JP4291521B2 - 半導体受光素子、半導体受光装置、半導体装置、光モジュール及び光伝送装置 - Google Patents
半導体受光素子、半導体受光装置、半導体装置、光モジュール及び光伝送装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4291521B2 JP4291521B2 JP2001084307A JP2001084307A JP4291521B2 JP 4291521 B2 JP4291521 B2 JP 4291521B2 JP 2001084307 A JP2001084307 A JP 2001084307A JP 2001084307 A JP2001084307 A JP 2001084307A JP 4291521 B2 JP4291521 B2 JP 4291521B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light receiving
- semiconductor
- semiconductor light
- receiving element
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 103
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 49
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims description 28
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 48
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 36
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 23
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 12
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 15
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 14
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 13
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- HBGPNLPABVUVKZ-POTXQNELSA-N (1r,3as,4s,5ar,5br,7r,7ar,11ar,11br,13as,13br)-4,7-dihydroxy-3a,5a,5b,8,8,11a-hexamethyl-1-prop-1-en-2-yl-2,3,4,5,6,7,7a,10,11,11b,12,13,13a,13b-tetradecahydro-1h-cyclopenta[a]chrysen-9-one Chemical compound C([C@@]12C)CC(=O)C(C)(C)[C@@H]1[C@H](O)C[C@]([C@]1(C)C[C@@H]3O)(C)[C@@H]2CC[C@H]1[C@@H]1[C@]3(C)CC[C@H]1C(=C)C HBGPNLPABVUVKZ-POTXQNELSA-N 0.000 description 1
- PFRGGOIBYLYVKM-UHFFFAOYSA-N 15alpha-hydroxylup-20(29)-en-3-one Natural products CC(=C)C1CCC2(C)CC(O)C3(C)C(CCC4C5(C)CCC(=O)C(C)(C)C5CCC34C)C12 PFRGGOIBYLYVKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SOKRNBGSNZXYIO-UHFFFAOYSA-N Resinone Natural products CC(=C)C1CCC2(C)C(O)CC3(C)C(CCC4C5(C)CCC(=O)C(C)(C)C5CCC34C)C12 SOKRNBGSNZXYIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
- G02B6/4228—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
- G02B6/423—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using guiding surfaces for the alignment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光素子、半導体受光装置及び半導体装置、更に詳しく言えば、半導体基板面に垂直な方向から光を入射し電気信号に変換する基板入射型半導体受光素子及びそれを用いた半導体受光装置及び半導体装置に係り、特に光通信分野に用いられる半導体受光素子及びその半導体受光素子を搭載した半導体受光装置及び光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネット等の情報サービスの急増とともに画像情報等の大容量を必要とする情報伝達の需要拡大により、情報ネットワークの伝送容量の拡大が急がれている。
【０００３】
伝送容量10Gbps以上の光通信システムを構築するためには、超高速・高感度特性を有する光伝送装置の開発が不可欠であり、これには光信号を取り入れて電気信号に変換する半導体受光素子の超高速化及び高感度化が必須である。
【０００４】
半導体受光素子の応答速度は、素子容量Ｃと負荷抵抗Ｒの積で求められるＣＲ時定数と、入射してきた光信号によって励起されたキャリアの走行時間によって規定される。
【０００５】
そのため、応答速度を速くするためには、素子容量Ｃ及び負荷抵抗Ｒを小さくすると共に、キャリアの走行時間を短くすることが要求される。走行時間は半導体受光素子の中の光吸収層の厚さに比例するため、光吸収層をできるだけ薄くする必要がある。しかし光吸収層を薄層化することによって、光吸収層で吸収されずに透過してしまう光量が増大するため、光吸収層の薄層化は感度の低下の要因となる。
【０００６】
このように光吸収層の厚さに関して、応答速度と感度とは相反する関係にあるため、応答速度の高速性と高感度特性の両者を満足する半導体受光素子の実現は極めて困難であり、超高速かつ高感度な光伝送装置を開発する上で大きな問題となっていた。
【０００７】
上記問題を解決する技術として、光入射側とは反対側でかつ入射光が光吸収層を透過して到達する基板上に、受光径の大きさに応じた寸法を有し、半導体層に接して下から誘電体膜／電極金属膜２層構造の反射鏡を形成して、光吸収層で吸収されずに透過した光を効率よく反射させ光吸収層の戻す技術（公知の技術と呼ぶ）が知られている（特開平５−２１８４８８号公報）。
【０００８】
図２に上記公知の技術を用いて作製したアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子（ＡＰＤ）の模式的な断面構造を示す。図示のように、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層２３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層２４、膜厚１．０μｍの低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２５、膜厚１．０μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２６、膜厚０．１ｎｍの高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７が順次成長されており、ｐｎ接合径が５０μｍφとなるメサ構造が形成されている。
【０００９】
基板表面はＳｉＮ絶縁膜２８によりパッシベーションされており、基板２１上の所望の領域にはｎ型オーミック電極２９が形成されている。
ｐ型オーミック電極３０はコンタクト層２７上及びコンタクト層２７上の受光径内に形成された４０μｍφの大きさのＳｉＮ絶縁膜２８上にも積層されている。
【００１０】
ＳｉＮ絶縁膜等からなる誘電体膜２８は、作製プロセスにおける高温のアニール処理によっても、半導体層であるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６、及びｐ型オーミック電極３０とほとんど反応しないため、その界面の平坦性は極めて良好な状態のまま保持される。このため、ＳｉＮ絶縁膜２８に接するｐ型オーミック電極３０からなる金属面、すなわちＳｉＮ絶縁膜２８／ｐ型オーミック電極３０積層膜からなる反射鏡３１が、透過してきた光をほぼ１００％の反射率で反射して再び光吸収層２５内へ導入できることから、量子効率の向上が図れる。
【００１１】
反射鏡３１は、面積が広ければ広いほど実効的な受光径を大きくできるため、素子の量子効率はこの反射鏡面積によって左右される。また、電極金属膜と半導体層とのオーミック接続部は反射鏡３１以外の周辺部で形成すれば良く、オーミック接続部によって生じる低反射領域が、光の反射に直接的な影響を及ぼすことは少ない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、今後光通信等などに於いて、さらなる伝送容量の拡大に伴って、素子容量Ｃの与える影響が極めて大きくなっていくため、より超高速かつ高感度な光伝送装置を開発するためには、素子容量Ｃの低減に向けた素子サイズの縮小化も必須となる。素子サイズは、最低限必要とされる実効的な受光径と、素子のｐｎ接合の径との比を１にすることが理想的である。
【００１３】
上記公知の技術を用いた場合、受光径とｐｎ接合径の比を１に限りなく近づけていく場合、実効的な受光径（＝反射鏡面積）を広く確保するためには、反射鏡以外に形成されるオーミック接続部の面積を減少させなければならないため、素子抵抗が増大する。
【００１４】
逆にオーミック接続部の面積を十分に確保すると、実効的な受光径（＝反射鏡面積）を減少させなければならないため、感度の低下を招くこととなる。一例として、上記半導体受光素子の場合、ｐｎ接合径は５０μｍであるから、素子容量は約０．１ｐＦであり１０ＧＨｚ以上の周波数応答特性が得られる。この素子で、例えば４０ＧＨｚ動作を想定すると、ＣＲ時定数の制限から素子容量は０．０５ｐＦが限界であるため、この値から最適なｐｎ接合径を計算すると約３４μｍφとなる。
【００１５】
従って、上記従来の技術を用いてこれまで通りの素子抵抗を有する受光素子を作る場合、実効的な受光径は２０μｍ以下となり、実装時にファイバーとの光軸合わせの精度が必要になるばかりか、環境温度の変化によって使用中に光軸ずれが発生し、量子効率の低下を招く危険性が高くなる。このように、上記従来の技術による基板入射型半導体受光素子は、素子容量Ｃの低減に向けた素子サイズの縮小化を図ることが困難であり、超高速かつ高感度の光伝送装置を開発する上で大きな問題となっていた。
【００１６】
本発明の目的は、素子サイズを縮小化しても素子抵抗の増大、及び量子効率の低下を生じない高感度かつ高速の基板入射型半導体受光素子、及びその半導体受光素子を搭載した半導体受光装置、半導体装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体受光素子は、基板入射型半導体受光素子（以下裏面入射型半導体受光素子とも呼ぶ）の光入射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板上の受光径内に、細線状又は点状の形状の複数のオーミック接続部と、上記半導体に接して透明膜、金属膜の順に積層した反射鏡とを混在させて構成される。ここで、細線状又は点状の形状とは、以下の発明の実施の形態で示すように、同心状のリングが製造上の観点から望ましいが、それに限定されず、格子状、或いは、矩形や円形等の孤立パターンが分布した場合も含む。
【００１８】
上記オーミック接続部の細線状又は点状の形状の寸法は、入射光がその形状を認識し難い寸法に設定される。具体的には、光の波長が１．５μｍ程度であるので、細線の幅あるいは、点状の径が２μｍ以下であることが望ましい。
【００１９】
本発明の基板入射型半導体受光素子は、光の性質、すなわち光自身の波長よりも小さいサイズの物体の形状を認識出来ない、また進行方向に向かって拡がる性質を利用して、上記細線状又は点状の形状のオーミック接続部は反射面として働かず、電極としては動作する。従って、基板入射型半導体受光素子の光反射面は、実質的に、オーミック接続部の面積及び透明膜、金属膜の順に積層下部分の面積を合わせた面積、すなわち、有効受光面積と等しいものとなる。例えば反射鏡面内に半導体と接する直径１．０μｍ程度の円形のオーミック接続部を点在させた場合、低反射であるオーミック接続部の輪郭はぼやけるとともに、周辺の反射鏡により反射された光の拡がりによって、反射鏡とオーミック接続部が混在した受光径内の反射光は、ほぼ完全な明部に支配された反射光となるため、オーミック接続部によって生じる暗部の影響をほとんど受けることなく、全体的な反射率及び面内感度特性の平坦性を良好なまま保持できる。
【００２０】
従って、有効な反射面積を確保しながら、オーミック接続部の面積も確保でき、さらに、受光径内全域を使ってオーミック電極／半導体間の電流経路が配置されるため、合計したオーミック接続部面積が多少減少しても、素子の動作に影響を与えるほどの著しい素子抵抗の増大は起こらないため、電極間の抵抗を低くしてRC時定数を小さくして、高速化を実現する。同時に、有効な反射面積もオーミック接続部の影響を受けないので光の反射量を拡大し、量子効率すなわち感度を高めることができる。換言すれば、RC時定数を増大することなく半導体受光素子のサイズの縮小化が可能となり、素子容量Ｃの低減を図ることができ、高速な応答特性を保ちつつ高い感度の半導体受光素子、並びにそれを搭載した半導体受光装置、半導体装置を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明による基板入射型半導体受光素子の第１の実施例の模式的な断面図及び部分平面図である。本実施例はアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子（ＡＰＤ）であって、基板1上に、光吸収層５を含む半導体層２〜７が形成され、その上面すなわち光信号の光入射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板上の受光径内にｐ型オーミック電極１１と半導体７とが直接接触するリング状の複数のオーミック接続部１０と、半導体７に接して透明膜、金属膜の順に積層した反射鏡１２とを混在させて構成されている。リング状の複数のオーミック接続部１０は、電極形成領域の中央部を中心とした線幅２μｍ以下の同心円パターンである。電極形成領域の中央部を中心とした線幅２μｍ以下の同心円パターンである。
【００２２】
本実施例の製法を簡単に説明する。周知の分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層４、膜厚１．０μｍの低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、膜厚１．０μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層６、膜厚０．１ｎｍの高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が順次成長されており、化学エッチングによりｐｎ接合径が５０μｍとなるメサ構造が形成されている。
【００２３】
基板表面はＳｉＮ絶縁膜８によりパッシベーションされており、ｎ型ＩｎＰ基板１上の所望の領域にはｎ型オーミック電極９が形成されている。コンタクト層６上のＳｉＮ絶縁膜８には、線幅１．０μｍの３重の同心円パターンからなるオーミック接続部１０が開口されており、オーミック接続部１０及びコンタクト層７上のＳｉＮ絶縁膜８上には、ｐ型オーミック電極１１が設けられている。オーミック接続部１０ではコンタクト層７とｐ型オーミック電極１１が接触するため良好なオーミック特性が得られる。またそれ以外のＳｉＮ絶縁膜８／ｐ型オーミック電極１１積層膜からなる反射鏡１２（点線で囲む）が、信号光を良好に反射する。
【００２４】
上記実施例の半導体受光素子の降伏電圧は約３０Ｖであり、電圧１５Ｖから増倍が生じることから、本受光素子の動作電圧は１５Ｖから３０Ｖである。最大増倍率は８０以上、印加電圧２７Ｖでの増倍率は約１０であった。５０Ωの負荷抵抗で素子の高周波特性を測定したところ、増倍率２〜１２の範囲で、３ｄＢ帯域は１７ＧＨｚ以上であった。
【００２５】
また、従来構造の反射鏡を有するｐｎ接合部の径が５０μｍφのＡＰＤでは、量子効率が８３％程度であったのに対して、上記ｐｎ接合径とほぼ同一径を有する反射鏡内にオーミック接続部を混在させた本実施例のＡＰＤでは、量子効率は約９１％と従来構造よりも良好な値が得られた。これは実効的な受光径が従来の４０μｍφから５０μｍφに大きくなったことに起因しており、本実施例はｐｎ接合径が同一ならば従来構造よりも高い量子効率が得られ、かつ上述の効果により信号光に対する位置ずれトレランス幅を広げることができる。
【００２６】
また本実施例における受光素子の容量は約０．１ｐＦであるが、本発明はさらなる素子サイズの縮小化にも容易に対応できることから、従来デバイスを用いて４０ＧＨｚで動作する半導体受光素子の作製も十分可能である。
【００２７】
図３は本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールの一実施例の断面図である。
アノードピン３６、カソードピン３７、ケースピン３８、レンズホルダ３９、及びレンズ３２を備えたヘッダ３３上の所望の位置に、本発明の裏面入射型半導体受光素子３４を金属配線が形成されたマウント３５上にフリップチップ実装した。
【００２８】
半導体受光素子３４とマウント３５上の金属配線との接続はＡｕＳｎ半田を用い、マウント３５上の金属配線とアノードピン３６及びカソードピン３７との接続は、圧着によるＡｕ線を用いて行った。素子搭載時のレンズとの位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられており、光ファイバを用いて波長１．５５μｍの光を入射し、量子効率は９３．２％と高い値が得られた。
＜実施例３＞
図４は本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光モジュールの他の実施例の断面図である。
絶縁膜４０、及び金属配線を有するＶ溝光導波路基板４１上に、本発明の裏面入射型半導体受光素子４２をフリップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３を搭載した。
【００２９】
ここで半導体受光素子４２とキャリア４３上の金属配線との接続、及びキャリア４３上のＶ溝光導波路基板４１上の金属配線との接続は、ＡｕＳｎ半田を用いた。その後フラットエンドの光ファイバ４４をＶ溝に固定した。
【００３０】
本実施例では、素子搭載時及び光ファイバ固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、波長１．５５μｍ光に対する受光感度は０．８７Ａ／Ｗと高い値が得られた。最大遮断周波数も２０ＧＨｚ以上となり、浮遊容量等による帯域劣化も認められなかった。
＜実施例４＞図５は本発明による光モジュールのさらに他の実施例の断面図である。本実施例は本発明のオーミック接続部／反射鏡構造を備えた裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤをモニタとして用いたものである。絶縁膜４０、モニタ受光素子用金属配線、及び半導体レーザ用金属配線をもつＶ溝光導波路基板４１上に、半導体レーザ４５と、裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ４６をフリップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３とを搭載した。
【００３１】
ここで裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ４６とキャリア４３上の金属配線との接続、キャリア４３上のＶ溝光導波路基板４１上のモニタ受光素子用金属配線との接続、及び半導体レーザ４５と半導体レーザ用金属配線との接続にはＡｕＳｎ半田を用いた。その後フラットエンドの光ファイバ４４４をＶ溝に固定した。
【００３２】
本実施例では、各素子の搭載時及び光ファイバ固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、半導体レーザ４５とモニタ用ＰＩＮ−ＰＤ４６間の光結合損失は１〜２ｄＢであった。また外部出力１ｍＷでのモニタ電流は６００μＡと良好な値が得られた。
＜実施例５＞
図６は本発明による裏面入射型半導体受光素子を用いて、パッケージングされた光受信モジュールの実施例の斜視図である。
Ｖ溝基板４７上に、本発明の裏面入射型半導体受光素子４２をフリップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３を搭載し、さらに高感度化のため受信用プリアンプＩＣ４８もＶ溝基板４７上に実装した。さらに信号光入射用の光ファイバ４９を取り付け、セラミック製のベース５０に固定し、キャップ５１で蓋をした。
【００３３】
作製したモジュールを伝送評価した。信号光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送において、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は−２７ｄＢｍと良好であった。
セラミック製のベース５０およびキャップ５１の代わりに樹脂製のもの、あるいは樹脂のトランスファモールド等を用いてもよい。さらにＶ溝基板４７の代わりに光回路を有する光導波炉基板を用いてもよい。また、本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光送信及び光送受信モジュールをパッケージングしてもよい。
＜実施例６＞
図７は本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光伝送装置の一実施例の斜視図である。
本発明の裏面入射型半導体受光素子が搭載され、信号光入射用の光ファイバ４９が付いた光受信モジュール５２と受信ＩＣ５３及びその他の電子部品をボード５４上に搭載した。
【００３４】
図8は本発明の受光素子を用いた光伝送装置の構成を示すブロック図である。光受信モジュール５２は裏面入射型半導体受光素子４２とプリアンプIC４８の２チップによって構成されており、実施例５に記載された動作によって電圧信号が得られる。その後識別器、クロック抽出器よって構成された受信IC５３によって、デジタル化された電気信号及びクロック信号に分けられ出力される。
作製したモジュールを伝送評価した。信号光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送において、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は−２７ｄＢｍと良好であった。
【００３５】
光受信モジュールの代わりに、本発明の裏面入射型半導体受光素子が集積化された光送信モジュール及び光送受信モジュールを搭載してもよい。また、以上の実施例ではメサ型形状を有する半導体受光素子、及びそれを搭載した光モジュール、光伝送装置について述べたが、この他プレーナ型の半導体受光素子に本発明の電極構造を適用しても良いことは言うまでも無い。
【００３６】
本発明の実施例に係る裏面入射型半導体受光素子を用いれば、素子抵抗の増大が無く、高い量子効率が得られることから、より超高速・高感度な光伝送装置を作製することが出来る。
【００３７】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例に限定されるものではない。例えば、実施例では、メサ形状の裏面入射型半導体受光素子について述べたが、この他のプレーナ型素子に本発明による電極構造を用いてもよい。また、実施例では、SiN絶縁膜単層を用いたが、SiO2膜、SiON膜、ポリイミド膜SOG膜等の絶縁膜単層膜もしくはこれらの膜を積層した多層膜や、もしくはコンタクト層上のみに限っては光に対して透過性を有しかつ導電性を有する金属酸化膜、金属窒化膜等の単層膜或いはこれらの膜を積層した多層膜を用いてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の基板入射型半導体受光素子を用いることにより、素子抵抗の増大が無く、高い量子効率が得られることから伝送容量の拡大に対応した超高速・高感度の光モジュール、半導体受光装置、および光伝送装置を再現性良く作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体受光素子の第１の実施例の模式的な断面図及び部分平面図。
【図２】従来技術によるアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子の断面構造図。
【図３】本発明によるの裏面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールの一実施例の断面図。
【図４】本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光モジュールの他の実施例の断面図。
【図５】本発明による光モジュールのさらに他の実施例の断面図。
【図６】本発明による裏面入射型半導体受光素子を用いて、パッケージングされた光受信モジュールの実施例の斜視図。
【図７】本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光伝送装置の一実施例の斜視図。
【図８】本発明の受光素子を用いた光伝送装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１……ｎ型ＩｎＰ基板、 ２……高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、
３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、
４……アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子層、
５……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、６……ｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ電極、 ７……高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、８……ＳｉＮ絶縁膜、
９……ｎ型オーミック電極、１０……オーミック接続部、
１１……ｐ型オーミック電極、１２……反射鏡、２１……ｎ型ＩｎＰ基板、
２２……高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、
２３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、
２４……アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子層、
２５……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、
２６……ｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ電極、
２７……高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２８……ＳｉＮ絶縁膜、
２９……ｎ型オーミック電極、３０……ｐ型オーミック電極、
３１……反射鏡、３２……レンズ、 ３３……ヘッダ、
３４……本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ３５……マウント、
３６……アノードピン、 ３７……カソードピン、 ３８……ケースピン、
３９……レンズホルダ、４０……絶縁膜、 ４１……Ｖ溝光導波路基板、
４２……本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ４３……キャリア、
４４……光ファイバ、 ４５……半導体レーザ、
４６……本発明のモニタ用裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ、 ４７……Ｖ溝基板、
４８……受信用プリアンプＩＣ、４９……信号光入射用光ファイバ、
５０……ベース、 ５１……キャップ、５２……光受信モジュール、
５３……受信ＩＣ、 ５４……ボード。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光素子、半導体受光装置及び半導体装置、更に詳しく言えば、半導体基板面に垂直な方向から光を入射し電気信号に変換する基板入射型半導体受光素子及びそれを用いた半導体受光装置及び半導体装置に係り、特に光通信分野に用いられる半導体受光素子及びその半導体受光素子を搭載した半導体受光装置及び光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネット等の情報サービスの急増とともに画像情報等の大容量を必要とする情報伝達の需要拡大により、情報ネットワークの伝送容量の拡大が急がれている。
【０００３】
伝送容量10Gbps以上の光通信システムを構築するためには、超高速・高感度特性を有する光伝送装置の開発が不可欠であり、これには光信号を取り入れて電気信号に変換する半導体受光素子の超高速化及び高感度化が必須である。
【０００４】
半導体受光素子の応答速度は、素子容量Ｃと負荷抵抗Ｒの積で求められるＣＲ時定数と、入射してきた光信号によって励起されたキャリアの走行時間によって規定される。
【０００５】
そのため、応答速度を速くするためには、素子容量Ｃ及び負荷抵抗Ｒを小さくすると共に、キャリアの走行時間を短くすることが要求される。走行時間は半導体受光素子の中の光吸収層の厚さに比例するため、光吸収層をできるだけ薄くする必要がある。しかし光吸収層を薄層化することによって、光吸収層で吸収されずに透過してしまう光量が増大するため、光吸収層の薄層化は感度の低下の要因となる。
【０００６】
このように光吸収層の厚さに関して、応答速度と感度とは相反する関係にあるため、応答速度の高速性と高感度特性の両者を満足する半導体受光素子の実現は極めて困難であり、超高速かつ高感度な光伝送装置を開発する上で大きな問題となっていた。
【０００７】
上記問題を解決する技術として、光入射側とは反対側でかつ入射光が光吸収層を透過して到達する基板上に、受光径の大きさに応じた寸法を有し、半導体層に接して下から誘電体膜／電極金属膜２層構造の反射鏡を形成して、光吸収層で吸収されずに透過した光を効率よく反射させ光吸収層の戻す技術（公知の技術と呼ぶ）が知られている（特開平５−２１８４８８号公報）。
【０００８】
図２に上記公知の技術を用いて作製したアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子（ＡＰＤ）の模式的な断面構造を示す。図示のように、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層２３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層２４、膜厚１．０μｍの低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２５、膜厚１．０μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２６、膜厚０．１ｎｍの高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２７が順次成長されており、ｐｎ接合径が５０μｍφとなるメサ構造が形成されている。
【０００９】
基板表面はＳｉＮ絶縁膜２８によりパッシベーションされており、基板２１上の所望の領域にはｎ型オーミック電極２９が形成されている。
ｐ型オーミック電極３０はコンタクト層２７上及びコンタクト層２７上の受光径内に形成された４０μｍφの大きさのＳｉＮ絶縁膜２８上にも積層されている。
【００１０】
ＳｉＮ絶縁膜等からなる誘電体膜２８は、作製プロセスにおける高温のアニール処理によっても、半導体層であるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６、及びｐ型オーミック電極３０とほとんど反応しないため、その界面の平坦性は極めて良好な状態のまま保持される。このため、ＳｉＮ絶縁膜２８に接するｐ型オーミック電極３０からなる金属面、すなわちＳｉＮ絶縁膜２８／ｐ型オーミック電極３０積層膜からなる反射鏡３１が、透過してきた光をほぼ１００％の反射率で反射して再び光吸収層２５内へ導入できることから、量子効率の向上が図れる。
【００１１】
反射鏡３１は、面積が広ければ広いほど実効的な受光径を大きくできるため、素子の量子効率はこの反射鏡面積によって左右される。また、電極金属膜と半導体層とのオーミック接続部は反射鏡３１以外の周辺部で形成すれば良く、オーミック接続部によって生じる低反射領域が、光の反射に直接的な影響を及ぼすことは少ない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、今後光通信等などに於いて、さらなる伝送容量の拡大に伴って、素子容量Ｃの与える影響が極めて大きくなっていくため、より超高速かつ高感度な光伝送装置を開発するためには、素子容量Ｃの低減に向けた素子サイズの縮小化も必須となる。素子サイズは、最低限必要とされる実効的な受光径と、素子のｐｎ接合の径との比を１にすることが理想的である。
【００１３】
上記公知の技術を用いた場合、受光径とｐｎ接合径の比を１に限りなく近づけていく場合、実効的な受光径（＝反射鏡面積）を広く確保するためには、反射鏡以外に形成されるオーミック接続部の面積を減少させなければならないため、素子抵抗が増大する。
【００１４】
逆にオーミック接続部の面積を十分に確保すると、実効的な受光径（＝反射鏡面積）を減少させなければならないため、感度の低下を招くこととなる。一例として、上記半導体受光素子の場合、ｐｎ接合径は５０μｍであるから、素子容量は約０．１ｐＦであり１０ＧＨｚ以上の周波数応答特性が得られる。この素子で、例えば４０ＧＨｚ動作を想定すると、ＣＲ時定数の制限から素子容量は０．０５ｐＦが限界であるため、この値から最適なｐｎ接合径を計算すると約３４μｍφとなる。
【００１５】
従って、上記従来の技術を用いてこれまで通りの素子抵抗を有する受光素子を作る場合、実効的な受光径は２０μｍ以下となり、実装時にファイバーとの光軸合わせの精度が必要になるばかりか、環境温度の変化によって使用中に光軸ずれが発生し、量子効率の低下を招く危険性が高くなる。このように、上記従来の技術による基板入射型半導体受光素子は、素子容量Ｃの低減に向けた素子サイズの縮小化を図ることが困難であり、超高速かつ高感度の光伝送装置を開発する上で大きな問題となっていた。
【００１６】
本発明の目的は、素子サイズを縮小化しても素子抵抗の増大、及び量子効率の低下を生じない高感度かつ高速の基板入射型半導体受光素子、及びその半導体受光素子を搭載した半導体受光装置、半導体装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体受光素子は、基板入射型半導体受光素子（以下裏面入射型半導体受光素子とも呼ぶ）の光入射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板上の受光径内に、細線状又は点状の形状の複数のオーミック接続部と、上記半導体に接して透明膜、金属膜の順に積層した反射鏡とを混在させて構成される。ここで、細線状又は点状の形状とは、以下の発明の実施の形態で示すように、同心状のリングが製造上の観点から望ましいが、それに限定されず、格子状、或いは、矩形や円形等の孤立パターンが分布した場合も含む。
【００１８】
上記オーミック接続部の細線状又は点状の形状の寸法は、入射光がその形状を認識し難い寸法に設定される。具体的には、光の波長が１．５μｍ程度であるので、細線の幅あるいは、点状の径が２μｍ以下であることが望ましい。
【００１９】
本発明の基板入射型半導体受光素子は、光の性質、すなわち光自身の波長よりも小さいサイズの物体の形状を認識出来ない、また進行方向に向かって拡がる性質を利用して、上記細線状又は点状の形状のオーミック接続部は反射面として働かず、電極としては動作する。従って、基板入射型半導体受光素子の光反射面は、実質的に、オーミック接続部の面積及び透明膜、金属膜の順に積層下部分の面積を合わせた面積、すなわち、有効受光面積と等しいものとなる。例えば反射鏡面内に半導体と接する直径１．０μｍ程度の円形のオーミック接続部を点在させた場合、低反射であるオーミック接続部の輪郭はぼやけるとともに、周辺の反射鏡により反射された光の拡がりによって、反射鏡とオーミック接続部が混在した受光径内の反射光は、ほぼ完全な明部に支配された反射光となるため、オーミック接続部によって生じる暗部の影響をほとんど受けることなく、全体的な反射率及び面内感度特性の平坦性を良好なまま保持できる。
【００２０】
従って、有効な反射面積を確保しながら、オーミック接続部の面積も確保でき、さらに、受光径内全域を使ってオーミック電極／半導体間の電流経路が配置されるため、合計したオーミック接続部面積が多少減少しても、素子の動作に影響を与えるほどの著しい素子抵抗の増大は起こらないため、電極間の抵抗を低くしてRC時定数を小さくして、高速化を実現する。同時に、有効な反射面積もオーミック接続部の影響を受けないので光の反射量を拡大し、量子効率すなわち感度を高めることができる。換言すれば、RC時定数を増大することなく半導体受光素子のサイズの縮小化が可能となり、素子容量Ｃの低減を図ることができ、高速な応答特性を保ちつつ高い感度の半導体受光素子、並びにそれを搭載した半導体受光装置、半導体装置を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明による基板入射型半導体受光素子の第１の実施例の模式的な断面図及び部分平面図である。本実施例はアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子（ＡＰＤ）であって、基板1上に、光吸収層５を含む半導体層２〜７が形成され、その上面すなわち光信号の光入射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板上の受光径内にｐ型オーミック電極１１と半導体７とが直接接触するリング状の複数のオーミック接続部１０と、半導体７に接して透明膜、金属膜の順に積層した反射鏡１２とを混在させて構成されている。リング状の複数のオーミック接続部１０は、電極形成領域の中央部を中心とした線幅２μｍ以下の同心円パターンである。電極形成領域の中央部を中心とした線幅２μｍ以下の同心円パターンである。
【００２２】
本実施例の製法を簡単に説明する。周知の分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１上に膜厚０．７μｍの高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２、膜厚０．２μｍの低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層３、膜厚０．０５μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層４、膜厚１．０μｍの低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、膜厚１．０μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層６、膜厚０．１ｎｍの高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が順次成長されており、化学エッチングによりｐｎ接合径が５０μｍとなるメサ構造が形成されている。
【００２３】
基板表面はＳｉＮ絶縁膜８によりパッシベーションされており、ｎ型ＩｎＰ基板１上の所望の領域にはｎ型オーミック電極９が形成されている。コンタクト層６上のＳｉＮ絶縁膜８には、線幅１．０μｍの３重の同心円パターンからなるオーミック接続部１０が開口されており、オーミック接続部１０及びコンタクト層７上のＳｉＮ絶縁膜８上には、ｐ型オーミック電極１１が設けられている。オーミック接続部１０ではコンタクト層７とｐ型オーミック電極１１が接触するため良好なオーミック特性が得られる。またそれ以外のＳｉＮ絶縁膜８／ｐ型オーミック電極１１積層膜からなる反射鏡１２（点線で囲む）が、信号光を良好に反射する。
【００２４】
上記実施例の半導体受光素子の降伏電圧は約３０Ｖであり、電圧１５Ｖから増倍が生じることから、本受光素子の動作電圧は１５Ｖから３０Ｖである。最大増倍率は８０以上、印加電圧２７Ｖでの増倍率は約１０であった。５０Ωの負荷抵抗で素子の高周波特性を測定したところ、増倍率２〜１２の範囲で、３ｄＢ帯域は１７ＧＨｚ以上であった。
【００２５】
また、従来構造の反射鏡を有するｐｎ接合部の径が５０μｍφのＡＰＤでは、量子効率が８３％程度であったのに対して、上記ｐｎ接合径とほぼ同一径を有する反射鏡内にオーミック接続部を混在させた本実施例のＡＰＤでは、量子効率は約９１％と従来構造よりも良好な値が得られた。これは実効的な受光径が従来の４０μｍφから５０μｍφに大きくなったことに起因しており、本実施例はｐｎ接合径が同一ならば従来構造よりも高い量子効率が得られ、かつ上述の効果により信号光に対する位置ずれトレランス幅を広げることができる。
【００２６】
また本実施例における受光素子の容量は約０．１ｐＦであるが、本発明はさらなる素子サイズの縮小化にも容易に対応できることから、従来デバイスを用いて４０ＧＨｚで動作する半導体受光素子の作製も十分可能である。
【００２７】
図３は本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールの一実施例の断面図である。
アノードピン３６、カソードピン３７、ケースピン３８、レンズホルダ３９、及びレンズ３２を備えたヘッダ３３上の所望の位置に、本発明の裏面入射型半導体受光素子３４を金属配線が形成されたマウント３５上にフリップチップ実装した。
【００２８】
半導体受光素子３４とマウント３５上の金属配線との接続はＡｕＳｎ半田を用い、マウント３５上の金属配線とアノードピン３６及びカソードピン３７との接続は、圧着によるＡｕ線を用いて行った。素子搭載時のレンズとの位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられており、光ファイバを用いて波長１．５５μｍの光を入射し、量子効率は９３．２％と高い値が得られた。
＜実施例３＞
図４は本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光モジュールの他の実施例の断面図である。
絶縁膜４０、及び金属配線を有するＶ溝光導波路基板４１上に、本発明の裏面入射型半導体受光素子４２をフリップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３を搭載した。
【００２９】
ここで半導体受光素子４２とキャリア４３上の金属配線との接続、及びキャリア４３上のＶ溝光導波路基板４１上の金属配線との接続は、ＡｕＳｎ半田を用いた。その後フラットエンドの光ファイバ４４をＶ溝に固定した。
【００３０】
本実施例では、素子搭載時及び光ファイバ固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、波長１．５５μｍ光に対する受光感度は０．８７Ａ／Ｗと高い値が得られた。最大遮断周波数も２０ＧＨｚ以上となり、浮遊容量等による帯域劣化も認められなかった。
＜実施例４＞図５は本発明による光モジュールのさらに他の実施例の断面図である。本実施例は本発明のオーミック接続部／反射鏡構造を備えた裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤをモニタとして用いたものである。絶縁膜４０、モニタ受光素子用金属配線、及び半導体レーザ用金属配線をもつＶ溝光導波路基板４１上に、半導体レーザ４５と、裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ４６をフリップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３とを搭載した。
【００３１】
ここで裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ４６とキャリア４３上の金属配線との接続、キャリア４３上のＶ溝光導波路基板４１上のモニタ受光素子用金属配線との接続、及び半導体レーザ４５と半導体レーザ用金属配線との接続にはＡｕＳｎ半田を用いた。その後フラットエンドの光ファイバ４４４をＶ溝に固定した。
【００３２】
本実施例では、各素子の搭載時及び光ファイバ固定時の位置ずれは±１．０μｍ以下に抑えられ、半導体レーザ４５とモニタ用ＰＩＮ−ＰＤ４６間の光結合損失は１〜２ｄＢであった。また外部出力１ｍＷでのモニタ電流は６００μＡと良好な値が得られた。
＜実施例５＞
図６は本発明による裏面入射型半導体受光素子を用いて、パッケージングされた光受信モジュールの実施例の斜視図である。
Ｖ溝基板４７上に、本発明の裏面入射型半導体受光素子４２をフリップチップ実装した金属配線を有するキャリア４３を搭載し、さらに高感度化のため受信用プリアンプＩＣ４８もＶ溝基板４７上に実装した。さらに信号光入射用の光ファイバ４９を取り付け、セラミック製のベース５０に固定し、キャップ５１で蓋をした。
【００３３】
作製したモジュールを伝送評価した。信号光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送において、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は−２７ｄＢｍと良好であった。
セラミック製のベース５０およびキャップ５１の代わりに樹脂製のもの、あるいは樹脂のトランスファモールド等を用いてもよい。さらにＶ溝基板４７の代わりに光回路を有する光導波炉基板を用いてもよい。また、本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光送信及び光送受信モジュールをパッケージングしてもよい。
＜実施例６＞
図７は本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光伝送装置の一実施例の斜視図である。
本発明の裏面入射型半導体受光素子が搭載され、信号光入射用の光ファイバ４９が付いた光受信モジュール５２と受信ＩＣ５３及びその他の電子部品をボード５４上に搭載した。
【００３４】
図8は本発明の受光素子を用いた光伝送装置の構成を示すブロック図である。光受信モジュール５２は裏面入射型半導体受光素子４２とプリアンプIC４８の２チップによって構成されており、実施例５に記載された動作によって電圧信号が得られる。その後識別器、クロック抽出器よって構成された受信IC５３によって、デジタル化された電気信号及びクロック信号に分けられ出力される。
作製したモジュールを伝送評価した。信号光波長１．５μｍ、伝送速度１０Ｇｂ／ｓの光伝送において、１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は−２７ｄＢｍと良好であった。
【００３５】
光受信モジュールの代わりに、本発明の裏面入射型半導体受光素子が集積化された光送信モジュール及び光送受信モジュールを搭載してもよい。また、以上の実施例ではメサ型形状を有する半導体受光素子、及びそれを搭載した光モジュール、光伝送装置について述べたが、この他プレーナ型の半導体受光素子に本発明の電極構造を適用しても良いことは言うまでも無い。
【００３６】
本発明の実施例に係る裏面入射型半導体受光素子を用いれば、素子抵抗の増大が無く、高い量子効率が得られることから、より超高速・高感度な光伝送装置を作製することが出来る。
【００３７】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例に限定されるものではない。例えば、実施例では、メサ形状の裏面入射型半導体受光素子について述べたが、この他のプレーナ型素子に本発明による電極構造を用いてもよい。また、実施例では、SiN絶縁膜単層を用いたが、SiO2膜、SiON膜、ポリイミド膜SOG膜等の絶縁膜単層膜もしくはこれらの膜を積層した多層膜や、もしくはコンタクト層上のみに限っては光に対して透過性を有しかつ導電性を有する金属酸化膜、金属窒化膜等の単層膜或いはこれらの膜を積層した多層膜を用いてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の基板入射型半導体受光素子を用いることにより、素子抵抗の増大が無く、高い量子効率が得られることから伝送容量の拡大に対応した超高速・高感度の光モジュール、半導体受光装置、および光伝送装置を再現性良く作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体受光素子の第１の実施例の模式的な断面図及び部分平面図。
【図２】従来技術によるアバランシェ増倍型裏面入射型半導体受光素子の断面構造図。
【図３】本発明によるの裏面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールの一実施例の断面図。
【図４】本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光モジュールの他の実施例の断面図。
【図５】本発明による光モジュールのさらに他の実施例の断面図。
【図６】本発明による裏面入射型半導体受光素子を用いて、パッケージングされた光受信モジュールの実施例の斜視図。
【図７】本発明の裏面入射型半導体受光素子を用いた光伝送装置の一実施例の斜視図。
【図８】本発明の受光素子を用いた光伝送装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１……ｎ型ＩｎＰ基板、 ２……高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、
３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、
４……アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子層、
５……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、６……ｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ電極、 ７……高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、８……ＳｉＮ絶縁膜、
９……ｎ型オーミック電極、１０……オーミック接続部、
１１……ｐ型オーミック電極、１２……反射鏡、２１……ｎ型ＩｎＰ基板、
２２……高濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、
２３……低濃度ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、
２４……アンドープＩｎＧａＡｓ/ＩｎＡｌＡｓ超格子層、
２５……低濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、
２６……ｐ型ＩｎＡｌＡｓバッファ電極、
２７……高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２８……ＳｉＮ絶縁膜、
２９……ｎ型オーミック電極、３０……ｐ型オーミック電極、
３１……反射鏡、３２……レンズ、 ３３……ヘッダ、
３４……本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ３５……マウント、
３６……アノードピン、 ３７……カソードピン、 ３８……ケースピン、
３９……レンズホルダ、４０……絶縁膜、 ４１……Ｖ溝光導波路基板、
４２……本発明の裏面入射型半導体受光素子、 ４３……キャリア、
４４……光ファイバ、 ４５……半導体レーザ、
４６……本発明のモニタ用裏面入射型ＰＩＮ−ＰＤ、 ４７……Ｖ溝基板、
４８……受信用プリアンプＩＣ、４９……信号光入射用光ファイバ、
５０……ベース、 ５１……キャップ、５２……光受信モジュール、
５３……受信ＩＣ、 ５４……ボード。
Claims (10)
- 基板入射型半導体受光素子の光入射側とは反対側でかつ入射光が半導体中を透過して到達する基板上の受光径内に、透明膜の細線状又は点状の開口部で金属膜と前記半導体が接触している複数のオーミック接続部と、前記半導体に接して前記透明膜、金属膜の順に積層された反射鏡とを混在させて構成し、
前記オーミック接続部の細線幅又は前記オーミック接続部の点径が前記入射光の波長よりも小さいことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記透明膜は単層の誘電体絶縁膜又は複数の別種の膜を積層した多層の誘電体絶縁膜あることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 前記透明膜は導電性を有する膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
- 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体受光素子が基板上に搭載されたことを特徴とする半導体受光装置。
- 請求項１ないし３のいずれか1つに記載の半導体受光素子と前記半導体受光素子に出射光を入射する光ファイバとが同一基板上に集積化されたことを特徴とする半導体受光装置。
- 請求項１ないし３のいずれか1つに記載の半導体受光素子と前記半導体受光素子に出射光を入射する半導体レーザとが同一基板上に集積化されたことを特徴とする半導体装置。
- 請求項１ないし３のいずれか1つに記載の半導体受光素子と、前記半導体受光素子に出射光を入射する光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する半導体レーザとが同一基板上に集積化されたことを特徴とする半導体装置。
- 請求項６又は７に記載の半導体装置がセラミック又は樹脂でパッケージングされたことを特徴とする光モジュール。
- 請求項６又は７に記載の半導体装置の基板上に、さらに、前記半導体受光素子と電気的に接続される電子回路が搭載され、セラミック又は樹脂でパッケージングされたことを特徴とする光モジュール。
- 請求項８又は９に記載の光モジュールと電子回路とが同一ボード上に搭載されたことを特徴とする光伝送装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001084307A JP4291521B2 (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 半導体受光素子、半導体受光装置、半導体装置、光モジュール及び光伝送装置 |
| US09/905,956 US6670600B2 (en) | 2001-03-23 | 2001-07-17 | Semiconductor photodetector with ohmic contact areas formed to prevent incident light from resolving the areas, semiconductor photo receiver and semiconductor device installed with the semiconductor photodetector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001084307A JP4291521B2 (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 半導体受光素子、半導体受光装置、半導体装置、光モジュール及び光伝送装置 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002289906A JP2002289906A (ja) | 2002-10-04 |
| JP2002289906A5 JP2002289906A5 (ja) | 2005-09-08 |
| JP4291521B2 true JP4291521B2 (ja) | 2009-07-08 |
Family
ID=18939998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001084307A Expired - Lifetime JP4291521B2 (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 半導体受光素子、半導体受光装置、半導体装置、光モジュール及び光伝送装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6670600B2 (ja) |
| JP (1) | JP4291521B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2676228C1 (ru) * | 2018-02-19 | 2018-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Мощный импульсный свч фотодетектор |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4166471B2 (ja) * | 2001-12-28 | 2008-10-15 | 三菱電機株式会社 | 光モジュール |
| JP2003258272A (ja) * | 2002-02-27 | 2003-09-12 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光受信モジュール |
| US7224910B2 (en) * | 2002-10-25 | 2007-05-29 | Gennum Corporation | Direct attach optical receiver module and method of testing |
| US7391005B2 (en) * | 2002-10-25 | 2008-06-24 | Gennum Corporation | Direct attach optical receiver module and method of testing |
| JP4306508B2 (ja) * | 2004-03-29 | 2009-08-05 | 三菱電機株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP2006203050A (ja) * | 2005-01-21 | 2006-08-03 | National Institute Of Information & Communication Technology | 極微弱光検出器および極微弱光撮像装置 |
| JP2007005591A (ja) * | 2005-06-24 | 2007-01-11 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
| JP2008066702A (ja) * | 2006-08-10 | 2008-03-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体撮像素子及びカメラ |
| US7755123B2 (en) * | 2007-08-24 | 2010-07-13 | Aptina Imaging Corporation | Apparatus, system, and method providing backside illuminated imaging device |
| TWI412149B (zh) * | 2010-12-16 | 2013-10-11 | Univ Nat Central | Laser energy conversion device |
| CN103030106B (zh) | 2011-10-06 | 2015-04-01 | 清华大学 | 三维纳米结构阵列 |
| JP2013125847A (ja) * | 2011-12-14 | 2013-06-24 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子、その製造方法、光学装置 |
| JP5904901B2 (ja) * | 2012-08-08 | 2016-04-20 | 日本電信電話株式会社 | 光結合回路素子及びその作製方法 |
| US10388807B2 (en) * | 2014-04-30 | 2019-08-20 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Mirrors including reflective and second layers disposed on photodetectors |
| JP6362142B2 (ja) * | 2015-09-15 | 2018-07-25 | 日本電信電話株式会社 | ゲルマニウム受光器 |
| JP6862941B2 (ja) | 2017-03-09 | 2021-04-21 | 三菱電機株式会社 | 裏面入射型受光素子およびその製造方法 |
| US11164986B2 (en) * | 2017-09-06 | 2021-11-02 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Avalanche photodiode and method of manufacturing the same |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3712503A1 (de) * | 1987-04-13 | 1988-11-03 | Nukem Gmbh | Solarzelle |
| US5164809A (en) * | 1989-04-21 | 1992-11-17 | The Regents Of The University Of Calif. | Amorphous silicon radiation detectors |
| US5149963A (en) * | 1990-07-03 | 1992-09-22 | Parker Hannifin Corporation | Fiber-optic position sensor including photovoltaic bi-cell |
-
2001
- 2001-03-23 JP JP2001084307A patent/JP4291521B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 2001-07-17 US US09/905,956 patent/US6670600B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2676228C1 (ru) * | 2018-02-19 | 2018-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Мощный импульсный свч фотодетектор |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6670600B2 (en) | 2003-12-30 |
| JP2002289906A (ja) | 2002-10-04 |
| US20020135036A1 (en) | 2002-09-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4291521B2 (ja) | 半導体受光素子、半導体受光装置、半導体装置、光モジュール及び光伝送装置 | |
| US7479401B2 (en) | Front side illuminated photodiode with backside bump | |
| US6841814B2 (en) | Photodiode for ultra high speed optical communication and fabrication method therefor | |
| US6774448B1 (en) | High speed detectors having integrated electrical components | |
| US6710378B1 (en) | Semiconductor light reception device of end face light incidence type | |
| US6399967B1 (en) | Device for selectively detecting light by wavelengths | |
| US4752816A (en) | Electronic component | |
| KR102544296B1 (ko) | 표면발광레이저 소자 및 이를 구비한 표면발광레이저 장치 | |
| JP3419312B2 (ja) | 受光素子及び受光素子モジュール | |
| US11340398B2 (en) | Waveguide structure and optoelectronic device comprising the same | |
| US7834413B2 (en) | Semiconductor photodetector and method of manufacturing the same | |
| JPH05129638A (ja) | 光半導体装置 | |
| US6791152B2 (en) | Photodetector device and method for manufacturing the same | |
| CN109844963B (zh) | 背面入射型受光元件及光模块 | |
| EP3792983B1 (en) | Light-receiving element unit | |
| JP2002344002A (ja) | 受光素子及び受光素子実装体 | |
| KR100550417B1 (ko) | 양방향 광통신용 소자 및 그의 제조 방법 | |
| US6589848B1 (en) | Photodetector device and method for manufacturing the same | |
| KR100265858B1 (ko) | 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩에 집적된 파장 분할 다중화 소자 | |
| US8575714B2 (en) | Backside illuminated semiconductor light-receiving device, optical receiver module, and optical transceiver | |
| WO2023199403A1 (ja) | 受光素子 | |
| JP2009188171A (ja) | 半導体受光素子およびその製造方法ならびに光通信装置 | |
| JPH04167565A (ja) | フリップチップ型受光素子 | |
| KR100243411B1 (ko) | 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 양방향 광소자 구조및 제조 방법 | |
| KR100876741B1 (ko) | 플립칩 본딩 소자 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20041104 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050314 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050314 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071218 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071220 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080214 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20080214 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080722 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080919 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20081014 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081215 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20081219 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090310 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090403 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4291521 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120410 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120410 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130410 Year of fee payment: 4 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130410 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140410 Year of fee payment: 5 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |