JP3672168B2 - 半導体受光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールにおいては、高速動作を可能にするために該半導体受光素子の光吸収層を薄層化した場合には、入射光と該端面入射型半導体受光素子との光結合効率が低下し、その結果、受光感度が低下するという問題があった。
この問題を解決するために光導波路型半導体受光素子或いは屈折型半導体受光素子が提案されている。
【0003】
図2(a)に光導波路型半導体受光素子を示す。
同図において、21aは光入射端面、22aはp−InP層、23aはp−InGaAsP光ガイド層、24aはInGaAs光吸収層、25aはn−InGaAsP光ガイド層、26aはn−InP基板、27aはp電極、28aはn電極である。
【0004】
この光導波路型半導体受光素子は、光ガイド層23a,25aの働きにより、光吸収層24aを薄層化した場合でも、入射光に対して高い受光感度を得られる。
しかしながら、光吸収層24aとInP層22a,26aの間に光ガイド層23aを設けるために全成長層厚が厚くなり、結晶成長及び素子作製プロセスが容易ではないという問題がある。
【0005】
図2(b)に屈折型半導体受光素子を示す。
同図において、21bは光入射端面、22bはp−InP層、23bはInGaAs光吸収層、24bはn−InP層、25bはn−InP基板、26bはp電極、27bはn電極である。
【0006】
この屈折型半導体受光素子は、光入射端面21bを傾斜させて形成しているため、該光入射端面21bで屈折した入射光が光吸収層23bを斜めに通過し、それによって該光吸収層23bを薄層化した場合でも、入射光に対して高い受光感度を得られる。
しかしながら、傾斜した光入射端面21bをエッチングで作製するプロセスが必要であるという問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、結晶成長、及び作製プロセスが簡易な端面入射型受光素子を用いながら、高速動作が可能で、かつ高受光感度が得られる半導体受光装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に成長された光吸収層を含む半導体多層構造に対し端面から光を入射する構造の半導体受光素子(端面入射型受光素子)を用いた受光モジュールにおいて、入射光を該半導体多層構造と略垂直な基板端面に対して斜めに入射することにより、該光入射端面において屈折した入射光が前記光吸収層を層厚方向に対して斜めに通過するように構成されていることを特徴とする。
薄い半導体成長層厚で通常の光入射端面を有する端面入射型半導体受光素子を用いながら、光が光吸収層に対し斜めに入射されるために、該端面入射型半導体受光素子の高速動作を可能とする薄い光吸収層に対しても高い受光感度を得られる。
【0009】
〔作用〕
このように、本発明は、光が光吸収層に対し斜めに入射されるために、薄い光吸収層に対しても高い光結合効率が得られ、同時に光が光吸収層を斜めに通過するために実効的光吸収長が長くなる。
その結果、半導体受光素子の高速動作を可能とする薄い光吸収層を用いた場合でも高い受光感度を得ることが出来る。
即ち、簡易な層構造及び作製プロセスで作製可能な端面入射型半導体受光素子を用いていながら、高速、高受光感度の受光モジュールが作製可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
〔実施例1〕
本発明の第1の実施例を図1に示す。
本実施例は、端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、11は光入射端面、12はp−InP層、13はInGaAs光吸収層、14はn−InP層、15はn−InP基板、16はp電極、17はn電極、18はフラットエンドファイバ、19はパッケージである。
光入射端面11には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は30μm×50μmである。
【0011】
フラットエンドファイバ18がパッケージ19に対して斜めに取り付けられているため、入射光は入射角θで光入射端面11に入射される。
該光入射端面11で屈折した光は光吸収層13に対してφの角度を持って入射する。
波長1.3μmの光を入射すると、入射光に対するInPの屈折率は3.209であり、入射角θ=60度の時、屈折角φ=15.7度となる。
屈折した光は光吸収層13内を15.7度の角度を持って通過するので、0.5μm厚の光吸収層を用いても、実効光吸収長は1.85μmになり、受光感度0.9A/W以上の大きな値が得られる。
【0012】
光吸収層厚0.5μmであれば、受光層面積を縮小することで、3dB帯域40GHz以上の高速動作が可能である。
本実施例では、フラットエンドファイバ18をパッケージ19に対して斜めに取り付けることで、光入射端面11に対して入射光が斜めに入射する構造を実現しているが、入射光光軸と受光素子の両方をパッケージ底面に対して斜めの角度を持つように配置してもよい。
また、本実施例ではフラットエンドファイバ18を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
【0013】
端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のp−InP層12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。
また、本実施例ではn−InP基板15を用いた例を示しているが、p−InP基板、或いは半絶縁性InP基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
【0014】
受光素子の光吸収層13については、本実施例では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構造や超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、InGaAs/InP系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【0015】
〔実施例2〕
本発明の第2の実施例を図3に示す。
本実施例は、端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、31は光入射端面、32はp−InP層、33はInGaAs光吸収層、34はn−InP層、35はn−InP基板、36はp電極、37はn電極、38はフラットエンドファイバ、391は傾斜形成用台座、392はパッケージである。
光入射端面31には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は30μm×50μmである。
【0016】
傾斜形成用台座391により半導体受光素子が傾斜して設置されるため、入射光は入射角θで光入射端面31に入射される。
該光入射端面31で屈折した光は光吸収層33に対してφの角度を持って入射する。
波長1.3μmの光を入射すると、入射光に対するInPの屈折率は3.209であり、入射角θ=60度の時、屈折角φ=15.7度となる。
屈折した光は光吸収層33内を15.7度の角度を持って通過するので、0.5μm厚の光吸収層を用いても実効光吸収長は1.85μmになり、受光感度0.9A/W以上の大きな値が得られる。
【0017】
光吸収層厚0.5μmであれば、受光層面積を縮小することで、3dB帯域40GHz以上の高速動作が可能である。
本実施例ではフラットエンドファイバ38を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のp−InP層32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。
【0018】
また、本実施例ではn−InP基板35を用いた例を示しているが、p−InP基板或いは半絶縁性InP基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
受光素子の光吸収層33については、本実施例では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構造や超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、InGaAsInP系以外のInGaAlAsInGaAsPやAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【0019】
〔実施例3〕
本発明の第3の実施例を図4に示す。
本実施例は、端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、41は光入射端面、42はp−InP層、43はInGaAs光吸収層、44はn−InP層、45はn−InP基板、46はp電極、47はn電極、48はフラットエンドファイバ、491は反射鏡、492はパッケージである。
光入射端面41には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は30μm×50μmである。
【0020】
反射鏡491により反射された入射光は入射角θで光入射端面41に入射される。
該光入射端面41で屈折した光は光吸収層43に対してφの角度を持って入射する。
波長1.3μmの光を入射すると、入射光に対するInPの屈折率は3.209であり、入射角θ=60度の時、屈折角φ=15.7度となる。
屈折した光は光吸収層43内を15.7度の角度を持って通過するので、0.5μm厚の光吸収層を用いても実効光吸収長は1.85μmになり、受光感度0.9A/W以上の大きな値が得られる。
【0021】
光吸収層厚0.5μmであれば、受光層面積を縮小することで、3dB帯域40GHz以トの高速動作が可能である。
本実施例では、反射鏡491を1つ用いているが、複数の反射鏡を用いて入射光が光入射端面に対して斜めに入射する構造を実現しても良いし、プリズム、レンズ等を用いて入射光が光入射端面に対して斜めに入射する構造を実現しても良い。
また、本実施例ではフラットエンドファイバ48を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
【0022】
端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のp−InP層42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。
また、本実施例ではn−InP基板45を用いた例を示しているが、p−InP基板、或いは半絶縁性InP基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
【0023】
受光素子の光吸収層43については、本実施例では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構造や超格子構遣の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、InGaAs/InP系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【0024】
〔実施例4〕
本発明の第4の実施例を図5に示す。
本実施例は、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を有する端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、51は光入射端面、52はp−InP層、53はInGaAs光吸収層、54はn−InP層、55はn−InP8度オフ基板、56はp電極、57はn電極、58はフラットエンドファイバ、591は反射鏡、592はパッケージである。
【0025】
8度オフ基板55を用いているために、劈開により形成した光入射端面51は表面に対して82度の角度をなす。
光入射端面51には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は30μm×50μmである。
反射鏡591により反射された入射光は入射角θで光入射端面51に入射される。
該光入射端面51で屈折した光は光吸収層53に対してφ+8度の角度を持って入射する。
波長1.3μmの光を入射すると、入射光に対するInPの屈折率は3.209であり、入射角θ=60度の時、屈折角φ=15.7度となる。
【0026】
屈折した光は光吸収層53内を23.7度の角度を持って通過するので、0.5μm厚の光吸収層を用いても実効光吸収長は1.25μmになり、受光感度0.8A/W以下の大きな値が得られる。
光吸収層厚0.5μmであれば、受光層面積を縮小することで、3dB帯域40GHz以上の高速動作が可能である。
光入射端面51が表面側から離れるに従い内側に傾斜しているため、光吸収層53と入射光のなす角度を大きくすることも可能となり、高速化を目指して受光層面積を小さくした場合でも、光が光吸収層外に漏れることを極力小さくすることができ、受光感度の低下を小さく抑える設計が可能となる。
【0027】
本実施例では基板表面が(100)面に対して8度の角度を持つ基板55を用いているが、この角度は何度であってもよい。
また、本実施例では基板表面が(100)面に対してある角度を持つ基板55を用いた時に劈開面が表面に対して斜めの角度を持つことを利用して光入射端面51が表面側から離れるに従い内側に傾斜している構造を形成しているが、基板55としては通常の基板を用いて、エッチング等により光入射端面が表面側から離れるに従い内側に傾斜している構造を形成してもよい。
【0028】
本実施例では、反射鏡591を1つ用いているが、複数の反射鏡を用いて入射光が光入射端面51に対して斜めに入射する構造を実現しても良いし、プリズム、レンズ等を用いて入射光が光入射端面に対して斜めに入射する構造を実現しても良い。
また、本実施例ではフラットエンドファイバ58を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
【0029】
更に、実施例1に示すような、受光素子はパッケージに対して水平に設置し、入射光光軸を斜めにする構造、或いは実施例2に示すような、受光素子をパッケージに対して斜めに設置し、入射光光軸は水平にする構造等に本実施例で示した表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を有する端面入射型半導体受光素子を用いてもよい。
尚、端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のp−InP層52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。
【0030】
また、本実施例ではn−InP基板55を用いた例を示しているが、p−InP基板、或いは半絶縁性InP基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
受光素子の光吸収層53については、本実施例では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構造や超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、InGaAs/InP系以外のInGaAlAs/InGaAsPやAlGaAs/GaAs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【0031】
また、半導体受光装置には電気素子がハイブリッドに内蔵される、或いは、受光素子とモノリシック集積されてもかまわない。
更には、特願平11−30137号に示すように、半導体受光層の上層或いはその周辺部に光入射用の窓を設けた端面入射型半導体受光素子で構成されたことを特徴とする半導体受光装置にも適用可能なものである。
【0032】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明の受光モジュールは、光が光吸収層に対し斜めに入射されるために、薄い光吸収層に対しても高い光結合効率が得られ、同時に光が光吸収層を斜めに通過するために実効的光吸収長が長くなる。
その結果、半導体受光素子の高速動作を可能とする薄い光吸収層を用いた場合でも高い受光感度を得ることが出来る。
即ち、簡易な層構造及び作製プロセスで作製可能な端面入射型半導体受光素子を用いていながら、高速、高受光感度の受光モジュールが作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図である。
【図2】従来の受光モジュールで用いる半導体受光素子を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施例を示す断面図である。
【図5】本発明の第4の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
11 光入射端面
12 p−InP層
13 InGaAs光吸収層
14 n−InP層
15 n−InP基板
16 p電極
17 n電極
18 フラットエンドファイバ
19 パッケージ
21a 光入射端面
22a p−InP層
23a p−InGaAsP光ガイド層
24a InGaAs光吸収層
25a n−InGaAsP光ガイド層
26a n−InP基板
27a p電極
28a n電極
21b 光入射端面
22b p−InP層
23b InGaAs光吸収層
24b InP層
25b n−InP基板
26b p電極
27b n電極
31 入射端面
32 p−InP層
33 InGaAs光吸収層
34 n−InP層
35 n−InP基板
36 p電極
37 n電極
38 フラットエンドファイバ
391 傾斜形成用台座
392 パッケージ
41 入射端面
42 p−InP層
43 InGaAs光吸収層
44 n−InP層
45 n−InP基板
46 p電極
47 n電極
48 フラットエンドファイバ
491 反射鏡
492 パッケージ
51 入射端面
52 p−InP層
53 InGaAs光吸収層
54 n−InP層
55 n−InP8度オフ基板
56 p電極
57 n電極
58 フラットエンドファイバ
591 反射鏡
592 パッケージ
Claims (9)
- 少なくとも光吸収層を含む半導体多層構造を有する受光素子と、該受光素子の取り付け部材と、光を該受光素子に入射させる手段とから構成される半導体受光装置において、該受光素子への入射光が、該半導体多層構造と略垂直な基板端面に斜めに入射し、かつ、該光吸収層を斜めに通過する様に、該受光素子と該手段を配置したことを特徴とする半導体受光装置。
- 該手段は、少なくとも該取り付け部材に対して斜めに配置された要素を含むことを特徴とする請求項1の半導体受光装置。
- 該取り付け部材に対して、少なくとも該受光素子を斜めに配置したことを特徴とする請求項1又は2の半導体受光装置。
- 該手段は、光ファイバを有することを特徴とする請求項1,2又は3の半導体受光装置。
- 該手段は、光路変換手段を有することを特徴とする請求項1,2,3又は4の半導体受光装置。
- 該光路変換手段は、少なくとも反射鏡を有することを特徴とする請求項5の半導体受光装置。
- 該光路変換手段は、少なくともプリズムを有することを特徴とする請求項5の半導体受光装置。
- 該光路変換手段は、少なくともレンズを有することを特徴とする請求項5の半導体受光装置。
- 該基板端面は、劈開面であることを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7又は8記載の半導体受光装置。
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