JPH03290606A - 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〕 例えばコヒーレント光通信システムを構成するのに用い
て好適な光半導体装置に関し、光半導体装置に於ける導
波路と受光素子との結合長を長く採らな（でも、導波路
から受光素子へ充分な光信号を入力することが可能であ
って、しかも、容易に製造することができるようにする
ことを目的とし、 半導体基板上に積層されて導波路を構成する導波路コア
層及び光閉じ込め層と、該光閉じ込め層上に積層されて
いる半導体受光素子層と、前記導波路に入射される光を
前記半導体受光素子層からなる各半導体層の方向に反射
させる為に前記導波路コア層に対し傾斜した面をなすよ
うに前記導波路の光が入射される側と反対側の端を除去
して構成された鏡面とを備えてなるか、或いは、半導体
基板上に積層されて導波路を構成する導波路コア層及び
クラッド層と、該導波路に入射される光を該クラッド層
の方向に反射させる為に前記導波路コア層に対し傾斜し
た面をなすように前記導波路の光が入射される側と反対
側の端を除去して構成された鏡面と、該クラッド層上の
該鏡面で反射された光を受光し得る位置に固着された半
導体受光素子とを備えてなるよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、例えばコヒーレント光通信システムを構成す
るのに用いて好適な光半導体装置に関する。

現在、通信技術の分野では高速化が目標になっていて、
光の周波数変調や位相変調を利用するコヒーレント光通
信は有力な手段の一つと考えられている。

そのコヒーレント光通信では、量子効率が高く、応答が
高速で、光入出力が大きい半導体受光素子が必要であっ
て、特に、ヘテロダイン検波方式を採ってＳ／Ｎを向上
させようとする場合には、二個のｐ１ｎフォト・ダイオ
ードで構成したツバランス型受信器を用いるので、これ
等のｐｉｎフォト・ダイオード、即ち、半導体受光素子
としては前記諸条件の他に光学的及び電気的な特性が均
一であることが必要になり、この要求を満足させるには
、半導体受光素子をモノリシックに集積化することが有
効であるのは勿論のこと、受光素子に光信号を入力する
ための光導波路、例えば半導体方向性結合器なども一体
的に集積化することが好ましい。

〔従来の技術〕

現在、半導体受光素子に光信号を入力させるには、光フ
ァイバと半導体受光素子とを結合して行う技術が多用さ
れているが、この技術に依った場合、光ファイバと半導
体受光素子との結合部分で光が同位相になっている必要
があることから、それ等を２〜３〔μｍ〕オーダで位置
合わせしなければならず、大変に高度な技術を要求され
る。

そこで、この問題を解消する為、半導体受光素子と半導
体方向性結合器を用いる技術が提案されている。

第２４図はエバネッセント結合を用いたディテクタ（ｅ
ｖａｎｅｓｃｅｎｔ　　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を説明する
為の要部切断側面図を表している。

図に於いて、１はｎ型半導体基板、２は半導体導波路層
、３はｉ型光吸収層、４はｐ型半導体層、５はｐ側電極
、６はｎ側電極、７は光ファイバをそれぞれ示している
。

このディテクタでは、ｎ型半導体基板１とｉ型光吸収層
３とｐ型半導体層４とでｐｉｎフォト・ダイオードが構
成されていて、光ファイバ７からの光信号が導波路層２
に入力され、そこを伝播してゆ（間にｉ型光吸収層３に
漏れた光信号を検出するようにしている。

第２５図はバット・カップルド・ディテクタ（ｂｕｔｔ
　　ｃｏｕｐｌｅｄ　　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を説明する
為の要部切断側面図を表し、第２４図に於いて用いた記
号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つもの
とする。

このディテクタも、ｎ型半導体基板ｌとｉ型光吸収層３
とＰ型半導体層４とでｐｉｎフォト・ダイオードを構成
してあり、光ファイバ７からの光信号は導波路層２に入
力され、そこを伝播してｉ型光吸収層３に直接入るよう
になっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第２４図に見られるエバネッセント結合を用いたディテ
クタでは、導波路層２とｉ型光吸収層３との光接合が弱
いことから、光信号を充分に採り入れるには結合長りを
長くする必要がある。然しなから、そのようにしたので
は、高量子効率で、且つ、低寄生容量の光半導体装置を
実現することは困難である。

第２５図に見られるバット・カップルド・ディテクタで
は、導波路Ｎ２１とｉ型光吸収層３との光結合は充分で
あって、高量子効率で、且つ、低寄生容量の光半導体装
置が得られるのであるが、図からも明らかなように、構
造が複雑であることから製造が極めて困難である。

本発明は、光半導体装置に於ける導波路と受光素子との
結合長を長く採らなくても、導波路から受光素子へ充分
な光信号を入力することが可能であって、しかも、容易
に製造することができるようにしようとする。

〔課題を解決するための手段］ 第１図は本発明の詳細な説明する為の光半導体装置の要
部切断側面図を表している。

図に於いて、１１は半導体基板、１２は半導体導波路、
１３はｉ型光吸収層、１４はｎ側電極、１５はｐ側電極
、１６は鏡面、１７は光ファイバをそれぞれ示している
。

この光半導体装置では、導波路１２上にｐｉｎフォト・
ダイオードが構成されていて、光ファイバ１７から導波
路１２に入射された光は、矢印で示しであるように、導
波路１２中を伝播して鏡面１６に達し、そこで反射され
てｉ型光吸収層１３に入射するようになっている。尚、
導波路とｐｉｎフォト・ダイオードとを別体に作成した
後、所定の光学的関係を維持して、それ等を一体的に結
合するようにしても良い。

第２図は第１図に見られる光半導体装置に於ける入射光
ビーム幅と反射光ビーム幅との関係を明らかにする為の
説明図を表し、第１図に於いて用いた記号と同記号は同
部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。

図に於いて、ｄは入射光ビーム幅、ｔは反射光ビーム幅
、θは鏡面１６の傾斜角度をそれぞれ示している。

図から明らかなように、ｔ＝ａ’ｔａｎθ、であり、θ
＝４５°のときにｔ＝ｄであって、理論的には、受光素
子に於ける光吸収層長（結合長しに相当）を入射光ビー
ム幅ｄと同程度まで小さ（することができる。

このようなことから、本発明の光半導体装置では、半導
体基板（例えば基板２１）上に積層されて導波路を構成
する導波路コア層（例えば導波路コア層２２）並びに光
閉じ込め層（例えばクラッド層２３）と、該光閉じ込め
層上に積層された半導体受光素子層（例えばｎ゛型Ｉｎ
ＧａＡｓ１ｉ極コンタクト層、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層２４、ｐ型１ｎＰ＠極コンタクト層２５）と、前記
導波路に入射される光を前記半導体受光素子層の方向に
反射させる為に前記導波路コア層に対し傾斜した面をな
すように前記導波路の光が入射される側と反対側の端を
除去して構成された鏡面（例えば鏡面Ｍ）とを備えてな
るか、或いは、半導体基板上に積層されて導波路を構成
する導波路コア層及びクラッド層（例えばクラッド層２
３）と、該導波路に入射される光を該クラッド層の方向
に反射させる為に前記導波路コア層に対し傾斜した面を
なすように前記導波路の光が入射される側と反対側の端
を除去して構成された鏡面と、該クラッド層上の該鏡面
で反射された光を受光し得る位置に固着された半導体受
光素子とを備えてなるよう構成する。

〔作用〕 前記手段を採ることに依り、光半導体装置に於ける導波
路と受光素子との結合長を長く採らなくても、導波路か
ら受光素子へ充分な光信号を入力することができ、そし
て、鏡面に依る光の反射で高い甘子効率を得ることが可
能である。また、その製造に際しては、特殊な技術は不
要であるから容易に実現することが可能であって、素子
間分離や素子の相対的位ｉ！確定も簡単に行うことがで
きる。

〔実施例〕

第３図は本発明一実施例の要部切断側面図を表している
。

図に於いて、２１は半絶縁性１ｎＰ基板、２１Ａは鏡面
を形成する際に用いた溝、２１Ｂは傾斜した側壁、２２
は半導体薄膜積層体からなる導波路コア層、２３はｎ−
型１ｎＰクランド層、２４はｎ゛梨型１ｎＧａＡｓｉｌ
極ンタクト層、２５はｎ−型ＩｎＣｒａＡｓ光吸収層、
２６はｐ型ＩｎＰ電掻コンタクト層、２７はｐ側電極、
２８は例えばＳｉ、Ｎ、からなる絶縁膜、３３はｎ側電
極、３４は光ファイバ、Ｍは鏡面、θは導波路コア層２
２に対して鏡面Ｍがなす角度をそれぞれ示している。尚
、本実施例では、ｎ゛梨型１ｎＧａＡｓｔ極ンタクト層
２４及びｎ−型１ｎＧａＡｓ光吸数層２５及びｐ型１ｎ
Ｐ電極コンタク）Ｊｉ２６でｐｉｎフォト・ダイオード
を構成し、また、基板２１及び導波路コア層２２及びク
ラ・ンド層２３をもって導波路が構成されている。

本実施例に於いて、光ファイバ３４からの光信号は導波
路コア層２２に入射されて伝播し、鏡面Ｍで反射されて
ｐｉｎフォト・ダイオードに入射するようになっている
。

本実施例は、従来から多用されている技術を適用し、特
性良好なものを容易に製造することができる。

第４図乃至第２２図は本発明一実施例を製造する場合に
ついて説明する為の図であり、第４図乃至第６図、第８
図、第１０図、第１２図、第１４図、第１６図、第１８
図、第２０図は要部切断側面図、第７図、第９図、第１
１図、第１３図、第１５図、第１７図、第１９図、第２
１図、第２２図は要部平面図をそれぞれ表し、以下、こ
れ等の図を参照しつつ解説する。

第４図参照 ４−（１） 有機金属気相堆積（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　　ｖａ
ｐｏｒ　　ｐｈａｓｅ　　ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ
）法を適用することに依り、半絶縁性ＩｎＰ基板２１上
に 半導体薄膜積層体からなる導波路コア層２２、ｎ−型１
ｎＰクラッド層２３、 ｎ゛型１ｎＧａＡｓ電極コンタクト層２４、ｎ−型１　
ｎＧａＡｓ光吸収層２５、 当初はｎ−型になっている■ｎＰ′ｇ１極コンタクト層
２６をそれぞれ成長させる。

この場合に於ける各半導体層に関する主要なデータを例
示すると次の通りである。

■　導波路コア層２２について 材料：　ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ 厚さ：１３４７（入）／４４（入］ 積層数：　１ｎＰ／ＩｎＣ，ａＡｓＰＸ２５λ９：１．
１３Ｃμｍ〕 ■　クラッド層２３について 厚さ：６　〔μｍ） 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　１０　”　［ｃｍ−３）（アン
・ドープ） ■　電極コンタクト層２４について 厚さ：０．５Ｃμｍ］ 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　１０　”　（ａｉ−”）■　光
吸収層２５について 厚さ：２　〔μｍ〕 ■　電極コンタクト１１２６について 厚さ：１　〔μｍ〕 第５図参照 ５−（１） ＺｎＰ、を用いた熱拡散法を適用することに依り、Ｚｎ
をドーピングすることで、成長時点に於いてはれ一型で
あったＩｎＰ電極コンタクト層２６をＰ型化する。尚、
このｐ型化は選択的に行っても良い。

この熱拡散に於ける諸条件を例示すると次の通りである
。

不純物濃度：　ｌ　Ｘ　１０１８（ｃｍ−’）熱処理温
度：５００［”Ｃ） 熱処理時間：２０〔分］ 第６図及び第７図参照 ６−（１） フォト・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス
、真空蒸着法、リフト・オフ法を適用することに依り、
ｐｉｎフォト・ダイオードに於けるＰ側電極２７を形成
する。

このｐ！！Ｉｔ極２７に関する主要なデータを例示する
と次の通りである。

材料：　Ａ　ｕ　／　Ｚ　ｎ　／　Ａ　ｕ厚さ：５００
（入）／１００Ｃ人〕／２５００Ｃ人〕第８図及び第９
図参照 ８−（１） 化学気相堆積（ｃｈｅｍｉｃａｌ　　ｖａｐ。

ｕｒ　　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法を適用する
ことに依り、Ｓｉ、Ｎａからなる厚さ例えば１５００　
（人〕程度の絶縁膜２８を形成する。

８−（２） フォト・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス
及びエンチング・ガスをＣＦ、とする反応性イオン・エ
ツチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ　　ｉｏｎ　　ｅｔｃｈｉ
ｎｇ：ＲＩＥ）法を適用することに依り、絶縁膜２８の
パターニングを行って、ｐ側電極２７を覆い、且つ、ｐ
ｉｎフォト・ダイオード部分のエツチングを行うマスク
となるパターンを残して他を除去する。

８−（３） ＣＶＤ法を適用することに依り、Ｓｉ３Ｎ４からなる厚
さ例えば１０００　（人〕程度の絶縁膜２９を形成する
。

８−（４） フォト・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス
及びエツチング液をＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：５０とするウ
ェット・エツチング法を適用することに依り、絶縁膜２
９のパターニングを行って、ｐｉｎフォト・ダイオード
部分を覆い、且つ、導波路部分のエツチングを行うマス
クとなるパターンを残して他を除去する。

第１Ｏ図及び第１１図参照 １Ｏ−（１） フォト・リソグラフィ技術に於けるレジスト、プロセス
を適用することに依り、鏡面を形成するのに必要な溝を
形成する為の開口をもつフォト・レジスト膜３０を形成
する。

第１２図及び第１３図参照 １２−（１） エツチング・ガスをＣＣＩ□Ｆ２とするＡＲＩＥ（ａｃ
ｔｉｖｅ　　ｒｅａｃｔｉｖｅ　　ｉ。

ｎ　　ｅｔｃｈｉｎｇ）法を適用することに依り、導波
路コア層２２に対する傾斜角θが４５°である鏡面Ｍを
得るためのエツチングを行って溝２１Ａを形成する。

第１４図及び第１５図参照 １４−（１） フォト・レジスト膜３０を除去してから、鏡面Ｍを保護
する為、溝２１Ａ内にポリイミド樹脂３１を充填する。

このポリイミド樹脂３１を充填するには、スピン・コー
ト法を適用してポリイミド樹脂を平坦に塗布し、その後
、余分なポリイミド樹脂は酸素プラズマを利用してエン
チングする。

第１６図及び第１７図参照 １６−（１） エツチング・ガスをＳ　ｉ　Ｃ１４（Ｃ１ラジカル）と
するＲＩＥ法を適用することに依り、絶縁膜２９をマス
クとして表面から基板２１に達するエツチングを行う。

このエツチングに依っては、ポリイミド樹脂３１は除去
されないので、そのまま残留することになり、従って、
ｐｉｎフォト・ダイオードの下になっている部分を除い
ては殆どが表出され、第１７図には、鏡面Ｍを保護して
いる側の面で表出されている部分を記号３１Ａで指示し
である。

第１８図及び第１９図参照 １８−（１） エンチング液をＨＦ：ＮＨａ　Ｆ＝１　：５０とする浸
漬法を通用することに依り、導波路部分の工、チングを
行う為のマスクとして用いた絶縁膜２９を除去する。

１８−（２） フォト・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス
を適用することに依り、Ｐｉｎフォト・ダイオード部分
のパターニングをする為のフォト・レジスト膜３２を形
成する。

１８−（３） エツチング液を ＨＣｌ：Ｈ３ＰＯ，（ＩｎＰ用） Ｈ２ＳＯ４：１（２０ｚ　：Ｈ２Ｏ（ＩｎＧａＡｓ用）
とするウェット・エツチング法を適用することに依り、
フォト・レジスト膜３２をマスクとして導波路部分の表
面に残っている電極コンタクト層２６からクラッド層２
３に達するエツチングを行う。

第２０図及び第２１図参照 ２Ｏ−（１） フォト・レジスト膜３２を除去してから、工ッチング液
を ＨＣＩ：Ｈ，Ｐ○、（ＩｎＰ用） Ｈ２Ｓ０４　：　Ｈｚ　Ｏｚ　：　）Ｉｚ　Ｏ（Ｉ　ｎ
ＧａＡｓ用）とするウェット・エツチング法を適用する
ことに依り、ｐｉｎフォト・ダイオード部分を覆ってい
る絶縁膜２８をマスクとして電極コンタクト層２６から
電極コンタクト層２４に達するエツチングを行う。

この場合、鏡面Ｍはポリイミド樹脂３１で保護されてい
るので、このエツチングに依って、損傷を受ける戊はな
いが、他の部分で著しく不都合を生じるようなところに
は保護膜を形成すれば良い。

２Ｏ−（２） フォト・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス
、真空蒸着法、リフト・オフ法を適用することに依り、
ｐｉｎフォト・ダイオードに於けるｎ側電極３３を形成
する。

このｎ側電極３３に関する主要なデータを例示すると次
の通りである。

材料：　Ａ　ｕ　Ｇ　ｅ　／　Ａ　ｕ 厚さ：５００（入）／１５００　（人］第３図及び第２
２図参照 ２２−（１） 酸素プラズマを用いたエツチング法を適用することに依
って、ポリイミド樹脂３１を除去する。

これで、溝２１Ａの一部が再び表出される。

尚、図には溝２１Ａに於ける傾斜した側面を記号２１Ｂ
で指示しである。

２２−（２） この後、必要に応じて基板２１を研摩し、厚さが例えば
２００〔μｍ〕程度となるように薄くしてから臂関し、
光ファイバ３４と光学結合させるべき端面に無反射コー
ト膜を形成する。

前記説明した工程を採って製造される実施例の他に、例
えば、鏡面Ｍ、導波路部分、その他の部分を保護する為
、表面がｐｉｎダイオード部分と略同−面になるようポ
リイミド樹脂でコートしたり、或いは、鏡面Ｍに例えば
Ａｕを蒸着させて光反射膜を形成したり、或いは、θを
４５°よりも大きくする、例えば、５５°にするなどは
任意である。このようにθを大きくすると、鏡面Ｍで反
射された光ビームは拡がってしまうが、鏡面Ｍを作成す
る際のエツチングにウェット・エツチング法を適用する
ことができるようになり、その場合はエツチング時間が
短くなって作成が容易となる旨の利点がある。また、前
記した実施例では、導波路コア層２２に半導体薄膜積層
体を用いたが、これに限定されることなく、例えば、厚
さが約１〔μｍ］〜５〔μｍ〕程度のＩｎＧａＡｓＰ層
を用いることもできる。その場合、ｐｉｎフォト・ダイ
オード部分は、厚さ例えば０．３〔μｍ〕であるｎ゛梨
型１ｎＰ極コンタクト層、厚さ例えば２　（μｍ）であ
るｎ−型１ｎＧａＡｓ光吸収層、厚さ例えば１　（μｍ
〕であるｐ゛型！ｎＰ電極コンタクト層で構成すると良
い。

第２３図は他の実施例を説明する為の要部切断側面図を
表し、第３図乃至第２２図に於いて用いた記号と同記号
は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。

図に於いて、３５は導電膜、３６はボンディング・パッ
ド、３７はｐｉｎフォト・ダイオード、３８はフリップ
・チップ・ボンディングの為のハンプ、３９は接着剤、
４０は導電膜をそれぞれ示している。

本実施例では、基板２１、導波路コア層２２、クラッド
層２３からなる導波路とｐｉｎフォト・ダイオード３７
を別個に作成し、後に、鏡面Ｍからの反射光を受光し得
るようにｐｉｎフォト・ダイオード３７を導波路の表面
にフリップ・チップ・ボンディングし、接着剤３９でモ
ールドし、その上を導電膜４０で覆っている。

この場合、接着剤３９としては、光透過性に優れた絶縁
性のものであることが好ましく、例えば、東洋インキ株
式会社の製造に係わる紫外線硬化型接着剤（Ｌｉｇｈｔ
−Ｗｅｌｄ　　３００シリーズなど）が好適であり、ま
た、その上を覆う導電膜４０はＡｇペーストなどを塗布
して形成することができ、このようにすると雑音を遮断
するのに有効である。

（発明の効果） 本発明に依る光半導体装置に於いては、光が入射される
側と反対側の端に鏡面を形成した導波路上に半導体受光
部分或いは半導体受光素子を設け、該導波路に入射され
る光を該鏡面で反射させ該受光部分或いは受光素子に入
射させるようにしである。

前記構成を採ることに依り、光半導体装置に於ける導波
路と受光素子との結合長を長く採らなくても、導波路か
ら受光素子へ充分な光信号を入力することができ、そし
て、鏡面に依る光の反射で高い量子効率を得ることが可
能である。また、その製造番こ際しては、特殊な技術は
不要であるから容易に実現することが可能であって、素
子間分離や素子の相対的位置確定も簡単に行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する為の光半導体装置の要
部切断側面図、第２図は第１図に見られる光半導体装置
に於ける入射光ビーム幅と反射光ビーム幅との関係を明
らかにする為の説明図、第３図は本発明一実施例の要部
切断側面図、第４図乃至第２２図は本発明一実施例を製
造する場合について説明する為の図であって、第４図乃
至第６図、第８図、第１０図、第１２図、第１４図、第
１６図、第１８図、第２０図は要部切断側面図、第７図
、第９図、第１１図、第１３図、第１５図、第１７図、
第１９図、第２１図、第２２図は要部平面図、第２３図
は他の実施例を説明する為の要部切断側面図、第２４図
及び第２５図は従来例の要部切断側面図をそれぞれ表し
ている。 図に於いて、２１は半絶縁性ＩｎＰ基板、２１Ａは鏡面
を形成する際に用いた溝、２１Ｂは傾斜した側壁、２２
は半導体薄膜積層体からなる導波路コア層、２３はｎ〜
型ＩｎＰクラッド層、２４はｎ゛型ＩｎＧａＡｓ電極コ
ンタクト層、２５はｎ−型１ｎＧａＡｓ光吸収層、２６
はｐ型１ｎＰ電極コンタクト層、２７はｐ＠電極、２８
は例えばＳｉ３Ｎ４からなる絶縁膜、３３はｎ側電極、
３４は光ファイバ、Ｍは鏡面、θは導波路コア層２２に
対して鏡面Ｍがなす角度をそれぞれ示している。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に積層されて導波路を構成する導波
   路コア層及び光閉じ込め層と、 該光閉じ込め層上に積層された半導体受光素子層と、 前記導波路に入射される光を前記半導体受光素子層の方
   向に反射させる為に前記導波路コア層に対し傾斜した面
   をなすように前記導波路の光が入射される側と反対側の
   端を除去して構成された鏡面と を備えてなることを特徴とする光半導体装置。
2. （２）半導体基板上に積層されて導波路を構成する導波
   路コア層及びクラッド層と、 該導波路に入射される光を該クラッド層の方向に反射さ
   せる為に前記導波路コア層に対し傾斜した面をなすよう
   に前記導波路の光が入射される側と反対側の端を除去し
   て構成された鏡面該クラッド層上の該鏡面で反射された
   光を受光し得る位置に固着された半導体受光素子とを備
   えてなることを特徴とする光半導体装置。