JP5524517B2 - Light receiving element - Google Patents

Light receiving element Download PDF

Info

Publication number
JP5524517B2
JP5524517B2 JP2009144115A JP2009144115A JP5524517B2 JP 5524517 B2 JP5524517 B2 JP 5524517B2 JP 2009144115 A JP2009144115 A JP 2009144115A JP 2009144115 A JP2009144115 A JP 2009144115A JP 5524517 B2 JP5524517 B2 JP 5524517B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light receiving
main surface
light
receiving element
dielectric
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.)
Active
Application number
JP2009144115A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011003638A (en
Inventor
英根 李
一之 長妻
Original Assignee
日本オクラロ株式会社
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本オクラロ株式会社 filed Critical 日本オクラロ株式会社
Priority to JP2009144115A priority Critical patent/JP5524517B2/en
Publication of JP2011003638A publication Critical patent/JP2011003638A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5524517B2 publication Critical patent/JP5524517B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

本発明は、受光素子の高感度化に関し、例えば、光通信における信号受信用のフォトダイオードに利用できる効果的技術に関する。   The present invention relates to an increase in sensitivity of a light receiving element, for example, an effective technique that can be used for a photodiode for signal reception in optical communication.

化合物半導体を用いた半導体受光素子は、光通信用素子などに広く用いられている。この光通信用受光素子の一例として、InGaAs PINフォトダイオードがあげられる。ここでPINフォトダイオードは、p型半導体、アンドープ半導体、n型半導体から構成される。入射光が入射されると、その光は、逆バイアス電界のかかったアンドープの半導体層で吸収され、電子と正孔に変換され、電気信号として検出される。近年の光通信伝送容量の増大により、動作速度の高速化が要求されている。   Semiconductor light-receiving elements using compound semiconductors are widely used for optical communication elements and the like. An example of the light receiving element for optical communication is an InGaAs PIN photodiode. Here, the PIN photodiode is composed of a p-type semiconductor, an undoped semiconductor, and an n-type semiconductor. When incident light is incident, the light is absorbed by an undoped semiconductor layer to which a reverse bias electric field is applied, converted into electrons and holes, and detected as an electrical signal. With the recent increase in optical communication transmission capacity, it is required to increase the operation speed.

PINフォトダイオードを高速動作させる方法として、以下の二つの方法がある。一つは、アンドープの吸収層の厚さを薄くすることである。光が吸収されて生成された電子と正孔は、アンドープの吸収層を走行(横断)して電流として検出される。従って、この走行距離が短ければ短いほど、短時間で電流に変換されることになり、高速動作が可能になる。もう一つは、受光面積(接合面積:ここで接合面積とは、アンドープの吸収層とその上下のn、pドープ層との接合面積)を小さくすることで、接合領域の静電容量を小さくし、静電容量と抵抗の積で決まる応答遅延時間を小さくすることで、高速化を図ることである。   There are the following two methods for operating the PIN photodiode at high speed. One is to reduce the thickness of the undoped absorption layer. Electrons and holes generated by absorbing light travel (cross) the undoped absorption layer and are detected as current. Therefore, the shorter the traveling distance, the shorter the current is converted into the current, and the higher speed operation becomes possible. The other is to reduce the capacitance of the junction region by reducing the light receiving area (junction area: here the junction area is the junction area between the undoped absorption layer and the n and p doped layers above and below it). Then, the response delay time determined by the product of the capacitance and the resistance is reduced to increase the speed.

上記高速化を実現するための方法の中で、吸収層を薄くする方法は、受光感度を劣化させることになる。特に、面型フォトダイオードのように、光信号を吸収層に垂直に入射するフォトダイオードでは、吸収層の厚さが薄くなると、受光感度が劣化する。この動作速度と受光感度のトレードオフを解決する方法として、導波路型フォトダイオードがある。導波路型フォトダイオードでは、光信号は吸収層端面から入射され、光は吸収層に沿って(平行に)伝播する。従って、この場合、吸収層が薄くなっても、伝播距離を長くすることで受光感度の劣化は小さく抑えられる。しかし、導波路型フォトダイオードの場合、通常のシングルモードファイバと導波路との光結合効率が小さく、結合効率を含んだ受光感度(外部量子効率)としては、面型フォトダイオードより悪くなる。これを解決する方法として、先球ファイバなどを用いることもできるが、実用化を考えた場合、先球ファイバは高価であり、さらに光学的位置合せトレランスは1μm以下と小さく、フォトダイオードのパッケージへの搭載が困難になる。基本的に、導波路型フォトダイオードのパッケージには、BOX型と呼ばれるものが使われ、面型フォトダイオードに適用されるCAN型と比較して高価である。   Among the methods for realizing the high speed, the method of thinning the absorption layer deteriorates the light receiving sensitivity. In particular, in a photodiode in which an optical signal is incident perpendicularly to the absorption layer, such as a surface photodiode, the light receiving sensitivity is deteriorated when the thickness of the absorption layer is reduced. As a method for solving the trade-off between the operation speed and the light receiving sensitivity, there is a waveguide type photodiode. In the waveguide type photodiode, an optical signal is incident from the end face of the absorption layer, and light propagates along (in parallel with) the absorption layer. Therefore, in this case, even if the absorption layer is thinned, the deterioration of the light receiving sensitivity can be suppressed small by increasing the propagation distance. However, in the case of a waveguide type photodiode, the optical coupling efficiency between a normal single mode fiber and the waveguide is small, and the light receiving sensitivity (external quantum efficiency) including the coupling efficiency is worse than that of a planar photodiode. As a method for solving this problem, a tip-end fiber can be used. However, when considering practical application, the tip-end fiber is expensive, and the optical alignment tolerance is as small as 1 μm or less. Is difficult to install. Basically, a package called a BOX type is used for a waveguide type photodiode package, which is more expensive than a CAN type applied to a planar photodiode.

面型フォトダイオードにおいて、吸収層が薄くなることで受光感度が劣化することを回避する方法として、吸収層で吸収されなかった光を反射ミラーで反射して、再度吸収層に通して、吸収効率を上げる方法がある。この場合、反射ミラーの反射率が100%とすると、吸収層の厚さが実効的に2倍になることに相当し、動作速度を維持したまま、高感度化が可能になる。   In a planar photodiode, as a method of avoiding the deterioration of the light receiving sensitivity due to the thin absorption layer, the light that has not been absorbed by the absorption layer is reflected by the reflection mirror and passed through the absorption layer again to absorb the absorption efficiency. There is a way to raise. In this case, if the reflectance of the reflecting mirror is 100%, this corresponds to effectively doubling the thickness of the absorbing layer, and high sensitivity can be achieved while maintaining the operation speed.

この反射ミラーを使用する場合、基板から光を入射する裏面入射型が一般的である。特許文献1では、受光部領域の一部分に誘電体と金属(この金属は電極の役割も果たす)をこの順序で積層した高反射ミラーを用いている。金属のみを反射ミラーに用いると、半導体と金属との界面で良好な平坦性を実現することが困難なり、良質な反射ミラーにはならない。そこで、半導体と金属との間に誘電体を挟むことで、良質な平坦性を実現している。特許文献2と3では、電極直下に誘電体多層膜をからなる反射ミラーを形成している。この誘電体多層膜は、2種類の屈折率の異なる材料からなる2層の対を周期的に積層した構造を有しており、分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector: DBR)とよばれている。この構造では、各層の膜厚がλ/4/nである。ここで、λは入射する光の波長、nは屈折率である。非特許文献1では、受光部の下の基板側に半導体多層膜からなるDBRミラーを作製して、表面から入射した光を反射させる構造である。   When this reflection mirror is used, a back-illuminated type in which light is incident from a substrate is generally used. In Patent Document 1, a highly reflective mirror is used in which a dielectric and a metal (this metal also serves as an electrode) are laminated in this order on a part of the light receiving portion region. If only the metal is used for the reflection mirror, it becomes difficult to achieve good flatness at the interface between the semiconductor and the metal, and the reflection mirror is not good. Therefore, high-quality flatness is realized by sandwiching a dielectric between the semiconductor and the metal. In Patent Documents 2 and 3, a reflection mirror made of a dielectric multilayer film is formed immediately below an electrode. This dielectric multilayer film has a structure in which two pairs of layers made of materials with different refractive indexes are periodically stacked, and is called a distributed Bragg reflector (DBR). . In this structure, the thickness of each layer is λ / 4 / n. Here, λ is the wavelength of incident light, and n is the refractive index. Non-Patent Document 1 has a structure in which a DBR mirror made of a semiconductor multilayer film is formed on a substrate side under a light receiving portion, and light incident from the surface is reflected.

特開平5-218488号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-218488 特開2001-308369号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-308369 特開2002-252366号公報JP 2002-252366 JP

ジャーナル オブ アプライドフィジックス 78巻、1995年、607-639頁Journal of Applied Physics 78, 1995, 607-639

特許文献1では、電極直下に誘電体層を挟むことで半導体との平坦性を向上させて、半導体界面での散乱を低減することで、誘電体膜と電極用金属からなる反射ミラーの反射率を改善している。この場合、基本的に反射率は電極用金属の反射率できまる。しかし、実際は電極の剥がれ防止のために誘電体と金属の間にチタン(Ti)を挿入するため、Tiによる吸収などで反射率が低下し、70%以上の反射率を実現することは容易ではない。   In Patent Document 1, the flatness with a semiconductor is improved by sandwiching a dielectric layer directly under an electrode, and scattering at a semiconductor interface is reduced, so that the reflectance of a reflecting mirror made of a dielectric film and an electrode metal is reduced. Has improved. In this case, basically the reflectance is determined by the reflectance of the electrode metal. However, in practice, titanium (Ti) is inserted between the dielectric and the metal to prevent the electrode from peeling off, so that the reflectivity decreases due to absorption by Ti or the like, and it is not easy to realize a reflectivity of 70% or more. Absent.

特許文献2と3では、電極直下に形成したDBR構造のみでの反射を基本としている。この場合、反射率を70%以上にすることは容易であるが、層数が20層以上は必要である。受光部に半導体との電気的なコンタクトをとるために、DBR構造にスルーホール(穴)を開けて、電極と半導体が直接接触するコンタクト領域を形成することが必要であるが、層数が多くなるとこのスルーホール形成プロセスが困難になる。また、DBR構造を用いた反射ミラー(以下、DBRミラー)方向が層に対して傾く場合、光の偏光方向で大きく反射率が異なる欠点がある。   In Patent Documents 2 and 3, the reflection is based only on the DBR structure formed immediately below the electrode. In this case, it is easy to set the reflectance to 70% or more, but 20 layers or more are necessary. In order to make electrical contact with the semiconductor in the light receiving part, it is necessary to form a through hole (hole) in the DBR structure to form a contact region where the electrode and the semiconductor are in direct contact, but the number of layers is large. Then, this through hole formation process becomes difficult. In addition, when the direction of the reflection mirror using the DBR structure (hereinafter referred to as DBR mirror) is inclined with respect to the layer, there is a drawback that the reflectance varies greatly depending on the polarization direction of light.

非特許文献1では、半導体基板側にDBR構造を用いた反射ミラーを形成するため、DBRは半導体材料で形成する。半導体では、材料の組成比を変えること異なる屈折率の膜を形成することが可能である。しかし、屈折率差を大きくすることは困難であるため、高い反射率を実現するためには層数を増やす必要がある。光通信用受光素子の材料であるInP/InAlGaAs系の材料を用いた場合、屈折率差は約0.2程度であり、70%以上の反射率を実現するには40層程度の層数が必要となる。   In Non-Patent Document 1, since a reflection mirror using a DBR structure is formed on the semiconductor substrate side, the DBR is formed of a semiconductor material. In a semiconductor, films having different refractive indexes can be formed by changing the composition ratio of materials. However, since it is difficult to increase the difference in refractive index, it is necessary to increase the number of layers in order to achieve a high reflectance. When an InP / InAlGaAs material, which is a material for a light receiving element for optical communication, is used, the refractive index difference is about 0.2, and the number of layers of about 40 layers is required to realize a reflectance of 70% or more. Necessary.

「発明が解決しようとしている課題」で述べたように、特許文献1では、電極用金属のみの反射を用いている。一方、特許文献2、3では、DBRミラーのみを用いている。そこで、これらの課題を解決するために、電極用金属と誘電体多層膜の両方からの反射を利用した構造を用いる。金属と誘電体多層膜からの反射光の位相をそろえることで、高反射率化を図ることが可能である。図1に、金属と2層の誘電体多層膜から構成される反射ミラーの構造図と図2にこの反射ミラーの反射率の誘電体膜の厚さ依存性の計算結果の例を示す。ここで、第1誘電体2aの屈折率を1.92、第2誘電体2bの屈折率を1.4、金属膜1をTi/Pt/Ti/Pt/Au、光の波長を1.31μmとした。誘電体の膜厚を最適化することで(金属と誘電体多膜からの反射光の位相がそろっている状態)、70%以上の高反射率化が容易に得られることがわかる。ここで、高い反射率を実現するために必要な第1誘電体と第2誘電体膜の厚さは、それぞれ300nm、200nmであり、DBR構造の各層の膜厚と異なり、λ/4/n(λは光の波長、nは屈折率)ではない。この構造を用いることで、特許文献1の金属のみの反射に比べて、より高い反射率を有するミラーを実現することができる。また、この構造を用いることで、特許文献2、3のように、誘電体多層膜の層数を少なくすることができ、電気的コンタクト用スルーホールを容易に形成できる。誘電体多層膜のみからの反射に依存していないため、DBRミラーのような斜め入射時の反射率の偏光依存性は低減される。   As described in “Problems to be Solved by the Invention”, Patent Document 1 uses reflection of only metal for electrodes. On the other hand, in Patent Documents 2 and 3, only a DBR mirror is used. In order to solve these problems, a structure using reflection from both the electrode metal and the dielectric multilayer film is used. It is possible to increase the reflectivity by aligning the phases of the reflected light from the metal and the dielectric multilayer film. FIG. 1 shows a structural diagram of a reflecting mirror composed of a metal and a two-layer dielectric multilayer film, and FIG. 2 shows an example of a calculation result of the thickness dependence of the dielectric film on the reflectance of the reflecting mirror. Here, the refractive index of the first dielectric 2a is 1.92, the refractive index of the second dielectric 2b is 1.4, the metal film 1 is Ti / Pt / Ti / Pt / Au, and the wavelength of light is 1.31 μm. It can be seen that by optimizing the film thickness of the dielectric (in a state where the phases of the reflected light from the metal and the dielectric multi-layers are aligned), a high reflectivity of 70% or more can be easily obtained. Here, the thicknesses of the first dielectric film and the second dielectric film necessary for realizing high reflectivity are 300 nm and 200 nm, respectively, and are different from the film thickness of each layer of the DBR structure, λ / 4 / n (Λ is the wavelength of light and n is the refractive index). By using this structure, it is possible to realize a mirror having a higher reflectance than the metal-only reflection described in Patent Document 1. In addition, by using this structure, as in Patent Documents 2 and 3, the number of layers of the dielectric multilayer film can be reduced, and a through hole for electrical contact can be easily formed. Since it does not depend on the reflection from only the dielectric multilayer film, the polarization dependency of the reflectance at the time of oblique incidence like a DBR mirror is reduced.

本発明によれば、面型フォトダイオードにおいて、高速かつ高感度なフォトダイオードが実現できる。   According to the present invention, a high-speed and high-sensitivity photodiode can be realized in a planar photodiode.

本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーの構造図(誘電体膜は2層)。FIG. 2 is a structural diagram of a metal / dielectric multilayer mirror according to the present invention (two dielectric films). 金属と2層の誘電体多層膜から構成される反射ミラーの反射率の誘電体膜の厚さ依存性の計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result of the thickness dependence of the dielectric film of the reflectance of the reflective mirror comprised from a metal and a dielectric multilayer film of two layers. 本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーを有する裏面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of a back-incident surface type photodiode having a metal / dielectric multilayer mirror according to the present invention. 本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーの基本構造図。1 is a basic structural diagram of a metal / dielectric multilayer mirror according to the present invention. 誘電体多層膜を異なる2層の誘電体膜から構成されるとした場合における金属・誘電体多層膜ミラーの反射率の2種類の誘電体膜厚の依存性の計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result of the dependence of two types of dielectric film thicknesses of the reflectance of a metal and dielectric multilayer film mirror when a dielectric multilayer film is comprised from two different dielectric films. 本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側に集積レンズを有する裏面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of a back-incident surface type photodiode having a metal / dielectric multilayer mirror and an integrated lens on a substrate side according to the present invention. 本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側に形成した光路変換用ミラーを有する表面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of a surface incident surface type photodiode having a metal / dielectric multilayer mirror according to the present invention and an optical path changing mirror formed on a substrate side. 本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側に形成した光路変換用ミラーと基板と反対側に集積レンズを有する表面入射面型フォトダイオードの実施形態の説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of a surface incident surface type photodiode having a metal / dielectric multilayer mirror according to the present invention, an optical path changing mirror formed on a substrate side, and an integrated lens on the opposite side of the substrate. 本発明に係る金属・誘電体多層膜ミラーと基板側と基板と反対側に形成した光路変換用ミラーを有する端面入射型フォトダイオードの実施形態の説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory view of an embodiment of an end face incident type photodiode having a metal / dielectric multilayer mirror, a substrate side, and an optical path conversion mirror formed on the opposite side of the substrate according to the present invention.

以下に、図面を用いて、実施例を詳述する。
(実施例1)
図3と図4を用いて、本発明における、金属と誘電体多層膜から構成される反射ミラーを有する裏面入射面型フォトダイオードの実施形態について説明する。
Hereinafter, examples will be described in detail with reference to the drawings.
Example 1
With reference to FIGS. 3 and 4, an embodiment of a back-illuminated surface type photodiode having a reflection mirror composed of a metal and a dielectric multilayer film in the present invention will be described.

本発明に関するフォトダイオードは、基板6(例えばInP基板)上に形成された、n型InPのnコンタクト層7、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11、金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板(裏面)側から入射した入射光5は、光吸収層9で一度吸収された後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。   The photodiode according to the present invention includes an n-type InP n-contact layer 7, an n-type InGaAlAs n-clad layer 8, an undoped InGaAs light absorption layer 9, and a p-type InGaAlAs formed on a substrate 6 (for example, an InP substrate). The light receiving element is composed of a p-clad layer 10, a p-type InGaAs p-contact layer 11, a metal / dielectric multilayer mirror 12, a p-electrode 13, and an n-electrode 14. Incident light 5 incident from the substrate (back surface) side is once absorbed by the light absorption layer 9, and the light that has not been absorbed is reflected by the metal / dielectric multilayer mirror 12 and absorbed by the light absorption layer 9 again. Is done. Although a PIN photodiode is described here, the light receiving portion may have an avalanche photodiode structure.

ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、図4に示す通り、誘電体多層膜3、電極用金属膜1から構成される。電極用金属膜は、例えば、Ti/Pt/Ti/Pt/Auである。図5に、この金属・誘電体多層膜ミラー12において、誘電体多層膜を異なる2層の誘電体膜から構成されるとした場合における金属・誘電体多層膜ミラーの反射率の2種類の誘電体膜厚の依存性の計算結果を示す。ここで、pコンタクト層11上にSiNx膜、SiO2膜、Ti/Pt/Ti/Pt/Auの順位に積層した金属・誘電体多層膜ミラーを仮定した。SiNx膜とSiO2膜の屈折率をそれぞれ、1.92と1.4とした。また、光の波長を1.31μmと仮定した。この結果より、図中の点A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11の順で各点を結んでできる白線内の領域1ならびに、B0,B1,B2,B3,B4,B5 の順で各点を結んでできる白線内の領域2では、反射率が70%以上の高反射率を実現できる。この条件は、光のスケーリング則を適用すると以下のようにより一般的な形で記載できる。今、pコンタクト層11上に、屈折率n1を有する第1誘電体膜、屈折率n2を有する第2誘電体膜、Ti/Pt/Ti/Pt/Auの順位に積層した金属・誘電体多層膜ミラーを仮定する。光の波長をλとする。この場合、図5中のA0〜A11の各点は、A0=(0, 500a),A1:(0, 440a), A2:(115b, 295a),A3:(185b, 235a), A4:(275b, 195a), A5:(425b,150a), A6:(500b, 60a), A7:(500b, 175a), A8:(445b, 200a), A9:(300b, 400a), A10:(220b, 440a), A11:(100b, 500a) と記載でき、B0〜B5の各点は、B0:(0, 190a),B1: (0, 100a), B2:(75b, 0), B3:(345b, 0), B4:(250b, 100a), B5:(160b,140a)と記載できる。ここで、a=(1.92/n1)×(λ/1.31μm)、b=(1.4/n2)×(λ/1.31μm)、λは光の波長である。図5中の領域1、2の誘電体膜の組合せを用いることにより、70%以上の高い反射率を実現できる。図5中の白三角で表示されている点が、DBR条件即ち、各膜厚がλ/4/nを満たしている点である。この場合、特許文献2または3のようにDBR条件を満足した条件にすると、高い反射率が得られないことが分かる。 The metal / dielectric multilayer mirror 12 used here includes a dielectric multilayer film 3 and an electrode metal film 1 as shown in FIG. The metal film for electrodes is, for example, Ti / Pt / Ti / Pt / Au. FIG. 5 shows two kinds of dielectrics of reflectivity of the metal / dielectric multilayer mirror when the metal / dielectric multilayer mirror 12 is composed of two different dielectric films. The calculation result of the dependence of body thickness is shown. Here, a metal / dielectric multilayer mirror was assumed in which a SiNx film, a SiO2 film, and a Ti / Pt / Ti / Pt / Au layer were stacked on the p contact layer 11. The refractive indexes of the SiNx film and the SiO2 film were set to 1.92 and 1.4, respectively. The wavelength of light was assumed to be 1.31 μm. From this result, in the figure, points A0, A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10, and A11 in the white line formed by connecting the points in this order, and B0, B1 , B2, B3, B4, B5, a region 2 in the white line formed by connecting the points in this order can achieve a high reflectance of 70% or more. This condition can be described in a more general form by applying the light scaling law: Now, on the p-contact layer 11, a first dielectric film having a refractive index n1, a second dielectric film having a refractive index n2, and a metal / dielectric multilayer laminated in the order of Ti / Pt / Ti / Pt / Au Assume a membrane mirror. Let λ be the wavelength of light. In this case, the points A0 to A11 in FIG. 5 are A0 = (0, 500a), A1: (0, 440a), A2: (115b, 295a), A3: (185b, 235a), A4: ( 275b, 195a), A5: (425b, 150a), A6: (500b, 60a), A7: (500b, 175a), A8: (445b, 200a), A9: (300b, 400a), A10: (220b, 440a), A11: (100b, 500a), and B0-B5 points are B0: (0, 190a), B1: (0, 100a), B2: (75b, 0), B3: (345b , 0), B4: (250b, 100a), B5: (160b, 140a). Here, a = (1.92 / n1) × (λ / 1.31 μm), b = (1.4 / n2) × (λ / 1.31 μm), and λ is the wavelength of light. By using the combination of the dielectric films in the regions 1 and 2 in FIG. 5, a high reflectance of 70% or more can be realized. A point indicated by a white triangle in FIG. 5 is a DBR condition, that is, each film thickness satisfies λ / 4 / n. In this case, it is understood that when the DBR condition is satisfied as in Patent Document 2 or 3, high reflectance cannot be obtained.

本発明に関するフォトダイオードは、集積レンズ15を形成した基板6(例えば、InP基板)上に、n型InPのnコンタクト層7、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11,金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板側から入射した入射光5は、集積レンズ15で集光され、光吸収層9に入射して吸収される。その後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、実施例1で記載した金属膜と誘電体多層膜から構成される高反射ミラーである。   The photodiode according to the present invention includes an n-type InP n-contact layer 7, an n-type InGaAlAs n-clad layer 8, and an undoped InGaAs light-absorbing layer 9 on a substrate 6 (for example, an InP substrate) on which an integrated lens 15 is formed. This is a light receiving element comprising a p-type InGaAlAs p-cladding layer 10, a p-type InGaAs p-contact layer 11, a metal / dielectric multilayer mirror 12, a p-electrode 13 and an n-electrode 14. Incident light 5 incident from the substrate side is collected by the integrated lens 15 and incident on the light absorption layer 9 to be absorbed. Thereafter, the light that has not been absorbed is reflected by the metal / dielectric multilayer mirror 12 and again absorbed by the light absorption layer 9. Although a PIN photodiode is described here, the light receiving portion may have an avalanche photodiode structure. The metal / dielectric multilayer mirror 12 used here is a high reflection mirror composed of the metal film and the dielectric multilayer film described in the first embodiment.

集積レンズ15により、受光部に入射時のビームスポットサイズを小さくでき、光結合トレランスを大幅に改善できる。さらに、反射率の低い領域であるpコンタクト領域16(pコンタクト層11とp電極13が接触している部分)を除く、実施例1で記載した金属・誘電体多層膜からなる高反射膜領域にビームを集中させることで、反射率の低下を防ぐことができる。
(実施例3)
図7と図8を用いて、本発明における、金属と誘電体多層膜から構成される反射ミラーと基板の裏面に形成された二つの光路変換用ミラーとから構成される表面入射面型フォトダイオードの実施形態について説明する。
The integrated lens 15 can reduce the beam spot size when incident on the light receiving portion, and can greatly improve the optical coupling tolerance. Further, the high-reflection film region composed of the metal / dielectric multilayer film described in Example 1 except for the p-contact region 16 (the portion where the p-contact layer 11 and the p-electrode 13 are in contact), which is a low-reflectance region. By concentrating the beam on the surface, it is possible to prevent a decrease in reflectance.
(Example 3)
7 and 8, in the present invention, a front-illuminated surface type photodiode composed of a reflection mirror composed of a metal and a dielectric multilayer film and two optical path conversion mirrors formed on the back surface of the substrate The embodiment will be described.

本発明に関するフォトダイオードは、二つの光路変換用ミラー17を形成した基板6(例えばInP基板)上に、n型InPのnコンタクト層7、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11、 金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板反対側の表面から入射した入射光5は、基板に形成された光路変換用ミラー17で光路を変換され、基板側から光吸収層9に入射して吸収される。その後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、実施例1で記載した金属膜と誘電体多層膜から構成される高反射ミラーである。   The photodiode according to the present invention includes an n-type InP n-contact layer 7, an n-type InGaAlAs n-clad layer 8, an undoped InGaAs light on a substrate 6 (for example, an InP substrate) on which two optical path conversion mirrors 17 are formed. This is a light receiving element including an absorption layer 9, a p-type InGaAlAs p-clad layer 10, a p-type InGaAs p-contact layer 11, a metal / dielectric multilayer mirror 12, a p-electrode 13, and an n-electrode 14. Incident light 5 incident from the surface on the opposite side of the substrate has its optical path converted by an optical path converting mirror 17 formed on the substrate, and is incident on the light absorption layer 9 from the substrate side and absorbed. Thereafter, the light that has not been absorbed is reflected by the metal / dielectric multilayer mirror 12 and again absorbed by the light absorption layer 9. Although a PIN photodiode is described here, the light receiving portion may have an avalanche photodiode structure. The metal / dielectric multilayer mirror 12 used here is a high reflection mirror composed of the metal film and the dielectric multilayer film described in the first embodiment.

また、図8に示すように、図7で示した構造に加えて、基板反対側に集積レンズ16を形成する構造も考えられる。この場合、集積レンズ15により、受光部に入射時のビームスポットサイズを小さくでき、光結合トレランスを大幅に改善できる。さらに、反射率の低い領域であるpコンタクト領域16(pコンタクト層11とp電極13が接触している部分)を除く、実施例1で記載した金属・誘電体多層膜からなる高反射膜領域にビームを集中させることで、反射率の低下を防ぐことができる。
(実施例4)
図9を用いて、本発明における、金属と誘電体多層膜から構成される反射ミラーと基板の裏面に形成された五つの光路変換用ミラーとから構成される端面入射型フォトダイオードの実施形態について説明する。
Further, as shown in FIG. 8, in addition to the structure shown in FIG. 7, a structure in which the integrated lens 16 is formed on the opposite side of the substrate is also conceivable. In this case, the integrated lens 15 can reduce the beam spot size at the time of incidence on the light receiving portion, and can greatly improve the optical coupling tolerance. Further, the high-reflection film region composed of the metal / dielectric multilayer film described in Example 1 except for the p-contact region 16 (the portion where the p-contact layer 11 and the p-electrode 13 are in contact), which is a low-reflectance region. By concentrating the beam on the surface, it is possible to prevent a decrease in reflectance.
Example 4
With reference to FIG. 9, an embodiment of an end face incident type photodiode constituted by a reflection mirror constituted by a metal and a dielectric multilayer film and five optical path conversion mirrors formed on the back surface of the substrate in the present invention will be described. explain.

本発明に関するフォトダイオードは、五つの光路変換用ミラー17を形成した基板6(例えばInP基板)上に、n型InPのnコンタクト層7、n型InGaAlAsのnクラッド層8、アンドープのInGaAsの光吸収層9、p型InGaAlAsのpクラッド層10、p型InGaAsのpコンタクト層11、金属・誘電体多層膜ミラー12、p電極13、n電極14から構成される受光素子である。基板端面から入射した入射光5は、基板側と基板反対側に形成された光路変換用ミラー17で光路を変換され、基板側から光吸収層9に入射して吸収される。その後、吸収されなかった光は金属・誘電体多層膜ミラー12で反射されて、再び光吸収層9で吸収される。ここでは、PINフォトダイオードについて記載したが、受光部は、アバランシェフォトダイオード構造でもよい。ここで用いる金属・誘電体多層膜ミラー12は、実施例1で記載した金属膜と誘電体多層膜から構成される高反射ミラーである。   The photodiode according to the present invention includes an n-type InP n-contact layer 7, an n-type InGaAlAs n-cladding layer 8, an undoped InGaAs light on a substrate 6 (for example, an InP substrate) on which five optical path conversion mirrors 17 are formed. This is a light receiving element comprising an absorption layer 9, a p-type InGaAlAs p-clad layer 10, a p-type InGaAs p-contact layer 11, a metal / dielectric multilayer mirror 12, a p-electrode 13 and an n-electrode 14. The incident light 5 incident from the substrate end surface is converted in its optical path by the optical path converting mirror 17 formed on the substrate side and the opposite side of the substrate, and is incident on the light absorption layer 9 from the substrate side and absorbed. Thereafter, the light that has not been absorbed is reflected by the metal / dielectric multilayer mirror 12 and again absorbed by the light absorption layer 9. Although a PIN photodiode is described here, the light receiving portion may have an avalanche photodiode structure. The metal / dielectric multilayer mirror 12 used here is a high reflection mirror composed of the metal film and the dielectric multilayer film described in the first embodiment.

面型の高速かつ高感度のフォトダイオードは、高速かつ高感度を満足していることが容易な導波路型フォトダイオードに比べて、安価なパッケージに適している。
さらにモジュール組立て時における光学的位置合せトレランスが大きいため、組立てが容易で、組立コストの低減が可能になる。
また、光通信容量が増加するにつれ、多チャンネル(多波長)化による光通信システムが進むにつれ、光デバイスのアレイ集積化が重要技術になる。フォトダイオードの場合、導波路型フォトダイオードと比較して、面型フォトダイオードは、面型のアレイ化に適しており、集積度に関して有利である。
The surface-type high-speed and high-sensitivity photodiode is suitable for an inexpensive package as compared with the waveguide-type photodiode that easily satisfies high-speed and high-sensitivity.
Furthermore, since the optical alignment tolerance is large when the module is assembled, the assembly is easy and the assembling cost can be reduced.
As the optical communication capacity increases, the integration of optical devices in an array becomes an important technology as the optical communication system with multiple channels (multiple wavelengths) advances. In the case of a photodiode, compared to a waveguide photodiode, a planar photodiode is suitable for planar arraying and is advantageous in terms of integration.

1…金属膜、2a…第1誘電体膜、2b…第2誘電体膜、3…誘電体多層膜、4…半導体、5…入射光、6…基板、7…nコンタクト層、8…nクラッド層、9…光吸収層、10…pクラッド層、11…pコンタクト層、12…金属・誘電体多層膜ミラー、13…p電極、14…n電極、15…集積レンズ、16…pコンタクト領域、17…光路変換用ミラー。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal film, 2a ... 1st dielectric film, 2b ... 2nd dielectric film, 3 ... Dielectric multilayer film, 4 ... Semiconductor, 5 ... Incident light, 6 ... Substrate, 7 ... n contact layer, 8 ... n Cladding layer, 9 ... light absorption layer, 10 ... p cladding layer, 11 ... p contact layer, 12 ... metal / dielectric multilayer mirror, 13 ... p electrode, 14 ... n electrode, 15 ... integrated lens, 16 ... p contact Area, 17 ... Mirror for optical path conversion.

Claims (5)

基板の第1主面上に受光部領域が設けられ、前記第1主面に対向する第2主面側から光が入射する受光素子において、
前記第1主面上に設けられた受光部領域の一部に、少なくとも隣接する各層同士の誘電率が異なる複数の誘電体膜と、前記複数の誘電体膜の前記第1主面より遠い側の主面上に金属膜が設けられた前記光を反射する反射ミラーを有し、
前記受光部領域は、前記第2主面側から入射する光を吸収する吸収層を有し、
前記反射ミラーは、前記吸収層を通過した位置に設けられており、
前記複数の誘電体膜は、前記吸収層に近い側から、第1の誘電率を有する第1誘電体膜と、前記第1の誘電率と異なる誘電率を有する第2誘電体膜の順で積層され、
前記第1誘電体膜の屈折率n1が前記第2誘電体膜の屈折率n2より大きく、
前記第1誘電体膜と前記第2誘電体膜の膜厚の組合せが、これら膜厚を変数とした2次元平面(X,Y)上において、
前記(X,Y)が(0, 500a), (0, 440a), (115b, 295a), (185b, 235a), (275b, 195a), (425b,150a), (500b, 60a), (500b, 175a), (445b, 200a), (300b, 400a), (220b, 440a), (100b, 500a)である各点を順に結んでできた線で囲まれる第1の領域内と、
前記(X,Y)が (0, 190a), (0, 100a), (75b, 0), (345b, 0), (250b, 100a), (160b,140a) である各点を順に結んでできた線で囲まれる第2の領域内とのいずれかにあることを特徴とする受光素子。(ここで、a=(1.92/n1)×(λ/1.31μm)、b=(1.4/n2)×(λ/1.31μm)、λ[μm]は光の波長である。)
In the light receiving element in which a light receiving portion region is provided on the first main surface of the substrate and light enters from the second main surface side facing the first main surface,
A plurality of dielectric films having different dielectric constants between adjacent layers at a part of a light receiving portion region provided on the first main surface, and a side farther than the first main surface of the plurality of dielectric films metal film have a reflecting mirror which reflects the light provided on the main surface,
The light receiving region has an absorption layer that absorbs light incident from the second main surface side,
The reflection mirror is provided at a position that has passed through the absorption layer,
The plurality of dielectric films are in order of a first dielectric film having a first dielectric constant and a second dielectric film having a dielectric constant different from the first dielectric constant from a side closer to the absorption layer. Laminated,
A refractive index n1 of the first dielectric film is greater than a refractive index n2 of the second dielectric film;
The combination of the film thicknesses of the first dielectric film and the second dielectric film is on a two-dimensional plane (X, Y) with these film thicknesses as variables.
(X, Y) is (0, 500a), (0, 440a), (115b, 295a), (185b, 235a), (275b, 195a), (425b, 150a), (500b, 60a), ( 500b, 175a), (445b, 200a), (300b, 400a), (220b, 440a), (100b, 500a)
The points (X, Y) are (0, 190a), (0, 100a), (75b, 0), (345b, 0), (250b, 100a), (160b, 140a) A light receiving element, wherein the light receiving element is located in any one of the second regions surrounded by the formed line. (Here, a = (1.92 / n1) × (λ / 1.31 μm), b = (1.4 / n2) × (λ / 1.31 μm), and λ [μm] is the wavelength of light.)
請求項1記載の受光素子において、
前記第1誘電体膜がSiNx膜であって、前記第2誘電体膜がSiO2膜であることを特徴とする受光素子。
The light receiving element according to claim 1,
The light receiving element, wherein the first dielectric film is a SiNx film, and the second dielectric film is a SiO2 film.
請求項1又は2に記載の受光素子において、
前記第1主面に設けられた集光レンズを備え、
前記集光レンズを通過した入射光を前記受光部領域が受光することを特徴とする特徴とする受光素子。
In the light receiving element according to claim 1 or 2 ,
A condensing lens provided on the first main surface;
The light receiving element, wherein the light receiving region receives incident light that has passed through the condenser lens.
請求項1又は2に記載の受光素子において、
前記第1主面に設けられた2つの反射ミラーを備え、
前記第2主面側から入射した光が前記2つの反射ミラーの一つで反射されて該光の光路が前記第2主面の法線とほぼ直交する方向に変換され、前記2つの反射ミラーの他の反射ミラーでさらに光路を前記第2主面の法線の方向に変換されながら前記受光部領域に入射することを特徴とする受光素子。
In the light receiving element according to claim 1 or 2 ,
Comprising two reflecting mirrors provided on the first main surface;
The light incident from the second main surface side is reflected by one of the two reflection mirrors, and the optical path of the light is converted in a direction substantially orthogonal to the normal line of the second main surface, and the two reflection mirrors The light receiving element, which is incident on the light receiving portion region while being further converted in the direction of the normal line of the second main surface by another reflection mirror.
請求項1又は2に記載の受光素子において、
前記第1主面に設けられた複数の第1反射ミラーと、
前記第2主面に設けられた複数の第2反射ミラーと、を備え、
前記基板の側端面から入射した光が前記複数の第1反射ミラーの一つで反射されて該光の光路が前記第2主面の法線方向に変換され、前記複数の第2反射ミラーの一つでさらに光路を前記第2主面の法線とほぼ直交する方向に変換され、前記複数の第1反射ミラーの他の一つと前記複数の第2反射ミラーの他の一つとで交互に反射を繰り返しながら前記受光部領域に入射することを特徴とする受光素子。
In the light receiving element according to claim 1 or 2 ,
A plurality of first reflecting mirrors provided on the first main surface;
A plurality of second reflecting mirrors provided on the second main surface,
Light incident from the side end surface of the substrate is reflected by one of the plurality of first reflection mirrors, and the optical path of the light is converted in the normal direction of the second main surface, and the plurality of second reflection mirrors Further, the optical path is further changed in a direction substantially orthogonal to the normal line of the second main surface, and alternately alternates between the other one of the plurality of first reflection mirrors and the other one of the plurality of second reflection mirrors. A light receiving element that is incident on the light receiving portion region while repeating reflection.
JP2009144115A 2009-06-17 2009-06-17 Light receiving element Active JP5524517B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009144115A JP5524517B2 (en) 2009-06-17 2009-06-17 Light receiving element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009144115A JP5524517B2 (en) 2009-06-17 2009-06-17 Light receiving element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011003638A JP2011003638A (en) 2011-01-06
JP5524517B2 true JP5524517B2 (en) 2014-06-18

Family

ID=43561391

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009144115A Active JP5524517B2 (en) 2009-06-17 2009-06-17 Light receiving element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5524517B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6222182B2 (en) * 2015-07-31 2017-11-01 住友電気工業株式会社 Wavelength multiplexed optical receiver module
JP6660282B2 (en) * 2016-12-07 2020-03-11 日本電信電話株式会社 Light receiving element
JP2020073889A (en) * 2019-12-04 2020-05-14 株式会社東芝 Light detection device and lidar device using therewith
WO2021245756A1 (en) * 2020-06-01 2021-12-09 株式会社京都セミコンダクター End-surface incident type semiconductor light receiving element

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2953694B2 (en) * 1988-04-14 1999-09-27 日本電気株式会社 Semiconductor light receiving element
JP3910817B2 (en) * 2000-12-19 2007-04-25 ユーディナデバイス株式会社 Semiconductor photo detector
JP4755854B2 (en) * 2005-06-02 2011-08-24 富士通株式会社 Semiconductor light receiving device and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011003638A (en) 2011-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4237828B2 (en) Resonant reflector with improved optoelectronic device performance and increased availability
JP4835837B2 (en) Photodiode and manufacturing method thereof
US8466528B2 (en) Semiconductor light-receiving element, optical communication device, optical interconnect module, and photoelectric conversion method
JP5239568B2 (en) Semiconductor photo detector
US7447248B2 (en) Semiconductor laser element and semiconductor laser element array
JP5444994B2 (en) Semiconductor photo detector
JP5294558B2 (en) Embedded waveguide type light receiving element and manufacturing method thereof
JP5303962B2 (en) Semiconductor photo detector
WO2009088071A1 (en) Semiconductor light receiving element and optical communication device
US6737718B2 (en) Semiconductor photodetector
KR102113256B1 (en) Optical device including three coupled quantum well structure having multi-energy level
JP5524517B2 (en) Light receiving element
US8233514B2 (en) Semiconductor laser device
JP2009117499A (en) Photodetector
JP4168437B2 (en) Semiconductor photo detector
JP4291085B2 (en) Waveguide type light receiving element
JP2011165848A (en) Surface incident type photodiode
CN112582880A (en) Infrared detector
US20190109244A1 (en) Semiconductor light receiving element and method for manufacturing the same
JP2001053328A (en) Semiconductor photodetector
JP2743935B2 (en) Waveguide type semiconductor photo detector
JPH03195076A (en) External resonator type variable wavelength semiconductor laser
JP5374196B2 (en) Semiconductor optical device
JP5278428B2 (en) Semiconductor light receiving element and manufacturing method thereof
JP6630241B2 (en) Waveguide type semiconductor light receiving element and manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120312

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20130412

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20130418

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130628

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130702

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130830

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: 20140325

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140410

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5524517

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

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

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