JP2004247620A - 半導体受光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で十分な感度を有する端面入射型若しくは光導波路型の半導体受光素子を実現する。
【解決手段】入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、基板と、この基板上に形成され入射光がエバネッセント光として光強度を減衰させながら伝播する光導波路層と、この光導波路層上の中央部分に形成され基板より格子定数が大きい光吸収層と、この光吸収層の光吸収で発生した光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、光導波路層内に形成され基板と光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層とを設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、基板と、この基板上に形成され入射光がエバネッセント光として光強度を減衰させながら伝播する光導波路層と、この光導波路層上の中央部分に形成され基板より格子定数が大きい光吸収層と、この光吸収層の光吸収で発生した光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、光導波路層内に形成され基板と光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層とを設ける。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
本発明は、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）の生成により光電変換が行われる半導体受光素子に関し、特にＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）通信で用いられる全ての波長で十分な感度を有することが可能な半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）の生成により光電変換が行われる半導体受光素子に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３１８７６５号公報
【特許文献２】
特開平９−２８３７８６号公報
【非特許文献１】
Ａ．Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙａ ａｎｄ Ｍ．Ｊａｍａｌ Ｄｅｅｎ： Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ， ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｈ．Ｓ．Ｎａｌｗａ， Ｃｈ．５， ｐｐ．３０７−３６８ （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ２００１）
【非特許文献２】
Ｌ．Ｇｉｒａｕｄｅ ｅｔ ａｌ．： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ３７， ｐｐ．９７３−９７５ （２００１）
【非特許文献３】
Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ２６， ｐｐ．１−２ （２０００）
【０００４】
従来の半導体受光素子であるフォトダイオードは光センシングや光通信等に用いられ、このようなｐｉｎ構造のフォトダイオードは表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００５】
また、ショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードもまた表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００６】
図７はこのような従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図７において１はｎ型ＩｎＰ等の基板、２及び６は電極、３はｎ型ＩｎＰ等のバッファ層、４はｎ型ＩｎＧａＡｓ等の光吸収層、５はＳｉＮ等の反射防止膜である。
【０００７】
基板１上にはバッファ層３、光吸収層４及び反射防止膜５が順次形成され、基板１の裏面には電極２が形成される。また、反射防止膜５の一部には電極６が形成される。
【０００８】
入射光は図７中”ＰＨ０１”に示すように半導体受光素子の表面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極２及び６から光信号電流として取り出される。
【０００９】
また、図８はこのような従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。図８において７は半絶縁性ＩｎＰ等の基板、８はポリイミド等の絶縁層、９はｐ電極、１０はｎ電極、１１はＩｎＧａＡｓ等の光吸収層である。
【００１０】
基板７上には絶縁層８、光吸収層１１及びｎ電極１０がそれぞれ形成され、絶縁層８及び光吸収層１１の上部にはｐ電極９が形成される。
【００１１】
入射光は図８中”ＰＨ１１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｐ電極９及びｎ電極１０から光信号電流として取り出される。
【００１２】
図９はこのような従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図９において１２は半絶縁性の基板、１３はコンタクト層、１４は光吸収層、１５はｎ電極、１６は半透明のショットキー接合電極である。
【００１３】
基板１２上にはコンタクト層１３が形成され、コンタクト層１３上の一部には光吸収層１４が形成され、コンタクト層１３の他の部分にはｎ電極１５が形成される。また、光吸収層１４の上にはショットキー接合電極１６が形成される。
【００１４】
入射光は図９中”ＰＨ２１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｎ電極１５及びショットキー接合電極１６から光信号電流として取り出される。
【００１５】
前述のような構造では、受光面から入射する光強度は光吸収層での光吸収によって減衰して行く。図１０は受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【００１６】
図１０中”ＣＨ３１”に示すように、受光面からの距離が長くなると光吸収が減衰し、また、光吸収によって減衰して光励起キャリア（電子−正孔対）が生成される。
【００１７】
すなわち、図１０中”ＣＨ３１”からも分かるように受光面近傍での光吸収が一番大きい、言い換えれば、受光面近傍の光励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最も高くなる。
【００１８】
このため、入射光の光強度が大きい場合には、光励起キャリア（電子−正孔対）によって半導体受光素子の入射面に損傷が発生してしまう現象が知られている。
【００１９】
従って、従来では光導波路と受光素子を集積化し、光導波路からのエバネッセント光を受光素子に導き入射光の光強度を低減させる構造が考案されている。
【００２０】
図１１はこのような従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。図１１において１７は基板、１８は光導波路、１９は光吸収層、２０はキャップ層である。
【００２１】
基板１７上には光導波路１８が形成され、光導波路１８の一部分の上には光吸収層１９及びキャップ層２０が順次形成される。
【００２２】
このような構成にすることによって半導体受光素子は、図１１中”ＷＧ４１”に示す光導波路部と、図１１中”ＰＤ４１”に示す受光素子部に分離することができる。
【００２３】
一方、ここではエバネッセント光とは、図１１中”ＰＨ４１”に示すような入射光が入射された場合、図１１中”ＥＶ４１”に示すように入射面の近傍であって光導波路１８の外部に染み出す光である。
【００２４】
ここで、図１１中”ＥＶ１１”に示すエバネッセント光において紙面右方向が光強度を示している。
【００２５】
このような、光導波路１８内を順次導波した光はエバネッセント光の吸収があると光強度を減衰させるので、半導体受光素子の入射面に損傷の発生を防止することができる。
【００２６】
すなわち、図１１中”ＥＶ４２”、”ＥＶ４３”及び”ＥＶ４４”に示すように光が光導波路１８を伝播することにより、エバネッセント光が吸収されて伝播する光の光強度を減衰させることが可能になる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような従来例ではＩｎＧａＡｓ等の光吸収層をＩｎＰ基板上に形成させる場合には、ＩｎＧａＡｓ等の光吸収層に結晶欠陥が生じないように、基板であるＩｎＰと格子定数が一致（格子整合）するように光吸収層を成長させている。
【００２８】
ここで、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの格子定数”ａ”及びバンドギャップエネルギー”Ｅｇ”はＩｎの組成”ｘ”によって決定され、ＩｎＰに格子整合するように形成されたＩｎＧａＡｓ（光吸収層）のバンドギャップエネルギーは室温で約”０．７４〜０．７５ｅＶ”となり、これに対応する吸収端波長は”１．６５〜１．６７μｍ”である。
【００２９】
このため、このような半導体受光素子の感度は”１．６５〜１．６７μｍ”に近づくにつれ減少し、吸収端波長よりも長波長側の感度は殆どなく、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）通信で用いられる波長帯域の長波長側のＵバンド（１．６２５〜１．６７５μｍ）で十分な感度を得ることができない、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で十分な感度を得ることができないと言った問題点があった。
【００３０】
このような問題は「Ｍ．Ｗａｄａ ｅｔ ａｌ．： Ｔｒａｎｓ． ＩＥＥ ｏｆ Ｊａｐａｎ， １２２−Ｅ， ｐｐ．２９−３４ （２００２）」に記載されたように、表面入射型の半導体受光素子において格子不整合ＩｎＧａＡｓ層を光吸収層として用いることにより、”２．５μｍ”より長波長側に感度波長を拡大することが可能である。
【００３１】
但し、数１０Ｇｂｐｓの伝送速度に対応可能な端面入射型や光導波路型の半導体受光素子に関しては格子不整合ＩｎＧａＡｓを光吸収層として用いる事例がなく、このため、端面入射型や光導波路型の半導体受光素子は高速動作が可能であるもののＷＤＭ通信のＵバンド等で十分な感度を有していないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で十分な感度を有する端面入射型若しくは光導波路型の半導体受光素子を実現することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板と、この基板上に形成され前記入射光がエバネッセント光として光強度を減衰させながら伝播する光導波路層と、この光導波路層上の中央部分に形成され前記基板より格子定数が大きい光吸収層と、この光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、前記光導波路層内に形成され前記基板と前記光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層とから構成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３３】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記基板の格子定数から前記光吸収層の格子定数まで徐々に変化するように形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３４】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記光導波路層の上層部分に形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３５】
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記光導波路層の下層部分に形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３６】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記光導波路層の中層部分に形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３７】
請求項６記載の発明は、
入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板と、この基板上に形成され端面に入射された前記入射光が伝播する光導波路層と、この光導波路層内の中層部分に形成され前記基板より格子定数が大きい光吸収層と、この光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、前記光導波路層内に形成され前記基板と前記光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層とから構成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３８】
請求項７記載の発明は、
請求項６記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記基板の格子定数から前記光吸収層の格子定数まで徐々に変化するように形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図及び正面図である。
【００４０】
図１及び図２において２１は半絶縁性のＩｎＰの基板、２２はｎ型のＩｎＰ及びｎ型のＩｎＧａＡｓＰで形成された光導波路層、２３は基板２１を構成するＩｎＰの格子定数よりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓで形成された光吸収層、２４はｐ型のＩｎＰで形成されたキャップ層、２５及び２６は光信号電流を取り出すための電極、２７は基板２１と光吸収層２３の格子不整合による歪を緩和するために光導波路層２２内にＩｎＧａＡｓＰで形成された歪緩和層である。
【００４１】
基板２１上であって長手方向の中央部分には光導波路層２２が形成され、光導波路層２２内であって上層部分には歪緩和層２７が形成される。光導波路層２２（歪緩和層２７）の上であって、中央部分はに光吸収層２３が形成され、光吸収層２３の上にはキャップ層２４及び電極２５が順次形成される。
【００４２】
また、光導波路層２２（歪緩和層２７）上、光吸収層２３の近傍であって入射光の入射端とは逆側には電極２６が形成される。
【００４３】
ここで、図１及び図２に示す実施例の動作を図３及び図４を用いて説明する。図３は光導波路層２２の詳細を説明する説明図、図４は光導波路層２２内の光強度分布を示す説明図である。
【００４４】
図３において２１，２２，２３，２４及び２５は図１と同一符号を付してあり、２８は光導波路層２２を構成するｎ型のＩｎＰ層、２９は吸収端波長が”１．１μｍ”であり格子定数がＩｎＰより”約０．０％”大きいｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層、３０は吸収端波長が”１．２μｍ”であり格子定数がＩｎＰより”約０．１％”大きいｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層、３１は吸収端波長が”１．３μｍ”であり格子定数がＩｎＰより”約０．２％”大きいｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層である。
【００４５】
図３に示すように基板２１上にはＩｎＰ層２８、ＩｎＧａＡｓＰ層２９、ＩｎＧａＡｓＰ層３０及びＩｎＧａＡｓＰ層３１が順次形成され光導波路層２２を構成する。
【００４６】
一方、ＩｎＧａＡｓＰ層２９、ＩｎＧａＡｓＰ層３０及びＩｎＧａＡｓＰ層３１は歪緩和層２７を構成しており、各ＩｎＧａＡｓＰ層の厚さは”０．５〜０．７μｍ”で形成されている。
【００４７】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ層３１上には格子定数がＩｎＰより”約０．２％”大きいＩｎＧａＡｓで光吸収層２３が形成される。
【００４８】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ層の４元組成層では、３族元素である”Ｉｎ”、”Ｇａ”の組成比と、５族元素である”Ａｓ”、”Ｐ”の組成比を別々に制御することができるので、格子定数と吸収端波長（バンドギャップエネルギー）とをそれぞれ別々に変化させることが容易である。
【００４９】
このため、歪緩和層２７を構成するＩｎＧａＡｓＰ層をＩｎＰ層２８側からＩｎＰの格子定数に対して”約０．０％”、”約０．１％”及び”約０．２％”と順次大きくなるように形成することが容易に実現でき、言い換えれば、基板２１（ＩｎＰ）の格子定数から光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の格子定数まで徐々に変化する歪緩和層２７を容易に形成することができ、基板２１（ＩｎＰ）と光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の格子不整合による歪を緩和することができる。
【００５０】
図１中”ＰＨ５１”に示す端面に入射された入射光は図１中”ＰＣ５１”に示す光導波路部をエバネッセント光として光導波路層２２を光の光強度を減衰させながら伝播して図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部に到達する。
【００５１】
図４において２１，２８，２９，３０及び３１は図３と同一符号を付してあり、例えば、伝播するエバネッセント光の光強度は図４中”ＣＨ７１”に示すように分布（図４では一端のみを示しているが光強度分布は左右対称である。）している。
【００５２】
そして、図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部に到達したエバネッセント光は光吸収層２３において光吸収が生じ、エバネッセント光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極２５及び電極２６から光信号電流として取り出される。
【００５３】
この時、光吸収層２３で吸収されるエバネッセント光は、前述のように光吸収層２３のバンドギャップエネルギーで決定される吸収端波長よりも短波長の光であり、光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の格子定数は基板２１（ＩｎＰ）の格子定数よりも”約０．２％”大きいので、光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の吸収端波長は”約１．８μｍ”となる。
【００５４】
このような吸収端波長”約１．８μｍ”は、Ｕバンド（１．６２５〜１．６７５μｍ）を含むＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することを意味することになる。
【００５５】
また、半導体受光素子の遮断周波数は光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）における光励起キャリアの走行時間でほぼ決定されるので、”３０〜４０ＧＨｚ”の遮断周波数を得るためには光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の厚さを”１μｍ”以下にする。
【００５６】
この結果、基板２１であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層２３として用い、基板２１と光吸収層２３との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層２７を光導波路層２２内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００５７】
また、光導波路層２２内に歪緩和層２７を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００５８】
なお、図３の説明では光吸収層２３の格子定数を基板２１の格子定数よりも”約０．２％”大きくした例を示しているが、勿論、この数値に限定されるものではなく、必要に応じて格子不整合の度合いを調整しても構わない。
【００５９】
また、図１及び図２に示す実施例では、歪緩和層２７を光導波路層２２の上層部分に形成しているが、光導波路層２２内であって基板２１と光吸収層２３との間であれば、中層部分や下層部分であっても構わない。
【００６０】
図５は歪緩和層を光導波路層２２内の下層部分に設けた他の実施例を示す構成断面図である。
【００６１】
図５において２１，２２，２３，２４，２５及び２６は図１と同一符号を付してあり、３２は歪緩和層である。基本的な構成や動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので説明は省略する。
【００６２】
また、図１及び図５では光導波路型の半導体受光素子を例示しているが、端面入射型の半導体受光素子にも適用可能である。
【００６３】
図６は端面入射型の半導体受光素子に適用した実施例を示す構成断面図である。
【００６４】
図６において３３は半絶縁性のＩｎＰの基板、３４はｎ型のＩｎＰ及びｎ型のＩｎＧａＡｓＰで形成された光導波路層、３５は基板２１を構成するＩｎＰの格子定数よりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓで形成された光吸収層、３６はｐ型のＩｎＰで形成されたキャップ層、３７及び３８は光信号電流を取り出すための電極、３９は基板３３と光吸収層３５の格子不整合による歪を緩和するために光導波路層３４内にＩｎＧａＡｓＰで形成された歪緩和層である。
【００６５】
基板３３上であって長手方向の中央部分には光導波路層３４が形成され、光導波路層３４内であって中層部分には光吸収層３５が形成され、下層部分には歪緩和層３９が形成される。光導波路層３４の上にはキャップ層３６及び電極３７が順次形成される。
【００６６】
また、光吸収層３５等が形成されていない歪緩和層３９上、光吸収層３５の近傍であって入射光の入射端とは逆側には電極３８が形成される。
【００６７】
ここで、図６に示す実施例の動作を説明する。但し、歪緩和層３９の構成は図３に示す構成と同様であり、基板３３と光吸収層３５との間の格子定数の違い等も同様であるのでその説明は省略する。
【００６８】
図６中”ＰＨ９１”に示す端面に入射された入射光は図６中”ＣＤ９１”に示す光導波路／受光素子部を光導波路層３４の中央部分に設けられた光吸収層３５によって吸収されながら伝播する。
【００６９】
そして、光導波路層３４を伝播することによって光吸収層３５において光吸収が生じ、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極３７及び電極３８から光信号電流として取り出される。
【００７０】
この時、光吸収層３５で吸収される入射光は、前述のように光吸収層２３のバンドギャップエネルギーで決定される吸収端波長よりも短波長の光であり、図１に示す実施例と同様に、光吸収層３５（ＩｎＧａＡｓ）の格子定数は基板３３（ＩｎＰ）の格子定数よりも”約０．２％”大きいので、光吸収層３５（ＩｎＧａＡｓ）の吸収端波長は”約１．８μｍ”となる。
【００７１】
このような吸収端波長”約１．８μｍ”は、Ｕバンド（１．６２５〜１．６７５μｍ）を含むＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することを意味することになる。
【００７２】
この結果、基板３３であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層３５として用い、基板３３と光吸収層３５との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層３９を光導波路層３４内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００７３】
また、光導波路層３４内に歪緩和層３９を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４及び請求項５の発明によれば、基板であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層として用い、基板と光吸収層との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層を光導波路層内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００７５】
また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００７６】
また、請求項６及び請求項７の発明によれば、基板であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層として用い、基板と光吸収層との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層を光導波路層内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００７７】
また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図である。
【図２】本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す正面図である。
【図３】光導波路層の詳細を説明する説明図である。
【図４】光導波路層内の光強度分布を示す説明図である。
【図５】歪緩和層を光導波路層内の下層部分に設けた他の実施例を示す構成断面図である。
【図６】端面入射型の半導体受光素子に適用した実施例を示す構成断面図である。
【図７】従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図８】従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。
【図９】従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図１０】受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【図１１】従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１，７，１２，１７，２１，３３ 基板
２，６，２５，２６，３７，３８ 電極
３ バッファ層
４，１１，１４，１９，２３，３５ 光吸収層
５ 反射防止膜
８ 絶縁層
９ ｐ電極
１０，１５ ｎ電極
１３ コンタクト層
１６ ショットキー接合電極
１８ 光導波路
２０，２４，３６ キャップ層
２２，３４ 光導波路層
２７，３２，３９ 歪緩和層
２８ ＩｎＰ層
２９，３０，３１ ＩｎＧａＡｓＰ層
本発明は、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）の生成により光電変換が行われる半導体受光素子に関し、特にＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）通信で用いられる全ての波長で十分な感度を有することが可能な半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）の生成により光電変換が行われる半導体受光素子に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３１８７６５号公報
【特許文献２】
特開平９−２８３７８６号公報
【非特許文献１】
Ａ．Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙａ ａｎｄ Ｍ．Ｊａｍａｌ Ｄｅｅｎ： Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ， ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｈ．Ｓ．Ｎａｌｗａ， Ｃｈ．５， ｐｐ．３０７−３６８ （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ２００１）
【非特許文献２】
Ｌ．Ｇｉｒａｕｄｅ ｅｔ ａｌ．： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ３７， ｐｐ．９７３−９７５ （２００１）
【非特許文献３】
Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ２６， ｐｐ．１−２ （２０００）
【０００４】
従来の半導体受光素子であるフォトダイオードは光センシングや光通信等に用いられ、このようなｐｉｎ構造のフォトダイオードは表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００５】
また、ショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードもまた表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００６】
図７はこのような従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図７において１はｎ型ＩｎＰ等の基板、２及び６は電極、３はｎ型ＩｎＰ等のバッファ層、４はｎ型ＩｎＧａＡｓ等の光吸収層、５はＳｉＮ等の反射防止膜である。
【０００７】
基板１上にはバッファ層３、光吸収層４及び反射防止膜５が順次形成され、基板１の裏面には電極２が形成される。また、反射防止膜５の一部には電極６が形成される。
【０００８】
入射光は図７中”ＰＨ０１”に示すように半導体受光素子の表面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極２及び６から光信号電流として取り出される。
【０００９】
また、図８はこのような従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。図８において７は半絶縁性ＩｎＰ等の基板、８はポリイミド等の絶縁層、９はｐ電極、１０はｎ電極、１１はＩｎＧａＡｓ等の光吸収層である。
【００１０】
基板７上には絶縁層８、光吸収層１１及びｎ電極１０がそれぞれ形成され、絶縁層８及び光吸収層１１の上部にはｐ電極９が形成される。
【００１１】
入射光は図８中”ＰＨ１１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｐ電極９及びｎ電極１０から光信号電流として取り出される。
【００１２】
図９はこのような従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図９において１２は半絶縁性の基板、１３はコンタクト層、１４は光吸収層、１５はｎ電極、１６は半透明のショットキー接合電極である。
【００１３】
基板１２上にはコンタクト層１３が形成され、コンタクト層１３上の一部には光吸収層１４が形成され、コンタクト層１３の他の部分にはｎ電極１５が形成される。また、光吸収層１４の上にはショットキー接合電極１６が形成される。
【００１４】
入射光は図９中”ＰＨ２１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｎ電極１５及びショットキー接合電極１６から光信号電流として取り出される。
【００１５】
前述のような構造では、受光面から入射する光強度は光吸収層での光吸収によって減衰して行く。図１０は受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【００１６】
図１０中”ＣＨ３１”に示すように、受光面からの距離が長くなると光吸収が減衰し、また、光吸収によって減衰して光励起キャリア（電子−正孔対）が生成される。
【００１７】
すなわち、図１０中”ＣＨ３１”からも分かるように受光面近傍での光吸収が一番大きい、言い換えれば、受光面近傍の光励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最も高くなる。
【００１８】
このため、入射光の光強度が大きい場合には、光励起キャリア（電子−正孔対）によって半導体受光素子の入射面に損傷が発生してしまう現象が知られている。
【００１９】
従って、従来では光導波路と受光素子を集積化し、光導波路からのエバネッセント光を受光素子に導き入射光の光強度を低減させる構造が考案されている。
【００２０】
図１１はこのような従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。図１１において１７は基板、１８は光導波路、１９は光吸収層、２０はキャップ層である。
【００２１】
基板１７上には光導波路１８が形成され、光導波路１８の一部分の上には光吸収層１９及びキャップ層２０が順次形成される。
【００２２】
このような構成にすることによって半導体受光素子は、図１１中”ＷＧ４１”に示す光導波路部と、図１１中”ＰＤ４１”に示す受光素子部に分離することができる。
【００２３】
一方、ここではエバネッセント光とは、図１１中”ＰＨ４１”に示すような入射光が入射された場合、図１１中”ＥＶ４１”に示すように入射面の近傍であって光導波路１８の外部に染み出す光である。
【００２４】
ここで、図１１中”ＥＶ１１”に示すエバネッセント光において紙面右方向が光強度を示している。
【００２５】
このような、光導波路１８内を順次導波した光はエバネッセント光の吸収があると光強度を減衰させるので、半導体受光素子の入射面に損傷の発生を防止することができる。
【００２６】
すなわち、図１１中”ＥＶ４２”、”ＥＶ４３”及び”ＥＶ４４”に示すように光が光導波路１８を伝播することにより、エバネッセント光が吸収されて伝播する光の光強度を減衰させることが可能になる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような従来例ではＩｎＧａＡｓ等の光吸収層をＩｎＰ基板上に形成させる場合には、ＩｎＧａＡｓ等の光吸収層に結晶欠陥が生じないように、基板であるＩｎＰと格子定数が一致（格子整合）するように光吸収層を成長させている。
【００２８】
ここで、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの格子定数”ａ”及びバンドギャップエネルギー”Ｅｇ”はＩｎの組成”ｘ”によって決定され、ＩｎＰに格子整合するように形成されたＩｎＧａＡｓ（光吸収層）のバンドギャップエネルギーは室温で約”０．７４〜０．７５ｅＶ”となり、これに対応する吸収端波長は”１．６５〜１．６７μｍ”である。
【００２９】
このため、このような半導体受光素子の感度は”１．６５〜１．６７μｍ”に近づくにつれ減少し、吸収端波長よりも長波長側の感度は殆どなく、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）通信で用いられる波長帯域の長波長側のＵバンド（１．６２５〜１．６７５μｍ）で十分な感度を得ることができない、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で十分な感度を得ることができないと言った問題点があった。
【００３０】
このような問題は「Ｍ．Ｗａｄａ ｅｔ ａｌ．： Ｔｒａｎｓ． ＩＥＥ ｏｆ Ｊａｐａｎ， １２２−Ｅ， ｐｐ．２９−３４ （２００２）」に記載されたように、表面入射型の半導体受光素子において格子不整合ＩｎＧａＡｓ層を光吸収層として用いることにより、”２．５μｍ”より長波長側に感度波長を拡大することが可能である。
【００３１】
但し、数１０Ｇｂｐｓの伝送速度に対応可能な端面入射型や光導波路型の半導体受光素子に関しては格子不整合ＩｎＧａＡｓを光吸収層として用いる事例がなく、このため、端面入射型や光導波路型の半導体受光素子は高速動作が可能であるもののＷＤＭ通信のＵバンド等で十分な感度を有していないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で十分な感度を有する端面入射型若しくは光導波路型の半導体受光素子を実現することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板と、この基板上に形成され前記入射光がエバネッセント光として光強度を減衰させながら伝播する光導波路層と、この光導波路層上の中央部分に形成され前記基板より格子定数が大きい光吸収層と、この光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、前記光導波路層内に形成され前記基板と前記光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層とから構成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３３】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記基板の格子定数から前記光吸収層の格子定数まで徐々に変化するように形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３４】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記光導波路層の上層部分に形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３５】
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記光導波路層の下層部分に形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３６】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記光導波路層の中層部分に形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３７】
請求項６記載の発明は、
入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板と、この基板上に形成され端面に入射された前記入射光が伝播する光導波路層と、この光導波路層内の中層部分に形成され前記基板より格子定数が大きい光吸収層と、この光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、前記光導波路層内に形成され前記基板と前記光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層とから構成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３８】
請求項７記載の発明は、
請求項６記載の発明である半導体受光素子において、
前記歪緩和層が、
前記基板の格子定数から前記光吸収層の格子定数まで徐々に変化するように形成されたことにより、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図及び正面図である。
【００４０】
図１及び図２において２１は半絶縁性のＩｎＰの基板、２２はｎ型のＩｎＰ及びｎ型のＩｎＧａＡｓＰで形成された光導波路層、２３は基板２１を構成するＩｎＰの格子定数よりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓで形成された光吸収層、２４はｐ型のＩｎＰで形成されたキャップ層、２５及び２６は光信号電流を取り出すための電極、２７は基板２１と光吸収層２３の格子不整合による歪を緩和するために光導波路層２２内にＩｎＧａＡｓＰで形成された歪緩和層である。
【００４１】
基板２１上であって長手方向の中央部分には光導波路層２２が形成され、光導波路層２２内であって上層部分には歪緩和層２７が形成される。光導波路層２２（歪緩和層２７）の上であって、中央部分はに光吸収層２３が形成され、光吸収層２３の上にはキャップ層２４及び電極２５が順次形成される。
【００４２】
また、光導波路層２２（歪緩和層２７）上、光吸収層２３の近傍であって入射光の入射端とは逆側には電極２６が形成される。
【００４３】
ここで、図１及び図２に示す実施例の動作を図３及び図４を用いて説明する。図３は光導波路層２２の詳細を説明する説明図、図４は光導波路層２２内の光強度分布を示す説明図である。
【００４４】
図３において２１，２２，２３，２４及び２５は図１と同一符号を付してあり、２８は光導波路層２２を構成するｎ型のＩｎＰ層、２９は吸収端波長が”１．１μｍ”であり格子定数がＩｎＰより”約０．０％”大きいｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層、３０は吸収端波長が”１．２μｍ”であり格子定数がＩｎＰより”約０．１％”大きいｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層、３１は吸収端波長が”１．３μｍ”であり格子定数がＩｎＰより”約０．２％”大きいｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層である。
【００４５】
図３に示すように基板２１上にはＩｎＰ層２８、ＩｎＧａＡｓＰ層２９、ＩｎＧａＡｓＰ層３０及びＩｎＧａＡｓＰ層３１が順次形成され光導波路層２２を構成する。
【００４６】
一方、ＩｎＧａＡｓＰ層２９、ＩｎＧａＡｓＰ層３０及びＩｎＧａＡｓＰ層３１は歪緩和層２７を構成しており、各ＩｎＧａＡｓＰ層の厚さは”０．５〜０．７μｍ”で形成されている。
【００４７】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ層３１上には格子定数がＩｎＰより”約０．２％”大きいＩｎＧａＡｓで光吸収層２３が形成される。
【００４８】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ層の４元組成層では、３族元素である”Ｉｎ”、”Ｇａ”の組成比と、５族元素である”Ａｓ”、”Ｐ”の組成比を別々に制御することができるので、格子定数と吸収端波長（バンドギャップエネルギー）とをそれぞれ別々に変化させることが容易である。
【００４９】
このため、歪緩和層２７を構成するＩｎＧａＡｓＰ層をＩｎＰ層２８側からＩｎＰの格子定数に対して”約０．０％”、”約０．１％”及び”約０．２％”と順次大きくなるように形成することが容易に実現でき、言い換えれば、基板２１（ＩｎＰ）の格子定数から光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の格子定数まで徐々に変化する歪緩和層２７を容易に形成することができ、基板２１（ＩｎＰ）と光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の格子不整合による歪を緩和することができる。
【００５０】
図１中”ＰＨ５１”に示す端面に入射された入射光は図１中”ＰＣ５１”に示す光導波路部をエバネッセント光として光導波路層２２を光の光強度を減衰させながら伝播して図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部に到達する。
【００５１】
図４において２１，２８，２９，３０及び３１は図３と同一符号を付してあり、例えば、伝播するエバネッセント光の光強度は図４中”ＣＨ７１”に示すように分布（図４では一端のみを示しているが光強度分布は左右対称である。）している。
【００５２】
そして、図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部に到達したエバネッセント光は光吸収層２３において光吸収が生じ、エバネッセント光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極２５及び電極２６から光信号電流として取り出される。
【００５３】
この時、光吸収層２３で吸収されるエバネッセント光は、前述のように光吸収層２３のバンドギャップエネルギーで決定される吸収端波長よりも短波長の光であり、光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の格子定数は基板２１（ＩｎＰ）の格子定数よりも”約０．２％”大きいので、光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の吸収端波長は”約１．８μｍ”となる。
【００５４】
このような吸収端波長”約１．８μｍ”は、Ｕバンド（１．６２５〜１．６７５μｍ）を含むＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することを意味することになる。
【００５５】
また、半導体受光素子の遮断周波数は光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）における光励起キャリアの走行時間でほぼ決定されるので、”３０〜４０ＧＨｚ”の遮断周波数を得るためには光吸収層２３（ＩｎＧａＡｓ）の厚さを”１μｍ”以下にする。
【００５６】
この結果、基板２１であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層２３として用い、基板２１と光吸収層２３との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層２７を光導波路層２２内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００５７】
また、光導波路層２２内に歪緩和層２７を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００５８】
なお、図３の説明では光吸収層２３の格子定数を基板２１の格子定数よりも”約０．２％”大きくした例を示しているが、勿論、この数値に限定されるものではなく、必要に応じて格子不整合の度合いを調整しても構わない。
【００５９】
また、図１及び図２に示す実施例では、歪緩和層２７を光導波路層２２の上層部分に形成しているが、光導波路層２２内であって基板２１と光吸収層２３との間であれば、中層部分や下層部分であっても構わない。
【００６０】
図５は歪緩和層を光導波路層２２内の下層部分に設けた他の実施例を示す構成断面図である。
【００６１】
図５において２１，２２，２３，２４，２５及び２６は図１と同一符号を付してあり、３２は歪緩和層である。基本的な構成や動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので説明は省略する。
【００６２】
また、図１及び図５では光導波路型の半導体受光素子を例示しているが、端面入射型の半導体受光素子にも適用可能である。
【００６３】
図６は端面入射型の半導体受光素子に適用した実施例を示す構成断面図である。
【００６４】
図６において３３は半絶縁性のＩｎＰの基板、３４はｎ型のＩｎＰ及びｎ型のＩｎＧａＡｓＰで形成された光導波路層、３５は基板２１を構成するＩｎＰの格子定数よりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓで形成された光吸収層、３６はｐ型のＩｎＰで形成されたキャップ層、３７及び３８は光信号電流を取り出すための電極、３９は基板３３と光吸収層３５の格子不整合による歪を緩和するために光導波路層３４内にＩｎＧａＡｓＰで形成された歪緩和層である。
【００６５】
基板３３上であって長手方向の中央部分には光導波路層３４が形成され、光導波路層３４内であって中層部分には光吸収層３５が形成され、下層部分には歪緩和層３９が形成される。光導波路層３４の上にはキャップ層３６及び電極３７が順次形成される。
【００６６】
また、光吸収層３５等が形成されていない歪緩和層３９上、光吸収層３５の近傍であって入射光の入射端とは逆側には電極３８が形成される。
【００６７】
ここで、図６に示す実施例の動作を説明する。但し、歪緩和層３９の構成は図３に示す構成と同様であり、基板３３と光吸収層３５との間の格子定数の違い等も同様であるのでその説明は省略する。
【００６８】
図６中”ＰＨ９１”に示す端面に入射された入射光は図６中”ＣＤ９１”に示す光導波路／受光素子部を光導波路層３４の中央部分に設けられた光吸収層３５によって吸収されながら伝播する。
【００６９】
そして、光導波路層３４を伝播することによって光吸収層３５において光吸収が生じ、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極３７及び電極３８から光信号電流として取り出される。
【００７０】
この時、光吸収層３５で吸収される入射光は、前述のように光吸収層２３のバンドギャップエネルギーで決定される吸収端波長よりも短波長の光であり、図１に示す実施例と同様に、光吸収層３５（ＩｎＧａＡｓ）の格子定数は基板３３（ＩｎＰ）の格子定数よりも”約０．２％”大きいので、光吸収層３５（ＩｎＧａＡｓ）の吸収端波長は”約１．８μｍ”となる。
【００７１】
このような吸収端波長”約１．８μｍ”は、Ｕバンド（１．６２５〜１．６７５μｍ）を含むＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することを意味することになる。
【００７２】
この結果、基板３３であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層３５として用い、基板３３と光吸収層３５との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層３９を光導波路層３４内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００７３】
また、光導波路層３４内に歪緩和層３９を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４及び請求項５の発明によれば、基板であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層として用い、基板と光吸収層との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層を光導波路層内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する光導波路型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００７５】
また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【００７６】
また、請求項６及び請求項７の発明によれば、基板であるＩｎＰよりも大きな格子定数のＩｎＧａＡｓを光吸収層として用い、基板と光吸収層との間の格子不整合による歪を緩和する歪緩和層を光導波路層内に設けることにより、ＷＤＭ通信のＵバンドで十分な感度を有する、言い換えれば、ＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有する端面入射型の半導体受光素子を実現することが可能になる。
【００７７】
また、光導波路層内に歪緩和層を作りこむことにより、半導体受光素子の厚さを厚くすることなく、従来と同じ厚さのままでＷＤＭ通信で用いられる全ての波長で感度を有することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図である。
【図２】本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す正面図である。
【図３】光導波路層の詳細を説明する説明図である。
【図４】光導波路層内の光強度分布を示す説明図である。
【図５】歪緩和層を光導波路層内の下層部分に設けた他の実施例を示す構成断面図である。
【図６】端面入射型の半導体受光素子に適用した実施例を示す構成断面図である。
【図７】従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図８】従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。
【図９】従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図１０】受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【図１１】従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１，７，１２，１７，２１，３３ 基板
２，６，２５，２６，３７，３８ 電極
３ バッファ層
４，１１，１４，１９，２３，３５ 光吸収層
５ 反射防止膜
８ 絶縁層
９ ｐ電極
１０，１５ ｎ電極
１３ コンタクト層
１６ ショットキー接合電極
１８ 光導波路
２０，２４，３６ キャップ層
２２，３４ 光導波路層
２７，３２，３９ 歪緩和層
２８ ＩｎＰ層
２９，３０，３１ ＩｎＧａＡｓＰ層
Claims (7)
- 入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板と、
この基板上に形成され前記入射光がエバネッセント光として光強度を減衰させながら伝播する光導波路層と、
この光導波路層上の中央部分に形成され前記基板より格子定数が大きい光吸収層と、
この光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、
前記光導波路層内に形成され前記基板と前記光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層と
から構成されたことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記歪緩和層が、
前記基板の格子定数から前記光吸収層の格子定数まで徐々に変化するように形成されたことを特徴とする
請求項１記載の半導体受光素子。 - 前記歪緩和層が、
前記光導波路層の上層部分に形成されたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の半導体受光素子。 - 前記歪緩和層が、
前記光導波路層の下層部分に形成されたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の半導体受光素子。 - 前記歪緩和層が、
前記光導波路層の中層部分に形成されたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の半導体受光素子。 - 入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板と、
この基板上に形成され端面に入射された前記入射光が伝播する光導波路層と、
この光導波路層内の中層部分に形成され前記基板より格子定数が大きい光吸収層と、
この光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極と、
前記光導波路層内に形成され前記基板と前記光吸収層との格子不整合による歪を緩和する歪緩和層と
から構成されたことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記歪緩和層が、
前記基板の格子定数から前記光吸収層の格子定数まで徐々に変化するように形成されたことを特徴とする
請求項６記載の半導体受光素子。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003037567A JP2004247620A (ja) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| JP2004247620A true JP2004247620A (ja) | 2004-09-02 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003037567A Withdrawn JP2004247620A (ja) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | 半導体受光素子 |
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| Country | Link |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009531847A (ja) * | 2006-03-31 | 2009-09-03 | ユーシーエル ビジネス ピーエルシー | 光検出器 |
| US20120235264A1 (en) * | 2011-03-20 | 2012-09-20 | Fujitsu Limited | Light receiving element, light receiving device, and light receiving module |
| WO2023233718A1 (ja) * | 2022-06-03 | 2023-12-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 半導体受光素子 |
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-
2003
- 2003-02-17 JP JP2003037567A patent/JP2004247620A/ja not_active Withdrawn
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| US8546899B2 (en) | 2011-03-20 | 2013-10-01 | Fujitsu Limited | Light receiving element, light receiving device, and light receiving module |
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