JP2006066488A - 半導体受光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 Fe−InP基板24上にn−コンタクト層26を選択的に配設し、n−コンタクト層26の上にn−コンタクト層26側から、n−クラッド層28、光吸収層32、およびp−クラッド層36が順次積層された光導波路層16aを配設し、この光導波路層16aの周囲をn−クラッド層28上に配設されたFe−InPのブロック層38により埋め込み、光導波路層16aのp−クラッド層36と電気的に接続されたコンタクト電極18aとこのコンタクト電極18aからブロック層38の側壁上を経由してFe−InP基板24上に延在する引出電極部18bとこの引出電極部18bと接続されFe−InP基板24表面にSiN膜22を介して配設された電極パッド18cとを有するp電極18を備えたものである。
【選択図】 図3
Description
光通信機器の高速化を進めるために光通信の伝送系においては、40GHz帯の信号光に対応する光通信機器の開発・改良が進められている。
PINフォトダイオード(以下、フォトダイオードをPDと表記する)やアバランシェPDといった半導体受光素子においては、その応答速度を決定する要因の一つにCR時定数がある。このCR時定数は、半導体受光素子の素子容量と素子抵抗とによって決定される。従って半導体受光素子の応答速度を高めるためには、CR時定数を小さくせねばならない。このために40GHz帯以上超高速通信用の半導体受光素子では、CR時定数を小さくするために様々な手法がとられている。
例えば、半導体受光素子の低容量化のために受光径を小さくしたり、受光部以外の素子容量を低減するために、電極パッド部で生じるパッド容量を低減するための手法として、電極パッド部直下にSiO2やSiNによる厚い絶縁膜を堆積することなどが行われている。
またさらに公知の技術として、半導体受光素子に半絶縁性半導体基板を用いた埋め込み型の導波路型吸収層構造を有する半導体受光素子において、光吸収層およびブロック層へのZnの拡散を少なくするために、p型不純物としてBe,MgおよびCが選択された構成が開示されている(例えば特許文献1、[0006]の記載、図1〜図3、参照)。
またさらに公知の技術として、半導体受光素子を半絶縁性InP基板上に形成し、n電極を半絶縁性InP基板の裏面側に形成しp側ボンディングパッドが窒化シリコンの反射防止膜を介して半絶縁性InP基板上に配設されるとともに、p側電極からp側ボンディングパッドまでの結線が窒化シリコンの反射防止膜を介してn型層上に配置されている構成が開示されている(例えば特許文献2、[0028]から[0034]の記載、及び図1、図4、及び図5、参照)。
またさらに公知の技術として、(100)面を主面とする半絶縁性InP基板上に積層されたInP基板がHBr液を用いてエッチングされると(111)A面が形成されることが開示されている(例えば、特許文献4、[0015]から[0019]の記載、及び図7、参照)。
例えば、半絶縁性のFeドープInP基板(以下、“FeドープInP”を“Fe−InP”と表記する。)上にFe−InP層を成長した構造の成長界面のSIMS分析を行うと、例えば界面を含む0.5μm程度の厚みの間に、ピーク値が1×1018(atoms/cc)程度となるSi量が検出される。
このパッド容量が発生した場合電極パッド面積が大きくなるに伴って半導体受光素子の高周波応答が劣化の程度が大きくなるとともに10GHz程度の低周波領域での応答が劣化することが明らかになった。
このために、このパッド容量の発生により、半導体受光素子の高周波特性が劣化するとともに、良好なアイパターンが描かれないために半導体受光素子の歩留まりが低下するという問題点があった。
このようなSiパイルアップ層の発生による高周波特性の劣化を回避するために、例えば引出電極部直下にFe−InP基板に達する凹部を設け、引出電極部をエアブリッジ状にしてp電極と電極パッド部とを接続することによりパッド容量を低減するという構成も可能である。
しかしこの構成は、引出電極部が空中に浮かんでいるために複雑な製造プロセスが必要となり製造が困難となる。また、エアブリッジ状の引出電極部における断線が懸念され信頼性に欠けるという問題点があった。
図1はこの発明の一実施の形態に係る半導体受光素子の斜視図である。図2は図1のII−II断面における半導体受光素子の断面図、図3は図1のIII−III断面における半導体受光素子の断面図である。なお図において同じ符号は同一のものか或いは相当のものである。
図1において、この埋込導波路型のPIN−PD10は前面の受光部12が矢印で示された信号光14を受ける。PIN−PD10の上面側には、受光部12を介して信号光が導入される導波路16a(図2および図3)を含む導波路メサ16が突出して配設されている。この導波路メサ16の上表面に沿って受光部12の背面の方向に延在する第2の電極としてのp電極18が配設されている。
図2は信号光と交差する方向の断面での断面図、あるいは導波路16の光導波方向と直交する断面での断面図である。
図2において、半絶縁性の半導体基板としての半絶縁性のFe−InP基板24上に、第1半導体層としてのn導電型InGaAs(以下n導電型を“n−”で、またp導電型を“p−”で、また真性半導体を“i−”で表記する。)のn−コンタクト層26が配設されている。Fe−InP基板24の主面は、例えば(100)面である。
導波路メサ16は、n−クラッド層28の中央部281とn−光閉込層30と光吸収層32とp−光閉込層34とp−クラッド層36とp−コンタクト層40とを含む光導波路層としての導波路16aとこの導波路16aの周囲を埋込みn−クラッド層28の周縁部282上に配設された埋込層としてのFe−InPのブロック層38とで構成される。
図3は信号光の進行方向に沿った断面であり、導波路の延長方向の断面での断面図である。Fe−InP基板24の主面は、例えば(100)面であり、信号光の進行方向に沿った方向あるいは導波路の延長方向は、この実施の形態1では[011]方向にとられている。
導波路メサ16の受光側端面38aを前方とした場合に、導波路メサ16の後方側においては、n−コンタクト層26が除去されてFe−InP基板24が露呈され、このFe−InP基板24を覆って、その表面上にSiN膜22が配設されている。
導波路16aの前方の受光側は端面38aを有するブロック層38が、n−クラッド層28の周縁部282上に配設されている。また導波路16aの後方にもブロック層38がn−クラッド層28の周縁部282上に配設されている。
即ち導波路16aはその周囲をブロック層38に埋め込まれており、ブロック層38の受光側端面38aの受光部12を介して導波路16aに信号光が導入される。
Fe−InP基板24の主面は、例えば(100)面であり、信号光の進行方向に沿った方向は[011]方向であるとしているので、導波路16aの後方のブロック層38の後部側壁面38b、およびn−クラッド層28の周縁部282の後部側壁面28b、すなわちブロック層38およびn−クラッド層28の周縁部282における信号光14の進行方向と交叉する側壁の結晶面はこの実施の形態では例えば(111)面とされている。
このために、引出電極部18bはブロック層38の後部側壁面38bおよびn−クラッド層28の周縁部282の後部側壁面28bの(111)面に沿っているので、高低差のある導波路16aのp−コンタクト層40上のコンタクト電極18aからFe−InP基板24表面になだらかに延長されることになり、急激な段差に起因するp電極18の切断が防止され、PIN−PD10の信頼性が高まる。
この実施の形態1のPIN−PD10では、p電極18の電極パッド18cはSiN膜22を介してFe−InP基板24表面に、またn電極はSiN膜22を介してn−コンタクト層26表面に配設され、n−コンタクト層26の層厚み分だけの段差はあるが、ほぼ同じ高さであるので、フリップチップ実装が可能である。
各層の不純物濃度は、n−コンタクト層26が5×1018cm−3、n−クラッド層28が5×1017cm−3、n−光閉込層30が5×1017cm−3、p−光閉込層34が5×1015cm−3〜5×1017cm−3(ステップ状に変化させる)、p−クラッド層36が1×1018cm−3、p−コンタクト層40は1×1019cm−3である。
よってp−光閉込層34とn−光閉込層30とこれらに挟まれた光吸収層32とはp/i/n接合を形成している。
図4、図5、図6、図7、及び図9は、この発明の一実施の形態に係る半導体受光素子の製造方法の各工程における半導体受光素子の斜視図である。
また、図8は図7のVIII−VIII断面における半導体受光素子の断面図である。
まず、主面は、例えば(100)面である半絶縁性のFe−InP基板24の上に、n−コンタクト層26としてのn−InGaAs層、n−クラッド層28としてのn−InP層、n−光閉込層30としてのn−InGaAsP層、光吸収層32としてのi−InGaAs層、p−光閉込層34としてのp−InGaAsP層、p−クラッド層36としてのp−InP層、p−コンタクト層40としてのp−InGaAs層を、例えば有機金属気相成長法を用いて順次積層する。
フォトレジストマスクを除去した後、矩形SiO2膜50をマスクとして、n−クラッド層28としてのn−InP層の所定の深さ、例えば層の厚みの半分程度になるまでエッチングし、導波路16aを形成する。図4はこの工程の結果を示している。
次いで、ウエットエッチングにより表面を前処理し、矩形SiO2膜50を選択成長マスクとして、例えば有機金属気相成長法を用いてFe−InPの選択成長を行い、導波路16aを埋込層としてのFe−InP層52により埋め込む。
この工程におけるn−クラッド層28としてのn−InP層の周縁部282とFe−InP層52との界面が再成長界面となり、Siパイルアップ層がここに形成される。図5はこの工程の結果を示している。
次に、矩形SiN膜54をマスクとし、塩酸もしくは塩酸とリン酸の混合液、または水で薄めた塩酸(以下、この3種類のエッチャントを塩酸系のエッチャントと表記する。)を用いて、n−コンタクト層26としてのn−InGaAs層が露呈するまでエッチングし、導波路メサ16を形成する。
塩酸系のエッチャントは、InPもしくはInGaAsPをエッチングすることができるが、InGaAsをほとんどエッチングすることが出来ない。従ってFe−InP層52およびn−クラッド層28としてのn−InP層はエッチングが進行するが、n−コンタクト層26としてのn−InGaAs層が露呈するとエッチングが停止する。図7及び図8はこの工程の結果を示している。
矩形SiN膜54はその矩形の一辺が[011]方向に沿っているので、導波路16aの後方のブロック層38としてのFe−InP層の後部側壁面38b、およびn−クラッド層28としてのn−InP層の周縁部282の後部側壁面28bは信号光14の進行方向と交叉する後部側壁の結晶面であり、この結晶面はこの実施の形態では、例えば(111)面が形成される。
次いで、導波路メサ16およびn−コンタクト層26表面上にフォトレジストを形成し、導波路メサ16と導波路メサ16の両側部との上にフォトレジストを残したフォトマスクを形成し、このフォトマスクをマスクとしてドライエッチングにより、導波路メサ16の後方のn−コンタクト層26を除去し、Fe−InP基板24を露呈させる。図9はこの工程の結果を示している。
この後、フォトレジストをリフトオフマスクとして用い、EB蒸着を行いリフトオフによって、コンタクト電極18aとこのコンタクト電極18aに接続された引出電極部18bとこの引出電極部18bに接続された電極パッド18cにより構成されたp電極18とn電極20とを形成する。
この時、p電極18は、高低差のある導波路16aのp−コンタクト層40上のコンタクト電極18aからFe−InP基板24表面へ、Fe−InP層の後部側壁面38bおよびn−クラッド層28の周縁部282の後部側壁面28bの(111)面に沿ってなだらかに延長された引出電極部18bを経由することになり、急激な段差に起因するp電極18の切断が防止され、PIN−PD10の高い信頼性が得られる。
PIN−PD10の前面の受光部12から光吸収層32に入射した光は、この光吸収層32を挟んで設けられたn−光閉込層30およびp−光閉込層34の間、さらにはn−光閉込層30およびp−光閉込層34を挟んだn−クラッド層28およびp−クラッド層36を有する導波路16aにこれらの材料の屈折率差を利用して光を閉じ込め、この導波路16aに閉じ込められた光が光吸収層32、n−光閉込層30およびp−光閉込層34を伝播する間に光が吸収され、電気信号に変換される。
導波路16aの周囲を囲んで配設されたブロック層38はその屈折率を低くして、導波路16aとの屈折率差を大きくすることにより、光の閉じ込め効率が高くなり受光素子の受光感度を高めている。
p電極18は、p−コンタクト層40と接触するコンタクト電極18aとブロック層38の上表面上および後部側壁面38b上およびn−クラッド層28の周縁部282の後部側壁面28b上にSiN膜22を介して配設された引出電極部18bと導波路メサ16の後方のFe−InP基板24表面にSiN膜22を介して配設された電極パッド18cとから形成されているので、電極パッド18cはSiパイルアップ層との間でパッド容量が生じないことになる。
図10の横軸は周波数で単位はGHz、縦軸は応答で、単位はdBである。図10において測定値aは電極パッド18cの面積を小さくした場合で、測定値bは電極パッド18cの面積を大きくした場合である。
図10において示されるように、PIN−PD10においては測定値aの応答特性と測定値bの応答特性との間に応答特性の差異はあまり認められない。このことから電極パッド18cの面積の大小によって高周波特性がほとんど影響を受けていない。つまり電極パッド18cによるパッド容量の発生がほぼ抑制されていると考えられる。
従ってp電極18全体としてのパッド容量が低減され、良好な高周波特性を有する半導体受光素子を構成することができる。
さらに、PIN−PD10においては15GHz程度までの周波数領域の応答が平坦な周波数特性を示しており、低周波領域における応答の劣化が認められない。
従って半導体受光素子の高周波特性を評価する上で一つの指標となるアイパターンが、良好なパターンとして描かれ、半導体受光素子の歩留まりを向上することができる。
従ってPIN−PD10の高周波特性を良好にするとともに、信頼性の高い構成とすることができる。
また引出電極部18bが配設されるFe−InP層の後部側壁面38bおよびn−クラッド層28の周縁部282の後部側壁面28bの結晶面を(111)面としているが、なだらかに傾斜した結晶面であれば、必ずしも(111)面でなくても良い。
また引出電極部18bが配設されるFe−InP層およびn−クラッド層28の周縁部282の側壁面を受光面に対向する後部の側壁面としているが、(111)面あるいはこれ以外のなだらかに傾斜した結晶面が必ずしも後部の側壁面でなくても良い。
延いては、良好な高周波特性を有し、簡単な構成で歩留まりの高い半導体受光素子を構成することができる。
延いては、良好な高周波特性を有し、歩留まりの高い半導体受光素子を簡単な方法で製造することができる。
図11はこの発明の一実施の形態に係る半導体受光素子の斜視図である。図12は図11のXII−XII断面における半導体受光素子の断面図、図13は図11のXIII−XIII断面における半導体受光素子の断面図である。
図11において、この埋込導波路型のPIN−PD60は前面の受光部12が矢印で示された信号光14を受ける。PIN−PD60の上面側には、受光部12を介して信号光が導入される導波路16a(図12および図13)の周囲を取りまいてブロック層38(図12および図13)が配設されている。導波路16aの両側にブロック層38とn−クラッド層28を貫通しn−コンタクト層26の表面に達する開口部62が形成され、導波路16aを含む導波路メサ16が形成されている。
n電極20は開口部62を介してn−コンタクト層26に接触しているが大部分はSiN膜22を介してブロック層38上に配設され、p電極18も導波路16aとこれを取りまくブロック層38の上にSiN膜22を介して配設され、n電極20とp電極18とは大略同じ高さに形成されている。
すなわちn電極20が開口部62を介してn−コンタクト層26に接触して、電気的に接続され、n電極20の大部分はSiN膜22を介してブロック層38上に配設されている構成以外は、特に導波路メサ16の構成は同じである。
しかしながらPIN−PD60は図13に示されるようにXIII−XIII断面においては受光面に対して導波路メサ16の後方部分の構成が実施の形態1のPIN−PD10と相異している。
すなわち、PIN−PD10においては、受光面12に対して導波路16aの後方のブロック層38は除去され、Fe−InP基板24が露呈しているのに対し、図13において示されるようにPIN−PD60においては導波路16aの後方はFe−InP基板24上にp型不純物を含む半導体層としてZn−InP層64が配設され、この上にブロック層38が配設されている。
ここではp型不純物としてZnが使用されているが、必ずしもこれに限らず、このほかに、II属元素あるいはIV属元素であるBe、Mg、Cなどでもよい。
PIN−PD60においては、p電極18はp、導波路16aのp−コンタクト層40上にSiN膜22の開口22aを介して配設されたコンタクト電極18aからブロック層38の上表面上にSiN膜22を介して配設された引出電極部18bを経由して、ブロック層38の上表面上にSiN膜22を介して配設された電極パッド18cに延長されている。
まず、半絶縁性Fe−InP基板24上に、n−コンタクト層26としてのn−InGaAs層、n−クラッド層28としてのn−InP層、n−光閉込層30としてのn−InGaAsP層、光吸収層32としてのi−InGaAs、p−光閉込層34としてのp−InGaAsP、p−クラッド層36としてのp−InP層、及びp−コンタクト層40としてのp−InGaAs層を、気相成長法例えば、MOCVD法により所定の厚みに順次積層する。
次に、矩形SiO2膜を選択成長マスクとして、Fe−InP基板24表面上に、Zn−InP層64を形成する。このZn−InP層64はFe−InP基板24上に形成されるSiパイルアップ層のシリコン濃度、例えばピーク値が1×1018(atoms/cc)程度となるSi量を補償する程度の不純物濃度のZnが含まれている。
さらにFe−InPの選択成長を行い、導波路16aを埋込層としてのFe−InP層により埋め込む。
従ってp電極18全体としてのパッド容量が低減され、良好な高周波特性を有する半導体受光素子を構成することができる。
またn電極20とp電極18との間に急激な段差がなくフリップチップ実装が可能となり、PIN−PD60の高周波特性を良好にするとともに、信頼性の高い構成とすることができる。
この製造工程により形成されたPIN−PDは導電性のSiパイルアップ層を有していないので、ブロック層38の上表面上にSiN膜22を介して配設された引出電極部18bおよび電極パッド18cとSiパイルアップ層とに起因する容量が発生しない。従ってp電極18全体としてのパッド容量が低減され、良好な高周波特性を有する半導体受光素子を構成することができる。
このため第2の電極全体としてのパッド容量が低減され、良好な高周波特性を有する半導体受光素子を構成することができる。
延いては、良好な高周波特性を有し、簡単な構成で歩留まりの高い半導体受光素子を構成することができる。
延いては、良好な高周波特性を有し、歩留まりの高い半導体受光素子を簡単な方法で製造することができる。
延いては、良好な高周波特性を有し、歩留まりの高い半導体受光素子を簡単な方法で製造することができる。
Claims (7)
- 半絶縁性の半導体基板と、
この半導体基板上に選択的に配設され、その表面上に第1の電極が配設された第1導電型の第1半導体層と、
この第1半導体層の上に配設され、上記第1半導体層側から、第1導電型の第1クラッド層、光吸収層、および第2導電型の第2クラッド層が順次積層された光導波路層と、
この光導波路層の周囲を埋め込み上記第1クラッド層上に配設された半絶縁性半導体の埋込層と、
上記光導波路層の第2のクラッド層の上に配設された電極部とこの電極部から上記埋込層の側壁上を経由して上記半導体基板上に延在する引出部とこの引出部と接続され上記半導体基板表面に絶縁膜を介して配設された電極パッドとを有する第2の電極と、
を備えた半導体受光素子。 - 光導波路層の受光面と互いに対向する背面に沿った埋込層の側壁が(111)面であることを特徴とした請求項1記載の半導体受光素子。
- 埋込層がFeあるいはCrあるいはRuが添加されたInPで形成されたことを特徴とする請求項1または2記載の半導体受光素子。
- 半絶縁性の半導体基板と、
この半導体基板上に配設された第1の電極と、
上記半導体基板上に配設され、上記半導体基板側から、第1の電極に接続された第1導電型の第1クラッド層、光吸収層、および第2導電型の第2クラッド層が順次積層された光導波路層と、
この光導波路層の周囲の半導体基板に密接して配設された所定の不純物濃度のp型不純物を含むp型不純物半導体層と、
このp型不純物半導体層を介して上記半導体基板上に配設され光導波路層の周囲を埋め込む半絶縁性半導体の埋込層と、
上記光導波路層の第2のクラッド層の上に配設された電極部とこの電極部に接続され、上記p型不純物半導体層と互いに対向して上記埋込層の表面上に絶縁膜を介して配設された引出部と電極パッドとを有する第2の電極と、
を備えた半導体受光素子。 - 半絶縁性の半導体基板上に、第1導電型の第1半導体層、第1導電型の第1クラッド層、光吸収層、および第2の電極に接続される第2導電型の第2クラッド層を順次形成する工程と、
第2クラッド層の上に第1の絶縁体膜を形成し、この第1の絶縁体膜により島状をした島状第1絶縁体膜を形成し、この島状第1絶縁体膜をマスクとして、第1クラッド層の所定の深さまで除去し、光導波路層を形成する工程と、
島状第1絶縁体膜を選択成長マスクとして、半絶縁性半導体により光導波路層を埋め込む埋込層を形成する工程と、
島状第1絶縁体膜を除去した後、光導波路層及び埋込層の上に第2の絶縁体膜を形成し、光導波路層とこの光導波路層の周囲に形成された埋込層とを含む一部領域上に、第2の絶縁体膜により島状をした島状第2絶縁体膜を形成し、この島状第2絶縁体膜をマスクとして選択的に半絶縁性半導体層を除去し、第1半導体層を露呈させる工程と、
露呈した第1半導体層の一部を選択的にエッチングし半導体基板を露呈させる工程と、
光導波路層、埋込層及び半導体基板の上に、第2クラッド層に対向する開口を有する第3の絶縁体膜を形成し、この第3の絶縁体膜を介して、第2クラッド層と電気的に接続された電極部とこの電極部に接続され光導波路層の受光面に対向する光導波路層の背面に沿って形成された埋込層の側壁上に形成された引出部とこの引出部に接続され半導体基板上に形成された電極パッド部とを有する電極を形成する工程と、
を含む半導体受光素子の製造方法。 - 半絶縁性の半導体基板上に、第1導電型の第1クラッド層、光吸収層、および第2導電型の第2クラッド層を順次形成する工程と、
第2クラッド層の上に第1の絶縁体膜を形成し、この第1の絶縁体膜により島状をした島状第1絶縁体膜を形成し、この島状第1絶縁体膜をマスクとして、半導体基板が露呈するまで積層を除去し、光導波路層を形成する工程と、
島状第1絶縁体膜を選択成長マスクとして所定の濃度のp型不純物を含むp型不純物半導体層を形成する工程と、
上記p型不純物半導体層を形成した後、島状第1絶縁体膜を選択成長マスクとして、半絶縁性半導体層により光導波路層を埋め込む埋込層を形成する工程と、
島状第1絶縁体膜を除去した後第2の絶縁膜を形成し、第2クラッド層と電気的に接続された電極部とこの電極部に接続されp型不純物半導体層と互いに対向して埋込層の表面上に第2の絶縁膜を介して配設された引出部と電極パッドとを有する第2の電極を形成する工程と、
を含む半導体受光素子の製造方法。 - 半絶縁性の半導体基板上に、第1導電型の第1クラッド層、光吸収層、および第2の電極に接続された第2導電型の第2クラッド層を順次形成する工程と、
第2クラッド層の表面上に第1の絶縁体膜を形成し、この第1の絶縁体膜により島状をした島状第1絶縁体膜を形成し、この島状第1絶縁体膜をマスクとして、半導体基板が露呈するまで積層を除去し、光導波路層を形成する工程と、
島状第1絶縁体膜をマスクとしてシリコンパイルアップ層を除去する工程と、
シリコンパイルアップ層を除去したのち大気開放することなく、島状第1絶縁体膜を選択成長マスクとして、半絶縁性半導体層により光導波路層を埋め込む埋込層を形成する工程と、
を含む半導体受光素子の製造方法。
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