JP6284195B2 - 受光素子 - Google Patents

Description

本発明は、ゲルマニウム（Ｇｅ）から構成された吸収層を備える受光素子に関する。

フォトダイオードは、光信号を電気信号に変換するデバイスである。特に、吸収層をゲルマニウム（Ｇｅ）から構成したＧｅフォトダイオードは、Ｇｅがシリコン（Ｓｉ）基板上にエピタキシャル成長できるため、Ｓｉ基板上で電子回路と光回路を集積する技術であるＳｉフォトニクスにおいて注目されている（非特許文献１参照）。

ところで、通信用途で用いられるＳｉフォトニクスデバイスは、広い波長帯の信号を受信できることが要求される。通信波長帯には、Ｏバンド（１２６０−１３６０ｎｍ）、Ｃバンド（１５３０−１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５−１６２５ｎｍ）などがある。これに対し、Ｇｅは、ＯバンドおよびＣバンドでは高い光吸収係数を示すが、Ｌバンドでは光吸収係数が低下する（非特許文献２参照）。Ｇｅフォトダイオードの受信可能波長は、Ｇｅからなる吸収層の各波長における光吸収係数によって決定されるため、上述のことより、Ｇｅフォトダイオードを全通信波長帯で受信機として用いることは容易ではない。

ここで、一般的なＧｅフォトダイオードについて、図１３，図１４を用いて説明する。図１３は、従来の一般的なＧｅフォトダイオードの構造を示す斜視図であり、図１４は、光が導波する方向に垂直な断面を示す断面図である。このＧｅフォトダイオードは、第１シリコン層８０１，吸収層８０２，第２シリコン層８０３，第１電極８０４，第２電極８０５，およびコア８０６を備える。なお、図１３，図１４では、クラッド層を省略している。

第１シリコン層８０１は、第１導電型（例えばｎ型）とされ、光入力端８１１から光導波方向に延在し、光入力端８１１より入力された光が導波する。光導波方向は、図１４の紙面の左右方向となる。吸収層８０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層８０１とともに光導波方向に延在して第１シリコン層８０１の上に形成されている。第２シリコン層８０３は、第２導電型（例えばｐ型）とされ、吸収層８０２とともに光導波方向に延在して吸収層８０２の上に形成されている。また、第１電極８０４は、第１シリコン層８０１に接続し、第２電極８０５は、第２シリコン層８０３の上に形成されて第２シリコン層８０３に接続する。

また、光入力端８１１には、シリコンからなるコア８０６が接続し、コア８０６よりなる光導波路を導波してきた光が入力される。光入力端８１１より入力した光は、第１シリコン層８０１を導波する過程で、電場が印加されている吸収層８０２に吸収されて光電変換される。このＧｅフォトダイオードでは、第１電極８０４と第２電極８０５との間に電圧を印加することで、吸収層８０２に均一に電場がかかる。

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ここで、図１５の一点鎖線に示すように、Ｇｅの光吸収係数は、波長依存性がある（非特許文献３参照）。このため、Ｇｅフォトダイオードに光信号を入力すると、波長１５５０ｎｍ（Ｃバンド）の光と波長１６２５ｎｍ（Ｌバンド）の光を入力した時で、光吸収効率に大きく差がでる。

図１６は、吸収層８０２の導波方向の長さと光吸収効率との関係を示した特性図である。吸収層８０２が長いほど、光吸収効率は増加する。Ｃバンドの光に対しては，吸収層８０２の長さが１０μｍ付近で吸収効率１００％に達する。しかしながら、Ｌバンドの光は、吸収層８０２の長さが５０μｍあった場合でも、吸収効率は４％と小さい。

吸収層８０２の導波方向長さが長ければ、光吸収係数が低いＧｅフォトダイオードであっても、波長１６２５ｎｍにおける光吸収効率を１００％近くまで上昇させることも可能であるが、このためには、吸収層８０２の長さが１０ｍｍ以上必要となる。吸収層８０２の長さが長くなると、Ｇｅフォトダイオードの静電容量が増加し、動作速度を低下させる要因となる。このため、Ｌバンドの光吸収効率を増加するために、吸収層８０２を長延化することは、現実的ではない。

一方で、吸収層８０２に高い電場を印加することで、フランツケルディッシュ効果によりＬバンドでの光吸収効率を増大することもできる（非特許文献４，非特許文献５参照）。しかし吸収層８０２の全体に高い電場を印加すると、暗電流が増加するため、信号雑音比率が劣化する。このように、従来では、動作速度を低下させることなく、また、信号雑音比率を劣化させることなく、Ｇｅ吸収層におけるＬバンドの光吸収効率を増加させることが、容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、動作速度の低下および信号雑音比率の劣化を抑制した状態でＬバンドの光吸収効率を増加させることを目的とする。

本発明に係る受光素子は、光入力端から光導波方向に延在して光入力端より入力された光が導波する第１導電型の第１シリコン層と、第１シリコン層とともに光導波方向に延在して第１シリコン層の上に形成されたゲルマニウムからなる吸収層と、吸収層とともに光導波方向に延在して吸収層の上に形成された第２導電型の第２シリコン層と、第１シリコン層に接続する第１電極と、第２シリコン層の上に形成されて第２シリコン層に接続する第２電極と、吸収層に印加される電場が、光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段とを備える。

上記受光素子において、吸収層は、光入力端より離れるほど薄く形成され、光入力端より離れるほど薄く形成された吸収層により電場可変手段が構成されている。また、吸収層は、光導波方向に垂直な断面が、第１シリコン層の側から離れるほど細く形成されているようにしてもよい。

上記受光素子において、吸収層は、光入力端より離れるほど高い不純物濃度とされ、光入力端より離れるほど高い不純物濃度とされた吸収層により電場可変手段が構成され、吸収層は、第１シリコン層の側に配置された低濃度不純物層と、第２シリコン層の側に配置された高濃度不純物層との積層構造とされ、低濃度不純物層は、光入力端より離れるほど薄くされ、高濃度不純物層は、光入力端より離れるほど厚くされている。また、低濃度不純物層は、光導波方向に垂直な断面が、第１シリコン層の側から離れるほど細く形成され、高濃度不純物層は、低濃度不純物層の上面を覆って形成されているようにしてもよい。

なお、光導波方向に配列された複数の第２電極を備え、光入力端より離れる第２電極ほど、吸収層に印加する電場が高くされ、複数の第２電極により電場可変手段が構成されているようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、吸収層に印加される電場が光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段を設けるようにしたので、動作速度の低下および信号雑音比率の劣化を抑制した状態でＬバンドの光吸収効率を増加させることができるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における受光素子の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１における受光素子の一部構成を示す断面図である。 図３は、実施の形態１における吸収層１０２に電場を印加した時の光吸収係数の変化を示す特性図である。 図４は、実施の形態１における受光素子（ａ）と、従来構造のＧｅフォトダイオード（ｂ）との各々に１Ｖの電圧を印加した時のＬバンドにおける光吸収係数の変化を示す特性図である。 図５は、実施の形態１における受光素子（ａ）と、従来構造のＧｅフォトダイオード（ｂ）との各々に１Ｖの電圧を印加した時のＬバンドにおける光吸収効率の変化を示す特性図である。 図６は、実施の形態１における受光素子の暗電流（ａ）、および従来構造のＧｅフォトダイオードの暗電流（ｂ）を示す特性図である。 図７は、本発明の実施の形態２における受光素子の一部構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態３における受光素子の一部構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態４における受光素子の構成を示す斜視図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態５における受光素子の一部構成を示す斜視図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態５における受光素子の一部構成を示す平面図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態６における受光素子の一部構成を示す斜視図である。 図１１Ｂは、本発明の実施の形態６における受光素子の一部構成を示す平面図である。 図１２は、本発明の実施の形態７における受光素子の構成を示す斜視図である。 図１３は、従来の受光素子の構成を示す斜視図である。 図１４は、従来の受光素子の一部構成を示す断面図である。 図１５は、Ｇｅの光吸収係数変化を示す特性図である。 図１６は、従来の受光素子における吸収層８０２の導波方向の長さと光吸収効率の関係を示した特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１，図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における受光素子の構成を示す斜視図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における受光素子の一部構成を示す断面図である。図１，図２では、クラッドを省略して示している。

この受光素子は、第１シリコン層１０１，吸収層１０２，第２シリコン層１０３，第１電極１０４，第２電極１０５，およびコア１０６を備える。第１シリコン層１０１は、第１導電型（例えばｎ型）とされ、光入力端１１１から光導波方向に延在し、光入力端１１１より入力された光が導波する。ここで、導波方向は、図２の紙面の左右方向となる。

吸収層１０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層１０１とともに光導波方向に延在して第１シリコン層１０１の上に形成されている。また、第２シリコン層１０３は、第２導電型（例えばｐ型）とされ、吸収層１０２とともに光導波方向に延在して吸収層１０２の上に形成されている。なお、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよい。

また、第１電極１０４は、第１シリコン層１０１に接続し、第２電極１０５は、第２シリコン層１０３の上に形成されて第２シリコン層１０３に接続する。第１電極１０４は、光導波方向に直交する方向に延在する第１シリコン層１０１の上に形成されている。これらの構成において、光入力端１１１より入力した光は、第１シリコン層１０１を導波する過程で、電場が印加されている吸収層１０２に吸収されて光電変換される。

例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、この基板部の上の埋め込み酸化層を下部クラッド層（不図示）とし、ＳＯＩ層をパターニングすることで、第１シリコン層１０１およびコア１０６とすればよい。また、選択的なイオン注入によりｎ型不純物を導入することで、第１シリコン層１０１をｎ型とすればよい。また、よく知られた堆積法により酸化シリコンを堆積することで、第１シリコン層１０１およびコア１０６を覆う上部クラッド層（不図示）とすればよい。

また、この上部クラッド層の一部に、第１シリコン層１０１にまで到達する開口領域を形成し、この開口領域に露出した第１シリコン層１０１の上に、選択的にＧｅを堆積することで吸収層１０２が形成できる。例えば、基板温度を６００℃程度に加熱してＧｅＨ₄をソースガスとした熱ＣＶＤ法に基づくエピタキシャル成長によってＧｅを堆積すればよい。この結晶成長によれば、露出した第１シリコン層１０１の上に選択的にＧｅを堆積することができる。

加えて、吸収層１０２は、光入力端１１１より離れるほど薄く形成されている。実施の形態１では、段階的に厚さを変化させている。実施の形態１では、このように厚さを変化させた吸収層１０２により、吸収層１０２に印加される電場が、光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段としている。例えば、設定した領域毎に上述したＧｅの堆積量を変化させればよい。なお、第２シリコン層１０３は、吸収層１０２の上面の全域を覆って形成されている。また、実施の形態１では、上面が平坦な第１シリコン層１０１の上に厚さを可変させて吸収層１０２を形成しているが、この厚さの変化を吸収して表面が基板に平行な平坦な状態となるように第２シリコン層１０３が形成されている。

例えば、図２に示すように、光入力端１１１から光導波方向に２０μｍまでは、吸収層１０２の層厚は１μｍとされている。また、光入力端１１１から光導波方向に２０μｍから３５μｍまでは、吸収層１０２の層厚は０．２５μｍとされている。また、光入力端１１１から光導波方向に３５μｍから５０μｍまでは、吸収層１０２の層厚は０．１４３μｍとされている。

実施の形態１では、上述したように吸収層１０２を光入力端１１１より離れるほど薄くしたので、吸収層１０２の光入力端１１１側には低い電場が印加され、光入力端１１１より離れる後方には高い電場を印加されようになる。これにより、吸収層１０２の一部（光入力端１１１より離れた側）に、高い電場を印加することが可能となる。

ここで、吸収層１０２に電場を印加した時の光吸収係数の変化の計算結果について、図３を用いて説明する。図３に示すように、印加される電場が高くになるに従って、Ｌバンド（１５６５−１６２５ｎｍ）における光吸収係数が上昇していくことがわかる。

図２に例示した各寸法とした場合（吸収層１０２の幅は１０μｍ）、第１電極１０４と第２電極１０５との間に１Ｖの電圧を印加すると、光入力端１１１から光導波方向に２０μｍまでは約１ｋＶ／ｍｍの電場が吸収層１０２に印加される。また、光入力端１１１から光導波方向に２０μｍから３５μｍまでは約４ｋＶ／ｍｍの電場が吸収層１０２に印加される。また、光入力端１１１から光導波方向に３５μｍから５０μｍまでは、約７ｋＶ／ｍｍの電場が吸収層１０２に印加される。

次に、実施の形態１における受光素子と、従来構造のＧｅフォトダイオードとの各々に１Ｖの電圧を印加した時のＬバンドにおける光吸収係数を図４に示す。また、実施の形態１における受光素子と、従来構造のＧｅフォトダイオードとの各々に１Ｖの電圧を印加した時のＬバンドにおける光吸収効率を図５に示す。なお、いずれの図においても、（ａ）が実施の形態１における受光素子の特性を示し、（ｂ）が従来構造のＧｅフォトダイオードにおける特性を示している。実施の形態１における受光素子によれば、吸収層１０２の長さ５０μｍで、約９０％の光吸収効率を示すことがわかる。

次に、暗電流について図６を用いて説明する。図６は、図２に例示した寸法とした実施の形態１における受光素子の暗電流（ａ）、および従来構造のＧｅフォトダイオードの暗電流（ｂ）を示す特性図である。両者とも約９０％の光吸収効率を示すまでに必要な電界を印加した時の、吸収層１０２，Ｇｅ吸収層に流れる暗電流の計算結果を示している。

波長１６００ｎｍ程度までは高い電場を印加しなくてもＧｅの光吸収係数が高いため、両者には差がほとんど見られない。しかし、Ｌバンドの長波長端である１６２５ｎｍでは、暗電流の差は約２倍になり、さらに長波長の１６４０ｎｍでは約２．５倍に達する。このように、実施の形態１によれば、長波長になるほど暗電流を抑える効果が顕著となる。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、吸収層１０２を長くすることなくＬバンドの光吸収効率を増加させることができ、動作速度の低下を招くことがない。また、高い電場が印加される領域を短く（狭く）したので、信号雑音比率の劣化を抑制した状態でＬバンドの光吸収効率を増加させることが可能となっている。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態２における受光素子の構成を示す断面図である。図７では、クラッドを省略して示している。

この受光素子は、第１シリコン層１０１，吸収層２０２，第２シリコン層２０３，第２電極１０５，およびコア１０６を備える。なお、第１シリコン層１０１，第２電極１０５，およびコア１０６は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。また、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に第１電極を備えるが、図７では省略している。導波方向は、図７の紙面の左右方向となる。

また、吸収層２０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層１０１とともに光導波方向に延在して第１シリコン層１０１の上に形成されている。また、第２シリコン層２０３は、第２導電型（例えばｐ型）とされ、吸収層２０２とともに光導波方向に延在して吸収層２０２の上に形成されている。光入力端１１１より入力した光は、第１シリコン層１０１を導波する過程で、電場が印加されている吸収層２０２に吸収されて光電変換される。

実施の形態２において、吸収層２０２は、第１シリコン層１０１の側に配置された低濃度不純物層２０２ａと、第２シリコン層２０３の側に配置された高濃度不純物層２０２ｂとの積層構造とされている。また、低濃度不純物層２０２ａは、光入力端１１１より離れるほど薄くされ、高濃度不純物層２０２ｂ、光入力端１１１より離れるほど厚くされている。いずれの領域においても、低濃度不純物層２０２ａと高濃度不純物層２０２ｂとを合計した吸収層２０２の厚さは、同一の状態としている。

この構成とすることで、吸収層２０２は、光入力端１１１より離れるほど高い不純物濃度とされた状態となる。実施の形態２では、このように不純物濃度を変化させた吸収層２０２により、吸収層２０２に印加される電場が、光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段としている。

例えば、吸収層２０２の層厚を図７に示すように、光入力端１１１から光導波方向に２０μｍまでは、低濃度不純物層２０２ａの層厚を最も厚くし、光入力端１１１から光導波方向に２０μｍから３５μｍまでは、低濃度不純物層２０２ａの層厚は中程度とし、光入力端１１１から光導波方向に３５μｍから５０μｍまでは、低濃度不純物層２０２ａの層厚を最も薄くすればよい。例えば、イオン注入法によりｐ型不純物を導入することで、低濃度不純物層２０２ａおよび高濃度不純物層２０２ｂが形成できる。設定した領域毎に、イオン注入のドーズ量などを変化させればよい。

実施の形態２では、上述したように吸収層２０２の不純物濃度を光入力端１１１より離れるほど高くしたので、吸収層２０２の光入力端１１１側には低い電場が印加され、光入力端１１１より離れる後方には高い電場を印加されようになる。これにより、吸収層２０２の一部（光入力端１１１より離れた側）に、高い電場を印加することが可能となる。

この結果、実施の形態２においても、吸収層２０２を長くすることなくＬバンドの光吸収効率を増加させることができ、動作速度の低下を招くことがない。また、高い電場が印加される領域を短く（狭く）したので、信号雑音比率の劣化を抑制した状態でＬバンドの光吸収効率を増加させることが可能となっている。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態３における受光素子の構成を示す断面図である。図８では、クラッドを省略して示している。

この受光素子は、第１シリコン層１０１，吸収層３０２，第２シリコン層３０３，第２電極３０５およびコア１０６を備える。なお、第１シリコン層１０１およびコア１０６は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。また、実施の形態３においても、実施の形態１と同様に第１電極を備えるが、図８では省略している。導波方向は、図８の紙面の左右方向となる。

また、吸収層３０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層１０１とともに光導波方向に延在して第１シリコン層１０１の上に形成されている。また、第２シリコン層３０３は、第２導電型（例えばｐ型）とされ、吸収層３０２とともに光導波方向に延在して吸収層３０２の上に形成されている。光入力端１１１より入力した光は、第１シリコン層１０１を導波する過程で、電場が印加されている吸収層３０２に吸収されて光電変換される。

実施の形態３において、吸収層３０２は、光入力端１１１より離れるほど暫時に薄く形成されている。実施の形態３では、このように厚さを変化させた吸収層３０２により、吸収層３０２に印加される電場が、光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段としている。

実施の形態３では、上述したように吸収層３０２の厚さを光入力端１１１より離れるほど薄くしたので、吸収層３０２の光入力端１１１側には低い電場が印加され、光入力端１１１より離れる後方には高い電場を印加されようになる。これにより、吸収層３０２の一部（光入力端１１１より離れた側）に、高い電場を印加することが可能となる。

この結果、実施の形態３においても、吸収層２０２を長くすることなくＬバンドの光吸収効率を増加させることができ、動作速度の低下を招くことがない。また、高い電場が印加される領域を短く（狭く）したので、信号雑音比率の劣化を抑制した状態でＬバンドの光吸収効率を増加させることが可能となっている。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態４における受光素子の構成を示す斜視図である。図９では、クラッドを省略して示している。

この受光素子は、第１シリコン層１０１，吸収層４０２，第２シリコン層１０３，第１電極１０４，第２電極４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃ，およびコア１０６を備える。なお、第１シリコン層１０１，第２シリコン層１０３，第１電極１０４，およびコア１０６は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

吸収層４０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層１０１とともに光導波方向に延在して第１シリコン層１０１の上に形成されている。光入力端１１１より入力した光は、第１シリコン層１０１を導波する過程で、電場が印加されている吸収層４０２に吸収されて光電変換される。

実施の形態４では、吸収層４０２は、全域で均一な厚さとされている。一方、実施の形態４では、光導波方向に配列された複数の第２電極４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃを備えている。加えて、光入力端より離れる箇所の第２電極４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃほど、吸収層４０２に印加する電場が高くされている。

例えば、第２電極４０５ａにより、１ｋＶ／ｍｍの電場が印加され、第２電極４０５ｂにより、３ｋＶ／ｍｍの電場が印加され、第２電極４０５ｃにより、６ｋＶ／ｍｍの電場が印加されるように、各電極に電圧が印加される。このように、印加する電場が各々変化している第２電極４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃにより、吸収層４０２に印加される電場が、光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段としている。

実施の形態４では、第２電極４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃにより印加される電場を、光入力端１１１より離れるほど高くしたので、吸収層４０２の光入力端１１１側には低い電場が印加され、光入力端１１１より離れる後方には高い電場を印加されようになる。これにより、吸収層４０２の一部（光入力端１１１より離れた側）に、高い電場を印加することが可能となる。

この結果、実施の形態４においても、吸収層４０２を長くすることなくＬバンドの光吸収効率を増加させることができ、動作速度の低下を招くことがない。また、高い電場が印加される領域を短く（狭く）したので、信号雑音比率の劣化を抑制した状態でＬバンドの光吸収効率を増加させることが可能となっている。また、実施の形態４では、吸収層４０２を他の層と同様に均一な厚さに形成すればよく、また、不純物導入などを必要としないため、製造が容易である。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について図１０Ａ，図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａは、本発明の実施の形態５における受光素子の構成を示す斜視図ある。図１０Ａでは、クラッドを省略して示している。また、図１０Ｂは、受光素子の一部構成を示す平面図である。

この受光素子は、第１シリコン層１０１，吸収層５０２，およびコア１０６を備える。ここで、図１０Ａでは、吸収層５０２の形状をわかりやすくするため、第２シリコン層，第１電極，第２電極を省略している。また、図１０Ｂは、吸収層５０２のみを示している。各電極およびコア１０６は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。また、実施の形態５においても、第２シリコン層は、吸収層５０２の上面の全域を覆って形成され、吸収層５０２の表面の段差形状（厚さの変化）を吸収して表面が基板に平行な平坦な状態となるように形成されている。

吸収層５０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層１０１とともに光導波方向５２１に延在して第１シリコン層１０１の上に形成されている。また、吸収層５０２は、実施の形態１と同様に、光入力端１１１より離れるほど薄く形成されている。加えて、吸収層５０２は、光導波方向に垂直な断面が、第１シリコン層１０１の側から離れるほど細く形成されている。光入力端１１１より入力した光は、第１シリコン層１０１を導波する過程で、電場が印加されている吸収層５０２に吸収されて光電変換される。

実施の形態５では、このように厚さおよび幅を変化させた吸収層５０２により、吸収層５０２に印加される電場が、光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段としている。実施の形態５では、厚さおよび幅を段階的に変化させている。

実施の形態５では、上述したように吸収層５０２の不純物濃度を光入力端１１１より離れるほど高くしたので、吸収層５０２の光入力端１１１側には低い電場が印加され、光入力端１１１より離れる後方には高い電場を印加されようになる。これにより、吸収層５０２の一部（光入力端１１１より離れた側）に、高い電場を印加することが可能となる。これは、実施の形態１と同様である。

加えて、実施の形態５では、第１シリコン層１０１の側から離れるほど吸収層５０２の幅が細く形成されているので、吸収層５０２の中心部には低い電場が印加され、中心部から離れるほど高い電場を印加されようになる。ここで、光入力端１１１より入力された光は、導波方向５２１に伝搬するとともに、方向５２２にも放射状に伝搬（拡散）する。方向５２２に伝搬した光は、導波方向５２１に伝搬している光よりも早く吸収層５０２を通過する。

このように、実施の形態５では、拡散して伝搬している光に対しても、伝搬方向に進行するほど印加される電界が高くなり、Ｌバンドにおける光吸収係数が高くなる。この結果、実施の形態５では、信号雑音比率の劣化を抑制した状態で、より効率的に、Ｌバンドの光吸収効率を増加させることが可能となっている。

なお、吸収層の厚さを変化させるのではなく、第１シリコン層の側に配置された低濃度不純物層と、第２シリコン層の側に配置された高濃度不純物層との積層構造とし、低濃度不純物層は、光入力端より離れるほど薄くし、高濃度不純物層は、光入力端より離れるほど厚くし、加えて、低濃度不純物層は、光導波方向に垂直な断面が、第１シリコン層の側から離れるほど細く形成してもよい。なお、高濃度不純物層は、低濃度不純物層の上面を覆って形成する。このように構成しても、上述した実施の形態５と同様であり、光導波方向に伝搬する光に加え、拡散していく光に対しても、Ｌバンドにおける光吸収係数を高くすることができる。

［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６について図１１Ａ，図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａは、本発明の実施の形態６における受光素子の構成を示す斜視図ある。図１１Ａでは、クラッドを省略して示している。また、図１１Ｂは、受光素子の一部構成を示す平面図である。

この受光素子は、第１シリコン層１０１，吸収層６０２，およびコア１０６を備える。ここで、図１１Ａでは、吸収層６０２の形状をわかりやすくするため、第２シリコン層，第１電極，第２電極を省略している。また、図１１Ｂは、吸収層６０２のみを示している。各電極およびコア１０６は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。また、実施の形態６においても、第２シリコン層は、吸収層６０２の上面の全域を覆って形成され、吸収層６０２の表面の段差形状（厚さの変化）を吸収して表面が基板に平行な平坦な状態となるように形成されている。

吸収層６０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層１０１とともに光導波方向５２１に延在して第１シリコン層１０１の上に形成されている。また、吸収層６０２は、実施の形態３と同様に、光入力端１１１より離れるほど暫時に薄くなる状態に形成されている。加えて、吸収層６０２は、光導波方向に垂直な断面が、第１シリコン層１０１の側から離れるほど暫時に細くなる状態に形成されている。光入力端１１１より入力した光は、第１シリコン層１０１を導波する過程で、電場が印加されている吸収層６０２に吸収されて光電変換される。

実施の形態６では、このように厚さおよび幅を変化させた吸収層６０２により、吸収層６０２に印加される電場が、光導波方向に光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段としている。

実施の形態６では、上述したように吸収層６０２の不純物濃度を光入力端１１１より離れるほど高くしたので、吸収層６０２の光入力端１１１側には低い電場が印加され、光入力端１１１より離れる後方には高い電場を印加されようになる。これにより、吸収層６０２の一部（光入力端１１１より離れた側）に、高い電場を印加することが可能となる。これは、実施の形態１と同様である。

加えて、実施の形態６では、第１シリコン層１０１の側から離れるほど吸収層６０２の幅が細く形成されているので、実施の形態５と同様に、吸収層６０２の中心部には低い電場が印加され、中心部から離れるほど高い電場を印加されようになる。実施の形態５では、段階的に変化させたが、実施の形態６では、徐々に変化させている。

この結果、実施の形態６においても、拡散して伝搬している光に対して、伝搬方向に進行するほど印加される電界が高くなり、Ｌバンドにおける光吸収係数が高くなる。この結果、実施の形態６でも、信号雑音比率の劣化を抑制した状態で、より効率的に、Ｌバンドの光吸収効率を増加させることが可能となっている。

［実施の形態７］
次に、本発明の実施の形態７について図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の実施の形態７における受光素子の構成を示す斜視図である。図１２では、クラッドを省略して示している。

この受光素子は、第１シリコン層１０１，吸収層７０２，第２シリコン層１０３，第１電極１０４，第２電極１０５，およびコア１０６を備える。これらの構成は、実施の形態１と同様である。吸収層７０２は、ゲルマニウムから構成され、第１シリコン層１０１とともに光導波方向に延在して第１シリコン層１０１の上に形成され、光入力端１１１より離れるほど段階的に薄く形成されている。

上記構成は、実施の形態１と同様であり、実施の形態７では、第１シリコン層１０１をｎ型とし、第２シリコン層１０３をｐ型とし、吸収層７０２を、ｐ型としている。加えて、実施の形態７では、第１シリコン層１０１と吸収層７０２との間に、ｐ型としたシリコンからなる増倍層７０７を備える。

実施の形態７でも、上述したように吸収層７０２を光入力端１１１より離れるほど薄くしたので、吸収層７０２の光入力端１１１側には低い電場が印加され、光入力端１１１より離れる後方には高い電場を印加されようになる。これにより、吸収層７０２の一部（光入力端１１１より離れた側）に、高い電場を印加することが可能となる。

この結果、実施の形態７においても、吸収層７０２を長くすることなくＬバンドの光吸収効率を増加させることができ、動作速度の低下を招くことがない。また、高い電場が印加される領域を短く（狭く）したので、信号雑音比率の劣化を抑制した状態でＬバンドの光吸収効率を増加させることが可能となっている。

加えて、実施の形態７では、増倍層７０７を設けているので、アバランシェ型フォトダイオードとなっている。アバランシェフォトダイオードは、アバランシェ現象を利用することで、光電変換した電子を増幅する。アバランシェ現象は、生成された電子ならびに正孔が、電圧により加速されて格子位置原子に衝突し、この衝突により二次電子ならびに正孔が生じ、生じた二次電子および正孔がさらに電圧で加速され、また格子原子と衝突して電子正孔対を生むことが連鎖的に発生する現象である。

アバランシェフォトダイオードでは、吸収層７０２にバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長の光を入射することで生成した電子ならびに正孔を、上述したアバランシェ現象により倍増させる。アバランシェフォトダイオードは、素子自体が電流の増幅機能を有している。一般的なフォトダイオードは、量子効率が最高で１００％であるのに対し、アバランシェフォトダイオードとすることで、１００％以上の量子効率が可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、増倍層を設けてアバランシェフォトダイオード構成とすることは、実施の形態２〜６に組み合わせるようにしてもよい。

１０１…第１シリコン層、１０２…吸収層、１０３…第２シリコン層、１０４…第１電極、１０５…第１電極、１０６…コア、１１１…光入力端。

Claims (4)

1. 光入力端から光導波方向に延在して前記光入力端より入力された光が導波する第１導電型の第１シリコン層と、
   前記第１シリコン層とともに前記光導波方向に延在して前記第１シリコン層の上に形成されたゲルマニウムからなる吸収層と、
   前記吸収層とともに前記光導波方向に延在して前記吸収層の上に形成された第２導電型の第２シリコン層と、
   前記第１シリコン層に接続する第１電極と、
   前記第２シリコン層の上に形成されて前記第２シリコン層に接続する第２電極と、
   前記吸収層に印加される電場が、前記光導波方向に前記光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段と
   を備え、
   前記吸収層は、前記光入力端より離れるほど薄く形成され、
   前記光入力端より離れるほど薄く形成された前記吸収層により前記電場可変手段が構成されていることを特徴とする受光素子。
2. 請求項１記載の受光素子において、
   前記吸収層は、光導波方向に垂直な断面が、前記第１シリコン層の側から離れるほど細く形成されていることを特徴とする受光素子。
3. 光入力端から光導波方向に延在して前記光入力端より入力された光が導波する第１導電型の第１シリコン層と、
   前記第１シリコン層とともに前記光導波方向に延在して前記第１シリコン層の上に形成されたゲルマニウムからなる吸収層と、
   前記吸収層とともに前記光導波方向に延在して前記吸収層の上に形成された第２導電型の第２シリコン層と、
   前記第１シリコン層に接続する第１電極と、
   前記第２シリコン層の上に形成されて前記第２シリコン層に接続する第２電極と、
   前記吸収層に印加される電場が、前記光導波方向に前記光入力端から離れるほど強くなる電場可変手段と
   を備え、
   前記吸収層は、前記光入力端より離れるほど高い不純物濃度とされ、
   前記光入力端より離れるほど高い不純物濃度とされた前記吸収層により前記電場可変手段が構成され、
   前記吸収層は、前記第１シリコン層の側に配置された低濃度不純物層と、前記第２シリコン層の側に配置された高濃度不純物層との積層構造とされ、
   前記低濃度不純物層は、前記光入力端より離れるほど薄くされ、
   前記高濃度不純物層は、前記光入力端より離れるほど厚くされ
   ていることを特徴とする受光素子。
4. 請求項３記載の受光素子において、
   前記低濃度不純物層は、光導波方向に垂直な断面が、前記第１シリコン層の側から離れるほど細く形成され、
   前記高濃度不純物層は、前記低濃度不純物層の上面を覆って形成されている
   ことを特徴とする受光素子。

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