(57)【要約】      （修正有）【課題】化合物半導体（例えばＧａＡｓ）基板上に吸収層、クラッド層および、導波路層等をエピタキシャル成長し、接合や接着プロセスによらず、主にエッチング加工により作製可能な受光素子を提供する。【解決手段】外周が円形状の半導体多層構造からなる受光部を持ち、前記半導体多層構造は、多重量子井戸構造からなる活性層１２と、活性層１２の両側に設けられた光閉じ込め層１３と、光閉じ込め層１３の両側に設けられた第1クラッド層および第２クラッド層と、第１クラッド層および第２クラッド層に接続する形で設けられた第１コンタクト１５ａ層及び第２コンタクト層１５ｂと、第１コンタクト層１５ａに接続しかつ基板に接続する下部クラッド層、受光部にバイアスを印加する正電極Ｄ１および負電極Ｄ２とを持ち、クラッド層の側壁の一部が低屈折率材料２０ｃからなる。【選択図】図３
2013191704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周が円形状の半導体多層構造からなる受光部及び前記受光部に接続する導波路を有し、
前記半導体多層構造は、多重量子井戸構造からなる活性層と、前記活性層の両側に設けられた光閉じ込め層と、光閉じ込め層の両側に設けられた第1クラッド層および第２クラッド層と、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層に接続する形で設けられた第１コンタクト層及び第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層に接続しかつ基板に接続する下部クラッド層を有し、
前記受光部の側壁の一部が酸化により前記第１クラッド層、前記第２クラッド層、及び下部クラッド層よりも低い屈折率の材料となっており、
前記導波路は、前記導波路を構成する前記第１クラッド層、前記第２クラッド層、及び前記下部クラッド層が前記酸化により、前記第１クラッド層、前記第２クラッド層、及び下部クラッド層よりも低い屈折率の材料となっている、
ことを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記受光部は、リング状またはディスク形状であることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記受光部の側面の一部が前記導波路の一側面に滑らかに接続していることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
【請求項４】
前記導波路は、前記受光部との接続部において曲がり導波路を構成していることを特徴とする、請求項３に記載の受光素子。
【請求項５】
前記受光部の少なくとも一部は、らせん状の曲がり導波路からなることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
【請求項６】
前記導波路は、前記導波路を構成する活性層、光閉じ込め層、第２クラッド層、及び第２コンタクト層が取り除かれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記低屈折率材料は、電気的な絶縁特性を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項８】
前記ディスク形状の受光部の中心部において、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層が、ドライエッチングまたはイオンインプランテーションにより電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項２に記載の受光素子。
【請求項９】
前記酸化後の受光部の側壁は、曲率半径が実質的に一定のリング形状であることを特徴とする請求項２乃至３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１０】
前記受光部を構成する前記多重量子井戸構造と、前記光閉じ込め層が酸化していない部分を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１１】
前記受光部の一部が前記導波路と光学的に結合している事を特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１２】
リング状コンタクト層の一部と接触するように電極が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１３】
前記受光部に印加するバイアスを増加することにより、前記多重量子井戸構造の吸収端の波長が１０nm以上長波長側にシフトすることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの集積密度が高くなることに伴い、内部回路パターンの微細化が進んでいる。この微細化により、配線断面積の減少によって配線抵抗が増大し、隣接する配線との間隔が狭くなることによって配線間の容量が増大する。その結果、配線抵抗と配線容量で決定される配線遅延が増大し、ＬＳＩをより高速化することが困難となる。また、ＬＳＩ内部のマルチコア化やメモリ３次元集積化が進むにつれ、コア間やコア／メモリ間での大容量伝送が必要不可欠となっており、電気による伝送速度がＬＳＩ高性能化のボトルネックとなっている。このようなＬＳＩの高密度化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、電気信号を光信号に置き換える光配線技術が注目されている。
【０００３】
光配線技術は、金属配線のかわりに光導波路を用いて信号伝送する方式であり、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。光配線技術において光源として使用する半導体レーザ（ＬＤ）に関して、従来の光通信で用いられてきた素子サイズは幅数μｍ、長さ百μｍであり、ＬＳＩのトランジスタや配線ピッチに比べると、巨大である。このことが、電気配線を光配線へ置き換えることの大きな阻害要因となっている。そのため、小型光源としてマイクロリング共振器を用いたマイクロリングＬＤが注目され始めており、その研究開発が活発になっている。また、ＬＳＩチップ上の光配線を実現するには、光源素子（送信部）と光導波路（伝送部）とともに受光素子（受信部）も駆動回路や増幅回路とともに、同じチップ上にコンパクトに集積化して光送受信ユニットを形成する必要がある。
【０００４】
こうした用途に適合する受光素子（ＰＤ）として、ＰＩＮ型ＰＤ、ＭＳＭ型ＰＤ、アバランシェ型ＰＤ等が挙げられるが、マイクロリングＬＤとの集積化する場合には、低コスト化の観点から同一の積層構造を有するウエハを同一プロセスにより加工することによって、同時に作製および集積化できる受光素子であることが強く望まれる。
【０００５】
しかし上記に述べたような、ＬＤと同一の積層構造を有するウエハでは吸収層の厚さが高々、数十nmと薄く、十分な光吸収効率とこれに伴う十分な光−電気変換効率（あるいは光電流）を得ることは非常に困難である。
【０００６】
すなわち、１０ミクロン程度の素子サイズで十分な光吸収効率を確保するには通常、数百ｎｍ程度の吸収層の厚さが必要であり、したがって、吸収層が数十nmの厚さの場合１００ミクロン以上の吸収長が必要となり、素子サイズが大きくなるためＬＳＩチップ上への集積化が困難となる。これを解決する方法として、リング状の受光部に導波路を接続して、入力した光をリングの内部を周回させて実効的な吸収長を長くすることにより、素子サイズの小型化・高効率化が期待される。
【０００７】
実際、こうした原理に基づくリング状の受光素子を提案している例もある（特許文献１）。但し、このようなリング構造を微細化してなおかつ光を効率良く結合し、リング内部を低損失で周回させて光を活性媒質に効率良く吸収させて光をキャリア（電子−正孔対）に変換し、さらにキャリアを再結合により損失することなく電流に変換することは容易ではない。特に、直径１０μｍ程度の微小なリング構造ではリング側壁の加工損傷などにより、散乱による光損失や表面再結合によるキャリア損失が発生するため、光−電気変換効率のさらなる低下を引き起こしてしまう。また、リング状の受光部と導波路との接続部分やリング内部においては、光の干渉による放射損失が生じやすく、サイズが小さくなるほどその影響が顕著になり、高効率化が一層困難になる。
【０００８】
以上述べたように、受光特性を劣化させない低損失かつ微細なリング形状の受光部および導波路との接続構造の実現することは、ＬＳＩチップ上の光配線を実現する上で極めて重要な課題となる。また、作製方法については、シリコン（ＳＯＩ）基板上のシリコン導波路上に、化合物半導体の光吸収層を接合あるいは接着する方法が、チップ内の微細な光配線には適している。しかしながら、技術的に作製が容易でない接合や接着プロセスによらずに作製できれば、一層の低コスト化が可能である。微細な光導波路による配線を必要としないチップ間光配線では、むしろ、こうした作製方法の方が適しており、これを可能とする受光素子の構造およびその集積技術の実現が重要な課題のひとつとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許６９７８０６７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
化合物半導体（例えばＧａＡｓ）基板上に吸収層、クラッド層および、導波路層等をエピタキシャル成長し、接合や接着プロセスによらず、主にエッチング加工により作製可能な受光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態にかかる受光素子は、外周が円形状の半導体多層構造からなる受光部を持ち、前記半導体多層構造は、多重量子井戸構造からなる活性層と、活性層の両側に設けられた光閉じ込め層と、光閉じ込め層の両側に設けられた第1クラッド層および第２クラッド層と、前記第１クラッド層および第２クラッド層に接続する形で設けられた第１コンタクト層及び第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層に接続しかつ基板に接続する下部クラッド層、前記受光部にバイアスを印加する正電極および負電極とを持ち、前記クラッド層の側壁の一部が低屈折率材料からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、受光部および受光部と光導波路との接続部における光損失やキャリア損失を抑制し、発光素子と同一ウエハ、同一プロセスでの同時作製によって集積化できる、小型で高効率の受光素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る受光素子を構成する積層構造の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る受光素子のパターニング形状を表す模式的斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る受光素子の模式的断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る受光素子のリング状受光部及び光導波路の要部を拡大した模式的断面図である。
【図５】第１の実施形態に係るリング型受光素子（直径１０μｍ）の印加電圧と光吸収量の関係を示すシミュレーション結果を表す図である。
【図６】第１の実施形態に係るリング型受光素子の導波路の幅と曲がり導波路の有無による光吸収量の変化を示すシミュレーション結果を表す図である。
【図７】第１の実施形態に係るリング型受光素子における直線状の導波路と受光部との接続を曲がり導波路の有無により表す図である。
【図８】第１の実施形態に係るリング型受光素子、ディスク型受光素子、スパイラル型受光素子の印加電圧による受光感度の変化を示すシミュレーション結果を表す図である。
【図９】第１の実施形態に係るリング型受光素子、ディスク型受光素子、スパイラル型受光素子の光吸収特性のバイアス依存性を示す図である。
【図１０−１】第２の実施形態に係るリング型受光素子の製造プロセスの一部を表す模式的断面図である。
【図１０−２】第２の実施形態に係るリング型受光素子の製造プロセスの一部を表す模式的断面図である。
【図１０−３】第２の実施形態に係るリング型受光素子の製造プロセスの一部を表す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、実施形態に係る受光素子を製造する際、この受光素子の基本的な積層構造を構成し、受光素子製造の出発点となる多層構造体１００を示す図である。この多層構造体１００は、半導体レーザーと同一の積層構造を有するウエハ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ）であり、レーザー共振器の製造プロセスを用いて、超小型・高感度の受光素子を実現できる。
【００１５】
同図では、基板Ｓ上に、積層構造体１００が形成されている。積層構造体１００は、例えば、下部クラッド層２０、第１コンタクト層１５ａ（第１半導体層１０）、第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂを積層したものである。また、積層構造体１００は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって連続成膜される。
【００１６】
ここで、基板Ｓは、例えばＧａＡｓである。下部クラッド層２０は、例えば厚さ１μｍのｎ形のＡｌ０．９６Ｇａ０．０４Ａｓである。第１コンタクト層１５ａは、例えば厚さ０．２５μｍのｎ形のＧａＡｓである。第１クラッド層１４ａは、例えば厚さ０．１μｍのｎ形のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓである。第１光閉じ込め層１３ａは、例えば厚さ０．０１μｍのｎ形のＧａＡｓである。
【００１７】
活性層１２は、例えば厚さ８ｎｍのｎ形のＧａＡｓ量子井戸層と、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓバリア層とを交互に積層し、上下（基板Ｓ側を「下」、基板Ｓと反対側を「上」という）を厚さ４０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟んだ多重量子井戸構造である。
【００１８】
第２光閉じ込め層１３ｂは、例えば厚さ０．０１μｍのｐ形のＧａＡｓである。第２クラッド層１４ｂは、例えば厚さ０．１μｍのｐ形のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓである。第２コンタクト層１５ｂは、例えば厚さ０．０１μｍのｐ形のＧａＡｓである。
【００１９】
後述するようにクラッド層は酸化により形成するが、酸化の際には、第１クラッド層１４ａと第２クラッド層１４ｂの酸化前の母材のＡＬ濃度が下部クラッド層２０の酸化前の母材のＡｌ濃度よりも幾分低いことが本発明に係る受光素子を作製する上で重要となる。
【００２０】
図１に示す積層構造体１００を後述するように、パターニングとエッチング数回繰り返すことで、図２及び図３に示すような第１の実施形態のリング型受光素子１２０を得ることができる。
【００２１】
図２は、第１の実施形態に係るリング型受光素子１２０の模式的斜視図であり、この受光素子１２０の構造を分かり易く説明するため、受光素子１２０をほぼ中心線に沿って切断した断面により、その構造を示している。また、図２は積層構造体１００をパターニングした後、図３に示す電極Ｄ１、Ｄ２と絶縁膜１８、１９、８０を付与する前の状態を示している。図２に示すように、第１の実施形態に係る受光素子１２０は、直線的な細線導波路７０と、細線導波路７０を通して受光した光をリング状の受光部１３０で吸収し電気信号に変換するリング状受光部１３０からなる。細線導波路７０及びリング状受光部１３０は図１に示す同じ積層構造体１００から構成されている。
【００２２】
図３は、受光素子１２０の断面を示す図であり、図３では、絶縁膜１８、１９、８０とさらに上下２つの電極Ｄ１、Ｄ２が付与された最終形態の受光素子１２０の断面図が示されている。
【００２３】
ここで、第１の実施形態では、第１半導体層１０の主面１０ａ（図２）に直交する方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向と直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向という。第１半導体層１０の主面１０ａは、Ｚ軸方向と直交するＸ−Ｙ面である。また、第１半導体層１０の主面１０ａのＺ軸方向を上（上側）、その反対−Ｚ方向を下（下側）という。
【００２４】
受光素子１２０において、第１半導体層１０は、リング状受光部１３０と、リング状受光部１３０に並置された細線導波路７０と、を有する。第１半導体層１０は、例えば化合物半導体であって、導電形は、例えば第１導電形である。
【００２５】
本実施形態の受光素子１２０では、細線導波路７０において、光ファイバー等から入力する光を導波し、リング状受光部１３０へ導き、受光部１３０の光閉じ込め層で、光を吸収して電気信号に変換する。すなわち、リング状受光部１３０は、光・電気変換部として機能する。
【００２６】
受光素子１２０において、第１半導体層１０のリング状受光部１３０の下面には、第２半導体層２０ａが接している。また、細線導波路７０の下面には、低屈折率層２０ｃが接している。第２半導体層２０ａは、例えば化合物半導体であって、導電形は、例えば第１導電形である。第２半導体層２０ａ及び低屈折率層２０ｃは、下部クラッド層２０として機能する。
【００２７】
下部クラッド層２０は、例えば基板Ｓの上に形成される。基板Ｓの下側には、第１電極Ｄ１がさらに形成される。なお、第１電極Ｄ１は、第２半導体層２０ａと導通すればよいため、必ずしも基板Ｓの下側に設けられていなくてもよい。
【００２８】
導波路７０は、主面１０ａに沿って設けられ、光ファイバー等から放出された光を第１半導体層の主面に沿って導く。すなわち、導波路７０とリング型受光素子１２０の光吸収層を有するリング状受光部１３０とは、導波路７０からリング状受光部１３０へと光信号が伝搬可能な状態になっている。リング型受光素子の光吸収層を有するリング状受光部１３０及び導波路７０は、例えば化合物半導体から構成される。
【００２９】
第１半導体層１０、第２半導体層２０ａ、リング状受光部１３０及び導波路７０に化合物半導体が用いられる場合、その化合物半導体は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む材料、ガリウム燐（ＧａＰ）を含む材料、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む材料、等である。
【００３０】
実施形態に係る受光素子１２０では、リング状受光部１３０の層構造と、導波路７０の層構造と、が等しい層構造となっている。すなわち、リング状受光部１３０の層構造及び導波路７０の層構造は、基板Ｓ上に最初に同時に形成した一様な層構造をエッチングによる所定のパターニングを施すことで形成される。このため、リング状受光部１３０と、導波路７０と、の間隔は、層構造をエッチングによりパターニングする際の精度により決まる。
【００３１】
次に、具体的な積層構造について説明する。
【００３２】
図３は、図２に示す受光素子上に絶縁層を形成し、所定のプロセスを経て、上下の電極を付して完成した受光素子の模式的断面である。
【００３３】
図４は、表示したリング状受光部１３０の及び導波路７０の模式的断面図である。
【００３４】
図３及び図４に表したように、リング状受光部１３０及び導波路７０は同じ積層構造を有し、第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２第２光閉じ込め層１３ｂ及び第２クラッド層１４ｂを含む積層構造を有する。
【００３５】
第１導電形の第１光閉じ込め層１３ａは、活性層１２の下側に形成され、第２導電形の第２光閉じ込め層１３ｂは活性層１２の上側に形成される。第１導電形の第１クラッド層１４ａは第１光閉じ込め層１３ａの下側に形成され、第２導電形の第２クラッド層１４ｂは第２光閉じ込め層１３ｂの上側に形成される。
【００３６】
第２半導体層２０ａと、第１クラッド層１４ａと、のあいだには、第１導電形の第１コンタクト層１５ａ（第１半導体層１０）が形成される。リング状受光部１３０において、第１コンタクト層１５ａは、第１半導体層１０である。
【００３７】
第２クラッド層１４ｂと、第２電極Ｄ２と、のあいだには、第２導電形の第２コンタクト層１５ｂが形成される。
【００３８】
第１コンタクト層１５ａは積層構造の一部をなす部分はリング状に形成されるが、積層構造以外の部分は、第１半導体層１０であり、平板状をなす。したがって、第１コンタクト層１５ａは、リングの内側及び外側まで延在している。活性層１２、第１光閉じ込め層１３ａ、第２光閉じ込め層１３ｂ、第１クラッド層１４ａ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂは、積層構造を構成し、リング状に形成される。
【００３９】
第１クラッド層１４ａは、リング内縁から内部の一部にかけた第１内周部１４１ａと、リング外縁から内部の一部にかけた第１外周部１４２ａと、第１内周部１４１ａと第１外周部１４２ａとのあいだの第１中央部１４０ａと、を有する。第１内周部１４１ａ及び第１外周部１４２ａは、熱酸化によって第１中央部１４０ａの屈折率よりも低い屈折率を有する第１改質層１４ｃに改質されている。したがって、第１クラッド層１４ａは、第１内周部１４１ａ及び第１外周部１４２ａの改質層１４ｃに挟まれた第１中央部１４０ａが本来の第１クラッド層として機能する。
【００４０】
同様に、第２クラッド層１４ｂは、リング内縁から内部の一部にかけた第２内周部１４１ｂと、リング外縁から内部の一部にかけた第２外周部１４２ｂと、第２内周部１４１ｂと第２外周部１４２ｂとのあいだの第２中央部１４０ｂと、を有する。第２内周部１４１ｂ及び第２外周部１４２ｂは、熱酸化によって第２中央部１４０ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する第２改質層１４ｄに改質されている。したがって、第２クラッド層１４ｂは、第２内周部１４１ｂ及び第２外周部１４２ｂの改質層１４ｄに挟まれた第２中央部１４０ｂが本来の第２クラッド層として機能する。
【００４１】
図３に示すように、リング状受光部１３０の表面、及び導波路７０の表面は、絶縁膜１８によって覆われている。また、リング状受光部１３０のリング内側、及びリング状受光部１３０と導波路７０とのあいだには、絶縁膜８０が埋め込まれている。
【００４２】
第２コンタクト層１５ｂの上面の一部は露出しており、この露出部分に第２電極Ｄ２が設けられている。第２電極Ｄ２は、円板状に形成されている。第２電極Ｄ２の一部は絶縁膜１９、８０の上に形成され、他の一部が第２コンタクト層１５ｂの露出部分の上に形成されている。
【００４３】
活性層１２は、例えばアンドープ多重量子井戸層（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）を有する。アンドープ多重量子井戸層は、例えば厚さ８ナノメートル（ｎｍ）のＩｎＧａＡｓ量子井戸層と、例えば厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ障壁層と、を交互に積層して上下両端の層を１０ｎｍのＧａＡｓ障壁層で構成し、これら上下の両端の１０ｎｍのＧａＡｓ障壁層をさらに例えば厚さ４０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟んだ構造である。
【００４４】
第１光閉じ込め層１３ａは、例えば厚さ１００ｎｍのｎ形ＧａＡｓ層である。第２光閉じ込め層１３ｂは、例えば厚さ１００ｎｍのｐ形ＧａＡｓ層である。第１クラッド層１４ａは、例えば厚さ３００ｎｍのｎ形Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層である。第２クラッド層１４ｂは、例えば厚さ３００ｎｍのｐ形Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層である。第１コンタクト層１５ａは、例えば厚さ１０ｎｍのｎ形ＧａＡｓ層である。第２コンタクト層１５ｂは、例えば厚さ１０ｎｍのｐ形ＧａＡｓ層である。
【００４５】
第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄは、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂを熱酸化して得られる層であり、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂよりも低い屈折率と、電気的な絶縁特性と、を有している。
【００４６】
基板Ｓには、例えばｎ形のＧａＡｓが用いられる。また、第２半導体層２０ａには、例えばｎ形Ａｌ０．９６Ｇａ０．０４Ａｓが用いられる。
【００４７】
第１電極Ｄ１には、例えば金−ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金が用いられる。第１電極Ｄ１は、例えばカソード電極である。第２電極Ｄ２には、例えば金−亜鉛（ＡｕＺｎ）合金が用いられる。第２電極Ｄ２は、例えばアノード電極である。絶縁膜１８には、例えばＳｉＯ２が用いられる。また、絶縁膜８０には、例えばポリイミドが用いられる。
【００４８】
リング状受光部１３０は、リング状の外周に沿って周回する光の導波路であるが、図３の実質的な光導波路ａ２から入射した入射光がリング状または螺旋状のリング状受光部１３０を周回する過程で、第１半導体層１０から、光活性層１２へ入り、電子・正孔対を形成する。リング型受光素子１２０の外径は、例えば１０マイクロメートル（μｍ）、リングの内径は、例えば５μｍである。リング型受光素子１２０の厚さは、例えば１μｍである。導波路７０の第１半導体層１０が実質的な導波路となっている。導波路７０の第１半導体層１０は、第１半導体層１０よりも低屈折率の下部クラッド層２０と第１クラッド層１４ａにより上下から挟まれる構造のため、入射光は第１半導体層１０内に閉じ込められることになり、この第１半導体層１０を通して隣接するリング状又は螺旋状のリング状受光部１３０へと伝播していく。
【００４９】
リング状受光部１３０においては、前述のように第２半導体層２０ａと低屈折率層２０ｂが下部クラッド層２０として機能するため、導波路７０からの入射光は下部クラッド層へは侵入することなく、第１中央部１４０ａを通して光活性層１２へ到達する。
【００５０】
ここで、第２電極Ｄ２を電源（図３）の陰極に接続し、第１電極Ｄ１を電源の陽極に接続して、所定の電圧を印加すると、活性層１２で生成された電子とホールがそれぞれ正極と陰極から外部回路へ引き出される。すなわち、光電流が流れる。
【００５１】
ここで、リング状のリング状受光部１３０をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により形成した場合、リング状受光部１３０の側壁は粗面化し、例えば１０ｎｍ程度のラフネスが生じる。さらに、イオンの衝撃によりマイクロクラックや結晶欠陥などのダメージが生じる。
【００５２】
一方、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側壁及び内周側壁を熱酸化して第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄを形成することにより、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂと、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄと、の界面のラフネス及びダメージを十分に低減させることができる。これにより、リング状受光部１３０に入射した入射光の界面散乱等が抑制され、リング状受光部１３０における十分な光電変換特性が得られる。
【００５３】
また、リング状受光部１３０は、電気的な絶縁性を有する第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄにより電流狭窄構造を実現している。この電流狭窄構造により、光電流は活性層部分から選択的に取り出される。そして、光電流と入力光強度とが対応し、リニアな入出力特性が得られる。
【００５４】
また、リング状受光部１３０から取り出される電流は、リングの外周側壁及び内周側壁の近傍を流れないので、外周側壁及び内周側壁のダメージの影響によるキャリア損失、例えばダメージに起因する発光再結合などを避けることができる。その結果、光電変換電流を有効利用することが可能である。  
導波路７０は、リング状受光部１３０と光学的に結合している。すなわち、導波路７０を伝播してきた入力光はリングに沿って受光部１３０へと導かれる。その光を活性層へと取り込み、電子、ホール対生成による電流を電極Ｄ１およびＤ２を通して外部に取り出す。
【００５５】
図３及び図４に表したように、受光素子１２０の導波路７０は、第１クラッド層１４ａ、活性層１２及び第２クラッド層１４ｂを含む積層構造体（第２積層構造体）を有する。すなわち、導波路７０は、リング状受光部１３０と同じ積層構造体を有する。
【００５６】
導波路７０は、第１コンタクト層１５ａの一部（第２部分ａ２）に形成されている。導波路７０は、主面１０ａに沿って例えば直線状に延びて設けられる。導波路７０は、第１コンタクト層１５ａの第２部分ａ２をコア、第２部分ａ２の上の第１クラッド層１４ａをクラッドとして、光導波路構造を構成する。これにより、導波路７０の方向に沿って光を導くことができる。
【００５７】
また、下部クラッド層２０は、Ｚ軸方向にみて第２部分ａ２と重なる部分を含む低屈折率層２０ｃと、第１部分ａ１と重なる部分を含む第２半導体層２０ａと、を有する。低屈折率層２０ｃの屈折率は、第２部分ａ２の屈折率よりも低い。ここで、屈折率は、入力光に対する屈折率である。
【００５８】
また、低屈折率層２０ｃの導電率は、第２半導体層２０ａの導電率よりも低い。低屈折率層２０ｃは、例えば第２半導体層２０ａと同じ材料（下部クラッド層２０の材料）の一部を熱酸化した改質層である。すなわち、第２半導体層２０ａを形成する際に用いる半導体材料のうち一部を熱酸化によって改質して、低屈折率層２０ｃを形成している。なお、低屈折率層２０ｃは、第２半導体層２０ａと同じ材料を熱酸化して形成するものに限定されず、例えば基板Ｓ上に第２半導体層２０ａとは異なる層を積層したものであってもよい。
【００５９】
低屈折率層２０ｃが設けられていることで、導波路７０からリング状受光部１３０へ向かう光が、第２半導体層２０ｃ側へ漏れてしまうことを防止することができる。
【００６０】
すなわち、導波路７０は、第１コンタクト層１５ａの第２部分ａ２をコア、この上側の第１クラッド層１４ａ及び下側の低屈折率層２０ｃをそれぞれクラッドとした光導波路構造（光ファイバー様）となる。これにより、入力光が、第１コンタクト層１５ａの第２部分ａ２に閉じ込められ、第１クラッド層１４ａ及び低屈折率層２０ｃの間で交互に全反射を繰り返して効率良く進み、リング状受光部１３０へ導波される。導波路７０は、その上側の層である、第１コンタクト層１５ｂ、第２クラッド層１４ｂ、第２光閉じ込め層１３ｂ、活性層１２、第１光閉じ込め層１３ａを取り除いた構造がより好ましい。つまり、導波路７０の上側からは、光吸収構造の無い、第１クラッド層と空気だけの構成とする方が、より好ましい。
【００６１】
したがって、低屈折率層２０ｃと第２半導体層２０ａとの境界位置ＢＬは、リング状受光部１３０のリング外周位置の直下または直下よりもリング内側であることが望ましい。
【００６２】
以上説明したクラッド層は酸化処理によって形成されるが、酸化処理は、例えば温度４００℃以上、５００℃以下で、水蒸気雰囲気中、酸素雰囲気中または大気中で行われる。この際、Ａｌ組成比により酸化速度が決まる。すなわち、Ａｌ組成比の高いクラッド層の外周側及び内周側から内部に向けて酸化が進み、低屈折率の部分が形成される。この酸化と同時に、電流狭窄構造が形成される。さらに、この酸化によって、下部クラッド層２０の端部に低屈折率層２０ｃが形成される。
【００６３】
（リング型受光素子）
酸化処理に際しては、通常結晶の面方位により酸化速度が異なり、（１００）面が最も酸化速度が遅く、（１１０）面、（１１１）面の順に酸化速度が速くなる。その結果、リング状の第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側および内周側では、その面方位によって改質層の幅が若干変化する。径が小さいほどその影響が大きくなる。従って、酸化により改質した後に目的のリング状となるように、改質前の受光部１３０のリング形状の外形を適宜定めておくことが望ましい。こうすることで、酸化処理後の低屈折率部分を曲率半径一定の円状とすることができ、光損失増加を抑制できる。また、この酸化処理において、Ａｌ組成の少ない光閉じ込め層、多重量子井戸層は酸化がほとんど進まないため、半導体層のまま残っている構造となる。
【００６４】
受光部に光を導入する導波路はリング径に比べて曲率半径のやや大きい曲がり導波路70Cにして入力光とリングの周回モードとの整合性を高めることにより、リング内部での光の散乱による損失が低減できる。また、入力光と周回光との干渉を少なくするため、導波路幅はできるだけ細くすることが望ましい。
【００６５】
図５に、第１の実施形態のリング型受光素子（直径１０μｍ）の導波路形状による光吸収効率のシミュレーション結果を示す。バイアス電圧が２．５Ｖ以上で吸収効率９０％以上となる。これは、光分布がＧａＡＳ導波路側へひきつけられるためと考えられる。この結果は、入力導波路の幅を細くして、曲がり導波路にすることにより、光吸収の高効率化が実現できることを示している。この曲がり導波路はらせん状の曲がり導波路であってもよい。リング幅は表面再結合によるキャリア損失を低減するため２．５μｍと広めにとっており（表面再結合寿命：１ｎｓ以上）、側壁の光散乱を低減し、なおかつ上面の電極への光漏出・吸収による損失を低減するため、クラッド層の酸化幅を０．６μｍとしている。これにより、直径１０μｍ程度の微小なリング型受光部でも、光および光励起キャリアの損失を低減して、小型で高効率の受光素子を実現できる。
【００６６】
（らせん型受光素子）
次に、半導体多層構造に対して、らせん形状の導波路のパターニングを行う。ここで半導体多層構造のクラッド層に対する酸化処理により側壁から絶縁性のある低屈折率の酸化物構造とする。らせん型受光素子においても、らせん導波路の幅が不均一になると光伝播モードが乱れて光損失が増大する。そこで、半導体の結晶面方位による酸化速度の違いを考慮したらせん形状としておくことで酸化処理後の界面を一定の幅のらせん状とすることができ、これにより光損失増加を抑制できる。また、この酸化処理において、Ａｌ組成の少ない光閉じ込め層、多重量子井戸層は酸化がほとんど進まないため、半導体層のまま残っている構造となる。
【００６７】
らせん型の場合はリング（あるいはディスク）型に比べて入力部分での損失は大幅に低減されるが、終端部分では放射による光損失が大きくなる。これを低減するためには、らせん状に加工する部分をＧａＡｓ導波路層よりも上層の部分（上部クラッド層および吸収層）に留め、ＧａＡｓ導波路層はディスク形状（あるいは太いリング形状）にすることにより、終端部の放射損失を大幅に低減できる。また、第１の実施例のリング型の場合と同様に、ＡｌＧａＡｓクラッド層を酸化狭窄することにより、光およびキャリアの損失を低減して高効率の光‐電気変換が可能となる。
【００６８】
図６に、リング状受光素子の入力導波路の幅と光吸収量（相対値）との関係を示す。図６中の○は入力導波路とリング型受光部が曲がり導波路７０Ｃを介して接続されているリング型受光素子の光吸収特性を示している。この曲がり導波路７０Ｃを入れたリング型受光素子では、入力導波路の幅が大きくなると、光吸収量の点では不利になる傾向を示している。一方、□は、曲がり導波路を介さず直線上の入力導波路７０Ｃをリング状受光部に接する形で形成した場合の光吸収量を示している。つまり、直線上の直線導波路７０は円（リング状受光部）の接する「接線」に相当している。同じ導波路幅（〜０．４μｍ）の○と□を見ると、直線的導波路とリング状受光部の間に曲がり導波路７０Ｃを入れた方が光の吸収量を増加することがわかる。
【００６９】
半径５μｍのリング型受光部に対して、約７μｍの曲率Ｒを持つ曲がり導波路挿入しているが、曲率Ｒは、受光素子の素子特性とのバランスで設計できる。
【００７０】
また、曲がり導波路も含め入力導波路の部分では、図２および図４で示すような、導波路７０の部分も、基板側から、第１コンタクト層１５ａ、第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂからなる積層構造を有しているが、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂを除去して、第１コンタクト層１５ａ、第１クラッド層１４ａのみの２層から構成してもよい。この場合、第１クラッド層１４ａを覆う大気も導波路７０を伝播する入力光に対しては、クラッドとして作用し、入力光が光閉じ込め層１３ａ及び活性層１２の方へ漏れ出て吸収されることを防止する点で有利である。
【００７１】
図７（ａ）では、曲がり導波路７０Ｃを採用していない。すなわち、図７（ａ）では、直線導波路７０の一側面（図では上側の側面）は、実質的に受光部１３０の最も外側の側面に破線で示した接線にそって接している。これに対して、図７（ｂ）では、曲がり導波路７０Ｃを採用し、直線導波路７０の一側面（図では上側の側面）と受光部１３０の最も外側の側面は直接接してはおらず、曲がり導波路７０Ｃの図中の上側側面を介して、実質的に破線で示した接線に沿って接続している。すなわち、図７（ｂ）では、直線導波路７０の一側面は受光部１３０の一側面に接線に沿って「滑らかに接続」し、しかも受光部１３０よりも大きい曲率半径を有する曲がり導波路７０Ｃを介しているため、直線導波路７０中を導波されかつ種々の入力角を有する入力光を効率的に受光部１３０へ導波することができる。なお、直線導波路７０、曲がり導波路７０Ｃ、受光部１３０を実際に作製した場合には、これらの「一側面」には、微視的スケールでは、凹凸が生ずることもあるが、そのような場合は、巨視的スケールで、これらの「一側面」はその包絡線を以て規定される。
【００７２】
図８に、リング型、ディスク型、スパイラル型、各受光素子の受光感度特性を示す。横軸は電圧を表している。受光感度の観点からは、スパイラル状またはディスク状の受光部の方がリング状受光部よりも有利であることがわかる。なお、リング状及びディスク状の受光素子では、導波路と受光部は曲がり導波路を介して接続されている。
【００７３】
以上述べたように、本実施形態によれな、化合物半導体（例えばＧａＡｓ）基板上に吸収層、クラッド層および、導波路層等をエピタキシャル成長し、接合や接着プロセスによらず、主にエッチング加工により作製可能な小型かつ高効率の受光素子が実現できる。
【００７４】
以上で説明したリング型、ディスク型、スパイラル型、各受光素子の共通特性である光吸収特性のバイアス依存性を図９に示す。いずれもの受光素子も上下の電極に印加する電圧を上げると、吸収端が長波長側にずれることが確認できた。
【００７５】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、受光素子１２０の製造方法に係る。
【００７６】
図１０−１〜図１０−３は、受光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
【００７７】
先ず、図１において説明したように、基板Ｓ上に、積層構造体１００を形成する。積層構造体１００は、例えば、下部クラッド層２０、第１コンタクト層１５ａ（第１半導体層１０）、第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂを積層したものである。
【００７８】
積層構造体１００は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって連続成膜される。
【００７９】
ここで、基板Ｓは、例えばＧａＡｓである。下部クラッド層２０は、例えば厚さ１μｍのｎ形のＡｌ０．９６Ｇａ０．０４Ａｓである。第１コンタクト層１５ａは、例えば厚さ０．２５μｍのｎ形のＧａＡｓである。第１クラッド層１４ａは、例えば厚さ０．１μｍのｎ形のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓである。第１光閉じ込め層１３ａは、例えば厚さ０．０１μｍのｎ形のＧａＡｓである。
【００８０】
活性層１２は、例えば厚さ８ｎｍのｎ形のＧａＡｓ量子井戸層と、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓバリア層とを交互に５層積層し、上下を厚さ４０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟んだ多重量子井戸構造である。
【００８１】
第２光閉じ込め層１３ｂは、例えば厚さ０．０１μｍのｐ形のＧａＡｓである。第２クラッド層１４ｂは、例えば厚さ０．１μｍのｐ形のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓである。第２コンタクト層１５ｂは、例えば厚さ０．０１μｍのｐ形のＧａＡｓである。
【００８２】
第１コンタクト層１５ａと第１クラッド層１４ａとの間、第１クラッド層１４ａと活性層１２との間、活性層１２と第２クラッド層１４ｂとの間、及び第２クラッド層１４ｂと第２コンタクト層１５ｂとの間に、ＡｌＧａＡｓグレーデッド層を挿入してもよい。ＡｌＧａＡｓグレーデッド層は、Ａｌ組成を０．１から０．９２まで徐々に変化させ格子常数のミスマッチを緩和させる。
【００８３】
次に、図１０−１（ａ）に表したように、積層構造体１００の上に、受光部１３０のリング形状と対応した第１レジスト膜Ｒ１と、受光部１３０に接続する導波路７０の形状に対応した第２レジスト膜Ｒ２とを形成し、この第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２とをマスクにして積層構造体１００をエッチングする。
【００８４】
第１レジスト膜Ｒ１は、例えば外形が１０μｍ、内径が５μｍのリング状になっている。また、第２レジスト膜Ｒ２は、例えば幅１μｍ以上、２μｍ以下の直線状になっている。エッチングには、例えばＲＩＥ法が用いられる。このエッチングによって、積層構造体１００の第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２が形成されていない部分について、第２コンタクト層１５ｂから第１コンタクト層１５ａが露出するまで除去する。
【００８５】
このエッチングによって、リング状の受光部１３０及び直線状の導波路７０が形成される。すなわち、受光部１３０及び導波路７０は、一度のエッチング工程で同時に形成される。
【００８６】
また、受光部１３０と導波路７０は、第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２を形成する際のフォトリソグラフィの精度、及びＲＩＥ等のエッチングの精度によって正確に設定される。さらに、受光部１３０と導波路７０との間の凹部ＲＰでの第１コンタクト層１５ａの厚さｔ１は、ＲＩＥ等のエッチングによって正確に設定される。
【００８７】
次に、図１０−１（ｂ）に表したように、酸化処理を行う。酸化処理を行うにあたり、導波路７０の外側における下部クラッド層２０の一部を除去しておく。酸化処理は、例えば温度４００℃以上、５００℃以下で、水蒸気雰囲気中、酸素雰囲気中または大気中で行う。この際、Ａｌ組成比により酸化速度が決まる。すなわち、Ａｌ組成比の高い第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側及び内周側から内部に向けて酸化が進み、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄが形成される。この酸化と同時に、電流狭窄構造が形成される。さらに、この酸化によって、下部クラッド層２０の端部に低屈折率層２０ｃが形成される。ここでは、酸化により形成される低屈折率層２０ｃが下部クラッド層２０の端部から基板と平行な方向でその内部に広がり、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄよりも、幾分内部にまで拡がった方が良い。そのためには、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄの母材のＡｌ濃度よりも、下部クラッド層２０のＡｌ濃度を幾分高くしておいた方が、これら低屈折率層２０ｃ、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄの配置を制御し易い。つまり、Ａｌ濃度により酸化速度をある程度制御している。
【００８８】
また、結晶の面方位により酸化速度が異なり、（１００）面が最も酸化速度が遅く、（１１０）面、（１１１）面の順に酸化速度が速くなる。
【００８９】
その結果、リング状の第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側および内周側では、その面方位によって改質層の幅が若干変化する。径が小さいほどその影響が大きくなる。従って、改質した後に目的の円形状となるように、改質前の受光部１３０のリング形状の外形を適宜定めておくことが望ましい。
【００９０】
次に、図１０−１（ｃ）に表したように、受光部１３０の表面、及び導波路７０の表面を絶縁膜１８で被覆する。
【００９１】
次いで、図１０−２（ｄ）に表したように、受光部１３０及び導波路７０を埋め込む絶縁膜８０を形成する。絶縁膜８０には、例えば、ポリイミドを用いる。
【００９２】
さらに、図１０−２（ｅ）に表したように、絶縁膜８０を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により受光部１３０及び導波路７０を覆う絶縁層１８と絶縁膜８０（ポリイミド）を除去する。絶縁膜８０（ポリイミド）と絶縁層１８の硬度の違いにより、受光部１３０及び導波路７０に接する周辺部分は少し多めに研磨される。その結果、受光部１３０上の絶縁層１８と。絶縁膜８０（ポリイミド）とが除去され、第２コンタクト層１５ｂが露出する。このＣＭＰ処理後、ＣＭＰ研磨剤残渣の除去や第２コンタクト層１５ｂを構成するＧａＡｓのダメージ除去等を行う。
【００９３】
その後、図１０−２（ｆ）に示すように、メタルマスク等を用いて、再度受光部１３０の周辺部を被覆するように絶縁膜１９を形成する。絶縁膜１９はリング状の第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側の表面を覆うように形成される。
【００９４】
最後に、図１０−３（ｇ）に示すように、再びメタルマスク等を用いて、まず正電極Ｄ１を受光部全体に形成する。リング型やディスク型受光素子の場合は、正電極Ｄ１を第２コンタクト層１５ｂ上にのみ形成しても良い。正電極Ｄ１を形成した後、図１０−３（ｈ）に示すように、基板Ｓの裏面に負電極Ｄ２を形成する。
【００９５】
以上のような製造方法によって、受光部１３０及び導波路７０が下部クラッド層２０の上に一体的に形成された受光素子１２０を製造することができるようになる。すなわち、化合物半導体（例えばＧａＡｓ）基板上に吸収層、クラッド層および、導波路層等をエピタキシャル成長し、接合や接着プロセスによらず、主にエッチング加工により受光素子が作製できる。
【００９６】
なお、上記に本実施の形態およびその変形例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施の形態またはその変形例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものもや、各実施の形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。例えば、前述の各実施の形態および各変形例においては、第１の導電形をｎ形、第２の導電形をｐ形として説明したが、本発明は第１の導電形をｐ形、第２の導電形をｎ形としても実施可能である。
【００９７】
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ことは意図していない。これら新規な実施形態は、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で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら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】
【００９８】
１０…第１半導体層、１０ａ…主面、１０ｃ…改質層、１２…活性層、１３ａ…第１光閉じ込め層、１３ｂ…第２光閉じ込め層、１４ａ…第１クラッド層、１４ｂ…第１クラッド層、１４ｃ…第１改質層、１４ｄ…第２改質層、１５ａ…第１コンタクト層、１５ｂ…第２コンタクト層、１８、１９、８０…絶縁膜、２０…下部クラッド層、２０ａ…第２半導体層、２０ｃ…低屈折率層、７０…光導波路、９３…配線パターン、９５…溝、１００…積層構造体、１２０…半導体発光素子、１３０…受光部、１４０ａ…第１中央部、１４０ｂ…第２中央部、１４１ａ…第１内周部、１４１ｂ…第２内周部、１４２ａ…第１外周部、１４２ｂ…第２外周部、Ｄ１…第１電極、Ｄ２…第２電極、Ｓ…基板
【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１０−１】
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【図１０−２】
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【図１０−３】
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