【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光計測や光通信に用いられる半導体受光素子に関し、特に光通信用ファイバ網の回線監視用としての半導体受光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在光通信用回線として光ファイバが使われている。 このような敷設されている光ファイバ網の保守管理方法として、ＯＴＤＥ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉ
ｍｅＤｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）がある。 ＯＴＤＲとは布設されている光ファイバの破断点を調べる装置であり、その基本原理はファイバ内に入射されたパルス光がファイバ内を伝搬するときに生じるレーリー散乱光をモニターし、もしファイバ内で破断点が生じている場合レーリー散乱光は戻らなくなる。 このレーリー散乱光がなくなるまでの時間を距離に換算することで破断点の位置を正確に知ることができる。 但しこの場合、通信回線をＯＴＤＲ装置に接続しなければならなくなり、そのために通信回線が一時遮断されるという問題がある。 そこでこの問題を解決するために、光通信の送信波長１．３μｍあるいは１．５５μｍと異なる波長１．６５μｍ帯の光を使い、通信回線を使用しながら同時に回線の監視を常時行なう方法が考えられている。

【０００３】このような常時監視用のシステムに用いる半導体受光素子として、アバランシェ・フォトダイオード（以下、ＡＰＤと称す）が広く使われる。 ＡＰＤは素子自体が増幅機能を有しているため高感度な受光素子として広く光計測や光通信に用いられている。 中でも大容量長距離光通信に用いられている波長帯１．３μｍあるいは１．５５μｍに対する半導体受光素子の材料としてＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓが使われている。 これらの材料を用いた半導体受光素子の１つの従来例を図４に示す。

【０００４】図５はＩｎＧａＡｓを使ったＡＰＤの一従来例を示す断面図である。 ｎ ⁺ −ＩｎＰ基板１上に、キャリア濃度１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚１〜３μ
ｍのｎ−ＩｎＰ緩衝層２と、キャリア濃度１Ｅ１４〜１
Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚１〜５μｍのｎ ^- −Ｉｎ _0.53 Ｇａ
_0.47 Ａｓ光吸収層１７と、キャリア濃度１Ｅ１５〜１Ｅ
１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．３〜１μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ中間層６と、キャリア濃度２Ｅ１６〜４Ｅ１６ｃｍ ^-3
かつ層厚０．８〜４μｍのｎ ⁺ −ＩｎＰ増倍層７と、キャリア濃度１Ｅ１５〜８Ｅ１５ｃｍ ^-3かつ層厚１〜２μ
ｍのｎ ⁺ −ＩｎＰ窓層８とを順次気相成長法により成長させたエピタキシャル結晶に、受光部としてキャリア濃度１Ｅ１７〜１Ｅ２０ｃｍ ^-3のｐ ⁺ −ＩｎＰ領域１０をＺｎの封止拡散により選択形成し、さらに受光部を囲むようにＢｅのイオン注入法によりガードリング９を形成している。 このＩｎＧａＡｓを用いたＡＰＤに逆バイアスをかけることによって、光吸収層であるＩｎＧａＡｓ
光吸収層１７内に空乏層が広がる。 この時ＩｎＧａＡｓ
層１７のバンドギャップエネルギーに相当する波長１．
６７μｍ以下の光、たとえば１．３μｍの光が入射した場合、空乏化された光吸収層１７内において光電効果によるキャリアが生成される。 生成されたキャリアは空乏層内の２０〜１００ｋＶ／ｃｍの内部電界によって飽和速度まで加速され、電流として外部回路へ流れることになる。

【０００５】ここで問題となることは、図５図示の従来例は光吸収層１７がｎ ^- −ＩｎＧａＡｓで構成されているために吸収端の波長が１．６７μｍであり、光通信の送信に用いる１．３μｍまたは１．５５μｍの光には感度上問題とはならないが、常時監視用の波長１．６５μ
ｍに対しては吸収端近傍に当たるため感度が低く、量子効率は約２０％となる。 このような問題を解決し、より長い波長の光を受けるために第２の従来例が提案されている。

【０００６】第２の従来例を図６に示す。 ｎ ⁺ −ＩｎＰ
基板１上に、ｎ ⁺ −ＩｎＰ緩衝層２を成長させた後、厚さ１．５〜２μｍのｎ ^- −ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ超格子光吸収層１８と、厚さ０．１μｍのｎ ^- −ＩｎＧａＡｓＰ
層６と、厚さ１．５μｍのｎ ⁺ −ＩｎＰ増倍層７と、厚さ１μｍのｐ−ＩｎＰ層１９とを順次成長させた結晶に、メサエッチングを施したあと、ｐ側電極１３としてＴｉＰｔＡｕを、ｎ側電極１５としてＡｕＧｅＮｉをそれぞれ蒸着して受光素子を形成している。 このように光吸収層をＩｎＡｓとＧａＡｓとの超格子層構造とすることにより吸収端の波長を３．２μｍまで拡大することができる。

【０００７】但しここで問題となることは、上記第２の従来例の場合、ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓとＧａＡｓとの超格子を形成する都合上、その界面に格子不整合が生じることになり、その格子欠陥より暗電流が発生する。 この暗電流によってノイズが生じるために感度が低下する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来例のＡＰ
Ｄにおいて、ＩｎＰ上にＩｎＡｓとＧａＡｓの超格子を形成する都合上、その界面に格子不整合が生じることになり、その格子欠陥より暗電流が発生する。 この暗電流によってノイズが生じるために感度が低下するという問題点がある。

【０００９】そこで、本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、光通信用ファイバ網の回線監視用としての受光素子において、
波長１．６５μｍの光に対し、高い量子効率と、低い暗電流と、高い電流増倍率とを得ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の基本態様によれば、第一導電型ＩｎＰ基板上に、第一導電型ＩｎＡｓＰ層と、第一導電型Ｉｎ _0.57
Ｇａ _0.43 Ａｓ光吸収層（λ＝１．８５μｍ）と、第一導電型ＩｎＰ増倍層と、第一導電型ＩｎＰ窓層とを順次形成したヘテロエピタキシャル層構造と、前記窓層内または増倍層内に部分的に第二導電型ＩｎＰ領域を設けた構造と、前記窓層内に設けた前記第二導電型ＩｎＰ領域上に形成した第二導電型電極と、前記第一導電型ＩｎＰ基板上に形成した第一導電型電極を有することを特徴とする半導体受光素子が提供される。

【００１１】上記基本態様における第一導電型Ｉｎ _0.57
Ｇａ _0.43 Ａｓ光吸収層の層厚が２μｍないし５μｍである。

【００１２】また、上記基本態様における第一導電型Ｉ
ｎ _0.57 Ｇａ _0.43 Ａｓ光吸収層と第一導電型ＩｎＰ増倍層との間に波長１．８５μｍから１．６７μｍまで連続的に組成を変化させた層が介装されている。

【００１３】

【作用】本発明においては、歪みｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層を挟んで、基板側にｎ−ＩｎＡｓＰ緩衝層を、また増倍層及び窓層側に波長１．８５μｍから１．６７μｍ
まで変化させたｎ−ＩｎＧａＡｓリニアステップ層とｎ
−ＩｎＧａＡｓ中間層とを形成したヘテロエピタキシャル層構造とすることによって、吸収端を超長波側へシフトさせると共に、格子不整合を抑え、ノイズを低減することができる。 その結果、本発明の半導体受光素子は長波長において高感度を示し、また高い増倍率を得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付の図面に示した実施例に関連して更に詳細に説明する。 実施例１：図１に本発明の半導体受光素子の第１実施例が示される。

【００１５】ｎ ⁺ −ＩｎＰ基板１の表面上に、気相成長法によりキャリア濃度１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚１〜３μｍが好ましく、今回はキャリア濃度１Ｅ１５
ｃｍ ^-3かつ層厚２μｍのｎ ⁺ −ＩｎＰ緩衝層２と、格子不整合緩和のためにキャリア濃度１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃ
ｍ ^-3かつ層厚１〜３μｍが好ましく、今回はキャリア濃度１Ｅ１５ｃｍ ^-3かつ層厚２μｍのｎ−ＩｎＡｓＰ緩衝層３と、長波長の光吸収層として吸収端波長λ＝１．８
５μｍでキャリア濃度１Ｅ１５〜５Ｅ１５ｃｍ ^-3かつ層厚３〜４μｍが好ましく、今回はキャリア濃度３Ｅ１５
ｃｍ ^-3かつ層厚４μｍの歪みｎ ^- −ＩｎＧａＡｓ（λ＝
１．８５μｍ）光吸収層４とを成長させた後、再び格子不整合緩和のため吸収端波長を１．８５μｍから１．６
７μｍまで順次変化させ、キャリア濃度３Ｅ１５〜１Ｅ
１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．０３〜０．５μｍが好ましく、
今回はキャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．５μｍ
の歪みｎ−ＩｎＧａＡｓリニアステップ層５を成長させ、その後、キャリア濃度３Ｅ１５〜１Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．０３〜０．５μｍが好ましく、今回はキャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．５μｍのｎ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ中間層６を成長させ、更にその後、増倍層としてキャリア濃度１Ｅ１６〜４Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．
５〜３μｍが好ましく、今回はキャリア濃度３Ｅ１６ｃ
ｍ ^-3かつ層厚１．４μｍのｎ ⁺ −ＩｎＰ増倍層７を成長させる。 最後に窓層としてキャリア濃度２Ｅ１５〜６Ｅ
１５ｃｍ ^-3かつ層厚１〜２μｍが好ましく、今回はキャリア濃度５Ｅ１５ｃｍ ^-3かつ層厚１．４μｍのｎ ^- −Ｉ
ｎＰ窓層８を成長させる。

【００１６】このような成長が行なわれたエピタキシャルウェハの表面にマスクをＣＶＤ法により成長させ、ガードリング９をたとえばＢｅのイオン注入法により形成する。 次に前記ガードリング９に重なるように拡散マスクの窓開けを行ない、たとえばＺｎの封止拡散により受光部分に相当する１Ｅ１７〜１Ｅ２０ｃｍ ^-3のｐ ⁺領域１０を選択的に形成する。 その後、表面側に通常の方法でＳｉＮ _x膜、ＳｉＯ ₂膜等の絶縁膜１１を成長させた後、前記ｐ ⁺領域１０上の絶縁膜１１の一部に穴開けを行ない、ｐ側コンタクト電極１２をたとえば蒸着法により形成した後、加熱処理を行なう。 前記ｐ側コンタクト電極を覆うようにｐ側電極１３を形成する。

【００１７】続いてｎ ⁺ −ＩｎＰ基板１の裏面にｎ側コンタクト電極１４をたとえば蒸着法により形成した後、
加熱処理を行ない、最後にｎコンタクト電極１４を覆うようにｎ側電極１５を形成する。

【００１８】このようにして製作した歪みＩｎＧａＡｓ
−ＡＰＤの分光感度特性を図２に示す。 このＡＰＤに１．６５μｍの光を入射すると、光は窓層８側からｐ ⁺
拡散領域１０内に入射され、増倍層７、中間層６、歪みＩｎＧａＡｓリニアステップ層５を透過した後、歪みｎ
−ＩｎＧａＡｓ光吸収層４にて吸収される。 ここで吸収された光によって生成されたキャリアは、ｐ側電極１３
とｎ側電極１５間に印加された電界により加速されｐ側電極１３に流れ、外部回路へと吐き出され光電流となる。

【００１９】このような構造をとることにより、１．６
５μｍの光を７０％以上の高い効率で吸収することができる。 また前記歪みｎ ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層４とｎ
⁺ −ＩｎＰ基板１との間にｎ−ＩｎＰ緩衝層２とｎ−Ｉ
ｎＡｓＰ緩衝層３とを挟むことで、格子不整合を抑えることができるため、１００ｎＡ以下の低い暗電流特性が得られる。

【００２０】図４にＩｎ _x Ｇａ _1-x Ａｓのｘの値と暗電流の関係を示す。 これによりｘ＝０．５７を越えると暗電流が高くなり、ＯＴＤＲとして用いることができないことがわかる。

【００２１】また、上記の効果により歪みｎ ^- −ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層４にて生成されたキャリアはｎ ⁺ −Ｉｎ
Ｐ増倍層７に印加された電界により３０倍以上の高い増倍率が得られる。

【００２２】本発明においては、ＩｎＧａＡｓＰ系のヘテロエピタキシャル層を用いているが、他の材料系のヘテロエピタキシャル層では、このような特性を得ることはできなかった。

【００２３】上記効果は気相成長法によるエピタキシャルウェハ以外に、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、
ＡＬＥ法によるエピタキシャルウェハにおいても同じ効果が得られる。 実施例２：図３には本発明の半導体受光素子の第２実施例が示される。

【００２４】ｎ ⁺ −ＩｎＰ基板１の裏面上に気相成長法によりキャリア濃度１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚１〜３μｍが好ましく、今回はキャリア濃度１Ｅ１５ｃ
ｍ ^-3かつ層厚２μｍのｎ−ＩｎＰ緩衝層２と、格子不整合緩和のためにキャリア濃度１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃｍ ^-3
かつ層厚１〜３μｍが好ましく、今回はキャリア濃度１
Ｅ１５ｃｍ ^-3かつ層厚２μｍのｎ−ＩｎＡｓＰ緩衝層３
と、長波長の光吸収層として吸収端波長λ＝１．８５μ
ｍでキャリア濃度１Ｅ１５〜５Ｅ１５ｃｍ ^-3かつ層厚３
〜４μｍが好ましく、今回はキャリア濃度３Ｅ１５ｃｍ
^-3かつ層厚４μｍの歪みｎ ^- −ＩｎＧａＡｓ（λ＝１．
８５μｍ）光吸収層４とを成長させた後、再び格子不整合緩和のため吸収端波長を１．８５μｍから１．６７μ
ｍまで順次変化させ、キャリア濃度３Ｅ１５〜１Ｅ１６
ｃｍ ^-3かつ層厚０．０３〜０．５μｍが好ましく、今回はキャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．５μｍの歪みｎ−ＩｎＧａＡｓリニアステップ層５を成長させた後、キャリア濃度３Ｅ１５〜１Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．０３〜０．５μｍが好ましく、今回はキャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．５μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ中間層６を成長させ、その後、増倍層としてキャリア濃度１Ｅ１６〜４Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚０．５〜３μｍ
が好ましく、今回はキャリア濃度３Ｅ１６ｃｍ ^-3かつ層厚１．４μｍのｎ ⁺ −ＩｎＰ増倍層７を成長させる。 最後に窓層としてキャリア濃度２Ｅ１５〜６Ｅ１５ｃｍ ^-3
かつ層厚１〜２μｍが好ましく、今回はキャリア濃度５
Ｅ１５ｃｍ ^-3かつ層厚１．４μｍのｎ ^- −ＩｎＰ窓層８
を成長させる。

【００２５】このような成長が行なわれたエピタキシャルウェハの裏面にマスクをＣＶＤ法により成長し、ガードリング９をたとえばＢｅのイオン注入法により形成する。 次に前記ガードリング９に重なるように拡散マスクの窓開けを行ない、たとえばＺｎの封止拡散により受光部分に相当する１Ｅ１７〜１Ｅ２０ｃｍ ^-3のｐ ⁺領域１
０を選択的に形成する。 その後、裏面側に通常の方法で絶縁膜１１を成長させた後、前記ｐ ⁺領域１０上の絶縁膜１１の一部に穴開けを行ないｐ側コンタクト電極１２
をたとえば蒸着法により形成した後、加熱処理を行なう。 前記ｐ側コンタクト電極を覆うようにｐ側電極１３
を形成する。

【００２６】続いて、ｎ ⁺ −ＩｎＰ基板１の表面に化学的方法にてエッチングを行ない半径１２０μｍないし１
５０μｍの凸型形状を形成しレンズとする。 このレンズの表面に反射防止膜１６を形成する。 レンズを囲むようにｎ ⁺ −ＩｎＰ基板１の表面にｎ側コンタクト電極１４
をたとえば蒸着法により形成した後、加熱処理を行ない、最後にｎコンタクト電極１４を覆うようにｎ側電極１５を形成する。

【００２７】このようにして製作した裏面入射型歪みＩ
ｎＧａＡｓ−ＡＰに１．６５μｍの光を入射すると、光は表面のレンズからｎ ⁺ −ＩｎＰ基板１、ＩｎＰ緩衝層２、ｎ−ＩｎＡｓＰ緩衝層３を透過した後、歪みｎ ^- −
ＩｎＧａＡｓ光吸収層４にて吸収される。 ここで吸収された光によって生成されたキャリアは、ｎ−ＩｎＧａＡ
ｓリニアステップ層５、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ中間層６、
ｎ ⁺ −ＩｎＰ増倍層７、ｎ ^- −ＩｎＰ窓層８、Ｐ ⁺ −Ｉ
ｎＰ層１０をへてｐ側電極１３から外部回路へと流れる。

【００２８】このような構造をとることにより、１．６
５μｍの光を７０％以上の高い効率で吸収することができる。 また前記歪みｎ ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層４とｎ
⁺ −ＩｎＰ基板１との間にｎ−ＩｎＰ緩衝層２とｎ−Ｉ
ｎＡｓＰ緩衝層３を挟むことで、格子不整合を抑えることができるため、１００ｎＡ以下の低い暗電流特性が得られる。

【００２９】また、上記の効果により歪みｎ ^- −ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層４にて生成されたキャリアはｎ ⁺ −Ｉｎ
Ｐ増倍層７に印加された電界により３０倍以上の高い増倍率が得られる。

【００３０】上記効果は気相成長法によるエピタキシャルウェハ以外に、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、
ＡＬＥ法によるエピタキシャルウェハにおいても同じ効果が得られる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
歪みｎ ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層内で１．６５μｍの光を７０％以上の高い効率で吸収することができる。 また格子不整合を抑えることができるため、１００ｎＡ以下の低い暗電流特性が得られる。 また、歪みｎ ^- −ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層４にて生成されたキャリアはｎ ⁺ −Ｉｎ
Ｐ増倍層７に印加された電荷により３０倍以上の高い増倍率が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の半導体受光素子の断面図である。

【図２】本発明の実施例１の半導体受光素子の感度分布である。

【図３】本発明の実施例２の半導体受光素子の断面図である。

【図４】Ｉｎ _x Ｇａ _1-x Ａｓのｘの値と暗電流特性を示すグラフである。

【図５】従来例を示す半導体受光素子の断面図である。

【図６】別の従来例を示す半導体受光素子の断面図である。

【符号の説明】

１ ｎ ⁺ −ＩｎＰ基板 ２ ｎ−ＩｎＰ緩衝層 ３ ｎ ^- −ＩｎＡｓＰ緩衝層 ４ 歪みｎ ^- −Ｉｎ _0.57 Ｇａ _0.43 Ａｓ光吸収層 ５ ｎ−ＩｎＧａＡｓリニアステップ層 ６ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ中間層 ７ ｎ ⁺ −ＩｎＰ増倍層 ８ ｎ ^- −ＩｎＰ窓層 ９ ガードリング １０ ｐ ⁺領域 １１ 絶縁膜 １２ ｐ側コンタクト電極 １３ ｐ側電極 １４ ｎ側コンタクト電極 １５ ｎ側電極 １６ 反射防止膜 １７ ｎ−Ｉｎ _0.57 Ｇａ _0.43 Ａｓ光吸収層 １８ ｎ−ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ超格子光吸収層 １９ ｐ ⁺ −ＩｎＰ層