(57)【要約】【課題】本発明は、フォトダイオード間の相互距離に関わらず暗電流を低減できるバランス型フォトダイオードを備える受光素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る受光素子は、ｐ型である第一領域３１を表面に２つ持つ半絶縁性基板１１と、ｎ型半導体層１３とｐ型半導体層１５との間に低濃度半導体層１４を持つ積層構造３５を含み、半絶縁性基板１１のそれぞれの第一領域３１内にｎ型半導体層１３が半絶縁性基板１１側にあるように積層構造３５が形成される第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１及び第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２と、第一バイアス電極１６−１と、第二バイアス電極１７−２と、第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１と第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２との差動信号を出力する出力信号電極パッド１８−３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性がｐ型である第一領域を表面に２つ持つ半絶縁性基板と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層の不純物濃度より低い不純物濃度の低濃度半導体層を持つ積層構造を含み、前記半絶縁性基板のそれぞれの前記第一領域内に前記ｎ型半導体層が前記半絶縁性基板側にあるように前記積層構造が形成される第一ｐｉｎ形フォトダイオード及び第二ｐｉｎ形フォトダイオードと、
前記第一ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｐ型半導体層に接触し、前記第一ｐｉｎ形フォトダイオードに逆バイアスを印加する第一バイアス電極と、
前記第二ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｎ型半導体層に接触し、前記第二ｐｉｎ形フォトダイオードに逆バイアスを印加する第二バイアス電極と、
照射する光による前記第一ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｎ型半導体層からの出力と照射する光による前記第二ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｐ型半導体層からの出力との差動信号を出力する出力信号電極と、
を備える受光素子。
【請求項２】
前記半絶縁性基板は、極性がｐ型である第二領域を表面にさらに２つ持ち、
前記半絶縁性基板のそれぞれの前記第二領域内で前記第二領域上に形成されたパッド用ｎ型半導体層と、
一方の前記第二領域のパッド用ｎ型半導体層上に形成され、前記第一バイアス電極と電気的に接続される第一電極パッドと、
他方の前記第二領域のパッド用ｎ型半導体層上に形成され、前記第二バイアス電極と電気的に接続される第二電極パッドと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光入力に対して差動信号を出力する受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光入力に対して差動信号を出力する受光素子として、バランス形フォトダイオードがある。バランス形フォトダイオードは、様々な方式で位相変調された光信号を復調することができる。原理的に、バランス形フォトダイオードは、同相除去比を確保するため信号ライン長を等長化する必要がある。特に、受信する信号速度の上昇とともに信号ライン長の等長化の精度が求められる。そのため、一対のフォトダイオードを同一の半導体基板の上に集積化した構成とすることが多い（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
図１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成される従来のバランス型フォトダイオードの構造である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。バランス型フォトダイオードは、半絶縁性基板１１上にエピタキシャル成長により形成された同一の接合構造のｐｉｎ形フォトダイオードを２つ備える。第一電極パッド１８−１、第二電極パッド１８−２及び出力信号電極パッド１８−３との接続方法によりｐｉｎ形フォトダイオードの極性を相違させている。すなわち、差動出力を得るには、ｐｉｎ形フォトダイオード３０１のｐ型半導体層１５−１の側からバイアスを印加し、ｎ型半導体層側に出力端子１７−１を配置し、ｐｉｎ形フォトダイオード３０２のｎ型半導体層１３−２の側からバイアスを印加し、ｐ型半導体層の側に出力端子１６−２を配置する。
【特許文献１】特開平０６−１３２５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、２つのｐｉｎ型フォトダイオードの相互間距離は必ずしも十分に大きいとはいえない。さらに、ｐｉｎ型フォトダイオード３０１の出力を取り出すｎ型半導体層１３−１とｐｉｎ型フォトダイオード３０２のバイアス印加部となるｎ型半導体層１３−２とが同じ導電形であり、半絶縁性基板１１であっても導電率は零ではないため、両ｐｉｎ型フォトダイオード間に電気的な導通状態が生じることがある。すなわち、ｐｉｎ型フォトダイオード３０１の出力端子となるｎ型半導体層１３−１はグランド電位に近いのに対して、ｐｉｎ型フォトダイオード３０２のｎ型半導体層１３−２はバイアスにより正の電位となるので、両ｐｉｎ型フォトダイオードのｎ型半導体層との間には、半絶縁性基板１１を介した暗電流が出力ラインに流れる。これは、高温動作時やｐｉｎ形フォトダイオード間の相互距離が短いときにより顕著となる。
【０００５】
図２は、図１のバランス型フォトダイオードの等価回路である。図２では、電流パス２０−３が暗電流の経路に相当する。このように、電流パス２０−３の経路を流れる暗電流により、同相の光信号が入力しても差動信号が零にならず、同相除去比の劣化による安定動作に課題があった。
【０００６】
そこで、前記課題を解決するため、本発明は、フォトダイオード間の相互距離に関わらず暗電流を低減できるバランス型フォトダイオードを備える受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る受光素子は、半絶縁性基板の表面に極性をｐ型とした領域を作り、その領域の上にｐｉｎ形フォトダイオードを形成することとした。
【０００８】
具体的には、本発明に係る受光素子は、極性がｐ型である第一領域を表面に２つ持つ半絶縁性基板と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層の不純物濃度より低い不純物濃度の低濃度半導体層を持つ積層構造を含み、前記半絶縁性基板のそれぞれの前記第一領域内に前記ｎ型半導体層が前記半絶縁性基板側にあるように前記積層構造が形成される第一ｐｉｎ形フォトダイオード及び第二ｐｉｎ形フォトダイオードと、前記第一ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｐ型半導体層に接触し、前記第一ｐｉｎ形フォトダイオードに逆バイアスを印加する第一バイアス電極と、前記第二ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｎ型半導体層に接触し、前記第二ｐｉｎ形フォトダイオードに逆バイアスを印加する第二バイアス電極と、照射する光による前記第一ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｎ型半導体層からの出力と照射する光による前記第二ｐｉｎ形フォトダイオードの前記ｐ型半導体層からの出力との差動信号を出力する出力信号電極と、を備える。
【０００９】
本発明に係る受光素子は、半絶縁性基板の表面にｐ型半導体である第一領域を２つ備える。この第一領域の上にｐｉｎ形フォトダイオードの積層構造をカソードとなるｎ型半導体層を半絶縁性基板側として搭載している。ｐ型半導体層と積層構造のｎ型半導体層との間にｐｎ接合型ダイオードが形成されるため、ｐｉｎ形フォトダイオード間において、半絶縁性基板への暗電流を低減することができる。従って、本発明は、フォトダイオード間の相互距離に関わらず暗電流を低減できるバランス型フォトダイオードを備える受光素子を提供することができる。
【００１０】
本発明に係る受光素子の前記半絶縁性基板は、極性がｐ型である第二領域を表面にさらに２つ持ち、前記半絶縁性基板のそれぞれの前記第二領域内で前記第二領域上に形成されたパッド用ｎ型半導体層と、一方の前記第二領域のパッド用ｎ型半導体層上に形成され、前記第一バイアス電極と電気的に接続される第一電極パッドと、他方の前記第二領域のパッド用ｎ型半導体層上に形成され、前記第二バイアス電極と電気的に接続される第二電極パッドと、をさらに備えることができる。
【００１１】
本発明に係る受光素子は、半絶縁性基板の表面に第二領域であるｐ型半導体層を２つ備える。第一電極パッドと第二電極パッドからのリーク電流を低減することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、フォトダイオード間の相互距離に関わらず暗電流を低減できるバランス型フォトダイオードを備える受光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１４】
（実施の形態１）
図３は、本実施形態である受光素子の構成を示す図である。図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。なお、以下の説明において、枝番号を付さないときは、枝番号全てに共通する説明である。図３の受光素子は、極性がｐ型である第一領域３１を表面に２つ持つ半絶縁性基板１１と、ｎ型半導体層１３とｐ型半導体層１５との間にｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１５の不純物濃度より低い不純物濃度の低濃度半導体層１４を持つ積層構造３５を含み、半絶縁性基板１１のそれぞれの第一領域３１内にｎ型半導体層１３が半絶縁性基板１１側にあるように積層構造３５が形成される第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１及び第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２と、第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１のｐ型半導体層１５−１に接触し、第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１に逆バイアスを印加する第一バイアス電極１６−１と、第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２のｎ型半導体層１３−２に接触し、第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２に逆バイアスを印加する第二バイアス電極１７−２と、照射する光による第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１のｎ型半導体層１３−１からの出力と照射する光による第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２のｐ型半導体層１５−２からの出力との差動信号を出力する出力信号電極パッド１８−３と、を備える。
【００１５】
半絶縁性基板１１は、半絶縁性のＩｎＰ基板である。第一領域３１は、半絶縁性基板１１の表面に形成されたｐ型の領域である。図３の受光素子の場合、第一領域３１はｐ型ＩｎＰ層である。ｎ型半導体層１３はｎ型のＩｎＰの層である。ｐ型半導体層１５はｐ型のＩｎＰの層である。低濃度半導体層１４はｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１５より不純物濃度が低いＩｎＧａＡｓの層である。積層構造３５は、ｎ型半導体層１３、低濃度半導体層１４、ｐ型半導体層１５の順で積層されたｐｉｎ形フォトダイオードの構造である。低濃度半導体層１４はｐｉｎ形フォトダイオードの光吸収層となる。また、低濃度半導体層１４はバイアス印加時には空乏化する。
【００１６】
積層構造３５は、ｎ型半導体層１３が半絶縁性基板１１側になるように第一領域３１上に積層される。従って、ｐ型の第一領域３１とｎ型半導体層１３とはｐｎ接合しており、それぞれのｐｉｎ形フォトダイオードと半絶縁性基板１１との間にダイオードが形成される。このダイオードを寄生ダイオードと呼ぶ。
【００１７】
第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１のｐ型半導体層１５−１の上に第一バイアス電極１６−１が形成される。第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２のｐ型半導体層１５−２の上に出力端子１６−２が形成される。第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１のｎ型半導体層１３−１の上に出力端子１７−１が形成される。第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２のｎ型半導体層１３−２の上に第二バイアス電極１７−２が形成される。
【００１８】
半絶縁性基板１１には、さらに第一電極パッド１８−１、第二電極パッド１８−２及び出力信号電極パッド１８−３が搭載される。第一電極パッド１８−１はワイヤ１９−１で第一バイアス電極１６−１と接続されている。第二電極パッド１８−２はワイヤ１９−２で第二バイアス電極１７−２と接続されている。出力信号電極パッド１８−３はワイヤ１９−３で出力端子１７−１及び出力端子１６−２と接続されている。出力信号電極パッド１８−３は、照射する光による第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１の出力端子１７−１からの出力と照射する光による第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２の出力端子１６−２からの出力との差動信号を出力する。
【００１９】
図４は、図３の受光素子の等価回路である。第一領域３１でｐｉｎ形フォトダイオード間の暗電流を低減できることを図４を利用して説明する。図３の受光素子を動作させるには、まず、所定のバイアス電圧を加える必要がある。第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１には、第一電極パッド１８−１を介してｐ型半導体層１５−１に負の電圧を印加する。第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２には、第二電極パッド１８−２を介してｎ型半導体層１３−２に正の電圧を印加する。いずれのｐｉｎ形フォトダイオードとも逆バイアス状態とする。それぞれのｐｉｎ形フォトダイオードは入射する光信号を光電変換した電気信号を出力端子１７−１及び出力端子１６−２から出力し、それらの差動信号がワイヤ１９−３を通じて出力信号電極パッド１８−３から出力される。出力信号電極パッド１８−３からの差動信号はトランスインピーダンスアンプの入力抵抗２０−４へと流れ込む。
【００２０】
ここで、第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１の出力ノードはおおよそゼロ電位であり、第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２のバイアスのノードは正電位である。第二バイアス電極１７−２に印加されるバイアス電圧は、第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１の寄生ダイオード４０−１にとっては順バイアスであるが、第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２の寄生ダイオード４０−２にとっては逆バイアスとなる。半絶縁性基板１１に電流パス２０−３が存在しても、寄生ダイオード４０−２が第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２の第二バイアス電極１７−２に印加されたバイアス電圧による電流が電流パス２０−３へ流出することを防止する。従って、第二バイアス電極１７−２に印加されたバイアス電圧による電流が第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１の出力端子１７−１に流れ込むことはない。
【００２１】
図３の受光素子のような構成とすることで、同一のエピタキシャル構造を用いて極性の異なるフォトダイオードを製作する際に発生する、「基板の有限な導電率による素子間の電気的導通」の問題を解決することができる。すなわち、図３の受光素子は同相の光信号に対する暗電流の影響を抑制でき、同相除去比を改善することができる。フォトダイオード間の相互距離に関わらず暗電流を低減できるので、対となるフォトダイオード間距離を短くすることができ、動作速度が速いバランス形フォトダイオードを形成することができる。
【００２２】
（実施の形態２）
図５は、本実施形態である受光素子の構成を示す図である。図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。図５の受光素子と図３の受光素子の違いは、第一電極パッド１８−１及び第二電極パッド１８−２の下に半絶縁性基板側からｐ型半導体層、ｎ型半導体層が存在していることである。
【００２３】
具体的には、図５の受光素子の半絶縁性基板１１は、極性がｐ型である第二領域５１を表面にさらに２つ持ち、半絶縁性基板１１のそれぞれの第二領域５１内で第二領域５１上に形成されたパッド用ｎ型半導体層５３と、第二領域５１−１のパッド用ｎ型半導体層５３−１上に形成され、第一バイアス電極１６−１と電気的に接続される第一電極パッド１８−１と、第二領域５１−２のパッド用ｎ型半導体層５３−２上に形成され、第二バイアス電極１７−２と電気的に接続される第二電極パッド１８−２と、をさらに備える。
【００２４】
第二領域５１は、半絶縁性基板１１の表面に形成されたｐ型の領域である。図５の受光素子の場合、第二領域５１はｐ型ＩｎＰ層である。パッド用ｎ型半導体層５３は、第二領域５１の上に形成されるｎ型のＩｎＰの層である。第一電極パッド１８−１は、パッド用ｎ型半導体層５３−１の上に形成される。第二電極パッド１８−２は、パッド用ｎ型半導体層５３−２の上に形成される。ｐ型の第二領域５１とパッド用ｎ型半導体層５３とはｐｎ接合しており、ｐｎ接合型ダイオードが形成される。すなわち、第一電極パッド１８−１及び第二電極パッド１８−２と半絶縁性基板１１との間にｐｎ接合型ダイオードが存在することになる。
【００２５】
製造方法としては、半絶縁性基板１１の上にｐ型のＩｎＰ半導体層を形成し、その上にｎ型のＩｎＰ半導体層を形成する。その後、第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１、第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２、第一電極パッド１８−１及び第二電極パッド１８−２となる部分を残し、半絶縁性基板１１に至るまでエッチングする。同一の半導体層をエッチングで分離しているため、第一領域３１と第二領域５１とは同一の組成であり、ｎ型半導体層１３とパッド用ｎ型半導体層５３とは同一の組成である。
【００２６】
図６は、図５の受光素子の等価回路である。図５の受光素子は第二領域５１及びパッド用ｎ型半導体層５３を備えることで、第一電極パッド１８−１及び第二電極パッド１８−２から半絶縁性基板１１への電流の漏れだしを改善できることを図６を利用して説明する。
【００２７】
第二電極パッド１８−２に正の電圧を印加した際、その下のｐｎ接合型ダイオード６０−２は逆バイアスの状態となる。一方、第一電極パッド１８−１のｐｎ接合型ダイオード６０−１は順バイアス状態となる。このため、ノード６１は負電位となり、第二電極パッド１８−２に印加されるバイアス電圧は、第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１の寄生ダイオード４０−１にとって逆バイアスとなる。また、第二電極パッド１８−２に印加されるバイアス電圧は、第二ｐｉｎ形フォトダイオード３０２の寄生ダイオード４０−２と第二電極パッド１８−２のｐｎ接合型ダイオード６０−２にとって逆バイアスとなる。半絶縁性基板１１に電流パス２０−３、電流パス６０−３及び電流パス６０−４が存在しても、寄生ダイオード４０−２及びｐｎ接合型ダイオード６０−２が第二電極パッド１８−２に印加されたバイアス電圧による電流がこれらの電流パスへ流出することを防止する。従って、第二電極パッド１８−２に印加されたバイアス電圧による電流が第一ｐｉｎ形フォトダイオード３０１の出力端子１７−１に流れ込むことはない。
【００２８】
このように、図５の受光素子は、図３の受光素子の効果に加え、第一電極パッド及び第二電極パッドからのリーク電流の問題を改善することができる。
【００２９】
（実施の形態３）
図３及び図５で受光素子の第一領域がエッチングでメサ型に形成されている第一領域３１の場合を説明した。しかし、本発明に係る受光素子の第一領域は、必ずしもメサ形の形状である必要はない。図７は、本実施形態である受光素子の構成を示す図である。図７では１つのｐｉｎ形フォトダイオードで説明する。
【００３０】
図７の受光素子は、極性がｐ型である第一領域７２を表面に持つ半絶縁性基板７１と、ｎ型半導体層７３とｐ型半導体層７５との間にｎ型半導体層７３及びｐ型半導体層７５の不純物濃度より低い不純物濃度の低濃度半導体層７４を持つ積層構造９５を含み、半絶縁性基板７１の第一領域７２内にｎ型半導体層７３が半絶縁性基板７１側にあるように積層構造９５が形成されるｐｉｎ形フォトダイオード７０１の構造と、ｐｉｎ形フォトダイオード７０１の構造のｐ型半導体層７５に接触し、ｐｉｎ形フォトダイオード７０１の構造に逆バイアスを印加するバイアス電極７６と、照射する光によるｐｉｎ形フォトダイオード７０１の構造のｎ型半導体層７３からの信号を出力する出力電極７７と、を備える。
【００３１】
第一領域７２は埋め込み形のｐ型領域である。第一領域７２はｎ型半導体層７３、低濃度半導体層７４及びｐ型半導体層７５の積層構造９５を形成する前に、ｐ型ドーパントのイオン注入、熱拡散又はｐ型ＩｎＰの選択埋め込み成長などで形成される。図７の受光素子の第一領域７２は、メサ加工された図３及び図５で説明した受光素子の第一領域３１と同様の機能を持つことは言うまでもない。第一領域７２とすることで、ｐｉｎ形フォトダイオードを分離する半絶縁性基板のメサ加工が不要になるため、メサの高さを縮小することができる。メサの高さを低くできることで配線などのためのフォトリソグラフィ加工が容易となるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本実施形態では、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓを半導体材料として用いた受光素子を説明したが、半導体材料の種類を制限するものではない。ＳｉＧｅ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＡＩＧａＡｓ系などの半導体材料に置き換えても同様の効果が得られる。また、半絶縁性基板に第一領域を形成して素子間の暗電流を抑制することは、バランス形フォトダイオードに限らず、他の構造のフォトダイオードや発光素子にも応用することができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の受光素子の構成を示した図である。
【図２】従来の受光素子の等価回路を示した図である。
【図３】本実施形態の受光素子の構成を示した図である。
【図４】本実施形態の受光素子の等価回路を示した図である。
【図５】本実施形態の受光素子の構成を示した図である。
【図６】本実施形態の受光素子の等価回路を示した図である。
【図７】本実施形態の受光素子の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１、７１：半絶縁性基板
１３、１３−１、１３−２、７３：ｎ型半導体層
１４、１４−１、１４−２、７４：低濃度半導体層
１５、１５−１、１５−２、７５：ｐ型半導体層
１６−１：第一バイアス電極
１６−２：出力端子
１７−１：出力端子
１７−２：第二バイアス電極
１８−１：第一電極パッド
１８−２：第二電極パッド
１８−３：出力信号電極パッド
１９−１：１９−２、１９−３：ワイヤ
２０−３、６０−３、６０−４：電流パス
２０−４：トランスインピーダンスアンプの入力抵抗
３１、３１−１、３１−２、７２：第一領域
３５、９５：積層構造
４０−１、４０−２：寄生ダイオード
５１、５１−１、５１−２：第二領域
５３、５３−１、５３−２：パッド用ｎ型半導体層
６０−１、６０−２：ｐｎ接合型ダイオード
６１：ノード
７６：バイアス電極
７７：出力電極
３０１：第一ｐｉｎ形フォトダイオード
３０２：第二ｐｉｎ形フォトダイオード
７０１：ｐｉｎ形フォトダイオード
【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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