JP2004349395A - 半導体受光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】入射光指向装置により、半導体受光素子の光吸収層内へ入射させる光の伝搬路を調整することによって、光を効率的に光吸収層で電流に変換し得るようにし、半導体受光素子の受光感度、耐光入力性、高速応答性、暗電流特性を大幅に向上可能とした半導体受光モジュールを提供する。
【解決手段】基板６上に順次に形成された少なくとも光吸収層４と上部クラッド層３とを有し、前記基板と前記光吸収層４の少なくとも一方の端面に形成された光入射端面１２から入射した光が前記光吸収層４において吸収されることにより生じた電気信号をｐ電極１及びｎ電極７から外部に出力する半導体受光素子１００と、前記半導体受光素子の前記光入射端面１２に対して光を斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面１２において前記光吸収層４を照射するように指向させる入射光指向装置２００とを具備する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光指向装置によって入射される光信号を電気信号に変換する半導体受光素子を有する半導体受光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を電気信号に変換する半導体素子で形成された一般的な半導体受光素子の構成を図１２に示す斜視図を用いて説明する。
【０００３】
ｎ^＋ −ＩｎＰからなる某板６上に、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５が形成され、この下部クラッド層５にｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。このコンタクト層２の上面にｐ電極１が取付けられ、基板６の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成されている。
【０００４】
ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４とｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３とｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５とは、図１２に示すように、この半導体受光素子の端面の光入射面から内部に入射した光を導波する光導波路を構成している。この光導波路は、光吸収層４の屈折率を、上部クラッド層３の屈折率、下部クラッド層５の屈折率より高く設定し、この光吸収層４が入射した光を導波する中心的な役割をするコアとして機能している。ちなみに、メサの幅は４μｍ程度で、長さは１０μｍ程度である。
【０００５】
このように構成された半導体受光素子においては、入射光は、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３及びｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５で構成された光導波路を伝播する間に、光吸収層４により吸収され、電気信号に変換される。
【０００６】
この時、光はその強度Ｉが（１）式に従って吸収される。
【０００７】
Ｉ＝Ｉ_０ ｅｘｐ（−αｚ） …（１）
ここで、Ｉ_０ は光入射端面での入射光のパワー、αは吸収係数、ｚは光入射端面からの距離である。
【０００８】
図１３は、この半導体受光素子の光導波路内を伝搬する光の強度Ｉと距離ｚとの関係を示す図である。
【０００９】
（１）式と図１３から理解できるように、光は光導波路内に入射すると指数関数的に減衰する。すなわち、光は、光入射端面から短い距離の間にほとんど吸収され、電流に変換される。
【００１０】
図１３の横軸は光入射端面からの距離ｚを表し、縦軸は、光吸収層４内を伝搬される光の強度すなわち入射された光が光吸収層４で吸収されるために生じる電流の大きさを示している。
【００１１】
すなわち、この図１３は、光が光吸収層４で吸収されるために生じる電流、あるいはそれによって発生するジュール熱を示している。、
光吸収層４内の各点において生じるジュール熱は負荷抵抗をＲとしてＩ^２ Ｒとなるので、入射端面から短い距離の間にほとんど吸収されるということは、この短い距離の間に急激に発熱するとも言える。
【００１２】
その結果、入射する光のパワーが大きいと短い距離の間で発生するジュール熱が極めて大きくなり、この半導体受光素子が破壊されてしまうことになる。
【００１３】
なお、図１２の斜視図では説明を簡単化するために省略したが、実際には光導波路を多モード化するために、通常、光吸収層４の上下にバンドギャップ波長が１．３μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰ組成の４元ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層が介在されている。
【００１４】
そのため、光吸収層４の厚みを０．６μｍ、ＳＣＨ層が上下合わせて２μｍ程度とすると、成長すべき結晶の厚みは合計３乃至４μｍと厚くなり、結晶成長そのものにも時間がかかるとともに、メサエッチングなどプロセスも複雑になり、半導体受光素子としての製造上の歩留まりを制限する要因となっている。
【００１５】
このような不都合を解消するために、図１４及び図１５に示すような装荷光導波路型の半導体受光素子が提唱されている。なお、図１４は斜視図であり、図１５は横断面図である。図１４及び図１５において、図１２に示した半導体受光素子と同一部分には同一符号が付してある。
【００１６】
すなわち、図１４及び図１５に示すように、この装荷光導波路型の半導体受光素子では、ｎ^＋ −ＩｎＰからなる基板６上に、装荷光導波路層９が形成されている。この装荷光導波路層９上には、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。このコンタクト層２の上面には、ｐ電極１が取付けられている。また、基板６の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、上記コンタクト層２、上部クラッド層３、光吸収層４、下部クラッド層５の各側面の一部及びｐ電極１の下部には、キャパシタンスを減らすためのポリイミド８が形成されている。
【００１７】
装荷光導波路層９としては、その屈折率が光吸収層４よりも小さく、かつ基板６よりも大きな材料が適しており、例えば、バンドギャップ波長１．３μｍを有するｎ−ＩｎＧａＡｓＰなどが使用される。
【００１８】
このような、装荷光導波路型の半導体受光素子においては、図１４及び図１５に示すように、外部からの光が装荷光導波路層９の端面に入射される。この装荷光導波路層９内を伝搬する光の一部（エバネッセント波）が、図１５の横断面図に示すように、隣接する光吸収層４に染み出して結合（エバネッセント結合）しており、その光の受光感度は、装荷光導波路層９に固有な波動関数φ_ｓ と光吸収層４の固有波動関数ψ_ｃ との重なり積分の絶対値の２乗に比例し、（２）式で表される。
【００１９】
Γ＝｜∫∫φ_ｓ ・（ψ_{ｃ ）} ^＊ｄｘｄｙ｜^２ …（２）
図１６は、光が装荷光導波路層９を伝搬しつつ光吸収層４にエバネッセント結合し、吸収される様子を模式的に示す図である。図１６の（ａ）は、装荷光導波路層９の厚みＤが薄い場合（例えば、Ｄ＝０．７μｍ）を示しており、図１６の（ｂ）は、装荷光導波路層９の厚みＤが厚い場合（例えば、Ｄ＝３．５μｍ）を示している。
【００２０】
図１７は、半導体受光素子内を伝搬する光のパワーＩを光吸収層４内での距離ｚの関数として示す図である。図１７の（ａ）は、装荷光導波路層９の厚みＤが薄い場合（例えば、Ｄ＝０．７μｍ）を示しており、図１７の（ｂ）は、装荷光導波路層９の厚みＤが厚い場合（例えば、Ｄ＝３．５μｍ）を示している。
【００２１】
図１６の（ａ）と図１７の（ａ）とに示す装荷光導波路層９の厚みＤが薄い場合には、装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズが小さく、装荷光導波路層９を伝搬する光は光吸収層４へ強くエバネッセント結合する。別の表現をすると、装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズが小さいため、装荷光導波路層９を伝搬する光の波動関数φ_ｓ のうち、光吸収層４に重なる部分の値が大きくなるので（２）式で示した受光感度も大きくなる。なお、装荷光導波路層９の端面に入射する光のスポットサイズは、装荷光導波路層９の厚みＤに係わらず等しく設定されている。
【００２２】
その結果、半導体受光素子として要求される受光感度を実現するために必要な光吸収層４の長さＬａを短くできるものの、図１２に示した半導体受光素子と同様に、短い距離ｚにおいて大きなジュール熱が発生し、素子が破壊されることになる。
【００２３】
このジュール熱による素子破壊を避けるには、装荷光導波路層９を伝搬する光の光吸収層４へのエバネッセント結合の度合いを弱くする、つまり、図１６の （ｂ）と図１７の（ｂ）とに示すように、装荷光導波路層９の厚みＤを厚くすることにより、装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズを大きくすればよい。
【００２４】
別の表現をすれば、装荷光導波路層９を伝搬する光の波動関数φ_ｓ のうち光吸収層４に重なる部分の値を小さくすれば良いことになる。
【００２５】
但し、この場合には、（２）式で示した重なり積分の絶対値の２乗値Γも小さくなるので、半導体受光素子として要求される受光感度を実現するために必要な光吸収層４の長さＬａが長くなってしまう。
【００２６】
この光吸収層４の長さＬａが長くなるということは、半導体受光素子としてのキャパシタンスＣが大きくなることに対応するので、３ｄＢ帯域Δｆ（＝１／ （πＲＣ））が小さくなり、この半導体受光素子を４０Ｇｂｐｓのような高速伝送システムへの適用は困難となる。
【００２７】
また、この場合には、装荷光導波路層９の厚みＤが厚いので成長すべき半導体層の厚みの総和が厚くなり、結晶成長への負担が著しく大きくなる。一般に、３μｍ以上厚く結晶成長すると、結晶成長した半導体層に歪が内在し、その上に成長した光吸収層４の膜質が劣化する。この膜質の劣化は、光伝送システムにおいて要求されるきれいなアイパターンを実現するために不可欠な半導体受光素子としての暗電流特性を損なうことが知られている。
【００２８】
さらに、装荷光導波路層９の厚みＤを厚くし、スポットサイズを大きくすると、コンタクト層２に起因する光吸収損を低減するために、上部クラッド層３も厚くする必要があり、良好な結晶成長がよりいっそう困難になってしまう。
【００２９】
以上のように、図１４及び図１５に示す装荷光導波路型の半導体受光素子においては、高速動作を実現するために、光吸収層４の長さ（素子長）Ｌａが短くなるように装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズを小さくすればジュール熱により素子が破壊されやすいとともに、この熱破壊を避けるために装荷光導波路層９を伝搬する光のスポットサイズを大きくすれば、素子長Ｌａが長くなる結果、高速動作が困難になるという問題がある。
【００３０】
また、この半導体受光素子においては、厚く成長した結晶の上に結晶性の良い暗電流の少ない光吸収層４の成長は困難であり、半導体受光素子としての特性が劣化するという問題もある。
【００３１】
このような不都合を解消するために、図１８の横断面図で示すような構造を有した端面屈折型の半導体受光素子が提唱されている（特許文献１）。
【００３２】
すなわち、図１８に示すように、この端面屈折型の半導体受光素子では、半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ−ＩＰ）材料で形成された基板１１上に、ｎ^＋ −ＩｎＰからなる下部クラッド層１０、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が順次に形成されている。そして、このコンタクト層２の上側には、ｐ電極１が取付けられている。また、ｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層１０には、ｎ電極が取付けられている。
【００３３】
そして、この受光素子においては、図１８で示したように、基板１１と下部クラッド層１０との端面で形成される光入射端面１２をウェットエッチングにより傾斜させている。なお、光入射端面１２の下部クラッド層１０の上面（光吸収層４の下面）に対する傾斜角は、エッチングの際に結晶の方位性から約５４度となる。
【００３４】
次に、このような構造を有する端面屈折型の半導体受光素子の動作原理を説明する。入射した光は傾斜した入射端面１２において屈折された後、光吸収層４において吸収され、電流に変換される。
【００３５】
具体的には、この端面屈折型の半導体受光素子の場合、空気（屈折率＝１）とｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層１０（ＩｎＰの屈折率は３．１７であるが、ｎ^＋ ドーピングのためにその屈折率は３．１５程度に下がる）の屈折率の違いにより光はその光路を斜め上方に変えられる。入射端面１２においては、入射光の全パワーは下部クラッド層１０あるいは基板１１に照射されており、光吸収層４には照射されていないので、入射光の等価屈折率は下部クラッド層１０あるいは基板１１の屈折率となっている。その結果、入射光の等価屈折率は下部クラッド層１０の屈折率よりも高くなることはないので、光は光吸収層４を斜め上方に通過する。
【００３６】
このように、この端面屈折型の半導体受光素子の場合、光を光吸収層４を斜めに通過させることにより、この光吸収層４を通過する際の実効的な吸収長を長くし、受光感度を高めている。
【００３７】
実際には光吸収層４を斜め上方に通過した光は、さらに上部クラッド層３とコンタクト層２を斜め上方に伝搬された後、ｐ電極１の下面で反射されることにより、斜め下向きに光路の向きが変えられる。次に、斜め下向きに光路の向きが変えられ光は、再度コンタクト層２と上部クラッド層３を通過後、光吸収層４を斜め下方に通過する。
【００３８】
ところが、残念ながら、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２において吸収された光は電流に変換されないため、単に光吸収損となってしまう。さらに、ｐ電極１の下面における反射の際、このｐ電極１の下面の荒れのため光散乱損が生じる。このように、この端面屈折型の半導体受光素子は損失が生じやすく、その結果その受光感度は０．６Ａ／Ｗもしくはそれ以下と低く留まっている。
【００３９】
このような受光感度に関する問題点を解消するために、図１９の横断面図で示すような構造を有した半導体受光素子が提唱されている（特許文献２）。
【００４０】
すなわち、図１９に示すように、この半導体受光素子では、半絶縁性ＩｎＰ （ＳＩ−ＩＰ）材料で形成された基板１１上に、ＩｎＧａＡｓＰ層１４、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が形成されている。そして、このコンタクト層２の上側には、ｐ電極１が取付けられている。また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３には、ｎ電極７が取付けられている。
【００４１】
そして、この半導体受光素子においては、ＩｎＧａＡｓＰ層１４とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３との端面で形成される光入射端面１２がウェットエッチングにより傾斜されている。
【００４２】
次に、このような構造を有した半導体受光素子の動作原理を図２０を用いて説明する。
【００４３】
一般に、ｎドーピングをすると屈折率は低減するが、ここでは、説明を簡単にするために、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３の屈折率ｎ_１３とＩｎＧａＡｓＰ層１４の屈折率ｎ_１４は同じ値である（ｎ_１３＝ｎ_１４＝３．４３９）と仮定し、図２０ではｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３とＩｎＧａＡｓＰ層１４をｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３により代表させている。
【００４４】
この半導体受光素子においては、上部クラッド層３よりも屈折率が高いＩｎＧａＡｓＰ層１４に光の全パワーが入射している。その結果、入射光の等価屈折率は上部クラッド層３の屈折率よりも高くなっており、光はｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４中において吸収されつつ斜め上方に伝搬した後、光吸収層４と上部クラッド層３との界面において全反射される。
【００４５】
さて、特許文献２の第１の請求項には「前記下部半導体層側から入射した入射光が、前記光吸収層を膜厚方向に対し斜めに通過し、前記第一の半導体層の前記光吸収層側の界面で全反射し、前記光吸収層を再度斜めに通過することを特徴とする」と記載され、発明の詳細な説明には「１００％の光が再度光吸収層を通過し吸収される」、「受光層を光が２回通過することになり、実効的光吸収長が２倍となる」と記載されている。
【００４６】
さらに、特許文献２に図示された全ての実施形態においても、光は全反射後、斜め下方に伝搬し、光吸収層を通過している。
【００４７】
つまり、この半導体受光素子では、図２０に示したように、光は光吸収層４中において吸収されつつ斜め上方に伝搬した後、光吸収層４と上部クラッド層３の界面においてその１００％の光が反射され、光吸収層４を斜め下方に伝搬することになる。
【００４８】
従って、図２０から理解できるように、光吸収層４の厚みをＴ、光の通過角をφとすると、光にとっての実効的な吸収長Ｌｅは（３）式となる。
【００４９】
Ｌｅ＝２Ｔ／ｃｏｓθ＝２Ｔ／ｃｏｓ（π／２−φ） …（３）
つまり、光吸収層４の厚みＴを０．４μｍとし、光の通過角φを２５．８°とすると、この半導体受光素子においては光の実効的な吸収長Ｌｅは、光吸収層４の厚みＴの４．６倍（なぜならば、１／ｃｏｓθ＝１／ｃｏｓ（π／２−２５．８°）＝２．３）程度に留まり、吸収長としては不充分である。
【００５０】
また、特許文献２に記載された全ての実施形態の説明図や図１９から推測されるように、この半導体受光素子では、光は光吸収層４と上部クラッド層３の界面においてその１００％の光が反射され、光吸収層４を斜め下方に伝搬して通過してしまう。
【００５１】
したがって、この半導体受光素子では、光吸収層４をある程度の長さ以上にいくら長くしても受光感度は改善されない。
【００５２】
さらに、この半導体受光素子では、特許文献２に記載された実施形態から理解できるように、光の全パワーをＩｎＧａＡｓＰ層１４のように屈折率の高い層の中に入射させねばならない。光のスポットサイズ（パワーが１／ｅ^２ となる半径）は２μｍから５μｍ、つまりパワーが１／ｅ^２ となる直径では４μｍから１０μｍと大きい。図１４、図１５の装荷光導波路型の半導体受光素子で述べたように、厚く成長した結晶の上には、暗電流が少ない結晶性の良い光吸収層を成長することは困難である。
【００５３】
また、特許文献２の実施形態に示されているＧａＡｓ基板の上に１．５５μｍ帯用のＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓを結晶成長した構造を製作するのは、格子不整合の観点から実際には不可能である。したがって、図１９に示す半導体受光素子は、それを実際に製造することが極めて困難であるという問題点を有している。
【００５４】
【特許文献１】
特開平１１−１９５８０７号公報
【００５５】
【特許文献２】
特開２００１−５３３２８号公報
【００５６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、図１２に示す導波路型の半導体受光素子では、高光入力時の信頼性に問題を有している。
【００５７】
また、図１４、図１５に示す装荷光導波路型の半導体受光素子では、高光入力時の信頼性、高速応答性、および光吸収層の結晶性（換言すれば、暗電流特性）にを有している。
【００５８】
さらに、図１８、図１９に示す端面屈折型の半導体受光素子では受光感度、あるいは光吸収層の結晶性に問題を有している。
【００５９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、入射光指向装置により、半導体受光素子の光吸収層内へ入射させる光の伝搬路を調整することによって、光を効率的に光吸収層で電流に変換し得るようにし、半導体受光素子の受光感度、耐光入力性、高速応答性、暗電流特性を大幅に向上可能とした半導体受光モジュールを提供することを目的とする。
【００６０】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題を解決するために、
（１） 基板上に順次に形成された少なくとも光吸収層と上部クラッド層とを有し、前記基板と前記光吸収層の少なくとも一方の端面に形成された光入射端面から入射した光が前記光吸収層において吸収されることにより生じた電気信号をｐ電極及びｎ電極から外部に出力する半導体受光素子と、
前記半導体受光素子の前記光入射端面に対して光を斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面において前記光吸収層を照射するように指向させる入射光指向装置と、
を具備することを特徴とする半導体受光モジュールが提供される。
【００６１】
このように構成された半導体受光モジュールにおいては、入射光指向装置により、光を半導体受光素子の光入射端面に対して斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面において前記光吸収層を照射するように指向させることにより、前記光の等価屈折率が半導体受光素子の上部クラッド層の屈折率よりも高くなるようにすることができる。
【００６２】
これにより、光吸収層内を伝搬した光は光吸収層を通過して突き抜けることなく、光吸収層と上部クラッド層との界面において光吸収層を斜めに伝搬する反射光を生じるため、光吸収層を通過して突き抜けた場合に生じる吸収損や電極の下面における反射の際の光散乱損は生じず、光吸収層において効率の良い電流変換を実現することができる。
【００６３】
また、この半導体受光モジュールでは、入射光指向装置によって半導体受光素子の斜め下から光吸収層の下面の広い領域に渡って光を照射するので、光導波路型の半導体受光素子や、薄い装荷光導波路を有するの装荷光導波路型の素子と異なり、光吸収層のある特定の一部分への電流集中が発生しないので、ジュール熱による半導体受光素子の破壊を未然に避けることが可能となる。
【００６４】
また、この半導体受光モジュールでは、入射光指向装置によって半導体受光素子の斜め下から光のパワーの大きな部分を光吸収層に直接照射することができ、かつ光の一部を光吸収層に伝搬させ、吸収させるので、厚い装荷光導波路を有する従来の装荷光導波路型の半導体受光素子や従来の端面屈折型の半導体受光素子と比較して、受光感度が高く、結果的に短い光吸収長で済むので、ＣＲ時定数から制限される帯域を広くすることができる。
【００６５】
また、この半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子では、光を吸収する光吸収層の高い屈折率を有効に利用して、入射光の等価屈折率を高めるという簡単な構造であるため、従来の装荷光導波路も不要であり、結晶成長への負担が小さく、半導体受光素子としての製作性が良い。
【００６６】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（２） 前記入射光指向装置は、前記光を前記光入射端面に対して斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面において前記光吸収層を照射するように指向させることにより、前記光の等価屈折率が前記半導体受光素子の前記上部クラッドの屈折率よりも高くなるようにしたことを特徴とする （１）記載の半導体受光モジュールが提供される。
【００６７】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（３） 前記入射光指向装置は、前記光を前記光入射端面に対して斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面において前記光吸収層を照射するように指向させることにより、前記光の等価屈折率が前記半導体受光素子の前記上部クラッドの屈折率よりも高くなるようにし、
前記半導体受光素子は、前記光吸収層に入射した光について、前記光吸収層の上方にある前記上部クラッドとの界面と平行に伝搬する成分と、前記光吸収層の上方にある界面で反射し前記光吸収層内を斜め方向に伝搬する成分とのうち少なくとも一方を伝搬するようにしたことを特徴とする（１）記載の半導体受光モジュールが提供される。
【００６８】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（４） 前記半導体受光素子は、前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度を９０度とすることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一に記載の半導体受光モジュールが提供される。
【００６９】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（５） 前記半導体受光素子は、前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度を、９０度未満で、かつ前記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度とすることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一に記載の半導体受光受光モジュールが提供される。
【００７０】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（６） 前記半導体受光素子は、前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度を、９０度未満で、かつ前記光人射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度とすることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一に記載の半導体受光モジュールが提供される。
【００７１】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（７） 前記半導体受光素子は、前記上部クラッド層がｐ型の半導体材料からなることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれか一に記載の半導体受光モジュールが提供される。
【００７２】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（８） 前記半導体受光素子は、前記上部クラッド層がｎ型の半導体材料からなることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれか一に記載の半導体受光モジュールが提供される。
【００７３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００７４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。
【００７５】
図１において、図１２に示した従来の半導体受光素子と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。
【００７６】
すなわち、図１に示すように、この第１実施形態に係わる半導体受光モジュールは、後述するように、基板６上に順次に形成された少なくとも光吸収層４と上部クラッド層３とを具備し、前記基板６と前記光吸収層４の少なくとも一方の端面に形成された光入射端面１２から入射した光が前記光吸収層４において吸収されることにより生じた電気信号をｐ電極１及びｎ電極７から外部に出力する半導体受光素子１００と、この半導体受光素子１００の光入射端面１２に対して入射光を斜めに入射させるための入射光指向装置２００とから構成されている。
【００７７】
ここで、半導体受光素子１００は、ｎ^＋ −ＩｎＰからなる基板６上に、ｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２が順次に積層されている。このコンタクト層２の上側には、電流を取出すためのｐ電極１が取付けられている。基板６の下側には、同じく電流を取出すためのｎ電極７が取付けられている。
【００７８】
さらに、この半導体受光素子１００は、基板６の下側に配置された光入射端面１２に対して光を斜めに入射させるための入射光指向装置２００の一部としてのくさび型の台座１６によって、傾斜されている。
【００７９】
なお、この半導体受光素子１００でも、図１２に示した従来の半導体受光素子と同様に、通常、光吸収層４の結晶性を良くするために、光吸収層４の下にｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５を成長させているが、ここでは説明を簡単にするために省略されている。また、この半導体受光素子１００でも、図１２に示した従来の半導体受光素子と同様に、ポリイミド８が形成されるが、ここでは説明を簡単にするために省略されている。
【００８０】
そして、この半導体受光素子１００においては、基板６と光吸収層４の少なくとも１つの端面で形成される光入射端面１２と光吸収層４の下面とのなす角度は、９０度に設定されている。具体的には、この光入射端面１２がへき開で形成されている。
【００８１】
さらに、この第１実施形態の半導体受光モジュールの半導体受光素子１００におけるｉ−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４の屈折率（約３．６）は、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３の屈折率（３．１７）や、ｎ^＋ −ＩｎＰからなる基板６の屈折率（ＩｎＰの屈折率は３．１７であるが、正確にはｎ^＋ のドーピングのためにその屈折率は３．１５程度に低下する。しかしながら、ここでは説明を簡単にするために基板６の屈折率は３．１７とする）よりも屈折率が高い。
【００８２】
このように構成された第１実施形態の半導体受光モジュールの動作原理を図２、図３及び図４を用いて説明する。
【００８３】
この半導体受光モジュールの半導体受光素子１００への実際の入射光は、線状ではなく広がりを持っている。図２に、光入射端面１２への光の３つの入射状態（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を示す。入射状態（ａ）の場合には、入射光は屈折率が３．１７と低い基板６のみに入射している。入射状態（ｂ）の場合には、入射光は屈折率が３．１７と低い基板６、あるいは屈折率が３．１７と低い上部クラッド層３のみならず、屈折率が約３．６と高い光吸収層４にも入射している。なお、光吸収層４が入射光のスポットサイズに比べて厚い場合には入射光の全てのパワーが光吸収層４に入射することもあり得る。入射状態（ｃ）の場合には、入射光は屈折率が３．１７と低い上部クラッド層３のみに入射している。
【００８４】
図３は、入射光の中心の位置を変数とした場合における入射光の等価屈折率ｎ_ｅ の計算結果を示している。
【００８５】
ここで、光吸収層の厚みは１μｍ、入射光のスポットサイズは２μｍとしている。図３からわかるように、図２の入射状態（ａ）と入射状態（ｃ）のように入射光が光吸収層４に照射されない場合における入射光の等価屈折率ｎ_ｅ は３．１７となり、上部クラッド層３の屈折率と同じになる（なお、ｎ^＋ −ＩｎＰからなる基板６におけるｎドーピングによる屈折率低減の影響を考慮に入れると、入射光の等価屈折率ｎｅは上部クラッド層３の屈折率よりも低くなる）。
【００８６】
ところが、入射状態（ｂ）のように、入射光の少なくとも一部が屈折率の高い光吸収層４に照射されるようになると、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ は基板６や上部クラッド層３の屈折率よりも高くなることがわかる。なお、入射光の中心が、光吸収層４の中心に当たった場合には、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ は約３．４にもなる。
【００８７】
つまり、図４に示すように入射光の少なくとも一部が光吸収層４に照射され、その高い屈折率を感じると、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ を上部クラッド３の屈折率３．１７よりも高くすることができる。
【００８８】
さて、図４において、基板６と光吸収層４との界面において成立するスネルの式は
ｎ_ｅ ｓｉｎθ_６ ＝ｎ_４ ｓｉｎθ_４ …（４）
となる。また、光吸収層４とｐ−ＩｎＰクラッド層３との界面において
ｎ_４ ｓｉｎθ_４ ＝ｎ_３ …（５）
となる。つまり、（５）式を（４）式に代入して得られる
ｎ_ｅ ｓｉｎθ_６ ＝ｎ_３ …（６）
が成立すれば、その界面において全反射が生じる。その時の上部クラッド層３に対する光の入射角θ_４ を臨界角と呼ぶ。そのためには、光吸収層４と基板６の屈折率を考慮し、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ が上部クラッド３の屈折率ｎ_３ よりも高くなるように入射光に光吸収層４の高い屈折率を感じさせるとともに、光の光入射端面１２への入射角を適切に選ぶことが重要となる。
【００８９】
そこで、本発明の半導体受光モジュールでは、半導体受光素子１００の光入射端面１２に対して入射光を斜めに入射させるための入射光指向装置２００が備えられている。
【００９０】
上部クラッド３や基板６と比較して、光吸収層４はその屈折率が高く、光を導波する光導波路の機能を有するので、θ_４ を光の全反射が起こる臨界角とすると水平方向に伝搬する水平伝搬光（導波光）を生じさせることができる。
【００９１】
また、θ_４ を光の全反射が起こる臨界角よりも大きくすると、光吸収層４と上部クラッド層３との界面において光吸収層４を斜めに伝搬する反射光が生じるが、実際には、反射光の他に、水平方向に伝搬する水平伝搬光を生じさせることができる。
【００９２】
つまり、本実施の形態によれば、入射光指向装置２００により、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ が上部クラッド３の屈折率ｎ_３ よりも高くなるように、入射光に光吸収層４の高い屈折率を感じさせると共に、光吸収層４に斜め方向から照射するという簡単な構成をとることにより、光吸収層４内を伝搬した光は光吸収層４を通過して突き抜けることなく、光吸収層４と上部クラッド層３との界面において光吸収層４を斜めに伝搬する反射光を生じる。
【００９３】
そのため、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２における吸収損やｐ電極１の下面における反射の際の光散乱損は生じず、光吸収層４において効率の良い電流変換を実現することができる。
【００９４】
さらに、本実施の形態によれば、反射光の他に、水平方向に伝搬する水平伝搬光をも生じさせることができる。これによって光吸収層４を伝搬する光は、光吸収層４においてより一層効率よく吸収され、電流に変換される。
【００９５】
図５は、第１実施形態の半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子として試作した４個の半導体受光素子における特性の測定結果を示している。図５において、縦軸は測定された受光感度（Ａ／Ｗ）であり、横軸は光吸収層４の長さである。
【００９６】
この図５からわかるように、光吸収層４の長さが３０μｍ以上でも受光感度が改善されている。なお、試作した４個の半導体受光素子は、それらの光吸収層４の厚みＴは１．０μｍであり、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１５の厚みＤが２．０μｍである。また、水平からの光の入射角は４０°である。この場合の入射光の等価屈折率ｎ_ｅ は３．３である。
【００９７】
図６に示すように、光吸収層４の下端近傍から光が入射した場合に光吸収層４と上部クラッド層３との界面で光が１回反射した後、光吸収層４を抜けてしまうと仮定した場合の光吸収層４の長さＬｍａｘは２０μｍよりかなり短い。ところが、前述のように光吸収層４の長さが３０μｍ以上でも受光感度が改善されている。
【００９８】
このことは、光吸収層４と上部クラッド層３との界面で反射された光成分以外に、光吸収層４の長さ方向に伝搬する光の成分があり、それが光吸収層４で吸収されるためであると考えられる。
【００９９】
このように、第１実施形態の半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子１００では、図１９に示した従来の半導体受光素子と異なり、半導体受光素子１００としての帯域の許す限り、光吸収層４の長さを長くすることにより受光感度を高めることが可能である。
【０１００】
また、この半導体受光モジュールでは、入射光指向装置２００によって半導体受光素子１００の斜め下から光吸収層４の下面の広い領域に渡って光を照射するので、図１２に示した従来の光導波路型の半導体受光素子や、図１４に示した薄い装荷光導波路９を有する従来の装荷光導波路型の素子と異なり、光吸収層４のある特定の一部分への電流集中が発生しない。その結果、ジュール熱による半導体受光素子の破壊を未然に避けることが可能となる。
【０１０１】
また、この半導体受光モジュールでは、入射光指向装置２００によって半導体受光素子１００の斜め下から光のパワーの大きな部分を光吸収層４に直接照射することができ、かつ光の一部を光吸収層４に伝搬させ、吸収させるので、図１７に示した厚い装荷光導波路を有する従来の装荷光導波路型の半導体受光素子や図１８、図１９に示した従来の端面屈折型の半導体受光素子と比較して、受光感度が高く、結果的に短い光吸収長で済むので、ＣＲ時定数から制限される帯域を広くすることができる。
【０１０２】
また、この半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子１００では、光を吸収する光吸収層４の高い屈折率を有効に利用して、入射光の等価屈折率を高めるという簡単な構造であるため、図１７に示した従来の装荷光導波路９も不要であり、結晶成長への負担が小さく、半導体受光素子としての製作性が良い。なお、以下に述べる全ての実施形態の半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子においてもこれらの特長を有している。
【０１０３】
さらに、図１に示したように、上部クラッド層３と光吸収層４の界面において斜め下向きに反射された光は、屈折率の高い光導波路層１５と屈折率の低い基板１１の界面において再度斜め上向きに反射され、光吸収層４において再度吸収されることを繰り返し、受光感度の向上に寄与する。なお、以下に記述する全ての各実施形態の半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子においてもこれらの特長を有している。
【０１０４】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。図７において、図１に示した本発明の第１実施形態による半導体受光モジュールと同一部分には同一符号を付して、重複する部分の説明を省略する。
【０１０５】
この第２実施形態の半導体受光モジュールにおいては、図１に示した第１実施形態の入射光指向装置２００としての台座１６の代わりに、入射光指向装置２００として半導体受光素子１００を水平に保持する筐体１７を設け、光ファイバ１８から基板６と光吸収層４の少なくとも１つの端面で構成される光入射端面１２に光を傾斜させて入射させている。
【０１０６】
このように構成された半導体受光モジュールにおいて、入射光指向装置２００の光ファイバ１８から半導体受光素子１００の光入射端面１２に入射した光は、この光入射端面１２で屈折され、光吸収層４に斜め下から入射し、この光吸収層４で吸収される。
【０１０７】
この第２実施形態の半導体受光モジュールにおいても、入射光指向装置２００によって入射光の少なくとも一部を半導体受光素子１００の光吸収層４に照射させ、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ を光吸収層４の上にある上部クラッド３の屈折率ｎ_３ よりも高くすることにより、上部クラッド３と光吸収層４との界面において光を反射させる、あるいは入射光の一部の光もしくは全部の光を光吸収層４に水平に伝搬させている。
【０１０８】
従って、この実施形態の半導体受光モジュールにおいても、光の反射や光の水平方向の伝搬を利用するので、半導体受光素子１００の実効的な吸収長は長くなり、半導体受光素子としての感度を大幅に改善することができる。
【０１０９】
（第３実施形態）
図８は本発明の第３実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。図８において、図７に示した本発明の第２実施形態による半導体受光モジュールと同一部分には同一符号を付して、重複する部分の説明を省略する。
【０１１０】
この第３実施形態の半導体受光モジュールにおいては、図７に示した第２実施形態の半導体受光モジュールにおける入射光指向装置２００としての筐体１７と基板６との間にくさび型の台座１６を介在させて、半導体受光素子１００の光入射端面１２を傾斜させている。
【０１１１】
このように、入射光指向装置２００によって半導体受光素子１００の光入射端面１２を傾斜させることにより、光ファイバ１８から出力される入射光と半導体受光素子１００の入射端面１２とのなす角度が小さくなり、当該角度を所望の角度にすることが容易に実現できるという利点が得られる。
【０１１２】
この第３実施形態の半導体受光モジュールにおいても、入射光指向装置２００によって入射光の少なくとも一部を半導体受光素子１００の光吸収層４に照射させ、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ を光吸収層４の上にある上部クラッド３の屈折率ｎ_３ よりも高くすることにより、上部クラッド３と光吸収層４との界面において光を反射させる、あるいは入射光の一部の光もしくは全部の光を光吸収層４に水平に伝搬させている。
【０１１３】
従って、この実施形態の半導体受光モジュールにおいても、光の反射や光の水平方向の伝搬を利用するので、半導体受光素子１００の実効的な吸収長は長くなり、半導体受光素子としての感度を大幅に改善することができる。
【０１１４】
（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。図９において、図１に示した本発明の第１実施形態による半導体受光モジュールと同一部分には同一符号を付して、重複する部分の説明を省略する。
【０１１５】
この第４実施形態の半導体受光モジュールにおいては、半導体受光素子１００の基板６と光吸収層４の少なくとも１つの端面を含む光入射端面１２を図１８、図１９に示した従来の半導体受光素子と同様に、ウェットエッチングで形成している。従って、半導体受光素子１００の光入射端面１２と光吸収層４の下面とのなす角度は、結晶方位で定まる約５４度である。さらに、半導体受光素子１００の光吸収層４への小さな入射角を実現するために、入射光指向装置２００としての台座１６を用いて半導体受光素子１００全体を傾斜させている。
【０１１６】
この第４実施形態の半導体受光モジュールにおいても、入射光指向装置２００によって入射光の少なくとも一部を半導体受光素子１００の光吸収層４に照射させ、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ を光吸収層４の上にある上部クラッド３の屈折率ｎ_３ よりも高くすることにより、上部クラッド３と光吸収層４との界面において光を反射させる、あるいは入射光の一部の光もしくは全部の光を光吸収層４に水平に伝搬させている。
【０１１７】
従って、この実施形態の半導体受光モジュールにおいても、光の反射や光の水平方向の伝搬を利用するので、半導体受光素子１００の実効的な吸収長は長くなり、半導体受光素子としての感度を大幅に改善することができる。
【０１１８】
（第５実施形態）
図１０は、本発明の第５実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。図１０において、図１に示した本発明の第１実施形態による半導体受光モジュールと同一部分には同一符号を付して、重複する部分の説明を省略する。
【０１１９】
この第５実施形態の半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子１００においては、基板６と光吸収層４の少なくとも１つの端面を含む光入射端面１２を図９に示した第４実施形態の半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子と同様に、ウェットエッチングで形成している。しかし、この第５実施形態においては、このウェットエッチングの時間を規定よりも短く設定している。
【０１２０】
従って、半導体受光素子１００の光入射端面１２と光吸収層４の下面とのなす角度は、９０度未満でかつ結晶方位で定まる約５４度より大きな角度である。なお、９０度より大きな角度は結晶方位を選択することによっても実現できる。その結果、図９の第４実施形態では必要であった入射光指向装置２００としての台座１６が不要となり、それだけ実装が容易となる。
【０１２１】
さらに、この第４実施形態の半導体受光モジュールにおいても、入射光指向装置２００によって入射光の少なくとも一部を半導体受光素子１００の光吸収層４に照射させ、入射光の等価屈折率ｎ_ｅ を光吸収層４の上にある上部クラッド３の屈折率ｎ_３ よりも高くすることにより、上部クラッド３と光吸収層４との界面において光を反射させる、あるいは入射光の一部の光もしくは全部の光を光吸収層４に水平に伝搬させている。
【０１２２】
従って、この半導体受光モジュールにおいても、光の反射や光の水平方向の伝搬を利用するので、半導体受光素子１００の実効的な吸収長は長くなり、半導体受光素子としての感度を大幅に改善することができる。
【０１２３】
（第６実施形態）
図１１は、本発明の第６実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。図１１において、図８に示した本発明の第３実施形態による半導体受光モジュールと同一部分には同一符号を付して、重複する部分の説明を省略する。
【０１２４】
この第６実施形態の半導体受光モジュールでは、入射光を半導体受光素子１００に入射させるための入射光指向装置２００としてのレンズホルダ２０にレンズ２１が固定されており、光ファイバ１８はホルダ２２の中に入っている。本来は、光ファイバ１８はフェルールに固定した後、ホルダ２２に入れられるが、説明の簡単のためここではフェルールを省略している。このような第６実施形態の半導体受光モジュールでは、入射光指向装置２００としてのレンズホルダ２０とフェルール、すなわち光ファイバ１８の相対的な位置関係を設定することにより、入射光が半導体受光素子１００の入射端面１２に入射する際の位置と傾きの少なくとも一方を調整できるので、ひいては入射光を効率良く光吸収層４に照射させることができる。
【０１２５】
なお、本実施形態は、図８に示した第３の実施形態を応用したが、入射光指向装置２００としての台座１６を用いない実施形態を含め他の実施形態にも応用できることは勿論である。
【０１２６】
さらに、以上において説明した実施形態では、光吸収層４と上部クラッド層３の界面において光が反射あるいは水平伝搬されるとしたが、発生したキャリアが無駄になるコンタクト層２に光が入射する前に反射あるいは水平伝搬されるような層構成であれば本発明の実施例と考えられる。
【０１２７】
このような層構成の一例としては、光吸収層４の上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（あるいはｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓやｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ）のように屈折率がＩｎＰよりも高い層を形成し、その上にｐ−ＩｎＰを形成した構造が考えられる。この場合には光吸収層４の上に形成した屈折率がＩｎＰよりも高い層が光導波路としての役目を果たすため、本発明のより一層の効果を期待できる。
【０１２８】
また、入射光と光入射端面１２とのなす角度についても、各実施形態の半導体受光素子１００で説明した数値のみでなく、本発明の原理が成り立つ限り、その他の角度でも良いことは言うまでもない。
【０１２９】
なお、以上の実施形態においては光吸収層４の下にｎ−ＩｎＰクラッド層がないと仮定したが、これは説明を簡単にするためであり、光吸収層４の下にｎ−ＩｎＰクラッド層があっても勿論差し支えない。また、光吸収層４の下にｎ−ＩｎＰクラッド層をあらかじめ成長しておけば、これがバッファの役目をするので光吸収層４の結晶性が改善される。
【０１３０】
また、上述した各実施形態においては、光を半導体受光素子に結合（入射）させるには、先球ファイバ、平面ファイバなどの他、レンズ系を用いても良いことは言うまでもないし、使用波長は１．５５μｍのみでなく、その他の波長でも良いことは言うまでもない。光吸収層４の材料としてはｐ−ＩｎＧａＡｓの他、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓなどの４元混晶のほか、各種多重量子井戸でも良いことは言うまでもない。
【０１３１】
さらに、本発明では、光入射端面１２への入射光の一部が光吸収層４の上のｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３に照射されても良いことは勿論である。
【０１３２】
上述した各実施形態においては、光吸収層４がハイメサ構造となっているが、半絶縁性ＩｎＰやｐｎ埋め込みの構造としても良いし、基板６としては主にｎ^＋ −ＩｎＰを想定して説明したが、勿論半絶縁性ＩｎＰを用いても良い。
【０１３３】
さらに、本発明はアバランシェフォトダイオードにも適用できる。また、Ｚｎなどによりｐ型のドーピングを拡散により形成するようにしても良い。
【０１３４】
また、本発明の第１実施形態の説明のように、これまでの説明においては入射光は、入射光指向装置２００によって半導体受光素子１００の斜め下から光入射端面１２に入射させる場合が多かったが、入射光指向装置２００によって半導体受光素子１００の斜め上方から光入射端面１２に入射させるようにしても本発明の効果を発揮できることは言うまでもない。
【０１３５】
また、本発明の半導体受光素子１００としては、高濃度のｎタイプの半導体は屈折率がやや小さくなることを利用して、光吸収層４の上にｎ型もしくはｎ^＋ 型の半導体層を形成し、光吸収層４の下にｐ型もしくはｐ^＋ 型の半導体層を形成すれば本発明の効果をより発揮できる。例えば、光吸収層４の上にｎ^＋ −ＩｎＰクラッド層を形成することが考えられる。さらに、ｐ^＋ −ＩｎＰ基板を使用しても良い。
【０１３６】
一般に、オーミックコンタクトを実現する際のアロイ化のために、ｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層２は結晶性が劣化するとともに、ｐ電極１とｐ^＋ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層２の界面も平滑性が極めて悪い。
【０１３７】
ところが、本発明では入射光指向装置２００によって半導体受光素子１００の下側から斜め上に向かって伝播する光を半導体受光素子１００の半導体層の界面において反射あるいは水平伝搬させており、基本的に、光はこれらコンタクト層２やｐ電極１とコンタクト層２の界面には達しないので光電変換に寄与しないキャリアや光の散乱損失を生じることがなく、光電変換の効率が極めて良い。
【０１３８】
なお、入射光指向装置２００によって半導体受光素子１００の斜め下から斜め上方に向かって伝搬する光のごく一部がｐ−ＩｎＰクラッド層３側に染み出していても本発明の範囲内と考えられる。
【０１３９】
さらに、これまでの各実施形態の構造を上下逆にしても本発明として機能することは言うまでもない。
【０１４０】
以上説明したように、本発明の半導体受光モジュールにおいては、入射光を半導体受光素子に入射させるための入射光指向装置により、半導体受光素子の屈折率が高い光吸収層の少なくとも一部に、角度を調整して入射光を照射させることによって、入射光の等価屈折率を上部クラッド層よりも高くし、光吸収層内を伝搬した光に光吸収層と上部クラッド層との界面において全反射を生じさせるようにしている。
【０１４１】
従って、本発明の半導体受光モジュールにおいては、半導体受光素子に入射した光は、光吸収層の一部に集中することなく、光吸収層の広い範囲に亘って直接効率的に吸収され電流に変換されることになり、半導体受光素子の受光感度、耐光入力性、高速応答性、暗電流特性を大幅に向上させることができる。
【０１４２】
【発明の効果】
従って、以上説明したように、本発明によれば、入射光指向装置により、半導体受光素子の光吸収層内へ入射させる光の伝搬路を調整することによって、光を効率的に光吸収層で電流に変換し得るようにし、半導体受光素子の受光感度、耐光入力性、高速応答性、暗電流特性を大幅に向上可能とした半導体受光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。
【図２】図２は、図１の半導体受光素子の動作を説明するために示す図である。
【図３】図３は、図１の半導体受光素子の受光感度特性を示す図である。
【図４】図４は、図１の半導体受光素子の他の動作を説明するために示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の半導体受光モジュールに用いる半導体受光素子として試作された４個の半導体受光素子における特性の測定結果を示す図である。
【図６】図６は、図１の半導体受光素子において、光吸収層の下端近傍から光が入射した場合に光吸収層と上部クラッド層との界面で光が１回反射した後、光吸収層を抜けてしまうと仮定した場合を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第５実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第６実施形態に係わる半導体受光モジュールの概略構成を示す横断面図である。
【図１２】図１２は、従来の半導体受光素子の概略構成を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、図１２の半導体受光素子の問題点を説明するための図である。
【図１４】図１４は、他の従来の半導体受光素子の概略構成を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、図１４の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【図１６】図１６の（ａ）、（ｂ）は、図１４の半導体受光素子の動作を説明するための図である。
【図１７】図１７の（ａ）、（ｂ）は、図１４の半導体受光素子の動作特性を示す図である。
【図１８】図１８は、従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【図１９】図１９は、従来のさらに別の半導体受光素子の概略構成を示す横断面図である。
【図２０】図２０は、図１９の半導体受光素子の動作を説明するために示す図である。
【符号の説明】
１００…半導体受光素子、
２００…入射光指向装置、
１…ｐ電極、
２…コンタクト層、
３…上部クラッド層、
４…光吸収層、
５、１０…下部クラッド層、
６、１１…基板、
７…ｎ電極、
８…ポリイミド、
９…装荷光導波路、
１２…光入射端面、
１３…ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、
１４…ＩｎＧａＡｓＰ層、
１６…台座、
１７…筐体、
１８…光ファイバ、
２０…レンズホルダ、
２１…レンズ、
２２…ホルダ。

Claims (8)

1. 基板上に順次に形成された少なくとも光吸収層と上部クラッド層とを有し、前記基板と前記光吸収層の少なくとも一方の端面に形成された光入射端面から入射した光が前記光吸収層において吸収されることにより生じた電気信号をｐ電極及びｎ電極から外部に出力する半導体受光素子と、
   前記半導体受光素子の前記光入射端面に対して光を斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面において前記光吸収層を照射するように指向させる入射光指向装置と、
   を具備することを特徴とする半導体受光モジュール。
2. 前記入射光指向装置は、前記光を前記光入射端面に対して斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面において前記光吸収層を照射するように指向させることにより、前記光の等価屈折率が前記半導体受光素子の前記上部クラッドの屈折率よりも高くなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体受光モジュール。
3. 前記入射光指向装置は、前記光を前記光入射端面に対して斜めに入射させると共に、前記光の少なくとも一部が前記光入射端面において前記光吸収層を照射するように指向させることにより、前記光の等価屈折率が前記半導体受光素子の前記上部クラッドの屈折率よりも高くなるようにし、
   前記半導体受光素子は、前記光吸収層に入射した光について、前記光吸収層の上方にある前記上部クラッドとの界面と平行に伝搬する成分と、前記光吸収層の上方にある界面で反射し前記光吸収層内を斜め方向に伝搬する成分とのうち少なくとも一方を伝搬するようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体受光モジュール。
4. 前記半導体受光素子は、前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度を９０度とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体受光モジュール。
5. 前記半導体受光素子は、前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度を、９０度未満で、かつ前記光入射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体受光受光モジュール。
6. 前記半導体受光素子は、前記光入射端面と前記光吸収層の下面とのなす角度を、９０度未満で、かつ前記光人射端面を構成する材料の結晶方位で定まる角度より大きな角度とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体受光モジュール。
7. 前記半導体受光素子は、前記上部クラッド層がｐ型の半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体受光モジュール。
8. 前記半導体受光素子は、前記上部クラッド層がｎ型の半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体受光モジュール。

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