(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、外形が円形状の半導体多層構造で形成された受光部と、
前記半導体多層構造の周辺の一部を周方向に延長して設けられ、先端側が細いテーパ状の光入力部と、
前記光入力部を通して前記受光部の上面側及び下面側の少なくとも一方の領域に導かれた直線部と、前記直線部に繋がり前記領域に螺旋状に配置された螺旋部と、を有するシリコン細線導波路と、
を具備したことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記受光部は、リング形状又はディスク形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記シリコン細線導波路の直線部は、前記光入力部の先端部と交差することなく、前記光入力部の側部と交差していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記光入力部における前記シリコン細線導波路の幅をＷ１、前記光入力部の先端幅をＷ２、前記光入力部における前記シリコン細線導波路の中心と前記光入力部の先端中心との距離をＷ３とするとき、（Ｗ１＋Ｗ２）／２＜Ｗ３の関係を満たすことを特徴とする、請求項３に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記シリコン細線導波路の前記受光部側の終端部は、先細り形状となっていることを特徴とする、請求項１乃至４の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記シリコン細線導波路の前記受光部側の終端部の曲率半径は、径方向の線間の距離を一定とした場合の螺旋の中心部の曲率半径よりも小さくなっていることを特徴とする、請求項１乃至５の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする、請求項１乃至６の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記基板はＳＯＩ基板であり、前記シリコン細線導波路は前記ＳＯＩ基板のＳｉ層を加工して形成されていることを特徴とする、請求項１乃至６の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記受光部は、活性層をクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を有することを特徴とする、請求項１乃至８の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
前記ダブルヘテロ構造は、III-Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする、請求項９に記載の半導体受光素子。
【請求項１１】
前記活性層は、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光配線等に用いるのに適した半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低損失且つ高密度の光伝送のために、データ入出力を高速且つ低消費電力で行うオンチップ光配線が種々提案されている。このような光配線を実現するために、小型光源として、マイクロリング共振器を用いたマイクロリングＬＤが注目されている。この種のマイクロリングＬＤは、光出力用導波路からの反射戻り光に極めて敏感であり、出力が不安定になりやすく、戻り光の割合を０．０１％以下に抑制する必要がある。
【０００３】
一方、マイクロリングＬＤから送信される光を受信する受光素子においては、小型でＬＤと同一ウエハを用いて同時にオンチップ集積化が可能であることが望まれる。しかし、マイクロリングＬＤと同時にオンチップ集積化が可能であり、高効率且つ反射戻り光を十分に低減した半導体受光素子を実現することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２０４７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題は、マイクロリングＬＤ等と同時にオンチップ集積化が可能であり、高効率且つ反射戻り光の少ない半導体受光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体受光素子は、基板上に形成され、外形が円形状の半導体多層構造で形成された受光部と、前記半導体多層構造の周辺の一部を周方向に延長して設けられ、先端側が細いテーパ状の光入力部と、前記光入力部に光を結合させるためのシリコン細線導波路と、を具備している。そして、シリコン細線導波路は、前記光入力部を通して前記受光部の上面側及び下面側の少なくとも一方の領域に導かれた直線部と、前記直線部に繋がり前記領域に螺旋状に配置された螺旋部と、を有している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す平面図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる半導体受光素子の製造工程を示す断面図。
【図４】第１の実施形態の要部構成を拡大して示す平面図。
【図５】光入力部における反射量を示す特性図。
【図６】光入力部における戻り光強度の変化を示す特性図。
【図７】導波路における戻り光強度を示す特性図。
【図８】第１の実施形態の半導体受光素子における量子効率を示す特性図。
【図９】光入力部における入力部先端と導波路との関係を示す模式図。
【図１０】光入力部における導波路幅に対する出力の違いを示す特性図。
【図１１】第２の実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す平面図。
【図１２】第２の実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す断面図。
【図１３】第２の実施形態の半導体受光素子における量子効率を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の半導体受光素子を、図面を参照して説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、第１の実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を説明するためのもので、図１は受光部、光入力部及び導波路の配置関係を示す平面図、図２は図１の矢視Ｉ−Ｉ’断面図である。なお、図１では、本実施形態の特徴を分かり易くするために必要な構成のみを示している。
【００１０】
半導体プロセスにより、Ｓｉ基板１０上に低屈折率材料で覆われたＳｉ細線導波路１２が形成され、その上に、半導体多層構造３０からなる受光部３１が接合されている。
【００１１】
具体的には、Ｓｉ基板１０上に埋め込み絶縁膜１１を介して形成したＳｉ層又はａ−Ｓｉ層を螺旋状に加工してＳｉ細線導波路１２が形成されている。Ｓｉ細線導波路１２は、螺旋状に形成された螺旋部１２ａと、この螺旋部１２ａの最外側端に繋がり直線状に形成された直線部１２ｂとを有する。そして、Ｓｉ細線導波路１２上に、光活性層を含む半導体多層構造３０からなるリング状の受光部３１が接合されている。Ｓｉ細線導波路１２の受光部側の終端は、終端における戻り光を小さくするために、終端に近付くほど幅を狭くしている。即ち、Ｓｉ細線導波路１２の受光部側の終端は先細り形状となっている。
【００１２】
受光部３１は、ＩｎＧａＡｓ活性層２３をＧａＡｌＡｓクラッド層２２，２４で挟んだダブルヘテロ構造の一方にｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５を形成し、他方にｎ型ＧａＡｓコンタクト層２１を形成したものである。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５がＳｉＯ2 等の酸化膜２６を介して導波路１２上に接合されている。なお、活性層２３は、井戸層と障壁層とが交互に積層されたＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸層をＧａＡｓ光閉じ込め層で挟んだ構成としても良い。
【００１３】
上記の各半導体層２１〜２５からなる半導体多層構造３０は、円形に加工されて受光部３１を形成すると共に、周辺の一部に導波路を導入するための光入力部３２を形成している。この光入力部３２は、Ｓｉ細線導波路１２の直線部１２ｂに沿って設けられ、先端側が細いテーパ状となっている。また、半導体多層構造３０は、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２１からｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２４まで、円形の開口を形成するようにエッチング除去されている。これにより、受光部３１はリング状となっている。
【００１４】
ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２１の上面にはｎ側電極４１が形成され、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５上にはｐ側電極４２が形成されている。なお、図中の４３，４４はポリイミド等の保護絶縁膜を示している。
【００１５】
また、図には示さないが、受光部３１及び光入力部３２はＳｉ基板１０上の一部に形成され、Ｓｉ基板１０上の他の領域には、Ｓｉ細線導波路１２に光結合するマイクロリングＬＤ等が形成されるものとなっている。
【００１６】
この素子を製造するには、まず図３（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板上の薄いＳｉ層又はアモルファスＳｉ層を加工し、前記図１に示すような螺旋状のＳｉ細線導波路１２を形成したウェハを用意する。
【００１７】
一方、図３（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ基板２０上にエピタキシャル成長（ＭＯＣＶＤ）により、厚さ２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓスラブ層（兼コンタクト層）２１、厚さ１．６μｍのｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２２、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＡｓ活性層２３、厚さ２５０ｎｍのｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２４、厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５からなる半導体多層構造３０を形成する。
【００１８】
次いで、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）に示す半導体多層構造３０をｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５を下にして、図３（ａ）に示すウェハ上に接合する。このとき、Ｓｉ細線導波路１２の側部はＳｉＯ2 等の酸化膜１３で埋め込んで表面を平坦化しておく。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５上に薄い酸化膜２６を形成しておき、この酸化膜２６をウェハ上に接合する。その後、ＧａＡｓ基板２０を除去する。
【００１９】
次いで、図３（ｄ）に示すように、半導体多層構造３０に対して、リング形状の受光部３１と先端テーパ状の光導入部３２のパターニングを行う。具体的には、多層構造の各層２１〜２５を、受光部３１となる円形部分及び光入力部３２となる引き出し部分を残すように、酸化膜２６に達するまでＲＩＥ等により選択エッチングする。さらに、円形部分の中央をコンタクト層２５に達するまで選択エッチングすることにより、円形部分の中央に円形の開口を設ける。これにより、リング状の受光部３１が形成されることになる。
【００２０】
これ以降は、リング状の受光部３１の上面にｎ側電極４１を形成し、開口の形成により露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５上にｐ側電極４２を形成する。さらに、ポリイミド等の保護絶縁膜４３，４４等を形成することにより、本実施形態における半導体受光素子を完成させる。
【００２１】
図４は、光入力部３２の近辺を拡大して示す平面図である。光入力部３２は、リング状の受光部３１の最外周の一部から周方向に線状に延びた構造であり、先端側を細く絞ったテーパ形状となっている。そして、光入力部３２とＳｉ細線導波路１２とは中心がずれている。即ち、光入力部３２はＳｉ細線導波路１２の直線部１２ｂとは斜めに交差している。このように本実施形態では、光入力部３２を先端側が細いテーパ状に形成すると共に、光入力部３２とＳｉ細線導波路１２の直線部１２ｂとを斜めに交差させている。
【００２２】
なお、図４中のＷ１は光入力部３２におけるＳｉ細線導波路１２の幅、Ｗ２は光入力部３２の先端幅、Ｗ３は光入力部３２におけるＳｉ細線導波路１２の中心と光入力部３２の先端中心との距離（横シフト量）を示している。
【００２３】
図５（ａ）（ｂ）にテーパ状の光入力部３２におけるＳｉ細線導波路１２のずれの有り無しでの反射量の比較を示す。図５（ａ）がＳｉ細線導波路１２のずれ無しの場合で、図５（ｂ）がＳｉ細線導波路１２のずれの有りの場合である。図５（ａ）に示すように、Ｓｉ細線導波路１２が光入力部３２の中心にあると（横シフト０μｍ）、光入力部３２における反射量が大きくなる。光入力部３２での反射は、Ｓｉ細線導波路１２における戻り光を大きくする要因となる。これに対し、図５（ｂ）に示すように、Ｓｉ細線導波路１２が光入力部３２の中心からずれていると（横シフト０．６μｍ）、光入力部３２における反射量が小さくなる。なお、図５（ｂ）では、遅れて反射が生じるが、総量比較では１桁低減される。
【００２４】
図６は、光入力部３２におけるＳｉ細線導波路１２のずれ量に対する戻り光強度の変化を示す特性図であり、Ｓｉ細線導波路１２の幅Ｗ１＝０．３μｍ、光入力部３２の先端幅Ｗ２＝０．５μｍとした場合である。図６に示すように、光入力部３２の先端での横シフト量Ｗ３が０．５μｍ以上になると、戻り光強度が十分に小さくなる。即ち、横シフト量Ｗ３が０．５μｍ以上になると、強い反射ピークが消失して、戻り光の総量も低減されることになる。
【００２５】
上記のように戻り光強度が十分小さくなるのは、光入力部３２の先端部とＳｉ細線導波路１２とが重ならず、Ｓｉ細線導波路１２の直線部１２ｂと光入力部３２とが斜めに交差しているためと考えられる。従って、Ｓｉ細線導波路１２の幅Ｗ１、光入力部３２の先端幅Ｗ２、及び横シフト量Ｗ３は、
（Ｗ１＋Ｗ２）／２＜Ｗ３      …（１）
の関係を満たすことが望ましい。
【００２６】
図７（ａ）（ｂ）は、Ｓｉ細線導波路１２における戻り光強度を、光入力部３２の有り無しで比較して示す特性図である。光入力部３２が無い場合（従来例）、図７（ａ）に示すように、戻り光強度は−３５ｄＢ程度と大きくなる。これに対し、光入力部３２を有する場合（本実施形態）、図７（ｂ）に示すように、戻り光強度は−４８ｄＢ程度と小さくなる。即ち、本実施形態の構造によりＬＤ光源への戻り光は−４８ｄＢ以下に抑制されており、ＬＤ光源及び光送受信ユニットの出力の安定化に好適な半導体受光素子が実現できることになる。
【００２７】
図８は、本実施形態におけるリング型の半導体受光素子についての受光効率をＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）シミュレーションにより求めた結果である。図中のＡは吸収率、Ｒは放射率、Ｔはトータルの量子効率で
Ｔ＝Ａ／（Ａ＋Ｒ）＝９２％      …（２）
となり、十分大きな量子効率を得ることができる。即ち、本実施形態の構造により、９０％以上の受光効率が得られており、小型かつ高効率の半導体受光素子が実現できることが分かる。
【００２８】
このように本実施形態によれば、Ｓｉ基板上に形成するマイクロリングＬＤと同様の半導体の積層構造で受光部３１を形成しているため、マイクロリングＬＤと同時にオンチップで集積化が可能である。しかも、受光部３１に近接して螺旋状のＳｉ細線導波路１２を形成しているため、導波路に対する光結合効率の向上をはかることができる。
【００２９】
これに加え本実施形態では、受光部３１の一部に先端側が細いテーパ状の光入力部３２を設けているため、光入力用のＳｉ細線導波路１２から受光部３１へ結合する光の反射を防止すると共に、受光部３１に結合した光が再び光入力用のＳｉ細線導波路１２に戻り、逆流してリングＬＤ光源に戻ることを防止することができる。このため、光送受信ユニットの安定した動作を可能とする小型の半導体受光素子が実現可能となる。即ち、マイクロリングＬＤ等と同時にオンチップ集積化が可能であり、高効率且つ反射戻り光の少ない半導体受光素子を実現することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、導波路１２としてＳｉを用いているため、導波路内での光損失を小さくすることができる。さらに、Ｓｉ細線導波路１２の受光部３１側の終端を細く絞っているため、終端における戻り光を小さくできる利点もある。
【００３１】
なお、光入力部３２は、必ずしもＳｉ細線導波路１２の直線部１２ｂと斜めに交差する必要はなく、図９に示すように光入力部３２の中心軸に沿って導波路１２が配置されている構成としても良い。
【００３２】
光入力部３２は、受光部３１とＳｉ細線導波路１２との界面で大きな反射が起きるのを防止するためのものであり、図９に示すように、光入力部３２の先端側が細いテーパ状となっている。光入力部３２の先端端面が大きいと、端面で反射が大きくなるため、光入力部３２の先端面の幅はできるだけ小さくする必要がある。但し、先端面の幅が小さくなりすぎると、戻り光が光入力部３２の先端面から外部に放出されなくなる。これは、Ｓｉ細線導波路１２における戻り光の低減に不利である。
【００３３】
図１０は、Ｓｉ細線導波路１２において受光部側から外方向に向かう出力とＳｉ細線導波路１２の幅Ｗ１との関係を示す図である。素子長Ｌ＝８５〜１００μｍで、光入力部３２の先端幅Ｗ２＝０．５μｍとした場合であり、各々のＷ１による出力の範囲を示している。
【００３４】
Ｗ１＝０．３μｍではＳｉ細線導波路１２からは光は殆ど出力されないが、Ｗ１＝０．５μｍではＳｉ細線導波路１２から出力される光が大きくなる。即ち、Ｗ２に比してＷ１が大きくなると、戻り光が光入力部３２の先端から放出されずにＳｉ細線導波路１２を通ることになる。つまり、戻り光の低減に不利となる。従って、Ｗ２は小さくする必要があるが、Ｗ２＞Ｗ１の範囲に設定しなければならない。なお、前記図４に示すように、光入力部３２をＳｉ細線導波路１２の直線部１２ｂと斜めに交差させた場合は、この限りではない。
【００３５】
（第２の実施形態）
図１１及び図１２は、第２の実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を説明するためのもので、図１１は受光部、光入力部及び導波路の配置関係を示す平面図、図１２は図１１の矢視II−II’断面図である。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、図１１では、本実施形態の特徴を分かり易くするために必要な構成のみを示している。
【００３６】
基本的な構造は先に説明した第１の実施形態と同じであり、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、受光部３１の構成である。
【００３７】
本実施形態の受光部３１はリング状ではなくディスク状となっている。そして、円形のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２１上にｎ側電極４１が形成されている。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５は外側に延在しており、この部分にｐ側電極４２が形成されている。
【００３８】
また、Ｓｉ細線導波路１２は、円形の受光部３１の中心まで形成され、更に中心部ではＳｉ細線導波路１２の終端部の曲率半径が極めて小さくなっている。なお、図１１から分かるように本実施形態では、Ｓｉ細線導波路１２の直線部１２ｂは、光入力部３２と斜めに交差するのではなく、光入力部３２の中心軸に沿って配置されている。しかし、第１の実施形態と同様に、光入力部３２とＳｉ細線導波路１２との中心をずらし、光入力部３２とＳｉ細線導波路１２の直線部１２ｂとを斜めに交差させるようにしても良いのは勿論のことである。
【００３９】
図１３は、本実施形態におけるリング型半導体受光素子についての受光効率をＦＤＴＤシミュレーションにより求めた結果である。図中のＡは吸収率、Ｒは放射率、Ｔはトータルの量子効率である。この図から、本実施形態の構造により８０％以上の受光効率が得られており、小型かつ高効率の半導体受光素子が実現できるのが分かる。
【００４０】
従って、本実施形態においても、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のことである。これに加え本実施形態では、受光部３１をリング状ではなく円形状としているため、Ｓｉ細線導波路１２を配置する面積を増大させることができ、受光容量を増大させて戻り光や飽和吸収を低減することができる。また、Ｓｉ細線導波路１２の終端の曲率半径を小さくしているため、導波路１２の終端で光が放出され、結果として終端における戻り光をより低減することが可能となる。
【００４１】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００４２】
実施形態では受光部の素子形成用基板としてＧａＡｓ基板を用い、この上にＩｎＧａＡｓ活性層をＧａＡｌＡｓクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造としたが、ＩｎＰ基板を用い、ＩｎＡｌＧａＡｓ活性層をＩｎＰクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造としても良い。この場合にも、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ多重量子井戸層をＩｎＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層で挟んだ構成を活性層としても良い。さらに、受光部を形成するための半導体多層構造は必ずしもIII-Ｖ族化合物半導体に限るものではなく、リングＬＤ等を搭載する基板上に同時搭載でき、導波路を介して入力される光信号を感度良く検出できるものであれば良い。例えば、半導体材料としては、希土類ドープＳｉやＧｅＳｎを用いることも可能である。
【００４３】
また、実施形態では、光入力部は直線状のシリコン細線導波路と斜めに交差させたが、交差しなくても戻り光を十分に低減できる場合は、必ずしもこれに限らない。さらに、Ｓｉ細線導波路の先端部は先細りテーパ又は曲率大にした方が望ましいものの、先端部における戻り光の影響が小さい場合は、必ずしもこの構成を取る必要はない。
【００４４】
また、実施形態では、シリコン細線導波路を受光部の下面側に設けたが、受光部の上面側に設けることも可能である。この場合、下地基板として、Ｓｉの代わりにＧａＡｓ等のIII-Ｖ族半導体基板を用いることも可能である。
【００４５】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１０…Ｓｉ基板
１１…埋め込み絶縁膜
１２…Ｓｉ細線導波路
１２ａ…Ｓｉ細線導波路の螺旋部
１２ｂ…Ｓｉ細線導波路の直線部
１３，２６…酸化膜
２０…ＧａＡｓ基板
２１…ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２２…ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
２３…ＩｎＧａＡｓ活性層
２４…ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
２５…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
３０…半導体多層構造
３１…受光部
３２…光入力部
４１…ｎ側電極
４２…ｐ側電極
４３，４４…保護絶縁膜
【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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【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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