(57)【要約】      （修正有）【課題】集積化が進んだ光回路における効果的な遮光構造を提供する。【解決手段】光回路１の遮光構造は、迷光１２の対策を必要とする受光素子において、受光素子自体の構造の一部を利用して迷光を抑制する。光回路１中の光導波路３とほぼ同一の高さにあって、受光素子の光吸収部を構成する第１の半導体層４を上面および側面を覆う階段状電極８を形成し、光回路表層へ概ね垂直に伸びた壁状または柱状の配線電極９によって受光素子の光吸収部への迷光１２を遮蔽する。遮光構造は、受光素子の一部の構成を利用するものであり、受光素子と一体となって形成され、受光素子の発明の側面も持つ。【選択図】図１
2020205373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に構成された、光吸収部として動作する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に、または、前記第１の半導体層に隣接して形成され、前記第１の半導体層と異なる半導体タイプを有する第２の半導体層と
を備えた受光素子であって、
前記基板の基板面内の、前記第１の半導体層の領域の１つ以上の辺を含む端部の上面、当該端部の側面、および、前記第１の半導体層の下側に接する層の上面に、連続して一体に構成された階段状電極と、
前記階段状電極の底部から、垂直に表面に向かって形成された壁状または柱状の配線電極であって、当該受光素子からの検出電気信号を取り出す配線電極と
をさらに備えたことを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記配線電極は、前記１つ以上の辺の内の１つの辺に概ね平行に形成され、前記領域の前記１つの辺の長さ以上の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記配線電極は、前記基板面内を見て、壁状電極、Ｌ字型またはコの字であることを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記配線電極は、前記１つ以上の辺の内の１つの辺に対して傾斜して形成されたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の受光素子。
【請求項５】
前記配線電極は、
前記階段状電極の前記底部から、前記基板内に構成された前記階段状電極よりも表面側の中間配線層に向かって垂直に形成された第１の層間配線電極と、
前記中間配線層から表面に向かって垂直に形成された第２の層間配線電極と
を含むこと特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の受光素子。
【請求項６】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は中間領域を挟んで前記基板面に沿って形成され、相互に異なる半導体タイプを有しており、
前記第１の半導体層、前記中間領域および前記第２の半導体層によってＰＩＮ接合が形成され、
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を含む領域の１つ以上の辺に対して前記階段状電極が形成されたこと
を特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、受光素子に関する。より詳細には、光回路の受光素子の遮光構造に関する。
【０００２】
光ネットワークの高速大容量化を実現するため、１００Ｇｂｐｓ超の光伝送を実現する「デジタルコヒーレント光伝送技術」の普及が進んでいる。それに伴って、「デジタルコヒーレントトランシーバ」などのデジタルコヒーレント光伝送用装置の小型化が求められている。光伝送用装置では、複数のチャンネルの光信号処理が可能で、着脱が可能なデジタルコヒーレントトランシーバ（以下、簡単のためトランシーバと言う）の仕様が規定されている。トランシーバの消費電力やサイズは、標準化団体のＯＩＦ（The Optical Internetworking Forum）等によって規格が決定されている。
【０００３】
ＯＩＦ規格によれば、第１世代の１００Ｇｂｐｓトランシーバの幅が８０ｍｍ程度であったものが、次世代の４００Ｇｂｐｓトランシーバでは、２０ｍｍ程度にまで小型化されている（ＣＦＰ８、ＯＳＦＰ規格等）。これに伴い、トランシーバを構成する主な要素の１つである光送受信デバイスにも、１０〜２０ｍｍ角程度のサイズが要求されている。光送受信デバイスは多層配線基板上に光部品や電気部品を搭載したモジュールであって、光変調器やコヒーレント受信機などの光送受信機能を集積化している。光部品は、シリコン、石英、ＩｎＰの１枚の基板上に光集積回路（ＰＩＣ：Photonic Integrated Circuit）として構成されている。例えばシリコン基板上に構成されたＰＩＣ、電気信号ＩＣ、コンデンサ等の電子部品等をセラミック基板上に実装した光送受信デバイスが知られている。
【０００４】
光送受信デバイスでは、送信器において使用する光源や、受信器の局部発振光（Ｌｏ光）を供給する光源からの高レベルの光が、デバイスの外部から光ファイバを経由して供給される。これらの光はＰＩＣとの光結合によって送信器、受信器に与えられるが、光結合の際に結合しなかった光は、ＰＩＣ内で迷光として振る舞う。受信器における受光素子（例えばフォトディテクタ）や、送信光のレベルモニタ素子に対して、迷光はノイズとして働き、光送受信デバイスの様々な性能を悪化させる原因となる。光送受信デバイスにおける迷光対策として例えば特許文献１は、ＰＩＣ中の送受信機能を担っていない空き領域に作製された導電ビア構造を開示している。
【０００５】
図６は、従来技術の光回路における迷光を抑制する導電ビア構造を示す図である。図６は、光回路２０の一部を基板面に垂直に見た上面図であって、受光素子を含む受信部と送信部との間を接続する導波路２１の近傍を示す。送信部において生じた迷光２３、２４が、受信部に向かって基板内を伝搬し、受信部の受光素子に結合する状況を示している。光回路２０は、導波路２１の両脇に多数の導電性のビア２２を備えている。導電性ビア２２によって迷光２３、２４の直進が妨げられ、受信部の受光素子へ到達する迷光を抑えることができる。
【０００６】
迷光を抑制する他の構成としては、特許文献１に開示されている導電性の壁や、基板上に溝を形成して、溝内の空気層によって迷光を反射する構成などが知られている。いずれの遮光構造も、光送受信機能を実現していない、基板の空き部分に構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許４６２６６１４号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】小型に集積可能なフォトダイオードで受光感度21.8A／Wを達成、ＮＥＤＯ平成３１年３月１日検索インターネット＜URL：https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101073.html＞
【非特許文献２】シリコンプラットフォーム上に高性能な光変調器を実現、ＮＴＴ平成３１年３月１日検索インターネット＜URL：http://www.ntt.co.jp/news2017/1707/170718a.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、１０〜２０ｍｍ角程度のサイズまで小型化が進んでいる光送受信デバイスでは、従来技術の迷光を抑制する構成を適用することが難しくなっている。次世代の光送受信デバイスでは、光送受信デバイス内のＰＩＣ回路におけるシリコン基板サイズが１０ｍｍ角程度まで小型化し、送信器および受信器のブロックが基板上に隙間なく配置される。したがって、光送受信機能に関係がない空き領域は十分に存在しておらず、迷光に対して効果的な位置に図６に示したような導電性ビアを配置することが難しい。例え配置が可能であっても、導電性ビアは光送受信のための機能部に近接せざるを得ない。
【００１０】
導電性ビアや壁、溝のような構造物は基板の応力を変動させる。この応力によって、例えば光分岐回路の分岐比が設計通りの値とならなかったり、ばらついたりする。また基板の応力変化に起因して、偏波分離器の偏波分離性能が悪化したり、干渉計の光路長差を変化させたりすることも知られている。
【００１１】
上述のように集積度が非常に上がったＰＩＣ回路においては、迷光対策のために導電性ビアや壁、溝を配置する場所が限られており、導電性ビアや壁によって生じた散乱光や反射光を処理することも難しくなっていた。配置できたとしても光回路機能の特性値にずれ、変動、ばらつきを生じさせてしまう問題があり、受光素子に到達する迷光を効果的に抑制する回路設計が難しくなっていた。光送受信デバイスは基板外にあったモニタ回路などの新たな機能を１つのシリコン基板内に取り込む集積化が進んでおり、迷光対策は今後ますます難しくなると考えられる。
【００１２】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、集積化が進んだ光回路における効果的な遮光構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明の１つの実施態様は、基板と、前記基板の上方に構成された、光吸収部として動作する第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に、または、前記第１の半導体層に隣接して形成され、前記第１の半導体層と異なる半導体タイプを有する第２の半導体層とを備えた受光素子であって、前記基板の基板面内の、前記第１の半導体層の領域の１つ以上の辺を含む端部の上面、当該端部の側面、および、前記第１の半導体層の下側に接する層の上面に、連続して一体に構成された階段状電極と、前記階段状電極の底部から、垂直に表面に向かって形成された壁状または柱状の配線電極であって、当該受光素子からの検出電気信号を取り出す配線電極とをさらに備えた受光素子であり得る。
【００１４】
前記配線電極は、前記１つ以上の辺の内の１つの辺に概ね平行に形成され、前記領域の前記１つの辺の長さ以上の幅を有することができる。
【００１５】
前記配線電極は、前記基板面内を見て、壁状の形状またはＬ字型もしくはコの字型の形状であり得る。また前記配線電極は、前記１つ以上の辺の内の１つの辺に対して傾斜して形成されることもできる。
【００１６】
本発明のもう１つの実施態様では、前記配線電極は、前記階段状電極の前記底部から、前記基板内に構成された前記階段状電極よりも表面側の中間配線層に向かって垂直に形成された第１の層間配線電極と、前記中間配線層から表面に向かって垂直に形成された第２の層間配線電極とを含むこともできる。また、同様の第３の層間配線電極をさらに含むこともできる。
【００１７】
本発明の別の実施態様では、受光素子は、前記第１の半導体層はｐ型シリコン層であり、前記第２の半導体層は、絶縁性のｉ型ゲルマニウム層およびｎ型のゲルマニウム層が、順次前記第１の半導体層の上に積層され、ＰＩＮ型フォトダイオードを構成することができる。
【００１８】
本発明のさらに別の実施態様では、受光素子は、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は中間領域を挟んで前記基板面に沿って形成され、相互に異なる半導体タイプを有しており、前記第１の半導体層、前記中間領域および前記第２の半導体層によってＰＩＮ接合が形成され、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を含む領域の１つ以上の辺に対して前記階段状電極が形成されることもできる。この実施態様は、第４の実施形態の受光素子に対応する。
【００１９】
好ましくは、前記第１の半導体層の前記領域は、矩形領域であり得る。
【００２０】
また、上述の受光素子は、デジタルコヒーレント送受信デバイスに構成されることができる。
【発明の効果】
【００２１】
集積化が進んだ光回路における効果的な遮光構造、受光素子の構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。
【図２】第１の実施形態の変形例の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。
【図６】従来技術の光回路における迷光を抑制する導電ビア構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の光回路の遮光構造は、迷光の対策を必要とする受光素子において、受光素子自体の構造の一部を利用して迷光を抑制できる。従来技術では、受光素子の構成とは関係のない構造物によって遮光を行っていたが、本発明では、受光素子から電気信号を出力する電極を構成する構造の一部を利用して迷光を抑制する。光回路中の光導波路とほぼ同一の高さにあって、受光素子の光吸収部を構成する第１の半導体層を遮蔽するよう、光回路の表層へ概ね垂直に伸びた壁状または柱状の配線電極によって受光素子の光吸収部への迷光を遮蔽する。本発明の光回路の遮光構造は、受光素子の一部の構成を利用するものであって、受光素子と一体となって形成されるため、受光素子の発明の側面も持つ。
【００２４】
遮光機能を有する配線電極は、第１の半導体層の上面、側面、および第１の半導体層の下に接する層の上面に連続して一体に形成された階段状電極の底部から光回路の表層へ垂直に伸びている。遮光機能を有する配線電極は、受光素子から検出電気信号を得る電極の一部を構成する。光回路の上面を見たとき、遮光機能を有する配線電極は、受光素子の光学特性に影響を与えない距離だけ第１の半導体層から離間し、第１の半導体層の領域の一辺に平行に、少なくとも第１の半導体層の幅以上の幅を持つ。遮光機能を有する配線電極は、第１の半導体層によって規定される領域の辺に対し、傾いていても良いし、角度を持って２辺以上を持っていても良い。したがって、遮光電極は、壁状または柱状の他、Ｌ字型、コの字型などの形状でも良い。さらに、遮光機能を有する配線電極からの反射光または散乱光を吸収する吸収体を光回路内に設けても良い。
【００２５】
上述の遮光機能を有する配線電極は、光回路の表層から、第１の半導体層の下面を越えて基板内部にまで伸びて構成されても良い。また配線電極は、第１の層から光回路の表面まで連続して形成されていても良い。光回路に形成された内部の電極層を経由して、多層にわたって、複数の遮光電極が形成されていても良い。以下、図面とともに本発明の遮光構造について説明する。
【００２６】
[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。図１の（ａ）は、光送受信デバイス内に含まれる光回路１であって、受光素子を含む光回路の一部分の上面図を示した図である。図１の（ｂ）は、（ａ）の受光素子を通るＩＢ−ＩＢ´線を含む基板面に垂直な断面を見た図である。図１の（ａ）の上面図では内部の構成を見やすくするために後述する最上層の埋め込み層１０を取り除いて示している。図１の（ａ）を参照すれば、導波路３はドーピング領域である第１の半導体層４に接続されている。ドーピング層は、以下の説明ではイオン注入層として説明するが、ドーピングはイオン注入のほか熱拡散他を様々な手法を利用できる。
【００２７】
第１の半導体層４の領域内の概ね中央に、より小さい面積を持し、第１の半導体層４とは異なる半導体タイプを持つ第２の半導体層５および電極６が順次形成されている。イオン注入領域である第１の半導体層４の領域内の概ね中央に受光素子が形成され、第２の半導体層５付近で受光素子の光吸収部が形成される。第２の半導体層５は、上面から見て例えば概ね矩形状であって、基板に垂直な断面が台形状である。第２の半導体層５の上面に電極６が形成されている。電極６は、必ずしも図１のように第２の半導体層５の上の全面にある必要はない。以後のすべての構成例では、第１の半導体層４の上面領域および第２の半導体層５の上面領域を、矩形のものとして示しているが、受光素子の形状には様々のものが可能である。図１に示した矩形の構成だけに限られず、台形状や楕円状、円形状のもの、一部に曲線の周部を含むものまで含まれることに留意されたい。同様に、第１の半導体層４および第２の半導体層５の断面形状についても、矩形または台形状だけに限られない。図１の（ａ）、（ｂ）の光回路１では、光送受信デバイスの光回路において１つの受光素子および対応する遮光構造のみを示している。迷光１２は基板内を、図面の左側から伝搬して、受光素子に到達する状況を示している。
【００２８】
図１の（ｂ）の断面図を参照すれば、上述のように基板２の上にイオン注入領域である第１の半導体層４、第２の半導体層５、電極６が順次積層して構成されている。電極６からは光回路の表層に向かって基板面に対して垂直に配線電極７が形成されている。配線電極７は図示しない光回路表層の配線電極にさらに接続され、第１の半導体層４がｐ型半導体（Ｓｉ）であれば、電極６、７が受光素子のカソード電極となる。第１の半導体層４および第２の半導体層５を含む断面領域１１は、受光素子を構成する。第１の半導体層４が、ｐ型半導体であれば、階段状電極８および配線電極９は受光素子のアノードとなる。第１の半導体層４には、迷光１２のソースに近い一辺の端部上面から、端部側面を経て、第１の半導体層４の下側に接する基板２の上面まで、連続して一体の階段状電極８が形成されている。階段状電極８の底部から光回路の表層に向かって垂直に配線電極９が形成されている。上述の受光素子の全体は、埋め込み層１０によって覆われている。
【００２９】
図１の（ａ）および（ｂ）では、集積化した光回路で良く使用されるフォトダイオード（ＰＤ）の構成を念頭に、基板上に異なる層を順次積層して形成していくＰＤの構成例を示したものである。したがって本明細書におけるすべての受光素子は実際のデバイス構造を大まかに示したものであって、受光素子としての光電変換の機能に関わらない層などは省略しまたは簡略化して描いてある点に留意されたい。具体的には、シリコン基板上に作製されるＰＩＣによる光送受信デバイスでは、受光素子としてＰＩＮダイオードが広く利用されている。ＰＩＮダイオードでは、Ｓｉ基板２上にｐ型シリコンによって第１の半導体層４が形成され、第２の半導体層５は２つの層から成るものが知られている。第２の半導体層５は、例えば下層として絶縁性のｉ型ゲルマニウム層、その上層としてｎ型のゲルマニウム層であり得る。したがって受光素子がＰＩＮダイオードの場合、図１の（ａ）および（ｂ）の第２の半導体層５は、ｉ型ゲルマニウム層およびｎ型ゲルマニウム層に対応する。また実際のＰＩＮダイオードでは、ｐ型シリコンによる第１の半導体層４と、シリコン基板２との間には、ＳｉＯ2層などの光吸収には寄与しない層も形成されている。第１の半導体層４の下面側にあって、ＰＤの光吸収機能に関係しない層は、以下の説明においては基板２に含めて考えることにする。
【００３０】
上述のようにＰＤの具体構成は、ＰＮ型ＰＤ、ＰＩＮ型ＰＤ、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などのタイプによって異なるが、第１の半導体層４および第２の半導体層５のいずれも光電変換作用を担う光吸収部を構成することに留意されたい。また、第１の半導体層４は、最も下層にある光吸収部であって、基板２に近い位置にあるものである。階段状電極８は、第１の半導体層４の迷光１２のソースに近い辺を含む端部上面から、端部側面を経て、第１の半導体層４の下側に接する基板２の上面まで、連続して一体に形成されている。配線電極９は、階段状電極８の底部から垂直に光回路の表層に向かって形成されているため、迷光１２のソースから見て光吸収部の前面を遮蔽するように構成されている点に留意されたい。
【００３１】
図１の（ａ）を再び参照すれば、配線電極９は受光素子の光吸収部を構成する第１の半導体層４の周囲の一辺に沿って平行に、第１の半導体層４の端部から離間して構成されている。階段状電極８は第１の半導体層４の端部側面全体を覆っている。配線電極９は、図示しない光回路表層のもう１つの配線電極にさらに接続され、基板２がｐ型半導体であれば受光素子のアノード電極となる。通常シリコン光回路では、導波路３と、第１の半導体層４とは、同一のエッチングプロセスによって形成される。その後、受光素子を形成するために第１の半導体層４の領域のみにイオン注入等のドーピングプロセスが実施され、受光素子の光吸収部の領域が区画される。したがって、光回路の基板の厚さ方向では、導波路３および第１の半導体層４は、ほぼ同一の高さにある。迷光のソースは、導波路３と同じ高さか、光回路のより表層側にある場合が多い。このため配線電極９は、第１の半導体層４に対して迷光の結合を防ぐのに効果的に働く。
【００３２】
階段状電極８は、第１の半導体層４の下面、すなわち、第１の半導体層４の下にある基板２の面上に、連続して一体に形成されている。階段状電極８の底部から光回路の表層までに形成された壁状の配線電極９は、想定される迷光１２のソースから見て受光素子に対応する断面領域１１の概ね全体を遮り、遮光電極として働く。光送受信デバイス外部から光ファイバを経由して供給された光が、光回路上の光結合部において結合できなかったとき、迷光１２が生じる。迷光１２は様々な場所から到来する可能性がある。例えば、光回路の基板２の端面で反射されあらゆる方向に伝搬するため、迷光１２のソース方向に構成された階段状電極８のみでは、迷光１２の遮蔽は十分ではない。
【００３３】
本発明の遮光構造を含む光回路によれば、迷光１２が光回路の構成面内を伝搬して受光素子の光吸収部に到達する前に、迷光１２は伝搬経路の途中に形成された配線電極９によって反射または散乱される。この結果、受光素子より十分大きなサイズの配線電極９は、受光素子と迷光１２との結合を抑制する。本発明の遮光構造における遮光機能は、受光素子から電気信号を取り出すための配線電極９を利用して実現される点に留意されたい。したがって光送受信デバイスに必要な各種の光機能をシリコン基板上に作製する従来の工程に変更を加えることなく、光受光素子の一部の構成要素を利用して、遮光構造を実現できる。
【００３４】
したがって本発明は、基板２と、前記基板の上方に構成された、光吸収部として動作する第１の半導体層４と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１の半導体層と異なる半導体タイプを有する第２の半導体層５とを備えた受光素子であって、前記基板の基板面内の、前記第１の半導体層の領域の１つ以上の辺を含む端部の上面、当該端部の側面、および、前記第１の半導体層の下側に接する層の上面に、連続して一体に構成された階段状電極８と、前記階段状電極の底部から、垂直に表面に向かって形成された壁状または柱状の配線電極９であって、当該受光素子からの検出電気信号を取り出す配線電極とをさらに備えたことを特徴とする受光素子として実施できる。
【００３５】
図２は、本発明の第１の実施形態の変形例の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。図２の構成では、図１の構成と比較して、迷光１２の位置と、遮光機能を有する配線電極の形状が異なっている。受光素子を含む光回路１の構成は、図１の構成とほぼ同一であり、第１の半導体層４の迷光１２のソースに近い辺を含む端部上面および側面を覆う階段状電極８の底部から、垂直に光回路の表層に向かって配線電極９−１が形成されている。ここで配線電極９−１は、図１のような１つの壁状部分のみからなる配線電極９ではなくて、図１の配線電極からさらに角度を持って第２の壁状部分が付加され、全体でＬ字型形状を持っている。迷光１２のソースが図１のように導波路３に沿ってではなく、斜め下方から受光素子に到達するような場合、図２のＬ字型の配線電極９−１が有効である。図２は、配線電極の形状の別の一例を示しているに過ぎず、２つの壁部分の角度は９０°である必要はないし、迷光１２の態様によって適宜変更が可能である。その形状もＬ字型だけでなく、３つの壁状部分からなるコの字型の配線電極でも良い。したがって、配線電極は、その一部が少なくとも壁状または柱状の形状を有していれば良い。なお、第１の半導体層４に接続する導波路３の方向に階段状電極は形成しない。階段状電極による入力光の反射を防止するためである。したがって、図１の構成と同じ階段状電極の底部のみを、第１の半導体層４に接続する導波路３の方向にまで広げても良い。
【００３６】
従来技術では、受光素子から離れた場所に、光送受信デバイスの機能に関係の無い導電性ビア、壁または溝などによって遮光構造を形成していた。このため、光回路の集積度が高まるにつれて、これらの遮光構造を配置することが難しかった。図１に示した本発明の遮光構造では、受光素子から電気出力を取り出す配線電極９の幅Ｗｅを、受光素子の光吸収部の幅Ｗｐｄ以上に広げることで、光吸収部に到達する迷光を抑制することができる。本発明の光回路における遮光構造は、受光素子を構成する一要素であり、受光素子の光吸収部にごく近接して配置できる配線電極９を遮光のための構造物として用いる点に特徴がある。遮光構造および光吸収部が非常に近接しているため、受光素子と遮光構造が遠く離れていた従来技術の構成と比べ、迷光の回り込みの影響を抑えることができる。
【００３７】
受光素子の領域に対して配線電極９を形成する位置や向き、形状や大きさは、受光素子の各部の形状、光回路全体における対象とする迷光の発生場所とその伝搬状況を予め検討して、決定する必要があるのは言うまでもない。配線電極９の幅Ｗｅは、受光素子のイオン注入領域の幅Ｗｐｄ程度あれば良い。さらにイオン注入領域の幅Ｗｐｄの数倍程度までであれば、受光素子の設計に影響を与えることなく、遮光性能をさらに上げることができる。また、配線電極９とイオン注入領域である第１の半導体層４の領域との距離Ｌを、埋め込み層１０が良好に作製できる程度まで近接させることで、受光素子に対する遮光性能をさらに向上できる。
【００３８】
[第２の実施形態]
図３は、本発明の第２の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。図３の（ａ）および（ｂ）は、図１に示したのと同様に受光素子に対して遮光機能を有する配線電極９−２を備えている。図１の構成の配線電極９との相違点は、配線電極９−２の遮光面の向きがイオン注入領域４の一辺に対して平行ではなく、傾斜しているところにある。図３の（ａ）で左側の導波路３の部分のように、受光素子に接続される導波路３の途中部分と迷光１２の到来方向が一致する場合、遮光機能を有する配線電極９−２を第１の半導体層４領域の一辺に対して傾けて形成することで、反射・散乱光が導波路３に再結合するのを防止できる。また図３の（ａ）のように迷光が図の左側から第１の半導体層４の矩形領域の一辺に垂直に到来するのではなく、矩形領域の一辺に対して傾いた方向から到来する場合、最も効果的に迷光を遮断できるように、その傾きに応じて配線電極９−２の向きも傾けて配置すれば良い。配線電極９−２によってできる遮光面（壁面）が、迷光のソースに対して正面に相対する向きとなるように、受光素子に対して配線電極９−２を傾けて形成すれば良い。
【００３９】
図３の（ｂ）は、第２の実施形態の遮光構造を含む光回路の別の構成例を示す図である。図３の（ａ）の構成と比べて、遮光機能を有する配線電極９−３に加えて、配線電極９−３からの迷光の反射・散乱光をさらに吸収する吸収体１３をさらに備えている点で相違する。吸収体としては、光吸収部を構成する第１の半導体層４と同じイオン注入領域を形成することができる。また、光送受信デバイスとしては機能しない模擬ＰＤを配置して吸収体として利用しても良い。
【００４０】
[第３の実施形態]
図４は、本発明の第３の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。図４の（ａ）〜（ｃ）は、いずれも図１の（ｂ）と同様に受光素子を含む、基板２に垂直な光回路の断面を示した図であって、遮光機能を有する配線電極の変形例を示している。図４の（ａ）および（ｂ）は、第１の半導体層４の下面よりもさらに深く、基板２の内部まで、遮光機能を有する配線電極が形成されている例を示す図である。図４の（ａ）では、一旦、第１の半導体領域４の端部上面、端部側面および基板２の上面を覆う階段状電極の一部を形成し、基板２内まで掘り込んだ後で、基板２の内部まで階段状電極８−１を完成させる。最後に、光回路の表層に向かって垂直に配線電極９−４を形成している。図４の（ｂ）では、一気に基板２内部まで掘り込んだ後で、階段状電極８−２を完成させ、最後に光回路の表層に向かって垂直に配線電極９−４を形成している。光回路内において、迷光は導波路３の下の基板内も伝搬する場合がある。したがって、図４の（ａ）および（ｂ）のように光回路の表層から受光素子の第１の半導体層４の下側の基板面上にある階段状電極８を越えて、さらに内部側に配線電極９−４を形成することで、より効果的に受光素子と迷光の結合を抑えることができる。
【００４１】
図４の（ｃ）は、光回路内に存在する多層配線を利用して、複数の層間に、遮光機能を有する配線電極をそれぞれ形成した例を示す。光送受信デバイスに使用される光回路では、送信器、受信器ほかの機能を実現するため、多層配線を利用する。図１〜図３、図４の（ａ）および（ｂ）で示した各構成では、第１の半導体層４の端部上面、端部側面および基板２の上面に一体に形成した階段状電極８から光回路の表層までを、連続した配線電極９、９−１〜９−４で形成していた。図４の（ｃ）に示すように、受光素子を構成する光回路の中に構成された利用可能な多層配線を利用して、各層間に形成した配線電極９−５、９−６を接続して、全体で遮光機能を実現することができる。図４の（ｃ）では、階段状電極８の底部から中間配線層に向かって垂直に形成された配線電極９−５と、迷光のソース側に近い位置にずれて中間配線層から表層に向かって垂直に形成された配線電極９−６の２つの配線電極の例を示した。迷光を抑制できる限り、基板面内における２つの配線電極の位置関係は問わない。すなわち、図４の（ｃ）のように下層の配線電極からより上層の配線電極ほど、迷光のソース側に接近するよう位置をずらして配置しても良い。逆に、下層の配線電極からより上層の配線電極ほど、受光素子に接近するよう位置をずらして配置しても良い。また、図４の（ｃ）では２つの配線電極を繋げた構成を示したが、３つ以上の層に渡って、３つ以上の配線電極を順次接続して、遮光機能を有する配線電極を形成しても良い。
【００４２】
図４に示したいずれの配線電極９−４〜９−６も、図示していない光回路の表層の配線電極と接続されて、受光素子からの検出電気信号を取り出す電極として動作する。本発明の遮光構造では、受光素子が本来備えている配線電極の構造を利用して、配線電極に、受光素子からの電気信号を取り出すための機能と、迷光を遮光する機能とを持たせている。図４の（ａ）および（ｂ）では断面図のみを示しているが、配線電極９−４〜９−６は図１に示した配線電極９と同様に、第１の半導体層４の幅Ｗｐｄ以上の幅Ｗｅを持つのが好ましい。
【００４３】
以上詳細に説明したように、本発明の遮光構造によれば、光回路の受光素子に近接して、受光素子から電気信号を出力する電極構造の一部を利用して迷光を抑制することができる。集積度が上がった光回路においても、既存の受光素子の構成の一部を修正するだけで遮光構造を実現できる。光回路の特性に影響を与える導電ビアや壁、溝を新たに作成しないで、効果的に迷光と受光素子の結合を防ぐことができる。
【００４４】
上述の遮光構造は、ＰＮ型フォトダイオード（ＰＤ）、ＰＩＮ型ＰＤ、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）など受光素子のタイプに関わらず適用できることに留意されたい。上述の図１〜図４の構成例では、第１の半導体層４がｐ型シリコン層であり、第２の半導体層５がｉ型ゲルマニウム層およびｎ型ゲルマニウム層であって、これらの各層が積層されたＰＩＮ型ＰＤについて説明した。
【００４５】
しかしながら、非特許文献１に示されたようなシリコン光導波路、増倍領域、ゲルマニウム光吸収領域からなるＡＰＤに対しても、本発明の遮光構造を適用できる。非特許文献１では、シリコン光導波路、増倍領域、ゲルマニウム光吸収領域が順次積層された構成が開示されている。また、同一層のシリコン光導波路および増倍領域の上に、ゲルマニウム光吸収領域を形成した構成も開示されている。このようなＡＰＤの構成では、シリコン光導波路領域が、最も下層にある光吸収部となる。シリコン光導波路領域の一辺を含む端部上面、端部側面およびシリコン光導波路領域の下に接する層の上面に一体に形成された階段状電極の底部から、光回路の表層へ配線電極を垂直に形成することで、図１〜図４のＰＩＮ型ＰＤの構成と同様に、光吸収部と迷光の結合を抑えることができる。
【００４６】
[第４の実施形態]
上述のＰＩＮ型ＰＤおよびＰＮ型ＰＤは、いずれも異なる半導体層を基板面に垂直方向（縦方向）に積層した構成を持っている。非特許文献２には、Ｓｉ変調器の構成例として、Ｓｉ導波路構造の中央部に、基板面に沿って横方向にＰＮ接合を構成した構造が開示されている。このように横方向にＰＮ接合を利用して光吸収部を構成して、光回路におけるＰＮ型ＰＤとして利用できる。横方向に形成されたＰＮ型ＰＤを光回路に利用する場合では、ｐ−Ｓｉ層およびｎ―Ｓｉ層が、最も下層にある光吸収部となる。ｐ−Ｓｉ層またはｎ―Ｓｉ層から、その一辺を含む端部上面、端部側面、およびＳｉ層の下に接する層（例えばＳｉＯ2層）の上面に一体に形成された階段状電極を形成できる。この階段状電極の底部からを光回路の表層へ配線電極を垂直に形成し、ＰＮ接合の光吸収部を配線電極で遮光するように構成することで、光吸収部と迷光の結合を抑えることができる。
【００４７】
上述の基板面に沿って横方向にＰＩＮ型ＰＤを構成することもできる。光通信の受光素子としては、ＰＩＮ型ＰＤを利用する場合も多く、上述の実施形態１〜４の構成をそのまま適用できる。
【００４８】
図５は、本発明の第４の実施形態の遮光構造を含む光回路の一部を示す図である。図５の（ａ）は、光送受信デバイス内に含まれる光回路１００であって、受光素子を含む光回路の一部分の上面図を示した図である。図５の（ｂ）は、（ａ）の受光素子を通るＶＢ−ＶＢ´線を含む基板面に垂直な断面を見た図である。本実施形態の光回路では、受光素子を基板面に沿って横方向にＰＩＮ接合を構成した例を示す。受光素子の構成が、図１〜図４の基板面に垂直方向（縦方向）に積層した構成とは異なっている点を除けば、配線電極１０９の構成は実施形態１〜４と同じである。すなわち受光素子は、基板１０２上にｐ型領域１０４、ｉ型領域１０５、ｎ型領域１０６が、基板面に沿って形成されており、基板面に沿って横方向に断面領域１０１でＰＩＮ型ＰＤが構成されている。導波路１０３は、各半導体領域１０４〜１０６と概ね同一の高さに構成されている。ＰＩＮ型ＰＤでは、ｎ型領域１０６からも、階段状電極１１１を経由して配線電極１０７が取り出される。
【００４９】
図５に示したＰＩＮ型ＰＤの構成では、ｐ型領域１０４およびｎ型領域１０６の位置を入れ替えても、ＰＤのアノードおよびカソードの向きが変わるだけで、迷光のソース側に近いいずれかの配線電極を遮光のために利用できる。したがって、次に述べるように図５のＰＩＮ型ＰＤの構成では、ｐ型領域１０４側の配線電極１０９、ｎ型領域１０６側の配線電極１０７いずれか、または、配線電極１０９、１０７の両方を同時に遮光のために利用できることに留意されたい。
【００５０】
階段状電極１０８が、ｐ型領域１０４の端部上面、端部側面および基板２の上面を覆うように連続して一体に形成されており、階段状電極１０８の底部から、光回路の表層に向かって垂直に配線電極１０９を形成している。配線電極１０９を、ｐ型領域１０４の幅以上の幅とすることで、迷光１１２が受光素子であるＰＩＮ型ＰＤの光吸収部に結合するのを防止する。同様に、階段状電極１１１が、ｎ型領域１０６の端部上面、端部側面および基板２の上面を覆うように連続して一体に形成され、階段状電極１１１の底部から、光回路の表層に向かって垂直に配線電極１０７を形成している。図５の例では配線電極１０７は受光素子に対して迷光１１２のソースの反対側にある。しかしながら、迷光の反射光や散乱光が図５の右側からも到来する場合には、配線電極１０７も、配線電極１０９同様に反射光や散乱光がＰＩＮ型ＰＤの光吸収部に結合するのを防止できる。
【００５１】
したがって本発明は、基板１０２と、前記基板の上方に構成された、光吸収部として動作する第１の半導体層１０４と、前記第１の半導体層に隣接して形成され、前記第１の半導体層と異なる半導体タイプを有する第２の半導体層１０６とを備えた受光素子であって、前記基板の基板面内の、前記第１の半導体層の領域の１つ以上の辺を含む端部の上面、当該端部の側面、および、前記第１の半導体層の下側に接する層の上面に、連続して一体に構成された階段状電極１０８と、前記階段状電極の底部から、垂直に表面に向かって形成された壁状または柱状の配線電極１０９であって、当該受光素子からの検出電気信号を取り出す配線電極とをさらに備えたことを特徴とする受光素子として実施できる。
【００５２】
上述のように、本発明の光回路の遮光構造は、光吸収部を構成する半導体層の下面に構成された電極から光回路の表層まで構成された、電気信号取り出し用の配線電極を、遮光機能ために利用できる点で、受光素子のタイプに関係なく適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムのトランシーバに利用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１、２０、１００  光回路
２  基板
３、２１、１０３  導波路
４  第１の半導体層
５  第２の半導体層
６、７、１０７  電極
８、８−１、８−２、１０８、１１１  階段状電極
９、９−１〜９−６、１０７、１０９  配線電極
１０  埋め込み層
１１、１０１  断面領域
１２、２３、２４  迷光
１３  吸収体
２２  導電性ビア
１０４  ｐ型領域
１０５  ｉ型領域
１０６  ｎ型領域
【図１】
2020205373.tif 000003
【図２】
2020205373.tif 000004
【図３】
2020205373.tif 000005
【図４】
2020205373.tif 000006
【図５】
2020205373.tif 000007
【図６】
2020205373.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月24日(2020.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に構成された、光吸収部として動作する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に、または、前記第１の半導体層に隣接して形成され、前記第１の半導体層と異なる半導体タイプを有する第２の半導体層と
を備えた受光素子であって、
前記基板の基板面内の、前記第１の半導体層の領域の１つ以上の辺を含む端部の上面、当該端部の側面、および、前記第１の半導体層の下側に接する層の上面に、連続して一体に構成された階段状電極と、
前記階段状電極の底部から、垂直に表面に向かって形成された壁状または柱状の配線電極であって、前記１つ以上の辺の内の１つの辺に概ね平行に形成され、前記領域の前記１つの辺の長さ以上の幅を有し、当該受光素子からの検出電気信号を取り出す、配線電極と
をさらに備えたことを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記配線電極は、前記基板面内を見て、壁状電極、Ｌ字型またはコの字であることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記配線電極は、前記１つ以上の辺の内の１つの辺に対して傾斜して形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記配線電極は、
前記階段状電極の前記底部から、前記基板内に構成された前記階段状電極よりも表面側の中間配線層に向かって垂直に形成された第１の層間配線電極と、
前記中間配線層から表面に向かって垂直に形成された第２の層間配線電極と
を含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の受光素子。
【請求項５】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は中間領域を挟んで前記基板面に沿って形成され、相互に異なる半導体タイプを有しており、
前記第１の半導体層、前記中間領域および前記第２の半導体層によってＰＩＮ接合が形成され、
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を含む領域の１つ以上の辺に対して前記階段状電極が形成されたこと
を特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の受光素子。