半導體波導型感光元件及其製造方法
2023-06-11 00:36:21
專利名稱：半導體波導型感光元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體波導型感光元件及其製造方法，具體來說，涉及一種其半導體波導實際工作時漏電流降低，低暗電流特性優異的感光元件及其製造方法。
背景技術：
圖1示出現有已知的感光元件用的半導體波導的剖面結構。
該半導體波導在半導體襯底上依次澱積有n型包層、低載流子濃度的光吸收層、p型包層、導電層，形成半導體迭層結構。
而且，n型包層上面的迭層結構部分呈在光波導方向(與紙面正交的方向)上延伸的臺面型條帶(メサストライブ)，該臺面型條帶的側面由電介質膜覆蓋。再通過在導電層上裝電極(未圖示)，並在半導體襯底的背面也裝上電極(同樣未圖示)，構成感光元件。
這裡，光吸收層的禁帶能量設定得比處於其上下位置的p型包層和n型包層的禁帶能量小，於是從該光吸收層的光入射端面入射的信號光在該光吸收層中傳導。
在p型包層與n型包層之間加反向電壓的話，低載流子濃度的光吸收層內便形成耗盡層，由該耗盡層內產生的高電場，對光吸收層中傳導的信號光作光電變換。
具體來說，這種感光元件場合，由入射的信號光產生的耗盡層內的激發載流子可作為光電流檢出。激發載流子因耗盡層內產生的電場分離並漂移，激發載流子為空穴時，到達p型包層，為電子時則到達n型包層，對光電流作出貢獻。
還有，將半導體迭層結構做成圖1所示的臺面型條帶形狀的理由是要提高感光元件運作速度的緣故。
具體來說，其原因在於，為了提高感光元件運作速度，需要在加上前述反向電壓時減小耗盡層內產生的電容，而通過減小光吸收層的截面積，從而使加上反向電壓時形成的耗盡層的截面積也減小，能夠有效實現上述減小電容的要求。
這時，原理上僅對光吸收層部分蝕刻加工為臺面型條帶形狀當然是行的，但實際製作上，如圖1所示，n型包層上面的部分加工為臺面型條帶形狀。另外，這時也對部分n型包層同時蝕刻加工。
而且，為了在感光元件工作時降低流過臺面型條帶側面的漏電流，設有電介質膜。
具體來說，已知漏電流是通過臺面型條帶側面的表面能級和缺陷流過的，但通過在此處用電介質膜覆蓋，可消除表面能級和缺陷的影響。
另一方面，在上述感光元件的場合，為了使光高效率入射到元件上，通常通過解理形成光入射端面。這是因為，靠解理形成的光入射端面，原子平面平整，光能夠無散射地進入波導。而且，在此光入射端面被覆SiO2、SiNx製成的無反射膜，抑制入射光的反射。
不過，上述結構感光元件的最大問題在於，該感光元件工作時在前述臺面型條帶的側面流過漏電流。
為了抑制該漏電流發生，可如前文所述，在臺面型條帶的側面被覆電介質膜，但問題在於，即便採取這種措施，但肯定還是有漏電流發生，無法充分抑制。
根據發明人等的認識，還有在解理的光入射端面仍然有相當大的漏電流發生這種問題。
本發明目的在於提供一種半導體波導型感光元件工作時，可抑制臺面型條帶側面和解理的光入射端面處發生漏電流的新穎半導體波導型感光元件。
本發明目的還在於提供一種上述半導體波導型感光元件的製造方法。
發明概述本發明人為了達到上述目的，在新開展的開創性研究過程中，首先著眼於半導體表面能級密度受到不飽和鍵(ダングリング結合)密度很強的影響。具體來說，就是不飽和鍵的密度提高的話，該半導體表面能級就變為金屬性這一事實。
據此觀點，就前述半導體迭層結構進行蝕刻形成臺面型條帶的場合作如下考察。
具體來說，已知臺面型條帶形成時，通常採用溼蝕刻或幹蝕刻，但採用通常的蝕刻條件時，例如用溴化甲醇等蝕刻劑在與(0-1-1)面平行方向上蝕刻GaInAsP層時，可形成臺面型條帶的側面為(111)面、(110)面、(100)面這類低指數面。
還知道，化學反應強的甲烷氣類幹蝕刻的場合、物理反應強的滷素類幹蝕刻場合，與上面所述相同，也為低指數面。
但是，在這些(111)面等低指數面的場合，其晶胞內的原子數較多，因而不飽和鍵數量也較多。
例如，與InP晶格匹配的GaInAs場合，其(111)面上不飽和鍵的密度處於非常高的水平，達6.7×1014atoms/cm2。
這種狀態的表面能級可認為是金屬性，處於容易有漏電流流過的狀態。(110)面、(100)面等其他低指數面也同樣。
另一方面，還知道，在前述解理端面的場合，通常以解理條件解理形成的光入射端面也為(011)面等低指數面。
因而，即便是該光入射端面(解理面)，因上面所述相同理由，仍然可以認為，其表面能級呈金屬性，處於容易有漏電流流過的狀態。
本發明人經過這種考察，結果產生這樣一種想法，若降低通過蝕刻所暴露的臺面型條帶的側面或通過解理所暴露的光入射端面當中不飽和鍵的密度，便可以抑制漏電流發生。基於這種想法重新開展開創性研究的結果，終於開發得到本發明的半導體波導型感光元件及其製造方法。
具體來說，本發明提供一種半導體波導型感光元件，該感光元件具有的半導體波導中，在半導體襯底上形成一澱積有p型或n型第一半導體層；設於所述第一半導體層上、禁帶能量比所述第一半導體層小的第二半導體層；和設於所述第二半導體上、禁帶能量比所述第二半導體層大、且導電型與所述第一半導體層相反的第三半導體層而成的迭層結構，所述迭層結構中至少所述第二半導體層做成臺面型條帶，其特徵在於，至少所述第二半導體層側面或/和光入射端面呈曲面。
而且，所提供的半導體感光元件，上述迭層結構中，至少所述第二半導體層光入射端面，成為相對於所述半導體襯底表面呈銳角傾斜的平面。
此外，本發明還提供一種半導體波導型感光元件製造方法，其中包括在半導體襯底上澱積有p型或n型第一半導體層；設於所述第一半導體層上、禁帶能量比所述第一半導體層小的第二半導體層；和設於所述第二半導體上、禁帶能量比所述第二半導體層大、且導電型與所述第一半導體層相反的第三半導體層，形成迭層結構的工序，以及對所述迭層結構進行蝕刻，將至少包含所述第二半導體層的上方部分做成臺面型條帶形狀的工序，其特徵在於，至少在所述第二半導體層進行蝕刻處理時，用含酒石酸溶液、含溴溶液、和鹽酸與醋酸與雙氧水的混合液中的任意一種。
尤其提供一種半導體波導型感光元件製造方法，形成所述臺面型條帶形狀後，用含溴溶液進行蝕刻處理，至少所述第二半導體層側面做成曲面。而且，還提供一種半導體波導型感光元件製造方法，對所述迭層結構進行蝕刻處理或解理形成光入射端面後，用含溴溶液或含酒石酸溶液進行蝕刻處理，至少所述第二半導體層的所述光入射端面做成曲面。
另外，本發明中第一半導體層、第三半導體層均具有包層和/或光吸收層作用。
再者，本發明還包含在第一半導體層與第二半導體層之間、第二半導體層與第三半導體層之間根據需要夾有其他半導體層的情形。
根據圖2詳細說明本發明感光元件製作所用的半導體波導。
圖2中，半導體襯底1上依次澱積第一半導體層2、第二半導體層3、第三半導體層4和導電層5，形成迭層結構。接著，該迭層結構中第一半導體層2以上部分，成為在光傳導方向(與紙面垂直方向)上延伸的臺面型條帶。
另外，該臺面型條帶，不限於附圖所示僅僅形成於第一半導體層2的上部，還可以在包含部分第一半導體層2的狀態下形成。
這裡，第一半導體層2的導電型為n型或p型，起到下部包層作用，澱積在該第一半導體層2上的第二半導體層3其禁帶能量比所述第一半導體層2小，起到光吸收層作用。
澱積在該第二半導體層3上的第三半導體層4其禁帶能量比所述第二半導體層3大，而且導電型與前述第一半導體層2相反，起到上部包層作用。其上面設置的導電層5是與這上面裝的電極形成電阻性連接用的。
該臺面型條帶中，至少第二半導體層(光吸收層)3側面3a成為曲面。
這種曲面場合，其中晶胞面積，比平面的前述低指數面中的晶胞面積大，因而，不飽和鍵的密度降低。而且，對曲面來說，可促進不飽和鍵間的結合以便降低晶體表面能，因而晶胞中不飽和鍵密度下降，此外，由於是曲面，漏電路徑變長，電場強度下降。就這種情形的綜合效果而言，該曲面明顯抑制漏電流的發生。
另外，本發明中，進行光傳導並且加相反電壓時必須形成耗盡層的第二半導體層(光吸收層)3，其側面至少部分必須是曲面，其他半導體層可以是平整面，也可以是與第二半導體層3相同的曲面。
圖2中，第二半導體層3側面3a是內側凸起的曲面，但也可以如圖3所示，是外側凸起的曲面3a。此外，該曲面不限於整體具有一定曲率半徑的曲面，也可以曲率半徑隨位置有所不同。這時，曲率半徑儘管沒有特意限定，但最好設定在5～200μm範圍內。
另外，圖2例示的是本發明半導體波導型感光元件中半導體波導典型的基本構成，當然本發明也包含省略第一半導體層(下部包層)2構成的情形。
即便在第二半導體層(光吸收層)3的上下增加其他光傳導層的場合，本發明也同樣成立，這時，只要至少是第二半導體層3側面做成曲面，就能夠獲得上述本發明效果。
該半導體波導可以按如下所述那樣製造。
首先，在半導體襯底1上按常規方法依次澱積第一半導體層2、第二半導體層3、第三半導體層4和導電層5，形成迭層結構。
接著，對該迭層結構進行蝕刻處理，形成圖2所示的臺面型條帶。對於蝕刻處理，可以應用常用的幹蝕刻、溼蝕刻。
而且，進行這種蝕刻處理時，對於臺面型條帶中至少第二半導體層3側面的蝕刻來說，是用含水飽和酒石酸溶液、含溴溶液、鹽酸與醋酸與雙氧水的混合液作為蝕刻劑進行溼蝕刻的。經過這種處理，第二半導體層3側面3a成為曲面。
就蝕刻劑而言，例如第二半導體層3為AlGaInAs類材料時適合採用水飽和酒石酸與過氧化氫的混合液。這時，可以通過改變酒石酸濃度和蝕刻時溫度，來控制所形成曲面的曲率半徑的大小。
這時，水飽和酒石酸與過氧化氫的混合比最好設定在20∶1～20∶2範圍內。兩者的混合比處於該範圍內時，蝕刻速度幾乎沒有變化，可以在穩定的狀態下使用。而且，混合比在該範圍內時，蝕刻速度相對於溫度變化也不再敏感，因而不需要進行嚴格的溫度管理，但過氧化氫容易蒸發，因而溫度最好設定在18～25℃。
而第二半導體層3為GaInAsP類材料時，首先，靠幹蝕刻形成側面平整的臺面型條帶，然後由溴類蝕刻劑，例如水飽和溴與溴化氫與水的混合液，鹽酸與醋酸與水的混合液，水飽和酒石酸與水的混合液等進行溼蝕刻較為合適。
用水飽和溴與溴化氫與水的混合液時，最好將它們的混合比設定在1∶1∶10左右。而低溫下用的話，容易引起反應不均勻等情況，因而工作溫度設定在18～20℃左右為宜。在用上述混合液的情況下，蝕刻對象為GaInAsP時，其組成不論是哪種，蝕刻速度均沒有變化。具體來說，這種混合液是等速蝕刻劑，因而用於其迭層結構由不同組成的GaInAsP製成的半導體波導型感光元件的整形處理是最為理想的。
而用鹽酸與醋酸與水的混合液時，最好將它們的混合比設定在1∶2∶1左右。該混合液在配製時有反應熱發生，使溶液溫度升高，因而使用時要冷卻至18～25℃左右。
這樣製造出的半導體波導其表面由電介質膜覆蓋，接著按常規方法分別將電極裝在導電層或半導體襯底1的裡面，接下來在光入射端面形成無反射膜，便可獲得本發明感光元件。
上述說明的是抑制臺面型條帶側面發生漏電流的場合，但如前文所述，漏電流在光入射面(即解理端面)也發生。
為了對此進行抑制，對於解理的光入射端面至少第二半導體層(光吸收層)3，可以在與前述臺面型條帶側面時相同狀態下將相應光入射端面也做成曲面。
這時，光入射端面中至少第二半導體層(光吸收層)3形成為外側凸起的曲面的話，便可以抑制其中漏電流的發生，同時可以靠相應曲面的透鏡效應使入射光向第二半導體層(光吸收層)3聚光，從而可以減少對導電層5所產生的光電流沒有貢獻的吸收，因而感光靈敏度得到提高，比較合適。
對於光入射端面來說，如圖4所示，將至少第二半導體層(光吸收層)3其光入射端面形成為與半導體襯底1表面(迭層表面)呈銳角θ的傾斜平面較佳。
將光入射端面形成為相對於解理等形成的(011)面這類平面傾斜的話，相應光入射端面即便是平面，這當中晶胞內的不飽和鍵密度也變低，從而可以抑制漏電流發生。而且，將該光入射端面(平面)其傾斜角度相對於半導體襯底1表面(水平面)，設定為銳角(θ)的話，大致平行入射至第二半導體層(光吸收層)3的光便可以由該光入射端面按圖4箭頭所示折射至半導體襯底1一側，因而可以減少對導電層5等所產生的光電流沒有貢獻的吸收，從而感光靈敏度提高。
另外，這時若將光入射端面相對於半導體襯底1的傾斜角(θ)設定為所謂的布儒斯特角，按P偏振入射的光便完全沒有反射，結損耗可降低，故而較佳。
這裡，在令入射角補角為θB、介質1折射率為n1、介質2折射率為n2，光從介質1入射至介質2時，布儒斯特角由下式定義θB＝cot-1(n2/n1)介質1為空氣、介質2為半導體材料的話，n1＝1，n2≌3.5，故θB≌16°。
這種光入射端面(平面)可以靠幹蝕刻形成，可通過改變這時蝕刻條件得到所需傾斜角(θ)。
而第二半導體層3為例如GaInAsP類時，應形成臺面型條帶方向取(011)方向，用甲醇與溴的混合液蝕刻也行。這時，通過改變甲醇與溴的混合比例，能夠對傾斜角(θ)進行調整。
附圖簡要說明圖1是示意現有感光元件半導體波導中臺面型條帶側面形狀例的剖面圖；圖2是示意本發明感光元件半導體波導中臺面型條帶基本側面形狀的剖面圖；圖3是示意臺面型條帶另一基本側面形狀的剖面圖；圖4是示意光入射端面為平面時的剖面圖；圖5是示意實施例1臺面型條帶側面形狀的剖面圖；圖6是示意實施例2條帶側面形狀的剖面圖；圖7是示意實施例3臺面型條帶側面形狀的剖面圖；圖8是示意實施例4條帶側面形狀的剖面圖；圖9是示意實施例4感光元件中半導體波導光入射端面形狀的局部剖面圖；圖10是示意實施例5、6感光元件中半導體波導光入射端面形狀的剖面圖。
實施發明的最佳方式實施例1按如下所述那樣製造圖5所示層結構的半導體波導。
在載流子濃度5×1018cm-3的n-InP襯底11上澱積有載流子濃度1×1018cm-3、禁帶波長1.2μm、厚度3μm的n-AlGaInAs層(光禁閉層)12，禁帶波長1.4μm、厚度0.07μm的非摻雜AlGaInAs層(光吸收層)13，載流子濃度1×1018cm-3、禁帶波長1.2μm、厚度3μm的p-AlGaInAs層(光禁閉層)14，載流子濃度1×1018cm-3、厚度2μm的p-InP包層15，以及載流子濃度2×1018cm-3、禁帶波長1.55μm、厚度0.3μm的p-GaInAsP層(導電層)16。
另外，這些半導體層均選擇與n-InP襯底11晶格匹配的組成。而且，與非摻雜AlGaInAs層(本發明中所說的第二半導體層)13接觸的n-AlGaInAs層(本發明中所說的第一半導體層)和p-AlGaInAs層(本發明中所說的第三半導體層)當中0.3μm區域做成非摻雜狀態。
對該迭層結構進行以下蝕刻處理，形成臺面型條帶。另外，應形成臺面型條帶方向，取隨蝕刻順著臺面(メサ)露出的方向，即(011)面方向。
(1)首先，用水飽和酒石酸與過氧化氫按體積比20∶1混合而成的溶液(A)，在室溫下蝕刻p-GaInAsP層16。這時，蝕刻形成的臺面型條帶側面為平整面。而且，該溶液(A)不溶解InP，因而蝕刻在p-InP包層15表面自動停止。
(2)其次，用鹽酸與磷酸按體積比3∶1混合而成的溶液(B)，在室溫下蝕刻p-InP包層15。這時，蝕刻形成的臺面型條帶側面形狀為其傾斜程度比(1)所示臺面型條帶側面略為緩和的平整面。而且，該溶液(B)不溶解AlGaInAs，因而蝕刻在p-AlGaInAs層(光禁閉層)14表面自動停止。
(3)接下來，用上述溶液(A)在室溫下蝕刻p-AlGaInAs層(光禁閉層)14、非摻雜AlGaInAs層(光吸收層)13，再在n-AlGaInAs層(光禁閉層)12中蝕刻了0.2μm左右的時刻，結束蝕刻。蝕刻深度由蝕刻時間控制。
結果在臺面型條帶側面當中n-AlGaInAs層12一部分、非摻雜AlGaInAs層13和p-AlGaInAs層14部分，形成有內側凸起的曲面。用掃描電子顯微鏡觀察該曲面測定曲率半徑時為15μm，而且臺面型條帶整體平均傾斜角度為50°左右。
然後，整個表面形成電介質膜，部分去除臺面型條帶上表面部位的電介質膜，在p-GaInAsP層16上靠蒸鍍形成50μm正方的p型電阻性電極，n-InP襯底11的背面蒸鍍裝上n型電阻性電極。接著，在光入射一側端面蒸鍍SiNx形成無反射膜，便製造出感光元件。
該感光元件具有對于波長1.3μm的光吸收但對於1.55μm的光不吸收的波長甄別功能。
該感光元件入射模場直徑6μm光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。以高達0.93A/W的靈敏度對波長1-3μm的光感光。
此外，該感光元件還入射模場直徑50μm多模光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。以高達0.7A/W的靈敏度對波長1.3μm的光感光。
而對於3V反向偏置電壓測定暗電流時，100個元件的平均值為10pA，極低。相對於現有波導型感光元件其暗電流從1nA起至10nA大小，暗電流特性改善3至4個數量級。另外，若分析本實施例暗電流特性提高的原因，其原因在於，擴散電流微小到可以忽略不計，入射端面所流電流為4pA，界面與光吸收層所產生的發生電流為6pA，臺面型條帶側面所流表面電流低於檢測下限。顯然，由此可確認，通過將臺面型條帶側面做成曲面，其中流過的表面電流降低，暗電流得到較大改善。
實施例2按如下所述那樣製造圖6所示層結構的半導體波導。
在載流子濃度5×1018cm-3的n-InP襯底21上澱積有載流子濃度1×1018cm-3、禁帶波長1.2μm、厚度3μm的n-GaInAsP層(光禁閉層)22，禁帶波長1.65μm、厚度2μm非摻雜GaInAs層(光吸收層)23，載流子濃度1×1018cm-3、禁帶波長1.2μm、厚度3μm的p-GaInAsP層(光禁閉層)24，載流子濃度1×1018cm-3、厚度2μm的p-InP包層25，以及載流子濃度2×1018cm-3、禁帶波長1.65μm、厚度0.3μm的p-GaInAs層(導電層)26。
另外，這些半導體層均選擇與n-InP襯底21晶格匹配的組成。
對該迭層結構進行以下蝕刻處理，形成臺面型條帶。應形成臺面型條帶的方向，取與實施例1相同方向。
(1)首先，用溴與甲醇按體積比300∶1混合而成的溶液(C)，在室溫下從p-GaInAs層26起蝕刻至n-GaInAsP層(光禁閉層)22。蝕刻量由蝕刻時間控制，在n-GaInAsP層(光禁閉層)22中蝕刻了0.5μm左右的時刻，結束蝕刻，形成臺面型條帶。
所形成的臺面型條帶側面為傾斜角54°左右的平整(111)面。
(2)接著，用水飽和溴與溴化氫與純水按體積比1∶1∶10混合而成的溶液(D)，在溫度21℃下蝕刻前述臺面型條帶側面。
用掃描電子顯微鏡觀察蝕刻後的臺面型條帶時，其側面如圖4所示，各半導體層的彎曲程度有所不同，但n-GaInAsP層22、非摻雜GaInAs層23、p-GaInAsP層24均為外側凸起的曲面，其曲率半徑為62.5μm左右。
用該半導體波導，接下來與實施例1相同形成電介質膜、電極來做成感光元件。
該感光元件具有可吸收波長1.3μm和波長1.55μm兩種光的功能。
該感光元件入射模場直徑6μm光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光和波長1.55μm光分別給出高達0.95A/W、1.0A/W的值。
此外，該感光元件還入射模場直徑50μm多模光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光和波長1.55μm光分別給出高達0.7A/W、0.75A/W的值。
而對於3V反向偏置電壓測定暗電流時，100個元件的平均值為100pA。與現有元件相比，暗電流特性改善2至3個數量級。
實施例3對實施例2所示的迭層結構，進行以下蝕刻處理，形成圖7所示側面形狀的臺面型條帶。應形成臺面型條帶的方向與實施例1相同。
(1)首先，用滷素氣體作為蝕刻劑，從p-GaInAs層26起蝕刻至n-GaInAsP層22。蝕刻處理在蝕刻了0.2μm左右的n-GaInAsP層22時結束。
另外，幹蝕刻時通過選定所用的反應氣體和蝕刻條件，可以按任意角度蝕刻，但本實施例選定臺面型條帶側面相對於n-InP襯底21呈垂直平面這樣的條件。
(2)接著用前述溶液(D)蝕刻所形成的臺面型條帶的垂直平面。
用掃描電子顯微鏡觀察蝕刻後的臺面型條帶時，其側面如圖7所示，各半導體層的彎曲程度有所不同，n-GaInAsP層22成為內側凸起的曲面，非摻雜GaInAs層23也成為內側凸起的曲面，p-GaInAsP層24則成為外側凸起的曲面，其曲率半徑為100μm左右。
用該半導體波導，接下來與實施例2相同形成電介質膜、電極來做成感光元件。
該感光元件入射模場直徑6μm光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光和波長1.55μm光分別給出高達0.95A/W、1.0A/W的值。
此外，該感光元件還入射模場直徑50μm多模光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光和波長1.55μm光分別給出高達0.7A/W、0.75A/W的值。
而對於3V反向偏置電壓測定暗電流時，100個元件的平均值為100pA。
臺面型條帶的側面形狀與實施例2有所不同，但本實施例感光元件顯示出與實施例2感光元件相同的暗電流特性。
實施例4首先按如下所述那樣製造臺面型條帶其側面呈圖8所示形狀的半導體波導。
在載流子濃度5×1018cm-3的n-InP襯底31上澱積有載流子濃度1×1018cm-3、禁帶波長1.15μm、厚度0.5μm的n-GaInAsP層(光禁閉層)32，禁帶波長1.4μm、厚度3μm非摻雜GaInAsP層(光吸收層)33，載流子濃度1×1018cm-3、禁帶波長1.15μm、厚度2μm的p-GaInAsP層(光禁閉層)34，載流子濃度1×1018cm-3、厚度2.1μm的p-InP包層35，以及載流子濃度2×1019cm-3、禁帶波長1.15μm、厚度0.3μm的p-GaInAsP層(導電層)36。
另外，這些半導體層均選擇與n-InP襯底31晶格匹配的組成。
接著，在上述迭層結構導電層36上形成厚度0.1μm的SiNx膜後再在其上形成保護膜，通過應用照相製版技術繪製應形成條帶的圖案。應形成臺面型條帶的方向設定為臺面形狀成為臺面倒置的方向，即(0-1-1)方向。
接下來，蝕刻去除該條帶圖案以外的SiNx膜後，再蝕刻去除留在條帶圖案上的保護膜。因此，在上述迭層結構上面便形成由SiNx膜製成的條帶圖案。
以此SiNx膜作為掩模，按如下所述那樣形成臺面型條帶。
(1)首先用實施例1用的溶液(A)在室溫下進行蝕刻。p-GaInAsP層36被蝕刻。該溶液(A)不溶解InP，因而蝕刻在p-InP包層35表面自動停止。
(2)接著用實施例1用的溶液(B)在室溫下進行蝕刻。p-InP包層35被蝕刻。該溶液(B)不溶解GaInAsP，因而蝕刻在p-GaInAsP層34表面自動停止。
(3)接下來用溴和甲醇以體積比1∶200混合而成的溶液(E)，在室溫下蝕刻到蝕刻深度總體為8μm為止，從而形成臺面型條帶。
該溶液(E)選擇比非常小，因而蝕刻深度由蝕刻時間控制。
與實施例2場合不同，臺面型條帶方向偏移90°，因而所形成的臺面型條帶側面為曲面。
對於這樣製造出的半導體波導，接下來在各臺面型條帶之間槽中嵌埋感光性聚醯亞胺，使臺面型條帶間的槽深度形成得較淺，為4～5μm。這時，非摻雜GaInAsP層(光吸收層)33的曲面便由上述感光性聚醯亞胺嵌埋。
接下來，由常用的照相製版技術在各臺面型條帶的導電層36上形成電阻性電極形成用掩模圖案後，通過蒸鍍在這裡裝上p型電阻性電極。
接著，為了便於晶片化，對n-InP襯底31進行研磨加工，將襯底厚度調整為120μm，再在該襯底背面通過蒸鍍裝上n型電阻性電極。
然後，由接下來的劃割工序，按300μm寬度的條狀進行解理，形成為具有解理端面的元件。
對該解理端面進行如下蝕刻。
(5)在液溫21℃條件下，將上述元件浸漬於實施例2用的溶液(D)中8秒鐘。
結果，解理端面當中非摻雜GaInAsP層(光吸收層)33的解理端面，如圖9所示，成為外側凸起的曲面。接著，由掃描電子顯微鏡觀察該曲面測定曲率半徑，則約為100μm。
另外，在此之前的工序中，電極等暴露在蝕刻劑下，但由於是短時間浸漬，因而所受影響較小。為了切實杜絕蝕刻劑給這些電極等帶來的影響，可以例如整個表面用光刻膠或石蠟等覆蓋形成保護膜，並在蝕刻處理後去除保護膜。
最後，通過在上述端面蒸鍍SiNx，形成無反射膜，做成感光元件。
該感光元件具有對于波長1.3μm光吸收但對于波長1.55μm光不吸收的波長甄別功能。
該感光元件入射模場直徑6μm光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光具有高達0.98A/W的感光靈敏度。
此外，該感光元件還入射模場直徑50μm多模光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度，對于波長1.3μm光具有高達0.85A/W的感光靈敏度。相對於實施例1～3感光元件的0.7A/W而言，可獲得較好效果。
而對於3V反向偏置電壓測定暗電流時，100個元件的平均值為70pA，5V反向偏置電壓時為150pA，屬於極低值。
材料和迭層結構均相同的感光元件當中，屬於解理端面和臺面型條帶側面未形成曲面的現有感光元件的場合，3V、5V反向偏置電壓時的暗電流分別為700pA、1nA，由此可知，本實施例元件的暗電流特性提高1個數量級以上。
實施例5除了按如下方式對實施例4中解理後的解理端面進行蝕刻以外，其他與實施例4相同製造感光元件。
(6)用鹽酸與醋酸與過氧化氫按體積比1∶2∶1混合而成的溶液(F)，在液溫18℃條件下浸漬解理後的元件10秒鐘。
結果，解理端面當中非摻雜GaInAsP層(光吸收層)33的解理端面(光入射端面)，如圖10所示，成為內側凸起的曲面。接著，由掃描電子顯微鏡觀察該曲面測定曲率半徑，則約為120μm。
該感光元件入射模場直徑6μm光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光具有高達0.92A/W的感光靈敏度。
此外，該感光元件還入射模場直徑50μm多模光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光具有高達0.83A/W的感光靈敏度。這時相對於實施例1～3感光元件的0.7A/W而言，也可獲得較好效果。
而對於3V反向偏置電壓測定暗電流時，100個元件的平均值為90pA，5V反向偏置電壓時為180pA，屬於極低值。
實施例6除了按如下方式對實施例4中解理後的解理端面進行蝕刻以外，其他與實施例4相同製造感光元件。
(6)以實施例1用的溶液(A)作為蝕刻劑，在室溫下浸漬30秒鐘。
結果，解理端面當中非摻雜GaInAsP層(光吸收層)33的解理端面(光入射端面)，如圖10所示，成為內側凸起的曲面。接著，由掃描電子顯微鏡觀察該曲面測定曲率半徑，則約為150μm。
該感光元件入射模場直徑6μm光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光具有高達0.92A/W的感光靈敏度。
此外，該感光元件還入射模場直徑50μm多模光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度，對于波長1.3μm光具有高達0.83A/W的感光靈敏度。這時相對於實施例1～3感光元件的0.7A/W而言，也可獲得較好效果。
而對於3V反向偏置電壓測定暗電流時，100個元件的平均值為80pA，5V反向偏置電壓時為170pA，屬於極低值。
實施例7形成與實施例4相同的迭層結構後，將應形成臺面型條帶的方向設定為(011)方向，對該迭層結構進行下述那樣的蝕刻處理。
(8)首先以實施例1用的溶液(A)作為蝕刻劑，溼蝕刻去除p-GaInAsP層36。
(9)接下來用甲烷類混合氣，從InP層35起幹蝕刻至InGaAsP層32當中。
結果，臺面型條帶方向與實施例1場合有所不同，側面變成臺面正置。而且，非摻雜GaInAsP層(光吸收層)33的光入射端面，為相對於n-InP襯底31傾斜約17°左右的平面。
用該波導，與實施例4場合相同製造感光元件。
該感光元件入射模場直徑6μm光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度。對于波長1.3μm光具有高達0.99A/W的感光靈敏度。
此外，該感光元件還入射模場直徑50μm多模光纖輸出的信號光，測定感光靈敏度，對于波長1.3μm光具有高達0.88A/W的感光靈敏度。這時，相對於實施例1～3感光元件的0.7A/W而言，也可獲得較好效果。
而對於3V反向偏置電壓測定暗電流時，100個元件的平均值為200pA，5V反向偏置電壓時為500pA，屬於極低值。
工業實用性綜上所述，本發明感光元件，其半導體波導中臺面型條帶至少光吸收層側面或/和光入射端面成為曲面，因而晶胞內不飽和鍵的密度小，並且漏電路徑也變長。因此，漏電流的發生減少，暗電流特性優異。
權利要求
1.一種半導體波導型感光元件，具有如下構成具有的半導體波導中，在半導體襯底上形成一澱積有p型或n型第一半導體層；設於所述第一半導體層上、禁帶能量比所述第一半導體層小的第二半導體層；和設於所述第二半導體上、禁帶能量比所述第二半導體層大、且導電型與所述第一半導體層相反的第三半導體層而成的迭層結構，所述迭層結構中至少所述第二半導體層做成臺面型條帶，其特徵在於，至少所述第二半導體層側面呈曲面。
2.一種半導體波導型感光元件，具有如下構成具有的半導體波導中，在半導體襯底上形成一澱積有p型或n型第一半導體層；設於所述第一半導體層上、禁帶能量比所述第一半導體層小的第二半導體層；和設於所述第二半導體上、禁帶能量比所述第二半導體層大、且導電型與所述第一半導體層相反的第三半導體層而成的迭層結構，所述迭層結構中至少所述第二半導體層做成臺面型條帶，其特徵在於，至少所述第二半導體層光入射端面呈曲面。
3.如權利要求2所述的半導體波導型感光元件，其特徵在於，所述光入射端面呈外側凸起的曲面。
4.如權利要求1所述的半導體波導型感光元件，其特徵在於，至少所述第二半導體層光入射端面，為相對於所述半導體襯底表面呈銳角傾斜的平面。
5.一種半導體波導型感光元件製造方法，包括下述工序在半導體襯底上依次澱積有p型或n型第一半導體層；設於所述第一半導體層上、禁帶能量比所述第一半導體層小的第二半導體層；和設於所述第二半導體上、禁帶能量比所述第二半導體層大、且導電型與所述第一半導體層相反的第三半導體層，形成迭層結構的工序，以及對所述迭成結構進行蝕刻，將至少包含所述第二半導體層的上方部分做成臺面型條帶形狀的工序，其特徵在於，至少在所述第二半導體層進行蝕刻處理時，用含酒石酸溶液、含溴溶液、和鹽酸與醋酸與雙氧水的混合液中的任意一種。
6.如權利要求5所述的半導體波導型感光元件製造方法，其特徵在於，形成所述臺面型條帶形狀後，用含溴溶液進行蝕刻處理，至少所述第二半導體層的側面做成曲面。
7.如權利要求5所述的半導體波導型感光元件製造方法，其特徵在於，對所述迭層結構進行蝕刻處理或解理形成光入射端面後，用含溴溶液或含酒石酸溶液進行蝕刻處理，至少所述第二半導體層的所述光入射端面做成曲面。
全文摘要
提供一種其漏電流受到抑制,暗電流特性優異的半導體波導型感光元件及其製造方法,該半導體波導型感光元件所具有的半導體波導,在半導體襯底上形成一依次澱積有:p型或n型第一半導體層;設於第一半導體層上、禁帶能量比第一半導體層小的第二半導體層;和設於第二光導體上、禁帶能量比第二半導體層大、且導電型與第一半導體層相反的第三半導體層而成的迭層結構,迭層結構中至少第二半導體層做成臺面型條帶,其中,至少第二半導體層(光吸收層)側面或/和光入射端面呈曲面。
文檔編號H01L31/0352GK1195426SQ97190702
公開日1998年10月7日 申請日期1997年6月13日 優先權日1996年6月13日
發明者西片一昭, 平巖浩二 申請人:古河電氣工業株式會社