(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電形を有する第１の半導体層、第２の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる成長層を基板上に設けてなる半導体受光素子において、前記成長層及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみには、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
真性又は第１の導電形を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層と同じく第１の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる成長層を基板上に設ける一方、表面側の前記第１の半導体層の主たる内側部分又は前記受光層の一部分を含んで表面側の前記半導体層の主たる内側部分を、不純物の拡散によって選択的に第２の導電形に転換し、更に、前記成長層及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみには、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【請求項３】
真性又は第１の導電形を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層と同じく第１の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる成長層を基板上に設ける一方、表面側の前記第１の半導体層の主たる内側部分又は前記受光層の一部分を含んで表面側の前記半導体層の主たる内側部分を、イオン注入法及びその後のアニールによって選択的に第２の導電形に転換し、更に、前記成長層及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみには、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【請求項４】
第１の導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第１の導電形の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層よりなる光吸収層とショットキー電極との間に、前記光吸収層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子において、前記多層構造及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみに、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光吸収層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５】
前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）よりなることを特徴とする請求項４記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなることを特徴とする請求項４記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記光吸収層と前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層との間に、前記光吸収層と同一の組成から前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層と同一の組成へと連続的又は階段的に変化する組成勾配を有する傾斜組成層を介装したことを特徴とする請求項４，５又は６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、半導体受光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体受光素子は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、光の入射方向によって異なる構造となっている。
【０００３】
即ち、図２（ａ）に示す面型半導体受光素子では、光の入射方向は上面若しくは下面に限られ、光ファイバや光導波路等と横方向から直接光結合を行うことができない欠点がある。尚、図２（ａ）において、２１ａは光入射面、２２ａはｐ−ＩｎＰ層、２３ａはＩｎＧａＡｓ光吸収層、２４ａはｎ−ＩｎＰ層、２５ａはｎ−ＩｎＰ基板、２６ａはｐ電極、２７ａはｎ電極である。
【０００４】
一方、図２（ｂ）に示す光導波路型半導体受光素子では、光は横方向から入射でき、光ファイバや光導波路と横方向から直接光結合を行うことができる。尚、図２（ｂ）において、２１ｂは光入射端面、２２１ｂはｐ−ＩｎＰ層、２２２ｂはｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、２３ｂはＩｎＧａＡｓ光吸収層、２４ｂはｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、２５ｂはｎ−ＩｎＰ基板、２６ｂはｐ電極、２７ｂはｎ電極である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、石英系光ファイバや光導波路は光のスポット径が約１０μｍ程度あり、これらと高効率で直接光結合を行うためには、半導体受光素子の半導体成長層厚が約１０μｍ程度必要となる。
【０００６】
このような、厚い混晶組成の半導体層の成長は容易ではなく、組成のずれや格子欠陥、転移の発生等により暗電流の増加や信頼性の劣化という問題点がある。
【０００７】
本発明の目的は、横方向からの光入射に対し、直接光結合で高効率でありながら、信頼性の高い半導体受光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、第１の導電形を有する第１の半導体層、第２の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる成長層を基板上に設けてなる半導体受光素子において、前記成長層及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみには、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにし、光吸収層で入射光が吸収され高効率で電流として検出できるものである。
【０００９】
このように、入射光が光入射端面で屈折して、光の吸収層に対し、斜めに光が通過することにより、実効的に光吸収長が長くなるため従来の面型半導体受光素子に比べ吸収層厚が薄くて済む。また、横方向入射型の導波路型半導体受光素子と比べても１／２から１／３程度の半導体成長層厚で済む。このように、従来技術とは、横方向光入射が可能でありながら、光ファイバや光導波路と直接光結合に対し薄い半導体成長層厚で高効率な受光ができるという点が異なる。
【００１０】
更に、上記目的を達成する本発明の請求項２又は３に係る半導体受光素子の製造方法は、真性又は第１の導電形を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層と同じく第１の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる成長層を基板上に設ける一方、表面側の前記半導体層の主たる内側部分又は前記受光層の一部分を含んで表面側の前記半導体層の主たる内側部分を、不純物の拡散によって、或いは、イオン注入法及びその後のアニールによって、選択的に第２の導電形に転換し、更に、前記成長層及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみには、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
このように、第１の半導体層の主たる内側部分又は前記受光層の一部分を含んで表面側の前記半導体層の主たる内側部分を第２の導電形に転換し、第１の半導体層の端面部分を第１の導電形としておくことにより、半導体の表面若しくは端面を流れ易い暗電流が流れにくくなり、その値を二桁程度減少させることができる。
【００１２】
上記目的を達成する本発明の請求項４に係る半導体受光素子は、第１の導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第１の導電形の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層よりなる光吸収層とショットキー電極との間に、前記光吸収層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子において、前記多層構造及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみに、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光吸収層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
このように、光吸収層とショットキー電極との間に、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在したため、受光素子全体をｐｎ接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるｐｎ接合が不要となり、ｐｎ接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある他、入射光が光吸収層に対して斜めに通過するため、実効的に光吸収長が長くなり従来の面型半導体受光素子に比べ吸収層厚が薄くて済む等請求項１記載の半導体受光素子と同様な作用を奏する。
【００１４】
上記目的を達成する本発明の請求項５又は６に係る半導体受光素子は、請求項４において、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）よりなること、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩｎ１−ｕＧａｕＡｓ１−ｖＰｖ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなることを特徴とし、上記目的を達成する本発明の請求項７に係る半導体受光素子は、請求項４〜６において、前記光吸収層と前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層との間に、前記光吸収層と同一の組成から前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層と同一の組成へと連続的又は階段的に変化する組成勾配を有する傾斜組成層を介装したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明では、入射光が入射面での屈折により、光吸収層を斜めに通過するため、実効的な光吸収長が長くなるため、従来の面型半導体受光素子に比べ、吸収層厚が薄くて済む。
【００１７】
このため、ウェハ成長において、成長組成のずれや格子欠陥、転移の発生等が少なくなり、暗電流の小さい、信頼性の高い素子の製作が可能となる。
また、吸収層厚が薄くて済むため、吸収層が低い電圧で完全に空乏化され、低印加電圧で極めて高い受光感度が得られる。
【００１８】
更に、通常、下面から光を入射するタイプの受光素子では、基板厚である１００μｍ程度の光路長があるため、その間の光の広がりを考慮して素子サイズを大きくしておく必要があるが、本発明の場合は、光路長としてせいぜい数十μｍ程度で済むため、素子サイズが小さくなり、素子容量が小さくできる。
【００１９】
同様に、導波路型半導体受光素子でも、十分な受光感度を得るためには、１００μｍ程度以上の素子長が必要となるが、本発明では、素子長が数十μｍ程度で済むため、素子容量が小さくできる。
【００２０】
更に、光吸収層とショットキー電極との間に、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在したときには、受光素子全体をｐｎ接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるｐｎ接合が不要となり、ｐｎ接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【００２１】
【実施例】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例を図１に示す。同図において、１１は光入射端面、１２は１μｍ厚のｐ−ＩｎＰ層、１３は１．５μｍ厚のＩｎＧａＡｓ光吸収層、１４は１μｍ厚のｎ−ＩｎＰ層、１５はｎ−ＩｎＰ基板、１６はｐ電極、１７はｎ電極である。素子の吸収層面積は、３０μｍ×５０μｍである。
【００２２】
光入射端面１１は、成長層１２，１３，１４及び基板１５の端面に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面１１は、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
【００２３】
従って、光入射端面１１での入射光の屈折により、光吸収層１３に対して、斜めに入射光が通過するため、実効的な光吸収長が長くなり、吸収層厚１．５μｍで、光入射端面１１に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍの光において印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．９５Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００２４】
また、全体の成長層厚も３．５μｍと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。また、素子面積も小さくで済み、このため、素子容量も０．４ｐＦ程度以下であった。
【００２５】
尚、本実施例では、光入射端面１１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。このため、メサ角（上面に対して５５度）の揃った均一な素子が作製できた。
【００２６】
勿論、逆メサ構造は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００２７】
本実施例では、ｎ−ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰ基板を用いても、上記のｐとｎとを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。
【００２８】
また、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アンバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層等を用いても良いことは言うまでもない。更に、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の材料系や歪みを内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００２９】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例を図３に示す。同図において、３１は光入射端面、３２は１μｍ厚のＩｎＰ層、３２２はＺｎ拡散により形成したｐ−ＩｎＰ層、３３は１．５μｍ厚のＩｎＧａＡｓ光吸収層、３４は１μｍ厚のｎ−ＩｎＰ層、３５はｎ−ＩｎＰ基板、３６はｐ電極、３７はｎ電極である。素子の吸収層面積は、３０μｍ×５０μｍである。
【００３０】
光入射端面３１は、成長層３２，３３，３４及び基板３５の端面に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面３１は、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
【００３１】
従って、光入射端面３１での光の屈折により、光吸収層３３に対して、斜めに入射光が通過するため、実効的な光吸収長が長くなり、光吸収層厚１．５μｍで、光入射端面３１に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍの光において印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．９５Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００３２】
また、全体の成長層厚も３．５μｍと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
【００３３】
暗電流は、無反射膜形成後においても、１０ｐＡ程度の十分小さな値が得られた。また、素子面積も小さくで済み、このため、素子容量も０．４ｐＦ程度以下であった。
【００３４】
尚、本実施例では、光入射端面は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。このため、メサ角（上面に対して５５度）の揃った均一な素子が作製できた。
【００３５】
勿論、逆メサは他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００３６】
本実施例は、表面側のＩｎＰ層３２の主たる内側部分を、Ｚｎの拡散によりｐ−ＩｎＰ層３２２層としているため、暗電流の著しく低減できる利点がある。
即ち、暗電流は、半導体の表面若しくは端面を流れ易いが、本実施例のように表面側のＩｎＰ層３２の主たる内側部分とその端面部分との導電形が異なるようにすることにより、暗電流が流れにくくなり、その値を二桁程度減少させることができる。
【００３７】
尚、このような表面側の半導体の主たる内側部分の導電形の決定は、Ｚｎの拡散により行うものに限らず、イオン注入法とその後のアニールによって行っても良い。
また、本実施例では、ｎ−ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰ基板を用いても、上記のｐとｎとを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。
【００３８】
また、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アンバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層等を用いても良いことは言うまでもない。更に、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の材料系や歪みを内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
更に、光受光層としては、真性半導体層或いは超格子半導体層を含む多層構造としても良い。
【００３９】
〔参考例１〕
本発明の参考例１を図４に示す。同図において、４１は光入射端面、４２は０．２μｍ厚アンドープまたはｎ-−ＩnＡlＡs層、４３はＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた０．１μｍ厚アンドープまたはｎ-−Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）層、４４は１．５μｍ厚アンドープまたはｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層、４５は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、４６はｎ−ＩnＰ基板、４７はＰt／Ｔi／Ａuショットキー電極、４８はオーミックｎ電極である。素子の吸収層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００４０】
光入射端面４１は、基板４６の端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面４１は、基板４６の端面に、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
従って、光入射端面４１での光の屈折により光吸収層４４に対し、斜めに入射光が通過するため、実効的光吸収長が長くなる。
しかも、ショットキー電極４７が屈折した入射光に対し、反射ミラーとして作用するため吸収長がさらに等価的に２倍となり、吸収層厚１．５μｍで、光入射端面に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍの光において印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．９５Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００４１】
また、全体の成長層厚も２．８μｍと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
暗電流は、無反射膜形成後においても１ｎＡ程度の十分小さな値が得られた。また、素子面積も小さくてすみ、このため素子容量も０．４ｐＦ程度以下であった。
【００４２】
本参考例においては、ＩnＡlＡs層４２が、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層であり、光吸収層４４とショットキー電極４７とを直接接触したときのショットキー障壁よりも高いショットキー障壁をショットキー電極４７に対して有する。
そのため、受光素子全体をｐｎ接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるｐｎ接合が不要となり、ｐｎ接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【００４３】
なお、本参考例では、光入射端面は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。
メサ角は、上面に対し約５５度の角度の素子が製作できた。もちろん、逆メサは他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。
【００４４】
本参考例では、Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs層４３としては、ＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図っているが、この層は１層以上の多層半導体薄膜よりなる階段状の組成層で構成した疑似的な傾斜組成層でもよい。
また、ＩnＧaＡs光吸収層４４とｎ−ＩnＰ層４５の間にもＩnＧaＡsからＩnＰまで組成を変化させたＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）傾斜組成層または疑似的な傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図ってもよい。
【００４５】
本参考例は、ｎ−ＩnＰ基板４６を用いた例であるが、ｐ−ＩnＰ基板を用いても上記のｎとｐを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。また、ＧaＡs等他の基板にも同様に適用可能である。
また、ここでは、光吸収層４４として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層または多重量子井戸半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
【００４６】
更に、ＩｎＧａＡｌＡｓ系以外のＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰＡｓ，ＩｎＧａＰＳｂ，ＡｌＧａＰＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰＳｂ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００４７】
〔参考例２〕
本発明の参考例２を図５に示す。同図において、５１は光入射端面、５９は５ｎｍ厚アンドープまたはｎ-−ＩnＰ層、５２は０．２μｍ厚アンドープまたはｎ-−ＩnＡlＡs層、５３はＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた０．１μｍ厚アンドープまたはｎ-−Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）層、５４は１．５μｍ厚アンドープまたはｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層、５５は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、５６はｎ−ＩnＰ基板、５７はＰt／Ｔi／Ａuショットキー電極、５８はオーミックｎ電極である。素子の吸収層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００４８】
光入射端面５１は、基板５６の端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面５１は、基板５６の端面に、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
従って、光入射端面５１での光の屈折により光吸収層５４に対し、斜めに入射光が通過するため、実効的光吸収長が長くなる。
しかも、ショットキー電極５７が屈折した入射光に対し、反射ミラーとして作用するため吸収長がさらに等価的に２倍となり、吸収層厚１．５μｍで、光入射端面に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍにおいて印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．９５Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。また、全体の成長層厚も約２．８μｍと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
【００４９】
更に、本参考例では、最表面に極薄のＩnＰ層５９を用いているため、ＩnＡlＡsに比べ、表面酸化耐性が大きいという利点もある。
ここでは、一例としてＩnＰ層５９を用いたが、これに代えて、一般式Ｉn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）で表される層を用いることも可能である。
暗電流は、無反射膜形成後においても１ｎＡ程度の十分小さな値が得られた。また、素子面漬も小さくてすみ、このため素子容量も０．４ｐＦ程度以下であった。
【００５０】
本参考例においては、ＩnＡlＡs層５２が、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層であり、光吸収層５４とショットキー電極５７とを直接接触したときのショットキー障壁よりも高いショットキー障壁をショットキー電極５７に対して有する。
そのため、受光素子全体をｐｎ接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるｐｎ接合が不要となり、ｐｎ接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【００５１】
なお、本参考例では、光入射端面は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。メサ角は、上面に対し約５５度の角度の素子が製作できた。
もちろん、逆メサは他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。
【００５２】
本参考例では、Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs層５３としては、ＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図っているが、この層は１層以上の多層半導体薄膜よりなる階段状の組成層で構成した疑似的な傾斜組成層でもよい。
また、ＩnＧaＡs光吸収層５４とｎ−ＩnＰ層５５の間にもＩnＧaＡsからＩnＰまで組成を変化させたＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）傾斜組成層または疑似的な傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図ってもよい。
【００５３】
また、本参考例は、ｎ−ＩnＰ基板５６を用いた例であるが、ｐ−ＩnＰ基板を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。また、ＧaＡs等他の基板にも同様に適用可能である。
本参考例では、光吸収層５４として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層または多重量子井戸半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
【００５４】
更に、ＩｎＧａＡｌＡｓ系以外のＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰＡｓ，ＩｎＧａＰＳｂ，ＡｌＧａＰＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰＳｂ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００５５】
〔実施例５〕
本発明の第３の実施例を図６に示す。
同図において、半導体受光素子部は以下の様になっている。６１は光入射面、６２は１μｍ厚ＩnＰ層、６２２はＺn拡散により形成したｐ−ＩnＰ層、６３は１. ５μｍ厚ＩnＧaＡs光吸収層、６４は１μｍ厚ＩnＰ層、６５はｎ−ＩnＰ基板、６６はｐ電極、６７はｎ電極である。
【００５６】
入射面での光の屈折により光の吸収層に対し、斜めに光が通過するため、実効的光吸収長が長くなり、吸収層厚１．５μｍで、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍにおいて印加逆バイアス１．５Ｖで十分大きな受光感度が得られる。
また、全体の成長層厚も３．５μｍと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られる。暗電流は、無反射膜形成後においても１０ｐＡ程度の十分小さな値が得られた。
【００５７】
なお、本実施例では、光入射面は、（００１）表面のウエハをブロムメタノールを用いてウエットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。このため、メサ角（上面に対し５５度の角度）の揃った均―な素子が製作できる。
もちろん、逆メサは他のウエットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。この実施例では、ｎ−ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰ基板を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。
【００５８】
また、ここでは、吸収層として均―組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層等を用いても良いことは言うまでもない。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００５９】
この半導体受光素子がシリコン基板６８上に形成されたＳｉＯ２からなる光導波路６９（スポットサイズω０＝５μｍ）と図の様に結合するようにマウントされている。この時光吸収層のＩｎＰ基板側下面６３ａと光導波路光軸中心の高低差（Ｚｈ）は、１０μｍとした。
【００６０】
―般に、光導波路から出射したガウシアンビームは進行とともに広がってくる。Ｚｈを大きくすると屈折した光を受光層でうけるための光路長は長くなり、受光感度を同じ値に保持するためには、ビームの広がり分に対応して受光面積も大きくする必要がある。面積の増大は素子の接合容量に比例するため、素子の応答速度も大きく劣化する。Ｚｈを横軸にとり、受光素子と光導波路を直近に配置し、光ビーム中心が受光層に達した点でのスポットサイズの２乗（必要な受光面積にほぼ比例）をグラフにしたものが図７（実線）である。
【００６１】
図７のようにＺｈを大きくすると急激に必要な受光面積が増大し、これに比例して素子の応答帯域も急減することになる。従って、この実施例では、ビームの広がりがほぼ無視できるＺｈ＝１０μｍとした。これにより、素子面積も小さくて済み、吸収層面積は１５μｍ×５０μｍとしたとき、受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値と素子容量も０．２ｐＦ程度以下の小さな値であった。
【００６２】
また、図７中、破線は、光導波路のスポットサイズを２μｍとした時の関係も示している。このようにω０が小さくなるとビーム広がりはさらに急激なため、Ｚｈをできるかぎりω０程度に小さくすることが重要であり、たとえば、Ｚｈを５０μｍにとると受光面積はＺｈ＝４μｍのときの約１５倍も必要になり、素子容量が激増してしまう。
【００６３】
この関係は、当然、受光素子の逆メサ角θにも依存する。ビーム面積が初期のビーム面積の３０％増大する点をＺｈ＋３０％とすると、Ｚｈ＋３０％＝ｎπω０２（０．３）１／２／λｓｉｎ（φ）で与えられる。但し、ｎは波長λの光に対する半導体の屈折率、πは円周率、ω０は光導波路のスポットサイズ（矩形導波路等の場合は、その導波路を特徴づける等価的スポットサイズ）、φは屈折した光の光軸中心と光吸収層のなす角である。
【００６４】
波長１．３μｍの光において、θ＝５５度、ＩｎＰ基板の屈折率ｎ＝３．２０９とすると、ω０＝５μｍでＺｈ＋３０％＝４４．４μｍ、ω０＝２μｍになるとＺｈ＋３０％＝７．１μｍとなり、スポットサイズの小さい光導波路を用いるときには特に受光層側表面に近い所に光導波路光軸中心を持ってくることが重要であることがわかる。
【００６５】
なお、本実施例は光導波路としてシリコン基板上に形成されたものを用いているが、適当な基板上に光ファイバやポリマ光導波路等の他の各種光導波路をハイブリッド集積したものでも良いことはいうまでもない。また、光受光層面と光導波路の光軸方向は完全に平行である必要はなく、入射端面で屈折して光受光層で受光出来るようなっていればよく、多少平行方向からずれた角度になっていても問題ない。
尚、ｐ−ＩｎＰ層６２２はＺｎ拡散により形成したが、これに代えて、イオン注入法及びその後のアニールによって選択的に第２の導電型に転換しても良い。
【００６６】
〔参考例３〕
本発明の参考例３を図８に示す。
図中、８１は光入射面、８２は１μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、８３は１. ５μｍ厚ＩnＧaＡs光吸収層、８４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、８５はｎ−ＩnＰ基板、８６はｐ電極、８７はｎ電極である。
本実施例では、（００１）面に対し、２０度傾いた研磨面を表面とする基板を用い、この上に上記層構造を成長しているため、劈開を行うと、図８のように、表面に対しメサ角が７０度の劈開端面が形成されている。
【００６７】
素子の吸収層面積は２０μｍ×８０μｍである。入射面での光の屈折により光の吸収層に対し、斜めに光が通過するため、実効的光吸収長が長くなり、吸収層厚１．５μｍで、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍの光において印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。また、全体の成長層厚も３．５μｍと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
【００６８】
なお、本参考例では、（００１）面に対し、２０度傾いた研磨面を表面とする基板を用いているが、この角度を適当に選ぶことによりメサ角もこれにあわせて適当に選ぶことができることは言うまでもない。また、実施例２のような半導体層構成でも同様に適用できることは言うまでもない。
この参考例では、ｎ−ＩnＰ基板を用いた例であるが、ｐ−ＩnＰ基板を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板をもちいても同様に製作可能である。また、ここでは、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
【００６９】
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、半導体受光素子において、表面側に逆メサ構造により成る光受光面があり、横からの光入射に対し、逆メサのメサ角に基づき、入射光が入射端面で上面側に向かって屈折し、光の吸収層に対して斜めに通過することにより、実効的に光吸収長が長くなるため、従来の面型半導体受光素子に比べ吸収層厚が薄くて済む。また、横方向入射型の導波路型半導体受光素子と比べても１／２〜１／３程度の半導体成長層厚で済む。
【００７１】
このように、横方向光入射が可能でありながら、光ファイバや光導波路と直接光結合に対し薄い半導体成長層厚で高効率な受光が可能となる。更に、十分な受光感度を得るための素子長が横方向光入射導波路型半導体受光素子に比べ半分程度以下で済む利点もある。
【００７２】
更に、光吸収層とショットキー電極との間に、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在したときには、受光素子全体をｐｎ接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるｐｎ接合が不要となり、ｐｎ接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図２】従来の半導体受光素子の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図４】本発明の参考例１に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図５】本発明の参考例２に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図７】光吸収層のＩnＰ基板側下面６３ａと光導波路光軸中心の高低差（Ｚｈ）と光ビーム中心が受光層に達した点でのスポットサイズの２乗（必要な受光面積にほぼ比例）の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の参考例３に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【符号の説明】
１１，３１  光入射端面
１２  ｐ−ＩnＰ層
１３，３３  ＩnＧaＡs光吸収層
１４，３４  ｎ−ＩnＰ層
１５，３５  ｎ−ＩnＰ基板
１６，３６  ｐ電極
１７，３７  ｎ電極
３２  ＩnＰ層
３２２  Ｚn拡散により形成したｐ−ＩnＰ層
４１  光入射端面
４２  ＩnＡlＡs層
４３  Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs層
４４  ＩnＧaＡs光吸収層
４５  ｎ−ＩnＰ層
４６  ｎ−ＩnＰ基板
４７  Ｐt／Ｔi／Ａuショットキー電極
４８  オーミックｎ電極
５１  光入射端面
５９  ＩnＰ層
５２  ＩnＡlＡs層
５３  Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs層
５４  ＩnＧaＡs光吸収層
５５  ｎ−ＩnＰ層
５６  ｎ−ＩnＰ基板
５７  Ｐt／Ｔi／Ａuショットキー電極
５８  オーミックｎ電極
６１  光入射面
６２  １μｍ厚ＩnＰ層
６２２  Ｚn拡散により形成したｐ−ＩnＰ層
６３  １．５μｍ厚ＩnＧaＡs光吸収層
６３  １．５μｍ厚ＩnＧaＡs光吸収層のＩnＰ基板側下面
６４  １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
６５  ｎ−ＩnＰ基板
６６  ｐ電極
６７  ｎ電極
６８  シリコン基板
６９  シリコン基板上に形成された光導波路
８１  光入射面
８２  １μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
８３  １．５μｍ厚ＩnＧaＡs光吸収層
８４  １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
８５  ｎ−ＩnＰ基板
８６  ｐ電極
【図１】
0003620761.tif 000002
【図２】
0003620761.tif 000003
【図３】
0003620761.tif 000004
【図４】
0003620761.tif 000005
【図５】
0003620761.tif 000006
【図６】
0003620761.tif 000007
【図７】
0003620761.tif 000008
【図８】
0003620761.tif 000009