JP3797562B2 - 面屈折入射型受光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光源から発生された光信号を受信して電気信号に変換する受光素子に係り、特に、面屈折入射型受光素子及びその製造方法に関する。

光結合の目的は、レーザーダイオード、光ファイバー（optical fiber）及びＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）素子などの光源から放出された光の経路を把握して最適の方法で損失なしに光受信面にガイドすることにより、光信号を電気的に転換させることにある。

一般に、垂直入射型フォトダイオードの場合、水平入射型に比べて優れた信頼性を有するという研究結果がある。しかし、垂直入射型フォトダイオードのパッケージの構成時にはその光結合が３次元的方法で行われるので、組立て時に光素子の垂直位置まで整列させなければならない。

現在開発されている低コストのモジュールを製造するためには、完全自動化、すなわち、チップマウンティング（chip mounting）方式で光モジュール製作が行われるべきである。したがって、レーザーダイオードとフォトダイオード（LD to PD）、光ファイバーとフォトダイオード（Fiber to PD）、ＰＬＣ（Planar Light Circuit）とフォトダイオード（PLC to PD）との間の光結合など、大部分の分野で２次元の光結合が要求される。

図１は従来の２次元光結合のための光検出器の構造を示した断面図であり、この光検出器は所謂、面屈折入射型（Edge−illuminated Refracting−Facet）構造の受光素子である。

面屈折入射型光検出器は、ＩｎＰ基板１、光入射面２、ｎ−ＩｎＰ３、光吸収層４、ｐ−ＩｎＰ５、ｐ−電極６及びｎ−電極７を含み、光が入射される基板１の端面２を湿式食刻（wet etching）して任意の角（θ）を有するように斜めに形成することにより、光が光吸収層４へ屈折して入射されるようにする構造を有する。このように屈折した光が光吸収層４へ入射するので、垂直入射光に比べて有効吸収長さが増加し、受信感度を向上させ得る。

しかし、従来の光検出器は斜め平面（angled facet）を具現するために化学的食刻工程を行わねばならず、素子の再現性、均一性の点で不安定な工程となる可能性が高い。さらに、斜めにメサ食刻（mesa etching）された面に光が入射するときの反射を減らすために無反射層を蒸着する場合、従来の構造では必ずバー（Bar）を立てる工程を行う必要があり、工程が複雑になり、これにより生産収率が低下するという問題点があった。

本発明の目的は、化学的食刻工程を不要とし、吸収層へ入射される光の有効吸収長さを増加させ得る面屈折入射型受光素子及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明による面屈折入射型受光素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上部に形成された光吸収層と、前記光吸収層の上部に形成され、前記半導体基板とは異なる導電型の半導体からなる第１ウィンドウ層と、前記第１ウィンドウ層の上部に選択的に形成され、入射光が前記光吸収層へ屈折して入射されるように少なくとも光の入射端面が任意の角度（θ）を有するように斜めに形成された第２ウィンドウ層と、前記第２ウィンドウ層と少なくとも一部が接触するように形成されると共に、該第２ウインドウ層表面における入射端面を除いた側面及び上面を囲むように形成された第１電極層と、前記半導体基板の底面に形成された第２電極層と、を備えてなることを特徴とする。

この受光素子において好ましくは、少なくとも第２ウィンドウ層の入射端面に形成された反射防止層をさらに備える。また、第２ウィンドウ層は、側方４面（側面）が任意の角度（θ）を有するように斜めに形成されたメサ構造を有するものとすることができる。好ましくは、第２ウィンドウ層は選択的エピタキシャル成長法により形成された（１１１）面を有するものとする。

本発明では、このような面屈折入射型受光素子の製造方法として、半導体基板の上部に光吸収層を形成する過程と、前記光吸収層の上部に前記半導体基板とは異なる導電型の半導体からなる第１ウィンドウ層を形成する過程と、入射光が前記光吸収層へ屈折して入射するように少なくとも光の入射端面が任意の角度（θ）を有するように前記第１ウィンドウ層の上部に選択的に第２ウィンドウ層を形成する過程と、前記第２ウィンドウ層と少なくとも一部が接触するように形成すると共に、該第２ウインドウ層表面における入射端面を除いた側面及び上面を囲むように第１電極層を形成する過程と、前記半導体基板の底面に第２電極層を形成する過程とを含むことを特徴とする製造方法を提供する。

この製造方法では、少なくとも第２ウィンドウ層の入射端面に反射防止層を形成する過程をさらに含むことができる。また、第１ウィンドウ層の上部に選択的に第２ウィンドウ層を形成する過程は、第１ウィンドウ層の上部に[１１０]又は[１１−（上バー）０]方向へ選択的エピタキシャル成長マスクを形成する過程と、そのエピタキシャル成長マスクを用いて露出した第１ウィンドウ層の上部にエピタキシャル層を成長させて第２ウィンドウ層を形成する過程とを含むものとする。この場合、第１ウィンドウ層の上部に選択的エピタキシャル成長マスクを形成する過程は、フォトリソグラフィー工程を通じて行うとよい。

本製造方法における第２ウィンドウ層は、選択的エピタキシャル成長法により形成された（１１１）面を有するものとすることができる。また、前記第１電極層を形成する過程は、金属物質を蒸着することにより行うことができる。

本発明によれば、受光素子の光入射面が斜めに形成された構造を備えることにより、吸収層に入射される光の有効吸収長さを増加させる。したがって、入射面が垂直である構造に比べて吸収層の厚さを大幅に減らすことができ、キャリアの遷移時間も低減して受光素子の動作速度を増大させる効果がある。この際、第１ウィンドウ層上に形成された第２ウィンドウ層表面における光入射面を除いた側面及び上面を囲むように第１電極層を形成することによって入射光を光吸収層に反射させることにより、光結合時におけるカップリング公差（coupling tolerance）を高めることができる。

さらに、本発明による受光素子の製造方法によれば、選択的エピタキシャル成長法により受光素子の光入射面を斜めに形成することができる。したがって、従来必須であった傾斜入射面（angled facet）を具現するための化学的食刻工程を行わなくてもよいため、工程の再現性及び均一性を向上させ得る。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。

まず、図２及び図３を参照して本発明の構造及び製造方法を説明すると次の通りである。図２は本発明の好ましい実施例による面屈折入射型受光素子の構造を示した図であり、図３は図２のＡ−Ａ’線による断面図である。

図２及び図３を参照すれば、本発明の面屈折入射型受光素子１００は、第１導電型の半導体基板１１０と、基板１１０の上に形成された光吸収層１２０と、光吸収層１２０の上に形成された第２導電型の第１ウィンドウ層１３０と、第１ウィンドウ層１３０上の一部に選択的に形成され、入射光が光吸収層１２０へ屈折して入射されるように光入射端面が任意の角（θ）を有するように斜めに形成された第２ウィンドウ層１４０と、上部電極１６０と、下部電極１７０とを備えてなる。さらに、第２ウィンドウ層１４０の光入射面には無反射層１５０が形成されている。

第１導電型の半導体基板１１０はｎ−ＩｎＰなどの半導体基板からなり、ＩｎＰバッファ層を含むこともできる。

光吸収層１２０は、吸収しようとする光信号の波長に応じてその波長のバンドギャップ（bandgap）エネルギーより小さい物質で構成し、一般的にｕ−ＩｎＧａＡｓ物質を使用している。

第１ウィンドウ層１３０は、光吸収層１２０とは反対に吸収しようとする波長に応じてその波長のバンドギャップエネルギーより大きい物質で構成し、半導体基板１１０とは異なる導電型のｐ−ＩｎＰ物質を使用することができる。

第２ウィンドウ層１４０は、第１ウィンドウ層の上部に選択的に形成され、入射光が光吸収層１２０へ屈折して入射されるように少なくとも入射端面（ｆ）が任意の角（θ）を有するようにメサ構造を有する。このように光入射面を斜めに形成することにより、光が吸収層１２０へ屈折して入射するようにすることで、垂直入射される光に比べて有効吸収長さが増加する。

このようなメサ構造の第２ウィンドウ層１４０は選択的エピタキシャル成長法により形成することができる。まず、ＩｎＰ基板１１０にＩｎＰバッファ層（図示せず）、ｕ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２０及びＩｎＰウィンドウ層１３０を順次に単結晶成長させる。その後、ＩｎＰウィンドウ層１３０の上にSiN_X、SiO₂ １８０などの絶縁層を蒸着した後、フォトリソグラフィー工程を通じて絶縁層１８０を[１１０]又は[１１−（上バー）０]方向へ整列させる。[１１０]又は[１１−（上バー）０]方向へ整列した絶縁層１８０は選択的エピタキシャル成長マスクとして使用される。第１ウィンドウ層１３０上の単結晶成長が選択的エピタキシャル成長マスクを用いて行われると、成長面（growing facet）は（１１１）Ｂ面又は（１１１）Ａ面に形成される。この選択的エピタキシャル成長過程を通じて形成された（１１１）面は（１００）面に対して５４．４°の角度で傾斜する。

図２及び図３を再度参照すれば、反射防止層１５０は、第２ウィンドウ層１４０の光入射面に形成されてレーザー、光ファイバー、ＰＬＣなどの任意の光源から入力される光信号を反射せず通過させる役割をする。ただし、反射防止層１５０は必要に応じて形成しない場合もある。反射防止層１５０がない場合、波長に応じて３０乃至３５％程度が反射され、残り光信号のみが通過する。したがって、反射、すなわち、光損失程度と工程の便宜性及び光素子の特性などを考慮して反射防止層１５０の適用を決定する。例えば、光信号のモニタリング機能を行うＭＰＤ（Monitor Photo Diode）の場合、工程の便宜上、反射防止層を形成しないことが好ましい。

第１金属層１６０及び第２金属層１７０は、光電変換された電気信号を外部回路を通じて検出する電極として使用される。この際、光が入射される入射面を除いた全面に金属を蒸着する場合、入射光を吸収層１２０に反射させることにより、光結合時にカップリング公差（coupling tolerance）を高める役割をする。

以上の構造を有する面屈折入射型受光素子の動作を図４及び図５を通じて説明すると次の通りである。

図４は、上記のような本発明の好ましい実施例によるフォトダイオード検出器とＰＬＣ光源を光結合させた適用例を示した断面図であり、図５はSnell's Lawを説明するための断面図である。図面で説明しない符号２１０は上部クラッド、２２０はコア、２３０は下部クラッド、３００は基板、３１０はシリコン基板、３２０はSiO₂層、３３０は金属層をそれぞれ示す。

図４を参照すれば、ＰＬＣ光源２００から入力される光信号は反射防止層１５０を通じて第２ウィンドウ層１４０の入射面（ｆ）に入射される。例えば、第２ウィンドウ層１４０の入射面（ｆ）が（１００）面に対してほぼ５４．４°の傾斜度を有する（１１１）面である場合、（１００）面と平行に進行する光信号は（１１１）面と３５．６°（９０°−５４．４°）の角度を形成しながら屈折する。このような入射光は相異なる媒質を通過するごとに屈折するが、これは、光が性質の違う媒質の境界面を通過するときの光の曲がり程度を定義したSnell's Lawにより把握することができる。

図５を参照すれば、ｎ₁ ｓｉｎθ₁ ＝ ｎ₂ ｓｉｎθ₂ （Snell's Law ）である。

ここで、ｎ_１は出射層の屈折率、θ₁は入射界面の垂直に対する入射光の角度、ｎ₂は入射層の屈折率、θ₂は入射界面の垂直に対する透過光の角度をそれぞれ示す。

屈折して入射した光が吸収層にθ角度で入射されるとき、吸収層の厚さをＴとすれば、実質的吸収距離は吸収層厚さ／ｓｉｎθとして計算することができる。例えば、吸収層の厚さが１μｍ、θが２５°であれば、実質的吸収距離は２．３６μｍとなる。したがって、薄い吸収層を適用するのにもかかわらず、高い応答特性を確保することができる。

以上、本発明の詳細な説明では具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能である。したがって、本発明の範囲は前記実施例に限られるものでなく、特許請求の範囲のみならず、その特許請求の範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来の面屈折入射型光検出器の構造を示した断面図。 本発明の好ましい実施例による面屈折入射型受光素子の構造を示した図。 図２のＡ−Ａ’線による断面図。 本発明の好ましい実施例によるフォトダイオード検出器とＰＬＣを光結合させた適用例を示した断面図。 Snell's Lawを説明するための図。

符号の説明

１００ 面屈折入射型受光素子
１１０ 半導体基板
１２０ 光吸収層
１３０ 第１ウインドウ層
１４０ 第２ウインドウ層
１５０ 反射防止層（無反射層）
１６０，１７０ 電極層
１８０ 絶縁層

Claims (15)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上部に形成された光吸収層と、
   前記光吸収層の上部に形成され、前記半導体基板とは異なる導電型の半導体からなる第１ウィンドウ層と、
   前記第１ウィンドウ層の上部に選択的に形成され、入射光が前記光吸収層へ屈折して入射されるように少なくとも光の入射端面が任意の角度（θ）を有するように斜めに形成された第２ウィンドウ層と、
   前記第２ウィンドウ層と少なくとも一部が接触するように形成されると共に、該第２ウインドウ層表面における入射端面を除いた側面及び上面を囲むように形成された第１電極層と、
   前記半導体基板の底面に形成された第２電極層と、を備えてなることを特徴とする面屈折入射型受光素子。
2. 少なくとも第２ウィンドウ層の入射端面に形成された反射防止層をさらに備える請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
3. 第２ウィンドウ層は、側方４面が任意の角度（θ）を有するように斜めに形成されたメサ構造を有する請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
4. 第２ウィンドウ層は、選択的エピタキシャル成長法により形成された（１１１）面を有する請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
5. 半導体基板は、ＩｎＰバッファ層を備えるｎ−ＩｎＰ半導体基板である請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
6. 光吸収層は、吸収しようとする光信号の波長に応じてその波長のバンドギャップ（bandgap）エネルギーより小さい物質で構成される請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
7. 光吸収層は、ｕ−ＩｎＧａＡｓ物質で構成される請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
8. 第１ウィンドウ層は、吸収しようとする光信号の波長に応じてその波長のバンドギャップエネルギーより大きい物質で構成される請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
9. 第１ウィンドウ層は、ｐ−ＩｎＰ物質で構成される請求項１に記載の面屈折入射型受光素子。
10. 半導体基板の上部に光吸収層を形成する過程と、
    前記光吸収層の上部に前記半導体基板とは異なる導電型の半導体からなる第１ウィンドウ層を形成する過程と、
    入射光が前記光吸収層へ屈折して入射するように少なくとも光の入射端面が任意の角度（θ）を有するように前記第１ウィンドウ層の上部に選択的に第２ウィンドウ層を形成する過程と、
    前記第２ウィンドウ層と少なくとも一部が接触するように形成すると共に、該第２ウインドウ層表面における入射端面を除いた側面及び上面を囲むように第１電極層を形成する過程と、
    前記半導体基板の底面に第２電極層を形成する過程とを含むことを特徴とする面屈折入射型受光素子の製造方法。
11. 少なくとも第２ウィンドウ層の入射端面に反射防止層を形成する過程をさらに含む請求項１０に記載の面屈折入射型受光素子の製造方法。
12. 第１ウィンドウ層の上部に選択的に第２ウィンドウ層を形成する過程は、
    前記第１ウィンドウ層の上部に[１１０]又は[１１−（上バー）０]方向へ選択的エピタキシャル成長マスクを形成する過程と、
    前記エピタキシャル成長マスクを用いて露出した前記第１ウィンドウ層の上部にエピタキシャル層を成長させて第２ウィンドウ層を形成する過程とを含む請求項１０に記載の面屈折入射型受光素子の製造方法。
13. 第１ウィンドウ層の上部に選択的エピタキシャル成長マスクを形成する過程は、フォトリソグラフィー工程を通じて行われる請求項１２に記載の面屈折入射型受光素子の製造方法。
14. 第２ウィンドウ層は、選択的エピタキシャル成長法により形成された（１１１）面を有する請求項１０に記載の面屈折入射型受光素子の製造方法。
15. 前記第１電極層を形成する過程は、金属物質を蒸着することにより行われる請求項１０に記載の面屈折入射型受光素子の製造方法。

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