特許 6827507 面受光型の半導体受光素子、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(B1)

(11)【特許番号】6827507

(24)【登録日】2021年1月21日

(45)【発行日】2021年2月10日

(54)【発明の名称】面受光型の半導体受光素子、及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0232 20140101AFI20210128BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20210128BHJP

   H01L 31/107 20060101ALI20210128BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/02 D

   H01L31/10 A

   H01L31/10 B

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2019-172315(P2019-172315)

(22)【出願日】2019年9月20日

【審査請求日】2019年9月20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】 小林 幹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−１８３４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１９−１４０１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０２３３０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１７−５０８２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２７３３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Michal Cada and Jaromir Pistora，"Design of a New Terahertz Nanowaveguide Amplifier"，IEEE Photonics Journal，２０１７年，Vol.9, No.3，pp.2200905-1 - 2200905-5

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ３１／００−３１／２０

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｓｉ基板と、ＳｉＯ_２層と、第１導電型領域及び導電型が異なる第２導電型領域が面方向に互いに非接合で、複数形成されたＳｉ層とから構成される支持基板と、
各々の前記第１導電型領域、及び該第１導電型領域の両側の前記第２導電型領域と接合し、前記ＳｉＯ_２層の上に形成されている複数の吸収領域と、
各々の前記吸収領域及び隣接する前記第２導電型領域を凸レンズ状に覆うように、形成された上部クラッドとで構成された半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、複数の三角面を含む多面体形状であり、
前記上部クラッドを介して前記吸収領域を通過した光は、前記Ｓｉ層を伝搬し、隣接する吸収領域に吸収される
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。

【請求項2】

請求項１に記載の面受光型の半導体受光素子であって、
第１導電型領域及び前記第２導電型領域を非接合にするｉ−Ｓｉ絶縁領域がさらに形成されており、
前記上部クラッドは、前記第１導電型領域、前記第２導電型領域、及び前記ｉ−Ｓｉ絶縁領域を覆う
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。

【請求項3】

光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているＳＡＭ構造の半導体受光素子であって、
Ｓｉ基板と、ＳｉＯ_２層と、第１導電型領域及び導電型が異なる第２導電型領域が前記増倍領域としてのｉ−Ｓｉ絶縁領域を介して、複数形成されたＳｉ層とから構成される支持基板と、
前記ＳｉＯ_２層の上に形成され、前記第１導電型領域、及び第２導電型領域の何れか一方の領域と接合し、他方の領域が前記ｉ−Ｓｉ絶縁領域に接合する、複数の吸収領域と、
前記吸収領域、及び前記ｉ−Ｓｉ絶縁領域を覆い、複数の前記吸収領域上が凸レンズ状に形成された上部クラッドと
で構成された半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、複数の三角面を含む多面体形状であり、
前記上部クラッドを介して前記吸収領域を通過した光は、前記Ｓｉ層を伝搬し、隣接する吸収領域に吸収される
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。

【請求項4】

光を吸収する吸収領域とチャージ領域と増倍領域とが分離しているＳＡＣＭ構造の半導体受光素子であって、
Ｓｉ基板と、ＳｉＯ_２層と、前記増倍領域と前記チャージ領域とｉ−Ｓｉ絶縁領域及び前記チャージ領域と同一導電型の領域とが複数形成されたＳｉ層とから構成される支持基板と、
前記ＳｉＯ_２層の上に形成され、前記チャージ領域と前記ｉ−Ｓｉ絶縁領域及び前記チャージ領域と同一導電型の領域に接合する、複数の前記吸収領域と、
前記吸収領域、前記増倍領域、前記チャージ領域、及び前記ｉ−Ｓｉ絶縁領域を覆い、複数の前記吸収領域上が凸レンズ状に形成された上部クラッドと
で構成された半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、複数の三角面を含む多面体形状であり、
前記上部クラッドを介して前記吸収領域を通過した光は、前記Ｓｉ層を伝搬し、隣接する吸収領域に吸収される
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面受光型の半導体受光素子、及びその製造方法に関し、例えば、光ファイバ通信で使用される半導体受光素子、及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、Ｓｉを光導波路材料として用いるシリコンフォトニクス技術が注目を集めている。これらの技術の中で、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハのトップＳｉ層を半導体プロセスにより成形した導波路型のＰＩＮ構造のフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤとも称する）を集積する方法（特許文献１参照）が知られている。このＰＩＮ構造のフォトダイオードは、ｐ型又はｎ型の導電性を持たせたＳｉコアと、逆の導電性（Ｓｉがｐ型ならｎ型、Ｓｉがｎ型ならｐ型）を持たせたＧｅと、ｐ型領域とｎ型領域との中間に介挿されたｉ型領域とで構成されたものである。

【0003】

特許文献１に記載のＰＩＮ−ＰＤは、Ｓｉ導波路上に作製されている導波路型である。このため、特許文献１に記載のＰＩＮ−ＰＤが集積されているシリコンフォトニクスチップが外部との信号光の入出力に光ファイバを使用する場合は、特許文献２のように、Ｓｉ導波路と光ファイバとをシリコンフォトニクスチップ端面でバット結合させるのが一般的である。しかしながら、モードフィールド径が１０μｍ程度の光ファイバを５００ｎｍ程度のＳｉ導波路と低結合損失で接続させるのは、非常に困難である。

【0004】

そこで、グレーティングカプラでＳｉ導波路の実効的なモードフィールド径を大きくし、低接続損失、且つ、シリコンフォトニクスチップ表面でバット結合させる特許文献３の方法も提案されている。しかし、グレーティングカプラは挿入損失と光の入出力角度に波長依存性、及び偏波依存性を有するために広い波長範囲の光をシリコンフォトニクスチップに入射させることは原理的に不可能であるデメリットを有している。

【0005】

また、特許文献４には、マイクロレンズが形成された面受光型のＰＩＮ−ＰＤが開示されている。このＰＩＮ−ＰＤは、Ｎ層、Ｉ層、Ｐ層が順次積層したものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−２５６８６９号公報

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１４／２７０６５２号明細書

【特許文献3】米国特許出願公開第２０１８／３２３８７４号明細書

【特許文献4】特開２００９−１８８３１６号公報（段落００２３）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

光ファイバとの結合効率を上げるために、面受光型のＰＤをＳＯＩ基板に形成し、受光面積を広げることが考えられる。しかしながら、特許文献４に記載の面受光型のＰＤでは、受光感度と応答速度とを独立に制御することができない。例えば、受光感度を上げるためにＩ層（吸収領域）を厚くすると、キャリアの伝搬距離が長くなり、応答速度が下がってしまう。逆に、応答速度を上げるために吸収領域を薄くすると受光感度が下がってしまう欠点を有する。

【0008】

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、薄い吸収領域でも受光感度を高くすることができる面受光型の半導体受光素子、及びそ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】

【0009】

前記目的を達成するために、本発明の面受光型の半導体受光素子は、Ｓｉ基板と、ＳｉＯ_２層と、第１導電型領域及び導電型が異なる第２導電型領域が面方向に互いに非接合で、複数形成されたＳｉ層とから構成される支持基板（１１３（１０１，１０２，１０３）と、各々の前記第１導電型領域、及び該第１導電型領域の両側の前記第２導電型領域と接合し、前記ＳｉＯ_２層の上に形成されている複数の吸収領域（１０９）と、各々の前記吸収領域及び隣接する前記第２導電型領域を凸レンズ状に覆うように、形成された上部クラッド（１１１）とで構成された半導体受光素子であって、前記吸収領域は、複数の三角面を含む多面体形状であり、前記上部クラッドを介して前記吸収領域を通過した光は、前記Ｓｉ層を伝搬し、隣接する吸収領域に吸収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。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、薄い吸収領域でも受光感度を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態である面受光型の半導体受光素子の平面図、Ａ−Ａ断面図、及びＢ−Ｂ断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態である半導体受光素子を作製する作製方法を説明する説明図（１）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を作成する作成方法を説明する説明図（２）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を作製する作製方法を説明する説明図（３）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を作製する作製方法を説明する説明図（４）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を作製する作製方法を説明する説明図（５）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を作製する作製方法を説明する説明図（６）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を作製する作製方法を説明する説明図（７）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光学的な動作を説明する説明図である。

【図10】本発明の第１実施形態である半導体受光素子の電気的な動作を説明する説明図である。

【図11】本発明の第２実施形態である面受光型の半導体受光素子の断面図である。

【図12】本発明の第３実施形態である面受光型の半導体受光素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である面受光型の半導体受光素子の平面図（ａ）、Ａ−Ａ断面図（ｂ）、及びＢ−Ｂ断面図（ｃ）である。

【0014】

先ず、図１（ａ）乃至図１（ｃ）を参照して、第１実施形態の面受光型の半導体受光素子の構成について説明する。
信号光は、平面図において、紙面の手前から裏面の方向に照射されて、半導体受光素子１００の上面から入射する。半導体受光素子１００は、支持基板としてのＳＯＩ基板１１３と、ＳＯＩ基板１１３の上に堆積された複数のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９と、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を凸レンズ状に覆う上部クラッド１１１と、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５と、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７と、２つのＡｌ電極１１０ａ，１１０ｂとから構成される。複数のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９及び上部クラッド１１１に形成される凸レンズは、二次元配列される。

【0015】

ＳＯＩ基板１１３（図１（ｂ），図１（ｃ））は、例えば、厚さｔ１＝７７５μｍのＳｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１の上の全面に積層された厚さｔ２＝３μｍの下部クラッド１０２と、下部クラッド１０２上に厚さｔ３＝２２０ｎｍで積層されたＳｉ層１０３とから構成される支持基板である。なお、上部クラッド１１１及び下部クラッド１０２は、例えば、ＳｉＯ_２により構成される。

【0016】

Ｓｉ層１０３は、第１導電領域であるｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４とｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８と第２導電領域であるｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６との組合せが複数配列されている（図１（ｃ）参照）。ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６は、平面視で櫛形状に形成されている（図３（ａ）参照）。また、第１導電領域であるｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４と第２導電領域であるｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とは、これらの間にｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８が介挿されており、非接合である（図３（ｃ）参照）。ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４のキャリア濃度は、例えば、４×１０^１９ｃｍ^−３であり、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６のキャリア濃度は、４×１０^１９ｃｍ^−３である。

【0017】

また、Ｓｉ層１０３（図１（ｂ））には、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５が、電極としてのｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４よりも浅い深さで形成されている。また、電極としてのｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７が、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６よりも浅い深さで形成されている。ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７のキャリア濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３であり、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５のキャリア濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３である。また、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７には、Ａｌ電極１１０ａが形成されており、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５には、Ａｌ電極１１０ｂが形成されている。

【0018】

ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、ノンドープＧｅであり、例えば縦横の幅Ｄ１＝１μｍ、厚さｔ４＝５８０ｎｍで形成される。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の下面には、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４とｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とがこの順で接合している（図１（ｃ）参照）。

【0019】

実験で、面方位（１００）のＳｉ層１０３上に、縦横それぞれ幅１μｍ、厚さ５８０ｎｍでＧｅをエピタキシャル成長させると、Ｓｉ層１０３の上面と平行な面がＧｅ上面に形成されることなく、Ｓｉ層１０３の上方から見て内側に（３１１）面２０１、外側に（１１１）面２０２を有する多面体構造のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９が得られている。

【0020】

また、Ｇｅ結晶は、立方晶ダイヤモンド構造であるので、これらの（３１１）面２０１、（１１１）面２０２は、以下の一般式を満たす。
cosφ＝（h1・h2＋k1・k2＋l1・l2）／√｛（h1^２＋k1^２＋l1^２）・（h2^２＋k2^２＋l2^２）｝
但し、φは、(h₁,k₁,l₁)面と(h₂,k₂,l₂)面のなす角である。
具体的には、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、４つの三角状の（３１１）面２０１（図１（ｃ））と、４つの台形状（矩形状）の（１１１）面２０２（図１（ｃ））とで形成されたものである。

【0021】

また、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、(１００)面のＳｉ層１０３にＧｅ層をエピタキシャル成長させるものである。このため、Ｓｉ層１０３表面の面方位とＧｅ層底面の面方位とが一致し、Ｓｉ層１０３の(１００)面１０３ａとｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の(３１１)面２０１とのなす角φ１（図１（ｃ））は、
cosφ１＝（３＋０＋０）／√｛（１＋０＋０）・（９＋１＋１）｝＝３／√（１１）
φ１≒25.2394[deg]
である。同様に、Ｓｉ層１０３の(１００)面１０３ａとｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の(１１１)面２０２とのなす角φ２（図１（ｃ））は、
cosφ２＝（１＋０＋０）／√｛（１＋０＋０）・（１＋１＋１）｝＝１／√３
φ２≒54.73561[deg]
である。

【0022】

上部クラッド１１１は、Ｓｉ層１０３及び複数のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を凸レンズ状に覆い、Ａｌ電極１１０ａ，１１０ｂが露出するＳｉＯ_２である。上部クラッド１１１は、例えば、厚さｔ５＝１μｍで形成されている。

【0023】

Ａｌ電極１１０ａ，１１０ｂは、ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５とｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７との上に、例えば、厚さｔ６＝１μｍで形成される。

【0024】

（製造方法）
図２乃至図１２は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子を作製する作製方法を説明する説明図である。図２乃至図１２は、ステップＳＰ１乃至ステップＳＰ１１の内容を示す。また、各図の（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図であり、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。本実施形態にかかる半導体受光素子は、よく知られた一般的な方法で作製してよい。

【0025】

図２(ＳＰ１)において、製造者は、支持基板としてのＳＯＩ基板１１３を準備する。ＳＯＩ基板１１３は、Ｓｉ基板１０１の上にＳｉＯ_２による下部クラッド１０２を積層し、下部クラッド１０２の上に、Ｓｉ層１０３を積層したものである。下部クラッド１０２は、いわゆるＢＯＸ層と称する。

【0026】

図３（ＳＰ２）では、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層１０３中に部分的（コ字状（略Ｕ字状））に、例えばＰ（リン）をイオン注入してｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４を形成する。さらに、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層１０３中に部分的（例えば、コ字状（略Ｕ字状））に、例えばＢ（ホウ素）をイオン注入してｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６を形成する。これにより同時にノンドープのｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８が形成される。そして、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、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４及びｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６中に部分的（直線状）に、例えばＰ（リン）をイオン注入してｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５及びｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７を形成する。

【0027】

図４（ＳＰ３）では、Ｓｉ層１０３上に、例えば化学気相成長法により、例えばＳｉＯ_２膜１１５を厚さｔ６＝３００ｎｍで堆積させる。

【0028】

図５（ＳＰ４）では、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りＳｉＯ_２膜１１５をパターニングして、Ｇｅ膜を選択成長させるために、複数（図示例では９個）の開口部１１６を等間隔に形成する。

【0029】

図６（ＳＰ５）では、製造者は、開口部１１６に選択的に、例えば化学気相成長法により、エピタキシャル成長させる。これにより、４つの三角状の（３１１）面２０１（図９）と、４つの台形状（矩形状）の（１１１）面２０２（図９）とを有する、Ｓｉ層１０３の上面に対して凸状に形成された複数（図示例では９個）のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９が形成される。つまり、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、複数の三角面と複数の台形面（矩形面）との組合せからなる多面体形状である。

【0030】

図７（ＳＰ６）では、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１１１を形成する。このとき、ＳｉＯ_２膜１１５は、上部クラッド１１１と一体となる。ＳｉＯ_２膜の成膜開始直後は、上部クラッド１１１の表面は、Ｓｉ層１０３及びｉ−Ｇｅ吸収領域１０９からなる下地の表面形状に沿った形状となる。しかしながら、上部クラッド１１１の膜厚が厚くなるのに伴い、上部クラッド１１１の表面は平面に近づいていく。このため、上部クラッド１１１の所定の厚みにおいて、上部クラッド１１１の表面が曲面形状になることがある。つまり、上部クラッド１１１の表面は、曲面状の凸レンズが等間隔に配列したものになる。このようにして、上部クラッド１１１の表面形状は、複数のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に類似し、複数の凸レンズ状を有した形状になる。

【0031】

図８（ＳＰ７）では、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り、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１０５及びｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に対して、２つのコンタクトホール（不図示）を形成する。さらに、製造者は、コンタクトホールを覆うように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り、パターニングして、２つのＡｌ電極１１０ａ，１００ｂを形成する。これにより、本実施形態の半導体受光素子１００が作製される。

【0032】

（動作の説明）
図９は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の光学的な動作を説明する説明図である。

【0033】

上部クラッド１１１に形成された球面のレンズ効果によって、Ｓｉ層１０３の表面１０３ａに対して垂直に入射した光（信号光）は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の（３１１）面２０１及び（１１１）面２０２に光が集まる。

【0034】

ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に入射した光の一部がｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に吸収され、フォトキャリアである電子及び正孔（図１０）を発生させる。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に入射しても吸収されなかった光は、Ｓｉ層１０３に入射する。Ｓｉ層１０３に入射した光は、Ｓｉ層１０３を通過し、下部クラッド１０２との界面に到達する。

【0035】

このときに、下部クラッド１０２との界面へ入射する入射角が全反射条件を満たせば、光はＳｉ層１０３で導波モードを形成することになる。導波モードを形成した光は、Ｓｉ層１０３の面内を伝搬し、隣接するｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の領域に到達し、さらに隣接するｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の領域まで順に到達する。つまり、Ｓｉ層１０３は、光伝搬層として機能する。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の領域に到達した光の一部がｉ−Ｇｅ吸収領域１０９とエバネッセント結合してｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に吸収される。ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に吸収された光は、フォトキャリアである電子及び正孔（図１０）を発生させる。

【0036】

このように、半導体受光素子１００は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に入射した光がｉ−Ｇｅ吸収領域１０９に１００％吸収されなかったとしても、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を透過した光はＳｉ層１０３を伝搬することになる。つまり、半導体受光素子１００は、上部クラッド１１１の上面から光を入射する面受光型ＰＤでありながら、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を透過した光については、Ｓｉ層１０３を伝搬（導波）する導波路型ＰＤとして機能することが特徴である。

【0037】

このような光学的な動作が成立するための全反射条件を計算した。まず、Ｓｉ層１０３の表面１０３ａとＧｅ（１１１）面２０２との成す角φ２（図１（ｃ））が５４度４４分であり、Ｓｉ層１０３の表面１０３ａとＧｅ（３１１）面２０１との成す角φ１（図１（ｃ））が２５度１４分であることが必要である。さらに、光の波長１６００ｎｍでの空気の屈折率１．０、ＳｉＯ_２の屈折率１．４５、Ｇｅの屈折率４．２８、Ｓｉの屈折率３．４７５を用いると、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の寸法が縦横それぞれ幅Ｄ１＝１μｍ、厚さｔ４＝５８０ｎｍの場合、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９間のギャップＤ３は、Ｄ３＝１５０〜２３０ｎｍであり、上部クラッド１１１の厚さ（ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９最上部上のＳｉＯ_２膜厚）Ｔ１は、Ｔ１＝８．３〜０．８４μｍである。
なお、Ｇｅ（３１１）面２０１に入射させるためには、Ｓｉ層１０３の表面（つまりＧｅ（１００）面）に対して、８．９９４６度傾斜させる必要がある（不図示）。

【0038】

図１０は、本発明の第１実施形態である半導体受光素子の電気的な動作を説明する説明図である。
半導体受光素子１００は、Ｇｅを光吸収領域とした横型ＰＩＮ−ＰＤである。ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５（図１）が高電位、ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７（図１）が低電位となるような逆バイアスを印加する。つまり、バイアス電源Ｅの正極をｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４に接続し、負極をｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６に接続する。

【0039】

これにより、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６との間に電界が発生する。ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４とｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６との間に存在するＳｉの比誘電率は１１．７であり、Ｇｅの比誘電率は、１６．２である。つまり、Ｇｅの比誘電率の方がＳｉよりも高い。このため、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４を起点とする電気力線は、多くがｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を経由してｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６まで到達する。これにより、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９で発生したフォトキャリアは、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９内を貫く電気力線に沿ってドリフトし、電子はｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４を経由してｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０５に移動し、正孔はｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６を経由してｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域１０７に移動する。その後、電子は、バイアス電源Ｅの負極に移動し、正孔は、バイアス電源Ｅの正極に移動する。これにより、電子及び正孔は、半導体受光素子１００の出力電流となる。

【0040】

（効果の説明）
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子１００によれば、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を通過した光がＳｉ層１０３を伝搬して、隣接するｉ−Ｇｅ吸収領域１０９にエバネッセント結合する。言い換えれば、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、隣接するｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を通過した光の一部を吸収するので、光を電流に変換する変換効率が高くなる。

【0041】

また、Ｓｉ層１０３を設けることなく、半導体受光素子１００と同等の変換効率を得るためには、ｉ−Ｇｅ吸収領域を厚くする必要がある。逆に云えば、半導体受光素子１００は、ｉ−Ｇｅ吸収領域１０９を薄くすることができるので、キャリアの伝搬時間が短くなる。つまり、半導体受光素子１００は、変換効率が高く、応答速度が速い受光素子である。

【0042】

（第２実施形態）
前記第１実施形態は、ＰＩＮ−ＰＤとしたが、ＳＡＭ（Separated Absorption and Multiplication）構造のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）にも適用することができる。

【0043】

図１１は、本発明の第２実施形態である面受光型の半導体受光素子の断面図である。
本実施形態の半導体受光素子２００は、横型ＳＡＭ構造のアバランシェフォトダイオードであり、ＳＯＩ基板１１３のＳｉ層１２３の上に複数のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９が二次元配列され、各々のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の上に凸レンズが形成された上部クラッド１１１を有する点で前記第１実施形態の半導体受光素子１００と略一致する。

【0044】

前記第１実施形態の半導体受光素子１００のＳｉ層１０３は、ｎ−Ｓｉ低濃度領域１０４と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８と、ｐ−Ｓｉ低濃度領域１０６とがこの順で接合していた。本実施形態のＳｉ層１２３は、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａ、ノンドープの増倍領域（ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ａ）と、ｐ−Ｓｉ領域１０６ａとがこの順で接合されている点で相違する。また、本実施形態のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の底面は、増倍領域（ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ａ）及びｐ−Ｓｉ領域１０６ａと接合しており、ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａとは接合していない。

【0045】

ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ａは、例えば、キャリア濃度１×１０^２０ｃｍ^−３でＰ（リン）がイオン注入されている。ｐ−Ｓｉ領域１０６ａは、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３で形成されている。

【0046】

（第３実施形態）
前記第１実施形態は、ＰＩＮ構造のＰＤとしたが、ＳＡＣＭ（Separated Absorption Charge and Multiplication）構造のＡＰＤとすることもできる。

【0047】

図１２は、本発明の第３実施形態である面受光型の半導体受光素子の断面図である。
本実施形態の半導体受光素子２１０は、横型ＳＡＣＭ構造のアバランシェフォトダイオードであり、ＳＯＩ基板１１３のＳｉ層１２４の上に複数のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９が二次元配列され、各々のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の上に凸レンズが形成された上部クラッド１１１を有する点で前記第１実施形態の半導体受光素子１００と略一致する。

【0048】

本実施形態のＳｉ層１２４は、ｎ型の高濃度領域であるｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ｂ、ノンドープの増倍領域（ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｂ）と、p型の低濃度領域であるｐ−Ｓｉチャージ領域１１２と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃと、ｐ−Ｓｉ領域１０６ｂとがこの順で接合されている。また、本実施形態のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９の底面は、ｐ−Ｓｉチャージ領域１１２と、ｉ−Ｓｉ絶縁領域１０８ｃと、ｐ−Ｓｉ領域１０６ｂと接合している。ｎ−Ｓｉコンタクト領域１０４ｂは、例えば、キャリア濃度１×１０^２０ｃｍ^−３でＰ（リン）がイオン注入されている。ｐ−Ｓｉ領域１０６ｂは、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３で形成されている。ｐ−Ｓｉチャージ領域１１２は、例えば、キャリア濃度１×１０^１７ｃｍ^−３でＢ（ホウ素）がイオン注入されている。

【0049】

（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１００，２００，２１０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１００，２００，２１０は、上部クラッド１１１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。

【0050】

（２）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００，２１０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。

【0051】

（３）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００，２１０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。

【0052】

（４）前記各実施形態の半導体受光素子１００，２００，２１０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。

【0053】

（５）前記各実施形態のｉ−Ｇｅ吸収領域１０９は、４つの（３１１）面２０１と、４つの（１１１）面２０２とを有していた多角形状として説明したが、直方体状に形成されても構わない。この場合であっても、上部クラッド１１１は、凸レンズ状の表面形状を有している。

【符号の説明】

【0054】

１００，２００，２１０ 半導体受光素子
１０１ Ｓｉ基板
１０２ 下部クラッド（ＢＯＸ層）
１０３，１２３，１２４ Ｓｉ層（光伝搬層）
１０４ ｎ−Ｓｉ低濃度領域
１０４ａ，１０４ｂ ｎ−Ｓｉコンタクト領域
１０５ ｎ^＋−Ｓｉコンタクト領域
１０６ ｐ−Ｓｉ低濃度領域
１０６ａ，１０６ｂ ｐ−Ｓｉ領域
１０７ ｐ^＋−Ｓｉコンタクト領域
１０８，１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ ｉ−Ｓｉ絶縁領域
１０９ ｉ−Ｇｅ吸収領域
１１１ 上部クラッド
１１２ ｐ−Ｓｉチャージ領域
１１３ ＳＯＩ基板（支持基板）
１２０ 非接合領域
２０１ （３１１）面
２０２ （１１１）面

【要約】

【課題】薄い吸収領域でも受光感度を高くすることができる。
【解決手段】ｎ−Ｓｉ領域１０４及び導電型が異なるｐ−Ｓｉ領域１０６が面方向に互いに非接合で形成されている支持基板１１３と、ｎ−Ｓｉ領域１０４及びｐ−Ｓｉ領域１０６と接合し、支持基板１１３上に形成されている吸収領域１０９と、吸収領域１０９を覆い、凸レンズ状に形成された上部クラッド１１１とで構成されている。
【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】