JPH1012912A - 導波路型半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光吸収層の層厚を薄くしても内部量子効率が
低下することのないようにして、動作電圧が低く結合ト
レランスの高い素子を提供できるようにする。 【構成】 ｎ⁺ −ＩｎＰ基板１上にｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ
Ｐ中間屈折率層２、ｎ^-−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３、ｐ⁺
−ＩｎＧａＡｓＰ価電子帯不連続緩和層４、ｐ ⁺ −Ｉ
ｎＰクラッド層５ａを順次積層し、エッチングにより幅
１０μｍの導波路メサを形成する。中間屈折率層２の屈
折率が、中間屈折率層２と光吸収層３で構成される導波
路の一つの導波モードの等価屈折率に等しくなるように
設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信システムの受
信モジュールあるいは送受信モジュールに用いられる導
波路型半導体受光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの受信モジュールあるい
は送受信モジュールに用いられる半導体受光素子とし
て、導波路型半導体受光素子の研究開発が進められてい
る。従来の面入射型受光素子では光吸収層に対して垂直
な方向から信号光が入射されるのに対し、導波路型半導
体受光素子では水平な方向から入射される。従って、光
吸収層を薄く設計した場合でも導波路長を十分長くとれ
ば高い光電変換効率が得られる。すなわち、従来の面入
射型では素子応答特性の高速化（キャリア走行時間短
縮）と光電変換効率がトレードオフの関係であったのに
対し、導波路型半導体受光素子では両者の両立が可能と
なる。

【０００３】このような高速性と高い光電変換効率の両
立という特徴に着目して作製された導波路型半導体受光
素子としては、例えば「１９９４年６月、第５回オプト
エレクトロニクス・コンファレンス、テクニカル・ダイ
ジェスト、６６〜６７頁（Ｆｉｆｔｈ ｏｐｔｏｅｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＯＥＣ’９
４）Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，Ｊｕｌｙ １
９９４）」にその一例が報告されている。この素子は、
図１０に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板２６上にｎ⁺
−ＩｎＰクラッド層２７、ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈
折率層（コア層とクラッド層の中間の屈折率を有する
層）２８、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層２９ａ、ｐ⁺ −
ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層３０、ｐ⁺ −ＩｎＰクラッ
ド層３１からなる導波路メサを形成し、これをポリイミ
ド膜３２で埋め込んだ構造となっている。ｐ⁺ −クラッ
ド層３１に接してｐ側電極３３が形成されており、また
ｎ側電極はｎ⁺ −クラッド層２７に接して紙面の垂直方
向に引き出されている。この従来例では、結晶成長時の
不純物ドーピングによりｐｎ接合を形成しており、ｐｎ
接合の形態としてはいわゆるグロウンジャンクション
（ｇｒｏｗｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）型に属する。

【０００４】また、導波路型半導体受光素子は、モジュ
ール化の際の組立性に優れるという特徴も併せ持つ。た
とえば石英系導波路部品と単体の半導体レーザー、受光
素子等を組み合わせていわゆるハイブリッド型光送受信
モジュールを構成する場合、受光素子として面入射型素
子を用いると、光の入射方向が素子の表面に対して垂直
であるため、電気の配線、あるいは入射信号光の光路の
いずれかを９０度折り曲げることが必要となり、組立性
という観点からは問題があった。これに対し、導波路型
半導体受光素子を用いれば入射信号光を素子の端面か
ら、すなわち素子表面に対し平行な方向から入射できる
ためこの折り曲げが不要となる。通常、半導体レーザー
も素子の端面から光を出射する形態であることから、半
導体レーザーと導波路型半導体受光素子とで組立工程を
共通化できるという利点もあり、モジュールの組立性の
向上、コストの低減が期待できる。

【０００５】このようにモジュール組立性に優れるとい
う特徴に着目して作製された導波路型半導体受光素子と
しては、例えば「１９９５年３月、電子情報通信学会総
合大会論文集、講演番号Ｃ−３８７」にその一例が報告
されている。この素子は図１１に示すように、ＩｎＧａ
ＡｓＰ光吸収層２９ｂ上にｎ^- −ＩｎＰクラッド層３４
を設け、その内部の導波路メサの中央部に不純物の選択
熱拡散によりｐ⁺ 領域３５を形成した、いわゆるメサプ
レーナ型の素子となっている。また、導波構造として
は、１．４μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光吸収層（コア
層）２９ｂとその片側に配置されたｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ
Ｐ中間屈折率層２８（文献中では「第２コア層」と記さ
れている）からなる構造を有する。光吸収層２９ｂの層
厚は３μｍ、中間屈折率層２８の層厚は１．５μｍであ
る。ｐ⁺ 領域３５上にはｐ側電極３３が形成され、この
ｐ側電極の形成されていないメサ表面はＳｉＮ膜３６に
より被覆されている。また、半絶縁性ＩｎＰ基板２６上
のｎ⁺ −ＩｎＰクラッド層２７上にはｎ側電極３７が形
成されている。この素子は波長１．３μｍ帯の信号光の
受信に用いる。

【０００６】これらの素子構造において中間屈折率層２
８を挿入したことにより、入射光スポットの位置ずれに
対して高い結合トレランスを得ることができるとともに
素子の動作電圧は低く保つことができる。すなわち導波
路型半導体受光素子においては、光吸収層厚を厚く設計
すればそれだけ高い結合トレランスが得られるものの、
この時光吸収層を空乏化させるための電圧、つまり素子
の動作電圧が上昇するという問題が生じる。そこで、中
間屈折率層の挿入により、光吸収層厚は薄く保ったまま
等価的なコア層厚を増大させることでこのトレードオフ
の問題を回避している。なお、このとき中間屈折率層は
高不純物濃度層としているので、その挿入により動作電
圧が上昇することはない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の導波路型半導体
受光素子の第一の問題点は、図１０、図１１の例のよう
な高い結合トレランスを得ることを主眼において設計さ
れた素子の場合、たとえ中間屈折率層を挿入しても動作
電圧を十分低減する事が困難なことである。その理由
は、例えば光吸収層を図１１の例よりもさらに薄膜化
し、その分中間屈折率層を厚膜化して結合トレランスは
高く保とうとすると、素子内部での光電変換効率（すな
わち内部量子効率）の低下という新たな問題が生じてく
るからである。これは光吸収層への光閉じ込めが低下す
ることによる現象である。

【０００８】従来の導波路型半導体受光素子の第２の問
題点は、低暗電流特性を有し、信頼性の高い素子を歩留
まりよく作製することが困難な点である。その理由は、
従来の受光素子では、導波路メサの側面や端面が直接絶
縁膜に接しており、そしてここが空乏化されていること
による。この問題については、メサの側面や端面に高不
純物濃度領域を形成して無電界化することにより改善を
図ることができるが、この手段を講じた場合には、無電
界化された光吸収層に信号光が入射するとここでキャリ
アが生成され、応答性が劣化するという新たな問題が生
じる。第３の問題点は、図１１のメサプレーナ型受光素
子のように、ｐｎ接合を不純物の熱拡散により形成した
場合には、拡散深さの制御が難しくこのため歩留まり高
く製造することが困難になるという点である。

【０００９】従って、本発明の解決すべき課題は、第１
に、動作電圧を低く維持しつつ、内部量子効率を低下さ
せることなく、入射スポットの位置ずれに対する結合ト
レランスが高い導波路型半導体受光素子を提供できるよ
うにすることにある。第２に、暗電流を低減し信頼性を
高めた導波路型半導体受光素子において、応答特性の劣
化を招くことのないようにすることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明によれば、半導体基板または第１のクラッ
ド層上に光吸収層と第２のクラッド層とが形成され、少
なくとも前記光吸収層と前記第２のクラッド層とがメサ
状に加工されている導波路型受光素子において、前記半
導体基板または第１のクラッド層と光吸収層との間また
は前記光吸収層と前記第２のクラッド層との間の少なく
とも一方には、屈折率が光吸収層の屈折率よりも小さく
半導体基板または第１、第２のクラッド層の屈折率より
大きい中間屈折率層が配置され、素子内を導波する光の
一つの導波モードの等価屈折率が前記中間屈折率層の屈
折率と等しいことを特徴とする導波路型半導体受光素
子、が提供される。

【００１１】また、本発明によれば、半導体基板または
第１のクラッド層上に光吸収層と第２のクラッド層とが
形成され、光吸収層と第２のクラッド層とがメサ状に加
工されている導波路型受光素子において、導波路メサの
側壁部および後端面部が不純物拡散により無電界化さ
れ、かつ、導波路に沿って導波路上部中央部にリッジが
形成されていることを特徴とする導波路型半導体受光素
子、が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による導波路型半
導体受光素子の実施の形態を説明するための断面図であ
る。同図に示されるように、ＩｎＰ等により構成される
半導体基板１０１上には、第１クラッド層１０２、中間
屈折率層１０３、光吸収層１０４、伝導帯（または価電
子帯）不連続緩和層１０５、第２クラッド層１０６が順
に積層される。ここで、中間屈折率層１０３の屈折率
は、光吸収層１０４のそれより小さく、かつ、クラッド
層１０２、１０６の屈折率よりも大きく設定されてい
る。光吸収層１０４、伝導帯不連続緩和層１０５および
第２クラッド層１０６は、導波路メサとしてメサ状に加
工されている。

【００１３】導波路メサの側面および図示されていない
が後端面には不純物拡散により高不純物濃度領域１０７
が形成されている。そして第２クラッド層１０６は上部
の中央部にリッジ部１０６ａを有する。第２のクラッド
層１０６の上には第１電極１０８が、また基板裏面には
第２電極１０９が形成されており、エピタキシャル層表
面の第１電極により覆われていない部分はパッシベーシ
ョン膜１１０により被覆されている。そして、素子内を
導波する光の一つの導波モードの等価屈折率が前記中間
屈折率層の屈折率と等しくなされる。

【００１４】半導体基板は、半絶縁性基板とすることが
できる。その場合には、第１クラッド層上または中間屈
折率層１０３上に電極を形成することができる。半導体
基板としてＩｎＰを用いる場合には、基板にクラッド層
の機能を持たせて第１クラッド層を省略することができ
る。中間屈折率層１０３をもメサ状に加工して導波路全
体をメサ部としてもよい。また、中間屈折率層は光吸収
層１０４の上面側に配置することができ（その場合には
不連続緩和層は光吸収層の下面側に移される）、あるい
は光吸収層１０３の上下面に配置することができる。図
は、光入射面に平行な面を示しており、信号光は、中間
屈折率層１０３と光吸収層１０４とにかかるように入射
される。しかし、中間屈折率層１０３を光導入導波路と
して光吸収層から紙面の手前側に引き延ばし、光吸収層
への光の入射は下面からエバネッセント（ｅｖａｎｅｓ
ｃｅｎｔ）波結合により行うようにすることができる。
その場合には、導波路メサの前方側端面にも高不純物濃
度領域を形成することができる。

【００１５】［作用］本発明の導波路型受光素子におい
ては、素子内を導波する光の一つの導波モードの等価屈
折率が前記中間屈折率層の屈折率と等しくなされてい
る。これにより光吸収層の層厚を薄くしても、導波光の
光吸収層への充分な閉じ込めを確保することができ、内
部量子効率の低下を防いで高い結合トレランスを維持す
ることができる。また、本発明の受光素子においては、
導波路メサにリッジ構造が作り込まれる。これにより、
導波路内での導波光の水平方向の広がりを抑制すること
ができ、導波路側壁部に形成された無電界領域に光が入
射しここでキャリアが生成されることを防いでいる。こ
のため、この無電界領域からの拡散電流成分による素子
の応答劣化を防ぐことができる。入射光を光吸収層の端
面からではなく下面からエバネッセント波結合により入
射させるようにし、導波路前面部をも無電界化すること
により、暗電流をさらに低減し信頼性も向上させること
ができる。

【００１６】

【実施例】次に、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。 ［第１の実施例］図２は、本発明の第１の実施例を示す
断面図である。ｎ⁺ −ＩｎＰ基板１上にｎ⁺ −ＩｎＧａ
ＡｓＰ中間屈折率層２（１×１０¹⁸ｃｍ^-3、波長組成
１．３μｍ、層厚４．１５μｍ）、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ
光吸収層３（２×１０¹⁵ｃｍ^-3、波長組成１．６７μ
ｍ、層厚１．４５μｍ）、ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ価電子
帯不連続緩和層４（１×１０¹⁸ｃｍ^-3、波長組成１．３
μｍ、層厚０．１μｍ）、ｐ⁺−ＩｎＰクラッド層５ａ
（１×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚１μｍ）が順次積層され、通
常のエッチング工程により幅１０μｍの導波路メサが形
成されている。さらにプラズマＣＶＤ法によるＳｉＮパ
ッシベーション膜６、ｐ側電極としてのＡｕＺｎ膜７、
ＴｉＰｔＡｕ膜８、ｎ側電極としてのＡｕＧｅＮｉ／Ａ
ｕＮｉ膜９が形成されている。この実施例は、光吸収層
３と中間屈折率層２の層厚および組成の設計法に特徴が
ある。

【００１７】次に、この実施例における本発明による設
計法について詳しく説明する。図２に示した本実施例が
図１１の従来例と異なる点は、光吸収層厚がより薄く、
中間屈折率層厚がより厚く設計されており、しかもこの
ときそれぞれの層厚、組成は、高い内部量子効率が得ら
れるように最適設計されている点である。高い内部量子
効率を得るためには、素子内を導波する各導波モードの
光吸収層への閉じ込め係数を高く保てばよい。図３は、
図２の素子の導波路構造において、光吸収層厚を変化さ
せたときの各導波モードの光吸収層への閉じ込め係数の
計算結果である。この時、光吸収層厚と中間屈折率層厚
の合計は５．６μｍで一定とし、また、それぞれの導波
モードについて、閉じ込め係数が最低となる領域および
その前後の領域のみについて示し、閉じ込め係数が十分
高くなる他の領域での表示は省略されている。図３の結
果に示されているように、図中に破線（イ）、（ロ）、
（ハ）で示した層厚において、それぞれ２次、３次、４
次モードの閉じ込め係数が急激に上昇し、同時にそれぞ
れ３次、４次、５次モードの閉じ込め係数が急激に減少
する。

【００１８】従って、光吸収層厚がこれらの（イ）、
（ロ）、（ハ）の層厚からずれている場合、それが厚い
方向であれ薄い方向であれ、いずれかの導波モードの閉
じ込め係数が低下するため内部量子効率の低下がおこ
る。逆に言えば光吸収層厚を（イ）、（ロ）、（ハ）の
層厚に設計すれば内部量子効率の低下を招かず、高感度
な素子を実現できる。（イ）、（ロ）、（ハ）の設計点
は、２次、３次、４次モードの等価屈折率が中間屈折率
層の屈折率と等しくなる点であり、第１の実施例は
（イ）の設計点に相当する。本発明は、図３に示した計
算範囲に限らず、一般に光吸収層と中間屈折率層からな
る導波構造を有する導波路型半導体受光素子において、
複数の導波モードが存在するときに、いずれかの導波モ
ードの等価屈折率が中間屈折率層の屈折率と等しくなる
ように層構造を設計した場合に有効である。

【００１９】また、必ずしも正確に等しくなる点でなく
とも、その設計点の近傍であれば効果がある。例えば図
３の（イ）の設計点の場合、光吸収層厚は１．４５±
０．１５μｍの範囲内で２．５％以上の閉じ込め係数が
得られる。これは素子長１５０μｍに対して概ね９０％
以上の内部量子効率を与える。図２の実施例および図３
の計算例では中間屈折率層が光吸収層の片側に挿入され
た場合を示したが、両側に挿入されている場合でも同様
の原理による設計が可能である。また、光吸収層の材料
としてもＩｎＧａＡｓに限らず、ＩｎＧａＡｓＰ等を用
いた場合も同様である。また、中間屈折率層の材料とし
てもＩｎＧａＡｓＰに限らずＩｎＡｌＧａＡｓ等を用い
た場合も同様である。

【００２０】次に、本発明の第１の実施例の効果につい
て、図面を参照してさらに説明する。図４（ａ）は第１
の実施例の素子に、スポットサイズ０．７５μｍのガウ
シアンビームが入射したときの結合トレランスの計算結
果である。導波路長が５０μｍの時でも、導波路長が無
限に長いとしたときの計算結果と比べてほとんど劣化が
ないことが分かる。これに対し同図（ｂ）は、光吸収層
厚が本発明の設計点からずれた場合の例で、図３の破線
（ニ）の位置に相当する。導波路長５０μｍでは、内部
量子効率の低下により、結合効率と内部量子効率の積で
あるところの外部量子効率が大きく劣化している。素子
長２００μｍとすれば幾分回復するものの、まだ劣化が
目立ち、また、素子長を長くしたことにより、素子容
量、暗電流の増大、歩留まりの低下などの他の特性劣化
原因を招くことになる。このように本発明の設計点から
ずれた場合、たとえそれが光吸収層厚が厚くなる方向に
ずれた場合でも特性の劣化が起こる。これに対し本発明
によれば、光吸収層を薄くして動作電圧を低減した場合
でも、内量子効率を低下させることなく、かつ高い結合
トレランスを持った導波路型半導体受光素子が実現でき
る。

【００２１】［第２の実施例］図５は、本発明の第２の
実施例の構成を示す断面図である。第１の実施例と異な
る点は、基板として半絶縁性ＩｎＰ基板１０を用いてい
る点、中間屈折率層としてｎ⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ中間
屈折率層１１を用いている点、ｐ⁺ −ＩｎＰクラッド層
５ａの代わりに不純物濃度を下げたｐ−ＩｎＰクラッド
層５ｂ（３×１０¹⁷ｃｍ^-3）を用いている点、ｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層の上層にｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１２を形成している点、導波路メサをエッチングで形成
する際にｎ⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層１１をエ
ッチングせずに残している点、およびこのｎ⁺ −ＩｎＡ
ｌＧａＡｓ中間屈折率層１１をｎ側のコンタクト層とし
て用い、素子表面側にｎ側電極としてのＡｕＧｅＮｉ膜
１３、ＴｉＰｔＡｕ膜１４を形成している点である。

【００２２】次に、この第２の実施例の動作、効果につ
いて説明する。まず、中間屈折率層の材料としてＩｎＡ
ｌＧａＡｓを用いているため結晶成長時にＶ族元素の組
成ずれが起こらず、ＩｎＧａＡｓＰと比較して良好な結
晶性が得られる。この効果は中間屈折率層の層厚が厚い
場合に特に顕著である。また、不純物濃度の低いｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層５ｂを用いているため、価電子帯間吸収
による損失が低減される。この効果は導波路長が長くな
った場合に特に顕著である。なお、このときｐ−ＩｎＰ
クラッド層５ｂの上層にｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓコンタクト
層１２が形成されているのでｐ側のコンタクト抵抗が上
昇することはない。

【００２３】また、導波路メサをエッチングで形成する
際にｎ⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層１１をエッチ
ングせずに残しているため、入射光スポット位置が導波
路位置から水平方向に少しずれた場合でも、入射光はｎ
⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層１１を介してｎ^- −
ＩｎＧａＡｓ光吸収層３へ一部入射する。従って、水平
方向の結合トレランスが上昇する。また、素子全体の構
造は、ｎ側電極、ｐ側電極がともに素子表面側に形成さ
れたフリップチップ実装型であり、また半絶縁性ＩｎＰ
基板１０を用いることで素子容量の低減を図っている。

【００２４】［第３の実施例］図６は、本発明の第３の
実施例の構成を示す斜視図であり、図７（ａ）、（ｂ）
は、それぞれ図６のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線での断面図であ
る。この実施例では、基板としてｐ⁺ −ＩｎＰ基板１５
を用い、その上にｐ^- ＩｎＰバッファ層１６（３×１０
¹⁷ｃｍ^-3、層厚１μｍ）、ｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈
折率層１７（３×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚４．０５μｍ）、
ｐ⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ空乏化ストップ層１８（１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、層厚０．１μｍ）、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光
吸収層３、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ伝導帯不連続緩和層１９
（５×１０¹⁶ｃｍ^-3、層厚０．１μｍ）、ｎ−ＩｎＰク
ラッド層２０（１×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚２μｍ）が順次
積層された層構造を持つ。導波路メサの側壁部および後
端面部に不純物の熱拡散によりｐ⁺ 領域２１が形成され
ている。また、導波路メサの幅は１０μｍであり、その
中央部に幅５μｍ、高さ１μｍのリッジ構造２２が形成
されている。ｎ−ＩｎＰクラッド層２０上にはｎ側電極
としてのＡｕＧｅＮｉ膜１３、ＴｉＰｔＡｕ膜１４が、
また基板裏面にはｐ側電極としてのＡｕＺｎ／ＴｉＰｔ
Ａｕ膜２３が形成されており、さらに入射端面にＡＲコ
ートとしてのＳｉＮ膜２４が形成されている。

【００２５】次に、第３の実施例の動作、効果について
説明する。第３の実施例では導波路メサの側壁部および
後端部にｐ⁺ 領域２１が形成されており、ｎ^- −ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層３の側壁部、後端部を無電界化すること
で暗電流の低減、信頼性の向上を図っている。このとき
無電界化された光吸収層に信号光が入射すると、そこで
発生したキャリアがｐ⁺ 領域２１内を拡散した後空乏層
内に流れ込むことにより、応答性劣化を招くことにな
る。そこで本実施例ではｎ−ＩｎＰクラッド層２０をエ
ッチング加工することによりリッジ構造２２を形成し、
導波光を導波路中央付近に閉じ込めることによりこの応
答劣化を防いでいる。またｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈
折率層１７の濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3まで下げ、さらに
ｐ−ＩｎＰバッファ層１６を挿入することで価電子帯間
吸収による損失の低減を図っている。このとき、ｐ−Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層１７とｎ^- −ＩｎＧａＡｓ
光吸収層３との間にｐ⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ空乏化スト
ップ層１８が挿入されているので、素子動作時に空乏層
がｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層１７中にまで延び
て、空乏層中に伝導帯不連続領域が形成されることによ
る応答劣化を防ぐことができる。

【００２６】［第４の実施例］図８は、本発明の第４の
実施例の構成を示す斜視図であり、図９（ａ）、（ｂ）
は、それぞれ図８のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線での断面図であ
る。第４の実施例の第３の実施例と異なる点は、ｐ⁺ 領
域２１が導波路メサの前端面にも形成されている点およ
び導波路メサの前方部に、ｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈
折率層１７をリッジ状に加工して形成した導入導波路２
５が配置されている点である。

【００２７】次に、第４の実施例の動作、効果について
説明する。第３の実施例では図７（ｂ）に示したよう
に、ｐ⁺ 領域２１は導波路メサの前面部には形成されて
いない。それは、メサ前面部に形成した場合には、入射
端面にｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓ層が形成されることとなり、
感度劣化、応答劣化を招くからである。そのため、第３
の実施例ではｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層３の入射端面
部は無電界化されておらず、暗電流、素子の信頼性とい
う観点からは問題があった。これに対しこの第４の実施
例では、入射光は導入導波路２５に入射されエバネッセ
ント波結合によりｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層３へ導か
れるので、入射端面の無電界化が可能であり感度劣化、
応答劣化を低減しつつ暗電流をより低減することができ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による導波
路型半導体受光素子は、光吸収層、中間屈折率層の層
厚、組成が導波光の光吸収層への充分な閉じ込めを保つ
ように設定されているので、光吸収層の層厚を薄くして
も、内部量子効率を低下させることなく、入射スポット
の位置ずれに対する結合トレランスを高く維持すること
ができる。したがって、本発明によれば、高速で動作電
圧が低くかつ外部量子効率の高い受光素子を提供するこ
とが可能になる。

【００２９】また、中間屈折率層の材料としてＩｎＡｌ
ＧａＡｓを用いた実施例によれば、結晶成長時にＶ族元
素の組成制御を行わなくても良好な品質の結晶層を得る
ことが可能になり、中間屈折率層を厚く形成する場合に
も結晶品質を落とさないようにすることができる。ま
た、ｐ型の導電型を持つクラッド層、中間屈折率層の不
純物濃度を下げた実施例によれば、価電子帯間吸収を低
減することができ導波路長が長い場合でも内部損失を増
加させないようにすることができる。また、導波路メサ
をエッチングにより形成する際に中間屈折率層をエッチ
ングせずに残しておく実施例によれば、入射スポットが
導波路メサから横方向に多少ずれても感度を落とさない
ようにすることができ水平方向の結合トレランスを拡大
することができる。

【００３０】また、導波路側壁部および後端面部に無電
界領域を形成するとともに導波路上部のクラッド層をリ
ッジ状に加工した実施例によれば、暗電流を低減し信頼
性を向上させることができるとともに、導波光を導波路
中央部に閉じ込めることにより、導波路側壁部の無電界
領域に光が入射することを防ぎ、感度低下や応答速度の
低下を防止することができる。さらに、中間屈折率層を
光導入導波路として引き出し、無電界領域を導波路メサ
の側壁部および後端面部に加え前方端面部にも形成する
実施例によれば、メサ前方端面部での暗電流の発生をも
抑制することが可能になり、さらにここでのノイズの低
減と信頼性の一層の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明するための断面図。

【図２】本発明の第１の実施例を示す断面図。

【図３】本発明の第１の実施例の設計手法を説明するた
めの特性図。

【図４】本発明の第１の実施例の効果を説明するための
グラフ。

【図５】本発明の第２の実施例を示す断面図。

【図６】本発明の第３の実施例を示す斜視図。

【図７】本発明の第３の実施例を示す断面図。

【図８】本発明の第４の実施例を示す斜視図。

【図９】本発明の第４の実施例を示す断面図。

【図１０】従来例の断面図。

【図１１】他の従来例の断面図。

【符号の説明】

１ ｎ⁺ −ＩｎＰ基板 ２ ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層 ３ ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ４ ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ価電子帯不連続緩和層 ５ａ ｐ⁺ −ＩｎＰクラッド層 ５ｂ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ６ ＳｉＮパッシベーション膜 ７ ＡｕＺｎ膜 ８ ＴｉＰｔＡｕ膜 ９ ＡｕＧｅＮｉ／ＡｕＮｉ膜 １０ 半絶縁性ＩｎＰ基板 １１ ｎ⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層 １２ ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １３ ＡｕＧｅＮｉ膜 １４ ＴｉＰｔＡｕ膜 １５ ｐ⁺ −ＩｎＰ基板 １６ ｐ−ＩｎＰバッファ層 １７ ｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層 １８ ｐ⁺ −ＩｎＡｌＧａＡｓ空乏化ストップ層 １９ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ伝導帯不連続緩和層 ２０ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ２１ ｐ⁺ 領域 ２２ リッジ構造 ２３ ＡｕＺｎ／ＴｉＰｔＡｕ膜 ２４ ＳｉＮ膜 ２５ 導入導波路 ２６ 半絶縁性ＩｎＰ基板 ２７ ｎ⁺ −ＩｎＰクラッド層 ２８ ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層 ２９ａ ｎ^- −ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ２９ｂ ｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層 ３０ ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ中間屈折率層 ３１ ｐ⁺ −ＩｎＰクラッド層 ３２ ポリイミド膜 ３３ ｐ側電極 ３４ ｎ^- −ＩｎＰクラッド層 ３５ ｐ⁺ 領域 ３６ ＳｉＮ膜 ３７ ｎ側電極 １０１ 半導体基板 １０２ 第１クラッド層 １０３ 中間屈折率層 １０４ 光吸収層 １０５ 伝導帯（または価電子帯）不連続緩和層 １０６ 第２クラッド層 １０６ａ リッジ部 １０７ 高不純物濃度領域 １０８ 第１電極 １０９ 第２電極 １１０ パッシベーション膜

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板またはその上に形成された第
   １のクラッド層上に光吸収層と第２のクラッド層とが形
   成され、少なくとも前記光吸収層と前記第２のクラッド
   層とがメサ状に加工されている導波路型受光素子におい
   て、前記半導体基板若しくは第１のクラッド層と前記光
   吸収層との間または前記光吸収層と前記第２のクラッド
   層との間の少なくとも一方には、屈折率が光吸収層の屈
   折率よりも小さく半導体基板または第１、第２のクラッ
   ド層の屈折率より大きい中間屈折率層が配置され、素子
   内を導波する光の一つの導波モードの等価屈折率が前記
   中間屈折率層の屈折率と等しいことを特徴とする導波路
   型半導体受光素子。
2. 【請求項２】 前記半導体基板側に形成された前記中間
   屈折率層がメサ状に加工されていることを特徴とする請
   求項１に記載の導波路型半導体受光素子。
3. 【請求項３】 前記中間屈折率層がＩｎＡｌＧａＡｓに
   より形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
   導波路型半導体受光素子。
4. 【請求項４】 導波路メサの側壁部および後端面部が不
   純物拡散により無電界化され、かつ、導波路に沿って導
   波路上部中央部にリッジが形成されていることを特徴と
   する請求項１記載の導波路型半導体受光素子。
5. 【請求項５】 前記半導体基板上に形成された前記中間
   屈折率層が導波路前方に導入導波路として引き出されて
   おり、かつ、前記導波路メサの前端面部が不純物拡散に
   より無電界化されていることを特徴とする請求項４記載
   の導波路型半導体受光素子。
6. 【請求項６】 半導体基板またはその上に形成された第
   １のクラッド層上に光吸収層と第２のクラッド層とが形
   成され、少なくとも光吸収層と第２のクラッド層とがメ
   サ状に加工されている導波路型受光素子において、導波
   路メサの側壁部および後端面部が不純物拡散により無電
   界化され、かつ、導波路に沿って導波路上部中央部にリ
   ッジが形成されていることを特徴とする導波路型半導体
   受光素子。
7. 【請求項７】 前記半導体基板若しくは第１のクラッド
   層と前記光吸収層との間または前記光吸収層と前記第２
   のクラッド層との間の少なくとも一方には、屈折率が光
   吸収層の屈折率よりも小さく半導体基板または第１、第
   ２のクラッド層の屈折率より大きい中間屈折率層が配置
   されていることを特徴とする請求項６記載の導波路型半
   導体受光素子。
8. 【請求項８】 導波路を形成する結晶層の内ｐ型の導電
   型を持つ半導体層およびこれと隣接するｐ型半導体層の
   不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3より低いことを特徴とす
   る請求項１または７記載の導波路型半導体受光素子。
9. 【請求項９】 光吸収層と、中間屈折率層の形成されて
   いない側のクラッド層または半導体基板との間に伝導帯
   不連続緩和層が挿入されていることを特徴とする請求項
   １または７記載の導波路型半導体受光素子。