CN109075219B - 光波导集成光接收元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光波导集成光接收元件设置有光波导(105)，该光波导设置在第二接触层(102)的与设置有光吸收层(103)的一侧相反的一侧上，并且该光波导与第二接触层(102)光学耦合并具有与光吸收层(103)的平面平行的波导方向。第二接触层(102)在平面图中具有比光吸收层(103)的面积小的面积，并且设置在光吸收层(103)的内侧。

Description

光波导集成光接收元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及集成了光波导和光接收元件的光波导集成光接收元件及其制造方法。
背景技术
光通信中的通用光接收器通常包括：光接收元件，诸如光电二极管(PD)或雪崩式光电二极管(APD)，该光接收元件构造成将入射光转换为电流；以及跨阻放大器，该跨阻放大器构造成放大由光接收元产生的光电流。在光接收元件中，就量子效率而言，PD的光电转换效率的上限为100％。另一方面，APD具有下述功能：在高电场下使元件中产生的光电子加速，并因此使它们与晶格碰撞以便离子化，从而放大载流子。为此，在APD中，对应于一个光子输出多个载流子。因此，就量子转换效率而言，APD可以获得大于100％的灵敏度，并且应用于高灵敏度光接收器(非专利文献1)。
APD的通用结构是“竖直入射结构”，其中，光从元件的上表面或下表面(基板侧)进入。在APD中，光响应性和操作速度基本上保持折衷关系。也就是说，在竖直入射结构中，为了增加光响应性，光吸收层需要厚。然而，当光吸收层被制作得较厚时，通过光接受在光吸收层中产生的电子和空穴需要行进更长的距离，因此，高频域中的特性降低。在“竖直入射型”中，光响应性和操作速度之间的折衷尤其变得显著。
为了缓和上述折衷，已经提出了“光波导型”APD(非专利文献2)。在光波导型APD中，光波在光吸收层中的行进方向垂直于晶体生长方向和载流子的输送方向。由于在光波导型APD中载流子的输送距离和光吸收层中光波的穿透长度是独立的，所以在竖直入射型中观察到的光响应性和操作速度之间的折衷不太严格。光波导型的这种特征不仅在APD中有用，而且在PD中也是有用的。因此，光波导型用于需要高速度/高灵敏度的PD中。
在光波导型光接收元件中，需要实施光波导和光吸收层之间的光学耦合，使得信号光通过光波导而传播，然后最终进入光吸收层中。已经提出了几种方法来实施光学耦合。在例如“对接耦合型”中，通过使光波导和光吸收层彼此邻接来实施光波导和光吸收层之间的光学耦合(参见非专利文献3)。在对接耦合型中，可以获得高耦合效率。然而，存在由于光吸收层和光波导之间的光学耦合界面附近的突然光吸收而发生电流集中的风险。另一方面，存在“渐逝耦合型”，其中光波导和光吸收层在空间上分离，并且光波导和光吸收层之间的材料系统被适当地设计，从而使用渐逝波的传播来实施光波导和光吸收层之间的光学耦合。根据渐逝耦合型，与对接耦合型相比，可以缓和光电流的集中。
顺便说一下，为了长期确保操作的可靠性以将APD应用于实际的光接收器，重要的是抑制APD的元件侧表面上的电场的产生(参见非专利文献4)。与通用(常规)的PD不同的是，这与在APD中的元件内部产生非常高的电场有关。在通用的PD中，工作电压约为3V，元件中的场仅需为几十kV/cm，载流子在这种情况下达到饱和速度。
另一方面，在APD中，当确保大的工作电压范围并且以高增益操作APD时，在光吸收层中调用2至300kV/cm的电场，并且在增倍层中调用600kV/cm或更高的电场。当在APD的元件侧表面上产生这样的强电场时，由元件侧表面上的材料退化引起的可靠性的降低引起问题。因此，在APD中，将电场限制在元件内部是实际使用的必要条件。为此，已经提出了倒置APD或平面APD(参见非专利文献5和6)。
相关技术文献
非专利文献
非专利文献1：J.C.Campbell,“Recent Advances in TelecommunicationsAvalanche Photodiodes”,Journal of Lightwave Technology,vol.25,no.1,pp.109-121,2007。
非专利文献2：N.Yasuoka et al.,“High-speed and high-efficiency InP/InGaAs waveguide avalanche photodiodes for 40Gbit/s transmission systems”,Optical Fiber Communication Conference2004,vol.25,TuM2,2004。
非专利文献3：K.Kato et al.,“22GHz Photodiode Monolithically Integratedwith Optical Waveguide on Semi-Insulating InP using Novel Butt-JointStructure”,Electronics Letters,vol.28,no.12,pp.1140-1142,1992。
非专利文献4：H.Sudo and M.Suzuki,“Surface Degradation Mechanism ofInP/InGaAs APD’s”,Journal of Lightwave Technology,vol.6,no.10,pp.1496-1501,1988。
非专利文献5：M.Nada,Y.Muramoto,H.Yokoyama,T.Ishibashi,and H.Matsuzaki,“Triple-mesa Avalanche Photodiode With Inverted P-Down Structure forReliability and Stability”,Journal of Lightwave Technology,vol.32,no.8,pp.1543-1548,2014。
非专利文献6：E.Yagyu et al.,“Simple Planar Structure for High-Performance AlInAs Avalanche Photodiodes”,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,vol.18,no.1,pp.76-78,2006。
非专利文献7：M.Nada,T.Hoshi,H.Yamazaki,T.Hashimoto,and H.Matsuzaki,“Linearity improvement of high-speed avalanche photodiodes using thindepleted absorber operating with higher order modulation format”,OpticsExpress,vol.23,no.21,pp.27715-27723,2015。
发明内容
本发明要解决的问题
然而，如上所述，如果APD具有用于将电场限制在内部的结构，并且光波导型APD应用于这种情况下以实现高速度/高灵敏度，则发生损耗。将在下文中参考图5对此进行描述。图5是示出光波导型光接收元件的布置的截面图，其中，光波导与具有将电场限制在元件内部的结构(倒置型)的APD组合。该示例假设通过渐逝波的传播进行光学耦合。
在该光接收元件中，光波导502形成在基板501上，并且在光波导502上形成p型接触层503、光吸收层504、p型场控制层505、增倍层506、n型场控制层507、电子传输层508和n型接触层509。光波导502包括由诸如硅的半导体制成的芯521和包层522。在光波导502中，信号光在图5的纸面的从左到右方向上被引导。通过渐逝波的传播来实施光波导502和光吸收层504之间的光学耦合。注意，未示出连接到p型接触层503的电极和连接到n型接触层509的电极。
这里，n型接触层509在平面图中形成为具有比电子传输层508的台面以及包括光吸收层504的台面的面积小的面积。当n型接触层509在平面图中形成为比其他层小时，电场被限制，并且在平面图中n型接触层509周围的外围区域510中不产生电场。利用这种布置，在光吸收层504中，由光吸收产生的光载流子在外围区域510中不会漂移。光载流子不会成为对APD的操作有效的载流子(有效载流子)，并且仅表现为光电转换的损耗。在该结构中，仅在光吸收层504的n型接触层509正下方的区域中产生的光载流子表现为有效载流子。
在场限制结构中，由于没有向其施加电场的外围区域510的存在，所以已经通过接触层503从光波导502进入光吸收层504的光不一定完全用于光电转换。这里，已经从光波导502进入光吸收层504的光是光波导502的波导损耗。然而，当光被完全光电转换时，整体上不会发生损耗。相反地，在由于外围区域的存在而不能说光不完全用于光电转换的状态下，如上所述，整体上发生损耗。
上述损耗是不仅在使用倒置APD作为APD的元件部分的情况下而且在使用平面APD的情况下也会发生的损耗，只要APD具有能够实现场限制并且成为难以增加光波导型APD的灵敏度的因素的结构。当不使用场限制结构来提高光波导型APD的灵敏度时，难以确保可靠性。
已经做出了本发明来解决上述问题，并且本发明的目的是抑制具有场限制结构的光波导型光电二极管的损耗。
解决问题的方法
根据本发明，提供了一种光波导集成光接收元件，包括：第一接触层，所述第一接触层由第一导电类型的化合物半导体制成；第二接触层，所述第二接触层由第二导电类型的化合物半导体制成；光吸收层，所述光吸收层由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层和所述第二接触层之间；增倍层，所述增倍层由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层及所述第二接触层中的一者与所述光吸收层之间；以及光波导，所述光波导布置在所述第二接触层的与布置所述光吸收层的一侧相反的一侧上，具有与所述光吸收层的平面平行的波导方向，并且与所述第二接触层光学耦合，其中，所述第二接触层在平面图中具有比所述光吸收层的面积小的面积，并且在所述平面图中布置在所述光吸收层的内侧。
光波导集成光接收元件还可包括第二导电类型的光学匹配层，所述光学匹配层形成为与所述第二接触层的布置所述光吸收层的一侧接触，并且所述光学匹配层的杂质浓度不可以大于所述第二接触层的杂质浓度。
光波导集成光接收元件还可包括钝化层，所述钝化层构造成覆盖包括所述第一接触层、所述第二接触层、所述光吸收层和所述增倍层的光接收元件的侧部，并且所述钝化层的折射率比形成所述光接收元件的半导体的折射率低。
根据本发明，提供了一种制造光波导集成光接收元件的方法，包括：第一步，在基板上生产光接收元件，所述光接收元件包括：由第一导电类型的化合物半导体制成的第一接触层，由第二导电类型的化合物半导体制成的第二接触层，由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层和所述第二接触层之间的光吸收层，以及由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层及所述第二接触层中的一者与所述光吸收层之间的增倍层，其中，所述第二接触层在平面图中具有比所述光吸收层的面积小的面积，并且布置在所述光吸收层的内侧；第二步，生产包括光波导的光波导基板；以及第三步，将所述基板和所述光波导基板进行晶片结合并获得下述状态：在该状态下，所述光波导布置在所述第二接触层的与布置所述光吸收层的一侧相反的一侧上，具有与所述光吸收层的平面平行的波导方向，并且与所述第二接触层光学耦合。
本发明的效果
如上所述，根据本发明，布置在光波导的一侧的第二接触层在平面图中具有比光吸收层的面积小的面积，并且布置在光吸收层的内侧。因此，可以获得抑制具有场限制结构的光波导型光电二极管的损耗的优异效果。
附图说明
图1A是示出根据本发明的第一实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图；
图1B是示出根据本发明的第一实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图；
图1C是示出根据本发明的第一实施例的光波导集成光接收元件的一部分的布置的平面图；
图2是示出根据本发明的第二实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图；
图3是示出根据本发明的第三实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图；
图4是示出根据本发明的第四实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图；以及
图5是示出常规光波导集成光接收元件的布置的截面图。
具体实施方式
现在将参考附图来描述本发明的实施例。
【第一实施例】
首先参考图1A、图1B和图1C描述本发明的第一实施例。图1A和图1B是示出根据本发明的第一实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图。图1C是示出根据本发明的第一实施例的光波导集成光接收元件的一部分的布置的平面图。图1A示出了沿图1C中的线a-a'截取的截面，图1B示出了沿图1C中的线b-b'截取的截面。
该光波导集成光接收元件包括由第一导电类型的化合物半导体制成的第一接触层101，以及由第二导电类型的化合物半导体制成的第二接触层102。光波导集成光接收元件还包括形成在第一接触层101和第二接触层102之间的光吸收层103。光吸收层103由化合物半导体制成。另外，光波导集成光接收元件包括形成在第一接触层101和第二接触层102之间的增倍层104。增倍层104由化合物半导体制成。在根据第一实施例的光接收元件中，增倍层104形成在第一接触层101和光吸收层103之间。注意，连接到第一接触层101的电极和连接到第二接触层102的电极未在图1中示出。
此外，光波导集成光接收元件包括光波导105，该光波导布置在第二接触层102的与布置光吸收层103的一侧相反的一侧上，并且与第二接触层102光学耦合。光波导105的波导方向与光吸收层103的主表面的平面平行。在第一实施例中，光波导105包括脊型芯151和包层152。在图1C中，未示出包层152。这里，图1A示出了与光波导105的波导方向平行的平面的截面。另外，图1B示出了与光波导105的波导方向垂直的截面。
在上述布置中，在第一实施例中，第二接触层102在平面图中具有比光吸收层103的面积小的面积，并且在平面图中布置在光吸收层103的内侧。换句话说，当从与每层的主表面的平面平行的表面的法线方向观察时，第二接触层102形成为具有比光吸收层103的面积小的面积并且布置在光吸收层103的内侧。如上所述，根据第一实施例的光接收元件通过布置第二接触层102获得场限制效应。由第二接触层102在平面图中的面积来控制有效操作面积。
注意，在堆叠方向上，增倍层104夹在第一导电类型的场控制层113和第二导电类型的场控制层114之间。另外，在增倍层104(场控制层113)和第一接触层101之间形成电子传输层112。上述层堆叠在基板111上。光接收元件由第一接触层101、电子传输层112、场控制层113、增倍层104、场控制层114、光吸收层103和第二接触层102形成。
注意，如图1C所示，在平面图中，光吸收层103的台面形成为具有比由包括增倍层104、场控制层113和场控制层114的电子传输层112形成的台面的面积小的面积。此外，如上所述，在平面图中，第二接触层102的台面形成为具有比光吸收层103的台面的面积小的面积。
例如，基板111由InP制成。第一接触层101由掺杂有n型杂质的InAlGaAs(n-InAlGaAs)制成。第二接触层102由掺杂有p型杂质的InP(p-InP)制成。光吸收层103由具有用于吸收目标光的成分的InGaAs制成。增倍层104由InAlAs制成。在该实施例中，第一导电类型是n型，而第二导电类型是p型。在该布置中，增倍层104布置在光吸收层103和第一接触层101之间。
此外，电子传输层112由InP制成。场控制层113由掺杂有n型杂质的InAlAs(n-InAlAs)制成。场控制层114由掺杂有p型杂质的InAlAs(p-InAlAs)制成。芯151由硅制成，并且包层152由氧化硅制成。
为了生产上述光波导集成光接收元件，首先，将上述化合物半导体晶体生长并通过例如众所周知的金属有机化学气相沉积、分子束外延等堆叠在基板111上。接下来，通过已知的光刻技术和蚀刻技术将层图案化成台面形状，从而生产出光接收元件。另外，光波导105在波导基板上单独生产，并且波导基板和光接收元件被结合(晶片结合)，从而获得根据第一实施例的光波导集成光接收元件。
根据第一实施例的具有以上布置的光波导集成光接收元件是所谓的“渐逝耦合型”光接收元件。穿过光波导105的输入信号光变为在光波导105和第二接触层102之间产生的渐逝波，传播通过第二接触层102，并且传播到光吸收层103并由该光吸收层吸收。在光吸收层103中产生的光载流子中，空穴流到第二接触层102，并且电子经历增倍层104的雪崩式倍增并到达第一接触层101。
在第一实施例中，光波导105和光接收元件之间的光学耦合点是在光接收元件侧具有场限制效应的第二接触层102。光波导105在空间上与光吸收层103分离。光波导105不是直接地，而是仅通过具有场限制效应的第二接触层102与光吸收层103光学耦合。
由于形成了上述布置，在第一实施例中，在光吸收层103中除了操作区域(第二接触层102的形成区域或在第二接触层102正下方的区域)之外的区域中不发生光吸收，考虑到场限制效应，即使在雪崩式光电二极管(APD)的元件结构中也是如此。另外，穿过光波导105的输入信号光的一部分变为渐逝波，传播通过第二接触层102，进入光吸收层103并被吸收。由此产生的所有光载流子都表现为有效载流子。
如上所述，根据第一实施例，实施了具有高速度/高灵敏度但可以确保可靠性的APD。注意，在第一实施例中，脊型光波导已经被示例为光波导105，并且具有多级台面结构的APD已经被示例为APD元件。然而，本发明不限于此。例如，可以使用肋型或板型光波导作为光波导。另外，APD不限于多级台面结构，并且使用选择性掺杂诸如离子注入或选择性扩散的结构可以被使用。
【第二实施例】
接下来将参考图2描述本发明的第二实施例。图2是示出根据本发明的第二实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图。
该光波导集成光接收元件包括由第一导电类型的化合物半导体制成的第一接触层201，以及由第二导电类型的化合物半导体制成的第二接触层202。光波导集成光接收元件还包括形成在第一接触层201和第二接触层202之间的光吸收层203。光吸收层203由化合物半导体制成。另外，光波导集成光接收元件包括形成在第一接触层201和第二接触层202之间的增倍层204。增倍层204由化合物半导体制成。在根据第二实施例的光接收元件中，增倍层204形成在第二接触层202和光吸收层203之间。
此外，光波导集成光接收元件包括光波导205，该光波导布置在第二接触层202的与布置光吸收层203的一侧相反的一侧上，具有与光吸收层203的主表面的平面平行的波导方向，并且与第二接触层202光学耦合。在第二实施例中，光波导205形成在光波导基板220上，并且包括肋型芯223和包层224。图2示出了与光波导205的波导方向垂直的截面。
在第二实施例中，形成在形成光波导基板220的绝缘层221上的硅层222的一部分被图案化，从而形成肋型光波导205。在光波导205的区域中，绝缘层221用作包层。光波导基板220可以由例如众所周知的SOI(绝缘体上硅)基板制成。SOI基板的掩埋绝缘层是绝缘层221，并且表面硅层是硅层222。在硅层222中，通过已知的光刻技术和蚀刻技术在形成包层224的区域中形成沟槽。通过已知的沉积技术用氧化硅填充沟槽，从而形成光波导205。
在上述布置中，在第二实施例中，第二接触层202在平面图中具有比光吸收层203的面积小的面积，并且在平面图中布置在光吸收层203的内侧。即使在根据第二实施例的光接收元件中，如上所述，通过布置第二接触层202也可以获得场限制效应。由第二接触层202在平面图中的面积来控制有效操作面积。
注意，在堆叠方向上，增倍层204夹在第一导电类型的场控制层213和第二导电类型的场控制层214之间。另外，在增倍层204(场控制层213)和第一接触层201之间形成电子传输层212。上述层堆叠在基板211上。光接收元件由第一接触层201、电子传输层212、场控制层213、增倍层204、场控制层214、光吸收层203和第二接触层202形成。
注意，在第二实施例中，在平面图中，电子传输层212的台面形成为具有比由包括增倍层204、场控制层214和光吸收层203的场控制层213形成的台面的面积小的面积。此外，如上所述，在平面图中，第二接触层202的台面形成为具有比光吸收层203的台面的面积小的面积。
此外，电流路径部分215由第一半导体层203a、第二半导体层213a、第三半导体层204a、第四半导体层214a、第五半导体层212a和第六半导体层202a的堆叠结构形成。电流路径部分215的第六半导体层202a连接到布置在光波导基板220的硅层222的预定区域中的接触区域。
这里，第一半导体层203a由与光吸收层203相同的层形成。另外，第二半导体层213a由与场控制层213相同的层形成。第三半导体层204a由与增倍层204相同的层形成。第四半导体层214a由与场控制层214相同的层形成。第五半导体层212a由与电子传输层212相同的层形成。第六半导体层202a由与第二接触层202相同的层形成。
此外，在第二实施例中，在光波导基板220的硅层222中从与第二接触层202的光学耦合区域到与电极228的接触区域形成杂质引入区域226。另外，在硅层222中从与电流路径部分215的第六半导体层202a的接触区域到与电极229的接触区域形成杂质引入区域227。通过选择性离子注入形成杂质引入区域226和227。
例如，基板211由InP制成。第一接触层201由掺杂有p型杂质的InAlGaAs(p-InAlGaAs)制成。第二接触层202(第六半导体层202a)由掺杂有n型杂质的InP(n-InP)制成。光吸收层203(第一半导体层203a)由具有用于吸收目标光的成分的InGaAs制成。增倍层204(第三半导体层204a)由InAlAs制成。在这种情况下，第一导电类型是p型，而第二导电类型是n型。在该布置中，增倍层204布置在光吸收层203和第二接触层202之间。
此外，电子传输层212(第五半导体层212a)由InP制成。场控制层213(第二半导体层213a)由掺杂有p型杂质的InAlAs(p-InAlAs)制成。场控制层214(第四半导体层214a)由掺杂有n型杂质的InAlAs(n-InAlAs)制成。
为了生产上述光波导集成光接收元件，首先，将上述化合物半导体晶体生长并通过例如众所周知的金属有机化学气相沉积、分子束外延等堆叠在基板211上。接下来，通过已知的光刻技术和蚀刻技术将层图案化成台面形状，从而生产出光接收元件和电流路径部分215。光接收元件和电流路径部分215形成在其上的基板211和光波导205形成在其上的光波导基板220被结合并集成，从而获得根据第二实施例的光波导集成光接收元件。此时，基板211和光波导基板220对准并接合，使得第二接触层202和第六半导体层202a的位置与硅层222的与它们对应的接触区域的位置匹配。在对准中，使用众所周知的对准标记。另外，为了接合基板211和光波导基板220，使用通用的表面活化接合。
在根据第二实施例的具有以上布置的光波导集成光接收元件中，穿过光波导205的输入信号光变为在光波导205和第二接触层202之间产生的渐逝波，传播通过光波导205和第二接触层202，进入光吸收层203中并被吸收。
在光吸收层203中产生的光载流子中，空穴立即到达第一接触层201，穿过电流路径部分215，并通过光波导基板220的杂质引入区域227到达电极229。这也适用于在增倍层204中产生的空穴。
另一方面，在光吸收层203中产生的光载流子中，电子经历增倍层204的雪崩式倍增，流到第二接触层202，到达芯223，并穿过光波导基板220的杂质引入区域226，从而到达电极228。
同样在第二实施例中，光波导205和光接收元件之间的光学耦合点是在光接收元件侧具有场限制效应的第二接触层202。光波导205在空间上与光吸收层203分离。光波导205不是直接地，而是仅通过具有场限制效应的第二接触层202与光吸收层203光学耦合。
此外，在第二实施例中，不需要执行用于在基板211的光接收元件形成在其上的一侧上形成配线或电极的特殊配线工艺，并且可以容易地在光波导基板220上形成电气配线。
【第三实施例】
接下来将参照图3描述本发明的第三实施例。图3是示出根据本发明的第三实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图。
该光波导集成光接收元件包括由第一导电类型的化合物半导体制成的第一接触层201，以及由第二导电类型的化合物半导体制成的第二接触层202。光波导集成光接收元件还包括形成在第一接触层201和第二接触层202之间的光吸收层203。光吸收层203由化合物半导体制成。另外，光波导集成光接收元件包括形成在第一接触层201和第二接触层202之间的增倍层204。增倍层204由化合物半导体制成。增倍层204形成在第一接触层201和光吸收层203之间。
此外，光波导集成光接收元件包括光波导205，该光波导布置在第二接触层202的与布置光吸收层203的一侧相反的一侧上，具有与光吸收层203的主表面的平面平行的波导方向，并且与第二接触层202光学耦合。在第三实施例中，光波导205形成在光波导基板220上，并且包括肋型芯223和包层224。图3示出了与光波导205的波导方向垂直的截面。
注意，形成在形成光波导基板220的绝缘层221上的硅层222的一部分被图案化，从而形成肋型光波导205。在光波导205的区域中，绝缘层221用作包层。
此外，第二接触层202在平面图中具有比光吸收层203的面积小的面积，并且在平面图中布置在光吸收层203的内侧。即使在根据第三实施例的光接收元件中，通过第二接触层202也获得了场限制效应。由第二接触层202在平面图中的面积来控制有效操作面积。
此外，在堆叠方向上，增倍层204夹在第一导电类型的场控制层213和第二导电类型的场控制层214之间。另外，在增倍层204(场控制层213)和第一接触层201之间形成电子传输层212。上述层堆叠在基板211上。光接收元件由第一接触层201、电子传输层212、场控制层213、增倍层204、场控制层214、光吸收层203和第二接触层202形成。
注意，在平面图中，电子传输层212的台面形成为具有比由包括增倍层204、场控制层214和光吸收层203的场控制层213形成的台面的面积小的面积。此外，如上所述，在平面图中，第二接触层202的台面形成为具有比光吸收层203的台面的面积小的面积。
此外，电流路径部分215由第一半导体层203a、第二半导体层213a、第三半导体层204a、第四半导体层214a、第五半导体层212a和第六半导体层202a的堆叠结构形成。电流路径部分215的第六半导体层202a连接到布置在光波导基板220的硅层222的预定区域中的接触区域。
这里，第一半导体层203a由与光吸收层203相同的层形成。另外，第二半导体层213a由与场控制层213相同的层形成。第三半导体层204a由与增倍层204相同的层形成。第四半导体层214a由与场控制层214相同的层形成。第五半导体层212a由与电子传输层212相同的层形成。第六半导体层202a由与第二接触层202相同的层形成。
此外，在第三实施例中，在光波导基板220的硅层222中从与第二接触层202的光学耦合区域到与电极228的接触区域形成杂质引入区域226。另外，在硅层222中从与电流路径部分215的第六半导体层202a的接触区域到与电极229的接触区域形成杂质引入区域227。
以上布置与上述第二实施例中的相同。在第三实施例中，光学匹配层216(第七半导体层216a)设置在第二接触层202(第六半导体层202a)和电子传输层212(第五半导体层212a)之间。
下面将描述光学匹配层216。当渐逝光通过第二接触层202从光波导205传播到光吸收层203时，不会产生与对接耦合型中一样多的局部光吸收。然而，在光学耦合开始的区域中，发生由预定光吸收的集中引起的光电流的集中。这种局部光电流集中不仅使APD的可靠性退化，而且还可能使根据光吸收层203中的局部空间电荷效应的电输出强度与APD的光输入强度的线性度显著劣化(参见非专利文献7)。
为了防止光吸收的上述局部集中，有效的是通过光波导205和光吸收层203之间的渐逝光降低光学耦合的效率。当适当地设计存在于光波导205和光吸收层203之间的每个半导体层的层厚度时，可以控制光波导205和光吸收层203之间的光学耦合效率。
然而，改变增倍层204或电子传输层212的层厚度会影响APD的增益带积(GBP)或行进带。为了给APD提供预定的频带性能，不能任意设计这些层厚度。注意，行进带是由载流子的行进时间决定的f3dB(固有f3dB)。
在第三实施例中，与第二接触层202具有相同导电类型的光学匹配层216以适当的层厚度插入与光波导205耦合的第二接触层202的台面中，从而控制上述光学耦合效率。
光学匹配层216具有与第二接触层202相同的导电类型，因此，几乎不影响载流子行进时间，因为当载流子到达光学匹配层216时，该载流子通过介电弛豫从光学匹配层216移动到第二接触层202。因此，即使当光学匹配层216的层厚度被设计成在光波导205和光吸收层203之间获得任意的光学耦合效率时，它也不会影响操作速度。
此外，光学匹配层216中的掺杂集中等于或小于第二接触层202中的掺杂集中。这抑制了光学匹配层216中的自由载流子吸收，并且能够实现与光吸收层203更有效的光学耦合。结果，同样在第三实施例中，可以同时实施高速度/高灵敏度和高可靠性，如在上述第一实施例和第二实施例中那样。另外，根据第三实施例，可以抑制由光电流的集中引起的线性度的劣化。
【第四实施例】
接下来将参照图4描述本发明的第四实施例。图4是示出根据本发明的第四实施例的光波导集成光接收元件的布置的截面图。
该光波导集成光接收元件包括由第一导电类型的化合物半导体制成的第一接触层201，以及由第二导电类型的化合物半导体制成的第二接触层202。光波导集成光接收元件还包括形成在第一接触层201和第二接触层202之间的光吸收层203。光吸收层203由化合物半导体制成。另外，光波导集成光接收元件包括形成在第一接触层201和第二接触层202之间的增倍层204。增倍层204由化合物半导体制成。另外，增倍层204形成在第一接触层201和光吸收层203之间。
此外，光波导集成光接收元件包括光波导205，该光波导布置在第二接触层202的与布置光吸收层203的一侧相反的一侧上，具有与光吸收层203的主表面的平面平行的波导方向，并且与第二接触层202光学耦合。在第四实施例中，光波导205形成在光波导基板220上，并且包括肋型芯223和包层224。图4示出了与光波导205的波导方向垂直的截面。
注意，形成在形成光波导基板220的绝缘层221上的硅层222的一部分被图案化，从而形成肋型光波导205。在光波导205的区域中，绝缘层221用作包层。
此外，第二接触层202在平面图中具有比光吸收层203的面积小的面积，并且在平面图中布置在光吸收层203的内侧。即使在根据第四实施例的光接收元件中，如上所述通过布置第二接触层202也可以获得场限制效应。由第二接触层202在平面图中的面积来控制有效操作面积。
此外，在堆叠方向上，增倍层204夹在第一导电类型的场控制层213和第二导电类型的场控制层214之间。另外，在增倍层204(场控制层213)和第一接触层201之间形成电子传输层212。上述层堆叠在基板211上。光接收元件由第一接触层201、电子传输层212、场控制层213、增倍层204、场控制层214、光吸收层203和第二接触层202形成。
注意，在平面图中，电子传输层212的台面形成为具有比由包括增倍层204、场控制层214和光吸收层203的场控制层213形成的台面的面积小的面积。此外，如上所述，在平面图中，第二接触层202的台面形成为具有比光吸收层203的台面的面积小的面积。
此外，电流路径部分215由第一半导体层203a、第二半导体层213a、第三半导体层204a、第四半导体层214a、第五半导体层212a和第六半导体层202a的堆叠结构形成。电流路径部分215的第六半导体层202a连接到靠近光波导基板220的硅层222的电极229的接触区域(杂质引入区域227)。
这里，第一半导体层203a由与光吸收层203相同的层形成。另外，第二半导体层213a由与场控制层213相同的层形成。第三半导体层204a由与增倍层204相同的层形成。第四半导体层214a由与场控制层214相同的层形成。第五半导体层212a由与电子传输层212相同的层形成。第六半导体层202a由与第二接触层202相同的层形成。
此外，在第四实施例中，在光波导基板220的硅层222中从与第二接触层202光学耦合的区域到与电极228接触的区域形成杂质引入区域226。另外，在硅层222中从与电流路径部分215的第六半导体层202a接触的区域到与电极229接触的区域形成杂质引入区域227。
以上布置与上述第二实施例中相同。在第四实施例中，设置了覆盖光接收元件的侧表面的钝化层217。钝化层217的折射率低于形成光接收元件的半导体材料的折射率。更具体地说，SiO2就足够了。
同样在第四实施例中，作为基本操作原理，从光波导205入射的信号光与第二接触层202光学耦合，该第二接触层202成为光接收元件中的场限制部分，从而有效地将信号光输入到光吸收层203，如在上述第二实施例和第三实施例中那样。
然而，取决于光接收元件的侧表面或上表面上的大气或用于钝化层217的材料，在光接收元件中接收的信号光可能泄漏到光接收元件的外部。特别地，在光接收元件的最小台面中，取决于光的耦合模式，甚至在台面外部也可能发生模式。在这种情况下，由于泄漏到台面的外部的光是损耗，所以不能获得期望的光响应性。
众所周知，钝化层217对于保护光接收元件的一部分不受实际使用环境等影响是重要的。然而，当形成光接收元件的半导体材料与形成钝化层217的材料之间的折射率差小时，上述到台面的外部的光泄漏明显地发生。
因此，钝化层217由具有较低折射率的材料制成，使得相对于形成光接收元件的半导体材料获得大的折射率差。这使得即使在形成钝化层217以保护光接收元件时，也能够抑制从光接收元件的光泄漏并且能够更有效地将入射光从光波导205输入到光吸收层203。
如上所述，根据本发明，布置在光波导的一侧的第二接触层形成为使得第二接触层在平面图中的面积小于光吸收层的面积，并且在平面图中布置在光吸收层的内侧。因此，通过具有最小面积的第二接触层使元件的电场变窄。也就是说，在平面图中，在第二接触层正下方的区域对应于元件的有效操作区域。来自波导的信号光通过第二接触层传播到光吸收层。因此，根据本发明，可以抑制具有场限制结构的光波导型光电二极管的损耗。
注意，本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的技术范围的情况下，本领域具有正常知识的技术人员显然可以实行许多修改和组合。
例如，作为形成光接收元件的半导体，上面已经示例了III-V族半导体，诸如InP、InGaAs和InAlAs。然而，本发明不限于这些。另外，形成光波导的材料不限于硅和氧化硅。
已经描述了通过晶片结合来集成光接收元件和光波导基板的情况作为示例。然而，本发明不限于此。例如，可以使用硅和锗作为形成光接收元件的半导体，并且光接收元件可以通过硅芯在光波导基板上单片生产。替代性地，可以使用InP作为形成光波导的材料，并且光接收元件可以在光波导基板上单片生产。
此外，将反射层或抗反射层适当地应用于光波导的入射部分或光吸收层的端部属于通用设计项目的范畴，并且不会失去本发明的通用性。另外，从降低欧姆电阻或带对准的观点来看，在接触层中或在增倍层和光吸收层之间采用任意层不会损害本发明的通用性，并且是应用于通用半导体器件的设计。
此外，在用于解释本发明的示例中，p型和n型接触层中的每一者由一种类型的层形成。然而，本发明不限于此。实际上，为了在降低接触层的薄层电阻和接触电阻的同时获得满意的晶体质量，接触层有时由多个层形成。例如，接触层由具有大的层厚度和相对低的杂质浓度的主接触层和具有小的层厚度和高的杂质浓度的子接触层形成。主接触层是构造成降低薄层电阻并确保满意的晶体质量的层。例如，将厚度设定为几百nm，并将杂质浓度设定为18次方的水平。另外，子接触层是与金属直接接触的层。为了降低接触电阻并确保满意的晶体质量，将厚度设定为几十nm，并且将杂质浓度设定为19次方的水平。即使当接触层包括这样的多个层时，也不会失去本发明的通用性。
附图标记和符号的说明
101 第一接触层
102 第二接触层
103 光吸收层
104 增倍层
105 光波导
111 基板
112 电子传输层
113 场控制层
114 场控制层
151 芯
152 包层

Claims (4)

1.一种光波导集成光接收元件，包括：
第一接触层，所述第一接触层由第一导电类型的化合物半导体制成；
第二接触层，所述第二接触层由第二导电类型的化合物半导体制成；
光吸收层，所述光吸收层由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层和所述第二接触层之间；
增倍层，所述增倍层由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层及所述第二接触层中的一者与所述光吸收层之间；以及
光波导，所述光波导布置在所述第二接触层的与布置所述光吸收层的一侧相反的一侧上，具有与所述光吸收层的平面平行的波导方向，并且与所述第二接触层光学耦合，
其中，所述第二接触层在平面图中具有比所述光吸收层的面积小的面积，并且在所述平面图中布置在所述光吸收层的内侧。
2.根据权利要求1所述的光波导集成光接收元件，还包括所述第二导电类型的光学匹配层，所述光学匹配层形成为与所述第二接触层的布置所述光吸收层的一侧接触，并且
所述光学匹配层的杂质浓度等于或小于所述第二接触层的杂质浓度。
3.根据权利要求1或2所述的光波导集成光接收元件，还包括钝化层，所述钝化层构造成覆盖包括所述第一接触层、所述第二接触层、所述光吸收层和所述增倍层的光接收元件的侧部，并且
所述钝化层的折射率比形成所述光接收元件的半导体的折射率低。
4.一种制造光波导集成光接收元件的方法，所述方法包括：
第一步：在基板上生产光接收元件，所述光接收元件包括：
第一接触层，所述第一接触层由第一导电类型的化合物半导体制成；
第二接触层，所述第二接触层由第二导电类型的化合物半导体制成；
光吸收层，所述光吸收层由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层和所述第二接触层之间；以及
增倍层，所述增倍层由化合物半导体制成并且形成在所述第一接触层及所述第二接触层中的一者与所述光吸收层之间，
其中，所述第二接触层在平面图中具有比所述光吸收层的面积小的面积，并且布置在所述光吸收层的内侧；
第二步：生产包括光波导的光波导基板；以及
第三步：将所述基板和所述光波导基板进行晶片结合并获得下述状态：在所述状态下，所述光波导布置在所述第二接触层的与布置所述光吸收层的一侧相反的一侧上，所述光波导具有与所述光吸收层的平面平行的波导方向，并且与所述第二接触层光学耦合。
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