JP7485262B2 - 光導波路型受光素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路型受光素子に関するものである。

特許文献１には、光導波路構造と導波路型フォトダイオード構造とが共通の基板上に集積された光導波路型受光素子に関する技術が記載されている。

特開２０１３－１１０２０７号公報

近年、光導波路構造と導波路型フォトダイオード構造とが共通の基板上に集積された光導波路型受光素子が研究・開発されている。このような光導波路型受光素子は、例えば４０Ｇｂ／ｓ以上といった高速な伝送速度を有する、多値変調方式とデジタルコヒーレント受信方式とを組み合わせた光伝送システムの受信フロントエンドとして用いられる。光導波路型受光素子は、光吸収層を含むフォトダイオードのための半導体積層部と、光導波コア層を含む光導波路のための半導体積層部とのバットジョイント構造を半導体基板上に形成することにより作製される。

将来、光通信システムには、例えば４００Ｇｂ／ｓといった伝送速度を実現する更に高速な光通信技術が求められ、変調速度の更なる高速化（例えば６４ＧＢａｕｄ）や変調フォーマットの多値化（例えば６４ＱＡＭ）が必要とされている。従って、受信装置に用いられる光導波路型受光素子の導波路型フォトダイオード構造には、より高い周波数応答特性が求められる。

導波路型フォトダイオード構造の周波数応答特性は、フォトダイオードのＣＲ時定数（Ｃ：容量、Ｒ：抵抗）とキャリア（ホール、電子）の走行時間とによって主に決定される。周波数応答特性を高めるためには、キャリアの走行時間は短いほど良く、ＣＲ時定数は小さいほど良い。しかしながら、キャリアの走行時間を短くするためにフォトダイオードの光吸収層を薄くすると、静電容量が大きくなりＣＲ時定数が大きくなってしまうというトレードオフが存在する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、導波路型フォトダイオードの周波数応答特性をより高めることができる光導波路型受光素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、一実施形態に係る光導波路型受光素子は、ｎ型の導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層の第１領域上に設けられた光導波路構造と、第１半導体層の第１領域と隣接する第２領域上に設けられた導波路型フォトダイオード構造と、を備え、光導波路構造は、第１半導体層上に設けられた光導波コア層と、光導波コア層上に設けられたクラッド層と、を有し、導波路型フォトダイオード構造は、第１半導体層上において光導波コア層の側面と隣接して設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度のｎ型もしくはｉ型の導電型を有する第２半導体層と、第２半導体層上に光導波コア層の側面と隣接して設けられ、光導波コア層と光結合され、光導波コア層の厚みよりも薄い光吸収層と、光吸収層上に設けられ、光吸収層に接し、ｐ型の導電型を有する第３半導体層と、を有し、第１半導体層の上面を基準とする光導波コア層の厚み方向における中心高さと、第１半導体層の上面を基準とし、第２半導体層を介した光吸収層の厚み方向における中心高さとが互いに等しく、第２半導体層の屈折率は、第３半導体層の屈折率に比べて大きい。

本発明による光導波路型受光素子によれば、導波路型フォトダイオードの周波数応答特性をより高めることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光導波路型受光素子を備える受光デバイスの構成を示す平面図である。 図２は図１に示されたII－II線に沿った断面を示している。 図３は図２の一部を拡大して示している。 図４は、図１に示されたIV－IV線に沿った断面を部分的に示している。 図５は、変形例に係る受光素子部と光導波路部との接合部分の断面図である。 図６は、比較例における受光素子部と光導波路部との接合部分の断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る光導波路型受光素子は、ｎ型の導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層の第１領域上に設けられた光導波路構造と、第１半導体層の第１領域と隣接する第２領域上に設けられた導波路型フォトダイオード構造と、を備え、光導波路構造は、第１半導体層上に設けられた光導波コア層と、光導波コア層上に設けられたクラッド層と、を有し、導波路型フォトダイオード構造は、第１半導体層上において光導波コア層の側面と隣接して設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度のｎ型もしくはｉ型の導電型を有する第２半導体層と、第２半導体層上に光導波コア層の側面と隣接して設けられ、光導波コア層と光結合され、光導波コア層の厚みよりも薄い光吸収層と、光吸収層上に設けられ、光吸収層に接し、ｐ型の導電型を有する第３半導体層と、を有すし、第１半導体層の上面を基準とする光導波コア層の厚み方向における中心高さと、第１半導体層の上面を基準とし、第２半導体層を介した光吸収層の厚み方向における中心高さとが互いに等しく、第２半導体層の屈折率は、第３半導体層の屈折率に比べて大きい。

この光導波路型受光素子では、第１半導体層と光吸収層との間に、低い不純物濃度のｎ型もしくはｉ型の第２半導体層が設けられている。この場合、逆バイアス印加時の空乏化領域が光吸収層から第２半導体層まで広がるので、光吸収層を薄くして少数キャリア（ホール）の走行時間を短くした場合であっても、静電容量の増大を抑制してＣＲ時定数を小さく抑えることができる。このように上記の光導波路型受光素子によれば、導波路型フォトダイオードのＣＲ時定数とキャリア走行時間とのトレードオフを解決して、周波数応答特性をより高めることができる。

更に、上記の光導波路型受光素子では、第２半導体層が、第１半導体層上において光導波コア層と並んで設けられている。第１半導体層上に光吸収層と光導波コア層とが単に並んでいる場合、周波数応答特性を高めるために光吸収層を光導波コア層よりも薄くすると、第１半導体層上に厚さの異なる光導波コア層と光吸収層とが並ぶこととなる。従って、第１半導体層の上面を基準とする光吸収層の中心高さと光導波コア層の中心高さとが異なってしまい、光吸収層と光導波コア層との光結合効率が低下してしまう。これに対し、上記の光導波路型受光素子によれば、第１半導体層と光吸収層との間に第２半導体層が設けられているので、光吸収層を薄くした場合であっても光吸収層の中心高さを光導波コア層の中心高さに近づけることができる。故に、光吸収層と光導波コア層との光結合効率が低下を抑制することができる。

上記の光導波路型受光素子において、第１半導体層の上面を基準とする光導波コア層の中心高さと光吸収層の中心高さとが互いに等しい。これにより、光吸収層と光導波コア層との光結合効率の低下をより効果的に抑制することができる。

上記の光導波路型受光素子において、第２半導体層の不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以下であってもよい。第２半導体層が例えばこのような不純物濃度を有することによって、逆バイアス印加時の空乏化領域を第２半導体層にまでより効果的に広げることができる。

上記の光導波路型受光素子において、第２半導体層のバンドギャップは、光吸収層のバンドギャップよりも大きく、第１半導体層のバンドギャップと等しいか若しくは小さくてもよい。第２半導体層が例えばこのようなバンドギャップを有することによって、逆バイアス印加時の空乏化領域を第２半導体層にまでより効果的に広げることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光導波路型受光素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明においてアンドープとは、例えば不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以下といった極めて低い濃度であることをいう。

本発明の一実施形態は、主にコヒーレント光通信システムに使用される９０°ハイブリッド機能がモノリシック集積された光導波路型受光素子に関するものであり、特にその素子の高周波応答特性の広帯域化と受光感度特性の高感度化に関するものである。図１は、本発明の一実施形態に係る光導波路型受光素子を備える受光デバイスの構成を示す平面図である。図２は図１に示されたII－II線に沿った断面を示しており、図３は図２の一部を拡大して示している。図４は、図１に示されたIV－IV線に沿った断面を部分的に示している。

図１に示されるように、本実施形態の受光デバイス１Ａは、光導波路型受光素子２と、信号増幅部３Ａ，３Ｂとを備えている。光導波路型受光素子２は、略矩形状といった平面形状を有しており、例えばＩｎＰといった化合物半導体から成る基板上に光導波路が形成されて成る。光導波路型受光素子２は、２つの入力ポート４ａ，４ｂと、光分岐部（光カプラ）５とを有している。また、光導波路型受光素子２は、該基板上に形成された受光素子部６ａ～６ｄと、容量素子部７ａ～７ｄとを更に有している。すなわち、光導波路型受光素子２は、光導波路と受光素子部６ａ～６ｄとが共通基板上にモノリシックに集積された構造を備えている。

光導波路型受光素子２は、所定の方向Ａに沿って延びる一対の端縁２ａ，２ｂを有している。２つの入力ポート４ａ，４ｂは、光導波路型受光素子２の端縁２ａ，２ｂのうち、一方の端縁２ａに設けられている。２つの入力ポート４ａ，４ｂのうち一方の入力ポート４ａには、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying：４位相偏移変調）方式によって変調された４つの信号成分を含む光信号Ｌａが受光デバイス１Ａの外部より入力される。また、他方の入力ポート４ｂには、局部発振光Ｌｂが入力される。入力ポート４ａ，４ｂそれぞれは、光導波路部８ａ，８ｂそれぞれを介して光分岐部５と光学的に結合されている。なお、光導波路部８ａ，８ｂは、屈折率が比較的大きい材料（例えばＩｎＧａＡｓＰ）から成るコア層と、屈折率が該コア層よりも小さい材料（例えばＩｎＰ）から成り該コア層を覆うクラッド層とによって好適に構成される。

光分岐部５は、９０°光ハイブリッドを構成する。すなわち、光分岐部５は、ＭＭＩ（Multi-Mode Interference：多モード光干渉）カプラによって構成されており、光信号Ｌａと局部発振光Ｌｂとを相互に干渉させることによって、光信号Ｌａを、ＱＰＳＫ方式によって変調された４つの信号成分Ｌｃ１～Ｌｃ４それぞれに分岐する。なお、これら４つの信号成分Ｌｃ１～Ｌｃ４のうち、信号成分Ｌｃ１及びＬｃ２は偏波状態が互いに等しく、同相（In-phase）関係を有する。また、信号成分Ｌｃ３及びＬｃ４の偏波状態は、互いに等しく且つ信号成分Ｌｃ１及びＬｃ２の偏波状態とは異なっている。信号成分Ｌｃ３及びＬｃ４は、直角位相（Quadrature）関係を有する。

受光素子部６ａ～６ｄは、ＰＩＮフォトダイオードとしての構成を有しており、光導波路型受光素子２の端縁２ｂに沿って、この順で並んで配置されている。受光素子部６ａ～６ｄそれぞれは、光導波路部８ｃ～８ｆそれぞれを介して光分岐部５の４つの出力端と光学的に結合されている。受光素子部６ａ～６ｄのカソードには、一定のバイアス電圧が供給される。受光素子部６ａ～６ｄそれぞれは、４つの信号成分Ｌｃ１～Ｌｃ４それぞれを光分岐部５から受け、これら信号成分Ｌｃ１～Ｌｃ４それぞれの光強度に応じた電気信号（光電流）を生成する。光導波路型受光素子２上には、受光素子部６ａ～６ｄのアノードに電気的に接続された信号出力用電極パッド２１ａ～２１ｄが設けられている。信号出力用電極パッド２１ａ～２１ｄは、光導波路型受光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａに沿って並んで設けられている。信号出力用電極パッド２１ａ～２１ｄそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ａ～２０ｄそれぞれを介して、信号増幅部３Ａ，３Ｂの信号入力用電極パッド６１ａ～６１ｄそれぞれと電気的に接続されている。

容量素子部７ａ～７ｄは、下部金属層、上部金属層、および下部金属層と上部金属層との間に挟まれた絶縁膜４５によって構成される、いわゆるＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタである。下部金属層および上部金属層は、例えばＴｉＷ／Ａｕ若しくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった積層構造を有する。容量素子部７ａ～７ｄそれぞれは、光導波路型受光素子２上において受光素子部６ａ～６ｄそれぞれに対し端縁２ｂに沿って並んで（隣り合って）配置されており、受光素子部６ａ～６ｄそれぞれのカソードにバイアス電圧を供給するバイアス配線４２と、基準電位配線（ＧＮＤ線）との間に電気的に接続される。バイアス配線４２は、容量素子部７ａ～７ｄの下部金属層として用いられる。また、容量素子部７ａ～７ｄの上部金属層４３は、光導波路型受光素子２の端縁２ｂに沿って配置された基準電位側電極パッド２３ａ～２３ｄへ引き出されるか、若しくは基準電位側電極パッド２３ａ～２３ｄになる。基準電位側電極パッド２３ａ～２３ｄは、基板１０を貫通するビア（不図示）を介して、基板１０の裏面に設けられた裏面金属膜５０と電気的に接続される。容量素子部７ａ～７ｄの下部金属層４２は、基板１０の内側に向けて延びている。これらの容量素子部７ａ～７ｄによって、受光素子部６ａ～６ｄのカソードと、図示しないバイパスコンデンサとの間のインダクタンス成分を設計的に揃えることができる。

容量素子部７ａ～７ｄそれぞれは、下部金属層４２に接続されたバイアス電圧側電極パッド２２ａ～２２ｄそれぞれを有している。基準電位側電極パッド２３ａ～２３ｄは、方向Ａと交差する（例えば直交する）方向Ｂにおいて、バイアス電圧側電極パッド２２ａ～２２ｄと光導波路型受光素子２の端縁２ｂとの間に配置されている。

バイアス電圧側電極パッド２２ａ～２２ｄそれぞれには、ボンディングワイヤ２０ｉ～２０ｍそれぞれの一端が接続されている。ボンディングワイヤ２０ｉ～２０ｍそれぞれの他端は、図示しないバイアス電圧源と電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２０ｉ～２０ｍは、受光素子部６ａ～６ｄそれぞれにバイアス電圧を供給する配線の一部を構成する。

基準電位側電極パッド２３ａ～２３ｄそれぞれには、ボンディングワイヤ２０ｅ～２０ｈそれぞれの一端が接続されている。ボンディングワイヤ２０ｅ～２０ｈは、ボンディングワイヤ２０ａ～２０ｄに沿って設けられており、ボンディングワイヤ２０ｅ～２０ｈそれぞれの他端は、信号増幅部３Ａ，３Ｂの基準電位用電極パッド６２ａ、６２ｃ、６２ｄ及び６２ｆそれぞれに接続されている。

本実施形態では、基板１０上において容量素子部７ａ～７ｄと受光素子部６ａ～６ｄとがモノリシックに集積されており、容量素子部７ａ～７ｄが受光素子部６ａ～６ｄの近くに配置されている。加えて、容量素子部７ａ～７ｄの一方の電極（上部金属層４３）は、基板１０を貫通するビアを介して裏面金属膜５０に接地され、この裏面金属膜５０を介して信号増幅部３Ａ及び３Ｂの基準電位に接続される。従って、受光素子部６ａ～６ｄの基準電位の質を高めることができる。

信号増幅部３Ａ及び３Ｂは、受光素子部６ａ～６ｄから出力された電気信号（光電流）を増幅する増幅器（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）である。信号増幅部３Ａ及び３Ｂは、光導波路型受光素子２の後方に配置される。信号増幅部３Ａは、２つの信号入力用電極パッド６１ａ及び６１ｂを有しており、信号入力用電極パッド６１ａ及び６１ｂに入力された電気信号の差動増幅を行って一つの電圧信号を生成する。また、信号増幅部３Ｂは、２つの信号入力用電極パッド６１ｃ及び６１ｄを有しており、信号入力用電極パッド６１ｃ及び６１ｄに入力された電気信号の差動増幅を行って一つの電圧信号を生成する。信号入力用電極パッド６１ａ～６１ｄは、光導波路型受光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａにこの順で並んで配置されている。前述したように、信号入力用電極パッド６１ａ～６１ｄそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ａ～２０ｄそれぞれを介して信号出力用電極パッド２１ａ～２１ｄそれぞれと電気的に接続されている。

また、信号増幅部３Ａは、３つの基準電位用電極パッド６２ａ，６２ｂ，及び６２ｃを更に有している。基準電位用電極パッド６２ａ～６２ｃは、光導波路型受光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａに沿ってこの順で並んで配置されている。信号入力用電極パッド６１ａは基準電位用電極パッド６２ａ及び６２ｂの間に配置されており、信号入力用電極パッド６１ｂは基準電位用電極パッド６２ｂ及び６２ｃの間に配置されている。同様に、信号増幅部３Ｂは、３つの基準電位用電極パッド６２ｄ，６２ｅ，及び６２ｆを更に有している。基準電位用電極パッド６２ｄ～６２ｆは、光導波路型受光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａに沿ってこの順で並んで配置されている。上述した信号入力用電極パッド６１ｃは基準電位用電極パッド６２ｄ及び６２ｅの間に配置されており、信号入力用電極パッド６１ｄは基準電位用電極パッド６２ｅ及び６２ｆの間に配置されている。前述したように、信号増幅部３Ａ，３Ｂの基準電位用電極パッド６２ａ、６２ｃ、６２ｄ及び６２ｆそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ｅ～２０ｈそれぞれを介して基準電位側電極パッド２３ａ～２３ｄそれぞれと電気的に接続されている。

図２には４つの受光素子部６ａ～６ｄのうち２つの受光素子部６ｃ，６ｄの断面構造が示されており、図３には受光素子部６ｄの断面構造が示されているが、他の受光素子部６ａ，６ｂの断面構造もこれらと同様である。また、図４には、受光素子部６ｄと光導波路部８ｆとの接合部分の断面構造が示されているが、他の接合部分（受光素子部６ａと光導波路部８ｃとの接合部分、受光素子部６ｂと光導波路部８ｄとの接合部分、及び受光素子部６ｃと光導波路部８ｅとの接合部分）の断面構造もこれと同様である。図４に示されるように、受光素子部６ａ～６ｄ及び光導波路部８ｃ～８ｆは、共通の基板１０上に集積されている。基板１０は、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板である。

受光素子部６ａ～６ｄの断面構造について、受光素子部６ｄを例に説明する。図３に示されるように、受光素子部６ｄは、基板１０上に設けられた高濃度のｎ型の導電型を有するバッファ層１１と、ｎ型バッファ層１１の領域Ｄ（第２領域、図４参照）上に設けられた導波路型フォトダイオード構造１９とを有している。導波路型フォトダイオード構造１９は、ｎ型バッファ層１１上に設けられた低濃度半導体層１２、低濃度半導体層１２上に設けられた光吸収層１３、光吸収層１３上に設けられたｐ型の導電型を有するクラッド層１４、及びｐ型クラッド層１４上に設けられたｐ型コンタクト層１５を有している。ｎ型バッファ層１１は本実施形態における第１半導体層であり、低濃度半導体層１２は本実施形態における第２半導体層であり、ｐ型クラッド層１４は本実施形態における第３半導体層である。

ｎ型バッファ層１１は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。ｎ型バッファ層１１のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０^１７ｃｍ^－３以上である。ｎ型バッファ層１１の厚さは、例えば１μｍ～２μｍである。

低濃度半導体層１２は、ｎ型バッファ層１１と光吸収層１３との間に設けられた低濃度のｎ型またはｉ型の半導体層である。低濃度半導体層１２の不純物濃度はｎ型バッファ層１１よりも低いか、或いはアンドープである。一例では、低濃度半導体層１２のＳｉドーピング濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。また、低濃度半導体層１２のバンドギャップは、光吸収層１３のバンドギャップよりも大きく、ｎ型バッファ層１１のバンドギャップよりも小さい。低濃度半導体層１２は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓＰ層である。この場合、バンドギャップ波長は１．４μｍである。低濃度半導体層１２の厚さは、例えば０．１μｍ～０．２μｍである。。一例では、低濃度半導体層１２の下面１２ｂはｎ型バッファ層１１の上面１１ａと接している。

光吸収層１３は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓ層、若しくはＳｉドーピング濃度が３×１０^１６ｃｍ^－３以下である低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ層である。光吸収層１３の厚さは、例えば０．１μｍ～０．４μｍであり、一実施例では０．２５μｍである。図４には、ｎ型バッファ層１１の上面１１ａを基準とする光吸収層１３の中心高さＨ１が示されている。中心高さＨ１とは、光吸収層１３の厚さ方向における、上面１３ａ及び下面１３ｂから等距離の架空平面と上面１１ａとの距離である。一例では、光吸収層１３の下面１３ｂは低濃度半導体層１２の上面１２ａと接している。

ｐ型クラッド層１４は、例えばＺｎドープＩｎＰ層である。ｐ型クラッド層１４のＺｎドーピング濃度は、例えば２×１０^１７ｃｍ^－３以上である。ｐ型クラッド層１４の厚さは、例えば１μｍ～２．５μｍである。ｐ型コンタクト層１５は、例えばＺｎドープＩｎＧａＡｓ層である。ｐ型コンタクト層１５のＺｎドーピング濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^－３以上である。ｐ型コンタクト層１５の厚さは、例えば０．１μｍ～０．３μｍである。

なお、低濃度半導体層１２は、ヘテロエネルギー障壁（ΔＥｃ：Conduction band（伝導帯））の緩和層としても機能する。或いは、低濃度半導体層１２は、ｎ型バッファ層１１と光吸収層１３とのヘテロエネルギー障壁（ΔＥｃ）を緩和させる組成グレーデッド（傾斜）層であってもよい。その場合、低濃度半導体層１２は、例えば２層のアンドープまたはＳｉドープＩｎＧａＡｓＰからなり、２層それぞれのバンドギャップ波長は例えば１．３μｍ及び１．１μｍである。Ｓｉ濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。

また、光吸収層１３とｐ型クラッド層１４との間には、高速応答を実現するため少数キャリア（ホール）の走行遅延低減を目的としてＩｎＧａＡｓＰ層が設けられてもよい。また、光吸収層１３とｐ型クラッド層１４との間に、両層間のヘテロエネルギー障壁（ΔＥｖ：Valence band（価電子帯））を緩和させる組成グレーデッド（傾斜）層が設けられてもよい。この組成グレーデッド層は、例えば２層のアンドープまたはＺｎドープＩｎＧａＡｓＰからなり、２層それぞれのバンドギャップ波長は例えば１．３μｍ及び１．１μｍである。Ｚｎ濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３以下である。

また、ｐ型クラッド層１４とｐ型コンタクト層１５との間には、ｐ型のヘテロ障壁緩和層が設けられてもよい。このヘテロ障壁緩和層のＺｎドーピング濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^－３以上である。このヘテロ障壁緩和層は、例えば２層のＺｎドープＩｎＧａＡｓＰからなり、２層それぞれのバンドギャップ波長は例えば１．１μｍ及び１．３μｍである。

低濃度半導体層１２、光吸収層１３、ｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５は、所定の光導波方向（本実施形態では図１の方向Ｂ）に延びるメサ構造を構成しており、このメサ構造は、一対の側面を有している。このメサ構造の一対の側面は、例えばＦｅドープＩｎＰといった半絶縁性材料からなる埋込領域１８によって埋め込まれている。光導波方向と直交する方向におけるメサ構造の幅は、例えば１．５～３μｍである。メサ構造の高さは、例えば２～３．５μｍである。

受光素子部６ｄは、２層の絶縁膜１６，１７を更に有している。絶縁膜１６，１７は、メサ構造の上面から埋込領域１８上にかけて設けられて、これらを覆って保護している。絶縁膜１６，１７は、例えば絶縁性シリコン化合物（ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはＳｉＯ_２）膜である。また、絶縁膜１６，１７は、メサ構造の上面に開口を有しており、該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｐ型コンタクト層１５の上には、ｐ型オーミック電極３１が設けられている。ｐ型オーミック電極３１は、例えばＡｕＺｎ若しくはＰｔとｐ型コンタクト層１５との合金からなる。そして、ｐ型オーミック電極３１上には、配線３２が設けられている。配線３２は、光導波方向（第２の方向Ｂ）に延びており、ｐ型オーミック電極３１と信号出力用電極パッド２１ｄとを電気的に接続する。配線３２は例えばＴｉＷ／Ａｕ若しくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった積層構造を有しており、信号出力用電極パッド２１ｄは例えばＡｕメッキによって形成される。

絶縁膜１６，１７は、受光素子部６ｄのメサ構造から離れたｎ型バッファ層１１の上にも、別の開口を有している。該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｎ型バッファ層１１の上には、カソードとしてのｎ型オーミック電極４１が設けられている。ｎ型オーミック電極４１は、例えばＡｕＧｅ若しくはＡｕＧｅＮｉとｎ型バッファ層１１との合金からなる。そして、ｎ型オーミック電極４１上にはバイアス配線４２が設けられている。図２に示されるように、バイアス配線４２は、容量素子部７ｄの下部金属層まで延びており、下部金属層とｎ型オーミック電極４１とを電気的に接続している。

続いて、光導波路部８ｃ～８ｆの断面構造について説明する。図４には、光導波路部８ｆの光導波方向に垂直な断面の構造が含まれている。他の光導波路部８ｃ～８ｅは、光導波路部８ｆと同様の断面構造を有している。光導波路部８ｆは、基板１０上に設けられたｎ型バッファ層１１と、ｎ型バッファ層１１の領域Ｄと隣接する領域Ｅ（第１領域）上に設けられた光導波路構造８０とを含んで構成されている。光導波路構造８０は、ｎ型バッファ層１１上に設けられた光導波コア層８１と、光導波コア層８１上に設けられたクラッド層８２と、を含んで構成されている。

ｎ型バッファ層１１は、受光素子部６ｄと共通の半導体層であり、光導波路部８ｆにおいては第１の下部クラッド層として機能する。ｎ型バッファ層１１は、受光素子部６ｄにおける基板１０上から、光導波路部８ｆにおける基板１０上にわたって設けられている。

光導波路部８ｆと受光素子部６ｄとはバットジョイント構造を有しており、光導波コア層８１と光吸収層１３とは互いに接している。これにより、光導波コア層８１と光吸収層１３とは互いに光学的に結合されている。また、光導波コア層８１と低濃度半導体層１２とは、ｎ型バッファ層１１上において、所定の光導波方向（図１の方向Ｂ）に互いに並んでいる。一例では、低濃度半導体層１２の端面と光導波コア層８１の端面とが、バットジョイント界面において互いに接している。光導波コア層８１の下面８１ｂと低濃度半導体層１２の下面１２ｂとは、共通の半導体層（本実施形態ではｎ型バッファ層１１）に接している。

図４には、ｎ型バッファ層１１の上面１１ａを基準とする光導波コア層８１の中心高さＨ２が示されている。中心高さＨ２とは、光導波コア層８１の厚さ方向における、上面８１ａ及び下面８１ｂから等距離の架空平面と上面１１ａとの距離である。一例では、中心高さＨ１と中心高さＨ２とは互いに等しい。すなわち、光導波コア層８１の厚さ方向の中心と、光吸収層１３の厚さ方向の中心とが互いに揃っている。

光導波コア層８１は、屈折率がｎ型バッファ層１１よりも大きく且つバッファ層１１と格子整合できる材料（例えばＩｎＧａＡｓＰ）からなる。一例では、光導波コア層８１のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は１．０５μｍである。光導波コア層８１の厚さは、例えば０．３μｍ～０．５μｍであり、一実施例では０．５μｍである。クラッド層８２は、屈折率が光導波コア層８１よりも小さく且つ光導波コア層８１と格子整合できる材料（例えばアンドープＩｎＰ）からなる。クラッド層８２の厚さは例えば１μｍ～３μｍであり、ｎ型バッファ層１１の上面１１ａを基準とするクラッド層８２の上面の高さとｐ型コンタクト層１５の上面の高さとは互いに揃っている。ｎ型バッファ層１１の一部、光導波コア層８１、及びクラッド層８２は、所定の光導波方向に延びるメサ構造を構成している。バッファ層１１及びクラッド層８２と光導波コア層８１との屈折率差、並びにこのメサ構造によって、光導波コア層８１内に光信号が閉じ込められ、光信号を受光素子部６ｄへ伝搬することができる。なお、このメサ構造の側面及び上面は、２層の絶縁膜１６，１７（図３を参照）に覆われることによって保護されている。

以上の構成を備える本実施形態の光導波路型受光素子２によって得られる効果について説明する。図６は、比較例に係る光導波路型受光素子１００の受光素子部１０６と光導波路部１０８との接合部分の断面を示す図である。この光導波路型受光素子１００では、共通の基板１０上にｎ型バッファ層１１が設けられている。ｎ型バッファ層１１の領域Ｄ上には、受光素子部１０６のための光吸収層１３、ｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５がこの順で積層されている。ｎ型バッファ層１１の領域Ｅ上には、光導波路部１０８のための光導波コア層８１及びクラッド層８２がこの順で積層されている。それぞれ異なる層の上で光吸収層１３及び光導波コア層８１が成長された場合には、異常成長により接合部分の光結合効率が低下してしまう。このため、共通のｎ型バッファ層１１上に光吸収層１３及び光導波コア層８１が設けられることで、バットジョイント構造を異常成長なく再成長することができる。これにより、接合部分の光結合効率の低下を抑制することができる。

ここで、受光素子部１０６の周波数応答特性を高める際には、受光素子部１０６のＣＲ時定数とキャリア走行時間とのトレードオフが問題となる。すなわち、受光素子部１０６の光吸収層１３が厚いほど静電容量が小さくなりＣＲ時定数を小さくできるが、光吸収層１３において発生した少数キャリア（ホール）の走行時間が長くなってしまう。また、受光素子部１０６の光吸収層１３が薄いほど少数キャリア（ホール）の走行時間を短くできるが、静電容量が大きくなりＣＲ時定数が大きくなってしまう。従って、このようなトレードオフを解決して周波数応答特性をより高めることが望まれる。

このような課題に対し、本実施形態の光導波路型受光素子２では、ｎ型バッファ層１１と光吸収層１３との間に、低い不純物濃度のｎ型もしくはｉ型の低濃度半導体層１２が設けられている。この場合、逆バイアス印加時の空乏化領域が光吸収層１３から低濃度半導体層１２まで広がるので、光吸収層１３を薄くして少数キャリア（ホール）の走行時間を短くした場合であっても、空乏化領域の薄層化を抑制することができる。従って、静電容量の増大を抑制（或いは、低減若しくは維持）してＣＲ時定数を小さく抑えることができる。このように本実施形態の光導波路型受光素子２によれば、受光素子部６ａ～６ｄのＣＲ時定数とキャリア走行時間とのトレードオフを解決して、周波数応答特性をより高めることができる。

また、本実施形態では、低濃度半導体層１２が、ｎ型バッファ層１１上において光導波コア層８１と並んで設けられている。図５に示されるように、ｎ型バッファ層１１上に光吸収層１３と光導波コア層８１とが単に並んでいる場合、周波数応答特性を高めるために光吸収層１３を光導波コア層８１よりも薄くすると、ｎ型バッファ層１１上に厚さの異なる光導波コア層８１と光吸収層１３とが並ぶこととなる。従って、ｎ型バッファ層１１の上面１１ａを基準とする光吸収層１３の中心高さＨ１と光導波コア層８１の中心高さＨ２とが互いに異なってしまい、光吸収層１３と光導波コア層８１との光結合効率が低下し、受光感度が劣化してしまう。これに対し、本実施形態によれば、ｎ型バッファ層１１と光吸収層１３との間に低濃度半導体層１２が設けられているので、光吸収層１３を薄くした場合であっても光吸収層１３の中心高さＨ１を光導波コア層８１の中心高さＨ２に近づけることができる。故に、光吸収層１３と光導波コア層８１との光結合効率の低下を抑制して、受光感度の劣化を抑制（或いは受光感度を向上）することができる。

本実施形態のように、ｎ型バッファ層１１の上面１１ａを基準とする光吸収層１３の中心高さＨ１と光導波コア層８１の中心高さＨ２とは互いに等しくてもよい。これにより、光吸収層１３と光導波コア層８１との光結合効率の低下をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態のように、光吸収層１３を挟んだ上下の層構造が非対称であってもよい。光吸収層１３の上側に位置するｐ型クラッド層１４を構成するｐ型ＩｎＰにおいては、材料物性上、光吸収層１３の下側に位置するｎ型バッファ層１１，低濃度半導体層１２をそれぞれ構成するｎ型ＩｎＰ及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰと比較して、自由キャリア吸収による損失が大きい。本実施形態のように、低濃度半導体層１２によってｎ型バッファ層１１と光吸収層１３とのヘテロ界面での屈折率差を緩和して、ｐ型クラッド層１４と光吸収層１３とのヘテロ界面での屈折率差を比較的大きくすることにより、光吸収層１３中における光の吸収導波の際にｐ型クラッド層１４への光の滲み出しを低減することができる。これにより、光損失を低減し、受光感度の向上に寄与できる。

また、本実施形態のように、低濃度半導体層１２の不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以下であってもよい。低濃度半導体層１２が例えばこのような不純物濃度を有することによって、逆バイアス印加時の空乏化領域を低濃度半導体層１２にまでより効果的に広げることができる。

また、本実施形態のように、低濃度半導体層１２のバンドギャップは、光吸収層１３のバンドギャップよりも大きく、ｎ型バッファ層１１のバンドギャップよりも小さくてもよい。低濃度半導体層１２が例えばこのようなバンドギャップを有することによって、逆バイアス印加時の空乏化領域を低濃度半導体層１２にまでより効果的に広げることができる。

また、本実施形態のように、受光素子部６ａ～６ｄと光導波路部８ａ～８ｆとに共通の半導体層であるｎ型バッファ層１１と、低濃度半導体層１２とは互いに異なる組成を有してもよい。これにより、受光素子部６ａ～６ｄの再成長の際にｎ型バッファ層１１と低濃度半導体層１２とのエッチング選択性を高め、ｎ型バッファ層１１をエッチング停止層として有効に機能させることができる。従って、受光素子部６ａ～６ｄにおけるｎ型バッファ層１１の上面１１ａの高さを精度良く形成し、光導波路部８ａ～８ｆにおけるｎ型バッファ層１１の上面１１ａの高さと揃えることができる。故に、光吸収層１３の中心高さＨ１と光導波コア層８１の中心高さＨ２とをより精度良く一致させることができる。

（変形例）
図５は、変形例に係る受光素子部６ｄと光導波路部８ｆとの接合部分の断面図である。上記実施形態では低濃度半導体層１２及び光導波コア層８１がｎ型バッファ層１１に接している例を説明したが、低濃度半導体層１２及び光導波コア層８１とｎ型バッファ層１１との間に、別のバッファ層１１Ａが設けられてもよい。バッファ層１１Ａは、ｎ型バッファ層１１上に設けられ、領域Ｄから領域Ｅにわたって形成されている。バッファ層１１Ａは、ｎ型バッファ層１１と同じ導電型を有し、そのＳｉドーピング濃度はｎ型バッファ層１１よりも低いか、或いはアンドープである。バッファ層１１ＡのＳｉドーピング濃度は例えば１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。バッファ層１１Ａのバンドギャップはｎ型バッファ層１１と同じかｎ型バッファ層１１よりも小さい。バッファ層１１Ａは、例えばｎ型若しくはアンドープのＩｎＰ層である。バッファ層１１Ａの厚さは例えば０．１μｍ～０．３μｍである。

本変形例では、逆バイアス印加時の空乏化領域が光吸収層１３から低濃度半導体層１２を超えてバッファ層１１Ａまで広がるので、静電容量の増大をより効果的に抑制することができ、光吸収層１３をより薄くして少数キャリア（ホール）の走行時間を更に短くすることができる。従って、本変形例によれば、周波数応答特性を更に高めることができる。

また、本変形例では、バッファ層１１Ａが、光導波路構造におけるｎ型バッファ層１１と光導波コア層８１との間に延びている。ｎ型バッファ層１１にはｎ型の不純物（例えばＳｉ）が多く含まれるので、自由キャリア吸収係数が大きく、光導波コア層８１を導波する光の損失が大きくなってしまう。これに対し、低い不純物濃度の（すなわち自由キャリア吸収係数が小さい）ｎ型もしくはアンドープのバッファ層１１Ａがｎ型バッファ層１１と光導波コア層８１との間に設けられていれば、バッファ層１１Ａにおける光損失は小さく、また光導波コア層８１からｎ型バッファ層１１が遠ざかるので、光導波コア層８１を導波する光の損失を低減することができる。従って、光導波路部８ｃ～８ｆの伝搬損失が改善される。故に、光導波路型受光素子２の受光感度が更に向上する。

以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変更可能である。例えば、上記実施形態の光導波コア層８１の組成は、ＩｎＧａＡｓＰ系に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系でも良い。また、上記実施形態では、共通の基板１０上に光導波路部８ａ～８ｆ及び受光素子部６ａ～６ｄが集積された構成を例示したが、基板１０上に、他のＩｎＰ系電子デバイス（例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）、キャパシタ及び抵抗を含む光電変換回路が更に集積されてもよい。また、上記実施形態では、基板１０上にバッファ層１１が設けられているが、基板がｎ型の半導体基板である場合には、バッファ層１１は省略されてもよい。その場合、ｎ型の半導体基板が第１半導体層となり、上記の説明におけるバッファ層１１と他の半導体層との関係は、全てｎ型の半導体基板と他の半導体層との関係に読み替えられる。

１Ａ…受光デバイス、２…光導波路型受光素子、２ａ，２ｂ…端縁、３Ａ，３Ｂ…信号増幅部、４ａ，４ｂ…入力ポート、５…光分岐部、６ａ～６ｄ…受光素子部、７ａ～７ｄ…容量素子部、８ａ～８ｆ…光導波路部、１０…基板、１１…ｎ型バッファ層、１１Ａ…バッファ層、１２…低濃度半導体層、１３…光吸収層、１４…ｐ型クラッド層、１５…ｐ型コンタクト層、１６，１７…絶縁膜、１８…埋込領域、１９…導波路型フォトダイオード構造、２０ａ～２０ｍ…ボンディングワイヤ、２１ａ～２１ｄ…信号出力用電極パッド、２２ａ～２２ｄ…バイアス電圧側電極パッド、２３ａ～２３ｄ…基準電位側電極パッド、３１…ｐ型オーミック電極、３２…配線、４１…ｎ型オーミック電極、４２…バイアス配線（下部金属層）、４３…上部金属層、５０…裏面金属膜、６１ａ～６１ｄ…信号入力用電極パッド、６２ａ～６２ｆ…基準電位用電極パッド、８０…光導波路構造、８１…光導波コア層、８２…クラッド層、Ｄ…領域、Ｅ…領域、Ｈ１，Ｈ２…中心高さ、Ｌａ…光信号、Ｌｂ…局部発振光、Ｌｃ１～Ｌｃ４…信号成分。

Claims (3)

1. ｎ型の導電型を有する第１半導体層と、
   前記第１半導体層の第１領域上に設けられた光導波路構造と、
   前記第１半導体層の前記第１領域と隣接する第２領域上に設けられた導波路型フォトダイオード構造と、を備え、
   前記光導波路構造は、
   前記第１半導体層上に設けられた光導波コア層と、
   前記光導波コア層上に設けられたクラッド層と、を有し、
   前記導波路型フォトダイオード構造は、
   前記第１半導体層上において前記光導波コア層の側面と隣接して設けられ、前記第１半導体層よりも低い不純物濃度のｎ型もしくはｉ型の導電型を有する第２半導体層と、
   前記第２半導体層上に前記光導波コア層の側面と隣接して設けられ、前記光導波コア層と光結合され、前記光導波コア層の厚みよりも薄い光吸収層と、
   前記光吸収層上に設けられ、前記光吸収層に接し、ｐ型の導電型を有する第３半導体層と、
   を有し、前記第１半導体層の上面を基準とする前記光導波コア層の厚み方向における中心高さと、前記第１半導体層の上面を基準とし、前記第２半導体層を介した前記光吸収層の厚み方向における中心高さとが互いに等しく、
   前記第２半導体層の屈折率は、前記第３半導体層の屈折率に比べて大きい、光導波路型受光素子。
2. 前記第２半導体層の不純物濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載の光導波路型受光素子。
3. 前記第２半導体層のバンドギャップは、前記光吸収層のバンドギャップよりも大きく、前記第１半導体層のバンドギャップと等しいか若しくは小さい、請求項１または請求項２に記載の光導波路型受光素子。

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