(57)【要約】【課題】ノイズ光によりフィルタ層で発生したキャリアの受光層への拡散を抑制し、より高感度な半導体受光素子を提供すること。【解決手段】本発明に係る半導体受光素子は、半導体基板１２７と、半導体基板１２７上に形成された第１導電型のバッファ層１２６と、半導体基板１２７上に形成された第２導電型のバッファ層１２２と、第１導電型のバッファ層１２６と第２導電型のバッファ層１２２との間に形成された真性半導体からなる受光層１２３と、第１導電型のバッファ層１２６と第２導電型のバッファ層１２２との間において、受光層１２３の入射側に、受光層１２３と接触して形成されたフィルタ層１２４ａとを備え、フィルタ層１２４ａの受光層１２３との界面における不純物濃度の方が、他方の界面における不純物濃度よりも高いものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型のバッファ層と、
前記半導体基板上に形成された第２導電型のバッファ層と、
前記第１導電型のバッファ層と前記第２導電型のバッファ層との間に形成された真性半導体からなる受光層と、
前記第１導電型のバッファ層と前記第２導電型のバッファ層との間において、前記受光層の入射側に、前記受光層と接触して形成されたフィルタ層とを備え、
前記フィルタ層の前記受光層との界面における不純物濃度の方が、他方の界面における不純物濃度よりも高い半導体受光素子。
【請求項２】
前記フィルタ層の不純物濃度が、前記受光層との界面から他方の界面に向けて単調に減少していることを特徴する請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記フィルタ層内での不純物濃度は１．０×１０１７ｃｍ−３〜５．０×１０１8ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記フィルタ層の組成波長は受信すべき信号光より短く、ノイズ光より長いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記受光層の組成波長が１．５μｍ以上であり、前記フィルタ層の組成波長が１．３１〜１．４５μｍであることを特徴とする請求項４に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記フィルタ層よりも光入射面側に、誘電体多層膜からなる反射防止膜をさらに備え、
当該反射防止膜は、波長１．３１μｍの光に対して９０％以上の反射率を有し、かつ、波長１．５５μｍの光に対して１０％以下の反射率を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体受光素子を備える光送受信モジュール。
【請求項８】
波長１．３１μｍの光を出射し、波長１．５５μｍの光を受信することを特徴とした請求項７に記載の光送受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子及びこれを用いた光送受信モジュールに関し、波長選択機能を有する半導体受光素子及びこれを用いた光送受信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、より高速、大容量、かつ、高機能な光ファイバ通信システムの開発が求められている。特に、光ファイバが家庭まで?がったＦＴＴＨ（Fiber To The Home）システムの普及がめざましく、これらのシステムでは局舎から家庭には波長１．５５μｍの信号光が、家庭から局舎には波長１．３１μｍの信号光が使われている。
【０００３】
詳細には後述するように、ＦＴＴＨシステムにおいて家庭側で用いられる光モジュールでは、波長１．５５μｍの信号光が波長１．３１μｍの光により妨害されるという問題があった。この問題を解決するため、図９に示すような半導体受光素子が提案されている。図９に示す受光素子は、波長１．５５μｍ帯の信号光を受信し、波長１．３μｍ帯のノイズ光を受信しないことを特徴とする。この受光素子は、ＩｎＧａＡｓ層からなる受光層２３、組成波長が１．４０μｍのＩｎＧａＡｓＰ層またはＩｎＡｌＧａＡｓ層からなるフィルタ層２４を備える。以下に、この受光素子の構造及び機能について説明する。
【０００４】
図９に示すように、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型基板２７上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型バッファ層２６、組成波長が１．４０μｍでありｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなるフィルタ層２４、ｉ型ＩｎＧａＡｓからなる受光層（吸収層）２３、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型バッファ層２２が順に積層されている。また、ｎ型バッファ層２６上にはｎ側電極２５が、ｐ型バッファ層２２上にはｐ側電極２１が形成されている。ｎ型基板２７の入射側には、反射防止膜２８が形成されている。入射光はｎ型ＩｎＰ基板２７側から素子に入射する。ここで、入射光には、波長１．５５μｍの信号光と、波長１．３１μｍのノイズ光とが含まれる。
【０００５】
図１０は、動作状態での受光素子のバンド構造である。受光素子では、逆バイアスを印加するため、ｉ型ＩｎＧａＡｓ受光層２３のバンドは傾斜している。ｎ型ＩｎＰ基板２７側から入射する、波長１．３１μｍと波長１．５５μｍとからなる入射光のうち、波長１．３１μｍの入射光は組成波長１．４μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層２４で吸収される。そして、ＩｎＧａＡｓ受光層２３には波長１．５５μｍの入射光のみが進行する。すなわち、波長１．３１μｍのノイズ光は組成波長１．４μｍのフィルタ層２４で吸収され、波長１．５５μｍの信号光はｉ型ＩｎＧａＡｓ受光層２３で吸収される。
【０００６】
ここで、フィルタ層２４は不純物が一様に添加されたｎ型半導体層であるため、外部電界印加時でもバンドは傾斜することはない。このフィルタ層２４で発生した電子−ホール対の大部分は、フィルタ層２４内で拡散し、再結合する。そのため、光電流に寄与しない。一方、ｉ型ＩｎＧａＡｓ受光層２３で発生した電子−ホールは層に印加された電界により、電子はｎ側へホールはｐ側へドリフトし、光電流として寄与することになる。
【０００７】
以上のように、図９に示す受光素子は、波長１．５５μｍと波長１．３１μｍとが含まれる入射光から、波長１．５５μｍの光のみを光電流に効率良く変換していた。このような技術は、例えば、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１１１５４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、フィルタ層２４で発生したホールの一部は、ある確率で受光層２３に進入する。このホールは受光層２３の電界によりｐ型ＩｎＰへドリフトするため、光電流として寄与し、雑音となる。特に、このキャリアはフィルタ層２４内を無秩序に拡散した後、受光層２３に進入し光電流となる。そのため、高速変調においてジッター成分となり、受信エラーに?がる。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、ノイズ光によりフィルタ層で発生したキャリアの受光層への拡散を抑制し、より高感度な半導体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】
【００１０】
本発明に係る半導体受光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１導電型のバッファ層と、前記半導体基板上に形成された第２導電型のバッファ層と、前記第１導電型のバッファ層と前記第２導電型のバッファ層との間に形成された真性半導体からなる受光層と、前記第１導電型のバッファ層と前記第２導電型のバッファ層との間において、前記受光層の入射側に、前記受光層と接触して形成されたフィルタ層とを備え、前記フィルタ層の前記受光層との界面における不純物濃度の方が、他方の界面における不純物濃度よりも高いものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ノイズ光によりフィルタ層で発生したキャリアの受光層への拡散を抑制し、より高感度な半導体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】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１３】
実施の形態１
まず、本発明に係る半導体受光素子を使用したシステムについて説明する。図１は光ファイバ加入者網（ＦＴＴＨ：Fiber to the home）のシステム図である。基地局（ＯＬＴ：Optical Line Terminal）とクライアント側（ＯＮＵ： Optical Network Unit）からなっており、１つのＯＬＴに対して複数のＯＮＵが?がった形態である。図１では、１つのＯＬＴに対して７つのＯＮＵが?がった場合を示している。
【００１４】
ＯＬＴ側の送受信モジュールは、波長１．５５μｍの光を出射して、波長１．３１μｍの光を受信する機能を有している。一方、ＯＮＵ側の送受信モジュールは、波長１．３１μｍの光を出射して、波長１．５５μｍの信号光を受光する機能を有している。
【００１５】
ここで、本発明に係る半導体受光素子は、ＯＮＵ側に用いられる。図２は、本発明に係る半導体受光素子を使用したＯＮＵ側送受信モジュールである。この送受信モジュールは、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）導波路１１、誘電体多層膜からなる波長フィルタ１２、受光素子１３、波長１．３１μｍの信号光を出射するＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feedback Laser Diode）１４を備える。
【００１６】
波長フィルタ１２は、波長１．５５μｍの光を透過し、波長１．３１μｍの光を反射する。そのため、受光素子１３は、波長１．５５μｍの信号光のみが入射するような構成になっている。ところが、実際には、波長フィルタ１２の反射透過特性は十分でない。また、波長１．５５μｍの信号光は、局から伝送路として光ファイバ及び複数の分岐点を通過しているため、減衰した微弱光になっている。一方、波長１．３１μｍの光はモジュール内のＬＤ１４から出射した光であるため、減衰しておらずハイパワーである。そのため、受光素子１３には、局からの信号光１．５５μｍとともに波長１．３１μｍのノイズ光が入射する。従って、受光素子１３には、波長１．５５μｍの光と波長１．３１μｍの光とが同時に入射した場合でも、波長１．５５μｍの光のみを電流に変換する機能が要求される。
【００１７】
次に、実施の形態１に係る受光素子１３について説明する。図３は実施の形態１に係る受光素子１３の断面図である。また、図４はこの受光素子１３の動作時のバンド構造を示す図である。図３に示す受光素子１３は、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型基板１２７上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型バッファ層１２６、組成波長１．４μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型フィルタ層１２４ａ、ｉ型ＩｎＧａＡｓからなる受光層１２３、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型バッファ層１２２、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１３０を備える。これらは、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、ｎ型基板１２７上に順次積層される。
【００１８】
受光領域のみがメサ構造となるように、少なくともｎ型フィルタ層１２４ａの表面が露出するまでエッチング除去されている。図３に示した受講素子では、ｎ型バッファ層１２６の表面が露出するまでエッチングされている。ただし、ｎ型フィルタ層１２４ａの途中でエッチングが止まっていてもよい。
【００１９】
メサ上、メサ側面及びエッチングにより露出したｎ型バッファ層１２６上には、ＳｉＮからなるパッシベーション膜１２９が形成されている。ｐ側電極１２１は、コンタクト層１３０上のパッシベーション膜１２９が除去された領域に形成されている。また、ｎ側電極１２５は、ｎ型バッファ層１２６上のパッシベーション膜１２９が除去された領域に、形成されている。
【００２０】
反射防止膜１２８は、ｎ型基板１２７の光入射面側に、信号光波長を反射しないために形成されている。反射防止膜１２８は膜厚を調整したＳｉＮからなる。例えば、信号波長１．５５μｍの場合、反射防止膜１２８の厚さは約２００ｎｍ程度とするのが好ましい。また、波長選択性効果をさらに得るには、屈折率の異なる誘電体膜を多層に積層した誘電体波長フィルタにすることが望まれる。これにより、反射防止膜１２８は、波長１．３１μｍの光に対して９０％以上の反射率を有し、かつ、波長１．５５μｍの光に対して１０％以下の反射率を有することができる。
【００２１】
ｎ型フィルタ層１２４ａの不純物濃度は、ｎ型バッファ層１２６との界面では１．０×１０１7ｃｍ−３である。一方、ｉ型ＩｎＧａＡｓ受光層１２３との界面では２．０×１０１８ｃｍ−３である。すなわち、ｎ型フィルタ層１２４ａ内で上記不純物濃度が連続的に変化していることを特徴とする。具体的には、ｎ型フィルタ層１２４ａの一方の界面から他方の界面に向けて単調に変化している。
【００２２】
また、ｎ型フィルタ層１２４ａの組成波長は１．３１〜１．４５μｍであることが好ましい。組成波長が１．３１μｍ未満であると波長１．３１μｍのノイズ光を吸収することができない。一方、上限値は信号光の波長１．５５μｍ未満である必要があるが、０．１μｍ程度の余裕を持って設定することが好ましい。すなわち、１．４５μｍであることが好ましい。なお、信号光、ノイズ光の波長はこれに限定されるものではない。
【００２３】
ここで、不純物濃度の範囲は、１．０×１０１７ｃｍ−３〜２．０×１０１8ｃｍ−３の範囲であることが特に好ましいが、１．０×１０１７ｃｍ−３〜５．０×１０１8ｃｍ−３であればよい。不純物濃度が５．０××１０１8ｃｍ−３を超える場合、良好なエピ成長が難しくなる。一方、不純物濃度が１．０×１０１8ｃｍ−３未満の場合、動作時に低濃度フィルタ層領域が空乏化する。そのため、印加電圧がｉ型ＩｎＧａＡｓ受光層１２３に十分に印加されず低電圧駆動に支障をきたす。
【００２４】
図４は、動作時における本素子のバンド構造である。ｎ型フィルタ層１２４ａ中の不純物濃度の違いによるフェルミ準位差により内部電界が生じている。そのため、ｎ型フィルタ層１２４ａのバンドは、受光層１２３側からｎ型バッファ層１２６方向に向けて受光層１２３のバンドと逆方向に傾いている。
【００２５】
上記構造の受光素子１３に、波長１．５５μｍの信号光と波長１．３１μｍのノイズ光が同時に入射した場合、波長１．５５μｍの信号光はｎ型フィルタ層１２４ａを透過し受光層１２３で吸収され電流信号となる。
【００２６】
波長１．３１μｍのノイズ光は、ｎ型フィルタ層１２４ａで吸収され、電子―ホール対を生成する。上記ｎ型フィルタ層１２４ａで生成されたホールは、ｎ型フィルタ層１２４ａに印加されている内部電界によりｎ型バッファ層１２６方向にドリフトする。そして、多数キャリアである電子と再結合して消滅するため、信号電流に寄与しない。従って、波長１．５５μｍと波長１．３１μｍの入射光が混在した場合において、波長１．５５μｍの入射光のみを効率よく光電流に変化することができる。
【００２７】
さらに、図４のバンド構造が示すように、ｎ型フィルタ層１２４ａにより、ｉ型ＩｎＧａＡｓ受光層１２３とｎ型ＩｎＰバッファ層１２６との間に生じる伝導帯不連続を緩和することができる。ｎ型ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層１２４ａがない場合、ｉ−ＩｎＧａＡｓ受光層１２３とクラッド層であるｎ型ＩｎＰバッファ層１２６の境界で、伝導帯に大きいバンド不連続が生じる。本発明に係る４元組成からなるｎ型ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層１２４ａを入れることにより、上記バンド不連続高さを低くすることが可能である。これは、高速応答および低電圧駆動に寄与する。
【００２８】
実施の形態２
次に、本発明に係る受光素子１３の他の実施の形態について説明する。図５は、実施の形態２の受光素子１３である。図３と同一の構成要素は、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。実施の形態１の受光素子１３では、ｎ型基板１２７側から入射されるのに対し、実施の形態２の受光素子１３では、メサ上面側から入射される。入射光はエピタキシャル層表面から入射する。
【００２９】
図５に示すように、実施の形態２の受光素子１３は、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型基板１２７上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型バッファ層１２６、ｉ型ＩｎＧａＡｓからなる受光層１２３、組成波長１．４μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型フィルタ層１２４ｂ、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型バッファ層１２２、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１３０を備える。メサ上面には、入射光が効率良く入射するようにリング状電極及び反射防止膜１２８が形成されている。また、ｎ型基板１２７の反対側には、実装用電極１３１が形成されている。
【００３０】
図６は、濃度勾配を有するｐ型フィルタ層１２４ｂ内での不純物濃度変化を示すグラフである。横軸はｐ型フィルタ層１２４ｂ内での膜厚方向の相対位置である。縦軸はｐ型不純物濃度である。グラフの右端が受光層１２３との界面、左端がｐ型バッファ層１２２との境界である。図６示すように、不純物濃度が受光層１２３との界面からｐ型バッファ層１２２との界面に向けて連続的に変化している。このため、ｐ型フィルタ層１２４ｂ内には、フェルミ準位差に起因した内部電界が生じ、この内部電界は、動作時に受光層１２３に印加された電界と逆方向である。
【００３１】
このとき、入射光のうち波長１．３１μｍの光は、ｐ型フィルタ層１２４ｂで吸収され、電子―ホール対を生成する。上記ｐ型フィルタ層１２４ｂで生成された電子は、ｐ型フィルタ層１２４ｂに印加されている内部電界によりｐ型バッファ層１２２方向にドリフトする。そして、多数キャリアであるホールと再結合して消滅するため、信号電流に寄与しない。一方、入射光のうち波長１．５５μｍの光はｐ型フィルタ層１２４ｂを透過し、受光層１２３で吸収され信号電流として取り出される。従って、本発明により波長１．５５μｍからなる信号光と波長１．３１μｍからなるノイズ光が同時に入射した場合でも、信号光のみを信号電流に変換できる。
【００３２】
さらに、ｐ型フィルタ層１２４ｂにより、ｉ型ＩｎＧａＡｓ受光層１２３とｐ型ＩｎＰバッファ層１２２との間に生じる伝導帯不連続を緩和することができる。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層１２４ｂがない場合、ｉ−ＩｎＧａＡｓ受光層１２３とクラッド層であるｐ型ＩｎＰバッファ層１２２の境界で、伝導帯に大きいバンド不連続が生じる。本発明に係る４元組成からなるｐ型ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層１２４ｂを入れることにより、上記バンド不連続高さを低くすることが可能である。これは、高速応答および低電圧駆動に寄与する。
【００３３】
図６ではｐ型フィルタ層１２４ｂ内の不純物濃度勾配が一定である。ただし、図７に示すように、濃度勾配を層内で変化させてもよい。図７の例では、ｐ型フィルタ層１２４ｂ内の濃度勾配を２段階とし、ｐ型バッファ層１２２側の濃度勾配は、受光層１２３側の濃度勾配の２倍となっている。
【００３４】
実施の形態３
次に、本発明に係る受光素子１３の他の実施の形態について説明する。図８は、実施の形態３の受光素子１３である。図３及び５と同一の構成要素は、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。実施の形態３の受光素子１３は、内部利得を有するＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）構造を備える。
【００３５】
図８に示すように、実施の形態３の受光素子１３は、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型基板１２７上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型バッファ層１２６、ＩｎＡｌＡｓからなる増倍層１３３、ＩｎＡｌＡｓからなる電界緩和層１３２、ｉ型ＩｎＧａＡｓからなる受光層１２３、組成波長１．４μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型フィルタ層１２４ｂ、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型バッファ層１２２、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１３０を備える。ここで、ｐ型フィルタ層１２４ｂ中の不純物濃度は、実施の形態２と同様、受光層１２３との界面からｐ型バッファ層１２２との界面に向けて連続的に変化している。
【００３６】
実施の形態２と同様に、波長１．５５μｍの信号光と波長１．３１μｍのノイズ光を含む入射光は、メサ上面側から入射する。上記構造では、ｐ型フィルタ層１２４ｂで波長１．３１μｍのノイズ光が吸収され、実施の形態１及び２と同様の効果により、電流に寄与しない。そのため、波長１．５５μｍの信号光のみを受信するＡＰＤを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ＦＴＴＨシステムを説明する図である。
【図２】ＯＮＵモジュールを示す図である。
【図３】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４】実施の形態１に係る半導体受光素子のバンド構造を示す図である。
【図５】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６】フィルタ層内での不純物濃度の変化を示すグラフである。
【図７】フィルタ層内での不純物濃度の変化を示すグラフである。
【図８】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９】関連技術の半導体受光素子を示す断面図である。
【図１０】関連技術の半導体受光素子のバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１  光導波路
１２  外部波長フィルタ
１３  受光素子
１４  ＤＦＢ−ＬＤ
１２１  ｐ側電極
１２２  ｐ型バッファ層
１２３  受光層
１２４ａ  ｎ型フィルタ層
１２４ｂ  ｐ型フィルタ層
１２５  ｎ側電極
１２６  ｎ型バッファ層
１２７  ｎ型基板
１２８  反射防止膜
１２９  パッシベーション膜
１３０  ｐ型コンタクト層
１３１  実装用電極
１３２  電界緩和層
１３３  増倍層
【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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