JP7118306B1 - 導波路型受光素子及び導波路型受光素子アレイ - Google Patents

Abstract

本開示の導波路型受光素子は、半導体基板（１）と、半導体基板（１）上に積層された第１導電型コンタクト層（２）、第１導電型クラッド層（３）、光吸収層（４）、第２導電型クラッド層（５）及び第２導電型コンタクト層（６）からなり、半導体基板（１）の一端から離間する光入射面（２２ａ）を有するとともに半導体基板（１）の他端から離間する後面（２２ｂ）を有するリッジ導波路（２２）と、リッジ導波路（２２）の光入射面（２２ａ）に接して設けられ、光入射側の一面であって半導体基板（１）の一端から離間する光入射端面（２１）を有する第１半導体埋め込み領域（７ａ）と、リッジ導波路（２２）の後面（２２ｂ）に接して設けられ、後面（２２ｂ）と対向する一面であって半導体基板（１）の他端から離間する後端面（２６）を有する第２半導体埋め込み領域（７ｂ）と、を備える。

Description

本開示は、導波路型受光素子及び導波路型受光素子アレイに関する。

通信容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。通信システムの大容量化には光通信機器の高速化が不可欠である。光通信機器に用いられる半導体受光素子であるフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、以下、ＰＤと呼ぶ）の応答速度を決定する要因の一つにＣＲ時定数がある。ＣＲ時定数は半導体受光素子の素子容量及び素子抵抗によって決定される。ＰＤの応答速度を高めるにはＣＲ時定数をなるべく小さくする必要がある。したがって、ＰＤの素子容量を低減することが重要となる。

例えば４０ＧＨｚ以上の高速応答性を実現するために、ＰＤの素子構造として、素子容量の低減が可能な導波路型受光素子が採用されている。導波路型受光素子は、エピタキシャル結晶成長層の側面から光を入射させる素子構造であり、通常の面入射型構造と異なり受光感度と受光帯域を個別に最適化することができる。このため、導波路型受光素子は高速動作に適した素子構造と言える。

導波路型受光素子は、さらに２種類に大別される。その一つは、例えば特許文献１に開示されている装荷型受光素子である。装荷型受光素子では光導波路をへき開端面まで形成している。この光導波路に光を入射させて、入射部から数μｍ以上離れた位置に形成された光吸収層まで光を導波させ、この光吸収層においてガイド層から層厚方向にしみ出したエバネッセント光を光電変換する。したがって、装荷型受光素子では光電変換が間接的であり、入射端面近傍における光電流の集中が緩和され、強度の高い光が入射した場合でも応答速度の劣化が起こりにくいという利点がある。一方、ガイド層から層厚方向にしみ出す光を光電変換するため、高い受光感度を得ることが原理的に難しいといった欠点もある。

上記問題を解決するための受光素子として、光吸収層に直接光を入射する素子構造（特許文献２）、あるいは、光吸収層等を半導体埋め込み層によって埋め込んだ素子構造が知られている（特許文献３）。これらの素子構造は、窓層を介して光吸収層に直接光が入射するため、光導波路長をそれほど長くしなくても高い受光感度が得られる。したがって、上記素子構造では、素子容量も小さくできるため、高い受光感度と高速応答性を両立しやすい。

光吸収層に直接光が入射する素子構造では、接合部分が絶縁膜で覆われた構成になる。かかる素子構造では絶縁膜の放熱性が悪いため、光吸収層を半導体材料で埋め込んだ素子構造よりも放熱性が悪化する。この結果、特に光入力を強くした場合に素子特性が悪化したり、あるいは、受光素子自体が劣化したりする。以上より、光吸収層を半導体埋め込み層によって埋め込んだ素子構造が、素子特性面及び信頼性面で望ましい構造と言える。

特許第３７５７９５５号公報 特開２００１－２２３３６９号公報 特許第５２９４５５８号公報

特許文献３によると、従来は、半導体埋め込み層で光吸収層等を埋め込んだ素子構造の導波路型受光素子において、チップへの光入射端面を、ウエハプロセス完了後にへき開などで形成していた。へき開位置がばらついた場合、入射端面から光吸収層までの距離（以下、窓長と呼ぶ）がばらつく。したがって、へき開位置が光吸収層から遠ざかる方向にずれた場合、窓長が長く形成される。また、へき開位置がばらついても光吸収層を半導体埋め込み層で覆った状態にするために、窓長はへき開ばらつき量よりも長く設定する必要があるため、全体的に窓長が長くなってしまうという問題があった。

受光素子において窓長が長い場合は、入射端面に入射した光が光吸収層に到達する前に、半導体埋め込み層の上部から漏れ出し、光吸収層に入射する光量が減少する結果、受光感度が低下する。また、半導体埋め込み層の底部に光を吸収する組成からなる半導体材料が存在する場合、当該領域による光の吸収が、窓長が長い場合には増加するため、結果として光吸収層に入射する光量が減少し、受光感度が低下するという問題があった。

つまり、従来の半導体埋め込み層によって光吸収層等を埋め込んだ素子構造の導波路型受光素子では窓長が長くなり、結果として受光感度低下を引き起こすという素子構造上の問題があった。

本開示は、上述の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、窓長を短く制御することが可能で、高い受光感度が得られる導波路型受光素子及び導波路型受光素子アレイを得ることである。

この開示による導波路型受光素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された少なくとも第１導電型コンタクト層、第１導電型クラッド層、光吸収層、第２導電型クラッド層及び第２導電型コンタクト層からなり、前記半導体基板の一端から離間する光入射面を有するとともに、前記半導体基板の他端から離間する後面を有するリッジ導波路と、
前記リッジ導波路の前記光入射面に接して設けられ、光入射側の一面であって、前記半導体基板の一端から離間する平面からなる光入射端面を有する第１半導体埋め込み領域と、
前記リッジ導波路の前記後面に接して設けられ、前記後面と対向する一面であって、前記半導体基板の他端から離間する後端面を有する第２半導体埋め込み領域と、を備え、
前記第１半導体埋め込み領域が、光入射方向に対する前記第１半導体埋め込み領域の層厚が窓長となる窓層として機能し、
前記半導体基板の表面を平面視した場合に、入射光に対して前記リッジ導波路の前記光入射面が前記第１半導体埋め込み領域の前記光入射端面とは反対側に傾斜する方向に設けられることを特徴とする。

この開示による導波路型受光素子アレイは、上述の導波路型受光素子を、前記リッジ導波路が互いに平行に位置するように並列に複数個集積するものである。

この開示による導波路型受光素子及び導波路型受光素子アレイによれば、半導体埋め込み層で光吸収層等のリッジ導波路を埋め込んだ素子構造において、第１半導体埋め込み領域の光入射端面が半導体基板の一端から離間しているので、光入射端面の位置精度が向上し、窓長を短く制御することができるため、安定して高い受光感度を有する導波路型受光素子及び導波路型受光素子アレイを得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る導波路型受光素子における光入射方向に対する平行方向の断面図である。 実施の形態１に係る導波路型受光素子の概観図である。 実施の形態１に係る導波路型受光素子における光入射方向に対する垂直方向のリッジ導波路を含む断面図である。 実施の形態１に係る導波路型受光素子の製造方法のうちの一工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る導波路型受光素子の製造方法のうちの一工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る導波路型受光素子の製造方法のうちの一工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る導波路型受光素子の製造方法のうちの一工程を示す断面図である。 比較例である導波路型受光素子における光入射方向と平行な断面図である。 実施の形態１の変形例１に係る導波路型受光素子における光入射方向と平行な断面図である。 実施の形態１の変形例２に係る導波路型受光素子における光入射方向と平行な断面図である。 実施の形態２に係る導波路型受光素子における光入射方向に対する平行方向の断面図である。 実施の形態３に係る導波路型受光素子における光入射方向に対する平行方向の断面図である。 実施の形態４に係る導波路型受光素子アレイの上面図である。 実施の形態５に係る導波路型受光素子アレイの上面図である。 実施の形態６に係る導波路型受光素子アレイの上面図である。 実施の形態７に係る導波路型受光素子アレイの上面図である。 実施の形態８に係る導波路型受光素子アレイの上面図である。 実施の形態９に係る導波路型受光素子アレイの上面図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る導波路型受光素子１００における光入射方向と平行な断面図である。図１において、導波路型受光素子１００は、矢印で示された入射光２０を受光する。

実施の形態１に係る導波路型受光素子１００は、半導体基板１（ＩｎＰ基板）上に積層された少なくとも、ｎ型コンタクト層２（第１導電型コンタクト層）、ｎ型クラッド層３（第１導電型クラッド層）、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ型クラッド層５（第２導電型クラッド層）、ｐ型コンタクト層６(第２導電型コンタクト層)からなり、半導体基板１の一端から離間する光入射面２２ａを有するとともに、半導体基板１の他端から離間する後面２２ｂを有するリッジ導波路２２と、リッジ導波路２２の光入射面２２ａに接して設けられ光入射側の一面であって前記半導体基板の一端から離間する光入射端面２１を有する第１半導体埋め込み領域７ａと、リッジ導波路２２の後面２２ｂに接して設けられ後面２２ｂと対向する一面であって前記半導体基板の他端から離間する後端面２６を有する第２半導体埋め込み領域７ｂと、第１半導体埋め込み領域７ａの上面及び第２半導体埋め込み領域７ｂを覆うパッシベーション膜１０と、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１を覆う反射防止膜１１と、ｐ型コンタクト層６の表面及びパッシベーション膜１０上に設けられた表面電極８と、半導体基板１（ＩｎＰ基板）の裏面側に設けられた裏面メタル９と、で構成される。

以上の構成において、第１半導体埋め込み領域７ａ及び第２半導体埋め込み領域７ｂを含めて半導体埋め込み層７と呼ぶ。第１半導体埋め込み領域７ａとは、半導体埋め込み層７のうちリッジ導波路２２の光入射面２２ａに接する領域を指す。また、第２半導体埋め込み領域７ｂとは、半導体埋め込み層７のうちリッジ導波路２２の後面２２ｂに接する領域を指す。第１半導体埋め込み領域７ａと第２半導体埋め込み領域７ｂはそれぞれ半導体埋め込み層７の一部をなし、リッジ導波路２２に沿った両側面に埋め込まれた半導体埋め込み層７の部位とともに全体として一つの層をなしている。また、ＩｎＰ基板は半導体基板１の一つの具体例である。

半導体埋め込み層７の一部は少なくとも半導体基板１（ＩｎＰ基板）に到達するまでエッチング除去され、第１エッチング部分２３及び第２エッチング部分２４を形成している。リッジ導波路２２に対して光が入射する光入射面２２ａに接して設けられた第１半導体埋め込み領域７ａの光入射側の面、つまり、第１エッチング部分２３の一面は、光入射端面２１を形成している。すなわち、光入射端面２１は、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射側の一面であって、半導体基板１の一端から離間する位置にある。また、リッジ導波路２２の後面２２ｂに接して設けられた第２半導体埋め込み領域７ｂの一面、つまり、第２エッチング部分２４の一面は、後端面２６を形成している。すなわち、後端面２６は、第２半導体埋め込み領域７ｂの一面であって、半導体基板１の他端から離間する位置にある。

表面側のｐ型コンタクト層６以外の部分及び第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１以外の第１エッチング部分２３の側面は、パッシベーション膜１０で覆われている。ｐ型コンタクト層６の表面には表面電極８（ｐ型電極）が設けられている。表面電極８は、ｐ型コンタクト層６と電気的に接続する。半導体基板１（ＩｎＰ基板）の裏面の一部または全面に、裏面メタル９が設けられている。

第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１において少なくとも光が入射する部分は、反射防止膜１１で覆われている。第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１からリッジ導波路２２の光入射面２２ａまでの距離が窓長２５となる。すなわち、窓長２５とは、光入射方向に対する第１半導体埋め込み領域７ａの層厚を意味する。

第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６はパッシベーション膜１０及び表面電極８（ｐ型電極）に覆われており、リッジ導波路２２の光吸収層４で吸収しきれずに透過した光をリッジ導波路２２内に反射するように機能する。リッジ導波路２２内に戻る反射光が実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の受光感度の向上に寄与するからである。

図２は、実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の概観図である。また、図３は、実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の光入射方向に垂直な断面図である。リッジ導波路２２ではない部位に、ｎ型コンタクト層２に電気的に接続されたｎ型電極１２ａ及びｎ型電極１２ｂが設けられている。

以下に、実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の製造方法を説明する。
実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の各半導体層の結晶成長法として、液相成長法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＬＰＥ）、気相成長法（Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＶＰＥ）、特に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＶＰＥ：ＭＯ－ＶＰＥ）、分子線エピタキシー成長法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）などが用いられる。

上述のいずれかの結晶成長法により、半導体基板１（ＩｎＰ基板）上に、ｎ型コンタクト層２、ｎ型クラッド層３、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を順次結晶成長する。図４は、各層の結晶成長後の断面図である。

各半導体層を結晶成長した後に、ウエハ表面に絶縁膜を形成し、公知のリソグラフィー技術によって絶縁膜マスク３０を形成する。絶縁膜マスク３０をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）などのドライエッチング４１により、絶縁膜マスク３０に覆われていない部分の各半導体層を、ｎ型クラッド層３の途中までエッチングすることにより、リッジ導波路２２を形成する。なお、ドライエッチングの代りにウェットエッチングを用いても良い。図５はドライエッチング４１によって形成されたリッジ導波路２２における光入射方向と平行な断面図である。

ドライエッチング４１によるリッジ導波路２２の形成の際に、リッジ導波路２２の光入射面２２ａ及び光入射面２２ａとは反対側の後面２２ｂが形成される。すなわち、光入射面２２ａ及び後面２２ｂはともにエッチング面からなる。リッジ導波路２２の光入射面２２ａは、半導体基板１の一端から離間する位置にある。また、リッジ導波路２２の後面２２ｂは、半導体基板１の他端から離間する位置にある。

リッジ導波路２２の形成後、ＭＯ－ＶＰＥ法などの結晶成長方法によって、上述のエッチング除去した部位に半導体埋め込み層７を結晶成長する。この際、絶縁膜マスク３０が選択成長マスクとしても機能する。半導体埋め込み層７の結晶成長後、絶縁膜マスク３０はドライエッチングあるいはウェットエッチングによって除去される。図６は半導体埋め込み層７を結晶成長した後のリッジ導波路２２の光入射方向と平行な断面図である。

半導体埋め込み層７の結晶成長後に、ウエハ表面に絶縁膜を形成し、公知のリソグラフィー技術によって、リッジ導波路２２を含むように絶縁膜マスク３１をパターニングする。その後、ＲＩＥなどのドライエッチングにより、絶縁膜マスク３１によって覆われていない部位の各半導体層を、少なくとも半導体基板１（ＩｎＰ基板）に達するまでエッチングすることで、第１エッチング部分２３及び第２エッチング部分２４を形成する。第１エッチング部分２３及び第２エッチング部分２４は、同じ工程で形成しても良く、あるいは、別個の工程によって形成しても良い。図７はドライエッチング後のリッジ導波路２２の光入射方向と平行な断面図である。

ドライエッチングによる第１エッチング部分２３及び第２エッチング部分２４の形成の際に、リッジ導波路２２の光入射面２２ａに接して設けられ光入射側の一面が光入射端面２１をなす第１半導体埋め込み領域７ａ及びリッジ導波路２２の後面２２ｂに接して設けられ、後面２２ｂと対向する一面が後端面２６をなす第２半導体埋め込み領域７ｂが形成される。すなわち、光入射端面２１及び後端面２６はともにエッチング面からなる。第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１は、半導体基板１の一端から離間する位置にある。また、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６は、半導体基板１の他端から離間する位置にある。

表面側でｐ型コンタクト層６以外の部分及び光入射端面２１以外の第１エッチング部分２３の側面を覆うパッシベーション膜１０を、プラズマ励起化学気相成膜法（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥ－ＣＶＤ）またはスパッタリングなどの方法によって成膜する。パッシベーション膜１０用の絶縁膜を成膜した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみエッチングマスクを残した状態で、不要な部分の絶縁膜をエッチングすることによってパッシベーション膜１０が形成される。

次に、半導体埋め込み層７を結晶成長した部位を一部、つまり、ｎ型コンタクト層２の直上まで、ＲＩＥなどのドライエッチング、あるいは、ウェットエッチングによりエッチングする。

表面電極８（ｐ型電極）及びｎ型電極１２ａ、１２ｂは、公知のリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみマスクを開口させた状態で、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの材料を電子ビーム蒸着もしくはスパッタリングなどの方法で成膜し、不要な部分のメタルを除去することにより形成する。また、表面電極８（ｐ型電極）及びｎ型電極１２ａ、１２ｂは、メタルを全面に成膜した後で、公知のリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみマスクを残した状態で、不要な部分のメタルをウェットエッチングすることによっても形成できる。

裏面メタル９は、半導体基板１（ＩｎＰ基板）を反転させ、公知のリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみマスクを開口させた状態で、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属材料を電子ビーム蒸着もしくはスパッタリングなどの方法によって成膜し、不要な部分のメタルを除去することにより形成する。また、裏面メタル９は、半導体基板１（ＩｎＰ基板）の裏面の全面にメタルを成膜して、公知のリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみマスクを残した状態で、不要な部分のメタルをウェットエッチングにより除去することによって形成しても良い。

反射防止膜１１は、上記工程を経たウエハをチップにへき開した状態で、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１に蒸着あるいはスパッタリングによって形成する。

なお、半導体基板１（ＩｎＰ基板）は、Ｆｅなどをドーピングした半絶縁性基板が望ましい。ｎ型コンタクト層２の構成材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、またはそれらの組み合わせなどでも良い。

ｎ型クラッド層３の構成材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、またはそれらの組み合わせなどでも良い。

光吸収層４の構成材料は、光が入射した場合にキャリアが発生する半導体材料、つまり入射光２０に対してバンドギャップの小さい半導体材料であれば、ＩｎＧａＡｓではなくＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、またはそれらの組み合わせなどでも良い。

ｐ型クラッド層５の構成材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、またはそれらの組み合わせなどでも良い。

ｐ型コンタクト層６の構成材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、またはそれらの組み合わせなどでも良い。

半導体埋め込み層７の構成材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどでもよく、それらにＦｅあるいはＲｕがドーピングされていても良い。

バンド不連続を緩和するために、各エピタキシャル結晶成長層の間、あるいは、表面電極８（ｐ型電極）とエピタキシャル結晶成長層の間に、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどを用いたバンド不連続緩和層が含まれていても良い。

パッシベーション膜１０の構成材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはそれらの材料の組み合わせでも良い。

導波路型受光素子１００として動作に必要な素子特性が得られるのであれば、上記各層にいずれの材料を使用しても良い。すなわち、導波路型受光素子１００の各構成材料は、上述の具体例に限定されるものではない。

第ＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶に導電性を与えるｐ型ドーパントとして、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄなどの第ＩＩ族原子が用いられる。同様に、ｎ型ドーパントとして、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅなどの第ＶＩ族原子が用いられる。

半導体結晶によりいずれかの導電型のドーパントとして機能する両性不純物として、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの第ＩＶ族原子が用いられる。また、Ｆｅ、Ｒｕなどの原子は、導電性を抑え半絶縁性（Ｓｅｍｉ－Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ：ＳＩ）型となる絶縁型ドーパントとして機能する。

実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の作用について、図８で示す比較例の導波路型受光素子２００と比較しながら説明する。図８は、図１に示した実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の素子構造と比較して、第１エッチング部分２３が形成されていない素子構造となっている。

比較例の導波路型受光素子２００の製造方法では、光入射端面２１ａは、ウエハプロセス完了後、へき開などによって形成される。へき開工程とは、一例として、ウエハの端部にスクライブラインを入れ、スクライブラインに応力をかけることでチップに分割する工程である。

へき開工程では、ウエハに物理的にスクライブラインを入れる際の位置ずれ、さらに、スクライブラインからへき開する際の位置ずれが大きく、結果として光入射端面２１ａの位置がばらつき、かかるばらつきは窓長２５ａのばらつきに反映される。へき開のばらつき、つまり、窓長２５ａのばらつきの量としては、比較例の場合、数μｍ～数１０μｍのオーダーである。

ウエハをへき開する際に、光入射端面２１ａがリッジ導波路２２の光入射面２２ａから遠ざかる方向にずれた場合、窓長２５ａが長く形成される。一方、光入射端面２１ａがリッジ導波路２２の光入射面２２ａに近づく方向にずれた場合でも、窓長２５ａがゼロにならないようにするため、窓長２５ａの設計値はへき開時のばらつき量を考慮したマージンを含めるため長めに設定する必要があるので、比較例の導波路型受光素子２００では、窓長２５ａが窓層として機能するために必要な長さ以上に長くなる傾向にあった。

窓長２５ａが窓層として機能するために必要な長さ以上に長い場合、光入射端面２１ａに入射した光が光吸収層４に到達する前に、第１半導体埋め込み領域７ａの上部から漏れ出し、結果として光吸収層４に入射する光量が減少し、受光感度が低下する。

また、第１半導体埋め込み領域７ａの底部にｎ型コンタクト層２が位置するが、ｎ型コンタクト層２の構成材料が入射光２０を吸収するような半導体材料であった場合、窓長２５ａが長くなるにつれて、ｎ型コンタクト層２による光の吸収も増加するため、結果として光吸収層４に入射する光量が減少し、受光感度が低下する。つまり、比較例の導波路型受光素子２００では、製造工程で不可避的に発生する窓長のばらつきのため、ばらつきに対するマージンを考慮することにより窓長２５が不必要に長くなってしまう結果、受光感度の低下をもたらすという不具合が生じるおそれがあった。

一方、図１に示した実施の形態１に係る導波路型受光素子１００では、入射光２０が入射する第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１を、へき開ではなく製造工程中のエッチング工程によって形成する。エッチング工程での位置ばらつき量、つまり、位置精度は、一般的に１μｍ以下である。リッジ導波路２２の光入射面２２ａをエッチングにより半導体基板１の一端に対して離間して形成するので、光入射面２２ａに接して設けられる第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１の位置は、比較例のようなへき開工程に起因する位置ばらつきの影響を受けない。したがって、導波路型受光素子１００のような素子構造を採用することにより、光入射端面２１の位置精度が著しく向上するため、窓長２５の設計値を比較例よりも短く設定することが可能となるため、結果として比較例より短い窓長２５を精度良く制御できる。

＜実施の形態１の効果＞
以上、実施の形態１に係る導波路型受光素子１００及び導波路型受光素子１００の製造方法によると、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１が半導体基板１の一端に対して離間して設けられているので、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１の位置精度が向上する結果、窓長を短く制御することができるため、安定して高い受光感度を有する導波路型受光素子が得られ、また、かかる導波路型受光素子を再現性良く製造できるという効果を奏する。

実施の形態１の変形例１．
図９は、実施の形態１の変形例１に係る導波路型受光素子３００における光入射方向と平行な断面図である。実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の素子構造と異なる点は、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１に形成する反射防止膜１１の代替として、パッシベーション膜１０が形成されていている。つまり、パッシベーション膜１０のうち第１半導体埋め込み領域７aの光入射端面２１を覆う部分が、反射防止膜の機能を兼ねている点である。

＜実施の形態１の変形例１の効果＞
以上、実施の形態１の変形例１に係る導波路型受光素子３００によると、パッシベーション膜１０が反射防止膜を機能的に兼ねているので、反射防止膜の形成工程が不要となるため、より簡易な製造工程によって製造可能な導波路型受光素子が得られるという効果を奏する。

実施の形態１の変形例２．
図１０は、実施の形態１の変形例１に係る導波路型受光素子４００における光入射方向と平行な断面図である。実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の素子構造と異なる点は、裏面メタル９が設けられていない点である。すなわち、裏面メタルは導波路型受光素子としては必須の構成ではないので、裏面メタルを省略している。

なお、図１０に示すように、導波路型受光素子４００は反射防止膜を設けなくても動作するものの、反射防止膜を設ける方が受光感度は向上するため、反射防止膜を設ける方が望ましい。

＜実施の形態１の変形例２の効果＞
以上、実施の形態１の変形例２に係る導波路型受光素子４００によると、裏面メタルを設けない素子構造を採用したので、裏面メタルの形成工程が不要となるため、より簡易な製造工程によって製造可能な導波路型受光素子が得られるという効果を奏する。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係る導波路型受光素子５００における光入射方向と平行な断面図である。実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の素子構造と異なる点は、少なくともｎ型コンタクト層２の光入射側の側面も第１半導体埋め込み領域７ａで覆われるようにしている点である。

実施の形態１に係る導波路型受光素子１００では、図１に示すように、第１半導体埋め込み領域７ａの底部にｎ型コンタクト層２が位置する。ｎ型コンタクト層２の構成材料が入射光２０を吸収するような半導体材料である場合、ｎ型コンタクト層２による光の吸収が発生するため、結果として光吸収層４に入射する光量が減少し、受光感度が低下する。したがって、実施の形態２に係る導波路型受光素子５００では、上述の構成を採用することにより、第１半導体埋め込み領域７ａの底部にはｎ型コンタクト層２が無い、つまり、第１半導体埋め込み領域７ａの底部が半導体基板１と接する構成となるので、ｎ型コンタクト層２における光の吸収が減少するため、導波路型受光素子５００の受光感度をより高めることが可能となる。

＜実施の形態２の効果＞
以上、実施の形態２に係る導波路型受光素子５００によると、第１半導体埋め込み領域７ａの底部にｎ型コンタクト層２が存在しない素子構造を採用したので、受光感度が一層高い導波路型受光素子が得られるという効果を奏する。

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係る導波路型受光素子６００における光入射方向と平行な断面図である。実施の形態１に係る導波路型受光素子１００の素子構造と異なる点は、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１ｂを、断面方向から見て垂直ではなく、斜面形状としている点である。すなわち、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１ｂが半導体基板１の表面に対して傾斜面を呈している。

入射光２０は、導波路型受光素子６００内に入射する際に、入射方向に対して斜めに形成された光入射端面２１ｂによって屈折を受けるため、光入射端面２１ｂによる反射光成分が減少する。すなわち、反射戻り光を低減できる。この結果、入射光２０のうち導波路型受光素子６００内に入射する成分が増加するので、導波路型受光素子６００の受光感度を高めることが可能となる。

＜実施の形態３の効果＞
以上、実施の形態３に係る導波路型受光素子６００によると、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１ｂが半導体基板１の表面に対して傾斜面を呈する素子構造を採用したので、反射戻り光を低減できるため、受光感度が一層高い導波路型受光素子が得られるという効果を奏する。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係る導波路型受光素子アレイ１０００の上面図である。実施の形態１に係る導波路型受光素子１００を、リッジ導波路２２が互いに平行に位置するように並列に複数個集積している。なお、図１３以降の上面図では、パッシベーション膜１０及び反射防止膜１１を図中では省略している。

実施の形態４に係る導波路型受光素子アレイ１０００では、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１が入射光２０に対して垂直をなす方向に設けられる。

図８で示した比較例の導波路型受光素子２００を複数個集積した場合、結晶方位とパターンの角度ずれに起因して、各導波路型受光素子２００の間においてへき開位置のばらつきが発生するため、集積した導波路型受光素子２００の間で窓長ばらつきに起因する受光感度のばらつきが不可避的に発生する。

一方、実施の形態４に係る導波路型受光素子アレイ１０００の場合、集積した導波路型受光素子間でのへき開位置ずれが減少するので、この結果、導波路型受光素子間での窓長ばらつきも減少する。よって、各導波路型受光素子間で高い受光感度を均一に得ることができる。

なお、実施の形態４に係る導波路型受光素子アレイ１０００を構成する個々の導波路型受光素子は、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１が入射光２０に対して垂直をなす方向に設けられる。

＜実施の形態４の効果＞
以上、実施の形態４に係る導波路型受光素子アレイ１０００によると、実施の形態１に係る導波路型受光素子１００をリッジ導波路２２が互いに平行に位置するように並列に複数個集積したので、導波路型受光素子間で高い受光感度を均一に得ることができる効果を奏する。

実施の形態５．
図１４は、実施の形態５に係る導波路型受光素子アレイ１１００の上面図である。実施の形態１に係る導波路型受光素子１００をリッジ導波路２２が互いに平行に位置するように並列に複数個集積しているが、以下の点が実施の形態４の構成とは異なる。

すなわち、集積された個々の導波路型受光素子は、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１が入射光２０に対して傾斜する方向に設けられている。また、各導波路型受光素子の光入射端面２１は同方向に同じ角度をなすように傾斜している。

導波路型受光素子において、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１からの反射戻り光を低減するために、チップ自体を上面側から見て光入射方向に対して傾けて配置し、光入射端面２１を入射光に対して斜めに位置することで、入射光２０が反射する角度を変える方法が有効となる。

しかしながら、かかる構成を複数の導波路型受光素子が個々に集積されるように単に適用すると、導波路型受光素子間で光路長が変わるため、例えば集光光学系の場合、導波路型受光素子間で入射する光のスポットサイズが変わり、受光感度がばらつく要因となる。一方、実施の形態５のような構成を採用することで、集積されるそれぞれの導波路型受光素子について光路長を均一に揃えることができ、かつ、反射戻り光も低減することができる。

＜実施の形態５の効果＞
以上、実施の形態５に係る導波路型受光素子アレイ１１００によると、集積された個々の導波路型受光素子が、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１が入射光２０に対して同一角度で傾斜する方向に設けられているので、反射戻り光を低減できるため、各導波路型受光素子間で高い受光感度を均一に得ることができる効果を奏する。

実施の形態６．
図１５は、実施の形態６に係る導波路型受光素子アレイ１２００の上面図である。実施の形態６に係る導波路型受光素子アレイ１２００の構成において、以下の点が実施の形態５による構成とは異なる。

すなわち、集積された個々の導波路型受光素子は、半導体基板１の表面を平面視した場合に、リッジ導波路２２の光入射面２２ａが、入射光２０に対して第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１とは反対側に傾斜する方向に設けられる。また、各導波路型受光素子の各光入射端面２１はそれぞれ同方向に同じ角度をなすように傾斜し、各光入射面２２ａもそれぞれ同方向に同じ角度をなすように傾斜している。

実施の形態５による構成では、リッジ導波路２２に達する光はリッジ導波路２２に対して斜め方向になっており、また、リッジ導波路２２を透過した光に対しても斜めになっている。この場合、リッジ導波路２２を透過した光はある角度を持って第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６に達するため、リッジ導波路２２に戻る方向には光が反射されない。このため、リッジ導波路２２には光が戻らず、受光感度を増加させられない。

一方、実施の形態６による構成では、リッジ導波路２２の光が入射する光入射面２２ａを上面側から見た場合に傾斜をもたせて、リッジ導波路２２を透過する光が光入射方向と平行になるようにすることで、リッジ導波路２２の後面２２ｂから出射した光が第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６に向かい、後端面２６で光が反射してリッジ導波路２２に戻るため、結果的に受光感度を増加させることができる。

＜実施の形態６の効果＞
以上、実施の形態６に係る導波路型受光素子アレイ１２００によると、半導体基板１の表面を平面視した場合に、リッジ導波路２２の光入射面２２ａが、入射光２０に対して第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１とは反対側に傾斜する方向に設けられるので、反射戻り光を一層低減できるため、各導波路型受光素子間でより高い受光感度を均一に得ることができる効果を奏する。

実施の形態７．
図１６は、実施の形態７に係る導波路型受光素子アレイ１３００の上面図である。実施の形態７に係る導波路型受光素子アレイ１２００の構成において、以下の点が実施の形態５による構成とは異なる。

すなわち、集積された個々の導波路型受光素子は、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６が第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１と平行方向に設けられる。つまり、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６も、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１と同方向に同じ角度で傾斜している。また、各導波路型受光素子の各光入射端面２１はそれぞれ同方向に同じ角度をなすように傾斜し、各後端面２６もそれぞれ同方向に同じ角度をなすように傾斜している。

第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６が傾斜する角度は、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１とほぼ平行となる角度である。実施の形態５による構成では、リッジ導波路２２に達する光はリッジ導波路２２に対して斜め方向になっており、リッジ導波路２２を透過した光も斜め方向になっている。この場合、リッジ導波路２２を透過した光はある角度を持って第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６に達するため、リッジ導波路２２の方向には光が反射されない。このため、リッジ導波路２２には光が戻らず、受光感度を増加させられない。一方、実施の形態７による構成では第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６に達した光がリッジ導波路２２の方向に再度反射されるため、結果的に受光感度を増加させることができる。

＜実施の形態７の効果＞
以上、実施の形態７に係る導波路型受光素子アレイ１３００によると、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６が第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１と同方向に傾斜しているので、反射戻り光を一層低減できるため、各導波路型受光素子間でより高い受光感度を均一に得ることができる効果を奏する。

実施の形態８．
図１７は、実施の形態８に係る導波路型受光素子アレイ１４００の上面図である。実施の形態８に係る導波路型受光素子アレイ１３００の構成において、以下の点が実施の形態７による構成とは異なる。

すなわち、集積された個々の導波路型受光素子は、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第１半導体埋め込み領域７aの光入射端面２１が入射光２０に対して傾斜する方向に設けられ、かつ、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６が第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１とは異なる傾斜方向に設けられている。また、各導波路型受光素子の各光入射端面２１はそれぞれ同方向に同じ角度をなすように傾斜し、各後端面２６もそれぞれ同方向に同じ角度をなすように傾斜している。

実施の形態８による構成では、実施の形態７による構成において、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６の傾斜角度を、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１の傾斜角度とは異なるように変えている。実施の形態７による構成でも、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６に達した光はリッジ導波路２２に戻るが、光入射端面２１と後端面２６を平行に形成した場合、リッジ導波路２２を透過した光と第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６は正対していないため、リッジ導波路２２に戻り切らず漏れる光が存在する。そこで、実施の形態８による構成では、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６に到達する光に対して正対するように後端面２６の傾斜角度を調整することにより、リッジ導波路２２に戻る光が増えるため、結果的に受光感度を増加させることができる。

＜実施の形態８の効果＞
以上、実施の形態８に係る導波路型受光素子アレイ１４００によると、半導体基板１の表面を平面視した場合に、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６が、第１半導体埋め込み領域７ａの光入射端面２１と異なる角度に傾斜しているので、反射戻り光を一層低減できるため、各導波路型受光素子間でより高い受光感度を均一に得ることができる効果を奏する。

実施の形態９．
図１８は、実施の形態９に係る導波路型受光素子アレイ１５００の上面図である。実施の形態８に係る導波路型受光素子アレイ１５００の構成において、以下の点が実施の形態８による構成とは異なる。

すなわち、集積された個々の導波路型受光素子は、半導体基板１の表面を平面視した場合に、リッジ導波路２２がリッジ導波路２２への入射光２０に対して正対する角度に傾斜する方向に設けられる。また、各導波路型受光素子におけるリッジ導波路２２はそれぞれ同方向に同じ角度をなすように傾斜している。

実施の形態９による構成は、実施の形態８による構成において、リッジ導波路２２を上面側から見て回転させ、リッジ導波路２２に入射する光に対して、リッジ導波路２２の光入射面２２ａが正対するように配置している。実施の形態６による構成では、リッジ導波路２２に達する光はリッジ導波路２２に対して斜め方向になっており、リッジ導波路２２を透過する光も斜めになっている。この場合、リッジ導波路２２の幅を狭くした場合に、リッジ導波路２２の側面から光が漏れ出すことがある。

一方、実施の形態９による構成のようにリッジ導波路２２自体を入射光２０に対して正対するように回転させることで、リッジ導波路２２に対して平行に光が入射して、かつ、第２半導体埋め込み領域７ｂの後端面２６で正対して反射してリッジ導波路２２に光が戻るため、受光感度を増加させることができる。

＜実施の形態９の効果＞
以上、実施の形態９に係る導波路型受光素子アレイ１５００によると、半導体基板１の表面を平面視した場合に、リッジ導波路２２がリッジ導波路２２への入射光２０に対して正対する角度に傾斜する方向に設けられるので、反射戻り光を一層低減できるため、各導波路型受光素子間でより高い受光感度を均一に得ることができる効果を奏する。

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。

従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 半導体基板（ＩｎＰ基板）、２ ｎ型コンタクト層（第１導電型コンタクト層）、３ ｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）、４ 光吸収層、５ ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）、６ ｐ型コンタクト層(第２導電型コンタクト層)、７ 半導体埋め込み層、７ａ 第１半導体埋め込み領域、７ｂ 第２半導体埋め込み領域、８ 表面電極（ｐ型電極）、９ 裏面メタル、１０ パッシベーション膜、１１ 反射防止膜、１２ａ、１２ｂ ｎ型電極、２０ 入射光、２１、２１ａ、２１ｂ 光入射端面、２２ リッジ導波路、２２ａ 光入射面、２２ｂ 後面、２３ 第１エッチング部分、２４ 第２エッチング部分、２５、２５ａ 窓長、２６ 後端面、３０、３１ 絶縁膜マスク、４１ ドライエッチング、１００、２００、３００、４００、５００、６００ 導波路型受光素子、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００ 導波路型受光素子アレイ

Claims (11)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に積層された少なくとも第１導電型コンタクト層、第１導電型クラッド層、光吸収層、第２導電型クラッド層及び第２導電型コンタクト層からなり、前記半導体基板の一端から離間する光入射面を有するとともに、前記半導体基板の他端から離間する後面を有するリッジ導波路と、
   前記リッジ導波路の前記光入射面に接して設けられ、光入射側の一面であって、前記半導体基板の一端から離間する平面からなる光入射端面を有する第１半導体埋め込み領域と、
   前記リッジ導波路の前記後面に接して設けられ、前記後面と対向する一面であって、前記半導体基板の他端から離間する後端面を有する第２半導体埋め込み領域と、を備え、
   前記第１半導体埋め込み領域が、光入射方向に対する前記第１半導体埋め込み領域の層厚が窓長となる窓層として機能し、
   前記半導体基板の表面を平面視した場合に、入射光に対して前記リッジ導波路の前記光入射面が前記第１半導体埋め込み領域の前記光入射端面とは反対側に傾斜する方向に設けられることを特徴とする導波路型受光素子。
2. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に積層された少なくとも第１導電型コンタクト層、第１導電型クラッド層、光吸収層、第２導電型クラッド層及び第２導電型コンタクト層からなり、前記半導体基板の一端から離間する光入射面を有するとともに、前記半導体基板の他端から離間する後面を有するリッジ導波路と、
   前記リッジ導波路の前記光入射面に接して設けられ、光入射側の一面であって、前記半導体基板の一端から離間する平面からなる光入射端面を有する第１半導体埋め込み領域と、
   前記リッジ導波路の前記後面に接して設けられ、前記後面と対向する一面であって、前記半導体基板の他端から離間する後端面を有する第２半導体埋め込み領域と、を備え、
   前記第１半導体埋め込み領域が、光入射方向に対する前記第１半導体埋め込み領域の層厚が窓長となる窓層として機能し、
   前記半導体基板の表面を平面視した場合に、前記第２半導体埋め込み領域の前記後端面が前記第１半導体埋め込み領域の前記光入射端面とは異なる角度で傾斜する方向に設けられることを特徴とする導波路型受光素子。
3. 前記リッジ導波路の前記光入射面及び前記後面がそれぞれエッチング面からなることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型受光素子。
4. 前記第１半導体埋め込み領域の前記光入射端面及び前記第２半導体埋め込み領域の前記後端面がそれぞれエッチング面からなることを特徴とする請求項３に記載の導波路型受光素子。
5. 前記第１半導体埋め込み領域の前記光入射端面が反射防止膜で覆われていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
6. 少なくとも前記第１半導体埋め込み領域の前記光入射端面及び上面並びに前記第２半導体埋め込み領域の前記後端面及び上面がパッシベーション膜で覆われていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
7. 少なくとも前記第２導電型コンタクト層の表面に表面電極が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の導波路型受光素子。
8. 前記半導体基板の裏面側に裏面メタルが設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
9. 少なくとも前記第１半導体埋め込み領域の底部が前記半導体基板に接していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
10. 前記第１半導体埋め込み領域の前記光入射端面が前記半導体基板の表面に対して傾斜面を呈していることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の導波路型受光素子を、前記リッジ導波路が互いに平行に位置するように並列に複数個集積する導波路型受光素子アレイ。

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