JP2000269538A - 導波路型受光素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受光素子領域の前段にモノリシックに集積さ
れる光減衰領域との結合効率を十分に高めて最小受光感
度を大きくした導波路型受光素子を提供する。 【解決手段】 基板１１上に多層導波路構造をなす電気
的素子分離層１２を成長させた後、該電気的素子分離層
を部分的にエッチング除去して基板を露出させ、該基板
上に前記電気的素子分離層と光学的に結合する導波路型
の受光素子領域ＰＤと導波路型の光減衰領域ＡＴＴとを
前記電気的素子分離層を挟んでそれぞれ成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受光素子領域の前
段に光減衰領域をモノリシックに集積してなり、上記受
光素子領域と光減衰領域との光結合効率を高めた高感度
な導波路型受光素子とその製造方法に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】近時、光を媒体とした高速・大容
量の光情報通信が注目されている。このような光情報通
信において重要な役割を担う光学素子の１つに半導体受
光素子、例えば導波路型の受光領域の前段に光減衰領域
をモノリシックに集積した導波路型受光素子がある。

【０００３】この種の導波路型受光素子は、例えば図３
にその製造工程を模式的に示すように、基板上に受光領
域と光減衰領域とをモノリシックに形成すると共に、こ
れらの受光領域と光減衰領域とを電気的に分離する素子
分離領域を形成した素子構造を有する。即ち、この種の
導波路型受光素子は、先ず図３(ａ)に示すようにｎ-Ｉn
Ｐ基板１上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用い
る等して受光素子をなすｎ-ＩnＰクラッド層２、ｉ-Ｇa
ＩnＡs光吸収層３、ｐ-ＩnＰクラッド層４、そしてｐ-
ＧaＩnＡsコンタクト層５を順に成長させる。次いで図
３(ｂ)に示すようにＳiＮx膜６ａをマスクとして受光素
子形成領域を除く領域を前記ｉ-ＧaＩnＡs光吸収層３ま
で選択エッチングし、その露出領域に図３(ｃ)に示すよ
うに光減衰領域をなすｉ-ＧaＩnＡsＰ光減衰層７、ｐ-
ＩnＰクラッド層９、そしてｐ-ＧaＩnＡsコンタクト層
９を順に再成長させる。

【０００４】しかる後、前記ＳiＮx膜６ｂからなる別の
マスクを用いて図３(ｄ)に示すように前記ＩnＰ基板１
が露出するまで選択エッチングして素子分離用開口部Ａ
を形成すると共に、前記受光素子領域および光減衰領域
をそれぞれリッジ導波路構造に形成する。そして前記受
光素子領域および光減衰領域をそれぞれ逆バイアスした
際に生じる無効電流を抑制するべく、上記素子分離用開
口部にＦeドープの半絶縁性ＩnＰ（Ｆe-ＩnＰと略す）
分離層１０を埋め込み再成長させることで１０ＧΩ以上
の分離抵抗を実現し、その後、所定のプロセスを経て電
極形成して前述した光減衰領域を前段に備えた導波路型
受光素子が製造される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで上述した如く
素子分離用開口部Ａをウェットエッチングにより選択的
に形成する場合、そのエッチングか深さ方向のみならず
横方向にも進むので、その開口幅（分離幅）を高精度に
制御することが困難である。しかも特定の面方位が形成
されるので、Ｆe-ＩnＰ分離層１０を完全に埋め込み再
成長させることが困難である。この為、素子分離領域に
おける光の散乱損失や回折損失が大きく、受光素子とし
ての受光感度が制限されることが否めない。

【０００６】ちなみに前記受光素子領域と光減衰領域と
の間の結合効率は、例えば図４に示すように上記素子分
離用開口部Ａの分離幅ｚに大きく依存している。具体的
には前記光吸収層３の厚みｄ_PDを０.１μｍとした受光
素子にあっては、素子分離領域を設けない場合（分離幅
ｚが［０］）に比較して、上記分離幅ｚを３０μｍとし
た場合、その結合効率が［０.８４］から［０.２４］へ
と大幅に低下し、素子分離領域がその最小受光感度に大
きな制約を与えている。

【０００７】これに対して前記素子分離領域をドライエ
ッチングにより形成することが考えられる。しかしなが
らドライエッチングにより分離幅ｚが４μｍ以下の素子
分離用開口部Ａを形成したとしても、その狭い開口部Ａ
にＦe-ＩnＰ分離層１０を埋め込み再成長させることが
極めて困難である。本発明はこのような事情を考慮して
なされたもので、その目的は、受光素子領域の前段に光
減衰領域をモノリシックに集積した導波路型受光素子で
あって、上記受光素子領域と光減衰領域との結合効率を
十分に高め、その最小受光感度を大きくした導波路型受
光素子とその製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る導波路型受光素子は、受光素子領域の
前段に光減衰領域をモノリシックに集積したものであっ
て、特に上記受光素子領域と前記光減衰領域との間に、
多層導波路構造をなして該受光素子領域と光減衰領域と
を光学的に結合する電気的素子分離領域を設けたことを
特徴としている。

【０００９】即ち、本発明に係る導波路型受光素子は、
受光素子領域と光減衰領域との間に形成する電気的素子
分離領域自体を、該受光素子領域と光減衰領域とを光学
的に結合する多層導波路構造として実現することで該電
気的素子分離領域における光の散乱損失や回折損失を押
さえ、受光素子領域と光減衰領域との間の光結合効率を
高めることで、その最小受光感度を高めたことを特徴と
している。

【００１０】また本発明に係る導波路型受光素子の製造
方法は、基板上に多層導波路構造をなす電気的素子分離
層を成長させた後、該電気的素子分離層を部分的にエッ
チング除去して前記基板を露出させて、該基板上に前記
電気的素子分離層に光学的に結合させた導波路型の受光
素子領域および導波路型の光減衰領域を前記電気的素子
分離層を挟んでそれぞれ成長させることを特徴としてい
る。

【００１１】つまり基板上に先ず多層導波路構造をなす
電気的素子分離層を成長させた後、この電気的素子分離
層を挟んで導波路型の受光素子領域および導波路型の光
減衰領域をそれぞれモノリシックに成長させて導波路型
受光素子を製造することを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る導波路型受光素子とその製造方法につい
て説明する。図１は導波路型受光素子の製造方法をその
製造工程の手順に従って分解して示すもので、図２はこ
の製造手順に従って製造される導波路型受光素子の概略
的な素子構造を示している。図２に示すようにこの発明
に係る導波路型受光素子は、ｎ-ＩnＰ基板１１上に形成
した導波路型の受光素子領域ＰＤの前段に光減衰領域Ａ
ＴＴをモノリシックに集積すると共に、更に上記受光素
子領域ＰＤと光減衰領域ＡＴＴとの間に多層導波路構造
をなす電気的素子分離領域ＷＧを成長させ、この多層導
波路構造をなす素子分離領域ＷＧを介して前記受光素子
領域ＰＤと光減衰領域ＡＴＴとを光学的に結合させた素
子構造を有する。

【００１３】このような素子構造をなす導波路型受光素
子とその製造方法について説明すると、先ずｎ-ＩnＰ基
板１１を準備し、例えばＭＯＣＶＤ法により図１(ａ)に
示すように上記ｎ-ＩnＰ基板１１上に多層導波路型の素
子分離層１２を成長させる。この多層導波路構造をなす
素子分離層１２は、例えばｎ-ＩnＰ基板１１上に順次成
長させたＦeドープの半絶縁性ＩnＰクラッド層１２ａ、
Ｆeドープの半絶縁性ＧaＩnＡsＰ光減衰層１２ｂ、そし
てＦeドープの半絶縁性ＩnＰクラッド層１２ｃからな
る。

【００１４】次いで図１(ｂ)に示すように上記素子分離
層１２上に形成したＳiＮx膜１３ａをマスクとして前記
素子分離層１２を選択的にドライエッチングし、これに
よって露出させた前記ｎ-ＩnＰ基板１１上に図１(ｃ)に
示すように導波路型受光素子ＰＤをなすｎ-ＩnＰクラッ
ド層１４、ｉ-ＧaＩnＡs光吸収層１５、ｐ-ＩnＰクラッ
ド層１６、そしてｐ-ＧaＩnＡsコンタクト層１７からな
る多層膜を順に再成長させる。しかる後、その全面に成
膜したＳiＮx膜１３ｂを前記素子分離層１２の幅ｚが、
例えば４μｍとなるようにフォトリソグラフィによりパ
ターニングし、図１(ｄ)に示すように前記素子分離層１
２を選択的にドライエッチングする。

【００１５】次いで上記エッチングにより露出した前記
ｎ-ＩnＰ基板１１上に、図１(ｄ)に示すように導波路型
の光減衰領域ＡＴＴをなすｎ-ＩnＰクラッド層１８、ｉ
-ＧaＩnＡsＰ光減衰層１９、ｐ-ＩnＰクラッド層２０、
そしてｐ-ＧaＩnＡsコンタクト層２１を順に再成長させ
る。その後、所定のプロセスを経て、図２に示すように
その上面にｐ電極２２，また基板１１の裏面にｎ電極２
３をそれぞれ蒸着形成して導波路型受光素子が製作され
る。

【００１６】かくしてこのようにして製作される導波路
型受光素子によれば、受光素子領域ＰＤと光減衰領域Ａ
ＴＴとが多層導波路構造をなす素子分離層１２を介して
光学的に結合され、且つ電気的に分離された素子構造と
なる。しかも先にｎ-ＩnＰ基板１１上に成長させた素子
分離層１２をエッチングし、該素子分離層１２を挟んで
受光素子領域ＰＤと光減衰領域ＡＴＴとをそれぞれ成長
させた素子構造をなすので、該受光素子領域ＰＤと光減
衰領域ＡＴＴとの分離幅ｚを狭くする場合であっても、
その狭い領域に上記素子分離層１２を確実に位置付ける
ことが可能である。更には素子分離層１２自体が導波路
構造をなすので、素子分離層１２における光の散乱損失
や回折損失を十分に小さく抑えることができ、前記受光
素子領域ＰＤと光減衰領域ＡＴＴとの結合効率を略
［１］に高めることができる。この結果、最小受光感度
を０.８Ａ／Ｗ以上とする高感度な導波路型受光素子を
実現することが可能となる。しかも非常に簡単に、安価
に高感度な導波路型受光素子を製造することができる。
また最低受光感度を高め得る分、そのダイナミックレン
ジを広くし、低歪み動作化を図ることが可能となる等の
効果が奏せられる。

【００１７】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば素子分離層１２による受光素子
領域ＰＤと光減衰領域ＡＴＴとの分離幅ｚを更に広く設
定しても、該素子分離層１２自体が導波路をなすので実
用上、感度低下等の問題を招くことはない。またドライ
エッチングのみならず、ウェットエッチングにより前記
素子分離層１２をエッチングするようにしても良い。ま
たそのエッチングマスクとしてＳiＮｘ膜以外の絶縁膜
を用いることも勿論可能である。また実施形態において
は素子分離層１２のコア層を光減衰層としたが、受光素
子領域ＰＤと同一のＧaＩnＡs層からなる光吸収層とす
ることも可能である。

【００１８】更にはここではｎ-ＩnＰ基板１１上にＧa
ＩnＡsＰ系の受光素子を実現する例について示したが、
ｐ-ＩnＰ基板上に実施形態とは逆導電型の受光素子を実
現することも可能であり、ＧaＡs基板やＩnＰ基板上にI
II-Ｖ族、或いはII-Ｖ族の化合物半導体からなる受光素
子を生成する場合にも同様に適用可能である。更には受
光素子領域ＰＤおよび光減衰領域ＡＴＴ上に形成する電
極を分離させ、光減衰領域ＡＴＴを変調器として機能さ
せることも可能である。その他、本発明はその要旨を逸
脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、受
光素子領域と光減衰領域との結合効率を十分に高くして
素子分離領域に依存する制約を受けた最低受光感度を十
分に高くした導波路型受光素子を実現することができ
る。しかも導波路構造をなす素子分離領域を予め形成
し、該素子分離領域を挟んで受光素子領域と光減衰領域
とをそれぞれ形成すると言う簡易な手順により、高感度
で高性能な導波路型受光素子を安価に実現することがで
きる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る導波路型受光素子の
製造方法を、その工程手順に従って示す図。

【図２】本発明の一実施形態に係る導波路型受光素子の
概略的な素子構造を示す図。

【図３】従来の導波路型受光素子の製造方法を、その工
程手順に従って示す図。

【図４】従来の導波路型受光素子における受光素子領域
と光減衰領域との間の素子分離用開口部の分離幅ｚに依
存する結合効率の変化特性を示す図。

【符号の説明】

１１ ｎ-ＩnＰ基板 １２ 導波路型の素子分離領域 １２ａ Ｆeドープの半絶縁性ＩnＰクラッド層 １２ｂ Ｆeドープの半絶縁性ＧaＩnＡsＰ光減衰層 １２ｃ Ｆeドープの半絶縁性ＩnＰクラッド層 １３ａ,１３ｂ ＳiＮx膜（マスク） １４ ｎ-ＩnＰクラッド層 １５ ｉ-ＧaＩnＡs光吸収層 １６ ｐ-ＩnＰクラッド層 １７ ｐ-ＧaＩnＡsコンタクト層 １８ ｎ-ＩnＰクラッド層 １９ ｉ-ＧaＩnＡsＰ光減衰層 ２０ ｐ-ＩnＰクラッド層 ２１ ｐ-ＧaＩnＡsコンタクト層 ２２ ｐ電極 ２３ ｎ電極 ＰＤ 受光素子領域 ＡＴＴ 光減衰領域 ＷＧ 導波路型の素子分離領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 武治 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F049 MB07 NA01 NB01 PA04 PA14 QA03 QA08 QA11 RA06 SS04 SZ20 5F088 AA03 AB07 BA01 BB01 CB04 DA01 DA17 GA05 JA11

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波路型の受光素子領域の前段に光減衰
   領域をモノリシックに集積してなり、 上記受光素子領域と前記光減衰領域との間に、多層導波
   路構造をなして該受光素子領域と光減衰領域とを光学的
   に結合する電気的素子分離領域を設けたことを特徴とす
   る導波路型受光素子。
2. 【請求項２】 基板上に多層導波路構造をなす電気的素
   子分離層を成長させた後、該電気的素子分離層を部分的
   にエッチング除去して前記基板を露出させて、該基板上
   に前記電気的素子分離層に光学的に結合させた導波路型
   の受光素子領域および導波路型の光減衰領域を前記電気
   的素子分離層を挟んでそれぞれ成長させることを特徴と
   する導波路型受光素子の製造方法。