JP2013191704A - Light receiving element - Google Patents

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春彦 吉田
Kazuya Ohira
和哉 大平
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light receiving element that can be produced by epitaxially growing an absorption layer, a clad layer, and a waveguide layer and the like on a compound semiconductor (e.g., GaAs) substrate, and mainly performing etching processing without depending on bonding and adhesion processes.SOLUTION: A light receiving element has a light receiving part consisting of a semiconductor multilayer structure having a circular-shaped outer periphery. The semiconductor multilayer structure comprises: an active layer 12 consisting of a multiquantum well structure; a light confinement layer 13 provided on both sides of the active layer 12; a first clad layer and a second clad layer provided on both sides of the light confinement layer 13; a first contact layer 15a and a second contact layer 15b provided so as to be connected to the first clad layer and the second clad layer; a lower clad layer connected to the first contact layer 15a and connected to a substrate; and a positive electrode D1 and a negative electrode D2 for applying a bias to the light receiving part. A part of a side wall of the clad layer consists of a low refractive index material 20c.

Description

本発明は、受光素子に関する。   The present invention relates to a light receiving element.

近年、LSIの集積密度が高くなることに伴い、内部回路パターンの微細化が進んでいる。この微細化により、配線断面積の減少によって配線抵抗が増大し、隣接する配線との間隔が狭くなることによって配線間の容量が増大する。その結果、配線抵抗と配線容量で決定される配線遅延が増大し、LSIをより高速化することが困難となる。また、LSI内部のマルチコア化やメモリ3次元集積化が進むにつれ、コア間やコア/メモリ間での大容量伝送が必要不可欠となっており、電気による伝送速度がLSI高性能化のボトルネックとなっている。このようなLSIの高密度化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、電気信号を光信号に置き換える光配線技術が注目されている。   In recent years, internal circuit patterns have been miniaturized as LSI integration density has increased. With this miniaturization, the wiring resistance increases due to the reduction of the wiring cross-sectional area, and the capacitance between the wirings increases due to the narrower spacing between adjacent wirings. As a result, the wiring delay determined by the wiring resistance and the wiring capacitance increases, making it difficult to increase the speed of the LSI. In addition, as multi-core integration and three-dimensional memory integration in LSIs progress, large-capacity transmission between cores and between cores / memory is indispensable, and the transmission speed by electricity is a bottleneck for improving LSI performance. It has become. As a technique for solving such a wiring delay problem associated with high density LSI, an optical wiring technique that replaces an electrical signal with an optical signal has attracted attention.

光配線技術は、金属配線のかわりに光導波路を用いて信号伝送する方式であり、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。光配線技術において光源として使用する半導体レーザ(LD)に関して、従来の光通信で用いられてきた素子サイズは幅数μm、長さ百μmであり、LSIのトランジスタや配線ピッチに比べると、巨大である。このことが、電気配線を光配線へ置き換えることの大きな阻害要因となっている。そのため、小型光源としてマイクロリング共振器を用いたマイクロリングLDが注目され始めており、その研究開発が活発になっている。また、LSIチップ上の光配線を実現するには、光源素子(送信部)と光導波路(伝送部)とともに受光素子(受信部)も駆動回路や増幅回路とともに、同じチップ上にコンパクトに集積化して光送受信ユニットを形成する必要がある。   Optical wiring technology is a method of transmitting signals using an optical waveguide instead of metal wiring, and does not increase the wiring resistance and inter-wiring capacitance due to the above-mentioned miniaturization, further increasing the operation speed Can be expected. Regarding the semiconductor laser (LD) used as a light source in the optical wiring technology, the element size used in the conventional optical communication is several μm in width and 100 μm in length, which is huge compared to the LSI transistor and wiring pitch. is there. This is a major obstacle to replacing electrical wiring with optical wiring. For this reason, a microring LD using a microring resonator as a small light source has begun to attract attention, and its research and development has become active. To realize optical wiring on an LSI chip, a light source element (transmission unit) and an optical waveguide (transmission unit) as well as a light receiving element (reception unit) are integrated compactly on the same chip together with a drive circuit and an amplifier circuit. Therefore, it is necessary to form an optical transceiver unit.

こうした用途に適合する受光素子(PD)として、PIN型PD、MSM型PD、アバランシェ型PD等が挙げられるが、マイクロリングLDとの集積化する場合には、低コスト化の観点から同一の積層構造を有するウエハを同一プロセスにより加工することによって、同時に作製および集積化できる受光素子であることが強く望まれる。   Light receiving elements (PD) suitable for such applications include PIN type PDs, MSM type PDs, avalanche type PDs, etc., but when integrated with a microring LD, the same stack is used from the viewpoint of cost reduction. It is strongly desired to be a light receiving element that can be simultaneously fabricated and integrated by processing a wafer having a structure by the same process.

しかし上記に述べたような、LDと同一の積層構造を有するウエハでは吸収層の厚さが高々、数十nmと薄く、十分な光吸収効率とこれに伴う十分な光−電気変換効率(あるいは光電流)を得ることは非常に困難である。   However, in the wafer having the same laminated structure as the LD as described above, the thickness of the absorption layer is as thin as several tens of nanometers, so that sufficient light absorption efficiency and sufficient light-electric conversion efficiency (or the corresponding conversion efficiency) (or It is very difficult to obtain a photocurrent.

すなわち、10ミクロン程度の素子サイズで十分な光吸収効率を確保するには通常、数百nm程度の吸収層の厚さが必要であり、したがって、吸収層が数十nmの厚さの場合100ミクロン以上の吸収長が必要となり、素子サイズが大きくなるためLSIチップ上への集積化が困難となる。これを解決する方法として、リング状の受光部に導波路を接続して、入力した光をリングの内部を周回させて実効的な吸収長を長くすることにより、素子サイズの小型化・高効率化が期待される。   That is, in order to secure a sufficient light absorption efficiency with an element size of about 10 microns, the thickness of the absorption layer of about several hundreds of nm is usually required. Therefore, when the absorption layer has a thickness of several tens of nm, 100 An absorption length of micron or more is required, and the element size increases, so that integration on an LSI chip becomes difficult. A solution to this problem is to reduce the element size and increase efficiency by connecting a waveguide to the ring-shaped light receiving section and circulating the input light around the ring to increase the effective absorption length. Is expected.

実際、こうした原理に基づくリング状の受光素子を提案している例もある(特許文献1)。但し、このようなリング構造を微細化してなおかつ光を効率良く結合し、リング内部を低損失で周回させて光を活性媒質に効率良く吸収させて光をキャリア(電子−正孔対)に変換し、さらにキャリアを再結合により損失することなく電流に変換することは容易ではない。特に、直径10μm程度の微小なリング構造ではリング側壁の加工損傷などにより、散乱による光損失や表面再結合によるキャリア損失が発生するため、光−電気変換効率のさらなる低下を引き起こしてしまう。また、リング状の受光部と導波路との接続部分やリング内部においては、光の干渉による放射損失が生じやすく、サイズが小さくなるほどその影響が顕著になり、高効率化が一層困難になる。   In fact, there is an example in which a ring-shaped light receiving element based on such a principle is proposed (Patent Document 1). However, such a ring structure is miniaturized and light is efficiently coupled, and the inside of the ring is circulated with low loss so that the light is efficiently absorbed by the active medium and converted into carriers (electron-hole pairs). In addition, it is not easy to convert carriers into current without loss due to recombination. In particular, in a minute ring structure having a diameter of about 10 μm, light loss due to scattering and carrier loss due to surface recombination occur due to processing damage on the ring side wall, which causes further reduction in the photoelectric conversion efficiency. In addition, radiation loss due to light interference is likely to occur at the connection portion between the ring-shaped light receiving portion and the waveguide or inside the ring, and the effect becomes more significant as the size is reduced, making it more difficult to increase efficiency.

以上述べたように、受光特性を劣化させない低損失かつ微細なリング形状の受光部および導波路との接続構造の実現することは、LSIチップ上の光配線を実現する上で極めて重要な課題となる。また、作製方法については、シリコン(SOI)基板上のシリコン導波路上に、化合物半導体の光吸収層を接合あるいは接着する方法が、チップ内の微細な光配線には適している。しかしながら、技術的に作製が容易でない接合や接着プロセスによらずに作製できれば、一層の低コスト化が可能である。微細な光導波路による配線を必要としないチップ間光配線では、むしろ、こうした作製方法の方が適しており、これを可能とする受光素子の構造およびその集積技術の実現が重要な課題のひとつとなっている。   As described above, the realization of a connection structure with a low-loss and fine ring-shaped light-receiving part and waveguide that does not deteriorate the light-receiving characteristics is an extremely important issue in realizing optical wiring on an LSI chip. Become. As a manufacturing method, a method of bonding or bonding a compound semiconductor light absorption layer on a silicon waveguide on a silicon (SOI) substrate is suitable for fine optical wiring in a chip. However, if it can be manufactured without using a bonding or bonding process that is not technically easy to manufacture, the cost can be further reduced. For inter-chip optical wiring that does not require wiring with fine optical waveguides, rather, such a manufacturing method is more suitable, and the realization of the structure of the light receiving element and its integration technology that make this possible is one of the important issues. It has become.

米国特許6978067号明細書US Pat. No. 6,978,067

化合物半導体(例えばGaAs)基板上に吸収層、クラッド層および、導波路層等をエピタキシャル成長し、接合や接着プロセスによらず、主にエッチング加工により作製可能な受光素子を提供する。   An absorption layer, a cladding layer, a waveguide layer, and the like are epitaxially grown on a compound semiconductor (for example, GaAs) substrate, and a light receiving element that can be manufactured mainly by etching processing regardless of a bonding or adhesion process is provided.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態にかかる受光素子は、外周が円形状の半導体多層構造からなる受光部を持ち、前記半導体多層構造は、多重量子井戸構造からなる活性層と、活性層の両側に設けられた光閉じ込め層と、光閉じ込め層の両側に設けられた第1クラッド層および第2クラッド層と、前記第1クラッド層および第2クラッド層に接続する形で設けられた第1コンタクト層及び第2コンタクト層と、前記第1コンタクト層に接続しかつ基板に接続する下部クラッド層、前記受光部にバイアスを印加する正電極および負電極とを持ち、前記クラッド層の側壁の一部が低屈折率材料からなることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the light receiving element according to the embodiment has a light receiving portion made of a semiconductor multilayer structure having a circular outer periphery, and the semiconductor multilayer structure is an active having a multiple quantum well structure. A layer, a light confinement layer provided on both sides of the active layer, a first clad layer and a second clad layer provided on both sides of the light confinement layer, and a shape connected to the first clad layer and the second clad layer The first contact layer and the second contact layer provided in the above, a lower cladding layer connected to the first contact layer and connected to the substrate, a positive electrode and a negative electrode for applying a bias to the light receiving portion, A part of the side wall of the cladding layer is made of a low refractive index material.

本発明によれば、受光部および受光部と光導波路との接続部における光損失やキャリア損失を抑制し、発光素子と同一ウエハ、同一プロセスでの同時作製によって集積化できる、小型で高効率の受光素子が実現される。   According to the present invention, the light loss and the carrier loss at the light receiving portion and the connection portion between the light receiving portion and the optical waveguide are suppressed, and the light emitting element can be integrated by simultaneous production in the same wafer and the same process. A light receiving element is realized.

第1の実施形態に係る受光素子を構成する積層構造の断面図である。It is sectional drawing of the laminated structure which comprises the light receiving element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る受光素子のパターニング形状を表す模式的斜視図である。It is a typical perspective view showing the patterning shape of the light receiving element concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る受光素子の模式的断面図である。It is a typical sectional view of a photo acceptance unit concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る受光素子のリング状受光部及び光導波路の要部を拡大した模式的断面図である。It is the typical sectional view which expanded the principal part of the ring-shaped light-receiving part of the light receiving element concerning a 1st embodiment, and an optical waveguide. 第1の実施形態に係るリング型受光素子(直径10μm)の印加電圧と光吸収量の関係を示すシミュレーション結果を表す図である。It is a figure showing the simulation result which shows the relationship between the applied voltage and light absorption amount of the ring type light receiving element (diameter 10 micrometers) which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るリング型受光素子の導波路の幅と曲がり導波路の有無による光吸収量の変化を示すシミュレーション結果を表す図である。It is a figure showing the simulation result which shows the change of the light absorption amount by the width of the waveguide of the ring type light receiving element concerning a 1st embodiment, and the existence of a curved waveguide. 第1の実施形態に係るリング型受光素子における直線状の導波路と受光部との接続を曲がり導波路の有無により表す図である。It is a figure which represents the connection of the linear waveguide and light-receiving part in the ring type light receiving element which concerns on 1st Embodiment by the presence or absence of a curved waveguide. 第1の実施形態に係るリング型受光素子、ディスク型受光素子、スパイラル型受光素子の印加電圧による受光感度の変化を示すシミュレーション結果を表す図である。It is a figure showing the simulation result which shows the change of the light reception sensitivity by the applied voltage of the ring type light receiving element which concerns on 1st Embodiment, a disk type light receiving element, and a spiral type light receiving element. 第1の実施形態に係るリング型受光素子、ディスク型受光素子、スパイラル型受光素子の光吸収特性のバイアス依存性を示す図である。It is a figure which shows the bias dependence of the light absorption characteristic of the ring type light receiving element which concerns on 1st Embodiment, a disk type light receiving element, and a spiral type light receiving element. 第2の実施形態に係るリング型受光素子の製造プロセスの一部を表す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing a part of manufacturing process of a ring type photo acceptance unit concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係るリング型受光素子の製造プロセスの一部を表す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing a part of manufacturing process of a ring type photo acceptance unit concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係るリング型受光素子の製造プロセスの一部を表す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing a part of manufacturing process of a ring type photo acceptance unit concerning a 2nd embodiment.

図1は、実施形態に係る受光素子を製造する際、この受光素子の基本的な積層構造を構成し、受光素子製造の出発点となる多層構造体100を示す図である。この多層構造体100は、半導体レーザーと同一の積層構造を有するウエハ(InGaAs/GaAs)であり、レーザー共振器の製造プロセスを用いて、超小型・高感度の受光素子を実現できる。   FIG. 1 is a diagram showing a multilayer structure 100 that constitutes a basic laminated structure of a light receiving element and serves as a starting point for manufacturing the light receiving element when the light receiving element according to the embodiment is manufactured. The multilayer structure 100 is a wafer (InGaAs / GaAs) having the same laminated structure as that of a semiconductor laser, and an ultra-small and high-sensitivity light receiving element can be realized by using a laser resonator manufacturing process.

同図では、基板S上に、積層構造体100が形成されている。積層構造体100は、例えば、下部クラッド層20、第1コンタクト層15a(第1半導体層10)、第1クラッド層14a、第1光閉じ込め層13a、活性層12、第2光閉じ込め層13b、第2クラッド層14b及び第2コンタクト層15bを積層したものである。また、積層構造体100は、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって連続成膜される。   In the figure, a laminated structure 100 is formed on a substrate S. The laminated structure 100 includes, for example, a lower cladding layer 20, a first contact layer 15a (first semiconductor layer 10), a first cladding layer 14a, a first light confinement layer 13a, an active layer 12, a second light confinement layer 13b, The second cladding layer 14b and the second contact layer 15b are stacked. The laminated structure 100 is continuously formed by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

ここで、基板Sは、例えばGaAsである。下部クラッド層20は、例えば厚さ1μmのn形のAl0.96Ga0.04Asである。第1コンタクト層15aは、例えば厚さ0.25μmのn形のGaAsである。第1クラッド層14aは、例えば厚さ0.1μmのn形のAl0.92Ga0.08Asである。第1光閉じ込め層13aは、例えば厚さ0.01μmのn形のGaAsである。 Here, the substrate S is, for example, GaAs. The lower cladding layer 20 is, for example, n-type Al 0.96 Ga 0.04 As having a thickness of 1 μm. The first contact layer 15a is, for example, n-type GaAs having a thickness of 0.25 μm. The first cladding layer 14a is, for example, n-type Al 0.92 Ga 0.08 As having a thickness of 0.1 μm. The first optical confinement layer 13a is, for example, n-type GaAs having a thickness of 0.01 μm.

活性層12は、例えば厚さ8nmのn形のGaAs量子井戸層と、厚さ10nmのGaAsバリア層とを交互に積層し、上下(基板S側を「下」、基板Sと反対側を「上」という)を厚さ40nmのAl0.1Ga0.9As層で挟んだ多重量子井戸構造である。 The active layer 12 is formed by alternately stacking, for example, an n-type GaAs quantum well layer having a thickness of 8 nm and a GaAs barrier layer having a thickness of 10 nm, and vertically and vertically (the substrate S side is “down” and the opposite side of the substrate S is “ It referred to above ") a multiple quantum well structure sandwiched by Al 0.1 Ga 0.9 as layers thick 40 nm.

第2光閉じ込め層13bは、例えば厚さ0.01μmのp形のGaAsである。第2クラッド層14bは、例えば厚さ0.1μmのp形のAl0.92Ga0.08Asである。第2コンタクト層15bは、例えば厚さ0.01μmのp形のGaAsである。 The second optical confinement layer 13b is, for example, p-type GaAs having a thickness of 0.01 μm. The second cladding layer 14b is, for example, p-type Al 0.92 Ga 0.08 As having a thickness of 0.1 μm. The second contact layer 15b is, for example, p-type GaAs having a thickness of 0.01 μm.

後述するようにクラッド層は酸化により形成するが、酸化の際には、第1クラッド層14aと第2クラッド層14bの酸化前の母材のAL濃度が下部クラッド層20の酸化前の母材のAl濃度よりも幾分低いことが本発明に係る受光素子を作製する上で重要となる。   As will be described later, the cladding layer is formed by oxidation. At the time of oxidation, the AL concentration of the base material before oxidation of the first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b is the base material before oxidation of the lower cladding layer 20. It is important that the light receiving element according to the present invention is somewhat lower than the Al concentration.

図1に示す積層構造体100を後述するように、パターニングとエッチング数回繰り返すことで、図2及び図3に示すような第1の実施形態のリング型受光素子120を得ることができる。   As will be described later, the ring type light receiving element 120 of the first embodiment as shown in FIGS. 2 and 3 can be obtained by repeating the patterning and etching several times as will be described later.

図2は、第1の実施形態に係るリング型受光素子120の模式的斜視図であり、この受光素子120の構造を分かり易く説明するため、受光素子120をほぼ中心線に沿って切断した断面により、その構造を示している。また、図2は積層構造体100をパターニングした後、図3に示す電極D1、D2と絶縁膜18、19、80を付与する前の状態を示している。図2に示すように、第1の実施形態に係る受光素子120は、直線的な細線導波路70と、細線導波路70を通して受光した光をリング状の受光部130で吸収し電気信号に変換するリング状受光部130からなる。細線導波路70及びリング状受光部130は図1に示す同じ積層構造体100から構成されている。   FIG. 2 is a schematic perspective view of the ring-type light receiving element 120 according to the first embodiment. In order to easily understand the structure of the light receiving element 120, a cross section obtained by cutting the light receiving element 120 substantially along the center line. Shows the structure. FIG. 2 shows a state before the electrodes D1 and D2 and the insulating films 18, 19, and 80 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the light receiving element 120 according to the first embodiment absorbs the light received through the thin line waveguide 70 and the thin line waveguide 70 by the ring-shaped light receiving unit 130 and converts it into an electrical signal. It comprises a ring-shaped light receiving unit 130 that performs the following. The thin-line waveguide 70 and the ring-shaped light receiving unit 130 are composed of the same laminated structure 100 shown in FIG.

図3は、受光素子120の断面を示す図であり、図3では、絶縁膜18、19、80とさらに上下2つの電極D1、D2が付与された最終形態の受光素子120の断面図が示されている。   FIG. 3 is a view showing a cross section of the light receiving element 120. FIG. 3 shows a cross sectional view of the light receiving element 120 in the final form in which the insulating films 18, 19, 80 and two upper and lower electrodes D1, D2 are provided. Has been.

ここで、第1の実施形態では、第1半導体層10の主面10a(図2)に直交する方向をZ軸方向、Z軸方向と直交する方向をX軸方向及びY軸方向という。第1半導体層10の主面10aは、Z軸方向と直交するX−Y面である。また、第1半導体層10の主面10aのZ軸方向を上(上側)、その反対−Z方向を下(下側)という。   Here, in the first embodiment, a direction orthogonal to the main surface 10a (FIG. 2) of the first semiconductor layer 10 is referred to as a Z-axis direction, and directions orthogonal to the Z-axis direction are referred to as an X-axis direction and a Y-axis direction. The main surface 10a of the first semiconductor layer 10 is an XY plane orthogonal to the Z-axis direction. Further, the Z-axis direction of the main surface 10a of the first semiconductor layer 10 is referred to as the upper side (upper side), and the opposite -Z direction is referred to as the lower side (lower side).

受光素子120において、第1半導体層10は、リング状受光部130と、リング状受光部130に並置された細線導波路70と、を有する。第1半導体層10は、例えば化合物半導体であって、導電形は、例えば第1導電形である。   In the light receiving element 120, the first semiconductor layer 10 includes a ring-shaped light receiving unit 130 and a thin wire waveguide 70 juxtaposed to the ring-shaped light receiving unit 130. The first semiconductor layer 10 is, for example, a compound semiconductor, and the conductivity type is, for example, the first conductivity type.

本実施形態の受光素子120では、細線導波路70において、光ファイバー等から入力する光を導波し、リング状受光部130へ導き、受光部130の光閉じ込め層で、光を吸収して電気信号に変換する。すなわち、リング状受光部130は、光・電気変換部として機能する。   In the light receiving element 120 of the present embodiment, light input from an optical fiber or the like is guided in the thin waveguide 70 and guided to the ring-shaped light receiving unit 130, and the light is confined in the light confinement layer of the light receiving unit 130 to absorb the electric signal. Convert to That is, the ring-shaped light receiving unit 130 functions as an optical / electrical conversion unit.

受光素子120において、第1半導体層10のリング状受光部130の下面には、第2半導体層20aが接している。また、細線導波路70の下面には、低屈折率層20cが接している。第2半導体層20aは、例えば化合物半導体であって、導電形は、例えば第1導電形である。第2半導体層20a及び低屈折率層20cは、下部クラッド層20として機能する。   In the light receiving element 120, the second semiconductor layer 20 a is in contact with the lower surface of the ring-shaped light receiving part 130 of the first semiconductor layer 10. Further, the low refractive index layer 20 c is in contact with the lower surface of the thin wire waveguide 70. The second semiconductor layer 20a is, for example, a compound semiconductor, and the conductivity type is, for example, the first conductivity type. The second semiconductor layer 20 a and the low refractive index layer 20 c function as the lower cladding layer 20.

下部クラッド層20は、例えば基板Sの上に形成される。基板Sの下側には、第1電極D1がさらに形成される。なお、第1電極D1は、第2半導体層20aと導通すればよいため、必ずしも基板Sの下側に設けられていなくてもよい。   The lower cladding layer 20 is formed on the substrate S, for example. A first electrode D1 is further formed below the substrate S. Note that the first electrode D1 need only be electrically connected to the second semiconductor layer 20a, and thus is not necessarily provided below the substrate S.

導波路70は、主面10aに沿って設けられ、光ファイバー等から放出された光を第1半導体層の主面に沿って導く。すなわち、導波路70とリング型受光素子120の光吸収層を有するリング状受光部130とは、導波路70からリング状受光部130へと光信号が伝搬可能な状態になっている。リング型受光素子の光吸収層を有するリング状受光部130及び導波路70は、例えば化合物半導体から構成される。   The waveguide 70 is provided along the main surface 10a and guides light emitted from the optical fiber or the like along the main surface of the first semiconductor layer. That is, the waveguide 70 and the ring-shaped light receiving unit 130 having the light absorption layer of the ring-type light receiving element 120 are in a state in which an optical signal can propagate from the waveguide 70 to the ring-shaped light receiving unit 130. The ring-shaped light receiving part 130 and the waveguide 70 having the light absorption layer of the ring type light receiving element are made of, for example, a compound semiconductor.

第1半導体層10、第2半導体層20a、リング状受光部130及び導波路70に化合物半導体が用いられる場合、その化合物半導体は、ガリウム砒素(GaAs)を含む材料、ガリウム燐(GaP)を含む材料、窒化ガリウム(GaN)を含む材料、等である。   When a compound semiconductor is used for the first semiconductor layer 10, the second semiconductor layer 20a, the ring-shaped light receiving unit 130, and the waveguide 70, the compound semiconductor includes a material containing gallium arsenide (GaAs) and gallium phosphide (GaP). Materials, materials containing gallium nitride (GaN), and the like.

実施形態に係る受光素子120では、リング状受光部130の層構造と、導波路70の層構造と、が等しい層構造となっている。すなわち、リング状受光部130の層構造及び導波路70の層構造は、基板S上に最初に同時に形成した一様な層構造をエッチングによる所定のパターニングを施すことで形成される。このため、リング状受光部130と、導波路70と、の間隔は、層構造をエッチングによりパターニングする際の精度により決まる。   In the light receiving element 120 according to the embodiment, the layer structure of the ring-shaped light receiving unit 130 and the layer structure of the waveguide 70 have the same layer structure. That is, the layer structure of the ring-shaped light receiving unit 130 and the layer structure of the waveguide 70 are formed by performing predetermined patterning by etching on the uniform layer structure formed on the substrate S at the same time. For this reason, the distance between the ring-shaped light receiving unit 130 and the waveguide 70 is determined by the accuracy when the layer structure is patterned by etching.

次に、具体的な積層構造について説明する。   Next, a specific laminated structure will be described.

図3は、図2に示す受光素子上に絶縁層を形成し、所定のプロセスを経て、上下の電極を付して完成した受光素子の模式的断面である。   FIG. 3 is a schematic cross section of a light receiving element completed by forming an insulating layer on the light receiving element shown in FIG. 2 and attaching upper and lower electrodes through a predetermined process.

図4は、表示したリング状受光部130の及び導波路70の模式的断面図である。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the displayed ring-shaped light receiving unit 130 and the waveguide 70.

図3及び図4に表したように、リング状受光部130及び導波路70は同じ積層構造を有し、第1クラッド層14a、第1光閉じ込め層13a、活性層12第2光閉じ込め層13b及び第2クラッド層14bを含む積層構造を有する。   As shown in FIGS. 3 and 4, the ring-shaped light receiving unit 130 and the waveguide 70 have the same laminated structure, and the first cladding layer 14a, the first light confinement layer 13a, the active layer 12 and the second light confinement layer 13b. And a laminated structure including the second cladding layer 14b.

第1導電形の第1光閉じ込め層13aは、活性層12の下側に形成され、第2導電形の第2光閉じ込め層13bは活性層12の上側に形成される。第1導電形の第1クラッド層14aは第1光閉じ込め層13aの下側に形成され、第2導電形の第2クラッド層14bは第2光閉じ込め層13bの上側に形成される。   The first conductivity type first light confinement layer 13 a is formed below the active layer 12, and the second conductivity type second light confinement layer 13 b is formed above the active layer 12. The first conductivity type first cladding layer 14a is formed below the first light confinement layer 13a, and the second conductivity type second cladding layer 14b is formed above the second light confinement layer 13b.

第2半導体層20aと、第1クラッド層14aと、のあいだには、第1導電形の第1コンタクト層15a(第1半導体層10)が形成される。リング状受光部130において、第1コンタクト層15aは、第1半導体層10である。   A first contact layer 15a of the first conductivity type (first semiconductor layer 10) is formed between the second semiconductor layer 20a and the first cladding layer 14a. In the ring-shaped light receiving unit 130, the first contact layer 15 a is the first semiconductor layer 10.

第2クラッド層14bと、第2電極D2と、のあいだには、第2導電形の第2コンタクト層15bが形成される。   A second contact layer 15b of the second conductivity type is formed between the second cladding layer 14b and the second electrode D2.

第1コンタクト層15aは積層構造の一部をなす部分はリング状に形成されるが、積層構造以外の部分は、第1半導体層10であり、平板状をなす。したがって、第1コンタクト層15aは、リングの内側及び外側まで延在している。活性層12、第1光閉じ込め層13a、第2光閉じ込め層13b、第1クラッド層14a、第2クラッド層14b及び第2コンタクト層15bは、積層構造を構成し、リング状に形成される。   The first contact layer 15a is formed in a ring shape at a portion forming a part of the laminated structure, but the portion other than the laminated structure is the first semiconductor layer 10 and has a flat plate shape. Therefore, the first contact layer 15a extends to the inside and the outside of the ring. The active layer 12, the first optical confinement layer 13a, the second optical confinement layer 13b, the first clad layer 14a, the second clad layer 14b, and the second contact layer 15b constitute a laminated structure and are formed in a ring shape.

第1クラッド層14aは、リング内縁から内部の一部にかけた第1内周部141aと、リング外縁から内部の一部にかけた第1外周部142aと、第1内周部141aと第1外周部142aとのあいだの第1中央部140aと、を有する。第1内周部141a及び第1外周部142aは、熱酸化によって第1中央部140aの屈折率よりも低い屈折率を有する第1改質層14cに改質されている。したがって、第1クラッド層14aは、第1内周部141a及び第1外周部142aの改質層14cに挟まれた第1中央部140aが本来の第1クラッド層として機能する。   The first cladding layer 14a includes a first inner peripheral portion 141a that extends from the ring inner edge to a part of the inside, a first outer peripheral portion 142a that extends from the ring outer edge to a part of the inner portion, a first inner peripheral portion 141a, and a first outer periphery. A first central portion 140a between the portion 142a and the first central portion 140a. The first inner peripheral portion 141a and the first outer peripheral portion 142a are modified into a first modified layer 14c having a refractive index lower than that of the first central portion 140a by thermal oxidation. Accordingly, in the first cladding layer 14a, the first central portion 140a sandwiched between the first inner peripheral portion 141a and the modified layer 14c of the first outer peripheral portion 142a functions as the original first cladding layer.

同様に、第2クラッド層14bは、リング内縁から内部の一部にかけた第2内周部141bと、リング外縁から内部の一部にかけた第2外周部142bと、第2内周部141bと第2外周部142bとのあいだの第2中央部140bと、を有する。第2内周部141b及び第2外周部142bは、熱酸化によって第2中央部140bの屈折率よりも低い屈折率を有する第2改質層14dに改質されている。したがって、第2クラッド層14bは、第2内周部141b及び第2外周部142bの改質層14dに挟まれた第2中央部140bが本来の第2クラッド層として機能する。   Similarly, the second cladding layer 14b includes a second inner peripheral portion 141b that extends from the ring inner edge to a part of the inside, a second outer peripheral portion 142b that extends from the ring outer edge to a part of the inner portion, and a second inner peripheral portion 141b. And a second central portion 140b between the second outer peripheral portion 142b. The second inner peripheral portion 141b and the second outer peripheral portion 142b are modified into a second modified layer 14d having a refractive index lower than the refractive index of the second central portion 140b by thermal oxidation. Therefore, in the second cladding layer 14b, the second central portion 140b sandwiched between the modified layers 14d of the second inner peripheral portion 141b and the second outer peripheral portion 142b functions as the original second cladding layer.

図3に示すように、リング状受光部130の表面、及び導波路70の表面は、絶縁膜18によって覆われている。また、リング状受光部130のリング内側、及びリング状受光部130と導波路70とのあいだには、絶縁膜80が埋め込まれている。   As shown in FIG. 3, the surface of the ring-shaped light receiving unit 130 and the surface of the waveguide 70 are covered with the insulating film 18. An insulating film 80 is embedded inside the ring of the ring-shaped light receiving unit 130 and between the ring-shaped light receiving unit 130 and the waveguide 70.

第2コンタクト層15bの上面の一部は露出しており、この露出部分に第2電極D2が設けられている。第2電極D2は、円板状に形成されている。第2電極D2の一部は絶縁膜19、80の上に形成され、他の一部が第2コンタクト層15bの露出部分の上に形成されている。   A part of the upper surface of the second contact layer 15b is exposed, and the second electrode D2 is provided in this exposed portion. The second electrode D2 is formed in a disc shape. A part of the second electrode D2 is formed on the insulating films 19 and 80, and the other part is formed on the exposed part of the second contact layer 15b.

活性層12は、例えばアンドープ多重量子井戸層(Multiple Quantum Well)を有する。アンドープ多重量子井戸層は、例えば厚さ8ナノメートル(nm)のInGaAs量子井戸層と、例えば厚さ10nmのGaAs障壁層と、を交互に積層して上下両端の層を10nmのGaAs障壁層で構成し、これら上下の両端の10nmのGaAs障壁層をさらに例えば厚さ40nmのAl0.1Ga0.9As層で挟んだ構造である。 The active layer 12 has, for example, an undoped multiple quantum well layer (Multiple Quantum Well). The undoped multiple quantum well layer is, for example, an InGaAs quantum well layer having a thickness of 8 nanometers (nm) and a GaAs barrier layer having a thickness of 10 nm, for example, and the upper and lower layers are formed by 10 nm GaAs barrier layers. In this structure, the upper and lower 10 nm GaAs barrier layers are further sandwiched between, for example, 40 nm thick Al 0.1 Ga 0.9 As layers.

第1光閉じ込め層13aは、例えば厚さ100nmのn形GaAs層である。第2光閉じ込め層13bは、例えば厚さ100nmのp形GaAs層である。第1クラッド層14aは、例えば厚さ300nmのn形Al0.92Ga0.08As層である。第2クラッド層14bは、例えば厚さ300nmのp形Al0.92Ga0.08As層である。第1コンタクト層15aは、例えば厚さ10nmのn形GaAs層である。第2コンタクト層15bは、例えば厚さ10nmのp形GaAs層である。 The first optical confinement layer 13a is, for example, an n-type GaAs layer having a thickness of 100 nm. The second optical confinement layer 13b is a p-type GaAs layer having a thickness of 100 nm, for example. The first cladding layer 14a is, for example, an n-type Al 0.92 Ga 0.08 As layer having a thickness of 300 nm. The second cladding layer 14b is a p-type Al 0.92 Ga 0.08 As layer having a thickness of 300 nm, for example. The first contact layer 15a is an n-type GaAs layer having a thickness of 10 nm, for example. The second contact layer 15b is, for example, a p-type GaAs layer having a thickness of 10 nm.

第1改質層14c及び第2改質層14dは、第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bを熱酸化して得られる層であり、第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bよりも低い屈折率と、電気的な絶縁特性と、を有している。   The first modified layer 14c and the second modified layer 14d are layers obtained by thermally oxidizing the first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b, and are more than the first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b. It has a low refractive index and electrical insulation properties.

基板Sには、例えばn形のGaAsが用いられる。また、第2半導体層20aには、例えばn形Al0.96Ga0.04Asが用いられる。 For the substrate S, for example, n-type GaAs is used. Further, for example, n-type Al 0.96 Ga 0.04 As is used for the second semiconductor layer 20a.

第1電極D1には、例えば金−ゲルマニウム(AuGe)合金が用いられる。第1電極D1は、例えばカソード電極である。第2電極D2には、例えば金−亜鉛(AuZn)合金が用いられる。第2電極D2は、例えばアノード電極である。絶縁膜18には、例えばSiOが用いられる。また、絶縁膜80には、例えばポリイミドが用いられる。 For example, a gold-germanium (AuGe) alloy is used for the first electrode D1. The first electrode D1 is, for example, a cathode electrode. For example, a gold-zinc (AuZn) alloy is used for the second electrode D2. The second electrode D2 is, for example, an anode electrode. For example, SiO 2 is used for the insulating film 18. For the insulating film 80, for example, polyimide is used.

リング状受光部130は、リング状の外周に沿って周回する光の導波路であるが、図3の実質的な光導波路a2から入射した入射光がリング状または螺旋状のリング状受光部130を周回する過程で、第1半導体層10から、光活性層12へ入り、電子・正孔対を形成する。リング型受光素子120の外径は、例えば10マイクロメートル(μm)、リングの内径は、例えば5μmである。リング型受光素子120の厚さは、例えば1μmである。導波路70の第1半導体層10が実質的な導波路となっている。導波路70の第1半導体層10は、第1半導体層10よりも低屈折率の下部クラッド層20と第1クラッド層14aにより上下から挟まれる構造のため、入射光は第1半導体層10内に閉じ込められることになり、この第1半導体層10を通して隣接するリング状又は螺旋状のリング状受光部130へと伝播していく。   The ring-shaped light receiving unit 130 is a waveguide of light that circulates along the outer periphery of the ring shape, and incident light incident from the substantial optical waveguide a2 in FIG. 3 is a ring-shaped or helical ring-shaped light receiving unit 130. In the process of turning around, the first semiconductor layer 10 enters the photoactive layer 12 to form electron / hole pairs. The outer diameter of the ring-type light receiving element 120 is, for example, 10 micrometers (μm), and the inner diameter of the ring is, for example, 5 μm. The thickness of the ring type light receiving element 120 is, for example, 1 μm. The first semiconductor layer 10 of the waveguide 70 is a substantial waveguide. Since the first semiconductor layer 10 of the waveguide 70 is sandwiched from above and below by the lower clad layer 20 and the first clad layer 14 a having a lower refractive index than the first semiconductor layer 10, incident light is incident on the first semiconductor layer 10. Then, the light propagates to the adjacent ring-shaped or spiral ring-shaped light receiving portion 130 through the first semiconductor layer 10.

リング状受光部130においては、前述のように第2半導体層20aと低屈折率層20bが下部クラッド層20として機能するため、導波路70からの入射光は下部クラッド層へは侵入することなく、第1中央部140aを通して光活性層12へ到達する。   In the ring-shaped light receiving unit 130, the second semiconductor layer 20a and the low refractive index layer 20b function as the lower cladding layer 20 as described above, so that incident light from the waveguide 70 does not enter the lower cladding layer. The photoactive layer 12 is reached through the first central portion 140a.

ここで、第2電極D2を電源(図3)の陰極に接続し、第1電極D1を電源の陽極に接続して、所定の電圧を印加すると、活性層12で生成された電子とホールがそれぞれ正極と陰極から外部回路へ引き出される。すなわち、光電流が流れる。   Here, when the second electrode D2 is connected to the cathode of the power source (FIG. 3), the first electrode D1 is connected to the anode of the power source, and a predetermined voltage is applied, electrons and holes generated in the active layer 12 are generated. Each is drawn out from the positive and negative electrodes to an external circuit. That is, a photocurrent flows.

ここで、リング状のリング状受光部130をRIE(Reactive Ion Etching)法により形成した場合、リング状受光部130の側壁は粗面化し、例えば10nm程度のラフネスが生じる。さらに、イオンの衝撃によりマイクロクラックや結晶欠陥などのダメージが生じる。   Here, when the ring-shaped light-receiving part 130 is formed by the RIE (Reactive Ion Etching) method, the side wall of the ring-shaped light-receiving part 130 is roughened, and, for example, a roughness of about 10 nm is generated. Furthermore, damage such as microcracks and crystal defects occurs due to ion impact.

一方、第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bの外周側壁及び内周側壁を熱酸化して第1改質層14c及び第2改質層14dを形成することにより、第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bと、第1改質層14c及び第2改質層14dと、の界面のラフネス及びダメージを十分に低減させることができる。これにより、リング状受光部130に入射した入射光の界面散乱等が抑制され、リング状受光部130における十分な光電変換特性が得られる。   On the other hand, by forming the first modified layer 14c and the second modified layer 14d by thermally oxidizing the outer peripheral side wall and the inner peripheral side wall of the first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b, The roughness and damage of the interface between the second cladding layer 14b, the first modified layer 14c, and the second modified layer 14d can be sufficiently reduced. Thereby, interface scattering of incident light incident on the ring-shaped light receiving unit 130 is suppressed, and sufficient photoelectric conversion characteristics in the ring-shaped light receiving unit 130 are obtained.

また、リング状受光部130は、電気的な絶縁性を有する第1改質層14c及び第2改質層14dにより電流狭窄構造を実現している。この電流狭窄構造により、光電流は活性層部分から選択的に取り出される。そして、光電流と入力光強度とが対応し、リニアな入出力特性が得られる。   Further, the ring-shaped light receiving part 130 realizes a current confinement structure by the first modified layer 14c and the second modified layer 14d having electrical insulation. With this current confinement structure, photocurrent is selectively extracted from the active layer portion. The photocurrent corresponds to the input light intensity, and linear input / output characteristics are obtained.

また、リング状受光部130から取り出される電流は、リングの外周側壁及び内周側壁の近傍を流れないので、外周側壁及び内周側壁のダメージの影響によるキャリア損失、例えばダメージに起因する発光再結合などを避けることができる。その結果、光電変換電流を有効利用することが可能である。
導波路70は、リング状受光部130と光学的に結合している。すなわち、導波路70を伝播してきた入力光はリングに沿って受光部130へと導かれる。その光を活性層へと取り込み、電子、ホール対生成による電流を電極D1およびD2を通して外部に取り出す。
In addition, since the current extracted from the ring-shaped light receiving unit 130 does not flow in the vicinity of the outer peripheral side wall and the inner peripheral side wall of the ring, carrier loss due to the influence of damage on the outer peripheral side wall and the inner peripheral side wall, for example, light emission recombination caused by damage Etc. can be avoided. As a result, it is possible to effectively use the photoelectric conversion current.
The waveguide 70 is optically coupled to the ring-shaped light receiving unit 130. That is, the input light that has propagated through the waveguide 70 is guided to the light receiving unit 130 along the ring. The light is taken into the active layer, and an electric current due to generation of electrons and hole pairs is taken out through the electrodes D1 and D2.

図3及び図4に表したように、受光素子120の導波路70は、第1クラッド層14a、活性層12及び第2クラッド層14bを含む積層構造体(第2積層構造体)を有する。すなわち、導波路70は、リング状受光部130と同じ積層構造体を有する。   As illustrated in FIGS. 3 and 4, the waveguide 70 of the light receiving element 120 includes a stacked structure (second stacked structure) including the first cladding layer 14 a, the active layer 12, and the second cladding layer 14 b. That is, the waveguide 70 has the same stacked structure as the ring-shaped light receiving unit 130.

導波路70は、第1コンタクト層15aの一部(第2部分a2)に形成されている。導波路70は、主面10aに沿って例えば直線状に延びて設けられる。導波路70は、第1コンタクト層15aの第2部分a2をコア、第2部分a2の上の第1クラッド層14aをクラッドとして、光導波路構造を構成する。これにより、導波路70の方向に沿って光を導くことができる。   The waveguide 70 is formed in a part (second part a2) of the first contact layer 15a. The waveguide 70 is provided, for example, extending linearly along the main surface 10a. The waveguide 70 forms an optical waveguide structure with the second portion a2 of the first contact layer 15a as a core and the first cladding layer 14a on the second portion a2 as a cladding. Thereby, light can be guided along the direction of the waveguide 70.

また、下部クラッド層20は、Z軸方向にみて第2部分a2と重なる部分を含む低屈折率層20cと、第1部分a1と重なる部分を含む第2半導体層20aと、を有する。低屈折率層20cの屈折率は、第2部分a2の屈折率よりも低い。ここで、屈折率は、入力光に対する屈折率である。   The lower clad layer 20 includes a low refractive index layer 20c including a portion overlapping the second portion a2 when viewed in the Z-axis direction, and a second semiconductor layer 20a including a portion overlapping the first portion a1. The refractive index of the low refractive index layer 20c is lower than the refractive index of the second portion a2. Here, the refractive index is a refractive index with respect to input light.

また、低屈折率層20cの導電率は、第2半導体層20aの導電率よりも低い。低屈折率層20cは、例えば第2半導体層20aと同じ材料(下部クラッド層20の材料)の一部を熱酸化した改質層である。すなわち、第2半導体層20aを形成する際に用いる半導体材料のうち一部を熱酸化によって改質して、低屈折率層20cを形成している。なお、低屈折率層20cは、第2半導体層20aと同じ材料を熱酸化して形成するものに限定されず、例えば基板S上に第2半導体層20aとは異なる層を積層したものであってもよい。   Further, the conductivity of the low refractive index layer 20c is lower than the conductivity of the second semiconductor layer 20a. The low refractive index layer 20c is a modified layer obtained by thermally oxidizing a part of the same material as the second semiconductor layer 20a (material of the lower cladding layer 20), for example. That is, a part of the semiconductor material used when forming the second semiconductor layer 20a is modified by thermal oxidation to form the low refractive index layer 20c. The low refractive index layer 20c is not limited to the one formed by thermally oxidizing the same material as the second semiconductor layer 20a. For example, a layer different from the second semiconductor layer 20a is laminated on the substrate S. May be.

低屈折率層20cが設けられていることで、導波路70からリング状受光部130へ向かう光が、第2半導体層20c側へ漏れてしまうことを防止することができる。   By providing the low refractive index layer 20c, it is possible to prevent light traveling from the waveguide 70 toward the ring-shaped light receiving unit 130 from leaking to the second semiconductor layer 20c side.

すなわち、導波路70は、第1コンタクト層15aの第2部分a2をコア、この上側の第1クラッド層14a及び下側の低屈折率層20cをそれぞれクラッドとした光導波路構造(光ファイバー様)となる。これにより、入力光が、第1コンタクト層15aの第2部分a2に閉じ込められ、第1クラッド層14a及び低屈折率層20cの間で交互に全反射を繰り返して効率良く進み、リング状受光部130へ導波される。導波路70は、その上側の層である、第1コンタクト層15b、第2クラッド層14b、第2光閉じ込め層13b、活性層12、第1光閉じ込め層13aを取り除いた構造がより好ましい。つまり、導波路70の上側からは、光吸収構造の無い、第1クラッド層と空気だけの構成とする方が、より好ましい。   That is, the waveguide 70 has an optical waveguide structure (like an optical fiber) in which the second portion a2 of the first contact layer 15a is a core, and the upper first cladding layer 14a and the lower low-refractive index layer 20c are cladding. Become. As a result, the input light is confined in the second portion a2 of the first contact layer 15a, and the total reflection is alternately repeated between the first cladding layer 14a and the low refractive index layer 20c, and efficiently proceeds. Waveguided to 130. The waveguide 70 preferably has a structure in which the first contact layer 15b, the second cladding layer 14b, the second optical confinement layer 13b, the active layer 12, and the first optical confinement layer 13a, which are the upper layers, are removed. In other words, from the upper side of the waveguide 70, it is more preferable that the first cladding layer and air only have no light absorption structure.

したがって、低屈折率層20cと第2半導体層20aとの境界位置BLは、リング状受光部130のリング外周位置の直下または直下よりもリング内側であることが望ましい。   Therefore, it is desirable that the boundary position BL between the low refractive index layer 20c and the second semiconductor layer 20a is located on the inner side of the ring than directly below or directly below the ring outer peripheral position of the ring-shaped light receiving unit 130.

以上説明したクラッド層は酸化処理によって形成されるが、酸化処理は、例えば温度400℃以上、500℃以下で、水蒸気雰囲気中、酸素雰囲気中または大気中で行われる。この際、Al組成比により酸化速度が決まる。すなわち、Al組成比の高いクラッド層の外周側及び内周側から内部に向けて酸化が進み、低屈折率の部分が形成される。この酸化と同時に、電流狭窄構造が形成される。さらに、この酸化によって、下部クラッド層20の端部に低屈折率層20cが形成される。   The cladding layer described above is formed by an oxidation treatment. The oxidation treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or more and 500 ° C. or less, for example, in a water vapor atmosphere, an oxygen atmosphere, or in the air. At this time, the oxidation rate is determined by the Al composition ratio. That is, oxidation proceeds from the outer peripheral side and inner peripheral side of the cladding layer having a high Al composition ratio toward the inside, and a low refractive index portion is formed. Simultaneously with this oxidation, a current confinement structure is formed. Furthermore, a low refractive index layer 20 c is formed at the end of the lower clad layer 20 by this oxidation.

(リング型受光素子)
酸化処理に際しては、通常結晶の面方位により酸化速度が異なり、(100)面が最も酸化速度が遅く、(110)面、(111)面の順に酸化速度が速くなる。その結果、リング状の第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bの外周側および内周側では、その面方位によって改質層の幅が若干変化する。径が小さいほどその影響が大きくなる。従って、酸化により改質した後に目的のリング状となるように、改質前の受光部130のリング形状の外形を適宜定めておくことが望ましい。こうすることで、酸化処理後の低屈折率部分を曲率半径一定の円状とすることができ、光損失増加を抑制できる。また、この酸化処理において、Al組成の少ない光閉じ込め層、多重量子井戸層は酸化がほとんど進まないため、半導体層のまま残っている構造となる。
(Ring type light receiving element)
In the oxidation treatment, the oxidation rate varies depending on the plane orientation of the normal crystal. The (100) plane has the slowest oxidation rate, and the (110) plane and (111) plane have higher oxidation rates in this order. As a result, on the outer peripheral side and inner peripheral side of the ring-shaped first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b, the width of the modified layer slightly changes depending on the plane orientation. The smaller the diameter, the greater the effect. Therefore, it is desirable to appropriately determine the ring-shaped outer shape of the light receiving unit 130 before the modification so that the desired ring shape is obtained after the modification by oxidation. By doing so, the low refractive index portion after the oxidation treatment can be formed into a circular shape with a constant curvature radius, and an increase in optical loss can be suppressed. Further, in this oxidation treatment, the optical confinement layer and the multiple quantum well layer with a small Al composition hardly undergo oxidation, so that the semiconductor layer remains as it is.

受光部に光を導入する導波路はリング径に比べて曲率半径のやや大きい曲がり導波路70Cにして入力光とリングの周回モードとの整合性を高めることにより、リング内部での光の散乱による損失が低減できる。また、入力光と周回光との干渉を少なくするため、導波路幅はできるだけ細くすることが望ましい。   The waveguide that introduces light into the light receiving section is a curved waveguide 70C with a slightly larger radius of curvature than the ring diameter, which increases the consistency between the input light and the ring's circular mode, thereby scattering light inside the ring. Loss can be reduced. Moreover, it is desirable to make the waveguide width as thin as possible in order to reduce interference between the input light and the circulating light.

図5に、第1の実施形態のリング型受光素子(直径10μm)の導波路形状による光吸収効率のシミュレーション結果を示す。バイアス電圧が2.5V以上で吸収効率90%以上となる。これは、光分布がGaAS導波路側へひきつけられるためと考えられる。この結果は、入力導波路の幅を細くして、曲がり導波路にすることにより、光吸収の高効率化が実現できることを示している。この曲がり導波路はらせん状の曲がり導波路であってもよい。リング幅は表面再結合によるキャリア損失を低減するため2.5μmと広めにとっており(表面再結合寿命:1ns以上)、側壁の光散乱を低減し、なおかつ上面の電極への光漏出・吸収による損失を低減するため、クラッド層の酸化幅を0.6μmとしている。これにより、直径10μm程度の微小なリング型受光部でも、光および光励起キャリアの損失を低減して、小型で高効率の受光素子を実現できる。   FIG. 5 shows a simulation result of the light absorption efficiency by the waveguide shape of the ring-type light receiving element (diameter 10 μm) of the first embodiment. When the bias voltage is 2.5 V or more, the absorption efficiency is 90% or more. This is considered because the light distribution is attracted to the GaAS waveguide side. This result shows that the efficiency of light absorption can be improved by narrowing the width of the input waveguide to form a bent waveguide. The bent waveguide may be a spiral bent waveguide. The ring width is 2.5 μm wide to reduce carrier loss due to surface recombination (surface recombination lifetime: 1 ns or longer), reduces light scattering on the side wall, and loss due to light leakage and absorption to the top electrode. Therefore, the oxidation width of the cladding layer is set to 0.6 μm. As a result, even with a minute ring-type light-receiving part having a diameter of about 10 μm, it is possible to reduce the loss of light and photoexcited carriers and realize a small and highly efficient light-receiving element.

(らせん型受光素子)
次に、半導体多層構造に対して、らせん形状の導波路のパターニングを行う。ここで半導体多層構造のクラッド層に対する酸化処理により側壁から絶縁性のある低屈折率の酸化物構造とする。らせん型受光素子においても、らせん導波路の幅が不均一になると光伝播モードが乱れて光損失が増大する。そこで、半導体の結晶面方位による酸化速度の違いを考慮したらせん形状としておくことで酸化処理後の界面を一定の幅のらせん状とすることができ、これにより光損失増加を抑制できる。また、この酸化処理において、Al組成の少ない光閉じ込め層、多重量子井戸層は酸化がほとんど進まないため、半導体層のまま残っている構造となる。
(Helix type light receiving element)
Next, a spiral waveguide is patterned on the semiconductor multilayer structure. Here, an oxide structure having a low refractive index that is insulative from the side wall is formed by oxidizing the clad layer of the semiconductor multilayer structure. Even in the helical light-receiving element, if the width of the helical waveguide becomes nonuniform, the light propagation mode is disturbed and the optical loss increases. Therefore, by taking into consideration the difference in the oxidation rate depending on the crystal plane orientation of the semiconductor, the interface after the oxidation treatment can be formed into a spiral shape having a certain width by suppressing the increase in optical loss. Further, in this oxidation treatment, the optical confinement layer and the multiple quantum well layer with a small Al composition hardly undergo oxidation, so that the semiconductor layer remains as it is.

らせん型の場合はリング(あるいはディスク)型に比べて入力部分での損失は大幅に低減されるが、終端部分では放射による光損失が大きくなる。これを低減するためには、らせん状に加工する部分をGaAs導波路層よりも上層の部分(上部クラッド層および吸収層)に留め、GaAs導波路層はディスク形状(あるいは太いリング形状)にすることにより、終端部の放射損失を大幅に低減できる。また、第1の実施例のリング型の場合と同様に、AlGaAsクラッド層を酸化狭窄することにより、光およびキャリアの損失を低減して高効率の光‐電気変換が可能となる。   In the case of the spiral type, the loss at the input portion is significantly reduced as compared with the ring (or disk) type, but the optical loss due to radiation is increased at the termination portion. In order to reduce this, the portion to be processed into a spiral shape is kept at a portion above the GaAs waveguide layer (upper clad layer and absorption layer), and the GaAs waveguide layer has a disk shape (or a thick ring shape). As a result, the radiation loss at the terminal portion can be greatly reduced. Similarly to the ring type of the first embodiment, by oxidizing and constricting the AlGaAs cladding layer, loss of light and carriers can be reduced and highly efficient photoelectric conversion can be achieved.

図6に、リング状受光素子の入力導波路の幅と光吸収量(相対値)との関係を示す。図6中の○は入力導波路とリング型受光部が曲がり導波路70Cを介して接続されているリング型受光素子の光吸収特性を示している。この曲がり導波路70Cを入れたリング型受光素子では、入力導波路の幅が大きくなると、光吸収量の点では不利になる傾向を示している。一方、□は、曲がり導波路を介さず直線上の入力導波路70Cをリング状受光部に接する形で形成した場合の光吸収量を示している。つまり、直線上の直線導波路70は円(リング状受光部)の接する「接線」に相当している。同じ導波路幅(〜0.4μm)の○と□を見ると、直線的導波路とリング状受光部の間に曲がり導波路70Cを入れた方が光の吸収量を増加することがわかる。   FIG. 6 shows the relationship between the width of the input waveguide of the ring-shaped light receiving element and the light absorption amount (relative value). 6 indicates the light absorption characteristic of the ring type light receiving element in which the input waveguide and the ring type light receiving part are connected via the curved waveguide 70C. In the ring type light receiving element including the bent waveguide 70C, when the width of the input waveguide is increased, the light absorption amount tends to be disadvantageous. On the other hand, □ indicates the amount of light absorption when the linear input waveguide 70C is formed in contact with the ring-shaped light receiving portion without passing through the bent waveguide. That is, the linear waveguide 70 on a straight line corresponds to a “tangent” that is in contact with a circle (ring-shaped light receiving portion). When ◯ and □ of the same waveguide width (˜0.4 μm) are seen, it can be seen that the amount of light absorption increases when the curved waveguide 70C is inserted between the linear waveguide and the ring-shaped light receiving portion.

半径5μmのリング型受光部に対して、約7μmの曲率Rを持つ曲がり導波路挿入しているが、曲率Rは、受光素子の素子特性とのバランスで設計できる。   A curved waveguide having a curvature R of about 7 μm is inserted into a ring-type light receiving portion having a radius of 5 μm. The curvature R can be designed in balance with the element characteristics of the light receiving element.

また、曲がり導波路も含め入力導波路の部分では、図2および図4で示すような、導波路70の部分も、基板側から、第1コンタクト層15a、第1クラッド層14a、第1光閉じ込め層13a、活性層12、第2光閉じ込め層13b、第2クラッド層14b及び第2コンタクト層15bからなる積層構造を有しているが、第1光閉じ込め層13a、活性層12、第2光閉じ込め層13b、第2クラッド層14b及び第2コンタクト層15bを除去して、第1コンタクト層15a、第1クラッド層14aのみの2層から構成してもよい。この場合、第1クラッド層14aを覆う大気も導波路70を伝播する入力光に対しては、クラッドとして作用し、入力光が光閉じ込め層13a及び活性層12の方へ漏れ出て吸収されることを防止する点で有利である。   Further, in the portion of the input waveguide including the bent waveguide, the portion of the waveguide 70 as shown in FIG. 2 and FIG. 4 also includes the first contact layer 15a, the first cladding layer 14a, and the first light from the substrate side. Although it has a laminated structure including the confinement layer 13a, the active layer 12, the second optical confinement layer 13b, the second cladding layer 14b, and the second contact layer 15b, the first optical confinement layer 13a, the active layer 12, the second layer The optical confinement layer 13b, the second cladding layer 14b, and the second contact layer 15b may be removed, and the first confinement layer 15b and the first cladding layer 14a alone may be used. In this case, the atmosphere covering the first cladding layer 14a also acts as a cladding for the input light propagating through the waveguide 70, and the input light leaks toward the optical confinement layer 13a and the active layer 12 and is absorbed. This is advantageous in preventing this.

図7(a)では、曲がり導波路70Cを採用していない。すなわち、図7(a)では、直線導波路70の一側面(図では上側の側面)は、実質的に受光部130の最も外側の側面に破線で示した接線にそって接している。これに対して、図7(b)では、曲がり導波路70Cを採用し、直線導波路70の一側面(図では上側の側面)と受光部130の最も外側の側面は直接接してはおらず、曲がり導波路70Cの図中の上側側面を介して、実質的に破線で示した接線に沿って接続している。すなわち、図7(b)では、直線導波路70の一側面は受光部130の一側面に接線に沿って「滑らかに接続」し、しかも受光部130よりも大きい曲率半径を有する曲がり導波路70Cを介しているため、直線導波路70中を導波されかつ種々の入力角を有する入力光を効率的に受光部130へ導波することができる。なお、直線導波路70、曲がり導波路70C、受光部130を実際に作製した場合には、これらの「一側面」には、微視的スケールでは、凹凸が生ずることもあるが、そのような場合は、巨視的スケールで、これらの「一側面」はその包絡線を以て規定される。   In FIG. 7A, the curved waveguide 70C is not adopted. That is, in FIG. 7A, one side surface (upper side surface in the drawing) of the straight waveguide 70 is substantially in contact with the outermost side surface of the light receiving unit 130 along the tangent line indicated by the broken line. In contrast, in FIG. 7B, a curved waveguide 70C is employed, and one side surface (upper side surface in the figure) of the straight waveguide 70 and the outermost side surface of the light receiving unit 130 are not in direct contact with each other. The bent waveguide 70C is connected along a tangential line substantially indicated by a broken line through the upper side surface in the drawing. That is, in FIG. 7B, one side surface of the straight waveguide 70 is “smoothly connected” to one side surface of the light receiving unit 130 along the tangent, and the curved waveguide 70 </ b> C has a larger radius of curvature than the light receiving unit 130. Therefore, input light guided through the straight waveguide 70 and having various input angles can be efficiently guided to the light receiving unit 130. When the straight waveguide 70, the bent waveguide 70C, and the light receiving unit 130 are actually manufactured, these “one side surfaces” may have irregularities on a microscopic scale. In some cases, on a macroscopic scale, these “one sides” are defined by their envelopes.

図8に、リング型、ディスク型、スパイラル型、各受光素子の受光感度特性を示す。横軸は電圧を表している。受光感度の観点からは、スパイラル状またはディスク状の受光部の方がリング状受光部よりも有利であることがわかる。なお、リング状及びディスク状の受光素子では、導波路と受光部は曲がり導波路を介して接続されている。   FIG. 8 shows the light receiving sensitivity characteristics of the ring type, the disk type, the spiral type, and the respective light receiving elements. The horizontal axis represents voltage. From the viewpoint of light receiving sensitivity, it can be seen that a spiral or disk-shaped light receiving portion is more advantageous than a ring-shaped light receiving portion. In the ring-shaped and disk-shaped light receiving elements, the waveguide and the light receiving portion are connected via a curved waveguide.

以上述べたように、本実施形態によれな、化合物半導体(例えばGaAs)基板上に吸収層、クラッド層および、導波路層等をエピタキシャル成長し、接合や接着プロセスによらず、主にエッチング加工により作製可能な小型かつ高効率の受光素子が実現できる。   As described above, according to the present embodiment, an absorption layer, a cladding layer, a waveguide layer, and the like are epitaxially grown on a compound semiconductor (for example, GaAs) substrate, and mainly by etching processing regardless of the bonding or adhesion process. A small and highly efficient light receiving element that can be manufactured can be realized.

以上で説明したリング型、ディスク型、スパイラル型、各受光素子の共通特性である光吸収特性のバイアス依存性を図9に示す。いずれもの受光素子も上下の電極に印加する電圧を上げると、吸収端が長波長側にずれることが確認できた。   FIG. 9 shows the bias dependence of the light absorption characteristics that are common characteristics of the ring type, disk type, spiral type, and light receiving elements described above. It was confirmed that when the voltage applied to the upper and lower electrodes was increased in any of the light receiving elements, the absorption edge shifted to the long wavelength side.

(第2の実施形態)
第2の実施形態は、受光素子120の製造方法に係る。
(Second Embodiment)
The second embodiment relates to a method for manufacturing the light receiving element 120.

図10−1〜図10−3は、受光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。   10A to 10C are schematic cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the light receiving element.

先ず、図1において説明したように、基板S上に、積層構造体100を形成する。積層構造体100は、例えば、下部クラッド層20、第1コンタクト層15a(第1半導体層10)、第1クラッド層14a、第1光閉じ込め層13a、活性層12、第2光閉じ込め層13b、第2クラッド層14b及び第2コンタクト層15bを積層したものである。   First, as described in FIG. 1, the laminated structure 100 is formed on the substrate S. The laminated structure 100 includes, for example, a lower cladding layer 20, a first contact layer 15a (first semiconductor layer 10), a first cladding layer 14a, a first light confinement layer 13a, an active layer 12, a second light confinement layer 13b, The second cladding layer 14b and the second contact layer 15b are stacked.

積層構造体100は、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって連続成膜される。   The laminated structure 100 is continuously formed by, for example, the MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.

ここで、基板Sは、例えばGaAsである。下部クラッド層20は、例えば厚さ1μmのn形のAl0.96Ga0.04Asである。第1コンタクト層15aは、例えば厚さ0.25μmのn形のGaAsである。第1クラッド層14aは、例えば厚さ0.1μmのn形のAl0.92Ga0.08Asである。第1光閉じ込め層13aは、例えば厚さ0.01μmのn形のGaAsである。 Here, the substrate S is, for example, GaAs. The lower cladding layer 20 is, for example, n-type Al 0.96 Ga 0.04 As having a thickness of 1 μm. The first contact layer 15a is, for example, n-type GaAs having a thickness of 0.25 μm. The first cladding layer 14a is, for example, n-type Al 0.92 Ga 0.08 As having a thickness of 0.1 μm. The first optical confinement layer 13a is, for example, n-type GaAs having a thickness of 0.01 μm.

活性層12は、例えば厚さ8nmのn形のGaAs量子井戸層と、厚さ10nmのGaAsバリア層とを交互に5層積層し、上下を厚さ40nmのAl0.1Ga0.9As層で挟んだ多重量子井戸構造である。 The active layer 12 is, for example, an n-type GaAs quantum well layer having a thickness of 8 nm and a GaAs barrier layer having a thickness of 10 nm are alternately stacked, and the upper and lower layers are Al 0.1 Ga 0.9 As having a thickness of 40 nm. It is a multiple quantum well structure sandwiched between layers.

第2光閉じ込め層13bは、例えば厚さ0.01μmのp形のGaAsである。第2クラッド層14bは、例えば厚さ0.1μmのp形のAl0.92Ga0.08Asである。第2コンタクト層15bは、例えば厚さ0.01μmのp形のGaAsである。 The second optical confinement layer 13b is, for example, p-type GaAs having a thickness of 0.01 μm. The second cladding layer 14b is, for example, p-type Al 0.92 Ga 0.08 As having a thickness of 0.1 μm. The second contact layer 15b is, for example, p-type GaAs having a thickness of 0.01 μm.

第1コンタクト層15aと第1クラッド層14aとの間、第1クラッド層14aと活性層12との間、活性層12と第2クラッド層14bとの間、及び第2クラッド層14bと第2コンタクト層15bとの間に、AlGaAsグレーデッド層を挿入してもよい。AlGaAsグレーデッド層は、Al組成を0.1から0.92まで徐々に変化させ格子常数のミスマッチを緩和させる。   Between the first contact layer 15a and the first cladding layer 14a, between the first cladding layer 14a and the active layer 12, between the active layer 12 and the second cladding layer 14b, and between the second cladding layer 14b and the second cladding layer 14b. An AlGaAs graded layer may be inserted between the contact layer 15b. The AlGaAs graded layer gradually changes the Al composition from 0.1 to 0.92 to relieve the lattice constant mismatch.

次に、図10−1(a)に表したように、積層構造体100の上に、受光部130のリング形状と対応した第1レジスト膜R1と、受光部130に接続する導波路70の形状に対応した第2レジスト膜R2とを形成し、この第1レジスト膜R1及び第2レジスト膜R2とをマスクにして積層構造体100をエッチングする。   Next, as illustrated in FIG. 10A, the first resist film R <b> 1 corresponding to the ring shape of the light receiving unit 130 and the waveguide 70 connected to the light receiving unit 130 are formed on the laminated structure 100. A second resist film R2 corresponding to the shape is formed, and the laminated structure 100 is etched using the first resist film R1 and the second resist film R2 as a mask.

第1レジスト膜R1は、例えば外形が10μm、内径が5μmのリング状になっている。また、第2レジスト膜R2は、例えば幅1μm以上、2μm以下の直線状になっている。エッチングには、例えばRIE法が用いられる。このエッチングによって、積層構造体100の第1レジスト膜R1及び第2レジスト膜R2が形成されていない部分について、第2コンタクト層15bから第1コンタクト層15aが露出するまで除去する。   The first resist film R1 has, for example, a ring shape with an outer diameter of 10 μm and an inner diameter of 5 μm. The second resist film R2 has a linear shape with a width of 1 μm or more and 2 μm or less, for example. For example, the RIE method is used for the etching. By this etching, the portion of the laminated structure 100 where the first resist film R1 and the second resist film R2 are not formed is removed from the second contact layer 15b until the first contact layer 15a is exposed.

このエッチングによって、リング状の受光部130及び直線状の導波路70が形成される。すなわち、受光部130及び導波路70は、一度のエッチング工程で同時に形成される。   By this etching, a ring-shaped light receiving portion 130 and a linear waveguide 70 are formed. That is, the light receiving unit 130 and the waveguide 70 are simultaneously formed by a single etching process.

また、受光部130と導波路70は、第1レジスト膜R1及び第2レジスト膜R2を形成する際のフォトリソグラフィの精度、及びRIE等のエッチングの精度によって正確に設定される。さらに、受光部130と導波路70との間の凹部RPでの第1コンタクト層15aの厚さt1は、RIE等のエッチングによって正確に設定される。   Further, the light receiving unit 130 and the waveguide 70 are accurately set by the accuracy of photolithography when forming the first resist film R1 and the second resist film R2, and the accuracy of etching such as RIE. Furthermore, the thickness t1 of the first contact layer 15a in the recess RP between the light receiving unit 130 and the waveguide 70 is accurately set by etching such as RIE.

次に、図10−1(b)に表したように、酸化処理を行う。酸化処理を行うにあたり、導波路70の外側における下部クラッド層20の一部を除去しておく。酸化処理は、例えば温度400℃以上、500℃以下で、水蒸気雰囲気中、酸素雰囲気中または大気中で行う。この際、Al組成比により酸化速度が決まる。すなわち、Al組成比の高い第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bの外周側及び内周側から内部に向けて酸化が進み、第1改質層14c及び第2改質層14dが形成される。この酸化と同時に、電流狭窄構造が形成される。さらに、この酸化によって、下部クラッド層20の端部に低屈折率層20cが形成される。ここでは、酸化により形成される低屈折率層20cが下部クラッド層20の端部から基板と平行な方向でその内部に広がり、第1改質層14c及び第2改質層14dよりも、幾分内部にまで拡がった方が良い。そのためには、第1改質層14c及び第2改質層14dの母材のAl濃度よりも、下部クラッド層20のAl濃度を幾分高くしておいた方が、これら低屈折率層20c、第1改質層14c及び第2改質層14dの配置を制御し易い。つまり、Al濃度により酸化速度をある程度制御している。   Next, as shown in FIG. 10-1 (b), an oxidation treatment is performed. In performing the oxidation treatment, a part of the lower clad layer 20 outside the waveguide 70 is removed. The oxidation treatment is performed, for example, at a temperature of 400 ° C. or more and 500 ° C. or less in a water vapor atmosphere, an oxygen atmosphere, or the air. At this time, the oxidation rate is determined by the Al composition ratio. That is, oxidation proceeds from the outer peripheral side and the inner peripheral side of the first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b having a high Al composition ratio toward the inside, and the first modified layer 14c and the second modified layer 14d are formed. The Simultaneously with this oxidation, a current confinement structure is formed. Furthermore, a low refractive index layer 20 c is formed at the end of the lower clad layer 20 by this oxidation. Here, the low refractive index layer 20c formed by oxidation spreads from the end of the lower cladding layer 20 to the inside in a direction parallel to the substrate, and is slightly more than the first modified layer 14c and the second modified layer 14d. It is better to extend to the inside. For this purpose, the lower refractive index layer 20c has a slightly higher Al concentration in the lower cladding layer 20 than the Al concentration in the base material of the first modified layer 14c and the second modified layer 14d. It is easy to control the arrangement of the first modified layer 14c and the second modified layer 14d. That is, the oxidation rate is controlled to some extent by the Al concentration.

また、結晶の面方位により酸化速度が異なり、(100)面が最も酸化速度が遅く、(110)面、(111)面の順に酸化速度が速くなる。   Further, the oxidation rate varies depending on the crystal plane orientation. The (100) plane has the slowest oxidation rate, and the oxidation rate increases in the order of the (110) plane and the (111) plane.

その結果、リング状の第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bの外周側および内周側では、その面方位によって改質層の幅が若干変化する。径が小さいほどその影響が大きくなる。従って、改質した後に目的の円形状となるように、改質前の受光部130のリング形状の外形を適宜定めておくことが望ましい。   As a result, on the outer peripheral side and inner peripheral side of the ring-shaped first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b, the width of the modified layer slightly changes depending on the plane orientation. The smaller the diameter, the greater the effect. Therefore, it is desirable to appropriately determine the ring-shaped outer shape of the light receiving unit 130 before the modification so that the target circular shape is obtained after the modification.

次に、図10−1(c)に表したように、受光部130の表面、及び導波路70の表面を絶縁膜18で被覆する。   Next, as illustrated in FIG. 10C, the surface of the light receiving unit 130 and the surface of the waveguide 70 are covered with the insulating film 18.

次いで、図10−2(d)に表したように、受光部130及び導波路70を埋め込む絶縁膜80を形成する。絶縁膜80には、例えば、ポリイミドを用いる。   Next, as illustrated in FIG. 10D, the insulating film 80 that embeds the light receiving unit 130 and the waveguide 70 is formed. For the insulating film 80, for example, polyimide is used.

さらに、図10−2(e)に表したように、絶縁膜80を、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により受光部130及び導波路70を覆う絶縁層18と絶縁膜80(ポリイミド)を除去する。絶縁膜80(ポリイミド)と絶縁層18の硬度の違いにより、受光部130及び導波路70に接する周辺部分は少し多めに研磨される。その結果、受光部130上の絶縁層18と。絶縁膜80(ポリイミド)とが除去され、第2コンタクト層15bが露出する。このCMP処理後、CMP研磨剤残渣の除去や第2コンタクト層15bを構成するGaAsのダメージ除去等を行う。   Further, as shown in FIG. 10-2 (e), the insulating film 80 is removed from the insulating layer 18 and the insulating film 80 (polyimide) covering the light receiving unit 130 and the waveguide 70 by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing). To do. Due to the difference in hardness between the insulating film 80 (polyimide) and the insulating layer 18, the peripheral portion in contact with the light receiving unit 130 and the waveguide 70 is polished a little more. As a result, the insulating layer 18 on the light receiving unit 130. The insulating film 80 (polyimide) is removed, and the second contact layer 15b is exposed. After this CMP treatment, removal of CMP abrasive residue and removal of damage of GaAs constituting the second contact layer 15b are performed.

その後、図10−2(f)に示すように、メタルマスク等を用いて、再度受光部130の周辺部を被覆するように絶縁膜19を形成する。絶縁膜19はリング状の第1クラッド層14a及び第2クラッド層14bの外周側の表面を覆うように形成される。   Thereafter, as shown in FIG. 10-2 (f), the insulating film 19 is formed again using a metal mask or the like so as to cover the periphery of the light receiving unit 130 again. The insulating film 19 is formed so as to cover the outer peripheral surfaces of the ring-shaped first cladding layer 14a and the second cladding layer 14b.

最後に、図10−3(g)に示すように、再びメタルマスク等を用いて、まず正電極D1を受光部全体に形成する。リング型やディスク型受光素子の場合は、正電極D1を第2コンタクト層15b上にのみ形成しても良い。正電極D1を形成した後、図10−3(h)に示すように、基板Sの裏面に負電極D2を形成する。   Finally, as shown in FIG. 10-3 (g), the positive electrode D1 is first formed on the entire light receiving portion using a metal mask or the like again. In the case of a ring type or disk type light receiving element, the positive electrode D1 may be formed only on the second contact layer 15b. After forming the positive electrode D1, the negative electrode D2 is formed on the back surface of the substrate S as shown in FIG. 10-3 (h).

以上のような製造方法によって、受光部130及び導波路70が下部クラッド層20の上に一体的に形成された受光素子120を製造することができるようになる。すなわち、化合物半導体(例えばGaAs)基板上に吸収層、クラッド層および、導波路層等をエピタキシャル成長し、接合や接着プロセスによらず、主にエッチング加工により受光素子が作製できる。   By the manufacturing method as described above, the light receiving element 120 in which the light receiving portion 130 and the waveguide 70 are integrally formed on the lower cladding layer 20 can be manufactured. That is, an absorption layer, a cladding layer, a waveguide layer, and the like are epitaxially grown on a compound semiconductor (for example, GaAs) substrate, and a light receiving element can be manufactured mainly by etching processing regardless of bonding or adhesion processes.

なお、上記に本実施の形態およびその変形例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施の形態またはその変形例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものもや、各実施の形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。例えば、前述の各実施の形態および各変形例においては、第1の導電形をn形、第2の導電形をp形として説明したが、本発明は第1の導電形をp形、第2の導電形をn形としても実施可能である。   In addition, although this Embodiment and its modification were demonstrated above, this invention is not limited to these examples. For example, for each of the above-described embodiments or modifications thereof, those in which those skilled in the art appropriately added, deleted, and changed the design, and those in which the features of each embodiment are appropriately combined, As long as the gist of the present invention is provided, it is included in the scope of the present invention. For example, in each of the above-described embodiments and modifications, the first conductivity type has been described as n-type, and the second conductivity type has been described as p-type. However, in the present invention, the first conductivity type is p-type, It is also possible to implement the second conductivity type as an n-type.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…第1半導体層、10a…主面、10c…改質層、12…活性層、13a…第1光閉じ込め層、13b…第2光閉じ込め層、14a…第1クラッド層、14b…第1クラッド層、14c…第1改質層、14d…第2改質層、15a…第1コンタクト層、15b…第2コンタクト層、18、19、80…絶縁膜、20…下部クラッド層、20a…第2半導体層、20c…低屈折率層、70…光導波路、93…配線パターン、95…溝、100…積層構造体、120…半導体発光素子、130…受光部、140a…第1中央部、140b…第2中央部、141a…第1内周部、141b…第2内周部、142a…第1外周部、142b…第2外周部、D1…第1電極、D2…第2電極、S…基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st semiconductor layer, 10a ... Main surface, 10c ... Modified layer, 12 ... Active layer, 13a ... 1st optical confinement layer, 13b ... 2nd optical confinement layer, 14a ... 1st clad layer, 14b ... 1st Cladding layer, 14c ... first modified layer, 14d ... second modified layer, 15a ... first contact layer, 15b ... second contact layer, 18, 19, 80 ... insulating film, 20 ... lower cladding layer, 20a ... 2nd semiconductor layer, 20c ... low refractive index layer, 70 ... optical waveguide, 93 ... wiring pattern, 95 ... groove, 100 ... laminated structure, 120 ... semiconductor light emitting element, 130 ... light receiving part, 140a ... 1st center part, 140b ... second central portion, 141a ... first inner peripheral portion, 141b ... second inner peripheral portion, 142a ... first outer peripheral portion, 142b ... second outer peripheral portion, D1 ... first electrode, D2 ... second electrode, S …substrate

Claims (13)

外周が円形状の半導体多層構造からなる受光部及び前記受光部に接続する導波路を有し、
前記半導体多層構造は、多重量子井戸構造からなる活性層と、前記活性層の両側に設けられた光閉じ込め層と、光閉じ込め層の両側に設けられた第1クラッド層および第2クラッド層と、前記第1クラッド層および前記第2クラッド層に接続する形で設けられた第1コンタクト層及び第2コンタクト層と、前記第1コンタクト層に接続しかつ基板に接続する下部クラッド層を有し、
前記受光部の側壁の一部が酸化により前記第1クラッド層、前記第2クラッド層、及び下部クラッド層よりも低い屈折率の材料となっており、
前記導波路は、前記導波路を構成する前記第1クラッド層、前記第2クラッド層、及び前記下部クラッド層が前記酸化により、前記第1クラッド層、前記第2クラッド層、及び下部クラッド層よりも低い屈折率の材料となっている、
ことを特徴とする、受光素子。
A light-receiving part having a circular semiconductor multilayer structure and a waveguide connected to the light-receiving part;
The semiconductor multilayer structure includes an active layer having a multiple quantum well structure, a light confinement layer provided on both sides of the active layer, a first cladding layer and a second cladding layer provided on both sides of the light confinement layer, A first contact layer and a second contact layer provided so as to be connected to the first clad layer and the second clad layer, and a lower clad layer connected to the first contact layer and connected to the substrate,
A part of the side wall of the light receiving portion is oxidized and becomes a material having a lower refractive index than the first cladding layer, the second cladding layer, and the lower cladding layer,
The waveguide includes the first clad layer, the second clad layer, and the lower clad layer formed by the oxidation of the first clad layer, the second clad layer, and the lower clad layer that constitute the waveguide. Has become a material with a low refractive index,
A light receiving element.
前記受光部は、リング状またはディスク形状であることを特徴とする、請求項1に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein the light receiving unit has a ring shape or a disk shape. 前記受光部の側面の一部が前記導波路の一側面に滑らかに接続していることを特徴とする、請求項1に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein a part of a side surface of the light receiving portion is smoothly connected to one side surface of the waveguide. 前記導波路は、前記受光部との接続部において曲がり導波路を構成していることを特徴とする、請求項3に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 3, wherein the waveguide forms a curved waveguide at a connection portion with the light receiving portion. 前記受光部の少なくとも一部は、らせん状の曲がり導波路からなることを特徴とする、請求項1に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein at least a part of the light receiving unit is formed of a spiral bent waveguide. 前記導波路は、前記導波路を構成する活性層、光閉じ込め層、第2クラッド層、及び第2コンタクト層が取り除かれていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の受光素子。   6. The waveguide according to claim 1, wherein an active layer, an optical confinement layer, a second cladding layer, and a second contact layer constituting the waveguide are removed from the waveguide. Light receiving element. 前記低屈折率材料は、電気的な絶縁特性を有することを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein the low refractive index material has an electrical insulation characteristic. 前記ディスク形状の受光部の中心部において、前記第1クラッド層と前記第2クラッド層が、ドライエッチングまたはイオンインプランテーションにより電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項2に記載の受光素子。 The first clad layer and the second clad layer are electrically insulated by dry etching or ion implantation at a central portion of the disc-shaped light receiving portion. Light receiving element. 前記酸化後の受光部の側壁は、曲率半径が実質的に一定のリング形状であることを特徴とする請求項2乃至3のいずれか1項に記載の受光素子。 4. The light receiving element according to claim 2, wherein a side wall of the light receiving portion after oxidation has a ring shape with a substantially constant curvature radius. 5. 前記受光部を構成する前記多重量子井戸構造と、前記光閉じ込め層が酸化していない部分を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の受光素子。   10. The light receiving element according to claim 1, wherein the light receiving element includes the multiple quantum well structure constituting the light receiving unit and a portion where the light confinement layer is not oxidized. 11. 前記受光部の一部が前記導波路と光学的に結合している事を特徴とする、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein a part of the light receiving unit is optically coupled to the waveguide. リング状コンタクト層の一部と接触するように電極が形成されていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の受光素子。   6. The light receiving element according to claim 1, wherein an electrode is formed so as to be in contact with a part of the ring-shaped contact layer. 前記受光部に印加するバイアスを増加することにより、前記多重量子井戸構造の吸収端の波長が10nm以上長波長側にシフトすることを特徴とする、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の受光素子。   The wavelength of the absorption edge of the multiple quantum well structure is shifted to the longer wavelength side by 10 nm or more by increasing the bias applied to the light receiving unit. Light receiving element.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014203895A (en) * 2013-04-02 2014-10-27 日本電信電話株式会社 Photodiode
US9594215B2 (en) 2014-09-19 2017-03-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor light-receiving element

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10135564A (en) * 1996-10-31 1998-05-22 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor photowaveguide structure, photodevice and its manufacturing method
JP2000147284A (en) * 1998-11-05 2000-05-26 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor optical waveguide and its production
JP2003534650A (en) * 2000-05-20 2003-11-18 キネティック リミテッド Horizontal access semiconductor photodiode
JP2010535356A (en) * 2007-07-30 2010-11-18 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. Microresonance device and manufacturing method thereof
WO2011110796A1 (en) * 2010-03-12 2011-09-15 Kabushiki Kaisha Toshiba A semiconductor device and method of manufacturing a semiconductor device
JP2012064812A (en) * 2010-09-16 2012-03-29 Toshiba Corp Semiconductor laser

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10135564A (en) * 1996-10-31 1998-05-22 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor photowaveguide structure, photodevice and its manufacturing method
JP2000147284A (en) * 1998-11-05 2000-05-26 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor optical waveguide and its production
JP2003534650A (en) * 2000-05-20 2003-11-18 キネティック リミテッド Horizontal access semiconductor photodiode
JP2010535356A (en) * 2007-07-30 2010-11-18 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. Microresonance device and manufacturing method thereof
WO2011110796A1 (en) * 2010-03-12 2011-09-15 Kabushiki Kaisha Toshiba A semiconductor device and method of manufacturing a semiconductor device
JP2012064812A (en) * 2010-09-16 2012-03-29 Toshiba Corp Semiconductor laser

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014203895A (en) * 2013-04-02 2014-10-27 日本電信電話株式会社 Photodiode
US9594215B2 (en) 2014-09-19 2017-03-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor light-receiving element

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