JP7588028B2

JP7588028B2 - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP7588028B2
Application number: JP2021078578A
Authority: JP
Inventors: 隆司豊中; 博濱田; 滋久田中
Original assignee: 日本ルメンタム株式会社
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2024-11-21
Anticipated expiration: 2041-05-06
Also published as: JP2022114411A

Description

本発明は、半導体受光素子に関する。

高速光通信に適用される半導体受光素子として、使用状態のバイアス電圧印加時に空乏化し、光ファイバからの光信号に対して吸収層として作用するアンドープの半導体層を、ｐ型とｎ型の半導体層で挟んだＰＩＮ型のフォトダイオードが使われている。特許文献１には、受光感度と高速応答性の両立のために、吸収層がｐ型ドーピングされた半導体層とアンドープ半導体層からなる構成が報告されている。また、特許文献２には、高光入力に対して低電圧でも高速応答が可能な構造として、Ｎ層とＰ層の間にある吸収層が、Ｎ層との接合面から内側に向かって徐々に濃度を減ずるｎ型不純物を含む層と、Ｐ層の接合面から内側に向かって徐々に濃度を減ずるｐ型不純物を含む層からなる半導体受光素子が開示されている。

特開２０１９－１６０９００特開平３-３８８８７号公報

半導体受光素子の高速化には素子容量の低減が有効である。素子容量はＰＮ接合部の容量と寄生容量からなるが、ＰＮ接合部の容量は空乏層を厚くすることにより低減可能である。例えば特許文献１の構成において、アンドープ吸収層を厚くすることが有効である。しかしアンドープ吸収層を厚くしても、使用条件において印加されるバイアス電圧にてアンドープ吸収層全てが空乏化できなければ、実質的な空乏層は狭くなり、期待された容量低減効果が得られない。一定のバイアス電圧では、キャリア濃度が低いほど空乏化領域が広くなる。従って、アンドープ吸収層が完全にキャリアが含まれていない真性半導体層であるならば、低い電圧であっても全てを空乏化することは容易である。

しかし、アンドープ吸収層には実際には低濃度のキャリアが含まれる。アンドープ吸収層は、例えばＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法を用いて結晶成長することで形成される。この結晶成長の際に、吸収層には意図的にｐ型もしくはｎ型のキャリアをドーピングしないことでアンドープ吸収層は形成される。しかし、実際は有限のバックグランドレベルのキャリアが吸収層に含まれ、完全な意味での真性半導体層にはならない。この意図せずに含まれるキャリア（バックグラウンドレベルで含まれるキャリア）の濃度は、成長装置と成長条件に依存するが、例えばｎ型で２×１０＾１５／ｃｍ＾３程度である。従って、実際のアンドープ吸収層を用いた場合は、一定電圧下において、含まれるキャリア濃度に応じて空乏化が可能な領域は制限されることになる。つまり、単にアンドープ吸収層を厚くしただけでは実使用条件において空乏層の厚さを十分に確保することができない場合がある。

上述したようにアンドープ吸収層を用いても、実際には低濃度のキャリアが含まれるために、空乏化できる領域は制限される。ここで印可するバイアス電圧を大きくすれば、同じキャリア濃度であっても空乏化できる領域は広がり、容量を低減することが可能となる。しかし、半導体受光素子に印可可能なバイアス電圧は、消費電力の観点から有限となり、十分なバイアス電圧を得ることができない場合がある。従って、より低電圧で空乏化できる領域の大きい半導体受光素子が実使用においては望ましい。

本発明は、空乏化できる領域が大きく、低容量で高速応答性に優れた半導体受光素子を提供することが目的である。

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導電型高濃度層と、前記第１導電型高濃度層の上に接して形成された第１導電型低濃度層と、前記第１導電型低濃度層とＰＮ接合界面を形成する第２導電型低濃度層と、前記第２導電型低濃度層の上に接して形成された第２導電型高濃度層と、を備え、前記第１導電型低濃度層および前記第２導電型低濃度層のキャリア濃度は１×１０＾１６／ｃｍ＾３未満であり、前記第１導電型高濃度層は前記第１導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、前記第２導電型高濃度層は前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、前記第１導電型高濃度層と前記第２導電型高濃度層のキャリア濃度は１×１０＾１７／ｃｍ＾３以上であり、前記第１導電型低濃度層もしくは前記第２導電型低濃度層の少なくとも一方は、入射する光を吸収するバンドギャップを備えた吸収層を含む、ことを特徴とする。

本発明により、低容量で高速応答性に優れた半導体受光素子を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体受光素子の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体受光素子のバンドダイヤグラムである。本発明の第１の実施形態に係る半導体受光素子の電界強度を示すグラフである。比較例に係る半導体受光素子の断面図である。比較例に係る半導体受光素子のバンドダイヤグラムである。比較例に係る半導体受光素子の電界強度を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る半導体受光素子の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体受光素子のバンドダイヤグラムである。本発明の第２の実施形態に係る半導体受光素子の電界強度を示すグラフである。本発明の第３の実施形態に係る半導体受光素子の断面図である。本発明の第３の実施形態に係る半導体受光素子のバンドダイヤグラムである。本発明の第３の実施形態に係る半導体受光素子の電界強度を示すグラフである。本発明の第４の実施形態に係る半導体受光素子の断面図である。本発明の第４の実施形態に係る半導体受光素子のバンドダイヤグラムである。本発明の第４の実施形態に係る半導体受光素子の電界強度を示すグラフである。本発明の第４の実施形態の変形例に係る半導体受光素子の断面図である。本発明の第４の実施形態の変形例に係る半導体受光素子のバンドダイヤグラムである。本発明の第４の実施形態の変形例に係る半導体受光素子の電界強度を示すグラフである。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１（Ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる半導体受光素子１０の断面図である。本半導体受光素子１０は、例えばマルチモードファイバにて伝送される波長８４０ｎｍ～９５０ｎｍの光信号を受信可能な表面入射型半導体受光素子である。半導体受光素子１０は、Ｆｅドーピングされた半絶縁性ＩｎＰ基板１１上に、Ｓｉを５×１０＾１８／ｃｍ＾３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型ＩｎＰコンタクト層１２、厚さＷｎのｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３、厚さＷｐでＢｅを２×１０＾１５／ｃｍ＾３の濃度でドーピングしたｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４、Ｂｅを５×１０＾１９／ｃｍ＾３の濃度でドーピングした厚さ０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６が順次積層された半導体多層を有する。ここでｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３は、多層成長においてはアンドープとして形成したが、結果としてキャリア密度が２×１０＾１５／ｃｍ＾３であるｎ型半導体層となっている。なお、多層成長において意図的にＳｉ等をドーピングして所望のキャリア濃度となるように作成しても構わない。またｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４、およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６は、入射される光を吸収できるバンドギャップを備えている層である。本実施形態ではＷｎ＝０．９μｍ、Ｗｐ＝０．９μｍとした。ここでｎ型ＩｎＰコンタクト層１２はＩｎＰに限定されない。同様にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６も他の材料で形成された半導体層であっても構わない。

ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４、およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６は円柱形状にエッチング加工されており、受光メサ部を構成している。また受光メサ部の上部に、リング形状のｐ型電極１７がｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６に電気的に接続されている。さらに、ｎ型電極１８がｎ型ＩｎＰコンタクト層１２に電気的に接続されている。ｐ型電極１７、ｎ型電極１８の部分を除く表面は、窒化シリコン膜１９で被膜されている。ｎ型ＩｎＰコンタクト層１２、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６はＩｎＰ基板１１と格子整合している。窒化シリコン膜１９は、リング形状のｐ型電極１７の内部において、入射する光の波長に対して反射率が１％以下となる反射膜として機能している。

半導体受光素子１０は、ｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に逆バイアス電圧を印加した状態において、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３とｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４が空乏化し、ｐ型電極１７のリング形状内部に入射された波長８４０ｎｍ～９５０ｎｍの信号光に対して吸収層として作用する。なお、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６も入射光を吸収することが可能なバンドギャップを有しているが、高濃度のドーピングがされているために、実使用レベルの電圧では空乏化せずに、実質的には吸収層として機能しない。キャリア濃度と空乏化の関係は後述する。

図１（Ｂ）は、ｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に逆バイアス電圧を印加した状態における半導体受光素子１０のバンドダイヤグラムを示す図である。

図２は、ｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に２Ｖの逆バイアス電圧を印加した状態における電界強度を示すグラフである。図２の横軸は、ＰＮ接合界面を０とした時の各層の厚さを示している。図２において＋（プラス）方向はＰＮ接合界面よりｎ型電極１８側を示し、－（マイナス）方向はｐ型電極１７側を示す。また縦軸は電界強度を示す。ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４の界面がＰＮ接合であり、電界強度が最大となり、ＰＮ接合界面から離れるほど電界強度は低下する。ＰＮ接合界面の電界強度をＥ０（Ｖ／ｍ）とすると、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３内の電界強度Ｅｎ（Ｖ／ｍ）は、数式４で表される。

ここでｑは素電荷（＝１．６×１０＾１９（Ｃ））、εｎはｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３の誘電率である。ここでは、ＩｎＧａＡｓの誘電率（＝１．２３×１０＾－１０（Ｆ／ｍ））となる。Ｎｎはｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３のキャリア密度で２×１０＾１５／ｃｍ＾３である。ＤｎはＰＮ接合界面からの距離である。電界強度ＥｎがゼロとなるＰＮ接合界面からの距離をＤｎ０とすると、Ｅ０は数式５で表される。

同様に、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４内の電界強度Ｅｐ（Ｖ／ｍ）は、数式６で表される。

εｐはｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４の誘電率である。ここではＩｎＧａＡｓの誘電率（＝１．２３×１０＾－１０（Ｆ／ｍ））となる。またＮｐはｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４のキャリア密度で２×１０＾１５／ｃｍ＾３、ＤｐはＰＮ接合界面からの距離である。電界強度ＥｐがゼロとなるＰＮ接合界面からの距離をＤｐ０とすると、Ｅ０は数式７で表される。

逆バイアス電圧をＶｒ、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３とｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４の界面におけるビルトインポテンシャルをＶｂとすると、電界強度ＥｎをＰＮ接合界面からＤｎ０まで積分した値と電界強度ＥｐをＰＮ接合界面からＤｐ０まで積分した値の合計が（Ｖｒ＋Ｖｂ）（Ｖ）となるため、以下の数式８が成立する。

数式５、数式７及び式数８より、数式１、数式２及び数式３が導き出される。

光通信に用いられる光モジュール（光トランシーバ）は、３．３Ｖ単一電源で駆動されることが多い。この時、光モジュールに内蔵される半導体受光素子１０に印可される電圧は、光モジュールの内部回路（例えばトランスインピーダンス増幅回路）内の電圧降下の影響から、最小で２Ｖ程度となる。またビルトインポテンシャルは半導体材料により決定され、ここではＩｎＧａＡｓ層同士のＰＮ接合であるため０．５４Ｖとなる。ここで数式１にＶｒ＝２Ｖ、Ｖｂ＝０．５４Ｖを代入すると、Ｄｐ０＝０．９８８μｍとなる。また数式２及び数式３よりＤｎ０＝０．９８８μｍとなる。すなわちｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３とｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４のキャリア濃度が２×１０＾１５／ｃｍ＾３である場合、２Ｖの電圧を印可した場合は、０．９８８μｍの幅まで空乏化することが可能であることが分かる。本実施形態においては、Ｗｎ＝０．９μｍ、Ｗｐ＝０．９μｍであるため、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３およびｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４の全領域が空乏化する。つまり、半導体受光素子１０は空乏化する幅（厚み）は１．８μｍとなる。

本発明は吸収層が低濃度のｐ型半導体層と低濃度のｎ型半導体層で構成されていることに特徴がある。ここで低濃度とは、実際に使用される数Ｖの電圧印可時において十分に空乏化することが可能な程度の濃度を示す。具体的にはキャリア濃度が１×１０＾１６／ｃｍ＾３未満であることが好ましい。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６のＢｅは５×１０＾１９／ｃｍ＾３であり、数Ｖでは空乏化せず実質的には吸収層としては機能しない。低濃度のｐ型半導体層とｎ型半導体層により吸収層を構成することで、あるバイアス電圧印可時において空乏層領域を大きくできる。これにより、低容量化を実現し、高速応答性に優れた半導体受光素子を提供することができる。

ここで本発明の効果を比較例を用いて説明する。図３（Ａ）は、比較例に係る半導体受光素子３０の断面図である。本実施形態にかかる半導体受光素子１０との違いは、吸収層の構成であり、その他の構成は同じである。半導体受光素子３０の吸収層は、厚さＷｎｃのｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層３３で構成されている。本実施形態のｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３と同様に、バックグラウンドレベルで含まれるｎ型キャリア濃度が２×１０＾１５／ｃｍ＾３であるｎ型半導体層となっている。またＷｎｃは１．８μｍとした。つまり吸収層は、半導体受光素子１０と同じ濃度で、同じ厚みである。異なる点は、すべての吸収層がｎ型となっている点のみである。図３（Ｂ）は、半導体受光素子３０の逆バイアス印可時のバンドダイヤグラムである。

図４は、比較例において、半導体受光素子３０のｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に２Ｖの逆バイアス電圧を印加した状態における電界強度を示す。図２同様に横軸はＰＮ接合界面を０としている。ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層３３とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の界面がＰＮ接合である。ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層３３内の電界強度はＰＮ接合界面が最大となり、ＰＮ接合界面から離れるほど低下する。ＰＮ接合界面の電界強度をＥ０（Ｖ／ｍ）とすると、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層３３内の電界強度Ｅｎ（Ｖ／ｍ）は、数式４で表される。同様に電界強度ＥｎがゼロとなるＰＮ接合界面からの距離をＤｎ０とすると、Ｅ０は数式５で表される。

逆バイアス電圧をＶｒ、ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層３３とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の界面におけるビルトインポテンシャルをＶｂとすると、電界強度ＥをＰＮ接合界面からＤｎ０まで積分したものが（Ｖｒ＋Ｖｂ）（Ｖ）となるため、Ｄｎ０は、数式９で表される。

数式９にＶｒ＝２Ｖ、Ｖｂ＝０．５４（Ｖ）を代入すると、Ｄｎ０＝１．３９７μｍとなる。つまり、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層３３は１．８μｍの厚みがあるが、実際に２Ｖを印可した際は１．３９７μｍしか空乏化しない。

本実施形態に係る半導体受光素子１０はｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３およびｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４で吸収層を構成し、その厚みは１．８μｍである。そして２Ｖ印可時においてすべて空乏化する。一方、比較例に係る半導体受光素子３０はｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓのみで構成された吸収層であり、その厚みは１．８μｍである。しかし２Ｖ印可時においては１．３９７μｍしか空乏化しない。そのため、本実施形態に係る半導体受光素子１０は半導体受光素子３０と比較して容量が小さく、高速応答性に優れた半導体受光素子である。また、本実施形態の半導体受光素子１０は、比較例の半導体受光素子３０と比較して、同じ空乏化する領域を得るための電圧を小さくすることができると言える。そのため、同じ容量、つまり同程度の高速応答性を得るために必要な電圧が絶対値で小さくてよく、低消費電力に優れた半導体受光素子と言える。本特性は、吸収層を空乏化できるキャリア濃度がそれぞれ１×１０＾１６／ｃｍ＾３未満であるｐ型低濃度吸収層とｎ型低濃度吸収層とを組み合わせたことにより得られる。

特許文献２に、Ｎ層との接合面から内側に向かって徐々に濃度を減ずるｎ型不純物を含む層と、Ｐ層の接合面から内側に向かって徐々に濃度を減ずるｐ型不純物を含む層からなる半導体受光素子が示されている。ｎ型不純物層とｐ型不純物層の界面においては、両者の濃度は０となっている。この構造では、ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層とｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層は双方とも、これらに接するＰ型層又はＮ型層との接合面が１×１０＾１６／ｃｍ＾３以上の高濃度であり、接合面から内部に向かって徐々に濃度を減ずる構造である。そのためｎ型不純物層およびｐ型不純物層のすべては空乏化せずに、キャリア濃度が１×１０＾１６／ｃｍ＾３未満の領域のみが空乏化する。特許文献２は、不純物層各々における濃度勾配で内部電界を発生させ、低電圧時でもキャリアの移動速度を低下させないことが目的である。そのため、不純物層全体のキャリア濃度を１×１０＾１６／ｃｍ＾３未満にすることは想定されていない。また、ｎ型不純物層の中で、キャリア濃度は１×１０＾１６／ｃｍ＾３付近においても徐々に濃度が変わる。そのため、実際に空乏化する領域にきっちりと電界がかからず、空乏化領域と空乏化しない領域との界面がぼやける。その結果、キャリアの移動速度が十分に得られず高速応答性の観点ではデメリットとなる。本実施形態に係る半導体受光素子１０では、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３は５×１０＾１８／ｃｍ＾３という自身の濃度と比較して１０倍以上の高濃度にドーピングされたｎ型ＩｎＰコンタクト層１２と接している。そのため、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３には電界がきっちりとかかり、キャリアの吐き出し性に優れた高速応答が可能な半導体受光素子となっている。空乏層領域に電界を十分に印可するためには、低濃度層に接する層のキャリア濃度は１×１０＾１７／ｃｍ＾３以上が好ましい。

［第２の実施形態］
図５（Ａ）は本発明の第２の実施形態にかかる半導体受光素子５０の断面図である。図５（Ｂ）は半導体受光素子５０に逆バイアス電圧を印加した状態におけるバンドダイヤグラムを示す。第１の実施形態に示した半導体受光素子１０との違いは、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３,５３とｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４,５４の濃度と厚みの違いである。本実施形態では、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５３は３×１０＾１５／ｃｍ＾３の濃度で厚みは０．６μｍである。一方、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５４は、２×１０＾１５／ｃｍ＾３の濃度で厚みは０．９μｍである。すなわち、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５３はｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５４よりも薄く形成され、吸収層全体の厚みは１．５μｍである。その他の構成は半導体受光素子１０と同じである。

図６は、半導体受光素子５０のｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に２Ｖの逆バイアス電圧を印加した状態における電界強度を示すグラフである。図２同様に横軸はＰＮ接合界面を０としている。空乏化できる領域、すなわち電界強度が０となるＰＮ接合界面からの距離Ｄｎ０およびＤｐ０は、数式１、数式２及び数式３より求めることができる。Ｖｒ＝２Ｖ、Ｖｂ＝０．５４（Ｖ）をそれぞれ数式１、数式２及び数式３に代入すると、Ｄｐ０＝１．０８２μｍ、Ｄｎ０＝０．７２１μｍとなる。つまり、厚みが０．９μｍであるｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５４も、厚みが０．６μｍであるｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５３もすべて空乏化できることを示している。またｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５３およびｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５４のキャリア濃度が上記の値の場合、最大空乏層厚はＤｐ０＋Ｄｎ０＝１．８０３μｍとなる。これは本実施形態では吸収層の厚みは１．５μｍとしたが、１．８０３μｍとしてもすべて空乏化させることが可能であることを示している。

一方、例えば比較例において、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層３３の濃度を、本実施形態のｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層５３と同じ３×１０＾１５／ｃｍ＾３とした場合、最大空乏化領域の幅は１．１４μｍとなる。従って、同じキャリア濃度であっても本実施形態で示したようにｐ型低濃度吸収層とｎ型低濃度吸収層を組み合わせることで、最大空乏化領域の幅を広くすることが可能となる。また数式１、数式２及び数式３より明らかなように、あるバイアス電圧において最大の空乏化領域を得るためにはｐ型低濃度吸収層とｎ型低濃度吸収層のキャリア濃度が同じ濃度の場合である。

光吸収により、電子と正孔（ホール）対が生成される。そしてホールはｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６側に移動し、電子はｎ型ＩｎＰコンタクト層１２側に移動する。光吸収は吸収層全体で行われ、ｎ型ＩｎＰコンタクト層１２に近い側で発生したホールはｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６に近い側で発生したホールと比較して長い距離を移動する必要がある。ホールは電子と比較して重いために移動するのに時間がかかる。高周波駆動においては、ホールを早く空乏層領域から移動させることで高速応答性を向上させることが可能となる。本実施形態では電界強度が最大となるＰＮ接合界面は、吸収層全体でみるとｎ側に寄っている。従って、より長い距離を移動しなければならないｎ型低濃度吸収層ＩｎＧａＡｓ５３で生成されたホールには強い電界がかかる。そのため、これらのホールは強い電界により加速され、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６側に早く移動することが可能となる。その結果、より高速応答性に優れた半導体受光素子を提供することが可能となる。

［第３の実施形態］
図７（Ａ）は本発明の第３の実施形態にかかる半導体受光素子６０の断面図である。図７（Ｂ）は半導体受光素子６０に逆バイアス電圧を印加した状態におけるバンドダイヤグラムを示す。第１の実施形態に示した半導体受光素子１０との違いは、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３,６３とｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１４,６４の濃度と厚みである。本実施形態では、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３は２×１０＾１５／ｃｍ＾３の濃度で厚みは０．９μｍである。一方、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４は、３×１０＾１５／ｃｍ＾３の濃度で厚みは０．６μｍである。すなわち、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３とｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４のうち、光が入射する面に近い方（ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４）が他方（ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３）よりも薄く形成され、吸収層全体の厚みは１．５μｍである。その他の構成は半導体受光素子１０と同じである。

図８は、半導体受光素子６０のｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に２Ｖの逆バイアス電圧を印加した状態における電界強度を示すグラフである。図２同様に横軸はＰＮ接合界面を０としている。空乏化できる領域、すなわち電界強度が０となるＰＮ接合界面からの距離Ｄｎ０およびＤｐ０は、数式１、数式２、数式３より求めることができる。Ｖｒ＝２Ｖ、Ｖｂ＝０．５４（Ｖ）をそれぞれ数式１、数式２、数式３に代入すると、Ｄｐ０＝０．７２１μｍ、Ｄｎ０＝１．０８２μｍとなる。つまり、厚みが０．６μｍであるｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４も、厚みが０．９μｍであるｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３もすべて空乏化できることを示している。またｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３およびｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４のキャリア濃度が上記の値の場合、最大空乏層厚はＤｐ０＋Ｄｎ０＝１．８０３μｍとなる。これは本実施形態では吸収層の厚みは１．５μｍとしたが、１．８０３μｍとしてもすべて空乏化させることが可能であることを示している。

一方、例えば比較例において、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層３３の濃度を、本実施形態のｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３と同じ２×１０＾１５／ｃｍ＾３とした場合、最大空乏化領域の幅は１．１４μｍとなる。従って、同じキャリア濃度であっても本実施形態で示したようにｐ型低濃度吸収層とｎ型低濃度吸収層を組み合わせることで、最大空乏化領域の幅を広くすることが可能となる。

半導体受光素子６０は表面入射型光半導体受光素子であり、受信した光信号はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を通過してｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４に入光する。入光した光信号は、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４で吸収されながらｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３に到達し、そこでも吸収される。そのため、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４で吸収される光の量はｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３で吸収される光の量より多い。従って、光吸収によって生成されるホールと電子の対もｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４の領域の方が多い。多く発生したキャリアを高速に移動させるためには強い電界がかかることが好ましい。本実施形態においては、光吸収が多いｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６４の方により高い電界強度を印加することが可能となり、効率的にキャリアを移動させることが可能である。

第２の実施形態で説明したように、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３の電界強度を強めたほうがいい場合もある。例えば表面入射型の場合は、ｐ側で多く生成されるキャリアを速く移動させるために第３の実施形態の半導体受光素子６０が好ましい。一方、裏面入射型半導体受光素子の場合は光吸収量が多いのはｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層６３であり、第２の実施形態の半導体受光素子５０の方が高速応答性に優れる。また表面入射型半導体受光素子であっても、ｐ側で多く生成されるキャリアの引き出し性とｎ側のホールの引き出し性のどちらが全体としての高速応答性に影響するかは、入射する光強度、印可する電圧、さらに吸収層の厚さや濃度等によって変わる。そのため全体の設計として、ｐ型低濃度吸収層とｎ型低濃度吸収層の厚さや濃度を決定することが好ましい。

［第４の実施形態］
図９（Ａ）は本発明の第４の実施形態にかかる半導体受光素子７０の断面図である。図７（Ｂ）は半導体受光素子７０に逆バイアス電圧を印加した状態におけるバンドダイヤグラムを示す。第１の実施形態に示した半導体受光素子１０との違いは、ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層１３が、キャリア濃度が１×１０＾１５／ｃｍ＾３のｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層７３となっている点と、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層７４の厚みが０．８μｍとなっている点である。ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層７４のキャリア濃度は、第１の実施形態と同じ２×１０＾１５／ｃｍ＾３である。なお、ｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層７３のキャリアは意図的にドーピングした場合もバックグラウンドで含まれる場合のいずれであっても構わない。ｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層７３の厚みは、１．５μｍとした。つまり吸収層はｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層７４のみであり、その厚みは０．９μｍである。その他の構成は半導体受光素子１０と同じである。

ｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層７３は、ＩｎＰのバンドギャップ波長が入射光の波長８４０ｎｍ～９５０ｎｍより短いため、吸収層として作用しない。しかしキャリア濃度は１×１０＾１６／ｃｍ＾３未満であるため、空乏化する層である。ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層７４で発生したキャリアのうち電子のみが内部電界により高速でドリフトすることが可能である。このようにキャリア移動時間の増大を抑制しつつ素子容量を低減する構造となっている。半導体受光素子の高速応答性を向上させるためには、容量低減と共にキャリアがどれだけ早く吸収層から抜けるかも重要である。本構造は後者の観点において優れた構造である。なお、入射する光の波長に対してワイドバンドギャップとなる層であればＩｎＰに限定はされず、例えばＩｎＡｌＡｓ層やＩｎＡｌＧａＡｓ層であっても構わない。

図１０は、半導体受光素子７０のｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に２Ｖの逆バイアス電圧を印加した状態における電界強度を示すグラフである。図２同様に横軸はＰＮ接合界面を０としている。空乏化できる領域、すなわち電界強度が０となるＰＮ接合界面からの距離Ｄｎ０およびＤｐ０は、数式１、数式２及び数式３より求めることができる。本実施形態に置いてはＰＮ接合界面はＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層との界面となるため、Ｖｂは０．５９Ｖとなる。またＩｎＰの誘電率は、１．１１×１０＾－１０（Ｆ／ｍ）である。数式１、数式２及び数式３にＶｒ＝２Ｖ、Ｖｂ＝０．５９（Ｖ）をそれぞれ代入すると、Ｄｐ０＝０．８４４μｍ、Ｄｎ０＝１．５１７μｍとなる。つまり、厚みが０．８μｍであるｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層７４も、厚みが１．５μｍであるｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層７３もすべて空乏化できることを示している。つまり半導体受光素子７０は２Ｖ印可時において空乏層厚は２．３μｍと大きいため容量が小さく、さらにｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層７３によりキャリアの吐き出し性に優れ、高速応答が可能な素子である。なお、本実施形態ではｎ型低濃度層をワイドバンドギャップ層としたが、逆にｐ型低濃度層をＩｎＰワイドバンドギャップ層とし、ｎ型低濃度層をｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層としても、本実施形態同様に広い空乏層を得ることができる。

第４の実施形態に示したように、低濃度層は必ずしも入射する光を吸収できるバンドギャップを備える材料のみで構成する必要はなく、キャリア濃度が１×１０＾１６／ｃｍ＾３未満のｐ型低濃度層とｎ型低濃度層によりＰＮ界面を形成する構成とすることで空乏層を大きくすることが可能となる。

［変形例］
本発明の第４の実施形態にかかる半導体受光素子７０の変形例について説明する。図１１（Ａ）は変形例にかかる半導体受光素子９０の断面図である。図１１（Ｂ）は半導体受光素子９０に逆バイアス電圧を印加した状態におけるバンドダイヤグラムを示す。図１２は、半導体受光素子９０のｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に２Ｖの逆バイアス電圧を印加した状態における電界強度を示すグラフである。第４の実施形態に示した半導体受光素子７０との違いは、ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層７４とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６との間にｐ型高濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層９９が挟まれている点である。ｐ型高濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層９９はＢｅを１×１０＾１８／ｃｍ＾３の濃度でドーピングした厚さ０．６μｍの層である。ｐ型高濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層９９はキャリア濃度が１×１０＾１６／ｃｍ＾３以上のため数Ｖ程度の電圧では空乏化しない。そのため、本層があることによる容量低減の効果は得られない。しかし、入射する光を吸収するバンドギャップを有しているため受光感度を向上させることに有効である。半導体受光素子９０の空乏化領域は第４の実施形態で示した半導体受光素子７０と同じである。なおｐ型高濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層９９は濃度勾配があってもよい。但し最も濃度が低い領域でも使用条件において印加されるバイアス電圧印加時に空乏化しない濃度である。具体的には１×１０＾１７／ｃｍ＾３以上の濃度が好ましい。さらにｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層７４とｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層７３との間に、第１の実施形態同様にｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層を挟んでも構わない。

なお、空乏化させたい層を数式１、数式２及び数式３より導き出される厚みとして作成することが最も低容量、高速応答性に優れるが、数式１、数式２及び数式３より導き出される空乏化可能な層厚より１０％程度まで厚い層として低濃度層を構成しても良い。この場合、ｐ型低濃度層の内、ｐ型高濃度層との界面付近や、ｎ型低濃度層の内、ｎ型高濃度層との界面付近においては空乏化しない層が存在する。しかしその層は厚くないために、キャリアの吐き出し性の劣化への影響は大きくなく、実用できるレベルである。

上記実施形態で説明した構造をそれぞれの実施形態と組み合わせても本願発明の効果が得られることは言うまでもない。すなわち、ｎ型低濃度層とｐ型低濃度層のうち少なくとも一方が入射する光を吸収する吸収層を含んでいれば、ｎ型低濃度層とｐ型低濃度層は吸収層とワイドバンドギャップ層の２層で構成されてもよいし一方のみで構成されてもよい。さらに、ｎ型低濃度層とｐ型低濃度層は同じ厚みであってもよいし、ｎ型低濃度層がｐ型低濃度層よりも厚くてもよいし、ｎ型低濃度層がｐ型低濃度層よりも薄くてもよい。また波長８４０ｎｍ～９５０ｎｍの光信号を受信可能な表面入射型半導体受光素子について説明したが、その他の波長帯、例えば１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の光信号を受信可能な表面入射型半導体受光素子であってもよいし、裏面入射型半導体受光素子であっても構わない。さらに光信号が入力されるファイバはシングルモードファイバであってもよい。また上記実施形態ではＩｎＰ基板側に近いほうがｎ型とした構造で説明したが、これに限らず極性が反対、つまりＩｎＰ基板側に近いほうをｐ型とした構成であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに半絶縁性のＩｎＰ基板ではなく導電型の半導体基板であっても構わない。

１０半導体受光素子、１１ＩｎＰ基板、１２ｎ型ＩｎＰコンタクト層、１３ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、１４ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、１６ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１７ｐ型電極、１８ｎ型電極、１９窒化シリコン膜、３０半導体受光素子、３３ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、５０半導体受光素子、５３ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、５４ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、６０半導体受光素子、６３ｎ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、６４ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、７０半導体受光素子、７３ｎ型低濃度ＩｎＰワイドバンドギャップ層、７４ｐ型低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層、９０半導体受光素子、９９ｐ型高濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層。

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型高濃度層と、
前記第１導電型高濃度層の上に接して形成された第１導電型低濃度層と、
前記第１導電型低濃度層とＰＮ接合界面を形成する第２導電型低濃度層と、
前記第２導電型低濃度層の上に接して形成された第２導電型高濃度層と、を備え、
前記第１導電型高濃度層は、前記第１導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第２導電型高濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層の一方または両方は、入射する光を吸収するバンドギャップを備えた吸収層を含み、
前記第１導電型低濃度層の厚みは、数式１、数式２及び数式３により定義される厚みＤｎ０の１．１倍以下であり、
前記第２導電型低濃度層の厚みは、数式１、数式２及び数式３により定義される厚みＤｐ０の１．１倍以下である、
半導体受光素子。

Ｖｒ：外部より印可されるバイアス電圧
Ｖｂ：ビルトインポテンシャル
ｑ：素電荷
εｐ：第２導電型低濃度層の誘電率
εｎ：第１導電型低濃度層の誘電率
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層の厚みは、前記Ｄｎ０以下であり、
前記第２導電型低濃度層の厚みは、前記Ｄｐ０以下である、
半導体受光素子。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型高濃度層と、
前記第１導電型高濃度層の上に接して形成された第１導電型低濃度層と、
前記第１導電型低濃度層とＰＮ接合界面を形成する第２導電型低濃度層と、
前記第２導電型低濃度層の上に接して形成された第２導電型高濃度層と、を備え、
前記第１導電型高濃度層は、前記第１導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第２導電型高濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層の一方または両方は、入射する光を吸収するバンドギャップを備えた吸収層を含み、
前記第１導電型高濃度層は、第１導電型コンタクト層であり、
前記第２導電型高濃度層は、第２導電型コンタクト層であり、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層の両方は、入射する光を吸収するバンドギャップを有する吸収層を含み、
前記第１導電型低濃度層及び前記第２導電型低濃度層のそれぞれにおいて、前記吸収層は、低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層である、半導体受光素子。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型高濃度層と、
前記第１導電型高濃度層の上に接して形成された第１導電型低濃度層と、
前記第１導電型低濃度層とＰＮ接合界面を形成する第２導電型低濃度層と、
前記第２導電型低濃度層の上に接して形成された第２導電型高濃度層と、を備え、
前記第１導電型高濃度層は、前記第１導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第２導電型高濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第１導電型高濃度層は、第１導電型コンタクト層であり、
前記第１導電型低濃度層は、入射する光を吸収しないバンドギャップを有する第１導電型低濃度ワイドバンドギャップ層であり、
前記第２導電型高濃度層は第２導電型コンタクト層であり、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層のうちの一方が、入射する光を吸収するバンドギャップを備えた吸収層を含み、
前記一方は、前記第２導電型低濃度層である、半導体受光素子。
請求項４に記載の半導体受光素子であって、
前記吸収層は、低濃度ＩｎＧａＡｓ吸収層である、半導体受光素子。
請求項４に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度ワイドバンドギャップ層は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで形成される、半導体受光素子。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型高濃度層と、
前記第１導電型高濃度層の上に接して形成された第１導電型低濃度層と、
前記第１導電型低濃度層とＰＮ接合界面を形成する第２導電型低濃度層と、
前記第２導電型低濃度層の上に形成された第２導電型高濃度層と、を備え、
前記第１導電型高濃度層は、前記第１導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第２導電型高濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第１導電型高濃度層は、第１導電型コンタクト層であり、
前記第１導電型低濃度層は、入射する光を吸収しないバンドギャップを有する第１導電型低濃度ワイドバンドギャップ層であり、
前記第２導電型高濃度層は、第２導電型コンタクト層であり、かつ、第１の第２導電型高濃度層であり、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層のうちの一方が、入射する光を吸収するバンドギャップを備えた吸収層を含み、
前記一方は、第２導電型低濃度層であり、
さらに、前記第１の第２導電型高濃度層と前記第２導電型低濃度層との間に、前記第１の第２導電型高濃度層と接して形成された第２の第２導電型高濃度層を含む、半導体受光素子。
請求項７に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度ワイドバンドギャップ層は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで形成される、半導体受光素子。
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である、半導体受光素子。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型高濃度層と、
前記第１導電型高濃度層の上に接して形成された第１導電型低濃度層と、
前記第１導電型低濃度層とＰＮ接合界面を形成する第２導電型低濃度層と、
前記第２導電型低濃度層の上に接して形成された第２導電型高濃度層と、を備え、
前記第１導電型高濃度層は、前記第１導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第２導電型高濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が高く、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層の一方または両方は、入射する光を吸収するバンドギャップを備えた吸収層を含み、
前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型であり、
前記第１導電型低濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりも薄い、半導体受光素子。
請求項１０に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が高い、半導体受光素子。
請求項９に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりも厚い、半導体受光素子。
請求項１２に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層は、前記第２導電型低濃度層よりキャリア濃度が低い、半導体受光素子。
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層は、前記第２導電型低濃度層と厚さが異なる、半導体受光素子。
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層は、前記第２導電型低濃度層とキャリア濃度が異なる、半導体受光素子。
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層のキャリア濃度は、それぞれ１×１０^１６／ｃｍ^３未満である、半導体受光素子。
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型高濃度層と前記第２導電型高濃度層のキャリア濃度は、それぞれ１×１０^１６／ｃｍ^３以上である、半導体受光素子。
請求項１７に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型低濃度層と前記第２導電型低濃度層のキャリア濃度は、それぞれ１×１０^１６／ｃｍ^３未満である、半導体受光素子。