JP2007013202A - 光検出器が集積可能な光結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の内部に全反射／無反射面を備えるエッチング構造複合体を形成して入射光との結合効率および光検出素子の感度を向上させた光結合装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る光結合装置は、所定の領域上に光検出器３０が装着される基板１０と、基板１０の内部に形成され、第１の所定角をもつように全反射コーティングが施された全反射面５１および第２の所定角をもつように無反射コーティングが施された無反射面５２を備えたエッチング構造複合体とを含む。外部から入射した光は、全反射面５１で反射された後、無反射面５２に伝達されてこれを通過して光検出器３０へ伝達される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器が集積可能な光結合装置に係り、特に、基板の内部に全反射／無反射面を備えるエッチング構造複合体を形成して入射光との結合効率および光検出素子の感度（responsivity）を向上させた光結合装置に関する。

最近、光検出器は、有線・無線通信によって伝送されるデータ量の急速な増加と映像処理システムの高解像度化などに対する要求により、数十ＧＨｚ〜数百ＧＨｚの超高速動作特性および高感度特性が求められている。

また、光検出器は、超高速動作特性の達成のために小型化および薄い光吸収層が使用されているが、これにより光検出器の効率／感度が減少する傾向がある。したがって、外部から入力される光を光検出器に効果的に連結させ、高速で動作する光検出器の感度を増加させる技術開発が切実に要求されている。

外部の光伝達装置と光検出器の結合効率を高めるための結合装置としてこれまで知られたものには、傾いた界面における屈折率の効果を用いた装置（refracting-facet photodetector）、光導波路を使用する方法（waveguide photodetector）、モードサイズ変換器（spot-size converter）を集積する方法などがあり、全反射面を用いて光吸収層内で光経路を長くする方法などがある。また、光吸収層を含む活性層の上下に高反射ミラーを形成して光結合の効率および感度を増進させる光共振空洞（resonant-cavity）光検出器があるが、ミラー積層のためのエピー構造が複雑で難しく、費用が増加するうえ、狭帯域の波長選択性（wavelength selectivity）に制約を受けるという欠点がある。

一方、傾いた界面を用いた光結合効率改善に関連した従来の技術としては、Ｇｅｎｔｎｅｒなどの特許文献１と２０００年のＮｏｒｉｍａｔｓｕなどの特許文献２に開示された発明を代表的に挙げることができる。

特許文献１の発明は主に光導波路構造に関するものであって、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体である一つ或いは２つの非吸収光導波路を形成して減衰場による結合（evanescent coupling）、或いはエッチング面における反射による光検出器との結合を図っている。この際、用いられたエッチング面は、光導波路の終わり部分に形成され、導波路に沿って進行していた光が反射されて光検出器の部分に入射できるようにしている。

特許文献２は、境界面における屈折率の効果を用いて光結合の効率を高めるもので、この発明は、一つのエッチング面から屈折されて入った光が、他のエッチング面で反射されて光検出器に入射する構造に関するものである。

米国特許第４，８９３，１６２号明細書 米国特許第６，０４９，６３８号明細書

上述したＧｅｎｔｎｅｒ等の発明では、光導波路と外部光との結合方法に、Ｎｏｒｉｍａｔｓｕ等の発明では、屈折率の効果を用いた入射面になるエッチング面と外部光との結合部分に依然として改善の余地が残っている。また、これらの発明において、外部光と光検出器との光結合時には側面入射或いは背面入射方式にのみ依存しているため、パッケージングを行うとき、選択可能な整列方法が制限されるという問題点がある。

本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、側面入射型光検出器または表面入射型光検出器のいずれにも集積して使用することが可能なエッチング構造複合体を提供することにある。

本発明の他の目的は、全反射／無反射面の組合せを用いて光結合の効率および感度を高めるエッチング構造複合体を含む光結合装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、新しい方式によって光導波路と外部光との結合方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、エピー面に垂直に入射した入射光による光導波路との結合を可能にすることにより光整列を容易にし、背面入射（bottom-side illumination）が必要な構造においても上部からの入射による光結合を可能にする構造を提供することにある。

上記目的を達成するための技術的手段として、本発明の一側面は、所定の領域上に表面入射型光検出器が装着される基板と、前記基板に対して平行に形成され、入射光を通過させる第１無反射面、入射した光が第１の所定角で全反射されて前記光検出器へ伝達できるようにコーティングされた第１全反射面、並びに前記光検出器に吸収されず電極金属とエピー層との界面で反射された光をさらに前記光検出器に伝達するための第２全反射面および第３全反射面を備えたエッチング構造複合体とを含んでなるが、外部から入射した光は、前記第１無反射面を通過し、前記第１全反射面で反射されて前記光検出器へ伝達されて吸収され、前記光検出器に吸収されないで反射された光は、前記第２全反射面を経て、基板に平行な第３全反射面で反射された後、再び第２全反射面を経て前記光検出器に再吸収されることを特徴とする光検出器が集積可能な光結合装置を提供する。

本発明の光結合装置によれば、表面入射型光検出器または側面入射型光検出器のいずれにも集積可能な光結合装置を提供することができる。

また、超高速化のために小さくなる光検出器を本発明の光結合装置に集積して活用することにより、入射光と光検出器の光結合効率および感度を向上させることができる。

また、エッチング構造複合体は、光検出器と同一のエピー構造で製作することにより、
工程から再成長過程を省略できるようにすることが可能である。

一方、成長面に垂直に入射する入射光による光導波路との結合を可能にすることにより、光整列を容易にすることができるうえ、背面入射が必要な構造でも上部からの入射による光結合を可能にすることにより、フリップ−チップ結合などのパッケージング方法を回避することができ、パッケージングの難易度を大幅に低下させることができ、低コストで光検出器の感度を増加させることができるという効果がある。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、様々な変形実施が可能である。但し、これらの実施例は本発明の開示を完全にし、当該分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。

まず、図１を参照して本発明の好適な実施例に係る光検出器が集積可能な光結合装置を詳細に説明する。

光結合装置は、所定の領域に光検出器が装着される基板１０、および基板１０の内部にコーティングによる全反射面５１および無反射面５２を備えたエッチング構造複合体を含んでなる。全反射面５１は入射光を反射し、無反射面５２は全反射面５１から反射された入射光を受けてこれを通過させて光検出器３０へ伝達する。全反射面５１は基板の下部面を基準として第１傾斜角を持つように構成することが可能で、無反射面５２は基板の下部面を基準として第２傾斜角を持つように構成することが可能である。

好ましくは、全反射面５１は全反射（total reflection：ＴＲ）特性をもつ面にコーティングし、無反射面５２は無反射（anti-reflection：ＡＲ）特性を有する面にコーティングする。これらのエッチング面５１、５２は適切なエッチングマスクとエッチング方法（ドライエッチング、ウェットエッチング）を用いて所望の形に製作することができる。

一方、光結合装置の全反射面５１に入射光が入って略全反射され、無反射面５２を介して光検出器３０に伝達される際、無反射面５２を通過した光は屈折または直進して殆ど反射されず、直・間接的に光検出器３０の光吸収層に伝達される。

光検出器３０は、特に限定されず様々な種類を使用することが可能で、例えば表面入射型（surface-illuminated）光検出器と側面入射型（edge-coupled）光検出器などが全て含まれ、平面型／光導波路型ｐ−ｉ−ｎ光検出器（planar/waveguide p-i-n photodetector）、光共振空洞型／光導波路型アバランシェ光検出器（resonant cavity/waveguide avalanche photodetector：ＲＣ／ＷＧ−ＡＰＤ）、分布された速度整合型光検出器（velocity matched distributed photodetector：ＶＭＤＰ）、単一および周期的配列型単一走行キャリア光検出器（single/periodically-distributed unitravelling carrier photodetector：ｓ／ｐ−ＵＴＣ−ＰＤ）など、または金属−半導体−金属光検出器（metal-semiconductor-metal photodetector：ＭＳＭ−ＰＤ）などが例として挙げられる。勿論、光検出器３０は１つ以上製作して基板上の所定の部分に装着することが可能である。

次に、傾斜面にコーティングが可能な材料の一例を考察する。全反射面５１を全反射または高反射可能に製造するためには、Ａｕ、Ａｇなどの金属膜、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＣｅＯ_２、ＣｅＦ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＺｎＳなどの単一誘電体薄膜、またはこれらの組合せで構成される多重膜の形で蒸着する。無反射面５２を無反射可能に製造するためには、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＣｅＯ_２、ＣｅＦ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＺｎＳなどの誘電体薄膜を単一膜、二重膜またはそれ以上の多重膜の形で蒸着する。
全反射面５１／無反射面５２はフォトリソグラフィを用いて選択的に製作することができる。コーティングの厚さは各物質の屈折率と入射光の波長および入射角によって決定され、一例としてＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２を用いた無反射膜の場合、１．５５μｍ波長光の垂直入射に対してコーティングの厚さは約２０００オングストロームである。

基板１０の内部にエッチング構造複合体を形成する方法としては、例えばＩｎＰ基板の場合、ＨＢｒ系列またはＨＣｌ系列のエッチング液を使用することができる。この際、エッチングマスクの方向、ドライエッチングとウェットエッチング方式の組合せによって様々な傾斜角を有する傾斜面を製作することが可能である。傾斜角（エッチング角度）（θ_１、θ_２）は使用するエッチング液とエッチングマスクの整列方向などに応じて変化させることができ、一例としてマスクの方向が

の場合、ＩｎＰ基板を用いてＨＣｌ系エッチング液を使用すると３５°の傾斜角を、ＨＢｒ系エッチング液を使用すると５４．７°のエッチング角度を得ることができる。このような傾斜角を用いると、エッチング構造複合体の形成例を製造することができる。図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例に係るエッチング構造複合体の形成例を示す図である。

図２（ａ）はエッチング構造複合体の第１傾斜角（θ_１）と第２傾斜角（θ_２）の大きさが両方とも３５°の場合を示し、図２（ｂ）はエッチング構造複合体の第１傾斜角（θ_１）と第２傾斜角（θ_２）の大きさが両方とも５４．７°の場合を示し、図２（ｃ）はエッチング構造複合体の第１傾斜角（θ_１）の大きさが３５°で、第２傾斜角（θ_２）の大きさが９０°の場合を示し、図２（ｄ）はエッチング構造複合体の第１傾斜角（θ_１）の大きさが４５°で、第２傾斜角（θ_２）の大きさが９０°の場合を示している。

次に、本発明の一実施例に係る光結合装置に様々な光検出器が集積された例を詳細に説明する。図３および図４は表面入射型光検出器に図２（ａ）と図２（ｃ）のエッチング構造複合体を集積した光検出器装置の断面図、図５および図６は側面入射型光検出器に図２（ｂ）と図２（ｄ）のエッチング構造複合体を集積した光検出器装置の断面図である。

図３および図４を参照すると、表面入射型光検出器３０は、半導体基板１０上にコレクタ層３１、光吸収層３２、ｐ−接合層３３などを成長させてｐ−電極３７の形成、メサエッチング、ｎ−電極３６の形成、不動態膜の形成およびパッドコーティングなどの公知の過程によって、エッチング構造体複合体の形成された光結合装置上に製作することができ、一例として、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓ ｐ−接合層３３、ＩｎＧａＡｓ光吸収層３２、ｎ−ＩｎＡｌＡｓコレクタ層３１、Ｇｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ ｎ型電極３６、およびｐ型接合層３３上のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ ｐ型電極３７からなる。

実際の適用においては、具体的な設計によってスペーサ層、荷電層、増倍層、電位障壁層などを含む構造で成長させて形成することも可能であり、メサまたは平面構造で光検出器を製作することができる。また、光検出器はｐ−ｉ−ｎ光検出器、アバランシェ光検出器、単一走行キャリア光検出器（ＵＴＣ−ＰＤ）などの構造で製作することが可能である。

図５および図６を参照すると、側面入射型光検出器４０は、基板１０上に下部クラッド層２３、コア層２２、上部クラッド層２１、光検出器層４１を順次成長させた後、光検出器層４１層にＩＤＴ（interdigitated）電極４４を形成して製作することができる。ＧａＡｓＭＳＭ光検出器の一例としてＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５ＡＳ上部クラッド層および下部クラッド層を形成し、Ａｌ_０．２１Ｇａ_０．７９Ａｓコア層を形成し、ＧａＡｓ光検出器層４１を形成し、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕＩＤＴ電極４４を形成してＭＳＭ光検出器を製作することができる。

図５を参照すると、傾いた全反射面５１と無反射面５２から構成されたエッチング構造複合体を介して入射した光は、光導波路２０のコア層２２部分に結合して伝播された後、
光検出器層４１に減衰場を介して結合し（evanescently coupled）、ＩＤＴ電極４４を有するＭＳＭ（metal-semiconductor-metal）光検出器４０に吸収される。側面入射型光検出器としては、ＭＳＭ光検出器の他にも導波路型ｐ−ｉ−ｎ光検出器、導波路型アバランシェ光検出器、分布された速度接合型光検出器（ＶＭＤＰ）、周期的配列型単一走行キャリア光検出器（ｐ−ＵＴＣ−ＰＤ）などの構造で製作することが可能である。

一方、図５および図６に示すように、無反射面５２は、光導波路２０が形成された後、
前述したようなエッチング方式によってエッチングされ、無反射コーティングができる。

一方、図６の場合、垂直に入射した光が傾いた全反射面５１で全反射された後、垂直に形成された無反射面５２を通過して光導波路２０に結合し、光検出器で減衰場を介して結合して検出される構造をもっている。

本発明を実際に適用する場合、全反射面に入射する前に無反射面を通過するようにすることもでき、必要に応じては光検出器の吸収層で吸収されず反射された光がさらに吸収層に入射するように構成することも可能である。例えば、全反射面を適切に配置して光検出器の吸収層に再吸収できるようにする。このような変形例は図７に例示している。

図７は本発明の他の実施例に係る光検出器１６０が集積可能な光結合装置を示す図である。前述した実施例との差異点を基準として説明すると、１つの無反射面１５２と３つの全反射面１５１、１５３、１５４からなるエッチング構造複合体を用いて表面入射型光検出器１６０に光を入射させ、光検出器に２回以上吸収されるようにすることにより、光結合の効率を増加させることができる。すなわち、図７を参照すると、基板１００と平行な第１無反射面１５２を介して入射した光が第１全反射面１５３で全反射されて光検出器１６０に吸収され、光検出器１６０で反射された（エピー層の界面とｐ−電極などで反射される）光が第２全反射面１５４で反射された後、基板と平行な第３全反射面１５１で再反射され、第２全反射面１５４にさらに戻って光検出器１６０に２次吸収される。

本発明の実施例によれば、エッチング構造複合体は、光検出器と同一のエピー構造で製作することにより、工程から再成長過程を省略させることができる。また、所望のエッチング面に全反射コーティング或いは無反射コーティングを選択的に施してエッチング構造複合体を形成する。

エピー面に垂直に入射した入射光による光導波路との結合を可能にすることにより光整列を容易にし、背面入射（bottom-side illumination）が必要な構造でも上部からの入射による光結合を可能にし、全反射／無反射面およびエッチング構造複合体の組合せを用いて光の経路を調整（redirecting）して感度を高めることを可能にする。

本発明の技術思想は、上述した好適な実施例によって具体的に記述されたが、これらの実施例は本発明を説明するためのもので、制限するものではないことに注意しなければならない。また、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想の範囲内で様々な実施が可能であることが理解できよう。

本発明の一実施例に係る光検出器が集積可能な光結合装置の断面図である。 本発明の一実施例に係るエッチング構造複合体の形成例を示す図である。 本発明の一実施例に係る表面入射型光検出器にエッチング構造複合体を集積した光検出器装置の断面図である。 本発明の一実施例に係る表面入射型光検出器にエッチング構造複合体を集積した光検出器装置の断面図である。 本発明の一実施例に係る側面入射型光検出器にエッチング構造複合体を集積した光検出器装置の断面図である。 本発明の一実施例に係る側面入射型光検出器にエッチング構造複合体を集積した光検出器装置の断面図である。 本発明の他の実施例に係る光検出器が集積可能な光結合装置の断面図である。

符号の説明

１０ 基板
２１ 上部クラッド層
２２ コア層
２３ 下部クラッド層
３０、１６０ 光検出器
３１ コレクタ層
３２ 光吸収層
３３ ｐ−接合層
３６ ｎ−電極
３７ ｐ−電極
４１ 光検出器層
５１、１５１、１５３、１５４ 全反射面
５２、１５２ 無反射面

Claims (7)

1. 所定の領域上に表面入射型光検出器が装着される基板と、
   前記基板に入射される入射光を通過させる第１無反射面、入射した光が第１の所定角で全反射されて前記光検出器へ伝達できるようにコーティングされた第１全反射面、および前記光検出器に吸収されず反射された光をさらに前記光検出器に伝達するための第２全反射面を備えたエッチング構造複合体を含み、
   外部から入射した光は、前記第１無反射面を通過し、前記第１全反射面で反射されて前記光検出器へ伝達されて吸収され、
   前記光検出器に吸収されないで反射された光は、前記第２全反射面を経て前記光検出器にさらに吸収されることを特徴とする光検出器が集積可能な光結合装置。
2. 前記光検出器に吸収されないで反射された光を再び光検出器に伝達するためにさらに一つ以上の全反射面を含むことを特徴とする請求項１に記載の光検出器が集積可能な光結合装置。
3. 前記全反射面にはＡｕ、Ａｇなどの金属膜、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＣｅＯ_２、ＣｅＦ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＺｎＳなどの単一誘電体薄膜、またはこれらの組合せで構成される多重膜でコーティングすることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器が集積可能な光結合装置。
4. 前記無反射面にはＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＣｅＯ_２、ＣｅＦ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＺｎＳなどの誘電体薄膜を単一膜、二重膜またはそれ以上の多重膜でコーティングすることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器が集積可能な光結合装置。
5. 前記基板がＩｎＰ基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器が集積可能な光結合装置。
6. 前記エッチング構造複合体は前記ＩｎＰ基板をＨＢｒ系列またはＨＣｌ系列のエッチング液を用いてエッチングマスクの方向、エッチング方式の組合せによって傾斜角を有する傾斜面を製作することを特徴とする請求項５に記載の光検出器が集積可能な光結合装置。
7. 前記エッチング構造複合体は前記光検出器と同一のエピー構造で製作することを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器が集積可能な光結合装置。

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