JP7318434B2 - 光半導体素子、これを用いた光トランシーバ、及び光半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子、これを用いた光トランシーバ、及び光半導体素子の製造方法に関する。

通信容量の増大に対応するため、シリコンフォトニクスと呼ばれる技術が注目され、研究・開発が進められている。シリコン（Ｓｉ）基板またはＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）基板上に光回路を形成することで、同じ基板上に形成される電子回路との集積が容易になり、光信号と電気信号の変換が効率的になる。シリコンフォトニクス技術により、光通信モジュールの小型化、大容量の通信、消費電力の低減などが期待されている。

図１Ａのように、シリコン導波路（Ｓｉ-ＷＧ）にゲルマニウム受光素子（Ｇｅ-ＰＤ）を集積する構成が知られている（たとえば、特許文献１、及び特許文献２参照）。図１Ｂは図１ＡのＸ－Ｘ'断面図である。ＧｅはＳｉより屈折率が高いため、Ｓｉ導波路を伝搬した光は、エバネッセント型光結合によりＧｅ層に入射する。入射光が吸収されると、フォトキャリアが生成され、バイアスの印加により光電流が取り出される。たとえば、信号電極（ＳＩＧ）をｎ側電極として逆バイアスをかけると、電子は信号電極（ＳＩＧ）に、ホールはグランド電極（ＧＮＤ）に引き抜かれて、光電流が流れる。

シリコンフォトニクスとは異なる化合物半導体の受光素子では、ＩｎＧａＡｓの導波層とＩｎＧａＡｓの光吸収層の間に半絶縁性のＩｎＰ層を挟んで、導波層と光吸収層を、積層方向または面内方向で平行に配置する構成が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

特開２０１９－１６６９４号公報 特開２０１１－５３５９３号公報 特開平７－７９００９号公報

図１Ａ、及び図１Ｂに示す公知の構成では、ｎ型半導体の電圧がｐ型半導体に対して高くなる外部電界、すなわち逆バイアスが印加されて、ホールはＳｉとＧｅのヘテロ界面を通過する。ＳｉとＧｅのヘテロ界面で、価電子帯に生じている障壁を超えることができない一部のホールは界面に溜まり込み、受光器の応答特性が劣化する。

また、光吸収層となる半導体の光吸収係数は波長に依存するため、光吸収係数が大きくなる波長ほど、より短距離で光が吸収されてキャリア密度が増加し、応答特性の劣化が進む。

本発明は、光半導体素子で入射光に対する応答特性の劣化を抑制し、光電気変換効率を改善することを目的とする。

一つの態様では、光半導体素子は、
第１導波路と、スラブ領域を有する第２導波路とを有する方向性結合器と、
前記スラブ領域に配置される受光器と、
を有し、
前記第１導波路と前記第２導波路は、使用波長に対して透明な第１の半導体材料で形成され、
前記受光器は、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップが狭く、かつ前記第１の半導体材料よりも屈折率の高い第２の半導体材料で形成される光吸収層と、前記光吸収層に接続される第１導電型の領域、及び第２導電型の領域を有するＰＩＮダイオードである。

光半導体素子において入射光に対する応答特性の劣化が抑制され、光電気変換効率が改善される。

従来のＧｅ受光器の平面模式図である。 図１ＡのＸ－Ｘ'断面図である。 ヘテロ界面におけるキャリア溜まり込みを説明する図である。 従来構造で評価した応答特性を示す図である。 実施形態の光半導体素子が適用される光トランシーバの模式図である。 実施形態の光半導体素子の平面模式図である。 図５ＡのＩ－Ｉ'断面図である。 方向性結合器の動作を説明する図である。 偶モードと奇モードの伝搬定数の関係を示す図である。 計算に用いる構造の上面図である。 ｄ＝３μｍ、光波長１．５０μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝３μｍ、光波長１．５５μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝３μｍ、光波長１．６０μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝０μｍ、光波長１．５０μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝０μｍ、光波長１．５５μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝０μｍ、光波長１．６０μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝５μｍ、光波長１．５０μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝５μｍ、光波長１．５５μｍのときの計算結果を示す図である。 ｄ＝５μｍ、光波長１．６０μｍのときの計算結果を示す図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 実施形態の光半導体素子の製造工程図である。 光半導体素子の第１の変形例を示す図である。 光半導体素子の第２の変形例を示す図である。 光半導体素子の第３の変形例を示す図である。 光半導体素子の第４の変形例を示す図である。 光半導体素子の第５の変形例を示す図である。

実施形態の具体的な構成を説明する前に、応答特性の劣化の問題を、より詳しく説明する。受光器の応答特性が低下する原因として、主としてヘテロ界面でのキャリアの溜まり込みが考えられ、また、特性劣化の度合いが光吸収係数の波長依存性によって左右される。

図２は、ヘテロ界面でのキャリアの溜まり込みを説明する図である。図１Ａ及び図１Ｂに示した構成で、ＧｅとＳｉのヘテロ界面で価電子帯にエネルギー障壁が生じる。Ｇｅをｎ型、Ｓｉをｐ型としたとき、このヘテロ界面をホール（図中、白丸で模式化されている）が通過することで受光器の電気信号が取り出される。ホールは、量子トンネル効果等によってある確率で障壁を超えることができるが、一部は界面に溜まり込む。界面に溜まったホールは外部からの印加電圧を遮断し、空乏層に印加されている電界強度が低下する。

定常状態で、空乏層内のフォトキャリアの輸送速度は電界強度に依存し、電界強度の低下によって、キャリア輸送速度が低下する。ヘテロ界面でのキャリアの溜まり込み量が多いほど電界遮蔽効果が大きくなり、輸送速度の低下の度合いも大きくなる。キャリア輸送速度の低下は、最終的に、入力光から電気信号への変換速度、すなわち受光器の応答特性の劣化を引き起こす。劣化の程度はフォトキャリアの量に依存するため、入射光の強度が大きいほど応答速度の劣化が顕著になる。

コヒーレント光レシーバでは、局発光を用いてヘテロダインまたはホモダイン検波を行うが、受信感度を上げるために局発光の強度を高くする傾向にあり、高強度での応答特性の劣化は深刻な問題となる。

図３は、図１Ａ及び図１Ｂの構造で評価した応答特性を示す。図３の（Ａ）は光入力強度が弱い場合の応答特性、図３の（Ｂ）は光入力強度が強い場合の応答特性である。横軸は周波数、縦軸は相対的な応答強度である。（Ａ）と（Ｂ）の双方で、印加バイアスを０．０Ｖから－３．０Ｖまで変えて、種々の応答強度を評価する。

低周波信号の応答強度から３ｄＢ低下する周波数を、受光器の応答帯域と呼ぶ。図３の（Ｂ）のように光入力強度が強い場合、図３の（Ａ）と比較して応答帯域が低くなって、応答速度が低下する。一方、バイアス電圧（絶対値）を大きくすることで、応答劣化は緩和される。バイアス電圧の増大によって、Ｓｉ／Ｇｅ界面のエネルギー障壁を超えるキャリアの割合が増えて、キャリアの溜まり込みが緩和されるためである。

しかし、実際に受光器を光電子回路に実装して受信器として用いる際には、印加可能なバイアスレベルに制限があり、応答劣化を防ぐだけの高電圧を印加するのは困難である。

次に、光吸収係数の波長依存性について説明する。光吸収層となる半導体では、単位伝搬距離当たりの光の吸収量を示す光吸収係数が波長に依存している。光吸収係数が大きくなる波長では、より短距離で光が吸収されて界面に溜まるキャリアの密度が増加し、劣化が早くなる。このように、受光器の応答特性は、波長依存性を持つ。たとえば、Ｇｅの光吸収層は、光通信で用いられる波長１．５μｍ帯の光子エネルギー付近にバンドギャップを有し、この波長近傍で急激に光吸収係数が変化する。１．５μｍ帯の短波長側では長波長側よりも光吸収係数が大きいため、入射端面の近傍でヘテロ界面にキャリアの溜まり込みが生じ、応答速度の劣化の度合いが大きくなる。

＜実施形態の構成＞
実施形態では、ヘテロ界面でのキャリア溜まり込みの影響と、応答特性の波長依存性を緩和するために、受光器への光入射位置から伝搬方向に沿って、徐々に光が吸収されるように設計する。これにより、ヘテロ界面でのキャリア溜まり込みを伝搬方向に分散して、電界強度低下の影響を緩和する。

光導波路から受光器の光吸収層への光の伝搬を緩やかにするために、光導波路と光吸収層を、これらの材料よりも屈折率が十分に小さい材料で埋め込んで、光導波路と光吸収層への光閉じ込めを強くする。上述した特許文献３の構成では、エピタキシャル成長を用いるため、導波層と光吸収層の間に挿入される中間層も半導体で形成され、屈折率差を大きくとることができない。そのため、導波層から光吸収層への光伝搬が入射端面の近傍で比較的早く進行し、キャリアの偏在を期待通りに抑制することが難しい。

図４は、実施形態の光半導体素子１０が適用される光トランシーバ１の模式図である。光トランシーバ１は、たとえばコヒーレント型の光受信器ＲＸと光送信器ＴＸを有する。受光器１００を含む実施形態の光半導体素子１０は、光受信器ＲＸの受光部（ＰＤ）に適用される。

光トランシーバ１は、たとえば、偏波多重の変調方式で動作する。光送信器ＴＸでは、入力光は、Ｘ側のＩＱ変調器（Ｘ－ＩＱｍｏｄ）とＹ側のＩＱ変調器（Ｙ－ＩＱｍｏｄ）において送信データで変調される。一方の変調光の偏波面が偏波ローテータ（ＰＲ）で９０°回転された後に、２つの偏波は偏光ビームコンバイナ（ＰＢＣ）で合波され、出力される。

光受信器ＲＸでは、入力光信号は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で偏波分離され、一方の偏波成分が、偏波ローテータ（ＰＲ）で偏波回転を受ける。９０°ハイブリッド光ミキサ（図中、「90° Hybrid」と表記）において、各光成分と局発光との干渉によって、Ｉ成分とＱ成分が抽出される。９０°ハイブリッド光ミキサからの出力光は、受光部（ＰＤ）の各受光器１００で検出される。図４の例では、デュアル型のバランスフォトダイオードを用いた差動出力となっているが、この例に限定されない。

光トランシーバ１を形成する光部品のうち、合分波器（ＰＢＣ、ＰＢＳ）や光変調器（Ｘ－ＩＱｍｏｄ、Ｙ－ＩＱｍｏｄ）では、過剰損失を避けるため、光を吸収しない特性が求められる。一方、光を電気に変換する受光部（ＰＤ）には、光を吸収する性質が必要である。この要求を満たす有力な組み合わせとして、たとえば、受光部ＰＤにＧｅ系の材料を用い、それ以外の部分にＳｉ材料を用いて、波長１．２～１．６μｍの帯域の光信号を送受信する。この波長帯の光は、Ｓｉに対して透明であり、Ｓｉよりもバンドギャップの小さいＧｅ系の材料には吸収される。他にもこの波長帯の光を吸収する半導体材料は存在するが、ＧｅはＳｉと同じIV族材料であり、III-V化合物半導体を用いる場合と比較して、製造工程での汚染の影響が少ない。実施形態では、光吸収層にＧｅまたはＧｅ化合物を用いる。

コヒーレント光レシーバでは、受信感度を高めるために局発光の強度を高くする傾向がある。後述するように、実施形態の光半導体素子１０は応答特性の劣化を抑制する構成を採用しており、高強度の入射光による帯域劣化を緩和して、光電気変換効率を改善する。

図５Ａは、実施形態の光半導体素子１０の平面模式図、図５Ｂは、図５ＡのＩ－Ｉ'断面図である。光半導体素子１０は、第１導波路１１と第２導波路１２で形成される方向性結合器１３と、受光器１００を有する導波路型の光検出器である。

第２導波路１２は、その一部にスラブ領域１２０を有し、受光器１００は、スラブ領域１２０に形成されている。たとえば、第１導波路１１を伝搬した光は、方向性結合器１３で第２導波路１２に光結合し、受光器１００で検出される。

第１導波路１１と、第２導波路１２（スラブ領域１２０を含む）は、使用波長に対して透明なＳｉで形成されている。受光器１００は、Ｓｉよりもバンドギャップが小さく、かつ屈折率の大きい半導体材料で形成された光吸収層１５を有する。光吸収層１５の材料として、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧｅＳｎなどを用いることができる。図５Ａ及び図５Ｂでは、Ｇｅの光吸収層１５を用いる例を説明する。

図５Ｂを参照すると、第１導波路１１と第２導波路１２は、使用波長においてＳｉ及びＧｅよりも屈折率が十分に小さいクラッドで埋め込まれている。クラッドとしては、Ｓｉとの屈折率差が２以上であることが望ましく、たとえばＳｉＯ₂等の絶縁層を用いる。下部クラッドとなる絶縁層３２の上に第１導波路１１と第２導波路１２が形成されている。第１導波路１１、第２導波路１２、及び第２導波路１２上に積層された受光器１００は、ＳｉＯ₂等の絶縁層３７で埋め込まれている。

受光器１００は、一例として、ｐ型の不純物がドープされたｐ型領域１２１及び１２２と、ノンドープのＧｅの光吸収層１５と、ｎ型の不純物がドープされたｎ型の導電性領域１７を有するＰＩＮ型の受光器である。ｎ型の導電性領域１７は、電極２１とオーミック接触し、高濃度に不純物がドープされたｐ型領域１２２は、電極２２とオーミック接触する。

電極２１を信号電極、電極２２をグランド電極とし、電極２１に逆バイアスを印加することで、フォトキャリアが引き抜かれ、光入射に応じた光電流が得られる。

図５Ａに戻って、第１導波路１１及び第２導波路１２の材料であるＳｉと、クラッドのＳｉＯ₂との屈折率差が大きいため、導波路への光の閉じ込めが強く、方向性結合器１３において、光は伝搬方向に沿って徐々に第１導波路１１から第２導波路１２へと伝搬する。

方向性結合器１３では、光閉じ込めの弱い長波長側の光ほど、第２導波路１２への伝搬が早いという波長依存性を有する。最初に長波長側の光（λ_lw）が第２導波路１２に結合し、伝搬につれて、短波長側の光（λ_sw）も第２導波路１２へと光結合する。

第２導波路１２のスラブ領域１２０では、光吸収層１５に用いられるＧｅはＳｉよりも屈折率が高いため、エバネッセント型光結合により、第２導波路１２内の光が光吸収層１５に導かれ、吸収されてフォトキャリアが生成される。光吸収層１５のうち、第１導波路１１と対向する側が、光導入部になる。

この構成では、方向性結合器１３の入力側で、光がいっきに第１導波路１１から第２導波路１２へ結合するのではなく、伝搬方向に沿って徐々に第２導波路１２に結合する。これにより、フォトキャリアの局所的な（特に入射開始位置での）集中を抑制し、光強度を伝搬方向に分散することができる。

図６は、方向性結合器の動作原理を説明する図である。方向性結合器で、第１導波路１１と第２導波路１２が、互いに近接して並行に位置し、導波路間を光が行き来する。この原理は、以下のように説明できる。各導波路が単一モード導波路である場合を考える。

２つの導波路を合わせた系は、２つの導波路のモードの結合により生じる偶モードと奇モードの２モード導波路となる。遇モードは、実線で示すように２つの導波路の間の中心軸に対して対称なモード、奇モードは、点線で示すように中心軸に対して反対称なモードである。２モード導波路の伝搬光の強度は、太線で示すように、遇モードと奇モードの重ね合わせで表現できる。

遇モード（伝播定数β₁）と奇モード（伝播定数β₂）とでは、伝播距離に対する位相変化量が異なるため、これら２つのモードの重ね合わせで表現される伝播光の強度分布は、伝搬につれて、図６のように２つの導波路間を行き来することになる。

奇モードと偶モードの位相関係から、位置ｘ０では、伝播光強度は第１導波路１１のみに存在している。両モードの位相関係は伝播に従って変化し、位置ｘ１で第１導波路１１と第２導波路１２で均等な光強度分布になる。位置ｘ２では、第２導波路１２のみに光強度が分布する。位置ｘ３では、再び第１導波路１１と第２導波路１２に均等な光強度分布となる。伝播光強度が一方の導波路から他方の導波路へと完全に移る距離（図６では（ｘ２－ｘ０））は完全結合長Ｌと呼ばれ、Ｌ＝π／（β₁－β₂）で表される。

図７は、偶モードと奇モードの伝搬定数の関係を示す図である。横軸は、波長で規格化した導波路間隔であり、縦軸は、伝搬係数βである。偶モードの伝搬定数と奇モードの伝播定数は、２つの導波路が離れていて没交渉の時には、それぞれの導波路固有の伝播定数に一致しているが、両導波路が近づくにつれて分裂して異なる値を持つ。この伝播定数差は、光波長に対する導波路間隔が狭いほど大きくなる。横軸の導波路間隔は波長で規格化されているので、ある導波路間隔を有する方向性結合器において、長波長ほど伝播定数差が大きいということになる。Ｌ＝π／（β₁－β₂）からも明らかなように、長波長ほどＬの値が小さくなって、光強度分布は速やかに反対側の導波路へと移動する。

方向性結合器１３が持つ波長依存性を、光吸収層１５の半導体が持つ光吸収係数の波長依存性に対して打ち消す方向に利用することで、受光器１００の応答特性の波長依存性を抑制することができる。

たとえば、実施例で光吸収層１５として用いるＧｅは、波長１．２μｍ～１．６μｍ帯の光に対しては、長波ほど光吸収係数が小さい。この場合、図５Ａのように、方向性結合器１３の光入力導波路である第１導波路１１と反対側の第２導波路１２に光吸収層１５を積層することで、吸収が弱い長波長側の光成分が早く光吸収層１５に移行する。吸収が強い短波長側の光成分は緩やかに光吸収層１５に移行する。この構成により、本来は光吸収層１５で短波の光ほど早く吸収されてしまうことに起因する波長依存性を打ち消すことができる。

実施形態の別の特徴として、伝搬方向に沿った光吸収層１５の開始点は、方向性結合器１３の開始点から所定距離だけ、伝搬方向の後方に配置されている。これは、方向性結合器１３の開始領域では、導波路の対称性を利用して、第１導波路１１から第２導波路への光結合を効率的に行って、最後まで第２導波路へ移行しない光の割合を最小限に抑え、受信感度を確保するためである。

図８は、方向性結合器での光伝搬効果の計算に用いるモデルの上面図である。第１導波路１１と第２導波路１２で方向性結合器が形成される。第２導波路１２のスラブ領域１２０に、Ｇｅ光吸収層を含む積層（Ge-mesa）が配置される。光伝搬方向で、方向性結合器の開始点Ｐ１から、Ｇｅ光吸収層の開始点Ｐ２までのオフセット距離を「ｄ」とする。距離ｄと伝搬光の波長λを種々に変えて、ＢＰＭ（Beam Propagation Method：ビーム伝搬法）で実施形態の構造の光伝搬状態を計算する。

図８のモデルで、第１導波路１１及び第２導波路は、ＳｉＯ₂上に配置されるＳｉ導波路であり、導波路層の厚さは２００ｎｍ、導波路幅を４００ｎｍとする。方向性結合器での第１導波路１１と第２導波路１２の間隔を１００ｎｍ、Ｇｅ光吸収層の厚さを５００ｎｍとする。ここでは、簡単のため、Ｇｅの光吸収係数は光波長によらず一定値（１０００ｃｍ^-1）に設定する。

図９Ａ～図９Ｃは、オフセット距離ｄ＝３μｍのときの計算結果である。光波長をそれぞれ１．５０μｍ、１．５５μｍ、１．６０μｍと変化させる。各図で、光強度の二次元マップの伝搬方向の位置（Ｚ）と、右側の強度プロファイルの伝搬方向の位置は対応している。

図９Ａ～図９Ｃに共通して、Ｚ＝１４μｍの近傍で、第１導波路１１を伝搬する光Ｗ₁₁のモニタ強度が急激に低下して、第２導波路１２へ光が伝搬する。光吸収層１５が配置される位置の手前に、所定のオフセット量で方向性結合器のみの領域を設けることで、伝搬光の強度は、効率的に第２導波路１２へ結合する。

右側の強度プロファイルで、矢印で示すＧｅ光吸収層の開始位置における光Ｗ₁₂の強度に着目すると、波長が長くなるほど、第２導波路１２を伝搬する光Ｗ₁₂の立ち上がりが急峻で光強度の移行が早い。一方、短波長では光強度の移行が遅く、Ｇｅ光吸収層の開始点で光強度が比較的低く、伝搬方向に沿って徐々に光強度が移行する。すなわち、Ｇｅメサへの光の入射が穏やかになっている。

計算では、Ｇｅの光吸収係数を一定にしているが、実際は、Ｇｅの光吸収係数は波長依存性があり、１．５０μｍ～１．６０μｍの波長帯では、短波に対する光吸収係数が大きくなる。この光吸収係数の波長依存性は、図９Ａ～図９Ｃで示した光強度移行の波長依存性（長波ほど早くＧｅ光吸収層へ移行する）と打ち消し合って、伝搬方向にわたってフォトキャリア密度を均一化することができる。これにより、受光器１００の応答特性の波長依存性が緩和される。

図１０Ａ～図１０Ｃは、オフセット距離ｄ＝０μｍのときの計算結果である。光波長をそれぞれ１．５０μｍ、１．５５μｍ、１．６０μｍと変える。オフセット距離ｄがゼロということは、方向性結合器の開始点Ｐ１と、Ｇｅ光吸収層の開始点Ｐ２が伝搬方向の同じ位置にあることを意味する。

図１０Ａ～図１０Ｃに共通して、Ｗ₁₁のプロファイルに示されるように、第１導波路１１から第２導波路１２への光強度の移行が緩慢であり、Ｇｅ光吸収層の開始点位置（Ｚ＝１４μｍ）から伝搬距離が進んでも、第２導波路１２を伝搬する光Ｗ₁₂の光強度は低い。図１０Ａと図１０Ｃでは、かろうじて光強度が第１導波路１１から第２導波路１２に移るが、図１０Ｂでは、最後まで光は第２導波路１２に移り切らず、受光感度が低下する。

これは、方向性結合器は、２つの導波路が中心軸に対して対称な場合に、一方の導波路から他方の導波路に完全に光強度が移るという性質をもつからである。オフセット距離ｄがゼロで対称な領域が存在しないと、Ｇｅ光吸収層へ効率的に光を入射させることができない。

図１１Ａ～図１１Ｃは、オフセット距離ｄ＝５μｍのときの計算結果である。光波長をそれぞれ１．５０μｍ、１．５５μｍ、１．６０μｍと変える。図１１Ａ～図１１Ｃに共通して、伝搬方向に沿って、Ｇｅ光吸収層の開始位置の手前でかなりの量の光が第２導波路１２に移ってしまう。この場合、Ｇｅ光吸収層の開始位置に光強度が集中して受光感度は上がるが、界面に溜まり込むフォトキャリアの量も著しく増大し、伝搬方向に沿って光の強度分布を均一化することが困難になる。

これらの計算結果から、オフセット距離ｄが小さいほど、Ｇｅ光吸収層の開始位置での光強度が緩和されて、伝搬方向に沿って光強度の分布が分散される。一方、オフセット距離ｄが大きいほど、Ｇｅ光吸収層への光強度の移行が効率的になって受光感度が高くなるが、伝搬方向に沿った光強度の均一化は難しくなる。光強度分布の均一化と受光感度は、トレードオフの関係にある。

オフセット距離ｄを適切に設定することで、光吸収層での局所的な光強度の集中を緩和し、かつ、受光感度を確保することができる。図８のモデルで用いた構造の場合、オフセット距離ｄは０よりも大きく、５μｍよりも小さいのが望ましく（０＜ｄ＜５μｍ）、より好ましくは、１μｍ以上、４μｍ以下である。

図１２Ａ～図１２Ｌは、実施形態の光半導体素子１０の作製工程図である。ここでは、実施形態の光半導体素子１０を、コヒーレント光レシーバに用いる光集積回路の一部として作製する。各工程図で、上面図とともに、Ｉ－Ｉ'断面図を示す。

図１２Ａで、たとえば、Ｓｉ基板３１上に、ＳｉＯ₂層３２とＳｉの薄膜が積層されたＳＯＩ基板を用いて、ＳｉＯ₂層３２上に、Ｓｉの導波路パターンを形成する。Ｓｉ基板３１の厚さは、たとえば７５０μｍ、ＳｉＯ₂層３２の厚さは、たとえば２μｍ、Ｓｉ薄膜の厚さは、たとえば２５０ｎｍである。電子線ビーム（ＥＢ）リソグラフィーと、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合型プラズマ）ドライエッチングにより、Ｓｉ薄膜を加工して、所望の導波路パターンを得る。

導波路パターンは、第１導波路１１と第２導波路１２を含む。第１導波路１１と第２導波路の所定の間隔で互いに隣接する部分で、方向性結合器１３が形成される。方向性結合器１３が形成される領域で、第２導波路１２はスラブ領域１２０を有する。第１導波路１１、またはスラブ領域１２０に接続される第２導波路１２は、光入力導波路として用いられる。第１導波路１１と第２導波路１２の幅は、たとえば４００ｎｍ、方向性結合器１３における導波路間の間隔は、たとえば１００ｎｍである。

図１２Ｂで、フォトリソグラフィにより所定の開口４２を有するレジストマスク４１を形成し、イオン注入を行ってスラブ領域１２０（図１２Ａ参照）の一部に、ｐ型の導電性領域１２１を形成する。一例として、Ｂ（ボロン)イオンを注入して、不純物濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようにする。

図１２Ｃで、レジストマスク４１を除去し、再度フォトリソグラフィにより、開口４４を有するレジストマスク４３を形成して、スラブ領域１２０の別の一部にｐ+型の導電性領域１２２を形成する。たとえば、Ｂイオンを注入して、不純物濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3となるようにする。図１２Ｄで、レジストマスク４３を除去する。

図１２Ｅで、たとえばＣＶＤ法により、全面にＳｉＯ2膜３４を厚さ２０ｎｍに成膜し、注入した不純物を活性化するためのアニールを行う。アニールは、たとえば、１０００℃の雰囲気に１分程置くことで、Ｓｉ層内のドーパントが活性化される。

図１２Ｆで、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、ＳｉＯ₂膜３４をパターニングして開口３５を形成し、スラブ領域１２０のｐ型の導電性領域１２１を露出する。開口３５が形成されたＳｉＯ₂膜３４は、Ｇｅ選択成長用のマスクとして用いられる。

図１２Ｇで、露出されたｐ型の導電性領域１２１に、減圧ＣＶＤ（ＬＰ－ＣＶＤ）法により、メサ形状のＧｅの光吸収層１５を成長する。光吸収層１５の厚さは、たとえば５００ｎｍである。Ｇｅメサの寸法は、たとえば、伝搬方向の長さ３０μｍ、幅が５μｍである。

図１２Ｈで、フォトリソグラフィにより、光吸収層１５の上面だけを露出させるレジストマスクを形成して、たとえばＰを１×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度で注入してｎ型の導電性領域１７を形成する。その後、レジストマスクを除去する。これにより、ｐ＋型の導電性領域１２２と、アンドープのＧｅの光吸収層１５と、ｎ型の導電性領域１７を有するＰＩＮ型ダイオードの受光器１００が形成される。

図１２Ｉで、ＣＶＤ法により全面にＳｉＯ₂等の絶縁層３７を成膜し、フォトリソグラフィにより所定の開口４６を有するレジストマスク４５を形成する。

図１２Ｊで、レジストマスク４５を用いてドライエッチングを行って、ｎ型の導電性領域１７に到達するコンタクトホール３８と、ｐ＋型の導電性領域１２２に到達するコンタクトホール３９を形成する。その後、レジストマスク４５を除去して、全面にＡｌ等の金属膜４９をスパッタリングする。

図１２Ｋで、フォトリソグラフィにより、金属膜４９を残す領域のみにレジストマスク４７を形成する。

図１２Ｌで、ドライエッチングにより金属膜４９を整形して、ｎ型の導電性領域１７とオーミック接触する電極２１と、ｐ＋型の導電性領域１２２とオーミック接触する電極２２を形成する。これにより、第１導波路１１と第２導波路１２で形成される方向性結合器１３と、第２導波路１２のスラブ領域１２０に配置される受光器１００を有する光半導体素子１０が作製される。

図１３は、第１の変形例である光半導体素子１０Ａの平面模式図である。図５Ａの構成例と異なり、図１３では、第２導波路１２が光入力導波路であり、いったん第１導波路１１に移った長波長側の光が、徐々に第２導波路１２に戻って光吸収層１５に導入される。この変形例の構造を用いれば、長波ほど光吸収係数が大きな半導体材料によって光吸収層１５Ａを形成した場合に、好適な特性が得られる。

入力光は、第２導波路１２を伝搬する光が方向性結合器１３Ａに入射すると、光閉じ込めの強い短波長側の光（λsw）は、そのまま第２導波路１２を伝搬して、光吸収層１５Ａに導かれる。

光閉じ込めの弱い長波長側の光（λlw）は、方向性結合器１３Ａの入射端で、いったん第１導波路１１に結合する。その後、長波に対する光吸収係数が大きい光吸収層１５Ａが搭載された第２導波路１２へと、徐々に移行する。

この導波路構成により、光吸収係数の波長依存性を打ち消し、伝搬方向にわたって光の吸収を均一化することができる。

図１４は、第２の変形例である光半導体素子１０Ｂの平面模式図である。光半導体素子１０Ｂは、方向性結合器１３Ｂにおいて、第１導波路１１Ｂと第２導波路１２の間隔が伝搬方向に変化する。この例でも、長波に対する光吸収係数が大きい光吸収層１５Ｂを用いる。

第１導波路１１Ｂは入力導波路であり、第２導波路１２のスラブ領域１２０に受光器１００が実装されている。方向性結合器１３Ｂの入射側から伝搬方向に沿って、導波路間の間隔が徐々に狭くなっている。

第１導波路１１Ｂを伝搬した光は、方向性結合器１３Ｂにおいて、光閉じ込めの弱い長波長側の光（λ_lw）から第２導波路１２へと結合する。第１導波路１１Ｂと第２導波路１２の間隔は、伝搬方向に沿って減少するため、伝搬するほど、第２導波路１２に結合する短波長の光成分（λ_sw）の量が増える。光吸収層１５Ｂは、短波に対する光吸収係数が小さいため、結果として、光吸収層１５Ｂで吸収される光強度の分布が、伝搬方向で均一化される。

この構成により、方向性結合器１３Ｂにおける光結合の波長依存性と、光吸収係数の波長依存性を打ち消して、光吸収層１５で発生するフォトキャリアの量を伝搬方向に分散することができる。

図１５は、第３の変形例である光半導体素子１０Ｃの平面模式図である。光半導体素子１０において、第１導波路１１Ｃと第２導波路１２Ｃは、方向性結合器１３で合流している。この例でも、長波に対する光吸収係数が大きい光吸収層１５Ｃを用いる。

第１導波路１１Ｃを伝搬した光は、方向性結合器１３Ｃにおいて、光閉じ込めの弱い長波長側の光（λ_lw）から第２導波路１２Ｃへと結合する。第１導波路１１Ｂと第２導波路１２Ｃの間隔は、伝搬方向に沿って減少するため、伝搬するほど第２導波路１２に結合する短波長の光成分（λ_sw）の量が増える。

さらに、第１導波路１１Ｃは第２導波路１２Ｃと合流するため、最終的に、閉じ込めの強い短波長の光はすべて光吸収層１５Ｃに吸収される。

図１５の構成は、入力された光のほぼすべてを確実に光吸収層１５Ｃに導入することができるので、光電気変換効率の改善効果が高い。

図１６は、第４の変形例である光半導体素子１０Ｄの断面模式図である。図５Ｂの光半導体素子１０では、光導波路を形成するＳｉにｐ＋型の導電性領域１２２を設け、光吸収層１５を形成するＧｅにｎ型の導電性領域１７を設けて、ＰＩＮダイオードを実現していた。この構造ではバンドギャップの異なる第１および第２の半導体のそれぞれに導電性の極性領域が形成されていた。

図１６の光半導体素子１０Ｄでは、Ｓｉにｐ＋型の導電性領域１２２と設け、Ｇｅの光吸収層１５の積層方向の上面に、ｎ型不純物を高濃度ドープしたＳｉの導電性領域１７１を配置して、ＰＩＮ構造の受光器１００Ｄを形成する。結果として、バンドギャップの大きな第１の半導体のみに導電性の極性領域が形成される構造となる。

作製プロセスとして、Ｇｅの光吸収層１５の選択成長（図１２Ｇ参照）の後に、Ｓｉの選択成長を行う。光吸収層１５の上面に成長したＳｉのみを露出するレジストマスクを用いて、Ｐ等のｎ型不純物を高濃度に注入することで、ｎ＋型のＳｉの導電性領域１７１が形成される。光吸収層１５を形成するＧｅのメサの側壁は、アンドープのＳｉ層１７２で覆われる。

図１７は、第５の変形例である光半導体素子１０Ｅの断面模式図である。図５Ｂでは積層方向にＰＩＮダイオードを形成していたが、図１７では、Ｓｉ基板３１と水平な方向にＰＩＮダイオードが形成される。

光半導体素子１０Ｅで、スラブ領域１２０に形成される受光器１００Ｅは、アンドープのＧｅの光吸収層１５１と、面内方向で光吸収層１５１の一方の側に配置されるｐ＋型のＧｅの導電性領域１７３と、光吸収層１５１を挟んでｐ＋型の導電性領域１８３と反対側に配置されるｎ＋型のＧｅの導電性領域１７４を有する。結果として、バンドギャップの小さな第２の半導体のみに導電性の極性領域が形成される構造となる。

作製プロセスとして、Ｇｅの光吸収層１５の選択成長（図１２Ｇ参照）の後に、ｐ型の不純物を注入する領域だけを露出するレジストマスクを用いて、Ｂ等のｐ型の不純物を高濃度に注入する。このレジストマスクを除去し、ｎ型の不純物を注入する領域だけを露出する別のレジストマスクを用いて、Ｐ等のｎ型の不純物を高濃度に注入する。

この構成でも、方向性結合器１３で長波長側の光から優先的に第２導波路１２に結合する光は、エバネッセント結合で光吸収層１５１に入射し、伝搬方向にフォトキャリアの分布を均一化することができる。

以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上述した構成例に限定されず、実施例と変形例、変形例どうしの組み合わせも可能である。図１６の受光器１００Ｄと、図１７の受光器１００Ｅのどちらも、図１３～図１５の導波路構成に適用可能である。

いずれの場合も、光吸収層での光吸収量を伝搬方向に分散させて入射光に対する応答特性の劣化を抑制し、光電気変換効率を改善することができる。

１０、１０Ａ～１０Ｅ 光半導体素子
１１ 第１導波路
１２ 第２導波路
１２０ スラブ領域
１３，１３Ａ～１３Ｃ 方向性結合器
１５、１５Ａ～１５Ｃ，１５１ 光吸収層
１７、１７１、１７４ ｎ型の導電性領域（第２導電型の領域）
１００、１００Ｄ、１００Ｅ 受光器
１２２，１７３ ｐ型の導電性領域（第１導電型の領域）

Claims (11)

1. 第１導波路と、スラブ領域を有する第２導波路とを有する方向性結合器と、
   前記スラブ領域に配置される受光器と、
   を有し、
   前記スラブ領域は前記方向性結合器と隣接し、
   前記第１導波路と前記第２導波路は、使用波長に対して透明な第１の半導体材料で形成され、
   前記受光器は、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップが狭く、かつ前記第１の半導体材料よりも屈折率の高い第２の半導体材料で形成される光吸収層と、前記光吸収層に接続される第１導電型の領域、及び第２導電型の領域を有するＰＩＮダイオードである、光半導体素子。
2. 前記スラブ領域は、前記方向性結合器と隣接する辺以外では前記第１導波路と隣接しない、
   請求項１に記載の光半導体素子。
3. 光伝搬方向に沿って、前記光吸収層の開始点は、前記方向性結合器の開始点よりも後方に位置することを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体素子。
4. 前記第１導波路は光入力導波路であり、前記光吸収層は前記第１導波路と対向する側を光導入部とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
5. 前記第２の半導体材料は、長波ほど光吸光係数が小さくなる材料であることを特徴とする請求項４に記載の光半導体素子。
6. 前記第２導波路は光入力導波路であり、前記光吸収層は、光の一部を前記第２導波路から導入し、前記光の他の部分を前記第１導波路から導入することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
7. 前記第２の半導体材料は、長波ほど光吸光係数が大きくなる材料であることを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子。
8. 前記方向性結合器において、前記第１導波路と前記第２導波路の間の間隔は、光の伝搬方向に沿って変化することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
9. 前記第１導波路と前記第２導波路の間は、前記第１の半導体材料よりも屈折率が２以上小さい材料で埋め込まれていることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の光半導体素子。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の光半導体素子を有する光トランシーバ。
11. 基板上に、第１の半導体材料で、第１導波路と、スラブ領域を有する第２導波路とで方向性結合器を形成し、前記スラブ領域は前記方向性結合器と隣接し、
    前記スラブ領域に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップが小さく、かつ前記第１の半導体材料よりも屈折率の高い第２の半導体材料で薄膜を形成し、
    前記薄膜に接続される第１導電型の領域と第２導電型の領域を設けてＰＩＮダイオードを形成する、
    ことを特徴とする光半導体素子の製造方法。

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