(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電形を有する第１の半導体層と第２の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる受光部分を基板上に設けてなる半導体受光素子において、
前記光受光層を除く基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、
表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、
前記光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、前記光受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、
該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
真性又は第１の導電形を有する第１の半導体層と同じく第１の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる受光部分とからなる成長層を基板上に設ける一方で、
表面側の第１の半導体層の主たる内側部分又は前記光受光層の一部分を含んで第１の半導体層の主たる内側部分が不純物の拡散によって選択的に第２の導電形に転換し、
更に、前記光受光層を除く前記基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【請求項３】
真性又は第１の導電形を有する第１の半導体層と同じく第１の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる受光部分とからなる成長層を基板上に設ける一方で、
表面側の第１の半導体層の主たる内側部分又は前記光受光層の一部分を含んで第１の半導体層の主たる内側部分がイオン注入法とその後のアニールによって選択的に第２の導電形に転換し、
更に、前記光受光層を除く前記基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【請求項４】
第１の導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子において、
前記光受光層を除く基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、
表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、
光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、
該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５】
前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）よりなることを特徴とする請求項４記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなることを特徴とする請求項４記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記光受光層と前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層との間に、前記光受光層と同一の組成から前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層と同一の組成へと連続的又は階段的に変化する組成勾配を有する傾斜組成層を介装したことを特徴とする請求項４、５又は６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、半導体受光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の屈折型半導体受光素子は、図２（ａ）に示すように、光入射傾斜端面が最表面層から光受光層を横切って形成されているか又は、図２（ｂ）に示すように光受光層の直下の層より光受光層に接して傾斜が始まる構造になっている。
尚、図２（ａ）中、２１ａは光入射端面、２２ａはｐ−ＩnＰ層、２３ａはＩnＧaＡs光受光層、２４ａはｎ−ＩnＰ層、２５ａはｎ−ＩnＰ基板、２６ａはｐ電極、２７ａはｎ電極である。
また、図２（ｂ）中、２１ｂは光入射端面、２２ｂはｐ−ＩnＰ層、２３ｂはＩnＧaＡs光受光層、２４ｂはｎ−ＩnＰ層、２５ｂはｎ−ＩnＰ基板、２６ｂはｐ電極、２７ｂはｎ電極である。
【０００３】
このような受光素子の製作工程において、ブロムメタノール等のウェットエッチングを用いて逆メサ光入射端面２１ａを形成する際、ナローギャップである光受光層２３ａを含むエッチングやエッチングの直近に光受光層２３ａが存在するエッチングでは、ナローギャップである光受光層２３ａはエッチング速度が相対的に早く、また、サイドエッチングが入りやすいため、深いエッチングの際中に、不均一なサイドエッチングが起きたりするなどのエッチングむらが発生しやすく、エッチング面に微小な凹凸や波打ちが発生するという問題がある。
【０００４】
入射光のスポットサイズが大きい場合は、凹凸や波打ちの影響は小さいが、先球ファイバやレンズを用いて光ビームが絞られて入射される場合、この影響が現れ、ビームが散乱されるようになりビームの集光性が低下する等の問題がある。また、従来構造では、高速応答を得るためには、入射位置はできる限り最表面側に設定し、受光面積が最小になるようにしなければならず、入射光位置が基板側へ下がると、これに対し受光できるように受光部分を長くする必要がある。
これに伴い、受光面積が増大し高速応答性能が劣化するという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、屈折型光受光素子において、微小サイズの光ビームに対しても極めて平坦な傾斜入射端面を有する屈折型光受光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、第１の導電形を有する第１の半導体層と第２の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる受光部分を基板上に設けてなる半導体受光素子において、前記光受光層を除く基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、前記光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、前記光受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る半導体受光素子の製造方法は、真性又は第１の導電形を有する第１の半導体層と同じく第１の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる受光部分とからなる成長層を基板上に設ける一方で、表面側の第１の半導体層の主たる内側部分又は前記光受光層の一部分を含んで第１の半導体層の主たる内側部分が不純物の拡散によって選択的に第２の導電形に転換し、更に、前記光受光層を除く前記基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成する本発明の請求項３に係る半導体受光素子の製造方法は、真性又は第１の導電形を有する第１の半導体層と同じく第１の導電形を有する第２の半導体層及び前記第１の半導体層と第２の半導体層に挟まれた光受光層とからなる受光部分とからなる成長層を基板上に設ける一方で、表面側の第１の半導体層の主たる内側部分又は前記光受光層の一部分を含んで第１の半導体層の主たる内側部分がイオン注入法とその後のアニールによって選択的に第２の導電形に転換し、更に、前記光受光層を除く前記基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成する本発明の請求項４に係る半導体受光素子は、第１の導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子において、前記光受光層を除く基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を、光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、受光層がある表面側から逆メサエッチングにより形成し、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の請求項５に係る半導体受光素子は、請求項４において、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）よりなることを特徴とする。
上記目的を達成する本発明の請求項６に係る半導体受光素子は、請求項４において、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなることを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成する本発明の請求項７に係る半導体受光素子は、請求項４、５又は６において、前記光受光層と前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層との間に、前記光受光層と同一の組成から前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層と同一の組成へと連続的又は階段的に変化する組成勾配を有する傾斜組成層を介装したことを特徴とする。
【００１２】
〔作用〕
本発明は、受光部分を有する半導体受光素子において、図１に示すように前記光受光層を除く基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分には、光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにし、光受光層で入射光が吸収され高効率で電流して検出できるようにしたものである。従来技術に対し、光入射端面が極めて平坦に安定に形成できる点に特徴がある。
【００１３】
ここで、光入射端面は前記光受光層を除く基板側半導体層及び前記基板の端面の表面側部分、又は前記基板の端面の表面側部分に、光受光層よりなる受光部分に対して有限の長さ離れた所から形成されるために、光入射端面形成時にエッチング速度が相対的に早いナローギャップの光受光層をエッチングすることがなくなり、エッチングむらがほぼ発生せず、歩留まり良く平坦な光入射端面が形成できる。従って、本発明では、ナローギャップの光受光層が光入射端面を形成する半導体層に含まれず、また、ナローギャップの光受光層部分が光入射端面に接していないため、深いエッチングの際中に、不均一なサイドエッチングが起きたりするなどのエッチングむらの発生がほとんどなく、極めて平坦な光入射端面が得られる。
【００１４】
この結果、先球ファイバやレンズを用いて絞られた光ビームに対しても端面での散乱はなくなり、ビームの集光性が維持され、微小受光面積で光が受光できるようになり、超高速の受光素子が製作可能となる。
また、受光部分を光入射端面と有限の長さ離して製作することは受光部分を光入射端面と完全に独立に製作できることを意味し、従って、光をレンズ等で絞って入射する場合、焦点のビームサイズと同等まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能となる。
また、入射光位置が最表面に対して基板側へ下がっても、これに合わせて屈折を考慮して受光部分を受光面積を増やすことなく最適な位置に設定できるため、石英系光導波路等の上にハイブリッド集積する時等、フレキシブルに対応できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例を図１に示す。
図１において、１１は光入射端面、１２は１μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１３は１．０μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、１５は半絶縁性ＩnＰ基板、１６はｐ電極、１７はｎ電極である。素子の光受光層面積は１０μｍ×２０μｍである。
なお、本実施例では、光入射端面１１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。
【００１６】
この時、逆メサエッチングは、ＩnＰのみより成るｎ−ＩnＰ層１４と半絶縁性ＩnＰ基板１５に行われるため、均一な平坦性の良い傾斜光入射端面１１が、歩留まり良く形成できる。
また、光受光層１３を含む受光部分からは８μｍ離れた所にエッチング用マスクを形成し、３０μｍ程度の深い逆メサエッチングを施しており、この時、３μｍ程度のサイドエッチングが起きるが、受光部分は、サイドエッチング部分に接することはなく、従って、光受光層１３が相対的にエッチング速度が早いこと等に起因した異常なサイドエッチングや、エッチングむら等が発生することもない。また、メサ角の揃った均一な素子が製作できる。
【００１７】
もちろん、逆メサは他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
いずれの方法に対しても、エッチング対象が均一組成のＩnＰ層のみであるため、エッチングむらが発生しにくく、歩留り良く平坦な光入射端面１１が形成できる。
このように極めて平坦な光入射端面１１が形成できるため、光入射端面１１に無反射膜を形成することにより、先球ファイバでビーム径を絞った波長１．３μｍの光においても、光入射端面１１でビームが散乱されることなく集光性良く受光部分に屈折光が導入され、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００１８】
また、このような小サイズの受光面積で受光できるため、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作が可能であった。
このように、受光部分を光入射端面１１と離して製作することは受光部分を光入射端面１１と完全に独立に製作できることを意味し、従って、光をレンズ等で絞って入射する場合、焦点のビームサイズと同等まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能となる。
また、入射光位置が最表面に対して基板側へ下がっても、これに合わせて屈折を考慮して受光部分を受光面積を増やすことなく最適な位置に設定できるため、石英系光導波路であるＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）上にハイブリッド集積する時、光軸位置の変化に対し、高速性能を劣化させることなくフレキシブルに対応できた。
【００１９】
本実施例では、基板側にｎ−ＩnＰ層を用いた例であるが、ｐ−ＩnＰ層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩnＰやｐ−ＩnＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、光受光層１３として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＡＧＭ（Separate-absorption-graded-multiplication）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Separate absorption and multiplication superlattice）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良いことは言うまでもない。
また、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００２０】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例を図３に示す。
図３において、３１は光入射端面、３２は１μｍ厚ＩnＰ層、３２２はＺn拡散により形成したｐ−ＩnＰ層、３３は１．０μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、３４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、３５は半絶縁性ＩnＰ基板、３６はｐ電極、３７はｎ電極である。素子の光受光層面積は１０μｍ×２０μｍである。
なお、本実施例では、光入射端面３１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。
【００２１】
この時、逆メサエッチングは、ＩnＰのみより成るｎ−ＩnＰ層３４とＩnＰ基板３５に行われるため、均一な平担性の良い傾斜光入射端面３１が、歩留まり良く形成できる。
また、光受光層３３を含む受光部分からは８μｍ離れた所にエッチング用マスクを形成し、３０μｍ程度の深い逆メサエッチングを施しており、この時、３μｍ程度のサイドエッチングが起きるが、受光部分は、サイドエッチング部分に接することはなく、従って、光受光層３３が相対的にエッチング速度が早いこと等に起因した異常なサイドエッチングや、エッチングむら等が発生することもない。また、メサ角の揃った均一な素子が製作できる。
【００２２】
もちろん、逆メサは他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
いずれの方法に対しても、エッチング対象が均一組成のＩnＰ層のみであるため、エッチングむらが発生しにくく、歩留り良く平坦な光入射端面３１が形成できる。
【００２３】
このように極めて平坦な光入射端面３１が形成できるため、光入射端面３１に無反射膜を形成することにより、先球ファイバでビーム径を絞った波長１．３μｍの光においても、光入射端面３１でビームが散乱されることなく集光性良く受光部分に屈折光が導入され、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
暗電流は、無反射膜形成後においても１０ｐＡ程度の十分小さな値が得られた。
また、このような小サイズの受光面積で受光できるため、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作が可能であった。
【００２４】
このように、受光部分を光入射端面３１と離して製作することは受光部分を光入射端面３１と完全に独立に製作できることを意味し、従って、光をレンズ等で絞って入射する場合、焦点のビームサイズと同等まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能となる。
また、入射光位置が最表面に対して基板側へ下がっても、これに合わせて屈折を考慮して受光部分を受光面積を増やすことなく最適な位置に設定できるため、石英系光導波路であるＰＬＣ上にハイブリッド集積する時、光軸位置の変化に対し、高速性能を劣化させることなくフレキシブルに対応できた。
【００２５】
本実施例では、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚnの拡散により決定しているが、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
本実施例では、基板側にｎ−ＩnＰ層を用いた例であるが、ｐ−ＩnＰ層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩnＰやｐ−ＩnＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、光受光層３３として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＡＧＭ（Separate-absorption-graded-multiplication）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Separate absorption and multiplication superlattice）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良いことは言うまでもない。
また、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００２６】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例を図４に示す。
図４において、４１は光入射端面、４２は０．２μｍ厚アンドープ又はｎ-−ＩnＡlＡs層、４３はＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた０．１μｍ厚アンドープ又はｎ-−Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）層、４４は１μｍ厚アンドープ又はｎ-−ＩnＧaＡs光受光層、４５は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、４６は半絶縁性ＩnＰ基板、４７はＰt／Ｔi／Ａuショットキー電極、４８はオーミックｎ電極である。素子の光受光層面積は１０μｍ×２０μｍである。
光入射端面４１での光の屈折により光受光層４４に対し、斜めに光が通過するため、実効的光吸収長が長くなる。
【００２７】
また、ショットキー電極４７が屈折した入射光に対し、反射ミラーとして作用するため吸収長がさらに等価的に２倍となり、光受光層厚１μｍで、光入射端面４１に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍの光において印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
なお、本実施例では、光入射端面４１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。
【００２８】
この時、逆メサエッチングは、ＩnＰのみより成るｎ−ＩnＰ層４５とＩnＰ基板４６に行われるため、均一な平坦性の良い傾斜光入射端面４１が、歩留まり良く形成できる。
また、光受光層４４を含む受光部分からは８μｍ離れた所にエッチング用マスクを形成し、３０μｍ程度の深い逆メサエッチングを施しており、この時、３μｍ程度のサイドエッチングが起きるが、受光部分は、サイドエッチング部分に接することはなく、従って、光受光層４４が相対的にエッチング速度が早いこと等に起因した異常なサイドエッチングや、エッチングむら等が発生することもない。また、メサ角の揃った均一な素子が製作できる。
【００２９】
もちろん、逆メサは他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
いずれの方法に対しても、エッチング対象が均一組成のＩnＰ層のみであるため、エッチングむらが発生しにくく、歩留り良く平坦な光入射端面４１が形成できる。
このように極めて平坦な光入射端面４１が形成できるため、光入射端面４１に無反射膜を形成することにより、先球ファイバでビーム径を絞った波長１．３μｍの光においても、光入射端面４１でビームが散乱されることなく集光性良く受光部分に屈折光が導入された。
暗電流は、無反射膜形成後においても１ｎＡ程度の十分小さな値が得られた。
【００３０】
また、このような小サイズの受光面積で受光できるため、３ｄＢ帯域３０ＧＨｚの高速動作が可能であった。
このように、受光部分を光入射端面４１と離して製作することは受光部分を光入射端面４１と完全に独立に製作できることを意味し、従って、光をレンズ等で絞って入射する場合、焦点のビームサイズと同等まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能となる。
また、入射光位置が最表面に対して基板側へ下がっても、これに合わせて屈折を考慮して受光部分を受光面積を増やすことなく最適な位置に設定できるため、石英系光導波路であるＰＬＣ上にハイブリッド集積する時、光軸位置の変化に対し、高速性能を劣化させることなくフレキシブルに対応できた。
【００３１】
本実施例では、ＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた傾斜組成層４３を用いて伝導帯及び価電子帯のなめらかな接続を図っているが、この層４３としては１層以上の多層半導体薄膜よりなる階段状の組成層で構成した疑似的な傾斜組成層でも良い。
また、層４４と層４５の間にもＩnＧaＡsからＩnＰまで組成を変化させたＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）傾斜組成層又は疑似的な傾斜組成層を用いて伝導帯及び価電子帯のなめらかな接続を図っても良い。
【００３２】
また、半導体受光素子としては、第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層４４とショットキー電極４７との間に、前記光受光層４４と前記ショットキー電極４７との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極４７に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してもよい。
また、ショットキーバリアハイトの高い半導体層としては、Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を用いることができる。
【００３３】
本実施例では、基板側にｎ−ＩnＰ層を用いた例であるが、ｐ−ＩnＰ層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩnＰやｐ−ＩnＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、光受光層４４として均一組成のバルクを用いるが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＡＧＭ（Separate-absorption-graded-multiplication）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Separate absorption and multiplication superlattice）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良いことは言うまでもない。
また、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００３４】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例を図５に示す。
図５において、５１は光入射端面、５９は５ｎｍ厚アンドープ又はｎ-−ＩnＰ層、５２は０．２μｍ厚アンドープ又はｎ-−ＩnＡlＡs層、５３はＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた０．１μｍ厚アンドープ又はｎ-−Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）層、５４は１μｍ厚アンドープ又はｎ-−ＩnＧaＡs光受光層、５５は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、５６は半絶縁性ＩnＰ基板、５７はＰt／Ｔi／Ａuショットキー電極、５８はオーミックｎ電極である。素子の光受光層面積は１０μｍ×２０μｍである。
【００３５】
本実施例では、最表面に極薄のＩnＰ層５９を用いているため、ＩnＡlＡsに比ベ、表面酸化耐性が大きい。
光入射端面５１での光の屈折により光受光層５４に対し、斜めに光が通過するため、実効的光吸収長が長くなる。
また、ショットキー電極５７が屈折した入射光に対し、反射ミラーとして作用するため吸収長がさらに等価的に２倍となり、光受光層厚１μｍで、光入射端面５１に無反射膜を形成することにより、波長１．３μｍにおいて印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
なお、本実施例では、光入射端面５１は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、（１１１）Ａ面がでることを利用して形成した。
【００３６】
この時、逆メサエッチングは、ＩnＰのみより成るｎ−ＩnＰ層５５とＩnＰ基板５６に行われるため、均一な平坦性の良い傾斜光入射端面５１が、歩留まり良く形成できる。
また、光受光層５４を含む受光部分からは８μｍ離れた所にエッチング用マスクを形成し、３０μｍ程度の深い逆メサエッチングを施しており、この時、３μｍ程度のサイドエッチングが起きるが、受光部分は、サイドエッチング部分に接することはなく、従って、光受光層５４が相対的にエッチング速度が早いこと等に起因した異常なサイドエッチングや、エッチングむら等が発生することもない。また、メサ角の揃った均一な素子が製作できる。
【００３７】
もちろん、逆メサは他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
いずれの方法に対しても、エッチング対象が均一組成のＩnＰ層のみであるため、エッチングむらが発生しにくく、歩留り良く平坦な光入射端面５１が形成できる。
【００３８】
このように極めて平坦な光入射端面５１が形成できるため、光入射端面５１に無反射膜を形成することにより、先球ファイバでビーム径を絞った波長１．３μｍの光においても、光入射端面５１でビームが散乱されることなく集光性良く受光部分に屈折光が導入された。
暗電流は、無反射膜形成後においても１ｎＡ程度の十分小さな値が得られた。また、このような小サイズの受光面積で受光できるため、３ｄＢ帯域３０ＧＨｚの高速動作が可能であった。
【００３９】
このように、受光部分を光入射端面５１と離して製作することは受光部分を光入射端面５１と完全に独立に製作できることを意味し、従って、光をレンズ等で絞って入射する場合、焦点のビームサイズと同等まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能となる。
また、入射光位置が最表面に対して基板側へ下がっても、これに合わせて屈折を考慮して受光部分を受光面積を増やすことなく最適な位置に設定できるため、石英系光導波路であるＰＬＣ上にハイブリッド集積する時、光軸位置の変化に対し、高速性能を劣化させることなくフレキシブルに対応できた。
【００４０】
本実施例では、ＩnＡlＡsからＩnＧaＡsまで組成をなめらかに変化させた傾斜組成層５３を用いて伝導帯及び価電子帯のなめらかな接続を図っているが、この層５３としては１層以上の多層半導体薄膜よりなる階段状の組成層で構成した疑似的な傾斜組成層でも良い。
また、層５４と層５５の間にもＩnＧaＡsからＩnＰまで組成を変化させたＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）傾斜組成層又は疑似的な傾斜組成層を用いて伝導帯及び価電子帯のなめらかな接続を図っても良い。
【００４１】
また、半導体受光素子としては、第１の導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第１の導電型の半導体層、超格子半導体層または多重量子井戸半導体層より成る光受光層５４とショットキー電極５７との間に、前記光受光層５４と前記ショットキー電極５７との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極５７に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してもよい。
また、ショットキーバリアハイトの高い半導体層としては、Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を用いることができ、更に、Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなる半導体受光素子で構成してもよい。
【００４２】
本実施例では、基板側にｎ−ＩnＰ層を用いた例であるが、ｐ−ＩnＰ層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩnＰやｐ−ＩnＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、光受光層５４として均一組成のバルクを用いるが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＡＧＭ（Separate-absorption-graded-multiplication）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Separate absorption and multiplication superlattice）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良いことは言うまでもない。
また、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良いことは言うまでもない。
【００４３】
〔実施例５〕
本発明の第５の実施例を図６に示す。
図６において、６１は光入射端面、６２は上層より、０．１μｍ厚p-InGaAsコンタクト層、１．３μｍ厚p-InP 層、０．２μｍ厚p-InGaAsP 層（１．１５μｍ波長組成）よりなるｐ形半導体層で、６３は１．０μｍ厚InGaAs光受光層、６４は上側より２μｍ厚n-InGaAsP 層（１．１５μｍ波長組成）、０．２μｍ厚InP 層よりなるｎ形半導体層、６５は半絶縁性InP 基板、６６はｐ電極、６７はｎ電極である。素子の受光層面積は１４μｍ×２０μｍである。
【００４４】
図７は、波長１．５５μｍ光に対する１μｍ厚InGaAs光吸収層における内部量子効率の逆メサ角（θ）依存性の計算結果である。逆メサ角（θ）の増大につれ実効吸収長が増大し、内部量子効率が増大する。
なお、本実施例では、光入射端面６１は、（００１）表面のウエハをブロムメタノールを用いてウエットエッチングを行い、（１１１）Ａ面が表面に対し、５４°４４’の角度で形成されることを利用して形成した。
【００４５】
この時、逆メサエッチングは、InP のみより成るInP 基板６５に行われるため、均一な平坦性のよい傾斜光入射端面が、歩留まりよく形成できる。
また、受光層を含む受光部分からは８μｍ離れた所にエッチング用マスクを形成し、３０μｍ程度の深い逆メサエッチングを施しており、この時、３μｍ程度のサイドエッチングがおきるが、受光部分は、サイドエッチング部分に接することはなく、従って、光受光層が相対的にエッチング速度が早いこと等に起因した異常なサイドエッチングや、エッチングむら等が発生することもない。また、メサ角の揃った均一な素子が製作できる。
【００４６】
もちろん、逆メサは他のウエットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
いずれの方法に対しても、エッチング対象が均一組成のInP 層のみであるため、エッチングむらが発生しにくく、歩留りよく平坦な光入射端面６１が形成できる。
【００４７】
このように極めて平坦な光入射端面６１が形成できるため、入射面に無反射膜を形成することにより、ファイバからの出射光をレンズでビーム径を絞った波長１．５５μｍのスポットサイズ２Ｗｓ＝３．４μｍの光においても、入射端面でビームが散乱されることなく集光性よく受光部分に屈折光が導入され、印加逆バイアス５Ｖで受光感度１．０Ａ／Ｗの大きな値が得られた。
【００４８】
また、ビームを水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に入射位置を移動させて、その時の受光感度の入射位置依存性を測定したものが図８（ａ），（ｂ）である。受光感度が１dB低下する光軸ずれ許容度は水平方向１３．４μｍ、垂直方向３．３μｍと大きい。このため、低コスト化が図れるシンプルな単レンズ構成により受光モジュールの製作ができた。製作したモジュールのほとんどが０．８〜１．０Ａ／Ｗの高い受光感度を示した。
図９に製作したモジュールのバイアス電圧５Ｖにおける周波数応答特性を示す。小サイズの受光面積で受光できるため、３dB帯域３８GHz の高速動作が可能であった。
【００４９】
本実施例では、基板側にｎ形半導体層を用いた例であるが、ｐ形半導体層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、n-InP やp-InP 基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるSeparate-absorption-graded-multiplication （ＳＡＧＭ）構造やSeparate absorption and multiplication superlattice （ＳＡＭ−ＳＬ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
また、InGaAsP/InP 系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAs 系などの材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【００５０】
〔実施例６〕
本発明の第６の実施例を図１０に示す。
図１０において、１０１は光入射端面、１０２は上層より、０．１μｍ厚p-InGaAsコンタクト層、１．３μｍ厚p-InP 層、０．２μｍ厚p-InGaAsP 層（１．１５μｍ波長組成）よりなるｐ形半導体層で、１０３は１．０μｍ厚InGaAs光受光層、１０４は２μｍ厚n-InP 層、１０５は半絶縁性InP 基板、１０６はｐ電極、１０７はｎ電極である。素子の受光層面積は１４μｍ×２０μｍである。
【００５１】
図１１は、波長１．５５μｍ光に対する１μｍ厚InGaAs光吸収層における内部量子効率の逆メサ角（θ）依存性の計算結果である。逆メサ角（θ）の増大につれ実効吸収長が増大し、内部量子効率が増大する。
なお、本実施例では、光入射端面１０１は、（００１）表面のウエハをブロムメタノールを用いてウエットエッチングを行い、（１１１）Ａ面が表面に対し、５４°４４’の角度で形成されることを利用して形成した。
【００５２】
この時、逆メサエッチングは、InP 基板１０５を含むInP のみより成る部分に行われるため、均一な平坦性のよい傾斜光入射端面１０１が、歩留まりよく形成できる。
また、受光層を含む受光部分からは８μｍ離れた所にエッチング用マスクを形成し、３０μｍ程度の深い逆メサエッチングを施しており、この時、３μｍ程度のサイドエッチングがおきるが、受光部分は、サイドエッチング部分に接することはなく、従って、光受光層が相対的にエッチング速度が早いこと等に起因した異常なサイドエッチングや、エッチングむら等が発生することもない。また、メサ角の揃った均一な素子が製作できる。
【００５３】
もちろん、逆メサは他のウエットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。いずれの方法に対しても、エッチング対象が均一組成のInP 層のみであるため、エッチングむらが発生しにくく、歩留りよく平坦な光入射端面１０１が形成できる。
【００５４】
このように極めて平坦な光入射端面１０１が形成できるため、入射面に無反射膜を形成することにより、ファイバからの出射光をレンズでビーム径を絞った波長１．５５μｍのスポットサイズ２Ｗｓ＝３．４μｍの光においても、入射端面でビームが散乱されることなく集光性よく受光部分に屈折光が導入され、印加逆バイアス５Ｖで受光感度１．０Ａ／Ｗの大きな値が得られた。
【００５５】
また、ビームを水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に入射位置を移動させて、その時の受光感度の入射位置依存性を測定したものが図１２（ａ），（ｂ）である。受光感度が１dB低下する光軸ずれ許容度は水平方向１３．４μｍ、垂直方向３．３μｍと大きい。このため、低コスト化が図れるシンプルな単レンズ構成により受光モジュールの製作ができた。製作したモジュールのほとんどが０．８〜１．０Ａ／Ｗの高い受光感度を示した。
図１３に製作したモジュールのバイアス電圧５Ｖにおける周波数応答特性を示す。小サイズの受光面積で受光できるため、３dB帯域３８GHz の高速動作が可能であった。
【００５６】
本実施例では、基板側にｎ形半導体層を用いた例であるが、ｐ形半導体層を用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、n-InP やp-InP 基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるSeparate-absorption-graded-multiplication （ＳＡＧＭ）構造やSeparate absorption and multiplication superlattice （ＳＡＭ−ＳＬ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
また、InGaAsP/InP 系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAs 系などの材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、ナローギャップの光受光層が光入射端面を形成する半導体層に含まれず、また、ナローギャップの光受光層部分が光入射端面に接していないため、深いエッチングの際中に、不均一なサイドエッチングが起きたりするなどのエッチングむらの発生がほとんどなく、極めて平坦な光入射端面が得られる。
この結果、先球ファイバやレンズを用いて絞られた光ビームに対しても端面での散乱はなくなり、ビームの集光性が維持され、微小受光面積で光が受光できるようになり、超高速の受光素子が製作可能となる。
また、受光部分を光入射端面と有限の長さ離して製作するため、受光部分を光入射端面と完全に独立に製作でき、従って、光をレンズ等で絞って入射する場合、焦点のビームサイズと同等まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能となる。
また、光導波路とのハイブリッド集積やモジュール化において入射光位置の上下移動が必要になった場合でも、それに合わせて屈折を考慮して受光部分を受光面積を増やすことなく最適な位置に設定できるため、高速性能を維持したまま、フレキシブルに対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体受光素子の断面図である。
【図２】従来技術に係る半導体受光素子の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る半導体受光素子の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る半導体受光素子の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例に係る半導体受光素子の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施例に係る半導体受光素子の断面図である。
【図７】波長１．５５μｍ光に対する１μｍ厚InGaAs光吸収層における内部量子効率の逆メサ角（θ）依存性の計算結果である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、ビームを水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に入射位置を移動させて、その時の受光感度の入射位置依存性を測定したものである。
【図９】製作したモジュールのバイアス電圧５Ｖにおける周波数応答特性である。
【図１０】本発明の第６の実施例に係る半導体受光素子の断面図である。
【図１１】波長１．５５μｍ光に対する１μｍ厚InGaAs光吸収層における内部量子効率の逆メサ角（θ）依存性の計算結果である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、ビームを水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に入射位置を移動させて、その時の受光感度の入射位置依存性を測定したものである。
【図１３】製作したモジュールのバイアス電圧５Ｖにおける周波数応答特性である。
【符号の説明】
１１  光入射端面
１２  ｐ−ＩnＰ層
１３  ＩnＧaＡs光受光層
１４  ｎ−ＩnＰ層
１５  半絶縁性ＩnＰ基板
１６  ｐ電極
１７  ｎ電極
３１  光入射端面
３２  ＩnＰ層
３２２  ｐ−ＩnＰ層
３３  ＩnＧaＡs光受光層
３４  ｎ−ＩnＰ層
３５  半絶縁性ＩnＰ基板
３６  ｐ電極
３７  ｎ電極
４１  光入射端面
４２  アンドープ又はｎ-−ＩnＡlＡs層
４３  アンドープ又はｎ-−Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs層
４４  アンドープ又はｎ-−ＩnＧaＡs光受光層
４５  ｎ−ＩnＰ層
４６  半絶縁性ＩnＰ基板
４７  Ｐt／Ｔi／Ａuショットキー電極
４８  オーミックｎ電極
５１  光入射端面
５９  アンドープ又はｎ-−ＩnＰ層
５２  アンドープ又はｎ-−ＩnＡlＡs層
５３  アンドープ又はｎ-−Ｉn1-X-YＧaxＡlyＡs層
５４  アンドープ又はｎ-−ＩnＧaＡs光受光層
５５  ｎ−ＩnＰ層
５６  半絶縁性ＩnＰ基板
５７  Ｐt／Ｔi／Ａuショットキー電極
５８  オーミックｎ電極
６１  光入射端面
６２  上層より、０．１μｍ厚p-InGaAsコンタクト層、１．３μｍ厚p-InP 層、０．２μｍ厚p-InGaAsP 層（１．１５μｍ波長組成）よりなるｐ形半導体層
６３  １．０μｍ厚InGaAs光受光層
６４  上側より２μｍ厚n-InGaAsP 層（１．１５μｍ波長組成）、０．２μｍ厚InP 層よりなるｎ形半導体層
６５  半絶縁性InP 基板
６６  ｐ電極
６７  ｎ電極
１０１  光入射端面
１０２  上層より、０．１μｍ厚p-InGaAsコンタクト層、１．３μｍ厚p-InP 層、０．２μｍ厚p-InGaAsP 層（１．１５μｍ波長組成）よりなるｐ形半導体層
１０３  １．０μｍ厚InGaAs光受光層
１０４  ２μｍ厚n-InP 層
１０５  半絶縁性InP 基板
１０６  ｐ電極
１０７  ｎ電極
【図１】
0003783903.tif 000002
【図２】
0003783903.tif 000003
【図３】
0003783903.tif 000004
【図４】
0003783903.tif 000005
【図５】
0003783903.tif 000006
【図６】
0003783903.tif 000007
【図７】
0003783903.tif 000008
【図８】
0003783903.tif 000009
【図９】
0003783903.tif 000010
【図１０】
0003783903.tif 000011
【図１１】
0003783903.tif 000012
【図１２】
0003783903.tif 000013
【図１３】
0003783903.tif 000014