JPH05183185A

JPH05183185A - 半導体光電変換装置

Info

Publication number: JPH05183185A
Application number: JP3346605A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Tabuchi; 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体光電変換装置に関し、光ファイバとの
結合効率を向上させる為に厚い光ガイド層を用いた場合
であっても、伝播光を光吸収層に効率良く集光させ得る
ようにして、光ガイド層を素通りする伝播光を低減させ
て受光量子効率の向上を実現しようとする。【構成】ｎ型半導体基板２１上に順に積層形成され且
つ接合に平行な方向から光が入射されるｎ型光ガイド層
２２及びノンドープ光吸収層２３及びｐ型光ガイド層２
４を備えてなり、該各光ガイド層２２及び２４の屈折率
は光吸収層２３に近い側が最も高く且つそこから離隔す
るにつれて低くなるように分布をもつようにしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結合効率並びに内部量
子効率が高く、且つ、高い周波数応答性が得られるよう
に、特に、光導波路を改善した半導体光電変換装置に関
する。

【０００２】現在、光通信の分野に於いては、大量の情
報を高速でやりとりすることを可能にする為、コヒーレ
ント光を利用する傾向が強まっている。然しながら、そ
れを普遍化するには、ハードの面で改善しなければなら
ない問題を多く抱えていて、半導体光電変換装置もその
一つである。

【０００３】

【従来の技術】図１８はコヒーレント光通信を行う場合
に用いるバランス型光受信装置を表す要部説明図であ
る。図に於いて、１は光電変換装置、２はマイクロ波増
幅器、３は気密封止を行う為の封止用窓、４は光を平行
化或いは集光するレンズ、５は被変調光と局部発振光と
の混合並びに分割を行う光ファイバ・カプラなどの方向
性結合器、６は被変調光、７は局部発振光をそれぞれ示
している。図から明らかなように、この光受信装置で
は、二つの受光面が集積化された光電変換装置１、マイ
クロ波増幅器２、方向性結合器５などが主たる構成要素
となっている。

【０００４】斯かる光受信装置に必要とされることを例
示すると、光電変換装置１として、高速で応答できるものであ
ることが必要とされている。コヒーレント光通信に於い
ては、光の周波数間でビートをとることが行われている
ので、２０〔ＧＨｚ〕〜３０〔ＧＨｚ〕を越えるような
周波数でも充分に利用可能であることが望まれている。
因に、周波数は高い程、伝送可能な情報量を大きくする
ことができる。

【０００５】光電変換装置１として、高い量子効率
をもつものであることが必要とされている。コヒーレン
ト方式に於ける特徴の一つは、受信感度を向上できるこ
とが挙げられる。半導体の光吸収に依るキャリヤ発生の
現象を利用する光電変換装置を高速化する為には、光吸
収層に於けるキャリヤ走行時間を短くすることが有効で
あり、従って、それを薄く形成しなければならないので
あるが、そのようにすると量子効率が低下する。そこ
で、薄い光吸収層でありながら、高い量子効率を得られ
るようにしなければならない。

【０００６】電子回路との電気的接続が容易である
ようにすることが望まれ、特に、後段に接続される電子
回路、例えば、図１８に見られるマイクロ波増幅器２の
ようなものは、光電変換装置１と平面的に配設できるよ
うにすることが好ましい。などが挙げられる。

【０００７】図１９は表面入射型或いは裏面入射型の光
電変換装置を説明する為の要部斜面図であり、図１８に
於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ
意味を持つものとする。図に於いて、１Ａは光電変換装
置１に於ける受光面、８は受光面１Ａに入射する光をそ
れぞれ示している。図から明らかなように、このような
光電変換装置１を用いる場合、受光面１Ａが入射光８に
直面するような配置状態、即ち、光電変換装置１と入射
光８とが直交するような構成となる。

【０００８】ところで、光受信装置は、各部品を例えば
プリント板に実装して組み立てるのであるが、高密度実
装を可能にする為、全体を薄型に纏めることが望まし
い。従って、光ファイバ、方向性結合器５、光電変換装
置１、マイクロ波増幅器２などをプリント板などに直線
状に配置して実装することが行われる。

【０００９】図２０は光電変換装置１とマイクロ波増幅
器２とを直線状に配置した状態を説明する為の要部斜面
図であり、図１８及び図１９に於いて用いた記号と同記
号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
図示された配置状態では、光電変換装置１とマイクロ波
増幅器２とを平面的に接続することは不可能である。

【００１０】図２１は光電変換装置１とマイクロ波増幅
器２との接続を説明する為の要部側面図であり、図１８
乃至図２０に於いて用いた記号と同記号は同部分を表す
か或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、９は
電気配線を示している。

【００１１】図示の光電変換装置１は、表面入射型或い
は裏面入射型であり、例えば、裏面入射型であれば、光
電変換で得られた電気信号は表面側から取り出されるよ
うになっているので、図から明らかなように、この場
合、電気配線９は９０°に折り曲げなければ光電変換装
置１とマイクロ波増幅器２との間を接続することができ
ない。斯かる構成にすることは不可能ではないにして
も、製造は面倒であり、また、電気配線９を折り曲げて
配設した場合、高周波特性が悪化するので、実際には、
図２０に見られるような配置は採用することができな
い。

【００１２】図２２は光電変換装置１とマイクロ波増幅
器２とを接続する上で望ましい配置を説明する為の要部
斜面図であり、図１８乃至図２１に於いて用いた記号と
同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとす
る。電気配線を施すことからすれば、図示されているよ
うに、光電変換装置１とマイクロ波増幅器２とは同一面
上に平面的に配置されている方が良い。

【００１３】然しながら、それを実現するには、図２２
に見られるように、光信号である入射光８を光電変換装
置１が組み込まれている半導体チップのエッジから入力
することができるものでなければならない。

【００１４】図２３は従来のエッジ入力型半導体光電変
換装置を説明する為の要部斜面図である。図に於いて、
１１はｎ型半導体基板、１２はｎ型光ガイド層、１３は
ノンドープ光吸収層、１４はｐ型光ガイド層、１５は絶
縁体、１６はｐ側電極、１７はｎ側電極をそれぞれ示し
ている。この光電変換装置は、図から明らかなように、
ＢＨ（ｂｕｒｉｅｄｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒ
ｅ）構造になっていて、光吸収層１３を薄くすることで
高速特性が良好になるなど優れた性能を発揮するとされ
ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図２４は図２３に見ら
れる光電変換装置を線Ｘ−Ｘに沿って切断した場合の説
明図であり、図２３に於いて用いた記号と同記号は同部
分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於い
て、（Ａ）は要部切断側面を、（Ｂ）は屈折率分布をそ
れぞれ表していて、（Ｂ）では、縦軸に厚さ方向を、そ
して、横軸に屈折率をそれぞれ採ってある。図に於い
て、１８は入射光８に起因する伝播光を示している。

【００１６】図から明らかなように、屈折率分布はステ
ップ型になっていて、ガイド層１２及び１４の屈折率が
光吸収層１３のそれに近い場合には、ガイド層１２及び
１４に於いても大きな光吸収が起こることになるので、
光吸収層１３とガイド層１２及び１４との間の屈折率差
を大きくしておかなければならない。

【００１７】図示例の光電変換装置では、入力される入
射光８のスポット径が、光ガイド層１２、光吸収層１
３、光ガイド層１４それぞれの厚さの和と同程度であれ
ば、伝播光１８は良好にガイドされ、光吸収層１３に於
いて効率良く光電変換されるのであるが、通常は入射光
８に於けるスポット径の方が大きい。

【００１８】ところで、この光電変換装置に於いては、
光吸収層１３を薄くするほど、伝播光１８のスポット径
を拡げることができるが、その拡がりは、光吸収層１３
の厚さを０．０４〔μｍ〕以下にした場合でも高々２
〔μｍ〕程度であって、光ファイバからの出力光を高効
率で結合させることは困難であり、入射光８のスポット
径が大きくて基板１１にかかった場合、その光の殆どは
光吸収層１３に達することなく透過してしまうので、結
合効率を含めた受光量子効率は大変に低いものとなって
いる。

【００１９】図２５は図２３及び図２４に見られる光電
変換装置に於ける光ガイド層に改変を加えたものの要部
切断側面図であり、図２３及び図２４に於いて用いた記
号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つもの
とする。図に於いて、１９はエッジ面に直交していると
共に伝播光１８が存在し得る範囲から外れた入射光、２
０はエッジ面に角度をもった入射光をそれぞれ示してい
る。

【００２０】図から明らかなように、この光電変換装置
では、光ファイバとの結合効率を高めようとして、光ガ
イド層１２及び１４を厚く形成したのであるが、入射光
１９の大部分は光ガイド層１２や１４を透過してしま
い、僅かに、入射光２０は反射に依って光吸収層１３を
到達することができるのみであり、従って、このように
した場合も矢張り受光量子効率は低くなってしまう。

【００２１】本発明は、光ファイバとの結合効率を向上
させる為に厚い光ガイド層を用いた場合であっても、伝
播光を光吸収層に効率良く集光させ得るようにして、光
ガイド層を素通りする伝播光を低減させて受光量子効率
の向上を実現しようとする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明に依る光電
変換装置に於ける構成原理を解説する為の光電変換装置
の要部斜面図である。図に於いて、２１はｎ型半導体基
板、２２はｎ型光ガイド層、２３はノンドープ光吸収
層、２４はｐ型光ガイド層、２５は絶縁体、２６はｐ側
電極、２７はｎ側電極をそれぞれ示している。

【００２３】この光電変換装置は、図から明らかなよう
に、図２３について説明した従来のエッジ入力型半導体
光電変換装置と同様な構成を採っていて、所謂、ＢＨ構
造をなしているのであるが、相違するところを列挙する
と次の通りである。

【００２４】（ａ）光ガイド層２２及び２４の材料組
成を変化させて、屈折率に分布を持たせてあること。即
ち、光吸収層２３に近い部分では屈折率を高くすると共
に離れるにつれて低くなるようにしてある。但し、常
に、光吸収層２３の屈折率に比較して低い値であるよう
にする。

【００２５】（ｂ）光ファイバとの結合が容易である
ように、光ガイド層２２及び２４を厚くすること。

【００２６】図２は本発明に依る光電変換装置に於ける
動作原理を解説する為の光電変換装置を説明する図であ
り、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか
或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、（Ａ）
は図１に見られる線Ｘ−Ｘに沿って切断した縦断側面を
表し、また、（Ｂ）は同じく図１に見られる線Ｙ−Ｙに
沿った屈折率分布を表し、２８は伝播光、Ｐ₁及びＰ₂
は伝播光２８が光吸収層２３を横切る点をそれぞれ示
し、また、（Ｂ）では縦軸に諸半導体層などの厚さ方向
の距離を、横軸に屈折率を採ってあり、ｎＬ₁は滑らか
な屈折率分布、ｎＬ₂はステップ状の屈折率分布、Ｌ₃
は滑らかな屈折率分布ｎＬ₁を生成させる為の組成分布
を示している。尚、半導体層に対し、（Ｂ）に見られる
ような屈折率分布をもたせることは普通に行われてい
て、例えば、多元化合物半導体は組成を変化させると屈
折率が変化するから、その組成を組成分布Ｌ₃のように
連続的に変化させることで目的とする屈折率分布ｎＬ₁
を得れば良い。

【００２７】さて、良く知られているように、光は屈折
率が高い方へ曲げられる性質があるので、図１及び図２
に見られる光電変換装置に於いては、光ガイド層２２並
びに２４を厚く形成して、光ファイバとの結合が良好に
行われるようにした場合、本来であれば、光ガイド層２
２或いは２４を素通りして無効になってしまうような伝
播光２８も光吸収層２３に向かって集光されるような状
態で伝播させることができ、その過程で光吸収層２３を
複数回に亙って横切るので、その都度、吸収が起こって
光電変換が行われる。尚、図示されていないが、光吸収
層２３を中心とし、或る程度の拡がりをもって入射する
光が主たる伝播光になることは云うまでもない。

【００２８】前記したところから、本発明に依る光電変
換装置に於いては、（１）一導電型化合物半導体基板
（例えばｎ型基板２１）上に順に積層形成され且つ接合
に平行な方向から光が入射される一導電型化合物半導体
光ガイド層（例えばｎ型光ガイド層）及びノンドープ化
合物半導体光吸収層（例えばノンドープ光吸収層２３）
及び反対導電型化合物半導体光ガイド層（例えばｐ型光
ガイド層）とを備えてなり、該各光ガイド層の屈折率は
光吸収層に近い側が最も高く且つ離隔するにつれて低く
なるように分布をもつことを特徴とするか、或いは、

【００２９】（２）光ガイド層に於ける屈折率分布の形
状が光吸収層に向かって開く放物線型をなしていること
を特徴とするか、或いは、（３）一導電型化合物半導体
基板上に順に積層形成され且つ接合に平行な方向から光
が入射される一導電型化合物半導体光ガイド層及びノン
ドープ化合物半導体光吸収層及び反対導電型化合物半導
体光ガイド層とを備えてなり、該各光ガイド層の何れか
一方に於ける屈折率が光吸収層に近い側で最も高く且つ
離隔するにつれて低くなるように分布をもつことを特徴
とする。

【００３０】

【作用】前記手段を採ることに依り、光ガイド層を厚く
形成して、光ファイバとの結合が良好に行われるように
した場合であっても、本来ならば、光ガイド層を素通り
して無効になってしまうような伝播光も光吸収層に向か
って集光されるような状態で伝播させることができ、そ
の過程で伝播光は光吸収層を複数回に亙って横切るの
で、その都度、吸収が起こって光電変換が行われるか
ら、その全体から見た光電変換の効率は極めて高いもの
となる。

【００３１】

【実施例】図１に見られる光電変換装置を具体化したも
のを本発明に於ける第一実施例として説明する。

【００３２】図示されている各部分に関する主なデータ
を例示すると次の通りである。（１）ｎ型半導体基板２１について材料：ＩｎＰ不純物濃度：２×１０¹⁸〔cm^-3〕厚さ：１００〔μｍ〕

【００３３】（２）ｎ型光ガイド層２２について材料：ＩｎＰからＩｎＧａＡｓＰ（波長が１．４５〔μ
ｍ〕となる組成）に次第に変化する半導体結晶不純物濃度：１×１０¹⁸〔cm^-3〕厚さ：３．５〔μｍ〕（３）ノンドープ光吸収層２３について材料：ＩｎＧａＡｓ厚さ：１〔μｍ〕

【００３４】（４）ｐ型光ガイド層２４について材料：ＩｎＧａＡｓＰ（波長が１．４５〔μｍ〕となる
組成）からＩｎＰに次第に変化する半導体結晶不純物濃度：１×１０¹⁸〔cm^-3〕厚さ：３．５〔μｍ〕（５）絶縁体２５について材料：ポリイミド

【００３５】（６）ｐ側電極２６及びｎ側電極２７に
ついて材料：Ａｕ（７）ストライプ・メサについて幅：１０〔μｍ〕長さ：１００〔μｍ〕尚、光ガイド層２２及び２４の屈折率を連続的或いはス
テップ状に変化させることは容易であって、三元或いは
四元或いは更に多元の半導体結晶を用い、組成を連続的
に変化させることで容易に実現することができ、例え
ば、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体結晶では、Ｐの組成を１
（屈折率小）〜０（屈折率大）に変化させることで屈折
率は大きく変化させることができる。

【００３６】この第一実施例の光電変換装置が、前記説
明した本発明に於ける原理と全く同じ動作をすることは
勿論であり、光ガイド層２２及び２４の厚さは光吸収層
２３の厚さと無関係に厚くすることができ、光ファイバ
などの出力光との結合効率を向上させて光受信装置の感
度を高めることができる。

【００３７】従来の標準的な光電変換装置に於いては、
（光ガイド層の厚さ×２＋光吸収層の厚さ）＝約２〔μ
ｍ〕であるのに対し、第一実施例では前記したように８
〔μｍ〕であり、従って、入射光との結合効率は大きく
向上する。また、光ガイド層２２及び２４が前記したよ
うに３．５〔μｍ〕の厚さになっていても、入射する大
部分の光を光吸収層２３に到達させることが可能であ
り、従って、結合効率並びに内部量子効率は著しく高く
なっていて、しかも、３０〔ＧＨｚ〕を越える周波数応
答性を備えている。

【００３８】ところで、図２に見られるように、光ガイ
ド層２２及び２４に於ける屈折率分布が放物線状をなし
ている場合、媒質は理想的な凸レンズとして作用するの
で、入射光８に起因する伝播光２８を最も効率良く光吸
収層２３へ集中させることができ、優れた凸レンズを付
加した構成と同じ効果が得られる。

【００３９】即ち、前記した構成をもった第一実施例に
於いて、入射光８に起因する伝播光２８はエッジから約
２４〔μｍ〕のところ、従って、点Ｐ₁で光吸収層２３
を横切り、更に進行すると約７２〔μｍ〕のところ、従
って、点Ｐ₂で再び光吸収層２３を横切る動作をする。

【００４０】この光電変換装置に於ける応答速度は、光
吸収層２３が薄く、且つ、光ガイド層２２及び光吸収層
２３及び光ガイド層２４で形成されるｐｉｎ接合の容量
が小さければ速くなり、このｐｉｎ接合の容量は、中央
に在るストライプ・メサの幅が狭く、且つ、長さが短
く、また、光吸収層２３が厚ければ小さくなる。

【００４１】このように、光吸収層２３の厚さには、高
速性の面から見ると二律背反的要素が含まれ、光吸収層
自体の特性からすると、高速化の為には薄いと良いので
あるが、そのようにすると、ｐｉｎ接合容量が大きくな
るので余り薄くもできないので、それ等の兼ね合いが重
要となる。

【００４２】しかも、光吸収層２３を薄くすると光の吸
収が少なくなるので、その状態で効率を維持、或いは、
向上するには、例えばストライプ・メサを長大にするこ
とが必要になるが、そのようにした場合、当然のことな
がら、ｐｉｎ接合の容量が更に増大し、高速性の低下に
結び付くことになる。

【００４３】第一実施例に於いて、ストライプ・メサの
幅は変えず、効率を重視して長さを２００〔μｍ〕と
し、また、光吸収層２３の厚さを１．５〔μｍ〕以下に
した改変例を試作し、５０〔Ω〕の抵抗を負荷にしたと
ころ、２０〔ＧＨｚ〕以上の高速応答をさせることがで
きた。

【００４４】光吸収層２３の厚さが１〔μｍ〕の場合、
量子効率は、伝播光２８が光吸収層２３を垂直に一回横
切ると８０〔％〕以上になる。前記改変例に於いては、
伝播光２８は２４〔μｍ〕毎に光吸収層２３を斜めに横
切るので、ストライプ・メサの長さが２００〔μｍ〕で
あるから六回以上も横切ることになる。

【００４５】ここで、光が光吸収層２３を垂直に横切る
よりも斜めに横切る方が光吸収を行う距離は長いから効
率は向上すること、また、六回も横切ることから、略１
００〔％〕の量子効率を達成している。尚、改変例では
なく、第一実施例、即ち、ストライプ・メサの長さが１
００〔μｍ〕のものでは、然程の効率低下なしに３０
〔ＧＨｚ〕以上の高速応答が可能になる。

【００４６】図３は本発明に於ける第二実施例を解説す
る為の光電変換装置の説明図であって、図１及び図２に
於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ
意味を持つものとする。

【００４７】図に於いて、（Ａ）は縦断側面を表し、そ
して、（Ｂ）は（Ａ）に見られる線Ｙ−Ｙに沿った屈折
率分布（実線）及び高屈折率半導体層位置のピッチ分布
（破線）を表し、また、３１Ａは例えばｎ型ＩｎＰから
なる低屈折率半導体層、３２Ａは例えばｐ型ＩｎＰから
なる低屈折率半導体層、３１Ｂは例えば厚さが５〔ｎ
ｍ〕であるｎ型ＩｎＧａＡｓからなる高屈折率半導体
層、３２Ｂは例えば厚さが５〔ｎｍ〕であるｐ型ＩｎＧ
ａＡｓからなる高屈折率半導体層、ＰＣはピッチをそれ
ぞれ示し、また、（Ｂ）では、縦軸に諸半導体層などの
厚さ方向の距離を、横軸に屈折率及びピッチを採ってあ
り、ｎＬ₁は滑らかな屈折率分布、ｐＬ₃は滑らかな屈
折率分布ｎＬ₁を生成させる為のピッチ分布を示してい
る。尚、ピッチＰＣは図示されているように低屈折率半
導体層３１Ａ或いは３２Ａの厚さに相当し、その厚さが
光吸収層２３から離れるにつれて大となるように、即
ち、屈折率を高くしたい部分では低屈折率半導体層３１
Ａ或いは３２Ａの厚さを薄く、また、屈折率を低くした
い部分では低屈折率半導体層３１Ｂ或いは３２Ｂの厚さ
を厚くすることで、屈折率に所望の分布をもたせてい
る。

【００４８】このようにして屈折率分布を生成させる場
合、低屈折率半導体層３１Ａや３２Ａ、そして、高屈折
率半導体層３１Ｂや３２Ｂそれぞれの厚さを波長の１／
５の範囲内で制御すれば、図３に見られるように、滑ら
かな屈折率分布が得ることができる。

【００４９】前記説明した第一実施例に於いては、半導
体結晶の組成を変えることで屈折率に分布をもたせた
が、第二実施例に於いては、半導体結晶の組成は固定化
し、低屈折率半導体層３１Ａ（或いは３２Ａ）と高屈折
率半導体層３１Ｂ（或いは３２Ｂ）とを交互に積層し、
且つ、それ等のピッチを変えることで屈折率に分布をも
たせている。このピッチを変えるについては、低屈折率
半導体層３１Ａなどの厚さを変化させるだけでなく、高
屈折率半導体層３２Ａなどの厚さを変えるようにしても
良く、また、両者の厚さを制御するようにしても良い。

【００５０】第二実施例に依る屈折率分布の制御手段
は、第一実施例に依るそれと比較すると、屈折率分布の
制御性は良好である。その理由は、組成の変化と屈折率
の変化との関係は完全な直線的にならないこと、また、
充分に制御された状態で連続的に組成を変化させるのに
比較すると、半導体層の成長時に厚さを時間で制御する
方が遙に容易であることに依る。

【００５１】図４は本発明に於ける第三実施例を解説す
る為の光電変換装置を表す説明図であり、図１乃至図３
に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同
じ意味を持つものとする。図に於いて、（Ａ）は縦断側
面を表し、そして、（Ｂ）は（Ａ）に見られる線Ｙ−Ｙ
に沿った屈折率分布を表している。

【００５２】本実施例が第一実施例と相違する点は、厚
さが１〔μｍ〕であるｐ型光ガイド層２４が屈折率一定
で分布をもたない単なるｐ型ＩｎＰで構成されているこ
とである。尚、不純物濃度は第一実施例と同じく１×１
０¹⁸〔cm^-3〕である。この実施例に於けるｐ型光ガイド
層２４の形成は第一実施例に比較して極めて容易であっ
て、ノンドープのＩｎＰ層を形成してからＺｎを拡散し
てｐ型化すれば良い。

【００５３】さて、ここで、さきに説明した第一実施例
を製造する工程について詳細に解説するが、その前に、
気相成長装置及びそれに関連する事項の概略を説明す
る。図５は本発明で用いる気相成長装置の要部説明図を
表している。図に於いて、３１は反応室、３２はガス送
入管、３３は排気管、３４はガス流量を加減するガス制
御弁、３５は基台、３６は基板をそれぞれ示している。

【００５４】この気相成長装置は公知のものであって、
反応室１にはガス送入管３２及びガス制御弁３４を介し
て、Ｉｎソース・ガス、Ｇａソース・ガス、Ａｓソース
・ガス、Ｐソース・ガス、ドーパント・ガスのそれぞれ
を別個に送入することができるようになっていて、それ
らガスの熱分解及び基板３６上への結晶成長なる化学反
応を利用し、基板３６の表面へ例えばＩｎＧａＡｓＰな
どの結晶をエピタキシャル成長させるようにしている。

【００５５】本発明では、ＩｎＧａＡｓＰの組成を変化
させた半導体結晶を多用しているので、そのＩｎＧａＡ
ｓＰの成長について詳細に説明する。

【００５６】今、ＩｎＧａＡｓＰに於けるＧａの組成を
ｘで、そして、Ａｓの組成をｙで表すとすると、ＩｎＧ
ａＡｓＰをＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yと表すことがで
き、ＩｎＰに格子整合させる為のｘ及びｙは、ｘ＝０．４６６ｙ／（１．０３−０．０３ｙ）の関係にある。

【００５７】また、バンド・ギャップ・エネルギＥ
_gは、Ｅ_g（ｙ）＝１．３５−０．７２ｙ＋０．１２ｙ² のように変化する。

【００５８】更にまた、ｙを小さくすると、Ｇａ_xＩｎ
_1-xＡｓ_yＰ_1-yの屈折率は大きくなる（詳細には、
「永井治男他著、三−五族半導体混晶、昭和６３年
株式会社コロナ社発行」、を参照）。

【００５９】従って、ｘ及びｙを制御することで、屈折
率が連続的に変化する半導体層を形成することができ
る。勿論、ｘ並びにｙは、反応室１に導入されるＩｎ、
Ｇａ、Ａｓ、Ｐの各ソース・ガスに於ける気相化合物の
量の比率で制御される。

【００６０】具体的には、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐの各ソ
ース・ガスを供給する管にコンピュータ制御の流量制御
弁（マス・フロー・コントローラ）を取り付け、屈折率
が設計された値となるように制御を行うものである。

【００６１】図６乃至図１５は第一実施例を製造する工
程について解説する為の工程要所に於ける光電変換装置
の要部切断側面図、また、図１６及び図１７はソース・
ガスの流量制御について説明する為の線図をそれぞれ表
し、以下、これ等の図を参照しつつ詳細に説明する。
尚、図１乃至図４に於いて用いた記号と同記号は同部分
を表すか或いは同じ意味を持つものとする。また、図１
６及び図１７では、縦軸にはガス流量を、そして、横軸
には時間をそれぞれ採ってある。

【００６２】図６及び図１６参照６−（１）直径が５０〔ｍｍ〕、厚さ３００〔μｍ〕であって、ｎ
型ドーパントとしてＳｎをドーピングして２×１０
¹⁸〔cm^-3〕とし、表面を鏡面研磨したＩｎＰ基板２１を
用意する。

【００６３】６−（２）基板２１の表面を強酸で清浄化処理してから気相成長装
置の反応室３１にセットする。尚、この後、図６に見ら
れる各半導体層を気相成長させるのであるが、適用技術
としては有機金属化学気相堆積（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎ
ｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｕｒｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法を採用する。

【００６４】６−（３）Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐの各気相化合物の量の比率、従っ
て、ｘ及びｙを制御し、当初は、基板２１との界面がＩ
ｎＰとなるように、また、厚さが約３．５〔μｍ〕とな
った状態に於いては、バンド・ギャップ・エネルギＥ_g
が波長換算（λＥ_g）で１．４５〔μｍ〕となるように
ｘ及びｙを連続的に制御してｎ型光ガイド層２２の成長
を行う。また、光ガイド層２２の構成材料に関する各ソ
ース・ガスの他にｎ型とする為のドーパント・ガスとし
てＨ₂Ｓガスを添加する。尚、光ガイド層２２をｎ型に
する為のドーパントにはシリコン（Ｓｉ）を用いても良
く、その際のドーパント・ガスはＳｉＨ₄が一般的であ
る。

【００６５】図１６にはｎ型光ガイド層２２を成長させ
る際の各ソース・ガスの流量変化が明瞭に示されてい
て、（ａ）はＩｎソース・ガス並びにＰソース・ガスの
流量変化を、また、（ｂ）はＧａソース・ガス並びにＡ
ｓソース・ガスの流量変化をそれぞれ示している。

【００６６】６−（４）ｙ＝１の組成となるようにＩｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐに関す
る気相化合物の量の比率、即ち、トリメチルインジウム
（ＴＭＩ：Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、トリエチルガリウム
（ＴＥＧ：Ｇａ（Ｃ₂Ｈ₅）₃）、アルシン（Ａｓ
Ｈ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）の流量を制御し、厚さが
１〔μｍ〕のＩｎＧａＡｓからなるノンドープ光吸収層
２３を成長させる。

【００６７】６−（５）Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐの各気相化合物の量の比率を制御
し、光吸収層２３との界面に於いては、バンド・ギャッ
プ・エネルギＥ_gが波長換算（λＥ_g）で１．４５〔μ
ｍ〕であるＩｎＧａＡｓＰとなるように、また、厚さが
約３．５〔μｍ〕となった状態に於いては、ｙ＝０、即
ち、ＩｎＰとなるようにｘ及びｙを連続的に制御してノ
ンドープの光ガイド層２４の成長を行う。

【００６８】図１７には光ガイド層２４を成長させる際
の各ソース・ガスの流量変化が明瞭に示されていて、
（ａ）はＩｎソース・ガス並びにＰソース・ガスの流量
変化を、また、（ｂ）はＧａソース・ガス並びにＡｓソ
ース・ガスの流量変化をそれぞれ示している。尚、ここ
で、Ｅ_gとλＥ_gとの関係は、Ｅ_g（単位〔ｅＶ〕）＝１．２４／λＥ_g（単位〔μ
ｍ〕）で近似される。このようにして、図２の（Ｂ）に見られ
るような組成分布Ｌ₃及び屈折率分布ｎＬ₁をもつ半導
体結晶層を成長させることができた。６−（６）ガラス閉管中にウエハ及びＺｎ化合物を封入し、温度を
６００〔℃〕、時間を約８〔時間〕としてＺｎの熱拡散
を行って光ガイド層２４をｐ型化する。

【００６９】図７参照７−（１）熱ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法を適用することに依り、厚さ例えば２０
０〔ｎｓ〕のＳｉＯ₂膜３７を形成する。７−（２）リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用す
ることに依ってレジスト膜３８を形成する。

【００７０】図８参照８−（１）露光及び現像を行って、幅が例えば１０〔μｍ〕である
ストライプのレジスト膜３８を残す。

【００７１】図９参照９−（１）エッチャントをフッ化水素酸とするウエット・エッチン
グ法を適用することに依り、レジスト膜３８をマスクと
してＳｉＯ₂膜３７の選択的エッチングを行って幅１０
〔μｍ〕のストライプとする。９−（２）レジスト膜３８を溶解・除去する。

【００７２】図１０参照１０−（１）エッチャントを塩酸系エッチング液とするウエット・エ
ッチング法を適用することに依って、ストライプのＳｉ
Ｏ₂膜３７をマスクとしてｐ型光ガイド層２４の表面か
ら基板２１内に達するメサ・エッチングを行う。

【００７３】図１１参照１１−（１）エッチング・マスクとして用いたＳｉＯ₂膜３７を除去
する。１１−（２）スピン・コート法を適用することに依り、メサ部分が充
分に埋まるように感光性ポリイミドを塗布し、加熱硬化
させる。

【００７４】図１２参照１２−（１）メサ部分の頂面のみを覆うフォト・マスク３９を介して
紫外線照射に依る露光を行う。

【００７５】図１３参照１３−（１）現像を行うとメサ部分頂面に在った感光性ポリイミドは
重合していないから除去されてしまう。これに依り、図
１について説明したメサ部分を埋め込んだポリイミドか
らなる絶縁体２５が得られる。

【００７６】図１４参照１４−（１）治具４０に貼付したウエハに於ける裏面を定盤４１上に
撒布したアルミナの砥粒４２と対向させて研磨する。

【００７７】図１５参照１５−（１）スパッタリング法など従来の技術を適用することに依
り、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなるｐ側電極２６及びＡｕＧ
ｅ／Ａｕからなるｎ側電極２７を形成する。１５−（２）この後、劈開など従来の技術を適用することに依り、幅
２００〔μｍ〕、長さ１００〔μｍ〕のチップにする。
尚、図に見られる破線は劈開線を示している。

【００７８】

【発明の効果】本発明に依る半導体光電変換装置に於い
ては、一導電型化合物半導体基板上に順に積層形成され
且つ接合に平行な方向から光が入射される一導電型化合
物半導体光ガイド層及びノンドープ化合物半導体光吸収
層及び反対導電型化合物半導体光ガイド層とを備えてな
り、該各光ガイド層のうち、少なくとも一方に於ける屈
折率が光吸収層に近い側で最も高く且つ離隔するにつれ
て低くなるように分布をもつようにしてある。

【００７９】前記構成を採ることに依り、光ガイド層を
厚く形成して、光ファイバとの結合が良好に行われるよ
うにした場合であっても、本来ならば、光ガイド層を素
通りして無効になってしまうような伝播光も光吸収層に
向かって集光されるような状態で伝播させることがで
き、その過程で伝播光は光吸収層を複数回に亙って横切
るので、その都度、吸収が起こって光電変換が行われ、
従って、その全体から見た光電変換の効率は極めて高い
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に依る光電変換装置に於ける構成原理を
解説する為の光電変換装置の要部斜面図である。

【図２】本発明に依る光電変換装置に於ける動作原理を
解説する為の光電変換装置を説明する図である。

【図３】本発明に於ける第二実施例を解説する為の光電
変換装置の説明図である。

【図４】本発明に於ける第三実施例を解説する為の光電
変換装置を表す説明図である。

【図５】本発明で用いる気相成長装置の要部説明図であ
る。

【図６】第一実施例を製造する工程について解説する為
の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図であ
る。

【図７】第一実施例を製造する工程について解説する為
の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図であ
る。

【図８】第一実施例を製造する工程について解説する為
の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図であ
る。

【図９】第一実施例を製造する工程について解説する為
の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図であ
る。

【図１０】第一実施例を製造する工程について解説する
為の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図で
ある。

【図１１】第一実施例を製造する工程について解説する
為の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図で
ある。

【図１２】第一実施例を製造する工程について解説する
為の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図で
ある。

【図１３】第一実施例を製造する工程について解説する
為の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図で
ある。

【図１４】第一実施例を製造する工程について解説する
為の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図で
ある。

【図１５】第一実施例を製造する工程について解説する
為の工程要所に於ける光電変換装置の要部切断側面図で
ある。

【図１６】ソース・ガスの流量制御について説明する為
の線図である。

【図１７】ソース・ガスの流量制御について説明する為
の線図である。

【図１８】コヒーレント光通信を行う場合に用いるバラ
ンス型光受信装置を表す要部説明図である。

【図１９】表面入射型或いは裏面入射型の光電変換装置
を説明する為の要部斜面図である。

【図２０】光電変換装置１とマイクロ波増幅器２とを直
線状に配置した状態を説明する為の要部斜面図である。

【図２１】光電変換装置１とマイクロ波増幅器２との接
続を説明する為の要部側面図である。

【図２２】光電変換装置１とマイクロ波増幅器２とを接
続する上で望ましい配置を説明する為の要部斜面図であ
る。

【図２３】従来のエッジ入力型半導体光電変換装置を説
明する為の要部斜面図である。

【図２４】図２３に見られる光電変換装置を線Ｙ−Ｙに
沿って切断した場合の説明図である。

【図２５】図２３及び図２４に見られる光電変換装置に
於ける光ガイド層に改変を加えたものの要部切断側面図
である。

【符号の説明】

２１ｎ型半導体基板２２ｎ型光ガイド層２３ノンドープ光吸収層２４ｐ型光ガイド層２５絶縁体２６ｐ側電極２７ｎ側電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一導電型化合物半導体基板上に順に積層形
成され且つ接合に平行な方向から光が入射される一導電
型化合物半導体光ガイド層及びノンドープ化合物半導体
光吸収層及び反対導電型化合物半導体光ガイド層を備え
てなり、該各光ガイド層の屈折率は光吸収層に近い側が最も高く
且つ離隔するにつれて低くなるように分布をもつことを
特徴とする半導体光電変換装置。
【請求項２】光ガイド層に於ける屈折率分布の形状が光
吸収層に向かって開く放物線型をなしていることを特徴
とする請求項１記載の半導体光電変換装置。
【請求項３】一導電型化合物半導体基板上に順に積層形
成され且つ接合に平行な方向から光が入射される一導電
型化合物半導体光ガイド層及びノンドープ化合物半導体
光吸収層及び反対導電型化合物半導体光ガイド層とを備
えてなり、該各光ガイド層の何れか一方に於ける屈折率が光吸収層
に近い側で最も高く且つ離隔するにつれて低くなるよう
に分布をもつことを特徴とする半導体光電変換装置。