WO2022074838A1 - 導波路型受光素子 - Google Patents

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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 disclosure relates to a waveguide type light receiving element used for optical fiber communication and the like.
  • the CR time constant is one of the factors that determine the response speed of a photodiode (hereinafter referred to as PD), which is a semiconductor light receiving element used in an optical communication device.
  • PD photodiode
  • This CR time constant is determined by the element capacitance and the element resistance of the semiconductor light receiving element. It is necessary to reduce the CR time constant in order to increase the response speed. Therefore, it is important to reduce the element capacity.
  • a waveguide type light receiving element is adopted in order to reduce the element capacitance and obtain a high-speed response of, for example, 40 GHz or more.
  • This is a structure in which light is incident from the side surface of the epitaxial growth layer, and unlike a normal surface incident type structure, the sensitivity and band can be individually optimized. Therefore, the structure is suitable for high-speed operation.
  • Waveguide type light receiving elements are further roughly classified into two types.
  • One is a load-type light receiving element.
  • an optical wave guide is formed up to the cleavage end surface.
  • Light is incident on the waveguide, light is guided to a light absorption layer formed at a position several ⁇ m or more away from the incident portion, and evanescent light exuded from the guide layer in this light absorption layer in the layer thickness direction. Is photoelectrically converted. Therefore, there is an advantage that the photoelectric conversion is indirect, the concentration of the photocurrent in the vicinity of the incident end face is relaxed, and the response speed is less likely to deteriorate even when high-intensity light is incident. On the other hand, there is also a drawback that it is difficult to obtain high sensitivity in principle because the light exuding from the guide layer in the layer thickness direction is photoelectrically converted.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and the purpose of the present disclosure is to obtain a waveguide type light receiving element capable of reducing light reflection inside the element.
  • the waveguide type light receiving element is provided on a semiconductor substrate, a ridge structure including at least a light absorbing layer, and a side surface of the light absorbing layer is embedded, and is lower than the light absorbing layer.
  • the semiconductor includes a semiconductor embedded layer having a refractive index, a semiconductor layer provided between the side surface of the light absorbing layer and the semiconductor embedded layer, and having a refractive index between the light absorbing layer and the semiconductor embedded layer.
  • the semiconductor layer is characterized in that the lateral thickness of the semiconductor layer is in the range of -30% to + 20% of ⁇ / (4 ⁇ n3), where n3 is the refractive index of the layer and ⁇ is the wavelength of the incident light.
  • a semiconductor layer having a refractive index between the light absorption layer and the semiconductor embedded layer is provided between the side surface of the absorption layer and the semiconductor embedded layer, and the lateral thickness of the semiconductor layer is ⁇ / (4 ⁇ n3). Set within the range of -30% to + 20%. As a result, the incident light is reflected by the front side surface and the rear side surface of the semiconductor layer, and they interfere with each other and cancel each other out. As a result, it is possible to reduce the reflection of light inside the element. Therefore, since the return light becomes small, the operation of the light emitting element is stabilized.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a perspective view which shows the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing which follows I-II of FIG.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the waveguide type light receiving element which concerns on a comparative example.
  • FIG. 4 shows the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. 7 It is sectional drawing which shows the waveguide type light receiving element which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. It is a figure which shows the calculation result of the reflectance of light inside an element with respect to the lateral thickness of the semiconductor layer in the structure of FIGS. 7 and 8. It is a figure which shows the calculation result of the reflectance with respect to the refractive index of the semiconductor layer in the structure of FIGS. 7 and 8.
  • the waveguide type light receiving element according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
  • the same or corresponding components may be designated by the same reference numerals and the description may be omitted.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a waveguide type light receiving element according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the light incident direction.
  • An n-type contact layer 2, an n-type clad layer 3, a light absorption layer 4 made of InGaAs, a p-type clad layer 5, and a p-type contact layer 6 are laminated on the InP substrate 1 in this order.
  • a ridge structure 7 including at least a light absorption layer 4 is provided on the InP substrate 1.
  • the semiconductor embedded layer 8 having a refractive index lower than that of the light absorbing layer 4 embeds both sides of the ridge structure 7, that is, the side surfaces of the light absorbing layer 4.
  • a p-type electrode metal 9 is provided on the p-type contact layer 6.
  • the back surface metal 10 is provided on the entire surface or a part of the back surface of the InP substrate 1.
  • An antireflection film 11 is provided at least on a portion of the light incident surface 14 on which light is incident. The portion other than the contact layer on the front surface side is covered with the passivation film 12.
  • the back metal 10, the antireflection film 11, and the passivation film 12 may be omitted.
  • a semiconductor layer 13 made of InGaAsP is provided between the side surface of the light absorption layer 4 and the semiconductor embedded layer 8. Specifically, between the front side surface of the light absorbing layer 4 on the light incident surface 14 side and the semiconductor embedded layer 8 on the light incident surface 14 side, and the rear side surface of the light absorbing layer 4 on the opposite side of the light incident surface 14.
  • a semiconductor layer 13 is provided between the light and the rear semiconductor embedded layer 8, respectively.
  • the refractive index n3 of the semiconductor layer 13 is the refractive index between the light absorption layer 4 and the semiconductor embedded layer 8.
  • the incident light 15 is incident from the light incident surface 14. Assuming that the wavelength of the incident light 15 is ⁇ , the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 is set to approximately ⁇ / (4 ⁇ n3).
  • FIG. 2 is a perspective view showing a waveguide type light receiving element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line I-II of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view perpendicular to the light incident direction.
  • the n-type electrode metal 16 connected to the n-type contact layer 2 is provided at a position other than the ridge structure 7 including the light absorption layer 4.
  • a liquid phase growth method Liquid Phase Epitaxy: LPE
  • a gas phase growth method Vapor Phase Epitaxy: VPE
  • Metal organic metal vapor phase growth method
  • LPE Liquid Phase Epitaxy
  • MO-VPE molecular beam epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • a mask of an insulating film is formed by a general lithography technique. Then, by dry etching or wet etching such as reactive ion etching (RIE), the semiconductor layer in the portion not covered by the insulating film mask is etched to the middle of the n-type clad layer 3. After that, the semiconductor layer 13 and the semiconductor embedded layer 8 are crystal-grown on the portion etched by the MO-VPE method or the like.
  • RIE reactive ion etching
  • the passivation film 12 is formed on a desired portion by using a general lithography technique after forming an insulating film by a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) or a method such as sputtering. It can be formed by etching an unnecessary insulating film with the mask left.
  • PE-CVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • the semiconductor layer 13 and the semiconductor embedded layer 8 are partially etched by dry etching or wet etching such as RIE to a part directly above the n-type contact layer 2.
  • a method such as electron beam deposition or sputtering is performed on a material such as Ti, Pt, or Au in a state where the mask is opened only in a desired portion by using a general lithography technique. It can be formed by forming a film with and removing unnecessary metal. Further, in the p-type electrode metal 9 and the n-type electrode metal 16, after the metal is formed on the entire surface, the metal of the unnecessary portion is wetted with the mask left only in the desired portion by using a general lithography technique. It can also be formed by etching.
  • the InP substrate 1 is inverted, and a material such as Ti, Pt, Au is deposited by electron beam deposition or sputtering in a state where the mask is opened only in a desired portion by using a general lithography technique. It can be formed by forming a film and removing unnecessary metal. Further, the back surface metal 10 can also be formed by forming a film on the entire surface of the metal and then wet-etching the metal in an unnecessary portion while leaving a mask only in a desired portion by using a general lithography technique.
  • the antireflection film 11 is formed on the end face by vapor deposition or sputtering with the chip cleaved.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a waveguide type light receiving element according to a comparative example.
  • the semiconductor layer 13 is not provided in the comparative example.
  • the incident light passes through the semiconductor embedded layer 8 and reaches the light absorbing layer 4.
  • the light absorbing layer 4 since there is a difference in refractive index between the semiconductor embedded layer 8 and the light absorbing layer 4, light is reflected.
  • the light that cannot be completely absorbed by the light absorption layer 4 passes through to the semiconductor embedded layer 8 side behind the light absorbing layer 4, but the light is also reflected at the interface between the light absorbing layer 4 and the semiconductor embedded layer 8. Occurs. As a result, the amount of light returning to the light incident surface 14 side increases.
  • the semiconductor layer 13 having a refractive index between the two is provided on the side surface of the light absorption layer 4 embedded in the semiconductor embedded layer 8. Then, the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 is set to approximately ⁇ / (4 ⁇ n3).
  • FIG. 5 is a diagram showing a calculation result of the reflectance of light inside the element with respect to the lateral thickness of the semiconductor layer in the structure of FIG. 1.
  • the horizontal axis is a standardization of the horizontal thickness d1 of the semiconductor layer 13 by ⁇ / (4 ⁇ n3).
  • the wavelength ⁇ of the incident light 15 is 1550 nm
  • the refractive index of the semiconductor embedded layer 8 is 3.17
  • the real part of the refractive index of the light absorption layer 4 is 3.67
  • the imaginary part is -0.084
  • the refractive index n3. Was set to 3.4. It can be seen that when the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 is approximately ⁇ / (4 ⁇ n3), the reflection of light inside the device can be sufficiently reduced.
  • the refractive index of the semiconductor embedded layer 8 is 3.17
  • the refractive index of the light absorbing layer 4 is 3.67
  • the front semiconductor embedded layer 8 and the light absorption The refractive index at the interface of the front surface of the layer 4 is 22.6 dB.
  • the reflectance is ⁇ 29.1 dB. Therefore, the reflectance can be reduced by 6.5 dB, and the return light can be reduced by that amount.
  • the reflection at the interface between the rear side surface and the rear semiconductor embedded layer 8 of the light absorption layer 4 is -22.1 dB in the comparative example and ⁇ 28.6 dB in the present embodiment, and the reflectance can be reduced by 6.5 dB. ..
  • the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 is within the range of -30% to + 20% of ⁇ / (4 ⁇ n3), there is no practical problem in reflection of 0.01% or less. It can be seen that the rate is reduced. Therefore, the lateral thickness of the semiconductor layer 13 is set within the range of -30% to + 20% of ⁇ / (4 ⁇ n3). As a result, the incident light 15 is reflected by the front side surface and the rear side surface of the semiconductor layer 13, and they interfere with each other and cancel each other out. As a result, it is possible to reduce the reflection of light inside the element. Therefore, since the return light becomes small, the operation of the light emitting element is stabilized.
  • the semiconductor embedded layer 8 can be epitaxially grown on the semiconductor layer 13 by a general semiconductor process. Therefore, it is possible to manufacture a waveguide type light receiving element having the semiconductor layer 13.
  • the lateral growth rate of the semiconductor layer 13 can be controlled by the gas flow rate or the pressure / temperature, the layer thickness controllability that is difficult in forming a dielectric film is also high.
  • the InP substrate 1 is preferably a semi-insulating substrate doped with Fe or the like.
  • the material of the n-type contact layer 2 may be InGaAs, InP, InGaAsP, AlInAs, AlGaInAs, or a combination thereof.
  • the material of the n-type clad layer 3 may be InP, InGaAsP, AlInAs, AlGaInAs, or a combination thereof.
  • the material of the light absorption layer 4 is not limited to InGaAs as long as it is a material in which carriers are generated when light is incident, that is, a material having a small band gap with respect to the incident light, and may be InGaAsP, InGaAsSb, or a combination thereof.
  • the material of the p-type clad layer 5 may be InP, InGaAsP, AlInAs, AlGaInAs, or a combination thereof.
  • the material of the p-type contact layer 6 may be InGaAs, InP, InGaAsP, AlInAs, AlGaInAs, or a combination thereof.
  • the material of the semiconductor embedded layer 8 may be InP, InGaAsP, or the like, and may be doped with Fe or Ru.
  • a band discontinuity relaxation layer made of InGaAsP, AlGaInAs, or the like may be provided between each epitaxial layer or between the p-type electrode metal 9 and the epitaxial layer.
  • the material of the passivation film 12 may be SiO 2 , SiN, SiON or a combination thereof. Any material may be used for each layer 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.
  • Group II atoms such as Be, Mg, Zn, and Cd are used as p-type dopants that impart conductivity to III-V semiconductor crystals.
  • Group VI atoms such as S, Se, and Te are used as the n-type dopant.
  • Group IV atoms such as C, Si, Ge, and Sn are used as amphoteric impurities that act as any conductive type dopant in the semiconductor crystal.
  • atoms such as Fe and Ru act as insulating dopants that suppress conductivity and become semi-insulating (SI) type.
  • the reflectance is reduced by setting the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 to be approximately ⁇ / (4 ⁇ n3).
  • the thickness d1 in the lateral direction of the semiconductor layer 13 is set to be shorter than ⁇ / (4 ⁇ n3) and the thickness is set so that the reflectance of the incident light 15 is minimized. This makes it possible to further reduce the reflectance.
  • FIG. 6 is a diagram showing a calculation result of the reflectance with respect to the refractive index of the semiconductor layer in the structure of FIG. 1.
  • the wavelength ⁇ of the incident light 15 was 1550 nm
  • the thickness d1 was ⁇ / (4 ⁇ n3)
  • the refractive index n1 of the semiconductor embedded layer 8 was 3.17
  • the refractive index n2 of the light absorption layer 4 was 3.67. ..
  • the refractive index n3 of the semiconductor layer 13 is set to a value at which the reflectance of the incident light 15 becomes a minimum value. Specifically, when the refractive index n3 is (n1 ⁇ n2) ⁇ 0.5, the reflectance can be minimized and the reflectance can be reduced.
  • Embodiment 4. 7 and 8 are cross-sectional views showing a waveguide type light receiving element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the light incident direction.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view perpendicular to the light incident direction.
  • the semiconductor layer 13 is in contact with the light absorption layer 4, but in the present embodiment, the semiconductor embedded layer 8 is also provided between the side surface of the light absorption layer 4 and the semiconductor layer 13.
  • the lateral distance d2 between the side surface of the light absorption layer 4 and the semiconductor layer 13 is set to approximately ⁇ / (2 ⁇ n1).
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment, and the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 is set to approximately ⁇ / (4 ⁇ n3).
  • the semiconductor layer 13 and the second semiconductor embedded layer 8 are crystal-grown in order to carry out the present implementation.
  • the configuration of the form can be realized.
  • Other forming methods are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the calculation result of the reflectance of light inside the device with respect to the lateral thickness of the semiconductor layer in the structures of FIGS. 7 and 8.
  • the horizontal axis is a standardization of the horizontal thickness d1 of the semiconductor layer 13 by ⁇ / (4 ⁇ n3).
  • the wavelength ⁇ of the incident light 15 is 1550 nm
  • the refractive index of the semiconductor embedded layer 8 is 3.17
  • the real part of the refractive index of the light absorption layer 4 is 3.67
  • the imaginary part is -0.084
  • the refractive index n3. Was set to 3.4. It can be seen that when the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 is approximately ⁇ / (4 ⁇ n3), the reflection of light inside the device can be sufficiently reduced.
  • the reflectance at the interface between the front semiconductor embedded layer 8 and the front surface of the light absorbing layer 4 is 22.6 dB.
  • the reflectance when the refractive index n3 is 3.3, the thickness d1 is 117 nm, and the interval d2 is 244 nm, the reflectance is ⁇ 29.2 dB. Therefore, the reflectance can be reduced by 6.6 dB, and the return light can be reduced by that amount.
  • the reflection at the interface between the rear side surface and the rear semiconductor embedded layer 8 of the light absorption layer 4 is -22.1 dB in the comparative example and ⁇ 28.5 dB in the present embodiment, and the reflectance can be reduced by 6.4 dB. ..
  • the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 is within the range of -30% to + 20% of ⁇ / (4 ⁇ n3), there is no practical problem in reflection of 0.01% or less. It can be seen that the rate is reduced. Therefore, the lateral thickness of the semiconductor layer 13 is set within the range of -30% to + 20% of ⁇ / (4 ⁇ n3). As a result, the incident light 15 is reflected by the front side surface and the rear side surface of the semiconductor layer 13, and they interfere with each other and cancel each other out. As a result, it is possible to reduce the reflection of light inside the element. Therefore, since the return light becomes small, the operation of the light emitting element is stabilized.
  • the semiconductor embedded layer 8 is also provided between the side surface of the light absorption layer 4 and the semiconductor layer 13. Therefore, the semiconductor embedded layer 8 having a refractive index smaller than that of the semiconductor layer 13, that is, having a smaller band gap is in contact with the side surface of the light absorption layer 4. Therefore, the leakage current flowing on the side surface of the light absorption layer 4 can be reduced, and the long-term reliability can be improved.
  • the reflectance is reduced by setting the lateral thickness d1 of the semiconductor layer 13 to be approximately ⁇ / (4 ⁇ n3).
  • the thickness d1 in the lateral direction of the semiconductor layer 13 is set to be shorter than ⁇ / (4 ⁇ n3) and the thickness is set so that the reflectance of the incident light 15 is minimized. This makes it possible to further reduce the reflectance.
  • FIG. 10 is a diagram showing a calculation result of the reflectance with respect to the refractive index of the semiconductor layer in the structures of FIGS. 7 and 8.
  • the wavelength ⁇ of the incident light 15 was 1550 nm
  • the thickness d1 was ⁇ / (4 ⁇ n3)
  • the refractive index n1 was 3.17
  • the reflectance was extremely small when the refractive index n3 was (n1 ⁇ n2) ⁇ 0.5, but when calculated in the same manner in the present embodiment, the refractive index n3 is calculated from that value.

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Abstract

少なくとも光吸収層（４）を有するリッジ構造（７）が半導体基板（１）の上に設けられている。光吸収層（４）よりも低い屈折率を有する半導体埋め込み層（８）が光吸収層（４）の側面を埋め込んでいる。光吸収層（４）と半導体埋め込み層（８）の間の屈折率を有する半導体層（１３）が光吸収層（４）の側面と半導体埋め込み層（８）の間に設けられている。半導体層（１３）の屈折率をｎ３、入射光（１５）の波長をλとして、半導体層（１３）の横方向の厚さはλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内である。

Description

導波路型受光素子
　本開示は、光ファイバ通信等に用いられる導波路型受光素子に関する。
　通信容量の飛躍的な増加に伴って通信システムの大容量化が図られてきている。このために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（以下、ＰＤとする）の応答速度を決定する要因の一つにＣＲ時定数がある。このＣＲ時定数は半導体受光素子の素子容量と素子抵抗とによって決定される。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。このため、素子容量を低減することが重要である。
　素子容量を低減し、例えば４０ＧＨｚ以上の高速応答性を得るために導波路型受光素子が採用されている。これは、エピタキシャル成長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。このため、高速動作に適した構造となっている。
　導波路型受光素子は更に２種類に大別される。１つは装荷型受光素子である。装荷型受光素子では光導波路をへき開端面まで形成している。その導波路に光を入射させ、その入射部から数μｍ以上離れた位置に形成された光吸収層まで光を導波させ、この光吸収層においてガイド層から層厚方向にしみ出したエバネッセント光を光電変換する。従って、光電変換が間接的であり、入射端面近傍の光電流の集中が緩和され、強度の高い光を入射した場合にも応答速度の劣化が起こりにくいという利点がある。その一方で、ガイド層から層厚方向にしみ出す光を光電変換するため、原理的に高い感度を得ることが難しいという欠点もある。
　この問題を解決するため、光吸収層に直接光を入射する構造、ＦｅドープＩｎＰ層で光吸収層等を埋め込んだ構造が提案されている。これらの構造は、窓層を介して光吸収層に直接光が入射するため、導波路長をそれほど長くしなくても高い感度が得られる。従って、容量も小さくでき、高い感度と高速応答性を両立しやすい。
　しかし、光吸収層と半導体埋め込み層の界面で屈折率差が生じ、光の反射が生じる。受光素子から反射した戻り光は、ファイバへ結合した場合に発光素子側へ戻り、発光素子の動作が不安定になる。このため、受光素子内での光の反射は十分に小さいことが望ましい。これに対して、２つの異なる屈折率の光導波路の結合界面にそれらの中間の屈折率を持つ誘電体膜を挿入することで、結合界面における反射を低減する構造が提案されている（例えば、特許文献１の図７参照）。
日本特開２００６－１０６５８７号公報
　しかし、誘電体膜の上に所望の半導体層を積層することは困難であるため、実際には光吸収層と半導体埋め込み層の界面に誘電体膜を挿入した導波路型受光素子を製造することはできなかった。
　本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は素子内部での光の反射を低減することができる導波路型受光素子を得るものである。
　本開示に係る導波路型受光素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられ、少なくとも光吸収層を含むリッジ構造と、前記光吸収層の側面を埋め込み、前記光吸収層よりも低い屈折率を有する半導体埋め込み層と、前記光吸収層の側面と前記半導体埋め込み層の間に設けられ、前記光吸収層と前記半導体埋め込み層の間の屈折率を有する半導体層とを備え、前記半導体層の屈折率をｎ３、入射光の波長をλとして、前記半導体層の横方向の厚さはλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内であることを特徴とする。
　本開示では、光吸収層と半導体埋め込み層の間の屈折率を有する半導体層を吸収層の側面と半導体埋め込み層の間に設け、半導体層の横方向の厚さをλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内に設定する。これにより、入射光は半導体層の前側面と後側面で反射し、それぞれが干渉して打ち消しあう。この結果、素子内部での光の反射を低減することができる。従って、戻り光が小さくなるため、発光素子の動作が安定化される。
実施の形態１に係る導波路型受光素子を示す断面図である。 実施の形態１に係る導波路型受光素子を示す斜視図である。 図２のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 比較例に係る導波路型受光素子を示す断面図である。 図１の構造における半導体層の横方向の厚さに対する素子内部での光の反射率の計算結果を示す図である。 図１の構造における半導体層の屈折率に対する反射率の計算結果を示す図である。 実施の形態４に係る導波路型受光素子を示す断面図である。 実施の形態４に係る導波路型受光素子を示す断面図である。 図７及び図８の構造における半導体層の横方向の厚さに対する素子内部での光の反射率の計算結果を示す図である。 図７及び図８の構造における半導体層の屈折率に対する反射率の計算結果を示す図である。
　実施の形態に係る導波路型受光素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る導波路型受光素子を示す断面図である。図１は光入射方向に沿った断面図である。ＩｎＰ基板１の上に、ｎ型コンタクト層２、ｎ型クラッド層３、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６が順に積層されている。少なくとも光吸収層４を含むリッジ構造７がＩｎＰ基板１の上に設けられている。光吸収層４よりも低い屈折率を有する半導体埋め込み層８がリッジ構造７の両サイド、即ち光吸収層４の側面を埋め込んでいる。ｐ型コンタクト層６の上にｐ型電極メタル９が設けられている。
　ＩｎＰ基板１の裏面の全面又は一部に裏面メタル１０が設けられている。光入射面１４の少なくとも光が入射する部分に反射防止膜１１が設けられている。表面側のコンタクト層以外の部分はパッシベーション膜１２で覆われている。なお、裏面メタル１０、反射防止膜１１、パッシベーション膜１２は無くてもよい。
　ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１３が光吸収層４の側面と半導体埋め込み層８の間に設けられている。具体的には、光入射面１４側の光吸収層４の前側面と光入射面１４側の半導体埋め込み層８の間、及び、光入射面１４とは反対側の光吸収層４の後側面と後方の半導体埋め込み層８の間にそれぞれ半導体層１３が設けられている。半導体層１３の屈折率ｎ３は、光吸収層４と半導体埋め込み層８の間の屈折率である。光入射面１４から入射光１５が入射される。入射光１５の波長をλとして、半導体層１３の横方向の厚さｄ１は概ねλ／（４×ｎ３）に設定されている。
　図２は、実施の形態１に係る導波路型受光素子を示す斜視図である。図３は図２のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図３は光入射方向に対して垂直な断面図である。光吸収層４を含むリッジ構造７ではない箇所に、ｎ型コンタクト層２に接続されたｎ型電極メタル１６が設けられている。
　上記の導波路型受光素子の各半導体層の結晶成長法として、液相成長法（Liquid Phase Epitaxy:LPE)、気相成長法(Vapor Phase Epitaxy: VPE）、特に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。
　上記の方法で各半導体層を結晶成長した後、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半導体層をｎ型クラッド層３の途中までエッチングする。その後、ＭＯ－ＶＰＥ法などによってエッチングした部分に半導体層１３と半導体埋め込み層８を結晶成長する。
　パッシベーション膜１２は、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た後、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、不要な部分の絶縁膜をエッチングすることで形成できる。次に、半導体層１３と半導体埋め込み層８を結晶成長した箇所を一部、ｎ型コンタクト層２の直上まで、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エッチングする。
　ｐ型電極メタル９及びｎ型電極メタル１６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、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの材料を電子ビーム蒸着又はスパッタなどの方法で成膜し、不要な部分のメタルを除去することにより形成できる。また、ｐ型電極メタル９及びｎ型電極メタル１６は、メタルを全面に成膜した後、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、不要な部分のメタルをウェットエッチングすることでも形成できる。
　裏面メタル１０は、ＩｎＰ基板１を反転させ、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などの材料を電子ビーム蒸着又はスパッタなどの方法で成膜し、不要な部分のメタルを除去することにより形成できる。また、裏面メタル１０は、メタルを全面に成膜した後、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、不要な部分のメタルをウェットエッチングすることでも形成できる。反射防止膜１１は、チップをへき開した状態で端面に蒸着又はスパッタにより形成される。
　本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図４は、比較例に係る導波路型受光素子を示す断面図である。比較例には半導体層１３が設けられていない。光入射面１４に光が入射すると、入射した光は半導体埋め込み層８を通過して光吸収層４に到達する。この際、半導体埋め込み層８と光吸収層４の間には屈折率差が存在するため、光の反射が生じる。また、光吸収層４で吸収しきれなかった光は、光吸収層４の後方の半導体埋め込み層８側に通り抜けるが、この光吸収層４と半導体埋め込み層８の界面でも同様に光の反射が生じる。結果として、光入射面１４側に戻ってくる光が増加する。
　これに対して、本実施の形態では、半導体埋め込み層８で埋め込まれた光吸収層４の側面に両者の間の屈折率を有する半導体層１３を設ける。そして、半導体層１３の横方向の厚さｄ１を概ねλ／（４×ｎ３）に設定する。
　図５は、図１の構造における半導体層の横方向の厚さに対する素子内部での光の反射率の計算結果を示す図である。横軸は、半導体層１３の横方向の厚さｄ１をλ／（４×ｎ３）で規格化したものである。計算において、入射光１５の波長λを１５５０ｎｍ、半導体埋め込み層８の屈折率を３．１７、光吸収層４の屈折率の実部を３．６７、虚部を－０．０８４、屈折率ｎ３を３．４とした。半導体層１３の横方向の厚さｄ１が概ねλ／（４×ｎ３）であれば、素子内部での光の反射を十分に低減できることが分かる。
　例えば、入射光１５の波長λを１５５０ｎｍ、半導体埋め込み層８の屈折率を３．１７、光吸収層４の屈折率を３．６７とすると、比較例では、前方の半導体埋め込み層８と光吸収層４の前側面の界面での反射率は２２．６ｄＢとなる。本実施の形態で屈折率ｎ３を３．３、厚さｄ１を１１７ｎｍとすると、反射率は－２９．１ｄＢとなる。従って、反射率を６．５ｄＢ低減できており、その分だけ戻り光を低減することができる。同様に、光吸収層４の後側面と後方の半導体埋め込み層８の界面の反射は、比較例では－２２．１ｄＢ、本実施の形態では－２８．６ｄＢとなり、反射率を６．５ｄＢ低減できる。
　ただし、図５によると、半導体層１３の横方向の厚さｄ１がλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内であれば、０．０１％以下の実用上問題ない反射率まで低減することが分かる。そこで、半導体層１３の横方向の厚さをλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内に設定する。これにより、入射光１５は半導体層１３の前側面と後側面で反射し、それぞれが干渉して打ち消しあう。この結果、素子内部での光の反射を低減することができる。従って、戻り光が小さくなるため、発光素子の動作が安定化される。
　また、２つの異なる屈折率の光導波路の結合界面に誘電体膜を挿入する従来技術が提案されているが、誘電体膜の上に所望の半導体層を積層することは困難である。これに対して、本実施の形態では一般的な半導体プロセスにより半導体層１３の上に半導体埋め込み層８をエピタキシャル成長することができる。このため、半導体層１３を有する導波路型受光素子を製造することができる。例えば、ＭＯ－ＶＰＥ法の場合、ガス流量又は圧力・温度などで半導体層１３の横方向の成長レートを制御できるため、誘電体膜の成膜では困難な層厚制御性も高い。
　なお、ＩｎＰ基板１はＦｅなどをドーピングした半絶縁性基板であることが望ましい。ｎ型コンタクト層２の材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ又はそれらの組み合わせなどでもよい。ｎ型クラッド層３の材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ又はそれらの組み合わせなどでもよい。光吸収層４の材料は、光を入射した場合にキャリアが発生する材料、即ち入射光に対してバンドギャップの小さい材料であればＩｎＧａＡｓに限らず、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、又はそれらの組み合わせなどでもよい。ｐ型クラッド層５の材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ又はそれらの組み合わせなどでもよい。ｐ型コンタクト層６の材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ又はそれらの組み合わせなどでもよい。半導体埋め込み層８の材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどでもよく、それらにＦｅ又はＲｕがドーピングされていてもよい。バンド不連続を緩和するために、各エピタキシャル層の間又はｐ型電極メタル９とエピタキシャル層の間にＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどからなるバンド不連続緩和層を設けてもよい。パッシベーション膜１２の材料はＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ又はそれらの組み合わせでもよい。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各層にどのような材料を使用してもよく、上述の材料は範囲を限定するものではない。
　第III－V族半導体結晶に導電性を与えるｐ型ドーパントとしてＢｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄなどの第II族原子が用いられる。ｎ型ドーパントとしてＳ、Ｓｅ、Ｔｅなどの第VI族原子が用いられる。半導体結晶により何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IV族原子が用いられる。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。
実施の形態２．
　実施の形態１では半導体層１３の横方向の厚さｄ１を概ねλ／（４×ｎ３）に設定することで反射率を低減している。ただし、正確には、光吸収層４は光を吸収する材料からなるため、光吸収層４の屈折率の虚部はゼロではない。このため、図５に示すように、厚さｄ１がλ／（４×ｎ３）＝１１４ｎｍの場合は反射率が０．０１４％であるが、厚さｄ１を１０５ｎｍに短くすると０．００３％まで反射率を低減できる。即ち、半導体層１３の横方向の厚さｄ１がλ／（４×ｎ３）より短い場合に反射率が極小となる。そこで、本実施の形態では、半導体層１３の横方向の厚さｄ１をλ／（４×ｎ３）より短く、入射光１５の反射率が極小となる厚さに設定する。これにより更に反射率を低減することができる。
実施の形態３．
　図６は、図１の構造における半導体層の屈折率に対する反射率の計算結果を示す図である。計算において入射光１５の波長λを１５５０ｎｍ、厚さｄ１をλ／（４×ｎ３）、半導体埋め込み層８の屈折率ｎ１を３．１７、光吸収層４の屈折率ｎ２を３．６７とした。半導体層１３の屈折率ｎ３が３．４１の場合に反射率が極小となることが分かる。そこで、本実施の形態では、半導体層１３の屈折率ｎ３を入射光１５の反射率が極小値になる値に設定する。具体的には、屈折率ｎ３を（ｎ１×ｎ２）＾０．５とした場合に反射率を極小にすることができ、反射率を低減することができる。
実施の形態４．
　図７及び図８は、実施の形態４に係る導波路型受光素子を示す断面図である。図７は光入射方向に沿った断面図である。図８は光入射方向に対して垂直な断面図である。実施の形態１では半導体層１３が光吸収層４に接していたが、本実施の形態では半導体埋め込み層８が光吸収層４の側面と半導体層１３の間にも設けられている。光吸収層４の側面と半導体層１３の横方向の間隔ｄ２は概ねλ／（２×ｎ１）に設定されている。その他の構成は実施の形態１と同様であり、半導体層１３の横方向の厚さｄ１は概ねλ／（４×ｎ３）に設定されている。
　ＭＯ－ＶＰＥ法などのエッチングにより形成したリッジ構造７の両サイドに１回目の半導体埋め込み層８を成長した後、半導体層１３と２回目の半導体埋め込み層８を順に結晶成長することで本実施の形態の構成を実現できる。その他の形成方法は実施の形態１と同様である。
　図９は、図７及び図８の構造における半導体層の横方向の厚さに対する素子内部での光の反射率の計算結果を示す図である。横軸は、半導体層１３の横方向の厚さｄ１をλ／（４×ｎ３）で規格化したものである。計算において、入射光１５の波長λを１５５０ｎｍ、半導体埋め込み層８の屈折率を３．１７、光吸収層４の屈折率の実部を３．６７、虚部を－０．０８４、屈折率ｎ３を３．４とした。半導体層１３の横方向の厚さｄ１が概ねλ／（４×ｎ３）であれば、素子内部での光の反射を十分に低減できることが分かる。
　上記のように、比較例では、前方の半導体埋め込み層８と光吸収層４の前側面の界面での反射率は２２．６ｄＢとなる。本実施の形態で屈折率ｎ３を３．３、厚さｄ１を１１７ｎｍ、間隔ｄ２を２４４ｎｍとすると反射率は－２９．２ｄＢとなる。従って、反射率を６．６ｄＢ低減できており、その分だけ戻り光を低減することができる。同様に、光吸収層４の後側面と後方の半導体埋め込み層８の界面の反射は、比較例では－２２．１ｄＢ、本実施の形態では－２８．５ｄＢとなり、反射率を６．４ｄＢ低減できる。
　ただし、図９によると、半導体層１３の横方向の厚さｄ１がλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内であれば、０．０１％以下の実用上問題ない反射率まで低減することが分かる。そこで、半導体層１３の横方向の厚さをλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内に設定する。これにより、入射光１５は半導体層１３の前側面と後側面で反射し、それぞれが干渉して打ち消しあう。この結果、素子内部での光の反射を低減することができる。従って、戻り光が小さくなるため、発光素子の動作が安定化される。
　また、本実施の形態では半導体埋め込み層８が光吸収層４の側面と半導体層１３の間にも設けられている。このため、光吸収層４の側面に、半導体層１３よりも屈折率が小さい、つまりバンドギャップが小さい半導体埋め込み層８が接する。従って、光吸収層４の側面を流れるリーク電流を低減することができ、長期信頼性を改善できる。
実施の形態５． 
　実施の形態４では半導体層１３の横方向の厚さｄ１を概ねλ／（４×ｎ３）に設定することで反射率を低減している。ただし、正確には、光吸収層４は光を吸収する材料からなるため、光吸収層４の屈折率の虚部はゼロではない。このため、図９に示すように、厚さｄ１がλ／（４×ｎ３）＝１１４ｎｍの場合は反射率が０．０１２％であるが、厚さｄ１を１０５ｎｍに短くすると０．００３％まで反射率を低減できる。即ち、半導体層１３の横方向の厚さｄ１がλ／（４×ｎ３）より短い場合に反射率が極小となる。そこで、本実施の形態では、半導体層１３の横方向の厚さｄ１をλ／（４×ｎ３）より短く、入射光１５の反射率が極小となる厚さに設定する。これにより更に反射率を低減することができる。
実施の形態６． 
　図１０は、図７及び図８の構造における半導体層の屈折率に対する反射率の計算結果を示す図である。計算において入射光１５の波長λを１５５０ｎｍ、厚さｄ１をλ／（４×ｎ３）、屈折率ｎ１を３．１７、屈折率ｎ２を３．６７とした。半導体層１３の屈折率ｎ３が＝３．４１７の場合に反射率が極小となることが分かる。そこで、本実施の形態では、半導体層１３の屈折率ｎ３を入射光１５の反射率が極小値になる値に設定する。なお、実施の形態３では屈折率ｎ３を（ｎ１×ｎ２）＾０．５とした場合に反射率を極小であったが、本実施の形態で同様に計算すると、屈折率ｎ３をその値よりも大きくした方がより反射率を低減できる。これは、光吸収層４の屈折率の虚部がゼロでない場合に特有である。
１　ＩｎＰ基板（半導体基板）、４　光吸収層、７　リッジ構造、８　半導体埋め込み層、１３　半導体層

Claims (5)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板の上に設けられ、少なくとも光吸収層を含むリッジ構造と、
    　前記光吸収層の側面を埋め込み、前記光吸収層よりも低い屈折率を有する半導体埋め込み層と、
    　前記光吸収層の側面と前記半導体埋め込み層の間に設けられ、前記光吸収層と前記半導体埋め込み層の間の屈折率を有する半導体層とを備え、
    　前記半導体層の屈折率をｎ３、入射光の波長をλとして、前記半導体層の横方向の厚さはλ／（４×ｎ３）の－３０％から＋２０％の範囲内であることを特徴とする導波路型受光素子。
  2. 　前記光吸収層の屈折率の虚部がゼロでなく、
    　前記半導体層の屈折率をｎ３、入射光の波長をλとして、前記半導体層の横方向の厚さはλ／（４×ｎ３）より短く、前記入射光の反射率が極小となる厚さに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の導波路型受光素子。
  3. 　前記半導体層の屈折率は、前記入射光の反射率が極小値になる値に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型受光素子。
  4. 　前記半導体埋め込み層の屈折率をｎ１、前記光吸収層の屈折率をｎ２として、前記半導体層の屈折率は（ｎ１×ｎ２）＾０．５であることを特徴とする請求項３に記載の導波路型受光素子。
  5. 　前記半導体埋め込み層は、前記光吸収層の側面と前記半導体層の間にも設けられ、
    　前記半導体埋め込み層の屈折率をｎ１として、前記光吸収層の側面と前記半導体層の横方向の間隔はλ／（２×ｎ１）であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の導波路型受光素子。
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