(57)【要約】【課題】  比較的簡便な構造で受光感度を高めるとともに、高い応答速度を維持することができる受光素子を提供する。【解決手段】  基板１０と、基板１０上に配置され、低屈折率層２４と高屈折率層２２とが単位周期として交互に積層され、低屈折率層２４及び高屈折率層２２の少なくとも一方が半導体層からなる光吸収層である多層膜２０と、多層膜２０の内部に埋め込まれた部分を有し、当該部分が多層膜２０内で対向する少なくとも１対の電極３２，３４と、を含む、ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）構造の受光素子である。多層膜２０は、フォトニックバンドのバンド端に対応する波長帯と光吸収層の吸収波長帯の少なくとも一部とが重なるように形成され、光吸収層の吸収波長帯に属する所定波長の入射光Ｐｉｎの群速度を遅延させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置され、低屈折層と高屈折層とが単位周期として交互に積層され、前記低屈折率層及び前記高屈折率層の少なくとも一方が半導体からなる光吸収層である多層膜と、
前記多層膜の内部に埋め込まれた部分を有し、当該部分が前記多層膜内で対向する少なくとも１対の電極と、
を含む、ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）構造の受光素子であって、
前記多層膜は、フォトニックバンドのバンド端に対応する波長帯と前記光吸収層の吸収波長帯の少なくとも一部とが重なるように形成され、前記光吸収層の吸収波長帯に属する所定波長の入射光の群速度を遅延させる、受光素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記基板上に複数の前記多層膜が積層され、
前記電極が複数の前記多層膜に対応して複数対設けられており、
複数の前記多層膜は、フォトニックバンドのバンド端が互いに異なるように形成され、それぞれ異なる波長の光の群速度を遅延させる、受光素子。
【請求項３】
請求項２において、
複数の前記多層膜のフォトニックバンドギャップの長波長側端部が光入射面側から前記基板側にかけて段階的に長波長側にシフトしている、受光素子。
【請求項４】
請求項２において、
複数の前記多層膜のフォトニックバンドギャップの短波長側端部が光入射面側から前記基板側にかけて段階的に短波長側にシフトしている、受光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記多層膜の光入射面側の終端層が前記低屈折率層であって、
前記終端層は、前記入射光を反射しないように層厚が設定されて形成される、受光素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記光吸収層が間接遷移型半導体からなる、受光素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記低屈折率層が酸化物あるいは窒化物からなる、受光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記多層膜と前記基板との間に多層反射膜を有する、受光素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記電極は、平面形状が櫛形である、受光素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の受光素子を含む、光モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光モジュールを含む、光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）構造を有する受光素子、光モジュール及び光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＳＭ型フォトダイオードは、櫛形電極を用いることで、低電圧で高い電界を光吸収層に印加するとともに、電子の走行距離を短くすることで、高速応答を実現している。そのため、ＭＳＭ型フォトダイオードは、光伝送システム、光インターコネクションなどの受光素子として有望である。
【０００３】
しかし、ＭＳＭ型フォトダイオードは、受光面が電極に覆われる構造を有するために、高い受光感度を得ることが難しい。このため、光吸収層を超格子構造にする、あるいは光吸収層の下部を分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ）構造にするなど、高受光感度化するための工夫が行われてきた。ただし、超格子構造を用いる場合、材料同士の格子定数の不整合性により、各層の厚さは非常に薄くなっている。そのため、超格子構造では、十分な感度を得るためにかなりの層数が必要となり製造工数が多くなる。また、光吸収層の下部にＤＢＲ構造を有するものは、受光感度の点では良好であるが、波長分波構造を内蔵することができない。これは、反射膜を用いる場合、ある程度広い帯域の光を全て反射してしまうためである。従って、入射光に複数の波長の光が多重化されている場合、波長分波素子を別途設ける必要があり、素子数の増加による製造工数の増加や、素子間の位置合わせ精度への要求なども生じる。
【特許文献１】特開平５−３１５６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡便な構造で受光感度を高めるとともに、高い応答速度を維持することができる受光素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記受光素子を用いた光モジュールやこれを用いた光伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明は、基板と、前記基板上に配置され、低屈折率層と高屈折率層とが単位周期として交互に積層され、前記低屈折率層及び前記高屈折率層の少なくとも一方が半導体からなる光吸収層である多層膜と、前記多層膜の内部に埋め込まれた部分を有し、当該部分が前記多層膜内で対向する少なくとも１対の電極と、を含む、ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）構造の受光素子であって、前記多層膜は、フォトニックバンドのバンド端に対応する波長帯と前記光吸収層の吸収波長帯の少なくとも一部とが重なるように形成され、前記光吸収層の吸収波長帯に属する所定波長の入射光の群速度を遅延させる受光素子に関するものである。
【０００６】
本発明によれば、多層膜が低屈折率の層と高屈折率の層の周期構造であるため、１次元フォトニック結晶構造を有しており、積層方向において、ある波長帯の光の伝搬を禁止するフォトニックバンドギャップが生ずる。フォトニック結晶構造では、フォトニックバンドのバンド端において、光子の状態密度が高くなって群速度が遅延する。すなわち、本発明では、多層膜を光遅延膜として導入し、それ自体に光を吸収する機能を持たせており、光が光吸収層に留まる時間を通常の数倍以上に延ばすことで、感度を向上させることができる。また、本発明では、ＭＳＭ型構造を有することにより、光の進行方向と電子の走行方向を別方向にし、電子は半導体層を走行するため、比較的低抵抗であり、高い応答速度を十分に維持することができる。
【０００７】
（２）本発明の受光素子では、前記基板上に複数の前記多層膜が積層され、前記電極が複数の前記多層膜に対応して複数対設けられており、複数の前記多層膜は、フォトニックバンドのバンド端が互いに異なるように形成され、それぞれ異なる波長の光の群速度を遅延させることができる。フォトニック結晶構造における光の低群速度効果は、多層膜内における入射光の多重反射で実現される。このため、多層膜の単位周期の数や厚さで決定される特定の波長のみが低群速度効果の影響を強く受ける。すなわち、この態様における複数の多層膜は、それぞれフォトニックバンドのバンド端が互いに異なるように形成されるために、低群速度効果の大きい波長の光に対して高感度となる波長領域が異なり、いわゆる波長選択性を持つようになる。従って、この態様によれば、各多層膜は、選択波長以外の光は選択波長の光に比して透過しやすいため、入射光に複数の波長の光が含まれる場合であっても、これを各多層膜で分波しつつ受光することができるようになる。
【０００８】
（３）本発明の受光素子では、複数の前記多層膜のフォトニックバンドギャップの長波長側端部が光入射面側から前記基板側にかけて段階的に長波長側にシフトしていてもよい。このようにすれば、複数の異なる波長の光が入射光に含まれる場合に、光入射面側から基板側にかけて波長の短い光から順次多層膜に吸収させていくことができる。
【０００９】
（４）本発明の受光素子では、複数の前記多層膜のフォトニックバンドギャップの短波長側端部が光入射面側から前記基板側にかけて段階的に短波長側にシフトしていてもよい。このようにすれば、複数の異なる波長の光が入射光に含まれる場合に、光入射面側から基板側にかけて波長の長い光から順次多層膜に吸収させていくことができる。
【００１０】
（５）本発明の受光素子では、前記多層膜の光入射面側の終端層が前記低屈折率層であって、前記終端層は、前記入射光を反射しないように層厚が設定されて形成されていてもよい。このようにすれば、多層膜の光入射面側の終端層が無反射コート層となるので、入射光の前面反射を防ぐことができ、素子の内部に多くの入射光を取り込むことができるようになる。
【００１１】
（６）本発明の受光素子では、前記光吸収層が間接遷移型半導体から形成されていてもよい。このようにすれば、群速度の遅延の少ない波長の光吸収を低減させることができるため、吸収波長の異なる多層膜を多段に設ける場合に特に有用である。
【００１２】
（７）本発明の受光素子では、前記低屈折率層が酸化物あるいは窒化物などの絶縁体から形成されていてもよい。酸化物や窒化物には屈折率の低いものが多いため、これを用いて多層膜を形成すれば、半導体からなる光吸収層との屈折率差を大きくすることができ、光の群速度の遅延効果を比較的少数の積層膜で得ることができる。
【００１３】
（８）本発明の受光素子では、前記多層膜と前記基板との間に多層反射膜を有していてもよい。このようにすれば、たとえ多層膜に吸収されずに通過する光があっても、多層反射膜の戻り光を多層膜で吸収させることができるようになるため、受光効率を向上させることができる。
【００１４】
（９）本発明の受光素子では、前記電極は、平面形状が櫛形であってもよい。このようにすれば、電極間の距離を短縮しつつ、その対向面積を増やすことができるため、高い応答速度を得ることができるとともに、受光効率を向上させることができる。
【００１５】
（１０）また、本発明は、上記受光素子を含む光モジュールや当該光モジュールを利用した光伝送装置に適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
１．受光素子及びその製造方法
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る受光素子を模式的に示す図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ線断面を示す図である。
【００１８】
本実施の形態の受光素子は、図１（Ａ）に示すように、半導体基板１０上に多層膜２０が配置されていて、図１（Ｂ）に示すように、多層膜２０の内部に埋め込まれた部分を有し、当該部分が多層膜２０の内部で対向している１対の電極３２,３４からなるＭＳＭ型フォトダイオードである。この受光素子は、一対の電極３２,３４が多層膜２０から露出している面を光入射面とし、当該光入射面から入射光Ｐｉｎを受け入れて、多層膜２０において光を検出するものである。
【００１９】
電極３２，３４は、金属からなり平面形状が櫛形であることが好ましい。このようにすれば、電極３２，３４間の距離を短縮しつつ、その対向面積を増やすことができるため、高い応答速度を得ることができるとともに、受光効率を向上させることができる。
【００２０】
なお、本実施の形態の受光素子は、多層膜２０の下部に（あるいは多層膜２０と基板１０との間に）、誘電体あるいは半導体からなる多層反射膜が設けられていてもよい。このようにすれば、多層反射膜の戻り光を多層膜２０で吸収させることができるようになるため、受光効率を向上させることができる。
【００２１】
また、入射光Ｐｉｎを多層膜２０の内部により多く取り込むためには、光入射面における入射光Ｐｉｎの前面反射を防ぐことが効果的であり、例えば、多層膜２０の光入射面側の終端層を低屈折率層２４として、入射光Ｐｉｎを反射しないように終端層の層厚が設定されて形成されることが好ましい。このとき、低屈折率層２４の屈折率をｎ１とし、入射光Ｐｉｎの波長をλとした場合、終端層の層厚を、λ／４ｎ１となるように設定することができる。また、入射光Ｐｉｎが空気（屈折率ｎ０＝１．０）から入射する場合、高屈折率層２２の屈折率をｎ２とすると、ｎ０＜ｎ１＜ｎ２であって、ｎ１≒√ｎ０・√ｎ２＝√ｎ２となることが望ましい。
【００２２】
多層膜２０は、高屈折率層２２と低屈折率層２４とを単位周期として交互に複数周期が積層された１次元のフォトニック結晶構造を有する。高屈折率層２２は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど吸収波長帯に応じた半導体材料を用いて形成することで光吸収層として機能させることができる。特に３元系以上の化合物半導体では、その組成を調整することにより異なるバンドギャップエネルギーを持つように形成することができるため、吸収波長帯を多層膜２０のフォトニックバンドの構造に合わせて設定して光吸収層を形成するのに適している。また、低屈折率層２４は、例えば、ＳｉＯ２、ＡｌｘＯｙなどの酸化物やＳｉＮなどの窒化物などの絶縁体から形成することができる。なお、多層膜２０においては、高屈折率層２２が光吸収層となる場合に限られず、低屈折率層２４が光吸収層となるように形成されていもよい。また、多層膜２０においては、高屈折率層２２あるいは低屈折率層２４のいずれかが光吸収層となる場合に限られず、双方が光吸収機能を有していてもよい。
【００２３】
また、一般的に図２（Ａ）に示すような周期的な屈折率分布を有する多層膜は、図２（Ｂ）に示すようなフォトニックバンド構造を有する。このような周期的な屈折率分布は、１次元フォトニック結晶と称され、ある特定の周波数域（波長域）の光が伝搬できない、さらには存在され許されないフォトニックバンドギャップＰＢＧが形成される。また、図２（Ｂ）に示すバンド分散曲線におけるフォトニックバンドのバンド端Ｂ．Ｅ．では、光は多重反射を繰り返しつつ徐々に進行するため、多層膜２０に存在する時間が長くなり、光の群速度が小さくなる。フォトニックバンドの構造を表すバンド分散曲線では、曲線の傾きが群速度の大きさを示しており、その傾きはバンドギャップＰＢＧに近づくほど小さくなる。すなわち、フォトニックバンドのバンド端Ｂ．Ｅ．に対応する波長帯の光は、他の波長帯の光に比べて多層膜内において群速度が遅延するといえる。
【００２４】
本実施形態の受光素子では、多層膜２０に関してフォトニックバンドのバンド端に対応する遅延波長帯と、高屈折率層２２及び低屈折率層２４の少なくともいずれか一方により実現される光吸収層の吸収波長帯の少なくとも一部とが重なるように形成される。これにより、遅延波長帯と吸収波長帯とのいずれにも属する波長の光を入射光Ｐｉｎとすれば、入射光Ｐｉｎを多層膜２０のフォトニックバンドのバンド端を用いた群速度遅延効果により、光が多層膜２０内に留まる時間を通常のＭＳＭ型フォトダイオードの数倍以上に延ばすことで、多くの光を高屈折率層２２及び低屈折率層２４の少なくとも一方からなる光吸収層で吸収させて受光感度を向上させることができる。
【００２５】
すなわち、本実施の形態の受光素子では、多層膜２０が、所定波長の光の群速度を遅延させる機能と、光を吸収する機能とを併せ持つことにより、従来のＭＳＭ型フォトダイオードに比べて受光効率を大幅に高めることができる。特に、本実施の形態では、低屈折率層２４を酸化物や窒化物で形成し、高屈折率層２２を半導体材料からなる光吸収層として形成したことにより、両者の屈折率差を大きくすることができるため、多層膜２０の単位周期数を多くしなくとも十分な群速度遅延効果を得ることができる。そして、本実施形態の受光素子は、簡便な構造で実現することができるため、作製工程が少なく資源の消費量も節約することができる。
【００２６】
また、本実施の形態の受光素子は、ＭＳＭ型フォトダイオードであって多層膜２０に入射された光の進行方向と光吸収により生じる電子の走行方向とが異なっており、電子は高屈折率層２２及び低屈折率層２４のうち半導体材料からなる比較的低抵抗な高屈折率層２２からなる光吸収層側を走行するため、高い応答速度を維持することができる。
【００２７】
また、フォトニックバンドのバンド端で生じる光の群速度遅延は、多層膜２０内における光の多重反射で実現される。このため、多層膜２０の単位周期の長さや単位周期の数で決定される特定の波長のみがバンド端による群速度遅延の影響を強く受ける。そのため、異なるフォトニックバンドを有する多層膜２０を複数設けることで、群速度遅延効果の大きい波長の感度のみが大きくなり、波長選択性を有する受光素子が実現される。この場合、多層膜ごとに決定される選択波長の光は高屈折率層２２及び低屈折率層２４の少なくとも一方からなる光吸収層で吸収され、選択波長以外の光は透過しやすくなる。このようにして、本実施の形態によれば、入射光Ｐｉｎに複数の異なる波長の光が含まれる場合であっても、波長分波をしながら各多層膜で選択波長の光を優先的に受光可能な素子を実現することができる。
【００２８】
図３に、入射光Ｐｉｎに異なる２つの波長の光が含まれる場合に、波長ごとに受光させる場合の層構造の例を示す。この受光素子では、第１の多層膜２０ａと第２の多層膜２０ｂとでフォトニックバンドのバンド端が互いに異なるように形成され、入射光Ｐｉｎに含まれる複数の異なる波長を分波しつつ受光することができる。なお、図３に示すように、第１の多層膜２０ａと第２の多層膜２０ｂとの間には、絶縁性材料からなる分離層４０を設けることが望ましい。また、図３では、各多層膜２０ａ，２０ｂごとに電極対３２ａ，３４ａと電極対３２ｂ，３４ｂを設ける例を示したが、各多層膜間でいずれか一つが共通電極として形成されていてもよい。また、入射光Ｐｉｎに複数の異なる波長の光を分波受光させる場合には、単位周期の数や厚さなどが異なるように各多層膜を形成する、あるいは光吸収層の材料組成を変えることにより屈折率を変化させて形成したりすればよい。また、３つ以上の異なる波長の光を分波しながら受光する構成についても上記した２つの波長を分波受光する場合と同様の考え方で実現することができる。
【００２９】
また、波長分波を行いながら受光をするためには、第１の多層膜２０ａと第２の多層膜２０ｂとは、それぞれのフォトニックバンドギャップとの関係で以下のように膜が設計されることが好ましい。まず、図４（Ａ）〜図４（Ｄ）には、第１の多層膜２０ａのフォトニックバンドギャップＰＢＧ１と第２の多層膜２０ｂのフォトニックバンドギャップＰＢＧ２とに対応する波長域が全く重ならないように形成された場合の受光波長λ１，λ２の態様が示されている。この場合、第１の多層膜２０ａで吸収されるべき光の波長λ１と第２の多層膜２０ｂで吸収されるべき光の波長λ２とは、各多層膜のフォトニックバンドの長波長側及び短波長側のいずれの側のバンド端を用いてもよい。すなわち、第１の多層膜２０ａのフォトニックバンドギャップＰＢＧ１と第２の多層膜２０ｂのフォトニックバンドギャップＰＢＧ２との波長域が重ならなければ、吸収波長域の設定自由度を高くすることができる。なお、図４（Ａ）〜図４（Ｄ）では、フォトニックバンドギャップの端部が光の入射面側から基板側にかけて短波長側にシフトしているが、同様にフォトニックバンドギャップの端部が光の入射面側から基板側にかけて長波長側にシフトしていてもよい。このようにすれば、入射光を長波長側あるいは短波長側から順次群速度が遅延する特定の波長の光のみを多層膜で吸収してその余の波長域の光を透過させることにより、複数の異なる波長の光が含まれる入射光を分波しながら受光する受光素子を実現することができる。
【００３０】
次に、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）には、第１の多層膜２０ａのフォトニックバンドギャップＰＢＧ１と第２の多層膜２０ｂのフォトニックバンドギャップＰＢＧ２との波長域が一部重複している場合について説明する。図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、フォトニックバンドギャップの端部が短波長側にシフトしている場合を示しているが、長波長側にシフトする場合にも下記に示す手法を同様に適用することができる。まず、図５（Ａ）に示すように、第１の多層膜２０ａの短波長側のフォトニックバンドのバンド端を吸収波長λ１とし、第２の多層膜２０ｂの短波長側のフォトニックバンドのバンド端を吸収波長λ２とした場合には、第１の多層膜２０ａで波長λ１の光が吸収され、たとえ波長λ１の光の一部が第１の多層膜２０ａを透過してしまっても、第２の多層膜２０ｂのフォトニックバンドギャップＰＢＧ２により反射されて第１の多層膜２０ａで再度吸収させることができる。また、波長λ２の光は、第１の多層膜２０ａでは群速度が遅延しないため、ほとんど吸収されずに第１の多層膜２０ａを透過して第２の多層膜２０ｂに入射される。第２の多層膜２０ｂでは、波長λ２の光がフォトニックバンドのバンド端に含まれるように形成されているため、群速度が遅延して効率よく吸収されることになる。また、図５（Ｂ）においては、図５（Ａ）に示す場合のように、波長λ１の光の一部が第１の多層膜２０ａを透過してしまった場合でも、第２の多層膜２０ｂのフォトニックバンドギャップＰＢＧ２による反射によって再度第１の多層膜２０ａ側に戻すことはできないが、波長λ１，λ２の光を第１，第２の多層膜２０ａ，２０ｂで順次吸収させることができる。
【００３１】
しかし、図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）に示すように、第１，第２の多層膜２０ａ，２０ｂのフォトニックバンドギャップＰＢＧ１，ＰＢＧ２と吸収波長域λ１，λ２との関係が設定されると、波長λ１，λ２の光を分波しながら受光することはできない。なぜなら、これらの場合は、波長λ２の光がいずれの場合にも、第１の多層膜２０ａのフォトニックバンドギャップＰＢＧ１により反射されてしまい、多層膜の内部に光を取り込むことができなくなるためである。このような場合も、入射面からみた多層膜の積層順序を逆にすれば、問題なく分波受光をすることができる。従って、多層膜を複数設ける際に、フォトニックバンドギャップが一部重複してしまうような場合には、吸収波長域や積層順序との関係を十分に考慮する必要がある。
【００３２】
次に、図１に示す受光素子を例にとり、素子の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、図６（Ａ）に示すように、半導体基板１０上に半導体からなる高屈折率層２２と後工程で低屈折率層２４となる半導体層２３を交互にエピタキシャル成長して多層膜２５を形成する。エピタキシャル成長法としては、例えば、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などが挙げられる。次に、図６（Ｂ）に示すように、電極を形成するため埋め込み部分を設けるために、多層膜２５を電極の形状（例えば、櫛形）に合わせて所与の深さまでパターニングする。パターニングは、例えば、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などを用いることができる。この場合、多層膜２５をエッチングする深さは、少なくとも入射光が達することが想定される深さまで行っておけばよい。次に、図６（Ｃ）に示すように、多層膜２５のうち半導体層２３を選択酸化して低屈折率層２４とする。これにより高屈折率層２２との屈折率差を大きくすることができ、少ない層数でも十分な群速度遅延効果を発揮できるフォトニック結晶構造を作製することができる。最後に、図６（Ｄ）に示すように、選択酸化後の多層膜２０のパターニング部分に金属からなる電極材料をスパッタ法などを用いて形成することにより本実施形態の受光素子を得ることができる。
【実施例１】
【００３４】
以下では、本実施の形態の受光素子の実施例としてＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙからなる多層膜を用いる場合について説明を行う。
【００３５】
最初に、素子の作製について述べる。素子の作製は、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）に示した手法に従って行う。まず、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜を成長する。多層膜の単位周期長は、図７に示すＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙ多層膜のフォトニックバンド構造により、低群速度帯域に光吸収層となるＧａＡｓ層の吸収波長が含まれるように設定する。図７において、ａは１ペアの厚さ（フォトニック結晶の単位周期）であり、ｃは光速度である。なお、多層膜は、この低群速度となる波長域において徐々に膜厚を変化させて、群速度が次第に小さくなるように形成してもよい。いずれにしても、最終的にはファブリ・ペロー効果と多層膜が有するフォトニックバンドのバンド端での低群速度効果から決定される光の群速度の遅延効果が最大となる波長と光吸収層の吸収波長が一致するように多層膜の単位周期の長さや数を決定する。
【００３６】
本例では、光吸収層で吸収されるべき波長をＧａＡｓ層が最も効率よく吸収する８５０ｎｍとした。図７で示されるＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙ無限周期多層膜のフォトニックバンドの長波長側のバンド端により８５０ｎｍ帯の入射光を遅延させようとする場合、規格化周波数が約０．１７［ｃ／ａ］となればよいので、単位周期の長さａは、約１４４ｎｍとすればよいことが分かる。
【００３７】
また、図３に示すような多層膜が複数積層された構造において、例えば、単位周期の数がいずれも１６ペアであって、単位周期長の異なる２つの多層膜（それぞれの単位周期長をａ１，ａ２とする）を用いて、波長λ１，λ２の入射光を分波しながら受光させる場合を考える。この場合、図９に示される１６ペアの多層膜において最も遅延効果が得られる光周波数ｆ＝ｆ０ｃ／ａ＝０．１６６ｃ／ａを、λ１に調整するには、λ１＝ｃ／ｆ＝ｃ／（ｆ０ｃ／ａ１）＝ａ１／ｆ０より、ａ１＝ｆ０λ１の関係が成り立つように単位周期の長さａ１を設計すればよい。同様の考え方に基づくと、もう一方の多層膜の単位周期の長さａ２は、ａ２＝ｆ０λ２となるように設計すればよい。そして、例えば、λ１＝８５０ｎｍ，λ２＝８５５ｎｍとすると、ａ１＝０．１６６×８５０ｎｍ＝１４１ｎｍ，ａ２＝０．１６６×８５５ｎｍ＝１４２ｎｍとなればよいことになる。すなわち、複数の多層膜で波長分波をしながら受光させる場合には、各多層膜において吸収させるべき光の波長に比例して単位周期の長さを変化させればよい。
【００３８】
次に、多層膜の電極作製予定部分をエッチングする。そして、ＡｌＡｓ層を選択酸化してＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙ多層膜とする。最後にエッチングにより削られた部分に電極材料を埋め込んで櫛形の対向電極を形成する。
【００３９】
次に、フォトニックバンドのバンド端における群速度遅延（ＧａＡｓのバルクに対する群速度遅延の比）と多層膜の反射率との関係について述べる。図８は、多層膜のペア数（単位周期の数）と群速度遅延との関係を示したものである。比較のため、ＰＩＮ型フォトダイオードの場合についても同図に示す（Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜を想定した）。図８から、本例に係るＭＳＭ型フォトダイオード（ＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙ）の場合、１２ペアで７．４倍程度、１６ペアで１３倍程度の遅延が得られることが分かった。また、ＭＳＭ型フォトダイオードでは、酸化膜を用いることで多層膜を構成する高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を大きく確保することができ、ＰＩＮ型フォトダイオードよりも少ないペア数でより大きな群速度遅延が得られることが分かる。
【００４０】
次に、図９に群速度遅延の周波数スペクトルを示す。図９によれば、多層膜のペア数を多くすることで、群速度遅延に関して急峻な周波数選択性（波長選択性）を持たせることができる。また、多層膜のペア数を多くするにつれて、群速度遅延帯が高周波側（低波長側）にシフトする（図７の無限周期の場合に近づく）ため、目的の波長と最も群速度遅延効果が大きい周波数が一致するように単位周期を設計する必要がある。また、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に反射率の周波数スペクトルを示す。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）から、図９における群速度遅延の大きい周波数において、反射率もかなり小さくなることが分かる。これは、図９で示される群速度遅延の効果が、ファブリ・ペロー効果と多層膜の低群速度効果との複合により決定されているからである。従って、図９に示される群速度遅延が大きい光周波数帯域と図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）の低反射帯域は必ず一致し、低損失で多層膜内に入射光を取り入れると同時に、受光効率を向上させることができる。また、図１０（Ｂ）に示すように、多層膜の終端層をＡｌｘＯｙ層として、その厚さを調整して入射光に対して無反射（ＡＲ）コートとなるように形成すると、さらに反射率が低減することができ、より低損失で入射光を多層膜内に取り入れることができるようになる。
【００４１】
最後に、ＡｌｘＯｙ層が８５０ｎｍ帯の光を吸収しないことを考慮して、最終的な効率ηを計算した結果を図１１に示す。
【００４２】
【数１】
2005150291.tif 000003
【００４３】
ここで、Ｒは反射率、Ｉは吸収層の厚さ、νｇはＧａＡｓバルクにおける群速度、νｇ´は光遅延膜における群速度である。吸収係数αは、吸収層（ＧａＡｓ）の８５０ｎｍ帯での代表的な値１０４ｃｍ−１を用いている。図１１より、図３に示すような複数の多層膜を設けた場合には、半値幅で約３．５ｎｍの間隔で波長分波しながら受光することが可能であることが分かった。しかし、多層膜を多段に積層するには、吸収効率の高い波長帯域がフォトニックバンドギャップによる反射率の高い波長帯域ではなくその近傍のバンド端における群速度が遅延する波長帯域となるように各多層膜を形成する必要がある。すなわち、本実施形態の受光素子において、効率よく波長分波を行わせるためには、遅延の少ない波長における吸収を低減させることが好ましく、例えば、間接遷移型半導体を用いたＳｉ／ＳｉＯ２による多層膜が多段構成には有用であるといえる。
【００４４】
２．光モジュール
図１２は、本実施の形態の受光素子を適用した光モジュールを示す図である。
【００４５】
この光モジュールは、図１２（Ａ）に示すように金属製のステム１０１と接合（あるいは一体化）された容器１０２と、容器１０２と反対側に突出されて設けられたリード１０４とを有する、いわゆるＣＡＮパッケージ型の光モジュールである。容器１０２には、上面に入射光を取り入れるガラス製の受光窓１０３が設けられている。図１２（Ｂ）には、本実施の形態の光モジュールの模式的な断面図が示されている。容器１０２には、本実施の形態のＭＳＭ型受光素子１００がステム１０１上に配置されていて、ボンディングワイヤなどによりリード１０４と電極とが接続されている。なお、受光素子１００は、金属製のサブマウントを介してステム１０１上に配置されていてもよい。この光モジュールでは、受光窓１０３から入射光を取り入れ、受光素子１００で光信号を電気信号に変換してリード１０４から取り出すことができる。なお、本実施の形態の光モジュールとしては、図１２（Ａ）に示すようなＣＡＮパッケージ型のものに限られず、ＳＭＤ（表面実装デバイス）型や光コネクタ一体型、さらには先端部に光ファイバが接合されたピグテール型の光モジュールであってもよい。
【００４６】
３．光伝送装置
図１３は、本実施の形態の光モジュールを適用した光伝送装置を示す図である。
【００４７】
光伝送装置９０は、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置、プリンタ等の電子機器９２を相互に接続するものである。電子機器９２は、情報通信機器であってもよい。光伝送装置９０は、ケーブル９４の両端にプラグ９６が設けられたものであってもよい。ケーブル９４は、具体的には、マルチモード光ファイバである。プラグ９６は、受信用の光検出器として本実施の形態の光モジュールを含んで構成される。この光伝送装置によれば、光信号によって、電子機器間のデータ伝送を行うことができる。
【００４８】
なお、本実施の形態の光伝送装置により相互接続される電子機器は、液晶表示モニタ、ディジタル対応のＣＲＴ（金融、通信販売、医療、教育の分野で使用されることがある。）、液晶プロジェクタ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）。ディジタルＴＶ、小売店のレジ（ＰＯＳ用）、ビデオ、チューナー、ゲーム装置などであってもよい。
【００４９】
以上に本発明に好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述したものに限られず、発明の要旨の範囲内で種々の変形態様により実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施の形態の受光素子を模式的に示す斜視図及び断面図。
【図２】多層膜のフォトニックバンド構造を説明するための図。
【図３】本実施の形態の受光素子の応用例を模式的に示す断面図。
【図４】多層膜のフォトニックバンド構造を説明するための図。
【図５】多層膜のフォトニックバンド構造を説明するための図。
【図６】本実施の形態の受光素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】実施例１における多層膜のフォトニックバンド構造を説明するための図。
【図８】実施例１における多層膜のペア数と群速度遅延との関係を示す図。
【図９】実施例１における光周波数と群速度遅延の関係を示す図。
【図１０】実施例１における光周波数と多層膜の反射率との関係を示す図。
【図１１】実施例１における光周波数と多層膜の吸収効率との関係を示す図。
【図１２】本実施の形態の光モジュールを模式的に示す外観図及び断面図。
【図１３】本実施の形態の光伝送装置を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００５１】
１０  基板、２０  多層膜、２２  高屈折率層、２４  低屈折率層、３２,３４  電極
【図１】
2005150291.tif 000004
【図２】
2005150291.tif 000005
【図３】
2005150291.tif 000006
【図４】
2005150291.tif 000007
【図５】
2005150291.tif 000008
【図６】
2005150291.tif 000009
【図７】
2005150291.tif 000010
【図８】
2005150291.tif 000011
【図９】
2005150291.tif 000012
【図１０】
2005150291.tif 000013
【図１１】
2005150291.tif 000014
【図１２】
2005150291.tif 000015
【図１３】
2005150291.tif 000016