JP2847205B2 - 半導体導波路型受光素子 - Google Patents
半導体導波路型受光素子Info
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- JP2847205B2 JP2847205B2 JP3002705A JP270591A JP2847205B2 JP 2847205 B2 JP2847205 B2 JP 2847205B2 JP 3002705 A JP3002705 A JP 3002705A JP 270591 A JP270591 A JP 270591A JP 2847205 B2 JP2847205 B2 JP 2847205B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体光導波路層内に
ｐｎ接合を設けた半導体導波路型受光素子に関するもの
である。
ｐｎ接合を設けた半導体導波路型受光素子に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】光の吸収が大きい程屈折率が大きいとい
う物質の特性を利用して、光の吸収が大きく屈折率が高
い材料で構成された層に、受光素子の光電変換層と導波
路のコア層との両者の機能を持たせることを特徴とした
導波路型受光素子は、光の入射方向が光励起キャリアの
走行方向（ｐｎ接合方向）と垂直であるため、光電変換
効率の要因となる光の入射方向の素子長と、高速性の要
因となる素子厚とを独立に設定することが可能であり、
したがって、高速かつ高効率な受光素子として適してい
る。また、その構造の類似性から半導体レーザや導波路
型光スイッチ等とのモノリシック集積化が容易であると
いう利点をもっている。
う物質の特性を利用して、光の吸収が大きく屈折率が高
い材料で構成された層に、受光素子の光電変換層と導波
路のコア層との両者の機能を持たせることを特徴とした
導波路型受光素子は、光の入射方向が光励起キャリアの
走行方向（ｐｎ接合方向）と垂直であるため、光電変換
効率の要因となる光の入射方向の素子長と、高速性の要
因となる素子厚とを独立に設定することが可能であり、
したがって、高速かつ高効率な受光素子として適してい
る。また、その構造の類似性から半導体レーザや導波路
型光スイッチ等とのモノリシック集積化が容易であると
いう利点をもっている。
【０００３】従来の一般的な導波路型受光素子は、信号
光波長が１．５５μｍの場合を例にとると、図８に示す
ように、ｐ電極層としてのｐ+−ＩｎＰ、低キャリア濃
度層としてのｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ、ｎ電極層とし
てのｎ+−ＩｎＰによって構成されている。これらの層
のうち、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓのみが波長１．５５μｍ
の信号光を吸収することができ、光電変換層として機能
している。ここで導波路構造としてみれば、屈折率が高
いｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓがコア層、屈折率が低いｐ
+−ＩｎＰ、ｎ+−ＩｎＰがそれぞれ上部クラッド層、下
部クラッド層となっており、コア層とクラッド層との屈
折率の大きな違いによって、導波光を上記コア層の近傍
に閉じ込めることが可能になる（Ｓ．Ｃｈａｎｄｒａｓ
ｅｋｈａｒ他著、アイ・ジー・ダブリュウ・オー（ＩＧ
ＷＯ），（１９８９），ｐ１８６）。上記受光素子はｐ
電極層であるｐ+−ＩｎＰと、ｎ電極層であるｎ+−Ｉｎ
Ｐとの間に逆バイアス電圧を印加してＩｎ0.53Ｇａ0.47
Ａｓ低キャリア濃度層に空乏層を形成し、この空乏層に
かかる高電界を利用することによって、光電変換を行う
ものである。
光波長が１．５５μｍの場合を例にとると、図８に示す
ように、ｐ電極層としてのｐ+−ＩｎＰ、低キャリア濃
度層としてのｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ、ｎ電極層とし
てのｎ+−ＩｎＰによって構成されている。これらの層
のうち、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓのみが波長１．５５μｍ
の信号光を吸収することができ、光電変換層として機能
している。ここで導波路構造としてみれば、屈折率が高
いｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓがコア層、屈折率が低いｐ
+−ＩｎＰ、ｎ+−ＩｎＰがそれぞれ上部クラッド層、下
部クラッド層となっており、コア層とクラッド層との屈
折率の大きな違いによって、導波光を上記コア層の近傍
に閉じ込めることが可能になる（Ｓ．Ｃｈａｎｄｒａｓ
ｅｋｈａｒ他著、アイ・ジー・ダブリュウ・オー（ＩＧ
ＷＯ），（１９８９），ｐ１８６）。上記受光素子はｐ
電極層であるｐ+−ＩｎＰと、ｎ電極層であるｎ+−Ｉｎ
Ｐとの間に逆バイアス電圧を印加してＩｎ0.53Ｇａ0.47
Ａｓ低キャリア濃度層に空乏層を形成し、この空乏層に
かかる高電界を利用することによって、光電変換を行う
ものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】信号光は受光素子の端
面から入射し、コアに沿って導波路内を導波しながら、
コア層で光電変換される。しかし、光ファイバから出射
された出射光のうち、光ファイバからの出射光界分布の
スポットサイズＷOFと、それぞれの導波路構造に固有な
導波光界分布のスポットサイズＷWGとで表わされる結合
効率 η＝２／（ＷOF／ＷWG＋ＷWG／ＷOF） の割合だけが、導波路型受光素子内を導波、光電変換さ
れ、それ以外の部分は導波路外に放射され、光電変換さ
れることがない。図９に示すように結合効率ηの値はＷ
OF＝ＷWGのとき最大値１となり、出射光界分布のスポッ
トサイズＷOFと導波光界分布のスポットサイズＷWGとの
違いが大きくなるほど減少する。ところで、光ファイバ
からの出射光界分布のスポットサイズＷOFは光ファイバ
のコア径とほぼ等しく約１０μｍであり、先球ファイバ
を用いた場合においても１μｍ以上となるのに対して、
従来の導波路型受光素子においては、コア層とクラッド
層の屈折率差が０．４程度と大きいため、導波光はコア
層近傍に閉じ込められ、スポットサイズは図１０に示す
ように導波路のコア層の厚さとほぼ等しく、０．５μｍ
程度以下になっている。このような光ファイバとのスポ
ットサイズの差異から、従来の導波路型受光素子では、
信号光を十分に素子内に導くことができず、導波路型受
光素子が、本来有する高速かつ高効率な性質を実現する
ことが困難であった。
面から入射し、コアに沿って導波路内を導波しながら、
コア層で光電変換される。しかし、光ファイバから出射
された出射光のうち、光ファイバからの出射光界分布の
スポットサイズＷOFと、それぞれの導波路構造に固有な
導波光界分布のスポットサイズＷWGとで表わされる結合
効率 η＝２／（ＷOF／ＷWG＋ＷWG／ＷOF） の割合だけが、導波路型受光素子内を導波、光電変換さ
れ、それ以外の部分は導波路外に放射され、光電変換さ
れることがない。図９に示すように結合効率ηの値はＷ
OF＝ＷWGのとき最大値１となり、出射光界分布のスポッ
トサイズＷOFと導波光界分布のスポットサイズＷWGとの
違いが大きくなるほど減少する。ところで、光ファイバ
からの出射光界分布のスポットサイズＷOFは光ファイバ
のコア径とほぼ等しく約１０μｍであり、先球ファイバ
を用いた場合においても１μｍ以上となるのに対して、
従来の導波路型受光素子においては、コア層とクラッド
層の屈折率差が０．４程度と大きいため、導波光はコア
層近傍に閉じ込められ、スポットサイズは図１０に示す
ように導波路のコア層の厚さとほぼ等しく、０．５μｍ
程度以下になっている。このような光ファイバとのスポ
ットサイズの差異から、従来の導波路型受光素子では、
信号光を十分に素子内に導くことができず、導波路型受
光素子が、本来有する高速かつ高効率な性質を実現する
ことが困難であった。
【０００５】本発明の目的は、上記問題点を解決し、光
ファイバからの信号光を高効率に光電変換する半導体導
波路型受光素子を得ることにある。
ファイバからの信号光を高効率に光電変換する半導体導
波路型受光素子を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的は、ＩｎＰに格
子整合するＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（０≦ｘ≦１、０≦
ｙ≦１）系半導体層で構成された半導体導波路型受光素
子において、厚さ０．３μｍ以下のＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓ
y1Ｐ1-y1層よりなる第１半導体層と、厚さ０．０５μｍ
以上のＩｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2Ｐ1-y2（ｘ１＜ｘ２、ｙ１
＜ｙ２）層よりなり、かつ上記第１半導体層を挾んで積
層された第２、第３半導体層と、さらに上記第２、第３
半導体層の第１半導体層に接しない側に接してそれぞれ
積層された、Ｉｎ1-x3Ｇａx3Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３＜ｘ
２、ｙ３＜ｙ２）からなる第４、第５半導体層とが、Ｉ
ｎＰ基板上に形成され、これら各半導体層のうち少なく
とも第２半導体層または第３半導体層が、ノンドープ層
であることにより達成され、また、厚さ０．０１μｍ以
上のノンドープＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1（ｘ１≧
０．４２、ｙ１≧０．９）層と、同じくノンドープＩｎ
1-x2Ｇａx2Ａｓy2Ｐ1-y2（ｘ２＜０．４２、ｙ２＜０．
９）層とを、交互に４層以上繰り返し積層して形成した
半導体多層膜と、該半導体多層膜を挾み、半導体多層膜
の等価的な屈折率よりも低い屈折率を有するＩｎ1-x3Ｇ
ａx3Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３≧ｘ２、ｙ３≧ｙ２）層とから
構成することにより達成される。
子整合するＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（０≦ｘ≦１、０≦
ｙ≦１）系半導体層で構成された半導体導波路型受光素
子において、厚さ０．３μｍ以下のＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓ
y1Ｐ1-y1層よりなる第１半導体層と、厚さ０．０５μｍ
以上のＩｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2Ｐ1-y2（ｘ１＜ｘ２、ｙ１
＜ｙ２）層よりなり、かつ上記第１半導体層を挾んで積
層された第２、第３半導体層と、さらに上記第２、第３
半導体層の第１半導体層に接しない側に接してそれぞれ
積層された、Ｉｎ1-x3Ｇａx3Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３＜ｘ
２、ｙ３＜ｙ２）からなる第４、第５半導体層とが、Ｉ
ｎＰ基板上に形成され、これら各半導体層のうち少なく
とも第２半導体層または第３半導体層が、ノンドープ層
であることにより達成され、また、厚さ０．０１μｍ以
上のノンドープＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1（ｘ１≧
０．４２、ｙ１≧０．９）層と、同じくノンドープＩｎ
1-x2Ｇａx2Ａｓy2Ｐ1-y2（ｘ２＜０．４２、ｙ２＜０．
９）層とを、交互に４層以上繰り返し積層して形成した
半導体多層膜と、該半導体多層膜を挾み、半導体多層膜
の等価的な屈折率よりも低い屈折率を有するＩｎ1-x3Ｇ
ａx3Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３≧ｘ２、ｙ３≧ｙ２）層とから
構成することにより達成される。
【０００７】
【作用】本発明は、導波路型受光素子を２つのコア層で
構成することにより広い導波モードを実現し、その結
果、導波路型受光素子の導波光界分布のスポットサイズ
を、光ファイバからの出射光界分布のスポットサイズに
近づけることを特徴とするもので、上記２つのコア層の
厚さがそれぞれ０．０５μｍ以上としたのは、上記厚さ
が０．０５μｍ以下だと受光素子として十分機能するだ
けの光電変換効率が得られないからである。なお、第２
または第３半導体層のノンドープ層とは、キャリア濃度
が通常１×１０16ｃｍ~3以下の範囲を指している。本発
明の導波路型受光素子は、従来技術における単一コア層
の導波路型受光素子に較べて、光ファイバからの信号光
を高い効率で素子内に導くことができるという利点があ
り、一方のコア層に沿って導波する光を他方のコア層に
沿って導波する光に移行させる、いわゆるエバネッセン
ト結合導波路とは中間層の厚さが薄いという点で異なっ
ており、コア層が長波長信号光の光吸収層であるという
点で長波長半導体レーザとは異なっている。
構成することにより広い導波モードを実現し、その結
果、導波路型受光素子の導波光界分布のスポットサイズ
を、光ファイバからの出射光界分布のスポットサイズに
近づけることを特徴とするもので、上記２つのコア層の
厚さがそれぞれ０．０５μｍ以上としたのは、上記厚さ
が０．０５μｍ以下だと受光素子として十分機能するだ
けの光電変換効率が得られないからである。なお、第２
または第３半導体層のノンドープ層とは、キャリア濃度
が通常１×１０16ｃｍ~3以下の範囲を指している。本発
明の導波路型受光素子は、従来技術における単一コア層
の導波路型受光素子に較べて、光ファイバからの信号光
を高い効率で素子内に導くことができるという利点があ
り、一方のコア層に沿って導波する光を他方のコア層に
沿って導波する光に移行させる、いわゆるエバネッセン
ト結合導波路とは中間層の厚さが薄いという点で異なっ
ており、コア層が長波長信号光の光吸収層であるという
点で長波長半導体レーザとは異なっている。
【０００８】また、上記導波路型受光素子のコア層を、
厚さｄ1屈折率３．６のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓと、厚さ
ｄ2のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓよりも小さな屈折率ｎ2を有
する半導体層の積層構造とすることにより、光吸収層と
してのコア層の機能を保ちながら、（３．６×ｄ1＋ｎ2
×ｄ2）／（ｄ1＋ｄ2）で表わされるコア層の等価的な
屈折率をクラッド層の屈折率に近づけることにより、上
記コア層内への導波光の閉じ込めを弱くし、その結果、
導波路型受光素子の導波光界分布のスポットサイズを、
光ファイバからの出射光界分布のスポットサイズに近づ
けることを特徴とするものであり、従来技術におけるコ
ア層とクラッド層との屈折率差が大きい導波路型受光素
子に較べて、光ファイバからの信号光を高い効率で素子
内に導くことができるという利点があり、上記導波路型
受光素子は、コア層を構成する光吸収層の厚さが、量子
効果を生じさせるに十分な薄さの半導体井戸層の積層か
らなる多重量子井戸における、半導体井戸層の厚さ（お
よそ０．０１μｍ以下）よりも厚いという点で多重量子
井戸構造とは異なっている。
厚さｄ1屈折率３．６のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓと、厚さ
ｄ2のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓよりも小さな屈折率ｎ2を有
する半導体層の積層構造とすることにより、光吸収層と
してのコア層の機能を保ちながら、（３．６×ｄ1＋ｎ2
×ｄ2）／（ｄ1＋ｄ2）で表わされるコア層の等価的な
屈折率をクラッド層の屈折率に近づけることにより、上
記コア層内への導波光の閉じ込めを弱くし、その結果、
導波路型受光素子の導波光界分布のスポットサイズを、
光ファイバからの出射光界分布のスポットサイズに近づ
けることを特徴とするものであり、従来技術におけるコ
ア層とクラッド層との屈折率差が大きい導波路型受光素
子に較べて、光ファイバからの信号光を高い効率で素子
内に導くことができるという利点があり、上記導波路型
受光素子は、コア層を構成する光吸収層の厚さが、量子
効果を生じさせるに十分な薄さの半導体井戸層の積層か
らなる多重量子井戸における、半導体井戸層の厚さ（お
よそ０．０１μｍ以下）よりも厚いという点で多重量子
井戸構造とは異なっている。
【０００９】
【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による半導体導波路型受光素子の第１
実施例を示す断面図、図２は上記第１実施例の各層にお
ける屈折率と素子内の導波光界分布を示す図、図３は本
発明の第２実施例を示す断面図、図４は上記実施例の各
層における屈折率と素子内の導波光界分布を示す図、図
５は高い結合効率が得られない場合の導波光界分布を示
す図、図６は本発明の第３実施例を示す断面図、図７は
上記実施例の各層における屈折率と素子内の導波光界分
布を示す図である。
る。図１は本発明による半導体導波路型受光素子の第１
実施例を示す断面図、図２は上記第１実施例の各層にお
ける屈折率と素子内の導波光界分布を示す図、図３は本
発明の第２実施例を示す断面図、図４は上記実施例の各
層における屈折率と素子内の導波光界分布を示す図、図
５は高い結合効率が得られない場合の導波光界分布を示
す図、図６は本発明の第３実施例を示す断面図、図７は
上記実施例の各層における屈折率と素子内の導波光界分
布を示す図である。
【００１０】第１実施例 図１において、１はキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ
+−ＩｎＰ基板、２は厚さ１μｍでキャリア濃度１×１
０18ｃｍ~3のｎ+−ＩｎＰ下部クラッド層、３および５
は厚さ０．１μｍでキャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下
のｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓコア層、４は厚さ０．２μ
ｍでキャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下のｎ−Ｉｎ1-x
ＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．４２、ｙ＝０．９）中間ク
ラッド層である。また、６は厚さ１μｍでキャリア濃度
１×１０18ｃｍ~3のｐ+−ＩｎＰ上部クラッド層であ
る。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47ＡｓおよびＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ
1-y（ｘ＝０．４２、ｙ＝０．９）はＩｎＰと格子整合
した材料である。ここで、ダイオード構造より記載すれ
ば、１、２はｎ電極層、３、４、５は低キャリア濃度
層、６はｐ電極層であり、これらのうち３、４、５で示
す層のみが波長１．５５μｍの光を吸収することができ
る光電変換層である。受光素子は、各層をエピタキシャ
ル成長したのちにエッチングにより導波路構造に加工
し、ｐ+−ＩｎＰ層上にｐ型オーミック電極、ＩｎＰ基
板裏面にｎ型オーミック電極をそれぞれ蒸着して形成す
る。光ファイバから出射した波長１．５５μｍの信号光
は素子の端面に照射され、その一部が素子内を導波す
る。
+−ＩｎＰ基板、２は厚さ１μｍでキャリア濃度１×１
０18ｃｍ~3のｎ+−ＩｎＰ下部クラッド層、３および５
は厚さ０．１μｍでキャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下
のｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓコア層、４は厚さ０．２μ
ｍでキャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下のｎ−Ｉｎ1-x
ＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．４２、ｙ＝０．９）中間ク
ラッド層である。また、６は厚さ１μｍでキャリア濃度
１×１０18ｃｍ~3のｐ+−ＩｎＰ上部クラッド層であ
る。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47ＡｓおよびＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ
1-y（ｘ＝０．４２、ｙ＝０．９）はＩｎＰと格子整合
した材料である。ここで、ダイオード構造より記載すれ
ば、１、２はｎ電極層、３、４、５は低キャリア濃度
層、６はｐ電極層であり、これらのうち３、４、５で示
す層のみが波長１．５５μｍの光を吸収することができ
る光電変換層である。受光素子は、各層をエピタキシャ
ル成長したのちにエッチングにより導波路構造に加工
し、ｐ+−ＩｎＰ層上にｐ型オーミック電極、ＩｎＰ基
板裏面にｎ型オーミック電極をそれぞれ蒸着して形成す
る。光ファイバから出射した波長１．５５μｍの信号光
は素子の端面に照射され、その一部が素子内を導波す
る。
【００１１】素子各層の屈折率を図２に実線で示す。屈
折率分布からマックスウェル方程式によって計算される
素子内の導波光界分布を、同じ図２に曲線で示した。導
波光界分布の広がりの度合を表わすスポットサイズは、
上記構造では約１．５μｍとなり、図１０に示す単一コ
ア層とした導波路型受光素子の場合のスポットサイズ
０．８μｍに較べると大きくなっている。実際、先球フ
ァイバを用いた実験によると上記構造の導波路型受光素
子の受光効率は約６０％となり、コア層を単一とした場
合の受光効率４０％に比して大幅に改善された。
折率分布からマックスウェル方程式によって計算される
素子内の導波光界分布を、同じ図２に曲線で示した。導
波光界分布の広がりの度合を表わすスポットサイズは、
上記構造では約１．５μｍとなり、図１０に示す単一コ
ア層とした導波路型受光素子の場合のスポットサイズ
０．８μｍに較べると大きくなっている。実際、先球フ
ァイバを用いた実験によると上記構造の導波路型受光素
子の受光効率は約６０％となり、コア層を単一とした場
合の受光効率４０％に比して大幅に改善された。
【００１２】本実施例においては、２および６で示す層
にＩｎＰ、３および５で示す層にＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ
層、４で示す層にＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．４
２、ｙ＝０．９）層を用いているが、これらのうち３、
４、５で示す各層のみが入射光を吸収し得る材料であ
り、かつ、４の層の屈折率が３および５の層の屈折率よ
りも小さく、また２および６の層の屈折率よりも大きく
なるような材料の組合せであれば、同様の効果を期待で
きる。
にＩｎＰ、３および５で示す層にＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ
層、４で示す層にＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．４
２、ｙ＝０．９）層を用いているが、これらのうち３、
４、５で示す各層のみが入射光を吸収し得る材料であ
り、かつ、４の層の屈折率が３および５の層の屈折率よ
りも小さく、また２および６の層の屈折率よりも大きく
なるような材料の組合せであれば、同様の効果を期待で
きる。
【００１３】第２実施例 本発明の第２実施例を示す図３において、７はキャリア
濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ+−ＩｎＰ基板、８は厚さ１
μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ+−Ｉｎ1-xＧ
ａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）下部クラ
ッド層、９、１１は厚さ０．１μｍのキャリア濃度１×
１０16ｃｍ~3以下のｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓコア層、
１０は０．２μｍのキャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下
のｎ−ＩｎＰ中間クラッド層である。また、１２は厚さ
１μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｐ+−Ｉｎ1-x
ＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）上部ク
ラッド層である。これらのうち、９および１１で示す層
のみが波長１．５５μｍの光を吸収することができる光
電変換層である。
濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ+−ＩｎＰ基板、８は厚さ１
μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ+−Ｉｎ1-xＧ
ａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）下部クラ
ッド層、９、１１は厚さ０．１μｍのキャリア濃度１×
１０16ｃｍ~3以下のｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓコア層、
１０は０．２μｍのキャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下
のｎ−ＩｎＰ中間クラッド層である。また、１２は厚さ
１μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｐ+−Ｉｎ1-x
ＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）上部ク
ラッド層である。これらのうち、９および１１で示す層
のみが波長１．５５μｍの光を吸収することができる光
電変換層である。
【００１４】上記実施例の各層における屈折率を図４に
実線で示した。第１実施例と同様に、導波光界分布の広
がり度合を表わすスポットサイズは約１．５μｍとな
り、コア層を単一とした従来のスポットサイズに較べる
と非常に大きくなっている。実際に先球ファイバを用い
た実験によると、本構造の導波路型受光素子の受光効率
は約６０％となり、コア層が単一の場合の受光効率約４
０％に較べ大幅に改善された。本実施例では、８および
１２で示す層にＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３
７、ｙ＝０．８）、９および１１で示す層にＩｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓ層、１０で示す層にＩｎＰ層を用いている
が、これらは上記９、１１で示す層だけが入射光を吸収
できる材料であれば同様の効果が期待できる。
実線で示した。第１実施例と同様に、導波光界分布の広
がり度合を表わすスポットサイズは約１．５μｍとな
り、コア層を単一とした従来のスポットサイズに較べる
と非常に大きくなっている。実際に先球ファイバを用い
た実験によると、本構造の導波路型受光素子の受光効率
は約６０％となり、コア層が単一の場合の受光効率約４
０％に較べ大幅に改善された。本実施例では、８および
１２で示す層にＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３
７、ｙ＝０．８）、９および１１で示す層にＩｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓ層、１０で示す層にＩｎＰ層を用いている
が、これらは上記９、１１で示す層だけが入射光を吸収
できる材料であれば同様の効果が期待できる。
【００１５】上記のように第１実施例および第２実施例
においては、中間クラッド層の厚さを０．２μｍとした
場合について示したが、これを０．３μｍより厚くする
と図５に示すように、導波光界分布の２つの極大点どう
しの間隔が広くなり、その結果、中間クラッド層での導
波光強度が低下して高い結合効率は得られない。また、
２つのコア層および２つのコア層に挾まれた中間クラッ
ド層を、低キャリア濃度層とした場合について示した
が、上部あるいは下部クラッド層の一部も低キャリア濃
度層とする場合、また一方のコア層のみを低キャリア濃
度層とする場合、あるいは一方のコア層とクラッド層の
一部を低キャリア濃度層とする場合においても、同様の
効果が期待できる。また、両方のコア層が信号光を吸収
できる材料とした例を示したが、一方のコア層だけが信
号光を吸収できる材料であっても同様の効果は期待でき
る。
においては、中間クラッド層の厚さを０．２μｍとした
場合について示したが、これを０．３μｍより厚くする
と図５に示すように、導波光界分布の２つの極大点どう
しの間隔が広くなり、その結果、中間クラッド層での導
波光強度が低下して高い結合効率は得られない。また、
２つのコア層および２つのコア層に挾まれた中間クラッ
ド層を、低キャリア濃度層とした場合について示した
が、上部あるいは下部クラッド層の一部も低キャリア濃
度層とする場合、また一方のコア層のみを低キャリア濃
度層とする場合、あるいは一方のコア層とクラッド層の
一部を低キャリア濃度層とする場合においても、同様の
効果が期待できる。また、両方のコア層が信号光を吸収
できる材料とした例を示したが、一方のコア層だけが信
号光を吸収できる材料であっても同様の効果は期待でき
る。
【００１６】第３実施例 本発明の第３実施例を示す図６において、１３はキャリ
ア濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ-−ＩｎＰ基板、１４は厚
さ２μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ-−Ｉｎ
1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）クラ
ッド層、１５、１６、１７、１８、１９はそれぞれコア
層の構成要素であり、１５、１７、１９は厚さ０．０５
μｍでｎ型キャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下のＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層、１６、１８は厚さ０．０５μｍで
ｎ型キャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下のＩｎ1-xＧａx
ＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）層、２０は厚
さ２μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｐ-−Ｉｎ
1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）クラ
ッド層である。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ、Ｉｎ1-xＧａxＡ
ｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）は、ＩｎＰと格
子整合した材料である。ここで、ダイオード構造より記
載すれば、１３、１４はｎ電極層、１５、１６、１７、
１８、１９は低キャリア濃度層、２０はｐ電極層であ
り、これらのうち１５、１７、１９で示す層のみが波長
１．５５μｍの光を吸収し得る。受光素子は、各層をエ
ピタキシャル成長したのちにエッチングにより導波路構
造に加工し、ｐ+−Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．
３７、ｙ＝０．８）層上にｐ型オーミック電極、ＩｎＰ
基板裏面にｎ型オーミック電極をそれぞれ蒸着して形成
する。光ファイバから出射した波長１．５５μｍの信号
光は、素子の端面に照射され、その一部が素子内を導波
する。
ア濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ-−ＩｎＰ基板、１４は厚
さ２μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｎ-−Ｉｎ
1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）クラ
ッド層、１５、１６、１７、１８、１９はそれぞれコア
層の構成要素であり、１５、１７、１９は厚さ０．０５
μｍでｎ型キャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下のＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層、１６、１８は厚さ０．０５μｍで
ｎ型キャリア濃度１×１０16ｃｍ~3以下のＩｎ1-xＧａx
ＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）層、２０は厚
さ２μｍでキャリア濃度１×１０18ｃｍ~3のｐ-−Ｉｎ
1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）クラ
ッド層である。Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ、Ｉｎ1-xＧａxＡ
ｓyＰ1-y（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．８）は、ＩｎＰと格
子整合した材料である。ここで、ダイオード構造より記
載すれば、１３、１４はｎ電極層、１５、１６、１７、
１８、１９は低キャリア濃度層、２０はｐ電極層であ
り、これらのうち１５、１７、１９で示す層のみが波長
１．５５μｍの光を吸収し得る。受光素子は、各層をエ
ピタキシャル成長したのちにエッチングにより導波路構
造に加工し、ｐ+−Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝０．
３７、ｙ＝０．８）層上にｐ型オーミック電極、ＩｎＰ
基板裏面にｎ型オーミック電極をそれぞれ蒸着して形成
する。光ファイバから出射した波長１．５５μｍの信号
光は、素子の端面に照射され、その一部が素子内を導波
する。
【００１７】上記各層の屈折率を図７に実線で示した。
コア層の等価的な屈折率は３．５となり、クラッド層と
の屈折率差は約０．１と非常に小さくなっている。屈折
率分布からマックスウェル方程式によって計算される素
子内の導波光界分布を、同じく図７に曲線で示した。導
波光界分布の広がり度合を表わすスポットサイズは、本
構造においては約１μｍとなり、コア層にＩｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ、クラッド層にＩｎＰを用いた場合（図１０）
のスポットサイズ０．４μｍと較べて非常に大きくなっ
ている。実際に先球ファイバを用いた実験によると、本
構造の導波路型受光素子の受光効率は約６０％となり、
コア層にＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ、クラッド層にＩｎＰを
用いた従来の導波路型受光素子の場合の受光効率約３０
％に較べて、大幅に改善された。
コア層の等価的な屈折率は３．５となり、クラッド層と
の屈折率差は約０．１と非常に小さくなっている。屈折
率分布からマックスウェル方程式によって計算される素
子内の導波光界分布を、同じく図７に曲線で示した。導
波光界分布の広がり度合を表わすスポットサイズは、本
構造においては約１μｍとなり、コア層にＩｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ、クラッド層にＩｎＰを用いた場合（図１０）
のスポットサイズ０．４μｍと較べて非常に大きくなっ
ている。実際に先球ファイバを用いた実験によると、本
構造の導波路型受光素子の受光効率は約６０％となり、
コア層にＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ、クラッド層にＩｎＰを
用いた従来の導波路型受光素子の場合の受光効率約３０
％に較べて、大幅に改善された。
【００１８】上記第３実施例においては、１４、１６、
１８、２０で示す層にＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝
０．３７、ｙ＝０．８）、１５、１７、１９で示す層に
Ｉｎ0. 53Ｇａ0.47Ａｓを用いた例を示しているが、これ
ら各層は、１５、１７、１９で示す層のみが入射光を吸
収できる材料であり、また、１４および２０で示す層が
コア層（１５、１６、１７、１８、１９）の等価屈折率
よりも低い屈折率を持つ材料であれば、同様の効果が期
待できる。また、多層膜を構成する半導体を２種類とし
ているが、Ｉｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1（ｘ１≧０．４
２、ｙ≧０．９）を含む３種類以上の半導体により構成
された多層膜としても、同様の効果が期待できる。
１８、２０で示す層にＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ｘ＝
０．３７、ｙ＝０．８）、１５、１７、１９で示す層に
Ｉｎ0. 53Ｇａ0.47Ａｓを用いた例を示しているが、これ
ら各層は、１５、１７、１９で示す層のみが入射光を吸
収できる材料であり、また、１４および２０で示す層が
コア層（１５、１６、１７、１８、１９）の等価屈折率
よりも低い屈折率を持つ材料であれば、同様の効果が期
待できる。また、多層膜を構成する半導体を２種類とし
ているが、Ｉｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1（ｘ１≧０．４
２、ｙ≧０．９）を含む３種類以上の半導体により構成
された多層膜としても、同様の効果が期待できる。
【００１９】上記各実施例においては、クラッド層およ
びコア層の材料として、ＩｎＰ基板と格子整合する材料
を用いた例を示したが、これらの一部あるいは全べて
を、ＩｎＰ基板と格子整合しない材料としても同様の効
果が期待できる。また、信号光波長が１．５５μｍであ
る場合について例示したが、材料を適当に選ぶことによ
り、波長１．５５μｍ以外の信号光に対しても本実施例
と同様の効果を有する導波路型受光素子を実現すること
ができる。また、本構造を半導体光変調器に適用するこ
とによって、光ファイバとの結合がよい半導体光変調器
を実現することも可能である。
びコア層の材料として、ＩｎＰ基板と格子整合する材料
を用いた例を示したが、これらの一部あるいは全べて
を、ＩｎＰ基板と格子整合しない材料としても同様の効
果が期待できる。また、信号光波長が１．５５μｍであ
る場合について例示したが、材料を適当に選ぶことによ
り、波長１．５５μｍ以外の信号光に対しても本実施例
と同様の効果を有する導波路型受光素子を実現すること
ができる。また、本構造を半導体光変調器に適用するこ
とによって、光ファイバとの結合がよい半導体光変調器
を実現することも可能である。
【００２０】
【発明の効果】上記のように本発明による半導体導波路
型受光素子は、ＩｎＰに格子整合するＩｎ1-xＧａxＡｓ
yＰ1-y（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系半導体層で構成さ
れた半導体導波路型受光素子において、厚さ０．３μｍ
以下のＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1層よりなる第１半導
体層と、厚さ０．０５μｍ以上のＩｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2
Ｐ1-y2（ｘ１＜ｘ２、ｙ１＜ｙ２）層よりなり、かつ上
記第１半導体層を挾んで積層された第２、第３半導体層
と、さらに上記第２、第３半導体層の第１半導体層に接
しない側に接してそれぞれ積層された、Ｉｎ1-x3Ｇａx3
Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３＜ｘ２、ｙ３＜ｙ２）からなる第
４、第５半導体層とが、ＩｎＰ基板上に形成され、これ
ら各半導体層のうち少なくとも第２半導体層または第３
半導体層が、ノンドープ層であること、および、厚さ
０．０１μｍ以上のノンドープＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ
1-y1（ｘ１≧０．４２、ｙ１≧０．９）層と、同じくノ
ンドープＩｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2Ｐ1-y2（ｘ２＜０．４
２、ｙ２＜０．９）層とを、交互に４層以上繰り返し積
層して形成した半導体多層膜と、該半導体多層膜を挾
み、半導体多層膜の等価的な屈折率よりも低い屈折率を
有するＩｎ1-x3Ｇａx3Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３≧ｘ２、ｙ３
≧ｙ２）層とから構成されることにより、光ファイバか
らの信号光を高い効率で素子内に導くことができるた
め、高い光電変換効率を有する半導体導波路型受光素子
を実現することができる。
型受光素子は、ＩｎＰに格子整合するＩｎ1-xＧａxＡｓ
yＰ1-y（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系半導体層で構成さ
れた半導体導波路型受光素子において、厚さ０．３μｍ
以下のＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1層よりなる第１半導
体層と、厚さ０．０５μｍ以上のＩｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2
Ｐ1-y2（ｘ１＜ｘ２、ｙ１＜ｙ２）層よりなり、かつ上
記第１半導体層を挾んで積層された第２、第３半導体層
と、さらに上記第２、第３半導体層の第１半導体層に接
しない側に接してそれぞれ積層された、Ｉｎ1-x3Ｇａx3
Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３＜ｘ２、ｙ３＜ｙ２）からなる第
４、第５半導体層とが、ＩｎＰ基板上に形成され、これ
ら各半導体層のうち少なくとも第２半導体層または第３
半導体層が、ノンドープ層であること、および、厚さ
０．０１μｍ以上のノンドープＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ
1-y1（ｘ１≧０．４２、ｙ１≧０．９）層と、同じくノ
ンドープＩｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2Ｐ1-y2（ｘ２＜０．４
２、ｙ２＜０．９）層とを、交互に４層以上繰り返し積
層して形成した半導体多層膜と、該半導体多層膜を挾
み、半導体多層膜の等価的な屈折率よりも低い屈折率を
有するＩｎ1-x3Ｇａx3Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３≧ｘ２、ｙ３
≧ｙ２）層とから構成されることにより、光ファイバか
らの信号光を高い効率で素子内に導くことができるた
め、高い光電変換効率を有する半導体導波路型受光素子
を実現することができる。
【図１】本発明による半導体導波路型受光素子の第１実
施例を示す断面図である。
施例を示す断面図である。
【図２】上記第１実施例の各層における屈折率と素子内
の導波光界分布を示す図である。
の導波光界分布を示す図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す断面図である。
【図４】上記第２実施例の各層における屈折率と素子内
の導波光界分布を示す図である。
の導波光界分布を示す図である。
【図５】高い結合効率が得られない場合の導波光界分布
を示す図である。
を示す図である。
【図６】本発明の第３実施例を示す断面図である。
【図７】上記第３実施例の各層における屈折率と素子内
の導波光界分布を示す図である。
の導波光界分布を示す図である。
【図８】従来の一般的な導波路型受光素子を示す図であ
る。
る。
【図９】結合効率を示す図である。
【図１０】スポットサイズを説明する図である。
３、５、９、１１ 第２半導体層（コア層） ４、１０ 第１半導体層（中間クラッド層） １４、２０ クラッド層 １５、１６、１７、１８、１９ 多層膜構成層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−194655（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−76779（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−278280（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/10 H01L 31/0232
Claims (2)
- 【請求項１】ＩｎＰに格子整合するＩｎ1-xＧａxＡｓy
Ｐ1-y（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系半導体層で構成さ
れた半導体導波路型受光素子において、厚さ０．３μｍ
以下のＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1層よりなる第１半導
体層と、厚さ０．０５μｍ以上のＩｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2
Ｐ1-y2（ｘ１＜ｘ２、ｙ１＜ｙ２）層よりなり、かつ上
記第１半導体層を挾んで積層された第２、第３半導体層
と、さらに上記第２、第３半導体層の第１半導体層に接
しない側に接してそれぞれ積層された、Ｉｎ1-x3Ｇａx3
Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３＜ｘ２、ｙ３＜ｙ２）からなる第
４、第５半導体層とが、ＩｎＰ基板上に形成され、これ
ら各半導体層のうち少なくとも第２半導体層または第３
半導体層が、ノンドープ層であることを特徴とする半導
体導波路型受光素子。 - 【請求項２】ＩｎＰに格子整合するＩｎ1-xＧａxＡｓy
Ｐ1-y（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系半導体層で構成さ
れた半導体導波路型受光素子において、厚さ０．０１μ
ｍ以上のノンドープＩｎ1-x1Ｇａx1Ａｓy1Ｐ1-y1（ｘ１
≧０．４２、ｙ１≧０．９）層と、同じくノンドープＩ
ｎ1-x2Ｇａx2Ａｓy2Ｐ1-y2（ｘ２＜０．４２、ｙ２＜
０．９）層とを、交互に４層以上繰り返し積層して形成
した半導体多層膜と、該半導体多層膜を挾み、半導体多
層膜の等価的な屈折率よりも低い屈折率を有するＩｎ
1-x3Ｇａx3Ａｓy3Ｐ1-y3（ｘ３≧ｘ２、ｙ３≧ｙ２）層
とから構成されていることを特徴とする半導体導波路型
受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3002705A JP2847205B2 (ja) | 1991-01-14 | 1991-01-14 | 半導体導波路型受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3002705A JP2847205B2 (ja) | 1991-01-14 | 1991-01-14 | 半導体導波路型受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04241471A JPH04241471A (ja) | 1992-08-28 |
| JP2847205B2 true JP2847205B2 (ja) | 1999-01-13 |
Family
ID=11536710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3002705A Expired - Lifetime JP2847205B2 (ja) | 1991-01-14 | 1991-01-14 | 半導体導波路型受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2847205B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3589920B2 (ja) | 1999-12-10 | 2004-11-17 | Ｎｅｃ化合物デバイス株式会社 | 半導体受光素子 |
| JP2010010450A (ja) * | 2008-06-27 | 2010-01-14 | Mitsubishi Electric Corp | 導波路型受光素子 |
-
1991
- 1991-01-14 JP JP3002705A patent/JP2847205B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04241471A (ja) | 1992-08-28 |
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