WO2021171393A1 - 導波路型受光素子 - Google Patents

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WO2021171393A1
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light
light receiving
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亮太 竹村
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present application relates to a waveguide type light receiving element.
  • a waveguide type light receiving element is adopted as a method of reducing the element capacitance C and obtaining a high-speed response of, for example, 40 GHz or more.
  • the waveguide type light receiving element has a structure in which light is incident from the side surface of the epitaxial layer, and unlike a normal surface incident type structure, the sensitivity and band can be individually optimized, so that the structure is suitable for high-speed operation. ing.
  • Patent Document 1 discloses a waveguide type semiconductor light receiving element (wavewave type light receiving element) having a window structure devised to reduce surface recombination at an end face portion where light is incident.
  • the waveguide type semiconductor light receiving element of Patent Document 1 includes a light absorption / waveguide layer (light absorption layer) that guides light while absorbing light, and the light absorption / waveguide layer in the window structure is in an unnatural superlattice region. It has become.
  • the size of the light receiving region is generally smaller than that of the surface incident type light receiving element, and the light is concentrated on the end surface on the side where the light is incident. Therefore, a large number of photocarriers are generated on the front end surface (light incident surface) side where light is incident in the light absorption layer.
  • the generated photocarrier holes move to the anode side of the negative potential and electrons move to the cathode side of the positive potential due to the reverse bias applied to the photodiode. The greater the power of light input to the photodiode, that is, the larger the optical input power, the more photocarriers are generated.
  • the technique disclosed in the present specification aims to obtain a waveguide type light receiving element having improved high-speed response even when the optical input power is large.
  • a waveguide layer having a core layer that absorbs light is formed on a semiconductor substrate.
  • the waveguide type light receiving element includes a first conductive type first contact layer, a waveguide layer, and a second conductive type second contact layer sequentially formed on a semiconductor substrate.
  • the waveguide layer includes a first conductive type first clad layer arranged on the side of the first contact layer, a second conductive type second clad layer arranged on the side of the second contact layer, and a first clad. It includes a core layer arranged between the layer and the second clad layer.
  • the core layer has a light absorption layer and an impurity-doped light absorption layer which has a higher concentration of p-type impurities than the light absorption layer and is arranged on the light incident surface side where signal light is incident.
  • An example of a waveguide type light receiving element disclosed in the present specification is an impurity-doped light absorption layer in which the core layer of the waveguide layer is arranged on the light incident surface side and the concentration of p-type impurities is higher than that of the light absorption layer. Therefore, high-speed response can be improved even when the optical input power is large.
  • FIG. It is a perspective view of the waveguide type light receiving element of the 1st example which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by A1-A1 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by B1-B1 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by C1-C1 of FIG.
  • FIG. It is a perspective view of the waveguide type light receiving element of the 2nd example which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by A2-A2 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by B2-B2 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by C2-C2 of FIG.
  • FIG. 1 It is sectional drawing of the waveguide type light receiving element of the comparative example. It is sectional drawing of the waveguide type light receiving element of the 3rd example which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing of the 4th example waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing of the 5th example waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a perspective view of the waveguide type light receiving element of the 1st example which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by A3-A3 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by DD of FIG.
  • FIG. It is sectional drawing of the waveguide type light receiving element of the 2nd example which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a perspective view of the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is sectional drawing of the first example along the broken line shown by A4-A4 of FIG. It is sectional drawing of the first example along the broken line shown by B3-B3 of FIG. It is sectional drawing of the 2nd example along the broken line shown by A4-A4 of FIG. It is sectional drawing of the 2nd example along the broken line shown by B3-B3 of FIG.
  • FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by A5-A5 of FIG.
  • FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by B4-B4 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by C3-C3 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by FF of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by GG of FIG. It is a perspective view of the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 5.
  • FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by A6-A6 of FIG. It is a perspective view of the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 6.
  • Embodiment 7 It is a perspective view of the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 7. It is sectional drawing which follows the broken line shown by A7-A7 of FIG. It is sectional drawing which follows the broken line shown by B6-B6 of FIG. 33. It is sectional drawing which follows the broken line shown by C4-C4 of FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of the waveguide type light receiving element of the first example according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by A1-A1 of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by B1-B1 of FIG. 1
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by C1-C1 of FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view of the waveguide type light receiving element of the second example according to the first embodiment
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by A2-A2 of FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by B2-B2 of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by C2-C2 of FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a waveguide type light receiving element of a comparative example.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the waveguide type light receiving element of the third example according to the first embodiment
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the waveguide type light receiving element of the fourth example according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the waveguide type light receiving element of the fifth example according to the first embodiment.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the first example of the first embodiment includes a semiconductor substrate 1, a laminated structure portion 18 formed on the semiconductor substrate 1, a first electrode 17, and a second electrode 7.
  • the semiconductor substrate 1 is, for example, an InP substrate.
  • the structure of the laminated structure portion 18 is such that the surface of the semiconductor substrate 1 has a first conductive type first contact layer 2, a first conductive type first clad layer 3, and a light absorbing layer 4 such as InGaAs.
  • the first clad layer 3, the core layer 30, and the second clad layer 5 form a waveguide layer 31.
  • the laminated structure portion 18 includes a first conductive type first contact layer 2, a waveguide layer 31, and a second conductive type second contact layer 6, and the waveguide layer 31 is the first contact layer 2.
  • the first conductive type first clad layer 3 arranged on the side, the second conductive type second clad layer 5 arranged on the side of the second contact layer 6, the first clad layer 3 and the second clad layer. It includes a core layer 30 arranged between the 5 and the core layer 30.
  • a second electrode 7 is formed on the surface of the second conductive type second contact layer 6 of the laminated structure portion 18.
  • the light absorption layer 4 is an undoped layer such as InGaAs in which impurities are not doped
  • the impurity-doped light absorption layer 8 is an impurity-doped layer in which impurities doped with p-type impurities are doped in a crystal layer such as InGaAs.
  • the first electrode 17 is connected to the first conductive type first contact layer 2 via a contact hole 19 formed in the laminated structure portion 18.
  • the first conductive type is n type
  • the second conductive type is p type.
  • the impurity-doped light absorption layer 8 is a light absorption layer in which the light absorption layer 4 on the side of the light incident surface 21 on which the signal light 20 is incident is p-shaped.
  • the signal light 20 is incident from the light incident portion 22 of the core layer 30.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view cut in the traveling direction of the signal light 20, that is, in the light traveling direction
  • FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views cut in a direction perpendicular to the traveling direction of the signal light 20.
  • the traveling direction of the signal light 20 is the z direction
  • the direction perpendicular to the semiconductor substrate 1 is the y direction
  • the z direction and the direction perpendicular to the y direction are the x directions.
  • the cross section shown in FIG. 2 can also be said to be a cross section cut along a YZ plane including an axis in the y direction and an axis in the z direction.
  • the cross section shown in FIGS. 3 and 4 can also be said to be a cross section cut along an XY plane including an axis in the x direction and an axis in the y direction.
  • Examples of the crystal growth method for each layer of the laminated structure portion 18 include a liquid phase growth method (Liquid Phase Epitaxy: LPE), a vapor phase growth method (Vapor Phase Epitaxy: VPE), and a metalorganic vapor phase growth method (Metalorganic VPE: MO-). VPE), molecular beam epitaxy (MBE) and the like are used.
  • Each layer of the laminated structure portion 18 is a group III-V semiconductor crystal. Specific examples of each layer of the laminated structure portion 18 will be described later.
  • Group II atoms such as Be, Mg, Zn, and Cd are used as p-type dopants (p-type impurities) in order to impart conductivity to group III-V semiconductor crystals, and n-type dopants (n-type impurities) are used.
  • Group VI atoms such as S, Se, and Te are used.
  • Group IV atoms such as C, Si, Ge, and Sn are used as amphoteric impurities that act as either p-type or n-type conductive dopants depending on the semiconductor crystal.
  • atoms such as Fe and Ru act as insulating dopants that suppress conductivity and become semi-insulating (SI) type.
  • the impurity-doped light absorption layer 8 is formed by diffusing or injecting a p-type dopant into a part of the light absorption layer 4 of the laminated structure portion 18, for example, on the side of the light incident surface 21.
  • An insulating film or a photoresist mask is formed on the surface of the laminated structure portion 18 before the impurity-doped light absorption layer 8 is formed, that is, the surface opposite to the semiconductor substrate 1, by a general lithography technique to absorb impurity-doped light.
  • the p-type dopant is diffused or injected with the portion to be layer 8 opened. In this way, the core layer 30 in which a part of the light absorption layer 4 is p-shaped is formed.
  • the light absorption layer 4 is not limited to the undoped layer.
  • the light absorption layer 4 may have a lower concentration of p-type impurities than the impurity-doped light absorption layer 8.
  • the concentration of p-type impurities or the concentration of n-type impurities in the light absorption layer 4 may be 1/10 or less of the concentration of p-type impurities in the impurity-doped light absorption layer 8.
  • the core layer 30 includes the light absorption layer 4 and the impurity-doped light absorption layer 8 which has a higher concentration of p-type impurities than the light absorption layer 4 and is arranged on the light incident surface 21 side on which the signal light 20 is incident. have.
  • the first electrode 17 and the second electrode 7 are formed as follows.
  • the contact hole 19 is formed in the laminated structure portion 18 by wet etching with the mask opened only in a desired portion by using a general lithography technique.
  • Metals such as Ti, Pt, and Au are deposited by electron beam or sputtered in a state where a mask is opened only in a desired portion by using a general lithography technique in a portion forming the first electrode 17 and the second electrode 7.
  • the film is formed by the method of.
  • the first electrode 17 and the second electrode 7 are formed by removing the metal in the unnecessary portion. Further, the first electrode 17 and the second electrode 7 may be formed as follows.
  • a metal such as Ti, Pt, or Au is formed on the entire surface of the laminated structure portion 18 in which the contact hole 19 is formed.
  • the first electrode 17 and the second electrode 7 are formed by wet-etching the metal of the unnecessary portion while leaving the mask only in the desired portion by using a general lithography technique.
  • the semiconductor substrate 1 is preferably a semi-insulating substrate doped with Fe or the like.
  • the first contact layer 2 is an epitaxial layer of any one of InGaAs, InP, InGaAsP, AlInAs, and AlGaInAs, or a composite layer in which they are combined.
  • the first clad layer 3 is an epitaxial layer of any one of InP, InGaAsP, AlInAs, and AlGaInAs, or a composite layer in which they are combined.
  • the core layer 30 that is, the light absorption layer 4, and the impurity-doped light absorption layer 8, a material that generates a photocarrier when light is incident, that is, a material having a small band gap with respect to the incident light is used.
  • the core layer 30 is an epitaxial layer of any of InGaAs, InGaAsP, and InGaAsSb, or a composite layer in which they are combined.
  • the second clad layer 5 is an epitaxial layer of any one of InP, InGaAsP, AlInAs, and AlGaInAs, or a composite layer in which they are combined.
  • the second contact layer 6 is an epitaxial layer of any one of InGaAs, InP, InGaAsP, AlInAs, and AlGaInAs, or a composite layer in which they are combined.
  • the cross-sectional view shown in FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion where the impurity-doped light absorption layer 8 is formed
  • the cross-sectional view shown in FIG. 4 is a cross-sectional view of the portion where the light absorption layer 4 is formed.
  • the second contact layer 6 and the second electrode 7 formed on the upper portion of the impurity-doped light absorption layer 8, that is, the positive side portion in the y direction are formed on the upper portion of the light absorption layer 4, that is, the positive side portion in the y direction.
  • An example is shown in which the length in the x direction is smaller than that of the contact layer 6 and the second electrode 7.
  • the length of the second contact layer 6 and the second electrode 7 formed on the upper part of the impurity-doped light absorbing layer 8 in the x direction may be a length including the length of the light incident portion 22 in the x direction. ..
  • the length of the second contact layer 6 and the second electrode 7 formed on the upper part of the light absorption layer 4, that is, the second contact layer 6 and the second electrode 7 at the rear part away from the light incident surface 21 in the x direction is a wire.
  • the second contact layer 6 and the second electrode 7 formed on the upper part of the impurity-doped light absorption layer 8, that is, the second contact layer 6 on the front side on the light incident surface 21 side and the second contact layer 6 and the like are connected. It is wider than the second electrode 7.
  • the broken line shown on the light incident surface 21 side of the second electrode 7 and the second contact layer 6 indicates a portion where the length in the x direction changes.
  • the side surfaces of the second electrode 7 and the second contact layer 6 on the traveling direction side of the signal light 20, that is, on the positive side in the z direction with respect to the cross section of the second electrode 7 and the second contact layer 6 are shown in white.
  • the inner surface of the first electrode 17 on the traveling direction side of the signal light 20, that is, on the positive side in the z direction with respect to the cross section of the first electrode 17 is shown in white.
  • the light incident portion 22 is shown in white for the sake of clarity. In the other figures, the light incident portion 22 is displayed in the same manner.
  • the entire surface or a part of the back surface side of the semiconductor substrate 1 may be covered with the back surface electrode 9. Further, at least a portion of the light incident surface 21 on which light is incident may be covered with the antireflection film 10.
  • the antireflection film 10 is omitted.
  • FIG. 6 shows an example in which the antireflection film 10 is formed from the semiconductor substrate 1 to each layer of the laminated structure portion 18. The antireflection film 10 is formed by vapor deposition or sputtering in a state where the chip of the waveguide type light receiving element 100 is cleaved.
  • the back surface electrode 9 is formed in the same manner as the first electrode 17 and the second electrode 7.
  • the operation of the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment will be described in comparison with the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example.
  • the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example shown in FIG. 9 is the same as the waveguide type light receiving element 100 of the second example except that the core layer 30 is only the light absorption layer 4.
  • the cross section shown in FIG. 9 corresponds to the cross section shown in FIG. An example in which the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type will be described. When a reverse bias is applied between the first electrode 17 and the second electrode 7, a voltage is applied so that the first electrode 17 has a positive potential and the second electrode 7 has a negative potential.
  • the number of photo carriers generated on the light incident surface 21 side of the light absorption layer 4 also increases. Since the holes move slowly, they stay on the light incident surface 21 side of the light absorption layer 4 and the second clad layer 5.
  • the retained holes are generated between the electric field due to the voltage applied between the first electrode 17 and the second electrode 7, that is, between the n-type first contact layer 2 and the p-type second contact layer 6. Since it works in the direction of canceling the electric field, the movement of holes becomes slower. Therefore, holes are further retained, and as a result, the high-speed response of the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example deteriorates. Further, in the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example, the output current corresponding to the optical input power does not flow, and the linearity of the output also deteriorates.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment holes, which are photocarriers, are mainly generated in the region of the p-type impurity-doped light absorption layer 8.
  • the generated holes serve as a large number of carriers in the p-type region, that is, the region of the impurity-doped light absorption layer 8, and therefore do not become a factor in determining the response rate.
  • the electron drift phenomenon in the p-type region determines the response speed. Since the electron drift velocity is faster than the hole drift velocity, the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment has a higher response speed than the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment can improve the high-speed response even when the optical input power is large.
  • the length of the depletion layer formed on the light incident surface 21 side of the impurity-doped light absorbing layer 8 in the y direction is that of the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example. It is shorter than the depletion layer, and the holes quickly move to the second clad layer 5 so that the holes do not accumulate in the depletion layer, so that the space charge effect can be suppressed. Therefore, the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment can improve the high-speed response as compared with the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example, and can improve the linearity of the optical current with respect to the optical input power.
  • the length of the depletion layer in the y direction becomes shorter because there is no region where the impurity concentration is lower than that of the undoped layer region or the impurity-doped light absorbing layer 8.
  • the capacitance of the waveguide type light receiving element increases, and the high-speed response deteriorates. Therefore, it is desirable that the core layer 30 has an impurity-doped light absorption layer 8 only in the region on the light incident surface 21 side.
  • the length of the impurity-doped light absorption layer 8 in the z direction is la.
  • the cross section shown in FIG. 10 corresponds to the cross section shown in FIG.
  • the length of the light absorption layer 4 of the waveguide type light receiving element that is, the length of the light absorption layer 4 of the waveguide type light receiving element 110 of the comparative example is often set to about several tens of ⁇ m.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment has an increased capacity due to the length la of the p-type impurity-doped light absorption layer 8. It is possible to improve the high-speed response and the linearity of the optical current even when the optical input power is large, while reducing the influence of the above.
  • the length la is preferably, for example, 2 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less.
  • the band is discontinuous between each epitaxial layer of the laminated structure portion 18 and between the second electrode 7 and the second contact layer 6.
  • Band discontinuity relaxation layers 16a, 16b, 16c, 16d, 16e using InGaAsP, AlGaInAs, etc. may be formed in order to alleviate the above.
  • the cross section shown in FIG. 11 corresponds to the cross section shown in FIG. In FIG. 11, an example in which band discontinuity relaxation layers 16a, 16b, 16c, 16d, 16e are formed between each epitaxial layer of the laminated structure portion 18 and between the second electrode 7 and the second contact layer 6. showed that.
  • the first clad layer 3, the band discontinuity relaxation layer 16b, the core layer 30, the band discontinuity relaxation layer 16c, and the second clad layer 5 form a waveguide layer 31.
  • Any material may be used for each layer of the laminated structure portion 18 as long as the characteristics necessary for operation as a waveguide type light receiving element can be obtained, and the above-mentioned materials do not limit the range.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first conductive type may be p type and the second conductive type may be n type.
  • the structure of the laminated structure portion 18 is a p-type first conductive type first contact layer 42 and a p-type first conductive type.
  • the second conductive type second contact layer 46 which is a mold, is sequentially laminated.
  • the first clad layer 43, the core layer 30, and the second clad layer 45 form a waveguide layer 31.
  • the cross section shown in FIG. 12 corresponds to the cross section shown in FIG.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the fifth example can improve the high-speed response even when the optical input power is large, and can improve the linearity of the optical current with respect to the optical input power.
  • a waveguide type light receiving element such as Patent Document 1 in which a window structure is formed on an end face portion where light is incident to reduce surface recombination, not only the light absorption layer 4 but also the n-type first light receiving element is used. It has a structure in which all of the epitaxial layers such as the clad layer 3 have a window structure, and it is not disclosed that the element operates at high speed by suppressing low-speed operation when the optical input power is large. From the window structure as shown in Patent Document 1, the effect of the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment cannot be inferred.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment is a waveguide type light receiving element in which a waveguide layer having a core layer for absorbing light is formed on a semiconductor substrate.
  • the waveguide type light receiving element 100 includes a first conductive type first contact layer 2, a waveguide layer 31, and a second conductive type second contact layer 6 sequentially formed on the semiconductor substrate 1.
  • the waveguide layer 31 includes a first conductive type first clad layer 3 arranged on the side of the first contact layer 2 and a second conductive type second clad layer 5 arranged on the side of the second contact layer 6. And a core layer 30 arranged between the first clad layer 3 and the second clad layer 5.
  • the core layer 30 has a light absorption layer 4 and an impurity-doped light absorption layer 8 having a higher concentration of p-type impurities than the light absorption layer 4 and arranged on the light incident surface 21 side on which the signal light 20 is incident. ..
  • the core layer 30 of the waveguide layer 31 is arranged on the light incident surface 21 side, and the concentration of p-type impurities is higher than that of the light absorption layer 4. Since the doped light absorption layer 8 is provided, high-speed response can be improved even when the optical input power is large.
  • FIG. 13 is a perspective view of the waveguide type light receiving element of the first example according to the second embodiment.
  • 14 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by A3-A3 of FIG. 13
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by DD of FIG.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the waveguide type light receiving element of the second example according to the second embodiment.
  • the cross-sectional views taken along the broken line shown by B2-B2 and the broken line shown by C2-C2 in FIG. 13 are the same as those in FIGS. 7 and 8, respectively.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the second embodiment is different from the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment in the undoped light absorbing layer 11 between the p-type impurity-doped light absorbing layer 8 and the light incident surface 21. Is different in that is arranged. A portion different from the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment will be mainly described.
  • the core layer 30 has an undoped light absorption layer 11, an impurity-doped light absorption layer 8, and a light absorption layer 4.
  • the undoped light absorbing layer 11 is a light absorbing layer that absorbs light by undoping, and is arranged closer to the light incident surface 21 than the impurity-doped light absorbing layer 8.
  • the part may be structurally weakened.
  • the first conductive type is n type and the second conductive type is p type
  • the first clad layer 3 becomes n type.
  • the first conductive type is p-type and the second conductive type is n-type
  • the second clad layer 5 becomes n-type.
  • the n-type second clad layer 45 is the n-type second clad layer 5. Corresponds to.
  • the portion where the electric field is concentrated is not formed in the region on the light incident surface 21 side which is the end of the element, even if stronger light is incident, the portion of the first embodiment The effect of the waveguide type light receiving element 100 can be exhibited.
  • the length of the undoped light absorption layer 11 in the z direction is lb.
  • the cross section shown in FIG. 16 corresponds to the cross section shown in FIG.
  • the length lb of the undoped light absorption layer 11 in the z direction is set to 50 nm, only 3% or less of the incident light is absorbed in the undoped light absorption layer 11.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the second example of the second embodiment most of the light is transmitted by the p-type impurity-doped light absorption layer 8 while maintaining the structural intensity even when strong light is incident. It can be absorbed, and high-speed response and linearity of optical current can be improved even when the optical input power is large.
  • the length lb is preferably, for example, 10 nm or more and 50 nm or less.
  • FIG. 17 is a perspective view of the waveguide type light receiving element according to the third embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the first example along the broken line shown by A4-A4 of FIG. 17, and
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the first example along the broken line shown by B3-B3 of FIG.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the second example along the broken line shown by A4-A4 of FIG. 17, and
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the second example along the broken line shown by B3-B3 of FIG.
  • the cross-sectional view taken along the broken line shown by C2-C2 in FIG. 17 is the same as that in FIG.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the third embodiment is different from the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment with the p-type impurity-doped light absorption layer 8 and the n-type first clad layer 3 or the n-type first clad layer 3. The difference is that a light absorbing layer 4 is formed between the two clad layers 5. A portion different from the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment will be mainly described.
  • the first clad layer 3 becomes n type. In this case, it becomes like the waveguide type light receiving element 100 of the first example of the third embodiment shown in FIGS. 18 and 19.
  • the first conductive type is p-type and the second conductive type is n-type
  • the second clad layer 5 becomes n-type.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the second example of the third embodiment shown in FIGS. 20 and 21 is obtained.
  • the n-type second clad layer 45 is the n-type second clad layer 5. Corresponds to.
  • the light absorption layer 4 between the p-type impurity-doped light absorption layer 8 and the n-type first clad layer 3 diffuses or injects the p-type dopant when forming the p-type impurity-doped light absorption layer 8. This can be achieved by adjusting the conditions. Further, the light absorption layer 4 between the p-type impurity-doped light absorption layer 8 and the n-type second clad layer 5 is injected with the p-type dopant when the p-type impurity-doped light absorption layer 8 is formed. This can be achieved by adjusting the conditions.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the third embodiment has the effect of the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment, and has a light absorption layer 4 or an undoped light absorption layer 4 or more than the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment. Since the region of the light absorption layer 4 having an impurity concentration lower than that of the impurity-doped light absorption layer 8 becomes wider and the capacity can be reduced, the high-speed response can be further improved.
  • the light density of the incident signal light 20 is highest in the center of the core layer 30 in the epi-stacking direction, that is, in the y direction, and approaches the upper and lower parts of the core layer 30, that is, the second clad layer 5 and the first clad layer 3. The light density is low.
  • FIG. 22 is a perspective view of the waveguide type light receiving element according to the fourth embodiment
  • FIG. 23 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by A5-A5 of FIG.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by B4-B4 of FIG. 22, and
  • FIG. 25 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by C3-C3 of FIG.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by FF in FIG. 22, and
  • FIG. 27 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by GG in FIG.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment is different from the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment in the ridge portion 14 having a part of the first clad layer 3, the core layer 30, and the second clad layer 5. Is formed, and the z-direction side surface and the y-direction side surface of the ridge portion 14 are embedded in the embedded layer 12. A portion different from the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment will be mainly described.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment includes a semiconductor substrate 1, a laminated structure portion 18 formed on the semiconductor substrate 1, a first electrode 17, and a second electrode 7.
  • the laminated structure portion 18 includes a first conductive type first contact layer 2, a ridge portion 14, a first clad layer 3, an embedded layer 12, and a second contact layer 6 arranged on the outer periphery of the ridge portion 14. ..
  • the range of the ridge portion 14 in the z direction is a range between the broken line 25a and the broken line 25b.
  • the range of the ridge portion 14 in the x direction is a range between the broken line 25c and the broken line 25d.
  • the first clad layer 3 has a portion that is a part of the ridge portion 14 and a portion that is not a part of the ridge portion 14.
  • the embedded layer 12 covers the surface on the positive side in the y direction of the first clad layer 3 not included in the ridge portion 14, and the side surface in the z direction and the side surface in the x direction of the ridge portion 14.
  • the surface of the embedding layer 12 is covered with the passivation film 13, and the surface of the second clad layer 5 and the side surface of the second contact layer 6 at the ridge portion 14 are covered with the passivation film 13.
  • the surface of the embedded layer 12 and the surface of the second clad layer 5 at the ridge portion 14 are surfaces on the positive side in the y direction.
  • the side surface of the second contact layer 6 in the ridge portion 14 is a side surface in the y direction and a side surface in the z direction.
  • the side surface of the second electrode 7 on the traveling direction side of the signal light 20, that is, on the positive side in the z direction with respect to the cross section of the second electrode 7 and the second contact layer 6 is shown in white.
  • the inner surface of the first electrode 17 on the traveling direction side of the signal light 20, that is, on the positive side in the z direction with respect to the cross section of the first electrode 17 is shown in white.
  • the second electrode 7, the first electrode 17, and the back electrode 9 located on the traveling direction side of the signal light 20, that is, on the positive side in the z direction with respect to the broken line shown by FF in FIG. 22 are shown in white. ..
  • the embedded layer 12 is an epitaxial layer such as InP, InGaAs, or InGaAsP, or a composite layer in which they are combined. Further, the embedded layer 12 may be doped with Fe or Ru.
  • the passivation film 13 is an insulating film of SiO 2 , SiN, SiON, or a composite insulating film in combination thereof.
  • a second electrode 7 is formed on the surface of the second conductive type second contact layer 6 of the laminated structure portion 18.
  • the first electrode 17 is connected to the first conductive type first contact layer 2 via a contact hole 19 formed in the embedded layer 12 of the laminated structure portion 18 and a passivation film 13 covering the side surface of the contact hole 19. There is.
  • the first conductive type is n type
  • the second conductive type is p type
  • the first conductive type may be p type
  • the second conductive type may be n type.
  • FIGS. 22 to 27 at least a portion of the light incident surface 21 on which light is incident is covered with the antireflection film 10, and the entire surface or a part of the back surface side of the semiconductor substrate 1 is covered with the back surface electrode 9. showed that.
  • the antireflection film 10 is omitted.
  • the manufacturing method of the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment will be described.
  • the procedure is as described in the first embodiment until the p-type impurity-doped light absorption layer 8 is formed.
  • a mask of the insulating film is formed by a general lithography technique.
  • the epitaxial layer of the portion not covered by the insulating film mask is etched to the middle of the first clad layer 3 by dry etching or wet etching such as reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • the embedded layer 12 is selectively grown in the etched portion by an organic metal vapor phase growth method (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy: MO-VPE) or the like.
  • MO-VPE Organic Metal vapor phase growth method
  • the passivation film 13 is formed by forming an insulating film of the above-mentioned material by a method such as plasma-enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) or sputtering, and etching an unnecessary portion of the insulating film. To form.
  • PE-CVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • sputtering an unnecessary portion of the insulating film.
  • a general lithography technique is used to etch the insulating film of the unnecessary part while leaving a mask only for the desired part.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment is embedded with an embedded layer 12 so that the x-direction and z-direction side surfaces of the ridge portion 14 are not exposed, so that the interface boundary portion, which is a portion where the electric field is concentrated, is the element end.
  • the effect of the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment can be obtained even if stronger light is incident.
  • a part of the lower layer of the second electrode 7 (on the right side of the broken line 25b in FIG. 23) is formed in the passivation film 13 and the embedded layer 12, and only in the ridge portion 14. Since the facing area, which is the area of the first contact layer 2 facing the formed undoped light absorption layer 4 or the light absorption layer 4 having an impurity concentration lower than that of the impurity-doped light absorption layer 8, can be reduced, the second electrode 7 can be used.
  • the capacitance between the connected second contact layer 6 and the first contact layer 2 connected to the first electrode 17, that is, the capacitance of the waveguide type light receiving element can be reduced. That is, in the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment, since the core layer 30 having the impurity-doped light absorption layer 8 and the light absorption layer 4 is formed in the ridge portion 14, the waveguide type of the first embodiment is formed. The capacitance of the waveguide type light receiving element can be reduced as compared with the light receiving element 100. Therefore, the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment has the effect of the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment, and has a more waveguide type light receiving element than the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment. Since the capacitance of the device is small, the high-speed response can be improved as compared with the waveguide type light receiving element 100 of the first embodiment.
  • FIG. 28 is a perspective view of the waveguide type light receiving element according to the fifth embodiment
  • FIG. 29 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by A6-A6 of FIG. 28.
  • the cross-sectional views taken along the broken line shown by B4-B4, the broken line shown by C3-C3, the broken line shown by FF, and the broken line shown by GG in FIG. 28 are FIGS. 24, 25, and 26, respectively. , Same as FIG. 27.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment is different from the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment in that the semiconductor substrate 1 extends the substrate extending portion 32 extending in the traveling direction side of the signal light 20, that is, the positive side in the z direction. It differs in that it is prepared. A portion different from the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment will be mainly described.
  • the substrate stretched portion 32 is formed by etching the laminated structure portion 18 on the side opposite to the light incident surface 21.
  • the range of the substrate stretched portion 32 in the z direction is between the broken line 26a and the broken line 26b.
  • the substrate extending portion 32 extends in the z-direction positive side from the end portion of the embedded layer 12 on the z-direction positive side.
  • the range of the substrate stretched portion 32 in the x direction is the same as the range of the laminated structure portion 18 in the x direction.
  • the passivation film 13 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1
  • the second electrode 7 is formed on the surface of the passivation film 13 by extending from the upper part of the ridge portion 14.
  • the first electrode 17 (not shown) in FIG. 29 is also formed on the surface of the passivation film 13 by extending from the upper part of the laminated structure portion 18 like the second electrode 7.
  • the substrate stretching portion 32 is formed by dry etching or wet etching such as RIE after forming the laminated structure portion 18 having the embedded layer 12 in the waveguide type light receiving element of the fourth embodiment.
  • a semiconductor is formed by forming an insulating film or a photoresist mask on the surface of the laminated structure portion 18 by a general lithography technique, and by dry etching or wet etching such as RIE in a state where the portion to be etched is opened. Etch up to substrate 1. After that, the passivation film 13, the second electrode 7, the first electrode 17, and the back surface electrode 9 are formed.
  • the chip size of the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment is the same as the chip size of the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment. Since the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment includes the substrate extending portion 32, the area of the laminated structure portion 18 on which the ridge portion 14 is formed facing the semiconductor substrate 1 is the waveguide of the fourth embodiment. It is smaller than the mold light receiving element 100. Therefore, the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment faces the undoped light absorbing layer 4 formed only in the ridge portion 14 or the light absorbing layer 4 having an impurity concentration lower than that of the impurity-doped light absorbing layer 8.
  • the facing area which is the area of one contact layer 2
  • the second contact layer 6 connected to the second electrode and the first electrode 17 connected to the first electrode 17 are connected.
  • the capacitance between the contact layer 2 and the waveguide type light receiving element that is, the capacity of the waveguide type light receiving element can be reduced as compared with the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment has the effect of the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment, and has a larger capacity of the waveguide type light receiving element than the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment. Is small, so that the high-speed response can be improved as compared with the waveguide type light receiving element 100 of the fourth embodiment.
  • FIG. 30 is a perspective view of the waveguide type light receiving element according to the sixth embodiment.
  • 31 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by B5-B5 of FIG. 30, and
  • FIG. 32 is a surface view of the core layer of FIG.
  • the cross-sectional views taken along the broken line shown by A3-A3 in FIG. 30, the broken line shown by C2-C2, and the broken line shown by DD are the same as those in FIGS. 14, 8, and 15, respectively.
  • the undoped light absorbing layer 11 is formed on the x-direction side surface of the p-type impurity-doped light absorbing layer 8 as compared with the waveguide type light receiving element 100 of the second embodiment. It differs in that it is. A portion different from the waveguide type light receiving element 100 of the second embodiment will be mainly described.
  • the undoped light absorption layer 11 is formed between the p-type impurity-doped light absorption layer 8 and the light incident surface 21, and the undoped light absorption layer 11 is formed with respect to the traveling direction of the signal light 20.
  • the undoped light absorption layer 11 is formed on the outer side of the parallel side surface, that is, the side surface in the x direction. Therefore, the core layer 30 in the waveguide type light receiving element 100 of the sixth embodiment is a side surface of the impurity-doped light absorption layer 8 in the x direction perpendicular to the z direction in which the signal light 20 travels and the y direction perpendicular to the semiconductor substrate 1.
  • the corner portion of the interface between the p-type impurity-doped light absorbing layer 8 and the n-type first clad layer 3 or the n-type second clad layer 5, that is, the light incident surface 21 Since the electric field tends to concentrate on the interface boundary portion extending in the x direction on the side, when strong light is incident, that portion may be structurally weakened. Since the interface boundary portion where the electric field is concentrated can be made smaller than that of the waveguide type light receiving element 100 of the second embodiment, the waveguide type light receiving element 100 of the sixth embodiment is more than the waveguide type light receiving element 100 of the second embodiment. Even if strong light is incident, the structural intensity can be maintained.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the sixth embodiment is the waveguide type light receiving element of the second embodiment except that the undoped light absorption layer 11 is formed on the x-direction side surface of the p-type impurity-doped light absorption layer 8. Since it is the same as 100, it has the same effect as the waveguide type light receiving element 100 of the second embodiment. Further, the waveguide type light receiving element 100 of the sixth embodiment can maintain the structural intensity even when stronger light is incident than the waveguide type light receiving element 100 of the second embodiment, and can improve the reliability. can.
  • Embodiment 7 is a perspective view of the waveguide type light receiving element according to the seventh embodiment, and FIG. 34 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by A7 to A7 of FIG. 33. 35 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by B6-B6 of FIG. 33, and FIG. 36 is a cross-sectional view taken along the broken line shown by C4-C4 of FIG. 33.
  • the cross-sectional views taken along the broken line shown by FF in FIG. 33 and the broken line shown by GG are the same as those in FIGS. 26 and 27, respectively.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the seventh embodiment is between the core layer 30 and the n-type first clad layer 3 or the n-type second clad layer 5 with the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment. It differs in that the electronic traveling layer 15 is arranged in the.
  • FIGS. 34 to 36 an example in which the first conductive type is n type and the second conductive type is p type is shown.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the seventh embodiment is modified to include the ridge portion 14 and the substrate extending portion 32 like the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment.
  • an electron traveling layer is formed between the core layer 30 and the n-type first clad layer 3 or the n-type second clad layer 5. It can also be said that 15 are arranged. A portion different from the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment and the waveguide type light receiving element 100 of the third embodiment will be mainly described.
  • the electron traveling layer 15 is an undoped epitaxial layer and has a property of not absorbing light, that is, a non-light absorption property.
  • the electron traveling layer 15 is, for example, InP, InGaAsP, AlInAs, AlGaInAs, or the like. Since the electron traveling layer 15 has non-light absorption, the electrons of the photo carrier travel on the electron traveling layer 15.
  • the first clad layer 3, the electron traveling layer 15, the core layer 30, and the second clad layer 5 constitute a waveguide layer 31.
  • the light absorption layer 4 is formed between the p-type impurity-doped light absorption layer 8 and the n-type first clad layer 3 or the n-type second clad layer 5.
  • the region of the undoped light absorbing layer 4 or the light absorbing layer 4 having an impurity concentration lower than that of the impurity-doped light absorbing layer 8 becomes wider and the capacity can be reduced.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the third embodiment there is a photocarrier generated in the region where the light absorption layer 4 on the light incident surface 21 side is left, and the retention of holes is suppressed to further high-speed response. There was room for improvement.
  • the light absorption layer 4 is formed between the p-type impurity-doped light absorption layer 8 and the n-type first clad layer 3 or the n-type second clad layer 5. Therefore, there are a few holes generated in the portion of the light absorbing layer 4 on the side of the light incident surface 21 having a short length in the y direction.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the seventh embodiment is different from the modified example of the waveguide type light receiving element 100 of the third embodiment and the waveguide type light receiving element 100 of the third embodiment, and the signal light 20 is a p-type impurity.
  • the waveguide type light receiving element 100 of the seventh embodiment can improve the high-speed response as compared with the modified example of the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment and the waveguide type light receiving element 100 of the third embodiment. ..
  • the electron traveling layer 15 is undoped, as described in the third embodiment, the undoped light absorption layer 4 or the region of the light absorption layer 4 having an impurity concentration lower than that of the impurity-doped light absorption layer 8 is undoped.
  • the area of the electronic traveling layer 15 becomes wider. Therefore, the capacity of the waveguide type light receiving element 100 of the seventh embodiment can be reduced as compared with that of the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment. Therefore, the waveguide type light receiving element 100 of the seventh embodiment can exhibit the effect of the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment and can achieve higher speed operation than the waveguide type light receiving element 100 of the fifth embodiment. ..
  • the first conductive type is n type and the second conductive type is p type
  • the first conductive type is p type and the second conductive type is n. It may be a mold.
  • the electron traveling layer 15 is formed between the n-type second clad layer 5 and the core layer 30. That is, in FIGS. 34 to 36, the electron traveling layer 15 arranged between the first clad layer 3 and the core layer 30 has moved between the n-type second clad layer 5 and the core layer 30. It becomes a figure.
  • a light absorption layer is formed between the p-type impurity-doped light absorption layer 8 and the n-type first clad layer 3 or the n-type second clad layer 5.
  • the electronic traveling layer 15 may be formed instead of 4.
  • the light absorption layer 4 on the positive side in the y direction or the light absorption layer 4 on the negative side in the y direction of the p-type impurity-doped light absorption layer 8 replaces the undoped electron traveling layer 15 having non-light absorption, so that the speed is high. Responsiveness can be improved.

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Abstract

導波路型受光素子（１００）は、半導体基板（１）に順次形成された、第一導電型の第一コンタクト層（２）、導波路層（３１）、第二導電型の第二コンタクト層（６）を備える。導波路層（３１）は、第一コンタクト層（２）の側に配置された第一導電型の第一クラッド層（３）と、第二コンタクト層（６）の側に配置された第二導電型の第二クラッド層（５）と、第一クラッド層（３）と第二クラッド層（５）との間に配置されたコア層（３０）と、を備える。コア層（３０）は、光吸収層（４）と、光吸収層（４）よりもｐ型不純物の濃度が高く、光入射面（２１）側に配置されている不純物ドープ光吸収層（８）とを有する。

Description

導波路型受光素子
　本願は、導波路型受光素子に関するものである。
　光通信の通信容量の飛躍的な増加に伴い、通信システムの大容量化が図られてきている。このため、光通信機器の高速化が必要となっている。光通信機器に用いられる半導体受光素子であるフォトダイオードにおいては、その応答速度を決定する要因の一つに素子容量Ｃ及び素子抵抗ＲによるＣＲ時定数がある。フォトダイオードの応答速度を高めるためには、ＣＲ時定数を小さくする必要がある。素子容量Ｃを低減することが重要である。
　素子容量Ｃを低減し、例えば４０ＧＨｚ以上の高速応答性を得る手法として、導波路型受光素子が採用される。導波路型受光素子は、エピタキシャル層の側面から光を入射する構造であり、通常の面入射型構造と異なり感度と帯域を個別に最適化することができるため、高速動作に向いた構造となっている。
　特許文献１には、光が入射する端面部分に、表面再結合を低減するように工夫した窓構造を備えた導波路型半導体受光素子（導波路型受光素子）が開示されている。特許文献１の導波路型半導体受光素子は、光を吸収しながら導波する光吸収・導波層（光吸収層）を備え、窓構造における光吸収・導波層が非自然超格子領域になっている。
特開平１１－３４０４９７号公報（図１、図２）
　光吸収層に直接光が入射する導波路型受光素子においては、一般的に受光領域のサイズが面入射型受光素子より小さく、光が入射する側の端面に集中することになる。このため、光吸収層における光が入射する前端面（光入射面）側でフォトキャリアが多く発生する。発生したフォトキャリアは、フォトダイオードに印加された逆バイアスによって、正孔は負電位のアノード側へ移動し、電子は正電位のカソード側へ移動する。フォトダイオードに入力される光のパワーすなわち光入力パワーが大きい程、フォトキャリアは多数発生する。発生したフォトキャリアが多いと空間電荷効果によって十分な電界強度が得られず、フォトキャリアを高速で引き抜くことができなくなる。そのため、フォトダイオードの高速応答性が悪化する。特に、ドリフト速度が遅い正孔の移動時間が高速応答性を律速することになる。
　本願明細書に開示される技術は、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性が向上する導波路型受光素子を得ることを目的とする。
　本願明細書に開示される一例の導波路型受光素子は、光を吸収するコア層を有する導波路層が半導体基板に形成されている。導波路型受光素子は、半導体基板に順次形成された、第一導電型の第一コンタクト層、導波路層、第二導電型の第二コンタクト層を備える。導波路層は、第一コンタクト層の側に配置された第一導電型の第一クラッド層と、第二コンタクト層の側に配置された第二導電型の第二クラッド層と、第一クラッド層と第二クラッド層との間に配置されたコア層と、を備える。コア層は、光吸収層と、光吸収層よりもｐ型不純物の濃度が高く、信号光が入射する光入射面側に配置されている不純物ドープ光吸収層とを有する。
　本願明細書に開示される一例の導波路型受光素子は、導波路層のコア層が光入射面側に配置されると共に光吸収層よりもｐ型不純物の濃度が高い不純物ドープ光吸収層を有するので、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性を向上することができる。
実施の形態１に係る第一例の導波路型受光素子の斜視図である。 図１のＡ１－Ａ１で示した破線に沿った断面図である。 図１のＢ１－Ｂ１で示した破線に沿った断面図である。 図１のＣ１－Ｃ１で示した破線に沿った断面図である。 実施の形態１に係る第二例の導波路型受光素子の斜視図である。 図５のＡ２－Ａ２で示した破線に沿った断面図である。 図５のＢ２－Ｂ２で示した破線に沿った断面図である。 図５のＣ２－Ｃ２で示した破線に沿った断面図である。 比較例の導波路型受光素子の断面図である。 実施の形態１に係る第三例の導波路型受光素子の断面図である。 実施の形態１に係る第四例の導波路型受光素子の断面図である。 実施の形態１に係る第五例の導波路型受光素子の断面図である。 実施の形態２に係る第一例の導波路型受光素子の斜視図である。 図１３のＡ３－Ａ３で示した破線に沿った断面図である。 図１３のＤ－Ｄで示した破線に沿った断面図である。 実施の形態２に係る第二例の導波路型受光素子の断面図である。 実施の形態３に係る導波路型受光素子の斜視図である。 図１７のＡ４－Ａ４で示した破線に沿った第一例の断面図である。 図１７のＢ３－Ｂ３で示した破線に沿った第一例の断面図である。 図１７のＡ４－Ａ４で示した破線に沿った第二例の断面図である。 図１７のＢ３－Ｂ３で示した破線に沿った第二例の断面図である。 実施の形態４に係る導波路型受光素子の斜視図である。 図２２のＡ５－Ａ５で示した破線に沿った断面図である。 図２２のＢ４－Ｂ４で示した破線に沿った断面図である。 図２２のＣ３－Ｃ３で示した破線に沿った断面図である。 図２２のＦ－Ｆで示した破線に沿った断面図である。 図２２のＧ－Ｇで示した破線に沿った断面図である。 実施の形態５に係る導波路型受光素子の斜視図である。 図２８のＡ６－Ａ６で示した破線に沿った断面図である。 実施の形態６に係る導波路型受光素子の斜視図である。 図３０のＢ５－Ｂ５で示した破線に沿った断面図である。 図３０のコア層の表面図である。 実施の形態７に係る導波路型受光素子の斜視図である。 図３３のＡ７－Ａ７で示した破線に沿った断面図である。 図３３のＢ６－Ｂ６で示した破線に沿った断面図である。 図３３のＣ４－Ｃ４で示した破線に沿った断面図である。
実施の形態１．
　図１は実施の形態１に係る第一例の導波路型受光素子の斜視図であり、図２は図１のＡ１－Ａ１で示した破線に沿った断面図である。図３は図１のＢ１－Ｂ１で示した破線に沿った断面図であり、図４は図１のＣ１－Ｃ１で示した破線に沿った断面図である。図５は実施の形態１に係る第二例の導波路型受光素子の斜視図であり、図６は図５のＡ２－Ａ２で示した破線に沿った断面図である。図７は図５のＢ２－Ｂ２で示した破線に沿った断面図であり、図８は図５のＣ２－Ｃ２で示した破線に沿った断面図である。図９は、比較例の導波路型受光素子の断面図である。図１０は実施の形態１に係る第三例の導波路型受光素子の断面図であり、図１１は実施の形態１に係る第四例の導波路型受光素子の断面図である。図１２は、実施の形態１に係る第五例の導波路型受光素子の断面図である。実施の形態１の第一例の導波路型受光素子１００は、半導体基板１、半導体基板１に形成された積層構造部１８、第一電極１７、第二電極７を備えている。
　半導体基板１は、例えばＩｎＰ基板である。積層構造部１８の構造は、図２に示すように半導体基板１の表面に、第一導電型の第一コンタクト層２、第一導電型の第一クラッド層３、ＩｎＧａＡｓ等の光吸収層４及びｐ型の不純物がドープされた不純物ドープ光吸収層８を有するコア層３０、第二導電型の第二クラッド層５、第二導電型の第二コンタクト層６が順次積層された構造である。第一クラッド層３、コア層３０、第二クラッド層５は、導波路層３１を構成している。したがって、積層構造部１８は、第一導電型の第一コンタクト層２、導波路層３１、第二導電型の第二コンタクト層６を備えており、導波路層３１は第一コンタクト層２の側に配置された第一導電型の第一クラッド層３と、第二コンタクト層６の側に配置された第二導電型の第二クラッド層５と、第一クラッド層３と第二クラッド層５との間に配置されたコア層３０と、を備えている。積層構造部１８の第二導電型の第二コンタクト層６の表面に第二電極７が形成されている。例えば、光吸収層４は不純物がドープされないＩｎＧａＡｓ等のアンドープ層であり、不純物ドープ光吸収層８はＩｎＧａＡｓ等の結晶層にｐ型の不純物がドープされた不純物がドープ層である。また、第一電極１７は、積層構造部１８に形成されたコンタクト穴１９を介して第一導電型の第一コンタクト層２に接続されている。例えば、第一導電型はｎ型であり、第二導電型はｐ型である。不純物ドープ光吸収層８は、信号光２０が入射する光入射面２１の側の光吸収層４がｐ型化されている光吸収層である。信号光２０は、コア層３０の光入射部２２から入射する。図２は信号光２０の進行方向すなわち光進行方向に切断した断面図であり、図３及び図４は信号光２０の進行方向に垂直な方向に切断した断面図である。
　信号光２０の進行方向はｚ方向であり、半導体基板１に垂直な方向はｙ方向であり、ｚ方向及びｙ方向に垂直な方向はｘ方向である。図２に示した断面は、ｙ方向の軸及びｚ方向の軸を包含するＹＺ面で切断した断面ということもできる。図３及び図４に示した断面は、ｘ方向の軸及びｙ方向の軸を包含するＸＹ面で切断した断面ということもできる。
　実施の形態１の導波路型受光素子１００の製造方法を説明する。積層構造部１８の各層の結晶成長法としては、液相成長法（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＬＰＥ）、気相成長法（Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＶＰＥ）、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＶＰＥ：ＭＯ－ＶＰＥ）、分子線エピタキシー成長法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）などが用いられる。
　積層構造部１８の各層は、第III－Ｖ族の半導体結晶である。積層構造部１８の各層の具体例は後述する。第III－V族の半導体結晶に導電性を与えるために、ｐ型ドーパント（ｐ型不純物）としてＢｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄなどの第II族の原子が用いられ、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）としてＳ、Ｓｅ、Ｔｅなどの第VI族の原子が用いられる。また、半導体結晶によりｐ型、ｎ型いずれかの導電型のドーパントとして働く両性不純物として、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの第IV族の原子が用いられる。また、Ｆｅ、Ｒｕなどの原子は、導電性を抑え半絶縁性（Ｓｅｍｉ－Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ：ＳＩ）型となる絶縁型ドーパントとして働く。
　不純物ドープ光吸収層８は、積層構造部１８の光吸収層４の一部、例えば光入射面２１の側に、ｐ型ドーパントを拡散又は注入することにより形成する。不純物ドープ光吸収層８が形成される前の積層構造部１８の表面すなわち半導体基板１と反対側の面に、一般的なリソグラフィー技術によって絶縁膜又はフォトレジストのマスクを形成し、不純物ドープ光吸収層８にする部分を開口させた状態で、ｐ型ドーパントを拡散又は注入する。このようにして、光吸収層４の一部がｐ型化されたコア層３０が形成される。なお、光吸収層４がアンドープ層であり、不純物ドープ光吸収層８がドープ層である例で説明したが、光吸収層４はアンドープ層に限定されない。光吸収層４は、不純物ドープ光吸収層８よりもｐ型不純物の濃度が低ければよい。具体的には、光吸収層４におけるｐ型不純物の濃度又はｎ型不純物の濃度が、不純物ドープ光吸収層８におけるｐ型不純物の濃度の１／１０以下であればよい。したがって、コア層３０は、光吸収層４と、光吸収層４よりもｐ型不純物の濃度が高く、信号光２０が入射する光入射面２１側に配置されている不純物ドープ光吸収層８とを有している。
　第一電極１７、第二電極７は次のように形成する。コンタクト穴１９は、一般的なリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみマスクを開口させた状態でウェットエッチングすることで積層構造部１８に形成される。第一電極１７、第二電極７を形成する部分に、一般的なリソグラフィー技術を用いて所望の部分のみマスクを開口させた状態で、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属を電子ビーム蒸着もしくはスパッタなどの方法で成膜する。その後、不要な部分のメタルを除去することにより第一電極１７、第二電極７が形成される。また、次のように第一電極１７、第二電極７を形成してもよい。コンタクト穴１９が形成された積層構造部１８の全面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属を成膜する。その後、一般的なリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみマスクを残した状態で、不要な部分の金属をウェットエッチングすることで、第一電極１７、第二電極７が形成される。
　半導体基板１は、Ｆｅなどがドーピングされた半絶縁性基板が望ましい。第一コンタクト層２は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓのいずれかのエピタキシャル層又はそれらの組み合わせた複合層等である。第一クラッド層３は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓのいずれかのエピタキシャル層又はそれらの組み合わせた複合層等である。コア層３０すなわち光吸収層４および不純物ドープ光吸収層８は、光が入射した場合にフォトキャリアが発生する材料、つまり入射光に対してバンドギャップの小さい材料を用いる。コア層３０は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂのいずれかのエピタキシャル層又はそれらの組み合わせた複合層等である。第二クラッド層５は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓのいずれかのエピタキシャル層又はそれらの組み合わせた複合層等である。第二コンタクト層６は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓのいずれかのエピタキシャル層又はそれらの組み合わせた複合層等である。
　図３に示した断面図は不純物ドープ光吸収層８が形成されている部分の断面図であり、図４に示した断面図は光吸収層４が形成されている部分の断面図である。不純物ドープ光吸収層８の上部すなわちｙ方向正側部に形成されている第二コンタクト層６及び第二電極７は、光吸収層４の上部すなわちｙ方向正側部に形成されている第二コンタクト層６及び第二電極７よりもｘ方向の長さが小さい例を示した。不純物ドープ光吸収層８の上部に形成されている第二コンタクト層６及び第二電極７におけるｘ方向の長さは、光入射部２２のｘ方向の長さを包含する長さであればよい。光吸収層４の上部に形成されている第二コンタクト層６及び第二電極７すなわち光入射面２１から離れた後部の第二コンタクト層６及び第二電極７におけるｘ方向の長さは、ワイヤ等が接続される部分になるので、不純物ドープ光吸収層８の上部に形成されている第二コンタクト層６及び第二電極７すなわち光入射面２１側である前部の第二コンタクト層６及び第二電極７よりも広くなっている。第一電極１７は、ｚ方向の各位置におけるｘ方向の長さが同じである例を示した。図２において、第二電極７及び第二コンタクト層６の光入射面２１側に示した破線はｘ方向の長さが変化する部分を示している。図３において、第二電極７及び第二コンタクト層６の断面よりも信号光２０の進行方向側すなわちｚ方向正側の第二電極７及び第二コンタクト層６の側面は白抜きで表示した。第一電極１７の断面よりも信号光２０の進行方向側すなわちｚ方向正側の第一電極１７の内面は白抜きで表示した。また、光入射部２２は分かり易くするために白抜きで示した。他の図においても同様に光入射部２２を表示した。
　図５～図８に示す第二例の導波路型受光素子１００のように、半導体基板１の裏面側の全面又は一部が裏面電極９で覆われていてもよい。また、光入射面２１の少なくとも光が入射する部分は、反射防止膜１０で覆われていてもよい。図５では、反射防止膜１０を省略した。図６では、反射防止膜１０が半導体基板１から積層構造部１８の各層に亘って形成されている例を示した。反射防止膜１０は、導波路型受光素子１００のチップをへき開した状態で、蒸着又はスパッタにより形成される。裏面電極９は、第一電極１７、第二電極７と同様に形成される。
　実施の形態１の導波路型受光素子１００の動作を、比較例の導波路型受光素子１１０と比較して説明する。図９に示した比較例の導波路型受光素子１１０は、コア層３０が光吸収層４のみになっている以外は、第二例の導波路型受光素子１００と同じである。図９に示した断面は、図６示した断面に相当する。第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型である例を説明する。第一電極１７と第二電極７との間に逆バイアスを印加する場合は、第一電極１７が正電位、第二電極７が負電位となるように電圧を印加する。比較例の導波路型受光素子１１０の光入射面２１に光が入射すると、光吸収層４の光入射面２１に近い領域にフォトキャリアが多数発生する。発生したフォトキャリアである正孔は、第一電極１７と第二電極７との間に印加した逆バイアスによるドリフトにより、ｐ型の第二クラッド層５側へ移動する。発生したフォトキャリアである電子は逆方向のｎ型の第一クラッド層３側へ移動する。正孔は電子より有効質量が大きく移動速度が小さいため、高速応答性は正孔の移動時間で律速されることになる。
　強い光が光入射面２１に入射した場合、光吸収層４の光入射面２１側で発生するフォトキャリアも増加する。正孔は移動が遅いため、光吸収層４及び第二クラッド層５の光入射面２１側に滞留していく。この滞留している正孔は第一電極１７と第二電極７との間に印加している電圧による電界すなわちｎ型の第一コンタクト層２とｐ型の第二コンタクト層６との間の電界を打ち消す方向に働くため、さらに正孔の移動が遅くなる。このため正孔はさらに滞留し、結果として比較例の導波路型受光素子１１０の高速応答性が悪化していく。また、比較例の導波路型受光素子１１０は、光入力パワーに応じた出力電流が流れなくなり、出力の線形性も悪化する。
　これに対し、実施の形態１の導波路型受光素子１００では、フォトキャリアである正孔は主にｐ型の不純物ドープ光吸収層８の領域で発生する。発生した正孔は、ｐ型領域すなわち不純物ドープ光吸収層８の領域の多数キャリアとなるため、応答速度を決める要因とはならない。実施の形態１の導波路型受光素子１００では、ｐ型領域における電子のドリフト現象が応答速度を決めることになる。電子のドリフト速度は正孔のドリフト速度より速いため、実施の形態１の導波路型受光素子１００は比較例の導波路型受光素子１１０よりも応答速度が向上する。したがって、実施の形態１の導波路型受光素子１００は、比較例の導波路型受光素子１１０と異なり、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性を向上することができる。また、実施の形態１の導波路型受光素子１００は、不純物ドープ光吸収層８の光入射面２１側に形成される空乏層のｙ方向の長さは比較例の導波路型受光素子１１０の空乏層よりも短くなり、正孔は速やかに第二クラッド層５に移動して空乏層中に正孔が蓄積しなくなるため空間電荷効果を抑制することができる。このため実施の形態１の導波路型受光素子１００は、比較例の導波路型受光素子１１０よりも高速応答性を改善でき、光入力パワーに対する光電流の線形性を改善することができる。
　なお、光吸収層４を全て不純物ドープ光吸収層８にした場合、アンドープ層領域又は不純物ドープ光吸収層８よりも不純物の濃度が低い領域がなくなるため空乏層のｙ方向の長さが短くなり導波路型受光素子の容量が増加し、高速応答性が悪化する。このため、コア層３０は光入射面２１の側の領域だけを不純物ドープ光吸収層８にすることが望ましい。
　不純物ドープ光吸収層８のｚ方向の長さの一例を説明する。図１０に示した第三例の導波路型受光素子１００は、不純物ドープ光吸収層８のｚ方向の長さがｌａである。図１０に示した断面は、図６示した断面に相当する。一般的に、導波路型受光素子の光吸収層４の長さすなわち比較例の導波路型受光素子１１０の光吸収層４の長さは数１０μｍ程度に設定する場合が多い。数１０μｍ程度の光吸収層４の長さのうちｐ型の不純物ドープ光吸収層８の長さｌａを３μｍ程度にすることで、入射した光の９０％以上をｐ型の不純物ドープ光吸収層８内で吸収できる。ｐ型の不純物ドープ光吸収層８の長さｌａを３μｍ程度にすることで、実施の形態１の導波路型受光素子１００は、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８の長さｌａによる容量増加の影響を低減しつつ、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性及び光電流の線形性を向上させることができる。長さｌａは、例えば２μｍ以上３μｍ以下が望ましい。
　なお、図１１に示した第四例の導波路型受光素子１００のように、積層構造部１８の各エピタキシャル層の間、第二電極７と第二コンタクト層６との間に、バンド不連続を緩和するために、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどを用いたバンド不連続緩和層１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが形成されていてもよい。図１１に示した断面は、図６示した断面に相当する。図１１では、積層構造部１８の各エピタキシャル層の間、及び第二電極７と第二コンタクト層６との間にバンド不連続緩和層１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが形成されている例を示した。第一クラッド層３、バンド不連続緩和層１６ｂ、コア層３０、バンド不連続緩和層１６ｃ、第二クラッド層５は、導波路層３１を構成している。導波路型受光素子として動作に必要な特性が得られるなら積層構造部１８の各層にどの材料を使用してもよく、前述した材料は、範囲を限定するものではない。
　今まで、第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型である例を説明したが、これに限定されない。第一導電型がｐ型であり、第二導電型がｎ型であってもよい。図１２の第五例の導波路型受光素子１００に示したように、積層構造部１８の構造は、ｐ型である第一導電型の第一コンタクト層４２、ｐ型である第一導電型の第一クラッド層４３、ＩｎＧａＡｓの光吸収層４及びｐ型の不純物がドープされた不純物ドープ光吸収層８を有するコア層３０、ｎ型である第二導電型の第二クラッド層４５、ｎ型である第二導電型の第二コンタクト層４６が順次積層された構造であってもよい。第一クラッド層４３、コア層３０、第二クラッド層４５は、導波路層３１を構成している。図１２に示した断面は、図６示した断面に相当する。第一電極１７と第二電極７との間に逆バイアスを印加する場合は、第一電極１７が負電位、第二電極７が正電位となるように電圧を印加する。第一電極１７と第二電極７との間に印加された逆バイアスによって、発生したフォトキャリアの正孔は負電位の第一電極１７及び第一コンタクト層４２の側へ移動し、発生したフォトキャリアの電子は正電位の第二電極７及び第二導電型の第二コンタクト層４６の側へ移動する。この場合でも、ｐ型の不純物がドープされた不純物ドープ光吸収層８に正孔が滞留することがない。このため、第五例の導波路型受光素子１００は、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性を向上することができ、光入力パワーに対する光電流の線形性を向上させることができる。
　なお、特許文献１のような、光を入射する端面部分に窓構造を形成し表面再結合を低減するように工夫した導波路型受光素子では、光吸収層４だけでなくｎ型の第一クラッド層３などエピタキシャル層の全てを窓構造にする構造となっており、光入力パワーが大きい場合に低速動作になることを抑制し素子が高速動作することについては開示されていない。特許文献１に示されるような窓構造からは、実施の形態１の導波路型受光素子１００が奏する効果を類推することはできない。
　以上のように、実施の形態１の導波路型受光素子１００は、光を吸収するコア層を有する導波路層が半導体基板に形成されている導波路型受光素子である。導波路型受光素子１００は、半導体基板１に順次形成された、第一導電型の第一コンタクト層２、導波路層３１、第二導電型の第二コンタクト層６を備える。導波路層３１は、第一コンタクト層２の側に配置された第一導電型の第一クラッド層３と、第二コンタクト層６の側に配置された第二導電型の第二クラッド層５と、第一クラッド層３と第二クラッド層５との間に配置されたコア層３０と、を備える。コア層３０は、光吸収層４と、光吸収層４よりもｐ型不純物の濃度が高く、信号光２０が入射する光入射面２１側に配置されている不純物ドープ光吸収層８とを有する。実施の形態１の導波路型受光素子１００は、この構成により、導波路層３１のコア層３０が光入射面２１側に配置されると共に光吸収層４よりもｐ型不純物の濃度が高い不純物ドープ光吸収層８を有するので、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性を向上することができる。
実施の形態２．
　図１３は、実施の形態２に係る第一例の導波路型受光素子の斜視図である。図１４は図１３のＡ３－Ａ３で示した破線に沿った断面図であり、図１５は図１３のＤ－Ｄで示した破線に沿った断面図である。図１６は、実施の形態２に係る第二例の導波路型受光素子の断面図である。図１３のＢ２－Ｂ２で示した破線、Ｃ２－Ｃ２で示した破線に沿った断面図は、それぞれ図７、図８と同じである。実施の形態２の導波路型受光素子１００は、実施の形態１の導波路型受光素子１００とは、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８と光入射面２１との間にアンドープ光吸収層１１が配置されている点で異なる。実施の形態１の導波路型受光素子１００と異なる部分を主に説明する。
　実施の形態２の導波路型受光素子１００は、コア層３０がアンドープ光吸収層１１、不純物ドープ光吸収層８、光吸収層４を有している。アンドープ光吸収層１１は、アンドープで光を吸収する光吸収層であり、不純物ドープ光吸収層８よりも光入射面２１側に配置されている。実施の形態１の導波路型受光素子１００では、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５の界面の光入射面２１側の部分に電界が集中し易くなるため、強い光が入射すると、その部分が構造的に弱くなることがある。第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型である場合は、第一クラッド層３がｎ型になる。第一導電型がｐ型であり、第二導電型がｎ型である場合は、第二クラッド層５がｎ型になる。第一導電型がｐ型であり、第二導電型がｎ型である例として示した図１２の各層を用いて説明すると、ｎ型の第二クラッド層４５がｎ型の第二クラッド層５に相当する。実施の形態２の導波路型受光素子１００では、電界が集中する部分が素子端部である光入射面２１側の領域に形成されないため、さらに強い光が入射しても、実施の形態１の導波路型受光素子１００の効果を奏することができる。
　アンドープ光吸収層１１のｚ方向の長さの一例を説明する。図１６に示した実施の形態２の第二例の導波路型受光素子１００は、アンドープ光吸収層１１のｚ方向の長さがｌｂである。図１６に示した断面は、図１４に示した断面に相当する。例えば、アンドープ光吸収層１１のｚ方向の長さｌｂを５０ｎｍに設定すると、その中では入射した光の３％以下しか吸収されない。このため、実施の形態２の第二例の導波路型受光素子１００は、強い光が入射しても構造的な強度を維持しながら大部分の光をｐ型の不純物ドープ光吸収層８で吸収させることができ、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性及び光電流の線形性を向上させることができる。長さｌｂは、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下が望ましい。
実施の形態３．
　図１７は、実施の形態３に係る導波路型受光素子の斜視図である。図１８は図１７のＡ４－Ａ４で示した破線に沿った第一例の断面図であり、図１９は図１７のＢ３－Ｂ３で示した破線に沿った第一例の断面図である。図２０は図１７のＡ４－Ａ４で示した破線に沿った第二例の断面図であり、図２１は図１７のＢ３－Ｂ３で示した破線に沿った第二例の断面図である。図１７のＣ２－Ｃ２で示した破線に沿った断面図は、図８と同じである。実施の形態３の導波路型受光素子１００は、実施の形態１の導波路型受光素子１００とは、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５との間に、光吸収層４が形成されている点で異なる。実施の形態１の導波路型受光素子１００と異なる部分を主に説明する。
　第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型である場合は、第一クラッド層３がｎ型になる。この場合は図１８及び図１９に示した実施の形態３の第一例の導波路型受光素子１００のようになる。第一導電型がｐ型であり、第二導電型がｎ型である場合は、第二クラッド層５がｎ型になる。この場合は図２０及び図２１に示した実施の形態３の第二例の導波路型受光素子１００のようになる。第一導電型がｐ型であり、第二導電型がｎ型である例として示した図１２の各層を用いて説明すると、ｎ型の第二クラッド層４５がｎ型の第二クラッド層５に相当する。
　ｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３との間の光吸収層４は、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８を形成する際の、ｐ型ドーパントの拡散又は注入条件を調整することで実現できる。また、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第二クラッド層５との間の光吸収層４は、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８を形成する際の、ｐ型ドーパントの注入条件を調整することで実現できる。
　実施の形態３の導波路型受光素子１００は、実施の形態１の導波路型受光素子１００の効果を奏すると共に、実施の形態１の導波路型受光素子１００よりもアンドープの光吸収層４又は不純物濃度が不純物ドープ光吸収層８よりも低い光吸収層４の領域が広くなり低容量化できるため、より高速応答性を改善することができる。なお、入射する信号光２０の光密度はコア層３０におけるエピ積層方向の中心すなわちｙ方向の中心が最も高く、コア層３０の上部及び下部すなわち第二クラッド層５及び第一クラッド層３に近づく程光密度が低い。このため、光入射面２１の側の光吸収層４を残した領域で発生するフォトキャリアは少ない。そのため、実施の形態１の導波路型受光素子１００と同等の特性が実現でき、光入力パワーが大きい場合にも高速応答性及び光電流の線形性を向上させることができる。
実施の形態４．
　図２２は実施の形態４に係る導波路型受光素子の斜視図であり、図２３は図２２のＡ５－Ａ５で示した破線に沿った断面図である。図２４は図２２のＢ４－Ｂ４で示した破線に沿った断面図であり、図２５は図２２のＣ３－Ｃ３で示した破線に沿った断面図である。図２６は図２２のＦ－Ｆで示した破線に沿った断面図であり、図２７は図２２のＧ－Ｇで示した破線に沿った断面図である。実施の形態４の導波路型受光素子１００は、実施の形態１の導波路型受光素子１００とは、第一クラッド層３の一部、コア層３０、第二クラッド層５を有するリッジ部１４が形成され、リッジ部１４のｚ方向の側面及びｙ方向の側面が埋込層１２で埋め込まれている点で異なる。実施の形態１の導波路型受光素子１００と異なる部分を主に説明する。
　実施の形態４の導波路型受光素子１００は、半導体基板１、半導体基板１に形成された積層構造部１８、第一電極１７、第二電極７を備えている。積層構造部１８は、第一導電型の第一コンタクト層２、リッジ部１４、リッジ部１４の外周に配置された第一クラッド層３、埋込層１２、第二コンタクト層６を備えている。リッジ部１４のｚ方向の範囲は、破線２５ａから破線２５ｂの間の範囲である。リッジ部１４のｘ方向の範囲は、破線２５ｃから破線２５ｄの間の範囲である。第一クラッド層３はリッジ部１４の一部になっている部分と、リッジ部１４の一部になっていない部分を有している。埋込層１２は、リッジ部１４に含まれない第一クラッド層３のｙ方向正側の面とリッジ部１４におけるｚ方向の側面及びｘ方向の側面とを覆っている。埋込層１２の表面はパッシベーション膜１３で覆われており、リッジ部１４における第二クラッド層５の表面及び第二コンタクト層６の側面は、パッシベーション膜１３で覆われている。埋込層１２の表面、リッジ部１４における第二クラッド層５の表面は、ｙ方向正側の面である。リッジ部１４における第二コンタクト層６の側面は、ｙ方向の側面及びｚ方向の側面である。図２４において、第二電極７及び第二コンタクト層６の断面よりも信号光２０の進行方向側すなわちｚ方向正側の第二電極７の側面は白抜きで表示した。第一電極１７の断面よりも信号光２０の進行方向側すなわちｚ方向正側の第一電極１７の内面は白抜きで表示した。図２６において、図２２のＦ－Ｆで示した破線よりも信号光２０の進行方向側すなわちｚ方向正側に位置する第二電極７、第一電極１７、裏面電極９は白抜きで表示した。
　埋込層１２は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどのエピタキシャル層又はそれらの組み合わせた複合層である。また、埋込層１２には、Ｆｅ又はＲｕがドーピングされていてもよい。パッシベーション膜１３は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮの絶縁膜又はそれらの組み合わせた複合絶縁膜である。積層構造部１８の第二導電型の第二コンタクト層６の表面に第二電極７が形成されている。第一電極１７は、積層構造部１８の埋込層１２に形成されたコンタクト穴１９及びコンタクト穴１９の側面を覆うパッシベーション膜１３を介して第一導電型の第一コンタクト層２に接続されている。例えば、第一導電型はｎ型であり、第二導電型はｐ型である。また、第一導電型がｐ型であり、第二導電型がｎ型でもよい。図２２～図２７では、光入射面２１の少なくとも光が入射する部分が反射防止膜１０で覆われており、半導体基板１の裏面側の全面又は一部が裏面電極９に覆われている例を示した。図２２では、反射防止膜１０を省略した。
　実施の形態４の導波路型受光素子１００の製造方法を説明する。ｐ型の不純物ドープ光吸収層８を形成するまでは、実施の形態１で説明した通りである。その後、一般的なリソグラフィー技術によって、絶縁膜のマスクを形成する。その後、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）などのドライエッチング又はウェットエッチングにより、絶縁膜マスクに覆われていない部分のエピタキシャル層を、第一クラッド層３の途中までエッチングする。その後、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯ－ＶＰＥ）などによって、エッチングした部分に埋込層１２を選択成長する。パッシベーション膜１３は、前述した材料の絶縁膜をプラズマ励起化学気相成膜法（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥ－ＣＶＤ）又はスパッタなどの方法で成膜し、不要な部分の絶縁膜をエッチングして形成する。不要な部分の絶縁膜をエッチングする際は、一般的なリソグラフィー技術を用いて、所望の部分のみマスクを残した状態で、不要な部分の絶縁膜をエッチングする。
　実施の形態１の導波路型受光素子１００では、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５の界面における光入射面２１側の部分すなわち界面境界部に電界が集中し易くなるため、強い光が入射すると、その部分が構造的に弱くなることがある。実施の形態４の導波路型受光素子１００は、リッジ部１４のｘ方向及びｚ方向の側面が露出しないよう埋込層１２で埋め込むことで、電界が集中する部分である界面境界部が素子端部に形成されないため、さらに強い光が入射しても、実施の形態１の導波路型受光素子１００の効果を奏することができる。また、実施の形態４の導波路型受光素子１００は、第二電極７の下層の一部（図２３において破線２５ｂより右側）がパッシベーション膜１３及び埋込層１２にでき、リッジ部１４のみに形成されたアンドープの光吸収層４又は不純物濃度が不純物ドープ光吸収層８よりも低い光吸収層４に対向する第一コンタクト層２の面積である対向面積を小さくできるので、第二電極７に接続された第二コンタクト層６と第一電極１７に接続された第一コンタクト層２との間の容量すなわち導波路型受光素子の容量を低減することができる。つまり、実施の形態４の導波路型受光素子１００は、不純物ドープ光吸収層８及び光吸収層４を有するコア層３０がリッジ部１４に形成されているので、実施の形態１の導波路型受光素子１００よりも導波路型受光素子の容量を低減することができる。したがって、実施の形態４の導波路型受光素子１００は、実施の形態１の導波路型受光素子１００の効果を奏すると共に、実施の形態１の導波路型受光素子１００よりも導波路型受光素子の容量が小さいので、実施の形態１の導波路型受光素子１００よりも高速応答性を向上することができる。
実施の形態５．
　図２８は実施の形態５に係る導波路型受光素子の斜視図であり、図２９は図２８のＡ６－Ａ６で示した破線に沿った断面図である。図２８のＢ４－Ｂ４で示した破線、Ｃ３－Ｃ３で示した破線、Ｆ－Ｆで示した破線、Ｇ－Ｇで示した破線に沿った断面図は、それぞれ図２４、図２５、図２６、図２７と同じである。実施の形態５の導波路型受光素子１００は、実施の形態４の導波路型受光素子１００とは半導体基板１が信号光２０の進行方向側すなわちｚ方向正側に延伸した基板延伸部３２を備える点で異なる。実施の形態４の導波路型受光素子１００と異なる部分を主に説明する。
　基板延伸部３２は、光入射面２１と反対側の積層構造部１８をエッチングすることで形成する。基板延伸部３２のｚ方向の範囲は、破線２６ａから破線２６ｂの間の範囲である。基板延伸部３２は、埋込層１２におけるｚ方向正側の端部よりもｚ方向正側に延伸している。基板延伸部３２のｘ方向の範囲は、積層構造部１８のｘ方向の範囲と同じである。基板延伸部３２において、半導体基板１の表面にパッシベーション膜１３が形成され、パッシベーション膜１３の表面に第二電極７がリッジ部１４の上部から延伸して形成されている。また、図２９において図示しない第一電極１７も第二電極７と同様に積層構造部１８の上部から延伸してパッシベーション膜１３の表面に形成されている。
　基板延伸部３２は、実施の形態４の導波路型受光素子における埋込層１２を有する積層構造部１８を形成した後に、ＲＩＥなどのドライエッチング又はウェットエッチングにより形成する。具体的には、積層構造部１８の表面に一般的なリソグラフィー技術によって絶縁膜又はフォトレジストのマスクを形成し、エッチングする部分を開口させた状態で、ＲＩＥなどのドライエッチング又はウェットエッチングにより、半導体基板１までエッチングする。その後、パッシベーション膜１３、第二電極７、第一電極１７、裏面電極９を形成する。
　実施の形態５の導波路型受光素子１００のチップサイズが実施の形態４の導波路型受光素子１００のチップサイズが同じ場合を考える。実施の形態５の導波路型受光素子１００は基板延伸部３２を備えているので、リッジ部１４が形成されている積層構造部１８の半導体基板１に対向する面積が実施の形態４の導波路型受光素子１００よりも小さくなる。したがって、実施の形態５の導波路型受光素子１００は、リッジ部１４のみに形成されたアンドープの光吸収層４又は不純物濃度が不純物ドープ光吸収層８よりも低い光吸収層４に対向する第一コンタクト層２の面積である対向面積が実施の形態４の導波路型受光素子１００よりも小さくできるので、第二電極に接続された第二コンタクト層６と第一電極１７に接続された第一コンタクト層２との間の容量すなわち導波路型受光素子の容量を実施の形態４の導波路型受光素子１００よりも低減することができる。実施の形態５の導波路型受光素子１００は、実施の形態４の導波路型受光素子１００の効果を奏すると共に、実施の形態４の導波路型受光素子１００よりも導波路型受光素子の容量が小さいので、実施の形態４の導波路型受光素子１００よりも高速応答性を向上することができる。
実施の形態６．
　図３０は、実施の形態６に係る導波路型受光素子の斜視図である。図３１は図３０のＢ５－Ｂ５で示した破線に沿った断面図であり、図３２は図３０のコア層の表面図である。図３０のＡ３－Ａ３で示した破線、Ｃ２－Ｃ２で示した破線、Ｄ－Ｄで示した破線に沿った断面図は、それぞれ図１４、図８、図１５と同じである。実施の形態６の導波路型受光素子１００は、実施の形態２の導波路型受光素子１００とはｐ型の不純物ドープ光吸収層８のｘ方向の側面にアンドープ光吸収層１１が形成されている点で異なる。実施の形態２の導波路型受光素子１００と異なる部分を主に説明する。
　実施の形態６の導波路型受光素子１００は、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８と光入射面２１との間にアンドープ光吸収層１１が形成され、かつ信号光２０の進行方向に対して並行な側面すなわちｘ方向の側面の外側にアンドープ光吸収層１１が形成されている。したがって、実施の形態６の導波路型受光素子１００におけるコア層３０は、信号光２０が進行するｚ方向及び半導体基板１に垂直なｙ方向に垂直なｘ方向の不純物ドープ光吸収層８における側面にアンドープ光吸収層１１を有している。
　実施の形態２の導波路型受光素子１００では、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５の界面の角部すなわち光入射面２１側のｘ方向に延伸している界面境界部に電界が集中し易くなるため、強い光が入射すると、その部分が構造的に弱くなることがある。実施の形態６の導波路型受光素子１００は、電界が集中する界面境界部が実施の形態２の導波路型受光素子１００よりも小さくできるので、実施の形態２の導波路型受光素子１００よりも強い光が入射しても構造的な強度を維持することができる。
　実施の形態６の導波路型受光素子１００は、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８のｘ方向の側面にアンドープ光吸収層１１が形成されている以外は実施の形態２の導波路型受光素子１００と同じなので、実施の形態２の導波路型受光素子１００と同様の効果を奏する。さらに、実施の形態６の導波路型受光素子１００は、実施の形態２の導波路型受光素子１００よりも強い光が入射しても構造的な強度を維持でき、信頼性を向上することができる。
実施の形態７．
　図３３は実施の形態７に係る導波路型受光素子の斜視図であり、図３４は図３３のＡ７－Ａ７で示した破線に沿った断面図である。図３５は図３３のＢ６－Ｂ６で示した破線に沿った断面図であり、図３６は図３３のＣ４－Ｃ４で示した破線に沿った断面図である。図３３のＦ－Ｆで示した破線、Ｇ－Ｇで示した破線に沿った断面図は、それぞれ図２６、図２７と同じである。実施の形態７の導波路型受光素子１００は、実施の形態５の導波路型受光素子１００とはコア層３０とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５との間に電子走行層１５が配置されている点で異なる。なお、図３４～図３６では、第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型である例を示した。また、実施の形態７の導波路型受光素子１００は、実施の形態５の導波路型受光素子１００と同様にリッジ部１４及び基板延伸部３２を備えるように変更した実施の形態３の導波路型受光素子１００（実施の形態３の導波路型受光素子１００の変形例）において、コア層３０とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５との間に電子走行層１５が配置されているということもできる。実施の形態５の導波路型受光素子１００及び実施の形態３の導波路型受光素子１００と異なる部分を主に説明する。
　電子走行層１５は、アンドープのエピタキシャル層であり、光を吸収しない性質すなわち非光吸収性を有している。電子走行層１５は、例えばＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどである。電子走行層１５は非光吸収性を有しているので、フォトキャリアの電子が電子走行層１５を走行する。第一クラッド層３、電子走行層１５、コア層３０、第二クラッド層５は、導波路層３１を構成している。
　実施の形態５の導波路型受光素子１００よりも低容量化する方法を考える。実施の形態３で説明したように、光吸収層４をｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５との間に形成することで、アンドープの光吸収層４又は不純物濃度が不純物ドープ光吸収層８よりも低い光吸収層４の領域が広くなり低容量化できる。しかし、実施の形態３の導波路型受光素子１００では、光入射面２１の側の光吸収層４を残した領域で発生するフォトキャリアがあり、正孔の滞留を抑制してさらなる高速応答性を改善する余地があった。
　実施の形態３の導波路型受光素子１００では光吸収層４がｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５との間に形成されているため、ｙ方向の長さが短い光入射面２１の側の光吸収層４の部分で発生する正孔が僅かに存在する。実施の形態７の導波路型受光素子１００は、実施の形態３の導波路型受光素子１００及び実施の形態３の導波路型受光素子１００の変形例と異なり、信号光２０はｐ型の不純物ドープ光吸収層８のｙ方向正側の光吸収層４又はｙ方向負側の光吸収層４を通過することはなく、かつ電子走行層１５が非光吸収性を有しているので、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８にて信号光２０が全て吸収される。このため、実施の形態７の導波路型受光素子１００は、実施の形態５の導波路型受光素子１００及び実施の形態３の導波路型受光素子１００の変形例よりも高速応答性が改善できる。
　また、電子走行層１５は、アンドープなので実施の形態３で説明したようにアンドープの光吸収層４又は不純物濃度が不純物ドープ光吸収層８よりも低い光吸収層４の領域と同様に、アンドープの電子走行層１５の領域が広くなる。このため、実施の形態７の導波路型受光素子１００は、実施の形態５の導波路型受光素子１００よりも低容量化することができる。したがって、実施の形態７の導波路型受光素子１００は、実施の形態５の導波路型受光素子１００の効果を奏すると共に、実施の形態５の導波路型受光素子１００よりも高速動作を達成できる。
　なお、図３４～図３６では、第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型である例で説明したが、第一導電型がｐ型であり、第二導電型がｎ型であってもよい。この場合、電子走行層１５はｎ型の第二クラッド層５とコア層３０との間に形成される。すなわち、図３４～図３６において、第一クラッド層３とコア層３０との間に配置されている電子走行層１５は、ｎ型の第二クラッド層５とコア層３０との間に移動した図になる。
　なお、実施の形態３の導波路型受光素子１００において、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８とｎ型の第一クラッド層３又はｎ型の第二クラッド層５との間に、光吸収層４の代わりに電子走行層１５を形成してもよい。この場合、ｐ型の不純物ドープ光吸収層８のｙ方向正側の光吸収層４又はｙ方向負側の光吸収層４がアンドープで非光吸収性を有する電子走行層１５に代わるので、高速応答性が改善できる。
　なお、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１…半導体基板、２…第一コンタクト層、３…第一クラッド層、４…光吸収層、５…第二クラッド層、６…第二コンタクト層、８…不純物ドープ光吸収層、１１…アンドープ光吸収層、１２…埋込層、１４…リッジ部、１５…電子走行層、２１…光入射面、３０…コア層、３１…導波路層、３２…基板延伸部、４２…第一コンタクト層、４３…第一クラッド層、４５…第二クラッド層、４６…第二コンタクト層、１００…導波路型受光素子、ｌａ…長さ、ｌｂ…長さ

Claims (12)

  1. 　光を吸収するコア層を有する導波路層が半導体基板に形成された導波路型受光素子であって、
    前記半導体基板に順次形成された、第一導電型の第一コンタクト層、前記導波路層、第二導電型の第二コンタクト層を備え、
    前記導波路層は、前記第一コンタクト層の側に配置された第一導電型の第一クラッド層と、前記第二コンタクト層の側に配置された第二導電型の第二クラッド層と、前記第一クラッド層と前記第二クラッド層との間に配置された前記コア層と、を備え、
    前記コア層は、光吸収層と、前記光吸収層よりもｐ型不純物の濃度が高く、信号光が入射する光入射面側に配置されている不純物ドープ光吸収層とを有する、導波路型受光素子。
  2. 　前記第一導電型、前記第二導電型は、それぞれｎ型、ｐ型であり、
    前記第一クラッド層と前記不純物ドープ光吸収層との間に前記光吸収層が配置されている、請求項１記載の導波路型受光素子。
  3. 　前記第一導電型、前記第二導電型は、それぞれｐ型、ｎ型であり、
    前記第二クラッド層と前記不純物ドープ光吸収層との間に前記光吸収層が配置されている、請求項１記載の導波路型受光素子。
  4. 　前記第一導電型、前記第二導電型は、それぞれｎ型、ｐ型であり、
    前記第一クラッド層と前記コア層との間に光を吸収しない非光吸収性の電子走行層が配置されている、請求項１記載の導波路型受光素子。
  5. 　前記第一導電型、前記第二導電型は、それぞれｐ型、ｎ型であり、
    前記第二クラッド層と前記コア層との間に光を吸収しない非光吸収性の電子走行層が配置されている、請求項１記載の導波路型受光素子。
  6. 　前記光吸収層はアンドープである、請求項１から５のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
  7. 　前記信号光が進行する方向をｚ方向とし、前記半導体基板に垂直な方向をｙ方向とし、前記ｚ方向及び前記ｙ方向に垂直な方向をｘ方向とし、
    前記第一クラッド層における前記ｙ方向正側の一部、前記コア層、前記第二クラッド層を含み、前記ｚ方向に延伸したリッジであるリッジ部と、
    前記リッジ部に含まれない前記第一クラッド層の前記ｙ方向正側の面と前記リッジ部における前記ｚ方向の側面及び前記ｘ方向の側面とを覆う埋込層と、を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
  8. 　前記半導体基板が前記埋込層における前記ｚ方向正側の端部よりも前記ｚ方向正側に延伸している、基板延伸部を備える、請求項７記載の導波路型受光素子。
  9. 　前記コア層は、前記不純物ドープ光吸収層よりも前記光入射面側に配置されており、アンドープで光を吸収するアンドープ光吸収層を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
  10. 　前記コア層は、前記信号光が進行するｚ方向及び前記半導体基板に垂直なｙ方向に垂直なｘ方向の前記不純物ドープ光吸収層における側面に前記アンドープ光吸収層を有する、請求項９記載の導波路型受光素子。
  11. 　前記光入射面側に配置された前記アンドープ光吸収層は、前記信号光の進行方向の長さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項９または１０に記載の導波路型受光素子。
  12. 　前記不純物ドープ光吸収層は、前記信号光の進行方向の長さが２μｍ以上３μｍ以下である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の導波路型受光素子。
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