(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に少なくとも５層以上の複数の半導体層を形成し、少なくとも上記半導体層の一部をメサ形状に加工し、上記半導体層の外側層にそれぞれオーミック電極を設け、光信号を上記半導体層に沿って入射させ、上記光信号から電気信号を取り出す半導体受光素子において、
上記半導体基板側から順次第１〜第５の半導体層を形成し、
上記第３の半導体層は第１の導電型を有し、光吸収層として働き、
上記第１の半導体層は上記第３の半導体層と極性が逆の第２の導電型を有し、バンドギャップエネルギーが上記半導体基板のバンドギャップエネルギーと上記第３の半導体層のバンドギャップエネルギーとの中間の値を有し、光ガイド層として働き、
上記第２の半導体層はドーピング濃度が上記第１及び第３の半導体層のドーピング濃度より低く、バンドギャップエネルギーが上記第１及び第４の半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有し、電子走行層として働き、
上記第４の半導体層は上記第１の導電型を有し、バンドギャップエネルギーが上記第３の半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有し、光ガイド層として働き、
上記第５の半導体層は上記第１の導電型を有し、バンドギャップエネルギーが上記第４の半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
上記第３の半導体層のバンドギャップエネルギーを０．８５ｅＶ以下とし、上記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーを１．２ｅＶ以上とし、上記第２の半導体層の厚さを０．１μｍから０．３μｍの間とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速電子回路や光変調器等に用いられる長波長帯の半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長波長帯（１．５μｍ帯）の高速半導体受光素子として、ＩｎＧａＡｓを光吸収層とするｐｉｎフォトダイオードが一般的である。このｐｉｎフォトダイオードでは、光吸収層は空乏化されており、光励起によって生成された電子および正孔は空乏化された光吸収層を内部電界によってドリフト走行してそれぞれｎ型層、ｐ型層に達して電気信号として取り出される。ｐｉｎフォトダイオードの応答速度は、キャリアの走行時間とＣＲ時定数の両者によって制限されるが、よく知られているようにこの両者はトレードオフの関係にある。従って通常のｐｉｎフォトダイオードでは、応答時間に自ずと制限があった。また、高出力のフォトダイオードは、電気増幅を介さずに高速電子回路や光変調器を直接発動することを可能にするという点で非常に有用であるが、フォトダイオードから高出力を得るために光アンプ等によって増幅された信号光を入射した場合、キャリアの大量発生に伴って空乏層内で空間電荷効果を生じ、内部電界が変調を受け、高速応答が不可能になるという問題もあった。
【０００３】
この問題を解決するために、光吸収層をｐ型層とし、正孔は空乏層を走行させることなく電極へ取り出し、光吸収層に近接した半導体層を光吸収層よりも広いバンドギャップを持つ低濃度層として空乏化させ、その領域を走行させるキャリアとして電子のみを利用する構造が提案されている（特開平９−２７５２２４号公報）。正孔のドリフト走行速度は電子のそれに比べて極めて小さいので、この構造では、キャリアの走行時間とＣＲ時定数のトレードオフによる応答速度制限が大幅に緩和される。また、ドリフト走行速度の大きい電子のみを走行キャリアとして用いることは、空間電荷効果の低減をもたらし、空間電荷効果の生じる領域がワイドギャップ半導体層であることと相俟って、飽和出力を向上させる効果も大きい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の半導体受光素子においては、光吸収層で生成された電子は拡散によって空乏層に到達することが必要であり、応答速度を上げるためには、光吸収層を薄くする必要があり、吸収効率を上げられないという欠点があった。また、吸収効率を増大するために、上記構造の特徴を活かしつつ光ガイド層を付加し、半導体層の一部をメサ形状に加工し、光を各層に並行に入射する導波路型フォトダイオードが提案されている（特願平９−２６６２２４号）。この導波路型構造における電子走行層は導波路型構造を形成するための光ガイド層を兼ねており、そのバンドギャップエネルギーは、光吸収層のバンドギャップエネルギーと半導体基板のバンドギャップエネルギーの中間の値をとっている。従って、ＩｎＰを半導体基板として用い光吸収層をＩｎＧａＡｓとして長波長帯の半導体受光素子を構成する場合、電子走行層のバンドギャップエネルギーは１ｅＶ程度と小さいためイオン化率が大きく、電子のみを走行キャリアとして用い空間電荷効果が抑制されているとはいえ、高電流密度では動作が不安定になり高出力化をはかることが困難であった。
【０００５】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、高速性、高効率性、高出力性を同時に備えた導波路型の半導体受光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、半導体基板上に少なくとも５層以上の複数の半導体層を形成し、少なくとも上記半導体層の一部をメサ形状に加工し、上記半導体層の外側層にそれぞれオーミック電極を設け、光信号を上記半導体層に沿って入射させ、上記光信号から電気信号を取り出す半導体受光素子において、上記半導体基板側から順次第１〜第５の半導体層を形成し、上記第３の半導体層は第１の導電型を有し、光吸収層として働き、上記第１の半導体層は上記第３の半導体層と極性が逆の第２の導電型を有し、バンドギャップエネルギーが上記半導体基板のバンドギャップエネルギーと上記第３の半導体層のバンドギャップエネルギーとの中間の値を有し、光ガイド層として働き、上記第２の半導体層はドーピング濃度が上記第１及び第３の半導体層のドーピング濃度より低く、バンドギャップエネルギーが上記第１及び第４の半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有し、電子走行層として働き、上記第４の半導体層は上記第１の導電型を有し、バンドギャップエネルギーが上記第３の半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有し、光ガイド層として働き、上記第５の半導体層は上記第１の導電型を有し、バンドギャップエネルギーが上記第４の半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有する半導体受光素子を構成する。
【０００７】
また、上記第３の半導体層のバンドギャップエネルギーを０．８５ｅＶ以下とし、上記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーを１．２ｅＶ以上とし、上記第２の半導体層の厚さを０．１μｍから０．３μｍの間とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る半導体受光素子の実施の形態を示す、導波路型半導体受光素子の断面構造とバンド構造の模式図である。図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板(半導体基板)１０１上に、第１の半導体層１０２、第２の半導体層１０３、ＩｎＧａＡｓＰ層１０４、第３の半導体層１０５、第４の半導体層１０６、第５の半導体層１０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０８およびオーミックコンタクト層１０９が順次積層され、第１の半導体層１０２はｎ型不純物を１×１０19ｃｍ-3にドープした厚さ１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネルギー０．９５４ｅＶ）層で光ガイド層として働き、第２の半導体層１０３はｎ型不純物を３×１０16ｃｍ-3にドープした厚さ０．２μｍのＩｎＰ層で電子走行層として働き、ＩｎＧａＡｓＰ１０４は第２の半導体層１０３のＩｎＰと第３の半導体層１０５のＩｎＧａＡｓの伝導帯不連続によるブロッキング効果を低減するために導入したアンドープ層及びｎ型にドープした層の２層からなる厚さ０．０１μｍのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネルギー０．９５４ｅＶ）層であり、第３の半導体層１０５はｐ型不純物を３×１０18ｃｍ-3にドープした厚さ０．２μｍのＩｎＧａＡｓ（バンドギャップエネルギー０．８５ｅＶ以下）層で光吸収層として働き、第４の半導体層１０６はｐ型にドープした厚さ０．８μｍのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネルギー０．９５４ｅＶ）層で光ガイド層として働き、第５の半導体層１０７はｐ型にドープした厚さ０．５μｍのＩｎＰ層であり、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０８はｐ型にドープしたＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネルギー０．９５４ｅＶ）層であり、オーミックコンタクト層１０９はｐ型にドープしたＩｎＧａＡｓ層である。さらに、オーミックコンタクト層１０９の上にｐ型オーミック電極１１０を形成し、第１の半導体層１０２の一部にｎ型オーミック電極１１１が形成されている。
【０００９】
ここで、第１の半導体層１０２のバンドギャップエネルギーは半導体基板１のバンドギャップエネルギーと第３の半導体層１０５のバンドギャップエネルギーとの中間の値を有し、第２の半導体層１０３のバンドギャップエネルギーは第１の半導体層１０２のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有し、第４の半導体層１０６のバンドギャップエネルギーは第３の半導体層１０５のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有し、また、第５の半導体層１０７のバンドギャップエネルギーは第４の半導体層１０６のバンドギャップエネルギーよりも大きい値を有している。なお、本実施の形態では、第１の導電型としてｐ型、第２の導電型としてｎ型を用いたが、その逆であってもよいことは勿論である。
【００１０】
本発明の実施の形態の効果について、従来技術と対比しながら詳しく説明する。図２は従来技術による半導体受光素子の断面構造とバンド構造の模式図である（例えば特願平９−２６６２２４号に記載がある）。図に示すように、第２の半導体層２０３はアンドープのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップエネルギー０．９５４ｅＶ）層で光ガイド層を兼ねる電子走行層であり、第２の半導体層２０３を除けば２０１〜２１１はそれぞれ図１の１０１〜１１１と同様な構造である。すなわち、本発明と従来の技術では、第３の半導体層（光吸収層）１０５、２０５にｐ型不純物をドープしたＩｎＧａＡｓ層を用いていること、第２の半導体層（電子走行層）１０３、２０３に第３の半導体層（光吸収層）１０５、２０５よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いていること、第３の半導体層（光吸収層）１０５、２０５を挾んでそれぞれ第３の半導体層１０５、２０５よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料の第４の半導体層（光ガイド層）１０６、２０６を設けていること、第４の半導体層１０６、２０６の外側に第４の半導体層１０６、２０６よりもバンドギャップエネルギーの大きい第５の半導体層１０７、２０７を設けていること、メサ形状を形成して光信号を半導体層に沿って入射させる導波路型構造を採用していることは共通である。このような構造とすることにより、電子のみを走行キャリアとして用いるのでキャリアの走行時間とＣＲ時定数のトレードオフによる制限を緩和して動作速度を上げると共に、空間電荷の影響を低減し、高出力化をはかることができる。ただし従来の技術の構造では、第２の半導体層２０３は光ガイドを兼ねるため、そのバンドギャップエネルギーは第３の半導体層２０５のバンドギャップエネルギーより大きいとはいえ、１ｅＶ以下に設定していたが、本発明では、第２の半導体層（電子走行層）１０３と第１の半導体層（光ガイド層）１０２の役割を完全に分離している。図１の本発明の実施の形態では、第３の半導体層１０５はバンドギャップエネルギーが０．８５ｅＶ以下のＩｎＧａＡｓ層である。第２の半導体層（電子走行層）１０３はバンドギャップエネルギー１．３５ｅＶのＩｎＰ層である。第２の半導体層（電子走行層）１０３のバンドギャップエネルギーを１．２ｅＶ以上にすることにより、従来の構造では不安定であった高電流密度の動作が安定し、高出力化をはかることが可能になる。
【００１１】
第２の半導体層（電子走行層）１０３は、バンドギャップエネルギーを大きくするだけでなく、その厚さと不純物のドーピング濃度を適切に設定する必要がある。第２の半導体層（電子走行層）１０３が薄すぎる場合は、接合容量が大きくなると共に接合に印加するバイアス電圧を大きくしたときの動作が不安定になり、厚すぎる場合は、電子走行時間が増大すると共に、光閉じこめが悪くなるため光吸収効率が低下する。また、走行するキャリアは電子だけであるので、正孔を使う場合に比較して空間電荷の影響が少ないとはいえ、高電流密度で動作する場合その影響を無視することはできない。本実施の形態では、接合容量、高電流密度の動作安定性、電子走行時間、光吸収効率の低下の影響を勘案して、第２の半導体層（電子走行層）１０３の厚さを０．１μｍ〜０．３μｍの間である０．２μｍとした。走行キャリアによる空間電荷の効果を抑制するためにはドーピング濃度を高くする必要があるが、一方接合容量を低くするためには低くする必要があり、特願平９−２８６８２号にあるように、第２の半導体層（電子走行層）１０３のドーピング濃度を、半導体受光素子を動作させる所望の最大電流密度になったときのキャリアの濃度に近いように設定することが有効である。電子のオーバーシュート効果を勘案して第２の半導体層（電子走行層）１０３中の電子の平均速度を４×１０7ｃｍ／ｓとし、最大電流密度２×１０5Ａ／ｃｍ2で動作させることを想定して、第２の半導体層（電子走行層）１０３中の不純物ドーピング濃度を３×１０16／ｃｍ3とした。第２の半導体層１０３中の不純物ドーピング濃度は第１及び第３の半導体層１０２、１０５の不純物ドーピング濃度より低くなっている。
【００１２】
上述のように、絶縁性ＩｎＰ基板１０１上に第１〜第５の半導体層を形成することにより、高速性、高効率性、高出力性を同時に備えた導波路型半導体受光素子を実現することができた。なお、本発明の効果を発揮するためには上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもない。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体受光素子においては、第１の半導体層、第２の半導体層、第３の半導体層を有する従来の電子のみを走行キャリアとして用いる導波路型半導体受光素子と同様に、動作速度、吸収効率、出力が大きいという特徴があることに加えて、第１の半導体層と第２の半導体層を分離し、半導体受光素子が高電流密度でも安定に動作するよう第２の半導体層のバンドギャップエネルギーを十分に大きく設定して、動作速度と吸収効率が大きいという特徴を活かしたまま、高バイアスや高電流密度で動作するときの動作安定性を増大して出力を大幅に増大することが可能となった。
【００１４】
また、第３の半導体層のバンドギャップエネルギーを０．８５ｅＶ以下とし、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーを１．２ｅＶ以上とし、第２の半導体層の厚さを０．１μｍから０．３μｍの間とすることにより、特に長波長帯における上記効果を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体受光素子の実施の形態を示す、導波路型半導体受光素子の断面構造とバンド構造の模式図である。
【図２】従来技術による半導体受光素子の断面構造とバンド構造の模式図である。
【符号の説明】
１０１    半絶縁性ＩｎＰ基板
１０２    第１の半導体層（光ガイド層）
１０３    第２の半導体層（電子走行層）
１０４    ＩｎＧａＡｓＰ層
１０５    第３の半導体層（光吸収層）
１０６    第４の半導体層（光ガイド層）
１０７    第５の半導体層（ｐ型ＩｎＰ層）
１０８    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層
１０９    オーミックコンタクト層
１１０    ｐ型オーミック電極
１１１    ｎ型オーミック電極
２０１    半絶縁性ＩｎＰ基板
２０２    第１の半導体層（光ガイド層）
２０３    第２の半導体層（電子走行層）
２０４    ＩｎＧａＡｓＰ層
２０５    第３の半導体層（光吸収層）
２０６    第４の半導体層（光ガイド層）
２０７    第５の半導体層（ｐ型ＩｎＰ層）
２０８    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２０９    オーミックコンタクト層
２１０    ｐ型オーミック電極
２１１    ｎ型オーミック電極
【図１】
0003688909.tif 000002
【図２】
0003688909.tif 000003