JPH03183167A - 受光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は■−Ｖ族化合物半導体結晶のへテロ接合を用い
た受光素子に関する。特に、高速応答性および高い信号
対雑音比が要求される受光素子に関する。本発明は特に
、コヒーレント光通信の受光素子として利用するに適す
る。

〔概　要〕

本発明は、ダブルへテロ接合を用いたメサ形の受光素子
において、 メサ形の側部をバンドギャップの大きなエピタキシャル
層で埋め込むことにより、 表面リーク電流を削減して暗電流特性を改善するもので
ある。

〔従来の技術〕

長距離かつ大容量の情報伝送が可能なコヒーレント光通
信において、受信部となる光−電気変換部の受光素子に
は、高応答性と高い信号対雑音比が要求される。

一般に光通信の分野では、波長０．９〜１．７μｍの長
波長帯の光が搬送波として用いられる。このような長波
長帯で使用できる受光素子の材料としては、ゲルマニウ
ムＧｅ、ガリウム・インジウム・ヒ素Ｇａ１ｎ八ｓ１ガ
リウム・インジウム・ヒ素・リンＧａＩｎＡｓＰ等が知
られている。

しかし、Ｇｅは暗電流が大きく、高い信号対雑音比は期
待できない。また、波長１．５μｍ以上では量子効率が
著しく低下してしまう。

これに対してＧａｘＩｎ　（＋−ｘ＋ＡｓｙＰ　１ｔ−
ｙ）　　は、その混晶比ｘＳｙを適当に選ぶことによっ
て、ＩｎＰ基板上に格子整合をとって結晶成長させるこ
とが可能であり、分光感度、暗電流、周波数応答特性等
の電気的特性はＧｅに比べて優れている。特に混晶比ｘ
、ｙをｘ　＝０．４７、ｙ＝ｔとしたＧａｏ、　４ｔｒ
ｎｏ、　５３Ａｓは、ＩｎＰ結晶と格子整合がとれ、光
吸収層として用いるのに適している。さらに、Ｇａｏ、
　ｒｒｌｎｏ、　５３Ａｓ光吸収層上にＩｎＰウィンド
ウ層を備えた受光素子も知られている。

第６図ないし第８図は従来例受光素子の断面図を示す。

現在の光通信では主に強度変調方式が用いられているが
、今後は、光の周波数や位相を変調する方式に移行する
ことになる。このとき、さらに高感度の受光系を構成す
るには、ヘテロゲイン検波やホモダイン検波が要求され
る。このような検波方式を実現するためには、局部発振
用とその監視用に、電気的、光学的に特性のそろった受
光素子が最低２個は必要となる。また、多芯光ファイバ
を用いる場合にも、同一チップ上に複数個の受光素子を
備える方が、個別の受光素子を使用するより有利である
。第６図ないし第８図はこのような例を示す。

第６図に示した従来例はプレーナ形ＰＩＮホトダイオー
ドであり、ＩｎＰ基板１上にエピタキシャル成長したＩ
ｎＰｎツバ１フフ ＾Ｓ光吸収よびＩｎＰ　ウィンドウ層４を備える。Ｔｎ
Ｐウィンドウ層４からＧａｏ．　ｃｒｌｎｏ．　Ｓ３＾
Ｓ光吸収層３にかけては不純物拡散領域５が設けられ、
この不純物拡散領域５の表面とＩｎＰ基板１の裏側とに
、それぞれオーミック電極６、７゛が設けられる。オー
ミック電極６の設けられている側が受光側であり、こち
ら側には、表面に反射防止膜８が設けられる。

第７図に示した従来例はメサ形ＰＩＮホトダイオードで
あり、ＩｎＰバッファ層２　、Ｇａｏ．ｔｒｎｏ．　５
３Ａｓ光吸収層３およびＩｎＰウィンドウ層４がメサ形
に形成されたことがブレーナ形と異なる。反射防止膜８
は、メサ構造の上だけでなく側面にも設けられる。

第８図に示した従来例は第７図に示した構造とほぼ同等
であるが、基板として半絶縁性１ｎＰ基板１′を用い、
オーミック電極７′を半絶縁性１ｎＰ基板ｌ′ではなく
１ｎＰバッファ層２に接触させていることが異なる。こ
の構造については、マキウチ（Ｔ、　Ｍａｋ　１ｕｃｈ
　ｉ）他、［１ＱＥ８９−２１１１詳しく示されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、第６図に示した構造のプレーナ形Ｐ■Ｎホトダ
イオードでは、Ｇａｏ、　４ｔｌｎｏ、　５３Ａｓ光吸
収層やｌｎＰウィンドウ層のキャリア濃度が高いと、逆
方向電圧を印加したときに、Ｇａｏ、７１ｎ０．５３Ａ
ｓ光吸収層だけでなくＩｎＰ　ウィンドウ層でも空乏層
が広がり、素子分離が困難となる。この一方で、不純物
拡散領域のキャリア濃度が低いと、電極とのオーミック
コンタクト形成が難しく、順方向特性の劣化を生じる。

第７図に示した構造のメサ形ホトダイオードの場合には
、メサ構造により素子分離を完全に行うことができる。

しかし、ｐｎ接合がメサ側面に露出しているために、こ
の部分で暗電流のひとつである大きな表面リーク電流が
流れ、暗電流特性が劣化する欠点があった。暗電流特性
の詳細については、米津宏雄著、「光通信素子工学」、
工学図書株式会社（昭和５９年１２月１５日第２版発行
）に示されている。

また、第８図に示した構造の場合にも、保護膜との界面
等にリーク電流が流れ、暗電流が大きい欠点があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の受光素子は、エピタキシャルに形成された第一
の半導体層、第二の一半導体層および第三の半導体層を
含むメサ構造を備え、第二の半導体層は第一の半導体層
と第三の半導体層との双方よりそのバンドギャップエネ
ルギが小さい材料で形成された受光素子において、メサ
構造の側面が第二の半導体層よりバンドギャップエネル
ギが大きい材料のエピタキシャル埋め込み層で埋め込ま
れたことを特徴とする。

第一の半導体層はＩｎＰ基板上にエピタキシャルに形成
されたｌｎＰバッファ層を含み、第二の半導体層はＧａ
ｏ、　ｎ７Ｉｎ０．　５３Ａｓ光吸収層を含み、第三の
半導体層はＩｎＰ　ウィンドウ層を含み、エピタキシャ
ル埋め込み層はＩｎＰカバー層を含むことが望ましい。

このような素子がひとつのチップ上に実質的に同一の構
造で複数個形成されることが望ましい。

このような素子を製造するには、基板上に第一の半導体
層、第二の半導体層および第三の半導体層をエピタキシ
ャル成長させて層構造を形成し、この層構造の少なくと
も第二の半導体層および第三の半導体層をメサ形にエツ
チングし、メサ形の少なくとも側面に第二の半導体層よ
りバンドギャップエネルギの大きな材料のエピタキシャ
ル埋め込み層を形成し、第三の半導体層に不純物を選択
拡散して第二の半導体層との間にｐｎ接合を形成する。

基板はＩｎＰ基板であり、第一の半導体層はＩｎＰｎツ
バ１フフ Ａｓ光吸収層であり、第三の半導体層はＩｎＰウィンド
ウ層であり、エピタキシャル埋め込み層はＩｎＰカバー
層であることが望ましい。

〔作　用〕

表面リーク電流の原因は、主に、ｐｎ接合が露出した部
分でｎ形表面が蓄積層、ｐ形表面が反転層となり、ここ
にチャネル電流が流れることによる。このときチャネル
電流■，は、 ＩＬｏｃＩｓＩ７２ となる。ただしＩｓはｐｎ接合における飽和電流である
。

ここで、例えば受光素子の接合がｐ″ｎｎ接合合のよう
に、ｐ″ｎｎ接合側段階接合であるとする。このとき、
ｐ＋層キャリア濃度をＮＡ（〜１　×１６１８ｃｍー’
）　、少数キャリア拡散係数をＤｈ、少数キャリア拡散
寿命をτ，とすると、１．は、ｌ５ｏｃｌｌ，”　（Ｄ
．／ｒ．＋）””／ＮＡとなる。ｎｉ　は真性半導体キ
ャリア濃度である。

半導体のバンドギャップエネルギをＥｑ、絶対温度をＴ
、ボルツマン定数をｋとすると、ｎ．は、ｎｉ　ＱＣ　
ｅｘｐ（　−　Ｅ９／　２　ｋ　Ｔ）となる。

したがって表面リーク電流は、 Ｉｔ　　ｃｃ　ｅｘｐ（−Ｅ９　／　２　ｋ　Ｔ）とな
り、バンドギャップエネルギＥ９の値に大きく依存する
。例えばＩｎＰとＧａｏ、＜ｔｌｎｏ、　５３Ａｓの場
合には、室温におけるＥ９がそれぞれ１．３５ｅＶ、　
０．７３ｅＶである。このため、ｐｎ接合の露出部分が
ＩｎＰで形成されるか、Ｇａｏ、ｔｌｎｏ、　５３Ａｓ
で形成されるかにより、表面リーク電流Ｉ、の大きさが
桁違いに変化する。具体的には、ＩｎＰの場合には約１
０−５だけ表面リーク電流■１が小さくなる。

表面リーク電流■、の導出については、大扉、供用、白
藤　共著、「基礎物理化学シリーズ９、半導体物性■−
素子と物性」、朝会書店（昭和５４年４月１日第２刷発
行〉に示されている。

埋め込み構造を備えた光デバイスは、半導体レーザに関
するものが多数報告されている。しかし、受光素子につ
いはほとんど知られていない。しかも、低暗電流化に応
用した報告は皆無である。

半導体レーザに関する文献としては、スコツト他、ジャ
ーナル・オブ・クリスタル・グロース第９３巻、１９８
８年、第８２０頁から第８２４頁（Ｍ、Ｄ、５ｃｏｔｔ
ｅｔ　ａｌ０．　　Ｊ、Ｃｒｙｓｔａｌ　ＧｒＯＷｔｈ
　９３　（１９８ｇ）、　　ｐｐ、８２０８２４）、ガ
レラチェット他、アプライド・フィジクス・レターズ第
５３巻第２６号、１９８８年１２月２６日、第２６３８
頁から第２６４０頁（Ｙｖａｎ　Ｄ、Ｇａ１ｅｕｃｈｅ
ｔ　ｅｔ　ａｌ、。

Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、５３（２６＞、　　　
２６　　Ｄｅｃｅｒｎｂｅｒ　　１９８ｇ、　　　ｐｐ
。

２６３ｇ−２６４０）、ナカイ他、ジャーナル・オブ・
クリスタル・グロース第９３巻、１９８８年、第２４８
頁から第２５３頁（Ｋ、Ｎａｋａｉ　ｅｔ　ａｌ０．　
Ｊ、Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ９３　（１９８８）
　、　ｐｐ、　２４８−２５３）などがある。

また、受光素子に関する文献としては、矢野他、１９８
９年秋期応用物理学会講演予稿集、２９ａ−２Ｍ−７、
清水性、１９８９年秋期応用物理学会講演予稿集等があ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例受光素子の断面図である。

この受光素子は、エピタキシャルに形成された第一の半
導体層、第二の半導体層および第三の半導体層として、
それぞれＩｎＰバッファ層２　、Ｇａ０．、　４７Ｉｎ
ｏ、５３Ａｓ層３、ＩｎＰ　ウィンドウ層４を備え、こ
れらがメサ構造に加工されている。Ｇａｏ、　ｔ、ｌｎ
ｏ、　５３Ａｓ層３は、ＩｎＰバッファ層２とＩｎＰウ
ィンドウ層４との双方よりそのバンドギャップエネルギ
が小さい。ＩｎＰウィンドウ層４からＧａｏ、　４ｔｌ
ｎｏ、　５３Ａｓ光吸収層３にかけては不純物拡散領域
５が設けられ、この不純物拡散領域５の表面とＩｎＰ基
板１の裏側とに、それぞれ電極６．７が設けられる。

ここで本実施例の特徴とするところは、メサ形の側面が
Ｇａｏ、ｔｌｎｏ、　５３＾Ｓ光吸収層３よりバンドギ
ャップエネルギの大きいＩｎＰカバー層９により埋め込
まれたことにある。

さらに本実施例ではｌｎＰカバー層９がメサ形の半導体
積層構造全体を覆い、不純物拡散領域５はこのＩｎＰカ
バー層９を介して形成される。ＩｎＰカバー層９に形成
された不純物拡散領域５と電極６との間には、Ｇａｏ、
　４７Ｉｎ０．　５３Ａｓコンタクト層１０が設けられ
る。メサ形の半導体層構造は、反射防止膜８により覆わ
れる。

反射防止膜８を透過した光は、波長０．９μｍ以上で透
明なＩｎＰカバー層９およびＩｎＰウィンドウ層４を透
過し、Ｇａｏ、ｄｎｏ、　５３Ａｓ光吸収層３に導かれ
る。Ｇａａ、　＊ｔｌｎｏ、　５３Ａｓのバンドギャッ
プエネルギ（３００にで０．７５ｅＶ）で定まる吸収端
波長より短波長の光、すなわち約１．６５μｍ以下の波
長の光は、Ｇａ０．４７Ｉｎｏ、Ｓ３八Ｓ光吸収層３で
吸収される。このとき、不純物拡散領域５とＧａｏ、　
４７Ｉｎ０．　５３Ａｓ光吸収層３とのｐｎ接合により
生じる空乏層の端部から拡散長以内の領域で発生した少
数キャリアの電子と正孔とが、空乏層内の電界で分離さ
れ、ドリフトし、光電流としてオーミック電極６．７か
ら取り出される。

この素子を製造するには、まず、［ｎＰ基板ｌ上に、ア
ンドープまたは不純物をドープしたＩｎＰバッファ層２
、ＩｎＰと格子整合のとれたアンドープＧａｏ、　＜７
Ｉｎ０．　５３Ａｓ光吸収層３および波長０．９μｍ以
上の光に対して透明なアンドープＩｎＰウィンドウ層４
をエピタキシャル成長させる。次に、ケミカルケッチン
グ等によりメサエッチングを施し、メサ形の半導体積層
構造を形成する。これにより、隣接する素子から分離さ
れる。ここではｌｎＰ基板１までエツチングした例を示
すが、メサエッチングはＧａｏ、　ｎ７１ｎａ、５３Ａ
ｓ光吸収層３まででもよい。

次に、ＩｎＰカバー層９をエピタキシャル再を長させ、
ＩｎＰ／Ｇａｏ、　ｒｙｌｎｏ、　５３Ａｓのへテロ接
合がメサ側面部に露出しないように埋め込む。この再成
長により、表面リーク電流がほとんど無視できるオーダ
となる。再成長の方法としては、従来からの液相成長法
や気相成長法などを使用することができる。

続いて、Ｓｉ口２やＳｉＮイ等の適当な拡散マスクを用
いて不純物を拡散し、ＩｎＰカバー層９からＧａｏ、　
４゜（ｎｏ、　５ａＡｓ光吸収層３にかけて、不純物拡
散領域５を形成する。同様の方法により不純物をドープ
したＩｎＰ／Ｇａｏ、　４７ｒｎＯ，５３Ａｓを選択成
長サセ、エツチングを行ってＧａｏ、ｔｌｎｏ、　８３
人ＳＫＩンタクト１１１０を形成する。このＧａｏ、　
ｎｔｌｎｏ、　５３Ａｓ　：］ンタクト層ＩＯの表面に
、オーミック電極６を設ける。

ＩｎＰ／Ｇａｏ、　ｒｙｌｎｏ、　５３Ａｓを選択成長
させることにより順方向特性を改善できるが、不純物拡
散領域５のキャリア濃度が十分に高ければ、これは必ず
しも必要ではない。

さらに、保護膜を兼ねて反射防止膜８を形成し、ＩｎＰ
基板基板上面にオーミック電極７を形成し、第１図に示
した受光素子を得る。

ここで、受光素子の暗電流について説明する。

受光素子の電流電圧特性における暗電流成分は主に、逆
方向電圧印加時に空乏層端まで拡散する少数キャリアに
より発生する拡散電流と、空乏層内のトラップを介して
発生する発生電流（生成再結合電流〉と、不純物の高濃
度ドープ等で生じるトンネル現象によるトンネル電流と
、ｐｎ接合の露出する領域で発生する表面リーク電流と
の四つの要因によって生じる。これについては、上述し
た「光通信素子工学」や、ヤング（８ｄｗａｒｄ　Ｓ、
Ｙａｎｇ）著、後藤他訳、「半導体デバイスの基礎」、
マグロヒルブック株式会社（昭和６０年４月１０日初版
第４刷発行）に説明されている。

拡散電流は結晶材料によって決定され、接合面積に比例
するが、逆方向電圧には依存しない。

発生電流はキャリア寿命（ライフタイム）により支配さ
れ、良好な結晶が得られ、かつｐｎ接合が形成されてい
れば、その値は極めて小さいものとなる。

トンネル電流はキャリア濃度によって支配される。特に
ＩｎＰやＧａ１ｎＡｓのような直接遷移型でかつバンド
ギャップエネルギの小さい結晶では、ｐｎ接合のキャリ
ア濃度をある程度高くすると、逆方向電圧の印加によっ
てブレークダウンが生じ、トンネル電流が流れることに
なる。したがって、トンネル電流を削減するには耐圧を
高める必要があり、そのためにはキャリア濃度を低くす
る。

表面リーク電流は結晶表面に露出するｐｎ接合を介して
流れるが、上述したようにｐｎ接合の露出部を埋め込む
ことにより、無視できる程度に小さくできる。

第２図は実際に作製した受光素子の断面の二次電子顕微
鏡写真を示し、第３図はその各部を説明する図である。

第２図に示した写真は、素子を襞間した後にスティンエ
ッチしたものである。下部の白線の長さが６５８１ｍで
ある。

第４図は本発明第二実施例受光素子の断面図である。

この実施例は裏面入射形の受光素子であり、不純物拡散
領域５の表面全体にＧａｏ、ｔｌｎｏ、　５３Ａｓコン
タクト層１０を介してオーミック電極６が形成され、Ｉ
ｎＰ基板基板上面には一部にだけオーミック電極７″が
設けられ、この面が反射防止膜８′で覆われたことが第
一実施例と異なる。ＩｎＰ基板基板上びＩｎＰバッファ
層２は波長０．９μｍ以上で透明である。裏面入射のた
め、ＩｎＰウィンドウ層４は必ずしも必要ではない。

第５図は本発明第三実施例受光素子の断面図である。

この実施例は、基板として半絶縁性１ｎＰ基板■′を用
い、オーミック電極７′を半絶縁性１ｎＰ基板１′では
なくＩｎＰバッファ層２に接触させていることが第一実
施例と異なる。この構造は、ホトダイオードアレイへの
応用が容易である。

第二実施例および第三実施例において、不純物拡散領域
５のキャリア濃度が高ければ、第一実施例の場合と同様
に、Ｇａｏ、　４、ｌｎｏ、　５３Ａｓコンタクト層１
０を省略することもできる。また、メサ側面部には、保
護膜として、ＳｌＯ□、５ＩＮＮ１ポリイミド等で被膜
することが望ましい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板
上にＩｎＰバッファ層、Ｇａｏ、　ｓ、ｌｎｏ、　５３
Ａｓ光吸収層およびｌｎＰウィンドウ層をエピタキシャ
ル成長させたダブルへテロ構造のＰＩＮホトダイオード
において、メサエッチングによりメサ構造を形成するこ
とで素子分離を行う。例えば、多芯光ファイバを用いた
光通信や将来の波長多重化に向けて受光系のホトダイオ
ードアレイに使用し、隣接する受光素子間で十分に高い
アイソレーションが得られる。

さらに、ＩｎＰをエピタキシャル再成長して素子を埋め
込むことで、ＩｎＰ／Ｇａｏ、　４？ＩｎＱ、　５３Ａ
ｓ接合部の露出がなくなり、不純物の選択拡散によりｐ
ｎ接合を設けることで、表面リーク電流をほとんど無視
できるようになる。これにより低い暗電流特性を実現で
きる。

本発明は、光波長多重通信、長距離大容量伝送、微小光
パワーの測定その他光通信用測定器全般の受光素子に使
用して特に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例受光素子の断面図。 第２図は実際に作製した受光素子の断面の結晶構造を示
す二次電子顕微鏡写真。 第３図は第２図の各部を説明する図。 第４図は本発明第二実施例受光素子の断面図。 第５図は本発明第三実施例受光素子の断面図。 第６図は従来例ブレーナ形ＰＩＮホトダイオードの断面
図。 第７図は従来例メサ形ＰＩＮホトダイオードの断面図。 第８図は従来例メサ形ＰＩＮホトダイオードの断面図。 １・・・ＩｎＰ基板、１′・・・半絶縁性１ｎＰ基板、
２・・・ｌｎＰバッファ層、３　”’Ｇａｏ、　＜ｔｌ
ｎｏ、　５３Ａｓ光吸収層、４・・・ＩｎＰつ ７．７′　、 射防止膜、 Ａｓコンタク イントウ層、５・・・不純物拡散領域、６．７″・・・
オーミック電極、８．８′・・・反９−１ｎＰカバー層
、１０・”Ｇａｏ、　４ｔｌｎｏ、　５３ト層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、エピタキシャルに形成された第一の半導体層、第二
   の半導体層および第三の半導体層を含むメサ構造を備え
   、 前記第二の半導体層は前記第一の半導体層と前記第三の
   半導体層との双方よりそのバンドギャップエネルギが小
   さい材料で形成された 受光素子において、 前記メサ構造の側面が前記第二の半導体層よりバンドギ
   ャップエネルギが大きい材料のエピタキシャル埋め込み
   層で埋め込まれたこと を特徴とする受光素子。 ２、第一の半導体層はＩｎＰ基板上にエピタキシャルに
   形成されたＩｎＰバッファ層を含み、 第二の半導体層はＧａ＿０＿．＿４＿７Ｉｎ＿０＿．＿
   ５＿３Ａｓ光吸収層を含第三の半導体層はＩｎＰウィン
   ドウ層を含み、エピタキシャル埋め込み層はＩｎＰカバ
   ー層を含む 請求項１記載の受光素子。 ３、請求項１または２に記載の受光素子がひとつのチッ
   プ上に実質的に同一の構造で複数個形成された受光素子
   。 ４、基板上に第一の半導体層、第二の半導体層および第
   三の半導体層をエピタキシャル成長させて層構造を形成
   し、 この層構造の少なくとも第二の半導体層および第三の半
   導体層をメサ形にエッチングし、 前記第三の半導体層に不純物を選択拡散して前記第二の
   半導体層との間にｐｎ接合を形成する受光素子の製造方
   法において、 前記メサ形の少なくとも側面に前記第二の半導体層より
   バンドギャップエネルギの大きな材料のエピタキシャル
   埋め込み層を形成する ことを特徴とする受光素子の製造方法。 ５、基板はＩｎＰ基板であり、 第一の半導体層はＩｎＰバッファ層であり、第二の半導
   体層はＧａ＿０＿．＿４＿７Ｉｎ＿０＿．＿５＿３Ａｓ
   光吸収層であり、 第三の半導体層はＩｎＰウィンドウ層であり、エピタキ
   シャル埋め込み層はＩｎＰカバー層である 請求項４記載の受光素子の製造方法。