(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉから成る半導体基板上に、一導電型半導体層と、ＧａＡｓから成る光吸収層と、逆導電型半導体層とを順次積層してＧａＡｓ系の半導体受光層に構成せしめた半導体受光素子であって、前記一導電型半導体層のうち前記半導体基板側の層領域をＡｌＧａＡｓにより、前記光吸収層側の層領域をＩｎＧａＡｓにより形成したことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記一導電型半導体層の前記光吸収層側の層領域を構成するＩｎＧａＡｓは、原子組成比率がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．３）であることを特徴とする請求項１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に関し、特に光ファイバー通信などに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】
従来の半導体受光素子を図３により説明する。
【０００３】
同図はＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ層を成膜した半導体受光素子である。
【０００４】
２０はｎ型のＧａＡｓ基板２０であり、このＧａＡｓ基板２０の上にｎ型のＧａＡｓバッファ層２１、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層２２、ｎ-型の半絶縁ＧａＡｓ光吸収層２３およびｐ型のＡｌＧａＡｓ窓層２４とを順次形成し、ｐ型のＡｌＧａＡｓ窓層２４の一部表面上にｐ+型のＧａＡｓコンタクト層２５を形成し、このＧａＡｓコンタクト層２５上にｐ側電極２７aを設けている。
【０００５】
また、ＧａＡｓ基板２０の裏面にｎ側電極２７bを設け、さらに素子全体に絶縁膜２６を被覆した構造となっている。
【０００６】
かかるＧａＡｓ半導体受光素子によれば、バッファ層２１にはｎ型不純物が１×１０17〜１０19atoms/cm3程度の比較的高濃度にて添加されている。
【０００７】
ＡｌＧａＡｓ層２２においても、ｎ型不純物が１×１０17〜１０19atoms/cm3程度の比較的高濃度にて添加されている。
【０００８】
さらに光吸収層２３では不純物を含有しないノンドープであるが、実際には不純物が５×１０15 atoms/cm3程度の低濃度のｎ型になっている。
【０００９】
さらにまた、ＡｌＧａＡｓ窓層２４では１×１０17〜１０19atoms/cm3程度のｐ型になり、ＧａＡｓコンタクト層２５では１×１０18〜１０19atoms/cm3程度の高濃度のｐ型になっている。
【００１０】
そして、ｐ側電極２７aとｎ側電極２７bとの間にて逆バイアス電圧を印加することで光吸収層２３を空乏化させ、このような状態下にて入射光を入射させると、光吸収層２３にて励起されたキャリアは光吸収層２３にかかっている高電界によって加速され、これにより、短い時間でｎ型ＧａＡｓバッファ層２１、もしくはｐ型のＡｌＧａＡｓ窓層２４に移動し、その結果、高速応答を実現することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光通信で使用されるλ＝８５０ｎｍの波長であり、これに対する光吸収層であるＧａＡｓの光吸収係数は図４に示すように波長依存性が大きいため、素子の温度により吸収係数が大きく変化してしまうという課題がある。
【００１２】
すなわち、λ＝８５０ｎｍの光に対し、その吸収係数は、同図に示す如く、８５００ｃｍ-1の値を示し、その急変な領域においては、温度変化により吸収係数が大きく変化を起こしてしまう。
【００１３】
さらに詳述するに、高温になると光吸収層であるＧａＡｓのエネルギーギャップが小さくなり、そのために図４に示す吸収曲線は右側にシフトし、λ＝８５０ｎｍの光に対する光吸収係数が大きくなるが、その反面、低温になるとＧａＡｓエネルギーギャップが大きくなり、これによって吸収曲線は左側にシフトし、λ＝８５０ｎｍの光に対する光吸収係数が低下していた。
【００１４】
したがって、このような構成の半導体受光素子を作製するには、素子の使用温度内で特性を得るために、低温規格温度、すなわち図４に示す吸収係数の曲線が左方にシフトし、吸収係数が最も低くなることでもって基準とし、その基準による吸収係数にて設計を行い、低温においても充分な光吸収特性が得られるよう膜厚の設計を行っている。
【００１５】
ところが、このような低温規格温度を採用することで、光吸収層を充分に厚くする必要があり、そのために受光素子の応答速度が低下していた。
【００１６】
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、その目的は光吸収層の厚みを小さくして、応答速度を高めた半導体受光素子を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、温度依存性を小さくして高い信頼性を達成した半導体受光素子を提供することにある。
【００１８】
本発明の半導体受光素子は、Ｓｉから成る半導体基板上に、一導電型半導体層と、ＧａＡｓから成る光吸収層と、逆導電型半導体層とを順次積層してＧａＡｓ系の半導体受光層に構成せしめた半導体受光素子であって、前記一導電型半導体層のうち前記半導体基板側の層領域をＡｌＧａＡｓにより、前記光吸収層側の層領域をＩｎＧａＡｓにより形成したことを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の半導体受光素子は、前記一導電型半導体層の前記光吸収層側の層領域を構成するＩｎＧａＡｓは、原子組成比率がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．３）であることを特徴とする
【作用】
本発明の半導体受光素子は、上記構成のようにＳｉから成る半導体基板と、一導電型半導体層と光吸収層と逆導電型半導体とを順次積層してＧａＡｓ系の半導体受光層とを組合せたことで、たとえばＭＯＣＶＤ法などの成膜技術にてＧａＡｓ系の半導体受光層を形成するに当り、Ｓｉ半導体の熱膨張係数が２．５６×１０-6（Ｋ-1）であることに対し、ＧａＡｓ系半導体の熱膨張係数が５．７×１０-6（Ｋ-1）というように大きく、そのために約５００〜８００℃の高温下で成膜した後、室温まで冷却させると、そのＧａＡｓ系半導体受光層が基板でもって約１．４×１０9（ｄｙｎ/ｃｍ2）程度の引っ張り応力を受ける。
【００２０】
このような引っ張り応力によって、ＧａＡｓからなる光吸収層のエネルギーバンドギャップが小さくなり、これにより、図４に示す光吸収係数の曲線が右側にシフトし、λ＝８５０ｎｍの光に対する光吸収係数が高くなり、その結果、図３に示す如くＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を成膜した半導体受光素子に比べ、光吸収係数が高くなる。
【００２１】
したがって、同じ光吸収率を得るのに必要な光吸収層の膜厚を薄くすることができ、これにより、光により励起されたキャリアが走行する距離が短くなり、高速応答に適した受光素子を得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体受光素子の基本的な構成を図１と図２により詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の半導体受光素子を説明するための半導体受光素子の概略断面図であり、図２は本発明の半導体受光素子の概略断面図である。双方の半導体受光素子ともにＳｉ基板上にＧａＡｓ系ｐｉｎフォトダイオードを形成したものである。
【００２４】
図１に示す半導体受光素子によれば、１０は一導電型の半導体基板（以下、基板と称する）であり、この基板１０の上に一導電型を呈するバッファ層１１、一導電型半導体層１２、光吸収層１３および窓層である逆導電型半導体層１４とを順次積層し、この逆導電型半導体層１４の上にオーミックコンタクト層１５とｐ側電極１７aとを順次積層している。
【００２５】
また、基板１０の裏面にはｎ側電極１７bを形成している。そして、素子の側面と表面上に絶縁膜１６を設けている。
【００２６】
次に各層の構成を詳述する。
【００２７】
単結晶の半導体基板１０は(１００)面を<０１１>方向に２〜７°オフさせたＳｉ基板である。
【００２８】
バッファ層１１はガリウム砒素(ＧａＡｓ)から形成され、一導電型不純物(Ｓｉ等)を１×１０17〜１０19atoms/cm3 程度含有させ、そして、２〜３μｍ程度の厚みに形成し、これにより、基板１０と、その上の半導体層との格子不整合からなるミスフィット転位を防止したり、もしくは低減させている。
【００２９】
一導電型半導体層１２はアルミガリウム砒素(ＡｌＧａＡｓ)からなり、一導電型不純物(Ｓｉ等)を１×１０17〜１０19atoms/cm3 程度含有させ、そして、０.２〜２.０μｍ程度の厚みに形成する。
【００３０】
光吸収層１３はガリウム砒素(ＧａＡｓ)からなり、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(Ｃ等)を１×１０15 atoms/cm3程度含有しており、０.５〜３.０μｍ程度の厚みである。
【００３１】
逆導電型半導体層１４はアルミニウムガリウム砒素(ＡｌＧａＡｓ)から形成され、亜鉛(Ｚｎ)の逆導電型半導体不純物を１×１０17〜１０19atoms/cm3 程度含有し、０.１〜３.０μｍ程度の厚みである。
【００３２】
オーミックコンタクト層１５はガリウム砒素(ＧａＡｓ)から形成され、亜鉛(Ｚｎ)などの逆導電型半導体不純物を１×１０19〜１０20atoms/cm3程度含有し、０.０１〜０.３μｍ程度の厚みである。
【００３３】
絶縁膜１６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。
【００３４】
Ｐ側電極１７aとｎ側電極１７bは金/金・ゲルマニウム (Ａｕ／ＡｕＧｅ)などから形成され、厚み１μｍ程度である。
【００３５】
かくして図１の半導体受光素子によれば、上記構成のようにＳｉから成る基板１０の上に、一導電型半導体層１２と光吸収層１３と逆導電型半導体層１４とを順次積層して成るＧａＡｓ系の半導体受光層を形成したことで、ＧａＡｓ系半導体受光層が基板１０でもって約１．４×１０9（ｄｙｎ/ｃｍ2）程度の引っ張り応力を受け、これにより、光吸収層１３のエネルギーバンドギャップが小さくなり、λ＝８５０ｎｍの光に対する光吸収係数が高くなり、その結果、同じ光吸収率を得るのに必要な光吸収層１３の膜厚を薄くすることができる。
【００３６】
したがって、光により励起されたキャリアが走行する距離が短くなり、高速応答に適した受光素子を得られる。
【００３７】
ちなみに、ＭＯＣＶＤ法などの成膜技術にてＧａＡｓ系の半導体受光層を形成するに当り、Ｓｉ半導体の熱膨張係数が２．５６×１０-6（Ｋ-1）であり、ＧａＡｓ系半導体の熱膨張係数が５．７×１０-6（Ｋ-1）であり、その熱膨張係数差に起因して、約５００〜８００℃の高温下で成膜した後、室温まで冷却させると、ＧａＡｓ系半導体受光層が、たとえば約１．４×１０9（ｄｙｎ/ｃｍ2）程度の引っ張り応力を受ける。
【００３８】
本発明者が繰り返しおこなった実験によれば、室温（２５℃）にまで冷却させたことで、ＧａＡｓ系半導体受光層が１．０×１０8（ｄｙｎ/ｃｍ2）以上、好適には１．０×１０9（ｄｙｎ/ｃｍ2）以上、最適には５．０×１０9（ｄｙｎ/ｃｍ2）以上の引っ張り応力を受けることで、高速応答に適した受光素子を得られる。
【００３９】
そして、このＧａＡｓ系半導体受光層の引っ張り応力は、基板１０の厚みやサイズ、形状、ならびに一導電型半導体層１２と光吸収層１３と逆導電型半導体層１４の各層の厚みやサイズ、形状、構成材の種類などによって決まるが、さらには要求される受光性能とも関係して規定する。
【００４０】
次に本発明の半導体受光素子を図２にて説明する。
【００４１】
この半導体受光素子によれば、図１に示す半導体受光素子に比べて、ＧａＡｓ系半導体受光層の引っ張り応力を容易に高めることができる点で優れている。
【００４２】
図２に示す半導体受光素子においては、一導電型半導体層のうち半導体基板側の層領域をＡｌＧａＡｓにより、光吸収層側の層領域をＩｎＧａＡｓにより形成している。
【００４３】
すなわち、図１の半導体受光素子に比べて、さらに一導電型半導体層１２と光吸収層１３との間に、格子定数の大きい一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８を介在させ、これによって、ＧａＡｓ系半導体受光層の引っ張り応力を大きくしている。なお、その他の層構成は、図１と同じである。
【００４４】
このように格子定数の大きい一導電型ＩｎxＧａ１-xＡｓ層１８（０＜ｘ＜０.３)を介在させると、光吸収層であるＧａＡｓが格子定数の大きいＩｎxＧａ１-xＡｓ層の格子定数に整合しようとして引っ張り応力を受け、ＧａＡｓ系半導体受光層の引っ張り応力が大きくなる。
【００４５】
また、一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８を介在させるに当り、その原子組成比率をＩｎxＧａ１-xＡｓにて表示するに、０＜ｘ＜０.３にするとよい。
【００４６】
ｘが０．３以上になると、格子不整合による転位欠陥の発生が生じ、光吸収層の結晶性の低下を起こし、暗電流の増加という点で不具合が生じる。
【００４７】
一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８は一導電型半導体層１２の一部の層領域であり、この層１２と同じ機能を備える。よって、一導電型不純物(Ｓｉ等)を１×１０17〜１０19atoms/cm3 程度含有させればよい。
【００４８】
また、一導電型半導体層１２の厚みは０.２〜２.０μｍ程度であるが、その一部の層領域でもってＩｎＧａＡｓ層１８を構成する。この層１８の厚みを０.０１〜１.０μｍにすると、転位欠陥の発生もなく、光吸収層に充分な引っ張り応力を与えられるという点でよい。
【００４９】
ＩｎＧａＡｓ層１８の厚みが０．０１μｍ未満では、発生する応力が小さく、それほどの効果が期待できない。一方、１．０μｍを超えると、ＩｎＧａＡｓ層の界面より転位欠陥が発生し、暗電流の増加などの特性低下が生じる。
【００５０】
以上の通り、一導電型半導体層１２の内部にＩｎＧａＡｓ層１８を構成したことで、ＧａＡｓ系半導体受光層の引っ張り応力を、さらに高めることができ、光吸収層１３のエネルギーバンドギャップが小さくなり、これにより、光吸収係が増大し、その結果、光吸収層の膜厚をさらに薄くすることができ、高速応答に適した半導体受光素子が得られた。
【００５１】
本発明者が繰り返しおこなった実験によれば、このように一導電型ＩｎＧａＡｓ層１８を介在させたことで、その介在がない図１の半導体受光素子と比較し、キャリアの走行距離が1割程度短くなり、そのために遮断周波数が1割程度向上したことを確認した。
【００５２】
次に図１に示す半導体受光素子の製造方法を説明する。この製法は各工程（１）〜（１１）を順次経る。
【００５３】
・工程（１）
半導体層はＭＯＣＶＤ法を用いて成膜する。
【００５４】
一導電型ＧａＡｓからなる基板１０を、水素(Ｈ2)とアルシンガス(ＡｓＨ3)とから成る雰囲気中に投入し、７００℃〜１０００℃にまで昇温し、基板１０の表面上の酸化物を除去する。
【００５５】
・工程（２）
基板温度を５００℃〜８００℃に設定し、トリメチルガリウム(以下、ＴＭＧと略記する)とアルシンガス(ＡｓＨ3)とシランガス(ＳｉＨ4)とを反応管に供給してＳｉ濃度が１×１０17〜１０19原子/ｃｍ3程度のバッファ層１２を２〜３μｍの厚みにて形成する。
【００５６】
・工程（３）
原料ガスとしてＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと略記する）、アルシンガス(ＡｓＨ3) およびドーパントガスであるシランガス(ＳｉＨ4)を反応管に供給して、Ｓｉ濃度が１×１０17〜１０19原子/ｃｍ3程度の一導電型半導体層１３を０.２〜２.０μｍの厚みにて形成する。
【００５７】
・工程（４）
ＴＭＧとアルシンガス(ＡｓＨ3)を用いて、同様にガリウム砒素(ＧａＡｓ)からなる半絶縁性を呈する光吸収層１３を１.０〜３.０μｍの厚みにて形成する。
【００５８】
・工程（５）
ＴＭＧ、ＴＭＡ、アルシンガス(ＡｓＨ3)およびジメチル亜鉛(以下、ＤＭＺと略記する)とを反応管に供給して、Ｚｎ濃度が１×１０17〜１０19原子/ｃｍ3程度のアルミニウムガリウム砒素(ＡｌＧａＡｓ)からなる逆導電型半導体窓層１４を０.１〜２.０μｍの厚みで形成する。
【００５９】
・工程（６）
ＴＭＧ、アルシンガス(ＡｓＨ3)およびＤＭＺとを反応管に供給して、Ｚｎ濃度が１×１０19〜１０20原子/ｃｍ3程度のガリウム砒素(ＧａＡｓ)からなるオーミックコンタクト層１５を０.０１〜０.３μｍ形成する。
【００６０】
以上の通り、各工程（１）〜（６）においては、ＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層１２と一導電型半導体層１３と逆導電型半導体窓層１４とオーミックコンタクト層１５の積層構造体を形成し、そして、次の工程（７）と工程（８）でもって各半導体層をエッチングし、図１や図２に示すような構成にする。
【００６１】
・工程（７）
まず、硫酸―過酸化水素系のエッチング液を用いて、図１に示す構成において、一導電型半導体層１２と光吸収層１３と逆導電型半導体層１４の各端面を順メサ形状もしくは逆メサ形状にする。
【００６２】
・工程（８）
続けて、同様に硫酸―過酸化水素系のエッチング液を用いて、オーミックコンタクト層１５の一部に対しエッチングを行い、これによって受光領域を形成する。
【００６３】
・工程（９）
蒸着法やスパッタリング法を用いて、金・クロムなどにより遮光膜（図示せず）を形成する。この遮光膜は、逆導電型半導体層１４の表面上にて、受光領域以外に形成する。
【００６４】
・工程（１０）
プラズマＣＶＤ法でシランガス(ＳｉＨ4)とアンモニア(ＮＨ３)を用いて窒化シリコン(ＳｉＮx)からなる絶縁膜１６を被覆する。
【００６５】
・工程（１１）
しかる後、蒸着法やスパッタリング法を用いて金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）などにより電極１７ａ，１７ｂを形成する。
【００６６】
本発明者は、上述した製法に基づいて、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させた試料と、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させた試料とを作成し、これら試料のフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルを測定した。
【００６７】
図６の（ａ）はＧａＡｓ基板３０上にＧａＡｓ膜３１をエピタキシャル成長させた測定用試料の断面図であり、同図（ｂ）はＧａＡｓ基板３０上にＧａＡｓ膜３１をエピタキシャル成長させた測定用試料の断面図である。
【００６８】
図６（ａ）の試料のＰＬスペクトルを測定したところ、図５において、ａに示すようなスペクトル線が得られた（７７Ｋ  ＰＬスペクトル）。図５において、横軸は波長であり、縦軸はＰＬ強度（相対値）を示す。
【００６９】
また、図６（ｂ）の試料のＰＬスペクトルを測定したところ、図５において、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆに示すようなスペクトル線が得られた。
【００７０】
ｂはＧａＡｓ膜の厚みが４μｍの場合であり、ｃはＧａＡｓ膜の厚みが７μｍ、ｄはＧａＡｓ膜の厚みが１５μｍ、ｅはＧａＡｓ膜の厚みが３０μｍ、ｆはＧａＡｓ膜の厚みが１００μｍの場合である。
【００７１】
図５に示す結果から明かな通り、ａに示す如く、ＧａＡｓ膜には応力がかからないが、ｂ〜ｆに示すように、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させた場合には、そのＧａＡｓ膜に働く引っ張り応力が、膜厚の増大にともなって増加し、これにより、エネルギーギャップが小さくなり、その結果、ＰＬスペクトルが長波長側にシフトしている。
【００７２】
本発明者の実験によれば、図３に示す如く従来の半導体受光素子にて、その光吸収層の厚みが２〜３μｍであったものが、同じ吸収率にすべく、図１に示す本発明の半導体受光素子では、その光吸収層の厚みが1.5〜2.5μｍにまで小さくすることができた。そして、このような厚みの減少は、図５に示す結果でもって裏付けることができた。
【００７３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の半導体受光素子によれば、Ｓｉから成る半導体基板上に一導電型半導体層と光吸収層と逆導電型半導体層とを順次積層してＧａＡｓ系の半導体受光層に構成し、一導電型半導体層のうち半導体基板側の層領域をＡｌＧａＡｓにより、光吸収層側の層領域をＩｎＧａＡｓにより形成したことで、ＧａＡｓ系半導体受光層が基板とＩｎＧａＡｓによって引っ張り応力を受け、これにより、光吸収層のエネルギーバンドギャップが小さくなり、光吸収係数が高くなり、その結果、同じ光吸収率を得るのに必要な光吸収層の膜厚を薄くすることができ、光により励起されたキャリアが走行する距離が短くなり、高速応答に適した受光素子を得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体受光素子を説明するための半導体受光素子の概略断面図である。
【図２】本発明の半導体受光素子の概略断面図である。
【図３】従来の半導体受光素子の概略断面図である。
【図４】光の波長に対するＧａＡｓの吸収係数を示す線図である。
【図５】基板上のＧａＡｓ層の応力を示し、波長に対するＰＬ強度の特性を示す線図である。
【図６】（ａ）と（ｂ）は、ＰＬ強度を測定する試料の概略図断面図である。
【符号の説明】
１０・・・半導体基板
１１・・・バッファ層
１２・・・一導電型半導体層
１３・・・光吸収層
１４・・・逆導電型半導体窓層
１５・・・オーミックコンタクト層
１６・・・絶縁膜
１７ａ・・・ｐ側電極
１７ｂ・・・ｎ側電極
１８・・・一導電型ＩｎＧａＡｓ層
【図１】
0003854086.tif 000002
【図２】
0003854086.tif 000003
【図３】
0003854086.tif 000004
【図４】
0003854086.tif 000005
【図５】
0003854086.tif 000006
【図６】
0003854086.tif 000007