JP7298715B2 - 受光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、光通信技術および、それに用いられる受光デバイスに関する。
光通信のトラフィック増大に伴って、光送受信器の高速化・小型化と共に・低消費電力化、低コスト化が求められている。光送受信器の小型・低コスト化には、構成部品である光フィルターや光変調器等を含む光回路についても、低コストに製造可能であり、より小型なものが必要である。
小型な光回路を低コストかつ大量生産に実現する技術として、近年シリコンフォトニクス（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ：ＳｉＰｈ）が注目を集めており、ＳｉＰｈ光回路の研究開発が盛んに行われている。しかしながら、ＳｉＰｈで主に用いられる材料であるＳｉおよびＧｅを用いた、レーザー光源はいまだ研究開発の途上であり、十分な性能を有する報告はいまだなされていない。そのため、ＳｉＰｈを光送受信器に用いる場合には、化合物半導体を材料とした光源を集積する必要がある。
光源集積の方法としては、チップ化後のハイブリッド実装や、ウェハ状態のＳｉＰｈ光回路にレーザー光源チップを実装する方法、ウェハ接合によってＳｉＰｈウェハと化合物半導体ウェハを貼りあわせた後にレーザーを形成する方法等が報告されている。特に、非特許文献１に示すような、高い光閉じ込めとキャリア注入効率から、低い閾値電流と低消費電力化を実現でき、ウェハ接合によって低コストに集積可能な薄膜（メンブレン）型レーザー光源が注目を集めている。
一方、受光器についても、薄膜（メンブレン）型レーザーとモノリシックに集積可能なフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、以下「ＰＤ」という。）およびアバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、以下「ＡＰＤ」という。）として、図９に示す横注入電流注入型薄膜ＰＤ構造が従来提案されてきた。
図９に示す横注入電流注入型薄膜ＰＤ構造では、屈折率の高いアンドープＩｎＧａＡｓ（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）をコア、ＩｎＰをクラッドとした矩形導波路構造を構成している。さらに、ＩｎＧａＡｓコアの両側のＩｎＰはそれぞれ、Ｎ型およびＰ型にドーピングされており、ＰＩＮ接合が形成されている。光はこの矩形導波路中を伝搬しながら、ＩｎＧａＡｓコアで直接吸収され、キャリアが光生成される。ｉ－ＩｎＧａＡｓコアは非特許文献２に示すように、多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）でも良い。また、上記のフォトダイオードは高電界を印加することでＡＰＤとしても利用することができる。
T. Fujii et al., "Heterogeneously integrated lasers using epitaxially grown III-V active layer on directly bonded InP/SiO2/Si substrate", IEEE IPC 2016 ( 2016) 540-541. Y. Baumgartner, et. al., "CMOS-Compatible Hybrid III-V/Si Photodiodes Using a Lateral Current Collection Scheme", ECOC 2018 (2018) 1-3.
上記の通り、薄膜型レーザー光源とモノリシック集積可能な薄膜型ＰＤ、ＡＰＤとして図９の構造が提案されてきた。図９の構造では、導波路に強く光が閉じ込められるため、高パワー光入力時には、入射端のＩｎＧａＡｓコアでは多量のキャリアが生成され、このキャリアによって内部電界が遮蔽される空間電荷効果が発生しやすい。この空間電荷効果によってＰＩＮ接合内部の電界が遮蔽されると、ある印加電圧におけるキャリアのドリフト速度の低下および空乏層幅の減少に伴う動作速度の低下を招く。したがって、従来の構造では、高い光入力パワー下で動作速度が低下していた。
上述したような課題を解決するために、本発明に係る受光デバイスは、基板上に、誘電体層と、前記誘電体層内のＳｉ導波路コアと、第１のｉ型導波路クラッドと、前記第１のｉ型導波路クラッド上に形成されているｉ型コア層と、前記ｉ型コア層上に形成されている第２のｉ型導波路クラッドと、前記第１のｉ型導波路クラッドと、前記ｉ型コア層と、前記第２のｉ型導波路クラッドとを備える層構造の、光の導波方向に対する側面の一方に配置したｐ型層と、前記第１のｉ型導波路クラッドと、前記ｉ型コア層と、前記第２のｉ型導波路クラッドとを備える層構造の、光の導波方向に対する側面の他方に配置したｎ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層それぞれの表面に電極を備え、前記Ｓｉ導波路コアの幅が、前記ｉ型コア層の入射端近傍での光の吸収を抑制できるように設定されることを特徴とする。
本発明によれば、光入力パワーに依らず高速動作に優れる受光デバイスを提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスの上面図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスの断面図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスにおける導波光（波長：１．５５μｍ）の強度分布の計算に用いた層構造を示す図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスにおいてＳｉ導波路コアを有さない層構造における導波光（波長：１．５５μｍ）の強度分布を示す図である。 図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスにおいてＳｉ導波路コアの幅が０．５μｍである層構造における導波光（波長：１．５５μｍ）の強度分布を示す図である。 図２Ｄは、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスにおいてＳｉ導波路コアの幅が１μｍである層構造における導波光（波長：１．５５μｍ）の強度分布を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスにおいて層構造における各層の光閉じ込め率のＳｉ導波路コア層幅依存性を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態にかかる受光デバイスにおいて、ＭＱＷコアでの単位長さあたりの光が吸収される割合の、入射端からの位置依存性を示す図である。 図５Ａは、本発明の第２の実施の形態にかかる受光デバイスの上面図である。 図５Ｂは、本発明の第２の実施の形態にかかる受光デバイスの断面図（Ａ－Ａ’）である。 図５Ｃは、本発明の第２の実施の形態にかかる受光デバイスの断面図（Ｂ－Ｂ’）である。 図６は、本発明の第２の実施の形態にかかる受光デバイスにおいて、ＭＱＷコアでの単位長さあたりの光が吸収される割合の、入射端からの位置依存性を示す図である。 図７Ａは、本発明の第３の実施の形態にかかる受光デバイスの上面図である。 図７Ｂは、本発明の第３の実施の形態にかかる受光デバイスの断面図（Ａ－Ａ’）である。 図７Ｃは、本発明の第３の実施の形態にかかる受光デバイスの断面図（Ｂ－Ｂ’）である。 図８は、本発明の第３の実施の形態にかかる受光デバイスの適用例を示す図である。 図９は、従来の受光デバイスの層構造の断面図である。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態かかる受光デバイス１００について、図１～４を参照して説明する。
＜受光デバイスの構成＞
図１Ａに本発明の第１の実施の形態かかる受光デバイス１００の上面図を示す。また、図１Ａに示すＡ－Ａ’を断面とする断面図を図１Ｂに示す。以下、導波光が入射して伝搬する方向（図１Ａにおける矢印Ｘの方向）を光の導波方向またはＸ方向といい、本発明に係る受光デバイスの「長さ」はこの方向で定義する。また、水平面に平行かつＸ方向に対して垂直方向（図１Ａ、Ｂにおける矢印Ｙの方向）をＹ方向といい、本発明に係る受光デバイスの「幅」はこの方向で定義する。また、水平面に垂直かつＸ方向に対して垂直方向（図１Ｂにおける矢印Ｚの方向）をＺ方向といい、本発明に係る受光デバイスの「厚さ」はこの方向で定義する。
受光デバイス１００は、Ｓｉ基板１０１、誘電体絶縁膜（ＳｉＯ２）層１０２、Ｓｉ導波路コア１０３、第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、ｉ型多重量子井戸（ＭＱＷ）コア１０５、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６、ｐ型ＩｎＰクラッド１０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０８、ｎ型ＩｎＰクラッド１０９、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０、ＳｉＯ２保護膜１１１、ｐ型電極１１２、およびｎ型電極１１３により構成される。
受光デバイス１００において、第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、ｉ型多重量子井戸（ＭＱＷ）コア１０５、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６より、矩形導波路構造が構成されている。矩形導波路構造の両端部には、それぞれｐ型、ｎ型のイオン注入をしてドーピングすることにより、ｐ型ＩｎＰクラッド１０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０８と、ｎ型ＩｎＰクラッド１０９、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０が形成され、横型のＰＩＮ接合が形成されている。
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０８および、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０は、ともにＩｎＰに格子整合する組成を有し、金属電極とのオーミック接触をとるため、１×１０１９ｃｍ－３程度の高濃度ドーピングが行われている。
このＰＩＮ接合層における矩形導波路構造の下方に、Ｓｉ導波路コア１０３を有し、ＳｉＯ２層１０２をクラッドとする矩形Ｓｉ導波路構造が形成されている。
上述の層構造において、ＭＱＷコア１０５は、１．５５μｍ波長に対応するＭＱＷ構造を有し、６層のＩｎＧａＡｓ量子井戸層（層厚：６ｎｍ）と７層のＩｎＧａＡｓＰ層（層厚：１０ｎｍ）とからなる。ＭＱＷコア１０５の幅は６００ｎｍである。また、第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６の層厚は、それぞれ５０ｎｍ程度である。
ここで、ＭＱＷコア１０５は、３層から９層のＩｎＧａＡｓ量子井戸層（層厚：６ｎｍ）と４層から１０層のＩｎＧａＡｓＰ層（層厚：１０ｎｍ）を用いることができ、ＭＱＷコア１０５の幅は２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下、厚さは５０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下が望ましい。ＭＱＷコア１０５を構成するＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの組成、層厚は、ＭＱＷ構造が１．５５μｍ波長に対応して結晶の品質を維持できるものであれば、他の構成であってもよい。
また、ＭＱＷコア１０５と、第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４と、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６との合計の層厚が、１００ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが望ましい。
また、Ｓｉ導波路コア１０３の厚さは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であればよく、Ｓｉ導波路コア１０３の幅は、後述の通り、０．２μｍ以上１μｍ以下とすることができ、導波光がシングルモードで伝搬する幅であればよい。
また、Ｓｉ導波路コア１０３と第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４との間のＳｉＯ２層１０２の厚さは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましい。
また、受光デバイス１００におけるＰＤ領域１２０の長さ（以下、「ＰＤ長さ」という。）１２１は１μｍ以上５００μｍ以下、幅１２２は３０μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。
＜受光デバイスの動作原理＞
次に、本発明の第１の実施の形態に係る受光デバイス１００の動作原理を図１Ａ～図４を参照しながら述べる。
受光デバイス１００において、Ｓｉ導波路コア１０３の入射端１２３から導波光１３０が入射して、Ｓｉ導波路コア１０３を導波する。この導波光が、上方に配置されるＭＱＷコア１０５に吸収され、電子・正孔対が生成されることで、受光デバイス１００はＰＤとして動作する。
図２Ａ～２Ｄは、本実施の形態の受光デバイス１００における導波光（波長：１．５５μｍ）のモードの有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）シミュレーション計算結果である。
図２Ａに、計算に用いた層構造を示す。層構造は、ＳｉＯ２層１０２内にＳｉ導波路コア１０３、第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、ＭＱＷコア１０５、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６、ＩｎＰクラッド１０７、１０９、ＳｉＯ２膜１１１からなる。第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６の層厚はそれぞれ４５ｎｍであり、ＩｎＰクラッド中央に配置されるＭＱＷコア１０５の幅は６００ｎｍ、層厚は１１０ｎｍである。Ｓｉ導波路コア１０３とＩｎＰクラッドとの間のＳｉＯ２の層厚は１００ｎｍである。Ｓｉ導波路コア１０３の層厚を２２０ｎｍとして、幅を０μｍ、０．５μｍ、１μｍで変化させた。
上記の層構造について、基本モードの導波光の強度分布を計算した。図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄそれぞれに、Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０μｍの場合、０．５μｍの場合、１μｍの場合における基本モードの導波光の強度分布を示す。
Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０μｍの場合、すなわちＳｉ導波路コア１０３を有しない場合には、ＭＱＷコア１０５に導波光が分布する。
Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０．５μｍの場合には、ＭＱＷコア１０５に相対強度が８ｘ１０－１１程度の導波光が分布する。一方、Ｓｉ導波路コア１０３には、５ｘ１０－１１程度の導波光が分布する。
さらに、Ｓｉ導波路コア１０３の幅が１μｍの場合には、ＭＱＷコア１０５における導波光は相対強度が２ｘ１０－１１程度に低下する。一方、Ｓｉ導波路コア１０３における導波光は、８ｘ１０－１１程度に増加する。
このように、Ｓｉ導波路コア１０３の幅の増加に伴い、ＭＱＷコア１０５内に分布する導波光が減少する。
詳細なＳｉ導波路コア１０３の幅の変化によるＭＱＷコア１０５内の導波光強度の変化について、図３、図４を参照にして説明する。
図３に、上述の層構造における各層の光閉じ込め率のＳｉ導波路コア１０３層幅依存性を示す。Ｓｉ導波路コア１０３、ＩｎＰクラッド（第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４と第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６）、ＭＱＷコア１０５それぞれにおける光閉じ込め率を実線１３１、点線１３２、点線１３３で示す。ここで、光閉じ込め率は、上述の計算で得られる導波光の基本モード全体の積分値に対する、各層に閉じ込められる光強度の積分値の割合として計算された。
Ｓｉ導波路コア１０３の幅の増加に伴い、Ｓｉ導波路コア１０３内の光の閉じ込めは増加し、ＩｎＰクラッド１０４、１０６、ＭＱＷコア１０５内の光の閉じ込めは減少する。とくに、Ｓｉ導波路コア１０３が０．２μｍのときのＭＱＷコア１０５への光閉じ込めが約１０％であり、Ｓｉ導波路コア１０３幅が１μｍのときのＭＱＷコア１０５への光閉じ込めは約４％まで低下する。
このように、Ｓｉ導波路コア１０３の幅を増加させることにより、ＭＱＷコア１０５への光閉じ込めを１／２程度に低減することができる。
図４に、ＭＱＷコア１０５での単位長さあたりの光が吸収される割合の、入射端１２３からのＸ方向での位置依存性を示す。１．５５μｍの波長の光に対するＭＱＷコア１０５における光吸収係数αを８０００ｃｍ－１として計算した。図中、ＭＱＷコア１０５への光閉じ込め割合（以下、Γとする。）が４％の場合（Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０．８～１μｍの場合）、Γが６％の場合（Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０．６～０．８μｍの場合）、Γが１０％の場合（Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０．２～０．４μｍの場合）、それぞれの場合の光が吸収される割合の依存性を実線１４１、点線１４２、一点鎖線１４３で示す。
Γが１０％の場合（Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０．２～０．４μｍの場合）１４３において、光吸収割合は、入射端１２３で０．０８／μｍ程度であり、入射端１２３から４０μｍの位置まで急激に減少する。
一方、Γが４％の場合（Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０．８～１μｍの場合）１４１においては、入射端１２３で０．０３／μｍ程度であり、入射端１２３から受光デバイス１００内部に光が伝搬するにしたがい、Γが１０％の場合に比べて緩やかに減少する。
このように、Ｓｉ導波路コア１０３が存在しない、又は幅が０．２μｍのとき（Γ＝１０％）と比較して、幅が１μｍのＳｉ導波路を形成することにより、ＰＤの入射端１２３における光吸収が１／３程度まで低減できる。
以上のように、Ｓｉ導波路コア１０３およびＭＱＷコア１０５に閉じ込められる導波光の割合は、Ｓｉ導波路のコア幅によって制御が可能である。
本実施の形態に係る受光デバイス１００におけるＳｉ導波路コア１０３の幅は、ＰＤ長さ１２１を考慮して決められる。例えば、図４より、ＰＤ長さ１２１（図４における横軸に相当）が３０μｍ以上で、ＭＱＷコア１０５の光閉じ込め率Γを４％にするＳｉ導波路コア１０３の幅（０．８～１．０μｍ）の場合１４１の光吸収が大きい。したがって、ＰＤ長さ１２１が３０μｍ以上においては、Ｓｉ導波路コア１０３の幅を０．８～１．０μｍとすることが有効である。
一方、ＰＤ長さ１２１が３０μｍ未満では、ＭＱＷコア１０５の光閉じ込め率Γを６％～１０％にするＳｉ導波路コア１０３の幅（０．２～０．８μｍ）において、ＰＤ全域での光吸収が大きい。ＭＱＷコア１０５の光閉じ込め率Γが１０％のとき（Ｓｉ導波路コア１０３の幅が０．２～０．４μｍのとき）は、ＰＤの入射端１２３での光吸収が大きいことを考慮すると、ＰＤ長さ１２１が３０μｍ未満においては、ＭＱＷコア１０５の光閉じ込め率Γを６％程度にするＳｉ導波路コア１０３の幅０．６μｍ程度とすることが有効である。
このように、本実施の形態の受光デバイス１００の特性向上においては、Ｓｉ導波路コア１０３の幅により受光デバイス１００の動作速度に関与する入射端１２３での光吸収を抑制するとともに、ＰＤ長さ１２１により受光デバイス１００の感度に関与するＭＱＷコア１０５での光吸収量を確保する構成とすることが重要である。
以上のように、本実施の形態によれば、ＰＤの入射端１２３における急激な光吸収を抑制することができるため、空間電荷効果による電界遮蔽の発生を抑制して、高光パワー入力時の動作速度の低下を防ぐことができる。
＜受光デバイスの作製方法＞
まず、公知のエピタキシャル結晶成長技術を用いて、ＩｎＰ基板上に、ｉ型ＩｎＰ、ＭＱＷ、ｉ型ＩｎＰの層構造を結晶成長する。
一方、表面に酸化膜を有するＳｉ基板１０１の酸化膜上にＳｉ導波層を積層し、加工してＳｉ導波路コア１０３を形成した後に、ＳｉＯ２層を積層する。
次に、ウェハ接合技術を用いて、ｉ型ＩｎＰを下面にしたＩｎＰ基板上の結晶と、ＳｉＯ２層を上面にしたＳｉ基板とを、ｉ型ＩｎＰの表面とＳｉＯ２層の表面を合わせてウェハ接合する。
次に、公知の基板研磨技術およびウェットエッチング技術を用いて、ＩｎＰ基板を除去する。
次に、公知のフォトリソグラフィおよびドライエッチング技術によって、ｉ型ＩｎＰとＭＱＷとｉ型ＩｎＰとの層構造を所定の幅に加工して、第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、ＭＱＷコア１０５、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６を形成する。
次に、上述の第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、ＭＱＷコア１０５、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６との層構造を含む表面にｉ型ＩｎＰとｉ型ＩｎＧａＡｓを結晶成長する。
次に、公知のフォトリソグラフィおよびドライエッチング技術によって、第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０４、ＭＱＷコア１０５、第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド１０６との層構造の上に成長されたｉ型ＩｎＰとｉ型ＩｎＧａＡｓを除去する。
次に、表面にＳｉＯ２膜をスパッタリング技術によって堆積した後に、公知のフォトリソグラフィおよびドライエッチング技術によって、ｎ電極を形成する領域のＳｉＯ２を除去してｉ型ＩｎＧａＡｓを露出する。
次に、ｎ電極を形成する領域のｉ型ＩｎＰとｉ型ＩｎＧａＡｓにｎ型ドーパントをイオン注入して、ｎ型ＩｎＰ層１０９とｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０を形成する。
次に、再度、表面にＳｉＯ２膜をスパッタリング技術によって堆積した後に、公知のフォトリソグラフィおよびドライエッチング技術によって、ｐ電極を形成する領域のＳｉＯ２を除去してｉ型ＩｎＧａＡｓを露出する。
次に、ｐ電極を形成する領域のｉ型ＩｎＰとｉ型ＩｎＧａＡｓにｐ型ドーパントをイオン注入して、ｐ型ＩｎＰクラッド１０７とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０８を形成する。
次に、アロイングを行う。
次に、電極を形成するために、表面保護用のＳｉＯ２膜１１１をスパッタリング技術によって堆積する。
次に、電極形成のために、上記の表面保護用ＳｉＯ２膜１１１の一部にドライエッチングによって開口部を設ける。
最後に、公知の真空蒸着技術によって電極材料を蒸着してｐ型電極１１２、ｎ型電極１１３を形成する。電極材料には、チタン・白金・金の合金と金を用いた。このように、第１の実施の形態の受光デバイス１００が製造される。
＜第２実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
図５Ａに本発明の第２の実施の形態かかる受光デバイス２００の上面図を示す。また、図５Ａに示すＡ－Ａ’を断面とする断面図を図５Ｂに示し、図５Ａに示すＢ－Ｂ’を断面とする断面図を図５Ｃに示す。
本実施の形態に係る受光デバイス２００の構成は、第１の実施の形態に係る受光デバイス１００の構成と略同様であるが、受光デバイス２００ではＳｉ導波路コア２０３がテーパー状に変調されていること、すなわちＳｉ導波路コア２０３が変化している点で異なる。
第１の実施の形態で示したように、Ｓｉ導波路コア２０３の幅によって、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層に閉じ込められる光の割合を調整することができる。また、Ｓｉ導波路コア２０３の幅が一定の場合は、光の吸収はその伝搬方向に対して指数関数的に変化する。
本実施の形態に係る受光デバイス２００では、図５Ａ、Ｂ、Ｃに示すように、入射端２２３側のＳｉ導波路コア２０３の幅を広くして、受光デバイス２００内に光が伝搬する方向でＳｉ導波路コア２０３の幅が狭くなるように変調する。詳細には、Ｓｉ導波路コア２０３の幅を、入射端２２３から光伝搬方向に、１μｍから０．２μｍまで１μｍ毎に２０ｎｍずつ減少させる。このとき、Γは２％から１０％まで増加する。
Ｓｉ導波路コア２０３の幅が０．２μｍとなる位置（入射端２２３から４０μｍ離れた位置）からＳｉ導波路コア２０３の終端までにおいて、Ｓｉ導波路コア２０３の幅は０．２μｍで一定である。
図６に、ＭＱＷコア２０５での単位長さあたりの光が吸収される割合の、入射端２２３からの位置依存性を示す。１．５５μｍの波長の光に対するＭＱＷコア２０５における光吸収係数αを８０００ｃｍ－１として計算した。本実施の形態におけるＳｉ導波路コア２０３の幅を変調させた場合（Γが２％から１０％まで増加）を実線２２１で示す。また、比較のため、Ｓｉ導波路コア２０３の幅が一定でΓが４％、６％、１０％それぞれの場合について破線２２２、点線２２３、一点鎖線２２４で示す。
Ｓｉ導波路コア２０３の幅が一定の場合は、第１の実施の形態で示したように、Γが４％の場合はΓが１０％の場合に比べて、入射端２２３での光の吸収は１／３程度に低減できるが、入射端２２３近傍で光の吸収が増加する。
一方、Ｓｉ導波路コア２０３の幅を変調させた場合２２１は、入射端２２３での光の吸収は、Ｓｉ導波路コア２０３の幅が一定でΓが１０％の場合に比べて、１／５程度に減少できる。さらに、光の吸収は、光の伝搬方向に対してほぼ一定であり、入射端２２３での急激な光吸収の増加が抑制できる。
このように、本実施の形態におけるＳｉ導波路コア２０３の幅を変調させることにより、ＰＤの吸収層であるＭＱＷコア２０５で吸収される光の総量を維持したまま、入射端２２３での急激な光吸収の増加が抑制でき、ＰＤにおける光の吸収を制御することができる。
本実施の形態では、本実施の形態におけるＳｉ導波路コア２０３の入射端２２３から所定の位置まで幅を変調させ、所定の位置から終端までを一定の幅としたが、Ｓｉ導波路コア２０３全域で幅を変調させてもよいし、Ｓｉ導波路コア２０３の中間の位置でのみ変調させてもよい。換言すれば、Ｓｉ導波路コア２０３の少なくとも一部の幅が光の導波方向に向かって増加する構造であればよい。
本実施の形態の受光デバイス２００は、第１の実施の形態の受光デバイスと略同様の作製方法で作製することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、空間電荷効果による電界遮蔽の発生を抑制して、高光パワー入力時の動作速度の低下を防ぐことができる。
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る受光デバイス３００は、第１の実施の形態または第２の実施の形態に係る受光デバイスの入射端にＳｉとＩｎＰのスポットサイズ変換部３１４を配置したものである。
図７Ａに本発明の第３の実施の形態かかる受光デバイス３００の上面図を示す。また、図７Ａに示すＡ－Ａ’を断面とする、入射端３２４での断面図を図７Ｂに示し、図７Ａに示すＢ－Ｂ’を断面とする、スポットサイズ変換部３１４とＰＤ領域３２０との結合端３２３での断面図を図７Ｃに示す。
スポットサイズ変換部３１４において、Ｓｉ導波路３１５の上方にＳｉＯ２層３０２を挟んで、ＳｉＯ２層３１７内にＩｎＰクラッド３１６が配置される。スポットサイズ変換部３１４の長さは５０μｍであり、Ｓｉ導波路３１５は入射端３２４からＰＤ領域３２０との結合端３２３に向けて幅が増加する構造を有し、０．４４μｍから１μｍまで増加し、厚さは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であればよい。また、ＩｎＰクラッド３１６の幅は０．１μｍから１．５μｍまで増加し、厚さは１００ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であればよい。
受光デバイス３００には外部から導波光がスポットサイズ変換部３１４に入射して、導波光のスポットサイズが、受光デバイス３００の導波路構造に適合するサイズに変換され、ＰＤ領域３２０に入射する。スポットサイズ変換部により、導波光の光損失が抑制され、ＰＤ領域３２０に入射させることができる。
ＰＤ領域３２０では、導波光は、Ｓｉ導波路コア３０３とＭＱＷコア３０５との装荷構造においてハイブリッドモードに断熱的に変換され、ＰＤ領域３２０を伝搬しながらＭＱＷコア３０５によって吸収される。そして、吸収された光によって電子・正孔対が生成されることでＰＤとして動作する。
本実施の形態の受光デバイス３００は、第１の実施の形態の受光デバイスの作製方法に併せて公知のバットジョイント結晶成長を用いれば作製することができる。
本実施の形態の受光デバイス３００は、図８に示すように、スポットサイズ変換部３３２を備えたＳｉＯ２層３３３内のＳｉ導波路３３１と組み合わせることにより、さらに導波光を効率よくＰＤ領域３２０に入射させることができる。
本発明の第１～第３の実施の形態に係る受光デバイスでは、Ｓｉ導波路コアの幅がＭＱＷコア層の入射端近傍での光の吸収を抑制できるように設定される。
このように、横電流注入型導波路ＰＤの下部にＳｉ導波路コアが形成され、そのＳｉ導波路コアの幅を適切に制御することで、入射端における強い光吸収を緩和し、空間電荷効果の発生に伴う動作速度の低下を防ぐことができる。
本発明の第１～第３の実施の形態に係る受光デバイスは、薄膜（メンブレン）型レーザー光源（例えば、非特許文献１）との集積が可能である。
本発明の実施の形態においては、吸収層としてＭＱＷを用いたが、同様の波長に対応する組成を有するＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰを用いてもよい。
本発明の実施の形態においては、ＩｎＰ系の化合物結晶だけではなく、ＧａＡｓ系化合物結晶、窒化物系化合物結晶などの他の材料を用いることにより、長波長帯の波長だけでなく他の波長の光にも対応することができる。
本発明の実施の形態においては、基板にＳｉを用いてＳｉ上に酸化膜（ＳｉＯ２）を形成して用いたが、基板にＩｎＰを用いてもよい。基板には、他にＳＯＩ基板、ＧａＡｓ基板など他の半導体基板やサファイア基板などを用いることもできる。
本発明の実施の形態においては、誘電体絶縁膜としてＳｉＯ２を用いたが、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等他の誘電体を用いてもよい。
本発明の実施の形態においては、入力する光の波長を１．５５μｍとしたが、１．３μｍなどの他の長波長帯の波長にも対応することができる。その場合は、ＭＱＷコアなどを用いる吸収層を１．３μｍなどの他の長波長帯の波長に対応する組成にすればよい。
本発明の第１～第３の実施の形態に係る受光デバイスの構成部、部品などの寸法を記載したが、この寸法に限ることはなく、各構成部、部品などが機能する寸法であればよい。
本発明は、高速、高感度動作に優れる受光デバイスに関するものであり、光半導体デバイスを用いる光通信等の機器・システムに適用することができる。
１００ 受光デバイス１００
１０１ Ｓｉ基板
１０２ 誘電体絶縁膜（ＳｉＯ２）層
１０３ Ｓｉ導波路コア
１０４ 第１のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド
１０５ ｉ型多重量子井戸（ＭＱＷ）コア
１０６ 第２のｉ型ＩｎＰ導波路クラッド
１０７ ｐ型ＩｎＰクラッド
１０８ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０９ ｎ型ＩｎＰクラッド
１１０ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１１ ＳｉＯ２保護膜
１１２ ｐ型電極
１１３ ｎ型電極
１２３ 入射端

Claims (8)

  1. 基板上に、
    誘電体層と、
    前記誘電体層内のＳｉ導波路コアと、
    第１のｉ型導波路クラッドと、
    前記第１のｉ型導波路クラッド上に形成されているｉ型コア層と、
    前記ｉ型コア層上に形成されている第２のｉ型導波路クラッドと、
    前記第１のｉ型導波路クラッドと、前記ｉ型コア層と、前記第２のｉ型導波路クラッドとを備える層構造の、光の導波方向に対する側面の一方に配置したｐ型層と、
    前記第１のｉ型導波路クラッドと、前記ｉ型コア層と、前記第２のｉ型導波路クラッドとを備える層構造の、光の導波方向に対する側面の他方に配置したｎ型層と、
    前記ｐ型層と前記ｎ型層それぞれの表面に電極を備え、
    前記Ｓｉ導波路コアの幅が、前記ｉ型コア層の入射端近傍での光の吸収を抑制できるように設定されることを特徴とする受光デバイス。
  2. 前記Ｓｉ導波路コアの幅が０．２μｍ以上１μｍ以下である請求項１に記載の受光デバイス。
  3. 前記Ｓｉ導波路コアの少なくとも一部の幅が、光の導波方向に向かって増加することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の受光デバイス。
  4. 前記Ｓｉ導波路コアの厚さが、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受光デバイス。
  5. 前記ｉ型コア層の幅が、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の受光デバイス。
  6. 前記ｉ型コア層の厚さが、５０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の受光デバイス。
  7. 前記第１のｉ型導波路クラッドおよび前記第２のｉ型導波路クラッドがｉ型ＩｎＰであり、
    前記ｐ型層が、ｐ型ＩｎＰと、ＩｎＰに格子整合するｐ型ＩｎＧａＡｓを有し、
    前記ｎ型層が、ｎ型ＩｎＰと、ＩｎＰに格子整合するｎ型ＩｎＧａＡｓを有し、
    前記ｉ型コア層が、長波長帯の光を吸収することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の受光デバイス。
  8. 前記ｉ型コア層が、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰを含むことを特徴とする請求項７に記載の受光デバイス。
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