WO2005060010A1 - 受光素子およびそれを用いた光受信機 - Google Patents

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WO2005060010A1
WO2005060010A1 PCT/JP2004/018916 JP2004018916W WO2005060010A1 WO 2005060010 A1 WO2005060010 A1 WO 2005060010A1 JP 2004018916 W JP2004018916 W JP 2004018916W WO 2005060010 A1 WO2005060010 A1 WO 2005060010A1
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WO
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light
layer
guide layer
receiving element
light guide
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/018916
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kazuhiro Shiba
Takeshi Nakata
Takeshi Takeuchi
Original Assignee
Nec Corporation
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Publication date
Application filed by Nec Corporation filed Critical Nec Corporation
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Definitions

  • the present invention relates to a light receiving element and an optical receiver using the same.
  • a photodiode is a light receiving element having a signal amplification function.
  • APDs have an integrated structure in which the functions of multiplication and light absorption are integrated, and a SAM (separated absorption and multiplication) structure in which the functions of light absorption and carrier multiplication are separated.
  • SAM separated absorption and multiplication
  • the use of a SAM type structure is effective when fabricating an APD using a compound semiconductor.
  • the optimum material can be selected for each of the light absorption layer and the multiplication layer, and it is possible to design an APD with higher light receiving capacity and multiplication capacity compared to the integrated structure. This is because it is possible.
  • An APD having a SAM structure has a layer structure including a light absorption layer and a multiplication layer.
  • a SAM APD When a SAM APD is irradiated with light from a direction horizontal to the stacking direction, a carrier is generated in the light absorbing layer. The generated carriers travel in accordance with an electric field applied internally depending on the applied voltage, and a part thereof is introduced into the multiplication layer. Carriers introduced into the multiplication layer undergo collision ionization inside the multiplication layer, and the generated carriers undergo a chain reaction in which they are again impactionized. This causes the signal carrier to be avalanche multiplied and sent out to an external electrode (or electric wire).
  • Patent Document 1 describes an APD having a SAM type structure including an avalanche multiplication layer.
  • Paragraph 0024 of the document shows a layer structure in which an electric field relaxation layer and an avalanche multiplication layer are provided below the light absorption layer, and light guide layers having the same thickness are provided above and below the light absorption layer.
  • Paragraph 0035 also describes a light receiving element having a similar layer structure.
  • FIG. 14 is a diagram showing a layer structure of a semiconductor light receiving element described in the document.
  • An n-type light guide layer 111, a multiplication layer 112, an electric field relaxation layer 113, an absorption layer 114, a p-type light guide layer 115, And the cladding layer 116 are laminated in this order. Incident light is introduced from the end face of the absorption layer 114 and is guided through the layer.
  • the n-type light guide layer 111 and the p-type light guide layer 115 are set to have the same thickness.
  • Patent Document 2 describes another example of a SAM APD.
  • the light receiving element described in the document has an avalanche multiplication layer having a super lattice structure.
  • FIG. 15 shows the APD described in FIG. 2 and paragraph 0018 of the same document.
  • the illustrated APD describes a light receiving element having a layered structure including a light absorbing layer 26 and low refractive index layers provided above and below the light absorbing layer 26.
  • the low-refractive-index layer located below the light-absorbing layer includes a lower cladding layer 22, a second core layer 23, a superlattice avalanche multiplication layer 24, and an electric field relaxation layer 25.
  • the low-refractive-index layer located above the light-absorbing layer 26 is composed of an upper second core layer 27 and an upper clad layer 28. Accordingly, as described in paragraphs 0012 and 0014 of Patent Document 2 and FIG. 2, the refractive index is distributed in a symmetrical step shape with the light absorbing layer 26 as a center, and the spot size is increased by making the guided light multimode. (Fig. 2). Thereby, the optical coupling with an optical fiber having a large exit spot size is improved, and the tolerance is also improved.
  • the lower cladding layer 22, the second core layer 23, the superlattice avalanche multiplication layer 24, and the electric field relaxation layer 25 have the same refractive index.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-237454
  • Patent document 2 JP-A-9-1181351
  • the above-described conventional APD has the following improvements.
  • the multiplication layer 112 needs to generate an avalanche breakdown, and therefore needs to be formed of a semiconductor material having a wider band gap than an adjacent light absorption layer. There is. Therefore, the multiplication layer 112 is made of a material having a lower refractive index than the absorption layer.
  • the refractive index of the multiplication layer 112 is designed to be high, such light leakage can be improved by using a force S.
  • a narrow band gap layer semiconductor is used, and the high electric field in the multiplication layer 112 is high.
  • the present invention is to solve a problem peculiar to a light receiving element having such a photomultiplier layer, and an object of the present invention is to provide a light receiving element that stably realizes high quantum efficiency. is there.
  • a laminate including a first light guide layer, a multiplying layer having a larger band gap than the first light guide layer, and a light absorption layer sandwiched between these layers.
  • a light-receiving element comprising a film and configured to receive a directional force light in a direction parallel to the lamination direction of the laminated film, wherein an optical axis of the light is located at an end face of the first light guide layer.
  • a problem specific to the light receiving element including the multiplication layer that is, light leakage through the low-refraction multiplication layer, and a local height at the incident end face. Generation of a current density region can be suppressed.
  • the light is suitably incident on the first guide layer, and the incident light is coupled to the light absorbing layer while being guided to the first guide layer. Therefore, light leakage to the multiplication layer can be effectively suppressed.
  • it is possible to reduce the current concentration at the incident end face, which occurs when light is incident from the end face of the light absorbing layer as usual, and to improve the durability of the element. As a result, it is possible to realize a device structure having high quantum efficiency and high reliability.
  • the “guide layer” in the present invention is a layer through which light leaked from the absorption layer is guided, and has a certain degree of effect of confining light to the absorption layer.
  • a structure including a clad layer and a substrate When a structure including a clad layer and a substrate is provided, these are disposed outside the “guide layer” as viewed from the absorption layer.
  • the light receiving element wherein the light incident position at which the output of the light receiving element is maximum is located at the end face of the first light guide layer.
  • the light incident position where the output is maximum is located at the end face of the first light guide layer, so that the incident light is guided to the first guide layer and is connected to the light absorption layer by mounting. It is possible to suitably adopt a method of causing the above.
  • the device further comprises a second light guide layer formed on the opposite side of the multiplication layer from the first light guide layer, wherein the thickness of the first light guide layer is Second light guide layer A light receiving element characterized by having a thickness larger than the thickness of the light receiving element.
  • the first light guide layer is formed to be thicker than the second light guide layer.
  • a method in which the light is guided by one guide layer and the light absorption layer is coupled to the light absorbing layer in a frame-wise manner can be suitably adopted.
  • a highly reliable element structure having high quantum efficiency can be realized.
  • the thickness of the first light guide layer is preferably at least 0.1, more preferably at least l ⁇ m. By doing so, the effect of suppressing light leakage through the multiplication layer and alleviating the current density at the incident end face can be obtained sufficiently sufficiently.
  • the upper limit of the thickness is appropriately set according to the waveguide length of the light receiving element, the wavelength of the incident light, and the like. From the viewpoint of improving the efficiency of optical coupling between the first optical guide layer and the absorption layer, for example, ⁇ m or less.
  • the thickness of the first light guide layer is preferably at least 1.2 times the wavelength of light guided in the light receiving element, more preferably at least twice.
  • the upper limit of the thickness is appropriately set according to the waveguide length of the light receiving element, the wavelength of incident light, and the like. From the viewpoint of improving the efficiency of optical coupling between the first light guide layer and the absorption layer, for example, the light receiving It should be 10 times or less the wavelength of light guided in the device.
  • the thickness of the absorption layer is preferably 0.6 ⁇ or less, more preferably 0.3 / im or less. By doing so, a light-receiving element with high speed and high sensitivity can be obtained.
  • an optical waveguide for making light incident on the light receiving element, and light emitted from the optical waveguide is condensed on an end face of the first light guide layer and the first light is
  • An optical receiver is provided that is configured to be incident into the guide layer.
  • this optical receiver includes the light-receiving element having the above-described structure, it has both good quantum efficiency and high reliability.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a layer structure of a semiconductor APD according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing how light is guided when light is incident on an APD having the layer structure of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a layer structure of an APD according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of a passive element according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a view showing a modification of the element structure of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a diagram showing a structure of an optical receiver according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a side view of the optical receiver in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a side view showing another structure of the optical receiver according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional structure of the optical integrated device according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a basic configuration example of a WDM system using an APD according to the embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a transmission / reception module.
  • FIG. 12 is a diagram showing a structure of an APD according to an example.
  • FIG. 13 is a diagram showing a light intensity distribution in a waveguide direction calculated by the BPM method for the APD according to the embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing a layer structure of a conventional semiconductor light receiving element.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a conventional light receiving element.
  • FIG. 16 is a diagram showing a layer structure of an APD according to an example.
  • FIG. 17 is a diagram showing a layer structure of an APD according to the embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram showing a layer structure of an APD according to the embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing a layer structure of an APD according to the embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the significance of a light confinement coefficient.
  • the semiconductor APD according to the present embodiment relates to a SAM APD.
  • a SAM APD In order to obtain sufficient quantum efficiency with a thin light-absorbing layer, it has a horizontal incidence structure in which light is incident horizontally on the junction surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing a layer structure of the semiconductor APD according to the present embodiment.
  • an n-side light guide layer 111, a multiplication layer 112, an electric field relaxation layer 113, an absorption layer 114, a p-side light guide layer 115, and a p-side cladding layer 116 are laminated in this order.
  • the material and thickness of each layer are as shown in FIG.
  • the wavelength composition of the illustrated semiconductor layer is 1.
  • the thickness is an example, and the design can be changed as appropriate. The same applies to the constituent materials.
  • the p-side light guide layer 115 corresponds to the first light guide layer in the present invention
  • the n-side light guide layer 111 corresponds to the second light guide layer in the present invention.
  • the light receiving element includes a first light guide layer (P-side light guide layer 115), a multiplication layer 112 having a larger band gap than the first light guide layer, and a A laminated film including a light absorbing layer (absorbing layer 114) sandwiched therebetween, and configured to receive light from a direction horizontal to the laminating direction of the laminated film (a direction horizontal to the substrate).
  • the optical axis of the incident light is configured to be located at the end face of the first light guide layer (P-side light guide layer 115), and the light incident position at which the output of the light receiving element becomes the maximum is the first light incident position. It is located on the end face of the guide layer (p-side light guide layer 115).
  • FIG. 2 is a diagram showing how light is guided when light enters the APD having the layer structure of FIG.
  • the left side of the figure shows the refractive index of each layer.
  • An n-side light guide layer 111 and a p-side light guide layer 115 are arranged above and below the high refractive index absorption layer 114.
  • a multiplication layer 112 having a low refractive index is provided between the n-side light guide layer 111 and the absorption layer 114.
  • Light is incident on the end surface of the p-type light guide layer 115 on the left side in the figure such that the optical axis of the incident light is positioned. The incident light is coupled to the absorption layer while being guided in the p-side light guide layer 115.
  • the light introduced into the absorption layer 114 becomes electrons and holes that are photoelectrically converted in the layer, and the electrons are introduced into the multiplication layer 112 via the electric field relaxation layer 113.
  • the carriers are turned into collision ions inside the multiplication layer 112, and the generated carriers again cause a chain reaction that causes collision ions. This allows signal key Carriers are avalanche multiplied and sent to external electrodes or wires
  • the P-side light guide layer 115 and the n-side light guide layer 111 are layers that suppress guided light from entering a radiation mode (a mode in which the guided light is not combined with the absorption layer and is emitted to the substrate side or the upper part of the element).
  • the multiplication layer 112 is a layer that causes avalanche multiplication by application of a high electric field and generates a large amount of carriers.
  • the multiplication layer 112 is a narrower gap than the absorption layer 114 described later, and can reduce the ⁇ current even when a high electric field is applied, thereby causing avalanche multiplication.
  • the refractive index is low, the presence of this layer at the center of the waveguide structure is disadvantageous when light confinement is considered. Since it is preferable that an electric field is applied uniformly to the multiplication layer 112, the impurity concentration should be set as low as possible.
  • the impurity concentration of the multiplication layer 112 is, for example, 1 ⁇ 10 17 l ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the thickness of the multiplication layer 112 is preferably 1 / m or less from the viewpoint of improving the GB product. In addition, from the viewpoint of suppressing the multiplication and the current, it is preferably at least 0.02 ⁇ , and more preferably at least 0.0 ⁇ .
  • the electric field relaxation layer 113 is a layer provided to reduce a difference between a high electric field applied to the multiplication layer 112 and a relatively low electric field applied to the absorption layer 114. By providing this layer, a high electric field can be stably applied to the multiplication layer 112.
  • the electric field relaxation layer 113 contains a ⁇ -type impurity, and the same constituent material as the absorption layer 114 and the multiplication layer 112 can be used.
  • the thickness of the electric field relaxation layer 113 can be, for example, 0.02-0.4 ⁇ , and the ⁇ -type impurity concentration can be 0.5 ⁇ 10 18 ⁇ 2 ⁇ 10 18 cm — 3 .
  • the absorption layer 114 is a layer that plays a role of converting incident light into electricity, and has a band gap capable of absorbing light to be received.
  • the constituent material of the absorption layer 114 is appropriately selected according to the wavelength of the incident light.
  • the thickness of the absorbing layer 114 is preferably l xm or less, more preferably 0.5 zm or less.
  • the lower limit is not particularly limited, but it is preferable to set the lower limit to, for example, 0.01 zm or more. If the thickness of the absorption layer 114 is too large, the traveling time of the carrier becomes longer, and it becomes difficult to obtain high-speed and high-sensitivity characteristics.
  • the thickness of the absorption layer 114 is preferable to reduce the thickness of the absorption layer 114 as much as possible, but in this case, it is not possible to secure a sufficient amount of generated carriers. Problem arises.
  • the carrier generation region in the absorption layer 114 can be widened. Even if the layer thickness is small, a sufficiently high carrier generation amount can be obtained. As a result, according to the present embodiment, it is possible to reduce the layer thickness of the absorption layer 114 and to achieve high quantum efficiency while improving high-speed and high-sensitivity characteristics.
  • the p-side light guide layer 115 is a layer that serves to suppress the light guided through the absorption layer 114 from leaking to the p-type semiconductor side. In the present embodiment, this layer further functions as a layer that guides incident light.
  • the p-side light guide layer 115 is made of p-type InAlGaAs, and has a thickness about five times that of the n-type light guide layer 111. In the present embodiment, it is set to 1.5 z m.
  • the cladding layer 116 is formed of a layer having a lower refractive index than the p-side light guide layer 115, and functions to confine light.
  • An electrode (not shown) is formed on the cladding layer 116.
  • the incident light whose optical axis center is located enters the p-side light guide layer 115 instead of the absorption layer 114. Further, the p-side light guide layer 115 is formed thicker than the n-type light guide layer 111. Therefore, the APD according to the present embodiment has the following effects.
  • the thickness of the p-type light guide layer 115 is increased, and the incident position of light is at the end face of the p-type light guide layer 115. A high property and element structure can be obtained.
  • the structure of the p-type guide layer has a gradient composition.
  • the schematic structure is the same as that of the first embodiment, except that the composition of the P-type guide layer is an inclined structure that changes gradually in the laminating direction.
  • FIG. 3 is a diagram showing a layer structure of an APD according to the present embodiment.
  • a p-type guide layer 118 having an inclined structure is provided instead of the p-type light guide layer 115.
  • the composition of the p-type guide layer 118 is composed of InAlGaAs or InGaAsP, and the composition ratio changes in a graded manner, whereby the refractive index modulation shown on the left side of FIG. 3 is performed.
  • the wavelength composition is changed to 1.0111, 1.2 ⁇ m.
  • the p-type guide layer 118 has an inclined structure in which the refractive index increases in the direction of the absorption layer.
  • the light receiving element includes a first light guide layer (p-side light guide layer 118), a multiplication layer 112 having a larger band gap (average value) than the first light guide layer, A laminated film including a light absorbing layer (absorbing layer 114) sandwiched between the layers, and light is incident from a direction horizontal to the laminating direction of the laminated film (public publication horizontal to the substrate 110). It is configured to The light incident position where the output of the light receiving element becomes maximum is located at the end face of the first light guide layer (P-side light guide layer 118).
  • the first light guide layer (p-side light guide layer 118) has a configuration in which the refractive index decreases as the distance from the absorption layer increases.
  • the p-type guide layer 118 has an inclined structure (graded structure), light can be efficiently introduced into the absorption layer 114, and the quantum efficiency can be further improved. Become.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of the passive element according to the present embodiment.
  • An n-side light guide layer 111, a multiplication layer 112, an electric field relaxation layer 113, an absorption layer 114, and a p-side light guide A layer 115 and a p-side cladding layer 117 are stacked in this order, and an electrode 120 is provided on the p-side cladding layer 117.
  • the upper portion from the absorption layer 114 is processed into a mesa shape.
  • the side surface of the mesa is covered with a protective film 22 made of SiN.
  • the light receiving element includes a first light guide layer (p-side light guide layer 115), a multiplication layer 112 having a band gap larger than that of the first light guide layer, and is sandwiched between these layers. And a light absorbing layer (absorbing layer 114).
  • the light absorbing layer (absorbing layer 114) is provided with a light absorbing layer (absorbing layer 114). ing.
  • the light incident position where the output of the light receiving element becomes maximum is located at the end face of the first light guide layer (P-side light guide layer 115).
  • the illustrated structure can be formed by stacking the above semiconductor layers, providing a mask on the p-type cladding layer 117, and performing etching.
  • the etching is preferably wet etching.
  • the spread of current can be prevented by adopting the ridge structure, and the speed of the device can be increased.
  • the side surfaces of the multiplication layer 112 and the electric field relaxation layer 113 to which a high electric field is applied are not exposed, the reliability and durability of the element are improved.
  • FIG. 5 shows a modification of the element structure of FIG.
  • the upper part of the absorption layer 114 is processed into a mesa shape, and the mesa side surface is covered with a protective film 22 made of SiN.
  • the altered portion 24 is formed on the side surface of the multiplication layer 112 and the electric field relaxation layer 113.
  • the altered portion 24 is a region whose resistance has been increased by oxidation or ion implantation.
  • the multiplication layer and the electric field relaxation layer are composed of a semiconductor containing A1
  • the oxidation can be performed.
  • a method of contacting with water vapor can be adopted.
  • the reliability of the side surfaces of the multiplication layer 112 and the electric field relaxation layer 113 is further improved, and the reliability and durability of the element can be stably improved.
  • FIG. 6 shows the structure of the optical receiver according to the present embodiment.
  • the signal introduced from the optical fiber 211 is input to the APD 220 through the lens 214.
  • APD 220 for example, one having the configuration of the above-described embodiment can be used.
  • APD220 is connected to preamplifier 230 and A
  • the signal input to the PD 220 is output to the high frequency connector 234 through the microstrip line (MSL) 232.
  • MSL microstrip line
  • FIG. 7 is a side view of the optical receiver.
  • An optical fiber 211 and a ceramic carrier 204 are provided on a substrate 202.
  • An optical fiber is mounted on the ceramic carrier 204.
  • Each part is arranged and fixed so that the light emitted from the optical fiber 211 is incident on the p-type light guide layer 222 of the APD 220.
  • the thickness of the p-type light guide layer 222 is adjusted so that the light confinement coefficient of the incident light on the end face of the p-type light guide layer 222 is 60% or more.
  • the light confinement coefficient refers to the ratio of the amount of light guided to the p-type light guide layer 222 to the total amount of incident light.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the meaning of the optical confinement coefficient.
  • the incident light has an intensity distribution close to a Gaussian distribution in the layer thickness direction.
  • the integrated value of the distribution function in the p-type light guide layer 222 with respect to the total integrated value of this distribution function (corresponding to the area of the hatched portion in the figure) is defined as the light confinement coefficient.
  • the light confinement coefficient is usually less than 40% in a conventional light receiving element that aligns the optical axis of incident light with the light absorbing layer.
  • the thickness of the p-type light guide layer 222 is 1.0 / im or more
  • the optical mode diameter of the emitted light near the tip of the optical fiber is 3.0 / im
  • the light confinement coefficient is 60 / im. % Or more.
  • the alignment between the optical fiber 211 and the APD 220 is performed according to a conventional method of adjusting the position while monitoring the output of the APD.
  • the light incident position where the output of the APD 220 is maximum is located at the end face of the P-type light guide layer 222, and as shown in FIG. It is aligned to penetrate inside.
  • the layer thickness of the p-type light guide layer 222 can be increased to, for example, the above, so that the alignment is easy and the tolerance is improved. Further, light leakage through the multiplication layer included in the APD 220 can be effectively suppressed.
  • the optical receiver according to the present embodiment has high quantum efficiency because the thickness of the p-type light guide layer 222 is increased and the incident position of light is set to the end face of the p-type light guide layer 222. A highly reliable element structure can be obtained.
  • a force that employs a method of condensing light using a lens is used.
  • a method of directly entering light into the p-type light guide layer 115 of the APD 150 from the tip of the optical fiber 211 is preferred.
  • the optical receiver according to the present embodiment includes an optical integrated device including a passive device.
  • the optical integrated device according to the present embodiment includes a waveguide section and an image receiving element section formed on a substrate 110, and has a structure in which these are butt-joined.
  • the waveguide section has a structure in which a lower guide layer 120, a waveguide layer 122, and an upper guide layer 124 are stacked in this order.
  • the lower guide layer 120 and the upper guide layer 124 are made of InGaAsP, InAlGaAs or InP
  • the waveguide layer 122 is made of InGaAsP or InAlGaAs having a higher refractive index than the above-mentioned guide layer.
  • the passive element section has a structure in which a multiplication layer 112, an electric field relaxation layer 113, an absorption layer 114, a p-type light guide layer 115, and a cladding layer 116 are stacked in this order.
  • the materials and thicknesses of these layers are the same as those described in the first embodiment. That is, the light receiving element according to the present embodiment includes a first light guide layer (P-side light guide layer 115), a multiplication layer 112 having a larger band gap than the first light guide layer, and a And a light absorbing layer (absorbing layer 114) sandwiched between the layers, so that light is incident from a direction horizontal to the laminating direction of the layered film (public announcement horizontal to the substrate). Have been.
  • the light incident position where the output of the light receiving element becomes maximum is located at the end face of the first light guide layer (P-side light guide layer 115).
  • the waveguide layer 122 is in contact with the p-side light guide layer 115 and is knot jointed.
  • the light guided through the waveguide layer 122 is arranged so as to enter the end face of the p-side light guide layer.
  • the optical receiver according to the present embodiment has a high quantum efficiency and a high reliability because the thickness of the p-type light guide layer 115 is increased and the light incident position is on the end face of the p-type light guide layer 115.
  • An element structure having high performance can be obtained.
  • the process tolerance is high and the structure is excellent in practicality.
  • FIG. 10A is a schematic diagram illustrating an example of a basic configuration of the WDM system.
  • a plurality of DF BLDs (lasers) 10 oscillating at wavelengths of ⁇ 1- ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ with a certain wavelength interval are arranged.
  • These DFBs 10 are directly modulated, and their optical outputs are multiplexed by a multiplexer 100 and transmitted via one optical fiber 200 and an optical amplifier 300.
  • the transmitted optical signal is separated into the original wavelengths by the demultiplexer 400.
  • the separated light is converted by the APD 20 into an electric signal.
  • FIG. 10B is a schematic diagram illustrating another example of the WDM system.
  • each DFB laser 10 is not directly modulated, but is driven by a DC signal, and its optical output is modulated by the external modulator 30. Therefore, there is an advantage that modulation can be performed at a higher speed than the system shown in FIG. 10 (a).
  • the power provided with the optical amplifier 300 may be omitted.
  • FIG. 11 shows such a transmission / reception module.
  • an optical transmission / reception module 4 has a function including both an optical transmission module and an optical reception module.
  • the optical transmission unit is composed of an optical fiber 5, an optical waveguide 9, an LD 6, a transmission circuit, a circuit board 8, and the like.
  • the transmission circuit includes an LD driver that drives the laser, a laser output control unit, a flip-flop circuit, and the like.
  • the optical receiving unit includes an optical fiber 5, an optical waveguide 9, a PD 15, a receiving circuit, a circuit board 8, and the like.
  • the PD 15 may be the APD light receiving device of the present invention, and it is possible to obtain higher light receiving sensitivity by applying the device of the present invention.
  • the receiving circuit is composed of a PRE IC with pre-amplification function, a CDR LSI composed of a clock extraction unit and an equivalent amplification unit, an APD bias control circuit, and the like.
  • the WDM filter wavelength demultiplexer
  • the WDM filter is disposed near the branch point of the optical waveguide, and has a function of transmitting transmission light as it is and reflecting reception light. Actually, lead frames and wires are attached, but these are not shown. By using such a transmission / reception module, two-way communication becomes possible.
  • the above-mentioned APD may be an electron multiplication type (that is, one using an InAlAs multiplication layer), and a hole multiplication type APD in which a force InP is used as a multiplication layer.
  • the configuration of such an APD includes an n-InP cladding layer on the substrate side, a quaternary n-side optical guide layer (In GaAsP or InAlGaAsP) having a wavelength composition of 1.2 / im force, an InGaAs absorption layer, and an electric field relaxation layer (n-InP).
  • Examples include a multiplication layer composed of InP) and InP, a quaternary p-side optical guide layer (InGaAsP or InAlGa AsP) having a wavelength composition of 1.2 ⁇ m, and a p_InP cladding layer.
  • the n-side light guide layer may be made thick.
  • the device is configured using the InGaAsP-based semiconductor layer, but other III-V compound semiconductors may be used.
  • a Group III-V compound semiconductor in which a Group III atom contains any of B, Al, Ga, In, and Tl and a Group V atom contains any of N, P, As, Sb, and Bi You can also.
  • Specific examples include InGaAsP, AlGaInAs, AlGaInAsP, AlGalnP, InGaAsSb, InGaPSb, InGaAsN, AlGaInN, TlGaInAs, TlGaInAsN, and Tl GalnPN.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of the APD according to the present embodiment.
  • a SAM structure was formed on the SI-InP substrate.
  • a tapered structure with a wider waveguide width at the input end was applied to increase the coupling efficiency with the fiber and the tolerance.
  • the area other than the n-electrode contact was etched down to the SI-InP substrate to reduce the parasitic capacitance on the P-side pad.
  • the waveguide width at the incident surface is 7 / m
  • the width at the end of the waveguide is 5 / m
  • the waveguide length is 50 ⁇ .
  • the layer structure consists of an n-InGaAsP guide layer with a composition power shorter than the signal light wavelength of 0.2 ⁇ m, an InAlAs multiplication layer of 0.2 zm, and a p_InAlAs electric field relaxation layer of 0.2 zm on the InP substrate. It has a structure in which an InGaAs absorption layer is 0.4 xm, and a p_InGaAsP guide layer, whose composition is shorter than the signal light wavelength, is 1. O xm laminated. The structure is such that the maximum output is obtained when light enters the p-InGaAsP guide layer. The incident light is guided as shown in FIG. 2 and is coupled to the absorption layer. In other words, the light enters the p-side light guide layer at the end face, and is coupled to the absorption layer while guiding, so that the concentration of the photocurrent at the end face is reduced.
  • Example 2 Example 2
  • the light intensity distribution in the waveguide direction of the APD described in the first embodiment was calculated by the BPM method.
  • the layer structure used for the calculation is the same as that shown in the first embodiment (FIG. 16).
  • the thickness of the absorbing layer was set to 0.
  • a symmetrical guide structure in which the p-side light guide layer and the n-side light guide layer are the same was also evaluated. .
  • the device having the asymmetric structure guide layer has a structure in which the maximum output is obtained when light is incident on the p-type light guide layer.
  • FIG. 13 shows the calculation results.
  • Fig. 13 (a) shows a calculation example of the symmetric structure guide layer
  • Fig. 13 (b) shows a calculation example of the asymmetric structure guide layer.
  • the ⁇ -side guide layer is made thicker than in the structure of FIG. 13 (a).
  • the light incident position was set at the center of the light absorbing layer.
  • the light incident position was aligned with the center of the p-type light guide layer.
  • the symmetrical structure guide layer of FIG. 13 (a) since the input light is coupled around the absorption layer, the photocurrent density is concentrated on the light absorption layer near the end face.
  • the emission mode toward the substrate becomes dominant, and it is difficult to increase the external quantum efficiency even when the waveguide length is increased. That is, the radiation mode exists and the quantum efficiency decreases.
  • the light incident on the p-side light guide layer is coupled to the absorption layer while being guided, so that the photocurrent can be dispersed, and the radiation mode to the substrate side is also suppressed. External quantum efficiency can be improved.
  • the photocurrent density can be further dispersed.
  • the end face current was reduced and the light-proof input characteristics could be improved by about 24 times. Therefore, a receiver with a dynamic range improved by 36 dB can be configured.
  • the APD described in the first embodiment was manufactured, and the characteristics of the device were evaluated.
  • the layer structure is as shown in FIG.
  • the wavelength composition of the illustrated semiconductor layer is 1.
  • the light incident position was aligned with the center of the p-type light guide layer. Equipped with an asymmetric structure guide layer This device has a structure that can obtain the maximum output when light is incident on the P-type light guide layer.
  • the breakdown voltage of the obtained APD was 20V, and the multiplication current was 0.6 ⁇ m.
  • the quantum efficiency was 80%.
  • the maximum response frequency was 10 GHz with a 50 ⁇ load, and the GB product was 150 GHz.
  • the frequency characteristics were evaluated by connecting the APD according to the present example to a preamplifier having a transimpedance of 1 ⁇ or more. As a result, a band of 15 GHz was obtained.
  • the average receiving sensitivity of the receiver was _29dBm, and at the lowest level, -26dBm could be secured. This is a very sensitive APD optical receiver for 10Gb / s.
  • a layer structure shown in FIG. 19 can be adopted.
  • the effective refractive index of the p guide layer 115 increases from the cladding layer side toward the absorption layer. Therefore, similar to the second embodiment, excellent device characteristics can be obtained.
  • the layered structure of the present embodiment does not require graded growth and can be manufactured by a simple process.

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Abstract

　基板（１１０）上にｎ型光ガイド層（１１１）、増倍層（１１２）、電界緩和層（１１３）、吸収層（１１４）、ｐ型光ガイド層（１１５）およびクラッド層（１１６）がこの順で積層した受光素子において、ｐ型光ガイド層（１１５）をｎ型光ガイド層（１１１）よりも厚く形成する。たとえばｐ型光ガイド層（１１５）の厚みをｎ型光ガイド層（１１１）の２倍以上の厚みとする。  

Description

明 細 書
受光素子およびそれを用いた光受信機
技術分野
[0001] 本発明は、受光素子およびそれを用いた光受信機に関する。
京技術
[0002] .·フォトダイオード (APD)は、信号増幅機能を有する受光素子である。
APDとしては、増倍と光吸収の機能が一体化されている一体型構造のタイプのもの と、光吸収とキャリア増倍の役割を分離した構造とする SAM (separated absorption and multiplication)型構造のものとがある。化合物半導体を用いて APDを作製する 場合、 SAM型構造を用いることが有効であることが知られている。 SAM型構造にお いては、光吸収層と増倍層とでそれぞれ最適の材料を選ぶことができ、一体型構造 と比較して、より受光能力及び増倍能力の高い APDを設計することができるためであ る。
[0003] SAM型構造の APDは、光吸収層および増倍層を含む層構造を備える。 SAM型 APDへ、積層方向に対して水平な方向から光を照射すると、光吸収層においてキヤ リアが発生する。発生したキャリアは、印加した電圧に依存して内部に与えられる電 界に応じて走行し、その一部が増倍層に導入される。増倍層に導入されたキャリアは 増倍層内部で衝突イオン化し、発生したキャリアがまた衝突イオン化する連鎖反応を 起こす。これにより信号キャリアは雪崩増倍（アバランシェ増倍）されて外部の電極 (あ るいは電線）に送り出される。
[0004] 以下、 SAM型 APDの従来例について説明する。
特許文献 1には、アバランシェ増倍層を備える SAM 型構造の APDが記載されて いる。同文献の段落 0024には、光吸収層の下側に電界緩和層およびアバランシェ 増倍層を設け、光吸収層の上下に等しい層厚の光ガイド層を設けた層構造が示され ている。また段落 0035にも同様の層構造を有する受光素子が記載されている。図 1 4は、同文献記載の半導体受光素子の層構造を示す図である。基板 110上に n型光 ガイド層 111、増倍層 112、電界緩和層 113、吸収層 114、 p型光ガイド層 115およ びクラッド層 116がこの順で積層されている。入射光は吸収層 114の端面から導入さ れ、層中を導波していく。 n型光ガイド層 111および p型光ガイド層 115は等しい厚み に設定される。
[0005] 特許文献 2には、 SAM 型 APDの他の例が記載されている。同文献に記載されて いる受光素子は、超格子構造のアバランシェ増倍層を備えている。同文献の図 2およ び段落 0018に記載された APDを図 15に示す。図示した APDは、光吸収層 26と、 その上下に設けられた低屈折率層からなる層構造の受光素子が記載されている。光 吸収層の下部に位置する低屈折率層は、下部クラッド層 22、第 2コア層 23および超 格子アバランシェ増倍層 24、電界緩和層 25からなつている。一方、光吸収層 26の 上部に位置する低屈折率層は、上部第 2コア層 27および上部クラッド層 28により構 成されている。これにより、特許文献 2の段落 0012、 0014および図 2に記載されて いるように、屈折率は光吸収層 26を中心に対称な階段状に分布し、導波光の多モー ド化によりスポットサイズの拡大が図られる（図 2)。これにより、出射スポットサイズの大 きい光ファイバ一との光結合が向上し、トレランスも向上するとされている。なお、同文 献記載の APDでは、下部クラッド層 22、第 2コア層 23および超格子アバランシェ増 倍層 24、電界緩和層 25が同じ屈折率を有している。
特許文献 1：特開 2001 - 237454号公報
特許文献 2 :特開平 9一 181351号公報
発明の開示
[0006] し力、しながら、上記従来の APDは以下のような改善点を有していた。たとえば特許 文献 1記載の図 14に示す層構造の素子において、増倍層 112は、アバランシェ降伏 を発生させる必要があるため、隣接する光吸収層よりワイドバンドギャップを有する半 導体材料で構成する必要がある。このため、増倍層 112は、吸収層より屈折率の低 い材料により構成される。
ところが、このように光吸収層に隣接して低屈折率な層を配置すると、吸収層 114を 導波する光が増倍層 112を超えて基板側に漏れてしまうことがあった。増倍層 112の 屈折率を高く設計すれば、このような光の漏れは改善される力 S、このためにはナロー バンドギャップ層の半導体を用いることになり、増倍層 112での高電界時の喑電流の 増加に繋がり、充分な増倍効果を得ることが困難となる。
[0007] 本発明は、こうした光増倍層を備える受光素子特有の課題を解決するものであり、 その目的とするところは、高い量子効率を安定的に実現する受光素子を提供するこ とにある。
[0008] 本発明によれば、第一光ガイド層と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップの大き い増倍層と、これらの層の間に挟まれた光吸収層とを含む積層膜を備え、前記積層 膜の積層方向に対して水平な方向力 光が入射されるように構成された受光素子で あって、前記光の光軸が、前記第一光ガイド層の端面に位置するように構成されたこ とを特徴とする受光素子が提供される。
[0009] 本発明に係る受光素子によれば、増倍層を備える受光素子に特有の課題、すなわ ち、低屈折増倍層を経由する光の漏れ、および、入射端面における局所的な高電流 密度領域の発生を抑制することができる。
本発明の受光素子によれば、第一ガイド層に光を好適に入射させるとともに、入射 光を、第一ガイド層に導波させつつ光吸収層に装架的に結合される。このため、増倍 層への光の漏れを効果的に抑制できる。また、通常のように光吸収層の端面から光 を入射したときに起こる入射端面における電流集中を緩和し、素子の耐久性を向上 させること力 Sできる。この結果、高い量子効率を有し信頼性の高い素子構造を実現す ること力 Sできる。
なお、本発明における「ガイド層」とは、吸収層から漏れ出た光が導波する層であつ て吸収層に光を閉じ込める効果を一定程度有する層である。クラッド層や基板を備え る構成とする場合は、これらは吸収層からみて「ガイド層」の外側に配置される。 また本発明によれば、上記受光素子において、当該受光素子の出力が最大となる 光入射位置が、前記第一光ガイド層の端面に位置することを特徴とする受光素子が 提供される。この受光素子は、出力が最大となる光入射位置が、第一光ガイド層の端 面に位置するので、入射光を第一ガイド層に導波させつつ光吸収層に装架的に結 合させる方式を好適に採用することができる。
[0010] また本発明によれば、前記増倍層に対して前記第一光ガイド層と反対側に形成さ れた第二光ガイド層をさらに備え、前記第一光ガイド層の厚みが前記第二光ガイド層 の厚みよりも厚レ、ことを特徴とする受光素子が提供される。
[0011] 本発明の受光素子は、第一光ガイド層の厚みが第二光ガイド層よりも厚く形成され ているので、第一ガイド層に光を好適に入射させるとともに、入射光を、第一ガイド層 に導波させつつ光吸収層に装架的に結合させる方式を好適に採用することができる 。これにより、増倍層への光の漏れを効果的に抑制するとともに、入射端面における 電流集中を緩和し素子の耐久性を向上させることができる。この結果、高い量子効率 を有し信頼性の高い素子構造を実現することができる。
[0012] 本発明において、第一光ガイド層の厚みは、好ましくは 0. 以上、より好ましく は l x m以上とする。こうすることにより、増倍層を経由する光の漏れを抑制するととも に入射端面の電流密度を緩和する効果が充分顕著に得られる。厚みの上限につい ては、受光素子の導波長や入射光の波長等に応じて適宜設定されるが、第一光ガイ ド層と吸収層との光結合の効率を向上させる観点から、たとえば 5 μ m以下とする。 また、第一光ガイド層の厚みは、当該受光素子中を導波する光の波長の 1. 2倍以 上とすることが好ましぐ 2倍以上とすることがより好ましい。こうすることにより、増倍層 を経由する光の漏れを抑制するとともに入射端面の電流密度を緩和する効果が充分 顕著に得られる。厚みの上限については、受光素子の導波長や入射光の波長等に 応じて適宜設定されるが、第一光ガイド層と吸収層との光結合の効率を向上させる観 点から、たとえば、受光素子中を導波する光の波長の 10倍以下とする。
また、吸収層の厚みは、好ましくは 0. 6 μ ΐη以下、より好ましくは 0. 3 /i m以下とす るのがよい。こうすることにより、高速かつ高感度な受光素子を得ることができる。
[0013] さらに本発明によれば、前記受光素子に光を入射させる光導波路と、を備え、前記 光導波路からの出射光が、前記第一光ガイド層の端面に集光され前記第一光ガイド 層内に入射するように構成されたことを特徴とする光受信機が提供される。
[0014] この光受信機は、上記構造の受光素子を備えているため、良好な量子効率と高い 信頼性を兼ね備える。
[0015] 本発明によれば、受光素子の出力が最大となる光入射位置が上記第一光ガイド層 の端面に位置する構成としているため、優れた量子効率を安定的に実現することが できる。 図面の簡単な説明
[0016] 上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実 施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
[0017] [図 1]実施の形態に係る半導体 APDの層構造を模式的に示した断面図である。
[図 2]図 1の層構造を有する APDへ光を入射したときの光の導波の様子を示した図 である
[図 3]実施の形態に力かる APDの層構造を示す図である
[図 4]実施形態に係る受動素子の断面構造を示す図である。
[図 5]図 4の素子構造の変形例を示す図である。
[図 6]実施形態に係る光受信機の構造を示す図である。
[図 7]図 6の光受信機の側面図である。
[図 8]実施形態に係る光受信機の他の構造を示す側面図である。
[図 9]実施形態に係る光集積素子の断面構造を示す図である。
[図 10]実施形態の係る APDを用いた WDMシステムの基本構成例を示す概略図で める。
[図 11]送受信モジュールを示す概略図である。
[図 12]実施例に係る APDの構造を示す図である。
[図 13]実施形態の係る APDについて BPM法で計算した導波方向の光強度分布を 示す図である。
[図 14]従来の半導体受光素子の層構造を示す図である。
[図 15]従来の受光素子を示す断面図である。
[図 16]実施例に係る APDの層構造を示す図である。
[図 17]実施形態に係る APDの層構造を示す図である。
[図 18]実施形態に係る APDの層構造を示す図である。
[図 19]実施形態に係る APDの層構造を示す図である。
[図 20]光閉じ込め係数の意義を説明するための図である。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面 において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
[0019] 第一の実施の形態
本実施形態に係る半導体 APDは、 SAM型 APDに関するものである。薄い光吸収 層で充分な量子効率を得る為、接合面に対して光を水平方向に入射する横型入射 構造になっている。以下、図面を参照して説明する。
[0020] 図 1は、本実施形態に係る半導体 APDの層構造を示す図である。基板 110上に n 側光ガイド層 111、増倍層 112、電界緩和層 113、吸収層 114、 p側光ガイド層 115 および p側クラッド層 116がこの順で積層されている。各層の構成材料および厚みは 図 16に示すとおりである。図示した半導体層の波長組成は 1. である。なお、 厚みは一つの例を示したものであり、適宜設計変更可能である。構成材料について も同様である。 p側光ガイド層 115が本発明における第一光ガイド層に該当し、 n側光 ガイド層 111が本発明における第二光ガイド層に該当する。すなわち、本実施形態 に係る受光素子は、第一光ガイド層（P側光ガイド層 115)と、該第一光ガイド層よりも バンドギャップの大きい増倍層 112と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層 114)とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板に 対して水平な方向）から光が入射されるように構成されている。入射光の光軸は、第 一光ガイド層（P側光ガイド層 115)の端面に位置するように構成されており、この受光 素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（p側光ガイド層 115) の端面に位置する。
[0021] 図 2は、図 1の層構造を有する APDへ光を入射したときの光の導波の様子を示した 図である。図中左は、各層の屈折率を示したものである。高屈折率の吸収層 114の 上下に、 n側光ガイド層 111および p側光ガイド層 115が配されてレ、る。 n側光ガイド 層 111と吸収層 114との間には低屈折率の増倍層 112が設けられてレ、る。図中左側 の p型光ガイド層 115の端面に入射光の光軸が位置するよう光が入射される。入射し た光は p側光ガイド層 115中を導波しながら吸収層と結合する。吸収層 114に導入さ れた光は、層中で光電変換される電子、ホールとなり、電子は電界緩和層 113を経 て増倍層 112へ導入される。これにより、増倍層 112内部ではキャリアが衝突イオン 化し、発生したキャリアがまた衝突イオンィ匕する連鎖反応を起こす。これにより信号キ ャリアは雪崩増倍（アバランシヱ増倍）されて外部の電極あるいは電線に送り出される
[0022] 以下、素子を構成する各層について説明する。
P側光ガイド層 115および n側光ガイド層 111は、導波光が放射モード（吸収層と結 合せず、基板側または素子上部に放射するモード）になるのを、抑制する層である。
[0023] 増倍層 112は、高電界の印加によりアバランシェ増倍を引き起こし、多量のキャリア を発生させる層である。増倍層 112は、後述する吸収層 114と比較してナローギヤッ プであり、高電界印可時においても喑電流を低く押させることができ、これによりアバ ランシェ増倍が生じる。ただし、屈折率は低屈折率となるため光閉じ込めを考慮した 場合、導波構造の中心に本層が存在するのは不利となる。増倍層 112には電界が 均一に印加されることが好ましぐこのため、不純物濃度は極力低く設定するのがよ レ、。増倍層 112の不純物濃度は、たとえば 1X1017 lX1018cm— 3とするとよレ、。ま た、増倍層 112の厚みは、 GB積向上の点から 1/ m以下とすることが好ましい。また 、増倍喑電流抑制の観点からは、好ましくは 0. 02μΐη以上、より好ましくは 0. Ι ΐΆ 以上とする。
[0024] 電界緩和層 113は、増倍層 112に印加される高電界と、吸収層 114に印加される 比較的低い電界との差異を緩和させるために設けられ層である。この層を設けること により、増倍層 112へ高い電界を安定的に印加することが可能となる。電界緩和層 1 13は、 ρ型不純物を含有しており、吸収層 114および増倍層 112と同一の構成材料 を用いることができる。電界緩和層 113の厚みは、例えば 0. 02-0. 4μπιとすること ができ、 ρ型不純物濃度としては、 0. 5X1018— 2X1018cm_3とすることができる。
[0025] 吸収層 114は、入射光を電気に変換する役割を果たす層であり、受光すべき光を 吸収可能なバンドギャップを有する。吸収層 114の構成材料は、入射光の波長に応 じて適宜選択される。吸収層 114の厚みは、好ましくは l xm以下、より好ましくは 0. 5 zm以下とする。下限については特に制限がないが、たとえば 0. 01 zm以上とす ること力 S好ましい。吸収層 114の厚みを厚くしすぎると、キャリアの走行時間が長くなり 、高速 ·高感度特性を得ることが困難となる。したがって、吸収層 114の厚みは極力 薄くすることが好ましいが、この場合キャリア発生量を充分に確保できなくなるという課 題が生じる。本実施形態では、入射光を p型光ガイド層 115から導き、装架的に光を 吸収層 114へ結合させる方式を採用するため、吸収層 114中のキャリア発生領域を 広範囲にすることができ、層厚が薄くとも充分高いキャリア発生量を得ることが可能と なる。この結果、本実施形態によれば、吸収層 114の層厚を薄くして、高速'高感度 特性を向上させつつ高い量子効率をあわせて実現することが可能となる。
[0026] p側光ガイド層 115は、吸収層 114を導波する光を p型半導体側に漏れることを抑 制する役割を果たす層である。本実施形態では、この層は、さらに入射光の導波する 層として機能する。 p側光ガイド層 115は、 p型の InAlGaAsにより構成され、厚みは、 n型光ガイド層 111の約 5倍となっている。本実施形態では、 1. 5 z mと設定されてい る。
[0027] クラッド層 116は、 p側光ガイド層 115より低い屈折率の層で構成されており、光を 閉じこめるための機能をする。クラッド層 116の上には、不図示の電極が形成される。
[0028] 本実施形態によれば、吸収層 114ではなく p側光ガイド層 115に光軸中心が位置 する入射光が入射される。また p側光ガイド層 115が n型光ガイド層 111よりも厚く形 成されている。このため、本実施形態に係る APDは以下の効果を奏する。
[0029] 第一に、入射光の漏れを低減することができる。従来技術においては、入射光が吸 収層 114へ導入されていたため、入射端面近傍において光が基板 110側へ放射し、 効率の低下を招いていた。これは、増倍層 112が他の層に比べて顕著に低い屈折 率を有するため、素子端面の光入射位置から基板 110側へ光が漏れやすかつたこと による。これに対し、本実施形態では入射光は一旦 p型光ガイド層 115を導波し吸収 層 114へ進入するため、吸収層 114と増倍層 112との間で、光の反射効果が得られ 、増倍層 112を経由して基板 110側へ光が漏れることを抑制される。
第二に、素子端面における電流集中が緩和され、素子の耐久性が向上する。また 、吸収層 114に対して装架的に入射光が結合するため、吸収層 114中の比較的広 い領域にわたってキャリアを有効に発生させることができ、高い量子効率が得られる。
[0030] 以上により、本実施形態では、吸収層をたとえば 0. 2 μ m以下に薄膜化した場合 においても充分な量子効率を実現できる。また、増倍層が 0. 5 x mと比較的厚い場 合においても充分な受光感度を得ることが可能となる。 [0031] 以上、本実施形態に係る APDでは、 p型光ガイド層 115の厚みを厚くするとともに、 光の入射位置を p型光ガイド層 115端面としているため、高い量子効率を有し、信頼 性の高レ、素子構造が得られる。
[0032] 第二の実施の形態
本実施形態は、 p型ガイド層の構造を傾斜組成にしたものである。概略構造は第一 の実施の形態と同様であるが、 P型ガイド層の組成が積層方向に漸次的に変化する 傾斜構造となっている点が異なっている。
図 3は本実施形態に力、かる APDの層構造を示す図である。 p型光ガイド層 115に 代え、傾斜構造の p型ガイド層 118が設けられている。 p型ガイド層 118の組成は 、図 17に示すとおり InAlGaAsまたは InGaAsP力、らなり、組成比がグレーティッドに 変化しており、これにより、図 3左側に示す屈折率変調がなされている。波長組成は 1 . 0 111カ、ら1. 2 x mに変化している。 p型ガイド層 118は、吸収層方向に屈折率が 高くなる傾斜型構造を有する。
すなわち、本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（p側光ガイド層 118)と 、該第一光ガイド層よりもバンドギャップ (平均値）の大きい増倍層 112と、これらの層 の間に挟まれた光吸収層（吸収層 114)とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層 方向に対して水平な方向（基板 110に対して水平な公報）から光が入射されるように 構成されている。この受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイ ド層（P側光ガイド層 118)の端面に位置する。そして、第一光ガイド層（p側光ガイド 層 118)は、吸収層から遠ざかるにつれて屈折率が低くなる構成となっている。
[0033] 本実施形態では、 p型ガイド層 118を傾斜構造 (グレーテッド構造）としているため 、吸収層 114へ効率的に光を導入することができ、量子効率をさらに向上させること が可能となる。
[0034] 第三の実施の形態
本実施形態に係る受動素子は、第二光ガイド層、増倍層、光吸収層および第一光 ガイド層がこの順で積層しており、光吸収層より上部がメサ形状に加ェされたリッジ構 造を有する。図 4は本実施形態に係る受動素子の断面構造を示す図である。基板 1 10上に n側光ガイド層 111、増倍層 112、電界緩和層 113、吸収層 114、 p側光ガイ ド層 115および p側クラッド層 117がこの順で積層されており、 p側クラッド層 117の 上部に電極 120が設けられている。吸収層 114から上はメサ形状に加工されている 。メサの側面は、 SiNからなる保護膜 22により覆われている。
本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（p側光ガイド層 115)と、該第一光 ガイド層よりもバンドギャップの大きい増倍層 112と、これらの層の間に挟まれた光吸 収層（吸収層 114)とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な 方向（基板 110に対して水平な公報)から光が入射されるように構成されている。この 受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層 (P側光ガイド層 1 15)の端面に位置する。
[0035] 図示した構造は、上記半導体層を積層した後、 p型クラッド層 117上にマスクを設 け、エッチングを行うことにより形成することができる。エッチングは、ウエットエツチン グとすることが好ましい。
[0036] 本実施形態によれば、リッジ構造の採用により電流の広がりを防ぐことができ、素子 の高速化を図ることができる。その一方、高い電界が印加される増倍層 112および電 界緩和層 113の側面が露出しないため、素子の信頼性および耐久性が良好となる。
[0037] 図 5は、図 4の素子構造の変形例である。図 5の素子は、図 4と同様、吸収層 114か ら上がメサ形状に加工され、メサ側面が SiNからなる保護膜 22により覆われている。 増倍層 112および電界緩和層 113の側面に、変質部 24が形成されている。変質部 2 4は、酸化またはイオン注入により高抵抗化された領域である。特に増倍層および電 界緩和層が A1を含む半導体で構成されている場合、酸化させることが可能である。 酸化させる場合、たとえば水蒸気に接触させる等の方法を採用することができる。図 5の構造によれば、増倍層 112および電界緩和層 113の側面の信頼性がさらに向上 し、素子の信頼性および耐久性を安定的に改善することができる。
[0038] 第四の実施の形態
次に、上記構成の受動素子を用いた光受信機の構成例について説明する。図 6は 、本実施形態に係る光受信機の構造である。光ファイバ 211から導入された信号は レンズ 214を通って APD220に入力される。 APD220は、たとえば既述の実施形態 の構成のものを用いることができる。 APD220はプリアンプ 230に接続されており、 A PD220に入力された信号はマイクロストリップライン（MSL) 232を通って高周波コネ クタ 234へ出力される。
[0039] 図 7は、この光受信機を側面からみた図である。基板 202上に光ファイバ 211およ びセラミックキャリア 204が設けられている。セラミックキャリア 204上には、光ファイバ が搭載されている。光ファイバ 211から出射した光は、 APD220の p型光ガイド層 22 2に入射されるように各部が配置され固定されている。 p型光ガイド層 222の端面にお ける入射光の光閉じこめ係数が 60%以上となるように p型光ガイド層 222の厚みが調 整されている。光閉じこめ係数とは、全入射光量に対する p型光ガイド層 222に導光 された光量の比率をいう。図 20は光閉じこめ係数の意味を説明するための図である 。 p型光ガイド層 222の端面において、入射光は、層厚方向にガウシアン分布に近い 強度分布を持つ。この分布関数の全積分値に対する、 p型光ガイド層 222部分での 分布関数の積分値 (図中、斜線部の面積に該当する)を光閉じこめ係数と定義する。 光閉じこめ係数は、光吸収層に入射光の光軸を合わせる従来の受光素子において は、通常、 40%以下の値となる。本実施形態では、 p型光ガイド層 222の厚みは 1. 0 /i m以上であり、光ファイバの先端近傍における出射光の光モード径は、 3. 0 /i mと し、光閉じこめ係数を 60%以上としている。
[0040] 光ファイバ 211と APD220との位置合わせは、 APDの出力をモニターしながら位 置調整する常法にしたがって行う。本実施形態では、 APD220の出力が最大となる 光入射位置は P型光ガイド層 222の端面に位置しており、図示したように、光ファイバ 211の光軸の延長線力 型光ガイド層 222中を貫くように位置合わせされている。 ここで、 p型光ガイド層 222の層厚は、たとえば 以上と厚くすることが可能であ るため、位置合わせが容易であり、トレランスが向上する。また、 APD220に含まれる 増倍層を介しての光の漏れを効果的に抑制できる。
[0041] 本実施形態に力かる光受信機は、 p型光ガイド層 222の厚みを厚くするとともに、光 の入射位置を p型光ガイド層 222端面としているため、高い量子効率を有し、信頼性 の高い素子構造が得られる。
[0042] なお、本実施形態ではレンズを用いて集光する方式を採用した力 図 8のように、 光ファイバ 211の先端から直接、 APD150の p型光ガイド層 115に入光する方式とす ることちでさる。
[0043] 第五の実施の形態
次に、上記構成の受動素子を用いた光受信機の他の例について説明する。本実 施形態の光受信機は、受動素子を含む光集積素子からなっている。図 9に示すよう に、本実施形態に係る光集積素子は、基板 110上に形成された導波路部と受像素 子部とを備え、これらがバットジョイント接合された構造を有する。
[0044] 導波路部は、下部ガイド層 120、導波路層 122および上部ガイド層 124がこの順で 積層した構造を有する。下部ガイド層 120および上部ガイド層 124は InGaAsPまた は InAlGaAsまたは InPから構成され導波路層 122は、上記ガイド層より高い屈折率 を有する InGaAsPまたは InAlGaAsから構成されている。
[0045] 受動素子部は、増倍層 112、電界緩和層 113、吸収層 114、 p型光ガイド層 115お よびクラッド層 116がこの順で積層した構造を有する。これらの層を構成する材料お よび厚みは、第一の実施形態で述べたのと同様である。すなわち、本実施形態に係 る受光素子は、第一光ガイド層（P側光ガイド層 115)と、該第一光ガイド層よりもバン ドギャップの大きい増倍層 112と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層 114) とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板に対して 水平な公報）から光が入射されるように構成されている。この受光素子の出力が最大 となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（P側光ガイド層 115)の端面に位置する。
[0046] 導波路層 122は p側光ガイド層 115に接しており、ノくットジョイント接合されている。
導波路層 122を導波してきた光は p側光ガイド層の端面に入射するように配置されて いる。
[0047] 本実施形態に力かる光受信機は p型光ガイド層 115の厚みを厚くするとともに、光 の入射位置を p型光ガイド層 115端面としているため、高い量子効率を有し、信頼性 の高い素子構造が得られる。またプロセストレランスも高ぐ実用性に優れた構造であ る。
[0048] 第六の実施の形態
本実施形態では、上述の APDを用いた WDMシステムの例について説明する。 図 10 (a)は、この WDMシステムの基本構成の一例を表す概略図である。送信側 には、一定の波長間隔を有する λ 1 — λ Ν の波長でそれぞれ発振する複数の DF BLD (レーザ） 10が配置されている。これらの DFB10は、直接変調され、その光出 力は合波器 100で合波されて 1本の光ファイバ 200、光アンプ 300を経由して伝送さ れる。受信側においては、伝送された光信号が、分波器 400によってそれぞれ元の 波長に分離される。分離された光は、 APD20によって電気信号に変換される。
[0049] 図 10 (b)は、 WDMシステムの他の例を表す概略図である。同図に示した例では、 各 DFBレーザ 10は直接変調されずに、直流信号で駆動され、その光出力が外部変 調器 30によって変調される。このために、図 10 (a)に示したシステムよりも、より高速 で変調できるとレ、う利点を有する。
[0050] なお、図 10の構成では光アンプ 300を設けた力 これを省略してもよレ、。
[0051] 上記例では、送信側から受信側へ一方向に信号が送信されるが、素子側，受信側 の各々に受光素子および発光素子を備えることにより、双方向通信が可能となる。 こうした送受信モジュールとしては、図 11に示すものがある。図 11において、光送 受信モジュール 4は、光送信モジュールと光受信モジュールを併せ備えた機能を有 する。光送信部は、光ファイバ 5、光導波路 9、 LD6、送信回路、回路基板 8等から構 成される。送信回路は、レーザを駆動する LDドライバ、レーザ出力制御部、フリップ フロップ回路等から構成される。光受信部は、光ファイバ 5、光導波路 9、 PD15、受 信回路、回路基板 8等から構成される。もちろん、 PD15は本発明の APD受光デバ イスであっても良く、本発明のデバイスを適用することにより、より高い受光感度を得る ことが可能となる。受信回路は、前置増幅機能を有する PRE IC、クロック抽出部お よび等価増幅部からなる CDR LSI, APDバイアス制御回路等から構成される。また 、 WDMフィルタ（波長分波器）は、光導波路の分岐点付近に配置され、送信光はそ のまま透過し、受信光は反射する作用がある。実際には、リードフレームやワイヤが ついているが、これらの図示を略している。このような送受信モジュールを用いること で双方向通信が可能となる。
[0052] 以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べた力 これらは本発明の例 示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 上記した APDは、電子増倍型（すなわち InAlAs増倍層を用いたもの）である力 I nPを増倍層にしたホール増倍型の APDも考えられる。こうした APDの構成としては 、基板側力 n-InPクラッド層、波長組成 1. 2 /i m力 なる 4元の n側光ガイド層（In GaAsPまたは InAlGaAsP)、 InGaAs吸収層、電界緩和層（n— InP)、 InPからなる 増倍層、波長組成 1. 2 μ m力もなる 4元の p側光ガイド層（InGaAsPまたは InAlGa AsP)、 p_InPクラッド層からなるものが例示される。この場合は n側光ガイド層を厚く すれば良い。
[0053] また、上記実施形態では、 InGaAsP系半導体層を用いて素子を構成したが、他の III一 V族化合物半導体を用いてもよレ、。たとえば、 III族原子が B， Al， Ga, In, Tlの いずれかを含み、 V族が N， P， As, Sb， Biのいずれかを含む III一 V族化合物半導 体を用レ、ることもできる。具体的には、 InGaAsP, AlGaInAs、 AlGaInAsP、 AlGal nP、 InGaAsSb、 InGaPSb、 InGaAsN、 AlGaInN、 TlGaInAs、 TlGaInAsN、 Tl GalnPN等を例示することができる。
(実施例）
[0054] 実施例 1
図 12は本実施例に係る APDの構造を示す図である。図に示すように S. I. -InP 基板上に、 SAM構造を形成した。導波路形状にはファイバーとの結合効率およびト レランスを高めるため、入射端での導波路幅を広幅化したテーパ構造を適用した。ま た、 n電極コンタクト部以外の領域は S. I. 一 InP基板までエッチングを行い P側パッド 寄生容量の低減を行った。デバイス各部の寸法については、入射面での導波路幅 7 / m、導波路終端で幅 5 / m、導波路長は 50 μ ΐηである。層構造は、 InP基板上に 信号光波長より波長の短い組成力もなる n— InGaAsPガイド層を 0. 2 μ m、 InAlAs 増倍層を 0. 2 z m、 p_InAlAs電界緩和層を 0. 2 z m、 InGaAs吸収層を 0. 4 x m 、信号光波長より波長の短い組成からねる p_InGaAsPガイド層を 1. O x m積層した 構造である。 p— InGaAsPガイド層に光を入射したときに最大出力が得られる構造と なっている。入射光は図 2に示したように導波し、吸収層に結合する。すなわち、端面 において p側光ガイド層に入射し、導波しながら吸収層と結合するため、端面での光 電流の集中が低減される。 [0055] 実施例 2
第一の実施形態で述べた APDについて導波方向の光強度分布を BPM法で計算 した。計算に用いた層構造は第一の実施形態で示したもの（図 16)と同様である。吸 収層の厚みは 0. とした。比較のために p側光ガイド層と n側光ガイド層が同じで ある対称ガイド構造 (n型光ガイド層および p型光ガイド層の厚みをともに 0. 5 μ mとし た）についても評価した。
[0056] 非対称構造ガイド層を備える素子は、 p型光ガイド層に光を入射したときに最大出 力が得られる構造となっている。
[0057] 計算結果を図 13に示す。対称構造ガイド層の計算例を図 13 (a)、非対称構造ガイ ド層の計算例を図 13 (b)に示す。図 13 (b)では、図 13 (a)の構造よりも ρ側ガイド層 を厚膜化した。対称構造ガイド層では光入射位置を光吸収層の中心とした。非対称 構造ガイド層では p型光ガイド層の中心に光入射位置を位置合わせした。
[0058] 図 13 (a)の対称構造ガイド層では、入力光が吸収層を中心に結合するため、端面 付近の光吸収層に光電流密度が集中する。また、導波するにつれ、基板側への放 射モードが支配的になり、導波長を長くした場合でも外部量子効率を高くすることは 困難である。すなわち、放射モードが存在し量子効率が低下する。
[0059] 一方、非対称ガイド構造では、 p側光ガイド層に入射した光が導波しながら吸収層 に結合するため光電流を分散することができ、また基板側への放射モードも抑制され 、外部量子効率の向上が実現できる。
[0060] 特に、上記の p— InGaAsPガイド層厚を 2. Ο μ m以上にし、吸収層方向に屈折率 が高くなる傾斜型構造を採用することにより、より光電流密度の分散が可能になり、高 感度な導波型構造でありながら、端面電流を減らして耐光入力特性が 2 4倍程度 向上させることができた。従って、ダイナミックレンジが 3 6dB向上した受信機を構 成可能である。
[0061] 実施例 2
第一の実施形態で述べた APDを作製し、デバイスの特性を評価した。層構造は図 18に示すとおりである。図示した半導体層の波長組成は 1. である。
光入射位置は、 p型光ガイド層の中心に位置合わせした。非対称構造ガイド層を備 える素子は、 P型光ガイド層に光を入射したときに最大出力が得られる構造となって いる。
[0062] 得られた APDのブレークダウン電圧は 20Vであり、増倍喑電流は 0· 06 μ Αであつ た。量子効率は 80%を得た。最大応答周波数は 50 Ω負荷のときに 10GHzであり、 GB積は 150GHzを得た。特に、増倍率 M = 2乃至 15での周波数応答は 10GHzを 維持していた。また、本実施例に係る APDと 1Κ Ω以上のトランスインピーダンスを持 つプリアンプとを接続して周波数特性を評価したところ、帯域 15GHzを得た。
[0063] 本実施例に係る APD及びプリアンプを用いて光受信機を構成し、 lOGbZsのビッ トレートにおいて受信感度を評価したところ、 23段の疑似ランダム信号を使った場合 にビットエラーレート（BER) 1 X 10— 9を与える光強度は— 30dBmであった。
[0064] また、本実施例に係る APD及びプリアンプからなる光受信機を連続して数多く作製 したところ、結合効率の差や実装条件の僅力、な違いなどに起因する受信感度のばら つきが見られた。
[0065] このときの統計を取ると、受信機の平均的な受信感度は、 _29dBmであり、最も低 レ、ものでも— 26dBmを確保することができた。これは、 10Gb/s用としては、非常に 高感度な APD光受信機である。
実施例 3
実施例 2の図 18の層構造に代えて、図 19に示す層構造を採用することもできる。こ の構造では、 pガイド層 115の実効的な屈折率は、クラッド層側から吸収層に向けて 高くなつている。このため、上記実施例 2と同様、優れたデバイス特性が得られる。本 実施例の層構造は、グレーティッド成長が不要であり、簡便なプロセスで製造すること ができる。

Claims

請求の範囲
[1] 第一光ガイド層と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップの大きい増倍層と、これら の層の間に挟まれた光吸収層とを含む積層膜を備え、前記積層膜の積層方向に対 して水平な方向から光が入射されるように構成された受光素子であって、
前記光の光軸が、前記第一光ガイド層の端面に位置するように構成されたことを特 徴とする受光素子。
[2] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子において、
当該受光素子の出力が最大となる光入射位置が、前記第一光ガイド層の端面に位 置することを特徴とする受光素子。
[3] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子において、
前記増倍層に対して前記第一光ガイド層と反対側に形成された第二光ガイド層を さらに備え、前記第一光ガイド層の厚みが前記第二光ガイド層の厚みよりも厚いこと を特徴とする受光素子。
[4] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子において、
前記第一光ガイド層の厚みが 0· 6 β m以上 5 β m以下であることを特徴とする受光 素子。
[5] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子において、
前記第一光ガイド層の厚みは、当該受光素子中を導波する光の波長の 1. 2倍以 上 10倍以下であることを特徴とする受光素子。
[6] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子において、
前記光吸収層の厚みが 0. 6 μ m以下であることを特徴とする受光素子。
[7] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子において、
前記第一光ガイド層は、前記光吸収層力 遠ざかるにつれて屈折率が低くなるよう に構成されたことを特徴とする受光素子。
[8] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子において、
基板上に、前記増倍層、前記光吸収層および前記第一光ガイド層がこの順で積層 しており、前記光吸収層および第一光ガイド層がメサ形状に加工されたことを特徴と する受光素子。
[9] 請求の範囲第 1項に記載の受光素子と、
前記受光素子に光を入射させる光導波路と、
を備え、
前記光導波路からの出射光が、前記第一光ガイド層の端面に集光され前記第一 光ガイド層内に入射するように構成されたことを特徴とする光受信機。
[10] 請求の範囲第 9項に記載の光受信機において、前記光導波路が光ファイバであつ て、
前記第一光ガイド層の前記端面における入射光の光閉じこめ係数が 60%以上とな るように前記第一光ガイド層の厚みが調整されたことを特徴とする光受信機。
[11] 請求の範囲第 9項に記載の光受信機において、
前記光導波路と前記第一光ガイド層がバットジョイント接合されたことを特徴とする 光受信機。
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