WO2024116371A1 - 導波路型受光素子 - Google Patents

Abstract

本開示は導波路型受光素子に関し、入射する光を効率的に光電変換し、受光感度を向上させることのできる導波路型受光素子を提供することを目的とする。本開示の導波路型受光素子（１００）は、入射した光を光電変換する光吸収層（４）と、光吸収層（４）が埋め込まれる半導体埋め込み層（７）とを備える。光吸収層（４）の光入射側端面（２５）は、半導体埋め込み層（７）の光入射側端面（２３）に平行でない角度を成すように構成される。半導体埋め込み層（７）の屈折率は、光吸収層（４）の屈折率よりも小さい。

Description

導波路型受光素子

　本開示は、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。それに伴い、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、応答速度を決定する要因の一つとしてＣＲ時定数が知られる。ＣＲ時定数は半導体受光素子の素子容量Ｃと素子抵抗Ｒ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。

　素子容量Ｃを低減するために、導波路型受光素子が採用されている。導波路型受光素子は、エピタキシャル成長層の側面から光を入射する構造を有し、感度と帯域を個別に最適化することができる点で、通常の面入射型構造と異なる。このため、高速動作に適した構造となっている。導波路型受光素子を用いることで、例えば４０ＧＨｚ以上の高速応答性を有するフォトダイオードが実現される。

　導波路型受光素子の１つである装荷型受光素子では、光導波路がへき開端面まで形成されている。当該導波路に光を入射させ、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る。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（例えば、特許文献１参照）。

　このように、装荷型受光素子では、光電変換が間接的に行われることから、入射端面近傍の光電流の集中が緩和される。そのため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、装荷型受光素子では、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がある。

　この欠点を克服するため、例えば、半導体埋め込み層で光吸収層等を埋め込んだ構造の導波路型受光素子が知られている。

特開２００３－３３２６１３号公報

　従来技術における導波路型受光素子は、受光感度の向上のため、光を吸収する光吸収層の導波方向の長さ（以下、導波路長と称する）と半導体積層方向の厚みが制御されていた。しかしながら、これらの制御のみでは、光吸収層で吸収しきれない光が生じてしまい、受光感度の低下の原因になっていた。

　本開示は上述の課題を解決するためになされたもので、入射する光を効率的に光電変換し、受光感度を向上させることのできる導波路型受光素子を提供することを目的とする。

　本開示の態様は、入射した光を光電変換する光吸収層と、
　前記光吸収層が埋め込まれる半導体埋め込み層と、
　を備え、
　前記光吸収層の光入射側端面は、前記半導体埋め込み層の光入射側端面に平行でない角度を成すように構成され、
　前記半導体埋め込み層の屈折率は、前記光吸収層の屈折率よりも小さい導波路型受光素子であることが好ましい。

　本開示の態様によれば、入射する光を効率的に光電変換し、受光感度を向上させることのできる導波路型受光素子を提供することができる。

本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の構成例である。 本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の、入射光軸に垂直な断面図である。 本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子を表面から見た図である。 本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の立体図である。 本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の変形例である。 本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の変形例である。 本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。 本開示の比較例に係る、導波路型受光素子を示す図である。 導波路型受光素子の受光感度と応答速度の関係を表す図である。 本開示の実施の形態２に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。 本開示の実施の形態３に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。 本開示の実施の形態４に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。 本開示の実施の形態５に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。

実施の形態１
　図１は、本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の構成例である。ここでは、紙面上方向が半導体積層方向を表し、紙面右方向が入射光軸方向を表す。図１において、導波路型受光素子１００は、ＩｎＰ基板１上に、ｎ型コンタクト層２、ｎ型クラッド層３、ＩｎＧａＡｓを含む光吸収層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６が順に積層された構造を備える。また、ｎ型クラッド層３、光吸収層４、ｐ型クラッド層５は、リッジ構造２１に含まれている。なお、リッジ構造２１は、少なくとも光吸収層４を含んでいればよい。

　半導体埋め込み層７は、リッジ構造２１が埋め込まれる層である。

　半導体埋め込み層７の光入射側端面２３は、半導体埋め込み層７において、光吸収層４よりも先に入射光２０が入射する端面である。光入射側端面２３は、例えばへき開により形成される。光入射側端面２３は、反射防止膜１１で覆われている。ただし、必ずしもすべてが覆われている必要はなく、少なくとも光が入射する部分が覆われていればよい。

　半導体埋め込み層７の光出射側端面２４は、光吸収層４から半導体埋め込み層７に入射した光が出射する端面である。光出射側端面２４には、光吸収層４で吸収されなかった光が到達する。

　エッチング部分２２は、光出射側端面２４側の半導体埋め込み層７の一部を、少なくともＩｎＰ基板１に到達するまでエッチング除去した部分である。

　光吸収層４の光入射側端面２５は、光吸収層４において、入射光２０が入射する端面である。光吸収層４の光出射側端面２６は、光吸収層４において光が出射する端面である。

　パッシベーション膜１０は、導波路型受光素子１００の光出射側端面２４、および表面において、ｐ型コンタクト層６、ｐ型電極メタル８、および後述するｎ型電極メタル１２を除く部分を覆う膜である。

　ｐ型電極メタル８は、ｐ型コンタクト層６に電気的に接続するように形成された電極層である。パッシベーション膜１０とｐ型電極メタル８により光出射側端面２４を覆うことで、光吸収層４で吸収しきれず透過した光を反射することができる。

　裏面メタル９は、ＩｎＰ基板１の裏面の全部または一部を覆う金属膜である。

　図２は、本開示の実施の形態１に係る導波路型受光素子の、入射光軸に垂直な断面図である。ここでは紙面上方向が半導体積層方向を表し、紙面左右方向が光吸収層４における導波路の幅方向を表す。上述のリッジ構造２１は、図２の断面においても、半導体埋め込み層７に埋め込まれている。また、ｐ型電極メタル８およびｐ型コンタクト層６は、リッジ構造２１のリッジ部と等しい幅で、リッジ構造２１上に形成されている。

　ｎ型電極メタル１２は、導波路型受光素子１００の表面から、ｎ型コンタクト層２までを覆うように形成されている。これにより、表面側からｎ型コンタクト層２に電気的に接触することができる。また、上述のパッシベーション膜１０は、ｐ型電極メタル８とｎ型電極メタル１２の間を埋めるように形成されている。これにより、電極メタル間の絶縁を確保できる。

　以下では、引き続き図１および図２を参照しながら、導波路型受光素子１００の製造方法の一例を説明する。導波路型受光素子１００が備える各半導体層の成長法としては、液相成長法（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＬＰＥ）、気相成長法（Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＶＰＥ）などが用いられる。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）などが多く用いられる。

　上術の成長法で各半導体層を結晶成長させた後、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。さらに、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ことにより、リッジ構造２１を得る。エッチングには、例えば、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またはウェットエッチングが用いられる。

　その後、リッジ構造２１の側面に半導体埋め込み層７を形成する。そこでは、ＭＯ－ＶＰＥ法などの結晶成長法が用いられる。

　さらに、一般的なリソグラフィー技術により、リッジ構造２１を覆う絶縁膜のマスクを形成する。当該絶縁膜マスクに覆われていない部分の半導体層を、少なくともＩｎＰ基板１に達するまでエッチングすることで、エッチング部分２２を得る。ここでのエッチングには、例えばＲＩＥなどのドライエッチングが用いられる。

　さらに、パッシベーション膜１０を形成する。そこではまず、プラズマ励起化学気相成膜法（ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥ－ＣＶＤ）またはスパッタなどの方法で、絶縁膜を一様に成膜する。さらに、一般的なリソグラフィー技術により所望の部分のみマスクを残し、不要な部分はエッチングすることで、パッシベーション膜１０を得る。

　さらに、半導体埋め込み層７の一部を、ｎ型コンタクト層２まで、エッチングする。これにより、ｎ型コンタクト層２を露出させることができる。なお、エッチングには、ＲＩＥなどのドライエッチング、またはウェットエッチングが用いられる。

　さらに、ｐ型電極メタル８およびｎ型電極メタル１２を形成する。そこではまず、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る。さらに、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの材料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。さらに、不要な部分のメタルを除去することにより形成できる。

　もしくは、ｐ型電極メタル８およびｎ型電極メタル１２は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどのメタルを全面に成膜した後で、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、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。

　さらに、裏面メタル９を形成する。そこでは、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る。さらに、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの材料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。さらに、不要な部分のメタルを除去することにより形成できる。

　もしくは、裏面メタル９は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどのメタルを全面に成膜した後で、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、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、光入射側端面２３に蒸着またはスパッタすることにより形成される。

　以下では、引き続き図１および図２を参照しながら、導波路型受光素子１００の好適な材料を説明する。ただし、導波路型受光素子としての動作に必要な特性が得られるのであれば各層にどの材料を使用してもよく、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

　ＩｎＰ基板１は、Ｆｅなどをドーピングした半絶縁性基板が望ましい。ｎ型コンタクト層２の材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓまた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また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、光入射によりキャリアが発生する材料、つまり入射光２０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、また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また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またはそれらの組み合わせなどでもよい。半導体埋め込み層７の材料は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどでもよく、それらにＦｅまたはＲｕがドーピングされていてもよい。

　また、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、もしくはｐ型電極メタル８とエピタキシャル層の間には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどを用いたバンド不連続緩和層が含まれていてもよい。

　パッシベーション膜１０の材料は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮまたはそれらの組み合わせでもよい。

　なお、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。半導体結晶によりいずれかの導電型のドーパントとしてはたらく両性不純物として、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの第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機能する。

　図３は、本開示の実施の形態１に係る導波路型受光素子を表面から見た図である。また、図４は、本開示の実施の形態１に係る導波路型受光素子の立体図である。

〈変形例〉
　以下では、図１から図４に示した導波路型受光素子１００の変形例を示す。図５は、本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の変形例である。図５においては、図１の導波路型受光素子１００と同様であるが、光入射側端面２３上に、反射防止膜１１に代えてパッシベーション膜１０が形成されている。パッシベーション膜１０にも反射防止の効果があることから、このような構成が可能である。

　図６は、本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の変形例である。図６においては、図１の導波路型受光素子１００と同様であるが、裏面メタル９、および光入射側端面２３上の反射防止膜１１が除かれている。このように裏面メタル９および反射防止膜１１はなくてもよい。ただし、受光感度向上の観点からは反射防止膜１１が形成されていることが望ましい。

　図７は、本開示の実施の形態１に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。ここでは、図２のａ-ａ‘における矢視図を示している。導波路型受光素子１００においては、光吸収層４の光入射側端面２５が、半導体埋め込み層７の光入射側端面２３に対して平行でない角度を成すように構成されている。

　本開示の効果を説明するための比較例として、ここでは従来技術について説明する。図８は、本開示の比較例に係る、導波路型受光素子を示す図である。矢視の方向は図７と同じである。従来技術の導波路型受光素子９０では、光吸収層４の光入射側端面２５が半導体埋め込み層７の光入射側端面２３と平行になるように構成されている。この場合、半導体埋め込み層７の光入射側端面２３を通り光吸収層４の光入射側端面２５に到達した光は、進行方向を変えずに光吸収層４を直進する。

　図７に戻り本開示の効果を説明する。導波路型受光素子１００においては、半導体埋め込み層７の光入射側端面２３を通り光吸収層４の光入射側端面２５に到達した光は、光吸収層４の光入射側端面２５で屈折する。光吸収層４の屈折率は、半導体埋め込み層７の屈折率よりも大きいため、屈折した光は光吸収層４と半導体埋め込み層７の界面で全反射しながら、光吸収層４を導波する。この時の光路長は、全反射しながら光吸収層４を進む分だけ、従来技術のように単に直進する場合に比べて大きくなる。これに伴い、光電変換される距離も大きくなり、結果として受光感度が増大する。

　このように、本開示の導波路型受光素子１００においては、光吸収層４の光入射側端面２５が半導体埋め込み層７の光入射側端面２３に対して平行でない角度を成すように構成される。これにより、光吸収層４を進行する光の光路長を大きくすることが可能となり、受光感度を大きくすることができる。

　上述したように、従来技術の導波路型受光素子９０では、受光感度の向上のために光吸収層４の導波路長と半導体積層方向の厚みのみが制御されていた。本開示では、光吸収層４の光入射側端面２５と半導体埋め込み層７の光入射側端面２３が成す角度を制御することにより、さらなる受光感度の向上を実現した。

　図９は、導波路型受光素子の受光感度と応答速度の関係を表す図である。横軸は受光感度を示している。単位は例えばＡ／Ｗである。また縦軸は帯域を示している。単位は例えばＧＨｚである。光吸収層４の導波路長と半導体積層方向の厚みのみを制御する従来技術の導波路型受光素子において、受光感度と帯域の関係はトレードオフの関係にあることが知られる。すなわち、従来技術においては、点９１と点９２を結ぶ直線で表される特性の導波路型受光素子９０が得られる。

　一方、本開示の導波路型受光素子１００においては、従来技術における受光感度と応答速度のトレードオフの関係を突破することが可能である。すなわち、点１０１が示すように、従来技術と同程度の応答特性を保ちつつ、受光感度が高い導波路型受光素子１００を実現することができる。

実施の形態２
　図１０は、本開示の実施の形態２に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。本実施形態の導波路型受光素子２００は、図７の光吸収層４周辺の構造を変更した構造を有する。一方で、図２のａ-ａ‘断面以外の構造を変更するものではない。なお、この点は以下の実施の形態においても同様である。

　導波路型受光素子２００は、半導体埋め込み層７が埋め込まれる低屈折率材料層２８をさらに備える。低屈折率材料層２８で埋め込まれた結果、半導体埋め込み層７の光入射側端面２３の面積は、光出射側端面２４の面積よりも大きくなるように構成されている。また、低屈折率材料層２８の屈折率は、半導体埋め込み層７の屈折率よりも小さい。これにより、半導体埋め込み層７の光入射側端面２３に入射し直進したが光吸収層４に入射しなかった光を、半導体埋め込み層７と低屈折率材料層２８の界面で全反射させることができる。光吸収層４に直接入射しなかった光の進路を光吸収層４へと変更することで、受光感度に寄与する光量を増やすことができ、実施の形態１よりもさらに受光感度を向上させることができる。

　ここで、一般的に、導波路型受光素子への光入射には、先球ファイバ（レンズドファイバとも呼ばれる）、または集光モジュール等の入射光学部品が用いられる。導波路型受光素子の端面から光を入射する際に、入射光学部品の特性上または実装上の制約から、光を無駄なく光吸収層に入射することは困難である。光吸収層に入射しなかった光は光電変換されず、さらなる受光感度の低下の原因となる。本実施形態では、光吸収層４に直接入射しなかった光も光電変換に寄与させることができ、この欠点を解決することができる。

　なお、低屈折率材料層２８の材料としてはポリイミド、またはＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ　Ｃｙｃｌｏ　Ｂｕｔｅｎｅ）等の有機樹脂材料を用いてもよい。

　なお、光吸収層４の側面と半導体埋め込み層７の側面の成す角度ｂ、ｂ‘に制限を設けるものではない。また、光吸収層４の光出射側端面２６と低屈折率材料層２８との間に半導体埋め込み層７が埋め込まれていてもよい。

実施の形態３
　図１１は、本開示の実施の形態３に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。導波路型受光素子３００は、実施の形態２における低屈折率材料層２８の外側を更に半導体埋め込み層７で埋め込んだ構造になっている。ポリイミド、ＢＣＢなどの有機樹脂材料を低屈折率材料層２８に使用する場合、熱伝導率が半導体材料よりも小さく、放熱性が悪いため、特性悪化に繋がる恐れもある。本実施形態では、低屈折率材料層２８で埋め込む箇所を限定することで、放熱性の面で、実施の形態２よりも有利な構造を実現している。

実施の形態４
　図１２は、本開示の実施の形態４に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。導波路型受光素子４００は、光吸収層４の側部に、入射光２０よりもバンドギャップ波長の大きい光導波路層２９を備える。これにより、半導体埋め込み層７の光入射側端面２３に入射し直進したが光吸収層４に入射しなかった光の少なくとも一部を、光吸収層４に向かって導波させることができる。このことにより、受光感度を向上させることができる。

実施の形態５
　図１３は、本開示の実施の形態５に係る、導波路型受光素子の光吸収層を含む断面図である。導波路型受光素子５００は、光吸収層４の光出射側端面２６から出ていった光を再び光吸収層４に入射させるための光導波路層２９をさらに備える。これにより、光出射側端面２６から出ていった光を再利用することができるので、受光感度を向上させることができる。

　以上説明したように、本開示によれば、入射する光を効率的に光電変換し、受光感度を向上させることのできる導波路型受光素子を提供することができる。

〈請求項で使用する用語との対応〉
　実施の形態２から４において説明したように、半導体埋め込み層７の光入射側端面２３は、光入射側端面２３から光が直進しても光吸収層４に到達しない領域を有する。請求項では、これを第二領域と称する。反対に、光入射側端面２３から光が直進することで光吸収層４に到達する領域を第一領域と称する。

　ＩｎＰ基板１；ｎ型コンタクト層２；ｎ型クラッド層３；光吸収層４；ｐ型クラッド層５；ｐ型コンタクト層６；半導体埋め込み層７；ｐ型電極メタル８；裏面メタル９；パッシベーション膜１０；反射防止膜１１；ｎ型電極メタル１２；入射光２０；リッジ構造２１；エッチング部分２２；光入射側端面２３；光出射側端面２４；光入射側端面２５；光出射側端面２６；低屈折率材料層２８；光導波路層２９；従来技術の導波路型受光素子９０；点９１；点９２；導波路型受光素子１００；点１０１；導波路型受光素子２００；導波路型受光素子３００；導波路型受光素子４００；導波路型受光素子５００

Claims (5)

1. 　入射した光を光電変換する光吸収層と、
   　前記光吸収層が埋め込まれる半導体埋め込み層と、
   　を備え、
   　前記光吸収層の光入射側端面は、前記半導体埋め込み層の光入射側端面に平行でない角度を成すように構成され、
   　前記半導体埋め込み層の屈折率は、前記光吸収層の屈折率よりも小さい導波路型受光素子。
2. 　前記半導体埋め込み層が埋め込まれる低屈折率材料層をさらに備え、
   　前記低屈折率材料層の屈折率は、前記半導体埋め込み層の屈折率よりも小さく、
   　前記半導体埋め込み層の光入射側端面の面積は、光出射側端面の面積よりも大きい、請求項１に記載の導波路型受光素子。
3. 　前記低屈折率材料層が埋め込まれる半導体埋め込み層をさらに備える、請求項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光入射側端面は、直進する前記光が前記光吸収層に到達する第一領域と、到達しない第二領域とを備え、
   　前記第二領域に入射した光の少なくとも一部を、前記光吸収層に導波する光導波路層をさらに備える、請求項１に記載の導波路型受光素子。
5. 　光導波路層をさらに備え、
   　前記光導波路層は、前記光吸収層の光出射側端面から出射した光を前記光吸収層へと導波する、請求項１に記載の導波路型受光素子。

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