(57)【要約】【課題】薄い光吸収層で高い受光効率を実現する半導体受光素子の提供。【解決手段】光入射部に垂直入射する光を２方向以上の非垂直光に分離変換する周期構造と、光吸収層を含む半導体多層膜と、光閉じ込め層を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射部に設けられ、該光入射部に垂直方向から入射する光を２方向以上の非垂直光に分離変換する第一の周期構造と、
該第一の周期構造上に接して設けられ、光吸収層を含む半導体多層膜と、
該半導体多層膜上に設けられ、前記半導体多層膜より屈折率の低い光閉じ込め層を
少なくとも有してなることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記半導体多層膜の前記第一の周期構造に接する面と反対の面に、前記非垂直光を水平方向に方向変換する第二の周期構造を更に有してなることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記光吸収層をｐ型半導体層およびｎ型半導体層により挟持してｐｎ接合部に配置し、前記ｐ型半導体層およびｎ型半導体層にそれぞれ電極を設けてなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記光吸収層を低濃度ｎ型半導体層または低濃度ｐ型半導体層により挟持し、該低濃度ｎ型半導体層または低濃度ｐ型半導体層に接する２系統以上の非オーミック電極を設けてなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記第二の周期構造の高屈折率部と低屈折率部の水平方向伝搬光に対する等価屈折率の差が１未満であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記第一の周期構造の高屈折率材料と低屈折率材料の屈折率差が１以上であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記第一の周期構造が、前記光入射部の光入射面方向に格子状に形成された２次元周期構造からなることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記２次元周期構造が、三角格子、正方格子、六角格子の何れかからなることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記第二の周期構造が、前記第一の周期構造の２次元周期構造に整合可能な２次元周期構造からなることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
前記第二の周期構造の外側に、受光波長に対するブラッグ反射鏡（第三の周期構造）を更に有することを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１１】
前記第一の周期構造の高屈折率材料が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンの何れかであることを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１２】
シリコン基板上に形成してなることを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１３】
シリコン基板上に第一の低屈折率透明膜を形成し、該第一の低屈折率透明膜上に第一のシリコン膜を形成する工程と、
該第一のシリコン膜をパターンニングして第一周期構造を形成する工程と、
該第一周期構造上に第二の低屈折率透明膜を形成し、該第二の低屈折率透明膜表面を平坦化または少なくとも凸部高さを揃える工程と、
該第二の低屈折率透明膜上に光吸収層を含む半導体多層膜を形成する工程と、
該半導体多層膜の表面をパターンニングして第二周期構造を形成する工程と、
該第二周期構造上に第三の低屈折率透明膜を形成する工程と、
を、少なくとも含んでなることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記半導体多層膜表面をパターンニングする工程は、
前記半導体多層膜上に第四の低屈折率透明膜を形成し、該第四の低屈折率透明膜上に第二のシリコン膜を形成する工程と、
該第二のシリコン膜をパターンニングして第二周期構造マスクを形成する工程と、
該第二周期構造マスクを用いて前記第四の低屈折率透明膜および前記半導体多層膜の途中までをパターンニングする工程と、
少なくとも前記第二のシリコン膜を除去する工程と、
を、少なくとも含んでなることを特徴とする請求項１３記載の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】
本発明の実施形態は、半導体受光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信、光センシングなどの分野において半導体受光素子が用いられ、半導体受光素子材料として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどが、適宜、受光波長に応じて用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６０１９５２２号公報
【特許文献２】米国特許第８０５９６９０号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】IEEE Journal of Quantum Electronics Vol.38, p.949 (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態は、受光効率の低下を抑制可能な半導体受光素子およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、光入射部に設けられ、該光入射部に垂直方向から入射する光を２方向以上の非垂直光に分離変換する第一の周期構造と、該第一の周期構造上に接して設けられ、光吸収層を含む半導体多層膜と、該半導体多層膜上に設けられ、前記半導体多層膜より屈折率の低い光閉じ込め層を少なくとも有してなる半導体受光素子が提供される。  
また、実施形態によれば、前記半導体多層膜の前記第一の周期構造に接する面と反対の面に、前記非垂直光を水平方向に方向変換する第二の周期構造を更に有してなる半導体受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図２】第１の実施形態に係る半導体受光素子内の光伝搬シミュレーション結果。
【図３】第２の実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図４】第３の実施形態に係る半導体受光素子の概略説明図。
【図５】第４の実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図６】第５の実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図７】第６の実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図８】第６の実施形態に係る半導体受光素子と半導体レーザの集積例の概略断面図。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｃ）は、第７の実施形態に係る半導体受光素子と半導体レーザの集積例の製造工程を示す概略断面図。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第７の実施形態に係る半導体受光素子と半導体レーザの集積例の製造工程を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、適宜図面を参照しながら実施形態の説明を行っていく。説明の便宜のため、各図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、相対的な位置関係などで示す場合がある。また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。
【０００９】
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態を示す半導体受光素子の概略断面図である。ここでは、図１の上方から光入射する面入力型の半導体受光素子の例を示している。
【００１０】
半導体受光素子は、光ファイバ通信、光センシングなどで用いられており、受光効率を高めるため光吸収層の厚さ設計が重要となる。例えば、比較的短距離の光ファイバ通信で用いられる波長１．３μｍ帯の場合、ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系面入射型半導体受光素子のＧａＩｎＡｓ層（受光層）厚みが１μｍで６３％、２μｍで８７％、３μｍで９５％の光電変換量子効率が得られる。一方、半導体受光素子の低コスト化や高速化、あるいは集積光デバイス化するためには、光吸収層の薄膜化が必要になる場合がある。しかしながら、上述のように面入射型半導体受光素子の光電変換効率は受光層厚（光吸収長）に依存するため、光吸収層の薄膜化は受光効率の低下を伴ってしまう。これを解決するため、光吸収層の側面から光入射する端面入射型として光吸収長を確保する手法があるが、光入力部の構成が複雑化するだけでなく、光入力部の光軸合わせを精密に行う必要性があることや、マルチモード光ファイバによる光入力の場合など、受光部面積を大きくすることが難しいために光結合が低下して結果的に光電変換効率が低下する。
【００１１】
そこで実施形態においては、半導体受光素子の表面から光入射を行うとともに、半導体受光素子内部で入射光を水平方向に変換して薄膜光吸収層でも大きな光吸収長が得られる構成としている。具体的には回折格子による角度変換を利用するが、非特許文献１に開示されているような２次回折格子による９０°変換は非常にシンプルな構成で垂直入射光を水平伝搬光に変換可能であるが、その角度変換効率の向上や光吸収面積の確保が困難になる。
【００１２】
一般に、強結合の２次回折格子の場合、比較的高い９０°変換効率が得られるものの、９０°変換された水平伝搬光が２次回折格子に結合して再び９０°変換され、光入射方向およびその反対方向に放射されて損失し、結果として水平伝搬光が減少する。逆に、弱結合の２次回折格子では、水平伝搬光に変換された光が再び２次回折格子に結合して光入射方向およびその反対方向に放射損失する割合が少ないが、２次回折格子で水平伝搬光に変換する角度変換効率自体が低いため全体として効率が上がらないという事情がある。即ち、一般的な２次回折格子による９０°光路変換では、角度変換効率と水平伝搬損失のトレードオフがあった。
【００１３】
また、非特許文献１に開示されているように、単一モード光（光ビーム径が波長の２倍程度以内）であれば、比較的短い強結合２次回折格子で高効率に水平伝搬光に変換可能であるが、マルチモード光（例えば光束径が波長の２０倍）の場合、２次回折格子中を水平伝搬する距離が長くなるため、前述した角度変換効率と再結合放射損失のトレードオフで高効率な水平伝搬光変換が難しくなる。即ち、大きな光吸収断面積（受光面積）の確保が難しく、マルチモード光や拡大ビーム光に対する受光効率を高めることが難しい。
【００１４】
このように、２次回折格子による９０°光路変換は、特許文献１、特許文献２のように半導体レーザに適用することは容易であったが、半導体受光素子へ適用することは困難を伴うという事情があった。
【００１５】
このように、面入射型半導体受光素子において、低コスト化、集積デバイス化のため半導体受光層を薄膜化すると、受光効率が低下するという事情がある。
【００１６】
図１は、実施形態を示す概略断面図であり、１は基板（例えば、シリコンなど半導体単結晶基板やセラミック基板など）、２は低屈折率透明材料からなる光閉じ込め層（例えば、酸化シリコンや窒化シリコン、酸化アルミニウムなど）、３は半導体層（例えば、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣなど）、４は光吸収層（例えば、ＳｉＧｅ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮなど）、５は半導体層（例えば、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣなど）、６は低屈折率透明材料（例えば、酸化シリコンや窒化シリコン、酸化アルミニウムなど）、７は高屈折率透明材料（例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなど）、８は半導体層３の電極、９は半導体層５の電極であり、半導体層３と半導体層５は、例えばｎ型とｐ型、またはｐ型とｎ型のペアとしてｐｎ接合を構成し、光吸収層４で発生した光吸収キャリアを吸い出すための電界を印可可能にする。また、半導体層３と半導体層５は、例えば全て低濃度のｎ型またはｐ型に統一し、いずれかの半導体層表面に、２系統の櫛歯状のショットキー電極またはＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）電極を櫛歯が噛み合わさる如く対向させて形成し、半導体層表面から電界印可する事でも良い。
【００１７】
高屈折率透明材料７と半導体層５の間の低屈折率透明材料６は、受光波長より十分薄く、例えば受光波長の１／５以下に設定することで、低屈折率透明材料６と半導体層５の界面での反射を抑制できる。また、高屈折率透明材料７と半導体層５の間の低屈折率透明材料６の厚さを比較的厚く設定する必要がある場合、低屈折率透明材料６と半導体層５の界面に反射防止膜を設けても良い。例えば、両材料の屈折率の積の平方根に近い屈折率を持つ材料のλ／４膜（λは媒質内波長）を設け、前述した１．３μｍ波長の受光の場合、例えば、屈折率２のＳｉＮを０．１６μｍ設ければ良い。
【００１８】
それぞれの高屈折率透明材料、半導体層および光吸収層は、受光波長により材料の組み合わせを決定すればよい。例えば、波長１．３μｍの光を受光する場合、１をＳｉ、２をＳｉＯ２（例えば、厚さ０．５μｍ）、３をＩｎＰ（例えば、厚さ０．３μｍ）、４をＧａＩｎＡｓ（例えば、厚さ０．５μｍ）、５をＩｎＰ（例えば、厚さ０．５μｍ）、６をＳｉＯ２、７をＳｉ（例えば、厚さ０．４μｍ）とする。６のＳｉＯ２は、例えば、５のＩｎＰと７のＳｉの間を厚さ０．１５μｍ、７のＳｉの上を厚さ０．４μｍとする。
【００１９】
７の高屈折率透明材料は、図に示すように周期的な配列を有するよう構成し、表面から垂直入射する光の０次回折光（直進光）を消滅するように設定する。その条件としては、高屈折率透明材料７中を通過する光と、高屈折率透明材料７間（低屈折率透明材料６）を通過する光がπの位相差（光路長差λ／２）を持つように厚さ設定する。即ち、高屈折率透明材料７の中を通過する光の感じる等価屈折率をｎ７ｅ、高屈折率透明材料７の間の低屈折率透明材料６を通過する光の感じる等価屈折率をｎ６ｅとすると、高屈折率透明材料７の厚さｔ７をｔ７＝λ０／（２（ｎ７ｅ−ｎ６ｅ））（λ０は真空波長）となるようにする。
【００２０】
このように設定することにより、図１の上方から垂直に入射する光は高屈折率透明材料７の周期構造を通過した瞬間、高屈折率透明材料７の中を通過した光と、高屈折率透明材料７の間を通過した光が打ち消し合い、高屈折率透明材料７による回折格子の０次光（直進光）が消滅する。その結果、高屈折率透明材料７による回折格子（以後、入射回折格子と記す）の高次回折光のみとなり、入射回折格子で±１次以上の回折光に分離、角度変換されるようになる。このとき、入射回折格子を通過した１次回折光の低屈折率透明材料６中の回折角θ6は、θ6＝ｓｉｎ−１（λ０／ｎ6Λ7）となり、半導体層５に入る際に屈折するため、半導体層５中の屈折角θ５は、θ５＝ｓｉｎ−１（（ｎ６／ｎ５）ｓｉｎθ６）＝ｓｉｎ−１（λ０／ｎ５Λ７）となる。ｎ６は低屈折率透明材料６の屈折率、Λ７は高屈折率透明材料７による回折格子周期、ｎ５は半導体層５の屈折率である。
【００２１】
従って、図１の実施形態においては表面から垂直に入射した光が入射回折格子で高次光（主に１次光）に変換され、斜め方向に伝搬することで入射回折格子にそのまま再結合して入射方向などに放射散逸されることは無く、半導体層５、光吸収層４、半導体層３の中を斜めに伝搬して低屈折率透明材料２に到達する。
【００２２】
図２は、これをシミュレーション解析した例を示している。図２において、光は上部から垂直入射しており、後述する実施形態を含めて示すため、光入射面をシリコン基板１としている。図２において、１１ａは６の低屈折率透明材料（例えばＳｉＯ２）界面での反射を防止する反射防止膜であり、例えば屈折率２のＳｉＮを０．１６μｍ設ける。図１実施形態の説明として、シリコン基板１、反射防止膜１１ａを全て低屈折率透明材料６に置き換えても結果は同じである。
【００２３】
図２においては、５をＩｎＰ、６をＳｉＯ２、７をＳｉ（厚さ０．４μｍ）とし、５のＩｎＰと７のＳｉの間を０．１５μｍ、７のＳｉと１１ａのＳｉＮの間を０．４μｍとしている。また、７のＳｉは、幅４２５ｎｍ、間隔４２５ｎｍ（Λ７＝８５０ｎｍ）としている。また、入射光波長は１．３μｍとして電界振幅をマップ化した。この構成でθ５を前述の式で計算すると約２８°となり、図２の結果とほぼ一致している。図２において、僅かに垂直透過する成分も見られるが、これは理想的な０次光消滅条件との僅かなずれがあるためであり、殆どの光が１次回折光に変換されていることが分かる。
【００２４】
尚、図２のシミュレーション結果は、入射回折格子への入射光がＴＥ波（Ｓ偏光）の場合を示しているが、ＴＭ波（Ｐ偏光）に対しても同様な効果を得るため入射回折格子は１次元格子ではなく、２次元格子であることが望ましい。即ち、特定方向に櫛歯を並べたような１次元格子ではなく、光入射面の縦横に櫛歯を交差させた正方格子のような２次元格子を用いることが望ましい。これにより、垂直入射する光がどのような偏波であっても縦格子および横格子でそれぞれ直交する偏波を分離して回折し、全ての偏波を上記の１次回折光に変換することができる。また、２次元回折格子として、直交型の正方格子だけでなく、例えば三角格子や六角格子を用いることでも構わない。
【００２５】
半導体層５、光吸収層４、半導体層３の中を斜めに伝搬して低屈折率透明材料２まで到達する入射光は、途中、光吸収層４を斜めに通過して光吸収を受ける。前述した光吸収層厚（０．５μｍ）のＧａＩｎＡｓに１．３μｍの光を垂直入射すると、約３９％の受光効率となるが、実施形態のように斜めに通過すると光吸収長が長くなり、図２の構成例の場合では４３％の受光効率となる。ここで吸収されなかった入射光は半導体層３と低屈折率透明材料２の界面に斜めに入射するが、半導体層３と低屈折率透明材料２の屈折率差により反射を受ける。前述のように、ここに斜めに到達する光はＳ偏光であり、入射角度が大きくなるほど反射率が大きくなる。特に、全反射角θｍ以上は全ての光が反射される。半導体層３の屈折率をｎ３、低屈折率透明材料２の屈折率をｎ２とすると、半導体層３側から低屈折率透明材料２側に進む光の全反射角θｍ３２は、θｍ３２＝ｓｉｎ−１（ｎ３／ｎ２）となり、半導体層３がＩｎＰ（屈折率３．２）、低屈折率透明材料２がＳｉＯ２（屈折率１．５）とするとθｍ３２は約２８°となる。
【００２６】
即ち、この実施形態の構成例ではθｍ３２が前述したθ５とほぼ一致しており、半導体層５、光吸収層４、半導体層３の中を斜めに伝搬して低屈折率透明材料２まで到達した入射光が半導体層３と低屈折率透明材料２の界面で全反射する。従って、実施形態では、入射光が再び光吸収層４を通過することになり、吸収長が垂直入射の２倍以上となる。更に、斜め通過の効果を合わせると、図２の構成例では２．２６倍の吸収長となる。その結果、受光効率は６８％以上となり、光吸収層厚を０．５μｍと薄くしても高い受光効率が得られることが分かる。
【００２７】
これにより、光吸収層厚を薄くして、半導体多層膜の材料費、加工費などのコストを低減可能であり、吸収光キャリアの走行時間も短縮可能であるため高速応答化することも可能となる。更に、他の半導体素子などとの集積化も容易となり、光集積デバイスなどの高機能半導体受光素子とすることも可能になる。
【００２８】
（第二の実施形態）
図３は、第二の実施形態を示す半導体受光素子の概略断面図である。ここでは、図３の上方から光入射する面入力型の半導体受光素子の例を示している。
【００２９】
図３において、１０は高屈折率透明材料（例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓなど）であり、半導体層３に接して形成されている。図３において、高屈折率透明材料１０以外は図１の第一の実施形態と同等の構成であるため、詳細な説明を省略する。
【００３０】
高屈折率透明材料１０は、図に示すように周期的配列を有するよう構成し、入射する光を水平方向に角度変換するように周期を設定する。７の入射回折格子によりθ５に角度変換された光が、高屈折率透明材料１０による回折格子（以後、水平回折格子と記す）により水平方向に回折される条件は、Λ１０＝λ０／（ｎ１０ｅ−ｎ３ｓｉｎθ３）となる。ここでｎ３は半導体層３の屈折率、ｎ１０ｅは水平方向伝搬する光が感じる等価屈折率、Λ１０は高屈折率透明材料１０による水平回折格子周期、θ３は半導体層３からの入射角であり、特に途中で角度変換されないためθ３＝θ５である。
【００３１】
図１の実施形態では、半導体層３と低屈折率透明材料２の界面全反射を利用して光吸収層厚さに対する吸収長を２倍以上に拡大したが、ここで光吸収されなかった残りの光が入射回折格子により散逸されるため、受光効率の向上に限度があった。これに対し図３に示す第二の実施形態では、低屈折率透明材料２に達した光が単純に反射するのではなく、高屈折率透明材料１０により水平方向に角度変換を受け、水平方向伝搬しながら光吸収層４に吸収されていく。このため、非常に大きな吸収長が得られ、第一の実施形態より高い受光効率が容易に得られる。
【００３２】
ここで、高屈折率透明材料７による入射回折格子は、薄い回折格子で回折するため、所謂ＨＣＧ（High-index-Contrast subwavelength Grating）を用いることが望ましく、高屈折率透明材料７を完全に低屈折率透明材料６の中に埋め込んでいる。この場合、上述した高屈折率透明材料（Ｓｉ）と低屈折率透明材料（ＳｉＯ２）の屈折率は、波長１．３μｍでそれぞれ３．５、１．５程度であり、屈折率差は最大で２と大きい。実際には構造的な等価屈折率で機能するため屈折率差は小さくなるが、それでも上記材料の組合せでは屈折率差１以上が容易に得られ、非常に大きなコントラストの回折格子となる。
【００３３】
一方、高屈折率透明材料１０による水平回折格子は、入射光を水平方向に回折するとともに回折格子領域を光伝搬させるため、ＨＣＧでは放射損失が大きく水平伝搬長が長くとれないという事情がある。そこで、ここでは屈折率の高い半導体層３（例えばＩｎＰ、屈折率３．２）と高屈折率透明材料１０（例えばＳｉ、屈折率３．５）を接触する構成とし、高屈折率領域と低屈折率領域の等価屈折率差を小さくするよう構成している。即ち、半導体層３と低屈折率透明材料２（例えばＳｉＯ２、屈折率１．５）の平均的な屈折率で低屈折率領域等価屈折率が決まるように構成しており、また、高屈折率透明材料１０の厚さ調整により、水平回折格子のコントラストを調整できるようにしている。このため、水平回折格子領域での水平方向光伝搬損失を調整でき、水平伝搬長が長くなるように設定して受光効率を高めることができる。
【００３４】
尚、高屈折率透明材料１０による水平回折格子のコントラストを低くすることで水平方向への回折効率の低下が懸念されるが、入射光がＳ偏光になっていることから、第一の実施形態で説明したように、半導体層３と低屈折率透明材料２の屈折率差および入射回折格子の偏向（角度変換）による界面反射が存在し、水平回折格子を通り抜ける光は少なく大きな効率低下にはならない。結果的に、水平回折格子による角度変換および半導体層３と低屈折率透明材料２の界面反射により、光吸収層４をコア、半導体層３および５を中間クラッド、低屈折率透明材料２および６を外側クラッドとする光導波路に入射光を光結合することになり、また光ビームも徐々に拡大して水平回折格子および入射回折格子による散逸条件から外れていくため、水平回折格子および入射回折格子による放射損失も抑制可能となる。
【００３５】
素子構成の例として、１をＳｉ基板、２をＳｉＯ２（例えば、厚さ０．５μｍ）、３をＩｎＰ（例えば、厚さ０．３μｍ）、４をＧａＩｎＡｓ（例えば、厚さ０．２μｍ）、５をＩｎＰ（例えば、厚さ０．５μｍ）、６をＳｉＯ２（例えば、厚さ０．９５μｍ、但し、５のＩｎＰと７のＳｉの間を厚さ０．１５μｍ、７のＳｉの上の厚さ０．４μｍ）、７をＳｉ（例えば、厚さ０．４μｍ、幅４２５ｎｍ、間隔４２５ｎｍ（Λ７＝８５０ｎｍ））、１０をＳｉ（例えば、厚さ０．１μｍ、幅７２５ｎｍ、間隔７２５ｎｍ（Λ１０＝１４５０ｎｍ）とし、受光波長１．３μｍとした場合の受光効率は、第一の実施形態より薄い光吸収層にもかかわらず８０％以上の受光効率が得られる。このことは、光吸収層４を垂直または斜めに通過する光路長で光吸収が支配されている第一の実施形態とは異なる光吸収経路であることを示している。
【００３６】
（第三の実施形態）
図４は、第三の実施形態を示す半導体受光素子の概略断面図である。ここでは、図４の上方から光入射する面入力型の半導体受光素子の例を示している。
【００３７】
図４において、１０ａは高屈折率透明材料（例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓなど）であり、半導体層３に接して形成されている。図４において、高屈折率透明材料１０ａ以外は、図３の第二の実施形態と同等の構成であるため、詳細な説明を省略する。
【００３８】
高屈折率透明材料１０ａは、図に示すように周期的配列を有するよう構成し、高屈折率透明材料１０により水平方向に角度変換された光が水平伝搬して高屈折率透明材料１０領域（水平回折格子領域）を超えて伝搬、即ち、水平方向に漏れる光を水平反射するよう周期を設定する。これには、所謂ブラッグ反射条件を満たすようにすれば良く、Λ１０ａ＝ｍλ０／２ｎ１０ｅとすれば良い。ここで、ｍ＝１、３、５…、ｎ１０ｅは水平方向伝搬する光が感じる等価屈折率、Λ１０ａは高屈折率透明材料１０ａによる回折格子の周期である。例えば、等価屈折率ｎ１０ｅが２．４の場合、Λ１０ａは、２７０ｎｍ、８１３ｎｍといった周期に設定すれば良い。
【００３９】
これにより、高屈折率透明材料１０による水平回折格子で水平方向に伝搬される光のうち、特に、水平回折格子の端部付近で水平伝搬光に変換された光が外側に漏れ出すのを抑制可能となり、受光効率の向上が可能である。また、受光面内の感度が均等化されるため、マルチモード光ファイバなどの多モード光を受光する場合のモーダルノイズ抑制にも効果を発揮する。
【００４０】
尚、以降の実施形態の説明では、説明の簡単化のためブラッグ反射鏡１０ａの記述を省略するが、これは適宜適用できることは説明するまでもないことである。
【００４１】
（第四の実施形態）
図５は、第四の実施形態を示す半導体受光素子の概略断面図である。ここでは、図５の下方から光入射する面入力型の半導体受光素子の例を示している。
【００４２】
図５において、１０ｂは半導体層３の表面を一部加工して形成した高屈折率透明材料であり、図に示すように周期的配列を有し、入射する光を水平方向に角度変換するように周期を設定する。また、１１は反射防止膜であり、基板１と空気の屈折率差による反射を抑制する。例えば、基板１をＳｉとすると、屈折率を１．９に調整したＳｉＮを０．１７μｍ設ければ良い。図５において、基板１、高屈折率透明材料１０ｂ、反射防止膜１１の他は図３の第二の実施形態を上下反転した構成となっており、詳細な説明を省略する。
【００４３】
７の入射回折格子によりθ５に角度変換された光が、高屈折率透明材料１０ｂによる回折格子（以後、水平回折格子と記す）により水平方向に回折される条件は、Λ１０ｂ＝λ０／（ｎ１０ｅ−ｎ３ｓｉｎθ３）となる。ここでｎ３は半導体層３の屈折率、ｎ１０ｅは水平方向伝搬する光が感じる等価屈折率、Λ１０ｂは高屈折率透明材料１０ｂによる水平回折格子周期、θ３は半導体層３からの入射角であり、途中で特に角度変換されないためθ３＝θ５である。
【００４４】
素子構成例として、１をＳｉ基板、６をＳｉＯ２（例えば、厚さ０．９５μｍ、但し、１のＳｉ基板と７のＳｉの間を厚さ０．４μｍ、７のＳｉと５のＩｎＰの間を厚さ０．１５μｍ）、７をＳｉ（例えば、厚さ０．４μｍ、幅４２５ｎｍ、間隔４２５ｎｍ（Λ７＝８５０ｎｍ））、５をＩｎＰ（例えば、厚さ０．８μｍ）、４をＧａＩｎＡｓ（例えば、厚さ０．２μｍ）、３をＩｎＰ（例えば、厚さ０．３μｍ）、１０ｂを３のＩｎＰの表面加工（例えば、深さ０．１μｍ、幅７２５ｎｍ、間隔７２５ｎｍ（Λ１０ｂ＝１４５０ｎｍ））、２をＳｉＯ２（例えば、厚さ０．５μｍ）とする。
【００４５】
図５において、７はＨＣＧであることが望ましく、ＳｉＯ２６のＳｉ基板１とＳｉ７の間隔を０．４μｍとしている。この場合、Ｓｉ基板１とＳｉＯ２６の界面で反射を生じるため、Ｓｉ基板１とＳｉＯ２６の間に反射防止膜（図示せず）を設けることが望ましい。反射防止膜としては、例えば、屈折率２のＳｉＮを０．１６μｍ設ける。この構成で受光波長１．３μｍとした場合の受光効率は、薄い光吸収層にもかかわらず８０％以上の受光効率が得られる。
【００４６】
図５の実施形態の場合、１０ｂは図３のように高屈折率透明材料１０を別途形成する必要が無く、半導体層３を表面から加工するだけで済む。このため、図３のように１０を形成する材料や工数が削減でき、また、半導体層３と高屈折率透明材料１０ｂが連続しているため、半導体層３と水平回折格子の光結合損失が少ないという効果も持っている。
【００４７】
また、図３の実施形態の場合、３の半導体層の厚さが水平回折格子と光吸収層の結合距離を決めており、３の半導体層をあまり厚くし過ぎると水平回折格子と光吸収層４の光結合が低下し、受光効率が低下する。このため、半導体層３を薄く形成することが必要であり、層抵抗が大きくなりやすく、また、電極８を形成するためのビア加工マージン（エッチングマージン）も少ない。これに対し、図５の実施形態では、下側の半導体層５が水平変換回折格子と光吸収層４の間になっておらず、比較的厚く形成しても受光効率への影響が少ない。このため半導体層５を比較的厚く形成して層抵抗を低減し、電極９を形成するためのビア加工マージンも大きくできるという利点がある。結果的に、図５の実施形態では、素子加工の工程削減と、歩留り向上によるコスト低減が可能である。
【００４８】
（第五の実施形態）
図６は、第五の実施形態を示す半導体受光素子の概略断面図である。ここでは、図６の下方から光入射する面入力型の半導体受光素子の例を示している。
【００４９】
図６において、１２は低屈折率透明材料２の表面に設けた反射膜である。図６において、反射膜１２以外は図５の第四の実施形態と同様であり、詳細な説明を省略する。
【００５０】
反射膜１２としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属や、誘電体多層反射膜などを用いることができる。高屈折率透明材料１０ｂによる入射回折格子は０次回折光（直進光）を消滅させるが、図２で示したように、波長や入射角度、素子加工の誤差などにより一部の漏れ光を生じることがある。入射回折格子で漏れた直進光は、光吸収層４で吸収を受けるものの、低屈折率透明材料２の表面から容易に外部に散逸してしまい、単純な損失となる。そこで、反射膜１２を低屈折率透明材料２の表面に設けることで漏れ光を反射し、光吸収層４への光吸収を促進する。このため、図６の第五の実施形態は、高屈折率透明材料１０ｂの外側に１０ｂと同時に形成したブラッグ反射鏡１０ａ（図示せず）を併用することで最も高い受光効率を実現可能である。また、反射膜１２は半導体受光素子外部からの迷光を遮断し、素子雑音や誤動作を低減する効果も奏する。
【００５１】
（第六の実施形態）
図７は、第六の実施形態を示す半導体受光素子の概略断面図である。ここでは、図７の下方から光入射する面入力型の半導体受光素子の例を示している。
図７において、４は多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）光吸収層であり、例えば、ＧａＩｎＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓによる井戸層（例えば、厚さ６ｎｍ）をＩｎＰまたはバンドギャップの広いＡｌＧａＩｎＡｓによるバリア層（例えば、厚さ１０ｎｍ）で挟持した構造を数周期積層して形成する。ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓはその組成調整によりバンドギャップおよび結晶格子定数を変えることができ、その組合せおよび量子井戸厚さによりＭＱＷ量子準位（バンドギャップ波長λｇ）を決定できる。
【００５２】
図６までの実施形態により、非常に薄い光吸収層で高い受光効率を実現可能なことを示してきたが、これによりＭＱＷのような極端に薄い光吸収層でも高い受光効率を実現できる。例えば、上述した厚さの井戸層を１０層用いたＭＱＷでは、光吸収層４の吸収長が垂直方向で僅か６０ｎｍしかなく、受光効率は約６％と非常に低くなる。しかしながら、図７の第６の実施形態によれば、図示しないブラッグ反射鏡１０ａ、または電極９の受光部側のビア側面を垂直加工することにより水平方向への漏れ光を閉じ込めることができ、数１００μｍの光吸収長を確保して９０％以上の受光効率を実現することができる。
【００５３】
このため、図７の第六の実施形態では、ＭＱＷへの印加電界によるＱＣＳＥ（Quantum Confined Stark Effect）を利用してバンドギャップシフトを行わせることができ、バンドギャップ端近い波長（λｉｎ）に対し受光（λｇ＞λｉｎ）と非受光（λｇ＜λｉｎ）の動作スイッチを行わせることができる。即ち、これまでの面入力型半導体受光素子で実現できなかった受光スイッチ素子が実現可能となる。また、同じＭＱＷ層を電流注入により発光層として機能させることも可能であり、１つのＭＱＷ層により発光素子と受光素子を一括形成で集積することができる。
【００５４】
図８は、第六の実施形態の変形を示す半導体受光素子と半導体レーザの集積例の概略断面図である。ここでは、図８の下方から光入射する面入力型半導体受光素子（左）と、図８の下方に光出力する面型半導体レーザ（右）の集積例を示している。
【００５５】
図８において、例えば、１をＳｉ基板、７をＳｉ（例えば、厚さ０．４μｍ、幅４２５ｎｍ、間隔４２５ｎｍ（Λ７＝８５０ｎｍ））、１３、１４をＳｉ（例えば、厚さ０．４μｍ、幅２７５ｎｍ、間隔２７５ｎｍ（Λ１３＝Λ１４＝５５０ｎｍ））、５をｎ−ＩｎＰ（例えば、厚さ０．８μｍ）、４をＭＱＷ（例えば、狭バンドギャップのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層６ｎｍ、広バンドギャップのＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１０ｎｍ、井戸数１０、発光波長１．３μｍ）、３をｐ−ＩｎＰ（例えば、厚さ０．３μｍ）、６をＳｉＯ２（例えば、厚さ０．９５μｍ、但し、１のＳｉ基板と７のＳｉの間を０．４μｍ、７のＳｉと５のＩｎＰの間を０．１５μｍ）、１０ｂをｐ−ＩｎＰ３の表面加工（例えば、深さ０．１μｍ、幅７２５ｎｍ、間隔７２５ｎｍ（Λ１０ｂ＝１４５０ｎｍ））、９、１０、１６、１７をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ（例えば、厚さ０．１μｍ／０．０５μｍ／１μｍ）、１１をＳｉＮ（例えば、屈折率１．９、厚さ０．１７μｍ）、１２、１５をＡｌ（例えば、厚さ０．２μｍ）、２をＳｉＯ２（例えば、厚さ０．９５μｍ、但し、３のＩｎＰと１４のＳｉの間を０．１５μｍ、１４のＳｉと１５のＡｌの間を０．４μｍ）とする。これにより、半導体受光素子（左）は図７で説明した機能となり、右側素子は１３、１４の周期構造が同一周期のＨＣＧであるため、４をレーザ活性層、１３、１４を共振器とする半導体レーザとして機能する。上記した層構造でΛ１３、Λ１４の周期の場合、レーザ発振波長は１．３μｍ帯となる。
【００５６】
上述した構成で、受光素子電極８、９に逆バイアス（８負極、９正極）、半導体レーザ電極１６、１７に順バイアス（１６正極、１７負極）を印加すると、受光素子はＭＱＷにｐｎ接合の逆バイアス電界が加わり、前述したＱＣＳＥにより長波長側にバンドギャップシフトする。また、半導体レーザはｐｎ接合の順方向電流が流れ、ＭＱＷに電子、正孔がキャリア注入されて、無バイアス時バンドギャップ相当の波長で発光し、バイアス電流が閾電流をこえるとレーザ発振を起こす。
【００５７】
一般に、直接遷移半導体はバンドギャップより短い波長を自己吸収するため、バンドギャップより長波長側に発光ピークを有する。半導体レーザの場合も、吸収損失が少なく利得の大きいバランス領域として、発光スペクトルピークよりやや長波長側でレーザ発振することが多い。このため、一般的にはバンドギャップより長波長側の発光となり、同じ半導体材料で発光素子と受光素子を作成すると、受光素子の受光効率が低くなり易い。
【００５８】
図８の実施形態においては、受光素子の光吸収層４がＭＱＷであるため、逆バイアス電界によるＱＣＳＥでバンドギャップシフトしており、同じＭＱＷで構成した発光素子の発光波長を効率よく受光することができる。即ち、同じＭＱＷ層で構成した右側の半導体レーザの出力光を左側の受光素子で効率よく受光することが可能になる。従って、１つのＭＱＷ層を用いて発光素子（ＬＥＤ、半導体レーザなど）と受光素子を一括形成し、集積素子または個別素子として、光送信素子と光受信素子のペアとして用いることができる。但し、一般的なＭＱＷ受光素子では非常に低い受光効率となる。しかしながら、図７で示した実施形態では非常に高い受光効率を得ることができる。
【００５９】
このように、図８に示した第六の実施形態（変形例）によれば、高効率で低コストな高コストパフォーマンスの発光素子および受光素子、または、発光素子と受光素子の集積チップが１回のデバイス加工で得られる。
【００６０】
（第七の実施形態）
図９（ａ）〜図９（ｃ）、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第七の実施形態の半導体受光素子の製造過程を示す概略断面図である。ここでは、図１０（ｂ）の下方から光入射する面入力型半導体受光素子（左）と、図１０（ｂ）の下方に光出力する面型半導体レーザ（右）の集積素子の例を示しており、図８で示した構成例を用いて製造工程を説明していく。
【００６１】
図９（ａ）は、Ｓｉ基板１上に低屈折率透明材料６ａと高屈折率透明材料７ａを形成した状態であり、６ａとして例えばＳｉＯ２を０．４μｍ、７ａとして例えばアモルファスシリコンを０．４μｍ形成する。それぞれの形成方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やスパッタなどの手法を用いることができる。
【００６２】
図９（ｂ）は、高屈折率透明材料７ａを入射回折格子に加工し、低屈折率透明材料６で埋め込んだ状態であり、例えば、７ａをフォトリソグラフィーで周期構造７に加工し、６としてＳｉＯ２をＣＶＤ堆積する。このとき、ＣＶＤ堆積したＳｉＯ２は周期構造７に相当する凹凸を持っており、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により表面を平坦化する。
【００６３】
図９（ｃ）は、低屈折率透明材料６上に、半導体多層膜３、４、５を形成した状態であり、例えば、ＩｎＰ基板にＩｎＧａＡｓスペーサ０．２μｍ、ｐ型ＩｎＰ０．３μｍ、ＭＱＷ、ｎ型ＩｎＰ０．８μｍをＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などにより結晶成長し、ｎ型ＩｎＰの表面にＳｉＯ２を例えば２０ｎｍ形成して低屈折率透明材料６の表面に貼合する。このとき、ｎ型ＩｎＰと低屈折率透明材料６の貼合は、例えば、真空中でそれぞれの表面を窒素スパッタにより清浄化して清浄面同士を貼り合せるか、それぞれの表面を酸素プラズマアッシングおよび親水化処理して処理面同士を貼り合せて加熱および加圧するなどの手法で行えば良い。その後、ＩｎＰ基板を例えば研削と塩酸処理により除去し、ＩｎＧａＡｓスペーサ層を硫酸系エッチング液で除去する。
【００６４】
図１０（ａ）は、半導体層３上に低屈折率透明材料２ａと高屈折率透明材料を形成して高屈折率透明材料を１４、１４ａの水平回折格子に加工した状態である。２ａとして例えばＳｉＯ２を０．１５μｍ、７ａとして例えばアモルファスシリコンを０．４μｍ、例えばＣＶＤやスパッタなどの手法で形成し、フォトリソグラフィーで周期構造１４、１４ａに加工する。
【００６５】
図１０（ｂ）は、受光素子の水平回折格子１４ａを半導体層３に転写して１０ｂを形成し、低屈折率透明材料２で全体を埋め込んだ状態である。水平回折格子１４ａを半導体層３に転写する工程は、例えば、図１０（ａ）右半分をフォトレジストなどで覆い、１４ａをマスクとして低屈折率透明材料２ａと半導体層３の表面をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチングで加工すれば良い。その後、図１０（ａ）左半分の１４ａ、２ａを除去し、図９（ｂ）と同様に低屈折率透明材料２を形成すればよい。
【００６６】
このように加工することで、受光素子と発光素子をほぼ同一の工程で加工することができ、受光素子と発光素子を別々に作成する方法に比して大幅な工程削減が可能となる。従って、第七の実施形態の半導体受光素子の製造方法によれば、受光素子だけでなく発光素子も同時形成可能であり、ウェハ面内の任意の位置に多数の光素子を同時一括形成することができ、光集積素子の作成が容易で、工程数も大幅に削減されるため歩留りも高い。即ち、光集積デバイスの製造方法として非常に有望であり、高速光情報処理など、高機能大規模光集積チップの実現に寄与できる。
【００６７】
実施形態は、以下の構成を含んでも良い。  
（構成１）
第１層（例えば、第一の周期構造：符号６の低屈折率透明材料、符号７の高屈折率透明材料）と、
第２層（例えば、符号２の光閉じ込め層）であって、前記第１層から前記第２層に向かう方向は第１方向に沿う、前記第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に設けられた第１半導体領域（例えば、符号３の半導体層）と、
前記第１層と前記第１半導体領域との間に設けられた第２半導体領域（例えば、符号５の半導体層）と、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に設けられた第３半導体領域（例えば、符号４の半導体層）と、
を備え、
前記第１層は、
複数の第１光学領域（例えば、符号７の高屈折率透明材料）と、
前記複数の第１光学領域の間に設けられた第２光学領域（例えば、符号６の低屈折率透明材料）と、
を含み、
複数の第１光学領域の少なくとも一部は、前記第１方向と交差する第２方向に第１周期で並び、
前記複数の第１光学領域の少なくとも１つの屈折率は、前記第２光学領域の屈折率よりも高く、
前記第１方向に沿って前記第１層に垂直に入射した第１光は、前記第１層において前記第１方向と交差する複数の方向に進行し、
前記第２層の屈折率は、前記第１半導体領域の屈折率よりも低く、前記第２半導体領域の屈折率よりも低く、前記第３半導体領域の屈折率よりも低い、半導体受光素子。
（構成２）  
前記第３半導体領域のバンドギャップは、前記第１半導体領域のバンドギャップよりも低く、前記第２半導体領域のバンドギャップよりも狭い、構成１記載の半導体受光素子。
（構成３）  
前記第３半導体領域は、不純物を含まない、または、
前記第３半導体領域に含まれる不純物濃度は、前記第１半導体領域に含まれる不純物濃度よりも低く、前記第２半導体領域に含まれる不純物濃度よりも低い、構成１または２に記載の半導体受光素子。
（構成４）  
前記第３半導体領域は、ノンドープである、構成１または２に記載の半導体受光素子。
【００６８】
実施形態によれば、受光効率の低下を抑制可能な半導体受光素子およびその製造方法を提供できる。
【００６９】
以上、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ものではない。これらの新規な実施形態は、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において、種々の省略、置換え、変更、変形を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【００７０】
１…Ｓｉ、２…ＳｉＯ２、３…ＩｎＰ、４…ＧａＩｎＡｓ、５…ＩｎＰ、６…ＳｉＯ２、７…Ｓｉ、８、９…電極、１０…Ｓｉ
【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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