JP2012244061A - 半導体受光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気的及び光学的なクロストークを抑制しつつ、比較的安価なレンズを用いても高い受光感度を得ることができる半導体受光装置を得る。
【解決手段】Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１上に、互いに電気的に分離された４個の受光素子２ａ〜２ｄが設けられている。各受光素子２ａ〜２ｄにおいて、Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１上にｎ型ＩｎＧａＡｓ導電層、ｎ型ＩｎＰ導電層、光電変換するｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、及びｉ型ＩｎＰ窓層が順に積層されている。ｉ型ＩｎＰ窓層の一部に、受光部９となるｐ型ＩｎＰ不純物拡散領域が設けられている。導電層の一部は、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と同じ材料で構成されている。４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９の全てが同一直線上に配置されてはいない。
【選択図】図１

Description

本発明は、半絶縁性基板上に複数の受光素子を集積化させた光通信用の半導体受光装置に関する。
従来は、１つの半導体受光装置に受光素子が１つあれば必要な伝送容量を実現できていた。しかし、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）などの普及などにより、更に大容量の情報を高速に伝送する要求が高まってきた。また、パッケージの小型化なども要求されている。そこで、１つの半導体受光装置に複数の受光素子を集積化させ、一度に複数の信号を同数の光ファイバを用いて伝送させ、レンズ等を用いて各受光素子に受信させるようになってきた。
しかし、一度に複数の信号が同時に送られてくるため、複数の受光素子を互いに電気的に分離する必要がある。そこで、複数の受光素子をＦｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板上に集積化して、それらを電気的に分離させた半導体受光装置が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
takemura et al, ECOC2010, P2.11, 25Gbps x 4ch Photodiode Array with High Responsivity
従来の半導体受光装置では、複数の受光素子の受光部が同一直線上に等間隔で配置されていた。そのため、焦点位置が光軸中心にくる非球面レンズや、球面レンズを一枚使って各受光部に集光する受信機を設計した場合、光軸中心から離れた位置にある両端の受光部では、収差の影響が大きくなり結合効率が落ち、受光感度が低下する。収差の影響を減らすには、大きなレンズを用いるか、焦点が各受光部の軸上にくるレンズを用いればよいが、レンズが非常に高価になる。また、受光部の間隔を狭くし過ぎると、電気的及び光学的な分離性が悪化し、電気的及び光学的なクロストークが問題となる。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は電気的及び光学的なクロストークを抑制しつつ、比較的安価なレンズを用いても高い受光感度を得ることができる半導体受光装置を得るものである。
本発明に係る半導体受光装置は、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板上に設けられ、互いに電気的に分離されたｎ個（ｎは４以上の自然数）の受光素子とを備え、各受光素子は、前記半絶縁性基板上に順に積層された第１導電型の導電層、光電変換する光吸収層、及び窓層と、前記窓層の一部に設けられ受光部となる第２導電型の不純物拡散領域とを有し、前記導電層の一部は、前記光吸収層と同じ材料で構成され、前記ｎ個の受光素子の受光部の全てが同一直線上に配置されてはいないことを特徴とする。
本発明により、電気的及び光学的なクロストークを抑制しつつ、比較的安価なレンズを用いても高い受光感度を得ることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体受光装置を示す上面図である。 図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 比較例に係る半導体受光装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体受光装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体受光装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体受光装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体受光装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体受光装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態７に係る半導体受光装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態８に係る半導体受光装置を示す上面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体受光装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体受光装置を示す上面図である。図２は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１上に、互いに電気的に分離された４個の受光素子２ａ〜２ｄが設けられている。
各受光素子２ａ〜２ｄにおいて、Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１上にｎ型ＩｎＧａＡｓ導電層３（不純物濃度１×１０１９／ｃｍ３）、ｎ型ＩｎＰ導電層４（不純物濃度１×１０１８／ｃｍ３、層厚１μｍ）、光電変換するｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５（不純物濃度１×１０１５／ｃｍ３、層厚２μｍ）、ｉ型ＩｎＰ窓層６（不純物濃度１×１０１５／ｃｍ３、層厚１μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７（層厚０．５μｍ）が順に積層されている。ｉ型ＩｎＰ窓層６の一部にｐ型ＩｎＰ不純物拡散領域８が設けられている。このｐ型ＩｎＰ不純物拡散領域８は、受光素子２ａ〜２ｄの受光部９となる。
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７にｐ電極１０が接続されている。受光素子２ａ〜２ｄの表面はＳｉＮパッシベーション膜１１で覆われている。ｎ型ＩｎＧａＡｓ導電層３の露出面にｎ電極１２が接続されている。４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９は、正四角形の頂点に配置されている。
続いて、本実施の形態に係る半導体受光装置の製造工程を説明する。まず、Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１上に、例えば有機金属化学気相蒸着法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）や分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy, MBE）といった結晶成長法により、ｎ型ＩｎＧａＡｓ導電層３、ｎ型ＩｎＰ導電層４、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、ｉ型ＩｎＰ窓層６、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層（不図示）（不純物濃度１×１０１５／ｃｍ３）を順に堆積する。
次に、酸化シリコン膜（不図示）を堆積し、フォトリソグラフィ技術により酸化シリコン膜に例えば直径３０μｍ程度の円形の抜きパターンを４つ形成する。この４つの抜きパターンを正四角形の頂点に配置する。
次に、この酸化シリコン膜をマスクとして熱拡散法を用いてＺｎを拡散し、ｐ型ＩｎＰ不純物拡散領域８とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７を形成する。その後、酸化シリコン膜マスクを除去し、ｉ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の一部を除去する。
次に、フォトリソグラフィ技術やウェットエッチング技術、ドライエッチング技術を用いてエピ層の一部を十字型にエッチングし、４個の受光素子２ａ〜２ｄを電気的に分離する。エッチング深さは約５μｍであり、Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１が露出するまでエッチングを行う。
次に、ＳｉＮパッシベーション膜１１やｐ電極１０を素子表面に形成する。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓ導電層３又はｎ型ＩｎＰ導電層４が露出するようにエッチングし、その露出した面にｎ電極１２を形成する。最後に、Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１の裏面を研磨し、ダイシングにより所望のチップサイズに割り出す。以上の工程により本実施の形態に係る半導体受光装置が製造される。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図３は、比較例に係る半導体受光装置を示す上面図である。比較例では、４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９を同一直線上に等間隔に配置している。隣り合う受光部９の間隔をａとすると、最も離れた両端の受光部９の間隔は３ａとなる。
一方、本実施の形態では、４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９を正四角形の頂点に配置する。これにより、最も離れた対角に位置する受光素子２ｂの受光部９と受光素子２ｃの受光部９の間隔は√２ａとなる。従って、本実施の形態では、最も離れた受光部９の間隔を比較例の場合に比べて半分以下にすることができる。
複数の光ファイバから信号を同時に受ける際に、レンズにより４個の受光素子２ａ〜２ｄに光を集光させる。この際に、本実施の形態では、レンズの中心軸から最も離れた受光素子２ａ〜２ｄの受光部９の距離を小さくできる。よって、光通信で一般的に用いられている比較的安価なレンズを用いても結合効率を高めやすく、高い受光感度を得ることができる。
また、本実施の形態では、Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１とｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５の間に存在する導電層の一部として、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５と同じ材料で構成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ導電層３を設けている。これにより、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５を透過した光がＦｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板１の裏面で反射して戻り光となるのを抑制することができる。この結果、各受光素子間の電気的及び光学的なクロストークを抑制することができる。
なお、本実施の形態では、４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９を正四角形の頂点に配置するが、これに限らずｎ個（ｎは４以上の自然数）の受光素子２ａ〜２ｎの受光部９の全てが同一直線上に配置されていなければよい。例えば、受光素子２ａ〜２ｎの受光部９をｎ角形の頂点に配置すればよい。これにより、全ての受光素子２ａ〜２ｎの受光部９を同一直線上に配置した場合に比べて、最も離れた受光部９の間隔を小さくすることができる。
また、ｎ個の受光素子２ａ〜２ｎの受光部９を正ｎ角形の頂点に配置することで、それぞれの受光部９と光軸中心との距離を等間隔に配置できる。このため、全ての受光部９の結合効率を同じにすることができるため、特性の均一性を向上させることができる。
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体受光装置を示す上面図である。６個の受光素子２ａ〜２ｆの受光部９が正六角形の頂点に配置されている。これにより、最も離れた受光部９の間隔を√３ａまで小さくできるため、高い受光感度を得ることができる。
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体受光装置を示す上面図である。８個の受光素子２ａ〜２ｈの受光部９が正八角形の頂点に配置されている。これにより、最も離れた受光部９の間隔を√３ａまで小さくできるため、高い受光感度を得ることができる。
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体受光装置を示す上面図である。５個の受光素子２ａ〜２ｅの受光部９のうち、１つの受光素子２ｅの受光部９が同一直線上に配置されていない。これにより、全ての受光素子２ａ〜２ｅの受光部９を同一直線上に配置した場合に比べて、最も離れた受光部９の間隔を小さくできるため、高い受光感度を得ることができる。
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る半導体受光装置を示す上面図である。８個の受光素子２ａ〜２ｈのうち４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９が四角形の頂点に配置され、残りの４個の受光素子２ｅ〜２ｈの受光部９が四角形の辺上に配置されている。これにより、最も離れた受光部９の間隔を小さくできるため、高い受光感度を得ることができる。
これに限らず、ｎ個の受光素子２ａ〜２ｎのうちｍ個（ｍはｎより小さい自然数）の受光素子２ａ〜２ｍの受光部９がｍ角形の頂点に配置され、残りの（ｎ−ｍ）個の受光素子の受光部９がｍ角形の辺上に配置されていれば、同様の効果を得ることができる。
実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る半導体受光装置を示す上面図である。５個の受光素子２ａ〜２ｅのうち４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９が正四角形の頂点に配置され、残りの１個の受光素子２ｅの受光部９が正四角形の内側に配置されている。これにより、最も離れた受光部９の間隔を小さくできるため、高い受光感度を得ることができる。
これに限らず、ｎ個の受光素子２ａ〜２ｎのうちｍ個（ｍはｎより小さい自然数）の受光素子２ａ〜２ｍの受光部９がｍ角形の頂点に配置され、残りの（ｎ−ｍ）個の受光素子の受光部９がｍ角形の内側に配置されていれば、同様の効果を得ることができる。
実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係る半導体受光装置を示す上面図である。８個の受光素子２ａ〜２ｈのうち４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９が正四角形の頂点に配置され、残りの４個の受光素子２ｅ〜２ｈの受光部９が正四角形の内側に配置された四角形の頂点に配置されている。これにより、最も離れた受光部９の間隔を小さくできるため、高い受光感度を得ることができる。
これに限らず、ｎ個の受光素子２ａ〜２ｎのうちｍ個（ｍはｎより小さい自然数）の受光素子２ａ〜２ｍの受光部９がｍ角形の頂点に配置され、残りの（ｎ−ｍ）個の受光素子の受光部９が、ｍ角形の内側に配置された（ｎ−ｍ）角形の頂点に配置されていれば、同様の効果を得ることができる。
実施の形態８．
図１０は、本発明の実施の形態８に係る半導体受光装置を示す上面図である。１２個の受光素子２ａ〜２ｌのうち４個の受光素子２ａ〜２ｄの受光部９が正四角形の頂点に配置され、残りの４個の受光素子２ｅ〜２ｈの受光部９が正四角形の内側に配置された四角形の頂点に配置され、更に残りの４個の受光素子２ｉ〜２ｌが正四角形の辺上に配置されている。これにより、最も離れた受光部９の間隔を小さくできるため、高い受光感度を得ることができる。
これに限らず、ｎ個の受光素子２ａ〜２ｎのうちｍ個（ｍはｎより小さい自然数）の受光素子２ａ〜２ｍの受光部９がｍ角形の頂点に配置され、残りの（ｎ−ｍ）個の受光素子のうちｋ個の受光素子の受光部９が、ｍ角形の内側に配置されたｋ角形（ｋはｎ−ｍより小さい自然数）の頂点に配置され、残りの（ｎ−ｍ−ｋ）個の受光素子の受光部９がｍ角形の辺上に配置されていれば、同様の効果を得ることができる。
１ Ｆｅ−ＩｎＰ半絶縁性基板（半絶縁性基板）
２ａ〜２ｌ 受光素子
３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ導電層（導電層）
４ ｎ型ＩｎＰ導電層（導電層）
５ ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層（光吸収層）
６ ｉ型ＩｎＰ窓層（窓層）
８ ｐ型ＩｎＰ不純物拡散領域（不純物拡散領域）
９ 受光部

Claims (7)

  1. 半絶縁性基板と、
    前記半絶縁性基板上に設けられ、互いに電気的に分離されたｎ個（ｎは４以上の自然数）の受光素子とを備え、
    各受光素子は、前記半絶縁性基板上に順に積層された第１導電型の導電層、光電変換する光吸収層、及び窓層と、前記窓層の一部に設けられ受光部となる第２導電型の不純物拡散領域とを有し、
    前記導電層の一部は、前記光吸収層と同じ材料で構成され、
    前記ｎ個の受光素子の受光部の全てが同一直線上に配置されてはいないことを特徴とする半導体受光装置。
  2. 前記ｎ個の受光素子の受光部はｎ角形の頂点に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
  3. 前記ｎ個の受光素子の受光部は正ｎ角形の頂点に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体受光装置。
  4. 前記ｎ個の受光素子のうちｍ個（ｍはｎより小さい自然数）の受光素子の受光部がｍ角形の頂点に配置され、
    残りの（ｎ−ｍ）個の受光素子の受光部が前記ｍ角形の辺上又は内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
  5. 残りの（ｎ−ｍ）個の受光素子の受光部が、前記ｍ角形の内側に配置された（ｎ−ｍ）角形の頂点に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体受光装置。
  6. 残りの（ｎ−ｍ）個の受光素子のうちｋ個（ｋはｎ−ｍより小さい自然数）の受光素子の受光部が、前記ｍ角形の内側に配置されたｋ角形の頂点に配置され、
    残りの（ｎ−ｍ−ｋ）個の受光素子の受光部が前記ｍ角形の辺上に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体受光装置。
  7. 前記ｍ個の受光素子の受光部が正ｍ角形の頂点に配置されていることを特徴とする請求項４〜６の何れか１項に記載の半導体受光装置。
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