JP2010141054A

JP2010141054A - 導波路一体型半導体受光素子

Info

Publication number: JP2010141054A
Application number: JP2008314876A
Authority: JP
Inventors: Masato Toita; 真人戸板
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】製造過程における機械的強度の低下および製造コストの増大を抑制することのできる導波路一体型半導体受光素子を提供すること。
【解決手段】本実施形態による導波路一体型半導体受光素子においては、リッジ型光導波路１２０を経由して半導体基板表面に平行な方向に伝送された光は、半導体受光素子１１０に入射され、半導体受光素子１１０と光導波路１２０とが接する面１３０Ａと反対側の面である順メサ反射面１３０Ｂにて下方向に反射される。半導体基板方向に反射された光は、半導体受光素子１１０にて検知され、電気信号に変換される。半導体受光素子１１０にて発生した電気信号は、Ｎ型コンタクト形成部１４０及びＰ型コンタクト形成部１５０に接続された電極（図示せず）にて外部回路に取り出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、光信号を電気信号に変換する導波路一体型半導体受光素子に関し、より詳細には、半導体受光素子と導波路が半導体基板上で一体化されて（モノリシックに）設けられた導波路一体型半導体受光素子に関する。

光ファイバを用いた高速情報通信システムにおいては、光信号を電気信号に変換するための半導体受光素子が用いられている。例えばＰＩＮフォトダイオード等である。堅牢な半導体基板上に光導波路を設けることにより、例えばプラスチック光ファイバ等で問題となるたわみや振動による光学的不安定性の解消を図り、あるいは特定の周波数の光のみを透過させるフィルターとして機能させることも行われている。

このような半導体光導波路の例としては、例えばリッジ型光導波路がある。リッジ型導波路は、通常の半導体製造工程を用いて、半導体基板上に幅数μｍ、高さ数十ｎｍから数μｍ、長さ数μｍから数ｍｍの凸部を設けこの凸部に光を通過させるものである。

ＰＩＮフォトダイオードは、半導体基板上に例えばエピタキシャル成長技術を用いて、Ｎ型半導体層（Ｎ層）、イントリンシック半導体層（Ｉ層）、Ｐ型半導体層（Ｐ層）を順次形成したのち、公知のフォトリソグラフィー、エッチング技術を用いて所望の寸法のメサを形成し、さらには電極を形成して製造されている。つまり、一般にＰＩＮフォトダイオードは、半導体基板上に当該半導体基板に平行に積層された複数の薄膜で構成されている。

半導体基板上に形成される光導波路は、一般に半導体基板に平行な方向に光を導くように形成される。一方ＰＩＮフォトダイオードに代表される半導体受光素子は、半導体基板表面と平行な方向に積層されたＮ層、Ｉ層、Ｐ層等の薄膜で構成されているため、自ずと半導体基板の上下方向、すなわち半導体基板と垂直な方向から入射する光に対して高い応答感度をもっている。

したがって、光導波路と半導体受光素子とを同一の半導体基板上に形成し、モノリシック光集積回路を構成するためには、基板表面に平行な方向に伝搬された光を基板表面に垂直な方向に屈曲させることが有効である。例えば特許文献１には、半導体基板上に半導体光導波路と半導体受光素子層とがこの順序で積層された導波路集積型半導体受光素子において、半導体光導波路の光入力部と反対側の一端部が鉛直方向から内側へ約４５度傾斜した逆メサ状側面が形成され、この逆メサ状側面によって、信号光を上方に位置する半導体受光素子層へ反射させる構造が開示されている。ここで、逆メサとは、斜面と上部平坦面が鋭角をなすものを言う。

特開平６―２９５６６号公報

しかしながら、特許文献１の実施例においては、当該逆メサ状側面を形成するためハロゲン系ＲＩＢＥ法を用いている。つまり、ＲＩＢＥの入射ビームの飛来方向に対して基板を略４５度傾けるか、又はエッチングビームの飛来角度を約４５度とし、エッチングにより当該逆メサ形状を形成している。

このように、特許文献１では逆メサを用いている構造のため、導波路一体型半導体受光素子本体の機械的強度が損なわれるという問題があった。また、実施例にあるようなハロゲン系ＲＩＢＥを用いてドライエッチングにより逆メサを形成する方法では、基板を約４５度傾斜させてドライエッチングを行うための特殊な装置が必要となるため製造コストが高くなるという問題もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造過程における機械的強度の低下および製造コストの増大を抑制することのできる導波路一体型半導体受光素子を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光信号を電気信号に変換する導波路一体型半導体受光素子において、半導体基板表面に垂直な方向に入射する光に対して感度を有する半導体受光素子と、前記半導体受光素子に向かって、前記半導体基板と平行な方向に光を導くための光導波路とが前記半導体基板上に一体化されて設けられており、前記半導体受光素子は、前記半導体受光素子と前記光導波路とが接する面と反対側の面に反射面を有し、前記反射面と、前記半導体基板の前記半導体受光素子に接する表面部分とのなす角度が９０°未満であることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記角度は約４５度であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記光導波路および前記半導体受光素子は、化合物半導体で構成されていることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記光導波路および前記半導体受光素子は、インジウムアンチモンで構成されていることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様において、前記半導体受光素子は、前記半導体基板と平行な方向に積層された複数の半導体層で構成されていることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様において、前記光導波路は、リッジ型光導波路であることを特徴とする。

本発明によれば、半導体受光素子が、半導体受光素子と光導波路とが接する面と反対側の面に反射面を有し、反射面と、半導体基板の半導体受光素子に接する表面部分とのなす角度が９０°未満である（つまり、順メサである）ことにより、従来の逆メサを用いる場合のような機械的強度の低下がない。また、ウエットエッチングで形成できるため、特殊なドライエッチング装置を必要とせず製造コストを低減できる。本発明による導波路一体型半導体受光素子は、半導体受光素子と光導波路がモノリシックに形成されているので、高集積・高効率な高速光通信用光集積回路が実現可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明による導波路一体型半導体受光素子の実施形態の一例を示す上面図である。図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ、図１（ａ）に示したA-A'、B-B'、C-C'、D-D'の断面図である。導波路一体型半導体受光素子１００は、半導体基板上に半導体受光素子１１０と光導波路１２０とが一体化されて設けられたものである。半導体受光素子１１０は、半導体基板上に、基板に近い側から順にＰ型半導体層１１１、Ｉ型半導体層１１２、及びＮ型半導体層１１３の薄膜を備える。これらの半導体薄膜は、例えば分子線エピタキシャル成長技術により高真空中で連続的に形成される。リッジ型光導波路１２０は、半導体基板上に設けられたメサ１０１上に形成されており、幅1から5μｍ、高さ50nmから1μｍ、長さ数μｍから数ｍｍの矩形凸部１２１により構成されている。

図２は、本実施形態による導波路一体型半導体受光素子の効果を説明するための断面図である。本実施形態による導波路一体型半導体受光素子においては、リッジ型光導波路１２０を経由して半導体基板表面に平行な方向に伝送された光は、半導体受光素子１１０に入射され、半導体受光素子１１０と光導波路１２０とが接する面１３０Ａと反対側の面である順メサ反射面１３０Ｂにて下方向に反射される。半導体基板方向に反射された光は、半導体受光素子１１０にて検知され、電気信号に変換される。半導体受光素子１１０にて発生した電気信号は、Ｎ型コンタクト形成部１４０及びＰ型コンタクト形成部１５０に接続された電極（図示せず）にて外部回路に取り出される。本発明においては、図２に示した順メサ反射面１３０Ｂにて光を下方向（半導体基板方向）に屈曲させる点が肝要である。そのために、反射面１３０Ｂと、半導体基板の半導体受光素子１１０に接する表面部分１６０とのなす角度が９０°未満であることが求められる。また、反射面１３０Ｂで反射される光を、より半導体基板に垂直な方向に近づけるため、順メサ反射面１３０Ｂは、半導体基板の半導体受光素子１１０に接する表面部分１６０から、例えば、３０度から６０度の角度に形成することが好ましい。より好ましくは、４０度から５０度の角度に形成することが好ましく、例えば、４５度の角度に形成することが望ましい。

この順メサ反射面１３０Ｂを形成する工程は、例えば半導体受光素子１１０を単結晶インジウムアンチモンで形成する場合には、塩酸、過酸化水素水、水の混合物を用いたウエットエッチング法を用いればよい。順メサ反射面１３０Ｂと、基板と平行な平面１６０とのなす角度θはウエットエッチング液に用いる塩酸、過酸化水素水、水の混合比率、及びエッチング液の温度を適切に選択することによって容易に制御可能である。

本発明による導波路一体型半導体受光素子の実施形態の一例を示す上面図である。本実施形態による導波路一体型半導体受光素子の効果を説明するための断面図である。

符号の説明

１００導波路一体型半導体受光素子
１０１メサ
１１０半導体受光素子
１１１Ｐ型半導体層
１１２Ｉ型半導体層
１１３Ｎ型半導体層
１２０光導波路
１２１凸部
１３０Ａ半導体受光素子１１０と光導波路１２０とが接する面
１３０Ｂ順メサ反射面
１４０Ｎ型コンタクト形成部
１５０Ｐ型コンタクト形成部
１６０半導体基板の半導体受光素子１１０に接する表面部分

Claims

光信号を電気信号に変換する導波路一体型半導体受光素子において、
半導体基板表面に垂直な方向に入射する光に対して感度を有する半導体受光素子と、
前記半導体受光素子に向かって、前記半導体基板と平行な方向に光を導くための光導波路と
が前記半導体基板上に一体化されて設けられており、
前記半導体受光素子は、前記半導体受光素子と前記光導波路とが接する面と反対側の面に反射面を有し、
前記反射面と、前記半導体基板の前記半導体受光素子に接する表面部分とのなす角度が９０°未満であることを特徴とする導波路一体型半導体受光素子。
前記角度は約４５度であることを特徴とする請求項１に記載の導波路一体型半導体受光素子。
前記光導波路および前記半導体受光素子は、化合物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路一体型半導体受光素子。
前記光導波路および前記半導体受光素子は、インジウムアンチモンで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の導波路一体型半導体受光素子。
前記半導体受光素子は、前記半導体基板と平行な方向に積層された複数の半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の導波路一体型半導体受光素子。
前記光導波路は、リッジ型光導波路であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の導波路一体型半導体受光素子。