JP2002289906A - 半導体受光素子、半導体受光装置及び半導体装置 - Google Patents
半導体受光素子、半導体受光装置及び半導体装置Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】基板入射型半導体受光素子の素子容量Ｃの低減
に向けた素子サイズの縮小化を図り、超高速かつ高感度
の光モジュールや光伝送装置を作製する。 【解決手段】基板入射型半導体受光素子の光入射側とは
反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板
上の受光径内に、寸法を規定した複数のオーミック接続
部１０と、半導体に接して透明膜、金属膜１１の順に積
層した反射鏡１２とを混在して設けることにより達成さ
れる。 【効果】伝送容量の拡大に対応した超高速かつ高感度の
光モジュール、半導体受光装置、および光伝送装置を再
現性良く作製できる。
に向けた素子サイズの縮小化を図り、超高速かつ高感度
の光モジュールや光伝送装置を作製する。 【解決手段】基板入射型半導体受光素子の光入射側とは
反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板
上の受光径内に、寸法を規定した複数のオーミック接続
部１０と、半導体に接して透明膜、金属膜１１の順に積
層した反射鏡１２とを混在して設けることにより達成さ
れる。 【効果】伝送容量の拡大に対応した超高速かつ高感度の
光モジュール、半導体受光装置、および光伝送装置を再
現性良く作製できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体受光素子、
半導体受光装置及び半導体装置、更に詳しく言えば、半
導体基板面に垂直な方向から光を入射し電気信号に変換
する基板入射型半導体受光素子及びそれを用いた半導体
受光装置及び半導体装置に係り、特に光通信分野に用い
られる半導体受光素子及びその半導体受光素子を搭載し
た半導体受光装置及び光伝送装置に関する。
半導体受光装置及び半導体装置、更に詳しく言えば、半
導体基板面に垂直な方向から光を入射し電気信号に変換
する基板入射型半導体受光素子及びそれを用いた半導体
受光装置及び半導体装置に係り、特に光通信分野に用い
られる半導体受光素子及びその半導体受光素子を搭載し
た半導体受光装置及び光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、インターネット等の情報サービス
の急増とともに画像情報等の大容量を必要とする情報伝
達の需要拡大により、情報ネットワークの伝送容量の拡
大が急がれている。
の急増とともに画像情報等の大容量を必要とする情報伝
達の需要拡大により、情報ネットワークの伝送容量の拡
大が急がれている。
【０００３】伝送容量10Gbps以上の光通信システムを構
築するためには、超高速・高感度特性を有する光伝送装
置の開発が不可欠であり、これには光信号を取り入れて
電気信号に変換する半導体受光素子の超高速化及び高感
度化が必須である。
築するためには、超高速・高感度特性を有する光伝送装
置の開発が不可欠であり、これには光信号を取り入れて
電気信号に変換する半導体受光素子の超高速化及び高感
度化が必須である。
【０００４】半導体受光素子の応答速度は、素子容量Ｃ
と負荷抵抗Ｒの積で求められるＣＲ時定数と、入射して
きた光信号によって励起されたキャリアの走行時間によ
って規定される。
と負荷抵抗Ｒの積で求められるＣＲ時定数と、入射して
きた光信号によって励起されたキャリアの走行時間によ
って規定される。
【０００５】そのため、応答速度を速くするためには、
素子容量Ｃ及び負荷抵抗Ｒを小さくすると共に、キャリ
アの走行時間を短くすることが要求される。走行時間は
半導体受光素子の中の光吸収層の厚さに比例するため、
光吸収層をできるだけ薄くする必要がある。しかし光吸
収層を薄層化することによって、光吸収層で吸収されず
に透過してしまう光量が増大するため、光吸収層の薄層
化は感度の低下の要因となる。
素子容量Ｃ及び負荷抵抗Ｒを小さくすると共に、キャリ
アの走行時間を短くすることが要求される。走行時間は
半導体受光素子の中の光吸収層の厚さに比例するため、
光吸収層をできるだけ薄くする必要がある。しかし光吸
収層を薄層化することによって、光吸収層で吸収されず
に透過してしまう光量が増大するため、光吸収層の薄層
化は感度の低下の要因となる。
【０００６】このように光吸収層の厚さに関して、応答
速度と感度とは相反する関係にあるため、応答速度の高
速性と高感度特性の両者を満足する半導体受光素子の実
現は極めて困難であり、超高速かつ高感度な光伝送装置
を開発する上で大きな問題となっていた。
速度と感度とは相反する関係にあるため、応答速度の高
速性と高感度特性の両者を満足する半導体受光素子の実
現は極めて困難であり、超高速かつ高感度な光伝送装置
を開発する上で大きな問題となっていた。
【０００７】上記問題を解決する技術として、光入射側
とは反対側でかつ入射光が光吸収層を透過して到達する
基板上に、受光径の大きさに応じた寸法を有し、半導体
層に接して下から誘電体膜／電極金属膜２層構造の反射
鏡を形成して、光吸収層で吸収されずに透過した光を効
率よく反射させ光吸収層の戻す技術（公知の技術と呼
ぶ）が知られている（特開平５−２１８４８８号公
報）。
とは反対側でかつ入射光が光吸収層を透過して到達する
基板上に、受光径の大きさに応じた寸法を有し、半導体
層に接して下から誘電体膜／電極金属膜２層構造の反射
鏡を形成して、光吸収層で吸収されずに透過した光を効
率よく反射させ光吸収層の戻す技術（公知の技術と呼
ぶ）が知られている（特開平５−２１８４８８号公
報）。
【０００８】図２に上記公知の技術を用いて作製したア
バランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子（ＡＰＤ）
の模式的な断面構造を示す。図示のように、ｎ型ＩｎＰ
基板２１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ
バッファ層２２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡｌ
Ａｓ増倍層２３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層２４、膜厚１．０μｍの
低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２５、膜厚１．０μｍ
のｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２６、膜厚０．１ｎｍの
高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７が順次成長さ
れており、ｐｎ接合径が５０μｍφとなるメサ構造が形
成されている。
バランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子（ＡＰＤ）
の模式的な断面構造を示す。図示のように、ｎ型ＩｎＰ
基板２１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ
バッファ層２２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡｌ
Ａｓ増倍層２３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層２４、膜厚１．０μｍの
低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２５、膜厚１．０μｍ
のｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２６、膜厚０．１ｎｍの
高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７が順次成長さ
れており、ｐｎ接合径が５０μｍφとなるメサ構造が形
成されている。
【０００９】基板表面はＳｉＮ絶縁膜２８によりパッシ
ベーションされており、基板２１上の所望の領域にはｎ
型オーミック電極２９が形成されている。ｐ型オーミッ
ク電極３０はコンタクト層２７上及びコンタクト層２７
上の受光径内に形成された４０μｍφの大きさのＳｉＮ
絶縁膜２８上にも積層されている。
ベーションされており、基板２１上の所望の領域にはｎ
型オーミック電極２９が形成されている。ｐ型オーミッ
ク電極３０はコンタクト層２７上及びコンタクト層２７
上の受光径内に形成された４０μｍφの大きさのＳｉＮ
絶縁膜２８上にも積層されている。
【００１０】ＳｉＮ絶縁膜等からなる誘電体膜２８は、
作製プロセスにおける高温のアニール処理によっても、
半導体層であるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６、及
びｐ型オーミック電極３０とほとんど反応しないため、
その界面の平坦性は極めて良好な状態のまま保持され
る。このため、ＳｉＮ絶縁膜２８に接するｐ型オーミッ
ク電極３０からなる金属面、すなわちＳｉＮ絶縁膜２８
／ｐ型オーミック電極３０積層膜からなる反射鏡３１
が、透過してきた光をほぼ１００％の反射率で反射して
再び光吸収層２５内へ導入できることから、量子効率の
向上が図れる。
作製プロセスにおける高温のアニール処理によっても、
半導体層であるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６、及
びｐ型オーミック電極３０とほとんど反応しないため、
その界面の平坦性は極めて良好な状態のまま保持され
る。このため、ＳｉＮ絶縁膜２８に接するｐ型オーミッ
ク電極３０からなる金属面、すなわちＳｉＮ絶縁膜２８
／ｐ型オーミック電極３０積層膜からなる反射鏡３１
が、透過してきた光をほぼ１００％の反射率で反射して
再び光吸収層２５内へ導入できることから、量子効率の
向上が図れる。
【００１１】反射鏡３１は、面積が広ければ広いほど実
効的な受光径を大きくできるため、素子の量子効率はこ
の反射鏡面積によって左右される。また、電極金属膜と
半導体層とのオーミック接続部は反射鏡３１以外の周辺
部で形成すれば良く、オーミック接続部によって生じる
低反射領域が、光の反射に直接的な影響を及ぼすことは
少ない。
効的な受光径を大きくできるため、素子の量子効率はこ
の反射鏡面積によって左右される。また、電極金属膜と
半導体層とのオーミック接続部は反射鏡３１以外の周辺
部で形成すれば良く、オーミック接続部によって生じる
低反射領域が、光の反射に直接的な影響を及ぼすことは
少ない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかし、今後光通信等
などに於いて、さらなる伝送容量の拡大に伴って、素子
容量Ｃの与える影響が極めて大きくなっていくため、よ
り超高速かつ高感度な光伝送装置を開発するためには、
素子容量Ｃの低減に向けた素子サイズの縮小化も必須と
なる。素子サイズは、最低限必要とされる実効的な受光
径と、素子のｐｎ接合の径との比を１にすることが理想
的である。
などに於いて、さらなる伝送容量の拡大に伴って、素子
容量Ｃの与える影響が極めて大きくなっていくため、よ
り超高速かつ高感度な光伝送装置を開発するためには、
素子容量Ｃの低減に向けた素子サイズの縮小化も必須と
なる。素子サイズは、最低限必要とされる実効的な受光
径と、素子のｐｎ接合の径との比を１にすることが理想
的である。
【００１３】上記公知の技術を用いた場合、受光径とｐ
ｎ接合径の比を１に限りなく近づけていく場合、実効的
な受光径（＝反射鏡面積）を広く確保するためには、反
射鏡以外に形成されるオーミック接続部の面積を減少さ
せなければならないため、素子抵抗が増大する。
ｎ接合径の比を１に限りなく近づけていく場合、実効的
な受光径（＝反射鏡面積）を広く確保するためには、反
射鏡以外に形成されるオーミック接続部の面積を減少さ
せなければならないため、素子抵抗が増大する。
【００１４】逆にオーミック接続部の面積を十分に確保
すると、実効的な受光径（＝反射鏡面積）を減少させな
ければならないため、感度の低下を招くこととなる。一
例として、上記半導体受光素子の場合、ｐｎ接合径は５
０μｍであるから、素子容量は約０．１ｐＦであり１０
ＧＨｚ以上の周波数応答特性が得られる。この素子で、
例えば４０ＧＨｚ動作を想定すると、ＣＲ時定数の制限
から素子容量は０．０５ｐＦが限界であるため、この値
から最適なｐｎ接合径を計算すると約３４μｍφとな
る。
すると、実効的な受光径（＝反射鏡面積）を減少させな
ければならないため、感度の低下を招くこととなる。一
例として、上記半導体受光素子の場合、ｐｎ接合径は５
０μｍであるから、素子容量は約０．１ｐＦであり１０
ＧＨｚ以上の周波数応答特性が得られる。この素子で、
例えば４０ＧＨｚ動作を想定すると、ＣＲ時定数の制限
から素子容量は０．０５ｐＦが限界であるため、この値
から最適なｐｎ接合径を計算すると約３４μｍφとな
る。
【００１５】従って、上記従来の技術を用いてこれまで
通りの素子抵抗を有する受光素子を作る場合、実効的な
受光径は２０μｍ以下となり、実装時にファイバーとの
光軸合わせの精度が必要になるばかりか、環境温度の変
化によって使用中に光軸ずれが発生し、量子効率の低下
を招く危険性が高くなる。このように、上記従来の技術
による基板入射型半導体受光素子は、素子容量Ｃの低減
に向けた素子サイズの縮小化を図ることが困難であり、
超高速かつ高感度の光伝送装置を開発する上で大きな問
題となっていた。
通りの素子抵抗を有する受光素子を作る場合、実効的な
受光径は２０μｍ以下となり、実装時にファイバーとの
光軸合わせの精度が必要になるばかりか、環境温度の変
化によって使用中に光軸ずれが発生し、量子効率の低下
を招く危険性が高くなる。このように、上記従来の技術
による基板入射型半導体受光素子は、素子容量Ｃの低減
に向けた素子サイズの縮小化を図ることが困難であり、
超高速かつ高感度の光伝送装置を開発する上で大きな問
題となっていた。
【００１６】本発明の目的は、素子サイズを縮小化して
も素子抵抗の増大、及び量子効率の低下を生じない高感
度かつ高速の基板入射型半導体受光素子、及びその半導
体受光素子を搭載した半導体受光装置、半導体装置を提
供することである。
も素子抵抗の増大、及び量子効率の低下を生じない高感
度かつ高速の基板入射型半導体受光素子、及びその半導
体受光素子を搭載した半導体受光装置、半導体装置を提
供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体受光素子は、基板入射型半導体受光
素子（以下裏面入射型半導体受光素子とも呼ぶ）の光入
射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達
する基板上の受光径内に、細線状又は点状の形状の複数
のオーミック接続部と、上記半導体に接して透明膜、金
属膜の順に積層した反射鏡とを混在させて構成される。
ここで、細線状又は点状の形状とは、以下の発明の実施
の形態で示すように、同心状のリングが製造上の観点か
ら望ましいが、それに限定されず、格子状、或いは、矩
形や円形等の孤立パターンが分布した場合も含む。
め、本発明の半導体受光素子は、基板入射型半導体受光
素子（以下裏面入射型半導体受光素子とも呼ぶ）の光入
射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達
する基板上の受光径内に、細線状又は点状の形状の複数
のオーミック接続部と、上記半導体に接して透明膜、金
属膜の順に積層した反射鏡とを混在させて構成される。
ここで、細線状又は点状の形状とは、以下の発明の実施
の形態で示すように、同心状のリングが製造上の観点か
ら望ましいが、それに限定されず、格子状、或いは、矩
形や円形等の孤立パターンが分布した場合も含む。
【００１８】上記オーミック接続部の細線状又は点状の
形状の寸法は、入射光が認識できないし難い寸法に設定
される。具体的には、光の波長が１．５μｍ程度である
ので、細線の幅あるいは、点状の径が２μｍ以下である
ことが望ましい。
形状の寸法は、入射光が認識できないし難い寸法に設定
される。具体的には、光の波長が１．５μｍ程度である
ので、細線の幅あるいは、点状の径が２μｍ以下である
ことが望ましい。
【００１９】本発明の基板入射型半導体受光素子は、光
の性質、すなわち光自身の波長よりも小さいサイズの物
体の形状を認識出来ない、また進行方向に向かって拡が
る性質を利用して、上記細線状又は点状の形状のオーミ
ック接続部は反射面として働かず、電極としては動作す
る。従って、基板入射型半導体受光素子の光反射面は、
実質的に、オーミック接続部の面積及び透明膜、金属膜
の順に積層下部分の面積を合わせた面積、すなわち、有
効受光面積と等しいものとなる。例えば反射鏡面内に半
導体と接する直径１．０μｍ程度の円形のオーミック接
続部を点在させた場合、低反射であるオーミック接続部
の輪郭はぼやけるとともに、周辺の反射鏡により反射さ
れた光の拡がりによって、反射鏡とオーミック接続部が
混在した受光径内の反射光は、ほぼ完全な明部に支配さ
れた反射光となるため、オーミック接続部によって生じ
る暗部の影響をほとんど受けることなく、全体的な反射
率及び面内感度特性の平坦性を良好なまま保持できる。
の性質、すなわち光自身の波長よりも小さいサイズの物
体の形状を認識出来ない、また進行方向に向かって拡が
る性質を利用して、上記細線状又は点状の形状のオーミ
ック接続部は反射面として働かず、電極としては動作す
る。従って、基板入射型半導体受光素子の光反射面は、
実質的に、オーミック接続部の面積及び透明膜、金属膜
の順に積層下部分の面積を合わせた面積、すなわち、有
効受光面積と等しいものとなる。例えば反射鏡面内に半
導体と接する直径１．０μｍ程度の円形のオーミック接
続部を点在させた場合、低反射であるオーミック接続部
の輪郭はぼやけるとともに、周辺の反射鏡により反射さ
れた光の拡がりによって、反射鏡とオーミック接続部が
混在した受光径内の反射光は、ほぼ完全な明部に支配さ
れた反射光となるため、オーミック接続部によって生じ
る暗部の影響をほとんど受けることなく、全体的な反射
率及び面内感度特性の平坦性を良好なまま保持できる。
【００２０】従って、有効な反射面積を確保しながら、
オーミック接続部の面積も確保でき、さらに、受光径内
全域を使ってオーミック電極／半導体間の電流経路が配
置されるため、合計したオーミック接続部面積が多少減
少しても、素子の動作に影響を与えるほどの著しい素子
抵抗の増大は起こらないため、電極間の抵抗を低くして
RC時定数を小さくして、高速化を実現する。同時に、有
効な反射面積もオーミック接続部の影響を受けないので
光の反射量を拡大し、量子効率すなわち感度を高めるこ
とができる。換言すれば、RC時定数を増大することなく
半導体受光素子のサイズの縮小化が可能となり、素子容
量Ｃの低減を図ることができ、高速な応答特性を保ちつ
つ高い感度の半導体受光素子、並びにそれを搭載した半
導体受光装置、半導体装置を実現できる。
オーミック接続部の面積も確保でき、さらに、受光径内
全域を使ってオーミック電極／半導体間の電流経路が配
置されるため、合計したオーミック接続部面積が多少減
少しても、素子の動作に影響を与えるほどの著しい素子
抵抗の増大は起こらないため、電極間の抵抗を低くして
RC時定数を小さくして、高速化を実現する。同時に、有
効な反射面積もオーミック接続部の影響を受けないので
光の反射量を拡大し、量子効率すなわち感度を高めるこ
とができる。換言すれば、RC時定数を増大することなく
半導体受光素子のサイズの縮小化が可能となり、素子容
量Ｃの低減を図ることができ、高速な応答特性を保ちつ
つ高い感度の半導体受光素子、並びにそれを搭載した半
導体受光装置、半導体装置を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】＜実施例１＞図１（ａ）及び
（ｂ）はそれぞれ本発明による基板入射型半導体受光素
子の第１の実施例の模式的な断面図及び部分平面図であ
る。本実施例はアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受
光素子（ＡＰＤ）であって、基板1上に、光吸収層５を
含む半導体層2〜7が形成され、その上面すなわち光信号
の光入射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過し
て到達する基板上の受光径内にリング状の複数のオーミ
ック接続部１０と、半導体７に接して透明膜、金属膜の
順に積層した反射鏡１１とを混在させて構成されてい
る。リング状の複数のオーミック接続部１０は、電極形
成領域の中央部を中心とした線幅２μｍ以下の同心円パ
ターンである。
（ｂ）はそれぞれ本発明による基板入射型半導体受光素
子の第１の実施例の模式的な断面図及び部分平面図であ
る。本実施例はアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受
光素子（ＡＰＤ）であって、基板1上に、光吸収層５を
含む半導体層2〜7が形成され、その上面すなわち光信号
の光入射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過し
て到達する基板上の受光径内にリング状の複数のオーミ
ック接続部１０と、半導体７に接して透明膜、金属膜の
順に積層した反射鏡１１とを混在させて構成されてい
る。リング状の複数のオーミック接続部１０は、電極形
成領域の中央部を中心とした線幅２μｍ以下の同心円パ
ターンである。
【００２２】本実施例の製法を簡単に説明する。周知の
分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、ｎ型
ＩｎＰ基板１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌ
Ａｓバッファ層２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡ
ｌＡｓ増倍層３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層４、膜厚１．０μｍの低
濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、膜厚１．０μｍのｐ
型ＩｎＡｌＡｓバッファ層６、膜厚０．１ｎｍの高濃度
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が順次成長されてお
り、化学エッチングによりｐｎ接合径が５０μｍとなる
メサ構造が形成されている。
分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、ｎ型
ＩｎＰ基板１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌ
Ａｓバッファ層２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡ
ｌＡｓ増倍層３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層４、膜厚１．０μｍの低
濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、膜厚１．０μｍのｐ
型ＩｎＡｌＡｓバッファ層６、膜厚０．１ｎｍの高濃度
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が順次成長されてお
り、化学エッチングによりｐｎ接合径が５０μｍとなる
メサ構造が形成されている。
【００２３】基板表面はＳｉＮ絶縁膜８によりパッシベ
ーションされており、ｎ型ＩｎＰ基板１上の所望の領域
にはｎ型オーミック電極９が形成されている。コンタク
ト層６上のＳｉＮ絶縁膜８には、線幅１．０μｍの３重
の同心円パターンからなるオーミック接続部１０が開口
されており、オーミック接続部１０及びコンタクト層７
上のＳｉＮ絶縁膜８上には、ｐ型オーミック電極１１が
設けられている。オーミック接続部１０ではコンタクト
層７とｐ型オーミック電極１１が接触するため良好なオ
ーミック特性が得られる。またそれ以外のＳｉＮ絶縁膜
８／ｐ型オーミック電極１１積層膜からなる反射鏡１２
（点線で囲む）が、信号光を良好に反射する。
ーションされており、ｎ型ＩｎＰ基板１上の所望の領域
にはｎ型オーミック電極９が形成されている。コンタク
ト層６上のＳｉＮ絶縁膜８には、線幅１．０μｍの３重
の同心円パターンからなるオーミック接続部１０が開口
されており、オーミック接続部１０及びコンタクト層７
上のＳｉＮ絶縁膜８上には、ｐ型オーミック電極１１が
設けられている。オーミック接続部１０ではコンタクト
層７とｐ型オーミック電極１１が接触するため良好なオ
ーミック特性が得られる。またそれ以外のＳｉＮ絶縁膜
８／ｐ型オーミック電極１１積層膜からなる反射鏡１２
（点線で囲む）が、信号光を良好に反射する。
【００２４】上記実施例の半導体受光素子の降伏電圧は
約３０Ｖであり、電圧１５Ｖから増倍が生じることか
ら、本受光素子の動作電圧は１５Ｖから３０Ｖである。
最大増倍率は８０以上、印加電圧２７Ｖでの増倍率は約
１０であった。５０Ωの負荷抵抗で素子の高周波特性を
測定したところ、増倍率２〜１２の範囲で、３ｄＢ帯域
は１７ＧＨｚ以上であった。
約３０Ｖであり、電圧１５Ｖから増倍が生じることか
ら、本受光素子の動作電圧は１５Ｖから３０Ｖである。
最大増倍率は８０以上、印加電圧２７Ｖでの増倍率は約
１０であった。５０Ωの負荷抵抗で素子の高周波特性を
測定したところ、増倍率２〜１２の範囲で、３ｄＢ帯域
は１７ＧＨｚ以上であった。
【００２５】また、従来構造の反射鏡を有するｐｎ接合
部の径が５０μｍφのＡＰＤでは、量子効率が８３％程
度であったのに対して、上記ｐｎ接合径とほぼ同一径を
有する反射鏡内にオーミック接続部を混在させた本実施
例のＡＰＤでは、量子効率は約９１％と従来構造よりも
良好な値が得られた。これは実効的な受光径が従来の４
０μｍφから５０μｍφに大きくなったことに起因して
おり、本実施例はｐｎ接合径が同一ならば従来構造より
も高い量子効率が得られ、かつ上述の効果により信号光
に対する位置ずれトレランス幅を広げることができる。
部の径が５０μｍφのＡＰＤでは、量子効率が８３％程
度であったのに対して、上記ｐｎ接合径とほぼ同一径を
有する反射鏡内にオーミック接続部を混在させた本実施
例のＡＰＤでは、量子効率は約９１％と従来構造よりも
良好な値が得られた。これは実効的な受光径が従来の４
０μｍφから５０μｍφに大きくなったことに起因して
おり、本実施例はｐｎ接合径が同一ならば従来構造より
も高い量子効率が得られ、かつ上述の効果により信号光
に対する位置ずれトレランス幅を広げることができる。
【００２６】また本実施例における受光素子の容量は約
０．１ｐＦであるが、本発明はさらなる素子サイズの縮
小化にも容易に対応できることから、従来デバイスを用
いて４０ＧＨｚで動作する半導体受光素子の作製も十分
可能である。
０．１ｐＦであるが、本発明はさらなる素子サイズの縮
小化にも容易に対応できることから、従来デバイスを用
いて４０ＧＨｚで動作する半導体受光素子の作製も十分
可能である。
【００２７】図３は本発明の裏面入射型半導体受光素子
を用いた受光モジュールの一実施例の断面図である。ア
ノードピン３６、カソードピン３７、ケースピン３８、
レンズホルダ３９、及びレンズ３２を備えたヘッダ３３
上の所望の位置に、本発明の裏面入射型半導体受光素子
３４を金属配線が形成されたマウント３５上にフリップ
チップ実装した。
を用いた受光モジュールの一実施例の断面図である。ア
ノードピン３６、カソードピン３７、ケースピン３８、
レンズホルダ３９、及びレンズ３２を備えたヘッダ３３
上の所望の位置に、本発明の裏面入射型半導体受光素子
３４を金属配線が形成されたマウント３５上にフリップ
チップ実装した。
【００２８】半導体受光素子３４とマウント３５上の金
属配線との接続はＡｕＳｎ半田を用い、マウント３５上
の金属配線とアノードピン３６及びカソードピン３７と
の接続は、圧着によるＡｕ線を用いて行った。素子搭載
時のレンズとの位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ
ており、光ファイバを用いて波長１．５５μｍの光を入
射し、量子効率は９３．２％と高い値が得られた。 ＜実施例３＞図４は本発明の裏面入射型半導体受光素子
を用いた光モジュールの他の実施例の断面図である。絶
縁膜４０、及び金属配線を有するＶ溝光導波路基板４１
上に、本発明の裏面入射型半導体受光素子４２をフリッ
プチップ実装した金属配線を有するキャリア４３を搭載
した。
属配線との接続はＡｕＳｎ半田を用い、マウント３５上
の金属配線とアノードピン３６及びカソードピン３７と
の接続は、圧着によるＡｕ線を用いて行った。素子搭載
時のレンズとの位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ
ており、光ファイバを用いて波長１．５５μｍの光を入
射し、量子効率は９３．２％と高い値が得られた。 ＜実施例３＞図４は本発明の裏面入射型半導体受光素子
を用いた光モジュールの他の実施例の断面図である。絶
縁膜４０、及び金属配線を有するＶ溝光導波路基板４１
上に、本発明の裏面入射型半導体受光素子４２をフリッ
プチップ実装した金属配線を有するキャリア４３を搭載
した。
【００２９】ここで半導体受光素子４２とキャリア４３
上の金属配線との接続、及びキャリア４３上のＶ溝光導
波路基板４１上の金属配線との接続は、ＡｕＳｎ半田を
用いた。その後フラットエンドの光ファイバ４４をＶ溝
に固定した。
上の金属配線との接続、及びキャリア４３上のＶ溝光導
波路基板４１上の金属配線との接続は、ＡｕＳｎ半田を
用いた。その後フラットエンドの光ファイバ４４をＶ溝
に固定した。
【００３０】本実施例では、素子搭載時及び光ファイバ
固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、波長
１．５５μｍ光に対する受光感度は０．８７Ａ/Ｗと高
い値が得られた。最大遮断周波数も２０ＧＨｚ以上とな
り、浮遊容量等による帯域劣化も認められなかった。 ＜実施例４＞図５は本発明による光モジュールのさらに
他の実施例の断面図である。本実施例は本発明による裏
面入射型ＰＩＮ−ＰＤをモニタとして用いたものであ
る。絶縁膜４０、モニタ受光素子用金属配線、及び半導
体レーザ用金属配線をもつＶ溝光導波路基板４１上に、
半導体レーザ４５と、裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ４６をフ
リップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３と
を搭載した。
固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、波長
１．５５μｍ光に対する受光感度は０．８７Ａ/Ｗと高
い値が得られた。最大遮断周波数も２０ＧＨｚ以上とな
り、浮遊容量等による帯域劣化も認められなかった。 ＜実施例４＞図５は本発明による光モジュールのさらに
他の実施例の断面図である。本実施例は本発明による裏
面入射型ＰＩＮ−ＰＤをモニタとして用いたものであ
る。絶縁膜４０、モニタ受光素子用金属配線、及び半導
体レーザ用金属配線をもつＶ溝光導波路基板４１上に、
半導体レーザ４５と、裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ４６をフ
リップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３と
を搭載した。
【００３１】ここで裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ４６とキャ
リア４３上の金属配線との接続、キャリア４３上のＶ溝
光導波路基板４１上のモニタ受光素子用金属配線との接
続、及び半導体レーザ４５と半導体レーザ用金属配線と
の接続にはＡｕＳｎ半田を用いた。その後フラットエン
ドの光ファイバ４４４をＶ溝に固定した。
リア４３上の金属配線との接続、キャリア４３上のＶ溝
光導波路基板４１上のモニタ受光素子用金属配線との接
続、及び半導体レーザ４５と半導体レーザ用金属配線と
の接続にはＡｕＳｎ半田を用いた。その後フラットエン
ドの光ファイバ４４４をＶ溝に固定した。
【００３２】本実施例では、各素子の搭載時及び光ファ
イバ固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、
半導体レーザ４５とモニタ用ＰＩＮ−ＰＤ４６間の光結
合損失は１〜２ｄＢであった。また外部出力１ｍＷでの
モニタ電流は６００μＡと良好な値が得られた。 ＜実施例５＞図６は本発明による裏面入射型半導体受光
素子を用いて、パッケージングされた光受信モジュール
の実施例の斜視図である。Ｖ溝基板４７上に、本発明の
裏面入射型半導体受光素子４２をフリップチップ実装し
た金属配線を有するキャリア４３を搭載し、さらに高感
度化のため受信用プリアンプＩＣ４８もＶ溝基板４７上
に実装した。さらに信号光入射用の光ファイバ４９を取
り付け、セラミック製のベース５０に固定し、キャップ
５１で蓋をした。
イバ固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、
半導体レーザ４５とモニタ用ＰＩＮ−ＰＤ４６間の光結
合損失は１〜２ｄＢであった。また外部出力１ｍＷでの
モニタ電流は６００μＡと良好な値が得られた。 ＜実施例５＞図６は本発明による裏面入射型半導体受光
素子を用いて、パッケージングされた光受信モジュール
の実施例の斜視図である。Ｖ溝基板４７上に、本発明の
裏面入射型半導体受光素子４２をフリップチップ実装し
た金属配線を有するキャリア４３を搭載し、さらに高感
度化のため受信用プリアンプＩＣ４８もＶ溝基板４７上
に実装した。さらに信号光入射用の光ファイバ４９を取
り付け、セラミック製のベース５０に固定し、キャップ
５１で蓋をした。
【００３３】作製したモジュールを伝送評価した。信号
光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送にお
いて、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は
−２７ｄＢｍと良好であった。セラミック製のベース５
０およびキャップ５１の代わりに樹脂製のもの、あるい
は樹脂のトランスファモールド等を用いてもよい。さら
にＶ溝基板４７の代わりに光回路を有する光導波炉基板
を用いてもよい。また、本発明の裏面入射型半導体受光
素子を用いた光送信及び光送受信モジュールをパッケー
ジングしてもよい。 ＜実施例６＞図７は本発明の裏面入射型半導体受光素子
を用いた光伝送装置の一実施例の斜視図である。本発明
の裏面入射型半導体受光素子が搭載され、信号光入射用
の光ファイバ４９が付いた光受信モジュール５２と受信
ＩＣ５３及びその他の電子部品をボード５４上に搭載し
た。
光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送にお
いて、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は
−２７ｄＢｍと良好であった。セラミック製のベース５
０およびキャップ５１の代わりに樹脂製のもの、あるい
は樹脂のトランスファモールド等を用いてもよい。さら
にＶ溝基板４７の代わりに光回路を有する光導波炉基板
を用いてもよい。また、本発明の裏面入射型半導体受光
素子を用いた光送信及び光送受信モジュールをパッケー
ジングしてもよい。 ＜実施例６＞図７は本発明の裏面入射型半導体受光素子
を用いた光伝送装置の一実施例の斜視図である。本発明
の裏面入射型半導体受光素子が搭載され、信号光入射用
の光ファイバ４９が付いた光受信モジュール５２と受信
ＩＣ５３及びその他の電子部品をボード５４上に搭載し
た。
【００３４】図8は本発明の受光素子を用いた光伝送装
置の構成を示すブロック図である。光受信モジュール５
２は裏面入射型半導体受光素子４２とプリアンプIC４８
の２チップによって構成されており、実施例５に記載さ
れた動作によって電圧信号が得られる。その後識別器、
クロック抽出器よって構成された受信IC５３によって、
デジタル化された電気信号及びクロック信号に分けられ
出力される。作製したモジュールを伝送評価した。信号
光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送にお
いて、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は
−２７ｄＢｍと良好であった。
置の構成を示すブロック図である。光受信モジュール５
２は裏面入射型半導体受光素子４２とプリアンプIC４８
の２チップによって構成されており、実施例５に記載さ
れた動作によって電圧信号が得られる。その後識別器、
クロック抽出器よって構成された受信IC５３によって、
デジタル化された電気信号及びクロック信号に分けられ
出力される。作製したモジュールを伝送評価した。信号
光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送にお
いて、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は
−２７ｄＢｍと良好であった。
【００３５】光受信モジュールの代わりに、本発明の裏
面入射型半導体受光素子が集積化された光送信モジュー
ル及び光送受信モジュールを搭載してもよい。また、以
上の実施例ではメサ型形状を有する半導体受光素子、及
びそれを搭載した光モジュール、光伝送装置について述
べたが、この他プレーナ型の半導体受光素子に本発明の
電極構造を適用しても良いことは言うまでも無い。
面入射型半導体受光素子が集積化された光送信モジュー
ル及び光送受信モジュールを搭載してもよい。また、以
上の実施例ではメサ型形状を有する半導体受光素子、及
びそれを搭載した光モジュール、光伝送装置について述
べたが、この他プレーナ型の半導体受光素子に本発明の
電極構造を適用しても良いことは言うまでも無い。
【００３６】本発明の実施例に係る裏面入射型半導体受
光素子を用いれば、素子抵抗の増大が無く、高い量子効
率が得られることから、より超高速・高感度な光伝送装
置を作製することが出来る。
光素子を用いれば、素子抵抗の増大が無く、高い量子効
率が得られることから、より超高速・高感度な光伝送装
置を作製することが出来る。
【００３７】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明は実施例に限定されるものではない。例え
ば、実施例では、メサ形状の裏面入射型半導体受光素子
について述べたが、この他のプレーナ型素子に本発明に
よる電極構造を用いてもよい。また、実施例では、SiN
絶縁膜単層を用いたが、SiO2膜、SiON膜、ポリイミド膜
SOG膜等の絶縁膜単層膜もしくはこれらの膜を積層した
多層膜や、もしくは光に対して透過性を有する金属酸化
膜、金属窒化膜等の絶縁膜単層膜或いはこれらの膜を積
層した多層膜、もしくはコンタクト層上のみに限っては
上記金属酸化膜、金属窒化膜等の導電性膜を用いてもよ
い。
が、本発明は実施例に限定されるものではない。例え
ば、実施例では、メサ形状の裏面入射型半導体受光素子
について述べたが、この他のプレーナ型素子に本発明に
よる電極構造を用いてもよい。また、実施例では、SiN
絶縁膜単層を用いたが、SiO2膜、SiON膜、ポリイミド膜
SOG膜等の絶縁膜単層膜もしくはこれらの膜を積層した
多層膜や、もしくは光に対して透過性を有する金属酸化
膜、金属窒化膜等の絶縁膜単層膜或いはこれらの膜を積
層した多層膜、もしくはコンタクト層上のみに限っては
上記金属酸化膜、金属窒化膜等の導電性膜を用いてもよ
い。
【００３８】
【発明の効果】本発明の基板入射型半導体受光素子を用
いることにより、素子抵抗の増大が無く、高い量子効率
が得られることから伝送容量の拡大に対応した超高速・
高感度の光モジュール、半導体受光装置、および光伝送
装置を再現性良く作製できる。
いることにより、素子抵抗の増大が無く、高い量子効率
が得られることから伝送容量の拡大に対応した超高速・
高感度の光モジュール、半導体受光装置、および光伝送
装置を再現性良く作製できる。
【図１】本発明による半導体受光素子の第１の実施例の
模式的な断面図及び部分平面図。
模式的な断面図及び部分平面図。
【図２】従来技術によるアバランシェ増倍型裏面入射型
半導体受光素子の断面構造図。
半導体受光素子の断面構造図。
【図３】本発明によるの裏面入射型半導体受光素子を用
いた受光モジュールの一実施例の断面図。
いた受光モジュールの一実施例の断面図。
【図４】本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光
モジュールの他の実施例の断面図。
モジュールの他の実施例の断面図。
【図５】本発明による光モジュールのさらに他の実施例
の断面図。
の断面図。
【図６】本発明による裏面入射型半導体受光素子を用い
て、パッケージングされた光受信モジュールの実施例の
斜視図。
て、パッケージングされた光受信モジュールの実施例の
斜視図。
【図７】本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光
伝送装置の一実施例の斜視図。
伝送装置の一実施例の斜視図。
【図８】本発明の受光素子を用いた光伝送装置の構成を
示すブロック図。
示すブロック図。
１……ｎ型ＩｎＰ基板、 ２……高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡ
ｓバッファ層、３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、
４……アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子
層、５……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、６……ｐ
型ＩｎＡｌＡｓバッファ電極、 ７……高濃度ｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓコンタクト層、８……ＳｉＮ絶縁膜、９……ｎ
型オーミック電極、１０……オーミック接続部、１１…
…ｐ型オーミック電極、１２……反射鏡、２１……ｎ型
ＩｎＰ基板、２２……高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ
層、２３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、２４……
アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子層、２５
……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、２６……ｐ型Ｉ
ｎＡｌＡｓバッファ電極、２７……高濃度ｐ型ＩｎＧａ
Ａｓコンタクト層、２８……ＳｉＮ絶縁膜、２９……ｎ
型オーミック電極、３０……ｐ型オーミック電極、３１
……反射鏡、３２……レンズ、 ３３……ヘッダ、３４
……本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ３５……マ
ウント、３６……アノードピン、 ３７……カソードピ
ン、 ３８……ケースピン、３９……レンズホルダ、４
０……絶縁膜、 ４１……Ｖ溝光導波路基板、４２……
本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ４３……キャリ
ア、４４……光ファイバ、 ４５……半導体レーザ、４
６……本発明のモニタ用裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ、 ４
７……Ｖ溝基板、４８……受信用プリアンプＩＣ、４９
……信号光入射用光ファイバ、５０……ベース、 ５１
……キャップ、５２……光受信モジュール、５３……受
信ＩＣ、 ５４……ボード。
ｓバッファ層、３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、
４……アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子
層、５……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、６……ｐ
型ＩｎＡｌＡｓバッファ電極、 ７……高濃度ｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓコンタクト層、８……ＳｉＮ絶縁膜、９……ｎ
型オーミック電極、１０……オーミック接続部、１１…
…ｐ型オーミック電極、１２……反射鏡、２１……ｎ型
ＩｎＰ基板、２２……高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ
層、２３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、２４……
アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子層、２５
……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、２６……ｐ型Ｉ
ｎＡｌＡｓバッファ電極、２７……高濃度ｐ型ＩｎＧａ
Ａｓコンタクト層、２８……ＳｉＮ絶縁膜、２９……ｎ
型オーミック電極、３０……ｐ型オーミック電極、３１
……反射鏡、３２……レンズ、 ３３……ヘッダ、３４
……本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ３５……マ
ウント、３６……アノードピン、 ３７……カソードピ
ン、 ３８……ケースピン、３９……レンズホルダ、４
０……絶縁膜、 ４１……Ｖ溝光導波路基板、４２……
本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ４３……キャリ
ア、４４……光ファイバ、 ４５……半導体レーザ、４
６……本発明のモニタ用裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ、 ４
７……Ｖ溝基板、４８……受信用プリアンプＩＣ、４９
……信号光入射用光ファイバ、５０……ベース、 ５１
……キャップ、５２……光受信モジュール、５３……受
信ＩＣ、 ５４……ボード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 滋久 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA02 BA11 DA03 DA04 DA12 4M118 AA01 AA10 AB05 BA01 BA02 CA05 CB01 CB03 CB14 FC03 GA02 GA08 HA21 HA22 HA23 5F049 MA04 MA08 MB07 NA01 NA03 NA15 NB01 SZ16 TA14 WA01 5F088 AA03 AA05 AB07 BA01 BA02 BB01 HA09 JA14 LA01 5F089 AA01 AB03 AC08 CA12 CA14 GA10
Claims (11)
- 【請求項１】基板入射型半導体受光素子の光入射側とは
反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板
上の受光径内に、細線状又は点状の形状の複数のオーミ
ック接続部と、上記半導体に接して透明膜、金属膜の順
に積層した反射鏡とを混在させて構成されることを特徴
とする半導体受光素子。 - 【請求項２】上記細線状又は点状の形状の複数のオーミ
ック接続部のそれぞれは上記細線状の形状の幅、又は上
記点状の形状の最大幅が２μｍ以下であることを特徴と
する請求項１記載の半導体受光素子。 - 【請求項３】上記該透明膜は単層の誘電体絶縁膜又は複
数の別種の膜を積層した多層の誘電体絶縁膜あることを
特徴とする請求項１又は２記載の半導体受光素子。 - 【請求項４】上記該透明膜は導電性を有する膜であるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の半導体受光素子。 - 【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１つに記載の
半導体受光素子が基板上に搭載されたことを特徴とする
半導体受光装置。 - 【請求項６】請求項１ないし４のいずれか1つに記載の
半導体受光素子と上記半導体受光素子に出射光を入射す
る光ファイバとが同一基板上に集積化されたことを特徴
とする半導体受光装置。 - 【請求項７】請求項１ないし４のいずれか1つに記載の
半導体受光素子と上記半導体受光素子に出射光を入射す
る半導体レーザとが同一基板上に集積化されたことを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項８】請求項１ないし４のいずれか1つに記載の
半導体受光素子と、上記半導体受光素子に出射光を入射
する光ファイバと、上記光ファイバに光を入射する半導
体レーザとが同一基板上に集積化されたことを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項９】請求項７又は８に記載の半導体装置がセラ
ミック又は樹脂でパッケージングされたことを特徴とす
る光モジュール。 - 【請求項１０】請求項７又は８に記載の半導体装置の基
板上に、さらに、上記半導体受光素子と電気的に接続さ
れる電子回路が搭載され、セラミック又は樹脂でパッケ
ージングされたことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項１１】請求項９又は１０に記載の光モジュール
と電子回路とが同一ボード上に搭載されたことを特徴と
する光伝送装置。
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