(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体、前記基体の表面に結合されたｎ−層、前記ｎ−層の表面に結合されたｉ−層、前記ｉ−層の表面に結合された炭素ドープしたＩｎＡｌＡｓのｐ−層及び前記ｐ−層の表面に結合されたＩｎＧａＡｓキャップ層を具え、
前記ｉ−層が、前記ｐ−層と前記ｎ−層との間に挟まれており、
前記ｐ−層が、前記キャップ層と前記ｉ−層との間に挟まれており、
前記キャップ層は、光に対して透明であり、雰囲気から前記ｐ−層を密封する、半導体ｐ−ｉ−ｎホトダイオード。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＡｓキャップ層が、炭素ドープされてｐ−型コンタクトを形成するＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを含む、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項３】
前記キャップ層の表面に結合された伝導性環を更に具え、前記伝導性環が電極に結合されている、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項４】
前記炭素ドープしたＩｎＡｌＡｓのｐ−層が、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓを含む、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項５】
前記ｉ−層がＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを含む、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項６】
前記ｎ−層がＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓを含む、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項７】
前記炭素ドーピングが、１×１０20ｃｍ-3以下の濃度を有する、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項８】
前記ホトダイオードが、７００〜１６００ｎｍの波長範囲の電磁波により活性化される、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項９】
前記炭素ドープしたｐ−層が、厚さが１００ｎｍ〜３００ｎｍである、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項１０】
光学的スイッチングのための通信用途で用いられ、入射光によりスイッチされる、請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項１１】
前記ＩｎＧａＡｓキャップ層が、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを含む、請求項１に記載のホトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ファイバー光通信で用いられる光電素子（optoelectronic device, 光電子装置）に関する。特に、本発明は、ｐ−ｉ−ｎ光検出器の構造を、その７００〜１６００ｎｍの作動波長範囲に亘る応答時間を向上するために改良することに関する。
【０００２】
インターネット及びデータ通信ネットワークの発達が、益々高速のデータ伝送の必要性を大きくしている。光学的連結が、それらの超広帯域・低歪みファイバー伝送により、慣用的銅線法よりも益々利用されるようになってきている。光学的連結は、次の波長の何れかで作動する：７８０、８５０、１３１０、及び１５５０ｎｍ。１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍは、主に長距離用として用いられ、この場合、単一モード光ファイバーで無歪伝播できることが重要である。企業グループＬＡＮ（企業内通信網）及びキャンパス中枢機関を含めた短距離用の場合、配備される部品の数はかなり多くなり、それらのコストが重要な因子になってきている。短距離ネットワークは、屡々短い７８０ｎｍ及び８５０ｎｍの波長で作動するように設計されており、この場合、直接変調レーザーは、ＶＣＳＥＬ（垂直空洞型表面発光レーザー）技術を用いてそれほど高価にならずに製造することができる。多重モード、６２．５μｍ直径ファイバーは、これらのシステムのために選択されるファイバーである。この大きな芯のファイバーは、同じ大面積検出器が必要であることを意味する。この用途に対し、もし変調速度が１．２５Ｇｂｉｔ／秒（ギガビット  イーサネット）より低いならば、Ｓｉ−及びＧａＡｓ系光検出器を入手することができる。１．２５Ｇｂｉｔ／秒より高いＧａＡｓ検出器が好ましい。
【０００３】
１．２５Ｇｂｉｔ／秒システムが現在使われるようになってきたので、ネットワーク・プロバイダーは、６２．５−μｍ多重モードファイバーも使用した１０Ｇｂｉｔ／秒連結の開発に向けて動き出している。この動きは研究／開発の段階にあり、高速診断がそれらの特性認識のため現在必要になっている。一般に１０Ｇｂｉｔ／秒で作動することができる部品は、８ＧＨｚの帯域幅が有りさえすればよい。開発するのが困難なことが判明している部品の一つは、７８０ｎｍ及び８５０ｎｍ光に敏感な８ＧＨｚ光検出器である。ＧａＡｓ系検出器は両方の規格を満たすことは出来ない。ＧａＡｓの持つ限界は、短波長での吸収係数が低いことにある。実際、ＧａＡｓ系８ＧＨｚ検出器は作られてはいるが、活性領域が厚さ２μｍ以下のものである。この厚さは、光学的に発生した全ての電子及びホールが、８ＧＨｚ帯域幅を達成するのに充分な速さで掃出されるのを確実にする。しかし、ＧａＡｓ検出器により１量子効率に近い効率を８５０ｎｍで達成するには、４μｍより大きい活性層を必要とする。これは、２μｍ領域を二回通過させることにより可能であるが、製造及びパッケージに費用が掛り採用できない。７８０ｎｍの光に対してはその状況はいくらか改善される。しかし、２μｍ一回通過による発光は、依然として１量子効率よりも低くなる結果を与えるであろう。
【０００４】
本願で理想的な半導体は、半絶縁性ＩｎＰ（ＩｎＰ：Ｆｅ）に格子整合成長させたＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓである。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓは、ＧａＡｓよりも狭い禁止帯幅を有し、1/4の厚さで８５０ｎｍで同等の吸収を与えることができる。ＧａＡｓで完全な吸収を与えるために必要な４μｍの厚さは、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓでは１μｍに減少する。この厚さで、検出器の帯域幅は２０ＧＨｚを越えることができる。もし２μｍのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを用いれば、必要な８ＧＨｚを得ることができ、１５５０ｎｍまでの強い吸収を行わせることができる。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ系ｐ−ｉ−ｎホトダイオードは、１３００ｎｍ及び１５５０ｎｍで使用するためには以前から入手できるようになっている。これらのホトダイオードは、多量にドープした薄いｐ型とｎ型のＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ領域の間に比較的厚い非ドープＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ活性領域を挟んだものからなるヘテロ構造体である。これらの殆どは、屡々後方照明検出器である。光は、活性Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層によって吸収される前に、基体及び透明ｎ−ドープＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層の両方を通って伝播する。後方照明のカット・オフ波長はＩｎＰの吸収端によって決定され、９００ｎｍである。７８０ｎｍ又は８５０ｎｍで検出するためには、前方設計が必要であり、光を通過させるためｐ−ドープ頂部層は透明でなければならない。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓに基づく前方照明ｐ−ｉ−ｎホトダイオードは、原理的には７８０ｎｍ又は８５０ｎｍで量子限界感度を有し、８ＧＨｚの帯域幅も有する。この帯域幅の実現を妨げているのは、透明ｐ−コンタクトの面積抵抗である。
【０００５】
前に論じた掃出時間の外に、ホトダイオードの呼応は、ＲＣ時定数によって決定することができる。ＲＣ時定数はホトダイオードの寄生（parasitic）応答であり、ダイオードの直列抵抗Ｒと、キャパシタンスＣとの積である。６２．５μｍ芯ファイバー（短距離用として最も一般的径のファイバー）からの光を全てホトダイオードが収集するためには、それは少なくとも６２．５μｍの直径を持たなければならない。活性層の厚さを２μｍにすることは、ホトダイオードに〜０．２ｐＦのキャパシタンスを生ずる。後方照明検出器の場合、全直列抵抗は、コンタクト抵抗及びｎ−ドープ層の抵抗による寄与分により、２０〜５０Ωの範囲になる。この検出器の場合、電荷を運ぶのにｎ−ドープ層を通る横の伝導に依存しなければならないので、ｎ−層の面積抵抗が問題になる。浅いドナーでドープした層の抵抗は、ドープ剤濃度を増大することにより減少することができる。ｎ−型コンタクトのための最も広く用いられている浅いドナーは、錫（Ｓｎ）である。Ｓｎは、拡散が問題になる前に、１０20ｃｍ-3のレベルまでドープすることができる。この濃度で、７００ｎｍの厚さのｎ−ドープ層の抵抗は〜２０Ωである。この層は、比較的厚いが、１３００ｎｍ及び１５５０ｎｍ光に対し透明であることに注意されたい。相対するコンタクトには、ｐ−ドープ層が存在する。後方照明検出器の場合、このコンタクトは、その外側表面を金属薄膜で覆うことによりその面積抵抗を１Ωより小さくすることができる。もしこのホトダイオードがそのＲＣ寄生によってのみ限定されるならば（即ち、掃出限界がないとすると）、それは１０ピコ秒（ｐｓ）の応答を示すであろう。２μｍの活性層をもつ典型的な後方照明検出器では、ＲＣ時定数は、電荷掃出時間（〜３０ｐｓ）より速い。ガウス形パルス・プロファイルを仮定すると、二つの時定数による総合効果は、（１０2＋３０2）1/2＝３２ｐｓになり、これは〜８ＧＨｚ帯域幅に相当する。
【０００６】
前方照明ホトダイオードについては状況が変ってくる。この幾何学的形態では、ｐ−ドープＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓコンタクトは、もはや金属上表面被覆をもつことができない。検出器はｎ−及びｐ−ドープ層の両方から横への伝導に依存しなければならない。８５０ｎｍで光学的損失を２０％以下に維持するためには、ｐ−層の厚さを４００ｎｍ以下にする必要がある。この問題は、工業的に標準的ｐ−ドープ剤であるベリリウム（Ｂｅ）及び亜鉛（Ｚｎ）を、ｎ−ドープ層でＳｎで行なっているのと同じ１０20ｃｍ-3の濃度までドープすることができないことによりさらに複雑になる。それは、Ｂｅ及びＺｎがＳｎより遥かに大きな拡散係数を持つからである。例えば、５×１０18より高いと、Ｂｅは近くの領域中に拡散し始め、欠陥チャンネルに沿って極めて速く移動する。これは、ｐ−ｉ−ｎホトダイオードのドープされていないｉ−領域をＢｅによって汚染させることになり、その暗電流を著しく増大し、ダイオードを悪化し、ショートする。もしＢｅ濃度を、Ｂｅ拡散が最小限になる安全なレベル（５×１０18ｃｍ-3以下）までに限定すると、ｐ−ドープ層の抵抗は５０Ω位に高くなる。この前方検出器の帯域幅は、８ＧＨｚから５ＧＨｚ未満へ劣化する。
【０００７】
（発明の開示）
本発明は、ホトダイオードの上表面からの光が通過する透明ｐコンタクトを有するｐ−ｉ−ｎホトダイオードに関する。入射光は、活性ｉ領域へ直接通る。これは、禁止帯幅より上の光（λ≦９００ｎｍ）の減衰を回避する。もし光が基体を通過しなければならないと、その減衰が起きる。上表面側照明の設計により、７００ｎｍ位の短い波長を活性領域により検出することができる。本発明の重要な点は、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓに炭素をドープする新規な適用である。炭素をＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓにｐ−型ドープ剤として導入し、高度に伝導性のｐ−層を形成し、それがホトダイオードのための頂部窓としても働く。この層の電気伝導度が高いことにより、金属上表面層を必要することなく、高速ホトダイオードを設計することができ、それにより上表面から光を利用できるようになる。炭素は、最も一般的な種類のｐ−ドープ剤であるＢｅ及びＺｎよりも、エピタキシャル成長過程中静止たままであることができる点で優れていることが判明している。成長及びその後の微細加工後、炭素はＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ領域から拡散してｐ−ｉ−ｎホトダイオードのｉ領域へ入る兆候を示さない。ダイオードを劣化することなく、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層中に高濃度（Ｂｅ５×１０18ｃｍ-3以下に対し１０20ｃｍ-3）の炭素を導入することができる。ｐ−層のドープ剤レベルを増大することにより、その直列抵抗を低下することができ、そのことがホトダイオードのＲＣ時定数を低下することができる。ＲＣ時定数が低いと、検出器の応答を増大する効果を有する。
【０００８】
（好ましい態様についての詳細な説明）
図１及び２に関し、本発明の光検出器１０が平面図及び断面図で示されている。八角形の領域８がｐ−ｉ−ｎメサであり、そこで光の検出器が行われる。ｐ−ｉ−ｎは、ＩｎＰ：Ｆｅ基体３４上に格子整合成長されている。このメサは、頂部層を通ってＩｎＰ基体まで化学的にエッチングすることにより形成する。メサは、ＩｎＰ基体３４表面より上に数μｍ立っている。メサの頂部は薄い（公称４ｎｍの厚さであるが、下の構造を保護することができるどのような厚さでもよい）Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層１２であり、それはＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ  ｐ−層１４を保護する。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層１２は、５×１０19までドープされ、良好な電気伝導度を与えるが、電気を導く別のレベルまでドープしてもよい。この層は、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層１４を雰囲気から密封する働きをする。さもないと、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ  ｐ−層１４中のアルミニウムが酸素と反応し（恐らく微細加工中）、絶縁層を形成する。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ１２は、認め得る吸収を起こさないように薄く成長させる。ｐ−ドープＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ頂部層１４は、入射光に対し透明な層である。一方、この層は、他方で吸収を最小にするのに充分な薄さであるのと同時に、低い直列抵抗を与えるのに充分な厚さを持つ必要がある。この層内で吸収される光は、検出器の応答性を低下し、その応答時間も遅くする。ｐ−層１４の好ましい厚さは、７００〜１６００ｎｍの波長を最小の吸収で透過できるように１００ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましく、厚さが２００ｎｍに等しいか又はそれより薄いことがより好ましい。ｐ−層１４の炭素ドーピングは、Ｂｅ又はＺｎで可能な濃度よりも高いドーピング濃度の（５．０×１０19ｃｍ-3より大きく、好ましくは１０20ｃｍ-3以下）を可能にする。Ｂｅ又はＺｎは、そのような高いドーピングレベルでは層界面を越えて移動し始め、ダイオードを電気的にショートすることがある。このドーピング濃度の増大は、ホトダイオードのｐ−層の抵抗及び付随するＲＣ時定数を著しく減少し、一層速い活性化速度をもたらす。
【０００９】
Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層１２の周囲に沿って、狭い金属環２０が存在する。これは金属コンタクトであり、ｐ−層１４をｐ−結合パッド２６へ電気的に接続する。金属環２０は、金から作られているのが好ましい。金属環２０は、キャップ層１２の周囲に沿って形成されているのが好ましく、その結果金属環２０は光検出器の表面に向けられた光を閉じ込めることはない。Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ  ｐ−層１４の下にはｉ−層１６か、又は光検出器の活性領域が存在する。ｉ−層はｐ−層と同じ平面形状を有する。ｉ−層１６は、ドープしてないＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ１６から形成されている。これは、入射光が吸収され、電場がダイオード中で最も高くなる場所である。ｉ−層１６が厚くなる程、吸収は大きくなる。ｉ−層１６を余りにも厚く作ると、その層を通る電荷掃出時間が検出器の速度を限定する。
【００１０】
ｉ−層１６の下には、ＳｎをドープしたＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓから形成されたｎ−コンタクト層３２が存在する。好ましいドープ剤濃度は５×１０19ｃｍ-3以上である。この層は、５００〜１０００ｎｍの厚さに成長させるのが好ましい。ｎ−層３２は、メサを越えて伸び、ｎ−コンタクト電極１８に接触するための大きな表面積を与える。ｎ−コンタクト電極１８は、ｎ−コンタクト結合パッド２４に電気的に接続されている。反射防止被覆２２が、全表面上に蒸着されており、電気的接続のため結合パッドの上に窓が形成されている。反射防止被覆２２は、広い波長範囲をカバーするように設計することができる。
【００１１】
図３に関し、ｉ−層１６中の光の吸収は、次の式による吸収係数に関する：
【００１２】
0004755341.tif 000002
【００１３】
式中、Ｉ0＝入射光強度
α＝吸収係数（ｃｍ-1）
Ｔ＝吸収剤（即ち、ｉ−層）の厚さ（ｃｍ）。
【００１４】
ＧａＡｓ曲線３０について、λ＝８５０ｎｍ、α＝１０4ｃｍ-1である。
【００１５】
Ｔ＝２×１０-4ｃｍの値の厚さを取ると、Ｉ＝０．１３５×Ｉ0になり、即ち、光の〜８６％がｉ−領域によって吸収され（即ち、検出され）、残りがＩｎＰ基体によって吸収される（損失）。
【００１６】
Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ曲線２８について、λ＝８５０ｎｍ、α＝４×１０4ｃｍ-1である。
同じ厚さの活性層について、Ｉ＝０．０００３×Ｉ0になり、即ち、本質的に全ての光が検出される。
【００１７】
ｐ−ｉ−ｎ検出器は、原理的には、逆に成長させることができ、ＩｎＰ：Ｆｅ基体と接触してｐ−ドープＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層から出発し、ｎ−ドープＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層で終わる。この構造では、ｐ−層は７００ｎｍの厚さに成長させ、ｎ−層は２００ｎｍの厚さに成長させる。ｎ−ドープＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層が、ｐ−ドープＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層の代わりに必要になる。このｎ−ｉ−ｐホトダイオード構造は、両方のｎ−及びｐ−型層が５×１０19ｃｍ-3より高くドープされるので、可能である。
【００１８】
ｐ−ドープ剤として炭素を用いることができる分子ビームエピタキシ又は他のエピタキシャル成長技術又は方法の当業者に知られている標準ＩＣ製造技術により検出器を形成する。
本発明のホトダイオードは、その特徴により、光学的スイッチングのための通信用途で用いることでき、入射光によりスイッチさせることができる。
【００１９】
本発明は、例示し、上に記載したのと全く同じ構造に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から離れることなく種々の変更を行うことができることは理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のｐ−ｉ−ｎ光検出器の顕微鏡写真である。
【図２】  本発明のｐ−ｉ−ｎ構造のエピタキシャル成長した断面図である。
【図３】  半導体材料の固有の吸収対光の波長をプロットした曲線を示す図である。
【図１】
0004755341.tif 000003
【図２】
0004755341.tif 000004
【図３】
0004755341.tif 000005