JP2982619B2 - 半導体光導波路集積型受光素子 - Google Patents
半導体光導波路集積型受光素子Info
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- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
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- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体光集積素子に係
り、特に光の導波路を有する導波型光検出器に関する。
り、特に光の導波路を有する導波型光検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信用の受信器として、光ヘテロダイ
ン受信器、あるいは光波長分割多重受信器など、方向性
結合器／導波路を構成要素とする受信器においては、シ
ングルモード光導波路とフォトダイオードとの光結合技
術が重要となる。シングルモード光導波路を半導体で形
成し、これと導波路型フォトダイオードを同一の基板上
にモノリシックに集積化する場合、光導波路のコア層と
フォトダイオードの光吸収層とは吸収端波長の異なる物
質で構成し、入射光に対して光導波路は光の導波機能を
有して且つ十分低損失であり、フォトダイオードとして
の光吸収層には十分な吸収係数を持たせる必要がある。
ン受信器、あるいは光波長分割多重受信器など、方向性
結合器／導波路を構成要素とする受信器においては、シ
ングルモード光導波路とフォトダイオードとの光結合技
術が重要となる。シングルモード光導波路を半導体で形
成し、これと導波路型フォトダイオードを同一の基板上
にモノリシックに集積化する場合、光導波路のコア層と
フォトダイオードの光吸収層とは吸収端波長の異なる物
質で構成し、入射光に対して光導波路は光の導波機能を
有して且つ十分低損失であり、フォトダイオードとして
の光吸収層には十分な吸収係数を持たせる必要がある。
【０００３】従来の光導波路と導波路型フォトダイオー
ド集積素子の一例を図８を用いて説明する。この図は素
子の主要な作製工程を、光の導波方向に沿った断面図で
示したものである。まず、同図（ａ）に示すようにｎ型
ＩｎＰ基板１上にフォトダイオードの結晶層であるｎ+
−ＩｎＰバッファ層２、ｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層
３、ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層４を全面に成長する。
ド集積素子の一例を図８を用いて説明する。この図は素
子の主要な作製工程を、光の導波方向に沿った断面図で
示したものである。まず、同図（ａ）に示すようにｎ型
ＩｎＰ基板１上にフォトダイオードの結晶層であるｎ+
−ＩｎＰバッファ層２、ｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層
３、ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層４を全面に成長する。
【０００４】次に同図（ｂ）に示すようにフォトダイオ
ード部分５のみを島状に残して他の部分をエッチングで
除去する。その後、同図（ｃ）に示すように光導波路部
分６にのみ選択的な再成長によりｎ- −ＩｎＰ下部クラ
ッド層７、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層８、ｎ- −Ｉｎ
Ｐ上部クラッド層９を形成する。基本的にはこの構成
で、又、場合によっては光導波路部分６のＩｎＰによる
埋め込み工程を経て、通常の電極形成工程などを経て素
子を完成させる。この素子では再成長界面を介し光導波
路とフォトダイオードをいわゆるバットカップリング
（ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）により光結合させてい
る。
ード部分５のみを島状に残して他の部分をエッチングで
除去する。その後、同図（ｃ）に示すように光導波路部
分６にのみ選択的な再成長によりｎ- −ＩｎＰ下部クラ
ッド層７、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層８、ｎ- −Ｉｎ
Ｐ上部クラッド層９を形成する。基本的にはこの構成
で、又、場合によっては光導波路部分６のＩｎＰによる
埋め込み工程を経て、通常の電極形成工程などを経て素
子を完成させる。この素子では再成長界面を介し光導波
路とフォトダイオードをいわゆるバットカップリング
（ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）により光結合させてい
る。
【０００５】次に別の第二の従来例について図９を用い
て説明する。この図も素子の主要な作製工程を、光の導
波方向に沿った断面図で示したものである。まず、図９
（ａ）に示すようにｎ型ＩｎＰ基板１０上に光導波路の
結晶層であるｎ- −ＩｎＰ下部クラッド層１１、ｎ- −
ＩｎＧａＡｓＰコア層１２、ｎ- −ＩｎＰ上部クラッド
層１３、フォトダイオードの結晶層であるｎ- ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層１４、ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層１５を全
面に成長する。次に同図（ｂ）に示すようにフォトダイ
オード部分１６Ａのみを島状に残して他の部分のｎ- −
ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層
１５をエッチングで除去する。この後、光導波路部分１
６Ｂのｎ- −ＩｎＰ上部クラッド層１３をエッチングに
よりリッジ状に加工して光導波路を形成する工程、通常
の電極形成工程などを経て素子を完成させる。この素子
では光導波路とフォトダイオードとをいわゆるエバネシ
ェント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）波結合させて用いる。
これらが従来のシングルモード光導波路を集積化したフ
ォトダイオードの例である。
て説明する。この図も素子の主要な作製工程を、光の導
波方向に沿った断面図で示したものである。まず、図９
（ａ）に示すようにｎ型ＩｎＰ基板１０上に光導波路の
結晶層であるｎ- −ＩｎＰ下部クラッド層１１、ｎ- −
ＩｎＧａＡｓＰコア層１２、ｎ- −ＩｎＰ上部クラッド
層１３、フォトダイオードの結晶層であるｎ- ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層１４、ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層１５を全
面に成長する。次に同図（ｂ）に示すようにフォトダイ
オード部分１６Ａのみを島状に残して他の部分のｎ- −
ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層
１５をエッチングで除去する。この後、光導波路部分１
６Ｂのｎ- −ＩｎＰ上部クラッド層１３をエッチングに
よりリッジ状に加工して光導波路を形成する工程、通常
の電極形成工程などを経て素子を完成させる。この素子
では光導波路とフォトダイオードとをいわゆるエバネシ
ェント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）波結合させて用いる。
これらが従来のシングルモード光導波路を集積化したフ
ォトダイオードの例である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図８に示した従来例で
は光導波路とフォトダイオードとのバットカップリング
部に再成長界面が入っており、この再成長界面近傍に於
いて導波モードの界分布の著しい不連続、入射光の散
乱、反射がおこり光導波路とフォトダイオードの結合効
率が低下するという問題がある。また、フォトダイオー
ドと光導波路の結晶層を別々に結晶成長するため、最低
２回の結晶成長が必要であり工数が多いという問題があ
った。
は光導波路とフォトダイオードとのバットカップリング
部に再成長界面が入っており、この再成長界面近傍に於
いて導波モードの界分布の著しい不連続、入射光の散
乱、反射がおこり光導波路とフォトダイオードの結合効
率が低下するという問題がある。また、フォトダイオー
ドと光導波路の結晶層を別々に結晶成長するため、最低
２回の結晶成長が必要であり工数が多いという問題があ
った。
【０００７】また、図９を用いて説明した第二の従来例
では、光導波路とフォトダイオードとをエバネッシェン
ト波結合させているため、光吸収層への光の閉じ込めが
弱く、十分な量子効率を得るためにはフォトダイオード
部分の長さとして光の導波方向に通常数１００μm が必
要であり、コンパクトな素子設計ができず、また、フォ
トダイオード面積の増大に伴って素子容量、暗電流が増
大し特性が劣化するという問題点があった。
では、光導波路とフォトダイオードとをエバネッシェン
ト波結合させているため、光吸収層への光の閉じ込めが
弱く、十分な量子効率を得るためにはフォトダイオード
部分の長さとして光の導波方向に通常数１００μm が必
要であり、コンパクトな素子設計ができず、また、フォ
トダイオード面積の増大に伴って素子容量、暗電流が増
大し特性が劣化するという問題点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに本発明が提供する半導体光集積素子は半導体基板上
に少なくとも半導体コア層、半導体クラッド層が順次積
層された層構造を有し、受動導波路の先端に導波路型受
光素子が接続された半導体光導波路集積型受光素子であ
って、前記受動導波路と導波路型受光素子の接続部分で
半導体コア層が途切れることなく光導波路が連続して形
成されており、かつ受動導波路部の半導体コア層のバン
ドギャップ波長が該受光素子部のバンドギャップ波長よ
りも短波長であることを特徴とする。
めに本発明が提供する半導体光集積素子は半導体基板上
に少なくとも半導体コア層、半導体クラッド層が順次積
層された層構造を有し、受動導波路の先端に導波路型受
光素子が接続された半導体光導波路集積型受光素子であ
って、前記受動導波路と導波路型受光素子の接続部分で
半導体コア層が途切れることなく光導波路が連続して形
成されており、かつ受動導波路部の半導体コア層のバン
ドギャップ波長が該受光素子部のバンドギャップ波長よ
りも短波長であることを特徴とする。
【０００９】また、受光領域に入ってきた光をより有効
に光電変換するために光吸収層領域の導波路幅を光導波
層より広くすること、又、高濃度層を導波構造に導入す
ると導波損が発生することを防ぐために受光領域のｐｎ
接合を選択的に形成することを特徴とする。
に光電変換するために光吸収層領域の導波路幅を光導波
層より広くすること、又、高濃度層を導波構造に導入す
ると導波損が発生することを防ぐために受光領域のｐｎ
接合を選択的に形成することを特徴とする。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して詳細に説明する。図１は本発明による光導波路集積
型受光素子の第一の実施例の作製プロセスを示す図であ
る。同図（ａ）は素子を基板表面側から見た図、（ｂ）
は素子の光導波路部分における断面模式図、（ｃ）はフ
ォトダイオード部分の導波路と直交する断面図である。
まず、同図（ａ）に示すように、（００１）面方位のｎ
型ＩｎＰ基板１７上にＳｉＯ2 膜１８による選択成長マ
スクパターンを形成する。光導波路部分２０とフォトダ
イオード部分１９のストライプ方向は［１１０］であ
る。このパターンは図に示したように、フォトダイオー
ド部分１９においてマスク幅が広く、光導波路部分２０
においてはマスク幅が狭くなっている。
して詳細に説明する。図１は本発明による光導波路集積
型受光素子の第一の実施例の作製プロセスを示す図であ
る。同図（ａ）は素子を基板表面側から見た図、（ｂ）
は素子の光導波路部分における断面模式図、（ｃ）はフ
ォトダイオード部分の導波路と直交する断面図である。
まず、同図（ａ）に示すように、（００１）面方位のｎ
型ＩｎＰ基板１７上にＳｉＯ2 膜１８による選択成長マ
スクパターンを形成する。光導波路部分２０とフォトダ
イオード部分１９のストライプ方向は［１１０］であ
る。このパターンは図に示したように、フォトダイオー
ド部分１９においてマスク幅が広く、光導波路部分２０
においてはマスク幅が狭くなっている。
【００１１】次にこの基板上に選択成長により、ｎ+ −
ＩｎＰ下部クラッド層２１（１×１０18cm-3）、ｎ- −
ＩｎＧａＡｓＰ層２２（２×１０15cm-3）、ｐ+ −Ｉｎ
Ｐ上部クラッド層２３（１×１０18cm-3）を形成する。
このときｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ層２２はフォトダイオー
ド部分１９と、光導波路部分２０とでは異なる組成のも
のが得られる（特開平４−２４３２１６号公報（特願平
３−１９４１１号）参照）。
ＩｎＰ下部クラッド層２１（１×１０18cm-3）、ｎ- −
ＩｎＧａＡｓＰ層２２（２×１０15cm-3）、ｐ+ −Ｉｎ
Ｐ上部クラッド層２３（１×１０18cm-3）を形成する。
このときｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ層２２はフォトダイオー
ド部分１９と、光導波路部分２０とでは異なる組成のも
のが得られる（特開平４−２４３２１６号公報（特願平
３−１９４１１号）参照）。
【００１２】すなわち同図（ｂ）に示したように光導波
路部分２０に於いてはｎ型ＩｎＰ基板１７より屈折率は
大きいが吸収端波長が十分短く、通常光通信で用いられ
る１．３〜１．５μm の長波長帯の入射光に対して十分
低損失なｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層２２Ａとして働
き、また、フォトダイオード部分１９においては同図
（ｃ）に示すように２２Ａより吸収端波長が長く入射光
に対して十分な吸収係数を持つｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ光
吸収層２２Ｂとして働く。ここでｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ
コア層２２Ａとｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２２Ｂの
吸収端波長の差を生ずるのはＳｉＯ2 膜１８のマスク幅
のみに依存しており、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層２２
Ａ、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２２Ｂは同時に且つ
連結して形成される。この後、フォトダイオード部分１
９と光導波路部分２０の連結領域上に存在するｐ+ −Ｉ
ｎＰ上部クラッド層２３をエッチングで除去し素子分離
を行い、電極を形成することにより本素子を得ることが
出来る。
路部分２０に於いてはｎ型ＩｎＰ基板１７より屈折率は
大きいが吸収端波長が十分短く、通常光通信で用いられ
る１．３〜１．５μm の長波長帯の入射光に対して十分
低損失なｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層２２Ａとして働
き、また、フォトダイオード部分１９においては同図
（ｃ）に示すように２２Ａより吸収端波長が長く入射光
に対して十分な吸収係数を持つｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ光
吸収層２２Ｂとして働く。ここでｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ
コア層２２Ａとｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２２Ｂの
吸収端波長の差を生ずるのはＳｉＯ2 膜１８のマスク幅
のみに依存しており、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層２２
Ａ、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層２２Ｂは同時に且つ
連結して形成される。この後、フォトダイオード部分１
９と光導波路部分２０の連結領域上に存在するｐ+ −Ｉ
ｎＰ上部クラッド層２３をエッチングで除去し素子分離
を行い、電極を形成することにより本素子を得ることが
出来る。
【００１３】次に本発明の第二の実施例について図２を
用いて説明する。本実施例では第一の実施例におけるｎ
- −ＩｎＧａＡｓＰコア層２２Ａとｎ- −ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光吸収層２２Ｂに相当する層としてＭＱＷ層を用い
る。このＭＱＷ層は図２に示すようにＩｎＧａＡｓＰウ
ェル層２２１と、ＩｎＰバリア層２２２の多層膜で形成
され、このＭＱＷ層の等価屈折率はｎ型ＩｎＰ基板１７
より高い。図１の実施例同様にＳｉＯ2 選択マスクの幅
を変えることによりＩｎＧａＡｓＰウェル層２２１の組
成及び層厚がフォトダイオード部と導波路部で異なる層
２２１Ａ、２２１Ｂとすることが出来る。ＭＱＷ層を用
いるということ以外、素子作製工程など第一の実施例と
同様である。本実施例は請求項２に対応する。
用いて説明する。本実施例では第一の実施例におけるｎ
- −ＩｎＧａＡｓＰコア層２２Ａとｎ- −ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光吸収層２２Ｂに相当する層としてＭＱＷ層を用い
る。このＭＱＷ層は図２に示すようにＩｎＧａＡｓＰウ
ェル層２２１と、ＩｎＰバリア層２２２の多層膜で形成
され、このＭＱＷ層の等価屈折率はｎ型ＩｎＰ基板１７
より高い。図１の実施例同様にＳｉＯ2 選択マスクの幅
を変えることによりＩｎＧａＡｓＰウェル層２２１の組
成及び層厚がフォトダイオード部と導波路部で異なる層
２２１Ａ、２２１Ｂとすることが出来る。ＭＱＷ層を用
いるということ以外、素子作製工程など第一の実施例と
同様である。本実施例は請求項２に対応する。
【００１４】次に本発明の第三の実施例について説明す
る。図３は選択成長マスクパターンを基板表面側から見
た図である。図１（ａ）に示した第一の実施例のパター
ンと異なる点は、フォトダイオード部分１９の選択成長
領域の幅が光導波路のそれより広くなっている点、及び
フォトダイオード部分の導波方向の長さが第一の実施例
の時より短くなっている点である。フォトダイオード部
分の幅を十分に広げることにより、導波光の水平方向の
閉じこめ係数を１００％近くまで高めて吸収長を短縮し
ており、素子長を短くしたコンパクトな構成でも十分な
量子効率が得られる。この後、第一、第二の本発明実施
例と同様、連結領域に相当するｐ+ −ＩｎＰ上部クラッ
ド層２３をエッチングで除去し、電極を形成することに
より本素子を得ることが出来る。本実施例は請求項３に
対応する。
る。図３は選択成長マスクパターンを基板表面側から見
た図である。図１（ａ）に示した第一の実施例のパター
ンと異なる点は、フォトダイオード部分１９の選択成長
領域の幅が光導波路のそれより広くなっている点、及び
フォトダイオード部分の導波方向の長さが第一の実施例
の時より短くなっている点である。フォトダイオード部
分の幅を十分に広げることにより、導波光の水平方向の
閉じこめ係数を１００％近くまで高めて吸収長を短縮し
ており、素子長を短くしたコンパクトな構成でも十分な
量子効率が得られる。この後、第一、第二の本発明実施
例と同様、連結領域に相当するｐ+ −ＩｎＰ上部クラッ
ド層２３をエッチングで除去し、電極を形成することに
より本素子を得ることが出来る。本実施例は請求項３に
対応する。
【００１５】次に本発明の第四の実施例について説明す
る。本実施例では第三の実施例に於いて選択成長時にｐ
+ −ＩｎＰ上部クラッド層２３の代わりにｎ- −ＩｎＰ
上部クラッド層２４（２×１０15cm-3）を成長した後、
フォトダイオード部分１９におけるｎ- −ＩｎＰ上部ク
ラッド層２４の一領域をＺｎの選択熱拡散によりｐ型に
反転させ、ｐ+ 領域２５を形成する（図４（ａ）、
（ｂ））。この後、電極を形成することにより本素子を
得ることが出来る。本発明も請求項３に対応する発明で
ある。
る。本実施例では第三の実施例に於いて選択成長時にｐ
+ −ＩｎＰ上部クラッド層２３の代わりにｎ- −ＩｎＰ
上部クラッド層２４（２×１０15cm-3）を成長した後、
フォトダイオード部分１９におけるｎ- −ＩｎＰ上部ク
ラッド層２４の一領域をＺｎの選択熱拡散によりｐ型に
反転させ、ｐ+ 領域２５を形成する（図４（ａ）、
（ｂ））。この後、電極を形成することにより本素子を
得ることが出来る。本発明も請求項３に対応する発明で
ある。
【００１６】次に本発明の第五の実施例について説明す
る。まず図１（ａ）に示した選択成長マスクを用いてｎ
型ＩｎＰ基板１７上にｎ+ −ＩｎＰ下部クラッド層２
１、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ層２２、ｎ- −ＩｎＰ上部ク
ラッド層２４を形成する（図５（ａ））。次に図５
（ｂ）に示したように、第二のＳｉＯ2 膜２６により図
１（ａ）のマスクの選択成長領域より広い選択成長領域
を持つマスクを形成し、ｎ-−ＩｎＰ埋め込み層２７
（２×１０15cm-3）により埋め込み成長を行う（図５
（ｃ））。次に図６（ａ）、（ｂ）に示したようにフォ
トダイオード部分１９におけるｎ- −ＩｎＰ上部クラッ
ド層２４、ｎ- −ＩｎＰ埋め込み層２７の一領域をＺｎ
の選択熱拡散によりｐ型に反転させｐ+ 領域２５を形成
する。この後、電極を形成することにより本素子を得る
ことが出来る。完成後の素子の外観図を図７に示す。
る。まず図１（ａ）に示した選択成長マスクを用いてｎ
型ＩｎＰ基板１７上にｎ+ −ＩｎＰ下部クラッド層２
１、ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ層２２、ｎ- −ＩｎＰ上部ク
ラッド層２４を形成する（図５（ａ））。次に図５
（ｂ）に示したように、第二のＳｉＯ2 膜２６により図
１（ａ）のマスクの選択成長領域より広い選択成長領域
を持つマスクを形成し、ｎ-−ＩｎＰ埋め込み層２７
（２×１０15cm-3）により埋め込み成長を行う（図５
（ｃ））。次に図６（ａ）、（ｂ）に示したようにフォ
トダイオード部分１９におけるｎ- −ＩｎＰ上部クラッ
ド層２４、ｎ- −ＩｎＰ埋め込み層２７の一領域をＺｎ
の選択熱拡散によりｐ型に反転させｐ+ 領域２５を形成
する。この後、電極を形成することにより本素子を得る
ことが出来る。完成後の素子の外観図を図７に示す。
【００１７】
【発明の効果】まず、図８で示した第一の従来例と本発
明とを比較すると、第一の従来例では素子を作製するの
にフォトダイオードの結晶成長、光導波路の結晶成長
と、最低で計２回、埋め込み層を入れると計３回の結晶
成長が必要であるのに対し、本発明ではフォトダイオー
ドと光導波路の結晶層を一括して成長するために結晶成
長回数は埋め込み層を入れても２回で済み、工数が削減
される。
明とを比較すると、第一の従来例では素子を作製するの
にフォトダイオードの結晶成長、光導波路の結晶成長
と、最低で計２回、埋め込み層を入れると計３回の結晶
成長が必要であるのに対し、本発明ではフォトダイオー
ドと光導波路の結晶層を一括して成長するために結晶成
長回数は埋め込み層を入れても２回で済み、工数が削減
される。
【００１８】また、第一の従来例では光導波路とフォト
ダイオードとのバットカップリング部に再成長界面が入
り、この再成長界面近傍に於ける入射光の散乱、反射に
より光導波路とフォトダイオードの結合効率が低下する
という問題があったが、本発明ではフォトダイオードと
光導波路の結晶層を一括して、且つ連結して形成するた
めに、再成長界面が生じず極めて高い結合効率が得られ
る。
ダイオードとのバットカップリング部に再成長界面が入
り、この再成長界面近傍に於ける入射光の散乱、反射に
より光導波路とフォトダイオードの結合効率が低下する
という問題があったが、本発明ではフォトダイオードと
光導波路の結晶層を一括して、且つ連結して形成するた
めに、再成長界面が生じず極めて高い結合効率が得られ
る。
【００１９】次に図９に示した第二の従来例と本発明を
比較する。第二の従来例では、光導波路とフォトダイオ
ードとをエバネッシェント波結合させているため、光吸
収層への光の閉じ込めが弱く、十分な量子効率を得るた
めにはフォトダイオードの素子長として通常数１００μ
m が必要であり、フォトダイオードの素子容量、暗電流
が増大し、特性が劣化するという問題点があった。これ
に対し本発明ではフォトダイオードの光吸収層と光導波
路のコア層は一括して、且つ連結して形成されているた
め、光吸収層への光の閉じ込めが強く、短い素子長で十
分高い量子効率が得られる。
比較する。第二の従来例では、光導波路とフォトダイオ
ードとをエバネッシェント波結合させているため、光吸
収層への光の閉じ込めが弱く、十分な量子効率を得るた
めにはフォトダイオードの素子長として通常数１００μ
m が必要であり、フォトダイオードの素子容量、暗電流
が増大し、特性が劣化するという問題点があった。これ
に対し本発明ではフォトダイオードの光吸収層と光導波
路のコア層は一括して、且つ連結して形成されているた
め、光吸収層への光の閉じ込めが強く、短い素子長で十
分高い量子効率が得られる。
【００２０】また、本発明の第二の実施例に於いてはフ
ォトダイオードの光吸収層、及び光導波路のコア層とし
てＭＱＷ層を用いており、光吸収層ではウェル層の量子
準位の下降により吸収端波長がより長波長側に移動し高
い量子効率が得られ、また、光導波路のコア層では逆に
量子準位の上昇により吸収端波長がより短波側に移動
し、導波路光の吸収損失がより一層低減する。
ォトダイオードの光吸収層、及び光導波路のコア層とし
てＭＱＷ層を用いており、光吸収層ではウェル層の量子
準位の下降により吸収端波長がより長波長側に移動し高
い量子効率が得られ、また、光導波路のコア層では逆に
量子準位の上昇により吸収端波長がより短波側に移動
し、導波路光の吸収損失がより一層低減する。
【００２１】次に本発明の第三の実施例ではフォトダイ
オードの幅を広く取ってあるので、水平方向の光の閉じ
込めを高めることが出来る。得られる内部量子効率の例
として、例えば、光吸収層の吸収係数を５０００cm-1、
閉じ込め係数を５０％とすれば素子長２０μm でも内部
量子効率９９％以上が得られ、コンパクトな素子設計で
低容量、低暗電流の高性能な素子が得られる。
オードの幅を広く取ってあるので、水平方向の光の閉じ
込めを高めることが出来る。得られる内部量子効率の例
として、例えば、光吸収層の吸収係数を５０００cm-1、
閉じ込め係数を５０％とすれば素子長２０μm でも内部
量子効率９９％以上が得られ、コンパクトな素子設計で
低容量、低暗電流の高性能な素子が得られる。
【００２２】また、本発明の第四の実施例に於いては、
Ｚｎの選択熱拡散によりフォトダイオード部分にのみ選
択的にｐｎ接合を形成しており、光導波路部分はｐ型層
を持たないため価電子帯間吸収がなく、低損失である。
Ｚｎの選択熱拡散によりフォトダイオード部分にのみ選
択的にｐｎ接合を形成しており、光導波路部分はｐ型層
を持たないため価電子帯間吸収がなく、低損失である。
【００２３】最後に本発明の第五の実施例では導波路部
とフォトダイオード部で一括してｎ- −ＩｎＰ埋め込み
層を形成しており均一性に優れる。また、埋め込み層形
成後にＺｎの選択熱拡散を行うので拡散深さ制御が容易
となる。また、ＩｎＰ層で埋め込んでいることで光導波
路部に於いて光の閉じ込めが弱まり容易にシングルモー
ド条件を満たすことが可能となる。したがって方向性結
合器などのシングルモード光素子との集積化に適した素
子が得られる。
とフォトダイオード部で一括してｎ- −ＩｎＰ埋め込み
層を形成しており均一性に優れる。また、埋め込み層形
成後にＺｎの選択熱拡散を行うので拡散深さ制御が容易
となる。また、ＩｎＰ層で埋め込んでいることで光導波
路部に於いて光の閉じ込めが弱まり容易にシングルモー
ド条件を満たすことが可能となる。したがって方向性結
合器などのシングルモード光素子との集積化に適した素
子が得られる。
【図１】本発明の第一の実施例を説明する図である。
（ａ）は選択成長マスクパターンである。（ｂ）は素子
の光導波路部における断面図である。（ｃ）は素子のフ
ォトダイオード部における断面図である。
（ａ）は選択成長マスクパターンである。（ｂ）は素子
の光導波路部における断面図である。（ｃ）は素子のフ
ォトダイオード部における断面図である。
【図２】本発明の第二の実施例を説明する図である。
【図３】本発明の第三の実施例を説明する図である。
【図４】本発明の第四の実施例を説明する図である。
（ａ）は素子を基板表面側から見た図である。（ｂ）は
素子のフォトダイオード部における断面図である。
（ａ）は素子を基板表面側から見た図である。（ｂ）は
素子のフォトダイオード部における断面図である。
【図５】本発明の第五の実施例の結晶成長工程を説明す
る図である。（ａ）、（ｃ）は素子のフォトダイオード
部における断面図である。（ｂ）は素子を基板表面側か
ら見た図である。
る図である。（ａ）、（ｃ）は素子のフォトダイオード
部における断面図である。（ｂ）は素子を基板表面側か
ら見た図である。
【図６】本発明の第五の実施例のｐｎ接合形成工程を説
明する図である。
明する図である。
【図７】本発明の第五の実施例の素子の完成後の外観図
である。
である。
【図８】従来の技術の一例を示す図である。（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ素子の各工程における光の導
波方向に沿った断面図である。
（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ素子の各工程における光の導
波方向に沿った断面図である。
【図９】従来の技術の別の一例を示す図である。
（ａ）、（ｂ）はそれぞれ素子の各工程における光の導
波方向に沿った断面図である。
（ａ）、（ｂ）はそれぞれ素子の各工程における光の導
波方向に沿った断面図である。
１ ｎ型ＩｎＰ基板 ２ ｎ+ −ＩｎＰバッファ層 ３ ｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ４ ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層 ５ フォトダイオード部分 ６ 光導波路部分 ７ ｎ- −ＩｎＰ下部クラッド層 ８ ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層 ９ ｎ- −ＩｎＰ上部クラッド層 １０ ｎ型ＩｎＰ基板 １１ ｎ- −ＩｎＰ下部クラッド層 １２ ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層 １３ ｎ- −ＩｎＰ上部クラッド層 １４ ｎ- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １５ ｐ+ −ＩｎＰコンタクト層 １６Ａ フォトダイオード部分 １６Ｂ 光導波路部分 １７ ｎ型ＩｎＰ基板 １８ ＳｉＯ2 膜 １９ フォトダイオード部分 ２０ 光導波路部分 ２１ ｎ+ −ＩｎＰ下部クラッド層 ２２ ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ層 ２２Ａ ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰコア層 ２２Ｂ ｎ- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層 ２２１ ＩｎＧａＡｓＰウェル層 ２２２ ＩｎＰバリア層 ２２１Ａ フォトダイオード部におけるＩｎＧａＡｓＰ
ウェル層 ２２１Ｂ 光導波路部におけるＩｎＧａＡｓＰウェル層 ２３ ｐ+ −ＩｎＰ上部クラッド層 ２４ ｎ- −ＩｎＰ上部クラッド層 ２５ ｐ+ 領域 ２６ ＳｉＯ2 膜 ２７ ｎ- −ＩｎＰ埋め込み層
ウェル層 ２２１Ｂ 光導波路部におけるＩｎＧａＡｓＰウェル層 ２３ ｐ+ −ＩｎＰ上部クラッド層 ２４ ｎ- −ＩｎＰ上部クラッド層 ２５ ｐ+ 領域 ２６ ＳｉＯ2 膜 ２７ ｎ- −ＩｎＰ埋め込み層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 雅子 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 浜本 貴一 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−303982（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−97483（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−18110（ＪＰ，Ａ) ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ−Ｄ ｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ ｇｉｅｓ Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．２ ｐｐ 137−196，（1987) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 27/14 - 27/15 H01L 31/10
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体基板上に少なくとも半導体コア
層、半導体クラッド層が順次積層された層構造を有し、
受動導波路の先端に導波路型受光素子が接続された半導
体光導波路型受光素子であって、前記受動導波路と導波
路型受光素子の接続部分で半導体コア層が途切れること
なく光導波路が連続して形成されており、かつ受動導波
路部の半導体コア層のバンドギャップ波長が該受光素子
部のバンドギャップ波長よりも短波長であり、受光素子
の光吸収層の水平方向の幅が、受動導波路部の光導波路
のコア層の水平方向の幅より大きく形成されたことを特
徴とする半導体光導波路集積型受光素子。 - 【請求項２】 前記半導体コア層が、互いに異なる組成
を持つ複数の半導体層の多層膜で構成された多重量子井
戸により形成されていることを特徴とする請求項１記載
の半導体光導波路型集積受光素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6146894A JP2982619B2 (ja) | 1994-06-29 | 1994-06-29 | 半導体光導波路集積型受光素子 |
| US08/478,840 US5521994A (en) | 1994-06-29 | 1995-06-07 | Semiconductor optical waveguide-integrated light-receiving device |
| EP95110028A EP0703476A3 (en) | 1994-06-29 | 1995-06-27 | Integrated light-sensitive semiconductor component with an optical waveguide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6146894A JP2982619B2 (ja) | 1994-06-29 | 1994-06-29 | 半導体光導波路集積型受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0818026A JPH0818026A (ja) | 1996-01-19 |
| JP2982619B2 true JP2982619B2 (ja) | 1999-11-29 |
Family
ID=15417985
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6146894A Expired - Lifetime JP2982619B2 (ja) | 1994-06-29 | 1994-06-29 | 半導体光導波路集積型受光素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5521994A (ja) |
| EP (1) | EP0703476A3 (ja) |
| JP (1) | JP2982619B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2730821B1 (fr) * | 1995-02-22 | 1997-04-30 | Alcatel Optronics | Guide optique segmente pouvant notamment etre inclus dans un dispositif semiconducteur |
| JP2870632B2 (ja) * | 1995-07-13 | 1999-03-17 | 日本電気株式会社 | 半導体光集積回路およびその製造方法 |
| US5682455A (en) * | 1996-02-29 | 1997-10-28 | Northern Telecom Limited | Semiconductor optical waveguide |
| JP2955986B2 (ja) * | 1996-05-22 | 1999-10-04 | 日本電気株式会社 | 半導体光変調器及びその製造方法 |
| DE69737430T2 (de) * | 1996-06-14 | 2007-11-29 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Optischer Wellenleitermodulator mit Wanderwellenelektroden |
| US5658825A (en) * | 1996-09-20 | 1997-08-19 | Northwestern University | Method of making an InAsSb/InAsSbP diode lasers |
| US5987196A (en) * | 1997-11-06 | 1999-11-16 | Micron Technology, Inc. | Semiconductor structure having an optical signal path in a substrate and method for forming the same |
| GB9815573D0 (en) * | 1998-07-18 | 1998-09-16 | Secr Defence | Electro-optic semiconductor devices and methods for making the same |
| JP3241002B2 (ja) * | 1998-09-02 | 2001-12-25 | 日本電気株式会社 | 半導体レーザの製造方法 |
| JP4284634B2 (ja) * | 1999-10-29 | 2009-06-24 | 富士通株式会社 | 半導体受光装置 |
| JP2001267620A (ja) * | 2000-03-22 | 2001-09-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体受光素子 |
| JP4168437B2 (ja) * | 2000-11-09 | 2008-10-22 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
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| WO2006031601A1 (en) * | 2004-09-09 | 2006-03-23 | Rj Mears, Llc | Integrated circuit comprising an active optical device having an energy band engineered superlattice and associated fabrication methods |
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| JP5742344B2 (ja) | 2011-03-20 | 2015-07-01 | 富士通株式会社 | 受光素子、光受信器及び光受信モジュール |
| JP2012248587A (ja) * | 2011-05-26 | 2012-12-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体受光装置 |
| EP2581773A1 (en) * | 2011-10-14 | 2013-04-17 | Astrium Limited | Device with Quantum Well Layer |
| ITMI20122216A1 (it) * | 2012-12-21 | 2014-06-22 | Milano Politecnico | Sistema di rivelazione di radiazione ottica includente un circuito di misura di parametri elettrici |
| CA3018953C (en) * | 2016-04-19 | 2021-01-26 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical waveguide integrated light receiving element and method for manufacturing same |
| JP6523573B1 (ja) * | 2018-02-19 | 2019-06-05 | 三菱電機株式会社 | 半導体光集積デバイス |
| US10585239B2 (en) | 2018-03-02 | 2020-03-10 | Sumitomo Electric Device Innovations, Inc. | Photodiode device monolithically integrating waveguide element with photodiode element type of optical waveguide |
| WO2021102224A1 (en) * | 2019-11-22 | 2021-05-27 | Raytheon BBN Technologies, Corp. | Hetergenous integration and electro-optic modulation of iii-nitride photonics on a silicon photonic platform |
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|---|---|---|---|---|
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| US5252852A (en) * | 1989-03-14 | 1993-10-12 | Fujitsu Limited | Semiconductor device having flip chip bonding pads matched with pin photodiodes in a symmetrical layout configuration |
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| JPH04211209A (ja) * | 1990-03-07 | 1992-08-03 | Toshiba Corp | 集積化光半導体素子 |
| US5054871A (en) * | 1990-07-02 | 1991-10-08 | Bell Communications Research, Inc. | Semiconductor waveguide and impedance-matched detector |
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| DE69128097T2 (de) * | 1990-08-24 | 1998-02-26 | Nippon Electric Co | Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung |
| JPH04243216A (ja) * | 1991-01-17 | 1992-08-31 | Nec Corp | 光導波路の製造方法ならびに光集積素子及びその製造方法 |
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1994
- 1994-06-29 JP JP6146894A patent/JP2982619B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1995
- 1995-06-07 US US08/478,840 patent/US5521994A/en not_active Expired - Fee Related
- 1995-06-27 EP EP95110028A patent/EP0703476A3/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ−Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．２ ｐｐ１３７−１９６，（１９８７） |
Also Published As
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|---|---|
| US5521994A (en) | 1996-05-28 |
| EP0703476A3 (en) | 1997-10-15 |
| EP0703476A2 (en) | 1996-03-27 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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