(57)【要約】【課題】特性に優れた化合物半導体によるフォトダイオードを用い、Ｓｉ細線導波路を使用した場合と同様に非常にコンパクトなモノリシックレシーバが実現できるようにする。【解決手段】支持基板１０１の上に形成された誘電体からなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された第１伝導型の第１半導体層１０３と、第１半導体層１０３の上に形成された第２半導体層１０４とを備える。また、第２半導体層１０４の上に形成された光吸収層１０５と、光吸収層１０５の上に形成された第２伝導型の第３半導体層１０６とを備える。【選択図】  図１Ａ
2013257455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された誘電体からなる下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上の第１領域および前記第１領域に連続する第２領域に形成された第１伝導型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上の前記第１領域および前記第２領域に形成された第２半導体層と、
前記第２半導体層の上の前記第１領域に形成された光吸収層と、
前記光吸収層の上に形成された第２伝導型の第３半導体層と、
前記第１半導体層に接続された第１電極と、
前記第３半導体層に接続された第２電極と
を少なくとも備え、
前記光吸収層は、対象とする光を吸収する範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成され、
前記第１半導体層，前記第２半導体層，および前記第３半導体層は、前記光を吸収しない範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成され、
前記第２半導体層，前記光吸収層，および前記第３半導体層は、前記第１領域および前記第２領域にかけて延在する光導波方向に対して所定の幅に形成され、
前記第１半導体層は、少なくとも前記第２領域において前記光導波方向に対して前記所定の幅に形成され、
前記第１領域には、前記第１半導体層，前記光吸収層，前記第３半導体層からなるｐｉｎ型のフォトダイオードが形成され、
前記第２領域には、前記第１半導体層および前記第２半導体層をコアとする光導波路が形成されていることを特徴とする導波路集積化フォトダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の導波路集積化フォトダイオードにおいて、
前記第１伝導型はｎ型であり、前記第２伝導型はｐ型であることを特徴とする導波路集積化フォトダイオード。
【請求項３】
請求項１または２記載の導波路集積化フォトダイオードにおいて、
前記第２領域に形成された前記コアを覆う上部クラッド層を備えることを特徴とする導波路集積化フォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信などに用いられるフォトダイオードと光導波路とを集積化した導波路集積化フォトダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオードは、長波長帯（１．３μｍ帯〜１．５μｍ帯）の光通信システムに、レシーバ装置の受光デバイスとして広く使用されている。特に、導波型のフォトダイオードは、同一の半導体基板上に形成された半導体光導波路によって構成される光回路とのモノリシック集積に適しており、光回路による復号処理など、高い機能を持つ受光デバイスをコンパクトに実現することができる。
【０００３】
このような光回路をモノリシック集積した受光デバイス（モノリシックレシーバ）には、長波長帯のフォトダイオードとして一般的に用いられるＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族半導体をベースとして作製されたものと、シリコン基板上に成長したゲルマニウムのフォトダイオードを用いて作製されたものとの２種に大別することができる。前者は、感度が高く暗電流が少ないなど、フォトダイオードとしての特性に優れる。しかしながら、ＩＩＩ−Ｖ族半導体をベースにした導波型フォトダイオードは、導波路部分に半導体基板をメサ状に加工して作製したハイメサ導波路やリッジ型導波路を使用しているため、クラッドとコアの屈折率差に上限があり、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）信号の復号化など高機能な光回路を構成する場合、数ｍｍ角の大きさが必要になる（非特許文献１参照）。
【０００４】
一方、ゲルマニウムのフォトダイオードを用いる形態では、ＳｉＯ2で埋め込まれたＳｉ細線による導波路を使用しているため、クラッドとコアの屈折率差を非常に大きくとることができ、高機能な光回路でも１ｍｍ角程度で作製することができる（非特許文献２参照）。しかしながら、この構成では、高性能なフォトダイオードを作製することが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２３３５２４号公報
【特許文献２】特許第４０６１０５７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H.-G. Bach  et al. "Monolithic 90°Hybrid with Balanced PIN Photodiodes for 100 Gbit/s PM-QPSK Receiver Applications", Optical Fiber Communication, OMK5.pdf, 2009.
【非特許文献２】C. R. Doerr et al. , "Monolithic Polarization and Phase Diversity Coherent Receiver in Silicon", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol.28, pp.520-525, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上述べたように、ＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族半導体などの化合物半導体をベースとして半導体基板上に作製した従来の導波路集積化フォトダイオードでは、感度や暗電流などの点でフォトダイオードとしての特性に優れるが、導波路のクラッドとコアの屈折率差が大きくとれないため、高機能な光回路を集積化したモノリシックレシーバをコンパクトに作製することが困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、特性に優れた化合物半導体によるフォトダイオードを用い、Ｓｉ細線導波路を使用した場合と同様に非常にコンパクトなモノリシックレシーバが実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る導波路集積化フォトダイオードは、基板の上に形成された誘電体からなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上の第１領域および第１領域に連続する第２領域に形成された第１伝導型の第１半導体層と、第１半導体層の上の第１領域および第２領域に形成された第２半導体層と、第２半導体層の上の第１領域に形成された光吸収層と、光吸収層の上に形成された第２伝導型の第３半導体層と、第１半導体層に接続された第１電極と、第３半導体層に接続された第２電極とを少なくとも備え、光吸収層は、対象とする光を吸収する範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成され、第１半導体層，第２半導体層，および第３半導体層は、光を吸収しない範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成され、第２半導体層，光吸収層，および第３半導体層は、第１領域および第２領域にかけて延在する光導波方向に対して所定の幅に形成され、第１半導体層は、少なくとも第２領域において光導波方向に対して所定の幅に形成され、第１領域には、第１半導体層，光吸収層，第３半導体層からなるｐｉｎ型のフォトダイオードが形成され、第２領域には、第１半導体層および第２半導体層をコアとする光導波路が形成されている。
【００１０】
上記導波路集積化フォトダイオードにおいて、第１伝導型はｎ型であり、第２伝導型はｐ型であるとよい。また、第２領域に形成されたコアを覆う上部クラッド層を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したことにより、本発明によれば、特性に優れた化合物半導体によるフォトダイオードを用い、Ｓｉ細線導波路を使用した場合と同様に非常にコンパクトなモノリシックレシーバが実現できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態２における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態２における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態２における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態３における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態３における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施の形態３における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃを用いて説明する。図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃは、本発明の実施の形態１における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。図１Ａは、導波方向に平行な断面を示している。また、図１Ｂ，図１Ｃは、導波方向に垂直な断面を示している。
【００１５】
この導波路集積化フォトダイオードは、支持基板１０１の上に形成された誘電体からなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された第１伝導型の第１半導体層１０３と、第１半導体層１０３の上に形成された第２半導体層１０４とを備える。第１半導体層１０３および第２半導体層１０４は、下部クラッド層１０２の上で、第１領域１２１および第２領域１２２に形成されている。第１領域１２１と第２領域１２２とは、連続している。
【００１６】
また、この導波路集積化フォトダイオードは、第２半導体層１０４の上に形成された光吸収層１０５と、光吸収層１０５の上に形成された第２伝導型の第３半導体層１０６とを備える。光吸収層１０５および第３半導体層１０６は、第１領域１２１に形成されている。また、第１半導体層１０３に接続された第１電極１０７および第３半導体層１０６に接続された第２電極１０８を備える。
【００１７】
上記層構成とした導波路集積化フォトダイオードにおいて、まず、光吸収層１０５は、対象とする光を吸収する範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成され、第１半導体層１０３，第２半導体層１０４，および第３半導体層１０６は、光を吸収しない範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成されている。ここで、下部クラッド層１０２は、対象とする光を吸収しない誘電体から構成されていればよい。実施の形態１では、下部クラッド層１０２が誘電体から構成されており、上述したいずれの半導体層よりも屈折率が小さい状態となっている。なお、第２半導体層１０４は、不純物が導入されて第１伝導型とされていてもよく、あるいは、ドーピングがされていなくてもよい。
【００１８】
また、第２半導体層１０４，光吸収層１０５，および第３半導体層１０６は、第１領域１２１および第２領域１２２にかけて延在する光導波方向に対して所定の幅に形成され、第１半導体層１０３は、少なくとも第２領域１２２において光導波方向に対して所定の幅に形成されている。また、第１領域１２１には、第１半導体層１０３，光吸収層１０５，第３半導体層１０６からなるｐｉｎ型のフォトダイオードが形成され、第２領域１２２には、第１半導体層１０３および第２半導体層１０４をコアとする光導波路が形成されている。この第１半導体層１０３および第２半導体層１０４をコアとする光導波路の光入射端には、反射防止膜１０９が形成されている。
【００１９】
例えば、支持基板１０１は、サファイヤ基板であればよい。また、第１半導体層１０３は、ｐ型のＩｎＧａＰから構成され、第３半導体層１０６は、ｎ型のＩｎＰから構成されていればよい。この場合、第１伝導型がｐ型となり、第２伝導型がｎ型となる。また、第２半導体層１０４は、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ、光吸収層１０５は、ノンドープのＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。また、下部クラッド層１０２はＳｉＯ2から構成されていればよい。
【００２０】
なお、第２半導体層１０４は、単一の材料で構成してもよく、また、複数の半導体層を積層して構成してもよい。また、支持基板１０１の屈折率が第２半導体層１０４の屈折率に比べて十分低く、対象とする光を吸収しない場合は、支持基板１０１が下部クラッド層１０２を兼ねることもできる。
【００２１】
以下、製造方法について簡単に説明する。まず、ＩｎＧａＰからなる基板の上に、ｎ型のＩｎＰ層（第３半導体層１０６）、ノンドープのＩｎＧａＡｓ層（光吸収層１０５）、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ層（第２半導体層１０４）、ｐ型のＩｎＧａＰ層（第１半導体層１０３）をエピタキシャル成長により順次積層する。これらは、よく知られたＭＯＶＰＥ法により形成すればよい。また、ｎ型の層は、例えばシリコンを不純物として用い、ｐ型の層は、例えばＺｎを不純物として用いればよい。
【００２２】
次に、このようにしてエピタキシャル成長したｐ型のＩｎＧａＰ層の上に、下部クラッド層１０２となるＳｉＯ2をＣＶＤ法にて堆積し、このＳｉＯ2層に、支持基板１０１を接着する。このように支持基板１０１を接着した後、エピタキシャル成長時の基板であったＩｎＧａＰ基板を機械研磨およびウェットエッチングを用いて完全に除去する。
【００２３】
次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばウェットエッチング）により、ｎ型のＩｎＰ層およびノンドープのＩｎＧａＡｓ層をパターニングし、まず、図１Ａに示すように、第１領域１２１に第３半導体層１０６および光吸収層１０５を残す。次に、やはり公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばウェットエッチング）により、図１Ｂに示すように、第２半導体層１０４，光吸収層１０５，および第３半導体層１０６が積層したメサ構造を形成する。
【００２４】
また、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばドライエッチング）により、図１Ｃに示すように、第２領域１２２に、第１半導体層１０３および第２半導体層１０４が積層した半導体細線構造を形成する。メサ構造全体は、第３半導体層１０６および光吸収層１０５のある第１領域１２１と、第３半導体層１０６および光吸収層１０５のない第２領域１２２とを備える。
【００２５】
これらのパターニングにより、まず、第２半導体層１０４，光吸収層１０５，および第３半導体層１０６が、第１領域１２１および第２領域１２２にかけて延在する光導波方向に対して所定の幅に形成された状態となる。また、第１半導体層１０３は、少なくとも第２領域１２２において光導波方向に対して所定の幅に形成された状態となる。また、第１領域１２１には、第１半導体層１０３，光吸収層１０５，第３半導体層１０６からなるｐｉｎ型のフォトダイオードが形成され、第２領域１２２には、第１半導体層１０３および第２半導体層１０４をコアとする光導波路が形成された状態となる。
【００２６】
次に、上述したメサ構造の形成により露出した第１半導体層１０３の第１領域１２１に、第１電極１０７を形成し、また、第３半導体層１０６の上に第２電極１０８を形成する。各電極は、チタン層／白金層／チタン層の３層構造とし、各半導体層にオーミック接続していればよい。また、第２領域１２２の導波路端面には、効率的に光を入射するため反射防止膜１０９を形成する。
【００２７】
上述した実施の形態１における導波路集積化フォトダイオードは、第２電極１０８（第３半導体層１０６）および第１電極１０７（第１半導体層１０３）の間に逆方向のバイアス電圧を印加すると、ノンドープとされて不純物濃度が低い光吸収層１０５および第２半導体層１０４が空乏化し、動作可能状態となる。この動作状態において、反射防止膜１０９が形成されている端面より入射され第２領域１２２を伝搬してきた光が第１領域１２１に入射すると、光吸収層１０５において、電子・ホール対が発生し、第１電極１０７および第２電極１０８に接続されている外部回路（不図示）に電流が出力される。
【００２８】
このように、実施の形態１では、第２領域１２２において、第１半導体層１０３および第２半導体層１０４からなる半導体細線構造を、誘電体からなる下部クラッド層１０２に接して配置することにより、光導波路におけるコアとクラッド間の屈折率差を十分に大きくとることができ、光導波路の曲げ半径を極限まで小さくすることができる。したがって、実施の形態１の導波路集積化フォトダイオードによれば、受光感度などの特性に優れたＩＩＩ−Ｖ族半導体フォトダイオードを受光領域に使用しながら非常にコンパクトなモノリシックレシーバを構成することができる。
【００２９】
例えば、光導波路幅Ｗ＝０．８μｍとして、実施の形態１におけるフォトダイオードを用いて偏波多重ＱＰＳＫ信号の復号化に必要な９０°ハイブリッドを集積化したモノリシックレシーバを構成する場合、光導波路の最小曲げ半径は約３０μｍであるので、回路の構成法にも依存するが、必要なチップサイズはおよそ２×０．５ｍｍとなる。
【００３０】
一方、従来のリッジ型半導体光導波路と装荷型のｐｉｎフォトダイオードを用いてモノリシックレシーバを構成すると、最小曲げ半径は約２００μｍであるので、必要なチップサイズはおよそ６×１ｍｍとなる。これに比べ、実施の形態１におけるフォトダイオードを用いたモノリシックレシーバは、１／６程度の寸法で実現できるので、受光器としての特性を維持しながら、非常にコンパクトなモノリシックレシーバを構成することができる。
【００３１】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃを用いて説明する。図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃは、本発明の実施の形態２における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。図２Ａは、導波方向に平行な断面を示している。また、図２Ｂ，図２Ｃは、導波方向に垂直な断面を示している。
【００３２】
この導波路集積化フォトダイオードは、支持基板２０１の上に形成された誘電体からなる下部クラッド層２０２と、下部クラッド層２０２の上に形成されたｎ型の第１半導体層２０３と、第１半導体層２０３の上に形成された第２半導体層２０４とを備える。第１半導体層２０３および第２半導体層２０４は、下部クラッド層２０２の上で、第１領域２２１および第２領域２２２に形成されている。第１領域２２１と第２領域２２２とは、連続している。
【００３３】
また、この導波路集積化フォトダイオードは、第２半導体層２０４の上に形成された光吸収層２０５と、光吸収層２０５の上に形成されたｐ型の第３半導体層２０６とを備える。光吸収層２０５および第３半導体層２０６は、第１領域２２１に形成されている。また、第１半導体層２０３に接続された第１電極２０７、および第３半導体層２０６に接続された第２電極２０８を備える。
【００３４】
上記層構成とした導波路集積化フォトダイオードにおいて、まず、光吸収層２０５は、対象とする光を吸収する範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成され、第１半導体層２０３，第２半導体層２０４，および第３半導体層２０６は、光を吸収しない範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成されている。ここで、下部クラッド層２０２は、対象とする光を吸収しない誘電体から構成されていればよい。実施の形態２でも、下部クラッド層２０２が誘電体から構成されており、上述したいずれの半導体層よりも屈折率が小さい状態となっている。なお、第２半導体層２０４は、不純物が導入されてｎ型とされていてもよく、あるいは、ドーピングがされていなくてもよい。
【００３５】
また、第２半導体層２０４，光吸収層２０５，および第３半導体層２０６は、第１領域２２１および第２領域２２２にかけて延在する光導波方向に対して所定の幅に形成され、第１半導体層２０３は、少なくとも第２領域２２２において光導波方向に対して所定の幅に形成されている。また、第１領域２２１には、第１半導体層２０３，光吸収層２０５，第３半導体層２０６からなるｐｉｎ型のフォトダイオードが形成され、第２領域２２２には、第１半導体層２０３および第２半導体層２０４をコアとする光導波路が形成されている。この第１半導体層２０３および第２半導体層２０４をコアとする光導波路の光入射端には、反射防止膜２０９が形成されている。
【００３６】
例えば、支持基板２０１は、表面に厚さ２μｍ程度の熱酸化膜が形成されたシリコン基板であればよい。また、第１半導体層２０３は、ｎ型のＩｎＰから構成され、第３半導体層２０６は、ｐ型のＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、第２半導体層２０４は、ノンドープのＩｎＰ、光吸収層２０５は、ノンドープのＩｎＧａＡｓより構成されていればよい。また、下部クラッド層２０２はＳｉＯ2から構成されていればよい。なお、第２半導体層２０４は、単一の材料で構成してもよく、また、複数の半導体層を積層して構成してもよい。
【００３７】
以下、製造方法について簡単に説明する。まず、ＩｎＰからなる基板の上に、ｐ型のＩｎＧａＡｓ層（第３半導体層２０６）、ノンドープのＩｎＧａＡｓ層（光吸収層２０５）、ノンドープのＩｎＰ層（第２半導体層２０４）、ｎ型のＩｎＰ層（第１半導体層２０３）をエピタキシャル成長により順次積層する。これらは、よく知られたＭＯＶＰＥ法により形成すればよい。また、ｎ型の層は、例えばシリコンを不純物として用い、ｐ型の層は、例えばＺｎを不純物として用いればよい。
【００３８】
次に、このようにしてエピタキシャル成長したｐ型のＩｎＧａＡｓ層の上に、下部クラッド層２０２となるＳｉＯ2をＣＶＤ法にて堆積し、このＳｉＯ2層に、支持基板２０１を接着する。下部クラッド層２０２となるＳｉＯ2層と、支持基板２０１の表面に形成されている熱酸化膜とを接着する。なお、下部クラッド層２０２となるＳｉＯ2層が十分に厚ければ、支持基板２０１はシリコン基板のみから構成してもよい。この状態で、エピタキシャル成長時の基板であったＩｎＰ基板を機械研磨およびウェットエッチングを用いて完全に除去する。
【００３９】
次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばウェットエッチング）により、ｐ型のＩｎＧａＡｓ層およびノンドープのＩｎＧａＡｓ層をパターニングし、まず、図２Ａに示すように、第１領域２２１に第３半導体層２０６および光吸収層２０５を残す。次に、やはり公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばウェットエッチング）により、図２Ｂに示すように、第２半導体層２０４，光吸収層２０５，および第３半導体層２０６が積層したメサ構造を形成する。
【００４０】
また、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばドライエッチング）により、図２Ｃに示すように、第２領域２２２に、第１半導体層２０３および第２半導体層２０４が積層した半導体細線構造を形成する。メサ構造全体は、第３半導体層２０６および光吸収層２０５のある第１領域２２１と、第３半導体層２０６および光吸収層２０５のない第２領域２２２とを備える。
【００４１】
これらのパターニングにより、まず、第２半導体層２０４，光吸収層２０５，および第３半導体層２０６が、第１領域２２１および第２領域２２２にかけて延在する光導波方向に対して所定の幅に形成された状態となる。また、第１半導体層２０３は、少なくとも第２領域２２２において光導波方向に対して所定の幅に形成された状態となる。また、第１領域２２１には、第１半導体層２０３，光吸収層２０５，第３半導体層２０６からなるｐｉｎ型のフォトダイオードが形成され、第２領域２２２には、第１半導体層２０３および第２半導体層２０４をコアとする光導波路が形成された状態となる。
【００４２】
次に、上述したメサ構造の形成により露出した第１半導体層２０３の第１領域２２１に、第１電極２０７を形成し、また、第３半導体層２０６の上に第２電極２０８を形成する。各電極は、チタン層／白金層／チタン層の３層構造とし、各半導体層にオーミック接続していればよい。また、第２領域２２２の導波路端面には、効率的に光を入射するため反射防止膜２０９を形成する。
【００４３】
上述した実施の形態２における導波路集積化フォトダイオードは、第２電極２０８（第３半導体層２０６）および第１電極２０７（第１半導体層２０３）の間に逆方向のバイアス電圧を印加すると、ノンドープとされて不純物濃度が低い光吸収層２０５および第２半導体層２０４が空乏化し、動作可能状態となる。この動作状態において、反射防止膜２０９が形成されている端面より入射され第２領域２２２を伝搬してきた光が第１領域２２１に入射すると、光吸収層２０５において、電子・ホール対が発生し、第１電極２０７および第２電極２０８に接続されている外部回路（不図示）に電流が出力される。
【００４４】
このように、実施の形態２では、第２領域２２２において、第１半導体層２０３および第２半導体層２０４からなる半導体細線構造を、誘電体からなる下部クラッド層２０２に接して配置することにより、光導波路におけるコアとクラッド間の屈折率差を十分に大きくとることができ、光導波路の曲げ半径を極限まで小さくすることができる。したがって、実施の形態２の導波路集積化フォトダイオードによれば、受光感度などの特性に優れたＩＩＩ−Ｖ族半導体フォトダイオードを受光領域に使用しながら非常にコンパクトなモノリシックレシーバを構成することができる。
【００４５】
また、実施の形態２では、光導波路を構成する第１半導体層２０３をｎ型としている。前述した実施の形態１では、ｐ型の第１半導体層１０３より光導波路を構成しており、自由電子吸収による光の伝搬損失が影響し、損失が発生する光導波路となっている。これに対し、実施の形態２では、自由電子吸収の少ないｎ型半導体層より光導波路を構成しているので、光導波路の損失を小さくすることができるという特徴がある。
【００４６】
さらに、実施の形態２によれば、受光領域となる第１領域２２１において、第２半導体層２０４が電子走行層となるので、第２半導体層１０４を正孔走行層とする実施の形態１より高速の動作が可能である。
【００４７】
なお、実施の形態２においても、光導波路の最小曲げ半径は実施の形態１と同じく約３０μｍとなるので、光回路を構成するのに必要なチップサイズを低減し、コンパクトなモノリシックレシーバを提供する効果は実施の形態１の場合と同じである。
【００４８】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃを用いて説明する。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃは、本発明の実施の形態３における導波路集積化フォトダイオードの構成を示す断面図である。図３Ａは、導波方向に平行な断面を示している。また、図３Ｂ，図３Ｃは、導波方向に垂直な断面を示している。
【００４９】
この導波路集積化フォトダイオードは、支持基板２０１の上に形成された誘電体からなる下部クラッド層２０２と、下部クラッド層２０２の上に形成されたｎ型の第１半導体層２０３と、第１半導体層２０３の上に形成された第２半導体層２０４とを備える。第１半導体層２０３および第２半導体層２０４は、下部クラッド層２０２の上で、第１領域２２１および第１領域２２１に連続する第２領域２２２に形成されている。
【００５０】
また、この導波路集積化フォトダイオードは、第２半導体層２０４の上に形成された光吸収層２０５と、光吸収層２０５の上に形成されたｐ型の第３半導体層２０６とを備える。光吸収層２０５および第３半導体層２０６は、第１領域２２１に形成されている。また、第１半導体層２０３に接続された第１電極２０７および第３半導体層２０６に接続された第２電極２０８を備える。
【００５１】
上記層構成とした導波路集積化フォトダイオードにおいて、まず、光吸収層２０５は、対象とする光を吸収する範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成され、第１半導体層２０３，第２半導体層２０４，および第３半導体層２０６は、光を吸収しない範囲のバンドギャップエネルギーの化合物半導体から構成されている。下部クラッド層２０２は、対象とする光を吸収しない誘電体から構成されていればよい。下部クラッド層２０２は、誘電体から構成されており、上述したいずれの半導体層よりも屈折率が小さい状態となっている。
【００５２】
また、第２半導体層２０４，光吸収層２０５，および第３半導体層２０６は、第１領域２２１および第２領域２２２にかけて延在する光導波方向に対して所定の幅に形成され、第１半導体層２０３は、少なくとも第２領域２２２において光導波方向に対して所定の幅に形成されている。また、第１領域２２１には、第１半導体層２０３，光吸収層２０５，第３半導体層２０６からなるｐｉｎ型のフォトダイオードが形成され、第２領域２２２には、第１半導体層２０３および第２半導体層２０４をコアとする光導波路が形成されている。この第１半導体層２０３および第２半導体層２０４をコアとする光導波路の光入射端には、反射防止膜２０９が形成されている。
【００５３】
上述した構成は、前述した実施の形態２と同様である。実施の形態３では、第２領域２２２において、第１半導体層２０３および第２半導体層２０４より構成されるコアを覆う上部クラッド層３１０を備える。上部クラッド層３１０は、下部クラッド層２０２と同様に、酸化シリコンなどの誘電体材料から構成すればよい。
【００５４】
上部クラッド層３１０が配置されていることにより、第２領域２２２における光導波路を構成する半導体細線構造が、上下横方向全て誘電体材料で埋め込まれた構造となり、細線導波路が保護できるとともに、上下横方向の光閉じ込めが均一にできるという特徴がある。光閉じ込めが均一になると、偏波依存性を少なくし、また、光ファイバーなどの他の光導波路との結合効率が良くなるという利点がある。
【００５５】
上部クラッド層３１０を設けない場合、この光導波路の上部は屈折率がほぼ１となる気体の層となり、大きな屈折率差が得られるが、これに対し、上部クラッド層３１０を設けることで、屈折率差がやや小さくなる影響は多少ある。しかしながら、実施の形態３においても、光導波路の最小曲げ半径は実施の形態２とほぼ同様であり、光回路を構成するのに必要なチップサイズを低減し、コンパクトなモノリシックレシーバを提供する効果は実施の形態２と同程度である。
【００５６】
以上に説明したように、本発明によれば、誘電体からなる下部クラッド層を用いるようにしたので、特性に優れた化合物半導体によるフォトダイオードを用い、Ｓｉ細線導波路を使用した場合と同様に非常にコンパクトなモノリシックレシーバが実現できるようになる。
【００５７】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、前述した実施の形態において、光吸収層をノンドープのＩｎＧａＡｓから構成したが、光吸収層をｐ型光吸収層とノンドープ(高抵抗ｎ型)光吸収層とからなる２層構成のハイブリッド型としてもよい（特許文献１，２参照）。また、下部クラッド層は、酸化シリコンに限らず、酸窒化シリコン，窒化シリコンなどの誘電体から構成してもよい。また上述では、化合物半導体として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いるようにしたが、いわゆる窒化物半導体を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０１…支持基板、１０２…下部クラッド層、１０３…第１半導体層、１０４…第２半導体層、１０５…光吸収層、１０６…第３半導体層、１０７…第１電極、１０８…第２電極、１０９…反射防止膜、１２１…第１領域、１２２…第２領域。
【図１Ａ】
2013257455.tif 000003
【図１Ｂ】
2013257455.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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