JPH02148765A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光半導体装置、特に同一基板上に光電素子及び半導体素
子を一括して製造するモノリシック型の集積化フォトダ
イオードに関し、 該光電素子や半導体素子を形成した半絶縁基板と絶縁基
板とを接合する際の金属膜を原因とする寄生容量を低減
し、高周波領域の遮断周波数を１０　（Ｇ！ｌｚ）以上
にして、周波数帯域幅を拡張することを目的とし、 第１の基板上に設けられた第１の配線領域と、前記第一
の配線領域の一端に立ち上げて設けられた複数の電極と
、前記複数の電極に接合され、かつ絶８１仮に対向する
第２の基板に設けられた第２の配線領域と、前記第２の
配線領域に接続され、かつ前記第２の基板を共通にして
設けられた光電素子及び受動素子と、前記光電素子及び
受動素子を接続する第３の配線令真域とを具備し、少な
くとも、前記第１の基板と、第２の基板との間に空洞部
を有し、前記第１の基板の第１の配線領域と、第２の基
板の第３の配線領域とが相互に＃ｉ隔していることを含
み構成する。

波特性に悪影響を与え、１０　（ＧＨｚ）以上の帯域幅
を確保できないという問題がある。

そこで、１　（Ｍ）Ｉｚ）以下の低周波域から１０（Ｇ
ＩＬｚ）以上の超高周波領域までの広帯域について、周
波数特性を保有する集積化フォトダイオードの要求があ
る。

〔産業上の利用分野］ 本発明は、光半導体装置に関するものであり、更に詳し
く言えば同一の基板上に光電素子及び半導体素子を一括
して製造するモノリシック型の集積化フォトダイオード
に関するものである。

近年、光通信の高速化、大容量化に伴い光の変調周波数
１０　（ＧＨｚ）以上の帯域幅を有する光受信器が開発
されている。光受信器は、ＰＩＮダイオード、抵抗等の
受動素子及び増幅用のトランジスタを配線して構成され
ている。

しかし、単に周波数特性を改善したＩＩＮダイオードや
受動素子等を決戦する方法では、各素子を接続する配線
等に寄生するりアクタンスが高周〔従来の技術〕 第６．７図は、従来例に係る説明図である。

第６図は、従来例の集積化ＰＩＮダイオードに係る構造
図である。

図において、１は基台、２はＡ　ｕ　／　Ｓ　ｎ接合膜
、３は半絶縁基板、４はｎ−１ｎＰ層４ａ、Ｐ型拡散領
域４　ｂ、　ＩｎＧａＡｓ層４Ｃ及びｎ−１ｎＰ層４ｄ
から成るＰＩＮダイオード、５は配線、６は抵抗素子、
７はパッドであり、これ等により集積化フォトダイオー
ドを構成する。

ここで、Ａ　ｕ　／　Ｓ　ｎ接合膜２は、基台１と半絶
縁基板３とを接着する機能を有し、これにより、半絶縁
基板３の底面に広がる金属膜８が形成される。この金属
膜８は通常接地され、零電位に保たれている。

また、ＣＰＩＮはＰＩＮダイオード容量である。

Ｃ０１％　ＣＯＺ及びＣＯＳは、配線５、抵抗素子６及
びバンド７等と、Ａ　ｕ　／　Ｓ　ｎ接合膜２との間に
寄生する静電容量であり、三者が加算され、寄生容量Ｃ
ｏが形成される。

第７図（ａ）〜（Ｃ）は、従来例の集積化ＰＩＮダイオ
ードの問題点の説明図であり、同図（ａ）は、ＰＩＮダ
イオード４に増幅用ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を
搭載した光受信器の電気回路を示している。

図において、４はＰＩＮダイオード、８は増幅用ＦＥＴ
　（ＭＯＳ　トランジスタ）、９は増幅器、１０は光通
信等における光である。Ｒ１はＰＴＮダイオード４の負
荷抵抗、Ｒ，は増幅用ＦＥＴ８の負荷抵抗である。これ
等により光受信器が構成され、光１０の変調波等を受信
して、電気信号１０ａに変換される。

同図（ｂ）は、光受信器の等価回路図である。

図において、１．はＰＩＮダイオード４を等価的に表示
した定？ｉｉ流源、ＣＰＩ工はＰＩＮダイオード容量、
Ｃ０は寄生容量、Ｃ０は増幅用ＦＥＴ８のゲート容量、
Ｒは寄生抵抗、及び９は増幅器である。

この等価回路の遮断周波数は、 となる。ここで、ＰＩＮダイオード容Ｉｔ　Ｃｒ　Ｉ、
Ｉは、直径２０μｍφの素子において、６０［ｆＦ）程
度、寄生容量Ｃ０は、金属膜８の影響により２００　（
ｆＦ）程度、ゲート容量Ｃ０は増幅用ＦＥＴ８の形成方
法によるが２００　（ｆＦ）程度、寄生抵抗Ｒは、５０
〔Ω〕程度である。これ等の値を前記式に代入して、遮
断周波数ｆｒを求めると約７　（Ｇ）ｌｚ）となる。

同図（ｃ）は、従来例の周波数特性Ａを示す図である。

図において、縦軸は利得Ｇ　（ｄＢ）　、横軸は周波数
ｆ　（Ｈｚ）を示している。Ｗ、は従来例の帯域幅、ｒ
、は帯域幅Ｗｌを定義する受信器の遮断周波数である。

帯域幅Ｗ１は光通信の伝送に要する周波数帯域であり、
遮断周波数ｆ１−遮断周波数ｆｒと考えられるので、ｆ
ｂ−約７　（ＧＨｚ）となる。

〔発明が解決しようとする課１ｉｄ） 従って、第６図に示す集積化ＰＩＮダイオードを用いて
光受信器を構成すると、半絶縁基板３の底面に形成され
たＡ　ｕ　／　Ｓ　ｎ接合膜８の影響により、寄生容量
Ｃ８が増加する。

このため、寄生容量Ｃ０が高周波特性に悪影習を与え、
例えば第７図（ｂ）に示す等価回路において共振周波数
ｆｒが約７　（ＧＨｚ）となる。

従って、同図（ｃ）に示す周波数特性において、７　（
Ｇ）ｌｚ）を越える高周波領域での利得Ｇ　（ｄＢ）の
減衰が著しくなり、帯域幅Ｗ１の改善拡張に大きな妨害
となる。

これにより、周波数１０　（ＧＨｚ）以上の帯域幅Ｗ１
を有する光受信器の製造をすることができないという問
題がある。

本発明は、かかる従来例の問題点に鑑み創作されたもの
であり、光電素子や半導体素子を形成する半絶縁性基板
の金属膜を原因とする寄生容量の低減をし、高周波領域
の遮断周波数を１０　（ＧＨｚ）以上にして周波数帯域
幅を拡張することを可能とする光半導体装置の提供を目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の光半導体袋１に係る原理図を示して
いる。

その原理構造は、第１の１１上に設けられた第１の配線
領域１２ａ、１２ｂと、前記第一の配線領域１２ａ、１
２ｂの一端に立ち上げて設けられた複数の電極１３ａ、
１３ｂと、前記複数の電極１３ａ、１３ｂに接合され、
かつ第１の基板１１に対向する第２の基板１８に設けら
れた第２の配線領域１４と、前記第２の配線領域１４に
接続され、かつ前記第２の基板１日を共通にして設けら
れた光電素子１５及び受動素子１６と、前記光電素子１
５及び受動素子１６を接続する第３の配線領域１７とを
具備し、少なくとも、前記第１の基板１１と、第２の基
板１日との間に空洞部２９を有し、前記第１の基板１１
の第１の配線領域１２ａ　　１２ｂと、第２の基板１８
の第３の配線領域１７とが相互に離隔していることを特
徴とし、上記目的を達成する。

〔作用〕

本発明によれば、第１の基板１１に設けられた第１の配
線領域１２ａ、１２ｂと、第２の基板１８の第３の配線
領域１７とが相互に離隔している。

例えば、第１の基板１１上に設けた複数の電極を柱とし
、光電素子１５及び受動素子１６を設けた第２の基板１
日を天井面とする架橋構造によって、第２の基板１８と
、第１の基板１１との間に空洞部２９が設けられる。

このため、光電素子１５、受動素子１６及び第３の配置
領域１７は、中空に架橋上におかれ、さらに誘電率εの
高い半導体をはさんで対向する従来例のような金属２が
なくなる。

従って第３の配線領域１７と接地電極との間により形成
される寄生容量の低減を図ることができる。

これにより、光受信器を構成した場合、従来例に比べて
共振周波数を１０　（Ｇ）Ｉｚ　）以上にすることがで
き、高周波領域に周波帯域幅を推移させることが可能と
なる。

〔実施例〕

次に図を参照しながら本発明の実施例について説明をす
る。

第２〜５図は、本発明の実施例に係る光半導体装置を説
明する図であり、第２図は、本発明の実施例の集積化フ
ォトダイオードに係る構造図を示している。

図において、２１はセラミック基板（絶縁基板）であり
、集積化フォトダイオードを固定する基板である。

２２ａ、２２ｂはストリップ線路であり、高周波数帯域
について保証されている。ストリップ線路２２ａ、２２
ｂは１０　（ＧＨｚ）以上の高周波電流が流れる第１の
配線領域である。

２３ａ、２３ｂはバンプであり、ストリップ線路の一端
に立ち上げて設けられた球形電極である。

２３ｃ、２３ｄはバンプであり、ＰＩＮダイオード２５
形成したＩｎＰ５板２８に設けられた球形電穫である。

２４ａ、２４ｂはＴ　ｉ／Ｐ　を配線であり、ＰＩＮダ
イオード２５とバンプ２３ｃ又は受動素子２６とバンプ
２３ｄが接続される第２の配線領域である。バンプ２３
ａ、２３ｂと、バンプ２３Ｃ１２３ｄとは、フリップチ
ップ接続され、第１の配線領域と第２の配線領域とが電
気的に接続される。

２５は、ＰＩＮダイオードであり、ｎ−１ｎＰｔ１２５
ａ、Ｐ型拡散領域２５　ｂ、　ＩｎＧａＡｓ層２５ｃ及
びｎ−１ｎＰ層２５ｄから成る化合物半導体素子である
。ＰＩＮダイオード２５は、ＩｎＰ基板２８を介して入
射する光３０を受光し、受光した光３０を光電変換する
機能を有している。

２６は受動素子であり、抵抗、コンデンサ及びインダク
タンス等である。なお、ＰＩＮダイオード２５と受動素
子２６とは近接して設けられている。２７はＴ　ｉ　／
　Ｐ　を配線であり、Ｐ■Ｎダイオード２５と、受動素
子との間を接続する第３の配線り■域である。

２８はＩｎＰ基板であり、ＰＩＮダイオード２５や受動
素子２６及びバンプ２３ｃ、２３（ｌが設けられた半絶
縁基板である。本発明の実施例では、ＩｎＰ基板２８は
これ等の素子を形成した面をセラミック基板２１に向け
て設けられ、架橋構造を有している。

２９は空洞部であり、セラミック基板２１と半絶縁基板
２８と間に生じた部分である。

これ等により集積化フォトダイオードが構成される。な
お、増幅用のＦＥＴ等をＩｎＰ基板２８に集積して設け
ても良い。

第３図（ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例の集積化ＰＩ
Ｎダイオードに係る形成工程図である。

図において、まずセラミック基板２１にストリップ配線
等の第１の配線領域２２ａ、２２ｂのパターニングをす
る。次いで、第１の配線領域２２ａ、２２ｂ上の一端に
バンプ２３ａ、２３ｂを形成し、集積化フォトダイオー
ドの基台部分を形成する（同図（ａ））。

次いで、誘電率ε、＝１０〜工２、厚さ１００〔μｍ〕
程度のＩｎＰｉ板２８に、ｎ−１ｎＰ層２５ｄ１ノンド
ープのｒｎＧａＡｓ層２５　ｃ、　ｎ−＋ｎＰ１５２５
　ａを順次積層する。次に、ｎ　４ｎＰｊ５２５　ａ　
、　ＩｎＧａＡｓ層２５ｃ及びｎ−１ｎＰ層２５ｄを選
択的に除去して、Ｐ■Ｎダイオード形成領域、バンプ形
成領域を画定する。

ここで、バンプ２３ｃや２３ｄは、従来例の製造方法に
より形成される。例えば、ＩｎＰ基板２８に形成したＳ
ｉＮ膜３５を選択的に開口し、その開口部上の第２配線
領域となるＴｉ膜３１及びＰｔ膜３２を順次形成し、Ａ
　ｕ　／　Ｓ　ｎ　ｑ　３３、Ａｕ′ｖ３４等が成長し
て、バンブ２３ｃ等が形成される。

ＰＩＮダイオード２５は大きさ２０μｍφ程度の円形メ
サ型状にエツチングしたｎ　４ｎＰＩｉ　２５　ａ　。

１ｎＧａＡｓ層２５ｃ及びｎ−ＴｎＰ層２５ｄにＴ　ｉ
　／　Ｐ　を配線２４ａや最上層のｎ−１ｎＰ層２５ａ
にＰ型の不純物のＺｎやＣｄを拡散することにより形成
される。

受動素子２６はＳｉＮ膜３膜上５上　ｉ　／　Ｓ　ｉ配
線２４ａを選択的に除去し、Ｎ　ｉ　／　Ｃｒ膜又はＴ
ａＮ膜２６ａ等を成長することにより形成される。これ
によりＰＩＮダイオード２５や受動素子２６がＩｎＰ基
板２８に形成される（同図（ｂ））。

次に、集積化フォトダイオードの基台部分と、ＰＩＮダ
イオード２５や受動素子２６を形成したｒｎＰ５板２８
との接合処理をする。ここで、バンプ２３ａ、２３ｂ及
びバンプ２３ｃ、２３ｄをフリップチップ接続をする。

フリップチップ接続は、加熱温度２００（”Ｃ）程度に
おいて、バンプ２３ａと２３ｃ、バンプ２３ｂと２３ｄ
とを熱融着し、電気的、機械的に接続することにより行
う。

これにより、第２図に示すような架橋構造の集積化フォ
トダイオードが製造される。

第４図は、本発明の実施例の集積化ＰＩＮダイオードの
周波数特性と、従来例との比較図を示している。

図において、樅軸は利得Ｃ（ｄＢ）であり、横軸は周波
数ｒ　（Ｈｚ）を示している。−点鎖線に示したＡは従
来例の周波数特性であり、実線に示したＢは本発明の周
波数特性である。

Ｗ、は従来例の帯域幅であり、Ｗ２は本発明の帯域幅で
ある。帯域幅とは、周波数特性において最大利得Ｇ　（
ｄＢ）から３　（ｄＢ）下った遮断周波数間の幅をいう
。

ここで、本発明者らの実験結果によれば、本発明の集積
化ダイオードの寄生容量は従来例の約１／６の３０（ｆ
Ｐ）に低減される。これにより、他の容１ｔｃｒ＋Ｈ，
ＣＧや寄生抵抗Ｒを従来例と同一と仮定して、遮断周波
数ｆｒを算定すると、「ｒ＝　１０．９７　（ＧＨｚ）
となる。

このため、従来例の帯域幅Ｗ１に比べて本発明の帯域幅
Ｗ２を１０　（ＧＨｚ）を越える高周波領域に推移させ
ることができる。

第５図は、本発明の実施例に係る光受信器の回路図を示
している。

図において、３６は本発明の実施例に係る集積化ＰＩＮ
ダイオードでコヒーレント光通信に用いられるものであ
る。これは、ＰＩＮダイオードＰＤ、　５ＰＤ２の光電
素子と、ＰＩＮダイオードの負荷抵抗Ｒ４、カップリン
グコンデンサＣｄ及びインダクタンスＬｄから成る受動
素子により構成されている。３７は増幅用ＦＥＴ、ＲＬ
は負荷抵抗である。

その動作は、周波数１０　（ＧＨｚ）の光変調波３８が
集積化フォトダイオードに入射されると、まずＰＩＮダ
イオードＰＤ１、ＰＤｔが光を光電変換し、ＰＩＮダイ
オードの負荷抵抗Ｒ，にＰＤ、、ＰＤｚの差動電流が流
れ、電圧降下を生ずる。この光電流には通常直流分が含
まれている。

次にカンプリングコンデンサＣｄにより直流分がカット
される。Ｌｄは、高周波に対するインピーダンスを確保
しながら、ＦＥＴのゲートのバイアス電圧を与えるもの
である。

このようにして、多数の受動素子を集積して回路を形成
した場合でも、寄生容量の低減を図ることが可能になる
ため、周波数１０　（ＧＨｚ）以上で動作する光受信器
を構成することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、光電素子、受動素
子及び第３の配線領域との間の寄生容量を約１／６に低
減することができる。

このため、周波数特性において、従来の遮断周波数間７
　（Ｇｌｌｚ　）から約１０．９７　（ＧＨｚ　）に改
善することができる。従って、周波数帯域幅を高周波領
域に推移させることが可能となる。

これにより、周波数１０　（Ｇｔｌｚ）以上の光半導体
装置の製造に大きく寄与し、光通信の高速化、大容量化
を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光半導体装置に係る原理図、第２図
は、本発明の実施例の集積化ＰＩＮダイオードに係る構
造図、 第３図（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例の集積化ＰＩ
Ｎダイオードに係る形成工程図、第４図は、本発明の実
施例の集積化ＰＩＮダイオードの周波数特性と従来例と
の比較図、第５図は、本発明の実施例に係る光受信器の
回路図、 第６図は、従来例の集積化Ｐ（Ｎダイオードに係る構造
図、 第７図（ａ）〜（ｃ）は、従来例の集積化ＰＩＮダイオ
ードの問題点の説明図である。 （符号の説明） １１．２１・・・第１の基板（セラミック基板）、１２
ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ・・・第１の配線領域（ス
トリップ線路）、 １３ａ、１３ｂ−電極、 １４．２４ａ、２４ｂ−・・第２の配線領域（Ｔｌ／Ｐ
ｔ配線）、 ＰＤ、、ＰＤ、、４，１５．２５・・・光電素子（ＰＩ
Ｎダイオード）、 １６．２６・・・受動素子、 １７．２７・・・第３の配線領域 （Ｔ＋／Ｐｔ配線）、 １８．２８−・・第２の基＋Ｆｉ、（ＩｎＰ基板）、３
ａ〜２３ｄ・・・バンプ（球形電極）、９・・・空洞部
、 ０．３０・・・光、 １・・・ＴＩ膜、 ２・・・Ｐｔ膜、 ３・・・Ａ　ｕ　／　Ｓ　ｎ層、 ４・・・Ａｕ膜、 ５・・・ＳｉＮ膜、 ５　ａ　・・・　ｎ−１ｎＰ層、 ５ｂ・・・Ｐ型拡散領域、 ５　ｃ　−１ｎＧａＡｓｌｌ、 ５　ｄ　−ｎ　ｌｎＰ層、 ６・・・集積化ＰＸＮダイオード、 ３７・・・増幅用ＦＥＴ、 ８・・・光変調波、 ・・・基台、 ・・・Ａ　＋＋　／　Ｓ　ｎ接合膜、 ・・・配線、 ６．２６ａ−・・抵抗素子（ＴａＮ膜）、７・・・パッ
ド、 ９・・・増幅器、 １０ａ・・・電気信号、 Ｗｌ・・・従来例の帯域幅、 Ｗ２・・・本発明の帯域幅、 Ａ・・・従来例の周波数特性、 Ｂ・・・本発明の周波数特性、 ＣＰＩＮ・・・ＰＩＮダイオード容量、Ｃｏ＋〜Ｃｏｓ
、　Ｃｏ　−寄生容量、Ｒ，、Ｒ，、Ｒ・・・抵抗、 Ｃｃ・・・ゲート容量。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の基板（１１）上に設けられた第１の配線領域（１
   ２ａ、１２ｂ）と、 前記第一の配線領域（１２ａ、１２ｂ）の一端に立ち上
   げて設けられた複数の電極（１３ａ、１３ｂ）と、 前記複数の電極（１３ａ、１３ｂ）に接合され、かつ前
   記第１の基板（１１）に対向する第２の基板（１８）に
   設けられた第２の配線領域（１４）と、 前記第２の配線領域（１４）に接続され、かつ前記第２
   の基板（１８）を共通にして設けられた光電素子（１５
   ）及び受動素子（１６）と、　前記光電素子（１５）及
   び受動素子（１６）を接続する第３の配線領域（１７）
   とを具備し、 少なくとも、前記第１の基板（１１）と、第２の基板（
   １８）との間に空洞部（２９）を有し、前記第１基板（
   １１）の第１の配線領域（１２ａ、１２ｂ）と、第２の
   基板（１８）の第３の配線領域（１７）とが相互に離隔
   していることを特徴とする光半導体装置。