JP2020053444A - 半導体受光素子、及び光電融合モジュール - Google Patents
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R=eη/(hν)
また、非特許文献4のFig.3に示す通り、増倍率を上げるために逆バイアス電圧(Bias)を増加させていくと、利得(Gain)が急速に増加する。このことは、従来のSACM構造のAPDでは利得を安定させることが難しいことを示している。このため、逆バイアス電圧の変化に対して利得の変化の傾きが緩やかなAPDが求められていた。
図1は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図であり、図2は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の平面図である。図1は、光がz方向に伝搬する場合のxy平面断面図を示しており、図2は、xz面を示している。
製造者は、まず、SOI(Silicon On Insulator)基板113(図4A)を用意し(S1)、シリコン層を形成し(S2〜S6)、ハードマスク層を形成し(S7)、Ge選択成長窓を形成し(S8)、i−Ge吸収領域109を選択成長する(S10a)。なお、破線で示すリセス形成(S9)及びステップS10b〜S13bは、第2実施形態で説明する。S10aの後、製造者は、上部クラッド111を形成し(S11a)、コンタクトホールを形成し(S12a)、Al電極110,110を形成する(S13a)。
図4A(S1)においては、製造者は、厚みt1=775[μm]のSi基板101の表面に、厚みt2=3[μm]のSiO2による下部クラッド102と、その下部クラッド102の表面に、厚みt3=220[nm]のトップSi層112とを積層したSOI基板113を準備する。
図5は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図である。図6は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。
W=√[−{(2kε0/q)(1/ND+1/NA)(vD+vb)}]
ここで、κ:比誘電率、ε0:真空の誘電率、q:電子の電荷(負の値)、ND:ドナー濃度、NA:アクセプタ濃度、vD:ビルトインポテンシャル、vb:逆方向電圧である。上式で示した通り、空乏層幅Wは、ドナーやアクセプタのドーパント濃度が低いほど広くなる。
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子100aによれば、水平方向に順にp+−Siコンタクト領域107、p−Si低濃度領域106、p−−Siチャージ領域105、i−Si増倍領域108、n−Si低濃度領域104bをそれぞれ接して配置されている。また、半導体受光素子100aは、p−Si低濃度領域106とp−−Siチャージ領域105との境界を跨いで、p−Si低濃度領域106及びp−−Siチャージ領域105の表面にi−Ge吸収領域109を形成している。これらにより、半導体受光素子100aは、前記した課題を解決し、以下の作用効果を奏する。
前記第1実施形態の半導体受光素子100aのi−Ge吸収領域109は、Siスラブ導波路103の上面に形成されていたが、Siスラブ導波路103にリセスを形成し、このリセスにi−Ge吸収領域209を形成することもできる。
図8は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図である。図9は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の平面図である。
以下、半導体受光素子100bの構造について、前記第1実施形態の半導体受光素子100a(図1)と異なる点について、説明する。
図11は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図である。図12は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。
先ず、図11に示す通り、Si細線導波路115、及び、Siスラブ導波路103を伝搬してきた信号光116は、i−Ge吸収領域209にバットジョイント結合し、i−Ge吸収領域209を伝搬する。
以上説明したように、半導体受光素子100bによれば、前記第1実施形態の半導体受光素子100aと同様の作用効果が得られる上に、Siスラブ導波路を伝搬してきた信号光がi−Ge吸収領域209とバットジョイント結合することで、エバネッセント結合する半導体受光素子100aと比べると結合効率が高くなる。また、半導体受光素子100bは、バットジョイント結合するので、半導体受光素子100aよりも結合の偏波依存性を低減することができる。
前記第1実施形態の半導体受光素子100aは、増倍領域を設けたが、図7の「本実施形態(増倍領域の幅0μm)」のように、i−Si増倍領域108を設けない構成も可能である。つまり、i−Si増倍領域108の幅を0(ゼロ)にすることができる。
半導体受光素子100cは、支持基板としてのSi基板101と、下部クラッド102と、Siスラブ導波路103と、n−Si領域104と、p−−Siチャージ領域105と、p−Si低濃度領域106と、p+−Siコンタクト領域107と、i−Ge吸収領域109と、2つのAl電極110,110とを備えて構成される。また、n−Si領域104は、n+−Siコンタクト領域104aと、n−Si低濃度領域104bとから構成されている。つまり、p−−Siチャージ領域105は、一端がn−Si低濃度領域104bと接合し、他端がp−Si低濃度領域106と接合している。
図14は、本発明の各実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。
光電融合モジュール200は、例えば、PONシステムに使用される一芯双方向通信モジュールであり、Si基板101に積層された下部クラッド102の表面に光回路210、及び電気回路220とが形成されている。ここで、光回路210は、スポットサイズ変換器213と波長合分波器212とから構成されており、波長合分波器212は、光導波路としてのSi細線導波路115から構成されている。また、電気回路220は、半導体受光素子100(100a,100b,100c)と、半導体発光素子としてのレーザダイオード222と、電子回路としてのトランスインピーダンスアンプ221と、モニタ用フォトダイオード223とを備えている。つまり、光電融合モジュール200は、前記したSi細線導波路115と半導体受光素子100(100a,100b,100c)とが結合された構成になっており、光回路210、及び電気回路220とが一体化されている。
モニタ用フォトダイオード223は、レーザダイオード222の光出力をモニタして帰還制御するためのものであり、レーザダイオード222と近接配置されている。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記各実施形態の半導体受光素子100a,100b,100cは、チャージ領域がp型であったが、n型にすることもできる。このときには、チャージ領域、第1コンタクト領域、低濃度領域がn型になり、第2コンタクト領域がp型になる。
101 Si基板(支持基板)
102 下部クラッド
103 Siスラブ導波路
104 n−Si領域
104a n+−Siコンタクト領域
104b n−Si低濃度領域
105,205 p−−Siチャージ領域
106,206 p−Si低濃度領域
107 p+−Siコンタクト領域
108 i−Si増倍領域
109,209 i−Ge吸収領域
113 SOI基板
115 Si細線導波路
200 光電融合モジュール
217 リセス
Claims (7)
- 支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域とチャージ領域と増倍領域とが分離しているSACM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記増倍領域と接合し、他端が当該チャージ領域と同じ第1導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第1導電型の第1コンタクト領域と接合し、
前記増倍領域は、
前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第1導電型とは異なる第2導電型の領域と接合し、
前記吸収領域は、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1に記載の半導体受光素子であって、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方は、リセスが形成されており、
前記吸収領域は、前記リセスに形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1又は請求項2に記載の半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、真性のGeで形成されており、
前記増倍領域は、真性のSiで形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と第1導電型のチャージ領域とが分離しているアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2コンタクト領域と接合し、他端が前記第1導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第1導電型の第1コンタクト領域と接合し、
前記吸収領域は、前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記第1導電型は、p型であり、
前記第2導電型は、n型である
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子と、前記信号光を前記導波路まで導光する光導波路との双方が支持基板上に一体形成された光電融合モジュールであって、
前記信号光を吸収する吸収領域とチャージ領域と増倍領域とが分離しているSACM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記増倍領域と接合し、他端が当該チャージ領域と同じ第1導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第1導電型の第1コンタクト領域と接合し、
前記増倍領域は、
前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第1導電型とは異なる第2導電型の領域と接合し、
前記吸収領域は、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されており、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする光電融合モジュール。
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