JPH06268196A - Optical integrated device - Google Patents

Optical integrated device

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JPH06268196A
JPH06268196A JP5052829A JP5282993A JPH06268196A JP H06268196 A JPH06268196 A JP H06268196A JP 5052829 A JP5052829 A JP 5052829A JP 5282993 A JP5282993 A JP 5282993A JP H06268196 A JPH06268196 A JP H06268196A
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JP
Japan
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optical
semiconductor
layer
optical waveguide
light receiving
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Application number
JP5052829A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Sadamasa
哲雄 定政
Nobuo Suzuki
信夫 鈴木
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
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Priority to JP5052829A priority Critical patent/JPH06268196A/en
Publication of JPH06268196A publication Critical patent/JPH06268196A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide an optical integrated device with an integration board, on which a high-efficiency dual-valance-type receiver, a high-efficiency semiconductor laser unit, and an optical waveguide are assembled in a well-matched way. CONSTITUTION:An optical waveguide 421 is formed on a semi-insulating substrate 111 made of InP. On the InP substrate 111, an optical coupling element 424, a semiconductor laser 423, and a light receiving element 425 are integrated while they are connected with the optical waveguide 421. The optical waveguide 421, which is of semiconductor rib-type, is formed on an optical waveguide film made of laminated low-density semiconductor layers. Then, the semiconductor laser 423 and an active region 144d of the light-receiving element 425 are put selectively with a given width to the optical waveguide 421. A surrounding part of the active layer 114d is covered with a crystal layer that constitutes a rib with a smaller refractive index than that of the active region 114d. In this case, the optical waveguide 421, the optical coupling element 424, the semiconductor laser 423, and the light-receiving element 425 constitutes a mesa structure with a given width.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路と受光素子,
方向性結合素子,半導体レーザ等を組み合わせてなるコ
ヒーレント光通信用の光集積装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an optical waveguide and a light receiving element,
The present invention relates to an optical integrated device for coherent optical communication, which is formed by combining a directional coupling element, a semiconductor laser, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光周波数多重技術により従来に比
べて情報の伝送容量を飛躍的に高めることが可能な、コ
ヒーレント光通信システムの研究開発が盛んに行われて
いる。この周波数多重光通信システムでは、受信側にお
いて、チャンネルを選択する際に用いる波長の変えられ
る局部発振用の半導体レーザ,デュアルバランス型受光
素子等からなる光ヘテロダイン受信装置をハイブリッド
構成する方式が提案されている。これらを半導体基板上
に集積化することによって、光素子間の接続を半導体光
導波路で実現できるので、多くの光学部品の接続が不必
要となり、受信システムとしての安定性や信頼性を高め
ることが可能となる。
2. Description of the Related Art In recent years, research and development of a coherent optical communication system capable of dramatically increasing the information transmission capacity by using optical frequency multiplexing technology have been actively conducted. In this frequency-multiplexed optical communication system, a method is proposed in which a hybrid configuration of an optical heterodyne receiving device including a semiconductor laser for local oscillation whose wavelength can be changed when selecting a channel, a dual-balance type light receiving element, etc., on the receiving side is proposed. ing. By integrating these on a semiconductor substrate, the connection between optical elements can be realized by a semiconductor optical waveguide, so connection of many optical components becomes unnecessary, and stability and reliability as a receiving system can be improved. It will be possible.

【0003】これまでに、光部品を集積化した典型的な
例として、n型半導体基板上に光導波路,半導体レー
ザ,光結合素子,フォトダイオード等の各種機能素子を
集積化した集積型光半導体装置(光集積装置)が提案さ
れている(特開平3−44989号公報)。光導波路
は、高抵抗半導体でクラッド層を形成した埋め込みリブ
型構造である。この装置の性能はヘテロダイン受信器と
しての基本動作が確認された段階程度であり、受信特性
は極めて低いものである。
Heretofore, as a typical example of integrating optical components, an integrated optical semiconductor in which various functional elements such as an optical waveguide, a semiconductor laser, an optical coupling element, and a photodiode are integrated on an n-type semiconductor substrate. A device (optical integrated device) has been proposed (JP-A-3-44989). The optical waveguide has a buried rib type structure in which a clad layer is formed of a high resistance semiconductor. The performance of this device is at the stage where the basic operation as a heterodyne receiver has been confirmed, and the reception characteristic is extremely low.

【0004】上記従来技術による光集積装置では、n型
半導体基板上に各機能素子を設けているために半導体基
板が共通電位となり、フォトダイオードを直列に接続し
たデュアルバランス型受信器を構成することが不可能で
あった。デュアルバランス型受信器の機能は、情報を有
する微弱な信号光を出力レベルの高い局発光と重ね合わ
せて光検波器で高感度受信するものであり、高効率,高
速応答可能な受光素子を対称性良く構成することが極め
て重要な課題である。
In the above-described conventional optical integrated device, since each functional element is provided on the n-type semiconductor substrate, the semiconductor substrate has a common potential, and a dual balance type receiver in which photodiodes are connected in series is constructed. Was impossible. The function of the dual-balanced receiver is to superimpose a weak signal light containing information with local light with a high output level and receive it with high sensitivity by an optical detector. It is a very important issue to construct with good performance.

【0005】半導体レーザにおいては、他の機能素子と
集積化してこれを形成する際に、段差のある箇所に回折
格子を形成する特殊技術や活性層を所定層に制御するた
めに極めて困難な作業を必要としていた。光導波路及び
光結合素子においては、高抵抗半導体による埋め込み構
造では導波路内での曲げによる損失や伝搬損失が高いと
いう問題、そして1μm程度の光導波路コア幅に対して
10倍程度の直径を持つ光ファイバーから出射した光を
アライメントして光導波路に導入しなければならないた
め、高度な技術を用いなければならない問題があった。
In the case of a semiconductor laser, when it is integrated with another functional element to form it, a special technique for forming a diffraction grating at a stepped portion or a very difficult work for controlling the active layer to a predetermined layer Was needed. In the optical waveguide and the optical coupling element, the buried structure of the high resistance semiconductor has a problem that the bending loss and the propagation loss in the waveguide are high, and the diameter is about 10 times the optical waveguide core width of about 1 μm. Since the light emitted from the optical fiber has to be aligned and introduced into the optical waveguide, there is a problem that advanced technology must be used.

【0006】製造方法においては、段差上での回折格子
作製など微細なパターン化工程が必須であり、この工程
での過剰エッチングを防止するために余分な追加層を設
けたり、2重露光プロセス等を駆使する必要があった。
結晶成長には、活性層形成,高抵抗半導体層形成,p型
層形成の3回が必要であり、1回目に7層,2回目に高
抵抗層,3回目に4層の合計12結晶層の構成からなっ
ていた。総合的には50工程以上の極めて複雑なもので
あった。また、高抵抗半導体層を形成するために鉄やク
ロムの不純物をドーピングすることが必要であり、これ
は他の結晶層にとっての汚染要因となる。つまり、光伝
搬損失を少なくするために必要な高純度化が光導波膜の
結晶成長における大きな問題であった。
In the manufacturing method, a fine patterning step such as the production of a diffraction grating on a step is indispensable. An extra additional layer is provided to prevent excessive etching in this step, a double exposure process, etc. Had to make full use of.
Crystal growth requires active layer formation, high-resistance semiconductor layer formation, and p-type layer formation three times. The first is 7 layers, the second is a high resistance layer, and the third is 4 layers, for a total of 12 crystal layers. It consisted of Overall, it was extremely complicated with more than 50 steps. Further, it is necessary to dope impurities such as iron and chromium to form the high resistance semiconductor layer, which becomes a contamination factor for other crystal layers. In other words, the high purification required to reduce the light propagation loss has been a major problem in crystal growth of the optical waveguide film.

【0007】一方、周波数多重コヒーレント光通信で
は、信号光と局部発振光の同相成分を除去するために、
図14のような平衡光受信器を使用する。平衡光受信器
に使用される2つのフォトダイオードは、中間周波数信
号の高周波同相成分の除去を実現するために、同一基板
上にモノリシックに形成することが望まれる。モノリシ
ック集積化により、配線のアンバランスによる同相成分
の混入を極力小さくすることができる。しかしながら、
このようにモノリシック集積化されたフォトダイオード
には、以下に図を用いて説明するような問題があった。
On the other hand, in frequency-multiplexed coherent optical communication, in order to remove the in-phase component of the signal light and the local oscillation light,
A balanced optical receiver as shown in FIG. 14 is used. It is desirable that the two photodiodes used in the balanced optical receiver are monolithically formed on the same substrate in order to realize the removal of the high frequency in-phase component of the intermediate frequency signal. The monolithic integration makes it possible to minimize in-phase component mixing due to wiring imbalance. However,
Such a monolithically integrated photodiode has a problem as described below with reference to the drawings.

【0008】図15は、半絶縁性InP基板1の上に2
つのメサ型pinフォトダイオード2,3が125μm
間隔で集積化された、平衡光受信デバイスの主要部断面
構造図である。各フォトダイオード2,3は、厚さ1.
5μmのn+ 型InP層5,厚さ1.4μmのn- 型I
nGaAs光吸収層6,厚さ1μmのn- 型InP層7
が順次積層された構造をしており、n- 型InP層7の
中には口径20μmのZn拡散領域(p+ 型領域)8が
形成されている。それぞれのフォトダイオード2,3の
n型半導体層5,6,7の側面とp+ 型領域8にはそれ
ぞれ電極10,11が形成されており、電極10,11
の形成されていない部分の表面は絶縁膜12で覆われて
いる。
FIG. 15 shows a semi-insulating InP substrate 1 with two
125 μm of two mesa type pin photodiodes 2 and 3
It is a principal part cross-section structural diagram of the balanced optical receiving device integrated at intervals. Each photodiode 2, 3 has a thickness of 1.
5 μm n + Type InP layer 5, 1.4 μm thick n Type I
nGaAs light absorption layer 6, 1 μm thick n Type InP layer 7
Has a structure in which n are sequentially stacked, and n In the InP layer 7, a Zn diffusion region (p + A mold region 8 is formed. The side surfaces of the n-type semiconductor layers 5, 6 and 7 of the photodiodes 2 and 3 and p + Electrodes 10 and 11 are formed in the mold region 8, respectively.
The surface of the portion where no is formed is covered with the insulating film 12.

【0009】フォトダイオード2のp電極112 とフォ
トダイオード3のn電極103 は、絶縁膜12上の金属
配線131 により結線され、図には書かれていない第1
のメタルバンプ141 に接続されている。フォトダイオ
ード2のn電極102 は、絶縁膜12上の配線132
より、第2のメタルバンプ142 に接続されている。フ
ォトダイオード3のp電極113 は、絶縁膜12上の配
線133 により、第3のメタルバンプ143 に接続され
ている。基板裏面はドライエッチングによりマイクロレ
ンズ15が形成され、さらに無反射コーティング膜によ
り覆われている。このデバイスは、フォトダイオード
2,3の形成された面を下にして、回路基板上にメタル
バンプ14を介してフリップチップ実装されている。
The p-electrode 11 2 of the photodiode 2 and the n-electrode 10 3 of the photodiode 3 are connected by the metal wiring 13 1 on the insulating film 12 and are not shown in the drawing.
Of the metal bump 14 1 . The n-electrode 10 2 of the photodiode 2 is connected to the second metal bump 14 2 by the wiring 13 2 on the insulating film 12. The p-electrode 11 3 of the photodiode 3 is connected to the third metal bump 14 3 by the wiring 13 3 on the insulating film 12. A microlens 15 is formed on the back surface of the substrate by dry etching and is covered with a non-reflection coating film. This device is flip-chip mounted on the circuit board with the surface on which the photodiodes 2 and 3 are formed facing down via the metal bumps 14.

【0010】図15の半導体受光素子を図14の平衡光
受信器として光ヘテロダイン受信に使う場合、フォトダ
イオード2とフォトダイオード3の特性を揃えて、同相
成分除去比を大きくする必要がある。図16は、この2
つのフォトダイオードの暗電流特性を示す図である。電
圧20V以下の領域で、フォトダイオード2の方が暗電
流が大きく、特性が揃っていないことが判る。この原因
は、半絶縁性基板1、それも主として基板1と絶縁膜1
2の界面にできるチャンネルを介した、2つのフォトダ
イオード2,3のn+ 型InP層5の間のリーク電流に
起因する。即ち、図17の等価回路に示すように、基板
ないし基板表面を介したリークパスは、フォトダイオー
ド2に並列なコンダクタンスGL となるため、フォトダ
イオード2とフォトダイオード3の平衡光受信器として
の対称性が壊されているわけである。
When the semiconductor light receiving element of FIG. 15 is used for optical heterodyne reception as the balanced optical receiver of FIG. 14, it is necessary to make the characteristics of the photodiode 2 and the photodiode 3 uniform to increase the common mode component removal ratio. Figure 16 shows this
It is a figure which shows the dark current characteristic of two photodiodes. It can be seen that in the region where the voltage is 20 V or less, the photodiode 2 has a larger dark current and the characteristics are not uniform. This is due to the semi-insulating substrate 1, mainly the substrate 1 and the insulating film 1.
N + of two photodiodes 2 and 3 via a channel formed at the interface of 2 This is due to the leak current between the type InP layers 5. That is, as shown in the equivalent circuit of FIG. 17, the leak path through the substrate or the substrate surface has a conductance G L in parallel with the photodiode 2, so that the photodiode 2 and the photodiode 3 are symmetrical as a balanced optical receiver. The sex is broken.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】このように従来の光集
積装置においては、高性能デュアルバランス型受信器,
高性能半導体レーザ及び低伝搬損失光導波路等を整合性
良く光集積装置内に組み込むことは困難であった。さら
に、結晶成長において汚染原因となる高抵抗半導体層の
形成を省略した簡便な工程で上記の高性能機能素子を光
集積装置内に製造することは困難であった。
As described above, in the conventional optical integrated device, the high performance dual balance type receiver,
It was difficult to incorporate a high-performance semiconductor laser, a low propagation loss optical waveguide, and the like into an optical integrated device with good matching. Furthermore, it has been difficult to manufacture the above-mentioned high-performance functional device in an optical integrated device by a simple process in which the formation of a high-resistance semiconductor layer which causes contamination in crystal growth is omitted.

【0012】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、高性能デュアルバラン
ス型受信器,高性能半導体レーザ及び低伝搬損失光導波
路等を同一基板内に整合性良く組み込むことが可能な光
集積装置を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to match a high-performance dual balance type receiver, a high-performance semiconductor laser, a low propagation loss optical waveguide and the like on the same substrate. An object of the present invention is to provide an optical integrated device that can be incorporated with good performance.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、光の伝
搬損失が少ない高純度化されたリブ型光導波路と、この
光導波路内に構成した光結合素子,半導体レーザ及び導
波型受光素子等からなる光集積装置であって、半絶縁性
基板上においても各機能素子を整合性良く構成可能な構
造としたことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The essence of the present invention is to provide a highly purified rib type optical waveguide with a small propagation loss of light, an optical coupling element, a semiconductor laser and a waveguide type light receiving device formed in the optical waveguide. An optical integrated device including elements and the like has a structure in which each functional element can be configured with good matching even on a semi-insulating substrate.

【0014】即ち本発明は、半導体基板の主面上に光導
波路を形成すると共に、この光導波路に光学的に接続し
て光結合素子,半導体レーザ及び受光素子を集積した光
集積装置において、光導波路は組成の異なる低濃度半導
体層を積層した光導波膜上に形成された半導体リブ型導
波路であって、半導体レーザと受光素子の活性領域は光
導波路上の一部領域に所定の幅で選択的に設けられ、活
性領域の周囲は該活性領域の屈折率よりも小さい屈折率
のリブを構成する結晶層によって覆われ、光導波路,光
結合素子,半導体レーザ及び受光素子は、所定の幅で形
成されたメサ構造であることを特徴とする。
That is, the present invention provides an optical integrated device in which an optical waveguide is formed on the main surface of a semiconductor substrate, and an optical coupling element, a semiconductor laser and a light receiving element are integrated by being optically connected to the optical waveguide. The waveguide is a semiconductor rib type waveguide formed on an optical waveguide film in which low-concentration semiconductor layers having different compositions are laminated.The active region of the semiconductor laser and the light receiving element has a predetermined width in a partial region on the optical waveguide. The active region is selectively provided, and the periphery of the active region is covered with a crystal layer forming a rib having a refractive index smaller than that of the active region, and the optical waveguide, the optical coupling device, the semiconductor laser, and the light receiving device have a predetermined width. Is a mesa structure formed by.

【0015】より具体的には、高性能デュアルバランス
型受信器を対称性良く構成するために、半絶縁性半導体
基板を用いて光学的,電気的なクロストークをなくし、
高速応答特性を得るためにpn接合面積を大幅に減じ
る。半導体レーザでは、活性層上に設ける回折格子を高
精度に形成し、活性層幅サイズ及び活性層脇の幅を厳密
に制御する。光導波路,光結合素子では、カップリング
効率が良く、曲げ等による光伝搬損失の少ないリブ型導
波路を形成するために、リブの高さや幅を半導体レーザ
形成と同様な方法によって精密に制御する。また、光結
合素子での光の分岐を均等に制御するために、リブ上と
リブ脇の光導波路膜上に電極を配置する。全体構造とし
ては、半導体レーザ,受光素子,光結合素子,光導波路
などの構造をメサ型にすることによって、光導波路間の
光のクロストークと各機能素子間の電流漏れを防止させ
る。
More specifically, in order to construct a high performance dual balanced receiver with good symmetry, a semi-insulating semiconductor substrate is used to eliminate optical and electrical crosstalk,
The pn junction area is greatly reduced in order to obtain high-speed response characteristics. In a semiconductor laser, a diffraction grating provided on the active layer is formed with high precision, and the active layer width size and the active layer side width are strictly controlled. In the optical waveguide and the optical coupling element, the height and width of the rib are precisely controlled by the same method as that of the semiconductor laser formation in order to form a rib-type waveguide with high coupling efficiency and little optical propagation loss due to bending or the like. . Further, in order to uniformly control the branching of light in the optical coupling element, electrodes are arranged on the rib and on the optical waveguide film beside the rib. As a whole structure, the structure of the semiconductor laser, the light receiving element, the optical coupling element, the optical waveguide, and the like is made into a mesa structure to prevent light crosstalk between the optical waveguides and current leakage between the functional elements.

【0016】製造方法においては、半導体レーザの回折
格子を精密に形成するために、段差のない平坦な成長層
上でパターン化できる工程を取り入れる。さらに、光導
波層,受光素子部に要求される高純度結晶成長を保持す
るために、高抵抗半導体結晶形成を採用しないで結晶成
長を合計2回でできるようにする。これ等多くの手段に
よって、本発明の光集積装置を実現する。また本発明
は、次のような構成を採用したことを特徴としている。
In the manufacturing method, in order to precisely form the diffraction grating of the semiconductor laser, a step capable of patterning on a flat growth layer without steps is incorporated. Further, in order to maintain the high-purity crystal growth required for the optical waveguide layer and the light receiving element portion, the crystal growth can be performed twice in total without adopting the high resistance semiconductor crystal formation. The optical integrated device of the present invention is realized by many means. Further, the present invention is characterized by adopting the following configuration.

【0017】半絶縁性半導体基板の主面上に光導波路を
備え、この光導波路と光学的に接続された受光素子部を
集積化した光集積装置において、光導波路は組成の異な
る複数の低濃度半導体積層導波膜上に形成された半導体
リブ型導波路と、光導波路に沿った周辺領域に設けられ
た溝からなり、受光素子部は光導波路上の一部領域に積
層形成した低濃度光吸収層と、低濃度光吸収層よりバン
ドギャップエネルギーの大きい半導体層からなるインシ
ュレータ領域と、このインシュレータ領域を介してp型
半導体とn型半導体をインシュレータ領域側壁近傍に配
置構成し、該側壁に対向するp型半導体の一部を除去し
てなる導波型pin受光素子とからなることを特徴とす
る。
In an optical integrated device in which an optical waveguide is provided on the main surface of a semi-insulating semiconductor substrate and a light receiving element portion optically connected to the optical waveguide is integrated, the optical waveguide has a plurality of low concentration different compositions. It consists of a semiconductor rib type waveguide formed on the semiconductor laminated waveguide film and a groove provided in the peripheral region along the optical waveguide. An absorption region, an insulator region formed of a semiconductor layer having a bandgap energy larger than that of the low-concentration light absorption layer, and a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are arranged in the vicinity of the insulator region sidewall through the insulator region and face the sidewall. And a waveguide type pin light receiving element obtained by removing a part of the p-type semiconductor.

【0018】また、半絶縁性半導体基板の主面上に光導
波路を備え、この光導波路と光学的に接続された受光素
子部を集積化した光集積装置において、光導波路は組成
の異なる複数の低濃度半導体積層導波膜上に形成された
半導体リブ型導波路と、光導波路に沿った周辺領域に設
けられた溝からなり、受光素子部は光導波路上の一部領
域に積層形成した低濃度光吸収層と、低濃度光吸収層に
格子整合して結晶成長可能で且つ金属とのショットキー
接合可能な半導体層からなるインシュレータ領域と、こ
のインシュレータ領域の側壁を覆うように形成した高抵
抗半導体埋込み層と、インシュレータ領域上に設けた金
属層からなる導波型MSM受光素子とからなることを特
徴とする。
Further, in an optical integrated device in which an optical waveguide is provided on the main surface of a semi-insulating semiconductor substrate and a light receiving element portion optically connected to the optical waveguide is integrated, the optical waveguide has a plurality of different compositions. It consists of a semiconductor rib type waveguide formed on a low concentration semiconductor laminated waveguide film and a groove provided in a peripheral region along the optical waveguide. An insulator region composed of a high density light absorption layer, a semiconductor layer capable of crystal growth in lattice match with the low density light absorption layer and capable of Schottky junction with a metal, and a high resistance formed so as to cover a sidewall of the insulator region. It is characterized by comprising a semiconductor embedded layer and a waveguide type MSM light receiving element made of a metal layer provided on the insulator region.

【0019】また、第1導電型の第1の半導体層と、第
1の半導体層上に形成され第1の半導体層よりも禁制帯
幅の狭い半導体を含む第2の半導体層と、第2の半導体
層の上に形成された第2導電型の第3の半導体層からな
る、いわゆるpinフォトダイオードが半絶縁性半導体
基板上に複数集積されてなる半導体受光装置において、
第1の半導体層と半絶縁性半導体基板との間に、第2導
電型の第4の半導体層が形成されていることを特徴とす
る。
A first semiconductor layer of the first conductivity type, a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and including a semiconductor having a bandgap narrower than that of the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer In a semiconductor light receiving device in which a plurality of so-called pin photodiodes, which are formed of a third semiconductor layer of the second conductivity type formed on the semiconductor layer of, are integrated on a semi-insulating semiconductor substrate,
A fourth semiconductor layer of the second conductivity type is formed between the first semiconductor layer and the semi-insulating semiconductor substrate.

【0020】[0020]

【作用】本発明によれば、光導波路,光結合素子,半導
体レーザ及び受光素子等における各機能素子間で光反射
のない光学的接続を実現しつつ、複数の受光素子を集積
化してなるデュアルバランス型受光素子を同一基板内に
配置構成することができる。各機能素子を集積化した光
集積化装置は、小型で信頼性の高いこれまでにない高性
能受信器を実現できる。
According to the present invention, a plurality of light receiving elements are integrated while realizing optical connection between the functional elements in the optical waveguide, the optical coupling element, the semiconductor laser, the light receiving element and the like without light reflection. The balanced type light receiving elements can be arranged and configured on the same substrate. The optical integrated device in which each functional element is integrated can realize a small-sized, highly reliable and unprecedented high-performance receiver.

【0021】受光素子部については、半絶縁性半導体基
板上に電気的クロストークのない受光素子を形成できた
ことによって、複数の受光素子を直列に接続したデュア
ルバランス型受光素子を光集積装置内に対称性良く構成
できる。この受光素子は接合面積の削減によって30G
Hz以上の高速応答特性に優れ、漏れ電流が極めて少な
い(従来比1/1000)ことから高感度受信を可能に
するものである。
Regarding the light receiving element portion, since a light receiving element having no electrical crosstalk can be formed on the semi-insulating semiconductor substrate, a dual balance type light receiving element in which a plurality of light receiving elements are connected in series is provided in the optical integrated device. Can be configured with good symmetry. This light receiving element is 30G
High-speed response characteristics of Hz or higher are excellent, and leakage current is extremely small (1/1000 of the conventional value), which enables high-sensitivity reception.

【0022】半導体レーザ部については、平坦な活性層
面上のパターン化工程が可能となって回折格子を高精度
に形成できる。従って、回折効率を高め、安定な単一の
軸モードで発振する例えばDFB(Distributed Feedba
ck)レーザを低しきい値,高出力(従来比2倍)で構成
できる。また、発振スペクトル線幅は300kHz以下
に狭めることが可能となった。従って、位相雑音のない
コヒーレント受信が可能となる。一方、活性層幅サイズ
を厳密に制御できることから、活性領域の実効屈折率の
乱れを抑えて発振波長の選択性を向上し、発振周波数の
高安定化を実現できる。
In the semiconductor laser section, a patterning process on a flat active layer surface is possible, and a diffraction grating can be formed with high precision. Therefore, for example, DFB (Distributed Feedba) which raises diffraction efficiency and oscillates in a stable single axis mode.
ck) The laser can be configured with a low threshold and a high output (twice compared with the conventional one). In addition, the oscillation spectrum line width can be narrowed to 300 kHz or less. Therefore, coherent reception without phase noise is possible. On the other hand, since the width of the active layer can be strictly controlled, the disturbance of the effective refractive index of the active region can be suppressed, the selectivity of the oscillation wavelength can be improved, and the oscillation frequency can be highly stabilized.

【0023】光導波路部,光結合素子部については、微
弱な信号光をカップリング効率良く導波路に入射し、導
波路内でも曲げや散乱等による光伝搬損失を活性層除去
工程の採用によって低く抑えることができる。また、光
導波層の高純度化が可能となって、光伝搬損失が従来の
1/3に低減でき、加えて、各機能素子との光結合は光
のしみ出しを利用した構造により、反射をなくして結合
効率を従来の2倍に高めることが実現できる。
In the optical waveguide section and the optical coupling element section, weak signal light is incident on the waveguide with high coupling efficiency, and optical propagation loss due to bending and scattering is reduced even in the waveguide by adopting the active layer removing step. Can be suppressed. In addition, the optical waveguide layer can be highly purified, the optical propagation loss can be reduced to one-third that of the conventional one, and the optical coupling with each functional element is reflected by the structure utilizing the exudation of light. It is possible to improve the coupling efficiency twice as much as the conventional one by eliminating the above.

【0024】[0024]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 (実施例1)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Example 1)

【0025】図1〜図5は、本発明の第1の実施例に係
わる光集積装置の製造工程を示すもので、(a)は平面
図、(b)は(a)の半導体レーザ部における矢視B−
B′断面図、(c)は(a)の光結合素子部における矢
視C−C′断面図、(d)は(a)の受光素子部におけ
る矢視D−D′断面図である。この装置は、2本の光導
波路内に、光結合素子,2個の受光素子からなるデュア
ルバランス型受光素子部,多電極レーザを集積構成した
ものである。まず、図1に示すように、半絶縁性InP
基板111上に光導波路及び機能素子を構成するための
半導体積層膜を結晶成長する。半導体積層膜としては、 112;ノンドープ InGaAs 結晶層,1.3 μm組成,厚
さ 0.3〜0.6 μm 113;ノンドープInP結晶層,厚さ0.03〜0.
2μm 114;ノンドープ活性層,厚さ0.05〜0.3μm
1 to 5 show a manufacturing process of an optical integrated device according to a first embodiment of the present invention. (A) is a plan view, (b) is a semiconductor laser portion of (a). View B-
FIG. 6B is a sectional view taken along the line B ', FIG. 9C is a sectional view taken along the line CC' of the optical coupling element portion of FIG. 7A, and FIG. In this device, an optical coupling element, a dual-balanced type light receiving element section composed of two light receiving elements, and a multi-electrode laser are integrated in two optical waveguides. First, as shown in FIG. 1, semi-insulating InP
A semiconductor laminated film for forming an optical waveguide and a functional element is crystal-grown on the substrate 111. The semiconductor laminated film includes: 112; non-doped InGaAs crystal layer, 1.3 μm composition, thickness 0.3 to 0.6 μm 113; non-doped InP crystal layer, thickness 0.03 to 0.
2 μm 114; non-doped active layer, thickness 0.05-0.3 μm

【0026】を順次成長形成する。ノンドープ活性層1
14は、例えば次の層構成となっている。即ち、厚さ1
0nmのノンドープInGaAs結晶層(1.3μm組
成)と、厚さ8nmのノンドープInGaAs結晶層
(1.5μm組成)とを交互に10層ずつ形成した多重
量子井戸と、厚さ50〜200nmのノンドープInP
結晶層である。以上の半導体積層膜と基板との界面に必
要に応じてノンドープInPバッファー層を10nm以
上の厚さで形成することもある。
Are sequentially grown and formed. Non-doped active layer 1
14 has the following layer structure, for example. That is, thickness 1
A multiple quantum well in which 10 layers of a 0-nm non-doped InGaAs crystal layer (1.3 μm composition) and an 8-nm-thick non-doped InGaAs crystal layer (1.5 μm composition) are alternately formed, and a non-doped InP layer of 50 to 200 nm thickness.
It is a crystal layer. If necessary, a non-doped InP buffer layer may be formed with a thickness of 10 nm or more at the interface between the semiconductor laminated film and the substrate.

【0027】次いで、活性層114上に、2光束干渉露
光法によって周期240nmの1次の回折格子を形成す
る。この際、活性層表面は平坦である。従って、極めて
精巧な回折格子パターンを形成できる。
Next, a first-order diffraction grating having a period of 240 nm is formed on the active layer 114 by the two-beam interference exposure method. At this time, the surface of the active layer is flat. Therefore, a very fine diffraction grating pattern can be formed.

【0028】次いで、受光素子部の活性領域114dに
窓開けしたSiOマスクを設け、プロトン照射を行って
前述の量子井戸を破壊する。プロトン照射によって、活
性領域114dのバンドギャップエネルギーは小さくな
って受光素子としての変換効率を向上させる。又は、窓
開けした部分の活性層を除去し、選択結晶成長によって
InGaAs層を0.5μm程度の厚さに形成する。こ
の場合は、3回の結晶成長が必要となる。なお、活性領
域114dに前述の加工を行わなくともよい。
Next, an SiO mask having a window is provided in the active region 114d of the light receiving element portion, and proton irradiation is performed to destroy the above quantum well. The proton irradiation reduces the bandgap energy of the active region 114d and improves the conversion efficiency of the light receiving element. Alternatively, the active layer in the portion where the window is opened is removed, and the InGaAs layer is formed to a thickness of about 0.5 μm by selective crystal growth. In this case, it is necessary to grow the crystal three times. The active region 114d may not be processed as described above.

【0029】次いで、活性層114をパターン化して最
終的に残す活性層114b,114dの周囲に溝を形成
する。溝の幅は活性層脇で1〜3μmとする。また、光
導波路部での溝幅は3〜8μm、光結合素子部での溝幅
は4〜16μmにする。溝形成工程では活性層の厚さが
少ないことから横方向エッチングを極めて少なくするこ
とが可能で、マスクパターンの設定通りにできる。以上
の工程において、光結合素子部及び光導波路には活性層
を残さない。
Next, trenches are formed around the active layers 114b and 114d that are finally left by patterning the active layer 114. The width of the groove is 1 to 3 μm on the side of the active layer. The groove width in the optical waveguide portion is 3 to 8 μm, and the groove width in the optical coupling element portion is 4 to 16 μm. Since the thickness of the active layer is small in the groove forming step, lateral etching can be extremely reduced, and the mask pattern can be set. In the above steps, no active layer is left in the optical coupling element section and the optical waveguide.

【0030】各々の結晶層は減圧MOCVD法、或いは
クロライド気相成長法を用いた結晶成長で積層構造が形
成され、キャリア濃度は全て5×1015cm-3以下に設
定されている。
Each of the crystal layers has a laminated structure formed by crystal growth using the low pressure MOCVD method or the chloride vapor phase epitaxy method, and the carrier concentrations are all set to 5 × 10 15 cm -3 or less.

【0031】次いで、図2に示すように、第2回目の結
晶成長により半導体積層膜211を結晶成長する。半導
体積層膜211は、厚さ0.05〜0.4μmのノンド
ープInP結晶層と、厚さ0.8〜1.2μmのp型I
nP結晶層である。この結晶層211上にSiOマスク
212を選択的に形成する、次いで、InP結晶層21
1を塩酸混液でエッチング除去する。エッチングは横方
向にサイドエッチングが起こり傾斜面ができる。これ
は、後述の電極配線に有効である。深さ方向には組成の
異なる活性層114がエッチング停止効果を果たして、
エッチングが止まる。
Next, as shown in FIG. 2, the semiconductor laminated film 211 is crystal-grown by the second crystal growth. The semiconductor laminated film 211 includes a non-doped InP crystal layer having a thickness of 0.05 to 0.4 μm and a p-type I layer having a thickness of 0.8 to 1.2 μm.
It is an nP crystal layer. An SiO mask 212 is selectively formed on the crystal layer 211, and then the InP crystal layer 21 is formed.
1 is removed by etching with a hydrochloric acid mixture. In the etching, side etching occurs in the lateral direction to form an inclined surface. This is effective for the electrode wiring described later. The active layers 114 having different compositions play an etching stop effect in the depth direction,
Etching stops.

【0032】続いて、活性層114をエッチング除去す
る。活性層114のエッチングに硫酸混液を用いること
によって、前述の工程でマスク下に残されたInP層2
11がエッチングされずに活性領域114b,114d
を保護しつつ、図1で述べた溝部分にInP層211が
残る。この際、サイドエッチングは全く起こらない。こ
れにより、InP層211の幅サイズは極めて制御性良
くできることとなる。また、深さ方向にも組成の異なる
InP層113がエッチング停止層として働き、極めて
平坦な光導波層表面を構成できる。
Then, the active layer 114 is removed by etching. By using a mixed solution of sulfuric acid for etching the active layer 114, the InP layer 2 left under the mask in the above-described process.
11 is not etched and active regions 114b and 114d
Of the InP layer 211 remains in the groove portion described with reference to FIG. At this time, side etching does not occur at all. As a result, the width size of the InP layer 211 can be extremely controlled. Further, the InP layer 113 having a different composition in the depth direction also functions as an etching stop layer, and an extremely flat optical waveguide layer surface can be formed.

【0033】以上の工程によって、受光素子部とレーザ
部の活性領域脇,光導波路,光結合素子、等のInP層
幅サイズ制御ができ、InP結晶層113の表面は平坦
性制御が同時にできることとなる。この光導波路形成工
程は、光導波路を主体とする光集積装置を形成する方法
として非常に優れたものである。
Through the steps described above, the InP layer width size of the active region side of the light receiving element and laser section, the optical waveguide, the optical coupling element, etc. can be controlled, and the flatness of the surface of the InP crystal layer 113 can be controlled at the same time. Become. This optical waveguide forming step is very excellent as a method for forming an optical integrated device mainly including an optical waveguide.

【0034】ここで、図1,図2を用いて述べた工程の
変形例を図3を参照して説明する。図3(a)〜(d)
は図2(a)〜(d)に対応するもので、光導波路の構
成を変えて光導波損失をさらに減らしたものである。図
3に示すように、第1の半導体積層膜である光導波層を
半絶縁性InP基板111上に次の構成で設ける。即
ち、 222;ノンドープ InGaAsP結晶層,1.3 μm組成,厚
さ 0.3〜0.6 μm 223;ノンドープInP結晶層,厚さ0.03〜0.
2μm 224;ノンドープ InGaAsP結晶層,1.3 μm組成,厚
さ0.03〜0.3 μm 225;ノンドープInP結晶層,厚さ0.03〜0.
3μm を順次成長形成する。その後、ノンドープ活性層114
を成長形成する。ノンドープ活性層114は、図1で説
明した構成でできている。
Here, a modified example of the steps described with reference to FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIG. 3 (a)-(d)
2 corresponds to FIGS. 2A to 2D, in which the configuration of the optical waveguide is changed to further reduce the optical waveguide loss. As shown in FIG. 3, the optical waveguide layer which is the first semiconductor laminated film is provided on the semi-insulating InP substrate 111 with the following configuration. That is, 222; non-doped InGaAsP crystal layer, 1.3 μm composition, thickness 0.3 to 0.6 μm 223; non-doped InP crystal layer, thickness 0.03 to 0.
2 μm 224; non-doped InGaAsP crystal layer, 1.3 μm composition, thickness 0.03 to 0.3 μm 225; non-doped InP crystal layer, thickness 0.03 to 0.
3 μm is sequentially grown and formed. Then, the non-doped active layer 114
Grow to form. The non-doped active layer 114 has the structure described in FIG.

【0035】図3に至る形成方法は図2で述べた方法に
加えて、ノンドープInGaAs結晶層224とノンド
ープInP結晶層225のエッチングを行えばよい。エ
ッチングは第2回目に形成したInP結晶層211を整
形した後、これをマスクとすれば自己整合的に図示の導
波路構成が作成できる。この場合、InP結晶層211
にはノンドープInP結晶層を設ける必要がなく、p型
InP結晶層だけでもよい。
The forming method up to FIG. 3 may be performed by etching the non-doped InGaAs crystal layer 224 and the non-doped InP crystal layer 225 in addition to the method described in FIG. By etching, after shaping the InP crystal layer 211 formed in the second time, using this as a mask, the illustrated waveguide structure can be created in a self-aligned manner. In this case, the InP crystal layer 211
Need not be provided with a non-doped InP crystal layer, but may be a p-type InP crystal layer only.

【0036】次いで、図4に示すように、SiOマスク
212を残した状態で保護マスク311を選択的に形成
する。その後、光導波層112,113を部分的にエッ
チング除去して、半絶縁性基板111を部分的に露出さ
せる。この半絶縁性基板上に後述の電極配線を形成する
ことによって、各機能素子の配線容量を減らすことがで
きる。また、各機能素子間の電気的,光学的クロストー
クを大幅に削減することができる。
Next, as shown in FIG. 4, a protective mask 311 is selectively formed while leaving the SiO mask 212. After that, the optical waveguide layers 112 and 113 are partially removed by etching to partially expose the semi-insulating substrate 111. By forming the electrode wiring described later on this semi-insulating substrate, the wiring capacitance of each functional element can be reduced. In addition, electrical and optical crosstalk between the functional elements can be significantly reduced.

【0037】次いで、図5に示すように、SiN絶縁体
膜411をプラズマCVD方によって形成し、パターン
化して選択的に残す。次いで、電極412〜419を金
属蒸着方法で形成する。412,413は半導体レーザ
部の電極、414,415,416は光結合素子部の電
極、417,418,419はデュアルバランス型受光
素子部の電極であり、各素子間が互いに絶縁されてい
る。半導体レーザ部の電極412はp型半導体用にAu
Zn合金を、電極413はn型半導体用にAuGe合金
をオーミック電極とし、TiPtAuを積層した配線電
極がオーミック電極上に積層されている。同様に、光結
合素子部,受光素子部のオーミック電極及び配線電極も
同時に形成する。
Next, as shown in FIG. 5, a SiN insulator film 411 is formed by the plasma CVD method, and patterned and left selectively. Next, the electrodes 412 to 419 are formed by a metal vapor deposition method. Reference numerals 412 and 413 are electrodes of the semiconductor laser section, 414, 415 and 416 are electrodes of the optical coupling element section, and 417, 418 and 419 are electrodes of the dual balance type light receiving element section, and the elements are insulated from each other. The electrode 412 of the semiconductor laser section is made of Au for p-type semiconductor.
A Zn alloy is used as the electrode 413, and an AuGe alloy is used as an ohmic electrode for an n-type semiconductor, and a wiring electrode in which TiPtAu is laminated is laminated on the ohmic electrode. Similarly, the ohmic electrodes and the wiring electrodes of the optical coupling element portion and the light receiving element portion are also formed at the same time.

【0038】ここで、受光素子部ではダイオードが直列
に接続されるように配線して、デュアルバランス型受光
素子を構成する。光結合素子部の電極は1個のp型電極
に対して複数のn型電極を設けている。なお、半導体レ
ーザは可変波長、長共振器(約1mm)半導体レーザ構
造とし、ここではp型電極として3個設けている。各電
極に付与する電流を制御することによって、半導体レー
ザの発振波長を変えることができるものである。
Here, in the light receiving element portion, wiring is performed so that the diodes are connected in series to form a dual balanced type light receiving element. As the electrodes of the optical coupling element portion, a plurality of n-type electrodes are provided for one p-type electrode. The semiconductor laser has a variable wavelength, long cavity (about 1 mm) semiconductor laser structure, and three p-type electrodes are provided here. The oscillation wavelength of the semiconductor laser can be changed by controlling the current applied to each electrode.

【0039】光導波路部及び光結合素子部は、屈折率
3.3〜3.4の光導波層111上にリブ型に設けたI
nP結晶層211(屈折率3.2)によって光が導波さ
れる構造となっている。リブ下における実効的導波領域
幅は、光ファイバーのコア径サイズに近く光結合効率が
高い。導波された光は受光部の活性層114d(屈折率
3.6)で光のしみ出し効果によって徐々に吸収され
る。従って、半導体レーザ部が発振した高出力の光を受
光素子部で光−電気変換する際に無反射でかつ場所ムラ
の少ない受信が可能となる
The optical waveguide portion and the optical coupling element portion are provided in a rib type on the optical waveguide layer 111 having a refractive index of 3.3 to 3.4.
Light is guided by the nP crystal layer 211 (refractive index 3.2). The effective waveguide region width under the rib is close to the core diameter size of the optical fiber, and the optical coupling efficiency is high. The guided light is gradually absorbed in the active layer 114d (refractive index 3.6) of the light receiving portion due to the light seepage effect. Therefore, it becomes possible to receive the light of high output oscillated by the semiconductor laser unit without reflection when the photo-electric conversion is performed by the light receiving element unit and with little unevenness of the place.

【0040】以上の構成でのヘテロダイン受信の概略を
簡単に説明する、図5(a)に示す光導入部420から
微弱な信号光を光導波路421に入射し、同時に半導体
レーザ部423で発振した局発光と光結合素子部424
で重ね合わせる。そして、信号光に載せられた変調光成
分を中間周波数成分としてデュアルバランス型受光素子
425で検出するものである。この際、光結合素子部で
は重ね合わせた光を均等に分岐しなければならない。均
等分岐を行うためには、光結合素子内の屈折率を電流注
入によって部分的に変えることが必要であり、光結合素
子には5電極を設けている。
A brief description of the heterodyne reception with the above-mentioned configuration will be briefly described. A weak signal light is made incident on the optical waveguide 421 from the light introducing section 420 shown in FIG. 5A, and is oscillated by the semiconductor laser section 423 at the same time. Local light and optical coupling element unit 424
Overlap with. Then, the dual-balance type light receiving element 425 detects the modulated light component placed on the signal light as an intermediate frequency component. At this time, the combined light must be split evenly in the optical coupling element section. In order to perform uniform branching, it is necessary to partially change the refractive index in the optical coupling element by injecting current, and the optical coupling element is provided with five electrodes.

【0041】このように本実施例によれば、2回の結晶
成長を用いた極めて簡便な製造工程で各種の機能素子を
集積化した光集積装置を構成することができる。機能素
子は高性能化した半導体レーザ,受光素子,光結合素
子,光導波路などからなり、整合性良く一連の工程で構
成できる。
As described above, according to this embodiment, it is possible to construct an optical integrated device in which various functional elements are integrated by an extremely simple manufacturing process using two crystal growths. The functional element consists of a high performance semiconductor laser, a light receiving element, an optical coupling element, an optical waveguide, etc., and can be constructed in a series of steps with good matching.

【0042】これによって、光導入部から入射した信号
光と、光集積装置内蔵の半導体レーザとの間に生じたヘ
テロダインビートスペクトルが得られ、デュアルバラン
ス型受光素子の2乗検波によって受信光を電気のビート
信号に高精度に変換されたヘテロダイン受信を可能にす
る。特に、半絶縁性基板上にデュアルバランス型受光素
子を搭載した本実施例のモノリシックテロダイン受信器
(光集積装置)は、コヒーレント光通信における光周波
数多重化を容易に行え、多チャンネル大容量伝送システ
ムに適用できる。また、本実施例の光集積装置は光素子
間の接続を短距離半導体光導波路によって実現できるの
で、光伝搬時間の短縮と厳密制御を可能にした。 (実施例2)
As a result, a heterodyne beat spectrum generated between the signal light incident from the light introducing portion and the semiconductor laser incorporated in the optical integrated device is obtained, and the received light is electrically converted by the square-law detection of the dual balance type light receiving element. It enables the heterodyne reception that is converted to the beat signal with high accuracy. In particular, the monolithic telodyne receiver (optical integrated device) of the present embodiment in which a dual-balanced type light receiving element is mounted on a semi-insulating substrate can easily perform optical frequency multiplexing in coherent optical communication, and can be used for a multi-channel large-capacity transmission system. Applicable to Further, in the optical integrated device of the present embodiment, the connection between the optical elements can be realized by the short distance semiconductor optical waveguide, so that the light propagation time can be shortened and the strict control can be performed. (Example 2)

【0043】本実施例は、光集積装置において受光素子
部を半導体積層膜の積層方向に直交した方向にpin半
導体層を配置することで、平坦化された基板表面上に電
位の異なる電極を容易に設けることが可能となるもので
ある。これは、各種機能の異なる素子を半絶縁性基板上
に集積化できることとなり、デュアルバランス型受光素
子を光集積装置内に対称性よく構成できるものとなる。
受光素子部は導波型構造として半絶縁性基板上に形成す
ること、及びPN接合面積の低減化によって、寄生容量
を従来の約1/5に低減できる。従って、高速応答を可
能にするものである。
In this embodiment, in the optical integrated device, the light receiving element portion is arranged with the pin semiconductor layer in a direction orthogonal to the stacking direction of the semiconductor stacked films, so that electrodes having different potentials can be easily formed on the flattened substrate surface. It can be provided in the. This means that elements having different functions can be integrated on the semi-insulating substrate, and the dual-balance type light receiving element can be configured with good symmetry in the optical integrated device.
By forming the light receiving element portion on the semi-insulating substrate as a waveguide structure and reducing the PN junction area, the parasitic capacitance can be reduced to about 1/5 of that of the conventional one. Therefore, high-speed response is possible.

【0044】図6は、本発明の第2の実施例に係わる光
集積装置の構造を示す鳥瞰図で、2本の光導波路と、2
本の受光素子部をほぼ対称に構成したもので、一方の光
導波路と受光部を光導波軸に沿って一部切り欠いて示し
た。この実施例は、pin型の受光素子によるデュアル
バランス型受光素子を集積化したものである。
FIG. 6 is a bird's-eye view showing the structure of an optical integrated device according to the second embodiment of the present invention.
The light receiving element portion of the book is configured to be substantially symmetrical, and one of the optical waveguide and the light receiving portion is shown with a part cut away along the optical waveguide axis. In this embodiment, a dual-balance type light receiving element by a pin type light receiving element is integrated.

【0045】図中511は半絶縁性InP基板であり、
このInP基板511上に光導波路を構成するための第
1半導体積層膜が結晶成長されている。第1半導体積層
膜としては、 512;ノンドープInGaAs結晶層、厚さ0.3〜
0.6μm、 513;ノンドープInP結晶層、0.03〜0.2μ
m 514;ノンドープInGaAsP結晶層、厚さ0.0
3〜0.2μm 515;ノンドープInP結晶層、厚さ0.05〜0.
2μm を順次成長形成する。必要に応じてノンドープInPバ
ッファー層516を、基板511との界面に形成するこ
ともある。さらに連続して第1半導体積層膜上に、受光
素子部を構成するための第2半導体積層膜が結晶成長さ
れている。第2の半導体積層膜としては、 517;ノンドープInGaAs結晶層、厚さ0.3〜
0.8μm 518;ノンドープInP結晶層、厚さ0.3〜0.8
μm を順次成長形成する。
In the figure, 511 is a semi-insulating InP substrate,
On this InP substrate 511, a first semiconductor laminated film for forming an optical waveguide is crystal-grown. As the first semiconductor laminated film, 512; non-doped InGaAs crystal layer, thickness 0.3 to
0.6 μm, 513; non-doped InP crystal layer, 0.03 to 0.2 μm
m 514; non-doped InGaAsP crystal layer, thickness 0.0
3 to 0.2 μm 515; non-doped InP crystal layer, thickness 0.05 to 0.
2 μm is sequentially grown and formed. The non-doped InP buffer layer 516 may be formed at the interface with the substrate 511, if necessary. Further, the second semiconductor laminated film for forming the light receiving element portion is continuously crystal-grown on the first semiconductor laminated film. As the second semiconductor laminated film, 517; non-doped InGaAs crystal layer, thickness 0.3 to
0.8 μm 518; non-doped InP crystal layer, thickness 0.3-0.8
.mu.m is sequentially grown and formed.

【0046】以上の結晶層は減圧MOCVD法、或いは
クロライド気相成長法を用いた結晶成長で積層構造が形
成され、キャリア濃度は全て5×1015cm-3以下に設
定されている。
The above crystal layers have a laminated structure formed by the crystal growth using the low pressure MOCVD method or the chloride vapor phase epitaxy method, and the carrier concentrations are all set to 5 × 10 15 cm -3 or less.

【0047】これら第1半導体積層膜及び第2半導体積
層膜を整形加工して、光導波路519及び受光素子部5
20を構成するための第1の溝を形成する。この際の溝
形成で一旦残された領域を光導波メサと名付ける。光導
波メサは最終的に残るInGaAs層517とInP層
518からなるインシュレータ領域と、InGaAs層
517とInP層518を除去して形成した光導波路部
519に分割される。最終的に残ったインシュレータ領
域は、光導波路を伝搬してきた光を吸収して電気信号に
変換するものである。
The first semiconductor laminated film and the second semiconductor laminated film are shaped so that the optical waveguide 519 and the light receiving element portion 5 are formed.
A first groove for forming 20 is formed. A region that has been left by the groove formation at this time is named an optical waveguide mesa. The optical waveguide mesa is divided into an insulator region finally formed of the InGaAs layer 517 and the InP layer 518, and an optical waveguide portion 519 formed by removing the InGaAs layer 517 and the InP layer 518. The finally remaining insulator region absorbs the light propagating through the optical waveguide and converts it into an electric signal.

【0048】次いで、第1の溝を平坦化するように、前
述の結晶成長法でn型半導体埋め込み層521を選択的
に形成する。埋め込み層521が形成されて基板最上層
は凹凸が消える。インシュレータ領域の側壁面に接する
ように、p型半導体522が選択拡散法或いは選択結晶
成長で形成されている。523はSiN誘電体膜であ
り、524〜526は電極である。電極は受光素子が直
列に接続されるように配線されている。
Next, the n-type semiconductor burying layer 521 is selectively formed by the above-described crystal growth method so as to flatten the first groove. The embedding layer 521 is formed and the unevenness disappears in the uppermost layer of the substrate. A p-type semiconductor 522 is formed by a selective diffusion method or selective crystal growth so as to be in contact with the sidewall surface of the insulator region. 523 is a SiN dielectric film, and 524 to 526 are electrodes. The electrodes are wired so that the light receiving elements are connected in series.

【0049】リブ型光導波路519は、光導波路となる
領域の第2半導体積層膜及び半導体埋め込み層521を
選択的にエッチング除去することにより、自己整合的に
形成される。導波路に沿った溝527は、p型半導体の
インシュレータ領域に対向する側面を含む部分を除去し
たもので、光学的,電気的に2本の光導波路間及び受光
素子間のクロストークを防止するため、さらに受光素子
の容量を半減させるためのものである。
The rib type optical waveguide 519 is formed in a self-aligning manner by selectively etching away the second semiconductor laminated film and the semiconductor burying layer 521 in the region to be the optical waveguide. The groove 527 along the waveguide is formed by removing the portion including the side surface facing the insulator region of the p-type semiconductor, and optically and electrically prevents crosstalk between the two optical waveguides and between the light receiving elements. Therefore, the capacity of the light receiving element is further halved.

【0050】このような構成であれば、半絶縁性基板上
に各種の素子を集積化しても互いに絶縁が可能となる。
即ち、高感度に光検波するためのデュアルバランス型受
光素子部を集積化することができる。電極配線は平坦化
した基板上に形成でき、集積化に適した構造である。電
気的にも光学的にも素子間のクロストークをなくすこと
ができる。次に、上記構成の光集積装置の製造方法につ
いて説明する。まず、積層形成された第2半導体積層膜
を整形加工する方法を以下に述べる。
With such a structure, even if various elements are integrated on the semi-insulating substrate, they can be insulated from each other.
That is, it is possible to integrate a dual-balance type light receiving element portion for highly sensitive photodetection. The electrode wiring can be formed on a flattened substrate and has a structure suitable for integration. Crosstalk between elements can be eliminated electrically and optically. Next, a method of manufacturing the optical integrated device having the above configuration will be described. First, a method of shaping the laminated second semiconductor laminated film will be described below.

【0051】基板511上に連続的に形成した第2の半
導体積層膜上にSiN誘電体膜523を選択的に形成
し、これをマスクとして積層膜をウェットエッチング或
いはリアクティブイオンエッチングで第1の溝を形成す
る。例えば、ウェットエッチングで溝形成をする場合、
まず塩酸混液でInP層518を除去する。エッチング
はInGaAs層517表面で停止する。続いて、In
GaAs層518を硫酸混液でエッチングし、InP層
515でエッチングを停止する。
A SiN dielectric film 523 is selectively formed on the second semiconductor laminated film continuously formed on the substrate 511, and the laminated film is wet-etched or reactive-ion-etched by using the SiN dielectric film 523 as a mask. Form a groove. For example, when forming a groove by wet etching,
First, the InP layer 518 is removed with a hydrochloric acid mixed solution. The etching stops at the surface of the InGaAs layer 517. Then, In
The GaAs layer 518 is etched with a mixed solution of sulfuric acid, and the etching is stopped at the InP layer 515.

【0052】このように結晶組成に応じたエッチング液
でエッチングを行えば深さの制御を簡単に行うことがで
きる。残された積層膜が光導波メサであり、後述の工程
でInGaAs層517をエッチング除去した部分が光
導波路部となり、残した部分が受光素子部となる。光導
波メサは最終的にリブ型光導波路部で幅が約2〜6μ
m、受光素子部では約2μmとなるように設定する。
Thus, the depth can be easily controlled by performing the etching with the etching solution according to the crystal composition. The remaining laminated film is the optical waveguide mesa, and the portion where the InGaAs layer 517 is removed by etching in the process described later becomes the optical waveguide portion, and the remaining portion becomes the light receiving element portion. The optical waveguide mesa is finally a rib type optical waveguide portion with a width of about 2 to 6 μ.
m, and about 2 μm in the light receiving element section.

【0053】次いで、基板表面を平坦化するようにn型
半導体埋め込み層521を選択的に形成する。即ち、光
導波メサの側面をn型半導体で埋め込む。この際、前述
のSiN誘電体膜523を残しておき、自己整合的マス
クとして用いることが要点である。n型半導体のキャリ
ア濃度は1〜8×1017cm-3程度に設定したInPと
し、第2の半導体積層膜517,518の合計厚さに合
わせて形成する。
Next, the n-type semiconductor burying layer 521 is selectively formed so as to flatten the substrate surface. That is, the side surface of the optical waveguide mesa is embedded with an n-type semiconductor. At this time, the point is that the SiN dielectric film 523 described above is left and used as a self-aligned mask. The carrier concentration of the n-type semiconductor is InP set to about 1 to 8 × 10 17 cm −3, and the n-type semiconductor is formed according to the total thickness of the second semiconductor stacked films 517 and 518.

【0054】次いで、受光素子部を構成するためにp型
半導体522を選択拡散法で形成する。p型半導体52
2は、選択的に形成したマスクを通してZn不純物を熱
拡散によって形成するが、この際、前述のSiN誘電体
膜523上にマスクの境界を重ねることによって、既に
形成されているSiN誘電体膜523が拡散マスクとし
て働き、光導波メサの側壁面に接するようにp型半導体
を形成できる。即ち、自己整合的にインシュレータ領域
側壁に近接してp型半導体522を形成でき、積層方向
に直交した方向に並んだpin型受光素子部を構成でき
る。
Then, a p-type semiconductor 522 is formed by a selective diffusion method to form a light receiving element portion. p-type semiconductor 52
No. 2 is formed by thermal diffusion of Zn impurities through a mask that is selectively formed. At this time, the SiN dielectric film 523 that has already been formed by overlapping the boundary of the mask on the SiN dielectric film 523 described above. Acts as a diffusion mask, and the p-type semiconductor can be formed so as to contact the side wall surface of the optical waveguide mesa. That is, the p-type semiconductor 522 can be formed in a self-aligned manner in the vicinity of the sidewall of the insulator region, and the pin-type light receiving element portions arranged in the direction orthogonal to the stacking direction can be formed.

【0055】以上のように本実施例の製造方法において
は、光導波路部と受光素子部との接続を含めてSiN誘
電体膜523に関係した4回の自己整合的工程があり、
これによってマスクアライメント作業における簡便性を
高めている。次いで、電極524,525,526を真
空蒸着法及び整形加工によって基板表面に形成する。
As described above, in the manufacturing method of this embodiment, there are four self-alignment steps related to the SiN dielectric film 523 including the connection between the optical waveguide portion and the light receiving element portion.
This enhances the ease of mask alignment work. Next, the electrodes 524, 525 and 526 are formed on the surface of the substrate by the vacuum deposition method and the shaping process.

【0056】次いで、受光素子部を選択的にマスクした
状態で、例えばウェットエッチングによってリブ型光導
波路を形成する。まず、SiN誘電体膜523を除去す
る。その後、露出したInP層を選択的にエッチングす
る。InP層とは、第2半導体積層膜のInP層518
及びn型半導体埋め込み層521である。エッチングを
さらに進めることによって、n型半導体埋め込み層52
1下にあるInP層515がエッチングされる。この
際、InGaAs層下にあるInP層515はInGa
As層がマスクとなって残る。このエッチングは組成の
異なる結晶層で停止することから、エッチングされて露
出するのはInGaAs層517及びInGaAs層5
14である。
Then, with the light receiving element portion selectively masked, a rib type optical waveguide is formed by, for example, wet etching. First, the SiN dielectric film 523 is removed. Then, the exposed InP layer is selectively etched. The InP layer is the InP layer 518 of the second semiconductor laminated film.
And the n-type semiconductor burying layer 521. By further etching, the n-type semiconductor burying layer 52 is formed.
The underlying InP layer 515 is etched. At this time, the InP layer 515 under the InGaAs layer is formed of InGa.
The As layer remains as a mask. Since this etching stops at the crystal layers having different compositions, it is the etching that exposes the InGaAs layer 517 and the InGaAs layer 5.
It is 14.

【0057】次いで、露出したInGaAs層517及
びInGaAsP層514を選択的にエッチングする。
この場合も光導波部では、InGaAsa層517下に
あるInP層515がマスクとして働き、InGaAs
P層514が選択的に残される。そして、InP層51
3及び515がエッチストップ層として作用し、図示の
ごとく露出面が平坦なリブ型光導波路を完成することが
できる。
Next, the exposed InGaAs layer 517 and InGaAsP layer 514 are selectively etched.
In this case also, in the optical waveguide, the InP layer 515 under the InGaAsa layer 517 acts as a mask,
The P layer 514 is selectively left. Then, the InP layer 51
3 and 515 act as an etch stop layer to complete a rib type optical waveguide having a flat exposed surface as shown in the figure.

【0058】以上のエッチング工程では、初めに形成し
た光導波メサのパターンに沿って自己整合的にエッチン
グが進み、最終的にはリブ型導波路519が容易に形成
できることになる。
In the above etching process, the etching progresses in a self-aligned manner along the pattern of the optical waveguide mesa initially formed, and finally the rib waveguide 519 can be easily formed.

【0059】最後に、導波路に沿った第2の溝527を
臭化水素混液によってエッチング形成する。この溝52
7によって、導波路間及び受光素子間の光学的、電気的
クロストークを大幅に減少できる。
Finally, the second groove 527 along the waveguide is formed by etching with a hydrogen bromide mixed solution. This groove 52
7, the optical and electrical crosstalk between the waveguides and between the light receiving elements can be greatly reduced.

【0060】以上の工程によれば光導波路部519と、
受光素子部520との位置合わせを行う必要がなく、極
めて簡便にデュアルバランス型受光素子部を組み込んだ
光集積装置を構成できる。 (実施例3)
According to the above steps, the optical waveguide portion 519,
It is not necessary to perform alignment with the light receiving element section 520, and an optical integrated device incorporating the dual balance type light receiving element section can be configured very easily. (Example 3)

【0061】図7は、本発明の第3の実施例を説明する
ための断面図である。本実施例は、MSM型受光素子を
組み込んだ光集積装置であり、図7は第2の実施例と同
様に光導波路に光学的に接続した受光素子部の光導波路
方向からみた断面図である。
FIG. 7 is a sectional view for explaining the third embodiment of the present invention. This embodiment is an optical integrated device in which an MSM type light receiving element is incorporated, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the light receiving element portion optically connected to the optical waveguide as seen from the optical waveguide direction, similarly to the second embodiment. .

【0062】図中611は半絶縁性InP基板であり、
このInP基板611上に光導波路を構成するための第
1半導体積層膜を形成する。第1半導体積層膜は第2の
実施例で述べた積層構成と同じである。さらに、連続し
て第1半導体積層膜上に受光素子部を構成するための第
2半導体積層膜を結晶成長する。第2の半導体積層膜と
しては、 617;ノンドープInGaAs層、厚さ0.3〜0.
8μm 618;ノンドープInAlAs層、厚さ0.1〜0.
3μm を順次成長形成する。以上の結晶層は減圧MOCVD法
を用いた結晶成長で積層構造が形成され、キャリア濃度
は全て5×1015cm-3以下に設定されている。InA
lAs結晶層は金属とのショットキー接続が可能であ
り、金属−半導体−金属接続による、いわゆるMSM型
受光素子を構成できる。
In the figure, 611 is a semi-insulating InP substrate,
On this InP substrate 611, a first semiconductor laminated film for forming an optical waveguide is formed. The first semiconductor laminated film has the same laminated structure as that described in the second embodiment. Further, the second semiconductor laminated film for forming the light receiving element portion is continuously crystal-grown on the first semiconductor laminated film. As the second semiconductor laminated film, 617; non-doped InGaAs layer, thickness 0.3 to 0.
8 μm 618; undoped InAlAs layer, thickness 0.1-0.
3 μm is sequentially grown and formed. The above crystal layers have a laminated structure formed by crystal growth using the low pressure MOCVD method, and the carrier concentrations are all set to 5 × 10 15 cm −3 or less. InA
The lAs crystal layer can be Schottky-connected to a metal, and can form a so-called MSM type light-receiving element by metal-semiconductor-metal connection.

【0063】次いで、第1の溝を平坦化するように、前
述の結晶成長法で高抵抗半導体埋め込み層621を選択
的に形成する。埋め込み層621が形成されて基板最上
層は平坦化される。623はSiN誘電体膜であり、6
24,625はショットキー電極である。
Next, the high resistance semiconductor burying layer 621 is selectively formed by the above-described crystal growth method so as to flatten the first groove. The buried layer 621 is formed and the uppermost layer of the substrate is planarized. 623 is a SiN dielectric film,
24 and 625 are Schottky electrodes.

【0064】以上の作製方法は第2の実施例と同様であ
るが、p型半導体を形成する工程を省略できる利点があ
る。受光素子としての特性は第2の実施例に比べて数倍
の高速応答が得られる。 (実施例4)
The above manufacturing method is the same as that of the second embodiment, but there is an advantage that the step of forming the p-type semiconductor can be omitted. With respect to the characteristics of the light receiving element, a high speed response several times higher than that of the second embodiment can be obtained. (Example 4)

【0065】図8は、本発明の第2及び第3の実施例で
説明した光導波路部に光学的に接続する光結合素子を説
明するための断面図である。この光結合素子は図6に示
した光導波路519を2本近接させて構成したもので、
一方の光導波路を伝搬した光を2本の光導波路に均等に
分岐する作用がある。この場合、完全なる均等分岐をす
るために光結合素子部に電界、或いは電流を付与して導
波路の屈折率を制御する必要がある。
FIG. 8 is a sectional view for explaining an optical coupling element optically connected to the optical waveguide section described in the second and third embodiments of the present invention. This optical coupling element is configured by placing two optical waveguides 519 shown in FIG. 6 close to each other.
It has a function of evenly splitting the light propagating through one optical waveguide into two optical waveguides. In this case, it is necessary to apply an electric field or a current to the optical coupling element section to control the refractive index of the waveguide in order to achieve complete even branching.

【0066】図中711は半絶縁性InP基板であり、
このInP基板711上に第1の実施例で述べた積層構
成、作製方法で光導波路が構成されている。突起状のリ
ブ720上には1電極724と、リブの両わきに2電極
725,726が設けられ、SiN誘電体膜723で互
いに電気的に分離されている。ここで、例えば光結合素
子に電流を付与しない時に光の分岐比が1対1でない場
合、電極724と725間に電流を付与するとリブ内で
屈折率不均一が起こり、電流を制御することによって伝
搬された光を均等分岐することができる。
In the figure, 711 is a semi-insulating InP substrate,
An optical waveguide is formed on the InP substrate 711 by the laminated structure and the manufacturing method described in the first embodiment. One electrode 724 and two electrodes 725 and 726 are provided on both sides of the rib 720 having a protruding shape, and are electrically separated from each other by a SiN dielectric film 723. Here, for example, when the light branching ratio is not 1: 1 when the current is not applied to the optical coupling element, when the current is applied between the electrodes 724 and 725, the refractive index becomes non-uniform in the rib, and the current is controlled by controlling the current. The propagated light can be split evenly.

【0067】本実施例における光結合素子は、電極72
4から与えられる電流路の不均一性に優れ、従来の素子
に比べて1/2〜1/3の電流で光分岐比の制御が可能
となった。
The optical coupling element in this embodiment is composed of the electrode 72.
The non-uniformity of the current path given from No. 4 is excellent, and the optical branching ratio can be controlled with a current of 1/2 to 1/3 as compared with the conventional device.

【0068】以上説明したように第2〜第4の本実施例
によれば、受光素子部を半導体積層膜の積層方向に直交
した方向にpin半導体層を配置することで、同一平面
上に電極配線を形成でき、デュアルバランス型受光素子
を光集積装置内に容易に構成できた。
As described above, according to the second to fourth embodiments, by arranging the pin semiconductor layers in the light receiving element portion in the direction orthogonal to the stacking direction of the semiconductor stacked films, the electrodes are formed on the same plane. Wiring could be formed, and the dual-balanced type light receiving element could be easily constructed in the optical integrated device.

【0069】半絶縁性基板上に形成したデュアルバラン
ス型受光素子は本発明構造としてpn接続面積の低減化
(従来比1/5)を達成し、さらにp型半導体層の一部
削除によって従来比1/2の面積低減化を実現した。こ
れによって、ダイオード容量が従来の約1/10に減
り、40GHz以上の高速変調を可能にした。また、素
子間分離溝527によって、基板を介して流れる漏れ電
流は従来の1/1000〜1/10000 に削減でき、光学的ク
ロストークを従来の1/50〜1/100 に削減できた。以
上のように高性能デュアルバランス型受信器を組み込ん
だ光集積装置を提供することができた。 (実施例5)
The dual-balance type light receiving element formed on the semi-insulating substrate achieves a reduction of the pn connection area (1/5 of the conventional structure) as the structure of the present invention, and further, by partially removing the p-type semiconductor layer, the conventional structure. The area has been reduced by half. As a result, the diode capacity is reduced to about 1/10 of the conventional one, and high-speed modulation of 40 GHz or higher is possible. Further, the element isolation groove 527 can reduce the leakage current flowing through the substrate to 1/1000 to 1/10000 of the conventional one and the optical crosstalk to 1/50 to 1/100 of the conventional one. As described above, it is possible to provide an optical integrated device in which the high performance dual balance type receiver is incorporated. (Example 5)

【0070】図9は、本発明の第5の実施例に係わる半
導体受光装置の断面構造を説明する図である。この半導
体受光素子は、半絶縁性InP基板1上に2つのpin
フォトダイオード2,3が集積化されたものである。各
フォトダイオード2,3は、厚さ0.2μmのp型In
P層4、厚さ0.6μmのアンドープInP層9、厚さ
1.2μmのn+ 型InP層5と、厚さ1.0μmのn
- 型InGaAs光吸収層6と、厚さ0.8μmのアン
ドープInP層7とが順次積層された構造をしており、
アンドープInP層7の中には口径20μmのZn拡散
領域(p+ 型領域)8が形成されている。
FIG. 9 is a view for explaining the sectional structure of a semiconductor light receiving device according to the fifth embodiment of the present invention. This semiconductor light-receiving element has two pins on a semi-insulating InP substrate 1.
The photodiodes 2 and 3 are integrated. The photodiodes 2 and 3 are each 0.2 μm thick p-type In
P layer 4, undoped InP layer 9 having a thickness of 0.6 μm, n + having a thickness of 1.2 μm Type InP layer 5 and n having a thickness of 1.0 μm
- Type InGaAs light absorption layer 6 and an undoped InP layer 7 having a thickness of 0.8 μm are sequentially laminated,
In the undoped InP layer 7, a Zn diffusion region (p + A mold region 8 is formed.

【0071】それぞれのフォトダイオード2,3のn型
半導体層5の露出した表面には電極10が、p+ 型領域
8上には電極11が形成されている。電極10,11の
形成されていない部分の一部は絶縁膜12で覆われてい
る。フォトダイオード2のp電極112 とフォトダイオ
ード3のn電極103 とは、絶縁膜12上の金属配線1
1 により結線され、図には書かれていない第1のメタ
ルバンプ141 に接続されている。フォトダイオード2
のn電極102 は、絶縁膜12上の配線132により、
第2のメタルバンプ14に2 に接続されている。フォト
ダイオード3のp電極113 は、絶縁膜12上の配線1
3 により、第3のメタルバンプ143に接続されてい
る。
An electrode 10 is formed on the exposed surface of the n-type semiconductor layer 5 of each of the photodiodes 2 and 3 by p +. An electrode 11 is formed on the mold region 8. A part of the portion where the electrodes 10 and 11 are not formed is covered with the insulating film 12. The p electrode 11 2 of the photodiode 2 and the n electrode 10 3 of the photodiode 3 are connected to the metal wiring 1 on the insulating film 12.
It is connected by 3 1 and is connected to the first metal bump 14 1 not shown in the figure. Photodiode 2
N electrode 10 2 of the by wiring 13 2 on the insulating film 12,
It is connected to the second metal bump 14 at 2 . The p-electrode 11 3 of the photodiode 3 is the wiring 1 on the insulating film 12.
It is connected to the third metal bump 14 3 by 3 3 .

【0072】各フォトダイオード間、フォトダイオード
とバンプ間の配線は、図に示すように、ブリッジ配線と
なっている。基板裏面はドライエッチングによりマイク
ロレンズ15が形成され、さらに無反射コーティング膜
16により覆われている。このデバイスは、フォトダイ
オード2,3の形成された面を下にして、回路基板上に
メタルバンプ14を介してフリップチップ実装されてい
る。
The wiring between the photodiodes and between the photodiodes and the bumps is a bridge wiring as shown in the figure. A microlens 15 is formed on the back surface of the substrate by dry etching, and is covered with an antireflection coating film 16. This device is flip-chip mounted on the circuit board with the surface on which the photodiodes 2 and 3 are formed facing down via the metal bumps 14.

【0073】第5の実施例に係わる半導体受光装置の製
造プロセスを、図11を用いて説明する。まず、図11
(a)に示すように、半絶縁性InP基板1上に、厚さ
0.2μmのp型InP層4と、厚さ0.6μmのアン
ドープInP層9と、厚さ1.2μmのn+ 型InP層
5と、厚さ1.0μmのn- 型InGaAs光吸収層6
と、厚さ0.8μmのアンドープInP層7とを、有機
金属気相成長(MOCVD)法により積層する。
A manufacturing process of the semiconductor light receiving device according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. First, FIG.
As shown in (a), a 0.2 μm thick p-type InP layer 4, a 0.6 μm thick undoped InP layer 9, and a 1.2 μm thick n + layer are formed on a semi-insulating InP substrate 1. Type InP layer 5 and 1.0 μm thick n Type InGaAs light absorption layer 6
And an undoped InP layer 7 having a thickness of 0.8 μm are stacked by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.

【0074】次いで、図11(b)に示すように、全面
にSiNx膜21を堆積し、その所定の位置に穴を開け
て、Znの選択拡散領域8を形成する。その後、SiN
x膜21を除去し、図11(c)に示すように、フォト
ダイオード部とバンプ・パッド部をメサ加工し、全面に
SiNx膜12を形成する。その後、リフトオフにより
p電極11、続いてn電極10を作製し、さらに金属配
線13を所定の位置に形成する。
Next, as shown in FIG. 11B, a SiNx film 21 is deposited on the entire surface, and a hole is opened at a predetermined position to form a Zn selective diffusion region 8. Then SiN
The x film 21 is removed, and as shown in FIG. 11C, the photodiode part and the bump pad part are mesa processed to form the SiNx film 12 on the entire surface. After that, the p-electrode 11 and then the n-electrode 10 are formed by lift-off, and the metal wiring 13 is formed at a predetermined position.

【0075】次いで、図11(d)に示すように、フォ
トレジスト22をマスクとして、所定のメサ部を残し
て、SiNx膜12と、n+ 型InP層5とアンドープ
InP層9とp型InP層4とを、エッチング除去す
る。勿論、半絶縁性基板1の一部までエッチング除去し
ても構わない。このとき、サイドエッチにより金属配線
13下部の半導体層も除去されるので、ブリッジ配線が
形成される。最後に、フォトレジスト膜22を除去し、
裏面研磨、マイクロレンズ15形成の後、チップに切り
出し、回路基板上に裏面を上にフリップチップ実装する
ことで、本発明の第1の実施例の半導体受光装置が完成
する。
Then, as shown in FIG. 11D, the photoresist 22 is used as a mask and the SiNx film 12 and the n + film are left, leaving a predetermined mesa portion. The type InP layer 5, the undoped InP layer 9, and the p-type InP layer 4 are removed by etching. Of course, a part of the semi-insulating substrate 1 may be removed by etching. At this time, the semiconductor layer under the metal wiring 13 is also removed by side etching, so that a bridge wiring is formed. Finally, the photoresist film 22 is removed,
After polishing the back surface and forming the microlens 15, the semiconductor light receiving device of the first embodiment of the present invention is completed by cutting out into chips and mounting the back surface on the circuit board by flip chip mounting.

【0076】図10に、第5の実施例の半導体受光装置
の等価回路を示す。前記図17に示す従来の半導体受光
素子の等価回路と比較すると、p型InP層4,アンド
ープInP層9及びn+ 型InP層5からなるダイオー
ドDS が、基板リークパスGL に直列入っていることが
特徴となる。図のように、端子Aに正の電圧、端子Bに
負の電圧を印加した場合、フォトダイオード2の下にで
きたダイオードDS には逆バイアスがかかることになる
ので、GL を介した電流リークを減らすことが可能とな
る。
FIG. 10 shows an equivalent circuit of the semiconductor light receiving device of the fifth embodiment. Compared with the equivalent circuit of the conventional semiconductor photodetector shown in FIG. 17, the p-type InP layer 4, the undoped InP layer 9 and the n + The diode D S formed of the type InP layer 5 is featured in series with the substrate leak path G L. As shown, a positive voltage to the terminal A, when a negative voltage is applied to the terminal B, it means that a reverse bias is applied to the diode D S made under the photodiode 2, via the G L It is possible to reduce current leakage.

【0077】ダイオードDS を構成している半導体層
4,5,9は、n- 型InGaAs光吸収層6で受光し
ようとしている1.2〜1.6μmの光に対して透明な
ので、光ファイバからの入射光により光電流が流れるこ
とはない。また、光ファイバからの光以外が入らないよ
うにパッケージングすることにより、外部の光による光
電流も流れない。
The semiconductor layers 4, 5, 9 forming the diode D S are n Since it is transparent to the light of 1.2 to 1.6 μm that is to be received by the type InGaAs light absorption layer 6, no photocurrent flows due to the incident light from the optical fiber. In addition, by packaging so that only light from the optical fiber enters, no photocurrent flows due to external light.

【0078】また、半導体層1,4,9の表面と、Si
Nx膜12及び金属配線13との間は空気により隔てら
れているので、半導体層表面に誘起された電荷によりチ
ャンネルが形成されることもない。勿論、この空間の全
部ないし一部は、例えばポリイミドなどの電荷を誘起す
る恐れの小さな有機絶縁膜で埋めてもよい。
The surface of the semiconductor layers 1, 4, 9 and Si
Since the Nx film 12 and the metal wiring 13 are separated from each other by air, a channel is not formed by the charges induced on the surface of the semiconductor layer. Of course, all or part of this space may be filled with an organic insulating film, such as polyimide, which is unlikely to induce charges.

【0079】以上の結果、フォトダイオード2とフォト
ダイオード3の外部から見た暗電流、即ち端子AC間と
端子BC間の暗電流は、共に小さく、特性もほぼ等しく
できる。従って、従来の半導体受光装置を利用した場合
と比較して、特性の優れた平衡光受信器を実現できる。 (実施例6)
As a result, the dark current seen from the outside of the photodiode 2 and the photodiode 3, that is, the dark current between the terminals AC and between the terminals BC is small, and the characteristics can be made almost equal. Therefore, a balanced optical receiver having excellent characteristics can be realized as compared with the case of using the conventional semiconductor light receiving device. (Example 6)

【0080】図12は、本発明の第6の実施例に係わる
プレーナ型の半導体受光装置を示す素子構造断面図であ
る。全体がほぼ平坦になるように、半絶縁性基板1に予
め形成された凹部の中にフォトダイオード2,3が形成
されていることを除けば、第5の実施例とほぼ同様の構
成となっている。即ち、半絶縁性InP基板1の溝の中
に、n- 型InPバッファ層18,p型InP層4,ア
ンドープInP層9,n+ 型InP層5,アンドープI
nGaAs光吸収層6,p型InP層8が、有機金属気
相成長(MOCVD)法により埋め込み積層されてい
る。n+ 型InP層5には電極10が、p型InP層8
には電極11が形成されている。この例では、半導体表
面の一部を除去した凹部をポリイミド17で埋めた後、
配線13が形成されている。この実施例では、光ファイ
バから導入される光は裏面ではなく表面から入射するの
で、絶縁膜12は無反射コーティングを兼ねている。
FIG. 12 is a sectional view of an element structure showing a planar type semiconductor light receiving device according to the sixth embodiment of the present invention. The structure is almost the same as that of the fifth embodiment, except that the photodiodes 2 and 3 are formed in the recesses previously formed in the semi-insulating substrate 1 so that the whole structure becomes substantially flat. ing. That is, in the groove of the semi-insulating InP substrate 1, n Type InP buffer layer 18, p type InP layer 4, undoped InP layer 9, n + Type InP layer 5, undoped I
The nGaAs light absorption layer 6 and the p-type InP layer 8 are embedded and laminated by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. n + The electrode 10 is provided on the p-type InP layer 5 and the p-type InP layer 8 is provided.
An electrode 11 is formed on the. In this example, after burying the recesses that are formed by removing a part of the semiconductor surface with polyimide 17,
The wiring 13 is formed. In this embodiment, since the light introduced from the optical fiber is incident from the front surface rather than the back surface, the insulating film 12 also serves as an antireflection coating.

【0081】この第6の実施例の場合、図12に示すよ
うに、n- 型InPバッファ層18とp型InP層4の
間にもダイオードDS2が形成される。この場合も、第5
の実施例同様に、基板1表面を介したリーク電流を有効
に防止できる。 (実施例7)
[0081] In this sixth embodiment, as shown in FIG. 12, n - The diode D S2 is also formed between the p-type InP buffer layer 18 and the p-type InP layer 4. Also in this case, the fifth
Similarly to the above embodiment, the leak current through the surface of the substrate 1 can be effectively prevented. (Example 7)

【0082】図13は、本発明の第7の実施例に係わ
る、ショットキー・フォトダイオードを使用した半導体
受光装置である。第3の半導体層7として薄いアンドー
プInAlAsが使用されていること、p型領域8がな
く、オーミック電極11の代わりにショットキー電極3
1が使われていることを除けば、ほぼ第6の実施例と同
様の構成となっている。
FIG. 13 shows a semiconductor light receiving device using a Schottky photodiode according to the seventh embodiment of the present invention. Thin undoped InAlAs is used as the third semiconductor layer 7, there is no p-type region 8, and the Schottky electrode 3 is used instead of the ohmic electrode 11.
The structure is almost the same as that of the sixth embodiment except that 1 is used.

【0083】この受光装置は、図には示していないIn
P基板1上の別の位置に形成されたInGaAs/In
AlAsのHEMTとモノリシックに集積化されてい
る。また、半絶縁性基板1と絶縁膜12の界面にできる
チャンネルによるリークを防止するために、各素子は溝
32によっても囲まれている。この溝32もポリイミド
17により埋められている。
This light receiving device is made of In, which is not shown in the figure.
InGaAs / In formed at another position on the P substrate 1
It is monolithically integrated with HEMT of AlAs. Each element is also surrounded by a groove 32 in order to prevent leakage due to a channel formed at the interface between the semi-insulating substrate 1 and the insulating film 12. The groove 32 is also filled with the polyimide 17.

【0084】このようなショットキー・フォトダイオー
ドを利用した場合に対しても、pinフォトダイオード
の場合同様、本発明のp型InP層4、アンドープIn
P層9、n+ 型InP層5からなるダイオードDS は、
基板リーク電流低減に効果がある。また、このダイオー
ドDS は、溝32とともに、フォトダイオードとHEM
Tの間の基板を介したリーク電流の低減にも効果を有す
る。
Even when such a Schottky photodiode is used, as in the case of the pin photodiode, the p-type InP layer 4 and the undoped In of the present invention are used.
P layer 9, n + The diode D S formed of the InP layer 5 is
Effective in reducing substrate leakage current. Further, this diode D S , together with the groove 32, includes a photodiode and a HEM.
It is also effective in reducing the leak current through the substrate between T.

【0085】このように第5〜第7の実施例によれば、
複数のフォトダイオードをモノリシック集積化した半導
体受光素子において、基板ないし基板表面を介したフォ
トダイオード間のリーク電流を大幅に低減することがで
きる。この結果、光ヘテロダイン受信に必要な、素子の
対称性が良く特性の優れた平衡光受信器を実現すること
ができる。
As described above, according to the fifth to seventh embodiments,
In a semiconductor light receiving element in which a plurality of photodiodes are monolithically integrated, a leak current between the photodiodes via a substrate or a substrate surface can be significantly reduced. As a result, it is possible to realize a balanced optical receiver which is necessary for optical heterodyne reception and has good element symmetry and excellent characteristics.

【0086】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変
形、応用することができる。例えば、光吸収層として単
一の半導体層が使われている必要はなく、例えば量子井
戸光吸収層を用いた受光素子にも応用できる。上記の実
施例では光は基板に垂直に入射するものとしているが、
本発明は例えば光導波路とモノリシック集積化した、側
面から光が入射する半導体受光装置にも応用可能であ
る。また、半導体材料もInP,InGaAsに限定さ
れるものではなく、InGaAsP,GaAs,AlG
aAs,InGaP,InGaAlP,GaSb,In
As,HgCdTe,ZnSSeなど、様々な半導体材
料に応用できる。なお、本発明は光ヘテロダイン受信用
デバイス以外にも、複数のフォトダイオードが集積化さ
れた受光デバイス、例えば並列光伝送用pinフォトダ
イオードアレイの素子間のアイソレーションなどにも応
用することができる。
The present invention is not limited to the above embodiments, but can be variously modified and applied without departing from the scope of the invention. For example, it is not necessary to use a single semiconductor layer as the light absorption layer, and it can be applied to, for example, a light receiving element using a quantum well light absorption layer. In the above embodiment, the light is supposed to enter the substrate vertically,
The present invention can be applied to, for example, a semiconductor light receiving device in which light is incident from the side surface, which is monolithically integrated with an optical waveguide. Also, the semiconductor material is not limited to InP and InGaAs, but InGaAsP, GaAs, and AlG.
aAs, InGaP, InGaAlP, GaSb, In
It can be applied to various semiconductor materials such as As, HgCdTe, and ZnSSe. In addition to the optical heterodyne receiving device, the present invention can be applied to a light receiving device in which a plurality of photodiodes are integrated, for example, isolation between elements of a pin photodiode array for parallel optical transmission.

【0087】[0087]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、2
回の結晶成長を用いた極めて簡便な製造工程で各種の機
能素子を集積化した光集積装置を構成することができ
る。機能素子は高性能化した半導体レーザ,受光素子,
光結合素子,光導波路などからなり、整合性良く一連の
工程で構成できる。
As described in detail above, according to the present invention, 2
It is possible to construct an optical integrated device in which various functional elements are integrated by an extremely simple manufacturing process using single crystal growth. The functional elements are high-performance semiconductor lasers, light-receiving elements,
It consists of an optical coupling element, an optical waveguide, etc., and can be constructed in a series of steps with good matching.

【0088】これによって、光導入部から入射した信号
光と、光集積装置内蔵の半導体レーザとの間に生じたヘ
テロダインビートスペクトルが得られ、デュアルバラン
ス型受光素子の2乗検波によって受信光を電気のビート
信号に高精度に変換されたヘテロダイン受信を可能にす
る。特に、半絶縁性基板上にデュアルバランス型受光素
子を搭載した本発明のモノリシックテロダイン受信器
(光集積装置)は、コヒーレント光通信における光周波
数多重化を容易に行え、多チャンネル大容量伝送システ
ムに適用できる。本発明の光集積化装置は光素子間の接
続を短距離半導体光導波路によって実現できるので、光
伝搬時間の短縮と厳密制御を可能にした。
As a result, a heterodyne beat spectrum generated between the signal light incident from the light introducing section and the semiconductor laser incorporated in the optical integrated device is obtained, and the received light is electrically converted by the square-law detection of the dual balance type light receiving element. It enables the heterodyne reception that is converted to the beat signal with high accuracy. In particular, the monolithic telodyne receiver (optical integrated device) of the present invention in which a dual-balance type light receiving element is mounted on a semi-insulating substrate can easily perform optical frequency multiplexing in coherent optical communication, and can be used as a multi-channel large-capacity transmission system. Applicable. Since the optical integrated device of the present invention can realize the connection between the optical elements by the short-distance semiconductor optical waveguide, the optical propagation time can be shortened and strict control can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1の実施例に係わる光集積装置の製造工程を
示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing process of an optical integrated device according to a first embodiment.

【図2】第1の実施例に係わる光集積装置の製造工程を
示す図。
FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of the optical integrated device according to the first embodiment.

【図3】第1の実施例の変形例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a modification of the first embodiment.

【図4】第1の実施例に係わる光集積装置の製造工程を
示す図。
FIG. 4 is a view showing a manufacturing process of the optical integrated device according to the first embodiment.

【図5】第1の実施例に係わる光集積装置の製造工程を
示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of the optical integrated device according to the first embodiment.

【図6】第2の実施例に係わる光集積装置の素子構造を
示す鳥瞰図
FIG. 6 is a bird's-eye view showing an element structure of an optical integrated device according to a second embodiment.

【図7】第3の実施例に係わる光集積装置の素子構造を
示す断面図
FIG. 7 is a sectional view showing an element structure of an optical integrated device according to a third embodiment.

【図8】第4の実施例に係わる光集積装置の素子構造を
示す断面図
FIG. 8 is a sectional view showing an element structure of an optical integrated device according to a fourth embodiment.

【図9】第5の実施例に係わる半導体受光装置を示す素
子構造断面図。
FIG. 9 is a sectional view of an element structure showing a semiconductor light receiving device according to a fifth embodiment.

【図10】第5の実施例の半導体受光装置の等価回路を
示す図。
FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit of a semiconductor light receiving device according to a fifth embodiment.

【図11】第5の実施例の製造工程を示す断面図。FIG. 11 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the fifth embodiment.

【図12】第6の実施例に係わるプレーナ型の半導体受
光装置を示す素子構造断面図。
FIG. 12 is a sectional view of an element structure showing a planar type semiconductor light receiving device according to a sixth embodiment.

【図13】第7の実施例に係わる半導体受光装置を示す
素子構造断面図。
FIG. 13 is a sectional view of an element structure showing a semiconductor light receiving device according to a seventh embodiment.

【図14】従来の光ヘテロダイン受信における平衡光受
信器の構成を示す図。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a balanced optical receiver in conventional optical heterodyne reception.

【図15】従来の平衡光受信デバイスの主要部構造を示
す断面図。
FIG. 15 is a sectional view showing a main part structure of a conventional balanced optical receiving device.

【図16】2つのフォトダイオードの暗電流特性を示す
図。
FIG. 16 is a diagram showing dark current characteristics of two photodiodes.

【図17】従来の半導体受光装置の等価回路を示す図。FIG. 17 is a diagram showing an equivalent circuit of a conventional semiconductor light receiving device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

111…半絶縁性InP基板 112…ノンドープInGaAs結晶層 113…ノンドープInP結晶層 114…ノンドープ活性層 211…半導体積層膜 212…SiOマスク 222…ノンドープInGaAsP結晶層 223…ノンドープInP結晶層 224…ノンドープInGaAsP結晶層 225…ノンドープInP結晶層 411…SiN絶縁体膜 412,413…半導体レーザ部の電極 414,415,416…光結合素子部の電極 417,418,419…デュアルバランス型受光素子
部の電極 420…光導入部 421…光導波路 423…半導体レーザ部 424…光結合素子部 425…デュアルバランス型受光素子
111 ... Semi-insulating InP substrate 112 ... Non-doped InGaAs crystal layer 113 ... Non-doped InP crystal layer 114 ... Non-doped active layer 211 ... Semiconductor laminated film 212 ... SiO mask 222 ... Non-doped InGaAsP crystal layer 223 ... Non-doped InP crystal layer 224 ... Non-doped InGaAsP crystal Layer 225 ... Non-doped InP crystal layer 411 ... SiN insulator film 412, 413 ... Electrode of semiconductor laser section 414, 415, 416 ... Electrode of optical coupling element section 417, 418, 419 ... Electrode of dual balance type light receiving element section 420 ... Light introducing section 421 ... Optical waveguide 423 ... Semiconductor laser section 424 ... Optical coupling element section 425 ... Dual balance type light receiving element

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板の主面上に光導波路を形成する
と共に、この光導波路に光学的に接続して光結合素子,
半導体レーザ及び受光素子を集積した光集積装置におい
て、 前記光導波路は、組成の異なる低濃度半導体層を積層し
た光導波膜上に形成された半導体リブ型導波路であっ
て、 前記半導体レーザと受光素子の活性領域は、前記光導波
路上の一部領域に所定の幅で選択的に設けられ、活性領
域の周囲は該活性領域よりも屈折率の小さい前記リブ型
導波路を構成する結晶層によって覆われ、 前記光導波路,光結合素子,半導体レーザ及び受光素子
は、所定の幅で形成されたメサ構造であることを特徴と
する光集積装置。
1. An optical coupling element which is formed on a main surface of a semiconductor substrate and is optically connected to the optical waveguide.
In an optical integrated device in which a semiconductor laser and a light receiving element are integrated, the optical waveguide is a semiconductor rib type waveguide formed on an optical waveguide film in which low-concentration semiconductor layers having different compositions are laminated, The active region of the element is selectively provided in a partial region on the optical waveguide with a predetermined width, and the periphery of the active region is formed by a crystal layer forming the rib type waveguide having a smaller refractive index than the active region. An optical integrated device, wherein the optical waveguide, the optical coupling element, the semiconductor laser, and the light receiving element are covered with a mesa structure having a predetermined width.
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