JP2018129483A

JP2018129483A - 受光素子

Info

Publication number: JP2018129483A
Application number: JP2017023407A
Authority: JP
Inventors: 英輝小野; Hideki Ono
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: JP6335349B1

Abstract

【課題】横型ＰＩＮ−ＰＤの構造をとりつつ、逆方向リーク電流を抑制できる受光素子を提供する。【解決手段】光導波路コア３０と、光吸収層４０と、光導波路コア及び光吸収層を包含するクラッドとを備える。光導波路コアには、不純物が導入されないｉ型領域７５を挟んで対向する、ｐ型不純物が導入されたｐ型領域７１及びｎ型不純物が導入されたｎ型領域７３が形成されている。光吸収層は、光導波路コア上に、ｐ型領域、ｉ型領域及びｎ型領域に渡って形成されている。光吸収層の表面部には、ｐ型不純物又はｎ型不純物が導入された光吸収層不純物領域４１が形成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、受光素子に関する。

近年、小型化や量産性に有利な光デバイスの開発に当たり、Ｓｉ（シリコン）を導波路の材料として用いるＳｉ導波路が注目を集めている。

Ｓｉ導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

また、Ｓｉ導波路では、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

ここで、Ｓｉ導波路に集積する受光素子として、横型ＰＩＮ構造のフォトダイオード（例えば非特許文献１参照）及び縦型ＰＩＮ構造のフォトダイオード（例えば非特許文献２参照）がある。

横型ＰＩＮ構造のフォトダイオード（横型ＰＩＮ−ＰＤ）では、光導波路コアにｐ型不純物が導入されたｐ型領域及びｎ型不純物が導入されたｎ型領域が、不純物が導入されないｉ型領域を挟んで、支持基板の上面に対し水平方向に並んで形成される。そして、光導波路コア上に、ｐ型領域及びｎ型領域に渡って、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）を材料とした光吸収層が形成される。

一方、縦型ＰＩＮ構造のフォトダイオード（縦型ＰＩＮ−ＰＤ）では、ｐ型領域、ｉ型領域及びｎ型領域が、支持基板に対し垂直方向に並んで形成される。そして、縦型ＰＩＮ−ＰＤでは、光吸収層の上部に金属電極が装荷される。このため、光吸収層を伝播する光が、金属電極によって散乱又は吸収される。その結果、縦型ＰＩＮ−ＰＤでは、光吸収効率を高くすることが困難である。

従って、高い受光感度が求められる用途においては、縦型ＰＩＮ−ＰＤよりも横型ＰＩＮ−ＰＤが優位である。

ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．９，２０１４、ｐｐ．１１３６７ＩＥＥＥＥＬＥＣＴＲＯＮＤＥＶＩＣＥＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．５，２００８，ｐｐ．４４５

しかしながら、横型ＰＩＮ−ＰＤは、縦型ＰＩＮ−ＰＤと比べて、逆方向リーク電流が大きくなりやすいという問題がある。この理由は以下のとおりである。

横型ＰＩＮ−ＰＤ及び縦型ＰＩＮ−ＰＤでは、ともに光吸収層はエピタキシャル成長によって形成される。エピタキシャル成長された光吸収層は、表面部（上面部、前後左右側面部及び下面部）に結晶欠陥、及び結晶欠陥に伴う欠陥準位が多く存在する。

そして、光電流を得るために、ＰＩＮ−ＰＤには逆バイアスが印加される。縦型ＰＩＮ−ＰＤでは、電気力線の大部分が光吸収層の内部を通過する。一方で、横型ＰＩＮ−ＰＤでは、電気力線の大部分が、光吸収層の表面部を通過する。この結果、逆バイアス印加に伴うキャリアが、縦型ＰＩＮ−ＰＤでは光吸収層の内部を移動するのに対し、横型ＰＩＮ−ＰＤでは光吸収層の表面部を移動する。上述したように、光吸収層の表面部は、内部に比べて欠陥準位が多い。このため、横型ＰＩＮ−ＰＤでは、欠陥準位を伝達してキャリアが移動しやすくなるため、逆方向リーク電流が大きくなりやすい。

逆方向リーク電流が大きいと、受光レベルが０であっても相応の電流が流れるため、消費電力が増加する。また、受光レベルが０であるときの雑音（ショット雑音や熱雑音）の増加により、受光器出力のＳＮ（ｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅ）比が悪化する。さらに、受信エラーが増加するといった問題がある。

そこで、この発明の目的は、横型ＰＩＮ−ＰＤの構造をとりつつ、逆方向リーク電流を抑制できる受光素子を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明による受光素子は、光導波路コアと、光吸収層と、光導波路コア及び光吸収層を包含するクラッドとを備えている。光導波路コアには、不純物が導入されないｉ型領域を挟んで対向する、ｐ型不純物が導入されたｐ型領域及びｎ型不純物が導入されたｎ型領域が形成されている。光吸収層は、光導波路コア上に、ｐ型領域、ｉ型領域及びｎ型領域に渡って形成されている。光吸収層の表面部には、ｐ型不純物又はｎ型不純物が導入された光吸収層不純物領域が形成されている。

この発明の受光素子では、光吸収層不純物領域とｐ型領域との間、及び光吸収層不純物領域とｎ型領域との間にｉ型領域が形成される。そして、逆方向バイアスが印加された際には、光吸収層不純物領域とｎ型領域との間のｉ型領域にはほとんどバイアス電界が印加されない。この結果、光吸収層の表面部全体としてバイアス電界の印加が抑えられ、逆方向リーク電流を抑制することができる。従って、この発明の受光素子では、横型ＰＩＮ−ＰＤの構造をとりつつ、逆方向リーク電流を小さく抑えることができる。

（Ａ）は第１の受光素子を示す概略平面図であり、（Ｂ）は第１の受光素子を示す概略端面図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の受光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。第１の受光素子及び従来型受光素子の暗電流の測定結果を示す図である。第１の受光素子において、光吸収層ｎ型領域を前側面及び後側面に渡って形成した場合の構成例を示す概略平面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、第１の受光素子の製造方法を説明する工程図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の受光素子の製造方法を説明する工程図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の受光素子の製造方法を説明する工程図である。第２の受光素子を示す概略端面図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の受光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の受光素子の製造方法を説明する工程図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１の受光素子）
図１を参照して、この発明の第１の実施の形態による受光素子（以下、第１の受光素子とも称する）について説明する。図１（Ａ）は、第１の受光素子を示す概略平面図である。なお、図１（Ａ）では、後述する上部クラッド及び電極を省略して示してある。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った概略端面図である。

なお、以下の説明では、各構成要素について、光の伝播方向（図中、矢印Ｒで示す。）に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

第１の受光素子１００は、支持基板１０、下部クラッド２０、光導波路コア３０、光吸収層４０、上部クラッド５０並びに電極６１及び６３を備えて構成されている。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

下部クラッド２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面を被覆して形成されている。下部クラッド２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、下部クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、光導波路コア３０は、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、支持基板１０から例えば少なくとも３μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。従って、上述した下部クラッド２０の厚さは、例えば少なくとも３μｍ以上であるのが好ましい。

また、光導波路コア３０は、入力部３１及び幅導波路部３３を含んで構成されている。入力部３１及び幅導波路部３３は、光伝播方向Ｒに沿ってこの順に直列に接続されている。

入力部３１の一端３１ａは、当該受光素子１００における、光の入力端として使用される。また、入力部３１は、他端３１ｂで幅導波路部３３と接続される。なお、図１（Ａ）に示す構成例では、入力部３１は、一端３１ａから他端３１ｂまで連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。

幅導波路部３３は、例えば一定幅で形成されている。

幅導波路部３３には、ｐ型不純物が導入されたｐ型領域７１、及びｎ型不純物が導入されたｎ型領域７３が形成されている。ｐ型不純物としては、例えばホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。また、ｎ型不純物としては、例えばリン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。また、ｐ型領域７１及びｎ型領域７３間には、不純物が導入されないｉ型領域７５が設定されている。従って、ｐ型領域７１及びｎ型領域７３は、ｉ型領域７５を挟んで対向して配置されている。また、ｐ型領域７１、ｉ型領域７５及びｎ型領域７３は、幅方向に沿って並んで形成されている。図１（Ａ）に示す構成例では、ｉ型領域７５に対して左側にｐ型領域７１が、また、右側にｎ型領域７３が形成されている。

さらに、ｐ型領域７１内には、ｐ型領域７１内の他の領域よりも高濃度でｐ型不純物が導入された高濃度ｐ型領域８１が形成されている。また、ｎ型領域７３内には、ｎ型領域７３内の他の領域よりも高濃度でｎ型不純物が導入された高濃度ｎ型領域８３が形成されている。

光吸収層４０は、幅導波路部３３のｉ型領域７５上に形成されている。光吸収層４０は、上面４０ａ、下面４０ｂ、光伝播方向Ｒに沿った左側面４０ｃ及び右側面４０ｄ、並びに幅方向に沿った前側面４０ｅ及び後側面４０ｆを含む表面を有している。光吸収層４０の下面４０ｂの幅は、ｉ型領域７５の幅よりも大きく設定されている。従って、光吸収層４０は、ｐ型領域７１、ｉ型領域７５及びｎ型領域７３に渡って形成されている。光吸収層４０は、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を材料として形成されている。

また、光吸収層４０の上面部４０ａａには、ｐ型不純物又はｎ型不純物が導入された光吸収層不純物領域４１が形成されている。なお、ここでは、光吸収層不純物領域４１として、ｎ型不純物が導入されている構成例について説明する。そこで、光吸収層不純物領域４１を、光吸収層ｎ型領域４１とも称する。

上部クラッド５０は、下部クラッド２０上に、光導波路コア３０及び光吸収層４０を被覆して形成されている。従って、光導波路コア３０及び光吸収層４０は、クラッド（すなわち下部クラッド２０及び上部クラッド５０）によって、包含されている。上部クラッド５０は、光導波路コア３０よりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_Ｘ（Ｘは正の整数）又はＧｅＯ_２を材料として形成されている。

電極６１は、幅導波路部３３の高濃度ｐ型領域８１と接続されている。電極６１は、上部クラッド５０の上面から高濃度ｐ型領域８１の上面まで、上部クラッド５０を貫通して形成されている。また、電極６３は、幅導波路部３３の高濃度ｎ型領域８３と接続されている。電極６３は、上部クラッド５０の上面から高濃度ｎ型領域８３の上面まで、上部クラッド５０を貫通して形成されている。電極６１及び６３は、ＳｉやＧｅとオーミック接触を実現できる材料、例えばアルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）を材料として形成されている。

図２を参照して、第１の受光素子１００の作用について説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、ｐ型領域７１から、光吸収層４０の左側面部４０ｃｃ、上面部４０ａａ及び右側面部４０ｄｄを含む第１表面部９１を経てｎ型領域７３に至る部分のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）では、縦軸にエネルギー準位を、横軸に第１の受光素子１００の幅方向に沿った幾何学的な距離をそれぞれ示している。図２（Ａ）及び（Ｂ）において、価電子帯を２０１、フェルミレベルを２０３及び伝導帯を２０５でそれぞれ示してある。また、横軸に付した符号の位置は、図１において共通の符号を付した構成要素の位置に対応する。図２（Ａ）は、バイアスを印加していない状態のエネルギーバンドダイアグラムを、図２（Ｂ）は、ｐ型領域７１及びｎ型領域７３に逆方向バイアスを印加した状態のエネルギーバンドダイアグラムを、それぞれ示している。

図２（Ａ）に示すように、第１の受光素子１００では、光吸収層４０の上面部４０ａａに光吸収層ｎ型領域４１が形成されることによって、ｐ型領域７１及び光吸収層ｎ型領域４１間、並びに光吸収層ｎ型領域４１及びｎ型領域７３間に、ｉ型領域が形成される。このため、図２（Ｂ）に示すように、逆方向バイアスが印加された場合、ｐ型領域７１及び光吸収層ｎ型領域４１間のｉ型領域にバイアス電界が印加される一方、光吸収層ｎ型領域４１及びｎ型領域７３間のｉ型領域にはほとんどバイアス電界が印加されない。

ここで、上述したように、光吸収層４０の表面部には欠陥準位が多く、欠陥準位を伝達してキャリアが移動しやすくなることが、逆方向リーク電流の要因となる。従って、第１表面部９１は、逆方向リーク電流のリークパスの１つである。

しかし、第１の受光素子１００では、光吸収層ｎ型領域４１及びｎ型領域７３間のｉ型領域へのバイアス電界の印加を抑制できることから、第１表面部９１全体としてバイアス電界の印加が抑えられる。従って、第１の受光素子１００では、第１表面部９１をリークパスとした逆方向リーク電流を抑制することができる。

このように、第１の受光素子１００では、ｐ型領域７１、ｉ型領域７５及びｎ型領域７３が幅方向に沿って並んだ横型ＰＩＮ−ＰＤの構造をとりつつ、逆方向リーク電流を小さく抑えることができる。

（特性評価）
発明者は、第１の受光素子１００の特性を評価する実験を行った。この実験では、従来構造の受光素子として、第１の受光素子１００から光吸収層ｎ型領域４１を除いた受光素子（従来型受光素子）を用意した。そして、第１の受光素子１００及び従来型受光素子の暗電流を測定し、比較した。

実験に用いた第１の受光素子１００では、支持基板１０は、Ｓｉを材料として５２５μｍの厚さで形成した。また、下部クラッド２０は、ＳｉＯ_２を材料として３μｍの厚さで形成した。また、光導波路コア３０は、Ｓｉを材料として３００ｎｍの厚さで形成した。また、ｉ型領域７５は、１．２μｍの幅とした。また、光吸収層４０は、Ｇｅを材料として、４μｍの幅、６０μｍの長さ及び１μｍの厚さで形成した。また、上部クラッド５０は、ＳｉＯ_２を材料として１μｍの厚さで形成した。また、ｐ型領域７１は、ホウ素（Ｂ）を１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で導入して形成した。また、高濃度ｐ型領域８１は、ホウ素（Ｂ）を１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度で導入して形成した。また、ｎ型領域７３は、リン（Ｐ）を１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で導入して形成した。また、高濃度ｎ型領域８３は、リン（Ｐ）を１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度で導入して形成した。また、光吸収層ｎ型領域４１は、リン（Ｐ）を１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度で導入して形成した。

従来型受光素子は、光吸収層４０に不純物を導入しないこと以外は、第１の受光素子１００と同様の設計条件とした。

実験の結果を図３に示す。図３は、第１の受光素子１００及び従来型受光素子の暗電流の測定結果を示す図である。図３において、縦軸は電流をＡ単位で、及び横軸に電圧をＶ単位でとって示してある。また、図３において、曲線３０１は第１の受光素子１００の電流を、及び曲線３０３は従来型受光素子の電流を示している。

図３に示すように、逆方向バイアスを１Ｖ印加した場合の従来型受光素子では暗電流が２．７２３μＡであったのに対し、第１の受光素子１００では暗電流が４０３．６ｎＡであった。従って、第１の受光素子１００では、従来型受光素子と比較して暗電流を約１桁小さく抑えることができる。

ここで、第１の受光素子１００では、光吸収層４０の上面部４０ａａに形成する光吸収層ｎ型領域４１を、前側面４０ｅから後側面４０ｆに渡って形成することもできる。この場合の構成例（受光素子１５０）の概略平面図を図４に示す。

受光素子１５０では、光吸収層ｎ型領域４２が、光吸収層４０の上面部４０ａａから、前側面４０ｅとｉ型領域７５との境界及び後側面４０ｆとｉ型領域７５との境界に至る領域にまで形成されている。

受光素子１５０では、光吸収層４０のファセット領域（前側面部及び後側面部）にも、ｉ型領域が形成されるため、ファセット領域をリークパスとした逆方向リーク電流をも抑制することができる。従って、図１（Ａ）の構成例に係る第１の受光素子１００と比べて、さらに逆方向リーク電流を小さく抑えることができる。

なお、受光素子１５０では、光吸収層ｎ型領域４２を長さ方向に延長した、ｉ型領域７５の領域にも不純物領域８７及び８９が形成されている。これら不純物領域８７及び８９は、受光素子１５０の製造工程において、光吸収層ｎ型領域４２の形成に伴って形成されるものである。しかし、受光素子１５０では、前側面４０ｅ及び後側面４０ｆに渡って光吸収層ｎ型領域４２が形成されていればよく、必ずしも不純物領域８７及び８９が形成されていなくてもよい。

（製造方法）
第１の受光素子１００は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、図５〜図７を参照して、第１の受光素子１００の製造方法について説明する。図５（Ａ）〜図７（Ｃ）は、第１の受光素子１００の製造方法を説明する工程図であり、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の概略的端面図である。これら図５〜図７に示す端面は、図１（Ｂ）に示す端面に位置的に対応する。

まず、支持基板層１０、ＳｉＯ_２層（下部クラッド）２０、及びＳｉ層４３０が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する（図５（Ａ））。

次に、例えばフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、Ｓｉ層４３０をパターニングすることによって、光導波路コア３０を形成する（図５（Ｂ））。

次に、フォトリソグラフィにより、下部クラッド２０及び光導波路コア３０を被覆するレジストパターン４０１を形成する。レジストパターン４０１には、光導波路コア３０のｐ型領域７１形成位置の上面を露出させる開口部４０２が形成されている。この開口部４０２を利用し、光導波路コア３０にｐ型不純物を導入することによって、ｐ型領域７１を形成する（図５（Ｃ））。その後、レジストパターン４０１を除去する。

次に、フォトリソグラフィにより、下部クラッド２０及び光導波路コア３０を被覆するレジストパターン４０３を形成する。レジストパターン４０３には、ｐ型領域７１内における高濃度ｐ型領域８１形成位置の上面を露出させる開口部４０４が形成されている。この開口部４０４を利用し、ｐ型領域７１にさらにｐ型不純物を導入することによって、高濃度ｐ型領域８１を形成する（図５（Ｄ））。その後、レジストパターン４０３を除去する。

次に、フォトリソグラフィにより、下部クラッド２０及び光導波路コア３０を被覆するレジストパターン４０５を形成する。レジストパターン４０５には、光導波路コア３０のｎ型領域７３形成位置の上面を露出させる開口部４０６が形成されている。この開口部４０６を利用し、光導波路コア３０にｎ型不純物を導入することによって、ｎ型領域７３を形成する（図６（Ａ））。その後、レジストパターン４０５を除去する。

次に、フォトリソグラフィにより、下部クラッド２０及び光導波路コア３０を被覆するレジストパターン４０７を形成する。レジストパターン４０７には、ｎ型領域７３内における高濃度ｎ型領域８３形成位置の上面を露出させる開口部４０８が形成されている。この開口部４０８を利用し、ｎ型領域７３にさらにｎ型不純物を導入することによって、高濃度ｎ型領域８３を形成する（図６（Ｂ））。その後、レジストパターン４０７を除去する。

次に、下部クラッド２０上に光導波路コア３０を被覆するＳｉＯ_２膜４０９を形成する。そして、例えばフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ＳｉＯ_２膜４０９を部分的に除去する。これによって、光吸収層４０の形成位置において、光導波路コア３０の上面を露出させる選択成長窓４１０を形成する（図６（Ｃ））。

次に、選択成長窓４１０に、エピタキシャル成長技術を用いて、例えばＧｅ層を選択成長させることによって、光吸収層４０を形成する（図７（Ａ））。

次に、フォトリソグラフィにより、ＳｉＯ_２膜４０９及び光吸収層４０を被覆するレジストパターン４１１を形成する。レジストパターン４１１には、光吸収層４０の光吸収層ｎ型領域４１形成位置の上面を露出させる開口部４１２が形成されている。この開口部４１２を利用し、光吸収層４０にｎ型不純物を導入することによって、光吸収層ｎ型領域４１を形成する（図７（Ｂ））。その後、レジストパターン４１１を除去する。

なお、図４を参照して説明した、光吸収層ｎ型領域４２を、前側面４０ｅ及び後側面４０ｆに渡って形成する構成を製造する場合には、光導波路コア３０の、光吸収層４０の前後の領域の上面まで露出するように、レジストパターン４１１の開口部４１２を形成する。

次に、ＳｉＯ_２膜４０９上に光吸収層４０を被覆するＳｉＯ_２層をさらに形成する。これによって、ＳｉＯ_２膜４０９とさらに形成したＳｉＯ_２層から上部クラッド５０を形成する（図７（Ｃ））。

次に、上部クラッド５０に、高濃度ｐ型領域８１及び高濃度ｎ型領域８３の上面をそれぞれ露出させるコンタクトホールを開口する。そして、このコンタクトホールを埋め込む電極６１及び６３を形成して、第１の受光素子１００を得る（図１参照）。

（第２の受光素子）
図８を参照して、この発明の第２の実施の形態による受光素子（以下、第２の受光素子とも称する）について説明する。図８は、第２の受光素子を示す概略的端面図である。図８に示す端面は、図１（Ｂ）に示す端面と位置的に対応している。なお、第２の受光素子は、光吸収層における光吸収層不純物領域の形成箇所において、上述した第１の受光素子と相違する。その他の構成要素については、第１の受光素子と同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の受光素子２００では、光吸収層４０の下面部４０ｂｂに、ｐ型不純物又はｎ型不純物が導入された光吸収層不純物領域４３が形成されている。なお、ここでは、光吸収層不純物領域４３として、ｎ型不純物が導入されている構成例について説明する。そこで、光吸収層不純物領域４３を、光吸収層ｎ型領域４３とも称する。光吸収層ｎ型領域４３は、前側面４０ｅから後側面４０ｆ（図１（Ａ）参照）に渡って形成することができる。

なお、第２の受光素子２００では、ｉ型領域７５の、光吸収層ｎ型領域４３の下側の領域にも不純物領域８５が形成されている。この不純物領域８５は、第２の受光素子２００の製造工程において、光吸収層ｎ型領域４３を形成するために形成されるものである。しかし、第２の受光素子２００では、光吸収層４０の下面部４０ｂｂに光吸収層ｎ型領域４３が形成されていればよく、必ずしも不純物領域８５が形成されていなくてもよい。

図９を参照して、第２の受光素子２００の作用について説明する。図９（Ａ）及び（Ｂ）は、ｐ型領域７１から、光吸収層４０の下面部４０ｂｂを経てｎ型領域７３に至る部分のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。図９（Ａ）及び（Ｂ）では、縦軸にエネルギー準位を、横軸に第２の受光素子２００の幅方向に沿った幾何学的な距離をそれぞれ示している。図９（Ａ）及び（Ｂ）において、価電子帯を９０１、フェルミレベルを９０３及び伝導帯を９０５でそれぞれ示してある。また、横軸に付した符号の位置は、図８において共通の符号を付した構成要素の位置に対応する。図９（Ａ）は、バイアスを印加していない状態のエネルギーバンドダイアグラムを、図９（Ｂ）は、ｐ型領域７１及びｎ型領域７３に逆方向バイアスを印加した状態のエネルギーバンドダイアグラムを、それぞれ示している。

図９（Ａ）に示すように、第２の受光素子２００では、光吸収層４０の下面部４０ｂｂに光吸収層ｎ型領域４３が形成されることによって、ｐ型領域７１及び光吸収層ｎ型領域４３間、並びに光吸収層ｎ型領域４３及びｎ型領域７３間に、ｉ型領域が形成される。このため、図９（Ｂ）に示すように、逆方向バイアスが印加された場合、ｐ型領域７１及び光吸収層ｎ型領域４３間のｉ型領域にバイアス電界が印加される一方、光吸収層ｎ型領域４３及びｎ型領域７３間のｉ型領域にはほとんどバイアス電界が印加されない。

ここで、上述したように、光吸収層４０の表面部には欠陥準位が多く、欠陥準位を伝達してキャリアが移動しやすくなることが、逆方向リーク電流の要因となる。従って、光吸収層４０の下面部４０ｂｂは、逆方向リーク電流のリークパスの１つである。

しかし、第２の受光素子２００では、光吸収層ｎ型領域４３及びｎ型領域７３間のｉ型領域へのバイアス電界の印加を抑制できることから、光吸収層４０の下面部４０ｂｂ全体としてバイアス電界の印加が抑えられる。従って、第２の受光素子２００では、光吸収層４０の下面部４０ｂｂをリークパスとした逆方向リーク電流を抑制することができる。

このように、第２の受光素子２００では、ｐ型領域７１、ｉ型領域７５及びｎ型領域７３が幅方向に沿って並んだ横型ＰＩＮ−ＰＤの構造をとりつつ、逆方向リーク電流を小さく抑えることができる。

（製造方法）
第２の受光素子２００は、例えばＳＯＩ基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、図１０を参照して、第２の受光素子２００の製造方法について説明する。図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の受光素子２００の製造方法を説明する工程図であり、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の概略的端面図である。これら図１０に示す端面は、図８に示す端面に位置的に対応する。なお、第２の受光素子２００の製造方法は、高濃度ｎ型領域８３の形成まで、及び光吸収層４０の形成後は、上述した第１の受光素子１００の製造方法と同様であるため、重複する説明を省略する。

第２の受光素子２００の製造方法では、高濃度ｎ型領域８３の形成後、フォトリソグラフィにより、下部クラッド２０及び光導波路コア３０を被覆するレジストパターン９０１を形成する。レジストパターン９０１には、ｉ型領域７５内における不純物領域８５形成位置の上面を露出させる開口部９０２が形成されている。この開口部９０２を利用し、ｉ型領域７５にｎ型不純物を導入することによって、不純物領域８５を形成する（図１０（Ａ））。その後、レジストパターン９０１を除去する。

次に、下部クラッド２０上に光導波路コア３０を被覆するＳｉＯ_２膜９０３を形成する。そして、例えばフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ＳｉＯ_２膜９０３を部分的に除去する。これによって、光吸収層４０の形成位置において、光導波路コア３０の上面を露出させる選択成長窓９０４を形成する（図１０（Ｂ））。

次に、選択成長窓９０４に、エピタキシャル成長技術を用いて、例えばＧｅ層を選択成長させることによって、光吸収層４０を形成する。この際、不純物領域８５から不純物（ここではｎ型不純物）が光吸収層４０に拡散する。その結果、光吸収層４０の下面部４０ｂｂに光吸収層ｎ型領域４３が形成される（図１０（Ｃ））。

その後、上述した第１の受光素子１００の製造方法と同様に、上部クラッド５０並びに電極６１及び６３を形成して、第２の受光素子２００を得る（図８参照）。

（変形例）
第１の受光素子１００及び第２の受光素子２００では、光吸収層不純物領域４１、４２又は４３を、光吸収層４０の上面部４０ａａ又は下面部４０ｂｂに形成する構成について説明したが、光吸収層不純物領域は、上面部４０ａａ及び下面部４０ｂｂの双方に形成することもできる。また、光吸収層不純物領域は、上面部４０ａａ及び下面部４０ｂｂ以外に、光吸収層４０の例えば左右側面部４０ｃｃ、４０ｄｄに形成することもできる。

また、第１の受光素子１００及び第２の受光素子２００では、光吸収層不純物領域４１、４２又は４３を、ｎ型不純物を導入した領域として形成した場合について説明したが、光吸収層不純物領域４１、４２又は４３は、ｐ型不純物を導入した領域として形成することもできる。

また、第１の受光素子１００及び第２の受光素子２００の構成は、アバランシェフォトダイオードに対しても適用することができる。

また、第１の受光素子１００及び第２の受光素子２００の構成は、光導波路コア３０及び光吸収層４０間の光の結合が、エバネッセント結合タイプのフォトダイオードのみならず、バットカップリングタイプのフォトダイオードに対しても適用することができる。

また、第１の受光素子１００及び第２の受光素子２００では、光導波路コア３０の幅導波路部３３上に直接光吸収層４０を形成する構成例について説明したが、幅導波路部３３及び光吸収層４０間に、例えばＳｉＧｅを材料としたバッファ層を介在させることもできる。また、光吸収層４０及び上部クラッド５０間に保護膜を介在させることもできる。

１０：支持基板
２０：下部クラッド
３０：光導波路コア
４０：光吸収層
４１，４２，４３：光吸収層不純物領域
５０：上部クラッド
６１，６３：電極
７１：ｐ型領域
７３：ｎ型領域
７５：ｉ型領域
８１：高濃度ｐ型領域
８３：高濃度ｎ型領域
１００，１５０：第１の受光素子
２００：第２の受光素子

上述した目的を達成するために、この発明による受光素子は、光導波路コアと、光吸収層と、光導波路コア及び光吸収層を包含するクラッドとを備えている。光導波路コアには、不純物が導入されないｉ型領域を挟んで対向する、ｐ型不純物が導入されたｐ型領域及びｎ型不純物が導入されたｎ型領域が形成されている。光吸収層は、光導波路コア上に、ｐ型領域、ｉ型領域及びｎ型領域に渡って形成されている。光吸収層の表面部の、ｐ型領域及びｎ型領域のいずれにも接触しない位置には、ｐ型不純物又はｎ型不純物が導入された光吸収層不純物領域が形成されている。

Claims

光導波路コアと、
光吸収層と、
前記光導波路コア及び前記光吸収層を包含するクラッドと
を備え、
前記光導波路コアには、不純物が導入されないｉ型領域を挟んで対向する、ｐ型不純物が導入されたｐ型領域及びｎ型不純物が導入されたｎ型領域が形成されており、
前記光吸収層は、前記光導波路コア上に、前記ｐ型領域、前記ｉ型領域及び前記ｎ型領域に渡って形成され、
前記光吸収層の表面部には、ｐ型不純物又はｎ型不純物が導入された光吸収層不純物領域が形成されている
ことを特徴とする受光素子。
前記光吸収層不純物領域が、前記光吸収層の上面部に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
前記光吸収層不純物領域が、前記光吸収層の前側面から後側面に渡って形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の受光素子。
前記光吸収層不純物領域が、前記光吸収層の下面部に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
前記光吸収層不純物領域が、前記光吸収層の前側面から後側面に渡って形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の受光素子。
前記光吸収層不純物領域が、前記光吸収層の上面部及び下面部にそれぞれ形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
前記上面部に形成されている前記光吸収層不純物領域及び前記下面部に形成されている前記光吸収層不純物領域の一方又は双方が、前記光吸収層の前側面から後側面に渡って形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の受光素子。