JP2001189488A

JP2001189488A - 集積化光半導体素子

Info

Publication number: JP2001189488A
Application number: JP37156999A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Kuroda; 文彦黒田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2001-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ゲインや雑音と帯域とのトレードオフ関係を解
消し、小型で低雑音、広帯域の集積化光半導体素子を提
供する。【解決手段】基板１１上に、コア層１２とクラッド層１
３からなる光導波路１４と、光導波路１４と光結合して
制御信号電流を発生し、かつ該制御信号電流により変調
及び増幅された出力信号電流を発生するコレクタ層１
６、ベース層１７、エミッタ層１８からなる増幅型受光
素子であるフォトトランジスタ１９、及びコレクタ電極
２３とともに制御信号電流及び出力信号電流を伝送する
高周波伝送線路により構成されたベース電極２２及びエ
ミッタ電極２１を集積する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光半導体素子に係
り、特に少なくとも光導波路と増幅型受光素子を集積化
し、さらには高周波伝送線路も集積化した集積化光半導
体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信速度の向上に対する要求か
ら、高周波電気信号を光信号に載せて伝送する光通信技
術が重要性を増している。光通信においては、高性能か
つ小型の光受信器を実現することが重要な課題の一つで
ある。

【０００３】光受信器は、基本的に入射した光信号を受
光素子により電気信号に変換し、さらに電気信号を電子
素子により増幅するなどの処理を行う機能を有する。従
来の光受信器は、個別の素子を組み合わせて回路を構成
していたが、扱う信号が１０ＧＨｚ以上の高速信号の領
域になると、配線の微小な容量やインダクタンスが無視
できなくなるため、最近では受光素子と増幅器とを集積
化した集積化光半導体素子（ＯＥＩＣ）化の動きが盛ん
になっている。

【０００４】図７に、従来のＯＥＩＣの回路例を示す。
光導波路を組み込んだｐｉｎ型受光素子（ＰＤ）７１
と、ＨＥＭＴ等の高速電子素子を組み合わせた増幅器７
２が同一基板上に集積されて受光用ＯＥＩＣを形成して
いる。この例では、増幅器７２は高周波伝送線路７３，
７４間にＨＥＭＴ等の電子素子７５を梯子状に渡した、
いわゆる進行波型増幅器を形成している。

【０００５】光信号は図の左側方向から入射し、ＰＤ７
１により電気信号に変換された後、高周波伝送線路７３
を進行しつつ電子素子７５により増幅され、もう一つの
高周波伝送線路７４の一端から外部に取り出される。回
路と外部とのインピーダンスが整合していれば、高周波
伝送線路７３，７４には同相の信号が流れ、高周波伝送
線路７４上の信号振幅は次第に増大する。

【０００６】一般に、ＯＥＩＣでは従来より増幅器とし
てハイインピーダンス型やトランスインピーダンス型の
回路が主に用いられていたが、ＧＨｚ帯以上の高周波増
幅器では回路内の浮遊容量などが無視できず、波動伝播
効果により特性が劣化しがちであった。これに対し、進
行波型増幅器は浮遊容量も設計に取り込むことが可能で
あり、本質的に広帯域であるため、ＯＥＩＣの増幅器と
して図７に示したように進行波型増幅器７２を用いるこ
とにより広帯域化することが近年では主流となりつつあ
る。

【０００７】一方、従来のＰＤ自身の帯域は、ＰＤの静
電容量と光吸収層内のキャリアの走行時間で制限されて
いた。容量は、ｐｎ接合の面積を小さくすることにより
低減可能である。一方、キャリアの走行時間は、光吸収
層を薄くすることにより低減可能であるが、表面入射型
のＰＤでは受光感度が低下する。このため、ＰＤは光導
波路を集積した横入射型とし、細長いｐｎ接合で容量を
低下させ、かつ吸収長を長くして、吸収相が薄くとも高
い感度を得ることがなされている。

【０００８】このように従来のＯＥＩＣにおいては、Ｐ
Ｄ、増幅器共に広帯域化が検討されているが、これらを
組み合わせたときの帯域は、依然としてＰＤの容量と増
幅器の入力インピーダンスで制限される。これは、ＰＤ
の出力インピーダンスと増幅器の入力インピーダンスが
整合しないため、増幅器の入力信号の一部がＰＤ側に反
射されるためである。

【０００９】このようなインピーダンス不整合下で光受
信器としての帯域を拡大するためには、増幅器の入力イ
ンピーダンスを低下させるか、ＰＤの容量を低下させる
必要がある。これらのうち、ＰＤの小型化による容量の
低減は、受光感度の低下、最大出力電流の低下を伴うと
いう問題があり、おのずと限界がある。一方、増幅器の
入力インピーダンスの低減は雑音の増加をもたらし、光
受信器としての最小受光感度を低下させるという問題が
ある。

【００１０】こうした問題に対して、ＰＤ自身について
も進行波型の構成として、広帯域で高感度、高出力のＰ
Ｄを得ようとする動きがある（例えば文献［１］K.S.Gi
boney他、ＩＥＥＥフォトニクス・テクノロジー・レタ
ーズ第７巻第４号(1995)、P.412参照）。その基本は、
ＰＤの電極構造を光導波路と平行な高周波伝送線路とす
るものであり、光信号の進行速度と電気信号の進行速度
との整合によりＰＤの帯域を決定している。

【００１１】すなわち、光信号と電気信号の位相差が大
きいと出力信号電流の波形が乱れるわけであるが、この
乱れ具合が一定以下となる周波数で帯域が決まる。極端
な場合、信号の出力端で両者の位相が１８０゜ずれてい
ると、伝送線路を伝送してきた信号と、ＰＤ内部で発生
した信号とが相殺されることにより、出力信号は低下す
る。従って、光信号と電気信号の進行速度が大きく異な
るときは、素子長を短くすることにより位相差を小さく
することで、広い帯域を得ることができる。

【００１２】また、ＰＤの出力インピーダンスが後段の
増幅器等の入力インピーダンスと整合していれば、後段
からの反射がなくなるため、光受信器の帯域はＰＤの容
量とは無関係となる。これによって増幅器の入力インピ
ーダンスを高く設定することが可能となり、広帯域の光
受信器を構成することが可能となる。

【００１３】しかし、個別の進行波型ＰＤと増幅器を単
純に組み合わせてＯＥＩＣを構成すると、工程が複雑と
なるばかりでなく、ＯＥＩＣが大型化してコストが増大
するという問題があった。

【００１４】さらに、進行波型を含む横入射型のＰＤで
は、光ファイバとの光結合効率が高くないこと、及び進
行波型ＰＤでは出力信号電流の半分が光信号の入射側へ
進行するために、ＰＤの外部量子効率が低下しがちであ
るという問題がある。このため、進行波型ＰＤから取り
出し得る電流は小さなものとなり、Ｓ／Ｎ比が劣化して
ＯＥＩＣの高感度化、低雑音化を阻む要因の１つとなっ
ていた。

【００１５】一方、ＰＤの代わりにフォトトランジスタ
（ＰＴｒ）を使用して受光素子自身に増幅機能を持たせ
ることにより、受光素子の出力を増大させようとの試み
もなされている。ＰＴｒとは、バイポーラトランジスタ
のベース−コレクタ間の空乏層で光を吸収して発生する
キャリアの一方（正孔）をベース領域に蓄積し、他方の
キャリア（電子）電流に対するゲインを得ようとするも
のである。

【００１６】しかし、ＰＴｒは通常、ベース領域からの
正孔の消滅速度が遅いため、この正孔の滞留により光に
対する応答速度（特に立下り時間）が遅くなって帯域が
制限されてしまい、高速光通信に使用できるものではな
かった。ベース層に電極を設けて正孔を引き出すことで
滞留を抑制し、応答速度を速めることも試みられている
が、その場合にはベース層の電界を変調する電荷の量が
低下するためにゲインが低下するという問題があった。

【００１７】ここで、ＰＴｒについても電極構造を進行
波型として、広帯域化しようという試みもある（例えば
文献［２］D.C.Scott他、ＩＥＥＥマイクロウェーブ・
アンド・ガイデッドウエーブ・レターズ第８巻第８号(1
998)、P.284参照）。これは図８に示すように、高抵抗
ＩｎＰ基板８０上に細長いエミッタ層８１、ベース層８
２及びコレクタ層８３からなるバイポーラトランジスタ
を形成し、そのエミッタ電極８４及びコレクタ電極８５
を実質的にコプレーナ型の高周波伝送線路として形成す
ることにより、ポリイミドで形成された光導波路８６か
ら漏れ出てくる光信号の速度と、エミッタ電極８４から
取り出される電気信号との速度を整合させようとするも
のである。

【００１８】この構成によると、横入射型でありなが
ら、ＰＴｒにより出力信号電流が増幅されるために高出
力が得られ、低雑音の受光素子を実現できる可能性があ
る。しかし、図８に示したようにベース層８２がフロー
ティングになっている構成では、正孔の消滅する速度が
遅いという事実に変わりはなく、応答速度は依然として
改善されず、高速光通信に必要な帯域は得られない。実
際、文献［２］の例では６０ＧＨｚの光信号で増幅特性
の評価は行っているが、信号伝送の実験にまでは至って
いない。これは正孔の動きまで考慮されていないため、
従来のＰＴｒと同様に信号の立下り速度が遅かったから
と考えられる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のＯＥＩＣでは基本的に受光素子の容量と増幅器の入力
インピーダンスで帯域が制限される。

【００２０】この点を改善するため、個別の進行波型Ｐ
Ｄと増幅器を組み合わせてＯＥＩＣを構成したもので
は、工程が複雑となるとともに大型化してコストが増大
するという問題があり、また受光素子を進行波型とする
ことで受光素子の容量を帯域に無関係として、ＯＥＩＣ
の帯域を拡大するようにしたものでは、量子効率の低下
により雑音が増加するという問題があった。一方、受光
素子自身で増幅までさせようとしたものでは、キャリア
の滞留により帯域が制限され、キャリアの滞留を抑制す
るとゲインが低下して雑音が増加するという問題があっ
た。

【００２１】本発明は、ゲインや雑音と帯域とのトレー
ドオフ関係を解消し、小型で低雑音かつ広帯域の集積化
光半導体素子を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明では従来個別に製作され集積されていた受光
素子と増幅素子を一つにまとめた増幅型受光素子を構成
し、さらに増幅型受光素子が進行波型増幅器を形成する
ようにすることにより、従来無視されていた正孔の信号
を増幅に利用することを骨子とする。

【００２３】すなわち、本発明に係る集積化光半導体素
子は、光信号を伝搬させる光導波路と、この光導波路内
を伝搬する光信号を受光して電気信号に変換しかつ増幅
する増幅型受光素子とを集積化して構成され、増幅型受
光素子は進行波型増幅器を形成していることを基本的な
特徴とする。

【００２４】一つの態様によると、本発明に係る集積化
光半導体素子は、光信号を伝搬させる光導波路と、この
光導波路と光結合して制御信号電流を発生し、かつ該制
御信号電流により変調及び増幅された出力信号電流を発
生する増幅型受光素子とを集積化して構成され、増幅型
受光素子は、制御電極及び少なくとも一つの主電極が高
周波伝送線路により構成され、該制御電極により前記制
御信号電流を伝送し、該主電極により出力信号電流を伝
送することを特徴とする。

【００２５】具体的には、増幅型受光素子は光導波路か
ら入力される光信号の吸収により電子−正孔対を発生
し、正孔の信号を制御信号電流として発生する。制御電
極はベース電極またはゲート電極であり、主電極はコレ
クタ電極またはドレイン電極とエミッタ電極またはソー
ス電極である。これらのうち、ベース電極またはゲート
電極と少なくともエミッタ電極またはソース電極が高周
波伝送線路として構成される。

【００２６】この場合、制御電極及び主電極は、制御信
号電流及び出力信号電流を光導波路内で伝搬する光信号
に対してそれぞれ１８０°未満の位相差で伝送すること
が望ましい。

【００２７】本発明の他の態様による集積化光半導体素
子は、光信号を伝搬させる光導波路と、この光導波路と
光結合して制御信号電流を発生し、かつ該制御信号電流
により変調及び増幅された出力信号電流を発生する複数
段の増幅型受光素子と、これら複数段の増幅型受光素子
でそれぞれ発生する制御信号電流を次段の増幅型受光素
子へ伝送する第１の高周波伝送線路と、これら複数段の
増幅型受光素子でそれぞれ発生する出力信号電流を合成
して伝送する第２の高周波伝送線路とを集積化してなる
ことを特徴とする。

【００２８】この場合においては、第１及び第２の伝送
線路は複数段の増幅型受光素子で発生する制御信号電流
及び出力信号電流を光導波路内で伝搬する光信号に対し
てそれぞれ１８０°未満の位相差で伝送することが望ま
しい。

【００２９】このように本発明に係る集積化光半導体素
子では、受光及び増幅の機能を併せ持っており、しかも
増幅型受光素子が進行波型増幅器を形成しており、従来
では増幅に利用されていなかった正孔の信号を制御信号
電流として引き出して増幅に利用することにより、製造
プロセスが簡単で、かつ小型化が可能な構成でありなが
ら、ゲインまたは雑音と帯域とのトレードオフ関係が解
消され、低雑音化及び広帯域化が達成される。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。（第１の実施形態）図１に、本発明の第１の実施形態に
係る集積化光半導体素子の構成を示す。半絶縁性（以
下、ＳＩと記す）ＩｎＰ基板１１上に、まずＳＩ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰからなるコア層１２が６０ｎｍの厚さに形成
され、この上にＳＩ−ＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド
層１３が２０ｎｍの厚さに形成されることによって、光
導波路１４が形成されている。コア層１２及びクラッド
層１３の光吸収端波長は、それぞれ１．０６μｍ及び
１．３μｍである。

【００３１】一方、クラッド層１３上にｎ型ＩｎＰから
なるサブコレクタ層１５が７０μｍの厚さに形成され、
この上にｉ型ＩｎＧａＡｓからなるコレクタ層１６が７
００ｎｍ、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層１７が７
０ｎｍ、ｎ型ＩｎＰからなるエミッタ層１８が１５０ｎ
ｍの厚さに順次形成され、コレクタ層１６、ベース層１
７及びエミッタ層１８により、増幅型受光素子であるｎ
ｐｎ型フォトトランジスタ（ＰＴｒ）１９が構成されて
いる。コレクタ層１６は、サブコレクタ層１５を介して
光導波路１４のコア層１２とエバネッセント光結合して
いる。

【００３２】さらに、エミッタ層１８の上にｎ型ＩｎＧ
ａＡｓからなるコンタクト層２０が１７０ｎｍの厚さに
形成され、このコンタクト層２０上にエミッタ電極２１
が、ベース層１７の上にベース電極２２が、コレクタ層
１６の上にコレクタ電極２３がそれぞれ形成されてい
る。

【００３３】ここで、エミッタ電極２１及びベース電極
２２の幅はそれぞれ３μｍであり、コレクタ層１６、ベ
ース層１７及びエミッタ層１８の厚さに比して十分に大
きいため、コレクタ電極２３との間に実質的にコプレー
ナ型の高周波伝送線路を形成している。このときのエミ
ッタ電極２１の特性インピーダンスは、５０Ωに整合し
ている。また、エミッタ電極２１に対してコレクタ電極
２３は正に、ベース電極２２は負にそれぞれバイアスさ
れている。

【００３４】次に、本実施形態による集積化光半導体素
子の動作を述べる。光導波路１４は図の手前の端が光入
射端であり、この光入射端側におけるコア層１２Ａの幅
は、ＰＴｒ１９の下側の領域の幅より狭いストリップ状
となっているが、クラッド層１３Ａの幅は、光入射端側
におけるＰＴｒ１９の下側の領域の幅と同じである。

【００３５】光導波路１４の光入射端よりコア層１２Ａ
に入射した光信号は、ＰＴｒ１９の下側のコア層１２内
を進行する。この際、コア層１２内を進行する光信号の
一部はコレクタ層１６の空乏層で吸収されて電子−正孔
対を発生する。電子−正孔対のうち、電子は通常のＰＴ
ｒと同様にサブコレクタ層１５を通じてコレクタ電極２
３より取り出される。

【００３６】一方、正孔はベース層１７に集積してベー
ス電界を変調し、エミッタ層１８からコレクタ層１６へ
流れる電流を変調する。エミッタ電極２１は高周波伝送
線路となっているため、エミッタ電極２１には光信号に
よってコレクタ電流を変調したコレクタ信号電流が出力
信号電流として発生し、コア層１２内を進行する光信号
と同速度で伝送される。

【００３７】ベース層１７に集積された正孔は、直ちに
ベース層１７からベース電極２２に引き出されるため、
微小領域毎の光信号に対する増幅率は通常のフローティ
ング型のＰＴｒ程には高くならない。しかし、本実施形
態においてはベース電極２２も高周波伝送線路となって
いるため、ベース層１７から引き出された電流がベース
信号電流（制御信号電流）として光信号と同じ速度でベ
ース電極２２上を進行し、次々にベース電界を変調する
ことにより出力信号電流であるコレクタ信号電流を発生
させる。すなわち、１個のＰＴｒ自身で進行波型増幅器
を形成しているため、全体としての増幅率は高くなる。

【００３８】ここで、光速度は光導波路の実効屈折率に
より、電流速度は高周波伝送線路の容量やインダクタン
スによりそれぞれ変化する。これらは素子の構造と密接
に絡むため、現実には電流速度と光速度を厳密に一致さ
せることは困難であるが、先の文献［１］によれば、電
流速度が光速度の３５％であっても、１７０ＧＨｚの帯
域が得られている（文献［３］ＩＥＥＥフォトニクス・
テクノロジー・レターズ第４巻第１２号(1992)、P.1363
参照）。

【００３９】これは素子長を２μｍと短くして、伝送さ
れる電気信号と光信号との位相差を小さくしているため
であるが、そのため取り出し得る電流値は小さなものと
なっている。素子長を長くして効率を高め、かつ位相差
を小さくして広帯域を得るためには、光信号と電気信号
との伝送速度の差をできるだけ小さくすることが望まし
い。

【００４０】光の吸収により発生する正孔は、ベース層
中を直接、光信号の速度と同期させて流すことも不可能
ではない。しかし、そのためには５ｋＶ／ｃｍ以上の高
電界を必要とするなど非現実的であり、本実施形態のよ
うにベース層１７から正孔をベース電極２２に引き出し
て、高周波伝送線路であるベース電極２２上をベース信
号電流として伝送する方が現実的である。

【００４１】本実施形態によると、半導体層（コレクタ
層１６、ベース層１７、エミッタ層１８）の厚さや電極
（エミッタ電極２１、ベース電極２２、コレクタ電極２
３）の幅を先のように選んだ場合、電気信号の伝送速度
は、コレクタ信号電流については５５μｍ／ｐｓ、ベー
ス信号電流については６１μｍ／ｐｓとなる。一方、光
信号の伝送速度は、８６μｍ／ｐｓとなる。

【００４２】このように高周波伝送線路であるエミッタ
電極２１及びベース電極２２を通る電気信号の位相速度
は、光信号の位相速度に対して６４〜７１％となってお
り、たとえ１００ＧＨｚの信号を１ｍｍ伝送したとして
も、両者の位相差を１８０゜未満とすることができるの
で、信号が相殺されてしまうことはない。すなわち、本
実施形態によると１００ＧＨｚ以上の帯域が得られるた
め、高速光信号を受信したときも出力信号に裾を引くこ
となく、高い応答出力電流を得ることができ、Ｓ／Ｎ比
も向上する。

【００４３】エミッタ電極２１の特性インピーダンスに
ついても、同様に電極の幅と下地となる半導体層及び空
乏層の厚さで決定される。本実施形態の場合、これらの
パラメータを特性インピーダンスが５０Ωとなるように
選んでいるため、出力整合回路のような複雑な回路を介
さずに直接、次段の増幅回路等に接続できる。また、従
来のＯＥＩＣのように受光素子と増幅素子とを個別に形
成する必要もない。これらにより、簡単な構成で、低雑
音、かつ応答速度及び受光感度が高く、小型で低コスト
のＯＥＩＣ（集積化半導体素子）が実現できる。

【００４４】本実施形態については、次のような変形が
可能である。例えば、本実施形態ではエミッタ電極２１
から出力信号電流を取り出すことを想定しているため、
コレクタ電極２３は必ずしも高周波伝送線路である必要
はないが、コレクタ電極２３を高周波伝送線路として出
力信号電流を取り出すことも可能である。ベース電極２
２とコレクタ電極２３の上下は、逆転していてもよい。

【００４５】また、必要に応じて後段に従来型の増幅回
路や波形整形回路等を集積してもよい。さらに、ベース
電極に他の信号を付加して、ミキシングや逓倍作用等を
行わせることも可能である。また、ベース電極から取り
出される制御信号電流を他の増幅回路や自動利得制御に
利用するなど、複雑で高度な処理が簡単な構成で可能と
なり、これも小型化、低コスト化に寄与する。もちろ
ん、電極の入出力端には他の回路や素子との接続を容易
にするための、フレア型などのパッドを設けても構わな
い。

【００４６】（第２の実施形態）第１の実施形態では、
ＰＴｒを１個にまとめて構成したが、必ずしもその必要
はなく、複数個に分割して構成することも可能である。

【００４７】図２は、本発明の第２の実施形態に係る集
積化光半導体素子であり、光導波路１４上に複数段（こ
の例では３段）のＰＴｒ１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃが形成
されている。各ＰＴｒ１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃのベース
電極２２とエミッタ電極２１はそれぞれ第１及び第２の
高周波伝送線路２５，２６で共通に接続されることによ
り、進行波型増幅器を構成している。なお、図２ではコ
レクタ電極については図示を省略している。

【００４８】本実施形態の動作は、基本的には第１の実
施形態と同様であるが、複数段のＰＴｒ１９Ａ，１９
Ｂ，１９Ｃが形成されているため、光信号の入射により
１段目のＰＴｒ１９Ａのベース電極２２から引き出され
たベース信号電流（制御信号電流）は、第１の高周波伝
送線路２５により光信号と同一の速度で次段のＰＴｒ１
９Ｂのベース層に印加され、ＰＴｒ１９Ｂで増幅されて
第２の高周波伝送線路２６からコレクタ信号電流（出力
信号電流）として取り出される。同様に、２段目のＰＴ
ｒ１９Ｂのベース電極２２から引き出されたベース信号
電流は、高周波伝送線路２５により光信号と同一の速度
で次段のＰＴｒ１９Ｃのベース層に印加され、ＰＴｒ１
９Ｃで増幅されて高周波伝送線路２６からコレクタ信号
電流として取り出される。各ＰＴｒ１９Ａ，１９Ｂ，１
９Ｃから出力信号電流として取り出されるコレクタ信号
電流は、高周波伝送線路２６で合成されてＯＥＩＣから
出力される。

【００４９】本実施形態において、各ＰＴｒ１９Ａ，１
９Ｂ，１９Ｃ内のベース電極２２及びエミッタ電極２１
は、第１の実施形態と同様に高周波伝送線路を形成して
いることが望ましいが、必ずしもその必要はない。但
し、第１の実施形態と同様に、ベース信号電流及びコレ
クタ信号電流は光信号の位相と１８０゜以内の位相差で
次段へ伝達される必要がある。

【００５０】本実施形態では、高周波伝送線路２５，２
６の下に空乏層が存在しないことから、高周波伝送線路
２５，２６自身の容量は小さいため、電気信号の速度は
光信号より速くなる。しかし、ＰＴｒ１９Ａ，１９Ｂ，
１９Ｃ自身の持つベース−コレクタ間、またはエミッタ
−コレクタ間の容量が高周波伝送線路２５，２６に対し
て周期的に付加されるため、これらの容量の影響で電気
信号速度は遅くなる。すなわち、ＰＴｒ１９Ａ，１９
Ｂ，１９Ｃのベース−コレクタ間、またはエミッタ−コ
レクタ間の容量と、ＰＴｒ１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃの間
隔を適宜調節することで、電気信号と光信号とを同期さ
せることが可能となり、広帯域の集積化光半導体素子を
実現することができる。

【００５１】なお、図２では高周波伝送線路２５，２６
を直線状に形成したが、必ずしもその必要はなく、例え
ば適度な曲線を描くように形成して、伝送する電気信号
に遅延を加えるようにすることで、光信号と電気信号の
速度整合を一層容易にすることができる。また、必要に
応じて高周波伝送線路２５，２６にインダクタやキャパ
シタをさらに付加して遅延時間を調整するようにしても
よい。さらに、図２では３段のＰＴｒ１９Ａ，１９Ｂ，
１９Ｃを縦続接続した例を示しているが、接続段数はこ
れに限られるものではなく、２段あるいは４段以上であ
っても構わないことは言うまでもない。以下の実施形態
においても、これらの変形を行うことが同様である。

【００５２】（第３の実施形態）上述したような受光・
増幅作用は、バイポーラトランジスタであるＰＴｒばか
りでなく、ＦＥＴやＨＥＭＴにも見られることが知られ
ており、これらを用いて本発明を実施することもでき
る。以下、本発明の第３の実施形態として、接合型ＦＥ
Ｔを利用した場合を例にとって説明する。

【００５３】図３は、本発明の第３の実施形態に係る集
積化光半導体素子として、光導波路を集積したＦＥＴの
断面を示している。まず、第１の実施形態と同様に、Ｓ
Ｉ−ＩｎＰ基板３１上にＳＩ−ＩｎＧａＡｓＰからなる
コア層３２が形成され、この上にストリップ状のＳＩ−
ＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド層３３が装荷されるこ
とにより、光導波路３４が形成されている。

【００５４】クラッド層３３の上に、さらにＳＩ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰからなるバッファ層３５及びｎ−ＩｎＧａＡ
ｓからなる光吸収チャネル層３６が順次積層されてい
る。光吸収チャネル層３６には、部分的にｎ⁺ にドープ
されたソース領域３７、ドレイン領域３８、及びｐ⁺に
ドープされたゲート領域３９が形成されており、これら
により接合型ＦＥＴ４０が形成されている。ゲート領域
３９は、好ましくは短いゲート長を制御性良く実現し、
かつバイアス電圧を低くしてリーク電流を減らすため
に、Ｖ字状の溝にＦＩＢ（フォーカストイオンビーム）
によりドープされている。

【００５５】ソース領域３７、ドレイン領域３８及びゲ
ート領域３９には、それぞれソース電極４１、ゲート電
極４２及びドレイン電極４３がオーミック接合されてい
る。また、光吸収チャネル層３６のソース電極４１及び
ゲート電極４２で覆われていない領域に、パッシベーシ
ョンを兼ねた絶縁膜４４が形成されている。

【００５６】ゲート電極４２に逆バイアスを印加する
と、チャネル内に空乏層が延び、ソース−ドレイン間の
電流は遮断される。この空乏層部分を光導波路３４内を
進行してきた光信号が通過すると、第１の実施形態のＰ
Ｔｒの例と同様に電子−正孔対が発生される。これらの
うち、正孔はゲート電極４２から印加される電界を緩和
してチャネル電流を変調し、ゲート電極４２より取り出
される。一方、電子はチャネル電流に加わってドレイン
電極４３より排出される。

【００５７】通常、ＩｎＧａＡｓチャネル層上にはショ
ットキー電極を形成しにくいため、ＩｎＰやＡｌＩｎＡ
ｓバリア層を挿入してショットキー電極を実現してい
る。しかし、そのような構成では正孔がチャネル層／バ
リア層界面にトラップされ、ゲート電極に達しにくくな
るため、光に対するゲインは高いが、応答が遅くなって
しまう。これに対して、本実施形態ではｐｎ接合型ゲー
トを形成しているため、正孔はトラップされることなく
ゲート電極４２に到達することになり、応答性が向上す
る。

【００５８】（第４の実施形態）第３の実施形態におい
て、ＧＨｚ帯の応答速度を得るためには、キャリアの走
行時間を制限するためにゲート長は１μｍ以下と短いこ
とが必要であり、また容量低減のためにゲート幅も小さ
いことが要求される。この結果、光吸収に寄与する空乏
層の体積が小さくなり、ゲート一個当たりの受光効率は
低いものとなる。逆に、ソース領域及びドレイン領域で
吸収される光は出力電流に寄与せず、受光効率を制限す
る要因となる。そこで、本発明の第４の実施形態とし
て、ＦＥＴを用いて高速応答を可能としつつ、より高い
受光効率を実現する集積化光半導体素子について説明す
る。

【００５９】図４は、本発明の第４の実施形態に係る集
積化光半導体素子であり、ゲート電極４２は光導波路３
４上に光信号の進行方向と垂直に複数本設けられてい
る。従って、ゲート１本当りの容量は低く、かつ全体の
受光効率は高いものとなっている。ソース電極４１及び
ドレイン電極４３は、ゲート電極４２を挟んで光導波路
３４に沿って、つまり光信号の進行方向に交互に設けら
れており、これにより無駄な面積の削減が図られてい
る。

【００６０】ゲート電極４２及びドレイン電極４３は、
それぞれ第１及び第２の高周波伝送線路４５，４６に接
続され、またソース電極４１はソース配線４７に接続さ
れている。ソース電極４１は通常、接地されるため、必
ずしも高周波伝送線路である必要はない。

【００６１】ＰＴｒの例と同様に、ゲート電極４２から
取り出されたゲート信号は第１の高周波伝送線路４５を
通して隣接するゲート電極４２に伝送され、そこで生成
する正孔と同期してゲート電界を次々に変調する。従っ
て、第３の実施形態のようにゲート一個で受光及び増幅
を行う構成に比較して、より高い増幅率と受光感度が得
られる。増幅されたドレイン信号電流は、第２の高周波
伝送線路４６で合成されて取り出される。

【００６２】高周波伝送線路４５，４６には、ＦＥＴの
ゲート−ソース間、もしくはゲート−ドレイン間容量が
周期的に印加されるため、これらの容量とゲート電極４
２の間隔を適宜調整することで、電気信号の速度と光信
号の速度とを同期させることが可能となる。

【００６３】（第５の実施形態）図５は、本発明の第５
の実施形態に係る集積化光半導体素子であり、図４では
第１の高周波伝送線路４５に並列に接続されていたゲー
ト電極４２を第１の高周波伝送線路４５により直列に接
続している。

【００６４】本実施形態によると、ゲート全体としての
容量は大きなものとなるが、ゲート配線である第１の高
周波伝送線路４５に加えて、ゲート電極４２自身も高周
波伝送線路とみなすことができるようになるため、より
高速応答が可能である。さらに、各ゲートで発生したゲ
ート信号電流は確実に次段のゲートに伝達されるため、
高効率化が可能となる。

【００６５】（第６の実施形態）図６は、本発明の第６
の実施形態に係る集積化光半導体素子であり、第２〜第
５の実施形態で一つにまとめられていたＦＥＴを分散配
置したものである。すなわち、図６の例では２個のＦＥ
Ｔ４０Ａ，４０Ｂが光導波路３４の長手方向に分散して
配置されている。なお、ソース配線については図示を省
略している。

【００６６】本実施形態では、各ＦＥＴ４０Ａ，４０Ｂ
のゲート電極４２をそれぞれ図４に示した第４の実施形
態と同様に並列接続しているが、図５に示した第５の実
施形態のように直列接続してもよい。また、ゲート電極
を光導波路と並行に配置したり、これらの配置を組み合
わせる、といった変形も可能である。

【００６７】以上、本発明の実施形態をいくつか説明し
てきたが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で以下の
ように種々変形して実施が可能である。

【００６８】（１）ＦＥＴとしては接合型ばかりでな
く、材料系によってはショットキー型ＦＥＴ（ＭＥＳ−
ＦＥＴ）やＨＥＭＴ、更にはこれらを組み合わせたもの
であっても構わない。

【００６９】（２）以上の実施形態では、主に波長１．
５５μｍの長波長帯受光を目的として、ＩｎＰ系の材料
を使用したＰＴｒ及びＦＥＴを用いた場合について説明
してきたが、光導波路やＰＴｒ及びＦＥＴを形成する材
料や寸法は、実施形態で示したものに限られるものでは
ない。例えば、近年検討されているように、ＩｎＰ系の
材料のクラッド層と光吸収層の間にＡｌＧａＩｎＡｓ層
を挿入することも可能である。ＩｎＰ系以外でも、可視
光受光を目的としたＧａＡｓ系、将来の青色〜紫外光受
光を目的としたＧａＮ系、ＳｉＧｅやＳｉＣなどの材料
系も使用可能であることは言うまでもない。光導波路に
ついても、半導体ばかりでなくポリイミド等の高分子材
料やガラスなどを使用することも可能である。

【００７０】（３）以上の各実施形態では、ベースまた
はゲートをｐ型として電子電流を増幅する例を示した
が、ｐ型、ｎ型を逆転することも可能である。この場
合、電子は正孔よりも高速に取り出されるため、一層の
高速化が可能となる。もちろん、ソース層とドレイン層
が逆転していても構わない。

【００７１】（４）本発明の集積化光半導体素子は、単
なる受光器回路ばかりでなく、例えば発光素子の駆動回
路、変調器、識別器、発振器、ミキサなど、光吸収を利
用した各種の光電子回路にも応用することが可能であ
る。具体的には、発光素子の駆動回路を構成する場合
は、本発明による集積化光半導体素子の出力信号を半導
体レーザやＬＥＤなどの発光素子を駆動する回路に入力
すればよい。変調器を構成する場合は、本発明による集
積化光半導体素子の出力信号を変調回路に入力して、電
気信号（搬送波信号）を変調するようにすればよい。識
別器を構成する場合は、本発明による光半導体素子の出
力信号を比較器などに入力して“１”，“０”の判定を
行うようにすればよい。発振器を構成する場合は、本発
明による光半導体素子の出力信号を発振回路部にトリガ
信号として入力すればよい。さらに、ミキサを構成する
場合は、本発明による集積化光半導体素子の出力信号を
乗算回路に入力して、ローカル信号などの電気信号と乗
算すればよい。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば小
型で高感度、広帯域、低雑音の集積型光半導体素子を簡
易な製造プロセスで低コストに実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る集積化光半導体
素子の構成を示す斜視図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る集積化光半導体
素子の構成を示す平面図

【図３】本発明の第３の実施形態に係る集積化光半導体
素子の構成を示す断面図

【図４】本発明の第４の実施形態に係る集積化光半導体
素子の構成を示す平面図

【図５】本発明の第５の実施形態に係る集積化光半導体
素子の構成を示す平面図

【図６】本発明の第６の実施形態に係る集積化光半導体
素子の構成を示す平面図

【図７】従来の集積化光半導体素子の回路図

【図８】従来の光半導体素子の斜視図

【符号の説明】

１１…基板１２…コア層１３…クラッド層１４…光導波路１５…サブコレクタ層１６…コレクタ層１７…ベース層１８…エミッタ層１９，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ…フォトトランジスタ２０…コンタクト層２１…エミッタ電極（高周波伝送線路）２２…ベース電極（高周波伝送線路）２３…コレクタ電極２５…第１の高周波伝送線路２６…第２の高周波伝送線路３１…基板３２…コア層３３…クラッド層３４…光導波路３５…バッファ層３６…光吸収チャネル層３７…ソース領域３８…ドレイン領域３９…ゲート領域４０，４０Ａ，４０Ｂ…ＦＥＴ４１…ソース電極４２…ゲート電極４３…ドレイン電極４５…第１の高周波伝送線路４６…第２の高周波伝送線路４７…ソース配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光信号を伝搬させる光導波路と、前記光導波路内を伝搬する光信号を受光して電気信号に
変換しかつ増幅する増幅型受光素子とを集積化して構成
され、前記増幅型受光素子は進行波型増幅器を形成しているこ
とを特徴とする集積化光半導体素子。
【請求項２】光信号を伝搬させる光導波路と、前記光導波路と光結合して制御信号電流を発生し、かつ
該制御信号電流により変調及び増幅された出力信号電流
を発生する増幅型受光素子とを集積化して構成され、前記増幅型受光素子は、制御電極及び少なくとも一つの
主電極が高周波伝送線路により構成され、該制御電極を
介して前記制御信号電流を伝送し、該主電極を介して前
記出力信号電流を伝送することを特徴とする集積化光半
導体素子。
【請求項３】前記制御電極及び前記主電極は、前記制御
信号電流及び前記出力信号電流を前記光導波路内で伝搬
する光信号に対してそれぞれ１８０°未満の位相差で伝
送することを特徴とする請求項２記載の集積化光半導体
素子。
【請求項４】光信号を伝搬させる光導波路と、前記光導波路と光結合して制御信号電流を発生し、かつ
該制御信号電流により変調及び増幅された出力信号電流
を発生する複数段の増幅型受光素子と、前記複数段の増幅型受光素子でそれぞれ発生する前記制
御信号電流を次段の増幅型受光素子へ伝送する第１の高
周波伝送線路と、前記複数段の増幅型受光素子でそれぞれ発生する前記出
力信号電流を合成して伝送する第２の高周波伝送線路と
を集積化してなることを特徴とする集積化光半導体素
子。
【請求項５】前記第１及び第２の高周波伝送線路は、前
記複数段の増幅型受光素子で発生する前記制御信号電流
及び出力信号電流を前記光導波路内で伝搬する光信号に
対してそれぞれ１８０°未満の位相差で伝送することを
特徴とする請求項４記載の集積化光半導体素子。
【請求項６】前記増幅型受光素子は、前記光導波路から
入力される光信号の吸収により電子−正孔対を発生し、
正孔の信号を前記制御信号電流として発生することを特
徴とする請求項２乃至５のいずれか１項記載の集積化光
半導体素子。