(57)【要約】【課題】多波長の信号光を高効率で分離して光電変換することが可能な受光素子を提供すること。【解決手段】第１のバンドギャップ波長を有する導波路層と、導波路層に設けられ、導波路層を通過する光を導波方向に該光の波長に依存して反射または透過する反射層と、導波路層近傍に設けられ、第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する光吸収層とを具備する。また、別の態様として、第１のバンドギャップ波長を有する光ガイド層と、光ガイド層近傍に設けられ、第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する第１の光吸収層と、光ガイド層の端部に設けられ、光ガイド層を通過する光を導波方向と交わる方向に反射する反射面と、反射面により反射された光が入射される第２の光吸収層を有する光電変換部とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のバンドギャップ波長を有する導波路層と、
前記導波路層に設けられ、前記導波路層を通過する光を導波方向に該光の波長に依存して反射または透過する反射層と、
前記導波路層近傍に設けられ、前記第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する光吸収層と
を具備することを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記導波路層に設けられ、前記反射層を透過した光を前記導波路層の広がる方向に反射する第２の反射層をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項３】
前記導波路層に設けられ、前記第２の反射層に反射された光を該第２の反射層に帰還するように反射する再反射層をさらに具備することを特徴とする請求項２記載の受光素子。
【請求項４】
前記導波路層に設けられ、前記反射層に反射された光を該反射層に帰還するように反射する再反射層をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項５】
前記反射層は、ＤＢＲ構造であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項６】
前記光吸収層は、厚く形成された部位と薄く形成された部位とを有することを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項７】
第１のバンドギャップ波長を有する光ガイド層と、
前記光ガイド層近傍に設けられ、前記第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する第１の光吸収層と、
前記光ガイド層の端部に設けられ、前記光ガイド層を通過する光を導波方向と交わる方向に反射する反射面と、
前記反射面により反射された光が入射される第２の光吸収層を有する光電変換部と
を具備することを特徴とする受光素子。
【請求項８】
前記第１の光吸収層のバンドギャップ波長は、前記第２の光吸収層のバンドギャップ波長より短いことを特徴とする請求項７記載の受光素子。
【請求項９】
前記光電変換部は、前記第２の光吸収層に入射された光を該入射方向に帰還するように反射する高反射膜をさらに有することを特徴とする請求項７記載の受光素子。
【請求項１０】
前記反射面と前記光電変換部との間に、該反射面により反射された光が入射する波長選択性のある反射層をさらに具備することを特徴とする請求項７記載の受光素子。
【請求項１１】
前記光ガイド層は、半導体基板の表面側主面上に形成され、
前記反射面により反射される光の方向は、前記半導体基板側であり、
前記光電変換部は、前記半導体基板の裏面側主面上に設けられている
ことを特徴とする請求項７記載の受光素子。
【請求項１２】
第１の光吸収層と、
前記第１の光吸収層に交わるように入射される光が到達する位置に設けられ、該到達した光を前記第１の光吸収層が広がる方向とほぼ平行の方向に反射する反射面と、
前記反射された光を通過させかつ第１のバンドギャップ波長を有する光ガイド層と、
前記光ガイド層近傍に設けられ、前記第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する第２の光吸収層と
を具備することを特徴とする受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を電気信号に変換する受光素子に係り、特に、導波路を有する受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの普及、発展に伴い大容量通信の需要が増加し、大容量通信に向く、光による通信網の構築が急速に進んでいる。このような光通信網の構築に必要不可欠な光電変換部品のひとつである受光素子には、主として面型と導波路型の２つがある。
【０００３】
面型受光素子は、層面と垂直方向に光が入射する。層の厚さ方向にはバイアスがかけられており、入射光の吸収（光吸収）により生成したキャリアが光電流として取り出される。一方、導波路型受光素子は、層の端面から信号光が入射するもので、入射後に吸収層で光吸収され減衰しながら導波路を伝搬する。吸収層には逆バイアスが加えられており、光の吸収で生成された光励起キャリアが光電流となって電気信号に変換される。
【０００４】
このように、導波路型受光素子では、光の入射方向が光励起キャリアの走行方向と垂直の関係となるため、光電変換効率を決める光の入射方向の素子長と高速性を決める吸収層の厚さとを独立に設定する事が可能であり、高速・高効率な受光素子として適している。また、半導体基板、セラミックス基板等のプラットフォーム上に半導体レーザやいくつかの導波路型光デバイスを集積し、表面実装型の光機能デバイスを実現することにも適している。
【０００５】
従来の一般的な導波路型受光素子について信号波長１．５５μｍの場合を例に挙げ、図８を参照して説明する。図８は、一般的な導波路型受光素子の構成を模式的に示す斜視図である。図８に示すように、この導波路型受光素子は、ｎ＋−ＩｎＰ基板１００、このｎ＋−ＩｎＰ基板１００上に形成されたＩｎ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓ０．７９Ｐ０．２１低キャリア濃度層１０１、この低キャリア濃度層１０１上に形成されたｐ＋−ＩｎＰ層１０２、このｐ＋−ＩｎＰ層１０２上に形成されたＰ電極１０４、ｎ＋−ＩｎＰ基板１００の裏面側に形成されたＮ電極１０３で構成される。
【０００６】
信号光は、図示するように、低キャリア濃度層１０１の端面に入射される。導波路構造としては、屈折率の高いＩｎ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓ０．７９Ｐ０．２１低キャリア濃度層１０１がコア層であり、屈折率の低いｎ＋−ＩｎＰ基板１００とｐ＋−ＩｎＰ層１０２とがそれぞれ下部クラッド、上部クラッド層となる。コア層とクラッド層との屈折率差によって導波光をコア層近傍に閉じ込めることができる。コア層であるＩｎ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓ０．７９Ｐ０．２１低キャリア濃度層１０１は、１．５５μｍの信号光を吸収できる材料であり、これによりこの導波路型受光素子は波長１．５５μｍの信号光を受光し、光電変換できる。
【０００７】
なお、下記特許文献１には、光を分波、合波するための集積型光制御素子が開示されている。この集積型光制御素子には、多層反射膜が用いられている。また、特許文献２には、導波路型光フィルタ装置が開示されている。いずれも光電変換を行なう受光素子ではないが、本願の説明の上で登場する構成要素に一部参考となる場合があるのでここで挙げておく。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２３４０３３号公報
【特許文献２】
特開平９−６８６８１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示すような素子は、多波長の混合光を個別の波長ごとに光検出・光電変換することができない。また、導波路に対し平行に、バンドギャップ波長が入射光波長より長い光吸収層を設ける構成となっており、ここで導波路の端面サイズがμｍオーダーと小さいので光結合効率が確保しにくく、一般的に効率よく光電変換することが難しい。また、８５０ｎｍなどの短波長と１．３μｍの長波長のように比較的離れた波長の混合光からそれぞれを光検出しようとすると、そもそも吸収感度を持つ材料系がそれらの光で異なるため、光をフイルターで分離後に個別のそれそれに対する受光素子を設ける必要がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、多波長の信号光を分離的に光電変換することが可能な受光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る受光素子は、第１のバンドギャップ波長を有する導波路層と、前記導波路層に設けられ、前記導波路層を通過する光を導波方向に該光の波長に依存して反射または透過する反射層と、前記導波路層近傍に設けられ、前記第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する光吸収層とを具備することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の別の態様に係る受光素子は、第１のバンドギャップ波長を有する光ガイド層と、前記光ガイド層近傍に設けられ、前記第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する第１の光吸収層と、前記光ガイド層の端部に設けられ、前記光ガイド層を通過する光を導波方向と交わる方向に反射する反射面と、前記反射面により反射された光が入射される第２の光吸収層を有する光電変換部とを具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のさらに別の態様に係る受光素子は、第１の光吸収層と、前記第１の光吸収層に交わるように入射される光が到達する位置に設けられ、該到達した光を前記第１の光吸収層が広がる方向とほぼ平行の方向に反射する反射面と、前記反射された光を通過させかつ第１のバンドギャップ波長を有する光ガイド層と、前記光ガイド層近傍に設けられ、前記第１のバンドギャップ波長より長い第２のバンドギャップ波長を有する第２の光吸収層とを具備することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一態様に係る受光素子によれば、導波路層に設けられた反射層を介して複数の光電変換部を配置することができる。反射層は波長依存性を有しており光の波長により反射または透過する。したがって、反射層を挟んで異なる波長に相当する導波路層とすることができ、さらに導波路層近傍に設けられる光吸収層によりそれらの波長に対応してそれぞれ光電変換を行なうことができる。よって、多波長の信号光を分離的に光電変換することが可能な受光素子が提供できる。
【００１５】
ここで、実施態様としての受光素子は、前記導波路層に設けられ、前記反射層を透過した光を前記導波路層の広がる方向に反射する第２の反射層をさらに具備してもよい。これにより、第２の反射層により反射されて光が導波路層内に留まるので効率的に光電変換することができる。
【００１６】
また、ここで、前記導波路層に設けられ、前記第２の反射層に反射された光を該第２の反射層に帰還するように反射する再反射層をさらに具備してもよい。これにより、第２の反射層と再反射層とで多重反射光が得られさらに効率的に光電変換することができる。
【００１７】
また、実施態様としての受光素子は、前記導波路層に設けられ、前記反射層に反射された光を該反射層に帰還するように反射する再反射層をさらに具備してもよい。これにより、反射層と再反射層とで多重反射光が得られ効率的に光電変換することができる。
【００１８】
また、実施態様として、前記反射層は、ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）構造である。ＤＢＲ構造により、光の反射、透過の波長依存性を所望に制御するよう構成できる。
【００１９】
また、実施態様として、前記光吸収層は、厚く形成された部位と薄く形成された部位とを有する。複数の光電変換部に対応して光吸収層を厚く形成すればさらに効率的に光電変換することができる。
【００２０】
また、本発明の別の態様に係る受光素子によれば、導波路型の光電変換部で光を光電変換し、さらに、導波路への光の入射方向と異なる方向に光を伝播させる反射面を設けて反射後の光についても光電変換する。よって、反射面を挟んで多波長の信号光を分離して光電変換することが可能な受光素子が提供できる。また、反射面を挟む光電変換部の構成（例えば材料系）の自由度が上記一態様の場合より高い。
【００２１】
ここで、実施態様としては、前記第１の光吸収層のバンドギャップ波長は、前記第２の光吸収層のバンドギャップ波長より短い。このような場合には、第１の光吸収層におけるバンドギャップ波長を得る材料系と、第２の光吸収層におけるバンドギャップ波長を得る材料系とが異なるように集積化することも容易に可能になる。これにより、より幅の広い多波長の信号光を光電変換できる。
【００２２】
また、実施態様として、前記光電変換部は、前記第２の光吸収層に入射された光を該入射方向に帰還するように反射する高反射膜をさらに有してもよい。この帰還により第２の光吸収層で光電変換効率をより高めることができる。
【００２３】
また、実施態様としての受光素子は、前記反射面と前記光電変換部との間に、該反射面により反射された光が入射する波長選択性のある反射層をさらに具備してもよい。これにより、波長選択性により反射される光について、光ガイド層を有する光電変換部での光電変換効率を高めることができる。
【００２４】
また、実施態様として、前記光ガイド層は、半導体基板の表面側主面上に形成され、前記反射面により反射される光の方向は、前記半導体基板側であり、前記光電変換部は、前記半導体基板の裏面側主面上に設けられている。第２の光吸収層を有する光電変換部は、このように基板の裏面側に設けることもできる。
【００２５】
また、本発明のさらに別の態様に係る受光素子によれば、面型（面入射型）の光電変換部で光を光電変換し、さらに、この入射光の方向と異なる方向に光を伝播させる反射面を設けて反射後の光についても導波路型の光電変換部により光電変換する。よって、反射面を挟んで多波長の信号光を分離的に光電変換することが可能な受光素子が提供できる。また、光のもともとの入射部が層の端面ではなく主面となるので光結合が容易になる。
【００２６】
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図である。この受光素子は、１．３μｍ（λ１）と１．５５μｍ（λ２）の２波長の混合光が入射し、これらの波長ごとに分離的に電気信号として検出するものである。
【００２７】
構成を述べるに、半絶縁性ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰバッファ層２が、このｎ−ＩｎＰバッファ層２上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３（バンドギャップ波長１．１μｍ）が、このｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰコア層４（バンドギャップ波長１．２μｍ）が、それぞれ形成されている。コア層４の図で左側端面から光が入射し右方向に伝播する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３を含んでこれより上の層は、ｎ−ＩｎＰバッファ層２上一部では積層がない。ｎ−ＩｎＰバッファ層２上でｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３等の積層のない部位には、Ｎ電極１２が位置する。
【００２８】
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコア層４には、ＤＢＲ層９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂが形成されている。ＤＢＲ層９ａ、９ｂは、波長１．３μｍの光に対する反射面であり対向して対をなすように、光の伝播方向とほぼ垂直に設けられる。ＤＢＲ層９ａの反射率をＤＢＲ層９ｂのそれより小さくし、これらの間に波長１．３μｍの光が多重反射するようにする。さらに、ＤＢＲ層９ａ、９ｂは、波長１．５５μｍの光を透過する性質のものとする。
【００２９】
ＤＢＲ層１０ａ、１０ｂは、波長１．５５μｍの光に対する反射面であり対向して対をなすように、ＤＢＲ層９ｂを透過した光の伝播方向とほぼ垂直に設けられる。ＤＢＲ層１０ａの反射率をＤＢＲ層１０ｂのそれより小さくし、これらの間に波長１．５５μｍの光が多重反射するようにする。
【００３０】
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコア層４上には、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５（バンドギャップ波長１．１μｍ）が形成される。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５には、上記のＤＢＲ層９ａおよび同９ｂに対応して、またＤＢＲ層１０ａおよび同１０ｂに対応して部分的に凹部が形成される。この凹部を含むようにｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５上には、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６が形成される。これにより、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６は、ＤＢＲ層９ａ、同９ｂ間に対応して、およびＤＢＲ層１０ａ、同１０ｂ間に対応して層厚が厚くなり、光吸収効率が向上される。
【００３１】
さらにｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６上には、ｎ−ＩｎＰウィンドウ層７が形成され、ｎ−ＩｎＰウィンドウ層７には、上記のＤＢＲ層９ａ、同９ｂ間に対応して、またＤＢＲ層１０ａ、同１０ｂ間に対応してＺｎが拡散されたｐ＋領域８が形成されている。これらのｐ＋領域８上には、それぞれＰ電極１１ａ、１１ｂが形成されている。Ｎ電極１２、Ｐ電極１１ａ、１１ｂを除くそれらを囲む表面は、例えばＳｉＮｘからなる絶縁体（誘電体）の膜１３によって覆われる。さらに、光の入射面に相当する面には反射防止膜１４が被覆される。Ｎ電極１２は２つの光電変換部に共通であり、Ｐ電極１１ａ、１１ｂはそれぞれに個別に設けられ、それぞれの波長の光に対応する電流の取り出しを行なう。
【００３２】
次に、図１に示す受光素子の製造手順について概略的に説明する。まず、半絶縁性ＩｎＰ基板１を用意し、用意された半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコア層４を、順次ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の成膜技術を用いて結晶成長させる。
【００３３】
次に、検出する波長に対応したＤＢＲ層９ａ、９ｂ、および同１０ａ、１０ｂを、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコア層４に例えば電子線露光の技術を用いて形成する。ここで、ＤＢＲ層９ａ、同９ｂの間が短波長の光検出・光電変換の素子部分に対応し、ＤＢＲ層１０ａ、同１０ｂの間が長波長の光検出・光電変換の素子部分に対応する。ＤＢＲ層９ａ、同９ｂのうち入射側のＤＢＲ層９ａの反射率は、その対向側のＤＢＲ層９ｂの反射率より小さく設定して形成する。また、同様に、ＤＢＲ層１０ａ、同１０ｂのうち入射側のＤＢＲ層１０ａの反射率は、その対向側のＤＢＲ層１０ｂの反射率より小さく設定して形成する。
【００３４】
次に、ＤＢＲ層９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂが形成されたｎ−ＩｎＧａＡｓＰコア層４上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５を形成する。そして、形成されたｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５に、受光部に相当する部分とするために凹部を、ＤＢＲ層９ａ、同９ｂの間、および同１０ａ、同１０ｂの間に対応して加工・形成する。
【００３５】
さらに、この加工・形成された凹部を埋め込むようにｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６を形成する。これにより、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６は、ＤＢＲ層９ａ、同９ｂの間、および同１０ａ、同１０ｂの間に対応して部分的に層厚（吸収層厚）が厚く形成される。続いて、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６上にｎ−ＩｎＰウインドウ層７をＭＯＣＶＤ法等の成膜技術を用いて結晶成長させる。
【００３６】
次に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２に達するように、上記形成された積層構造の一部領域をエッチング除去する。この一部領域は、ＤＢＲ層９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５の凹部が含まれないよう選ばれる。そして、上面およびエッチングの側面、底面に例えばＳｉＮｘからなる膜１３を形成する。
【００３７】
次に、ＤＢＲ層９ａ、同９ｂの間、および同１０ａ、同１０ｂの間に対応して膜１３を除去し、ｎ−ＩｎＰウインドウ層７にＺｎを拡散してｐ＋領域８を形成する。形成されたｐ＋領域８上には、電極として、Ｐ電極１１ａ、１１ｂを形成する。また、エッチング底面上の膜１３の一部を除去し、その部分にＮ電極１２を形成する。さらに、光の入射面に反射防止膜１４を形成する。以上により図１に示す受光素子が製造される。
【００３８】
このような構造の受光素子は、ＤＢＲ層９ｂが、導波路層（導波路層はコア層４、クラッド層３、５からなる）を通過する光をその波長に依存して反射または透過する反射層となる。ＤＢＲ層１０ｂは、ＤＢＲ層９ｂを透過した光を反射する第２の反射層である。また、ＤＢＲ層９ａがＤＢＲ層９ｂに反射された光をＤＢＲ層９ｂに帰還するよう反射する再反射層である。さらに、ＤＢＲ層１０ａがＤＢＲ層１０ｂに反射された光をＤＢＲ層１０ｂに帰還するよう反射する再反射層である。
【００３９】
本実施形態の受光素子によれば、導波路層に設けられた反射層としてのＤＢＲ層９ｂを介して複数の光電変換部を配置することができる。この反射層は波長依存性を有しており光の波長により反射または透過する。したがって、反射層を挟んで異なる波長に相当する導波路層とすることができ、さらに導波路層近傍に設けられる光吸収層６によりそれらの波長に対応してそれぞれ光電変換を行なうことができる。
【００４０】
また、導波路層に入射した波長１．３μｍの光（短波長側の光）はＤＢＲ層９ａ、９ｂにより繰り返し反射し、これにより、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５に凹部を形成したことによって厚く形成された光吸収層６の部分で効率よく吸収され光電変換される。また、波長１．５５μｍの光（長波長側の光）は、ＤＢＲ層９ａ、９ｂの奥に形成されたＤＢＲ層１０ａ、１０ｂと、光吸収層６とにより同様に効率よく光電変換される。
【００４１】
実際に製造して試験したところでは、１．３μｍと１．５５μｍとの混合光を入射させ、それぞれ５０％、６０％の変換効率で光電変換が可能であった。なお、以上の説明は、ＰＤ（ｐｈｏｔｏ  ｄｉｏｄｅ）タイプの受光素子を例に挙げているが、同様にＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏ  ｄｉｏｄｅ）タイプの受光素子にも適用可能である。波長に関しても２波長に限らず適用可能である。すなわち、ＤＢＲ層１０ｂの奥にさらにＤＢＲ層を設ける構成とすることもできる。また、反射層にはＤＢＲ層ではないものを用いてもよい。材料系に関しても、ＩｎＰ系やＧａＡｓ系の化合物半導体に限らず、ＳｉやＧａＮ系の半導体、化合物半導体でも適用可能である。
【００４２】
次に、本発明の別の実施形態に係る受光素子について図２ないし図４を参照して説明する。図２は、本発明の別の実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図である。この受光素子は、波長８５０ｎｍと波長１３００ｎｍ（１．３μｍ）の混合光が入射し、これらの波長ごとに分離的に電気信号として検出するものである。
【００４３】
構成を説明するに、半絶縁性のＧａＡｓ基板１５上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１６が、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６上にバンドギャップ波長が入射光波長より短い光ガイド層としてのｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ａ、１７ｂ（バンドギャップとしてはガイド層１７ａがガイド層１７ｂより大）が、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ｂ上にバンドギャップ波長が入射光波長より長いｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層１８が、ｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層１８上にバンドギャップ波長が入射光波長より短いｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９が、それぞれ形成されている。ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ｂ、ｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層１８、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９は、いわゆるｐｉｎ構造である。
【００４４】
これらのｎ−ＧａＡｓバッファ層１６、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ａ、１７ｂ、ｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層１８、およびｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９には形成領域の違いがあり、この違いにより、ＧａＡｓ基板１５が上面側となる部位（図２では図示せず）、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６が上面側となる部位（同）、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ｂが上面側となる部位（図で左部）とが存在する。ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９まで形成された部位に対応して短波長の光の検出・光電変換の領域となる。
【００４５】
光の入射は、ガイド層１７ａ、１７ｂの図で左側端面からなされ右方向に伝播する。ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ａ、１７ｂ、ｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層１８、およびｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９の各右端面には、この入射した光を上方向に反射する反射面３０が傾斜して連続的に形成されている。
【００４６】
また、この上方向に反射された光が到達する位置であってｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９の上には、さらにＩｎＧａＡｓＰ接着層２０が、ＩｎＧａＡｓＰ接着層２０上にはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰからなる波長選択用のＤＢＲ層２１が、ＤＢＲ層２１上にはｎ−ＩｎＰクラッド層２２が、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２上にはｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３が、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３上にはｐ−ＩｎＰクラッド層２４が、それぞれ形成されている。
【００４７】
ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４は、ＩｎＧａＡｓＰ接着層２０、ＤＢＲ層２１、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２と形成領域が異なり、図示するようにｎ−ＩｎＰクラッド層２２が上面側となる部位が存在する。ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４はいわゆるｐｉｎ構造である。
【００４８】
また、上記反射面３０の後ろ側には、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２の上面と同じ高さになるまでにポリイミド膜３１が充填・形成されている。さらに、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９が上面となっている部位にはＰ電極２５が、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６が上面となっている部位にはＮ電極（図２では図示せず）が、それぞれ形成される。これらの電極は、ｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層１８で発生するキャリアによる電流の取り出し電極である。
【００４９】
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４の上面にはＰ電極２６が、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２が上面となっている部位にはＮ電極２７が、それぞれ形成される。これらの電極は、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３で発生するキャリアによる電流の取り出し電極である。さらに、Ｐ電極２５、２６、Ｎ電極２７等を除くそれらを囲む表面は、例えばＳｉＮｘからなるパッシベーション膜２９によって覆われている。
【００５０】
次に、図２に示す受光素子の製造手順について概略的に説明する。まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板１５を用意し、用意された半絶縁性ＧａＡｓ基板１５上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１６、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ａ、同１７ｂ、ｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層１８、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９を、順次ＭＯＣＶＤ法等の成膜技術を用いて結晶成長させる。
【００５１】
また、並行して、図３に示すような、基板上に形成された積層構造を用意する。図３は、図２に示す受光素子を製造するのに必要な別基板による積層構造を模式的に示す構成図である。すなわち、ｐ−ＩｎＰ基板３３上にｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、波長選択用ＤＢＲ層２１、ＩｎＧａＡｓＰ接着層２０を、順次ＭＯＣＶＤ法等の成膜技術を用いて結晶成長させる。
【００５２】
そして次に、半絶縁性ＧａＡｓ基板１５上の上記積層構造と図３に示す積層構造とを、両基板１５、３３が外側になるようにして対向接触させこれらを接着させる。この接着には、例えばＰを含む雰囲気中で約７３０℃のアニールを行なう。接着後にｐ−ＩｎＰ基板３３は除去する。
【００５３】
次に、接着形成された、基板１５上のｎ−ＧａＡｓバッファ層１６からｐ−ＩｎＰクラッド層２４までの構造に対して複数回の深さの異なる例えばＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）などのエッチングを行ないメサ構造を形成する。すなわち、このエッチングで、最初にｎ−ＩｎＰクラッド層２２の露出部位（図示の通り）を形成し、次にｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９の露出部位（図示の通り）を形成する。次に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６からｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９までの層を図示するように逆メサが形成されるようにエッチング、除去する。これには、Ｂｒ系のエッチャントを用いこれらの層の＜０１１＞方向にエッチングを行なう。この＜０１１＞方向のエッチングは他の公知の方法を用いてもよい。
【００５４】
さらに、ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ｂの露出部位（図示の通り）を形成し、次にｎ−ＧａＡｓバッファ層１６の露出部位（図示せず）を形成し、最後に半絶縁性ＧａＡｓ基板１５の露出部位（図示せず）を形成する。ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６からｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９の積層部分であって、逆メサ形状にエッチングされた端面は反射面３０となる。反射面３０の後ろ側には、クラッド層２２の上面と同じ高さになるまでにポリイミド膜３１を充填・形成する。
【００５５】
以上の工程により残存した光吸収層１８が短波長側の光検出・光電変換部位になる。ガイド層１７ｂが露出した領域は光検出・光電変換部位に光を導波する受動導波部になる。接着部分の残存した領域は、長波長側の光検出・光電変換部位、およびＮ電極２７を形成するためのｎ−ＩｎＰクラッド層２２の露出した領域になる。なお、以上のメサ構造形成後にエッチングの側面、底面を含めて表面に例えばＳｉＮｘからなるパッシベーション膜２９を形成する。
【００５６】
次に、電極形成のため、パッシベーション膜２９の一部をエッチング除去して、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１９上にＰ電極２５を、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４上にＰ電極２６を、それぞれ形成する。Ｐ電極２５、２６には、ＡｕＺｎアロイを用いることができる。また、同様にパッシベーション膜２９の一部をエッチング除去して、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２上にＮ電極２７を、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６上にＮ電極（図２では図示せず）を、それぞれ形成する。これらのＮ電極には、ＡｕＧｅアロイ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造を用いることができる。
【００５７】
図４は、以上のようにして製造された受光素子を上方向から見た状態として概略的に示す図である。図４において、すでに説明した部位と同一のものには同一符号を付してある。図４では、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１６上に形成されたＮ電極３２が示されている。また、Ｐ電極２５、２６、Ｎ電極２７、３２は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造のパターンが接続され、全体として図４に示すように形状にされている。なお、基板１５上に形成された積層構造をへきかいして分離し複数の受光素子とした後には、その露出面に例えばＳｉＮｘからなる反射防止膜２８を被覆しておく。以上により図２に示す受光素子が製造される。
【００５８】
この実施形態の受光素子では、光吸収層１８を有する導波路型の光電変換部で光を光電変換し、さらに、導波路への光の入射方向と異なる方向に光を伝播させる反射面３０を設けて反射後の光についても光吸収層２３で別の光電変換をする。よって、複数の波長の信号光を分離して光電変換することができる。
【００５９】
より具体的には、端面から入射した短波長側の光（８５０ｎｍ）はガイド層１７ｂに沿って伝播して光吸収層１８で光電変換される。長波長側の光（１３００ｎｍ）は、光吸収層１８では吸収を受けずに反射面３０に伝播する。反射面３０では基板１５から離れる方向に反射され、さらに波長選択用のＤＢＲ層２１に達してこれを透過したあと光吸収層ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３で光電変換される。
【００６０】
このような原理に加えて、Ｐ電極２６を高反射膜、反射防止膜２８を波長１３００ｎｍに対する反射率が適当なのもであるとした場合には、これらの膜の間で波長１３００ｎｍの光が多重反射し光吸収層２３の領域を往復することになる。これにより光電変換効率はなお向上する。このような効率の向上は、短波長側の光（８５０ｎｍ）においても、ＤＢＲ層２１と反射防止膜２８との間で多重反射を生じしめることで達成される。
【００６１】
また、この実施形態では、異なる材料系を用いなければ検出できないような波長の差の大きい混合光の場合でも受光素子が容易に単一的に集積化できる。すなわち、基板張り合わせ技術を使うことで、結晶成長が不可能な異なる材料の組み合わせによる集積化を容易に信頼性高く行なうことができる。
【００６２】
この実施形態もＰＤタイプの受光素子のみならず、ＡＰＤタイプの受光素子にも適用可能である。波長に関しても２波長に限らず適用可能である。すなわち、例えばｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３をより短波長のバンドギャップを有するｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層としておいて、より長波長のバンドギャップを有するｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層光吸収層、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４のような積層構造をこの上にさらに積み重ねるように形成すればよい。なお、ＤＢＲ層２１は波長選択性を有するものであれば他のものを用いてもよい。材料系に関しても、ＩｎＰ系やＧａＡｓ系の化合物半導体に限らず、ＳｉやＧａＮ系の半導体、化合物半導体でも適用可能である。
【００６３】
次に、本発明のさらに別の実施形態に係る受光素子について図５を参照して説明する。図５は、本発明のさらに別の実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図である。同図において、すでに説明した構成要素と同一のものには同一符号を付してある。この受光素子の図２に示した受光素子との違いは、入射光の反射後になされる光吸収・光電変換を基板３４の裏面側に設けられた構造により行なうようにしたことである。
【００６４】
すなわち、この場合には、基板として半絶縁性ＧａＰ基板３４を用い、半絶縁性ＧａＰ基板３４とガイド層１７ａとの接合はＩｎＧａＰ接着層３６を介してなされる。また、半絶縁性ＧａＰ基板３４の裏面側でのＤＢＲ層２１との接合はＩｎＧａＡｌＰ接着層３５を介してなされる。
【００６５】
この受光素子でも、例えば波長８５０ｎｍと波長１３００ｎｍの混合光が入射し、これらの波長ごとに分離的に電気信号として検出することができる。電気信号として取り出される電極も、波長８５０ｎｍに対応してＰ電極２５、Ｎ電極３２、波長１３００ｎｍに対応してＰ電極２６、Ｎ電極２７と、図２に示した実施形態の場合と同様である。
【００６６】
図５に示す受光素子では、検出する光が基板３４を厚さ方向に通過する構成となるが、この通過する光の波長に対してＧａＰ基板３４がより短波長側までほとんど透明であり光電変換の効率を劣化させることはない。
【００６７】
次に、本発明のさらに別の実施形態に係る受光素子について図６、図７を参照して説明する。図６は、本発明のさらに別の実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図である。同図において、すでに説明した構成要素と同一相当のものには同一符号を付してある。この受光素子の図２に示した受光素子との違いは、図示するように、光の入射を端面ではなく層の主面に対して垂直方向に行なうようにしたことである。
【００６８】
このため、短波長側の光検出・光電変換が面型タイプの素子部分で、長波長側の光検出・光電変換が導波路型タイプの素子部分で、それぞれなされ、図２に示したものとは反対になる（材料系も同様に反対になる）。構造的には、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４とｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層１７ａとの接合がＩｎＧａＰ接着層３６を介してなされる。また、半絶縁性ＩｎＰ基板１と波長選択用のＤＢＲ層２１との接合は、ＤＢＲ層２１上に形成された高反射膜３９を介してＩｎＧａＡｌＰ接着層３５によりなされる。
【００６９】
さらに、Ｐ電極２６ａは環状になっており環内側が光の入射部となる。この環内側には例えばＳｉＮｘからなる反射防止膜２６が形成される。また、光吸収層１８を通過し反射面３０により反射される光が散乱しやすいので、Ｐ電極３８を高反射のものとし、同様に接着層３５上にも高反射膜３９を設け、端面を被覆する膜３７にも高反射のものを用いている。これらの高反射膜により、散乱した光による光吸収層２３での光検出・光電変換を行ない変換効率の改善を図っている。
【００７０】
図７は、図６に示す受光素子を上方向から見た状態として概略的に示す図である。図７において、すでに説明した部位と同一のものには同一符号を付してある。図７では、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２上に形成されたＮ電極３２が示されている。
【００７１】
図６、図７に示す受光素子では、面型（面入射型）の光電変換部で光を光電変換し、さらに、この入射光の方向と異なる方向に光を伝播させる反射面３０を設けて反射後の光についても導波路型の光電変換部により別の光電変換をする。よって、多波長の信号光を高効率で分離して光電変換することが可能になる。また、光のもともとの入射部が層の端面ではなく主面となるので光結合が容易になる。
【００７２】
以上説明したように、各実施形態の受光素子は、複数の波長の混合光を波長ごとに電気信号として検出し取り出すことができる。また、集積型の半導体装置として製作容易に構成できかつ変換効率を確保することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、多波長の信号光を分離的に光電変換することが可能な受光素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図。
【図２】本発明の別の実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図。
【図３】図２に示す受光素子を製造するのに必要な別基板による積層構造を模式的に示す構成図。
【図４】図２に示す受光素子を上方向から見た状態として概略的に示す図。
【図５】本発明のさらに別の実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図。
【図６】本発明のさらに別の実施形態に係る受光素子を模式的に示す構造図。
【図７】図６に示す受光素子を上方向から見た状態として概略的に示す図。
【図８】一般的な導波路型受光素子の構成を模式的に示す斜視図。
【符号の説明】
１…半絶縁性ＩｎＰ基板  ２…ｎ−ＩｎＰバッファ層  ３…ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層  ４…ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコア層  ５…ｎ−ＩｎＧａＡｓＰクラッド層  ６…ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層  ７…ｎ−ＩｎＰウィンドウ層  ８…ｐ＋領域  ９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ…ＤＢＲ層  １１ａ、１１ｂ…Ｐ電極  １２…Ｎ電極  １３…膜（ＳｉＮｘ膜）  １４…反射防止膜  １５…半絶縁性ＧａＡｓ基板  １６…ｎ−ＧａＡｓバッファ層  １７ａ、１７ｂ…ＡｌＧａＡｓガイド層  １８…ｉ−（Ａｌ）ＧａＡｓ光吸収層  １９…ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２０…ＩｎＧａＡｓＰ接着層  ２１…ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ波長選択用ＤＢＲ層  ２２…ｎ−ＩｎＰクラッド層  ２３…ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層  ２４…ｐ−ＩｎＰクラッド層  ２５、２６、２６ａ…Ｐ電極  ２７、３２…Ｎ電極  ２８…反射防止膜  ２９…パッシベーション膜  ３０…反射面  ３１…ポリイミド膜  ３３…ｐ−ＩｎＰ基板  ３４…半絶縁性ＧａＰ基板  ３５…ＩｎＧａＡｌＰ接着層  ３６…ＩｎＧａＰ接着層  ３７…膜（高反射膜）  ３８…高反射のＰ電極  ３９…高反射膜
【図１】
2004319916.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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