特開 2024-130595 受光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024130595

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】受光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023040426

(22)【出願日】2023-03-15

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２１年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「グリーンイノベーション基金事業／次世代デジタルインフラの構築／次世代グリーンデータセンター技術開発／光電融合デバイス開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】517177464

【氏名又は名称】アイオーコア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100138759

【弁理士】

【氏名又は名称】大房 直樹

(72)【発明者】

【氏名】綿貫 真一

(72)【発明者】

【氏名】芝 和宏

【テーマコード（参考）】

5F149

【Ｆターム（参考）】

5F149AA04

5F149AB02

5F149BA09

5F149DA44

5F149FA05

5F149GA05

5F149LA09

5F149XB15

5F149XB24

5F149XB37

(57)【要約】

【課題】受光感度特性の光波長に対する依存性および光吸収層の膜厚に対する依存性を低減した受光素子を提供する。
【解決手段】受光素子は、基板上に形成された、または基板の一部を構成する第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第２半導体層と、を備え、前記第１半導体層は、膜厚がそれぞれ異なる複数の領域を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に形成された、または基板の一部を構成する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された第２半導体層と、
を備え、前記第１半導体層は、膜厚がそれぞれ異なる複数の領域を有する、
受光素子。

【請求項2】

前記第１半導体層における前記複数の領域の数は３以上である、請求項１に記載の受光素子。

【請求項3】

前記第１半導体層は、第１誘電体層上に形成されている、請求項１または２に記載の受光素子。

【請求項4】

前記第２半導体層上に第２誘電体層をさらに備える、請求項３に記載の受光素子。

【請求項5】

前記第１誘電体層はＳＯＩ基板における埋め込み酸化膜であり、
前記第１半導体層はＳＯＩ基板における前記埋め込み酸化膜上のＳｉ薄膜である、
請求項３に記載の受光素子。

【請求項6】

前記光吸収層はＧｅを含む層である、請求項１または２に記載の受光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、受光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光通信用の半導体受光素子として、光吸収層の下部に作り込まれた光導波路を介して光吸収層に側方から光を入射するように構成されたもの（例えば、特許文献１参照）や、光吸収層の上方から、すなわち光吸収層の上面に対して垂直な方向から光吸収層に光を入射する面入射型の受光素子（例えば、特許文献２参照）が開発されている。前者のタイプの受光素子は、導波路への光の結合効率を上げるのが困難であるのに対し、後者のタイプの受光素子は、光吸収層に高効率で光を入射できるという利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－２５６８６９号公報

【特許文献2】特開２０２２－１６１１６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一方、半導体受光素子を他の光・電気素子と集積化したシリコンフォトニクスデバイスの研究開発も行われている。このようなシリコンフォトニクスデバイスにおいては、十分な厚さの光吸収層を作製することが難しいため、光吸収層を含む多層膜での光の多重反射を利用して実効的な光吸収層の厚さを厚くし、受光感度の低下を防いでいる。しかし、多層膜内での多重反射に起因して、受光感度特性に光波長依存性や光吸収層の膜厚依存性が生じるという問題がある。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、受光感度特性の光波長に対する依存性および光吸収層の膜厚に対する依存性を低減した受光素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決するために、本発明の一態様によれば、基板上に形成された、または基板の一部を構成する第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第２半導体層と、を備え、前記第１半導体層は、膜厚がそれぞれ異なる複数の領域を有する、受光素子が提供される。

【0007】

また、本発明の他の一態様によれば、上記一態様において、前記第１半導体層における前記複数の領域の数は３以上である、受光素子が提供される。

【0008】

また、本発明の他の一態様によれば、上記一態様において、前記第１半導体層は、第１誘電体層上に形成されている、受光素子が提供される。

【0009】

また、本発明の他の一態様によれば、上記一態様において、前記第２半導体層上に第２誘電体層をさらに備える、受光素子が提供される。

【0010】

また、本発明の他の一態様によれば、上記一態様において、前記第１誘電体層はＳＯＩ基板における埋め込み酸化膜であり、前記第１半導体層はＳＯＩ基板における前記埋め込み酸化膜上のＳｉ薄膜である、受光素子が提供される。

【0011】

また、本発明の他の一態様によれば、上記一態様において、前記光吸収層はＧｅを含む層である、受光素子が提供される。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、受光感度特性の光波長に対する依存性および光吸収層の膜厚に対する依存性を低減した受光素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】一実施形態に係る受光素子の模式的な断面構成を示した図である。

【図2A】図１の構成による受光素子の例示的な量子効率のグラフである。

【図2B】図１の構成による受光素子の例示的な量子効率のグラフである。

【図2C】図１の構成による受光素子の例示的な量子効率のグラフである。

【図3】本発明の一実施形態に係る受光素子の模式的な断面構成を示した図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る受光素子の模式的な断面構成を示した図である。

【図5】図３に示される受光素子の例示的な量子効率のグラフである。

【図6】図４に示される受光素子の例示的な量子効率のグラフである。

【図7】図４の受光素子におけるｐ型半導体層の平面構成の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

【0015】

図１は、一実施形態に係る受光素子１００の模式的な断面構成を示した図である。受光素子１００は、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）１０２上に形成されたｐ型半導体層１０３と、ｐ型半導体層１０３上に形成されたｉ型半導体層１０４と、ｉ型半導体層１０４上に形成されたｎ型半導体層１０５とを備えており、ｐ型半導体層１０２とｎ型半導体層１０４でｉ型半導体層１０３を挟み込んだｐｉｎ構造を有している。受光素子１００は、バルクのシリコン（Ｓｉ）層１０１、ＢＯＸ層１０２、およびＢＯＸ層１０２上のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層からなる、ＳＯＩ基板を利用して作製されている。

【0016】

ｐ型半導体層１０３は、ｐ型の不純物がドープされたシリコンからなる層である。ｐ型の不純物として、例えばホウ素（Ｂ）を用いることができる。ｐ型半導体層１０３は、ＢＯＸ層１０２上のＳＯＩ層にｐ型不純物をドープすることによって形成されている。

【0017】

ｉ型半導体層１０４は、不純物がドープされていないゲルマニウム（Ｇｅ）またはシリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１－ｘ）からなる層である。ｉ型半導体層１０４は、ｐ型半導体層１０３上にゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムの結晶層をエピタキシャル成長させることによって形成されている。

【0018】

ｎ型半導体層１０５は、ｎ型の不純物がドープされた半導体層であり、例えばシリコンまたはシリコンゲルマニウムから構成される。ｎ型の不純物として、例えばリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。ｎ型半導体層１０５は、ｉ型半導体層１０４の上面を覆うようにシリコン等の結晶層をエピタキシャル成長させ、更にこの半導体層にｎ型不純物をドープすることによって形成されている。なお、ｉ型半導体層１０４の側面は、図１では垂直な面で描かれているが、実際にはｉ型半導体層１０４を構成する原子の結晶方位に依存した斜面をなしており、この斜面上にもシリコン結晶層が成長する。ただし、図１ではｉ型半導体層１０４の側面を覆っているシリコン結晶層の図示を省略している。

【0019】

受光素子１００の表面は、絶縁膜（例えばＳｉＯ_２膜）１０６によって覆われている。絶縁膜１０６のうちｎ型半導体層１０５の上部には、ｎ型半導体層１０５の表面に達する開口が設けられており、当該開口内に第１金属電極１０７が形成されている。また、絶縁膜１０６のうちｎ型半導体層１０５およびｉ型半導体層１０４から離れた部分におけるｐ型半導体層１０３の上部には、ｐ型半導体層１０３の表面に達する開口が設けられており、当該開口内に第２金属電極１０８が形成されている。

【0020】

第１金属電極１０７は、受光素子１００に電圧を印加する電極であり、通常、２～１０Ｖ程度の電圧が印加される。第２金属電極１０８は、電気信号を取り出すための電極であり、光電変換により生じた微小電流を電圧信号に変換および増幅するためのトランスインピーダンスアンプ（不図示）に接続される。

【0021】

受光素子１００は、ｎ型半導体層１０５の上方向からの光が絶縁膜１０６とｎ型半導体層１０５を介してｉ型半導体層１０４へ入射するように構成されている。受光素子１００を動作させる際、第１金属電極１０７と第２金属電極１０８を介してｐ型半導体層１０３とｎ型半導体層１０５間に逆バイアス電圧が印加され、これによりｉ型半導体層１０４に空乏層が形成される。ｉ型半導体層１０４への入射光は、ｉ型半導体層１０４に吸収され、これにより、ｉ型半導体層１０４内にフォトキャリア（電子及びホール）が発生する。ｉ型半導体層１０４で発生した電子とホールは、空乏層内の電界の作用を受けて、ｉ型半導体層１０４からそれぞれｎ型半導体層１０５またはｐ型半導体層１０３へと移動する。こうして受光素子１００に光電流が流れる。

【0022】

ここで、光吸収層であるｉ型半導体層１０４へ入射した光がｉ型半導体層１０４内を伝搬する距離が長いほど、より多くのフォトキャリアが発生し、受光素子１００の量子効率（あるいは受光感度）は高くなる。受光素子１００においては、ｉ型半導体層１０４を含む多層膜において光が多重反射してｉ型半導体層１０４内を上下方向（図１における上下方向）に多数回往復して伝搬するため、ｉ型半導体層１０４の膜厚が薄くても、実効的にｉ型半導体層１０４内の光の伝搬距離が長くなり、高い量子効率を実現することが可能である。

【0023】

一方、多層膜反射が生じることに起因して、受光素子１００の量子効率には、光の波長に対する依存性や、多層膜を構成している各層の膜厚に対する依存性が存在する。受光素子１００が光通信システムに組み込まれる場合、送信器に用いられる半導体レーザの発光波長は一般に温度依存性を有するので、送信される光信号の波長は送信器が置かれた環境の温度によって変動し得る。したがって、受光素子１００の量子効率の波長依存性を低減することが望まれる。また、受光素子１００の量子効率は、光吸収層となるｉ型半導体層１０４の膜厚に対する依存性が特に顕著となるので、その依存性を低減することも望まれる。

【0024】

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、図１の構成による受光素子１００の例示的な量子効率のグラフである。各図は、ｐ型半導体層１０３（ＳＯＩ層）の膜厚がそれぞれ、およそ２００ｎｍ、およそ１４０ｎｍ、およそ９０ｎｍである受光素子１００における量子効率の波長依存性を示し、各図の横軸は光の波長、縦軸は量子効率を表している。また、各図には、ゲルマニウムからなるｉ型半導体層１０４の複数の膜厚（６８０ｎｍ～７８０ｎｍ）に対するグラフが示されている。これらのグラフから、図１の構成による受光素子１００は、量子効率の光波長に対する依存性およびｉ型半導体層１０４の膜厚に対する依存性が大きいことが見てとれる。なお、量子効率のこのような波長依存性は、多層膜反射における反射率が波長依存性波を有することによるものであり、多層膜の屈折率差が大きいほど、反射率の波長依存性、ひいては量子効率の波長依存性は大きくなる。受光素子１００は屈折率差の大きな半導体層と誘電体層（１０２、１０６）を備えているため、比較的大きな量子効率の波長依存性を有している。

【0025】

図３および４は、上記の問題点を解決することが可能な一実施形態に係る受光素子２００、３００の模式的な断面構成を示した図である。図３および４において、図１の受光素子１００を構成する要素と同様の要素については図１における符号と同じ符号を付し、その説明は省略する。

【0026】

受光素子２００および３００は、複数の領域からなるｐ型半導体層１０３を備えている。具体的に、図３の受光素子２００におけるｐ型半導体層１０３は、第１領域１０３ａおよび第２領域１０３ｂからなり、図４の受光素子３００におけるｐ型半導体層１０３は、第１領域１０３ａ、第２領域１０３ｂ、および第３領域１０３ｃからなる。ｐ型半導体層１０３の領域数は、２または３に限らず、４以上であってもよい。ｐ型半導体層１０３の各領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは、それぞれ異なる膜厚を有するように構成されている。例えば、第１領域１０３ａの膜厚は、前述の図２Ａに対応するおよそ２００ｎｍであってよく、第２領域１０３ｂの膜厚は、前述の図２Ｂに対応するおよそ１４０ｎｍであってよく、第３領域１０３ｃの膜厚は、前述の図２Ｃに対応するおよそ９０ｎｍであってよい。なお、これらの数値は単なる一例であり、各領域の膜厚値はこれらと異なる値であってもよいことはもちろんである。

【0027】

受光素子２００および３００において、複数の領域からなるｐ型半導体層１０３の上には、図１の受光素子１００と同様のｉ型半導体層１０４が形成され、さらにその上に図１の受光素子１００と同様のｎ型半導体層１０５が形成される。ｐ型半導体層１０３の各領域の上におけるｉ型半導体層１０４の膜厚は互いに等しく、ｐ型半導体層１０３の各領域の上におけるｎ型半導体層１０５の膜厚は互いに等しい。よって、受光素子２００および３００は、ｐ型半導体層１０３の膜厚が領域ごとに異なっている点においてのみ、図１の受光素子１００と相違している。

【0028】

なお、図３および４において、ｉ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０５との界面およびｎ型半導体層１０５と絶縁膜１０６との界面は、ｐ型半導体層１０３の各領域の境目で段差を有するように描かれているが、実際にはｉ型半導体層１０４を成膜する工程およびｎ型半導体層１０５を成膜する工程において、ｉ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５は、その表面が滑らかになるように（あるいは段差で描かれている部分が斜面になるように）形成される。

【0029】

受光素子２００および３００は、ｐ型半導体層１０３の膜厚が異なる領域ごとに、異なる受光感度特性（前述した量子効率の波長依存性および膜厚依存性）を有する。例えば、図４に示される受光素子３００において、ｐ型半導体層１０３の第１領域１０３ａ、第２領域１０３ｂ、および第３領域１０３ｃの各膜厚がそれぞれおよそ２００ｎｍ、およそ１４０ｎｍ、およそ９０ｎｍである場合、受光素子３００全体のうち第１領域１０３ａに対応する部分の各半導体層から構成される部分的な受光素子３００ａは、図２Ａに示される受光感度特性を有し、第２領域１０３ｂに対応する部分的な受光素子３００ｂは、図２Ｂに示される受光感度特性を有し、第３領域１０３ｃに対応する部分的な受光素子３００ｂは、図２Ｃに示される受光感度特性を有する。したがって、受光素子３００全体としての受光感度特性は、図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃの受光感度特性を平均化したものとなる。

【0030】

図５は、図３に示される受光素子２００の例示的な量子効率のグラフである。図５は、ｐ型半導体層１０３が膜厚およそ２００ｎｍの第１領域１０３ａと膜厚およそ１４０ｎｍの第２領域１０３ｂからなり、ｐ型半導体層１０３全体のうちの第１領域１０３ａと第２領域１０３ｂの割合（例えば平面視での面積比）がそれぞれ５０％、５０％であるような受光素子２００における、量子効率の波長依存性を示す。このグラフから分かるように、ｐ型半導体層１０３が膜厚の異なる２つの領域で構成されている受光素子２００においては、図１の構成の受光素子１００（図２Ａのグラフを参照）と比べて、量子効率の波長依存性がなだらかになるとともに、ｉ型半導体層１０４の膜厚に対する依存性も緩和している。

【0031】

図６は、図４に示される受光素子３００の例示的な量子効率のグラフである。図６は、ｐ型半導体層１０３が膜厚およそ２００ｎｍの第１領域１０３ａ、膜厚およそ１４０ｎｍの第２領域１０３ｂ、および膜厚およそ９０ｎｍの第３領域１０３ｃからなり、ｐ型半導体層１０３全体のうちの第１領域１０３ａ、第２領域１０３ｂ、および第３領域１０３ｃの割合（例えば平面視での面積比）がそれぞれ３５％、２０％、４５％であるような受光素子３００における、量子効率の波長依存性を示す。このように、ｐ型半導体層１０３が膜厚の異なる３つの領域で構成されている受光素子３００においては、量子効率が波長全域（図６に示される波長１２００ｎｍから１４００ｎｍの範囲）にわたってほぼフラットになり、またｉ型半導体層１０４の膜厚に対する依存性もほぼ解消されている。

【0032】

なお、図５のグラフにおける受光素子２００、ならびに図６のグラフにおける受光素子３００の構成に関する数値（すなわち、膜厚の数値および各領域の割合の数値）は、単なる一例に過ぎず、受光素子の所望の受光感度特性（例えば量子効率のフラットな波長依存性）を実現するために、それらの数値は適宜最適化することができる。

【0033】

図７は、図４の受光素子３００におけるｐ型半導体層１０３の平面構成のいくつかの例を示す図である。ｐ型半導体層１０３の第１領域１０３ａ、第２領域１０３ｂ、および第３領域１０３ｃは、図７左に示されるように、扇形の形状を有するように構成されてもよいし、図７右に示されるように、同心円状に構成されるのであってもよい。前述したように、ｐ型半導体層１０３の領域の数は任意である。ｐ型半導体層１０３の各領域の平面形状は、図７に示されるような扇形や同心円以外のものであってもよい。

【0034】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0035】

１００ 受光素子
１０１ バルクシリコン層
１０２ 埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）
１０３ ｐ型半導体層
１０３ａ 第１領域
１０３ｂ 第２領域
１０３ｃ 第３領域
１０４ ｉ型半導体層
１０５ ｎ型半導体層
１０６ 絶縁膜
１０７ 第１金属電極
１０８ 第２金属電極
２００ 受光素子
３００ 受光素子

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】