JP3191823B2 - 半導体受光装置 - Google Patents

半導体受光装置

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JP3191823B2
JP3191823B2 JP01762092A JP1762092A JP3191823B2 JP 3191823 B2 JP3191823 B2 JP 3191823B2 JP 01762092 A JP01762092 A JP 01762092A JP 1762092 A JP1762092 A JP 1762092A JP 3191823 B2 JP3191823 B2 JP 3191823B2
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    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/451Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • HELECTRICITY
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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムの受信
装置等に用いられる半導体受光装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】光ファイバーを用いる光通信のための半
導体受光装置は、たとえば図4のようにフォトダイオー
ドッチップ1がヘッダー2上にマウントされ、リード3
を通じて外部に光電流を取り出すことにより光信号を電
気信号に変換している。キャップ4は透光性の窓5を有
しており、フォトダイオードチップ1を気密シールする
ために用いられる。ここで、ハウジング8にフェルール
7を介して挿通された光ファイバー6からの出射光を、
効率よくフォトダイオードチップ1に照射するために、
集光レンズ9が用いられている。図4のような形状をコ
アキシャルタイプと呼ぶ。
【0003】図5の装置は、バタフライタイプと呼ばれ
るもので、ハウジング8が矩形となっている。基本的に
は、図3と機能は同じであるが、ハウジング8の中にI
C(集積回路)チップなどを配置し、フォトダイオード
チップ1からの光電流信号をある程度増幅してから、外
部に取り出すような使い方もできる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のこの種の装置
は、光ファイバーとしてシングルモードファイバーまた
はマルチモードファイバーを用いている。そのコア径は
たとえば波長1.3μm帯の光では、シングルモードフ
ァイバーで約10μm、マルチモードファイバーで約5
0μmである。光ファイバーの端面から出射される光
は、その光ファイバーのコアとクラッドの屈折率差に応
じた角度で空間に広がっていく。従って、この広がって
いく光を効率良くフォトダイオードの受光面に集光する
ために、集光用のレンズ9を用いる。特に、高速用の1
00μm以下の小さな受光径のフォトダイオードチップ
を用いるときは、より集光特性の良い非球面レンズもし
くは、セルフォックレンズを用いることがよく行われ、
高価な部品を使わざるを得ないという状況にある。
【0005】また、たとえこれらのレンズを用いたとし
ても、光ファイバーとの調芯には非常に高い精度を要求
される。特に図4に示すB部分の固定時には、感度のば
らつきを±0.5dB以内に収めるには、±15μm程
度の位置精度を必要とする。この種の部品の固定には、
YAGレーザによるスポット溶接が最もよく用いられる
が、それでも位置ずれが生じ、歩留りは70〜80%と
低い。また、1回の調芯に20〜30分の長時間を要し
ている。
【0006】特に問題となるは、集光された光ビームが
フォトダイオードチップのpn接合の受光領域外に当た
った場合である。図6にその様子を示す。ファトダイオ
ードチップ1については、半導体基板11上にエピタキ
シャル成長層12が形成され、金属元素の拡散によって
層12とは逆の極性の拡散領域13が形成される。層1
2と領域13との境界部分がpn接合といわれ、この部
分に照射された光が主に光電流に寄与する。光電流は電
極14、15を通じて、外部に信号として取り出され
る。
【0007】ここで、符号16は光ファバー6のコア6
´より放射された光ビームの広がりを示すものである。
このビームのうち領域13およびそのごく近傍(たとえ
ば3〜5μm)で吸収された光は、キャリア(電子およ
びホール)となってpn接合に印加された電界によって
高速に、かつ効率よく分離されて光電流に寄与するが、
それより外側では、電界が印加されていないので吸収さ
れた光は、非常に応答速度の遅い光電流を発生してしま
う。そうすると、アナログ信号光の再生においては、位
相のずれた信号となり歪みレベルが高くなってしまい、
再生画像にノイズが入る問題があり、デジタル信号光の
再生においては、パルス波形の歪みが出て(特に矩形パ
ルスの立ち下がり部分がμsecの尾をひく)、高速に
通信ができないという問題が生じる。このような弊害が
ないよう、高級、高価な光学系で光ファイバーからの光
をフォトダイオードチップに集光しているのが現状であ
る。
【0008】半導体受光装置は光通信に必須のものであ
るにもかかわらず、このような困難性を有し、特に集光
用の非球面レンズやセルフォックレンズが高価であるこ
とが、光通信システムの急速な普及を阻害している。本
発明は、かかる問題点を解決することを課題としてい
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、フォトダイオ
ードチップがマウントされたヘッダーに、光ファイバー
が挿通されたハウジングが固定されることにより一体構
造とされ、フォトダイオードチップの受光面が光ファイ
バーの光出射端面と対向するように配置された半導体受
光装置において、フォトダイオードチップは光電流を検
出信号として出力するためのpn接合領域を受光面に有
すると共に、pn接合領域の周囲で生成されるキャリア
を捕獲する領域を有し、光ファイバーの出射光は球面レ
ンズを介して受光面に入射されていることを特徴とす
る。
【0010】
【作用】本発明の構造によれば、フォトダイオードチッ
プには無効とすべきキャリアの捕獲構造が設けられてい
るため、安価な球面レンズを介在させて光ファイバから
の信号光をフォトダイオードチップに入射しても、信号
の歪みなどを生じることがない。
【0011】
【実施例】以下、添付図面の図1,図2および図3を参
照して本発明の一実施例を説明する。
【0012】図1は第1実施例の要部を破砕断面にて示
した半導体受光装置の側面図であり、図2は要部の拡大
図である。図示のように、従来と異なる点は、フォトダ
イオードチップ1として、受光領域であるpn接合の外
部に入射した光によって発生した光電流を無効にする構
造を有するタイプ(電荷捕獲型フォトダイオードチップ
と呼ぶ)を用い、かつ、レンズ光学系として安価な球面
レンズを介在させることにより、このフォトダイオード
チップ1に光ファイバー6からの光を入射するようにし
たことである。
【0013】図1のように、ヘッダー2にはフォトダイ
オードチップ1がマウントされ、これにハウジング8が
一体化されている。そして、ハウジング8にはフェルー
ル7によって光ファイバー6が挿通され、光ファイバー
6の光出射端面とフォトダイオードチップ1の受光面
が、球面光学レンズを介して対向している。
【0014】このような、本発明の実施例に係る半導体
受光装置に用いることの出来るフォトダイオードチップ
1として、受光領域であるpn接合の外部に入射した光
によって発生した光電流を無効にする構造を有する電荷
捕獲型フォトダイオードチップを用いる事ができ、図2
にその一例を示す。この構造では、エピタキシャル層1
2に領域13と同じ極性を持った領域17を金属元素の
熱拡散によって形成する。領域17で発生した光キャリ
アーは領域13の方には流れず、エピタキシャル層12
と領域17との間にあるpn接合付近または、そのチッ
プ端面に露出したpn接合部で消滅してしまう。具体的
には、本出願人による特願平2−230206号にその
構成と動作の詳細が示されている。
【0015】このような改良されたフォトダイオードチ
ップを用いると、光ビームが球面レンズによって十分に
集光できない状態でも、何ら特性に影響を与えないの
で、高価なセルフォックレンズなどを用いる必要もな
く、また光ファイバーとの微妙な調芯も必要でなくな
り、非常に簡単に、安価な半導体受光装置が得られる。
【0016】図1の構成で、長波長帯(1.1μm〜
1.6μm)の光通信に使用される半導体受光装置を製
作した。フォトダイオードチップ1としては、InPを
基板とし、InGaAsのエピタキシャル層にZn拡散
により100μmの受光領域のpn接合を形成し、さら
に同じ方法で電荷捕獲領域を形成した電荷捕獲型フォト
ダイオードチップを用いる。もちろん、このチップ1に
は、SiN膜による接合部分のパッシベーション、及び
受光部分及び電荷捕獲領域の全面に反射防止膜がそれぞ
れ形成されている。このチップ1をコバール製のヘッダ
ー2にAuSnを用いてボンディングし、30μmの金
線でリード3との電気的導通を取る。
【0017】次に、安価なボールレンズ18を保持する
ためのレンズマウント19を、図中のAの部分でヘッダ
ー2にYAG溶接する。そして、戻り光を防止するため
に、端面を8度に斜めカットしたシングルモードファイ
バー6をフェルール7に固定し、これをステンレス製の
ハウジング8に固定したものを用意する。
【0018】次に光ファイバー6より1.3μmのレー
ザ光をチップ1に照射し、光電流をモニターしながら、
YAGレーザ溶接機を用いて、図中のBの部分で固定す
る。球面レンズであって集光度が緩やかであるため、短
時間(5〜10分)で調芯、溶接でき、しかも、全体の
90%が0.85A/Wの高い感度特性を示す。
【0019】この半導体受光装置を用いて、デジタル通
信で125Mbpsの光信号を受信しても、波形の歪み
や、時間的に波形の立ち上がりや立ち下がり部分がふら
つくジッターのような現象は全く観察されない。また、
40チャンネルのアナログ画像伝送装置の受光部分にこ
の半導体受光装置を用いても、感度として0.85A/
Wは全く十分であり、かつ今まで高感度でもわずかの漏
れ光のため、位相のずれた信号で画面にちらつきが出て
いたものが、この半導体受光装置の採用により全く見ら
れなくなる。さらに反射防止を施された電荷捕獲領域
で、不要な光をすべて吸収するため、光通信のノイズと
なる反射光や散乱光を生じない。
【0020】図3は本発明の他の実施例を示すものであ
り、図1の実施例のキャップ20Bとレンズ20Aの機
能を一体化した通常レンズキャップと呼ばれる部品20
を用いて部品点数を少なくし、安価な半導体受光装置を
提供するものである。製造方法や各部の機能、発明の効
果は、図1の例と同じである。従来は、フォトダイオー
ドチップ1の周辺への漏れ光を生じさせないために、高
価な光学系を使っていたが、新しいフォトダイオードチ
ップ1を用いることにより、集光特性が完璧でなくても
安価なレンズを使うことができる。
【0021】このように短時間で光ファバーとの実装が
できコストが下げられることや、多くの用途において波
形のふらつきや、ノイズがなくなることのため、本発明
の半導体受光装置は、今まで高価なために幅広い実用化
が遅れていた光による通信を一気に加速するものであ
る。また、本発明の他の実施例として、バタフライタイ
プのハウジングに適用しても同様の効果が得られる。
【0022】
【発明の効果】以上の通り本発明では、フォトダイオー
ドチップには無効とすべきキャリアの捕獲構造が設けら
れているため、球面レンズを介在させることにより光フ
ァイバからの信号光をフォトダイオードチップに入射し
ても、信号の歪みなどを生じることがない。このよう
に、高価なレンズを用いないようにして、アナログ信号
光の再生には位相にずれた信号となり歪みレベルが高く
なってしまうとか、デジタル信号ではパルス波形の歪み
が出て、高速の通信ができないというような、従来の問
題点を解決した半導体受光装置を供給することが可能と
なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例に係る半導体受光装置の全体構成を
示す図である。
【図2】第1実施例の要部に係るフォトダイオードチッ
プと光ファイバーの関係を示す図である。
【図3】第2実施例に係る半導体受光装置の全体構成を
示す図である。
【図4】従来例の全体構成図である。
【図5】従来例の全体構成図である。
【図6】従来例におけるフォトダイオードチップと光フ
ァイバーの関係図である。
【符号の説明】
1…フォトダイオードチップ、2…ヘッダー、3…リー
ド、4…キャップ、5…窓、6…光ファイバー、7…フ
ェルール、8…ハウジング、9…集光レンズ、11…半
導体基板、12…エピタキシャル成長層、13…拡散領
域、14,15…電極、17…拡散領域、18…ボール
レンズ、19…レンズマウント、20…レンズキャッ
プ。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/00 - 31/20 G01J 1/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フォトダイオードチップがマウントされ
    たヘッダーに、光ファイバーが挿通されたハウジングが
    固定されることにより一体構造とされ、前記フォトダイ
    オードチップの受光面が前記光ファイバーの光出射端面
    と対向するように配置された半導体受光装置において、 前記フォトダイオードチップは光電流を検出信号として
    出力するためのpn接合領域を前記受光面に有すると共
    に、前記pn接合領域の周囲で生成されるキャリアを捕
    獲する領域を有し、 前記光ファイバの出射光は球面レンズを介して前記受光
    面に入射されていることを特徴とする半導体受光装置。
JP01762092A 1990-08-31 1992-02-03 半導体受光装置 Expired - Lifetime JP3191823B2 (ja)

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