JP2008153547A - 埋込導波路型受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆｅドープ絶縁体層に埋め込まれた埋込導波路型受光素子のリーク電流を少なくする。
【解決手段】Ｆｅ―ＩｎＰ基板２４上に配設されたｎ−クラッド層２８と、このｎ−クラッド層２８の一部の上に配設され、ｎ−光ガイド層３０、ｎ−クラッド層２８と同じかまたはより高い屈折率を有するとともにｎ−光ガイド層３０の不純物濃度より低い１×１０^１７ｃｍ^−３以下の不純物濃度を有するかあるいはアンドープのｉ−光ガイド層３１、このｉ−光ガイド層３１よりも屈折率が高い光吸収層３２、ｐ−光ガイド層３４、およびｐ―クラッド層３６がＦｅ―ＩｎＰ基板２４側から順次メサ状に積層された導波路１６ａと、Ｆｅ―ＩｎＰ基板２４上に配設され導波路１６ａの側壁を埋設したブロック層と、を備えたものである。
【選択図】図２

Description

この発明は、埋込導波路型受光素子に係り、特に光通信システム等に使用される埋込導波路型受光素子に関するものである。

通信需要量の飛躍的な増加に伴って、通信システムの大容量化が図られてきているが、このためには光通信機器の高速化、小型・高効率化、低コスト化が必要となっている。
光通信の伝送系においては信号光として２波長帯の光が使用されている。一つは信号光の帯域の中心波長が１．３μｍである１．３μｍ帯の信号光ともう一つは信号光の帯域の中心波長が１．５５μｍである１．５５μｍ帯の信号光である。

１．５５μｍ帯の信号光は光ファイバ損失が小さく長距離通信系の信号光として使用される。これは都市間通信（幹線系）とよばれて、例えば東京−大阪間のように大都市間の通信に使用される。
一方１．３μｍ帯の信号光は光ファイバ損失は大きいが波長分散が少なく、短距離通信系の信号光として使用される。これは例えば、都市内通信とよばれ大都市内の通信に使用されている。また１．３μｍ帯の信号光は、アクセス系と呼ばれる基地局−各家庭間の通信にも使用される。

従来、光通信システムの受信モジュールに用いられる半導体受光素子として、劈開端面から信号光を入射する構造の受光素子が開発され、量産化されている。公知のこの種の半導体受光素子として装荷型半導体受光素子がある（例えば、特許文献１ ［００１６］および図１、２，および３参照）。この構造では、劈開端面への入射光に対して透明なガイド層に光りを入射させ、その入射部から数μｍ以上離れた位置に形成された光電変換部（光吸収層）まで光を導波させ、この光電変換部においてガイド層から層厚方向にしみ出した光（エバネッシェント波）を光電変換するものである。従って光電変換の形態が、いわば間接的であり、入射端面近傍の光電流の集中が緩和され、強度の高い光を入射した場合にも応答速度の劣化や受光素子の破壊が起こりにくいという利点がある。
その一方でガイド層から層厚方向にしみ出す光を光電変換するため、原理的に高い感度を得るためにはある程度の導波路長が必要になる。しかしながら高い感度を得るために導波路長を長くすると受光素子の素子容量が増加してしまうために、高い高速応答性能が得られない場合がある。すなわち感度と高速応答性とがトレードオフの関係になる。
またガイド層における光の閉じ込めを良くして、光電変換部以外への放射損失を減らすために、ガイド層及び光電変換部の側面に、これらを構成する材料に対して屈折率比が大きい非半導体材料の被膜（例えば、ＳｉＮ膜）を用いて被覆することが必要になる。しかしながら半導体／非半導体界面には再結合準位等が発生しやすく、光が集中するガイド層端面や、高電界が印加される光電変換部から劣化することが懸念される場合も発生する。

これらの問題を解決する公知の受光素子として、導波路層がＦｅドープＩｎＰ層（以下、ＦｅドープＩｎＰをＦｅ−ＩｎＰと略記する）に埋め込まれた構成を有する埋込導波路型受光素子が提案された（例えば、非特許文献１）。
この構成では光閉込層や光吸収層が、半導体で構成されたＦｅ−ＩｎＰにより埋め込まれ、保護されるので、高い信頼性を得ることができる。
また窓層を介して光吸収層に直接光が入射される構造であるために、導波路長をそれほど長く取らなくても高い感度が得られるので、高い感度で且つ良好な高速応答性が得られるという特徴を有している。
また、他の公知例として、ｎ−光閉じ込め層の光吸収層と接する厚さ０．６μｍの境界層、及びｐ−光閉じ込め層の光吸収層と接する厚さ０．３μｍの境界層がそれぞれノンドープ層として構成された導波路型半導体受光素子が開示されている（例えば、特許文献２、［００３０］および図１および２参照）。

また他の公知例として、光吸収層の下部にｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層（波長組成１．３μｍ、層厚０．２μｍ）が形成され、空乏層がより拡がり接合容量が低減され、高速な応答が得られる装荷型半導体受光素子が開示されている（例えば、特許文献３、［００３０］および図１および２参照）。
また他の公知例として、光吸収層をｐ型にドーピングし、その両側に光ガイド層を設け、片側の光ガイド層を一様にｐ型にドーピングし、反対側の光ガイド層は光吸収層から順番に低濃度層（例えばアンドープ層）、ｎ型ドーピング層とする多層構造を半絶縁性のＩｎＰ基板上にメサ状に形成し、光を層構造に水平に入射する導波路型受光素子が開示されている（例えば、特許文献４、［０００４］、［０００８］、［０００９］、［００１２］および図１参照）。

また他の公知例として、半絶縁性のＩｎＰ基板の上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰの光ガイド層を設け、この上にメサ状のｎ−ＩｎＰの電子走行層、アンドープおよびｎ型の２層構造のＩｎＧａＡｓＰ層、Ｐ−ＩｎＧａＡｓの光吸収層を含む導波路構造を有する半導体受光素子が開示されている（例えば、特許文献５、［０００４］、［０００８］、［０００９］、［００１２］および図１参照）。
また他の公知例として、４０Ｇｂｐｓ通信用導波路型アバランシェフォトダイオードが開示されている（例えば、非特許文献２ 参照）。

特開２００３−３３２６１３号公報 特開平１０−３０３４４９号公報 特開２００１−１６８３７１号公報 特開平１１−１１２０１３号公報 特開２０００−１２４４９３号公報 「フリップチップ実装用４０Ｇbps 導波路型ＰＤ」 石村栄太郎、中路雅晴他、第４９回応用物理学関係連合講演会 ２００２年（平成１４年）春季 講演予稿集（2002.3 東海大学）１１５２頁 ２７ａ−ＺＧ−７ 「40Ｇbps 通信用導波路型アバランシェフォトダイオード」清水省悟、芝 和宏他、信学技報 IEICE Technical Report OCS2006-40,OPE2006-93,LQE2006-82(2006-10);pp. 11-15

しかしながら、導波路層がＦｅ−ＩｎＰ層に埋め込まれた構成を有する従来の埋込導波路型受光素子においては、導波路を形成した後にＦｅ−ＩｎＰ層を再成長することでｐ型ドーパントがＦｅと相互拡散を起こし、光吸収層とｎ型光閉じ込め層との間で暗電流が増加する、つまりリーク電流が増加するという問題が生じる場合があった。これを防ぐための構成として光吸収層の層厚を厚くすることも考えられるが、高速応答性が劣化したり高光入力耐性が劣化するなどの問題があった。

この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、第１の目的は、リーク電流が少なく、高感度で、高速動作が可能な、Ｆｅドープ絶縁体層に導波路が埋め込まれた埋込導波路型受光素子を構成することである。

この発明に係る埋込導波路型受光素子は、半導体基板と、この半導体基板上に配設されたｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層の一部の上に配設され、ｎ型光ガイド層、ｎ型クラッド層と同じかまたはより高い屈折率を有するとともにｎ型光ガイド層の不純物濃度より低い１×１０^１７ｃｍ^−３以下の不純物濃度を有するかあるいはアンドープの第１半導体層、この第１半導体層よりも屈折率が高い光吸収層、ｐ型光ガイド層、およびｐ型クラッド層が半導体基板側から順次メサ状に積層された導波路層と、半導体基板上に配設され導波路層の側壁を埋設したＦｅドープ絶縁体層と、を備えたものである。

この発明に係る埋込導波路型受光素子においては、ｎ型光ガイド層と光吸収層との間に１×１０^１７ｃｍ^−３以下の不純物濃度を有するかあるいはアンドープの第１半導体層を配設することにより、空乏層が厚くなるのでｐ型光ガイド層からＦｅドープ絶縁体層を経由して光吸収層にｐ型ドーパントが拡散しても暗電流を少なくすることができる。

以下の発明の実施の形態においては、光通信システムの受光素子として使用される埋込導波路型ＰＤを用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の斜視図である。
図１において、この埋込導波路型のｐｉｎ−ＰＤ１０は前面の劈開端面の受光部１２が矢印で示された信号光１４を受ける。信号光１４は、例えば中心波長λ1が１．５５μｍである。
ｐｉｎ−ＰＤ１０の上面側には、劈開端面の受光部１２を介して信号光が導入される導波路を含む導波路メサ１６が配設され、この導波路メサ１６の表面に沿ってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕのｐ電極１８が、また導波路メサ１６の両側面およびｐｉｎ−ＰＤ１０の上面にＴｉ／Ａｕのｎ電極２０が配設されている。ｐ電極１８およびｎ電極２０が配設されている部分以外の上面は絶縁膜２２で覆われている。

図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図、つまり信号光の入射方向に交差する方向の断面であり、導波路と直交する断面での断面図である。
また図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図、つまり信号光の入射方向に沿った断面であり、導波路の延長方向の断面での断面図である。
なお図において同じ符号は同一のものか或いは相当のものである。

図２において、半導体基板としての、例えば半絶縁性のＦｅ−ＩｎＰ基板２４上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ（以下、“ｎ型”を“ｎ−”、“ｐ型”を“ｐ−”、“アンドープ“のものを“ｉ−”と略記する）のｎ−コンタクト層２６及びｎ−ＩｎＰのｎ−クラッド層２８がＦｅ−ＩｎＰ基板２４から順次配設されている。このｎ−クラッド層２８の上に受光部１２を介して信号光１４が導入される導波路メサ１６が配設されている。
導波路メサ１６は、ｎ−コンタクト層２６側からｎ−クラッド層２８の中央部の一部の層、このｎ−クラッド層２８の中央部の一部の表面上に配設されたｎ−ＩｎＧａＡｓＰのｎ−光ガイド層３０、このｎ−光ガイド層３０の表面上に配設された第１半導体層としてのｉ−ＩｎＧａＡｓＰのｉ−光ガイド層３１、このｉ−光ガイド層３１の表面上に配設されたｉ−ＩｎＧａＡｓの光吸収層３２、光吸収層３２の表面上に配設されたｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐ−光ガイド層３４、このｐ−光ガイド層３４の表面上に配設されたｐ−ＩｎＰのｐ−クラッド層３６、およびｐ−クラッド層３６の表面上に配設されたｐ−ＩｎＧａＡｓのｐ−コンタクト層４０が順次積層された導波路層としての導波路１６ａと、この導波路１６ａの両側に配設され導波路メサ１６の側面を形成するＦｅドープ絶縁体層としてのＦｅ−ＩｎＰのブロック層３８とを有する。

導波路１６ａの両側に配設されたブロック層３８を光吸収層３２よりも屈折率の低い材料で形成することにより、導波路１６ａとの屈折率差を大きくすることができ、光の閉じ込め効率が高くなり受光素子の受光感度を高めることができる。
さらにｐ−コンタクト層４０の表面はｐ電極１８が、またブロック層３８の両側面を覆ってｎ−コンタクト層２６の表面と接するｎ電極２０がそれぞれ配設されている。ｐ電極１８とｎ電極２０が覆っていない導波路メサ１６の表面は絶縁膜２２が配設され、ｐ電極１８とｎ電極２０とは絶縁膜２２を介して電気的に分離されている。

図３において、導波路１６ａの前方の受光側は劈開端面３８aを有する、例えばＦｅ-ＩｎＰのブロック層３８が配設されている。また導波路１６ａの後方にもＦｅ−ＩｎＰのブロック層３８が配設されている。即ち導波路１６ａの側壁はＦｅドープＩｎＰのブロック層３８に埋め込まれており、このブロック層３８において劈開されチップとして形成される。そしてブロック層３８の劈開端面の受光部１２を介して導波路１６ａに信号光が導入される。
この実施の形態においては、導波路１６ａの長手方向、すなわち光の進行方向の長さは、２０μｍで、導波路１６ａの幅は４μｍである。

この実施の形態では光吸収層３２の層厚ｄaは、例えば３５０ｎｍとし、ｉ−光ガイド層３１も同様に１５０ｎｍとしている。
この実施の形態においては、Ｂｅをｐ型ドーパントとした場合、Ｆｅ−ＩｎＰとの相互拡散は４５０ｎｍ程度である。従ってｉ−光ガイド層３１を挿入することによって暗電流を低減する効果が充分ある。この実施の形態の光吸収層３２とｉ−光ガイド層３１の層厚は一例であり、周波数特性、暗電流特性、使用するｐ型ドーパントの濃度、及びＦｅ−ＩｎＰ層のＦｅ濃度などを考慮して、様々な値を取ることができる。
例えば、ｐ型ドーパントとＦｅ−ＩｎＰ層中のＦｅとの相互拡散が非常に少ない場合や、光吸収層３２の層厚がより厚い場合などは、ｉ−光ガイド層３１の層厚は５０ｎｍ程度でも暗電流を低減する効果が得られる。また、周波数特性や動作電圧が使用上問題ない範囲でｉ−光ガイド層３１を厚くすることで、暗電流特性の向上が可能である。例えば、数Ｖ程度での動作を考えた場合、ｉ−光ガイド層３１はその層厚が１μｍ以下であれば、十分空乏化するので、良好な暗電流特性が得られる。また、例えば４０Ｇｂｐｓ通信用に動作させるために高速応答性を考慮するとｉ−光ガイド層３１の層厚は３００ｎｍ以下が望ましく、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にすることで、周波数特性を劣化させることなく、良好な暗電流特性が得られる。
ｎ−光ガイド層３０及びｐ−光ガイド層３４の材料であるＩｎＧａＡｓＰの屈折率はｎ−クラッド層２８及びｐ−クラッド層３６の材料の屈折率より大きく、ｎ−光ガイド層３０、ｉ−光ガイド層３１及びｐ−光ガイド層３４の材料の光学バンドギャップから求められる波長λgは１．４μｍである。
なおこの実施の形態ではｉ−光ガイド層３１の屈折率をｎ−クラッド層２８の屈折率よりも高くしたが、ｎ−クラッド層２８の屈折率と同じであってもかまわない。
また、ｉ−光ガイド層３１の屈折率は光吸収層３２の屈折率よりも低く設定されている。

各層におけるｎ型不純物はＩＶ族元素例えばＳｉ、Ｓなどを、またｐ型不純物はＩＩ族元素、例えばＢｅ、Ｚｎなどを添加している。ｐｉｎ−ＰＤ１０においては光吸収層３２はアンドープで、特に不純物は添加していない。
各層のキャリア濃度は、ｎ−コンタクト層２６が１×１０^１８ｃｍ^−３、ｎ−クラッド層２８が１×１０^１８ｃｍ^−３、ｎ−光ガイド層３０が１×１０^１８ｃｍ^−３、ｉ−光ガイド層３１はこの実施の形態ではアンドープであるが、ｎ型のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下、例えば１×１０^１４ｃｍ^−３〜１×１０^１７ｃｍ^−３であればかまわない。
その他の各層のキャリア濃度は、ｐ−光ガイド層３４が１×１０^１８ｃｍ^−３、ｐ−クラッド層３６が５×１０^１８ｃｍ^−３、ｐ−コンタクト層４０が１×１０^１９ｃｍ^−３である。
従って、導波路１６ａにおいて、ｐ−光ガイド層３４とｎ−光ガイド層３０とこれらに挟まれた光吸収層３２とは、ｉ−光ガイド層３１をも含めてｐ／ｉ／ｎ接合を形成している。

次にこの実施の形態のｐｉｎ−ＰＤ１０の製造方法の概略を説明する。
まず、半絶縁性ＦｅドープのＩｎＰ基板２４上に、ｎ−コンタクト層２６としてのｎ−ＩｎＧａＡｓ層、ｎ−クラッド層２８としてのｎ−ＩｎＰ層、ｎ−光ガイド層３０としてのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、ｉ−光ガイド層３１としてのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、光吸収層３２としてのｉ−ＩｎＧａＡｓ層、ｐ−光ガイド層３４としてのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ−クラッド層３６としてのｐ−ＩｎＰ層、及びｐ−コンタクト層４０としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層を、気相成長法例えば、ＭＯＣＶＤ法により所定の厚みに順次積層する。

次にこれら積層の最上層であるｐ−コンタクト層４０としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層表面にＳｉＯ2膜を形成し、形成すべき導波路１６ａの上表面に対応するＳｉＯ2膜を残し周囲に開口を有する絶縁膜パターンを形成し、この絶縁膜パターンをマスクとしてエッチングを行うことにより、光の進行方向の長手方向寸法が２０μｍ、幅方向寸法が４μｍの導波路１６ａを形成する。このとき、絶縁膜パターンを段階的に加工することにより、ｎ−クラッド層２８としてのｎ−ＩｎＰ層が完全に露呈するところでエッチングを停止する部分、即ち導波路１６ａの前面及び両側面の部分と、ＩｎＰ基板２４が露呈するまでエッチングを行う部分、即ち導波路１６ａの後方部分と、を形成する。

次にウエットエッチングによりドライエッチングの際に形成されたダメージ層を除去し、エッチングに使用した絶縁膜パターンを用いて選択成長を行うことにより、導波路１６ａをＦｅ−ＩｎＰで埋め込むブロック層３８を形成する。この埋込成長に於いては、ＳｉＯ2膜の絶縁膜パターンを選択成長膜として残すことにより、導波路１６ａ上にＦｅ−ＩｎＰの再成長を防ぐことが可能となり、受光素子表面が平坦になるようにブロック層３８で埋め込むことができる。このブロック層３８のＦｅ濃度は、例えば１×１０^１７ｃｍ^−３程度である。
次いで絶縁膜パターンを除去し、写真製版工程により新たに絶縁膜パターンを形成し、ウエットエッチングにより導波路メサ１６を形成し、ｎ電極２０を形成し、ｐ−ＣＶＤ装置を用いてＳｉＮにより絶縁膜２２の形成し、さらにｐ電極１８を形成する。
この後、適度な厚さまでＩｎＰ基板２４の裏面をエッチングしてボンディング用の裏面メタルを形成しウエハプロセスを完了する。

このように構成されたｐｉｎ−ＰＤ１０は、導波路１６ａを形成した後、Ｆｅ−ＩｎＰで導波路１６ａの周囲を埋め込む埋込み成長を行うが、埋込み成長を行う途中に於いてｐ−光ガイド層３４に含まれているｐ型不純物、例えばＢｅやＺｎとＦｅ−ＩｎＰ層のＦｅとが相互拡散を行い、Ｆｅ−ＩｎＰ層にｐ型ドーパントが拡散する。
ＢｅやＺｎといったｐ型ドーパントはＦｅとの相互拡散速度が非常に大きいため、短時間のうちに光吸収層３２の側面にまで拡散し、次第に光吸収層３２の内部にまで拡散してくる。
この実施の形態に係るｐｉｎ−ＰＤ１０においてはたとえ光吸収層３２の内部にｐ型ドーパントが拡散して拡散領域を形成しても、光吸収層３２とｎ−光ガイド層３０との間にｉ−光ガイド層３１が挿入されているので、光吸収層３２の内部に形成されたｐ型ドーパントの拡散領域とｎ−光ガイド層３０との間に局所的に空乏層の狭い領域が構成されることがない。

すなわちｉ−光ガイド層３１の層厚分の空乏層が加えられることになり、光吸収層３２の内部の空乏層に加えてｉ−光ガイド層３１の層厚分の空乏層が確保されることになる。
このため光吸収層３２の内部のｐ型ドーパントの拡散領域とｎ−光ガイド層３０との間の電界の増加が抑制される。この結果光吸収層３２からｎ−光ガイド層３０へ流れる暗電流の増加を防ぐことができる。延いては受光素子のＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。
さらにｉ−光ガイド層３１は光吸収層３２よりもバンドギャップが大きいために、これを挿入することにより暗電流が低減される。すなわち仮にｉ−光ガイド層３１の厚み分を光吸収層３２を厚くしたとして同じ電界が印加された場合を比較すると、ｉ−光ガイド層３１を挿入した方が原理的に暗電流を低減することができる。

図４はこの発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の電圧−電流特性を示すグラフである。
図４に於いて、横軸は逆電圧、縦軸は暗電流である。また実線の曲線ａは本実施の形態のようにｉ−光ガイド層３１を挿入した場合で、破線の曲線ｂは比較のために記載したものでｉ−光ガイド層３１を挿入しない場合の埋込導波路型受光素子の電圧−電流特性を示す。
図４に於いて示されるように、同じ逆電圧が印加された場合においてｉ−光ガイド層３１を挿入することにより暗電流が低減されることが分かる。
以上のようにこの実施の形態に係る埋込導波路型受光素子においては、周囲をＦｅ−ＩｎＰ層によって埋め込まれた導波路１６ａは、光吸収層３２とｎ−光ガイド層３０との間にｉ−光ガイド層３１が挿入されている。このためにＦｅ−ＩｎＰ層を経由して拡散されたｐ型ドーパントの拡散領域が光吸収層３２に形成されたとしても、ｐ型ドーパントの拡散領域とｎ−光ガイド層３０との間に十分な空乏層厚みが確保されるので、電界が高くならず暗電流の増加を抑制することができる。延いては受光素子のＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。

変形例１
図５はこの発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の、導波路と直交する断面での断面図である。図６はこの発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の、導波路の延長方向の断面での断面図である。
この変形例１の埋込導波路型受光素子の斜視図は、実施の形態１の埋込導波路型受光素子の斜視図である図１と同じである。
従って図５は図１のＩＩ−ＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図、つまり信号光の入射方向に交差する方向の断面の断面図であり、図６は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図、つまり信号光の入射方向に沿った断面の断面図である。
図５及び図６に於いて示されているｐｉｎ−ＰＤ５０が図２及び図３に於いて示されているｐｉｎ−ＰＤ１０と相違する構成は、ｐｉｎ−ＰＤ１０においては光吸収層がｉ−ＩｎＧａＡｓの光吸収層３２のみで形成されていたのに対して、ｐｉｎ−ＰＤ５０においては光吸収層が、ｉ−光ガイド層３１に続いて配設されたｉ−ＩｎＧａＡｓの第１光吸収層３２ａとこの第１光吸収層３２ａに続いて形成されたｐ−ＩｎＧａＡｓの第２光吸収層３２ｂとから形成され、この第２光吸収層３２ｂに続いてｐ−光ガイド層３４が形成されている点である。

またｐｉｎ−ＰＤ５０の製造方法もｐｉｎ−ＰＤ１０の製造方法における積層工程において、光吸収層としてｉ−ＩｎＧａＡｓの第１光吸収層３２ａとこの第１光吸収層３２ａに続いて形成されたｐ−ＩｎＧａＡｓの第２光吸収層３２ｂとが形成されることが相違するのみである。
この変形例では、第１光吸収層３２ａはｉ−ＩｎＧａＡｓで形成されているが、動作時に充分空乏化するような低いキャリア濃度、例えばキャリア濃度が１×１０^１４ｃｍ^−３〜１×１０^１６ｃｍ^−３であってもかまわない。また第２光吸収層３２ｂのキャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３で、第２光吸収層３２ｂ内で発生したフォトキャリアが内部電界を受けて電子の移動度がオーバーシュートするように設計されている。
この変形例のｐｉｎ−ＰＤ５０においては、ｉ−光ガイド層３１、第１光吸収層３２ａ、および第２光吸収層３２ｂの層厚はそれぞれ、例えば１５０ｎｍ，３５０nｍ、及び１００ｎｍとしている。この変形例のｉ−光ガイド層３１、第１光吸収層３２ａ、および第２光吸収層３２ｂの層厚は一例であり、周波数特性、暗電流特性、使用するｐ型ドーパントの濃度、及びＦｅ−ＩｎＰ層のＦｅ濃度などを考慮して、様々な値を取ることができる。
例えば、ｐ型ドーパントとＦｅ−ＩｎＰ層中のＦｅとの相互拡散が非常に少ない場合や、光吸収層３２の層厚がより厚い場合などは、ｉ−光ガイド層３１の層厚は５０ｎｍ程度でも暗電流を低減する効果が得られる。また、周波数特性や動作電圧が使用上問題ない範囲でｉ−光ガイド層３１を厚くすることで、暗電流特性の向上が可能である。例えば数Ｖ程度での動作を考えた場合、ｉ−光ガイド層３１はその層厚が１μｍ以下であれば、十分空乏化するので、良好な暗電流特性が得られる。また例えば４０Ｇｂｐｓ通信用に動作させるために高速応答性を考慮するとｉ−光ガイド層３１の層厚は３００ｎｍ以下が望ましく、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にすることで、周波数特性を劣化させることなく、良好な暗電流特性が得られる。
ｐｉｎ−ＰＤ５０におけるその他の構成は、実施の形態１のｐｉｎ−ＰＤ１０と同様であり、ｐｉｎ−ＰＤ１０と同様の効果を奏する。

変形例２
図７はこの発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の、導波路と直交する断面での断面図である。図８はこの発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の、導波路の延長方向の断面での断面図である。
この変形例２の埋込導波路型受光素子の斜視図は、実施の形態１の埋込導波路型受光素子の斜視図である図１と同じである。従って図７は図１のＩＩ−ＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図、つまり信号光の入射方向に交差する方向の断面の断面図であり、図８は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図、つまり信号光の入射方向に沿った断面の断面図である。
図７及び図８で示されている埋込導波路型受光素子はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。

図７及び図８に於いて示されているＡＰＤ６０が図２及び図３に於いて示されているｐｉｎ−ＰＤ１０と相違する構成は、ｎ−光ガイド層３０をキャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のｎ−ＡｌＩｎＡｓにより、ｉ−光ガイド層３１をアンドープかまたはｎ型のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下、例えば１×１０^１４ｃｍ^−３〜１×１０^１７ｃｍ^−３のＡｌＩｎＡｓにより、ｐ−光ガイド層３４をキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ−ＡｌＩｎＡｓにより、それぞれ形成されている。
さらにｐｉｎ−ＰＤ１０の構成に加えてｎ−光ガイド層３０とｉ−光ガイド層３１との間に、ｎ−光ガイド層３０側からアンドープまたはキャリア濃度が例えば１×１０^１４ｃｍ^−３〜１×１０^１６ｃｍ^−３のＡｌＩｎＡｓにより形成された増倍層６２およびキャリア濃度が例えば１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ−ＡｌＩｎＡｓにより形成された電界調整層６４が順次配設されていることである。

またＡＰＤ６０の製造方法もｐｉｎ−ＰＤ１０の製造方法における積層工程において、ｎ−光ガイド層３０をキャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のｎ−ＡｌＩｎＡｓにより、ｉ−光ガイド層３１をアンドープかまたはｎ型のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下、例えば１×１０^１４ｃｍ^−３〜１×１０^１７ｃｍ^−３のＡｌＩｎＡｓにより、ｐ−光ガイド層３４をキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ−ＡｌＩｎＡｓにより、それぞれ形成するとともにｎ−光ガイド層３０とｉ−光ガイド層３１との間に、ｎ−光ガイド層３０側から増倍層６２としてのＡｌＩｎＡｓ層および電界調整層６４としてのｐ−ＡｌＩｎＡｓをさらに形成することが相違しているだけである。
この変形例２に於いては、ｉ−光ガイド層３１および光吸収層３２の層厚をともに２５０ｎｍとしている。また各ＡｌＩｎＡｓ層はＩｎＰ基板と格子整合するものとしている。

この構成においても実施の形態１のｐｉｎ−ＰＤ１０と同様に、光吸収層３２の内部のｐ型ドーパントの拡散層とｎ−光ガイド層３０との間の電界の増加が抑制される。この結果光吸収層３２からｎ−光ガイド層３０へ流れる暗電流の増加を防ぐことができる。延いては受光素子のＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。
さらにｉ−光ガイド層３１は光吸収層３２よりもバンドギャップが大きいために、仮にｉ−光ガイド層３１の厚み分を光吸収層３２を厚くし同じ電界が印加された場合と比較しても、ｉ−光ガイド層３１を挿入した方が原理的に暗電流を低減することができる。
なお、変形例２のＡＰＤ６０においては、光吸収層を光吸収層３２の１層としたが、変形例１のｐｉｎ−ＰＤ５０のように、光吸収層が、ｉ−光ガイド層３１に続いて配設されたｉ−ＩｎＧａＡｓの第１光吸収層３２ａとこの第１光吸収層３２ａに続いて配設されたｐ−ＩｎＧａＡｓの第２光吸収層３２ｂとから形成されても良い。

以上のように、この発明に係る埋込導波路型受光素子は、半導体基板と、この半導体基板上に配設されたｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層の一部の上に配設され、ｎ型光ガイド層、ｎ型クラッド層と同じかまたはより高い屈折率を有するとともにｎ型光ガイド層の不純物濃度より低い１×１０^１７ｃｍ^−３以下の不純物濃度を有するかあるいはアンドープの第１半導体層、この第１半導体層よりも屈折率が高い光吸収層、ｐ型光ガイド層、およびｐ型クラッド層が半導体基板側から順次メサ状に積層された導波路層と、半導体基板上に配設され導波路層の側壁を埋設したＦｅドープ絶縁体層と、を備えたものである。
この発明に係る埋込導波路型受光素子においては、ｎ型光ガイド層と光吸収層との間に１×１０^１７ｃｍ^−３以下の不純物濃度を有するかあるいはアンドープの第１半導体層を配設することにより、空乏層が厚くなるのでｐ型光ガイド層からＦｅドープ絶縁体層を経由して光吸収層にｐ型ドーパントが拡散しても暗電流を少なくすることができる。
このためリーク電流が少なく、高感度で、高速動作が可能な、Ｆｅドープ絶縁体層に埋め込まれた埋込導波路型受光素子を構成することができ、延いてはＳ／Ｎ比が高く電力効率の高い埋込導波路型受光素子を構成することができる。

以上のように、この発明に係る埋込導波路型受光素子は、光通信システムにおいて使用される、高感度で、高速動作が要求され、Ｓ／Ｎ比が高く電力効率の高い埋込導波路型受光素子に適している。

この発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における埋込導波路型受光素子の断面図である。 この発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の電圧−電流特性を示すグラフである。 この発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の断面図である。 この発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の断面図である。 この発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の断面図である。 この発明の一実施の形態に係る埋込導波路型受光素子の変形例の断面図である。

符号の説明

２４ Ｆｅ−ＩｎＰ基板、 ２８ ｎ−クラッド層、 ３０ ｎ−光ガイド層、 ３１ ｉ−光ガイド層、 ３２ 光吸収層、 ３４ ｐ−光ガイド層、 ３６ ｐ−クラッド層、 １６ａ 導波路、 ３８ ブロック層、 ３２ａ 第１光吸収層、 ３２ｂ 第２光吸収層、 ６２ 増倍層、 ６４ 電界調整層。

Claims (8)

1. 半導体基板と、
   この半導体基板上に配設されたｎ型クラッド層と、
   このｎ型クラッド層の一部の上に配設され、ｎ型光ガイド層、上記ｎ型クラッド層と同じかまたはより高い屈折率を有するとともに上記ｎ型光ガイド層の不純物濃度より低い１×１０^１７ｃｍ^−３以下の不純物濃度を有するかあるいはアンドープの第１半導体層、この第１半導体層よりも屈折率が高い光吸収層、ｐ型光ガイド層、およびｐ型クラッド層が半導体基板側から順次メサ状に積層された導波路層と、
   上記半導体基板上に配設され上記導波路層の側壁を埋設したＦｅドープ絶縁体層と、を備えた埋込導波路型受光素子。
2. 光吸収層が、半導体基板側に配設されたアンドープの第１光吸収層およびｐ型光ガイド層側に配設されたｐ型の第２光吸収層を備えたことを特徴とする請求項１記載の埋込導波路型受光素子。
3. ｎ型光ガイド層と第１半導体層との間に半導体基板側から順次配設されたアンドープ増倍層およびｐ型電界調整層をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載の埋込導波路型受光素子。
4. 第１半導体層の層厚を５０ｎｍ以上１μｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の埋込導波路型受光素子。
5. 第１半導体層がＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓにより形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の埋込導波路型受光素子。
6. 半導体基板上に、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、ｎ型クラッド層と同じかまたは高い屈折率を有するとともにｎ型光ガイド層の不純物濃度よりも低い１×１０^１７ｃｍ^−３以下の不純物濃度を有するかあるいはアンドープの第１半導体層、この第１半導体層よりも屈折率が高い光吸収層、ｐ型光ガイド層、およびｐ型クラッド層を順次形成し半導体積層構造を形成する工程と、
   半導体積層構造の表面上に写真製版工程によりマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして半導体積層構造の表面からｎ型光ガイド層を完全に除去するまでエッチングを行いメサ状に積層された導波路層を形成する工程と、
   エッチングに使用したマスクパターンをマスクとして選択成長により、導波路層の側壁をＦｅドープ絶縁体により埋設する工程と、を含む埋込導波路型受光素子の製造方法。
7. 光吸収層が半導体基板側のアンドープの第１光吸収層とこの第１光吸収層の上のｐ型の第２光吸収層とから形成されることを特徴とした請求項６記載の埋込導波路型受光素子の製造方法。
8. 半導体積層構造のｎ型光ガイド層と第１半導体層との間にさらに半導体基板側から順次アンドープ増倍層およびｐ型電界調整層が形成されることを特徴とした請求項６または７記載の埋込導波路型受光素子の製造方法。

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