(57)【要約】【課題】高速応答性に優れ、かつ外部電源が必要ない、半導体受光素子とその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかる半導体受光素子は、ｐ型導波路１０１ａと、導波路１０１ｂと、ｎ型導波路１０１ｃからなる第１のｐｉｎ構造有する導波路領域１０１を備える。また、導波路領域１０１上に、クラッド層１０２ａと、光吸収層１０２ｂと、コンタクト層１０２ｃからなる第２のｐｉｎ構造を有し、導波路領域１０１よりも電気容量が小さい光吸収領域１０２を備える。導波路領域１０１の最上層であるｎ型導波路１０１ｃと、クラッド層１０２ａとは電気的に接続されている。そして、導波路１０１ｂで発生した光起電圧により、光吸収層１０２ｂに電界が生じる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に積層され、導波される信号光の一部を吸収して光起電圧を発生する真性型の第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に積層された第２導電型の第３の半導体層からなる第１のｐｉｎ構造を有する第１の半導体積層体と、
前記第１の半導体積層体上に、第１導電型の第４の半導体層と、前記第４の半導体層上に積層された真性型の第５の半導体層と、前記第５の半導体層上に積層された第２導電型の第６の半導体層からなる第２のｐｉｎ構造を有し、前記第１の半導体積層体よりも電気容量が小さい第２の半導体積層体と、を少なくとも備え、
前記第１の半導体積層体の最上層である第３の半導体層と、前記第４の半導体層とは電気的に接続され、
前記第２の半導体層で発生した光起電圧により、前記第５の半導体層に電界が生じる半導体受光素子。
【請求項２】
前記第１の半導体積層体の最上層である前記第３の半導体層と、前記第４の半導体層とは、電極により電気的に接続されている請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記第１の半導体積層体の最上層である前記第３の半導体層と、前記第４の半導体層とは、トンネル接合により電気的に接続されている請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記第１の半導体積層体は前記第１のｐｉｎ構造がｎ（ｎは自然数）回繰返し堆積され、
前記第１のｐｉｎ構造間で接触する第１の半導体層と第３の半導体層とが、トンネル接合により電気的に接続されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記第５の半導体層は信号光を吸収して電気信号を生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記第６の半導体層は信号光を吸収して電気信号を生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記第１、第３、第４及び第６の半導体層は信号光の波長よりも短い組成波長のシリコン、ゲルマニウム化シリコンまたはゲルマニウムのいずれかからなり、
前記第２及び第５の半導体層は信号光の波長よりも長い組成波長のゲルマニウム化シリコンまたはゲルマニウムからなる請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記第１、第３及び第４の半導体層は信号光の波長よりも短い組成波長のシリコンまたはゲルマニウム化シリコンからなり、
前記第２の半導体層は信号光の波長よりも長い組成波長のゲルマニウム化シリコンまたはゲルマニウムからなり、
前記第５の半導体層は信号光の波長よりも短い組成波長のシリコンまたはゲルマニウム化シリコンからなり、かつ前記第４の半導体層と格子整合し、
前記第６の半導体層は信号光の波長よりも長い組成波長のシリコンまたはゲルマニウム化シリコンまたはゲルマニウムからなる請求項６に記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記第１、第３、第４及び第６の半導体層は信号光の波長よりも短い組成波長のＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰからなり、
前記第２及び第５の半導体層は信号光の波長よりも長い組成波長のＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする、
請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の前記半導体受光素子を備える光配線。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の前記半導体受光素子と電気的に接続され、前記半導体受光素子から出力された電気信号をマイクロ波またはミリ波に変換して出力するアンテナを備える光無線変換モジュール。
【請求項１２】
第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に積層され、導波される信号光の一部を吸収して光起電圧を発生する真性型の第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に積層された第２導電型の第３の半導体層からなる第１のｐｉｎ構造を有する第１の半導体積層体を形成する工程と、
前記第１の半導体積層体上に、第１導電型の第４の半導体層と、前記第４の半導体層上に積層された真性型の第５の半導体層と、前記第５の半導体層上に積層された第２導電型の第６の半導体層からなる第２のｐｉｎ構造を有し、前記第１の半導体積層体よりも電気容量が小さい第２の半導体積層体を形成する工程とを備え、
前記第２の半導体積層体を形成する工程は、
前記第１の半導体積層体の最上層である第３の半導体層と、前記第４の半導体層とを電気的に接続する工程を備え、
前記第２の半導体層で発生した光起電圧により、前記第５の半導体層に電界が生じる半導体受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータの計算速度が高速化するに伴い、光配線が重要な技術となってきている。光配線とは、チップ間、ボード間など、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）内またはＬＳＩ間の信号伝達を光信号で行う技術である。端子あたりの伝送速度を高速化し、かつ電気ノイズを低減できるなど、電気配線と比較して大容量の信号を取り扱うのに優れた技術である。
【０００３】
光配線には、電気信号を光信号に変換する発光素子、および光信号を電気信号に変換（以下、光電変換）する受光素子が必要である。これらの素子がＬＳＩ内で使用される場合には、光信号はシリコンで構成される光導波路を伝搬する。従って、非特許文献１に提案されているような、シリコン導波路と一括形成ができる半導体受光素子を用いることが、コスト及び実装性の観点から必要である。
【０００４】
このような半導体受光素子は、高周波変調された光信号を直接光電変換し、かつ優れた耐久性を有することが求められる。特許文献１には、高周波変調された光信号を受けて、高速な光電変換を行う半導体受光素子が提案されている。また、特許文献２には、半導体受光素子の耐久性を向上する方法が提案されている。
【０００５】
さらに、コンピュータの計算速度の高速化要求に応えるため、半導体受光素子は優れた高速応答性が求められる。そのため、特許文献３に、複数のｐｉｎ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）構造を積層した半導体受光素子が報告されている。また、このような素子では、それぞれのｐｉｎ接合間の整流性接触を解消する必要があるが、その方法についても複数提案されている（特許文献４〜７）。
【０００６】
図７は、一般的な半導体受光素子の典型的構造を示す斜視図である。図７に示す半導体受光素子７００は、シリコンからなる基板７１０上に、リッジ構造を有するｐ型シリコンからなる導波路７０１が形成されている。導波路７０１のリッジ構造上には真性型ゲルマニウムからなる光吸収層７０２が、さらにその上にはｎ型ゲルマニウムからなるコンタクト層７０３が、選択成長を用いて形成されている。コンタクト層７０３上にはｎ電極７０４が形成されており、導波路７０１の裾にはｐ電極７０５が形成されている。この半導体受光素子７００は、ＬＳＩを作製する同一の半導体基板上に一括形成することができる。
【０００７】
また、ｎ電極７０４とｐ電極７０５の間には外部電源（不図示）が接続されている。これにより、光吸収層７０２には電界が生じる。この場合において、光信号が光吸収層７０２で吸収されてキャリアが発生すると、キャリアは電界によるドリフトで高速に移動することができる。よって、半導体受光素子７００は高速応答性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１６７０４３号公報
【特許文献２】特開２００３−３３２６１３号公報
【特許文献３】特開２００２−２０３９８３号公報
【特許文献４】特許第２９８０９９３号公報
【特許文献５】特開平０４−１３７７６８号公報
【特許文献６】特開平０７−７１７８号公報
【特許文献７】特表２００８−５１２８７０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】朴成鳳ほか６名、「選択成長を用いたＳｉ光導波路上Ｇｅフォトディテクタ」、第６８回応用物理学会学術講演会講演予稿集、応用物理学会、Ｎｏ．０、ｐ．８９、６ｐ−Ｃ−７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上述のような外部電源を必要とする半導体受光素子を、ＬＳＩ内またはボード内に高密度実装する場合には、それぞれの半導体受光素子と外部電源とを接続しなければならず、実装性及びコストの面で問題を抱えている。さらに、光配線を用いたシステムを小型化する上で障害となる。
【００１１】
本発明は、高速応答性に優れ、かつ外部電源が必要ない、半導体受光素子とその製造方法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】
【００１２】
本発明の一態様である半導体受光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に積層され、導波される信号光の一部を吸収して光起電圧を発生する真性型の第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に積層された第２導電型の第３の半導体層からなる第１のｐｉｎ構造を有する第１の半導体積層体と、前記第１の半導体積層体上に、第１導電型の第４の半導体層と、前記第４の半導体層上に積層された真性型の第５の半導体層と、前記第５の半導体層上に積層された第２導電型の第６の半導体層からなる第２のｐｉｎ構造を有し、前記第１の半導体積層体よりも電気容量が小さい第２の半導体積層体と、を少なくとも備え、前記第１の半導体積層体の最上層である第３の半導体層と、前記第４の半導体層とは電気的に接続され、前記第２の半導体層で発生した光起電圧により、前記第５の半導体層に電界が生じるものである。
【００１３】
本発明の一態様である半導体受光素子の製造方法は、第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に積層され、導波される信号光の一部を吸収して光起電圧を発生する真性型の第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に積層された第２導電型の第３の半導体層からなる第１のｐｉｎ構造を有する第１の半導体積層体を形成する工程と、
前記第１の半導体積層体上に、第１導電型の第４の半導体層と、前記第４の半導体層上に積層された真性型の第５の半導体層と、前記第５の半導体層上に積層された第２導電型の第６の半導体層からなる第２のｐｉｎ構造を有し、前記第１の半導体積層体よりも電気容量が小さい第２の半導体積層体を形成する工程とを備え、前記第２の半導体積層体を形成する工程は、前記第１の半導体積層体の最上層である第３の半導体層と、前記第４の半導体層とを電気的に接続する工程を備え、前記第２の半導体層で発生した光起電圧により、前記第５の半導体層に電界が生じる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、高速応答性に優れ、かつ外部電源が必要ない、半導体受光素子とその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１にかかる半導体受光素子の斜視図である。
【図２】実施の形態２にかかる半導体受光素子の斜視図である。
【図３】実施の形態３にかかる半導体受光素子の斜視図である。
【図４】実施の形態４にかかる半導体受光素子の斜視図である。
【図５】実施の形態５にかかる半導体受光素子の斜視図である。
【図６】実施の形態６にかかる光配線の上面図である。
【図７】一般的な半導体受光素子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
実施の形態１
図１は、実施の形態１にかかる半導体受光素子１００の斜視図である。半導体受光素子１００は、シリコンからなる基板１１０上に酸化シリコン層１１１が形成されている。その上には、ｐｉｎ構造を有する、第１の半導体積層体であるリッジ構造の導波路領域１０１が形成されている。そのリッジ構造上には、ｐｉｎ構造を有する第２の半導体積層体である光吸収領域１０２が部分的に形成されている。
【００１７】
導波路領域１０１は、基板１１０側から順に、リッジ構造を有するｐ型シリコンからなるｐ型導波路１０１ａ、真性型のゲルマニウム化シリコンからなる導波路１０１ｂ、ｎ型シリコンからなるｎ型導波路１０１ｃが順次積層されて構成されている。
【００１８】
光吸収領域１０２は、基板１１０側から順に、ｐ型シリコンからなるクラッド層１０２ａ、真性型のゲルマニウムからなる光吸収層１０２ｂ、ｎ型ゲルマニウムからなるコンタクト層１０２ｃが順次積層されて構成されている。
【００１９】
コンタクト層１０２ｃの上にはｎ電極１０３が形成され、ｐ型導波路１０１ａの裾にはｐ電極１０４が形成されている。
【００２０】
本構成によれば、ｐｉｎ構造を有する導波路領域１０１と光吸収領域１０２とが図１に示すように積層されているので、導波路領域１０１と光吸収領域１０２との間には整流性接触が生じる。この整流性接触を解消するため、ｎ型導波路１０１ｃとクラッド層１０２ａとを電気的に接続する電極配線１０５が形成されている。
【００２１】
本構成におけるリッジ幅Ｗは、例えば０．５〜５μｍであり、リッジ部の高さＨは、例えば０．１〜２μｍである。また、ｐ型導波路１０１ａの裾の高さＴは、例えば０．５μｍ以上である。また光吸収領域１０２の長さＬは、例えば５〜５０μｍである。
【００２２】
半導体受光素子１００の動作について説明する。信号光は、導波路領域１０１を伝搬するが、その一部は導波路１０１ｂで吸収される。これにより、ｐ型導波路１０１ａとｎ型導波路１０１ｃの間には光起電圧が発生する。ｎ型導波路１０１ｃとクラッド層１０２ａとは、電極配線１０５で電気的に接続されているので、導波路１０１ｂで発生した光起電圧は、クラッド層１０２ａとコンタクト層１０２ｃの間に印加される。従って、光吸収層１０２ｂには電界が生じる。
【００２３】
ｐ型導波路１０１ａは、リッジ構造以外の部分の面積が大きく、大きな電気容量を有する。このため、信号光が変調されている場合でも、入射光強度変調に影響されずに一定の光起電圧が発生する。
【００２４】
一方、光吸収領域１０２はリッジ構造上にのみ形成されているので、光吸収領域１０２の受光面積は小さい。また、ｐ型導波路１０１ａと比べて面積が小さいことにより、電気容量が小さい。よって、光吸収領域１０２に信号光が入射すると、その入射光強度に応じてキャリアが発生する。光吸収層１０２ｂには電界が存在するので、発生したキャリアは高速走行ができる。よって、光吸収領域１０２では高速な光電変換が可能である。
【００２５】
また、半導体受光素子１００が上述の動作を行うには、導波路１０１ｂでの信号光の吸収を抑制する必要がある。導波路１０１ｂでの信号光の吸収が多すぎると、光吸収領域１０２に十分な強度の信号光が到達しなくなるためである。
【００２６】
そのためには、例えば、信号光の波長に対して、導波路１０１ｂの吸収係数を低くすることが効果的である。例えば、信号光の波長が１．３１μｍである場合には、導波路１０１ｂの組成波長を１．３１〜１．４０μｍ程度と、信号光よりも長く、かつ近い波長にすることにより、吸収係数を下げ、過度の信号光の吸収を抑制できる。
【００２７】
なお、光吸収層１０２ｂに十分な強度の信号光を到達させるため、クラッド層１０２ａの吸収係数を低くすることが効果的である。例えば、クラッド層１０２ａの組成波長を信号光の波長よりも短くすることで、信号光の吸収を抑制できる。
【００２８】
さらに、光吸収層１０２ｂの組成波長を信号光の波長よりも長くすることで、光吸収層１０２ｂに信号光を効率よく吸収させることができる。
【００２９】
さらにまた、ｐ型導波路１０１ａ、ｎ型導波路１０１ｃ及びコンタクト層１０２ｃの組成波長を信号光の波長より短くすることで、信号光が余分に吸収されることを防止できる。
【００３０】
また、導波路１０１ｂの厚みを薄くすることにより、光吸収を低減し、信号光の吸収を抑制できる。
【００３１】
さらにまた、リッジ部の高さＨを大きくして、導波路１０１ｂに入射する信号光を低減することで、信号光の吸収を抑制できる。
【００３２】
よって、本構成によれば、高速応答性に優れ、かつ外部電源が必要ない、半導体受光素子を実現できる。
【００３３】
実施の形態２
図２は、実施の形態２にかかる半導体受光素子２００の斜視図である。半導体受光素子２００は、第１の半導体積層体である導波路領域２０１の上に、第２の半導体積層体である光吸収領域２０２が形成されている。
【００３４】
導波路領域２０１は、基板１１０側から順に、リッジ構造を有するｐ型シリコンからなるｐ型導波路２０１ａ、真性型のゲルマニウム化シリコンからなる導波路２０１ｂ、ｎ型シリコンからなるｎ型導波路２０１ｃが順次積層されて構成されている。
【００３５】
光吸収領域２０２は、基板１１０側から順に、ｐ型シリコンからなるクラッド層２０２ａ、真性型のゲルマニウムからなる光吸収層２０２ｂ、ｎ型ゲルマニウムからなるコンタクト層２０２ｃが順次積層されて構成されている。クラッド層２０２ａは導波路領域２０１上を覆っているので、信号光はクラッド層２０２ａでも伝搬することができる。光吸収層２０２ｂとコンタクト層２０２ｃは、クラッド層２０２ａの上に、部分的に形成されている。
【００３６】
導波路領域２０１と光吸収領域２０２は、図２に示すように積層されているので、導波路領域２０１と光吸収領域２０２との間には整流性接触が生じる。この整流性接触を解消するため、ｎ型導波路２０１ｃとクラッド層２０２ａは、トンネル接合により電気的に接続されている。そのため、本構成では、図１に示すような電極配線１０５が不要である。
【００３７】
ｎ型導波路２０１ｃとクラッド層２０２ａをトンネル接合で電気的に接続するには、ｎ型導波路２０１ｃとクラッド層２０２ａの界面付近の不純物濃度を高くする。例えば、ｎ型導波路２０１ｃとクラッド層２０２ａの界面付近の不純物濃度を、１×１０２０ｃｍ−３以上とすればよい。その他の構成は、図１と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
半導体受光素子２００の動作について説明する。信号光は、導波路領域２０１とクラッド層２０２ａを伝搬するが、その一部は導波路２０１ｂで吸収される。これにより、ｐ型導波路２０１ａとｎ型導波路２０１ｃの間には光起電圧が発生する。ｎ型導波路２０１ｃとクラッド層２０２ａとは、トンネル接合より電気的に接続されているので、導波路２０１ｂで発生した光起電圧は、クラッド層２０２ａとコンタクト層２０２ｃの間に印加される。従って、光吸収層２０２ｂには電界が生じる。
【００３９】
ｐ型導波路２０１ａは、リッジ構造以外の部分の面積が大きく、大きな電気容量を有する。このため、信号光が変調されている場合でも、入射光強度変調に影響されずに一定の光起電圧が発生する。
【００４０】
一方、光吸収領域２０２のうち、光吸収層２０２ｂとコンタクト層２０２ｃは、リッジ構造上にのみ形成されているので、ｐ型導波路２０１ａと比べて電気容量は小さく、かつ、光吸収領域２０２の受光面積は小さい。よって、光吸収領域２０２に信号光が入射すると、その入射光強度に応じてキャリアが発生する。光吸収層２０２ｂには電界が存在するので、発生したキャリアは高速走行ができる。よって、光吸収領域２０２では、図１に示す半導体受光素子１００と同様に、高速な光電変換が可能である。
【００４１】
なお、本構成においても、例えば、導波路２０１ｂの組成波長を、信号光の波長が１．３１μｍである場合には、１．３１〜１．４０μｍ程度と、信号光よりも長く、かつ近い波長にすることで、過度の信号光の吸収を抑制できる。
【００４２】
また、光吸収層２０２ｂに十分な強度の信号光を到達させるため、クラッド層２０２ａの組成波長を信号光の波長よりも短くすることで、信号光の吸収を抑制できる。
【００４３】
さらに、光吸収層２０２ｂの組成波長を信号光の波長よりも長くすることで、光吸収層２０２ｂに信号光を効率よく吸収させることができる。
【００４４】
さらにまた、ｐ型導波路２０１ａ、ｎ型導波路２０１ｃ及びコンタクト層２０２ｃの組成波長を信号光の波長より短くすることで、信号光が余分に吸収されることを防止できる。
【００４５】
本構成によれば、トンネル接合により、導波路領域２０１と光吸収領域２０２を電気的に接続する。従って、図１に示すような電極配線１０５を形成しなくてもよいので、より簡易に、実施の形態１と同様の機能を有する半導体受光素子を得ることができる。
【００４６】
実施の形態３
図３は、実施の形態３にかかる半導体受光素子３００の斜視図である。図３に示すように、半導体受光素子３００の第１の半導体積層体である導波路領域３０１は、ｐｉｎ構造３１とｐｉｎ構造３２が順次積層されて構成されている。
【００４７】
ｐｉｎ構造３１は、基板１１０側から順に、ｐ型シリコンからなるｐ型導波路３０１ａ、真性型ゲルマニウム化シリコンからなる導波路３０１ｂ、ｎ型シリコンからなるｎ型導波路３０１ｃで構成される。
【００４８】
ｐｉｎ構造３２は、基板１１０側から順に、ｐ型シリコンからなるｐ型導波路３０１ｄ、真性型ゲルマニウム化シリコンからなる導波路３０１ｅ、ｎ型シリコンからなるｎ型導波路３０１ｆで構成される。
【００４９】
ｐｉｎ構造３１とｐｉｎ構造３２は、図３に示すように積層されているので、ｐｉｎ構造３１とｐｉｎ構造３２との間には整流性接触が生じる。この整流性接触を解消するため、ｎ型導波路３０１ｃとｐ型導波路３０１ｄとは、トンネル接合で電気的に接続されている。
【００５０】
また、導波路領域３０１と光吸収領域２０２は、図３に示すように積層されているので、導波路領域３０１と光吸収領域２０２との間には整流性接触が生じる。この整流性接触を解消するため、ｎ型導波路３０１ｆとクラッド層２０２ａは、トンネル接合で電気的に接続されている。その他の構成は、図２と同様であるので、説明を省略する。なお、ｎ型導波路３０１ｆとクラッド層２０２ａは、電極配線で接続されてもよい。
【００５１】
半導体受光素子３００の動作について説明する。信号光は、導波路領域３０１とクラッド層２０２ａを伝搬するが、その一部は導波路３０１ｂ及び３０１ｅで吸収される。これにより、ｐ型導波路３０１ａとｎ型導波路３０１ｃの間、及びｐ型導波路３０１ｄとｎ型導波路３０１ｆの間には光起電圧が発生する。
【００５２】
ｎ型導波路３０１ｃとｐ型導波路３０１ｄ、及びｎ型導波路３０１ｆとクラッド層２０２ａとは、トンネル接合より電気的に接続されているので、導波路領域３０１で発生した上述の光起電圧は、クラッド層２０２ａとコンタクト層２０２ｃの間に印加される。従って、光吸収層２０２ｂには電界が生じる。
【００５３】
また、図２に示す半導体受光素子２００と同様に、光吸収領域２０２は導波路領域３０１に比べて電気容量が小さいので、高速な光電変換が可能である。
【００５４】
本構成では、ｐｉｎ構造３１及び３２が直列に接続されるので、それぞれで発生した電圧は加算され、光吸収層２０２ｂにより高い電圧を印加することができる。よって、本構成によれば、さらに高速応答性を向上させることが可能である。
【００５５】
なお、本構成においても、例えば、導波路３０１ｂの組成波長を、信号光の波長が１．３１μｍである場合には、１．３１〜１．４０μｍ程度と、信号光よりも長く、かつ近い波長にすることで、過度の信号光の吸収を抑制できる。
【００５６】
また、ｐ型導波路３０１ａ、ｎ型導波路３０１ｃの組成波長を信号光の波長より短くすることで、信号光が余分に吸収されることを防止できる。
【００５７】
クラッド層２０２ａ、光吸収層２０２ｂ及びコンタクト層２０２ｃについては、実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
【００５８】
従って、本構成によれば、より高速応答性を向上させた、かつ外部電源が必要ない、半導体受光素子を実現できる。
【００５９】
なお、本構成では、導波路領域３０１は２組のｐｉｎ構造により構成されているが、３組以上のｐｉｎ構造により構成されてもよい。
【００６０】
実施の形態４
図４は、実施の形態４にかかる半導体受光素子４００の斜視図である。図４に示すように、半導体受光素子４００は、第１の半導体積層体である導波路領域２０１の上に、第２の半導体積層体である光吸収領域４０２が形成されている。
【００６１】
光吸収領域４０２は、基板１１０側から順に、ｐ型シリコンからなるクラッド層４０２ａ、真性型のシリコンからなる容量低減層４０２ｂ、ｎ型ゲルマニウムからなる光吸収層兼コンタクト層４０２ｃが順次積層されて構成されている。クラッド層４０２ａ及び容量低減層４０２ｂは導波路領域２０１上を覆っているので、信号光はクラッド層２０２ａ及び容量低減層４０２ｂでも伝搬することができる。光吸収層兼コンタクト層４０２ｃは、容量低減層４０２ｂの上に、部分的に形成されている。
【００６２】
導波路領域２０１と光吸収領域４０２は、図４に示すように積層されているので、導波路領域２０１と光吸収領域４０２との間には整流性接触が生じる。この整流性接触を解消するため、ｎ型導波路２０１ｃとクラッド層４０２ａは、トンネル接合により電気的に接続されている。なお、ｎ型導波路２０１ｃとクラッド層４０２ａは電極配線により接続されてもよい。その他の構成は、図２と同様であるので、説明を省略する。
【００６３】
また、半導体受光素子４００の動作について説明する。導波路領域２０１で生じた光起電圧は、図２に示す半導体受光素子２００と同様に、クラッド層４０２ａと光吸収層兼コンタクト層４０２ｃの間に印加されるので、容量低減層４０２ｂには電界が生じる。
【００６４】
一方、光吸収領域４０２はリッジ構造上にのみ形成されているので、ｐ型導波路２０１ａと比べて電気容量は小さく、かつ、光吸収領域４０２の受光面積は小さい。よって、光吸収領域４０２に入射した信号光は光吸収層兼コンタクト層４０２ｃに吸収され、その入射光強度に応じてキャリアが発生する。容量低減層４０２ｂには電界が存在するので、発生したキャリアは高速走行ができる。よって、光吸収領域４０２では、図１に示す半導体受光素子１００と同様に、高速な光電変換が可能である。
【００６５】
ここで、シリコン結晶とゲルマニウム結晶とでは格子定数が異なるため、シリコン結晶上にゲルマニウム結晶を成長した場合には、結晶欠陥が生じやすい。よって、図２に示す半導体受光素子２００のように、ｐ型シリコンからなるクラッド層２０２ａ上に、真性型ゲルマニウムからなる光吸収層２０２ｂを堆積すると、光吸収層２０２ｂでは結晶欠陥が生じやすい。光吸収層における結晶欠陥の存在は、半導体受光素子の暗電流の増加につながるので、半導体受光素子２００では暗電流の増加が懸念される。
【００６６】
ところが、本構成におけるように、ｐ型シリコンからなるクラッド層４０２ａの上に、真性型シリコンからなる容量低減層４０２ｂを積層することで、半導体組成が異なることにより電界印加領域で発生する暗電流を抑制できる。
【００６７】
なお、本構成においても、例えば、クラッド層４０２ａ及び容量低減層４０２ｂの組成波長を信号光の波長よりも短くすることで、信号光の吸収を抑制できる。
【００６８】
さらにまた、光吸収層兼コンタクト層４０２ｃの組成波長を信号光の波長より長くすることで、信号光が余分に吸収されることを防止できる。
【００６９】
ｐ型導波路２０１ａ、導波路２０１ｂ及びｎ型導波路２０１ｃについては、実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
【００７０】
従って、本構成によれば、高速応答性に優れ、かつ外部電源が必要なく、さらに、暗電流を抑制できる半導体受光素子を実現できる。
【００７１】
尚、本構成における光吸収領域４０２のようにシリコンからなるクラッド層と光吸収層を用いる構造は、図１及び図３における半導体受光素子に適用しても、同様の効果を得ることができる。
【００７２】
実施の形態５
図５は、実施の形態５にかかる半導体受光素子５００の斜視図である。半導体受光素子５００は、リン化インジウム（以下、ＩｎＰと表記）からなる基板５１０上に、ｐｉｎ構造を有する、第１の半導体積層体であるリッジ構造の導波路領域５０１が形成されている。そのリッジ構造上には、ｐｉｎ構造を有する第２の半導体積層体である光吸収領域５０２が形成されている。
【００７３】
導波路領域５０１は、リッジ構造を有するｐ型ＩｎＰからなるｐ型導波路５０１ａ、真性型のインジウム、ガリウム、砒素、リンの混晶（以下、ＩｎＧａＡｓＰと表記）からなる導波路５０１ｂ、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型導波路５０１ｃが順次積層されて構成されている。
【００７４】
光吸収領域５０２は、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層５０２ａ、真性型のインジウム、ガリウム、砒素の混晶（以下、ＩｎＧａＡｓと表記）からなる光吸収層５０２ｂ、ｎ型ＩｎＰからなるコンタクト層５０２ｃが順次積層されて構成されている。クラッド層５０２ａは導波路領域５０１上を覆っているので、信号光はクラッド層５０２ａでも伝搬することができる。光吸収層５０２ｂとコンタクト層５０２ｃは、クラッド層５０２ａの上に、部分的に形成されている。
【００７５】
コンタクト層５０２ｃの上にはｎ電極５０３が形成され、ｐ型導波路５０１ａの裾にはｐ電極５０４が形成されている。
【００７６】
本構成によれば、ｐｉｎ構造を有する導波路領域５０１と光吸収領域５０２とが図５に示すように積層されているので、導波路領域５０１と光吸収領域５０２との間には整流性接触が生じる。この整流性接触を解消するため、ｎ型導波路５０１ｃとクラッド層５０２ａとは、トンネル接合により電気的に接続されている。
【００７７】
本構成にかかる半導体受光素子５００と、図２に示す半導体受光素子２００を比較すると、半導体組成は異なるものの、導波路領域と光吸収領域はともに同様のｐｉｎ構造を有している。また、導波路領域と光吸収領域は、ともにトンネル接合で電気的に接続されている。従って、半導体受光素子５００の動作原理は半導体受光素子２００と同様であるので、説明を省略する。
【００７８】
なお、本構成においても、例えば、導波路５０１ｂの組成波長を、信号光の波長が１．３１μｍである場合には、１．３１〜１．４０μｍ程度と、信号光よりも長く、かつ近い波長にすることで、過度の信号光の吸収を抑制できる。
【００７９】
また、光吸収層５０２ｂに十分な強度の信号光を到達させるため、クラッド層５０２ａの組成波長を信号光の波長よりも短くすることで、信号光の吸収を抑制できる。
【００８０】
さらに、光吸収層５０２ｂの組成波長を信号光の波長よりも長くすることで、光吸収層５０２ｂに信号光を効率よく吸収させることができる。
【００８１】
さらにまた、ｐ型導波路５０１ａ、ｎ型導波路５０１ｃ及びコンタクト層５０２ｃの組成波長を信号光の波長より短くすることで、信号光が余分に吸収されることを防止できる。
【００８２】
従って、本構成のように化合物半導体材料を用いた場合であっても、図２に示す半導体受光素子２００と同様に、高速応答性に優れ、かつ外部電源が必要ない半導体受光素子を実現できる。
【００８３】
また、本構成の化合物半導体材料を用いた場合であっても、図１に示す半導体受光素子１００と同様に、導波路領域と光吸収領域を電極配線により接続してもよいし、図３に示す半導体受光素子３００のように、導波路領域は複数のｐｉｎ構造を有してもよい。さらに、光吸収領域についても複数のｐｉｎ構造を有してもよい。
【００８４】
また、導波路領域及び光吸収領域は上述の構成に限られず、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰなどの他の半導体混晶を用いることができる。
【００８５】
実施の形態６
図６は、上述の半導体受光素子を適用した光配線の上面図である。図６に示すように、光配線６００は、基板６０１上に、変調器６０２、導波路６０３および分岐部６０４、半導体受光素子６０５が形成されている。半導体受光素子６０５は、図１〜５に示す半導体受光素子を用いる。
【００８６】
光配線６００の信号光は、光配線６００の外部に配置された半導体レーザから入射する。半導体レーザから入射した光信号は、変調器６０２で変調され、導波路６０３を伝搬し、分岐部６０４により振り分けられ、半導体受光素子６０５に入射する。光信号は、半導体受光素子６０５で、光電変換される。
【００８７】
この半導体受光素子６０５には、外部電源が必要ない。したがって、光配線６００は外部電源及び外部電源と、半導体受光素子６０５を接続する電気配線を必要としない構成とすることができる。従って、光配線６００を組み込むシステムのコスト削減及び小型化を実現することができる。
【００８８】
実施の形態７
また、上述の図１〜５に示す半導体受光素子を、ラジオ・オン・ファイバ（以下ＲＯＦ：Ｒａｄｉｏ  Ｏｎ  Ｆｉｂｅｒ）のシステムに適用することができる。ここで、ＲＯＦとは、マイクロ波やミリ波信号を光にのせ、光ファイバを用いて伝送し、目的の場所に再び電波信号を取り出して利用するシステムをいう。ＲＯＦは、テレビの共同受信システムで実用化されており、さらに、将来のＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｔｒａｆｆｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ）にも適用が検討されている。
【００８９】
ＲＯＦシステムは、光信号を電波に変換する光無線変換モジュールを有する。この光無線変換モジュールは、光信号を電気信号に変換する受光素子と、その電気信号を電波に変換するアンテナが必要である。これに、上述の半導体受光素子を使用すれば、外部電源と半導体受光素子を接続する電気配線を必要としない構成とすることができる。従って、光無線変換モジュールのコスト削減及び小型化を実現することができる。
【００９０】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、半導体のｐ型とｎ型の導電型を入れ替えてもよい。
【００９１】
半導体受光素子を作製する基板には、シリコンやＩｎＰに限らず、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの他の半導体を用いてもよい。また、例えば、酸化シリコンや酸化アルミニウムなどの絶縁性材料を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１００  半導体受光素子
１０１  導波路領域
１０１ａ  ｐ型導波路    １０１ｂ  導波路    １０１ｃ  ｎ型導波路
１０２  光吸収領域
１０２ａ  クラッド層    １０２ｂ  光吸収層    １０２ｃ  コンタクト層
１０３  ｎ電極    １０４  ｐ電極    １０５  電極配線
１１０  基板    １１１  酸化シリコン層
２００  半導体受光素子
２０１  導波路領域
２０１ａ  ｐ型導波路    ２０１ｂ  導波路    ２０１ｃ  ｎ型導波路
２０２  光吸収領域
２０２ａ  クラッド層    ２０２ｂ  光吸収層    ２０２ｃ  コンタクト層
３００  半導体受光素子
３０１  導波路領域
３０１ａ  ｐ型導波路    ３０１ｂ  導波路    ３０１ｃ  ｎ型導波路
３０１ｄ  ｐ型導波路    ３０１ｅ  導波路    ３０１ｆ  ｎ型導波路
４００  半導体受光素子
４０２  光吸収領域
４０２ａ  クラッド層    ４０２ｂ  容量低減層    ４０２ｃ  光吸収層兼コンタクト層
５００  半導体受光素子
５０１  導波路領域
５０１ａ  ｐ型導波路    ５０１ｂ  導波路    ５０１ｃ  ｎ型導波路
５０２  光吸収領域
５０２ａ  クラッド層    ５０２ｂ  光吸収層    ５０２ｃ  コンタクト層
５０３  ｎ電極    ５０４  ｐ電極
５１０  基板
６００  光配線
６０１  基板    ６０２  変調器    ６０３  導波路    ６０４  分岐部
６０５  半導体受光素子
７００  半導体受光素子
７０１  導波路    ７０２  光吸収層    ７０３  コンタクト層
７０４  ｎ電極    ７０５  ｐ電極    ７１０  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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