(57)【要約】【課題】基板側から光が入射可能で、かつ小さい受光面積で光吸収層での入射光の吸収効率を向上させることが可能な半導体受光デバイスを提供する。【解決手段】基板と、前記基板上に設けられた光伝播層と、前記光伝播層上に設けられた光吸収層を含む半導体層と、前記光吸収層に電圧を印加する電極と、を備え、前記光伝播層および前記半導体層の最下層は、互に対向する第１、第２の光入力層と、当該第１、第２の光入力層の周囲に所望の距離を隔てて配置され、互に対向する第１、第２の環状層と、前記第１、第２の光入力層と前記第１、第２の環状層が互に対向する第１、第２の光導波路とを備え、前記第１の光入力層は回折格子を含み、前記半導体層のうち、前記最下層を除く層は、環状をなす半導体受光デバイス。【選択図】図１
2017174838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた光伝播層と、
前記光伝播層上に設けられた光吸収層を含む半導体層と、
前記光吸収層に電圧を印加する電極と、
を備え、
前記光伝播層および前記半導体層の最下層は、互に対向する第１、第２の光入力層と、当該第１、第２の光入力層の周囲に所望の距離を隔てて配置され、互に対向する第１、第２の環状層と、前記第１、第２の光入力層と前記第１、第２の環状層が互に対向する第１、第２の光導波路とを備え、
前記第１の光入力層は回折格子を含み、
前記半導体層のうち、前記最下層を除く層は、環状をなす半導体受光デバイス。
【請求項２】
前記最下層の厚さをｄ、受光する光の波長λとすると、
λ≦ｄ≦２λ
の関係を満たす請求項１記載の半導体受光デバイス。
【請求項３】
前記第１の光入力層と前記第１の環状層の第１の光導波路の幅は、前記第１の光入力層から前記第１の環状層に向かって細くなり、かつ前記第２の光入力層と前記第２の環状層の間第２の光導波路の幅は前記第２の光入力層から前記第２の環状層に向かって細くなる請求項１または２記載の半導体受光デバイス。
【請求項４】
前記回折格子はシリコンを含む母材層に当該母材層と異なる屈折率を持つ複数の領域を有する請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体受光デバイス。
【請求項５】
前記複数の領域は、正方格子状の配列を含む請求項４記載の半導体受光デバイス。
【請求項６】
前記複数の領域は、三角格子状の配列を含む請求項４記載の半導体受光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体受光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように半導体受光デバイスは、入射した光を光電変換して光を検知する半導体デバイスである。半導体受光デバイスは、半導体層の光吸収層の端面で光を受光する端面受光デバイスと、半導体層の光吸収層の面で光を受光する面受光デバイスとに分類される。
【０００３】
端面受光デバイスは、光吸収層の端面から光が入射し、光が光吸収層の面に沿って拡散するため、光吸収層での光吸収効率が高く、高い光電変換性能を有する。しかしながら、端面受光デバイスは受光部である端面において高い精度で光カップリングを実現することが難しく、構造が複雑化する。
【０００４】
他方、面受光デバイスは例えば特許文献１に開示されている。当該面受光デバイスは、例えばIII−V族半導体から作られる基板と、この基板上に形成され、波長選択性を有するフィルタ部と、このフィルタ部上に形成され、光吸収層を有する光検知部とを備える。この受光デバイスは、光が基板側からフィルタ部を通して光検知部に入射されるため、光カップリングが容易になる。
【０００５】
一方、高速変調された光信号を受信するためには、半導体受光デバイスの受光面積を十分小さくして容量を低減することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２３４４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態は、基板側から光が入射可能で、かつ小さい受光面積で光吸収層での入射光の吸収効率を向上させることが可能な半導体受光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によると、基板と、
前記基板上に設けられた光伝播層と、
前記光伝播層上に設けられた光吸収層を含む半導体層と、
前記光吸収層に電圧を印加する電極と、
を備え、
前記光伝播層および前記半導体層の最下層は、互に対向する第１、第２の光入力層と、当該第１、第２の光入力層の周囲に所望の距離を隔てて配置され、互に対向する第１、第２の環状層と、前記第１、第２の光入力層と前記第１、第２の環状層が互に対向する第１、第２の光導波路とを備え、
前記第１の光入力層は回折格子を含み、
前記半導体層のうち、前記最下層を除く層は、環状をなす半導体受光デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る半導体受光デバイスを示す断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる光伝播層を示す平面図である。
【図３】実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる半導体層の最下層を示す平面図である。
【図４】別の実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる光伝播層を示す平面図である。
【図５】別の実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる半導体層の最下層を示す平面図である。
【図６】実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図７】実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図８】実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図９】実施例の半導体受光デバイスにおいて、光を基板側から入射したときの、光吸収層における伝播光の、入射光に対する光結合効率を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態に係る半導体受光デバイスを詳細に説明する。
【００１１】
実施形態に係る半導体受光デバイスは、基板を備える。光伝播層は、基板上に設けられている。光吸収層を含む半導体層は、光伝播層上に設けられている。半導体受光デバイスは、さらに光吸収層に電圧を印加する電極、例えば一対の電極を備える。
【００１２】
光伝播層および当該光伝播層上に設けられる半導体層の最下層の化合物半導体層は、互に対向する第１、第２の光入力層と、当該第１、第２の光入力層の周囲に所望の距離を隔てて配置され、互に対向する第１、第２の環状層と、第１、第２の光入力層と当該第１、第２の環状層とが互に対向する第１、第２の光導波路とを備える。第１、第２の光入力層は、それぞれ基板側から光が入射される。第１の光入力層は、回折格子を含む。半導体層のうち、最下層を除く半導体層は、環状をなす。最下層の半導体層を含む環状の半導体層は、受光部として機能する。
【００１３】
基板は、例えば光透過性の高いシリコン基板を用いることができる。
【００１４】
光伝播層の第１の環状層および第１の光導波路は、例えばアモルファスシリコン、多結晶シリコンのようなシリコンから作ることができる。
【００１５】
光伝播層の厚さは、基板側から入射された光を半導体層の最下層の化合物半導体層に効率よく伝播させるために０．３〜０．４μｍにすることが好ましい。
【００１６】
第１の光入力層に含まれる回折格子は、シリコンからなる母材層に当該母材層と異なる屈折率を持つ複数の領域を二次元方向に周期的に設けた構造を有する。具体的には、例えばアモルファスシリコン、多結晶シリコンのようなシリコンからなる母材層に複数の微細孔を二次元方向に周期的に開口し、当該微細孔にシリコンに比べて低屈折率の材料を埋め込んで複数の領域を設けた構造を有する。低屈折率の材料の例は、ＳｉＯ2、ＳｉＮ，ＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＯx（ｘは１＜ｘ＜１．５）を含む。
【００１７】
第１の光入力層は、第２の光入力層に合致した形状または第２の光入力層の形状より小さい相似形状を有することが好ましい。
【００１８】
第１の環状層は、第２の環状層に対して当該第１の環状層の内周縁および外周縁がそれぞれ第２の環状層の内周縁および外周縁より内側に位置するように対向させることが好ましい。
【００１９】
各第１の光導波路は、各第２の光導波路に合致した形状または各第２の光導波路の形状より小さい相似形状を有することが好ましい。
【００２０】
光吸収層を含む半導体層は、例えばIII−V族半導体から作られる。III−V族半導体は、例えばＩｎＰ系半導体、ＧａＡｓ系半導体、またはＧａＮ系半導体を挙げることができる。
【００２１】
前記ＩｎＰ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＩｎＧａＡｓＰの光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰのクラッド層、ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ配置した構造を有する。
【００２２】
別のＩｎＰ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＩｎＧａＡｌＡｓの光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＰのクラッド層、ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ配置した構造を有する。
【００２３】
前記ＧａＡｓ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓの光閉じ込め層、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓのクラッド層、ＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ配置した構造を有する。
【００２４】
別のＧａＡｓ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＡｓの光閉じ込め層、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓのクラッド層、ＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ配置した構造を有する。
【００２５】
さらに別のＧａＡｓ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＩｎＰの光閉じ込め層、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＡｓのクラッド層、ＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ配置した構造を有する。
【００２６】
前記ＧａＮ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＮまたはＧａＮの光閉じ込め層、ＡｌＧａＮまたはＧａＮのクラッド層、ＧａＮまたはＩｎＧａＮのコンタクト層がそれぞれ配置した構造を有する。
【００２７】
なお、前記各III−V系化合物半導体から作られる半導体層において、基板側に配置されるクラッド層およびコンタクト層は１つの層（クラッド層を兼ねるコンタクト層）で形成し、上層側のクラッド層およびコンタクト層は１つの層（クラッド層を兼ねるコンタクト層）で形成してもよい。
【００２８】
光吸収層を含む半導体層は、例えばII−VI族の半導体（ＣｄＺｎＳＳｅのようなＺｎＳｅ系半導体）から作ることもできる。
【００２９】
半導体層のうち最下層の厚さｄは、入射される光の波長をλとすると、λ≦ｄ≦２λの関係を満たすことが好ましい。１λ〜２λの厚さ、より好ましい最下層の厚さｄは、３／２λ前後であることが望ましい。このような厚さの最下層の化合物半導体層は、当該化合物半導体層を構成する第２の光入力層および第２の光導波路において高効率の光結合を実現することが可能になる。
【００３０】
一対の電極は、例えば直流電源に接続され、いずれか一方の電極が正電極とし、他方の電極が負電極として用いられる。一対の電極は、前述した複数のIII−V族（またはII−VI族）の化合物半導体層のうちの最下層および最上層に位置する層（例えばコンタクト層）にそれぞれ接続される。コンタクト層がＩｎＰ系である場合、第１導電型（例えばｎ型）のコンタクト層に接続される電極はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから作ることができ、第２導電型（例えばｐ型）のコンタクト層に接続される電極はＴｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＺｎ／Ａｕから作ることができる。コンタクト層がＧａＡｓ系である場合、第１導電型（例えばｎ型）のコンタクト層に接続される電極はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから作ることができ、第２導電型（例えばｐ型）のコンタクト層に接続される電極はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから作ることができる。
【００３１】
次に、実施形態に係る半導体受光デバイスを図１〜図３を参照してより具体的に説明する。図１は、実施形態に係る半導体受光デバイスの断面図である。図２は、基板上に設けられる光伝播層を示す平面図、図３は、最下層の化合物半導体層を含む半導体層の上面図である。
【００３２】
実施形態に係る半導体受光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる基板１を備える。基板１の主面には、低屈折率の例えばＳｉＯ2からなる絶縁膜２が設けられている。外縁が円形をなす光伝播層３は、絶縁膜２の表面に設けられている。光伝播層３周囲の絶縁膜２表面には、低屈折率膜、例えばＳｉＯ2膜４が当該光伝播層３と面一になるように設けられている。
【００３３】
光伝播層３は、図２に示すように絶縁膜２表面に設けられ、例えば略矩形をなす第１の光入力層３１と、第１の光入力層３１の周囲の絶縁膜２表面に第１の光入力層３１に対して所望距離隔てて設けられた第１の環状層（例えば第１の円環状層）３２と、絶縁膜２表面に設けられ、第１の光入力層３１と第１の円環状層３２とを接続する複数、例えば４つの第１の光導波路３３とを備える。
【００３４】
第１の光入力層３１は、回折格子３４を備える。回折格子３４は、貫通する複数の円形孔を二次元方向に周期的に有するアモルファスシリコン層と、各孔内にアモルファスシリコン層と面一になるように埋め込まれた低屈折率材料、例えばＳｉＯ2からなる複数の領域とから構成される。回折格子３４における複数の領域の周期構造は、正方格子状に配列されている。各第１の光導波路３３は、その一端が略矩形をなす第１の光入力層３１の角部に接続され、他端が例えば第１の円環状層３２に当該第１の円環状層３２に対して９０°の周角度で接続されている。各第１の光導波路３３は、その幅が第１の光入力層３１から第１の円環状層３２に向かって細くなっている。なお、第１の光入力層３１と第１の円環状層３２との間に位置し、４つの光導波路３３で区画された４つの領域３５は低屈折率材料、例えばＳｉＯ2で作られている。低屈折率膜５は、光伝播層３を含むＳｉＯ2膜４表面に設けられている。
【００３５】
外縁形状が円形の半導体層６は、低屈折率膜５表面に前記光伝播層３と対向するように設けられている。半導体層６は、低屈折率膜５表面との接触側から例えば第１導電型半導体からなるコンタクト層６１、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層６２、多重量子井戸層（光吸収層）６３、第２導電型半導体からなる光閉じ込め層６４および第２導電型半導体からなるコンタクト層６５がこの順序で積層した構造を有する。
【００３６】
最下層のコンタクト層６１は、図１および図３に示すように低屈折率膜５表面に第１の光入力層３２に対向するように設けられた、例えば略矩形をなす第２の光入力層６１１と、低屈折率膜５表面に第１の円環状層３３と対向するように設けられた第２の環状層（例えば第２の円環状層）６１２と、低屈折率膜５表面に複数の第１の光導波路３３と対向するように設けられ、第２の光入力層６１１と第２の円環状層６１２とを接続する複数、例えば４つの第２の光導波路６１２とを備える。第２の光入力層６１１は、第１の光入力層３１に合致した形状を有する。第２の円環状層６１２は、第１の円環状層３２の形状より大きな相似形状を有する。例えば、第２の円環状層６１２は第１の円環状層３２に対して低屈折率膜５を介して当該第１の円環状層３２の内周縁および外周縁がそれぞれ第２の円環状層６１２の内周縁および外周縁より内側に位置するように対向される。各第２の光導波路６１３は、各第１の光導波路３３に合致した形状を有する。また、各第２の光導波路３３はその幅が第２の光入力層６１１から第２の円環状層６１２に向かって細くなっている。
【００３７】
半導体層６のうち、最下層のコンタクト層６１を除く光閉じ込め層６２、多重量子井戸層（光吸収層）６３、光閉じ込め層６４およびコンタクト層６５は、円環状をなし、最下層のコンタクト層６１と共に受光部を構成している。これらの円環状の層６２，６３，６４および６５は、それらの外周縁が最下層のコンタクト層６１の第２の円環状層６１２の外周縁と合致している。また、これらの円環状の層６２，６３，６４および６５はそれらの内周縁が最下層のコンタクト層６１の第２の円環状層６１２の内周縁より内側に位置する。これら内周縁間に位置して露出する第２の円環状層６１２の円環状領域は、後述する一対の電極のうちの一方の電極に対するコンタクト部として使用される。
【００３８】
層間絶縁膜７は、低屈折率膜５上に半導体層６を覆うように設けられている。例えば、円環状の第１のコンタクトホール８は層間絶縁膜７に下端が最下層のコンタクト層６１の第２の円環状層６１２の円環状領域に位置するように開口されている。第１導電型用電極材料からなる電極９は、当該第１のコンタクトホール８内に設けられ、その下端は第１導電型の化合物半導体からなる最下層のコンタクト層６１の第２の円環状層６１２の円環状領域にオーミックコンタクトされている。例えば、円環状の第２のコンタクトホール１０は層間絶縁膜７に下端が最上層のコンタクト層６５に位置するように第１のコンタクトホール８に対して同心円状に開口されている。第２導電型用電極材料からなる電極１１は、当該第２のコンタクトホール１０内に設けられ、その下端が第２導電型の化合物半導体からなるコンタクト層６５にオーミックコンタクトされている。
【００３９】
次に、前述した図１〜図３に示す半導体受光デバイスの製造方法を図４〜図６を参照して説明する。
【００４０】
まず、図４の（Ａ）に示すように基板１表面に絶縁層２およびアモルファスシリコン層３をこの順序で堆積する。つづいて、アモルファスシリコン層２１表面にフォトリソグラフィ技術により例えば前述した図２に示す光伝播層の形状を有するレジストパターン２２を形成する。当該レジストパターンをマスクとしてアモルファスシリコン層２１を選択的にエッチングして光伝播層の外形形状を加工し、同時に光入力層に相当する領域に貫通する複数の円形孔２３を正方格子状に周期的に配列するように開口する（図４の（Ｂ）図示）。全面に低屈折率材料層２４（例えばＳｉＯ2層）をアモルファスシリコン層２１に比べて十分に厚く堆積する（図４の（Ｃ）図示）。
【００４１】
次いで、ＳｉＯ2層２４を例えば機械化学研磨（ＣＭＰ）技術によりエッチバックして図４の（Ｄ）に示すように絶縁膜２表面に光伝播層３および低屈折率膜、例えばＳｉＯ2膜４を互いに面一になるように形成する。光伝播層３は、図２に示すように略矩形をなす第１の光入力層３１と、第１の光入力層３１の周囲に第１の光入力層３１に対して所望距離隔てて設けられた第１の円環状層３２と、第１の光入力層３１と第１の円環状層３２とを光結合する４つの光導波路３３とを備える。第１の光入力層３１は、アモルファスシリコン層２１に複数の円形孔２３を正方格子状に周期的に配列し、各円形孔２３に低屈折率材料（例えばＳｉＯ2）を埋め込んで複数の円形領域を設けた回折格子３４を備える。その後、図４の（Ｅ）に示すように光伝播層３およびＳｉＯ2膜４の表面に低屈折率薄膜、例えばＳｉＯ2薄膜５ａを堆積する。
【００４２】
また、III−V族半導体からなる基板５０の表面に第２導電型半導体からなるコンタクト層６５、第２導電型半導体からなる光閉じ込め層６４、多重量子井戸層（光吸収層）６３、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層６２および第１導電型半導体からなるコンタクト層６１をエピタキシャル成長（有機金属化学気相成長法：ＭＯＣＶＤまたは分子線エピタキシャル成長法：ＭＢＥ）によりこの順序で積層する。その後、最上層のコンタクト層６１表面に低屈折率薄膜、例えばＳｉＯ2薄膜５ｂを堆積する（図５の（Ｆ）図示）。つづいて、図５の（Ｇ）に示すようにIII−V族半導体からなる基板５０を反転させ、最下層に位置するＳｉＯ2薄膜５ｂを基板１の最上層に位置するＳｉＯ2薄膜５ａに対向させる。ひきつづき、ＳｉＯ2薄膜５ｂとＳｉＯ2薄膜５ａとを互いに当接させ、接合する。このとき、光伝播層３および低屈折率膜、例えばＳｉＯ2膜４上にＳｉＯ2膜５を介して第１導電型半導体からなるコンタクト層６１が接合される。コンタクト層６１上には第１導電型の化合物半導体からなる光閉じ込め層６２、多重量子井戸層（光吸収層）６３、第２導電型の化合物半導体からなる光閉じ込め層６４および第２導電型の化合物半導体からなるコンタクト層６５がこの順序で積層される。その後、最上層に位置するIII−V族半導体からなる基板５０をＣＭＰ技術またはウェットエッチングにより全て除去する（図５の（Ｈ）図示）。
【００４３】
次いで、最下層のコンタクト層６１を除く、最上層のコンタクト層６５から光閉じ込め層６４、多重量子井戸層（光吸収層）６３、光閉じ込め層６２までの５つの層をフォトエッチング技術で形成した図示しない円環状のレジストパターンをマスクとして選択的にエッチングして円環状に加工する（図６の（Ｉ）図示）。つづいて、最下層のコンタクト層６１および円環状の５つの層にフォトエッチング技術により前述した図３に示す形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、当該レジストパターンをマスクとして最下層のコンタクト層６１を選択的にエッチングする。このとき、最下層のコンタクト層６１は低屈折率膜（ＳｉＯ2膜）５表面に第１の光入力層３２に対向するように設けられた、略矩形をなす第２の光入力層６１１と、ＳｉＯ2膜５表面に第１の円環状層３３と対向するように設けられた第２の円環状層６１２と、ＳｉＯ2膜５表面に４つの第１の光導波路３３と対向するように設けられ、第２の光入力層６１１と第２の円環状層６１２とを光結合する４つの第２の光導波路６１２とを備える構造を有する。なお、第２の円環状層６１２の外周縁は円環状をなす５つの層の外周縁と合致する。このような工程により、前記第２の光入力層６１１、第２の円環状層６１２および第２の光導波路６１２を有する最下層のコンタクト層６１を含む円環状の半導体層６が形成される（図６の（Ｊ）図示）。
【００４４】
次いで、全面に層間絶縁膜７を堆積する。つづいて、層間絶縁膜７をフォトエッチング技術で形成した図示しない円環状の開口を有するレジストパターンをマスクとして選択的にエッチングして下端が最下層のコンタクト層６１の第２の円環状層６１２に達する第１のコンタクトホール８を開口する。第１のコンタクトホール８を含む層間絶縁膜７表面に第１導電型用電極材料層を堆積した後、ＣＭＰ技術で第１導電型用電極材料層をエッチバックすることにより層間絶縁膜７と面一の第１導電型用電極材料からなる電極９を第１のコンタクトホール８に埋め込む。その後、層間絶縁膜７をフォトエッチング技術で形成した第１のコンタクトホール８より径の大きい、図示しない円環状の開口を有するレジストパターンをマスクとして選択的にエッチングして下端が最上層のコンタクト層６５に達する第２のコンタクトホール１０を開口する。第２のコンタクトホール１０を含む層間絶縁膜７表面に第２導電型用電極材料層を堆積した後、ＣＭＰ技術で第２導電型用電極材料層をエッチバックすることにより層間絶縁膜７と面一の第２導電型用電極材料からなる電極１１を第２のコンタクトホール１０に埋め込み半導体受光デバイスを製造する（図６の（Ｋ）図示）。
【００４５】
なお、最下層のコンタクト層６１を選択的にエッチングする際、コンタクト層６１の厚さ方向に全て除去せずに、下地となる低屈折率膜であるＳｉＯ2膜５表面に一部残すようにエッチングしてもよい。このように最下層のコンタクト層６１をＳｉＯ2膜５表面に一部残すことによって、ＳｉＯ2膜５に対する最下層のコンタクト層６１の密着性を良好な状態に維持することが可能になる。
【００４６】
以上説明した図１〜図３に示す実施形態に係る半導体受光デバイスは、基板１上に光伝播層３および光吸収層６３を含む半導体層６を設けた構造を有する。光伝播層３および半導体層６の光伝播層３上に設けられる最下層の半導体層６１は、それぞれ基板１側から光が入射される、互に対向する第１、第２の光入力層３１および６１１と、第１、第２の光入力層３１および６１１の周囲にそれぞれ配置され、互に対向する第１、第２の円環状層３２および６１２と、第１、第２の光入力層３１および６１１と当該第１、第２の円環状層３２および６１２とをそれぞれ光結合する、互に対向する例えば４つの第１、第２の光導波路３３および６１３とを備える。第１の光入力層３１は、例えば複数の領域の周期構造を正方格子状に配列した回折格子３４を備える。半導体層６のうち、最下層の化合物半導体層６１を除く化合物半導体層６２，６３，６４および６５は、円環状をなす。最下層の化合物半導体層５１を含む円環状の半導体層６は、受光部として機能する。また、第１導電型用電極材料からなる電極９は第１導電型化合物半導体からなる最下層のコンタクト層６１に接続され、第２導電型用電極材料からなる電極１１は第２導電型化合物半導体からなる最上層のコンタクト層６５に接続されている。
【００４７】
このような構成において、半導体層６中の光吸収層８３に第１導電型用電極材料からなる電極９および第２導電型用電極材料からなる電極１１から直流電圧を印加して逆バイアスを加えた状態で、光伝播層３の第１の光入力層３１にその下方の基板１側から光を入射させると、入射光は当該第１の光入力層３１の回折格子３４で斜め上方に放射状に屈折、散乱する。斜めに放射状に屈折、散乱する光の一部は、第１の光入力層３１を伝播し、複数の第１の光導波路３３を経由して第１の円環状層３２に達する。第１の円環状層３２に達した光は、低屈折率膜５を透過して上方のコンタクト層６１の第２の円環状層６１２に入射される。
【００４８】
一方、斜め上方に放射状に屈折、散乱する光の大部分は、低屈折率膜５を透過して第１の光入力層３１に対向する最下層のコンタクト層６１の第２の光入力層６１１に向かい、当該第２の光入力層６１１を伝播し、複数の第２の光導波路６１３を経由して第２の円環状層６１２に達する。
【００４９】
すなわち、光伝播層３の回折格子３４を含む第１の光入力層３１にその下方の基板１側から光を入射させると、入射光は第１の光入力層３１を放射状に伝播し、複数の第１の光導波路３３および第１の円環状層３２を経由して最下層のコンタクト層６１の第２の円環状層６１３に達する。また、第１の光入力層３１の回折格子３４に入射した光は、当該回折格子３４で斜め上方に放射状に屈折、散乱し、低屈折率膜５を透過して最下層のコンタクト層６１の第２の光入力層６１１に入射し、さらに当該第２の光入力層６１１で放射状に伝播して複数の第２の光導波路６１３を経由して第２の円環状層６１２に達する。その結果、第２の円環状層６１３において、２つの経路から入射された２つの光が集合され、当該集合光は円環状の半導体層６の光吸収層６３に向かい、ここで吸収される。従って、基板１側からの入射光に対する光吸収層６３での光吸収効率をより増大できる。
【００５０】
また、光吸収層６３を含む半導体層６は円環状で、受光面積が小さく容量を低減できる。その結果、高速変調された光信号を良好に受信することができる。
【００５１】
別の実施形態において、光伝播層３および最下層のコンタクト層６１はそれぞれ図７および図８に示す構造にしてもよい。なお、図７および図８において図２および図３と同様な形状の部材は同符号を付して説明を省略する。
【００５２】
すなわち、図７に示す光伝播層３において、第１の光入力層３１’は略六角形をなす。第１の光入力層３１’は、貫通する複数の円形孔が二次元方向に周期的に有するアモルファスシリコン層と、各孔内に低屈折率材料、例えばＳｉＯ2をシリコン層と面一になるように埋め込んで設けられた複数の領域とから構成された回折格子３４’を備える。回折格子３４’は、複数の領域の周期構造を三角格子状に配列している。第１の光入力層３１’と第１の円環状層３２とは複数、例えば６つの第１の光導波路３３により６０°の周角度で光結合されている。
【００５３】
図８に示す最下層のコンタクト層６１において、第２の光入力層６１１’は略六角形をなす。第２の光入力層６１１’と第２の円環状層６１２とは、複数、例えば６つの第２の光導波路６１２により第２の円環状層６１２に対して６０°の周角度で光結合されている。
【００５４】
このような別の実施形態によれば、前述した実施形態と同様な作用、効果を奏する。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例を前述した図１〜図３を参照して詳細に説明する。
【００５６】
基板１をシリコンから作り、基板１表面にＳｉＯ2からなる厚さ４５０ｎｍの絶縁層２を設けた。絶縁層２上の光伝播層３は、図１および図２に示すようにアモルファスシリコンからなる厚さ４００ｎｍ、略矩形の第１の光入力層３１と、第１の光入力層３１の周囲の絶縁膜２表面に第１の光入力層３１に対して所望距離隔てて設けられた、アモルファスシリコンからなる厚さ２．２μｍ、幅０．６μｍ、直径１４８μｍの第１の円環状層３２と、絶縁膜２表面に設けられ、第１の光入力層３１と第１の円環状層３２とを光結合するアモルファスシリコンからなる４つの光導波路３３とを備える構造とした。なお、第１の光入力層３１は回折格子３４を備え、当該回折格子３４はアモルファスシリコンからなる母材層にＳｉＯ2からなる直径４３０ｎｍの複数の円形領域を設けた、７４５ｎｍの周期の正方格子を有する構造とした。
【００５７】
外縁形状が円形の半導体層６は、厚さ１５０ｎｍの低屈折率膜（ＳｉＯ2膜）５表面に前記光伝播層３と対向するように設けた。半導体層６は、低屈折率膜５表面との接触側からｎ型ＩｎＰからなる厚さ６００ｎｍのコンタクト層６１、ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰからなる厚さ３５０ｎｍ／４００ｎｍの光閉じ込め層６２、ＩｎxＡｌＧａＡｓ／ＩｎyＡｌＧａＡｓ（ｘ＞ｙ）からなる厚さ２５０ｎｍの多重量子井戸層（光吸収層）６３、ｐ型ＩｎＰ／ＩｎＡｌＧａＡｓからなる厚さ２００ｎｍ／２００ｎｍの光閉じ込め層６４およびｐ型ＩｎＰからなる厚さ２００ｎｍのコンタクト層６５がこの順序で積層した構造とした。
【００５８】
最下層のコンタクト層６１は、図１および図３に示すように低屈折率膜５表面に第１の光入力層３２に対向するように設けられた、アモルファスシリコンからなる厚さ６００ｎｍで、略矩形の第２の光入力層６１１と、低屈折率膜５表面に第１の円環状層３３と対向するように設けられた、アモルファスシリコンからなる厚さ６００ｎｍ、幅３μｍ、直径１５０μｍの第２の円環状層６１２と、低屈折率膜５表面に第１の光導波路３３と対向するように設けられ、第２の光入力層６１１と第２の円環状層６１２とを光結合するアモルファスシリコンからなる４つの第２の光導波路６１２とを備える構造とした。第２の光入力層６１１は、第１の光入力層３１に合致した形状とした。第２の円環状層６１２は、第１の円環状層３２の形状より大きな相似形状とした。
【００５９】
ｎ型電極９はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから作り、ｐ電極１１はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから作った。
【００６０】
このような構造の半導体受光デバイスにおいて、ｎ型電極９およびｐ型電極１１に直流電圧を印加して半導体層６中の光吸収層６３に逆バイアスを加えた状態で、光伝播層３の第１の光入力層３１にその下方の基板１側から光を入射させた。このときの、光吸収層６３に伝播される伝播光の入射光に対する変換率（光結合効率：％）を計算機シミュレーション（ＦＤＴＤ法）により求めた。その結果を図９に示す。
【００６１】
図９から明らかなように実施例の半導体受光デバイスは、基板側からの入射光の７０％以上が伝播光に変換され、高効率の面受光が可能であることを確認できた。
【符号の説明】
【００６２】
１…基板、３…光伝播層、３１…第１の光入力層、３２…第１の環状層、３３…第１の光導波路、３４…回折格子、６…半導体層、６１…最下層のコンタクト層、６３…多重量子井戸層（光吸収層）、６１１…第２の光入力層、６１２…第２の環状層、６１３…第２の光導波路、９、１１…電極。
【図１】
2017174838.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017174838.tif 000007
【図６】
2017174838.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年8月22日(2016.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【図１】実施形態に係る半導体受光デバイスを示す断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる光伝播層を示す平面図である。
【図３】実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる半導体層の最下層を示す平面図である。
【図４】実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図５】実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６】実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図７】別の実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる光伝播層を示す平面図である。
【図８】別の実施形態に係る半導体受光デバイスに組込まれる半導体層の最下層を示す平面図である。
【図９】実施例の半導体受光デバイスにおいて、光を基板側から入射したときの、光吸収層における伝播光の、入射光に対する光結合効率を示す特性図である。