(57)【要約】【課題】小型で高効率の半導体受光素子を実現する。【解決手段】第１の半導体層１５、光吸収層４、第２の半導体層３の各屈折率、及び入射光の入射角を調整することによって、光吸収層４に入射された光の一部を光吸収層４内と第１の半導体層１５内との少なくとも一方を第２の半導体層３の下面に平行方向に伝搬させ、かつ光吸収層４に入射された光の他の一部を第２の半導体層３の下面で反射し光吸収層４内及び第１の半導体層１５内を斜め方向に伝搬させている。【選択図】　　図１
2004055620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、光導波路としての機能を有する第１の半導体層を含む下部半導体層、前記第１の半導体層より高い屈折率を有する光吸収層、前記第１の半導体層より低い屈折率を有する第２の半導体層を含む上部半導体層を順番に積層し、前記基板と前記下部半導体層と前記光吸収層の少なくとも一つの端面を含む光入射端面から所定角度で入射した光が前記光吸収層において吸収されることにより生じた電流を、前記上部半導体層及び下部半導体層をそれぞれ経て電極から外部に出力する半導体受光素子であって、
前記光吸収層に入射した光の一部は前記光吸収層内と前記第１の半導体層内との少なくとも一方を前記第２の半導体層の下面に平行方向に伝搬し、かつ前記光吸収層に入射した光の他の一部は前記第２の半導体層の下面で反射し前記光吸収層内及び前記第１の半導体層内を斜め方向に伝搬することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度が９０度であ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】
前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ前記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度であ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４】
前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度は、９０度未満で、かつ前記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度であ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５】
前記第１の半導体層が４元組成の半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記光入射端面に入射する光にとって、前記下部半導体層の等価屈折率が前記上部半導体層の屈折率よりも高くなるように、前記下部半導体層は屈折率の高い層と低い層の組合せからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記下部半導体層がｎ型の半導体材料からなり、前記上部半導体層がｐ型の半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記下部半導体層がｐ型の半導体材料からなり、前記上部半導体層がｎ型の半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記光の前記光入射端面に対する入射位置と入射角度との少なくとも一方を調整することにより、この入射した光が前記光吸収層に照射されるようにしたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は入射した光を電流に変換する半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射した光を電流に変換する半導体素子で形成された一般的な半導体受光素子の構成を図１３に示す斜視図を用いて説明する。
【０００３】
ｎ＋−ＩｎＰからなる基板６上に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５が形成され、この下部クラッド層５上にｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。このコンタクト層２の上面にｐ電極１が取付けられ、基板６の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成されている。
【０００４】
ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３とｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５とは、図１３に示すように、この半導体受光素子の端面の光入射面から内部に入射した光を導波する光導波路を構成している。この光導波路は、光吸収層４の屈折率を、上部クラッド層３の屈折率、下部クラッド層５の屈折率より高く設定し、この光吸収層４が入射した光を導波する中心的な役割をするコアとして機能している。
【０００５】
このように構成された半導体受光素子においては、入射光は、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３及びｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５で構成された光導波路を伝播する間に、光吸収層４により吸収され、電気信号に変換される。この時、光はその強度Ｉが（１）式に従って吸収される。
【０００６】
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（―αｚ）　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
ここで、Ｉ０は光入射端面での入射光のパワー、αは吸収係数、ｚは光入射端面からの距離である。
【０００７】
図１４にこの半導体受光素子の光導波路内を伝搬する光の強度Ｉと距離ｚとの関係を示す。
【０００８】
（１）式と図１４から理解できるように、光は光導波路内に入射すると指数関数的に減衰する。すなわち、光は、光入射端面から短い距離の間にほとんど吸収され、電流に変換される。図１４の縦軸は、光が光吸収層４内を伝搬するとともに各点において光が吸収されたために生じる電流を示している。各点において生じる熱は負荷抵抗をＲとしてＩ２Ｒとなるので、入射端面から短い距離の間にほとんど吸収されるということは、この短い距離の間に急激に発熱するとも言える。
【０００９】
その結果、入射する光のパワーが大きいと短い距離の間で発生するジュール熱が極めて大きくなり、この半導体受光素子が破壊されてしまうことになる。
【００１０】
なお、図１３の斜視図では説明を簡単化するために省略したが、実際には光導波路を多モード化するために、通常、光吸収層４の上下にバンドギャップ波長が１．３μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰ組成の４元ＳＣＨ層を介在させている。そのため、光吸収層４の厚みを０．６μｍ、ＳＣＨ層が上下合わせて２μｍ程度とすると、成長すべき結晶の厚みは合計３〜４μｍと厚くなり、結晶成長そのものにも時間がかかるとともに、メサエッチングなどプロセスも複雑になり、製造上の歩留まりを制限する要因となっている。
【００１１】
このような不都合を解消するために、図１５、１６に示す装荷光導波路型の半導体受光素子が提唱されている。なお、図１５は斜視図であり、図１６は横断面図である。図１３に示す半導体受光素子と同一部分には同一符号が付してある。
【００１２】
ｎ＋−ＩｎＰからなる基板６上に、装荷光導波路層９が形成され、この装荷光導波路層９上に、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。このコンタクト層２の上面にｐ電極１が取付けられ、基板６の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成されている。
【００１３】
装荷光導波路層９としては、その屈折率が光吸収層４よりも小さく、かつ基板６よりも大きな材料が適しており、例えば、バンドギャップ波長１．３μｍを有するｎ−ＩｎＧａＡｓＰなどが使用される。
【００１４】
このような、装荷光導波路型の半導体受光素子において、図１５、図１６に示すように、外部から光を装荷光導波路層９の端面に入射させる。この装荷光導波路層９内を伝搬する光の一部（エバネッセント波）が、図１６の断面図に示すように、隣接する光吸収層４に染み出して結合（エバネッセント結合）しており、その光の受光感度は、装荷光導波路層９に固有な波動関数φＳと光吸収層４の固有波動関数ψＣとの重なり積分の絶対値の２乗
Γ＝｜∫∫φＳ・（ψＣ）＊ｄｘ　ｄｙ｜２　　　　　　　　　　　　…（２）
に比例する。
【００１５】
図１７に光が装荷光導波路層９を伝搬しつつ光吸収層４にエバネッセント結合し、吸収される様子を模式的に示す。図１７（ａ）が装荷光導波路層９の厚みＤが薄い場合（例えば、Ｄ＝０．７μｍ）を示し、図１７（ｂ）が装荷光導波路層９の厚みＤが厚い場合（例えば、Ｄ＝３．５μｍ）を示す。
【００１６】
また、図１８に半導体受光素子内を伝搬する光のパワーＩを光吸収層４内での距離ｚの関数として示す。図１８（ａ）が装荷光導波路層９の厚みＤが薄い場合（例えば、Ｄ＝０．７μｍ）を示し、図１８（ｂ）が装荷光導波路層９の厚みＤが厚い場合（例えば、Ｄ＝３．５μｍ）を示す。
【００１７】
図１７（ａ）と図１８（ａ）に示す装荷光導波路層９の厚みＤが薄い場合には、装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズが小さく、装荷光導波路層９を伝搬する光は光吸収層４へ強くエバネッセント結合する。別の表現をすると、装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズが小さいため、装荷光導波路層９を伝搬する光の波動関数φＳのうち、光吸収層４に重なる部分の値が大きくなるので（２）式で示したΓも大きくなる。なお、装荷光導波路層９の端面に入射する光のスポットサイズは、装荷光導波路層９の厚みＤに係わらず等しく設定されている。
【００１８】
その結果、半導体受光素子として要求される受光感度を実現するために必要な光吸収層４の長さＬａを短くできるものの、図１３に示した半導体受光素子と同様に、短い距離ｚにおいて大きなジュール熱が発生し、素子が破壊されることになる。
【００１９】
このジュール熱による素子破壊を避けるには、装荷光導波路層９を伝搬する光の光吸収層４へのエバネッセント結合の度合いを弱くする、つまり、図１７（ｂ）と図１８（ｂ）に示すように、装荷光導波路層９の厚みＤを厚くすることにより、装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズを大きくすればよい。別の表現をすれば、装荷光導波路層９を伝搬する光の波動関数φＳのうち光吸収層４に重なる部分の値を小さくすれば良いことになる。但し、この場合には、（２）式で示したΓも小さくなるので、半導体受光素子として要求される受光感度を実現するために必要な光吸収層４の長さＬａが長くなってしまう。
【００２０】
この光吸収層４の長さＬａが長くなるということは、半導体受光素子としてのキャパシタンスＣが大きくなることに対応するので、３ｄＢ帯域Δｆ（＝１／（πＲＣ））が小さくなり、この半導体受光素子を４０Ｇｂｐｓのような高速伝送システムへの適用は困難となる。
【００２１】
また、この場合には装荷光導波路層９の厚みＤが厚いので成長すべき半導体層の厚みの総和が厚くなり、結晶成長への負担が著しく大きくなる。一般に、３μｍ以上厚く結晶成長すると、結晶成長した半導体層に歪が内在し、その上に成長した光吸収層４の膜質が劣化する。この膜質の劣化は光伝送においてきれいなアイパターンを実現するために不可欠な半導体受光素子としての暗電流特性を損なうことが知られている。
【００２２】
さらに、装荷光導波路層９の厚みＤを厚くし、スポットサイズを大きくすると、コンタクト層２に起因する光吸収損を低減するために、上部クラッド層３も厚くする必要があり、良好な結晶成長がよりいっそう困難になってしまう。
【００２３】
以上のように、図１５、図１６に示す装荷光導波路型の半導体受光素子においては、高速動作を実現するために、光吸収層４の長さ（素子長）Ｌａが短くなるように装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズを小さくすればジュール熱により素子が破壊されやすく、またこの熱破壊を避けるために装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズを大きくすれば、素子長Ｌａが長くなる。その結果、高速動作が困難になるという問題点があった。また厚く成長した結晶の上に結晶性の良い暗電流の少ない光吸収層４の成長は困難であり、半導体受光素子としての特性が劣化するという問題点もあった。
【００２４】
このような不都合を解消するために、図１９の横断面図で示すような構造を有した端面屈折型の半導体受光素子が提唱されている（特開平１１−１９５８０７号公報）。
【００２５】
半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩＰ）材料で形成された基板１１上に、ｎ＋−ＩｎＰからなる下部クラッド層１０、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。そして、このコンタクト層２の上側にｐ電極１を取付け、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層１０にｎ電極７を取付けている。
【００２６】
そして、この受光素子においては、図１９で示したように、基板１１と下部クラッド層１０との端面で形成される光入射端面１２をウェットエッチングにより傾斜させている。なお、光入射端面１２の下部クラッド層１０の上面（光吸収層４の下面）に対する傾斜角はエッチングの際に結晶の方位性から約５４度となる。
【００２７】
このような構造を有した端面屈折型の半導体受光素子の動作原理を説明する。入射した光は傾斜した入射端面１２において屈折された後、光吸収層４において吸収され、電流に変換される。具体的には、この端面屈折型の半導体受光素子の場合、空気（屈折率＝１）とｎ＋−ＩｎＰからなる下部クラッド層１０（ＩｎＰの屈折率は３．１７であるが、ｎ＋ドーピングのためにその屈折率は３．１５程度に下がる）の屈折率の違いにより光はその光路を斜め上方に変えられ、光吸収層４を斜め上方に通過する。
【００２８】
このように、この端面屈折型の半導体受光素子の場合、光を光吸収層４を斜めに通過させることにより、この光吸収層４を通過する際の実効的な吸収長を長くし、受光感度を高めている。
【００２９】
しかしながら、実際には光吸収層４を斜め上方に通過した光はさらに上部クラッド層３とコンタクト層２を斜め上方に伝搬した後、ｐ電極１の下面で反射され、斜め下向きに光路の向きを変えられる。次に、再度コンタクト層２と上部クラッド層３を通過後、光吸収層４を斜め下方に通過する。
【００３０】
ところが、残念ながら、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２において吸収された光は電流に変換されないため、単に光吸収損となってしまう。さらに、ｐ電極１の下面における反射の際、このｐ電極１の下面の荒れのため光散乱損が生じる。このように、この端面屈折型の半導体受光素子は損失が生じやすく、その結果その受光感度は０．６Ａ／Ｗもしくはそれ以下と低く留まっていた。
【００３１】
このような受光感度に関する問題点を解消するために、図２０の横断面図で示すような構造を有した半導体受光素子が提唱されている（特開２０００１−５３３２８号公報）。
【００３２】
半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩＰ）材料で形成された基板１１上に、ＩｎＧａＡｓＰ層１４、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。そして、このコンタクト層２の上側にｐ電極１を取付け、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３にｎ電極７を取付けている。
【００３３】
そして、この半導体受光素子においては、ＩｎＧａＡｓＰ層１４とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３との端面で形成される光入射端面１２をウェットエッチングにより傾斜させている。
【００３４】
このような構造を有した半導体受光素子の動作原理を図２１を用いて説明する。
一般に、ｎドーピングをすると屈折率は低減するが、ここでは、説明を簡単にするために、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３の屈折率ｎ１３とＩｎＧａＡｓＰ層１４の屈折率ｎ１４は同じ値である（ｎ１３＝ｎ１４＝３．４３９）と仮定し、図２１ではｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３とＩｎＧａＡｓＰ層１４をｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３により代表させている。
【００３５】
この半導体受光素子においては、上部クラッド層３よりも屈折率が高いＩｎＧａＡｓＰ層１４に光の全パワーが入射している。その結果、光は光吸収層４中において吸収されつつ斜め上方に伝搬した後、光吸収層４と上部クラッド層３の界面において全反射される。
【００３６】
さて、特開２００１−５３３２８号公報の第１の請求項には「前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を膜厚方向に対し斜めに通過し、前記第一の半導体層の前記光吸収層側の界面で全反射し、前記光吸収層を再度斜めに通過することを特徴とする」と記載され、発明の詳細な説明には「１００％の光が再度光吸収層を通過し吸収される」、「受光層を光が２回通過することになり、実効的光吸収長が２倍となる」と記載されている。さらに、特開２００１−５３３２８号公報に図示された全ての実施形態においても、光は全反射後、斜め下方に伝搬し、光吸収層を通過している。
【００３７】
つまり、この半導体受光素子では、図２１に示したように光は光吸収層４中において吸収されつつ斜め上方に伝搬した後、光吸収層４と上部クラッド層３の界面においてその１００％の光が反射され、光吸収層４を斜め下方に伝搬することになる。
【００３８】
従って、図２１から理解できるように、光吸収層４の厚みをＴ、光の通過角をφとすると、光にとっての実効的な吸収長Ｌｅは（３）式となる。
Ｌｅ＝２Ｔ／ｃｏｓθ＝２Ｔ／ｃｏｓ（π／２−φ）　　　　　　　…（３）
つまり、光吸収層４の厚みＴと光の通過角φを各々０．４μｍ、２５．８°とすると、この半導体受光素子においては光の実効的な吸収長Ｌｅは光吸収層４の厚みＴの２．３倍（なぜならば、１／ｃｏｓθ＝１／ｃｏｓ（π／２−２５．８°）＝２．３）程度に留まり、吸収長としては不充分である。
【００３９】
また、特開２００１−５３３２８号公報に記載されたの全ての実施形態の説明図や図２０から推測されるように、この半導体受光素子では、光は光吸収層４と上部クラッド層３の界面においてその１００％の光が反射され、光吸収層４を斜め下方に伝搬して通過してしまう。したがって、光吸収層４をある程度の長さ以上いくら長くしても受光感度は改善されない。
【００４０】
さらに、このこの半導体受光素子では、記載された実施形態から理解できるように、光の全パワーをＩｎＧａＡｓＰ層１４のように屈折率の高い層の中に入射せねばならない。光のスポットサイズ（パワーが１／ｅ２となる半径）は２μｍから５μｍ、つまりパワーが１／ｅ２となる直径では４μｍから１０μｍと大きい。図１５、図１６の装荷光導波路型の半導体受光素子で述べたように、厚く成長した結晶の上には、暗電流が少ない結晶性の良い光吸収層を成長することは困難である。
【００４１】
また、特開２００１−５３３２８号公報の実施形態に示されているＧａＡｓ基板の上に１．５５μｍ帯用のＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓを結晶成長した構造を製作するのは、格子不整合の観点から実際には不可能である。したがって、この図２０に示す半導体受光素子を実際に製造することは極めて困難であるという問題点があった。
【００４２】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、図１３に示す導波路型の半導体受光素子では高光入力時の信頼性に、また図１５、図１６に示す装荷光導波路型の半導体受光素子では高光入力時の信頼性、高速応答性、および光吸収層の結晶性（換言すれば、暗電流特性）に、さらに図１９、図２０に示す端面屈折型の半導体受光素子では受光感度、あるいは光吸収層の結晶性に問題があった。
【００４３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光吸収層内へ入射した光の伝搬路を調整することによって、光を効率的に光吸収層で電流に変換で、受光感度、耐光入力性、高速応答性、暗電流特性を大幅に向上できる半導体受光素子を提供することを目的とする。
【００４４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に、光導波路としての機能を有する第１の半導体層を含む下部半導体層、第１の半導体層より高い屈折率を有する光吸収層、第１の半導体層より低い屈折率を有する第２の半導体層を含む上部半導体層を順番に積層し、基板と下部半導体層と光吸収層の少なくとも一つの端面を含む光入射端面から所定角度で入射した光が光吸収層において吸収されることにより生じた電流を、上部半導体層及び下部半導体層をそれぞれ経て電極から外部に出力する半導体受光素子である。
【００４５】
さらに、光吸収層に入射した光の一部は光吸収層内と第１の半導体層内との少なくとも一方を第２の半導体層の下面に平行方向に伝搬し、かつ光吸収層に入射した光の他の一部は第２の半導体層の下面で反射し光吸収層内及び第１の半導体層内を斜め方向に伝搬する。
【００４６】
このように構成された半導体受光素子においては、第１の半導体層を含む下部半導体層と、第１の半導体層よりも低い屈折率を有する第２の半導体層を含む上部半導体層とで、第１の半導体層よりも高い屈折率を有する光吸収層を挟んでいる。
【００４７】
そして、光入射端面に所定角度で光を入射すると、この光は光吸収層を斜めに伝搬し、一部は第２の半導体層の下面で反射する。この反射した光は光吸収層内及び第１の半導体層内を斜め方向に伝搬する。この光吸収層内及び第１の半導体層内を斜め方向に伝搬する過程で、光が光吸収層に直接又はエバネッセント結合にて吸収される。
【００４８】
さらに、この発明においては、光吸収層を斜めに伝搬した光の一部は、第２の半導体層の下面で反射せずに、すなわち光吸収層及び第１の半導体層内を斜め下に伝搬せずに、光吸収層内又は第１の半導体層内を第２の半導体層の下面に平行方向に伝搬する。したがって、この光は、光吸収層の長さの全体を有効に利用して吸収され、電流に変換されるので、半導体受光素子としての帯域の許す限り、光吸収層の長さを長くすることにより受光感度を高めることが可能である。
【００４９】
また、本発明の半導体受光素子においては、斜め下から光吸収層の下面の広い領域に渡って光を照射する。したがって、光導波路型の半導体受光素子や薄い装荷光導波路を有する装荷光導波路型の半導体受光素子と異なり、光吸収層のある特定の一部分への電流集中が発生しないため、ジュール熱による素子破壊を避けることが可能である。
【００５０】
また、光のパワーの大きな部分を斜め下から光吸収層に直接照射でき、かつ光の一部を光吸収層や第１の半導体層に伝搬させ、吸収させるので、厚い装荷光導波路を有する装荷光導波路型の半導体受光素子や端面屈折型の半導体受光素子と比較して、受光感度が高く、結果的に短い光吸収長で済むのでＣＲ時定数から制限される帯域が広い。
【００５１】
さらに、第１の半導体層の厚みは入射する光の直径よりも小さくても良いので、半導体製造時における結晶成長への負担が小さく、半導体受光素子としての製作性が良く、優れた特性の半導体受光素子を実現できる。
【００５２】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における光入射端面と光吸収層の下面とのなす角度を９０度に設定している。
【００５３】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における光入射端面と光吸収層の下面とのなす角度を、９０度未満で、かつ光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度に設定している。
【００５４】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における光入射端面と光吸収層の下面とのなす角度を、９０度未満で、かつ光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度に設定している。
【００５５】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における第１の半導体層を４元組成の半導体材料で構成している。
【００５６】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における光入射端面に入射する光にとって、下部半導体層の等価屈折率が前記上部半導体層の屈折率よりも高くなるように、下部半導体層は屈折率の高い層と低い層の組合せで構成している。
【００５７】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における下部半導体層がｎ型の半導体材料で構成され、上部半導体層がｐ型の半導体材料で構成されている。
【００５８】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における下部半導体層がｐ型の半導体材料で構成され、上部半導体層がｎ型の半導体材料で構成されている。
【００５９】
また別の発明は、上述した発明の半導体受光素子における光の光入射端面に対する入射位置と入射角度との少なくとも一方を調整することにより、この入射した光が光吸収層に照射されるようにしている。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図１９に示す従来の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００６１】
半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩｎＰ）材料で形成された基板１１上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層１５、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が積層されている。そして、このコンタクト層２の上側に電流を取出すためのｐ電極１を取付け、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層１５に同じく電流を取出すためのｎ電極７を取付けている。さらに、基板１１の下側に配置されたくさび型の台座１６にて、半導体受光素子は傾斜されている。なお、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層１５は、電流を取出すためのｎ電極７に対するオーミックコンタクト層の機能をも有する。
【００６２】
そして、この半導体受光素子においては、基板１１と光導波路層１５と光吸収層４の少なくとも１つの端面で形成される光入射端面１２と光吸収層４の下面とのなす角度は９０度に設定されている。具体的には、光入射端面１２をへき開で形成している。
【００６３】
このような構成の半導体受光素子において、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層１５が下部半導体層を構成する第１の半導体層を構成し、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３が上部半導体層を構成する第２の半導体層を構成している。
【００６４】
さらに、この第１実施形態の半導体受光素子における、上部クラッド層３、光吸収層４、光導波路層１５、基板１１の各屈折率ｎ３、ｎ４、ｎ１５、ｎ１１の大小関係は、ｎ３（＝３．１７）＝ｎ１１（＝３．１７）＜ｎ１５（＝３．３５）＜ｎ４（＝約３．６）に設定されている。
【００６５】
このように構成された第１実施形態の半導体受光素子の動作原理を図２、図３を用いて説明する。
【００６６】
この半導体受光素子においては、光吸収層４の上方の上部クラッド層３よりも屈折率の高い例えばバンドギャップ波長が１．２μｍの光導波路層１５と基板１１のうち、光が少なくとも光導波路層１５の端面に入射すると、この入射光はその高い屈折率を感じる。したがって、入射光にとっての等価屈折率ｎｅは基板１１よりも高くなる。ここで、上部クラッド層３の屈折率ｎ３と基板１１の屈折率ｎ１１は上述したようにほぼ等しいため、結果的に入射光にとっての等価屈折率ｎｅを上部クラッド層３よりも高くすることができる。
【００６７】
光導波路層１５と光吸収層４との界面において成立するスネルの式は
ｎｅ　ｓｉｎθ１５＝ｎ４　ｓｉｎθ４　　　　　　　　　　　　　　　　　…（４）
となる。また、光吸収層４と上部クラッド層３との界面において
ｎ４　ｓｉｎθ４＝ｎ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（５）
つまり、（５）式を（４）式に代入して得られる（６）式
ｎｅ　ｓｉｎθ１５＝ｎ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（６）
が成立すれば、その界面において全反射が生じる。
【００６８】
そのためには、光導波路層１５と基板１１の屈折率ｎ１５、ｎ１１を考慮し、光に少なくとも光導波路層１５の高い屈折率を感じさせるとともに、光の入射角を適切に選ぶことが重要となる。
【００６９】
光導波路層１５を光が伝搬できる装荷光導波路として機能できるように設計するとともに、図２で示す上部クラッド層３に対する入射角θ４が光の全反射が起きる臨界角以上となるように設定すると、光吸収層４と上部クラッド層３との界面において光吸収層４を斜めに伝搬する反射光の他に、水平方向に伝搬する水平伝搬光が発生する。
【００７０】
図３は、上述した条件で光を光入射端面１２から入射させた場合における半導体受光素子内の光強度分布図である。光吸収層４と上部クラッド層３との界面で反射されて光吸収層４及び光導波路層１５を斜め右下方向に伝搬する反射光の他に、光吸収層４内を水平方向に伝搬する水平伝搬光が存在することが確認できる。
【００７１】
したがって、光を効率良く、光吸収層４内及び光導波路層１５内を伝搬させることが可能となる。この光吸収層４内及び光導波路層１５内を伝搬する光は光吸収層４により吸収され、電流に変換される。
【００７２】
図４に、試作した第１実施形態の半導体受光素子における特性の測定結果を示す。縦軸は測定された受光感度（Ａ／Ｗ）であり、横軸は光吸収層４の長さである。この図４の測定結果から理解できるように、光吸収層４の長さが３０μｍ以上でも受光感度が改善されている。なお、試作した各半導体受光素子はその光吸収層４の厚みＴは０．５μｍであり、光導波路層１５の厚みＤが２．０μｍである。なお、水平からの光の入射角は４０°である。
【００７３】
図５に示すように、光導波路層１５の下端から光が入射した場合に、光吸収層４と上部クラッド層３との界面で光が１回反射した後、光吸収層４を抜けてしまうと仮定した場合の光吸収層４の長さＬｍａｘは２０μｍよりかなり短い。ところが、前述のように光吸収層４の長さが３０μｍ以上でも受光感度が改善されている。
【００７４】
このことは、光吸収層４と上部クラッド層３との界面で反射された光の他に、光吸収層４や光導波路層１５の長さ方向に伝搬する光の成分があり、それが光吸収層４に吸収されるためと考えられる。
【００７５】
このように、第１実施形態の半導体受光素子は、図２０に示した従来の半導体受光素子と異なり、半導体受光素子としての帯域の許す限り、光吸収層４の長さを長くすることにより受光感度を高めることが可能である。
【００７６】
また、斜め下から光吸収層４の下面の広い領域に渡って光を照射するので、図１３の光導波路型の半導体受光素子や、図１５の薄い装荷光導波路９を有する装荷光導波路型の半導体受光素子と異なり、光吸収層４のある特定の一部分への電流集中が発生しない。その結果、ジュール熱による素子破壊を避けることが可能となる。
【００７７】
また、光のパワーの大きな部分を斜め下から光吸収層４に直接照射でき、かつ光の一部を光吸収層４や光導波路層１５に伝搬させて吸収させるので、図１５の厚い装荷光導波路を有する装荷光導波路型の半導体受光素子や、図１９、図２０の端面屈折型の半導体受光素子と比較して、受光感度が高く、結果的に短い光吸収長で済むのでＣＲ時定数から制限される帯域が広い。
【００７８】
さらに、光導波路層１５の厚みＴは入射する光の直径よりも小さくても良いので、結晶成長への負担が小さく、半導体受光素子としての製作性が良い。なお、以下に記述する第２〜第８の各実施形態の半導体受光素子においてもこれらの特長を有している。
【００７９】
さらに、図１に示したように、上部クラッド層３と光吸収層４の界面において斜め下向きに反射された光は、屈折率の高い光導波路層１５と屈折率の低い基板１１の界面において再度斜め上向きに反射され、光吸収層４において再度吸収されることを繰り返し、受光感度向上に寄与する。なお、以下に記述する第２〜第８の各実施形態の半導体受光素子においてもこれらの特長を有している。
【００８０】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００８１】
この第２実施形態の半導体受光素子においては、図１に示す第１実施形態の半導体受光素子における台座１６の代りに、半導体受光素子を水平に保持する筐体１７を設け、光ファイバ１８から基板１１と光導波路層１５と光吸収層４の少なくとも１つの端面で形成される光入射端面１２に光を傾斜させて入射させている。
【００８２】
このように構成された半導体受光素子において、光ファイバ１８から光入射端面１２に入射した光はこの光入射端面１２で屈折され、光導波路層１５を経由して上方に位置する光吸収層４に斜め下から入射し、吸収される。
【００８３】
この第２実施形態の半導体受光素子においても、光導波路層１５の屈折率ｎ１５を光吸収層４の上に位置する上部クラッド層３の屈折率ｎ３より高くすることにより、上部クラッド層３と光吸収層４との界面において光を反射させるとともに、入射した光の一部を光吸収層４内や光導波路層１５内に伝搬させている。そのため、光の反射や光の水平方向の伝搬を光吸収に利用するので実効的な吸収長は長くなり、光受光素子としての感度が大幅に改善される。
【００８４】
（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図６に示す第２実施形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００８５】
この第３実施形態の半導体受光素子においては、図６に示す第２実施形態の半導体受光素子における筐体１７と基板１１との間にくさび型の台座１６を介在させて、光入射端面１２を傾斜させている。
【００８６】
このように、光入射端面１２を傾斜させることによって、光ファイバ１８から出力される入射光と半導体受光素子の光入射端面１２とのなす角度が小さくなり、所望の角度が容易に実現できる利点がある。
【００８７】
この第３実施形態の半導体受光素子においても、光が入射した光導波路層１５の屈折率ｎ１５を光吸収層４の上に位置する上部クラッド層３の屈折率ｎ３より高くすることにより、上部クラッド層３と光吸収層４との界面において光を反射させるとともに、その入射した光の一部を光吸収層４内や光導波路層１５内に伝搬させている。そのため、光の反射や光の水平方向の伝搬を光吸収に利用するので実効的な吸収長は長くなり、光受光素子としての感度が大幅に改善される。
【００８８】
（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００８９】
この第４実施形態の半導体受光素子においては、基板１１とｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層１５と光吸収層４の少なくとも１つの端面を含む光入射端面１２を、図１９、図２０に示した従来の半導体受光素子と同様に、ウエットエッチングで形成している。したがって、光入射端面１２と光吸収層４の下面とのなす角度は、結晶方位で定まる約５４度である。さらに、光吸収層４への小さな入射角を実現するために、台座１６を用いて受光素子全体を傾斜させている。
【００９０】
さらに、この第４実施形態の半導体受光素子は、図１９、図２０に示した従来の半導体受光素子によく似てはいるが、第１、第２、第３実施形態の各半導体受光素子と同様に、光が入射した光導波路層１５の屈折率ｎ１５を光吸収層４の上に位置する上部クラッド層３の屈折率ｎ３より高くすることにより、上部クラッド層３と光吸収層４との界面において光を反射させるとともに、その入射した光の一部を光吸収層４内や光導波路層１５内に伝搬させている。そのため、光の反射や光の水平方向の伝搬を光吸収に利用するので実効的な吸収長は長くなり、光受光素子としての感度が大幅に改善される。
【００９１】
（第５実施形態）
図９は本発明の第５実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図８に示す第４実施形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００９２】
この第５実施形態の半導体受光素子においては、基板１１とｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層１５と光吸収層４の少なくとも１つの端面を含む光入射端面１２を、図８に示した第４実施形態の半導体受光素子と同様に、ウエットエッチングで形成している。しかし、このこの第５実施形態においては、ウエットエッチング時間を規定時間より短く設定している。
【００９３】
したがって、光入射端面１２と光導波路層１５の上面（光吸収層４の下面）とのなす角度は、９０度未満でかつ結晶方位で定まる約５４度より大きな角度である。なお、５４度より大きな角度は結晶方位を選択することによっても実現できる。その結果、図８の第４実施形態では必要であった台座１６が不要となり、実装が容易となる。
【００９４】
さらに、この第５実施形態の半導体受光素子においても、第４実施形態の半導体受光素子と同様に、上部クラッド層３よりも高い屈折率を有する光導波路層１５を用いることにより、光の反射や光の水平方向の伝搬を光吸収に利用するので実効的な吸収長は長くなり、光受光素子としての感度が大幅に改善される。
【００９５】
（第６実施形態）
図１０は本発明の第６実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００９６】
この第６実施形態の半導体受光素子においては、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる複数の光導波路層１５と、ｎ−ＩｎＰからなる複数の下部クラッド層１９を交互に組合わせることにより、この光受光素子に光が入射する際に、この光が等価的に感じる屈折率をｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率よりも大きくしている。
【００９７】
このように、基板１１と光吸収層４との間に存在する下部半導体層を、互いに異なる材料で多層構造とすることにより、基板１１上に光導波路層１５及び下部クラッド層１９を含む下部半導体層を結晶成長で形成していく製造工程における結晶性の改善による製造効率を向上させることが可能である。
【００９８】
（第７実施形態）
図１１は本発明の第７実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図７に示す第３実施形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００９９】
この第７実施形態の半導体受光素子においては、レンズホルダ２０にレンズ２１が固定されており、光ファイバ１８はホルダ２２の中に入っている。本来は、光ファイバ１８はフェルールに固定した後、ホルダ２２に入れるが、簡単のためここではフェルールを省略した。レンズホルダ２０とフェルール、すなわち光ファイバ１８の相対的な位置関係を設定することにより、入射光が光入射端面１２に入射する際の位置と傾きの少なくとも一方を調整できるので、ひいては入射光を効率良く光吸収層４に照射できる。
【０１００】
なお、この第７実施形態の半導体受光素子は図７に示した第３の実施形態を応用したが、台座１６を用いない実施形態を含め他の各実施形態にも応用できることは勿論である。
【０１０１】
（第８実施形態）
図１２は本発明の第８実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。図１に示す第１実施形態の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【０１０２】
この第８実施形態の半導体受光素子においては、光入射端面１２を構成する光導波路層４及び基板１１の端面の位置を、コンタクト層２、上部クラッド層３及び光吸収層４の端面の位置に比較して、入射光側に移動させている。
【０１０３】
このような構成においても、光入射端面１２から入射した光が前述した条件で光吸収層４へ入射して、上部クラッド層３と光吸収層４との界面において光を反射させるとともに、その入射光の一部を光吸収層４内や光導波路層１５内に伝搬させることが可能であるので、第１実施形態の半導体受光素子とほぼ同様の効果を奏することが可能である。
【０１０４】
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。
すなわち、上述した各実施形態においては、光導波路層１５の材料として、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰを採用したが、このｎ−ＩｎＧａＡｓＰの代わりに、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３よりも屈折率が高い他の全ての材料を使用できる。例えば、バンドギャップ波長が１．２μｍ以外のｎ−ＩｎＧａＡｓＰやその他ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ、ｎ−ＩｎＡｌＡｓなどを用いても良いことは言うまでもない。
【０１０５】
さらに、上述した各実施形態においては、光吸収層４と上部クラッド層３の界面において光は反射あるいは水平伝搬されるとしたが、発生したキャリアが無駄になるコンタクト層２に光が入射する前に反射あるいは水平伝搬されるような層構成であればよいと考えられる。このような層構成の１例としては、光吸収層４の上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（あるいはｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓやｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ）のように屈折率がＩｎＰよりも高い層を形成し、その上にｐ−ＩｎＰを形成した構造が考えられる。
【０１０６】
また、入射光と光入射端面１２のなす角度についても、各実施形態の半導体受光素子で説明した数値のみでなく、本発明の原理が成り立つ限り、その他の角度でもよいことはいうまでもない。
【０１０７】
なお、上述した各実施形態においては、光吸収層４の下にｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５がないと仮定したが十分に薄ければ介在させても差し支えない。
【０１０８】
また、上述した各実施形態において、光を半導体受光素子に結合（入射）させるには、先球ファイバ、平面ファイバなどの他、レンズ系を用いても良いことは言うまでもないし、使用波長は１．５５μｍのみでなく、その他の波長でも良いことは言うまでもない。さらに、光吸収層４の材料としては、上述したｉ−ＩｎＧａＡｓの他に、３元混晶ｐ−ＩｎＧａＡｓや、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓなどの４元混晶のほか、各種多重量子井戸でも良いことは言うまでもない。
【０１０９】
上述した各実施形態においては、光吸収層４がハイメサ構造となっているが、半絶縁性ＩｎＰやｐｎ埋め込みの構造としても良いし、基板１１としては主に半絶縁性ＩｎＰを想定して説明したが、勿論ｎ＋−ＩｎＰでも良い。
【０１１０】
また、高濃度のｎタイプの半導体は屈折率がやや小さくなることを利用して、光吸収層４の上にｎ型もしくはｎ＋型の半導体層を、光吸収層の下にｐ型もしくはｐ＋型の半導体層を形成してもよい。例えば、光吸収層の上にｎ＋−ＩｎＰの上部クラッド層を形成することが考えられる。
【０１１１】
その場合には、上述した各実施形態において、コンタクト層２をｎ＋−ＩｎＧａＡｓで形成し、上部クラッド層３をｎ＋−ＩｎＰで形成し、下部クラッド層５をｐ−ＩｎＰ（但し、この層はあってもなくても良い）で形成し、光導波路層１５を、ｐ−ＩｎＰあるいはｐ＋−ＩｎＰとしても良いし、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰあるいはｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰなど屈折率を高めることができればどの材料でも良いことは言うまでもない。さらに、基板１１として、ｐ−−ＩｎＰあるいはｐ＋−ＩｎＰを使用しても良い。
【０１１２】
さらに、オーミックコンタクトを実現する際のアロイ化のために、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２は結晶性が劣化するとともに、ｐ電極１とコンタクト層２の界面も平滑性が極めて悪い。
【０１１３】
ところが、本発明では下側から斜め上に向かって伝播する光を半導体層の界面において反射あるいは水平伝搬させており、基本的に、光はこれらコンタクト層２やｐ電極１とコンタクト層２の界面には達しないので光電変換に寄与しないキャリアや光の散乱損失を生じることがなく、光電変換の効率が極めて良い。
【０１１４】
なお、斜め下から斜め上方に向かって伝搬する光のごく一部が上部クラッド３側に染み出したとしても本発明の範囲と考えられる。
【０１１５】
また、光導波路層１５を光吸収層４の上側に位置させる等の、これまでの各実施形態の構造を上下逆にしても本発明として機能することは言うまでもない。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体受光素子においては、光吸収層を取り巻く各層の屈折率及び入射光の入射角を調整することによって、光吸収層に入射された光の一部を光吸収層内と第１の半導体層内との少なくとも一方について第２の半導体層の下面に平行方向に伝搬させ、かつ光吸収層に入射された光の他の一部を第２の半導体層の下面で反射し光吸収層内及び第１の半導体層内を斜め方向に伝搬させている。
【０１１７】
したがって、半導体受光素子に入射した光は、光吸収層内及び第１の半導体層内を伝搬される過程で、光吸収層の一部に集中することなく、光吸収層の広い範囲に亘って直接又はエバネッセント結合にて効率的に吸収され電流に変換される。よって、半導体受光素子の受光感度、耐光入力性、高速応答性、暗電流特性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図２】同第１実施形態に係わる半導体受光素子の動作を説明するための図
【図３】同第１実施形態に係わる半導体受光素子に入射した光の強度分布を示す図
【図４】同第１実施形態に係わる半導体受光素子の測定された受光感度特性を示す図
【図５】同第１実施形態に係わる半導体受光素子の他の動作を説明するための図
【図６】本発明の第２実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図７】本発明の第３実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図８】本発明の第４実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図９】本発明の第５実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図１０】本発明の第６実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図１１】本発明の第７実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図１２】本発明の第８実施形態に係わる半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図１３】従来の半導体受光素子の概略構成を示す斜視図
【図１４】同従来の半導体受光素子の問題点を説明するための図
【図１５】他の従来の半導体受光素子の概略構成を示す斜視図
【図１６】同他の従来の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図１７】同他の従来の半導体受光素子の動作を説明するための図
【図１８】同他の従来の半導体受光素子の動作特性を示す図
【図１９】従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図２０】従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図
【図２１】同従来半導体受光素子の動作を説明するための図
【符号の説明】
１…ｐ電極
２…コンタクト層
３…上部クラッド層
４…光吸収層
５、１９…下部クラッド層
６、１１…基板
７…ｎ電極
８…ポリイミド
９…装荷光導波路層
１２…光入射端面
１５…光導波路層
１６…台座
１７…筐体
１８…光ファイバ
２０…レンズホルダ
２１…レンズ
２２…ホルダ
【図１】
2004055620.tif 000003
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2004055620.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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