JP4318981B2 - 導波路型受光素子 - Google Patents
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Description
この発明は、導波路型受光素子に係り、特に光通信システム等に使用される導波路型受光素子に関するものである。
通信需要量の飛躍的な増加に伴って、通信システムの大容量化が図られてきているが、このためには光通信機器の高速化、小形・高効率化、低コスト化が必要となっている。
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。
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。
１．５５μｍ帯の信号光は光ファイバ損失が小さく長距離通信系の信号光として使用される。これは都市間通信（幹線系）とよばれて、例えば東京−大阪間のように大都市間の通信に使用される。
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。
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。
従来の導波路型受光素子の公知例としては、ｎ導電型ＩｎＰ基板（以下ｎ導電型を“ｎ−”で、またｐ導電型を“ｐ−”で、また真性半導体を“ｉ−”で表記する。）上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（バンドギャップ波長：１．３μｍ）、ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（バンドギャップ波長：１．３μｍ）、ｐ−ＩｎＰ層を順次積層した構成が開示されている（例えば、特許文献１ 段落０００１ 参照）。
また、他の公知例として、光ファイバ通信によく利用される１．３μｍ帯や１．５μｍ帯の光を受光するためにこの波長帯域に対応したバンドギャップの小さな材料を光吸収層に用い、ｎ−ＩｎＰ基板上に、ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓまたはｎ−ＩｎＧａＡｓＰのガイド層、ｎ−ＩｎＡｌＡｓのアバランシェ増倍層、ｐ−ＩｎＡｌＡｓまたはｐ−ＩｎＰの電界緩和層、ｐ−ＩｎＧａＡｓの低濃度光吸収層、ｐ−ＩｎＧａＡｓの高濃度光吸収層、ｐ型のガイド層、及びｐ型コンタクト層を順次積層してメサストライプ状の導波路を形成し、この導波路をＳｉＯx或いはＳｉＮxのパッシベーション膜で覆った構成の半導体受光素子が開示されている（例えば、特許文献２ 段落００２３〜段落００２５ 参照）。
また、他の公知例として、ギガビット以上の通信容量をもつ光通信ネットワークに使用する受光波長１．５μｍ帯１０Ｇb/s導波路型ＰＩＮ−ＰＤの構成として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の２重コア構造を有するメサ型で、光吸収層にＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを用いたことが開示されている（例えば、非特許文献１ 参照）。
従来の導波路型受光素子は、その光通信システムに使用される単一波長帯の信号光に対応したフォトダイオードの構成となっている。しかしながら光通信システムにおける伝送量の拡大により、現段階では都市内通信用に整備されている通信網が都市間通信用として使用される可能性があり、この場合には現在のように各波長に対応した光部品を使用した場合においては、光通信システムにおける光通信機器の構成が複雑にならざるを得ない。
またこの一波長の信号光に対応した光部品、ここでは導波路型フォトダイオード（以下、導波路型ＰＤという）であるが、この一波長の信号光に対応した導波型ＰＤそのままで二波長の信号光を受光したとしても、高感度でかつ高速動作を行わせるのが困難であった。
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。
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。
そして、この導波路型ＰＤは、光吸収層と光ガイド層およびクラッド層との屈折率差を利用して導波路部分に光を閉じ込めかつ吸収させるために、信号光の波長が異なるとそれぞれの光に対して適した光吸収層、光ガイド層およびクラッド層の屈折率が異なる。
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。
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。
例えば、光ガイド層とクラッド層の屈折率差を大きくすることにより導波路への光の閉じ込めは大きくなるために、光ガイド層の組成波長をバンドギャップ信号光が透過する組成波長の中でなるべく長波長側の組成波長を選択するのがよい。
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。
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。
以上のように、第１の波長帯の信号光に対応して高感度かつ高速動作が可能である導波型ＰＤそのままで、第２或いはその他の波長帯の信号光を受光したとしても、これらの信号光に対して高感度でかつ高速動作を可能とさせることが困難であるという問題点があった。
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、第１の目的は、多波長信号光に対して高感度で、高速動作が可能な導波路型受光素子を構成することである。
この発明に係る導波路型受光素子は、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導電型の第１光ガイド層、０．３μｍ以上で０．５μｍ以下の層厚を有する光吸収層、第２導電型の第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、この光導波路層の側面を埋込んだ、光吸収層より屈折率の低い材料の低屈折率層とを備えるとともに、最も短い信号光波長帯である第１の信号光波長帯の中心波長をλ1、第２の信号光波長帯の中心波長をλ2（λ2＞λ1）、第１，第２クラッド層の材料の組成波長をλaとしたときに、第１，第２光ガイド層が第１の信号光に対して透明になるように、第１，第２光ガイド層の材料の組成波長λgが、λa＜λg＜λ1を満足するとともに、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ1の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１、第２の光ガイド層の厚みをｄ１、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ2の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１，第２の光ガイド層の厚みをｄ2としたときに、第１、第２の光ガイド層の厚みｄgが０．７５ｄ１≦ｄg≦１．２５ｄ2を満足し、かつ第１および第２の光ガイド層が第１および第２の信号光波長帯の感度が同等になる所定の層厚ｄgを有する多波長帯信号光兼用のもので、この構成により第１、第２の信号光波長帯を含む多波長帯信号光に対して、高い受光感度を保ったまま高速動作を可能にする。
さらに、光吸収層の厚みをｄaとしたとき、０．３μｍ≦ｄa≦０．５μｍを満足するようにしたもので、この構成によりキャリアの走行時間を抑え広帯域化を可能にする。
またさらに、第１，第２クラッド層をＩｎＰで形成しその組成波長λaをλa＝０．９２μｍとし、λ1＝１．３μｍとして、第１、第２の光ガイド層の材料の組成波長λgを定めるとともに、λ2＝１．５５μｍとして、第１、第２の光ガイド層の厚みｄgが、ｄ1＝０．４μｍ、ｄ2＝０．６μｍとする０．３μｍ≦ｄg≦０．７５μｍを満足するようにしたもので、この構成により１．３μｍ帯信号光と１，５５μｍ帯信号光とを含む多波長帯信号光に対して、高い受光感度を保ったまま高速動作を可能にする。
またさらに、第１，第２の光ガイド層をＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料で構成したものである。
またさらに、第１，第２の光ガイド層をＡｌＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料で構成したものである。
またさらに、第１，第２の光ガイド層をＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料で構成したものである。
またさらに、導波路側面に光吸収層より屈折率の低い材料により構成された低屈折率層を配設したものである。この構成により光の閉じ込め効率を高くすることができる。
この発明に係る導波路型受光素子は以上に説明したような構成を備えているので、以下のような効果を有する。
この発明に係る導波路型受光素子においては、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導電型の第１光ガイド層、光吸収層、第２導電型の第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、最も短い信号光波長帯である第１の信号光波長帯の中心波長をλ1、第２の信号光波長帯の中心波長をλ2（λ2＞λ1）、第１，第２クラッド層の材料の組成波長をλaとしたときに、第１，第２光ガイド層が第１の信号光に対して透明になるように、第１，第２光ガイド層の材料の組成波長λgが、λa＜λg＜λ1を満足するとともに、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ1の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１、第２の光ガイド層の厚みをｄ１、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ2の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１，第２の光ガイド層の厚みをｄ2としたときに、第１、第２の光ガイド層の厚みｄgが０．７５ｄ１≦ｄg≦１．２５ｄ2を満足するもので、この構成により第１、第２の信号光波長帯を含む多波長帯信号光に対して、高い受光感度が保持されつつ高速動作が可能となる。従って受光感度が高く高速動作が可能な多波長帯信号光兼用の導波路型受光素子を簡単に提供することができる。延いては光通信システムが簡単になり、通信システムの大容量化を安価に進めることができる。
この発明に係る導波路型受光素子においては、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導電型の第１光ガイド層、光吸収層、第２導電型の第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、最も短い信号光波長帯である第１の信号光波長帯の中心波長をλ1、第２の信号光波長帯の中心波長をλ2（λ2＞λ1）、第１，第２クラッド層の材料の組成波長をλaとしたときに、第１，第２光ガイド層が第１の信号光に対して透明になるように、第１，第２光ガイド層の材料の組成波長λgが、λa＜λg＜λ1を満足するとともに、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ1の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１、第２の光ガイド層の厚みをｄ１、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ2の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１，第２の光ガイド層の厚みをｄ2としたときに、第１、第２の光ガイド層の厚みｄgが０．７５ｄ１≦ｄg≦１．２５ｄ2を満足するもので、この構成により第１、第２の信号光波長帯を含む多波長帯信号光に対して、高い受光感度が保持されつつ高速動作が可能となる。従って受光感度が高く高速動作が可能な多波長帯信号光兼用の導波路型受光素子を簡単に提供することができる。延いては光通信システムが簡単になり、通信システムの大容量化を安価に進めることができる。
以下の発明の実施の形態においては、光通信システムの受光素子として使用される導波路型受光素子の一例として４０Ｇｂｐｓ用の１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯兼用の埋込み導波路型ＰＩＮ−ＰＤを用いて説明する。
実施の形態１．
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。
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。
図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面における導波路型受光素子の断面図、つまり信号光に交差する方向の断面であり、導波路と直交する断面での断面図である。
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。
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。
図２において、半絶縁性の半導体基板としての半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ基板２４上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓのｎ−コンタクト層２６が配設されている。このｎ−コンタクト層２６の上に受光部１２を介して信号光１４が導入される導波路メサ１６が配設されている。
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。
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。
導波路１６ａの両側に配設されたブロック層３８を光吸収層３２よりも屈折率の低い材料で形成することにより、導波路１６ａとの屈折率差を大きくすることができ、光の閉じ込め効率が高くなり受光素子の受光感度を高めることができる。
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。
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。
図３において、導波路１６ａの前方の受光側は劈開端面３８aを有するＦｅドープＩｎＰのブロック層３８が配設されている。また導波路１６ａの後方にもＦｅドープＩｎＰのブロック層３８が配設されている。即ち導波路１６ａはＦｅドープＩｎＰのブロック層３８に埋め込まれており、このブロック層３８において劈開されチップとして形成される。そしてブロック層３８の劈開端面の受光部１２を介して導波路１６ａに信号光が導入される。
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、ｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚はそれぞれ０．４μｍとしている。
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、ｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚はそれぞれ０．４μｍとしている。
光吸収層３２の層厚はキャリアの走行時間を短くすることにより広帯域化が可能であるが、層厚を薄くすると光の吸収が少なくなるので、光吸収層３２の層厚ｄaは、０．３μｍ≦ｄa≦０．５μｍが適切な範囲であるが、この実施の形態ではｄa＝０．５μｍとしている。
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。
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。
各層におけるｎ型不純物はＩＶ族元素例えばＳｉ、Ｓなどを、またｐ型不純物はＩＩ族元素、例えばＢｅ、Ｚｎなどを添加している。真性半導体層の光吸収層３２は特に不純物は添加していない。
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。
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。
次にこの実施の形態のＰＩＮ−ＰＤ１０の製造方法の概略を説明する。
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法により順次積層する。
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法により順次積層する。
次にこれら積層の最上層であるｐ−コンタクト層４０としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層表面にＳｉＯ2膜を形成し、形成すべき導波路１６ａの上表面に対応する絶縁膜残し周囲に開口を有する絶縁膜パターンを形成し、この絶縁膜パターンをマスクとして、導波路１６ａを形成する。このとき、絶縁膜パターンを段階的に加工することにより、ｎ−クラッド層２８としてのｎ−ＩｎＰ層が完全に露呈するところでエッチングを停止する部分、即ち導波路１６ａの前面及び両側面の部分とＩｎＰ基板２４が露呈するまでエッチングを行う部分、即ち導波路１６ａの後方部分とを形成する。
次にウエットエッチングによりドライエッチングの際に形成されたダメージ層を除去し、導波路１６ａをＦｅドープＩｎＰで埋め込む埋込み成長を行い、ブロック層３８を形成する。
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。
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。
次に上述した１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯兼用のＰＩＮ−ＰＤ１０においては、ｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚を０．４μｍと設定しているが、これらｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚の決定法について説明する。
まずｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚を除いて、デバイスの設計値を設定し、ｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚を０．１μｍ〜０．８μｍ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。
まずｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚を除いて、デバイスの設計値を設定し、ｎ−光ガイド層３０およびｐ−光ガイド層３４の層厚を０．１μｍ〜０．８μｍ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はこの発明の一実施の形態に係る導波路型受光素子の光ガイド層厚みに対する信号光の感度依存性を示すグラフである。図４において、曲線aは波長が１．３μｍの光に関する光ガイド層厚みに対する感度の依存性を示し、曲線bは波長が１．５５μｍの光に関する光ガイド層厚みに対する感度の依存性を示している。
図４において、曲線aおよび曲線bの勾配が正から負に変わる極値に対応した光ガイド層の厚みｄ1、ｄ2は、曲線aではｄ1が０．４μｍ近傍、曲線bではｄ2が０．６μｍ近傍である。これらの極値に対応する光ガイド層厚みｄ1、ｄ2から薄くなっても、厚くなっても感度の劣化が見られる。
従って、例えば１．３μｍ帯および１．５５μｍ帯の信号光に対して共に良好な感度を示す光ガイド層の層厚ｄgは、０．４μｍ≦ｄg≦０．６μｍの範囲に、感度が同等になり２波長帯の信号光に対して共に高感度になりうる光ガイド層の層厚が存在することが予想できる。図４においては０．４μｍより若干層厚が厚いところに存在しているように予想できる。
図４において、曲線aおよび曲線bの勾配が正から負に変わる極値に対応した光ガイド層の厚みｄ1、ｄ2は、曲線aではｄ1が０．４μｍ近傍、曲線bではｄ2が０．６μｍ近傍である。これらの極値に対応する光ガイド層厚みｄ1、ｄ2から薄くなっても、厚くなっても感度の劣化が見られる。
従って、例えば１．３μｍ帯および１．５５μｍ帯の信号光に対して共に良好な感度を示す光ガイド層の層厚ｄgは、０．４μｍ≦ｄg≦０．６μｍの範囲に、感度が同等になり２波長帯の信号光に対して共に高感度になりうる光ガイド層の層厚が存在することが予想できる。図４においては０．４μｍより若干層厚が厚いところに存在しているように予想できる。
一般的に言い換えれば、最も短い信号光波長帯である第１の信号光波長帯の中心波長をλ1、第２の信号光波長帯の中心波長をλ2（λ2＞λ1）、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ1の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１、第２の光ガイド層の厚みをｄ１、第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対するλ2の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１，第２の光ガイド層の厚みをｄ2としたときに、第１、第２の光ガイド層の厚みｄgがｄ1≦ｄg≦ｄ2の範囲内にあれば、第１の信号光と第２の信号光との間に含まれる多波長信号光に対して、感度が同等になり、共に高感度になりうる光ガイド層の層厚が存在することが予想できる。
ただ、極値近傍では感度曲線が、光ガイド層の層厚の変化に対して緩やかに変化するので、実質上は０．３μｍ≦ｄg≦０．７５μｍの範囲、一般的に言い換えれば０．７５ｄ1≦ｄg≦１．２５ｄ2の範囲内において実質上問題なく光ガイド層厚を設定することができる。
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の感度特性の計算値と実測値との比較を示すグラフである。
図５において、ｓ1は１．３μｍ帯の信号光に対する感度計算値、ｓ2は１．５５μｍ帯の信号光に対する感度計算値である。またｍ1は１．３μｍ帯の信号光に対する感度実測値、ｍ2は１．５５μｍ帯の信号光に対する感度実測値である。
図５の感度実測値ｍ1、ｍ2から分かるように０．８Ａ／Ｗ程度の感度特性を持った素子がえられており、感度計算値と感度実測値とは概ね一致している。
図５において、ｓ1は１．３μｍ帯の信号光に対する感度計算値、ｓ2は１．５５μｍ帯の信号光に対する感度計算値である。またｍ1は１．３μｍ帯の信号光に対する感度実測値、ｍ2は１．５５μｍ帯の信号光に対する感度実測値である。
図５の感度実測値ｍ1、ｍ2から分かるように０．８Ａ／Ｗ程度の感度特性を持った素子がえられており、感度計算値と感度実測値とは概ね一致している。
図６はこの発明の一実施の形態に係る導波路型受光素子の周波数応答を示すグラフである。
図６において、曲線aは１．３μｍ帯の信号光に対する応答、曲線bは１．５５μｍ帯の信号光に対する応答である。図６から分かるように光吸収層３２の厚みｄaが薄く形成されているために帯域が広くなっている。
以上の説明においては、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた埋込み導波路型ＰＩＮ−ＰＤについて説明したが、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料の他にＡｌＩｎＧａＡｓＰ系材料やＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いても良い。
図６において、曲線aは１．３μｍ帯の信号光に対する応答、曲線bは１．５５μｍ帯の信号光に対する応答である。図６から分かるように光吸収層３２の厚みｄaが薄く形成されているために帯域が広くなっている。
以上の説明においては、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた埋込み導波路型ＰＩＮ−ＰＤについて説明したが、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料の他にＡｌＩｎＧａＡｓＰ系材料やＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いても良い。
これらの材料は、複数の元素による混晶であるので、格子定数とバンドギャップを変化させることができるために、基板材料と格子定数を同じにして非常に広い範囲でバンドギャップを変化させることができる。このため設計の自由度が高くなり、より高感度な受光素子を設計することができる。
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。
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。
また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料においても組成比を変え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。
また以上の実施の形態の説明においては、ＰＩＮ−ＰＤを例に説明したが、信号を素子内で増幅する作用を有する受光素子、例えば素子内に増倍層を有するＡＰＤアバランシェフォトダイオード、avalanche photodiode）のような受光し変換した電気信号を増幅させる機能を有する素子や、受光部前面に光信号を増幅させる機能を有するＳＯＡ（semiconductor optical amplifiers）を配置した受光素子などに適用して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。
また以上の実施の形態の説明においては、ＰＩＮ−ＰＤを例に説明したが、信号を素子内で増幅する作用を有する受光素子、例えば素子内に増倍層を有するＡＰＤアバランシェフォトダイオード、avalanche photodiode）のような受光し変換した電気信号を増幅させる機能を有する素子や、受光部前面に光信号を増幅させる機能を有するＳＯＡ（semiconductor optical amplifiers）を配置した受光素子などに適用して同様の効果を得ることができる。
特にＡＰＤにおいてはＡｌＩｎＧａＡｓＰ系材料が用いられ、信号を増幅したときにＩｎＧａＡｓＰ系材料に比べて雑音が少なくなるという効果がある。これによりより受光感度の高いＡＰＤの作成が可能となる。
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。
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。
以上のように、この実施の形態に係る多波長兼用の埋込み導波路型ＰＩＮ−ＰＤにおいては、１．３μｍ帯信号光の中心波長をλ1とし、１．５５μｍ帯信号光の中心波長をλ2としたときに、ｎ−，ｐ−光ガイド層の厚みの変化に対する波長λ1の光の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応したｎ−，ｐ−光ガイド層の厚みをｄ１、ｎ−，ｐ−光ガイド層の厚みの変化に対する波長λ2の光の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応したｎ−，ｐ−光ガイド層の厚みをｄ2としたときに、導波型ＰＩＮ−ＰＤのｎ−，ｐ−光ガイド層の厚みｄgが、０．７５ｄ１≦ｄg≦１．２５ｄ2を満足するもので、これにより１．３μｍ帯信号光および１．５５μｍ帯信号光を含む多波長帯信号光に対して、高い受光感度を保ったまま高速動作を可能にすることができる。従って受光感度が高く高速動作が可能な多波長帯信号光兼用の導波路型受光素子を簡単に構成することができる。延いては光通信システムが簡単になり、通信システムの大容量化を安価に進めることができる。
さらに、光吸収層の厚みをｄaとしたとき、０．３μｍ≦ｄa≦０．５μｍを満足するようにしたもので、この構成によりキャリアの走行時間を抑え広帯域化を可能にする。延いては広帯域受光素子を簡単に構成することができる。延いては通信システムの広帯域化が可能になり、システムの大容量化を容易に進めることができる。
またさらに、ｎ−，ｐ−クラッド層をＩｎＰで形成しその組成波長λaをλa＝０．９２μｍとし、λ1＝１．３μｍとして、ｎ−，ｐ−光ガイド層の材料の組成波長λgを定めるとともに、λ2＝１．５５μｍとして、ｎ−，ｐ−光ガイド層の厚みｄgが、ｄ1＝０．４μｍ、ｄ2＝０．６μｍとする０．３μｍ≦ｄg≦０．７５μｍを満足するようにしたもので、この構成により１．３μｍ帯信号光と１，５５μｍ帯信号光とを含む多波長帯信号光に対して、高い受光感度を保ったまま高速動作を可能にする。
またさらに、導波路側面にｉ−ＩｎＧａＡｓの光吸収層より屈折率の低い材料であるＦｅドープＩｎＰのブロック層を配設したものである。この構成により光の閉じ込め効率を高くすることができる。このため光の閉じ込め効率が高くなり受光素子の受光感度を高めることができる。延いては簡単な構成で受光感度の高い導波路型ＰＩＮ−ＰＤを提供することができる。
２４ ＩｎＰ基板、 ２０ ｎ電極、 ２８ ｎ−クラッド層、 ３０ ｎ−光ガイド層、 ３２ 光吸収層、 ３４ ｐ−光ガイド層、 １８ ｐ電極、 ３６ ｐ−クラッド層、 １６ａ 導波路、 ３８ ブロック層。
Claims (5)
- 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導電型の第１光ガイド層、０．３μｍ以上で０．５μｍ以下の層厚を有する光吸収層、第２導電型の第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、
この光導波路層の側面を埋込んだ、上記光吸収層より屈折率の低い材料の低屈折率層と
を備えるとともに、
最も短い信号光波長帯である第１の信号光波長帯の中心波長をλ1、第２の信号光波長帯の中心波長をλ2（λ2＞λ1）、上記第１，第２クラッド層の材料の組成波長をλaとしたときに、
上記第１，第２光ガイド層が上記第１の信号光に対して透明になるように、第１，第２光ガイド層の材料の組成波長λgが、λa＜λg＜λ1を満足するとともに、
第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対する上記λ1の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１、第２の光ガイド層の厚みをｄ１、
第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対する上記λ2の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１，第２の光ガイド層の厚みをｄ2としたときに、
第１、第２の光ガイド層の厚みｄgが
０．７５ｄ１≦ｄg≦１．２５ｄ2
を満足し、かつ第１および第２の光ガイド層が上記第１および第２の信号光波長帯の感度が同等になる所定の層厚ｄgを有することを特徴とした多波長帯信号光兼用の導波路型受光素子。 - 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ＩｎＰの第１クラッド層、第１導電型の第１光ガイド層、０．３μｍ以上で０．５μｍ以下の層厚を有する光吸収層、第２導電型の第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ＩｎＰの第２クラッド層が順次積層された光導波路層と、
この光導波路層の側面を埋込んだ、上記光吸収層より屈折率の低い材料の低屈折率層と
を備えるとともに、
第１の信号光波長帯の中心波長λ1を１．３μｍとし、第２の信号光波長帯の中心波長λ2を１．５５μｍとし、上記第１，第２クラッド層の材料の組成波長λaをλa＝０．９２μｍとしたときに、上記第１，第２光ガイド層の材料の組成波長λgが、λa＜λg＜λ1により規定され、
第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対する上記λ1の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１、第２の光ガイド層の厚みｄ１を、ｄ1＝０．４μｍとし、
第１，第２の光ガイド層の厚みの変化に対する上記λ2の感度曲線の勾配が正から負に変わる極値に対応した第１，第２の光ガイド層の厚みｄ2を、ｄ2＝０．６μｍとしたときに、
第１、第２の光ガイド層の厚みｄgが０．３μｍ≦ｄg≦０．７５μｍを満足し、かつ第１および第２の光ガイド層が上記第１および第２の信号光波長帯の感度が同等になる所定の層厚ｄgを有することを特徴とした多波長帯信号光兼用の導波路型受光素子。 - 第１，第２の光ガイド層がＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型受光素子。
- 第１，第２の光ガイド層がＡｌＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型受光素子。
- 第１，第２の光ガイド層が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又は２に記載の導波路型受光素子。
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