JP5278428B2 - 半導体受光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光信号を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し、特に複数の導波路型受光素子が同一基板上に集積された半導体受光素子及びその製造方法に関する。

インターネット等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、より大容量かつ高機能な光ファイバ通信システムの開発が求められている。長距離光伝送システムでは、１本の光ファイバ中に複数の波長の光信号を多重化して伝送するＷＤＭ伝送技術を適用し、経済的かつ大容量の情報伝送を実現している。ＷＤＭ伝送装置では、装置コスト低減のために波長あたりの伝送速度の高速化が検討されている。

しかし、伝送速度の高速化又は伝送路の長距離化を図ろうとすると、受信装置において、光Ｓ／Ｎ比の劣化が問題となる。この問題を解決するために、近年、受信感度を向上させることができる位相変調として、差動位相シフトキーイング（ＤＰＳＫ：Differential Phase Shift Keying）変調の研究及び開発が進められている。２値信号として光の強度を用いる従来のＯＯＫ（On Off Keying）方式と比較して、ＤＰＳＫ方式は受信感度を２倍向上させることができる。そのため、特に、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度において、この方式の有効性が確認されている。一般的に、ＤＰＳＫ光信号の受信には、１ビット遅延干渉計と２つの受光素子からなるバランスド光受信器が用いられる（例えば、非特許文献１）。

また、小型化、高機能化の観点から、高速動作が可能な導波路型受光素子を１チップに集積化したバランス型受光素子の研究及び開発も進められている（例えば、非特許文献２及び３）。

P. J. Winzer、外、「Degradations in Balanced DPSK Receivers」、IEEE Photonics Technology Letters、２００３年、ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．９、ｐ．１２８２−１２８４ A. Umbach、外６名、「Integrated Limiting Balanced Photoreceiver for 43 Gbit/s DPSK Transmission」、Proc. of the 31th European Conference on Optical Communication、２００５年、ｐ．４９７−４９８ S. Watanabe、外４名、「Dual evanescently coupled waveguide photodiodes for ultra-high bit rate DPSK/DQPSK systems」、Proc. of the 20th Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society、２００７年、ｐ．３８７−３８８

しかしながら、この非特許文献２や非特許文献３に開示された半導体受光素子のように複数の受光素子を集積する場合、隣り合う受光素子間の光のクロストークが問題となる。光の入射部が非常に近接した位置になるため、隣の受光素子で結合できなかった光（迷光）や迷光等によって発生した散乱光が隣の受光素子へのクロストークとなり、受光素子の特性が劣化する。また、バランス型受光素子では、２つの受光素子を直列に接続して集積するため、受光部間に配線電極が必要になる。そこで、単純に受光部間に遮光壁を設けようとすると、２つの受光素子間の配線が長くなってしまい、高周波特性を悪化させてしまう。

本発明は、高周波特性に影響を与えることなく、光クロストークを低減できる受光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体受光素子は、
半導体基板上に形成された受光層と、
前記半導体基板上に形成され、前記受光層に信号光を伝達し、光入射端面側に前記受光層を含まない領域を有する光導波路と、
前記受光層と前記光導波路とを備え、同一の前記半導体基板上に複数集積された導波路型受光素子と、
隣接する前記光導波路の光入射端面の相互間に半導体層から構成される遮光メサとを備えているものである。

他方、本発明に係る半導体受光素子の製造方法は、
半導体基板上に、受光層と、前記受光層に信号光を伝達し、光入射端面側に前記受光層を含まない領域を有する光導波路とを備えた導波路型受光素子を複数集積し、
隣接する前記光導波路の光入射端面の相互間に半導体層から構成される遮光メサを形成するものである。

本発明によれば、高周波特性に影響を与えることなく、光クロストークを低減できる受光素子及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る集積受光素子の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明の実施の形態２に係る集積受光素子の平面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ断面図である。 本発明の実施の形態３に係る集積受光素子の平面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。 図７のＩＸ−ＩＸ断面図である。 実施の形態３の効果を説明する図である。 遮光メサに入射した光が出射するときの角度を説明する図である。 遮光メサに入射した光が出射するときの角度を説明する図である。 実施の形態３に係る他の集積受光素子の平面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施の形態１
図１〜図３には、本発明の第１の実施の形態に係る集積受光素子１００が示されている。図１は、集積受光素子１００の平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。また、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

集積受光素子１００は、２つの受光素子を備えた素子である。図１に示すように、この集積受光素子１００は矢印で示された方向から信号光１４ａ及び１４ｂを受ける。それぞれの受光素子は独立して形成されており、信号光１４ａ及び１４ｂの入射端面側に各々光導波路１９ａ及び１９ｂを有している。この光導波路１９ａ及び１９ｂは光吸収層を有していない。本実施の形態では２つの受光素子を有しているが、これに限られるものではなく、複数であればよい。

各々の光導波路１９ａ及び１９ｂの延長上には、２つの受光素子を構成する受光メサ１１ａ及び１１ｂが形成されている。また、光導波路１９ａと光導波路１９ｂとの間の光入射端面近傍に、半導体層を有する遮光メサ１３が配置されている。

以下に、本実施の形態の集積受光素子１００の詳細について説明する。集積受光素子１００は、半絶縁半導体基板１０１と、この半絶縁半導体基板１０１上に積層された半導体層とを有する。半導体基板１０１は、例えば、半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ基板である。半導体層は、図２に示すように、例えば、半導体基板１０１上にバッファ層１０２、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層１０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層（受光層）１０５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を所定の厚みに順次積層することにより得られるものである。

このような集積受光素子１００の半導体基板１０１上には、各層１０２〜１０７を有する複数のメサ（受光メサ１１ａ、１１ｂ、遮光メサ１３）、及び、受光メサ１１ａ、１１ｂの信号光１４ａ、１４ｂの入射端面側に各層１０２〜１０４を有する光導波路１９が形成されている。詳しくは後述するが、各メサ１１ａ、１１ｂ、１３、１９ａ、１９ｂは、前記各層１０２〜１０７を積層した後、周知のエッチング処理により形成されるものである。

図１及び図２に示すように、受光メサ１１ａ、１１ｂは、例えば、四角柱形状で形成される。この受光メサ１１ａ、１１ｂは、各々半導体層１０２〜１０７と、コンタクト層１０７上に設けられたｐ側電極１１１ａ、１１１ｂとを有する。受光メサ１１ａ、１１ｂの光吸収層１０５は受光層である。第１の受光メサ１１ａと、第２の受光メサ１１ｂとの間の距離Ｗ１は、例えば、５０μｍ以下であるが、距離Ｗ１はこれに限られるものではない。

ｐ側電極１１１ａ、１１１ｂは、例えば、Ａｕを含有する積層電極である。ｎ側電極１２１ａ、１２１ｂは、ｎ−クラッド層１０３をｎ側のコンタクト層として用いる。このｎ側電極１２１ａ、１２１ｂも、例えば、Ａｕを含有する積層電極である。

遮光メサ１３と光導波路１９ａ、１９ｂの頂部及び側壁、受光メサ１１ａ、１１ｂの周囲のバッファ層１０２、ｎ−クラッド層１０３の表面、さらには、受光メサ１１ａ、１１ｂの側壁には、保護膜１０８が形成されている。この保護膜１０８は、絶縁膜であり、例えば、シリコン窒化膜である。

次に、集積受光素子１００の製造方法について説明する。まず、半導体基板１０１上に、バッファ層１０２、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層１０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層（受光層）１０５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を、例えば、ガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）により順次積層する。

そして、図２、３に示すように、深さの異なる複数回のエッチング工程により、受光メサ１１ａ、１１ｂ、光導波路１９ａ、１９ｂ、遮光メサ１３、ｎ−クラッド層１０３又はバッファ層１０２が露出するまでエッチングした領域（ｎコンタクト領域）及び半絶縁半導体基板１０１が露出するまでエッチングした領域を形成する。

この光導波路１９ａ、１９ｂは信号光１４ａ、１４ｂを光電変換部（受光メサ１１ａ、１１ｂ）に導波させるための受動導波路である。受光メサ１１ａ、１１ｂ及び遮光メサ１３はエッチングを施さず、光吸収層１０５を有した領域である。この受光メサ１１ａ、１１ｂが、各々信号光１４ａ、１４ｂを光電変換する。

次に、ｎ−コンタクト領域及び、受光メサ１１ａ、１１ｂと遮光メサ１３、光導波路１９ａ、１９ｂを残し、半絶縁半導体基板１０１に達するまでエッチングを行なう。これにより、受光メサ１１ａと１１ｂ、光導波路１９ａと１９ｂ、遮光メサ１３間の電気的アイソレーションがなされる。また、ｐ側及びｎ側のパッド電極を形成した際の寄生容量発生を防ぐ。

次に、集積受光素子１００の表面に、保護膜１０８を形成する。この保護膜１０８は、各メサ１１ａ、１１ｂ、１３、１９ａ、１９ｂの側壁、頂部、さらには、各メサの周囲の露出したバッファ層１０２もしくはｎ−クラッド層１０３もしくは半絶縁半導体基板１０１を覆うように形成される。

その後、保護膜１０８のうち、受光メサ１１ａ、１１ｂの頂部に形成された部分、バッファ層１０２もしくはｎ−クラッド層１０３上に形成された部分を、エッチングにより、選択的に除去する。ここでは、エッチング液としては、例えば、フッ酸を使用する。

次に、保護膜１０８が除去された部分に、ｐ側電極１１１ａ、１１１ｂ、ｎ側電極１２１ａ、１２１ｂをそれぞれ形成する。具体的には、受光メサ１１ａ、１１ｂの頂部にｐ側電極１１１ａ、１１１ｂを各々形成し、バッファ層１０２、もしくはｎ−クラッド層１０３上にｎ側電極１２１ａ、１２１ｂを形成する。ここで、受光メサ１１ａの頂部に形成されたｐ側電極１１１ａとｎ側電極１２１ｂとが引出電極１２２を介して接続されている。引出電極１２２は半導体基板１０１の表面上に保護膜１０８を介して接続されている。

また、ｐ側電極１１１ｂ及びｎ側電極１２１ａは半導体基板１０１の表面上に保護膜１０８を介して引き出し配線を形成する。最後に、素子の入射端面に反射防止膜１３０、例えば、シリコン窒化膜を形成する。これにより、本実施の形態の集積受光素子が完成する。

以下に、本実施の形態の動作、効果について説明する。本実施の形態では、図１、３の矢印で示された方向から信号光１４ａ、１４ｂを入射する。入射された信号光１４ａ、１４ｂはｎ−ガイド層１０４を光導波のためのコア層として伝播し、受光メサ１１の光吸収層１０５に染み出すことにより光電変換され、ｐ側電極１１１ａ、１１１ｂ、ｎ側電極１２１ａ、１２１ｂに接続された外部の電気回路に電気信号として取り出される。

すべての信号光が、受光メサ１１ａ、１１ｂに結合されずに、一部の信号光が周囲に漏れた場合、隣接する受光素子にとって、この光はクロストークの要因となる。また、光入射端面やモジュール内で発生した散乱光も同様である。この迷光を遮光メサ１３で吸収する。本実施例では、遮光メサ１３は受光メサ１１ａ、１１ｂと同一の結晶構造を有する。

遮光メサ１３の光吸収層１０５において散乱光を吸収する。波長１．５５μｍの光に対するＩｎＰの屈折率は約３．２であることから、空気中からの光の入射に対して、全反射は存在しない。逆に、ＩｎＰ中から空気中へは角度７１．６°以下で入射した光は遮光メサと外部への界面で全反射され、遮光メサ１３内を進行する。このように、遮光メサ１３に迷光をとどめることができ、遮光メサ１３に入った迷光は外部へ出ることができにくく、内部の光吸収層１０５で次第に吸収され、最終的には消滅する。

このように本実施の形態に係る集積受光素子１００では、受光メサ１１ａ、１１ｂの入射端面側に光導波路が形成され、光電変換部が入射端面から離れた位置に形成されている。また、この光導波路には、光吸収層１０５が形成されていないため、通常の導波路型受光素子と異なり、光電変換部の光吸収層１０５の入射端面側の側面からはほとんど光が入射しない。したがって、遮光メサ１３は信号光の入射端面付近、例えば、光導波路の相互間に配置しておけば、受光メサ１１へ到達する前に迷光を抑制することができる。

これにより、高周波特性に影響を与えることなく、クロストークを抑制した集積受光素子１００を提供することができる。
また、遮光メサ１３側壁の保護膜１０８を反射防止膜となるような膜とすれば、迷光が遮光メサ１３へ入射するときの反射を抑制することができる。
さらに、本実施の形態では、遮光メサ１３は、受光メサ１１ａ、１１ｂと同一の結晶層構造としたが、選択成長などの方法により、十分な吸収係数を有する結晶層で形成すれば、よりクロストークを抑制した受光素子を提供することができる。

実施の形態２
次に、図４及び図５、図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る集積受光素子２００について説明する。図４は、実施の形態２に係る集積受光素子２００の平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ断面図、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ断面図である。集積受光素子２００は、２つの受光素子が相互に接続されておらず、独立して配置されている点が第１実施の形態と異なる。他の点については、実施の形態１と同様である。

集積受光素子２００は、実施の形態１と同様の受光メサ２１ａ、２１ｂと、それらの相互間に配置された遮光メサ２３とを有する。受光メサ２１ａ、２１ｂと遮光メサ２３は実施の形態１と略同様の構成である。しかし、隣り合う受光素子の相互間が電極により接続されておらず、独立して動作する点が異なる。具体的には、実施の形態１における引出電極１２２が形成されていない。

本実施の形態によれば、受光素子が直列に接続されておらず、独立して動作する集積受光素子においても、前記実施の形態と略同様の効果を奏することができる。なお、本実施の形態でも２個の受光素子を集積した集積受光素子としたが、これに限られるものではない。

実施の形態３
次に、図７及び図８、図９を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る集積受光素子３００について説明する。図７は、実施の形態３に係る集積受光素子３００の平面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図、図９は、図７のＩＸ−ＩＸ断面図である。本実施の形態の集積受光素子３００は、遮光メサ３３の幅が、入射端面側から内部へ向かって漸増している点が異なる。他の点については、実施の形態１と同様である。

遮光メサ３３は、光導波路１９ａと１９ｂの間に信号光１４ａ、１４ｂの進行方向に対して広がり角度θ１５をもって漸増するような形状に形成されている。この広がり角度θ１５は１１°以上であることが好ましい。

以下に、本実施の形態の動作、効果について説明する。本実施の形態では、図７の矢印で示された方向から信号光１４ａ、１４ｂを入射する。実施の形態１及び２と同様に、遮光メサ３３は光導波路に結合されなかった光や散乱等で発生した迷光の捕獲領域となる。本実施の形態では遮光メサ３３の幅が角度θ１５をもって漸増している。

図１０は本実施の形態の遮光メサ３３のモデルを示している。図１１は信号光１４ａ、１４ｂと平行方向からの迷光１６が遮光メサ３３に入射したときの、遮光メサ３３の角度θ１５に対する、遮光メサ３３内の側壁から他方の側壁へ入射する角度θ１７を示している。図１２は信号光１４ａ、１４ｂと垂直な方向（他方の受光素子へ向かう方向）からの迷光１８が遮光メサ３３に入射したときの、遮光メサ３３の角度θ１５に対する、遮光メサ３３内の側壁から他方の側壁へ入射する角度θ１７を示している。

このモデルで考えれば、信号光１４ａ、１４ｂと平行方向からの迷光１６に対しては、メサの側壁へ入射した光は全反射により遮光メサ３３内部に閉じ込められる。また、信号光１４と垂直な方向からの迷光１８に対しては、遮光メサ３３が１１°以上の広がり角度θ１５を有していれば、光は全反射により遮光メサ３３内部に閉じ込められる。本実施の形態では、クロストークの原因となる迷光の入射する角度は信号光１４ａ、１４ｂと平行な方向（０°）から垂直な方向（９０°）の範囲であると考えられる。

したがって、この遮光メサ３３の角度θ１５が１１°以上で漸増していれば、遮光メサ３３内に入射した光は内側の側壁で全反射され、遮光メサ３３内部で少なくとも１回屈折され、遮光メサ３３の光吸収層１０５を２回通ることができる。そのため、遮光メサ３３の幅を十分に確保できない場合でも、実質的に、遮光メサ３３内での光路長を確保でき、効果的に遮光することができる。

さらに、遮光メサ３３側壁の保護膜１０８を反射防止膜となるような膜とすれば、迷光が遮光メサ３３へ入射するときの反射を抑制することができる。
さらに、本実施の形態では、遮光メサ３３は、受光メサ１１ａ、１１ｂと同一の結晶層構造としたが、選択成長などの方法により、十分な吸収係数を有する結晶層で形成すれば、よりクロストークを抑制した受光素子を提供することができる。

さらに、本実施の形態では、遮光メサ３３の幅は単調に漸増する形状としたが、ある一定角度で漸増した後、幅を一度減少させ、再び漸増するような多段漸増メサであってもよい。このように多段漸増させることで、遮光メサを配置する場所が狭く、単調漸増の遮光メサでは所望の角度にすることができない場合にも所望の角度を得ることができ、クロストークを抑制した受光素子を提供できる。
また、図１３に示すように、図４における遮光メサ２３を図７における遮光メサ３３に置き換えた集積受光素子でも、同様の効果を奏することができる。

以上、説明したとおり、本発明により、同一半導体基板上に複数個の半導体受光素子を集積化した半導体集積受光素子において、光導波路の光入射端面付近の相互間に配置された半導体メサ構造が、光入射端面で発生する散乱光や迷光の遮光壁となり、散乱光や迷光が隣の受光素子へ到達することを防ぐことができる。さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

この出願は、２００８年５月２８日に出願された日本出願特願２００８−１３９５７３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、光信号を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適用され、特に複数の導波路型受光素子が同一基板上に集積された半導体受光素子及びその製造方法に適用される。

１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ 受光メサ
１３、２３、３３ 遮光メサ
１４ａ、１４ｂ 信号光
θ１５ 広がり角度
１６、１８ 迷光
θ１７ 角度
１９ａ、１９ｂ、２９ａ、２９ｂ 光導波路
１００、２００、３００ 集積受光素子
１０１ 半導体基板
１０２ バッファ層
１０３ ｎ−クラッド層
１０４ ｎ−ガイド層
１０５ 光吸収層
１０６ ｐ−クラッド層
１０７ ｐ−コンタクト層
１０８ 保護膜
１１１ａ、１１１ｂ、２１１ａ、２１１ｂ ｐ側電極
１２１ａ、１２１ｂ、２２１ａ、２２１ｂ ｎ側電極
１２２ 引出電極
１３０ 反射防止膜

Claims (7)

1. 半導体基板上に形成された受光層と、
   前記半導体基板上に形成され、前記受光層に信号光を伝達し、光入射端面側に前記受光層を含まない領域を有する光導波路と、
   前記受光層と前記光導波路とを備え、同一の前記半導体基板上に複数集積された導波路型受光素子と、
   前記導波路型受光素子である第１の導波路型受光素子の前記光導波路の光入射端面と前記受光層との間の部分と、前記第１の導波路型受光素子と隣接する前記導波路型受光素子である第２の導波路型受光素子の前記光導波路の光入射端面と前記受光層との間の部分と、の間に形成され、半導体層から構成される遮光メサと、を備える、
   半導体受光素子。
2. 前記遮光メサを構成する前記半導体層が光吸収層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 前記遮光メサは前記受光層を含む受光メサと同一の結晶層構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
4. 前記遮光メサの幅が、光入射端面から漸増し、かつ前記光導波路との距離が順次狭くなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
5. 前記遮光メサの幅が複数段にわたって漸増することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
6. 前記遮光メサの側壁に、反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
7. 半導体基板上に、受光層と、前記受光層に信号光を伝達し、光入射端面側に前記受光層を含まない領域を有する光導波路とを備えた導波路型受光素子を複数集積し、
   前記導波路型受光素子である第１の導波路型受光素子の前記光導波路の光入射端面と前記受光層との間の部分と、前記第１の導波路型受光素子と隣接する前記導波路型受光素子である第２の導波路型受光素子の前記光導波路の光入射端面と前記受光層との間の部分と、の間に、半導体層から構成される遮光メサを形成する、
   半導体受光素子の製造方法。

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