(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性の半導体基板上に、大面積の一導電型半導体層と小面積の半導体層からなる光吸収層とを順次積層し、光吸収層の上に逆導電型半導体層と第一の電極とを順次設け、さらに前記一導電型半導体層の露出面に第二の電極を、前記半導体基板の裏面に第三の電極を形成して、第一の電極と第二の電極との間、第二の電極と第三の電極との間に、それぞれ逆バイアスにて電圧印加することを特徴とする半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体受光素子に関し、特に光ファイバー通信などを使用する半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバー通信において半導体受光素子は広く用いられている。
この光通信用の受光素子の特性としては、応答速度、受光感度、波長感度帯域の各特性を向上させることを主眼に開発されている。
【０００３】
そして、最近の通信業界における情報の伝達量の増加が著しく、これに伴い、受光素子もより応答速度が高いものが要求される。
【０００４】
図３は、従来の代表的な半導体受光素子であり、ＩｎＧａＡｓ/ＩｎＰのＰＩＮフォトダイオードの構造を示す断面図である。
【０００５】
２０はn型ＩｎＰ基板であり、このn型ＩｎＰ基板２０上にn型ＩｎＰバッファ層２１、n-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２、n-型ＩｎＰ窓層２３とを順次成長したものであって、さらにn-型ＩｎＰ窓層２３の一部の領域に選択的にＺｎなどの不純物を拡散し、p+型のＩｎＰ領域２４を設けている。また、素子の受光表面には絶縁膜２５と表面電極２６が設けられ、n型ＩｎＰ基板２０の裏面にも他方の電極２６が設けられている。
【０００６】
上記構成の半導体受光素子においては、対向する電極２６の間に逆バイアス電圧を印加し、そして、この逆バイアスを印加した状態では、図6のエネルギー・バンド図で示すように、n-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２のほとんどの領域は空乏化され、この状態で光２７が素子表面に入射すると、n-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で励起されたキャリアはn-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２内の電界によって正孔はp+型のＩｎＰ領域２４へ、電子はn型ＩｎＰバッファ層２１へと移動して光電流が流れる。
【０００７】
一方、特開平０３-１０９７７９号によれば、さらに多層膜反射層を設けて受光感度を向上させる技術が提案されている。
【０００８】
図４は、この半導体受光素子の断面図であり、n型ＩｎＰ基板２０上にn型ＩｎＰバッファ層２１、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰから形成される多層膜反射層２８、n-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２、n-型ＩｎＰ窓層２３とを順次成長させたものであり、その他の構成は図３に示す半導体受光素子と同じである。
【０００９】
このようにn型ＩｎＰバッファ層２１とn-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２との間にＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰから形成される多層膜反射層２８を設けることで、入射光２７を多層膜反射層２８にて上方へ反射させ、これによって光吸収層２２に吸収させ、その結果、受光感度が向上する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すような半導体受光素子によれば、受光感度を向上させるには、入射光がほぼ全てn-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２にて吸収されるのがよいが、そのためにはn-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２の膜厚を厚くする必要がある。
【００１１】
しかしながら、n-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を必要以上に厚くすると光吸収層２２を走行するキャリアの走行時間が遅くなり、応答速度の劣化が起こってくる。
【００１２】
一方、図４にて示す如く、特開平０３-１０９７７９号によれば、多層膜反射層２８を設けることで、入射光２７を多層膜反射層２８にて上方へ反射させ、これによって光吸収層２２に吸収させ、受光感度が向上するが、その反面、多層膜反射層を設けることで製造工程数が増え、しかも、この反射層に用いる膜厚は数十Åの制御が必要となり、そのために製造工程が複雑化する。
【００１３】
したがって本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は製造工程を複雑化させないで、受光感度を向上させ、これによって高性能かつ低コストな半導体受光素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体受光素子は、半絶縁性の半導体基板上に、大面積の一導電型半導体層と小面積の半導体層からなる光吸収層とを順次積層し、光吸収層の上に逆導電型半導体層と第一の電極とを順次設け、さらに前記一導電型半導体層の露出面に第二の電極を、前記半絶縁性半導体基板の裏面に第三の電極を形成して、第一の電極と第二の電極との間、第二の電極と第三の電極との間に、それぞれ逆バイアスにて電圧印加することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体受光素子をＩｎＧａＡｓ/ＩｎＰのＰＩＮフォトダイオードを例にして説明する。
【００１６】
図１は本発明の半導体受光素子の上面図であり、図２は図１における切断面線Ａ−Ａ’による概略断面図である。
【００１７】
１０は半絶縁性半導体からなるＩｎＰ基板であり、このＩｎＰ基板１０の上に前記大面積の一導電型半導体層であるn型ＩｎＰバッファ層１１と、小面積のn-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２とを順次積層し、この光吸収層１２の上に前記逆導電型半導体層であるn-型ＩｎＰ窓層１３を設ける。このＩｎＰ窓層１３の内部にはp+型ＩｎＰ拡散領域１４を形成している。
【００１８】
さらに素子の受光表面には前記第一の電極である電極１６ａを形成し、n型ＩｎＰバッファ層１１の露出面に第二の電極である電極１６ｂを形成し、ＩｎＰ基板１０の裏面に第三の電極である電極１６ｃを形成し、また、素子には絶縁膜１５を被覆している。
【００１９】
次に各層を詳述する。
【００２０】
ＩｎＰ基板１０は(１００)面を<０１１>方向に２°のオフアングルの付いた半絶縁性半導体基板である。
【００２１】
n型ＩｎＰバッファ層１１は一導電型不純物(Ｓｉ等)を１×１０17〜１０19原子/cm3 程度含有させ、そして、２〜３μｍ程度の厚みに形成する。
【００２２】
n-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２は、不純物を含有しないノンドープであるが、実際には一導電型不純物(Ｓｉ等)を８×１０13 原子/cm3程度含有しており、２〜３μｍ程度の厚みである。
【００２３】
n-型ＩｎＰ窓層１３は、不純物を含有しないノンドープであるが、実際には一導電型不純物(Ｓｉ等)を８×１０13 原子/cm3程度含有しており、１μｍ程度の厚みである。
【００２４】
p+型ＩｎＰ拡散領域１４は亜鉛(Ｚｎ)の逆導電型半導体不純物を１×１０17〜１０19原子 原子/cm3 程度含有し、０.１〜０.２μｍ程度の厚みである。
【００２５】
絶縁膜１５は窒化シリコン(ＳｉNx)などから形成され、３０００Å程度の厚みである。
【００２６】
電極１６a、電極１６cは金/金・亜鉛 (Au/AuＺｎ)、電極１６b金/金・ゲルマニウム (Au/AuGe)などから形成され、厚み３０００Å程度である。
【００２７】
かくして上記構成の半導体受光素子によれば、さらに段差となったn型ＩｎＰバッファ層１１の露出面に電極１６ｂを設け、そして、電極１６ａと電極１６ｂとの間に逆バイアス電圧を印加すると、図６に示すエネルギーバンドと同様な図が得られる。
【００２８】
しかし、さらに電極１６ｃと電極１６ｂとの間にも逆バイアス電圧を印加すると、図5に示すようなエネルギー・バンド図が得られる。
【００２９】
図６と対比するに、電極１６ｃと電極１６ｂとの間にも逆バイアス電圧を印加することにより、n型ＩｎＰバッファ層１１と基板１０との界面付近に電位障壁が形成され、キャリアの閉じ込めを生じさせる。よって、入射光１７により生成したキャリアが、それぞれp+型ＩｎＰ拡散領域１４、n型ＩｎＰバッファ層１１の双方にドリフトされ、その結果、生成したキャリアが、バンドギャップが大きいＩｎＰ基板１０へドリフトしなくなり、受光感度が向上する。
【００３０】
また、本発明によれば、図４にて示す如く、多層膜反射層２８を設けていないので、その点で、製造工程数が増えなくなり、その分、製造工程が簡略化する。
【００３１】
【実施例１】
（例１）
次にＭＯＣＶＤ法にてエピタキシャル成長させて、本発明の半導体発光素子をＩｎＧａＡｓ系半導体受光素子にて作製し、その評価テストをおこなった。この作製には（１）〜（８）の各工程を順次経る。
【００３２】
（１）工程：
ＩｎＰ基板１０には(１００)面を<０１１>方向に２°のオフアングルの付いた半絶縁性基板を用いる。そして、水素(Ｈ2)とホスフィン(ＰＨ3)との雰囲気中で基板温度を５５０℃まで加熱する。
【００３３】
この工程では、Ｐ元素の離脱によるＩｎＰ基板の熱劣化を防ぐために、Ｖ族原料ガスであるホスフィンの分圧を上げるとよい。
【００３４】
（２）工程：
III族原料ガスであるトリメチルインジウム(以下、ＴＭＩ)とＶ族原料ガスであるホスフィン(ＰＨ3)を供給し、ドーパントガスとしてシランガス(ＳｉＨ4)を用いて、５５０℃にてn型ＩｎＰバッファ層１１をエピタキシャル成長させる。
【００３５】
この層１１における半導体不純物Ｓｉの濃度は３×１０18原子/cm3 であり、膜厚は３μｍにした。
【００３６】
（３）工程：
III族原料ガスであるＴＭＩとトリメチルガリウム(以下、ＴＭＧ)、Ｖ族原料ガスであるアルシンガス(ＡｓＨ3)を供給して、５６０℃にてn-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の成長を行う。膜厚は２μｍに形成する。
【００３７】
なお、不純物を含有しないノンドープであるが、実際には反応管壁に残留したＳｉや有機物からのＣなどを８×１０13 原子/cm3程度含有している。
【００３８】
（４）工程：
次にIII族原料ガスであるＴＭＩとＶ族原料ガスであるホスフィン(ＰＨ3)を供給し、５５０℃にてn-型ＩｎＰ窓層１３の成長を行う。膜厚は１μｍに形成する。このn-型ＩｎＰ窓層１３も先ほどのn-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２と同様、不純物を含有しないノンドープであるが、実際には反応管壁に残留したＳｉや有機物からのCなどを８×１０13 原子/cm3程度含有している。
【００３９】
（５）工程：
硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いてメサ構造を形成する。続けてn型ＩｎＰバッファ層１１の一部が露出するように、同じく硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いてエッチングを行なう。
【００４０】
（６）工程：
プラズマCVD法にてシランガス(ＳｉＨ4)とアンモニア(NＨ4)を用いて、厚さ１０００Åの窒化シリコン(ＳｉNｘ)からなる選択拡散マスクパターンをn-型ＩｎＰ窓層１３上に形成する。その後、砒素亜鉛(ＺｎＡｓ)のインゴットと伴に試料を石英のアンプル管に封入し、拡散炉にて熱拡散を行いp+型ＩｎＰ拡散領域を形成する。拡散温度は５００℃にて行う。
【００４１】
（７）工程：
前工程での拡散後に、フッ酸(ＨＦ)にて選択拡散マスクパターンを除去し、再びプラズマCVD法でシランガス(ＳｉＨ4)とアンモニア(NＨ4)を用いて窒化シリコン(ＳｉNx)からなる絶縁膜１５を形成する。
【００４２】
（８）工程：
しかる後、蒸着法やスパッタリング法を用いて電極１６aを金/金・亜鉛 (Au/AuＺｎl)、電極１６bを金/金・ゲルマニウム (Au/AuGe)にて、２５００Åの厚みに形成する。そして、基板裏面に電極１６cを金/金・亜鉛 (Au/AuＺｎ)にて、２５００Åの厚みに形成する。
【００４３】
かくして得られた半導体受光素子について、波長１．３１μｍの光源を用いて、図７の回路図に示すように▲１▼電極１６aと電極１６bに逆バイアス電圧を印加した場合、▲２▼電極１６aと電極１６bに逆バイアス電圧、電極１６cと電極１６bに逆バイアス電圧に印加した場合に分けて受光感度の測定を行った。
【００４４】
この測定には光パワーメーターを用いて光強度を求め、その光強度の光を本発明の受光素子に入射し、エレクトロメーターにて光電流の測定を行い、その比率を求めた。
【００４５】
このような測定の結果、従来技術と同様の▲１▼場合であれば、受光感度が０.８９Ａ／Ｗであったのに対し、▲２▼の場合では受光感度が０.９２Ａ／Ｗに向上した。
【００４６】
（例２）
（例１）においては、ＩｎＧａＡｓ/ＩｎＰのＰＩＮフォトダイオードを作製したが、本例においては、これに代えてＧａＡｓ/ＧａＡｓのＰＩＮフォトダイオードを作製し、同様に測定し評価を行った。なお、本例においても図１と図２に示すとおりの構成であることから、同一符号を用いる。
【００４７】
この作製には（１）〜（８）の各工程を順次経る。
【００４８】
（１）工程：
ＧａＡｓ基板１０には(１００)面を<０１１>方向に２°のオフアングルの付いた半絶縁性基板を用いる。そして、水素(Ｈ2)とアルシン(ＡｓＨ3)との雰囲気中で基板温度を７００℃まで加熱する。
【００４９】
（２）工程：
ＴＭＧとアルシン(ＡｓＨ3)を供給し、ドーパントガスとしてシランガス(ＳｉＨ4)を用いて、６４０℃にてn型ＧａＡｓバッファ層１１をエピタキシャル成長させる。半導体不純物Ｓｉの濃度は２×１０18原子/cm3 であり、膜厚は３μｍにした。
【００５０】
（３）工程：
ＴＭＧとアルシンガス(ＡｓＨ3)を供給して、６４０℃にてn-型ＧａＡｓ光吸収層１２の成長を行う。膜厚は1.5μｍに形成する。不純物を含有しないノンドープであるが、前述の如く反応管壁に残留したＳｉや有機物からのＣなどを８×１０13 原子/cm3程度含有している。
【００５１】
（４）工程：
次にIII族原料ガスであるＴＭＧとトリメチルアルミニウム(以下、ＴＭＡ)とアルシンガス(ＡｓＨ3)を供給し、６４０℃にてn-型ＡｌＧａＡｓ窓層１３の成長を行う。膜厚は１μｍに形成する。このn-型ＡｌＧａＡｓ窓層１３も前述のn-型ＧａＡｓ光吸収層１２と同様、不純物を含有しないノンドープであるが、反応管壁に残留したＳｉや有機物からのＣなどを８×１０13 原子/cm3程度含有している。
【００５２】
（５）工程：
硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いてメサ構造を形成する。続けてn型GaAsバッファ層１１の一部が露出するように、同じく硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いてエッチングを行なう。
【００５３】
（６）工程：
プラズマCVD法にてシランガス(ＳｉＨ4)とアンモニア(NＨ4)を用いて、厚さ8０００Åの窒化シリコン(ＳｉNｘ)からなる選択拡散マスクパターンをn-型ＡｌＧａＡｓ窓層１３上に形成する。その後、砒素亜鉛(ＺｎＡｓ)のインゴットと伴に試料を石英のアンプル管に封入し、拡散炉にて熱拡散を行いp+型ＩｎＰ拡散領域を形成する。拡散温度は５００℃にて行う。
【００５４】
（７）工程：
前工程での拡散後に、フッ酸(ＨＦ)にて選択拡散マスクパターンを除去し、再びプラズマCVD法でシランガス(ＳｉＨ4)とアンモニア(NＨ4)を用いて窒化シリコン(ＳｉNx)からなる絶縁膜１５を形成する。
【００５５】
（８）工程：
しかる後、蒸着法やスパッタリング法を用いて電極１６aを金/金・亜鉛 (Au/AuＺｎl)、電極１６bを金/金・ゲルマニウム (Au/AuGe)にて、２５００Åの厚みに形成する。そして、基板裏面に電極１６cを金/金・亜鉛 (Au/AuＺｎ)にて、２５００Åの厚みに形成する。
【００５６】
かくして得られた半導体受光素子について、波長８５０ｎｍの光源を用いて、図７に示す如く同様に▲１▼電極１６aと電極１６bに逆バイアス電圧を印加した場合、▲２▼電極１６aと電極１６bに逆バイアス電圧、電極１６cと電極１６bに逆バイアス電圧に印加した場合に分けて受光感度の測定を行ったところ、従来技術と同じ仕様の▲１▼の場合では受光感度が０.５８Ａ／Ｗであったのに対し、▲２▼の場合では受光感度が０.６０Ａ／Ｗに向上した。
【００５７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の半導体受光素子によれば、半絶縁性の半導体基板上に大面積の一導電型半導体層と小面積の半導体層からなる光吸収層と逆導電型半導体層と第一の電極とを順次設け、さらに一導電型半導体層の露出面に第二の電極を、半導体基板の裏面に第三の電極を形成して、第一の電極と第二の電極との間、第二の電極と第三の電極との間に、それぞれ逆バイアスにて電圧印加することで、光吸収層を必要以上に厚くしなくても、受光感度を向上させることができた。
【００５８】
しかも、製造工程を複雑化させないことで、製造コストが低減され、これによって低コストな半導体受光素子が提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体受光素子の上面図である。
【図２】図１における切断面線Ａ−Ａ’による概略断面図である。
【図３】従来の半導体受光素子の概略断面図である。
【図４】従来の他の半導体受光素子の概略断面図である。
【図５】本発明の半導体受光素子のエネルギー・バンド図である。
【図６】従来の半導体受光素子のエネルギー・バンド図である。
【図７】▲１▼の場合は従来の素子に相当する等価回路図であり、▲２▼の場合は本発明の素子に相当する等価回路図である。
【符号の説明】
１０・・・ＩｎＰ基板
１１・・・n型ＩｎＰバッファ層
１２・・・n-型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１３・・・n-型ＩｎＰ窓層
１４・・・p+型ＩｎＰ拡散領域
１５・・・絶縁膜
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ・・・電極
【図１】
0004044738.tif 000002
【図２】
0004044738.tif 000003
【図３】
0004044738.tif 000004
【図４】
0004044738.tif 000005
【図５】
0004044738.tif 000006
【図６】
0004044738.tif 000007
【図７】
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