(57)【要約】【課題】相反する受光感度の向上と光応答速度の向上を可能にする半導体受光素子を提供する。【解決手段】ｎ−ＩｎＰ基板２０上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２，反射鏡層２３，ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４，ｎ−ＩｎＰキャップ層２８が積層され、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８内に亜鉛（Ｚｎ）が拡散されて、受光部となるｐ型拡散領域３２が形成されている。反射鏡層２３は、ＩｎＰとＡｌＧａＩｎＡｓを１６〜２２ペア積層した積層構造からなる。ｐ型拡散領域３２より入射した光のうち、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４を通過した光は、反射鏡層２３によりｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４に反射され、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４の膜厚が見かけ上増加する。ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４で発生したキャリアは、反射鏡層２３をそのまま通過するため光応答速度への影響は発生しない。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第１導電型の第１の半導体層と、光吸収層と、第１導電型の第２の半導体層とを積層して備え、前記第２の半導体層内に前記光吸収層に達する第２導電型の拡散領域が形成されている半導体受光素子において、
前記光吸収層と前記第１の半導体層との間に、表面より入射した光を反射する反射鏡層を備えることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記反射鏡層は、ブラッグ反射の条件を満たす第１の反射鏡層と第２の反射鏡層とを重ねたものを１ペアとして複数ペア積層した積層構造からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記反射鏡層は、第１の反射鏡層と第２の反射鏡層とを重ねたものを１ペアとして１６〜２２ペア積層させた構造からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記第１の反射鏡層はＩｎＰからなり、前記第２の反射鏡層はＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記光吸収層は、アンドープのＩｎＧａＡｓからなり、前記第１および第２の半導体層は、ｎ型のＩｎＰからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか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、光検出器モジュールに用いられ、入力した光信号を電気信号に変換する半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体受光素子として、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。この公報に開示されている従来の半導体受光素子は、受光部となるｐｎ接合を拡散により形成したｐｉｎ構造のフォトダイオードである。図１に従来の受光素子が形成されたウエハ構造の断面図を示す。ｎ−ＩｎＰ基板２０上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２，ｉ（アンドープ）−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４，ｎ−ＩｎＰキャップ層２８が積層され、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８内に亜鉛（Ｚｎ）が拡散されて、ｐ型拡散領域３２が形成され、ｐｉｎフォトダイオードが作られる。
【０００３】
ｐ型拡散領域３２にｐ型電極３４を形成し、基板裏面にｎ型電極３６を形成し、また、表面には窒化シリコン膜単膜の反射防止膜３０を有する。
【０００４】
ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４で光が吸収されてキャリアを発生し、キャリアのドリフトによりｐ型電極３４とｎ型電極３６の間に光起電力を発生する。ｐ型電極３４とｎ型電極３６が外部回路で閉じている場合、その回路には光電流（入射光量に比例する電流）が流れる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３７００２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この光吸収層にＩｎＧａＡｓを用いた従来の半導体受光素子において、受光感度を向上させようとすると、次のような問題があった。
【０００７】
すなわち、受光感度を向上させるためには、ＩｎＧａＡｓ層での光の吸収を増大させる必要がある。ＩｎＧａＡｓ層での光の吸収量Ｉ０−Ｉは、
Ｉ０−Ｉ＝Ｉ０−Ｉ０ｅｘｐ（−αｄ）＝Ｉ０｛１−ｅｘｐ（−αｄ）｝
Ｉ０：入射光量  Ｉ：透過光量  α：吸収係数  ｄ：膜厚
で決まるため、ＩｎＧａＡｓ層での光の吸収を増大させるには、ＩｎＧａＡｓ層の膜厚を増加させることが必要となる。
【０００８】
図２は、ＩｎＧａＡｓ層の吸収係数が１．２３×１０−４／ｃｍであるときの、λ＝１．５５μｍの光に対するＩｎＧａＡｓ層の膜厚と光の吸収量との関係を示す図である。光吸収量は、入射光量が全て吸収されたときを１．０として示している。図２に示すように、膜厚が増加するにつれて、光吸収量が増大している。
【０００９】
一方でＩｎＧａＡｓ層において発生したキャリアは、電界方向すなわち膜厚方向に移動するため、膜厚の増大は、電極までのキャリアのドリフト時間を長くすることになり、光応答速度を低下させるという問題がある。図３は、ＩｎＧａＡｓ層の膜厚と応答時間との関係を示す図である。受光部サイズを５０μｍφ、キャリア濃度を１×１０１５ｃｍ−３、外部抵抗を５０Ω、ドリフト速度を１０７  ｃｍ／ｓとした。細い実線は、キャリアのドリフト時間を示しており、点線は、ＲＣ時定数に起因した応答時間を示しており、太い実線は、合計した時間を示している。図３から、膜厚が約１μｍ以上の部分で、膜厚が増加するにつれて光応答速度が低下することが分かる。
【００１０】
以上のように、受光領域で生成されたキャリアは、電界方向すなわち厚さ方向にドリフトするため、膜厚が厚いほど時間を要し、光応答速度が遅くなり、一方で膜厚が薄いと光吸収量が減少し、感度の低下をもたらす。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、相反する受光感度の向上と光応答速度の向上を可能にする半導体受光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に第１導電型の第１の半導体層と、光吸収層と、第１導電型の第２の半導体層とを積層して備え、第２の半導体層内に前記光吸収層に達する第２導電型の拡散領域が形成されている半導体受光素子において、光吸収層と第１の半導体層との間に、表面より入射した光を反射する反射鏡層を備えることを特徴とする。
【００１３】
反射鏡層は、ブラッグ反射の条件を満たす第１の反射鏡層と第２の反射鏡層とを重ねたものを１ペアとして複数ペア積層した積層構造からなることが好ましく、第１の反射鏡層と第２の反射鏡層とを重ねたものを１ペアとして１６〜２２ペア積層させた構造からなることが好ましい。
【００１４】
また、第１の反射鏡層はＩｎＰからなり、第２の反射鏡層はＡｌＧａＩｎＡｓからなることが好ましく、光吸収層は、アンドープのＩｎＧａＡｓからなり、第１および第２の半導体層は、ｎ型のＩｎＰからなることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図４は、本発明に係る半導体受光素子が形成されたウエハ構造を示す断面図である。本発明に係る半導体受光素子は、図１に示した従来の拡散型受光素子の光吸収層下部すなわちＩｎＰバッファ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間に、ブラッグ反射の条件を満たす２つの層を重ねたものを１ペアとして複数ペア積層した反射鏡構造の層を挿入したものである。表面より入射した光のうち、光吸収層を通過した光は、反射鏡構造により光吸収層に反射される。図４において、図１と同じ構成要素には、同一の参照番号を付して示している。
【００１７】
ｎ−ＩｎＰ基板２０上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２，反射鏡層２３，ｉ（アンドープ）−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４，ｎ−ＩｎＰキャップ層２８が積層され、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８内に亜鉛（Ｚｎ）が拡散されて、受光部となるｐ型拡散領域３２が形成されている。
【００１８】
ｐ型拡散領域３２にはｐ型電極３４が形成され、基板裏面にはｎ型電極３６が形成され、また、表面には窒化シリコン（ＳｉＮ）膜単膜の反射防止膜３０が形成されている。すなわち、本発明に係る半導体受光素子は、ｐｉｎ構造のフォトダイオードである。
【００１９】
このような受光素子は、次のようにして作製される。ｎ−ＩｎＰ基板２０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２，反射鏡層２３，ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４，ｎ−ＩｎＰキャップ層２８を連続してエピタキシャル成長する。次に、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８の一部にＺｎを拡散させて、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４に達するｐ型拡散領域３２からなる受光部を形成する。そして、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８上に反射防止膜３０を形成し、基板表面に、ｐ型拡散領域３２の一部に接触するｐ型電極を形成し、基板裏面にｎ型電極３６を形成する。
【００２０】
ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４とＩｎＰバッファ層２２との間に反射鏡構造の反射鏡層２３を挿入すると、ｐ型拡散領域３２より入射した光のうち、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４を通過した光は、反射鏡層２３によりｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４に反射される。例えば、反射鏡層２３での光吸収をゼロとした場合、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４の膜厚が実質的に２倍になる。しかし、発生したキャリアにとっては、反射鏡層２３はそのまま通過するため光応答速度への影響は発生しない。
【００２１】
図５は、反射鏡層の構造の一例を示す図である。反射鏡層は、図５に示すように、ＩｎＰとＡｌ０．０５Ｇａ０．４２Ｉｎ０．５３Ａｓ（以下、ＡｌＧａＩｎＡｓと略す）を重ねたものを１ペアとして、１６〜２２ペア積層した積層構造となっている。この材料は、ＩｎＰに格子整合する材料系であるので、特別な成長技法は不要である。
【００２２】
波長１．５５μｍでの各層の屈折率は、ＩｎＰ層が３．１７、ＡｌＧａＩｎＡｓ層が３．８０である。
【００２３】
各層の膜厚は、ブラッグ反射の条件（λ／４ｎ、ここで、λは波長、ｎは屈折率）から設定され、波長λを１．５５μｍとした場合、ＩｎＰ層の膜厚は、１５５０／（４×３．１７）＝１２２．２ｎｍとなり、ＡｌＧａＩｎＡｓ層の膜厚は、１５５０／（４×３．８０）＝１０２．０ｎｍとなる。
【００２４】
したがって、ＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＡｓ層からなる１ペアの膜厚は２２４．２ｎｍとなり、２２ペア積層させた構造の反射鏡層の膜厚は、２２４．２×２２＝４９３２．４ｎｍ＝４．９３μｍとなり、１６ペア積層させた構造の反射鏡層の膜厚は、２２４．２×１６＝３５８７．２ｎｍ＝３．５９μｍとなる。
【００２５】
このようなＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＡｓ層を２２ペア積層させたときの反射率は、９９．９％と、ほぼ１００％に達した。また、１６ペア積層させたときの反射率は９６％であった。
【００２６】
図１に示す従来のウエハ構造、および図４に示す反射鏡層を挿入したウエハ構造を用いて受光素子を作製し、その光感度を測定した。ＩｎＧａＡｓ光吸収層の膜厚は、従来のウエハ構造および反射鏡層を挿入したウエハ構造とも１．４μｍとした。また、反射鏡層は、ＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＡｓ層とを２２ペア積層して形成した。
【００２７】
反射鏡層のない受光素子の場合の光感度は、１．０Ａ／Ｗであったが、反射鏡層のある受光素子の場合には、光感度が１．１４Ａ／Ｗに増大し、光感度の向上が確認できた。
【００２８】
これは、入射光が反射鏡により透過することなく再度光吸収層に反射され、吸収に寄与するため、光吸収層の膜厚が実質的に２倍になり、光吸収量が増加するためである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、従来の半導体受光素子構造に比べ、より薄い光吸収層膜厚で同等の光感度が得られ、また、光吸収層膜厚が薄いため、キャリアの走行時間が低減され、そのため、光応答速度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の受光素子が形成されたウエハ構造を示す断面図である。
【図２】ＩｎＧａＡｓ層の膜厚と光の吸収量との関係を示す図である。
【図３】ＩｎＧａＡｓ層の膜厚と応答時間との関係を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体受光素子が形成されたウエハ構造を示す断面図である。
【図５】反射鏡層の構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
２０  ｎ−ＩｎＰ基板
２２  ｎ−ＩｎＰバッファ層
２３  反射鏡層
２４  ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２８  ｎ−ＩｎＰキャップ層
３０  反射防止膜
３２  ｐ型拡散領域
３４  ｐ型電極
３６  ｎ型電極
【図１】
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【図２】
2004327886.tif 000004
【図３】
2004327886.tif 000005
【図４】
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【図５】
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