JP3620761B2 - Semiconductor light receiving element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【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】
従来の半導体受光素子は、図2(a)(b)に示すように、光の入射方向によって異なる構造となっている。
【0003】
即ち、図2(a)に示す面型半導体受光素子では、光の入射方向は上面若しくは下面に限られ、光ファイバや光導波路等と横方向から直接光結合を行うことができない欠点がある。尚、図2(a)において、21aは光入射面、22aはp−InP層、23aはInGaAs光吸収層、24aはn−InP層、25aはn−InP基板、26aはp電極、27aはn電極である。
【0004】
一方、図2(b)に示す光導波路型半導体受光素子では、光は横方向から入射でき、光ファイバや光導波路と横方向から直接光結合を行うことができる。尚、図2(b)において、21bは光入射端面、221bはp−InP層、222bはp−InGaAsP光ガイド層、23bはInGaAs光吸収層、24bはn−InGaAsP光ガイド層、25bはn−InP基板、26bはp電極、27bはn電極である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、石英系光ファイバや光導波路は光のスポット径が約10μm程度あり、これらと高効率で直接光結合を行うためには、半導体受光素子の半導体成長層厚が約10μm程度必要となる。
【0006】
このような、厚い混晶組成の半導体層の成長は容易ではなく、組成のずれや格子欠陥、転移の発生等により暗電流の増加や信頼性の劣化という問題点がある。
【0007】
本発明の目的は、横方向からの光入射に対し、直接光結合で高効率でありながら、信頼性の高い半導体受光素子及びその製造方法を提供することにある。
【0008】
【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、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成長層を基板上に設けてなる半導体受光素子において、前記成長層及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみには、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の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、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、光吸収層で入射光が吸収され高効率で電流として検出できるものである。
【0009】
このように、入射光が光入射端面で屈折して、光の吸収層に対し、斜めに光が通過することにより、実効的に光吸収長が長くなるため従来の面型半導体受光素子に比べ吸収層厚が薄くて済む。また、横方向入射型の導波路型半導体受光素子と比べても1/2から1/3程度の半導体成長層厚で済む。このように、従来技術とは、横方向光入射が可能でありながら、光ファイバや光導波路と直接光結合に対し薄い半導体成長層厚で高効率な受光ができるという点が異なる。
【0010】
更に、上記目的を達成する本発明の請求項2又は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、前記第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成長層を基板上に設ける一方、表面側の前記半導体層の主たる内側部分又は前記受光層の一部分を含んで表面側の前記半導体層の主たる内側部分を、不純物の拡散によって、或いは、イオン注入法及び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、前記成長層及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみには、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の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、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。
【0011】
このように、第1の半導体層の主たる内側部分又は前記受光層の一部分を含んで表面側の前記半導体層の主たる内側部分を第2の導電形に転換し、第1の半導体層の端面部分を第1の導電形としておくことにより、半導体の表面若しくは端面を流れ易い暗電流が流れにくくなり、その値を二桁程度減少させることができる。
【0012】
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1の導電形の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層よりなる光吸収層とショットキー電極との間に、前記光吸収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、前記多層構造及び前記基板の端面の前記光受光層のある表面側部分のみに、表面側から離れるに従い内側に傾斜した逆メサ構造の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、前記光吸収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。
【0013】
このように、光吸収層とショットキー電極との間に、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在したため、受光素子全体をpn接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるpn接合が不要となり、pn接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある他、入射光が光吸収層に対して斜めに通過するため、実効的に光吸収長が長くなり従来の面型半導体受光素子に比べ吸収層厚が薄くて済む等請求項1記載の半導体受光素子と同様な作用を奏する。
【0014】
上記目的を達成する本発明の請求項5又は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)よりなること、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し、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4〜6において、前記光吸収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、前記光吸収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。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明では、入射光が入射面での屈折により、光吸収層を斜めに通過するため、実効的な光吸収長が長くなるため、従来の面型半導体受光素子に比べ、吸収層厚が薄くて済む。
【0017】
このため、ウェハ成長において、成長組成のずれや格子欠陥、転移の発生等が少なくなり、暗電流の小さい、信頼性の高い素子の製作が可能となる。
また、吸収層厚が薄くて済むため、吸収層が低い電圧で完全に空乏化され、低印加電圧で極めて高い受光感度が得られる。
【0018】
更に、通常、下面から光を入射するタイプの受光素子では、基板厚である100μm程度の光路長があるため、その間の光の広がりを考慮して素子サイズを大きくしておく必要があるが、本発明の場合は、光路長としてせいぜい数十μm程度で済むため、素子サイズが小さくなり、素子容量が小さくできる。
【0019】
同様に、導波路型半導体受光素子でも、十分な受光感度を得るためには、100μm程度以上の素子長が必要となるが、本発明では、素子長が数十μm程度で済むため、素子容量が小さくできる。
【0020】
更に、光吸収層とショットキー電極との間に、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在したときには、受光素子全体をpn接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるpn接合が不要となり、pn接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【0021】
【実施例】
〔実施例1〕
本発明の第1の実施例を図1に示す。同図において、11は光入射端面、12は1μm厚のp−InP層、13は1.5μm厚のInGaAs光吸収層、14は1μm厚のn−InP層、15はn−InP基板、16はp電極、17はn電極である。素子の吸収層面積は、30μm×50μmである。
【0022】
光入射端面11は、成長層12,13,14及び基板15の端面に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面11は、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
【0023】
従って、光入射端面11での入射光の屈折により、光吸収層13に対して、斜めに入射光が通過するため、実効的な光吸収長が長くなり、吸収層厚1.5μmで、光入射端面11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0.95A/W以上の大きな値が得られた。
【0024】
また、全体の成長層厚も3.5μmと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。また、素子面積も小さくで済み、このため、素子容量も0.4pF程度以下であった。
【0025】
尚、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。このため、メサ角(上面に対して55度)の揃った均一な素子が作製できた。
【0026】
勿論、逆メサ構造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。
【0027】
本実施例では、n−InP基板を用いた例であるが、p−InP基板を用いても、上記のpとnとを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。
【0028】
また、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アンバランシェフォトダイオード構造や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。更に、InGaAs/InP系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAs等の材料系や歪み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。
【0029】
〔実施例2〕
本発明の第2の実施例を図3に示す。同図において、31は光入射端面、32は1μm厚のInP層、322はZn拡散により形成したp−InP層、33は1.5μm厚のInGaAs光吸収層、34は1μm厚のn−InP層、35はn−InP基板、36はp電極、37はn電極である。素子の吸収層面積は、30μm×50μmである。
【0030】
光入射端面31は、成長層32,33,34及び基板35の端面に、表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面31は、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
【0031】
従って、光入射端面31での光の屈折により、光吸収層33に対して、斜めに入射光が通過するため、実効的な光吸収長が長くなり、光吸収層厚1.5μmで、光入射端面31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0.95A/W以上の大きな値が得られた。
【0032】
また、全体の成長層厚も3.5μmと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
【0033】
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、素子面積も小さくで済み、このため、素子容量も0.4pF程度以下であった。
【0034】
尚、本実施例では、光入射端面は、(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。このため、メサ角(上面に対して55度)の揃った均一な素子が作製できた。
【0035】
勿論、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。
【0036】
本実施例は、表面側のInP層32の主たる内側部分を、Znの拡散によりp−InP層322層としているため、暗電流の著しく低減できる利点がある。
即ち、暗電流は、半導体の表面若しくは端面を流れ易いが、本実施例のように表面側のInP層32の主たる内側部分とその端面部分との導電形が異なるようにすることにより、暗電流が流れにくくなり、その値を二桁程度減少させることができる。
【0037】
尚、このような表面側の半導体の主たる内側部分の導電形の決定は、Znの拡散により行うものに限らず、イオン注入法とその後のアニールによって行っても良い。
また、本実施例では、n−InP基板を用いた例であるが、p−InP基板を用いても、上記のpとnとを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。
【0038】
また、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アンバランシェフォトダイオード構造や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。更に、InGaAs/InP系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAs等の材料系や歪み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。
更に、光受光層としては、真性半導体層或いは超格子半導体層を含む多層構造としても良い。
【0039】
〔参考例1〕
本発明の参考例1を図4に示す。同図において、41は光入射端面、42は0.2μm厚アンドープまたは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厚アンドープまたはn-−In1-x-yGaxAlyAs(0≦x≦1,0≦y≦1)層、44は1.5μm厚アンドープまたはn-−InGaAs光吸収層、45は1μm厚n−InP層、46はn−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。素子の吸収層面積は30μm×50μmである。
【0040】
光入射端面41は、基板46の端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面41は、基板46の端面に、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
従って、光入射端面41での光の屈折により光吸収層44に対し、斜めに入射光が通過するため、実効的光吸収長が長くなる。
しかも、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、吸収層厚1.5μmで、光入射端面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0.95A/W以上の大きな値が得られた。
【0041】
また、全体の成長層厚も2.8μmと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
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、素子面積も小さくてすみ、このため素子容量も0.4pF程度以下であった。
【0042】
本参考例においては、InAlAs層42が、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層であり、光吸収層44とショットキー電極47とを直接接触したときのショットキー障壁よりも高いショットキー障壁をショットキー電極47に対して有する。
そのため、受光素子全体をpn接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるpn接合が不要となり、pn接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【0043】
なお、本参考例では、光入射端面は、(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。
メサ角は、上面に対し約55度の角度の素子が製作できた。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。
【0044】
本参考例では、In1-x-yGaxAlyAs層43としては、InAlAsからInGaAsまで組成をなめらかに変化させた傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図っているが、この層は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よい。
また、InGaAs光吸収層44とn−InP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)傾斜組成層または疑似的な傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図ってもよい。
【0045】
本参考例は、n−InP基板46を用いた例であるが、p−InP基板を用いても上記のnとpを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。また、GaAs等他の基板にも同様に適用可能である。
また、ここでは、光吸収層44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構造や超格子構造の半導体層または多重量子井戸半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
【0046】
更に、InGaAlAs系以外のInGaAsP,AlGaAs,AlInPAs,InGaPSb,AlGaPSb,AlGaAsSb,AlInAsSb,AlInPSb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。
【0047】
〔参考例2〕
本発明の参考例2を図5に示す。同図において、51は光入射端面、59は5nm厚アンドープまたはn-−InP層、52は0.2μm厚アンドープまたは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厚アンドープまたはn-−In1-x-yGaxAlyAs(0≦x≦1,0≦y≦1)層、54は1.5μm厚アンドープまたはn-−InGaAs光吸収層、55は1μm厚n−InP層、56はn−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。素子の吸収層面積は30μm×50μmである。
【0048】
光入射端面51は、基板56の端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した形状を有する。つまり、光入射端面51は、基板56の端面に、いわゆる、逆メサ構造として形成したものである。
従って、光入射端面51での光の屈折により光吸収層54に対し、斜めに入射光が通過するため、実効的光吸収長が長くなる。
しかも、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、吸収層厚1.5μmで、光入射端面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0.95A/W以上の大きな値が得られた。また、全体の成長層厚も約2.8μmと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
【0049】
更に、本参考例では、最表面に極薄のInP層59を用いているため、InAlAsに比べ、表面酸化耐性が大きいという利点もある。
ここでは、一例としてInP層59を用いたが、これに代えて、一般式In1-uGauAs1-vPv(0≦u≦1,0≦v≦1)で表される層を用いることも可能である。
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、素子面漬も小さくてすみ、このため素子容量も0.4pF程度以下であった。
【0050】
本参考例においては、InAlAs層52が、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層であり、光吸収層54とショットキー電極57とを直接接触したときのショットキー障壁よりも高いショットキー障壁をショットキー電極57に対して有する。
そのため、受光素子全体をpn接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるpn接合が不要となり、pn接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【0051】
なお、本参考例では、光入射端面は、(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。メサ角は、上面に対し約55度の角度の素子が製作できた。
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。
【0052】
本参考例では、In1-x-yGaxAlyAs層53としては、InAlAsからInGaAsまで組成をなめらかに変化させた傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図っているが、この層は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よい。
また、InGaAs光吸収層54とn−InP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)傾斜組成層または疑似的な傾斜組成層を用いて伝導帯および価電子帯のなめらかな接続を図ってもよい。
【0053】
また、本参考例は、n−InP基板56を用いた例であるが、p−InP基板を用いても上記のpとnを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。また、GaAs等他の基板にも同様に適用可能である。
本参考例では、光吸収層54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構造や超格子構造の半導体層または多重量子井戸半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
【0054】
更に、InGaAlAs系以外のInGaAsPやAlGaAs,AlInPAs,InGaPSb,AlGaPSb,AlGaAsSb,AlInAsSb,AlInPSb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。
【0055】
〔実施例5〕
本発明の第3の実施例を図6に示す。
同図において、半導体受光素子部は以下の様になっている。61は光入射面、62は1μm厚InP層、622はZn拡散により形成したp−InP層、63は1. 5μm厚InGaAs光吸収層、64は1μm厚InP層、65はn−InP基板、66はp電極、67はn電極である。
【0056】
入射面での光の屈折により光の吸収層に対し、斜めに光が通過するため、実効的光吸収長が長くなり、吸収層厚1.5μmで、入射面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で十分大きな受光感度が得られる。
また、全体の成長層厚も3.5μmと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られる。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。
【0057】
なお、本実施例では、光入射面は、(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面がでることを利用して形成した。このため、メサ角(上面に対し55度の角度)の揃った均―な素子が製作できる。
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。この実施例では、n−InP基板を用いた例であるが、p−InP基板を用いても上記のpとnを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板を用いても同様に製作可能である。
【0058】
また、ここでは、吸収層として均―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構造や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。
【0059】
この半導体受光素子がシリコン基板68上に形成されたSiO2からなる光導波路69(スポットサイズω0=5μm)と図の様に結合するようにマウントされている。この時光吸収層のInP基板側下面63aと光導波路光軸中心の高低差(Zh)は、10μmとした。
【0060】
―般に、光導波路から出射したガウシアンビームは進行とともに広がってくる。Zhを大きくすると屈折した光を受光層でうけるための光路長は長くなり、受光感度を同じ値に保持するためには、ビームの広がり分に対応して受光面積も大きくする必要がある。面積の増大は素子の接合容量に比例するため、素子の応答速度も大きく劣化する。Zhを横軸にとり、受光素子と光導波路を直近に配置し、光ビーム中心が受光層に達した点でのスポットサイズの2乗(必要な受光面積にほぼ比例)をグラフにしたものが図7(実線)である。
【0061】
図7のようにZhを大きくすると急激に必要な受光面積が増大し、これに比例して素子の応答帯域も急減することになる。従って、この実施例では、ビームの広がりがほぼ無視できるZh=10μmとした。これにより、素子面積も小さくて済み、吸収層面積は15μm×50μmとしたとき、受光感度0.9A/W以上の大きな値と素子容量も0.2pF程度以下の小さな値であった。
【0062】
また、図7中、破線は、光導波路のスポットサイズを2μmとした時の関係も示している。このようにω0が小さくなるとビーム広がりはさらに急激なため、Zhをできるかぎりω0程度に小さくすることが重要であり、たとえば、Zhを50μmにとると受光面積はZh=4μmのときの約15倍も必要になり、素子容量が激増してしまう。
【0063】
この関係は、当然、受光素子の逆メサ角θにも依存する。ビーム面積が初期のビーム面積の30%増大する点をZh+30%とすると、Zh+30%=nπω0 2(0.3)1/2/λsin(φ)で与えられる。但し、nは波長λの光に対する半導体の屈折率、πは円周率、ω0は光導波路のスポットサイズ(矩形導波路等の場合は、その導波路を特徴づける等価的スポットサイズ)、φは屈折した光の光軸中心と光吸収層のなす角である。
【0064】
波長1.3μmの光において、θ=55度、InP基板の屈折率n=3.209とすると、ω0=5μmでZh+30%=44.4μm、ω0=2μmになるとZh+30%=7.1μmとなり、スポットサイズの小さい光導波路を用いるときには特に受光層側表面に近い所に光導波路光軸中心を持ってくることが重要であることがわかる。
【0065】
なお、本実施例は光導波路としてシリコン基板上に形成されたものを用いているが、適当な基板上に光ファイバやポリマ光導波路等の他の各種光導波路をハイブリッド集積したものでも良いことはいうまでもない。また、光受光層面と光導波路の光軸方向は完全に平行である必要はなく、入射端面で屈折して光受光層で受光出来るようなっていればよく、多少平行方向からずれた角度になっていても問題ない。
尚、p−InP層622はZn拡散により形成したが、これに代えて、イオン注入法及びその後のアニールによって選択的に第2の導電型に転換しても良い。
【0066】
〔参考例3〕
本発明の参考例3を図8に示す。
図中、81は光入射面、82は1μm厚p−InP層、83は1. 5μm厚InGaAs光吸収層、84は1μm厚n−InP層、85はn−InP基板、86はp電極、87はn電極である。
本実施例では、(001)面に対し、20度傾いた研磨面を表面とする基板を用い、この上に上記層構造を成長しているため、劈開を行うと、図8のように、表面に対しメサ角が70度の劈開端面が形成されている。
【0067】
素子の吸収層面積は20μm×80μmである。入射面での光の屈折により光の吸収層に対し、斜めに光が通過するため、実効的光吸収長が長くなり、吸収層厚1.5μmで、入射面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。また、全体の成長層厚も3.5μmと薄く、横方向光入射導波路型半導体受光素子の半分以下の成長層厚で同等以上の受光感度が得られた。
【0068】
なお、本参考例では、(001)面に対し、20度傾いた研磨面を表面とする基板を用いているが、この角度を適当に選ぶことによりメサ角もこれにあわせて適当に選ぶことができることは言うまでもない。また、実施例2のような半導体層構成でも同様に適用できることは言うまでもない。
この参考例では、n−InP基板を用いた例であるが、p−InP基板を用いても上記のpとnを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性の基板をもちいても同様に製作可能である。また、ここでは、吸収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構造や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。
【0069】
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。
【0070】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、半導体受光素子において、表面側に逆メサ構造により成る光受光面があり、横からの光入射に対し、逆メサのメサ角に基づき、入射光が入射端面で上面側に向かって屈折し、光の吸収層に対して斜めに通過することにより、実効的に光吸収長が長くなるため、従来の面型半導体受光素子に比べ吸収層厚が薄くて済む。また、横方向入射型の導波路型半導体受光素子と比べても1/2〜1/3程度の半導体成長層厚で済む。
【0071】
このように、横方向光入射が可能でありながら、光ファイバや光導波路と直接光結合に対し薄い半導体成長層厚で高効率な受光が可能となる。更に、十分な受光感度を得るための素子長が横方向光入射導波路型半導体受光素子に比べ半分程度以下で済む利点もある。
【0072】
更に、光吸収層とショットキー電極との間に、いわゆる、ショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在したときには、受光素子全体をpn接合半導体層なしで構成でき、不純物拡散等によるpn接合が不要となり、pn接合部分が光吸収層を介して端面に露出することもなくなるため、暗電流が小さくて済む利点がある。
【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構造模式図である。
【図2】従来の半導体受光素子の説明図である。
【図3】本発明の第2の実施例に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図4】本発明の参考例1に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図5】本発明の参考例2に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図6】本発明の第3の実施例に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【図7】光吸収層のInP基板側下面63aと光導波路光軸中心の高低差(Zh)と光ビーム中心が受光層に達した点でのスポットサイズの2乗(必要な受光面積にほぼ比例)の関係を示すグラフである。
【図8】本発明の参考例3に係る半導体受光素子の構造模式図である。
【符号の説明】
11,31 光入射端面
12 p−InP層
13,33 InGaAs光吸収層
14,34 n−InP層
15,35 n−InP基板
16,36 p電極
17,37 n電極
32 InP層
322 Zn拡散により形成したp−InP層
41 光入射端面
42 InAlAs層
43 In1-x-yGaxAlyAs層
44 InGaAs光吸収層
45 n−InP層
46 n−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 InP層
52 InAlAs層
53 In1-x-yGaxAlyAs層
54 InGaAs光吸収層
55 n−InP層
56 n−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 光入射面
62 1μm厚InP層
622 Zn拡散により形成したp−InP層
63 1.5μm厚InGaAs光吸収層
63 1.5μm厚InGaAs光吸収層のInP基板側下面
64 1μm厚n−InP層
65 n−InP基板
66 p電極
67 n電極
68 シリコン基板
69 シリコン基板上に形成された光導波路
81 光入射面
82 1μm厚p−InP層
83 1.5μm厚InGaAs光吸収層
84 1μm厚n−InP層
85 n−InP基板
86 p電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light receiving element and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIGS. 2A and 2B, the conventional semiconductor light-receiving element has a structure that differs depending on the incident direction of light.
[0003]
That is, the planar semiconductor light receiving element shown in FIG. 2A has a drawback that the light incident direction is limited to the upper surface or the lower surface, and direct optical coupling cannot be performed from the lateral direction with an optical fiber or an optical waveguide. 2A, 21a is a light incident surface, 22a is a p-InP layer, 23a is an InGaAs light absorption layer, 24a is an n-InP layer, 25a is an n-InP substrate, 26a is a p-electrode, and 27a is n electrode.
[0004]
On the other hand, in the optical waveguide type semiconductor light receiving element shown in FIG. 2B, light can be incident from the lateral direction and can be directly optically coupled to the optical fiber or the optical waveguide from the lateral direction. In FIG. 2B, 21b is a light incident end face, 221b is a p-InP layer, 222b is a p-InGaAsP light guide layer, 23b is an InGaAs light absorption layer, 24b is an n-InGaAsP light guide layer, and 25b is n. -InP substrate, 26b is a p-electrode, and 27b is an n-electrode.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, silica-based optical fibers and optical waveguides have a light spot diameter of about 10 μm, and in order to perform direct optical coupling with these with high efficiency, a semiconductor growth layer thickness of the semiconductor light receiving element is required to be about 10 μm.
[0006]
Growth of such a semiconductor layer having a thick mixed crystal composition is not easy, and there are problems such as increase in dark current and deterioration in reliability due to compositional shift, lattice defect, transition, and the like.
[0007]
An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor light-receiving element and a method for manufacturing the same, which is highly efficient by direct optical coupling with respect to light incident from the lateral direction.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a first semiconductor layer having a first conductivity type, a second semiconductor layer having a second conductivity type, and the first semiconductor layer. In a semiconductor light-receiving element comprising a growth layer comprising a layer and a light-receiving layer sandwiched between second semiconductor layers on a substrate, the growth layer and the end face of the substrateWith the light receiving layerSurface side partonlyInclined inward as you move away from the surface sideReverse mesa structureBy providing the light incident end face, the incident light is refracted at the light incident end face so that the incident light passes through the light receiving layer obliquely with respect to the layer thickness direction. It can be detected as current with efficiency.
[0009]
In this way, incident light is refracted at the light incident end face, and light passes obliquely with respect to the light absorption layer, so that the light absorption length is effectively increased. The absorption layer thickness can be thin. Further, the thickness of the semiconductor growth layer is about 1/2 to 1/3 as compared with the lateral incidence type waveguide type semiconductor light receiving element. As described above, the conventional technique is different from the conventional technique in that light can be incident in a lateral direction and light can be received efficiently with a thin semiconductor growth layer thickness for direct optical coupling with an optical fiber or an optical waveguide.
[0010]
Furthermore, the method for manufacturing a semiconductor light receiving element according to claim 2 or 3 of the present invention that achieves the above object includes a first semiconductor layer having an intrinsic or first conductivity type and the same method as the first semiconductor layer. A growth layer comprising a second semiconductor layer having one conductivity type and a light-receiving layer sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is provided on the substrate; The main inner portion or the main inner portion of the semiconductor layer on the surface side including a part of the light receiving layer is selectively converted to the second conductivity type by impurity diffusion or by ion implantation and subsequent annealing. Furthermore, the growth layer and the end face of the substrateWith the light receiving layerSurface side partonlyInclined inward as you move away from the surface sideReverse mesa structureBy providing the light incident end face, the incident light is refracted by the light incident end face so that the incident light passes through the light receiving layer obliquely with respect to the layer thickness direction.
[0011]
Thus, the main inner portion of the first semiconductor layer or the main inner portion of the semiconductor layer on the surface side including a part of the light receiving layer is converted to the second conductivity type, and the end surface portion of the first semiconductor layer Is made the first conductivity type, it becomes difficult for a dark current that easily flows on the surface or end face of the semiconductor to flow, and the value can be reduced by about two orders of magnitude.
[0012]
A semiconductor light receiving element according to a fourth aspect of the present invention that achieves the above object is provided on a semiconductor layer having a first conductivity type, and is an intrinsic or first conductivity type semiconductor layer, a superlattice semiconductor layer, or a multiple quantum semiconductor. A Schottky having a Schottky barrier higher than the Schottky barrier between the light absorption layer and the Schottky electrode between the light absorption layer made of a well semiconductor layer and the Schottky electrode. In a semiconductor light receiving element comprising a multilayer structure on a substrate with a semiconductor layer having a high barrier height, the multilayer structure and end surfaces of the substrate are formed.With the light receiving layerSurface side partonlyInclined inward as you move away from the surface sideReverse mesa structureBy providing the light incident end face, the incident light is refracted by the light incident end face so that the incident light passes through the light absorption layer obliquely with respect to the layer thickness direction.
[0013]
Thus, since the so-called semiconductor layer having a high Schottky barrier height is interposed between the light absorption layer and the Schottky electrode, the entire light receiving element can be configured without a pn junction semiconductor layer, and a pn junction due to impurity diffusion or the like can be formed. It becomes unnecessary, and the pn junction portion is not exposed to the end face through the light absorption layer, so that there is an advantage that the dark current can be reduced. In addition, since incident light passes through the light absorption layer obliquely, it is effective. The light absorption length is longer and the absorption layer thickness is smaller than that of the conventional surface type semiconductor light receiving element.
[0014]
The semiconductor light receiving element according to claim 5 or 6 of the present invention that achieves the above object is characterized in that, in claim 4, the semiconductor layer having a high Schottky barrier height is In1-xyGaxAlyAs (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), In1-xyGaxAlyAs (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) and thin In on it1-uGauAs1-vPv(0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1), and the semiconductor light-receiving element according to claim 7 of the present invention, which achieves the above object, comprises: Between the semiconductor layer with a high Schottky barrier height, a composition gradient that changes continuously or stepwise from the same composition as the light absorption layer to the same composition as the semiconductor layer with a high Schottky barrier height A gradient composition layer is interposed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, since the incident light passes through the light absorption layer obliquely due to refraction at the incident surface, the effective light absorption length becomes longer, so that the absorption layer thickness is thinner than that of the conventional surface type semiconductor light receiving element. I'll do it.
[0017]
For this reason, deviation of growth composition, lattice defects, occurrence of dislocation, etc. are reduced during wafer growth, and it becomes possible to manufacture a highly reliable device with a small dark current.
Further, since the absorption layer can be thin, the absorption layer is completely depleted at a low voltage, and extremely high light receiving sensitivity can be obtained at a low applied voltage.
[0018]
Furthermore, in general, a light receiving element of a type in which light is incident from the lower surface has an optical path length of about 100 μm, which is the substrate thickness. Therefore, it is necessary to increase the element size in consideration of the spread of light between them, In the case of the present invention, since the optical path length may be about several tens of μm at most, the element size can be reduced and the element capacitance can be reduced.
[0019]
Similarly, in order to obtain sufficient light receiving sensitivity even in the waveguide type semiconductor light receiving element, an element length of about 100 μm or more is required. However, in the present invention, the element length is only about several tens of μm, so that the element capacitance Can be reduced.
[0020]
Furthermore, when a so-called semiconductor layer having a high Schottky barrier height is interposed between the light absorption layer and the Schottky electrode, the entire light receiving element can be configured without a pn junction semiconductor layer, and no pn junction due to impurity diffusion or the like is required. Thus, the pn junction portion is not exposed to the end face through the light absorption layer, and there is an advantage that the dark current can be reduced.
[0021]
【Example】
[Example 1]
A first embodiment of the present invention is shown in FIG. In the figure, 11 is a light incident end face, 12 is a 1 μm thick p-InP layer, 13 is a 1.5 μm thick InGaAs light absorbing layer, 14 is a 1 μm thick n-InP layer, 15 is an n-InP substrate, 16 Is a p-electrode, and 17 is an n-electrode. The absorption layer area of the element is 30 μm × 50 μm.
[0022]
The light incident end face 11 has a shape that is inclined inward toward the end faces of the growth layers 12, 13, and 14 and the substrate 15 as the distance from the surface side increases. That is, the light incident end face 11 is formed as a so-called inverted mesa structure.
[0023]
Therefore, the incident light passes through the light absorption layer 13 obliquely due to the refraction of the incident light at the light incident end face 11, so that the effective light absorption length becomes long, and the absorption layer thickness is 1.5 μm. By forming the non-reflective film on the incident end face 11, a large value of 0.95 A / W or more in light receiving sensitivity was obtained with an applied reverse bias of 1.5 V in light having a wavelength of 1.3 μm.
[0024]
Further, the overall growth layer thickness was as thin as 3.5 μm, and a light receiving sensitivity equal to or higher than that was obtained with a growth layer thickness less than half that of the lateral light incident waveguide type semiconductor light receiving element. Further, the element area is small, and the element capacitance is about 0.4 pF or less.
[0025]
In the present embodiment, the light incident end face 11 is formed by using the (111) A plane that is obtained by performing wet etching on a (001) surface wafer using bromomethanol. For this reason, a uniform element with a uniform mesa angle (55 degrees with respect to the upper surface) could be produced.
[0026]
Of course, the reverse mesa structure may be formed by using other wet etching solutions or dry etching methods, or by using other crystal planes or by controlling the angle using the adhesion of the etching mask. Also good.
[0027]
In this embodiment, an n-InP substrate is used. However, even if a p-InP substrate is used, it can be similarly manufactured by reversing the above-mentioned p and n, and a semi-insulating substrate. It is possible to produce the same in the same way.
[0028]
Further, although a bulk having a uniform composition is used as the absorption layer, it goes without saying that an avalanche photodiode structure, a semiconductor layer having a superlattice structure, or the like may be used. Furthermore, it goes without saying that a material system such as InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs other than the InGaAs / InP system, or a material system with inherent strain may be used.
[0029]
[Example 2]
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. In the figure, 31 is a light incident end face, 32 is a 1 μm thick InP layer, 322 is a p-InP layer formed by Zn diffusion, 33 is a 1.5 μm thick InGaAs light absorption layer, and 34 is a 1 μm thick n-InP layer. The layer, 35 is an n-InP substrate, 36 is a p-electrode, and 37 is an n-electrode. The absorption layer area of the element is 30 μm × 50 μm.
[0030]
The light
[0031]
Therefore, the incident light passes obliquely with respect to the
[0032]
Further, the overall growth layer thickness was as thin as 3.5 μm, and a light receiving sensitivity equal to or higher than that was obtained with a growth layer thickness less than half that of the lateral light incident waveguide type semiconductor light receiving element.
[0033]
As for the dark current, a sufficiently small value of about 10 pA was obtained even after the formation of the antireflection film. Further, the element area is small, and the element capacitance is about 0.4 pF or less.
[0034]
In this example, the light incident end face was formed by using the (111) A face that was obtained by performing wet etching on a (001) surface wafer using bromomethanol. For this reason, a uniform element with a uniform mesa angle (55 degrees with respect to the upper surface) could be produced.
[0035]
Of course, the reverse mesa may be formed using another wet etching solution or a dry etching method, or may be formed using another crystal plane or controlling the angle using the adhesion of the etching mask. good.
[0036]
The present embodiment has an advantage that the dark current can be remarkably reduced because the main inner portion of the
That is, the dark current easily flows on the surface or end face of the semiconductor. However, by making the conductivity type of the main inner portion of the
[0037]
The determination of the conductivity type of the main inner portion of the semiconductor on the surface side is not limited to that performed by Zn diffusion, but may be performed by ion implantation and subsequent annealing.
In this embodiment, an n-InP substrate is used. However, even if a p-InP substrate is used, it can be similarly manufactured by reversing the above-mentioned p and n, and semi-insulating. The same substrate can be manufactured using this substrate.
[0038]
In addition, although a bulk having a uniform composition is used as the absorption layer, it goes without saying that an avalanche photodiode structure or a semiconductor layer having a superlattice structure may be used. Furthermore, it goes without saying that a material system such as InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs other than the InGaAs / InP system, or a material system with inherent strain may be used.
Furthermore, the light receiving layer may have a multilayer structure including an intrinsic semiconductor layer or a superlattice semiconductor layer.
[0039]
[referenceExample1]
Of the present inventionreferenceExample1Is shown in FIG. In the figure, 41 is a light incident end face, 42 is 0.2 μm thick undoped or--InAlAs layer, 43 is a 0.1 .mu.m thick undoped or n layer whose composition is smoothly changed from InAlAs to InGaAs.--In1-xyGaxAlyAs (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) layer, 44 is 1.5 μm thick undoped or n--InGaAs light absorption layer, 45 is a 1 .mu.m thick n-InP layer, 46 is an n-InP substrate, 47 is a Pt / Ti / Au Schottky electrode, and 48 is an ohmic n electrode. The absorption layer area of the element is 30 μm × 50 μm.
[0040]
The light
Therefore, incident light passes through the
In addition, the incident light refracted by the
[0041]
Further, the total growth layer thickness was as thin as 2.8 μm, and a light receiving sensitivity equal to or higher than that was obtained with a growth layer thickness less than half that of the lateral light incident waveguide type semiconductor light receiving element.
As for the dark current, a sufficiently small value of about 1 nA was obtained even after the formation of the antireflection film. Also, the element area is small, and the element capacitance is about 0.4 pF or less.
[0042]
BookreferenceIn the example, the
Therefore, the entire light receiving element can be configured without a pn junction semiconductor layer, a pn junction by impurity diffusion or the like is not necessary, and the pn junction portion is not exposed to the end face via the light absorption layer, so that the dark current can be reduced. There are advantages.
[0043]
BookreferenceIn the example, the light incident end face was formed by taking advantage of the (111) A face that was obtained by performing wet etching on a (001) surface wafer using bromomethanol.
A mesa angle of about 55 degrees with respect to the upper surface could be fabricated. Of course, the reverse mesa may be formed by using another wet etching solution or a dry etching method, or may be formed by using another crystal plane or by controlling the angle using the adhesion of the etching mask. Good.
[0044]
BookreferenceIn the example, In1-xyGaxAlyThe As
Further, the In changed the composition from InGaAs to InP between the InGaAs
[0045]
BookreferenceThe example is an example using the n-
In addition, here, a bulk having a uniform composition is used as the
[0046]
Furthermore, it goes without saying that a material system such as InGaAsP, AlGaAs, AlInPAs, InGaPSb, AlGaPSb, AlGaAsSb, AlInAsSb, and AlInPSb system other than the InGaAlAs system and a material system with inherent strain may be used.
[0047]
[referenceExample2]
Of the present inventionreferenceExample2Is shown in FIG. In the figure, 51 is a light incident end face, 59 is 5 nm thick undoped or n--InP layer, 52 is 0.2 μm thick undoped or n--InAlAs layer, 53 is a 0.1 .mu.m thick undoped or n layer whose composition is smoothly changed from InAlAs to InGaAs.--In1-xyGaxAlyAs (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) layer, 54 is 1.5 μm thick undoped or n--InGaAs light absorption layer, 55 is a 1 .mu.m thick n-InP layer, 56 is an n-InP substrate, 57 is a Pt / Ti / Au Schottky electrode, and 58 is an ohmic n electrode. The absorption layer area of the element is 30 μm × 50 μm.
[0048]
The light incident end face 51 has a shape that is inclined inward toward the end face of the
Accordingly, since the incident light passes through the
In addition, the incident light refracted by the
[0049]
In addition, bookreferenceIn the example, since an extremely
Here, the
As for the dark current, a sufficiently small value of about 1 nA was obtained even after the formation of the antireflection film. In addition, the element surface dipping is small, and the element capacitance is about 0.4 pF or less.
[0050]
BookreferenceIn the example, the
Therefore, the entire light receiving element can be configured without a pn junction semiconductor layer, a pn junction by impurity diffusion or the like is not necessary, and the pn junction portion is not exposed to the end face via the light absorption layer, so that the dark current can be reduced. There are advantages.
[0051]
BookreferenceIn the example, the light incident end face was formed by taking advantage of the (111) A face that was obtained by performing wet etching on a (001) surface wafer using bromomethanol. A mesa angle of about 55 degrees with respect to the upper surface could be fabricated.
Of course, the reverse mesa may be formed by using another wet etching solution or a dry etching method, or may be formed by using another crystal plane or by controlling the angle using the adhesion of the etching mask. Good.
[0052]
BookreferenceIn the example, In1-xyGaxAlyThe As
Also, the In changed the composition from InGaAs to InP between the InGaAs
[0053]
Also bookreferenceThe example is an example using the n-
BookreferenceIn the example, a bulk of uniform composition is used as the
[0054]
Furthermore, it goes without saying that a material system such as InGaAsP, AlGaAs, AlInPAs, InGaPSb, AlGaPSb, AlGaAsSb, AlInAsSb, or AlInPSb system other than the InGaAlAs system, or a material system with inherent strain may be used.
[0055]
Example 5
First of the present invention3An example of this is shown in FIG.
In the figure, the semiconductor light receiving element portion is as follows. 61 is a light incident surface, 62 is a 1 μm thick InP layer, 622 is a p-InP layer formed by Zn diffusion, 63 is a 1.5 μm thick InGaAs light absorption layer, 64 is a 1 μm thick InP layer, 65 is an n-InP substrate, 66 is a p-electrode and 67 is an n-electrode.
[0056]
Since light passes through the light absorbing layer obliquely due to light refraction at the incident surface, the effective light absorption length is increased, and an antireflective film is formed on the incident surface with an absorption layer thickness of 1.5 μm. Thus, a sufficiently large light receiving sensitivity can be obtained with an applied reverse bias of 1.5 V at a wavelength of 1.3 μm.
Further, the overall growth layer thickness is as thin as 3.5 μm, and a light receiving sensitivity equal to or higher than that can be obtained with a growth layer thickness less than half that of the lateral light incident waveguide type semiconductor light receiving element. As for the dark current, a sufficiently small value of about 10 pA was obtained even after the formation of the antireflection film.
[0057]
In this example, the light incident surface was formed by utilizing the (111) A surface that was obtained by performing wet etching on a (001) surface wafer using bromomethanol. For this reason, a uniform element having a uniform mesa angle (an angle of 55 degrees with respect to the upper surface) can be manufactured.
Of course, the reverse mesa may be formed using another wet etching solution or a dry etching method, or may be formed using another crystal plane or controlling the angle using the adhesion of the etching mask. Good. In this embodiment, an n-InP substrate is used. However, even if a p-InP substrate is used, it can be similarly manufactured by reversing the above p and n, and a semi-insulating substrate is used. But it can be produced in the same way.
[0058]
Further, here, a bulk of a uniform composition is used as the absorption layer, but it goes without saying that an avalanche photodiode structure, a semiconductor layer having a superlattice structure, or the like may be used.
Needless to say, a material system other than the InGaAsP / InP system, such as InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system with inherent strain may be used.
[0059]
This semiconductor light receiving element is formed on a
[0060]
In general, the Gaussian beam emitted from the optical waveguide spreads as it progresses. When Zh is increased, the optical path length for receiving the refracted light in the light receiving layer becomes longer, and in order to keep the light receiving sensitivity at the same value, it is necessary to increase the light receiving area corresponding to the spread of the beam. Since the increase in area is proportional to the junction capacitance of the element, the response speed of the element is greatly degraded. A graph showing the square of the spot size (approximately proportional to the required light receiving area) at the point where Zh is on the horizontal axis and the light receiving element and the optical waveguide are arranged closest to each other and the center of the light beam reaches the light receiving layer. 7 (solid line).
[0061]
When Zh is increased as shown in FIG. 7, the required light receiving area increases rapidly, and the response band of the element also decreases rapidly in proportion to this. Therefore, in this embodiment, Zh = 10 μm where the beam spread can be almost ignored. Thus, the element area can be reduced, and when the absorption layer area is 15 μm × 50 μm, the light receiving sensitivity is a large value of 0.9 A / W or more and the element capacitance is a small value of about 0.2 pF or less.
[0062]
Moreover, the broken line in FIG. 7 also shows the relationship when the spot size of the optical waveguide is 2 μm. Ω like this0As the beam becomes smaller, the beam divergence becomes more rapid.0For example, if Zh is set to 50 μm, the light receiving area is required to be about 15 times as large as Zh = 4 μm, and the element capacitance is drastically increased.
[0063]
This relationship naturally depends on the reverse mesa angle θ of the light receiving element. The point where the beam area increases by 30% of the initial beam area is Zh+ 30%Zh+ 30%= Nπω0 2(0.3)1/2/ Λsin (φ). Where n is the refractive index of the semiconductor with respect to light of wavelength λ, π is the circumference, ω0Is the spot size of the optical waveguide (in the case of a rectangular waveguide or the like, an equivalent spot size characterizing the waveguide), and φ is the angle formed by the center of the optical axis of the refracted light and the light absorption layer.
[0064]
For light with a wavelength of 1.3 μm, if θ = 55 degrees and the refractive index n of the InP substrate is 3.209, then ω0= Zh at 5μm+ 30%= 44.4 μm, ω0Zh when = 2μm+ 30%= 7.1 μm, and when using an optical waveguide with a small spot size, it can be seen that it is important to bring the optical axis center of the optical waveguide particularly close to the surface of the light receiving layer.
[0065]
In this embodiment, an optical waveguide formed on a silicon substrate is used. However, it is also possible to hybridly integrate other various optical waveguides such as an optical fiber and a polymer optical waveguide on an appropriate substrate. Needless to say. Further, the optical axis direction of the light receiving layer surface and the optical waveguide need not be completely parallel. It is sufficient that the light receiving layer is refracted at the incident end surface and can be received by the light receiving layer, and is slightly deviated from the parallel direction. No problem.
Note that the p-
[0066]
[referenceExample3]
Of the present inventionreferenceExample3Is shown in FIG.
In the figure, 81 is a light incident surface, 82 is a 1 μm thick p-InP layer, 83 is a 1.5 μm thick InGaAs light absorbing layer, 84 is a 1 μm thick n-InP layer, 85 is an n-InP substrate, 86 is a p electrode, Reference numeral 87 denotes an n electrode.
In this example, a substrate having a polished surface inclined by 20 degrees with respect to the (001) plane is used, and the layer structure is grown thereon. Therefore, when cleavage is performed, as shown in FIG. A cleavage end face having a mesa angle of 70 degrees with respect to the surface is formed.
[0067]
The absorption layer area of the element is 20 μm × 80 μm. Since light passes through the light absorbing layer obliquely due to light refraction at the incident surface, the effective light absorption length is increased, and an antireflective film is formed on the incident surface with an absorption layer thickness of 1.5 μm. As a result, a large light receiving sensitivity of 0.9 A / W or more was obtained at an applied reverse bias of 1.5 V in light having a wavelength of 1.3 μm. Further, the overall growth layer thickness was as thin as 3.5 μm, and a light receiving sensitivity equal to or higher than that was obtained with a growth layer thickness less than half that of the lateral light incident waveguide type semiconductor light receiving element.
[0068]
BookreferenceIn the example, a substrate having a polished surface inclined by 20 degrees with respect to the (001) plane is used, but it goes without saying that the mesa angle can be appropriately selected according to this angle. Yes. Examples2Needless to say, the present invention can be similarly applied to such a semiconductor layer configuration.
thisreferenceIn the example, an n-InP substrate is used. However, even if a p-InP substrate is used, the above-described p and n can be reversed in the same manner, and a semi-insulating substrate can be used. It can be produced in the same way. In addition, here, a bulk having a uniform composition is used as the absorption layer, but it goes without saying that an avalanche photodiode structure, a semiconductor layer having a superlattice structure, or the like may be used.
[0069]
Needless to say, a material system other than the InGaAsP / InP system, such as InGaAlAs / InGaAsP or AlGaAs / GaAs system, or a material system with inherent strain may be used.
[0070]
【The invention's effect】
As described above in detail based on the embodiment, in the semiconductor light-receiving element, the light receiving surface having the reverse mesa structure is provided on the surface side, and the light incident from the side is based on the mesa angle of the reverse mesa. The incident light is refracted toward the upper surface at the incident end face and passes obliquely with respect to the light absorption layer, effectively increasing the light absorption length. The thickness is thin. Further, a semiconductor growth layer thickness of about 1/2 to 1/3 is sufficient as compared with a lateral incidence type waveguide type semiconductor light receiving element.
[0071]
As described above, it is possible to receive light efficiently with a thin semiconductor growth layer thickness for direct optical coupling with an optical fiber or an optical waveguide while allowing lateral light incidence. Further, there is an advantage that the element length for obtaining sufficient light receiving sensitivity is about half or less as compared with the lateral light incident waveguide type semiconductor light receiving element.
[0072]
Furthermore, when a so-called semiconductor layer having a high Schottky barrier height is interposed between the light absorption layer and the Schottky electrode, the entire light receiving element can be configured without a pn junction semiconductor layer, and no pn junction due to impurity diffusion or the like is required. Thus, the pn junction portion is not exposed to the end face through the light absorption layer, and there is an advantage that the dark current can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of the structure of a semiconductor light receiving element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a conventional semiconductor light receiving element.
FIG. 3 is a structural schematic view of a semiconductor light receiving element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 of the present inventionreferenceExample1It is a structure schematic diagram of the semiconductor light receiving element concerning.
FIG. 5 shows the present invention.referenceExample2It is a structure schematic diagram of the semiconductor light receiving element concerning.
FIG. 6 shows the first of the present invention.3It is a structure schematic diagram of the semiconductor light receiving element according to the example.
FIG. 7 shows the difference in height (Zh) between the InP substrate side lower surface 63a of the light absorption layer and the optical waveguide optical axis center, and the square of the spot size at the point where the light beam center reaches the light receiving layer. It is a graph which shows the relationship of (proportional).
FIG. 8 shows the present invention.referenceExample3It is a structure schematic diagram of the semiconductor light receiving element concerning.
[Explanation of symbols]
11, 31 Light incident end face
12 p-InP layer
13,33 InGaAs light absorption layer
14,34 n-InP layer
15,35 n-InP substrate
16, 36 p-electrode
17, 37 n-electrode
32 InP layer
322 p-InP layer formed by Zn diffusion
41 Light incident end face
42 InAlAs layer
43 In1-xyGaxAlyAs layer
44 InGaAs light absorption layer
45 n-InP layer
46 n-InP substrate
47 Pt / Ti / Au Schottky electrode
48 Ohmic n electrode
51 Light incident end face
59 InP layer
52 InAlAs layer
53 In1-xyGaxAlyAs layer
54 InGaAs light absorption layer
55 n-InP layer
56 n-InP substrate
57 Pt / Ti / Au Schottky electrode
58 Ohmic n electrode
61 Light incident surface
62 1 μm thick InP layer
622 p-InP layer formed by Zn diffusion
63 1.5μm thick InGaAs light absorption layer
63 InP substrate side underside of 1.5μm thick InGaAs light absorption layer
64 1 μm thick n-InP layer
65 n-InP substrate
66 p-electrode
67 n-electrode
68 Silicon substrate
69 Optical waveguides formed on silicon substrates
81 Light incident surface
82 1μm thick p-InP layer
83 1.5μm thick InGaAs light absorption layer
84 1μm thick n-InP layer
85 n-InP substrate
86 p-electrode
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