JPWO2017183568A1 - 光導波路集積受光素子およびその製造方法 - Google Patents
光導波路集積受光素子およびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2017183568A1 JPWO2017183568A1 JP2018513153A JP2018513153A JPWO2017183568A1 JP WO2017183568 A1 JPWO2017183568 A1 JP WO2017183568A1 JP 2018513153 A JP2018513153 A JP 2018513153A JP 2018513153 A JP2018513153 A JP 2018513153A JP WO2017183568 A1 JPWO2017183568 A1 JP WO2017183568A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- optical waveguide
- contact layer
- light absorption
- receiving element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 196
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 3
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims abstract description 129
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 97
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 48
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 34
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 27
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 27
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 27
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 27
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 71
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 21
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 5
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4295—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with semiconductor devices activated by light through the light guide, e.g. thyristors, phototransistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0216—Coatings
- H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/186—Particular post-treatment for the devices, e.g. annealing, impurity gettering, short-circuit elimination, recrystallisation
- H01L31/1868—Passivation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
第2コンタクト層(102)の光吸収層(103)が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層(103)の平面に平行な方向とされて第2コンタクト層(102)に光結合する光導波路(105)を備える。第2コンタクト層(102)は、平面視で光吸収層(103)より小さい面積とされて光吸収層(103)の内側に配置されている。
Description
本発明は、光導波路と受光素子とが集積された光導波路集積受光素子およびその製造方法に関する。
光通信における一般的な光レシーバは、通常、フォトダイオード(PD)またはアバランシェ・フォトダイオード(APD)などの、入射した光を電流に変換する受光素子と、この受光素子が生じる光電流を増幅するトランスインピーダンスアンプとを有する。受光素子のうち、PDの光電変換効率は、量子効率として100%が上限となる。これに対してAPDは、素子内において生じた光電子を、高電界下で加速することにより格子と衝突させ、イオン化させることによりキャリアを増幅する機能をもつ。このため、APDでは1光子に対して複数のキャリアが出力されるため、APDは量子変換効率として100%を上回る感度を得ることが可能であり、高感度の光レシーバに適用される(非特許文献1)。
APDにおいて一般的な構造は、素子の上面または下面(基板側)より光を入射する「垂直入射構造」である。APDにおいて、受光感度と動作帯域は本質的にトレードオフの関係にある。すなわち、垂直入射構造の場合、受光感度を大きくするためには、光吸収層を厚くする必要があるが、このように光吸収層をより厚くすると、受光により光吸収層で生じた電子および正孔は、より大きい距離を走行する必要があるため、高い周波数領域での特性が低下してしまう。「垂直入射型」においては、特に受光感度と動作帯域のトレードオフが顕著になる。
上述したトレードオフを緩和する目的で、「光導波路型」のAPDが提案されている(非特許文献2)。光導波路型APDでは、光吸収層における光波の進行方向は、結晶成長方向、およびキャリアの輸送方向に対して垂直となる。このように光導波路型APDにおいては、キャリアの輸送距離と光吸収層における光波の侵入長が独立であるため、垂直入射型で見られる受光感度と動作帯域のトレードオフは大きく緩和される。このような光導波路型の特徴は、APDに限らずPDにおいても有用であるため、高速高感度性が要求されるPDにおいては、光導波路型が用いられている。
光導波路型の受光素子においては、信号光が光導波路を伝搬した後、最終的には光吸収層へ入射されるよう、光導波路と光吸収層との光結合が実現される必要がある。この光結合を実現するためには、いくつかの方法が提案されている。例えば「バット結合型」においては、光導波路と光吸収層とを互いに突き合わせることによって、光導波路と光吸収層との光結合を実現している(非特許文献3参照)。バット結合型においては、高い結合効率を得ることができるが、光吸収層と光導波路の光結合界面近傍において、急峻な光吸収による電流集中が生じる懸念がある。これに対し、光導波路と光吸収層を空間的に分離し、光導波路と光吸収層の間の材料系を適切に設計することにより、エバネッセント波の伝搬を利用して、光導波路と光吸収層との光結合を実現する「エバネッセント結合型」がある。エバネッセント結合型によれば、バット結合型と比較して光電流の集中は緩和することができる。
ところで、APDを実際の光レシーバに適用するべく、長期間にわたる動作の信頼性を確保しようとした場合、APDの素子側面に電界を生じさせないことが重要になる(非特許文献4参照)。これは、一般的なPDと異なり、APDにおいては素子内部に非常に高い電界を生じさせることと関連する。一般的なPDにおいては、動作電圧は3V程度であり、素子内における電界強度は、キャリアが飽和速度に到達する数10kV/cm程度であればよい。
一方、APDの場合には、大きい動作電圧範囲を確保し、かつ高い利得で動作させようとした場合には、光吸収層には2−300kV/cm、増倍層には600kV/cm以上の電界が生じる。APDの素子側面にこのような強い電界が生じた場合、素子側面での材料劣化に伴う信頼性の低下が問題となる。従って、APDにおいては、実用上、電界を素子内部に閉じ込めることは必要条件であり、この目的のため、反転型APDやプレーナ型APDが提案されている(非特許文献5、非特許文献6参照)。
J. C. Campbell, "Recent Advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes", Journal of Lightwave Technology, vol.25, no.1, pp.109-121, 2007.
N. Yasuoka et al., "High-speed and high-efficiency InP/InGaAs waveguide avalanche photodiodes for 40 Gbit/s transmission systems", Optical Fiber Communication Conference 2004, vol.25, TuM2, 2004.
K. Kato et al., "22GHz Photodiode Monolithically Integrated with Optical Waveguide on Semi-Insulating InP using Novel Bult-Joint Structure", Electronics Letters, vol.28, no.12, pp.1140-1142, 1992.
H. Sudo and M. Suzuki, "Surface Degradation Mechanism of InP/InGaAs APD's", Journal of Lightwave Technology, vol.6, no.10, pp.1496-1501, 1988.
M. Nada, Y. Muramoto, H. Yokoyama, T. Ishibashi, and H. Matsuzaki, "Triple-mesa Avalanche Photodiode With Inverted P-Down Structure for Reliability and Stability", Journal of Lightwave Technology, vol.32, no.8, pp.1543-1548, 2014.
E. Yagyu et al., "Simple Planar Structure for High-Performance AlInAs Avalanche Photodiodes", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.18, no.1, pp.76-78, 2006.
M. Nada, T. Hoshi, H. Yamazaki, T. Hashimoto, and H. Matsuzaki, "Linearity improvement of high-speed avalanche photodiodes using thin depleted absorber operating with higher order modulation format", Optics Express, vol.23, no.21, pp.27715-27723, 2015.
しかしながら上述したように、APDにおいて電界を素子内部に閉じ込める構造とし、これに高速高感度化のために光導波路型を適用した場合には、損失が発生することになる。この点について図5を用いて以下に説明する。図5は、電界を素子内部に閉じ込める構造(反転型)を有するAPDに、光導波路を組み合わせた光導波路型の受光素子の構成を示す断面図である。この例では、エバネッセント波の伝搬による光結合を前提としている。
この受光素子は、基板501の上に、光導波路502が形成され、光導波路502の上に、p型コンタクト層503、光吸収層504、p型電界制御層505、増倍層506、n型電界制御層507、電子走行層508、n型コンタクト層509が形成されている。光導波路502は、シリコンなど半導体から構成されたコア521とクラッド522などを備える。光導波路502においては、図5の紙面左右方向に信号光が導波する。光導波路502と光吸収層504との光結合は、エバネッセント波の伝搬によって実現される。なお、p型コンタクト層503に接続する電極、およびn型コンタクト層509に接続する電極は省略して図示していない。
ここで、n型コンタクト層509は、平面視で、電子走行層508のメサおよび光吸収層504を含むメサより小さい面積に形成されている。このように、平面視でn型コンタクト層509を他の層より小く形成することにより電界が閉じ込められており、平面視でn型コンタクト層509の周囲の周囲領域510には電界が生じていない。この構成により、光吸収層504において、周囲領域510での光吸収により生じたフォトキャリアは、ドリフト移動することはなく、APDの動作上有効なキャリア(有効キャリア)にはならず、単純に光―電気変換上の損失として振る舞う。本構造においては、光吸収層504の内、n型コンタクト層509の真下の領域内において生じたフォトキャリアのみが有効キャリアとして振る舞う。
電界閉じ込め構造においては、電界の印加されない周辺領域510の存在により、光導波路502からコンタクト層503を介して光吸収層504に入射した全ての光が光電変換に利用るとは限らない。ここで、光導波路502から光吸収層504に入射した光は、光導波路502にとっては導波損失となるが、この全てが光電変換されれば、全体として損失とはならない。これに対し、上述したように、周辺領域の存在により全てが光電変換に利用されるとはいえない状態では、全体として損失が発生することになる。
上述した損失は、APDの素子部として反転型APDを用いた場合のみならず、プレーナ型APDを用いた場合であっても、電界閉じ込めを可能とする構造を有する限り生じうる損失であり、光導波路型APDの高感度化を困難にする要因となる。また、光導波路型APDの感度を向上させようと、電界閉じ込め構造を用いない場合は、信頼性の確保が困難となる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電界閉じ込め構造の光導波路型フォトダイオードにおける損失の抑制を目的とする。
本発明に係る光導波路集積受光素子は、第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層と、第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層と、化合物半導体から構成されて第1コンタクト層と第2コンタクト層との間に形成された光吸収層と、化合物半導体から構成されて、第1コンタクト層および第2コンタクト層のいずれか1つと光吸収層との間に形成された増倍層と、第2コンタクト層の光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層の平面に平行な方向とされて、第2コンタクト層に光学的に結合する光導波路とを備え、第2コンタクト層は、平面視で光吸収層より小さい面積とされて、平面視で光吸収層の内側に配置されている。
上記光導波路集積受光素子において、第2コンタクト層の、光吸収層が配置されている側に接して形成された第2導電型の光マッチング層を備え、光マッチング層の不純物濃度は、第2コンタクト層の不純物濃度以下とされているようにしてもよい。
上記光導波路集積受光素子において、第1コンタクト層、第2コンタクト層、光吸収層、増倍層を備える受光素子の側部を覆うパッシベーション層を備え、パッシベーション層は、受光素子を構成する半導体より小さい屈折率とされているようにするとよい。
本発明に係る光導波路集積受光素子の製造方法は、第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層と、第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層と、化合物半導体から構成されて第1コンタクト層と第2コンタクト層との間に形成された光吸収層と、化合物半導体から構成されて第1コンタクト層および第2コンタクト層のいずれか1つと光吸収層との間に形成された増倍層とを備え、第2コンタクト層が、平面視で光吸収層より小さい面積とされて光吸収層の内側に配置されている受光素子を基板の上に作製する第1工程と、光導波路を備える光導波路基板を作製する第2工程と、基板と光導波路基板とをウエハ接合し、光導波路が、第2コンタクト層の光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層の平面に平行な方向とされて第2コンタクト層に光結合する状態とする第3工程とを備える。
以上説明したように、本発明によれば、光導波路の側に配置される第2コンタクト層は、平面視で光吸収層より小さい面積とされて光吸収層の内側に配置されているようにしたので、電界閉じ込め構造の光導波路型フォトダイオードにおける損失が抑制できるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について図1A、図1B、図1Cを用いて説明する。図1A,図1Bは、本発明の実施の形態1における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。図1Cは、本発明の実施の形態1における光導波路集積受光素子の一部構成を示す平面図である。図1Aは、図1Cのaa’線の断面を示し、図1Bは、図1Cのbb’線の断面を示している。
はじめに、本発明の実施の形態1について図1A、図1B、図1Cを用いて説明する。図1A,図1Bは、本発明の実施の形態1における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。図1Cは、本発明の実施の形態1における光導波路集積受光素子の一部構成を示す平面図である。図1Aは、図1Cのaa’線の断面を示し、図1Bは、図1Cのbb’線の断面を示している。
この光導波路集積受光素子は、まず、第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層101と、第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層102とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層101と第2コンタクト層102との間に形成された光吸収層103を備える。光吸収層103は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層101と第2コンタクト層102との間に形成された増倍層104を備える。増倍層104は、化合物半導体から構成される。実施の形態1における受光素子では、増倍層104は、第1コンタクト層102と光吸収層103との間に形成されている。なお、図1では、第1コンタクト層101に接続する電極、および第2コンタクト層102に接続する電極は省略して図示していない。
また、この光導波路集積受光素子は、第2コンタクト層102の光吸収層103が配置されている側とは反対側に配置され、第2コンタクト層102に光学的に結合する光導波路105を備える。光導波路105の導波方向は、光吸収層103の主表面の平面に平行とされている。実施の形態1において、光導波路105は、リッジ型のコア151とクラッド152とを備える。図1Cでは、クラッド152を省略して図示していない。ここで、図1Aは、光導波路105の導波方向に平行な平面の断面を示している。また、図1Bは、光導波路105の導波方向に垂直な断面を示している。
上述した構成において、実施の形態1では、第2コンタクト層102が、平面視で光吸収層103より小さい面積とされて、平面視で光吸収層103の内側に配置されている。言い換えると、各層の主表面の平面に平行な面の法線方向から見て、第2コンタクト層102が、光吸収層103より小さい面積とされて光吸収層103の内側に配置されていればよい。実施の形態1における受光素子は、第2コンタクト層102を上述したように配置することにより電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第2コンタクト層102の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
なお、増倍層104は、第1導電型の電界制御層113と第2導電型の電界制御層114とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層104(電界制御層113)と第1コンタクト層101との間には、電子走行層112が形成されている。上述した各層は、基板111の上に積層されている。第1コンタクト層101、電子走行層112、電界制御層113、増倍層104、電界制御層114、光吸収層103、第2コンタクト層102により、受光素子を構成している。
なお、図1Cに示すように、平面視で、光吸収層103のメサは、増倍層104を含む電子走行層112、電界制御層113、電界制御層114からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第2コンタクト層102のメサは、光吸収層103のメサより小さい面積とされている。
例えば、基板111は、InPから構成されている。第1コンタクト層101は、n型の不純物がドープされたInAlGaAs(n−InAlGaAs)から構成されている。第2コンタクト層102は、p型の不純物がドープされたInP(p−InP)から構成されている。光吸収層103は、対象とする光を吸収する組成とされたInGaAsから構成されている。増倍層104は、InAlAsから構成されている。この実施の形態1では、第1導電型はn型となり、第2導電型はp型となる。この構成の場合、増倍層104は、光吸収層103と第1コンタクト層101との間に配置される。
また、電子走行層112は、InPから構成されている。電界制御層113は、n型の不純物がドープされたInAlAs(n−InAlAs)から構成されている。電界制御層114は、p型の不純物がドープされたInAlAs(p−InAlAs)から構成されている。コア151はシリコンから構成され、クラッド152は、酸化シリコンから構成されている。
上述した光導波路集積受光素子を作製するには、まず、例えば、よく知られた有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法などにより、上述した各化合物半導体を基板111の上に結晶成長して積層する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により各メサ形状にパターニングすることで、受光素子が作製できる。また、別に、光導波路105を導波路基板に作製しておき、この導波路基板と受光素子とを貼りあわせる(ウエハ接合)ことで、実施の形態1における光導波路集積受光素子が得られる。
上記構成とした実施の形態1における光導波路集積受光素子は、いわゆる「エバネッセント結合型」の受光素子であり、光導波路105を通過する入力信号光は、光導波路105と第2コンタクト層102との間で生じるエバネッセント波となって第2コンタクト層102を伝搬し、光吸収層103に伝搬され吸収される。光吸収層103において生じたフォトキャリアの内、正孔は第2コンタクト層102に流れ、電子は増倍層104におけるアバランシェ増倍を経て第1コンタクト層101に到達する。
実施の形態1においては、光導波路105と受光素子との光学的な結合点は、受光素子側において電界閉じ込めの効果を担う第2コンタクト層102となる。光導波路105は、光吸収層103とは空間的に分離されており、光導波路105が光吸収層103と光学的に直接結合することは無く、電界閉じ込めの効果を担う第2コンタクト層102を介してのみ光学的に結合する。
上述した構成としているため、実施の形態1では、電界閉じ込め効果を考慮したアバランシェフォトダイオード(APD)の素子構造であっても、動作領域(第2コンタクト層102形成領域または第2コンタクト層102の真下の領域)以外の領域の光吸収層103で光吸収が生じることは無い。また、光導波路105を通過する入力信号光の一部は、第2コンタクト層102をエバネッセント波となって伝搬し、光吸収層103に入射されて光吸収され、これにより生じた全てのフォトキャリアが、有効キャリアとして振る舞うことになる。
上述したことにより、実施の形態1によれば、高速高感度でありながら、信頼性を確保できるAPDが実現される。なお、実施の形態1では、光導波路105としてリッジ型光導波路を例示し、APD素子として多段メサ構造のAPDを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、光導波路はリブ型やスラブ型光導波路を用いてもよい。またAPDとしては、多段メサ構造に限定されるものではなく、イオン注入や選択拡散による選択ドーピングを用いた構造としてもよい。
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態2における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態2について図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態2における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
この光導波路集積受光素子は、まず、第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層201と、第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層202とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層201と第2コンタクト層202との間に形成された光吸収層203を備える。光吸収層203は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層201と第2コンタクト層202との間に形成された増倍層204を備える。増倍層204は、化合物半導体から構成される。実施の形態2における受光素子では、増倍層204は、第1コンタクト層202と光吸収層203との間に形成されている。
また、この光導波路集積受光素子は、第2コンタクト層202の、光吸収層203が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層203の主表面の平面に平行な方向とされて、第2コンタクト層202に光学的に結合する光導波路205を備える。実施の形態2において、光導波路205は、光導波路基板220に形成され、リブ型のコア223とクラッド224とを備える。図2は、光導波路205の導波方向に垂直な断面を示している。
実施の形態2では、光導波路基板220を構成する絶縁層221の上に形成されたシリコン層222の一部をパターニングすることで、リブ型の光導波路205が形成されている。光導波路205の領域では、絶縁層221がクラッドとして機能する。光導波路基板220は、例えば、よく知られたSOI(Silicon on Insulator)基板から構成することができる。SOI基板の埋め込み絶縁層が絶縁層221であり、表面シリコン層がシリコン層222である。シリコン層222において、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、クラッド224となる領域に溝を形成し、公知の堆積技術により溝を酸化シリコンで充填することで、光導波路205が形成できる。
上述した構成において、実施の形態2では、第2コンタクト層202が、平面視で光吸収層203より小さい面積とされて、平面視で光吸収層203の内側に配置されている。実施の形態2における受光素子においても、第2コンタクト層202を上述したように配置することにより電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第2コンタクト層202の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
なお、増倍層204は、第1導電型の電界制御層213と第2導電型の電界制御層214とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層204(電界制御層213)と第1コンタクト層201との間には、電子走行層212が形成されている。上述した各層は、基板211の上に積層されている。第1コンタクト層201、電子走行層212、電界制御層213、増倍層204、電界制御層214、光吸収層203、第2コンタクト層202により、受光素子を構成している。
なお、実施の形態2においては、平面視で、電子走行層212のメサが、増倍層204を含む電界制御層213、電界制御層214、光吸収層203からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第2コンタクト層202のメサは、光吸収層203のメサより小さい面積とされている。
また、第1半導体層203a、第2半導体層213a、第3半導体層204a、第4半導体層214a、第5半導体層212a、第6半導体層202aの積層構造により、電流パス部215が形成されている。電流パス部215の第6半導体層202aは、光導波路基板220のシリコン層222の所定領域に配置されるコンタクト領域に接続されている。
ここで、第1半導体層203aは、光吸収層203と同一の層から構成されている。また、第2半導体層213aは、電界制御層213と同一の層から構成されている。また、第3半導体層204aは、増倍層204と同一の層から構成されている。また、第4半導体層214aは、電界制御層214と同一の層から構成されている。また、第5半導体層212aは、電子走行層212と同一の層から構成されている。また、第6半導体層202aは、第2コンタクト層202と同一の層から構成されている。
また、実施の形態2において、光導波路基板220のシリコン層222には、第2コンタクト層202との光結合領域から、電極228とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域226が形成されている。また、シリコン層222には、電流パス部215の第6半導体層202aとのコンタクト領域から、電極229とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域227が形成されている。不純物導入領域226、不純物導入領域227は、選択的なイオン注入により形成すればよい。
例えば、基板211は、InPから構成されている。第1コンタクト層201は、p型の不純物がドープされたInAlGaAs(p−InAlGaAs)から構成されている。第2コンタクト層202(第6半導体層202a)は、n型の不純物がドープされたInP(n−InP)から構成されている。光吸収層203(第1半導体層203a)は、対象とする光を吸収する組成とされたInGaAsから構成されている。増倍層204(第3半導体層204a)は、InAlAsから構成されている。この場合、第1導電型はp型となり、第2導電型はn型となる。この構成の場合、増倍層204は、光吸収層203と第2コンタクト層202との間に配置される。
また、電子走行層212(第5半導体層212a)は、InPから構成されている。電界制御層213(第2半導体層213a)は、p型の不純物がドープされたInAlAs(p−InAlAs)から構成されている。電界制御層214(第4半導体層214a)は、n型の不純物がドープされたInAlAs(n−InAlAs)から構成されている。
上述した光導波路集積受光素子を作製するには、まず、例えば、よく知られた有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法などにより、上述した各化合物半導体を基板211の上に結晶成長して積層する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により各メサ形状にパターニングすることで、受光素子および電流パス部215が作製できる。この受光素子および電流パス部215が形成されている基板211と、光導波路205が形成されている光導波路基板220とを貼り合わせて一体とすることで、実施の形態2における光導波路集積受光素子が得られる。このとき、第2コンタクト層202および第6半導体層202aと、これらに対応するシリコン層222の各コンタクト領域との位置が一致するように、基板211と光導波路基板220とを位置合わせして接合する。位置合わせにおいては、よく知られた位置合わせマークを用いればよい。また、基板211と光導波路基板220とを接合するには、一般的な表面活性化接合法を用いればよい。
上記構成とした実施の形態2における光導波路集積受光素子では、光導波路205を通過する入力信号光は、光導波路205と第2コンタクト層202との間で生じるエバネッセント波となって第2コンタクト層202を伝搬し、光吸収層203に入射され吸収される。
光吸収層203において生じたフォトキャリアの内、正孔は、直ちに第1コンタクト層201に到達し、電流パス部215を経由し、光導波路基板220の不純物導入領域227を経由して電極229に到達する。増倍層204で生じた正孔も同様である。
一方、光吸収層203において生じたフォトキャリアの内、電子は、増倍層204におけるアバランシェ増倍を経て第2コンタクト層202に流れてコア223に到達し、光導波路基板220の不純物導入領域226を経由することで電極228に到達する。
実施の形態2においても、光導波路205と受光素子との光学的な結合点は、受光素子側において電界閉じ込めの効果を担う第2コンタクト層202となる。光導波路205は、光吸収層203とは空間的に分離されており、光導波路205が光吸収層203と光学的に直接結合することは無く、電界閉じ込めの効果を担う第2コンタクト層202を介してのみ光学的に結合する。
また、実施の形態2では、受光素子を形成する基板211の側に配線や電極などを形成する特別な配線プロセスを行う必要はなく、光導波路基板220に簡便に電気配線を形成することが可能である。
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図3を用いて説明する。図3は、本発明の実施の形態3における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態3について図3を用いて説明する。図3は、本発明の実施の形態3における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
この光導波路集積受光素子は、まず、第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層201と、第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層202とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層201と第2コンタクト層202との間に形成された光吸収層203を備える。光吸収層203は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層201と第2コンタクト層202との間に形成された増倍層204を備える。増倍層204は、化合物半導体から構成される。増倍層204は、第1コンタクト層202と光吸収層203との間に形成されている。
また、この光導波路集積受光素子は、第2コンタクト層202の、光吸収層203が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層203の主表面の平面に平行な方向とされて、第2コンタクト層202に光学的に結合する光導波路205を備える。実施の形態3において、光導波路205は、光導波路基板220に形成され、リブ型のコア223とクラッド224とを備える。図3は、光導波路205の導波方向に垂直な断面を示している。
なお、光導波路基板220を構成する絶縁層221の上に形成されたシリコン層222の一部をパターニングすることで、リブ型の光導波路205が形成されている。光導波路205の領域では、絶縁層221がクラッドとして機能する。
また、第2コンタクト層202は、平面視で光吸収層203より小さい面積とされて、平面視で光吸収層203の内側に配置されている。実施の形態3における受光素子においても、第2コンタクト層202により電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第2コンタクト層202の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
また、増倍層204は、第1導電型の電界制御層213と第2導電型の電界制御層214とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層204(電界制御層213)と第1コンタクト層201との間には、電子走行層212が形成されている。上述した各層は、基板211の上に積層されている。第1コンタクト層201、電子走行層212、電界制御層213、増倍層204、電界制御層214、光吸収層203、第2コンタクト層202により、受光素子を構成している。
なお、平面視で、電子走行層212のメサが、増倍層204を含む電界制御層213、電界制御層214、光吸収層203からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第2コンタクト層202のメサは、光吸収層203のメサより小さい面積とされている。
また、第1半導体層203a、第2半導体層213a、第3半導体層204a、第4半導体層214a、第5半導体層212a、第6半導体層202aの積層構造により、電流パス部215が形成されている。電流パス部215の第6半導体層202aは、光導波路基板220のシリコン層222の所定領域に配置されるコンタクト領域に接続されている。
ここで、第1半導体層203aは、光吸収層203と同一の層から構成されている。また、第2半導体層213aは、電界制御層213と同一の層から構成されている。また、第3半導体層204aは、増倍層204と同一の層から構成されている。また、第4半導体層214aは、電界制御層214と同一の層から構成されている。また、第5半導体層212aは、電子走行層212と同一の層から構成されている。また、第6半導体層202aは、第2コンタクト層202と同一の層から構成されている。
また、実施の形態3において、光導波路基板220のシリコン層222には、第2コンタクト層202との光結合領域から、電極228とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域226が形成されている。また、シリコン層222には、電流パス部215の第6半導体層202aとのコンタクト領域から、電極229とのコンタクト領域にかけて、不純物導入領域227が形成されている。
上記構成は、前述した実施の形態2と同様である。実施の形態3では、第2コンタクト層202(第6半導体層202a)と電子走行層212(第5半導体層212a)との間に、光マッチング層216(第7半導体層216a)を備える。
以下、光マッチング層216について説明する。光導波路205から、エバネッセント光が第2コンタクト層202を介して光吸収層203に伝搬される場合、バット結合型ほどの局所的な光吸収は生じないが、光学的な結合が開始する領域においては、一定の光吸収の集中による光電流の集中が生じる。このような局所的な光電流の集中は、APDの信頼性を劣化させるだけではなく、光吸収層203における局所的な空間電荷効果に伴い、APDの光入力強度に対する電気出力強度の線形性を著しく損なう恐れがある(非特許文献7参照)。
上述した局所的な光吸収の集中を防ぐためには、光導波路205と光吸収層203との間のエバネッセント光による光学的な結合の効率を低下させることが有効である。光導波路205と光吸収層203との間に存在する各半導体層の層厚を適切に設計することにより、光導波路205と光吸収層203の間の光結合効率は制御することが可能となる。
ただし、増倍層204や電子走行層212の層厚を変化させることは、APDの利得帯域積(GBP)や走行帯域を左右することになり、APDに一定の帯域性能を付与するためには、これらの層厚を任意に設計することはできない。なお、走行帯域は、キャリアの走行時間によって決定されるf3dB(intrinsic f3dB)である。
実施の形態3では、光導波路205と結合する第2コンタクト層202のメサにおいて、第2コンタクト層202と同じ導電型の光マッチング層216を、適切な層厚で挿入することで、上述した光結合効率を制御する。
光マッチング層216は、第2コンタクト層202と同じ導電型としているため、キャリアは、光マッチング層216に到達した時点で、光マッチング層216から第2コンタクト層202までは誘電緩和により移動するため、キャリア走行時間にはほとんど影響を与えない。従って、光マッチング層216の層厚を、光導波路205と光吸収層203との間の任意の光学的な結合の効率を得られるよう設計しても、動作帯域には影響を与えることはない。
また、光マッチング層216におけるドーピング濃度は、第2コンタクト層202以下とすることにより、光マッチング層216における自由キャリア吸収を抑制し、より効率的な光吸収層203への光学的な結合が可能になる。結果として、前述した実施例1,2と同様に、実施の形態3においても、高速高感度性と高信頼性が両立できる。加えて、実施の形態3によれば、光電流の集中に伴う線形性の劣化を抑制することが可能となる。
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について図4を用いて説明する。図4は、本発明の実施の形態4における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態4について図4を用いて説明する。図4は、本発明の実施の形態4における光導波路集積受光素子の構成を示す断面図である。
この光導波路集積受光素子は、まず、第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層201と、第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層202とを備える。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層201と第2コンタクト層202との間に形成された光吸収層203を備える。光吸収層203は、化合物半導体から構成される。また、この光導波路集積受光素子は、第1コンタクト層201と第2コンタクト層202との間に形成された増倍層204を備える。増倍層204は、化合物半導体から構成される。また、増倍層204は、第1コンタクト層202と光吸収層203との間に形成されている。
また、この光導波路集積受光素子は、第2コンタクト層202の、光吸収層203が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が光吸収層203の主表面の平面に平行な方向とされて第2コンタクト層202に光学的に結合する光導波路205を備える。実施の形態4において、光導波路205は、光導波路基板220に形成され、リブ型のコア223とクラッド224とを備える。図4は、光導波路205の導波方向に垂直な平面の断面を示している。
なお、光導波路基板220を構成する絶縁層221の上に形成されたシリコン層222の一部をパターニングすることで、リブ型の光導波路205が形成されている。光導波路205の領域では、絶縁層221がクラッドとして機能する。
また、第2コンタクト層202は、平面視で光吸収層203より小さい面積とされて、平面視で光吸収層203の内側に配置されている。実施の形態4における受光素子においても、第2コンタクト層202を上述したように配置することにより電界閉じ込め効果を得ており、平面視の第2コンタクト層202の面積により、実効的な動作面積が支配されている。
また、増倍層204は、第1導電型の電界制御層213と第2導電型の電界制御層214とに、積層方向に挟まれている。また、増倍層204(電界制御層213)と第1コンタクト層201との間には、電子走行層212が形成されている。上述した各層は、基板211の上に積層されている。第1コンタクト層201、電子走行層212、電界制御層213、増倍層204、電界制御層214、光吸収層203、第2コンタクト層202により、受光素子を構成している。
なお、平面視で、電子走行層212のメサが、増倍層204を含む電界制御層213、電界制御層214、光吸収層203からなるメサより、小さい面積とされている。また、前述したように、平面視で、第2コンタクト層202のメサは、光吸収層203のメサより小さい面積とされている。
また、第1半導体層203a、第2半導体層213a、第3半導体層204a、第4半導体層214a、第5半導体層212a、第6半導体層202aの積層構造により、電流パス部215が形成されている。電流パス部215の第6半導体層202aは、光導波路基板220のシリコン層222の電極229の近傍のコンタクト領域(不純物導入領域227)に接続されている。
ここで、第1半導体層203aは、光吸収層203と同一の層から構成されている。また、第2半導体層213aは、電界制御層213と同一の層から構成されている。また、第3半導体層204aは、増倍層204と同一の層から構成されている。また、第4半導体層214aは、電界制御層214と同一の層から構成されている。また、第5半導体層212aは、電子走行層212と同一の層から構成されている。また、第6半導体層202aは、第2コンタクト層202と同一の層から構成されている。
また、実施の形態4において、光導波路基板220のシリコン層222には、第2コンタクト層202と光学的に結合する領域から、電極228と接する領域にかけて、不純物導入領域226が形成されている。また、シリコン層222には、電流パス部215の第6半導体層202aと接する領域から、電極229と接する領域にかけて、不純物導入領域227が形成されている。
上記構成は、前述した実施の形態2と同様である。実施の形態4では、受光素子の側面を覆うパッシベーション層217を備える。パッシベーション層217の屈折率は、受光素子を形成する半導体材料の屈折率よりも小さい。具体的には、SiO2であればよい。
実施の形態4においても前述した実施の形態2,3と同様であり、基本的な動作原理は、光導波路205から入射される信号光が、受光素子における電界閉じ込め部分となる第2コンタクト層202に光学的に結合することによって、光吸収層203に効率的に信号光を入射するものである。
しかしながら、受光素子の側面または表面の雰囲気や、パッシベーション層217に用いる材料によっては、受光素子内に取り込まれた信号光が、受光素子の外部へと漏れ出る可能性がある。特に、受光素子の中の最も小さいメサにおいては、光の結合モード次第では、メサの外側にまでモードが発生する懸念がある。この場合、メサの外側に染み出した光はロスとなるため、所望の受光感度が得られない。
よく知られているように、実使用環境などより受光素子の部分を保護するためには、パッシベーション層217が重要となる。しかしながら、上述したメサ外側への光の染み出しは、受光素子を構成する半導体材料とパッシベーション層217を構成する材料との屈折率差が小さいと顕著に発生することになる。
従って、パッシベーション層217は、受光素子を構成する半導体材料との間で大きな屈折率差が得られるように、より小さい屈折率の材料から構成する。このようにすることで、受光素子保護のためにパッシベーション層217を形成しても、受光素子からの光の漏れ出しを抑制し、より効率的に光導波路205からの入射光を光吸収層203へと注入することが可能となる。
以上に説明したように、本発明によれば、光導波路の側に配置される第2コンタクト層は、平面視で光吸収層より小さい面積とされて、平面視で光吸収層の内側に配置されているようにしたので、素子の電界は、面積が最も小さい第2コンタクト層によって狭窄される。すなわち、第2コンタクト層の真下の領域が、平面視での本素子の実効的な動作領域に当たる。この第2コンタクト層を介して、導波路からの信号光は、光吸収層に伝搬される。よって、本発明によれば、電界閉じ込め構造の光導波路型フォトダイオードにおける損失が抑制できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
例えば、上述では、受光素子を構成する半導体として、InP、InGaAs、InAlAsなどのIII−V族半導体を例示したがこれに限定されることはない。また、光導波路を構成する材料についても、シリコンおよび酸化シリコンに限定されるものではない。
また、受光素子と光導波路基板とをウエハ接合により一体とする場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、受光素子を構成する半導体をシリコンおよびゲルマニウムとし、シリコンコアによる光導波路基板の上にモノリシックに受光素子を作製してもよい。また、光導波路を構成する材料をInPとして、光導波路基板の上に受光素子をモノリシックに作製してもよい。
また光導波路への入射部、光吸収層の端部に適切に反射層や反射防止層を適用することは一般的な設計事項の範疇であり、本発明の一般性を失わない。また、コンタクト層や増倍層/光吸収層間に、オーミック抵抗の低減やバンドアライメントの観点から任意の層を採用することに関しては、本発明の一般性を損なうものではなく、半導体装置一般に適用される設計的事項である。
また、本発明を説明する例では、コンタクト層をp型、n型に対してそれぞれ1種類の層で構成するように例示したが、これに限るものではない。実際には、コンタクト層のシート抵抗とコンタクト抵抗を低減しながらも良好な結晶品質を得るために、コンタクト層を複数の層で構成する場合もある。例えば、層厚が厚く不純物濃度が比較的小さい主たるコンタクト層と、薄く不純物濃度が高いサブコンタクト層とから構成すればよい。主たるコンタクト層は、シート抵抗の低減および良好な結晶品質の確保のための層であり、例えば、厚さ数100nmとし、不純物濃度を18乗台とする。また、サブコンタクト層は、金属と直接接触する層であり、コンタクト抵抗の低減および良好な結晶品質の確保の為、厚さ数10nmとし、不純物濃度19乗台とする。このような複数の層のコンタクト層としても、本発明の一般性を失わない。
101…第1コンタクト層、102…第2コンタクト層、103…光吸収層、104…増倍層、105…光導波路、111…基板、112…電子走行層、113…電界制御層、114…電界制御層、151…コア、152…クラッド。
Claims (4)
- 第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層と、
第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層と、
化合物半導体から構成されて前記第1コンタクト層と前記第2コンタクト層との間に形成された光吸収層と、
化合物半導体から構成されて、前記第1コンタクト層および前記第2コンタクト層のいずれか1つと前記光吸収層との間に形成された増倍層と、
前記第2コンタクト層の前記光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が前記光吸収層の平面に平行な方向とされて、前記第2コンタクト層に光学的に結合する光導波路と
を備え、
前記第2コンタクト層は、平面視で前記光吸収層より小さい面積とされて、平面視で前記光吸収層の内側に配置されている
ことを特徴とする光導波路集積受光素子。 - 請求項1記載の光導波路集積受光素子において、
前記第2コンタクト層の、前記光吸収層が配置されている側に接して形成された第2導電型の光マッチング層を備え、
前記光マッチング層の不純物濃度は、前記第2コンタクト層の不純物濃度以下とされている
ことを特徴とする光導波路集積受光素子。 - 請求項1または2記載の光導波路集積受光素子において、
前記第1コンタクト層、前記第2コンタクト層、前記光吸収層、前記増倍層を備える受光素子の側部を覆うパッシベーション層を備え、
前記パッシベーション層は、受光素子を構成する半導体より小さい屈折率とされている
ことを特徴とする光導波路集積受光素子。 - 第1導電型の化合物半導体から構成された第1コンタクト層と、
第2導電型の化合物半導体から構成された第2コンタクト層と、
化合物半導体から構成されて前記第1コンタクト層と前記第2コンタクト層との間に形成された光吸収層と、
化合物半導体から構成されて前記第1コンタクト層および前記第2コンタクト層のいずれか1つと前記光吸収層との間に形成された増倍層と
を備え、前記第2コンタクト層が、平面視で前記光吸収層より小さい面積とされて前記光吸収層の内側に配置されている受光素子を基板の上に作製する第1工程と、
光導波路を備える光導波路基板を作製する第2工程と、
前記基板と前記光導波路基板とをウエハ接合し、前記光導波路が、前記第2コンタクト層の前記光吸収層が配置されている側とは反対側に配置され、導波方向が前記光吸収層の平面に平行な方向とされて前記第2コンタクト層に光結合する状態とする第3工程と
を備えることを特徴とする光導波路集積受光素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016083455 | 2016-04-19 | ||
JP2016083455 | 2016-04-19 | ||
PCT/JP2017/015244 WO2017183568A1 (ja) | 2016-04-19 | 2017-04-14 | 光導波路集積受光素子およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2017183568A1 true JPWO2017183568A1 (ja) | 2018-08-23 |
JP6538969B2 JP6538969B2 (ja) | 2019-07-03 |
Family
ID=60116022
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018513153A Active JP6538969B2 (ja) | 2016-04-19 | 2017-04-14 | 光導波路集積受光素子およびその製造方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10374107B2 (ja) |
EP (1) | EP3447806B1 (ja) |
JP (1) | JP6538969B2 (ja) |
CN (1) | CN109075219B (ja) |
CA (1) | CA3018953C (ja) |
WO (1) | WO2017183568A1 (ja) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017019013A1 (en) * | 2015-07-27 | 2017-02-02 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Doped absorption devices |
WO2018195168A2 (en) * | 2017-04-21 | 2018-10-25 | University Of Virginia Patent Foundation | Integrated photodiode with unique waveguide drift layer |
CN108447877A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-08-24 | 广东省半导体产业技术研究院 | 平面型光敏器件及其制作方法 |
CN108511468A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-09-07 | 广东省半导体产业技术研究院 | 光敏器件及其制作方法 |
US12040421B2 (en) | 2019-11-18 | 2024-07-16 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Avalanche photodiode |
JP7302775B2 (ja) * | 2020-03-02 | 2023-07-04 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 半導体受光素子 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06237009A (ja) * | 1993-02-12 | 1994-08-23 | Hitachi Ltd | アバランシェフォトダイオード |
US6074892A (en) * | 1996-05-07 | 2000-06-13 | Ciena Corporation | Semiconductor hetero-interface photodetector |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04286168A (ja) * | 1991-03-14 | 1992-10-12 | Fujitsu Ltd | アバランシェ・フォト・ダイオード |
JP2711055B2 (ja) * | 1992-10-28 | 1998-02-10 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光検出器およびその製造方法 |
JP2982619B2 (ja) * | 1994-06-29 | 1999-11-29 | 日本電気株式会社 | 半導体光導波路集積型受光素子 |
JPH0832105A (ja) * | 1994-07-21 | 1996-02-02 | Hitachi Ltd | 光半導体装置 |
JP4184162B2 (ja) * | 2002-10-30 | 2008-11-19 | 富士通株式会社 | 半導体受光装置 |
CN1719677A (zh) * | 2004-07-09 | 2006-01-11 | 中国科学院半导体研究所 | 铝铟磷或铝镓铟磷材料大功率半导体激光器及制作方法 |
JP4870518B2 (ja) * | 2006-10-24 | 2012-02-08 | Nttエレクトロニクス株式会社 | 半導体光変調器 |
JP2010010450A (ja) * | 2008-06-27 | 2010-01-14 | Mitsubishi Electric Corp | 導波路型受光素子 |
JP5655643B2 (ja) * | 2011-03-09 | 2015-01-21 | 富士通株式会社 | 半導体光集積回路装置及びその製造方法 |
CN103489953B (zh) * | 2013-09-09 | 2015-12-23 | 中国科学院半导体研究所 | 一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器 |
JP2015162576A (ja) * | 2014-02-27 | 2015-09-07 | 住友電気工業株式会社 | 半導体光集積素子、半導体光集積素子を作製する方法 |
CN104882509B (zh) * | 2015-04-05 | 2017-04-19 | 北京工业大学 | 一种波导对接耦合型吸收倍增分离雪崩二极管 |
DE102015210343B4 (de) * | 2015-06-04 | 2018-05-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Halbleiterfotodiode und Verfahren |
-
2017
- 2017-04-14 EP EP17785906.3A patent/EP3447806B1/en active Active
- 2017-04-14 CA CA3018953A patent/CA3018953C/en active Active
- 2017-04-14 JP JP2018513153A patent/JP6538969B2/ja active Active
- 2017-04-14 CN CN201780024438.5A patent/CN109075219B/zh active Active
- 2017-04-14 WO PCT/JP2017/015244 patent/WO2017183568A1/ja active Application Filing
- 2017-04-14 US US16/093,133 patent/US10374107B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06237009A (ja) * | 1993-02-12 | 1994-08-23 | Hitachi Ltd | アバランシェフォトダイオード |
US6074892A (en) * | 1996-05-07 | 2000-06-13 | Ciena Corporation | Semiconductor hetero-interface photodetector |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3447806A4 (en) | 2019-12-04 |
CA3018953A1 (en) | 2017-10-26 |
EP3447806A1 (en) | 2019-02-27 |
CN109075219B (zh) | 2022-01-28 |
CA3018953C (en) | 2021-01-26 |
US10374107B2 (en) | 2019-08-06 |
US20190157472A1 (en) | 2019-05-23 |
WO2017183568A1 (ja) | 2017-10-26 |
CN109075219A (zh) | 2018-12-21 |
EP3447806B1 (en) | 2021-03-03 |
JP6538969B2 (ja) | 2019-07-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6538969B2 (ja) | 光導波路集積受光素子およびその製造方法 | |
JP6480577B2 (ja) | 受光素子および光集積回路 | |
JP6793786B1 (ja) | 半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法 | |
WO2011083657A1 (ja) | アバランシェフォトダイオード及びそれを用いた受信機 | |
CN111129168B (zh) | 一种光电探测器 | |
CN111129201B (zh) | 一种光电探测器 | |
CN112018211B (zh) | 一种雪崩光电探测器及其制备方法 | |
JP5282350B2 (ja) | 半導体光素子 | |
CN111129202B (zh) | 一种光电探测器 | |
JP3285651B2 (ja) | 特に偏光が多様なコヒーレント通信システムのための半導体材料の量子ウェルベースの導波路型光受信器 | |
JP5626897B2 (ja) | フォトダイオード | |
WO2016017126A1 (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
US20230085007A1 (en) | Photodetector and photonic integrated device | |
JP7318434B2 (ja) | 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 | |
CN218769537U (zh) | 一种光子集成增益探测器结构 | |
WO2022018860A1 (ja) | 受光器 | |
JP3610910B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
JP7010173B2 (ja) | 半導体受光器 | |
CN115425034A (zh) | 一种光子集成增益探测器结构 | |
JPH06237009A (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
JP2009032797A (ja) | 光伝導素子、半導体受光素子、光通信機器、光情報処理装置及び光計測装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180425 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190604 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190606 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6538969 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |