(57)【要約】【課題】  導波路型半導体受光装置及びその製造方法に関し、光入力導波路との界面での反射を低減するとともに、透過光も低減する。【解決手段】  光導入部の導波路上に装荷された装荷部と光導入部の導波路に突合せ接合された突合せ接合部からなる光吸収部を構成する材料の屈折率及び吸収係数を、光導入部を構成する材料の屈折率及び吸収係数よりも大きくする。【選択図】  図１
2014220267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導入部と、
前記光導入部の導波路上に装荷された装荷部と、前記光導入部の導波路に突合せ接合された突合せ接合部からなる光吸収部と
を有し、
前記光吸収部を構成する材料の屈折率及び吸収係数が、前記光導入部を構成する材料の屈折率及び吸収係数よりも大きいことを特徴とする導波路型半導体受光装置。
【請求項２】
前記突合せ接合部に対して複数の前記光導入部が突合せ接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
【請求項３】
前記装荷部の長さと突合せ接合部の長さの比は、前記光吸収部を構成する材料の屈折率をα、前記装荷部の長さと光閉じ込め係数を夫々Ｌ１，Γ１、前記突合せ接合部の長さと光閉じ込め係数を夫々Ｌ２，Γ２、前記光導入部の導波路と前記突合せ接合部との突合せ接合界面における反射率をｒとした場合、
ｅｘｐ{−α（Γ１Ｌ１＋Γ２Ｌ２）}＝ｒ／（１−ｒ）
を満たす値のＬ１／Ｌ２に対して±２０％の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導波路型半導体受光装置。
【請求項４】
前記光導入部が、シリコン基板上にＳｉＯ２膜を介して設けられた単結晶シリコン層に形成された光導入部であり、前記光吸収部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の導波路型半導体受光装置。
【請求項５】
第１の半導体からなる半導体基板上に絶縁膜を介して形成した第１の半導体からなる第１半導体層の一部が残存するようにエッチングして突合せ接合部形成領域を形成する工程と、
前記突合せ接合部形成領域以外の前記第１半導体層の少なくとも一部をストライプ状にエッチングして導波路を形成する工程と、
前記導波路の一部をマスクして前記導波路の露出部と前記突合せ接合部形成領域に前記第１の半導体の屈折率及び吸収係数よりも大きい屈折率及び吸収係数を有する第２の半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、
少なくとも前記第２半導体層の形成されなかった前記導波路上にクラッド層を堆積して光導入部を形成する工程と
を有することを特徴とする導波路型半導体受光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型半導体受光装置及びその製造方法に関するものであり、例えば、高速光通信に用いられる半導体受光素子等の導波路型半導体受光装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータの処理能力への要求が高まるにつれ、ＣＰＵとメモリとの間のデータ通信、或いは、ＣＰＵ間などのデータ送受信帯域の拡大が必要とされて来ている。電気信号でのデータ伝送には限界が迫りつつあり、光信号の適用が求められている。
【０００３】
この際、ＣＰＵやメモリ内における電気信号とデータ送受信に用いられる光信号との変換を効率良く行うには、ＣＰＵと光処理部品との集積化が必要である。こうした課題に答えるべく、Ｓｉ基板上に種々の光部品を構成するＳｉ−Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓと呼ばれる分野の研究・開発が注目を集めつつある。特に、次世代の大容量光インターコネクト用途に、シリコン基板上の光回路に集積して用いられる半導体受光器が注目を集めている。
【０００４】
この様な光部品のうち、光の合分波や変調といった処理を行う部分については、過剰損失を避けるため光を吸収しない特性が求められる。一方で、光を電気に変換するための受光部には、当然ながら光を吸収する特性が必要である。この要求を満たす有力な候補と考えられているのは、受光部にはＧｅ材料を、それ以外の部分はＳｉ材料を用いた上で、波長１．２μｍ〜１．６μｍの近赤外光を用いる組み合わせである。
【０００５】
この波長帯の光はＳｉに対しては透明であり、Ｇｅ材料には吸収される。他にもこの波長帯の光を吸収する半導体材料は存在するが、ＧｅはＳｉと同じＩＶ族半導体材料であり、例えば、III-Ｖ族化合物半導体混晶を用いた場合に比較し、製造工程における汚染の影響が小さいため、有力な候補とされている。
【０００６】
このような、ＧｅとＳｉとの組み合わせを用いる場合、受光部ではＳｉ導波路からＧｅ−ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）への光結合が行われるが、光結合の方法としては大きく分けて２つの光結合方法が知られている。第１の方法は、光導波路からの光を回折格子構造や、光導波層に対して傾斜した反射鏡構造によって基板と垂直な方向に出射させ、面型のＰＤで受光する方法である。第２の方法は、導波路型のＰＤを光を導入する光導波路と直接接続してそのまま受光する方法である。
【０００７】
第１の方法は、ＰＤを光回路と独立に形成することができるために、素子そのものの作製は比較的容易になるという利点がある。また、ＰＤ部作製時には光回路への汚染の問題を気にする必要がないために場合によってはIII-Ｖ族化合物半導体混晶を用いることも可能になるなどの利点がある。しかし、面入射型ＰＤの場合、光入射方向と光吸収に伴って生じた電子の輸送方向とが同一のため、受光効率を上げるために光吸収層厚を大きくすると、電子の輸送時間が増加し応答速度が低下するという問題がある。
【０００８】
一方、導波路型ＰＤでは、光回路部への汚染などの影響を考慮する必要があるために素子作製工程に制限が加わる点が欠点である。しかし、光伝播方向と電子の輸送方向が異なっており、受光効率は光導波路長に、電子の輸送時間は吸収層厚或いは光導波路幅に、それぞれ独立に依存するため、効率と帯域の両立が容易な点が利点である。なお、光導波路長の増加は素子容量の増加につながるので、効率と帯域が完全に独立に決定される訳ではないことには注意を要するが、後述するような寸法範囲の素子では、動作帯域は容量よりは電子の輸送時間によって決まると考えて差し支えない。但し、素子容量は受光器の雑音特性にも影響するので、容量の抑制にも重要な意味がある。その他、導波路型ＰＤの利点には、高密度集積化が図れるという点もある。
【０００９】
また、近年、導波路型ＰＤの欠点であった作製工程における制限は克服されつつある。即ち、Ｓｉ上への高品質なＧｅのエピタクシャル成長技術の確立や、Ｓｉ上光回路或いは電子回路のゲート活性化工程とＧｅ成長工程との間の許容温度条件不整合の解決などが図られている。そのため現在では、次世代の高密度・高速光インターコネクタ向けの光集積回路には、導波路型ＰＤの採用が有力視されている。
【００１０】
Ｓｉ導波路から導波路型Ｇｅ−ＰＤへの光結合には主に２通りの方式が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１或いは非特許文献２参照）。第１の方式は、Ｓｉ導波路の出口に直接Ｇｅ材料を配置する突合せ接合（Ｂｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ）型である。第２の方式は、Ｓｉ導波路上にＧｅ−ＰＤを装荷し、両材料の屈折率差によって徐々に導波光を導波路から内へ移行させるＥｖａｎｅｓｃｅｎｔ光結合と呼ばれる現象を利用した装荷型の方式である。
【００１１】
図１６は、従来のＳｉ導波路と導波路型Ｇｅ−ＰＤとの結合方式の説明図であり、図１６（ａ）は光結合突合せ接合型導波路ＰＤの概念的断面図であり、図１６（ｂ）は装荷型導波路ＰＤの概念的断面図である。図１６（ａ）に示すように、光結合突合せ接合型導波路ＰＤは、Ｓｉ導波路６１の出力端面に導波路型Ｇｅ−ＰＤ６２をバットジョイント接合させている。
【００１２】
また、図１６（ｂ）に示すように、エバネセント光結合を用いた装荷型導波路ＰＤは、Ｓｉ導波路６１の上面に導波路型Ｇｅ−ＰＤ６３を積層している。いずれも現在精力的な研究・開発が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平０４−２５２０７９号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５６８６９号公報
【特許文献３】特開２００９−２４４３２６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】ＮＴＴ技術ジャーナル，２００９.１２，ｐ.２０−２３
【非特許文献２】ｗｗｗ.ｏｉｔｄａ.ｏｒ.ｊｐ／ｍａｉｎ／ｃｏｆｒｅｐ／Ｈ２２／Ｈ２２Ｎｏ０１.ｐｄｆ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
第１の突合せ接合方式の利点は、短い素子長で高い受光効率を得られる点にある。入射界面の直後から、光吸収層内への高い光閉じ込めが実現出来るため、装荷型ＰＤに比較して短い伝播長で高効率の光吸収が得られる。一方、突合せ方式の課題は、ＳｉとＧｅとの界面で光反射が存在するという点である。
【００１６】
例えば、波長１．５５μｍの光を用いた場合、Ｓｉ導波路の実効屈折率はおよそ２．２程度であるのに対し、Ｇｅの屈折率は４．２８であり、単純に垂直な界面で考えた場合には入射光のうち約１０％が反射することになる。なお、ここでは、Ｓｉ導波路には実効屈折率を用い、Ｇｅ−ＰＤ部には材料屈折率を用いて計算している。これは、導波路型ＰＤでは一般に、受光効率を上げるためにＧｅ−ＰＤ部は単一モード導波路ではなく断面積の大きな多モード導波路を用いる場合が多いためである。
【００１７】
また、Ｓｉ導波路の末端部ではテーパ状にして断面積を広げて、より断面積の大きなＧｅ−ＰＤに接続する手法も多く用いられる。この場合、Ｇｅ導波路の実効屈折率はＧｅの材料屈折率に漸近する。このようなＳｉ／Ｇｅ界面における反射は、受光効率を下げるだけでなく、反射戻り光が迷光となり、送受系全体に影響を与えて雑音の原因ともなる。
【００１８】
一方、第２の装荷方式では、界面での反射は起こらないが、突合せ接合方式に比べてＰＤの単位長さあたりの光吸収効率が悪いため、受光効率を上げるにはＰＤの長尺化が必要となるが、ＰＤの長尺化は一般に素子容量を増加させ高速動作特性を劣化させる。
【００１９】
また、素子長を相当長くしない限り、ある割合で吸収されずに透過する光が存在し、これが迷光となり雑音の原因となる。特に、波長多重伝送方式において信号光の偏光に依存しない受光感度を得るために偏光偏波ダイバーシティを行うことが提案されている（例えば、特許文献３参照）。このような偏光偏波ダイバーシティを具体化する場合には、ＰＤに双方向から光を入射する配置を用いることが想定される。
【００２０】
図１７は、想定される波長多重伝送方式における偏波無依存型受光回路の概念的平面図であり、シリコン細線導波路からなる入力導波路７１に、入力導波路７１から入力した波長多重光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号に分離する偏波スプリッタ７２が接続される。この偏波スプリッタ７２の出力端に第１の信号と第２の信号が互いに反対回りで伝播するシリコン細線導波路からなるループ状導波路７３が接続され、このループ状導波路７３に偏波ローテータ７４が接続される。
【００２１】
また、ループ状導波路７３とアド・ドロップ型リング共振器アレイ７７を構成する互いに異なった光路長のシリコン細線導波路からなる複数のリング導波路７５１〜７５３が光学に結合される。また、この各リング導波路７５１〜７５３のドロップポート側に２つの出力ポートを有するシリコン細線導波路からなる出力導波路７６１〜７６３を光学的に結合させる。なお、ここでは、図示を簡単にするために、リング状導波路は３個にしている。
【００２２】
この２つの出力ポートから伸びる各出力導波路７６１〜７６３に対して、偏波スプリッタ７２から第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるように受光器７８１〜７８３を接続する。このアド・ドロップ型リング共振器アレイ７７が分波器となり、λ１、λ２及びλ３に分波された光は受光器７８１〜７８３で吸収されるが、透過光が反射光と同様に実効的に戻り光となるため、その影響が大きな問題となる。
【００２３】
したがって、導波路型半導体受光装置における光入力導波路との界面での反射を低減するとともに、透過光も低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
開示する一観点からは、光導入部と、前記光導入部の導波路上に装荷された装荷部と、前記光導入部の導波路に突合せ接合された突合せ接合部からなる光吸収部とを有し、前記光吸収部を構成する材料の屈折率及び吸収係数が、前記光導入部を構成する材料の屈折率及び吸収係数よりも大きいことを特徴とする導波路型半導体受光装置が提供される。
【００２５】
また、開示する別の観点からは、第１の半導体からなる半導体基板上に絶縁膜を介して形成した第１の半導体からなる第１半導体層の一部が残存するようにエッチングして突合せ接合部形成領域を形成する工程と、前記突合せ接合部形成領域以外の前記第１半導体層の少なくとも一部をストライプ状にエッチングして導波路を形成する工程と、前記導波路の一部をマスクして前記導波路の露出部と前記突合せ接合部形成領域に前記第１の半導体の屈折率及び吸収係数よりも大きい屈折率及び吸収係数を有する第２の半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、少なくとも前記第２半導体層の形成されなかった前記導波路上にクラッド層を堆積して光導入部を形成する工程とを有することを特徴とする導波路型半導体受光装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２６】
開示の導波路型半導体受光装置及びその製造方法によれば、光入力導波路との界面での反射を低減するとともに、透過光も低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態の導波路型半導体受光装置の概念的断面図である。
【図２】シミュレーション結果の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の導波路型半導体受光装置の製造工程の途中までの説明図である。
【図４】本発明の実施例１の導波路型半導体受光装置の製造工程の図３以降の途中までの説明図である。
【図５】本発明の実施例１の導波路型半導体受光装置の製造工程の図４以降の説明図である。
【図６】本発明の実施例２の導波路型半導体受光装置の製造工程の途中までの説明図である。
【図７】本発明の実施例２の導波路型半導体受光装置の製造工程の図６以降の途中までの説明図である。
【図８】本発明の実施例２の導波路型半導体受光装置の製造工程の図７以降の説明図である。
【図９】本発明の実施例３の導波路型半導体受光装置の光導波路構造の説明図である。
【図１０】本発明の実施例４の波長多重合分波器の概念的平面図である。
【図１１】偏波スプリッタの説明図である。
【図１２】偏波ローテータの概念的斜視図である。
【図１３】本発明の実施例４の波長多重合分波器に用いる導波路型半導体受光装置の製造工程の途中までの説明図である。
【図１４】本発明の実施例４の波長多重合分波器に用いる導波路型半導体受光装置の製造工程の図１３以降の途中までの説明図である。
【図１５】本発明の実施例４の波長多重合分波器に用いる導波路型半導体受光装置の製造工程の図１４以降の説明図である。
【図１６】従来のＳｉ導波路と導波路型Ｇｅ−ＰＤとの結合方式の説明図である。
【図１７】想定される波長多重伝送方式における偏波無依存型受光回路の概念的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の導波路型半導体受光装置を説明する。図１は本発明の実施の形態の導波路型半導体受光装置の概念的断面図であり、光導入部１０と、光導入部１０の導波路１１上に装荷された装荷部２１と、光導入部１０の導波路１１に突合せ接合された突合せ接合部２２からなる光吸収部２０とを有する。光吸収部２０を構成する材料の屈折率及び吸収係数を、光導入部１０を構成する材料の屈折率及び吸収係数よりも大きくする。
【００２９】
光導入部１０の導波路１１に導入された光は、まず装荷部２１へのエバネッセント光結合により吸収されて強度を弱めつつ、突合せ接合部２２へと導入される。突合せ接合部２２の界面で光反射が起こるが、既に装荷部２１での光吸収によって界面に到達する光強度は落ちているため、最初の入射光に対する反射率は実効的に抑制される。反射した光は、もう一度装荷部２１を通ることにより再吸収されるため、さらに反射率は抑制される。
【００３０】
装荷部２１での吸収率をｋ、界面反射率をｒとすると、図１に示した構造での実効反射率ＲはＲ＝ｒ（１−ｋ）２となる。例えば、界面反射率を１０％とし、装荷部２１で入射光のうち７０％が吸収される構造とすれば、当該構造の実効反射率は０．９％にまで抑えられる。このことは、単純な突合せ接合構造に対して当該構造の受光感度を改善することができることも意味している。
【００３１】
即ち、突合せ接合構造では１０％の反射があるために、それ以外を全て吸収したとしても量子効率は９０％にしかならない。しかし、前述のように実効反射率が０．９％となる構造であれば、理想的な量子効率は９９．１％にまで改善される。
【００３２】
また、図１に示した構造の光透過率Ｔについては以下のように考えらえる。光吸収部２０の半導体材料の吸収係数をα、装荷部２１の光閉じ込め係数をΓ１、装荷部２１の長さをＬ１、突合せ接合部２２の光閉じ込め係数をΓ２、突合せ接合部２２の長さをＬ２、突合せ接合界面の反射率をｒとすると、全体の光透過率Ｔは、
Ｔ＝（１−ｒ）ｅｘｐ（−Γ１αＬ１）ｅｘｐ（−Γ２αＬ２）
で与えられる。
【００３３】
例えば、光吸収部２０の半導体材料にＧｅを用いた場合、Ｇｅの波長１．５５μｍでの吸収係数５００ｃｍ−1を光吸収部２０の吸収係数とする。なお、この値はＧｅの歪量によって変動するが、ここではほとんど歪の無い状態の値を用いる。界面反射率ｒはこれまでと同様に１０％とし、装荷部２１の光閉じ込め係数Γ１は３０％、突合せ接合部２２の光閉じ込め係数Γ２を９５％とし、装荷部２１と突合せ接合部２２の長さをそれぞれ８０μｍと７０μｍとすれば、透過率を１％以下に抑えることができる。
【００３４】
この時、導波路型半導体受光装置の全体の素子長は１５０μｍ（＝８０μｍ＋７０μｍ）である。もし、装荷部２１のみで構成された従来構造であれば、同様の透過率を得るために必要な素子長は約３１０μｍとなり、倍以上の長さが必要となる。因みに、この時の装荷部２１の光閉じ込め係数と長さとであれば、導波光が突合せ接合界面に到達するまでに装荷部２１で吸収される光の割合は約７０％であり、反射率の計算例で示した例とも整合している。
【００３５】
この計算例でも分かるように、突合せ接合界面での反射を十分に抑制するには装荷部２１で十分に光吸収されることが必要であり、本発明の望ましい構造では装荷部２１の長さは突合せ接合部２２の長さと同程度になる。望ましい装荷部長さ（Ｌ１）と突合せ接合部の長さ（Ｌ２）の関係について説明するが、下記の３点が重要になる。
（１）素子透過率を抑制する(透過光が雑音となるため)。
（２）素子反射率を抑制する(反射光が雑音となるため)。
（３）素子長をなるべく短くする(素子の小型化は集積度と高速特性の点で有利に働くため)。
【００３６】
（１）の素子透過率については、上記の式より、材料の吸収係数αが一定の条件下では、透過率Ｔは (Γ１Ｌ１＋ Γ２Ｌ２) が大きい程小さく出来ることが分かる。
【００３７】
（２）の素子反射率については、素子の実効的な反射Ｒは上述の通り、
Ｒ＝ｒ（１−ｋ）２
で与えられる。ここで、ｋ＝１−ｅｘｐ（−Γ１αＬ１）であるので、結局、
Ｒ＝ｒｅｘｐ（−２Γ１αＬ１）
となり、反射率Ｒは Γ１Ｌ１が大きい程小さく出来ることが分かる。
【００３８】
（３）の素子長については、全体の長さＬはＬ１＋Ｌ２で与えられ、これをなるべく小さくする必要がある。そこで、Ｌ１＋Ｌ２が一定の条件下で、Ｌ１とＬ２の比を変えた時の透過率Ｔと反射率Ｒとをシミュレーションした。図２は、シミュレーション結果の説明図であり、図２（ａ）はＬ＝１００μｍ、図２（ｂ）はＬ＝１５０μｍ、図２（ｃ）はＬ＝２００μｍの結果を示したものである。但し、ここでは、ｒ＝０．１，Γ１＝０．３, Γ２＝０．９５ , α＝５００ｃｍ−１とする。
【００３９】
図２（ａ）乃至図２（ｃ）から明らかなように、反射率ＲはＬ１／Ｌ２が大きい方が高くなり、透過率ＴはＬ１／Ｌ２が小さい方が小さくなる。これは、一般に装荷部２１の吸収層への光閉じ込め係数Γ１に対し、突合せ接合部２２の吸収層への光閉じ込めΓ２が大きいため、（Γ１Ｌ１＋Γ２Ｌ２）に反比例する透過率ＴはＬ２に大きく依存して決定される一方で、反射率ＲはＬ１にのみ依存するためである。
【００４０】
反射光も透過光も同様に雑音の原因となるので、この両者共に同程度まで抑えられた状態が好ましく、図２（ａ）のＬ１＋Ｌ２＝１００μｍ場合にはＬ１／Ｌ２がおよそ０．７の時に、ＲもＴも同程度に小さくできるので、これが好ましい比になる。また、図２（ｂ）に示すＬ１＋Ｌ２＝１５０μｍ場合にはＬ１／Ｌ２がおよそ１．１の時にＲとＴとを同程度に抑えられて、好ましいことが分かる。
【００４１】
以上の考察から、反射率Ｒ及び透過率Ｔを同程度に抑える構造が望ましいことが分かり、Ｒ＝Ｔという式を解けば好ましいＬ１とＬ２が得られることになる。即ち、
Ｒ＝ｒｅｘｐ（−２Γ１αＬ１）
Ｔ＝（１−ｒ）ｅｘｐ（−Γ１αＬ１）ｅｘｐ（−Γ２αＬ２）
であるので、
ｒｅｘｐ（−２Γ１αＬ１）＝（１−ｒ）ｅｘｐ（−Γ１αＬ１）ｅｘｐ（−Γ２αＬ２）
を解けば良く、
ｅｘｐ{−α（Γ１Ｌ１＋Γ２Ｌ２）}＝ｒ／（１−ｒ）
となる。これを、素子設計上必要とされる素子長Ｌ（＝Ｌ１＋Ｌ２）に応じて、この式を満たすＬ１及びＬ２を数値解析的に求めれば良い。なお、厳密に反射率Ｒと透過率Ｔが等しい必要はない。例えば、全体の長さＬが１５０μｍの場合に、上式から求められる好ましいＬ１の長さは約７８μｍであり、この時反射率と透過率とが共に０．９％程度となるが、Ｌ１が９０μｍにまでずれた場合でも、反射率が０．７％で透過率が１．２％に変化するだけであり、十分に良好な結果が得られる。この例にみられるように、上式から得られる好ましい長さの比率に対して１０〜２０％程度前後したとしても良好な結果が得られる。また、用途に応じて反射率と透過率のどちらを優先するかによってこの比率を適切に設計することもできる。
【００４２】
なお、突合せ接合部２２に対して複数の光導入部１０を突合せ接合させても良く、典型的に突合せ接合部２２に対して互いに対向する方向から２本の光導入部１０を突合せ接合させるものである。特に、図１７に示した偏波ダイバーシティを行う場合に迷光を低減するために重要な意味を持つ構成となる。
【００４３】
また、この光吸収部２０を受光素子として機能させるためには、光吸収部２０にショットキー障壁を形成する複数の金属電極を設けてショットキー接合型のフォトダイオードにすれば良い。或いは、光吸収部２０にＰＩＮ接合構造を設けてＰＩＮ型フォトダイオードとしても良い。
【００４４】
また、突合せ接合界面近傍において、光導入部１０の導波路１１の幅をテーパ状に変化させても良く、テーパ部を設けることによって、受光領域への光結合をより効率良く行うことができる。
【００４５】
シリコンフォトニクス技術と融合させる場合には、光導入部１０をシリコン基板上にＳｉＯ２膜を介して設けられた単結晶シリコン層に形成された光導入部とし、光吸収部２０をＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体から形成すれば良い。但し、材料系はＧｅとＳｉの組み合わせに限られるものではなく、例えば、Ｓｉの代わりにＳｉＯ２若しくはＳｉＮから成る導波路を光導入部１０として用いることができる。また、Ｇｅの代わりにＳｉＧｅやＧｅＳｎといったＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体、或いは、Ａｌ,Ｇａ,Ｉｎ,Ｐ,Ａｓ,Ｓｂのいずれかの材料を含むIII-Ｖ族化合物半導体混晶を用いても良い。
【００４６】
図１に示した導波路型半導体受光装置を形成するためには、まず、第１の半導体からなる半導体基板上に絶縁膜を介して形成した第１の半導体からなる第１半導体層の一部が残存するようにエッチングして突合せ接合部形成領域を形成する。次いで、突合せ接合部形成領域以外の前記第１半導体層の少なくとも一部をストライプ状にエッチングして光導波路を形成する。次いで、光導波路の一部をマスクして光導波路の露出部と突合せ接合部形成領域に第１の半導体の屈折率及び吸収係数よりも大きい屈折率及び吸収係数を有する第２の半導体からなる第２半導体層を形成する。次いで、少なくとも第２半導体層の形成されなかった光導波路上にクラッド層を形成して光導入部を形成すれば良い。
【００４７】
光吸収部２０をショットキー接合型の受光部とする場合には、第２半導体層に、第２半導体層との間にショットキー接合を形成する金属電極を設ければ良い。また、ＰＩＮ型受光部とする場合には、突合せ接合部形成領域以外の第１半導体層の少なくとも一部をストライプ状にエッチングして光導入部を形成する工程において、装荷部と接合する光導入部の両側に第１半導体層を残存させ、残存させた第１半導体層の露出部に第１導電型の不純物を注入して第１導電型領域を形成する。また、第２半導体領域の露出表面に第１の導電型とは反対導電型の第２導電型の不純物をイオン注入して第２導電型領域を形成すれば良い。
【００４８】
本発明の実施の形態においては、入射光がまず前段の装荷部である程度吸収されるため、後段の突合せ接合部界面における光反射が実効的に抑制できる。また、反射した光は装荷部を再び通過する際にも吸収されることも反射抑制に寄与する。即ち、単純な突合せ接合型に比べて反射光による雑音が抑制され、且つ、反射による受光効率劣化を抑制出来る。また、単純な装荷型構造に比べると素子長が短くても十分な受光効率を得られるため、高効率性と高速動作特性を両立することが可能である。さらに、偏波ダイバーシティを目的としてＰＤの双方向から光を入射する配置において透過光の発生を抑制し雑音発生を防止することができる。
【実施例１】
【００４９】
次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の導波路型半導体受光装置の製造工程を説明する。なお、各図における上側の図は平面図であり、下側の図は断面図である。まず、図３(ａ)に示すように、厚さが５００μｍのＳｉ基板３１上に厚さが２μｍのＳｉＯ２層からなるＢＯＸ層３２を介して厚さが２５０ｎｍの単結晶Ｓｉ層３３を設けたＳＯＩ（Ｓｉ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する。
【００５０】
次いで、図３(ｂ)に示すように、ＥＢリソグラフィーとＩＣＰドライエッチングにより、突合せ接合部を形成する領域の単結晶Ｓｉ層３３をエッチングして２０ｎｍの厚さの成長核部３４を形成する。次いで、残部の単結晶Ｓｉ層３３をストライプ状にエッチングして幅が３５０ｎｍの光導波路３５を形成する。
【００５１】
次いで、図４(ｃ)に示すように、ＣＶＤ法を用いて全面に厚さが０．１μｍのＳｉＯ２膜３６を堆積させたのち、受光部形成領域を開口する開口部３７を形成する。開口部の長さは１５０μｍとし、幅は５μｍとする。
【００５２】
次いで、図４(ｄ)に示すように、ＳｉＯ２膜３６を選択成長マスクとして減圧ＣＶＤ法を用いて厚さがｉ型Ｇｅ層３８を選択成長させる。この場合、原料ガスとしてＧｅＨ４を用い、キャリアガスとしてＨ２を用いる。この時、光導波路３５上に成長したｉ型Ｇｅ層３８が装荷部３９となり、成長核部３４上に成長したｉ型Ｇｅ層３８が光導波路３５の端面との接合部を突合せ接合界面とする突合せ接合部４０となる。この場合、突合せ接合部４０の厚さが１μｍになるように成長させ、装荷部３９の長さを８０μｍとし、突合せ接合部４０の長さを７０μｍとする。
【００５３】
次いで、図５（ｅ）に示すように、ＳｉＯ２膜３６を除去したのち、再びＣＶＤ法を用いて全面に厚さが１μｍのＳｉＯ２膜４１を堆積させる。このＳｉＯ２膜４１は光導波路３５に対する上部クラッド層となる。次いで、ｉ型Ｇｅ層３８上に堆積したＳｉＯ２膜４１を選択的に除去してコンタクトホール４２を形成する。この場合のコンタクトホール４２のサイズ及び形状は任意であるが、ここでは、寄生容量を低減するために、一つのコンタクトホール４２のサイズを０．２μｍ×０．２μｍとし、光軸方向のピッチを０．５μｍとし、幅方向のピッチを２．０μｍとする。
【００５４】
次いで、図５(ｆ)に示すように、スパッタリング法を用いて全面にＡｌ膜を成膜したのち、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりＡｌ膜を加工して、一対のショットキーバリア電極４３１，４３２を形成する。この場合の受光部は、所謂ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造となり、一対のショットキーバリア電極４３１，４３２の間に電圧を印加することで、ｉ型Ｇｅ層３８内の光吸収によって発生したフォトキャリアを電流に変える。
【００５５】
本発明の実施例１においては、装荷部３９とそれとほぼ同じ長さの突合せ接合部４０とからなるＧｅ層を用いて受光部を形成しているので、突合せ接合界面からの反射光と透過光とを効果的に低減することができる。また、ＳＯＩ基板を用いているので、他の半導体機能素子や論理回路等との集積化が可能になる。
【実施例２】
【００５６】
次に、図６乃至図９を参照して、本発明の実施例２の導波路型半導体受光装置の製造工程を説明する。まず、図６(ａ)に示すように、実施例１と同様に、ＳＯＩ基板を用意して、ＥＢリソグラフィーとＩＣＰドライエッチングにより、突合せ接合部を形成する領域の単結晶Ｓｉ層３３をエッチングして２０ｎｍの厚さの成長核部３４を形成する。
【００５７】
次いで、残部の単結晶Ｓｉ層３３をストライプ状にエッチングして幅が３５０ｎｍの光導波路３５を形成するとともに、成長核部３４側の長さ８０μｍの領域を幅が８μｍの電極形成領域５１として残す。
【００５８】
次いで、図６(ｂ)に示すように、ＣＶＤ法を用いて全面に厚さが０．１μｍのＳｉＯ２膜３６を堆積させたのち、受光部形成領域を開口する開口部３７を形成する。開口部の長さは１５０μｍとし、幅は５μｍとする。
【００５９】
次いで、図７(ｃ)に示すように、ＳｉＯ２膜３６を選択成長マスクとして減圧ＣＶＤ法を用いて厚さがｉ型Ｇｅ層３８を選択成長させる。この場合、原料ガスとしてＧｅＨ４を用い、キャリアガスとしてＨ２を用いる。この時、電極形成領域５１上に成長したｉ型Ｇｅ層３８が装荷部３９となり、成長核部３４上に成長したｉ型Ｇｅ層３８が光導波路３５の端面との接合部を突合せ接合界面とする突合せ接合部４０となる。この場合、突合せ接合部４０の厚さが１μｍになるように成長させ、装荷部３９の長さを８０μｍとし、突合せ接合部４０の長さを７０μｍとする。
【００６０】
次いで、図７（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜３６を除去したのち、再び、電極形成領域５１の露出部Ｂをイオン注入してｐ型Ｓｉ領域５２を形成する。一方、ｉ型Ｇｅ層３８の表面にＰをイオン注入してｎ型Ｇｅ層５３を形成する。
【００６１】
次いで、図８（ｅ）に示すように、再び、ＣＶＤ法を用いて全面に厚さが１μｍのＳｉＯ２膜４１を堆積させる。このＳｉＯ２膜４１は光導波路３５に対する上部クラッド層となる。次いで、ｉ型Ｇｅ層３８上に堆積したＳｉＯ２膜４１を選択的に除去してコンタクトホール５４〜５６を形成する。
【００６２】
次いで、図８(ｆ)に示すように、スパッタリング法を用いて全面にＡｌ膜を成膜したのち、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりＡｌ膜を加工することで、ｎ側電極５７と、一対のｐ側電極５８１，５８２を形成する。この場合の受光部は、ＰＩＮ型のフォトダイオードになる。
【００６３】
本発明の実施例２においては、上記の実施例１と同様な作用効果を奏することができるとともに、受光部をＰＩＮ型フォトダイオードにしているので、変換効率を向上することができる。
【実施例３】
【００６４】
次に、図９を参照して、本発明の実施例３の導波路型半導体受光装置を説明するが、突合せ接合界面近傍における光導波路にテーパ部を形成しただけであるので製造工程の説明は省略して、光導波路構造のみを説明する。図９は本発明の実施例３の導波路型半導体受光装置の光導波路構造の説明図であり、図９(ａ)は、光導波路構造を示す平面図であり、図９(ｂ)は断面図であり、光導波路３５の成長核部３４に接続する側にテーパ部４４を設けたものである。この場合のテーパ部４４の長さは５０μｍとし、突合せ接合界面における幅は３μｍとする。
【００６５】
以降は、上記の実施例１と同様の工程を行うことによって、本発明の実施例３の導波路型半導体受光装置が得られる。このようにテーパ部４４を設けることによって、受光領域への光結合をより効率良く行うことができる。
【実施例４】
【００６６】
次に、図１０乃至図１４を参照して、本発明の実施例４の波長多重合分波器を説明する。図１０は、本発明の実施例４の波長多重合分波器の概念的平面図であり、シリコン細線導波路からなる入力導波路７１に、入力導波路７１から入力した波長多重光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号に分離する偏波スプリッタ７２が接続される。この偏波スプリッタ７２の出力端に第１の信号と第２の信号が互いに反対回りで伝播するシリコン細線導波路からなるループ状導波路７３が接続され、このループ状導波路７３に偏波ローテータ７４が接続される。
【００６７】
また、ループ状導波路７３とアド・ドロップ型リング共振器アレイ７７を構成する互いに異なった光路長のシリコン細線導波路からなる複数のリング導波路７５１〜７５３が光学に結合される。また、この各リング導波路７５１〜７５３のドロップポート側に２つの出力ポートを有するシリコン細線導波路からなる出力導波路７６１〜７６３を光学的に結合させる。なお、ここでは、図示を簡単にするために、リング状導波路は３個にしている。
【００６８】
この２つの出力ポートから伸びる各出力導波路７６１〜７６３に対して、偏波スプリッタ７２から第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるように導波路型半導体受光装置８０１〜８０３を接続する。なお、これらの各要素は全てＳＯＩ基板を利用して形成する。
【００６９】
図１１は、偏波スプリッタの説明図であり、ここでは、偏波スプリッタ７２として方向性結合器を用いる。図１１（ａ）は方向性結合器の概念的平面図であり、ＳＯＩ基板を利用して、単結晶Ｓｉ層３３を加工して、２本の光導波路７２１，７２２を相互に近接させるように形成する。光導波路７２１，７２２間のモード結合によって光の一部或いは全部を他方の光導波路に移行させる。この場合、結合部７２３の結合係数及び相互作用長を調整することで、任意の割合の光を分岐させる。
【００７０】
図１１(ｂ)は、方向性結合器内の単一偏光の光強度分布の説明図であり、入力光が方向性結合器の中で２本の導波路を行ったり来たりすることになるので、適当な長さに相互作用長を設定すれば、任意の割合での光分岐が可能になる。例えば、Ｌ１の位置で相互作用長を切れば、２つの出力ポート７２４，７２５から同じ強度の光が出力されることになり、即ち、この方向性結合器は３ｄＢカプラとして作用することになる。また、Ｌ２の位置で相互作用長を切れば、光は全てポート７２５側から出力されることになる。
【００７１】
図１１(ｃ)は、方向性結合器内の偏光別の光強度分布の説明図であり、ＴＭ偏光とＴＥ偏光とで、結合係数の違いによって同じ相互作用長でも２つの出力ポート７２４，７２５への光強度配分が変わる。Ｌ３のところで相互作用長を区切れば、ＴＭ偏光は出力ポート７２５側に殆ど移っているのに対し、ＴＥ偏光は出力ポート７２４側に殆ど戻っている。したがって、この相互作用長を持つ方向性光結合器を作製すれば、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とを分離する偏波スプリッタとして動作する。
【００７２】
図１２は、偏波ローテータの概念的斜視図であり、ＳＯＩ基板を利用して、単結晶Ｓｉ層３３を加工して、テーパ状入力部８１、偏波ローテータ部８２及びテーパ状出力部８３からなる導波路を形成し、この導波路上に楔形状のＳｉＮパターン８４を設けて偏波ローテータ７４を構成する。なお、偏波ローテータ部８２の長さは３００μｍとする。
【００７３】
次に、図１３乃至図１５を参照して、波長多重合分波器に用いる導波路型半導体受光装置の製造工程を説明する。図１３(ａ)に示すように、実施例１と同様に、ＳＯＩ基板を用意して、ＥＢリソグラフィーとＩＣＰドライエッチングにより、突合せ接合部を形成する領域の単結晶Ｓｉ層３３をエッチングして２０ｎｍの厚さの成長核部３４を７０μｍの長さに形成する。次いで、図において左右の残部の単結晶Ｓｉ層３３をストライプ状にエッチングして幅が３５０ｎｍの光導波路３５１，３５２を形成する。
【００７４】
次いで、図１３(ｂ)に示すように、ＣＶＤ法を用いて全面に厚さが０．１μｍのＳｉＯ２膜３６を堆積させたのち、受光部形成領域を開口する開口部３７を形成する。開口部３７の長さは２３０μｍとし、幅は５μｍとする。
【００７５】
次いで、図１４(ｃ)に示すように、ＳｉＯ２膜３６を選択成長マスクとして減圧ＣＶＤ法を用いて厚さがｉ型Ｇｅ層３８を選択成長させる。この場合、原料ガスとしてＧｅＨ４を用い、キャリアガスとしてＨ２を用いる。この時、光導波路３５１，３５２上に成長したｉ型Ｇｅ層３８が装荷部３９１，３９２となり、成長核部３４上に成長したｉ型Ｇｅ層３８が光導波路３５の端面との接合部を突合せ接合界面とする突合せ接合部４０となる。この場合、突合せ接合部４０の厚さが１μｍになるように成長させ、装荷部３９１，３９２の長さをそれぞれ８０μｍとする。
【００７６】
次いで、図１４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜３６を除去したのち、再びＣＶＤ法を用いて全面に厚さが１μｍのＳｉＯ２膜４１を堆積させる。このＳｉＯ２膜４１は光導波路３５１，３５２に対する上部クラッド層となる。次いで、ｉ型Ｇｅ層３８上に堆積したＳｉＯ２膜４１を選択的に除去してコンタクトホール４２を形成する。この場合のコンタクトホール４２のサイズ及び形状は任意であるが、ここでは、寄生容量を低減するために、一つのコンタクトホール４２のサイズを０．２μｍ×０．２μｍとし、光軸方向のピッチを０．５μｍとし、幅方向のピッチを２．０μｍとする。
【００７７】
次いで、図１５(ｅ)に示すように、スパッタリング法を用いて全面にＡｌ膜を成膜したのち、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりＡｌ膜を加工して、一対のショットキーバリア電極４３１，４３２を形成する。
【００７８】
この実施例４においては、アド・ドロップ型リング共振器アレイ７７が分波器となり、λ１、λ２及びλ３に分波された光は導波路型半導体受光装置８０１〜８０３で吸収される。導波路型半導体受光装置８０１〜８０３は、中央の突合せ接合部４０の両側に装荷部３９１，３９２を設けているので、第１の受光面及び第２の受光面から入射した光に対する透過光及び反射光を大幅に低減することができる。それによって、実効的に戻り光をなくすことができ、ノイズの発生を防止することができる。
【００７９】
このように、本発明の実施例４においては、ＳＯＩ基板を用いて透過光及び反射光を大幅に低減したコンパクトな導波路型半導体受光装置を備えた波長多重合分波器を実現することが可能になる。
【００８０】
ここで、実施例１乃至実施例４を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）光導入部と、前記光導入部の導波路上に装荷された装荷部と、前記光導入部の導波路に突合せ接合された突合せ接合部からなる光吸収部とを有し、前記光吸収部を構成する材料の屈折率及び吸収係数が、前記光導入部を構成する材料の屈折率及び吸収係数よりも大きいことを特徴とする導波路型半導体受光装置。
（付記２）前記突合せ接合部に対して複数の前記光導入部が突合せ接合されていることを特徴とする付記１に記載の半導体受光装置。
（付記３）前記装荷部の長さと突合せ接合部の長さの比は、前記光吸収部を構成する材料の屈折率をα、前記装荷部の長さと光閉じ込め係数を夫々Ｌ１，Γ１、前記突合せ接合部の長さと光閉じ込め係数を夫々Ｌ２，Γ２、前記光導入部の導波路と前記突合せ接合部との突合せ接合界面における反射率をｒとした場合、
ｅｘｐ{−α（Γ１Ｌ１＋Γ２Ｌ２）}＝ｒ／（１−ｒ）
を満たす値のＬ１／Ｌ２に対して±２０％の範囲であることを特徴とする付記１または付記２に記載の導波路型半導体受光装置。
（付記４）前記光吸収部が、ショットキー障壁を介して接する複数の金属電極を有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の導波路型半導体受光装置。
（付記５）前記光吸収部が、ＰＩＮ接合構造を有していることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の導波路型半導体受光装置。
（付記６）前記光導入部の導波路と前記突合せ接合部との突合せ接合界面近傍において、前記光導入部の導波路幅がテーパ状に変化する構造を有することを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載の導波路型半導体受光装置。
（付記７）前記光導入部が、シリコン基板上にＳｉＯ２膜を介して設けられた単結晶シリコン層に形成された光導入部であり、前記光吸収部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の導波路型半導体受光装置。
（付記８）第１の半導体からなる半導体基板上に絶縁膜を介して形成した第１の半導体からなる第１半導体層の一部が残存するようにエッチングして突合せ接合部形成領域を形成する工程と、前記突合せ接合部形成領域以外の前記第１半導体層の少なくとも一部をストライプ状にエッチングして導波路を形成する工程と、前記導波路の一部をマスクして前記導波路の露出部と前記突合せ接合部形成領域に前記第１の半導体の屈折率及び吸収係数よりも大きい屈折率及び吸収係数を有する第２の半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、少なくとも前記第２半導体層の形成されなかった前記導波路上にクラッド層を堆積して光導入部を形成する工程とを有することを特徴とする導波路型半導体受光装置の製造方法。
（付記９）前記第２半導体層に、前記第２半導体層との間にショットキー接合を形成する金属電極を形成する工程を有することを特徴とする付記８に記載の導波路型半導体受光装置の製造方法。
（付記１０）突合せ接合部形成領域以外の前記第１半導体層の少なくとも一部をストライプ状にエッチングして導波路を形成する工程において、前記装荷部と接合する前記光導波路の両側に前記第１半導体層を残存させるとともに、前記残存させた第１半導体層の露出部に第１導電型の不純物を導入して第１導電型半導体領域を形成する工程と、前記第２半導体層の表面に前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の不純物を導入して第２導電型半導体領域を形成する工程とを有することを特徴とする付記８に記載の導波路型半導体受光装置の製造方法。
【符号の説明】
【００８１】
１０  光導入部
１１  導波路
２０  光吸収部
２１  装荷部
２２  突合せ接合部
３１  Ｓｉ基板
３２  ＢＯＸ層
３３  単結晶Ｓｉ層
３４  成長核部
３５，３５１，３５２  光導波路
３６  ＳｉＯ２膜
３７  開口部
３８  ｉ型Ｇｅ層
３９，３９１，３９２  装荷部
４０  突合せ接合部
４１  ＳｉＯ２膜
４２  コンタクトホール
４３１，４３２  ショットキーバリア電極
４４  テーパ部
５１  電極形成領域
５２  ｐ型Ｓｉ領域
５３  ｎ型Ｇｅ層
５４〜５６  コンタクトホール
５７  ｎ側電極
５８１，５８２  ｐ側電極
６１  Ｓｉ導波路
６２  導波路型Ｇｅ−ＰＤ
６３  導波路型Ｇｅ−ＰＤ
７１  入力導波路
７２  偏波スプリッタ
７２１，７２２  光導波路
７２３  結合部
７２４，７２５  出力ポート
７３  ループ状導波路
７４  偏波ローテータ
７５１〜７５３  リング導波路
７６１〜７６３  出力導波路
７７  アド・ドロップ型リング共振器アレイ
７８１〜７８３  受光器
８０１〜８０３  導波路型半導体受光装置
８１  テーパ状入力部
８２  偏波ローテータ部
８３  テーパ状出力部
８４  ＳｉＮパターン
【図１】
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【図２】
2014220267.tif 000004
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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