JPH0730141A - 半導体導波路型受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結合効率を向上し、高速応答特性を有し、か
つ高量子効率を同時に満足する光導波路を形成するコア
層と受光素子の空乏層を個別に設定できる導波路型半導
体受光素子を提供する。 【構成】 コア層の一部を受光素子の空乏層として構成
することにより、空乏層の厚さを変えることなく光導波
路のコア層を厚く設定する。コア層は受光層と、受光層
を挟んで積層した、屈折率が受光層よりも低くかつ光導
波路のクラッド層より高い半導体層との３層から構成さ
れる。クラッド層はコア層を形成するいずれの層よりも
低い屈折率を有する半導体層で構成される。受光素子と
してのｐｎ接合は、受光層である半導体層内部に形成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には半導体光導
波路内にｐｉｎ構造を有する半導体光導波路型受光素子
に関し、さらに具体的には導波路構造を形成するコア層
とクラッド層間に中間屈折率層を挿入することで光ファ
イバとの結合効率の向上を図ったことを特徴とする半導
体光導波路型受光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】導波路型受光素子は、光の入射方向が光
励起キャリアの走行方向（ｐｎ接合方向）と垂直である
ために、光電変換効率の要因となる光の入射方向の素子
長と高速性の要因となる素子厚とを独立に設定すること
が可能であり、したがって高速かつ高効率な受光素子と
して適している。

【０００３】またその構造の類似性から半導体レーザや
導波路型光スイッチとのモノリシック集積化が容易であ
るという利点を有している。

【０００４】図５はこの種の従来の半導体受光素子の一
例の模式的断面構造図である。

【０００５】従来、図５に図示したような構造を有する
導波路型半導体受光素子１が提案されている。即ち、キ
ャリア濃度２×10¹⁸cm^-3のｎ形ＩｎＰ基板２上に、厚さ
0.3μｍ、キャリア濃度１×10¹⁶cm^-3のｎ形ＩｎＧａＡ
ｓ半導体層３、厚さ0.1 μｍ、キャリア濃度１×10¹⁸cm
^-3のｐ形ＩｎＧａＡｓ半導体層４、厚さ１μｍ、キャリ
ア濃度１×10¹⁸cm^-3のｐ形ＩｎＰ半導体層５がそれぞれ
積層されており、さらに半導体層２の表面にｎ形オーミ
ック電極６、半導体層５の表面にｐ形オーミック電極７
がそれぞれ形成されている。また、階段型ｐｎ接合８が
半導体層３と４との間に形成されている。

【０００６】図５に示す層構造では、半導体層３、４は
半導体層２、５に比べて高い屈折率を有しているため、
特定の波長を有する光に対して、半導体層３、４をコア
層、半導体層２、５をクラッド層とする光導波路が構成
される。

【０００７】即ち、受光素子１の端部から入射した光９
は半導体層３、４に閉じ込められて、受光素子１の入射
端とは反対側の端部に伝搬する。

【０００８】ここで、入射光として半導体層３、４によ
り吸収されるものを用いると、入射光はコア層３、４に
よって吸収されながら光導波路を伝搬する。

【０００９】従って、入射光は光電変換作用によって伝
搬するに従って、電流に変換される。

【００１０】このようにして、入射光による変換電流が
外部回路に電気信号として取り出される。

【００１１】実際、本構造の導波路型半導体受光素子を
動作させるには、７に負（マイナス）、６に正（プラ
ス）の電圧を印加し半導体層３を空乏状態にし、入射光
９を受光素子１の端部より入射させる。

【００１２】入射光９は半導体層３、４内において光電
変換され、電子と正孔を発生する。

【００１３】正孔は電極７に、また電子は電極６にそれ
ぞれ集められ外部回路に流れる。

【００１４】ところで、この種の受光素子の特性として
重要なものに応答速度と量子効率があげられる。

【００１５】前者の応答速度は光電変換によって発生し
た電子と正孔の主として空乏層内の走行時間と受光素子
回路の充放電時間で制約される。

【００１６】このうち充放電時間は、例えば受光素子の
ダイオード静電容量を小さくすることによって、その影
響を無視出来る程十分に小さくすることが可能である。

【００１７】また、走行時間は電子、正孔が空乏層内を
走行する時間であることから、空乏層の厚さと電子・正
孔の速度によって決まる。

【００１８】以上のことから、受光素子の応答速度を速
くするためには、電子、正孔の走行距離を短くすること
が必要である。

【００１９】一方、量子効率は入射光９が電子・正孔対
に変換される割合によって決定されることから、入射端
部における入射光９の半導体光導波路への結合効率と半
導体層３、４（コア層）での入射光の光電変換効率（内
部量子効率）とに強く依存する。

【００２０】このうち、内部量子効率については、光導
波路の伝搬距離を長くし、十分な吸収長を確保すること
によって、100 ％程度に高めることが可能である。

【００２１】また、結合効率については、例えば、図５
に図示する受光素子では以下のように説明できる。

【００２２】受光素子１に波長が1.55μｍの光を入射さ
せたとき、導波路内部の厚さ方向（図５でのＡ−Ａ’方
向）の光強度分布は図６に示すようになる。

【００２３】即ち、図６は、従来の半導体受光素子の光
導波路内部における光強度分布の模式図である。

【００２４】図６から明らかなように光はコア層である
半導体層３、４の内部に十分閉じ込められており、光強
度分布の半値全幅（光導波路のスポットサイズ）はほぼ
コアの厚さになっていることがわかる。

【００２５】入射光を光導波路へ低損失で結合させるた
めには、入射光のスポットサイズを光導波路のそれとほ
ぼ等しくすることが必要となる。

【００２６】言い換えれば、受光素子への入射光のスポ
ットサイズを0.4 μｍ程度以下にすることが必要とな
る。

【００２７】ところで、図５に図示する導波路型半導体
受光素子１において、100 ＧＨｚ程度の応答速度と同時
に高い量子効率を得ようとすると以下に示すような問題
が生じる。

【００２８】即ち、前述のように、半導体受光素子１の
応答速度がキャリアの空乏層内走行時間で決まる場合、
同素子は約100 ＧＨｚの応答特性を有する。

【００２９】一方、量子効率は光入射端での結合効率に
ほとんど制約されることは前述の通りである。光ファイ
バからの入射光を考えると、入射光のスポットサイズは
ほぼ光ファイバのコア径になる。

【００３０】従って、結合損失を小さくするにはスポッ
トサイズが約10μｍの入射光を約0.4 μｍのスポットサ
イズに変換した後、光導波路に入射させることが必要に
なる。

【００３１】さらに、入射位置もほとんどずれないよう
に結合することが必要となる。

【００３２】例えば50ＧＨｚ以上の応答速度を得ようと
する場合、光励起キャリアの走行時間を短くする必要か
らコア層の厚さは0.5 μｍ以下としなければならないの
に対して、光ファイバから出射される光の径は高性能な
レンズを用いた場合でもせいぜい２μｍ程度までしか小
さくすることはできない。

【００３３】従って、光ファイバと受光素子との結合に
複雑な光結合素子を必要とする。

【００３４】ここで、光導波路のスポットサイズを大き
くすれば、光ファイバと受光素子との低損失結合が容易
になることは明らかである。

【００３５】しかしながら、半導体受光素子１において
は、コア層が空乏層とほぼ同一の半導体層で構成されて
いるため、コア層を厚くすることは同時に空乏層をも厚
くしてしまうことになる。

【００３６】そのため、キャリアの走行時間が長くな
り、応答速度の劣化を生じる。

【００３７】このように、受光素子１では高速応答特性
と高い量子効率を同時に満足させることは困難である。

【００３８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した欠点
の無い新規な半導体受光素子を提案するものである。

【００３９】即ち、本発明の目的の一つは導波路構造を
有する半導体受光素子において、導波路構造を形成する
受光層とクラッド層間に中間屈折率層を挿入すること
で、結合効率の向上した半導体受光素子を提供すること
である。

【００４０】さらに、本発明の目的の一つは、高速応答
特性を有し、かつ高量子効率を同時に満足する導波路型
半導体受光素子を提供することである。

【００４１】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体受光
素子では、図５の受光素子が有している欠点を除去する
ために、光導波路を形成するコア層と受光素子の空乏層
を個別に設定できる構成を有している。

【００４２】即ち、コア層の一部を受光素子の空乏層と
して構成することによって、空乏層の厚さを変えること
なく、光導波路のコア層を厚く設定することができる。

【００４３】本発明になる半導体受光素子のコア層は受
光層と、その受光層を挟んで積層され、当該受光層より
も低くかつ光導波路のクラッド層のそれよりは高い屈折
率を有する半導体層との３層より構成されている。

【００４４】また、クラッド層はコア層のいずれの層よ
りも低い屈折率を有する半導体層で構成されている。ま
た、受光素子としてのｐｎ接合は受光層である半導体層
内部に形成されている。

【００４５】以下、後述する図１に示す本発明の基本的
構成を例に列挙すると、下記に示す通りである。

【００４６】即ち、本発明は、

【００４７】第１の半導体層（23、24）と、第１の半導
体層よりも低い屈折率を有する第２の半導体層（22、2
5）、第２の半導体層よりも低い屈折率を有する第３の
半導体層（21、26）が当該第１の半導体層（23、24）を
挟んで順次半導体基板（21）上に積層された、少なくと
も５層（21、22、（23、24）、25、26) からなる構造に
おいて、階段型ｐｎ接合（29）が第１の半導体層（23、
24）内部に形成されており、さらに、ｐ形導電性の第１
の半導体層（24）側に積層された第２、第３の半導体層
（25、26）がｐ形導電性に、また、ｎ形導電性の第１の
半導体層（23）側に積層された第２、第３の半導体層
（22、21）がｎ形導電性にそれぞれなされており、さら
に、ｎ形導電性の第２、第３の半導体層（22、21）のキ
ャリア濃度がｎ形導電性の第１の半導体層（23）のキャ
リア濃度よりも高く構成されていることを特徴とする半
導体受光素子（20）としての構成を有するものであり、
或いはまた具体的には、

【００４８】前記半導体受光素子（20）において、半導
体基板（21）がＩｎＰ、第１の半導体層（23、24）がＩ
ｎＧａＡｓ層、第２の半導体層（22、25）がＩｎＧａＡ
ｓＰ層、第３の半導体層（26、21）がＩｎＰ層で構成さ
れていることを特徴とする半導体受光素子としての構成
を有するものである。

【００４９】

【作用】本発明は、導波路構造を形成するコア層とクラ
ッド層間に中間屈折率層を挿入することで実効的なコア
層の厚さを増大させ、光ファイバとの結合効率の向上を
図ったことを特徴とするものであり、効率を損なわずに
高速応答可能な導波路型受光素子を実現できるという利
点がある。

【００５０】以下図面に基づき実施例について説明す
る。

【００５１】

【実施例】図１は本発明の基本的構成を備えた一実施例
としての半導体受光素子の模式的断面構造図である。

【００５２】図１に図示した本発明による半導体受光素
子20の各部の構造は以下の通りである。

【００５３】キャリア濃度２×10¹⁸cm^-3のｎ形ＩｎＰ基
板21上に順次積層して、バンドギャップエネルギー0.97
ｅＶ、キャリア濃度１×10¹⁸cm^-3、厚さ0.5 μｍのｎ形
ＩｎＧａＡｓＰ半導体層22、キャリア濃度１×10¹⁶c
m^-3、厚さ0.3 μｍのｎ形ＩｎＧａＡｓ半導体層23、キ
ャリア濃度１×10¹⁸cm^-3、厚さ0.1 μｍのｐ形ＩｎＧａ
Ａｓ半導体層24、22と同じ組成、キャリア濃度、厚さを
有するｐ形ＩｎＧａＡｓＰ半導体層25、キャリア濃度１
×10¹⁸cm^-3、厚さ１μｍのｐ形ＩｎＰ半導体層26、さら
にｎ形オーミック電極27、ｐ形オーミック電極28が設け
られている。

【００５４】また、階段型ｐｎ接合29が半導体層23と24
との間に形成されている。

【００５５】本発明による半導体受光素子20において、
光導波路のコア層は22、23、24、25層で、また、クラッ
ド層は21、26層でそれぞれ構成される。

【００５６】このことによって、光導波路のコア層の厚
さは従来構造の受光素子に比べて、１μｍ程度厚くなっ
ている。

【００５７】一方、ｐｎ接合受光領域は従来構造の受光
素子と同様に23、24層を光吸収層として構成されてい
る。

【００５８】次に、本実施例による半導体受光素子を動
作させるにはｎ形オーミック電極27に正（プラス）、ｐ
形オーミック電極28に負（マイナス）の極性で５Ｖの電
圧を印加する。

【００５９】この時、ｎ形ＩｎＧａＡｓ半導体層23のキ
ャリア濃度はｐ形ＩｎＧａＡｓ半導体層24、ｎ形ＩｎＧ
ａＡｓＰ半導体層22のそれに比べて十分に低いため、空
乏層はｎ形ＩｎＧａＡｓ半導体層23のみに形成される。

【００６０】入射光９は本実施例の半導体受光素子の端
部より光導波路へ結合され、他端へと伝搬する。

【００６１】入射光９は半導体層23、24内で光電変換さ
れ、同層内に電子・正孔対を発生させる。

【００６２】このうち、層23内において発生した電子・
正孔対は同層内部に形成された空乏層内電界によってそ
れぞれ層22、層24に流れる。

【００６３】また、層24内において発生した少数キャリ
アである電子は空乏層端部に拡散によって移動したのち
同様に層22に流れる。

【００６４】このように、発生したキャリアの走行距離
は半導体層23の厚みのみとなるため、本発明の受光素子
の応答速度は、従来構造素子とほぼ同等に100 ＧＨｚ程
度の特性になる。

【００６５】一方、量子効率については、以下のように
説明できる。

【００６６】図２は本発明による半導体受光素子の光導
波路内部における光強度分布の模式図（図１のＢ−Ｂ’
方向）である。

【００６７】即ち、図２は図１に図示した実施例による
半導体受光素子において、1.55μｍ波長光に対する光導
波路の厚さ方向（図１のＢ−Ｂ’方向）のスポットサイ
ズを図示したものである。

【００６８】光導波路内部のスポットサイズはコア層幅
以上の大きさになっていることがわかる。

【００６９】このことから、光入射端部での結合損失を
防ぐには、入射光のスポットサイズを1.4 μｍ程度にす
ればよいことになる。

【００７０】従来構造による半導体受光素子において
は、許容スポットサイズが0.4 μｍ程度であることに比
較すると、本発明による受光素子の有効性は明らかであ
る。

【００７１】図３は本発明の他の実施例を説明する模式
的要部断面構造図であって、30は下部クラッド層のｎ形
ＩｎＰ基板、31、32、33はコア層であり、31は厚さ１μ
ｍ、キャリア濃度１×10¹⁸cm^-3のｎ形ＩｎＧａＡｓＰ
（バンドギャップ波長1.3 μｍ) 層、32は厚さ0.4 μ
ｍ、低キャリア濃度のｎ形ＩｎＧａＡｓ層、33はキャリ
ア濃度１×10¹⁸cm^-3、厚さ0.1 μｍのｐ形ＩｎＧａＡｓ
層、34はキャリア濃度１×10¹⁸cm^-3のｐ形ＩｎＰ上部ク
ラッド層、さらに35はｎ形オーミック電極、36はｐ形オ
ーミック電極である。

【００７２】本発明による半導体導波路型受光素子にお
いて、実効的なコア層の厚さは1.5μｍであり従来構造
の素子に比べて１μｍ程度厚くなっている。

【００７３】一方、受光領域は従来構造の素子と同様に
ｎ形ＩｎＧａＡｓ32、33を光吸収層として構成されてい
る。

【００７４】次に、本実施例による半導体導波路型受光
素子を動作させるにはｎ形オーミック電極35はプラス、
ｐ形オーミック電極36にマイナスの極性で５Ｖの電圧を
印加する。

【００７５】この時、ｎ形ＩｎＧａＡｓ層32のキャリア
濃度はｎ形ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長1.3 μ
ｍ）層31、ｐ形ＩｎＧａＡｓ層33のそれに比べて十分に
低いため、空乏層はｎ形ＩｎＧａＡｓ層32のみに形成さ
れる。

【００７６】光ファイバから出射された光は入射光37と
して素子の端部より素子内に入射し、ｎ形ＩｎＧａＡｓ
層32内に電子正孔対を発生させる。

【００７７】これら電子正孔対は同層内に形成された空
乏層内電界によってそれぞれｎ形ＩｎＧａＡｓＰ層31、
ｐ形ＩｎＧａＡｓ層33に向かって走行し、各層に到達し
て電気信号となる。

【００７８】したがって、発生したキャリアの走行距離
はｎ形ＩｎＧａＡｓ層32の厚みのみとなるため、本発明
の素子の応答速度は、従来構造素子と同様に100 ＧＨｚ
程度となる。

【００７９】一方、量子効率については、以下のように
説明できる。

【００８０】図４は図３の実施例に示した素子の素子内
における光強度分布の模式図（図３のＣ−Ｃ’方向）で
ある。

【００８１】素子内を導波する光のスポットサイズは約
1.5 μｍとなっており、光ファイバからの出射光を1.5
μｍ程度に集光すれば損失なく素子内に信号光を入射す
ることが可能となる。

【００８２】本実施例においては、下部クラッド層30お
よび中間屈折率層31をｎ形、上部クラッド層34をｐ形と
した例を示したが、下部クラッド層30および中間屈折率
層31をｐ形、上部クラッド層34をｎ形としても本実施例
と同様の効果が得られる。

【００８３】半導体材料としてＩｎＰ基板と格子整合す
る材料を用いた例を示したが、これらの一部または全部
をＩｎＰと格子整合しない材料としても同様の効果が得
られる。

【００８４】また、信号光波長が1.55μｍの場合につい
ての例を示したが、材料を適当に選ぶことにより波長1.
55μｍ以外の信号光に対して本実施例と同様の効果があ
る導波路型受光素子が実現できる。

【００８５】本発明による実施例は上記数値に限定され
るものではないことはもちろんである。

【００８６】これらの数値は実施例を説明するための具
体例である。

【００８７】また上記の受光領域を形成する材料及びク
ラッド層を形成する材料も上記のＩｎＧａＡｓ−ＩｎＰ
に限定されるものでもないことはもちろんである。

【００８８】所望の動作速度と受光波長によって、これ
らの厚さ、不純物濃度及び材料も他の寸法、濃度の材料
を選択してもよいことは明らかである。

【００８９】さらに本構造を半導体レーザあるいは半導
体光変調器に適用することによって、効率の良い半導体
レーザあるいは半導体光変調器を実現することも可能で
ある。

【００９０】

【発明の効果】本発明による半導体受光素子において
は、前述したように、半導体光導波路とｐｎ接合形受光
領域とを実効的に分離した構造として動作させることが
可能となる。

【００９１】即ち、半導体光導波路のコア層と、受光素
子の空乏層をそれぞれ別個に設定することが出来る。

【００９２】即ち、光導波路のコア層は入射光の結合効
率が十分高くなるように厚く設定し、一方、受光素子の
空乏層は対生成した電子・正孔の走行時間が十分短くな
るように薄く設定出来る。

【００９３】このようにして、本発明による半導体受光
素子においては、高速応答特性とともに、高量子効率を
同時に得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる基本的構成を備えた半導体受光素
子の一実施例の断面構造図である

【図２】図１の本発明による半導体受光素子の実施例に
於ける光導波路内部での光強度分布の模式図（図１のＢ
−Ｂ’方向）である。

【図３】本発明の他の実施例において例示した半導体導
波路型受光素子の要部断面構造図である。

【図４】図３の実施例に示した素子の素子内における光
強度分布の模式図（図３のＣ−Ｃ’方向）である。

【図５】従来構造の半導体受光素子の一例の断面構造図
である。

【図６】従来構造の一例の受光素子に於ける光導波路内
部での光強度分布の模式図（図５のＡ−Ａ’方向）であ
る。

【符号の説明】

１ （従来構造の）半導体受光素子 ２ ｎ形ＩｎＰ基板 ３ ｎ形ＩｎＧａＡｓ半導体層 ４ ｐ形ＩｎＧａＡｓ半導体層 ５ ｐ形ＩｎＰ半導体層 ６ ｎ形オーミック電極 ７ ｐ形オーミック電極 ８ ｐｎ接合 ９、３７ 入射光 ２０ （本発明の）一実施例の半導体受光素子 ２１ ｎ形ＩｎＰ基板 ２２ ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ半導体層 ２３ ｎ形ＩｎＧａＡｓ半導体層 ２４ ｐ形ＩｎＧａＡｓ半導体層 ２５ ｐ形ＩｎＧａＡｓＰ半導体層 ２６ ｐ形ＩｎＰ半導体層 ２７ ｎ形オーミック電極 ２８ ｐ形オーミック電極 ２９、３８ ｐｎ接合 ３０ ｎ形ＩｎＰ基板 ３１ ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ層 ３２ ｎ形ＩｎＧａＡｓ層 ３３ ｐ形ＩｎＧａＡｓ層 ３４ ｐ形ＩｎＰ上部クラッド層 ３５ ｎ形オーミック電極 ３６ ｐ形オーミック電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 幸前 篤郎 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の半導体層と、第１の半導体層よりも
   低い屈折率を有する第２の半導体層、第２の半導体層よ
   りも低い屈折率を有する第３の半導体層が当該第１の半
   導体層を挟んで順次半導体基板上に積層された、少なく
   とも５層からなる構造において、階段型ｐｎ接合が第１
   の半導体層内部に形成されており、さらに、ｐ形導電性
   の第１の半導体層側に積層された第２、第３の半導体層
   がｐ形導電性に、また、ｎ形導電性の第１の半導体層側
   に積層された第２、第３の半導体層がｎ形導電性にそれ
   ぞれなされており、さらに、ｎ形導電性の第２、第３の
   半導体層のキャリア濃度がｎ形導電性の第１の半導体層
   のキャリア濃度よりも高く構成されていることを特徴と
   する半導体導波路型受光素子。
2. 【請求項２】第１の半導体層と、第１の半導体層に接し
   第１の半導体層よりも低い屈折率を有する第２の半導体
   層とを、これら第１、第２の半導体層よりも低い屈折率
   を有する第３、第４の半導体層で挟み、半導体基板上に
   第３、第２、第１、第４の順に順次積層されて構成され
   ており、階段型ｐｎ接合が第１の半導体層内部に形成さ
   れており、第３および第２の半導体層がｎ形導電性に、
   第４の半導体層がｐ形導電性にそれぞれなされており、
   さらに第１の半導体層のキャリア濃度が、第２、第３、
   第４の半導体層のキャリア濃度よりも小さくされている
   ことを特徴とする半導体導波路型受光素子。
3. 【請求項３】第１の半導体層と、第１の半導体層に接し
   第１の半導体層よりも低い屈折率を有する第２の半導体
   層とを、これら第１、第２の半導体層よりも低い屈折率
   を有する第３、第４の半導体層で挟み、半導体基板上に
   第３、第２、第１、第４の順に順次積層されて構成され
   ており、階段型ｐｎ接合が第１の半導体層内部に形成さ
   れており、第３および第２の半導体層がｐ形導電性に、
   第４の半導体層がｎ形導電性にそれぞれなされており、
   さらに第１の半導体層のキャリア濃度が、第２、第３、
   第４の半導体層のキャリア濃度よりも小さくされている
   ことを特徴とする半導体導波路型受光素子。