JP3903477B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）の生成により光電変換が行われる半導体受光素子に関し、特に光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能な半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体受光素子であるフォトダイオードは光センシングや光通信等に用いられ、このようなｐｉｎ構造のフォトダイオードは表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００３】
また、ショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードもまた表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００４】
図１２はこのような従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図１２において１はｎ型ＩｎＰ等の基板、２及び６は電極、３はｎ型ＩｎＰ等のバッファ層、４はｎ型ＩｎＧａＡｓ等の光吸収層、５はＳｉＮ等の反射防止膜である。
【０００５】
基板１上にはバッファ層３、光吸収層４及び反射防止膜５が順次形成され、基板１の裏面には電極２が形成される。また、反射防止膜５の一部には電極６が形成される。
【０００６】
入射光は図１２中”ＰＨ０１”に示すように半導体受光素子の表面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極２及び６から光信号電流として取り出される。
【０００７】
また、図１３はこのような従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。図１３において７は半絶縁性ＩｎＰ等の基板、８はポリイミド等の絶縁層、９はｐ電極、１０はｎ電極、１１はＩｎＧａＡｓ等の光吸収層である。
【０００８】
基板７上には絶縁層８、光吸収層１１及びｎ電極１０がそれぞれ形成され、絶縁層８及び光吸収層１１の上部にはｐ電極９が形成される。
【０００９】
入射光は図１３中”ＰＨ１１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｐ電極９及びｎ電極１０から光信号電流として取り出される。
【００１０】
図１４はこのような従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図１４において１２は半絶縁性の基板、１３はコンタクト層、１４は光吸収層、１５はｎ電極、１６は半透明のショットキー接合電極である。
【００１１】
基板１２上にはコンタクト層１３が形成され、コンタクト層１３上の一部には光吸収層１４が形成され、コンタクト層１３の他の部分にはｎ電極１５が形成される。また、光吸収層１４の上にはショットキー接合電極１６が形成される。
【００１２】
入射光は図１４中”ＰＨ２１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｎ電極１５及びショットキー接合電極１６から光信号電流として取り出される。
【００１３】
前述のような構造では、受光面から入射する光強度は光吸収層での光吸収によって減衰して行く。図１５は受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【００１４】
図１５中”ＣＨ３１”に示すように、受光面からの距離が長くなると光吸収が減衰し、また、光吸収によって減衰して光励起キャリア（電子−正孔対）が生成される。
【００１５】
すなわち、図１５中”ＣＨ３１”からも分かるように受光面近傍での光吸収が一番大きい、言い換えれば、受光面近傍の光励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最も高くなる。
【００１６】
このため、入射光の光強度が大きい場合には、光励起キャリア（電子−正孔対）によって半導体受光素子の入射面に損傷が発生してしまう現象が知られている。
【００１７】
従って、従来では光導波路と受光素子を集積化し、光導波路からのエバネッセント光を受光素子に導き入射光の光強度を低減させる構造が考案されている。
【００１８】
図１６はこのような従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。図１６において１７は基板、１８は光導波路、１９は光吸収層、２０はキャップ層である。
【００１９】
基板１７上には光導波路１８が形成され、光導波路１８の一部分の上には光吸収層１９及びキャップ層２０が順次形成される。
【００２０】
このような構成にすることによって半導体受光素子は、図１６中”ＷＧ４１”に示す光導波路部と、図１６中”ＰＤ４１”に示す受光素子部に分離することができる。
【００２１】
一方、ここではエバネッセント光とは、図１６中”ＰＨ４１”に示すような入射光が入射された場合、図１６中”ＥＶ４１”に示すように入射面の近傍であって光導波路１８の外部に染み出す光である。
【００２２】
ここで、図１６中”ＥＶ４１”に示すエバネッセント光において紙面右方向が光強度を示している。
【００２３】
このような、光導波路１８内を順次導波した光はエバネッセント光の吸収があると光強度を減衰させるので、半導体受光素子の入射面に損傷の発生を防止することができる。
【００２４】
すなわち、図１６中”ＥＶ４２”、”ＥＶ４３”及び”ＥＶ４４”に示すように光が光導波路１８を伝播することにより、エバネッセント光が吸収されて伝播する光の光強度を減衰させることが可能になる。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１６に示す従来例であっても光強度を十分に減衰させることができないので、半導体受光素子の最大入射光強度を大きくすることができないと言った問題点があった。
【００２６】
光強度を減衰させるフィルタ等の素子を半導体受光素子の手前に設けることによって入射光の光強度を減衰させることができるものの、検出される光信号電流も小さくなり受光感度（光電変換効率）が低下してしまい、光強度と光信号電流の校正が必要になり、構成も複雑になると言った問題点があった。
【００２７】
さらに、半導体受光素子の受光面での単位面積当たりの光強度を下げるために入射光のビーム径を広げた場合には、ノイズとなる暗電流の増加や、素子容量増加に伴う応答速度の低下等の素子特性が劣化してしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能な半導体受光素子を実現することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板上に形成され入射光を伝播させる光導波路で構成された光導波路部と、この光導波路部からの光を伝播させる前記光導波路と前記光導波路上の短手方向の両端に形成された光吸収層と前記光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極とから構成され、伝播する前記光の光強度を減衰させる弱光結合部と、この弱光結合部からの光を伝播させる前記光導波路と前記光導波路上に形成された前記光吸収層と前記光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す前記電極とから構成される主検出部とを備えたことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００３２】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って連続的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３３】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って直線的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３４】
請求項４記載の発明は、
請求項２記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って曲線的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３５】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って段階的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３６】
請求項６記載の発明は、
請求項５記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
１段以上の段数を有することにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３７】
請求項７記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記光導波部及び前記弱光結合部を構成する前記光導波路上に前記光導波路の表面よりも屈折率の低い層を形成し、前記弱光結合部の前記屈折率の低い層の上に前記光吸収層を形成したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００３９】
請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ｐｉｎ構造のフォトダイオードに適用したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４０】
請求項９記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ショットキーバリア・フォトダイオードに適用したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４１】
請求項１０記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いて構成したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４２】
請求項１１記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ＩｎＧａＡｌＡｓ系の半導体材料を用いて構成したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図である。
【００４４】
図１において１７，１８，１９及び２０は図１６と同一符号を付してあり、基板１７上には光導波路１８が形成され、光導波路１８の一部分の上には光吸収層１９及びキャップ層２０が順次形成される。
【００４５】
図１に示すような構成では半導体受光素子は、図１中”ＷＧ５１”に示す光導波路部と、図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部に分離される。また、図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部はさらに、図１中”ＣＰ５１”に示す部分は弱光結合部と、図１中”ＭＤ５１”に示す部分には主検出部とに分離される。
【００４６】
すなわち、図１中”ＰＨ５１”に示す入射光は図１中”ＷＧ５１”に示す光導波路部を伝播し、図１中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部を含む図１中”ＰＤ５１”の受光素子部の光吸収層１９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）が電極（図示せず。）から光信号電流として取り出される。
【００４７】
特に、図１中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部は光吸収層１９の光吸収で光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させる。
【００４８】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４及び図５を用いて説明する。図２は本発明に係る半導体受光素子の具体例を示す構成斜視図、図３は半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図、図４は半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図、図５は半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【００４９】
図２に示す構成斜視図において、１７，１８，１９，ＰＨ５１，ＷＧ５１，ＣＰ５１，ＭＤ５１及びＰＤ５１は図１と同一符号を付してあり、２１はｐ電極、２２はｎ電極である。
【００５０】
図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部では、光吸収層１９が光導波路１８の上部の中心部分で”Ｖ字状”にカットされており、光導波路１８の短手方向の両端に形成された光吸収層１９は図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に向うに従って連続的に太くなり、図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に到達する部分で主検出部の光吸収層１８とつながっている。
【００５１】
ここで、さらに、図２中”ＷＧ５１”、”ＣＰ５１”及び”ＭＤ５１”に示す光導波路部、弱光結合部、及び主検出部の構造を図３〜図５に示す断面図を用いて詳細に説明する。
【００５２】
図３において１７は図１及び図２と同一符号を付してあり、２３はＩｎＰ層、２４は吸収端波長λｇが”１．１μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層、２５は吸収端波長λｇが”１．２μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層、２６は吸収端波長λｇが”１．３μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層である。
【００５３】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。但し、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分は後述のｎ電極に接続させるためＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が形成されていない。
【００５４】
図３に示す光導波路部においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が光導波路を形成しており、図２中”ＰＨ５１”に示す入射光が当該光導波路を伝播して行く。
【００５５】
また、図４において１７，２３，２４，２５及び２６は図３と同一符号を付してあり、２７は絶縁層、２８はｎ電極、２９はＩｎＧａＡｓ等の光吸収層、３０はｐ型ＩｎＰ等のキャップ層、３１はｐ電極である。
【００５６】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層２６の短手方向の両端には光吸収層２９、キャップ層３０及びｐ電極３１が順次形成される。
【００５７】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００５８】
図４に示す弱光結合部においては光導波路の両端に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３１から光信号電流として取り出される。
【００５９】
また、図５において１７，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９及び３０は図４と同一符号を付してあり、３２は絶縁層、３３はｐ電極である。
【００６０】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層２６の上には光吸収層２９及びキャップ層３０が順次形成される。
【００６１】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００６２】
さらに、ｎ電極２８が形成されていない側の基板１７上からキャップ層３０にかけてｐ電極３３が形成され、ｐ電極３３と基板１７、ＩｎＰ層２３，ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６、光吸収層２９との間に絶縁層３２が形成される。
【００６３】
図５に示す主検出部においては光導波路の上面に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３３から光信号電流として取り出される。
【００６４】
ちなみに、図５に示すｐ電極３３と図４に示すｐ電極３１は図２に示すように連続して形成されている。
【００６５】
ここで、弱光結合部での動作を図６を用いてさらに詳細に説明する。図６は弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図であり、図６において１７，２３，２４，２５及び２６は図３と同一符号を付してある。
【００６６】
また、図６においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６の各層の膜厚が”０．７μｍ”で、光導波路幅を”６．０μｍ”とした場合の半導体受光素子の右半分の状態を示している。
【００６７】
図６中”ＣＨ６１”に示す光強度分布から、ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６で形成される光導波路の短手方向の中心部分の方が両端部分（図６では一端のみを示しているが光強度分布は左右対称である。）よりも強いことが分かる。言い換えれば、光導波路の短手方向の両端部分の光強度分布が最も弱いことが分かる。
【００６８】
このため、図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部の光吸収層１９でこの光導波路の光強度分布の最も弱い両端の光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させる。
【００６９】
また、光導波路の光強度分布の最も弱い両端の光を吸収して発生した光励起キャリア（電子−正孔対）では、励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最大にはならないので半導体受光素子の入射面の損傷を防止できる。
【００７０】
このように、図２中”ＰＨ５１”に示す入射光は図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部で光導波路の両端の光強度分布の弱い光が順次吸収されながら全体の光強度を減衰させて図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に導かれて行くことになる。
【００７１】
すなわち、図２中”ＰＨ５１”に示す入射光が図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部を伝播することによって、順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度が順次減衰させられて行き、図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に到達する時点では入射光の光強度を弱くすることができる。
【００７２】
また、図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部の光吸収層１９が図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に向うに従って連続的に太くなっているので、光吸収の割合も連続的に大きくなってくるので効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００７３】
さらに、弱光結合部及び主検出部では常に光吸収層が光を吸収して順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させているので、検出される光信号電流が小さくならず、言い換えれば、受光感度（光電変換効率）が低下することを防止できる。
【００７４】
この結果、弱光結合部で光導波路の両端の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００７５】
なお、図２に示す具体例では弱光結合部として弱光結合部の光吸収層１９が光導波路１８の中心部分で”Ｖ字状”にカットすることにより、光導波路の両端の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させているが、伝播する光を光導波路の中心部分に閉じ込めて光導波路表面の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させても構わない。
【００７６】
図７は本発明に係る半導体受光素子の他の具体例を示す構成斜視図である。図７に示す構成斜視図において、１７，１８，１９及び２１は図２と同一符号を付してあり、２２ａはｎ電極である。
【００７７】
また、図７において半導体受光素子は図７中”ＷＧ７１”に示す光導波路部と、図７中”ＰＤ７１”に示す受光素子部に分離される。また、図７中”ＰＤ７１”に示す受光素子部はさらに図７中”ＣＰ７１”に示す部分は弱光結合部と、図７中”ＭＤ７１”に示す部分には主検出部とに分離される。
【００７８】
図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部では、図７中”ＭＤ７１”に示す主検出部と同様に光導波路上全体に光吸収層１９が形成されている。
【００７９】
ここで、図７に示す実施例の動作を図８，図９及び図１０を用いて説明する。図８は半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図、図９は半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図、図１０は半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【００８０】
図８において１７，２３，２４，２５及び２６は図３と同一符号を付してあり、３４は吸収端波長λｇが”１．２μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層である。
【００８１】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５、２６及び３４が順次形成される。但し、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分は後述のｎ電極に接続させるためＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４が形成されていない。
【００８２】
図８に示す光導波路部においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４が光導波路を形成しており、図７中”ＰＨ７１”に示す入射光が当該光導波路を伝播して行く。
【００８３】
また、図９において１７，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０及び３１は図４と同一符号を、３４は図８と同一符号をそれぞれ付してある。
【００８４】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層３４の上には光吸収層２９、キャップ層３０及びｐ電極３１が順次形成される。
【００８５】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００８６】
図９に示す弱光結合部においては光導波路の上部に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３１から光信号電流として取り出される。
【００８７】
また、図１０において１７，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９及び３０は図４と、３２及び３３は図５と同一符号をそれぞれ付してある。
【００８８】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層２６の上には光吸収層２９及びキャップ層３０が順次形成される。
【００８９】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００９０】
さらに、ｎ電極２８が形成されていない側の基板１７上からキャップ層３０にかけてｐ電極３３が形成され、ｐ電極３３と基板１７、ＩｎＰ層２３，ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６、光吸収層２９との間に絶縁層３２が形成される。
【００９１】
図１０に示す主検出部においては光導波路の上面に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３３から光信号電流として取り出される。
【００９２】
ちなみに、図１０に示すｐ電極３３と図９に示すｐ電極３１は図７に示すように連続して形成されている。
【００９３】
図８及び図９に示すようにＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４で形成される光導波路は吸収端波長λｇが”１．３μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層２６を、吸収端波長λｇが”１．２μｍ”である２つのＩｎＧａＡｓＰ層２５及び３４で挟み込む構造になっている。
【００９４】
一方、吸収端波長λｇが長い（バンドギャップエネルギーが小さい）ＩｎＧａＡｓＰほど屈折率が大きくなり、屈折率の大きい層に伝播する光が閉じ込められるため、中心部分である吸収端波長λｇが”１．３μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層２６に光強度部分布が集中することになる。
【００９５】
ここで、弱光結合部での動作を図１１を用いてさらに詳細に説明する。図１１は弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図であり、図１１において１７，２３，２４，２５，２６及び３４は図８と同一符号を付してある。
【００９６】
また、図１１においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４の各層の膜厚が”０．７μｍ”で、光導波路幅を”６．０μｍ”とした場合の半導体受光素子の右半分の状態を示している。
【００９７】
図１１中”ＣＨ８１”に示す光強度分布から、ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４で形成される光導波路の内中心部分であるＩｎＧａＡｓＰ層２６に光強度部分布が集中していることが分かる。言い換えれば、光導波路の表面であるＩｎＧａＡｓＰ層３４の光強度分布が最も弱いことが分かる。
【００９８】
このため、図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部の光吸収層１９でこの光導波路の光強度分布の最も弱い光導波路表面の光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させる。
【００９９】
また、光導波路の光強度分布の最も弱い光導波路表面の光を吸収して発生した光励起キャリア（電子−正孔対）では、励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最大にはならないので半導体受光素子の入射面の損傷を防止できる。
【０１００】
このように、図７中”ＰＨ７１”に示す入射光は図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部で光導波路の光導波路表面の光強度分布の弱い光が順次吸収されながら全体の光強度を減衰させて図７中”ＭＤ７１”に示す主検出部に導かれて行くことになる。
【０１０１】
すなわち、図７中”ＰＨ７１”に示す入射光が図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部を伝播することによって、順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度が順次減衰させられて行き、図７中”ＭＤ７１”に示す主検出部に到達する時点では入射光の光強度を弱くすることができる。
【０１０２】
また、弱光結合部及び主検出部では常に光吸収層が光を吸収して順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させているので、検出される光信号電流が小さくならず、言い換えれば、受光感度（光電変換効率）が低下することを防止できる。
【０１０３】
この結果、光導波路の中心に光強度分布を集中させ、弱光結合部で光導波路表面の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【０１０４】
また、図２に示す実施例では弱光結合部の光吸収層１９が光導波路１８の中心部分で”Ｖ字状”にカット、言い換えれば、光導波路１８の短手方向の両端に形成された光吸収層１９の幅を主検出部に向って連続的に広げて行き、主検出部の光吸収層１９につながっているが、階段状に段階的に光吸収層１９の幅を広げて行っても構わない。この場合、段数として１以上であれば任意の段数で良い。
【０１０５】
また、図２に示す実施例では光吸収層１９の幅を主検出部に向って直線的に広げているが、曲線的に光吸収層１９の幅を主検出部に向って広げて行っても構わない。
【０１０６】
例えば、光吸収層１９の幅を指数関数的な曲線で変化させれば、伝播する光が主検出部に近づくに従い急激にその光強度が減衰し、また逆に、光吸収層１９の幅を対数関数な曲線で変化させれば、伝播する光が光導波路部に近傍で急激にその光強度が減衰するようにすることが可能で、光強度の減衰の割合を制御することが可能になる。
【０１０７】
また、図１等に示す実施例ではｐｉｎ構造のフォトダイオードを例示しているが、ショットキーバリア・フォトダイオードに適用しても構わない。
【０１０８】
また、図１等に示す実施例では半導体材料としてＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いているが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系等の半導体材料を用いても実現することができる。
【０１０９】
また、図１等に示す実施例と同様に光導波路を構成可能な誘電体を用いて光導波路部分を構成しても構わない。
【０１１０】
また、図１等に示す実施例では端面入射（光導波路）型の半導体受光素子を例示して説明しているが、光集積回路内における光導波路内に設けられた受光素子に適用することも可能である。
【０１１１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，８，９，１０及び請求項１１の発明によれば、弱光結合部で光導波路の両端の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリアを発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【０１１２】
また、請求項７，８，９，１０及び請求項１１の発明によれば、光導波路の中心に光強度分布を集中させ、弱光結合部で光導波路表面の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリアを発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【０１１３】
また、請求項２，３，４，５，６，８，９，１０及び請求項１１の発明によれば、弱光結合部の光吸収層が主検出部に向うに従って連続的、若しくは、段階的に太くすることにより、光吸収の割合も連続的に大きくなってくるので効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図である。
【図２】本発明に係る半導体受光素子の具体例を示す構成斜視図である。
【図３】半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図である。
【図４】半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図である。
【図５】半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【図６】弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図である。
【図７】本発明に係る半導体受光素子の他の具体例を示す構成斜視図である。
【図８】半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図である。
【図９】半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図である。
【図１０】半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【図１１】弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図である。
【図１２】従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図１３】従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。
【図１４】従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図１５】受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【図１６】従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１，７，１２，１７ 基板
２，６ 電極
３ バッファ層
４，１１，１４，１９，２９ 光吸収層
５ 反射防止膜
８，２７，３２ の絶縁層
９，１５，２１，３１，３３ ｐ電極
１０，２２，２２ａ，２８ ｎ電極
１３ コンタクト層
１６ ショットキー接合電極
１８ 光導波路
２０，３０ キャップ層
２３ ＩｎＰ層
２４，２５，２６，３４ ＩｎＧａＡｓＰ層
本発明は、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）の生成により光電変換が行われる半導体受光素子に関し、特に光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能な半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体受光素子であるフォトダイオードは光センシングや光通信等に用いられ、このようなｐｉｎ構造のフォトダイオードは表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００３】
また、ショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードもまた表面（若しくは裏面）入射型や端面入射（光導波路）型の２つに大別される。
【０００４】
図１２はこのような従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図１２において１はｎ型ＩｎＰ等の基板、２及び６は電極、３はｎ型ＩｎＰ等のバッファ層、４はｎ型ＩｎＧａＡｓ等の光吸収層、５はＳｉＮ等の反射防止膜である。
【０００５】
基板１上にはバッファ層３、光吸収層４及び反射防止膜５が順次形成され、基板１の裏面には電極２が形成される。また、反射防止膜５の一部には電極６が形成される。
【０００６】
入射光は図１２中”ＰＨ０１”に示すように半導体受光素子の表面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されて電極２及び６から光信号電流として取り出される。
【０００７】
また、図１３はこのような従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。図１３において７は半絶縁性ＩｎＰ等の基板、８はポリイミド等の絶縁層、９はｐ電極、１０はｎ電極、１１はＩｎＧａＡｓ等の光吸収層である。
【０００８】
基板７上には絶縁層８、光吸収層１１及びｎ電極１０がそれぞれ形成され、絶縁層８及び光吸収層１１の上部にはｐ電極９が形成される。
【０００９】
入射光は図１３中”ＰＨ１１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｐ電極９及びｎ電極１０から光信号電流として取り出される。
【００１０】
図１４はこのような従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。図１４において１２は半絶縁性の基板、１３はコンタクト層、１４は光吸収層、１５はｎ電極、１６は半透明のショットキー接合電極である。
【００１１】
基板１２上にはコンタクト層１３が形成され、コンタクト層１３上の一部には光吸収層１４が形成され、コンタクト層１３の他の部分にはｎ電極１５が形成される。また、光吸収層１４の上にはショットキー接合電極１６が形成される。
【００１２】
入射光は図１４中”ＰＨ２１”に示すように半導体受光素子の端面から入射され、入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリア（電子−正孔対）が生成されてｎ電極１５及びショットキー接合電極１６から光信号電流として取り出される。
【００１３】
前述のような構造では、受光面から入射する光強度は光吸収層での光吸収によって減衰して行く。図１５は受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【００１４】
図１５中”ＣＨ３１”に示すように、受光面からの距離が長くなると光吸収が減衰し、また、光吸収によって減衰して光励起キャリア（電子−正孔対）が生成される。
【００１５】
すなわち、図１５中”ＣＨ３１”からも分かるように受光面近傍での光吸収が一番大きい、言い換えれば、受光面近傍の光励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最も高くなる。
【００１６】
このため、入射光の光強度が大きい場合には、光励起キャリア（電子−正孔対）によって半導体受光素子の入射面に損傷が発生してしまう現象が知られている。
【００１７】
従って、従来では光導波路と受光素子を集積化し、光導波路からのエバネッセント光を受光素子に導き入射光の光強度を低減させる構造が考案されている。
【００１８】
図１６はこのような従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。図１６において１７は基板、１８は光導波路、１９は光吸収層、２０はキャップ層である。
【００１９】
基板１７上には光導波路１８が形成され、光導波路１８の一部分の上には光吸収層１９及びキャップ層２０が順次形成される。
【００２０】
このような構成にすることによって半導体受光素子は、図１６中”ＷＧ４１”に示す光導波路部と、図１６中”ＰＤ４１”に示す受光素子部に分離することができる。
【００２１】
一方、ここではエバネッセント光とは、図１６中”ＰＨ４１”に示すような入射光が入射された場合、図１６中”ＥＶ４１”に示すように入射面の近傍であって光導波路１８の外部に染み出す光である。
【００２２】
ここで、図１６中”ＥＶ４１”に示すエバネッセント光において紙面右方向が光強度を示している。
【００２３】
このような、光導波路１８内を順次導波した光はエバネッセント光の吸収があると光強度を減衰させるので、半導体受光素子の入射面に損傷の発生を防止することができる。
【００２４】
すなわち、図１６中”ＥＶ４２”、”ＥＶ４３”及び”ＥＶ４４”に示すように光が光導波路１８を伝播することにより、エバネッセント光が吸収されて伝播する光の光強度を減衰させることが可能になる。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１６に示す従来例であっても光強度を十分に減衰させることができないので、半導体受光素子の最大入射光強度を大きくすることができないと言った問題点があった。
【００２６】
光強度を減衰させるフィルタ等の素子を半導体受光素子の手前に設けることによって入射光の光強度を減衰させることができるものの、検出される光信号電流も小さくなり受光感度（光電変換効率）が低下してしまい、光強度と光信号電流の校正が必要になり、構成も複雑になると言った問題点があった。
【００２７】
さらに、半導体受光素子の受光面での単位面積当たりの光強度を下げるために入射光のビーム径を広げた場合には、ノイズとなる暗電流の増加や、素子容量増加に伴う応答速度の低下等の素子特性が劣化してしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能な半導体受光素子を実現することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板上に形成され入射光を伝播させる光導波路で構成された光導波路部と、この光導波路部からの光を伝播させる前記光導波路と前記光導波路上の短手方向の両端に形成された光吸収層と前記光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極とから構成され、伝播する前記光の光強度を減衰させる弱光結合部と、この弱光結合部からの光を伝播させる前記光導波路と前記光導波路上に形成された前記光吸収層と前記光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す前記電極とから構成される主検出部とを備えたことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００３２】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って連続的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３３】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って直線的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３４】
請求項４記載の発明は、
請求項２記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って曲線的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３５】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って段階的に広がることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３６】
請求項６記載の発明は、
請求項５記載の発明である半導体受光素子において、
前記光吸収層の幅が、
１段以上の段数を有することにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。また、効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００３７】
請求項７記載の発明は、
請求項１記載の発明である半導体受光素子において、
前記光導波部及び前記弱光結合部を構成する前記光導波路上に前記光導波路の表面よりも屈折率の低い層を形成し、前記弱光結合部の前記屈折率の低い層の上に前記光吸収層を形成したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００３９】
請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ｐｉｎ構造のフォトダイオードに適用したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４０】
請求項９記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ショットキーバリア・フォトダイオードに適用したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４１】
請求項１０記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いて構成したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４２】
請求項１１記載の発明は、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の発明である半導体受光素子において、
ＩｎＧａＡｌＡｓ系の半導体材料を用いて構成したことにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図である。
【００４４】
図１において１７，１８，１９及び２０は図１６と同一符号を付してあり、基板１７上には光導波路１８が形成され、光導波路１８の一部分の上には光吸収層１９及びキャップ層２０が順次形成される。
【００４５】
図１に示すような構成では半導体受光素子は、図１中”ＷＧ５１”に示す光導波路部と、図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部に分離される。また、図１中”ＰＤ５１”に示す受光素子部はさらに、図１中”ＣＰ５１”に示す部分は弱光結合部と、図１中”ＭＤ５１”に示す部分には主検出部とに分離される。
【００４６】
すなわち、図１中”ＰＨ５１”に示す入射光は図１中”ＷＧ５１”に示す光導波路部を伝播し、図１中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部を含む図１中”ＰＤ５１”の受光素子部の光吸収層１９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）が電極（図示せず。）から光信号電流として取り出される。
【００４７】
特に、図１中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部は光吸収層１９の光吸収で光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させる。
【００４８】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４及び図５を用いて説明する。図２は本発明に係る半導体受光素子の具体例を示す構成斜視図、図３は半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図、図４は半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図、図５は半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【００４９】
図２に示す構成斜視図において、１７，１８，１９，ＰＨ５１，ＷＧ５１，ＣＰ５１，ＭＤ５１及びＰＤ５１は図１と同一符号を付してあり、２１はｐ電極、２２はｎ電極である。
【００５０】
図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部では、光吸収層１９が光導波路１８の上部の中心部分で”Ｖ字状”にカットされており、光導波路１８の短手方向の両端に形成された光吸収層１９は図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に向うに従って連続的に太くなり、図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に到達する部分で主検出部の光吸収層１８とつながっている。
【００５１】
ここで、さらに、図２中”ＷＧ５１”、”ＣＰ５１”及び”ＭＤ５１”に示す光導波路部、弱光結合部、及び主検出部の構造を図３〜図５に示す断面図を用いて詳細に説明する。
【００５２】
図３において１７は図１及び図２と同一符号を付してあり、２３はＩｎＰ層、２４は吸収端波長λｇが”１．１μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層、２５は吸収端波長λｇが”１．２μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層、２６は吸収端波長λｇが”１．３μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層である。
【００５３】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。但し、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分は後述のｎ電極に接続させるためＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が形成されていない。
【００５４】
図３に示す光導波路部においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が光導波路を形成しており、図２中”ＰＨ５１”に示す入射光が当該光導波路を伝播して行く。
【００５５】
また、図４において１７，２３，２４，２５及び２６は図３と同一符号を付してあり、２７は絶縁層、２８はｎ電極、２９はＩｎＧａＡｓ等の光吸収層、３０はｐ型ＩｎＰ等のキャップ層、３１はｐ電極である。
【００５６】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層２６の短手方向の両端には光吸収層２９、キャップ層３０及びｐ電極３１が順次形成される。
【００５７】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００５８】
図４に示す弱光結合部においては光導波路の両端に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３１から光信号電流として取り出される。
【００５９】
また、図５において１７，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９及び３０は図４と同一符号を付してあり、３２は絶縁層、３３はｐ電極である。
【００６０】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層２６の上には光吸収層２９及びキャップ層３０が順次形成される。
【００６１】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００６２】
さらに、ｎ電極２８が形成されていない側の基板１７上からキャップ層３０にかけてｐ電極３３が形成され、ｐ電極３３と基板１７、ＩｎＰ層２３，ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６、光吸収層２９との間に絶縁層３２が形成される。
【００６３】
図５に示す主検出部においては光導波路の上面に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３３から光信号電流として取り出される。
【００６４】
ちなみに、図５に示すｐ電極３３と図４に示すｐ電極３１は図２に示すように連続して形成されている。
【００６５】
ここで、弱光結合部での動作を図６を用いてさらに詳細に説明する。図６は弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図であり、図６において１７，２３，２４，２５及び２６は図３と同一符号を付してある。
【００６６】
また、図６においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６の各層の膜厚が”０．７μｍ”で、光導波路幅を”６．０μｍ”とした場合の半導体受光素子の右半分の状態を示している。
【００６７】
図６中”ＣＨ６１”に示す光強度分布から、ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６で形成される光導波路の短手方向の中心部分の方が両端部分（図６では一端のみを示しているが光強度分布は左右対称である。）よりも強いことが分かる。言い換えれば、光導波路の短手方向の両端部分の光強度分布が最も弱いことが分かる。
【００６８】
このため、図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部の光吸収層１９でこの光導波路の光強度分布の最も弱い両端の光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させる。
【００６９】
また、光導波路の光強度分布の最も弱い両端の光を吸収して発生した光励起キャリア（電子−正孔対）では、励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最大にはならないので半導体受光素子の入射面の損傷を防止できる。
【００７０】
このように、図２中”ＰＨ５１”に示す入射光は図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部で光導波路の両端の光強度分布の弱い光が順次吸収されながら全体の光強度を減衰させて図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に導かれて行くことになる。
【００７１】
すなわち、図２中”ＰＨ５１”に示す入射光が図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部を伝播することによって、順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度が順次減衰させられて行き、図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に到達する時点では入射光の光強度を弱くすることができる。
【００７２】
また、図２中”ＣＰ５１”に示す弱光結合部の光吸収層１９が図２中”ＭＤ５１”に示す主検出部に向うに従って連続的に太くなっているので、光吸収の割合も連続的に大きくなってくるので効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【００７３】
さらに、弱光結合部及び主検出部では常に光吸収層が光を吸収して順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させているので、検出される光信号電流が小さくならず、言い換えれば、受光感度（光電変換効率）が低下することを防止できる。
【００７４】
この結果、弱光結合部で光導波路の両端の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【００７５】
なお、図２に示す具体例では弱光結合部として弱光結合部の光吸収層１９が光導波路１８の中心部分で”Ｖ字状”にカットすることにより、光導波路の両端の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させているが、伝播する光を光導波路の中心部分に閉じ込めて光導波路表面の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させても構わない。
【００７６】
図７は本発明に係る半導体受光素子の他の具体例を示す構成斜視図である。図７に示す構成斜視図において、１７，１８，１９及び２１は図２と同一符号を付してあり、２２ａはｎ電極である。
【００７７】
また、図７において半導体受光素子は図７中”ＷＧ７１”に示す光導波路部と、図７中”ＰＤ７１”に示す受光素子部に分離される。また、図７中”ＰＤ７１”に示す受光素子部はさらに図７中”ＣＰ７１”に示す部分は弱光結合部と、図７中”ＭＤ７１”に示す部分には主検出部とに分離される。
【００７８】
図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部では、図７中”ＭＤ７１”に示す主検出部と同様に光導波路上全体に光吸収層１９が形成されている。
【００７９】
ここで、図７に示す実施例の動作を図８，図９及び図１０を用いて説明する。図８は半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図、図９は半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図、図１０は半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【００８０】
図８において１７，２３，２４，２５及び２６は図３と同一符号を付してあり、３４は吸収端波長λｇが”１．２μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層である。
【００８１】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５、２６及び３４が順次形成される。但し、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分は後述のｎ電極に接続させるためＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４が形成されていない。
【００８２】
図８に示す光導波路部においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４が光導波路を形成しており、図７中”ＰＨ７１”に示す入射光が当該光導波路を伝播して行く。
【００８３】
また、図９において１７，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０及び３１は図４と同一符号を、３４は図８と同一符号をそれぞれ付してある。
【００８４】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層３４の上には光吸収層２９、キャップ層３０及びｐ電極３１が順次形成される。
【００８５】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００８６】
図９に示す弱光結合部においては光導波路の上部に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３１から光信号電流として取り出される。
【００８７】
また、図１０において１７，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９及び３０は図４と、３２及び３３は図５と同一符号をそれぞれ付してある。
【００８８】
基板１７の長手方向の中心部分にはＩｎＰ層２３が形成され、ＩｎＰ層２３の上にはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６が順次形成される。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ層２６の上には光吸収層２９及びキャップ層３０が順次形成される。
【００８９】
また、ＩｎＰ層２３の短手方向の一端（図面右側）部分に接触するようにｎ電極２８が形成され、ｎ電極２８と基板１７との間には絶縁層２７が形成される。
【００９０】
さらに、ｎ電極２８が形成されていない側の基板１７上からキャップ層３０にかけてｐ電極３３が形成され、ｐ電極３３と基板１７、ＩｎＰ層２３，ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５及び２６、光吸収層２９との間に絶縁層３２が形成される。
【００９１】
図１０に示す主検出部においては光導波路の上面に形成された光吸収層２９の光吸収で発生した光励起キャリア（電子−正孔対）がｎ電極２８及びｐ電極３３から光信号電流として取り出される。
【００９２】
ちなみに、図１０に示すｐ電極３３と図９に示すｐ電極３１は図７に示すように連続して形成されている。
【００９３】
図８及び図９に示すようにＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４で形成される光導波路は吸収端波長λｇが”１．３μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層２６を、吸収端波長λｇが”１．２μｍ”である２つのＩｎＧａＡｓＰ層２５及び３４で挟み込む構造になっている。
【００９４】
一方、吸収端波長λｇが長い（バンドギャップエネルギーが小さい）ＩｎＧａＡｓＰほど屈折率が大きくなり、屈折率の大きい層に伝播する光が閉じ込められるため、中心部分である吸収端波長λｇが”１．３μｍ”であるＩｎＧａＡｓＰ層２６に光強度部分布が集中することになる。
【００９５】
ここで、弱光結合部での動作を図１１を用いてさらに詳細に説明する。図１１は弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図であり、図１１において１７，２３，２４，２５，２６及び３４は図８と同一符号を付してある。
【００９６】
また、図１１においてはＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４の各層の膜厚が”０．７μｍ”で、光導波路幅を”６．０μｍ”とした場合の半導体受光素子の右半分の状態を示している。
【００９７】
図１１中”ＣＨ８１”に示す光強度分布から、ＩｎＧａＡｓＰ層２４，２５，２６及び３４で形成される光導波路の内中心部分であるＩｎＧａＡｓＰ層２６に光強度部分布が集中していることが分かる。言い換えれば、光導波路の表面であるＩｎＧａＡｓＰ層３４の光強度分布が最も弱いことが分かる。
【００９８】
このため、図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部の光吸収層１９でこの光導波路の光強度分布の最も弱い光導波路表面の光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させる。
【００９９】
また、光導波路の光強度分布の最も弱い光導波路表面の光を吸収して発生した光励起キャリア（電子−正孔対）では、励起キャリア（電子−正孔対）の濃度が最大にはならないので半導体受光素子の入射面の損傷を防止できる。
【０１００】
このように、図７中”ＰＨ７１”に示す入射光は図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部で光導波路の光導波路表面の光強度分布の弱い光が順次吸収されながら全体の光強度を減衰させて図７中”ＭＤ７１”に示す主検出部に導かれて行くことになる。
【０１０１】
すなわち、図７中”ＰＨ７１”に示す入射光が図７中”ＣＰ７１”に示す弱光結合部を伝播することによって、順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度が順次減衰させられて行き、図７中”ＭＤ７１”に示す主検出部に到達する時点では入射光の光強度を弱くすることができる。
【０１０２】
また、弱光結合部及び主検出部では常に光吸収層が光を吸収して順次光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させているので、検出される光信号電流が小さくならず、言い換えれば、受光感度（光電変換効率）が低下することを防止できる。
【０１０３】
この結果、光導波路の中心に光強度分布を集中させ、弱光結合部で光導波路表面の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリア（電子−正孔対）を発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【０１０４】
また、図２に示す実施例では弱光結合部の光吸収層１９が光導波路１８の中心部分で”Ｖ字状”にカット、言い換えれば、光導波路１８の短手方向の両端に形成された光吸収層１９の幅を主検出部に向って連続的に広げて行き、主検出部の光吸収層１９につながっているが、階段状に段階的に光吸収層１９の幅を広げて行っても構わない。この場合、段数として１以上であれば任意の段数で良い。
【０１０５】
また、図２に示す実施例では光吸収層１９の幅を主検出部に向って直線的に広げているが、曲線的に光吸収層１９の幅を主検出部に向って広げて行っても構わない。
【０１０６】
例えば、光吸収層１９の幅を指数関数的な曲線で変化させれば、伝播する光が主検出部に近づくに従い急激にその光強度が減衰し、また逆に、光吸収層１９の幅を対数関数な曲線で変化させれば、伝播する光が光導波路部に近傍で急激にその光強度が減衰するようにすることが可能で、光強度の減衰の割合を制御することが可能になる。
【０１０７】
また、図１等に示す実施例ではｐｉｎ構造のフォトダイオードを例示しているが、ショットキーバリア・フォトダイオードに適用しても構わない。
【０１０８】
また、図１等に示す実施例では半導体材料としてＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いているが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系等の半導体材料を用いても実現することができる。
【０１０９】
また、図１等に示す実施例と同様に光導波路を構成可能な誘電体を用いて光導波路部分を構成しても構わない。
【０１１０】
また、図１等に示す実施例では端面入射（光導波路）型の半導体受光素子を例示して説明しているが、光集積回路内における光導波路内に設けられた受光素子に適用することも可能である。
【０１１１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，８，９，１０及び請求項１１の発明によれば、弱光結合部で光導波路の両端の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリアを発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【０１１２】
また、請求項７，８，９，１０及び請求項１１の発明によれば、光導波路の中心に光強度分布を集中させ、弱光結合部で光導波路表面の光強度分布の弱い光を吸収して光励起キャリアを発生させると共に光強度を減衰させることにより、光電変換効率を維持しつつ受光素子部の最大光強度を低減することが可能になる。
【０１１３】
また、請求項２，３，４，５，６，８，９，１０及び請求項１１の発明によれば、弱光結合部の光吸収層が主検出部に向うに従って連続的、若しくは、段階的に太くすることにより、光吸収の割合も連続的に大きくなってくるので効率的に光強度を減衰させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体受光素子の一実施例を示す構成断面図である。
【図２】本発明に係る半導体受光素子の具体例を示す構成斜視図である。
【図３】半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図である。
【図４】半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図である。
【図５】半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【図６】弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図である。
【図７】本発明に係る半導体受光素子の他の具体例を示す構成斜視図である。
【図８】半導体受光素子のうち光導波路部を示す断面図である。
【図９】半導体受光素子のうち弱光結合部を示す断面図である。
【図１０】半導体受光素子のうち主検出部を示す断面図である。
【図１１】弱光結合部の直前の光導波路内の光強度分布を示す説明図である。
【図１２】従来の表面入射型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図１３】従来の端面入射（光導波路）型のｐｉｎ構造のフォトダイオードの一例を示す構成斜視図である。
【図１４】従来のショットキーバリアを有するショットキーバリア・フォトダイオードの一例を示す構成断面図である。
【図１５】受光面からの距離と光吸収の関係を示す特性曲線図である。
【図１６】従来の光導波路と受光素子を集積化した半導体受光素子の一例を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１，７，１２，１７ 基板
２，６ 電極
３ バッファ層
４，１１，１４，１９，２９ 光吸収層
５ 反射防止膜
８，２７，３２ の絶縁層
９，１５，２１，３１，３３ ｐ電極
１０，２２，２２ａ，２８ ｎ電極
１３ コンタクト層
１６ ショットキー接合電極
１８ 光導波路
２０，３０ キャップ層
２３ ＩｎＰ層
２４，２５，２６，３４ ＩｎＧａＡｓＰ層
Claims (11)
- 入射光の光励起による電子のバンド間遷移による光励起キャリアの生成により光電変換が行われる半導体受光素子において、
基板上に形成され入射光を伝播させる光導波路で構成された光導波路部と、
この光導波路部からの光を伝播させる前記光導波路と前記光導波路上の短手方向の両端に形成された光吸収層と前記光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す電極とから構成され、伝播する前記光の光強度を減衰させる弱光結合部と、
この弱光結合部からの光を伝播させる前記光導波路と前記光導波路上に形成された前記光吸収層と前記光吸収層の光吸収で発生した前記光励起キャリアを光信号電流として取り出す前記電極とから構成される主検出部と
を備えたことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って連続的に広がることを特徴とする
請求項１載の半導体受光素子。 - 前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って直線的に広がることを特徴とする
請求項２載の半導体受光素子。 - 前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って曲線的に広がることを特徴とする
請求項２載の半導体受光素子。 - 前記光吸収層の幅が、
前記主検出部に向って段階的に広がることを特徴とする
請求項１載の半導体受光素子。 - 前記光吸収層の幅が、
１段以上の段数を有することを特徴とする
請求項５載の半導体受光素子。 - 前記光導波部及び前記弱光結合部を構成する前記光導波路上に前記光導波路の表面よりも屈折率の低い層を形成し、前記弱光結合部の前記屈折率の低い層の上に前記光吸収層を形成したことを特徴とする
請求項１載の半導体受光素子。 - ｐｉｎ構造のフォトダイオードに適用したことを特徴とする
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の半導体受光素子。 - ショットキーバリア・フォトダイオードに適用したことを特徴とする
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の半導体受光素子。 - ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いて構成したことを特徴とする
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の半導体受光素子。 - ＩｎＧａＡｌＡｓ系の半導体材料を用いて構成したことを特徴とする
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の半導体受光素子。
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