CN1386305A - 受光元件阵列 - Google Patents
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Abstract
提供一种受光元件阵列,可以防止串扰引起的受光元件的特性劣化。在n－InP基板上叠层n－InP层、i－InGaAs层、n－InP层,在n－InP层内扩散Zn而形成p型扩散区,作成pin光电二极管。在该结构上,保护绝缘膜成膜到成为无反射条件那样的膜厚。在该保护绝缘膜上,以覆盖受光部之间的方式设置遮光膜。
Description
技术领域
本发明涉及受光元件阵列，特别是涉及降低受光元件间的串扰，防止特性劣化的受光元件阵列。
背景技术
在对波长多路复用的光分波而监测光谱的光分波器中所使用的市场上销售的受光元件阵列示于图1。受光元件阵列是受光元件10直线状排列而构成的，各受光元件的电极交互地连接于列两侧的键合焊盘12。
构成现有技术的受光元件阵列的受光元件是通过扩散形成pn结(该区域成为受光部)的pin结构的光电二极管。图2中示出图1的受光元件阵列的A-A’线的局部放大剖视图。在n-InP基板20上叠层n-InP层(缓冲层)22、不掺杂(i-)InGaAs层(光吸收层)24、n-InP层(窗口层)26，在n-InP层26内扩散Zn(因为扩散是等向的，故除了扩散深度外还沿横向扩散)，形成p型扩散区28，作成pin光电二极管。在用这种受光元件阵列的光分波器中，要求使所分波的光入射于对应的受光元件的受光部。
上述现有技术的扩散型受光元件的光吸收层，因为元件间未分离，故因光吸收而发生的载流子的横向扩散引起载流子向相邻元件移动。这成为向相邻的受光元件的串扰，受光元件阵列的特性劣化。
例如，如图3中所示，如果光入射于受光元件的扩散区28的周缘部，则在扩散区之下的耗尽层25内发生载流子27。该载流子如箭头29所示，从扩散区正下方的耗尽层向外侧扩散，如果该载流子到达相邻的受光元件的耗尽层就成为串扰。
此外，因为耗尽层25内存在着较大的电场，故在耗尽层内发生的载流子沿电场移动。然而，如果像图3那样耗尽层25浅而仅在光吸收层24的一部分中延伸，则在耗尽层之外因为电场小故载流子成为容易沿横向扩散，这也成为串扰的原因。
再者，为了加深耗尽层25，使之达到缓冲层22，虽然施加大的反向偏置电压就可以了，但是如果光吸收层24的载流子浓度原本就高，则耗尽层难以延伸。
此外，如果入射光从受光部扩展，或者入射光从受光部逸出，则光入射于受光元件间。这种光(以下把入射于受光部以外的光称为杂散光)使得在受光元件间的未耗尽的光吸收层中发生载流子，如果该载流子横向扩散，向相邻的受光元件移动，则成为串扰。
如果发生以上这种串扰，则无法正确地检测分波光，所以受光元件阵列的特性劣化。
发明概述
本发明的目的在于提供一种防止串扰引起的特性劣化的受光元件阵列。
如果用本发明的第1形态，则在多个受光元件直线状排列的受光元件阵列中，其特征在于，上述受光元件由通过扩散形成p型层或n型层的pin光电二极管组成，至少在上述受光元件的去除了受光部的一部分的上表面上设置遮光膜。
如果用本发明的第2形态，则在多个受光元件直线状排列的受光元件阵列中，其特征在于，上述受光元件由通过扩散形成p型层或n型层的pin光电二极管组成，上述受光元件间靠分离槽来分离，受光元件制成台面型结构，至少在上述受光元件的去除了受光部的一部分的上表面上设置遮光膜。
如果用本发明的第3形态，则在多个受光元件直线状排列的受光元件阵列中，其特征在于，上述受光元件由通过结晶生长形成的pin光电二极管组成，上述受光元件间靠分离槽来分离，受光元件制成台面型结构，至少在上述受光元件的去除了受光部的一部分的上表面上设置遮光膜。
如果用本发明的第4形态，则在多个受光元件一维地排列的受光元件阵列中，其特征在于，上述受光元件由通过结晶生长形成的pin光电二极管组成，上述受光元件间靠分离槽来分离，受光元件制成台面型的波导路结构。
本发明的第5形态是受光器件，其特征在于，该受光器件备有：多个受光元件一维地排列，上述受光元件由通过结晶生长形成的pin光电二极管组成，上述受光元件间靠分离槽来分离，受光元件制成台面型的波导路结构的受光元件阵列，和
安装上述受光元件阵列的板件，
上述板件包括：
以与上述第2导电型的电极同一间距排列的电极配线图案，
上述电极配线图案的第1引出配线，
分别连接于上述第1引出配线的多个第1键合焊盘，
设在所安装的受光元件阵列附近的一个第2键合焊盘，
上述第2键合焊盘的第2引出配线，以及
连接于上述第2引出配线的第3键合焊盘，
上述第2导电型的电极连接于上述电极配线图案，上述第1导电型的电极连接于上述第2键合焊盘。
附图的简要说明
图1是表示现有技术的扩散型受光元件阵列的平面图。
图2是图1的受光元件阵列部分的A-A’线的放大剖视图。
图3是用来说明图2的受光元件阵列中耗尽层的影响的图。
图4是表示作为本发明的实施例的扩散型受光元件阵列的剖视图。
图5是图4的受光元件阵列部分的A-A’线的放大剖视图。
图6是表示为了确定遮光膜的效果而制作的现有技术的受光元件阵列的平面图。
图7是表示为了确定遮光膜的效果而制作的本发明的受光元件阵列的平面图。
图8是表示用来评价受光元件阵列的分波特性的光学系统的图。
图9是表示图7中所示的本发明的受光元件阵列的所测定的分波特性的曲线图。
图10是表示图6中所示的现有技术的受光元件阵列的所测定的分波特性的曲线图。
图11是表示作为本发明的实施例的分离蚀刻受光元件间的扩散型受光元件阵列的剖视图。
图12是表示作为本发明的实施例的通过结晶生长来形成p-InP层的台面型受光元件阵列的剖视图。
图13是作为本发明的实施例的波导路型受光元件阵列的透视图。
图14是表示图13的受光元件阵列的安装例的图。
图15是表示倒装式连接的剖视图。
实施发明的最佳形态
图4示出在图2中所示的种类的扩散型受光元件的受光元件间设置遮光膜，防止杂散光引起的特性劣化的受光元件阵列的平面图。图5是图4的A-A’线的局部放大剖视图。在图4和图5中，对与图1和图2相同的构成要素赋予同一标号。
在该受光元件阵列中，在图1和图2中所示的现有技术的结构上，把由例如SiN膜组成的保护绝缘膜30形成到成为无反射条件那样的膜厚。在该保护绝缘膜30上设置遮光膜32以便覆盖受光元件之间。再者，在键合焊盘12上的保护绝缘膜30上开有开口33，使得导线可以键合于键合焊盘。
如果用这种结构的扩散型受光元件阵列，则即使光从受光部扩散，或者光从受光部逸出，也由于存在着遮光膜32所以光不会入射于受光元件之间。因而，由于在受光元件间的未耗尽的光吸收层24中不发生载流子，所以没有载流子的横向扩散引起的特性劣化。
为了确认遮光膜的效果，制作两种试样进行比较试验。图6示出所制作的现有技术的受光元件阵列的平面图，图7示出所制作的本发明的受光元件阵列的平面图。同时，采用在n-InP基板上，通过MOVPE法依次生长n-InP、不掺杂(i-)InGaAs、和n-InP的基板。用等离子体CVD形成的SiN膜作为扩散用钝化膜，从开口部扩散Zn而形成扩散区28。该扩散区成为受光部。受光部短边为30μm长边为100μm，以50μm的周期排列。在各受光元件上，与扩散区28电气接触的键合焊盘12交互地设在两侧，在该键合焊盘12上键合着未画出的导线。
进而在图7中所示的本发明的受光元件阵列中，用去除(lift-off)法在受光元件间设置由20μm×100μm(宽×长)的Ti/Au层组成的遮光膜32。该遮光膜(金属膜)通过用电阻加热的蒸气沉积法来成膜。此时，以提高对SiN膜的附着力为目的而引入Ti膜，膜厚为5nm～1μm，最好是约50nm。Ti膜上的Au膜以遮光为目的，膜厚设定为约0.2μm。再者，Ti/Au层的膜厚的最佳范围合计为0.2μm～10μm。
用图8中所示的光学系统来评价制作的这些受光元件阵列的试样。从单模纤维54出射的1.55μm波段(光通信中所使用的波段)的光借助于焦距约50mm的准直透镜52成为平行光，入射于衍射格栅53。此时的衍射格栅的格栅常数取为约1.1μm。由衍射格栅衍射而分波成各波长的光借助于准直透镜52聚焦于受光元件阵列51的各受光元件50。把入射于单模纤维54的光取为单一波长，使衍射格栅53的角度对准直透镜52的光轴变化，并调节受光元件阵列51的位置，以便使来自成为测定对象的一个受光元件的输出为最大。此时，为了减小准直透镜52的轴外收差，把单模纤维54与受光元件阵列51的距离取为约2.5mm。
用图7的根据本发明的受光元件阵列时的分波特性示于图9，作为比较例，使用图6的现有技术的受光元件阵列时的分波特性示于图10。在图9和图10中，纵轴表示相对灵敏度(dB)，横轴表示波长(nm)。
从这些分波特性可以看出，用现有技术制作的受光元件阵列有约-15dB的串扰，与该对比，通过用本发明的受光元件降低到-18dB以下，得到3dB以上的改善。再者，串扰由从某个所分波的光的分波特性曲线的顶峰引出的垂线与相邻的光的分波特性曲线相交位置处的相对灵敏度来确定。
虽然在图7的试样中，把遮光膜与受光部的宽度设定成遮光膜与受光部不重合，或者不空出间隔，但这不是必须的，即使在把遮光膜的宽度从20μm增加到40μm的场合，或者从20μm减少到10μm的场合也可以得到同样的效果。
此外，虽然在图7的试样中，用以50μm的周期所排列的受光元件阵列，但是即使用25μm周期的受光元件阵列也可以得到同样的效果。此时的受光元件的受光部的宽度取为12μm，遮光膜的宽度取为13μm。
此外，虽然在图7的试样中，遮光膜32的宽度(20μm)设定成不重合于受光元件的受光部的宽度(30μm)，但是不限定于该，如果受光部上有开口部则遮光膜也可以重合于受光部上。虽然在图7的试样中，作为遮光膜的材料用Ti/Au的两层结构的金属膜，但是不限于该，也可以是Au等单层膜，Ti/Pt/Au的三层结构，或四层以上结构。金属材料和膜厚也不限于图7的试样中所示者。例如，在保护绝缘膜中不用SiN膜的场合，由于成膜、形成图案都很容易，所以取为Al是合适的。此外，即使用通过电弧蒸气沉积法作为遮光膜代替金属膜而形成的厚度0.2～10μm的碳膜的场合，也可以得到与上述试样同样的效果。
下面就以上的扩散型受光元件阵列，说明进一步降低串扰的结构。图11示出在图1和图2的扩散型受光元件阵列中，通过蚀刻来设置分离槽而电气分离受光元件间的台面型结构的受光元件阵列。对与图1和图2相同的构成要素赋予同一标号来表示。
在扩散区28之间通过蚀刻形成分离槽之后，在整个表面上把保护绝缘膜34成膜到成为无反射条件那样的膜厚。在该保护绝缘膜34上，在受光部以外的区域上设置遮光膜36。也就是说，遮光膜设在分离槽的底部和侧壁，和除了扩散区28以外的上表面上。本实施例的受光元件阵列的上表面形状与图4中所示的形状相同。
如果用这种台面结构的扩散型受光元件阵列，则由于受光元件间电气上分离，所以在光吸收层24中发生的载流子不会因横向扩散而向相邻的受光元件移动。此外，由于分离槽的侧壁上设有遮光膜36，所以沿对基板倾斜方向入射的光被分离槽的遮光膜36遮挡，不会入射于受光部以外，因此不受本来将要入射于相邻的受光元件的光的影响。
因而，如果用这种台面型的扩散型受光元件阵列，则与图4的扩散型受光元件阵列相比，可以进一步降低串扰。
以上这种台面结构的扩散型受光元件阵列通过扩散形成pn结。因为扩散是等向的，除了扩散深度以外也沿横向扩散。因此，无法减小受光元件阵列的尺寸和间距。因而，该台面结构的扩散型受光元件阵列不适于高密度集成。
图12示出不靠扩散，而通过结晶生长来形成pn结，而且通过蚀刻来设置分离槽，把受光元件制成台面型结构的受光元件阵列。
在n-InP基板40上，通过结晶生长来叠层n-InP层42、i-InGaAs层(光吸收层)44、p-InP层(窗口层)46，蚀刻InGaAs层44和p-InP层46，形成分离槽而分离元件间。而且，在整个面上把保护绝缘膜48成膜到成为无反射条件那样的膜厚。在所成膜的保护绝缘膜48上，在受光部以外的区域上形成遮光膜49。本实施例的受光元件阵列的上表面形状与图4中所示的形状相同。如果用这种受光元件阵列，则与图11的扩散型受光元件阵列相比，高密度集成成为可能。
虽然在以上各实施例中，示出遮光膜仅在受光元件间形成的例子，但是通过包括配线电极等而遮光，杂散光的降低成为可能而器件特性进一步提高。
在结晶生长的受光元件阵列中，能够高密度集成的台面结构的受光元件阵列的另一个例子示于图13。该受光元件阵列，受光元件制成波导路形状。图13是本实施例的受光元件阵列的局部透视图。该受光元件阵列是以10μm间距排列6μm宽的波导路型受光元件60者。
这种受光元件阵列如下来制作。在n-InP基板62上，通过MOVPE法等连续生长n-InP层64、i-InGaAs层66、p-InP层68。此时第2层的i-InGaAs层66也可以不掺杂或少量掺杂。
接着，通过台面蚀刻凹状地去除n-InP层68和i-InGaAs层66而形成分离槽，部分地露出到n-InP层64的表面，制作波导路结构。
接着，在分离槽上进行i-InP的再生长，填埋分离槽而进行平坦化。在图中，以70示出该填埋区。虽然作为再生长的填埋材料之一例可以举出i-InP，但是填埋材料只要是具有光的封闭效应，能充分保证与相邻的受光元件的耐压的材料就可以了。例如如果能像Fe掺杂InP那样电气上绝缘就更好了。最后，在波导路结构的最上层的n-InP层68之上形成p型欧姆电极72，在基板背面上形成n型欧姆电极74。
通过以上这种方法所制作的波导路型受光元件阵列，由于在pn结的形成中不用扩散，所以可以减小受光元件的排列间距。
在这种波导路型受光元件阵列中，如图中箭头A所示，光从基板端面入射。波导路型受光元件的受光灵敏度取决于光在作为光吸收层的InGaAs层66中的行进距离。另一方面，在使光沿基板垂直方向入射的扩散型受光元件或台面型受光元件中受光灵敏度取决于InGaAs层的膜厚。因而，在波导路型受光元件中，因为能够把构成波导路的InGaAs层的长度制成对于其膜厚足够长，故可以指望受光灵敏度的提高。
虽然在上述实施例中，通过再生长来填埋分离槽，但是也可以取为用绝缘膜的覆盖。此外，通过在作为受光部的基板端面上施行无反射涂层，器件特性提高。
在本实施例的台面型的波导路型受光元件阵列中也是，由于在受光元件间靠分离槽来分离，所以可以降低串扰。
下面就用图13的构成的波导路型受光元件阵列的受光器件进行说明。该受光器件适合用于光分波器。受光器件通过在板件上安装受光元件阵列来制作。
图14和图15中示出图13的受光元件阵列的倒装方式的安装例。图14是受光器件的透视图，图15是用来说明倒装方式的剖视图。
作为板件，准备氧化铝基板82。在该氧化铝基板上形成：以与所安装的波导路型受光元件阵列80的p型欧姆电极72(参照图13)同一间距来形成的电极配线图案83，从其引出的配线84，与这些引出配线连接的多个键合焊盘86，设在受光元件阵列80附近的一个键合焊盘88，连接于该键合焊盘88的引出配线90，以及连接于该引出配线的另一端的一个键合焊盘92。再者，一个键合焊盘92与多个键合焊盘86呈直线状排列。
使p型欧姆电极72朝下地以倒装方式把波导路型受光元件阵列80安装于电极配线图案83上。此时，n型欧姆电极74朝上。
在倒装方式中，如图15中所示，在电极配线图案83上预先设置焊锡凸点94，使受光元件阵列80的p型欧姆电极72与它们对位，加热焊接。
因而，与受光元件阵列的各波导路相对应的p型欧姆电极72经由焊锡凸点94、电极配线图案83和引出配线84连接于等间距地排列于氧化铝基板82上的键合焊盘86。此外，波导路型受光元件阵列80的n型欧姆电极74通过键合导线96连接于在受光元件阵列附近上形成的键合焊盘88，键合焊盘88经由引出配线90连接于键合焊盘92。
再者，在能够在受光元件阵列80的受光面形成电气上连接于欧姆电极74的键合焊盘的场合，也可以不用键合导线96，而通过倒装方式连接于引出配线90。
在以上这种结构的受光元件阵列中，如图中箭头所示，光从受光元件阵列的基板端面入射。
如果用本实施例的波导路型受光元件阵列，则由于通过在受光元件中采用台面结构，与相邻的受光元件的电气上的分离独立是容易的，所以可以降低串扰，而且可以减小受光元件阵列的尺寸和间距。
此外，如果用本实施例的波导路型受光元件阵列，则由于光在吸收层中不是垂直而是水平地行进，故能够与光相互作用的区域加大，所以光灵敏度等器件特性提高。
进而，如果用本实施例的受光器件，则因为使光从基板端面入射，故可以以倒装方式安装于板件上。在该场合，键合焊盘可以在板件侧准备。因此，没有必要在受光元件阵列芯片上形成键合焊盘，故可以减小芯片尺寸。因而，从一个晶片的取得个数增大。
工业实用性
如果用本发明的受光元件阵列，则由于设置遮光膜，使得杂散光不入射到受光部以外，所以可以降低串扰，可以防止受光元件阵列的特性劣化。
此外，因为通过分离槽的形成使受光元件间电气上分离独立，故没有因光发生的载流子的横向扩散引起的向邻接元件的移动。因而，因为不发生流向邻接元件的电流，故可以降低串扰，可以防止受光元件阵列的特性劣化。
Claims (15)
1.一种受光元件阵列，是多个受光元件直线状排列的受光元件阵列，其特征在于，
上述受光元件由通过扩散形成p型层或n型层的pin光电二极管组成，
至少在上述受光元件的去除了受光部的一部分的上表面上设置遮光膜。
2.一种受光元件阵列，是多个受光元件直线状排列的受光元件阵列，其特征在于，
上述受光元件由通过扩散形成p型层或n型层的pin光电二极管组成，
上述受光元件之间借助于分离槽来分离，受光元件制成台面型结构，
至少在上述受光元件的去除了受光部的一部分的上表面上设置遮光膜。
3.一种受光元件阵列，是多个受光元件直线状排列的受光元件阵列，其特征在于，
上述受光元件由通过结晶生长形成的pin光电二极管组成，
上述受光元件间借助于分离槽来分离，受光元件制成台面型结构，
至少在上述受光元件的去除了受光部的一部分的上表面上设置遮光膜。
4.根据权利要求1、2或3所述的受光元件阵列，其特征在于，上述pin光电二极管由化合物半导体构成。
5.根据权利要求4所述的受光元件阵列，其特征在于，上述pin光电二极管被保护绝缘膜所覆盖。
6.根据权利要求5所述的受光元件阵列，其特征在于，上述保护膜是SiN。
7.根据权利要求6所述的受光元件阵列，其特征在于，上述遮光膜是金属膜。
8.根据权利要求7所述的受光元件阵列，其特征在于，上述遮光膜是Au膜、Ti/Au膜或Ti/Pt/Au膜。
9.根据权利要求6所述的受光元件阵列，其特征在于，上述遮光膜是碳膜。
10.一种受光元件阵列，是多个受光元件一维地排列的受光元件阵列，其特征在于，
上述受光元件由通过结晶生长形成的pin光电二极管组成，
上述受光元件间借助于分离槽来分离，受光元件制成台面型的波导路结构。
11.根据权利要求10所述的受光元件阵列，其特征在于，上述台面型的波导路结构的受光元件在第1导电型的基板上形成，在该第1导电型的基板上的背面上设置第1导电型的电极，在上述受光元件的表面上形成与上述第1导电型相反的第2导电型的电极。
12.根据权利要求11所述的受光元件阵列，其特征在于，光从上述pin光电二极管的端面入射。
13.根据权利要求11或12所述的受光元件阵列，其特征在于，上述第1导电型为p型，上述第2导电型为n型。
14.一种受光器件，其特征在于，备有：
权利要求12所述的受光元件阵列，和
安装上述受光元件阵列的板件，
上述板件包括：
以与上述第2导电型的电极同一间距排列的电极配线图案，
上述电极配线图案的第1引出配线，
分别连接于上述第1引出配线的多个第1键合焊盘，
设在所安装的受光元件阵列附近的一个第2键合焊盘，
上述第2键合焊盘的第2引出配线，以及
连接于上述第2引出配线的第3键合焊盘，
上述第2导电型的电极连接于上述电极配线图案，上述第1导电型的电极连接于上述第2键合焊盘。
15.根据权利要求14所述的受光器件，其特征在于，上述第1导电型为p型，上述第2导电型为n型。
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