(57)【要約】【課題】高速応答を実現できる信頼性の高い導波路型受光素子を得る。【解決手段】導波路型受光素子１０の入射端面１２から入射光１４が入射される。導波路型受光素子１０は、半絶縁性のＦｅ−ＩｎＰ基板１８上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２４、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａ、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３０、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３４が順番に積層された積層構造を備える。隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａとｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｂの間にｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａが挿入されている。ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａのバンドギャップ波長は、入射光１４の波長より短い。【選択図】図２
2010010450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射端面から入射光が入射される導波路型受光素子であって、
基板上に、第１導電型半導体層と、不純物を意図的に添加していないアンドープ半導体層と、第２導電型半導体層とを順番に積層した積層構造を備え、
前記アンドープ半導体層は、積層された２以上のアンドープの光吸収層と、隣接する前記光吸収層の間に挿入されたアンドープの非光吸収層とを有し、
前記非光吸収層のバンドギャップ波長は、前記入射光の波長より短いことを特徴とする導波路型受光素子。
【請求項２】
前記積層構造は導波路としてメサ状に形成され、
メサ状の前記積層構造の両側は、前記入射光の波長よりも短いバンドギャップ波長を有する埋込層で埋め込ま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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムの受信モジュールや送受信モジュールに用いられる導波路型受光素子に関し、特に高速応答を実現できる信頼性の高い導波路型受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面入射型受光素子では、吸収層に対して垂直方向に信号光を入射する。このため、素子応答特性の高速化（キャリアの走行時間短縮）と光電変換効率（外部量子効率）がトレードオフの関係になる。一方、導波路型受光素子では、吸収層に対して水平な方向から信号光を入射する。このため、光吸収層を薄く設計した場合でも、導波路長を十分長く取れば高い光電変換効率が得られ、キャリアの走行時間と光電変換効率を独立して設計することができる。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された導波路型受光素子では、光吸収層の層厚を０．５μｍと薄く設計することで３ｄＢダウン帯域が４０ＧＨｚ以上という高速応答を実現でき、かつ導波路型受光素子を採用することで８０％以上の高い光電変換効率も実現できる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
導波路型受光素子は、入射端面から入射光を入力するので、入射端面近傍に多くの光電流が発生する。このため、発熱により素子が劣化又は破壊されやすく、信頼性が低かった。また、吸収層の材料を吸収係数の小さい材料にして入射端面近傍で発生する光電流を抑制する導波路型受光素子も提案されている。しかし、導波路長が長くなるため、素子容量が増加し、高速応答を実現できなかった。
【０００６】
本発明は、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、高速応答を実現できる信頼性の高い導波路型受光素子を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、入射端面から入射光が入射される導波路型受光素子であって、基板上に、第１導電型半導体層と、不純物を意図的に添加していないアンドープ半導体層と、第２導電型半導体層とを順番に積層した積層構造を備え、前記アンドープ半導体層は、積層された２以上のアンドープの光吸収層と、隣接する前記光吸収層の間に挿入されたアンドープの非光吸収層とを有し、前記非光吸収層のバンドギャップ波長は、前記入射光の波長より短いことを特徴とする導波路型受光素子である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、高速応答を実現できる信頼性の高い導波路型受光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る導波路型受光素子を示す斜視図である。導波路型受光素子１０の入射端面１２から入射した入射光１４は、導波路１６を通じて素子の奥へ伝搬されながら吸収される。
【００１０】
図２は図１のＡ−Ａ’における断面図、図３は図１のＢ−Ｂ’における断面図である。導波路型受光素子１０は、半絶縁性のＦｅ−ＩｎＰ基板１８上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２４（波長組成１．４μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａ（層厚０．１５μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａ（層厚０．２μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｂ（層厚０．１５μｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３０（波長組成１．４μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３４がＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により順番に積層された積層構造を備える。ここで、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａ，２６ｂ及びｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａは、不純物を意図的に添加していないアンドープ半導体層である。
【００１１】
積層構造は、一部がｎ−ＩｎＰクラッド層２２までエッチングされ、導波路としてメサ状に形成されている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３４が残った領域は、入射光１４を光電変換する光電変換部３６である。この光電変換部３６の入射光１４の進行方向の長さは２０μｍである。
【００１２】
メサ状の積層構造である光電変換部３６の両側は、ＦｅドープＩｎＰ層３８で埋め込まれている。ＦｅドープＩｎＰ層３８は、入射光１４の波長よりも短いバンドギャップ波長を有する埋込層である。
【００１３】
素子表面を覆うように窒化シリコン膜４０が形成されている。窒化シリコン膜４０の一部が除去されて、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３４が露出されている。また、窒化シリコン膜４０の一部、ＦｅドープＩｎＰ層３８及びｎ−ＩｎＰクラッド層２２が除去されて、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０が露出されている。露出したｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０とｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３４に、ｎ側電極、ｐ側電極としてＴｉ／Ａｕ電極４２，４４がそれぞれ接続されている。Ｔｉ／Ａｕ電極４２，４４に、実装用に拡大したＴｉ／Ａｕ電極パッド４６，４８がそれぞれ接続されている。入射端面１２に反射防止膜５０が形成されている。
【００１４】
上記のように、本実施の形態では、隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａとｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｂの間にｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａが挿入されている。このｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａのバンドギャップ波長は、入射光１４の波長より短い。
【００１５】
図４は、実施の形態１と比較例の導波路型受光素子について、入射端面からの距離と光吸収量の関係を示す図である。横軸は入射端面からの距離（μｍ）、縦軸は光吸収層における０．１μｍあたりの光吸収量（％）である。また、図５は、実施の形態１と比較例の導波路型受光素子について、吸収層の入射端面からの累積吸収量（量子効率）を示す図である。入射光１４の波長を１．５５μｍとし、ビーム伝播法により計算を行なった。比較例は、実施の形態１のｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａ，２６ｂ及びｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａの代わりに層厚０．５μｍの光吸収層を設けた導波路型受光素子である。
【００１６】
この計算結果から分かるように、比較例では、吸収層端面部分の光吸収量が非常に大きく、端面から７μｍぐらいの領域でほぼ吸収量が飽和する。一方、実施の形態１では、端面近傍における光の吸収が抑えられる。これにより、入射端面近傍での光吸収による光電流の発生・集中を緩和することができる。従って、大きな光信号が入力した場合でも、入射端面近傍の温度上昇が少なく、素子が劣化又は破壊されにくいため、信頼性の高い導波路型受光素子を得ることができる。
【００１７】
また、実施の形態１では、入射端面から１０μｍ以上離れた領域でも吸収が続き、入射端面から２０μｍの距離で累積吸収量が８０％以上になる。従って、導波路長を長くする必要が無いため、高速応答を実現することができる。
【００１８】
実施の形態２．
図６，図７は、本発明の実施の形態２に係る導波路型受光素子を示す断面図である。本実施の形態に係る導波路受光素子の斜視図は図１と同じであり、図６は図１のＡ−Ａ’における断面図、図７は図１のＢ−Ｂ’における断面図に対応する。
【００１９】
アンドープ半導体層として、実施の形態１のｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａ，２６ｂ及びｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａの代わりに、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｃ（層厚０．０５μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ｂ（層厚０．１５μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｄ（層厚０．１μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ｃ（層厚０．１５μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｅ（層厚０．０５μｍ）が順番に積層されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２０】
図８は、実施の形態２と比較例の導波路型受光素子について、入射端面からの距離と光吸収量の関係を示す図である。また、図９は、実施の形態２と比較例の導波路型受光素子について、吸収層の入射端面からの累積吸収量（量子効率）を示す図である。
【００２１】
この計算結果から分かるように、上記のように光吸収層が３層に分かれ、その間に非光吸収層が挿入されている場合でも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、光吸収層が４層以上に分かれた場合でも同様の効果を得ることができる。
【００２２】
実施の形態３．
図１０，図１１は、本発明の実施の形態３に係る導波路型受光素子を示す断面図である。本実施の形態に係る導波路受光素子の斜視図は図１と同じであり、図１０は図１のＡ−Ａ’における断面図、図１１は図１のＢ−Ｂ’における断面図に対応する。
【００２３】
実施の形態１のｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ａ，２６ｂ及びｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ａの代わりに、ｉ−ＡｌＩｎＡｓ増倍層５２、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ電解緩和層５４、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｆ（層厚０．１５μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層２８ｄ（層厚０．２μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２６ｇ（層厚０．１５μｍ）が順番に積層されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２４】
上記のように、本実施の形態に係る導波路型受光素子は、受光素子内で増倍機能を持ったアバランシェフォトダイオードである。この場合でも、実施の形態１，２に係るｐｉｎフォトダイオードと同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る導波路型受光素子を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’における断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’における断面図である。
【図４】実施の形態１と比較例の導波路型受光素子について、入射端面からの距離と光吸収量の関係を示す図である。
【図５】実施の形態１と比較例の導波路型受光素子について、吸収層の入射端面からの累積吸収量（量子効率）を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る導波路型受光素子を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る導波路型受光素子を示す断面図である。
【図８】実施の形態２と比較例の導波路型受光素子について、入射端面からの距離と光吸収量の関係を示す図である。
【図９】実施の形態２と比較例の導波路型受光素子について、吸収層の入射端面からの累積吸収量（量子効率）を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る導波路型受光素子を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る導波路型受光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  導波路型受光素子
１２  入射端面
１４  入射光
１８  半絶縁性のＦｅ−ＩｎＰ基板（基板）
２０  ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層（第１導電型半導体層）
２２  ｎ−ＩｎＰクラッド層（第１導電型半導体層）
２４  ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層（第１導電型半導体層）
２６ａ〜２６ｇ  ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層（アンドープ半導体層）
２８ａ〜２８ｄ  ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ非光吸収層（アンドープ半導体層）
３０  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層（第２導電型半導体層）
３２  ｐ−ＩｎＰクラッド層（第２導電型半導体層）
３４  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層（第２導電型半導体層）
３８  ＦｅドープＩｎＰ層（埋込層）
【図１】
2010010450.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
2010010450.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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