JP6538969B2 - 光導波路集積受光素子およびその製造方法 - Google Patents

光導波路集積受光素子およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光導波路と受光素子とが集積された光導波路集積受光素子およびその製造方法に関する。
光通信における一般的な光レシーバは、通常、フォトダイオード（ＰＤ）またはアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）などの、入射した光を電流に変換する受光素子と、この受光素子が生じる光電流を増幅するトランスインピーダンスアンプとを有する。受光素子のうち、ＰＤの光電変換効率は、量子効率として１００％が上限となる。これに対してＡＰＤは、素子内において生じた光電子を、高電界下で加速することにより格子と衝突させ、イオン化させることによりキャリアを増幅する機能をもつ。このため、ＡＰＤでは１光子に対して複数のキャリアが出力されるため、ＡＰＤは量子変換効率として１００％を上回る感度を得ることが可能であり、高感度の光レシーバに適用される（非特許文献１）。
ＡＰＤにおいて一般的な構造は、素子の上面または下面（基板側）より光を入射する「垂直入射構造」である。ＡＰＤにおいて、受光感度と動作帯域は本質的にトレードオフの関係にある。すなわち、垂直入射構造の場合、受光感度を大きくするためには、光吸収層を厚くする必要があるが、このように光吸収層をより厚くすると、受光により光吸収層で生じた電子および正孔は、より大きい距離を走行する必要があるため、高い周波数領域での特性が低下してしまう。「垂直入射型」においては、特に受光感度と動作帯域のトレードオフが顕著になる。
上述したトレードオフを緩和する目的で、「光導波路型」のＡＰＤが提案されている（非特許文献２）。光導波路型ＡＰＤでは、光吸収層における光波の進行方向は、結晶成長方向、およびキャリアの輸送方向に対して垂直となる。このように光導波路型ＡＰＤにおいては、キャリアの輸送距離と光吸収層における光波の侵入長が独立であるため、垂直入射型で見られる受光感度と動作帯域のトレードオフは大きく緩和される。このような光導波路型の特徴は、ＡＰＤに限らずＰＤにおいても有用であるため、高速高感度性が要求されるＰＤにおいては、光導波路型が用いられている。
光導波路型の受光素子においては、信号光が光導波路を伝搬した後、最終的には光吸収層へ入射されるよう、光導波路と光吸収層との光結合が実現される必要がある。この光結合を実現するためには、いくつかの方法が提案されている。例えば「バット結合型」においては、光導波路と光吸収層とを互いに突き合わせることによって、光導波路と光吸収層との光結合を実現している（非特許文献３参照）。バット結合型においては、高い結合効率を得ることができるが、光吸収層と光導波路の光結合界面近傍において、急峻な光吸収による電流集中が生じる懸念がある。これに対し、光導波路と光吸収層を空間的に分離し、光導波路と光吸収層の間の材料系を適切に設計することにより、エバネッセント波の伝搬を利用して、光導波路と光吸収層との光結合を実現する「エバネッセント結合型」がある。エバネッセント結合型によれば、バット結合型と比較して光電流の集中は緩和することができる。
ところで、ＡＰＤを実際の光レシーバに適用するべく、長期間にわたる動作の信頼性を確保しようとした場合、ＡＰＤの素子側面に電界を生じさせないことが重要になる（非特許文献４参照）。これは、一般的なＰＤと異なり、ＡＰＤにおいては素子内部に非常に高い電界を生じさせることと関連する。一般的なＰＤにおいては、動作電圧は３Ｖ程度であり、素子内における電界強度は、キャリアが飽和速度に到達する数１０ｋＶ／ｃｍ程度であればよい。
一方、ＡＰＤの場合には、大きい動作電圧範囲を確保し、かつ高い利得で動作させようとした場合には、光吸収層には２−３００ｋＶ／ｃｍ、増倍層には６００ｋＶ／ｃｍ以上の電界が生じる。ＡＰＤの素子側面にこのような強い電界が生じた場合、素子側面での材料劣化に伴う信頼性の低下が問題となる。従って、ＡＰＤにおいては、実用上、電界を素子内部に閉じ込めることは必要条件であり、この目的のため、反転型ＡＰＤやプレーナ型ＡＰＤが提案されている（非特許文献５、非特許文献６参照）。
J. C. Campbell, "Recent Advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes", Journal of Lightwave Technology, vol.25, no.1, pp.109-121, 2007. N. Yasuoka et al., "High-speed and high-efficiency InP/InGaAs waveguide avalanche photodiodes for 40 Gbit/s transmission systems", Optical Fiber Communication Conference 2004, vol.25, TuM2, 2004. K. Kato et al., "22GHz Photodiode Monolithically Integrated with Optical Waveguide on Semi-Insulating InP using Novel Bult-Joint Structure", Electronics Letters, vol.28, no.12, pp.1140-1142, 1992. H. Sudo and M. Suzuki, "Surface Degradation Mechanism of InP/InGaAs APD's", Journal of Lightwave Technology, vol.6, no.10, pp.1496-1501, 1988. M. Nada, Y. Muramoto, H. Yokoyama, T. Ishibashi, and H. Matsuzaki, "Triple-mesa Avalanche Photodiode With Inverted P-Down Structure for Reliability and Stability", Journal of Lightwave Technology, vol.32, no.8, pp.1543-1548, 2014. E. Yagyu et al., "Simple Planar Structure for High-Performance AlInAs Avalanche Photodiodes", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.18, no.1, pp.76-78, 2006. M. Nada, T. Hoshi, H. Yamazaki, T. Hashimoto, and H. Matsuzaki, "Linearity improvement of high-speed avalanche photodiodes using thin depleted absorber operating with higher order modulation format", Optics Express, vol.23, no.21, pp.27715-27723, 2015.
しかしながら上述したように、ＡＰＤにおいて電界を素子内部に閉じ込める構造とし、これに高速高感度化のために光導波路型を適用した場合には、損失が発生することになる。この点について図５を用いて以下に説明する。図５は、電界を素子内部に閉じ込める構造（反転型）を有するＡＰＤに、光導波路を組み合わせた光導波路型の受光素子の構成を示す断面図である。この例では、エバネッセント波の伝搬による光結合を前提としている。
この受光素子は、基板５０１の上に、光導波路５０２が形成され、光導波路５０２の上に、ｐ型コンタクト層５０３、光吸収層５０４、ｐ型電界制御層５０５、増倍層５０６、ｎ型電界制御層５０７、電子走行層５０８、ｎ型コンタクト層５０９が形成されている。光導波路５０２は、シリコンなど半導体から構成されたコア５２１とクラッド５２２などを備える。光導波路５０２においては、図５の紙面左右方向に信号光が導波する。光導波路５０２と光吸収層５０４との光結合は、エバネッセント波の伝搬によって実現される。なお、ｐ型コンタクト層５０３に接続する電極、およびｎ型コンタクト層５０９に接続する電極は省略して図示していない。
ここで、ｎ型コンタクト層５０９は、平面視で、電子走行層５０８のメサおよび光吸収層５０４を含むメサより小さい面積に形成されている。このように、平面視でｎ型コンタクト層５０９を他の層より小く形成することにより電界が閉じ込められており、平面視でｎ型コンタクト層５０９の周囲の周囲領域５１０には電界が生じていない。この構成により、光吸収層５０４において、周囲領域５１０での光吸収により生じたフォトキャリアは、ドリフト移動することはなく、ＡＰＤの動作上有効なキャリア（有効キャリア）にはならず、単純に光―電気変換上の損失として振る舞う。本構造においては、光吸収層５０４の内、ｎ型コンタクト層５０９の真下の領域内において生じたフォトキャリアのみが有効キャリアとして振る舞う。
電界閉じ込め構造においては、電界の印加されない周辺領域５１０の存在により、光導波路５０２からコンタクト層５０３を介して光吸収層５０４に入射した全ての光が光電変換に利用るとは限らない。ここで、光導波路５０２から光吸収層５０４に入射した光は、光導波路５０２にとっては導波損失となるが、この全てが光電変換されれば、全体として損失とはならない。これに対し、上述したように、周辺領域の存在により全てが光電変換に利用されるとはいえない状態では、全体として損失が発生することになる。
上述した損失は、ＡＰＤの素子部として反転型ＡＰＤを用いた場合のみならず、プレーナ型ＡＰＤを用いた場合であっても、電界閉じ込めを可能とする構造を有する限り生じうる損失であり、光導波路型ＡＰＤの高感度化を困難にする要因となる。また、光導波路型ＡＰＤの感度を向上させようと、電界閉じ込め構造を用いない場合は、信頼性の確保が困難となる。
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、電界閉じ込め構造の光導波路型フォトダイオードにおける損失の抑制を目的とする。
本発明に係る光導波路集積受光素子は、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、化合物半導体から構成されて第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に形成された光吸収層と、化合物半導体から構成されて、第１コンタクト層および第２コンタクト層のいずれか１つと光吸収層との間に形成された増倍層と、第２コンタクト層の光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層の平面に平行な方向とされて、第２コンタクト層に光学的に結合する光導波路とを備え、第２コンタクト層は、平面視で光吸収層より小さい面積とされて、平面視で光吸収層の内側に配置されている。
上記光導波路集積受光素子において、第２コンタクト層の、光吸収層が配置されている側に接して形成された第２導電型の光マッチング層を備え、光マッチング層の不純物濃度は、第２コンタクト層の不純物濃度以下とされているようにしてもよい。
上記光導波路集積受光素子において、第１コンタクト層、第２コンタクト層、光吸収層、増倍層を備える受光素子の側部を覆うパッシベーション層を備え、パッシベーション層は、受光素子を構成する半導体より小さい屈折率とされているようにするとよい。
本発明に係る光導波路集積受光素子の製造方法は、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、化合物半導体から構成されて第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に形成された光吸収層と、化合物半導体から構成されて第１コンタクト層および第２コンタクト層のいずれか１つと光吸収層との間に形成された増倍層とを備え、第２コンタクト層が、平面視で光吸収層より小さい面積とされて光吸収層の内側に配置されている受光素子を基板の上に作製する第１工程と、光導波路を備える光導波路基板を作製する第２工程と、基板と光導波路基板とをウエハ接合し、光導波路が、第２コンタクト層の光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層の平面に平行な方向とされて第２コンタクト層に光結合する状態とする第３工程とを備える。
以上説明したように、本発明によれば、光導波路の側に配置される第２コンタクト層は、平面視で光吸収層より小さい面積とされて光吸収層の内側に配置されているようにしたので、電界閉じ込め構造の光導波路型フォトダイオードにおける損失が抑制できるという優れた効果が得られる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態１における光導波路集積受光素子の一部構成を示す平面図である。 図２は、本発明の実施の形態２における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態３における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態４における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。 図５は、従来の光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
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１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを用いて説明する。図１Ａ，図１Ｂは、本発明の実施の形態１における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態１における光導波路集積受光素子の一部構成を示す平面図である。図１Ａは、図１Ｃのａａ’線の断面を示し、図１Ｂは、図１Ｃのｂｂ’線の断面を示している。
この光導波路集積受光素子は、まず、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層１０１と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層１０２とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層１０１と第２コンタクト層１０２との間に形成された光吸収層１０３を備える。光吸収層１０３は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層１０１と第２コンタクト層１０２との間に形成された増倍層１０４を備える。増倍層１０４は、化合物半導体から構成される。実施の形態１における受光素子では、増倍層１０４は、第１コンタクト層１０２と光吸収層１０３との間に形成されている。なお、図１では、第１コンタクト層１０１に接続する電極、および第２コンタクト層１０２に接続する電極は省略して図示していない。
また、この光導波路集積受光素子は、第２コンタクト層１０２の光吸収層１０３が配置されている側とは反対側に配置され、第２コンタクト層１０２に光学的に結合する光導波路１０５を備える。光導波路１０５の導波方向は、光吸収層１０３の主表面の平面に平行とされている。実施の形態１において、光導波路１０５は、リッジ型のコア１５１とクラッド１５２とを備える。図１Ｃでは、クラッド１５２を省略して図示していない。ここで、図１Ａは、光導波路１０５の導波方向に平行な平面の断面を示している。また、図１Ｂは、光導波路１０５の導波方向に垂直な断面を示している。
上述した構成において、実施の形態１では、第２コンタクト層１０２が、平面視で光吸収層１０３より小さい面積とされて、平面視で光吸収層１０３の内側に配置されている。言い換えると、各層の主表面の平面に平行な面の法線方向から見て、第２コンタクト層１０２が、光吸収層１０３より小さい面積とされて光吸収層１０３の内側に配置されていればよい。実施の形態１における受光素子は、第２コンタクト層１０２を上述したように配置することにより電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第２コンタクト層１０２の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
なお、増倍層１０４は、第１導電型の電界制御層１１３と第２導電型の電界制御層１１４とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層１０４（電界制御層１１３）と第１コンタクト層１０１との間には、電子走行層１１２が形成されている。上述した各層は、基板１１１の上に積層されている。第１コンタクト層１０１、電子走行層１１２、電界制御層１１３、増倍層１０４、電界制御層１１４、光吸収層１０３、第２コンタクト層１０２により、受光素子を構成している。
なお、図１Ｃに示すように、平面視で、光吸収層１０３のメサは、増倍層１０４を含む電子走行層１１２、電界制御層１１３、電界制御層１１４からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第２コンタクト層１０２のメサは、光吸収層１０３のメサより小さい面積とされている。
例えば、基板１１１は、ＩｎＰから構成されている。第１コンタクト層１０１は、ｎ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＧａＡｓ（ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ）から構成されている。第２コンタクト層１０２は、ｐ型の不純物がドープされたＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）から構成されている。光吸収層１０３は、対象とする光を吸収する組成とされたＩｎＧａＡｓから構成されている。増倍層１０４は、ＩｎＡｌＡｓから構成されている。この実施の形態１では、第１導電型はｎ型となり、第２導電型はｐ型となる。この構成の場合、増倍層１０４は、光吸収層１０３と第１コンタクト層１０１との間に配置される。
また、電子走行層１１２は、ＩｎＰから構成されている。電界制御層１１３は、ｎ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＡｓ（ｎ−ＩｎＡｌＡｓ）から構成されている。電界制御層１１４は、ｐ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＡｓ（ｐ−ＩｎＡｌＡｓ）から構成されている。コア１５１はシリコンから構成され、クラッド１５２は、酸化シリコンから構成されている。
上述した光導波路集積受光素子を作製するには、まず、例えば、よく知られた有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法などにより、上述した各化合物半導体を基板１１１の上に結晶成長して積層する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により各メサ形状にパターニングすることで、受光素子が作製できる。また、別に、光導波路１０５を導波路基板に作製しておき、この導波路基板と受光素子とを貼りあわせる（ウエハ接合）ことで、実施の形態１における光導波路集積受光素子が得られる。
上記構成とした実施の形態１における光導波路集積受光素子は、いわゆる「エバネッセント結合型」の受光素子であり、光導波路１０５を通過する入力信号光は、光導波路１０５と第２コンタクト層１０２との間で生じるエバネッセント波となって第２コンタクト層１０２を伝搬し、光吸収層１０３に伝搬され吸収される。光吸収層１０３において生じたフォトキャリアの内、正孔は第２コンタクト層１０２に流れ、電子は増倍層１０４におけるアバランシェ増倍を経て第１コンタクト層１０１に到達する。
実施の形態１においては、光導波路１０５と受光素子との光学的な結合点は、受光素子側において電界閉じ込めの効果を担う第２コンタクト層１０２となる。光導波路１０５は、光吸収層１０３とは空間的に分離されており、光導波路１０５が光吸収層１０３と光学的に直接結合することは無く、電界閉じ込めの効果を担う第２コンタクト層１０２を介してのみ光学的に結合する。
上述した構成としているため、実施の形態１では、電界閉じ込め効果を考慮したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の素子構造であっても、動作領域（第２コンタクト層１０２形成領域または第２コンタクト層１０２の真下の領域）以外の領域の光吸収層１０３で光吸収が生じることは無い。また、光導波路１０５を通過する入力信号光の一部は、第２コンタクト層１０２をエバネッセント波となって伝搬し、光吸収層１０３に入射されて光吸収され、これにより生じた全てのフォトキャリアが、有効キャリアとして振る舞うことになる。
上述したことにより、実施の形態１によれば、高速高感度でありながら、信頼性を確保できるＡＰＤが実現される。なお、実施の形態１では、光導波路１０５としてリッジ型光導波路を例示し、ＡＰＤ素子として多段メサ構造のＡＰＤを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、光導波路はリブ型やスラブ型光導波路を用いてもよい。またＡＰＤとしては、多段メサ構造に限定されるものではなく、イオン注入や選択拡散による選択ドーピングを用いた構造としてもよい。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
この光導波路集積受光素子は、まず、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層２０１と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層２０２とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層２０１と第２コンタクト層２０２との間に形成された光吸収層２０３を備える。光吸収層２０３は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層２０１と第２コンタクト層２０２との間に形成された増倍層２０４を備える。増倍層２０４は、化合物半導体から構成される。実施の形態２における受光素子では、増倍層２０４は、第１コンタクト層２０２と光吸収層２０３との間に形成されている。
また、この光導波路集積受光素子は、第２コンタクト層２０２の、光吸収層２０３が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層２０３の主表面の平面に平行な方向とされて、第２コンタクト層２０２に光学的に結合する光導波路２０５を備える。実施の形態２において、光導波路２０５は、光導波路基板２２０に形成され、リブ型のコア２２３とクラッド２２４とを備える。図２は、光導波路２０５の導波方向に垂直な断面を示している。
実施の形態２では、光導波路基板２２０を構成する絶縁層２２１の上に形成されたシリコン層２２２の一部をパターニングすることで、リブ型の光導波路２０５が形成されている。光導波路２０５の領域では、絶縁層２２１がクラッドとして機能する。光導波路基板２２０は、例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から構成することができる。ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層が絶縁層２２１であり、表面シリコン層がシリコン層２２２である。シリコン層２２２において、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、クラッド２２４となる領域に溝を形成し、公知の堆積技術により溝を酸化シリコンで充填することで、光導波路２０５が形成できる。
上述した構成において、実施の形態２では、第２コンタクト層２０２が、平面視で光吸収層２０３より小さい面積とされて、平面視で光吸収層２０３の内側に配置されている。実施の形態２における受光素子においても、第２コンタクト層２０２を上述したように配置することにより電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第２コンタクト層２０２の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
なお、増倍層２０４は、第１導電型の電界制御層２１３と第２導電型の電界制御層２１４とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層２０４（電界制御層２１３）と第１コンタクト層２０１との間には、電子走行層２１２が形成されている。上述した各層は、基板２１１の上に積層されている。第１コンタクト層２０１、電子走行層２１２、電界制御層２１３、増倍層２０４、電界制御層２１４、光吸収層２０３、第２コンタクト層２０２により、受光素子を構成している。
なお、実施の形態２においては、平面視で、電子走行層２１２のメサが、増倍層２０４を含む電界制御層２１３、電界制御層２１４、光吸収層２０３からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第２コンタクト層２０２のメサは、光吸収層２０３のメサより小さい面積とされている。
また、第１半導体層２０３ａ、第２半導体層２１３ａ、第３半導体層２０４ａ、第４半導体層２１４ａ、第５半導体層２１２ａ、第６半導体層２０２ａの積層構造により、電流パス部２１５が形成されている。電流パス部２１５の第６半導体層２０２ａは、光導波路基板２２０のシリコン層２２２の所定領域に配置されるコンタクト領域に接続されている。
ここで、第１半導体層２０３ａは、光吸収層２０３と同一の層から構成されている。また、第２半導体層２１３ａは、電界制御層２１３と同一の層から構成されている。また、第３半導体層２０４ａは、増倍層２０４と同一の層から構成されている。また、第４半導体層２１４ａは、電界制御層２１４と同一の層から構成されている。また、第５半導体層２１２ａは、電子走行層２１２と同一の層から構成されている。また、第６半導体層２０２ａは、第２コンタクト層２０２と同一の層から構成されている。
また、実施の形態２において、光導波路基板２２０のシリコン層２２２には、第２コンタクト層２０２との光結合領域から、電極２２８とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域２２６が形成されている。また、シリコン層２２２には、電流パス部２１５の第６半導体層２０２ａとのコンタクト領域から、電極２２９とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域２２７が形成されている。不純物導入領域２２６、不純物導入領域２２７は、選択的なイオン注入により形成すればよい。
例えば、基板２１１は、ＩｎＰから構成されている。第１コンタクト層２０１は、ｐ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＧａＡｓ（ｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓ）から構成されている。第２コンタクト層２０２（第６半導体層２０２ａ）は、ｎ型の不純物がドープされたＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）から構成されている。光吸収層２０３（第１半導体層２０３ａ）は、対象とする光を吸収する組成とされたＩｎＧａＡｓから構成されている。増倍層２０４（第３半導体層２０４ａ）は、ＩｎＡｌＡｓから構成されている。この場合、第１導電型はｐ型となり、第２導電型はｎ型となる。この構成の場合、増倍層２０４は、光吸収層２０３と第２コンタクト層２０２との間に配置される。
また、電子走行層２１２（第５半導体層２１２ａ）は、ＩｎＰから構成されている。電界制御層２１３（第２半導体層２１３ａ）は、ｐ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＡｓ（ｐ−ＩｎＡｌＡｓ）から構成されている。電界制御層２１４（第４半導体層２１４ａ）は、ｎ型の不純物がドープされたＩｎＡｌＡｓ（ｎ−ＩｎＡｌＡｓ）から構成されている。
上述した光導波路集積受光素子を作製するには、まず、例えば、よく知られた有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法などにより、上述した各化合物半導体を基板２１１の上に結晶成長して積層する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により各メサ形状にパターニングすることで、受光素子および電流パス部２１５が作製できる。この受光素子および電流パス部２１５が形成されている基板２１１と、光導波路２０５が形成されている光導波路基板２２０とを貼り合わせて一体とすることで、実施の形態２における光導波路集積受光素子が得られる。このとき、第２コンタクト層２０２および第６半導体層２０２ａと、これらに対応するシリコン層２２２の各コンタクト領域との位置が一致するように、基板２１１と光導波路基板２２０とを位置合わせして接合する。位置合わせにおいては、よく知られた位置合わせマークを用いればよい。また、基板２１１と光導波路基板２２０とを接合するには、一般的な表面活性化接合法を用いればよい。
上記構成とした実施の形態２における光導波路集積受光素子では、光導波路２０５を通過する入力信号光は、光導波路２０５と第２コンタクト層２０２との間で生じるエバネッセント波となって第２コンタクト層２０２を伝搬し、光吸収層２０３に入射され吸収される。
光吸収層２０３において生じたフォトキャリアの内、正孔は、直ちに第１コンタクト層２０１に到達し、電流パス部２１５を経由し、光導波路基板２２０の不純物導入領域２２７を経由して電極２２９に到達する。増倍層２０４で生じた正孔も同様である。
一方、光吸収層２０３において生じたフォトキャリアの内、電子は、増倍層２０４におけるアバランシェ増倍を経て第２コンタクト層２０２に流れてコア２２３に到達し、光導波路基板２２０の不純物導入領域２２６を経由することで電極２２８に到達する。
実施の形態２においても、光導波路２０５と受光素子との光学的な結合点は、受光素子側において電界閉じ込めの効果を担う第２コンタクト層２０２となる。光導波路２０５は、光吸収層２０３とは空間的に分離されており、光導波路２０５が光吸収層２０３と光学的に直接結合することは無く、電界閉じ込めの効果を担う第２コンタクト層２０２を介してのみ光学的に結合する。
また、実施の形態２では、受光素子を形成する基板２１１の側に配線や電極などを形成する特別な配線プロセスを行う必要はなく、光導波路基板２２０に簡便に電気配線を形成することが可能である。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
この光導波路集積受光素子は、まず、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層２０１と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層２０２とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層２０１と第２コンタクト層２０２との間に形成された光吸収層２０３を備える。光吸収層２０３は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層２０１と第２コンタクト層２０２との間に形成された増倍層２０４を備える。増倍層２０４は、化合物半導体から構成される。増倍層２０４は、第１コンタクト層２０２と光吸収層２０３との間に形成されている。
また、この光導波路集積受光素子は、第２コンタクト層２０２の、光吸収層２０３が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層２０３の主表面の平面に平行な方向とされて、第２コンタクト層２０２に光学的に結合する光導波路２０５を備える。実施の形態３において、光導波路２０５は、光導波路基板２２０に形成され、リブ型のコア２２３とクラッド２２４とを備える。図３は、光導波路２０５の導波方向に垂直な断面を示している。
なお、光導波路基板２２０を構成する絶縁層２２１の上に形成されたシリコン層２２２の一部をパターニングすることで、リブ型の光導波路２０５が形成されている。光導波路２０５の領域では、絶縁層２２１がクラッドとして機能する。
また、第２コンタクト層２０２は、平面視で光吸収層２０３より小さい面積とされて、平面視で光吸収層２０３の内側に配置されている。実施の形態３における受光素子においても、第２コンタクト層２０２により電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第２コンタクト層２０２の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
また、増倍層２０４は、第１導電型の電界制御層２１３と第２導電型の電界制御層２１４とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層２０４（電界制御層２１３）と第１コンタクト層２０１との間には、電子走行層２１２が形成されている。上述した各層は、基板２１１の上に積層されている。第１コンタクト層２０１、電子走行層２１２、電界制御層２１３、増倍層２０４、電界制御層２１４、光吸収層２０３、第２コンタクト層２０２により、受光素子を構成している。
なお、平面視で、電子走行層２１２のメサが、増倍層２０４を含む電界制御層２１３、電界制御層２１４、光吸収層２０３からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第２コンタクト層２０２のメサは、光吸収層２０３のメサより小さい面積とされている。
また、第１半導体層２０３ａ、第２半導体層２１３ａ、第３半導体層２０４ａ、第４半導体層２１４ａ、第５半導体層２１２ａ、第６半導体層２０２ａの積層構造により、電流パス部２１５が形成されている。電流パス部２１５の第６半導体層２０２ａは、光導波路基板２２０のシリコン層２２２の所定領域に配置されるコンタクト領域に接続されている。
ここで、第１半導体層２０３ａは、光吸収層２０３と同一の層から構成されている。また、第２半導体層２１３ａは、電界制御層２１３と同一の層から構成されている。また、第３半導体層２０４ａは、増倍層２０４と同一の層から構成されている。また、第４半導体層２１４ａは、電界制御層２１４と同一の層から構成されている。また、第５半導体層２１２ａは、電子走行層２１２と同一の層から構成されている。また、第６半導体層２０２ａは、第２コンタクト層２０２と同一の層から構成されている。
また、実施の形態３において、光導波路基板２２０のシリコン層２２２には、第２コンタクト層２０２との光結合領域から、電極２２８とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域２２６が形成されている。また、シリコン層２２２には、電流パス部２１５の第６半導体層２０２ａとのコンタクト領域から、電極２２９とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域２２７が形成されている。
上記構成は、前述した実施の形態２と同様である。実施の形態３では、第２コンタクト層２０２（第６半導体層２０２ａ）と電子走行層２１２（第５半導体層２１２ａ）との間に、光マッチング層２１６（第７半導体層２１６ａ）を備える。
以下、光マッチング層２１６について説明する。光導波路２０５から、エバネッセント光が第２コンタクト層２０２を介して光吸収層２０３に伝搬される場合、バット結合型ほどの局所的な光吸収は生じないが、光学的な結合が開始する領域においては、一定の光吸収の集中による光電流の集中が生じる。このような局所的な光電流の集中は、ＡＰＤの信頼性を劣化させるだけではなく、光吸収層２０３における局所的な空間電荷効果に伴い、ＡＰＤの光入力強度に対する電気出力強度の線形性を著しく損なう恐れがある（非特許文献７参照）。
上述した局所的な光吸収の集中を防ぐためには、光導波路２０５と光吸収層２０３との間のエバネッセント光による光学的な結合の効率を低下させることが有効である。光導波路２０５と光吸収層２０３との間に存在する各半導体層の層厚を適切に設計することにより、光導波路２０５と光吸収層２０３の間の光結合効率は制御することが可能となる。
ただし、増倍層２０４や電子走行層２１２の層厚を変化させることは、ＡＰＤの利得帯域積（ＧＢＰ）や走行帯域を左右することになり、ＡＰＤに一定の帯域性能を付与するためには、これらの層厚を任意に設計することはできない。なお、走行帯域は、キャリアの走行時間によって決定されるｆ３ｄＢ（intrinsic f3dB）である。
実施の形態３では、光導波路２０５と結合する第２コンタクト層２０２のメサにおいて、第２コンタクト層２０２と同じ導電型の光マッチング層２１６を、適切な層厚で挿入することで、上述した光結合効率を制御する。
光マッチング層２１６は、第２コンタクト層２０２と同じ導電型としているため、キャリアは、光マッチング層２１６に到達した時点で、光マッチング層２１６から第２コンタクト層２０２までは誘電緩和により移動するため、キャリア走行時間にはほとんど影響を与えない。従って、光マッチング層２１６の層厚を、光導波路２０５と光吸収層２０３との間の任意の光学的な結合の効率を得られるよう設計しても、動作帯域には影響を与えることはない。
また、光マッチング層２１６におけるドーピング濃度は、第２コンタクト層２０２以下とすることにより、光マッチング層２１６における自由キャリア吸収を抑制し、より効率的な光吸収層２０３への光学的な結合が可能になる。結果として、前述した実施例１，２と同様に、実施の形態３においても、高速高感度性と高信頼性が両立できる。加えて、実施の形態３によれば、光電流の集中に伴う線形性の劣化を抑制することが可能となる。
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態４における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
この光導波路集積受光素子は、まず、第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層２０１と、第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層２０２とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層２０１と第２コンタクト層２０２との間に形成された光吸収層２０３を備える。光吸収層２０３は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第１コンタクト層２０１と第２コンタクト層２０２との間に形成された増倍層２０４を備える。増倍層２０４は、化合物半導体から構成される。また、増倍層２０４は、第１コンタクト層２０２と光吸収層２０３との間に形成されている。
また、この光導波路集積受光素子は、第２コンタクト層２０２の、光吸収層２０３が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層２０３の主表面の平面に平行な方向とされて第２コンタクト層２０２に光学的に結合する光導波路２０５を備える。実施の形態４において、光導波路２０５は、光導波路基板２２０に形成され、リブ型のコア２２３とクラッド２２４とを備える。図４は、光導波路２０５の導波方向に垂直な平面の断面を示している。
なお、光導波路基板２２０を構成する絶縁層２２１の上に形成されたシリコン層２２２の一部をパターニングすることで、リブ型の光導波路２０５が形成されている。光導波路２０５の領域では、絶縁層２２１がクラッドとして機能する。
また、第２コンタクト層２０２は、平面視で光吸収層２０３より小さい面積とされて、平面視で光吸収層２０３の内側に配置されている。実施の形態４における受光素子においても、第２コンタクト層２０２を上述したように配置することにより電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第２コンタクト層２０２の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
また、増倍層２０４は、第１導電型の電界制御層２１３と第２導電型の電界制御層２１４とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層２０４（電界制御層２１３）と第１コンタクト層２０１との間には、電子走行層２１２が形成されている。上述した各層は、基板２１１の上に積層されている。第１コンタクト層２０１、電子走行層２１２、電界制御層２１３、増倍層２０４、電界制御層２１４、光吸収層２０３、第２コンタクト層２０２により、受光素子を構成している。
なお、平面視で、電子走行層２１２のメサが、増倍層２０４を含む電界制御層２１３、電界制御層２１４、光吸収層２０３からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第２コンタクト層２０２のメサは、光吸収層２０３のメサより小さい面積とされている。
また、第１半導体層２０３ａ、第２半導体層２１３ａ、第３半導体層２０４ａ、第４半導体層２１４ａ、第５半導体層２１２ａ、第６半導体層２０２ａの積層構造により、電流パス部２１５が形成されている。電流パス部２１５の第６半導体層２０２ａは、光導波路基板２２０のシリコン層２２２の電極２２９の近傍のコンタクト領域（不純物導入領域２２７）に接続されている。
ここで、第１半導体層２０３ａは、光吸収層２０３と同一の層から構成されている。また、第２半導体層２１３ａは、電界制御層２１３と同一の層から構成されている。また、第３半導体層２０４ａは、増倍層２０４と同一の層から構成されている。また、第４半導体層２１４ａは、電界制御層２１４と同一の層から構成されている。また、第５半導体層２１２ａは、電子走行層２１２と同一の層から構成されている。また、第６半導体層２０２ａは、第２コンタクト層２０２と同一の層から構成されている。
また、実施の形態４において、光導波路基板２２０のシリコン層２２２には、第２コンタクト層２０２と光学的に結合する領域から、電極２２８と接する領域にかけて、不純物導入領域２２６が形成されている。また、シリコン層２２２には、電流パス部２１５の第６半導体層２０２ａと接する領域から、電極２２９と接する領域にかけて、不純物導入領域２２７が形成されている。
上記構成は、前述した実施の形態２と同様である。実施の形態４では、受光素子の側面を覆うパッシベーション層２１７を備える。パッシベーション層２１７の屈折率は、受光素子を形成する半導体材料の屈折率よりも小さい。具体的には、ＳｉＯ2であればよい。
実施の形態４においても前述した実施の形態２，３と同様であり、基本的な動作原理は、光導波路２０５から入射される信号光が、受光素子における電界閉じ込め部分となる第２コンタクト層２０２に光学的に結合することによって、光吸収層２０３に効率的に信号光を入射するものである。
しかしながら、受光素子の側面または表面の雰囲気や、パッシベーション層２１７に用いる材料によっては、受光素子内に取り込まれた信号光が、受光素子の外部へと漏れ出る可能性がある。特に、受光素子の中の最も小さいメサにおいては、光の結合モード次第では、メサの外側にまでモードが発生する懸念がある。この場合、メサの外側に染み出した光はロスとなるため、所望の受光感度が得られない。
よく知られているように、実使用環境などより受光素子の部分を保護するためには、パッシベーション層２１７が重要となる。しかしながら、上述したメサ外側への光の染み出しは、受光素子を構成する半導体材料とパッシベーション層２１７を構成する材料との屈折率差が小さいと顕著に発生することになる。
従って、パッシベーション層２１７は、受光素子を構成する半導体材料との間で大きな屈折率差が得られるように、より小さい屈折率の材料から構成する。このようにすることで、受光素子保護のためにパッシベーション層２１７を形成しても、受光素子からの光の漏れ出しを抑制し、より効率的に光導波路２０５からの入射光を光吸収層２０３へと注入することが可能となる。
以上に説明したように、本発明によれば、光導波路の側に配置される第２コンタクト層は、平面視で光吸収層より小さい面積とされて、平面視で光吸収層の内側に配置されているようにしたので、素子の電界は、面積が最も小さい第２コンタクト層によって狭窄される。すなわち、第２コンタクト層の真下の領域が、平面視での本素子の実効的な動作領域に当たる。この第２コンタクト層を介して、導波路からの信号光は、光吸収層に伝搬される。よって、本発明によれば、電界閉じ込め構造の光導波路型フォトダイオードにおける損失が抑制できるようになる。
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、上述では、受光素子を構成する半導体として、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体を例示したがこれに限定されることはない。また、光導波路を構成する材料についても、シリコンおよび酸化シリコンに限定されるものではない。
また、受光素子と光導波路基板とをウエハ接合により一体とする場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、受光素子を構成する半導体をシリコンおよびゲルマニウムとし、シリコンコアによる光導波路基板の上にモノリシックに受光素子を作製してもよい。また、光導波路を構成する材料をＩｎＰとして、光導波路基板の上に受光素子をモノリシックに作製してもよい。
また光導波路への入射部、光吸収層の端部に適切に反射層や反射防止層を適用することは一般的な設計事項の範疇であり、本発明の一般性を失わない。また、コンタクト層や増倍層／光吸収層間に、オーミック抵抗の低減やバンドアライメントの観点から任意の層を採用することに関しては、本発明の一般性を損なうものではなく、半導体装置一般に適用される設計的事項である。
また、本発明を説明する例では、コンタクト層をｐ型、ｎ型に対してそれぞれ１種類の層で構成するように例示したが、これに限るものではない。実際には、コンタクト層のシート抵抗とコンタクト抵抗を低減しながらも良好な結晶品質を得るために、コンタクト層を複数の層で構成する場合もある。例えば、層厚が厚く不純物濃度が比較的小さい主たるコンタクト層と、薄く不純物濃度が高いサブコンタクト層とから構成すればよい。主たるコンタクト層は、シート抵抗の低減および良好な結晶品質の確保のための層であり、例えば、厚さ数１００ｎｍとし、不純物濃度を１８乗台とする。また、サブコンタクト層は、金属と直接接触する層であり、コンタクト抵抗の低減および良好な結晶品質の確保の為、厚さ数１０ｎｍとし、不純物濃度１９乗台とする。このような複数の層のコンタクト層としても、本発明の一般性を失わない。
１０１…第１コンタクト層、１０２…第２コンタクト層、１０３…光吸収層、１０４…増倍層、１０５…光導波路、１１１…基板、１１２…電子走行層、１１３…電界制御層、１１４…電界制御層、１５１…コア、１５２…クラッド。

Claims (4)

  1. 第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、
    第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、
    化合物半導体から構成されて前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との間に形成された光吸収層と、
    化合物半導体から構成されて、前記第１コンタクト層および前記第２コンタクト層のいずれか１つと前記光吸収層との間に形成された増倍層と、
    前記第２コンタクト層の前記光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が前記光吸収層の平面に平行な方向とされて、前記第２コンタクト層に光学的に結合する光導波路と
    を備え、
    前記第２コンタクト層は、平面視で前記光吸収層より小さい面積とされて、平面視で前記光吸収層の内側に配置されている
    ことを特徴とする光導波路集積受光素子。
  2. 請求項１記載の光導波路集積受光素子において、
    前記第２コンタクト層の、前記光吸収層が配置されている側に接して形成された第２導電型の光マッチング層を備え、
    前記光マッチング層の不純物濃度は、前記第２コンタクト層の不純物濃度以下とされている
    ことを特徴とする光導波路集積受光素子。
  3. 請求項１または２記載の光導波路集積受光素子において、
    前記第１コンタクト層、前記第２コンタクト層、前記光吸収層、前記増倍層を備える受光素子の側部を覆うパッシベーション層を備え、
    前記パッシベーション層は、受光素子を構成する半導体より小さい屈折率とされている
    ことを特徴とする光導波路集積受光素子。
  4. 第１導電型の化合物半導体から構成された第１コンタクト層と、
    第２導電型の化合物半導体から構成された第２コンタクト層と、
    化合物半導体から構成されて前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との間に形成された光吸収層と、
    化合物半導体から構成されて前記第１コンタクト層および前記第２コンタクト層のいずれか１つと前記光吸収層との間に形成された増倍層と
    を備え、前記第２コンタクト層が、平面視で前記光吸収層より小さい面積とされて前記光吸収層の内側に配置されている受光素子を基板の上に作製する第１工程と、
    光導波路を備える光導波路基板を作製する第２工程と、
    前記基板と前記光導波路基板とをウエハ接合し、前記光導波路が、前記第２コンタクト層の前記光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が前記光吸収層の平面に平行な方向とされて前記第２コンタクト層に光結合する状態とする第３工程と
    を備えることを特徴とする光導波路集積受光素子の製造方法。
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