專利名稱：埋入波導(dǎo)型受光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種埋入波導(dǎo)型受光元件，尤其涉及使用在光通訊系 統(tǒng)等中的埋入導(dǎo)波型受光元件。
背景技術(shù)：
伴隨著通訊量的飛速增加，正在謀求通訊系統(tǒng)的大容量化，因 此，光通訊機(jī)器的高速化、小型化、高效率化、低成本化成為必要。 在光通訊的傳送系統(tǒng)中，使用兩個波長帶的光作為信號光。 一個
是信號光帶的中心波長為1.3)Lim即1.3)Lim帶的信號光和另外一個是信 號光帶的中心波長為1.55pm即1.55pm帶的信號光。
1.55)Lim帶的信號光其光纖的損失小，作為長距離通訊系統(tǒng)的信號 光來4吏用。其稱作都市間通訊(干線系統(tǒng)trunk system)，例如^f吏用 于像東京至大阪這樣的大都市間的通訊。
另一方面，1.3pm帶的信號光其光纖損失大、波長分散少，作為 短距離通訊系統(tǒng)的信號光來使用。其稱作都市內(nèi)通訊，比如使用于都 市內(nèi)的通訊。另外，1.3|tim帶的信號光，使用于稱作存取系統(tǒng)的基地 與各家庭間的通訊。
目前，作為使用于光通訊系統(tǒng)的接收模塊中的半導(dǎo)體受光元件， 使信號光從劈開端面入射的構(gòu)造的受光元件被開發(fā)并大批量生產(chǎn)。作 為公知的這種半導(dǎo)體受光元件有加感型(loading-type)受光元件(例 如，專利文獻(xiàn)1
及圖1、 2及3參照)。該構(gòu)造為，相對于來自 劈開端面的入射光使光入射到透明的引導(dǎo)層，光被波導(dǎo)到形成于離開 其入射部數(shù)pm以上的位置的光電轉(zhuǎn)換部，在這個光電轉(zhuǎn)換部從引導(dǎo) 層露出于層厚方向的光(漸消失波evanescent wave)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換， 因此，光電轉(zhuǎn)換的方式可以說是間接的，具有入射端面近旁的光電流 的集中被緩和，即使在入射強(qiáng)度高的光的情況下也不容易引起響應(yīng)速 度的劣化或受光元件的破壞等這樣的特點。
另一方面，為從引導(dǎo)層將露出于層厚方向的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，為 了得到原理上的高感度，需要一定長度的波導(dǎo)路。但是，為了得到高
感度而增長波導(dǎo)路長時，由于受光元件的元件容量增加，有時不能得 到高的高速響應(yīng)性能。也就是說，感度與高速響應(yīng)性成為折衷關(guān)系。
另外，為了使引導(dǎo)層中的光的封閉很好地進(jìn)行，并減少光電轉(zhuǎn)換 部以外的放射損失，在引導(dǎo)層和光電轉(zhuǎn)換部的側(cè)面，需要使用相對于
構(gòu)成這些的材料折射率比大的非半導(dǎo)體材料的覆膜(例如SiN膜)覆 蓋。然而，在半導(dǎo)體/非半導(dǎo)體的界面容易產(chǎn)生準(zhǔn)位復(fù)合、也可能產(chǎn)生 從集光的引導(dǎo)層端面、或施加高電場的光電轉(zhuǎn)換部等劣化的情況。
作為解決這些問題的公知的受光元件，提出了埋入波導(dǎo)型受光元 件，其具有波導(dǎo)層被埋入Fe摻雜InP層(以下將Fe摻雜InP層簡稱 Fe-InP)的構(gòu)造(例如，非專利文獻(xiàn)l)。
在這種構(gòu)造中，光封閉層和光吸收層等，通過由半導(dǎo)體構(gòu)成的Fe -InP埋入，由此形成保護(hù)，因而能夠得到高的信賴性。
并且，由于為具有光直接通過窗口層入射到光吸收層的構(gòu)造，即 使波導(dǎo)路長不取那樣的長度，也能得到高感度，因而具有高感度并且 能得到良好的高速響應(yīng)性的特征。
而且，作為其它的公知例，公開了和n-光封閉層的光吸收層相 接的厚度0.6pm的邊界層、以及和p -光封閉層的光吸收層相接的厚 度0.3|im的邊界層分別作為無摻雜層構(gòu)成的波導(dǎo)型半導(dǎo)體受光元件 (例如，專利文獻(xiàn)2、 〔0030〕以及圖l和圖2參照)
另外，作為其它的公知例，公開了在光吸收層的下部形成i-InAIGaAs引導(dǎo)層(波長組成1.3pm,層厚0.2pm)、耗盡層更擴(kuò)展、接合
容量減少、能得到高速響應(yīng)的加感式半導(dǎo)體受光元件。(例如，專利文 獻(xiàn)3、 〔0030〕以及圖1和圖2參照)
作為其它的公知例，公開了光沿水平方向入射到層構(gòu)造的波導(dǎo)型 受光元件，其將光吸收層摻雜成p型，在其兩側(cè)設(shè)有光引導(dǎo)層，同樣 地將一側(cè)光引導(dǎo)層摻雜成p型，相反側(cè)的光引導(dǎo)層為將從光吸收層起 順序形成低濃度層(例如無摻雜層)、n型雜質(zhì)層的多層構(gòu)造在半絕 緣性的InP襯底上形成臺面形。(例如專利文獻(xiàn)4、 〔0004〕、 〔0008〕、 〔0009〕 、 〔0012〕以及圖1參照)。
作為其他的公知例，公開了在半絕緣性的InP襯底上設(shè)有n-InGaAsP的光引導(dǎo)層，且在該光引導(dǎo)層上具有包含臺面形的n - InP的 電子遷移層、無摻雜及n型的兩層構(gòu)造的InGaAsP層、P - InGaAs的
光吸收層的波導(dǎo)構(gòu)造的半導(dǎo)體受光元件。(例如專利文獻(xiàn)5、 〔0004〕、 〔0008〕 、 〔0009〕 、 〔0012〕以及圖1參照)。
作為其他的公知例，公開了 40Gbps通信用波導(dǎo)型雪崩光電二極 管(avalanche photodiode )(例如非專利文獻(xiàn)2參照)。特開2003 — 332613號公報特開平10- 303449號公報特開2001 - 168371號公報特開平11-112013號公報特開2000 - l24493號公報石
村栄太郎、中路雅晴他、第49回応用物理學(xué)関系連合講演會2002年 (平成14年)春季講演予稿集(2002.3東海大學(xué))1152頁 27a-ZG - 7 [40Gbps通信用導(dǎo)波路型7戸，乂夕工7才卜夕' ^f才一卜、']清水省悟、芝和宏他、信學(xué)技報IEICE Technical Report OCS2006 - 40,OPE2006 - 93,LQE2006 - 82(2006 - 10):pp 11-15。
但是，在具有波導(dǎo)層埋入到Fe-InP層的構(gòu)造的目前的埋入波導(dǎo)型 受光元件中，由于在形成波導(dǎo)層之后使Fe-InP層將重新成長，有時 產(chǎn)生p型摻雜劑和Fe相互擴(kuò)散，在光吸收層和n型光封閉層之間增 加暗電流，即增加泄漏電流的問題。作為用于預(yù)防這些問題的構(gòu)造， 考慮將光吸收層的層厚加厚，但存在有時高速響應(yīng)性劣化、高光輸入 耐力劣化等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的問題，本發(fā)明的目的是提供一種減少泄漏電流、 具有高感度、可高速工作、波導(dǎo)埋入到Fe摻雜絕緣體層的波導(dǎo)型受 光元件的構(gòu)造。
本發(fā)明的埋入波導(dǎo)型受光元件，具有半導(dǎo)體襯底、n型金屬包層、 波導(dǎo)層、Fe摻雜絕緣體層。其中，所述n型金屬包層設(shè)置在該半導(dǎo)體 襯底上；所述波導(dǎo)層設(shè)置在所述n型金屬包層的一部分上，并從半導(dǎo) 體襯底側(cè)面順次以脊?fàn)顚盈B有n型光引導(dǎo)層、具有和所述n型金屬 包層相同或更高的折射率同時具有比所述n型光引導(dǎo)層的雜質(zhì)濃度更
低的lxl017cm —3以下的雜質(zhì)濃度或者無摻雜的第一半導(dǎo)體層、比所述 第一半導(dǎo)體層折射率更高的光吸收層、p型光引導(dǎo)層、以及p型金屬 包層；所述Fe摻雜絕緣體層設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底上且埋設(shè)所述波 導(dǎo)層側(cè)壁。
本發(fā)明的埋入波導(dǎo)型受光元件，通過在n型光引導(dǎo)層和光吸收層 之間配設(shè)具有l(wèi)xl0"cm"以下的雜質(zhì)濃度或者無摻雜的第一半導(dǎo)體 層，由于耗盡層變厚，即使p型摻雜劑從p型光引導(dǎo)層經(jīng)由Fe摻雜 絕緣體層在光吸收層中擴(kuò)散，也能減少暗電流。


圖1為有關(guān)本發(fā)明一實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件的立體圖； 圖2為圖1的II-II剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件的剖面圖； 圖3為圖1的III-III剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件的剖面圖； 圖4為有關(guān)本發(fā)明一實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件的電壓-電流 特性示意圖5為有關(guān)本發(fā)明一實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件的變換例的剖 面圖6為有關(guān)本發(fā)明 一 實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件的變換例的剖 面圖7為有關(guān)本發(fā)明一實施例的埋入波導(dǎo)路型受光元件的變換例的 剖面圖8為有關(guān)本發(fā)明一實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件的變換例的剖 面圖。
具體實施例方式
以下的發(fā)明的實施例中，對作為光通訊系統(tǒng)的受光元件來使用的 埋入波導(dǎo)型PD進(jìn)行說明。
實施例1
圖1為本發(fā)明一實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件的立體圖。 在圖l中，該埋入波導(dǎo)型的pin-PD10的前面的劈開端面的受光 部12接受箭頭所示的信號光14。信號光14例如中心波長入l為1.55|um。
在pin-PD10的上面?zhèn)?，?jīng)由劈開端面的受光部12配設(shè)有含有 導(dǎo)入信號光的波導(dǎo)的波導(dǎo)臺面16,沿著該波導(dǎo)臺面16的表面配設(shè)有 Ti/Pt/Au的p電極18,或在波導(dǎo)臺面16的兩側(cè)面及pin-PD10的上 面配設(shè)有Ti/Au的n電極20。配設(shè)有p電極18及n電極20的部分以 外的上面被絕緣膜22覆蓋。
圖2為圖1的II-II剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件的剖面圖，即為 與信號光入射方向交叉的方向的剖面、即用與波導(dǎo)垂直的剖面剖切的 剖面圖。
圖3為圖1的III-III剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件的剖面圖，即 為沿信號光入射方向的剖面、用波導(dǎo)的延長方向的剖面剖切的剖面圖。
另外，在圖中相同符號是同一個部件或是相當(dāng)?shù)牟考?br> 在圖2中，在作為半導(dǎo)體襯底的例如半絕緣體的Fe-InP襯底24 上，從Fe - InP襯底24起順次設(shè)置有n型InGaAs (以下簡稱"n型，， 為"n-，， ， "p型"為"p-","無摻雜，，為"i-，，)的n-接觸 層26及n-InP的n-金屬包層28。在該金屬包層28的上面，經(jīng)由受 光部12配設(shè)有導(dǎo)入信號光14的波導(dǎo)臺面16。
波導(dǎo)臺面16,具有從n-接觸層26—側(cè)順次層疊有n -金屬包 層28的中央部的部分層、設(shè)置于該n-金屬包層28的中央部的部分 表面上的n- InGaAsP的n-光導(dǎo)層30、設(shè)置于該n -光導(dǎo)層30的表 面上的作為第一半導(dǎo)體層的i-InGaAsP的i-光引導(dǎo)層31、設(shè)置于該 i-光引導(dǎo)層31的表面上的i-InGaAs的光吸收層32、設(shè)置于光吸收 層32的表面上的p-InGaAs的p -光引導(dǎo)層34、設(shè)置于該p -光引導(dǎo) 層34的表面上的p-InP的金屬包層36、以及設(shè)置于金屬包層36表 面上的p-InGaAs的p-接觸層40的、作為波導(dǎo)層的波導(dǎo)16a;配設(shè) 于波導(dǎo)16a的兩側(cè)、形成波導(dǎo)臺面16的側(cè)面的、作為Fe摻雜絕緣體 層的Fe-InP的封閉層38。
配設(shè)于波導(dǎo)16a的兩側(cè)的封閉層38,用比光吸收層32折射率低 的材料形成，由此，能夠使其和波導(dǎo)16a的折射率差增大，從而能夠 提高光的封閉效率并提高受光元件的受光靈敏度。
更進(jìn)一步地，p-接觸層40的表面分別設(shè)有p電極18、和覆蓋封
閉層38的兩側(cè)面并且與n-接觸層26的表面連接的n-電極20。未 覆蓋p電極18和n -電極20的波導(dǎo)臺面16的表面設(shè)有絕緣膜22, p 電極18和n -電極20通過絕緣膜22電分離。
在圖3中，波導(dǎo)16a前方的受光側(cè)具有劈開端面38a,例如設(shè)有 Fe - InP的封閉層38。在波導(dǎo)16a的后方也設(shè)有Fe - InP的封閉層38。 即波導(dǎo)16a的側(cè)壁埋入Fe摻雜InP的封閉層38，且在該封閉層38中 被劈開作為芯片而形成。并且，經(jīng)由封閉層38的劈開端面的受光部 12信號光被導(dǎo)入到波導(dǎo)16a。
在該實施例中，波導(dǎo)16a的長度方向、即光的前進(jìn)方向的長度為 20|im，波導(dǎo)16a的寬度為4pm。
在該實施例中，光吸收層32的層厚da設(shè)定為例如350nm, i-光 引導(dǎo)層31也同樣地設(shè)定為150nm。
在該實施例中，將Be作為p型摻雜劑時，其和Fe-InP之間的 相互擴(kuò)散是450nm左右。因而具有通過插入i -光引導(dǎo)層31充分降低 暗電流的效果。該實施例的光吸收層32和i-光引導(dǎo)層31的層厚是 一例，考慮頻率特性、暗電流特性、使用的p型摻雜劑的濃度、以及 Fe-InP層的Fe的濃度等，可以取各種各樣的值。
例如，p型摻雜劑和Fe - InP層中的Fe之間相互擴(kuò)散非常少時、 和光吸收層32的層厚比較厚等時，即使i-光引導(dǎo)層31的層厚為50nm 左右，也能得到降低暗電流的效果。另外，通過在頻率特性和工作電 壓使用上沒有問題的范圍，將i-光引導(dǎo)層31加厚，可改善暗電流特 性。例如，考慮在數(shù)V左右工作時，如果i-光引導(dǎo)層31的層厚為 l]im以下，由于使其充分耗盡，就可以得到良好的暗電流。另外，例 如，為了用于40Gbps通訊工作，考慮高速響應(yīng)性時，i-光引導(dǎo)層31 的層厚理想的是300nm以下，且設(shè)定在100nm~ 200nm之間的范圍， 由此，頻率特性不會劣化，從而可以得到良好的暗電流特性。
n -光引導(dǎo)層30以及p -光引導(dǎo)層34的材料即InGaAsP的折射率 比n -金屬包層28以及p -金屬包層36的材料的折射率大，從n -光 引導(dǎo)層30、 i-光引導(dǎo)層31以及p-光引導(dǎo)層34的材料的光學(xué)帶隙 (bandgap )求出的波長入g為1.4pm。
另外，在該實施例中，將i-光引導(dǎo)層31的折射率設(shè)定為比n-金屬包層28的折射率還高，但和n-金屬包層28的折射率相同也可
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以。
另外，將i-光引導(dǎo)層31的折射率設(shè)定為比光吸收層32的折射 率低。
添加在各層的n型雜質(zhì)為IV族元素(如Si、 S等)、p型雜質(zhì)為 II族元素(如Be、 Zn等)。在pin-PD10中光吸收層32為無摻雜，特 別是不添加雜質(zhì)。
各層載流子濃度為n-接觸層26為lxlOI8cm"、 n-金屬包層 28為lxlO"cm —3、 n-光引導(dǎo)層30為lxl018cm —3， i-光引導(dǎo)層31在 該實施例中為無摻雜，但是n型的載流子濃度只要為lxl0"cm — 3以 下，例如為lxl014cnT3~ lxl017cm —3即可。
其他的各層載流子濃度為p-光引導(dǎo)層34為lxl018cnT3, p-金屬包層為36為5xl018cm —3, p-接觸層40為lxl019cm —3。
因而，在波導(dǎo)16a中，p-光引導(dǎo)層34和n-光引導(dǎo)層30和夾在 這兩層之間的光吸收層32，也包括i-光引導(dǎo)層31,形成p/i/n結(jié)點。
接著，簡要說明該實施例的pin-PD10的制造方法。
首先，在半絕緣的Fe摻雜的InP襯底24上，通過氣相成長法例 如MOCVD法以所定的厚度，將作為n-接觸層26的n- InGaAs層、 作為n -金屬包層28的n - InP層、作為n -光引導(dǎo)層30的n - InGaAsP 層、作為i-光引導(dǎo)層31的n-InGaAsP層、作為光吸收層32的i-InGaAs層、作為p -光引導(dǎo)層34的p - InGaAsP層、作為p-金屬包 層36的p - InP層、以及作為p -接觸層40的p - InGaAs層順次層疊。
其次，在作為這些層疊的最上層的p-接觸層40的p-InGaAs 層表面上形成Si02膜，殘留對應(yīng)于應(yīng)形成波導(dǎo)16a的上表面的Si02 膜，且在周圍形成具有開口的絕緣膜圖案，將該絕緣膜圖案作為掩模 進(jìn)行蝕刻，由此，形成光的前進(jìn)方向的長度方向的尺寸為20nm、寬 度方向尺寸為4inm的波導(dǎo)16a。這時，絕緣膜圖案按階段加工，由此 形成在作為n-金屬包層28的n-InP層完全露出的地方停止蝕刻的 部分、即波導(dǎo)16a的前面以及兩側(cè)面的部分、和直到InP襯底24露出 之前進(jìn)行蝕刻的部分、即波導(dǎo)16a的后方部分。
接著，將通過濕蝕刻除去干蝕刻時形成的損壞層、并用使用于蝕 刻的絕緣膜圖案進(jìn)行選擇成長，由此，形成波導(dǎo)16a并埋入Fe-InP 的封閉層38。關(guān)于這種埋入成長，將Si02膜的絕緣膜圖案作為選擇 成長膜保留，由此，可防止在波導(dǎo)16a上Fe-InP的再成長，且以受 光元件表面能夠變得平坦的方式埋入封閉層38。例如，該封閉層38 的Fe濃度為lxl017cm —3左右。
然后，除去絕緣膜圖案，通過照相制版工藝重新形成絕緣膜圖 案，通過濕蝕刻形成波導(dǎo)臺面16，形成n電極20,利用p-CVD裝 置通過SiN形成絕緣膜22，進(jìn)一步形成p電極18。
之后，直到合適的厚度將InP襯底24的背面蝕刻并形成焊接用的 背面金屬，從而結(jié)束晶片制作工序。
這樣構(gòu)成的pin-PD10在形成波導(dǎo)16a后，進(jìn)行將Fe - InP埋入 波導(dǎo)16a的周圍的埋入成長，但是，在進(jìn)行埋入成長過程中p-光引 導(dǎo)層34包含有的p型雜質(zhì)，例如Be或Zn和Fe-InP層的Fe相互進(jìn) 行擴(kuò)散，從而p型摻雜劑擴(kuò)散在Fe-InP層中。
由于Be和Zn之類的p型摻雜劑和Fe之間的相互擴(kuò)散速度非常 大，在短時間內(nèi)擴(kuò)散到光吸收層32的側(cè)面上，接著擴(kuò)散到光吸收層 32的內(nèi)部。
在該實施例的pin-PD10中，即使在光吸收層32的內(nèi)部形成擴(kuò) 散p型摻雜劑的擴(kuò)散區(qū)域，由于在光吸收層32和n-光引導(dǎo)層30之 間插入有i -光引導(dǎo)層31 ，在形成于光吸收層32內(nèi)部的p型摻雜劑的 擴(kuò)散區(qū)域和n-光引導(dǎo)層30之間也不會構(gòu)成局部的耗盡層的狹小區(qū) 域。
也就是說，i-光引導(dǎo)層31的層厚量的耗盡層就會增加，就會在 光吸收層32內(nèi)部的耗盡層的基礎(chǔ)上，確保i-光引導(dǎo)層31的層厚量 的耗盡層。
因此，可以抑制光吸收層32內(nèi)部的p型摻雜劑的擴(kuò)散區(qū)域和n -光引導(dǎo)層30之間電場的增加。這樣的結(jié)果是，能防止從光吸收層 32向n-光引導(dǎo)層30流動的暗電流的增加。進(jìn)而，可以防止受光元 件的S/N比的下降。
進(jìn)一步地，由于i-光引導(dǎo)層31比光吸收層32帶隙大，通過將 其插入而使暗電流降低。因此，即使假設(shè)將i-光引導(dǎo)層31的厚度量 作為加厚光吸收層32并施加相同電場的情況下，在原理上，插入i-光引導(dǎo)層31的方法能夠使暗電流降低。
圖4為本發(fā)明一實施例埋入波導(dǎo)型受光元件的電壓-電流特性示
意圖。
在圖4中，橫軸為反向電壓，縱軸為暗電流。并且，實線的曲線
a為本實施例的插入i -光引導(dǎo)層31的情況，虛線的曲線b為用于比 較而記載的情況，表示沒有插入i-光引導(dǎo)層31時的埋入波導(dǎo)型受光 元件的電壓-電流特性。
如圖4所示可知，在施加相同的反向電壓時，通過插入i-光引 導(dǎo)層31可降低暗電流。
如上所述，在該實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件中，用Fe-InP層 埋入周圍的波導(dǎo)16a，在光吸收層32和n-光引導(dǎo)層30之間插入有i -光引導(dǎo)層31。因此，即使在光吸收層32上形成經(jīng)由Fe-InP層擴(kuò) 散的p型摻雜劑的擴(kuò)散區(qū)域，也能確保p型摻雜劑的擴(kuò)散區(qū)域和n-光引導(dǎo)層30之間充足的耗盡層厚度，因此，能夠不增高電場而抑制 暗電流的增加。進(jìn)而，能防止受光元件的S/N比的下降。
變換例1
圖5為本發(fā)明一實施例的埋入波導(dǎo)型受光元件的變換例的、用和 波導(dǎo)垂直的剖面剖切的剖面圖。圖6為有關(guān)本發(fā)明一實施例的埋入波 導(dǎo)型受光元件的變換例的、用波導(dǎo)的延長方向的剖面剖切的剖面圖。
該變換例1的埋入波導(dǎo)型受光元件的立體圖和實施例1的埋入波 導(dǎo)型受光元件的立體圖即圖l相同。
因此，圖5是圖1的II-II剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件的剖面圖， 即與信號光入射方向交叉的方向的剖面的剖面圖，圖6為圖1的III -III剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件的剖面圖，即沿信號光入射方向剖面 的剖面圖。
在圖5及圖6中所示的pin-PD50和圖2及圖3中所示的pin-PD10不同的構(gòu)成點為，相對于在pin-PD10上光吸收層^義由i-InGaAs的光吸收層32形成，在pin-PD50上，光吸收層由緊接i-光引導(dǎo)層31之后配設(shè)的i - InGaAs的第一光吸收層32a和緊接該第一 光吸收層32a形成的p - InGaAs的第二光吸收層32b形成，緊接該第 二光吸收層32b形成有p-光引導(dǎo)層34。
另外，pin-PD50的制造方法與pin-PD10的制造方法中層疊工 序也有不同，其不同點只是作為光吸收層形成i_ InGaAs的第一光
吸收層32a和緊接該第一光吸收層32a形成p - InGaAs的第二光吸收 層32b。
在該變換例中，第一光吸收層32a由i-InGaAs形成，但為工作 時充分耗盡的低載流子濃度，例如載流子濃度為lxlO"cm —3~ lxlOl6cm_3也可以。另外，第二光吸收層32b的載流子濃度為 lxl017cm —3~ lxl018cm_3，產(chǎn)生于第二光吸收層32b內(nèi)的感光載流子 接受內(nèi)部電場且以電子的遷移率過沖(overshoot)的方式進(jìn)行設(shè)計。
在變換例的pin-PD50中，i-光引導(dǎo)層31、第一光吸收層32a、 以及第二光吸收層32b的層厚分別設(shè)定為，例如150nm、 350nm、 及100nm。該變換例的i-光引導(dǎo)層31、第一光吸收層32a、及第二 光吸收層32b的層厚是一例，考慮頻率特性、暗電流特性、使用的p 型摻雜劑濃度、以及Fe - InP層的Fe的濃度等，可以取各種各樣的值。
例如p型摻雜劑和Fe - InP層中的Fe之間相互擴(kuò)散非常少時、或 光吸收層32的層厚比較厚時等，i-光引導(dǎo)層31的層厚為50nm左右 也能得到使暗電流降低的效果。并且，在頻率特性和工作電壓沒有使 用問題的范圍，將i-光引導(dǎo)層31加厚，由此，可改善暗電流特性。 例如，考慮數(shù)V左右的工作時，如果i-光引導(dǎo)層31的層厚為lpm 以下，由于充分耗盡，因此，可以得到良好的暗電流特性。另外，例 如，為了用于40Gbps通訊工作而考慮高速響應(yīng)性時，i-光引導(dǎo)層31 的層厚理想的是300nm以下，且設(shè)在100nm ~ 200nm的范圍，因而， 頻率特性不會劣化，可以得到良好的暗電流特性。
在pin-PD50中的其他構(gòu)成和實施例1的pin-PD10是同樣的， 和pin - PD10產(chǎn)生的效果也一樣。
變換例2
圖7為有關(guān)本發(fā)明的一實施例埋入波導(dǎo)型受光元件的變換例的、 用和波導(dǎo)垂直的剖面剖切的剖面圖。圖8為有關(guān)本發(fā)明的一實施例埋 入波導(dǎo)型受光元件的變換例的、用波導(dǎo)延長方向的剖面剖切的剖面圖。
該變換例2的埋入波導(dǎo)型受光元件的立體圖和實施例1的埋入波 導(dǎo)路型受光元件的立體圖即圖1是相同的。因而，圖7是圖1的I1-II剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件的剖面圖，即與信號光入射方向交叉方
向剖面的剖面圖，圖8為圖1的III-III剖面的埋入波導(dǎo)型受光元件 的剖面圖，即沿信號光入射方向剖面的剖面圖。
圖7及圖8所示的埋入波導(dǎo)型受光元件是雪崩光電二極管 (APD)。
在圖7及圖8中所示的APD60和圖2及圖3中所示的pin-PD10 不同的構(gòu)成為，n-光引導(dǎo)層30由載流子濃度為lxl019cm —3的n-AlInAs形成，i-光引導(dǎo)層31由無摻雜或n型載流子濃度為lxl017cm _3以下、例如lxl014cm_3~ lxl017cm —3的AlInAs形成，p-光引導(dǎo)層 34由載流子濃度為lxl018cm_4々n-AlInAs形成。
進(jìn)一步地，在pin-PD10的構(gòu)成的基礎(chǔ)上，n-光引導(dǎo)層30和i -光引導(dǎo)層31之間，由無摻雜或載流子濃度例如為lxlO"cm" lxlO"cm"的AlInAs形成的倍增層62、及由載流子濃度例如為 lxl018cm —3的p-AlInAs形成的電場調(diào)整層64,從n-光引導(dǎo)層30 側(cè)開始順次配設(shè)。
另外，APD60的制造方法和pin - PD10的制造方法中的層疊工序 也有不同，其不同點只是n-光引導(dǎo)層30由載流子濃度為lxl019cm _3的n-AlInAs形成，i-光引導(dǎo)層31由無摻雜或n型載流子濃度為 lxl017cm_3以下、例如lxlO"cm — 3 ~ lxl017cm_3的AlInAs形成，p-光引導(dǎo)層34由載流子濃度為lxlO"cnT3的n-AlInAs形成。同時在n -光引導(dǎo)層30和i-光引導(dǎo)層31之間，自n-光引導(dǎo)層30側(cè)起還形 成作為倍增層62的AlInAs層以及作為電場調(diào)整層64的p - AlInAs。
在該變換例2中，i -光引導(dǎo)層31及光吸收層32的層厚都設(shè)定為 250nm。而且各AlInAs層形成為和InP襯底進(jìn)行格子整合的層。
這個構(gòu)成也和實施例1的pin-PD10相同，能抑制光吸收層32內(nèi) 部的p型摻雜劑的擴(kuò)散層與n -光引導(dǎo)層30之間電場的增加。其結(jié)果 是，能夠防止從光吸收層32向n -光引導(dǎo)層30流動的暗電流的增加。 進(jìn)而，能防止受光元件的S/N比的下降。
進(jìn)一步，由于i-光引導(dǎo)層31比光吸收層32帶隙大，因此，即 使假設(shè)將i-光引導(dǎo)層31的厚度量作為加厚光吸收層32并施加相同 電場的情況下，在原理上，插入i-光引導(dǎo)層31的方法也能夠使暗電 流降低。
而且，在變換例2的APD60中，將光吸收層設(shè)定為1層光吸收 層32,而如變換例1的pin-PD50那樣，光吸收層由緊接i-光引導(dǎo) 層31配設(shè)的i-InGaAs的第一光吸收層32a和緊接該第一光吸收層 32a配設(shè)的p- InGaAs的第二光吸收層32b形成也可以。
如上所述，與本發(fā)明有關(guān)的埋入波導(dǎo)型受光元件具有半導(dǎo)體襯 底；設(shè)置在該半導(dǎo)體襯底上的n型金屬包層；波導(dǎo)層；設(shè)置在所述半 導(dǎo)體襯底上且埋入所述波導(dǎo)層側(cè)壁的Fe摻雜絕緣體層，
其中，所述波導(dǎo)層設(shè)置在所述n型金屬包層的一部分上，并從半 導(dǎo)體襯底側(cè)面順次以脊?fàn)顚盈B有n型光引導(dǎo)層、具有和所述n型金 屬包層相同或更高的折射率同時具有比所述n型光引導(dǎo)層的雜質(zhì)濃度 更低的lxlO卩cm"以下的雜質(zhì)濃度的或者無摻雜的第一半導(dǎo)體層、比 所述第一半導(dǎo)體層折射率更高的光吸收層、p型光引導(dǎo)層、以及p型 金屬包層。
在與本發(fā)明有關(guān)的埋入波導(dǎo)型受光元件中，通過在n型光引導(dǎo)層 與光吸收層之間設(shè)置具有低于lxlO"cm —3以下的雜質(zhì)濃度的、或者配 設(shè)無摻雜的第一半導(dǎo)體層，由于耗盡層加厚，即使p型摻雜劑從p型 光引導(dǎo)層經(jīng)由Fe摻雜絕緣體層在光吸收層擴(kuò)散也能減少暗電流。
因此，能構(gòu)成泄漏電流少、感度高、可高速工作的、埋入到Fe 摻雜絕緣體層中的波導(dǎo)型受光元件，進(jìn)而可以構(gòu)成S/N比高、功率效 率高的波導(dǎo)型受光元件。
工業(yè)上的應(yīng)用性
以上所述，與本發(fā)明有關(guān)的埋入波導(dǎo)型受光元件適用于光通訊系 統(tǒng)使用的、高感度、要求高速工作、且S/N比高、功率效率高的埋入 波導(dǎo)型受光元件。
權(quán)利要求
1. 一種埋入波導(dǎo)型受光元件，其特征在于，具有半導(dǎo)體襯底；設(shè)置在該半導(dǎo)體襯底上的n型金屬包層；波導(dǎo)層，設(shè)置在所述n型金屬包層的一部分上，并從半導(dǎo)體襯底側(cè)開始，以脊?fàn)铐槾螌盈B有n型光引導(dǎo)層；具有和所述n型金屬包層相同或更高的折射率同時具有比所述n型光引導(dǎo)層的雜質(zhì)濃度更低的1×1017cm-3以下的雜質(zhì)濃度或者無摻雜的第一半導(dǎo)體層；比所述第一半導(dǎo)體層折射率更高的光吸收層；p型光引導(dǎo)層；以及p型金屬包層；以及Fe摻雜絕緣體層，設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底上且埋設(shè)所述波導(dǎo)層側(cè)壁。
2. 如權(quán)利要求1所述的埋入波導(dǎo)型受光元件，其特征在于， 光吸收層具有設(shè)置在半導(dǎo)體襯底側(cè)的無摻雜的第 一光吸收層和設(shè)置在p型光引 導(dǎo)層側(cè)的p型第二光吸收層。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的埋入波導(dǎo)型受光元件，其特征在于， n型光引導(dǎo)層和第一半導(dǎo)體層之間還具有從半導(dǎo)體襯底側(cè)順次設(shè)置的無摻雜倍增層和p型電場調(diào)整層。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的埋入波導(dǎo)型受光元件，其特征在于， 將第一半導(dǎo)體層的層厚設(shè)為50nm以上lpm以下。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的埋入波導(dǎo)型受光元件，其特征在于， 第一半導(dǎo)體層由InGaAsP或InAlGaAs形成。
6. —種埋入波導(dǎo)型受光元件的制造方法，包括以下工序 在半導(dǎo)體襯底上，順次形成n型金屬包層、n型光引導(dǎo)層、具有與n型金屬包層相同或更高折射率同時具有比n型光引導(dǎo)層的雜質(zhì)濃 度更低的lxlO"cm"以下的雜質(zhì)濃度或無摻雜的第一半導(dǎo)體層、比該 第一半導(dǎo)體層折射率更高的光吸收層、p型光引導(dǎo)層、以及p型金屬 包層，從而形成半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)的工序；在半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)的表面上，通過照相制版工藝形成掩模圖案， 將該掩模圖案作為掩模從半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)的表面開始直到完全去除n 型光引導(dǎo)層為止進(jìn)行蝕刻，形成脊?fàn)顚盈B的波導(dǎo)層的工序；以及通過將用于蝕刻的掩模圖案作為掩模選擇成長，由Fe摻雜絕緣 體層埋設(shè)波導(dǎo)層的側(cè)壁的工序。
7. 如權(quán)利要求6所述的埋入波導(dǎo)型受光元件的制造方法，其特 征在于，光吸收層由半導(dǎo)體襯底側(cè)的無摻雜的第一光吸收層和該第一光 吸收層上的p型第二光吸收層形成。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的埋入波導(dǎo)型受光元件的制造方法， 其特征在于，在半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)的n型光引導(dǎo)層和第一半導(dǎo)體層之間，還從半 導(dǎo)體襯底側(cè)順次形成有無摻雜倍增層及p型電場調(diào)整層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種埋入到Fe摻雜絕緣體層中的埋入波導(dǎo)型受光元件，使該受光元件的泄漏電流減少。所述埋入波導(dǎo)型受光元件具有n-金屬包層(28)，其配設(shè)于Fe-InP襯底(24)上；波導(dǎo)(16a)，其配設(shè)于該n-金屬包層(28)的一部分上、并從Fe-InP襯底(24)側(cè)順次以脊?fàn)顚盈B有n-光引導(dǎo)層(30)、具有和所述n型金屬包層(28)相同或更高的折射率同時具有比所述n型光引導(dǎo)層(30)的雜質(zhì)濃度更低的1×10¹⁷cm^-3以下的雜質(zhì)濃度或者無摻雜的i-光引導(dǎo)層(31)、比該i-光引導(dǎo)層(31)折射率更高的光吸收層(32)、p-光引導(dǎo)層(34)、以及p-金屬包層(36)；封閉層，其配設(shè)于Fe-InP襯底(24)上且埋設(shè)波導(dǎo)16a的側(cè)壁。
文檔編號H01L31/10GK101207162SQ20071014264
公開日2008年6月25日 申請日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者中路雅晴, 石村榮太郎 申請人:三菱電機(jī)株式會社