JP7010173B2 - 半導体受光器 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体変調器と集積可能な半導体受光器に関する。
Ｓｉ基板上に、ＩＩＩ－Ｖ族半導体から構成したレーザ、変調器、受光器を集積する技術が広く検討されている。特に、マッハツェンダ変調器と受光器との集積は、コヒーレント通信などの応用先において重要な技術となる。ＩｎＰ系材料を用いた集積素子は、光導波路との集積の容易性や強い光閉じ込め係数による高変調効率などの特長から有望な技術である。例えば、図６Ａ、図６Ｂに示すような変調器、図６Ｃ、図６Ｄに示すような受光器が報告されている（非特許文献１参照）。なお、図６Ａは、図６Ｂのａａ’線の断面を示している。また、図６Ｃは、図６Ｄのａａ’線の断面を示している。
いずれも、Ｓｉ基板２０１の上に、ＳｉＯ2からなる絶縁層２０２を介し、ＩｎＰからなる半導体層２０３と、半導体層２０３を挾んで形成されたｐ型のＩｎＰからなるｐ型領域２０３ａおよびｎ型のＩｎＰからなるｎ型領域２０３ｂを備える。また、ｐ型領域２０３ａの上には、ｐ型コンタクト層２０５が形成され、ｎ型領域２０３ｂの上には、ｎ型コンタクト層２０６が形成されている。ｐ型コンタクト層２０５およびｎ型コンタクト層２０６は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成されている。
上述した構成を共通とし、変調器は、半導体層２０３の中に埋め込んで、ＩｎＧａＡｓＰからなる変調器コア層２１１を備え（図６Ａ、図６Ｂ）、受光器は、半導体層２０３の中に埋め込んで、光吸収層２１２を備えている（図６Ｃ、図６Ｄ）。光吸収層２１２は、変調器コア層２１１とは異なるバンドギャップを有する化合物半導体による多重量子井戸構造とされている。なお、変調器コア層２１１には、ＩｎＰからなる外部コア層２０７，２０８が接続し、光吸収層２１２には、ＩｎＰからなる外部コア層２０９，２１０が接続している。
S. Matsuo et al., "Avalanche Gain in Membrane p-i-n Photodiodes on Si Substrate", Proc. of the 24th congress of the international commission for optics, Th1J-05, 2017.
しかしながら、上述した技術では、変調器コア層と光吸収層とを、各々異なるバンドギャップの材料から構成することになり、エピタキシャル成長プロセス数の増大が避けられない。また、光吸収層の光閉じ込め係数が極めて高く、入射光パワーの増大に伴い、電界遮蔽による動作帯域の低減が問題となる。
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、プロセス数の増大を抑制し、動作帯域の低減が抑制できるようにすることを目的とする。
本発明に係る半導体受光器は、クラッド層と、クラッド層の上に形成され、対象となる光が導波する化合物半導体からなる半導体層と、半導体層の上に形成された化合物半導体からなる光吸収層と、光が導波する方向に垂直な方向の光吸収層の一方の側部の側の半導体層に形成されたｐ型のｐ型領域と、光が導波する方向に垂直な方向の光吸収層の他方の側部の側の半導体層に形成されたｎ型のｎ型領域と、ｐ型領域の上に形成されたｐ型のｐ型コンタクト層とを備える。
上記半導体受光器において、半導体層の中を光が導波する方向に延在して設けられ、半導体層より屈折率が高い化合物半導体から構成されたコア層を備える。
上記半導体受光器において、光吸収層およびｐ型コンタクト層は、同一の化合物半導体から構成されて一体に形成されている。
上記半導体受光器において、ｎ型領域の上に形成されたｎ型のｎ型コンタクト層を備える。なお、光吸収層、ｐ型コンタクト層、およびｎ型コンタクト層は、同一の化合物半導体から構成されて一体に形成されていてもよい。
上記半導体受光器において、ｐ型領域とｎ型領域との間の半導体層は、ｎ型とされていてもよい。
上記半導体受光器において、クラッド層の中を光が導波する方向に延在して設けられ、クラッド層より屈折率が高い半導体から構成された下部コア層を備え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、クラッド層の上に形成されて対象となる光が導波する化合物半導体からなる半導体層の上に、コンタクト層とともに化合物半導体からなる光吸収層を備えるようにしたので、プロセス数の増大を抑制し、動作帯域の低減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における半導体受光器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における半導体受光器の構成を示す平面図である。 図２は、本発明の実施の形態２における半導体受光器の構成を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態３における半導体受光器の構成を示す断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態３における他の半導体受光器の構成を示す断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態４における半導体受光器の構成を示す断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態４における他の半導体受光器の構成を示す断面図である。 図５Ａ、本発明の実施の形態５における半導体受光器の構成を示す断面図である。 図５Ｂ、本発明の実施の形態５における他の半導体受光器の構成を示す断面図である。 図６Ａは、変調器の構成を示す断面図である。 図６Ｂは、変調器の構成を示す平面図である。 図６Ｃは、半導体受光器の構成を示す断面図である。 図６Ｄは、半導体受光器の構成を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態おける半導体受光器について説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における半導体受光器について、図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。なお、図１Ａは、図１Ｂのａａ’線の断面を示している。
この半導体受光器は、まず、Ｓｉ基板１０１の上に形成されたクラッド層１０２と、クラッド層１０２の上に形成された半導体層１０３と、半導体層１０３の上に形成された光吸収層１０４とを備える。クラッド層１０２は、例えば、ＳｉＯ2から構成されている。半導体層１０３は、例えば、ＩｎＰなどの化合物半導体から構成されている。
半導体層１０３の、図１Ａの紙面の手前から奥への方向、図１Ｂの紙面の左右方向に対象となる光が導波する。光吸収層１０４は、例えば、ノンドープのｉ－ＩｎＧａＡｓからなる化合物半導体から構成されている。
例えば、まず、Ｓｉ基板１０１の主表面に、熱酸化法やＣＶＤ法などによりクラッド層１０２を形成する。一方で、成長基板の上にエピタキシャル成長したＩｎＰの層をクラッド層１０２に貼り合わせ、この後、成長基板を除去することで、貼り合わせたＩｎＰの層より半導体層１０３を形成すればよい。また、クラッド層１０２の上に形成した半導体層１０３の上に、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ＩｎＧａＡｓを成長することで、光吸収層１０４が形成できる。また、成長基板の上に、ＩｎＧａＡｓの層およびＩｎＰの層を順次にエピタキシャル成長し、ＩｎＰの層をクラッド層１０２に貼り合わせ、この後、成長基板を除去してもよい。これにより、クラッド層１０２の上に、半導体層１０３および光吸収層１０４となるＩｎＧａＡｓの層が形成された状態となる。
ここで、半導体層１０３は、光が導波する方向に垂直な方向の光吸収層１０４の一方の側部の側に、ｐ型とされたｐ型領域１０３ａを備える。また、半導体層１０３は、光が導波する方向に垂直な方向の光吸収層１０４の他方の側部の側に、ｎ型とされたｎ型領域１０３ｂを備える。なお、ｐ型領域１０３ａとｎ型領域１０３ｂとの間の半導体層１０３が、ｎ型とされていてもよい。なお、半導体層１０３には、例えばＩｎＰからなる外部コア層１０７，外部コア層１０８が接続している。外部コア層１０７，外部コア層１０８は、クラッド層１０２の上に形成されている。例えば、外部コア層１０７による光導波路より対象とする光が入力され、外部コア層１０７による光導波路に、対象とする光が出力される。
また、ｐ型領域１０３ａの上に、ｐ型のｐ型コンタクト層１０５が形成されている。加えて、実施の形態１では、ｎ型領域１０３ｂの上にｎ型コンタクト層１０６が形成されている。本発明では、半導体層１０３の上に、コンタクト層とともに光吸収層１０４が配置されているところに大きな特長がある。
例えば、前述したように、半導体層１０３を形成し、この上にＩｎＧａＡｓの層を成長した後、ｐ型とする領域、およびｎ型とする領域の各々に、所定の不純物を導入することで、ｐ型領域１０３ａ、ｎ型領域１０３ｂ、ｐ型コンタクト層１０５、ｎ型コンタクト層１０６を形成すればよい。また、接合により半導体層１０３をクラッド層１０２に貼り合わせる前に、予めｐ型領域１０３ａ、ｎ型領域１０３ｂを形成しておいてもよい。なお、図示していないが、ｐ型コンタクト層１０５の上、およびｎ型コンタクト層１０６の上には、各々電極が形成されている。
ｐ型コンタクト層１０５，ｎ型コンタクト層１０６は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成されている。また、実施の形態１において、光吸収層１０４、ｐ型コンタクト層１０５、およびｎ型コンタクト層１０６は、一体に形成されている。また、光吸収層１０４、ｐ型コンタクト層１０５、およびｎ型コンタクト層１０６は、同一の化合物半導体から構成されている。
実施の形態１では、半導体層１０３の上に形成した同一の半導体層に形成された光吸収層１０４、ｐ型コンタクト層１０５、およびｎ型コンタクト層１０６により、Ｓｉ基板１０１の平面に対して水平方向にｐ－ｉ－ｎダイオードを形成してフォトダイオードとし、導波路結合型の半導体受光器としている。実施の形態１において、従来では、コンタクト層として用いられてきた層に、光吸収層１０４を配置している。このため、コンタクト層を形成する工程（過程）で光吸収層１０４が形成できる。このため、この半導体受光器と、図示していない他の領域に形成した変調器とを、工程数の増大を伴うことなく集積することが可能となる。
また、実施の形態１によれば、従来の埋め込みコア構造と比べて、光吸収層１０４への光閉じ込めは比較的小さくなるため、先行技術より高い光パワー耐性が得られる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における半導体受光器ついて、図２を参照して説明する。
この半導体受光器は、まず、Ｓｉ基板１０１の上に形成されたクラッド層１０２と、クラッド層１０２の上に形成された半導体層１０３と、半導体層１０３の上に形成された光吸収層１０４とを備える。半導体層１０３の、図２の紙面の手前から奥への方向に対象となる光が導波する。また、ｐ型領域１０３ａの上に、ｐ型のｐ型コンタクト層１０５が形成され、ｎ型領域１０３ｂの上にｎ型コンタクト層１０６が形成されている。なお、ｐ型領域１０３ａとｎ型領域１０３ｂとの間の半導体層１０３が、ｎ型とされていてもよい。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
実施の形態２では、半導体層１０３の中に埋め込まれて形成されたコア層１１１を備える。コア層１１１は、光が導波する方向に延在して設けられている。またコア層１１１は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどの半導体層１０３より屈折率が高い化合物半導体から構成されている。例えば、クラッド層１０２に貼り合わせて形成する半導体層１０３に、予めコア層１１１を形成しておけばよい。
実施の形態２では、図示しない他の領域で変調器の構成として用いるコア層１１１を、光吸収層１０４による半導体受光器の導波路コアとして用いる。対象とする光は、コア層１１１による光導波路を導波させ、この光導波路を導波する過程で、光吸収層１０４に少しずつ吸収させていく。例えば、厚さ２００ｎｍとした半導体層１０３の中に、厚さ１００ｎｍとしたコア層１１１を埋め込んで形成する。また、半導体層１０３の上に、厚さ５０ｎｍとした光吸収層１０４（ｐ型コンタクト層１０５，ｎ型コンタクト層１０６）を形成する。
このように構成した実施の形態２における光吸収層１０４による半導体受光器は、１．５μｍ帯の光を吸収して光電変換する。導波する光の強度の大部分が、コア層１１１に閉じ込められるため、光吸収層１０４への光閉じ込め低減に有効である。また、コア層１１１の強い光閉じ込めにより、この周囲のｐ型領域１０３ａ、ｎ型領域１０３ｂ、ｐ型コンタクト層１０５、ｎ型コンタクト層１０６への光の漏れを防ぎ、実施の形態１に比べてフリーキャリア吸収による光損失も低減可能である。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における半導体受光器ついて、図３Ａ，図３Ｂを参照して説明する。
この半導体受光器は、まず、Ｓｉ基板１０１の上に形成されたクラッド層１０２と、クラッド層１０２の上に形成された半導体層１０３と、半導体層１０３の上に形成された光吸収層１０４ａとを備える。半導体層１０３の、図３Ａ，図３Ｂの紙面の手前から奥への方向に対象となる光が導波する。また、ｐ型領域１０３ａの上に、ｐ型のｐ型コンタクト層１０５が形成され、ｎ型領域１０３ｂの上にｎ型コンタクト層１０６が形成されている。これらの構成は、光吸収層１０４ａ以外は、前述した実施の形態１，２と同様である。
実施の形態３では、光吸収層１０４ａと、ｐ型コンタクト層１０５と、ｎ型コンタクト層１０６とを、半導体層１０３の上で、各々分離して別体に形成している。なお、図３Ａに示すように、半導体層１０３を実施の形態１と同様に構成してもよく、図３Ｂに示すように、実施の形態２と同様に、半導体層１０３の中に埋め込まれて形成されたコア層１１１を備えるようにしてもよい。
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４における半導体受光器ついて、図４Ａ，図４Ｂを参照して説明する。
この半導体受光器は、まず、Ｓｉ基板１０１の上に形成されたクラッド層１０２と、クラッド層１０２の上に形成された半導体層１０３と、半導体層１０３の上に形成された光吸収層１０４ｂとを備える。半導体層１０３の、図４Ａ，図４Ｂの紙面の手前から奥への方向に対象となる光が導波する。また、ｐ型領域１０３ａの上に、ｐ型のｐ型コンタクト層１０５が形成されている。これらの構成は、光吸収層１０４ｂ以外は、前述した実施の形態１，２，３と同様である。実施の形態４では、ｎ型コンタクト層１０６を備えていない。実施の形態４では、ｎ型領域１０３ｂの上に、図示しない電極を直接形成する。
［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５における半導体受光器ついて、図５Ａ，図５Ｂを参照して説明する。
この半導体受光器は、まず、Ｓｉ基板１０１の上に形成されたクラッド層１０２と、クラッド層１０２の上に形成された半導体層１０３と、半導体層１０３の上に形成された光吸収層１０４とを備える。半導体層１０３の、図５Ａ，図５Ｂの紙面の手前から奥への方向に対象となる光が導波する。また、ｐ型領域１０３ａの上に、ｐ型のｐ型コンタクト層１０５が形成され、ｎ型領域１０３ｂの上にｎ型コンタクト層１０６が形成されている。これらの構成は、前述した実施の形態１，２，３と同様である。
実施の形態５では、クラッド層１０２の中を光が導波する方向に延在して設けられ、クラッド層１０２より屈折率が高い半導体から構成された下部コア層１１２を備える。下部コア層１１２は、例えば、Ｓｉから構成すればよい。実施の形態５では、半導体層１０３のした（Ｓｉ基板１０１の側）に、下部コア層１１２による光導波路を備える。実施の形態５によれば、下部コア層１１２による光導波路にも光閉じ込められるため、下部コア層１１２の形状（断面形状，平面視の形状）や配置により、光吸収層１０４への光閉じ込め係数を調整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、クラッド層の上に形成されて対象となる光が導波する化合物半導体からなる半導体層の上に、コンタクト層とともに化合物半導体からなる光吸収層を備えるようにしたので、プロセス数の増大を抑制し、動作帯域の低減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。
１０１…Ｓｉ基板、１０２…クラッド層、１０３…半導体層、１０３ａ…ｐ型領域、１０３ｂ…ｎ型領域、１０４…光吸収層、１０５…ｐ型コンタクト層、１０６…ｎ型コンタクト層、１０７…外部コア層、１０８…外部コア層。

Claims (6)

  1. クラッド層と、
    前記クラッド層の上に形成され、対象となる光が導波する化合物半導体からなる半導体層と、
    前記半導体層の上に形成された化合物半導体からなる光吸収層と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の一方の側部の側の前記半導体層に形成されたｐ型のｐ型領域と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の他方の側部の側の前記半導体層に形成されたｎ型のｎ型領域と、
    前記ｐ型領域の上に形成されたｐ型のｐ型コンタクト層と
    を備え、
    前記半導体層の中を光が導波する方向に延在して設けられ、前記半導体層より屈折率が高い化合物半導体から構成されたコア層を備えることを特徴とする半導体受光器。
  2. クラッド層と、
    前記クラッド層の上に形成され、対象となる光が導波する化合物半導体からなる半導体層と、
    前記半導体層の上に形成された化合物半導体からなる光吸収層と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の一方の側部の側の前記半導体層に形成されたｐ型のｐ型領域と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の他方の側部の側の前記半導体層に形成されたｎ型のｎ型領域と、
    前記ｐ型領域の上に形成されたｐ型のｐ型コンタクト層と
    を備え、
    前記光吸収層および前記ｐ型コンタクト層は、同一の化合物半導体から構成されて一体に形成されていることを特徴とする半導体受光器。
  3. クラッド層と、
    前記クラッド層の上に形成され、対象となる光が導波する化合物半導体からなる半導体層と、
    前記半導体層の上に形成された化合物半導体からなる光吸収層と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の一方の側部の側の前記半導体層に形成されたｐ型のｐ型領域と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の他方の側部の側の前記半導体層に形成されたｎ型のｎ型領域と、
    前記ｐ型領域の上に形成されたｐ型のｐ型コンタクト層と
    を備え、
    前記クラッド層の中を光が導波する方向に延在して設けられ、前記クラッド層より屈折率が高い半導体から構成された下部コア層を備えることを特徴とする半導体受光器。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体受光器において、
    前記ｎ型領域の上に形成されたｎ型のｎ型コンタクト層を備えることを特徴とする半導体受光器。
  5. クラッド層と、
    前記クラッド層の上に形成され、対象となる光が導波する化合物半導体からなる半導体層と、
    前記半導体層の上に形成された化合物半導体からなる光吸収層と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の一方の側部の側の前記半導体層に形成されたｐ型のｐ型領域と、
    光が導波する方向に垂直な方向の前記光吸収層の他方の側部の側の前記半導体層に形成されたｎ型のｎ型領域と、
    前記ｐ型領域の上に形成されたｐ型のｐ型コンタクト層と
    前記ｎ型領域の上に形成されたｎ型のｎ型コンタクト層と
    を備え、
    前記光吸収層、前記ｐ型コンタクト層、および前記ｎ型コンタクト層は、同一の化合物半導体から構成されて一体に形成されていることを特徴とする半導体受光器。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体受光器において、
    前記ｐ型領域と前記ｎ型領域との間の前記半導体層は、ｎ型とされていることを特徴とする半導体受光器。
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