(57)【要約】【課題】キャップ層と光吸収層の界面での反射を低減することで、偏光依存損失を低減させる。【解決手段】ｎ−ＩｎＰ基板２０上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２，ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４，ｎ−グレーデッド層２６，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。ｎ−グレーデッド層２６には、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８のＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＰが用いられ、その屈折率の値が、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８の屈折率の値からｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４の屈折率の値まで連続して変化するようにする。【選択図】      図２
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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の半導体層および／または第２の半導体層との間に、組成の変化で屈折率を制御できる材料からなるグレーデッド層を備えることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
光入射側の表面に反射防止膜を備え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】
前記グレーデッド層は、屈折率の値が膜厚方向に連続して変化してい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】
前記グレーデッド層は、前記半導体基板に格子整合す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】
前記グレーデッド層の厚みを０．０３μｍ以上、３μｍ以下とす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。
【請求項６】
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からなり、前記グレーデッド層は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１〜５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】
光吸収層にＩｎＧａＡｓを用いた従来の長波長用半導体受光素子では、ＩｎＰキャップ層表面の反射率は、表面にコーティングされた反射防止膜で低減が図られており、この反射防止膜には窒化シリコン膜単膜が用いられることが多い。ところが単膜の反射防止膜の反射率は、波長依存性が大きく、例えば、１．５５μｍの波長の光に最適化した１／４波長の膜厚の窒化シリコン反射防止膜は、１．５５μｍの波長の光に対しては１％以下に反射率を抑えることができるが、１．３μｍの波長の光に対しては数％の反射率を有する。また、反射防止膜の反射率には入射角度依存性がある。
【０００７】
また、ＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との界面には何ら対策が施されていないので、ＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間の複素屈折率差のため、ＩｎＰキャップ層／ＩｎＧａＡｓ光吸収層界面で光の反射が起きる。そのため、ＩｎＰキャップ層／ＩｎＧａＡｓ光吸収層界面とＩｎＰキャップ層表面あるいは反射防止膜表面との間で多重反射が発生し、この多重反射により従来の半導体受光素子では、その出力に偏光依存損失（ＰＤＬ；Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  Ｌｏｓｓ）が発生する。偏光依存損失とは、入射光の偏光状態（ｓ偏光，ｐ偏光）によりそれぞれの界面での反射率に違いが発生するため出力に光の偏光状態による損失が発生することを言う。偏光依存損失には入射角度依存性があり、特に受光素子に対する光の入射角が大きくなるに従って顕著に現れる。
【０００８】
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、キャップ層と光吸収層の界面での反射を低減することで、偏光依存損失を低減させることのできる半導体受光素子を提供することにある。
【０００９】
【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の半導体層および／または第２の半導体層との間に、組成の変化で屈折率を制御できる材料からなるグレーデッド層を備えることを特徴とする。
【００１０】
光入射側の表面には反射防止膜を備えることが好ましい。グレーデッド層は、屈折率の値が膜厚方向に連続して変化していることが好ましく、また、半導体基板に格子整合することが好ましい。
【００１１】
【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。
【００１２】
図２は、本発明に係る半導体受光素子の第１の実施の形態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、ＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間にグレーデッド層を設けたものである。図２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。
【００１３】
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−グレーデッド層２６，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。
【００１４】
ｎ−グレーデッド層２６には、ｎ−ＩｎＰ基板２０のＩｎＰに格子整合する材料であって、組成の変化で屈折率（バンドキャップ）を制御できる材料が用いられる。ここではＩｎＧａＡｓＰを用いた。
【００１５】
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。
【００１６】
ｎ−ＩｎＰバッファ層２２は０．５μｍ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４は３μｍ、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８は１μｍとした。また、ｎ−グレーデッド層２６の膜厚は、トータルで０．２μｍとした。
【００１７】
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，ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４，ｎ−グレーデッド層２６，ｎ−ＩｎＰキャップ層２８を連続してエピタキシャル成長する。
【００１８】
理想的には、ｎ−グレーデッド層２６は、ｎ−ＩｎＰ基板２０のＩｎＰに格子整合させたＩｎＧａＡｓＰを用い、その組成を変化させて屈折率の値を、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４の屈折率の値からｎ−ＩｎＰキャップ層２８の屈折率の値まで連続して変化させるのが望ましい。
【００１９】
図３は、理想的な屈折率分布を模式的に示しており、屈折率がｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４から厚さ０．２μｍのｎ−グレーデッド層２６を介してｎ−ＩｎＰキャップ層２８まで滑らかに変化している場合を示している。
【００２０】
本実施の形態では、１．５５μｍの波長の光に最適化したＩｎＧａＡｓＰから１．０５μｍの波長の光に最適化したＩｎＧａＡｓＰまで組成を変化させたグレーデッド層を用いた。
【００２１】
１．５５μｍの波長に最適化したＩｎＧａＡｓＰは、Ｉｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓｙ  Ｐ１−ｙ  においてｘ＝０．３９、ｙ＝０．８５のときに相当し、１．０５μｍの波長に最適化したＩｎＧａＡｓＰは、Ｉｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓｙ  Ｐ１−ｙ  においてｘ＝０．１０、ｙ＝０．２３のときに相当する。
【００２２】
ＭＯＣＶＤ法による結晶成長では、原料ガスの供給比（気相中での原料モル比）と結晶中のモル比には非線形性があることが知られているが、簡単化のために原料ガスの供給比を時間に対して線形に変化させた。グレーデッド層は、１．５５μｍの波長に最適化したＩｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓｙ  Ｐ１−ｙ  （ｘ＝０．３９、ｙ＝０．８５）を０．１μｍ積層した後、そのＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐの原料ガス流量のそれぞれを、１．０５μｍの波長に最適化したＩｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓｙ  Ｐ１−ｙ  （ｘ＝０．１０、ｙ＝０．２３）のガス流量まで３分間で変化させた。
【００２３】
ＩｎＧａＡｓＰの成長速度が２．０μｍ／ｈであることから、上記操作でＩｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓｙ  Ｐ１−ｙ  （ｘ＝０．３９、ｙ＝０．８５）からなる厚さ０．１μｍのグレーデッド層上に、Ｉｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓｙ  Ｐ１−ｙ  （ｘ＝０．３９、ｙ＝０．８５）からＩｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓｙ  Ｐ１−ｙ  （ｘ＝０．１０、ｙ＝０．２３）まで組成が連続して変化する厚さ０．１μｍのグレーデッド層が形成できたことになる。ただし、上述した理由により、グレーデッド層の組成の割合（ｘ，ｙ）が膜厚方向に直線的に変化しているとは限らない。
【００２４】
図４は、本実施の形態のＩｎＰキャップ層とグレーデッド層とＩｎＧａＡｓ光吸収層の複素屈折率の実部（屈折率）ｎと虚部（吸収係数）ｋとを模式的に示したものである。図中、実線が複素屈折率の実部（屈折率）ｎを表しており、破線が複素屈折率の虚部（吸収係数）ｋを表している。
【００２５】
本実施の形態の構造では、ＩｎＧａＡｓ光吸収層とグレーデッド層との間、およびグレーデッド層とＩｎＰキャップ層との間で屈折率のギャップがある。今、ＩｎＰキャップ層側から１．５５μｍの波長の光を入射する場合を考える。光から見ると、屈折率約３．１７のＩｎＰキャップ層を透過した後では、ＩｎＰキャップ層とグレーデッド層との界面で３．１７から３．２４への屈折率差があり、さらにグレーデッド層では、ＩｎＧａＡｓ光吸収層に近づくにつれて、グレーデッド層の作用により、屈折率が３．２４から３．４０まで連続的に変化している。さらに、グレーデッド層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との界面で３．４０から３．５５への屈折率差がある。波長１．５５μｍの光は、グレーデッド層の一部で吸収され始めるが、膜厚が薄いために、そのほとんどがＩｎＧａＡｓ光吸収層に達し、吸収される。
【００２６】
グレーデッド層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との界面では、屈折率だけではなく、吸収係数、すなわち複素屈折率の虚部ｋも変化する。
【００２７】
従来の受光素子では、光はＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との界面で複素屈折率の大きな変化を感じることになるが、本実施の形態の受光素子では、ＩｎＰキャップ層とグレーデッド層の界面と、グレーデッド層とＩｎＧａＡｓ光吸収層の界面との２つの不連続界面が存在するものの、従来の受光素子に比べて、複素屈折率の実部ｎの変化が小さくなっていることが分かる。
【００２８】
このようにして作製された半導体基板を用い、一部に亜鉛拡散によりｐ型拡散領域３２を形成した。拡散の深さはｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４に達する程度とした。基板上にｎ−ＩｎＰキャップ層２８に対する反射防止膜３０として窒化シリコン（ＳｉＮ）膜（ｎ＝１．９５）をλ／４（１９９ｍｍ）成膜し、ｐ型拡散領域３２上の一部分の反射防止膜を除去後、ｐ型電極３４を形成した。一方、基板裏面にｎ型電極３６を形成した。
【００２９】
図５に、本発明の受光素子と従来の受光素子の入射角に対する偏光依存損失（ＰＤＬ）を示す。なお、偏光依存損失の測定は、受光素子にｓ偏光とｐ偏光をそれぞれ入射したときの受光素子の出力をモニタして行った。さらに、入射角を変化させたときの出力変化を観察した。
【００３０】
図５は、−１０°から＋１０°まで入射角を変化させたときの受光素子の偏光依存損失を示している。従来の受光素子は、入射角が−１０°〜＋１０°の範囲で、偏光依存損失が４５ｍｄＢ〜１３３ｍｄＢであるのに対し、本発明の受光素子は、入射角が−１０°〜＋１０°の範囲で、偏光依存損失が２４ｍｄＢ〜５０ｍｄＢであり、本発明の受光素子の方が、偏光依存損失および入射角度依存性がともに小さくなっていることが分かる。
【００３１】
上述したように、ＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間に設けられるグレーデッド層は、その屈折率変化（屈折率の膜厚方向の微分）が滑らかに変化していること、すなわち連続であることが望ましい。例えば、ＩｎＰキャップ層からＩｎＧａＡｓ光吸収層までその屈折率を直線的に変化させた場合、グレーデッド層内の屈折率の微分は一定値を取るが、ＩｎＰキャップ層およびＩｎＧａＡｓ光吸収層との界面で不連続となる。しかし、屈折率を例えば下記の関数で変化させた場合、その微分はＩｎＰキャップ層からＩｎＧａＡｓ光吸収層まで連続となる。
【００３２】
【数１】
ｆ（ｘ）＝１０ｘ３  −１５ｘ４  ＋６ｘ５  
近似的には、上記の直線的な変化や任意の曲線、曲線を近似する微小な階段状の変化でも効果は現れる。
【００３３】
ここで、屈折率と反射率との関係について説明する。上述したように、光学的に均一な媒質中を伝播する光が、光学的な境界、すなわち屈折率の異なった媒質との界面に達すると反射や屈折が起こる。光が物質１から物質２に入射する際の反射率は、
【数２】
2004241533.tif 000003
と表せる。ｎ１  は物質１の屈折率を表し、ｎ２  は、物質２の屈折率を表す。
【００３４】
ここで屈折率差が小さい場合には、反射率は、
【数３】
2004241533.tif 000004
と表せる。この式（１）から２つの物質の屈折率差Δｎが小さいほど反射率が小さくなることが分かる。
【００３５】
なお、屈折率が複素数で表せる（吸収がある）場合には、反射率は、
【数４】
2004241533.tif 000005
で表せる。式（２）の右辺の“＊”は、共役複素数であることを示す。
【００３６】
屈折率が変化するグレーデッド層を物質１から物質２の間に挿入した場合には、グレーデッド層は、屈折率が少しずつ変化した多層膜と考えられ、反射率は、
【数５】
2004241533.tif 000006
と表せる。この式（３）は式（２）と等価になるが、グレーデッド層を構成するそれぞれの膜の膜厚が波長の１／４程度まで薄くなると式（２）、式（３）が必ずしも成立せず、実効的な反射率は、光が物質１から物質２に直接入射する際の反射率よりも小さくなる。
【００３７】
上述したように、本実施の形態は、ＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間にグレーデッド層を挿入し、そのグレーデッド層の屈折率変化を制御することで、入射する光の波長に依存することなくＩｎＧａＡｓ光吸収層の界面における反射を低減させることができる。
【００３８】
グレーデッド層による反射率の低減には、従来の反射防止膜で用いられている光の干渉を利用していない。光の干渉を用いた場合、入射角度が変化すると実効的な膜厚も変化するために反射率も変化する。ところがグレーデッド層による反射率の低減では、光の干渉を利用していないので、入射角度依存性はない。さらに、光の干渉を用いた場合の反射率の入射波長依存性もない。
【００３９】
さらに、グレーデッド層を挿入することにより、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の界面での反射を低減することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の界面と、ＩｎＰキャップ層表面あるいは反射防止膜表面との多重反射により発生する偏光依存損失（ＰＤＬ）を抑えることができる。
【００４０】
なお、第１の実施の形態では、ＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間にグレーデッド層を設けて反射の低減を図ったが、光の反射は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層とＩｎＰ基板あるいはＩｎＰバッファ層との間でも起こるので、グレーデッド層は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層とＩｎＰ基板あるいはＩｎＰバッファ層との間に設けてもよい。また、ＩｎＰキャップ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間、およびＩｎＧａＡｓ光吸収層とＩｎＰ基板あるいはＩｎＰバッファ層との間の両方に設けてもよい。
【００４１】
また、グレーデッド層の厚みを０．１μｍとしたが、０．０３μｍ以上、３μｍ以下であればよい。上限の３μｍは、作製の容易性およびデバイス特性を考慮した場合の最大値から推定したものであり、下限の０．０３μｍは、物理的に結晶の組成を変化させた場合に得られうる最小膜厚から推定したものである。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、本発明に係る半導体受光素子の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００４３】
第２の実施の形態は、第１の実施の形態と基本的には同じであるが、異なる点は、光を基板側から入射する構造となっており、これに伴い、グレーデッド層は光の入射側、すなわちＩｎＰバッファ層とＩｎＧａＡｓ光吸収層との間に挿入されている。
【００４４】
ｎ−ＩｎＰ基板２０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２，ｎ−グレーデッド層２６，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。
【００４５】
ｐ型拡散領域３２にｐ型電極３４が形成され、基板の光入射側の面にｎ型電極３６が形成され、また、光が入射する面には窒化シリコン（ＳｉＮ）膜単膜の反射防止膜３０を有する。
【００４６】
グレーデッド層は、ｎ−ＩｎＰキャップ層２８とｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４との間に設けることも可能である。また、ＩｎＰバッファ層２２とｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２４との間、およびｎ−ＩｎＰキャップ層２８とＩｎＧａＡｓ光吸収層２４との間の両方に設けてもよい。
【００４７】
この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の受光素子は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層界面における反射率がグレーデッド層の挿入の効果により低減されるため、その偏光依存損失を低減できる。
【００４９】
また、本発明の受光素子を用いて、例えば光ファイバ中を伝播した光を受光する光検出器モジュールを組み立てた場合に、受光素子表面での反射率が低いためにバックリフレクションを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体受光素子を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体受光素子の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図３】ＩｎＰキャップ層とグレーデッド層とＩｎＧａＡｓ光吸収層の理想的な屈折率分布を模式的に示す図である。
【図４】ＩｎＰキャップ層とグレーデッド層とＩｎＧａＡｓ光吸収層の複素屈折率実部と複素屈折率虚部を模式的に示す図である。
【図５】本発明の受光素子と従来の受光素子の入射角に対する偏光依存損失を示す図である。
【図６】本発明に係る半導体受光素子の第２の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
２０  ｎ−ＩｎＰ基板
２２  ｎ−ＩｎＰバッファ層
２４  ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２６  ｎ−グレーデッド層
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】
2004241533.tif 000007
【図２】
2004241533.tif 000008
【図３】
2004241533.tif 000009
【図４】
2004241533.tif 000010
【図５】
2004241533.tif 000011
【図６】
2004241533.tif 000012