JP7318434B2 - Optical semiconductor device, optical transceiver using the same, and method for manufacturing optical semiconductor device - Google Patents

Optical semiconductor device, optical transceiver using the same, and method for manufacturing optical semiconductor device Download PDF

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本発明は、光半導体素子、これを用いた光トランシーバ、及び光半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor device, an optical transceiver using the same, and a method for manufacturing the optical semiconductor device.

通信容量の増大に対応するため、シリコンフォトニクスと呼ばれる技術が注目され、研究・開発が進められている。シリコン(Si)基板またはSOI(Silicon-on-Insulator)基板上に光回路を形成することで、同じ基板上に形成される電子回路との集積が容易になり、光信号と電気信号の変換が効率的になる。シリコンフォトニクス技術により、光通信モジュールの小型化、大容量の通信、消費電力の低減などが期待されている。 In order to deal with the increase in communication capacity, a technology called silicon photonics has attracted attention, and research and development are proceeding. Forming an optical circuit on a silicon (Si) substrate or SOI (Silicon-on-Insulator) substrate facilitates integration with electronic circuits formed on the same substrate, enabling conversion of optical and electrical signals. Be efficient. Silicon photonics technology is expected to contribute to miniaturization of optical communication modules, large-capacity communication, and reduction of power consumption.

図1Aのように、シリコン導波路(Si-WG)にゲルマニウム受光素子(Ge-PD)を集積する構成が知られている(たとえば、特許文献1、及び特許文献2参照)。図1Bは図1AのX-X'断面図である。GeはSiより屈折率が高いため、Si導波路を伝搬した光は、エバネッセント型光結合によりGe層に入射する。入射光が吸収されると、フォトキャリアが生成され、バイアスの印加により光電流が取り出される。たとえば、信号電極(SIG)をn側電極として逆バイアスをかけると、電子は信号電極(SIG)に、ホールはグランド電極(GND)に引き抜かれて、光電流が流れる。 As shown in FIG. 1A, a configuration is known in which a germanium photodetector (Ge-PD) is integrated in a silicon waveguide (Si-WG) (see Patent Documents 1 and 2, for example). FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX' of FIG. 1A. Since Ge has a higher refractive index than Si, the light propagated through the Si waveguide is incident on the Ge layer by evanescent optical coupling. When incident light is absorbed, photocarriers are generated and a photocurrent is extracted upon application of a bias. For example, when the signal electrode (SIG) is used as the n-side electrode and a reverse bias is applied, electrons are drawn to the signal electrode (SIG) and holes are drawn to the ground electrode (GND), thereby causing a photocurrent to flow.

シリコンフォトニクスとは異なる化合物半導体の受光素子では、InGaAsの導波層とInGaAsの光吸収層の間に半絶縁性のInP層を挟んで、導波層と光吸収層を、積層方向または面内方向で平行に配置する構成が提案されている(たとえば、特許文献3参照)。 In a light-receiving element of a compound semiconductor, which is different from silicon photonics, a semi-insulating InP layer is sandwiched between an InGaAs waveguide layer and an InGaAs light absorption layer, and the waveguide layer and the light absorption layer are arranged in the stacking direction or in the plane. A configuration in which they are arranged in parallel in the direction has been proposed (see, for example, Patent Document 3).

特開2019-16694号公報JP 2019-16694 A 特開2011-53593号公報JP 2011-53593 A 特開平7-79009号公報JP-A-7-79009

図1A、及び図1Bに示す公知の構成では、n型半導体の電圧がp型半導体に対して高くなる外部電界、すなわち逆バイアスが印加されて、ホールはSiとGeのヘテロ界面を通過する。SiとGeのヘテロ界面で、価電子帯に生じている障壁を超えることができない一部のホールは界面に溜まり込み、受光器の応答特性が劣化する。 In the known configuration shown in FIGS. 1A and 1B, holes pass through the heterointerface between Si and Ge when an external electric field, ie reverse bias, is applied such that the voltage of the n-type semiconductor is higher than that of the p-type semiconductor. At the hetero-interface between Si and Ge, some holes that cannot cross the barrier generated in the valence band accumulate at the interface, degrading the response characteristics of the photodetector.

また、光吸収層となる半導体の光吸収係数は波長に依存するため、光吸収係数が大きくなる波長ほど、より短距離で光が吸収されてキャリア密度が増加し、応答特性の劣化が進む。 In addition, since the light absorption coefficient of the semiconductor used as the light absorption layer depends on the wavelength, the light is absorbed in a shorter distance as the light absorption coefficient increases, the carrier density increases, and the deterioration of the response characteristics progresses.

本発明は、光半導体素子で入射光に対する応答特性の劣化を抑制し、光電気変換効率を改善することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to suppress degradation of response characteristics to incident light in an optical semiconductor device and improve photoelectric conversion efficiency.

一つの態様では、光半導体素子は、
第1導波路と、スラブ領域を有する第2導波路とを有する方向性結合器と、
前記スラブ領域に配置される受光器と、
を有し、
前記第1導波路と前記第2導波路は、使用波長に対して透明な第1の半導体材料で形成され、
前記受光器は、前記第1の半導体材料よりもバンドギャップが狭く、かつ前記第1の半導体材料よりも屈折率の高い第2の半導体材料で形成される光吸収層と、前記光吸収層に接続される第1導電型の領域、及び第2導電型の領域を有するPINダイオードである。
In one aspect, the optical semiconductor device comprises
a directional coupler having a first waveguide and a second waveguide having a slab region;
a light receiver disposed in the slab region;
has
The first waveguide and the second waveguide are made of a first semiconductor material transparent to the wavelength used,
The photodetector includes a light absorption layer formed of a second semiconductor material having a narrower bandgap than the first semiconductor material and a higher refractive index than the first semiconductor material; A PIN diode having a connected region of a first conductivity type and a region of a second conductivity type.

光半導体素子において入射光に対する応答特性の劣化が抑制され、光電気変換効率が改善される。 In the optical semiconductor device, degradation of response characteristics to incident light is suppressed, and photoelectric conversion efficiency is improved.

従来のGe受光器の平面模式図である。It is a schematic plan view of a conventional Ge photodetector. 図1AのX-X'断面図である。1B is a cross-sectional view taken along line XX' of FIG. 1A; FIG. ヘテロ界面におけるキャリア溜まり込みを説明する図である。It is a figure explaining carrier stagnation in a hetero-interface. 従来構造で評価した応答特性を示す図である。It is a figure which shows the response characteristic evaluated by the conventional structure. 実施形態の光半導体素子が適用される光トランシーバの模式図である。1 is a schematic diagram of an optical transceiver to which an optical semiconductor device of an embodiment is applied; FIG. 実施形態の光半導体素子の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of the optical semiconductor element of embodiment. 図5AのI-I'断面図である。FIG. 5B is a sectional view taken along the line II' of FIG. 5A; 方向性結合器の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation|movement of a directional coupler. 偶モードと奇モードの伝搬定数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the propagation constant of even mode and odd mode. 計算に用いる構造の上面図である。It is a top view of the structure used for calculation. d=3μm、光波長1.50μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=3 micrometers and a light wavelength of 1.50 micrometers. d=3μm、光波長1.55μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=3 micrometers and a light wavelength of 1.55 micrometers. d=3μm、光波長1.60μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=3 micrometers and a light wavelength of 1.60 micrometers. d=0μm、光波長1.50μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=0 micrometer and light wavelength of 1.50 micrometers. d=0μm、光波長1.55μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=0 micrometer and a light wavelength of 1.55 micrometers. d=0μm、光波長1.60μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=0 micrometer and light wavelength of 1.60 micrometers. d=5μm、光波長1.50μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=5 micrometers and a light wavelength of 1.50 micrometers. d=5μm、光波長1.55μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=5 micrometers and a light wavelength of 1.55 micrometers. d=5μm、光波長1.60μmのときの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of d=5 micrometers and a light wavelength of 1.60 micrometers. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the optical semiconductor element of embodiment. 光半導体素子の第1の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 1st modification of an optical-semiconductor element. 光半導体素子の第2の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd modification of an optical-semiconductor element. 光半導体素子の第3の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd modification of an optical-semiconductor element. 光半導体素子の第4の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 4th modification of an optical-semiconductor element. 光半導体素子の第5の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 5th modification of an optical-semiconductor element.

実施形態の具体的な構成を説明する前に、応答特性の劣化の問題を、より詳しく説明する。受光器の応答特性が低下する原因として、主としてヘテロ界面でのキャリアの溜まり込みが考えられ、また、特性劣化の度合いが光吸収係数の波長依存性によって左右される。 Before describing the specific configuration of the embodiment, the problem of degradation of response characteristics will be described in more detail. Carrier accumulation at the hetero interface is considered to be the main cause of deterioration of the response characteristics of the photodetector, and the degree of characteristic deterioration is influenced by the wavelength dependence of the light absorption coefficient.

図2は、ヘテロ界面でのキャリアの溜まり込みを説明する図である。図1A及び図1Bに示した構成で、GeとSiのヘテロ界面で価電子帯にエネルギー障壁が生じる。Geをn型、Siをp型としたとき、このヘテロ界面をホール(図中、白丸で模式化されている)が通過することで受光器の電気信号が取り出される。ホールは、量子トンネル効果等によってある確率で障壁を超えることができるが、一部は界面に溜まり込む。界面に溜まったホールは外部からの印加電圧を遮断し、空乏層に印加されている電界強度が低下する。 FIG. 2 is a diagram for explaining accumulation of carriers at a heterointerface. In the configuration shown in FIGS. 1A and 1B, an energy barrier occurs in the valence band at the heterointerface between Ge and Si. When Ge is n-type and Si is p-type, holes (schematically represented by white circles in the figure) pass through this hetero-interface to take out an electric signal from the photodetector. Holes can cross the barrier with a certain probability due to the quantum tunnel effect or the like, but some of them accumulate at the interface. The holes accumulated at the interface block the voltage applied from the outside, and the electric field strength applied to the depletion layer decreases.

定常状態で、空乏層内のフォトキャリアの輸送速度は電界強度に依存し、電界強度の低下によって、キャリア輸送速度が低下する。ヘテロ界面でのキャリアの溜まり込み量が多いほど電界遮蔽効果が大きくなり、輸送速度の低下の度合いも大きくなる。キャリア輸送速度の低下は、最終的に、入力光から電気信号への変換速度、すなわち受光器の応答特性の劣化を引き起こす。劣化の程度はフォトキャリアの量に依存するため、入射光の強度が大きいほど応答速度の劣化が顕著になる。 At steady state, the transport rate of photocarriers in the depletion layer depends on the electric field strength, with decreasing electric field strength decreasing the carrier transport rate. As the amount of accumulated carriers at the hetero interface increases, the electric field shielding effect increases, and the degree of decrease in transport speed also increases. A decrease in the carrier transport rate ultimately causes a deterioration in the conversion rate from input light to an electric signal, that is, the response characteristic of the photodetector. Since the degree of deterioration depends on the amount of photocarriers, the higher the intensity of the incident light, the more pronounced the deterioration of the response speed.

コヒーレント光レシーバでは、局発光を用いてヘテロダインまたはホモダイン検波を行うが、受信感度を上げるために局発光の強度を高くする傾向にあり、高強度での応答特性の劣化は深刻な問題となる。 Coherent optical receivers perform heterodyne or homodyne detection using local light, but there is a tendency to increase the intensity of local light to increase reception sensitivity, and deterioration of response characteristics at high intensity is a serious problem.

図3は、図1A及び図1Bの構造で評価した応答特性を示す。図3の(A)は光入力強度が弱い場合の応答特性、図3の(B)は光入力強度が強い場合の応答特性である。横軸は周波数、縦軸は相対的な応答強度である。(A)と(B)の双方で、印加バイアスを0.0Vから-3.0Vまで変えて、種々の応答強度を評価する。 FIG. 3 shows the response characteristics evaluated for the structures of FIGS. 1A and 1B. FIG. 3A shows the response characteristics when the optical input intensity is weak, and FIG. 3B shows the response characteristics when the optical input intensity is high. The horizontal axis is frequency, and the vertical axis is relative response strength. In both (A) and (B), the applied bias is varied from 0.0 V to −3.0 V to evaluate various response intensities.

低周波信号の応答強度から3dB低下する周波数を、受光器の応答帯域と呼ぶ。図3の(B)のように光入力強度が強い場合、図3の(A)と比較して応答帯域が低くなって、応答速度が低下する。一方、バイアス電圧(絶対値)を大きくすることで、応答劣化は緩和される。バイアス電圧の増大によって、Si/Ge界面のエネルギー障壁を超えるキャリアの割合が増えて、キャリアの溜まり込みが緩和されるためである。 The frequency at which the response strength of the low frequency signal drops by 3 dB is called the response band of the receiver. When the optical input intensity is high as shown in FIG. 3B, the response band becomes lower than in FIG. 3A, resulting in a lower response speed. On the other hand, by increasing the bias voltage (absolute value), response deterioration is alleviated. This is because an increase in the bias voltage increases the proportion of carriers exceeding the energy barrier at the Si/Ge interface, thereby alleviating the accumulation of carriers.

しかし、実際に受光器を光電子回路に実装して受信器として用いる際には、印加可能なバイアスレベルに制限があり、応答劣化を防ぐだけの高電圧を印加するのは困難である。 However, when a photodetector is actually mounted on an optoelectronic circuit and used as a receiver, there is a limit to the bias level that can be applied, and it is difficult to apply a high voltage sufficient to prevent response deterioration.

次に、光吸収係数の波長依存性について説明する。光吸収層となる半導体では、単位伝搬距離当たりの光の吸収量を示す光吸収係数が波長に依存している。光吸収係数が大きくなる波長では、より短距離で光が吸収されて界面に溜まるキャリアの密度が増加し、劣化が早くなる。このように、受光器の応答特性は、波長依存性を持つ。たとえば、Geの光吸収層は、光通信で用いられる波長1.5μm帯の光子エネルギー付近にバンドギャップを有し、この波長近傍で急激に光吸収係数が変化する。1.5μm帯の短波長側では長波長側よりも光吸収係数が大きいため、入射端面の近傍でヘテロ界面にキャリアの溜まり込みが生じ、応答速度の劣化の度合いが大きくなる。 Next, the wavelength dependence of the light absorption coefficient will be explained. In the semiconductor used as the light absorption layer, the light absorption coefficient, which indicates the amount of light absorbed per unit propagation distance, depends on the wavelength. At wavelengths at which the light absorption coefficient increases, light is absorbed in a shorter distance and the density of carriers accumulated at the interface increases, leading to faster deterioration. Thus, the response characteristic of the photodetector has wavelength dependence. For example, a Ge light absorption layer has a bandgap near photon energy in the wavelength band of 1.5 μm used in optical communication, and the light absorption coefficient changes sharply near this wavelength. Since the light absorption coefficient is larger on the short wavelength side of the 1.5 μm band than on the long wavelength side, carriers accumulate in the hetero interface near the incident end face, resulting in a greater degree of degradation in response speed.

<実施形態の構成>
実施形態では、ヘテロ界面でのキャリア溜まり込みの影響と、応答特性の波長依存性を緩和するために、受光器への光入射位置から伝搬方向に沿って、徐々に光が吸収されるように設計する。これにより、ヘテロ界面でのキャリア溜まり込みを伝搬方向に分散して、電界強度低下の影響を緩和する。
<Configuration of Embodiment>
In the embodiment, light is gradually absorbed along the propagation direction from the light incident position to the light receiver in order to alleviate the influence of carrier accumulation at the hetero interface and the wavelength dependence of the response characteristics. design. As a result, the accumulation of carriers at the hetero interface is dispersed in the propagation direction, and the influence of the decrease in electric field strength is alleviated.

光導波路から受光器の光吸収層への光の伝搬を緩やかにするために、光導波路と光吸収層を、これらの材料よりも屈折率が十分に小さい材料で埋め込んで、光導波路と光吸収層への光閉じ込めを強くする。上述した特許文献3の構成では、エピタキシャル成長を用いるため、導波層と光吸収層の間に挿入される中間層も半導体で形成され、屈折率差を大きくとることができない。そのため、導波層から光吸収層への光伝搬が入射端面の近傍で比較的早く進行し、キャリアの偏在を期待通りに抑制することが難しい。 In order to slow down the propagation of light from the optical waveguide to the optical absorption layer of the receiver, the optical waveguide and the optical absorption layer are embedded with a material having a sufficiently lower refractive index than these materials, so that the optical waveguide and the optical absorption Strengthen the optical confinement in the layer. In the configuration of Patent Document 3 described above, since epitaxial growth is used, the intermediate layer inserted between the waveguide layer and the light absorption layer is also formed of a semiconductor, and a large refractive index difference cannot be obtained. Therefore, light propagation from the waveguide layer to the light absorption layer progresses relatively quickly in the vicinity of the incident end face, and it is difficult to suppress uneven distribution of carriers as expected.

図4は、実施形態の光半導体素子10が適用される光トランシーバ1の模式図である。光トランシーバ1は、たとえばコヒーレント型の光受信器RXと光送信器TXを有する。受光器100を含む実施形態の光半導体素子10は、光受信器RXの受光部(PD)に適用される。 FIG. 4 is a schematic diagram of an optical transceiver 1 to which the optical semiconductor device 10 of the embodiment is applied. The optical transceiver 1 has, for example, a coherent optical receiver RX and an optical transmitter TX. The optical semiconductor element 10 of the embodiment including the photodetector 100 is applied to the photodetector (PD) of the optical receiver RX.

光トランシーバ1は、たとえば、偏波多重の変調方式で動作する。光送信器TXでは、入力光は、X側のIQ変調器(X-IQmod)とY側のIQ変調器(Y-IQmod)において送信データで変調される。一方の変調光の偏波面が偏波ローテータ(PR)で90°回転された後に、2つの偏波は偏光ビームコンバイナ(PBC)で合波され、出力される。 The optical transceiver 1 operates, for example, in a polarization multiplexing modulation scheme. In the optical transmitter TX, input light is modulated with transmission data in an X-side IQ modulator (X-IQmod) and a Y-side IQ modulator (Y-IQmod). After the plane of polarization of one modulated light is rotated by 90° by a polarization rotator (PR), the two polarized waves are combined by a polarization beam combiner (PBC) and output.

光受信器RXでは、入力光信号は偏光ビームスプリッタ(PBS)で偏波分離され、一方の偏波成分が、偏波ローテータ(PR)で偏波回転を受ける。90°ハイブリッド光ミキサ(図中、「90° Hybrid」と表記)において、各光成分と局発光との干渉によって、I成分とQ成分が抽出される。90°ハイブリッド光ミキサからの出力光は、受光部(PD)の各受光器100で検出される。図4の例では、デュアル型のバランスフォトダイオードを用いた差動出力となっているが、この例に限定されない。 In the optical receiver RX, an input optical signal is polarization-split by a polarization beam splitter (PBS), and one polarization component undergoes polarization rotation by a polarization rotator (PR). In the 90° hybrid optical mixer (denoted as “90° Hybrid” in the figure), the I component and the Q component are extracted by interference between each optical component and local light. Output light from the 90° hybrid optical mixer is detected by each photodetector 100 of the photodetector (PD). In the example of FIG. 4, the dual balanced photodiodes are used for differential output, but the present invention is not limited to this example.

光トランシーバ1を形成する光部品のうち、合分波器(PBC、PBS)や光変調器(X-IQmod、Y-IQmod)では、過剰損失を避けるため、光を吸収しない特性が求められる。一方、光を電気に変換する受光部(PD)には、光を吸収する性質が必要である。この要求を満たす有力な組み合わせとして、たとえば、受光部PDにGe系の材料を用い、それ以外の部分にSi材料を用いて、波長1.2~1.6μmの帯域の光信号を送受信する。この波長帯の光は、Siに対して透明であり、Siよりもバンドギャップの小さいGe系の材料には吸収される。他にもこの波長帯の光を吸収する半導体材料は存在するが、GeはSiと同じIV族材料であり、III-V化合物半導体を用いる場合と比較して、製造工程での汚染の影響が少ない。実施形態では、光吸収層にGeまたはGe化合物を用いる。 Of the optical components forming the optical transceiver 1, the multiplexer/demultiplexer (PBC, PBS) and optical modulators (X-IQmod, Y-IQmod) are required to have the property of not absorbing light in order to avoid excess loss. On the other hand, a light-receiving part (PD) that converts light into electricity must have the property of absorbing light. As a powerful combination that satisfies this requirement, for example, a Ge-based material is used for the light-receiving part PD, and a Si material is used for the other parts to transmit and receive optical signals in the wavelength band of 1.2 to 1.6 μm. Light in this wavelength band is transparent to Si and is absorbed by Ge-based materials having a bandgap smaller than that of Si. There are other semiconductor materials that absorb light in this wavelength band, but Ge is a Group IV material like Si, and compared to III-V compound semiconductors, it is less affected by contamination during the manufacturing process. few. Embodiments use Ge or a Ge compound for the light absorbing layer.

コヒーレント光レシーバでは、受信感度を高めるために局発光の強度を高くする傾向がある。後述するように、実施形態の光半導体素子10は応答特性の劣化を抑制する構成を採用しており、高強度の入射光による帯域劣化を緩和して、光電気変換効率を改善する。 A coherent optical receiver tends to increase the intensity of local light in order to increase reception sensitivity. As will be described later, the optical semiconductor device 10 of the embodiment adopts a configuration that suppresses degradation of response characteristics, and mitigates band degradation due to high-intensity incident light to improve photoelectric conversion efficiency.

図5Aは、実施形態の光半導体素子10の平面模式図、図5Bは、図5AのI-I'断面図である。光半導体素子10は、第1導波路11と第2導波路12で形成される方向性結合器13と、受光器100を有する導波路型の光検出器である。 5A is a schematic plan view of the optical semiconductor device 10 of the embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line II' of FIG. 5A. The optical semiconductor device 10 is a waveguide type photodetector having a directional coupler 13 formed by a first waveguide 11 and a second waveguide 12 and a photodetector 100 .

第2導波路12は、その一部にスラブ領域120を有し、受光器100は、スラブ領域120に形成されている。たとえば、第1導波路11を伝搬した光は、方向性結合器13で第2導波路12に光結合し、受光器100で検出される。 The second waveguide 12 has a slab region 120 in its part, and the light receiver 100 is formed in the slab region 120 . For example, light propagated through first waveguide 11 is optically coupled to second waveguide 12 by directional coupler 13 and detected by photodetector 100 .

第1導波路11と、第2導波路12(スラブ領域120を含む)は、使用波長に対して透明なSiで形成されている。受光器100は、Siよりもバンドギャップが小さく、かつ屈折率の大きい半導体材料で形成された光吸収層15を有する。光吸収層15の材料として、Ge、SiGe、GeSnなどを用いることができる。図5A及び図5Bでは、Geの光吸収層15を用いる例を説明する。 The first waveguide 11 and the second waveguide 12 (including the slab region 120) are made of Si, which is transparent to the working wavelength. The photodetector 100 has a light absorption layer 15 made of a semiconductor material having a smaller bandgap and a higher refractive index than Si. Ge, SiGe, GeSn, or the like can be used as the material of the light absorption layer 15 . FIGS. 5A and 5B illustrate an example using a Ge light absorption layer 15. FIG.

図5Bを参照すると、第1導波路11と第2導波路12は、使用波長においてSi及びGeよりも屈折率が十分に小さいクラッドで埋め込まれている。クラッドとしては、Siとの屈折率差が2以上であることが望ましく、たとえばSiO2等の絶縁層を用いる。下部クラッドとなる絶縁層32の上に第1導波路11と第2導波路12が形成されている。第1導波路11、第2導波路12、及び第2導波路12上に積層された受光器100は、SiO2等の絶縁層37で埋め込まれている。 Referring to FIG. 5B, the first waveguide 11 and the second waveguide 12 are embedded with a clad having a sufficiently lower refractive index than Si and Ge at the working wavelength. The clad preferably has a refractive index difference of 2 or more from Si, and an insulating layer such as SiO 2 is used. A first waveguide 11 and a second waveguide 12 are formed on an insulating layer 32 that serves as a lower clad. The first waveguide 11, the second waveguide 12, and the photodetector 100 stacked on the second waveguide 12 are embedded with an insulating layer 37 such as SiO2 .

受光器100は、一例として、p型の不純物がドープされたp型領域121及び122と、ノンドープのGeの光吸収層15と、n型の不純物がドープされたn型の導電性領域17を有するPIN型の受光器である。n型の導電性領域17は、電極21とオーミック接触し、高濃度に不純物がドープされたp型領域122は、電極22とオーミック接触する。 For example, the photodetector 100 includes p-type regions 121 and 122 doped with p-type impurities, an undoped Ge light absorption layer 15, and an n-type conductive region 17 doped with n-type impurities. It is a PIN type photodetector with The n-type conductive region 17 is in ohmic contact with the electrode 21 , and the p-type region 122 heavily doped with impurities is in ohmic contact with the electrode 22 .

電極21を信号電極、電極22をグランド電極とし、電極21に逆バイアスを印加することで、フォトキャリアが引き抜かれ、光入射に応じた光電流が得られる。 By using the electrode 21 as a signal electrode and the electrode 22 as a ground electrode and applying a reverse bias to the electrode 21, photocarriers are extracted and a photocurrent corresponding to incident light is obtained.

図5Aに戻って、第1導波路11及び第2導波路12の材料であるSiと、クラッドのSiO2との屈折率差が大きいため、導波路への光の閉じ込めが強く、方向性結合器13において、光は伝搬方向に沿って徐々に第1導波路11から第2導波路12へと伝搬する。 Returning to FIG. 5A, since the refractive index difference between Si, which is the material of the first waveguide 11 and the second waveguide 12, and SiO 2 of the clad is large, light confinement in the waveguide is strong, and directional coupling In the device 13, the light gradually propagates from the first waveguide 11 to the second waveguide 12 along the direction of propagation.

方向性結合器13では、光閉じ込めの弱い長波長側の光ほど、第2導波路12への伝搬が早いという波長依存性を有する。最初に長波長側の光(λlw)が第2導波路12に結合し、伝搬につれて、短波長側の光(λsw)も第2導波路12へと光結合する。 The directional coupler 13 has wavelength dependence such that the light on the longer wavelength side with weaker optical confinement propagates faster to the second waveguide 12 . The longer wavelength light (λ lw ) is first coupled into the second waveguide 12 , and the shorter wavelength light (λ sw ) is also optically coupled into the second waveguide 12 as it propagates.

第2導波路12のスラブ領域120では、光吸収層15に用いられるGeはSiよりも屈折率が高いため、エバネッセント型光結合により、第2導波路12内の光が光吸収層15に導かれ、吸収されてフォトキャリアが生成される。光吸収層15のうち、第1導波路11と対向する側が、光導入部になる。 In the slab region 120 of the second waveguide 12, since Ge used for the light absorption layer 15 has a higher refractive index than Si, the light in the second waveguide 12 is guided to the light absorption layer 15 by evanescent optical coupling. They are absorbed and photocarriers are generated. The side of the light absorption layer 15 facing the first waveguide 11 serves as a light introducing portion.

この構成では、方向性結合器13の入力側で、光がいっきに第1導波路11から第2導波路12へ結合するのではなく、伝搬方向に沿って徐々に第2導波路12に結合する。これにより、フォトキャリアの局所的な(特に入射開始位置での)集中を抑制し、光強度を伝搬方向に分散することができる。 In this configuration, at the input side of the directional coupler 13, the light is not coupled from the first waveguide 11 to the second waveguide 12 all at once, but is gradually coupled to the second waveguide 12 along the direction of propagation. . As a result, local concentration of photocarriers (especially at the incident start position) can be suppressed, and the light intensity can be dispersed in the propagation direction.

図6は、方向性結合器の動作原理を説明する図である。方向性結合器で、第1導波路11と第2導波路12が、互いに近接して並行に位置し、導波路間を光が行き来する。この原理は、以下のように説明できる。各導波路が単一モード導波路である場合を考える。 FIG. 6 is a diagram explaining the principle of operation of the directional coupler. In a directional coupler, a first waveguide 11 and a second waveguide 12 are positioned close to each other and parallel, and light travels between the waveguides. This principle can be explained as follows. Consider the case where each waveguide is a single mode waveguide.

2つの導波路を合わせた系は、2つの導波路のモードの結合により生じる偶モードと奇モードの2モード導波路となる。遇モードは、実線で示すように2つの導波路の間の中心軸に対して対称なモード、奇モードは、点線で示すように中心軸に対して反対称なモードである。2モード導波路の伝搬光の強度は、太線で示すように、遇モードと奇モードの重ね合わせで表現できる。 A system in which two waveguides are combined becomes a two-mode waveguide of an even mode and an odd mode generated by coupling the modes of the two waveguides. The even mode is the mode symmetrical with respect to the central axis between the two waveguides as indicated by the solid line, and the odd mode is the mode antisymmetrical with respect to the central axis as indicated by the dotted line. The intensity of the propagating light in the two-mode waveguide can be represented by superposition of the even mode and the odd mode, as indicated by the thick line.

遇モード(伝播定数β1)と奇モード(伝播定数β2)とでは、伝播距離に対する位相変化量が異なるため、これら2つのモードの重ね合わせで表現される伝播光の強度分布は、伝搬につれて、図6のように2つの導波路間を行き来することになる。 The even mode (propagation constant β 1 ) and the odd mode (propagation constant β 2 ) differ in the amount of phase change with respect to the propagation distance. , traverses between the two waveguides as shown in FIG.

奇モードと偶モードの位相関係から、位置x0では、伝播光強度は第1導波路11のみに存在している。両モードの位相関係は伝播に従って変化し、位置x1で第1導波路11と第2導波路12で均等な光強度分布になる。位置x2では、第2導波路12のみに光強度が分布する。位置x3では、再び第1導波路11と第2導波路12に均等な光強度分布となる。伝播光強度が一方の導波路から他方の導波路へと完全に移る距離(図6では(x2-x0))は完全結合長Lと呼ばれ、L=π/(β1-β2)で表される。 From the phase relationship between the odd mode and the even mode, the propagating light intensity exists only in the first waveguide 11 at the position x0. The phase relationship between the two modes changes along with the propagation, resulting in uniform light intensity distributions in the first waveguide 11 and the second waveguide 12 at the position x1. At the position x2, light intensity is distributed only in the second waveguide 12 . At the position x3, the first waveguide 11 and the second waveguide 12 have a uniform light intensity distribution again. The distance over which the propagating light intensity is completely transferred from one waveguide to the other ((x2-x0) in FIG. 6) is called the complete coupling length L, and L=π/(β 12 ). expressed.

図7は、偶モードと奇モードの伝搬定数の関係を示す図である。横軸は、波長で規格化した導波路間隔であり、縦軸は、伝搬係数βである。偶モードの伝搬定数と奇モードの伝播定数は、2つの導波路が離れていて没交渉の時には、それぞれの導波路固有の伝播定数に一致しているが、両導波路が近づくにつれて分裂して異なる値を持つ。この伝播定数差は、光波長に対する導波路間隔が狭いほど大きくなる。横軸の導波路間隔は波長で規格化されているので、ある導波路間隔を有する方向性結合器において、長波長ほど伝播定数差が大きいということになる。L=π/(β1-β2)からも明らかなように、長波長ほどLの値が小さくなって、光強度分布は速やかに反対側の導波路へと移動する。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the propagation constants of the even mode and the odd mode. The horizontal axis is the waveguide spacing normalized by wavelength, and the vertical axis is the propagation coefficient β. The even-mode propagation constant and the odd-mode propagation constant coincide with the propagation constants peculiar to each waveguide when the two waveguides are separated from each other and do not communicate. have different values. This propagation constant difference becomes larger as the waveguide spacing with respect to the optical wavelength becomes narrower. Since the waveguide spacing on the horizontal axis is normalized by wavelength, in a directional coupler having a certain waveguide spacing, the longer the wavelength, the greater the propagation constant difference. As is clear from L=π/(β 12 ), the longer the wavelength, the smaller the value of L, and the light intensity distribution quickly moves to the waveguide on the opposite side.

方向性結合器13が持つ波長依存性を、光吸収層15の半導体が持つ光吸収係数の波長依存性に対して打ち消す方向に利用することで、受光器100の応答特性の波長依存性を抑制することができる。 By using the wavelength dependence of the directional coupler 13 to cancel out the wavelength dependence of the light absorption coefficient of the semiconductor of the light absorption layer 15, the wavelength dependence of the response characteristics of the photodetector 100 is suppressed. can do.

たとえば、実施例で光吸収層15として用いるGeは、波長1.2μm~1.6μm帯の光に対しては、長波ほど光吸収係数が小さい。この場合、図5Aのように、方向性結合器13の光入力導波路である第1導波路11と反対側の第2導波路12に光吸収層15を積層することで、吸収が弱い長波長側の光成分が早く光吸収層15に移行する。吸収が強い短波長側の光成分は緩やかに光吸収層15に移行する。この構成により、本来は光吸収層15で短波の光ほど早く吸収されてしまうことに起因する波長依存性を打ち消すことができる。 For example, Ge used as the light absorption layer 15 in the embodiment has a smaller light absorption coefficient with respect to light in the wavelength band of 1.2 μm to 1.6 μm as the wavelength becomes longer. In this case, as shown in FIG. 5A, by laminating the light absorption layer 15 on the second waveguide 12 on the opposite side of the first waveguide 11, which is the optical input waveguide of the directional coupler 13, the length of the light absorption is weak. Light components on the wavelength side migrate quickly to the light absorption layer 15 . Light components on the short wavelength side, which are strongly absorbed, gradually migrate to the light absorption layer 15 . With this configuration, it is possible to cancel the wavelength dependency caused by the fact that the shorter the wavelength of the light, the faster the light is absorbed by the light absorption layer 15 .

実施形態の別の特徴として、伝搬方向に沿った光吸収層15の開始点は、方向性結合器13の開始点から所定距離だけ、伝搬方向の後方に配置されている。これは、方向性結合器13の開始領域では、導波路の対称性を利用して、第1導波路11から第2導波路への光結合を効率的に行って、最後まで第2導波路へ移行しない光の割合を最小限に抑え、受信感度を確保するためである。 As another feature of the embodiment, the starting point of the light absorbing layer 15 along the direction of propagation is located a predetermined distance behind the starting point of the directional coupler 13 in the direction of propagation. This is because, in the starting region of the directional coupler 13, the symmetry of the waveguides is used to efficiently couple the light from the first waveguide 11 to the second waveguide until the end of the second waveguide. This is for minimizing the proportion of light that does not move to the polarizer and ensuring the reception sensitivity.

図8は、方向性結合器での光伝搬効果の計算に用いるモデルの上面図である。第1導波路11と第2導波路12で方向性結合器が形成される。第2導波路12のスラブ領域120に、Ge光吸収層を含む積層(Ge-mesa)が配置される。光伝搬方向で、方向性結合器の開始点P1から、Ge光吸収層の開始点P2までのオフセット距離を「d」とする。距離dと伝搬光の波長λを種々に変えて、BPM(Beam Propagation Method:ビーム伝搬法)で実施形態の構造の光伝搬状態を計算する。 FIG. 8 is a top view of a model used for calculation of light propagation effects in a directional coupler. A directional coupler is formed by the first waveguide 11 and the second waveguide 12 . In the slab region 120 of the second waveguide 12, a stack (Ge-mesa) including a Ge light absorption layer is arranged. Let 'd' be the offset distance from the starting point P1 of the directional coupler to the starting point P2 of the Ge light absorbing layer in the direction of light propagation. The light propagation state of the structure of the embodiment is calculated by BPM (Beam Propagation Method) while varying the distance d and the wavelength λ of the propagating light.

図8のモデルで、第1導波路11及び第2導波路は、SiO2上に配置されるSi導波路であり、導波路層の厚さは200nm、導波路幅を400nmとする。方向性結合器での第1導波路11と第2導波路12の間隔を100nm、Ge光吸収層の厚さを500nmとする。ここでは、簡単のため、Geの光吸収係数は光波長によらず一定値(1000cm-1)に設定する。 In the model of FIG. 8, the first waveguide 11 and the second waveguide are Si waveguides arranged on SiO 2 , the thickness of the waveguide layer is 200 nm, and the width of the waveguide is 400 nm. Assume that the distance between the first waveguide 11 and the second waveguide 12 in the directional coupler is 100 nm, and the thickness of the Ge light absorption layer is 500 nm. Here, for simplicity, the optical absorption coefficient of Ge is set to a constant value (1000 cm -1 ) regardless of the light wavelength.

図9A~図9Cは、オフセット距離d=3μmのときの計算結果である。光波長をそれぞれ1.50μm、1.55μm、1.60μmと変化させる。各図で、光強度の二次元マップの伝搬方向の位置(Z)と、右側の強度プロファイルの伝搬方向の位置は対応している。 9A to 9C are calculation results when the offset distance d=3 μm. The light wavelength is changed to 1.50 μm, 1.55 μm and 1.60 μm, respectively. In each figure, the position (Z) in the propagation direction of the two-dimensional map of light intensity corresponds to the position in the propagation direction of the intensity profile on the right.

図9A~図9Cに共通して、Z=14μmの近傍で、第1導波路11を伝搬する光W11のモニタ強度が急激に低下して、第2導波路12へ光が伝搬する。光吸収層15が配置される位置の手前に、所定のオフセット量で方向性結合器のみの領域を設けることで、伝搬光の強度は、効率的に第2導波路12へ結合する。 Common to FIGS. 9A to 9C, near Z=14 μm, the monitored intensity of the light W 11 propagating through the first waveguide 11 drops sharply, and the light propagates to the second waveguide 12 . By providing a region of only the directional coupler with a predetermined offset before the position where the light absorption layer 15 is arranged, the intensity of the propagating light is efficiently coupled to the second waveguide 12 .

右側の強度プロファイルで、矢印で示すGe光吸収層の開始位置における光W12の強度に着目すると、波長が長くなるほど、第2導波路12を伝搬する光W12の立ち上がりが急峻で光強度の移行が早い。一方、短波長では光強度の移行が遅く、Ge光吸収層の開始点で光強度が比較的低く、伝搬方向に沿って徐々に光強度が移行する。すなわち、Geメサへの光の入射が穏やかになっている。 Focusing on the intensity of the light W 12 at the starting position of the Ge light absorption layer indicated by the arrow in the intensity profile on the right side, the longer the wavelength, the steeper the rising edge of the light W 12 propagating through the second waveguide 12 and the higher the light intensity. Fast transition. On the other hand, at short wavelengths, the transition of light intensity is slow, the light intensity is relatively low at the starting point of the Ge light absorption layer, and the light intensity shifts gradually along the propagation direction. That is, the incidence of light on the Ge mesa is moderate.

計算では、Geの光吸収係数を一定にしているが、実際は、Geの光吸収係数は波長依存性があり、1.50μm~1.60μmの波長帯では、短波に対する光吸収係数が大きくなる。この光吸収係数の波長依存性は、図9A~図9Cで示した光強度移行の波長依存性(長波ほど早くGe光吸収層へ移行する)と打ち消し合って、伝搬方向にわたってフォトキャリア密度を均一化することができる。これにより、受光器100の応答特性の波長依存性が緩和される。 In the calculation, the optical absorption coefficient of Ge is constant, but in reality, the optical absorption coefficient of Ge depends on the wavelength, and in the wavelength band of 1.50 μm to 1.60 μm, the optical absorption coefficient for short waves increases. This wavelength dependence of the light absorption coefficient cancels out the wavelength dependence of the light intensity shift shown in FIGS. can be Thereby, the wavelength dependence of the response characteristics of the photodetector 100 is relaxed.

図10A~図10Cは、オフセット距離d=0μmのときの計算結果である。光波長をそれぞれ1.50μm、1.55μm、1.60μmと変える。オフセット距離dがゼロということは、方向性結合器の開始点P1と、Ge光吸収層の開始点P2が伝搬方向の同じ位置にあることを意味する。 10A to 10C are calculation results when the offset distance d=0 μm. The light wavelengths are changed to 1.50 μm, 1.55 μm and 1.60 μm, respectively. The fact that the offset distance d is zero means that the starting point P1 of the directional coupler and the starting point P2 of the Ge light absorbing layer are at the same position in the propagation direction.

図10A~図10Cに共通して、W11のプロファイルに示されるように、第1導波路11から第2導波路12への光強度の移行が緩慢であり、Ge光吸収層の開始点位置(Z=14μm)から伝搬距離が進んでも、第2導波路12を伝搬する光W12の光強度は低い。図10Aと図10Cでは、かろうじて光強度が第1導波路11から第2導波路12に移るが、図10Bでは、最後まで光は第2導波路12に移り切らず、受光感度が低下する。 Common to FIGS. 10A to 10C, as shown in the profile of W 11 , the transition of light intensity from the first waveguide 11 to the second waveguide 12 is slow, and the starting point position of the Ge light absorption layer Even if the propagation distance increases from (Z=14 μm), the light intensity of the light W 12 propagating through the second waveguide 12 is low. In FIGS. 10A and 10C, the light intensity barely moves from the first waveguide 11 to the second waveguide 12, but in FIG. 10B, the light does not completely move to the second waveguide 12 and the light receiving sensitivity is lowered.

これは、方向性結合器は、2つの導波路が中心軸に対して対称な場合に、一方の導波路から他方の導波路に完全に光強度が移るという性質をもつからである。オフセット距離dがゼロで対称な領域が存在しないと、Ge光吸収層へ効率的に光を入射させることができない。 This is because the directional coupler has the property that when the two waveguides are symmetrical with respect to the central axis, the light intensity is completely transferred from one waveguide to the other. If the offset distance d is zero and there is no symmetrical region, light cannot be efficiently incident on the Ge light absorption layer.

図11A~図11Cは、オフセット距離d=5μmのときの計算結果である。光波長をそれぞれ1.50μm、1.55μm、1.60μmと変える。図11A~図11Cに共通して、伝搬方向に沿って、Ge光吸収層の開始位置の手前でかなりの量の光が第2導波路12に移ってしまう。この場合、Ge光吸収層の開始位置に光強度が集中して受光感度は上がるが、界面に溜まり込むフォトキャリアの量も著しく増大し、伝搬方向に沿って光の強度分布を均一化することが困難になる。 11A to 11C are calculation results when the offset distance d=5 μm. The light wavelengths are changed to 1.50 μm, 1.55 μm and 1.60 μm, respectively. Common to FIGS. 11A-11C, along the direction of propagation, a significant amount of light is transferred to the second waveguide 12 before the beginning of the Ge light absorbing layer. In this case, the light intensity is concentrated at the starting position of the Ge light absorption layer and the photosensitivity is increased. becomes difficult.

これらの計算結果から、オフセット距離dが小さいほど、Ge光吸収層の開始位置での光強度が緩和されて、伝搬方向に沿って光強度の分布が分散される。一方、オフセット距離dが大きいほど、Ge光吸収層への光強度の移行が効率的になって受光感度が高くなるが、伝搬方向に沿った光強度の均一化は難しくなる。光強度分布の均一化と受光感度は、トレードオフの関係にある。 From these calculation results, the smaller the offset distance d, the more the light intensity at the starting position of the Ge light absorption layer is relaxed, and the light intensity distribution is dispersed along the propagation direction. On the other hand, the larger the offset distance d, the more efficient the transfer of the light intensity to the Ge light absorption layer and the higher the photosensitivity, but the more difficult it is to make the light intensity uniform along the propagation direction. The homogenization of the light intensity distribution and the light receiving sensitivity are in a trade-off relationship.

オフセット距離dを適切に設定することで、光吸収層での局所的な光強度の集中を緩和し、かつ、受光感度を確保することができる。図8のモデルで用いた構造の場合、オフセット距離dは0よりも大きく、5μmよりも小さいのが望ましく(0<d<5μm)、より好ましくは、1μm以上、4μm以下である。 By appropriately setting the offset distance d, the local concentration of light intensity in the light absorption layer can be alleviated and the light receiving sensitivity can be ensured. For the structure used in the model of FIG. 8, the offset distance d is preferably greater than 0 and less than 5 μm (0<d<5 μm), more preferably greater than or equal to 1 μm and less than or equal to 4 μm.

図12A~図12Lは、実施形態の光半導体素子10の作製工程図である。ここでは、実施形態の光半導体素子10を、コヒーレント光レシーバに用いる光集積回路の一部として作製する。各工程図で、上面図とともに、I-I'断面図を示す。 12A to 12L are manufacturing process diagrams of the optical semiconductor device 10 of the embodiment. Here, the optical semiconductor device 10 of the embodiment is manufactured as part of an optical integrated circuit used for a coherent optical receiver. In each process drawing, a cross-sectional view taken along the line II' is shown together with a top view.

図12Aで、たとえば、Si基板31上に、SiO2層32とSiの薄膜が積層されたSOI基板を用いて、SiO2層32上に、Siの導波路パターンを形成する。Si基板31の厚さは、たとえば750μm、SiO2層32の厚さは、たとえば2μm、Si薄膜の厚さは、たとえば250nmである。電子線ビーム(EB)リソグラフィーと、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)ドライエッチングにより、Si薄膜を加工して、所望の導波路パターンを得る。 In FIG. 12A, for example, a Si waveguide pattern is formed on the SiO 2 layer 32 by using an SOI substrate in which a SiO 2 layer 32 and a thin film of Si are laminated on a Si substrate 31 . The thickness of the Si substrate 31 is, for example, 750 μm, the thickness of the SiO 2 layer 32 is, for example, 2 μm, and the thickness of the Si thin film is, for example, 250 nm. A desired waveguide pattern is obtained by processing the Si thin film by electron beam (EB) lithography and ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching.

導波路パターンは、第1導波路11と第2導波路12を含む。第1導波路11と第2導波路の所定の間隔で互いに隣接する部分で、方向性結合器13が形成される。方向性結合器13が形成される領域で、第2導波路12はスラブ領域120を有する。第1導波路11、またはスラブ領域120に接続される第2導波路12は、光入力導波路として用いられる。第1導波路11と第2導波路12の幅は、たとえば400nm、方向性結合器13における導波路間の間隔は、たとえば100nmである。 The waveguide pattern includes first waveguides 11 and second waveguides 12 . A directional coupler 13 is formed at portions of the first waveguide 11 and the second waveguide adjacent to each other at a predetermined interval. The second waveguide 12 has a slab region 120 in the region where the directional coupler 13 is formed. The first waveguide 11 or the second waveguide 12 connected to the slab region 120 is used as an optical input waveguide. The width of the first waveguide 11 and the second waveguide 12 is, for example, 400 nm, and the distance between the waveguides in the directional coupler 13 is, for example, 100 nm.

図12Bで、フォトリソグラフィにより所定の開口42を有するレジストマスク41を形成し、イオン注入を行ってスラブ領域120(図12A参照)の一部に、p型の導電性領域121を形成する。一例として、B(ボロン)イオンを注入して、不純物濃度が2×1018cm-3となるようにする。 In FIG. 12B, a resist mask 41 having a predetermined opening 42 is formed by photolithography, and ion implantation is performed to form a p-type conductive region 121 in part of the slab region 120 (see FIG. 12A). As an example, B (boron) ions are implanted so that the impurity concentration is 2×10 18 cm −3 .

図12Cで、レジストマスク41を除去し、再度フォトリソグラフィにより、開口44を有するレジストマスク43を形成して、スラブ領域120の別の一部にp+型の導電性領域122を形成する。たとえば、Bイオンを注入して、不純物濃度が1×1019cm-3となるようにする。図12Dで、レジストマスク43を除去する。 In FIG. 12C, the resist mask 41 is removed, a resist mask 43 having an opening 44 is formed again by photolithography, and a p + -type conductive region 122 is formed in another portion of the slab region 120 . For example, B ions are implanted so that the impurity concentration is 1×10 19 cm −3 . In FIG. 12D, resist mask 43 is removed.

図12Eで、たとえばCVD法により、全面にSiO2膜34を厚さ20nmに成膜し、注入した不純物を活性化するためのアニールを行う。アニールは、たとえば、1000℃の雰囲気に1分程置くことで、Si層内のドーパントが活性化される。 In FIG. 12E, an SiO2 film 34 having a thickness of 20 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD, and annealing is performed to activate the implanted impurities. For annealing, the dopant in the Si layer is activated by, for example, placing it in an atmosphere of 1000° C. for about 1 minute.

図12Fで、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、SiO2膜34をパターニングして開口35を形成し、スラブ領域120のp型の導電性領域121を露出する。開口35が形成されたSiO2膜34は、Ge選択成長用のマスクとして用いられる。 In FIG. 12F, the SiO 2 film 34 is patterned by photolithography and dry etching to form an opening 35 to expose the p-type conductive region 121 of the slab region 120 . The SiO 2 film 34 with the opening 35 formed therein is used as a mask for selective growth of Ge.

図12Gで、露出されたp型の導電性領域121に、減圧CVD(LP-CVD)法により、メサ形状のGeの光吸収層15を成長する。光吸収層15の厚さは、たとえば500nmである。Geメサの寸法は、たとえば、伝搬方向の長さ30μm、幅が5μmである。 In FIG. 12G, a mesa-shaped Ge light absorbing layer 15 is grown on the exposed p-type conductive region 121 by low pressure CVD (LP-CVD). The thickness of light absorption layer 15 is, for example, 500 nm. The dimensions of the Ge mesa are, for example, 30 μm long and 5 μm wide in the propagation direction.

図12Hで、フォトリソグラフィにより、光吸収層15の上面だけを露出させるレジストマスクを形成して、たとえばPを1×1019cm-3の濃度で注入してn型の導電性領域17を形成する。その後、レジストマスクを除去する。これにより、p+型の導電性領域122と、アンドープのGeの光吸収層15と、n型の導電性領域17を有するPIN型ダイオードの受光器100が形成される。 In FIG. 12H, a resist mask is formed by photolithography to expose only the upper surface of the light absorbing layer 15, and for example P is implanted at a concentration of 1×10 19 cm −3 to form an n-type conductive region 17 . do. After that, the resist mask is removed. As a result, the PIN diode photodetector 100 having the p + -type conductive region 122, the undoped Ge light absorbing layer 15, and the n-type conductive region 17 is formed.

図12Iで、CVD法により全面にSiO2等の絶縁層37を成膜し、フォトリソグラフィにより所定の開口46を有するレジストマスク45を形成する。 In FIG. 12I, an insulating layer 37 such as SiO 2 is formed on the entire surface by CVD, and a resist mask 45 having a predetermined opening 46 is formed by photolithography.

図12Jで、レジストマスク45を用いてドライエッチングを行って、n型の導電性領域17に到達するコンタクトホール38と、p+型の導電性領域122に到達するコンタクトホール39を形成する。その後、レジストマスク45を除去して、全面にAl等の金属膜49をスパッタリングする。 12J, dry etching is performed using a resist mask 45 to form a contact hole 38 reaching the n-type conductive region 17 and a contact hole 39 reaching the p+-type conductive region 122. In FIG. After that, the resist mask 45 is removed and a metal film 49 such as Al is sputtered on the entire surface.

図12Kで、フォトリソグラフィにより、金属膜49を残す領域のみにレジストマスク47を形成する。 In FIG. 12K, photolithography is used to form a resist mask 47 only in areas where the metal film 49 is to remain.

図12Lで、ドライエッチングにより金属膜49を整形して、n型の導電性領域17とオーミック接触する電極21と、p+型の導電性領域122とオーミック接触する電極22を形成する。これにより、第1導波路11と第2導波路12で形成される方向性結合器13と、第2導波路12のスラブ領域120に配置される受光器100を有する光半導体素子10が作製される。 In FIG. 12L, the metal film 49 is shaped by dry etching to form the electrode 21 in ohmic contact with the n-type conductive region 17 and the electrode 22 in ohmic contact with the p + -type conductive region 122 . Thus, the optical semiconductor device 10 having the directional coupler 13 formed by the first waveguide 11 and the second waveguide 12 and the photodetector 100 arranged in the slab region 120 of the second waveguide 12 is manufactured. be.

図13は、第1の変形例である光半導体素子10Aの平面模式図である。図5Aの構成例と異なり、図13では、第2導波路12が光入力導波路であり、いったん第1導波路11に移った長波長側の光が、徐々に第2導波路12に戻って光吸収層15に導入される。この変形例の構造を用いれば、長波ほど光吸収係数が大きな半導体材料によって光吸収層15Aを形成した場合に、好適な特性が得られる。 FIG. 13 is a schematic plan view of an optical semiconductor device 10A as a first modified example. Unlike the configuration example of FIG. 5A, in FIG. 13, the second waveguide 12 is the optical input waveguide, and the light on the longer wavelength side that has once moved to the first waveguide 11 gradually returns to the second waveguide 12. is introduced into the light absorbing layer 15 by By using the structure of this modified example, favorable characteristics can be obtained when the light absorption layer 15A is formed of a semiconductor material having a larger light absorption coefficient as the wavelength becomes longer.

入力光は、第2導波路12を伝搬する光が方向性結合器13Aに入射すると、光閉じ込めの強い短波長側の光(λsw)は、そのまま第2導波路12を伝搬して、光吸収層15Aに導かれる。 As for the input light, when the light propagating through the second waveguide 12 enters the directional coupler 13A, the light (λsw) on the short wavelength side with strong optical confinement propagates through the second waveguide 12 as it is, and is absorbed by the directional coupler 13A. It is led to layer 15A.

光閉じ込めの弱い長波長側の光(λlw)は、方向性結合器13Aの入射端で、いったん第1導波路11に結合する。その後、長波に対する光吸収係数が大きい光吸収層15Aが搭載された第2導波路12へと、徐々に移行する。 The light (λlw) on the long wavelength side with weak optical confinement is once coupled to the first waveguide 11 at the incident end of the directional coupler 13A. After that, it gradually shifts to the second waveguide 12 on which the light absorption layer 15A having a large light absorption coefficient for long waves is mounted.

この導波路構成により、光吸収係数の波長依存性を打ち消し、伝搬方向にわたって光の吸収を均一化することができる。 With this waveguide configuration, the wavelength dependence of the light absorption coefficient can be canceled and the light absorption can be made uniform over the propagation direction.

図14は、第2の変形例である光半導体素子10Bの平面模式図である。光半導体素子10Bは、方向性結合器13Bにおいて、第1導波路11Bと第2導波路12の間隔が伝搬方向に変化する。この例でも、長波に対する光吸収係数が大きい光吸収層15Bを用いる。 FIG. 14 is a schematic plan view of an optical semiconductor device 10B as a second modification. In the optical semiconductor device 10B, the distance between the first waveguide 11B and the second waveguide 12 changes in the propagation direction in the directional coupler 13B. Also in this example, the light absorption layer 15B having a large light absorption coefficient for long waves is used.

第1導波路11Bは入力導波路であり、第2導波路12のスラブ領域120に受光器100が実装されている。方向性結合器13Bの入射側から伝搬方向に沿って、導波路間の間隔が徐々に狭くなっている。 The first waveguide 11B is an input waveguide, and the light receiver 100 is mounted in the slab region 120 of the second waveguide 12. FIG. The interval between the waveguides is gradually narrowed along the propagation direction from the incident side of the directional coupler 13B.

第1導波路11Bを伝搬した光は、方向性結合器13Bにおいて、光閉じ込めの弱い長波長側の光(λlw)から第2導波路12へと結合する。第1導波路11Bと第2導波路12の間隔は、伝搬方向に沿って減少するため、伝搬するほど、第2導波路12に結合する短波長の光成分(λsw)の量が増える。光吸収層15Bは、短波に対する光吸収係数が小さいため、結果として、光吸収層15Bで吸収される光強度の分布が、伝搬方向で均一化される。 The light propagated through the first waveguide 11B is coupled to the second waveguide 12 from the light on the long wavelength side (λ lw ) with weak optical confinement in the directional coupler 13B. Since the distance between the first waveguide 11B and the second waveguide 12 decreases along the direction of propagation, the amount of the short-wavelength light component (λ sw ) coupled to the second waveguide 12 increases as it propagates. Since the light absorption layer 15B has a small light absorption coefficient for short waves, as a result, the distribution of light intensity absorbed by the light absorption layer 15B is made uniform in the propagation direction.

この構成により、方向性結合器13Bにおける光結合の波長依存性と、光吸収係数の波長依存性を打ち消して、光吸収層15で発生するフォトキャリアの量を伝搬方向に分散することができる。 With this configuration, the wavelength dependence of optical coupling in the directional coupler 13B and the wavelength dependence of the optical absorption coefficient can be canceled, and the amount of photocarriers generated in the optical absorption layer 15 can be dispersed in the propagation direction.

図15は、第3の変形例である光半導体素子10Cの平面模式図である。光半導体素子10において、第1導波路11Cと第2導波路12Cは、方向性結合器13で合流している。この例でも、長波に対する光吸収係数が大きい光吸収層15Cを用いる。 FIG. 15 is a schematic plan view of an optical semiconductor element 10C as a third modification. In the optical semiconductor device 10 , the first waveguide 11</b>C and the second waveguide 12</b>C join together at the directional coupler 13 . Also in this example, the light absorption layer 15C having a large light absorption coefficient for long waves is used.

第1導波路11Cを伝搬した光は、方向性結合器13Cにおいて、光閉じ込めの弱い長波長側の光(λlw)から第2導波路12Cへと結合する。第1導波路11Bと第2導波路12Cの間隔は、伝搬方向に沿って減少するため、伝搬するほど第2導波路12に結合する短波長の光成分(λsw)の量が増える。 The light propagated through the first waveguide 11C is coupled in the directional coupler 13C from the light on the long wavelength side (λ lw ) with weak optical confinement to the second waveguide 12C. Since the distance between the first waveguide 11B and the second waveguide 12C decreases along the propagation direction, the amount of the short-wavelength light component (λ sw ) coupled to the second waveguide 12 increases as the light propagates.

さらに、第1導波路11Cは第2導波路12Cと合流するため、最終的に、閉じ込めの強い短波長の光はすべて光吸収層15Cに吸収される。 Furthermore, since the first waveguide 11C merges with the second waveguide 12C, all highly confined short-wavelength light is finally absorbed by the light absorption layer 15C.

図15の構成は、入力された光のほぼすべてを確実に光吸収層15Cに導入することができるので、光電気変換効率の改善効果が高い。 The configuration of FIG. 15 can reliably introduce almost all of the input light into the light absorption layer 15C, so that the effect of improving the photoelectric conversion efficiency is high.

図16は、第4の変形例である光半導体素子10Dの断面模式図である。図5Bの光半導体素子10では、光導波路を形成するSiにp+型の導電性領域122を設け、光吸収層15を形成するGeにn型の導電性領域17を設けて、PINダイオードを実現していた。この構造ではバンドギャップの異なる第1および第2の半導体のそれぞれに導電性の極性領域が形成されていた。 FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of an optical semiconductor device 10D that is a fourth modification. In the optical semiconductor device 10 of FIG. 5B, the p + -type conductive region 122 is provided in Si forming the optical waveguide, and the n-type conductive region 17 is provided in Ge forming the light absorption layer 15 to realize a PIN diode. Was. In this structure, conductive polar regions were formed in each of first and second semiconductors with different bandgaps.

図16の光半導体素子10Dでは、Siにp+型の導電性領域122と設け、Geの光吸収層15の積層方向の上面に、n型不純物を高濃度ドープしたSiの導電性領域171を配置して、PIN構造の受光器100Dを形成する。結果として、バンドギャップの大きな第1の半導体のみに導電性の極性領域が形成される構造となる。 In the optical semiconductor device 10D of FIG. 16, a p + -type conductive region 122 is provided in Si, and a Si conductive region 171 doped with n-type impurities at a high concentration is arranged on the top surface of the Ge light absorption layer 15 in the stacking direction. Then, a photodetector 100D having a PIN structure is formed. As a result, a structure is obtained in which a conductive polar region is formed only in the first semiconductor having a large bandgap.

作製プロセスとして、Geの光吸収層15の選択成長(図12G参照)の後に、Siの選択成長を行う。光吸収層15の上面に成長したSiのみを露出するレジストマスクを用いて、P等のn型不純物を高濃度に注入することで、n+型のSiの導電性領域171が形成される。光吸収層15を形成するGeのメサの側壁は、アンドープのSi層172で覆われる。 As a manufacturing process, selective growth of Si is performed after selective growth of the light absorption layer 15 of Ge (see FIG. 12G). By using a resist mask that exposes only the Si grown on the upper surface of the light absorbing layer 15 and implanting an n-type impurity such as P at a high concentration, an n + -type Si conductive region 171 is formed. The side walls of the Ge mesa forming the light absorbing layer 15 are covered with an undoped Si layer 172 .

図17は、第5の変形例である光半導体素子10Eの断面模式図である。図5Bでは積層方向にPINダイオードを形成していたが、図17では、Si基板31と水平な方向にPINダイオードが形成される。 FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of an optical semiconductor element 10E that is a fifth modification. In FIG. 5B, the PIN diodes are formed in the stacking direction, but in FIG.

光半導体素子10Eで、スラブ領域120に形成される受光器100Eは、アンドープのGeの光吸収層151と、面内方向で光吸収層151の一方の側に配置されるp+型のGeの導電性領域173と、光吸収層151を挟んでp+型の導電性領域183と反対側に配置されるn+型のGeの導電性領域174を有する。結果として、バンドギャップの小さな第2の半導体のみに導電性の極性領域が形成される構造となる。 In the optical semiconductor device 10E, the light receiver 100E formed in the slab region 120 includes an undoped Ge light absorption layer 151 and a p+ type Ge conductive layer disposed on one side of the light absorption layer 151 in the in-plane direction. and an n+ type Ge conductive region 174 arranged on the opposite side of the p+ type conductive region 183 with the light absorbing layer 151 interposed therebetween. As a result, a structure is obtained in which a conductive polar region is formed only in the second semiconductor with a small bandgap.

作製プロセスとして、Geの光吸収層15の選択成長(図12G参照)の後に、p型の不純物を注入する領域だけを露出するレジストマスクを用いて、B等のp型の不純物を高濃度に注入する。このレジストマスクを除去し、n型の不純物を注入する領域だけを露出する別のレジストマスクを用いて、P等のn型の不純物を高濃度に注入する。 As a manufacturing process, after selective growth of the Ge light absorption layer 15 (see FIG. 12G), a resist mask that exposes only the region into which the p-type impurity is to be implanted is used to add a p-type impurity such as B to a high concentration. inject. This resist mask is removed, and another resist mask is used to expose only the region into which the n-type impurity is to be implanted, and an n-type impurity such as P is implanted at a high concentration.

この構成でも、方向性結合器13で長波長側の光から優先的に第2導波路12に結合する光は、エバネッセント結合で光吸収層151に入射し、伝搬方向にフォトキャリアの分布を均一化することができる。 Also in this configuration, the light preferentially coupled to the second waveguide 12 from the long wavelength side light in the directional coupler 13 enters the light absorption layer 151 by evanescent coupling, and the photocarrier distribution is uniform in the propagation direction. can be

以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上述した構成例に限定されず、実施例と変形例、変形例どうしの組み合わせも可能である。図16の受光器100Dと、図17の受光器100Eのどちらも、図13~図15の導波路構成に適用可能である。 Although the present invention has been described above based on specific configuration examples, the present invention is not limited to the above-described configuration examples, and combinations of the embodiments and modifications, and modifications with each other are also possible. Both receiver 100D of FIG. 16 and receiver 100E of FIG. 17 are applicable to the waveguide configurations of FIGS. 13-15.

いずれの場合も、光吸収層での光吸収量を伝搬方向に分散させて入射光に対する応答特性の劣化を抑制し、光電気変換効率を改善することができる。 In either case, the amount of light absorbed by the light absorption layer can be dispersed in the propagation direction to suppress the deterioration of response characteristics to incident light and improve the photoelectric conversion efficiency.

10、10A~10E 光半導体素子
11 第1導波路
12 第2導波路
120 スラブ領域
13,13A~13C 方向性結合器
15、15A~15C,151 光吸収層
17、171、174 n型の導電性領域(第2導電型の領域)
100、100D、100E 受光器
122,173 p型の導電性領域(第1導電型の領域)
10, 10A to 10E Optical semiconductor element 11 First waveguide 12 Second waveguide 120 Slab regions 13, 13A to 13C Directional couplers 15, 15A to 15C, 151 Light absorption layers 17, 171, 174 n-type conductivity Region (region of second conductivity type)
100, 100D, 100E photodetectors 122, 173 p-type conductive regions (first conductivity type regions)

Claims (11)

第1導波路と、スラブ領域を有する第2導波路とを有する方向性結合器と、
前記スラブ領域に配置される受光器と、
を有し、
前記スラブ領域は前記方向性結合器と隣接し、
前記第1導波路と前記第2導波路は、使用波長に対して透明な第1の半導体材料で形成され、
前記受光器は、前記第1の半導体材料よりもバンドギャップが狭く、かつ前記第1の半導体材料よりも屈折率の高い第2の半導体材料で形成される光吸収層と、前記光吸収層に接続される第1導電型の領域、及び第2導電型の領域を有するPINダイオードである、光半導体素子。
a directional coupler having a first waveguide and a second waveguide having a slab region;
a light receiver disposed in the slab region;
has
the slab region is adjacent to the directional coupler;
The first waveguide and the second waveguide are made of a first semiconductor material transparent to the wavelength used,
The photodetector includes a light absorption layer formed of a second semiconductor material having a narrower bandgap than the first semiconductor material and a higher refractive index than the first semiconductor material; An optical semiconductor device, which is a PIN diode having a connected region of a first conductivity type and a region of a second conductivity type.
前記スラブ領域は、前記方向性結合器と隣接する辺以外では前記第1導波路と隣接しない、The slab region is not adjacent to the first waveguide except for the side adjacent to the directional coupler,
請求項1に記載の光半導体素子。The optical semiconductor device according to claim 1.
光伝搬方向に沿って、前記光吸収層の開始点は、前記方向性結合器の開始点よりも後方に位置することを特徴とする請求項1または2に記載の光半導体素子。 3. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the start point of the light absorption layer is located behind the start point of the directional coupler along the light propagation direction. 前記第1導波路は光入力導波路であり、前記光吸収層は前記第1導波路と対向する側を光導入部とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光半導体素子。 4. The method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first waveguide is an optical input waveguide, and the light absorption layer has a light introducing portion on a side facing the first waveguide. opto-semiconductor device. 前記第2の半導体材料は、長波ほど光吸光係数が小さくなる材料であることを特徴とする請求項に記載の光半導体素子。 5. The optical semiconductor device according to claim 4 , wherein the second semiconductor material is a material whose light absorption coefficient decreases with increasing wavelength. 前記第2導波路は光入力導波路であり、前記光吸収層は、光の一部を前記第2導波路から導入し、前記光の他の部分を前記第1導波路から導入することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光半導体素子。 The second waveguide is an optical input waveguide, and the light absorbing layer is configured to introduce a portion of light from the second waveguide and another portion of the light from the first waveguide. 4. The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 . 前記第2の半導体材料は、長波ほど光吸光係数が大きくなる材料であることを特徴とする請求項に記載の光半導体素子。 7. The optical semiconductor device according to claim 6 , wherein the second semiconductor material is a material whose light absorption coefficient increases with increasing wavelength. 前記方向性結合器において、前記第1導波路と前記第2導波路の間の間隔は、光の伝搬方向に沿って変化することを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の光半導体素子。 8. The directional coupler according to any one of claims 1 to 7 , wherein the distance between the first waveguide and the second waveguide varies along the light propagation direction. opto-semiconductor device. 前記第1導波路と前記第2導波路の間は、前記第1の半導体材料よりも屈折率が2以上小さい材料で埋め込まれていることを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の光半導体素子。 9. The space between the first waveguide and the second waveguide is filled with a material having a refractive index 2 or more lower than that of the first semiconductor material. The optical semiconductor device according to 1. 請求項1~のいずれか1項に記載の光半導体素子を有する光トランシーバ。 An optical transceiver comprising the optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 9 . 基板上に、第1の半導体材料で、第1導波路と、スラブ領域を有する第2導波路とで方向性結合器を形成し、前記スラブ領域は前記方向性結合器と隣接し、
前記スラブ領域に、前記第1の半導体材料よりもバンドギャップが小さく、かつ前記第1の半導体材料よりも屈折率の高い第2の半導体材料で薄膜を形成し、
前記薄膜に接続される第1導電型の領域と第2導電型の領域を設けてPINダイオードを形成する、
ことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
forming a directional coupler on a substrate in a first semiconductor material with a first waveguide and a second waveguide having a slab region, the slab region adjacent to the directional coupler;
forming a thin film in the slab region with a second semiconductor material having a bandgap smaller than that of the first semiconductor material and a refractive index higher than that of the first semiconductor material;
providing a region of a first conductivity type and a region of a second conductivity type connected to the thin film to form a PIN diode;
A method for manufacturing an optical semiconductor device, characterized by:
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