JP2005129689A - Semiconductor photo detector and light receiving module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光信号を受信しこれを電気信号に変換する半導体受光素子及びそれを用いた光受信モジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor light receiving element that receives an optical signal and converts it into an electrical signal, and an optical receiving module using the same.
近年の光通信の発達に伴い、通信用の光デバイスは、伝送速度の高速化、高信頼性、高集積化等が求められている。半導体光デバイスでは、例えば、特許文献1に開示のように、InP基板上に形成したメサ構造を有するPINフォトダイオードと抵抗、コンデンサ、又は他の半導体素子を一体集積化する技術が知られている。この特許文献1では、例えば、フォトダイオードのカソードと集積化された内蔵抵抗の一端が接続され、かつ、この接続点のノードが素子外部に引出される構造が示されている。外部に引出された電極にバイパスコンデンサを接続することで、内蔵抵抗と外部コンデンサとで平滑回路を構成し、フォトダイオードに供給するバイアス電源の安定化、低雑音化を実現させている。
光通信技術において、テレコム分野(長距離光通信分野)においては10Gbpsに、データコムの分野では1Gbpsを越えようとしている。このような伝送速度の高速化とともに、光信号の微弱化(受光装置の高感度化)も併せて進行している。光信号の微弱化とともに光信号の高速応答化に対応するために、受光素子の受光面積を小さくして接合容量を小さくし、受光素子の応答速度を高めることが行なわれている。 In optical communication technology, the telecom field (long-distance optical communication field) is going to exceed 10 Gbps and the datacom field is going to exceed 1 Gbps. Along with such an increase in transmission speed, the weakening of optical signals (higher sensitivity of the light receiving device) is also progressing. In order to cope with the weakening of the optical signal and the high-speed response of the optical signal, the light receiving area of the light receiving element is reduced to reduce the junction capacitance and increase the response speed of the light receiving element.
このような光信号の微弱化、高速化に対して、正確かつ安定に受光装置が応答するためには、受光素子のバイアス電源を高安定化、低雑音化しなければならない。上記の特許文献1で開示のフォトダイオードでは、受光素子内の内蔵抵抗の抵抗値を高めて、抵抗と外部コンデンサとで形成される平滑回路の時定数を大きくすることで、受光素子に供給されるバイアス電源を安定化させている。 In order for the light receiving device to respond accurately and stably to such weakening and high speed of the optical signal, the bias power source of the light receiving element must be highly stabilized and reduced in noise. In the photodiode disclosed in Patent Document 1, the resistance value of the built-in resistor in the light receiving element is increased, and the time constant of the smoothing circuit formed by the resistor and the external capacitor is increased to be supplied to the light receiving element. The bias power supply is stabilized.
しかしながら、内蔵抵抗の抵抗値を大きくすると、受光素子で発生する光電流により生じる電圧降下も大きくなる。その結果、強い光信号が入力された場合には、受光素子には十分なバイアス電圧が印加されなくなってしまう。十分なバイアス電圧が印加されない場合には、受光素子の光/電気変換効率が低下し、S/N比(信号/雑音比)が悪化してしまう。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、強い光信号が入力された場合でも十分なバイアス電圧の印加が可能な、安定で低雑音化された半導体受光素子及び光受信モジュールの提供を課題とする。
However, when the resistance value of the built-in resistor is increased, the voltage drop caused by the photocurrent generated in the light receiving element is also increased. As a result, when a strong optical signal is input, a sufficient bias voltage is not applied to the light receiving element. When a sufficient bias voltage is not applied, the light / electric conversion efficiency of the light receiving element is lowered, and the S / N ratio (signal / noise ratio) is deteriorated.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a stable and low-noise semiconductor light-receiving element and an optical receiver module capable of applying a sufficient bias voltage even when a strong optical signal is input. Is an issue.
本発明による半導体受光素子は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオードと、該フォトダイオードに直列に挿入される抵抗素子を集積化した半導体受光素子であって、抵抗素子に並列接続されたバイパスダイオードを備えた構成としたものである。このフォトダイオードは、InP基板上にN+−InGaAs層とi−InGaAs層とP+−InGaAs層を順次積層した層構造で形成され、バイパスダイオードも同じ層構造で形成し、ファイトダイオードの製造プロセスで同時に形成されるものである。また、抵抗素子、或いは容量素子は、InP基板上に集積一体化される。
また、本発明による光受信モジュールは、上述の半導体受光素子をダイキャップコンデンサ上に載置して、電気信号を増幅するプリアンプ集積回路と共にステム台上に搭載され、半導体受光素子の受光面に光を集光する集光レンズを備え、筐体内に収納する構成としたものである。
A semiconductor light receiving element according to the present invention is a semiconductor light receiving element in which a photodiode for converting an optical signal into an electric signal and a resistance element inserted in series with the photodiode are integrated, and a bypass connected in parallel to the resistance element. The configuration includes a diode. This photodiode is formed with a layer structure in which an N + -InGaAs layer, an i-InGaAs layer, and a P + -InGaAs layer are sequentially stacked on an InP substrate, and a bypass diode is also formed with the same layer structure. Are formed at the same time. In addition, the resistor element or the capacitor element is integrated and integrated on the InP substrate.
An optical receiver module according to the present invention is mounted on a stem base together with a preamplifier integrated circuit that amplifies an electric signal by placing the above-described semiconductor light receiving element on a die cap capacitor, and the light receiving surface of the semiconductor light receiving element It is set as the structure which is equipped with the condensing lens which condenses these, and accommodates in a housing | casing.
本発明では、内蔵抵抗と並列接続されるバイパスダイオードを設けることにより、内蔵抵抗の抵抗値を大きくし平滑回路の時定数を大きくするようにしても、強い光信号の入力時には、内蔵抵抗に流れる電流をバイパスさせることができる。この結果、内蔵抵抗による電圧降下を、バイパスダイオードの順方向電圧(0.7〜0.8V程度)以下に抑えることができ、フォトダイオードに対して十分なバイアス電圧を印加することができる。
また、バイパスダイオードは、フォトダイオードの層構造と同じ層構造とすることにより、フォトダイオードの製造プロセスで同時に形成することができるので、バイパスダイオードのための余分なプロセスを必要とせずに設けることができる。
In the present invention, even if the resistance value of the built-in resistor is increased and the time constant of the smoothing circuit is increased by providing a bypass diode connected in parallel with the built-in resistor, it flows through the built-in resistor when a strong optical signal is input. The current can be bypassed. As a result, a voltage drop due to the built-in resistor can be suppressed to a forward voltage (about 0.7 to 0.8 V) of the bypass diode, and a sufficient bias voltage can be applied to the photodiode.
Further, since the bypass diode can be formed simultaneously with the manufacturing process of the photodiode by adopting the same layer structure as that of the photodiode, the bypass diode can be provided without requiring an extra process for the bypass diode. it can.
図により本発明の実施形態を説明する。図1(A)は本発明による半導体受光素子の平面図、図1(B)は半導体受光素子内の回路構成を説明する図である。図中、51はフォトダイオード(PD素子)、52はバイパスダイオード(BD素子)、53は抵抗素子、54は容量素子、60a,60b,60c,60dは電極パッド、100は半導体受光素子を示す。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view of a semiconductor light receiving element according to the present invention, and FIG. 1B is a diagram illustrating a circuit configuration in the semiconductor light receiving element. In the figure, 51 is a photodiode (PD element), 52 is a bypass diode (BD element), 53 is a resistive element, 54 is a capacitive element, 60a, 60b, 60c and 60d are electrode pads, and 100 is a semiconductor light receiving element.
本発明による半導体受光素子100は、例えば、一辺が450μm程度の正方形状のチップで、中央部に受光径が100μmφ程度のフォトダイオード51(以下、PD素子という)が形成され、これに隣接して径が30μmφ程度のバイパスダイオード52(以下、BD素子という)が形成される。チップの4隅には、外部素子との電気接続を形成する電極パッド60a〜60dが形成され、これらの間に、抵抗素子53、容量素子54が形成されている。PD素子51はチップ中央に設けることが光結合効率の点で好ましいが、他の素子についてはPD素子51の機能を損なわない限り、その位置、形状、寸法等を制限するものではない。
The semiconductor
PD素子51の平面形状は、製造プロセスの面からは矩形形状が好ましいが、光の入射ビームの断面は大概円形であるので、PD素子51の受光面が矩形であると、その4隅が光学的に不活性領域化する。一方、この4隅の領域にも当然に、PD素子を構成する各半導体層には必要に応じ不純物のドーピングが行なわれるので、接合容量の増大を招く。このため、接合容量のみ増大し光学的には不活性の領域を生じることにもなるので、PD素子51の少なくとも受光面は、円形状が望ましいと言える。
The planar shape of the
電極パッド60a〜60dは、例えば、PD素子51のアノードに接続される電極パッドを60dとし、PD素子51のカソードと容量素子54の一方及び抵抗素子53の一方とに共通に接続される電極パッドを60bとする。また、BD素子52のアノードと抵抗素子53の他方とに共通接続する電極パッドを60cとし、容量素子54の他方を接続する電極パッドを60aとする。
The
各素子と電極パッドの接続を上述のように割り振ることにより、図1(B)に示すような回路構成となる。すなわち、抵抗素子53とBD素子52とが並列接続され、そのカソード側はPD素子51のカソード側の電極パッド60bとも共通接続される。この共通接続される電極パッド60bは、外部の外付のバイパスコンデンサに接続することで、チップ内の抵抗素子53とで平滑回路を形成することが可能となる。
By allocating the connection between each element and the electrode pad as described above, a circuit configuration as shown in FIG. 1B is obtained. That is, the
一方、PD素子51のアノード側の電極パッド60dは、外部回路のプリアンプに接続され、光信号に対応してPD素子内で発生したフォトキャリアにより光電流が取出される。抵抗素子53の一方とBD素子52のアノード側が共通接続された電極パッド60cには、外部のバイアス電源が接続され、PD素子51に所定のバイアス電圧が印加される。他方、容量素子54が接続されている電極パッド60aも外部回路と接続される。通常は接地接続されて、抵抗素子53により高周波特性に優れた平滑回路を構成することができる。
On the other hand, the
また、容量素子54に接続された電極パッド60aから、光信号入力に対応した信号を取出すことも可能である。すなわち、電極パッド60dから信号を取出す場合には、PD素子51を光伝導型デバイス(Photo Conductive Device)として使用することができ、容量素子54を介して電極パッド60aから信号を取出す場合には、光電型デバイス(Photo Voltaic Device)として使用することができる。後者の光電型デバイスとして用いるときは、PD素子51のアノード側の電極パッド60dを接地し、入力光による等価抵抗の変化を集積化抵抗との比として検出すればよい。
It is also possible to take out a signal corresponding to the optical signal input from the
次に、図2〜図4により各素子の構造について説明する。図2(A)は本発明によるPD素子51及びBD素子52の構造例を説明する断面図、図2(B)は他の例を説明する断面図、図3は抵抗素子の構造例を説明する断面図、図4は容量素子の構造例を説明する断面図である。図中、2は基板、3,3’はN+層、4,4’はi層、5,5’はP+層、6は保護膜、7a,7a’,7b,7cは電極、8、11は絶縁膜、9a,9b,12は配線導体、10は薄膜金属抵抗を示す。
Next, the structure of each element will be described with reference to FIGS. 2A is a cross-sectional view illustrating a structural example of the
図2(A)に示すように、基板2は、例えば、鉄(Fe)をドープした半絶縁性のInP基板で、この基板2上には、第1メサ形状のN+層3、i層4、第2メサ形状のP+層5が3層構造で積層される。第1メサ形状のN+層3は、基板のInPに格子整合するN+−InGaAsで形成される。i層4はi−InGaAsで形成され、故意に不純物を添加しない層であり、残留不純物の影響により、通常はN型で1014cm−3台のキャリア濃度を有する。第2メサ形状のP+層5は、例えば、亜鉛(Zn)をドープしたP+−InGaAsで形成され、メサ径は第1のメサ径よりも小さい。
As shown in FIG. 2A, the
そして、これらN+−InGaAs層3、i−InGaAs層4、P+−InGaAs層5の表面全体をi−InPの保護膜6により保護している。このi−InPの保護膜6の特性もi−InGaAs層4と同様である。InPの保護膜6によりこれら3層の表面を保護するのは、InGaAs材料と無機絶縁膜、特に窒化シリコン(SiN)膜との接合界面の特性が悪く、そこに界面準位が多数生成され、これら界面準位を介してN+−InGaAs層3とP+−InGaAs層5との間のリーク電流が発生するのを防ぐためである。光信号は、InP保護膜6を通って第2のメサの上面に入射し、P+−InGaAs層5内でほとんど減衰することなく通過し、i−InGaAs層4で吸収される。
The entire surfaces of the N + -
このi−InGaAs層4で吸収された光により電子−正孔対が生成され、P+−InGaAs層5、N+−InGaAs層3間に逆バイアス(N+−InGaAs層3が高電位)を印加しておくことにより、電子はN+−InGaAs層3に、正孔はP+−InGaAs層5にドリフトして光電流が生じる。P+−N+層間に逆バイアス、すなわち、N+層3が高電位となるようなバイアス電圧を印加しておくと、この電界はほとんどi−層4で消費される。i−層4のP+層5側が低電位、N+層3側が高電位となり、i−層4内で生成したフォトキャリアについて、それぞれへの電極への到達が加速され、高速動作が可能となる。
Electron-hole pairs are generated by the light absorbed by the i-
第2のメサの径は、30μmφ程度から数百μmφに設定される。一般に、P+−InGaAs層5とN+−InGaAs層3とは、間にi−InGaAs層4を挟む平行平板型のコンデンサを構成する。このコンデンサは寄生容量としてデバイスの高速動作の妨げとなる。したがって、このメサ径を大きくすると入射光との結合は容易となるが、寄生容量もその分増加して高速な光信号に応答できなくなる。しかし、メサ径が30μmφより小さい場合は、光結合効率の低下が著しく、集光のための光学部品の配置、及び、その位置精度の制約が厳しくなる。
The diameter of the second mesa is set to about 30 μmφ to several hundred μmφ. In general, the P + -
PD素子51のアノード側に対応する第2のメサ頂部、及びカソード側に対応する第1のメサ頂部には、InP保護膜6に開口部が設けられていて、この開口部にそれぞれ電極が形成される。以下、PD素子51のアノード側に設けられる電極をP電極7aとし、カソード側に設けられる電極をN電極7bとする。N電極7bとしてはAuGe/Niの合金が、P電極7aはリング状に形成され、Pt/Ti/Pt/Auの積層金属が用いられる。
Openings are provided in the InP
InP保護膜6の外表面は、SiNの絶縁膜8で全面を覆い、PD素子51の全体を保護している。SiN絶縁膜8の厚さは100nm〜200nm程度が好ましく、これより厚いと外部からの水分の浸入を抑止する等の保護機能が強化されるが、絶縁膜8と半導体材料との熱膨張係数が異なる場合は、両材料間に機械的な応力が発生し、PD素子51の受光特性に悪影響を与える。また、SiN絶縁膜8中の不純物により、入射光の一部が吸収されPD素子51の感度を劣化させる場合もある。
The outer surface of the InP
本発明におけるBD素子52は、PD素子51と同じ層構造で形成するのが好ましい。しかし、BD素子52の直径は、30μmφ程度とPD素子51に対して小さく形成するのが望ましい。すなわち、InP基板2上に第1メサ形状のN+層3’、i層4’、第2メサ形状のP+層5’の3層構造で積層される。第1メサ形状のN+層3’は、基板のInPに格子整合するN+−InGaAsで形成される。i層4’はi−InGaAsで形成され、故意に不純物を添加しない層であり、残留不純物の影響により、通常はN型で1014cm−3台のキャリア濃度を有する。第2メサ形状のP+層5’は、亜鉛(Zn)をドープしたP+−InGaAsで形成され、メサ径は第1のメサ径よりも小さい。
The
BD素子52の層構造を、PD素子51の積層構造、並びに、その材料、厚さ、キャリア濃度等も同じにすることにより、PD素子51の製造プロセスの中で、BD素子52を同時に形成することができ、BD素子52のための新たな製造プロセスを追加する必要がなくなる。また、BD素子52は、PD素子51のように入射光に反応させる必要がなく、むしろ入射光により余剰のキャリアが発生して雑音成分が生じるのは好ましくない。このため、その第2のメサの直径を小さくし、P電極7a’をメサの全面に形成して、光の入射を完全に遮断し、i−InGaAs層4’に到達するのを防止するようにする。
By making the layer structure of the
図2(B)は、PD素子51及びBD素子52だけが高くなるのを回避する構造例である。図2(A)の構造で、i−InGaAs層4で光を吸収する関係上厚く形成され、一般的には2μm前後である。後述する他の抵素子、容量素子は数百nm程度であるので、PD素子51及びBD素子52のみが突出することになり、チップ保護の面からはあまり好ましくはない。したがって、図2(B)では、厚めのInP基板2に、先ず、深さ2μm程度の凹部を形成し、この凹部中にPD素子51及びBD素子52(図ではBD素子は省略)を形成したものである。PD素子51の層構造は、図2(A)の場合と同じである。凹部は、通常のウエットエッチングにより容易に形成することが可能である。この構成を用いることにより、PD素子51及びBD素子52の高さを全体として一定に保つことが可能で、突出しないようにすることができる。
FIG. 2B is a structural example in which only the
また、図2(B)においては、PD素子51の電極7aへの配線は、配線導体9aで示すようなエアーブリッジ配線としている。エアーブリッジ配線を用いない場合には、配線導体9bで示すような形態で、配線はPD素子51の側壁に沿って凹部の底まで導かれ、次いで凹部の側壁に沿って基板表面まで持ち上げられ、4隅に設けられた電極パッド(図1参照)まで引き回される。
In FIG. 2B, the wiring to the
しかし、配線を一度凹部の底まで引き下ろすのは配線長が長くなるうえに、この凹部の底は、N+−InGaAs層3をInP保護膜6と絶縁膜8で覆っている状態にある。さらに、N+−InGaAs層3は電気的にバイパスコンデンサを介して接地されるので、この上を配線が通過する場合には、大きな寄生容量の影響を受けることにもなり、高速で信号を通過させるには不向きな構造となっている。したがって、エアーブリッジ配線を用いて、凹部の底を配線が通過しない構造とすることにより、高速な信号にも十分対応可能な半導体受光素子とすることができる。
However, once the wiring is pulled down to the bottom of the concave portion, the wiring length becomes long, and the bottom of the concave portion is in a state where the N + -
図3は、抵抗素子53の断面構造を示す図である。InP基板2上に絶縁膜8が形成され、その上に、例えば、NiCrSiを材料とする厚さ30nm程度の薄膜金属抵抗10が形成される。絶縁膜8は、PD素子51等を覆う無機の絶縁膜8と共通のものである。薄膜金属抵抗10上には、絶縁膜8とは別の絶縁膜11が形成されている。この絶縁膜11の厚さは200nm程度が好ましく、また、薄膜金属抵抗10のシート抵抗は120Ω/□程度である。なお、薄膜金属抵抗10の材料として、NiCrSiの他に、NiCrやTi、W、Ta、Mo等の希土類金属のシリサイド化合物も用いることもできる。また、Al等の純金属も10nm以下の極薄膜にすれば、薄膜金属抵抗10として用いることができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the
薄膜金属抵抗10には、配線導体12が形成されている。この配線導体12は、例えば、Ti/Pt/Auの多層金属で形成され、金属層の厚さは、例えば、それぞれ100nm/40nm/200nm程度とする。薄膜金属抵抗10は、シート抵抗値が小さいため、大きな抵抗値を必要とする場合は、アスペクト比の大きな金属抵抗を千鳥状に結合して得ることができる。図1(A)に示す例においては、複数のアスペクト比を有する抵抗素子4本を、配線導体12で電気的に接続し、約3kΩの抵抗を得ている。
A
図4は、容量素子54の断面構造を示す図である。InP基板2上の絶縁膜8に開口部を設け、この開口部にC電極7cを形成する。この電極は容量素子54の下側電極となるもので、PD素子51のP電極7aと同じ材料で、P電極7aの形成時に同時に形成される。C電極7cの上には、絶縁膜8とは異なる厚さが200nm程度の別の絶縁膜11が形成される。この絶縁膜11は、図3の薄膜金属抵抗10を覆う絶縁膜11と共通のものであり、同時に形成される。絶縁膜11には、開口部が設けられ、この開口部を介して配線導体12をC電極7cに電気的に接続する。
FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of the
また、配線導体12と接触しないように絶縁膜11を挟んでC電極7cと対向する領域にも、他の配線導体12が形成されている。このC電極7c、絶縁膜11、配線導体12の三層構造により平行平板型の容量素子54が形成される。その容量値は、絶縁膜11の誘電率と厚さで決定される。絶縁膜11として、SiNを用いた場合は、誘電率が3.8〜4.0程度の値で、また、その厚さは配線用の絶縁を兼ねているため、200nm程度となる。これらの条件下では、約0.18fF/μm2の容量素子を半導体受光素子のチップ内に作製することができる。
Further, another
なお、チップの大きさにもよるが、この形態でpF(数十μm□)のMIMコンデンサ(Metal−Insulator−Metalコンデンサ)まで集積化することが可能である。この容量素子54と、図3で説明した抵抗素子53とは、共にチップ内で集積化されることになるので、両者の配線長が短く(数十nm程度)でき、高周波特性に優れた平滑回路を構成することができる。
Although depending on the size of the chip, it is possible to integrate up to a pF (several tens of μm square) MIM capacitor (Metal-Insulator-Metal capacitor) in this form. Since both the
以上、PD素子51、BD素子52、抵抗素子53、容量素子54を半導体受光素子として1つのチップ内に集積一体化することにより、微弱で高速な光信号にも安定して的確に応答できる半導体受光素子を得ることができる。次に、上述した半導体受光素子の製造方法の概略を説明する。
As described above, by integrating and integrating the
図5〜図6は図2(A)に示した半導体受光素子の製造方法の一例を示す図、図7は図2(B)の例に対応させた製造例を示す図である。なお、これらの製造例を示す図で、BD素子52の形成は、PD素子51と同じ形態で同時に形成されるので省略してある。図中の符号は、図1〜図4で用いたのと同じ符号を用いることにより説明を省略する。
5 to 6 are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the semiconductor light receiving element illustrated in FIG. 2A, and FIG. 7 is a diagram illustrating a manufacturing example corresponding to the example of FIG. In the drawings showing these manufacturing examples, the formation of the
図5(A)は、半導体基体の製造例を説明する図で、基板として、鉄(Fe)を0.7〜0.8wtppmドープした半絶縁性のInP基板2が用いられる。この半絶縁性のInP基板2上に、Siを5.0×1018cm−3ドープしたN+−InGaAs膜3Aを厚さ300nm、不純物を故意にドープしないi−InGaAs膜4Aを厚さ約2μm、Znを2.0×1019cm−3ドープしたP+−InGaAs膜5Aを厚さ300nmで順次成長させる。この膜成長には、OMVPE(Organometallic Vapor Phase Epitaxy)等の周知の方法を用いることができる。
FIG. 5A is a diagram for explaining an example of manufacturing a semiconductor substrate. As the substrate, a
また、図2(B)の例の素子を作製する場合には、予め厚めのInP基板2についてPD素子及びBD素子が作製される領域を、深さ2μm程度エッチングにより凹部を形成しておく。エッチングはウエットエッチングを用いることで、凹部側面が基板表面に対して急峻になることを防ぐことができる。そして、基板2に凹部を形成した後に、上述した各層の膜を基板表面に順次成長させる。
In the case of manufacturing the element of the example of FIG. 2B, a recess is formed in advance in the region where the PD element and the BD element are manufactured on the
図5(A)に示す層構造の半導体基体を作製した後、P+−InGaAs膜5A上に、フォトレジスト等によりエッチングマスクを形成して、図5(B)に示すように、第2のメサをエッチング形成する。マスクの形状は、先に示したように円形、或いは八角形以上であることが好ましい。メサの径は、受光効率やPD素子の応答速度の関係で決定されるが、10Gbpsの応答速度を得ようとするには、30μmφ〜50μmφが一般的である。
After the semiconductor substrate having the layer structure shown in FIG. 5A is manufactured, an etching mask is formed on the P + -
エッチングは、P+−InGaAs膜5A、i−InGaAs膜4Aの両方を除去するように、すなわち、第2メサ以外の領域のi−InGaAs膜4Aの全てを除去するようにエッチング時間を調整する。i−InGaAsが残っていると、N+−InGaAs層3上に形成されるN電極7bとの接触抵抗が大きくなってしまう。また、エッチャントとしては、周知のリン酸系エッチャント(リン酸、過酸化水素水、水の混合液)を用いることができる。
In the etching, the etching time is adjusted so as to remove both the P + -
第2メサ形成用のエッチングマスクを除去した後、図5(C)に示すように、基体表面の全体に厚さ200μm程度の不純物を故意にドープしていないi−InP保護膜6Aを形成する。この保護膜6は第2メサの頂部及び側部の全体を覆い、これを保護する。メサを構成するInGaAsに対して、半導体以外の保護膜を用いた場合には、その界面に界面準位が多数形成され、この準位を介するリーク電流が発生してしまう。i−InP保護膜6を用いることにより、界面準位の発生を抑制することができる。
After removing the etching mask for forming the second mesa, as shown in FIG. 5C, an i-InP
InP保護膜6Aを形成した後、第2メサ全体を覆うようにエッチングマスクを形成し、N+−InGaAs膜3Aをエッチングすることにより、第1メサを形成する。このエッチングにより、PD素子とBD素子部以外のN+−InGaAs膜3Aは全て除去されるので、PD素子とBD素子との電気的絶縁が行なわれることとなる。また、図2(B)の例においては、基板凹部以外のN+−InGaAs膜は、この工程で全て除去される。第1のメサを形成しエッチングマスクをした後、図5(D)に示すように、全体を厚さ200nm程度のSiN絶縁膜8で覆い、保護絶縁する。SiN絶縁膜8は、周知のプラズマCVD等の方法を用いると、比較的低温度で成膜させることができるので、PD素子に与える影響を少なくすることができる。
After forming the InP
以上、2回のエッチングと保護膜6及び絶縁膜8の形成を経て、PD素子及びBD素子の主要部が作製される。この後、電極、配線導体等の作製を行なう。図6は図2(A)の半導体受光素子に対応するもので、図7は図2(B)の半導体受光素子に対応するものである。
As described above, the main part of the PD element and the BD element is manufactured through the etching twice and the formation of the
図6(A)に示すように、先ず、N電極7bの形成のため、N電極形成領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。このパターンにしたがってSiN絶縁膜8をRIE(Reactive Ion Etching)等の方法でエッチングし、次いで前記のパターンを残したままInP保護膜6を塩素系溶液でエッチングし、N+−InGaAs層3のN電極形成領域の表面を露出させる。この露出表面及びパターニングしたレジスト表面全体に、AuGeの共晶合金を原料としてこれを蒸着し、次いでNiを連続的に蒸着する。それぞれの金属の厚さはAuGeが100〜150nm、Niが30〜50nmである。蒸着後、レジストパターンを除去することで、レジスト上に付着した金属をリフトオフ除去し、開口部内にのみ金属パターンを残す。その後、約400℃で1分の熱処理(合金化)を行なうことで、N電極7bが形成される。
As shown in FIG. 6A, first, in order to form the
次いで、図6(B)に示すようにP電極7aの形成のため、第2メサ頂部のP電極形成領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。なお、このとき、P電極7aのパターンのみでなく、容量素子の下側電極となる電極(以下、C電極7cという)の領域にも開口部を設けたパターンとする。このレジストパターンに基づいてSiN絶縁膜8及びInP保護膜6をエッチングする。SiN絶縁膜8のエッチングにはRIE等の方法を用い、InP保護膜6のエッチングには塩素系エッチャントを用いることができる。
Next, as shown in FIG. 6B, in order to form the
SiN絶縁膜8、InP保護膜6に電極開口部を形成した後に、この開口部に対してPt/Ti/Pt/Auの多層金属をリフトオフ法により埋め込みP電極7aとする。この多層金属はP+−InGaAsに対しては熱処理を施すことなくオーミック特性を示す。同時に、その金属の主体がAuであるので、MIMコンデンサ(容量素子)の一方のC電極7cとして用いることができる。
After an electrode opening is formed in the
次いで、図6(C)に示すように、薄膜金属抵抗10を形成する。薄膜金属抵抗形成領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、下地のSiN絶縁膜8を深さ30nm〜50nm程度エッチングする。SiN絶縁膜8の全体の厚さは200nm程度あるので、このエッチングはSiN絶縁膜下のInP基板2が露出しない程度のエッチング量であれば、その深さは問題としない。その後、レジストパターンを残したまま、NiCrSi等の金属抵抗材料を周知の薄膜技術で付与し、リフトオフによりパターニングすることで、薄膜金属抵抗10を得る。
Next, as shown in FIG. 6C, a thin
以上で、半導体受光素子のチップ内に集積化する素子の作製が一応完了する。この後、図6(D)に示すように、各素子を電気的に接続する配線導体9c及び信号を外部に取出す、或いは外部からバイアス電圧を印加するための電極パッド(図示されず)を形成する。先ず、全面に絶縁膜8とは異なる第2のSiN絶縁膜11を厚さ300nm程度に、例えば、プラズマCVD等の周知の方法で形成する。このSiN絶縁膜11に対して、既に形成されているPD素子およびBD素子のN電極7b、薄膜金属抵抗10及び容量素子のC電極7cの電気接続領域に開口部を有するレジストパターンを形成する。そして、RIE等の方法でSiN絶縁膜11を、パターンにしたがってエッチングし、上述の電極及び電気接続領域の表面を露出させる。
Thus, the fabrication of the element integrated in the semiconductor light receiving element chip is completed. Thereafter, as shown in FIG. 6D, a
この後、一旦レジストを除去した後、図6(E)に示すように配線導体12を形成する。このときのレジストは配線導体12をリフトオフ法により形成する関係上、多層レジストであることが好ましい。すなわち、上層レジストに対して下層レジストがアンダーカットされている形状が好ましい。エッチングされたパターンにしたがって、Ti/Pt/Auの各層の厚さを100nm/50nm/300nmとする配線導体12を、上述の方法によりリフトオフ形成する。なお、これらの配線導体12は、抵抗素子53の引出し配線、容量素子54の下側電極の引出し配線及び上側電極を兼ねるものとなる。以上のプロセスにより、図1(A)の平面図に示される半導体受光素子が形成される。
Thereafter, after removing the resist once, the
次に、図7により、図2(B)のエアーブリッジ配線を用いた半導体受光素子に対する製造方法の一例を説明する。先ず、図7(A)に示すように、P電極7aの引出用の配線導体9dを形成するために、P電極面上に開口部を有するレジストパターンを形成する。この開口部、及びレジスト13上にTi/Auの金属層15を厚さ50nm/100nm程度で形成する。レジスト13は、InP基板2に形成した凹部を埋めるように平坦化されて塗布されているので、レジスト表面に段差部は生じない。
Next, an example of a manufacturing method for the semiconductor light receiving element using the air bridge wiring of FIG. 2B will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 7A, in order to form a
次いで、図7(B)に示すように、レジスト13を除去することなく再度新たなレジスト14により配線導体9dを形成する。新たなレジスト14は、配線導体形成部に開口部を有し、この開口部の底には先に形成したTi/Auの金属層15が露出している。その後、ウエハ全体の表面にAuの電界メッキを施す。メッキ金属は、金属層15が露出している部分のみに堆積して配線導体9dとなるが、レジスト14上には堆積されない。
Next, as illustrated in FIG. 7B, the
メッキ終了後、レジスト14を溶剤により除去すると、レジスト14の開口部に形成された配線導体9dが、さらにレジスト13上のTi/Auの金属層15が露出する。その後、メッキで厚く形成された配線導体9d以外のレジスト13上の金属層15は、Auをミリング等の方法により除去し、Tiをフッ素系ガスを用いたRIE等の方法により全て除去する。金属層15のAuをミリングする際に、メッキで形成された配線導体のAuもミリングされるが、その厚さが厚いため、レジスト13上のAuを全てミリングしても、配線導体9dは、機能を損なわない十分な厚さで残される。次いで、金属層15を除去した後はレジスト13が露出する。最後に、InP基板2の凹部を埋めていた個所も含めてレジスト13を除去することで、図7(C)に示されるようなエアーブリッジ配線を形成することができる。
When the resist 14 is removed with a solvent after the plating is finished, the
次に、上述した半導体受光素子を用いた受光モジュールについて説明する。図8は本発明による受光モジュールの概略を説明する図で、図中、100は半導体受光素子、110はステム台、120は筐体、130は集光レンズ、140はリードピン、150,155はダイキャップ(平行平板コンデンサ)、160はプリアンプIC、170はガラス封止部を示す。 Next, a light receiving module using the semiconductor light receiving element described above will be described. FIG. 8 is a diagram for explaining the outline of the light receiving module according to the present invention, in which 100 is a semiconductor light receiving element, 110 is a stem base, 120 is a housing, 130 is a condensing lens, 140 is a lead pin, and 150 and 155 are dies. A cap (parallel plate capacitor), 160 is a preamplifier IC, and 170 is a glass sealing part.
受光モジュールは、上述した本発明による半導体受光素子100をステム台110上に実装し、筐体120に支持された集光レンズ130で集光した光信号を受光するように構成される。ステム台110は、厚さ0.3mm程度の金属製の円盤等で形成され、その内面上に平行平板コンデンサを構成する第1のダイキャップ150及び第2のダイキャップ155が設けられている。ダイキャップ150,155は、例えば、矩形形状で下面側は全面接地の電極で形成され、上面側は複数の分割電極で形成し、中央のダイキャップ150の上面側電極の1つに半導体受光素子100を搭載する。このような実装形態を用いることにより、実装面積が限られているステム台110上に、ダイキャップ、受光素子、プリアンプIC等を効率的に実装することができる。
The light receiving module is configured to mount the above-described semiconductor
ステム台110は、複数本のリードピン、例えば、140a〜140eの5本を備え、これらの内の4本のリードピンはガラス封止部170等により、電気絶縁されて取付固定される。残りの1本のリードピンは、ステム台110に直接固定して接地電位とすることができる。ステム台110から内部(上面)に突き出る絶縁されたリードピンは、搭載部品と電気的に接続される。
The stem table 110 includes a plurality of lead pins, for example, five of 140a to 140e, and four of these lead pins are electrically insulated and fixed by a
筐体120は、金属製で厚さ0.2mm程度のコバール(Fe−29Ni−17Co合金)で形成することができる。筐体120の中央部には集光レンズ130が設けられており、光ファイバ(図示されず)等の端面から出射された光信号を、半導体受光素子100の受光面で効率よく受光できるように集光させる。なお、図では球状レンズを用いた例を示してあるが、球状レンズに限らず非球状レンズ、フレネルレンズ等も同様に用いることができる。また、筐体の材料も金属に限らず、樹脂で形成されたものでもよい。
The
ステム台110と筐体120との接合は、抵抗加熱、レーザ溶接等を用いることができ、筐体120が樹脂で形成されているような場合は、接着剤を用いることもできる。また、筐体120が金属製であっても、樹脂製であっても、上面側に光ファイバの光軸を決めるフェルールを受納するスリーブが取付けられる。スリーブと筐体120との間もレーザ溶接や接着剤等で接合される。光ファイバの先端に取付けたフェルールをスリーブに挿入し、光ファイバの光軸と半導体受光素子100の受光面の光軸とを、実際に光ファイバ端から光を出射させながら調整した後,レーザ溶接や接着剤等により接合固定することで、光ファイバとの光結合がはたされる。
For joining the
半導体受光素子100に隣接して、電流変換された光信号を増幅するプリアンプIC160が搭載されている。このプリアンプIC160は、Siを主材料とするIC、GaAs等の化合物半導体を主材料とするICのいずれも使用可能である。プリアンプIC160で増幅された信号は、相補的な信号に変換されて対向するリードピン140a,140bからモジュール外部に引出されている。プリアンプIC160の幾つかのパッドは、直接ステム台110上にワイヤボンディングされ、アース電位とされる。また、他の複数のパッドは、第1のダイキャップ150上の分割電極の1つを介して電源用の1つのリードピン140cに接続されている。
A
ダイキャップ150の上面電極は複数に分割されるが、そのうちの1つの電極に半導体受光素子100の共通端子(図1の60bを参照)に接続され、抵抗素子53との間で平滑整流回路を構成し、PD素子51に印加されるバイアス電源の安定化、低雑音化を実現する。また、分割された他の電極には、プリアンプIC160への供給電源のバイパスコンデンサとして用いることができる。すなわち、リードピン140cからボンディングワイヤで、先ず分割電極の1つに接続し、次いで、同じ電極とプリアンプIC160の電源パッドの間をボンディングワイヤで接続することで、プリアンプIC160の電源をバイパスすることができる。
The upper surface electrode of the
ステム台110上に搭載される第2のダイキャップ155は、半導体受光素子100のBD素子52のアノード端子(図1の60cを参照)をバイパスするために用いられる。すなわち、リードピンの1つとこの第2のダイキャップ155の表面電極とをボンディングワイヤで接続し、次いで、この表面電極と上記のBD素子52のアノード端子と接続する。このような形態とすることで、半導体受光素子100に供給される電源をバイパスできることとなり、半導体受光素子100に内蔵される抵抗素子と第1のダイキャップ150の一部分とで構成される平滑回路と合わせ、半導体受光素子100への電源の安定化、低雑音化をさらに図ることができる。
The
上述した受光モジュールは、その大きさは、例えば、半導体デバイスに用いられるパッケージの規格であるTO−5等に準拠するものが一般的であるが、さらに径を小さくした独自のサイズのものにも用いることができる。 The size of the light receiving module described above is generally compliant with, for example, TO-5, which is a standard for packages used in semiconductor devices, but it is also of a unique size with a smaller diameter. Can be used.
2…基板、3,3’…N+層、4,4’…i層、5,5’…P+層、6は保護膜、7a,7a’,7b,7c…電極、8、11…絶縁膜、9a,9b,9c,9d,12…配線導体、10…薄膜金属抵抗、13,14…レジスト、15…金属層、51…フォトダイオード(PD素子)、52…バイパスダイオード(BD素子)、53…抵抗素子、54…容量素子、60a,60b,60c,60d…電極パッド、100…半導体受光素子、110…ステム台、120…筐体、130…集光レンズ、140…リードピン、150,155…ダイキャップ(平行平板コンデンサ)、160…プリアンプIC、170…ガラス封止部。 2 ... substrate, 3, 3 '... N + layer, 4, 4' ... i layer, 5, 5 '... P + layer, 6 is protective film, 7a, 7a', 7b, 7c ... electrode, 8, 11 ... Insulating film, 9a, 9b, 9c, 9d, 12 ... wiring conductor, 10 ... thin film metal resistor, 13, 14 ... resist, 15 ... metal layer, 51 ... photodiode (PD element), 52 ... bypass diode (BD element) 53 ... resistive element, 54 ... capacitance element, 60a, 60b, 60c, 60d ... electrode pad, 100 ... semiconductor light receiving element, 110 ... stem base, 120 ... housing, 130 ... condensing lens, 140 ... lead pin, 150, 155 ... Die cap (parallel plate capacitor), 160 ... Preamplifier IC, 170 ... Glass sealing part.
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