JP3828179B2 - 半導体光検出装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
【０００２】
本発明は一般に光半導体装置に関し、特に受光素子と光導波路とを共通の基板上に集積化した半導体光検出装置の集積化構造に関する。
【０００３】
半導体光検出装置は、光情報通信や、いわゆるマルチメディアと称する、画像データと音声データを情報信号の一部として処理する情報処理装置に不可欠な装置である。このような光情報処理装置では、光信号を伝送する光導波路と受光素子との間に効率的な光結合が形成されることが本質的に重要である。一方、かかる光情報処理装置が社会に普及するためには、このような高い光結合を形成できる構成を、安価に形成できる技術が必要である。
【従来の技術】
【０００４】
図１６は、本出願人が先に提案した従来の半導体光検出装置の構成を示す図である。
【０００５】
図１６を参照するに、半導体光検出装置は、表面上に配線パターン１ａ，１ｂを担持した支持基板１上に形成され、前記配線パターン１ａ，１ｂ上には受光素子１０がフリップチップ法により実装される。
【０００６】
受光素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板２上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層３と、前記ｎ型ＩｎＰ層３上に形成された非ドープＩｎＧａＡｓ層４と、前記非ドープＩｎＧａＡｓ層４上に形成されたｎ−型ＩｎＰ層５とを含み、前記ｎ−型ＩｎＰ層５中にはｐ型拡散領域５ａ，５ｂが形成される。その結果、拡散領域５ａ，５ｂに対応してｐｉｎダイオードＤ１，Ｄ２が形成される。
【０００７】
図１７はダイオードＤ１，Ｄ２の等価回路図を示す。
【０００８】
図１７よりわかるように、ダイオードＤ１とダイオードＤ２とはｎ型ＩｎＰ層３を介して相互に逆極性で直列に接続され、ダイオードＤ１はダイオードＤ２を駆動する駆動回路を構成する。すなわち、駆動ダイオードＤ１が順方向バイアスされた場合、ダイオードＤ２は逆方向にバイアスされ、入射光に応じて導通する。すなわち、ダイオードＤ２は受光ダイオードとして作用する。その際、駆動ダイオードＤ１に対応するｐ型領域５ａは受光ダイオードＤ２に対応するｐ型領域５ｂよりも実質的に大きい面積を有し、大きな駆動電流を供給でき、接合容量Ｃｐも大きいのに対し、受光ダイオードＤ２に対応するｐ型領域５ｂは面積およびそれに伴う寄生容量が小さく、入射光に対して非常に高速な応答を示す。
【０００９】
図１６の受光素子１０では、基板２の裏面にマイクロレンズ２ａが、前記受光ダイオードＤ２に対応して形成されており、光ファイバ１１から基板２裏面に入射した入射光が前記ｐ型領域５ｂ上のＩｎＧａＡｓ層４に集束される。また、受光素子１０では、前記ｎ− 型ＩｎＰ層５の表面が絶縁層６で覆われており、前記絶縁層６には前記拡散領域５ａ，５ｂに対応してコンタクトホール６ａ，６ｂがそれぞれ形成され、前記コンタクトホール６ａ，６ｂに対応して前記拡散領域５ａ，５ｂ上にメタルバンプ７ａ，７ｂが形成される。その際、受光素子１０は、フリップチップ法により上下反転されて前記支持基板１上に実装され、前記メタルバンプ７ａ，７ｂが支持基板１上の導体パターン１ａ，１ｂに電気的および機械的に接続される。
【００１０】
図示の構成では、支持基板１の裏面にも、基板表面の導体パターン１ａとバイアホール１ｄで接続された別の導体パターン１ｃが形成されており、前記導体パターン１ｃに直流電源１２から正電圧が供給される。また、導体パターン１ｂには出力端子および負荷抵抗ＲＬ が接続される。その結果、図１７に示す、駆動ダイオードＤ１を順方向バイアスし、受光ダイオードＤ２を逆方向バイアスする回路が形成される。また、ＩｎＰ基板２の裏面には、反射防止膜８が形成される。
【００１１】
図１６の構成では、フリップチップ法により受光素子１０が、支持基板１上に、安価かつ確実に実装され、半導体装置の製造費用を実質的に低減させることができる。さらに、受光ダイオードＤ２の要部を構成する拡散領域５ｂの面積を駆動ダイオードＤ１を構成する拡散領域５ａの面積よりも実質的に減少させることにより、受光ダイオードＤ２の入射光に対する応答特性を向上させることができ、また受光素子１０に加わる機械的応力の大部分を、面積の大きい駆動ダイオードＤ１の拡散領域５ａで吸収することができ、入射光の検出に重要な受光ダイオードＤ２の活性領域に機械的応力が加わることが避けられる。
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一方、図１６の構成の半導体光検出装置では、前記受光素子１０の基板２上に形成されたマイクロレンズ２ａに対面するように光ファイバ１１を形成する必要があるが、かかる構成では、光ファイバ１１を所定の位置に保持するために別に保持機構を設ける必要がある。しかも、光ファイバ１１中のコアとマイクロレンズ２ａとの間に最適な光結合を実現するために、光ファイバ１１の位置を、個々の半導体光検出装置毎に調整する必要がある。光ファイバ中のコアの径はたかだか６μｍ程度であり、このような調整には、受光ダイオードＤ２の出力を監視しながら光ファイバ保持機構の位置を最適化する作業が必要である。このため、かかる光ファイバの保持機構の形成およびその調整作業には時間がかかり、図１６の構成の半導体光検出装置では製造費用が必然的に高くなってしまう。
【００１３】
これに対し、従来より、光ファイバ保持機構を必要としない半導体光検出装置も提案されている。
【００１４】
図１８は、かかる従来の半導体光検出装置の構成の例を示す。ただし、図１８中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００１５】
図１８を参照するに、図示の例では、支持基板１上主面上に、一対のクラッド層１３ａ，１３ｂにより上下から挟持された導波層１３ｃを含む光導波路１３が、モノリシックに形成され、さらに前記導波層１３の端面から出射する光ビームの光路中に、反射面１４ａを有するミラー部材１４が形成される。ミラー部材１４は前記支持基板１の上主面に接合される下主面と、前記下主面に平行な上主面とを有し、前記上主面上に受光素子１０を担持する。
【００１６】
かかる構成では、導波路１３中を導波され導波路端面１３Ａから出射した光ビームは反射面１４ａにおいて反射され、前記受光素子１０を構成する基板２の裏面を介して前記拡散領域５ｂに対応する受光ダイオードＤ２の活性領域に入射する。
【００１７】
従って、図示の構成ではミラー部材１４を支持基板１上の所定位置に形成し、さらに受光素子をミラー部材１４の上主面の所定位置に形成することにより、各部材の位置合わせのみにより、容易に導波路１３と受光素子１０中の受光ダイオードＤ２とを光学的に結合することができる。かかる位置合わせは、例えば基板１あるいはミラー部材１４上に位置合わせマーカを形成することで、容易に対応できる。
【００１８】
しかし、図１８の構成では、ミラー部材１４を必要とし、このため半導体光検出装置を製造するにあたって余計な工程が必要になる。また、かかる余計なミラー部材１４を使うことにより、半導体光検出装置を構成する集積回路構成中における光ビーム光路の精度が低下しやすい。受光ダイオードＤ２と光導波路１３との間に最適な光結合を得るためには、ミラー部材１４および受光素子の双方を導波路１３に対して相対的に調整する必要があるが、特にミラー部材１４の精度が高くない場合、かかる調整は非常に面倒である。さらに、ミラー部材１４を光路中に介在させることにより導波路端面１３Ａから出射し受光素子１０に入射する光ビームの光路長が長くなってしまう問題点が生じる。導波路１３の端面１３Ａから出射する光ビームの光路長が長くなってしまうと、光ビームが受光ダイオードＤ２の活性領域において拡大してしまい、このため入射光を効率的に利用するためには受光ダイオードＤ２の活性領域の大きさを大きく形成する必要がある。しかし、光ビームを検出するダイオードＤ２の活性領域、すなわち拡散領域５ｂの面積を大きくすると、拡散領域５ｂに付随する空乏層の寄生容量ＣＳＴＲＡＹ が増大してしまい、ダイオードＤ２の応答特性が劣化する。一方、受光ダイオードＤ２の活性領域５ｂを高速応答特性を維持するために小さく設定すると、導波路１３から入射する光ビームの大部分が活性領域５ｂを外れてしまい、受光ダイオードＤ２の光結合効率が実質的に低下してしまう。
【００１９】
図１９は、別の半導体光検出装置の構成を示す。ただし、図１９中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２０】
図１９を参照するに、図示の例では、光導波路１３をモノリシックに担持する支持基板１の上主面上に、受光素子１０が、前記光導波路１３と共通に、フリップチップ法により実装される。かかる構成では、前記ＩｎＰ基板２上に積層された活性層４の端面が、前記端面１３Ａにおいて露出された導波層１３ｃの端面に対面するように配置され、その結果前記端面１３Ａから出射した光ビームが活性層４中に直接に入射する。しかし、かかる導波層１３ｃの端面に活性層４の端面が光学的に結合した構成では、一般に活性層４の厚さが２〜３μｍであるのに対し、導波層１３ｃから出射する光ビームは上下方向に少なくとも６μｍ程度の拡がりを有しており、その結果、光ビームの大部分は活性層４に入射しないという問題点が生じる。換言すると、図１９の構成では損失が大きく、高い光結合効率を得ることができない。一般に、このような活性層端面から入射するエッジ入射構造を有する半導体光検出装置では、受光素子の活性層端を支持基板上に形成された外部の光導波路と結合する際、両者の間で高い光結合が得られるように調整が必要であるが、かかる調整は面倒で、半導体光検出装置の費用を増大させる要因となる。
【００２１】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な半導体光検出装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明のより具体的な目的は、受光素子と光導波路との間に最適な光結合を、受光素子を動作させながら結合部の調整を行うことなく、簡単かつ確実に形成できる構成を有する半導体光検出装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、上記の課題を、
前記支持基板上に担持され、光ビームを第１の光路に沿って導波する光導波路と；
前記支持基板上に設けられ、相互に対向する第１および第２の主面を有し、端面で画成された素子基板と、入射した光ビームに応答する受光部を含む受光素子と；
前記光導波路から出射した光ビームの光路を、前記第１の光路から前記受光素子中の前記受光部に至る第２の光路に変換する光路変換手段とよりなる半導体光検出装置において、
前記光導波路は、前記導波路中を導波される光ビームを前記第１の光路に沿って出射させる端面を備え、
前記受光素子は、前記支持基板上に、前記光導波路端面から出射した光ビームが入射す るように設けられ、
前記光路変換手段は、前記素子基板の前記端面上に、前記素子基板の第１の主面と斜交するように形成された斜面よりなり、前記斜面は、前記光導波路から前記第１の光路に沿って出射した光ビームを、前記支持基板の主面に対し、前記第２の主面に向かって斜め上方に屈折させるような角度で形成されており、前記第２の主面上には、前記斜面で屈折された光ビームを回折する回折格子が形成されていることを特徴とする半導体光検出装置により、または
請求項２に記載したように、
前記光導波路は、前記第１の光路が前記支持基板の主面に平行になるように形成され、前記斜面は、前記受光素子上に、前記支持基板の主面に対して斜めに形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体光検出装置により、または
請求項３に記載したように、
前記受光素子は、前記素子基板の前記第１の主面上に形成され前記受光部を含む活性層と、前記活性層上に前記受光部に対応して形成されたバンプ電極とを備え、前記受光素子は、前記支持基板の主面上に、前記素子基板の第１の主面が前記支持基板主面に対面し、また前記バンプ電極が、前記支持基板主面上に形成された導体パターンに接続された状態で、さらに前記素子基板の端面が前記光導波路端面に対面するように設けられることを特徴とする請求項１または２記載の半導体光検出装置により、または
請求項４に記載したように、
前記受光素子中の受光部は、前記回折格子により回折される光ビームの波長に対応した複数の受光領域より構成されることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光検出装置により、または
請求項５に記載したように、
前記光導波路は、前記支持基板表面に、モノリシックに形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載の半導体光検出装置により、または
請求項６に記載したように、
基板上に活性層を積層し、積層構造体を形成する工程と；
前記活性層上に、複数の受光素子領域を形成する工程と；
前記積層構造体上に、一の受光素子領域を別の受光素子領域から分離するように、一対の斜面で画成された溝を、エッチングにより形成する工程と；
前記積層構造体を、前記溝において分割し、各々前記溝に対応して斜面を形成された複数の受光素子を、相互に対向する第１および第２の主面を有した前記積層構造体のいずれかの面に前記活性層を含むように形成する工程と；
前記活性層を形成した面とは対向する側の面に回折格子を形成する工程と；
前記受光素子を、光導波路を担持する支持基板上に、前記斜面が、前記光導波路の端面に対面するように配設する工程とよりなることを特徴とする、半導体光検出装置の製造方法により、または
請求項７に記載したように、
前記エッチング工程は、ウェットエッチング法により実行され、前記斜面は結晶面よりなることを特徴とする請求項５記載の半導体光検出装置の製造方法により、解決する。
【作用】
【００２４】
本発明の特徴によれば、光路変換手段が形成された受光素子を、光導波路と共通に、同一の支持基板上に設けることにより、光導波路から出射する光ビームを確実に受光素子の光路変換手段で受けることができる。その際、光導波路端面から出射する光ビームが多少拡散しても、前記光路変換手段は光ビーム全体を受光素子中の受光部に確実に導くことができ、光導波路と受光素子との間に高い光結合効率が保証される。かかる構成では、光導波路と受光素子とが別体の部材により構成されるため、受光素子を支持基板上に実装するだけで、受光素子と外部の光導波路との間に高い光結合効率が実現される。また、受光素子と光導波路との接続は、それぞれに形成したマーカを使ってできるので、受光素子にバイアス電圧を印加し、動作させながら位置調整する必要がない。また本発明の特徴によれば、前記支持基板上にフリップチップ実装された受光素子には、素子基板の底面、すなわち受光部が形成された側と反対側の素子基板主面上に回折格子を形成することができ、光路変換手段を、入射光ビームがかかる回折格子に入射するように形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００２５】
本発明の特徴によれば、前記光路変換手段を、前記受光素子上に形成され前記支持基板主面に対して傾斜した斜面により形成することにより、支持基板上における受光素子の光導波路端面に対する距離が多少狂っても、受光素子に入射する光ビームの光路は余り影響を受けず、このため受光素子の支持基板上への実装が容易になる。
【００２６】
本発明の特徴によれば、前記受光素子を前記支持基板上にフリップチップ法により、簡単かつ安価に、しかも支持基板上の外部光導波路に対して必要な精度を保ちつつ実装することができる。
【００２７】
本発明の特徴によれば、光導波路を、支持基板上に、フォトリソグラフィによりモノリシックに形成することにより、第１の光路を伝搬する光ビームの支持基板表面に対する相対位置を正確に決定することができる。かかる構成は、半導体光検出装置を、前記支持基板上に形成され前記光導波路に光信号を注入する光素子に対して光学的に結合する際に特に有用である。勿論、かかる光導波路を、外部の光ファイバに接続し、半導体光検出装置により、外部から供給された光信号を検出するように構成してもよい。
【００２８】
本発明の特徴によれば、複数の受光素子領域を担持する素子基板に前記受光素子領域を分離するＶ字型溝を形成し、かかる溝において前記素子基板を分離することにより、各々光路変換手段として作用する斜面を形成された複数の受光素子が得られる。その際、前記斜面が形成される素子基板主面に対向する主面に回折格子を形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００２９】
本発明の特徴によれば、前記Ｖ字型溝の形成をウェットエッチングにより実行することにより、前記斜面には結晶面が現れ、その結果光路変換手段として作用する斜面を、結晶面特有の、正確な角度で形成することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を実施例について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１参考例による半導体光検出装置２００の構成を示す図である。
【００３２】
図１を参照するに、半導体光検出装置２００はＳｉ基板２１上に形成され、前記基板２１上に形成された光導波路２２と、前記基板２１上に、前記光導波路２２の端面２２Ａに側壁面が対面するように配設された受光素子２０とよりなる。このうち、光導波路２２は前記Ｓｉ基板２１上にＣＶＤ法により堆積されたガラスあるいは半導体層より構成され、下側クラッド層２２ａと、その上に形成されたコア層２２ｂと、さらにコア層２２ｂ上に形成された上側クラッド層２２ｃとを含む。光導波路は、別の光導波路（図示せず）あるいは支持基板２１上の発光素子（図示せず）に光結合され、注入された光ビームをコア層２２ｂに沿って導波した後、前記端面２２Ａから出射させる。
【００３３】
一方、受光素子は、ｎ型ＩｎＰよりなる素子基板２３上に形成され、図１６の層３に対応するｎ型ＩｎＰバッファ層２４と、前記層２４上に形成され図１６の層４に対応する非ドープＩｎＧａＡｓ層２５と、前記層２５上に形成され図１６の層５に対応するｎ−型ＩｎＰ層２６とより構成され、前記層２６中には第１の面積を有するｐ型領域２６ａと、前記第１の面積よりも実質的に小さい第２の面積を有するｐ型領域２６ｂとが、それぞれ図１７の駆動ダイオードＤ１および受光ダイオードＤ２に対応して形成される。さらに、前記領域２６ａに対応して電極２７ａが、また前記領域２６ｂに対応して領域２７ｂが形成される。
【００３４】
ＩｎＰ素子基板２３は側壁面２３ａにより画成され、支持基板２１上に、前記側壁面２３ａが前記導波路２２の端面２２Ａに対面するように形成される。実際の構造では、前記側壁面２３ａ上には反射防止膜（図示せず）が形成され、前記反射防止膜を介して前記側壁面２３ａと導波路端面２２Ａとが接合している。
【００３５】
光半導体装置２００では、さらに素子基板２３の下主面に、斜面２３Ａで画成された凹部が形成され、かかる凹部２３Ａに対応して支持基板２１と素子基板２３との間に空洞２３Ｂが形成される。凹部２３Ａは支持基板２１主面に対してΘ１ の角度を形成し、前記光導波路端面２３ａから入射した光ビームをｐ型領域２６ｂに向けて反射させる斜面を形成する。また、斜面２３Ａで反射した光ビームがｐ型領域２６ｂに正確に入射するように、層２３〜２６よりなる積層構造体の厚さＴが、角度Θ１ に対して最適化される。好ましくは、斜面２３Ａを素子基板２３のウェットエッチングにより形成する。この場合、斜面２３Ａとして例えばＩｎＰの（１１１）結晶面が出現し、この場合には角度Θ１ は結晶面（１１１）に固有の角度である５４．７°になる。一般には、角度Θ１ は、使用されるエッチャントやマスクパターンによって多少変動する。特に、ＨＣｌあるいはＢｒ，ＨＢｒ，Ｈ２ Ｏの混合水溶液をエッチャントとして使うことにより、角度Θ１ として（１１１）面あるいはその近傍の５５°に近い角度を出すことができる。また、ＨＣｌとＨ３ ＰＯ４ の混合液あるいはＢｒを含むエタノールをエッチャントとして使うこともできる。
【００３６】
さらに、素子基板２３の下主面には、斜面２３Ａを含むように、Ｔｉ，Ａｕ，Ｓｎ，Ａｕの各層を、それぞれ例えば０．１μｍ，０．１μｍ，２μｍおよび０．１μｍの厚さに積層した融材層２３Ｃが形成される。かかる素子基板２３を、支持基板２１上に配設することにより、素子基板２３下主面を覆う融材層２３Ｃが支持基板２１に融着し、受光素子が支持基板２１上に確実に接合される。その際、前記斜面２３Ａを覆う融材層は、導波路端面２２Ａから素子基板２３に入射した光ビームを反射するミラーとして作用する。
【００３７】
図示の例では、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは斜面２３Ａで斜め後方に反射されるため、受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂは駆動ダイオードＤ１を構成する拡散領域２６ａに対して側壁面２３ａの側に形成される。
【００３８】
図１の構成の半導体光検出装置では、導波路２２を形成された支持基板２１上に受光素子２００を、素子基板下主面が支持基板表面に係合し、また素子基板２３の側壁面２３ａが前記側壁面２３ａ上に形成された反射防止膜を介して導波路２２の端面２２Ａに係合するように設けることにより、受光素子２００を、容易に、簡単な工程で、受光素子外部の導波路に、高い光結合効率で結合することが可能になる。かかる受光素子と導波路との整合は、例えば図１に示した位置合わせマークＭを使うことにより、容易に達成できる。
【００３９】
また、かかる構成では、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームが、受光素子中において図１７における受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂおよびこれに付随する空乏領域全体に斜め下方から入射するため、図１９の装置におけるような光ビームの一部が受光領域を外れる問題が生じることがなく、光損失が少ない。
【００４０】
勿論、支持基板２１はＳｉ基板に限定されるものではなく、ＩｎＰ等の他の半導体結晶基板、あるいはガラス等の非晶質基板であってもよい。
【００４１】
図２は、本発明の第２参考例による半導体光検出装置３００の構成を示す。
【００４２】
図２を参照するに、半導体光検出装置３００は図１の参考例と同じ、光導波路２２を担持する支持基板２１上に形成され、側壁面３３ａで画成され、前記側壁面３３ａが下主面３３ｂと交わる稜に沿って、基板下主面３３ｂに対してΘ２ の角度をなす斜面３３Ａが形成された、ｎ型ＩｎＰよりなる素子基板３３を有する受光素子３０を含む。素子基板３３の上主面上には、前記ｎ型ＩｎＰ層３あるいは２４に対応するｎ型ＩｎＰ層３４が形成され、さらに層３４上には前記非ドープＩｎＧａＡｓ層４あるいは２５に対応する非ドープＩｎＧａＡｓ層３５が形成され、層３５上には前記層５あるいは２６に対応するｎ− 型ＩｎＰ層３６が形成される。層３６中には、駆動ダイオードＤ１に対応してｐ型領域３６ｂが、また受光ダイオードＤ２に対応してｐ型領域３６ａが形成される。
【００４３】
図示の参考例では、素子基板３３の下主面が図１の参考例の場合と同様に支持基板２１の上主面に接合され、その際、素子基板３３は支持基板２１上に、側壁面３３ａが導波路２２の端面２２Ａに対面し、前記導波路端面２２Ａから出射した光ビームが前記基板斜面３３Ａに入射するように配設される。図２の例では、導波路端面２２Ａと素子基板側壁面３３ａが同一平面上にあるように示されているが、実際には導波路端面２２Ａは側壁面３３ａよりもやや内側に入り、その結果、素子基板３３が導波路端面２２Ａに対してオーバーハングを形成する。かかる構成においても、素子基板３３の光導波路２２に対する位置関係は、例えば支持基板２１上に形成した位置合わせマークＭを使うことにより、容易かつ確実に決定することができる。
【００４４】
図２の装置では、前記斜面３３Ａには反射防止膜（図示せず）が形成されており、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは前記斜面３３Ａで素子基板３３上主面の方向に屈折し、受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域３６ａに入射する。かかる構成に伴い、図２の半導体光検出装置では、受光ダイオードＤ２は駆動ダイオードＤ１に対して、基板側壁面３３ａの反対側に形成される。かかる構成においても、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは拡散領域３６ａに斜め下方から入射し、光損失が最小になる。斜面３３Ａが素子基板３３下主面３３ｂに対してなす角度Θ２ は、先の参考例の場合と同様に、４５°〜６０°の範囲に設定される。特に斜面３３ＡをＩｎＰの（１１１）面で構成する場合には、角度Θ２ は５４．７°になる。
【００４５】
図３は、図２の半導体光検出装置における受光素子３０の平面図を示す。
【００４６】
図３よりわかるように、受光ダイオードＤ２を形成する拡散領域３６ａは駆動ダイオードＤ１を構成する拡散領域３６ｂよりも面積が実質的に小さく、これに伴う接合容量の減少の結果、受光ダイオードＤ２は非常に高速の応答特性を示す。図１あるいは図２の参考例では、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは直ちに受光素子に入り、受光素子を構成する半導体層中を通過して受光ダイオードＤ２に導かれるため、光導波路端面２２Ａから受光領域２６ｂあるいは３６ａまでの光路長が短く、光ビームの拡散が最小限に抑止される。その結果受光ダイオードＤ２の拡散領域３６ａの面積は小さくてすむ。典型的には、拡散領域２６ｂあるいは３６ａの面積は拡散領域２６ａあるいは３６ｂの１０分の１以下になる。
【００４７】
図２の半導体光検出装置では、受光素子３０を構成する素子基板３３上に、前記側壁面３３ａに対向する側壁面３３ａ’と素子基板３３の下主面上とが交差する稜に沿っても、別の斜面３３Ａ’が形成されている。かかる構造の受光素子は、図４に示すように、素子基板３３上に層３４〜３６を堆積した積層構造体上に、前記斜面３３Ａ，３３Ａ’に対応して複数の溝Ｇ１ 〜Ｇ４ を、例えば先に記載したエッチャントによるウェットエッチングにより形成し、かかる溝を形成された積層構造体を壁開することにより簡単に得られる。ただし、図４の積層構造体においては、一対の溝の間に各々図２の受光素子に対応する素子領域DEVICE 1, DEVICE 2, DEVICE 3が形成されており、また、素子領域 DEVICE 1, DEVICE 2, DEVICE 3の各々において、ｎ−ＩｎＰ型層３６上にはｐ型拡散領域３６ａ，３６ｂが形成されている。また、素子基板３３の下主面上には、前記溝Ｇ１ 〜Ｇ４ を構成する斜面３３Ａ，３３Ａ’を覆うように反射防止膜３８が形成されている。図２の構造でも、素子基板３３の下主面は融材により支持基板２１の表面に融着されている。
【００４８】
図１および図２の参考例のいずれにおいても、光導波路端面２２Ａから出射する光ビームが受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂあるいは３６ａに正しく入射するか否かは、主として光ビームの斜面２２Ａあるいは３３Ａ上における光ビームの入射位置、すなわち支持基板２１表面に対する導波層２２ｂおよび半導体層２５，２６の相対的な高さにより決まり、支持基板２１表面上における導波路端面２２Ａと受光素子基板２３との間の距離Ｄには余り影響されない。この点で、図１，２の参考例は、いずれも素子基板２３および光導波路２２が、支持基板２１表面上に、直接に係合した状態で形成されているため、受光素子の位置合わせマークＭに対する位置決め精度が高くない場合でも光導波路を出射する光ビームが確実に受光ダイオードＤ２に入射し、有利である。
【００４９】
次に、本発明の第３参考理恵による半導体光検出装置４００を図５を参照しながら説明する。ただし、図５中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
図５の構成では、半導体光検出装置４００は、図１における斜面２３Ａのかわりに湾曲面２３Ａ’が形成されている点を除き、図１の受光素子と実質的に同一の構成を有する。その結果、光導波路端面２２Ａから出射する光ビームは受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂに集束される。これに伴い、図５の装置４００では拡散領域２６ｂの面積、すなわち接合容量が実質的に減少し、受光ダイオードＤ２の応答特性が向上する。
【００５１】
かかる湾曲面２３Ａ’は、例えば米国特許５，３０９，４６８号に記載したような、レジスト層をパターニングした後これを加熱によりリフローさせて縁部が丸みをおびたレジストパターンを形成し、かかるレジストパターンを使ってドライエッチングを、レジストパターンおよびその下の基板に対して同時に実行する工程により形成することができる。
【００５２】
本参考例の他の特徴および利点は先に説明した参考例のものと同様であり、説明を省略する。
【００５３】
図６は、本発明の第４参考例による半導体光検出装置５００の構成を示す。ただし、図６中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５４】
図６の構成では、半導体光検出装置５００は、図２における斜面３３Ａ，３３Ａ’のかわりに湾曲面３３Ｂ，３３Ｂ’が形成されている点を除き、図２の受光素子３０と実質的に同一の構成の受光素子を有する。その結果、光導波路端面２２Ａから出射する光ビームは受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域３６ａに集束される。これに伴い、装置５００においても装置４００と同様に、拡散領域３６ａの面積、すなわち接合容量が実質的に減少し、受光ダイオードＤ２の応答特性が向上する。
【００５５】
本参考例の他の特徴および利点は先に説明した実施例のものと同様であり、説明を省略する。
【００５６】
図７は、本発明の第５参考例による半導体光検出装置６００の構成を示す。ただし、図７中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図７の構成では、支持基板２１上に配線パターン２１ａ，２１ｂが形成され、図２の構成で使われた受光素子２０が、支持基板２１上に、フリップチップ法により、前記電極２７ａ，２７ｂが前記配線パターン２１ａ，２１ｂに接続された状態で実装される。このため、前記電極２７ａ，２７ｂに対応して半田バンプが形成されている。また、図７の構成では、斜面２３Ａが素子基板２３の上主面に形成されるため、これに対応して支持基板２１上には、厚いポリイミド層などのスペーサ層２２Ｂ上に、下側クラッド層２２ａ’，光導波層２２ｂ’および上側クラッド層２２ｃ’を順次堆積し構成した光導波路２２’が、光導波路２２ｂ’中を導波され導波路端面２２Ａ’から出射する光ビームが斜面２３Ａに当たり受光ダイオードＤ２の拡散領域２６ｂに入射するように形成される。さらに、素子基板２３の上主面には、前記斜面２３Ａを覆うように、Ａｕ等よりなる反射膜２３Ｃ’が形成される。
【００５８】
かかる構成では、受光素子が先にも説明したように、支持基板２１上にフリップチップ法により実装されるため、図１の装置２００のように、受光素子電極２７ａ，２７ｂにワイヤボンディングを施す必要がなく、特に受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂがワイヤボンディングの際の機械的応力により損傷する危険が減少する。また、図７の装置６００では、フリップチップ法による実装を行うことにより、装置製造の際のスループットが実質的に向上する。
【００５９】
図８は、本発明の第６参考例による半導体光検出装置７００の構成を示す。ただし、図８中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６０】
図８の構成では、図２の受光素子が図７と同様に、配線パターン２１ａ，２１ｂを担持する支持基板２１上にフリップチップ法により実装され、図７と同様な光導波路端面２２Ａ’より出射する光ビームが、素子基板３３上の斜面３３Ａに入射し、下方に屈折した後、受光素子下主面に形成された拡散領域２６ａに入射する。
【００６１】
かかる構成においても、図７の参考例と同様に、フリップチップ実装により、受光ダイオードＤ２に加わる機械的応力が最小化され、また装置製造の際のスループットが向上する等の利点が得られる。
【００６２】
図８の装置７００のその他の特徴および利点は先に説明した参考例より明らかであり、説明を省略する。
【００６３】
次に、本発明の第１実施例による半導体光検出装置８００の構成を、図９を参照しながら説明する。
【００６４】
図９を参照するに、本実施例では、フリップチップ法により支持基板２１上に上下反転されて実装された受光素子の下主面、換言するとＩｎＰ素子基板３３上に形成された最上位半導体層２６の上主面と前記素子基板側壁面３３ａとが交差する稜に、斜面３３Ｃが、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームが入射するように形成される。斜面３３Ｃに入射した光ビームは上方に屈折し、上下反転した受光素子の上主面、すなわち素子基板３３の下主面に形成された回折格子３３Ｘに入射する。
【００６５】
回折格子３３Ｘは入射光ビームを分光し、光ビーム中に含まれる各光信号の波長に対応した回折角に回折光ビームを形成する。また、各回折光ビームに対応して前記ｎ−型ＩｎＰ層２６中には複数のｐ型拡散領域（２６ａ）１ ，（２６ａ）２ ，（２６ａ）３ が形成され、かかる拡散領域（２６ａ）１ ，（２６ａ）２ ，（２６ａ）３ に対応して形成されたバンプ電極（２７ａ）１ ，（２７ａ）２ ，（２７ａ）３ が、受光素子のフリップチップ実装の結果、支持基板２１上に形成された対応配線パターン（２１ａ）１ ，（２１ａ）２ ．（２１ａ）３ に接続される。 かかる構成により、半導体光検出装置８００は、光導波路２２を介して供給される波長多重化光信号を、各々の光信号成分に分解する光反多重化器として作用する。
【００６６】
図１０は本発明の第７参考例による半導体光検出装置９００の構成を示す。ただし、図１０中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６７】
図１０の半導体光検出装置９００は図２の装置３００の一変形例と考えられ、半導体層３４を多層膜フィルタ３４’により置き換える。多層膜フィルタ３４’は入射光ビームの波長λの４分の１の厚さのＩｎＧａＡｓＰ膜とＩｎＰ膜とを交互に繰り返し堆積した構造を有し、所定の波長の光ビームのみを、選択的に、受光ダイオードＤ２へと透過させる。すなわち、半導体光検出装置９００は、特定の波長を選択的に検出する光検出装置として作用する。
【００６８】
図１１は本発明の第８参考例による半導体光検出装置１０００の構成を示す。ただし、図１１中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００６９】
図１１を参照するに、半導体光検出装置１０００では、支持基板２１上に、受光素子が、素子基板３３の側壁面３３ａが基板２１表面に係合した状態で、かつ素子基板主面３３ｂが光導波路２２に対面するように実装され、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは斜面３３Ａに入射する。入射した光ビームは上方に屈折し、受光ダイオードＤ２を構成するｐ型拡散領域３６ａに入射する。
【００７０】
図示の構造では、さらに拡散領域３６ａに対応する電極３７ａに、Ｌ字型に屈曲したリード電極３９が、支持基板２１上の配線パターン２１ａに接続されて形成される。
【００７１】
かかる半導体光検出装置１０００では、光導波路２２の端面２２Ａから出射した光ビームは、受光素子中を、主面３３ｂの側から反対側の半導体層３６中の拡散領域３６ａまで最短距離で走行し、その結果光ビームの拡散が最小に抑止される。
【００７２】
図１１の半導体光検出装置１０００では、電極３７ａに外部のリードワイヤをワイヤボンディングにより接続する場合に生じる拡散領域３６ａへの応力の印加を回避するため、リード電極３９は導体層の堆積により形成するのが好ましい。
【００７３】
図１２（Ａ）〜（Ｄ）および図１３（Ｅ）〜（Ｈ）は、かかるリード電極３９を形成する工程を示す。ただし、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の構造の平面図、図１２（Ｄ）は図１２（Ｃ）の構造の平面図、図１３（Ｆ）は図１３（Ｅ）の構造の平面図、図１３（Ｈ）は図１３（Ｇ）の構造の平面図をそれぞれ表す。
【００７４】
図１２（Ａ），（Ｂ）は、ｎ−型ＩｎＰ層３６中に拡散領域３６ａが形成された状態を示し、このうち図１２（Ａ）は図１２（Ｂ）中の線Ｉ−Ｉ’に沿った断面図を表す。
【００７５】
次に、図１２（Ｃ），（Ｄ）の工程で、ＩｎＰ層３６上にポリイミド層３６１ を形成し、これをレジストパターン３６２ によりパターニングして拡散領域３６ａを露出させる。さらに、レジストパターン３６２ 上に、Ｔｉ，ＰｔおよびＡｕの各層を積層した構造の電極層３７を、露出された拡散領域３６ａを覆うように堆積する。ここで、Ａｕは低抵抗層として作用するのに対し、ＴｉおよびＰｔ層はバリアメタルとして作用する。
【００７６】
次に、図１３（Ｅ），（Ｆ）の工程で、前記電極層３７上にレジストパターン３９ａを、リード電極形成予定領域が露出するように形成し、さらに、かかる電極層３７の露出部上に、Ａｕ電極層３９を、前記層３７をメッキ電極として使う電界メッキ法により形成する。
【００７７】
さらに、リード電極３９下の不要な電極層３７をイオンミリングにより除去し、前記レジストパターン３９ａおよび３６２ を溶解・除去することにより、図１３（Ｇ），（Ｈ）に示した中空を延在するリード電極３９を有する構造が得られる。さらに、基板３３の下主面にスクライブライン３３Ｚを形成し、かかるスクライブライン３３Ｚにおいて基板３３を壁開することにより、個々の受光素子を得ることができる。
【００７８】
図１４（Ａ），（Ｂ）は、前記素子基板３３に形成される斜面３３Ａの実施例を示す。
【００７９】
図１４（Ａ）の例では、斜面３３Ａは素子基板３３の側壁面３３ａが下主面と交わる稜の一部のみに形成されているのに対し、図１４（Ｂ）の例では、斜面３３Ａは前記稜全体に形成されている。いずれの構成においても、受光素子自体は同様に作用するが、多数のかかる受光素子を共通の半導体ウェハ上に形成する場合には、図１４（Ｂ）の構成の場合、前記斜面３３Ａに対応してウェハ全面に多数の溝が形成されてしまい、強度の点でウェハの取り扱いが困難になる。この観点からは、図１４（Ａ）の構成の方が好ましい。
【００８０】
さらに、図１５は本発明の第９参考例による半導体光検出装置１１００の構成を示す。
【００８１】
図１５の構成では、Ｓｉよりなり、図２の受光素子と同一の受光素子を担持した支持基板２１上に、Ｖ字型断面の溝２１Ｖが、ファイバガイドとして形成され、かかる溝２１Ｖにコア２２１を有する光ファイバ２２０が係合させられる。かかる構成では、コア２２１を伝搬した光ビームが光ファイバ端面２２０Ａから素子基板３３上の斜面３３Ａに入射し、図２の半導体光検出装置３００の場合と同様に、受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域３６ａに入射する。かかるＳｉ基板上のＶ字溝は、周知のＫＯＨを使ったウェットエッチングにより、容易に形成できる。
【００８２】
以上、本発明を好ましい参考例および実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【発明の効果】
【００８３】
本発明の特徴によれば、光路変換手段が形成された受光素子を、光導波路と共通に、同一の支持基板上に設けることにより、光導波路から出射する光ビームを確実に受光素子の光路変換手段で受けることができる。その際、光導波路端面から出射する光ビームが多少拡散しても、前記光路変換手段は光ビーム全体を受光素子中の受光部に確実に導くことができ、光導波路と受光素子との間に高い光結合効率が保証される。かかる構成では、光導波路と受光素子とが別体の部材により構成されるため、受光素子を支持基板上に実装するだけで、受光素子と外部の光導波路との間に高い光結合効率が実現される。また、受光素子と光導波路との接続は、それぞれに形成したマーカを使ってできるので、受光素子にバイアス電圧を印加し、動作させながら位置調整する必要がない。また本発明の特徴によれば、前記支持基板上にフリップチップ実装された受光素子には、素子基板の底面、すなわち受光部が形成された側と反対側の素子基板主面上に回折格子を形成することができ、光路変換手段を、入射光ビームがかかる回折格子に入射するように形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００８４】
本発明の特徴によれば、前記光路変換手段を、前記受光素子上に形成され前記支持基板主面に対して傾斜した斜面により形成することにより、支持基板上における受光素子の光導波路端面に対する距離が多少狂っても、受光素子に入射する光ビームの光路は余り影響を受けず、このため受光素子の支持基板上への実装が容易になる。
【００８５】
本発明の特徴によれば、前記受光素子を前記支持基板上にフリップチップ法により、簡単かつ安価に、しかも支持基板上の外部光導波路に対して必要な精度を保ちつつ実装することができる。
【００８６】
本発明の特徴によれば、光導波路を、支持基板上に、フォトリソグラフィによりモノリシックに形成することにより、第１の光路を伝搬する光ビームの支持基板表面に対する相対位置を正確に決定することができる。かかる構成は、半導体光検出装置を、前記支持基板上に形成され前記光導波路に光信号を注入する光素子に対して光学的に結合する際に特に有用である。勿論、かかる光導波路を、外部の光ファイバに接続し、半導体光検出装置により、外部から供給された光信号を検出するように構成してもよい。
【００８７】
本発明の特徴によれば、光導波路を支持基板表面上に形成された溝中に保持された光ファイバにより形成することにより、外部光導波路を構成する光ファイバを半導体光検出装置に直接に導入することができる。
【００８８】
本発明の特徴によれば、複数の受光素子領域を担持する素子基板に前記受光素子領域を分離するＶ字型溝を形成し、かかる溝において前記素子基板を分離することにより、各々光路変換手段として作用する斜面を形成された複数の受光素子が得られる。その際、前記斜面が形成される素子基板主面に対向する主面に回折格子を形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００８９】
本発明の特徴によれば、前記Ｖ字型溝の形成をウェットエッチングにより実行することにより、前記斜面には結晶面が現れ、その結果光路変換手段として作用する斜面を、結晶面特有の、正確な角度で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図３】図２の半導体光検出装置を示す平面図である。
【図４】図２の半導体光検出装置の製造工程の一段階を示す図である。
【図５】本発明の第３実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第４実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第５実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第６実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第７実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第８実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第９実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｄ）は図１１の半導体光検出装置の製造工程を示す図（その一）である。
【図１３】（Ｅ）〜（Ｈ）は図１１の半導体光検出装置の製造工程を示す図（その二）である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は本発明において受光素子に形成される斜面の例を示す図である。
【図１５】本発明の第１０実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１６】従来の半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１７】図１６の半導体光検出装置の等価回路図である。
【図１８】従来の半導体光検出装置の別の構成を示す図である。
【図１９】従来の半導体光検出装置のさらに別の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２１ 支持基板
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，（２１ａ）1 〜（２１ａ）3 配線パターン
２，２３，３３ 素子基板
３，２４，３４ ｎ型ＩｎＰバッファ層
４，２５，３５ ＩｎＧａＡｓ 活性層
５，２６，３６ ｎ型ＩｎＰ層
５ａ，５ｂ，２６ａ，２６ｂ，（２６ａ）1 〜（２６ａ）3 ｐ型拡散領域
６ 絶縁層
６ａ，６ｂ コンタクトホール
７ａ，７ｂ，（２７ａ）1 〜（２７ａ）3 バンプ電極
８ 反射防止膜
１０，２０，３０ 受光素子
１１，２２０ 光ファイバ
１２ 電源
１３，２２，２２’ 光導波路
２２Ａ，２２Ａ’ 光導波路端面
１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｃ，２２ａ’，２２ｃ’ クラッド層
１３ｃ，２２ｂ，２２ｂ’ 光導波層
２１Ｖ Ｖ字溝
２２Ｂ ポリイミド層（スペーサ層）
２３ａ，３３ａ，３３ａ’ 素子基板側壁面
２３Ａ，３３Ａ，３３Ａ’ 斜面
２３Ｂ 空洞
２３Ｃ 融材層
２３Ｃ’ 反射膜
２７ａ，２７ｂ，３７ａ，３７ｂ 電極
３３ｂ 素子基板下主面
３３Ｘ 回折格子
３３Ｚ スクライブライン
３４ 多層膜フィルタ
３６1 ポリイミド層
３６2 ，３９ａ レジスト
３７ 電極層
３８ 反射防止膜
３９ リード電極
２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００半導体光検出装置
２２０Ａ 光ファイバ端面
２２１ コア
Ｄ１ 駆動ダイオード
Ｄ２ 受光ダイオード
【産業上の利用分野】
【０００２】
本発明は一般に光半導体装置に関し、特に受光素子と光導波路とを共通の基板上に集積化した半導体光検出装置の集積化構造に関する。
【０００３】
半導体光検出装置は、光情報通信や、いわゆるマルチメディアと称する、画像データと音声データを情報信号の一部として処理する情報処理装置に不可欠な装置である。このような光情報処理装置では、光信号を伝送する光導波路と受光素子との間に効率的な光結合が形成されることが本質的に重要である。一方、かかる光情報処理装置が社会に普及するためには、このような高い光結合を形成できる構成を、安価に形成できる技術が必要である。
【従来の技術】
【０００４】
図１６は、本出願人が先に提案した従来の半導体光検出装置の構成を示す図である。
【０００５】
図１６を参照するに、半導体光検出装置は、表面上に配線パターン１ａ，１ｂを担持した支持基板１上に形成され、前記配線パターン１ａ，１ｂ上には受光素子１０がフリップチップ法により実装される。
【０００６】
受光素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板２上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層３と、前記ｎ型ＩｎＰ層３上に形成された非ドープＩｎＧａＡｓ層４と、前記非ドープＩｎＧａＡｓ層４上に形成されたｎ−型ＩｎＰ層５とを含み、前記ｎ−型ＩｎＰ層５中にはｐ型拡散領域５ａ，５ｂが形成される。その結果、拡散領域５ａ，５ｂに対応してｐｉｎダイオードＤ１，Ｄ２が形成される。
【０００７】
図１７はダイオードＤ１，Ｄ２の等価回路図を示す。
【０００８】
図１７よりわかるように、ダイオードＤ１とダイオードＤ２とはｎ型ＩｎＰ層３を介して相互に逆極性で直列に接続され、ダイオードＤ１はダイオードＤ２を駆動する駆動回路を構成する。すなわち、駆動ダイオードＤ１が順方向バイアスされた場合、ダイオードＤ２は逆方向にバイアスされ、入射光に応じて導通する。すなわち、ダイオードＤ２は受光ダイオードとして作用する。その際、駆動ダイオードＤ１に対応するｐ型領域５ａは受光ダイオードＤ２に対応するｐ型領域５ｂよりも実質的に大きい面積を有し、大きな駆動電流を供給でき、接合容量Ｃｐも大きいのに対し、受光ダイオードＤ２に対応するｐ型領域５ｂは面積およびそれに伴う寄生容量が小さく、入射光に対して非常に高速な応答を示す。
【０００９】
図１６の受光素子１０では、基板２の裏面にマイクロレンズ２ａが、前記受光ダイオードＤ２に対応して形成されており、光ファイバ１１から基板２裏面に入射した入射光が前記ｐ型領域５ｂ上のＩｎＧａＡｓ層４に集束される。また、受光素子１０では、前記ｎ− 型ＩｎＰ層５の表面が絶縁層６で覆われており、前記絶縁層６には前記拡散領域５ａ，５ｂに対応してコンタクトホール６ａ，６ｂがそれぞれ形成され、前記コンタクトホール６ａ，６ｂに対応して前記拡散領域５ａ，５ｂ上にメタルバンプ７ａ，７ｂが形成される。その際、受光素子１０は、フリップチップ法により上下反転されて前記支持基板１上に実装され、前記メタルバンプ７ａ，７ｂが支持基板１上の導体パターン１ａ，１ｂに電気的および機械的に接続される。
【００１０】
図示の構成では、支持基板１の裏面にも、基板表面の導体パターン１ａとバイアホール１ｄで接続された別の導体パターン１ｃが形成されており、前記導体パターン１ｃに直流電源１２から正電圧が供給される。また、導体パターン１ｂには出力端子および負荷抵抗ＲＬ が接続される。その結果、図１７に示す、駆動ダイオードＤ１を順方向バイアスし、受光ダイオードＤ２を逆方向バイアスする回路が形成される。また、ＩｎＰ基板２の裏面には、反射防止膜８が形成される。
【００１１】
図１６の構成では、フリップチップ法により受光素子１０が、支持基板１上に、安価かつ確実に実装され、半導体装置の製造費用を実質的に低減させることができる。さらに、受光ダイオードＤ２の要部を構成する拡散領域５ｂの面積を駆動ダイオードＤ１を構成する拡散領域５ａの面積よりも実質的に減少させることにより、受光ダイオードＤ２の入射光に対する応答特性を向上させることができ、また受光素子１０に加わる機械的応力の大部分を、面積の大きい駆動ダイオードＤ１の拡散領域５ａで吸収することができ、入射光の検出に重要な受光ダイオードＤ２の活性領域に機械的応力が加わることが避けられる。
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一方、図１６の構成の半導体光検出装置では、前記受光素子１０の基板２上に形成されたマイクロレンズ２ａに対面するように光ファイバ１１を形成する必要があるが、かかる構成では、光ファイバ１１を所定の位置に保持するために別に保持機構を設ける必要がある。しかも、光ファイバ１１中のコアとマイクロレンズ２ａとの間に最適な光結合を実現するために、光ファイバ１１の位置を、個々の半導体光検出装置毎に調整する必要がある。光ファイバ中のコアの径はたかだか６μｍ程度であり、このような調整には、受光ダイオードＤ２の出力を監視しながら光ファイバ保持機構の位置を最適化する作業が必要である。このため、かかる光ファイバの保持機構の形成およびその調整作業には時間がかかり、図１６の構成の半導体光検出装置では製造費用が必然的に高くなってしまう。
【００１３】
これに対し、従来より、光ファイバ保持機構を必要としない半導体光検出装置も提案されている。
【００１４】
図１８は、かかる従来の半導体光検出装置の構成の例を示す。ただし、図１８中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００１５】
図１８を参照するに、図示の例では、支持基板１上主面上に、一対のクラッド層１３ａ，１３ｂにより上下から挟持された導波層１３ｃを含む光導波路１３が、モノリシックに形成され、さらに前記導波層１３の端面から出射する光ビームの光路中に、反射面１４ａを有するミラー部材１４が形成される。ミラー部材１４は前記支持基板１の上主面に接合される下主面と、前記下主面に平行な上主面とを有し、前記上主面上に受光素子１０を担持する。
【００１６】
かかる構成では、導波路１３中を導波され導波路端面１３Ａから出射した光ビームは反射面１４ａにおいて反射され、前記受光素子１０を構成する基板２の裏面を介して前記拡散領域５ｂに対応する受光ダイオードＤ２の活性領域に入射する。
【００１７】
従って、図示の構成ではミラー部材１４を支持基板１上の所定位置に形成し、さらに受光素子をミラー部材１４の上主面の所定位置に形成することにより、各部材の位置合わせのみにより、容易に導波路１３と受光素子１０中の受光ダイオードＤ２とを光学的に結合することができる。かかる位置合わせは、例えば基板１あるいはミラー部材１４上に位置合わせマーカを形成することで、容易に対応できる。
【００１８】
しかし、図１８の構成では、ミラー部材１４を必要とし、このため半導体光検出装置を製造するにあたって余計な工程が必要になる。また、かかる余計なミラー部材１４を使うことにより、半導体光検出装置を構成する集積回路構成中における光ビーム光路の精度が低下しやすい。受光ダイオードＤ２と光導波路１３との間に最適な光結合を得るためには、ミラー部材１４および受光素子の双方を導波路１３に対して相対的に調整する必要があるが、特にミラー部材１４の精度が高くない場合、かかる調整は非常に面倒である。さらに、ミラー部材１４を光路中に介在させることにより導波路端面１３Ａから出射し受光素子１０に入射する光ビームの光路長が長くなってしまう問題点が生じる。導波路１３の端面１３Ａから出射する光ビームの光路長が長くなってしまうと、光ビームが受光ダイオードＤ２の活性領域において拡大してしまい、このため入射光を効率的に利用するためには受光ダイオードＤ２の活性領域の大きさを大きく形成する必要がある。しかし、光ビームを検出するダイオードＤ２の活性領域、すなわち拡散領域５ｂの面積を大きくすると、拡散領域５ｂに付随する空乏層の寄生容量ＣＳＴＲＡＹ が増大してしまい、ダイオードＤ２の応答特性が劣化する。一方、受光ダイオードＤ２の活性領域５ｂを高速応答特性を維持するために小さく設定すると、導波路１３から入射する光ビームの大部分が活性領域５ｂを外れてしまい、受光ダイオードＤ２の光結合効率が実質的に低下してしまう。
【００１９】
図１９は、別の半導体光検出装置の構成を示す。ただし、図１９中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２０】
図１９を参照するに、図示の例では、光導波路１３をモノリシックに担持する支持基板１の上主面上に、受光素子１０が、前記光導波路１３と共通に、フリップチップ法により実装される。かかる構成では、前記ＩｎＰ基板２上に積層された活性層４の端面が、前記端面１３Ａにおいて露出された導波層１３ｃの端面に対面するように配置され、その結果前記端面１３Ａから出射した光ビームが活性層４中に直接に入射する。しかし、かかる導波層１３ｃの端面に活性層４の端面が光学的に結合した構成では、一般に活性層４の厚さが２〜３μｍであるのに対し、導波層１３ｃから出射する光ビームは上下方向に少なくとも６μｍ程度の拡がりを有しており、その結果、光ビームの大部分は活性層４に入射しないという問題点が生じる。換言すると、図１９の構成では損失が大きく、高い光結合効率を得ることができない。一般に、このような活性層端面から入射するエッジ入射構造を有する半導体光検出装置では、受光素子の活性層端を支持基板上に形成された外部の光導波路と結合する際、両者の間で高い光結合が得られるように調整が必要であるが、かかる調整は面倒で、半導体光検出装置の費用を増大させる要因となる。
【００２１】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な半導体光検出装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明のより具体的な目的は、受光素子と光導波路との間に最適な光結合を、受光素子を動作させながら結合部の調整を行うことなく、簡単かつ確実に形成できる構成を有する半導体光検出装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、上記の課題を、
前記支持基板上に担持され、光ビームを第１の光路に沿って導波する光導波路と；
前記支持基板上に設けられ、相互に対向する第１および第２の主面を有し、端面で画成された素子基板と、入射した光ビームに応答する受光部を含む受光素子と；
前記光導波路から出射した光ビームの光路を、前記第１の光路から前記受光素子中の前記受光部に至る第２の光路に変換する光路変換手段とよりなる半導体光検出装置において、
前記光導波路は、前記導波路中を導波される光ビームを前記第１の光路に沿って出射させる端面を備え、
前記受光素子は、前記支持基板上に、前記光導波路端面から出射した光ビームが入射す るように設けられ、
前記光路変換手段は、前記素子基板の前記端面上に、前記素子基板の第１の主面と斜交するように形成された斜面よりなり、前記斜面は、前記光導波路から前記第１の光路に沿って出射した光ビームを、前記支持基板の主面に対し、前記第２の主面に向かって斜め上方に屈折させるような角度で形成されており、前記第２の主面上には、前記斜面で屈折された光ビームを回折する回折格子が形成されていることを特徴とする半導体光検出装置により、または
請求項２に記載したように、
前記光導波路は、前記第１の光路が前記支持基板の主面に平行になるように形成され、前記斜面は、前記受光素子上に、前記支持基板の主面に対して斜めに形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体光検出装置により、または
請求項３に記載したように、
前記受光素子は、前記素子基板の前記第１の主面上に形成され前記受光部を含む活性層と、前記活性層上に前記受光部に対応して形成されたバンプ電極とを備え、前記受光素子は、前記支持基板の主面上に、前記素子基板の第１の主面が前記支持基板主面に対面し、また前記バンプ電極が、前記支持基板主面上に形成された導体パターンに接続された状態で、さらに前記素子基板の端面が前記光導波路端面に対面するように設けられることを特徴とする請求項１または２記載の半導体光検出装置により、または
請求項４に記載したように、
前記受光素子中の受光部は、前記回折格子により回折される光ビームの波長に対応した複数の受光領域より構成されることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光検出装置により、または
請求項５に記載したように、
前記光導波路は、前記支持基板表面に、モノリシックに形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載の半導体光検出装置により、または
請求項６に記載したように、
基板上に活性層を積層し、積層構造体を形成する工程と；
前記活性層上に、複数の受光素子領域を形成する工程と；
前記積層構造体上に、一の受光素子領域を別の受光素子領域から分離するように、一対の斜面で画成された溝を、エッチングにより形成する工程と；
前記積層構造体を、前記溝において分割し、各々前記溝に対応して斜面を形成された複数の受光素子を、相互に対向する第１および第２の主面を有した前記積層構造体のいずれかの面に前記活性層を含むように形成する工程と；
前記活性層を形成した面とは対向する側の面に回折格子を形成する工程と；
前記受光素子を、光導波路を担持する支持基板上に、前記斜面が、前記光導波路の端面に対面するように配設する工程とよりなることを特徴とする、半導体光検出装置の製造方法により、または
請求項７に記載したように、
前記エッチング工程は、ウェットエッチング法により実行され、前記斜面は結晶面よりなることを特徴とする請求項５記載の半導体光検出装置の製造方法により、解決する。
【作用】
【００２４】
本発明の特徴によれば、光路変換手段が形成された受光素子を、光導波路と共通に、同一の支持基板上に設けることにより、光導波路から出射する光ビームを確実に受光素子の光路変換手段で受けることができる。その際、光導波路端面から出射する光ビームが多少拡散しても、前記光路変換手段は光ビーム全体を受光素子中の受光部に確実に導くことができ、光導波路と受光素子との間に高い光結合効率が保証される。かかる構成では、光導波路と受光素子とが別体の部材により構成されるため、受光素子を支持基板上に実装するだけで、受光素子と外部の光導波路との間に高い光結合効率が実現される。また、受光素子と光導波路との接続は、それぞれに形成したマーカを使ってできるので、受光素子にバイアス電圧を印加し、動作させながら位置調整する必要がない。また本発明の特徴によれば、前記支持基板上にフリップチップ実装された受光素子には、素子基板の底面、すなわち受光部が形成された側と反対側の素子基板主面上に回折格子を形成することができ、光路変換手段を、入射光ビームがかかる回折格子に入射するように形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００２５】
本発明の特徴によれば、前記光路変換手段を、前記受光素子上に形成され前記支持基板主面に対して傾斜した斜面により形成することにより、支持基板上における受光素子の光導波路端面に対する距離が多少狂っても、受光素子に入射する光ビームの光路は余り影響を受けず、このため受光素子の支持基板上への実装が容易になる。
【００２６】
本発明の特徴によれば、前記受光素子を前記支持基板上にフリップチップ法により、簡単かつ安価に、しかも支持基板上の外部光導波路に対して必要な精度を保ちつつ実装することができる。
【００２７】
本発明の特徴によれば、光導波路を、支持基板上に、フォトリソグラフィによりモノリシックに形成することにより、第１の光路を伝搬する光ビームの支持基板表面に対する相対位置を正確に決定することができる。かかる構成は、半導体光検出装置を、前記支持基板上に形成され前記光導波路に光信号を注入する光素子に対して光学的に結合する際に特に有用である。勿論、かかる光導波路を、外部の光ファイバに接続し、半導体光検出装置により、外部から供給された光信号を検出するように構成してもよい。
【００２８】
本発明の特徴によれば、複数の受光素子領域を担持する素子基板に前記受光素子領域を分離するＶ字型溝を形成し、かかる溝において前記素子基板を分離することにより、各々光路変換手段として作用する斜面を形成された複数の受光素子が得られる。その際、前記斜面が形成される素子基板主面に対向する主面に回折格子を形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００２９】
本発明の特徴によれば、前記Ｖ字型溝の形成をウェットエッチングにより実行することにより、前記斜面には結晶面が現れ、その結果光路変換手段として作用する斜面を、結晶面特有の、正確な角度で形成することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を実施例について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１参考例による半導体光検出装置２００の構成を示す図である。
【００３２】
図１を参照するに、半導体光検出装置２００はＳｉ基板２１上に形成され、前記基板２１上に形成された光導波路２２と、前記基板２１上に、前記光導波路２２の端面２２Ａに側壁面が対面するように配設された受光素子２０とよりなる。このうち、光導波路２２は前記Ｓｉ基板２１上にＣＶＤ法により堆積されたガラスあるいは半導体層より構成され、下側クラッド層２２ａと、その上に形成されたコア層２２ｂと、さらにコア層２２ｂ上に形成された上側クラッド層２２ｃとを含む。光導波路は、別の光導波路（図示せず）あるいは支持基板２１上の発光素子（図示せず）に光結合され、注入された光ビームをコア層２２ｂに沿って導波した後、前記端面２２Ａから出射させる。
【００３３】
一方、受光素子は、ｎ型ＩｎＰよりなる素子基板２３上に形成され、図１６の層３に対応するｎ型ＩｎＰバッファ層２４と、前記層２４上に形成され図１６の層４に対応する非ドープＩｎＧａＡｓ層２５と、前記層２５上に形成され図１６の層５に対応するｎ−型ＩｎＰ層２６とより構成され、前記層２６中には第１の面積を有するｐ型領域２６ａと、前記第１の面積よりも実質的に小さい第２の面積を有するｐ型領域２６ｂとが、それぞれ図１７の駆動ダイオードＤ１および受光ダイオードＤ２に対応して形成される。さらに、前記領域２６ａに対応して電極２７ａが、また前記領域２６ｂに対応して領域２７ｂが形成される。
【００３４】
ＩｎＰ素子基板２３は側壁面２３ａにより画成され、支持基板２１上に、前記側壁面２３ａが前記導波路２２の端面２２Ａに対面するように形成される。実際の構造では、前記側壁面２３ａ上には反射防止膜（図示せず）が形成され、前記反射防止膜を介して前記側壁面２３ａと導波路端面２２Ａとが接合している。
【００３５】
光半導体装置２００では、さらに素子基板２３の下主面に、斜面２３Ａで画成された凹部が形成され、かかる凹部２３Ａに対応して支持基板２１と素子基板２３との間に空洞２３Ｂが形成される。凹部２３Ａは支持基板２１主面に対してΘ１ の角度を形成し、前記光導波路端面２３ａから入射した光ビームをｐ型領域２６ｂに向けて反射させる斜面を形成する。また、斜面２３Ａで反射した光ビームがｐ型領域２６ｂに正確に入射するように、層２３〜２６よりなる積層構造体の厚さＴが、角度Θ１ に対して最適化される。好ましくは、斜面２３Ａを素子基板２３のウェットエッチングにより形成する。この場合、斜面２３Ａとして例えばＩｎＰの（１１１）結晶面が出現し、この場合には角度Θ１ は結晶面（１１１）に固有の角度である５４．７°になる。一般には、角度Θ１ は、使用されるエッチャントやマスクパターンによって多少変動する。特に、ＨＣｌあるいはＢｒ，ＨＢｒ，Ｈ２ Ｏの混合水溶液をエッチャントとして使うことにより、角度Θ１ として（１１１）面あるいはその近傍の５５°に近い角度を出すことができる。また、ＨＣｌとＨ３ ＰＯ４ の混合液あるいはＢｒを含むエタノールをエッチャントとして使うこともできる。
【００３６】
さらに、素子基板２３の下主面には、斜面２３Ａを含むように、Ｔｉ，Ａｕ，Ｓｎ，Ａｕの各層を、それぞれ例えば０．１μｍ，０．１μｍ，２μｍおよび０．１μｍの厚さに積層した融材層２３Ｃが形成される。かかる素子基板２３を、支持基板２１上に配設することにより、素子基板２３下主面を覆う融材層２３Ｃが支持基板２１に融着し、受光素子が支持基板２１上に確実に接合される。その際、前記斜面２３Ａを覆う融材層は、導波路端面２２Ａから素子基板２３に入射した光ビームを反射するミラーとして作用する。
【００３７】
図示の例では、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは斜面２３Ａで斜め後方に反射されるため、受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂは駆動ダイオードＤ１を構成する拡散領域２６ａに対して側壁面２３ａの側に形成される。
【００３８】
図１の構成の半導体光検出装置では、導波路２２を形成された支持基板２１上に受光素子２００を、素子基板下主面が支持基板表面に係合し、また素子基板２３の側壁面２３ａが前記側壁面２３ａ上に形成された反射防止膜を介して導波路２２の端面２２Ａに係合するように設けることにより、受光素子２００を、容易に、簡単な工程で、受光素子外部の導波路に、高い光結合効率で結合することが可能になる。かかる受光素子と導波路との整合は、例えば図１に示した位置合わせマークＭを使うことにより、容易に達成できる。
【００３９】
また、かかる構成では、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームが、受光素子中において図１７における受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂおよびこれに付随する空乏領域全体に斜め下方から入射するため、図１９の装置におけるような光ビームの一部が受光領域を外れる問題が生じることがなく、光損失が少ない。
【００４０】
勿論、支持基板２１はＳｉ基板に限定されるものではなく、ＩｎＰ等の他の半導体結晶基板、あるいはガラス等の非晶質基板であってもよい。
【００４１】
図２は、本発明の第２参考例による半導体光検出装置３００の構成を示す。
【００４２】
図２を参照するに、半導体光検出装置３００は図１の参考例と同じ、光導波路２２を担持する支持基板２１上に形成され、側壁面３３ａで画成され、前記側壁面３３ａが下主面３３ｂと交わる稜に沿って、基板下主面３３ｂに対してΘ２ の角度をなす斜面３３Ａが形成された、ｎ型ＩｎＰよりなる素子基板３３を有する受光素子３０を含む。素子基板３３の上主面上には、前記ｎ型ＩｎＰ層３あるいは２４に対応するｎ型ＩｎＰ層３４が形成され、さらに層３４上には前記非ドープＩｎＧａＡｓ層４あるいは２５に対応する非ドープＩｎＧａＡｓ層３５が形成され、層３５上には前記層５あるいは２６に対応するｎ− 型ＩｎＰ層３６が形成される。層３６中には、駆動ダイオードＤ１に対応してｐ型領域３６ｂが、また受光ダイオードＤ２に対応してｐ型領域３６ａが形成される。
【００４３】
図示の参考例では、素子基板３３の下主面が図１の参考例の場合と同様に支持基板２１の上主面に接合され、その際、素子基板３３は支持基板２１上に、側壁面３３ａが導波路２２の端面２２Ａに対面し、前記導波路端面２２Ａから出射した光ビームが前記基板斜面３３Ａに入射するように配設される。図２の例では、導波路端面２２Ａと素子基板側壁面３３ａが同一平面上にあるように示されているが、実際には導波路端面２２Ａは側壁面３３ａよりもやや内側に入り、その結果、素子基板３３が導波路端面２２Ａに対してオーバーハングを形成する。かかる構成においても、素子基板３３の光導波路２２に対する位置関係は、例えば支持基板２１上に形成した位置合わせマークＭを使うことにより、容易かつ確実に決定することができる。
【００４４】
図２の装置では、前記斜面３３Ａには反射防止膜（図示せず）が形成されており、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは前記斜面３３Ａで素子基板３３上主面の方向に屈折し、受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域３６ａに入射する。かかる構成に伴い、図２の半導体光検出装置では、受光ダイオードＤ２は駆動ダイオードＤ１に対して、基板側壁面３３ａの反対側に形成される。かかる構成においても、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは拡散領域３６ａに斜め下方から入射し、光損失が最小になる。斜面３３Ａが素子基板３３下主面３３ｂに対してなす角度Θ２ は、先の参考例の場合と同様に、４５°〜６０°の範囲に設定される。特に斜面３３ＡをＩｎＰの（１１１）面で構成する場合には、角度Θ２ は５４．７°になる。
【００４５】
図３は、図２の半導体光検出装置における受光素子３０の平面図を示す。
【００４６】
図３よりわかるように、受光ダイオードＤ２を形成する拡散領域３６ａは駆動ダイオードＤ１を構成する拡散領域３６ｂよりも面積が実質的に小さく、これに伴う接合容量の減少の結果、受光ダイオードＤ２は非常に高速の応答特性を示す。図１あるいは図２の参考例では、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは直ちに受光素子に入り、受光素子を構成する半導体層中を通過して受光ダイオードＤ２に導かれるため、光導波路端面２２Ａから受光領域２６ｂあるいは３６ａまでの光路長が短く、光ビームの拡散が最小限に抑止される。その結果受光ダイオードＤ２の拡散領域３６ａの面積は小さくてすむ。典型的には、拡散領域２６ｂあるいは３６ａの面積は拡散領域２６ａあるいは３６ｂの１０分の１以下になる。
【００４７】
図２の半導体光検出装置では、受光素子３０を構成する素子基板３３上に、前記側壁面３３ａに対向する側壁面３３ａ’と素子基板３３の下主面上とが交差する稜に沿っても、別の斜面３３Ａ’が形成されている。かかる構造の受光素子は、図４に示すように、素子基板３３上に層３４〜３６を堆積した積層構造体上に、前記斜面３３Ａ，３３Ａ’に対応して複数の溝Ｇ１ 〜Ｇ４ を、例えば先に記載したエッチャントによるウェットエッチングにより形成し、かかる溝を形成された積層構造体を壁開することにより簡単に得られる。ただし、図４の積層構造体においては、一対の溝の間に各々図２の受光素子に対応する素子領域DEVICE 1, DEVICE 2, DEVICE 3が形成されており、また、素子領域 DEVICE 1, DEVICE 2, DEVICE 3の各々において、ｎ−ＩｎＰ型層３６上にはｐ型拡散領域３６ａ，３６ｂが形成されている。また、素子基板３３の下主面上には、前記溝Ｇ１ 〜Ｇ４ を構成する斜面３３Ａ，３３Ａ’を覆うように反射防止膜３８が形成されている。図２の構造でも、素子基板３３の下主面は融材により支持基板２１の表面に融着されている。
【００４８】
図１および図２の参考例のいずれにおいても、光導波路端面２２Ａから出射する光ビームが受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂあるいは３６ａに正しく入射するか否かは、主として光ビームの斜面２２Ａあるいは３３Ａ上における光ビームの入射位置、すなわち支持基板２１表面に対する導波層２２ｂおよび半導体層２５，２６の相対的な高さにより決まり、支持基板２１表面上における導波路端面２２Ａと受光素子基板２３との間の距離Ｄには余り影響されない。この点で、図１，２の参考例は、いずれも素子基板２３および光導波路２２が、支持基板２１表面上に、直接に係合した状態で形成されているため、受光素子の位置合わせマークＭに対する位置決め精度が高くない場合でも光導波路を出射する光ビームが確実に受光ダイオードＤ２に入射し、有利である。
【００４９】
次に、本発明の第３参考理恵による半導体光検出装置４００を図５を参照しながら説明する。ただし、図５中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
図５の構成では、半導体光検出装置４００は、図１における斜面２３Ａのかわりに湾曲面２３Ａ’が形成されている点を除き、図１の受光素子と実質的に同一の構成を有する。その結果、光導波路端面２２Ａから出射する光ビームは受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂに集束される。これに伴い、図５の装置４００では拡散領域２６ｂの面積、すなわち接合容量が実質的に減少し、受光ダイオードＤ２の応答特性が向上する。
【００５１】
かかる湾曲面２３Ａ’は、例えば米国特許５，３０９，４６８号に記載したような、レジスト層をパターニングした後これを加熱によりリフローさせて縁部が丸みをおびたレジストパターンを形成し、かかるレジストパターンを使ってドライエッチングを、レジストパターンおよびその下の基板に対して同時に実行する工程により形成することができる。
【００５２】
本参考例の他の特徴および利点は先に説明した参考例のものと同様であり、説明を省略する。
【００５３】
図６は、本発明の第４参考例による半導体光検出装置５００の構成を示す。ただし、図６中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５４】
図６の構成では、半導体光検出装置５００は、図２における斜面３３Ａ，３３Ａ’のかわりに湾曲面３３Ｂ，３３Ｂ’が形成されている点を除き、図２の受光素子３０と実質的に同一の構成の受光素子を有する。その結果、光導波路端面２２Ａから出射する光ビームは受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域３６ａに集束される。これに伴い、装置５００においても装置４００と同様に、拡散領域３６ａの面積、すなわち接合容量が実質的に減少し、受光ダイオードＤ２の応答特性が向上する。
【００５５】
本参考例の他の特徴および利点は先に説明した実施例のものと同様であり、説明を省略する。
【００５６】
図７は、本発明の第５参考例による半導体光検出装置６００の構成を示す。ただし、図７中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図７の構成では、支持基板２１上に配線パターン２１ａ，２１ｂが形成され、図２の構成で使われた受光素子２０が、支持基板２１上に、フリップチップ法により、前記電極２７ａ，２７ｂが前記配線パターン２１ａ，２１ｂに接続された状態で実装される。このため、前記電極２７ａ，２７ｂに対応して半田バンプが形成されている。また、図７の構成では、斜面２３Ａが素子基板２３の上主面に形成されるため、これに対応して支持基板２１上には、厚いポリイミド層などのスペーサ層２２Ｂ上に、下側クラッド層２２ａ’，光導波層２２ｂ’および上側クラッド層２２ｃ’を順次堆積し構成した光導波路２２’が、光導波路２２ｂ’中を導波され導波路端面２２Ａ’から出射する光ビームが斜面２３Ａに当たり受光ダイオードＤ２の拡散領域２６ｂに入射するように形成される。さらに、素子基板２３の上主面には、前記斜面２３Ａを覆うように、Ａｕ等よりなる反射膜２３Ｃ’が形成される。
【００５８】
かかる構成では、受光素子が先にも説明したように、支持基板２１上にフリップチップ法により実装されるため、図１の装置２００のように、受光素子電極２７ａ，２７ｂにワイヤボンディングを施す必要がなく、特に受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域２６ｂがワイヤボンディングの際の機械的応力により損傷する危険が減少する。また、図７の装置６００では、フリップチップ法による実装を行うことにより、装置製造の際のスループットが実質的に向上する。
【００５９】
図８は、本発明の第６参考例による半導体光検出装置７００の構成を示す。ただし、図８中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６０】
図８の構成では、図２の受光素子が図７と同様に、配線パターン２１ａ，２１ｂを担持する支持基板２１上にフリップチップ法により実装され、図７と同様な光導波路端面２２Ａ’より出射する光ビームが、素子基板３３上の斜面３３Ａに入射し、下方に屈折した後、受光素子下主面に形成された拡散領域２６ａに入射する。
【００６１】
かかる構成においても、図７の参考例と同様に、フリップチップ実装により、受光ダイオードＤ２に加わる機械的応力が最小化され、また装置製造の際のスループットが向上する等の利点が得られる。
【００６２】
図８の装置７００のその他の特徴および利点は先に説明した参考例より明らかであり、説明を省略する。
【００６３】
次に、本発明の第１実施例による半導体光検出装置８００の構成を、図９を参照しながら説明する。
【００６４】
図９を参照するに、本実施例では、フリップチップ法により支持基板２１上に上下反転されて実装された受光素子の下主面、換言するとＩｎＰ素子基板３３上に形成された最上位半導体層２６の上主面と前記素子基板側壁面３３ａとが交差する稜に、斜面３３Ｃが、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームが入射するように形成される。斜面３３Ｃに入射した光ビームは上方に屈折し、上下反転した受光素子の上主面、すなわち素子基板３３の下主面に形成された回折格子３３Ｘに入射する。
【００６５】
回折格子３３Ｘは入射光ビームを分光し、光ビーム中に含まれる各光信号の波長に対応した回折角に回折光ビームを形成する。また、各回折光ビームに対応して前記ｎ−型ＩｎＰ層２６中には複数のｐ型拡散領域（２６ａ）１ ，（２６ａ）２ ，（２６ａ）３ が形成され、かかる拡散領域（２６ａ）１ ，（２６ａ）２ ，（２６ａ）３ に対応して形成されたバンプ電極（２７ａ）１ ，（２７ａ）２ ，（２７ａ）３ が、受光素子のフリップチップ実装の結果、支持基板２１上に形成された対応配線パターン（２１ａ）１ ，（２１ａ）２ ．（２１ａ）３ に接続される。 かかる構成により、半導体光検出装置８００は、光導波路２２を介して供給される波長多重化光信号を、各々の光信号成分に分解する光反多重化器として作用する。
【００６６】
図１０は本発明の第７参考例による半導体光検出装置９００の構成を示す。ただし、図１０中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６７】
図１０の半導体光検出装置９００は図２の装置３００の一変形例と考えられ、半導体層３４を多層膜フィルタ３４’により置き換える。多層膜フィルタ３４’は入射光ビームの波長λの４分の１の厚さのＩｎＧａＡｓＰ膜とＩｎＰ膜とを交互に繰り返し堆積した構造を有し、所定の波長の光ビームのみを、選択的に、受光ダイオードＤ２へと透過させる。すなわち、半導体光検出装置９００は、特定の波長を選択的に検出する光検出装置として作用する。
【００６８】
図１１は本発明の第８参考例による半導体光検出装置１０００の構成を示す。ただし、図１１中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００６９】
図１１を参照するに、半導体光検出装置１０００では、支持基板２１上に、受光素子が、素子基板３３の側壁面３３ａが基板２１表面に係合した状態で、かつ素子基板主面３３ｂが光導波路２２に対面するように実装され、光導波路端面２２Ａから出射した光ビームは斜面３３Ａに入射する。入射した光ビームは上方に屈折し、受光ダイオードＤ２を構成するｐ型拡散領域３６ａに入射する。
【００７０】
図示の構造では、さらに拡散領域３６ａに対応する電極３７ａに、Ｌ字型に屈曲したリード電極３９が、支持基板２１上の配線パターン２１ａに接続されて形成される。
【００７１】
かかる半導体光検出装置１０００では、光導波路２２の端面２２Ａから出射した光ビームは、受光素子中を、主面３３ｂの側から反対側の半導体層３６中の拡散領域３６ａまで最短距離で走行し、その結果光ビームの拡散が最小に抑止される。
【００７２】
図１１の半導体光検出装置１０００では、電極３７ａに外部のリードワイヤをワイヤボンディングにより接続する場合に生じる拡散領域３６ａへの応力の印加を回避するため、リード電極３９は導体層の堆積により形成するのが好ましい。
【００７３】
図１２（Ａ）〜（Ｄ）および図１３（Ｅ）〜（Ｈ）は、かかるリード電極３９を形成する工程を示す。ただし、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の構造の平面図、図１２（Ｄ）は図１２（Ｃ）の構造の平面図、図１３（Ｆ）は図１３（Ｅ）の構造の平面図、図１３（Ｈ）は図１３（Ｇ）の構造の平面図をそれぞれ表す。
【００７４】
図１２（Ａ），（Ｂ）は、ｎ−型ＩｎＰ層３６中に拡散領域３６ａが形成された状態を示し、このうち図１２（Ａ）は図１２（Ｂ）中の線Ｉ−Ｉ’に沿った断面図を表す。
【００７５】
次に、図１２（Ｃ），（Ｄ）の工程で、ＩｎＰ層３６上にポリイミド層３６１ を形成し、これをレジストパターン３６２ によりパターニングして拡散領域３６ａを露出させる。さらに、レジストパターン３６２ 上に、Ｔｉ，ＰｔおよびＡｕの各層を積層した構造の電極層３７を、露出された拡散領域３６ａを覆うように堆積する。ここで、Ａｕは低抵抗層として作用するのに対し、ＴｉおよびＰｔ層はバリアメタルとして作用する。
【００７６】
次に、図１３（Ｅ），（Ｆ）の工程で、前記電極層３７上にレジストパターン３９ａを、リード電極形成予定領域が露出するように形成し、さらに、かかる電極層３７の露出部上に、Ａｕ電極層３９を、前記層３７をメッキ電極として使う電界メッキ法により形成する。
【００７７】
さらに、リード電極３９下の不要な電極層３７をイオンミリングにより除去し、前記レジストパターン３９ａおよび３６２ を溶解・除去することにより、図１３（Ｇ），（Ｈ）に示した中空を延在するリード電極３９を有する構造が得られる。さらに、基板３３の下主面にスクライブライン３３Ｚを形成し、かかるスクライブライン３３Ｚにおいて基板３３を壁開することにより、個々の受光素子を得ることができる。
【００７８】
図１４（Ａ），（Ｂ）は、前記素子基板３３に形成される斜面３３Ａの実施例を示す。
【００７９】
図１４（Ａ）の例では、斜面３３Ａは素子基板３３の側壁面３３ａが下主面と交わる稜の一部のみに形成されているのに対し、図１４（Ｂ）の例では、斜面３３Ａは前記稜全体に形成されている。いずれの構成においても、受光素子自体は同様に作用するが、多数のかかる受光素子を共通の半導体ウェハ上に形成する場合には、図１４（Ｂ）の構成の場合、前記斜面３３Ａに対応してウェハ全面に多数の溝が形成されてしまい、強度の点でウェハの取り扱いが困難になる。この観点からは、図１４（Ａ）の構成の方が好ましい。
【００８０】
さらに、図１５は本発明の第９参考例による半導体光検出装置１１００の構成を示す。
【００８１】
図１５の構成では、Ｓｉよりなり、図２の受光素子と同一の受光素子を担持した支持基板２１上に、Ｖ字型断面の溝２１Ｖが、ファイバガイドとして形成され、かかる溝２１Ｖにコア２２１を有する光ファイバ２２０が係合させられる。かかる構成では、コア２２１を伝搬した光ビームが光ファイバ端面２２０Ａから素子基板３３上の斜面３３Ａに入射し、図２の半導体光検出装置３００の場合と同様に、受光ダイオードＤ２を構成する拡散領域３６ａに入射する。かかるＳｉ基板上のＶ字溝は、周知のＫＯＨを使ったウェットエッチングにより、容易に形成できる。
【００８２】
以上、本発明を好ましい参考例および実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【発明の効果】
【００８３】
本発明の特徴によれば、光路変換手段が形成された受光素子を、光導波路と共通に、同一の支持基板上に設けることにより、光導波路から出射する光ビームを確実に受光素子の光路変換手段で受けることができる。その際、光導波路端面から出射する光ビームが多少拡散しても、前記光路変換手段は光ビーム全体を受光素子中の受光部に確実に導くことができ、光導波路と受光素子との間に高い光結合効率が保証される。かかる構成では、光導波路と受光素子とが別体の部材により構成されるため、受光素子を支持基板上に実装するだけで、受光素子と外部の光導波路との間に高い光結合効率が実現される。また、受光素子と光導波路との接続は、それぞれに形成したマーカを使ってできるので、受光素子にバイアス電圧を印加し、動作させながら位置調整する必要がない。また本発明の特徴によれば、前記支持基板上にフリップチップ実装された受光素子には、素子基板の底面、すなわち受光部が形成された側と反対側の素子基板主面上に回折格子を形成することができ、光路変換手段を、入射光ビームがかかる回折格子に入射するように形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００８４】
本発明の特徴によれば、前記光路変換手段を、前記受光素子上に形成され前記支持基板主面に対して傾斜した斜面により形成することにより、支持基板上における受光素子の光導波路端面に対する距離が多少狂っても、受光素子に入射する光ビームの光路は余り影響を受けず、このため受光素子の支持基板上への実装が容易になる。
【００８５】
本発明の特徴によれば、前記受光素子を前記支持基板上にフリップチップ法により、簡単かつ安価に、しかも支持基板上の外部光導波路に対して必要な精度を保ちつつ実装することができる。
【００８６】
本発明の特徴によれば、光導波路を、支持基板上に、フォトリソグラフィによりモノリシックに形成することにより、第１の光路を伝搬する光ビームの支持基板表面に対する相対位置を正確に決定することができる。かかる構成は、半導体光検出装置を、前記支持基板上に形成され前記光導波路に光信号を注入する光素子に対して光学的に結合する際に特に有用である。勿論、かかる光導波路を、外部の光ファイバに接続し、半導体光検出装置により、外部から供給された光信号を検出するように構成してもよい。
【００８７】
本発明の特徴によれば、光導波路を支持基板表面上に形成された溝中に保持された光ファイバにより形成することにより、外部光導波路を構成する光ファイバを半導体光検出装置に直接に導入することができる。
【００８８】
本発明の特徴によれば、複数の受光素子領域を担持する素子基板に前記受光素子領域を分離するＶ字型溝を形成し、かかる溝において前記素子基板を分離することにより、各々光路変換手段として作用する斜面を形成された複数の受光素子が得られる。その際、前記斜面が形成される素子基板主面に対向する主面に回折格子を形成することにより、波長多重化光信号を個々の光信号成分に分解する光デマルティプレクサを構成することができる。
【００８９】
本発明の特徴によれば、前記Ｖ字型溝の形成をウェットエッチングにより実行することにより、前記斜面には結晶面が現れ、その結果光路変換手段として作用する斜面を、結晶面特有の、正確な角度で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図３】図２の半導体光検出装置を示す平面図である。
【図４】図２の半導体光検出装置の製造工程の一段階を示す図である。
【図５】本発明の第３実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第４実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第５実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第６実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第７実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第８実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第９実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｄ）は図１１の半導体光検出装置の製造工程を示す図（その一）である。
【図１３】（Ｅ）〜（Ｈ）は図１１の半導体光検出装置の製造工程を示す図（その二）である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は本発明において受光素子に形成される斜面の例を示す図である。
【図１５】本発明の第１０実施例による半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１６】従来の半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図１７】図１６の半導体光検出装置の等価回路図である。
【図１８】従来の半導体光検出装置の別の構成を示す図である。
【図１９】従来の半導体光検出装置のさらに別の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２１ 支持基板
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，（２１ａ）1 〜（２１ａ）3 配線パターン
２，２３，３３ 素子基板
３，２４，３４ ｎ型ＩｎＰバッファ層
４，２５，３５ ＩｎＧａＡｓ 活性層
５，２６，３６ ｎ型ＩｎＰ層
５ａ，５ｂ，２６ａ，２６ｂ，（２６ａ）1 〜（２６ａ）3 ｐ型拡散領域
６ 絶縁層
６ａ，６ｂ コンタクトホール
７ａ，７ｂ，（２７ａ）1 〜（２７ａ）3 バンプ電極
８ 反射防止膜
１０，２０，３０ 受光素子
１１，２２０ 光ファイバ
１２ 電源
１３，２２，２２’ 光導波路
２２Ａ，２２Ａ’ 光導波路端面
１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｃ，２２ａ’，２２ｃ’ クラッド層
１３ｃ，２２ｂ，２２ｂ’ 光導波層
２１Ｖ Ｖ字溝
２２Ｂ ポリイミド層（スペーサ層）
２３ａ，３３ａ，３３ａ’ 素子基板側壁面
２３Ａ，３３Ａ，３３Ａ’ 斜面
２３Ｂ 空洞
２３Ｃ 融材層
２３Ｃ’ 反射膜
２７ａ，２７ｂ，３７ａ，３７ｂ 電極
３３ｂ 素子基板下主面
３３Ｘ 回折格子
３３Ｚ スクライブライン
３４ 多層膜フィルタ
３６1 ポリイミド層
３６2 ，３９ａ レジスト
３７ 電極層
３８ 反射防止膜
３９ リード電極
２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００半導体光検出装置
２２０Ａ 光ファイバ端面
２２１ コア
Ｄ１ 駆動ダイオード
Ｄ２ 受光ダイオード
Claims (7)
- 支持基板と；
前記支持基板上に担持され、光ビームを第１の光路に沿って導波する光導波路と；
前記支持基板上に設けられ、相互に対向する第１および第２の主面を有し、端面で画成された素子基板と、入射した光ビームに応答する受光部を含む受光素子と；
前記光導波路から出射した光ビームの光路を、前記第１の光路から前記受光素子中の前記受光部に至る第２の光路に変換する光路変換手段とよりなる半導体光検出装置において、
前記光導波路は、前記導波路中を導波される光ビームを前記第１の光路に沿って出射させる端面を備え、
前記受光素子は、前記支持基板上に、前記光導波路端面から出射した光ビームが入射するように設けられ、
前記光路変換手段は、前記素子基板の前記端面上に、前記素子基板の第１の主面と斜交するように形成された斜面よりなり、前記斜面は、前記光導波路から前記第１の光路に沿って出射した光ビームを、前記支持基板の主面に対し、前記第２の主面に向かって斜め上方に屈折させるような角度で形成されており、前記第２の主面上には、前記斜面で屈折された光ビームを回折する回折格子が形成されていることを特徴とする半導体光検出装置。 - 前記光導波路は、前記第１の光路が前記支持基板の主面に平行になるように形成され、前記斜面は、前記受光素子上に、前記支持基板の主面に対して斜めに形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体光検出装置。
- 前記受光素子は、前記素子基板の前記第１の主面上に形成され前記受光部を含む活性層と、前記活性層上に前記受光部に対応して形成されたバンプ電極とを備え、前記受光素子は、前記支持基板の主面上に、前記素子基板の第１の主面が前記支持基板主面に対面し、また前記バンプ電極が、前記支持基板主面上に形成された導体パターンに接続された状態で、さらに前記素子基板の端面が前記光導波路端面に対面するように設けられることを特徴とする請求項１または２記載の半導体光検出装置。
- 前記受光素子中の受光部は、前記回折格子により回折される光ビームの波長に対応した複数の受光領域より構成されることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光検出装置。
- 前記光導波路は、前記支持基板表面に、モノリシックに形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載の半導体光検出装置。
- 基板上に活性層を積層し、積層構造体を形成する工程と；
前記活性層上に、複数の受光素子領域を形成する工程と；
前記積層構造体上に、一の受光素子領域を別の受光素子領域から分離するように、一対の斜面で画成された溝を、エッチングにより形成する工程と；
前記積層構造体を、前記溝において分割し、各々前記溝に対応して斜面を形成された複数の受光素子を、相互に対向する第１および第２の主面を有した前記積層構造体のいずれかの面に前記活性層を含むように形成する工程と；
前記活性層を形成した面とは対向する側の面に回折格子を形成する工程と；
前記受光素子を、光導波路を担持する支持基板上に、前記斜面が、前記光導波路の端面に対面するように配設する工程とよりなることを特徴とする、半導体光検出装置の製造方法。 - 前記エッチング工程は、ウェットエッチング法により実行され、前記斜面は結晶面よりなることを特徴とする請求項６記載の半導体光検出装置の製造方法。
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