(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収層と、
アバランシェ増倍層と、を備え、
前記光吸収層は、
キャリア濃度が１×１０１６cm−３以下である空乏化層と、
キャリア濃度が１×１０１６cm−３〜１×１０１９cm−３である空乏化終端層と、を備え、
前記空乏化終端層のキャリア濃度は、前記空乏化層に向かって連続あるいは段階的に変化しており、前記空乏化終端層の電子が前記空乏化層に向かって加速する擬似電界を発生し、
前記空乏化終端層の膜厚は、１μm未満であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記空乏化終端層は、キャリア濃度の異なる二層以上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】
前記空乏化終端層は、キャリア濃度が対数表記において線形的に変化する単層からなる、又はその線形変化量の異なる二層以上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４】
前記空乏化終端層のキャリア濃度は、対数表記において指数関数的に変化す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５】
光吸収層と、
アバランシェ増倍層と、を備え、
前記光吸収層は、
キャリア濃度が１×１０１６cm−３以下である空乏化層と、
キャリア濃度が１×１０１６cm−３〜１×１０１９cm−３である空乏化終端層と、を備え、
前記空乏化終端層の電子親和力は、前記空乏化層の電子親和力よりも小さく、かつ、前記空乏化層へ向かって連続あるいは段階的に変化しており、前記空乏化終端層の電子が前記空乏化層に向かって加速する擬似電界を発生し、
前記空乏化終端層の膜厚は、１μm未満であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項６】
前記空乏化終端層は、電子親和力の異なる二層以上からなることを特徴とする、請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記空乏化終端層は、電子親和力が線形的に変化する単層からなる、又はその線形変化量の異なる二層以上からなることを特徴とする、請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記空乏化終端層の電子親和力は、指数関数的に変化することを特徴とする、請求項５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、光信号を電気信号に変換する半導体受光素子に関し、詳しくは、高速応答に優れ、かつ低暗電流及び高感度特性を有するアバランシ増倍型の半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信・計測技術において、高速化及び大容量化は必須であるため、高速応答に優れ低雑音及び高感度特性を有する半導体受光素子が不可欠である。波長１〜１．６μｍ帯の高速・高感度な半導体受光素子として、アバランシ増倍層に超格子構造を適用した超格子アバランシフォトダイオード（超格子ＡＰＤ）が開発されている。
【０００３】
チン（R.Chin）らは、エレクトロニクス・レターズ（Electron.Lett.），16(12)巻,P.467-469,1980年において、超格子ＡＰＤの基本原理となる、超格子構造中で電子のみがポテンシャルエネルギ（伝導帯不連続量）ΔＥｃを獲得することにより電子が選択的にイオン化される構造を提唱した。超格子の伝導帯不連続量を電子の衝突イオン化に利用してイオン化率比α／βを人工的に増大させる構造については、カッパソ（F.Capasso）らによって実際にＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系超格子においてイオン化率比α／βの増大が確認された［アプライド・フィジックス・レターズ（Appl.Phys.Lett.）,40(1)巻,P.38-40,1982年］。更に、長距離光通信に用いられる波長１．３〜１．６μｍに受光感度を有するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系超格子、又はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ系超格子を用いて超格子増倍層を形成した超格子ＡＰＤが開発され、従来の半導体受光素子を凌ぐ高速化・高感度化が図られている［例えば、香川ら：ジャーナル・オブ・クォンタム・エレクトロニクス（J.Quantum.Electronics）,28(6)巻,P.1419-1423,1992年、渡邊ら：フォトニクス・テクノロジー・レターズ（Photonics Technol.Lett.）,5(6)巻,P.675-677,1993年、渡邊ら：フォトニクス・テクノロジー・レターズ（Photonics Technol.Lett.）,8(6)巻,P.827-829,1996年］。
【０００４】
図８［１］［２］に、前述した渡邊らが報告しているＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ系超格子ＡＰＤの素子構造図を示す。図８［１］はメサ型構造素子、図８［２］はプレーナ型構造素子である。図８［１］［２］において、同一機能の構成要素には同一番号を付す。
【０００５】
この超格子ＡＰＤは、ＩｎＰ基板８０７上に、ＩｎＰバッファ層８０１、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子アバランシ増倍層８０２、ｐ＋型ＩｎＰ電界緩和層８０３、ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０４、及びｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０５が積層されたものである。
【０００６】
動作原理について説明する。まず、光吸収層８０４，８０５で発生した光キャリアのうち電子のみが、ドリフト電界によって電界緩和層８０３へ走行し、アバランシ増倍層８０２に注入される。続いて、アバランシ増倍層８０２では、高電界が印加されているので、注入された電子が格子に衝突してイオン化を生じることにより、アバランシ増倍が発現する。ここで、アバランシ増倍層８０２を構成するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子構造は伝導帯不連続量が大きく、これによって電子のイオン化率が増大するので、イオン化率比α／βの増大及びそれによる低雑音化が図られている。
【０００７】
なお、図８［１］［２］では、ＩｎＰキャップ層８０６、ｐ側電極８０８、ｎ側電極８０９、表面パッシベーション膜８１０、反射防止膜８１１等が付設されている。更に、図８［２］では、高抵抗化領域８１２、ｐ＋領域８１３等が付設されている。
【０００８】
図９に、キャリア濃度の異なる二層構造からなる光吸収層９０を有する従来のＡＰＤの基本的な構成を示す。
【０００９】
図９に示すＡＰＤは、バッファ層９１、アバランシ増倍層９２、電界緩和層９３、光吸収層９０、キャップ層９６等が積層されてなるものである。光吸収層９０は、空乏化した光吸収層９４と、空乏化しない一定以上のキャリア濃度を有する光吸収層９５とから構成される。光吸収層９４のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3以下であり、光吸収層９５のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3である。非空乏化層である光吸収層９５の主な機能は、光吸収層９４の空乏化を終端することである。ここで、光吸収を担う光吸収層９４は、キャリア走行時間を改善して高速化を図るためには、薄膜化が望まれる。しかし、光吸収層９４の薄膜化は量子効率の低下を伴うので、高速化及び高量子効率化はトレードオフの関係にある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアバランシ増倍層を有する半導体受光素子において高速応答を支配する主な要因には、素子自体が有する容量及び抵抗によるＣＲ回路定数制限と、アバランシ増倍層内で光キャリアが増倍するのに要する時間（増倍時間）と、空乏化された光吸収層内を光キャリアが走行することにより生じるキャリア走行時間とが挙げられる。ここで、ＣＲ回路定数制限に対しては、ｐｎ接合面積の低減による容量低減、電極最適化によるコンタクト抵抗低減等の改善により対処が可能である。また、増倍時間に関しては、材料に固有の物性定数であるイオン化率比α／βに起因するところが大きい。光吸収層内のキャリア走行時間に関しては、高速化のために光吸収層を薄膜化することによりキャリア走行時間を短縮することが原則となる。しかしながら、量子効率は、光吸収層厚に依存し、薄膜になるに従い低下する。そのため、キャリア走行時間と量子効率とはトレードオフの関係にあり、これらを両立することは難しいとされている。
【００１１】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、アバランシ増倍層を有する半導体受光素子において、高速応答と高量子効率とを両立させることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体受光素子は、光を吸収して電子−正孔対を発生する光吸収層と、この光吸収層で発生した電子によってアバランシ増倍を起こすアバランシ増倍層とを備えている。そして、光吸収層は、動作時に空乏化する空乏化層と、この空乏化層の空乏化を終端する空乏化終端層とを備えている。更に、空乏化終端層のキャリア濃度は、空乏化層のキャリア濃度よりも高く、かつ当該空乏化終端層内の電子を空乏化層へ向けて加速する疑似電界が発生するように分布している。
【００１３】
そして、空乏化層のキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3以下であり、空乏化終端層のキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3である。ここで、１×１０16ｃｍ-3は空乏化しないための下限濃度（すなわち空乏化するための上限濃度）であり、１×１０19ｃｍ-3は「高キャリア濃度→非発光センター増大→量子効率低下」を防ぐための上限濃度である。ここでいう「キャリア濃度」とは、言うまでもなく、無光照射、無電圧印加かつ室温での測定値である。これに加え、空乏化終端層の膜厚は１μm未満である。
【００１４】
また、空乏化終端層は、キャリア濃度の異なる二層以上からなる、キャリア濃度が対数表記において線形的に変化する単層からなる若しくはその線形変化量の異なる二層以上からなる、又はキャリア濃度が対数表記において指数関数的に変化する、としてもよい。更に、空乏化終端層のキャリア濃度に代えて空乏化終端層の電子親和力を用いることにより、上記疑似電界を発生させてもよい。
【００１５】
例えば、本発明は、半絶縁性半導体基板又は高濃度の半導体基板上に、少なくとも光吸収層、電界緩和層及びアバランシ増倍層が積層された半導体受光素子である。そして、光吸収層は、低キャリア濃度（１×１０16ｃｍ-3以下）の空乏化した空乏化層と、高キャリア濃度（１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3）の空乏化しない空乏化終端層との、二層から構成されている。
【００１６】
これに加え、空乏化終端層のキャリア濃度が層厚方向に順次変化することを特徴とする。又は、空乏化終端層の電子親和力をｅχ1、空乏化層の電子親和力をｅχ2とすると、eχ1＞eχ2であり、かつ空乏化終端層の電子親和力が層厚方向に順次変化することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る半導体受光素子の第一実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００１８】
本実施形態の半導体受光素子は、光を吸収して電子ｅ−正孔ｈ対を発生する光吸収層１０と、光吸収層１０で発生した電子によってアバランシ増倍を起こすアバランシ増倍層１２とを備えるとともに、バッファ層１１、アバランシ増倍層１２、電界緩和層１３、光吸収層１０及びキャップ層１６が積層されてなる。そして、光吸収層１０は、動作時に空乏化する空乏化層１４と、空乏化層１４の空乏化を終端する空乏化終端層１５とを備えている。更に、空乏化終端層１５のキャリア濃度は、空乏化層１４のキャリア濃度よりも高く、かつ空乏化終端層１５内の電子を空乏化層１４へ向けて加速する疑似電界が発生するように分布している。
【００１９】
光吸収層１０は、キャリア濃度の低い空乏化した空乏化層１４と、キャリア濃度の高い空乏化しない空乏化終端層１５との、二層から構成されている。そして、空乏化終端層１５のキャリア濃度が段階的又は連続的変化する。このような素子構造にすることにより、空乏化終端層１５では、キャリア濃度の差によりフェルミレベルに傾斜が生じて、キャリア濃度の比と膜厚とに応じた疑似電界が発生する。空乏化終端層１５で発生した光キャリアである電子ｅは、この疑似電界によって加速され、空乏化層１４の端までドリフトすることにより、光電流として寄与する。
【００２０】
このため、本実施形態の半導体受光素子では、図９に示す光吸収層９５が空乏層（光吸収層９４）の終端としてのみ機能する従来構造に比べて、空乏化終端層１５も実際に光を吸収する層として機能させることにより、実効的な光吸収層厚が増大する。ここで、実際の光吸収層膜厚の厚膜化は伴わないことから応答速度は維持され、高速応答かつ高量子効率の特性が実現できる。なお、ドリフト速度が遅いホールｈは誘電緩和時間で短時間に応答しｐ型電極に収集されるため、有効質量が小さく熱拡散速度の大きい高速な電子ｅのみが光キャリアとして光電流に関与する。また、電界緩和層１３は暗電流成分を減少させる作用がある。
【００２１】
図２は図１の半導体受光素子における光吸収層のキャリア濃度を示すグラフであり、図２［１］が第一例、図２［２］が第二例、図２［３］が第三例である。以下、図１及び図２に基づき説明する。
【００２２】
図１における空乏化層１４及び空乏化終端層１５は、図２ではそれぞれｐ−層及びｐ＋層と表記する。ｐ−層のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3以下であり、ｐ＋層のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3である。
【００２３】
図２［１］の第一例では、ｐ＋層がキャリア濃度の異なる二層ｐ１，ｐ２からなる。すなわち、キャリア濃度の異なる二層ｐ１，ｐ２からｐ＋層を構成することにより疑似電界を発生させ、これにより前述した高速応答かつ高量子効率の特性を実現できる。
【００２４】
図２［２］の第二例では、ｐ＋層のキャリア濃度が対数表記において線形的に変化する単層からなる。このとき、その線形変化量の異なる二層以上からなるものとしてもよい。この構成においても、フェルミレベルの傾斜により疑似電界が発生するので、第一例と同様の効果が実現される。
【００２５】
図２［３］の第三例では、ｐ＋層のキャリア濃度が対数表記において指数関数的に変化する。この構成においても、フェルミレベルの傾斜により疑似電界が発生するので、第一例と同様の効果が実現される。また、ｐ＋層においてｐ−層とは反対の端に高い疑似電界がかかることから、ｐ−層から遠い電子（光キャリア）に対する加速がより大きくなるので、更に高速応答かつ高量子効率の特性が実現される。
【００２６】
図３は、図１における空乏化終端層１５の層厚Ｘに対する量子効率増加率Δη及び走行時間増加量Δｔの計算結果を示すグラフである。以下、図１及び図２に基づき説明する。
【００２７】
ここで、空乏化層１４の層厚を１．０μｍ、吸収計数αを１００００／ｃｍ、疑似電界によって得られる電子速度を３×１０７ｃｍ／ｓｅｃとしている。これより、空乏化終端層１５の層厚Ｘを例えば０．５μｍとすると、量子効率増加率Δηは１５％、走行時間増加量Δｔは１．６７ｐｓｅｃとなる。この場合の、空乏化層１４及び空乏化終端層１５を電子が走行する時間は、５ｐｓｅｃであり、１０Ｇｂｐｓ以上の光信号に関して十分に劣化のない応答を示す。
【００２８】
しかし、空乏化終端層１５の層厚Ｘが１μｍ程度になると、キャリア濃度を１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3としても、疑似電界が２ｋＶ／ｃｍ以下となるので、空乏化終端層１５に十分な電界が印加されないことになる。このため、電子速度が劣化して、空乏化終端層１５での走行時間が急激に悪化する。
【００２９】
ここで、１×１０16ｃｍ-3は、空乏化終端層１５が空乏化しないための下限（すなわち空乏化層１４が空乏化するための上限）のキャリア濃度である。１×１０19ｃｍ-3は、空乏化終端層１５が「高キャリア濃度→非発光センター増大→量子効率低下」とならないための上限のキャリア濃度である。
【００３０】
図４は、本発明に係る半導体受光素子の第二実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００３１】
本実施形態の半導体受光素子は、光を吸収して電子ｅ−正孔ｈ対を発生する光吸収層５０と、光吸収層５０で発生した電子によってアバランシ増倍を起こすアバランシ増倍層５２とを備えるとともに、バッファ層５１、アバランシ増倍層５２、電界緩和層５３、光吸収層５０及びキャップ層５６が積層されてなる。そして、光吸収層５０は、動作時に空乏化する空乏化層５４と、空乏化層５４の空乏化を終端する空乏化終端層５５とを備えている。更に、空乏化終端層５５の電子親和力は、空乏化層５４の電子親和力よりも小さく、かつ空乏化終端層５５内の電子を空乏化層１４へ向けて加速する疑似電界が発生するように分布している。
【００３２】
光吸収層５０は、低いキャリア濃度の空乏化した空乏化層５４と、高いキャリア濃度の空乏化しない空乏化終端層５５との、二層から構成されている。かつ、空乏化終端層５５の電子親和力が、段階的又は連続的に変化している。このような素子構造によって、空乏化終端層５５では伝導帯不連続量ΔＥｃによる疑似電界が発生することから、第一実施形態と同様に高速応答かつ高量子効率の特性が実現される。
【００３３】
図５及び図６は図４の半導体受光素子における光吸収層の構造を示すエネルギバンド図であり、図５［１］が第一例、図５［２］が第二例、図６［１］が第三例、図６［２］が第四例である。以下、図４乃至図６に基づき説明する。
【００３４】
図４における空乏化層５４及び空乏化終端層５５は、図５及び図６ではそれぞれｐ−光吸収層及びｐ＋光吸収層と表記する。ｐ−光吸収層のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3以下であり、ｐ＋光吸収層のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3である。
【００３５】
図５［１］［２］に示す第一例及び第二例では、電子親和力の異なる二層からｐ＋光吸収層が構成されている。これらの二層の伝導帯不連続量（電子親和力の差）ΔＥｃから発生する疑似電界により、前述と同様の効果が実現される。
【００３６】
図６［１］に示す第三例では、電子親和力が線形的に変化する単層からｐ＋光吸収層が構成されている。このｐ＋光吸収層は、ＩｎＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ等の混晶半導体において、組成比を順次変化させてバンドギャップを線形的に変化させることにより形成できる。この構造においても、疑似電界の発生によって、前述と同様の効果が実現される。
【００３７】
図６［２］に示す第四例では、電子親和力が指数関数的に変化する単層からｐ＋光吸収層が構成されている。このｐ＋光吸収層は、ＩｎＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ等の混晶半導体において、組成比を順次変化させてバンドギャップを指数関数的に変化させることにより形成できる。この構造においても、疑似電界の発生によって、前述と同様の効果が実現される。
【００３８】
以上、第一及び第二実施形態の半導体受光素子は、高速応答かつ高量子効率の特性を両立させた動作が実現可能であり、またそれを搭載した光通信装置及び光計測装置の性能向上に有効である。
【００３９】
【実施例】
以下、上記実施形態を更に具体化した実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図７［１］は、第一実施形態の一実施例を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００４１】
本実施例の半導体受光素子は、キャリア濃度が層厚方向に順次に変化する空乏化終端層を有するメサ型である。第一実施形態における空乏化層及び空乏化終端層は、それぞれ具体化して光吸収層４０４，４０５と言い換える。
【００４２】
製造方法について説明する。まず、ＩｎＰ基板４０７上に、ＩｎＰバッファ層４０１、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子アバランシ増倍層４０２（層厚０．３μｍ）、ＩｎＰ電界緩和層４０３、ｐ―型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０４（層厚１．０μｍ）、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０５、ＩｎＰキャップ層４０６、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層（図示せず）を、ガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）により順次積層する。続いて、ウェットエッチングによりメサを形成し、ｐ側電極４０８及びｎ側電極４０９を形成し、表面パッシベーション膜４１０を形成する。続いて、鏡面研磨後、ＩｎＰ基板４０７裏面に反射防止膜４１１を形成することにより、半導体受光素子が完成する。
【００４３】
ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０４は、空乏化するように１×１０16ｃｍ-3以下の低いキャリア濃度に設定する。本実施例の特徴部分であるｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０５は、キャリア濃度の傾斜により疑似電界を発生させる構造である。このキャリア濃度は、ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０４に接する側から層厚方向に高濃度化するように設定する。
【００４４】
例えば、図２［１］に示したキャリア濃度（ｐ１＝１×１０17ｃｍ-3、ｐ２＝１×１０19ｃｍ-3）の二層より構成される総膜厚Ｗ＝０．５μｍのｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０５では、２．３６ｋＶ／ｃｍの疑似電界が発生する。図２［１］には二層のＩｎＧａＡｓ層による構成を示したが、二層以上の半導体層で形成され、かつキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3の範囲で傾斜するｐ＋型半導体光吸収層４０５においても、同じような疑似電界が発生する。
【００４５】
また、図２［２］に示したキャリア濃度のｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０５においても、同じような疑似電界が発生する。このキャリア濃度は、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3の範囲で、ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０４に接する側から層厚方向へ、対数表記において線形的に高濃度になるように変化する。なお、図２［２］のような対数表記において線形的なキャリア濃度変化を有する二層以上の半導体層で形成されるｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０５においても、同じような疑似電界が発生する。
【００４６】
更に、図２［３］に示したキャリア濃度のｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０５においても、同じような疑似電界が発生する。このキャリア濃度は、１×１０16ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3の範囲で、ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０４に接する側よりから層厚方向へ非線形状に高濃度になるように変化する。
【００４７】
本実施例のキャリア濃度勾配を有するｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０５を適用した半導体受光素子では、従来のキャリア濃度プロファイルを有する同構造の半導体受光素子と比較して、高速特性を損なうことなく１５％以上の量子効率改善が確認された。
【００４８】
図７［２］は、第二実施形態の一実施例を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００４９】
本実施例の半導体受光素子は、電子親和力が層厚方向に順次に変化する空乏化終端層を有するメサ型である。第二実施形態における空乏化層及び空乏化終端層は、それぞれ具体化して光吸収層７０４，７０５と言い換える。
【００５０】
製造方法について説明する。まず、ＩｎＰ基板７０７上に、ＩｎＰバッファ層７０１、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子アバランシ増倍層７０２（層厚０．３μｍ）、ＩｎＰ電界緩和層７０３、ｐ―型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０４（層厚１．０μｍ）、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０５、ＩｎＰキャップ層７０６、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層（図示せず）を、ガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）により順次積層する。続いて、ウェットエッチングによりメサを形成し、ｐ側電極７０８及びｎ側電極７０９を形成し、表面パッシベーション膜７１０を形成する。続いて、鏡面研磨後、ＩｎＰ基板７０７裏面に反射防止膜７１１を形成することにより、半導体受光素子が完成する。
【００５１】
ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０４は、空乏化するように１×１０16ｃｍ-3以下の低いキャリア濃度に設定する。本実施例の特徴部分であるｐ＋型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０５は、電子親和力の差により疑似電界を発生させる構造である。この電子親和力は、ｐ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０４に接する側から層厚方向に大きくなるように設定する。
【００５２】
例えば、図５［１］に示したｐ＋１層とｐ＋２層との二層から構成される総膜厚０．５μｍの光吸収層７０５を考える。この場合、ｐ＋１層がｐ＋型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層（バンドギャップエネルギＥｇ１＝０．７５ｅＶ）からなり、ｐ＋２層がｐ＋型Ｉｎ０．５３Ａｌ０．０６Ｇａ０．４１Ａｓ層（バンドギャップエネルギＥｇ２＝０．８３ｅＶ）からなるとき、伝導帯不連続量ΔＥｃが５７ｍｅＶであり、これにより１．１ｋＶ／ｃｍの疑似電界が発生する。図５［１］にはｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層とｐ＋型ＩｎＡｌＧａＡｓ層との二層からなる光吸収層７０５を示したが、二層以上の半導体層で形成され、かつ層厚方向に向かってバンドギャップエネルギが大きくなる構成のｐ＋型半導体光吸収層においても、同じように疑似電界が発生する。
【００５３】
また、図６［１］に示した電子親和力の光吸収層７０５でも、同じように疑似電界が発生する。この線形的に変化する電子親和力は、例えばＩｎ０．５３（ＡｌｘＧａ０．４７−ｘ）Ａｓの組成比を連続的に変化させて、バンドギャップエネルギを層厚方向に線形的に変化させることにより得られる。このとき、組成比ｘをｘ＝０からｘ＝０．０６まで連続的に変化させることで、バンドギャップエネルギはＥｇ１＝０．７５ｅＶからＥｇ２＝０．８３ｅＶまで連続的に変化する。なお、バンドギャップエネルギの線形的変化量が異なる二層以上の半導体層から形成されるｐ＋型半導体光吸収層においても、同じように疑似電界が発生する。
【００５４】
更に、図６［２］に示した電子親和力の光吸収層７０５でも、同じように疑似電界が発生する。この電子親和力は、バンドギャップエネルギを層厚方向に指数関数的に変化させることにより得られる。
【００５５】
上記各実施例ではメサ型構造の半導体受光素子を示しているが、プレーナ型構造の半導体受光素子の場合も全て同様である。また、上記各実施例において、アバランシ増倍層としてＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子、電界緩和層としてＩｎＰを用いた素子構造で説明しているが、アバランシ増倍層としてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂからなる超格子層、若しくは単一バルク層を用いた素子構造、電界緩和層としてＩｎＡｌ（Ｇａ）Ａｓ、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）を用いた素子構造、又は、これらの組み合わせで構成される素子構造の場合も全て同様である。更に、図７［２］の実施例において光吸収層７０５としてＩｎＡｌＧａＡｓ層を用いた素子構造で説明したが、ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓＳｂを用いた素子構造の場合も同様である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係る半導体受光素子によれば、光吸収層を空乏化終端層及び空乏化層で構成し、空乏化終端層のキャリア濃度又は電子親和力を段階的又は連続的に変化させることにより、空乏化終端層内の電子を空乏化層へ加速する疑似電界を発生できる。そのため、電子の走行時間を短縮できるので高速応答を達成できるとともに、光吸収層の実効的な層厚を厚くできることにより高量子効率を達成できる。したがって、高速応答かつ高量子効率の特性を実現できる。また、光通信装置又は光計測装置に本発明に係る半導体受光素子を搭載することにより、高速かつ高感度の光受信器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体受光素子の第一実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。
【図２】図１の半導体受光素子における光吸収層のキャリア濃度を示すグラフであり、図２［１］が第一例、図２［２］が第二例、図２［３］が第三例である。
【図３】図１における空乏化終端層の層厚Ｘに対する量子効率増加率Δη及び走行時間増加量Δｔの計算結果を示すグラフである。
【図４】本発明に係る半導体受光素子の第二実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。
【図５】図４の半導体受光素子における光吸収層の構造を示すエネルギバンド図であり、図５［１］が第一例、図５［２］が第二例である。
【図６】図４の半導体受光素子における光吸収層の構造を示すエネルギバンド図であり、図６［１］が第三例、図６［２］が第四例である。
【図７】図７［１］は第一実施形態の一実施例を示す断面図であり、図７［２］は第二実施形態の一実施例を示す断面図である。
【図８】従来の半導体受光素子を示す断面図であり、図８［１］はメサ型構造素子、図８［２］はプレーナ型構造素子である。
【図９】従来の半導体受光素子の構造を示すエネルギバンド図である。
【符号の説明】
１０，５０  光吸収層
１１，５１  バッファ層
１２，５２  アバランシ増倍層
１３，５３  電界緩和層
１４，５４  空乏化層
１５，５５  空乏化終端層
１６，５６  キャップ層
４０１，７０１  ＩｎＰバッファ層
４０２，７０２  ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ超格子アバランシ増倍層
４０３，７０３  ＩｎＰ電界緩和層
４０４，７０４  ｐ−型光吸収層（空乏化層）
４０５，７０５  ｐ＋型光吸収層（空乏化終端層）
４０６，７０６  ＩｎＰキャップ層
４０７，７０７  ＩｎＰ基板
４０８，７０８  ｐ側電極
４０９，７０９  ｎ側電極
４１０，７１０  表面パッシベーション膜
４１１，７１１  反射防止膜
【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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