickness of the light absorbing layer is in the range of 0.04 μm to 0.12 μm, and the light confinement coefficient is 4.4% to 5.9%. To achieve this range, the thickness of the light absorbing layer should be between 0.055 μm and 0.06 μm.
It is in the range of 6 μm. As described in (1), since the thickness of the light absorbing layer is also limited by the light receiving sensitivity, the thickness of the light absorbing layer must be 0.04 μm to 0.1 mm to satisfy both.
μm range, preferably 0.055 μm to 0.06
It must be in the range of 6 μm.
【００１５】（４）空乏層の厚さ 先ず、導波路構造について考える。従来の導波路型半導
体受光素子では、図９に示すように、ｉ層の光吸収層の
両面をｐ層及びｎ層によって挟むような導波路構造にな
っている。そのため、図９に示すように、導波路構造の
ヘテロ界面の価電子帯のエネルギー段差に起因したノッ
チに、有効質量の大きいホールがパイルアップし、変調
歪が増大するという問題を招いている。そこで、本発明
者は、ヘテロ界面の価電子帯のエネルギー段差によるホ
ールのパイルアップをなくすために、ヘテロ界面に高電
界を作用させることを着想した。即ち、図１０に示すよ
うに、光吸収層に隣接するｐ層及びｎ層のうち所定厚さ
だけの境界層をｉ層に転化しておくことにより、逆バイ
アス電圧の印加時、境界層が空乏化し、ヘテロ界面に高
電界が発生して、ホールのパイルアップを抑制すること
ができる。(4) Depletion Layer Thickness First, the waveguide structure will be considered. As shown in FIG. 9, the conventional waveguide-type semiconductor light receiving element has a waveguide structure in which both surfaces of an i-layer light absorption layer are sandwiched between a p-layer and an n-layer. Therefore, as shown in FIG. 9, a hole having a large effective mass piles up in a notch due to an energy step in a valence band at a hetero interface of the waveguide structure, which causes a problem that modulation distortion increases. Therefore, the present inventor has conceived of applying a high electric field to the hetero interface in order to eliminate the pile-up of holes due to the energy step of the valence band at the hetero interface. That is, as shown in FIG. 10, the boundary layer having a predetermined thickness out of the p-layer and the n-layer adjacent to the light absorption layer is converted into the i-layer, so that when the reverse bias voltage is applied, the boundary layer becomes Depletion causes a high electric field to be generated at the hetero interface, thereby suppressing hole pile-up.
【００１６】空乏層の厚さ、即ちｐ層及びｎ層の境界層
の厚さは、ドープ濃度を階段状に変えることにより、材
料の種類に因ることなく定義することができる。例え
ば、１ｘ１０15ｃｍ-3の低濃度のキャリア濃度では、逆
バイアス電圧が１Ｖでも、２μm 程度の厚さの層が空乏
化するが、キャリア濃度が１ｘ１０18ｃｍ-3では、逆バ
イアス電圧が１０Ｖでも、０．１μm 程度の厚さの層し
か空乏化しない。従って、空乏化したい領域を１ｘ１０
15ｃｍ-3以下のキャリア濃度又はノンドープ層とし、空
乏化させない領域を１ｘ１０18ｃｍ-3程度のキャリア濃
度にしておけば、逆バイアス電圧に依存しない空乏層の
厚さを設定することができる。The thickness of the depletion layer, that is, the thickness of the boundary layer between the p-layer and the n-layer can be defined by changing the doping concentration in a stepwise manner, regardless of the type of material. For example, at a low carrier concentration of 1 × 10 15 cm −3 , a layer having a thickness of about 2 μm is depleted even when the reverse bias voltage is 1 V, but when the carrier concentration is 1 × 10 18 cm −3 , the reverse bias voltage is 10 V. However, only a layer having a thickness of about 0.1 μm is depleted. Therefore, the region to be depleted is 1 × 10
If the carrier concentration is 15 cm −3 or less or a non-doped layer and the region not to be depleted has a carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3 , the thickness of the depletion layer can be set independent of the reverse bias voltage.
【００１７】ところで、光吸収層を薄くした場合は、ト
ンネル電流がツェナーブレークダウンにより発生して暗
電流として検知され、信号電流のＳ／Ｎ比の劣化、寿命
の低下などの原因となるので、その発生を押さえなけれ
ばならない。そこで、光吸収層の厚さを０．０４μm か
ら０．１μm の範囲、好ましくは、０．０５５μm から
０．０６６μm の範囲に薄くするためには、空乏層の厚
さを厚くして、ツェナーブレークダウンを防止する必要
がある。図１１は、空乏層の厚さをパラメータとし、逆
バイアス電圧に対してＧａＩｎＡｓ光吸収層に流れるト
ンネル電流を計算により求め、その計算値を示したグラ
フである。図１１に示すトンネル電流の計算値は、その
正さが実験によって確認されている。図１１に示すよう
に、薄い空乏層から厚い空乏層の順に、同じ逆バイアス
電圧で、大きなトンネル電流が発生する。受光素子に印
加する逆バイアス電圧の大きさは、電子回路などの設計
条件に依存しており、最近の小消費電力化の傾向に応じ
て、３Ｖ程度の低バイアス化が進んでいる。しかし、ア
ナログ用途の低歪性受光素子の場合、ビデオ回路が高い
電圧で駆動されるため、受光素子にも８Ｖ程度の逆バイ
アス電圧を印加することが多い。一方、１０ｎＡ以下の
トンネル電流であれば、素子の特性の低下は顕著でな
い。よって、最大逆バイアス電圧を８Ｖ、許容トンネル
電流を１０ｎＡとすれば、図１１により、空乏層の厚
さ、即ちｐ層及びｎ層の境界層の厚さは、０．４μm以
上であれば良い。When the light absorbing layer is made thin, a tunnel current is generated due to Zener breakdown and is detected as a dark current, which causes a deterioration of the S / N ratio of the signal current and a shortened life. We need to suppress that occurrence. Therefore, in order to reduce the thickness of the light absorbing layer to the range of 0.04 μm to 0.1 μm, and preferably to the range of 0.055 μm to 0.066 μm, the thickness of the depletion layer is increased and the Zener break is increased. It is necessary to prevent down. FIG. 11 is a graph showing the calculated value of the tunnel current flowing through the GaInAs light absorption layer with respect to the reverse bias voltage by using the thickness of the depletion layer as a parameter. The calculated value of the tunnel current shown in FIG. 11 has been confirmed by experiments to be correct. As shown in FIG. 11, a large tunnel current is generated at the same reverse bias voltage in the order from a thin depletion layer to a thick depletion layer. The magnitude of the reverse bias voltage applied to the light receiving element depends on the design conditions of the electronic circuit and the like, and the bias is reduced to about 3 V in accordance with the recent tendency to reduce the power consumption. However, in the case of a low-distortion light receiving element for analog use, a video circuit is driven by a high voltage, and thus a reverse bias voltage of about 8 V is often applied to the light receiving element. On the other hand, if the tunnel current is 10 nA or less, the characteristics of the device are not significantly reduced. Therefore, assuming that the maximum reverse bias voltage is 8 V and the allowable tunnel current is 10 nA, the thickness of the depletion layer, that is, the thickness of the boundary layer between the p-layer and the n-layer should be 0.4 μm or more according to FIG. .
【００１８】また、容量について見ると、図１２に示す
ように、同じ導波路長では、空乏層の厚さを薄くするに
つれて、容量が増大する。図１２は、空乏層の厚さをパ
ラメータとした、導波路長と容量との関係を示すグラフ
である。受光素子の帯域、出力インピーダンス、Ｓ／Ｎ
などの観点から、０．８ｐＦ以下に容量を制限すること
が好ましいので、１００μm から２００μm の範囲を最
適な導波路長としたとき、空乏層の厚さは０．５μm 以
上あることが必要である。Referring to the capacitance, as shown in FIG. 12, for the same waveguide length, the capacitance increases as the thickness of the depletion layer decreases. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the capacitance using the thickness of the depletion layer as a parameter. Light receiving element bandwidth, output impedance, S / N
In view of the above, it is preferable to limit the capacitance to 0.8 pF or less. Therefore, when the optimum waveguide length is set in the range of 100 μm to 200 μm, the thickness of the depletion layer needs to be 0.5 μm or more. .
【００１９】空乏層では、光電変換により励起したキャ
リアは、空乏層内の高電界によって拡散、走行してし
て、ｐ層及びｎ層に到達する。この空乏層の走行時間
が、受光素子の帯域を決める１つの要因となる。図１３
は、光吸収層の厚さをパラメータとした、キャリアの速
度と帯域幅との関係を示すグラフである。２．４ＧＨｚ
の帯域幅が高速受光素子の１つの基準であるとすれば、
空乏層の厚さを３μm 以下とすると、３ＧＨｚ以上の帯
域を有するためには、図１３から、キャリアの速度を１
ｘ１０6 cm／sec 以上にする必要がある。In the depletion layer, carriers excited by photoelectric conversion diffuse and travel due to a high electric field in the depletion layer, and reach the p-layer and the n-layer. The running time of the depletion layer is one factor that determines the band of the light receiving element. FIG.
Is a graph showing the relationship between carrier speed and bandwidth, with the thickness of the light absorbing layer as a parameter. 2.4GHz
If the bandwidth of is a criterion for a high-speed light receiving element,
Assuming that the thickness of the depletion layer is 3 μm or less, in order to have a band of 3 GHz or more, from FIG.
It is necessary to be at least 10 6 cm / sec.
【００２０】図１４は、ＧａＩｎＡｓ層中の電子とホー
ルの速度と電界強度との関係を示すグラフである。図１
４に示すように、有効質量の小さい電子は、１０ｋＶ／
cm以下の低い電界でも、１ｘ１０6 cm／sec 以上の十分
に速い速度を有するが、有効質量の大きいホールは、１
０ｋＶcm以上の大きな電界が必要となる。FIG. 14 is a graph showing the relationship between the speed of electrons and holes in the GaInAs layer and the electric field strength. FIG.
As shown in FIG. 4, an electron having a small effective mass is 10 kV /
Even at a low electric field of less than 1 cm, the hole has a sufficiently high velocity of 1 × 10 6 cm / sec or more, but the hole having a large effective mass is 1
A large electric field of 0 kVcm or more is required.
【００２１】図１５は、空乏層の厚さをパラメータとし
て、バイアス電圧と電界との関係を示すグラフである。
空乏層の厚さを１μm 以下にすることで、１Ｖ以上の逆
バイアス電圧によって２０ｋＶ／cm以上の電界強度をも
つことができる。図１５に示すように、空乏層の厚さが
薄いと、同じ逆バイアス電圧で電界強度が大きくなる
が、一方、図１１に示すように、大きなトンネル電流が
発生する。これは、トレードオフの関係にある。FIG. 15 is a graph showing the relationship between the bias voltage and the electric field using the thickness of the depletion layer as a parameter.
By setting the thickness of the depletion layer to 1 μm or less, an electric field strength of 20 kV / cm or more can be provided by a reverse bias voltage of 1 V or more. As shown in FIG. 15, when the thickness of the depletion layer is small, the electric field intensity increases at the same reverse bias voltage, but a large tunnel current is generated as shown in FIG. This is in a trade-off relationship.
【００２２】以上の許容トンネル電流値、容量及びキャ
リアの速度を総合して、本発明者は、空乏層の厚さは、
０．５μm 以上でかつ３μm 以下、好適には０．７μm
以上、１．５μm 以下であるとした。Based on the above-mentioned allowable tunnel current value, capacity and carrier velocity, the present inventor has found that the thickness of the depletion layer is
0.5 μm or more and 3 μm or less, preferably 0.7 μm
As described above, it is assumed to be 1.5 μm or less.
【００２３】図１４に示すように、２０ｋＶ／cmの電界
では、電子の速度は、ホールの速度の５倍、１００ｋＶ
／cmの電界では、電子の速度は、ホールの速度の２倍で
ある。キャリアの拡散では、ホールの方に問題があるこ
とを考えると、ｐ層に隣接する空乏層を薄くする方が効
果的であって、ｐ層に隣接する空乏層の厚さは、ｎ層に
隣接する空乏層の１／１５から１／２、好ましくは１／
５から１／２の厚さにする。すなわち、ｐ層に近い領域
を０．５μm の厚さでノンドープで配置するときには、
ｎ層に近い領域を１μm の厚さでノンドープで配置する
ことが好ましい。As shown in FIG. 14, in an electric field of 20 kV / cm, the speed of electrons is five times the speed of holes and 100 kV
At an electric field of / cm, the velocity of the electrons is twice that of the holes. In consideration of the problem of holes in the carrier diffusion, it is more effective to make the depletion layer adjacent to the p-layer thinner, and the thickness of the depletion layer adjacent to the p-layer is smaller than that of the n-layer. 1/15 to 1/2 of an adjacent depletion layer, preferably 1 /
Make the thickness 5 to 1/2. That is, when a region close to the p-layer is non-doped with a thickness of 0.5 μm,
It is preferable to arrange a region near the n-layer with a thickness of 1 μm non-doped.
【００２４】（５）光閉じ込め層の厚さ 図１６は、光閉じ込め層の厚さと最大励起次数との関係
を示すグラフである。図１６では、図６と同様に、基板
及びクラッド層をＩｎＰ、光閉じ込め層を３μm 厚でエ
ネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、
及び光吸収層をＧａＩｎＡｓで形成した層構造を想定
し、光吸収層の厚さを０．０６μm としいる。図１６に
示すように、光吸収層の厚さを０．０６μm としたと
き、光閉じ込め層の厚さを厚くするにつれて、最大励起
次数は増える。最大励起次数が大きいほど、軸ずれを生
じた際に放射光の発生を押さえることができ、感度の低
下が少ない。位置ずれを生じた際の感度低下の許容量を
実装許容量と言うが、光ファイバとの突き合わせのモジ
ュール作製を考えた場合、０．５ｄＢ程度の低下を許容
するとして、光ファイバと受光素子との芯合わせを１．
５μm 程度の位置ずれ以内に収める必要がある。これを
実現するためには、最大励起次数は、少なくとも４以
上、好適には、６以上となる。このためには、図１６に
よれば、光閉じ込め層の厚さは、少なくとも２μm 、好
適には３μm 以上にする。しかし、厚さをあまりに厚く
すると、良質の結晶成長を行うことが難しくなるので、
現実的には光閉じ込め層の厚さは５μm 以下にする。(5) Thickness of light confinement layer FIG. 16 is a graph showing the relationship between the thickness of the light confinement layer and the maximum excitation order. In FIG. 16, as in FIG. 6, the substrate and the cladding layer are made of InP, the optical confinement layer is made of GaInAsP having a thickness of 3 μm and an energy gap wavelength of 1.15 μm,
Further, assuming a layer structure in which the light absorption layer is formed of GaInAs, the thickness of the light absorption layer is set to 0.06 μm. As shown in FIG. 16, when the thickness of the light absorption layer is 0.06 μm, the maximum excitation order increases as the thickness of the light confinement layer increases. The higher the maximum excitation order, the more the generation of emitted light can be suppressed when the axis shift occurs, and the lower the sensitivity is. The permissible amount of decrease in sensitivity when displacement occurs is referred to as the permissible mounting amount.When considering the fabrication of a module to be brought into contact with an optical fiber, it is assumed that a reduction of about 0.5 dB is permitted. The alignment of 1.
It must be kept within a displacement of about 5 μm. To achieve this, the maximum excitation order is at least 4 or more, preferably 6 or more. To this end, according to FIG. 16, the thickness of the light confinement layer is at least 2 μm, preferably 3 μm or more. However, if the thickness is too large, it becomes difficult to grow a good quality crystal,
Practically, the thickness of the optical confinement layer is set to 5 μm or less.
【００２５】（６）クラッドの厚さ 図１７は、６次の導波光のフィールドの形を示したもの
である。図１７では、図６と同様に、基板及びクラッド
層をＩｎＰ、光閉じ込め層を３μm 厚でエネルギーギャ
ップ波長１．１５μm のＧａＩｎＡｓＰ、及び光吸収層
をＧａＩｎＡｓで形成した層構造を想定している。図１
７は、厚さ３μm の光閉じ込め層を越えてクラッドに滲
み出した光が励起されていることを示している。このた
め、クラッド層の厚さは、０．５μm 以上、好適には１
μm 以上にする。特に、基板をＩｎＰとした場合、基板
をクラッドとして使用することもあるが、基板とエピタ
キシャル成長層の界面は、光を散乱する原因となる種々
の欠陥が存在しているため、基板側には、バッファーと
してクラッド層の厚さを０．５μm 以上、好適には１μ
m 以上にすることが必要である。(6) Cladding Thickness FIG. 17 shows the shape of the field of sixth-order guided light. In FIG. 17, as in FIG. 6, it is assumed that the substrate and the cladding layer are formed of InP, the light confinement layer is formed of GaInAsP having a thickness of 3 μm and an energy gap wavelength of 1.15 μm, and the light absorption layer is formed of GaInAs. FIG.
Reference numeral 7 indicates that the light leaking into the cladding beyond the light confinement layer having a thickness of 3 μm is excited. For this reason, the thickness of the cladding layer is 0.5 μm or more, preferably 1 μm.
μm or more. In particular, when the substrate is InP, the substrate may be used as a clad.However, since the interface between the substrate and the epitaxial growth layer has various defects that cause scattering of light, on the substrate side, As a buffer, the thickness of the cladding layer is 0.5 μm or more, preferably 1 μm.
m or more.
【００２６】上記目的を達成するために、以上の知見に
基づいて、本発明に係る導波路型半導体受光素子は、半
導体基板上に、第１の半導体層と、第１の半導体層上に
あって所定波長の光を吸収する第２の半導体層と、第２
の半導体層上の第３の半導体層とを有し、かつ第１及び
第３の半導体層のエネルギーギャップが第２の半導体層
のエネルギーギャップより大きな半導体積層構造の導波
路を備え、第２の半導体層に平行に入射した光を積層構
造の端面で受光する導波路型受光素子において、第１及
び第３の半導体層を成す半導体層のうち、第２の半導体
層と界面を有する所定厚さの境界層が、それぞれ、１ｘ
１０15ｃｍ-3以下の低いキャリア濃度層又はノンドープ
層であることを特徴としている。In order to achieve the above object, based on the above findings, a waveguide type semiconductor light receiving device according to the present invention has a first semiconductor layer and a first semiconductor layer on a semiconductor substrate. A second semiconductor layer that absorbs light of a predetermined wavelength
And a third semiconductor layer on the first semiconductor layer, and wherein the energy gap of the first and third semiconductor layers is larger than the energy gap of the second semiconductor layer. In a waveguide type light receiving element for receiving light incident parallel to a semiconductor layer at an end face of a laminated structure, a predetermined thickness having an interface with a second semiconductor layer among the semiconductor layers forming the first and third semiconductor layers. Are 1x
It is characterized by being a low carrier concentration layer of 10 15 cm −3 or less or a non-doped layer.
【００２７】好適には、第１及び第３の半導体層の境界
層のうちの少なくとも一方の所定厚さが、それぞれ、
０．５μｍ以上であって３μｍ以下であるようにする。
また、第１の半導体層及び第３の半導体層がそれぞれｎ
ドープ及びｐドープされており、かつ第１の半導体層の
境界層の所定厚さが第１の半導体層の境界層の所定厚さ
の２倍から１５倍、好ましくは２倍から５倍である。更
に、好適には、第１から第３の半導体層からなる半導体
積層構造がＩｎＰからなる基板上に形成されたＩｎＰ系
の半導体積層構造で構成され、第１の半導体層及び第３
の半導体層のそれぞれの外側に、０．５μｍ以上の層厚
のＩｎＰ層を基板とは別に設ける。本発明の好適な実施
態様では、導波路型受光素子は、半導体積層構造の端面
に平行な導波路の断面の幅が、電極との接触面で最大
に、光吸収層で最小になるように、逆台形型に形成され
たリッジストライプ構造の導波路を有する。Preferably, the predetermined thickness of at least one of the boundary layers of the first and third semiconductor layers is:
The thickness should be 0.5 μm or more and 3 μm or less.
The first semiconductor layer and the third semiconductor layer each have n
The predetermined thickness of the boundary layer of the first semiconductor layer is 2 to 15 times, preferably 2 to 5 times the predetermined thickness of the boundary layer of the first semiconductor layer. . More preferably, the semiconductor laminated structure including the first to third semiconductor layers is formed of an InP-based semiconductor laminated structure formed on a substrate made of InP, and the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed.
An InP layer having a thickness of 0.5 μm or more is provided outside each of the semiconductor layers separately from the substrate. In a preferred embodiment of the present invention, the waveguide type light receiving element is such that the width of the cross section of the waveguide parallel to the end face of the semiconductor laminated structure is maximum at the contact surface with the electrode and minimum at the light absorption layer. And a waveguide having a ridge stripe structure formed in an inverted trapezoidal shape.
【００２８】[0028]
【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
例を挙げて、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説
明する。実施例１ 本実施例は、ＧａＩｎＡｓを光吸収層にした受光素子に
本発明に係る導波路型半導体受光素子の構成を適用した
実施例であって、図１は本導波路型半導体受光素子の要
部の層構造を示す模式的断面図である。本実施例の導波
路型半導体受光素子１０（簡単に受光素子１０と言う）
は、図１に示すように、キャリア濃度４ｘ１０18cm-3の
ｎ−ＩｎＰ基板１２と、基板１２上に、順次、基板と格
子整合してエピタキシャル成長させた、バッファ層（兼
下部クラッド層）１４、ｎ−光閉じ込め層１６、光吸収
層１８、ｐ−光閉じ込め層２０、ｐ−上部クラッド層２
２、ｐ−コンタクト層２４及びｐ−バッファ層２６から
なる半導体層の積層構造とから構成されている。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings by way of examples. Embodiment 1 This embodiment is an embodiment in which the configuration of the waveguide type semiconductor light receiving element according to the present invention is applied to a light receiving element using GaInAs as a light absorbing layer, and FIG. FIG. 3 is a schematic sectional view showing a layer structure of a main part. Waveguide type semiconductor light receiving element 10 of this embodiment (simply called light receiving element 10)
As shown in FIG. 1, an n-InP substrate 12 having a carrier concentration of 4 × 10 18 cm −3 , and a buffer layer (also serving as a lower cladding layer) 14 formed on the substrate 12 by epitaxial growth sequentially in lattice matching with the substrate. , N-light confinement layer 16, light absorption layer 18, p-light confinement layer 20, p-upper cladding layer 2
2, a stacked structure of a semiconductor layer composed of a p-contact layer 24 and a p-buffer layer 26.
【００２９】以下に各半導体層の構成を示す。 ｎ−バッファ層（兼下部クラッド層）１４：材料／ｎ−
ＩｎＰ、厚さ／１μm 、キャリア濃度／１ｘ１０18cm-3 ｎ−光閉じ込め層１６：材料／ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ、バ
ンドギャップ波長／１．１５μm厚さ／３μm 、キャリ
ア濃度／１ｘ１０18cm-3 光吸収層１８：材料／ＧａＩｎＡｓ、バンドギャップ波
長／１．６５μm厚さ／０．０６μm 、ノンドープ（残
留キャリア濃度／２ｘ１０14cm-3） ｐ−光閉じ込め層２０：材料／ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ、バ
ンドギャップ波長／１．１５μm厚さ／３μm 、キャリ
ア濃度／１ｘ１０18cm-3 ｐ−上部クラッド層２２：材料／ｐ−ＩｎＰ、厚さ／２
μm 、キャリア濃度／１ｘ１０18cm-3 ｐ−コンタクト層２４：材料／ｐ−ＧａＩｎＡｓ、バン
ドギャップ波長／１．６５μm厚さ／０．４μm 、キャ
リア濃度／２ｘ１０19cm-3 ｐ−バッファ層２６：材料／ｐ−ＩｎＰ、厚さ／１０ｎ
ｍ、キャリア濃度／２ｘ１０19cm-3 The structure of each semiconductor layer will be described below. n-buffer layer (also lower cladding layer) 14: material / n-
InP, thickness / 1 μm, carrier concentration / 1 × 10 18 cm −3 n-light confinement layer 16: material / n-GaInAsP, band gap wavelength / 1.15 μm thickness / 3 μm, carrier concentration / 1 × 10 18 cm −3 light absorption Layer 18: material / GaInAs, band gap wavelength / 1.65 μm thickness / 0.06 μm, non-doped (residual carrier concentration / 2 × 10 14 cm −3 ) p-light confinement layer 20: material / p-GaInAsP, band gap wavelength / 1.15 μm thickness / 3 μm, carrier concentration / 1 × 10 18 cm −3 p-upper cladding layer 22: material / p-InP, thickness / 2
μm, carrier concentration / 1 × 10 18 cm −3 p-contact layer 24: material / p-GaInAs, band gap wavelength / 1.65 μm thickness / 0.4 μm, carrier concentration / 2 × 10 19 cm −3 p-buffer layer 26: Material / p-InP, thickness / 10n
m, carrier concentration / 2 × 10 19 cm −3
【００３０】本実施例では、ｎ−光閉じ込め層１６の光
吸収層１８と接する厚さ０．６μm の境界層１６ａ、及
び、ｐ−光閉じ込め層２０の光吸収層１８と接する厚さ
０．３μm の境界層２０ａは、それぞれ、ノンドープ層
として構成されている。In this embodiment, the boundary layer 16a having a thickness of 0.6 μm in contact with the light absorption layer 18 of the n-light confinement layer 16 and the thickness 0.1 mm in contact with the light absorption layer 18 of the p-light confinement layer 20. The 3 μm boundary layers 20a are each configured as a non-doped layer.
【００３１】以下に、実施例１の受光素子１０の作製方
法を説明する。先ず、基板１２上に、基板と格子整合し
て、順次、ｎ−バッファ層（兼下部クラッド層）１４、
ｎ−光閉じ込め層１６、光吸収層１８、ｐ−光閉じ込め
層２０、ｐ−上部クラッド層２２、ｐ−コンタクト層２
４及びｐ−バッファ層２６をエピタキシャル成長させ、
半導体積層構造を形成した。尚、ｎ−光閉じ込め層１６
及びｐ−光閉じ込め層２０のドーピングする際には、そ
れそれ、境界層１６ａ及び境界層２０ａをノンドープ層
として形成するような条件でドーピングする。次いで、
通常のフォトリソグラフの手法によりパターン形成を行
い、図２に示すように、ｐ−ブッファ層２６、ｐ−コン
タクト層２４、ｐ−上部クラッド層２２、ｐ−光閉じ込
め層２０、光吸収層１８及びｎ−光閉じ込め層１６の一
部をウェットエッチングし、断面が逆台形型のリッジス
トライプ状に加工した。ストライプの幅は１８μm 、長
さは３００μm であった。ストライプの方向は、〔０１
１〕方向であり、ウエットエッチングは臭化メタノール
溶液を用いた。リッジを形成した後、ｐ−バッファ層２
６上にＳｉＮを蒸着し、パッシベーションと絶縁の処理
を施し、次いで、ポリイミドを蒸着し、素子分離する領
域からポリイミドを除去した。Hereinafter, a method for manufacturing the light receiving element 10 according to the first embodiment will be described. First, an n-buffer layer (also a lower cladding layer) 14 is lattice-matched with the substrate 12
n-light confinement layer 16, light absorption layer 18, p-light confinement layer 20, p-upper cladding layer 22, p-contact layer 2
4 and p-buffer layer 26 are epitaxially grown,
A semiconductor laminated structure was formed. The n-light confinement layer 16
When doping the p-light confinement layer 20, the boundary layer 16a and the boundary layer 20a are respectively doped under the condition that they are formed as non-doped layers. Then
A pattern is formed by a usual photolithographic method, and as shown in FIG. 2, a p-buffer layer 26, a p-contact layer 24, a p-upper cladding layer 22, a p-light confinement layer 20, a light absorption layer 18, A part of the n-light confinement layer 16 was wet-etched, and the cross-section was processed into an inverted trapezoidal ridge stripe shape. The width of the stripe was 18 μm and the length was 300 μm. The direction of the stripe is [01
1] Direction, and the wet etching used a methanol bromide solution. After forming the ridge, the p-buffer layer 2
6, a passivation and insulation treatment was performed, and then a polyimide was deposited to remove the polyimide from the region for element isolation.
【００３２】次に、ストライプ上の一部のＳｉＮを除去
してコンタクト用の窓とし、その上にＴｉ、Ｐｔ及びＡ
ｕからなるｐ型オーミック電極２８を蒸着した。電極は
ストライプ上部からポリイミド上に引き出し、ポリイミ
ド上で５０μm 四方のボンディング領域のみを形成し
た。ボンディング領域は、４μm と厚いポリイミドの上
に配置し、不要な容量が発生しないようにした。基板１
２を裏面から研磨して１２０μm の板厚に調節した後、
基板１２の裏面にＡｕＧｅＮｉ合金とＡｕからなるｎ型
オーミック電極２９を蒸着した。ストライプの中央部
で、ストライプに垂直にへき開し、平坦な受光端面を作
製した。これにより、ストライプ長さは１５０μm に制
限される。更に、光の入射する側の端面には、ＳｉＮｘ
からなる無反射膜を蒸着した。最後に、個々の受光素子
に分離して、本実施例の受光素子１０を得た。Next, a part of SiN on the stripe is removed to form a contact window, and Ti, Pt and A
A p-type ohmic electrode 28 made of u was deposited. Electrodes were drawn out from the upper part of the stripe onto the polyimide, and only a bonding region of 50 μm square was formed on the polyimide. The bonding area was arranged on a polyimide as thick as 4 μm so that unnecessary capacitance was not generated. Substrate 1
2 was polished from the back and adjusted to a thickness of 120 μm,
An n-type ohmic electrode 29 made of AuGeNi alloy and Au was deposited on the back surface of the substrate 12. At the center of the stripe, it was cleaved perpendicular to the stripe to produce a flat light-receiving end face. This limits the stripe length to 150 μm. Further, the end face on the light incident side is provided with SiNx
An anti-reflection film consisting of was deposited. Finally, the light receiving element 10 was separated into individual light receiving elements to obtain the light receiving element 10 of this embodiment.
【００３３】得た受光素子１０の特性を評価するため
に、次の評価試験を行った。先ず、受光素子１０とＤＳ
Ｆ（Dispersion Shift Fiber)ファイバとをバッドジョ
イントで突き合わせ結合して受光素子１０の感度を測定
したところ、最大結合点で１．５５μm の波長の光に対
して０．９５Ａ／Ｗ、１．３μm の波長の光に対して
０．９Ａ／Ｗという高感度で受光した。受光素子１０の
素子容量は０．２ｐＦ、直列抵抗も５Ωと良好であり、
５０Ωの負荷抵抗により周波数特性を試験したところ、
３Ｖの逆バイアス電圧印加時で３ｄＢ低下の帯域幅が９
ＧＨｚという良好な値を得ることができた。変調周波数
が２４４ＭＨｚ及び２５０ＭＨｚ、変調度７０％、平均
入力電力０ｄＢｍの試験条件で光ヘテロダイン法によ
り、受光素子１０の２次及び３次の相互変調歪を求めた
ところ、２次及び３次の変調歪は、それぞれ、平均で−
８０ｄＢｃ及び−１１０ｄＢｃであり、従来の受光素子
の中で最良値を示した。また、位置ずれによる感度の低
下を調べたところ、最大結合点から±２．０μm の位置
で０．５ｄＢの低下が観測された。±２．０μm という
実装許容度は、モジュール化を極めて容易にする数値で
ある。受光素子１０の暗電流を測定したところ、逆バイ
アス電圧が３Ｖで１００ｐＡと極めて低かった。更に、
逆バイアス電圧を上げ、テェナーブレークダウンを生じ
させた時の降伏電圧は、２０Ｖと高かった。In order to evaluate the characteristics of the obtained light receiving element 10, the following evaluation test was performed. First, the light receiving element 10 and the DS
When the sensitivity of the light receiving element 10 was measured by butt-bonding an F (Dispersion Shift Fiber) fiber with a bad joint, 0.95 A / W and 1.3 μm of light having a wavelength of 1.55 μm were detected at the maximum coupling point. The light was received with a high sensitivity of 0.9 A / W to light having a wavelength. The element capacitance of the light receiving element 10 is 0.2 pF and the series resistance is 5 Ω, which is good.
When frequency characteristics were tested with a load resistance of 50Ω,
When a reverse bias voltage of 3 V is applied, the bandwidth of 3 dB drop is 9
A good value of GHz could be obtained. The secondary and tertiary intermodulation distortion of the light receiving element 10 was determined by the optical heterodyne method under the test conditions of the modulation frequencies of 244 MHz and 250 MHz, the modulation factor of 70%, and the average input power of 0 dBm. The distortion is, on average,-
80 dBc and -110 dBc, which are the best values among the conventional light receiving elements. Further, when the decrease in sensitivity due to the displacement was examined, a decrease of 0.5 dB was observed at a position ± 2.0 μm from the maximum coupling point. The mounting tolerance of ± 2.0 μm is a value that makes modularization extremely easy. When the dark current of the light receiving element 10 was measured, the reverse bias voltage was as extremely low as 100 pA at 3 V. Furthermore,
The breakdown voltage when the reverse bias voltage was increased to cause the Tenor breakdown was as high as 20V.
【００３４】実施例２ 本実施例は、波長が１．３μm の光専用に用いる受光素
子に本発明に係る導波路型半導体受光素子の構成を適用
した実施例であって、図３は本導波路型半導体受光素子
の要部の層構造を示す模式的断面図である。本実施例の
導波路型半導体受光素子３０（簡単に受光素子３０と言
う）は、図３に示すように、キャリア濃度４ｘ１０18cm
-3のｎ−ＩｎＰ基板３２上に、順次、基板と格子整合し
てエピタキシャル成長させた、ｎ−バッファ層（兼下部
クラッド層）３４、ｎ−光閉じ込め層３６、光吸収層３
８、ｐ−光閉じ込め層４０、ｐ−上部クラッド層４２、
ｐ−コンタクト層４４及びｐ−バッファ層４６の半導体
層の積層構造とから構成されている。実施例２の受光素
子３０は、図３に示すように、バンドギャップ波長１．
４μm のＧａＩｎＡｓＰで光吸収層３８を構成し、ｎ−
光閉じ込め層３６及びｐ−光閉じ込め層４０の光吸収層
３８に接する厚さ１μm 及び０．１μm の境界層３６ａ
及び４０ａがノンドープ層となっていることを除いて、
実施例１の受光素子１０の構成と同じである。 Embodiment 2 This embodiment is an embodiment in which the structure of the waveguide type semiconductor light receiving element according to the present invention is applied to a light receiving element exclusively used for light having a wavelength of 1.3 μm, and FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a layer structure of a main part of the waveguide semiconductor light receiving element. As shown in FIG. 3, the waveguide type semiconductor light receiving element 30 (simply called light receiving element 30) of the present embodiment has a carrier concentration of 4 × 10 18 cm.
Buffer layer (also serving as lower cladding layer) 34, n-light confinement layer 36, and light absorbing layer 3 which are sequentially grown on the n-InP substrate 32, which is lattice-matched with the substrate, on the n- 3 InP substrate 32 of FIG.
8, p-light confinement layer 40, p-upper cladding layer 42,
and a stacked structure of semiconductor layers of a p-contact layer 44 and a p-buffer layer 46. As shown in FIG. 3, the light receiving element 30 of the second embodiment has a bandgap wavelength of 1.
The light absorption layer 38 is made of 4 μm GaInAsP, and n-
1 μm and 0.1 μm thick boundary layers 36 a contacting the light confinement layer 36 and the light absorption layer 38 of the p-light confinement layer 40.
And 40a are non-doped layers,
The configuration is the same as the configuration of the light receiving element 10 of the first embodiment.
【００３５】受光素子３０では、光吸収層３８とｎ−光
閉じ込め層３６及び光吸収層３８とｐ−光閉じ込め層４
０との屈折率差が小さいので、スポットサイズが大きく
なり、光閉じ込め係数が小さくなる効果を奏する。受光
素子３０は、ストライプの長さを１００μm にしたこと
を除いて、実施例１の受光素子１０と同様にして作製さ
れている。実施例１と同様にして、受光素子３０の変調
歪を求めたところ、２次、３次の変調歪は平均で−９０
ｄＢｃと−１１０ｄＢｃであり、実施例１と同様にこれ
までの受光素子の最良値を示した。特に、２次歪は、以
下に述べるように容量が低下しているために、更に、良
くなっている。空乏層の厚さが厚くなったことと、スト
ライプの長さが短くなったことのために、素子容量は
０．１ｐＦと極めて低くなった。３ｄＢ低下の高周波応
答のバイアス依存性を調べたところ、逆バイアス電圧が
３Ｖのときは、電界が低く、ホールの速度が十分でない
ため８ＧＨｚであったが、１０Ｖの逆バイアス電圧を印
加すると、ホールが十分加速されて３ｄＢ帯域も３０Ｇ
Ｈｚまで延びた。In the light receiving element 30, the light absorption layer 38 and the n-light confinement layer 36 and the light absorption layer 38 and the p-light confinement layer 4
Since the difference in the refractive index from 0 is small, the spot size is increased and the light confinement coefficient is reduced. The light receiving element 30 is manufactured in the same manner as the light receiving element 10 of the first embodiment, except that the length of the stripe is set to 100 μm. When the modulation distortion of the light receiving element 30 was obtained in the same manner as in Example 1, the second and third modulation distortions were -90 on average.
dBc and -110 dBc, which is the best value of the light receiving element so far as in the first embodiment. In particular, the second-order distortion is further improved because the capacity is reduced as described below. Due to the increase in the thickness of the depletion layer and the decrease in the length of the stripe, the device capacitance was extremely low at 0.1 pF. When the bias dependence of the high-frequency response of the 3 dB reduction was examined, when the reverse bias voltage was 3 V, the electric field was low and the hole speed was not enough. However, when the reverse bias voltage of 10 V was applied, the reverse bias voltage was 8 GHz. Is sufficiently accelerated and the 3dB band is 30G
Hz.
【００３６】以上、実施例では、光閉じ込め層にＧａＩ
ｎＡｓＰ層を用いているが、ＡｌＧａＩｎＡｓなどの材
料を用いても同様な効果が得られる。As described above, in the embodiment, the GaI
Although the nAsP layer is used, a similar effect can be obtained by using a material such as AlGaInAs.
【００３７】[0037]
【発明の効果】本発明によれば、光吸収層の第２の半導
体層を第１及び第３の半導体層で挟んだ半導体積層構造
で構成された導波路を有する導波路型受光素子におい
て、第１及び第３の半導体層のうち、それぞれ第２の半
導体層との界面を有する所定厚さの境界層を１ｘ１０15
ｃｍ-3以下の低いキャリア濃度層又はノンドープ層にす
ることにより、高感度で、高速動作性に優れ、しかも低
変調歪の導波路型受光素子を実現している。According to the present invention, there is provided a waveguide type light receiving element having a waveguide having a semiconductor laminated structure in which a second semiconductor layer of a light absorbing layer is sandwiched between first and third semiconductor layers. Of the first and third semiconductor layers, a boundary layer having a predetermined thickness and an interface with the second semiconductor layer is 1 × 10 15
By forming a low carrier concentration layer or a non-doped layer of cm −3 or less, a waveguide type light receiving element having high sensitivity, excellent high-speed operation, and low modulation distortion is realized.
【図１】実施例１の導波路型半導体受光素子の要部の層
構造を示す模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a layer structure of a main part of a waveguide type semiconductor light receiving element according to a first embodiment.
【図２】実施例１の導波路型半導体受光素子の斜視図で
ある。FIG. 2 is a perspective view of the waveguide-type semiconductor light receiving element according to the first embodiment.
【図３】実施例２の導波路型半導体受光素子の要部の層
構造を示す模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a layer structure of a main part of a waveguide type semiconductor light receiving element according to a second embodiment.
【図４】従来の面入射型受光素子の層構造を示す模式的
断面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view showing a layer structure of a conventional surface-illuminated light receiving element.
【図５】従来の導波路型半導体受光素子の層構造を示す
模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a conventional waveguide semiconductor light receiving element.
【図６】基板及びクラッド層をＩｎＰ、光閉じ込め層を
３μm 厚でエネルギーギャップ波長１．１５μm のＧａ
ＩｎＡｓＰ、光吸収層をＧａＩｎＡｓにした層構造の場
合の、光吸収層の厚さに対して計算で求めたスポットサ
イズの大きさ、及びＤＳＦにより入射したときの結合効
率を示す。FIG. 6 shows a substrate and a cladding layer made of InP, an optical confinement layer made of Ga having a thickness of 3 μm and an energy gap wavelength of 1.15 μm.
In the case of InAsP and a layered structure in which the light absorbing layer is made of GaInAs, the size of the spot size calculated by the thickness of the light absorbing layer and the coupling efficiency when the light is incident by DSF are shown.
【図７】導波路の光の吸収係数をパラメータとした、導
波路長と受光感度との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the light receiving sensitivity, using the light absorption coefficient of the waveguide as a parameter.
【図８】図６と同じ層構造の場合の、光吸収層の厚さと
光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thickness of the light absorbing layer and the light confinement coefficient in the case of the same layer structure as in FIG.
【図９】従来の光吸収層付近でのキャリアの挙動を示す
模式図である。FIG. 9 is a schematic view showing the behavior of a carrier near a conventional light absorbing layer.
【図１０】本発明に係る導波路型半導体受光素子の光吸
収層付近でのキャリアの挙動を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing the behavior of carriers near the light absorption layer of the waveguide type semiconductor light receiving device according to the present invention.
【図１１】空乏層の厚さをパラメータとし、逆バイアス
電圧に対してＧａＩｎＡｓ光吸収層に流れるトンネル電
流を強度を示したグラフである。FIG. 11 is a graph showing the intensity of a tunnel current flowing through a GaInAs light absorption layer with respect to a reverse bias voltage, with the thickness of a depletion layer as a parameter.
【図１２】空乏層の厚さをパラメータとした、導波路長
と容量との関係を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the relationship between the waveguide length and the capacitance, using the thickness of the depletion layer as a parameter.
【図１３】光吸収層の厚さをパラメータとした、キャリ
アの速度と帯域幅との関係を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the relationship between carrier speed and bandwidth, with the thickness of the light absorbing layer as a parameter.
【図１４】ＧａＩｎＡｓ層中の電子とホールの速度と電
界強度との関係を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing the relationship between the velocity of electrons and holes in a GaInAs layer and the electric field strength.
【図１５】空乏層の厚さをパラメータとして、バイアス
電圧と電界との関係を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing a relationship between a bias voltage and an electric field, using the thickness of a depletion layer as a parameter.
【図１６】図６と同じ層構造とし、光吸収層の厚さを
０．０６μm とした時の、光閉じ込め層の厚さと最大励
起次数との関係を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing the relationship between the thickness of the light confinement layer and the maximum excitation order when the layer structure is the same as that of FIG. 6 and the thickness of the light absorption layer is 0.06 μm.
【図１７】図６と同じ層構造における６次の導波光のフ
ィールドの形を示したものである。FIG. 17 shows the shape of a field of sixth-order guided light in the same layer structure as in FIG. 6;
１０ 実施例１の導波路型半導体受光素子 １２ 基板 １４ ｎ−バッファ層（兼下部クラッド層） １６ ｎ−光閉じ込め層 １６ａ ｎ−光閉じ込め層うちのノンドープ層 １８ 光吸収層 ２０ ｐ−光閉じ込め層 ２０ａ ｐ−光閉じ込め層うちのノンドープ層 ２２ ｐ−上部クラッド層 ２４ ｐ−コンタクト層 ２６ ｐ−バッファ層 ２８ ｐ型電極 ２９ ｎ型電極 ３０ 実施例２の導波路型半導体受光素子 ３２ 基板 ３４ バッファ層（兼下部クラッド層） ３６ ｎ−光閉じ込め層 ３６ａ ｎ−光閉じ込め層うちのノンドープ層 ３８ 光吸収層 ４０ ｐ−光閉じ込め層 ４０ａ ｐ−光閉じ込め層うちのノンドープ層 ４２ ｐ−上部クラッド層 ４４ ｐ−コンタクト層 Reference Signs List 10 waveguide type semiconductor light receiving element of Example 1 12 substrate 14 n-buffer layer (also lower cladding layer) 16 n-light confinement layer 16a non-doped layer of n-light confinement layer 18 light absorption layer 20 p-light confinement layer Reference Signs List 20a p-non-doped layer of light confinement layer 22 p-upper cladding layer 24 p-contact layer 26 p-buffer layer 28 p-type electrode 29 n-type electrode 30 waveguide type semiconductor light receiving element of Example 2 32 substrate 34 buffer layer (Common lower cladding layer) 36 n-light confinement layer 36a non-doped layer of n-light confinement layer 38 light absorption layer 40 p-light confinement layer 40a p-non-doped layer of light confinement layer 42 p-upper cladding layer 44 p -Contact layer
Claims (5)
１の半導体層上にあって所定波長の光を吸収する第２の
半導体層と、第２の半導体層上の第３の半導体層とを有
し、かつ第１及び第３の半導体層のエネルギーギャップ
が第２の半導体層のエネルギーギャップより大きな半導
体積層構造の導波路を備え、第２の半導体層に入射した
光を上記積層構造で吸収して、受光する導波路型受光素
子において、 第１及び第３の半導体層を成す半導体層のうち、第２の
半導体層と界面を有する所定厚さの境界層が、それぞ
れ、１ｘ１０15ｃｍ-3以下の低いキャリア濃度層又はノ
ンドープ層であることを特徴とする導波路型半導体受光
素子。A first semiconductor layer on the semiconductor substrate, a second semiconductor layer on the first semiconductor layer for absorbing light of a predetermined wavelength, and a third semiconductor layer on the second semiconductor layer. A waveguide having a semiconductor laminated structure having a semiconductor layer, wherein the energy gap of the first and third semiconductor layers is larger than the energy gap of the second semiconductor layer. In the waveguide type light receiving element that absorbs and receives light in the laminated structure, a boundary layer of a predetermined thickness having an interface with the second semiconductor layer among the semiconductor layers forming the first and third semiconductor layers, A waveguide-type semiconductor light-receiving element, which is a low carrier concentration layer or a non-doped layer of 1 × 10 15 cm −3 or less.
の少なくとも一方の所定厚さが、０．５μｍ以上であっ
て、かつ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に
記載の半導体導波路型受光素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the predetermined thickness of at least one of the boundary layers of the first and third semiconductor layers is 0.5 μm or more and 3 μm or less. Semiconductor waveguide type light receiving element.
れぞれｎドープ及びｐドープされており、かつ第１の半
導体層の境界層の所定厚さが第３の半導体層の境界層の
所定厚さの２倍から１５倍、好ましくは２倍から５倍で
あることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体導
波路型受光素子。3. The first semiconductor layer and the third semiconductor layer are n-doped and p-doped, respectively, and a predetermined thickness of the boundary layer of the first semiconductor layer is equal to that of the boundary layer of the third semiconductor layer. 3. The semiconductor waveguide type light receiving device according to claim 1, wherein the thickness is 2 to 15 times, preferably 2 to 5 times the predetermined thickness.
積層構造がＩｎＰからなる基板上に形成されたＩｎＰ系
の半導体積層構造で構成され、第１の半導体層及び第３
の半導体層のそれぞれの外側に、０．５μｍ以上の層厚
のＩｎＰ層を基板とは別に設けたことを特徴とする請求
項１から３のうちのいずれか１項に記載の半導体導波路
型受光素子。4. A semiconductor laminated structure having first to third semiconductor layers is constituted by an InP-based semiconductor laminated structure formed on a substrate made of InP, wherein the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed.
The semiconductor waveguide type according to any one of claims 1 to 3, wherein an InP layer having a layer thickness of 0.5 µm or more is provided separately from the substrate outside each of the semiconductor layers. Light receiving element.
断面の幅が、電極との接触面で最大に、そこから光吸収
層に近くなるにつれて小さくなるように、逆台形型に形
成されたリッジストライプ構造の導波路を有することを
特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載
の半導体導波路型受光素子。5. An inverted trapezoidal shape so that the width of the cross section of the waveguide parallel to the end face of the semiconductor multilayer structure is maximized at the contact surface with the electrode, and becomes smaller as it approaches the light absorbing layer. The semiconductor waveguide type photodetector according to claim 1, further comprising a waveguide having a ridge stripe structure.
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|---|---|---|---|
| JP11221997A JP3691631B2 (en) | 1997-04-30 | 1997-04-30 | Waveguide type semiconductor photo detector |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004146408A (en) * | 2002-10-21 | 2004-05-20 | Mitsubishi Electric Corp | Waveguide type photodiode and its manufacturing method |
| JP2005051039A (en) * | 2003-07-29 | 2005-02-24 | Mitsubishi Electric Corp | Waveguide type photodetector |
| JP2008153547A (en) * | 2006-12-19 | 2008-07-03 | Mitsubishi Electric Corp | Embedded waveguide-type photodetector |
-
1997
- 1997-04-30 JP JP11221997A patent/JP3691631B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JP2008153547A (en) * | 2006-12-19 | 2008-07-03 | Mitsubishi Electric Corp | Embedded waveguide-type photodetector |
| US7415185B2 (en) * | 2006-12-19 | 2008-08-19 | Mitsubishi Electric Corporation | Buried-waveguide-type light receiving element and manufacturing method thereof |
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