JP2001068717A

JP2001068717A - 進行波型半導体光検出器

Info

Publication number: JP2001068717A
Application number: JP23770199A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Hirota; 幸弘廣田; Takuo Hirono; 卓夫廣野; Yutaka Matsuoka; 松岡　　裕
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の光検出器を周期的に導波路上に配置し
た進行波型光検出器で、微細加工を行うことなく光検出
器を作製し、光吸収効率を向上させ、高耐入力かつ高出
力の進行波型半導体光検出器を実現させる。【解決手段】半絶縁性材料で形成された基板と、前記
基板に格子整合したエピタキシャル成長層で形成された
コア層と、前記コア層を上下に挟むように設けられ、前
記コア層よりも屈折率が小さいエピタキシャル成長層で
形成された上下部クラッド層とを有し、前記コア層上の
上部クラッド層の一部を取り除いてなる導波路上に、Ｉ
ｎＧａＡｓ層の光吸収層をｎ型層及びｐ型層で挟んだ構
成を有するｐｉｎ型光検出器を所定間隔で周期的に複数
個配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、長波長帯域の半導
体光検出器に関し、特に、進行波型半導体光検出器に適
用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、長波長帯域（例えば、１.３μ
ｍ、１.５μｍ帯）の光検出器の高感度化、高出力化、
広帯域化さらには高耐入力化を目指し様々な構造の光検
出器の研究が進められている。

【０００３】長波長帯域の光検出器では、吸収端波長の
関係からバンドギャップの狭いＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａ
ＡｓＰ等が光吸収層に用いられる。光検出器は、構造に
よって大きく、面入射型、導波路型、進行波型などに分
けられる。このなかで、面入射型及び導波路型光検出器
では、ＣＲ時定数による周波数帯域の制限があり広帯域
化には素子面積を小さくし素子容量（Ｃ）を低減させる
必要がある。

【０００４】一方、進行波型半導体光検出器は、導波路
構造を持つものの、電極は伝送路として取り扱われ、発
生した信号は電極上を進行波の形で伝搬する。ここで、
導波路を伝搬する光の速度（Ｖop）と、発生した信号の
電極を伝搬する位相速度（Ｖe）が一致している場合
（速度整合Ｖe＝Ｖop）には、変調された光の波面と発
生した信号の波面は一定に保たれるため、光の変調がい
かに速くとも発生した信号は追随でき理想的には変調帯
域は無限になる。

【０００５】このため、進行波型半導体光検出器は、Ｃ
Ｒ時定数による帯域制限から逃れられ、面入射型及び導
波路型光検出器と比較し、より広帯域化に適した構造で
ある。

【０００６】従来の長波長帯の進行波型半導体光検出器
では、（１）ｐｉｎ型光検出器の光吸収層が導波路のコ
ア層を兼ねる導波路構造、或いは（２）導波路上に金属
−半導体−金属（ＭＳＭ）型光検出器を周期的に配置
し、導波路の横にＣＰＳ（Ｃoplanar strips）電極を設
けた構造（図５、図６参照）が採られてきた。

【０００７】このうち、前記（１）は、速度整合がとれ
ないため、厳密な意味での進行波型半導体光検出器では
ない。このため、以下では前記（２）の構造の進行波型
半導体光検出器に限って説明する。

【０００８】まず、この進行波型半導体光検出器の具体
的な構造を説明する。図５は、従来のＭＳＭ型光検出器
を用いた進行波型半導体光検出器の概略を示した斜視図
である。図６は、図５に示すＣ−Ｃ’面での断面図であ
る。この進行波型半導体光検出器は、半絶縁性ＩｎＰ基
板３０１上にノンドープのＩｎＰからなるバッファ層３
０２、半絶縁性ＩｎＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド
層３０３、半絶縁性ＩｎＡｌＧａＡｓからなるコア層３
０４、及び半絶縁性ＩｎＡｌＧａＡｓからなる上部クラ
ッド層３０５を備え、上部クラッド層３０５（或いはコ
ア層３０４）の一部をエッチングによって取り除き形成
した導波路を備えている。下部クラッド層３０３、コア
層３０４及び上部クラッド層３０５を形成するための屈
折率の制御は、半絶縁性ＩｎＡｌＧａＡｓの組成を変え
ることで行われる。例えば、上部及び下部クラッド層の
ＩｎＡｌＧａＡｓの組成で、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0. ₃₇Ｇａ_0.11
Ａｓ、コア層ではＩｎ_0.52Ａｌ_0.18Ｇａ_0.3Ａｓとす
る。屈折率は、クラッド層で３.２８、コア層で３.４２
である。導波路上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓから
なる光吸収層３０６の島が周期的に配置され、この島上
に半絶縁性のＩｎＡｌＡｓからなるキャップ層３０７を
介してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる櫛形電極３０８が形成
されている。これにより、ＭＳＭ型光検出器が導波路上
に周期的に配置された構造になる。各島上の櫛形電極３
０８は、絶縁膜３０９上のＴｉ／Ｐｔ／ＡｕからなるＣ
ＰＳ電極３１０につながれ進行波型半導体光検出器を構
成する。

【０００９】次に、この進行波型半導体光検出器の速度
整合とインピーダンス整合について説明する。この進行
波型半導体光検出器は、ＭＳＭ光検出器が周期的に配置
されているため、ＣＰＳ或いはＣＰＷ（Ｃoplanar wave
guide）電極に周期的に容量が付加された構造となって
いる。一般にＣＰＳ或いはＣＰＷ電極に周期的に容量が
付加された場合には、Ｖe及びインピーダンスＺは、以
下の数１の式で表される。

【００１０】

【数１】

【００１１】ここで、Ｃ_CP、Ｌ_CPはＣＰＳ或いはＣＰＷ
電極の単位長さ当たりの電気的容量及びインダクタン
ス、Ｃ_PDは周期的に配置された光検出器の素子容量、ｂ
は素子の配置の周期間隔である。このため、光検出器の
容量Ｃ_PD及び配置の周期間隔ｂを変化させることで、Ｖ
eとＺを変えることができ、速度整合とインピーダンス
整合をとることができる。例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓで
構成された導波路の実効的な屈折率（ｎ_eff）が３.３の
場合、導波路を伝搬する光の速度（Ｖop＝ｃ／ｎ_eff，
ｃは真空中の光の速度）は、約９×１０⁷ｍ／ｓｅｃと
なる。

【００１２】一方、ＣＰＳ電極の間隔を２２μｍ、電極
幅を２３μｍ、光検出器の素子容量をＣ＝９ｆＦ、周期
をｂ＝１００μｍとすると、Ｖe＝９×１０⁷ｍ／ｓｅ
ｃ、Ｚ＝５０Ωとなり速度整合（Ｖop＝Ｖe）とインピ
ーダンス整合（５０Ω系ならば）がとれる。

【００１３】ＭＳＭ型光検出器は、半導体表面に櫛形電
極を形成すれば光検出器を構成でき、また、吸収層３０
６を直接導波路上に設け導波路と吸収層を接近させる事
で結合効率を大きくし高効率化が図れる。

【００１４】一方、進行波型半導体光検出器にｐｉｎ型
光検出器を用いた場合には、導波路と光吸収層の間にｐ
型層或いはｎ型層が存在するため結合効率が低下し、高
効率化が困難である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このＭ
ＳＭ型光検出器を用いた進行波型半導体光検出器を広帯
域化するには、ＭＳＭ型光検出器の櫛形電極の電極間隔
を極力小さくする必要がある。進行波型半導体光検出器
の３ｄＢ帯域（ｆ_3dB）は、速度整合（Ｖop＝Ｖe）の場
合には以下の数２の式で示される。

【００１６】

【数２】

【００１７】ここで、ｄはＭＳＭ型光検出器では櫛形電
極の電極間隔（ｐｉｎ型光検出器では吸収層厚）であ
る。ρはコンタクト抵抗、Ｖ（Ｅ）はキャリアーのドリ
フト速度である。Ｖ（Ｅ）は、主に電界強度（Ｅ）で決
まる。ε_rは比誘電率、ε₀は真空の誘電率である。今、
コンタクト抵抗ρ＝１×１０~⁶Ωｃｍ²とした場合、ｆ₃
_dBはほぼ第１項で決まり、ｄ＝０.３μｍでｆ_3dB＝１５
０ＧＨｚ、ｄ＝０.２μｍでｆ_3dB＝１８０ＧＨｚ、ｄ＝
０.１μｍでｆ_3dB＝２５０ＧＨｚとなる。このため、ｆ
_3dBの増大にはＭＳＭ型光検出器の櫛形電極の電極間隔
を減少させることが重要である。このような微細な櫛形
電極を形成するには、電子ビーム露光による微細加工技
術が不可欠であり、広帯域の進行波型半導体光検出器を
実現する上での制約になっている。

【００１８】先に、Ｖ（Ｅ）は、主に電界強度（Ｅ）で
きまるとした。しかし、長波長用のＭＳＭ型光検出器で
は、このＶ（Ｅ）が低下する可能性がある。図５に示す
ように、長波長帯域のＭＳＭ型光検出器では、暗電流を
減少させるために、ＩｎＧａＡｓ光吸収層３０６上にキ
ャップ層３０７が必要である。これは、直接櫛形電極３
０８をＩｎＧａＡｓ３０６上に形成した場合、電子の金
属と伝導帯端とのショットキー障壁高さが０.２ｅＶと
小さく暗電流が大きくなるためである。

【００１９】しかし、このキャップ層３０７は、ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層３０６で光励起された電子・正孔に対し
障壁として働き、電子及び正孔の電極側への流れを遮り
ヘテロ（ＩｎＡｌＡｓ３０７／ＩｎＧａＡｓ３０６）界
面に電子及び正孔を蓄積させる。また、キャップ層３０
７は、空間的に光吸収層を電極から遠ざけＩｎＧａＡｓ
光吸収層内の電界強度を緩和し光励起された電子・正孔
のドリフト速度を低下させる可能性がある。

【００２０】このように、ＭＳＭ型光検出器を用いた進
行波型半導体光検出器では、速度整合及びインピーダン
ス整合がとれるものの、ＭＳＭ型光検出器の櫛形電極を
作製するには電子ビーム露光による微細加工が必要であ
り、広帯域の進行波型半導体光検出器を作製する上の制
約となっている。

【００２１】また、長波長帯のＭＳＭ型光検出器では、
暗電流を減少させるために導入したキャップ層３０７
が、逆に光励起された電子・正孔のドリフト速度を低下
させ、広帯域の進行波型半導体光検出器を実現する上で
の障害となる可能性がある。

【００２２】本発明の目的は、従来の進行波型半導体光
検出器の問題を解決し光吸収効率を向上することが可能
な技術を提供することにある。本発明の他の目的は、高
耐入力かつ高出力の進行波型半導体光検出器を実現する
ことが可能な技術を提供することにある。本発明の前記
ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述
及び添付図面によって明らかにする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。（１）半絶縁性材料で形成された基板と、前記基板に格
子整合したエピタキシャル成長層で形成されたコア層
と、前記コア層を上下に挟むように設けられ、前記コア
層よりも屈折率が小さいエピタキシャル成長層で形成さ
れた上下部クラッド層とを有し、前記コア層上の上部ク
ラッド層の一部を取り除いてなる導波路上に、ＩｎＧａ
Ａｓ層の光吸収層をｎ型層及びｐ型層で挟んだ構成を有
するｐｉｎ型光検出器を所定間隔で周期的に複数個配置
した進行波型半導体光検出器である。

【００２４】（２）前記手段（１）の進行波型半導体光
検出器において、前記導波路のコア層上の上部クラッド
層厚より、前記コア層下の下部クラッド層厚を大きくし
導波路の構造を非対称とし、前記コア層の層厚を導波路
の全体（上部クラッド層＋コア層＋下部クラッド層）の
層厚の８分の１前後にしたものである。

【００２５】（３）前記手段（１）の進行波型半導体光
検出器において、前記ｐｉｎ型光検出器のｎ型層及びｐ
型層の屈折率は、前記導波路のコア層の屈折率以上で、
かつ、前記光吸収層の屈折率よりも小さい値を有し、ｐ
ｉｎ型光検出器が導波路構造である。

【００２６】（４）前記手段（１）の進行波型半導体光
検出器において、前記導波路の上部クラッド層と前記光
吸収層に挟まれるｐｉｎ型光検出器のｎ型層またはｐ型
層の導波路方向の長さを、前記ｐｉｎ型光検出器の光吸
収層の導波路方向の長さより大きくし、前記光吸収層か
ら導波路方向にはみ出した前記ｎ型層またはｐ型層を設
けたものである。

【００２７】すなわち、本発明では、進行波型半導体光
検出器に組み込まれる検出器にｐｉｎ型光検出器を用い
る。ｐｉｎ型光検出器の光吸収層は、ＭＢＥ成長或いは
ＭＯＣＶＤ成長により膜厚を精密に制御できるため、電
子ビーム露光による微細プロセスを必要としない。この
ため、より進行波型半導体光検出器を作製しやすいとい
う利点がある。しかし、ｐｉｎ型光検出器を用いた進行
波型半導体光検出器は、導波路と光吸収層の間にｐ型層
或いはｎ型層が存在するため、大きな吸収効率がとれな
い。このため、本発明では、導波路及びｐｉｎ型光検出
器の構造に従来と異なる構造を用い、光の吸収効率の増
大を図る。

【００２８】本発明に係わる進行波型半導体光検出器の
構造は以下のとおりである。進行波型半導体光検出器の
導波路の層構造は、クラッド層／コア層／クラッド層の
うちコア層厚を導波路の全層厚の１／８前後に留め、コ
ア層下のクラッド層厚を大きく上部のクラッド層厚を小
さくした非対称構造とする。導波路は上部のクラッド層
の一部を取り除いて作製する。導波路上に周期的に配置
された複数のｐｉｎ型光検出器では、ｐｉｎ層のうちｎ
型層及びｐ型層の屈折率が、コア層の屈折率以上であ
り、かつＩｎＧａＡｓ光吸収層の屈折率よりも小さいよ
うにする。これにより、ｐｉｎ型光検出器を導波路構造
とし、ｐｉｎ型光検出器のある領域での平均の屈折率を
大きくする。加えて、ｐｉｎ型光検出器でコア層上のク
ラッド層と光吸収層に挟まれた層（例えばｎ型層）の導
波路方向の長さを、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の長さより大
きくし、その光吸収層から導波路方向にはみ出すように
この層を設け、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の前後にこの層の
一部が導波路上にある様にする。各ｐｉｎ型光検出器の
電極は、ＣＰＳ電極或いはＣＰＷ電極に接続される。

【００２９】前記の構成により、本発明では、導波路内
を伝搬する光の閉じ込めを弱め、逆にｐｉｎ型光検出器
が配置された導波路上ではｐｉｎ型光検出器の各層と伝
搬する光の結合を強める。

【００３０】また、ｐｉｎ型光検出器自体を導波路構造
にし、各ｐｉｎ型光検出器の光吸収効率を増大させ進行
波型半導体光検出器の高効率化を図る。

【００３１】さらに、ｐｉｎ型光検出器のｐ，ｎ型層の
うち導波路と光吸収層に挟まれた層の導波路方向の長さ
をＩｎＧａＡｓ光吸収層の長さより大きくし、その光吸
収層から導波路方向にはみ出すようにこの層を設け、光
吸収層の前後にこの層の一部を置くことで、「導波路」
から「ｐｉｎ型光検出器＋導波路」及び「ｐｉｎ型光検
出器＋導波路」から「導波路」へ光の伝搬モードが変化
したときに生じる光強度の損失を低減し、後段のｐｉｎ
型光検出器への光の伝搬効率が増大するようにする。

【００３２】本発明により、従来のＭＳＭ型光検出器に
代りｐｉｎ型光検出器を用いても進行波型半導体光検出
器の光の吸収効率を増大させることができる。また、ｐ
ｉｎ型光検出器を用いるため、電子ビーム露光による微
細プロセスを必要とせず、ドリフト速度の低下による帯
域の劣化を避けることができる。進行型光検出器では、
信号出力は各光検出器の出力の和である。このため、本
発明で実現される進行波型半導体光検出器の特性も、高
効率かつ高出力であるのはいうまでもない。

【００３３】本発明で実現される進行波型半導体光検出
器は、複数のｐｉｎ型光検出器が光を吸収する構造であ
る。このため、光入力に対するｐｉｎ型光検出器の負荷
を分散させることができ、進行波型半導体光検出器を高
耐入力化することもできる。

【００３４】したがって、本発明により、広帯域、高効
率、高出力かつ高耐入力の進行波型半導体光検出器が実
現できる。以下、図面を参照して、本発明について、そ
の実施形態（実施例）ともに詳細に説明する。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明では、進行波型半導体光検
出器に組み込まれる検出器にｐｉｎ型光検出器を用い
る。ｐｉｎ型光検出器の光吸収層は、ＭＢＥ成長或いは
ＭＯＣＶＤ成長により膜厚を精密に制御できるため、電
子ビーム露光による微細プロセスを必要としない。この
ため、より進行波型半導体光検出器を作製しやすいとい
う利点がある。

【００３６】しかし、従来のｐｉｎ型光検出器を用いた
進行波型半導体光検出器は、導波路と光吸収層の間にｐ
型層或いはｎ型層が存在するため、大きな吸収効率がと
れない。

【００３７】これにより、本発明では、導波路及びｐｉ
ｎ型光検出器の構造に従来と異なる構造にして、光の吸
収効率の増大を図る。

【００３８】本発明の実施形態では、進行波電極として
ＣＰＳ電極を用い、下部にｎ型層、上部にｐ型層を設け
た構造を有するｐｉｎ型光検出器を用いた進行波型半導
体光検出器を実施形態（実施例）１とし、また、ＣＰＷ
電極を用いｐｉｎ型光検出器の構造に下部にｐ型層、上
部にｎ型層を設けた構造を有するｐｉｎ型光検出器を用
いた進行波型半導体光検出器を実施形態（実施例）１と
して説明する。

【００３９】（実施形態１）図１は、本発明による実施
形態１の進行波型半導体光検出器の概略構成を示す斜視
図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ’面で切った断面
図である。

【００４０】まず、図１の進行波型半導体光検出器の構
成を説明する。この進行波型半導体光検出器は、半絶縁
性のＩｎＰからなる基板１０１上にノンドープのＩｎＡ
ｌＡｓからなるバッファ層１０２を備え、その上にノン
ドープのＩｎＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１０
３、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓからなるコア層１０
４、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓからなる上部クラッ
ド層１０５を有し、上部クラッド層１０５の一部をエッ
チングにより取り除いて形成した導波路を備えている。

【００４１】さらに、この進行波型半導体光検出器は、
コア層１０４と同等の屈折率３.４２のＩｎＡｌＧａＡ
ｓからなるｎ型層１０６及びｐ型層１０８、ノンドープ
のＩｎＧａＡｓからなる光吸収層１０７で構成されたｐ
ｉｎ型光検出器が導波路上に周期的に配置されている。

【００４２】図１及び図２は、３個のｐｉｎ型光検出器
が導波路上に配置された場合である。下部クラッド層１
０３／コア層１０４／上部クラッド層１０５の構造は、
ＩｎＡｌＧａＡｓの組成を変え屈折率を変化させ作製す
る。例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓではクラッド層及びコア
層の組成を、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.37Ｇａ_0.11Ａｓ、Ｉｎ_0.52
Ａｌ_0.18Ｇａ_0.3Ａｓとする。屈折率は、クラッド層１
０３及び１０５で３.２８、コア層１０４で３.４２であ
る。ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０７の屈折率の実部は３.
６であり、ｎ型層１０６及びｐ型層１０８の屈折率３.
４２より大きいため各ｐｉｎ型光検出器は導波路構造と
なる。

【００４３】また、本実施形態１では、上部クラッド層
１０５と光吸収層１０７に挟まれた層（ここではｎ型層
１０６）の導波路方向の長さを、光吸収層１０７よりも
大きくし、その光吸収層から導波路方向にはみ出すよう
にこの層を設け、かつ光吸収層１０７の前後にこの層が
ある領域（図２上にＬで示される領域）を設ける。すな
わち、光吸収層１０７をｎ型層上の中心位置に設け、光
吸収層１０７の前後に長さＬのｎ型層のはみ出し領域を
持たせる。このＬの領域は、導波路からの光吸収をより
向上させるための光吸収補助領域である。

【００４４】ｐｉｎ型光検出器のＡｕＧｅＮｉ／Ａｕよ
りなるｎ型電極１１０は、導波路横のｎ型層１０６上に
設け、ＡｕＺｎ／Ａｕよりなるｐ電極１０９はｐｉｎ型
光検出器上部のｐ型層１０８上に形成される。

【００４５】各ｐｉｎ型光検出器のｎ型電極１１０及び
ｐ型電極１０９は導波路に平行して設けたＴｉ／Ｐｔ／
ＡｕよりなるＣＰＳ電極１１２に接続され進行波型半導
体光検出器を構成する。なお、ＣＰＳ電極１１２は、絶
縁膜１１１上に設ける。

【００４６】次に、本実施形態１における進行波型受光
検出器の構成の詳細について説明する。

【００４７】本実施形態１では、下部クラッド層１０３
／コア層１０４／上部クラッド層１０５の各層厚さの最
適な値を以下に示す表により設定する。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】

【表３】

【００５１】

【表４】

【００５２】表１は、本実施形態１で導波路の端面から
強度がガウス分布で近似される光が入射した時の、導波
路上に設けられた３個のｐｉｎ型光検出器の光吸収効率
のコア層厚依存性を計算した結果である。計算には、ビ
ーム伝搬法（ＢＰＭ：Ｂeampropagation method）を用
いた。表１には、全ｐｉｎ型光検出器の吸収効率と各段
でのｐｉｎ型光検出器の吸収効率が示されている。

【００５３】ただし、導波路の全膜厚は１.７μｍと
し、この導波路の膜厚の中心とコア層１０４の中心との
差（ｈ）を０.３μｍとしている。ｐｉｎ型光検出器の
長は、１２μｍとした。表１より、コア層１０４の膜厚
が０.２μｍの時、最大の光吸収効率が得られることが
判る。

【００５４】表２に、コア層１０４の膜厚が０.２μｍ
の時に、全膜厚１.７μｍの中心とコア層１０４の中心
との差（ｈ）と光吸収効率の関係を示す。光吸収層１０
７の層厚は、０.２μｍである。表２より、中心差
（ｈ）が０.３μｍの時に最大の吸収効率が得られるこ
とが判る。

【００５５】これは、導波路の層厚が１.７μｍのと
き、コア層１０４の層厚を導波路の全層厚の１／８程度
にし、コア層を表面寄にする非対称構造にすることで、
ｐｉｎ型光検出器を周期的に配置した進行波型半導体光
検出器でも吸収効率の増大が図れることを示している。

【００５６】本実施形態１では、前記の条件により、下
部クラッド層１０３／コア層１０４／上部クラッド層１
０５の各層厚を、１.０５μｍ／０.２μｍ／０.４５μ
ｍとする。

【００５７】表３に、ｐｉｎ型光検出器のｐ型層１０８
の層厚を変化させたときの光吸収効率の変化を示す。ｐ
ｉｎ型光検出器のｎ型層１０６及び光吸収層１０７の層
厚は、０.４μｍ、０.２μｍである。表３より、光吸収
効率の増大には、ｐｉｎ型光検出器のｐ型層１０８の層
厚を０.２μｍ〜０.３μｍとし導波路構造にする必要が
あることが判る。

【００５８】表４は、図２に示す光吸収層１０７の両端
のｎ型層領域の長さ（Ｌ）と光吸収効率の関係を示した
ものである。表４より、両端に長さＬのｎ型層領域があ
る場合には、ない場合（Ｌ＝０）と比較し全光吸収率が
増大することが判る。また、Ｌ＝８〜１１μｍの時に比
較的大きな光吸収効率が得られることが判る。

【００５９】このため、本実施形態１では、吸収効率を
増大させるためには、ｐｉｎ型光検出器のｎ型層１０６
及びｐ型層１０８の層厚をそれぞれ０.４μｍ、０.２μ
ｍ、屈折率を３.４２の導波路構造とし、光吸収層１０
７の前後に屈折率の大きいｎ型層領域（８〜１１μｍ）
を導波路方向に設けるのが良い。

【００６０】以上説明したように、この実施形態１によ
れば、導波路の層構造を非対称とし、コア層１０４の層
厚を導波路の全層厚の１／８程度にし、ｐｉｎ型光検出
器のｎ型層１０６及びｐ型層１０８の屈折率を光吸収層
１０７の屈折率の実部より小さくした導波路構造とし、
さらに光吸収層１０７直下のｎ型層１０６を導波路方向
に光吸収層１０７より前後に大きくすることでＣＰＳ型
電極を用いた進行波型半導体光検出器の光吸収効率を増
大させることが可能となる。

【００６１】また、ｐｉｎ型光検出器のｐ，ｎ型層のう
ち導波路と光吸収層に挟まれた層の導波路方向の長さを
ＩｎＧａＡｓ光吸収層の長さより大きくし、その光吸収
層から導波路方向にはみ出すようにこの層を設け、光吸
収層の前後にこの層の一部（光吸収補助領域）を設ける
ことで、「導波路」から「ｐｉｎ型光検出器＋導波路」
及び「ｐｉｎ型光検出器＋導波路」から「導波路」へ光
の伝搬モードが変化したときに生じる光強度の損失を低
減し、後段のｐｉｎ型光検出器への光の伝搬効率が増大
するようにする。

【００６２】（実施形態２）次に、本発明による実施形
態（実施例）２について説明する。図３は、本発明の実
施形態２の進行波型半導体光検出器の概略構成を示す斜
視図である。図４は、Ｂ−Ｂ’面で切った断面図であ
る。図３の進行波型半導体光検出器の構成を説明する。
この進行波型半導体光検出器は、半絶縁性のＩｎＰから
なる基板２０１上にノンドープのＩｎＡｌＡｓからなる
バッファ層２０２を備え、その上にノンドープのＩｎＡ
ｌＧａＡｓからなる下部クラッド層２０３、ノンドープ
のＩｎＡｌＧａＡｓからなるコア層２０４、ノンドープ
のＩｎＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層２０５を有
し、上部クラッド層２０５の一部をエッチングにより取
り除いて形成した光導波路を備えている。

【００６３】さらに、この進行波型半導体光検出器は、
コア層２０４と同等の屈折率３.４２のＩｎＡｌＧａＡ
ｓからなるｐ型層２０６及びｎ型層２０８、ノンドープ
のＩｎＧａＡｓからなる光吸収層２０７で構成されたｐ
ｉｎ型光検出器が光導波路上に所定間隔で周期的に配置
されている。

【００６４】図３及び図４は、３個のｐｉｎ型光検出器
が光導波路上に配置された場合である。下部クラッド層
２０３／コア層２０４／上部クラッド層２０５の構造
は、前記実施形態１と同様である。

【００６５】ｐｉｎ型光検出器は、ｐ型層２０６及びｎ
型層２０８の屈折率を３.４２とし、導波路構造にす
る。また、前記実施形態１と同様に、上部クラッド層２
０５と光吸収層２０７に挟まれた層（ここではｐ型層２
０６）の導波路方向の長さを、光吸収層２０７よりも大
きくし、光吸収層２０７の前後に長さＬ分だけはみ出さ
せた光吸収補助領域（図３のＬで示される領域）を設け
る。

【００６６】さらに、本実施形態２では、ｐ型電極２０
９を形成するためのｐ型層領域を、図３に示すように、
光吸収層２０７の両側に設け、ＡｕＺｎ／Ａｕよりなる
ｐ型電極２０９を導波路の両側のｐ型層２０６上に形成
する。ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕよりなるｎ型電極２１０は、
ｐｉｎ型光検出器上部のｎ型層２０８上に設ける。ｐ型
電極２０９及びｎ型電極２１０は、光導波路に平行及び
光導波路上に作られたＴｉ／Ｐｔ／ＡｕよりなるＣＰＷ
電極２１２に接続され進行波型半導体光検出器を構成す
る。

【００６７】ＣＰＷ電極２１２は、導波路上及び上部ク
ラッド層２０５上に形成した絶縁膜２１１上に設ける。
ＣＰＷ電極２１２は、前記実施形態１のＣＰＳ電極１１
２と比較し、周波数に対するＶe及びＺの変化が小さく
周波数全域に対して整合が採りやすい。

【００６８】また、本実施形態２では、ｐ型層２０６を
光導波路を中心に対称に作ることができるため、光吸収
層２０７での光の強度分布が対称となり光の吸収効率が
より増大する可能性がある。

【００６９】以上説明したように、この実施形態２の進
行波型半導体光検出器では、光導波路の層構造でコア層
２０４の層厚を導波路の全層厚の１／８程度にし、コア
層２０４を表面寄に配置し、ｐｉｎ型光検出器の光吸収
層２０７を挟むｎ型層２０８及びｐ型層２０６の屈折率
を光吸収層２０７の屈折率の実部より小さくし導波路構
造とする。さらに光吸収層２０７直下のｐ型層２０６を
光吸収層２０７より導波路方向に前後に大きくすること
でＣＰＷ電極を持つ進行波形光検出器の光吸収効率を増
大させることが可能となる。

【００７０】前記実施形態１では、進行波電極としてＣ
ＰＳ電極を用い、ｐｉｎ型光検出器の構造は下部にｎ型
層、上部にｐ型層を設けた場合について、また、本実施
形態２では、ＣＰＷ電極を用いｐｉｎ型光検出器の構造
に下部にｐ型層、上部にｎ型層を配置した場合について
示した。

【００７１】本発明の実施形態１及び２では、このｐｉ
ｎ型光検出器の構造は、光吸収層を挟み上部にｐ型層、
下部にｎ型層、或いは上部にｎ型層、下部にｐ型層どち
らの構造でもよいことは言うまでもない。

【００７２】また、本発明の各実施の形態では、ｐｉｎ
型光検出器の場合に限ったが、導波路構造の単一走行キ
ャリアー（ＵＴＣ）型光検出器（Ｔ.Ｉshibashi et.a
l.：ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧ
ＹＬＥＴＴＥＲＳＶＯＬ.１０，ＮＯ.３，４１２（１
９９８））を用いて進行波型半導体光検出器を構成して
も良い。ＵＴＣ型光検出器は、ｐｉｎ型光検出器のノン
ドープのＩｎＧａＡｓからなる光吸収層をｐ型のＩｎＧ
ａＡｓに置き換えることで可能であり、導波路構造もｎ
型及びｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなる層を用いることで
可能である。

【００７３】この他に、ｎ型及びｐ型のＩｎＡｌＧａＡ
ｓ等の半導体層を用いてＵＴＣ型光検出器の導波路構造
を構成し進行波型半導体光検出器としても良い。ＵＴＣ
型光検出器は、正孔の蓄積による空間電荷効果を緩和で
きるため高出力化が可能であり、進行波型半導体光検出
器の特徴を生かす上で有利である。

【００７４】また、本発明では、ｐｉｎ型光検出器を用
いているため、結晶成長法による吸収層の薄膜化が可能
であり、電子ビーム露光による微細加工を用いずとも広
帯域の進行波型半導体光検出器を実現できる。

【００７５】さらに、複数のｐｉｎ型光検出器が導波路
上に配置されているため、高い光吸収効率の実現と相ま
って高出力の進行波型半導体光検出器を実現できる。

【００７６】加えて、本発明で実現される進行波型半導
体光検出器は、複数のｐｉｎ型光検出器が光を吸収する
ため、光入力に対するｐｉｎ型光検出器の負荷を分散さ
せることができ高耐入力化が可能である。

【００７７】したがって、本発明により、高効率、高出
力、高耐入力かつ広帯域の進行波型半導体光検出器が実
現できる。

【００７８】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。

【００７９】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。（１）光導波路の層構造でコア層の層厚を導波路の全層
厚の１／８程度にし、コア層を表面寄に配置し、ｐｉｎ
型光検出器の光吸収層を挟むｎ型層及びｐ型層２０６の
屈折率を光吸収層の屈折率の実部より小さくし導波路構
造を有する複数の光検出器を導波路上に所定間隔で周期
的に配置した進行波型半導体光検出器で、光検出器にｐ
ｉｎ型光検出器を用いても大きな光の吸収効率を得るこ
とが可能となる。

【００８０】（２）ｐｉｎ型光検出器を用いているた
め、結晶成長法による吸収層の薄膜化が可能であり、電
子ビーム露光による微細加工を用いずとも広帯域の進行
波型半導体光検出器を実現できる。

【００８１】（３）複数のｐｉｎ型光検出器が導波路上
に配置されているため、高い光吸収効率の実現と相まっ
て高出力の進行波型半導体光検出器を実現できる。

【００８２】（４）複数のｐｉｎ型光検出器が光を吸収
するため、光入力に対するｐｉｎ型光検出器の負荷を分
散させることができ高耐入力化が可能である。

【００８３】これらにより、高効率、高出力、高耐入力
かつ広帯域の進行波型半導体光検出器が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施形態１の進行波型半導体光検
出器の概略構成を示す斜視図である。

【図２】図１に示すＡ−Ａ’面で切った断面図である。

【図３】本発明による実施形態２の進行波型半導体光検
出器の概略構成を示す斜視図である。

【図４】図３に示すＢ−Ｂ’面で切った断面図である。

【図５】従来のＭＳＭ型光検出器を周期的に配置した進
行波型半導体光検出器の構成を示す概略図である。

【図６】図６に示すＣ−Ｃ’面で切った断面図である。

【符号の説明】

１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…下部クラ
ッド層、１０４…コア層、１０５…上部クラッド層、１
０６…ｎ型層、１０７…光吸収層、１０８…Ｐ型層、１
０９…ｐ型電極、１１０…ｎ型電極、１１１…絶縁膜、
１１２…ＣＰＳ電極、２０１…基板、２０２…バッファ
層、２０３…下部クラッド層、２０４…コア層、２０５
…上部クラッド層、２０６…ｐ型層、２０７…光吸収
層、２０８…ｎ型層、２０９…Ｐ型電極、２１０…ｎ型
電極、２１１…絶縁膜、２１２…ＣＰＷ電極、３０１…
基板、３０２…バッファ層、３０３…下部クラッド層、
３０４…コア層、３０５…上部クラッド層、３０６…光
吸収層、３０７…キャップ層、３０８…櫛形電極、３０
９…絶縁膜、３１０…ＣＰＳ電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松岡裕東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F049 MA04 MB07 NA01 NA03 NA20 NB01 PA04 PA20 QA08 SE05 SS04 WA01 WA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半絶縁性材料で形成された基板と、前記
基板に格子整合したエピタキシャル成長層で形成された
コア層と、前記コア層を上下に挟むように設けられ、前
記コア層よりも屈折率が小さいエピタキシャル成長層で
形成された上下部クラッド層とを有し、前記コア層上の
上部クラッド層の一部を取り除いてなる導波路上に、Ｉ
ｎＧａＡｓ層の光吸収層をｎ型層及びｐ型層で挟んだ構
成を有するｐｉｎ型光検出器を所定間隔で周期的に複数
個配置したことを特徴とする進行波型半導体光検出器。
【請求項２】前記請求項１に記載の進行波型半導体光
検出器において、前記導波路のコア層上の上部クラッド層厚より、前記コ
ア層下の下部クラッド層厚を大きくし導波路の構造を非
対称とし、前記コア層の層厚を導波路の全体（上部クラ
ッド層＋コア層＋下部クラッド層）の層厚の８分の１前
後にしたことを特徴とする進行波型半導体光検出器。
【請求項３】前記請求項１に記載の進行波型半導体光
検出器において、前記ｐｉｎ型光検出器のｎ型層及びｐ型層の屈折率は、
前記導波路のコア層の屈折率以上で、かつ、前記光吸収
層の屈折率よりも小さい値を有し、ｐｉｎ型光検出器が
導波路構造であることを特徴とする進行波型半導体光検
出器。
【請求項４】前記請求項１に記載の進行波型半導体光
検出器において、前記導波路の上部クラッド層と前記光吸収層に挟まれる
ｐｉｎ型光検出器のｎ型層またはｐ型層の導波路方向の
長さを、前記ｐｉｎ型光検出器の光吸収層の導波路方向
の長さより大きくし、前記光吸収層から導波路方向には
み出した前記ｎ型層またはｐ型層を設けたことを特徴と
する進行波型半導体光検出器。