JP2005167043A

JP2005167043A - 受光装置

Info

Publication number: JP2005167043A
Application number: JP2003405410A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ito; 弘伊藤; Tomoshi Furuta; 知史古田; Fumito Nakajima; 史人中島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】受光素子を光入射端面から離れた位置に配置した場合でも、受光効率を向上させる。
【解決手段】半導体基板１の端面に、半導体基板１の表面から離れるに従い斜め表面方向を向いて外側に傾斜した光入射端面１０を設け、かつ半導体基板１の裏面に高反射率膜１２を設け、光入射端面１０から入射した信号光が光入射端面１０で屈折し高反射率膜１２で全反射した後に受光素子１４の吸収層５に対し斜め下面から入射するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子と光入射端面との間の距離が大きい場合でも受光素子の受光効率を向上させることができる受光装置に関するものである。

フォトダイオードに代表される受光素子は信号光を電気信号に変換する機能を有し、光通信や光測定などの分野で幅広く使われいる。近年、高周波信号で変調された信号光をフォトダイオードで直接光電変換し、高周波電気信号を発生させる技術が注目されている。この技術によれば、従来の電気部品のみで構成したものに比べ極めて広い周波数帯域の信号を発生させることが可能となるばかりでなく、装置構成を簡易・軽量化できると共に、極めて高い周波数の信号でも低損失な光ファイバで長距離伝送することが可能となる。

このような構成において、フォトダイオードから効率的に電磁波を放射させるために、受光素子とアンテナとをモノリシック集積化した素子が実現されている。特に、光部品の広帯域性を生かす上では、いわゆる準光学結合型の平面型広帯域アンテナを用いるのが好適である。平面型広帯域アンテナとしては様々なものが報告されている。

図５にその一例として、受光素子とログペリオディックアンテナを集積化した構成を示す（非特許文献１）。中心に置かれた受光素子２１に対し、平面形状のアンテナ電極２２，２３が集積化されている。ここでは、アンテナ電極２２，２３の形状の詳細は省略して記載しているが、実際には共振周波数に応じた櫛形の形状を有している。このような素子では、受光素子２１の周辺に配線電極２４，２５等が存在するため、光入射端面を素子近傍に設けることが困難であった。また、電磁波は誘電率の高い半導体基板２６の方向へ主に放射されるため、半導体基板２６の下面に信号光を導入する構造を形成することも困難であった。従って、従来の構成では、信号光は半導体基板２６の上面から入射させるようにしていた。

しかしながら、一般に受光素子２１に対して上部から信号光を垂直に入射させる構成では、信号光が受光素子２１の吸収層を通過する長さが相対的に短くなるため、受光効率が低いという問題があった。また、上面入射型の受光素子ではリング状の電極が多用されているが、このような構成では寄生抵抗が大きくなり、帯域が制限されてしまうという問題もあった。また、高出力化に不向きであることも問題であった。

一方、上面からの入射信号光３２を一旦半導体基板２６の裏面の高反射率膜２７で反射し、半導体基板２６の裏面方向から受光素子２１に入射させる構成（図６）も実現されている（非特許文献１）が、この構成では、上面のアンテナ電極２２，２３の部分が信号光の一部を遮る（図７）ため、本質的に受光効率を上げられないという問題があった。なお、図６、図７において、ｐ型電極層２８、ｐ型吸収層２９、ｉ型走行層３０、ｎ型電極層３１は受光素子２１を構成する。

これらに対し、素子の端面から信号光を入射する受光素子の構成も提案されており、帯域を高く保ったまま受光効率を増大できることが報告されている（特許文献１）。
H.Ito et al.,"Photonic Mi11imeter-Wave Emssion at 300GHz using an Antenna-Integrated Uni-Travelling-Carrier Photodiode"Electronics Letters,15th August 2002,Vol.38,No.17,p.989-990. 特開平１０−１９００４２号公報

しかし、特許文献１に記載のような端面入射型の受光装置では、受光素子近傍（数十μｍ程度）に信号光が入射する基板端面を配置する必要があり、比較的寸法の大きい平面アンテナを受光素子とモノリシック集積化することが困難であった。以上のように、広帯域平面型アンテナを集積化した受光素子においては、受光素子の効率を向上させることができないという問題があった。

本発明の目的は、受光素子を寸法の大きい平面アンテナと集積化した場合でも、また受光素子を光入射端面部から離れた位置に形成した場合でも、受光効率を向上させることができるようにした受光装置を提供することである。

請求項１にかかる発明の受光装置は、半導体基板と該半導体基板の表面に設けられ吸収層を有する受光素子とを具備する受光装置において、前記半導体基板の端面の全面もしくはその一部に、前記半導体基板の前記表面から離れるに従い斜め前記表面方向を向いて外側に傾斜した光入射端面を設け、かつ前記半導体基板の裏面に第１の全反射面を設け、前記光入射端面から入射した信号光が、前記光入射端面で屈折し前記第１の全反射面で全反射した後に前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の受光装置において、前記半導体基板の前記表面に第２の全反射面を設け、前記光入射端面から入射した信号光が、前記光入射端面で屈折し前記第１の全反射面と前記第２の全反射面で全反射した後に前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする。

請求項１にかかる発明の受光装置によれば、光入射端面を受光素子から離れた位置に形成することができ、受光素子を寸法の大きい平面アンテナと集積化した場合でも、受光素子の受光効率を向上させることが可能となる。また、請求項２にかかる発明の受光装置によれば、光入射端面を受光素子からさらに遠くに離れた位置に形成した場合でも、素子の受光効率を向上させることが可能となる。

本発明では、半導体基板の端面に、半導体基板の表面から離れるに従い外側に傾斜した光入射端面を設け、かつ半導体基板の裏面を全反射面とし、光入射端面から入射した信号光が光入射端面で屈折し全反射面で全反射した後に受光素子の吸収層に対し斜め下面から入射するようにする。以下、詳しく説明する。

図１は実施例１の受光装置の断面図、図２は斜視図であって、１は半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板、２はｎ型ＩｎＰからなる電極層、３はアンドープＩｎＰからなるキャリア走行層（ｉ型走行層）、４は信号光を吸収するｐ型ＩｎＧａＡｓからなる吸収層、５はｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる電極層（組成：波長１．３μｍ相当）、６，７は配線電極、８，９はアンテナ電極、１０は半導体基板１の端部に形成された光入射端面、１１は入射信号光である。また半導体基板１の裏面には全反射面として機能する高反射率膜１２が堆積されている。なお、本発明の構成には直接関係しないため、ここでは受光素子の層構成や電極構成は簡略化して記述しているが、ｎ型電極層２、ｉ型走行層３、ｐ型吸収層４、およびｐ型電極層５により受光素子１４が構成されている。また、光入射端面１０は、半導体基板１の表面側から離れるに従い斜め上方を向いて外側に傾斜している、つまりその光入射端面１０は半導体基板１の表面側を向いて傾斜している。

光入射端面１０から半導体基板１に平行に入射した入射信号光１１は、光入射端面１０で屈折して半導体基板１の裏面方向へ曲げられる。そして、半導体基板１の裏面に形成された高反射率膜１２で全反射されて、受光素子１４のｐ型吸収層４に斜め下面から入射する。従って、ｐ型吸収層４を通過する光路長が増大し、半導体基板１の面に垂直に信号光を入射させた場合に比べ、受光効率を２倍以上に増大させることができる。

ここで、ｎ型ＩｎＰからなる電極層２の屈折率は３．１７、半導体基板１の厚さは３００μｍ、半導体基板１の光入射端面１０の半導体基板１の表面に対する角度は５４．７度である。この条件で、半導体基板１の表面の近傍で光入射端面１０に入射信号光１１が入射すると仮定すると、受光素子１４の最適な位置は、半導体基板１の光入射端面１０から約１４３０μｍの位置になる。

すなわち、半導体基板１の厚さに対し、受光素子１４から約５倍の距離だけ離れた位置に光入射端面１０を設けることが可能となる。これは、従来素子に比べると数十倍離れた位置に相当する。このように、本実施例１によれば、光入射端面１０を受光素子１４から離した場合でも、受光効率の向上が可能となる。

図３は実施例２の受光装置の断面図、図４はその斜視図であって、実施例１と異なる点は、半導体基板１の表面にも、高反射率膜１３を配置した点である。光入射端面１０で屈折し、半導体基板１の裏面の高反射率膜１２で全反射した信号光は、半導体基板１の表面側の高反射率膜１３で全反射し、もう一度裏面の高反射率膜１２で全反射されてから、受光素子１４の吸収層４に斜め下面から入射する。

このような構成とすることで、受光素子１４と光入射端面１０の間の距離を実施例１のさらに２倍程度に離すことが可能となる。すなわち、半導体基板１の厚さが３００μｍ、光入射端面１０の半導体基板の表面に対する角度が５４．７度の場合、入射信号光１１が半導体基板１の表面の近傍で入射すると仮定すると、最適な受光素子１４の位置は、光入射端面１０から約２８６０μｍだけ離れた位置となる。これは、半導体基板１の厚さに対し約１桁、従来の素子と比べると２桁程度離れた位置となる。このように、本実施例２によれば、光入射端面１０を受光素子１４からより遠くに離した場合でも、受光効率の向上が可能となる。

以上のような技術思想に基づき全反射の回数を増やすことで、さらに光入射端面１０から受光素子１４までの距離を伸ばすことも可能であるが、受光素子１４に信号光を絞って入射させるためには、さらなる長焦点のレンズを用いる必要が生じるため、物理的には一定の限界がある。

半導体基板１の厚さは、上記の実施例１，２で述べた３００μｍ以外にも様々なものを選択することができるが、５０μｍから１０００μｍの範囲の厚さが好適である。その理由は、５０μｍ以下になると機械的強度が保てないため素子作製が困難になることと、光入射端面１０からの距離が稼げなくなるためである。また、１０００μｍ以上になると、コスト的に問題があること、受光素子１４の位置が光入射端面１０から遠くなり過ぎること、受光素子１４を含む全体のチップ化が困難になること等である。

また、半導体基板１の厚さは、１００μｍ以上であることがさらに好適である。その理由は、機械的強度が素子プロセス上十分となり、チップの作製歩留まりが向上するためである。

また、半導体基板１の厚さは、５００μｍ以下であることがさらに好適である。その理由は、チップの劈開が容易なためである。なお、半導体基板１の厚さと、光入射端面１０の角度と、光入射位置に応じて、受光素子の位置が定まる。

上記した実施例１，２における受光素子１４の構成は簡略化して記述したものであり種々の変更が可能であるが、受光素子１４としては単一走行キャリア型フォトダイオードを用いるのが、高周波化や高出力化の観点から好適である。また、ｐｉｎ型フォトダイオード、アバランシェ型フォトダイオード、ＵＴＣ型フォトダイオードなど種々のフォトダイオードを用いることもできる。

上記した実施例１，２では、全反射面には高反射率膜１２，１３を堆積したが、全反射条件を満足する場合には、半導体基板１の表面を単に鏡面加工するだけでも良い。実施例１，２の反射角条件においては、半導体基板１の材料の屈折率が約２．８８以上であれば全反射条件を満足するので、例えば半導体基板１の材料としてＩｎＰを用いる上記実施例１，２の場合では、高反射率膜１２，１３の堆積を省略することができる。なお、高反射率膜１２，１３の材料としては、誘電体多層膜など公知の様々な材料を用いることができる。

光入射端面１０の半導体基板１の表面に対する角度を制御性、再現性良く形成するためには、化学エッチングを用いて特定の面でエッチングを停止させる手法が好適である。エッチングを止める面としては（１１１）Ａ面を用いるのが好適であり、（０１１）方向で半導体基板１の表面に対する角度は約５４．７度となる。このような化学エッチング液としては、塩酸、ブロムメタノール、シュウ酸あるいはそれらを基本とした溶液が用いられるが、同様の性質を有する他の溶液であっても良い。

光入射端面１０のエッチング探さについては、実施例１，２では半導体基板１の裏面までエッチングした構成を示したが、半導体基板１を厚さ方向の途中までエッチングし、その後劈開により素子を分離する手法を用いることもできる。

アンテナ電極８，９としては、ログペリオディックアンテナの例を示したが、ログスパイラルアンテナやボウタイアンテナなど、他の形状のアンテナを用いることもできる。

受光素子１４を構成する材料としては、上記実施例１，２ではＩｎＰからなる半導体基板１に格子整合するＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）系を用いたが、ＩｎＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ／ＧａＡｓＳｂなどのＩｎＰに格子整合する他の材料系、ＡｌＧａＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓなどのＧａＡｓに格子整合する材料系、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどのＧａＮに格子整合する半導体材料の組み合わせなどや、格子不整合系材料など、通常の半導体材料の組み合わせを用いることもできる。

実施例１の受光装置の断面図である。実施例１の受光装置の斜視図である。実施例２の受光装置の断面図である。実施例２の受光装置の斜視図である。従来の受光装置の断面図である。図５のＡ−Ａ’線断面図である。図５のＢ−Ｂ’線断面図である。

符号の説明

１：半導体基板
２：ｎ型電極層
３：ｉ型走行層
４：ｐ型吸収層
５：ｐ型電極層
６，７：配線電極
８，９：アンテナ電極
１０：光入射端面
１１：入射信号光
１２，１３：高反射率膜

Claims

半導体基板と該半導体基板の表面に設けられ吸収層を有する受光素子とを具備する受光装置において、
前記半導体基板の端面の全面もしくはその一部に、前記半導体基板の前記表面から離れるに従い斜め前記表面方向を向いて外側に傾斜した光入射端面を設け、かつ前記半導体基板の裏面に第１の全反射面を設け、前記光入射端面から入射した信号光が、前記光入射端面で屈折し前記第１の全反射面で全反射した後に前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする受光装置。
請求項１に記載の受光装置において、
前記半導体基板の前記表面に第２の全反射面を設け、前記光入射端面から入射した信号光が、前記光入射端面で屈折し前記第１の全反射面と前記第２の全反射面で全反射した後に前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする受光装置。