JP2019016694A - 受光装置、これを用いた光受信器、及び受光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受光装置においてキャリア蓄積による応答特性の低下を抑制し、高い入力特性と応答特性を実現する。【解決手段】シリコン光導波路２３の上に半導体の光吸収層１６を有する受光素子１０がモノリシックに集積された受光装置において、シリコン光導波路２３と光吸収層１６の間に、シリコンよりも屈折率の低い低屈折率層２５が配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、受光装置、これを用いた光受信器、及び受光装置の製造方法に関する。

デジタル・コヒーレント伝送は、将来の高速大容量の光ネットワークの中で有力な通信方式と考えられている。光通信に適したデバイス構成として、シリコン（Ｓｉ）細線光集積回路とゲルマニウム（Ｇｅ）受光素子をＳｉ基板上にモノリシック集積した光受信器が開発されている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。

図１は、一般的なＧｅ受光素子の構成を示す。図１の平面図（Ａ）において、Ｓｉ光導波路１２３からＧｅ受光素子１１０への光の伝搬方向をＸ方向とする。Ａ−Ａ’断面図（Ｂ）を参照すると、Ｓｉ基板２１１の上で、Ｇｅ受光素子１１０はＳｉ光導波路１２３の垂直方向に積層されている。Ｇｅ受光素子１１０は、ＳｉＯ₂層１１２上のｐ型シリコン層１１５と、ｐ型シリコン層１１５の上に選択的に成長されたＧｅ層１１６と、Ｇｅ層１１６の上部のｎ型半導体層１１７を有する。ｐ型シリコン層１１５を挟んで高濃度のｐ型シリコン層１１３及び１１４が配置され、これらのｐ型シリコン層１１３と１１４は電極１１９と電極１２１にそれぞれ接続されている。ｎ型半導体層１１７は、電極１１８に接続されている。Ｓｉ光導波路１２３からＧｅ受光素子１１０に光がエバネッセント結合し、電極１２１と電極１１８の間、及び電極１２１と電極１１９の間にバイアス電圧が印加されると、印加電界によりキャリアが加速され光電流が流れる。Ｇｅ受光素子１１０の下地のＳｉＯ₂層１１２と、Ｇｅ受光素子１１０を埋め込むＳｉＯ₂層１２７は、Ｓｉ光導波路１２３のクラッド層として機能する。

特開２０１１−５３５９３号公報 特開２０１６−１５６９３３号公報

デジタル・コヒーレント用の光受信器では、光回路に２個のバランス型受光器を用いている。各バランス型受光器は、２つの受光素子の組み合わせで形成され、信号光と局発光の位相を基準としてビート光を検出して信号を取り出す。バランス型受光器でノイズを低減するために、強度の高い局発光を受光素子に入射して、そのビート光を検出することが考えられる。ところが、強い光が吸収層に入射すると吸収層で多数のキャリアが急激に発生し、Ｐ^＋層とＮ^＋層へのキャリアの掃引が追い付かず、キャリアが蓄積されて応答特性が低下する。

本発明は、受光装置においてキャリア蓄積による応答特性の低下を抑制し、高い入力特性と応答特性を実現することを目的とする。

一つの態様では、シリコン光導波路の上に半導体の光吸収層を有する受光素子がモノリシックに集積された受光装置において、前記シリコン光導波路と前記光吸収層の間に、シリコンよりも屈折率の低い低屈折率層が配置されている。

一つの側面として、受光装置においてキャリア蓄積による応答特性の低下を抑制し、高い入力特性と応答特性を実現することができる。

一般的なＧｅ受光素子の構成を示す図である。 キャリア蓄積による応答特性の低下を説明する図である。 実施形態の受光装置の基本構成を示す図である。 実施形態の受光装置が適用される光受信器の模式図である。 屈折率層のカーボン（Ｃ）の組成と臨界膜厚の関係を示す図である。 Ｃ組成０．５％におけるキャリア発生割合の低屈折率層の膜厚依存性を示す図である。 Ｃ組成１．０％におけるキャリア発生割合の低屈折率層の膜厚依存性を示す図である。 受光装置の変形例１の構成を示す図である。 受光装置の変形例２の構成を示す図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 図９の受光装置の製造工程図である。 受光装置の変形例３の構成を示す図である。 受光装置の他の構成例を示す図である。 受光装置の他の構成例を示す図である。

図２は、高強度の光入射によるキャリア蓄積の問題を、より詳細に説明する図である。Ｓｉ光導波路１２３からＧｅ受光素子１１０に光が入射すると、Ｇｅ受光素子１１０の光入射端Ｆinの近傍で多数のキャリアが急激に発生する。キャリア急増により、Ｐ^＋層とＮ^＋層へのキャリアの掃引が追い付かずに蓄積され、空乏層に印可される逆バイアス電圧（Ｖ^Ｒ−δＶ_Ｒ）が減少する空間電荷効果が発生する。設計された電圧をかけてもキャリアが移動せず、あたかもバイアス電圧が低くなったように見えるのである。負極側に滞留しＰ^＋層に達しない電子（及び正極側に滞留してＮ^＋層に達しない正孔）は、無効キャリアとなる。急激に発生したキャリアは、特に高入力動作時に溜まりやすい。

エバネッセント結合によりＧｅ受光素子１１０に光結合した光は、光吸収層であるＧｅ層１１６の光入射端の領域で急激に吸収され、光電変換されるが、上述のようにキャリアの無駄が生じる。一方、Ｇｅ層１１６の終端部に向かって光は徐々に吸収されて光量が少なくなり、光電変換されるキャリア量が低減する。光入射端Ｆinを含む受光部先端での空間電荷効果は、Ｇｅ受光素子１１０に印加する電圧を上げることで解決し得るが、消費電力低減の観点から、通常はＧｅ受光素子１１０に印加される逆バイアス電圧は、２〜４Ｖと低い。そのため、いっそう空間電荷効果が現れやすくなっている。

実施形態では、高強度の光が入射する場合でもキャリア蓄積による受光装置の応答特性の低下を抑制し、高い入力特性と高速の応答を実現する。

図３は、実施形態の受光装置１００の基本構成を示す図、図４は、受光装置１００が適用される光受信器２００の一例である。図３において、受光装置１００は、Ｓｉ基板１１の上にモノリシックに集積されたＳｉ光導波路２３とＧｅの受光素子１０を有する。受光素子１０の下層のＳｉＯ₂層１２は、Ｓｉ光導波路２３の下部クラッド層として機能してもよい。受光素子１０を埋め込むＳｉＯ₂層１９は上部クラッド層として機能してもよい。

受光素子１０は、図３の例では光吸収層１６としてアンドープのＧｅ層を用いる。光吸収層１６の下層に、Ｓｉ光導波路２３に連続する第１導電型のＳｉ層１５が配置され、光吸収層１６の上部に、第２導電型の半導体層１７が配置される。Ｓｉ層１５は、Ｓｉ光導波路２３の一部であり、Ｓｉ光導波路２３に部分的に第１導電型のドーパントが添加された層である。第１導電型のＳｉ層１５は、たとえばｐ型Ｓｉ層であり、第２導電型の半導体層１７は、たとえばｎ型Ｇｅ層である。半導体層１７にはｎ型ドーパントが高濃度にドープされており、負極の電極１８に接続されている。また、図１のＡ−Ａ’断面図（Ｂ）と同様に、ｐ型のＳｉ層１５はたとえばＹ方向で連続するｐ^＋型コンタクト層により正極の電極に接続されている。

実施形態の特徴として、Ｓｉ光導波路２３（図３の例では、ｐ型のＳｉ層１５）と光吸収層１６の間に、低屈折率層２５が挿入されている。低屈折率層２５として、Ｓｉ上へのエピタキシャル成長が可能、かつＳｉよりも屈折率の低いＳｉ_xＣ_1-x層を挿入する。Ｓｉ_xＣ_1-x層にはｐ型のドーパントが高濃度に添加されている。後述するように、Ｓｉ_xＣ_1-x層の組成と膜厚の少なくとも一方を調整することで、光吸収層１６の入射端側で吸収される光の量を調整し、発生するキャリアの量を制御することができる。

図３の下側の図に示すように、低屈折率層２５が挿入されていることにより、Ｓｉ光導波路２３と光吸収層１６層の距離が離れて伝搬モードの重なりが抑制される。受光素子１０の光入射端の近傍で生成されるキャリア数はＳ_１である。低屈折率層２５がない場合の光入射端近傍での生成キャリア数は、図２に示すようにＳ_０である。実施形態の受光素子１０では、低屈折率層２５の存在により、光入射端の近傍で生成されるキャリアの数がＳ_１に低減され、かつ導波方向での急激な光量の低下が抑制される。その結果、光吸収層１６の全体にわたってキャリアの生成を均一化することができる。

図４は、図３の受光装置１００が適用される光受信器２００の模式図である。光受信器２００は、デジタル・コヒーレント受信機の受信フロントエンド（または光電気変換回路）として用いられる。光受信器２００は、信号光が入力される９０°ハイブリッド光ミキサ２０１と、９０°ハイブリッド光ミキサ２０１の出力に接続されて光信号を電流信号に変換する受光装置１００を有する。９０°ハイブリッド光ミキサ２０１は、受信フロントエンドの光回路の一例である。光回路は、外部光配線である光ファイバを伝搬してきた光信号をシリコン導波路に結合する回折格子結合器等を含んでいてもよい。

９０°ハイブリッド光ミキサ２０１には、信号光とともに、局発光源（ＬＯ：Local Oscillator）２０２から局発光が入力される。局発光の周波数は信号光の周波数と同じであり、信号光と局発光の干渉によりホモダイン検波が行われる。局発光源２０２から入力された局発光は、ＬＯ１とＬＯ２に分岐され、９０°ハイブリッドによりＬＯ１とＬＯ２の間に９０°の位相差が与えられる。信号光と局発光（ＬＯ１及びＬＯ２）は、受光装置１００に入力される。

受光装置１００は、４つの受光素子１０−１〜１０−４を有する。この例では、受光素子１０−１と受光素子１０−２が直列に接続されてバランス型受光器２０３が形成され、受光素子１０−３と受光素子１０−４が直列に接続されてバランス型受光器２０４が形成される。９０°ハイブリッド光ミキサ２０１から信号光の位相と直交する成分がバランス型受光器２０３に供給され、信号光と同じ位相の成分がバランス型受光器２０４に供給される。より具体的には、信号光とＬＯ２の干渉光は、位相差が１８０°になるように２つに分岐されて、受光素子１０−１と受光素子１０−２に入射する。信号光とＬＯ１の干渉光は位相差が１８０°になるように２つに分岐されて、受光素子１０−３と受光素子１０−４に入力される。したがって、バランス型受光器２０３と２０４の出力は信号光と局発光の差動出力となる。バランス型受光器２０３は光電界の直交成分（サイン成分）を表わす光電流Ｉ_Ｑを出力する。バランス型受光器２０４は光電界の同相成分（コサイン成分）を表わす光電流Ｉ_Ｉを出力する。光電流Ｉ_ＩとＩ_Ｑは、それぞれ後段の電子回路のトランスインピーダンスアンプで増幅（電圧変換）され、リミッタアンプで振幅整形されて、デジタル信号処理回路に入力される。

受光装置１００から出力される電流信号Ｉ_ＩとＩ_Ｑの強度は、局発光の強度と比例する。信号対雑音比を改善するために局発光の強度が高く設定されている場合、あるいは光受信器が高速動作する場合でも、実施形態の受光素子１０−１〜１０−４を用いることで光入射端近傍でのキャリアの蓄積が抑制され、入力特性と応答速度を良好に維持することができる。

図５は、図３の受光装置１００で、光吸収層１６とＳｉ光導波路２３の間に配置される低屈折率層２５のカーボン（Ｃ）の組成と臨界膜厚の関係を示す。横軸はＣの組成のパーセンテージを表わし、縦軸は臨界膜厚（ｎｍ）を示す。Ｃの組成が０．５％のときに臨界膜厚は２００ｎｍとなり、Ｃの組成が１％のときに臨界膜厚は４０ｎｍとなる。

図６は、Ｃ組成が０．５％（Ｓｉ_99.5Ｃ_0.5[%]） のときのキャリア発生割合の低屈折率層膜厚依存性を示す図である。縦軸のキャリア発生割合は、低屈折率層２５を挿入しないときのキャリア発生割合を１として正規化されている。低屈折率層２５の膜厚が５０ｎｍのときに、キャリア発生は１割程度低減される。低屈折率層２５の膜厚を１００ｎｍにすることで、キャリア発生は２割近く低減され、膜厚を臨界膜厚の２００ｎｍまで増大させると、キャリア発生を７割に抑制できる。

図７は、Ｃ組成が１．０％（Ｓｉ_99.0Ｃ_1.0）のときのキャリア発生割合の低屈折率層膜厚依存性を示す図である。縦軸のキャリア発生割合は、低屈折率層２５を挿入しないときのキャリア発生割合を１として正規化されている。低屈折率層２５の膜厚が１０ｎｍのときにキャリア発生が０．５割程度低減される。低屈折率層２５の膜厚を３０ｎｍにすることでキャリア発生は１割近く低減され、膜厚を臨界膜厚の４０ｎｍまで増大させると、キャリア発生を８．５割に抑制できる。

このように、Ｓｉ光導波路２３と光吸収層（たとえばＧｅ層１６）の間に低屈折率層２５を挿入してその組成と膜厚を制御することで、光吸収層での吸収量を制御し、キャリア発生を所望の割合に制御することができる。図６と図７の例に限らず、図５を参照してＣの組成を適切に選択し（たとえば０．７５％等）、膜厚を臨界膜厚（たとえば１００ｎｍ）までの間で調整して、発生キャリア量を所望の割合に調整してもよい。これにより、受光素子１０の光入射端の近傍での空間電荷効果による入力耐性と応答特性の低下を抑えることができる。

図６と図７から、Ｃ組成が高い方が、薄い膜厚で同じキャリア発生割合の低減効果を得ることができる。図５からＣ組成が６％の場合、臨界膜厚は数ｎｍオーダになるが、膜形成速度を落とすことにより、膜厚制御は可能となるため、Ｃの組成ｘは６％以下であればよい。膜形成速度を落とさない場合は、光入射端近傍での発生キャリア数を効果的に制御するには、Ｃの組成ｘは１．５％以下、より好ましくは１．０％以下である。

図３の構成で、受光素子１０の導波方向（Ｘ方向）の素子長は４２μｍである。Ｓｉ光導波路２３とＧｅの光吸収層１６の間に、低屈折率層２５としてＣ組成が０．５％のＳｉＣ層を挿入する。ＳｉＣ層の膜厚は１６０ｎｍである。図１のＳｉ光導波路上に直接Ｇｅ層１１６が成長されている構成と比較して、光入射端近傍での生成キャリアは、２７％低減される。

＜変形例１＞
図８は、変形例１の受光装置１００Ａを示す。受光装置１００Ａは、光の進行方向に沿って、第１の受光素子１０と第２の受光素子２０が直列に配置されている。入射側に位置する受光素子１０は、図３の受光素子１０と同様に、Ｓｉ光導波路２３と光吸収層１６の間に配置された低屈折率層２５を有する。低屈折率層２５は、Ｐ＋型ＳｉＣ層である。ＳｉＣ層の組成は、パーセンテージ標記でＳｉ_99.5Ｃ_0.5、Ｓｉ_99.25Ｃ_0.75、Ｓｉ_99.0Ｃ_1.0など、所望の組成に設計される。第１の受光素子１０の後段に直列に接続される第２の受光素子２０は、受光素子１０と同様に低屈折率層２５を有していてもよいし、図１の従来構成と同様に低屈折率層を用いなくてもよい。第２の受光素子２０で低屈折率層２５を用いる場合は、第１の受光素子１０の低屈折率層２５のＣ組成と異なる組成、及び／または異なる膜厚の低屈折率層を用いてもよい。図８の例では、第２の受光素子２０は低屈折率層を用いていない。受光素子１０のｎ^＋型の半導体層１７_１と、受光素子２０のｎ^＋型の半導体層１７_２は、ともに電極１８に接続されている。

図８の下側図は、受光素子１０と受光素子２０でのキャリア発生状態を模式的に示す。９０°ハイブリッド光ミキサ２０１で処理された光は、Ｓｉ光導波路２３から受光素子１０のｐ^＋型のＳｉ層１５_１と、受光素子２０のｐ^＋型のＳｉ層１５_２に伝搬する。ｐ^＋型のＳｉ層１５_１とＳｉ層１５_２は、ともにＳｉ光導波路２３の一部である。伝搬光は、基板と垂直方向に積層されたＧｅの光吸収層１６と光吸収層２６にエバネッセント結合で光結合され、光電変換される。受光素子１０では、低屈折率層２５の存在により、その有効吸収係数は従来構成の受光素子と比べて低く設定されている。受光素子１０の光吸収層１６で生成されるキャリア数Ｓ_１は、光入射端の近傍の領域でも、低屈折率層のない受光素子の生成キャリア数Ｓ_０と比較して低い値となるが、受光素子１０の光伝搬方向（Ｘ方向）に沿って、均一化されたキャリア生成分布を有する。

入射側に位置する受光素子１０の有効吸収係数が低いため、すべての光は吸収されず、余剰の光はＳｉ導波路２３を伝搬して受光素子２０の光吸収層２６にエバネッセント結合で光結合する。入射光は光吸収層２６で光電変換され、キャリアが生成される。生成されるキャリア数Ｓ_２は、受光素子２０に入射する光の量と受光素子２０の有効吸収係数を適切に設計することで、受光素子１０の生成キャリア数Ｓ_１と同程度にすることができる。

２個以上の受光素子を直列に接続する場合も、ｎ番目の受光素子の有効吸収係数を調整して、生成されるキャリア数Ｓ_ｎをＳ_１と同程度なるように調整できる。すべての受光素子において、生成されるキャリアの最大数を抑制して、空間電荷効果が生じない状態で動作させることができる。なお、ここでいう有効級数係数α_effは、Ｓｉ光導波路２３からのエバネッセント光がＧｅの光吸収層に吸収される量を素子長の逆数で示したものである。

直列に配置する素子数を増やすことで、受光素子の最終段までに信号光をすべて吸収させることが可能である。この場合は、生成されるキャリアの総数を、図１の従来構成の受光素子１１０の生成キャリア数と同じにすることができ、受光素子の吸収効率を従来構成と同等にできる。

図８のように、受光素子１０と受光素子２０を光の進行方向に沿って直列に配置し、光入力側の受光素子１０にだけＰ^＋型の低屈折率層２５を挿入して図３の構成と同じ吸収効率を得る場合、素子側面のフリンジ容量（側面と上面の間の容量）が図３と比較して若干増大することがある。この場合、隣り合う受光素子１０と受光素子２０の間の電極１８の配線線幅を細くしてインダクタンス（Ｌ）を最適化することで、高速の応答が可能な特性インピーダンスに制御することができる。

直列に配置する受光素子１０の数を増やす場合は、空間電荷効果を最小限にして効率良く個々の受光素子で光電変換させるためには、受光素子１０での光吸収が光の伝搬方向（Ｘ方向）に沿って徐々に大きくなるように受光素子を配置することが望ましい。この配置関係は、受光素子１０に挿入される低屈折率層２５の膜厚ｄと、Ｓｉ光導波路２３との間の屈折率差Δｎを用いて、式（１）で表される。

ｄ₁×Δｎ₁＞ｄ₂×Δｎ₂ ＞…＞ｄ_i×Δｎ_i＞…＞ｄ_N-1×Δｎ_N-1 （１）
ここで、下付きの番号は光の伝搬方向に沿って並べられる順番を示す。最初に光が入射する１番目の受光素子１０_１は、Ｓｉ光導波路２３とＧｅの光吸収層２５の間に膜厚がｄ₁、Ｓｉとの屈折率差がΔｎ₁の低屈折率層２５（Ｓｉ_xC_1-x層）が挿入される。２番目の受光素子１０_２は、膜厚がｄ₂、Ｓｉとの屈折率差がΔｎ₂の低屈折率層２５（Ｓｉ_xC_1-x層）が挿入される。Ｓｉ導波路２３の最終端またはその近傍に、最後の受光素子１０が配置される。

膜厚ｄと屈折率差Δｎの積が大きい構成は、Ｓｉ光導波路２３の伝搬モードと、Ｇｅの光吸収層１６の伝搬モードの重なりが小さくなる構成である。光の伝搬方向に沿って、膜厚ｄと屈折率差Δｎの積が小さくなるように素子を設計することで、光の伝搬につれて、Ｓｉ光導波路の伝搬モードとＧｅの光吸収層１６の伝搬モードの重なりを大きくして、光の吸収量を大きくすることができる。

＜変形例２＞
図９は、変形例２の受光装置１００Ｂを示す。変形例２では、受光素子１０Ａの入射側にだけ、低屈折率層２５としてｐ^＋型Ｓｉ_xＣ_1-x層を配置する。すなわち、一つの受光素子１０Ａに、Ｓｉ導波路２３と光吸収層１６の間に低屈折率層を有する領域Ｒ１と、低屈折率層を有しない領域Ｒ２が設けられる。

Ｓｉ光導波路２３のうち、低屈折率層２５の直下の領域とＧｅの光吸収層１６の直下の領域は、ｐ型ドーパントが高濃度に添加されたｐ^＋型のＳｉ層１５Ａとなっている。領域Ｒ１とＲ２で、ｐ^＋型のＳｉ層１５Ａの膜厚が異なる。

低屈折率層２５のＣ組成は０．５％、膜厚は１６０ｎｍである。低屈折率層２５は受光素子１０Ａの入射側から中央部まで延びており、入射端からの長さは２０μｍである。低屈折率層２５がない部分のＸ方向の長さは、２２μｍである。受光素子１０Ａでは、低屈折率層２５を用いない従来構成と比較して、光入射端の近傍での生成キャリア数が２７％低減される。

Ｇｅの光吸収層１６への光入射量は、光が伝搬方向に進むにしたがって減少する。中央部でＳｉＣの低屈折率層２５が無くなり、光吸収層１６への光入射量はいったん増加するが、光の伝搬につれて、徐々に減少する。

図９の構成を用いることで、受光素子１０Ａの光入射端の近傍での急激なキャリアの発生を抑制することができ、空間電荷効果が抑得られる。

図１０Ａ〜図Ｌは、受光装置１００Ｂの製造工程図である。図１０Ａで、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３０に、所定の開口パターン３２を有するイオン注入用のマスク３１を形成する。ＳＯＩ基板３０はＳｉ基板１１上にＳｉＯ₂層１２とＳｉ層２２がこの順で積層された基板である。マスク３１は、一例としてシリコン酸化膜のマスクである。

図１０Ｂで、マスク３１を用いてアルミニウム（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）などのｐ型のイオンを注入して、ｐ^＋型のＳｉ領域２４を形成する。イオン濃度の異なる領域を形成する場合は、マスク３１の形成前に低濃度のイオン注入領域用のマスクを形成し、低濃度でイオンを注入した後にマスクを除去する。その後、高濃度領域のためのマスク３１をつけ直し、再度イオン注入する。

図１０Ｃで、全面にＳｉＯ₂膜３３を形成し、選択成長用の窓３４を形成し、ｐ^＋型のＳｉ領域２４の一部を露出する。窓３４は、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング、ウェットエッチング、ドライエッチングとウェットエッチングの組み合わせなどで形成することができる。

図１０Ｄで、窓３４内に露出したｐ^＋型のＳｉ領域２４の上に、ｐ^＋型のＳｉＣ層２５ａを選択的に成長する。一例として、Ｓｉの原料ガスとしてＳｉＨ₄、Ｃの原料ガスとして、Ｃ₃Ｈ₈またはＣ₂Ｈ₂、ドーパントとして（ＣＨ₃）₃Ａｌを用いる。Ｓｉの原料ガスとＣの原料ガスの流量比を制御することで、所望の組成のＳｉＣを形成することができる。一例として、パーセンテージ標記でＳｉ_99.5Ｃ_0.5を形成する。

図１０Ｅで、保護層３５を形成し、アニールすることでＰ^＋領域を活性化する。

図１０Ｆで、ｐ^＋型のＳｉ層を選択成長するための窓３８を形成するためのマスク３７を形成する。マスク３７を用いて、保護層３５とＳｉＯ₂膜３３の一部をエッチング除去して、窓３８を形成する。窓３８の内部に、下地のＳｉ領域２４のうち、ＳｉＣ層２５ａが形成されていない部分が露出する。

図１０Ｇで、露出したｐ^＋型のＳｉ層２４の上にｐ^＋型のＳｉ層を成長してする。これにより、面内方向でｐ^＋型のＳｉＣ層２５ａと連続するｐ^＋型のＳｉ層１５Ａが形成される。その後、マスク３８を除去する。

図１０Ｈで、Ｓｉ導波路２３を形成するためのＳｉＮマスク３９を形成する。

図１０Ｉで、たとえば反応性イオンエッチングでＳｉ光導波路２３と、光吸収層の土台となる部分を形成する。

図１０Ｊで、ＳｉＮマスク３９を除去し、新たに選択成長用のマスク４１を形成する。マスク４１は、ｐ^＋型のＳｉＣ層２５ａとｐ^＋型のＳｉ層１５Ａを露出する開口を有しており、開口内に、光吸収層１６としてアンドープのＧｅ層を成長する。Ｇｅ層の成長は、原料ガスとしてたとえばＧｅＨ₄を用いる。

図１０Ｋで、マスク４１を除去し、新たにイオン注入用のマスク４３を形成する。マスク４３は、光吸収層１６の上面を露出する開口を有する。ｎ型ドーパントとして、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等のイオンを注入する。光吸収層１６の上部にｎ^＋型の半導体層１７が形成され、ＰＩＮフォトダイオードが形成される。

図１０Ｌで、アニールを行ってｎ型領域を活性化し、ＳｉＯ2層１９で全体を埋め込み、研磨により平坦化した後、ｎ＋型半導体層１７に到達する開口を形成する。開口内を含む全面を金属層で埋め込み、金属層を所定の形状にパターニングすることで、電極１８を形成する。このとき、Ｓｉ光導波路２３から紙面と垂直方向に拡がってコンタクト層として機能するｐ^＋型のＳｉ層に到達する電極も同時に形成される（図１のＡ−Ａ’断面（Ｂ）を参照）。これにより、光入射側にだけ低屈折率のＳｉＣ層２５ａを有する受光素子１０Ａを備えた受光装置１００Ｂが完成する。

＜変形例３＞
図１１は、変形例３の受光装置１００Ｃの概略図である。受光装置１００Ｃは、低屈折率層２７として、ｐ^＋型のＳｉＣ層２８とｐ^＋型のＳｉ層２９を交互に積層した多層膜を用いる。ＳｉＣ層の組成は、パーセンテージ標記で、たとえばＳｉ_99.0Ｃ_1.0である。ｐ^＋型のＳｉ層２９は、エピタキシャル成長層、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどの層である。Ｓｉ層２９を挿入することで、低屈折率層２７の膜厚をかせぐ。

一例として、厚さ３０ｎｍのＣ組成１％のＳｉＣ層２８と、厚さ２０ｎｍのＳｉ層２９を４回積層して、トータルの膜厚が２００ｎｍの低屈折率層２７を形成する。この構成でＳｉ_99.0Ｃ_1.0の単層と比較して、Ｇｅの光吸収層１６への光吸収を抑えることができる。

図１１の受光素子１０Ｂにおいて、低屈折率層２７に替えて、たとえば厚さ１６０ｎｍのＳｉ_99.5Ｃ_0.5層に、厚さ８０ｎｍのＳｉ層を１層重ねる構成を採用してもよい。この場合も低屈折率層を実効的に厚くして、光吸収層１６とＳｉ光導波路２３（あるいはＸ方向でＳｉ光導波路２３から連続するｐ^＋型のＳｉ層１５）の間の距離を離して、伝搬モードの重なりを小さくする。これにより、光吸収層１６でのキャリアの急激な発生を抑えることができる。

＜他の構成例１＞
図１２は、受光装置の他の構成例として受光装置１００Ｄを示す。受光装置１００Ｄは平面図（Ａ）と、光伝搬方向に沿ったＢ−Ｂ’断面図（Ｂ）で示される。受光装置１００Ｄは受光素子１０Ｃを有する。受光素子１０Ｃは、面内方向でｐ−ｉ−ｎ接合を有し、電界基板と水平な方向に印加される。

受光素子１０Ｃの低屈折率層２５は、直接Ｓｉ光導波路２３の上に選択成長され、低屈折率層２５の上にアンドープのＧｅの光吸収層１６が選択成長されている。光吸収層１６の上面で、ｐ^＋型のＧｅ層４５−１、４５−２と、ｎ^＋型のＧｅ層４７−１、４７−２、４７−３が交互に配置されている。

電極５８と電極５９は櫛形電極であり、電極５８の櫛歯５８１〜５８３と電極５９の櫛歯５９１、５９２が交互に配置されている。電極５８の櫛歯５８１〜５８３は、それぞれｎ^＋型のＧｅ層４７−１、４７−２、４７−３にオーミック接触で接続されている。電極５９の櫛歯５９１、５９２は、それぞれｐ^＋型のＧｅ層４５−１、４５−２にオーミック接触で接続されている。

この構成は、Ｓｉ光導波路２３の一部へのイオン注入と、低屈折率層２５へのイオン注入が不要であり、Ｇｅの光吸収層１６の結晶性が良好に維持される。これにより、暗電流を低減することができる。また、受光素子１０Ｃの素子形状がシンプルになる。なお、低屈折率層２５に替えて、図１１の多層の低屈折率層２７を用いてもよい。

＜他の構成例２＞
図１３は、受光装置の他の構成例として受光装置１００Ｅを示す。受光装置１００Ｅは平面図（Ａ）と、光伝搬方向に沿ったＣ−Ｃ’断面図（Ｂ）で示される。受光装置１００Ｅの受光素子６０は、低屈折率層２５とアンドープのＧｅの光吸収層１６を有する。受光装置１００Ｅは、光吸収層１６の上に直接櫛形の電極５８と電極５９が交互に配置されたＭＳＭ−ＰＤ（金属−半導体−金属フォトダイオード）である。

たとえば負極となる電極５８の櫛歯５８１〜５８３は、光吸収層１６とショットキー接合により接続され、正極となる電極５９の櫛歯５９１、５９２は、光吸収層１６のショットキー接合で接続されている。

受光装置１００Ｅは、比較的簡単なプロセスで低容量化が実現できる。Ｓｉ光導波路２３の一部へのイオン注入と、低屈折率層２５へのイオン注入が不要であり、光吸収層１６の上面への部分的なイオン注入も不要である。Ｇｅの光吸収層１６の結晶性が良好に維持され、暗電流を低減することができる。また、受光素子１０Ｃの素子形状がシンプルになる。なお、低屈折率層２５に替えて、図１１の多層の低屈折率層２７を用いてもよい。

以上、Ｇｅ受光素子を例にとって説明したが、本発明は、紫外光または可視光から近赤外光にかけての帯域の光通信で用いられるＳｉフォトダイオードにも適用可能である。この場合は、アンドープのＳｉ光吸収層とＳｉ光導波路の間に、低屈折率層を挿入すればよい。これにより、状況に応じてパワーの大きい光信号が入力される場合に、キャリアの蓄積による応答特性の低下を抑制することができる。なお、Ｓｉの光吸収層を用いる場合にも、変形例１（図８）の直列接続構成、変形例２（図９）の入射側への低屈折率層の部分的な配置、変形例３（図１１）の多層の低屈折率層のいずれも適用可能である。また図１２、図１３の構成を用いてもよい。

上述した各実施例、変形例、構成例は相互に適切に組み合わせることが可能である。たとえば、図１１の多層の低屈折率層を、受光素子の入射側に部分的に挿入してもよい。いずれの組み合わせにおいても、光通信で用いられる受光素子の入力耐性と応答性を向上することができる。

また、電極の極性は任意に設定することができる。受光素子１０を縦型のＰＩＮ接合で形成するときは、ＧｅまたはＳｉの光吸収層の下側にｎ型Ｓｉ層、上側にｐ型Ｓｉ層を配置して、光吸収層とｎ型Ｓｉ層の間に、ｎ型のＳｉＣ層を挿入してもよい。

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
シリコン光導波路の上に半導体の光吸収層を有する受光素子がモノリシックに集積された受光装置において、
前記シリコン光導波路と前記光吸収層の間に、シリコンよりも屈折率の低い低屈折率層が配置されていることを特徴とする受光装置。
（付記２）
前記低屈折率層は一部または全部にＳｉＣ層を含み、前記ＳｉＣ層のＣ組成は６％以下であることを特徴とする付記１に記載の受光装置。
（付記３）
前記低屈折率層は、ＳｉＣ層とＳｉ層を交互に積層した多層構造を有することを特徴とする付記１に記載の受光装置。
（付記４）
前記低屈折率層は、光伝搬方向に沿って、前記受光素子の光入射側の一部の領域に配置されていることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の受光装置。
（付記５）
前記シリコン光導波路の伝搬方向に沿って入射側に位置する第１の受光素子と、前記第１の受光素子と直列に接続される第２の受光素子とを含み、
前記低屈折率層は、少なくとも前記第１の受光素子に配置されていることを特徴とする付記１に記載の受光装置。
（付記６）
前記第１の受光素子は第１の低屈折率層を有し、前記第２の受光素子は第２の低屈折率層を有し、
前記第１の低屈折率層の膜厚をｄ_１、シリコンとの屈折率差をΔｎ_１、前記第２の低屈折率層の膜厚をｄ_２、シリコンとの屈折率差をΔｎ_２とすると、
ｄ_１×Δｎ_１＞ｄ_２×Δｎ_２
を満たすことを特徴とする付記５に記載の受光装置。
（付記７）
前記受光素子は、前記シリコン光導波路の配置面と垂直な方向にＰＩＮ接合を有し、前記低屈折率層は、第１または第２の導電型を有することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の受光装置。
（付記８）
前記受光素子は、前記光吸収層の上面と平行な面内にＰＩＮ接合を有することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の受光装置。
（付記９）
前記光吸収層の表面に第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域が交互に配置され、
前記第１導電型の半導体領域に接続される第１の櫛型電極と前記第２導電型の半導体領域に接続される第２の櫛型電極を有することを特徴とする付記８に記載の受光装置。
（付記１０）
前記光吸収層とショットキー接触し正電位または負電位が印加される第１の櫛型電極と、前記光吸収層とショットキー接触し負電位または正電位が印加される第２の櫛型電極を有することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の受光装置。
（付記１１）
付記１〜１０のいずれかに記載の受光装置と、
外部から入力された光信号を処理して前記受光装置に入力する光回路と、
を有する光受信器。
（付記１２）
シリコン基板上でシリコン光導波路が形成される所定の領域で、シリコン光導波路層の上に所定の組成のＳｉＣ層をエピタキシャル成長し、
前記ＳｉＣ層の上にＧｅまたはＳｉの光吸収層をエピタキシャル成長する
ことを特徴とする受光装置の製造方法。

１０、１０−１〜１０−４、１０Ａ〜１０Ｃ、６０ 受光素子
１０Ａ 半導体レーザ
１１ Ｓｉ基板
１２ ＳｉＯ₂層
１５、１５_１、１５_２ Ｓｉ層（第１の導電型のシリコン層）
１６、２６ 光吸収層
１７、１７_１、１７_２ 半導体層（第２の導電型の半導体層）
１８、１８、１９ 電極
２０ 受光素子（第２の受光素子）
２３ Ｓｉ光導波路
２５、２７ 低屈折率層
２５ａ、２８ ＳｉＣ層
２９ Ｓｉ層
３０ ＳＯＩ基板
１００、１００Ａ〜１００Ｅ 受光装置
２００ 光受信器
２０１ ９０°ハイブリッド光ミキサ（光回路）
２０２ 局発光源
５８１〜５８３、５９１〜５９２ 櫛歯

Claims (8)

1. シリコン光導波路の上に半導体の光吸収層を有する受光素子がモノリシックに集積された受光装置において、
   前記シリコン光導波路と前記光吸収層の間に、シリコンよりも屈折率の低い低屈折率層が配置されていることを特徴とする受光装置。
2. 前記低屈折率層は一部または全部にＳｉＣ層を含み、前記ＳｉＣ層のＣ組成は６％以下であることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
3. 前記低屈折率層は、ＳｉＣ層とＳｉ層を交互に積層した多層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
4. 前記低屈折率層は、光伝搬方向に沿って、前記受光素子の光入射側の一部の領域に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光装置。
5. 前記シリコン光導波路の伝搬方向に沿って入射側に位置する第１の受光素子と、前記第１の受光素子と直列に接続される第２の受光素子を含み、
   前記低屈折率層は、少なくとも前記第１の受光素子に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
6. 前記第１の受光素子は第１の低屈折率層を有し、前記第２の受光素子は第２の低屈折率層を有し、
   前記第１の低屈折率層の膜厚をｄ_１、シリコンとの屈折率差をΔｎ_１、前記第２の低屈折率層の膜厚をｄ_２、シリコンとの屈折率差をΔｎ_２とすると、
   ｄ_１×Δｎ_１＞ｄ_２×Δｎ_２
   を満たすことを特徴とする請求項５に記載の受光装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光装置と、
   外部から入力された光信号を処理して前記受光装置に入力する光回路と、
   を有する光受信器。
8. シリコン基板上でシリコン光導波路が形成される所定の領域で、シリコン光導波路層の上に所定の組成のＳｉＣ層をエピタキシャル成長し、
   前記ＳｉＣ層の上にＧｅまたはＳｉの光吸収層をエピタキシャル成長する
   ことを特徴とする受光装置の製造方法。