JP2001028454A

JP2001028454A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2001028454A
Application number: JP11201519A
Authority: JP
Inventors: Miki Kuhara; 美樹工原; Naoyuki Yamabayashi; 直之山林; Yasuhiro Inoguchi; 康博猪口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-01-30
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: JP3386011B2

Abstract

(57)【要約】【目的】送信光λ_１を発するＬＤと受信光λ_２を受信
するＰＤを同一のモジュール内に収容し、共通の光ファ
イバによって光信号を送受信するようにしたモジュール
であってλ_１がλ_２より短波長である（λ_１＜λ_２）と
き、ＬＤからの送信光がＰＤに入射して光学的クロスト
ークをおこすのを防ぐようにした受光素子を与えるこ
と。【構成】受光素子の基板と受光層の間に、送信光λ_１
を吸収する吸収層を設け、下方からのλ_１、斜め下方か
らのλ_１が受光層にいたるのを防ぐ。基板の下に吸収層
を設ける場合よりも受光層に近いから斜め下方からのλ
_１をも除去できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は異なる波長の光λ
_１、λ_２を用いて１本の光ファイバによって送受信を行
うようにした光送受信モジュールにおいて送信光の影響
を良好に遮断できる受光素子の構造に関する。１本の光
ファイバを送受信に共用する場合送信光を出すＬＤと受
信光を受けるＰＤが同一の容器や同一の基板上に設けら
れる。ＰＤは高感度の素子である。ＬＤは遠くまで信号
を運ぶため強烈なパワーを持っている。波長は異なるが
受光素子には送信光に対する感度があるから送信光を感
受してしまう。

【０００２】ＰＤが送信光を感受することを光学的クロ
ストークという。送信光を感受すると受信光の検知を難
しくする。だからクロストークはできるだけ小さく抑制
する必要がある。送信器と受信器の間には電気回路間の
電磁結合により電気的クロストークとこの光学的クロス
トークの２種類の相互作用がある。いずれも克服すべき
難しい問題である。ここでは光学的クロストークだけを
問題にする。

【０００３】送信受信を１本の光ファイバで行う送受信
器は、送信光と受信光の分離の方法によって様々の態様
のものが考案されている。最も一般的なものは波長分波
器を使って送信光経路と受信光経路を分岐させるもので
ある。そのような空間的分離をするものは光学的クロス
トークの問題が比較的軽微である。より特殊な送受信モ
ジュールとして、ＰＤとＬＤを１直線上に並べ送受信経
路を殆ど同一にするものがある。そのような送信受信経
路が同一のものは光学的クロストークの問題はより深刻
になる。

【０００４】

【従来の技術】送受信モジュールの典型的な例を図１
（波長多重双方向通信）に示す。局側ではＬＤ_１によっ
て信号を加入者に向けて送る。ＰＤ_１によって加入者側
からの信号を受ける。波長分波器２が上り下りの信号を
波長の違いによって２本の異なる光ファイバ１、７に分
離している。下り信号の波長をλ_２、上り信号の波長を
λ _１とする。いずれも１本の光ファイバ３によって上下
方向に送られる。加入者側では波長分波器４によって送
信光と受信光を異なる光ファイバ５、６に分離する。受
信光λ_２はＰＤ_２によって受信する。送信光λ_１はＬＤ
_２によって発生させる。ＰＤ_２、ＬＤ_２より先には電気
回路があるが、ここでは図示を略す。この説明で送信受
信というのは加入者側からみてのことである。上り光が
送信光、下り光が受信光である。波長分波器４によって
分岐させるからＰＤ_２とＬＤ_２とは空間的に離隔してい
る。

【０００５】図２は２つの波長の光λ_１、λ_２を送信す
る場合を示す（波長多重一方向通信）。局側では合波器
８で異なる波長の送信光を合一させる。加入者側では波
長分波器４によって波長分離する。受信側では異なるＰ
Ｄ_１、ＰＤ_２によってλ_１、λ_２の光を分離して受信す
る。この場合もＰＤ_１、ＰＤ_２の間での光学的クロスト
ークが問題である。

【０００６】図３は図１、図２など光路分離された光通
信系において受信器として用いることができる従来例に
かかるＰＤモジュールを示す。リードピン９を有する円
形金属製ステム１０の中心にサブマウント１１を介して
ＰＤチップ１２が取り付けられる。ステム１０の上には
レンズ１３を有する円筒形キャップ１４が調芯して溶接
される。さらにその上には円筒形スリーブ１５が設けら
れる。スリーブ１５の軸穴にはフェルール１６が挿入さ
れる。フェルール１６は光ファイバ１７の先端を保持す
る。フェルール１６の先端は斜めに研磨してある。光フ
ァイバ１７を保護するためベンドリミッタ１８がスリー
ブにかぶせてある。図１、２の送受信モジュールはその
ほかに送信器を含む。それは図３のＰＤをＬＤに置き換
えたものであるので説明しない。

【０００７】本発明は、図１、図２のような波長分波器
を含む系でも適用でき、図１、図２は図３のような受信
器を含むので説明している。その受信器は金属ケースを
用いており光ファイバ配置は立体的である。高性能であ
るが調芯が不可欠で製造コストが高く高価であって普及
実用という点では難がある。

【０００８】より安価な受光素子モジュールとして表面
実装型のものが研究されている。図４は裏面入射型のＰ
Ｄを使った表面実装型モジュールの従来例を示す。本発
明はそのような受光素子にも適用できるので予め説明す
る。長方形のＳｉベンチ１９の中央部に縦方向のＶ溝２
０がエッチングによって形成してある。Ｖ溝２０の終端
には傾斜したミラー面２１がある。これもエッチングに
よって同時に作製される。Ｖ溝２０の終端部のすぐ上に
ＰＤチップ２３が固定してある。これは裏面入射型で上
面に受光部２４がある。光ファイバ２２からでた光はＳ
ｉベンチ面に平行にＶ溝内を伝搬しミラー面２１で上向
きに反射され底面からＰＤ２３に入り受光部２４に到達
する。表面実装型のモジュールは調芯箇所がないので製
造容易である。

【０００９】図３、図４の受光素子モジュールはともに
図１、図２の波長分波器によって分離された受信光を検
知するために用いることができる。波長分波器は例えば
Ｓｉ基板上に波長選択性のある分岐導波路を作ることに
よって製造できる。しかし波長分波器にも色々有って図
５のようなプリズム型波長分波器を用いることができ
る。図５において透明の三角柱ガラスブロック２５、２
６は斜辺面に誘電体多層膜２７が積層してあり、それが
波長選択性を持つ。光ファイバ２８から出た異なる波長
の光を一方は反射し、一方は透過するというような選択
性である。しかし、ここでは送信光と受信光を合成する
ための選択性を持つようにしている。光の相反性がある
から同じ選択性を異なる用途に利用しているだけであ
る。光ファイバ２８から出た受信光λ_２は多層膜２７で
反射されＰＤ３０に導かれる。ＬＤ２９から出た送信光
λ_１は多層膜２７を透過してファイバ２８に入る。本発
明はそのような送受信モジュールにも利用できるから準
備的に説明した。

【００１０】しかしながら、なんといっても本発明が最
も好適に適用できるのは波長分波器によって経路分離し
ないような送受信モジュールである。これまで述べたも
のと区別するために、ここでは経路非分離型と仮に呼ぼ
う。それは本発明者が初めて提唱したものであって未だ
特殊なモジュールということができる。図６は経路非分
離型のものを示す。本発明の用途として図６のものが本
命である。

【００１１】ハウジング３１の内部にＳｉベンチがある
が、ここでは図示を略している。光ファイバ３２が縦方
向に設けられる。光ファイバの先端に対向するようＬＤ
３３が取り付けられる。光ファイバ３２の途中にＷＤＭ
フィルタ３５があって波長分離するようになっている。
ＷＤＭ３５の直上にＰＤ３４がある。ＬＤ３３の出すλ
_１の送信光は例えば１ｍＷの強いものである。これが光
ファイバ３２を通って外部へ出て行く。外部から光ファ
イバを伝わってきた受信光λ_２はＷＤＭ３５で反射され
ＰＤ３４の裏面に入り受光部３６で検知される。送信光
λ_１は強い光であり、受信光λ_２は弱い光である。光フ
ァイバ３２の中でＷＤＭまでの経路が同一である。方向
は反対であってＷＤＭによって分離されるというもの
の、送信光の一部がＰＤに入ることがある。これが光学
的クロストークを引き起こす。僅かな割合であっても、
もとの送信光パワーは大きく受信光は微弱であるから受
信光にとって無視できない大きいノイズとなる。

【００１２】図７のような従来例にかかるＰＤを用いた
ときは単にノイズというようなものではない。送信光ノ
イズが受信光自身を上回りＳ／Ｎ比が１をはるかに越え
てしまう場合も起こりうる。図７のＩｎＰ系の受光素子
の製造は、ｎ−ＩｎＰ基板３７の上に、ｎ−ＩｎＰバッ
ファ層３８、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層３９、ｎ−ＩｎＰ
窓層４０を積層したエピタキシャルウエハから出発す
る。Ｚｎ拡散によってｐ型領域４１を作製し、その上に
環状のｐ電極４２を形成する。ｐ電極４２の内側に反射
防止膜４３を、外側にパシベーション膜４４を乗せる。
裏面にはｎ電極４５を形成する。入射光は上面から入射
する。

【００１３】図８は図７の受光素子の感度特性を示す。
短波長側で感度が低下するＰの部分はＩｎＰ窓層のバン
ドギャップに対応する。それ以下の波長の光はＩｎＰ窓
層によって吸収されるから感受されない。長波長側で感
度が低下するＲの部分はＩｎＧａＡｓ受光層のバンドギ
ャップにあたる。それ以下の低エネルギー（ここではフ
ォトンのエネルギー（ｈν）をさす。）の光は受光層バ
ンドギャップ以下だから感受できない。この受光素子
は、ＩｎＰ窓層のバンドギャップＰからＩｎＧａＡｓ受
光層のバンドギャップＲまで広い範囲Ｑに感度を有す
る。１．３μｍ帯にも１．５５μｍ帯にも充分な感度を
持っている。

【００１４】だから光通信に使われる長波長光に対して
は図７の受光素子が最も一般的に用いられる。図７の従
来構造のＰＤでは、図８のように１μｍ〜１．６５μｍ
まで感度がある。このような広い範囲で感度があるとい
うことは同じ受光素子を１．３μｍにも１．５５μｍに
も利用できるという点では長所である。しかし反面、送
受信モジュールに用いると送信光を感じ光学的クロスト
ークを引き起こすという欠点がある。

【００１５】もしも送信光が受信光よりもエネルギーが
低い場合は、ＰＤの受光層を工夫することによってクロ
ストークを減らすこともできる。ＰＤは受光層のバンド
ギャップよりエネルギーの高い光を吸収し光電流に変え
るが、バンドギャップより低いエネルギーの光は透過す
るから感受できない。送信光エネルギーと受信光エネル
ギーの中間のエネルギーのバンドギャップを持つような
受光層を選べば受信光だけを選択的に感受するＰＤがで
きよう。

【００１６】しかし反対に、送信光λ_１が受信光λ_２よ
りエネルギーが高い（λ_１＜λ_２）場合はそのような手
段を使う事ができない。受光層のバンドギャップを工夫
するということではクロストークを押さえることができ
ない。本発明はそのような場合を対象にする。つまり送
信光波長は、受信光波長より短いのである。例えばλ _１
＝１．３μｍ送信、λ_２＝１．５５μｍ受信というよう
な場合である。図１、図２のようなＹ分岐を有する波長
分波器を用いる時でもＷＤＭの性能は不十分であるとク
ロストークは大きくなるし、図６のように経路非分離型
の場合クロストークはいっそう著しい。

【００１７】図６の送受信モジュールにおいて、どのよ
うなわけで光学的クロストークが起こるのかを述べよ
う。図６の素子は実際にはＳｉプラットフォーム（Ｓｉ
ベンチ）上に配置されたＬＤからの強い送信光（λ_１）
が全部光ファイバに入るのではなくＳｉプラットフォー
ム、樹脂をも照らす。ＬＤ出射光はかなりの角度をもっ
て広がるからである。送信光λ_１に対してＳｉベンチは
透明である。これがそもそもの問題の発端である。ＬＤ
などは透明の樹脂で覆う。Ｓｉベンチや透明樹脂の空間
に入った送信光λ_１はＳｉを透過し反射され散乱され
る。樹脂の分布、Ｓｉプラットフォームの形状、素子配
置によって様々の散乱光が生じる。λ_１の反射散乱光の
軌跡は複雑である。ＰＤからみるとＳｉプラットフォー
ムの全体がλ _１で明るく輝いているかのようである。

【００１８】可視光でないから人間の視覚には感じない
がＰＤには見える。様々の方角から様々の高さからλ_１
がＰＤに入射する。裏面からも上面からも側面からもＰ
Ｄに入る。だから光ファイバを通らない送信光がＰＤに
入りクロストークを引き起こす。そのようなＷＤＭを経
由しないλ_１散乱光によるクロストークは、ＷＤＭの性
能をいくら引上げても抑止できない。

【００１９】しかしそのようなことはわからなかったの
で、かつては送信光がＰＤに入るのはＷＤＭフィルタの
不完全によるものと思われた。だとすればＷＤＭからＰ
Ｄに至る経路で送信光波長だけを除去する工夫をすれば
良いのだと考えられた。

【００２０】そこで本発明者は送信光λ_１だけを吸収し
受信光λ_２を通すような波長選択性のある吸収層をＰＤ
チップ内に設けるという頗る巧妙な構造のＰＤを発明し
た。特開平１１−８３６１９号（出願人：住友電気工業株
式会社、発明者：工原美樹、中西裕美、寺内均、１９９
７年９月３日出願）である。図９にそのような吸収層を
有するＰＤの基本構造を示す。ｎ型ＩｎＰ基板４６の上
にｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層４７を設ける。ｎ型ＩｎＧａ
Ａｓ受光層４７の中央部にはＺｎ拡散によりｐ型領域４
８を形成する。ｐｎ接合に接してｉ層４９（空乏層）が
できる。ｐ型領域４８の上にはｐ電極５０を設ける。ｐ
電極の外側にはｐｎ接合を覆うようにパシベーション膜
５１（例えばＳｉＮ）を設ける。ｎ型ＩｎＰ基板４６の
裏面にはｎ型ＩｎＧａＡｓＰ吸収層５２を設ける。その
さらに下にはリング状のｎ電極５３を形成する。中央部
が入射窓になり反射防止膜５４によって被覆される。

【００２１】図１０はより具体的なＰＤの構造を示す。
実際には結晶性を改善するために、ｎ型ＩｎＰ基板４６
とＩｎＧａＡｓ受光層４７の間にｎ型ＩｎＰバッファ層
５６を設ける。さらにＩｎＧａＡｓ受光層４７の上にＩ
ｎＰ窓層５５を設ける。窓層５５からＺｎ拡散によって
ｐ領域４８を作製しｐ電極５０を形成する。すでに述べ
たようにＩｎＰ基板４６やＩｎＰバッファ層５６がある
ので、もしＩｎＧａＡｓＰ吸収層５２がないと図８のよ
うな感度曲線においてＰの感度下限が生じる。

【００２２】これは裏面入射型で図６のようなモジュー
ルに使われる。ＩｎＧａＡｓＰ吸収層５２がこのＰＤの
新規な点である。四元化合物であるからバンドギャップ
と格子定数は自在に選ぶことができる。およそ半導体、
絶縁体はバンドギャップより大きいエネルギーの光を吸
収できバンドギャップより小さいエネルギーの光は吸収
できない。そこで吸収層５２のバンドギャップを送信光
λ_１エネルギーと受信光λ_２エネルギーの中間に選ぶと
λ_１のみを選択的に吸収するものができる筈である。

【００２３】たとえば送信光を１．３μｍ、受信光を
１．５５μｍとすると、吸収層バンドギャップ波長は
１．４μｍ程度にする。この吸収層は１×１０^１８ｃｍ
^−３のキャリヤ濃度（電子濃度）とし、厚みは例えば５
μｍとする。かなり厚い吸収層である。また電子濃度も
かなり高くする。吸収層が厚いのは１．３μｍ光を充分
に吸収するためである。この吸収層の１．３μｍ光に対
する減衰定数αはα＝１０ ^４ｃｍ^−１である。膜厚が５
μｍだと減衰はｅｘｐ（−αｄ）＝０．００７となり透
過率が０．７％と充分に小さくなる。電子濃度が高いの
は一つはＰＤの順方向抵抗が高く成りすぎないためであ
る。もう一つは１．３μｍ光を吸収層が吸収して電子正
孔対を作るが正孔が再結合しやすいという意味もある。
ｎ型だから電子の方は初めからたくさんあって問題な
い。吸収層は送信光を吸収し受信光だけを選択的に通す
から送信受信光間の光学的クロストークを防ぐ上に極め
て有効である。

【００２４】図１１はＩｎＧａＡｓＰ吸収層５２の透過
率の波長依存性を示す。ＩｎＧａＡｓＰの混晶比をバン
ドギャップ波長がλ_ｇ＝１．４２μｍになるように選ん
である。だから１．４２μｍより短い波長は吸収し、
１．４２μｍより長い波長は透過する。ＰＤの感度は
１．５５μｍ光に対し１Ａ／Ｗ、１．３μｍ光に対し
０．０１Ａ／Ｗ以下であったと述べている。消光比は１
／１００以下である（２０ｄＢ）。

【００２５】裏面入射型ＰＤであるから、裏面からλ_１
とλ_２が入射すると吸収層５２はλ _２をそのまま通し、
λ_１を吸収する。つまり送信光はここで吸収されてしま
い受光層まで行かない。だからＬＤ送信光はＰＤに入ら
ず光学的クロストークは起こらない。これは図６の光学
系で有効であるし、図１、図２の場合でもＷＤＭフィル
タでは分離しきれなかった１．３μｍ光を吸収層で落と
すことができる。

【００２６】極めて巧妙で優れた発明である。ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板４６の上側にｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層４７、下側
にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ吸収層５２を有する。両方ともエ
ピタキシャル成長によって形成するが、両面エピタキシ
ャルなので製造方法はやや複雑である。吸収層と受光層
が基板の反対側にあるから、吸収によって発生した電子
正孔対が受光層に何等の影響を及ぼすことなく消滅する
という利点がある。だから厚みを考えるときは、１．３
μｍ光の光電変換ｅｘｐ（−αｄ）だけと考えれば良
い。これが充分に小さければ良いのである。邪魔な１．
３μｍ光を除去できるから送受信光間のクロストークを
完全に除くことができると考えられた。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】ところが必ずしもそう
でないことが分かってきた。の発明は裏面からまっす
ぐに入射する１．３μｍ漏れ光にはたいへん効果があ
る。必ず吸収層を通るからである。しかし送受信モジュ
ールにおいてＬＤからの光はそのような単純なものでな
く複雑な散乱、乱反射をするものである。ＬＤは共振器
長が短いからそもそも出射角が広い。レンズを使わない
から出射光が上下左右に広がる。ＬＤ光のかなりのパワ
ーは光ファイバに入らない。図６のようにＳｉベンチを
使ってファイバ延長上にＰＤ、ＬＤを乗せる非分離型の
ものはＬＤからの光がＳｉベンチ全体を明るく照らす。
これは思いがけないことであった。λ_１に対しＳｉベン
チは透明であるから、Ｓｉベンチや透明樹脂からのλ_１
の散乱光が生ずる。つまりＷＤＭの不完全のためという
よりＬＤから出た光が光ファイバに入らないための散乱
光が多いのである。これに対してはＷＤＭの性能を向上
しても無意味である。

【００２８】ＬＤから出てファイバに入って送信光にな
らないλ_１光を迷光とよぶ。迷光は図６のハウジング内
に充満していると言って良い。裏面入射型だから裏面か
らλ _１が来るとは限らない。ＩｎＰ基板は２００μｍも
の厚みがある。だから基板側面から入る迷光がある。上
面から入る迷光もある。基板より下にＩｎＧａＡｓＰ吸
収層５２があっても、ＰＤ上面やＰＤ側面から入った迷
光（λ_１）を吸収することはできない。側面から入った
λ_１の迷光は図９の空乏層４９やｐ領域４８に到達し光
電流を発生する。つまり底面の吸収層５２は側面や上面
からの迷光に対してはまったく無力と言う他はない。し
かもＰＤに入る迷光は下方からよりも上方から側方から
という方がむしろ多いということがわかってきた。

【００２９】上方からの迷光に対してはｐ電極を広く
し、ｐ電極以外の部分は不透明の材料で覆うというよう
なことも可能である。しかしＰＤはウエハプロセスによ
って製造するからウエハを多数のチップに切断しＰＤチ
ップにしたあと側面になんらかの加工をするというよう
なことは難しい。チップ側面の厚みは２００μｍもある
が、これは露呈したままになる。側面に被覆をして側面
から迷光が入るのを防ぐというようなことは難しい。

【００３０】ＷＤＭフィルタやＷＤＭカプラでの波長分
離比は１５ｄＢから２０ｄＢである。一方受信器全体と
しては、少なくとも３０ｄＢ、望ましくは４０ｄＢの波
長分離比が必要とされる。例えばＬＤが１ｍＷ（＝０ｄ
Ｂｍ）で光ファイバから出る受信光の最小受信限界が−
３０ｄＢｍだとし、ＰＤに入射する送信光の受信光に対
するパワー比が−１０ｄＢでなければならないとする
と、全体として波長分離は４０ｄＢ必要である。送信光
受信光の比が−１５ｄＢ（約１／３０）で最小受信感度
が−３５ｄＢｍとすると５０ｄＢもの波長分離比が要求
される。

【００３１】波長の長い受信光λ_２と波長の短い送信光
λ_１を送受信する装置において送信光の迷光が入らない
ようにしたＰＤの構造を提供することが本発明の目的で
ある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本発明では、基板より上
で受光層のすぐ下に、送信光λ_１を選択的に吸収するＩ
ｎＧａＡｓＰ系の吸収層を設ける。と違って基板の上
に吸収層を設けるのである。吸収層が基板の下（）と
いうのと、基板の上（本発明）というだけの違いだけで
ある。基板の直上受光層直下に吸収層を設けるのであ
る。すると直下からだけでなく、側面や斜め下からのλ
_１（１．３μｍ光）もこの吸収層で全て吸収される。吸
収され受光層に達しないからクロストークが著しく減少
する。四元混晶のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長
λ_ｇがλ_１とλ_２の中間の値（λ_１＜λ_ｇ＜λ_２）にな
るよう混晶比を決める。厚みｄは５μｍ程度が好適であ
り、３μｍ〜１０μｍである。薄いと１．３μｍ光を完
全に吸収できない。厚いとエピタキシャル成長時間がか
かり材料コストも増加する。厚みについては後に詳しく
述べる。キャリヤ（電子）濃度はかなり高いことが必要
である。１０^１８ｃｍ ^−３程度が望ましい。キャリヤ濃
度が低いとＰＤの順方向抵抗が大きくなり良くないし
１．３μｍ光でできた正孔を再結合させる時間が掛か
る。と違い再結合による正孔の消滅が重要である。こ
れについても後に説明する。

【００３３】この構造はチップ周辺が外界に曝されてい
るあらゆるＰＤに有効である。裏面入射型、上面入射
型、側面入射型、導波路型などどのようなＰＤにも適用
することができる。

【００３４】さらに中央のｐ領域を囲むように周辺部ｐ
領域（拡散遮蔽層とよぶ）を設けると、真横からの光に
よるキャリヤはここで消滅する。

【００３５】ＩｎＧａＡｓ受光層の上にＩｎＰ窓層を形
成するとさらによい。ＩｎＰ窓層を設けておくと、ｐｎ
接合の表面部分をパシベーション膜で安定化させ、暗電
流を下げると共に長期信頼性の確保にも有効である。

【００３６】吸収層と受光層の間に結晶性を改善するた
めに低ドープＩｎＰバッファ層を設けるのも有効であ
る。不純物濃度が高いと格子構造が乱れ結晶性が悪くな
ることがある。吸収層はドーパント濃度が高いからバッ
ファ層で結晶性を回復するのである。

【００３７】吸収層の厚みｄについて説明する。これま
で何度か述べているが、ここでより詳しく述べよう。吸
収係数をα、厚みをｄ、透過率をＴとする。表面裏面で
の反射がないとすると、

【００３８】Ｔ＝ｅｘｐ（−αｄ）（１）

【００３９】である。αは結晶組成によって変わるが、
例えば本発明のある例では、吸収端１．４２μｍの組成
のとき、α＝１×１０^４ｃｍ^−１である。この関係を図
２２に示す。吸収層では１．５５μｍ光は殆ど吸収され
ない（Ｔ＝１）ので、Ｔが（１．５５μｍ光を通し１．
３μｍ光を除く）フィルタとしての効果を表す数字とみ
なすことができる。

【００４０】フィルタ効果＝−１０ｌｏｇＴ＝４．３４３αｄ（２）（α^−１＝１μｍとして）

【００４１】図２２から１０ｄＢのフィルタ効果（Ｔ＝
１０％）を得るためには、ｄ＝２．３μｍ以上であるこ
とが必要である。２０ｄＢのフィルタ効果（Ｔ＝１％）
を得るためにはｄ＝４．６μｍの厚みが必要である。エ
ピタキシャル成長層の厚みのばらつきを考慮すれば、２
０ｄＢのフィルタ効果（１％）を確保しようとするとｄ
＝４〜６μｍ、つまり５μｍ程度の厚みが好ましいとい
うことになる。

【００４２】フィルタ効果からいえばもっと吸収層厚み
を増やした方がよい。しかしあまり吸収層が厚いと結晶
性が低下する。吸収層はドーパント濃度が高いし四元の
混晶であるから厚い層にすると結晶性が劣化する。結晶
性が多少悪くなってもその上にＩｎＰのバッファ層を入
れると、ある程度結晶性は回復する。だから１０μｍ程
度の厚みは許容される。

【００４３】そのように送信光を吸収するというだけな
らで述べたようにＴだけの問題ですむ。しかし本発明
はと違って吸収層を受光層の近傍に入れているから、
もう一つキャリヤの早期再結合という問題がある。不要
なλ_１（１．３μｍ光）が吸収層で吸収され電子正孔対
を作るが、これが流れてしまうと光電流になり１．３μ
ｍ光がノイズとなって信号に含まれる。これが光電流に
ならない内に早期に再結合させなければならない。吸収
層には再結合分の厚みも必要だということである。吸収
層はｎ型ＩｎＧａＡｓＰであるから電子正孔対ができた
場合電子は多数キャリヤであって既にたくさんの伝導電
子が存在するから別段問題でない。

【００４４】吸収層において正孔が小数キャリヤであ
る。ｎ型吸収層はキャリヤ濃度が高いから電界は利かな
い（電界＝０）。しかしｐ領域にむけて正孔濃度勾配が
あるから正孔は濃度勾配によってｐ領域に向かって拡散
する。拡散の間に大量の電子と相互作用して再結合し消
滅する。再結合消滅までに拡散する長さのことを拡散長
Ｌ_ｄという。実際には正孔寿命をτ、拡散係数をＤとし
たとき（Ｄτ）の平方根として拡散長Ｌ_ｄｈが定義され
る。Ｌ_ｄｈ＝（Ｄτ）^１／２。拡散というのは一方向の
動きでなく行きつ戻りつした運動の総体であるから、Ｄ
自体は変位ｘの２乗を時間ｔで割ったもの、ｘ^２／ｔの
極限として定義される。

【００４５】一般にＩｎＧａＡｓＰ結晶中での電子拡散
長Ｌ_ｄｅは長く、正孔拡散長Ｌ_ｄｈは短い。もしもｐ型
吸収層を用いてλ_１を吸収したとすると電子が小数キャ
リヤとなり拡散長が長いので光電流を生じ易い。これは
困るのでｎ型の吸収層を用いて小数キャリヤを正孔にす
る。拡散長は結晶組成によって変わるがそれだけでな
い。同じ組成でも結晶純度が高いほど衝突が少ないから
拡散長は長くなる。高純度（ｎ＝１０^１５ｃｍ^−３）の
ＩｎＧａＡｓＰ結晶中で電子拡散長Ｌ_ｄｅ＝６．０μ
ｍ、正孔拡散長Ｌ_ｄｈ＝１．６μｍである。純度が低い
結晶はもっと拡散長が短くなる。多数キャリヤが増える
から再結合断面積が増える（τが減る）ためである。一
般に正孔の拡散長Ｌ_ｄｈはｎ型領域のキャリヤ濃度ｎの
平方根に比例して減少する。かなり濃度の高いＩｎＧａ
ＡｓＰ吸収層（ｎ＝１０^１８ｃｍ^−３）を使うから、高
純度ＩｎＧａＡｓＰに比べて大体１／３０程度に低下す
る。つまりｎ−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層での正孔拡散長は
Ｌ_ｄｈ＝０．０５μｍとなる。これは０．０５μｍで正
孔濃度が１／ｅに低下するということである。

【００４６】αが大きいから１．３μｍ光は吸収層の最
初の部分で殆ど電子正孔対になる。正孔は最初の部分か
ら拡散しはじめるが、吸収層の厚みがｄ＝５μｍもあれ
ば、ｅｘｐ（−５／０．０５）≒１０^−４４に減衰して
しまう。吸収層のキャリヤ濃度ｎをかなり高くするの
は、正孔拡散長Ｌ_ｄｈ（以後単にＬと書く）を少なくす
るためでもある。だから吸収層のキャリヤ濃度の下限
は、吸収層の厚みｄにもよる。ｄが大きいと多少正孔拡
散長が長くても差し支えないから濃度ｎは少しぐらい小
さくてもよい。

【００４７】より厳密にいえば、吸収層の下からｚの部
位で不要なλ_１が光電変換し正孔が再結合によって減少
するという二重の現象を考える必要がある。ｚにおいて
光電変換する率がαｅｘｐ（−αｚ）ｄｚである。ここ
で生じた正孔がｄまでに再結合し減少するが減少比はｅ
ｘｐ｛（ｚ−ｄ）／Ｌ｝（Ｌは拡散長）である。吸収層
はｚ＝０〜ｄの厚みをもつが、最後まで生存する正孔の
比Ｓは

【００４８】Ｓ＝α∫ｅｘｐ（−αｚ）ｅｘｐ｛（ｚ−ｄ）／Ｌ｝ｄｚ＝αＬ（１−αＬ）^−１｛ｅｘｐ（−αｄ）−ｅｘｐ（−ｄ／Ｌ）｝（３）

【００４９】となる。αと１／Ｌは同じ元を持つ。αは
吸収層濃度にあまりよらないが、正孔拡散長Ｌは濃度ｎ
による。基準の濃度を１０^１５ｃｍ^−３の低ドープにと
ると、先ほど述べたように正孔拡散長は１．６μｍであ
るから、一般の濃度ｎに対してＬは

【００５０】Ｌ＝１．６（１０^１５／ｎ）^１／２（μｍ）（４）

【００５１】というように現象論的に考えることができ
る。これを式（３）に入れると、厚みｄとキャリヤ濃度
により、任意のＳが得られ、

【００５２】

【数１】

【００５３】が送信受信光の消光比になる。これが２０
ｄＢ必要だというなら（１０ｌｏｇＳ＜−２０ｄＢ）そ
こからＩｎＧａＡｓＰのキャリヤ濃度ｎ、厚みｄの限定
が算出できる。例えばｄ＝５μｍではｎ＝１０^１８ｃｍ
^−３の時Ｓ＝−３５ｄＢとなり、ｎ＝１０^１７ｃｍ^−３
でもＳ＝−３０ｄＢとなるので、ｎは１０^１７ｃｍ^−３
でも有効である。ｎの上限は結晶性劣化を防ぐという面
から決まる。上限は１０ ^１９ｃｍ^−３である。

【００５４】１０^１７ｃｍ^−３≦ｎ≦１０^１９ｃｍ^−３（６）

【００５５】次に本発明と先述のとの違いであるが、
端的に言えばそれはＰＤの受光層から吸収層を望む立体
角Ωの大きさが大きいということである。ＰＤチップの
横幅をＷとする（３００μｍ〜５００μｍ）。受光層か
ら吸収層までの距離をｇとする。受光層の一点から吸収
層を望む立体角Ωは近似の範囲で

【００５６】 Ω＝２π［１−ｇ／｛（Ｗ／２）^２＋ｇ^２｝^１／２］（７）

【００５７】である。本発明の場合、吸収層と受光層の
距離ｇは２μｍ〜１０μｍ程度で極短い。しかしＷ／２
は２００μｍ程度で大きい。だから本発明では大体Ω〜
２πである。ところがの場合はｇに基板厚みが含まれ
る（２００μｍ〜３００μｍ）から、これがＷ／２と同
じ程度の大きさを持つので、Ω〜π程度である。このよ
うな単純な幾何学的な相違によって本発明ととは明確
に区別される。もう一つの差異は製造技術上のものであ
る。はＩｎＰ基板の両面に受光層と吸収層をエピタキ
シャル成長させる必要がある。基板片面にエピタキシャ
ル成長させ、裏返してもう一度エピタキシャル成長させ
る必要がある。つまり両面エピタキシャルになる。だか
らエピタキシャルウエハ−を製造する工程が二重になり
高コストである。本発明は、基板の同一の面に吸収層と
受光層を設けるから片面エピタキシャルであって工程が
より単純である。

【００５８】

【発明の実施の形態】［実施形態１（裏面入射型；基本
形）］図１２によって裏面入射型ＰＤに本発明を適用し
たＰＤを説明する。ｎ^＋型ＩｎＰ基板５７の上にｎ^＋型
のＩｎＧａＡｓＰ光吸収層５８、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光
層５９をエピタキシャル成長させる。このように基板−
吸収層−受光層とするのが本発明の端的な特徴である。
ｎ^＋−ＩｎＰ基板は例えば２００μｍ厚みでキャリヤ
（電子）濃度はｎ＝３×１０^１８ｃｍ^−３である。ｎ^＋
−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層は例えば５μｍ厚みでキャリヤ
濃度はｎ＝１０^１８ｃｍ^−３である。ｎ−ＩｎＧａＡｓ
受光層５９は例えば厚みが３〜４μｍで、キャリヤ濃度
がｎ＝１０ ^１５ｃｍ^−３である。

【００５９】ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層５９の中央部にＺ
ｎ拡散によってｐ^＋領域６０を形成する。拡散で作製す
るのであるからキャリヤ濃度ｐは一定しないが、ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓ受光層５９とキャリヤ濃度が等しくなった
（ｐ＝ｎ）ところがｐｎ接合６１となる。受光層５９は
キャリヤ濃度ｎが低いから厚い空乏層（ｉ層）６２がｐ
ｎ接合の下に連続して発生する。ｐ領域６０の上に広い
ｐ電極６３が形成される。裏面入射型であるからｐ電極
がｐ領域をほぼ覆い尽くしても差し支えない。周辺部に
はパシベーション膜６４が形成される。例えばＳｉＮ膜
であってｐｎ接合６１の終端を保護する。ｎ−ＩｎＰ基
板５７の裏面には環状のｎ電極６５が形成される。裏面
から光を入れるのでｎ電極６５がリング状になる。反射
防止膜６６がｎ−ＩｎＰ基板５７の裏面中央部を被覆す
る。

【００６０】裏面から入ったλ_２の入射光Ａが空乏層６
２で吸収され電子正孔対を作る。これが光を感受する領
域である。逆バイアスによって、電子はｎ型領域へ、正
孔はｐ型領域に走行して光電流を流す。これは正常なＰ
Ｄの光電変換動作である。

【００６１】同じように裏面から入ったλ_１（送信光波
長）の入射光Ｂはｎ^＋−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層５８で吸
収される。λ_１の光Ｂは受光層５９に達しない。だから
送信光波長λ_１に対してこのＰＤは感度を持たない。そ
れだけではない。斜め下方からλ_１の入射光ＣがＰＤに
入ったとしても吸収層５８によって吸収されてしまう。
斜め入射光Ｃは受光層５９に至らない。ＰＤは斜め入射
光Ｃを検知しない。斜め入射光Ｃに対しても本発明のＰ
Ｄは非感受なのである。λ_１光Ｂ、Ｃに対して非感受で
ある。特に斜め入射光Ｃを感じないということが重要で
ある。

【００６２】図１２は基本形であり、このままの構造で
も動作する。が、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５９の上にＩ
ｎＰ窓層を挿入するとさらによい。またＩｎＰ基板５７
とＩｎＧａＡｓＰ吸収層５８の間にはバッファ層を入れ
るのが結晶性を良くするために有効である。

【００６３】［実施形態２（裏面入射型；拡散遮蔽
層）］図１３は裏面入射型への本発明の適用例である
が、ｐ電極の周囲に拡散遮蔽層というものを設けたもの
である。ｎ^＋型ＩｎＰ基板５７の上にｎ^＋型のＩｎＧａ
ＡｓＰ光吸収層５８、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層５９、ｎ
−ＩｎＰ窓層６９をエピタキシャル成長させる。基板−
吸収層−受光層とするのが本発明の特徴であるが、ここ
ではさらにＩｎＰ窓層６９を加えている。バンドギャッ
プの広いＩｎＰ窓層を用いることにより、ｐｎ接合のパ
シベーションを安定にすると共に、暗電流を低くする効
果がある。また、外界からの光に対しては図８の吸収端
Ｐを与える効果も有する。

【００６４】ｎ^＋−ＩｎＰ基板は例えば２００μｍ厚み
でキャリヤ濃度はｎ＝３×１０^１８ｃｍ^−３である。ｎ
^＋−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層は例えば５μｍ厚みでキャリ
ヤ濃度はｎ＝１０^１８ｃｍ^−３である。ｎ−ＩｎＧａＡ
ｓ受光層５９は例えば厚みが３〜４μｍで、キャリヤ濃
度がｎ＝１０^１５ｃｍ^−３である。ｎ型ＩｎＰ窓層６９
は例えば厚みが２μｍでキャリヤ濃度はｎ＝２×１０
^１５ｃｍ^−３である。ｎ−ＩｎＰ窓層６９、ｎ型ＩｎＧ
ａＡｓ受光層５９の中央部にＺｎ拡散によってｐ ^＋領域
６０を形成する。ｐｎ接合６１が生成される。厚い空乏
層（ｉ層）６２がｐｎ接合６１の下に連続して発生す
る。ｐ領域６０の上に広いｐ電極６３が形成される。

【００６５】それだけでなく上面周辺部にも同時にＺｎ
拡散を行ってｐ^＋領域７０を作製する。このｐ^＋領域７
０を「拡散遮蔽層」と本発明者は呼んでいる。電子の拡
散を防ぐというのではなくてＺｎ拡散によってｐ領域を
作り、周辺部入射光の影響を遮蔽するという意味であ
る。必ずしも適切な用語でないが、本発明者等は長くそ
ういう言葉を用いて周辺ｐ領域を表現してきた。周辺ｐ
領域７０の直下にｐｎ接合７１が生成され、その下に空
乏層７２が発生する。ｐｎ接合６１、７１が表面に露呈
する部分をＳｉＮパシベーション膜６４によって保護し
ている。ｎ−ＩｎＰ基板５７の裏面にはリング状ｎ電極
６５と反射防止膜６６が形成してある。

【００６６】裏面入射型で直下からのλ_２入射光Ａが中
央の空乏層６２に至り電子正孔対を作り、これが光電流
になる。直下から入射する送信光（λ_１）Ｂ、斜め下か
らのλ_１光Ｃはｎ^＋型ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層５８で吸
収されてしまう。それに加えて側方から入って来たλ_１
入射光Ｄも感受されない。その理由はこれまでの吸収層
によるものではない。側方入射光Ｄは拡散遮蔽層７０の
空乏層７２で電子正孔対を発生するが、正孔が周辺部ｐ
領域７０に入って消滅するから中央のｐ電極の電流とな
らない。拡散遮蔽層７０によって側方入射光の影響を打
ち消しているのである。

【００６７】［実施形態３（裏面入射型；拡散遮蔽層＋
反射膜）］図１４は裏面入射型であって、拡散遮蔽層の
ほかにさらに反射膜を設けて上面からの送信光λ_１の進
入を防ごうとするものを示す。ｎ^＋型ＩｎＰ基板５７の
上にｎ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ光吸収層５８、ｎ型ＩｎＧ
ａＡｓ受光層５９、ｎ−ＩｎＰ窓層６９をエピタキシャ
ル成長させる。ｎ−ＩｎＰ窓層６９、ｎ型ＩｎＧａＡｓ
受光層５９の中央部にＺｎ拡散によってｐ^＋領域６０を
形成する。ｐｎ接合６１が生成される。厚い空乏層（ｉ
層）６２がｐｎ接合６１の下に発生する。ｐ領域６０の
上に広いｐ電極６３が形成される。

【００６８】上面周辺部にも同時にＺｎ拡散を行ってｐ
^＋領域（拡散遮蔽層）７０を作製する。周辺ｐ領域７０
の直下にｐｎ接合７１が、その下に空乏層７２が発生す
る。ｐｎ接合６１、７１が表面に露呈する部分をＳｉＮ
パシベーション膜６４によって保護している。ＰＤ上面
の中央は金属のｐ電極６３で覆われるが、その外側は反
射膜７３によって全体を覆う。ＰＤを上から見るとｐ電
極６３と反射膜７３によって全体が覆われている。１．
３μｍ（λ_１）の送信光は下方入射Ｂ、斜め下入射Ｃ、
側方入射Ｄ、上方入射Ｅなどがありうる。Ｂ〜Ｄは前の
実施形態２でも防ぐことができる。これに加え、この実
施形態では上方入射Ｅを反射膜によって退けることがで
きる。このようにするともう万全である。どこから迷光
（λ_１）がやってきても、ＰＤの中央空乏層６２には至
らず感受されることがない。

【００６９】［実施形態４（裏面入射型；拡散遮蔽層＋
反射膜；バッファ層）］高濃度のＩｎＧａＡｓＰ吸収層
５８を設けると結晶性が乱れることがある。その場合は
低不純物濃度のバッファ層を入れて結晶性を改善でき
る。バッファ層のために吸収層５８の結晶欠陥や不純物
が受光層に影響を及ぼすのを防ぐことができる。図１５
は吸収層５８と受光層５９の間にｎ−ＩｎＰバッファ層
７４を設けたものである。

【００７０】ｎ^＋型ＩｎＰ基板５７の上にｎ^＋型のＩｎ
ＧａＡｓＰ光吸収層５８、ｎ−ＩｎＰバッファ層７４、
ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層５９、ｎ−ＩｎＰ窓層６９をエ
ピタキシャル成長させる。ｎ−ＩｎＰ窓層６９、ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓ受光層５９の中央部にＺｎ拡散によってｐ^＋
領域６０を形成する。ｐｎ接合６１が形成され、その下
に空乏層６２が生成される。上面周辺部にも同時にＺｎ
拡散を行ってｐ^＋領域（拡散遮蔽層）７０を作製する。
周辺ｐ領域７０の直下にｐｎ接合７１が、その下に空乏
層７２が発生する。

【００７１】中央のｐ領域６０にｐ電極６３を付ける。
ＳｉＮパシベーション膜６４によってｐｎ接合６１、７
１を保護している。ＰＤ上面の中央は金属のｐ電極６３
で覆われる。その外側は反射膜７３によって全体を覆
う。バッファ層７４は例えば２μｍ〜４μｍの厚みを持
ち、キャリヤ濃度はｎ＝１０^１５ｃｍ^−３程度である。
これはバッファ層７４を吸収層５８と受光層５９の間に
入れたというだけのことで、図１２、図１３の形態にも
適用できる。λ_１の入射光Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを感受しない
という性質は前実施形態と同様である。

【００７２】この構成で５００μｍ角、厚み２００μｍ
のＰＤを作成して、感度を測定した。１．５５μｍ光に
対して１．０Ａ／Ｗの高感度を示し、１．３μｍ光に対
しては、０．０１Ａ／Ｗ以下の低感度であることを確認
した。また、周囲から１．３μｍ光を照射したが、これ
らの光に対しても、０．０１Ａ／Ｗ以下の低感度であっ
た。次にこのＰＤを図６の構成で１．３μｍ−ＬＤと一
体化したところ、送信パワー１ｍＷのときでも、１．５
５μｍ光の受信感度は−３５ｄＢｍ（増幅器と組み合わ
せて）という高感度をクロストークなく実現できた。

【００７３】［実施形態５（上面入射型；拡散遮蔽層＋
反射膜；バッファ層）］本発明は上面入射型のＰＤにも
適用できる。図１２、図１３、図１４の裏面入射型のも
のを上面入射型に書き換えることは簡単である。しか
し、ここでは図１５に対応した上面入射型ＰＤを説明す
る。図１６は上面入射型ＰＤの実施形態を示す。ｎ^＋型
ＩｎＰ基板５７の上にｎ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
５８、ｎ−ＩｎＰバッファ層７４、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受
光層５９、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ窓層６９をエピタキシャ
ル成長させる。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ窓層８６、ｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓ受光層５９の中央部にＺｎ拡散によってｐ^＋領
域６０を形成する。ｐｎ接合６１と、その下に空乏層６
２が生成される。上面周辺部にも同時にＺｎ拡散を行っ
てｐ^＋領域（拡散遮蔽層）７０を作製する。周辺ｐ領域
７０の直下にｐｎ接合７１が、その下に空乏層７２が発
生する。

【００７４】中央のｐ領域６０にリング状のｐ電極７５
を付ける。上面入射なのでｐ電極７５は入射光を通すた
め環状になる。ｐ電極７５で囲まれる中央部は光が入る
部分であり、λ_２に対する反射防止膜７６が形成され
る。ＳｉＮパシベーション膜６４によってｐｎ接合６
１、７１を保護している。パシベーション膜６４を含め
環状ｐ電極７５の外側は反射膜７３によって全体を覆
う。ｎ^＋−ＩｎＰ基板５７の裏面は広くｎ電極７７で覆
う。窓層をＩｎＰでなくてＩｎＧａＡｓＰにするから窓
層によってエネルギーの高い送信光（λ_１）が吸収され
除去される。窓層も巧みに利用している。

【００７５】下方からの迷光（λ_１）Ｂはｎ電極７７で
遮断できる。側方からの迷光Ｃ、ＤはＩｎＧａＡｓＰ吸
収層５８と、拡散遮蔽層７０によって遮断できる。上方
からの周辺部に向かう迷光Ｅは反射膜７３が反射する。
上方中央からのλ_１迷光は先述のようにＩｎＧａＡｓＰ
窓層で除かれる。迷光はさらにλ_２反射防止膜７６によ
っても減衰する。反射防止膜というのは屈折率の異なる
２種類の誘電体を交互に重ねて堆積して特定の波長の光
が直角入射したときにそれを無反射で透過させるもので
ある。それ以外の波長の光は一部反射する。また直角入
射以外では特定の波長の光でも反射がある。屈折率、厚
みに自由度があるから直角入射のλ_１は反射し直角入射
のλ_２は透過するようにできる。上面入射の場合図１、
図２などのように必ずＷＤＭが設けられる。ＷＤＭとＩ
ｎＧａＡｓＰ窓層とλ_２反射防止膜の作用で上方からの
迷光が抑制されている。

【００７６】［実施形態６（導波路型；バッファ層）］
これまで裏面入射型ＰＤ、上面入射型ＰＤへの本発明の
適用について述べた。それ以外にも様々の形式のＰＤが
ものが提案されている。本発明は導波路型ＰＤにも適用
できる。図１７によって導波路型ＰＤの必要な場合を説
明する。基板７８に分波導波路７９が設けられる。これ
は共通路８０、分岐した分岐路８１、８３を含む。結合
部８２では波長選択性を与えるために間隔と距離が厳密
に規定される。光ファイバは共通路８０に結合される。
分岐路８１の先に導波路型ＰＤ８４が、分岐路８３の先
にＬＤ８５が設けられる。ＬＤ８５はλ_１の送信光を生
じ、分岐路８３、結合部８２、共通路８０から光ファイ
バへと送り出す。光ファイバからの受信光λ_２は導波路
８０、８１からＰＤ８４へと伝搬する。そのような導波
路面において側方から直接に受信光を受けることができ
るようにしたのが導波路型ＰＤである。

【００７７】図１８に導波路型へ適用した実施形態を示
す。側方から光が入るのでこれまでのようにＺｎ拡散に
よってｐ領域を作らずｎ型受光層の上にｐ型層を成長さ
せる。ｎ^＋型ＩｎＰ基板５７の上にｎ^＋型のＩｎＧａＡ
ｓＰ光吸収層５８、ｎ−ＩｎＰバッファ層７４、ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓ受光層５９、ｐ−ＩｎＰ窓層８７をエピタキ
シャル成長させる。ＩｎＰ窓層８７がｐ型であるから、
窓層８７と受光層５９の界面がｐｎ接合となる。拡散に
よらないからｐｎ接合端が上面に露呈しない。光は上面
からも裏面からも入射しない。上面の全体を金属のｐ電
極８８によって覆う。ｎ^＋−ＩｎＰ基板５７はｎ電極８
９によって覆うことができる。受信光λ _２であるＫは側
方光としてｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層５９に入る。この場
合もｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層の下、ＩｎＰ基板の上にｎ
^＋型ＩｎＧａＡｓＰ吸収層５８を設ける。電極８８、８
９で覆われるから直下から入る迷光、直上から入る迷光
というものはありえない。斜め下方からの迷光に対して
ＩｎＧａＡｓＰ吸収層５８が有効な働きをする。このよ
うに導波路型ＰＤは図１７のようにＬＤとそもそも経路
を別にし、しかも迷光が入りにくい構造になっている。
光学的クロストークを減らすには好適である。

【００７８】［実施形態７（側面入射型；傾斜側面；拡
散遮蔽層＋反射膜；バッファ層）］本発明は側面入射型
のＰＤにも適用できる。実施形態６の導波路型も側面入
射であるが、実際には受光層は薄くて導波路との結合が
難しい。ここでいう側面入射型というのはＰＤの底部の
一部を斜めに切り欠いて側面光を斜め上へ屈折させるも
のをいう。図１９によって本発明を側面入射に適用した
ものを示す。

【００７９】ｎ^＋型ＩｎＰ基板５７の上にｎ^＋型のＩｎ
ＧａＡｓＰ光吸収層５８、ｎ−ＩｎＰバッファ層７４、
ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層５９、ｎ−ＩｎＰ窓層６９をエ
ピタキシャル成長させる。ｎ−ＩｎＰ窓層６９、ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓ受光層５９の中央部にＺｎ拡散によってｐ^＋
領域６０を形成する。その下にｐｎ接合６１と空乏層６
２が生成される。上面周辺部にも同時にＺｎ拡散を行っ
てｐ^＋領域（拡散遮蔽層）７０を作製する。周辺ｐ領域
７０の直下にｐｎ接合７１が、その下に空乏層７２が発
生する。

【００８０】中央のｐ領域６０に一様なｐ電極６３を付
ける。側面入射なのでｐ電極６３に開口部は不要であ
る。ＳｉＮパシベーション膜６４によってｐｎ接合６
１、７１を保護している。パシベーション膜６４を含め
ｐ電極６３の外側は反射膜７３によって全体を覆う。ｎ
^＋−ＩｎＰ基板５７の裏面は広くｎ電極９１で覆う。チ
ップに切り出してからチップの下隅を斜めに削ってでき
る傾斜面９０が受信光（λ _２）Ｌの入る部分となる。内
外の屈折率が著しく違うのでλ_２は傾斜面９０で上方へ
屈折され中央の空乏層に至り光電流となる。

【００８１】送信光（λ_１）の迷光は下からも上からも
ＰＤへ入れない。斜め下からの迷光はＩｎＧａＡｓＰ吸
収層５８によって吸収される。

【００８２】［実施形態８（側面入射型；Ｖ字切り欠
き；拡散遮蔽層＋反射膜；バッファ層）］側面入射型は
導波路型、傾斜面型の他に底面にＶ溝９３を掘るような
ＰＤもある。それに本発明を適用したものを図２０に示
す。側方からの受信光λ_２であるＭは底面のＶ溝面９３
によって反射され中央の空乏層へゆき光電流を発生す
る。それ以外の構造はこれまでに述べたものと同様であ
るから説明を略す。

【００８３】［実施形態９（側面入射型；メサ型；拡散
遮蔽層＋反射膜；バッファ層）］側面入射型は導波路
型、傾斜面型、底面Ｖ溝型の他に上方をメサ型にエッチ
ングしたＰＤもある。メサによって受信光を屈折させ
る。図２１にメサ型ＰＤに本発明を適用したものを示
す。側方からの受信光λ_２は上面のメサ面９５によって
反射され中央の空乏層へゆき光電流を発生する。導波路
型、傾斜面型、底面Ｖ溝型はいずれもエピタキシャル層
を上にする（エピアップという）が、これは逆さまにし
て（エピダウンで）基板に取り付ける。それ以外の構造
はこれまでに述べたものと同様であるから説明を略す。

【００８４】

【発明の効果】本発明は、短い波長λ_１を送信に、長い
波長λ_２を受信に用いる送受信モジュールにおいて、λ
_１を吸収する吸収層を受光素子の基板と受光層の間に設
ける。ＬＤから強いλ_１が出射され、これが散乱され迷
光となってモジュール内に充満する。本発明の受光素子
には受光層に極近接してλ_１の吸収層があるので受光素
子の受光層には至らない。これによって送信信号を受光
素子から排除できる。基板の下に吸収層を設けたのに比
べて、斜め下方からの夥しいλ_１迷光をも防ぐことがで
きる。送信光が受光層に入るのを厳しく禁止し光学的ク
ロストークを著しく下げることができる。特に図６のよ
うな光路非分離型の送受信モジュールにおいて極めて有
効である。もちろん図１、図２、図５のような光路分離
型送受信モジュールにも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の受光素子の一つの適用対象候補として
の波長多重双方向通信の概略図。

【図２】本発明の受光素子の一つの適用対象候補として
の波長多重一方向通信の概略図。

【図３】光通信に用いられた従来例にかかる受光素子の
一例を示す縦断斜視図。

【図４】裏面入射型ＰＤを用いた表面実装型の受光モジ
ュール。

【図５】誘電体多層膜ＷＤＭを用いた送受信モジュール
の概略図。

【図６】ファイバ延長線上にＰＤ、ＬＤを設けた経路非
分離型の光送受信モジュールの概略構成図。

【図７】従来例にかかるＩｎＧａＡｓ系フォトダイオー
ドの断面図。

【図８】従来例にかかるＩｎＧａＡｓ系フォトダイオー
ドの感度特性図。

【図９】本発明者が以前に提案した１．３μｍ光を落と
し１．５５μｍ光だけを感受する受光素子の概略の断面
図。

【図１０】本発明者が以前に提案した１．３μｍ光を落
とし１．５５μｍ光だけを感受する受光素子のより具体
的な断面図。

【図１１】１．３μｍ光吸収層として基板裏面にエピタ
キシャル成長させたＩｎＧａＡｓＰ吸収層の光透過率の
波長依存性を示すグラフ。

【図１２】裏面入射型の本発明の受光素子を示す断面
図。

【図１３】裏面入射型であって中央ｐ領域の周囲にＺｎ
拡散による拡散遮蔽層を設けた本発明の受光素子の断面
図。

【図１４】裏面入射型であって中央ｐ領域の周囲に拡散
遮蔽層をもうけｐ電極の周囲を反射膜で被覆した本発明
の受光素子の断面図。

【図１５】裏面入射型であって中央ｐ領域の周囲に拡散
遮蔽層をもうけｐ電極の周囲を反射膜で被覆し、さらに
バッファ層をもうけた本発明の受光素子の断面図。

【図１６】上面入射型であって中央ｐ領域の周囲に拡散
遮蔽層をもうけｐ電極の周囲を反射膜で被覆した本発明
の受光素子の断面図。

【図１７】導波路型ＷＤＭの二つの終端にＬＤと導波路
型ＰＤを設けた光受信モジュールの平面図。

【図１８】導波路型の本発明の受光素子を示す断面図。

【図１９】底面隅部を斜めに切り欠いた側面入射型の本
発明の受光素子を示す断面図。

【図２０】底面中央部を楔型に切り欠いた側面入射型の
本発明の受光素子を示す断面図。

【図２１】上面側部をメサ型に切り欠いた側面入射型の
本発明の受光素子を示す断面図。

【図２２】１．３μｍ光に対するＩｎＧａＡｓＰ吸収層
の厚みｄと透過率Ｔの関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１光ファイバ２波長分波器３光ファイバ４波長分波器５光ファイバ６光ファイバ７光ファイバ８波長合波器９リードピン１０ステム１１サブマウント１２ＰＤチップ１３レンズ１４キャップ１５スリーブ１６フェルール１７光ファイバ１８ベンドリミッタ１９Ｓｉベンチ２０Ｖ溝２１ミラー面２２光ファイバ２３ＰＤチップ２４受光部２５ガラスブロック２６ガラスブロック２７誘電体多層膜２８光ファイバ２９ＬＤ３０ＰＤ３１ハウジング３２光ファイバ３３ＬＤ３４ＰＤ３５ＷＤＭ３６受光部３７ｎ−ＩｎＰ基板３８ｎ−ＩｎＰバッファ層３９ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層４０ｎ−ＩｎＰ窓層４１ｐ型領域４２ｐ電極４３反射防止膜４４パシベーション膜４５ｎ電極４６ｎ型ＩｎＰ基板４７ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層４８ｐ型領域４９空乏層５０ｐ電極５１パシベーション膜５２ＩｎＧａＡｓＰ吸収層５３ｎ電極５４反射防止膜５５ＩｎＰ窓層５６ｎ型ＩｎＰバッファ層５７ｎ^＋型ＩｎＰ基板５８ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層５９ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層６０ｐ^＋領域６１ｐｎ接合６２空乏層６３ｐ電極６４パシベーション膜６５ｎ電極６６反射防止膜６９ｎ−ＩｎＰ窓層７０ｐ^＋領域７１ｐｎ接合７２空乏層７３反射膜７４ｎ−ＩｎＰバッファ層７５ｐ電極７６反射防止膜７７ｎ電極７８基板７９分波導波路８０共通路８１分岐路８２結合部８３分岐路８４ＰＤ８５ＬＤ８６ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ窓層８７ｐ−ＩｎＰ窓層８８ｐ電極８９ｎ電極９０傾斜面９１ｎ電極９２ｎ電極９３Ｖ溝９４ｎ電極９５メサ面

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年５月１１日（２０００．５．１
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５７】である。本発明の場合、吸収層と受光層の
距離ｇは２μｍ〜１０μｍ程度で極短い。しかしＷ／２
は２００μｍ程度で大きい。だから本発明では大体Ω≒
２πである。ところがの場合はｇに基板厚みが含まれ
る（２００μｍ〜３００μｍ）から、これがＷ／２と同
じ程度の大きさを持つので、Ω≒π程度である。このよ
うな単純な幾何学的な相違によって本発明ととは明確
に区別される。もう一つの差異は製造技術上のものであ
る。はＩｎＰ基板の両面に受光層と吸収層をエピタキ
シャル成長させる必要がある。基板片面にエピタキシャ
ル成長させ、裏返してもう一度エピタキシャル成長させ
る必要がある。つまり両面エピタキシャルになる。だか
らエピタキシャルウエハ−を製造する工程が二重になり
高コストである。本発明は、基板の同一の面に吸収層と
受光層を設けるから片面エピタキシャルであって工程が
より単純である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７３】［実施形態５（上面入射型；拡散遮蔽層＋
反射膜；バッファ層）］本発明は上面入射型のＰＤにも
適用できる。図１２、図１３、図１４の裏面入射型のも
のを上面入射型に書き換えることは簡単である。しか
し、ここでは図１５に対応した上面入射型ＰＤを説明す
る。図１６は上面入射型ＰＤの実施形態を示す。ｎ^＋型
ＩｎＰ基板５７の上にｎ^＋型のＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
５８、ｎ−ＩｎＰバッファ層７４、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受
光層５９、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ窓層８６をエピタキシャ
ル成長させる。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ窓層８６、ｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓ受光層５９の中央部にＺｎ拡散によってｐ^＋領
域６０を形成する。ｐｎ接合６１と、その下に空乏層６
２が生成される。上面周辺部にも同時にＺｎ拡散を行っ
てｐ^＋領域（拡散遮蔽層）７０を作製する。周辺ｐ領域
７０の直下にｐｎ接合７１が、その下に空乏層７２が発
生する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７５】下方からの迷光（λ_１）Ｂはｎ電極７７で
遮断できる。側方からの迷光Ｃ、ＤはＩｎＧａＡｓＰ吸
収層５８と、拡散遮蔽層７０によって遮断できる。上方
からの周辺部に向かう迷光Ｅは反射膜７３が反射する。
上方中央からのλ_１漏れ光は先述のようにＩｎＧａＡｓ
Ｐ窓層で除かれる。迷光はさらにλ_２反射防止膜７６に
よっても減衰する。反射防止膜というのは屈折率の異な
る２種類の誘電体を交互に重ねて堆積して特定の波長の
光が直角入射したときにそれを無反射で透過させるもの
である。それ以外の波長の光は一部反射する。また直角
入射以外では特定の波長の光でも反射がある。屈折率、
厚みに自由度があるから直角入射のλ_１は反射し直角入
射のλ_２は透過するようにできる。上面入射の場合図
１、図２などのように必ずＷＤＭが設けられる。ＷＤＭ
とＩｎＧａＡｓＰ窓層とλ_２反射防止膜の作用で上方か
らの迷光が抑制されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者猪口康博大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内Ｆターム(参考） 5F049 MA02 MB07 MB12 NA04 NB01 PA09 QA03 QA05 QA06 QA08 SS04 SZ12 TA03 TA06 TA10 TA12 TA13 TA14 WA01 5F088 AA02 AB07 BA03 BB01 CB09 DA01 GA05 HA12 JA03 JA07 JA10 JA12 JA13 JA14 LA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、半導体基板の上に設けら
れｐｎ接合を有する受光層とを含み、受光層よりも吸収
端波長の短い吸収層を半導体基板より受光層に近い側に
少なくとも一つ設けたことを特徴とする半導体受光素
子。
【請求項２】受光層と吸収層がエピタキシャル成長に
よって形成される事を特徴とする請求項１に記載の半導
体受光素子。
【請求項３】検出すべき光の波長をλ_２とし、それよ
り短い波長の光λ_１がノイズとして存在しており半導体
基板上に阻止すべき波長λ_１に対する吸収層を設け、そ
の上に受光層を設けた事を特徴とする請求項１又は２に
記載の半導体受光素子。
【請求項４】受光すべき波長λ_２が、１．５μｍから
１．６μｍ帯であり、阻止すべき波長λ_１が１．２μｍ
から１．３μｍ帯である事を特徴とする請求項１〜３の
何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項５】基板上に、阻止すべき波長λ_１に対する
吸収層を設け、その上に受光層を設け、さらにその上に
阻止すべき波長λ_１に対する吸収層を設けた事を特徴と
する請求項１〜４の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項６】ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓＰ（吸収
端波長約１．４μｍ）吸収層、ＩｎＧａＡｓ受光層をエ
ピタキシャル成長させ、ＩｎＧａＡｓ受光層中にｐｎ接
合を形成した事を特徴とする請求項１〜４の何れかに記
載の半導体受光素子。
【請求項７】ＩｎＧａＡｓＰ吸収層とＩｎＧａＡｓ受
光層の間にＩｎＰバッファ層を成長させた事を特徴とす
る請求項６に記載の半導体受光素子。
【請求項８】ＩｎＧａＡｓ受光層のｐｎ接合の周囲に
ｐ領域よりなる拡散遮蔽層を形成した事を特徴とする請
求項７に記載の半導体受光素子。
【請求項９】ＩｎＧａＡｓ受光層の上にＩｎＰ窓層を
設け、ＩｎＧａＡｓ受光層とＩｎＰ窓層にｐｎ接合を設
けたことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の半
導体受光素子。
【請求項１０】ＩｎＧａＡｓ受光層の上にＩｎＧａＡ
ｓＰ窓層（吸収端波長約１．４μｍ）を設け、ＩｎＧａ
Ａｓ受光層とＩｎＧａＡｓＰ窓層にｐｎ接合を設けたこ
とを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の半導体受
光素子。
【請求項１１】基板側にリング状電極をもち受光層上
部に不透明の金属電極を有し受光層のほとんどが不透明
電極で覆われており裏面入射型である事を特徴とする請
求項１〜９の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１２】拡散遮蔽層と不透明電極の周囲の全て
を阻止すべき波長λ _１に対する誘電体反射膜で覆った事
を特徴とする請求項８に記載の半導体受光素子。
【請求項１３】基板底面側に底面の全体を覆う電極を
有し、受光層上部の全体を電極で覆い側方から受光層に
光を導入するようにした導波路型である事を特徴とする
請求項１〜９の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１４】基板底面側に底面の全体を覆う電極を
有し、受光層上部に全面を覆う電極を設けてあり、底面
の側部が斜めに切り欠いてあって、側面の切り欠き部か
ら光が入射し屈折して受光部に至るようにした側面入射
型である事を特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の
半導体受光素子。
【請求項１５】基板底面側に底面の全体を覆う電極を
有し、受光層上部に全面を覆う電極を設けてあり、底面
の中央部がＶ型に切り欠いてあって、側面から入射した
光が切り欠き部で反射して受光層に入るようにした側面
入射型である事を特徴とする請求項１〜９の何れかに記
載の半導体受光素子。
【請求項１６】基板下部全面を覆う電極を有し、受
光層上面を覆う電極を設けてあり、上面の両端がメサ型
に切り欠いてあって、エピダウンでパッケージに取り付
けられ、側面から入射した光がメサ面で屈折して受光層
に入るようにした側面入射型である事を特徴とする請求
項１〜９の何れかに記載の半導体受光素子。