(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１主面と第２主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１主面に、前記半導体基板側から順番に形成された第１の反射層、吸収層、位相調整層および第２の反射層と、
前記半導体基板の前記第２主面に形成された反射防止膜とを備え、
前記第１の反射層は、屈折率の異なる半導体層を積層した多層反射層であり、
前記吸収層は、前記半導体基板よりもバンドギャップが小さく、
前記位相調整層は、前記吸収層よりもバンドギャップが大きく、
前記第１の反射層と前記吸収層は他層を介さずに接していることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記吸収層の膜厚は、前記位相調整層の膜厚より大きい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】
前記第２の反射層は金属膜であ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２の反射層と前記位相調整層の接続がショットキー接続であることを特徴とする請求項３に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記第２の反射層の周囲に配置され、前記位相調整層に接続されたコンタクト層を更に備え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６】
前記第２の反射層は、誘電体または半導体の単層または多層膜からなる反射エンハンス層を有す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７】
前記第２の反射層は、前記反射エンハンス層上に設けられた金属膜を更に有することを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記半導体基板の前記第２主面が凹状に加工され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９】
前記多層反射層の一部または前記位相調整層の一部がアバランシェフォトダイオードの増倍層であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長安定性を向上させることができる半導体受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は、表面入射型の共振型フォトダイオード（ＰＤ）を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上面に、ｎ型多層反射層１０２、ｎ型位相調整層１０３、ｉ型ＩｎＧａＡｓの吸収層１０４、ｐ型位相調整層１０５およびｐ型多層反射層１０６が順番に形成されている。ｐ型多層反射層１０６上にアノード電極１０７が形成され、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の下面にカソード電極１０８が形成されている。このＰＤは台座１０９上に実装されている。
【０００３】
ｎ型多層反射層１０２，ｐ型多層反射層１０６は、例えばＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰなどの屈折率の異なる半導体層を積層したもので光を反射または透過する働きがある。ｎ型位相調整層１０３，ｐ型位相調整層１０５は、吸収層１０４よりもバンドギャップが大きい。
【０００４】
次に、上記の共振型ＰＤの動作について簡単に説明する。アノード電極１０７の電位がカソード電極１０８の電位に比べて低くなるように、５Ｖほどの逆バイアスを印加する。図の上側から入射された光は、ｎ型多層反射層１０２とｐ型多層反射層１０６の間を往復（共振）しながら、吸収層１０４で吸収される。吸収された光から電子と正孔のペアが発生し、それぞれカソード電極１０８とアノード電極１０７側に流れて電流として出力される。このように、共振型ＰＤでは、光を何回も吸収層を往復（共振）させて吸収するので、吸収層を薄くしても高い量子効率が得られ、光の共振Ｑ値を高めることができる。量子効率とは、１つの光子がＰＤに入射した場合に、１つの電子・正孔ペアが発生する確率をいう。
【０００５】
図１０は、裏面入射型の共振型フォトダイオード（ＰＤ）を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０１の下面に、ｎ型多層反射層１０２、ｎ型位相調整層１０３、ｉ型ＩｎＧａＡｓの吸収層１０４、ｐ型位相調整層１０５および反射層１１０が順番に形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上面に反射防止膜１１１が形成されている。図の上側から入射された光は、図９のＰＤと同じように、ｎ型多層反射層１０２と反射層１１０の間を往復（共振）しながら、吸収層１０４で吸収される。（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３０８３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１１，１２は、それぞれ図９，図１０のＰＤの量子効率の波長依存性を示すシミュレーション結果である。入射光の波長を変えると、数ｎｍの細かい周期で量子効率が激しく変化する。このため、入射光の波長が僅か１ｎｍ変化しただけでもＰＤから出力される電流が大幅に変化してしまい波長安定性が悪かった。
【０００８】
そこで、発明者は、図９，図１０のＰＤでは、なぜ量子効率の波長依存性が大きいかを解析した。図９のＰＤにおいて、吸収層１０４に入射した光の一部が、ｎ型多層反射層１０２を透過してｎ型ＩｎＰ基板１０１に入る。そして、ｎ型ＩｎＰ基板１０１に入った光は、カソード電極１０８とｎ型多層反射層１０２を往復してｎ型ＩｎＰ基板１０１内に共振モードを発生させる。一方、吸収層１０４の近傍には、ｎ型多層反射層１０２とｐ型多層反射層１０６の間のモード、ｎ型多層反射層１０２と吸収層１０４の間のモード、ｐ型多層反射層１０６と吸収層１０４の間のモードが存在する。発明者は、この吸収層１０４近傍の３つの共振モードとｎ型ＩｎＰ基板１０１内の共振モードが干渉し、複合共振モードを発生するため、上記のような量子効率の波長依存性が発生することを計算によって明らかにした。特に、ｎ型ＩｎＰ基板１０１に近い側のｎ型位相調整層１０３内で発生する共振モードは、ｎ型ＩｎＰ基板１０１内の共振モードと結合して複合共振モードを形成しやすく、量子効率の波長依存性に強い影響を与えることが分かった。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、波長安定性を向上させることができる半導体受光素子を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体受光素子は、互いに対向する第１主面と第２主面を有する半導体基板と、半導体基板の第１主面に、半導体基板側から順番に形成された第１の反射層、吸収層、位相調整層および第２の反射層と、半導体基板の第２主面に形成された反射防止膜とを備え、第１の反射層は、屈折率の異なる半導体層を積層した多層反射層であり、吸収層は、半導体基板よりもバンドギャップが小さく、位相調整層は、吸収層よりもバンドギャップが大きく、第１の反射層と吸収層は他層を介さずに接している。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、波長安定性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体受光素子は、図の上側から光を入射する裏面入射型の共振型フォトダイオード（ＰＤ）である。
【００１３】
ｎ型ＩｎＰ基板１１（半導体基板）は、互いに対向する下面（第１主面）と上面（第２主面）を有する。ｎ型ＩｎＰ基板１１の下面に、ｎ型ＩｎＰ基板１１側から順番に、ｎ型多層反射層１２（第１の反射層）、吸収層１３、ｐ型位相調整層１４（位相調整層）およびアノード電極１５（第２の反射層）が形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面にカソード電極１６が形成されている。カソード電極１６は、光を入射するための開口を有する。カソード電極１６の開口に反射防止膜１７が形成されている。このＰＤは台座１８上に実装されている。
【００１４】
ここで、ｎ型多層反射層１２は、屈折率の異なる半導体層を積層した多層反射層である。各層の光学膜厚は、ＰＤに入射する波長の概ね４分の１のｎ倍（ｎ＝１，３，５，７，…）になっている。具体的には、ｎ型多層反射層１２として、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓなどの組み合わせや、組成の異なるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓや、これらの材料を３種類以上組み合わせたものを用いる。
【００１５】
また、吸収層１３は、ｎ型ＩｎＰ基板１１よりもバンドギャップが小さい材料、例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓからなり、通常は低キャリア濃度である。吸収層１３の光学膜厚は、ＰＤに入射する波長の概ね４分の１よりも大きいことが望ましい。反射防止膜１７は、ＳｉＮやＴｉＯ２／ＳｉＯ２などの絶縁膜（誘電体膜）からなる。アノード電極１５は、吸収層１３を透過してきた光を反射して再び吸収層１３へ戻す働きがある。台座１８は、アノード電極１５に給電したり、ＰＤで発生した熱を逃がしたりする機能がある。
【００１６】
ｐ型位相調整層１４は、吸収層１３よりもバンドギャップが大きい材料、例えばｐ型ＩｎＰからなる。ただし、ｐ型位相調整層１４は、ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓなどでもよく、ｉ型ＩｎＰ層中に選択拡散によりｐ型領域を形成してもよい。
【００１７】
本実施の形態に係る半導体受光素子の効果について説明する。反射防止膜１７から入射された光は、ｎ型多層反射層１２を透過して吸収層１３内に入り、アノード電極１５とｎ型多層反射層１２間で往復（共振）しながら、吸収層１３で吸収される。このため、吸収層を薄くしても高い量子効率が得られる。
【００１８】
ｎ型多層反射層１２で反射された光は再びｎ型ＩｎＰ基板１１に戻る。ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面の反射防止膜１７は実際には０．４％程度の残留反射率を有するため、反射光は外の空間に放出されず、ｎ型ＩｎＰ基板１１内で共振モードを発生させる。
【００１９】
ここで、図９，図１０のＰＤでは、吸収層１０４から見てｎ型ＩｎＰ基板１０１に近い側にｎ型位相調整層１０４が有るため、このｎ型位相調整層１０４内のる共振モードは、ｎ型ＩｎＰ基板１０１内の共振モードと結合して複合共振モードを形成する。一方、本実施の形態では、ｎ型多層反射層１２と吸収層１３は他層を介さずに接している。即ち、吸収層１３から見てｎ型ＩｎＰ基板１１に近い側に位相調整層がない。従って、複合共振モードを低減して、波長安定性を向上させることができる。
【００２０】
図２は、図１の半導体受光素子の量子効率の波長依存性を示すシミュレーション結果である。この計算では、反射防止膜１７の反射率を０．４％とした。図２と図１１，図１２を比較すると、明らかに、小さな周期で発生する量子効率の変動が減少している。例えば、図１１では、波長が４ｎｍ程度変化しただけで量子効率が最大５０％も変化するのに対し、図２では、波長が４ｎｍ変化しても量子効率の変化量は２〜３％以下である。
【００２１】
また、吸収層１３の光学膜厚が入射光の波長の４分の１波長のよりも十分に大きいと、吸収層１３での共振のＱ値が低下するため、複合共振モードが更に発生し難くなる。
【００２２】
また、共振端面となるｎ型多層反射層１２とアノード電極１５の間隔Ｄは、吸収層１３とｐ型位相調整層１４の合計膜厚と同じである。従って、吸収層１３の膜厚がｐ型位相調整層１４の膜厚より大きいと、間隔Ｄの半分以上が吸収層１３で占められ、吸収層１３での共振Ｑ値が閾値以下に急激に低下して複合共振モードが発生し難くなる。例えば、間隔Ｄの６０％が吸収層１３で占められている場合、１５５５ｎｍの波長付近では殆ど量子効率の波長依存性を生じない。
【００２３】
また、吸収層１３と、ｐ型位相調整層１４の光学膜厚の合計が入射光の波長の４分の１の整数倍になるように、ｐ型位相調整層１４の膜厚を調整する。これにより、吸収層１３で発生した電子や正孔が、ｐ型位相調整層１４とアノード電極１５の界面で再結合するのを防止することができる。そして、吸収層１３で所望の波長に対して共振が発生するように、アノード電極１５から反射する光の位相が調整される。
【００２４】
また、図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の量子効率および多層反射層の反射率の層数依存性を示す図である。ｎ型多層反射層１２の層数が５〜１０ペアの場合にＰＤの量子効率が高くなることが分かる。この場合、ｎ型多層反射層１２の反射率は２０％〜７０％である。これは、ｎ型多層反射層１２の反射率を高くすると吸収層１３での共振が生じやすくなるが、反射率を高くし過ぎると吸収層へ入射する光が減少するためである。
【００２５】
また、アノード電極１５の反射率が４０％以上であることが望ましい。アノード電極１５の反射率が高いほどＰＤの量子効率は高くなる。
【００２６】
また、図９，図１０のＰＤでは、熱伝導性が悪い多層反射層で吸収層の上下が挟まれているため、発生した熱が籠もり、吸収層の温度が上昇してしまう。また、多層反射層は電気抵抗が高い場合が多く、これも発熱の原因になる。このような温度上昇により量子効率の波長依存性が変化する。これに対し、本実施の形態では、台座１８と吸収層１３の間に多層反射層が無い。従って、発熱が少なくかつ熱が籠もりにくいため、量子効率の安定化を図ることができる。
【００２７】
なお、ｎ型ＩｎＰ基板１１の代わりに、光透過性の高いＦｅドープのＩｎＰ基板を用いても良い。その場合は、カソード電極１６を別途ｎ型半導体層、例えばｎ型多層反射層１２に接続する必要がある。
【００２８】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。コンタクト層２１が、光を受ける受光領域に配置されたアノード電極１５（第２の反射層）の周囲にドーナッツ状に配置され、かつｐ型位相調整層１４に接続されている。コンタクト層２１として、ｐ型位相調整層１４よりもバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどの半導体層や、ＡｕＺｎなどの接触抵抗の小さい金属が用いられる。その他の構成は実施の形態１の構成と同様である。
【００２９】
コンタクト層２１によりアノード電極１５とｐ型位相調整層１４の接触抵抗が下がるため、発熱が抑えられ、量子効率が安定になる。なお、コンタクト層２１をｐ型位相調整層１４とアノード電極１５の間の全面に設けてもよい。しかし、一般にコンタクト層２１は光の反射率が低いので、上記のように受光領域の外側にのみコンタクト層２１を設ければ、反射率を落とさずに抵抗を下げることができる。
【００３０】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。反射率が高い反射エンハンス層２２（第２の反射層）が、ｐ型位相調整層１４上の光を受ける受光領域に設けられている。コンタクト層２１が、反射エンハンス層２２の周囲にドーナッツ状に配置され、かつｐ型位相調整層１４に接続されている。反射エンハンス層２２およびコンタクト層２１上にアノード電極１５（金属膜）が設けられている。その他の構成は実施の形態１の構成と同様である。
【００３１】
反射エンハンス層２２を設けたことで、ＰＤの量子効率を更に高めることができる。反射エンハンス層２２として、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、アルモファスＳｉ、Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２などの誘電体の単層または多層膜が用いられる。この場合、ｐ型位相調整層１４とアノード電極１５の合金化を抑える働きがあるためより反射率を高められる。また、反射エンハンス層２２として半導体の単層または多層膜を用いてもよい。例えば、反射エンハンス層２２として多層反射層を用いれば反射率を高くすることができる。
【００３２】
また、反射エンハンス層２２として誘電体や半導体の多層膜を用い、光学膜厚を調整すれば、反射エンハンス層２２は、吸収層１３での共振を発生させる位相調整層としても機能する。
【００３３】
また、アノード電極１５とｐ型位相調整層１４が合金化すると反射率が低下する。そこで、アノード電極１５とｐ型位相調整層１４の間に設けられた反射エンハンス層２２として、例えば白金、モリブデン、Ｎｉ、ＣｒやＴｉなど、ｐ型位相調整層１４と合金化しにくい金属（バリアメタル）を用いてもよい。言い換えると、反射エンハンス層２２として、ｐ型位相調整層１４との接続がショットキー接続になる金属を用いる。これにより、アノード電極１５からの反射率を高めることができる。ただし、ショットキー接続により、低光電流動作時に接続抵抗が増加してしまう懸念もある。そこで、受光領域の周囲に配置されたコンタクト層２１として、ｐ型位相調整層１４との接続がオーミック接続となる金属、例えばＡｕＺｎ、Ｔｉ，Ｃｒなどを用いる。これにより、接続抵抗を悪化させないで高い反射率を得ることができる。
【００３４】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。反射防止膜１７を施した光入射面であるｎ型ＩｎＰ基板１１の上面（第２主面）が凹状に加工されている。その他の構成は実施の形態３と同様である。
【００３５】
この場合、ｎ型多層反射層１２で反射された戻り光は、たとえ反射防止膜１７で再び反射されても、受光領域の外へ拡散してしまい、受光領域には戻らない。その結果、ｎ型ＩｎＰ基板１１での共振モードが発生しないため、波長安定性を更に向上させることができる。
【００３６】
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る半導体受光素子を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体受光素子は、図の上側から光を入射する表面入射型の共振型ＰＤである。
【００３７】
ｎ型ＩｎＰ基板１１（半導体基板）は、互いに対向する上面（第１主面）と下面（第２主面）を有する。ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面に、ｎ型ＩｎＰ基板１１側から順番に、ｎ型多層反射層１２（第１の反射層）、吸収層１３、ｐ型多層反射層２３（第２の反射層）およびアノード電極１５が形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１１の下面にカソード電極１６が形成されている。カソード電極１６（電極）は、受光領域の真下に開口を有する。カソード電極１６の開口に反射防止膜１７が設けられている。
【００３８】
ｎ型多層反射層１２およびｐ型多層反射層２３は、屈折率の異なる半導体層を積層した多層反射層である。また、吸収層１３は、ｎ型ＩｎＰ基板１１よりもバンドギャップが小さい材料、例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓからなり、通常は低キャリア濃度である。
【００３９】
カソード電極１６の開口から光が反射防止膜１７を透過してｎ型ＩｎＰ基板１１の外に出る。これにより、ｎ型多層反射層１２とカソード電極１６の間にあるｎ型ＩｎＰ基板１１での共振モードが発生しないため、波長安定性を向上させることができる。
【００４０】
実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る半導体受光素子を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体受光素子は、図の上側から光を入射する表面入射型の共振型ＰＤである。
【００４１】
ｎ型ＩｎＰ基板１１（半導体基板）は、互いに対向する上面（第１主面）と下面（第２主面）を有する。ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面に、ｎ型ＩｎＰ基板１１側から順番に、第１の吸収層１３ａ、ｎ型多層反射層１２（第１の反射層）、第２の吸収層１３ｂ、ｐ型多層反射層２３（第２の反射層）およびアノード電極１５が形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１１の下面に反射防止膜１７が形成されている。
【００４２】
ｎ型多層反射層１２およびｐ型多層反射層２３は、屈折率の異なる半導体層を積層した多層反射層である。また、第１および第２の吸収層１３ａ，１３ｂは、ｎ型ＩｎＰ基板１１よりもバンドギャップが小さい材料、例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓからなり、通常は低キャリア濃度である。
【００４３】
ｎ型ＩｎＰ基板１１とｎ型多層反射層１２の間に第１の吸収層１３ａを挿入したことにより、ｎ型多層反射層１２を透過した光が第１の吸収層１３ａで吸収される。これにより、ｎ型多層反射層１２とカソード電極１６の間にあるｎ型ＩｎＰ基板１１での共振モードが発生しないため、波長安定性を向上させることができる。
【００４４】
実施の形態７．
本実施の形態では、図１のｎ型多層反射層１２の一部がアバランシェフォトダイオードの増倍層である。即ち、ｎ型多層反射層１２の一部となるように、増倍層の光学膜厚を設定する。または、ｐ型位相調整層１４の中に増倍層を設けてもよい。その他の構成は実施の形態１の構成と同様である。このように本発明はアバランシェフォトダイオードに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子を示す断面図である。
【図２】図１の半導体受光素子の量子効率の波長依存性を示すシミュレーション結果である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の量子効率および多層反射層の反射率の層数依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る半導体受光素子を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る半導体受光素子を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る半導体受光素子を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る半導体受光素子を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係る半導体受光素子を示す断面図である。
【図９】表面入射型の共振型フォトダイオード（ＰＤ）を示す断面図である。
【図１０】裏面入射型の共振型フォトダイオード（ＰＤ）を示す断面図である。
【図１１】図９のＰＤの量子効率の波長依存性を示すシミュレーション結果である。
【図１２】図１０のＰＤの量子効率の波長依存性を示すシミュレーション結果である。
【符号の説明】
【００４６】
１１  ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
１２  ｎ型多層反射層（第１の反射層）
１３  吸収層
１３ａ  第１の吸収層
１３ｂ  第２の吸収層
１４  ｐ型位相調整層（位相調整層）
１５  アノード電極（第２の反射層）
１６  カソード電極（電極）
１７  反射防止膜
２１  コンタクト層
２２  反射エンハンス層（第２の反射層）
２３  ｐ型多層反射層（第２の反射層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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