JPH0697490A

JPH0697490A - 面型光半導体素子

Info

Publication number: JPH0697490A
Application number: JP4271207A
Authority: JP
Inventors: Hideto Furuyama; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】レンズ等の光変換素子と組合せることなく、良
好な周波数特性が得られ、しかも暗電流や表面電流等の
発生が少なく、容易に大規模アレイ化を実現できる面型
光半導体素子を提供する。【構成】ｐ形半導体層５とｎ形半導体層２とからなるｐ
ｎ接合で構成されて受光，発光等に供される能動領域３
０と該領域を囲む非能動領域３１とが一体にメサ構造に
形成されるとともに非能動領域３１に入射する光を阻止
する遮光マスク３３を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光伝送，光情報処理等
の分野で用いられる面型光半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光伝送，光情報処理等の分野では、発光
素子，受光素子等の光半導体素子が用いられている。中
でもフォトダイオードや光スイッチ等は、表面を介して
光を入出力させる、いわゆる面型素子構造のものが多
い。面型の光半導体素子は、アレイ化やウェハ状態での
特性テストが容易であり、集積化や量産に適する等の利
点を備えている。

【０００３】これらの光半導体素子は、レンズやテーパ
ーガイド等の光変換素子を介して光導波路や光ファイバ
等の光伝達媒体に結合されるのが一般的である。特に、
光ファイバ通信用の送信モジュールや受信モジュールで
は、高い光結合効率が求められるため、ほとんどのもの
がレンズ等の光変換素子を用いている。このため、従来
の光半導体素子は、光伝達媒体との間にレンズ等の光変
換素子を用いることを想定して設計されている。

【０００４】しかしながら、上記のようにレンズ等の光
変換素子を用いることを想定して設計された光半導体素
子にあっては、光変換素子を用いない場合において幾つ
かの問題を生じることがあり、特に面型光半導体素子や
そのアレイ素子において問題があった。以下にその理由
を説明する。

【０００５】図５には従来の面型受光素子の代表的な例
である、いわゆるプレーナ型受光素子が示されている。

【０００６】同図において、１はｎ形ｌｎＰ基板、２は
低濃度のＧａｌｎＡｓからなる光吸収層、３はｎ形ｌｎ
Ｐ層、４は拡散マスクおよびパッシベーション膜を兼ね
た窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜、５はＺｎ、Ｃｄ等によ
るｐ形拡散領域、６ａおよび６ｂはＳｉＮｘ等による無
反射コート膜、７および８は金属電極である。

【０００７】この素子ではｐ形拡散領域５を選択形成し
てｐｎ接合面積を小さくし、ｐｎ接合容量による電気的
応答速度低下（ＣＲリミット）を防いでいる。また、禁
制帯幅の広いｎ形ｌｎＰ層３内にｐｎ接合端を形成して
局所トンネル電流を防止し、さらに表面にパッシベーシ
ョン膜を形成して安定化と表面電流防止を図っている。

【０００８】この素子に、いわゆる逆バイアスを加える
と、内部にキャリア空乏領域、すなわち図中破線で囲ま
れた領域内に電界印加領域１０が形成される。この領域
１０では光吸収キャリアに電界ドリフトが加わるため、
比較的応答の速い光吸収電流が得られる。一方、電界印
加領域１０の外側、つまり非空乏領域では電界がほとん
ど印加されておらず、光吸収キャリアが電界ドリフトを
受けずに拡散または再結合消滅等、時間的にゆるやかな
挙動を示す。したがって、非空乏領域に光が入射した場
合には、比較的応答速度の遅い電流（拡散電流）が発生
する。この結果、図５に示される受光素子では、レンズ
等の光変換素子を用いた場合と、用いない場合とで応答
特性に異なりが生じる。

【０００９】図６にはこの様子が示されている。すなわ
ち、(a) は光伝達媒体１１から出た光をレンズ１２で集
光して受光素子の能動受光領域（電界印加領域１０）へ
入力した場合を示し、(b) は特に集光せずに入力した場
合を示している。

【００１０】(a) の場合には、光のほとんどが能動受光
領域に入射するため、ドリフトによる電流が出力され、
同図(c) 中に１３で示すように、キャリア移動度や寄生
容量で決まる遮断周波数まで平坦な応答特性を示す。

【００１１】しかし、(b) の場合には、光が非空乏領域
にも入射しているため、同図(c) 中に１４で示すよう
に、直流的な出力電流は(a) の場合と大きく変らない
が、交流的出力が比較的低周波で低下し、高周波側出力
電流が能動受光領域へ入射した光相当の電流だけにな
る。

【００１２】このような非空乏領域への光入射を避ける
ためには、能動受光領域の面積を入射する光ビームの径
より大きくすればよいが、能動受光領域の面積を大きく
すると、素子のｐｎ接合寄生容量の増加を招くので、寄
生容量による電気的な遮断周波数により素子応答限界が
制限されることになる。このため、図５に示される受光
素子では、小さい面積に効率良く光を入射させるという
理由のほかに、周波数特性の観点からレンズ結合等の方
法を採用せざるを得ない。

【００１３】このように、図５に示される従来の受光素
子では、伝達距離が短く、受光効率低下が比較的問題に
ならない場合等においても、光入射領域を限定するため
に光変換素子を必要とする。このため、光変換素子の存
在がシステム価格の低減を妨げており、また大規模なア
レイ化の実現も困難にしている。

【００１４】そこで、このような問題を解消するため
に、図７に示されているような、いわゆるメサ構造の受
光素子を使用することが考えられる。この素子において
は、ｐ型拡散領域５を全面に設け、これをたとえばケミ
カルエッチングによって図のようにメサ化処理し、能動
受光領域（電界印加領域１０）だけを残す構造を採用し
ている。なお、メサの側面を保護するためにパッシベー
ション膜１５が設けてあり、これには一般にポリイミド
等の高分子材料が用いられている。

【００１５】この図７に示されている受光素子では、光
吸収層２が全域に渡って空乏化（電界印加）されるた
め、光吸収キャリアの全てが電界ドリフトを受け、いわ
ゆる拡散電流は発生しない。したがって、光入射領域を
限定しなくても平坦な周波数応答特性が得られ易く、受
光効率の低下があまり問題にならない場合には、図６の
(b) に示した光結合方法を採用でき、光結合を簡略化す
ることが可能である。

【００１６】しかし、図７に示される従来の受光素子で
は、メサの側面（エッチング表面）に直に電界が印加さ
れるため、エッチング後の表面状態やパッシベーション
膜１５の形成状態によって暗電流が大きく変化する問題
がある。このため、素子特性の再現性や安定性が低く、
製造上の歩留りや長期的な信頼性に問題があった。たと
えば、能動受光領域を規定するためのメサ化処理におい
て、メサエッチング終了後にＧａｌｎＡｓで形成された
光吸収層２が水に触れると、その表面が一部酸化され、
これによる表面準位が形成される。また、メサの側面に
塵埃等の付着物があると、その部分に電界が集中して局
所的なブレークダウンを起こし易くなる。したがって、
メサ化処理からパッシベーション膜形成まで非常に清
浄、かつ乾燥した雰囲気に保つ必要があるが、これを製
造工程で安定に保つことは容易ではない。このため、図
５に示されるプレーナ型の素子に比べて、通常、暗電流
レベルが１桁乃至２桁程高い。また、比較的良好なパッ
シベーションが施された素子においても、メサ側面の局
所的パッシベーション破壊やトンネル電流、表面準位へ
の励起等が起こり易く、ブレークダウン電圧がプレーナ
型より低い欠点がある。これらは動作電圧範囲を狭める
だけでなく、メサ型特有の劣化原因となって素子劣化を
加速させる要因となっている。さらに、光入力パワーが
大きい場合、メサ側面の表面準位が励起されて表面電流
が発生し、等価的な暗電流増加とそれによる雑音増加が
起こり易いという問題もあった。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の面
型光半導体素子にあっては、光伝達媒体との光結合を簡
略化しつつ性能と信頼性を確保することが困難であっ
た。このため、高速動作が可能で、かつ低価格化および
大規模アレイ化を達成することが困難であった。

【００１８】そこで本発明は、レンズ等の光変換素子と
組合せることなく、良好な周波数特性が得られ、しかも
暗電流や表面電流等の発生が少なく、もってシステムを
構成したときの低価格化に寄与できるばかりか、構成の
複雑化を招くことなく大規模アレイ化の実現に寄与でき
る面型光半導体素子を提供することを目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る面型半導体素子は、受光，発光等に供
される能動領域と該領域を囲む非能動領域とが一体にメ
サ構造に形成されるとともに上記非能動領域に入射する
光を阻止する遮光マスクを備えている。

【００２０】さらに詳しく述べると、能動領域を囲む非
能動領域の幅は、動作時の空乏層がメサの側面まで達す
ることがなく、しかも不要な光吸収層の幅を可能な限り
狭くできる値に設定されている。

【００２１】

【作用】能動領域の回りに非能動領域が存在しているの
で、メサ構造を採用してもメサの側面に直に電界が印加
されることがない。また、メサ構造を採用しているの
で、不要な光吸収層を少なくでき、しかも遮光マスクの
遮光機能と相俟って拡散電流を抑制できる。すなわち、
本発明に係る面型光半導体素子は、従来のプレーナ型素
子の利点と従来のメサ型素子の利点とを兼ね備えた特性
を発揮し、光変換素子を必要とすることなく、良好な周
波数特性を発揮する。

【００２２】また、その製造工程も従来素子の製造工程
に簡単な工程を追加するだけでよく、光変換素子を必要
としないことを含めると、最終的に大幅な工程簡略化が
達成される。さらに、集積化素子とした場合、能動領域
がメサ化されているために隣接素子からの拡散によるキ
ャリアの侵入がなく、散乱による光や伝導による熱も伝
わり難い構造となる。したがって、電気的結合や光学
的、熱的干渉が少なく、素子間の信号クロストークを少
なくできるので、高密度集積化が可能になる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００２４】図１には本発明の一実施例に係る面型光半
導体素子、ここには面型受光素子が示されている。

【００２５】同図において、２１はｎ形ｌｎＰ基板、２
２はＧａｌｎＡｓからなる光吸収層、２３はｎ形ｌｎＰ
からなる窓層、２４は不純物拡散マスクとパッシベーシ
ョンを兼ねた窒化シリコン膜、２５はＺｎ、Ｃｄ、Ｍｇ
等の熱拡散又はイオン注入によるｐ形ｌｎＰからなるＰ
型拡散領域、２６ａ，２６ｂは窒化シリコン等による無
反射コート膜、２７は表面の保護を兼ねた誘電（絶縁）
膜、２８および２９は金属電極である。

【００２６】この面型受光素子では、光吸収層２２とＰ
型拡散領域２５とで能動領域３０が形成され、この能動
領域３０を囲むように非能動領域３１が形成されてい
る。そして、能動領域３０と非能動領域３１とが一体に
メサ構造に形成されている。また、電極２８は、非能動
領域３１の上面と周面の一部とを覆うよう外側に延び
て、非能動領域３１に入射しようとする光を阻止する遮
光マスクを兼ねたものとなっている。

【００２７】ここで、非能動領域３１の幅について説明
する。非能動領域３１の幅が広い場合には、電極２８と
ｎ形領域との間の寄生容量が大きくなり、狭い場合には
素子動作時に空乏層がメサの側面まで到達して表面準位
等の影響を受ける。このため、非能動領域３１の幅は動
作速度や動作電圧等に応じて設定する必要がある。目安
として、素子動作時に空乏層がメサの側面まで到達しな
いように、空乏層の外側に光吸収層２２の厚み程度ある
いはそれ以上の外縁幅を持たせることが必要である。

【００２８】なお、ｌｎＰ基板１と光吸収層２との間に
は、ｎ形のｌｎＰバッファー層が挿入されていてもよ
い。誘電膜２７は、たとえばポリイミド等の高分子膜や
窒化シリコン等を適時使い分けて用いることができ、後
述する寄生容量低減のために厚く形成する場合にはポリ
イミド等の高分子膜が適している。電極２８にはたとえ
ばＡｕ／Ｐｔ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の非アロイ性の金属
を用いることができ、電極２９にはたとえばＡｕＧｅを
用いることができる。

【００２９】このような構成であると、プレーナ型素子
の利点とメサ型素子の利点とを兼ね備えた特性を発揮さ
せることができ、光変換素子を必要とするすることな
く、良好な周波数特性を発揮させることができる。

【００３０】以下に、その効果を実際の製作例および測
定結果例に基いて説明する。

【００３１】動作速度が５ＧＨｚの素子を例にとる。こ
の速度の場合、キャリア走行時間の関係から光吸収層２
２を３μｍ以下の厚さにする必要がある。そこで、光吸
収量が極力大きくなるよう３μｍに設定した。このと
き、光吸収層２２の残留キャリア濃度は、５×１０¹⁴ｃ
ｍ^-3である。この値から空乏層がｎ形ｌｎＰ基板２１に
達するバイアス電圧は３．５Ｖ程度と計算される。実際
の動作電圧は、光吸収キャリアによる内部電界変動の影
響を防ぐためと、電極での電圧降下を補償するためにや
や大きめに設定する必要がある。したがって、動作電圧
を５Ｖに設定した。この電圧での空乏層の最大幅は約４
μｍと求まるので、ｐ形拡散領域２５からメサの側面ま
での幅を５μｍ以上にすれば問題ないことになる。そこ
で、ｐ形拡散領域２５からメサの側面（誘電膜２７の内
側）までの距離を１０μｍに設定した。また、電極２８
で囲まれた素子受光径を５０μｍφ、受光径とｐ形拡散
領域２５の径との差を２０μｍ（ｐｎ接合径７０μｍ
φ）とし、さらに誘電膜２７に１．５μｍ厚のポリイミ
ドを用いた。

【００３２】このように構成された素子の素子寄生容量
は約２００ｆＦであった。このとき、ｐｎ接合部のみの
容量は約１６０ｆＦであり、寄生容量の増加は約２５％
であった。この結果、負荷抵抗を５０Ωにしたときの電
気的な遮断周波数は約１６ＧＨｚとなり、負荷抵抗を１
００Ω以上にしても５ＧＨｚ以上の動作が可能となる。
また、素子の受光効率は波長が１．３μｍで１Ａ／Ｗ程
度であり、光を受光面に選択的に入射する測定では負荷
抵抗１００Ωで１００ｍＶ／ｍＷ以上の感度が得られ
た。また、光ファイバの光を受光面に選択的に照射した
場合と、非選択的に照射した場合とでは、信号出力レベ
ルが光入射量に応じて変化するものの低周波からＧＨｚ
の高周波領域まで平坦な周波数特性が得られた。この結
果は素子の非空乏領域（非能動領域３１）に光が照射さ
れておらず、素子出力電流のほとんどがドリフトによる
電流になっていることを示している。

【００３３】一方、参考例として同一のウェハを用いて
図５に示すようにプレーナ型に構成された受光素子（ｐ
ｎ接合径７０μｍφ）と、図７に示すようにメサ型に構
成された受光素子（メサ径７０μｍφ）とを製作し、そ
の特性を調べたところ、従来技術の項で述べたように、
プレーナ型は周波数特性の変動、メサ型は暗電流の増大
および素子耐圧の低下が見られた。５Ｖの逆バイアスに
おける暗電流は、プレーナ型で１ｎＡ以下、メサ型で２
ｎＡ乃至２０ｎＡであり、素子のブレークダウン電圧は
前者で４０Ｖ以上、後者で１５Ｖ乃至２０Ｖであった。
メサ型の素子では同一ウェハの中においても素子特性の
変動が大きく、メサ表面の不安定性に起因すると思われ
る影響が顕著であった。

【００３４】これに対し、図１に基いて上記条件で製作
された素子では、５Ｖの逆バイアスにおける暗電流が約
１ｎＡ、素子耐圧が約５０Ｖで、ほとんどプレーナ型素
子と同等の特性を示し、その動作安定性もプレーナ型と
同等であった。

【００３５】このように、この実施例に係る面型受光素
子ではプレーナ型素子と同等の素子特性が得られ、しか
もレンズ等の光変換素子を用いなくても平坦な周波数特
性を得ることができる。したがって、この実施例に係る
面型受光素子は、簡易光結合型の光受信装置に用いて非
常に低コストの光伝送装置を構築することができ、ま
た、光結合条件が比較的緩やかであるため、大規模の２
次元アレイ素子においても容易に光結合を行うことがで
きる。さらに、各素子の能動領域がメサ化されているた
め素子間の干渉が少なく、２次元アレイの集積密度を高
めることが可能である。

【００３６】図２には本発明の他の実施例に係る面型光
半導体素子が示されている。

【００３７】この図では図１と同一部分が同一符号で示
されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は
省略する。

【００３８】この実施例は、本発明を光信号モニタ機能
を有する光ゲート素子に適用した例である。

【００３９】同図において、２２ａがゲート層であり、
このゲート層２２ａとしては使用する波長より僅かに長
い波長のバンドギャップを備えた結晶が用いられてい
る。また、ｎ形ｌｎＰ基板２１側には光透過窓３２が設
けられている。

【００４０】この素子は、印加電圧を正負に切り替える
ことで、ゲート層２２ａに電流注入（通過状態）した
り、空乏化（遮断状態）したりして使用する素子であ
る。そして、ゲート層２２ａとしては、たとえば使用波
長が１．３μｍのときには、バンドギャップ波長が１．
３５μｍのＧａｌｎＡｓＰ結晶（たとえば厚さ２μｍ）
が用いられる。

【００４１】光ゲートを遮断状態にするときには素子に
逆バイアスを加えて素子を受光素子モードで動作させ、
通過状態にするときには順バイアスを加え電流注入して
低利得光アンプの状態にする。素子バイアスを加えずに
遮断状態とすると、光信号によって素子内部に光吸収キ
ャリアが蓄積し、光信号強度によっては吸収キャリアの
再結合による利得が吸収損失と同等になって遮断状態を
維持し切れなくなることがある。このため遮断状態では
素子に逆バイアスを加え、吸収によるキャリアを外部に
吸い出してやることが必要であり、逆にこれによって送
られてくる光信号のモニタが可能になる。このとき、こ
の素子は受光素子と等価になり、従来技術の項で説明し
たような問題が生じる。

【００４２】そこで、この実施例では図１に示される実
施例と同様に、能動領域３０と非能動領域３１とを一体
にメサ構造に形成するとともに、電極２８の一部を外側
に延長させて非能動領域３１の上面と周面の一部とを覆
い、この延長部分で非能動領域３１に入射しようとする
光を阻止する遮光マスク機能を発揮させている。

【００４３】したがって、受光素子モードで動作させた
ときには図１に示される実施例と同様の効果を発揮させ
ることができる。

【００４４】なお、この素子を２次元アレイとし、さら
にその２次元アレイを積層することにとって、２次元の
交換、演算等の機能装置を構成することができる。特
に、この素子の場合、信号モニタ機能を有するので、遮
断状態で信号受信と遮断状態から通過状態への復帰をリ
モート指示することができ、通常の光ゲート素子よりも
システム構成の柔軟性向上に寄与できる。

【００４５】図３には本発明のさらに別の実施例に係る
面型光半導体素子、ここには面形受光素子が示されてい
る。この図においても図１と同一部分が同一符号で示さ
れている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省
略する。

【００４６】先の実施例では金属電極の一部で遮光マス
ク機能を発揮させているが、この実施例では金属電極２
８ａとは別体に遮光マスク３３を設けている。

【００４７】遮光マスク３３は、非能動領域３１の上面
および側面（メサの側面）を覆うように設けられてい
る。遮光マスク３２としては、たとえばＡｕ／Ｃｒ等の
金属を用いることもできるがれば、光吸収性のある材料
であれば高分子材料やアモルファス半導体等を用いるこ
ともできる。

【００４８】このような構成であると、金属電極２８ａ
と遮光マスク３３との重なり部分において寄生容量の増
加はあるが、図１の実施例のように直接電極に接してい
る場合に比べてその増量は遥かに小さい。遮光マスク３
３を絶縁性材料で構成した場合には寄生容量の増加は皆
無に等しい。したがって、この実施例のようにメサ側面
のほとんどを遮光マスク３３で覆い尽くすように構成し
ても電気的な遮断周波数の低下は少ない。また、メサ側
面のほとんどを遮光マスク３３で覆い尽くす構成である
と、素子をアレイ集積化したときに光の散乱等によるク
ロストークに対してより一層効果を上げることができ
る。

【００４９】図４には本発明のさらに異なる実施例に係
る面型光半導体素子、ここには面形受光素子が示されて
いる。この図では図３と同一部分が同一符号で示されて
いる。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略す
る。

【００５０】この実施例では、非能動領域３１の回りに
溝３４を設けることによってメサ構造を実現している。

【００５１】このような構成であると、前記実施例と同
様な効果が得られることは勿論のこと、溝３４の外側に
受光には関係しない吸収層２２ｂを残存させることがで
き、この吸収層２２ｂによってｎ形ｌｎＰ基板２１の中
で散乱する光をトラップ（吸収）させることができる。
したがって、光のクロストークをさらに低減させること
ができる。また、作製工程上、誘電膜２７が平坦化し易
くなるため、作製中のパターン形成工程を容易化できる
利点もある。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光
結合の大幅簡略化や高密度の２次元集積化等が容易とな
り、短距離ながらＧbps オーダの高速伝送が可能で、か
つ低価格で大量生産が可能な光伝送装置の実現に寄与で
きる。また、非常に高密度で大量結線の可能な高密度光
伝送装置や超高速または超並列情報処理システム等の高
速信号結線に効果的な光配線システムの実現に寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る面型受光素子の概
略構成図

【図２】本発明の第２の実施例に係る面型ゲート素子の
概略構成図

【図３】本発明の第３の実施例に係る面型受光素子の概
略構成図

【図４】本発明の第４の実施例に係る面型受光素子の概
略構成図

【図５】従来の面型受光素子の概略構成図

【図６】面型受光素子の光結合方法と周波数特性とを示
す図

【図７】従来の別の面型受光素子の概略構成図

【符号の説明】

２１…ｎ形ｌｎＰ基板２２，２２ｂ
…光吸収層２２ａ…光ゲート層２３…窓層２４…窒化シリコン膜２５…ｐ形拡
散領域２６ａ，２６ｂ…無反射コート膜２７…誘電膜２８，２８ａ，２９…金属電極３０…能動領
域３１…非能動領域３２…光透過
窓３３…遮光マスク３４…溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光，発光等に供される能動領域と該領域
を囲む非能動領域とが一体にメサ構造に形成されるとと
もに上記非能動領域に入射する光を阻止する遮光マスク
を備えてなることを特徴とする面型光半導体素子。
【請求項２】受光，発光等に供される能動領域と該領域
を囲む非能動領域とが一体にメサ構造に形成されるとと
もに上記非能動領域の上面と側面の少なくとも一部とを
覆う遮光マスクを備えてなることを特徴とする面型光半
導体素子。
【請求項３】受光，発光等に供される能動領域と該領域
を囲む非能動領域とが一体にメサ構造に形成されるとと
もに上記能動領域に接続される金属電極が上記非能動領
域の上面と側面の少なくとも一部とを覆う遮光マスク機
能を備えてなることを特徴とする面型光半導体素子。
【請求項４】受光，発光等に供される能動領域と該領域
を囲む非能動領域とが一体にメサ構造に形成されるとと
もに上記非能動領域の上面と側面の少なくとも一部とを
覆う遮光マスクを備えた単位面型光半導体素子が複数２
次元配列されてなることを特徴とする面型光半導体素
子。
【請求項５】光変換素子を介さずに光伝達媒体に光学的
に結合されるとともに受光，発光等に供される能動領域
と該領域を囲む非能動領域とが一体にメサ構造に形成さ
れ、かつ上記非能動領域の上面と側面の少なくとも一部
とを覆う遮光マスクを備えてなることを特徴とする面型
光半導体素子。