特許 6793786 半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6793786

(24)【登録日】2020年11月12日

(45)【発行日】2020年12月2日

(54)【発明の名称】半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20201119BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 B

【請求項の数】8

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2019-122007(P2019-122007)

(22)【出願日】2019年6月28日

【審査請求日】2019年6月28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３０年度国立研究開発法人新エネルギー・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１７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】100129067

【弁理士】

【氏名又は名称】町田 能章

(74)【代理人】

【識別番号】100183162

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 義文

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】小野 英輝

【審査官】 桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０９３９１２２５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００３−０２３１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第６５２７６１１（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１９−０２４０９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１５２４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３３９４１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８−３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域とが機能的に分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域に接合する第１低濃度領域と、
前記第１低濃度領域に接合する第１コンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域、前記第１低濃度領域及び前記第１コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第１導電型であり、
前記チャージ領域には、電源が接続される
ことを特徴とする半導体受光素子。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記アバランシェフォトダイオードは、第２コンタクト領域、第２低濃度領域、絶縁領域、前記チャージ領域、前記増倍領域、第３低濃度領域及び第３コンタクト領域がこの順に接合されており、
前記吸収領域と前記チャージ領域とが接合しており、
前記電源は、前記第１コンタクト領域と前記第２コンタクト領域又は第３コンタクト領域との間に接続される
ことを特徴とする半導体受光素子。

【請求項3】

請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記アバランシェフォトダイオードは、第２コンタクト領域、第２低濃度領域、絶縁領域、前記チャージ領域、前記増倍領域、第３低濃度領域及び第３コンタクト領域がこの順に接合されており、
前記吸収領域は、前記チャージ領域及び前記第２低濃度領域のそれぞれと接合して形成され、
前記第１低濃度領域は、前記チャージ領域に接合しており、
前記第１低濃度領域及び前記チャージ領域の何れか一方又は双方は、前記チャージ領域と前記増倍領域との接合面に沿って、延在しており、
前記第２コンタクト領域及び第２低濃度領域は、前記第１導電型であり、
前記第３低濃度領域及び前記第３コンタクト領域は、前記第１導電型とは異なる第２導電型であり、
前記第１コンタクト領域の電位と前記第２コンタクト領域の電位と前記第３コンタクト領域の電位とは、個別に与えられる
ことを特徴とする半導体受光素子。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、前記絶縁領域に形成されたリセスの上に堆積されたものである
ことを特徴とする半導体受光素子。

【請求項5】

請求項１に記載の半導体受光素子であって、
前記光導波路は、第２コンタクト領域と第２低濃度領域とが接合した層と、該第２低濃度領域の上に積層した前記増倍領域と、前記増倍領域の上に積層した前記チャージ領域とから形成されたものであり、
前記チャージ領域の上に積層した前記吸収領域と、
前記吸収領域の上に積層した第３コンタクト領域とをさらに備え、
前記第３コンタクト領域は、前記第１導電型であり、
前記第２コンタクト領域及び前記第２低濃度領域は、前記第１導電型とは異なる第２導電型であり、
前記第１コンタクト領域と前記第２コンタクト領域と前記第３コンタクト領域とは、電圧が個別に印加されている
ことを特徴とする半導体受光素子。

【請求項6】

請求項３乃至請求項５の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記第１導電型は、ｐ型であり、
前記第２導電型は、ｎ型である
ことを特徴とする半導体受光素子。

【請求項7】

信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子と、前記信号光を前記導波路まで導光する光導波路との双方が支持基板上に一体形成された光電融合モジュールであって、
前記半導体受光素子は、前記信号光を吸収する吸収領域と前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域とが機能的に分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端に第１低濃度領域が接合され、
前記第１低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端に第１コンタクト領域が接合され、
前記チャージ領域、前記第１低濃度領域及び前記第１コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第１導電型であり、
前記チャージ領域にバイアス電圧が印加可能であり、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする光電融合モジュール。

【請求項8】

支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型のアバランシェフォトダイオードの製造方法であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と、前記吸収領域への印加電界を低減する第1導電型のチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域とが機能的に分離しているＳＡＣＭ構造を作製する作製工程を有し、
前記作製工程では、前記チャージ領域に接合する第1導電型の第１低濃度領域を形成する第一工程と、
前記第１低濃度領域の一部に対してイオン注入し、第1導電型の第１コンタクト領域を形成する第二工程とを備える
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオードの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法に関し、例えば、光ファイバ通信で使用される半導体受光素子や、光回路及び電気回路を融合した光電融合モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、導入が進展しているＦＴＴＨ（Fiber to the Home）システム、特にＰＯＮ（Passive Optical Network）システムは、１本の光ファイバで双方向通信を行う一芯双方向通信モジュールを使用することが多い。この一芯双方向通信モジュールは、従来、個別に実装していたＬＤ（Laser Diode）やＰＤ（Photo Diode）等の電子デバイスを、光回路の基板表面に実装することにより小型化を実現している。

【0003】

光回路は、Ｓｉを材料として用いる光導波路を採用している。例えば、Ｓｉをコアとして用い、且つＳｉよりも極めて屈折率が小さいＳｉＯ２をクラッドとして用いたＳｉ細線導波路が知られている。Ｓｉ細線導波路は、コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きいために、光をコアに強く閉じ込めることが可能である。その結果、Ｓｉ細線導波路を用いた光学装置は、例えば、曲げ半径を１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路等、非常に微細なサブミクロンオーダの導波路を形成することが可能である。そのため、Ｓｉ細線導波路は、Ｓｉ電子デバイスと光デバイスとを同一のチップ上で融合することができる可能性を秘めた技術として注目されている。

【0004】

ところで、半導体受光素子は、Ｓｉ細線導波路と共に集積することが好ましい。つまり、Ｓｉ細線導波路が形成されるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の上に半導体受光素子を形成することが好ましい。非特許文献１には、ＳＯＩ基板のトップＳｉ層を半導体プロセスにより成形したＳｉコアに対して不純物添加し、ｐ型の導電型を持たせ、そのｐ型のＳｉコア上に、例えばＧｅの吸収領域を積層した長波長用（1550nm用）の半導体受光素子が開示されている。この半導体受光素子は、Ｇｅ表面に不純物添加することでＳｉコアと逆の導電型（つまり、ｎ型）を持たせ、ｐ型領域とｎ型領域の中間にｉ型領域が存在する導波路のＰＩＮ構造のフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤとも称する）を構成している。

【0005】

ＰＩＮ−ＰＤの受光感度Ｒ（ＰＤへの入力光パワーＰｉｎで発生電流Ｉｐｈを除した値［Ａ／Ｗ］）は、一般に、電子素量をｅ［Ｃ］、外部量子効率をη、プランク定数をｈ［ｍ^２ｋｇ／ｓ］、光の振動数をν［／ｓ］とすると、次式で表される。
Ｒ＝ｅη／（ｈν）

【0006】

上式から、波長１４９０ｎｍの光を受光する場合、外部量子効率を理想状態の１にまで高めることができたとしても、ＰＩＮ−ＰＤでは受光感度は約１．２［Ａ／Ｗ］が上限であることがわかる。そこで、非特許文献２には、ダイオードの雪崩降伏現象を利用し、ＰＩＮ−ＰＤよりも高い受光感度を得ることができる導波路型のアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤとも称する）が開示されている。

【0007】

非特許文献２に開示されているＡＰＤは、前記したＰＩＮ−ＰＤに高い逆バイアス電圧を印加し、Ｇｅ吸収層内で、且つ、光吸収によりキャリアが発生する領域外でキャリアが増倍する構造になっている。この構造のＡＰＤは、簡易に作製できるメリットを有するものの、Ｇｅ吸収領域に高い電界が印加されるためＧｅ吸収領域でトンネル電流による暗電流が増加する上、Ｇｅが絶縁破壊されやすいデメリットがある。

【0008】

次に、非特許文献３に開示されているＡＰＤは、非特許文献２に開示されているＡＰＤのデメリットを克服されるために考案されたＡＰＤであり、一般にＳＡＭ構造のＡＰＤと呼ばれている。ＳＡＭ構造は、ノンドープＧｅ層からなる吸収（Absorption）領域と、ノンドープＳｉ層からなる増倍（Multiplication）領域とが分離（Separate）していることが特徴である。この特徴により、高い逆バイアス電圧による内部電界は、ノンドープＧｅ層からなる吸収領域の電気抵抗と、ノンドープＳｉ層からなる増倍領域の電気抵抗との比に従い、ノンドープＳｉ層からなる増倍領域に効率的に印加される。Ｇｅよりもバンドギャップの大きいＳｉではトンネル電流が発生しにくいため、非特許文献３に開示されているＡＰＤは、非特許文献２に開示されているＰＩＮ構造のＡＰＤよりも暗電流を抑えることができる上に、Ｇｅが絶縁破壊されにくくなっている。

【0009】

さらに、非特許文献４に開示されているＡＰＤの構造は、一般にＳＡＣＭ構造と呼ばれ、ＳＡＭ構造にチャージ（Charge）領域が追加された構造となっている。ＳＡＣＭ構造では、ｐ⁻−Ｓｉ層からなるチャージ領域によって、ノンドープＧｅ層からなる吸収領域に印加される電界を、ノンドープＧｅ層からなる吸収領域とノンドープＳｉ層からなる増倍領域の電気抵抗の比よりも低く抑えることができる。これにより、ＳＡＣＭ構造では、ノンドープＳｉ層からなる増倍領域に集中的に電界を印加することができる。つまり、ＳＡＣＭ構造のＡＰＤでは、ＳＡＭ構造のＡＰＤよりも、さらにＧｅが絶縁破壊されにくくなり、低い印加電圧で高い電界を増倍領域に印加することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Tao Yin, Rami Cohen, Mike M. Morse, Gadi Sarid, Yoel Chetrit, Doron Rubin,and Mario J. Paniccia,“31GHz Ge n-i-p waveguide photodetectors on Silicone-on-Insulator substrate”,OPTICS EXPRESS,Vol.15,No.21，2007，pp.13965-13971

【非特許文献2】H. T. Chen, J. Verbist, P. Verheyen, P. De Heyn, G. Lepage, J. De Coster, P.Absil, X. Yin, J. Bauwelinck, J. Van Campenhout, and G. Roelkens,”High sensitivity 10Gb/s Si photonic receiver based on a low-voltage waveguide-coupled Ge avalanche photodetector”,OPTICS EXPRESS,Vol.23,No.2，2015，pp.815

【非特許文献3】M. S. Carroll, K. Childs, R. Jarecki, T. Bauer, and K. Saiz,”Ge-Si separate absorption and multiplication avalanche photodiode for Geiger mode single photon detection”,Applied physics letters,Vol.93，2008，pp.183511

【非特許文献4】Y. Kang, Z. Huang, Y. Saado, J. Campbell, A. Pauchard, J. Bowers, M.J. Paniccia,“High Performance Ge/Si Avalanche Photodiodes Development in Intel”，OSA/OFC/NFOEC 2011,OWZ1.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、非特許文献４のＳＡＣＭ構造のＡＰＤでは、ＡＰＤに印加される逆バイアス電圧が増加すれば、Ｇｅ吸収領域に発生する内部電界もそれに伴い増加する。ＡＰＤに印加される逆バイアス電圧を一定以上高くし、且つＡＰＤに入射する入射光の光パワーが増加した場合、Ｇｅ吸収領域で発生するキャリアが多くなり、Ｇｅ吸収領域の内部電界が絶縁破壊電界を超え、ＡＰＤが破損してしまう。逆に、逆バイアス電圧を低くすると、Ｇｅ吸収領域の絶縁破壊が生じ難くなるが、増倍領域の増倍率が小さくなり、所望のフォトカレント（出力電流）が得られなくなる問題が生じる。

【0012】

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率を得ることができる半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法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】

【0013】

前記目的を達成するために、本発明は、支持基板（101）上に形成された光導波路（103,203,303）を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、前記信号光を吸収する吸収領域(109,308)と前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域(105,307)と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域(108a)とが機能的に分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、前記チャージ領域(105,307)に接合する第１低濃度領域(106b)と、前記第１低濃度領域に接合する第１コンタクト領域(107b,305b)とを備え、前記チャージ領域、前記第１低濃度領域及び前記第１コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第１導電型(例えば、ｐ型)であり、前記チャージ領域には、電源が接続されることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

【0014】

これによれば、チャージ領域に電源が接続されるので、吸収領域の内部電界と増倍領域の内部電界とを独立して設定することができる。このため、光パワーを大きい場合には、吸収領域の印加電圧を下げて、吸収領域の内部電界が絶縁破壊電圧未満にすることができる。また、吸収領域の印加電圧を下げたときであっても、増倍領域に印加する電圧を上げて、所定の増倍率を維持することができる。逆に、光パワーが小さい場合には、増倍領域の印加電圧を上げて、増倍率を上げることができる。つまり、光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率や出力電流を得ることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率を得ることができる。つまり、光パワーの大小にかかわらず、適切な出力電流を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の平面図である。

【図2】本発明の第１実施形態である半導体受光素子のＡ−Ａ断面図である。

【図3】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１）である。

【図4】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（２）である。

【図5】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（３）である。

【図6】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（４）である。

【図7】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（５）である。

【図8】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（６）である。

【図9】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（７）である。

【図10】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（８）である。

【図11】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（９）である。

【図12】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１０）である。

【図13】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１１）である。

【図14】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図である。

【図15】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。

【図16】本発明の比較例である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。

【図17】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の平面図である。

【図18】本発明の第２実施形態である半導体受光素子のＢ−Ｂ断面図である。

【図19】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１）である。

【図20】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（２）である。

【図21】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（３）である。

【図22】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（４）である。

【図23】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（５）である。

【図24】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図である。

【図25】本発明の第２実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。

【図26】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の平面図である。

【図27】本発明の第３実施形態である半導体受光素子のＣ−Ｃ断面図である。

【図28】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１）である。

【図29】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（２）である。

【図30】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（３）である。

【図31】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（４）である。

【図32】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（５）である。

【図33】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（６）である。

【図34】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（７）である。

【図35】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（８）である。

【図36】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（９）である。

【図37】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１０）である。

【図38】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図（１１）である。

【図39】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図である。

【図40】本発明の第３実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。

【図41】本発明の各実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

【0018】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図２は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子のＡ−Ａ断面図である。図１は、光がｚ方向に伝搬する場合の基板面（ｘｚ平面）であり、図２は、そのｘｙ面を示している。

【0019】

まず、図２の断面図において、半導体受光素子１００は、支持基板としてのＳｉ基板１０１と、下部クラッド１０２と、Ｓｉスラブ導波路１０３と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９と、３つのＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃとを備えて構成される。Ｓｉスラブ導波路１０３は、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂと、増倍領域としてのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａと、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂと、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａと、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａとがこの順に接合されたものである。なお、ｎ型領域は、例えばＰ（リン）をイオン注入して形成し、ｐ型領域は、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入して形成している。

【0020】

そして、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂの上面に形成されており、且つｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５の一部上面とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａの一部上面とに接合されている。さらに、Ａｌ電極１１０ａ，１１０ｂは、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａとｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａとの上に形成されている。また、Ａｌ電極１１０ｃ（図１）は、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂの上に形成されている。上部クラッド１１１は、Ｓｉスラブ導波路１０３とｉ−Ｇｅ吸収領域１０９とを覆い、Ａｌ電極１１０ａ，１１０ｂが露出するように形成されている。

【0021】

また、Ａｌ電極１１０ａ及びｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａの接触面と、Ａｌ電極１１０ｂ及びｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの接触面と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａの接触面と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９及びｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂの接触面と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９及びｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５の接触面とは同一面である。

【0022】

Ｓｉ基板１０１は、厚みｔ_１＝７７５［μｍ］である。下部クラッド１０２は、Ｓｉ基板１０１の全面に堆積されており、厚みｔ_２＝３［μｍ］のＳｉＯ_２である。Ｓｉスラブ導波路１０３、及びＳｉ細線導波路１１５は、下部クラッド１０２の上に厚みｔ_３＝２２０［ｎｍ］で形成されている。Ａｌ電極１１０ａ，１１０ｂは、厚みｔ_４＝１μｍである。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、厚みｔ_７＝５００ｎｍである。上部クラッド１１１は、厚みｔ_８＝１μｍのＳｉＯ_２である。

【0023】

ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａのキャリア濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３であり、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂのキャリア濃度は４×１０^１９ｃｍ^−３であり、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５のキャリア濃度は、４×１０^１７ｃｍ^−３であり、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａのキャリア濃度は、４×１０^１９ｃｍ^−３であり、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａのキャリア濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３である。また、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａとｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂとは、ノンドープのＳｉである。

【0024】

次に、図１の平面図において、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａとの接合面に沿った方向（具体的には、接合面（ｙｚ面）に対して垂直な光軸方向（ｚ方向））に延在している。延在したｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂを介してｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂに接続されている。なお、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５を延在させることなく、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂをｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５及びｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａの接合部まで延在させても構わない。これにより、半導体受光素子１００は、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５に個別のバイアス電圧やバイアス電界を印加できるようになっている点が従来のＳＡＣＭ構造のＡＰＤと異なる特徴である。なお、Ｓｉスラブ導波路１０３のｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂは、光導波路としてのＳｉ細線導波路１１５に接続されている。

【0025】

図３乃至図１３は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図である。各図において、図３（ａ）〜図１３（ａ）は各工程の平面図であり、図３（ｂ）〜図１３（ｂ）は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【0026】

まず、図３（Ｓ１）において、製造者は、例えば、厚みｔ_１＝７７５［μｍ］のＳｉ基板１０１の表面に積層した、厚みｔ_２＝３［μｍ］のＳｉＯ_２による下部クラッド１０２と、その下部クラッド１０２の表面に積層した、厚みｔ_３＝２２０［ｎｍ］のトップＳｉ層１１２とからなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１１３を準備する。

【0027】

図４（Ｓ２）においては、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いて、トップＳｉ層１１２（図３）をパターニングして、Ｓｉ細線導波路１１５及びＳｉスラブ導波路１０３を形成する。これにより、下部クラッド１０２の一部が露出する。

【0028】

図５（Ｓ３）においては、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Ｓｉスラブ導波路１０３中に部分的に、例えばＰ（リン）をイオン注入してｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂを形成する。

【0029】

図６（Ｓ４）においては、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Ｓｉスラブ導波路１０３中に部分的に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入してｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５を形成する。これにより、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５とｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとの間に、ノンドープのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａが同時形成される。また、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５は、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａとの接合面（ｙ−ｚ面）の垂線方向（ｘ方向）と異なる方向（具体的には、ｘ方向に対して垂直なｚ方向）に長く形成されている。

【0030】

図７（Ｓ５）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Ｓｉスラブ導波路１０３中に部分的に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入してｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａ及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂ（図７（ａ））を形成する。これにより、ノンドープのｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂが同時形成される。このとき、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂはｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５と接するように配置する。

【0031】

図８（Ｓ６）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂ中に部分的に、例えばＰ（リン）をイオン注入してｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａを形成する。

【0032】

図９（Ｓ７）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａ及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂ中に部分的に、例えばＰ（リン）をイオン注入してｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａ及びｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂ（図９（ａ））を形成する。これにより、Ｓｉスラブ導波路１０３の形成が完了する。

【0033】

図１０（Ｓ８）においては、製造者は、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５の一部とｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂとｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂの一部にわたる領域に、厚みｔ_７＝５００ｎｍのｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を選択成長させる。

【0034】

図１１（Ｓ９）においては、例えば、厚みｔ_８＝１μｍのＳｉＯ_２膜を、例えば、化学気相成長法によって、堆積させて上部クラッド１１１を形成する。次に、図１２（Ｓ１０）においては、製造者は、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、上部クラッド１１１をパターニングして、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａとｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａとｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂとの上にコンタクトホール１１４を形成する。

【0035】

最後に、図１３（Ｓ１１）においては、製造者は、３つのコンタクトホール１１４を覆うようにＡｌ膜をスパッタにて形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、パターニングして、３つのＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃを形成する。これにより、半導体受光素子１００が作製される。

【0036】

（動作の説明）
図１４は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図であり、図１５は、光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
図１５に示すように、半導体受光素子１００は、吸収領域としてのｉ−Ｇｅ吸収領域１０９と、チャージ領域としてのｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５と、増倍領域としてのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａとが分離しているのでＳＡＣＭ構造と呼ぶことができる。

【0037】

図１４に示す通り、光導波路としてのＳｉ細線導波路１１５及びｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂを伝搬してきた信号光１１６は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９にエバネッセント結合し、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を伝搬する。次に、図１５に示す通り、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、信号光を吸収し、キャリアである電子及び正孔を発生させる。

【0038】

ここで、図１５に示す通り、電圧Ｖ_Ｐの直流電源がＡｌ電極１１０ｂとＡｌ電極１１０ａとの間に接続され、電圧Ｖ_Ｃ（Ｖ_Ｃ＜Ｖ_Ｐ）の直流電源がＡｌ電極１１０ｂとＡｌ電極１１０ｃとの間に接続される。言い換えれば、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５には、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂ、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂ（図１）及びＡｌ電極１１０ｃを介して、電圧Ｖ_Ｃの直流電源の負極が接続される。また、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５に接合するｉ−Ｇｅ吸収領域１０９には、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａ、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａ及びＡｌ電極１１０ａを介して、電圧Ｖ_Ｐの直流電源の負極が接続される。また、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５に接合するｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａには、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂ、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ及びＡｌ電極１１０ｂを介して、双方の直流電源の正極が接続される。つまり、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａの電位と、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａの電位と、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂ（図１）の電位とは、個別に与えれる。また、（ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａの電位）＜（ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂの電位）＜（ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ）の条件の下、各電位は、無相間に設定できる。

【0039】

この電源接続により、ｐ^―−Ｓｉチャージ領域１０５と、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａとの間に電位差（Ｖ_Ｐ−Ｖ_Ｃ）が生じる。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９では、この電位差（Ｖ_Ｐ−Ｖ_Ｃ）がもたらす内部電界に沿って、電子がｐ^―−Ｓｉチャージ領域１０５の方向にドリフトし、正孔がｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａの方向にドリフトする。

【0040】

そして、ｐ^―−Ｓｉチャージ領域１０５に達した電子は、直流電源の負極には向かわないので、ｐ^―−Ｓｉチャージ領域１０５をドリフトして通り抜け、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａに到達する。ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａに到達した電子は、ｐ^―−Ｓｉチャージ領域１０５に印加されている電圧Ｖ_Ｃによるｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａの高い内部電界によりドリフトが加速し、雪崩増倍による多数のキャリア（電子及び正孔）が発生する。

【0041】

ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａで増倍した電子は、そのままドリフトしてｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａへ到達し、Ａｌ電極１１０ｂを介して発生電流として外部回路へ出力される。同時に、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａで発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトしてｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５へ到達した後、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂを通過することなく、電圧Ｖ_Ｃの直流電源の負極へ発生電流として出力される。一方、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９で発生し、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａに達した正孔は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａ内部をドリフトしてｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａへ到達し、Ａｌ電極１１０ａを介して発生電流として電圧Ｖ_Ｐの直流電源の負極に出力される。

【0042】

このように、半導体受光素子１００は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の内部電界と、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａの内部電界とを独立に制御可能である。また、半導体受光素子１００では、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａで発生した正孔がｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５へ到達した後、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂを通過することなく、発生電流として電圧Ｖ_Ｃを印加している直流電源の負極に出力されることが特徴である。

【0043】

（比較例）
図１６は、本発明の比較例である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。この比較例は、特願２０１８−１７８２１９の図６に記載されているものである。半導体受光素子１５０のＳｉスラブ導波路１０３は、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｃと、増倍領域としてのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａと、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５と、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｃと、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｃとがこの順に接合されている。また、半導体受光素子１５０は、Ａｌ電極１１０ｃを有していない。つまり、半導体受光素子２００のｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５は、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｃとに接合されているのみである。

【0044】

このため、半導体受光素子１５０のｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａで発生した正孔は、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｃ、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｃ及びＡｌ電極１１０ａを介して直流電源の負極に出力される。つまり、半導体受光素子１５０のｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａで発生した正孔は、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｃの長い距離を移動する。

【0045】

比較例の半導体受光素子１５０に対して、前記第１実施形態の半導体受光素子１００のｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａに達した正孔は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａ内部をドリフトしてｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａに到達する。つまり、半導体受光素子１００は、より移動度が小さい正孔が長い距離を移動する半導体受光素子１５０よりも動作スピードが速い。

【0046】

また、半導体受光素子１００は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の内部電界と、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５の内部電界とを独立して制御できる。これにより、ＡＰＤに入射する入射光のパワーが増加してＧｅ吸収領域で発生するキャリアが多くなったとき、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の内部電界が低くなるように電源電圧Ｖ_Ｐを調整し、Ｇｅの絶縁破壊を抑制することができる。また、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の内部電界を低く制御した場合でも、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａの内部電界は別の電源（電圧Ｖ_Ｃの直流電源）で制御しているので、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａの内部電界を一定に保つことができる。このためｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａの増倍率も一定に保たれる。

【0047】

（第２実施形態）
前記第１実施形態の半導体受光素子１００は、Ｓｉスラブ導波路１０３の上面、つまり、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂとｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａとの上面と同一面内にｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を堆積する非リセス構造であったが、Ｓｉスラブ導波路１０３にリセスを形成し、その上にｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を堆積しても構わない。

【0048】

（構成の説明）
図１７は、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図１８は、そのＢ−Ｂ断面図である。
半導体受光素子２００のＳｉスラブ導波路２０３は、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂと、増倍領域としてのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａと、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃと、ｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６ａと、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａとがこの順に接合されている。また、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃと、ｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６ａとの上面にリセス２１７が形成されている。そのリセス２１７の上に、厚みｔ_９＝１７０［ｎｍ］のｉ−Ｇｅ吸収領域２０９が堆積されている。つまり、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃの厚みは、ｔ_３−ｔ_９＝２２０［ｎｍ］−１７０［ｎｍ］＝５０［ｎｍ］である。なお、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃは、ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９を堆積するときの下地として必要である。また、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂ、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂを介してＡｌ電極１１０ｃに接続されている。

【0049】

図１９乃至図２３は、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の製造方法（ステップＳ８〜Ｓ１１）を説明する説明図である。ここで、ステップＳ１〜Ｓ７は、前記第１実施形態の図３乃至図９と同一であるので、説明を省略する。また、図１９（ａ）〜図２３（ａ）は、平面図であり、図１９（ｂ）〜図２３（ｂ）は、図１７におけるＢ−Ｂ断面図である。なお、図９（Ｓ７）においては、Ｓｉスラブ導波路１０３（ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂと、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａと、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂと、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ａと、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａ）が形成されている。

【0050】

図１９（Ｓ８）においては、製造者は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域１０５とｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂとｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６ｂにわたる領域を深さｔ_９＝１７０［ｎｍ］までエッチングしてリセス２１７を形成する。これにより、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５とｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃとｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６ａが形成される。つまり、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａと、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４ｂと、増倍領域としてのｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａと、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃと、ｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６ａと、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａとからなるＳｉスラブ導波路２０３が形成される。

【0051】

図２０（Ｓ９）においては、製造者は、Ｓｉリセス２１７にｉ−Ｇｅ吸収領域２０９を選択成長させる。これにより、厚みｔ_９＝１７０［ｎｍ］のｉ−Ｇｅ吸収領域２０９が形成される。そして、図２１（Ｓ１０）においては、製造者は、例えば化学気相成長法により、例えばＳｉＯ_２膜を堆積させて、上部クラッド２１１を形成する。

【0052】

図２２（Ｓ１１）においては、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、上部クラッド２１１をパターニングして、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａとｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａとｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ｂとの上にコンタクトホール２１４，２１４，２１４を形成する。

【0053】

図２３（Ｓ１２）においては、製造者は、３つのコンタクトホール２１４，２１４，２１４を覆うようにＡｌ膜をスパッタにて形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、パターニングしてＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃを形成する。これにより、第２実施形態の半導体受光素子２００が作製される。

【0054】

（動作の説明）
図２４は、本発明の第２実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図であり、図２５は、その光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。

【0055】

図２４において、前記第１実施形態の半導体受光素子１００に入射する信号光１１６は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９にエバネッセント結合し、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を伝搬していたが、本実施形態の半導体受光素子１００に入射する信号光１１６は、Ｓｉスラブ導波路２０３（具体的には、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃ（図２５））からｉ−Ｇｅ吸収領域２０９にバットジョイント結合し、ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９を伝搬する点で相違する。

【0056】

図２５に示す通り、前記第１実施形態の半導体受光素子１００と同様に、電圧Ｖ_Ｐの直流電源がＡｌ電極１１０ｂとＡｌ電極１１０ａとの間に接続され、電圧Ｖ_Ｃの直流電源がＡｌ電極１１０ｂとＡｌ電極１１０ｃとの間に接続される。

【0057】

ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９は、信号光１１６を吸収し、キャリアである電子及び正孔を発生させる。ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９は、電位差（Ｖ_Ｐ−Ｖ_Ｃ）がもたらす内部電界に沿って、電子はｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５の方向へ、正孔はｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６ａの方向にドリフトする。そして、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５に達した電子は、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５をドリフトして通り抜け、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａに到達する。

【0058】

ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａに到達した電子は、電圧Ｖ_Ｃによるｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａの高い内部電界によりドリフトが加速し、これにより雪崩増倍が発生して多数のキャリア（電子及び正孔）が発生する。

【0059】

ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａで増倍した電子は、そのままドリフトしてｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０４ａに到達し、Ａｌ電極１１０ｂを介して、発生電流として外部回路に流れる。同時に、ｉ−Ｓｉ増倍領域１０８ａで発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトしてｐ⁻−Ｓｉチャージ領域２０５まで到達した後、発生電流として電圧Ｖ_Ｃを供給している直流電源の負極に出力される。一方、ｉ−Ｇｅ吸収領域２０９で発生し、ｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６ａに達した正孔は、ｐ−Ｓｉ低濃度領域２０６ａ内部をドリフトしてｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７ａに到達し、Ａｌ電極１１０ａを介して発生電流として電圧Ｖ_Ｐを印加している直流電源の負極に出力される。

【0060】

（効果の説明）
以上説明したように、第２実施形態の半導体受光素子２００によれば、前記第１実施形態の半導体受光素子１００と同様の効果が得られる。さらに、半導体受光素子２００は、Ｓｉスラブ導波路２０３（ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃ（図２５））を伝搬してきた信号光がｉ−Ｇｅ吸収領域２０９とバットジョイント結合するので、エバネッセント結合する半導体受光素子１００と比べると結合効率が高くなるだけではなく、結合の偏波依存性を低減することができる。

【0061】

（第３実施形態）
前記第１，２実施形態の半導体受光素子１００，２００は、ｐ型電極とｎ型電極とを横方向に配設する横型であったが、上下方向（垂直方向）に配設する縦型にすることもできる。

【0062】

（構成の説明）
図２６は、本発明の第３実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図２７は、そのＣ−Ｃ断面図である。
図２７の断面図において、半導体受光素子３００は、Ｓｉ基板１０１、下部クラッド１０２、Ｓｉスラブ導波路３０３、ｉ−Ｇｅ吸収領域３０８、第３コンタクト領域としてのｐ^＋−Ｇｅコンタクト領域３０９が、この順で垂直方向（上下方向）に配置している。Ｓｉスラブ導波路３０３は、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａ、第２低濃度領域としてのｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａ、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａと、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６と、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７とから構成され、ｙ方向に積層する３層構造を成している。

【0063】

Ｓｉスラブ導波路３０３の第１層は、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａ、第２低濃度領域としてのｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａ、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａとがこの順に水平方向（左右方向）に接合している。ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６は、第２層として、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａの上に積層する。ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７は、第３層として、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６の上に積層する。

【0064】

図２６の平面図において、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７には、ｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂが接合されており、そのｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂには、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂが接合されている。また、２つのｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａ，３０５ａと、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂと、ｐ^＋−Ｇｅコンタクト領域３０９には、Ａｌ電極１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，３１０が接続されている。これにより、Ａｌ電極１１０ｃとｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７とが電気的に接続される。なお、２つのＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂには、同一電位が与えられる。

【0065】

図２８乃至図３８は、本発明の第３実施形態である半導体受光素子の製造方法（Ｓ３〜Ｓ１３）を説明する説明図である。ここで、Ｓ１，Ｓ２は、前記第１実施形態の図３，図４と同一なので、説明を省略している。また、図２８（ａ）、図２９（ａ）、図３４（ａ）〜図３６（ａ）は、平面図であり、図２８（ｂ）、図２９（ｂ）、図３４（ｂ）〜図３６（ｂ）は、Ｃ−Ｃ断面図である。また、図３０（ａ）〜図３３（ａ），図３７（ａ），図３８（ａ）は、平面図であり、図３０（ｂ）〜図３３（ｂ），図３７（ｂ），図３８（ｂ）は、Ｃ−Ｃ断面図であり、図３０（ｃ）〜図３３（ｃ），図３７（ｃ），図３８（ｃ）は、Ｄ−Ｄ断面図である。

【0066】

図２８（Ｓ３）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Ｓｉスラブ導波路１０３（図４）中に部分的に、例えばＰ（リン）をイオン注入してｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａを形成する。

【0067】

図２９（Ｓ４）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａの両側に、例えばＰ（リン）をイオン注入して、２つのｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａを形成する。

【0068】

図３０（Ｓ５）において、Ｓｉスラブ導波路１０３（図４）上で、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａからＳｉスラブ導波路１０３のイオン不注入領域３１６にわたって、ｉ−Ｓｉ膜３１７を選択成長させる（図３０（ａ））。つまり、Ｄ−Ｄ断面図（図３０（ｃ））において、ｉ−Ｓｉ膜３１７は、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａ及びイオン不注入領域３１６の上に選択成長される。

【0069】

図３１（Ｓ６）においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｉ−Ｓｉ膜３１７中に部分的に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入してｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７を形成する。これにより、ノンドープのｉ−Ｓｉ増倍領域３０６が形成されると共に、Ｂ（ホウ素）をイオン注入しない不注入領域がｉ−Ｓｉ膜３１７として残存する。このｉ−Ｓｉ膜３１７は、Ｓｉ細線導波路１１５の反対方向（ｚ方向）に延在している（図３１（ａ））。なお、図３１（ｃ）において、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６とｉ−Ｓｉ膜３１７との境界は、破線で示している。

【0070】

図３２（Ｓ７）において、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｉ−Ｓｉ膜３１７（図３１（ｃ））中に部分的に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入して、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７の端部に接合するｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂを形成する。なお、イオン注入によって、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６とｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂとの間に境界（実線）が生じる。つまり、ｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂは、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６の端部にも接合する。

【0071】

図３３（Ｓ８）において、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂ中に部分的に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入してｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂを形成する。これにより、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａと、第２低濃度領域としてのｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａと、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａとが水平方向（左右方向）に接合する層と、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６の層と、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７の層とが積層されたＳｉスラブ導波路３０３が形成される。

【0072】

図３４（Ｓ９）において、製造者は、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７の上に部分的に、ｉ−Ｇｅ膜３１８を堆積させる。

【0073】

図３５（Ｓ１０）において、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、ｉ−Ｇｅ膜３１８（図３４）の上面に部分的に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入して、ｐ^＋−Ｇｅコンタクト領域３０９を形成する。これにより同時にノンドープのｉ−Ｇｅ吸収領域３０８が形成される。

【0074】

図３６（Ｓ１１）において、製造者は、例えば化学気相成長法により、例えばＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド３１１を形成する。

【0075】

図３７（Ｓ１２）において、製造者は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、上部クラッド３１１をパターニングして、ｐ^＋−Ｇｅコンタクト領域３０９と、２つのｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａ，３０５ａと、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂとの上に、コンタクトホール３１４，３１４，３１４，３１４を形成する。

【0076】

図３８（Ｓ１３）において、製造者は、４つのコンタクトホール３１４，３１４，３１４，３１４を覆うようにＡｌ膜をスパッタにて形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングでパターニングして、４つのＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，３１０を形成する。これにより、半導体受光素子３００が作製される。

【0077】

（動作の説明）
図３９は、本発明の第３実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なｙ−ｚ断面図であり、図４０は、その光軸に垂直なｘ−ｙ断面図である。
Ｓｉ細線導波路１１５を伝搬してきた信号光１１６は、Ｓｉスラブ導波路３０３（具体的には、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａ、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６及びｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７）を経由して、ｉ−Ｇｅ吸収領域３０８にエバネッセント結合する。

【0078】

図４０に示す通り、前記第１，２実施形態の半導体受光素子１００，２００と同様に、Ａｌ電極１１０ｂとＡｌ電極３１０との間に電圧Ｖ_Ｐの直流電源が接続され、Ａｌ電極１１０ｂとＡｌ電極１１０ｃとの間に電圧Ｖ_Ｃの直流電源が接続される。なお、Ａｌ電極１１０ａは、Ａｌ電極１１０ｂと同電位である。
言い換えれば、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７には、ｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂ、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂ及びＡｌ電極１１０ｃを介して、電圧Ｖ_Ｃの直流電源の負極が接続される。また、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７に接合するｉ−Ｇｅ吸収領域３０８には、ｐ⁻−Ｇｅコンタクト領域３０９及びＡｌ電極３１０を介して、電圧Ｖ_Ｐの直流電源の負極が接続される。また、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７に接合するｉ−Ｓｉ増倍領域３０６には、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａ、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａ及びＡｌ電極１１０ｂを介して、双方の直流電源の正極が接続される。つまり、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂの電位と、ｐ⁻−Ｇｅコンタクト領域３０９の電位と、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａの電位とは、個別に与えられる。また、（ｐ⁻−Ｇｅコンタクト領域３０９の電位）＜（ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂの電位）＜（ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａ）の条件の下、各電位は、無相間に設定できる。

【0079】

この電源接続により、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６には、電圧Ｖ_Ｃが印加され、内部電界が発生する。また、ｉ−Ｇｅ吸収領域３０８には、電位差（Ｖ_Ｐ−Ｖ_Ｃ）がもたらす内部電界が発生する。

【0080】

ｉ−Ｇｅ吸収領域３０８は、信号光１１６を吸収し、キャリアである電子及び正孔が発生する。ｉ−Ｇｅ吸収領域３０８では、電子はｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７の方向にドリフトし、正孔はｐ^＋−Ｇｅコンタクト領域３０９の方向にドリフトする。そして、ｐ−−Ｓｉチャージ領域３０７に達した電子は、直流電源の負極へは向かわないので、ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７をドリフトして通り抜け、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６に到達する。

【0081】

ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６に到達した電子は、直流電圧Ｖ_Ｃによるｉ−Ｓｉ増倍領域３０６の高い内部電界によりドリフトが加速し、雪崩増倍による多数のキャリア（電子及び正孔）が発生する。ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６で増倍した電子は、そのままドリフトしてｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａを介して、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａへ到達し、Ａｌ電極１１０ａ，１１０ｂを介して発生電流として外部回路へ出力される。

【0082】

また、ｉ−Ｓｉ増倍領域３０６で発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトしてｐ−−Ｓｉチャージ領域３０７へ到達した後、ｐ−Ｓｉ低濃度領域３０４ｂ、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ｂ、Ａｌ電極１１０ｃを介して、発生電流として電圧Ｖ_Ｃを印加している直流電源の負極に出力される。一方、ｉ−Ｇｅ吸収領域３０８で発生し、ｐ^＋−Ｇｅコンタクト領域３０９に達した正孔は、Ａｌ電極３１０を通じて発生電流として電圧Ｖ_Ｐを印加している直流電源の負極に出力される。

【0083】

（効果の説明）
以上説明したように第３実施形態の半導体受光素子３００によれば、第１実施形態の半導体受光素子１００と同様の効果が得られる。ところで、一般の半導体プロセスでは、基板表面に対して水平方向の寸法制御よりも垂直方向の寸法制御の方がより細かくより精密にできる。この点、半導体受光素子３００においても、ｉ−Ｇｅ吸収領域３０８とｐ⁻−Ｓｉチャージ領域３０７とｉ−Ｓｉ増倍領域３０６とが基板表面に対して垂直方向に配置されている。このため、半導体受光素子３００の各領域の厚さは、第１，２実施形態の半導体受光素子１００，２００の各領域の幅よりも薄くすることができる。このため、半導体受光素子３００は、半導体受光素子１００，２００よりも、発生したキャリアの移動距離が短くなるので、デバイスの高速化が期待できる。

【0084】

（光電融合モジュール）
図４１は、本発明の各実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。
光電融合モジュール５００は、例えば、ＰＯＮシステムに使用される一芯双方向通信モジュールであり、Ｓｉ基板１０１に積層された下部クラッド１０２の表面に光回路２１０、及び電気回路２２０が形成されている。ここで、光回路２１０は、スポットサイズ変換器２１３と波長合分波器２１２とから構成されており、波長合分波器２１２は、光導波路としてのＳｉ細線導波路１１５から構成されている。また、電気回路２２０は、半導体受光素子１００（又は、半導体受光素子２００，３００）と、半導体発光素子としてのレーザダイオード２２２と、電子回路としてのトランスインピーダンスアンプ２２１と、モニタ用フォトダイオード２２３とを備えている。つまり、光電融合モジュール５００は、前記したＳｉ細線導波路１１５と半導体受光素子１００とが結合された構成になっており、光回路２１０及び電気回路２２０とが一体化されている。

【0085】

波長合分波器２１２は、レーザダイオード２２２が発光した信号光をスポットサイズ変換器２１３に導き、スポットサイズ変換器２１３から導かれた信号光を半導体受光素子１００に入射させるものである。また、１本の光ファイバで、双方向通信を行うため、モニタ用フォトダイオード２２３が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードが発光した光の波長を遮断するようにしている。例えば、レーザダイオード２２２の送信波長を１．３１０ｎｍとし、半導体受光素子１００の受信波長を１．５５ｎｍとした場合、半導体受光素子１００が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードが発光した光の波長１．３１０ｎｍを遮断するようにしている。なお、Ｓｉ細線導波路１１５は、コア材をシリコンとし、クラッド材を石英とする光導波路であり、従来から用いられる石英光導波路に比べて光の経路を鋭く曲げることができる。

【0086】

スポットサイズ変換器２１３は、図示しない光ファイバとシリコン細線導波路との間を結合するものであり、先細テーパ型を用いている。つまり、スポットサイズ変換器２１３は、光のビームスポットの大きさを変換する機能を持ち、光入出力における光パワー損失を低減するために設けられている。なお、レーザダイオード２２２と導波路との間は、テーパ型スポットサイズ変換を用い、半導体受光素子１００と導波路との間は、グレーティング型を採用している。

【0087】

トランスインピーダンスアンプ２２１は、半導体受光素子１００の両端電圧を仮想接地させつつ、半導体受光素子１００が発生する電流を電圧に変換する電子回路である。
モニタ用フォトダイオード２２３は、レーザダイオード２２２の光出力をモニタして帰還制御するためのものであり、レーザダイオード２２２と近接配置されている。

【0088】

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００は、チャージ領域が第１導電型としてのｐ型であったが、ｎ型にすることもできる。このときには、チャージ領域、第１コンタクト領域、低濃度領域がｎ型になり、第２コンタクト領域がｐ型になる。

【0089】

（２）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００は、Ａｌ電極を用いたが、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これに限らない。例えば、Ｃｕなども可能である。半導体受光素子１００，２００は、上部クラッド１１１，２１１の材料にＳｉＯ_２を用いたが、使用波長範囲でＳｉ及びＧｅよりも屈折率の小さな透明材料であればこれに限らない。例えば、ＳｉＯＮなども可能である。

【0090】

（３）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００は、Ｓｉ層上に直接Ｇｅ層を選択成長させる構成及び製造方法を示したが、Ｓｉ層とＧｅ層との間にはＳｉＧｅ混晶層等のバッファ層を介在させても構わない。同様に、Ｇｅ層上にＳｉ層等の保護層を設けても構わない。

【0091】

（４）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００は、Ｓｉ層上へのＧｅ層選択成長について説明したが、材料の組み合わせはこれに限らない。例えば、Ｓｉ層上へのＳｉＧｅ混晶層選択成長等の他、下地材料上に選択成長できる材料を組み合わせることが可能である。

【0092】

（５）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００は、光導波路にＳi、吸収領域にＧｅを用いた場合について説明したが、材料の組み合わせはこれに限らない。光導波路をＩｎＰ、吸収領域をＩｎＧａＡｓとする等、ＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体、或いはＩＩ−ＶＩ属化合物半導体を利用することもできる。

【0093】

（６）前記第２実施形態の半導体受光素子２００は、光導波路層内にチャージ領域と増倍領域とを備えている場合について、バットジョイント結合の構造を説明したが、基板表面に対して垂直方向にチャージ領域と増倍領域が配置されている場合についても、バットジョイント結合構造にすることも可能である。

【0094】

（７）前記第３実施形態の半導体受光素子３００のｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａ、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａ、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａは、矩形状に形成し、２つのＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂを形成していた。半導体受光素子３００のＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂは、同電位であるので、例えば、ｎ−Ｓｉ低濃度領域３０４ａを平面視円形に形成すると共に、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域３０５ａを、光軸を対称軸とする線対称の円弧状に形成しても構わない。

【符号の説明】

【0095】

１００，１５０，２００，３００ 半導体受光素子
１０１ Ｓｉ基板（支持基板）
１０２ 下部クラッド
１０３，２０３，３０３ Ｓｉスラブ導波路（導波路）
１０４ａ ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域（第３コンタクト領域）
１０４ｂ ｎ−Ｓｉ低濃度領域（第３低濃度領域）
１０４ｃ ｎ−Ｓｉ低濃度領域
１０５，２０５ ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域（チャージ領域）
１０６ａ，２０６ａ ｐ−Ｓｉ低濃度領域（第２低濃度領域）
１０６ｂ ｐ−Ｓｉ低濃度領域（第１低濃度領域）
１０６ｃ ｐ−Ｓｉ低濃度領域
１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域
１０８ａ，３０６ ｉ−Ｓｉ増倍領域（増倍領域）
１０８ｂ，１０８ｃ ｉ−Ｓｉ絶縁領域
１０９，２０９，３０８ ｉ−Ｇｅ吸収領域
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，３１０ Ａｌ電極
１１５ Ｓｉ細線導波路（光導波路）
２１７ リセス
３０４ａ ｎ−Ｓｉ低濃度領域（第２低濃度領域）
３０４ｂ ｐ−Ｓｉ低濃度領域
３０５ｂ ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域
３０７ ｐ⁻−Ｓｉチャージ領域
３０９ ｐ^＋−Ｇｅコンタクト領域（第３コンタクト領域）
３１６ イオン不注入領域
３１７ ｉ−Ｓｉ膜
３１８ ｉ−Ｇｅ膜
５００ 光電融合モジュール

【要約】      （修正有）

【課題】光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率を得るアバランシェフォトダイオードを提供する。
【解決手段】支持基板上に形成された光導波路１０３を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子１００であって、信号光を吸収する吸収領域１０９と吸収領域１０９への印加電界を低減するチャージ領域１０５と吸収領域１０９で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域１０８ａとが分離しているＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、チャージ領域１０５に接合する第１低濃度領域１０６ｂと、第１低濃度領域１０６ｂに接合する第１コンタクト領域１０７ｂとを備え、チャージ領域１０５、第１低濃度領域１０６ｂ及び第１コンタクト領域１０７ｂは、ｐ型であり、チャージ領域１０５には、電源が接続される。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】