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(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】
(24)【登録日】2022-08-17
(45)【発行日】2022-08-25
(54)【発明の名称】光半導体素子及び光伝送装置
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20220818BHJP
H01L 31/0232 20140101ALI20220818BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
H01L31/02 D
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2018108965
(22)【出願日】2018-06-06
(65)【公開番号】P2019212819
(43)【公開日】2019-12-12
【審査請求日】2021-03-30
【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）平成２５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１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】309015134
【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100107515
【弁理士】
【氏名又は名称】廣田 浩一
(72)【発明者】
【氏名】下山 峰史
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】特開２００３－１７４１８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１５１７２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０７６６５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０３８０７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－２２０２６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０９２０４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－２４６２６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－３１６４４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２７０４１４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２８５１８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０１０５９４０（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２
Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９
Ｇ０２Ｂ ６／１０－６／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の屈折率及び第１の光吸収係数を備えた第１の半導体層と、
第２の屈折率及び第２の光吸収係数を備え、前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、
を有し、
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率より大きく、
前記第２の光吸収係数は、前記第１の光吸収係数より大きく、
前記第１の半導体層は前記第２の半導体層の下方に第１導電型の領域を含み、
前記第２の半導体層は前記第１導電型の領域の上方にｉ型の領域を介して第２導電型の領域を含み、
前記第１の半導体層を進行する光の光軸に垂直かつ前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面に平行な第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光軸に沿って変化し、
平面視で前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが重なり合う光電変換部と、
前記光電変換部に繋がる光モード変換部と、
を有し、
前記第２の半導体層の前記光モード変換部側の端部に欠損が形成され、
前記欠損の前記第１の方向における寸法は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以上であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項2】
第１の屈折率及び第１の光吸収係数を備えた第１の半導体層と、
第２の屈折率及び第２の光吸収係数を備え、前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、
を有し、
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率より大きく、
前記第２の光吸収係数は、前記第１の光吸収係数より大きく、
前記第１の半導体層は前記第２の半導体層の下方に第１導電型の領域を含み、
前記第２の半導体層は前記第１導電型の領域の上方にｉ型の領域を介して第２導電型の領域を含み、
前記第１の半導体層を進行する光の光軸に垂直かつ前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面に平行な第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光軸に沿って変化し、
平面視で前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが重なり合う光電変換部と、
前記光電変換部に繋がる光モード変換部と、
を有し、
前記第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光モード変換部から遠ざかるにつれて減少し、
前記第２の半導体層の前記光の進行方向における最大幅は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以上であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項3】
前記第２の半導体層の前記光の進行方向における最小幅は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以下であることを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項4】
前記第２の半導体層の前記光軸に垂直な面の面積は、前記光軸に沿って変化していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体素子が、前記第１の半導体層を進行する光の方向が互いに逆向きになるようにして２つ配置された構成を有することを特徴とする光半導体素子。
【請求項6】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体素子を有することを特徴とする光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光半導体素子及び光伝送装置に関する。
【背景技術】
【0002】
コンピュータの処理能力への要求が高まるにつれ、データ送受信帯域の拡大が望まれている。電気信号でのデータ伝送には限界が迫りつつあり、光信号の適用が求められている。光信号を電気信号に高効率で変換するためには、損失の低減のために、電気信号を処理する装置に光部品を集積化することが有効である。そこで、近年では、シリコン（Ｓｉ）基板上に種々の光部品を構成するＳｉフォトニクスとよばれる分野の研究及び開発が注目を集めつつある。
【0003】
これまで、Ｓｉフォトニクスに関し、種々の光半導体素子が提案されているが、十分な光信号の電気信号への変換速度、すなわち応答特性を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－７６６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本開示の目的は、応答特性を向上することができる光半導体素子及び光伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
光半導体素子の一態様は、第１の屈折率及び第１の光吸収係数を備えた第１の半導体層と、第２の屈折率及び第２の光吸収係数を備え、前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、を有する。前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率より大きく、前記第２の光吸収係数は、前記第１の光吸収係数より大きい。前記第１の半導体層は前記第２の半導体層の下方に第１導電型の領域を含み、前記第２の半導体層は前記第１導電型の領域の上方にｉ型の領域を介して第２導電型の領域を含む。前記第１の半導体層を進行する光の光軸に垂直かつ前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面に平行な第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光軸に沿って変化している。光半導体素子の一態様は、更に、平面視で前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが重なり合う光電変換部と、前記光電変換部に繋がる光モード変換部と、を有する。前記第２の半導体層の前記光モード変換部側の端部に欠損が形成され、前記欠損の前記第１の方向における寸法は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以上である。
【0007】
光伝送装置の一態様は、上記の光半導体素子を有する。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、応答特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】参考例に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【図1B】参考例に係る光半導体素子の構成を示す断面図である。
【図2】参考例に係る光半導体素子の動作を示す図である。
【図3】参考例に係る光半導体素子の動作を示すバンド図である。
【図4A】参考例に係る光半導体素子の応答特性を示す図（その１）である。
【図4B】参考例に係る光半導体素子の応答特性を示す図（その２）である。
【図5A】第１の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す上面図である。
【図5B】第１の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【図5C】第１の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す断面図である。
【図6A】第１の実施形態に係る光半導体素子の２次元光強度分布を示す図である。
【図6B】第１の実施形態に係る光半導体素子の１次元光強度分布を示す図である。
【図7A】参考例に係る光半導体素子の２次元光強度分布を示す図である。
【図7B】参考例に係る光半導体素子の１次元光強度分布を示す図である。
【図8】キャリア密度の分布を示す図である。
【図9A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その１）である。
【図9B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図10A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その２）である。
【図10B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図11A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その３）である。
【図11B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図12A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その４）である。
【図12B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その４）である。
【図13A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その５）である。
【図13B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その５）である。
【図14A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その６）である。
【図14B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その６）である。
【図15A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その７）である。
【図15B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その７）である。
【図16A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その８）である。
【図16B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その８）である。
【図17A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その９）である。
【図17B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その９）である。
【図18A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その１０）である。
【図18B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その１０）である。
【図19A】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す上面図（その１１）である。
【図19B】第１の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その１１）である。
【図20】第２の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【図21】第３の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【図22】第４の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【図23】第５の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【図24】第６の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【図25】第７の実施形態に係る分波装置の構成を示す図である。
【図26】第８の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す断面図である。
【図27】第９の実施形態に係る光伝送装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
光部品のうち、光の合分波や変調等の処理を行う部分については、過剰損失を避けるため光を吸収しない特性が求められる。一方で、光信号を電気信号に変換（Ｅ／Ｏ変換）するための受光部には、光を吸収する特性が求められる。これらの要求を満たす材料の候補として、波長が１．２μｍ～１．６μｍの近赤外光に対し、受光部にＧｅを、それ以外の部分にＳｉを用いる組み合わせが挙げられる。この波長の近赤外光はＳｉに対して透明であり、かつＧｅに吸収されやすい。
【0011】
このような受光部を備えた光半導体素子の一つとして、ＰＩＮ型フォトダイオード（photo diode：ＰＤ）が挙げられる。ＰＩＮ型ＰＤは、光吸収によって発生したフォトキャリアである電子及び正孔を外部に取り出す機構として、半導体に電界を印加するための電極、並びに、電子及び正孔を分離して取り出す整流作用を得るためのバンド構造を備える。
【0012】
【0013】
参考例に係る光半導体素子１０００は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、Ｓｉ基板１１、Ｓｉ酸化膜１２及びＳｉ層１３を含むＳＯＩ（silicon on insulator）基板１０を有する。光半導体素子１０００は、導波路領域４１、光モード変換部４２及び光電変換部４３を含む。導波路領域４１では、Ｓｉ層１３が光導波路の形状に加工されている。光モード変換部４２では、Ｓｉ層１３が光モード変換器の形状に加工されている。
【0014】
光電変換部４３において、Ｓｉ層１３は矩形の平面形状に加工されている。Ｓｉ層１３はｐ型Ｓｉ領域２１、及び平面視でｐ型Ｓｉ領域２１を間に挟む２つのｐ＋Ｓｉ領域２２を含む。ｐ＋Ｓｉ領域２２はｐ型Ｓｉ領域２１よりも高濃度でｐ型不純物を含有する。ｐ型Ｓｉ領域２１上にｉ型ゲルマニウム（Ｇｅ）層３３が形成され、ｉ型Ｇｅ層３３の表面にｎ＋Ｇｅ領域３４が形成されている。Ｓｉ層１３、及びｎ＋Ｇｅ領域３４を含むｉ型Ｇｅ層３３の積層体を覆うようにＳｉ酸化膜３１が形成されている。Ｓｉ酸化膜３１には、ｐ＋Ｓｉ領域２２に達する開口部３１Ｐ、及びｎ＋Ｇｅ領域３４に達する開口部３１Ｎが形成されている。開口部３１Ｐを通じてｐ＋Ｓｉ領域２２に接する金属膜３５Ｐ、及び開口部３１Ｎを通じてｎ＋Ｇｅ領域３４に接する金属膜３５ＮがＳｉ酸化膜３１上に形成されている。
【0015】
次に、光半導体素子１０００の動作について説明する。図２は、光半導体素子１０００の動作を示す図である。光半導体素子１０００では、導波路領域４１及び光モード変換部４２のＳｉ層１３を通じて光が光電変換部４３に入射し、Ｇｅの屈折率がＳｉの屈折率より高いため、エバネッセント型光結合によりＳｉ層１３内の光がｉ型Ｇｅ層３３へと導かれる。ｉ型Ｇｅ層３３は光を吸収し、フォトキャリアである電子４１ｅ及び正孔４１ｈを発生する。また、ｎ＋Ｇｅ領域３４とｐ型Ｓｉ領域２１との間で整流作用が働く。従って、バイアス４０により金属膜３５Ｐに対して金属膜３５Ｎが高電圧となる逆バイアスを印加することで、フォトキャリア（電子４１ｅ及び正孔４１ｈ）が引き抜かれる。光半導体素子１０００は、このようにしてＰＤとして機能する。
【0016】
上記の動作では、ｐ電極である金属膜３５Ｐに正孔４１ｈが引き抜かれる際に、正孔４１ｈはｉ型Ｇｅ層３３とＳｉ層１３との間のヘテロ界面を通過することとなる。図３は、参考例に係る光半導体素子の動作を示すバンド図であり、特にこのＳｉ／Ｇｅヘテロ界面におけるバンド図を示す。図３に示すように、正孔はＳｉ／Ｇｅヘテロ界面において価電子帯に生じている障壁を超えなければならない。正孔は量子トンネル効果等によって、ある確率でこの障壁を超えることができるが、その一部はＳｉ／Ｇｅヘテロ界面に溜まり込む。溜まり込んだ正孔は外部からの印加電圧を遮蔽し、空乏層の電界強度の低下を引き起こす。フォトキャリアの空乏層内の定常状態における輸送速度は、電界強度に対してほぼ比例関係にあるので、電界強度の低下はキャリアの輸送速度の低下を引き起こす。キャリアの溜まり込みが多いほど遮蔽の効果が大きいので、輸送速度の低下の割合も大きくなる。そして、キャリアの輸送速度の低下は、光信号の電気信号への変換速度、すなわち受光器の応答特性の劣化を引き起こすことになる。
【0017】
このように、参考例の光半導体素子１０００では、Ｓｉ／Ｇｅ界面へのフォトキャリアの溜まり込みに起因する応答特性の劣化が引き起こされる。また、応答特性の劣化の程度はフォトキャリアの量に依存するため、入射光の強度が高いほど応答特性の劣化が顕著になる。更に、光半導体素子１０００では、光電変換部４３に入射した光のほとんどがｉ型Ｇｅ層３３の光モード変換部４２側の端部近傍で吸収されるため、この端部近傍でフォトキャリアの溜まり込みが生じやすい。
【0018】
図４Ａ及び図４Ｂに、光強度と応答特性との関係を示す。図４Ａは、光強度が低い場合の光半導体素子の応答特性を示し、図４Ｂは、光強度が高い場合の光半導体素子の応答特性を示す。例えば、図４Ａは入力光強度が１００μＷ程度の場合の応答特性を示し、図４Ｂは入力光強度がその１０倍の１ｍＷ程度の場合の応答特性を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、横軸は周波数を示し、縦軸は相対的な応答強度を示す。グラフ中の電圧値は、バイアス電圧の大きさを示す。一般に、低周波信号に対する応答から３ｄＢだけ応答強度が劣化する周波数の帯域を受光器の応答帯域とよぶ。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、光強度が高い場合（図４Ｂ）には、光強度が低い場合（図４Ａ）よりも応答強度の低下が顕著である。特に、バイアス電圧が０．０Ｖ、－０．２５Ｖ、－０．５Ｖのときの応答強度の低下が顕著である。その一方で、バイアス電圧が－１．０Ｖ、－２．０Ｖ、－３．０Ｖのときは、応答強度の低下が比較的緩やかである。これは、バイアスを強くすることで電界ポテンシャルによってＳｉ／Ｇｅヘテロ界面のエネルギー障壁を超えられるエネルギーを持つキャリアの割合が増えて、キャリアの溜まり込みが緩和されるためである。ただし、光半導体素子１０００を実際に電子回路に実装して受信器として用いる際には、印加可能なバイアスには制限があるため、応答速度の劣化を防ぐだけの高電圧を印加することは困難である。
【0019】
このように、参考例に係る光半導体素子１０００には、応答特性に関して改良の余地がある。本発明者は、これらの知見に基づいて鋭意検討を行い、以下のような実施形態に想到した。以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は省略することがある。
【0020】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図５Ａは、第１の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す上面図である。図５Ｂは、第１の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。図５Ｃは、第１の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す断面図である。図５Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図５Ａは、第１の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す上面図である。図５Ｂは、第１の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。図５Ｃは、第１の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す断面図である。図５Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。
【0021】
図５Ａ～図５Ｃに示すように、第１の実施形態に係る光半導体素子１００は、Ｓｉ基板１１１、Ｓｉ酸化膜１１２及びＳｉ層１１３を含むＳＯＩ基板１１０を有する。光半導体素子１００は、導波路領域１４１、光モード変換部１４２及び光電変換部１４３を含む。導波路領域１４１では、Ｓｉ層１１３が光導波路の形状に加工されている。光半導体素子１００は、例えば、導波路領域１４１の光導波路における光軸を対称の軸にした線対称の平面形状を有する。光モード変換部１４２では、Ｓｉ層１１３が光モード変換器の形状に加工され、例えば光電変換部１４３に近づくほど幅が広くなる平面形状を有している。図５Ａ～図５Ｃにおいて、光モード変換部１４２から光電変換部１４３に導入される入射光の光軸の方向をＺ軸方向とし、このＺ軸方向に平行で、かつＳＯＩ基板１１０の表面に平行な方向をＸ軸方向とする。
【0022】
光電変換部１４３は、Ｚ軸方向に沿って並んだ第１の領域１７１及び第２の領域１７２を含み、第１の領域１７１は第２の領域１７２より光モード変換部１４２側に位置する。光電変換部１４３において、例えば、Ｓｉ層１１３は矩形の平面形状に加工されている。Ｓｉ層１１３に平面形状が矩形のｐ型Ｓｉ領域１２１が形成され、ｐ型Ｓｉ領域１２１上で光軸上にメサ状のｉ型Ｇｅ層１３３が形成され、ｉ型Ｇｅ層１３３の表面にｎ＋Ｇｅ領域１３４が形成されている。ｉ型Ｇｅ層１３３は第１の領域１７１及び第２の領域１７２に設けられており、第１の領域１７１では、ｉ型Ｇｅ層１３３に光軸上の欠損１３３Ａが形成されている。欠損１３３Ａは矩形の平面形状を有する。例えば、ｉ型Ｇｅ層１３３の平面形状に関し、ｉ型Ｇｅ層１３３のＺ軸方向の寸法は４０μｍ～６０μｍ、欠損１３３Ａを含むＸ軸方向の寸法は７μｍ～１３μｍであり、欠損１３３ＡのＺ軸方向の寸法は２５μｍ～３５μｍ、Ｘ軸方向の寸法は３μｍ～７μｍである。また、例えば、ｎ＋Ｇｅ領域１３４及びｉ型Ｇｅ層１３３のメサ構造の高さは０．７μｍ～１．３μｍである。ｐ型Ｓｉ領域１２１には、平面視で、Ｘ軸方向でｉ型Ｇｅ層１３３を間に挟む２つのｐ＋Ｓｉ領域１２２が形成されている。例えば、ｐ型Ｓｉ領域１２１はボロン（Ｂ）を１．５×１０１８ｃｍ－３～２．５×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する。例えば、ｐ＋Ｓｉ領域１２２はＢを４．５×１０１９ｃｍ－３～５．５×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する。例えば、ｎ＋Ｇｅ領域１３４はリン（Ｐ）を０．５×１０１９ｃｍ－３～１．５×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する。ｉ型Ｇｅ層１３３の屈折率及び光吸収係数は、Ｓｉ層１１３の屈折率及び光吸収係数よりも大きい。
【0023】
なお、ｉ型の半導体層には意図的な不純物のドーピングが行われていないが、ｉ型の半導体層が僅かな不純物、例えば１×１０１５ｃｍ－３以下の濃度の不純物を含んでいてもよい。
【0024】
Ｓｉ層１１３、及びｎ＋Ｇｅ領域１３４を含むｉ型Ｇｅ層１３３の積層体を覆うようにＳｉ酸化膜１３１が形成されている。Ｓｉ酸化膜１３１には、ｐ＋Ｓｉ領域１２２に達する開口部１３１Ｐ、及びｎ＋Ｇｅ領域１３４に達する開口部１３１Ｎが形成されている。開口部１３１Ｐを通じてｐ＋Ｓｉ領域１２２に接する金属膜１３５Ｐ、及び開口部１３１Ｎを通じてｎ＋Ｇｅ領域１３４に接する金属膜１３５ＮがＳｉ酸化膜１３１上に形成されている。金属膜１３５Ｐ及び金属膜１３５Ｎは、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む。
【0025】
このように、光半導体素子１００では、Ｓｉ層１１３を進行する光の光軸に垂直なＸ軸方向（第１の方向）におけるｉ型Ｇｅ層１３３の寸法が、光軸に沿って増加する方向に２段階に変化している。本開示における寸法とは、欠損を除いた部分の寸法をいう。また、ｉ型Ｇｅ層１３３の厚さが一定であるため、ｉ型Ｇｅ層１３３の光軸に垂直な面の面積も同様に、光軸に沿って増加する方向に２段階に変化している。
【0026】
このように構成された光半導体素子１００では、導波路領域１４１及び光モード変換部１４２のＳｉ層１１３を通じて光が光電変換部１４３に入射し、エバネッセント型光結合によりＳｉ層１１３内の光がｉ型Ｇｅ層１３３へと導かれる。ｉ型Ｇｅ層１３３は光を吸収し、フォトキャリアである電子及び正孔を発生する。また、ｎ＋Ｇｅ領域１３４とｐ型Ｓｉ領域１２１との間で整流作用が働く。従って、金属膜１３５Ｐに対して金属膜１３５Ｎが高電圧となる逆バイアスを印加することで、フォトキャリアが引き抜かれる。このようにして光半導体素子１００はＰＤとして機能する。
【0027】
また、光半導体素子１００では、第１の領域１７１においてｉ型Ｇｅ層１３３に光軸上の欠損１３３Ａが形成されているため、光電変換部１４３に入射した光は、光モード変換部１４２側の端部近傍だけでなく、第１の領域１７１及び第２の領域１７２の全体にわたって吸収される。従って、参考例の光半導体素子１０００と比較して、光モード変換部側の端部近傍でのフォトキャリアの溜まり込みを生じにくくし、優れた応答速度を得ることができる。また、光の進行方向に関して第１の領域１７１の後方に第２の領域１７２が設けられているため、第１の領域１７１で吸収されない入射光は、第２の領域１７２にて十分に吸収することができる。
【0028】
ここで、光半導体素子１００及び光半導体素子１０００における光強度分布及びキャリア密度分布について説明する。
【0029】
図６Ａは、光半導体素子１００の２次元光強度分布を示す図であり、図６Ｂは、光半導体素子１００の１次元光強度分布を示す図である。図７Ａは、光半導体素子１０００の２次元光強度分布を示す図であり、図７Ｂは、光半導体素子１０００の１次元光強度分布を示す図である。これらの光強度分布はＢＰＭ（Beam Propagation Method）を用いた光伝播シミュレーションにより得られる。図６Ａ及び図７Ａにおいては明るい部分ほど光強度が高い。また、図６Ｂ及び図７Ｂは、光の進行方向に対して垂直な面内の光強度を積分し、光軸方向の１次元光強度分布を表したものである。図７Ａ及び図７Ｂから分かるように、光半導体素子１０００では、ｉ型Ｇｅ層３３への入射直後に急激に光強度が減少し、入射直後に強い光吸収が生じている。これに対し、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、光半導体素子１００では、光強度の減少が緩やかであり、光軸方向の広い範囲で光吸収が生じている。
【0030】
図８は、光半導体素子１００及び光半導体素子１０００のキャリア密度分布を示す図である。図８に示すように、参考例の光半導体素子１０００では、ｉ型Ｇｅ層３３の光モード変換部４２側の端部近傍に極端にキャリア密度の高い領域が存在する。この領域では、上述のように、Ｓｉ／Ｇｅヘテロ界面への正孔の溜まり込みが大きく、応答速度の劣化を引き起こす。一方、第１の実施形態に係る光半導体素子１００では、ｉ型Ｇｅ層１３３に欠損１３３Ａが形成されているため、ｉ型Ｇｅ層１３３の光モード変換部１４２側の端部近傍におけるキャリア密度は比較的低く、第２の領域１７２内にキャリア密度が最大となる領域が存在する。入射光はこの領域に達するまでの間に第１の領域１７１にて徐々に吸収されているため、第２の領域１７２内での最大値は応答速度の劣化を引き起こすほど高くはない。従って、応答速度の劣化を引き起こすことなく、十分に入射光を吸収することができる。
【0031】
なお、光モード変換部１４２におけるＳｉ層１１３のＸ軸方向の最大寸法Ｗ１は、欠損１３３ＡのＸ軸方向の寸法Ｗ０（例えば３μｍ～７μｍ）以下であることが好ましく、例えば２μｍ～６μｍである。これは、寸法Ｗ１が寸法Ｗ０超であると、入射光モードの径が欠損１３３Ａの寸法Ｗ０よりも大きくなり、入射光の一部がｉ型Ｇｅ層１３３の光モード変換部１４２側端部に直接的に入射し、高強度の光の一部がｉ型Ｇｅ層１３３に吸収され得るからである。
【0032】
次に、第１の実施形態に係る光半導体素子１００の製造方法について説明する。図９Ａ～図１９Ａは、第１の実施形態に係る光半導体素子１００の製造方法を示す上面図であり、図９Ｂ～図１９Ｂは、第１の実施形態に係る光半導体素子１００の製造方法を示す断面図である。図９Ｂ～図１９Ｂは、それぞれ図９Ａ～図１９Ａ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。
【0033】
先ず、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ＳＯＩ基板１１０を準備し、Ｓｉ層１１３を加工する。例えば、Ｓｉ基板１１１の厚さは４００μｍ～６００μｍ、Ｓｉ酸化膜１１２の厚さは１．５μｍ～２．５μｍ、Ｓｉ層１１３の厚さは２００ｎｍ～３００ｎｍである。Ｓｉ層１１３は、電子線（electron beam：ＥＢ）リソグラフィ及び誘導結合型プラズマ（inductively coupled plasma：ＩＣＰ）ドライエッチングにより加工することができる。例えば、Ｓｉ層１１３は、導波路領域１４１では一方向に延びる直線状に加工し、光モード変換部１４２では導波路領域１４１から光電変換部１４３に向かって広がる平面形状に加工し、光電変換部１４３では矩形の平面形状に加工する。
【0034】
次いで、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、ｐ型Ｓｉ領域１２１を形成する予定の領域を開口する開口部１５２を備えたフォトレジストマスク１５１をＳＯＩ基板１１０上に形成する。フォトレジストマスク１５１はフォトレジスト剤の塗布、露光及び現像により形成することができる。その後、ｐ型不純物のイオン注入を行うことにより、Ｓｉ層１１３にｐ型Ｓｉ領域１２１を形成する。
【0035】
続いて、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、フォトレジストマスク１５１を除去し、ｐ＋Ｓｉ領域１２２を形成する予定の領域を開口する開口部１５４を備えたフォトレジストマスク１５３をＳＯＩ基板１１０上に形成する。フォトレジストマスク１５３はフォトレジスト剤の塗布、露光及び現像により形成することができる。次いで、ｐ型不純物のイオン注入を行うことにより、Ｓｉ層１１３にｐ＋Ｓｉ領域１２２を形成する。
【0036】
その後、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、フォトレジストマスク１５３を除去する。続いて、アニールを行うことにより、Ｓｉ層１１３に注入したｐ型不純物を活性化させる。アニールは、例えば９００℃～１１００℃の温度、０．５分間～２分間の時間で行う。
【0037】
次いで、同じく図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、ＳＯＩ基板１１０上にＳｉ酸化膜１３１Ａを形成する。Ｓｉ酸化膜１３１Ａは、例えば化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法により形成することができ、Ｓｉ酸化膜１３１Ａの厚さは１５ｎｍ～２５ｎｍとする。その後、ｉ型Ｇｅ層１３３を形成する予定の領域を開口する開口部１５６を備えたフォトレジストマスク１５５をＳｉ酸化膜１３１Ａ上に形成する。フォトレジストマスク１５５はフォトレジスト剤の塗布、露光及び現像により形成することができる。
【0038】
【0039】
その後、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、開口部１３２の内側のみにＳｉ層１１３上にｉ型Ｇｅ層１３３を形成する。ｉ型Ｇｅ層１３３は、例えば減圧（low pressure：ＬＰ）ＣＶＤ法により形成することができる。例えばｉ型Ｇｅ層１３３はメサ状にヘテロエピタキシャル成長する。形成条件により、半導体の上面のみに選択的にＧｅ層を形成させることができるため、開口部１３２の内側だけにＧｅメサが形成される。
【0040】
次いで、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、ｎ＋Ｇｅ領域１３４を形成する予定の領域を開口する開口部１５８を備えたフォトレジストマスク１５７をＳｉ酸化膜１３１Ａ及びｉ型Ｇｅ層１３３上に形成する。フォトレジストマスク１５７はフォトレジスト剤の塗布、露光及び現像により形成することができる。その後、ｎ型不純物のイオン注入を行うことにより、ｉ型Ｇｅ層１３３にｎ＋Ｇｅ領域１３４を形成する。
【0041】
その後、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、フォトレジストマスク１５７を除去し、Ｓｉ酸化膜１３１Ａ上にｉ型Ｇｅ層１３３を覆うようにＳｉ酸化膜を、例えばＣＶＤ法により形成し、Ｓｉ酸化膜１３１Ａを含むＳｉ酸化膜１３１を形成する。続いて、アニールを行うことにより、ｉ型Ｇｅ層１３３に注入されたｎ型不純物、すなわちｎ＋Ｇｅ領域１３４に含まれるｎ型不純物を活性化させる。アニールは、例えば５００℃～７００℃の温度、１０秒間～２０秒間の時間で行う。
【0042】
続いて、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、開口部１３１Ｐを形成する予定の領域を開口する開口部１６０Ｐ、及び開口部１３１Ｎを形成する予定の領域を開口する開口部１６０Ｎを備えたフォトレジストマスク１５９をＳｉ酸化膜１３１上に形成する。フォトレジストマスク１５９はフォトレジスト剤の塗布、露光及び現像により形成することができる。
【0043】
続いて、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、ｐ＋Ｓｉ領域１２２に達する開口部１３１Ｐ、及びｎ＋Ｇｅ領域１３４に達する開口部１３１ＮをＳｉ酸化膜１３１に形成する。開口部１３１Ｐ及び開口部１３１Ｎは、例えばドライエッチングにより形成することができる。次いで、フォトレジストマスク１５９を除去する。
【0044】
その後、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、開口部１３１Ｐを通じてｐ＋Ｓｉ領域１２２に達する金属膜１３５Ｐ、及び開口部１３１Ｎを通じてｎ＋Ｇｅ領域１３４に達する金属膜１３５Ｎを形成する。金属膜１３５Ｐ及び金属膜１３５Ｎの形成では、例えば、開口部１３１Ｐ及び開口部１３１Ｎが埋まるようにしてＳｉ酸化膜１３１上にＡｌ膜をスパッタリング法により形成し、このＡｌ膜のドライエッチングを行う。
【0045】
このようにして第１の実施形態に係る光半導体素子１００を製造することができる。
【0046】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２０は、第２の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２０は、第２の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【0047】
図２０に示すように、第２の実施形態に係る光半導体素子２００は、例えば、導波路領域１４１の光導波路における光軸を対称の軸にした線対称の平面形状を有する。また、光半導体素子２００では、ｉ型Ｇｅ層１３３に欠損１３３Ａとは平面形状が相違する欠損２３３Ａが形成されている。欠損２３３ＡのＺ軸方向の寸法は２５μｍ～３５μｍ、光モード変換部１４２側端部でのＸ軸方向の寸法は３μｍ～７μｍである。欠損２３３Ａは、第２の領域１７２に近づくほどその幅が狭まる二等辺三角形の平面形状を有する。他の構成は第１の実施形態と同様である。
【0048】
このように、光半導体素子２００では、Ｓｉ層１１３を進行する光の光軸に垂直なＸ軸方向（第１の方向）におけるｉ型Ｇｅ層２３３の寸法が、第１の領域１７１内で連続的に増加し、第２の領域１７２内では第１の領域１７１との境界における寸法と一致する。また、ｉ型Ｇｅ層１３３の厚さが一定であるため、ｉ型Ｇｅ層１３３の光軸に垂直な面の面積も同様に、第１の領域１７１内で連続的に増加し、第２の領域１７２内では第１の領域１７１との境界における寸法と一致する。
【0049】
このように構成された光半導体素子２００では、第１の領域１７１においてｉ型Ｇｅ層１３３に光軸上の欠損２３３Ａが形成されているため、光電変換部１４３に入射した光は、光モード変換部１４２側の端部近傍だけでなく、第１の領域１７１及び第２の領域１７２の全体にわたって吸収される。従って、参考例の光半導体素子１０００と比較して、光モード変換部側の端部近傍でのフォトキャリアの溜まり込みを生じにくくし、優れた応答速度を得ることができる。また、光の進行方向に関して第１の領域１７１の後方に第２の領域１７２が設けられているため、第１の領域１７１で吸収されない入射光は、第２の領域１７２にて十分に吸収することができる。従って、光半導体素子２００によっても光半導体素子１００と同様の効果を得ることができる。
【0050】
なお、第１の実施形態と同様に、光モード変換部１４２におけるＳｉ層１１３のＸ軸方向の最大寸法Ｗ１は、欠損２３３ＡのＸ軸方向の寸法Ｗ０以下であることが好ましい。
【0051】
ここで、第２の実施形態に係る光半導体素子２００の製造方法について説明する。光半導体素子２００の製造方法では、先ず、第１の実施形態と同様にして、Ｓｉ酸化膜１３１Ａの形成までの処理を行う（図１２Ａ及び図１２Ｂ）。次いで、ｉ型Ｇｅ層１３３を形成する予定の領域を開口する開口部を備えたフォトレジストマスクをＳｉ酸化膜１３１Ａ上に形成する。このとき、フォトレジストマスクとして、欠損２３３Ａに倣う部分を有するものを用いる。その後、Ｓｉ酸化膜１３１Ａのドライエッチングによる開口部１３２の形成以降の処理を行う。このようにして、第２の実施形態に係る光半導体素子２００を製造することができる。
【0052】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２１は、第３の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２１は、第３の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【0053】
図２１に示すように、第３の実施形態に係る光半導体素子３００は、例えば、導波路領域１４１の光導波路における光軸を対称の軸にした線対称の平面形状を有する。また、光半導体素子３００は、光モード変換部１４２に代えて光モード変換部３４２を、光電変換部１４３に代えて光電変換部３４３を含む。光モード変換部３４２では、Ｓｉ層１１３が光モード変換器の形状に加工され、光電変換部３４３に近づくほど幅が広くなる平面形状を有している。光モード変換部３４２では、Ｓｉ層１１３のＸ軸方向の最大寸法Ｗ３が、第１の実施形態の光モード変換部１４２におけるＸ軸方向の最大寸法Ｗ１よりも大きく、例えば７μｍ～１３μｍである。
【0054】
光電変換部３４３では、ｐ型Ｓｉ領域１２１上で光軸上にｉ型Ｇｅ層１３３に代えてｉ型Ｇｅ層３３３が形成され、ｉ型Ｇｅ層３３３の表面にｎ＋Ｇｅ領域１３４が形成されている。ｉ型Ｇｅ層３３３及びｎ＋Ｇｅ領域１３４は、光モード変換部３４２から離間するほど幅が狭まる台形又は三角形の平面形状を有する。ｉ型Ｇｅ層１３３のＺ軸方向の寸法は４０μｍ～６０μｍ、光モード変換部３４２側端部におけるＸ軸方向の寸法Ｗ３１は７μｍ～１３μｍ、その逆側端部におけるＸ軸方向の寸法Ｗ３２は２μｍ～６μｍである。他の構成は第１の実施形態と同様である。
【0055】
このように、光半導体素子３００では、Ｓｉ層１１３を進行する光の光軸に垂直なＸ軸方向（第１の方向）におけるｉ型Ｇｅ層３３３の寸法が、光軸に沿って連続的に減少している。また、ｉ型Ｇｅ層３３３の厚さが一定であるため、ｉ型Ｇｅ層３３３の光軸に垂直な面の面積も同様に、光軸に沿って連続的に減少している。
【0056】
このように構成された光半導体素子３００では、入射光のエネルギーの大きな領域で伝播モード径が光半導体素子１００よりも広げられる。このため、ｉ型Ｇｅ層３３３に欠損が存在しなくても、単位面積当たりの光強度を抑えてフォトキャリアの密度を抑えることができる。また、ｉ型Ｇｅ層３３３及びｎ＋Ｇｅ領域１３４が光モード変換部３４２から離間するほど幅が狭まる台形の平面形状を有するため、ｉ型Ｇｅ層３３３のＸ軸方向の寸法が全体にわたって寸法Ｗ３１である場合と比較して、ＰＩＮ接合の接合面積が小さい。ＰＩＮ接合の接合面積が小さいほど素子容量を小さくできるため、高速特性の劣化を抑制することができる。このように、光半導体素子３００によれば、素子容量の増加に伴う高速特性の劣化を回避しながら、第１の実施形態と同様に優れた応答速度を得ることができる。
【0057】
なお、最大寸法Ｗ３は、ｉ型Ｇｅ層１３３の光の進行方向における最大幅である寸法Ｗ３１以下であることが好ましい。これは、最大寸法Ｗ３が寸法Ｗ３１未満であると、光電変換部３４３に入射した光の一部がｉ型Ｇｅ層３３３に吸収されなくなるためである。また、最大寸法Ｗ３は、ｉ型Ｇｅ層１３３の光の進行方向における最小幅である寸法Ｗ３２以上であることが好ましい。これは、最大寸法Ｗ３が寸法Ｗ３２未満であると、ｉ型Ｇｅ層３３３の光モード変換部３４２側端部に光が入射してこない部分が存在することとなり、徒に面積が大きくなるからである。
【0058】
ここで、第３の実施形態に係る光半導体素子３００の製造方法について説明する。光半導体素子３００の製造方法では、先ず、第１の実施形態と同様にして、Ｓｉ酸化膜１３１Ａの形成までの処理を行う（図１２Ａ及び図１２Ｂ）。次いで、ｉ型Ｇｅ層３３３を形成する予定の領域を開口する開口部を備えたフォトレジストマスクをＳｉ酸化膜１３１Ａ上に形成する。その後、Ｓｉ酸化膜１３１Ａのドライエッチングによる開口部１３２の形成以降の処理を行う。このようにして、第３の実施形態に係る光半導体素子３００を製造することができる。
【0059】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２２は、第４の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２２は、第４の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【0060】
図２２に示すように、第４の実施形態に係る光半導体素子４００は、例えば、導波路領域１４１の光導波路における光軸を対称の軸にした線対称の平面形状を有する。光電変換部３４３は、Ｚ軸方向に沿って並んだ第１の領域４７１及び第２の領域４７２を含み、第１の領域４７１は第２の領域４７２より光モード変換部３４２側に位置する。ｐ型Ｓｉ領域１２１上にｉ型Ｇｅ層３３３に代えてｉ型Ｇｅ層４３３が形成されており、ｉ型Ｇｅ層４３３の表面にｎ＋Ｇｅ領域１３４が形成されている。ｉ型Ｇｅ層４３３は第１の領域４７１及び第２の領域４７２に設けられており、ｉ型Ｇｅ層４３３及びｎ＋Ｇｅ領域１３４は第１の領域４７１及び第２の領域４７２の各々において矩形の平面形状を有する。ｉ型Ｇｅ層４３３及びｎ＋Ｇｅ領域１３４の第１の領域４７１におけるＸ軸方向の寸法は、第２の領域４７２におけるＸ軸方向の寸法よりも大きい。例えば、ｉ型Ｇｅ層４３３のＺ軸方向の寸法は４０μｍ～６０μｍ、第１の領域４７１におけるＸ軸方向の寸法Ｗ４１は７μｍ～１３μｍ、第２の領域４７２におけるＸ軸方向の寸法Ｗ４２は２μｍ～６μｍである。他の構成は第３の実施形態と同様である。
【0061】
このように、光半導体素子４００では、Ｓｉ層１１３を進行する光の光軸に垂直なＸ軸方向におけるｉ型Ｇｅ層４３３の寸法が、光軸に沿って減少する方向に２段階に変化している。また、ｉ型Ｇｅ層４３３の厚さが一定であるため、ｉ型Ｇｅ層４３３の光軸に垂直な面の面積も同様に、光軸に沿って減少する方向に２段階に変化している。
【0062】
このように構成された光半導体素子４００では、入射光のエネルギーの大きな領域で伝播モードの径が光半導体素子１００よりも広げられる。このため、ｉ型Ｇｅ層４３３に欠損が存在しなくても、単位面積当たりの光強度を抑えてフォトキャリアの密度を抑えることができる。また、ｉ型Ｇｅ層４３３及びｎ＋Ｇｅ領域１３４の第２の領域４７２におけるＸ軸方向の寸法が第１の領域４７１におけるＸ軸方向の寸法よりも小さいため、ｉ型Ｇｅ層４３３のＸ軸方向の寸法が全体にわたって寸法Ｗ４１である場合と比較して、ＰＩＮ接合の接合面積が小さい。従って、高速特性の劣化を抑制することができる。このように、光半導体素子４００によっても、光半導体素子３００と同様に、素子容量の増加に伴う高速特性の劣化を回避しながら、第１の実施形態と同様に優れた応答速度を得ることができる。
【0063】
ここで、第４の実施形態に係る光半導体素子４００の製造方法について説明する。光半導体素子４００の製造方法では、先ず、第１の実施形態と同様にして、Ｓｉ酸化膜１３１Ａの形成までの処理を行う（図１２Ａ及び図１２Ｂ）。次いで、ｉ型Ｇｅ層４３３を形成する予定の領域を開口する開口部を備えたフォトレジストマスクをＳｉ酸化膜１３１Ａ上に形成する。その後、Ｓｉ酸化膜１３１Ａのドライエッチングによる開口部１３２の形成以降の処理を行う。このようにして、第４の実施形態に係る光半導体素子４００を製造することができる。
【0064】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２３は、第５の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２３は、第５の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【0065】
図２３に示すように、第５の実施形態に係る光半導体素子５００は、２つの光半導体素子１００が組み合させた構造を有する。光半導体素子５００は、導波路領域５４１Ａ、光モード変換部５４２Ａ、光電変換部５４３、光モード変換部５４２Ｂ及び導波路領域５４１Ｂを含む。導波路領域５４１Ａ、光モード変換部５４２Ａ及び光電変換部５４３が１つの光半導体素子１００と同様の構造を有し、導波路領域５４１Ｂ、光モード変換部５４２Ｂ及び光電変換部５４３が１つの光半導体素子１００と同様の構造を有する。光半導体素子５００は、例えば、導波路領域５４１Ａ及び導波路領域５４１Ｂの光導波路における光軸を対称の軸にした線対称の平面形状を有する。例えば、導波路領域５４１Ａ及び導波路領域５４１Ｂには、一つの導波路が分岐されて接続されている。
【0066】
このように構成された光半導体素子５００によれば、導波路領域５４１Ａ及び導波路領域５４１Ｂを伝播する光を、その強度を光半導体素子１００の導波路領域１４１を伝播する光の強度の１／２としながら、光電変換部５４３に入射させることができる。光電変換部５４３に入射する光の強度を低減することにより、フォトキャリアの溜まり込みをより一層低減することができる。
【0067】
第２の実施形態に係る光半導体素子２００を２つ組み合させた構造を有するように構成してもよい。
【0068】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２４は、第６の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
次に、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、ＰＩＮ型ＰＤを含む光半導体素子に関する。図２４は、第６の実施形態に係る光半導体素子における半導体領域のレイアウトを示す図である。
【0069】
図２４に示すように、第６の実施形態に係る光半導体素子６００は、２つの光半導体素子３００が組み合させた構造を有する。光半導体素子６００は、導波路領域５４１Ａ、光モード変換部６４２Ａ、光電変換部６４３、光モード変換部６４２Ｂ及び導波路領域５４１Ｂを含む。導波路領域５４１Ａ、光モード変換部６４２Ａ及び光電変換部６４３が１つの光半導体素子３００と同様の構造を有し、導波路領域５４１Ｂ、光モード変換部６４２Ｂ及び光電変換部６４３が１つの光半導体素子３００と同様の構造を有する。光半導体素子６００は、例えば、導波路領域５４１Ａ及び導波路領域５４１Ｂの光導波路における光軸を対称の軸にした線対称の平面形状を有する。例えば、導波路領域６４１Ａ及び導波路領域６４１Ｂには、一つの導波路が分岐されて接続されている。
【0070】
このように構成された光半導体素子６００によれば、導波路領域５４１Ａ及び導波路領域５４１Ｂを伝播する光を、その強度を光半導体素子３００の導波路領域１４１を伝播する光の強度の１／２としながら、光電変換部６４３に入射させることができる。光電変換部６４３に入射する光の強度を低減することにより、フォトキャリアの溜まり込みをより一層低減することができる。
【0071】
第４の実施形態に係る光半導体素子４００を２つ組み合させた構造を有するように構成してもよい。
【0072】
（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。第７の実施形態は、光半導体素子を含む分波装置に関する。図２５は、第７の実施形態に係る分波装置の構成を示す図である。
次に、第７の実施形態について説明する。第７の実施形態は、光半導体素子を含む分波装置に関する。図２５は、第７の実施形態に係る分波装置の構成を示す図である。
【0073】
第７の実施形態に係る分波装置７００は、波長多重光を３波長に分波する。Ｓｉ細線導波路からなる入力導波路７５１に、入力導波路７５１から入力した波長多重光を偏波面に応じてＴＥ（transverse electric）信号光とＴＭ（transverse magnetic）信号光とに分離する偏波スプリッタ７５２が接続される。偏波スプリッタ７５２の出力端にＴＥ信号光及びＴＭ信号光が互いに反対回りで伝播するＳｉ細線導波路からなるループ状導波路７５３が接続され、このループ状導波路７５３に偏波ローテータ７５４が接続される。ここでは、偏波スプリッタ７５２は、Ｓｉ細線導波路からなる方向性結合器型の偏波スプリッタとし、偏波ローテータ７５４は、Ｓｉ細線導波路よりなる偏芯二重コア型の偏波ローテータとする。
【0074】
ループ状導波路７５３とアド・ドロップ型リング共振器アレイを構成する互いに異なった光路長のＳｉ細線導波路からなる複数のリング導波路７５５ａ、７５５ｂ及び７５５ｃが光学的に結合される。また、この各リング導波路７５５ａ～７５５ｃのドロップポート側に２つの出力ポートを有するＳｉ細線導波路からなる出力導波路７５６ａ～７５６ｃを光学的に結合させる。
【0075】
この場合、リング導波路７５５ａ～７５５ｃの曲率半径Ｒを適正化して分波波長を制御することにより、このアド・ドロップ型リング共振器アレイが分波器となる。この２つの出力ポートから伸びる各出力導波路７５６ａ～７５６ｃに対して、偏波スプリッタ７５２から双方向入射型フォトダイオード７５０ａ～７５０ｃの各一対のメサ構造の両方への光学的距離が等しくなるように双方向入射型フォトダイオード７５０ａ～７５０ｃを接続する。双方向入射型フォトダイオード７５０ａ～７５０ｃとして、光半導体素子５００又は６００が用いられる。
【0076】
入力導波路７５１に入力された波長分割多重（wavelength division multiplexing：ＷＤＭ）光信号は、偏波スプリッタ７５２により偏波面に応じてＴＭ光信号とＴＥ光信号とに分離されてループ状導波路７５３を互いに逆回りに伝播する。ＴＭ光信号は偏波ローテータ７５４により偏波面が９０°回転したＴＥ＊光信号に変換される。ループ状導波路７５３を伝播するＴＥ光信号及びＴＥ＊光信号はアド・ドロップ型リング共振器を構成するリング導波路７５５ａ～７５５ｃによって、波長毎（λａ～λｃ）に分波される。
【0077】
波長毎に分波された光信号は、同じ偏光状態のＴＥ光信号又はＴＥ＊光信号として双方向入射型フォトダイオード７５０ａ～７５０ｃに入力され、両方のメサ構造から流れる電流の和として出力される。また、各双方向入射型フォトダイオード７５０ａ～７５０ｃの光軸方向の長さを適切に設定することで、入射光がフォトダイオード内で十分に吸収され、入射面と反対側の終端からは光がほとんど洩れ出さないようにできるため、出力導波路７５６ａ～７５６ｃを逆回りして、リング共振器を介してループ状導波路７５３に光が侵入することによるノイズの発生を抑制することができる。
【0078】
第５の実施形態に係る光半導体素子５００及び第６の実施形態に係る光半導体素子６００は、このような分波装置７００の双方向入射型フォトダイオード７５０ａ～７５０ｃに好適である。
【0079】
（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態について説明する。第８の実施形態は、光吸収層と増倍層とを分離したＳＡＣＭ（separated absorption charge and multiplication）構造を採用したアバランシェフォトダイオード（avalanche photo diode：ＡＰＤ）を含む光半導体素子に関する。第８の実施形態に係る光半導体素子は、第１の実施形態と同様に、導波路領域、光モード変換部及び光電変換部を含み、光電変換部は、Ｚ軸方向に沿って並んだ第１の領域及び第２の領域を含む。ただし、断面構造が第１の実施形態と相違している。図２６は、第８の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す断面図である。図２６は、図５Ａ及び図５Ｂ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。
次に、第８の実施形態について説明する。第８の実施形態は、光吸収層と増倍層とを分離したＳＡＣＭ（separated absorption charge and multiplication）構造を採用したアバランシェフォトダイオード（avalanche photo diode：ＡＰＤ）を含む光半導体素子に関する。第８の実施形態に係る光半導体素子は、第１の実施形態と同様に、導波路領域、光モード変換部及び光電変換部を含み、光電変換部は、Ｚ軸方向に沿って並んだ第１の領域及び第２の領域を含む。ただし、断面構造が第１の実施形態と相違している。図２６は、第８の実施形態に係る光半導体素子の構成を示す断面図である。図２６は、図５Ａ及び図５Ｂ中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。
【0080】
第８の実施形態に係る光半導体素子８００は、Ｓｉ基板１１１、Ｓｉ酸化膜１１２及びＳｉ層１１３を含むＳＯＩ基板１１０を有する。Ｓｉ層１１３はｎ型Ｓｉ領域８２１、及び平面視でｎ型Ｓｉ領域８２１を間に挟む２つのｎ＋Ｓｉ領域８２２を含む。ｎ＋Ｓｉ領域８２２はｎ型Ｓｉ領域８２１よりも高濃度でｎ型不純物を含有する。ｎ型Ｓｉ領域８２１上にｉ型Ｓｉ層８２３が形成され、ｉ型Ｓｉ層８２３の表面にｐ－Ｓｉ領域８２４が形成されている。ｐ－Ｓｉ領域８２４上にｉ型Ｇｅ層８３３が形成され、ｉ型Ｇｅ層８３３の表面にｐ＋Ｇｅ領域８３４が形成されている。Ｓｉ層１１３、ｐ－Ｓｉ領域８２４を含むｉ型Ｓｉ層８２３、及びｐ＋Ｇｅ領域８３４を含むｉ型Ｇｅ層８３３の積層体を覆うようにＳｉ酸化膜８３１が形成されている。Ｓｉ酸化膜８３１には、ｎ＋Ｓｉ領域８２２に達する開口部８３１Ｎ、及びｐ＋Ｇｅ領域８３４に達する開口部８３１Ｐが形成されている。開口部８３１Ｎを通じてｎ＋Ｓｉ領域８２２に接する金属膜８３４Ｎ、及び開口部８３１Ｐを通じてｐ＋Ｇｅ領域８３４に接する金属膜８３４ＰがＳｉ酸化膜８３１上に形成されている。ｉ型Ｇｅ層８３３は、光半導体素子１００中のｉ型Ｇｅ層１３３と同様の平面形状を有し、ｐ＋Ｇｅ領域８３４は光半導体素子１００中のｐ＋Ｇｅ領域１３４と同様の平面形状を有する。
【0081】
光半導体素子８００によってもフォトキャリアの溜まり込みに伴う応答速度の劣化を抑制することができる。
【0082】
ＡＰＤの各半導体領域のレイアウトが第２、第３又は第４の実施形態のようになっていてもよい。また、ＡＰＤが第５又は第６の実施形態のように双方向入射型フォトダイオードを構成していてもよい。更に、第７の実施形態のようにＡＰＤが分波装置に用いられてもよい。
【0083】
なお、第１、第２の半導体層の材料はＳｉ及びＧｅに限定されず、例えば、第１の半導体層としてＳｉ層を用い、第２の半導体層としてＳｉｘＧｅ１－ｘ層（０≦ｘ＜１）又はＧｅ１－ｘＳｎｘ層（０≦ｘ＜１）を用いることができる。
【0084】
（第９の実施形態）
次に、第９の実施形態について説明する。第９の実施形態は、光半導体素子を含む光伝送装置に関する。図２７は、第９の実施形態に係る光伝送装置の構成を示すブロック図である。
次に、第９の実施形態について説明する。第９の実施形態は、光半導体素子を含む光伝送装置に関する。図２７は、第９の実施形態に係る光伝送装置の構成を示すブロック図である。
【0085】
図２７に示すように、光伝送装置９００は、制御回路９０１、受光器９０２及び発光器９０３を含む。受光器９０２は第１～第７の実施形態のいずれかに係る光半導体素子を含んでおり、光導波路を通じて光信号ＯＳ１を入力し、電気信号ＥＳ１に変換して出力する。発光器９０３は電気信号ＥＳ２を入力し、光信号ＯＳ２に変換して出力する。制御回路９０１は受光器９０２及び発光器９０３を制御する。制御回路９０１はバンプ等を介して受光器９０２及び／又は発光器９０３上にフリップチップ実装されていてもよく、ボンディングワイヤ等を介して受光器９０２及び発光器９０３に接続されていてもよい。
【0086】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【0087】
（付記１）
第１の屈折率及び第１の光吸収係数を備えた第１の半導体層と、
第２の屈折率及び第２の光吸収係数を備え、前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、
を有し、
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率より大きく、
前記第２の光吸収係数は、前記第１の光吸収係数より大きく、
前記第１の半導体層は前記第２の半導体層の下方に第１導電型の領域を含み、
前記第２の半導体層は前記第１導電型の領域の上方にｉ型の領域を介して第２導電型の領域を含み、
前記第１の半導体層を進行する光の光軸に垂直な第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光軸に沿って変化していることを特徴とする光半導体素子。
（付記２）
前記第２の半導体層の前記光軸に垂直な面の面積は、前記光軸に沿って変化していることを特徴とする付記１に記載の光半導体素子。
（付記３）
前記第２の半導体層の前記光の進行方向の後方側の端部において、前記光軸上に欠損が形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
（付記４）
平面視で前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが重なり合う光電変換部と、
前記光電変換部に繋がる光モード変換部と、
を有し、
前記欠損の前記第１の方向における寸法は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以上であることを特徴とする付記３に記載の光半導体素子。
（付記５）
平面視で前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが重なり合う光電変換部と、
前記光電変換部に繋がる光モード変換部と、
を有し、
前記第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光軸に沿って減少し、
前記第２の半導体層の前記光の進行方向における最大幅は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以上であることを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
（付記６）
前記第２の半導体層の前記光の進行方向における最小幅は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以下であることを特徴とする付記５に記載の光半導体素子。
（付記７）
付記１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子が、前記第１の半導体層を進行する光の方向が互いに逆向きになるようにして２つ配置された構成を有することを特徴とする光半導体素子。
（付記８）
前記第１の半導体層がＳｉ層であり、
前記第２の半導体層がＳｉｘＧｅ１－ｘ層（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
（付記９）
前記第１の半導体層がＳｉ層であり、
前記第２の半導体層がＧｅ１－ｘＳｎｘ層（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
（付記１０）
付記１乃至９のいずれか１項に記載の光半導体素子を有することを特徴とする光伝送装置。
第１の屈折率及び第１の光吸収係数を備えた第１の半導体層と、
第２の屈折率及び第２の光吸収係数を備え、前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、
を有し、
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率より大きく、
前記第２の光吸収係数は、前記第１の光吸収係数より大きく、
前記第１の半導体層は前記第２の半導体層の下方に第１導電型の領域を含み、
前記第２の半導体層は前記第１導電型の領域の上方にｉ型の領域を介して第２導電型の領域を含み、
前記第１の半導体層を進行する光の光軸に垂直な第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光軸に沿って変化していることを特徴とする光半導体素子。
（付記２）
前記第２の半導体層の前記光軸に垂直な面の面積は、前記光軸に沿って変化していることを特徴とする付記１に記載の光半導体素子。
（付記３）
前記第２の半導体層の前記光の進行方向の後方側の端部において、前記光軸上に欠損が形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
（付記４）
平面視で前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが重なり合う光電変換部と、
前記光電変換部に繋がる光モード変換部と、
を有し、
前記欠損の前記第１の方向における寸法は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以上であることを特徴とする付記３に記載の光半導体素子。
（付記５）
平面視で前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが重なり合う光電変換部と、
前記光電変換部に繋がる光モード変換部と、
を有し、
前記第１の方向における前記第２の半導体層の寸法は、前記光軸に沿って減少し、
前記第２の半導体層の前記光の進行方向における最大幅は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以上であることを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
（付記６）
前記第２の半導体層の前記光の進行方向における最小幅は、前記光モード変換部内の前記第１の半導体層の前記第１の方向における最大寸法以下であることを特徴とする付記５に記載の光半導体素子。
（付記７）
付記１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子が、前記第１の半導体層を進行する光の方向が互いに逆向きになるようにして２つ配置された構成を有することを特徴とする光半導体素子。
（付記８）
前記第１の半導体層がＳｉ層であり、
前記第２の半導体層がＳｉｘＧｅ１－ｘ層（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
（付記９）
前記第１の半導体層がＳｉ層であり、
前記第２の半導体層がＧｅ１－ｘＳｎｘ層（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
（付記１０）
付記１乃至９のいずれか１項に記載の光半導体素子を有することを特徴とする光伝送装置。
【符号の説明】
【0088】
１００、２００、３００、４００、５００、６００、８００：光半導体素子
１１３：Ｓｉ層
１２１：ｐ型Ｓｉ領域
１２２：ｐ＋Ｓｉ領域
１３３、３３３、４３３：ｉ型Ｇｅ層
１３３：ｉ型Ｇｅ層
１３４：ｎ＋Ｇｅ領域
１３５Ｐ、１３５Ｎ：金属膜
１４１、５４１Ａ、５４１Ｂ：導波路領域
１４２、３４２、５４２Ａ、５４２Ｂ、６４２Ａ、６４２Ｂ：光モード変換部
１４３、３４３、５４３、６４３：光電変換部
１７１、４７１：第１の領域
１７２、４７２：第２の領域
７００：分波装置
７５０ａ、７５０ｂ、７５０ｃ：双方向入射型フォトダイオード
９００：光伝送装置
１１３：Ｓｉ層
１２１：ｐ型Ｓｉ領域
１２２：ｐ＋Ｓｉ領域
１３３、３３３、４３３：ｉ型Ｇｅ層
１３３：ｉ型Ｇｅ層
１３４：ｎ＋Ｇｅ領域
１３５Ｐ、１３５Ｎ：金属膜
１４１、５４１Ａ、５４１Ｂ：導波路領域
１４２、３４２、５４２Ａ、５４２Ｂ、６４２Ａ、６４２Ｂ：光モード変換部
１４３、３４３、５４３、６４３：光電変換部
１７１、４７１：第１の領域
１７２、４７２：第２の領域
７００：分波装置
７５０ａ、７５０ｂ、７５０ｃ：双方向入射型フォトダイオード
９００：光伝送装置
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】