JPH04373180A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体受光素子に関し、
特に、素子の実装、接続によって動特性を劣化させるこ
とがない半導体受光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】幹線系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−ドで常に安定して発
振するＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レ−ザダイオ−ド）及
び高効率、高感度を同時に実現したＡＰＤ（アバランシ
ェフォトダイオ−ド）の開発、実用化と共に１Ｇｂ／ｓ
〜２Ｇｂ／ｓの光通信システムがすでに商用化に達して
いる。こうした状況において、さらなる中継器間隔の長
距離化、超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
。

【０００３】このうち、超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おいては、発光素子、受
光素子に直結される駆動回路、初段増幅器それぞれが超
高速動作のために集積回路化されるだけでなく、これら
の集積回路と発光素子、受光素子との接続に際し、でき
るだけ寄生容量、寄生インダクタンスを生じないように
することが重要である。

【０００４】これまで実用、商用化に達した１Ｇｂ／ｓ
〜２Ｇｂ／ｓ幹線系光通信システムでは、各々の素子の
動作速度について様々な検討がなされていたが、これら
の実装及び接続によって生ずる動特性の劣化については
、使用領域が比較的低周波領域であったこともあり、十
分な検討や対策がなされていなかった。

【０００５】具体的には、発光素子、受光素子や駆動回
路、初段増幅器は、それぞれ単体で個々のパッケ−ジに
封入されており、各々の素子は、回路基盤上に実装され
た後リ−ド線等を使用して接続されていた。この方法で
は、各々の素子にはあらかじめ十分な選別、スクリ−ニ
ングを施すことができるため、各種の電気特性、光学特
性を確認できるだけでなく、動作速度、信頼性について
もそれぞれ確認しておくことができるという大きな利点
を有しているが、素子を封入している個々のパッケ−ジ
に寄生容量や寄生インダクタンスが付随しているため、
これらの素子の実装及び接続によって動特性が劣化して
しまうという大きな欠点をも有している。

【０００６】従って、この方法が極めて有効であるのは
、〜２Ｇｂ／ｓの変調速度域までで、これ以上の超高速
変調では、実装方法や個々の素子間の接続方法にも新し
い方法を確立する必要がある。この新しい方法としては
、（１）　発光素子や受光素子を駆動回路、初段増幅器
の集積回路それぞれを近接実装し、両者を約１ｍｍ程度
のボンディングワイヤによって接続する方法（ベアチッ
プによる実装）、（２）　集積回路上にあらかじめ発光
素子、受光素子用の実装パタ−ンを形成しておき、その
上に発光素子、受光素子を実装することで集積回路との
接続をとる方法（フリップチップ実装）、（３）　発光
素子、受光素子自体をそれぞれの集積回路上に形成して
一体の素子にする方法（ＯＥＩＣ）とがある。

【０００７】それぞれの実装方法で十分に超高速動作が
可能な素子を実装、接続した場合、動作可能な変調周波
数域は、（１）　ベアチップによる実装方法で約５ＧＨ
ｚまで、（２）　フリップチップ実装で約１０ＧＨｚま
で、そして、（３）　ＯＥＩＣではさらに高周波領域ま
でと推定されている。

【０００８】現在、開発が盛んに進められている２．５
Ｇｂ／ｓ幹線系光通信システム用受光モジュ−ルにおい
ても、初段増幅集積回路内蔵受光モジュ−ルでは、実装
及び素子間の接続についても配慮がなされ、ベアチップ
実装による初段増幅集積回路を受光素子に近接実装し、
ボンディングワイヤで接続した構成を取っている。

【０００９】図３は、従来の初段増幅集積回路内蔵受光
モジュ−ルの簡易的な構成図であり、この図３に基づい
て従来例を説明すると、光ファイバ１３１から出射され
た信号光は、セルフォックレンズ１３３で集光された後
受光素子３１に入射され、光電効果によって電気信号に
変換される。受光素子３１は、初段増幅集積回路３３と
近接して台座３６上に実装されており、変換された電気
信号は、高速動作性を妨げることなくボンディングワイ
ヤ３２を通じて初段増幅集積回路３３に入力されて増幅
され、更に、回路基盤上に形成された電極パタン３４を
伝送され、出力端子３５に接続されたのち、初段増幅集
積回路内蔵受光モジュ−ルから出力される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、２Ｇｂ／ｓ
以上の超高速変調を実現するためには、上記したように
、受光素子と初段増幅器とは同一平面上に近接して実装
され、約１ｍｍ程度のボンディングワイヤで接続される
ことが必要である。また、実際の装置あるいはプリント
基盤への実装を考えた場合、受光モジュ−ル自体は、平
面実装可能な形態、即ち、光信号を入力する光ファイバ
と受光モジュ−ルの出力端子とが同一平面に対して平行
となるような形態をしていることも必要とされる。

【００１１】しかしながら、従来の上記した初段増幅集
積回路内蔵受光モジュ−ルにおいては、受光素子の実装
面、初段増幅集積回路３３の実装面と受光モジュ−ル自
体の実装面とは、互いに平行とすることは困難である。 これは、信号光の入力方向と受光素子の受光面とが互い
に直交するように位置することが必要とされるためであ
り、このため、例えば受光素子と初段増幅集積回路とを
同一平面上に近接して実装した図３のような従来例にお
いては、初段増幅集積回路の出力部までは高速応答性を
劣化させることがないが、初段増幅回路の出力部と受光
モジュ−ルの出力端子とが互いに直交した面内にあるた
め、回路基盤上の電極パタンに沿って電気信号を伝送さ
せる際に、高速応答性の劣化を避けることができない。

【００１２】従って、実装及び素子間の接続で、高速応
答性を劣化させないベアチップによる実装の最大のメリ
ットを十分に生かすには、受光モジュ−ルでは、光信号
を入力する光ファイバと受光モジュ−ルの出力端子とが
同一平面に対して平行となるような構造を如何にして実
現するかということが最大の問題点となる。この問題点
に対し、受光素子に対する光信号の入力方向を光結合系
に工夫をすることで解決する方法が考えられる。

【００１３】図４は、光ファイバの先端部を直接加工し
て光ファイバの方向と光信号の入力方向とを直交させる
ことを実現したペリカンビルファイバを用いた初段増幅
集積回路内蔵受光モジュ−ルの簡易的な構成図である。 ペリカンビルファイバ１４２は、あらかじめ先端を先球
加工した光ファイバの先球部を斜めに研磨して信号光を
反射させ、光ファイバの方向と光信号の出射方向とを直
交させることを可能にしている。

【００１４】即ち、信号光は、ペリカンビルファイバ１
４２によって光ファイバの方向と直交する方向に反射さ
せられたのち、受光素子４１に入射され、光電効果によ
って電気信号に変換される。そして、受光素子４１は、
初段増幅集積回路４３と近接して実装されているので、
変換された電気信号は、高速動作性を妨げることなくボ
ンディングワイヤ４２を通じて初段増幅集積回路４３に
入力されて増幅され、更に、回路基盤上に形成された極
めて短い電極パタン４４を通じて出力端子４５に接続さ
れ、初段増幅集積回路内蔵受光モジュ−ルから出力され
る。なお、図４において、４６は台座である。

【００１５】図４に示す例においては、ペリカンビルフ
ァイバ１４２を用いることにより、受光素子４１の実装
面、初段増幅集積回路４３の実装面と受光モジュ−ルか
らの出力端子即ち受光モジュ−ル自体の実装面とは、互
いに平行とすることが可能となり、素子の実装、接続に
よって動特性を劣化させることはないが、一方で、ペリ
カンビルファイバ１４２自体の製作が容易でなく、再現
性がよくないこと、更には、複雑な形状をしているため
、ファイバ内で損失を生じ、十分な光電効率、ひいては
、高い受信感度を得ることが困難であるという欠点を有
している。

【００１６】そこで、本発明は、上記した問題点、欠点
を解消する半導体受光素子を提供することを目的とし、
特に、素子の実装、接続によって動特性を劣化させるこ
とがない半導体受光素子を提供することを目的とし、更
に、実装並びに次段素子への接続での寄生容量及び寄生
インダクタンスが小さい形態の半導体受光素子を提供す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そして、本発明は、上記
目的を達成するため、光入射導波路の出射端面部に傾斜
反射鏡を有する点を特徴とする。即ち、本発明は、第１
導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層に接し
前記第１の半導体層よりバンドギャップが小さい第１導
電型の第２の半導体層と、前記第２の半導体層に接し前
記第２の半導体層よりバンドキャップが大きい第２導電
型の第３の半導体層とからなる半導体受光素子において
、前記第１の半導体層の側端部に傾斜反射鏡を有するこ
とを特徴とする半導体受光素子である。

【００１８】

【作用】本発明の半導体受光素子は、上記したように、
第１の半導体層の側端部に傾斜反射鏡を有する構造であ
り、例示すれば、第１の半導体層の側端部に傾斜面を形
成するものである。この傾斜面は、反射鏡としての機能
を有し、これにより、半導体受光素子の実装面に対して
平行に信号光を入射することができ、素子の実装、接続
での動特性劣化を防止する作用が生ずる。また、本発明
は、上記した傾斜反射鏡を有することにより、実装並び
に次段素子への接続での寄生容量及び寄生インダクタン
スが小さい形態の半導体受光素子とすることができる。

【００１９】

【実施例】次に、図１及び図２について本発明を詳細に
説明する。図１は、本発明の一実施例（実施例１）を示
す半導体受光素子の断面図であり、図２は、本発明の他
の実施例（実施例２）を示す半導体受光素子の断面図で
ある。

【００２０】（実施例１）本発明の半導体受光素子は、
例えば図１示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−Ｉ
ｎＰバッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３、ｎ−
ＩｎＰ窓層４を順次成長させた後、選択熱拡散法により
ｎ−ＩｎＰ窓層４中にｐ−ＩｎＰ層６を形成する。次に
、表面保護のため、ＳｉＮｘ膜（絶縁膜）５をプラズマ
ＣＶＤにより形成した後、ｐ−ＩｎＰ層６上に穴開けを
行ない、ｐ側電極８を形成する。そして、ｎ−ＩｎＰ基
板１側にｎ側電極９を形成し、遮光マスクパタ−ンを形
成し、リアクティブイオンビ−ムエッチング（ＲＩＢＥ
）により４５度の傾斜面（傾斜反射鏡部）７を形成する
。ここでの傾斜反射鏡を全反射鏡とする傾斜角度の条件
は、本実施例においては、ｎ−ＩｎＰ基板１としてＩｎ
Ｐ（屈折率〜３．４）を用いているので、スネルの法則
により１７．１度以上の角度であれば良い。

【００２１】このようにして製作した半導体受光素子は
、ｎ−ＩｎＰ基板１の傾斜反射鏡の対向端面から入射し
た信号光は、層内を導波し、傾斜反射鏡で垂直方向に変
換され、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３の領域に達し、光
電変換される。従って、受光素子の実装面に対して平行
に信号光を入射することが可能となり、素子の実装、接
続によって動特性劣化させることなく、初段増幅集積回
路内蔵受光モジュ−ルを製作することができる。なお、
本実施例においては、半導体受光素子として、ＰＩＮホ
トダイオ−ドについて説明したが、本発明は、これに限
定されるものではない。また、アバランシェ層を有する
アバランシェホトダイオ−ドについても同様の効果が得
られるものであり、これも、当然のことながら、本発明
に包含されるものである。

【００２２】（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断面図であり、この受光素子は、
実施例１と同様、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバ
ッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３、ｎ−ＩｎＰ
窓層４を順次成長させ、該ｎ−ＩｎＰ窓層４中にｐ−Ｉ
ｎＰ層６を形成する。そして、同じく、ＳｉＮｘ膜（絶
縁膜）５、ｐ側電極８を形成し、更に、傾斜面（傾斜反
射鏡部）７を形成する点は、実施例１と同じである。こ
の実施例２では、特に、傾斜面（傾斜反射鏡部）７を形
成した後、ｎ側電極９を形成し、該傾斜面（傾斜反射鏡
部）７にもｎ側電極９を形成するものであり、更に、こ
の傾斜面（傾斜反射鏡部）７の対向面の側面にＳｉＮｘ
の光反射防止膜２０を形成している。このようにしたこ
とにより、光入射端面部での反射損失を低減でき、高効
率の半導体受光素子が得られる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の半導体受光素子は、以上詳記し
たとおり、光入射導波路の出射端面部に傾斜面（傾斜反
射鏡部）を有している構造のものであり、このため、受
光素子の実装面に対して平行に信号光を入射することが
でき、素子の実装、接続によって動特性を劣化させるこ
とがなく、また、ファイバ結合させるモジュ−ル化にお
いては、薄型のモジュ−ルが構成できるという顕著な効
果が生ずる。また、本発明は、実装並びに次段素子への
接続での寄生容量及び寄生インダクタンスが小さい形態
の半導体受光素子とすることができる効果が生ずる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体受光素子の断面
図。

【図２】本発明の他の実施例である半導体受光素子の断
面図。

【図３】従来の初段増幅集積回路内蔵受光モジュ−ルの
簡易的な構成図。

【図４】ペリカンビルファイバを用いた初段増幅集積回
路内蔵受光モジュ−ルの簡易的な構成図。

【符号の説明】

１　　ｎ−ＩｎＰ基板 ２　　ｎ−ＩｎＰバッファ層 ３　　ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ４　　ｎ−ＩｎＰ窓層 ５　　ＳｉＮｘ膜 ６　　ｐ−ＩｎＰ層 ７　　傾斜面（傾斜反射鏡部） ８　　ｐ側電極 ９　　ｎ側電極 ２０　　光反射防止膜 ３１　　受光素子 ３２　　ボンディングワイヤ ３３　　初段増幅集積回路 ３４　　電極パタン ３５　　出力端子 ３６　　台座 １３１　　光ファイバ １３３　　セルフォックレンズ ４１　　受光素子 ４２　　ボンディングワイヤ ４３　　初段増幅集積回路 ４４　　電極パタン ４５　　出力端子 ４６　　台座 １４２　　ペリカンビルファイバ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１導電型の第１の半導体層と、前記
   第１の半導体層に接し前記第１の半導体層よりバンドギ
   ャップが小さい第１導電型の第２の半導体層と、前記第
   ２の半導体層に接し前記第２の半導体層よりバンドキャ
   ップが大きい第２導電型の第３の半導体層とからなる半
   導体受光素子において、前記第１の半導体層の側端部に
   傾斜反射鏡を有することを特徴とする半導体受光素子。