JP4291085B2 - 導波路型受光素子 - Google Patents
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Description
光通信の伝送系においては信号光として2波長帯の光が使用されている。一つは信号光の帯域の中心波長が1.3μmである1.3μm帯の信号光ともう一つは信号光の帯域の中心波長が1.55μmである1.55μm帯の信号光である。
一方1.3μm帯の信号光は光ファイバ損失は大きいが波長分散が少なく、短距離通信系の信号光として使用される。これは例えば、都市内通信とよばれ大都市内の通信に使用されている。また1.3μm帯の信号光は、アクセス系と呼ばれる基地局−各家庭間の通信にも使用される。
光通信システムにおいて、この二つの波長帯の信号光を受光する導波路型半導体フォトダイオードは、それぞれの波長帯の光に対応して形成された一波長対応の導波路型半導体フォトダイオードが使用されていた。
すなわち、導波路型PDは、光吸収層とこの光吸収層を挟んで設けられた光ガイド層とを有する導波路部分に光を閉じ込め、この導波路部分に閉じ込められた光が光ガイド層と光吸収層とを伝播する間に光を吸収して電気信号に変換する構造を有している。
従って、単一波長帯に対応する導波路型PDでは、素子構造を受光波長帯に合わせて最適化することが可能である。しかし多波長に対応する導波路型PDでは、ある波長では感度特性がすぐれているが、他の波長では非常に感度特性が悪いということが発生し、場合によってはすべての波長帯で感度特性が悪化するということも起こり得た。
しかし多波長に対応させるためには、最も短い波長帯の信号光が光ガイド層を透過できる組成波長を有していなければならない。単に最も短い波長帯の信号光の波長を基に光ガイド層の組成波長を決めれば他の波長帯の信号光に対して大きく感度が悪化するということが起こりうる。
さらに、光吸収層に対してn−光ガイド層および光ガイド層の層厚を非対称ににすることにより、対称構造であれば導波路内を伝搬する光のモードが安定し光ガイド層を伝搬する光の量が多くなって光電変換の変換効率が低下するといった不利益を抑制することができる。しかし光吸収層に対して光ガイド層を非対称にする導波路構造においても、多波長に対応する導波路型PDでは、ある波長では感度特性がすぐれているが、他の波長では非常に感度特性が悪いということが発生したり、また単に非対称の導波路構造にすることにより、場合によっては単波長帯の信号光においても感度特性が悪化するということも起こり得た。
図1はこの発明の一実施の形態に係る導波路型受光素子の斜視図である。
図1において、この導波路型のPIN−PD10は前面の劈開端面の受光部12が矢印で示された信号光14を受ける。信号光14は中心波長λ1が1.3μmである第1の信号波長帯としての1.3μm帯及び中心波長λ2が1.55μmである第2の信号光波長帯としての1.55μm帯の2波長帯の光が含まれている。
PIN−PD10の上面側には、劈開端面の受光部12を介して信号光が導入される導波路を含む導波路メサ16が配設され、この導波路メサ16の表面に沿ってp電極18が、また導波路メサ16の両側面およびPIN−PD10の上面にn電極20が配設されている。p電極18およびn電極20が配設されている部分以外の上面は絶縁膜22で覆われている。
また図3は図1のIII−III断面における導波路型受光素子の断面図、つまり信号光の進行方向に沿った断面であり、導波路の延長方向の断面での断面図である。
なお図において同じ符号は同一のものか或いは相当のものである。
導波路メサ16は、n−コンタクト層26側からn−コンタクト層26の表面上に配設された第1クラッド層としてのn−InPのn−クラッド層28、このn−クラッド層28の中央部表面上に配設された第1光ガイド層としてのn−InGaAsPのn−光ガイド層30、このn−光ガイド層30の表面上に配設されたi−InGaAsの光吸収層32、光吸収層32の表面上に配設された第2光ガイド層としてのp−InGaAsPのp−光ガイド層34、このp−光ガイド層34の表面上に配設された第2クラッド層としてのp−InPのp−クラッド層36、およびp−クラッド層36の表面上に配設されたp−InGaAsのp−コンタクト層40が順次積層された光導波路層としての導波路16aと、p−コンタクト層40を除くこの導波路16aの両側に配設され導波路メサ16の側面を形成する低屈折率層としてのFeドープInPのブロック層38とを有する。
さらにp−コンタクト層40の表面はp電極18が、またブロック層38の両側面を覆ってn−コンタクト層26の表面と接するn電極20がそれぞれ配設されている。p電極18とn電極20が覆っていない導波路メサ16の表面は絶縁膜22が配設され、p電極18とn電極20とは絶縁膜22を介して電気的に分離されている。
この実施の形態においては、導波路16aの長手方向、すなわち光の進行方向の長さは、16μmである。また、n−クラッド層28の層厚は1.5μm、p−クラッド層36の層厚は0.8μmとしている。そしてn−光ガイド層30の層厚は0.70μm、p−光ガイド層34の層厚は0.35μmとし、光吸収層32に対して光ガイド層の層厚を非対称にし、層厚の薄いp−光ガイド層34を基準にしたn−光ガイド層30の層厚とp−光ガイド層34の層厚との比率は2.0である。
このように、導波路の層構造を非対称構造にすることにより、導波路内を伝搬する光のモードを非対称化させて光吸収層に放射させ、光吸収層で吸収する光の量を増やすことにより、広い波長帯で高い感度を実現する導波路型受光素子を得ることができる。
n−クラッド層28及びp−クラッド層36の材料であるInPの組成波長λaは0.92とした。
またn−光ガイド層30及びp−光ガイド層34の材料であるInGaAsPの組成波長λgは、n−クラッド層28及びp−クラッド層36の材料の屈折率である0.92より大きく、1.3μm帯の光に対して透明になるように、即ちλa<λg<λ1となるように、さらに望ましくはλa<λg<0.965λ1となるように、組成波長λgが1.2μmであるInGaAsPを用いた。
各層の不純物濃度は、n−コンタクト層26が5×1018cm−3、n−クラッド層28が5×1017cm−3、n−光ガイド層30が5×1017cm−3、p−光ガイド層34が5×1015cm−3〜5×1017cm−3(ステップ状に変化させる)、p−クラッド層36が1×1018cm−3、p−コンタクト層40は1×1019cm−3である。
従って、導波路16aにおいて、p−光ガイド層34とn−光ガイド層30とにこれらに挟まれた光吸収層32とはp/i/n接合を形成している。
まず、半絶縁性FeドープのInP基板24上に、n−コンタクト層26としてのn−InGaAs層、n−クラッド層28としてのn−InP層、n−光ガイド層30としてのn−InGaAsP層、光吸収層32としてのi−InGaAs、p−光ガイド層34としてのp−InGaAsP、p−クラッド層36としてのp−InP層、及びp−コンタクト層40としてのp−InGaAs層を、気相成長法例えば、MOCVD法により所定の厚みに順次積層する。
次いで絶縁膜を形成し、ウエットエッチングにより導波路メサ16を形成し、n電極20、絶縁膜22の形成、さらにp電極18を形成する。
この後、適度な厚さまでInP基板24の裏面をエッチングしてボンディング用の裏面メタルを形成しウエハプロセスを完了する。
まず導波路16aの長手方向の長さを16μm、n−光ガイド層30とp−光ガイド層34との層厚の和を1.05μmと固定し、さらにその他デバイスの設計値を設定し、p−光ガイド層34の層厚を0.1μm〜0.525μmまで変化させた場合について、BPM(beam propagation method)法を用いて、波長が1.3μmおよび1.55μmの光に関してシミュレーションを行い、各信号光についての光ガイド層厚みに対する感度の依存性を求めた。
図4において、曲線aおよび曲線bともp−光ガイド層の層厚みが0.1μmから増加するのに伴って感度が上昇し、極値に達した後少し感度が低下する傾向を示している。
曲線a、つまり波長が1.3μmの光に関しては、p−光ガイド層の層厚みが0.35μm近傍で極大になっており、その時の感度の値が0.9A/W程度である。
また曲線b、つまり波長が1.55μmの光に関しては、p−光ガイド層の層厚みが0.3μm近傍で極大になっており、その時の感度の値が0.95A/W程度である。
これらの感度の極値は、光ガイド層が光吸収層に対して対称の厚さを有する対称構造の光導波路であって、1.3μmと1.55μmそれぞれの波長を有する光に対して最適なn−もしくはp−光ガイド層厚みを定めた場合の受光素子の感度と同等あるいはそれ以上の値を示している。
いまp−光ガイド層の層厚みをd1μm、n−光ガイド層の層厚みをd2μm(d2≧d1)とし、d2とd1の比をr(r=d2/d1)とすると、d2+d1=1.05μmであるので、図4におけるp−光ガイド層の層厚みd1が0.1μmのときは、r=9.5で、d1が0.2μmのときは、r=4.25、d1が0.3μmのときは、r=2.5、d1が0.4μmのときは、r=1.625、d1が0.5μmのときは、r=1.1となる。
なおこの実施の形態ではn−光ガイド層30とp−光ガイド層34との層厚の和を1.05μmと固定してシミュレーションを行っているが、必ずしもこの値に固定する必要はなく、例えばn−光ガイド層30とp−光ガイド層34との層厚の和を0.9〜1.2μmに変化させても同様の効果が得られる。
図5はこの発明の一実施の形態に係る導波路型受光素子における、受光する光の波長に対する感度の依存性を示すグラフである。
図5においては比較のために、光吸収層に対してn−光ガイド層およびp−光ガイド層の層厚を対称に配置した導波路型受光素子における、受光する光の波長に対する感度の依存性を併記している。
そして同じ構造の受光素子にたいして、入射光の波長を1.3μmから1.55μmまで変化させて、その感度の計算を行っている。
曲線b、c,dは光吸収層に対してn−光ガイド層およびp−光ガイド層の層厚を対称に配置した導波路型受光素子における受光する光の波長に対する感度曲線であって、曲線bはp−光ガイド層の層厚みおよびn−光ガイド層の層厚みがともに400nm(0.4μm)、曲線cはp−光ガイド層の層厚みおよびn−光ガイド層の層厚みがともに500nm(0.5μm)、曲線dはp−光ガイド層の層厚みおよびn−光ガイド層の層厚みがともに600nm(0.6μm)の場合である。
曲線cにおいては、波長が1.4μmのとき感度が極値を示し、その両側で感度が悪化している。
曲線dにおいては、波長が1.55μmのときこの範囲内では最も高い感度を示し、波長が短くなるに連れて感度が悪化する。
曲線aでは、入射光の波長が1.3μmから1.55μmまでの間においては、すべての波長において、曲線b、c、dの場合より感度が優っている。
またA、およびBの丸印はp−光ガイド層の層厚みが350nm(0.35μm)、n−光ガイド層の層厚みが700nm(0.70μm)として試作した受光素子の場合の実測値で、Aは波長が1.3μmの光についての感度を示しその値が0.82程度、Bは波長が1.55μmの光についての感度を示し、その値が0.9程度である。一つの受光素子で波長が1.3μmの光および1.55μmの光の多波長信号光に対して高い感度を示している。
なお、今回のシミュレーションではp−光ガイド層の層厚を薄くして、光吸収層に対して光ガイド層を非対称構造としたが、n−光ガイド層の層厚を薄くして、光吸収層に対して光ガイド層を非対称構造としても同様の結果がえられ、同様の効果が得られる。
またこの実施の形態においては、波長が1.3μmの光および1.55μmの光の多波長信号光に対して高い感度を示している導波路型受光素子の構成を示したが、図5から分かるように光吸収層に対して光ガイド層を非対称とする導波路構造を有する受光素子は光吸収層に対して光ガイド層を対称とする導波路構造を有する受光素子に比べて高い感度を有し、波長1.4μmで極値を示す感度を有している。このことは多波長信号光のみならず単波長信号光に対しても高い感度を有することを示すものである。
従って、図4に示されるように、p−光ガイド層の層厚みに対するn−光ガイド層の層厚みの比rとすると、1.3≦r≦5の範囲に、さらに望ましくは1.625≦r≦3.2の範囲に、rを設定することにより、単波長信号光に対する受光素子としても高感度な特性が期待できる。
InGaAsP系の材料は古くから研究・開発がなされている材料系であり、現在通信用の受光素子の材料として最も一般的な材料であり、安定した特性を簡単に得ることができる。
またAlInGaAsP系材料でいえば、クラッド層、光ガイド層、光吸収層をそれぞれInAlAs、InGaAlAs、InGaAsといった材料を用いて構成することにより、所定の屈折率差を得ることができ、同様の効果を得ることができる。
GaInNAs系材料を用いたPDはInGaAsP系材料やAlInGaAsP系材料を用いたPDよりもより広い範囲のバンドギャップ波長に対応することができる。
また上述のような素子を実装してモジュール化したデバイスにおいても同様の効果を有することは云うまでもない。
Claims (4)
- 半絶縁性の半導体基板と、
この半導体基板上に配設され、この半導体基板側から、第1の電極に接続された第1導電型の第1クラッド層、第1導電型のInGaAsPである第1光ガイド層、層厚が0.3μm以上0.5μm以下のInGaAsである光吸収層、第2導電型のInGaAsPである第2光ガイド層、および第2の電極に接続された第2導電型の第2クラッド層が順次積層された光導波路層と、を備えるとともに、
前記第1光ガイド層と前記第2光ガイド層のうちいずれか層厚の薄い方の厚みを基準にして、前記第1光ガイド層、前記第2光ガイド層相互の層厚の比率が1.625以上かつ3.2以下であることを特徴とした導波路型受光素子。 - 前記光吸収層の厚みをdaとしたとき、
0.3μm≦da≦0.5μm
を満足することを特徴とした請求項1記載の導波路型受光素子。 - 前記光導波路層が1.3μm波長帯及び1.55μm波長帯の信号光を受光することを特徴とした請求項1または2記載の導波路型受光素子。
- 前記第1光ガイド層および前記第2光ガイド層がInGaAsP系半導体材料、またはAlInGaAsP系半導体材料、またはGaInNAs系半導体材料で構成されたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の導波路型受光素子。
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