JP2667168B2 - 端面受光型フォトダイオード - Google Patents

端面受光型フォトダイオード

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ハイブリッド型光集積回路用の端面受光型
フォトダイオードに関するものである。 〔従来技術・発明が解決しようとする問題点〕 近年、光通信や光情報処理の分野で用いられる光部品
は、高機能化,量産化,小型化の観点から従来のミラ
ー,レンズ,プリズムを基本としたバルク型部品から、
光導波路を基本とした光集積回路へと進展している。光
集積回路には、III−V族半導体基板上に、半導体膜を
積層加工して、受発光素子と光導波路を一体化形成する
モノリシック型光集積回路と、石英及び誘電体導波路に
受発光素子などの各種個別光要素部品を付加するハイブ
リッド型光集積回路がある。ハイブリッド型光集積回路
は、要求される光機能に最も適した材料を選択し、それ
によって製作された光要素部品及び光導波路回路を組み
合せるため高機能で多機能な光部品が得られる長所があ
る。 このようなハイブリッド型光集積回路に用いる受光素
子としてはpinフォトダイオードとアバランシェフォト
ダイオードがある。第4図に波長1μm以上の波長用受
光素子として用いられる従来の平面型フォトダイオード
の一例としてInGaAsP−pinフォトダイオードを示す。そ
の構造は図中1は、n+−InP基板、2はn−InPバッファ
層、3はn−InGaAsP光吸収層、4はn−InP窓層、5は
p−拡散領域、6はSi3N4絶縁膜、7は上部電極、8は
下部電極である。その他に外部回路として9は駆動電
源、10は負荷抵抗、11はカップリングコンデンサ、12は
出力端子、13は入射光である。 駆動電源9によって逆バイアスが印加されたpinフォ
トダイオードに信号成分を含む入射光13が導入されると
n−InGaAsp光吸収層3で電子−ホール対が生成され、
光電流となり、負荷抵抗10及びカップリングコンデンサ
11を介して出力端子12から、電気信号が出力される。 このような平面型のフォトダイオードを光導波回路に
ハイブリッド集積するための従来の方法を第5図
(a),(b)に示す。図中14は平面型フォトダイオー
ド、15は基板、16は光導波回路を構成する光導波路、17
はコア部、18はクラッド部、19は反射ミラーブロック、
20は反射面、21は導波光である。反射ミラーブロック19
は、Auなどをガラスブロックの45°斜面に蒸着した反射
面20を有する。この反射ミラーブロック19を導波路16端
に押し当てて固定し、更にその上部に平面型フォトダイ
オード14を受光面を下側にして配置して、ハイブリッド
集積化が行なわれる。導波光21は、反射面20で反射され
平面型フォトダイオード14に入射し、電気信号に変換さ
れる。しかし、この方法では、反射ミラーブロック19を
用意する必要があること、及び光導波路16と反射ミラー
ブロック19と平面型フォトダイオード14を精密に位置合
せし、固定する必要があるため、工程が複雑で量産化に
欠け、また構成が複雑となり、さらに小型化が難しいと
いう欠点がある。 このような欠点を解決する方法として、端面受光型フ
ォトダイオードを光導波路端に直接ボンディングにより
ハイブリッド集積する方法が考えられる。第6図(a)
は、端面受光型フォトダイオードの光導波路端への直接
ボンディングを説明するための斜視図、第3図(b)は
同断面図である。図中22は、端面受光型フォトダイオー
ド、23はフォトダイオード固定用の低融点金属蒸着薄膜
(例えばAu−Sn)である。端面受光型フォトダイオード
22はその端面から光を入射し受光する。この端面受光型
フォトダイオード22は基板15にのせ、光導波路16との位
置合せ後、基板15を加熱して、低融点金属蒸着薄膜23を
融かすことにより、端面受光型フォトダイオードを固定
する。このようなハイブリッド集積法を用いることで、
量産性に富み、小型化できる利点を持つ。このような端
面受光型フォトダイオードとしては、すでに波長1.3μ
m帯InGaAsP端面受光型pinフォトダイオード(I.E.Bowe
rs and C.A.Burrus High−speed zero bias waveguide
photodetectors,Electron.Lett.,1986,Vol 22,No.17,p
905〜906)や波長1.3μm帯GeχSi1−χ/Si超格子構造
端面受光型アバランシェフォトダイオード(T.P.Pearsa
ll,H.Temkin,John.C.Bean and Serge Luryi,Aualanche
gain in GeχSi1−χ/Si Infrared Waveguide Detector
s IEEE Electron Device Lett.,Vol.EDL−7,No.5,198
6,p330〜332)などが報告されている。 一例として、第7図にI.E.BowersとC.A.Burrusによっ
て報告されたInGaAsP端面受光型pinフォトダイオードの
構造を示す。図中24は、n+−InP層、25はi−InGaAsP光
吸収層、26はp−InP層、27はp+InGaAsPキャップ層、28
はSiO2膜、29は絶縁樹脂、30は下部電極、31は上部電
極、32は入射光である。 しかしながら、これら報告された素子は、光が入射す
る端面にp−n接合面が露出している。したがって、こ
れらの素子は取り扱いに非常な注意を要するとともに、
端面リーク電流の経時的増加等信頼性に欠け、また、入
射光を効率良く受光するための光が入射する端面への無
反射コーティング膜を付加できないという欠点があり、
実用性からは程遠いものであった。 この欠点を解決するため、光吸収層の両側に半導体窓
層を設けpn接合面が端部に露出しないようにしたInGaAs
P端面受光型pinフォトダイオード(特願昭61−182995)
が報告されている。第8図(a),(b),(c)にそ
の構造を示す。図(a)は斜視図、図(b)は斜視図
(a)のA−A′線に沿って切断した断面図、図(c)
は斜視図(a)のB−B′線に沿って切断した断面図で
ある。図中33はn+−InP基板、34はn−InPバッファ層、
35はi−InGaAsP光吸収層、36はp−拡散領域、37はn
−InP窓層38はSi3N4絶縁膜、39は上部電極、40は下部電
極、41は無反射コーティング膜、42は入射光、43はn−
InP上部層である。p−拡散領域36は、n−InP上部層43
およびn−InP窓層37のそれぞれ一部に形成されてい
る。また、44はi−InGaAsP光吸収層35のうち、素子に
逆バイアスを印加することによって空乏層を形成し、実
際に光を受光する光受光部を示す。しかし、この端面受
光型フォトダイオードでは、光導波路16により入射した
入射光42はn−InP窓層37で導波路16の放射角の分だけ
広がるため光受光部44への結合効率が落ち、受光感度が
劣化し易いという欠点があった。すなわち、このような
窓部を有する端面受光型フォトダイオードの受光感度を
保証するためには、窓部の長さを極力短かくする必要が
あり、窓部の長さ制御に極めて高度の作製技術を必要と
していた。そのため、素子価格が高価になるという問題
点があった。 この発明の目的は、窓部を有する端面受光型フォトダ
イオードにおいて、窓部の長さの増加による受光感度の
低下する点を解決し、窓部の長さに依存することなく、
光導波回路の光導波路端より入射する光を充分に受光
し、高い受光感度と高い歩止まり率を得る新構造の端面
受光型フォトダイオードを提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明の端面受光型フォトダイオードは、InP基板上
に形成され、第1導電型のInPからなるクラッド部と、
該クラッド部の禁制帯幅より小さくかつ入射光波長に対
応するエネルギーより大きな禁制帯幅を有する組成のIn
GaAsPからなる第1導電型のコア部とからなる半導体光
導波路において、前記コア部の中に埋め込まれ、入射光
波長に対応するエネルギーより小さな禁制帯幅を有し、
前記コア部と異なる混晶比のInGaAsPからなる第1導電
型の光吸収部と、該光吸収部の少なくとも一部に空乏領
域を形成するため、該光吸収部に対して一方の側のコア
部及びクラッド部の一部に、その境界が導波路の端部に
露出しないように形成された前記第1導電部と逆の導電
型である第2導電型領域と、一対の電極を有してなるも
のである。 また、上記端面受光型フォトダイオードにおいて、
(1)前記InPからなるクラッド部をキャリア密度がお
よそ1017/cm3のn−InPとする、(2)前記InGaAsPか
らなる第1導電型のコア部をIn0.89Ga0.11AS0.25P0.75
混晶比とする、(3)前記InGaAsPからなる第1導電型
の光吸収部をIn0.59Ga0.41AS0.92P0.08混晶比とする、
ことが望ましい。 本発明の特徴は、光受光部の両端または片側(光の入
射する側)に、窓部として前記光受光部と同系の半導体
材料からなるコア部とクラッド部から形成されるヘテロ
構造光導波部を設けたことである。 第1図に、本発明による端面受光型フォトダイオード
の原理的構成を示す。同図(a)は斜視図、同図(b)
は斜視図(a)のA−A′線に沿って切断した断面図で
あり、図中46は下部クラッド層、47はコア層、48は光吸
収層、49は上部クラッド層、50はpn接合を形成するため
のp−拡散領域、51は光吸収層のうち、素子に逆バイア
スを印加することによって空乏層を形成し、実際に光を
受光する光受光部、52は入射光である。 ここで、コア層47は下部クラッド層46及び上部クラッ
ド層49より小さな禁制帯幅を、すなわち大きな屈折率を
有する。これら3つの層は、入射光波長に対応するエネ
ルギーより大きな禁制帯幅であるため、入射光52に対し
て透明にプレーナ導波路を構成している。また、光吸収
層48はコア層47の中に埋め込まれており、その禁制帯幅
は入射光波長に対応するエネルギーより小さな値であ
る。すなわち、コア層47はコア部を形成し、下部クラッ
ド層46と上部クラッド層49はクラッド部を形成する(本
構成例では、前記コア層とクラッド層からなるプレーナ
導波路を光導波部として示すが、光導波部はプレーナ導
波路に限定されず、コア部を矩形状にし、そのまわりを
クラッド部で囲む、チャネル導波路も含む)。入射光52
は前記プレーナ導波路により光受光部まで導波され、光
受光部51で受光される。従来の端面受光型フォトダイオ
ードでは、光受光部の両端を単一の半導体材料から成る
窓層を有する構造であり、この窓層は光を導波する機能
を持たない。これに対して、本発明では窓部としてヘテ
ロ構造の導波構造を設けている。 〔実施例〕 以下に本発明の実施例を第2図を用いて説明する。第
2図は、光受光部の両端に半導体材料からなるコア層と
その上下のクラッド層より構成されるプレーナ導波構造
を有する光導波部を持つ波長1.3μm帯端面受光型InGaA
sP pinフォトダイオードを説明するための図であり、図
(a)は斜視図、図(b)は同図(a)のA−A′線に
沿って切断した断面図、図(c)は同図(a)のB−
B′線に沿って切断した断面図、同図(d)は同図
(a)のC−C′線に沿って切断した断面図である。図
中53はn+−InP基板、54はn−InP下部クラッド層(バッ
ファ層)、55はn−InGaAsP下部コア層、56はi−InGaA
sP光吸収層、57はInGaAsP光吸収層を保護するn−InGaA
sP保護層、58はn−InGaAsP上部コア層、59はn−InP上
部クラッド層、60はSi3N4絶縁膜、61は上部電極、62は
下部電極、63は無反射コーティング膜、64はp−拡散領
域、65は光受光部、66は光導波部、67は入射光を示す。 光導波部66(Z方向厚5〜15μm)において、n−In
GaAsP上部コア層58と下部コア層55をコア層として、n
−InP上部クラッド層59を上部クラッド層およびn−InP
下部クラッド層(バッファ層)54を下部クラッド層とす
るプレーナ導波路を形成する(図(d)参照)。また、
素子内部においても、InGaAsP光吸収層56とInGaAsP下部
コア層55とInGaAsP保護層57とInGaAsP上部コア層58をコ
アとし、n−InP下部クラッド層(バッファ層)54とn
−InP上部クラッド層59をクラッドとするプレーナ導波
路を形成する(図(c)参照)。 本例のフォトダイオードの構造は第2図(b)におい
て、キャリア密度1018/cm3のn+−InP基板53の上方にキ
ャリア密度1017/cm3のn−InP下部クラッド層(バッフ
ァ層)54(3μm厚)、キャリア密度1017/cm3のn−I
nGaAsP下部コア層55(素子中央においては2μm厚、光
導波部66においてはエッチングでそれよりうすくなって
いる)、キャリア密度1015/cm3のi−InGaAsP光吸収層
56(2μm厚)、キャリア密度1016/cm3のn−InGaAsP
保護層57(1μm厚)、キャリア密度1016/cm3のn−I
nGaAsP上部コア層58(素子中央においては2μm厚、光
導波部66においては5μm厚)、キャリア密度1016/cm
3のn−InP上部クラッド層59(3μm厚)を積層して、
n−InPクラッド層59とn−InGaAsP上部コア層58とn−
InGaAsP保護層57の一部にキャリア密度1018/cm3のp−
拡散領域64を持つ構造である。ここでInGaAsP光吸収層5
6の光吸収端を1.55μmとし、In0.59Ga0.41As0.92P0.08
混晶比を、また、n−InGaAsP上部コア層58、下部コア
層55、保護層57は光吸収端を1.05μmとし、In0.89Ga
0.11As0.25P0.75混晶比を用いた。 従って、1.3μm帯の入射光67は、光導波部66におい
て、コア部が光吸収端1.05μm帯のInGaAsPで形成さ
れ、クラッド部が光吸収端0.92μmのInPで形成される
ため、光導波部を吸収なく伝搬し、光吸収端1.55μmの
InGaAsP光吸収層56のみで吸収される。 更に、素子上面の保護と電気絶縁のために、n−InP
上部クラッド層59の上部及びp−拡散領域64の端部にSi
3N4絶縁膜60を形成し、このSi3N4絶縁膜60の一部を含め
p−拡散領域64の上部にAu−Znの上部電極61を設ける。
またn+−InP基板53の底面にAu−Snの下部電極62を設け
る。入射光67が入射される側には、無反射コーティング
膜63を蒸着する。光導波路66のn−InGaAsP上下コア層5
5,58の屈折率をNs、空気の屈折率をNa(=1)とすると
(Na・Ns)0.5の屈折率値を持つ膜厚λ/{4・((Na
・Ns)0.5}の膜を付加したとき、反射率が極小にでき
ることが光学的に知られている。ここでλは、入射され
る光の波長である。本素子作製においては、波長1.3μ
mで使用するため、屈折率1.789のSi0χ膜を約0.182μ
m厚で蒸着した。Znを拡散して形成するp−拡散領域64
の構造はpn接合によって生ずる接合容量を極力低減する
ため、図(c)に示す様にn−InGaAsP光吸収層56上の
全面にZnを拡散するのでなく、光導波路部を通過した光
を十分に受光できる必要最小限の幅にとどめた。具体的
には20μm幅にした。また、深さ方向(X方向)につい
てはp−拡散領域64の界面をn−InGaAsP光吸収層の上
面と一致させた。 次に作用について説明する。入射光67は無反射コーテ
ィング膜63と光導波部66を通過し光受光部65に結合した
後、徐々に光吸収されながら、この中を伝搬してゆく。
光の受光は、光吸収層56のうち、pn接合によって形成さ
れる空乏領域である光受光部65のみで行なわれる。光導
波部66は、1.3μm帯の入射光に対して透明であり、光
は効率良く光受光部65まで導波され、光受光部65におい
て、光によって発光した電子−正孔対は光電流となり電
気信号として検出される。 第3図に光受光部65の長さを変えたときの理想状態
(光吸収部を通過する光により生成される電子−正孔対
が全て光電流に変換された場合)の受光感度の計算値
(実線)と、従来の窓部を有する端面受光型フォトダイ
オードの受光特性のバラツキ値(測定値、図中P1斜線で
表示)と、本発明のバラツキ値(測定値、図中P2斜線で
表示)を示す。計算による受光効率に比べ各測定値の受
光効率は低いが、これは光受光部で生成された電子−正
孔対の一部が再結合して光電流に寄与しないことが主要
因である。通常の平面受光型フォトダイオードの受光感
度は約80%である。図中の窓部を有する端面受光型フォ
トダイオードに比べ、本発明は素子特性のバラツキが小
さく高い受光効率(0.6〜0.7A/W)に飽和する特性を持
つと判明した。すなわち、歩止まり率が向上することも
わかる。また光受光部の長さは、n−拡散領域64により
形成されるpn接合による静電容量が、光受光部65の長さ
に比例する。このため、光受光部65を長くすることは、
素子の応答速度特性を劣化させる。従って本素子は光受
光部65の長さに対して受光効率の飽和が起こる最短の受
光部65の長さ120μmで素子の作成を行ない、pn接合容
量1.5pF(逆バイアス10v)パッケージ時に付加される容
量0.5pFを得ており、50Ω伝送系では、1.5GHzの高速応
答性も得た。 次に製造法について述べる。 (100)面n+−Inp基板53の上に、液相エピタキシャル
法により、n−InP下部クラッド層(バッファ層)54、
n−InGaAsP下部コア層55、i−InGaAsP光吸収層56、n
−InGaAsP保護層57を積層する。次に光導波部66を形成
するために上記エピ膜を(重クロム酸カリ+酢酸+水)
エッチング液を用いて〈110〉方向に沿ってn−InGaAsP
下部コア層55に達する溝を作る。次に、この溝液相をエ
ピタキシャル法により、n−InGaAsP上部コア層58で埋
め、さらにn−InP上部クラッド層59を積層する。次に
素子上面にCVD法によりSi3N4絶縁膜60を付着させ、第2
図(b)(c)のようなSi3N4絶縁膜60をフォトレジス
トによるマスクパターンと緩衝フッ酸のエッチング液を
用いて形成する。このSi3N4絶縁膜60は最終的には素子
端部に電圧が印加されないようにするための電気絶縁膜
として用いるが、同時にp−拡散領域64を形成するため
のマスクとしても用いる。Si3N4絶縁膜60は、Znの拡張
長を考慮して、光受光部65の端部にまでかかるように形
成する。Si3N4絶縁膜60形成後、素子をZnとPの入った
ガラス管に真空封入し、電気炉中でZnの熱拡散を行う。
この工程中にn+−InP基板53底部にZn拡散によって形成
されたp−拡散層を研磨除去する。 次に素子上部にAu−Znを蒸着して上部電極61を形成す
る。第6図の光導波路16のコア17と、光受光部65との位
置合わせのため、必要に応じてメッキ法により、Au−Zn
電極上に更にAuを所望の厚さをメッキする。(これを上
部電極61を下側にして光導波路16の端面に直接ボンディ
ングするためである)次に素子下部にAu−Snを蒸着して
下部電極62を形成する。次に、光導波部66をへき開によ
り切り分ける。素子のY方向もハイブリッドしやすい幅
(通常50〜100μm)にへき開により切り分ける。次に
入力光側にSi0χ膜を蒸着により付着させる。 以上の工程により光導波部を有する端面受光型フォト
ダイオードが製造できる。 この端面受光型フォトダイオードを光導波路16の端部
にハイブリッド集積する方法としては、第6図により、
従来の方法として述べた端面直接ボンディング法を用い
る。 以上の実施例では、波長1.3μm帯の端面受光型InGaA
sP pinフォトダイオードに対して第1の電導型としての
n型,第2の電導型としてP型について述べたが、この
発明は、これに限られるものではなく、第1の導電型と
してP型,第2の電導型としてn型としても良く、ま
た、さらに、端面受光InGaAsPアバランシェフォトダイ
オードや、半導体材料をGaAs系とした端面受光pinフォ
トダイオード及び端面受光アバランシェフォトダイオー
ドも製作でき、波長帯も1.3μmに限定しない。また、
光導波部の構造もプレーナ導波路だけでなく、チャネル
導波路にもでき、製造法も液相エピタキシャル法だけに
限られるわけではなく、有機金属気相成長法(MOCVD)
や分子ビームエピタキシャル法なども利用できる。 〔発明の効果〕 以上説明したように、この発明による端面受光型フォ
トダイオードは、半導体材料からなる光受光部の光の入
射する側の端部に、該光受光部より大きな禁制帯幅を有
するクラッド部とコア部からなるヘテロ構造光導波路を
窓層として具備しているため、入射光を素子端部から光
受光部まで効率良く光を導入でき、高感度の端面受光型
フォトダイオードを安定に作製できる。そのため、窓層
の長さに対する加工精度が大幅に緩和されるので、歩留
まりが大幅に向上し、低価格の端面受光型フォトダイオ
ードが供給できる。
【図面の簡単な説明】 第1図(a),(b)は本発明による端面受光型フォト
ダイオードの原理的構成を示す図であって、第1図
(a)は斜視図、第1図(b)は第1図(a)のA−
A′線視断面図である。第2図(a)〜(d)は本発明
の一実施例を示す図であって、第2図(a)は斜視図、
第2図(b)は第2図(a)A−A′線視断面図、第2
図(c)は第2図(a)B−B′線視断面図、第2図
(d)は第2図(a)のC−C′線視断面図である。第
3図は本発明の実施例を説明するための図であって、従
来の窓部を有する端面受光型フォトダイオードの特性の
バラツキと本発明の特性のバラツキを示す図である。第
4図は従来の平面型フォトダイオードの構成図である。
第5図(a),(b)は平面型フォトダイオードをハイ
ブリッド集積する方法を示す図である。第6図(a),
(b)は直接ボンディングにより端面受光型フォトダイ
オードをハイブリッド集積する方法を示す図である。第
7図は従来の端面受光型フォトダイオードの構成図であ
る。第8図(a)〜(c)は従来の窓部を有する端面受
光型フォトダイオードの構成を示す図であって、第8図
(a)は斜視図、第8図(b)は第8図(a)A−A′
線視断面図、第8図(c)は第8図(a)B−B′線視
断面図である。 46…下部クラッド層、47…コア層、48…光吸収層、49…
上部クラッド層、50…p−拡散領域、51…光受光部、52
…入射光、53…n+−InP基板、54…n−InP下部クラッド
層(バッファ層)、55…n−InGaAsP下部コア層、56…
i−InGaAsP光吸収層、57…n−InGaAsP保護層、58…n
−InGaAsP上部コア層、59…n−InP上部クラッド層、60
…Si3N4絶縁膜、61…上部電極、62…下部電極、63…無
反射コーティング膜、64−p−拡散領域、65…光受光
部、66…光導波路、67…入射光。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 姫野 明 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162 番地 日本電信電話株式会社茨城電気通 信研究所内 (72)発明者 小林 盛男 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162 番地 日本電信電話株式会社茨城電気通 信研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−68676(JP,A) 特開 昭61−26827(JP,A) 特開 昭57−26482(JP,A) 特開 昭62−165981(JP,A) 実開 昭55−49586(JP,U)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.InP基板上に形成され、第1導電型のInPからなるク
    ラッド部と、該クラッド部の禁制帯幅より小さくかつ入
    射光波長に対応するエネルギーより大きな禁制帯幅を有
    する組成のInGaAsPからなる第1導電型のコア部とから
    なる半導体光導波路において、 前記コア部の中に埋め込まれ、入射光波長に対応するエ
    ネルギーより小さな禁制帯幅を有し、前記コア部と異な
    る混晶比のInGaAsPからなる第1導電型の光吸収部と、
    該光吸収部の少なくとも一部に空乏領域を形成するた
    め、該光吸収部に対して一方の側のコア部及びクラッド
    部の一部に、その境界が導波路の端部に露出しないよう
    に形成された前記第1導電型と逆の導電型である第2導
    電型領域と、一対の電極を有することを特徴とする端面
    受光型フォトダイオード。 2.前記InPからなるクラッド部が、キャリア密度がお
    よそ1017/cm3のn−InPであることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の端面受光型フォトダイオード。 3.前記InGaAsPからなる第1導電型のコア部が、In
    0.89Ga0.11As0.25P0.75混晶比であることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の端面受光型フォトダイオー
    ド。 4.前記InGaAsPからなる第1導電型の光吸収部が、In
    0.59Ga0.41As0.92P0.08混晶比であることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の端面受光型フォトダイオー
    ド。
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