[发明专利]光波导集成光接收元件及其制造方法

说明书

一种光波导集成光接收元件设置有光波导(105)，该光波导设置在第二接触层(102)的与设置有光吸收层(103)的一侧相反的一侧上，并且该光波导与第二接触层(102)光学耦合并具有与光吸收层(103)的平面平行的波导方向。第二接触层(102)在平面图中具有比光吸收层(103)的面积小的面积，并且设置在光吸收层(103)的内侧。

技术领域

本发明涉及集成了光波导和光接收元件的光波导集成光接收元件及其制造方法。

背景技术

光通信中的通用光接收器通常包括：光接收元件，诸如光电二极管(PD)或雪崩式光电二极管(APD)，该光接收元件构造成将入射光转换为电流；以及跨阻放大器，该跨阻放大器构造成放大由光接收元产生的光电流。在光接收元件中，就量子效率而言，PD的光电转换效率的上限为100％。另一方面，APD具有下述功能：在高电场下使元件中产生的光电子加速，并因此使它们与晶格碰撞以便离子化，从而放大载流子。为此，在APD中，对应于一个光子输出多个载流子。因此，就量子转换效率而言，APD可以获得大于100％的灵敏度，并且应用于高灵敏度光接收器(非专利文献1)。

APD的通用结构是“竖直入射结构”，其中，光从元件的上表面或下表面(基板侧)进入。在APD中，光响应性和操作速度基本上保持折衷关系。也就是说，在竖直入射结构中，为了增加光响应性，光吸收层需要厚。然而，当光吸收层被制作得较厚时，通过光接受在光吸收层中产生的电子和空穴需要行进更长的距离，因此，高频域中的特性降低。在“竖直入射型”中，光响应性和操作速度之间的折衷尤其变得显著。

为了缓和上述折衷，已经提出了“光波导型”APD(非专利文献2)。在光波导型APD中，光波在光吸收层中的行进方向垂直于晶体生长方向和载流子的输送方向。由于在光波导型APD中载流子的输送距离和光吸收层中光波的穿透长度是独立的，所以在竖直入射型中观察到的光响应性和操作速度之间的折衷不太严格。光波导型的这种特征不仅在APD中有用，而且在PD中也是有用的。因此，光波导型用于需要高速度/高灵敏度的PD中。

在光波导型光接收元件中，需要实施光波导和光吸收层之间的光学耦合，使得信号光通过光波导而传播，然后最终进入光吸收层中。已经提出了几种方法来实施光学耦合。在例如“对接耦合型”中，通过使光波导和光吸收层彼此邻接来实施光波导和光吸收层之间的光学耦合(参见非专利文献3)。在对接耦合型中，可以获得高耦合效率。然而，存在由于光吸收层和光波导之间的光学耦合界面附近的突然光吸收而发生电流集中的风险。另一方面，存在“渐逝耦合型”，其中光波导和光吸收层在空间上分离，并且光波导和光吸收层之间的材料系统被适当地设计，从而使用渐逝波的传播来实施光波导和光吸收层之间的光学耦合。根据渐逝耦合型，与对接耦合型相比，可以缓和光电流的集中。

顺便说一下，为了长期确保操作的可靠性以将APD应用于实际的光接收器，重要的是抑制APD的元件侧表面上的电场的产生(参见非专利文献4)。与通用(常规)的PD不同的是，这与在APD中的元件内部产生非常高的电场有关。在通用的PD中，工作电压约为3V，元件中的场仅需为几十kV/cm，载流子在这种情况下达到饱和速度。

另一方面，在APD中，当确保大的工作电压范围并且以高增益操作APD时，在光吸收层中调用2至300kV/cm的电场，并且在增倍层中调用600kV/cm或更高的电场。当在APD的元件侧表面上产生这样的强电场时，由元件侧表面上的材料退化引起的可靠性的降低引起问题。因此，在APD中，将电场限制在元件内部是实际使用的必要条件。为此，已经提出了倒置APD或平面APD(参见非专利文献5和6)。

相关技术文献

非专利文献

非专利文献1：J.C.Campbell,“Recent Advances in TelecommunicationsAvalanche Photodiodes”,Journal of Lightwave Technology,vol.25,no.1,pp.109-121,2007。