(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、光の結合効率を向上させることが可能な半導体受光デバイスを提供することにある。【解決手段】本発明の半導体受光デバイスは、基板と、活性層を含む半導体層と、前記基板と前記半導体層の間にあり、第１の回折格子を含む第１の構造体層と、前記半導体層の前記第１の構造体層がある側とは反対側にあり、第２の回折格子を含む第２の構造体層と、前記半導体層に電流を印加するための一対の電極と、を備え、前記第１の回折格子は第１の格子点を有し、前記第２の回折格子は第２の格子点を有し、前記第１の格子点と前記第２の格子点は重なっており、前記第１の格子点を通る前記第１の回折格子の第１の格子軸に対する、前記第２の格子点を通る前記第２の回折格子の第１の格子軸の角度θは０度より大きく３０度より小さい半導体受光デバイス。【選択図】図１
2019054145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
活性層を含む半導体層と、
前記基板と前記半導体層の間にあり、第１の回折格子を含む第１の構造体層と、
前記半導体層の前記第１の構造体層がある側とは反対側にあり、第２の回折格子を含む第２の構造体層と、
前記半導体層に電流を印加するための一対の電極と、
を備え、
前記第１の回折格子は第１の格子点を有し、前記第２の回折格子は第２の格子点を有し、
前記第１の格子点と前記第２の格子点は重なっており、前記第１の格子点を通る前記第１の回折格子の第１の格子軸に対する、前記第２の格子点を通る前記第２の回折格子の第１の格子軸の角度θは０度より大きく３０度より小さい半導体受光デバイス。
【請求項２】
前記角度θは５度以上２５度以下である請求項１に記載の半導体受光デバイス。
【請求項３】
前記角度θは１０度以上２０度以下である請求項１または請求項２に記載の半導体受光デバイス。
【請求項４】
前記第１および前記第２の回折格子は正三角格子である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体受光デバイス。
【請求項５】
前記第２の構造体層の前記半導体層がある側とは反対側にある反射層をさらに備える請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体受光デバイス。
【請求項６】
前記第１および前記第２の構造体層はフォトニック結晶を含む請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体受光デバイス。
【請求項７】
前記半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含む請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導体受光デバイス。
【請求項８】
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のそれぞれは、母材領域と誘電体材料領域とを具備し、前記複数の格子点は前記誘電体材料領域に位置する、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の半導体受光デバイス。
【請求項９】
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子において、前記母材領域の屈折率は前記誘電体材料領域の屈折率よりも高い請求項８に記載の半導体受光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体受光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板間における大容量データの伝送の需要が高まり、ケーブル等による電気的な配線に代わって、光ファイバによる光配線（光リンク）が実用化されている。
【０００３】
光リンクを構成する半導体受光デバイスは、入射した光を光電変換して光を検知する半導体デバイスである。半導体受光デバイスは、半導体層の光吸収層の端面で光を受光する端面受光デバイスと、半導体層の光吸収層の面で光を受光する面受光デバイスとに分類される。
【０００４】
端面受光デバイスは、光吸収層の端面から光が入射し、光が光吸収層の面に沿って拡散するため、光吸収層での光吸収効率が高く、高い光電変換性能を有する。しかしながら、端面受光デバイスは受光部である端面において高い精度で光結合を実現することが難しい。他方、面受光デバイスは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体から作られる基板と、基板上に光吸収層を有し、光が基板側から入射されるため、光結合が容易になる。今後、面受光デバイスの光の結合効率のさらなる向上が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３‐２３４４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、光の結合効率を向上させることが可能な半導体受光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体受光デバイスは、基板と、活性層を含む半導体層と、前記基板と前記半導体層の間にあり、第１の回折格子を含む第１の構造体層と、前記半導体層の前記第１の構造体層がある側とは反対側にあり、第２の回折格子を含む第２の構造体層と、前記半導体層に電流を印加するための一対の電極と、を備え、前記第１の回折格子は第１の格子点を有し、前記第２の回折格子は第２の格子点を有し、前記第１の格子点と前記第２の格子点は重なっており、前記第１の格子点を通る前記第１の回折格子の第１の格子軸に対する、前記第２の格子点を通る前記第２の回折格子の第１の格子軸の角度θは０度より大きく３０度より小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の半導体受光デバイスの模式断面図。
【図２】実施形態の半導体受光デバイスの回折格子を示す図。
【図３】実施形態の半導体受光デバイスの光の結合効率を示す図。
【図４】実施形態の半導体受光デバイスの光の強度を示す図。
【図５】実施形態の半導体受光デバイスの製造工程を示す図。
【図６】実施形態の半導体受光デバイスの製造工程を示す図。
【図７】実施形態の半導体受光デバイスの製造工程を示す図。
【図８】実施形態の半導体受光デバイスの製造工程を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
【００１０】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【００１１】
図１に半導体受光デバイス１０の模式断面図を示す。
【００１２】
半導体受光デバイス１０は、半導体層３０を挟んで、各々回折格子を含む、第１の構造体層３１と第２の構造体層３２を備える。
【００１３】
半導体層３０は、第１のコンタクト層３４、第１のクラッド層１６、第１の光閉じ込め層１７、活性層１８、第２の光閉じ込め層１９、第２のクラッド層２０、第２のコンタクト層３５を含む。
【００１４】
第１の構造体層３１は、回折格子であり誘電体材料領域１３と母材領域１４とを含む。誘電体材料領域１３が回折格子の格子点に相当する。
【００１５】
第２の構造体層３２は、回折格子であり誘電体材料領域２６と母材領域２５とを含む。誘電体材料領域２６が回折格子の格子点に相当する。
【００１６】
第１の構造体層３１側から半導体層３０に入射した光は、第１の構造体層３１の第１の回折格子と第２の構造体層３２の第２の回折格子で回折され、積層方向と交差する方向に進み、半導体層３０の活性層１８にて吸収され光電変換される。
【００１７】
このとき、第１の構造体層３１の第１の回折格子は、第１の格子点を有し、第２の構造体層３２の第２の回折格子は第２の格子点を有し、第１の格子点と第２の格子点は重なっている。第１の格子点を通る第１の回折格子の第１の格子軸と、第２の格子点を通る第２の回折格子の第１の格子軸がなす角度θが０度より大きく３０度より小さい。これにより、半導体層３０に入射した光のうち積層方向と交差する方向に進む光が多くなる、つまり光の結合効率は向上する。光の結合効率が向上すると、積層方向とは垂直な方向で活性層１８を通過する光が多くなり、光が活性層１８に吸収されやすくなるため、光の吸収効率も向上する。
【００１８】
以下、本半導体受光デバイス１０についてさらに説明する。
【００１９】
基板１１は、例えば、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、サファイアである。基板１１の厚さは、例えば、４００μｍ以上６００μｍ以下である。
【００２０】
入射光が基板１１を透過するためには、基板１１を形成する半導体材料として、バンドギャップエネルギーが活性層１８を形成する半導体材料のバンドギャップエネルギーよりも大きい半導体材料を用いることが望ましい。例えば、活性層１８をＩＩＩ−Ｖ族半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体で形成した場合、基板１１をシリコンで形成することができる 。
【００２１】
誘電体層１２は、基板１１上に設けられる。
【００２２】
誘電体層１２は、例えば、シリコン酸化膜である。誘電体材料領域１３の厚さは、例えば、１５０μｍ以上２００μｍ以下である。
【００２３】
第１の構造体層３１は、誘電体層１２上に設けられる。
【００２４】
第１の構造体層３１は、第１の回折格子を含む。第１の回折格子は、例えば、正三角格子である。第１の構造体層３１は、第１の回折格子であるフォトニック結晶の薄膜である。第１の構造体層３１のフォトニック結晶は、例えば、周期的に二次元配置された、屈折率が相対的に高い母材領域１４と、屈折率が相対的に低い誘電体材料領域１３により構成されている。すなわち、第１の構造体層３１は、高屈折率の材料からなる高屈折率層を母材領域１４とし、その母材領域１４に、母材領域１４よりも屈折率の低い誘電体材料領域１３が一定の間隔をもって埋め込まれている。
【００２５】
母材領域１４の母材は、例えば、アモルファスシリコン、ＳｉＯ２、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮである。誘電体材料領域１３の誘電体材料は、例えば、シリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物である。例えば、母材領域１４の母材がアモルファスシリコンである場合、複数の空孔が母材領域１４のアモルファスシリコンの面内方向に一定の間隔をもって設けられ、誘電体材料領域１３が、母材領域１４内の空孔に埋め込まれている。なお、誘電体材料領域１３が空気であっても良い。
【００２６】
第１の構造体層３１の厚さは、例えば、０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。
【００２７】
第１の低屈折率層１５は、第１の構造体層３１の上に設けられている。第１の低屈折率層１５は、第１の構造体層３１の母材領域１４よりも低屈折率の材料を用いる。第１の低屈折率層１５は、誘電体材料である。誘電体材料としては、例えば、シリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物である。第１の低屈折率層１５の厚さは、例えば、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００２８】
さらに、半導体層３０は、第１の低屈折率層１５の上に設けられている。
【００２９】
半導体層３０は、第１導電型の第１のコンタクト層３４、第１導電型の第１のクラッド層１６、第１導電型の第１の光閉じ込め層１７、活性層１８、第２導電型の第２の光閉じ込め層１９、第２導電型の第２のクラッド層２０、および第２導電型の第２のコンタクト層３５をこの順で積層されたものを含む。
【００３０】
第１導電型の第１のコンタクト層３４は、例えば、ＧａＡｓである。第１導電型の第１のクラッド層１６は、例えば、ＡｌＧａＡｓである。第１導電型の第１の光閉じ込め層１７は、例えば、ＧａＡｓである。活性層１８は、例えばＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓである。第２導電型の第２の光閉じ込め層１９は、例えば、ＧａＡｓである。第２導電型の第２のクラッド層２０は、例えばＡｌＧａＡｓである。第２導電型の第２のコンタクト層３５は、例えば、ＧａＡｓである。
【００３１】
ここで、第１導電型と第２導電型は、互いに反対の導電型をいい、一方がｐ型であれば、他方はｎ型であり、逆に一方がｎ型であれば、他方はｐ型である。本実施形態では、第１導電型をｐ型、第２の導電型をｎ型として説明する。
【００３２】
また、半導体受光デバイス１０を上面から見た場合、半導体層３０は例えば円形である。すなわち、半導体層３０の第１のコンタクト層３４、第１のクラッド層１６、第１の光閉じ込め層１７、活性層１８、第２の光閉じ込め層１９、第２のクラッド層２０、第２のコンタクト層３５のそれぞれは、例えば、円形である。このとき第１のクラッド層１６、第１の光閉じ込め層１７、活性層１８、第２の光閉じ込め層１９、第２のクラッド層２０、第２のコンタクト層３５のそれぞれは同じ直径を有することが望ましく、第１のコンタクト層３４は、他の層よりも大きな直径を有することが望ましい。
【００３３】
半導体層３０のうち、第１のコンタクト層３４と第２のコンタクト層３５の厚さは、例えば、０．２μｍ以上１．５μｍ以下である。第１のクラッド層１６と第２のクラッド層２０の厚さは、例えば、０．２μｍ以上１．５μｍ以下である。第１の光閉じ込め層１７と第２の光閉じ込め層１９の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上０．２μｍ以下である。活性層１８の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上０．２μｍ以下である。
【００３４】
第２の低屈折率層３３は、半導体層３０上に設けられている。第２の低屈折率層３３は、後述する第２の構造体層３２の母材領域２５よりも低屈折率である。第２の低屈折率層３３は、誘電体材料である。誘電体材料としては、例えば、シリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物である。第２の低屈折率層１５の厚さは、例えば、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００３５】
第２の構造体層３２は、第２の回折格子を含む。第２の構造体層３２は、第２の回折格子であるフォトニック結晶の薄膜である。
【００３６】
第２の構造体層３２のフォトニック結晶は、例えば、周期的に二次元配置された、屈折率が相対的に高い母材領域２５と屈折率が相対的に低い誘電体材料領域２６により構成されている。すなわち、第２の構造体層３２は、高屈折率の材料からなる高屈折率層を母材領域２５とし、その母材領域２５に、母材領域２５よりも屈折率の低い誘電体材料領域２６が一定の間隔をもって埋め込まれている。母材領域２５の母材は、例えば、アモルファスシリコン、ＳｉＯ２、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮである。誘電体材料領域２６の誘電体材料は、例えば、シリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物である。例えば、母材領域２５の母材がアモルファスシリコンである場合、複数の空孔が母材領域２５のアモルファスシリコンの面内方向に一定の間隔をもって設けられ、誘電体材料領域２６が、母材領域２５内の空孔を埋め込んでいる。なお、誘電体材料領域２６の代わりに空気を用いることもできる。
【００３７】
第２の構造体層３２の厚さは、例えば、０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。
【００３８】
電極２２は半導体層３０の第１のクラッド層１６上に設けられている。電極２２は、上面から見た場合、リング状であり、半導体層３０の外周に設けられている。電極２２は、例えば、ｐ側電極である。電極２２は、半導体層３０に電流を印加する。電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの材料を複数積層したものである。
【００３９】
電極２２の側面は、絶縁層２１に覆われている。絶縁層２１は、例えば、ＳｉＯ２などのシリコン酸化膜である。
【００４０】
反射層２９は、第２の構造体層３２の上に設けられる。反射層２９は、半導体層３０内の光のうち、第２の構造体層３２を透過した光を反射する。反射層２９は、光を半導体層３０に向かって反射する。
【００４１】
反射層２９は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属を含む。反射層２９の材料は、光源から出射される光に応じて選択することができる。例えば、光が可視光である場合、反射層２９を銀で形成することが望ましい。光が近赤外光である場合、反射層２９を金、アルミニウムまたは銅で形成することが望ましい。反射層２９を第２の構造体層３２の上に設けることで、より多くの光を半導体層３０に向かって反射させることができるため、活性層１８内での光電変換効率を向上させることができる。反射層２９の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下である。なお、反射層２９は必ずしも必要ではない。
【００４２】
さらに、電極２７が第２の低屈折率層３３を介して、半導体層３０上に設けられる。電極２７は、上面から見た場合、円形であり、第２の構造体層３２の外周に設けられえている。
【００４３】
電極２７は、例えば、ｎ側電極である。電極２７は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの材料を複数積層したものである。
【００４４】
ここで、第１の構造体層３１と第２の構造体層３２について述べる。
【００４５】
図２（ａ）に第１の構造体層３１の上面図、図２（ｂ）に第１の構造体層３１と第２の構造体層３１が重なっている模式図、図２（ｃ）に図２（ａ）の一部分の拡大図、および図２（ｄ）に角度θについて示す。
【００４６】
図２（ａ）のように、第１の構造体３１は、フォトニック結晶の薄膜である。第１の構造体３１のフォトニック結晶は、例えば、周期的に二次元配置された、屈折率が相対的に高い母材領域１４と、屈折率が相対的に低い誘電体材料領域１３により構成されている。すなわち、第１の構造体３１は、高屈折率の材料からなる高屈折率層を母材領域１４とし、その母材領域１４に、母材領域１４よりも屈折率の低い誘電体材料領域１３が一定の間隔をもって埋め込まれている。誘電体材料領域１３は、例えば、円形であるが、他の形であっても良い。誘電体材料領域１３の形が円形であっても他の形であっても、光の結合効率が大きく変わることはない。そのため、作製のしやすさの観点から、誘電体材料領域１３は円形としている。
【００４７】
第１の構造体層３１は、高屈折率である母材領域１４と低屈折率である誘電体材料領域１３を有することで、第１の回折格子をなす。第１の回折格子は、誘電体領域１３を格子点とする正三角格子である。第１の回折格子が正三角格子である場合、光の結合効率は光が進む方向に依存しなくなる、つまり等方的になる。よって、第１の回折格子は正三角格子が望ましい。
図２（ａ）は第１の構造体層３１について示したが、第２の構造体３２も第１の構造体層３１と同様の構造である。第２の構造体３２も高屈折率である母材領域２５と低屈折率である誘電体材料領域２６を有することで、第２の回折格子をなす。第２の回折格子は、誘電体材料領域２６を格子点とする正三角格子である
【００４８】
図２（ｂ）にも示すように、第１の構造体層３１の複数の誘電体材料領域１３の各々の中心（重心）はそれぞれ正三角格子を形成する格子点であり、複数の誘電体材料領域１３の領域のうちの１つの中心（重心）を第１の格子点４０とする。また、第２の構造体層３２の複数の誘電体材料領域２６の各々の中心（重心）もそれぞれ正三角格子を形成する格子点であり、複数の誘電体材料領域２６の領域のうちの１つの中心（重心）は第２の格子点４１を有する。第１の格子点４０と第２の格子点４１は第１の構造体３１と第２の構造体３２の積層方向と垂直な方向において重なっている場合を考える。図２（ｂ）は、第１の構造体３１に含まれる全ての誘電体材料領域１３と第２の構造体３２に含まれる全ての誘電体材料領域２６がちょうど重なっている場合を示す。
【００４９】
ここで、図２（ｃ）は図２（ａ）の一部分の拡大図である。図２（ｃ）にて、第１の構造体３１の第１の回折格子について説明する。
【００５０】
第１の回折格子の格子点すなわち誘電体領域１３の中心（重心）は正三角格子のパターンを有する。第１の回折格子の、それぞれ最も近い隣接する格子点を通る線を考える。この格子点を通る線を格子軸という。第１の回折格子は、第１の格子軸４３、第２の格子軸４４、第３の格子軸４５の３方向の格子軸を有する。
【００５１】
また、第２の回折格子の格子点、すなわち誘電体領域２６の中心（重心）も同様に正三角格子のパターンを有する。第２の回折格子の、それぞれ隣接する格子点を通る線を考えたとき、第２の回折格子も、第１の格子軸、第２の格子軸、第３の格子軸の３方向の格子軸を有する。
【００５２】
図２（ｄ）のように、半導体受光デバイス１０の上面から見た、第１の構造体３１の第１の回折格子と第２の構造体３２の第２の回折格子の位置関係についてみると、第１の構造体３１の第１の回折格子と第２の構造体３２の第２の回折格子は、第１の格子点４０と第２の格子点４１で重なっているとする。
【００５３】
ここで、第１の格子点４０を通る３方向の格子軸をそれぞれ第１の格子軸４３、第２の格子軸４４、第３の格子軸４５とする。第２の格子点４１を通る３方向の格子軸をそれぞれ第１の格子軸４３’、第２の格子軸４４’、第３の格子軸４５’とする。
【００５４】
第１の格子点４０を通る第１、２、３の格子軸４３、４４、４５は点線で示し、第２の格子点４１を通る第１、２、３の格子軸４３’、４４’、４５’は長二点鎖線で示す。
【００５５】
第１の構造体３１の第１の回折格子において、第１の格子軸４３は、第１の格子点４０と、第１の格子点４０に最近接した第３の格子点５１を通る。また、第２の構造体３２の第２の回折格子において、第１の格子軸４３’は、第２の格子点４１と、第２の格子点４１に最近接した第４の格子点５２を通る。図２（ｂ）のように、全ての格子点が重なっている場合では、第３の格子点５１と第４の格子点５２は重なっている。したがって、この場合、第１の格子軸４３と第１の格子軸４３’も重なっている。
【００５６】
第１の格子点４０を通る第１の回折格子の第１の格子軸４３に対する、第２の格子点４１を通る第２の回折格子の第１の格子軸４３’の角度θが０度より大きく３０度より小さくなるようにして、第１の構造体３１と第２の構造体３２は配置される。第１の格子軸４３と第１の格子軸４３’がなす角度θが０度より大きく３０度より小さくなる場合に、半導体層３０の活性層１８での光の結合効率が向上する。
【００５７】
ここで、半導体受光デバイス１０の動作について述べる。
【００５８】
図１に矢印で光の進む方向を示す。半導体層３０中の活性層１８に電極２７および電極２２から電圧を印加して逆バイアスをかけた状態で、半導体層３０に基板１１側から光を入射させると、入射光は第１の構造体層３１で回折して活性層１８に向かい、活性層１８内を積層方向とは垂直、または交差する方向に拡散する。この過程で、活性層１８を透過し、第２の構造体層３２側に向かう光は、第２の構造体層３２で回折して活性層１８に戻され、再び、活性層１８内を積層方向とは垂直、または交差する方向に拡散する。第２の構造体層３２を透過した光は、反射層２９より、第２の構造体層３２側に反射される。光は第２の構造体層３２で回折して活性層１８に戻され、再び、活性層１８内を積層方向とは垂直、または交差する方向に拡散する。
【００５９】
第１、第２の構造体層３１、３２において、第１の格子点４０を通る第１の回折格子の第１の格子軸４３に対する、第２の格子点４１を通る第２の回折格子の第１の格子軸４３’の角度θが０度より大きく３０度より小さくなるようにすることで、光が基板１１側から活性層１８に入射しても、入射光は活性層１８内を積層方向とは垂直、または交差する方向に拡散する。したがって、活性層１８での光の結合効率が向上する。光の結合効率が向上すると、積層方向とは垂直な方向で活性層１８を通過する光が多くなり、光が活性層１８に吸収されやすくなるため、光の吸収効率も向上する。よって、電極２２および電極２７から、より大きな電流を取出すことができる。
【００６０】
従って、より高感度の光検出が可能な半導体受光デバイス１０を提供できる。
【００６１】
図３に時間領域差分法ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ）によるシミュレーションで算出した、半導体層３０に含まれる活性層１８での光の結合効率と角度θの関係を示す。
【００６２】
図３は横軸に角度θ（ｄｅｇ．）、縦軸に結合効率（任意の単位）を示す。基板１１側から活性層１８に入射した光のうち、活性層１８内を積双方向とは垂直、または交差する方向に拡散した光の割合を算出している。
【００６３】
図３から、角度θが０度から１５度までは活性層１８での光の結合効率は向上していき、角度θが１５度付近で最も光の結合効率は高い。角度θが０度と３０度の場合、光の結合効率は約５２％である。角度θが１５度の場合、光の結合効率は約７０％である。
【００６４】
ここで、角度θと光の進行方向について説明する。
【００６５】
角度θが０度の場合、半導体層３０に基板１１側から入射した光は、第１の回折格子の３方向の格子軸上に並ぶ格子点からなる回折格子で回折される。
【００６６】
このとき回折された光は、最近接の格子点間を結ぶ３つの格子軸に平行して、３方向に回折されて伝搬して広がっていく。角度θが０度では、第１の回折格子と第２の回折格子の格子軸が互いに平行であるため、いずれの回折格子も同じ方向に光を伝搬させるように光を回折させる。そのため、基板１１側から入射した光は、光が入射した位置から３つの格子軸に沿って外側に広がっていく。これと同時に、光は反射によって光が入射した位置に戻って来るため、光が入射した位置に、積層方向と交差する方向で伝搬光が集中して、それが再び積層方向の伝搬光に変換される。そのため、反射光や透過光が、最初に光が入射した位置で強く生じることになる。
【００６７】
このため、第１の回折格子の格子点で回折された光は、半導体層３０の積層方向と交差する方向に進むよりも、半導体層３０の積層方向に進むことが多くなる。そのため、半導体層３０の積層方向に進行する光が多くなり、積層方向と交差する方向に伝搬する光への結合効率は低下する。したがって、活性層１８に吸収される光も少なくなり、光の吸収効率も向上しない。
【００６８】
一方、角度θが０度より大きく３０度より小さい場合、第１の回折格子と第２の回折格子の格子軸の方向が少しずれているため、光が２つの回折格子の間を往復する間に、最初に光が入射した位置の周りを回転するような光の波数成分が増大する。これにより、光が入射した位置の一か所に光が集中するのを抑制するとともに、回折によって再び積層方向に交差する方向の光の伝搬成分が、積層方向の光の伝搬成分に変換されて、光が反射したり透過してしまうことを抑制する。
【００６９】
そのため、半導体層３０の積層方向と交差する方向に進む光が多くなり、光の結合効率は向上する。また、半導体層３０の積層方向に進む光は少なくなるため、格子点で反射する光や、半導体層３０を透過する光は少なくなる。したがって、活性層１８に吸収される光も多いため、光の吸収効率が向上する。
【００７０】
これにより、光の結合効率が最大となる１５度を中心として、角度θが０度より大きく３０度より小さい場合に、光の結合効率は向上する。特に、角度θが１５度の場合に、第２の回折格子の格子点で積層方向と交差する方向に回折される光が最も多くなるため、図３のように光の結合効率が最大となる。
【００７１】
半導体受光デバイス１０の光の結合効率として、高い光の結合効率となる角度θが５度以上角度２５度以下の場合が望ましい。さらに、半導体受光デバイス１０の光の結合効率として、より高い光の結合効率となる角度θが１０度以上角度２０度以下の場合がより望ましい。
【００７２】
なお、角度θが０度の場合は、第１の構造体３１に含まれる全ての母材領域１４と第２の構造体３２に含まれる全ての母材領域２５がちょうど重なっている状態である。
【００７３】
図４（ａ）（ｂ）に時間領域差分法ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ）によるシミュレーションで算出した、活性層１８での光の強度を示す。
【００７４】
図４（ａ）（ｂ）は横軸に光速×時間（μｍ）、縦軸に光の強度（任意の単位）を示す。横軸の光速×時間（μｍ）は、活性層１８に入射した光がある時間に、活性層１８内を進んだ距離を示している。
【００７５】
なお、図４（ａ）（ｂ）は、反射層２９を備えていない半導体受光デバイス１０の場合のシミュレーション結果である。
【００７６】
図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると、図４（ｂ）の角度θが１５度の場合の方が、活性層１８の積層方向に反射または透過する光の強度は減少し、活性層１８の積層方向とは垂直な方向に拡散する光の強度は増加することがわかる。一方、図４（ａ）の角度θが０度の場合、活性層１８の積層方向とは垂直な方向に拡散する光の強度は減少することがわかる。
【００７７】
以下、図５〜図８を参照して半導体受光デバイス１０の製造方法の一例を示す。
【００７８】
まず、図５（ａ）のように、シリコン基板等の基板１１上に、誘電体層１２、母材領域１４、および第１の低屈折率層１５を順次積層形成する。
【００７９】
次に、図５（ｂ）のように、フォトリソグラフィ技術により、第１の低屈折率層１５が一部開口するようにパターニングし、このパターニングした第１の低屈折率層１５をマスクとして、母材領域１４をウエットまたはドライエッチングして、母材領域１４内に一定周期で離間する開口部３６を形成する。
【００８０】
しかる後、図５（ｃ）のように、マスクとしての第１の低屈折率層１５を除去することなく、母材領域１４の開口部３６内を含み第１の低屈折率層１５全面上に、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）により誘電体材料領域１３を形成し、開口部３６を誘電体材料領域１３で埋め込む。その後、第１の低屈折率層１５上の誘電体材料を除去し、第１の低屈折率層１５の表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化して、第１の構造体３１を作製する。この図５（ｃ）に示されるような基板１１に第１の構造体３１を備える半導体構造を第１の半導体構造とする。
【００８１】
他方、図６（ｄ）のように、基板１１とは別のもう一つの基板５０、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に、第２のコンタクト層３５、第２のクラッド層２０、第２の光閉じ込め層１９、活性層１８、第１の光閉じ込め層１７、第１のクラッド層１６、第１のコンタクト層３４をエピタキシャル成長（有機金属化学気相成長法：ＭＯＣＶＤまたは分子線エピタキシャル成長法：ＭＢＥ）によりこの順序で積層して、半導体層３０を形成する。半導体層３０は、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成される。第１導電型の第１のコンタクト層３４は、例えば、ＧａＡｓである。第１導電型の第１のクラッド層１６は、例えば、ＡｌＧａＡｓである。第１導電型の第１の光閉じ込め層１７は、例えば、ＧａＡｓである。活性層１８は、例えばＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓである。第２導電型の第２の光閉じ込め層１９は、例えば、ＧａＡｓである。第２導電型の第２のクラッド層２０は、例えばＡｌＧａＡｓである。第２導電型の第２のコンタクト層３５は、例えば、ＧａＡｓである。
【００８２】
活性層１８を含む半導体層３０が得られ、図６（ｄ）のような、基板５０上に半導体層３０を備える構造を第２の半導体構造ということとする。
【００８３】
次に、図６（ｅ）のように、第２の半導体構造を反転させ、第１の半導体構造における第１の低屈折率層１５を含む表面と、第２の半導体構造における第１のコンタクト層３４が対面するように貼りあわせ、第１の半導体構造と第２の半導体構造とを接合する。これで得られた構造を、第３の半導体構造とする。
【００８４】
次に、図６（ｆ）のように、第３の半導体構造から、ＣＭＰまたはウエットエッチングにより、基板５０を除去する。これにより半導体層３０の表面、つまり第２のコンタクト層３５が露出する。
【００８５】
次に、図７（ｇ）のように、露出した第２のコンタクト層３５上に、第２の低屈折率層３３、母材領域２５を順に形成する。
【００８６】
続いて、図７（ｈ）のように、母材領域２５上に、フォトリソグラフィ技術により、図示しないレジスト層をパターニングし、このパターニングしたレジスト層をマスクとして、母材領域２５をウエットまたはドライエッチングして、母材領域２５内に一定周期で離間する開口部３７を形成する。
【００８７】
しかる後、図７（ｉ）のように、レジスト層を除去することなく、母材領域２５の開口部３７内を含みレジスト層全面上に誘電体材料を堆積し、開口部３７を誘電体材料領域２６で埋め込む。その後、レジスト層及びレジスト層上に形成された誘電体材料を除去する。こうして、半導体層３０上に第２の構造体３２が作製される。
【００８８】
次に、図８（ｊ）のように、半導体層３０の第２のコンタクト層３５、第２のクラッド層２０、第２の光閉じ込め層１９、活性層１８、第１の光閉じ込め層１７、第１のクラッド層１６の一部である外周部をエッチングにより除去し、第１のコンタクト層３４を露出する。さらに、第２の低屈折率層３３上の第２の構造体層３２の一部である外周部をエッチングにより除去し、第２の低屈折率層３３の一部を露出させる。
【００８９】
図８（ｋ）のように、露出した第１のコンタクト層３４上に、ＣＶＤにより絶縁層２１、２３を作製する。作製した絶縁層２１、２３の一部を除去し、スパッタにより電極２２を作製する。また、露出した第２の低屈折率層３３上に、スパッタにより電極２７を作製する。さらに、第２の構造体３２上に、スパッタにより反射層２９を作製する。  本発明のいく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。この実施形態は、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。この実施形態やその変形は、説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】
【００９０】
１０  半導体受光デバイス
１１  基板
１２  誘電体層
１３  誘電体材料領域
１４  母材領域
１５  第１の低屈折率層
１６  第１のクラッド層
１７  第１の光閉じ込め層
１８  活性層
１９  第２の光閉じ込め層
２０  第２のクラッド層
２１  絶縁層
２２  電極
２３  絶縁層
２５  母材領域
２６  誘電体材料領域
２７  電極２９  反射層
３０  半導体層
３１  第１の構造体
３２  第２の構造体
３３  第２の低屈折率層
３４  第１のコンタクト層
３５  第２のコンタクト層
３６  開口部
３７  開口部
４０  第１の格子点
４１  第２の格子点
４３  第１の格子軸
４３’  第１の格子軸
４４  第２の格子軸
４４’  第２の格子軸
４５  第３の格子軸
４５’  第３の格子軸
５０  基板
５１  第３の格子点
５２  第４の格子点
【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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