JP3608763B2 - 半導体受光素子及び半導体受光装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光素子及び半導体受光装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の屈折型半導体受光素子は、図２に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２５上に、ｎ−ＩｎＰ層２４、ＩｎＧａＡｓ光受光層２３、ｐ−ＩｎＰ層２２により受光部分である半導体多層構造を積層すると共にｐ電極２６、ｎ電極２７を形成し、更に、光受光層２３を層厚方向に斜めに通過するよう光入射端面２１を形成したものである。
このような屈折型半導体受光素子は、光入射傾斜端面の近傍より劈開などによりチップが規定されている。
【０００３】
また、従来の導波路型半導体受光素子は、図３に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板３７上に、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層３６、２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３５、３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層３４、２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層３２により受光部分である半導体多層構造を積層すると共にｐ電極３８、ｎ電極３９を成形し、光入射端面３１から入射光が入射できるようにしたものである。
このような導波路型半導体受光素子は、劈開による光入射端面によりチップが規定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した半導体受光素子においては、ファイバ等の光導波路と光学的に結合する場合、ファイバ先端を受光感度が最大になる位置まで数ミクロンの精度で機械的に微動させて合わせこむ必要がある。
従って、受光素子とファイバを組み合わせてモジュールを製作するとき、極めて高精度な位置あわせ技術が必要であり、微小なずれで、受光感度の低下や応答速度の低下が発生する。
このため、通常は受光素子とファイバの間にレンズを１ないし２個挿入し、機械的位置あわせ精度を緩和する方法がとられている。
【０００５】
しかしながら、このようなレンズ系の挿入は部品点数の増加や製作工程の増加となり、モジュールコストが上がってしまうという問題が有る。
本発明の目的は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、屈折型光受光素子又は導波路型光受光素子において、ファイバとの光結合を図る際、容易に高精度で光結合が可能となる光受光素子及びそれを用いた半導体受光装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにし、かつ、該光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有する屈折型半導体受光素子において、該光入射端面部分及びその近傍が有機物質で埋められ、該有機物質により前記光入射端面が保護され、突合せ結合される光ファイバ又は光導波路の先端が該有機物質で止まるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
該光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有しているため、この部分がファイバのガイドとして働く。
また、光入射端面及びその近傍が有機物質で埋められているため、ファイバ等の光導波路と突き合わせにより光結合を図れる。
従来技術とは、ファイバ等との光結合が微妙な機械的位置あわせが必要なく、高精度にできる点が異なる。
【０００８】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる導波路型半導体受光素子において、光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有する半導体受光素子において、該光入射端面の近傍が有機物質で埋められ、該有機物質により前記光入射端面が保護され、突合せ結合される光ファイバ又は光導波路の先端が該有機物質で止まるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
また、光入射端面の近傍が有機物質で埋められているため、ファイバ等の光導波路と突き合わせにより光結合を図れる。
このため、ファイバ等との光結合が、従来技術のような微妙な機械的位置あわせの必要なく、高精度にできる。
【００１０】
〔作用〕
このように、本素子は、光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有しており、かつ、光入射端面部分及びその近傍、又は、その近傍が有機物質で埋められている。
このため、Ｖ又はＵ字型の溝部分がファイバ等の光導波路のガイドとして作用し、また、光入射端面側が有機物質で保護されているため突き合わせにより高精度な光結合が可能となる。
また、１チップ上に並列に本素子を配列するモノリシック構成により多数本のフアイバとの光結合を一括して高精度に行うことが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係る屈折型半導体受光素子を図１に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板１５上には、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層１４、１μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層１３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層１２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極１６、ｎ電極１７が形成され、また、光受光層１３を入射光が層厚方向に斜めに通過するよう、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面１１が形成され、更に、この光入射端面１１に対向してＶ字型溝１８が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
光入射端面１１及びその近傍は、有機物質であるフォトレジスト１９で埋められている。
【００１２】
光入射端面１１及びＶ字型溝１８は、Ｔ字型の窓を有するシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いでウェットエッチングを行い、同時に形成した。
この時、光入射端面１１及びＶ字型溝１８は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように逆メサ形状で形成され、これに直交する方向では（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
【００１３】
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、逆メサ部及びＶ字型溝１８は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００１４】
Ｖ字型溝１８は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
このため、時間でエッチング深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
【００１５】
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面１１に無反射膜を形成した後、全面にフォトレジストを塗布し、全面を露光装置にて露光すると、逆メサのひさし部分は露光されないため、レジスト現像により図のようにひさし部分から順メサ形状で有機物質であるレジスト１９が残る。
【００１６】
露光時、露光時間を制御したり、基板を斜めに露光することで、レジスト１９の順メサ形状は制御可能である。
本実施例では、全面を露光してレジスト１９の埋め込みを部分を形成しているが、マスクを用いて露光し、光入射端面１１の先端部分より有限の長さ離してレジスト１９の埋め込み部分を形成しても良い。
【００１７】
Ｖ字型溝１８に、シングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせて突き当てても、ファイバの先端部エッジはレジスト１９で止まるのでファイバ先端が素子の光入射端面１１にぶつかることはない。
シングルモードファイバをエポキシ等で固定した後、有機溶剤でレジスト部分のみを選択的に除去すれば、光受光装置である受光モジュールを製作できる。
【００１８】
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝１８を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置合わせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
例えば、波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００１９】
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、同様に、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
【００２０】
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
例えば、受光面積（１０μｍ×２０μｍ）の素子で、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作可能なモジュールが製作可能であった。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩｎＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００２１】
また、半導体受光素子部分は、第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体属を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩｎ１−ｕＧａｕＡｓ１−ｖＰｖ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなる半導体受光素子で構成しても良い。
【００２２】
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００２３】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係る屈折型半導体受光素子を図４に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板４５上には、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層４４、１μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層４３、１μ厚ｐ−ＩｎＰ層４２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極４６、ｎ電極４７が形成され、また、光受光層４３を入射光が層厚方向に斜めに通過するよう、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面４１が形成され、更に、この光入射端面４１に対向してＶ字型溝４８が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
光入射端面４１及びその近傍は、有機物質であるポリイミド４９で埋められている。
【００２４】
光入射端面４１及びＶ字型溝４８は、Ｔ字型の窓を有するシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、同時に形成した。
この時、光入射端面４１及びＶ字型溝４８は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように逆メサ形状で形成され、これに直交する方向では（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
【００２５】
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、逆メサ部及びＶ字型溝４８は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００２６】
Ｖ字型溝４８は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
このため、時間でエッチシグ深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
【００２７】
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面４１に無反射膜を形成した後、スピンコートにより全面にポリイミド４９を塗布し、その上にレジストを塗布後、光入射端面４１の先端部分より有限の長さ離してカバーするマスクを用いて露光及び現像を行った。
【００２８】
この時、ポリイミドとしてレジスト現像液でエッチングされるものを用いることにより、図のようにひさし部分から有限の長さ離れた所までメサ形状で有機物質であるポリイミド４９が残る。
なお、図４は、レジストをアセトンで除去した後の状態の模式図である。
Ｖ字型溝４８に、シングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせ、突き当てても、ファイバの先端部はポリイミド４９で止まるのでファイバ先端が素子の光入射端面４１にぶつかることはない。
【００２９】
シングルモードファイバを突き合わせた後、素子とファイバ間も含めてポリイミド（図示省略）で固定して光受光装置である受光モジュールを製作した。
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝４８を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
例えば、波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００３０】
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、同様に、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
例えば、受光面積（１０μｍ×２０μｍ）の素子で、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作可能なモジュールが製作可能であった。
【００３１】
本実施例では、レジストをマスクにしてレジスト現像液でポリイミド４９をパターニングしているが、ＳｉＯ２やメタル等のマスクを形成して酸素などの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）などの他の手法でポリイミド４９のパターニングを行っても良い。
また、ポリイミド以外のエポキシ等の別の有機物質を塗布して同様にパターニングを行い、同一物質で素子とファイバ間も含めて固定して光受光装置を製作しても良い。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩｎＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００３２】
また、半導体受光素子部分は、第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体属を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩｎ１−ｕＧａｕＡｓ１−ｖＰｖ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなる半導体受光素子で構成しても良い。
【００３３】
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００３４】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例に係る導波路型半導体受光素子を図５に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板５７上には、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層５６、２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５５、３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層５４、２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層５２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極５８、ｎ電極５９が形成され、光入射端面５１に対向してＶ字型溝５１０が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×１００μｍである。
光入射端面５１の近傍の溝部は、有機物質であるフォトレジスト５１１により埋められている。
光入射端面５１は、ドライエッチングで形成後、Ｖ字型溝５１０はシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い形成した。
【００３５】
この時、Ｖ字型溝５１０は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは図のように（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、光入射端面５１はウェットエッチング法を用いて形成しても良い。また、Ｖ字型溝５１０は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００３６】
Ｖ字型溝５１０は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
このため、時間でエッチング深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
【００３７】
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面５１に無反射膜を形成した後、全面にフォトレジストを塗布し、全面を露光装置にて露光すると、逆メサのひさし部分は露光されないため、レジスト現像により図のようにひさし部分から順メサ形状で有機物質であるレジスト５１１が残る。
露光時、露光時間を制御したり、基板を斜めに露光することで、レジスト５１１の順メサ形状は制御可能である。
【００３８】
本実施例では、全面を露光してレジスト５１１の埋め込みを部分を形成しているが、マスクを用いて露光し、光入射端面５１の先端部分より有限の長さ離してレジスト５１１の埋め込み部分を形成しても良い。
Ｖ字型溝５１０に、シングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせ、突き当てても、ファイバの先端部エッジはレジスト５１１で止まるのでファイバ先端が素子の光入射端面５１にぶつかることはない。
シングルモードファイバをエポキシ等で固定した後、有機溶剤でレジスト５１１のみを選択的に除去して光受光装置である受光モジュールを製作した。
【００３９】
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝５１０を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス３．０Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
【００４０】
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
【００４１】
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００４２】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例に係る導波路型半導体受光素子を図６に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板６７上に、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層６６、２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６５、３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層６４、２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層６２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極６８、ｎ電極６９が形成され、光入射端面６１に対向して、Ｖ字型溝６１０が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×１００μｍである。
光入射端面６１の近傍の溝部は、有機物質であるポリイミド６１１により埋められている。
【００４３】
光入射端面６１は、ドライエッチングで形成後、Ｖ字型溝６１０はシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い形成した。
この時、Ｖ字型溝６１０は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは図のように（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、光入射端面６１はウェットエッチング法を用いて形成しても良い。
【００４４】
また、Ｖ字型溝６１０は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
Ｖ字型溝６１０は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
【００４５】
このため、時間でエッチング深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面６１に無反射膜を形成した後、スピンコートにより全面にポリイミドを塗布し、その上にレジストを塗布後、光入射端面の先端部分より有限の長さ離してカバーするマスクを用いて露光及び現像を行った。
【００４６】
この時、ポリイミドとしてレジスト現像液でエッチングされるものを用いることにより、図のようにひさし部分から有限の長さ離れた所までメサ形状で有機物質であるポリイミド６１１が残る。
なお、図６は、レジストをアセトンで除去した後の状態の模式図である。
Ｖ字型溝６１０にシングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせ、突き当てても、ファイバの先端部はポリイミド６１１で止まるのでファイバ先端が半導体素子の光入射端面６１にぶつかることはない。
【００４７】
ファイバを突き合わせた後、素子とファイバ間も含めてポリイミド（図示省略）で固定して光受光装置である受光モジュールを製作した。
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝６１０を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、フアイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
例えば、波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス３．０Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００４８】
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
本実施例では、レジストをマスクにしてレジスト現像液でポリイミド６１１をパターニングしているが、ＳｉＯ２やメタル等のマスクを形成して酸素などの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）などの他の手法でポリイミドのパターニングを行っても良い。
【００４９】
また、ポリイミド以外のエポキシ等の別の有機物質を塗布して同様にパターニングを行い、同一物質で素子とファイバ間も含めて固定して光受光装置を製作しても良い。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドーブ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００５０】
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００５１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子、又は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる導波路型半導体受光素子において、光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝が形成されており、かつ、光入射端面部分及びその近傍、又は、その近傍が有機物質で埋められているため、Ｖ又はＵ字型の溝部分がファイバ等の光導波路のガイドとして作用し、また、光入射端面側が有機物質で保護されているため突き合わせにより高精度な光結合が可能となる。
【００５２】
水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝ガイドを形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であり、モジュールなどの光受光装置も容易に製作できる。
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で容易にモジュール化できる。
【００５３】
このように、受光部分とファイバを高精度にレンズ系なしに結合できるため、モジュール化において、部品点数の低減や製作工程の簡素化が図れ、低コストかつ超高速応答可能なモジュールが製作可能となる。
また、１チップ上に並列に本素子を配列するモノリシック構成により多数本のファイバとの光結合を一括して高精度に行うことが可能となり、そのモジュール化も容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る屈折型半導体受光素子の説明図である。
【図２】従来の屈折型半導体光受光素子の説明図である。
【図３】従来の導波路型半導体光受光素子の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る屈折型半導体受光素子の説明図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る導波路型半導体受光素子の説明図である。
【図６】本発明の第４の実施例に係る導波路型半導体受光素子の説明図である。
【符号の説明】
１１ 光入射端面
１２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
１３ １μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
１４ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
１５ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１６ ｐ電極
１７ ｎ電極
１８ Ｖ字型溝
１９ フォトレジスト
２１ 光入射端面
２２ ｐ−ＩｎＰ層
２３ ＩｎＧａＡｓ光受光層
２４ ｎ−ＩｎＰ層
２５ ｎ−ＩｎＰ基板
２６ ｐ電極
２７ ｎ電極
３１ 光入射端面
３２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
３３ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
３４ ３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層
３５ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
３６ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
３７ ｎ−ＩｎＰ基板
３８ ｐ電極
３９ ｎ電極
４１ 光入射端面
４２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
４３ １μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
４４ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
４５ 半絶縁性ＩｎＰ基板
４６ ｐ電極
４７ ｎ電極
４８ Ｖ字型溝
４９ ポリイミド
５１ 光入射端面
５２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
５３ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
５４ ３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層
５５ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
５６ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
５７ 半絶縁性ＩｎＰ基板
５８ ｐ電極
５９ ｎ電極
５１０ Ｖ字型溝
５１１ フォトレジスト
６１ 光入射端面
６２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
６３ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
６４ ３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層
６５ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
６６ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
６７ 半絶縁性ＩｎＰ基板
６８ ｐ電極
６９ ｎ電極
６１０ Ｖ字型溝
６１１ ポリイミド
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光素子及び半導体受光装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の屈折型半導体受光素子は、図２に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２５上に、ｎ−ＩｎＰ層２４、ＩｎＧａＡｓ光受光層２３、ｐ−ＩｎＰ層２２により受光部分である半導体多層構造を積層すると共にｐ電極２６、ｎ電極２７を形成し、更に、光受光層２３を層厚方向に斜めに通過するよう光入射端面２１を形成したものである。
このような屈折型半導体受光素子は、光入射傾斜端面の近傍より劈開などによりチップが規定されている。
【０００３】
また、従来の導波路型半導体受光素子は、図３に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板３７上に、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層３６、２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３５、３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層３４、２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層３２により受光部分である半導体多層構造を積層すると共にｐ電極３８、ｎ電極３９を成形し、光入射端面３１から入射光が入射できるようにしたものである。
このような導波路型半導体受光素子は、劈開による光入射端面によりチップが規定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した半導体受光素子においては、ファイバ等の光導波路と光学的に結合する場合、ファイバ先端を受光感度が最大になる位置まで数ミクロンの精度で機械的に微動させて合わせこむ必要がある。
従って、受光素子とファイバを組み合わせてモジュールを製作するとき、極めて高精度な位置あわせ技術が必要であり、微小なずれで、受光感度の低下や応答速度の低下が発生する。
このため、通常は受光素子とファイバの間にレンズを１ないし２個挿入し、機械的位置あわせ精度を緩和する方法がとられている。
【０００５】
しかしながら、このようなレンズ系の挿入は部品点数の増加や製作工程の増加となり、モジュールコストが上がってしまうという問題が有る。
本発明の目的は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、屈折型光受光素子又は導波路型光受光素子において、ファイバとの光結合を図る際、容易に高精度で光結合が可能となる光受光素子及びそれを用いた半導体受光装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにし、かつ、該光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有する屈折型半導体受光素子において、該光入射端面部分及びその近傍が有機物質で埋められ、該有機物質により前記光入射端面が保護され、突合せ結合される光ファイバ又は光導波路の先端が該有機物質で止まるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
該光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有しているため、この部分がファイバのガイドとして働く。
また、光入射端面及びその近傍が有機物質で埋められているため、ファイバ等の光導波路と突き合わせにより光結合を図れる。
従来技術とは、ファイバ等との光結合が微妙な機械的位置あわせが必要なく、高精度にできる点が異なる。
【０００８】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる導波路型半導体受光素子において、光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有する半導体受光素子において、該光入射端面の近傍が有機物質で埋められ、該有機物質により前記光入射端面が保護され、突合せ結合される光ファイバ又は光導波路の先端が該有機物質で止まるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
また、光入射端面の近傍が有機物質で埋められているため、ファイバ等の光導波路と突き合わせにより光結合を図れる。
このため、ファイバ等との光結合が、従来技術のような微妙な機械的位置あわせの必要なく、高精度にできる。
【００１０】
〔作用〕
このように、本素子は、光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有しており、かつ、光入射端面部分及びその近傍、又は、その近傍が有機物質で埋められている。
このため、Ｖ又はＵ字型の溝部分がファイバ等の光導波路のガイドとして作用し、また、光入射端面側が有機物質で保護されているため突き合わせにより高精度な光結合が可能となる。
また、１チップ上に並列に本素子を配列するモノリシック構成により多数本のフアイバとの光結合を一括して高精度に行うことが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係る屈折型半導体受光素子を図１に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板１５上には、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層１４、１μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層１３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層１２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極１６、ｎ電極１７が形成され、また、光受光層１３を入射光が層厚方向に斜めに通過するよう、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面１１が形成され、更に、この光入射端面１１に対向してＶ字型溝１８が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
光入射端面１１及びその近傍は、有機物質であるフォトレジスト１９で埋められている。
【００１２】
光入射端面１１及びＶ字型溝１８は、Ｔ字型の窓を有するシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いでウェットエッチングを行い、同時に形成した。
この時、光入射端面１１及びＶ字型溝１８は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように逆メサ形状で形成され、これに直交する方向では（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
【００１３】
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、逆メサ部及びＶ字型溝１８は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００１４】
Ｖ字型溝１８は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
このため、時間でエッチング深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
【００１５】
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面１１に無反射膜を形成した後、全面にフォトレジストを塗布し、全面を露光装置にて露光すると、逆メサのひさし部分は露光されないため、レジスト現像により図のようにひさし部分から順メサ形状で有機物質であるレジスト１９が残る。
【００１６】
露光時、露光時間を制御したり、基板を斜めに露光することで、レジスト１９の順メサ形状は制御可能である。
本実施例では、全面を露光してレジスト１９の埋め込みを部分を形成しているが、マスクを用いて露光し、光入射端面１１の先端部分より有限の長さ離してレジスト１９の埋め込み部分を形成しても良い。
【００１７】
Ｖ字型溝１８に、シングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせて突き当てても、ファイバの先端部エッジはレジスト１９で止まるのでファイバ先端が素子の光入射端面１１にぶつかることはない。
シングルモードファイバをエポキシ等で固定した後、有機溶剤でレジスト部分のみを選択的に除去すれば、光受光装置である受光モジュールを製作できる。
【００１８】
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝１８を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置合わせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
例えば、波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００１９】
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、同様に、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
【００２０】
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
例えば、受光面積（１０μｍ×２０μｍ）の素子で、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作可能なモジュールが製作可能であった。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩｎＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００２１】
また、半導体受光素子部分は、第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体属を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩｎ１−ｕＧａｕＡｓ１−ｖＰｖ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなる半導体受光素子で構成しても良い。
【００２２】
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００２３】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係る屈折型半導体受光素子を図４に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板４５上には、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層４４、１μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層４３、１μ厚ｐ−ＩｎＰ層４２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極４６、ｎ電極４７が形成され、また、光受光層４３を入射光が層厚方向に斜めに通過するよう、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面４１が形成され、更に、この光入射端面４１に対向してＶ字型溝４８が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
光入射端面４１及びその近傍は、有機物質であるポリイミド４９で埋められている。
【００２４】
光入射端面４１及びＶ字型溝４８は、Ｔ字型の窓を有するシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い、同時に形成した。
この時、光入射端面４１及びＶ字型溝４８は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように逆メサ形状で形成され、これに直交する方向では（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
【００２５】
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、逆メサ部及びＶ字型溝４８は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００２６】
Ｖ字型溝４８は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
このため、時間でエッチシグ深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
【００２７】
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面４１に無反射膜を形成した後、スピンコートにより全面にポリイミド４９を塗布し、その上にレジストを塗布後、光入射端面４１の先端部分より有限の長さ離してカバーするマスクを用いて露光及び現像を行った。
【００２８】
この時、ポリイミドとしてレジスト現像液でエッチングされるものを用いることにより、図のようにひさし部分から有限の長さ離れた所までメサ形状で有機物質であるポリイミド４９が残る。
なお、図４は、レジストをアセトンで除去した後の状態の模式図である。
Ｖ字型溝４８に、シングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせ、突き当てても、ファイバの先端部はポリイミド４９で止まるのでファイバ先端が素子の光入射端面４１にぶつかることはない。
【００２９】
シングルモードファイバを突き合わせた後、素子とファイバ間も含めてポリイミド（図示省略）で固定して光受光装置である受光モジュールを製作した。
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝４８を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
例えば、波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００３０】
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、同様に、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
例えば、受光面積（１０μｍ×２０μｍ）の素子で、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作可能なモジュールが製作可能であった。
【００３１】
本実施例では、レジストをマスクにしてレジスト現像液でポリイミド４９をパターニングしているが、ＳｉＯ２やメタル等のマスクを形成して酸素などの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）などの他の手法でポリイミド４９のパターニングを行っても良い。
また、ポリイミド以外のエポキシ等の別の有機物質を塗布して同様にパターニングを行い、同一物質で素子とファイバ間も含めて固定して光受光装置を製作しても良い。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩｎＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００３２】
また、半導体受光素子部分は、第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体属を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩｎ１−ｕＧａｕＡｓ１−ｖＰｖ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなる半導体受光素子で構成しても良い。
【００３３】
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００３４】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例に係る導波路型半導体受光素子を図５に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板５７上には、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層５６、２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５５、３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層５４、２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層５２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極５８、ｎ電極５９が形成され、光入射端面５１に対向してＶ字型溝５１０が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×１００μｍである。
光入射端面５１の近傍の溝部は、有機物質であるフォトレジスト５１１により埋められている。
光入射端面５１は、ドライエッチングで形成後、Ｖ字型溝５１０はシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い形成した。
【００３５】
この時、Ｖ字型溝５１０は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは図のように（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、光入射端面５１はウェットエッチング法を用いて形成しても良い。また、Ｖ字型溝５１０は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
【００３６】
Ｖ字型溝５１０は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
このため、時間でエッチング深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
【００３７】
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面５１に無反射膜を形成した後、全面にフォトレジストを塗布し、全面を露光装置にて露光すると、逆メサのひさし部分は露光されないため、レジスト現像により図のようにひさし部分から順メサ形状で有機物質であるレジスト５１１が残る。
露光時、露光時間を制御したり、基板を斜めに露光することで、レジスト５１１の順メサ形状は制御可能である。
【００３８】
本実施例では、全面を露光してレジスト５１１の埋め込みを部分を形成しているが、マスクを用いて露光し、光入射端面５１の先端部分より有限の長さ離してレジスト５１１の埋め込み部分を形成しても良い。
Ｖ字型溝５１０に、シングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせ、突き当てても、ファイバの先端部エッジはレジスト５１１で止まるのでファイバ先端が素子の光入射端面５１にぶつかることはない。
シングルモードファイバをエポキシ等で固定した後、有機溶剤でレジスト５１１のみを選択的に除去して光受光装置である受光モジュールを製作した。
【００３９】
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝５１０を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス３．０Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
【００４０】
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
【００４１】
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００４２】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例に係る導波路型半導体受光素子を図６に示す。
同図に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板６７上に、１μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層６６、２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６５、３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層６４、２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６３、１μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層６２よりなる受光部分である半導体多層構造が積層されると共にｐ電極６８、ｎ電極６９が形成され、光入射端面６１に対向して、Ｖ字型溝６１０が形成されている。素子の受光層面積は３０μｍ×１００μｍである。
光入射端面６１の近傍の溝部は、有機物質であるポリイミド６１１により埋められている。
【００４３】
光入射端面６１は、ドライエッチングで形成後、Ｖ字型溝６１０はシリコン窒化膜マスクを用い、ブロムメタノールを用いてウェットエッチングを行い形成した。
この時、Ｖ字型溝６１０は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは図のように（−１−１１）面が順メサ形状で形成されることを利用して形成した。
この時、Ｖ字形状は面方位で精度よく製作され、従って、深さもマスクの窓幅で制御性よくコントロールできる。
もちろん、光入射端面６１はウェットエッチング法を用いて形成しても良い。
【００４４】
また、Ｖ字型溝６１０は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成しても良いし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成しても良い。
Ｖ字型溝６１０は、左右の順メサ面の底辺がエッチング時間の経過と共に下に降りてゆき、両側の底辺が一致することで自動的に形成されるため、深さもマスク窓幅で制御性よくコントロールできるわけであるが、底辺が一致する前の状態はいわゆるＵ字型の形状になる。
【００４５】
このため、時間でエッチング深さを制御することにより必要に応じてＵ字型の溝も形成可能である。
また、エッチング途中で異なるエッチング液に変えること等で形状の異なるＵ字型溝が形成可能である。
光入射端面６１に無反射膜を形成した後、スピンコートにより全面にポリイミドを塗布し、その上にレジストを塗布後、光入射端面の先端部分より有限の長さ離してカバーするマスクを用いて露光及び現像を行った。
【００４６】
この時、ポリイミドとしてレジスト現像液でエッチングされるものを用いることにより、図のようにひさし部分から有限の長さ離れた所までメサ形状で有機物質であるポリイミド６１１が残る。
なお、図６は、レジストをアセトンで除去した後の状態の模式図である。
Ｖ字型溝６１０にシングルモードファイバ（図示省略）を乗せてガイドさせ、突き当てても、ファイバの先端部はポリイミド６１１で止まるのでファイバ先端が半導体素子の光入射端面６１にぶつかることはない。
【００４７】
ファイバを突き合わせた後、素子とファイバ間も含めてポリイミド（図示省略）で固定して光受光装置である受光モジュールを製作した。
ここで、水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝６１０を形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、フアイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であった。
例えば、波長１．３μｍの光を導入すると、印加逆バイアス３．０Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００４８】
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現でき、容易にモジュール化を図ることができる。
本実施例では、レジストをマスクにしてレジスト現像液でポリイミド６１１をパターニングしているが、ＳｉＯ２やメタル等のマスクを形成して酸素などの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）などの他の手法でポリイミドのパターニングを行っても良い。
【００４９】
また、ポリイミド以外のエポキシ等の別の有機物質を塗布して同様にパターニングを行い、同一物質で素子とファイバ間も含めて固定して光受光装置を製作しても良い。
本実施例では、表面側のｐ−ＩｎＰ層及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドーブ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚｎの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００５０】
また、本実施例では、基板として半絶縁性ＩｎＰを用い、基板側にｎ−ＩｎＰを用いた例であるが、ｐ−ＩｎＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、ｎ−ＩｎＰやｐ−ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＧＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ）構造やＳＡＭ−ＳＬ（Ｓｅｐａｒａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造や他の超格子構造の半導体層等を用いても良い。
また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系でも良い。
【００５１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子、又は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる導波路型半導体受光素子において、光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝が形成されており、かつ、光入射端面部分及びその近傍、又は、その近傍が有機物質で埋められているため、Ｖ又はＵ字型の溝部分がファイバ等の光導波路のガイドとして作用し、また、光入射端面側が有機物質で保護されているため突き合わせにより高精度な光結合が可能となる。
【００５２】
水平及び垂直方向の光入射位置はＶ字型溝ガイドを形成するためのマスクの精度でほぼ決定でき、かつ、突き当てにより光軸方向の位置合わせも可能なため、ファイバの微妙な機械的移動による位置あわせによらず、高精度な位置決めが可能であり、モジュールなどの光受光装置も容易に製作できる。
また、シングルモードファイバの代わりに先球ファイバを用い、ビームサイズを微小化しても、高精度な位置決めが可能なため、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化でき、超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で容易にモジュール化できる。
【００５３】
このように、受光部分とファイバを高精度にレンズ系なしに結合できるため、モジュール化において、部品点数の低減や製作工程の簡素化が図れ、低コストかつ超高速応答可能なモジュールが製作可能となる。
また、１チップ上に並列に本素子を配列するモノリシック構成により多数本のファイバとの光結合を一括して高精度に行うことが可能となり、そのモジュール化も容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る屈折型半導体受光素子の説明図である。
【図２】従来の屈折型半導体光受光素子の説明図である。
【図３】従来の導波路型半導体光受光素子の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る屈折型半導体受光素子の説明図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る導波路型半導体受光素子の説明図である。
【図６】本発明の第４の実施例に係る導波路型半導体受光素子の説明図である。
【符号の説明】
１１ 光入射端面
１２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
１３ １μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
１４ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
１５ 半絶縁性ＩｎＰ基板
１６ ｐ電極
１７ ｎ電極
１８ Ｖ字型溝
１９ フォトレジスト
２１ 光入射端面
２２ ｐ−ＩｎＰ層
２３ ＩｎＧａＡｓ光受光層
２４ ｎ−ＩｎＰ層
２５ ｎ−ＩｎＰ基板
２６ ｐ電極
２７ ｎ電極
３１ 光入射端面
３２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
３３ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
３４ ３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層
３５ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
３６ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
３７ ｎ−ＩｎＰ基板
３８ ｐ電極
３９ ｎ電極
４１ 光入射端面
４２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
４３ １μｍ厚ＩｎＧａＡｓ光受光層
４４ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
４５ 半絶縁性ＩｎＰ基板
４６ ｐ電極
４７ ｎ電極
４８ Ｖ字型溝
４９ ポリイミド
５１ 光入射端面
５２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
５３ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
５４ ３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層
５５ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
５６ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
５７ 半絶縁性ＩｎＰ基板
５８ ｐ電極
５９ ｎ電極
５１０ Ｖ字型溝
５１１ フォトレジスト
６１ 光入射端面
６２ １μｍ厚ｐ−ＩｎＰ層
６３ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
６４ ３μｍ厚１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光受光層
６５ ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
６６ １μｍ厚ｎ−ＩｎＰ層
６７ 半絶縁性ＩｎＰ基板
６８ ｐ電極
６９ ｎ電極
６１０ Ｖ字型溝
６１１ ポリイミド
Claims (6)
- 光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにし、かつ、該光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有する屈折型半導体受光素子において、該光入射端面部分及びその近傍が有機物質で埋められ、該有機物質により前記光入射端面が保護され、突合せ結合される光ファイバ又は光導波路の先端が該有機物質で止まるようにしたことを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項１記載の半導体受光素子を用い、前記光ファイバ又は前記光導波路と結合を図った後、前記有機物質を除去して製作することを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
- 請求項１記載の半導体受光素子を用い、前記光ファイバ又は前記光導波路と結合を図った後、前記半導体受光素子と前記光導波路の間を有機物質で埋め込んで製作することを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
- 光受光層を含む半導体多層構造よりなる導波路型半導体受光素子において、光入射端面に対向してＶ又はＵ字型の溝を有する半導体受光素子において、該光入射端面の近傍が有機物質で埋められ、該有機物質により前記光入射端面が保護され、突合せ結合される光ファイバ又は光導波路の先端が該有機物質で止まるようにしたことを特徴とする半導体受光素子。
- 請求項４記載の半導体受光素子を用い、前記光ファイバ又は前記光導波路と結合を図った後、前記有機物質を除去して製作することを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
- 請求項４記載の半導体受光素子を用い、前記光ファイバ又は前記光導波路と結合を図った後、前記半導体受光素子と前記光導波路の間を有機物質で埋め込んで製作することを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
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| US10/702,577 US6917032B2 (en) | 1997-11-07 | 2003-11-05 | Semiconductor photo-detector, semiconductor photodetection device, and production methods thereof |
| US11/825,413 US7575949B2 (en) | 1997-11-07 | 2007-07-06 | Semiconductor photo-detector, semiconductor photo-detection device, and production method thereof |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP00823698A JP3608763B2 (ja) | 1998-01-20 | 1998-01-20 | 半導体受光素子及び半導体受光装置の製造方法 |
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1998
- 1998-01-20 JP JP00823698A patent/JP3608763B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JPH11204809A (ja) | 1999-07-30 |
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