JPH04208578A - 半導体受光素子 - 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】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は半導体受光素子の構造に
関する。 ［０００２］ 【従来の技術】光フアイバ通信方式は、マイクロ波同軸
ケーブル通信方式に比べ低損失であること、広幣域が実
現されること、電磁誘導を受けないこと等の特徴にすぐ
れ、急速に発展している通信方式である。特に幹線系光
通信システムにおける昨今の技術革新はめざましく、動
的単一軸モードでつねに安定して発振するＤＦＢ−ＬＤ
（分布帰還型レーザダイオード）、高効率・高感度を同
軸に実現したＡＰＤ　（アバランシェフォトダイオード
）の開発、実用化とともにＩＧｂ／ｓ〜２Ｇｂ／ｓの光
通信システムがすでに商用化に達している。こうした状
況のなか、さらなる中継器間隔の長距離化、高速変調に
よる大容量化をめざした次世代光通信システムに対する
研究開発も活発に行なわれている。このうち中継器間隔
の長距離化を考えた場合には、発振波長１．３μｍのＤ
ＦＢ−ＬＤの高出力化、１．５５μｍのＤＦＢ−ＬＤの
狭スペクトル化等の発光素子に特性改善が要求されるだ
けでなく、ＡＰＤの受信感度の高感度化等受光素子にも
同様に特性改善が要求される。またこのような中継器間
隔の長距離化にともなって光ファイバの破断点を検出す
る、○ＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉ
ｎ　Ｒｅｆｊｅ　ｃｔｏｍｅｔｅｒ）の高感度化も強く
求められ、ここでも用いる発光素子の高出力化と受光素
子の受信感度の高感度化が期待されている。 ［０００３］ところで、特に受光素子の受信感度の高感
度化については、その改善対策として２つの方法が考え
られる。１つは受光素子の光電効率を向上させて高感度
化をはかる方法であり、もう１つは受光素子の暗電流を
抑制して高感度化をはかる方法である。このうち受光素
子の光電効率の向上については、従来の構造の素子で波
長帯１．３μｍで平均８５％の光電効率のものが得られ
ており、これ以上大幅に改善することは材料物性から言
っても困難である。 ［０００４］図３は従来のアバランシェフォトダイオー
ドの構造を示す断面図である。従来のアバランシェフォ
トダイオードではｎ−ＩｎＰ基板３１上にｎ−ＩｎＧａ
Ａｓアバ７２２１層３２およびｎ−ＩｎＰ層３層上３層
し、ｎ−ＩｎＰ層３層上３−ドリング３４とｐ型半導体
領域（光吸収層）３５とを形成したのち、表面保護膜３
６および電極３７．３８を積層するという構造を採用し
ている。実際にこの構造を有したアバランシェフォトダ
イオードの光電効率は波長帯１，３μｍで平均８５％と
きわめて高く、これ以上の改善は容易ではない。 ［０００５１図４はさらに高効率をめざして半導体基板
に凹面の反射鏡を形成した従来のアバランシェフォトダ
イオードの構造を示す断面図である。本構造においては
ｎ”ＩｎＰ基板４１の一部に凹面鏡１４１を形成してい
るために、ｐ型半導体領域（光吸収層）４５への入射光
のうち吸収できなかった光を凹面鏡１４１て反射させ再
び光吸収層に入射することにより光電効率の高効率化を
はかったものであり、実際の光電効率は波長帯１４３μ
ｍで平均９０％以上と図３の構造に比べさらに約５％の
改善が得られている。一方、受光素子の暗電流の抑制に
ついては、ウェハ成長時の微妙な成長条件の違いで大き
く異なるため画期的に改善し、それを制御することは容
易ではなかった。 ［０００６］

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の構造の
アバランシェフォトダイオードで受信感度をより高感度
にするには光電効率の向上、暗電流の抑制が必要とされ
るが、ともに容易ではなくまた改善効果も著しくはなか
った。特に、暗電流については素子の使い方で間接的に
値が左右されるために、素子自体の暗電流の絶対値を低
減するだけでは十分ではない。通常、受光素子は入射光
を受光面にレンズ集光させ光電効果によって生じた光電
流から信号をとりだしているが、このときアバランシェ
フォトダイオードの増倍率はレンズ集光の度合いによっ
て左右される。図５はレンズ集光の度合いによって増倍
率が変化する様子を模式的に示した電圧−増倍率曲線図
である。実線は光径を約３５μｍに集光した場合、点線
は光径を約７μｍに集光した場合をそれぞれ示している
が、光径を約３５μｍに集光した場合には光径的７μｍ
の場合に比べて同じ電圧でも大きな増倍率を得ることが
できる。これは、入射光を極度に集光した場合には局所
的に光電流が流れ、それにともなう電圧降下が増倍率の
増加を妨げるためである。従って、同じ増倍率で使用し
た場合は光径を約３５μｍに集光した場合の方が低い電
圧すなわち暗電流の小さい領域で使用することになり、
受信感度が向上する。ここで用いた光径的７μｍ、約３
５μｍとはそれぞれＳＭＦ　（シングルモードファイバ
）、ＭＭＦ（マルチモードファイバ）からの出射光をレ
ンズ集光した際の最小光径である。一般に、半導体受光
素子と光ファイバをレンズ結合させたいわゆる受光モジ
ュールを開発する際には、用いる受光素子の受光径を考
慮して十分なトレランスが得られるように用いる光ファ
イバを選定する。特に１〜２Ｇｂ／Ｓ以上の光通信シス
テムに用いて十分な高速動作性を確保するには受光素子
の受光径を５０μｍ以下にしておく必要があり、またそ
の際に用いる光ファイバは光軸の十分なトレランスを考
えるとＭＭＦよりＳＭＦの方が適している。一方、ＳＭ
Ｆをレンズ集光させると、光径が約７μｍとなり上記に
述べたように増倍率が上がらず高い受信感度が期待でき
なかった。またモジュールとして製品化する際にも、予
め極度に集光しないように意図的に適度に光径を広げて
レンズ結合するのは容易ではなく、また光学系の位置ず
れに対して光電効率が劣化するために光軸の信頼性を考
慮するとはいえなかった。 ［０００７］

【課題を解決するための手段】本発明の半導体受光素子
は、少なくとも半導体基板と光吸収層とアバランシエ層
とを有し、入射光が該光吸収層に到達するまでの光路上
に凹レンズを形成することを特徴とする。 ［０００８１ 【実施例１］次に本発明について図面を参照して詳細に
説明する。図１は、本発明の実施例１を示す半導体受光
素子の構造の断面図である。本発明の半導体受光素子は
ｎ−ＩｎＰ基板１１上にｎ−１，ｎＧａＡｓ７２７２２
１層１２、ｎ−ＩｎＰ層１３を積層し、ｎ−ＩｎＰ層１
３にガードリング１４とｐ型半導体領域（光吸収層）１
５とを形成したのち、表面保護膜１６および電極１７．
１８を積層し、さらに凹レンズ１１２を電極１７に接し
て接着形成する。 ［０００９］凹レンズ１１２は極度にレンズ集光した入
射光の光径を広げて光吸収層に入射するために、局所的
に光電流が流れることによる電圧降下で増倍率の増加が
妨げられることがない。実際にＳＭＦで光径約７μｍに
までレンズ集光されて入射した光を用いる凹レンズの曲
率半径を変えることにより、光径約１０μｍ〜約５０μ
ｍにまで光吸収層に入射する光径を変化させることがで
きた。従って適当な曲率半径の凹レンズを選択すること
により、半導体受光素子自体を低い電圧、すなわち暗電
流の小さい領域で使用することができ受信感度を向上さ
せることができる。尚、本実施例では高感度と同時に光
電効率の向上をもはかるためにｎ−ＩｎＰ基板１１に凹
面鏡１１１を形成している。また、本実施例においては
凹レンズ１１２は電極１７に接して形成しているが、凹
レンズの形成位置・方法は本実施例の本質に関わるもの
ではない。 ［００１０１ 【実施例２］図２は、本発明の実施例２を示す半導体受
光素子の構造の断面図である。本実施例も実施例１と同
様にｎ−ＩｎＰ基板２１上にｎ−ＩｎＧａＡｓ７２９２
２１層２２、ｎ−ＩｎＰ層２３を積層し、ｎ−ＩｎＰ層
２３にガードリング２４とｐ型半導体領域（光吸収層）
２５とを形成したのち、表面保護膜２６および電極２７
．２８を積層する。本実施例においてはｎ−ＩｎＰ基板
をエツチングしてｎ−ＩｎＰ基板自体を凹レンズ１２２
に加工・形成し、ｎ−ＩｎＰ基板側からレンズ集光して
入射した光の光径を広げて光吸収層に入射する構造にし
たので、局所的に光電流が流れることにより電圧降下で
増倍率の増加が妨げられることがない。従って、実施例
１と同様に曲率半径の凹レンズを選択することにより、
半導体受光素子自体を低い電圧、すなわち暗電流の小さ
い領域で使用することができ受信感度を向上させること
ができる。特に本実施例においては比較的容易に凹レン
ズを形成することができ、かつ光吸収層に上の電極を全
面に形成することができるため応答速度の受光面内のば
らつきを低く抑えることができる。尚、本実施例では高
感度と同時に光電効率の向上をもはかるためにｐ型半導
体領域（光吸収層）２５に接して反射膜を形成し、光吸
収層で吸収できなかった光を反射膜で反射させ再び吸収
層に入射する構造を採用している。また、本実施例にお
いては凹レンズ１２２はｎ−ＩｎＰ基板上に形成してい
るが、凹レンズの形成位置・方法は本実施例の本質に関
わるものではない。 ［００１１１ 【発明の効果］以上説明したように本発明の半導体受光
素子は、少なくとも半導体基板と光吸収層とアバランシ
二層とを有する半導体受光素子において、入射光が光吸
収層に到達するまでの光路上に凹レンズを形成すること
により、レンズ集光された入射光の光径を広げて光吸収
層に入射することができ低い電圧で高い増倍率が得られ
るため、素子自体を暗電流の小さい領域で使用して高い
受信感度を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す半導体受光素子の構造
の断面図。

【図２】本発明の実施例２を示す半導体受光素子の構造
の断面図。

【図３】従来のアバランシェフォトダイオードの構造を
示す断面図。

【図４】半導体基板に凹面の反射鏡を形成した従来のア
バランシェフォトダイオードの構造を示す断面図。

【図５】レンズ集光の度合いによって増倍率が変化する
様子を模式的に示した電圧−増倍率曲線図である。

【符号の説明】

１１．２１，３１．４１　　　ｎ−ＩｎＰ基板１２．２
２，３２，４２　　　ｎ、−ＩｎＧａＡｓアバランシェ
層 １３．２３，３３．４３　　　ｎ−ＩｎＰ層１４、　２
４．　３４．　４４　　　ガードリング１５．２５，３
５．４５　　　ｐ型半導体領域（光吸収層） １６、　２６．　３６．４６　　　表面保護膜１７、　
１８．　２７．　２８．　３７．　３８．　４７．　４
８電極 １１１．１４１　　　凹面鏡 １１２．１２２　　　凹レンズ １２３　　反射膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも半導体基板と光吸収層とアバラ
   ンシェ層とを有する半導体受光素子において、入射光が
   該光吸収層に到達するまでの光路上に凹レンズを形成す
   ることを特徴とする半導体受光素子。