JP2002151728A - 半導体受光素子 - Google Patents
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Abstract
素子において、高光入力時にも劣化、破壊しにくい構造
の素子を提供すること。 【解決手段】 半導体基板1上に、この半導体基板より
も屈折率が大きいガイド層3が形成され、このガイド層
上の一部領域に光吸収層4が形成された装荷型半導体受
光素子において、前記光吸収層が形成された領域である
光電変換部のメサ幅が、素子動作時の光電流密度が高い
部分ほど広く、低い部分ほど狭く設計する。 【効果】 光電変換部において局所的な温度上昇を抑え
ることができるため高光入力時にも劣化、破壊しにく
く、かつ、素子容量増大も防ぐため高速応答特性も保た
れる。
Description
受信モジュールに用いられる半導体受光素子に関し、特
に信号光が基板に平行に入射され光電変換部がメサ状に
形成されている半導体受光素子に関するものである。
られる半導体受光素子として、装荷型半導体受光素子の
研究開発が進められている。従来の導波路型素子では、
入射光を入射端面の光吸収層に直接照射する形態であ
り、入射端面近傍に光電流が集中しやすかった。そのた
め、例えばエルビウムドープファイバーアンプからの出
射光のような強度の高い光が入射された場合に入射端面
が破壊されやすいという問題点があった。これに対して
装荷型受光素子(あるいはエバネッシェント波結合型受
光素子とも呼ばれる)は、まず入射光に対して透明な半
導体層であるガイド層に光を入射し、その入射部から数
十ミクロン以上離れた位置に形成された光電変換部まで
光を導波させ、光電変換部においてはガイド層から層厚
方向に染み出した光(エバネッシェント波)を光吸収層
で光電変換する。したがって、光電変換の形態が、いわ
ば間接的であり、導波路型素子と比較して光電流の集中
が緩和され、強度の高い光が入射された場合にも素子が
破壊されにくいという利点がある。
作製された装荷型半導体受光素子としては、例えば「1
999年秋季、第60回応用物理学会学術講演会講演予
稿集第3分冊、985頁、講演番号1p−ZC−8」に
その一例が報告されている。この素子の基本構造を図6
に示す。図6(a)は、本従来例の平面図、図6(b)
は、図6(a)のA-A'線での断面図である。図6に示す
ように、半絶縁性InP基板101上にn+-InPクラッド層
102、n+-InAlGaAsガイド層(波長組成1.3μm、層厚1
μm)103、i-InGaAs光吸収層104(層厚0.5μ
m)、p+-InPクラッド層105、p+-InGaAs コンタクト
層106からなる層構造を有し、入射端面から長さ20
μmにわたって、n+-InAlGaAsガイド層103をコア層と
する光導波路である受動導波路部108が形成され、そ
の後方に光電変換部107が形成されている。この報告
では、光電流10mAという高光入力状態においても素
子の劣化が見られないことが報告されている。
光素子の問題点は、耐高光入力性が、従前の導波路型受
光素子と比較すれば増すものの必ずしも充分ではないこ
とである。すなわち、装荷型半導体受光素子であって
も、光電変換部の光電流密度が高い部分における局所的
な発熱が素子の耐性を越える場合がある。本発明の目的
は、耐高光入力性をさらに高めた半導体受光素子を提供
することである。
め、本発明によれば、半導体基板上に、バンドギャップ
波長が入射光波長よりも短く、かつ、前記半導体基板よ
りも屈折率が大きいガイド層が形成され、バンドギャッ
プ波長が入射光波長と等しいかこれより長い半導体から
なる光吸収層が前記ガイド層の光入射端面に近い部分を
除いて前記ガイド層に沿って形成され、前記ガイド層に
前記半導体基板と平行な方向から信号光が入射される半
導体受光素子において、前記光吸収層が形成された領域
である光電変換部のメサ幅が、光入射側の端部寄りで最
大、その反対側の端部寄りで最小となるように光の導波
方向に沿って変化していることを特徴とする半導体受光
素子、が提供される。
によれば、半導体基板上に、バンドギャップ波長が入射
光波長と等しいかこれより長い半導体からなる光吸収層
が形成され、この光吸収層に前記半導体基板と平行な方
向から信号光が入射される半導体受光素子において、前
記光吸収層が形成された領域である光電変換部のメサ幅
が、光入射側の端部寄りで最大、その反対側の端部寄り
で最小となるように光の導波方向に沿って変化している
ことを特徴とする型半導体受光素子、が提供される。
て、実施例に則して図面を参照して詳細に説明する。 [第一の実施例]図1(a)は、本発明の第一の実施例
を示す平面図であり、図1(b)、(c)は、図1
(a)のA-A'、B-B'線での断面図である。また、図2は
第一の実施例の動作を説明するためのグラフである。本
実施例の結晶層構造は、半絶縁性InP基板1上に、n+-In
Pクラッド層2(層厚0.5μm)、n+-InAlGaAsガイド層3
(波長組成1.3μm、層厚0.7μm)、i-InGaAs光吸収層4
(層厚0.5μm)、p+-InPクラッド層5(層厚1μm)、p+
-InGaAsコンタクト層6が順次積層されたものである。
そして、図1(b)、(c)に示すように、深さの異な
る複数回のエッチング工程により、半絶縁性InP基板1
が露出するまでエッチングした領域、n+-InPクラッド層
2が露出するまでエッチングした領域、n+-InAlGaAsガ
イド層3が露出するまでエッチングしたした領域、およ
び、エッチングを施さず、p+-InGaAsコンタクト層6が
残った領域が形成されている。このp+-InGaAsコンタク
ト層6が残った領域が、入射光を光電変換する光電変換
部7である。そして、n+-InAlGaAsガイド層3が露出す
るまでエッチングしたした領域は、入射光を光電変換部
7に導波させるための受動導波路部8である。ここで、
光電変換部7の導波路メサの幅は、光入射側から光導波
方向に向かって、直線的に広がった後、一定の幅を維持
し、その後に漸減するようになされている(2段階で直
線的に逓減している)。そして、光電変換部7および受
動導波路部8の長さ(図1(b)で示した方向の寸法)
は、それぞれ40μm、20μmである。さらに、図1
(b)、(c)に示すように、これらのエッチング工程
後の素子上面に窒化シリコン膜9が形成されている。そ
して、p+-InGaAsコンタクト層6が残った領域上とn+-In
Pクラッド層2の露出した領域の窒化シリコン膜9の一
部が除去され、その除去された領域にはp側電極として
のAuZnアロイ電極10と、n側電極としてのAuGeNiアロ
イ電極11が形成されている。そして、図1(a)〜
(c)に示すように、AuZnアロイ電極10、AuGeNiアロ
イ電極11を拡大、延長するTiPtAu電極12a、12
b、12cが形成され、さらに、これらのTiPtAu電極上
に、これを補強するAuメッキ電極13a、13b、13
cが形成されている。そして、素子の入射端面に反射防
止膜として窒化シリコン膜14が形成されている。
説明する。まず、装荷型受光素子としての基本的な動
作、効果について説明する。本実施例素子では、図1
(a)、(b)に矢印で示した位置から信号光を入射す
る。この入射光の波長は、光通信で通常用いられる波長
帯である1.55μm帯が想定されている。入射された光
は、n +-InAlGaAsガイド層3を光導波のためのコア層と
して伝播し、光電変換部7で光がi-InGaAs光吸収層4に
染み出すことにより光電変換され、Auメッキ電極13
a、13b、13cに接続された外部の電気回路に電気
信号として取り出される。このとき、本実施例では装荷
型受光素子としての特徴として、光電変換部7が信号光
を入射する端面から離れた位置に形成されており、か
つ、i-InGaAs光吸収層4の前方(入射端面方向)には半
導体層が存在しない構造となっているので、通常の導波
路型受光素子と異なり、i-InGaAs光吸収層4の入射端面
方向の側面からはほとんど光が入射しない。したがって
この側面近傍の光電流密度は極めて低く、高光入力に対
しても素子が劣化、破壊しにくい。
説明する。本実施例が図6に示した従来の装荷型受光素
子と異なる点は、従来の装荷型受光素子では、図6
(a)に示すように、光電変換部107の幅が一定であ
るのに対し、第一の実施例では図1(a)に示すよう
に、一定ではない点である。この第一の実施例の効果に
ついて、図2を用いて説明する。図2は装荷型受光素子
に光を入射したときの光電変換部内の光電流密度を計算
した例である。図に示すように、光電流密度は入射側か
ら数μmのところで大きなピークを持ち、その後、増減
を繰り返しながら次第に減衰していく。
は図6(b)において、n+-InAlGaAsガイド層に入射し
た光が、光電変換部においてi-InGaAs光吸収層とn+-InA
lGaAsガイド層との間で上下に蛇行しながら導波され、
次第に吸収されていく現象を反映している。そして、光
電流密度の高いところほど局所的な発熱が大きく、高光
入力時には、この発熱の大きい部分から破壊が起こる。
ここで、第一の実施例では、光電流密度の高い部分(発
熱の大きい部分)ほどメサ幅を広く形成してあるので、
電流の局部集中が緩和されることにより高光入力時にも
局所的な温度上昇が抑えられ、素子が破壊されにくくな
る。さらに、光電流密度の低い部分(発熱の小さい部
分)はメサ幅を狭く形成してあるので、メサ面積増大に
よる素子容量増大を防ぐことができ、素子の応答速度の
高速性を保つことができる。
実施例を示す平面図であって、第一の実施例における図
1(a)に対応する図である。第二の実施例が第一の実
施例と異なる点は、図3に示されるように、光電変換部
7のメサ形状が、より単純に入射側が広く、後端側が狭
い形状となっている点である。その他、素子の基本的な
構造は第一の実施例と同様である。次に、第二の実施例
の動作、効果について説明する。第二の実施例では第一
の実施例と比較してメサ形状がより単純であることから
素子作製が容易で、作製歩留まりが向上するという効果
が得られる。このとき、高光入力時にも素子が破壊され
にくいという効果、およびメサ面積増大による素子容量
増大を防ぐことができるという効果についても、第一の
実施例とほぼ同等の効果が得られる。また、第二の実施
例では光電変換部7の入射側のメサ幅が広くなってお
り、したがって受動導波路部8のメサ幅も、それにあわ
せて広く設計することが可能で、入射光との水平方向の
結合効率が向上し、高い量子効率が得られる。
荷型構造の受光素子、すなわち、光電変換部7の前方に
受動導波路部8が形成された受光素子の例を挙げたが、
この構造に限らず、通常の導波路型受光素子、すなわ
ち、受動導波路部8が形成されておらず、直接光電変換
部7に光を入射する構造の受光素子に対しても、本発明
の適用が可能で、第一、第二の実施例と同等の効果が得
られる。すなわち導波路型受光素子においても、第一の
実施例と同様に、光電変換部のメサ幅を、光電流密度が
高いところほど広く、低いところほど狭く形成すること
により高光入力時にも素子が破壊されにくく、かつ応答
速度の速い素子を得ることができ、また、第二の実施例
と同様に、光電変換部のメサ幅を入射側が広く、後端側
が狭い形状とすることにより、第一の実施例の効果に加
えて、作製歩留まりの向上、素子の高量子効率化という
効果が得られる。
実施例を示す平面図であって、第二の実施例における図
3に対応する図である。第三の実施例では、まず、光電
変換部7のメサ形状が第二の実施例と同様に、入射側が
広く後端側が狭い形状となっているが、さらにここで第
三の実施例では、受動導波路部8のメサ幅も入射側が広
くなっている点が異なる。この他、素子の基本的な構造
は第一あるいは第二の実施例と同様である。第三の実施
例では、受動導波路部8の入射側のメサ幅が広くなって
いるので、水平方向の結合効率が第二の実施例と比較し
てさらに高まり、高い量子効率が得られる。なお、第三
の実施例では、第二の実施例において受動導波路部8の
入射側のメサ幅を広くした例を示したが、第一の実施例
において受動導波路部8の入射側のメサ幅を広くした場
合にも水平方向の結合効率が高まり、高い量子効率が得
られるという効果は同様である。
実施例を示す平面図であって、第三の実施例における図
3に対応する図である。第四の実施例では、受動導波路
部8のメサ幅が、第三の実施例と同様に、入射側が広く
なっている。第四の実施例の第三の実施例と相違する点
は、光電変換部7のメサ幅が、光入射側から光電流密度
が最大となる手前まで一定であり、その後導波方向に向
かって直線的に減少している点である。それ以外の、素
子の基本的な構成は第三の実施例と同様である。この第
四の実施例によれば、第三の実施例の効果を全て得るこ
とができる外、光電変換部7の面積が第三の実施例の場
合よりも狭くすることができ、応答速度のより速い受光
素子を実現することができる。なお、第四の実施例で
は、第三の実施例において光電変換部7のメサ幅を入射
側から一定幅とした後に漸減する例を示したが、第二の
実施例において光電変換部の形状を第四の実施例のよう
にしても、より応答速度の速い受光素子を実現できると
いう第四の実施例と同様の効果が得られる。
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発
明の要旨を逸脱することのない範囲内において適宜の変
更が可能なものである。例えば、各実施例では、光電変
換部の構造がそれぞれいわゆるpinフォトダイオード構
造である場合を説明したが、これらに限らず、アバラン
シェフォトダイオード構造や、ショットキーフォトダイ
オード構造など他のフォトダイオード構造であってもよ
い。また、ガイド層の材料をInAlGaAsに代えてInGaAsP
を用いることができる等実施例での材料、組成等は適宜
変更できるものである。また、導波路型受光素子では、
ガイド層を光吸収層上に設けるようにしてもよく更に光
吸収層の上下にガイド層を設けるようにしてもよい。
体受光素子は、光電変換部の導波路メサ幅が、光電流密
度の高い部分ほど広く、低い部分ほど狭く設計されてい
るで、光電流密度の粗密を緩和して高光入力時の局所的
温度上昇を抑制することができると共に、光電流密度の
低い部分の面積を縮小できることにより素子容量を低減
することができる。従って、本発明によれば、高光入力
に対する耐性を高めることが出来ると共に、応答速度の
高速化を実現することが出来る。
のグラフ。
Claims (8)
- 【請求項1】 半導体基板上に、バンドギャップ波長が
入射光波長よりも短く、かつ、前記半導体基板よりも屈
折率が大きいガイド層が形成され、バンドギャップ波長
が入射光波長と等しいかこれより長い半導体からなる光
吸収層が前記ガイド層の光入射端面に近い部分を除いて
前記ガイド層に沿って形成され、前記ガイド層に前記半
導体基板と平行な方向から信号光が入射される半導体受
光素子において、前記光吸収層が形成された領域である
光電変換部のメサ幅が、光入射側の端部寄りで最大、そ
の反対側の端部寄りで最小となるように光の導波方向に
沿って変化していることを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項2】 前記光電変換部よりも前方に位置する前
記ガイド層が導波路メサ状に形成されており、その領域
でのメサ幅が光を入射する側から光の導波方向に沿って
減少していることを特徴とする請求項1記載の半導体受
光素子。 - 【請求項3】 半導体基板上に、バンドギャップ波長が
入射光波長と等しいかこれより長い半導体からなる光吸
収層が形成され、この光吸収層に前記半導体基板と平行
な方向から信号光が入射される半導体受光素子におい
て、前記光吸収層が形成された領域である光電変換部の
メサ幅が、光入射側の端部寄りで最大、その反対側の端
部寄りで最小となるように光の導波方向に沿って変化し
ていることを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項4】 前記光電変換部には、バンドギャップ波
長が入射光波長よりも短く、かつ、前記半導体基板より
も屈折率が大きいガイド層が前記光吸収層に沿って形成
されていることを特徴とする請求項3記載の半導体受光
素子。 - 【請求項5】 前記光吸収層がInGaAs、前記ガイド層が
InAlGaAsまたはInGaAsPにより形成されていることを特
徴とする請求項1、2または4記載の半導体受光素子。 - 【請求項6】 前記ガイド層が前記光吸収層の下層に形
成されていることを特徴とする請求項1、2または4記
載の半導体受光素子。 - 【請求項7】 前記光電変換部のメサ幅が、素子動作時
の光電流密度が高い部分ほど広く、低い部分ほど狭く設
計されていることを特徴とする請求項1〜6の何れかに
記載の半導体受光素子。 - 【請求項8】 前記光電変換部のメサ幅が、光入射側か
ら光導波方向に向かって、次の内の何れかの形態をとる
ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の半導体
受光素子。 直線的に増大した後、一定幅を維持し、その後直線的
に減少する。 直線的に減少する。 一定幅を維持した後、直線的に減少する。
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