JP2011003638A

JP2011003638A - 受光素子

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Publication number: JP2011003638A
Application number: JP2009144115A
Authority: JP
Inventors: Eikon Ri; 英根李; Kazuyuki Nagatsuma; 一之長妻
Original assignee: Opnext Japan Inc
Current assignee: Opnext Japan Inc
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: JP5524517B2

Abstract

【課題】本発明は、高速かつ高感度な面型フォトダイオードを提供するものである。
【解決手段】電極用金属膜と誘電体多層膜から構成される反射ミラーにおいて、誘電体多層膜と金属膜からの反射光の位相を合わせるように誘電体膜の最適化をすることでミラーの高反射率化を図る。この高反射ミラーを用いて、面型フォトダイオードの高速化と高感度化の両立を図る。
【選択図】図３

Description

本発明は、受光素子の高感度化に関し、例えば、光通信における信号受信用のフォトダイオードに利用できる効果的技術に関する。

化合物半導体を用いた半導体受光素子は、光通信用素子などに広く用いられている。この光通信用受光素子の一例として、InGaAs PINフォトダイオードがあげられる。ここでPINフォトダイオードは、p型半導体、アンドープ半導体、n型半導体から構成される。入射光が入射されると、その光は、逆バイアス電界のかかったアンドープの半導体層で吸収され、電子と正孔に変換され、電気信号として検出される。近年の光通信伝送容量の増大により、動作速度の高速化が要求されている。

PINフォトダイオードを高速動作させる方法として、以下の二つの方法がある。一つは、アンドープの吸収層の厚さを薄くすることである。光が吸収されて生成された電子と正孔は、アンドープの吸収層を走行（横断）して電流として検出される。従って、この走行距離が短ければ短いほど、短時間で電流に変換されることになり、高速動作が可能になる。もう一つは、受光面積（接合面積：ここで接合面積とは、アンドープの吸収層とその上下のｎ、ｐドープ層との接合面積）を小さくすることで、接合領域の静電容量を小さくし、静電容量と抵抗の積で決まる応答遅延時間を小さくすることで、高速化を図ることである。

上記高速化を実現するための方法の中で、吸収層を薄くする方法は、受光感度を劣化させることになる。特に、面型フォトダイオードのように、光信号を吸収層に垂直に入射するフォトダイオードでは、吸収層の厚さが薄くなると、受光感度が劣化する。この動作速度と受光感度のトレードオフを解決する方法として、導波路型フォトダイオードがある。導波路型フォトダイオードでは、光信号は吸収層端面から入射され、光は吸収層に沿って（平行に）伝播する。従って、この場合、吸収層が薄くなっても、伝播距離を長くすることで受光感度の劣化は小さく抑えられる。しかし、導波路型フォトダイオードの場合、通常のシングルモードファイバと導波路との光結合効率が小さく、結合効率を含んだ受光感度（外部量子効率）としては、面型フォトダイオードより悪くなる。これを解決する方法として、先球ファイバなどを用いることもできるが、実用化を考えた場合、先球ファイバは高価であり、さらに光学的位置合せトレランスは1μm以下と小さく、フォトダイオードのパッケージへの搭載が困難になる。基本的に、導波路型フォトダイオードのパッケージには、BOX型と呼ばれるものが使われ、面型フォトダイオードに適用されるCAN型と比較して高価である。

面型フォトダイオードにおいて、吸収層が薄くなることで受光感度が劣化することを回避する方法として、吸収層で吸収されなかった光を反射ミラーで反射して、再度吸収層に通して、吸収効率を上げる方法がある。この場合、反射ミラーの反射率が１００％とすると、吸収層の厚さが実効的に２倍になることに相当し、動作速度を維持したまま、高感度化が可能になる。

この反射ミラーを使用する場合、基板から光を入射する裏面入射型が一般的である。特許文献1では、受光部領域の一部分に誘電体と金属（この金属は電極の役割も果たす）をこの順序で積層した高反射ミラーを用いている。金属のみを反射ミラーに用いると、半導体と金属との界面で良好な平坦性を実現することが困難なり、良質な反射ミラーにはならない。そこで、半導体と金属との間に誘電体を挟むことで、良質な平坦性を実現している。特許文献２と３では、電極直下に誘電体多層膜をからなる反射ミラーを形成している。この誘電体多層膜は、２種類の屈折率の異なる材料からなる２層の対を周期的に積層した構造を有しており、分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector: DBR）とよばれている。この構造では、各層の膜厚がλ/4/nである。ここで、λは入射する光の波長、ｎは屈折率である。非特許文献１では、受光部の下の基板側に半導体多層膜からなるDBRミラーを作製して、表面から入射した光を反射させる構造である。

特開平5-218488号公報特開2001-308369号公報特開2002-252366号公報

ジャーナルオブアプライドフィジックス 78巻、1995年、607-639頁

特許文献１では、電極直下に誘電体層を挟むことで半導体との平坦性を向上させて、半導体界面での散乱を低減することで、誘電体膜と電極用金属からなる反射ミラーの反射率を改善している。この場合、基本的に反射率は電極用金属の反射率できまる。しかし、実際は電極の剥がれ防止のために誘電体と金属の間にチタン(Ti)を挿入するため、Tiによる吸収などで反射率が低下し、７０%以上の反射率を実現することは容易ではない。

特許文献２と３では、電極直下に形成したDBR構造のみでの反射を基本としている。この場合、反射率を７０%以上にすることは容易であるが、層数が２０層以上は必要である。受光部に半導体との電気的なコンタクトをとるために、DBR構造にスルーホール（穴）を開けて、電極と半導体が直接接触するコンタクト領域を形成することが必要であるが、層数が多くなるとこのスルーホール形成プロセスが困難になる。また、DBR構造を用いた反射ミラー（以下、DBRミラー）方向が層に対して傾く場合、光の偏光方向で大きく反射率が異なる欠点がある。

非特許文献１では、半導体基板側にDBR構造を用いた反射ミラーを形成するため、DBRは半導体材料で形成する。半導体では、材料の組成比を変えること異なる屈折率の膜を形成することが可能である。しかし、屈折率差を大きくすることは困難であるため、高い反射率を実現するためには層数を増やす必要がある。光通信用受光素子の材料であるInP/InAlGaAs系の材料を用いた場合、屈折率差は約０．２程度であり、７０%以上の反射率を実現するには４０層程度の層数が必要となる。

「発明が解決しようとしている課題」で述べたように、特許文献１では、電極用金属のみの反射を用いている。一方、特許文献２、３では、DBRミラーのみを用いている。そこで、これらの課題を解決するために、電極用金属と誘電体多層膜の両方からの反射を利用した構造を用いる。金属と誘電体多層膜からの反射光の位相をそろえることで、高反射率化を図ることが可能である。図１に、金属と２層の誘電体多層膜から構成される反射ミラーの構造図と図２にこの反射ミラーの反射率の誘電体膜の厚さ依存性の計算結果の例を示す。ここで、第１誘電体２ａの屈折率を1.92、第２誘電体２ｂの屈折率を1.4、金属膜1をTi/Pt/Ti/Pt/Au、光の波長を1.31μｍとした。誘電体の膜厚を最適化することで（金属と誘電体多膜からの反射光の位相がそろっている状態）、７０%以上の高反射率化が容易に得られることがわかる。ここで、高い反射率を実現するために必要な第１誘電体と第２誘電体膜の厚さは、それぞれ300ｎｍ、200ｎｍであり、DBR構造の各層の膜厚と異なり、λ/4/ｎ（λは光の波長、ｎは屈折率）ではない。この構造を用いることで、特許文献１の金属のみの反射に比べて、より高い反射率を有するミラーを実現することができる。また、この構造を用いることで、特許文献２、３のように、誘電体多層膜の層数を少なくすることができ、電気的コンタクト用スルーホールを容易に形成できる。誘電体多層膜のみからの反射に依存していないため、DBRミラーのような斜め入射時の反射率の偏光依存性は低減される。

本発明によれば、面型フォトダイオードにおいて、高速かつ高感度なフォトダイオードが実現できる。

本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーの構造図（誘電体膜は２層）。金属と２層の誘電体多層膜から構成される反射ミラーの反射率の誘電体膜の厚さ依存性の計算結果を示す図。本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーを有する裏面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーの基本構造図。誘電体多層膜を異なる２層の誘電体膜から構成されるとした場合における金属・誘電体多層膜ミラーの反射率の２種類の誘電体膜厚の依存性の計算結果を示す図。本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側に集積レンズを有する裏面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側に形成した光路変換用ミラーを有する表面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側に形成した光路変換用ミラーと基板と反対側に集積レンズを有する表面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側と基板と反対側に形成した光路変換用ミラーを有する端面入射型フォトダイオードの実施形態の説明図。

以下に、図面を用いて、実施例を詳述する。
（実施例１）
図３と図４を用いて、本発明における、金属と誘電体多層膜から構成される反射ミラーを有する裏面入射面型フォトダイオードの実施形態について説明する。

本発明に関するフォトダイオードは、基板6（例えばInP基板）上に形成された、n型InPのnコンタクト層７、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11、金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板（裏面）側から入射した入射光5は、光吸収層9で一度吸収された後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。

ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、図４に示す通り、誘電体多層膜3、電極用金属膜1から構成される。電極用金属膜は、例えば、Ti/Pt/Ti/Pt/Auである。図５に、この金属・誘電体多層膜ミラー12において、誘電体多層膜を異なる２層の誘電体膜から構成されるとした場合における金属・誘電体多層膜ミラーの反射率の２種類の誘電体膜厚の依存性の計算結果を示す。ここで、pコンタクト層11上にSiN_x膜、SiO₂膜、Ti/Pt/Ti/Pt/Auの順位に積層した金属・誘電体多層膜ミラーを仮定した。SiN_x膜とSiO₂膜の屈折率をそれぞれ、1.92と1.4とした。また、光の波長を1.31μmと仮定した。この結果より、図中の点A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11の順で各点を結んでできる白線内の領域1ならびに、B0,B1,B2,B3,B4,B5 の順で各点を結んでできる白線内の領域2では、反射率が70%以上の高反射率を実現できる。この条件は、光のスケーリング則を適用すると以下のようにより一般的な形で記載できる。今、pコンタクト層11上に、誘電率n₁を有する第１誘電体膜、誘電率n₂を有する第２誘電体膜、Ti/Pt/Ti/Pt/Auの順位に積層した金属・誘電体多層膜ミラーを仮定する。光の波長をλとする。この場合、図５中のA0〜A11の各点は、A0=(0, 500a),A1:(0, 440a), A2:(115b, 295a),A3:(185b, 235a), A4:(275b, 195a), A5:(425b,150a), A6：(500b, 60a), A7：(500b, 175a), A8：(445b, 200a), A9：(300b, 400a), A10：(220b, 440a), A11：(100b, 500a) と記載でき、B0〜B5の各点は、B0:(0, 190a),B1: (0, 100a), B2:(75b, 0), B3:(345b, 0), B4:(250b, 100a), B5:(160b,140a)と記載できる。ここで、a=(1.92/n₁)×(λ/1.31μm)、b=(1.4/n₂)×(λ/1.31μm)、λは光の波長である。図５中の領域1、2の誘電体膜の組合せを用いることにより、70%以上の高い反射率を実現できる。図５中の白三角で表示されている点が、DBR条件即ち、各膜厚がλ/4/nを満たしている点である。この場合、特許文献２または３のようにDBR条件を満足した条件にすると、高い反射率が得られないことが分かる。
（実施例２）
図６を用いて、本発明における、金属と誘電体多層膜から構成される反射ミラーと集積レンズを有する裏面入射面型フォトダイオードの実施形態について説明する。

本発明に関するフォトダイオードは、集積レンズ15を形成した基板6（例えば、InP基板）上に、n型InPのnコンタクト層７、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11,金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板側から入射した入射光5は、集積レンズ15で集光され、光吸収層9に入射して吸収される。その後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、実施例１で記載した金属膜と誘電体多層膜から構成される高反射ミラーである。

集積レンズ15により、受光部に入射時のビームスポットサイズを小さくでき、光結合トレランスを大幅に改善できる。さらに、反射率の低い領域であるｐコンタクト領域16（pコンタクト層11とp電極13が接触している部分）を除く、実施例１で記載した金属・誘電体多層膜からなる高反射膜領域にビームを集中させることで、反射率の低下を防ぐことができる。
（実施例３）
図７と図８を用いて、本発明における、金属と誘電体多層膜から構成される反射ミラーと基板の裏面に形成された二つの光路変換用ミラーとから構成される表面入射面型フォトダイオードの実施形態について説明する。

本発明に関するフォトダイオードは、二つの光路変換用ミラー17を形成した基板6（例えばInP基板）上に、n型InPのnコンタクト層７、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11、金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板反対側の表面から入射した入射光5は、基板に形成された光路変換用ミラー17で光路を変換され、基板側から光吸収層9に入射して吸収される。その後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、実施例１で記載した金属膜と誘電体多層膜から構成される高反射ミラーである。

また、図８に示すように、図７で示した構造に加えて、基板反対側に集積レンズ16を形成する構造も考えられる。この場合、集積レンズ15により、受光部に入射時のビームスポットサイズを小さくでき、光結合トレランスを大幅に改善できる。さらに、反射率の低い領域であるｐコンタクト領域16（pコンタクト層11とp電極13が接触している部分）を除く、実施例１で記載した金属・誘電体多層膜からなる高反射膜領域にビームを集中させることで、反射率の低下を防ぐことができる。
（実施例４）
図９を用いて、本発明における、金属と誘電体多層膜から構成される反射ミラーと基板の裏面に形成された五つの光路変換用ミラーとから構成される端面入射型フォトダイオードの実施形態について説明する。

本発明に関するフォトダイオードは、五つの光路変換用ミラー17を形成した基板6（例えばInP基板）上に、n型InPのnコンタクト層７、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11、金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板端面から入射した入射光5は、基板側と基板反対側に形成された光路変換用ミラー17で光路を変換され、基板側から光吸収層9に入射して吸収される。その後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、実施例1で記載した金属膜と誘電体多層膜から構成される高反射ミラーである。

面型の高速かつ高感度のフォトダイオードは、高速かつ高感度を満足していることが容易な導波路型フォトダイオードに比べて、安価なパッケージに適している。
さらにモジュール組立て時における光学的位置合せトレランスが大きいため、組立てが容易で、組立コストの低減が可能になる。
また、光通信容量が増加するにつれ、多チャンネル（多波長）化による光通信システムが進むにつれ、光デバイスのアレイ集積化が重要技術になる。フォトダイオードの場合、導波路型フォトダイオードと比較して、面型フォトダイオードは、面型のアレイ化に適しており、集積度に関して有利である。

1…金属膜、2a…第１誘電体膜、2b…第２誘電体膜、3…誘電体多層膜、4…半導体、5…入射光、6…基板、7…nコンタクト層、8…nクラッド層、9…光吸収層、10…pクラッド層、11…pコンタクト層、12…金属・誘電体多層膜ミラー、13…p電極、14…n電極、15…集積レンズ、16…pコンタクト領域、17…光路変換用ミラー。

Claims

基板の第１主面上に受光部領域が設けられ、前記第１主面に対向する第２主面側から光が入射する受光素子において、
前記第１主面上に設けられた受光部領域の一部に、少なくとも隣接する各層同士の誘電率が異なる複数の誘電体膜と、前記複数の誘電体膜の前記第１主面より遠い側の主面上に金属膜が設けられた前記光を反射する反射ミラーを有することを特徴とする受光素子。
請求項１記載の受光素子において、
前記受光部領域は、前記第２主面側から入射する光を吸収する吸収層を有し、
前記反射ミラーは、前記吸収層を通過した位置に設けられていることを特徴とする受光素子。
請求項１記載の受光素子において、
第１の誘電率を有する第１誘電体膜と前記第１の誘電率と異なる誘電率を有する第２誘電体膜を有し、
前記第１誘電体膜の屈折率n₁が前記第２誘電体膜の屈折率n₂より大きく、
前記第１誘電体膜と前記第２誘電体膜の膜厚の組合せが、これら膜厚を変数とした２次元平面(X,Y)上において、
前記(X,Y)が(0, 500a), (0, 440a), (115b, 295a), (185b, 235a), (275b, 195a), (425b,150a), (500b, 60a), (500b, 175a), (445b, 200a), (300b, 400a), (220b, 440a), (100b, 500a)である各点を順に結んでできた線で囲まれる第１の領域内と、
前記(X,Y)が (0, 190a), (0, 100a), (75b, 0), (345b, 0), (250b, 100a), (160b,140a) である各点を順に結んでできた線で囲まれる第２の領域内とのいずれかにあることを特徴とする受光素子。
（ここで、a=(1.92/n₁)×(λ/1.31μm)、b=(1.4/n₂)×(λ/1.31μm)、λ[μm]は光の波長である。）
請求項３記載の受光素子において、
前記第１誘電体膜がSiN_x膜であって、前記第２誘電体膜がSiO₂膜であることを特徴とする受光素子。
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の受光素子において、
前記第１主面に設けられた集光レンズを備え、
前記集光レンズを通過した入射光を前記受光部領域が受光することを特徴とする特徴とする受光素子。
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の受光素子において、
前記第１主面に設けられた２つの反射ミラーを備え、
前記第２主面側から入射した光が前記２つの反射ミラーの一つで反射されて該光の光路が前記第２主面の法線とほぼ直交する方向に変換され、前記２つの反射ミラーの他の反射ミラーでさらに光路を前記第２主面の法線の方向に変換されながら前記受光部領域に入射することを特徴とする受光素子。
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の受光素子において、
前記第１主面に設けられた複数の第１反射ミラーと、
前記第２主面に設けられた複数の第２反射ミラーと、を備え、
前記基板の側端面から入射した光が前記複数の第１反射ミラーの一つで反射されて該光の光路が前記第２主面の法線方向に変換され、前記複数の第２反射ミラーの一つでさらに光路を前記第２主面の法線とほぼ直交する方向に変換され、前記複数の第１反射ミラーの他の一つと前記複数の第２反射ミラーの他の一つとで交互に反射を繰り返しながら前記受光部領域に入射することを特徴とする受光素子。