JP7163858B2 - 受光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の受光素子から構成された受光装置に関する。
データセンタなどにおける近年の通信容量の増大に伴い、光通信では信号光を多重化して信号を伝送している。このような信号伝送に対応するため、光受信器においては、光を逆多重化するための光フィルタと、光を電気に変換するフォトダイオードとが集積されている（非特許文献１参照）。
非特許文献１には、光フィルタとして、導波路型光フィルタであるプレーナ型シリカ光導波路（Silica PLC）が使用されており、この光出射端面に、レンズアレイ（Micro-lens array）と、サブキャリア（Subcareer）にフリップチップ実装されたフォトダイオードアレイ（4-ch PD array）が接着されている（図５参照）。この技術では、低コストに作製できるため、量産性に優れた面型のフォトダイオードが用いられている。また、上述した技術では、面型のフォトダイオードの受光面に対して垂直に光が入射される構成を採用している。
さらなる通信の大容量化のためには、光信号のボーレートを大きくする必要があり、フォトダイオードも高速化が必要である。フォトダイオードの高速化の技術の１つとして、光吸収層を薄くして、受光で発生したキャリアの走行時間を短縮する方法がある。しかしながら、光吸収層を薄くすると、受光感度の低下を招くため、高速性と受光感度はトレードオフの関係にある。
上述したフォトダイオードにおけるトレードオフの問題を改善ために、フォトダイオードが形成されている領域の側部の基板に、溝を形成して斜面反射部（全反射ミラー）を設け、フォトダイオードが形成されている基板の裏面側から入射した光を斜面反射部で反射させ、光吸収層に斜め方向から光を入射させる技術がある（特許文献１参照）。この技術では、光吸収層に斜め方向から入射した光は、素子上部に形成された上部電極による反射層で反射し、再度、光吸収層に入射し、素子部の外へ出射する。
特許第３５８９８７８号公報
S. Tsunashima et al., "Silica-based, compact and variable-opticalattenuator integrated coherent receiver with stable optoelectronic coupling system", Optics Express, vol. 20, no. 24, pp. 27174-27179, 2012.
前述の通り、信号光を多重化している光通信の光受信器には、複数の面型のフォトダイオードを配列したアレイチップ（受光装置）が用いられている。このように複数の面型のフォトダイオードを配列して用いる場合で、素子の側部に斜面反射部を設けようとする場合、感度が向上する利点があるが、次に示す問題が発生する。すなわち、斜面反射部で反射されて光吸収層に入射したあと、素子部の外へ出射した信号光が、他の素子の光吸収層に入射してクロストークが生じるという問題である。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、複数の面型のフォトダイオードを配列した受光装置におけるクロストークの抑制を目的とする。
受光装置は、基板の上に１列に配列された複数の受光素子と、複数の受光素子の列を挟んで配列方向に延在して基板に形成された第１反射面および第２反射面とを備え、複数の受光素子の各々は、基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、第２半導体層の上に形成された反射層と、第２半導体層に接続する第１電極と、第１半導体層に接続する第２電極とを備える裏面入射型フォトダイオードから構成され、第１反射面および第２反射面の各々は、受光素子が形成されている基板の主表面から基板の裏面側にかけて形成された１つの平面を形成する斜面から構成され、受光素子が形成されている領域の基板の主表面と、第１反射面および第２反射面の各々とのなす角は、鈍角とされている。
本発明に係る受光装置は、基板の上に１列に配列された複数の受光素子と、複数の受光素子の配列方向に延在して複数の受光素子の列の側方の基板に形成された反射面と、配列方向に隣り合う複数の受光素子の間の基板に形成された逆メサ溝とを備え、複数の受光素子の各々は、基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、第２半導体層の上に形成された反射層と、第２半導体層に接続する第１電極と、第１半導体層に接続する第２電極とを備える裏面入射型フォトダイオードから構成され、反射面は、受光素子が形成されている基板の主表面から基板の裏面側にかけて形成された１つの平面を形成する斜面から構成され、受光素子が形成されている領域の基板の主表面と反射面とのなす角は、鈍角とされ、逆メサ溝の配列方向に垂直な断面は、逆メサ溝の底面に行くほど幅拡の形状を有する。
上記受光装置の一構成例において、第１電極は、金属から構成されて第２半導体層の上に形成され、反射層は、第１電極から構成されている。
上記受光装置の一構成例において、反射層は、第２半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属層から構成されている。
光受信器は、上述したいずれかの受光装置と、基板の側から第１反射面に向けて入射する光が出射される光部品とを備え、光部品は、基板の側から第１反射面に向けて入射し、第１反射面で反射して光吸収層を通過し、反射層で反射して光吸収層を通過し、第２反射面で反射して基板の側から出射する光の光路以外に配置されている。
以上説明したように、本発明によれば、複数の受光素子の配列方向に延在する反射面を基板に形成したので、配列されている受光素子の間におけるクロストークが抑制できる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１における受光装置の構成を示す平面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１における受光装置の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態における受光装置が用いられる光受信器の一部構成を示す構成図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態２における受光装置の構成を示す平面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態２における受光装置の構成を示す断面図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態２における受光装置の構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態における受光装置が用いられる他の光受信器の一部構成を示す構成図である。 図５は、非特許文献１に記載されている説明図である。
以下、本発明の実施の形態に係る受光装置について説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る受光装置について、図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。なお、図１Ｂは、図１Ａのａａ’線の断面を示している。
この受光装置は、基板１０１の主表面上に１列に配列された複数の受光素子１０２と、複数の受光素子１０２の列を挟んで配列方向に延在して基板１０１に形成された第１反射面１０３および第２反射面１０４とを備える。また、基板１０１の裏面には、反射防止膜１０５が形成されている。
受光素子１０２は、基板１０１の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層１２１と、第１半導体層１２１の上に形成された半導体からなる光吸収層１２２と、光吸収層１２２の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層１２３とを備える。また、受光素子１０２は、第２半導体層１２３に接続する第１電極１２４と、第１半導体層１２１に接続する第２電極１２５とを備える。また、受光素子１０２は、金属から構成された第１電極１２４による反射層を第２半導体層１２３の上に配置している。また、第２半導体層１２３の上に誘電体層（不図示）を介して第１電極１２４を形成し、これらで反射層を構成することもできる。受光素子１０２は、いわゆる裏面入射型フォトダイオードである。
例えば、基板１０１は、ＩｎＰから構成され、第１半導体層１２１は、ｎ型のＩｎＰから構成され、光吸収層１２２は、ＩｎＧａＡｓから構成され、第２半導体層１２３は、ｐ型のＩｎＧａＡｓから構成されている。これらの場合、上述した第１導電型がｎ型となり、第２導電型がｐ型となる。
なお、光吸収層１２２および第２半導体層１２３は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第１半導体層１２１は平面方向に露出し、この露出領域に第２電極１２５が形成されている。例えば、光吸収層１２２および第２半導体層１２３は、直径２２μｍ程度の円柱形状に形成されている。また、第１半導体層１２１は、直径２５μｍ程度の円柱形状に形成されている。また、図示せず省略しているが、第１電極１２４および第２電極１２５には、各々引き出し配線が接続されている。
また、第１反射面１０３および第２反射面１０４の各々は、受光素子１０２が形成されている基板１０１の主表面から基板１０１の裏面側にかけて形成された１つの平面を形成する斜面から構成されている。また、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１の主表面と、第１反射面１０３，第２反射面１０４の各々とのなす角は、鈍角とされている。
例えば、基板１０１に、複数の受光素子１０２の配列方向に延在するＶ溝１０６を形成することで、この斜面を第１反射面１０３とすることができる。同様に、基板１０１に複数の受光素子１０２の配列方向に延在するＶ溝１０７を形成することで、この斜面を第２反射面１０４とすることができる。Ｖ溝１０６およびＶ溝１０７は、配列されている複数の受光素子１０２を挾み、これらの配列方向に平行に形成する。
例えば、基板１０１を主表面の面方位が（００１）面、またはこの面と等価な面としたＩｎＰから構成することで、Ｖ溝が形成できる。まず、基板１０１のＶ溝１０６，Ｖ溝１０７を形成する箇所に平面視矩形の開口を有するレジストパターンを、公知のフォトリソグラフィー技術により基板１０１の上に形成する。次に、このレジストパターンをマスクとし、ブロムとメタノールの混合液などによるエッチング液を用いてウエットエッチングする。
このエッチングは、いわゆる結晶異方性エッチングであり、エッチングが進行するにつれ、エッチングされにくい（１１１）Ａ面の表面が現れ、傾斜面が形成される。この傾斜面の角度は、（００１）面である基板１０１の主表面に対して、約５４．７°となる。このようにして形成される第１反射面１０３，第２反射面１０４の各々は、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１の主表面とのなす角が、約１２５．３°となる。例えば、ＩｎＰからなる基板１０１のオリエンテーションフラットに対し、Ｖ溝１０６，Ｖ溝１０７の延在方向が平行となるように、上述した加工を実施すればよい。
基板１０１の裏面から、反射防止膜１０５を透過して入射された信号光１５１は、第１反射面１０３で反射され、光吸収層１２２を透過し、第１電極１２４による反射層で反射する。この反射層で反射した信号光１５１は、再度、光吸収層１２２を透過する。従って、実施の形態１では、例えば厚さ４００ｎｍの光吸収層１２２に波長１．５５μｍの信号光を入射する場合、垂直入射であれば結合効率が理想的には約４０％であるところを、結合効率を約８０％に向上させることができる。
なお、上述した結合効率が１００％には満たないことから、吸収できなかった信号光１５１は光吸収層１２２から外へ出射される。この、光吸収層１２２で吸収されず透過した光は、第２反射面１０４で反射され、基板１０１の裏面から反射防止膜１０５を透過して出射される。このように、実施の形態１によれば、光吸収層１２２で吸収されずに光吸収層１２２を透過した光は、基板裏面から放出されるため、他の受光素子１０２に入射することがなく、クロストークを生じさせることがない。
実施の形態１に係る受光装置は、基板１０１の側から第１反射面１０３に向けて入射する光が出射される光部品と組み合わせて光受信器として用いられる。光部品は、基板１０１の側から第１反射面１０３に向けて入射し、第１反射面１０３で反射して光吸収層１２２を通過し、反射層で反射して光吸収層１２２を再度通過し、この後、第２反射面１０４で反射して基板１０１の側から出射する光の光路以外に配置されている。
光受信器は、実施の形態１に係る受光装置に、例えば、図２に示されるように、台座２０１の上に固定された、光部品としてのプレーナ型シリカ光導波路２０２、レンズアレイなどからなる光部品としての光学系２０３などが組み合わされている。プレーナ型シリカ光導波路２０２から出射され、光学系２０３を通過し、基板１０１の側から第１反射面１０３に向けて入射する信号光１５１が、受光装置で受光される。信号光１５１は、基板１０１の裏面側から入射し、受光素子１０２で受光され、吸収されなかった信号光１５１が、基板１０１の裏面側から出射する。
このような光受信器において、複数の受光素子１０２が形成されている基板１０１からなる受光装置は、例えば、図示しないサブキャリアにフリップチップ実装されてフォトダイオードチップオンキャリア（ＰＤＣｏＣ）とされている。光部品であるプレーナ型シリカ光導波路２０２、光学系２０３は、受光装置より出射される出射光１５２の光路以外に配置されている。
ところで、第１反射面１０３で反射して基板１０１の平面に対して斜めに光吸収層１２２に入射した場合、信号光１５１のＴＭモード成分とＴＥモード成分との割合によって受光感度が変動し、感度を良否判断基準とする場合の歩留りを低下させる場合がある。しかしながら、非特許文献１に記載されているような導波路型光フィルタからの出射光が対象である場合、上述した偏光成分のモードの割合を、導波路型光フィルタの出射端の構造で制御できるため、上述したような問題が発生しない。
以上に説明したように、実施の形態１によれば、第１反射面１０３および第２反射面１０４を、複数の受光素子１０２の列を挟んで配列方向に延在するように、基板１０１に形成したので、配列されている受光素子１０２の間におけるクロストークが抑制できるようになる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る受光装置について、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃを参照して説明する。なお、図３Ｂは、図３Ａのｂｂ’線の断面を示し、図３Ｃは、図３Ａのｃｃ’線の断面を示している。
この受光装置は、基板３０１の主表面上に１列に配列された複数の受光素子１０２と、複数の受光素子１０２の列の配列方向に延在して基板３０１に形成された反射面３０３と、配列方向に隣り合う複数の受光素子１０２の間の基板３０１に形成された逆メサ溝３０７とを備える。受光素子１０２は、実施の形態１と同様である。また、実施の形態１と同様に、基板３０１の裏面には、反射防止膜１０５が形成されている。例えば、基板３０１は、実施の形態１と同様に、ＩｎＰから構成されている。
また、反射面３０３は、受光素子１０２が形成されている基板３０１の主表面から基板３０１の裏面側にかけて形成された１つの平面を形成する斜面から構成されている。また、受光素子１０２が形成されている領域の基板３０１の主表面と、反射面３０３とのなす角は、鈍角とされている。
例えば、基板３０１に、複数の受光素子１０２の配列方向に延在するＶ溝３０６を形成することで、この斜面を反射面３０３とすることができる。Ｖ溝３０６は、複数の受光素子１０２の配列方向に平行に形成する。Ｖ溝３０６の形成は、前述した実施の形態１のＶ溝１０６，Ｖ溝１０７と同様である。
また、逆メサ溝３０７の配列方向に垂直な断面は、逆メサ溝３０７の底面に行くほど幅拡の形状を有する。逆メサ溝３０７は、Ｖ溝３０６と同時に形成することができる。逆メサ溝３０７の側面３０４は、複数の受光素子１０２の配列方向に垂直な方向に延在している。従って、側面３０４の延在方向は、反射面３０３の延在方向と互いに直交している。また、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１の主表面と、この受光素子１０２に隣り合う側面３０４とのなす角は、鋭角とされている。
例えば、基板３０１を主表面の面方位が（００１）面、またはこの面と等価な面としたＩｎＰから構成し、実施の形態１と同様にしてＶ溝３０６を形成することで、同時に逆メサ溝３０７が形成できる。
例えば、基板３０１のＶ溝１０６および逆メサ溝３０７を形成する箇所に平面視矩形の開口を有するレジストパターンを、公知のフォトリソグラフィー技術により基板３０１の上に形成する。次に、このレジストパターンをマスクとし、ブロムとメタノールの混合液などによるエッチング液を用いてウエットエッチングする。
このエッチングは、結晶異方性エッチングであり、エッチングが進行するにつれ、エッチングされにくい（１１１）Ａ面の表面が現れ、傾斜面が形成される。この傾斜面の角度は、（００１）面である基板１０１の主表面に対して、約５４．７°となる。このようにして形成される第１反射面１０３は、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１の主表面とのなす角が、約１２５．３°となる。側面３０４は、隣り合う受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１の主表面とのなす角が、約５４．７°となる。例えば、ＩｎＰからなる基板１０１のオリエンテーションフラットに対し、Ｖ溝１０６の延在方向が平行となり、逆メサ溝３０７の延在方向が垂直となるように、上述した加工を実施すればよい。
逆メサ溝３０７は、Ｖ溝１０６と同時に、かつ同条件に形成することが可能であり、逆メサ溝３０７の形成のために新たな工程は不要であるため、高コストになることはない。
実施の形態２において、基板３０１の裏面から、反射防止膜１０５を透過して入射された信号光１５１は、反射面３０３で反射され、光吸収層１２２を透過し、第１電極１２４による反射層で反射する。この反射層で反射した信号光１５１は、再度、光吸収層１２２を透過する。従って、実施の形態２でも、例えば厚さ４００ｎｍの光吸収層１２２に波長１．５５μｍの信号光を入射する場合、垂直入射であれば結合効率が理想的には約４０％であるところを、結合効率を約８０％に向上させることができる。
また、上述した結合効率が１００％には満たないことから、吸収できなかった信号光１５１は光吸収層１２２から外へ出射される。この、光吸収層１２２で吸収されず透過した光は、複数の受光素子１０２の配列方向に平行に形成された基板３０１の端面３０１ａから出射される。端面３０１ａは例えば、基板３０１を切断することで形成した側面から構成することができる。端面３０１ａから出射した光は、他の受光素子１０２に入射することがなく、クロストークを生じさせることがない。
ここで、端面３０１ａに到達した信号光１５１の一部は、端面３０１ａを透過せず反射する。この反射した信号光１５１が、他の受光素子１０２に入射した光クロストークを生じさせる可能性がある。これに対し、実施の形態２では、逆メサ溝３０７を設けたので、端面３０１ａで反射して他の受光素子１０２へ向かう信号光は、側面３０４で反射し、基板３０１の裏面から放出されるため、他の受光素子１０２に入射することがなく、クロストークを生じさせることがない。
以上に説明したように、実施の形態２によれば、反射面３０３を、複数の受光素子１０２の列の配列方向に延在するように、基板３０１に形成し、また、配列方向に隣り合う受光素子１０２の間の基板３０１に逆メサ溝３０７を形成したので、配列されている受光素子１０２の間におけるクロストークが抑制できるようになる。
なお、本発明に係る受光装置は、図４に示されるように、光部品と組み合わせて光受信器とすることもできる。この光受信器では、台座２０１の上に固定されたプレーナ型シリカ光導波路２０２から出射され、基板１０１の裏面に形成した光学系２０３ａを通過した信号光１５１が、受光装置で受光される。この例において、光学系２０３ａは、基板１０１の裏面に形成したレンズ形状から構成することができる。この場合、光学系２０３ａは、受光装置の一部として捉えることもでき、受光装置に組み込まれた光部品として捉えることもできる。この場合においても、光部品は、受光装置より出射される出射光１５２の光路以外に配置される。
また、受光素子１０２は、よく知られたアバランシェフォトダイオードから構成することもできる。
以上に説明したように、本発明によれば、複数の受光素子の配列方向に延在する反射面を基板に形成したので、配列されている受光素子の間におけるクロストークが抑制できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…基板、１０２…受光素子、１０３…第１反射面、１０４…第２反射面、１０５…反射防止膜、１０６…Ｖ溝、１０７…Ｖ溝、１５１…信号光。

Claims (3)

  1. 基板の上に１列に配列された複数の受光素子と、
    前記複数の受光素子の配列方向に延在して前記複数の受光素子の列の側方の前記基板に形成された反射面と、
    前記配列方向に隣り合う前記複数の受光素子の間の前記基板に形成された逆メサ溝と
    を備え、
    前記複数の受光素子の各々は、
    前記基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、
    前記第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、
    前記光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、
    前記第２半導体層の上に形成された反射層と、
    前記第２半導体層に接続する第１電極と、
    前記第１半導体層に接続する第２電極と
    を備える裏面入射型フォトダイオードから構成され、
    前記反射面は、前記受光素子が形成されている前記基板の主表面から前記基板の裏面側にかけて形成された１つの平面を形成する斜面から構成され、
    前記受光素子が形成されている領域の前記基板の主表面と前記反射面とのなす角は、鈍角とされ、
    前記逆メサ溝の前記配列方向に垂直な断面は、前記逆メサ溝の底面に行くほど幅拡の形状を有する
    ことを特徴とする受光装置。
  2. 請求項１記載の受光装置において、
    前記第１電極は、金属から構成されて前記第２半導体層の上に形成され、
    前記反射層は、前記第１電極から構成されている
    ことを特徴とする受光装置。
  3. 請求項１記載の受光装置において、
    前記反射層は、前記第２半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属層から構成されていることを特徴とする受光装置。
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