專利名稱：光半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有分布布拉格(Bragg)反射層的光半導體裝置， 尤其涉及元件特性偏差少、量子效率高的光半導體裝置。
背景技術：
提出了在光吸收層與半導體襯底之間具有分布布拉格反射 (DBR: Distributed Bragg Reflector)層的光電二極管的方案。沒有被 光吸收層吸收而透過的光，在DBR層反射后再次被光吸收層吸收。 從而，在具有DBR層的光電二極管中得到高量子效率(例如，參照 專利文獻1:日本特開2003 - 318485號^/H艮)。
光電二極管的各半導體層在生長溫度中外延生長，以與半導體襯 底晶格匹配。但是，DBR層的構成材料即InGaAs或InGaAsP的熱膨 脹系數(shù)與半導體村底的構成材料即InP不同，因此在實際操作溫度中 DBR層會出現(xiàn)應變。
而且，為了獲得高反射率，需要使DBR層的層厚在2iam以上，
上直接生長吸收層的場合，DBR層的應變會直接影響吸收層，因此吸 收層的能帶結構彎曲，對暗電流的增減或光吸收系數(shù)、溫度特性、發(fā) 生的光生載流子的有效質量等各式各樣的物性常數(shù)產生很大影響。此 外，由晶體的應變量變化，可看到在晶片加工過程中或晶片加工后的 摻雜(dopant)的擴散速度或擴散分布的變化。而且，在雪崩光電二 極管中，有時發(fā)生受光面內的增殖系數(shù)分布異常、局部增殖，或發(fā)生 邊緣擊穿(edge breakdown)。如此，由于芯片間DBR層的應變量出
現(xiàn)偏差而存在元件特性出現(xiàn)偏差的問題。于是，發(fā)明人考慮了在DBR層與光吸收層之間插入由與半導體 襯底相同的材料構成的應變緩沖層的方案。但是，因這種形成于DBR 層與光吸收層之間的層而出現(xiàn)了 DBR層的反射率降低、光半導體裝 置的量子效率降低的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決上述問題構思而成，其目的在于得到元件特性偏 差少、量子效率高的光半導體裝置。
為了解決上述問題，第一發(fā)明的光半導體裝置，其特征在于在 半導體襯底上，依次形成第一導電型的分布布拉格反射層、第一導電 型的應變緩沖層、光吸收層以及第二導電型的半導體層，所述應變緩 沖層由與所述半導體襯底相同的材料構成，形成于所述分布布^立4各反 射層與所述光吸收層之間的層的總光學長度是入射光的波長的半波 整數(shù)倍。
第二發(fā)明的光半導體裝置，其特征在于在半導體襯底上，依次 形成第一導電型的分布布拉格反射層、第一導電型的應變緩沖層、活 性層以及第二導電型的分布布拉格反射層，所述應變緩沖層由與所述 半導體襯底相同的材料構成，形成于所述第一導電型的分布布拉才各反 射層與所述活性層之間的層的總光學長度是出射光的波長的半波整 數(shù)倍。
通過本發(fā)明，能夠得到元件特性偏差少、量子效率高的光半導體 裝置。


圖1是表示本發(fā)明實施方式1的光半導體裝置的剖視圖。 圖2是表示光半導體裝置的參考例的剖視圖。 圖3是表示本發(fā)明實施方式2的光半導體裝置的剖視圖。 圖4是表示本發(fā)明實施方式3的光半導體裝置的剖^L圖。圖5是表示本發(fā)明實施方式4的光半導體裝置的剖視圖。
圖6是表示本發(fā)明實施方式5的光半導體裝置的剖視圖。 圖7是表示本發(fā)明實施方式6的光半導體裝置的剖視圖。 圖8是表示本發(fā)明實施方式7的光半導體裝置的剖視圖。 (符號說明)
10 n型InP襯底(半導體襯底)；12 n型DBR層(第一導電 型的分布布^立才各反射層)；16 i - InGaAs光吸收層(光吸收層)； 18 p型InP窗層(第二導電型的半導體層)；28 p型InP層(第二 導電型的半導體層)；30 n型InP增殖層(載流子增殖層)；34 n 型AlInAs增殖層(載流子增殖層)；44 p型DBR層(第二導電型 的分布布拉格反射層)；42 i-InGaAs活性層(活性層)。
具體實施例方式
實施方式1
圖1是表示本發(fā)明實施方式1的光半導體裝置的剖視圖。該光半 導體裝置是具有分布布拉格反射層的光電二極管。
在n型InP襯底10 (半導體襯底)上，依次形成n型DBR層12 (第一導電型的分布布拉格反射層)、n型InP應變緩沖層14 (第一 導電型的應變緩沖層)、載流子濃度5 x 1015cnT3以下的i-InGaAs 光吸收層16 (光吸收層)以及p型InP窗層18 (第二導電型的半導體 層)。在p型InP窗層18上，形成兼用為防反射膜和表面保護膜的 SiN等絕緣膜20和陽才及(p型)電極22。在n型InP襯底10的背面 形成陰極(n型)電極24。
n型DBR層12交互層疊折射率低的n型InP層12a和折射率高 的n型InGaAsP層12b而成。n型InP層12a和n型InGaAsP層12b 分別對入射光的波長X的光學層厚為V4。例如，在X為1.55 ym的 場合，若InP的折射率為3.169,則n型InP層100a的層厚為0.123 li m,若InGaAsP的折射率為3.437,則n型InGaAsP層100b的層厚為0.113 m m。又，使用n型InGaAs層或AlInAs層來替代n型InGaAsP 層12b也可。但是，n型InGaAs層的帶隙波長小于入射光的波長人， 吸收入射光。
在本實施方式中，在n型DBR層12與i - InGaAs光吸收層16 之間，插入由與n型InP襯底10相同的材料構成的n型InP應變緩沖 層14。此外，形成于n型DBR層12與i - InGaAs光吸收層16之間 的層的總光學長度為入射光的波長X的半波整數(shù)倍。
以下，就本實施方式的光半導體裝置的操作進行說明。施加0.5 ~ 3V的反向偏壓，以使陽極電極22的電位低于陰極電極24的電位。 入射光乂人圖的上側通過絕^彖膜20和p型InP窗層18入射到i - InGaAs 光吸收層16。然后，入射光一皮i - InGaAs光吸收層16吸收。
若設i - InGaAs光吸收層16的層厚為t、對i - InGaAs光吸收層 16的入射光的吸收系數(shù)為ct ，被i - InGaAs光吸收層16吸收的入射 光比例(=量子效率)由下式(1 )表示。
1 - exp ( - a - t) ... ( 1 )
沒有被i - InGaAs光吸收層16吸收而透過的光，在n型DBR層 12反射，再被i-InGaAs光吸收層16吸收。若設n型DBR層12的 光反射率為R,則在考慮基于n型DBR層12的返回光時的量子效率 由下式(2)表示。
1 - exp ( - a t) + R exp ( - a t) ( 1 - exp ( - a . t))...
(2)
式(1)與式(2)的差值相當于n型DBR層12的量子效率的增 加量。在i-InGaAs光吸收層16中，因反向偏壓而被耗盡層化。耗盡 層中有施加電場，電子和孔穴分別流向陰極電極24和陽極電極22側， 以電流方式招C才由出。
以下，通過與參考例做比較，說明本實施方式的光半導體裝置的 效果。圖2是表示光半導體裝置的參考例的剖視圖。沒有n型InP應 變緩沖層14,而與n型DBR層12鄰4妻的方式生長i - InGaAs光吸收
6層16。其它結構與本實施方式的光半導體裝置相同。
根據(jù)發(fā)明人的調查，InP的線膨脹系數(shù)在室溫下為4.56 x lO^K—1, 但InGaAs的線膨脹系數(shù)為5.17 x 10—6K_1, InGaAsP的線膨脹系數(shù)隨 As和P的組成比而在4.56~5.17x 10_6K—^力范圍內變化。又，由于 熱膨脹系數(shù)是與晶體的原子間鍵合力系數(shù)或鍵長等相關的物理量，因 基礎知識的不足而在現(xiàn)情況下理論上要預測混晶中的熱膨脹系數(shù)的 組成依存性是非常困難的。但是，認為由幾個試驗結果，根據(jù)線性插 補，作為第一近似預測混晶的熱膨脹系數(shù)也是妥當?shù)摹?br> 因這種InP和InGaAs ( P )的線膨脹系數(shù)差異，而生長在n型InP 襯底10上的n型DBR層12大受應變的影響。在參考例中i - InGaAs 光吸收層16直接受n型DBR層12的應變影響，成為造成元件間的 特性偏差的因素。
與之相對地，在本實施方式中，在n型DBR層12與i - InGaAs 光吸收層16之間，插入由與n型InP4十底10相同的材剩-構成的n型 InP應變緩沖層14。通過該n型InP應變緩沖層14來緩沖n型DBR 層12的應變，因此可減小i - InGaAs光吸收層16所^R受的應變量。 因而，元件特性的偏差少。
此外，形成于n型DBR層12與i - InGaAs光吸收層16之間的層 的總光學長度為入射光的波長X的半波整數(shù)倍。從而，可防止n型DBR 層12的反射率降低。因而，光半導體裝置的量子效率高。
再者，n型InP應變緩沖層14可薄至0.1 Mm,也可做成數(shù)m m或 其以上的層厚。若n型InP應變緩沖層14的層厚增加，則n型DBR 層12的應變得到緩沖，i - InGaAs光吸收層16接近直接外延生長在n 型InP襯底10上的狀態(tài)。但是，在n型InP應變緩沖層14中的光損 耗或光散射會增多，有時會降低量子效率。因而，n型InP應變緩沖 層14的層厚應該根據(jù)用途的詳細條件來決定。
實施方式2
圖3是表示本發(fā)明實施方式2的光半導體裝置的剖視圖。該光半極管。
在i - InGaAs光吸收層16上形成載流子濃度1 x 1016cm—3以下的 n型InP層26，在n型InP層26的一部分上通過選擇擴散等來形成p 型InP層28(第二導電型的半導體層)。其它結構與實施方式l相同。 從而能夠得到與實施方式1同樣的效果。
實施方式3
圖4是表示本發(fā)明實施方式3的光半導體裝置的剖視圖。該光半 導體裝置是平面型InP雪崩光電二極管。
在i - InGaAs光吸收層16上形成n型InP增殖層30 (載流子增 殖層)，通過選4奪擴散等來在n型InP層30的一部分上形成p型InP 層28 (第二導電型的半導體層)。通過Be的離子注入等，在p型InP 層28外周形成護環(huán)32。 n型InP增殖層30對i - InGaAs光吸收層16 中發(fā)生的光載流子進行雪崩增殖。其它結構與實施方式l相同。
以與n型InP增殖層30相4^的方式形成p型InP層28。該p型 InP層28在晶片加工過程中利用熱擴散法來形成。然后，通過控制p 型4參雜的擴散深度，將n型InP增殖層30的層厚控制在納米(nm ) 級。因而，若因晶格應變的影響而摻雜的擴散速度或摻雜的擴散分布 發(fā)生變化，則增殖特性發(fā)生很大變化，因此插入n型InP應變緩沖層 14來減少元件特性的偏差，其效果非常明顯。
實施方式4
圖5是表示本發(fā)明實施方式4的光半導體裝置的剖視圖。該光半 導體裝置是平面型AlInAs雪崩光電二極管。
在n型DBR層12與i _ InGaAs光吸收層16之間，形成n型AlInAs 增殖層34 (載流子增殖層)和電場緩沖層36。 n型AlInAs增殖層34 對i - InGaAs光吸收層16中發(fā)生的光載流子進行雪崩增殖。其它結構 與實施方式2相同。從而，能夠得到與實施方式l、 2同樣的效果。
實施方式5圖6是表示本發(fā)明實施方式5的光半導體裝置的剖視圖。該光半
導體裝置與實施方式4同樣為平面型AlInAs雪崩光電二極管。
在n型InP應變緩沖層14和n型AlInAs增殖層34之間，插入載 流子濃度高的n型AlInAs層38。其它結構與實施方式4相同。從而， n型AlInAs增殖層34的電場不會施加到n型DBR層12的n型InP 層12a,因此抑制了 n型InP層12a中的孔穴增殖，從而能夠實現(xiàn)低 噪聲的雪崩光電二極管。 實施方式6
圖7是表示本發(fā)明實施方式6的光半導體裝置的剖視圖。該光半 導體裝置是從襯底側入射光的背面入射諧振型光電二極管。
在n型InP村底10背面形成防反射膜40。還有，光從n型InP 襯底10的背面?zhèn)热肷洹Ｆ渌Y構與實施方式2相同。從而，能夠得 到與實施方式l、 2同樣的效果。
實施方式7
圖8是表示本發(fā)明實施方式7的光半導體裝置的剖視圖。該光半 導體裝置是面發(fā)光激光器。
在n型InP襯底10 (半導體襯底)上，依次形成n型DBR層12 (第一導電型的分布布拉格反射層)、n型InP應變緩沖層l4 (第一 導電型的應變緩沖層)、載流子濃度5 x 1015cm—3以下的i - InGaAs活 性層42 (活性層)以及p型DBR層44 (第二導電型的分布布拉格反 射層)。在p型DBR層44上，形成兼用為防反射膜和表面保護膜的 SiN等絕緣膜20和陽極(p型)電極22。在n型InP襯底10的背面 形成陰極(n型)電極24。
n型DBR層12交互層疊n型InP層12a和n型InGaAsP層12b 而成。p型DBR層44交互層疊n型InP層44a和n型InGaAsP層44b 而成。
如此用DBR層來上下夾住i - InGaAs活性層42時，光在上下DBR 層之間往復，,人而產生激光纟展蕩。在本實施方式中，在n型DBR層12和i - InGaAs活性層42之間， 插入了由與n型InP襯底10相同的材料構成的n型InP應變緩沖層 14。通過該n型InP應變緩沖層14, n型DBR層12的應變得到緩沖， 因此可減小i-InGaAs活性層42的應變量。因而，元件特性的偏差少。
此外，形成于n型DBR層12和i - InGaAs活性層42之間的層的 總光學長度是出射光的波長人的半波整數(shù)倍。從而，能夠防止n型DBR 層12的反射率降低。因而，光半導體裝置的量子效率高。
權利要求
1.一種光半導體裝置，其特征在于在半導體襯底上，依次形成第一導電型的分布布拉格反射層、第一導電型的應變緩沖層、光吸收層以及第二導電型的半導體層，所述應變緩沖層由與所述半導體襯底相同的材料構成，形成于所述分布布拉格反射層和所述光吸收層之間的層的總光學長度為入射光的波長的半波整數(shù)倍。
2. 如權利要求1所述的光半導體裝置，其特,在于: 所述半導體襯底及所述應變緩沖層由InP構成「 所述分布布拉格反射層包含InGaAs層、InGaAsP層或AlInAs層。
3. 如權利要求1所述的光半導體裝置，其特征在于成。
4. 如權利要求1所述的光半導體裝置，其特征在于 對所述光吸收層中發(fā)生的光載流子進行雪崩增殖的載流子增殖層，形成于所述光吸收層和所述第二導電型的半導體層之間。
5. 如權利要求1所述的光半導體裝置，其特征在于 對所述光吸收層中發(fā)生的光載流子進行雪崩增殖的載流子增殖層，形成于所述分布布拉格反射層和所述光吸收層之間。
6. —種光半導體裝置，其特征在于在半導體襯底上，依次形成第一導電型的分布布拉格反射層、第 一導電型的應變緩沖層、活性層以及第二導電型的分布布拉格反射 層，所述應變緩沖層由與所述半導體襯底相同的材料構成， 形成于所述第一導電型的分布布拉格反射層和所述活性層之間 的層的總光學長度為出射光的波長的半波整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明得到元件特性偏差少、量子效率高的光半導體裝置。在n型InP襯底(10)(半導體襯底)上依次形成n型DBR層(12)(第一導電型的分布布拉格反射層)、n型InP應變緩沖層(14)(第一導電型的應變緩沖層)、低載流子濃度的i-InGaAs光吸收層(16)(光吸收層)以及p型InP窗層(18)(第二導電型的半導體層)。n型InP應變緩沖層(14)由與n型InP襯底(10)相同的材料構成。形成于n型DBR層(12)與i-InGaAs光吸收層(16)之間的層的總光學長度為入射光的波長λ的半波整數(shù)倍。
文檔編號H01L31/10GK101599511SQ20091012811
公開日2009年12月9日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權日2008年6月2日
發(fā)明者中路雅晴, 柳生榮治, 石村榮太郎 申請人:三菱電機株式會社