JP3831707B2 - 入射光を光吸収層内で繰り返し伝搬させる半導体受光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
＜技術分野＞
本発明は半導体受光素子及びその製造方法に係り、特に、入射光を光吸収層内で繰り返し伝搬させて電気信号に変換する半導体受光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
＜背景技術＞
従来より、光信号を電気信号に変換する半導体素子で形成された半導体受光素子が知られている。
【０００３】
図１２は、このような一般的な半導体受光素子として、導波路型の半導体受光素子の構成を示す斜視図である。
【０００４】
すなわち、この導波路型の半導体受光素子は、図１２に示すように、ｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板６上に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５が形成されている。
【０００５】
この下部クラッド層５上には、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。
【０００６】
このコンタクト層２の上面には、ｐ電極１が取付けられている。
【０００７】
また、上記基板６の下面には、ｎ電極７が取付けられている。
【０００８】
さらに、上記コンタクト層２、上部クラッド層３、光吸収層４、下部クラッド層５の各側面の一部及びｐ電極１の下部には、キャパシタンスを減らすためのポリイミド８が形成されている。
【０００９】
ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３と、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５とは、図１０に示すように、この導波路型の半導体受光素子の端面の光入射面から内部に入射した光を導波する光導波路を構成している。
【００１０】
この光導波路において、光吸収層４の屈折率は、上部クラッド層３の屈折率、下部クラッド層５の屈折率より高く設定されている。
【００１１】
すなわち、導波路型の半導体受光素子において、この光吸収層４が、入射した光を導波する中心的な役割をするコアとして機能している。
【００１２】
ちなみに、この導波路型の半導体受光素子では、メサの幅が４μｍ程度で、長さが１０μｍ程度である。
【００１３】
このように構成された導波路型の半導体受光素子においては、入射光は、光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３及びｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５で構成された光導波路を伝播する間に、光吸収層４により吸収され、電気信号に変換される。
【００１４】
このとき、光はその強度Ｉが
Ｉ＝Ｉ₀ ｅｘｐ（−αｚ） …（０）
なる式に従って吸収される。
【００１５】
ここで、Ｉ₀ は光入射端面での入射光のパワー、αは吸収係数、ｚは光入射端面からの距離である。
【００１６】
図１３は、この導波路型の半導体受光素子の光導波路内を導波する光のパワーＩと距離ｚとの関係を示す図である。
【００１７】
式（０）と図１３から理解できるように、光は導波路型の半導体受光素子に入射すると指数関数的に減衰する。
【００１８】
すなわち、光は、導波路型の半導体受光素子の光入射端面から光導波路内を伝播する短い距離の間に殆どが吸収され、電流に変換される。
【００１９】
この図１３は光が吸収されたために生じる電流、あるいはその電流によって生じるジュール熱を示していると言えるので、図１２に示すような導波路型の半導体受光素子では、光入射端面から短い距離の間に急激に発熱が生じていると言える。
【００２０】
その結果、導波路型の半導体受光素子に入射する光のパワーが大きい場合には、光入射端面から短い距離の間で発生するジュール熱が極めて大きくなるので、最悪の場合には、この導波路型の半導体受光素子が破壊されてしまうことになりかねない。
【００２１】
なお、図１２に示した導波路型の半導体受光素子では、説明を簡単化するために図示を省略したが、実際には、光導波路を多モード化するために、通常、光吸収層４の上下にバンドギャップ波長が１．３μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰ組成の４元ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層が介在されている。
【００２２】
そのため、光吸収層４の厚みを０．６μｍ、ＳＣＨ層の厚みが上下合わせて２μｍ程度とすると、導波路型の半導体受光素子の製造工程において、成長すべき結晶の厚みはその他の層も含めて合計３乃至４μｍと厚くなり、結晶成長そのものにも時間がかかるとともに、メサエッチングなどプロセスも複雑になり、製造上の歩留まりを制限する要因となっている。
【００２３】
このような不都合を解消するために、図１４の横断面図で示すような構造を有した端面屈折型の半導体受光素子が提唱されている（特許文献１参照）。
【００２４】
なお、端面屈折型の半導体受光素子としては、各種の構造が報告されているので、ここでは典型的な例を示す。
【００２５】
すなわち、図１２に示すように、半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩＰ）材料で形成された基板９上に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓなるコンタクト層２が形成されている。
【００２６】
そして、このコンタクト層２の上側には、電気信号を取出すためのｐ電極１が取付けられている。
【００２７】
また、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５には、同じく電気信号を取出すためのｎ型電極７が取付けられている。
【００２８】
そして、このような端面屈折型の半導体受光素子においては、図１４に示したように、基板９と下部クラッド層５との端面で形成される光入射端面１０がウェットエッチングにより傾斜されて形成されている。
【００２９】
なお、この場合、光入射端面１０の下部クラッド層５の上面（光吸収層４の下面）に対する傾斜角は、ウェットエッチングの際に結晶の方位性から約５４度となる。
【００３０】
このような構造を有した端面屈折型の半導体受光素子の動作原理を説明する。
【００３１】
入射光は、端面屈折型の半導体受光素子の傾斜した光入射端面１０において屈折された後、光吸収層４において吸収され、電気信号に変換される。
【００３２】
この端面屈折型の半導体受光素子の場合、図示するように、入射光は吸収層４の全体に下側から入射し、光吸収層４全体でほぼ均等に吸収されることになるので、ジュール熱の発生による素子破壊に対して、図１２に示した導波路型の半導体受光素子よりも有利である。
【００３３】
また、図１４と図１２を比較すると理解できるように、端面屈折型の半導体受光素子では、導波路型の半導体受光素子においては不可欠なｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３や前述のＳＣＨ層などが不要な構造となっている。
【００３４】
このため、導波路型の半導体受光素子に比べて、この端面屈折型の半導体受光素子を製造する過程において、結晶成長やプロセスが簡単である長所を有する。
【００３５】
ちなみに、この端面屈折型の半導体受光素子では、メサの幅が７μｍ程度で、長さが１４μｍ程度である。
【００３６】
しかしながら、図１４に示すような端面屈折型の半導体受光素子においてもまだ改良すべき次のような問題を有している。
【００３７】
なお、入射光の波長は１．５５μｍであるとして、この端面屈折型の半導体受光素子が有する問題を説明する。
【００３８】
図１５は、この端面屈折型の半導体受光素子内を伝搬される光の中心の軌跡を模式的に示す図である。
【００３９】
すなわち、図１５に示すように、入射光は、端面屈折型の半導体受光素子の光入射端面１０において屈折される。
【００４０】
このとき、光入射端面１０におけるスネルの法則から
ｎ₀ ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₅ ｓｉｎθ₂ …（１）
を得る。
【００４１】
ここで、空気の屈折率ｎ₀ は１、入射光の中心の軌跡が光入射端面１０の法線となす角θ₁ は、ウェットエッチングによる光入射端面１０の傾斜角が５４度であるので、３６度となる。
【００４２】
また、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５の屈折率ｎ₅ は、３．１５である。
【００４３】
なお、ノンドープＩｎＰの屈折率は３．１７であるが、ｎドープＩｎＰの屈折率は、これよりも低くなることが知られているので、ここでは、３．１７よりも低くｎ₅ ＝３．１５としている。
【００４４】
従って、光入射端面１０において屈折された光と光入射端面１０の法線とのなす角度θ₂ と屈折した光が水平線となす角度θ₃ は、式（１）及びθ₃ ＝θ₁ −θ₂ より、各々θ₂ ＝１０．８度、θ₃ ＝２５．２度となる。
【００４５】
次に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５から光吸収層４（屈折率ｎ₄ ）への入射について考える。
【００４６】
ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５と光吸収層４の界面においてスネルの法則を用いると
ｎ₅ ｓｉｎθ₄ ＝ｎ₄ ｓｉｎθ₅ …（２）
を得る。
【００４７】
ここで、θ₄ ＝（π／２）−θ₃ より、θ₄ ＝６４．８度となる。
【００４８】
光吸収層４の屈折率ｎ₄ を３．５０と仮定すると、式（２）よりθ₅ ＝５４．５度と求まる。
【００４９】
つまり、光吸収層４の中において、光は水平からの角度θ₆ ＝（π／２）−θ₅ ＝３５．５度で上側に向かって伝播することになる。
【００５０】
したがって、光にとっての実効的な吸収長は光吸収層４の厚みの１／ｓｉｎθ₆ ＝１．７倍となる。
【００５１】
ちなみに、光吸収層４の厚みを０．５μｍとすると、光にとっては実効的に０．８６μｍの吸収長となる。
【００５２】
次に、光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３（屈折率ｎ₃ ）との界面においてスネルの法則を用いると
ｎ₄ ｓｉｎθ₅ ＝ｎ₃ ｓｉｎθ₇ …（３）
を得る。
【００５３】
ｐ型半導体では、正孔が多数キャリアである。
【００５４】
正孔は質量が重いので、通常、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ はノンドープＩｎＰのものと同じなので、ｎ₃ ＝３．１７とすると、式（３）よりθ₇ ＝６４．０度と求まる。
【００５５】
言いかえると、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の中において、光は水平からの角度θ₈ ＝π／２―θ₇ ＝２６．０度で伝播する。
【００５６】
光は、その後、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２に入射する。
【００５７】
ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３とｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２ （屈折率ｎ₂ ）の界面にスネルの法則を用いると
ｎ₃ ｓｉｎθ₇ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₉ …（４）
を得る。
【００５８】
ここで、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２は屈折率ｎ₂ が光吸収層４と同じ（ｎ₂ ＝ｎ₄ ）であることから、直ちにθ₉ ＝θ₅ を得る。
【００５９】
つまり、光にとっては、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２を伝播する間にも、その厚みの１／ｓｉｎθ₆ ＝１．７倍の距離においてさらに吸収される。
【００６０】
ちなみに、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の厚みを０．３μｍとすると、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２における実効的な吸収長は、０．５２μｍとなる。
【００６１】
ところが、このｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２は、２×１０¹⁸cm^-3から２×１０¹⁹cm^-3と高い濃度でドープされており内部電界が存在しないので、発生したキャリアのうち、ｎ電極７から取出されるべき電子はｎ電極７に到達できない。
【００６２】
このため、電子と正孔は再結合してしまい、結果的に電流として無駄になるか、あるいは、高周波信号に追従できず、周波数応答特性が劣化する。
【００６３】
光吸収層４の厚みが０．５μｍ程度であることを考えると、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の厚みは無視できないほど厚く、このｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の吸収による効率と周波数応答特性の劣化は重要な問題となっている。
【００６４】
さらに、この端面屈折型の半導体受光素子では、光入射端面１０を傾斜させるために、ウェットエッチングを用いているので、受光素子の製作に手間がかかる。
【００６５】
また、十分長い時間でのウェットエッチングを行った際に形成される光入射端面１０の傾斜角は結晶の方位性からほぼ５４度と決まっているが、実際にウェットエッチングされる時間が短かすぎるとこの角度に達せず、図１６に示すように、５４度より大きくなってしまう。
【００６６】
この場合には、光の一部しか光吸収層４に照射されず、効率が劣化する。
【００６７】
逆に、ウェットエッチングされる時間が長すぎると、図１７に示すように、この角度５４度を保ったまま光入射端面１０が後退してしまうため、光入射端面１０と光吸収層４との間の距離Ｌが設計値よりも短くなってしまう。
【００６８】
この場合にも、一部の光しか光吸収層４に照射されず、やはり効率が劣化する。
【００６９】
そして、実際の半導体受光素子の製作においては、このエッチングの制御が難しく、端面屈折型の半導体受光素子の製造上の歩留まりを制限する要因の一つとなっている。
【００７０】
そこで、光入射端面１０をウェットエッチングではなく、へき開により形成することにより、図１４に示した端面屈折型の半導体受光素子における斜めの光入射端面１０の代わりに、入射光と光入射端面１０の相対角度を６０度に設定した半導体受光素子が提案されている（特許文献２参照）。
【００７１】
すなわち、図１８に示すように、この半導体受光素子では、光入射端面１０がへき開で形成されるため、光入射端面１０が半導体受光素子の上面あるいは下面に対して垂直であるので、光入射端面１０の形成は極めて容易である。
【００７２】
そして、この半導体受光素子では、図１８に示すように、ｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板６の上面に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。
【００７３】
このコンタクト層２の上面には、ｐ電極１が取付けられている。
【００７４】
上記基板６の下面には、ｎ電極７が取付けられている。
【００７５】
そして、この半導体受光素子は、筐体１２によって固定されている。
【００７６】
この筐体１２に支持された光ファイバ１１から、光入射端面１０に光が入射される。
【００７７】
この図１８に示す光入射端面１０をへき開により形成した半導体受光素子における入射した光の中心の軌跡を図１９を用いて説明する。
【００７８】
光入射端面１０においてスネルの法則から導くことのできる式は、ｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板６の屈折率をｎ₆ とすると、
ｎ₀ ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₆ ｓｉｎθ₂ …（５）
である。
【００７９】
ここで、特許文献３より、θ₁ ＝６０．０度とすると、ｎ₆ ＝３．１５を用いて、式 （５）よりθ₂ ＝１６．０度を得る。
【００８０】
ここで、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５の屈折率ｎ₅ は、ｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板６の屈折率ｎ₆ と等しく、３．１５と仮定すると、θ₄ ＝７４．０度となる。
【００８１】
ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５と光吸収層４との界面では
ｎ₅ ｓｉｎθ₄ ＝ｎ₄ ｓｉｎθ₅ …（６）
が成り立つので、θ₅ ＝５９．９度を得る。
【００８２】
ここで、光吸収層４の屈折率ｎ₄ は３．５としている。
【００８３】
つまり、光吸収層４の中において、光は水平からの角度θ₆ ＝π／２−θ₅ ＝３０．１度で上側に向かって伝播することになる。
【００８４】
従って、光にとっての実効的な吸収長は、吸収層４の厚みの１／ｓｉｎθ₆ ＝２．０倍となる。
【００８５】
ちなみに、光吸収層４の厚みを０．５μｍとすると、光にとっては実効的に約１μｍの吸収長となる。
【００８６】
次に、光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３との界面においてスネルの法則を用いると
ｎ₄ ｓｉｎθ₅ ＝ｎ₃ ｓｉｎθ₇ …（７）
を得る。
【００８７】
正孔は質量が重いので、正孔が多数キャリアであるｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ はノンドープＩｎＰのものと同じであるからｎ₃ ＝３．１７とすると、式（７）よりθ₇ ＝７２．８度と求まる。
【００８８】
言いかえると、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の中において、光は水平からの角度θ₈ ＝π／２−θ₇ ＝１７．２度で伝播する。
【００８９】
光はその後、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２に入射する。
【００９０】
ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３（屈折率ｎ₃ ）とｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２（屈折率ｎ₂ ）との界面にスネルの法則を用いると、
ｎ₃ ｓｉｎθ₇ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₉ …（８）
を得る。
【００９１】
ここで、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２は屈折率ｎ₂ が光吸収層４と同じ（ｎ₂ ＝ｎ₄ ）であることから、直ちにθ₉ ＝θ₅ を得る。
【００９２】
つまり、光にとっては、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２を伝播する間にも、その厚みの１／ｓｉｎθ₆ ＝２．０倍の距離において、さらに吸収される。
【００９３】
ちなみに、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の厚みを０．３μｍとすると、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２における実効的な吸収長は、０．６０μｍとなる。
【００９４】
ところが、このｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２は２×１０¹⁸cm^-3から２×１０¹⁹cm^-3と高い濃度でドープされており、電界が加わらない。
【００９５】
このため、前述したように、発生した電子や正孔などのキャリアは再結合してしまい電流として無駄になるか、あるいは、高周波光信号に追従することができず、この半導体受光素子の周波数応答特性が劣化する。
【００９６】
光吸収層４の厚みが０．５μｍ程度であることを考えると、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の厚みは無視できないほど厚く、このｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の吸収による効率と周波数応答特性の劣化は重要な問題となっている。
【００９７】
このように、図１４に示す半導体受光素子と、図１８に示す半導体受光素子とも、光は光吸収層４を斜めに上方へ通過した後、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３を通り抜けて、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２における吸収の影響を受けているため光の電気信号への変換効率と周波数応答特性が悪いという問題を有している。
【００９８】
さらに、これらの半導体受光素子の製造においては、通常、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２として、まず、Ｎｉ／Ｚｎ／Ａｕなどの金属を蒸着している。
【００９９】
そして、この後、４００℃近くに温度を上げて、これらの金属をｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２と合金化（アロイ化あるいはシンタリングと呼んでいる）させることにより、オーミックコンタクトが得られる。
【０１００】
その際、上述した金属成分がｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の内部に入り込むため、コンタクト層２の結晶性が劣化するとともに、ｐ電極１とｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓのコンタクト層２との界面の平滑性が極めて悪くなる。
【０１０１】
そのため、これらの領域に光が達すると、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２による光電変換に寄与しない多くのキャリアが発生してしまうだけでなく、光の散乱損失も大きく、結果的に半導体受光素子としての光電変換の効率と周波数応答特性が悪くなってしまう。
【０１０２】
このように、図１４と図１８に示す従来の半導体受光素子では、幾何光学におけるスネルの法則に従って、光は光吸収層４を通り抜けるので、光の電気信号への変換効率が低く、かつ周波数応答特性が劣化するという問題を有している。
【０１０３】
【特許文献１】
特開平１１−１９５８０７号公報
【０１０４】
【特許文献２】
特開２０００−２４３９８４号公報
＜発明の開示＞
本発明の目的は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、下部クラッド層と上部クラッド層との屈折率を調整することによって、光吸収層内へ入射した光をこの光吸収層内を繰り返し伝搬させることができるようにし、光入射端面から入射された光の電気信号への変換効率と周波数応答特性を大幅に向上させることができるようにした半導体受光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０１０５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によると、
基板（９）と、
所定の屈折率を有して、上記基板の上部に積層され、少なくとも一層で構成される下部クラッド層（１３）と、
上記下部クラッド層の上部に積層される光吸収層（４）と、
上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有して、上記光吸収層の上方に積層され、少なくとも一層で構成される上部クラッド層（３）と、
上記基板及び上記下部クラッド層の両方に提供され、所定角度をなして光を入射させることにより、上記光吸収層で該光を吸収させて電流として出力させることを可能とする光入射端面（１０）とを備え、
上記光入射端面を提供する上記基板及び上記下部クラッド層の両方に入射される上記光が上記下部クラッド層の屈折率を感じることにより、上記光の等価屈折率が高くなり、上記光の等価屈折率が、上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有する上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも大になるとともに、
上記所定角度が、上記光吸収層に入射された光を上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の下面で反射させることを可能とする角度であることにより、
上記光を上記光吸収層内で繰り返し伝搬させることを可能とする半導体受光素子が提供される。
【０１０６】
上記目的を達成するために、本発明の第２の態様によると、
上記光は、上記光入射端面に対して斜めに入射し、さらに上記光吸収層に対して斜めに入射して伝播した後、
上記光吸収層の上側の界面もしくは上記光吸収層の上側に位置する上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の界面において反射され、
再び、上記光吸収層を斜め下方に伝播する第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１０７】
上記目的を達成するために、本発明の第３の態様によると、
上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度が９０度である第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１０８】
上記目的を達成するために、本発明の第４の態様によると、
上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度である第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１０９】
上記目的を達成するために、本発明の第５の態様によると、
上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度である第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１０】
上記目的を達成するために、本発明の第６の態様によると、
上記下部クラッド層が４元組成の半導体材料からなる第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１１】
上記目的を達成するために、本発明の第７の態様によると、
上記光入射端面に入射する光にとって、上記下部クラッド層の等価屈折率が上記上部クラッド層の屈折率よりも高くなるように、上記下部クラッド層は屈折率の高い層と低い層の組合せからなる第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１２】
上記目的を達成するために、本発明の第８の態様によると、
上記下部クラッド層がｎ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｐ型の半導体材料からなる第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１３】
上記目的を達成するために、本発明の第９の態様によると、
上記下部クラッド層がｐ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｎ型の半導体材料からなる第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１４】
上記目的を達成するために、本発明の第１０の態様によると、
上記光の上記光入射端面に対する入射位置と入射角度との少なくとも一方を調整することにより、この入射した光が上記光吸収層に照射されるようにした第１の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１５】
上記目的を達成するために、本発明の第１１の態様によると、
上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記半導体受光素子は、上記基板の下側に配置されたくさび型の台座（１４）によって傾斜されている第２の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１６】
上記目的を達成するために、本発明の第１２の態様によると、
上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記半導体受光素子を水平に保持する筐体（１２）を設け、光ファイバ（１１）から上記光入射端面に光を傾斜させて入射させている第２の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１７】
上記目的を達成するために、本発明の第１３の態様によると、
上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記基板の下側に配置されたくさび型の台座（１４）によって傾斜されている上記半導体受光素子を保持する筐体（１２）を設け、光ファイバ（１１）から上記光入射端面に光を傾斜させて入射させている第２の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１８】
上記目的を達成するために、本発明の第１４の態様によると、
上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記半導体受光素子を保持する筐体（１２）を設け、上記筐体に、レンズ（１７）が内部に固定されているレンズホルダ（１６）を設け、上記レンズホルダの中に入っている光ファイバ（１１）から上記光入射端面に光を傾斜させて入射させていることにより、入射光が上記光入射端面に入射する際の位置と傾きの少なくとも一方を調整可能としている第２の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１１９】
上記目的を達成するために、本発明の第１５の態様によると、
上記半導体受光素子は、上記基板の下側に配置されたくさび型の台座（１４）によって傾斜されている第１４の態様に従う半導体受光素子が提供される。
【０１２０】
上記目的を達成するために、本発明の第１６の態様によると、
基板（９）を準備し、
上記基板の上部に、所定の屈折率を有して、少なくとも一層で構成される下部クラッド層（１３）を積層し、
上記下部クラッド層の上部に光吸収層（４）を積層し、
上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有して、上記光吸収層の上方に少なくとも一層で構成される上部クラッド層（３）を積層し、
上記基板及び上記下部クラッド層の両方に、所定角度をなして光を入射させることにより、上記光吸収層で該光を吸収させて電流として出力させることを可能とする光入射端面（１０）を提供し、
上記光入射端面を提供する上記基板及び上記下部クラッド層の両方に入射される上記光が上記下部クラッド層の屈折率を感じることにより、上記光の等価屈折率が高くなり、上記光の等価屈折率が、上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有する上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも大になるとともに、
上記所定角度が、上記光吸収層に入射された光を上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の下面で反射させることを可能とする角度であることにより、
上記光を上記光吸収層内で繰り返し伝搬させることを可能とする半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２１】
上記目的を達成するために、本発明の第１７の態様によると、
上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度が９０度である第１６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２２】
上記目的を達成するために、本発明の第１８の態様によると、
上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度である第１６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２３】
上記目的を達成するために、本発明の第１９の態様によると、
上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度である第１６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２４】
上記目的を達成するために、本発明の第２０の態様によると、
上記下部クラッド層が４元組成の半導体材料からなる第１６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２５】
上記目的を達成するために、本発明の第２１の態様によると、
上記光入射端面に入射する光にとって、上記下部クラッド層の等価屈折率が上記上部クラッド層の屈折率よりも高くなるように、上記下部クラッド層は屈折率の高い層と低い層の組合せからなる第１６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２６】
上記目的を達成するために、本発明の第２２の態様によると、
上記下部クラッド層がｎ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｐ型の半導体材料からなる第１６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２７】
上記目的を達成するために、本発明の第２３の態様によると、
上記下部クラッド層がｐ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｎ型の半導体材料からなる第１６の態様に従う半導体受光素子の製造方法が提供される。
【０１２８】
＜発明を実施するための最良の形態＞
まず、本発明の各実施の形態を説明するまえに、本発明の基本的な考え方を導くために、図１４と図１８に示した従来の半導体受光素子について述べている上記特許文献１と特許文献２における考察に使用された幾何光学を用いて、多層膜構成の場合の光の屈折（つまり、光は通り抜ける）と反射の問題について考える。
【０１２９】
今、図１に示すように１、２、３、………、ｋ、ｋ＋１種の媒質からなる多層膜を考える。
【０１３０】
これらの各媒質１、２、３、………、ｋ、ｋ＋１の境界においてスネルの法則を適用すると、
媒質１と媒質２の境界では、
ｎ₁ ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ｓｉｎθ₂ …（９）
が得られる。
【０１３１】
媒質２と媒質３の境界では、
ｎ₂ ｓｉｎθ₂ ＝ｎ₃ ｓｉｎθ₃ …（１０）
が得られる。
【０１３２】
媒質３と媒質４の境界では、
ｎ₃ ｓｉｎθ₃ ＝ｎ₄ ｓｉｎθ₄ …（１１）
が得られる。
【０１３３】
以下、同様にして
媒質ｋ−２と媒質ｋ−１の境界では、
ｎ_k-2 ｓｉｎθ_k-2 ＝ｎ_k-1 ｓｉｎθ_k-1 …（１２）
が得られる。
【０１３４】
媒質ｋ−１と媒質ｋの境界では、
ｎ_k-1 ｓｉｎθ_k-1 ＝ｎ_k ｓｉｎθ_k …（１３）
が得られる。
【０１３５】
媒質ｋと媒質ｋ＋１の境界では、
ｎ_k ｓｉｎθ_k ＝ｎ_k+1 ｓｉｎθ_k+1 …（１４）
が得られる。
【０１３６】
そして、式（９）に式（１０）を代入して得られる式に、さらに式（１１）を代入するという手順を繰り返すと、式（９）乃至式（１４）を用いて、最終的に、次の式（１５）が得られる。
【０１３７】
ｎ₁ ｓｉｎθ₁ ＝ｎ_k+1 ｓｉｎθ_k+1 …（１５）
この式（１５）において、θ_k+1 ＝９０度の場合には、ｓｉｎθ_k+1 ＝１となるので、
ｎ₁ ｓｉｎθ₁ ＝ｎ_k+1 …（１６）
あるいは、
ｓｉｎθ₁ ＝（ｎ_k+1 ／ｎ₁ ）＜１ …（１７）
となる。
【０１３８】
ここで、式（１７）を満たす実数のθ₁ が存在すれば、光は図１のｋ層とｋ＋１層の境界で反射される。
【０１３９】
つまり、ｋ層が光吸収層であれば、ｋ層とｋ＋１層の境界に達した光は光吸収層の外に出ず、光吸収層の中に戻り、その中を伝播する間に再度吸収されることになる。
【０１４０】
式（１７）を満足するθ₁ のことを臨界角と呼ぶ（幾何光学においては、全反射を生じるための臨界角とも言う）。
【０１４１】
よって、この状況を実現することができれば、図１３や図１７に示した光吸収層４を通過し、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２に光が吸収されてしまう従来の半導体受光素子と比較して、光の電気信号への変換効率を大幅に改善することができることになる。
【０１４２】
なお、式（１７）において、ｓｉｎθ₁ ＝１の場合には、θ₁ ＝９０度、つまり層に平行に入射する場合に対応しており、ここでは除去して考える。
【０１４３】
さて、式（１７）が成り立つ条件について考察する。
【０１４４】
式（１７）からわかるように、実数のθ₁ が存在する条件とは、
（ｎ_k+1 ／ｎ₁ ）＜１ …（１８）
である。
【０１４５】
つまり、層の総数がｋ＋１で光吸収層がｋ番目の層であると仮定すると、光が最初に存在する媒質の屈折率ｎ₁ がｋ＋１番目の層の屈折率ｎ_k+1 よりも大きい場合には、光は光吸収層とｋ＋１番目の層の界面において光吸収層内に幾何光学の意味において全反射される入射角θ₁ が存在することになる。
【０１４６】
ここで、図１４と図１８及び図１５と図１９に示した従来の半導体受光素子について再度考察してみる。
【０１４７】
図１５に示した半導体受光素子におけるｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５の屈折率ｎ₅ と、図１９に示した半導体受光素子におけるｎ⁺ −ＩｎＰからなる基板６の屈折率ｎ₆ とは３．１５であり、図１５と図１９のｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ （＝３．１７）より低いので、図１４と図１８に示した従来の半導体受光素子においては、光は光吸収層４を幾何光学におけるスネルの法則に従って通り抜ける。
【０１４８】
つまり、これらの従来の半導体受光素子においては光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３との界面において光が幾何光学の意味において全反射されることは、原理的に不可能である。
【０１４９】
以下、以上のような基本的な考え方に基づく本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【０１５０】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【０１５１】
図２において、図１４に示した従来の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０１５２】
すなわち、図２に示すように、半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩｎＰ）材料で形成された基板９上には、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が積層されている。
【０１５３】
そして、このコンタクト層２の上側には、電気信号を取出すためのｐ型電極１が取付けられている。
【０１５４】
また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３には、同じく電気信号を取出すためのｎ型電極７が取付けられている。
【０１５５】
さらに、基板９の下側に配置されたくさび型の台座１４によって、半導体受光素子は傾斜されている。
【０１５６】
そして、この半導体受光素子においては、基板９と下部クラッド層１３の端面で形成される光入射端面１０と下部クラッド層１３の上面（光吸収層４の下面）とのなす角度は９０度に設定されている。
【０１５７】
具体的には、光入射端面１０は、へき開によって形成されている。
【０１５８】
そして、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３には、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３（屈折率ｎ₃ ＝３．１７）よりも屈折率の高い材料、例えば、バンドギャップ波長１．３μｍの４元組成の材料（屈折率ｎ₁₃＝３．３９）が採用されている。
【０１５９】
なお、実際のデバイスにおいては、オーミックコンタクトを実現するためにｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が用いられるので、ここにおいてもその使用を想定している。
【０１６０】
図３は、この第１の実施の形態の半導体受光素子における光の中心の軌跡を示す図である。
【０１６１】
ここで、重要なことは、光は、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３よりも高い屈折率を有するｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３に入射されていることである。
【０１６２】
以下、各媒質の境界においてスネルの法則を適用すると、 光入射端面１０では、
ｎ₀ ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₁₃ｓｉｎθ₂ …（１９）
が得られる。
【０１６３】
下部クラッド層１３と光吸収層４の境界では、
ｎ₁₃ｓｉｎθ₄ ＝ｎ₄ ｓｉｎθ₅ …（２０）
が得られる。
【０１６４】
最終的に、光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の界面で光が幾何光学の意味において全反射されるためには、スネルの法則から得られる下記の反射条件
ｎ₄ ｓｉｎθ₅ ＝ｎ₃ …（２１）
が成り立つことが必要である。
【０１６５】
ちなみに、光吸収層４の屈折率ｎ₄ は３．５、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ は３．１７なので、光吸収層４内でのθ₅ の臨界角θ_5Cは式（２１）よりθ_5C＝６４．９度（あるいはθ_6C＝π／２−６４．９度＝２５．１度）となる。
【０１６６】
一方、式（２１）を式（２０）に代入することにより、反射条件を
ｎ₁₃ｓｉｎθ₄ ＝ｎ₃ …（２２）
とも書きかえることができる。
【０１６７】
ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ は３．１７、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の屈折率ｎ₁₃は３．３９であるから、光が吸収層４内において反射を得るためのθ₄ の臨界角θ_4Cは６９．２度（あるいはθ₂ の臨界角θ_2Cは２０．８度）となる。
【０１６８】
つまり、光入射端面１０に入射後、屈折した光が光入射端面１０の法線となす角θ₂ がこの２０．８度以内であれば、光は光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３との界面において反射され、再度、光吸収層４を伝播し、吸収される。
【０１６９】
先に説明した従来の半導体受光素子と比較すると、本実施の形態による半導体受光素子において光吸収層４内を伝播する光の傾きが従来の半導体受光素子の場合と比較して小さいので、光の実効的な吸収長が長くなる。
【０１７０】
さらに、本実施の形態の半導体受光素子では、光は反射されるので実効的な吸収長は倍化され、半導体受光素子としての変換効率が大幅に改善される。
【０１７１】
例として、光の光入射端面１０に対する入射角θ₁ が１０度の場合について考えてみる。
【０１７２】
光入射端面１０におけるスネルの法則より、
ｎ₀ ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₁₃ｓｉｎθ₂ …（２３）
が成り立つ。
【０１７３】
そして、空気の屈折率ｎ₀ が１であることを考慮すると、式（２３）のθ₂ は、２．９度となる。
【０１７４】
したがって、θ₄ ＝π／２−θ₂ ＝８７．１度となる。
【０１７５】
このθ₄ を式（２０）に代入すると、θ₅ ＝７５．３度、つまりθ₆ ＝１４．７度となる。
【０１７６】
よって、本実施の形態の半導体受光素子では、光吸収層４における光の反射の臨界角θ_6C＝２５．１度以内であることを確認することができる。
【０１７７】
さらに、本実施の形態の半導体受光素子では、光吸収層４内を光が伝播する角度を小さく設定できることと、この幾何光学の意味における光の全反射を用いることにより、従来の半導体受光素子と比較して、光の吸収効率を大幅に改善することができる。
【０１７８】
例えば、本実施の形態の半導体受光素子では、入射角θ₁ が１０度の場合、光の実効的な吸収長は、光吸収層４の厚みの１／ｓｉｎ（１４．７度）×２（反射分）＝７．９倍にもなるので、光の吸収効率を大幅に改善することができる。
【０１７９】
前述したように、従来の半導体受光素子では光の実効的な吸収長は光吸収層４の厚みの約２倍であったから、本実施形の態の半導体受光素子を使用することにより、光の吸収効率を大幅に改善することができる。
【０１８０】
また、本実施の形態の半導体受光素子では、実効的な吸収長を同じとするならば、光吸収層４の幾何学的な長さを短くできるので、キャパシタンスを減らすことができ、ＣＲ時定数から制限される帯域を大幅に改善することができる。
【０１８１】
なお、本実施の形態の半導体受光素子では、光の入射角θ₁ を最適化すればさらなる改善が期待される。
【０１８２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【０１８３】
図４において、図２に示した第１の実施の形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０１８４】
この第２の実施の形態の半導体受光素子では、図２に示す第１の実施の形態の半導体受光素子における台座１４の代りに、半導体受光素子を水平に保持する筐体１２が設けられている。
【０１８５】
そして、この筐体１２に支持される光ファイバ１１から基板９と下部クラッド層１３の端面で形成される光入射端面１０に光が傾斜されて入射されるようにしている。
【０１８６】
このように構成された半導体受光素子において、光ファイバ１１から光入射端面１０に入射した光は、この光入射端面１０で屈折され、上方にある光吸収層４に斜め下から入射し、吸収される。
【０１８７】
この第２の実施の形態の半導体受光素子においても、光が入射されるｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の屈折率ｎ₁₃が、光吸収層４の上側に位置するｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ よりも高く設定されている。
【０１８８】
ここで、屈折率が高い下部クラッド層１３に光が入射されることが望ましいが、光にとっての等価屈折率が上部クラッド層３の屈折率よりも高くなるように、下部クラッド層１３と基板９の両方に光が入射されるようにしても本発明を実施できる。
【０１８９】
この場合には、下部クラッド層１３の厚みを薄くでき、製造が容易となる。
【０１９０】
なお、この考えは本発明の第２の実施の形態のみならず、第１の実施の形態を含め本発明の他の実施形態にも適用可能である。
【０１９１】
なお、この第２の実施の形態の半導体受光素子においては、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４とｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３との間に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５を介在させている。
【０１９２】
しかるに、この下部クラッド層５はその厚みが１μｍ程度以下と薄ければ光の経路に与える影響は小さいので、実質的に、この下部クラッド層５を除去することも可能である。
【０１９３】
したがって、光吸収層４への入射角を小さくし、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３（屈折率ｎ₃ ）と光吸収層４との界面において光が反射されるので、本実施の形態においても光吸収層４内を伝播する光の傾きが従来の半導体受光素子と比較して小さいので、光の実効的な吸収長を長くすることができる。
【０１９４】
さらに、本実施の形態においても、光は界面において反射されるので、実効的な吸収長は倍化され半導体受光素子としての効率が大幅に改善される。
【０１９５】
なお、本実施の形態においては、光ファイバ１１の代わりにレンズ系を用いて光を斜め下から入射させても良いことは言うまでもない。
【０１９６】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【０１９７】
図５において、図４に示した第２の実施の形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０１９８】
この第３の実施の形態の半導体受光素子においては、図４に示す第２の実施の形態の半導体受光素子における筐体１２と基板９との間にくさび型の台座１４を介在させることにより、光入射端面１０が傾斜されている。
【０１９９】
このように、光入射端面１０を傾斜させることによって、筐体１２にフェルール２０を介して取り付ける光ファイバ１１の角度が水平に近くなり、所望の角度が容易に実現できる利点がある。
【０２００】
この第３の実施の形態においても、光が入射するｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の屈折率ｎ₁₃を光吸収層４の上側に位置するｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ よりも高くすることにより、光の光吸収層４への入射角を小さくし、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３（屈折率ｎ₃ ）と光吸収層４との界面において光を反射させている。
【０２０１】
したがって、この第３の実施の形態においても、光吸収層４内を伝播する光の傾きが前述した従来の各半導体受光素子の場合と比較して小さいので、光の実効的な吸収長を長くすることができる。
【０２０２】
さらに、この第３の実施の形態においても、光は界面で反射されるので、実効的な吸収長は倍化され半導体光受光素子としての変換効率を大幅に改善することができる。
【０２０３】
なお、この第３の実施の形態においても、光ファイバ１１の代わりにレンズ系を用いて光を斜め下から入射させても良いことは言うまでもない。
【０２０４】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【０２０５】
図６において、図２に示した第１の実施の形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０２０６】
この第４の実施の形態の半導体受光素子においては、基板９とｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の端面からなる光入射端面１０が、図１２に示した従来の半導体受光素子の場合と同様に、ウエットエッチングによって形成されている。
【０２０７】
従って、光入射端面１０と下部クラッド層１３の上面（光吸収層４の下面）とのなす角度は、結晶方位で定まる約５４度である。
【０２０８】
さらに、この第４の実施の形態においても、光吸収層４への小さな入射角を実現するために、台座１４を用いて半導体受光素子全体を傾斜させている。
【０２０９】
また、この第４の実施の形態の半導体受光素子においても、光が入射するｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の屈折率ｎ₁₃を光吸収層４の上側に位置するｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ よりも高くすることにより、光の光吸収層４への入射角を小さくし、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３（屈折率ｎ₃ ）と光吸収層４との界面において、光が反射するようにしている。
【０２１０】
従って、この第４の実施の形態においても、光吸収層４内を伝播する光の傾きが前述した従来の各半導体受光素子の場合と比較して小さいので、光の実効的な吸収長を長くすることができる。
【０２１１】
さらに、この第４の実施の形態においても、光は界面で反射されるので、実効的な吸収長は倍化され半導体光受光素子としての変換効率を大幅に改善することができる。
【０２１２】
（第５の実施の形態）
図７は、本発明の第５の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【０２１３】
図７において、図６に示した第４の実施の形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０２１４】
この第５の実施の形態の半導体受光素子においては、基板９とｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の端面からなる光入射端面１０が、図６に示した第４の実施の形態の半導体受光素子の場合と同様に、ウエットエッチングによって形成されている。
【０２１５】
しかし、この第５の実施の形態においては、このウエットエッチングの時間が規定時間より短く設定されている。
【０２１６】
従って、この第５の実施の形態の半導体受光素子においては、光入射端面１０と下部クラッド層１３の上面（光吸収層４の下面）とのなす角度は、９０度未満でかつ結晶方位で定まる約５４度より大きな角度である。
【０２１７】
なお、この場合、約５４度より大きな角度は、結晶方位を選択することによっても実現することができる。
【０２１８】
さらに、この第５の実施の形態の半導体受光素子においては、光が入射するｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の屈折率ｎ₁₃を光吸収層４の上側に位置するｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ りも高く設定することによって、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３（屈折率ｎ₃ ）と光吸収層４との界面において、光が反射するようにしている。
【０２１９】
一例として、光入射端面１０の傾きの角度（光入射端面１０が光受光素子の上面となす角度）を５４度よりも大きな例えば６５度とし、バンドギャップ波長が１．３μｍであるｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３を用い、光が、半導体受光素子の上面 （下部クラッド層１３の上面又は光吸収層４の下面）に平行に入射するようにしている。
【０２２０】
この場合、光吸収層４内において光は２２．８度の角度で上方斜めに伝播する。
【０２２１】
そして、この光吸収層４内において反射を生じる臨界角２５．１度（この臨界角２５．１度は、本発明の第１の実施の形態の説明の際にθ_6Cとして説明したものに相当する）よりも小さいので、光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の界面において、光が反射されることになる。
【０２２２】
なお、上述したように、光入射端面１０の傾き６５度とバンドギャップ波長が１．３μｍであるｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の組合せだけでなく、光入射端面１０の傾きの角度やｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層（あるいはｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓなどｎ−ＩｎＰよりも屈折率が高いその他の材料からなるクラッド層）１３の屈折率を適切に選ぶことにより、広い範囲の条件において光の反射を実現することができる。
【０２２３】
あるいは、十分なエッチング時間を設定した場合においても、光入射端面１０の傾きと下部クラッド層１３の屈折率を適切に選ぶことによって、本実施の形態を実現することができる。
【０２２４】
この場合、光入射端面１０の傾きが５８度程度でも本実施形態を実現できることが確認されている。
【０２２５】
また、第５の実施の形態の場合には、図６の第４の実施の形態では必要であった台座１４が不要となり、実装が容易となる。
【０２２６】
（第６の実施の形態）
図８は、本発明の第６の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【０２２７】
図８において、図２に示した第１の実施の形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０２２８】
この第６の実施の形態の半導体受光素子においては、下部クラッド層を、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる複数の下部クラッド層１５と、複数のｎ−ＩｎＰからなる複数の下部クラッド層５とを交互に組合わせた構成とすることにより、この半導体受光素子に光が入射する際に、この光が感じる等価屈折率をｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率よりも大きくしている。
【０２２９】
このように、下部クラッド層を異なる材料で多層構造とすることにより、基板９上に下部クラッド層を結晶成長で形成していく製造工程における結晶性の改善による製造効率を向上させることが可能である。
【０２３０】
なお、屈折率の高い下部クラッド層１５と屈折率の低い下部クラッド層５（ここでは、ｎ−ＩｎＰとしたが、その他の媒質でも良い）とを各一層とし、前者を後者の下方に配置させても良いことは言うまでもない。
【０２３１】
（第７の実施の形態）
図９は、本発明の第７の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【０２３２】
図９において、図５に示した第３の実施の形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０２３３】
この第７の実施の形態の半導体受光素子においては、レンズホルダ１６にレンズ１７が固定されており、このレンズホルダ１６の中に光ファイバ１１が入っている。
【０２３４】
この場合、光ファイバ１１は、フェルール２０に固定した後、ホルダ１８に入れられる。
【０２３５】
そして、この第７の実施の形態の半導体受光素子においては、レンズホルダ１６とフェルール２０すなわち光ファイバ１１との相対的な位置関係を光ファイバ１１の中心とレンズ１７の中心を垂直方向にずらすことにより、入射光が光入射端面１０に入射する際の位置と傾きの少なくとも一方を調整できるので、ひいては入射光を効率良く光吸収層４に照射することができる。
【０２３６】
なお、この第７の実施の形態の半導体受光素子は図５に示した第３の実施の形態を応用したが、台座１４を用いない実施の形態を含め他の各実施の形態にも応用できることは勿論である。
【０２３７】
なお、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではない。
【０２３８】
すなわち、本発明では、光が入射する部分の屈折率を光吸収層の上側のクラッド層の屈折率よりも高くすることが基本的な考え方なので、以上の全ての実施形態におけるｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３、１５の代りに、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３よりも屈折率が高い他の材料を全て使用することができる。
【０２３９】
例えば、バンドギャップ波長が１．３μｍ以外のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ材料やその他ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ、ｎ−ＩｎＡｌＡｓなどを用いても良いことは言うまでもない。
【０２４０】
さらに、以上において説明した各実施の形態では、光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の界面において光は反射されるとしたが、コンタクト層２に光が入射する前に反射されるような層構成であれば、本発明の実施の形態であると考えられる。
【０２４１】
このような層構成の一例としては、光吸収層４の上側にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（あるいはｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓやｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ）のように、屈折率がＩｎＰよりも高い層を形成し、その上にｐ−ＩｎＰを形成した構造が考えられる。
【０２４２】
さらに、以上の各実施の形態においては光吸収層４の下側にｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５があるものとないものを示したが、このｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５は除去することが可能である。
【０２４３】
また、本発明の全ての実施の形態について、光を半導体受光素子に入射させるには、先球ファイバ、平面ファイバなどの他、レンズ系を用いても良いことは言うまでもないし、使用波長は１．５５μｍのみでなく、その他の波長でも良いことは言うまでもない。
【０２４４】
さらに、光吸収層４の材料としては、ｐ−ＩｎＧａＡｓの他、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓなどの４元混晶のほか、各種多重量子井戸でも良いことは言うまでもない。
【０２４５】
また、下部クラッド層５として、ｎ−ＩｎＰ層を想定したが、ｉ−ＩｎＰでも良いし、下部クラッド層１３よりも屈折率が高い、あるいは低いＩｎＧａＡｓＰなどその他の材料でも良い。
【０２４６】
さらに、図１から図９に示した本発明の各実施の形態では光入射端面１０の上側のエッジから光吸収層４の端面間での距離が零でないように図を描いているが、実際には、光が光吸収層４に効率良く照射されれば良いので、この距離は零で良いし、零でなくても良い。
【０２４７】
以上において説明した本発明の各実施の形態では光吸収層４がハイメサ構造となっているが、半絶縁性ＩｎＰやｐｎ埋め込みの構造としても良い。
【０２４８】
また、基板としては、主に、半絶縁性ＩｎＰ基板を想定して説明したが、勿論、ｎ⁺ −ＩｎＰ基板でも良い。
【０２４９】
さらに、高濃度のｎタイプの半導体は屈折率がやや小さくなることを利用して、光吸収層４の上にｎ型もしくはｎ⁺ 型の半導体層を、光吸収層の下にｐ型もしくはｐ⁺ 型の半導体層を形成しても良い。
【０２５０】
例えば、光吸収層の上にｎ⁺ −ＩｎＰクラッド層を形成することが考えられる。
【０２５１】
その場合には、以上の各実施の形態において、コンタクト層２をｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓで形成し、上部クラッド層３をｎ⁺ −ＩｎＰで形成し、下部クラッド層５をｐ−ＩｎＰ（ＩｎＰの他にＩｎＧａＡｓＰ などその他の材料でも良い）で形成し（但し、この層はあってもなくても良い）、下部クラッド層１３をｐ−ＩｎＰあるいはｐ−ＩｎＰとしても良いし、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層あるいはｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ層など屈折率を高めることができれば、半絶縁性ＩｎＰなどを含めどの材料でも良いことは言うまでもない。
【０２５２】
さらに、基板９と下部クラッド層１３とを一体と見なし、ｐ⁺ −ＩｎＰ基板を使用しても良い。
【０２５３】
なお、これまでの説明において、下部クラッド層１３は全体を同じ型にドープすると想定していたが一部のみをドープしても良い。
【０２５４】
さらに、オーミックコンタクトを実現する際のアロイ化のために、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２は結晶性が劣化するとともに、ｐ型電極１とｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２の界面も平滑性が極めて悪い。
【０２５５】
ところが、本発明では下側から斜め上に向かって伝播する光を半導体層の界面において斜め下に反射させており、光はこれらｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層２やｐ型電極１とｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層２の影響を受けにくく、光電変換の効率と周波数応答特性が極めて良い。
【０２５６】
ここで、図２に示した本発明の第１の実施の形態による半導体受光素子の実測結果ついて図１０により説明する。
【０２５７】
すなわち、図１０は、入射光の傾きθ₁ が３５度（入射光は、図３に示したように斜め左下から斜め右上方に向っている）の場合に、先球ファイバを光入射端面１０に沿って基板９側から上方に動かした際に得られる光電流の測定値を示している。
【０２５８】
この場合、入力光のパワーは、−８．１ｄＢｍである。
【０２５９】
先球ファイバを基板９側から光入射端面１０に沿って、上方に移動させるにつれ、先球ファイバから出射された光が図３の基板９の他にｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる下部クラッド層１３の高い屈折率を感じだすと、入射光の等価屈折率は高くなる。
【０２６０】
その結果、入射光の等価屈折率は、光吸収層４の上にあるｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率ｎ₃ よりも高くなり、光はｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３との境界において反射されるようになるので、効率が大幅に改善される。
【０２６１】
ここで、光吸収層４の厚みは、０．４μｍである。
【０２６２】
なお、この実験では、光吸収層４、上部クラッド層３、コンタクト層２の端面と光入射端面１０とは同一平面上にある素子を用いている。
【０２６３】
つまり、この素子では光入射端面１０のエッジから光吸収層４までの距離は零である。
【０２６４】
また、図１１は、入射ビームの水平からの傾き角θ₁ と実験的に得られた感度（図１０のピーク値に対応）との関係を示している。
【０２６５】
この図１１からは、θ₁ が２０度から５０度の付近で大きくなり、反射防止コート無しで約０．７Ａ／Ｗ弱（反射防止コートすれば０．９Ａ／Ｗ以上）と、高い感度が得られていることが分かる。
【０２６６】
なお、５度から１０度の小さなθ₁ において、効率が低いのは、光吸収層４と下部クラッド層１３との屈折率差に起因するフレネル反射により、光吸収層４の中に入る光の量が少なくなるためであると考えられる。
【０２６７】
以上説明したように、本発明の半導体受光素子では、光が入射する下部クラッド層の屈折率が、光吸収層の上側に位置する上部クラッド層の屈折率よりも高く設定されている。
【０２６８】
従って、本発明の半導体受光素子では、光吸収層への入射角が小さくなるように、光入射端面への光の入射角を設定することにより、光吸収層内へ入射した光をこの光吸収層内を繰り返し伝搬させることができ、光入射端面から入射された光の電気信号への変換効率と周波数応答特性を大幅に向上させることができる。
【０２６９】
以上のような本発明によれば、下部クラッド層と上部クラッド層との屈折率を調整することによって、光吸収層内へ入射した光をこの光吸収層内を繰り返し伝搬させることができるようにし、光入射端面から入射された光の電気信号への変換効率と周波数応答特性を大幅に向上させることができるようにした半導体受光素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の半導体受光素子の動作原理を説明するための図であり、
【図２】 図２は、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図３】 図３は、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体受光素子の動作を説明するための図であり、
【図４】 図４は、本発明の第２の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図５】 図５は、本発明の第３の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図６】 図６は、本発明の第４の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図７】 図７は、本発明の第５の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図８】 図８は、本発明の第６の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図９】 図９は、本発明の第７の実施の形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図１０】 図１０は、本発明の第１の実施の形態に係わる半導体受光素子による光電流の実測結果を説明するために示す光電流の測定図であり、
【図１１】 図１１は、本発明の半導体受光素子による実測結果を説明するために、入射ビームの水平からの傾き角θ₁ と実験的に得られた感度（図１０のピーク値に対応）との関係を示す図であり、
【図１２】 図１２は、従来の半導体受光素子の概略構成を示す斜視図であり、
【図１３】 図１３は、従来の半導体受光素子の問題点を説明するための図であり、
【図１４】 図１４は、他の従来の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図１５】 図１５は、他の従来の半導体受光素子の動作を説明するための図であり、
【図１６】 図１６は、従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図１７】 図１７は、従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図１８】 図１８は、従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図であり、
【図１９】 図１９は、従来のさらに別の従来の半導体受光素子の動作を説明するための図である。

Claims (23)

1. 基板と、
   所定の屈折率を有して、上記基板の上部に積層され、少なくとも一層で構成される下部クラッド層と、
   上記下部クラッド層の上部に積層される光吸収層と、
   上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有して、上記光吸収層の上方に積層され、少なくとも一層で構成される上部クラッド層と、
   上記基板及び上記下部クラッド層の両方に提供され、所定角度をなして光を入射させることにより、上記光吸収層で該光を吸収させて電流として出力させることを可能とする光入射端面とを備え、
   上記光入射端面を提供する上記基板及び上記下部クラッド層の両方に入射される上記光が上記下部クラッド層の屈折率を感じることにより、上記光の等価屈折率が高くなり、上記光の等価屈折率が、上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有する上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも大になるとともに、
   上記所定角度が、上記光吸収層に入射された光を上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の下面で反射させることを可能とする角度であることにより、
   上記光を上記光吸収層内で繰り返し伝搬させることを可能とする半導体受光素子。
2. 上記光は、上記光入射端面に対して斜めに入射し、さらに上記光吸収層に対して斜めに入射して伝播した後、
   上記光吸収層の上側の界面もしくは上記光吸収層の上側に位置する上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の界面において反射され、
   再び、上記光吸収層を斜め下方に伝播する請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度が９０度である請求項１に記載の半導体受光素子。
4. 上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度である請求項１に記載の半導体受光素子。
5. 上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度である請求項１に記載の半導体受光素子。
6. 上記下部クラッド層が４元組成の半導体材料からなる請求項１に記載の半導体受光素子。
7. 上記光入射端面に入射する光にとって、上記下部クラッド層の等価屈折率が上記上部クラッド層の屈折率よりも高くなるように、上記下部クラッド層は屈折率の高い層と低い層の組合せからなる請求項１に記載の半導体受光素子。
8. 上記下部クラッド層がｎ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｐ型の半導体材料からなる請求項１に記載の半導体受光素子。
9. 上記下部クラッド層がｐ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｎ型の半導体材料からなる請求項１に記載の半導体受光素子。
10. 上記光の上記光入射端面に対する入射位置と入射角度との少なくとも一方を調整することにより、この入射した光が上記光吸収層に照射されるようにした請求項１に記載の半導体受光素子。
11. 上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記半導体受光素子は、上記基板の下側に配置されたくさび型の台座によって傾斜されている請求項２に記載の半導体受光素子。
12. 上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記半導体受光素子を水平に保持する筐体を設け、光ファイバから上記光入射端面に光を傾斜させて入射させている請求項２に記載の半導体受光素子。
13. 上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記基板の下側に配置されたくさび型の台座によって傾斜されている上記半導体受光素子を保持する筐体を設け、光ファイバから上記光入射端面に光を傾斜させて入射させている請求項２に記載の半導体受光素子。
14. 上記光を、上記光入射端面に対して斜めに入射させるために、上記半導体受光素子を保持する筐体を設け、上記筐体に、レンズが内部に固定されているレンズホルダを設け、上記レンズホルダの中に入っている光ファイバから上記光入射端面に光を傾斜させて入射させていることにより、入射光が上記光入射端面に入射する際の位置と傾きの少なくとも一方を調整可能としている請求項２に記載の半導体受光素子。
15. 上記半導体受光素子は、上記基板の下側に配置されたくさび型の台座によって傾斜されている請求項１４に記載の半導体受光素子。
16. 基板を準備し、
    上記基板の上部に、所定の屈折率を有して、少なくとも一層で構成される下部クラッド層を積層し、
    上記下部クラッド層の上部に光吸収層を積層し、
    上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有して、上記光吸収層の上方に少なくとも一層で構成される上部クラッド層を積層し、
    上記基板及び上記下部クラッド層の両方に、所定角度をなして光を入射させることにより、上記光吸収層で該光を吸収させて電流として出力させることを可能とする光入射端面を提供し、
    上記光入射端面を提供する上記基板及び上記下部クラッド層の両方に入射される上記光が上記下部クラッド層の屈折率を感じることにより、上記光の等価屈折率が高くなり、上記光の等価屈折率が、上記下部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも小さな屈折率を有する上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の屈折率よりも大になるとともに、
    上記所定角度が、上記光吸収層に入射された光を上記上部クラッド層を構成する少なくとも一層の下面で反射させることを可能とする角度であることにより、
    上記光を上記光吸収層内で繰り返し伝搬させることを可能とする半導体受光素子の製造方法。
17. 上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度が９０度である請求項１６に記載の半導体受光素子の製造方法。
18. 上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度である請求項１６に記載の半導体受光素子の製造方法。
19. 上記光入射端面と上記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ上記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度である請求項１６に記載の半導体受光素子の製造方法。
20. 上記下部クラッド層が４元組成の半導体材料からなる請求項１６に記載の半導体受光素子の製造方法。
21. 上記光入射端面に入射する光にとって、上記下部クラッド層の等価屈折率が上記上部クラッド層の屈折率よりも高くなるように、上記下部クラッド層は屈折率の高い層と低い層の組合せからなる請求項１６に記載の半導体受光素子の製造方法。
22. 上記下部クラッド層がｎ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｐ型の半導体材料からなる請求項１６に記載の半導体受光素子の製造方法。
23. 上記下部クラッド層がｐ型の半導体材料からなり、上記上部クラッド層がｎ型の半導体材料からなる請求項１６に記載の半導体受光素子の製造方法。

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