JP6674428B2 - 半導体受光部品 - Google Patents

Description

本発明は、光通信用の装置などに用いることができる半導体受光部品に関する。

半導体受光部品は、光通信システムにおいて、レシーバ装置の中でトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）等の増幅素子と組み合わせた状態で用いられ、光源と共にシステム全体の伝送速度を左右するといっても過言ではない。近年、ビデオストリーミングの拡大、スマートフォンの普及等に伴うトラフィックの急激な増加に対応するため、様々な多値化／多重化技術を取り入れることによって光通信システムの高速化が図られている。これらの高速化技術にも信号／雑音比等による限界があるため、さらなるトラヒックの増大に対応するためには、根本的にレシーバ装置の応答速度を改善していかなければならない状況である。

レシーバ装置の応答速度を決定する要因は、半導体受光部品とＴＩＡの応答速度であるが、半導体受光部品とＴＩＡとのそれぞれの応答速度には物理的な制約がある。半導体受光部品の応答速度は、フォトダイオード中のキャリア走行帯域や接合容量／寄生容量および素子の直列抵抗によって決まるＣＲ帯域によって制約を受けるが、受光感度を多少犠牲にしてもキャリア走行帯域を伸ばせば、５０ＧＨｚを上回る帯域の素子も利用可能である（特許文献１、２参照）。一方でＴＩＡの応答速度も近年、着実に高速化が図られているが、材料、プロセスの微細化技術に依るところが大きく、シンボルレート６４ＧＢａｕｄの信号を扱うために必要な素子帯域が商用ベースで容易に実現できる状況ではない。

このような中、構成しようとするレシーバ装置のシンボルレートがＴＩＡなどの電子デバイスの素子帯域と比べて高い場合は、半導体受光部品−ＴＩＡ間を接続する接続ワイヤのインダクタンスを利用した共振効果により半導体受光部品−ＴＩＡ全体の帯域を伸ばし、レシーバ装置の高周波特性の改善を図ることが提案されている。

特許第３０３０３９４号公報 特許第３６８７７００号公報

しかしながら、通常の半導体受光部品を使用した場合に、共振効果によりｆ３ｄＢ帯域を十分拡大できるだけのワイヤインダクタンスとすると、周波数応答のピーク強度が大きくなりすぎてＴＩＡの出力波形に歪を生じ、波形品質が劣化してしまうという問題がある。

このように、従来の半導体受光部品では、半導体受光部品−ＴＩＡ間の接続ワイヤのインダクタンスを利用した共振効果によって、ＴＩＡ出力波形の波形品質を維持したままレシーバ装置の高周波特性を向上させることは困難であった。

本発明は、従来の問題点を解消するためになされたものであり、ＴＩＡと接続されて動作するときに、ＴＩＡ出力波形の品質を維持したままレシーバ装置の高周波特性を向上させることができる半導体受光部品を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードの出力信号を取り出して外部素子に入力する配線が接続される信号取り出し用パッドと、一端が前記フォトダイオードのアノードと接続され、他端が前記信号取り出し用パッドに接続された抵抗体と、が同一の半導体基板上にモノリシック集積されており、前記フォトダイオードのカソードと接続されたカソードパッドをさらに備え、当該カソードパッドも前記同一の半導体基板上にモノリシック集積されており、前記カソードパッドに正の電圧を印加することで、前記フォトダイオードは、逆バイアスの動作可能状態となり、光信号から光電変換されたデジタル信号が前記抵抗体を介して前記外部素子に入力されることを特徴とする半導体受光部品である。

本実施形態の半導体受光部品を示す模式図である。 本実施形態の半導体受光部品がレシーバ装置の中で負荷と接続され、動作する際の等価回路である。 本実施形態の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路の周波数応答を計算する際に用いた具体的数値例を示す図である。 本実施形態の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路の周波数応答を示すものである。 抵抗体を受光素子の信号取り出しパッドとボンディングワイヤの間に設けた場合のＴＩＡ入力側回路の周波数応答を示す図である。 チップ内に抵抗体を持たない従来の受光素子を用いたＴＩＡ入力側回路と、ＴＩＡをボンディングワイヤを用いて接続した回路に対して、ボンディングワイヤのインダクタンスＬｉｎを０〜０．６ｎＨまで変化させて入出力間の周波数応答を計算したものである。 本実施形態の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路と、ＴＩＡをボンディングワイヤを用いて接続した回路に対して、ボンディングワイヤのインダクタンスＬｉｎを０〜０．６ｎＨまで変化させて入出力間の周波数応答を計算したものである。 従来の受光素子を用いたＴＩＡ入力側回路にＴＩＡを接続したうえで、ＴＩＡ入力側にデータ信号を入力した場合のＴＩＡ出力波形の計算結果を示す図である。 本実施形態の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路にＴＩＡを接続したうえで、ＴＩＡ入力側にデータ信号を入力した場合のＴＩＡ出力波形の計算結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の半導体受光部品を示す模式図である。この半導体受光部品は、半導体受光素子であるフォトダイオード１０１と、抵抗体１０２と、信号取り出し用パッド１０３と、カソードパッド １０４とを備え、これらの素子が半導体基板１０５上にモノリシック集積された構造となっている。

抵抗体１０２は、通常の半導体受光部品では用いられない構成である。抵抗体１０２の一端はフォトダイオード１０１のアノードに接続され、他端は信号取り出し用パッド１０３に接続されている。また、フォトダイオード１０１のカソードはカソードパッド１０４に接続されている。

フォトダイオード１０１は、例えば、ｐ型半導体、ｎ型半導体、および、光吸収層として機能するようにバンドギャップエネルギーを設定されたノンドープ吸収層からなるｐ−ｉ−ｎ型フォトダイオードであればよく、メサを形成してダイオードの接合領域を限定するメサ型の構造や、不純物の拡散で接合領域を限定する拡散型ダイオードの立体構造とすることができる。

抵抗体１０２は、ＮｉＣｒ等の抵抗率の大きい金属で形成することができる。抵抗体１０２は、半導体基板１０５上にモノリシック集積できる範囲で所望の抵抗値となるような厚さ、幅、長さに設計して、半導体受光素子の作製プロセスの中で形成することができる。具体的な形成方法としては、例えば、高抵抗の金属を半導体基板１０５上に所望の厚さで蒸着した後、フォトリソグラフィを用いてパターニングして形成すればよい。

信号取り出し用パッド１０３およびカソードパッド１０４は、通常の半導体受光素子の作製プロセスの中で形成される金属製(例えば金)パッドを使用すればよい。

半導体基板１０５は、フォトダイオード１０１を作製する際の半導体基板で良く、例えば通信波長帯の高速受光素子の場合は半絶縁性ＩｎＰ基板であればよい。

レシーバ装置の中では、半導体受光部品の信号取り出し用パッド１０３はＴＩＡの入力パッドとワイヤ接続され、カソードパッド１０４は、バイアス印加回路を介して直流電圧源と接続される。カソードパッドに正の電圧を印加することで、フォトダイオードは逆バイアスの動作可能状態となり、光信号から光電変換されたデジタル信号が抵抗体を介してＴＩＡに入力される。

図２は、レシーバ装置の中で本実施形態の半導体受光部品が負荷であるＴＩＡと接続され、動作する際の構成を等価回路で示す図である。図２に示すように、フォトダイオード１０１は、光電変換された光入力信号に対応する電流源２０１と、ダイオードの接合容量（Ｃｊ）２０２と、ダイオードの直列抵抗（Ｒｓ）２０３とで構成されている等価回路として表すことができる。また、信号取り出し用パッド１０３は、引出線路に対応するインダクタンス（Ｌｐａｄ）２０４とボンディングパッドに対応する容量（Ｃｐａｄ）２０５を組み合わせた等価回路として表すことができる。信号取り出し用パッド１０３は、同一の半導体基板１０５上に設けられた抵抗体（Ｒｄａｍｐ）１０２を介してフォトダイオード１０１と接続されている。

本実施形態の半導体受光部品は、レシーバ装置に実装する場合は、信号取り出し用パッド１０３から、インダクタンス成分を持つボンディングワイヤ２０６を介してＴＩＡなどの負荷２０７に接続される。レシーバ装置に実装された後は、信号取り出し用パッド１０３からボンディングワイヤ２０６を介して外部のＴＩＡなどの負荷２０７に信号を出力する。もちろん、ＴＩＡと電気的に接続可能であり所定のインダクタンスを持つものであれば、取り出し用パッド１０３に接続されるボンディングワイヤ２０６に代えて、フリップチップ接続に用いられるバンプやプリント配線基板上の配線などを用いてもよい。

本実施形態の半導体受光部品は、図２に示すように、半導体受光部品とＴＩＡとの間を接続するボンディングワイヤ２０６のインダクタンスを含むＴＩＡ入力側回路が共振器として機能することができる。この構成によって共振効果(ピーキング)を利用してレシーバ装置の帯域を拡大するように動作することができる。さらに、この共振器内のフォトダイオード１０１と信号取り出し用パッド１０３との間に抵抗体１０２が接続されているので、この動作の際に、共振器内に配置された抵抗体による減衰効果によって共振周波数を変えることなく共振ピーク強度を抑制することができる。ピーキングが穏やかになるため波形歪が生じにくく、したがって、波形品質を維持したままレシーバ装置の高周波特性を向上させることができる。

レシーバ装置の周波数応答は、ＴＩＡ入力側回路の周波数応答とＴＩＡ単体の周波数応答とを掛け合わせたものとして扱うことができるが、入力側回路の構成が変わってもＴＩＡ単体の周波数応答は殆ど変化しないとの前提のもと、本実施例では簡便のため、ＴＩＡ入力側回路のみの周波数応答や出力波形を計算することによって本発明の半導体受光部品によるレシーバ装置の波形改善効果を示した。

まず、具体的な数値例を挙げ、本発明の半導体受光部品を用いた場合のＴＩＡ入力側回路の周波数応答を計算し、チップ内に抵抗体を有しない従来の半導体受光部品を用いた場合と比較する。

図３は本実施例に用いた半導体受光部品がＴＩＡなどの負荷に接続された状態における各部位の数値例を示す図である。図３の半導体受光部品の構成は、基本的には図２に示す構成と同様の構成を用いることができる。ここでは、フォトダイオードの等価回路に関して、Ｃｊ ＝３０ｆＦ、Ｒｓ＝１０Ω、信号取り出し用パッドの等価回路に関して、パッド容量２０ｆＦ、パッド配線インダクタンス１５０ｐＨ、ボンディングワイヤのインダクタンスは０．４ｎＨとした。なお、周波数応答の計算では、フォトダイオードが高インピーダンスの電流源で信号の反射点として働くという事実に基づき、信号源のインピーダンスを１ｋΩと大きく設定した。

図４は、本発明の半導体受光部品を用いて構成したＴＩＡ入力側回路の周波数応答の計算結果を示しており、抵抗体１０２の抵抗値Ｒｄａｍｐを０Ωから１００Ωまで２０Ωステップで変化させたときの計算結果である。図４によれば、抵抗体１０２がない従来の半導体受光部品（すなわちＲｄａｍｐ＝０Ωに対応）と同様の構成では３０ＧＨｚ付近に５ｄＢ程のピーキングが生じていることがわかる。しかしながら、本発明の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路の周波数応答は、図４に示されるように、抵抗体１０２の抵抗値を大きくしていくと、ほとんどピーク周波数を変えずにピーク強度のみを効果的に低減できることが判る。

一方、図５は、従来の半導体受光部品を用い、抵抗体を本発明とは異なる位置に設けて構成したＴＩＡ入力側回路の周波数応答の計算結果を示しており、抵抗体の抵抗値Ｒｄａｍｐを０Ωから１００Ωまで２０Ωステップで変化させたときの計算結果である。図５で用いたＴＩＡ入力側回路では、抵抗体をフォトダイオードと信号取り出しパッドの間に設けていた本発明の半導体受光部品とは異なり、信号取り出しパッドとボンディングワイヤの間に設けた構成である。この構成の場合、ＴＩＡ入力側回路の周波数応答は図５のように抵抗値が増加するにつれピーク周波数が低周波側にシフトしてしまうことが判る。

このように、従来の半導体受光部品を用いてパッドとワイヤの間に抵抗を追加したＴＩＡ入力側回路では、ピーキング量は効果的に少なくなるものの当初目的であるところの帯域拡大効果が得られない。一方、本発明の半導体受光部品を用いて構成したＴＩＡ入力側回路では、ほとんどピーク周波数を変えずにピーク強度のみを効果的に低減できるので、波形歪みを抑えつつ帯域拡大効果を得られるといえる。

次に、本発明の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路にＴＩＡを接続した上で、ＴＩＡ入力側回路にデータ信号を入力した時の出力波形を計算し、半導体受光部品内に抵抗体を持たない従来のＴＩＡ入力側回路を用いた場合の波形と比較した。ここでは、４００ギガビットイーサネットで、シングルモードファイバ伝送の信号フォーマットとして採用されている４値の強度変調(ＰＡＭ４)を入力波形に用いて出力波形をシミュレーションした。

本実施例のシミュレーションに使用した構成を等価回路で表したものは、基本的には図２と同じである。具体的数値としては、フォトダイオードの等価回路に関して、Ｃｊ ＝３０ｆＦ、Ｒｓ＝１０Ω、信号取り出し用パッドの等価回路に関しては、パッド容量２０ｆＦ、パッド配線インダクタンス１５０ｐＨとした。また、波形シミュレーションの際には、入力光信号の、立上り／立下り時間を共に１０ｐｓ、フォトダイオード内のキャリア走行帯域を５０ＧＨｚとして計算を行った。

図６は半導体受光部品内に抵抗体を持たない従来の構成、図７は本発明の半導体受光部品を用いた構成に対し、それぞれボンディングワイヤのインダクタンスＬｉｎを０〜０．６ｎＨまで変化させてＴＩＡと接続した場合の入出力間の周波数応答を計算した結果である。本発明の半導体受光部品については、抵抗体の抵抗値Ｒｄａｍｐを１００Ωとした。

本発明の半導体受光部品、従来の半導体受光部品の何れの場合も、Ｌｉｎが大きくなるにつれピーキングが強くなり、ピーク周波数が低周波側にシフトする様子がうかがえる。しかしながら、図６、７を比較すると、本発明の半導体受光部品を使用した図７の場合は、抵抗体による減衰効果によりピーク強度が大幅に低減されていることが確認できる。

図８は従来の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路にＴＩＡを接続したうえでＴＩＡ入力側回路にデータ信号を入力した場合の出力波形で、(a)Ｌｉｎ＝０．４ｎＨ、(b) Ｌｉｎ＝０．５ｎＨ、(c) Ｌｉｎ＝０．６ｎＨと、ボンディングワイヤのインダクタンスＬｉｎを変えて計算したものである。(a)Ｌｉｎ＝０．４ｎＨではかろうじてアイ開口が確認できるが、０．５ｎＨ以上ではピーキングに起因する波形歪が大きく、全く開口が確認できない。

一方、図９は本発明の半導体受光部品を用いたＴＩＡ入力側回路にＴＩＡを接続したうえでＴＩＡ入力側回路にデータ信号を入力した場合の出力波形の計算結果で、ワイヤインダクタンスは(a)Ｌｉｎ＝０．４ｎＨ、(b) Ｌｉｎ＝０．５ｎＨ、(c) Ｌｉｎ＝０．６ｎＨである。周波数応答のピーキングが抑制されたことにより波形歪も抑制され、いずれのインダクタンスにおいても図８の従来の半導体受光部品を用いた場合と比べてアイ開口が改善されていることが確認できる。

このように、本発明の半導体受光部品を用いれば、ＴＩＡ入力側回路の周波数応答におけるピーキングを抑制して、波形品質を改善することができる。すなわち、波形を劣化させずに共振効果によってレシーバ装置の帯域を拡大することが可能となる。

以上説明した本発明の半導体受光部品によれば、フォトダイオードと信号取り出し用パッドの間に抵抗体が接続されているので、半導体受光部品−ＴＩＡ間の接続ワイヤのインダクタンスを含むＴＩＡ入力側回路の共振効果(ピーキング)を利用してレシーバ装置の帯域を拡大できる一方で、共振器内に配置された抵抗体による減衰効果によって共振周波数を変えることなく共振ピーク強度を低減できる。ピーキングが穏やかになるため波形歪が生じにくく、したがって、波形品質を維持したままレシーバ装置の高周波特性を向上できるという優れた効果が得られる。

なお、本発明は以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施形態の説明では、ＮｉＣｒ等の抵抗率の大きい金属を抵抗体として用いたが、ＴａＮやＴｉＮ、ＷＳｉ等の金属化合物等、抵抗率が大きく、半導体基板上に薄膜形成／加工が可能なものであれば何でもよい。

また、本実施形態では、半導体基板上にモノリシック集積した構成を例に挙げて説明したが、半導体で構成した態様に限定されず、共振効果を期待できるサイズに形成できれば、各構成を別々のコンポーネントとして組み合わせて受光部品としてもよい。

１０１ フォトダイオード
１０２ 抵抗体
１０３ 信号取り出し用パッド
１０４ カソードパッド
１０５ 半導体基板
２０１ 電流源
２０２ 接合容量
２０３ 直列抵抗
２０４ 引出線路に対応するインダクタンス：Ｌｐａｄ
２０５ ボンディングパッドに対応する容量：Ｃｐａｄ
２０６ ボンディングワイヤ
２０７ 負荷

Claims (3)

1. フォトダイオードと、
   前記フォトダイオードの出力信号を取り出して外部素子に入力する配線が接続される信号取り出し用パッドと、
   一端が前記フォトダイオードのアノードと接続され、他端が前記信号取り出し用パッドに接続された抵抗体と、が同一の半導体基板上にモノリシック集積されており、
   前記フォトダイオードのカソードと接続されたカソードパッドをさらに備え、当該カソードパッドも前記同一の半導体基板上にモノリシック集積されており、
   前記カソードパッドに正の電圧を印加することで、前記フォトダイオードは、逆バイアスの動作可能状態となり、光信号から光電変換されたデジタル信号が前記抵抗体を介して前記外部素子に入力される
   ことを特徴とする半導体受光部品。
2. 前記抵抗体は、前記半導体基板上にパターン形成された、ＮｉＣｒ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＳｉを含む高抵抗率の金属または金属化合物から成る
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光部品。
3. フォトダイオードと、
   前記フォトダイオードの出力信号を取り出して外部素子に入力する配線が接続される信号取り出し用パッドと、
   一端が前記フォトダイオードのアノードと接続され、他端が前記信号取り出し用パッドに接続された抵抗体と、
   前記フォトダイオードのカソードと接続されたカソードパッドと、備え、
   前記カソードパッドに正の電圧を印加することで、前記フォトダイオードは、逆バイアスの動作可能状態となり、光信号から光電変換されたデジタル信号が前記抵抗体を介して前記外部素子に入力される
   ことを特徴とする受光部品。