特許 6127103 半導体受光素子及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6127103

(24)【登録日】2017年4月14日

(45)【発行日】2017年5月10日

(54)【発明の名称】半導体受光素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20170424BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20170424BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 A

   H01L31/02 D

【請求項の数】9

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-192580(P2015-192580)

(22)【出願日】2015年9月30日

(65)【公開番号】特開2017-69359(P2017-69359A)

(43)【公開日】2017年4月6日

【審査請求日】2015年9月30日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２５年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】小野 英輝

【審査官】 山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−２１１２０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１７１００５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−２２０２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２６７７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Z. ZHOU et al.，Normal incidence p-i-n heterojunction photodiodes on Si substrate grown by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition，OPTICS COMMUNICATIONS，２０１０年 ９月１５日，Vol.283，No.18，pp.3404-3407

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０３９２、３１／０８−３１／１２

Ｇ０Ｂ ６／１２−６／１４

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

下クラッド層と、
前記下クラッド層上に設けられた、上面に勾配が形成された導波層と、
前記勾配が形成された導波層の上面上に設けられた、該導波層の格子定数よりも格子定数が大きい光吸収層と
を備え、該導波層の見かけ上の格子定数が該光吸収層の格子定数よりも大きいことにより、前記光吸収層に引っ張り歪みが加えられているＴＭモード受光素子、及び、
下クラッド層と、
前記下クラッド層上に設けられた、上面に勾配が形成されていない導波層と、
前記勾配が形成されていない導波層の上面上に設けられた、該導波層の格子定数よりも格子定数が大きい光吸収層と
を備え、該光吸収層に圧縮歪みが加えられているＴＥモード受光素子
が光の伝播方向に直列に配置されている
ことを特徴とする導波路型の半導体受光素子。

【請求項2】

前記勾配の向きが一定である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。

【請求項3】

前記勾配の向きが複数存在する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。

【請求項4】

前記勾配と前記下クラッド層とのなす角が少なくとも４度である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項5】

前記導波層を構成する材料がシリコンであり、
前記光吸収層を構成する材料がゲルマニウムである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項6】

シリコン基板上に、酸化シリコン層及びシリコン層が順に設けられたＳＯＩ基板の、前記シリコン層のＴＭモード受光素子形成領域の上面に、勾配を形成する工程と、
前記シリコン層をパターニングして導波層を形成する工程と、
前記導波層上に、該導波層の格子定数よりも格子定数が大きい光吸収層を形成する工程と
を備え、
前記ＴＭモード受光素子領域では、該導波層の見かけ上の格子定数を大きくすることにより、前記光吸収層に引っ張り歪みが加えられており、
勾配が形成されていない、ＴＥモード受光素子形成領域では、前記光吸収層に圧縮歪みが加えられている
ことを特徴とする導波路型の半導体受光素子の製造方法。

【請求項7】

前記勾配を形成する工程が、
グレートーンマスク又はハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにより、勾配を有するレジストを形成する工程と、
前記レジストを用いて前記シリコン層をドライエッチングする工程と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。

【請求項8】

前記勾配を形成する工程において、
前記シリコン層の上面に、シリコンをエピタキシャル成長させる
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。

【請求項9】

前記勾配と前記酸化シリコン層とのなす角が少なくとも４度である
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の半導体受光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光ファイバ通信において用いられる導波路型の半導体受光素子とその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、小型化や量産性に有利な受光素子の開発に当たり、Ｓｉ（シリコン）を細線導波路の材料として用いるＳｉ細線導波路が注目を集めている。

【0003】

Ｓｉ細線導波路では、実質的に光の伝送路となる導波層コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ（ＳｉＯ_２）等を材料としたクラッドで、導波層コアの周囲を覆う。このような構成により、導波層コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、導波層コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、受光素子全体の小型化に有利である。

【0004】

また、Ｓｉ細線導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

【0005】

ところで、Ｓｉ細線導波路に集積される光電子デバイスとして、ＰＩＮ構造のフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤとも称する。）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。ＰＩＮ−ＰＤは、例えば以下のようにＳｉ細線導波路に集積される。先ず、Ｓｉのコアに対して、不純物添加することにより、Ｐ型又はＮ型の導電性を付与する。次に、Ｓｉのコア上に例えば、Ｇｅ（ゲルマニウム）を積層する。その後、Ｇｅの表面に不純物添加することにより、Ｓｉのコアと逆の導電性を付与する。すなわち、ＳｉがＰ型の場合は、ＧｅをＮ型とし、ＳｉがＮ型の場合は、ＧｅをＰ型とする。この結果、Ｐ型の領域とＮ型の領域の間にＩ型領域と呼ばれる真性半導体領域が存在するＰＩＮ−ＰＤが得られる。

【0006】

一般にＰ型領域、Ｉ型領域及びＮ型領域が積層された構造の縦型のＰＩＮ−ＰＤは、基板上に光吸収層をエピタキシャル成長させて形成される。このとき、光吸収層に残留する歪みによってＰＤの受光効率に偏波依存性が生じることが知られている。無歪み又は圧縮歪みを持つ光吸収層は、ＴＥモードの受光効率が高く、引っ張り歪みを持つ光吸収層はＴＭモードの受光効率が高い（例えば、特許文献１参照）。

【0007】

このため、特許文献１に開示されている受光器では、ＩｎＰ基板上に光吸収層としてＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させたＰＤに対して、無歪み又は圧縮歪み光吸収層を前段に配置し、引っ張り歪み光吸収層を後段に配置している。無歪み又は圧縮歪み光吸収層では、ＴＥモード光が吸収され、ＴＭモード光は透過し、引っ張り歪み光吸収層では、ＴＭモード光が吸収されるので、受信感度が偏波無依存化される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平５−２６７７０９号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ， Ｖｏｌ．１５， Ｎｏ．２１，２００７、ｐｐ．１３９６５〜１３９７１

【非特許文献2】応用物理、第７２巻、第３号、２００３、ｐｐ．２７３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、この特許文献１に開示されている技術は、３元又は４元の化合物半導体を用いたＰＤには適用可能であるが、Ｓｉ基板上にＧｅをエピタキシャル成長させた光吸収層を有するＰＤには適用できない。この理由は以下の通りである。

【0011】

ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長させるＩｎＧａＡｓ光吸収層のＩｎとＧａの組成（Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ）を制御することにより、格子定数をＧａＡｓ（ｘ＝０）の５．６５３ÅからＩｎＡｓ（ｘ＝１）の６．０６Åまで変えることができる。ｘ＝０．５３のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓのとき、格子定数が５．８６８７ÅのＩｎＰと位相整合する。従って、ｘを０．５３よりも小さくするとＩｎＰよりも格子定数が小さくなり、ＩｎＧａＡｓに引っ張り歪みを入れることができる。また、ｘを０．５３よりも大きくするとＩｎＰよりも格子定数が大きくなり、ＩｎＧａＡｓに圧縮歪みを入れることができる。

【0012】

これに対し、Ｓｉ基板上にＧｅをエピタキシャル成長させる場合は、Ｓｉ基板の格子定数が５．４４Åであるのに対し、Ｇｅの格子定数が５．６５Åであるため、Ｇｅには圧縮歪みしか入れることができない。

【0013】

このように、特許文献１に開示されている、無歪み又は圧縮歪み光吸収層を前段に配置し、引っ張り歪み光吸収層を後段に配置することにより、受信感度を偏波無依存化する技術は、Ｓｉ基板上にＧｅをエピタキシャル成長させるＰＤには適用できない。発明者らが行った受信感度の測定結果によれば、ＴＥモード光では、受信感度が０．７４Ａ／Ｗであり、ＴＭモード光では、受信感度が０．５６Ａ／Ｗであり、約１．２ｄＢの偏波依存性が存在する。

【0014】

この出願に係る発明者は、鋭意検討の結果、Ｓｉの導波層の上面に勾配を形成し、その勾配が形成された導波層上にＧｅ層を設けることにより、光吸収層であるＧｅ層に引っ張り歪みを入れることができることを見出した。

【0015】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対する、受光効率の偏波依存性を小さくし、入射される光の偏波状態によらず一定の出力電流を得ることができる、半導体受光素子とその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上述した目的を達成するために、この発明の導波路型の半導体受光素子は、下クラッド層と、導波層と、光吸収層とを備えて構成されるＴＭモード受光素子と、下クラッド層と、導波層と、光吸収層とを備えて構成されるＴＭモード受光素子とが光の伝播方向に直列に配置されて構成されている。
ＴＭモード受光素子では、導波層は、下クラッド層上に設けられていて、上面に勾配が形成されている。光吸収層は、導波層の勾配が形成された上面上に設けられていて導波層の格子定数よりも格子定数が大きい。なお、導波層の上面に勾配が形成されていることにより、導波層の見かけ上の格子定数が光吸収層の格子定数よりも大きく、その結果、光吸収層に引っ張り歪みが加えられている。
ＴＥモード受光素子では、導波層は、下クラッド層上に設けられていて、上面に勾配が形成されていない。光吸収層は、導波層の勾配が形成されていない上面上に設けられていて、導波層の格子定数よりも格子定数が大きい。なお、導波層の上面に勾配が形成されていないため、光吸収層の格子定数が導波層の格子定数よりも大きく、その結果、光吸収層に圧縮歪みが加えられている。

【0017】

また、この発明の半導体受光素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、シリコン基板上に、酸化シリコン層及びシリコン層が順に設けられたＳＯＩ基板の、シリコン層のＴＭモード受光素子形成領域の上面に、勾配を形成する。次に、シリコン層をパターニングして導波層を形成する。次に、導波層上に、導波層の格子定数よりも格子定数が大きい光吸収層を形成する。
ここで、ＴＭモード受光素子領域では、導波層の見かけ上の格子定数を大きくすることにより、光吸収層に引っ張り歪みが加えられている。また、勾配が形成されていない、ＴＥモード受光素子形成領域では、光吸収層に圧縮歪みが加えられている。

【発明の効果】

【0018】

この発明の導波路型の半導体受光素子とその製造方法によれば、光吸収層に引っ張り歪みが加えられている。

【0019】

従来、Ｓｉ基板上にＧｅをエピタキシャル成長させる場合、ＧｅにはＴＥモード光の受光効率が高い圧縮歪みしか入れることができなかったため、偏波依存性が存在してしまう。これに対し、この発明では、ＧｅにＴＭモード光の受光効率の高い引っ張り歪みを加えることができるので、受信感度を偏波無依存化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１受光素子の模式的な斜視図である。

【図2】第１受光素子の切断端面を示す図である。

【図3】第１受光素子の動作を説明するための模式図である。

【図4】第１受光素子の製造方法を説明するための工程図（１）である。

【図5】第１受光素子の製造方法を説明するための工程図（２）である。

【図6】第２受光素子の構造を説明するための模式的な切断端面図である。

【図7】第２受光素子の製造方法を説明するための工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

【0022】

（第１受光素子の構成）
図１及び図２を参照して、第１実施形態の半導体受光素子（以下、第１受光素子とも称する。）の構成について説明する。

【0023】

図１は、第１受光素子の模式的な斜視図である。第１受光素子は、導波層と、導波層の周囲にクラッド等を備えて構成されるが、図１では、クラッドなど他の構成要素の図示を一部省略している。

【0024】

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、第１受光素子の切断端面を示す図である。図２（Ａ）は、図１のＩ−Ｉ線に沿って取った切断端面を示し、図２（Ｂ）は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った切断端面を示している。また、図２（Ｃ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って取った切断端面を示し、第１受光素子１０では、ＴＭモード受光素子１０ＡとＴＥモード受光素子１０Ｂが光の伝播方向（図中、＋ｚ方向）に沿って、直列に配置されている。

【0025】

先ず、ＴＭモード受光素子１０Ａと、ＴＥモード受光素子１０Ｂに共通する構成について説明する。第１受光素子１０は、支持基板１２と、下クラッド層１４と、導波層１６と、光吸収層４２と、上クラッド層１８とを備えて構成される。

【0026】

支持基板１２は、例えば、厚さ５２５μｍのシリコン（Ｓｉ）基板である。下クラッド層１４は、支持基板１２上に形成されている。下クラッド層１４は、例えば厚さ３μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層である。

【0027】

導波層１６は、下クラッド層１４上に形成されている。導波層１６は、例えば、厚さ３００ｎｍのＳｉ層である。導波層１６には、低濃度の不純物が添加された低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２が形成されている。低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２に添加される不純物は、例えば、ホウ素（Ｂ）であり、その濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３である。

【0028】

光吸収層４２は、導波層１６の低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２上に形成されている。光吸収層４２は、導波層１６の勾配に直角方向の厚さが、例えば１μｍ程度であるゲルマニウム（Ｇｅ）層である。

【0029】

低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２の光吸収層４２が形成されていない領域の一部には、低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２よりも高濃度の不純物が添加された高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４が形成されている。高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４に添加される不純物は、例えば、ホウ素（Ｂ）であり、その濃度は、例えば、１×１０^２０ｃｍ^−３である。

【0030】

また、光吸収層４２の上側の領域に、高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４が形成されている。高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４に添加される不純物は、例えば、リン（Ｐ）であり、その濃度は、例えば、１×１０^２０ｃｍ^−３である。

【0031】

上クラッド層１８は、下クラッド層１４、導波層１６及び光吸収層４２上に形成されている。上クラッド層１８は、例えば光吸収層４２上の厚さ１μｍのＳｉＯ_２層である。

【0032】

高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４及び高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４上には、それぞれコンタクト電極５０が形成され、コンタクト電極５０上にはパット電極５２が形成されている。導波層１６及び光吸収層４２は、上クラッド層１８で覆われているが、コンタクト電極５０上のパット電極５２は露出している。

【0033】

次に、ＴＭモード受光素子１０Ａと、ＴＥモード受光素子１０Ｂの互いに相違する構成について説明する。

【0034】

ＴＭモード受光素子１０Ａでは、導波層１６の、光吸収層４２が形成されている領域の上面３２ａに、勾配が形成されている。この勾配と下クラッド層１４とのなす角θａは、少なくとも４度である。Ｓｉの導波層１６の勾配が形成された上面上にＧｅの光吸収層４２を選択成長させると、勾配が形成されている領域のＳｉの、見かけ上の格子定数が大きくなる。このため、Ｇｅの光吸収層４２に引っ張り歪みを加えることができる。

【0035】

非特許文献２によると、Ｇｅの格子定数５．６５Åに近い格子定数（５．６５３Å）のＧａＡｓを、上面に２〜４度の勾配が形成されたＳｉ上に成長させると、格子整合した、欠陥の無いＧａＡｓ膜を得られることが記載されている。

【0036】

Ｇｅについても同様に考えることができるので、Ｇｅを上面に２〜４度の勾配が形成されたＳｉ上に成長させると、格子整合した、欠陥の無いＧｅ層が得られることになる。そして、さらに勾配を大きくして、４度以上にすれば、Ｇｅ層に引っ張り歪みが加えられる。

【0037】

一方、ＴＥモード受光素子１０Ｂでは、導波層１６の、光吸収層４２が形成されている領域の上面３２ｂに、勾配が形成されていない。すなわち、導波層１６の上面と、下クラッド層１４とのなす角θｂは０度であり、互いに平行となっている。この場合、Ｓｉの導波層１６の格子定数は５．４３Åであり、Ｇｅの光吸収層４２の格子定数５．６５Åよりも小さいので、Ｇｅ層には圧縮歪みが加えられる。

【0038】

（第１受光素子の動作）
図３を参照して、第１受光素子の動作について説明する。図３は、第１受光素子の動作について説明するための模式図である。図３（Ａ）は、ＴＭモード受光素子を示す模式図であり、図３（Ｂ）は、ＴＥモード受光素子を示す模式図である。

【0039】

半導体結晶に、圧縮歪み又は引っ張り歪みを導入すると、価電子帯における正孔のエネルギー準位の縮退が解ける。

【0040】

ＴＭモード受光素子では、Ｇｅの光吸収層に引っ張り歪みが加えられている。このため、図３（Ａ）に示すように、ＴＭモードの受光に寄与する軽い正孔と電子との間の遷移が、ＴＥモードの受光に寄与する重い正孔と電子との間の遷移に比べて増大する。この結果、ＴＭモード受光素子では、ＴＭモードの受光が優位となる。

【0041】

一方、ＴＥモード受光素子では、Ｇｅの光吸収層に圧縮歪みが加えられている。このため、図３（Ｂ）に示すように、重い正孔と電子との間の遷移が、軽い正孔と電子との間の遷移に比べて増大する。この結果、ＴＥモード受光素子では、ＴＥモードの受光が優位となる。

【0042】

第１受光素子では、ＴＭモードの受光が優位なＴＭモード受光素子と、ＴＥモードの受光が優位なＴＥモード受光素子を光の伝播方向に直列に並べている。

【0043】

第１受光素子１０では、ＴＭモードの受光が優位となるＴＭモード受光素子１０Ａと、ＴＥモードの受光が優位となるＴＥモード受光素子１０Ｂを、光の伝播方向にそって直列に並べている。このため、ＴＭモード受光素子１０Ａと、ＴＥモード受光素子１０Ｂのそれぞれにおいて、各偏光に対する受光効率が異なる場合であっても、第１受光素子１０全体として、受信感度を偏波無依存化することができる。

【0044】

（第１受光素子の製造方法）
図４及び図５を参照して、第１受光素子の製造方法について説明する。図４及び図５は、第１受光素子の製造方法を説明するための工程図である。図４（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）及び（Ｇ）、並びに、図５（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）及び（Ｇ）は、図１のＩ−Ｉ線に沿って取った切断端面に対応する面を示している。図４（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）及び（Ｈ）、並びに、図５（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）及び（Ｈ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って取った切断端面に対応する面を示している。

【0045】

先ず、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層及びＳｉ層１１６が積層されたＳＯＩ基板を用意する（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）。Ｓｉ基板、ＳｉＯ_２層及びＳｉ層がそれぞれ支持基板１２、下クラッド層１４及び導波層として用いられる。

【0046】

次に、フォトリソグラフィにより、レジストパターン１２２を形成する（図４（Ｃ）及び（Ｄ）参照）。レジストパターン１２２には、レジスト厚さに勾配を持つレジスト開口部１２３が形成されている。このレジスト厚さに勾配を持つレジスト開口部１２３は、グレートーンマスクやハーフトーンマスクを用いて形成される。ここで、グレートーンマスクは、露光機の解像度以下のスリットを作り、中間露光を実現するものである。また、ハーフトーンマスクは、半透過の膜を利用して、中間露光を実現するものである。

【0047】

次に、レジストパターン１２２を用いたドライエッチングにより、Ｓｉ層１１６に勾配面を形成する。このとき、レジスト厚さに勾配を持つレジスト開口部１２３の下部のＳｉ層１１６は、レジスト厚さの薄い部分が深くエッチングされ、レジスト厚さの厚い部分が浅くエッチングされる。この結果、Ｓｉ層１１７に勾配面１１７ａが形成される。この勾配面の傾きは少なくとも４度に形成される。なお、勾配面の傾きの上限には特に制限はなく、勾配面上にＧｅ層が成長できる角度であれば良い。このため、この勾配面の角度は例えば４〜１０度の範囲で形成される。その後、レジストパターン１２２を除去する（図４（Ｅ）及び（Ｆ）参照）。

【0048】

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、Ｓｉ層１１７をパターニングして、導波層（光導波路コアとも称する）１６を形成する（図４（Ｇ）及び（Ｈ）参照）。

【0049】

次に、下クラッド層１４及び導波層１６上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン１２４を形成する。このレジストパターン１２４には、フォトダイオード形成領域の光導波路１６の一部を露出する開口１２５が形成されている。この開口１２５の面積は、数μｍ×数十μｍ程度である。その後、この開口１２５から光導波路コア１６に、ｐ型の不純物として例えばホウ素（Ｂ）を不純物添加して、低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２を形成する。この低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２の不純物濃度は、例えば１×１０^１９ｃｍ^−３程度である（図５（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

【0050】

次に、レジストパターン１２４を除去した後、下クラッド層１４及び光導波路コア１６上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン１２６を形成する。このレジストパターン１２６には、光導波路コア１６の低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２の一部を露出する矩形状の開口１２７が、設けられている。その後、この開口１２７から光導波路の低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２に、ｐ型の不純物として例えばホウ素（Ｂ）を不純物添加して、高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４を形成する。この高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４の不純物濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３程度である（図５（Ｃ）及び（Ｄ）参照）。

【0051】

次に、レジストパターン１２６を除去した後、ＴＭモード受光素子形成領域１１０Ａ及びＴＥモード受光素子形成領域１１０Ｂの低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２上に、厚さ１μｍ程度の光吸収層であるＧｅ層４２を選択成長させる。このとき、ＴＭモード受光素子形成領域１１０Ａでは、光導波路コア１６の上面に少なくとも４度の勾配３２ａが形成されている。このため、Ｇｅ層４２には引っ張り歪みが加えられる。一方、ＴＥモード受光素子形成領域１１０Ｂでは、光導波路コア１６の上面に勾配が形成されていないので、Ｇｅ層４２には圧縮歪みが加えられる（図５（Ｅ）及び（Ｆ）参照）。

【0052】

次に、下クラッド層１４、光導波路コア１６及びＧｅ層４２上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン１２８を形成する。このレジストパターン１２８には、Ｇｅ層４２の一部領域を露出する開口１２９が形成されている。その後、この開口１２９からＧｅ層４２に、ｎ型の不純物として例えばリン（Ｐ）を不純物添加して、高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４を形成する。この高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４の不純物濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３程度である（図５（Ｇ）及び（Ｈ）参照）。

【0053】

次に、レジストパターン１２８を除去した後、下クラッド層１４上に、光導波路コア１６及びＧｅ層４２を覆うＳｉＯ_２膜を形成する。このＳｉＯ_２膜が上クラッド層１８となる。その後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、上クラッド層１８にコンタクトホールを形成する。次に、電極材料として例えばアルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着してコンタクトホールを埋め込むことにより、コンタクト電極５０を形成する。最後に、上クラッド層１８上に、電極材料として例えばアルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着した後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりＡｌ膜をパターニングして、コンタクト電極５０上にパッド電極５２を形成し、図１及び図２を参照して説明した第１受光素子を得る。

【0054】

（第２受光素子）
図６を参照して、第２実施形態の半導体受光素子（以下、第２受光素子とも称する。）について説明する。図６は、第２受光素子の切断端面を示す図である。図６は、図１のＩ−Ｉ線に沿って取った切断端面に対応する面を示している。なお、第１受光素子と重複する説明を省略する場合がある。

【0055】

第２受光素子は、低濃度ｐ-Ｓｉ領域３３の上面の勾配３３ａの向きが複数存在する点が、第１受光素子と異なる。それ以外の構成は、第１受光素子と同様である。

【0056】

第２受光素子では、勾配３３ａの向きが複数存在しているが、勾配３３ａの大きさが少なくとも４度であれば、Ｇｅ層４２に引っ張り歪みが加えられるのは、第１受光素子と同様である。

【0057】

（第２受光素子の製造方法）
図７を参照して、第２受光素子の製造方法について説明する。なお、第１受光素子の製造方法と重複する説明を省略する場合がある。図７は、第２受光素子の製造方法を説明するための工程図である。図７（Ａ）及び（Ｃ）は、図１のＩ−Ｉ線に沿って取った切断端面に対応する面を示している。図７（Ｂ）及び（Ｄ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って取った切断端面に対応する面を示している。

【0058】

先ず、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層及びＳｉ層１１６が積層されたＳＯＩ基板を用意する。Ｓｉ基板、ＳｉＯ_２層がそれぞれ支持基板１２及び下クラッド層１４として用いられる。Ｓｉ層１１６上に、Ｓｉをエピタキシャル成長させてエピＳｉ層２０１を形成する。Ｓｉ層１１６の上面が（１００）面の場合、エピＳｉ層の表面には（９１１）面と（３１１）面が現れる（図７（Ａ）及び（Ｂ）参照）。すなわち、エピＳｉ層２０１の上面は、下クラッド層１４に対して勾配を有する。なお、エピＳｉ層２０１の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いたＳＥＭ写真から求めた、勾配の大きさは、８．０〜８．５度程度である。

【0059】

その後、図４（Ｇ）及び（Ｈ）並びに、図５（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明した第１受光素子の製造方法と同様の工程を行った後、導波層上にＧｅを成長させる。なお、図７（Ｃ）及び（Ｄ）では、低濃度ｐ−Ｓｉ領域及び高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域の図示を省略している。Ｇｅ層４２は、エピＳｉ層２０１の（９１１）面上に形成するが、勾配の大きさが２５度程度の（３１１）面上には形成しない（図７（Ｃ）及び（Ｄ）参照）。

【0060】

その後、図５（Ｇ）及び（Ｈ）を参照して説明した第１受光素子の製造方法と同様の工程を行うと、図６に示す第２受光素子が得られる。

【0061】

（他の構成例）
上述した第１受光素子では、光電子デバイスとしてＰＩＮ構造が縦型のＰＤを用いる例について説明したが、これに限定されない。ＰＩＮ構造が横型のＰＤを用いても良い。また、第１受光素子では、Ｓｉ導波路からＧｅ層への光の結合はエバネッセント結合であるが、バットカップリング結合でもよい。また、ＰＩＮ−ＰＤではなくアバランシェフォトダイオードを光電子デバイスとして用いても良い。

【0062】

また、図１，２及び６などでは、ＴＭモード受光素子及びＴＥモード受光素子が、いずれも電極数が３のＰＤとして示されているが、電極数はこれに限らない。

【0063】

さらに、電極材料についても、アルミニウム（Ａｌ）に限られず、銅（Ｃｕ）などの、ＳｉやＧｅとオーミック接触を形成できる金属材料であれば良い。

【0064】

また、上クラッド層の材料もＳｉＯ_２に限定されず、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＧｅＯ_２など、Ｓｉ及びＧｅよりも低屈折率である誘電体材料であれば良い。

【0065】

ここでは、光導波路をＳｉで構成する例を説明したが、光導波路は、クラッドを形成する材料よりも高い屈折率を持つ材料で構成しても良い。例えば、クラッドにＳｉＯ_２を用いた場合、光導波路を形成する材料として、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）や、ＳｉＯＮ、ＳｉＮを用いても良い。また、光導波路をＳｉで構成した場合は、クラッドを形成する材料として、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）や、ＳｉＯＮ、ＳｉＮを用いても良い。

【0066】

また、第１受光素子及び第２受光素子では、Ｓｉ層上に直接Ｇｅ層が存在する例を示しているが、Ｓｉ層とＧｅ層の間に、ＳｉＧｅ層などのバッファ層を介在させても良い。同様に、Ｇｅ層上にＳｉなどの保護層を設けても良い。

【0067】

第２受光素子の製造方法では、エピＳｉ層の形成により勾配面を形成する例を示したが、第１受光素子と同様に、グレートーンマスクやハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより勾配を形成しても良い。また、勾配面は平面でなくても良く、曲面であっても良い。

【0068】

また、ここでは、Ｓｉ層上にＧｅ層を選択成長する場合を説明したが、材料の組合せはこれに限らない。Ｓｉ層上へのＳｉＧｅ混晶層を選択成長させるなど、導波層を構成する下地材料の格子定数が選択成長材料の格子定数よりも大きく、かつ、導波層の上面に勾配を形成することにより、導波層の見た目の格子定数が選択成長材料の格子定数よりも小さくなる組合せであれば良い。

【0069】

また、第１及び第２受光素子では、導波層の、勾配が形成された上面上に、Ｇｅの光吸収層を成長させることにより、Ｇｅの光吸収層に引っ張り歪みを加えて、ＴＭモード受光素子１０Ａとし、勾配が形成されていない上面上に、Ｇｅの光吸収層を成長させることにより、Ｇｅの光吸収層に圧縮歪みを加えてＴＥモード受光素子１０Ｂとしている。

【0070】

勾配が形成された上面上に、Ｇｅ層を成長させると、導波層の上面近傍は引っ張り歪みが加わるが、導波層から離れると次第に格子整合して、すなわち歪みが緩和されて無歪みとなる。この光吸収層の上面近傍の無歪みの部分は、ＴＥモードの受光が優位となる。

【0071】

従って、図２（Ａ）を示して説明したようなＴＭモード受光素子単独で用いても、例えば、光吸収層を厚く形成すると、導波層の上面近傍はＴＭモードの受光が優位なＴＭモード受光領域となり、導波層から遠い部分はＴＥモードが優位なＴＥモード受光領域となるので、受信感度を偏波無依存化することができる。

【符号の説明】

【0072】

１０ 第１受光素子
１０Ａ ＴＭモード受光素子
１０Ｂ ＴＥモード受光素子
１２ 支持基板
１４ 下クラッド層
１６ 導波層
１８ 上クラッド層
３２、３３ 低濃度ｐ−Ｓｉ領域
３４ 高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域
４２ 光吸収層
４４ 高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域
５０ コンタクト電極
５２ パット電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】