(57)【要約】【課題】逆バイアス電圧の変化に対して利得の変化の傾きを緩やかにする。【解決手段】支持基板１０１上に形成された光導波路１０３を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、信号光を吸収する吸収領域１０９とチャージ領域１０５と増倍領域１０８とが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、チャージ領域１０５は、一端が増倍領域１０８と接合し、他端がチャージ領域１０５と同じ第１導電型の低濃度領域１０６と接合し、低濃度領域１０６は、チャージ領域１０５との接合面に対向する一端が、第１導電型の第１コンタクト領域１０７と接合し、増倍領域１０８は、チャージ領域１０５との接合面に対向する一端が、第１導電型とは異なる第２導電型の領域１０４と接合し、吸収領域１０９は、チャージ領域１０５及び低濃度領域１０６の双方に接合して形成されている。【選択図】図１
2020053444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域とチャージ領域と増倍領域とが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記増倍領域と接合し、他端が当該チャージ領域と同じ第１導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型の第１コンタクト領域と接合し、
前記増倍領域は、
前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型とは異なる第２導電型の領域と接合し、
前記吸収領域は、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方は、リセスが形成されており、
前記吸収領域は、前記リセスに形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、真性のＧｅで形成されており、
前記増倍領域は、真性のＳｉで形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５】
支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と第１導電型のチャージ領域とが分離しているアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２コンタクト領域と接合し、他端が前記第１導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型の第１コンタクト領域と接合し、
前記吸収領域は、前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型は、ｐ型であり、
前記第２導電型は、ｎ型である
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項７】
信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子と、前記信号光を前記導波路まで導光する光導波路との双方が支持基板上に一体形成された光電融合モジュールであって、
前記信号光を吸収する吸収領域とチャージ領域と増倍領域とが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記増倍領域と接合し、他端が当該チャージ領域と同じ第１導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型の第１コンタクト領域と接合し、
前記増倍領域は、
前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型とは異なる第２導電型の領域と接合し、
前記吸収領域は、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されており、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする光電融合モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子、及び光電融合モジュールに関し、例えば、光ファイバ通信で使用される半導体受光素子や、光回路及び電気回路を融合した光電融合モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、導入が進展しているＦＴＴＨ（Fiber to the Home）システム、特にＰＯＮ（Passive Optical Network）システムは、１本の光ファイバで双方向通信を行う一芯双方向通信モジュールを使用することが多い。この一芯双方向通信モジュールは、従来、個別に実装していたＬＤ（Laser Diode）やＰＤ（Photo Diode）等の電子デバイスを、光回路の基板表面に実装することにより小型化を実現している。
【０００３】
光回路は、Ｓｉを材料として用いる光導波路を採用している。例えば、Ｓｉをコアとして用い、且つＳｉよりも極めて屈折率が小さいＳｉＯ２をクラッドとして用いたＳｉ細線導波路が知られている。Ｓｉ細線導波路は、コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きいために、光をコアに強く閉じ込めることが可能である。その結果、Ｓｉ細線導波路を用いた光学装置は、例えば、曲げ半径を１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路等、非常に微細なサブミクロンオーダの導波路を形成することが可能である。そのため、Ｓｉ細線導波路は、Ｓｉ電子デバイスと光デバイスとを同一のチップ上で融合することができる可能性を秘めた技術として注目されている。
【０００４】
ところで、半導体受光素子は、Ｓｉ細線導波路と共に集積することが好ましい。つまり、Ｓｉ細線導波路が形成されるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の上に半導体受光素子を形成することが好ましい。非特許文献１には、ＳＯＩ基板のトップＳｉ層を半導体プロセスにより成形したＳｉコアに対して不純物添加し、ｐ型の導電型を持たせ、そのｐ型のＳｉコア上に、例えばＧｅの吸収領域を積層した長波長用（1550nm用）の半導体受光素子が開示されている。この半導体受光素子は、Ｇｅ表面に不純物添加することでＳｉコアと逆の導電型（つまり、ｎ型）を持たせ、ｐ型領域とｎ型領域の中間にｉ型領域が存在する導波路のＰＩＮ構造のフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤとも称する）を構成している。
【０００５】
ＰＩＮ−ＰＤの受光感度Ｒ（ＰＤへの入力光パワーＰｉｎで発生電流Ｉｐｈを除した値［Ａ／Ｗ］）は、一般に、電子素量をｅ［Ｃ］、外部量子効率をη、プランク定数をｈ［ｍ２ｋｇ／ｓ］、光の振動数をν［／ｓ］とすると、次式で表される。
Ｒ＝ｅη／（ｈν）
【０００６】
上式から、波長１４９０ｎｍの光を受光する場合、外部量子効率を理想状態の１にまで高めることができたとしても、ＰＩＮ−ＰＤでは受光感度は約１．２［Ａ／Ｗ］が上限であることがわかる。そこで、非特許文献２には、ダイオードの雪崩降伏現象を利用し、ＰＩＮ−ＰＤよりも高い受光感度を得ることができる導波路型のアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤとも称する）が開示されている。
【０００７】
非特許文献２に開示されているＡＰＤは、前記したＰＩＮ−ＰＤに高い逆バイアス電圧を印加し、Ｇｅ吸収層内で、且つ、光吸収によりキャリアが発生する領域外でキャリアが増倍する構造になっている。この構造のＡＰＤは、簡易に作製できるメリットを有するものの、Ｇｅ吸収領域に高い電界が印加されるためＧｅ吸収領域でトンネル電流による暗電流が増加する上、Ｇｅが絶縁破壊されやすいデメリットがある。
【０００８】
次に、非特許文献３に開示されているＡＰＤは、非特許文献２に開示されているＡＰＤのデメリットを克服されるために考案されたＡＰＤであり、一般にＳＡＭ構造のＡＰＤと呼ばれている。ＳＡＭ構造は、ノンドープＧｅ層からなる吸収（Absorption）領域と、ノンドープＳｉ層からなる増倍（Multiplication）領域とが分離（Separate）していることが特徴である。この特徴により、高い逆バイアス電圧による内部電界は、ノンドープＧｅ層からなる吸収領域の電気抵抗と、ノンドープＳｉ層からなる増倍領域の電気抵抗との比に従い、ノンドープＳｉ層からなる増倍領域に効率的に印加される。Ｇｅよりもバンドギャップの大きいＳｉではトンネル電流が発生しにくいため、非特許文献３に開示されているＡＰＤは、非特許文献２に開示されているＰＩＮ構造のＡＰＤよりも暗電流を抑えることができる上に、Ｇｅが絶縁破壊されにくくなっている。
【０００９】
さらに、非特許文献４に開示されているＡＰＤの構造は、一般にＳＡＣＭ構造と呼ばれ、ＳＡＭ構造にチャージ（Charge）領域が追加された構造となっている。ＳＡＣＭ構造では、ｐ−−Ｓｉ層からなるチャージ領域によって、ノンドープＧｅ層からなる吸収領域に印加される電界を、ノンドープＧｅ層からなる吸収領域とノンドープＳｉ層からなる増倍領域の電気抵抗の比よりも低く抑えることができる。これにより、ＳＡＣＭ構造では、ノンドープＳｉ層からなる増倍領域に集中的に電界を印加することができる。つまり、ＳＡＣＭ構造のＡＰＤでは、ＳＡＭ構造のＡＰＤよりも、さらにＧｅが絶縁破壊されにくくなり、低い印加電圧で高い電界を増倍領域に印加することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Tao Yin, Rami Cohen, Mike M. Morse, Gadi Sarid, Yoel Chetrit, Doron Rubin,and Mario J. Paniccia,“31GHz Ge n-i-p waveguide photodetectors on Silicone-on-Insulator substrate”,OPTICS EXPRESS,Vol.15,No.21，2007，pp.13965-13971
【非特許文献２】H. T. Chen, J. Verbist, P. Verheyen, P. De Heyn, G. Lepage, J. De Coster, P.Absil, X. Yin, J. Bauwelinck, J. Van Campenhout, and G. Roelkens,”High sensitivity 10Gb/s Si photonic receiver based on a low-voltage waveguide-coupled Ge avalanche photodetector”,OPTICS EXPRESS,Vol.23,No.2，2015，pp.815
【非特許文献３】M. S. Carroll, K. Childs, R. Jarecki, T. Bauer, and K. Saiz,”Ge-Si separate absorption and multiplication avalanche photodiode for Geiger mode single photon detection”,Applied physics letters,Vol.93，2008，pp.183511
【非特許文献４】Y. Kang, Z. Huang, Y. Saado, J. Campbell, A. Pauchard, J. Bowers, M.J. Paniccia,“High Performance Ge/Si Avalanche Photodiodes Development in Intel”，OSA/OFC/NFOEC 2011,OWZ1.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献４のＳＡＣＭ構造のＡＰＤにおいても、ＡＰＤに印加される逆バイアス電圧が増加すれば、Ｇｅ吸収領域に発生する内部電界もそれに伴い増加する。このため、増倍率を上げるために逆バイアス電圧を一定以上高くすると、Ｇｅの絶縁破壊電界を超え、ＡＰＤが破損する問題が残っている。
また、非特許文献４のＦｉｇ．３に示す通り、増倍率を上げるために逆バイアス電圧（Bias）を増加させていくと、利得（Gain）が急速に増加する。このことは、従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤでは利得を安定させることが難しいことを示している。このため、逆バイアス電圧の変化に対して利得の変化の傾きが緩やかなＡＰＤが求められていた。
【００１２】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、逆バイアス電圧の変化に対して利得の変化の傾きを緩やかにすることができる半導体受光素子、及び光電融合モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明は、支持基板（101）上に形成された光導波路（103）を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、前記信号光を吸収する吸収領域（109）とチャージ領域（105）と増倍領域（108）とが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、前記チャージ領域（105）は、一端が前記増倍領域（108）と接合し、他端が当該チャージ領域（105）と同じ第１導電型（例えば、ｐ型）の低濃度領域(106)と接合し、前記低濃度領域(106)は、前記チャージ領域（105）との接合面に対向する一端が、前記第１導電型の第１コンタクト領域（107）と接合し、前記増倍領域（108）は、前記チャージ領域（105）との接合面に対向する一端が、前記第１導電型とは異なる第２導電型（例えば、ｎ型）の領域（104）と接合し、前記吸収領域（109）は、前記チャージ領域（105）及び前記低濃度領域(106)の双方に接合して形成されていることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。
【００１４】
これによれば、チャージ領域と低濃度領域と第１コンタクト領域とは第１導電型である。また、チャージ領域と低濃度領域とは、キャリア濃度が異なる。したがって、チャージ領域と低濃度領域との境界にビルトインポテンシャルが発生する。また、吸収領域がチャージ領域及び低濃度領域の双方に接合している。このため、吸収領域は、ビルトインポテンシャルに依存する内部電界が発生する。ビルトインポテンシャルは小さい値なので、吸収領域は、絶縁破壊しない。
【００１５】
第１導電型の第１コンタクト領域と低濃度領域とが接し、且つ、チャージ領域と増倍領域と第２導電型の領域とがｐ−ｉ−ｎ構造を構成している。このため、素子への逆バイアス電圧印加により、ｐ−ｉ−ｎ構造に伴う空乏層幅Ｗが広がる。これにより、増倍領域にかかる内部電界の増加が緩やかになり、逆バイアス電圧の変化に対する利得の変化の傾きも緩やかになる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、逆バイアス電圧の変化に対して利得の変化の傾きを緩やかにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１）である。
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（２）である。
【図４Ｃ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（３）である。
【図４Ｄ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（４）である。
【図４Ｅ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（５）である。
【図４Ｆ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（６）である。
【図４Ｇ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（７）である。
【図４Ｈ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（８）である。
【図４Ｉ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（９）である。
【図４Ｊ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１０）である。
【図４Ｋ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１０）である。
【図４Ｌ】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１１）である。
【図５】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の印加逆電圧と増倍領域の電界強度の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の平面図である。
【図１０Ａ】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１）である。
【図１０Ｂ】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（２）である。
【図１０Ｃ】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（３）である。
【図１０Ｄ】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（４）である。
【図１０Ｅ】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（５）である。
【図１１】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図である。
【図１４】本発明の各実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図であり、図２は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の平面図である。図１は、光がｚ方向に伝搬する場合のｘｙ平面断面図を示しており、図２は、ｘｚ面を示している。
【００２０】
半導体受光素子１００ａは、支持基板としてのＳｉ基板１０１と、下部クラッド１０２と、Ｓｉスラブ導波路１０３と、ｎ−Ｓｉ領域１０４と、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５と、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６と、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７と、増倍領域としてのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９と、２つのＡｌ電極１１０，１１０とを備えて構成される。また、ｎ−Ｓｉ領域１０４は、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとから構成されている。なお、図２の平面図において、Ｓｉスラブ導波路１０３は、Ｓｉ細線導波路１１５に接続されている。
【００２１】
Ｓｉ基板１０１は、厚みｔ１＝７７５［μｍ］である。下部クラッド１０２は、Ｓｉ基板１０１の全面に堆積されており、厚みｔ２＝３［μｍ］のＳｉＯ２である。Ｓｉスラブ導波路１０３、及びＳｉ細線導波路１１５は、下部クラッド１０２の上に厚みｔ３＝２２０［ｎｍ］で形成されているＳｉである。
【００２２】
ｎ−Ｓｉ領域１０４とｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７は、Ｓｉスラブ導波路１０３と同一の厚みｔ３＝２２０ｎｍで形成されている。キャリア濃度は、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａが４×１０２０［ｃｍ−３］であり、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂが１×１０１９であり、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５が４×１０１７［ｃｍ−３］であり、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６が１×１０１９［ｃｍ−３］であり、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７が４×１０２０［ｃｍ−３］である。
【００２３】
ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５は、一端がｉ−Ｓｉ増倍領域１０８と接合し、他端が当該ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５と同じ導電型のｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６と接合する。また、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６は、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５との接合面に対向する一端が、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７と接合する。ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８は、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５との接合面に対向する一端が、第１導電型とは異なる第２導電型（ｎ型）のｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂと接合する。このように、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とが接している点が従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤと異なる特徴である。なお、ｎ型領域は、例えばＰ（リン）をイオン注入して形成し、ｐ型領域は、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入して形成している。
【００２４】
また、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８は、ｎ−Ｓｉ領域１０４とｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５との間に形成されているノンドープのシリコンである。
【００２５】
ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６の境界を跨ぐようにｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６上に形成されている。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、厚みｔ７＝５００［ｎｍ］である。
【００２６】
Ａｌ電極１１０，１１０は、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ及びｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７の上に形成されており、厚みｔ４＝１μｍである。また、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａは、Ｓｉスラブ導波路１０３の上面に露出しつつｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂの内部に包含されている。上部クラッド１１１は、Ｓｉスラブ導波路１０３とｉ−Ｇｅ吸収領域１０９とを覆い、２つのＡｌ電極１１０，１１０が露出するように形成されている。上部クラッド１１１は、例えば、厚みｔ８＝１［μｍ］のＳｉＯ２である。
【００２７】
図３は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
製造者は、まず、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１１３（図４Ａ）を用意し（Ｓ１）、シリコン層を形成し（Ｓ２〜Ｓ６）、ハードマスク層を形成し（Ｓ７）、Ｇｅ選択成長窓を形成し（Ｓ８）、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を選択成長する（Ｓ１０ａ）。なお、破線で示すリセス形成（Ｓ９）及びステップＳ１０ｂ〜Ｓ１３ｂは、第２実施形態で説明する。Ｓ１０ａの後、製造者は、上部クラッド１１１を形成し（Ｓ１１ａ）、コンタクトホールを形成し（Ｓ１２ａ）、Ａｌ電極１１０，１１０を形成する（Ｓ１３ａ）。
【００２８】
前記したシリコン層の形成（Ｓ２〜Ｓ６）は、製造者が、ＳＯＩ基板１１３の上に、Ｓｉスラブ導波路１０３を形成し（Ｓ２）、ｎ−Ｓｉ領域１０４を形成し（Ｓ３）、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６を形成し（Ｓ４）、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７を形成し（Ｓ５）、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５及びｉ−Ｓｉ増倍領域１０８を形成して（Ｓ６）、行う。
【００２９】
図４Ａ〜図４Ｌは、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１１）である。以下、半導体受光素子１００ａの製造方法について、詳細に説明する。
図４Ａ（Ｓ１）においては、製造者は、厚みｔ１＝７７５［μｍ］のＳｉ基板１０１の表面に、厚みｔ２＝３［μｍ］のＳｉＯ２による下部クラッド１０２と、その下部クラッド１０２の表面に、厚みｔ３＝２２０［ｎｍ］のトップＳｉ層１１２とを積層したＳＯＩ基板１１３を準備する。
【００３０】
図４Ｂ（Ｓ２）においては、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いて、トップＳｉ層１１２をパターニングして、Ｓｉスラブ導波路１０３を形成する。
【００３１】
図４Ｃ（Ｓ３）においては、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、製造者は、Ｓｉスラブ導波路１０３の内部に、部分的に、例えばＰ（リン）をイオン注入して、ｎ−Ｓｉ領域１０４を形成する。つまり、製造者は、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂを形成し、さらに、イオン注入領域及び濃度を変えてｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａを形成する。
【００３２】
図４Ｄ（Ｓ４）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Ｓｉスラブ導波路１０３であって、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂの反対側端部１１７を除くように、内部に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入してｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６を形成する。
【００３３】
図４Ｅ（Ｓ５）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６中に部分的に、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入してｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７を形成する。
【００３４】
図４Ｆ（Ｓ６）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６と接して、且つ、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂ側で、且つ、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとは接しないように、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入してｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５を形成する。これによって、同時にノンドープのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８が形成される。
【００３５】
図４Ｇ（Ｓ７）においては、Ｇｅの選択成長マスクとして機能するハードマスク層２０２（例えば、ＳｉＯ２膜）を、例えば化学気相成長法によって堆積させる。
【００３６】
図４Ｈ（Ｓ８）に示す通り、製造者は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いて、ハードマスク層２０２をパターニングして、Ｇｅ選択成長窓１１８を形成する。このとき、Ｇｅ選択成長窓１１８は、次工程のＧｅ選択成長に鑑み、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６との境界を跨ぎ、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６を露出するように形成する。
【００３７】
図４Ｉ（Ｓ１０ａ）に示す通り、製造者は、Ｇｅ選択成長窓１１８（図４Ｈ）に、厚みｔ７＝５００［ｎｍ］のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を選択成長させる。次に、図４Ｊ（Ｓ１１ｂ）においては、例えば、ＳｉＯ２膜を、化学気相成長法によって、厚みｔ８＝１［μｍ］まで堆積させて、上部クラッド１１１を形成する。
【００３８】
図４Ｋ（Ｓ１２ａ）に示す通り、製造者は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、上部クラッド１１１をパターニングする。これにより、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの表面、及びｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７の表面に、コンタクトホール１１４，１１４が形成される。
【００３９】
図４Ｌ（Ｓ１３ａ）に示す通り、製造者は、２つのコンタクトホール１１４，１１４を覆うように、Ａｌ膜をスパッタで形成し、さらに、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによるパターニングによって、Ａｌ電極１１０を形成する。これにより、半導体受光素子１００ａが形成される。
【００４０】
（動作の説明）
図５は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図である。図６は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
【００４１】
以下、図５，６を参照して、半導体受光素子１００ａの動作について説明する。半導体受光素子１００ａは、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９とｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５と増倍領域としてのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８とが分離しているので、ＳＡＣＭ構造と呼ぶことができる。しかしながら、動作は、従来のＳＡＣＭ構造と少し異なる。
【００４２】
先ず、図５に示す通り、Ｓｉ細線導波路１１５及び、Ｓｉスラブ導波路１０３を伝搬してきた信号光１１６は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９にエバネッセント結合し、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を伝搬する。
【００４３】
次に、図６に示す通り、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、信号光を吸収し、キャリアとしての電子及び正孔を発生させる。また、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６との境界は、濃度差によるビルトインポテンシャルを発生させる。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６の表面に堆積しているので、該ビルトインポテンシャルによる内部電界が発生する。したがって、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９で発生した電子は、該内部電界によって、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５の方向にドリフトし、正孔は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６の方向にドリフトする。
【００４４】
ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６のアクセプタ濃度が１×１０１９［ｃｍ−３］、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５のアクセプタ濃度が４×１０１７［ｃｍ−３］の場合、ビルトインポテンシャルは０．０８３［Ｖ］となる。なお、ビルトインポテンシャルは、素子に印加される逆バイアス電圧に依存しない。
【００４５】
このように、半導体受光素子１００ａによれば、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の内部電界の強さはｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６との境界のビルトインポテンシャルにより一義的に決まる。このため、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の内部電界の強さは、素子に印加される逆バイアス電圧の大小によらないことが特徴である。言い換えれば、素子に印加される逆バイアス電圧は、殆どがｉ−Ｓｉ増倍領域１０８に印加される。つまり、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８の内部電界は、高くなっている。
【００４６】
そして、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５に達した電子は、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５をドリフトして通り抜け、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８に到達する。ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８に到達した電子は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８の高い内部電界によって、ドリフトが加速し、雪崩増倍が発生する。雪崩増倍によって、多数の電子及び正孔が発生する。
【００４７】
ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８で増倍した電子は、そのままドリフトしてｎ−Ｓｉ領域１０４へ到達する。ｎ−Ｓｉ領域１０４に到達した電子は、Ａｌ電極１１０を介して、発生電流として外部回路へ出力される。
【００４８】
同時に、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８で発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトして、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５に到達する。その後、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５に到達した正孔は、ドリフトして、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６を通過し、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に到達する。ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に到達した正孔は、Ａｌ電極１１０を介して発生電流として外部回路へ出力される。
【００４９】
一方、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９で発生し、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６に達した正孔は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６内部をドリフトし、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に到達する。ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に到達した正孔は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８で発生した正孔と共にＡｌ電極１１０を介して発生電流として外部回路へ出力される。
【００５０】
各キャリアの増倍率は、半導体材料に応じた固有の値を有する。Ｓｉの増倍率は、正孔よりも電子の方が１０倍程大きい。また、Ｇｅ及びＳｉを使用したアバランシェフォトダイオードでは、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８で電子を増倍できるように、Ｇｅ側をｐ型にし、Ｓｉ側をｎ型にするのが効率的である。
【００５１】
また、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とが接している。このため、半導体受光素子１００ａは、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｉ−Ｓｉ増倍領域１０８とｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとで、ｐ−ｉ−ｎ構造を構成していることになる。半導体受光素子１００ａは、素子への逆バイアス電圧印加により、ｐ−ｉ−ｎ構造に伴う空乏層が広げることができる点で従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤと異なる。
【００５２】
一般に、ダイオードの空乏層幅Ｗは次式で表される。
Ｗ＝√［−｛（２ｋε０／ｑ）（１／ＮＤ＋１／ＮＡ）（ｖＤ＋ｖｂ）｝］
ここで、κ：比誘電率、ε０：真空の誘電率、ｑ：電子の電荷（負の値）、ＮＤ：ドナー濃度、ＮＡ：アクセプタ濃度、ｖＤ：ビルトインポテンシャル、ｖｂ：逆方向電圧である。上式で示した通り、空乏層幅Ｗは、ドナーやアクセプタのドーパント濃度が低いほど広くなる。
【００５３】
図７は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の印加逆電圧と増倍領域の電界強度の関係を示す図である。横軸は、印加逆電圧［Ｖ］であり、縦軸は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８の電界強度［Ｖ／μｍ］である。パラメータとしては、本実施形態（増倍領域の幅０μｍ）、本実施形態（増倍領域の幅０．１μｍ）、本実施形態（増倍領域の幅０．２μｍ）、及び従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤ（増倍領域の幅０．２μｍ）である。
【００５４】
従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤは、印加逆電圧の増減によりｉ−Ｓｉ増倍領域にかかる空乏層幅が変化しない。このため、従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤは、印加逆電圧の増加に伴うｉ−Ｓｉ増倍領域にかかる電界強度の増加が直線的である。一方、本実施形態（増倍領域の幅０μｍ）では、ｐｎ接合の空乏層が発生しており、印加逆電圧の増加に伴い空乏層幅Ｗが広がるため、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８にかかる電界強度の増加が緩やかになっている。言い換えれば、従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤは、本実施形態（増倍領域の幅０μｍ）よりも、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８にかかる電界強度の増加が急峻である。また、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８を設け、その幅を増加することにより、電界強度の低下が見られる。
【００５５】
（効果の説明）
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子１００ａによれば、水平方向に順にｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂをそれぞれ接して配置されている。また、半導体受光素子１００ａは、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５との境界を跨いで、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６及びｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５の表面にｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を形成している。これらにより、半導体受光素子１００ａは、前記した課題を解決し、以下の作用効果を奏する。
【００５６】
（１）ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の内部電界は、素子への印加逆電圧によらず、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６との間のビルトインポテンシャルにより一義的に決まる。このため、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、素子への印加逆電圧の増加によって、絶縁破壊されることがない。
【００５７】
（２）ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とが接しているため、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｉ−Ｓｉ増倍領域１０８とｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４とがｐ−ｉ−ｎ構造を構成している。このため、素子への逆バイアス電圧印加により、ｐ−ｉ−ｎ構造に伴う空乏層幅Ｗが広がる。これにより、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８にかかる内部電界の増加が緩やかになり、逆バイアス電圧の変化に対する利得の変化の傾きも緩やかになる。
【００５８】
（第２実施形態）
前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａのｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、Ｓｉスラブ導波路１０３の上面に形成されていたが、Ｓｉスラブ導波路１０３にリセスを形成し、このリセスにｉ−Ｇｅ吸収領域２０９を形成することもできる。
【００５９】
（構成の説明）
図８は、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図である。図９は、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の平面図である。
以下、半導体受光素子１００ｂの構造について、前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａ（図１）と異なる点について、説明する。
【００６０】
半導体受光素子１００ｂは、ｐ−−Ｓｉチャージ領域２０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６とにリセス２１７が形成されている。リセス２１７の深さは、ｔ９である。ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９は、リセス２１７に形成されており、その厚みもｔ９である。なお、上部クラッド２１１は、前記第１実施形態の上部クラッド１１１（図１）と形状が異なる。
【００６１】
図１０Ａ〜図１０Ｅは、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図である。以下、これらの説明図を用いて、半導体受光素子１００ｂの製造方法について説明する。なお、図３のＳ１〜Ｓ８までは、前記第１実施形態の図４Ａ〜図４Ｈと同一なので、まず、図４Ｈ（Ｓ８）の工程で作成されるデバイス構成について説明する。
【００６２】
図４Ｈ（Ｓ８）の工程において、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８、ｎ−Ｓｉ領域１０４が形成されている。ｎ−Ｓｉ領域１０４は、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとから構成されている。また、ハードマスク層２０２が形成されており、このハードマスク層２０２は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６及びｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５の表面にＧｅ選択成長窓１１８が形成されている。
【００６３】
図１０Ａ（Ｓ９）においては、ハードマスク層２０２をマスクとして、Ｓｉスラブ導波路１０３のＧｅ選択成長窓１１８の領域を、途中までドライエッチングして、深さｔ９のリセス２１７を形成する。これにより、ｐ−−Ｓｉチャージ領域２０５及びｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６が形成される。
【００６４】
図１０Ｂ（Ｓ１０ｂ）においては、リセス２１７（図１０Ａ）に、ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９を選択成長させる。これにより、厚みｔ９のｉ−Ｇｅ吸収領域２０９が形成される。
【００６５】
図１０Ｃ（Ｓ１１ｂ）においては、例えばＳｉＯ２膜を、化学気相成長法によって堆積させて、上部クラッド２１１を形成する。
【００６６】
図１０Ｄ（Ｓ１２ｂ）に示す通り、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、上部クラッド２１１をパターニングする。これにより、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの表面、及びｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７の表面に、コンタクトホール１１４，１１４が形成される。
【００６７】
図１０Ｅ（Ｓ１３ｂ）に示す通り、２つのコンタクトホール１１４，１１４を覆うように、Ａｌ膜をスパッタで形成し、さらに、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによるパターニングによって、Ａｌ電極１１０，１１０を形成する。これにより、半導体受光素子１００ｂが形成される。
【００６８】
（動作の説明）
図１１は、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図である。図１２は、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
【００６９】
半導体受光素子１００ｂは、前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａと動作原理は略同一である。
先ず、図１１に示す通り、Ｓｉ細線導波路１１５、及び、Ｓｉスラブ導波路１０３を伝搬してきた信号光１１６は、ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９にバットジョイント結合し、ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９を伝搬する。
【００７０】
図１２に示す通り、ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９は、信号光１１６を吸収し、キャリアとしての電子及び正孔を発生させる。また、ｐ−−Ｓｉチャージ領域２０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６との境界でビルトインポテンシャルが発生する。このビルトインポテンシャルがもたらすｉ−Ｇｅ吸収領域２０９の内部電界に沿って、電子はｐ−−Ｓｉチャージ領域２０５の方向に、正孔はｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６の方向にドリフトする。
【００７１】
そして、ｐ−−Ｓｉチャージ領域２０５に到達した電子は、ｐ−−Ｓｉチャージ領域２０５をドリフトして通り抜け、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８に到達する。ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８に到達した電子は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８の高い内部電界によりドリフトが加速する。ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８での雪崩増倍により、多数の電子及び正孔が発生する。
【００７２】
ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８で増倍した電子は、そのままドリフトしてｎ−Ｓｉ領域１０４まで到達し、Ａｌ電極１１０を通じて発生電流として外部回路へ出力される。同時に、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８で発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトしてｐ−−Ｓｉチャージ領域２０５へ到達した後、ドリフトしてｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６を通り抜けｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７へ到達し、Ａｌ電極１１０を介して、発生電流として外部回路へ出力される。
【００７３】
ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９で発生し、ｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６に達した正孔は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６の内部をドリフトして、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に到達する。ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に到達した正孔は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８で発生した正孔と共に、Ａｌ電極１１０を介して、発生電流として外部回路へ出力される。
【００７４】
（効果の説明）
以上説明したように、半導体受光素子１００ｂによれば、前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａと同様の作用効果が得られる上に、Ｓｉスラブ導波路を伝搬してきた信号光がｉ−Ｇｅ吸収領域２０９とバットジョイント結合することで、エバネッセント結合する半導体受光素子１００ａと比べると結合効率が高くなる。また、半導体受光素子１００ｂは、バットジョイント結合するので、半導体受光素子１００ａよりも結合の偏波依存性を低減することができる。
【００７５】
（第３実施形態）
前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａは、増倍領域を設けたが、図７の「本実施形態（増倍領域の幅０μｍ）」のように、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８を設けない構成も可能である。つまり、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８の幅を０（ゼロ）にすることができる。
【００７６】
図１３は、本発明の第３実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図である。
半導体受光素子１００ｃは、支持基板としてのＳｉ基板１０１と、下部クラッド１０２と、Ｓｉスラブ導波路１０３と、ｎ−Ｓｉ領域１０４と、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５と、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６と、ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域１０７と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９と、２つのＡｌ電極１１０，１１０とを備えて構成される。また、ｎ−Ｓｉ領域１０４は、ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとから構成されている。つまり、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５は、一端がｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂと接合し、他端がｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６と接合している。
【００７７】
このような構成であっても、ｐ−−Ｓｉチャージ領域１０５とｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとに逆バイアス電圧が印加されたときに、空乏層が発生する。また、前記各実施形態と同様に、逆バイアス電圧が増加したときに、空乏層の幅が増加し、内部電界の増加が緩やかになる。つまり、逆バイアス電圧の変化に対する利得の変化の傾きも緩やかになる。
【００７８】
（光電融合モジュール）
図１４は、本発明の各実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。
光電融合モジュール２００は、例えば、ＰＯＮシステムに使用される一芯双方向通信モジュールであり、Ｓｉ基板１０１に積層された下部クラッド１０２の表面に光回路２１０、及び電気回路２２０とが形成されている。ここで、光回路２１０は、スポットサイズ変換器２１３と波長合分波器２１２とから構成されており、波長合分波器２１２は、光導波路としてのＳｉ細線導波路１１５から構成されている。また、電気回路２２０は、半導体受光素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）と、半導体発光素子としてのレーザダイオード２２２と、電子回路としてのトランスインピーダンスアンプ２２１と、モニタ用フォトダイオード２２３とを備えている。つまり、光電融合モジュール２００は、前記したＳｉ細線導波路１１５と半導体受光素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）とが結合された構成になっており、光回路２１０、及び電気回路２２０とが一体化されている。
【００７９】
波長合分波器２１２は、レーザダイオード２２２が発光した信号光をスポットサイズ変換器２１３に導き、スポットサイズ変換器２１３から導かれた信号光を半導体受光素子１００に入射させるものである。また、１本の光ファイバで、双方向通信を行うため、モニタ用フォトダイオード２２３が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードが発光した光の波長を遮断するようにしている。例えば、レーザダイオード２２２の送信波長を１．３１０ｎｍとし、半導体受光素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）の受信波長を１．５５ｎｍとした場合、半導体受光素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードが発光した光の波長１．３１０ｎｍを遮断するようにしている。なお、Ｓｉ細線導波路１１５は、コア材をシリコンとし、クラッド材を石英とする光導波路であり、従来から用いられる石英光導波路に比べて光の経路を鋭く曲げることができる。
【００８０】
スポットサイズ変換器２１３は、図示しない光ファイバとシリコン細線導波路との間を結合するものであり、先細テーパ型を用いている。つまり、スポットサイズ変換器２１３は、光のビームスポットの大きさを変換する機能を持ち、光入出力における光パワー損失を低減するために設けられている。なお、レーザダイオード２２２と導波路との間は、テーパ型スポットサイズ変換を用い、半導体受光素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）と導波路との間は、グレーティング型を採用している。
【００８１】
トランスインピーダンスアンプ２２１は、半導体受光素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）の両端電圧を仮想接地させつつ、半導体受光素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）が発生する電流を電圧に変換する電子回路である。
モニタ用フォトダイオード２２３は、レーザダイオード２２２の光出力をモニタして帰還制御するためのものであり、レーザダイオード２２２と近接配置されている。
【００８２】
（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態の半導体受光素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、チャージ領域がｐ型であったが、ｎ型にすることもできる。このときには、チャージ領域、第１コンタクト領域、低濃度領域がｎ型になり、第２コンタクト領域がｐ型になる。
【００８３】
（２）前記各実施形態の半導体受光素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、Ａｌ電極を用いたが、ＳｉやＧｅとオーミック接触を形成できる金属材料であればこれに限らない。例えば、Ｃｕなども可能である。半導体受光素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、上部クラッド１１１，２１１の材料にＳｉＯ２を用いたが、使用波長範囲でＳｉ及びＧｅよりも屈折率の小さな透明材料であればこれに限らない。例えば、ＳｉＯＮなども可能である。
【００８４】
（３）前記各実施形態の半導体受光素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、Ｓｉ層上に直接Ｇｅ層を選択成長させる構成及び製造方法を示したが、Ｓｉ層とＧｅ層との間にはＳｉＧｅ混晶層等を選択成長させても構わない。同様に、Ｇｅ層上にＳｉ層等の保護層を設けても構わない。
【００８５】
（４）前記各実施形態の半導体受光素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、Ｓｉ層上へのＧｅ層選択成長について説明したが、材料の組み合わせはこれに限らない。例えば、Ｓｉ層上へのＳｉＧｅ混晶層選択成長等の他、下地材料上に選択成長できる材料を組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１００ａ，１００ｂ  半導体受光素子
１０１  Ｓｉ基板（支持基板）
１０２  下部クラッド
１０３  Ｓｉスラブ導波路
１０４  ｎ−Ｓｉ領域
１０４ａ  ｎ＋−Ｓｉコンタクト領域
１０４ｂ  ｎ−Ｓｉ低濃度領域
１０５，２０５  ｐ−−Ｓｉチャージ領域
１０６，２０６  ｐ−Ｓｉ低濃度領域
１０７  ｐ＋−Ｓｉコンタクト領域
１０８  ｉ−Ｓｉ増倍領域
１０９，２０９  ｉ−Ｇｅ吸収領域
１１３  ＳＯＩ基板
１１５  Ｓｉ細線導波路
２００  光電融合モジュール
２１７  リセス
【図１】
2020053444.tif 000003
【図２】
2020053444.tif 000004
【図３】
2020053444.tif 000005
【図４Ａ】
2020053444.tif 000006
【図４Ｂ】
2020053444.tif 000007
【図４Ｃ】
2020053444.tif 000008
【図４Ｄ】
2020053444.tif 000009
【図４Ｅ】
2020053444.tif 000010
【図４Ｆ】
2020053444.tif 000011
【図４Ｇ】
2020053444.tif 000012
【図４Ｈ】
2020053444.tif 000013
【図４Ｉ】
2020053444.tif 000014
【図４Ｊ】
2020053444.tif 000015
【図４Ｋ】
2020053444.tif 000016
【図４Ｌ】
2020053444.tif 000017
【図５】
2020053444.tif 000018
【図６】
2020053444.tif 000019
【図７】
2020053444.tif 000020
【図８】
2020053444.tif 000021
【図９】
2020053444.tif 000022
【図１０Ａ】
2020053444.tif 000023
【図１０Ｂ】
2020053444.tif 000024
【図１０Ｃ】
2020053444.tif 000025
【図１０Ｄ】
2020053444.tif 000026
【図１０Ｅ】
2020053444.tif 000027
【図１１】
2020053444.tif 000028
【図１２】
2020053444.tif 000029
【図１３】
2020053444.tif 000030
【図１４】
2020053444.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】令和1年11月29日(2019.11.29)
【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】
支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、
真性のＧｅで形成され、前記信号光を吸収する吸収領域とチャージ領域と真性のＳｉで形成された増倍領域とが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記増倍領域と接合し、他端が当該チャージ領域と同じ第１導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型の第１コンタクト領域と接合し、
前記増倍領域は、
前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型とは異なる第２導電型の領域と接合し、
前記吸収領域は、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方は、リセスが形成されており、
前記吸収領域は、前記リセスに形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体受光素子であって、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型は、ｐ型であり、
前記第２導電型は、ｎ型である
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５】
信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子と、前記信号光を前記導波路まで導光する光導波路との双方が支持基板上に一体形成された光電融合モジュールであって、
真性のＧｅで形成され、前記信号光を吸収する吸収領域とチャージ領域と真性のＳｉで形成された増倍領域とが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端が前記増倍領域と接合し、他端が当該チャージ領域と同じ第１導電型の低濃度領域と接合し、
前記低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型の第１コンタクト領域と接合し、
前記増倍領域は、
前記チャージ領域との接合面に対向する一端が、前記第１導電型とは異なる第２導電型の領域と接合し、
前記吸収領域は、
前記チャージ領域及び前記低濃度領域の双方に接合して形成されており、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする光電融合モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明は、支持基板（101）上に形成された光導波路（103）を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、真性のＧｅで形成され、前記信号光を吸収する吸収領域（109）とチャージ領域（105）と真性のＳｉで形成された増倍領域（108）とが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、前記チャージ領域（105）は、一端が前記増倍領域（108）と接合し、他端が当該チャージ領域（105）と同じ第１導電型（例えば、ｐ型）の低濃度領域(106)と接合し、前記低濃度領域(106)は、前記チャージ領域（105）との接合面に対向する一端が、前記第１導電型の第１コンタクト領域（107）と接合し、前記増倍領域（108）は、前記チャージ領域（105）との接合面に対向する一端が、前記第１導電型とは異なる第２導電型（例えば、ｎ型）の領域（104）と接合し、前記吸収領域（109）は、前記チャージ領域（105）及び前記低濃度領域(106)の双方に接合して形成されていることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。