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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-141112(P2021-141112A)
(43)【公開日】2021年9月16日
(54)【発明の名称】半導体受光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 31/107 20060101AFI20210820BHJP
G02B 6/12 20060101ALI20210820BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 B
G02B6/12 301
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】27
(21)【出願番号】特願2020-35037(P2020-35037)
(22)【出願日】2020年3月2日
(71)【出願人】
【識別番号】000154325
【氏名又は名称】住友電工デバイス・イノベーション株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100136722
【弁理士】
【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫
(74)【代理人】
【識別番号】100174399
【弁理士】
【氏名又は名称】寺澤 正太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100202566
【弁理士】
【氏名又は名称】秋枝 真実
(72)【発明者】
【氏名】米田 昌博
(72)【発明者】
【氏名】海老原 幸司
(72)【発明者】
【氏名】沖本 拓也
【テーマコード（参考）】
2H147
5F849
【Ｆターム（参考）】
2H147AB05
2H147BE22
2H147CB03
2H147EA12A
2H147EA12B
2H147EA12C
5F849AA07
5F849AB07
5F849AB17
5F849BA01
5F849BB01
5F849CB14
5F849DA02
5F849DA06
5F849FA05
5F849GA06
5F849JA09
(57)【要約】 （修正有）
【課題】アバランシェ増倍作用を有するフォトダイオード構造を備え、増倍層における空乏化幅を均一に近づけることができる半導体受光素子を提供する。【解決手段】半導体受光素子２Ａは、第１導電型の第１半導体層１０と、光導波路構造８０と、導波路型フォトダイオード構造１９と、を備える。光導波路構造８０は、光導波層８１と、クラッド層８２と、を含む。導波路型フォトダイオード構造１９は、光導波層８１と光結合された光吸収層１３と、光吸収層上に、第１導電型の第２半導体層１２と、第１導電型もしくはｉ型の増倍層１１と、第２導電型の第３半導体層１４と、を含む。光導波層８１は、光導波コア層８３と、第１半導体層１０と光導波コア層８３との間に設けられ、第２導電型の、第４半導体層８４と、を含む。第４半導体層８４は、光導波コア層８３と導波路型フォトダイオード構造１９との間に延在して第２半導体層１２及び増倍層１１と接する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層における第１領域上に設けられた光導波路構造と、
前記第１半導体層における前記第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層と、
前記光導波層上に設けられたクラッド層と、
を含み、
前記導波路型フォトダイオード構造は、
前記第１半導体層上に設けられ、前記第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有し、前記光導波層と光結合された光吸収層と、
前記光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、
前記増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、
を含み、
前記光導波路構造と前記導波路型フォトダイオード構造との界面を第１界面とし、前記第１半導体層と前記導波路型フォトダイオード構造との界面を第２界面とするとき、前記第１界面と前記第２界面との成す角が９０°よりも小さく、
前記光導波層は、
前記第１半導体層上に設けられ、第２導電型を有する第４半導体層と、
前記第４半導体層上に設けられた光導波コア層と、
を含み、
前記第４半導体層は、前記光導波コア層と前記導波路型フォトダイオード構造との間に延在して、前記第１界面において前記第２半導体層及び前記増倍層と接する、
半導体受光素子。
前記第１半導体層における第１領域上に設けられた光導波路構造と、
前記第１半導体層における前記第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層と、
前記光導波層上に設けられたクラッド層と、
を含み、
前記導波路型フォトダイオード構造は、
前記第１半導体層上に設けられ、前記第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有し、前記光導波層と光結合された光吸収層と、
前記光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、
前記増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、
を含み、
前記光導波路構造と前記導波路型フォトダイオード構造との界面を第１界面とし、前記第１半導体層と前記導波路型フォトダイオード構造との界面を第２界面とするとき、前記第１界面と前記第２界面との成す角が９０°よりも小さく、
前記光導波層は、
前記第１半導体層上に設けられ、第２導電型を有する第４半導体層と、
前記第４半導体層上に設けられた光導波コア層と、
を含み、
前記第４半導体層は、前記光導波コア層と前記導波路型フォトダイオード構造との間に延在して、前記第１界面において前記第２半導体層及び前記増倍層と接する、
半導体受光素子。
【請求項2】
前記第４半導体層における不純物濃度は、前記第３半導体層における不純物濃度よりも低い、
請求項１に記載の半導体受光素子。
請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項3】
前記導波路型フォトダイオード構造は、前記第１半導体層における前記第２領域と前記光吸収層との間に設けられ、前記第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型を有する第５半導体層を含み、
前記第５半導体層は、前記第１半導体層における前記第１領域と前記第４半導体層との間に延在している、
請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
前記第５半導体層は、前記第１半導体層における前記第１領域と前記第４半導体層との間に延在している、
請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項4】
前記導波路型フォトダイオード構造は、前記第１半導体層における前記第２領域と前記光吸収層との間に設けられ、前記第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型を有する第６半導体層を含む、
請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項5】
前記導波路型フォトダイオード構造に設けられた半導体パッシベーション膜を更に備え、
前記導波路型フォトダイオード構造において、前記光吸収層、前記第２半導体層、前記増倍層、及び前記第３半導体層は、前記第１領域と前記第２領域とが隣接する第１方向に延在するストライプメサ構造体を構成しており、
前記ストライプメサ構造体は、前記第１方向に延在する一対の第１側面を有し、
前記半導体パッシベーション膜は、前記一対の第１側面に接している、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
前記導波路型フォトダイオード構造において、前記光吸収層、前記第２半導体層、前記増倍層、及び前記第３半導体層は、前記第１領域と前記第２領域とが隣接する第１方向に延在するストライプメサ構造体を構成しており、
前記ストライプメサ構造体は、前記第１方向に延在する一対の第１側面を有し、
前記半導体パッシベーション膜は、前記一対の第１側面に接している、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項6】
前記第４半導体層における不純物濃度は、３×１０１６ｃｍ−３以下である、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項7】
前記第４半導体層におけるバンドギャップは、前記光吸収層におけるバンドギャップよりも大きく、且つ、前記第１半導体層におけるバンドギャップと等しいか、もしくは小さい、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項8】
第１導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられ、光を入射させるための第２側面を有するフォトダイオード構造と、
前記フォトダイオード構造に隣接して設けられた第７半導体層と、
を備え、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１半導体層上に設けられ、前記第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する光吸収層と、
前記光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層よりも低い不純物濃度の第２導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、
前記増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、
を含み、
前記第１半導体層及び前記フォトダイオード構造の界面を第３界面とするとき、前記第２側面と前記第３界面との成す角が９０°よりも小さく、
前記第７半導体層は、第２導電型を有し、前記第２側面において前記第２半導体層及び前記増倍層と接する、
半導体受光素子。
前記第１半導体層上に設けられ、光を入射させるための第２側面を有するフォトダイオード構造と、
前記フォトダイオード構造に隣接して設けられた第７半導体層と、
を備え、
前記フォトダイオード構造は、
前記第１半導体層上に設けられ、前記第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する光吸収層と、
前記光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層よりも低い不純物濃度の第２導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、
前記増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、
を含み、
前記第１半導体層及び前記フォトダイオード構造の界面を第３界面とするとき、前記第２側面と前記第３界面との成す角が９０°よりも小さく、
前記第７半導体層は、第２導電型を有し、前記第２側面において前記第２半導体層及び前記増倍層と接する、
半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、半導体光集積素子及びその製造方法に関する技術が開示されている。この文献に記載された半導体光集積素子は、半導体基板上に形成されたフォトダイオード領域と、フォトダイオード領域の側面に対してバットジョイント結合した光導波路領域とを備える。フォトダイオード領域は、ｎ型クラッド層上に順に積層された光吸収層及びｐ型クラッド層を含む。光導波路領域は、ｎ型クラッド層上に順に積層された光導波層及び上側クラッド層を含む。光導波層は、傾斜したバットジョイント側面に対する這い上がり部を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１３−１１０２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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レートを有する、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基板上に形成することにより作製される。
【0005】
たとえば上記光導波路型受光素子のように、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半導体受光素子には、高い受信感度が要求される場合がある。一つの解決策として、導波路型フォトダイオード構造にアバランシェ増倍作用を持たせることが考えられる。その場合、フォトダイオードを構成する光吸収層とその上の半導体層との間に、アバランシェ増倍のための増倍層を設けるとよい。しかしながら多くの場合、バットジョイント界面はウェットエッチングにより形成されるので、基板の主面に垂直な方向に対して傾斜している（例えば特許文献１を参照）。したがって、増倍層の側面もまた、該方向に対して傾斜することとなる。その場合、増倍層の側面付近においては他の部分と比較して空乏化が進まず、空乏化幅が他の部分と比較して狭くなってしまう。このため、増倍層の側面付近において他の部分よりも最大電界（Ｅｍａｘ）が大きくなり、エッジブレークダウンが発生し易くなるという問題がある。
【0006】
そこで、本開示は、アバランシェ増倍作用を有するフォトダイオード構造を備え、増倍層における空乏化幅を均一に近づけることができる半導体受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
一実施形態に係る半導体受光素子は、第１導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層における第１領域上に設けられた光導波路構造と、第１半導体層における第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、を備える。光導波路構造は、第１半導体層上に設けられた光導波層と、光導波層上に設けられたクラッド層と、を含む。導波路型フォトダイオード構造は、第１半導体層上に設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有し、光導波層と光結合された光吸収層と、光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、第２半導体層上に設けられ、第２半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、を含む。光導波路構造と導波路型フォトダイオード構造との界面を第１界面とし、第１半導体層と導波路型フォトダイオード構造との界面を第２界面とするとき、第１界面と第２界面との成す角が９０°よりも小さい。光導波層は、第１半導体層上に設けられた光導波コア層と、第１半導体層と光導波コア層との間に設けられ、第２導電型を有する第４半導体層と、を含む。第４半導体層は、光導波コア層と導波路型フォトダイオード構造との間に延在して、第１界面において第２半導体層及び増倍層と接する。
【0008】
別の実施形態に係る半導体受光素子は、第１導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層上に設けられ、光を入射させるための第２側面を有するフォトダイオード構造と、フォトダイオード構造に隣接して設けられた第７半導体層と、を備える。フォトダイオード構造は、第１半導体層上に設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する光吸収層と、光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、第２半導体層上に設けられ、第２半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、を含む。第１半導体層及びフォトダイオード構造の界面を第３界面とするとき、第２側面と第３界面との成す角が９０°よりも小さい。第７半導体層は、第２導電型を有し、第２側面において第２半導体層及び増倍層と接する。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、アバランシェ増倍作用を有するフォトダイオード構造を備え、増倍層の空乏化幅を均一に近づけることができる半導体受光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
［本開示の実施形態の説明］最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る半導体受光素子は、第１導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層における第１領域上に設けられた光導波路構造と、第１半導体層における第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、を備える。光導波路構造は、第１半導体層上に設けられた光導波層と、光導波層上に設けられたクラッド層と、を含む。導波路型フォトダイオード構造は、第１半導体層上に設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有し、光導波層と光結合された光吸収層と、光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、第２半導体層上に設けられ、第２半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、を含む。光導波路構造と導波路型フォトダイオード構造との界面を第１界面とし、第１半導体層と導波路型フォトダイオード構造との界面を第２界面とするとき、第１界面と第２界面との成す角が９０°よりも小さい。光導波層は、第１半導体層上に設けられた光導波コア層と、第１半導体層と光導波コア層との間に設けられ、第２導電型を有する第４半導体層と、を含む。第４半導体層は、光導波コア層と導波路型フォトダイオード構造との間に延在して、第１界面において第２半導体層及び増倍層と接する。
【0012】
この半導体受光素子では、導波路型フォトダイオード構造が増倍層及び第２半導体層を含む。増倍層は、第２導電型を有する第３半導体層と光吸収層との間に設けられたキャリア増倍層であって、第２半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型を有するか、またはアンドープである。第２半導体層は、増倍層と光吸収層との間に設けられた電界降下層であって、第１導電型を有する。このように、導波路型フォトダイオード構造が増倍層及び第２半導体層を含むことにより、アバランシェ増倍作用を有する導波路型フォトダイオード構造を好適に実現することができる。また、この半導体受光素子では、光導波路構造と導波路型フォトダイオード構造との界面を第１界面とし、第１半導体層と導波路型フォトダイオード構造との界面を第２界面とするとき、第１界面と第２界面との成す角が９０°より小さい。言い換えると、バットジョイント界面が第１半導体層の上面に垂直な方向に対して傾斜している。前述したように、増倍層の側面が同様に傾斜している場合、増倍層の側面付近においては他の部分と比較して空乏化が進まず、空乏化幅が他の部分と比較して狭くなってしまう。これに対し、この半導体受光素子では、第１半導体層と光導波コア層との間に、第２導電型を有する第４半導体層が設けられている。そして、第４半導体層は、光導波コア層と導波路型フォトダイオード構造との間に延在して、第１界面において増倍層及び第２半導体層と接する。この場合、逆バイアス印加時に、増倍層の側面付近の領域に対して第４半導体層からキャリアが補填されるので、増倍層の側面付近の空乏化幅が拡大される。すなわち、この半導体受光素子によれば、増倍層の空乏化幅を中央部分から側面付近にわたって均一に近づけることができるので、増倍層において部分的に最大電界（Ｅｍａｘ）が大きくなることを抑制し、エッジブレークダウンを発生しにくくすることができる。
【0013】
上記の半導体受光素子において、第４半導体層における不純物濃度は、第３半導体層における不純物濃度よりも低くてもよい。この構成により、第４半導体層における不純物濃度が第３半導体における不純物濃度以上である場合と比較して、第４半導体層に起因する光学ロスを低減できる。
【0014】
上記の半導体受光素子において、導波路型フォトダイオード構造は、第１半導体層における第２領域と光吸収層との間に設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型を有する第５半導体層を含み、第５半導体層は、第１半導体層における第１領域と第４半導体層との間に延在していてもよい。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５半導体層まで広がるので、第５半導体層が設けられない場合と比較して静電容量が小さくなり、ＣＲ時定数（Ｃ：容量、Ｒ：抵抗）をより小さくすることができる。その結果、より高速（広帯域）の高周波応答特性を実現することができる。
【0015】
上記の半導体受光素子において、導波路型フォトダイオード構造は、第１半導体層における第２領域と光吸収層との間に設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型を有する第６半導体層を含んでいてもよい。この場合、第６半導体層の厚さを調整することにより、光導波層の厚さ方向の中心位置と、光吸収層の厚さ方向の中心位置とを互いに精度よく合わせることができる。故に、光吸収層が薄膜化された場合であっても、光吸収層と光導波層とのモードフィールド不整合に起因する結合損失を低減することができる。
【0016】
上記の半導体受光素子は、導波路型フォトダイオード構造に設けられた半導体パッシベーション膜を更に備え、導波路型フォトダイオード構造において、光吸収層、第２半導体層、増倍層、及び第３半導体層は、第１領域と第２領域とが隣接する第１方向に延在するストライプメサ構造体を構成しており、ストライプメサ構造体は、第１方向に延在する一対の第１側面を有し、半導体パッシベーション膜は、一対の第１側面に接していてもよい。この場合、導波路型フォトダイオード構造のうち、ストライプメサ構造体の各第１側面には、第４半導体層が接していない。これにより、導波路伝搬光を高い結合効率で導波路型フォトダイオード構造の側面へ入射させることができる。
【0017】
上記の半導体受光素子において、第４半導体層における不純物濃度は、３×１０１６ｃｍ−３以下であってもよい。この場合、逆バイアス印加時の空乏化領域が第４半導体層へ広がり、導波路型フォトダイオード構造の側面電界の増加を抑えることができる。また、光伝搬時に生じる不純物に起因した自由キャリア吸収損失を抑えることができ、光導波路の透過率を向上させることができる。
【0018】
上記の半導体受光素子において、第４半導体層におけるバンドギャップは、光吸収層におけるバンドギャップよりも大きく、且つ、第１半導体層におけるバンドギャップと等しいかもしくは小さくてもよい。この場合、第４半導体層の屈折率は、少なくとも第１半導体層の屈折率と等しいか、それよりも大きくなるため、導波路内の伝搬光の閉じ込め効果を損なうことなく、伝搬光を導波路型フォトダイオード構造の側面へ入射させることができる。
【0019】
別の実施形態に係る半導体受光素子は、第１導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層上に設けられ、光を入射させるための第２側面を有するフォトダイオード構造と、フォトダイオード構造に隣接して設けられた第７半導体層と、を備える。フォトダイオード構造は、第１半導体層上に設けられ、第１半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する光吸収層と、光吸収層上に設けられ、第１導電型を有する第２半導体層と、第２半導体層上に設けられ、第２半導体層よりも低い不純物濃度の第１導電型もしくはｉ型の導電型を有する増倍層と、増倍層上に設けられ、第２導電型を有する第３半導体層と、を含む。第１半導体層及びフォトダイオード構造の界面を第３界面とするとき、第２側面と第３界面との成す角が９０°よりも小さい。第７半導体層は、第２導電型を有し、第２側面において第２半導体層及び増倍層と接する。
【0020】
この半導体受光素子においても、上述した半導体受光素子における導波路型フォトダイオード構造と同様、フォトダイオード構造が増倍層及び第２半導体層を含む。これにより、アバランシェ増倍作用を有するフォトダイオード構造を好適に実現することができる。また、この半導体受光素子では、フォトダイオード構造に隣接して、第２導電型を有する第７半導体層が設けられている。そして、第７半導体層は、第２側面において増倍層及び第２半導体層と接する。この場合においても、逆バイアス印加時に、増倍層の側面付近の領域に対して第７半導体層からキャリアが補填されるので、増倍層の側面付近の空乏化幅が拡大される。すなわち、この半導体受光素子によれば、増倍層の空乏化幅を中央部分から側面付近にわたって均一に近づけることができるので、増倍層において部分的に最大電界（Ｅｍａｘ）が大きくなることを抑制し、エッジブレークダウンを発生しにくくすることができる。
【0021】
［本開示の実施形態の詳細］本開示の実施形態に係る半導体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。以下の説明においては、同一要素または同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。なお、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１×１０１５ｃｍ−３以下といった極めて低い濃度であることをいう。
【0022】
（第１実施形態）本開示の一実施形態は、高速・大容量光通信システムで使用されるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に関するものであり、導波路型構造による高速・感度性能と高信頼性実現に関するものである。また、デジタルコヒーレント光通信システムで使用される９０°ハイブリッド機能がモノリシックに集積された多チャネル集積受光素子に関するものであり、ＡＰＤ構造集積による高感度性能と高信頼性実現に関するものである。
【0023】
図１は、第１実施形態に係る半導体受光素子としての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線に沿った断面を示している。図５は、図１に示されたＶ−Ｖ線に沿った断面を示している。なお、図５では、絶縁膜１６，１７の図示を省略している。
【0024】
図１に示すように、本実施形態における受光デバイス１Ａは、光導波路型受光素子２Ａと、信号増幅部３Ａ，３Ｂとを備えている。光導波路型受光素子２Ａ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２Ａは、２つの入力ポート４ａ，４ｂと、光分岐部（光カプラ）５とを有する。また、光導波路型受光素子２Ａは、該基板上に形成された受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと、キャパシタ部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄとを更に有する。すなわち、光導波路型受光素子２Ａは、光導波路と受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，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。
【0025】
光導波路型受光素子２Ａは、所定の方向Ａに沿って延びる一対の端縁２ａ，２ｂを有する。２つの入力ポート４ａ，４ｂは、光導波路型受光素子２Ａ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。
【0026】
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，Ｌｃ２，Ｌｃ３，Ｌｃ４それぞれに分岐する。なお、これら４つの信号成分Ｌｃ１，Ｌｃ２，Ｌｃ３，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。
【0027】
受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、アバランシェ増倍型の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２Ａ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，６ｂ，６ｃ，６ｄそれぞれは、光導波路部８ｃ，８ｄ，８ｅ，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，６ｂ，６ｃ，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，６ｂ，６ｃ，６ｄそれぞれは、４つの信号成分Ｌｃ１，Ｌｃ２，Ｌｃ３，Ｌｃ４それぞれを光分岐部５から受け、これら信号成分Ｌｃ１，Ｌｃ２，Ｌｃ３，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２Ａ上には、受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，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，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが設けられている。信号出力用電極パッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、光導波路型受光素子２Ａ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，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，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，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄそれぞれと電気的に接続されている。
【0028】
キャパシタ部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、半導体からなる下地層、この下地層の上に積層された下部金属層及び上部金属層、及び下部金属層と上部金属層との間に挟まれた絶縁膜（図２に示す絶縁膜１７）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。下部金属層及び上部金属層は、例えばＴｉＷ／ＡｕもしくはＴｉ／Ａｕ／Ｐｔといった積層構造を有する。キャパシタ部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄそれぞれは、光導波路型受光素子２Ａ上において受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄそれぞれに対し方向Ａ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，６ｂ，６ｃ，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と、基準電位配線（ＧＮＤ線）との間に電気的に接続される。すなわち、上部金属層に覆われていない下部金属層の部分上には、絶縁膜１７に開口が形成されている。該開口から露出した下部金属層上にはバイアス配線４２（図２を参照）が設けられており、下部金属層はバイアス配線４２と電気的に接続されている。また、上部金属層上には基準電位（ＧＮＤ）配線が設けられており、上部金属層は基準電位配線と電気的に接続されている。これらのキャパシタ部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによって、受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，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。
【0029】
キャパシタ部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄそれぞれは、下部金属層に接続されたバイアス電圧側電極パッド２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄそれぞれと、上記他方の金属層に接続された基準電位側電極パッド２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄそれぞれとを有する。基準電位側電極パッド２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，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，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと光導波路型受光素子２Ａの端縁２ｂとの間に配置されている。
【0030】
バイアス電圧側電極パッド２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄそれぞれには、ボンディングワイヤ２０ｉ，２０ｊ，２０ｋ，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，２０ｊ，２０ｋ，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，２０ｊ，２０ｋ，２０ｍは、受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，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。
【0031】
基準電位側電極パッド２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄそれぞれには、ボンディングワイヤ２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，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，２０ｆ，２０ｇ，２０ｈは、ボンディングワイヤ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに沿って設けられており、ボンディングワイヤ２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，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，６２ｆそれぞれに接続されている。
【0032】
信号増幅部３Ａ及び３Ｂは、受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，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，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄは、光導波路型受光素子２Ａ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，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄそれぞれを介して信号出力用電極パッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄそれぞれと電気的に接続されている。
【0033】
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を更に有する。基準電位用電極パッド６２ａ，６２ｂ，６２ｃは、光導波路型受光素子２Ａ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を更に有する。基準電位用電極パッド６２ｄ，６２ｅ，６２ｆは、光導波路型受光素子２Ａ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，２０ｆ，２０ｇ，２０ｈそれぞれを介して基準電位側電極パッド２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄそれぞれと電気的に接続されている。
【0034】
図２には４つの受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，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。図４には６つの光導波路部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆのうち１つの光導波路部８ｆの断面構造が示されているが、他の光導波路部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅの断面構造もこれと同様である。図５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。
【0035】
図５に示すように、受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ及び光導波路部８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆは、共通の基板９上に集積されている。基板９は、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板である。受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，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に示すように、受光素子部６ｄは、基板９上に設けられた高濃度のｎ型の導電型（第１導電型）を有する半導体層１０と、ｎ型半導体層１０の領域Ｄ（第２領域、図５参照）上に設けられた導波路型フォトダイオード構造１９とを有する。
【0036】
導波路型フォトダイオード構造１９は、ｎ型半導体層１０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（第２導電型）を有する半導体層１４、及びｐ型半導体層１４上に設けられたｐ型の導電型を有するコンタクト層１５を有する。更に、導波路型フォトダイオード構造１９は、光吸収層１３とｐ型半導体層１４との間に設けられた増倍層１１、及び増倍層１１と光吸収層１３との間に設けられたｎ型電界制御層１２を有する。ｎ型半導体層１０は本実施形態における第１半導体層であり、ｎ型電界制御層１２は本実施形態における第２半導体層であり、ｐ型半導体層１４は本実施形態における第３半導体層である。
【0037】
ｎ型半導体層１０は、ｎ型オーミック電極４１（図３を参照）とオーミック接触を成す。ｎ型半導体層１０は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。ｎ型半導体層１０のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上である。ｎ型半導体層１０の厚さは、例えば１μｍ以上２μｍ以下である。
【0038】
光吸収層１３は、ｎ型半導体層１０よりも低い不純物濃度のｎ型、もしくはｉ型（アンドープ）の導電型を有する。光吸収層１３は、例えばＳｉドーピング濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下である低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、もしくはアンドープＩｎＧａＡｓ層である。光吸収層１３の厚さは、例えば０．１μｍ以上０．４μｍ以下である。ｐ型半導体層１４は、例えばＺｎドープＩｎＰ層である。ｐ型半導体層１４のＺｎドーピング濃度は、例えば２×１０１７ｃｍ−３以上である。ｐ型半導体層１４の厚さは、例えば１μｍ以上２．５μｍ以下である。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１×１０１８ｃｍ−３以上である。ｐ型コンタクト層１５の厚さは、例えば０．１μｍ以上０．３μｍ以下である。
【0039】
増倍層１１は、ホール注入型のキャリア増倍層であって、ｎ型半導体層１０よりも低い不純物濃度のｎ型、もしくはｉ型（アンドープ）の導電型を有する。本実施形態において、増倍層１１の不純物濃度は、ｐ型半導体層１４の不純物濃度よりも低く、且つｎ型電界制御層１２の不純物濃度よりも低い。増倍層１１は、例えばアンドープＩｎＰ層である。増倍層１１の厚さは、例えば０．０５０μｍ以上０．２００μｍ以下である。
【0040】
ｎ型電界制御層１２は、光吸収層１３の電界を降下するために設けられる層である。ｎ型電界制御層１２は、光吸収層１３よりも高い不純物濃度のｎ型の導電型を有する。ｎ型電界制御層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、且つ、ｎ型半導体層１０におけるバンドギャップと等しいか、もしくは小さい。ｎ型電界制御層１２は、例えばＳｉドープＩｎＰ層、またはＳｉドープＩｎＡｌＧａＡｓ層である。ｎ型電界制御層１２のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３以上である。ｎ型電界制御層１２の厚さは、例えば０．０２５μｍ以上０．１００μｍ以下である。
【0041】
なお、光吸収層１３とｎ型電界制御層１２との間に、両層間のヘテロエネルギー障壁（ΔＥｖ，ΔＥｃ）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の導電型は、アンドープか、もしくはＳｉドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下のｎ型である。また、ｐ型半導体層１４とｐ型コンタクト層１５との間に、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は、例えばドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である２層のＺｎドープＩｎＧａＡｓＰからなる。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。
【0042】
受光素子部６ｄは、導波路型フォトダイオード構造１９に設けられた半導体パッシベーション膜１８を更に有する。導波路型フォトダイオード構造１９において、ｎ型半導体層１０の一部、光吸収層１３、ｎ型電界制御層１２、増倍層１１、ｐ型半導体層１４、及びｐ型コンタクト層１５は、所定の光導波方向（第１方向）に延びるストライプメサ構造体を構成しており、このストライプメサ構造体は、該光導波方向に延びる一対の側面１９ａ（第１側面）を有する。本実施形態において、光導波方向は、方向Ａと交差（直交）する方向Ｂである（図１参照）。半導体パッシベーション膜１８は、この一対の側面１９ａのそれぞれにおける全面に接している。半導体パッシベーション膜１８は、両側の側面１９ａにおいて導波路型フォトダイオード構造１９を埋め込む埋込領域を構成している。半導体パッシベーション膜１８は、例えばアンドープＩｎＰ、もしくはドーピング濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下であるＺｎドープＩｎＰといった半絶縁性材料からなる。光導波方向と直交する方向（図１における方向Ａ）におけるストライプメサ構造体の幅は、例えば１．５μｍ以上３μｍ以下である。ストライプメサ構造体の高さは、例えば２μｍ以上３．５μｍ以下である。
【0043】
受光素子部６ｄは、２層の絶縁膜１６，１７を更に有する。絶縁膜１６，１７は、ストライプメサ構造体の上面から半導体パッシベーション膜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ＳｉＯ２）膜である。また、絶縁膜１６，１７は、ストライプメサ構造体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。
【0044】
ｐ型オーミック電極３１は、例えばＡｕＺｎもしくは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（図１における方向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もしくは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。
【0045】
絶縁膜１６，１７は、受光素子部６ｄのメサ構造から離れたｎ型半導体層１０の上にも、別の開口を有する。該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｎ型半導体層１０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もしくはＡｕＧｅＮｉとｎ型半導体層１０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。バイアス配線４２は、キャパシタ部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。
【0046】
キャパシタ部７ｄは、基板９上に順に積層された、絶縁膜１６、下部金属層、絶縁膜（層間膜）１７、及び上部金属層を有する。キャパシタを構成する上下部の金属層は、例えばＴｉＷ／ＡｕもしくはＴｉ／Ａｕ／Ｐｔといった積層構造からなる。上部金属層に覆われていない下部金属層の部分上では、絶縁膜１７に開口が形成されている。該開口から露出した下部金属層上には、バイアス配線４２が設けられている。バイアス配線４２は、光導波方向（図１における方向Ｂ）において光導波路型受光素子２Ａの端縁２ｂから遠ざかる向きに延びており、下部金属層とバイアス電圧側電極パッド２２ｄとを電気的に接続する。また、上部金属層上には、基準電位側電極パッド２３ｄに繋がる配線が設けられている。この配線は、光導波方向において光導波路型受光素子２Ａの端縁２ｂに近づく向きに延びており、基準電位側電極パッド２３ｄに接続する。
【0047】
基板９にはビア５１が設けられている。ビア５１は、金属製の導電材であり、例えばＡｕメッキである。ビア５１は、基板９の表（おもて）面から裏面まで貫通して設けられている。キャパシタ部７ｄの上部金属層は、基準電位側電極パッド２３ｄを介して、表面側のビア５１の一端と電気的に接続されている。裏面側のビア５１の他端は、信号増幅部３Ａ及び３Ｂと共通の基準電位線（ＧＮＤ電位線）に接続される。
【0048】
なお、バイアス配線４２、及び基準電位側電極パッド２３ｄに繋がる配線は、例えばＴｉＷ／ＡｕもしくはＴｉ／Ａｕ／Ｐｔといった積層構造を有する。基準電位側電極パッド２３ｄ、バイアス電圧側電極パッド２２ｄ、及びビア５１は、例えばＡｕメッキによって形成される。
【0049】
続いて、光導波路部の断面構造について説明する。図４及び図５に示すように、光導波路部８ｆは、基板９上に設けられたｎ型半導体層１０と、ｎ型半導体層１０の領域Ｄと光導波方向（図１における方向Ｂ）に隣接する領域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型半導体層１０上に設けられた光導波層８１と、光導波層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。
【0050】
ｎ型半導体層１０は、受光素子部６ｄと共通の半導体層であり、光導波路部８ｆにおいては下部クラッド層として機能する。ｎ型半導体層１０は、受光素子部６ｄにおける基板９上から、光導波路部８ｆにおける基板９上にわたって設けられている。光導波路部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆにおけるｎ型半導体層１０の組成、ドーピング濃度及び厚さは、受光素子部６ｄと同じである。
【0051】
図５に示すように、光導波路部８ｆと受光素子部６ｄとは互いにバットジョイント結合を成しており、光導波層８１と光吸収層１３とは互いに接している。これにより、光導波層８１と光吸収層１３とは互いに光学的に結合されている。バットジョイント界面は、例えばウェットエッチングにより形成される。故に、バットジョイント界面は、ｎ型半導体層１０の上面１０ａ（すなわちｎ型半導体層１０と光吸収層１３との界面）に垂直な方向に対して傾斜している。言い換えると、光導波路構造８０と導波路型フォトダイオード構造１９との界面を第１界面Ｃ１とし、ｎ型半導体層１０の領域Ｄと導波路型フォトダイオード構造１９との界面を第２界面Ｃ２とするとき、第１界面Ｃ１と第２界面Ｃ２との成す角θは９０°より小さい。第１界面Ｃ１と第２界面Ｃ２との成す角θは、例えば２５°以上６０°以下である。
【0052】
光導波層８１は、光導波コア層８３と、ｐ型の導電型を有する半導体層８４（第４半導体層）とを含んで構成されている。ｐ型半導体層８４はｎ型半導体層１０の領域Ｅ上に設けられ、光導波コア層８３はｐ型半導体層８４上に設けられている。すなわち、ｐ型半導体層８４は、ｎ型半導体層１０の領域Ｅと光導波コア層８３との間に設けられている。
【0053】
光導波コア層８３は、屈折率がｎ型半導体層１０よりも大きく且つｎ型半導体層１０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８３のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は１．０５μｍである。光導波コア層８３の厚さは、例えば０．３μｍ以上０．５μｍ以下である。
【0054】
ｐ型半導体層８４は、屈折率がｎ型半導体層１０よりも大きく且つｎ型半導体層１０と格子整合できる材料からなる。また、ｐ型半導体層８４におけるバンドギャップは、光吸収層１３におけるバンドギャップよりも大きく、且つ、ｎ型半導体層１０におけるバンドギャップと等しいか、もしくは小さい。ｐ型半導体層８４の材料は、例えばＩｎＧａＡｓＰである。一例では、ｐ型半導体層８４のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は光導波コア層８３と等しく、例えば１．０５μｍである。また、ｐ型半導体層８４の不純物濃度は、ｐ型半導体層１４の不純物濃度よりも低い。ｐ型半導体層８４は、例えばＺｎドーピング濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下である低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層である。ｐ型半導体層８４のうち、領域Ｅ上の部分の厚さは、例えば０．０５０μｍ以上０．２００μｍ以下である。
【0055】
ｐ型半導体層８４は、光導波コア層８３と導波路型フォトダイオード構造１９との間に延在している。ｐ型半導体層８４は、第１界面Ｃ１に沿って導波路型フォトダイオード構造１９の側面上を這い上がっており、第１界面Ｃ１において、光吸収層１３、ｎ型電界制御層１２、増倍層１１、及びｐ型半導体層１４と接している。ｐ型半導体層８４のうち、増倍層１１と隣接する部分の厚さは、例えば０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。
【0056】
クラッド層８２は、屈折率が光導波層８１よりも小さく且つ光導波層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以上３μｍ以下であり、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。
【0057】
図４に示すように、ｎ型半導体層１０の一部、光導波層８１、及びクラッド層８２は、所定の光導波方向（図１における方向Ｂ）に延びるメサ構造を構成している。ｎ型半導体層１０及びクラッド層８２と光導波層８１との屈折率差、並びにこのメサ構造によって、光導波層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に覆われることによって保護されている。
【0058】
以上の構成を備える本実施形態の光導波路型受光素子２Ａによって得られる効果について説明する。この光導波路型受光素子２Ａでは、導波路型フォトダイオード構造１９が増倍層１１及びｎ型電界制御層１２を含む。増倍層１１は、ｐ型半導体層１４と光吸収層１３との間に設けられたキャリア増倍層であって、ｎ型電界制御層１２よりも低い不純物濃度のｐ型の導電型を有するか、またはアンドープである。ｎ型電界制御層１２は、増倍層１１と光吸収層１３との間に設けられた電界降下層であって、ｎ型の導電型を有する。このように、導波路型フォトダイオード構造１９が増倍層１１及びｎ型電界制御層１２を含むことにより、アバランシェ増倍作用を有する導波路型フォトダイオード構造１９を好適に実現することができる。
【0059】
ここで、図６は、比較例としての光導波路型受光素子１０２の構造を示す断面図であって、図１のＶ−Ｖ線に対応する断面を示している。図７は、比較例における空乏化幅及び電界強度を説明するための図である。この光導波路型受光素子１０２は、光導波路構造８０に代えて光導波路構造８０Ｘを備える点において光導波路型受光素子２Ａと相違し、その他の点において光導波路型受光素子２Ａと同様に構成されている。光導波路構造８０Ｘは、光導波層８１Ｘとクラッド層８２とを含んで構成されている。光導波層８１Ｘは、光導波コア層のみからなり、ｐ型半導体層８４を有していない。光導波層８１Ｘを構成する光導波コア層は、光導波コア層８３と同じ材料（例えばＩｎＧａＡｓＰ）からなる。また、光導波層８１Ｘを構成する光導波コア層のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は光導波コア層８３と等しい。
【0060】
多くの場合、バットジョイント界面はウェットエッチングにより形成されるので順メサ構造となり、基板９の主面に垂直な方向に対してフォトダイオード側に傾斜する。従って、増倍層１１の側面もまた、同様に傾斜することとなる。図７の（ａ）は、このような場合の増倍層１１の側面付近を拡大して示す図である。図中の破線で囲まれた領域は、空乏化された領域を表している。増倍層１１の側面１１ｊが傾斜している場合、その傾斜角度に応じて、ｎ型電界制御層１２と増倍層１１との界面の光導波方向における長さが、光吸収層１３と増倍層１１との界面の同方向における長さよりも短くなる。故に、逆バイアスを印加する際、増倍層１１の側面１１ｊ付近の領域において負電荷が不足し、増倍層１１の他の部分と比較して空乏化が進まず、当該領域の空乏化幅Ｗｓが、他の部分の空乏化幅Ｗｃと比較して狭くなってしまう。
【0061】
図７の（ｂ）は、厚み方向における電界強度の変化を示す図であって、グラフＧ１１は増倍層１１の側面１１ｊ付近の電界強度の変化を表し、グラフＧ１２は増倍層１１の他の領域における電界強度の変化を表す。図７の（ｂ）に示すように、上記の空乏化幅Ｗｓ，Ｗｃの関係故に、増倍層１１の側面１１ｊ付近の最大電界Ｅｍａｘ１は、増倍層１１の他の部分の最大電界Ｅｍａｘ２よりも大きくなる。従って、バットジョイント界面においてエッジブレークダウンが発生し易くなり、また、側面１１ｊ付近の領域に増倍電流が集中するため信頼性が低下するといった問題が生じる。
【0062】
このような問題に対し、本実施形態の光導波路型受光素子２Ａでは、ｐ型半導体層８４が、光導波コア層８３と導波路型フォトダイオード構造１９との間に延在して、第１界面Ｃ１において増倍層１１及びｎ型電界制御層１２と接している。図８は、第１実施形態における空乏化幅及び電界強度を説明するための図であり、図８の（ａ）は、このような場合の増倍層１１の側面付近を拡大して示す図である。図中の破線で囲まれた領域は、空乏化された領域を表している。ｐ型半導体層８４が、光導波コア層８３と導波路型フォトダイオード構造１９との間に延在している場合、逆バイアス印加時に、増倍層１１の側面１１ｊ付近の領域に対してｐ型半導体層８４からキャリアが補填される。これにより、同図に示されるように、増倍層１１の側面１１ｊ付近の空乏化幅Ｗｓが拡大される。故に、空乏化幅がバットジョイント界面まで均一に近づき、側面１１ｊの傾斜に起因する空乏化幅のばらつきは低減される。すなわち、本実施形態の光導波路型受光素子２Ａによれば、増倍層１１の空乏化幅を均一に近づけることができる。
【0063】
図８の（ｂ）は、増倍層１１の厚み方向における電界強度の変化を示す図である。本実施形態によれば、増倍層１１の側面１１ｊ付近の最大電界Ｅｍａｘは、増倍層１１の他の部分の最大電界と同等になる。すなわち、増倍層１１において部分的に最大電界Ｅｍａｘが大きくなることを抑制することができる。従って、エッジブレークダウンを発生しにくくすることができ、また増倍電流の集中による信頼性の低下を回避することができる。
【0064】
また、本実施形態のように、ｐ型半導体層８４における不純物濃度は、ｐ型半導体層１４における不純物濃度よりも低くてもよい。この構成により、ｐ型半導体層８４における不純物濃度がｐ型半導体層１４における不純物濃度以上である場合と比較して、ｐ型半導体層８４に起因する光学ロスを低減できる。
【0065】
本実施形態のように、光導波路型受光素子２Ａは、導波路型フォトダイオード構造１９に設けられた半導体パッシベーション膜１８を更に備えていてもよい。導波路型フォトダイオード構造１９において、光吸収層１３、ｎ型電界制御層１２、増倍層１１、ｐ型半導体層１４は、光導波方向（図１における方向Ｂ）に延在するストライプメサ構造体を構成しており、このストライプメサ構造体は、該光導波方向に延在する一対の側面１９ａを有していてもよい。半導体パッシベーション膜１８は、一対の側面１９ａに接していてもよい。この場合、導波路型フォトダイオード構造１９のうち、ストライプメサ構造体の各側面１９ａには、ｐ型半導体層８４が接していない。これにより、導波路伝搬光を高い結合効率で導波路型フォトダイオード構造１９の側面へ入射させることができる。
【0066】
本実施形態のように、ｐ型半導体層８４における不純物濃度は、３×１０１６ｃｍ−３以下であってもよい。この構成により、逆バイアス印加時の空乏化領域がｐ型半導体層８４へ広がり、導波路型フォトダイオード構造１９の側面電界の増加を抑えることができる。また、光伝搬時に生じる不純物に起因した自由キャリア吸収損失を抑えることができ、導波路の透過率を向上させることができる。
【0067】
本実施形態のように、ｐ型半導体層８４におけるバンドギャップは、光吸収層１３のバンドギャップよりも大きく、且つ、ｎ型半導体層１０におけるバンドギャップと等しいか、もしくは小さくてもよい。この構成により、ｐ型半導体層８４の屈折率は、少なくともｎ型半導体層１０の屈折率と等しいか、それよりも大きくなるため、導波路内の伝搬光の閉じ込め効果を損なうことなく、導波路型フォトダイオード構造１９の側面へ伝搬光を入射させることができる。
【0068】
（第１変形例）図９は、上記実施形態の第１変形例に係る光導波路型受光素子２Ｂの構造を示す断面図であって、図１のＶ−Ｖ線に対応する断面を示している。光導波路型受光素子２Ｂは、導波路型フォトダイオード構造１９に代えて導波路型フォトダイオード構造１９Ｂを備える点において光導波路型受光素子２Ａと相違し、その他の点において光導波路型受光素子２Ａと同様に構成されている。導波路型フォトダイオード構造１９Ｂは、導波路型フォトダイオード構造１９の構成に加えて、バッファ層８５（第５半導体層）を更に備えている。
【0069】
バッファ層８５は、ｎ型半導体層１０と光吸収層１３との間に設けられており、ｎ型半導体層１０の領域Ｄ上から領域Ｅ上にわたって延在している。バッファ層８５の導電型は、ｎ型半導体層１０よりも低い不純物濃度のｎ型か、またはアンドープである。バッファ層８５は例えばＳｉドープＩｎＰ層である。バッファ層８５のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以下である。バッファ層８５の厚さは、例えば０．０５０μｍ以上０．３００μｍ以下である。光導波路部８ｆにおいて、バッファ層８５は、ｐ型半導体層８４とｎ型半導体層１０との間に設けられ、第２の下部クラッド層として機能する。
【0070】
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からバッファ層８５まで広がるので、バッファ層８５が設けられない場合と比較して静電容量が小さくなり、ＣＲ時定数をより小さくすることができる。その結果、より高速（広帯域）の高周波応答特性を実現することができる。
【0071】
（第２変形例）図１０は、上記実施形態の第２変形例に係る光導波路型受光素子２Ｃの構造を示す断面図であって、図１のＶ−Ｖ線に対応する断面を示している。光導波路型受光素子２Ｃは、導波路型フォトダイオード構造１９に代えて導波路型フォトダイオード構造１９Ｃを備える点において光導波路型受光素子２Ａと相違し、その他の点において光導波路型受光素子２Ａと同様に構成されている。導波路型フォトダイオード構造１９Ｃは、導波路型フォトダイオード構造１９の構成に加えて、ヘテロ障壁緩和層８６（第６半導体層）を更に備えている。
【0072】
ヘテロ障壁緩和層８６は、ｎ型半導体層１０の領域Ｄと光吸収層１３との間に設けられており、ｎ型半導体層１０の領域Ｅ上には延在していない。ヘテロ障壁緩和層８６は、ｎ型半導体層１０と光吸収層１３との間のヘテロエネルギー障壁を緩和するために設けられる。
【0073】
ヘテロ障壁緩和層８６の導電型は、ｎ型半導体層１０よりも低い不純物濃度のｎ型か、またはアンドープである。ヘテロ障壁緩和層８６のバンドギャップは、光吸収層１３のバンドギャップとｎ型半導体層１０のバンドギャップとの間である。本変形例では、ヘテロ障壁緩和層８６のバンドギャップは、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップとＩｎＰのバンドギャップとの間である。ヘテロ障壁緩和層８６は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓＰ層であり、そのバンドギャップ波長は例えば１．２５μｍまたは１．４０μｍである。或いは、ヘテロ障壁緩和層８６は、バンドギャップ波長が連続的に変化する組成グレーデッド（傾斜）層であってもよい。ヘテロ障壁緩和層８６のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以下である。ヘテロ障壁緩和層８６の厚さは、例えば０．０２５μｍ以上０．１００μｍ以下である。
【0074】
本変形例では、ヘテロ障壁緩和層８６の厚さを調整することにより、光導波層８１（すなわち、光導波コア層８３及びｐ型半導体層８４）の厚さ方向の中心位置と、光吸収層１３の厚さ方向の中心位置とを互いに精度よく合わせることができる。故に、光導波路型受光素子２Ｃの高速化のために光吸収層１３が薄膜化された場合であっても、光吸収層１３と光導波層８１とのモードフィールド不整合に起因する結合損失を低減することができ、高感度化との両立を実現することができる。
【0075】
（第３変形例）図１１は、上記実施形態の第３変形例に係る光導波路型受光素子２Ｄの構造を示す断面図であって、図１のＶ−Ｖ線に対応する断面を示している。光導波路型受光素子２Ｄは、上記実施形態のホール注入型の増倍層１１を、電子注入型の増倍層１１１に変更した構成を備える。なお、以下に説明する点を除いて、光導波路型受光素子２Ｄの構成は、上記実施形態の光導波路型受光素子２Ａと同様である。
【0076】
具体的に説明すると、光導波路型受光素子２Ｄの受光素子部６ｄは、基板９上に設けられた高濃度のｐ型の導電型（第１導電型）を有する半導体層１０１と、ｐ型半導体層１０１の領域Ｆ（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１１９とを有する。導波路型フォトダイオード構造１１９は、ｐ型半導体層１０１上に設けられた光吸収層１１３、光吸収層１１３上に設けられたｎ型の導電型（第２導電型）を有する半導体層１１４、及びｎ型半導体層１１４上に設けられたｎ型コンタクト層１１５を有する。更に、導波路型フォトダイオード構造１１９は、光吸収層１１３とｎ型半導体層１１４との間に設けられた増倍層１１１、及び増倍層１１１と光吸収層１１３との間に設けられたｐ型電界制御層１１２を有する。ｐ型半導体層１０１は本実施形態における第１半導体層であり、ｐ型電界制御層１１２は本実施形態における第２半導体層であり、ｎ型半導体層１１４は本実施形態における第３半導体層である。
【0077】
ｐ型半導体層１０１は、ｐ型オーミック電極（不図示）とオーミック接触を成す。ｐ型半導体層１０１は、例えばＺｎドープＩｎＰ層である。ｐ型半導体層１０１のＺｎドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３以上である。ｐ型半導体層１０１の厚さは、例えば１μｍ以上２μｍ以下である。
【0078】
光吸収層１１３は、ｐ型半導体層１０１よりも低い不純物濃度のｐ型、もしくはｉ型（アンドープ）の導電型を有する。光吸収層１１３は、例えばＺｎドーピング濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下である低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、もしくはアンドープＩｎＧａＡｓ層である。光吸収層１１３の厚さは、例えば０．１μｍ以上０．４μｍ以下である。ｎ型半導体層１１４は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。ｎ型半導体層１１４のＳｉドーピング濃度は、例えば２×１０１７ｃｍ−３以上である。ｎ型半導体層１１４の厚さは、例えば１μｍ以上２．５μｍ以下である。ｎ型コンタクト層１１５は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。ｎ型コンタクト層１１５のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３以上である。ｎ型コンタクト層１１５の厚さは、例えば０．１μｍ以上０．３μｍ以下である。ｎ型コンタクト層１１５の上には、ｎ型オーミック電極１３１が設けられている。
【0079】
増倍層１１１は、電子注入型のキャリア増倍層であって、ｐ型半導体層１０１よりも低い不純物濃度のｐ型、もしくはｉ型（アンドープ）の導電型を有する。本実施形態において、増倍層１１１の不純物濃度は、ｎ型半導体層１１４の不純物濃度よりも低く、且つｐ型電界制御層１１２の不純物濃度よりも低い。増倍層１１１は、例えばＺｎドープＩｎＡｌＡｓ層である。増倍層１１１のＺｎドーピング濃度は、例えば３×１０１６ｃｍ−３以下である。増倍層１１１の厚さは、例えば０．０５０μｍ以上０．２００μｍ以下である。
【0080】
ｐ型電界制御層１１２は、光吸収層１１３の電界を降下するために設けられる層である。ｐ型電界制御層１１２は、光吸収層１１３よりも高い不純物濃度のｐ型の導電型を有する。ｐ型電界制御層１１２のバンドギャップは、光吸収層１１３のバンドギャップよりも大きく、且つ、ｐ型半導体層１０１におけるバンドギャップと等しいか、もしくは小さい。ｐ型電界制御層１１２は、例えばＺｎドープＩｎＰ層、またはＺｎドープＩｎＡｌＧａＡｓ層である。ｐ型電界制御層１１２のＺｎドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３以上である。ｐ型電界制御層１１２の厚さは、例えば０．０２５μｍ以上０．１００μｍ以下である。
【0081】
なお、光吸収層１１３とｐ型電界制御層１１２との間に、両層間のヘテロエネルギー障壁（ΔＥｖ，ΔＥｃ）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の導電型は、アンドープか、もしくはＺｎドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下のｐ型である。また、ｎ型半導体層１１４とｎ型コンタクト層１１５との間に、ｎ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は、例えばドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である２層のＳｉドープＩｎＧａＡｓＰからなる。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。
【0082】
本変形例においても、受光素子部６ｄは、導波路型フォトダイオード構造１１９上に設けられた半導体パッシベーション膜１８（図３参照）を更に有する。導波路型フォトダイオード構造１１９において、ｐ型半導体層１０１の一部、光吸収層１１３、ｐ型電界制御層１１２、増倍層１１１、ｎ型半導体層１１４、及びｎ型コンタクト層１１５は、所定の光導波方向（第１方向）に延びるストライプメサ構造体を構成しており、このストライプメサ構造体は、該光導波方向に延びる一対の側面（第１側面）を有する。本変形例においても、光導波方向は、方向Ａと交差（直交）する方向Ｂである（図１参照）。半導体パッシベーション膜１８は、この一対の側面のそれぞれにおける全面に接している。つまり、この一対の側面は、側面１９ａと同様に、半導体パッシベーション膜１８からなる埋込領域によって埋め込まれている。
【0083】
ｎ型オーミック電極１３１は、例えばＡｕＺｎもしくはＰｔとｎ型コンタクト層１１５との合金からなる。そして、ｎ型オーミック電極１３１上には、配線１３２が設けられている。配線１３２は、光導波方向に沿って延びており、ｎ型オーミック電極１３１と信号出力用電極パッド２１ｄとを電気的に接続する。配線１３２は例えばＴｉＷ／ＡｕもしくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった積層構造を有する。
【0084】
光導波路型受光素子２Ｄの光導波路部８ｆは、ｐ型半導体層１０１と、ｐ型半導体層１０１の領域Ｆと光導波方向（図１における方向Ｂ）に隣接する領域Ｇ（第２領域）上に設けられた光導波路構造１８０とを含んで構成されている。ｐ型半導体層１０１は、受光素子部６ｄにおける基板９上から、光導波路部８ｆにおける基板９上にわたって設けられている。ｐ型半導体層１０１は、光導波路部８ｆと共通の半導体層であり、光導波路部８ｆにおいては下部クラッド層として機能する。本変形例においても、光導波路部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆにおけるｐ型半導体層１０１の組成、ドーピング濃度及び厚さは、受光素子部６ｄと同じである。
【0085】
光導波路構造１８０は、光導波路構造８０における光導波層８１を光導波層１８１に変更した構成を備える。光導波層１８１は、光導波層８１におけるｐ型半導体層８４を、ｎ型の導電型を有する半導体層１８４（第４半導体層）に変更した構成を備える。ｎ型半導体層１８４は、ｐ型半導体層１０１の領域Ｇ上に設けられ、光導波コア層８３はｎ型半導体層１８４上に設けられている。すなわち、ｎ型半導体層１８４は、光導波層８１におけるｐ型半導体層８４と同様に、ｐ型半導体層１０１の領域Ｇと光導波コア層８３との間に設けられている。
【0086】
ｎ型半導体層１８４は、屈折率がｐ型半導体層１０１よりも大きく且つｐ型半導体層１０１と格子整合できる材料からなる。また、ｎ型半導体層１８４におけるバンドギャップは、光吸収層１１３におけるバンドギャップよりも大きく、且つ、ｐ型半導体層１０１におけるバンドギャップと等しいか、もしくは小さい。ｎ型半導体層１８４の材料は、例えばＩｎＧａＡｓＰである。一例では、ｎ型半導体層１８４のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は光導波コア層８３と等しく、例えば１．０５μｍである。また、ｎ型半導体層１８４の不純物濃度は、ｎ型半導体層１１４の不純物濃度よりも低い。ｎ型半導体層１８４は、例えばＳｉドーピング濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下である低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層である。ｎ型半導体層１８４のうち、領域Ｇ上の部分の厚さは、例えば０．０５０μｍ以上０．２００μｍ以下である。
【0087】
ｎ型半導体層１８４は、本実施形態においても、光導波コア層８３と導波路型フォトダイオード構造１１９との間に延在している。ｎ型半導体層１８４は、第１界面Ｃ１に沿って導波路型フォトダイオード構造１１９の側面上を這い上がっており、第１界面Ｃ１において、光吸収層１１３、ｐ型電界制御層１１２、増倍層１１１、及びｎ型半導体層１１４と接している。ｎ型半導体層１８４のうち、増倍層１１１と隣接する部分の厚さは、例えば０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。
【0088】
上記実施形態では、ホールのイオン化率（β）が電子のイオン化率（α）よりも大きいホール注入型の増倍層１１を例示したが、本変形例のように、αがβよりも大きい電子注入型の増倍層１１１を備える構成であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【0089】
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。上記実施形態では、共通の基板９上に光導波路部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ及び受光素子部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが集積された構成を例示したが、基板９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。
【0090】
また、上述した実施形態及び各変形例では、４位相偏移変調（ＱＰＳＫ）や直交振幅変調（ＱＡＭ，Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いるコヒーレント検波方式で使用される集積受光素子に本発明を適用する場合を示したが、ＮＲＺ（Ｎｏｎ−Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）やＰＡＭ４（４値パルス振幅変調）といった強度変調信号を直接検波する光導波路型受光素子に本発明を適用してもよい。
【0091】
図１２は、そのような光導波路型受光素子の例を示す平面図である。図１２に示す光導波路型受光素子２Ｅは、半絶縁性の基板９（図１２では不図示）と、基板９上に設けられたｎ型半導体層１０と、ｎ型半導体層１０上に設けられた光導波路部８及び受光素子部６とを備える。光導波路部８は、上述した実施形態及び各変形例のうちいずれかの光導波路構造８０を有する。受光素子部６は、上述した実施形態及び各変形例のうちいずれかの導波路型フォトダイオード構造１９（１９Ｂ，１９Ｃ）を有する。更に、この光導波路型受光素子２Ｅは、上述した増倍層１１及びｎ型電界制御層１２を備える。
【0092】
なお、この例では、基準電位側電極パッド２３とｐ型オーミック電極上の配線とが、ワイヤ７１を介して電気的に接続されている。また、ｎ型オーミック電極上に設けられたバイアス配線は、光導波路部８及び受光素子部６の両側に設けられた一対のバイアス電圧側電極パッド２２ｅ，２２ｆと電気的に接続されている。本変形例においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【0093】
（第２実施形態）次に、第２実施形態に係る半導体受光素子を説明する。図１３は、第２実施形態に係る半導体受光素子２Ｆの構造を示す断面図である。本実施形態における半導体受光素子が用いられる受光デバイスにおいては、受光素子部が、光導波路部とは独立して、単独で基板９上に設けられている。図１３に示されるように、半導体受光素子２Ｆは、第１実施形態における光導波路構造８０を備えていない。半導体受光素子２Ｆは、第１実施形態における導波路型フォトダイオード構造１９を、フォトダイオード構造１９Ｆに変更した構成を備える。また、半導体受光素子２Ｆは、フォトダイオード構造１９Ｆに隣接して設けられた半導体層８７（第７半導体層）を備える。なお、以下に説明する点を除いて、半導体受光素子２Ｆは、上記実施形態の光導波路型受光素子２Ａと同様に構成されていてよい。
【0094】
フォトダイオード構造１９Ｆは、導波路型フォトダイオード構造１９と同様、ｎ型の導電型（第１導電型）を有する半導体層１０上に設けられた光吸収層１３、光吸収層１３上に設けられ、ｐ型の導電型（第２導電型）を有するｐ型半導体層１４、及びｐ型半導体層１４上に設けられたｐ型コンタクト層１５を有する。更に、フォトダイオード構造１９Ｆは、光吸収層１３とｐ型半導体層１４との間に設けられた増倍層１１、及び増倍層１１と光吸収層１３との間に設けられたｎ型電界制御層１２を有する。ｎ型半導体層１０は本実施形態における第１半導体層であり、ｎ型電界制御層１２は本実施形態における第２半導体層であり、ｐ型半導体層１４は本実施形態における第３半導体層である。
【0095】
フォトダイオード構造１９Ｆにおいて、光吸収層１３、ｎ型電界制御層１２、増倍層１１、ｐ型半導体層１４、及びｐ型コンタクト層１５は、所定の方向（以下では、「光軸方向」という。）に延びるメサ構造を構成している。フォトダイオード構造１９Ｆは、光を入射させるための側面１９ｂ（第２側面）を有する。側面１９ｂは、このメサ構造において光軸方向と交差する面である。側面１９ｂは、ｎ型半導体層１０の上面（すなわちｎ型半導体層１０と光吸収層１３との界面）に垂直な方向に対して傾斜している。言い換えると、ｎ型半導体層１０とフォトダイオード構造１９Ｆとの界面を第３界面Ｃ３とするとき、側面１９ｂと第３界面Ｃ３との成す角θは９０°より小さい。
【0096】
半導体層８７は、ｐ型の導電型を有し、屈折率がｎ型半導体層１０よりも大きく且つｎ型半導体層１０と格子整合できる材料からなる。ｐ型半導体層８７におけるバンドギャップは、光吸収層１３におけるバンドギャップよりも大きく、且つ、ｎ型半導体層１０におけるバンドギャップと等しいか、もしくは小さい。ｐ型半導体層８７の材料は、例えばＩｎＧａＡｓＰである。一例では、ｐ型半導体層８７のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は１．０５μｍである。ｐ型半導体層８７は、例えばＺｎドーピング濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下である低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層である。ｐ型半導体層８７の不純物濃度は、ｐ型半導体層１４の不純物濃度よりも低い。
【0097】
ｐ型半導体層８７は、フォトダイオード構造１９Ｆの側面１９ｂ上に設けられ、側面１９ｂに沿って延在している。ｐ型半導体層８７は、導波路型フォトダイオード構造１９の側面１９ｂ上を這い上がっており、側面１９ｂにおいて、光吸収層１３、ｎ型電界制御層１２、増倍層１１、及びｐ型半導体層１４と接している。ｐ型半導体層８７のうち、増倍層１１と隣接する部分の厚さは、例えば０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。
【0098】
上述した第１実施形態では、光導波路構造８０と導波路型フォトダイオード構造１９とが共通の基板９上に集積された光導波路型受光素子２Ａを例示したが、本実施形態に係る半導体受光素子２Ｆのように、光導波路構造８０とは独立して、単独で基板９上に設けられたフォトダイオード構造１９Ｆを備える構成であっても、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【0099】
この半導体受光素子２Ｆにおいても、上述した光導波路型受光素子２Ａにおける導波路型フォトダイオード構造１９と同様、フォトダイオード構造１９Ｆが増倍層１１及びｎ型電界制御層１２を含む。増倍層１１は、ｐ型半導体層１４と光吸収層１３との間に設けられたキャリア増倍層であって、ｎ型半導体層１０よりも低い不純物濃度のｎ型の導電型を有するか、またはアンドープである。ｎ型電界制御層１２は、増倍層１１と光吸収層１３との間に設けられた電界降下層であって、ｎ型の導電型を有する。このように、フォトダイオード構造１９Ｆが増倍層１１及びｎ型電界制御層１２を含むことにより、アバランシェ増倍作用を有するフォトダイオード構造１９Ｆを好適に実現することができる。
【0100】
また、この半導体受光素子２Ｆにおいても、フォトダイオード構造１９Ｆの側面１９ｂが基板９の主面に垂直な方向に対して傾斜している。従って、増倍層１１の側面もまた、同様に傾斜することとなる。このため、ｎ型電界制御層１２と増倍層１１との界面の光導波方向における長さが、光吸収層１３と増倍層１１との界面の同方向における長さよりも短くなる。故に、逆バイアスを印加する際、増倍層１１の側面付近の領域において負電荷が不足し、増倍層１１の他の部分と比較して空乏化が進まず、当該領域の空乏化幅Ｗｓが、他の部分の空乏化幅Ｗｃと比較して狭くなってしまう。従って、側面１９ｂにおいてエッジブレークダウンが発生し易くなり、また、増倍層１１の側面付近の領域に増倍電流が集中するため信頼性が低下するといった問題が生じる。
【0101】
このような問題に対し、本実施形態の半導体受光素子２Ｆでは、側面１９ｂ上に設けられたｐ型半導体層８７が、側面１９ｂにおいて増倍層１１及びｎ型電界制御層１２と接している。この場合においても、逆バイアス印加時に、増倍層１１の側面付近の領域に対してｐ型半導体層８７からキャリアが補填される。これにより、増倍層１１の側面付近の空乏化幅が拡大される。故に、増倍層１１において、空乏化幅が中央部分から側面付近にわたって均一となり、側面の傾斜に起因する空乏化幅のばらつきは生じない。すなわち、本実施形態の半導体受光素子２Ｆによれば、増倍層１１の空乏化幅を均一に近づけることができる。従って、増倍層１１において部分的に最大電界（Ｅｍａｘ）が大きくなることを抑制し、エッジブレークダウンを発生しにくくすることができ、また増倍電流の集中による信頼性の低下を回避することができる。
【0102】
なお、本実施形態においては、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である構成を例示して説明したが、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であっても、本実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【0103】
また、上述した各実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、各半導体層の具体的な組成は、上記の例示に限定されない。また、上記の例示では、基板９上にｎ型半導体層１０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、ｎ型半導体層１０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ｎ型半導体層１０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。
【符号の説明】
【0104】
１Ａ…受光デバイス２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ…光導波路型受光素子（半導体受光素子）
２Ｆ…半導体受光素子
２ａ，２ｂ…端縁
３Ａ，３Ｂ…信号増幅部
４ａ，４ｂ…入力ポート
５…光分岐部
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ…受光素子部
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…キャパシタ部
８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ…光導波路部
９…基板
１０…ｎ型半導体層（第１半導体層）
１０ａ…上面
１１…増倍層
１１ｊ…側面
１２…ｎ型電界制御層（第２半導体層）
１３…光吸収層
１４…ｐ型半導体層（第３半導体層）
１５…ｐ型コンタクト層
１６，１７…絶縁膜
１８…半導体パッシベーション膜
１９，１９Ｂ，１９Ｃ…導波路型フォトダイオード構造
１９Ｆ…フォトダイオード構造
１９ａ…側面（第１側面）
１９ｂ…側面（第２側面）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，２０ｈ，２０ｉ，２０ｊ，２０ｋ，２０ｍ…ボンディングワイヤ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…信号出力用電極パッド
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ…バイアス電圧側電極パッド
２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，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
５１…ビア
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ…信号入力用電極パッド
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ…基準電位用電極パッド
７１…ワイヤ
８０，８０Ｘ…光導波路構造
８１，８１Ｘ…光導波層
８２…クラッド層
８３…光導波コア層
８４…ｐ型半導体層（第４半導体層）
８５…バッファ層（第５半導体層）
８６…ヘテロ障壁緩和層（第６半導体層）
８７…ｐ型半導体層（第７半導体層）
１０１…ｐ型半導体層（第１半導体層）
１０２…光導波路型受光素子
１１１…増倍層
１１２…ｐ型電界制御層（第２半導体層）
１１３…光吸収層
１１４…ｎ型半導体層（第３半導体層）
１１５…ｎ型コンタクト層
１１９…導波路型フォトダイオード構造
１３１…ｎ型オーミック電極
１３２…配線
１８０…光導波路構造
１８１…光導波層
１８４…ｎ型半導体層（第４半導体層）
Ｃ１…第１界面
Ｃ２…第２界面
Ｃ３…第３界面
Ｄ，Ｆ…領域（第２領域）
Ｅ，Ｇ…領域（第１領域）
Ｇ１１，Ｇ１２…グラフ
Ｌａ…光信号
Ｌｂ…局部発振光
Ｌｃ１，Ｌｃ２，Ｌｃ３，Ｌｃ４…信号成分
Ｗｓ，Ｗｃ…空乏化幅