(57)【要約】【課題】光電変換効率を高める。【解決手段】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１００ａであって、信号光を吸収する吸収領域１０８と増倍領域１０６とが分離しているＳＡＭ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、吸収領域１０８と接合するｐ−Ｓｉ領域１０７と、増倍領域１０６に接合するｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４とを備え、吸収領域１０８は、増倍領域１０６を包含する導波路の上面に積層されており、増倍領域１０８、及び吸収領域１０６は、真性半導体で形成されており、吸収領域１０８とｐ−Ｓｉ領域１０７とは、上面と同一面内で接合している。【選択図】図１
2019140153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているＳＡＭ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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体受光素子であって、
第２導電型のコンタクト領域は、第１電極に接触しており、
前記第１導電型領域は、前記第２導電型のコンタクト領域よりもキャリア濃度が低く、第１導電型のコンタクト領域を介して第１電極に接触している
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、
前記アバランシェフォトダイオードは、前記吸収領域と前記増倍領域との間にチャージ領域が介挿されているＳＡＣＭ構造を成しており、
前記導波路は、前記チャージ領域と前記増倍領域とが互いに隣接して形成されており、
前記チャージ領域は、前記第１導電型領域の極性を有している
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体受光素子であって、
前記チャージ領域のキャリア濃度は、前記第１導電型領域のキャリア濃度よりも低い
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型領域は、ｐ型領域であり、
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６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項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であって、
前記信号光を吸収する吸収領域を含むＰＩＮフォトダイオードとして形成されており、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
前記吸収領域に接合する第２導電型領域とを備え、
前記吸収領域は、前記第２導電型領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、
前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項８】
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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域は、前記第１導電型領域の極性を有しており、
前記導波路は、前記チャージ領域と前記増倍領域とが互いに隣接して形成されており、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項９】
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増倍領域とが分離しているＳＡＭ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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されており、
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。
【請求項１０】
光導波路を介して、信号光を受光する導波路がＳＯＩ基板に形成されている導波路型の半導体受光素子の製造方法であって、
前記半導体受光素子は、前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているＳＡＭ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、
前記光導波路と前記増倍領域とを、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層に形成するＳｉ層形成過程と、
ｐ−Ｓｉ領域、及びｎ−Ｓｉコンタクト領域を形成する工程と、
前記増倍領域、及び前記ｐ−Ｓｉ領域の上にＧｅの吸収領域を、真性半導体で成長する吸収領域成長過程とを備える
ことを特徴とす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、光電融合モジュール、半導体受光素子の製造方法に関し、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、非特許文献１は、リブ型導波路に導波路型のＰＩＮ構造のフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤとも称する）を集積する技術を開示している。この集積技術は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハのトップＳｉ層を半導体プロセスにより成形したＳｉコアを光導波路とし、テーパ導波路を介した端部に対して不純物添加することでｐ型、又はｎ型の導電型を持たせた構造を採用している。そして、ＰＩＮ−ＰＤは、Ｓｉコアの導電型を持たせた部分の領域と、その領域に、例えば、Ｇｅを積層し、積層されたＧｅ表面に不純物を添加することでＳｉコアと逆の導電型（Ｓｉがｐ型ならｎ型、Ｓｉがｎ型ならｐ型）をＧｅに持たせた領域と、ｐ型領域とｎ型領域の中間に設けたｉ型領域とを備えた構造を採用している。
【０００５】
非特許文献２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アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤとも称する。）を開示している。この非特許文献２に開示されたＡＰＤは、Ｓｉ導波路を集積し、吸収（Absorption）領域と、チャージ（Charge）領域と、増倍（Multiplication）領域とが分離（Separate）された集積ＳＡＣＭ構造を成している。
【０００６】
非特許文献３もＳＡＣＭ構造のＡＰＤを開示している。非特許文献３に開示されているＡＰＤは、Ｓｉスラブ導波路にイオン注入を施し、これをチャージ領域とすることで、Ｓｉスラブ導波路上には吸収領域だけ形成してＳｉスラブ導波路上の段差を小さくしている。
【０００７】
このように、Ｓｉ細線導波路にＳＡＣＭ構造のＡＰＤを集積する場合、ＳＯＩウエハのトップＳｉ層によるＳｉスラブ導波路上にＳＡＣＭ構造を構築する必要がある。受光素子集積のためにトップＳｉ層上にエピタキシャル成長させる回数は、非特許文献２では、増倍層と吸収層との２回である。一般に、Ｓｉ電子デバイスと光デバイスとを集積する量産工場では、低欠陥でエピタキシャル成長させる必要がある。このため、成長面となるトップＳｉ層表面の前処理や洗浄を慎重に行う必要があり、同時に、低成長レートにするため、エピタキシャル成長は非常に長い時間を要する。したがて、非特許文献２の場合、生産性に問題があった。
【０００８】
上記、エピタキシャル成長の回数が多く生産性が低いという課題を克服するために考案されたのが非特許文献３のＳＡＣＭ構造のＡＰＤである。非特許文献３のＡＰＤは、Ｓｉスラブ導波路にイオン注入を施してこれをチャージ領域としている。また、そのＡＰＤは、同じＳｉスラブ導波路にイオン注入を施して形成した電極とのコンタクト領域ｎ＋−Ｓｉとの間にｉ−Ｓｉ領域を設けることで、これを増倍領域としている。
【０００９】
このように、非特許文献３のＡＰＤは、エピタキシャル成長が1回だけなので、非特許文献２の生産性が低いという問題が克服されている。しかし、非特許文献３では、Ｓｉスラブ導波路上にもＧｅ吸収領域にもコンタクトホールを形成してコンタクト電極を設ける必要がある。つまり、非特許文献３のＡＰＤは、下地の材質が異なる２種類のコンタクトホールを形成しなければならならない。したがって、非特許文献３のＡＰＤの製造方法は、エッチング条件の異なるコンタクトホール形成工程が２回必要ということに繋がる。
【００１０】
特に、ＧｅとＳｉＯ２とは、選択比が低くドライエッチングのストップ層とはならない。また、Ｇｅは、水に溶けやすいので、ドライエッチングでＧｅ表面が傷つくと後工程の洗浄工程で溶け出してしまう危険性がある。このように、Ｇｅ表面へのコンタクトホール形成という非特許文献３の工程は、難易度が高く、プロセス条件管理が厳しく生産性が低い問題があった。
【００１１】
なお、特許文献１のＦｉｇ８ａは、一般にＳＡＭ構造と呼ばれる、吸収(Absorption)領域と、増倍(Multiplication)領域が分離(Separate)する構造を有したＡＰＤを開示している。つまり、特許文献２のＳＡＭ構造は、コンタクト領域ｐ−Ｓｉ領域とｉ−Ｓｉ領域とを形成したトップＳｉ層の上にＧｅ吸収層を積層し、ｐ−Ｓｉ領域とＧｅ吸収層とに接触面がある。しかしながら、Ｆｉｇ８ａのＳＡＭ構造は、ｎ−Ｓｉ領域とＧｅ吸収層に接触面が無く、ｉ−Ｓｉ領域を介在させて、このｉ−Ｓｉ領域を増倍領域としている。
【００１２】
また、特許文献１（Ｆｉｇ１，２）、及び特許文献２は、Ｇｅ吸収層がｐ−Ｓｉ領域にもｎ−Ｓｉ領域にも接触面を有し、ｐ−Ｓｉ領域がＰ、Ｇｅ吸収層がＩ、ｎ−Ｓｉ領域がＮとなるＰＩＮ構造を開示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Tao Yin，et.al,“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】Zhihong et.al,”Ge/Si Waveguide Avalanche Photodiodes”IEEE Group Four Photonics，2010，FA2，p.320,321
【非特許文献３】Shiyang et.al,”Waveguided Ge/Si Avalanche Photodiode With Separete Vertical SEG-Ge Absorption,Lateral Si Charge,and Multiplication Configuration”IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.30，No.9，2009，pp.934-936
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第７３９７１０１号明細書（Ｆｉｇ．８ａ）
【特許文献２】米国特許出願第２００７／０１０４４４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１のＦｉｇ８ａに記載のＡＰＤは、ｐ−Ｓｉ領域６１０の上にｐ型Ｇｅ層６１５が形成されており、ｉ−Ｓｉ領域６２５の上にｉ−Ｇｅ領域６２０が形成されている。このため、ｐ型電極の接触抵抗が小さくなるように、ｐ−Ｓｉ領域６１０へのイオン注入濃度を高くすると、ｐ−Ｓｉ領域６１０の上のｐ型Ｇｅ層６１５の成膜レートとｉ−Ｓｉ領域６２５上のｉ−Ｇｅ吸収領域６２０の成膜レートとの間に大きな差が生じる。つまり、ｐ−Ｓｉ領域６１０とｉ−Ｓｉ領域６２５との境界付近で、Ｇｅ吸収領域中に結晶転位が生じやすくなる。この結晶転位が暗電流の増加や光電変換効率の低下を招いてしまう。
【００１６】
また、ｐ型Ｇｅ層６１５は、ｉ−Ｇｅ領域６２０と異なり、不純物準位が存在するため、不純物準位を介した光吸収が生じることから、光電変換効率の低下を招くこととなる。
【００１７】
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、光電変換効率を高めることができる半導体受光素子、光電融合モジュール、半導体受光素子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】
【００１８】
前記目的を達成するために、第１発明の半導体受光素子は、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であって、前記信号光を吸収する吸収領域（１０８ａ）と増倍領域（１０６ａ，１０６ｂ）とが分離しているＳＡＭ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、前記吸収領域と接合する第１導電型領域（ｐ−Ｓｉ領域１０７）と、前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域（ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ）とを備え、前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されていることを特徴とする。
【００１９】
真性半導体で形成されている吸収領域は、第１導電型領域、及び増倍領域と接合している。真性半導体は、不純物準位が極めて少ないので不純物準位を介した光吸収も極めて少なく、光吸収の多くは価電子帯の電子を伝導帯へ励起することで発生する光電流に寄与する。このため、半導体受光素子は、光電変換効率を高めることができる。
【００２０】
また、第１発明の半導体受光素子は、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であって、前記信号光を吸収する吸収領域を含むＰＩＮフォトダイオードとして形成されており、前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、前記吸収領域に接合する第２導電型領域とを備え、前記吸収領域は、前記第２導電型領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、前記吸収領域は、真性半導体で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、光電変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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動作を説明するための断面図（１）である。
【図４】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断面図（２）である。
【図５】光軸に対して垂直であって、基板に平行な方向における距離と電界強度との関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図７Ａ】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７Ｂ】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７Ｃ】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７Ｄ】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７Ｅ】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７Ｆ】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７Ｇ】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７Ｈ】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７Ｉ】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１０】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断面図である。
【図１１】光軸に対して垂直であって、基板に平行な方向における距離と電界強度との関係を示す図である。
【図１２Ａ】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１２Ｂ】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１２Ｃ】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１２Ｄ】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１２Ｅ】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１２Ｆ】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（６）である。
【図１２Ｇ】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（７）である。
【図１２Ｈ】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（８）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】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の平面図である。
【図１５】本発明の第３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断面図である。
【図１６Ａ】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１６Ｂ】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１６Ｃ】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１６Ｄ】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１６Ｅ】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１６Ｆ】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（６）である。
【図１６Ｇ】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（７）である。
【図１６Ｈ】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（８）である。
【図１７】本発明の比較例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１８】本発明の第１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】
【００２３】
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。
【００２４】
（第１実施形態）
（構成の説明）
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、その平面図である。つまり、図１は、ｚ軸を光の進行方向にしたときの（図２参照）、ｘ−ｙ断面図である。また、図２は、ｘ−ｚ平面図であるが、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａ、及び上部クラッド１１１を除いた状態の平面図である。
【００２５】
半導体受光素子１００ａは、支持基板としてのＳｉ基板１０１と、該Ｓｉ基板１０１の表面に堆積された下部クラッド１０２と、該下部クラッド１０２の表面に形成されたＳｉスラブ導波路１０３、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５、ノンドープの増倍領域１０６ａ、及びｐ−Ｓｉ領域１０７と、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５、Ｓｉスラブ導波路１０３、及びｐ−Ｓｉ領域１０７の上に積層されたｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａと、ｐ−Ｓｉ領域１０７の内部のｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７と、これらを覆う上部クラッド１１１と、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ、及びｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７に接触する２箇所のＡｌ電極１１０ａとを備える。
【００２６】
図２において、Ｓｉスラブ導波路１０３と増倍領域１０６ａとＳｉ細線導波路１１５とテーパ導波路１１６とは、コアが同一のＳｉ層により一体形成されている。このため、Ｓｉ細線導波路１１５とテーパ導波路１１６との境界と、テーパ導波路１１６とＳｉスラブ導波路１０３との境界、Ｓｉスラブ導波路１０３と増倍領域１０６ａとの境界は、破線で示している。
【００２７】
Ｓｉスラブ導波路１０３は、平面視長方形状であり、光軸に対して平行に配列している増倍領域１０６ａ、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５等と併せて、光軸方向に光が導波される導波路を構成している。つまり、半導体受光素子１００ａは、導波路型のアバランシェフォトダイオードとして機能する。
【００２８】
テーパ導波路１１６は、Ｓｉスラブ導波路１０３に光学的に結合しており、信号光をＳｉスラブ導波路１０３まで導光する光導波路である。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａは、光軸を通っており、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５、ノンドープの増倍領域１０６ａ、Ａｌ電極１１０ａ等は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの両側に、光軸に対して平行に配列している。
【００２９】
図１の説明に戻り、Ｓｉ基板１０１は、例えば、厚さｔ１＝５２５μｍの支持基板である。下部クラッド１０２は、例えば、厚さｔ２＝３μｍのＳｉＯ２であり、Ｓｉ基板１０１の全面に堆積された絶縁層である。Ｓｉスラブ導波路１０３は、例えば、厚さｔ３＝３００ｎｍのＳｉである。Ｓｉスラブ導波路１０３は、光軸方向（ｚ方向）に形成されており、図１の断面図では、光軸中心に左右の２箇所、及び中心部に形成されている。
【００３０】
ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａは、Ｓｉスラブ導波路１０３と同一深さｔ３＝３００ｎｍの領域であり、例えば、キャリア濃度１×１０２０ｃｍ−３でＰ（リン）がイオン注入されている。ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５は、例えば、キャリア濃度１×１０１７ｃｍ−３でＢ（ホウ素）がイオン注入されている。つまり、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５は、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａよりもキャリア濃度が低く導電性が低い。
【００３１】
増倍領域１０６ａは、ノンドープＳｉ（ｉ−Ｓｉ）であり、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａとｐ−Ｓｉチャージ領域１０５との間に形成されている。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａは、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５、Ｓｉスラブ導波路１０３、及びｐ−Ｓｉ領域１０７の上に、例えば、厚さｔ７＝０．５μｍで形成されている。
【００３２】
ｐ−Ｓｉ領域１０７は、Ｓｉスラブ導波路１０３の厚さと同じ厚さｔ３＝３００ｎｍであり、キャリア濃度１×１０１９ｃｍ−３で形成されている。つまり、ｐ−Ｓｉ領域１０７のキャリア濃度１×１０１９ｃｍ−３は、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５のキャリア濃度１×１０１７ｃｍ−３よりも極めて大きい。ｐ−Ｓｉ領域１０７の内部には、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａと接触しないように、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７が形成されている。ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７は、厚さｔ８＝１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０２０ｃｍ−３で形成されている。
【００３３】
Ａｌ電極１１０ａは、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ、及びｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７の上に、例えば、厚さｔ４＝１μｍで形成されている。
【００３４】
上部クラッド１１１は、厚さｔ９＝１μｍのＳｉＯ２からなり、Ｓｉスラブ導波路１０３とｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとを覆い、２つのＡｌ電極１１０ａ，１１０ａが露出するよう形成されている。また、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５の上面は、上部クラッド１１１とｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとの双方で覆われている。つまり、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５の一部がｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａと接合している。
【００３５】
（動作の説明）
図３，４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断面図であり、特に、図３は、光軸に平行なｙ−ｚ断面図であり、図４は、光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
本実施形態の半導体受光素子１００ａは、ＳＡＣＭ構造を有する導波路型アバランシェフォトダイオードと同様の動作原理である。
【００３６】
先ず、図３に示す通り、Ｓｉ細線導波路１１５、テーパ導波路１１６及びＳｉスラブ導波路１０３を伝搬してきた信号光は、屈折率がＳｉ(波長１５５０ｎｍにおいて３．４７８)よりも高いｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａ(波長１５５０ｎｍにおいて４．３５)ヘエバネッセント結合するため、低損失にＳｉスラブ導波路１０３からｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａに移行し、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを伝搬する。
【００３７】
次に、図４に示す通り、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａは信号光を吸収し、キャリアである電子及び正孔を発生させる。このとき、同図に示す通り、直流電源Ｅが逆バイアス（ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ側が正、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７側が負）を印加すると、電子はｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの方向にドリフトし、正孔はｐ−Ｓｉ領域１０７の方向に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８内部の電界に従ってドリフトする。この結果、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生した電子は、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５、及び増倍領域１０６ａを介して、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａに流れる。なお、比誘電率εｓがＳｉ（εｓ＝１２．０）よりもＧｅ（εｓ＝１８．９）の方が大きいので、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａとｐ−Ｓｉ領域１０７との間の電界強度は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの方がＳｉスラブ導波路１０３よりも低い。
【００３８】
図５は、光軸に対して垂直であって、基板に平行な方向における距離と電界強度との関係を示す図である。なお、距離ｘの基準をｐ−Ｓｉ領域１０７の端部としている。
本実施形態の半導体受光素子１００ａは、ＳＡＣＭ構造を有し、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの内部電界が低く抑えられる。このため、半導体受光素子１００ａは、逆バイアス電圧を高くしても、主に電界はｉ−Ｓｉの増倍領域１０６ａに印加されるので、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａでは雪崩増倍が発生しにくく、絶縁破壊し難い特徴がある。
【００３９】
そして、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生した電子は、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１０６ａに到達する。ｉ−Ｓｉの増倍領域１０６ａに到達した電子は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０６ａ内部の高い電界によりドリフトが加速し、これにより雪崩増倍が発生して多数の電子が発生する。増倍領域１０６ａで増倍した電子は、そのままドリフトしてｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａまで到達し、Ａｌ電極１１０ａを介して発生電流として外部回路に出力される。一方、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生した正孔は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの内部電界によりドリフトして、ｐ−Ｓｉ領域１０７まで到達し、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７、及びＡｌ電極１１０ａを介して発生電流として外部回路に出力される。
【００４０】
なお、Ｓｉは、真性キャリア濃度がＧｅよりも低く、抵抗率が高い。このため、アバランシェフォトダイオードは、Ｓｉを増倍領域に用い、Ｇｅを吸収領域に用いた方が、より高い電界を印加でき、効率的である。また、半導体材料によって、各キャリアの増倍率に固有の値が存在する。例えば、Ｓｉは電子増倍率が正孔よりも１０倍程度大きいので、ｉ−Ｓｉ増倍領域が電子を増倍できるように、アバランシェフォトダイオードは、Ｇｅ側をｐ型にし、Ｓｉ側をｎ型にするのが効率的である。
【００４１】
（製造方法の説明）
図６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。
製造者又は製造装置は、まず、ＳＯＩ基板を準備し（Ｓ１）、Ｓｉスラブ導波路を形成し（Ｓ３）、ｎ−Ｓｉコンタクト領域を形成し（Ｓ５）、ｐ−Ｓｉチャージ領域を形成し（Ｓ７）、ｐ−Ｓｉコンタクト領域を形成する（Ｓ９）。次に、製造者又は製造装置は、形成されたＳＯＩ基板のトップＳｉ層に対して、ｉ−Ｇｅ吸収領域を選択成長する（Ｓ１１）。次に、製造者又は製造装置は、上部クラッド層を堆積し（Ｓ１３）、コンタクトホール形成後（Ｓ１５）、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ及びｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７にＡｌ電極を接合する（Ｓ１７）。
【００４２】
図７Ａ乃至図７Ｉは、第１実施形態の半導体受光素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。半導体受光素子１００ａは、通常の半導体製造プロセスで作成することができる。
まず、製造者又は製造装置は、Ｓｉ基板１０１の表面にＳｉＯ２による下部クラッド１０２とトップＳｉ層１１２とを積層したＳＯＩ基板１１３を準備する（図７Ａ、Ｓ１）。次に、ＳＯＩ基板１１３に対して、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングによって、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（図７Ｂ、Ｓ３）。
【００４３】
次に、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の一部分に、例えばＰ（リン）をイオン注入して、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａを形成する（図７Ｃ、Ｓ５）。
【００４４】
次に、製造者又は製造装置は、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の一部分に形成したｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの間で、増倍領域１０６ａが形成されるように間隔を開けて、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入し、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５を形成する（図７Ｄ、Ｓ７）。
【００４５】
次に、製造者又は製造装置は、Ｓｉスラブ導波路１０３のｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの反対側に、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入し、ｐ−Ｓｉ領域１０７、及び厚さｔ８＝１００ｎｍのｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７を形成する（図７Ｅ、Ｓ９）。
【００４６】
次に、製造者又は製造装置は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを選択成長させる（図７Ｆ、Ｓ１１）。
次に、製造者又は製造装置は、化学気相成長法により、例えば、ＳｉＯ２膜を厚さｔ９＝１μｍに堆積させて上部クラッド１１１とする（図７Ｇ、Ｓ１３）。次に、製造者又は製造装置は、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングにより、上部クラッド１１１をパターニングして、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ及びｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７上にコンタクトホール１１４を形成する（図７Ｈ、Ｓ１５）。
【００４７】
最後に、製造者又は製造装置は、コンタクトホール１１４を覆うようにＡｌ膜をスパッタにて形成し、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を行い、厚さｔ４＝１μｍのＡｌ電極１１０ａ，１１０ａとすることで、本実施形態の半導体受光素子１００ａが製造される（図７Ｉ、Ｓ１７）。
【００４８】
（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（ＳＡＣＭ構造を有する導波路型のアバランシェフォトダイオード）は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａと、Ｓｉスラブ導波路１０３及びｐ−Ｓｉ領域１０７とが接合している。また、ｐ−Ｓｉ領域１０７のイオン注入濃度は、キャリア濃度１×１０１９ｃｍ−３で形成されている。ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７は、キャリア濃度１×１０２０ｃｍ−３で形成されている。つまり、ｐ−Ｓｉ領域１０７のイオン注入濃度は、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７よりも低く設定されており、真性半導体（Ｓｉスラブ導波路１０３）に近い。
【００４９】
このため、ｐ−Ｓｉ領域１０７上のｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの成膜レートとＳｉスラブ導波路１０３上のｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの成膜レートとの差を少なくすることができる。結果的に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａは、ｐ−Ｓｉ領域１０７とＳｉスラブ導波路１０３との境界付近において、吸収領域の結晶転位が生じにくい。このため、低暗電流で高光電変換効率のＳＡＣＭ構造を得ることができる。
【００５０】
また、半導体受光素子１００ａは、下記のＳＡＣＭ構造としての作用効果を有する。
１．ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生したキャリアがｐ−Ｓｉチャージ領域１０５をドリフトして通過するので、通過に時間を要することなく、動作速度が速い。つまり、キャリア（電子）は、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５に流れるので、実効的な電流経路が短い。
２．ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５での電圧降下が小さいので、増倍に必要な印加電圧を低く抑えられる。
３．キャリア（電子）がｐ−Ｓｉチャージ領域１０５をドリフトする間の再結合確率が小さいため、所望の受光感度を得やすい。
【００５１】
（第２実施形態）
第１実施形態の半導体受光素子１００ａは、ＳＡＣＭ構造のＡＰＤとしたが、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５を省略して、ＳＡＭ構造のＡＰＤとすることができる。
（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図である。つまり、図８は、信号光の方向をｚ方向としたときのｘ−ｙ断面図である。
【００５２】
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（図１）に比較して、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５が省略されている点で相違する。つまり、半導体受光素子１００ｂは、支持基板としてのＳｉ基板１０１と、該Ｓｉ基板１０１の表面に堆積された下部クラッド１０２と、該下部クラッド１０２の表面に形成されたＳｉスラブ導波路１０３、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ、ノンドープの増倍領域１０６ｂと、ｐ−Ｓｉ領域１０７と、Ｓｉスラブ導波路１０３、及びｐ−Ｓｉ領域１０７の上に積層されたｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａと、ｐ−Ｓｉ領域１０７の内側のｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７と、これらを覆う上部クラッド１１１と、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ、及びｐ−Ｓｉコンタクト領域に接触する２箇所のＡｌ電極１１０ａとを備える。
【００５３】
（動作の説明）
図１０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断面図であり、光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
本実施形態の半導体受光素子１００ｂは、ＳＡＭ構造を有する導波路型アバランシェフォトダイオードと同様の動作原理である。
【００５４】
前記第１実施形態の図３と同様に、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は、屈折率がＳｉよりも高いｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａヘエバネッセント結合する。このため、信号光は、低損失にＳｉスラブ導波路１０３からｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａに移行し、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを伝搬する。
【００５５】
次に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａは、信号光を吸収し、吸収された信号光がキャリアである電子、及び正孔を発生させる。このとき、直流電源Ｅが逆バイアス（ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ側が正、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７側が負）を印加すると、電子はｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの方向にドリフトし、正孔はｐ−Ｓｉ領域１０７の方向に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの内部電界に従ってドリフトする。また、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生した電子は、増倍領域１０６ｂを介して、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａに流れる。なお、誘電率εｓがＳｉ（εｓ＝１２．０）よりもＧｅ（εｓ＝１８．９）の方が大きいので、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａとｐ−Ｓｉ領域１０７との間の電界強度は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの方が増倍領域１０６ｂよりも低い。つまり、増倍領域１０６ｂを通過する電子は、加速する。
【００５６】
図１１は、光軸に対して垂直であって、基板に平行な方向における距離と電界強度との関係を示す図である。
ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｉ−Ｓｉ増倍領域１０６ｂとの抵抗率の差によって、電界強度は、ｉ−Ｓｉの増倍領域１０６ｂの方が大きい。このため、増倍領域１０６ｂに到達した電子は、増倍領域１０６ｂの高い内部電界によりドリフトが加速し、これにより雪崩増倍が発生して多数の電子が発生する。増倍領域１０６ｂで増倍した電子は、そのままドリフトしてｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａまで到達し、Ａｌ電極１１０ａを介して発生電流として外部回路に出力される。一方、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生した正孔は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの内部電界によりドリフトして、ｐ−Ｓｉ領域１０７まで到達し、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７、及びＡｌ電極１１０ａを通じて発生電流として外部回路に出力される。
【００５７】
（製造方法の説明）
図１２Ａ乃至図１２Ｈは、第２実施形態の半導体受光素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。半導体受光素子１００ｂは、通常の半導体製造プロセスで作成することができる。
まず、製造者又は製造装置は、Ｓｉ基板１０１と、その表面にＳｉＯ２による下部クラッド１０２と、トップＳｉ層１１２とを積層したＳＯＩ基板１１３を準備する（図１２Ａ）。次に、ＳＯＩ基板１１３に対して、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングによって、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（図１２Ｂ）。
【００５８】
次に、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中に部分的に、例えばＰ（リン）をイオン注入して、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａを形成する（図１２Ｃ）。
【００５９】
次に、製造者又は製造装置は、Ｓｉスラブ導波路１０３のｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの反対側に、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入し、ｐ−Ｓｉ領域１０７、及び厚さｔ８＝１００ｎｍのｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７を形成する（図１２Ｄ）。これにより、Ｓｉスラブ導波路１０３の部分にｉ−Ｓｉの増倍領域１０６ｂが形成される。
【００６０】
次に、製造者又は製造装置は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを選択成長させる（図１２Ｅ）。このとき、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの一端がｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと一定の間隔を開けるように、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを選択成長させる。以下は、前記第１実施形態の製造方法と同様である（図１２Ｆ〜図１２Ｈ）。
【００６１】
（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１００ｂ（ＳＡＭ構造を有する導波路型のアバランシェフォトダイオード）は、前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａと同様に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａに結晶転位が生じない。このため、低暗電流で高光電変換効率のＳＡＭ構造を得ることができる。
【００６２】
（第３実施形態）
第１実施形態の半導体受光素子１００ａは、ＳＡＣＭ構造のＡＰＤとし、第２実施形態の半導体受光素子１００ｂは、ＳＡＭ構造のＡＰＤとした。本実施形態では、ＰＩＮフォトダイオードとして構成する。
【００６３】
（構成の説明）
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り、図１４は、その平面図である。つまり、図１３は、ｚ軸を光の進行方向にしたときの（図１４参照）、ｘ−ｙ断面図である。また、図１４は、ｘ−ｚ平面図であるが、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａ、及び上部クラッド１１１を除いた状態の平面図である。
【００６４】
半導体受光素子１００ｃは、前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａ（図１）に比較して、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５、及び増倍領域１０６ａが省略されている。また、半導体受光素子１００ｃは、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ（図１）の代わりに、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１１９及びｎ−Ｓｉ領域１１８が形成されている点で相違する。
【００６５】
つまり、半導体受光素子１００ｃは、支持基板としてのＳｉ基板１０１と、該Ｓｉ基板１０１の表面に堆積された下部クラッド１０２と、該下部クラッド１０２の表面に形成されたＳｉスラブ導波路１０３、ｎ−Ｓｉ領域１１８、ｐ−Ｓｉ領域１０７と、ｎ−Ｓｉ領域１１８、Ｓｉスラブ導波路１０３、及びｐ−Ｓｉ領域１０７の上に積層されたｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａと、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１１９と、これらを覆う上部クラッド１１１と、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１１９、及びｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７に接触する２箇所のＡｌ電極１１０ａとを備える。
【００６６】
言い換えれば、半導体受光素子１００ｃは、ｐ−Ｓｉ領域１０７及びｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａと、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１１９及びｎ−Ｓｉ領域１１８とでＰＩＮ構造が形成されている。
【００６７】
（動作の説明）
図１５は、本発明の第３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断面図であり、光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。なお、光軸に平行なｙ−ｚ断面図については、図３と同様なので、説明を省略する。
【００６８】
本実施形態の半導体受光素子１００ｃの動作原理は、一般的な導波路型ＰＩＮフォトダイオードと同様である。
【００６９】
前記第１実施形態の図３と同様に、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は、屈折率がＳｉよりも高いｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａヘエバネッセント結合する。このため、信号光は、低損失にＳｉスラブ導波路１０３からｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａに移行し、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを伝搬する。
【００７０】
次に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａは、信号光を吸収し、吸収された信号光がキャリアとしての電子、及び正孔を発生させる。このとき、同図に示す通り、直流電源Ｅが逆バイアスを印加すると、電子はｎ−Ｓｉ領域１１８の方向にドリフトし、正孔はｐ−Ｓｉ領域１０７の方向に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの内部電界に従ってドリフトする。
【００７１】
また、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生した電子は、そのままドリフトして、ｎ−Ｓｉ領域１１８を介して、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１１９に到達する。そして、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１１９に到達した電子は、Ａｌ電極１１０ａを介して、発生電流として外部回路に出力される。一方、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａで発生した正孔は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの内部電界によりドリフトして、ｐ−Ｓｉ領域１０７を介して、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７に到達する。ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７に到達した正孔は、Ａｌ電極１１０ａを介して、発生電流として外部回路に出力する。
【００７２】
（製造方法の説明）
図１６Ａ乃至図１６Ｈは、第３実施形態の半導体受光素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。半導体受光素子１００ｃは、通常の半導体製造プロセスで作成することができる。
まず、製造者又は製造装置は、Ｓｉ基板１０１と、その表面にＳｉＯ２による下部クラッド１０２と、トップＳｉ層１１２とを積層したＳＯＩ基板１１３を準備する（図１６Ａ）。次に、ＳＯＩ基板１１３に対して、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングによって、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（図１６Ｂ）。
【００７３】
次に、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中に部分的に、例えばＰ（リン）をイオン注入して、ｎ−Ｓｉ領域１１８、及びｎ−Ｓｉコンタクト領域１１９を形成する（図１６Ｃ）。
【００７４】
次に、製造者又は製造装置は、Ｓｉスラブ導波路１０３のｎ−Ｓｉ領域１１８の反対側に、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入し、ｐ−Ｓｉ領域１０７、及び厚さｔ８＝１００ｎｍのｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７を形成する（図１６Ｄ）。
【００７５】
次に、製造者又は製造装置は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを選択成長させる（図１６Ｅ）。このとき、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの一端と他端とがそれぞれｐ−Ｓｉ領域１０７とｎ−Ｓｉ領域１１８とに接合するように、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａを選択成長させる。以下は、前記第１実施形態の製造方法と同様である（図１６Ｆ〜図１６Ｈ）。
【００７６】
（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１００ｃ（導波路型のＰＩＮ−フォトダイオード）は、前記第１，２実施形態の半導体受光素子１００ａ，１００ｂと同様に、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａに結晶転位が生じない。このため、低暗電流で高光電変換効率のＰＩＮ−フォトダイオードを得ることができる。
【００７７】
（ＰＩＮ−ＰＤとＡＰＤとの比較）
ここで、ＰＩＮ−ＰＤとＡＰＤ（例えば、ＳＡＣＭ構造のＡＰＤ）とを比較する。
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
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。
【００７８】
（比較例）
図１７は、本発明の比較例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１００ｄは、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１の表面に堆積された下部クラッド１０２と、下部クラッド１０２の表面に形成されたＳｉスラブ導波路１０３、ｎ−Ｓｉ領域１０４ｂ、ノンドープの増倍領域１０６ｄと、ｐ−Ｓｉ領域１０７と、Ｓｉスラブ導波路１０３、及びｐ−Ｓｉ領域１０７の上に積層されたｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ｂと、ｐ型Ｇｅ層１２１と、ｐ−Ｓｉ領域１０７の内部に積層されたｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７と、これらを覆う上部クラッド１１１と、ｎ−Ｓｉ領域１０４ｂ、及びｐ−Ｓｉコンタクト領域に接触する２箇所のＡｌ電極１１０ａとを備える。
【００７９】
ここで、半導体受光素子１００ｄは、第２実施形態の半導体受光素子１００ｂ（図８）に比較して、増倍領域１０６ｄ、及びｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ｂの形状が増倍領域１０６ｂ、及びｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの形状と異なる点と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ｂとｐ−Ｓｉ領域１０７との間にｐ型Ｇｅ層１２１が介挿されている点である。
【００８０】
具体的には、増倍領域１０６ｄは、中央部がｎ−Ｓｉ領域１０４ｂやｐ−Ｓｉ領域１０７の高さよりも高く形成された凸状を成している。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ｂは、増倍領域１０６ｄの凸状部に対応する部分が削られた形状を成している。
【００８１】
半導体受光素子１００ｄは、ｐ型Ｇｅ層１２１とｐ−Ｓｉ領域１０７とが接合している。ｐ型Ｇｅ層１２１は、ｉ−Ｇｅ領域６２０と異なり、不純物準位が存在するため、不純物準位を介した光吸収が生じ、これが光電流の発生を阻害することになる。このため、半導体受光素子１００ｄは、光電変換効率の低下を招くこととなる。
【００８２】
これに対して、第２実施形態の半導体受光素子１００ｂ（図８）は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｐ−Ｓｉ領域１０７とが接合している。このため、ｉ−Ｇｅ領域６２０は、不純物準位が存在せず、不純物準位を介した光吸収が生じない。つまり、半導体受光素子１００ｂは、半導体受光素子１００ｄよりも、光電変換効率が高い。また、ｐ−Ｓｉ領域１０７のイオン注入濃度を真性半導体領域にまで下げれば、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｐ−Ｓｉ領域１０７との境界付近において、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａの結晶転位が生じ難くなる。
【００８３】
ｐ型Ｇｅ層１２１は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ｂとｐ−Ｓｉ領域１０７との間に介挿されている。同様に、ＳＡＣＭ構造である半導体受光素子１００ａ（図１）に対して、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｐ−Ｓｉ領域１０７との間にｐ型Ｇｅ層１２１を介挿し、さらに、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｐ−Ｓｉチャージ領域１０５との間に、他のｐ型Ｇｅ層を介挿することを考える。
【００８４】
この場合、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５の幅は、０．１〜０．２μｍと狭いため、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ型Ｇｅ層との位置合わせが難しい。このため、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５からのドーパントの外拡散によってｐ型Ｇｅ層を形成する方法を採用する。このときでも、ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５の不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３程度であり、ｐ−Ｓｉ領域１０７のキャリア濃度１×１０１９ｃｍ−３よりもきわめて低濃度である。
【００８５】
このため、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｐ−Ｓｉチャージ領域１０５との間に介挿した他のｐ型Ｇｅ層の不純物濃度は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｐ−Ｓｉ領域１０７との間に介挿したｐ型Ｇｅ層１２１の不純物濃度に比較して、非常に少なくなる。つまり、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａとｐ−Ｓｉチャージ領域１０５との間に介挿した他のｐ型Ｇｅ層のドーパントの外拡散量は、極めて少量となり、所望のｐ型Ｇｅ層の不純物濃度が得られにくい。言い換えれば、ＳＡＭ構造の半導体受光素子１００ｄから、ＳＡＣＭ構造の特徴構成であるｐ−Ｓｉチャージ領域１０５の上に、他のｐ型Ｇｅ層を積層することに想到することは困難である。
【００８６】
（光電融合モジュール）
図１８は、本発明の第１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２１１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と半導体発光素子としてのレーザダイオード２２２と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。
【００８７】
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２１１に導き、スポットサイズ変換器２１１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り、テーパ導波路１１６（図２）を含む。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の受信波長を１．５５ｎｍとした場合、半導体受光素子１００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。
【００８８】
スポットサイズ変換器２１１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２１１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と導波路との間は、グレーティング型を採用している。
【００８９】
トランスインピーダンスアンプ２２１は、半導体受光素子１００の両端電圧を仮想接地させつつ、半導体受光素子１００が発生する電流を電圧に変換するものである。
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。
【００９０】
（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）前記第１実施形態の半導体受光素子１００ａは、ｐ−Ｓｉコンタクト領域１１７／ｐ−Ｓｉ領域１０７／ｉ−Ｇｅ吸収領域１０８ａ／ｐ−Ｓｉチャージ領域１０５／ｉ−Ｓｉの増倍領域１０６ａ／ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの構成である。この構成は、Ｓｉは、真性キャリア濃度がＧｅよりも低く、抵抗率が高いので、Ｓｉを増倍領域に用い、Ｇｅを吸収領域に用いた方が、より高い電界を印加できるから採用している。また、Ｓｉの増倍率は、電子の方が正孔よりも１０倍程度高いことが知られており、増倍領域１０６ａが電子を増倍できるように、Ｇｅ側をｐ型にし、Ｓｉ側をｎ型にしているからである。言い換えれば、Ｓｉを吸収領域に用い、Ｇｅを増倍領域に用いることが可能である。また、ｐ型、ｎ型の導電型を入れ替えることも可能である。また、チャージ層をｎ型にすることも可能である。
【００９１】
（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、上クラッド材料に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。
【００９２】
（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層が存在す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層等のバッファ層を介在させても構わない。同様に、Ｇｅ層上にＳｉ層等の保護層を設けても構わない。
【００９３】
（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】
【００９４】
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ  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（真性半導体領域）
１０４ａ  ｎ−Ｓｉコンタクト領域
１０４ｂ  ｎ−Ｓｉ領域
１０５  ｐ−Ｓｉチャージ領域
１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｄ  増倍領域
１０７  ｐ−Ｓｉ領域
１０８ａ，１０８ｂ  ｉ−Ｇｅ吸収領域
１１０ａ，１１０ｂ  Ａｌ電極
１１１  上部クラッド
１１４  コンタクトホール
１１５  Ｓｉ細線導波路（光導波路）
１１６  テーパ導波路（光導波路）
１１７  ｐ−Ｓｉコンタクト領域
１１８  ｎ−Ｓｉ領域
１１９  ｎ−Ｓｉコンタクト領域
１２１  ｐ型Ｇｅ層
２００  光電融合モジュール
【図１】
2019140153.tif 000003
【図２】
2019140153.tif 000004
【図３】
2019140153.tif 000005
【図４】
2019140153.tif 000006
【図５】
2019140153.tif 000007
【図６】
2019140153.tif 000008
【図７Ａ】
2019140153.tif 000009
【図７Ｂ】
2019140153.tif 000010
【図７Ｃ】
2019140153.tif 000011
【図７Ｄ】
2019140153.tif 000012
【図７Ｅ】
2019140153.tif 000013
【図７Ｆ】
2019140153.tif 000014
【図７Ｇ】
2019140153.tif 000015
【図７Ｈ】
2019140153.tif 000016
【図７Ｉ】
2019140153.tif 000017
【図８】
2019140153.tif 000018
【図９】
2019140153.tif 000019
【図１０】
2019140153.tif 000020
【図１１】
2019140153.tif 000021
【図１２Ａ】
2019140153.tif 000022
【図１２Ｂ】
2019140153.tif 000023
【図１２Ｃ】
2019140153.tif 000024
【図１２Ｄ】
2019140153.tif 000025
【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
2019140153.tif 000027
【図１２Ｇ】
2019140153.tif 000028
【図１２Ｈ】
2019140153.tif 000029
【図１３】
2019140153.tif 000030
【図１４】
2019140153.tif 000031
【図１５】
2019140153.tif 000032
【図１６Ａ】
2019140153.tif 000033
【図１６Ｂ】
2019140153.tif 000034
【図１６Ｃ】
2019140153.tif 000035
【図１６Ｄ】
2019140153.tif 000036
【図１６Ｅ】
2019140153.tif 000037
【図１６Ｆ】
2019140153.tif 000038
【図１６Ｇ】
2019140153.tif 000039
【図１６Ｈ】
2019140153.tif 000040
【図１７】
2019140153.tif 000041
【図１８】
2019140153.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月22日(2019.3.22)
【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】
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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域は、前記第１導電型領域の極性を有しており、
前記導波路は、前記チャージ領域と前記増倍領域とが互いに隣接して形成されており、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
前記チャージ領域は、前記第１導電型領域の極性を有している
前記チャージ領域のキャリア濃度は、前記第１導電型領域のキャリア濃度よりも低い
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、
第２導電型のコンタクト領域は、第１電極に接触しており、
前記第１導電型領域は、前記第２導電型のコンタクト領域よりもキャリア濃度が低く、第１導電型のコンタクト領域を介して第２電極に接触している
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
第１電極に接触し、前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域は、前記第１導電型領域の極性を有しており、
前記導波路は、前記チャージ領域と前記増倍領域とが互いに隣接して形成されており、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されており、
前記第１導電型領域は、第１導電型のコンタクト領域を介して第２電極に接触しており、
前記第１電極、及び前記第２導電型のコンタクト領域の接触面と、前記第２電極、及び前記第１導電型のコンタクト領域の接触面と、前記吸収領域、及び前記第１導電型領域の接触面とは同一面である
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４】
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であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているＳＡＭ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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面にのみ接合されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
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、
前記半導体受光素子は、前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているＳＡＭ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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面にのみ接合されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されており、
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。
【請求項６】
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、
前記半導体受光素子は、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、
前記吸収領域と接合する第１導電型領域と、
第１電極に接触し、前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域は、前記第１導電型領域の極性を有しており、
前記導波路は、前記チャージ領域と前記増倍領域とが互いに隣接して形成されており、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されており、
前記第１導電型領域は、第１導電型のコンタクト領域を介して第２電極に接触しており、
前記第１電極、及び前記第２導電型のコンタクト領域の接触面と、前記第２電極、及び前記第１導電型のコンタクト領域の接触面と、前記吸収領域、及び前記第１導電型領域の接触面とは同一面である
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。
【請求項７】
光導波路を介して、信号光を受光する導波路がＳＯＩ基板に形成されている導波路型の半導体受光素子の製造方法であって、
前記半導体受光素子は、前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているＳＡＭ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、
前記光導波路と前記増倍領域とを、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層に形成するＳｉ層形成過程と、
ｐ−Ｓｉ領域、及びｎ−Ｓｉコンタクト領域を形成する工程と、
前記増倍領域、及び前記ｐ−Ｓｉ領域の上にのみＧｅの吸収領域を、真性半導体で成長する吸収領域成長過程とを備える
ことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
前記目的を達成するために、第１発明の半導体受光素子は、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であって、前記信号光を吸収する吸収領域（１０８ａ）と増倍領域（１０６ａ，１０６ｂ）とが分離しているＳＡＭ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、前記吸収領域と接合する第１導電型領域（ｐ−Ｓｉ領域１０７）と、前記増倍領域に接合する第２導電型のコンタクト領域（ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ）とを備え、前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第１導電型領域の上面に接合されており、前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されていることを特徴とする。