JP2005129628A - 受光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 エバネッセント結合光導波路型の受光素子の受光素子部の幅を狭くして接合容量を低減して超高速受光素子を実現する。
【解決手段】 エバネッセント結合光導波路型受光素子において、基板の表面に形成されるスラブ型光導波路幅を上方に向かって徐々に狭くなるように形成し、該光導波路上に形成されてエバネッセント光が導かれる光吸収層の幅を最も狭い光導波路幅の部分と一致させるように形成するとともに、この光吸収層の上に電極を形成した。
【選択図】 図１
【解決手段】 エバネッセント結合光導波路型受光素子において、基板の表面に形成されるスラブ型光導波路幅を上方に向かって徐々に狭くなるように形成し、該光導波路上に形成されてエバネッセント光が導かれる光吸収層の幅を最も狭い光導波路幅の部分と一致させるように形成するとともに、この光吸収層の上に電極を形成した。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光通信システム、光通信用測定機器に使用される光−電気（O/E）信号変換を行う超高速受光素子の遮断周波数の改善に関する。
近年光ファイバ−通信はチャンネル当たりの伝送速度が数Gbps（bit・per・second）〜数十GbpsのWDM（Wavelength・Division・Multiplexing）光通信技術により飛躍的に伝送容量が増大している。このような光通システムに用いられる光電変換素子として超高速受光素子が開発されてきた。
このような、従来の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。
特開平０４−２４１４７１号公報
L．Giraude・et al．：Electron・Lett・37，pp．973-975（2001）
T．Takeuchi・et al．：Electron・36，pp．１-2（2000）
鳥飼俊敬：OPTORONICS、No.１、pp．108-112（2003）
図６（ａ，ｂ，ｃ）はＩｎＧａＡｓを光吸収層にもつｐｉｎ構造のフォトダイオ−ドの従来例を示す図である。図に示すように光ファイバ−光通信等で用いられている半導体受光素子は、受光素子への光入射方向により表面入射型（図６ａ）、端面入射型（図６ｂ，図６ｃ）に大別される。
図６ａの表面入射型はｎ−ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＰからなるバッファ２を形成し、このバッファ２上に光吸収層としてのｎ-ＩｎＧａＡｓ層３及びＰ＋ＩｎＧａＡｓ層４を形成し、基板１の平面に対して垂直方向から光８を入射させるものである。この場合、電極５，６は基板の表面及び裏面に形成される。
図６ｂ，図６ｃの端面入射型は入射光８を基板１に対して平行方向から光導波路９に入射させるものであり、入射光をエバネッセント効果により光吸収層１０に吸収させて光電変換させるようにしたものである。
このような受光素子における応答周波数特性の遮断周波数は、
１）素子抵抗Ｒと素子容量Ｃの積（いわゆるＣＲ時定数）と、
２）光吸収層（図６ａ，図６ｂではｎまたはｉ−ＩｎＧａＡｓ層、図６ｃではＮ−Ｔｙｐｅ ＩｎＧａＡｓ層）内で光吸収により発生した正孔−電子対の光生成キャリアの光吸収層内キャリア走行時間、
で決定される。
１）素子抵抗Ｒと素子容量Ｃの積（いわゆるＣＲ時定数）と、
２）光吸収層（図６ａ，図６ｂではｎまたはｉ−ＩｎＧａＡｓ層、図６ｃではＮ−Ｔｙｐｅ ＩｎＧａＡｓ層）内で光吸収により発生した正孔−電子対の光生成キャリアの光吸収層内キャリア走行時間、
で決定される。
そのため従来は、電極接触抵抗を低減し、素子面積を小さくして接合容量を低減することにより小さいＣＲ積を得る工夫が行われてきた。
一方、キャリア走行時間を短くするには光吸収層１０を薄くする必要があるが、図６ａに示す表面入射型では光吸収層３，４が薄くなると入射光が光吸収層で吸収されずに通過する光量が増加して感度が低下する。
一方、キャリア走行時間を短くするには光吸収層１０を薄くする必要があるが、図６ａに示す表面入射型では光吸収層３，４が薄くなると入射光が光吸収層で吸収されずに通過する光量が増加して感度が低下する。
表面入射型で内部量子効率８０％程度を得るには、光吸収層の厚さは２．５μｍ程度必要になる。このため、近年、図６ｂに示すような端面入射型が開発されている。
図６ｂでは、側面から入射した光は光導波路９内に閉じ込められて光吸収層１０で吸収されていくため、光の進行方向に十分（数μｍ）な光吸収層の厚さを得ることができる。
図６ｂでは、側面から入射した光は光導波路９内に閉じ込められて光吸収層１０で吸収されていくため、光の進行方向に十分（数μｍ）な光吸収層の厚さを得ることができる。
従って、光閉じ込め構造により光吸収層１０の厚さは０．５〜１μｍでも十分な感度が得られ、同時に、厚さ方向に走行するキャリアの走行時間を小さくすることが可能となる。
しかし、受光面近傍では光吸収で光生成キャリア濃度が最も高く、光強度が大きい場合に受光素子の入射面に損傷が発生することが知られている。
しかし、受光面近傍では光吸収で光生成キャリア濃度が最も高く、光強度が大きい場合に受光素子の入射面に損傷が発生することが知られている。
上述の入射面の損傷発生を改善するために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波を受光素子部の光吸収層に導き最大光強度を低減する構造が提案されている。
図６ｃに示す従来例ではキャリア走行時間を短くするために、光導波路９上の受光素子部１０ａの光吸収層１０（例えばｉ−ＩｎＧａＡｓ層）は薄く（例えば０．３〜０．６μｍ程度の厚さ）形成されている。
このｐ−ｉ−ｎ構造の受光素子部１０ａのｉ層が薄くなると接合容量が増加する。このため再び、受光素子の応答周波数特性の遮断周波数の主な制限要素がＣＲ積となる。そのため、受光素子部１０ａの接合容量を減らすように光吸収層１０の接合面積を小さくする必要がある。
図６ｃ’に示すように光導波路９を伝搬する導波（入射）光は光吸収層１０にエバネッセント結合で導かれて吸収されていくが、この時、例えば、波長１．５μｍ帯の光通信波長領域で実用的な感度を有する受光素子の量子効率約４０％以上を達成するためには、受光素子部１０ａの導波路方向の長さは約２０μｍ以上必要となる。
従って、受光素子部１０ａの接合容量を減らすには、この受光素子部１０ａの幅を狭くして低減することになる。
従って、受光素子部１０ａの接合容量を減らすには、この受光素子部１０ａの幅を狭くして低減することになる。
しかし、従来例（図６ｂ、図６ｃ）などでは、光導波路９の幅ｈと受光素子部１０ａの幅ｈ’がほぼ同じに作られていた。これは、受光素子部の材料（ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなど）と導波路部の材料（ＩｎＧａＡｓＰなど）の形状形成にドライエッチング加工を用いて、材料系の違いによる加工形状の差異を小さくし、受光素子部と導波路部の側面がほぼ垂直に加工される方法が取られていたためである。
したがって、受光素子部面積を小さくするための積極的な構造は提案されていなかった。また、具体的に光導波路上の受光素子部の幅を狭くして、受光素子部の接合容量を低減する構造、製造方法そのものの設計、製作は行われていなかった。
従って本発明が解決しようとする課題は、エバネッセント結合光導波路型の受光素子の受光素子部の幅を狭くして接合容量を低減し超高速受光素子を実現することにある。
従って本発明が解決しようとする課題は、エバネッセント結合光導波路型の受光素子の受光素子部の幅を狭くして接合容量を低減し超高速受光素子を実現することにある。
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、
エバネッセント結合光導波路型受光素子において、基板の表面に形成されるスラブ型光導波路幅を上方に向かって徐々に狭くなるように形成し、該光導波路上に形成されてエバネッセント光が導かれる光吸収層の幅を最も狭い光導波路幅の部分と一致させるように形成するとともに、この光吸収層の上に電極を形成した。光導波路の伝搬損失が少なくなる。
エバネッセント結合光導波路型受光素子において、基板の表面に形成されるスラブ型光導波路幅を上方に向かって徐々に狭くなるように形成し、該光導波路上に形成されてエバネッセント光が導かれる光吸収層の幅を最も狭い光導波路幅の部分と一致させるように形成するとともに、この光吸収層の上に電極を形成した。光導波路の伝搬損失が少なくなる。
本発明のうち請求項２記載の発明は、請求項１記載の受光素子において、
前記光導波路はＩｎＰ基板上に複数層のＩｎＧａＡｓＰで形成するとともに、各層の屈折率を基板側から上層に向かって順次高くなるように形成し、最上層のＩｎＧａＡｓＰ層上に光吸収層及びキャップ層を形成した。効率よくエバネッセント効果が得られる。
前記光導波路はＩｎＰ基板上に複数層のＩｎＧａＡｓＰで形成するとともに、各層の屈折率を基板側から上層に向かって順次高くなるように形成し、最上層のＩｎＧａＡｓＰ層上に光吸収層及びキャップ層を形成した。効率よくエバネッセント効果が得られる。
本発明のうち請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の受光素子において、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓ層、キャップ層はＩｎＰとした。光導波路の伝搬損失が少なくなる。
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓ層、キャップ層はＩｎＰとした。光導波路の伝搬損失が少なくなる。
本発明のうち請求項４記載の発明は、
１）ＩｎＰ基板上に屈折率の異なる複数のＩｎＧａＡｓＰ層を屈折率が順次高くなるよ
うに積層する工程、
２）最上層のＩｎＧａＡｓＰ層上にＩｎＧａＡｓ層を形成する工程、
３）ＩｎＧａＡｓ層上にＩｎＰ層を形成する工程、
４）ＩｎＰ層上に絶縁膜を形成する工程、
５）絶縁膜をマスクとしてＩｎＧａＡｓＰよりＩｎＧａＡｓがエッチング速度の大きなエッチング液を用いてエッチングを行う工程。を含むことを特徴とする。
１）ＩｎＰ基板上に屈折率の異なる複数のＩｎＧａＡｓＰ層を屈折率が順次高くなるよ
うに積層する工程、
２）最上層のＩｎＧａＡｓＰ層上にＩｎＧａＡｓ層を形成する工程、
３）ＩｎＧａＡｓ層上にＩｎＰ層を形成する工程、
４）ＩｎＰ層上に絶縁膜を形成する工程、
５）絶縁膜をマスクとしてＩｎＧａＡｓＰよりＩｎＧａＡｓがエッチング速度の大きなエッチング液を用いてエッチングを行う工程。を含むことを特徴とする。
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乃至４に記載の発明によれば、基板の表面に形成されるスラブ型光導波路幅を上方に向かって徐々に狭くなるように形成し、該光導波路上に形成されてエバネッセント光が導かれる光吸収層の幅を最も狭い光導波路幅の部分と一致させるように形成するとともに、この光吸収層の上に電極を形成して受光素子部の接合容量を低減する構造とし、光導波路はＩｎＰ基板上に複数層のＩｎＧａＡｓＰで形成するとともに、各層の屈折率を基板側から上層に向かって順次高くなるように形成し、その上に光吸収層及びキャップ層を形成した。この結果、効率よくエバネッセント効果が得られ、光導波路の伝搬損失を少なくした受光素子を実現することができた。
請求項１乃至４に記載の発明によれば、基板の表面に形成されるスラブ型光導波路幅を上方に向かって徐々に狭くなるように形成し、該光導波路上に形成されてエバネッセント光が導かれる光吸収層の幅を最も狭い光導波路幅の部分と一致させるように形成するとともに、この光吸収層の上に電極を形成して受光素子部の接合容量を低減する構造とし、光導波路はＩｎＰ基板上に複数層のＩｎＧａＡｓＰで形成するとともに、各層の屈折率を基板側から上層に向かって順次高くなるように形成し、その上に光吸収層及びキャップ層を形成した。この結果、効率よくエバネッセント効果が得られ、光導波路の伝搬損失を少なくした受光素子を実現することができた。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る受光素子の一実施例を示す断面図である。なお、平面図は図６に示す従来例と同様なので省略する。
図１において、１はＩｎＰからなる半導体基板であり、この上に光導波路層９、光吸収層１０、ＰＮ電極５，６が形成されている。
図２、３、４、は本発明の実施例を示す顕微鏡写真である。図１に示すように基本構造は従来例と同様にエバネッセント結合光導波路型受光素子構造である。
図２、３、４、は本発明の実施例を示す顕微鏡写真である。図１に示すように基本構造は従来例と同様にエバネッセント結合光導波路型受光素子構造である。
図２（ａ）は図１の光導波路部の断面Ａ−Ａ'断面を示し、ＩｎＰ基板１上に３層のＩｎＧａＡｓＰ層（ＩｎＧａＡｓＰ（３）、ＩｎＧａＡｓＰ（２）、ＩｎＧａＡｓＰ（１））が順次積層され、その最上層のＩｎＧａＡｓＰ（１）をエッチング側面が斜めになるようにエッチングして、スラブ型光導波路を形成している。
なおＩｎＧａＡｓＰ層（３），（２），（１）は上方にいくに従って屈折率が高くなるように形成し入射した光がエバネッセント効果により順次上方に染み出すようになっている。図２（ｂ）は、この光導波路を伝搬する光強度分布の計算結果である。
図３（a）は図１の受光素子の光導波路部１０ａのＢ−Ｂ'断面を示すものである。図１に示す光導波路９の最上層のＩｎＧａＡｓＰ（１）上に光吸収層１０としてＩｎＧａＡｓ層（厚さ〜０．５μｍ）、ＩｎＰキャップ層（厚さ〜０．１μｍ）を形成している。
このような構成によれば、光導波路部９を伝搬してきた導波路光のエバネッセント光がＩｎＧａＡｓ光吸収層１０に達して、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０がある受光素子部１０ａの十分長い（〜３０μｍ）距離を通過したとき導波路光８はほとんど全て吸収されて、光−電変換された光信号電流が得られる。
この受光素子部１０ａの十分長い距離を経たときの光強度（非常に弱いが）分布を計算すると図３（ｂ）のようになり、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０で伝搬している様子が分かる。
この受光素子部１０ａの十分長い距離を経たときの光強度（非常に弱いが）分布を計算すると図３（ｂ）のようになり、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０で伝搬している様子が分かる。
図４は実際に実施例の構造で受光素子を製作したときの、受光素子部１０ａのエッチングによる光導波路９と受光素子部１０ａを形成後の（図１：Ｂ−Ｂ'断面）断面二次電子顕微鏡像である。図３に示す構造が実現されている。
次に、このような受光素子の製造方法について説明する。
ＩｎＰ基板上にＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法でＩｎＧａＡｓＰ材料からなる３層の光導波路を形成する。屈折率が、ＩｎＧａＡｓＰ（１）＞ＩｎＧａＡｓＰ（２）＞ＩｎＧａＡｓＰ（３）となるように形成し、その上にＩｎＧａＡｓ光吸収層１０、ＩｎＰキャップ層１１を形成する。
ＩｎＰ基板上にＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法でＩｎＧａＡｓＰ材料からなる３層の光導波路を形成する。屈折率が、ＩｎＧａＡｓＰ（１）＞ＩｎＧａＡｓＰ（２）＞ＩｎＧａＡｓＰ（３）となるように形成し、その上にＩｎＧａＡｓ光吸収層１０、ＩｎＰキャップ層１１を形成する。
次に、ＩｎＧａＡｓＰよりＩｎＧａＡｓの方がエッチング速度の大きい化学エッチング液（例えばリン酸、硫酸、過酸化水素水の混合液）を用いて、ＳｉＯ２膜をマスクにしてエッチングすることにより、図４に示す構造の受光素子を実現することができる。受光素子部のＩｎＰキャップ層を通して光吸収層のｎ−ＩｎＧａＡｓ層内には深さ〜０.１μｍ程度Ｚｎ拡散によりｐ+ＩｎＧａＡｓ領域が形成されてｐｎ接合が形成され、図１に示すようにＰ電極５が設けられている。
図４の実際の実施例の構造で示されるように、光導波路幅がその上に形成される受光素子のＩｎＧａＡｓ光吸収層に向かうに従い狭くなるように形成されたエバネッセント結合光導波路型受光素子では、光導波路からのエバネッセント光を外部に漏らして減衰させることなくＩｎＧａＡｓ光吸収層１０に導くことができる。
同時にスラブ型光導波路のエッチングされた光導波路層９の幅よりもＩｎＧａＡｓ層内に形成されるＰＮ接合部分の幅を狭くすることが出来るので、接合容量を小さくすることができる。エッチングする光導波路層の最上層ＩｎＧａＡｓＰ（１）層の裾の幅は６〜１０μｍ程度であり、この時ＩｎＧａＡｓ光吸収層幅は４〜８μｍ程度に制御できるため、接合部の幅は導波路幅に対して５０〜８０％程度にできる。
従って、従来の垂直にエッチングする加工方法の場合に比較して、接合容量を５０〜８０％に減少することができる。
図５は受光素子の遮断周波数とｎ（ｉ）−ＩｎＧａＡｓ光吸収層厚さの関係の計算結果である。例えば光吸収層の厚さを０．３μｍとし、受光素子面積（接合面積）が８０μｍ２（幅４μｍ×長さ２０μｍ）と１５０μｍ2（幅７．５μｍ×長さ２０μｍ）の場合、つまり約５０〜８０％変化すると遮断周波数は約１０ＧＨｚ変化することがわかる。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば実施例では光導波路のＩｎＧａＡｓＰ層を３層としたが２層でもよく３層以上としても良い。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
１ 基板
２ ｎ−ＩｎＰ（バッファ）
３ ｎ−ＩｎＧａＡｓ層
４ Ｐ＋ＩｎＧａＡｓ層
５ Ｐ電極（Ａｕ−Ｚｎ）
６ Ｎ電極（Ａｕ−Ｓｎ）
７ ＳｉＮ
８ 入射光
９ 光導波路
９ａ 光導波路部
１０ 光吸収層
１０ａ 受光素子部
１１ ＩｎＰ層
２ ｎ−ＩｎＰ（バッファ）
３ ｎ−ＩｎＧａＡｓ層
４ Ｐ＋ＩｎＧａＡｓ層
５ Ｐ電極（Ａｕ−Ｚｎ）
６ Ｎ電極（Ａｕ−Ｓｎ）
７ ＳｉＮ
８ 入射光
９ 光導波路
９ａ 光導波路部
１０ 光吸収層
１０ａ 受光素子部
１１ ＩｎＰ層
Claims (4)
- エバネッセント結合光導波路型受光素子において、基板の表面に形成されるスラブ型光導波路幅を上方に向かって徐々に狭くなるように形成し、該光導波路上に形成されてエバネッセント光が導かれる光吸収層の幅を最も狭い光導波路幅の部分と一致させるように形成するとともに、この光吸収層の上に電極を形成したことを特徴とする受光素子。
- 前記光導波路はＩｎＰ基板上に複数層のＩｎＧａＡｓＰで形成するとともに、各層の屈折率を基板側から上層に向かって順次高くなるように形成し、最上層のＩｎＧａＡｓＰ層上に光吸収層及びキャップ層を形成したことを特徴とする請求項１記載の受光素子。
- 前記光吸収層はＩｎＧａＡｓ層、キャップ層はＩｎＰとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。
- １）ＩｎＰ基板上に屈折率の異なる複数のＩｎＧａＡｓＰ層を屈折率が順次高くなるよ
うに積層する工程、
２）最上層のＩｎＧａＡｓＰ層上にＩｎＧａＡｓ層を形成する工程、
３）ＩｎＧａＡｓ層上にＩｎＰ層を形成する工程、
４）ＩｎＰ層上に絶縁膜を形成する工程、
５）絶縁膜をマスクとしてＩｎＧａＡｓＰよりＩｎＧａＡｓがエッチング速度の大きなエッチング液を用いてエッチングを行う工程。を含むことを特徴とする受光素子の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
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| JP2012199344A (ja) * | 2011-03-20 | 2012-10-18 | Fujitsu Ltd | 受光素子および光受信モジュール |
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