JP2005064400A - 半導体受光素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】受光感度の偏波無依存化状態を得ることと、入射する光のスポットサイズにかかわらず偏波無依存化状態を安定して得ることを目的とする。
【解決手段】基板14上に形成された光吸収層12を含む半導体の積層構造11,12からなり、前記光吸収層12に対し、入射光18,19を下方から斜めに入射させ、半導体の積層構造表面で反射させ再び光吸収層12へ導く半導体受光素子において、積層構造表面上に形成された電極15は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】基板14上に形成された光吸収層12を含む半導体の積層構造11,12からなり、前記光吸収層12に対し、入射光18,19を下方から斜めに入射させ、半導体の積層構造表面で反射させ再び光吸収層12へ導く半導体受光素子において、積層構造表面上に形成された電極15は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は半導体受光素子とその製造方法に関する。
光通信や計測などの分野において、光信号を電気信号に変換する受光素子としてフォトダイオードが広く用いられている。
また、フォトダイオードにおいて、帯域の低下を抑制しつつ効率を増大させる方法として、光を光吸収層の層厚方向に対して基板下方より斜めに通過させることで実効的な吸収長を増大させる構成が報告されている。
また、フォトダイオードにおいて、帯域の低下を抑制しつつ効率を増大させる方法として、光を光吸収層の層厚方向に対して基板下方より斜めに通過させることで実効的な吸収長を増大させる構成が報告されている。
その代表的な構造として屈折型半導体受光素子(特許文献1)の素子構造の一例を図4に示す。
図4において、31は光入射端面、32はp+−InGaAsコンタクト層、33はアンドープInGaAs光吸収層、34はn+−InPコンタクト層、35は半絶縁性InP基板、36はp電極、37はn電極である。
この構造において、逆メサ形状の光入射端面31を通して入射した信号光は基板下方から斜めに光吸収層33を通過し、コンタクト層32,光吸収層33及びコンタクト層34よりなる半導体積層構造表面で反射して再び光吸収層33を斜めに通過する。
図4において、31は光入射端面、32はp+−InGaAsコンタクト層、33はアンドープInGaAs光吸収層、34はn+−InPコンタクト層、35は半絶縁性InP基板、36はp電極、37はn電極である。
この構造において、逆メサ形状の光入射端面31を通して入射した信号光は基板下方から斜めに光吸収層33を通過し、コンタクト層32,光吸収層33及びコンタクト層34よりなる半導体積層構造表面で反射して再び光吸収層33を斜めに通過する。
異なる屈折率を持つ材質の界面を光が斜めによぎる場合、光の偏光状態によって反射率に差が発生する。
その結果、受光感度に光の偏光状態による依存性が起きてしまうという問題があった。
この問題を解決する方法として、受光感度が入射光の偏光状態に対しほとんど等しくなるように層構造を最適化する手法が提案され(特許文献2)、この手法を利用した一例として、積層構造表面に形成する電極形状をリング型にした素子が報告されている(E-COC2000 Proceedings Vol.2 pp.109-pp.110)。
その結果、受光感度に光の偏光状態による依存性が起きてしまうという問題があった。
この問題を解決する方法として、受光感度が入射光の偏光状態に対しほとんど等しくなるように層構造を最適化する手法が提案され(特許文献2)、この手法を利用した一例として、積層構造表面に形成する電極形状をリング型にした素子が報告されている(E-COC2000 Proceedings Vol.2 pp.109-pp.110)。
その素子構造を図5及び図6に示す。
図5、図6において、41はp+−InGaAsコンタクト層、42はノンドープInGaAs光吸収層、43はn+−InPコンタクト層、44は半絶縁性のInP基板、45はリング型p電極、46はn電極、47と48は入射光である。
リング型p電極45の採用は積層構造表面において半導体と空気の界面で全反射を得るためであり、金属を反射面とした場合の金属と半導体界面の散乱による反射率の低下と界面の位置の不確定性を解消するためである。
図5、図6において、41はp+−InGaAsコンタクト層、42はノンドープInGaAs光吸収層、43はn+−InPコンタクト層、44は半絶縁性のInP基板、45はリング型p電極、46はn電極、47と48は入射光である。
リング型p電極45の採用は積層構造表面において半導体と空気の界面で全反射を得るためであり、金属を反射面とした場合の金属と半導体界面の散乱による反射率の低下と界面の位置の不確定性を解消するためである。
図5(a)は入射光47のスポットサイズ(パワーが最大値の1/e2となる直径)がリングp電極45の開口部よりも小さい場合の素子上面図であり、図5(b)はその上面図におけるA−A’での断面図を示している。
図5(b)に示すように、基板44から入射した信号光47は、光吸収層42を斜めに通過した後に、リング型p電極45の開口部で反射するが、ここで光のスポットサイズが電極開口部よりも小さいときは、全ての光は全反射条件で反射し、再び光吸収層42を通過する。
図5(b)に示すように、基板44から入射した信号光47は、光吸収層42を斜めに通過した後に、リング型p電極45の開口部で反射するが、ここで光のスポットサイズが電極開口部よりも小さいときは、全ての光は全反射条件で反射し、再び光吸収層42を通過する。
しかし、図6(a)及び(b)に示すように、入射光48のスポットサイズが電極開口部よりも大きい場合、p電極45で反射して再び光吸収層42を通過するのはその一部の光である。
本手法を用いた場合、反射面が電極界面であるか、空気や誘電体界面の様な全反射面であるかによって、偏波依存性は異なる。
よって図5及び図6に示すような素子構造を採った場合には、入射する光のスポットサイズを考慮し、電極での反射の割合も含めて最適な層構造を設計する必要がある。
本手法を用いた場合、反射面が電極界面であるか、空気や誘電体界面の様な全反射面であるかによって、偏波依存性は異なる。
よって図5及び図6に示すような素子構造を採った場合には、入射する光のスポットサイズを考慮し、電極での反射の割合も含めて最適な層構造を設計する必要がある。
しかし、上記の構造では実際のスポットサイズが異なり、入射位置が開口部中心からずれる場合、光が電極部にかかる割合が異なるため、偏波依存性の制御が難しくなるという問題があった。
また、リング型p電極の開口部中心付近で発生したキャリアが電極に到達する間に、コンタクト層41が抵抗層として作用し、高周波特性の劣化と、高電流動作時に発熱等で素子劣化が生じるという問題もあった。
特開平10−190042
特開2001−111092
また、リング型p電極の開口部中心付近で発生したキャリアが電極に到達する間に、コンタクト層41が抵抗層として作用し、高周波特性の劣化と、高電流動作時に発熱等で素子劣化が生じるという問題もあった。
本発明は、従来のリング型電極構造で生じるこれらの問題点を解消するためのものであって、基板上に形成された光吸収層を含む積層構造からなり、前記光吸収層に対し、入射光を斜めに入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び光吸収層へ導く構成の半導体受光素子において、受光感度の偏波無依存化状態を得ることと、入射する光のスポットサイズにかかわらず偏波無依存化状態を安定して得ることを目的とする。
更に、高周波特性の劣化と、高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することを目的とする。
更に、高周波特性の劣化と、高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することを目的とする。
上記目的を達成する本発明の請求項1に係る半導体受光素子は、基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造からなり、前記光吸収層に対し、入射光を斜め下方より入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び光吸収層へ導く半導体受光素子において、前記積層構造表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。
上記目的を達成する本発明の請求項2に係る半導体受光素子の製造方法は、請求項1に記載された半導体受光素子を製造する方法において、前記積層構造表面に絶縁膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上にリソグラフィにより格子状のレジストパターンを作製する工程と、反応性イオンエッチングにより前記絶縁膜を部分的に除去し、格子状の絶縁膜パターンを形成する工程と、前記レジストパターンを除去する工程と、前記格子状パターンを覆うように全面に電極用金属を堆積する工程により、格子状の電極を形成することを特徴とする。
本発明は、基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造に、入射光を斜めに入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び前記光吸収層へ導く構成の半導体受光素子において、表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることにより、受光感度の偏波無依存化状態を得ることと、入射する光のスポットサイズにかかわらず偏波無依存化状態を安定して得ることが可能になる。
また、電極は表面に接している部分の形状が格子状になっている事から、発生したキャリアが電極に到達する距離はリング型形状に比べて短くなるため、コンタクト層が抵抗層として作用することも無く、高周波数特性の劣化と、高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することが可能である。
本発明の最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本形態は基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造に信号光を基板下方から斜めに入射させ、積層構造表面で反射させ再び光吸収層へ導く構成の半導体受光素子において、図1、図2に示すように積層構造表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。
本形態は基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造に信号光を基板下方から斜めに入射させ、積層構造表面で反射させ再び光吸収層へ導く構成の半導体受光素子において、図1、図2に示すように積層構造表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする。
本形態では表面に接している部分の電極の形状が格子状であるため、図1(a)(b)に示すように入射光のスポットサイズが小さい場合も、図2(a)(b)に示すようにスポットサイズが大きい場合も、光が積層構造表面の電極で反射される割合は一定である。
そこで、予め格子状パターンの大きさを決めて、反射面における電極と電極開口部の割合で層構造を最適化しておくことにより、受光感度の偏波無依存化が可能になるとともに、スポットサイズにかかわらず常に安定した偏波無依存化状態の実現が可能となる。
そこで、予め格子状パターンの大きさを決めて、反射面における電極と電極開口部の割合で層構造を最適化しておくことにより、受光感度の偏波無依存化が可能になるとともに、スポットサイズにかかわらず常に安定した偏波無依存化状態の実現が可能となる。
また、電極は表面に接している部分の形状が格子状であることから、発生したキャリアが電極に到達する距離はリング型形状に比べて短くなるため、コンタクト層が抵抗層として作用することも無くなり、高周波特性の劣化と高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することが可能である。
本形態の素子を製作するにあたり、格子状の電極幅あるいは開口部の大きさが1μm以下になると、一般的な電極形成工法であるリフトオフ法による製作が困難になる。
そこで、図3に示すように電極を形成する基板表面に絶縁膜による格子状パターンを形成し、パターン全面を覆うように電極を形成することで、表面に接している部分の形状が1μm以下の微細な格子状である電極の形成が可能となる。
そこで、図3に示すように電極を形成する基板表面に絶縁膜による格子状パターンを形成し、パターン全面を覆うように電極を形成することで、表面に接している部分の形状が1μm以下の微細な格子状である電極の形成が可能となる。
本発明の第一の実施例に係る半導体受光素子の具体例を図1、図2に示す。
図1、図2において、11は0.1μm厚p+−InGaAsコンタクト層、12はアンドープ0.475μm厚InGaAs光吸収層、13は0.5μm厚n+−InPコンタクト層、14は半絶縁性のInP基板、15はp電極、16はn電極、17はSiO2絶縁膜である。
図1、図2において、11は0.1μm厚p+−InGaAsコンタクト層、12はアンドープ0.475μm厚InGaAs光吸収層、13は0.5μm厚n+−InPコンタクト層、14は半絶縁性のInP基板、15はp電極、16はn電極、17はSiO2絶縁膜である。
p電極15はサイズ7μm×16μm、電極幅0.5μm、開口部1.2μm×1.2μmの格子状であり、反射面全体に対する電極部の面積の割合は0.5である。
即ち、コンタクト層11とp電極15が接している部分と、SiO2絶縁膜17によりマスクされている部分の面積の割合は1:1である。
即ち、コンタクト層11とp電極15が接している部分と、SiO2絶縁膜17によりマスクされている部分の面積の割合は1:1である。
本実施例では、この割合を考慮して、受光感度偏波無依存化の最適な層構造、具体的には、アンドープ層InGaAs光吸収層12の厚さを設計している。
図1(a)は波長1.55μm、スポットサイズ3μmの光18が基板端面を介して斜めに入射した場合の上面図であり、図1(b)は、その上面図のA−A’における断面図である。
図2(a)は波長1.55μm、スポットサイズ6μmの光19が基板端面を介して斜めに入射した場合の上面図であり、図2(b)は、その上面図のA−A’における断面図を示す。
図1(a)は波長1.55μm、スポットサイズ3μmの光18が基板端面を介して斜めに入射した場合の上面図であり、図1(b)は、その上面図のA−A’における断面図である。
図2(a)は波長1.55μm、スポットサイズ6μmの光19が基板端面を介して斜めに入射した場合の上面図であり、図2(b)は、その上面図のA−A’における断面図を示す。
どちらの場合でも反射面全体に対する電極部の面積の割合は0.5で変わらないため、偏波依存性も0.1dB以下に抑制されたままになる。
また、p電極15は表面に接している部分の形状が格子状であることから、発生したキャリアが電極に到達する距離はリング型形状に比べて短くなるため、コンタクト層11が抵抗層として作用する効果はほとんど無視できる。
この結果、高周波特性の劣化と高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することが可能である。
また、p電極15は表面に接している部分の形状が格子状であることから、発生したキャリアが電極に到達する距離はリング型形状に比べて短くなるため、コンタクト層11が抵抗層として作用する効果はほとんど無視できる。
この結果、高周波特性の劣化と高電流動作時の発熱等による素子劣化を抑制することが可能である。
本実施例では、pinフォトダイオードとして説明したが、Uni-traveling-carrier(UTC)フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードの様な半導体の多層膜で構成される半導体受光素子全てにおいて同様の効果がある。
また、反射面でのp電極開口部はSiO2絶縁膜を堆積するとして説明したが、これはSiNx膜やTiO2膜の様な他の誘電体膜としても良い。
また、入射光の波長は1.55μmで説明したが、他の波長の光に対してもそれに応じた最適設計をする事で同様の効果が得られる。
また、反射面でのp電極開口部はSiO2絶縁膜を堆積するとして説明したが、これはSiNx膜やTiO2膜の様な他の誘電体膜としても良い。
また、入射光の波長は1.55μmで説明したが、他の波長の光に対してもそれに応じた最適設計をする事で同様の効果が得られる。
また、InGaAsP/InP系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAsなどの他の材料系でも良い。
また、反射面全体に対する電極部の面積の割合を0.5となるように大きさを決定したが、用途に応じて割合を、例えば、0.1〜0.9の範囲で変えた場合でも、その割合に応じて最適化設計、具体的にはアンドープ光吸収層の範囲で厚さを最適化する事で同様の効果が得られる。
また、反射面全体に対する電極部の面積の割合を0.5となるように大きさを決定したが、用途に応じて割合を、例えば、0.1〜0.9の範囲で変えた場合でも、その割合に応じて最適化設計、具体的にはアンドープ光吸収層の範囲で厚さを最適化する事で同様の効果が得られる。
なお、反射面全体に対する電極部の面積の割合を0.1としたときは、電極開口部が大きいため、金属電極による全反射面の割合が大きくなり受光感度が上がる。一方、その割合を0.9とした時は、電極開口部が小さくなり、コンタクト抵抗が下がるという効果を奏する。
実施例1で説明したp電極を製作する方法を図3(a)〜(f)を用いて具体的に説明する。
図3において、21は0.1μm厚p+−InGaAsコンタクト層、22はSiO2絶縁膜、23はフォトレジスト、24はp電極である。
図3において、21は0.1μm厚p+−InGaAsコンタクト層、22はSiO2絶縁膜、23はフォトレジスト、24はp電極である。
先ず、図3(a)に示すように、積層構造の最表面層であるコンタクト層21上にスパッタリング法によりSiO2絶縁膜22を堆積する。
次に、図3(b)に示すように、サイズ1.2μm×1.2μmの正方形を0.5μm間隔で並べたレジストパターンをフォトリソグラフィによりSiO2絶縁膜22上に形成する。
次に、図3(b)に示すように、サイズ1.2μm×1.2μmの正方形を0.5μm間隔で並べたレジストパターンをフォトリソグラフィによりSiO2絶縁膜22上に形成する。
引き続き、図3(c)に示すように、リアクティブイオンエッチング法によりレジストパターンを絶縁膜22に転写し、その後、図3(d)に示すように、レジストを除去する。この段階で格子状の電極の開口部が形成されている。
更に、図3(e)に示すように、絶縁膜パターンを覆うようにp電極パターンをレジストでフォトリソグラフィにより形成し、p電極用金属を堆積する。
最後に図3(f)に示すように、リフトオフ法によりレジストと余分な金属を除去し、電極幅0.5μm、開口部1.2μm×1.2μmの格子状p電極24が形成される。
最後に図3(f)に示すように、リフトオフ法によりレジストと余分な金属を除去し、電極幅0.5μm、開口部1.2μm×1.2μmの格子状p電極24が形成される。
本実施例では一般的なフォトリソグラフィで説明したが、更に微細化する事を目的として、電子描画リソグラフィを用いても良い。
また、p電極24の反射面における電極開口部をスパッタリング法により堆積したSiO2絶縁膜として説明したが、これはSiNx膜やTiO2膜の様な他の誘電体膜で良いし、堆積もプラズマ−CVD法の様な他の方法を用いても良い。
また、本実施例では入射光は下方より基板端面を介して斜めに入射させる形態について示したが、基板の裏面より斜めに入射させる形態でも良い。
また、p電極24の反射面における電極開口部をスパッタリング法により堆積したSiO2絶縁膜として説明したが、これはSiNx膜やTiO2膜の様な他の誘電体膜で良いし、堆積もプラズマ−CVD法の様な他の方法を用いても良い。
また、本実施例では入射光は下方より基板端面を介して斜めに入射させる形態について示したが、基板の裏面より斜めに入射させる形態でも良い。
このように説明したように、本発明は、光ファイバ通信や光計測に用いられる半導体受光素子に関するものであり、入射光を下方より斜めに入射させる形態の受光素子において、光吸収層上方に形成された電極が格子状であることに特徴がある。
このような構造をとることにより、入射光のスポットサイズに依存せず、常に受光感度が偏波無依存であり、かつ内部抵抗が低下することにより高周波特性に優れる半導体受光素子を実現できる。
このような構造をとることにより、入射光のスポットサイズに依存せず、常に受光感度が偏波無依存であり、かつ内部抵抗が低下することにより高周波特性に優れる半導体受光素子を実現できる。
本発明は光通信や計測などの分野において広く利用可能なものである。
11 p+型のInGaAsコンタクト層
12 アンドープのInGaAs光吸収層
13 n+型のInPコンタクト層
14 半絶縁性のInP基板
15 p電極
16 n電極
17 SiO2絶縁膜
18 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ3μm)
19 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ6μm)
21 p+型のInGaAsコンタクト層
22 SiO2絶縁膜
23 フォトレジスト
24 p電極
31 光入射端面
32 p+型のInGaAsコンタクト層
33 アンドープのInGaAs光吸収層
34 n+型のInPコンタクト層
35 半絶縁性のInP基板
36 p電極
37 n電極
41 p+型のInGaAsコンタクト層
42 アンドープのInGaAs光吸収層
43 n+型のInPコンタクト層
44 半絶縁性のInP基板
45 p電極
46 n電極
47 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ3μm)
48 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ6μm)
12 アンドープのInGaAs光吸収層
13 n+型のInPコンタクト層
14 半絶縁性のInP基板
15 p電極
16 n電極
17 SiO2絶縁膜
18 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ3μm)
19 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ6μm)
21 p+型のInGaAsコンタクト層
22 SiO2絶縁膜
23 フォトレジスト
24 p電極
31 光入射端面
32 p+型のInGaAsコンタクト層
33 アンドープのInGaAs光吸収層
34 n+型のInPコンタクト層
35 半絶縁性のInP基板
36 p電極
37 n電極
41 p+型のInGaAsコンタクト層
42 アンドープのInGaAs光吸収層
43 n+型のInPコンタクト層
44 半絶縁性のInP基板
45 p電極
46 n電極
47 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ3μm)
48 入射光(波長1.55μm、スポットサイズ6μm)
Claims (2)
- 基板上に形成された光吸収層を含む半導体の積層構造からなり、前記光吸収層に対し、入射光を下方から斜めに入射させ、前記積層構造表面で反射させ再び前記光吸収層へ導く半導体受光素子において、積層構造表面上に形成された電極は表面に接している部分の形状が格子状であることを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項1記載の半導体受光素子を製造する方法において、前記積層構造表面に絶縁膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上にリソグラフィにより格子状のレジストパターンを作製する工程と、反応性イオンエッチングにより前記絶縁膜を部分的に除去し、格子状の絶縁膜パターンを形成する工程と、前記レジストパターンを除去する工程と、前記格子状パターンを覆うように全面に電極用金属を堆積する工程により、表面に接している部分の形状が格子状の電極を形成することを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
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Date | Code | Title | Description |
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A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
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