JP2953694B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は量子効率を向上させた半導体受光素子に関す
る。
る。
（従来の技術） 10Gb/s以上の大容量光通信システムを構成する上では
超高速かつ高感度な光検出器が不可欠であり、近年、こ
の目的に合致する半導体受光素子として、光ファイバの
低伝送損失波長領域１〜1.6μｍに適応可能なピンフォ
トダイオード（pinPD）の超高速化が研究されている。
その典型的素子例の断面図を第３図に示す。第３図にお
いて、１は半導体n+型基板、２はｎ型バッファー層、３
は光吸収層、４はｎ型キャップ層、５はp+型拡散領域、
６はｐ側オーミック金属、７は誘電体膜、８は金属電
極、９はｎ側電極、10は受光部（光吸収領域）である。
ピンフォトダイオードの応答速度を制限する要因には、
受光部の接合容量によるCR時定数と、光吸収により発生
したキャリアの空乏層走行時間による２つの制限があ
る。接合容量制限については、受光部10の面積を縮小す
ることで接合容量を小さくして、高速化を図ることが可
能である。一方、キャリアの走行時間制限については、
光吸収領域10で発生したキャリアの走行距離、すなわ
ち、光吸収層３の厚さが薄いことが必要である。光吸収
層３を薄くすることは接合容量を増大させる方向に影響
するので、応答速度を最大にする光吸収層厚さの最適値
が存在する。
超高速かつ高感度な光検出器が不可欠であり、近年、こ
の目的に合致する半導体受光素子として、光ファイバの
低伝送損失波長領域１〜1.6μｍに適応可能なピンフォ
トダイオード（pinPD）の超高速化が研究されている。
その典型的素子例の断面図を第３図に示す。第３図にお
いて、１は半導体n+型基板、２はｎ型バッファー層、３
は光吸収層、４はｎ型キャップ層、５はp+型拡散領域、
６はｐ側オーミック金属、７は誘電体膜、８は金属電
極、９はｎ側電極、10は受光部（光吸収領域）である。
ピンフォトダイオードの応答速度を制限する要因には、
受光部の接合容量によるCR時定数と、光吸収により発生
したキャリアの空乏層走行時間による２つの制限があ
る。接合容量制限については、受光部10の面積を縮小す
ることで接合容量を小さくして、高速化を図ることが可
能である。一方、キャリアの走行時間制限については、
光吸収領域10で発生したキャリアの走行距離、すなわ
ち、光吸収層３の厚さが薄いことが必要である。光吸収
層３を薄くすることは接合容量を増大させる方向に影響
するので、応答速度を最大にする光吸収層厚さの最適値
が存在する。
一例としてGa0.47In0.53As/InPピンフォトダイオード
についての理論的計算によると、遮断周波数20GHzの高
速応答を得るには、接合径30μｍΦとするとGa0.47In
0.53As光吸収層厚１μｍが得られる。
についての理論的計算によると、遮断周波数20GHzの高
速応答を得るには、接合径30μｍΦとするとGa0.47In
0.53As光吸収層厚１μｍが得られる。
（発明が解決しようとする課題） ところが従来構造では、光吸収層を１μｍに薄膜化す
ると量子効率が50％以下に低下してはまう。これを防ぐ
ために従来構造では光吸収層厚を２〜３μｍと厚くせざ
るを得ず高速化が不十分であった。
ると量子効率が50％以下に低下してはまう。これを防ぐ
ために従来構造では光吸収層厚を２〜３μｍと厚くせざ
るを得ず高速化が不十分であった。
そこで本発明は、上述の欠点を解決し、高速かつ高感
度な特性を有する半導体受光素子の実現を目的とする。
度な特性を有する半導体受光素子の実現を目的とする。
（課題を解決するための手段） 本発明は、光の入射する側の反対側の半導体表面に形
成する金属電極と半導体との界面の一部に、屈折率がそ
の半導体のそれよりも小さく、膜厚が入射光の波長λに
対してλ/4n（ｎは屈折率）である少なくとも一種類の
誘電体膜を挿入した、金属−誘電体−半導体構造の反射
膜を有することを特徴とする半導体受光素子である。
成する金属電極と半導体との界面の一部に、屈折率がそ
の半導体のそれよりも小さく、膜厚が入射光の波長λに
対してλ/4n（ｎは屈折率）である少なくとも一種類の
誘電体膜を挿入した、金属−誘電体−半導体構造の反射
膜を有することを特徴とする半導体受光素子である。
（作用） 光を基板の裏面より入射すると、光は光吸収層で吸収
されるが、前述の理由により高速応答実現のために光吸
収層が薄膜化されているので、この層で吸収される光は
一部であり、透過光は半導体表面まで達する。本発明で
は半導体と金属膜の界面の一部に誘電体膜が形成され、
金属−誘電体−半導体構造の反射鏡が構成されているの
で、光はこの反射鏡により反射されて再び光吸収層まで
到達し吸収される。このため、反射鏡を持たない従来構
造の受光素子よりも光の吸収量は多く、量子効率は向上
する。従来の金属−半導体構造の電極では、アロイ化に
より界面の平坦性、鏡面性は失われ反射率は小さいのに
対して、本発明の金属−誘電体−半導体構造では誘電体
を挿入してあることから、電極のアロイ化に際しても界
面の平坦性は失われず、しかも、誘電体膜の厚みを入射
光の波長λに対してλ/4n（ｎは屈折率）に設定するこ
とでブラッグ反射（多重反射）を利用でき、高反射率が
得られる。
されるが、前述の理由により高速応答実現のために光吸
収層が薄膜化されているので、この層で吸収される光は
一部であり、透過光は半導体表面まで達する。本発明で
は半導体と金属膜の界面の一部に誘電体膜が形成され、
金属−誘電体−半導体構造の反射鏡が構成されているの
で、光はこの反射鏡により反射されて再び光吸収層まで
到達し吸収される。このため、反射鏡を持たない従来構
造の受光素子よりも光の吸収量は多く、量子効率は向上
する。従来の金属−半導体構造の電極では、アロイ化に
より界面の平坦性、鏡面性は失われ反射率は小さいのに
対して、本発明の金属−誘電体−半導体構造では誘電体
を挿入してあることから、電極のアロイ化に際しても界
面の平坦性は失われず、しかも、誘電体膜の厚みを入射
光の波長λに対してλ/4n（ｎは屈折率）に設定するこ
とでブラッグ反射（多重反射）を利用でき、高反射率が
得られる。
（実施例） 以下、本発明の実施例として、GaInAs/InPピンフォト
ダイオードを用いて説明するが、他の系、例えばSi系、
AlGaAs/GaAs系、GaInAs/InAlAs系等についても全く同じ
である。第１図に示す、本発明であるところの半導体受
光素子構造を形成するため以下の材料の組合せを示す。
n+−InP基板１上にｎ−InPバッファ層２を１μｍ厚に、
キャリア濃度〜２×1015cm-3のn-−Ga0.47In0.53As層３
を１μｍ厚に、キャリア濃度〜１×1016cm-3のn-−InP
層４を〜１μｍ厚に順次ハイドライド気相成長法を用い
て成長した後、p+型拡散領域５としてZn選択拡散を行い
pn接合を形成する。予めｐ側オーミック金属６として、
Au/Znを外径30μｍΦ、内径20μｍΦのリング状に形成
した後、金属電極８としてAu、誘電体膜７としてSiO2を
用いた金属−誘電体−半導体構造の反射鏡を形成する。
反射鏡の各材料としてはAu、SiO2をそれぞれ用いる。Si
O2膜の厚さは、入射光波長λ＝1.55μｍに対して、λ/4
n（ｎは屈折率）に対応する値である。第２図にAu/SiO2
/InP反射鏡の反射率のSiO2膜厚依存性を示す。
ダイオードを用いて説明するが、他の系、例えばSi系、
AlGaAs/GaAs系、GaInAs/InAlAs系等についても全く同じ
である。第１図に示す、本発明であるところの半導体受
光素子構造を形成するため以下の材料の組合せを示す。
n+−InP基板１上にｎ−InPバッファ層２を１μｍ厚に、
キャリア濃度〜２×1015cm-3のn-−Ga0.47In0.53As層３
を１μｍ厚に、キャリア濃度〜１×1016cm-3のn-−InP
層４を〜１μｍ厚に順次ハイドライド気相成長法を用い
て成長した後、p+型拡散領域５としてZn選択拡散を行い
pn接合を形成する。予めｐ側オーミック金属６として、
Au/Znを外径30μｍΦ、内径20μｍΦのリング状に形成
した後、金属電極８としてAu、誘電体膜７としてSiO2を
用いた金属−誘電体−半導体構造の反射鏡を形成する。
反射鏡の各材料としてはAu、SiO2をそれぞれ用いる。Si
O2膜の厚さは、入射光波長λ＝1.55μｍに対して、λ/4
n（ｎは屈折率）に対応する値である。第２図にAu/SiO2
/InP反射鏡の反射率のSiO2膜厚依存性を示す。
SiO2膜の厚さがλ/4nに相当する2672Åの時、平面波
垂直入射で最大反射率98.5％となることが示されてい
る。
垂直入射で最大反射率98.5％となることが示されてい
る。
この構成例において、基板裏面より入射した光の一部
（〜50％）は、光吸収層３で吸収され、残りは透過光と
してAu/SiO2/InP反射鏡に達し、その大部分（98.5％）
が反射されて、再び光吸収層に到達し吸収される。反射
鏡のない従来構造では量子効率は50％程度であるのに対
して、本発明である上記構造では、カットオフ周波数を
劣化させることなく、量子効率を75％程度にまで向上で
きる。
（〜50％）は、光吸収層３で吸収され、残りは透過光と
してAu/SiO2/InP反射鏡に達し、その大部分（98.5％）
が反射されて、再び光吸収層に到達し吸収される。反射
鏡のない従来構造では量子効率は50％程度であるのに対
して、本発明である上記構造では、カットオフ周波数を
劣化させることなく、量子効率を75％程度にまで向上で
きる。
なお上記実施例では誘電体膜としてSiO2を用いたが、
SiN等でもよいし、２種類あるいはそれ以上の膜を積層
してもよい。
SiN等でもよいし、２種類あるいはそれ以上の膜を積層
してもよい。
（発明の効果） 本発明の半導体受光素子により、高速かつ高感度の応
答特性を有する光検出器が容易に得ることができ、その
実用的価値は大きい。
答特性を有する光検出器が容易に得ることができ、その
実用的価値は大きい。
第１図は、本発明である半導体受光素子の一例の構造断
面図であり、第２図は、本発明の構成要素である金属−
誘電体−半導体構造の構成例Au/SiO2/InP反射鏡の反射
率のSiO2膜厚依存性を示す図であり、第３図は、従来構
造の半導体受光素子の構造断面図である。第１図及び第
３図において、１は半導体n+型基板、２はｎ型バッファ
ー層、３は光吸収層、４はｎ型キャップ層、５はp+型拡
散領域、６はオーミック金属、７は誘電体膜、８は金属
電極、９はｎ側電極、10は受光部（光吸収領域）であ
る。
面図であり、第２図は、本発明の構成要素である金属−
誘電体−半導体構造の構成例Au/SiO2/InP反射鏡の反射
率のSiO2膜厚依存性を示す図であり、第３図は、従来構
造の半導体受光素子の構造断面図である。第１図及び第
３図において、１は半導体n+型基板、２はｎ型バッファ
ー層、３は光吸収層、４はｎ型キャップ層、５はp+型拡
散領域、６はオーミック金属、７は誘電体膜、８は金属
電極、９はｎ側電極、10は受光部（光吸収領域）であ
る。
Claims (1)
- 【請求項１】光の入射する側の反対側の半導体表面に形
成する金属電極と半導体との界面の一部に、屈折率がそ
の半導体のそれよりも小さく、膜厚が入射光の波長λに
対してλ/4n（ｎは屈折率）である少なくとも一種類の
誘電体膜を挿入した、金属−誘電体−半導体構造の反射
膜を有することを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63092823A JP2953694B2 (ja) | 1988-04-14 | 1988-04-14 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63092823A JP2953694B2 (ja) | 1988-04-14 | 1988-04-14 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01264273A JPH01264273A (ja) | 1989-10-20 |
| JP2953694B2 true JP2953694B2 (ja) | 1999-09-27 |
Family
ID=14065156
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63092823A Expired - Lifetime JP2953694B2 (ja) | 1988-04-14 | 1988-04-14 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2953694B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3910817B2 (ja) | 2000-12-19 | 2007-04-25 | ユーディナデバイス株式会社 | 半導体受光装置 |
| JP4058457B2 (ja) * | 2000-12-19 | 2008-03-12 | ユーディナデバイス株式会社 | 半導体受光装置 |
| JP5524517B2 (ja) * | 2009-06-17 | 2014-06-18 | 日本オクラロ株式会社 | 受光素子 |
| JP5307750B2 (ja) * | 2010-03-08 | 2013-10-02 | 日本電信電話株式会社 | 半導体受光素子 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5171791A (ja) * | 1974-12-19 | 1976-06-21 | Kogyo Gijutsuin | |
| JPS57186051U (ja) * | 1981-05-21 | 1982-11-26 | ||
| JPS6269687A (ja) * | 1985-09-24 | 1987-03-30 | Toshiba Corp | 半導体受光素子 |
-
1988
- 1988-04-14 JP JP63092823A patent/JP2953694B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01264273A (ja) | 1989-10-20 |
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Legal Events
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| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070716 Year of fee payment: 8 |
|
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|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
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