JPH10117012A

JPH10117012A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JPH10117012A
Application number: JP8289251A
Authority: JP
Inventors: Miki Kuhara; 美樹工原; Takashi Iwasaki; 孝岩崎; Itaru Saito; 格斉藤; Yasushi Fujimura; 康藤村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 1998-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】周波数の異なるアナログ信号を多数伝送する光
ＣＡＴＶの受信器に用いる受光素子は感度が大きくしか
も歪みが特に小さいものでなければならない。従来の受
光素子は感度を大きくすると歪みが大きくなる。感度を
減らすことなく歪みを下げるような受光素子を提供する
ことが目的である。【解決手段】基板側から光を入射させることとし基板面
に中平周凸レンズを設けた。レ−ザの光がガウシアンで
あっても中平周凸レンズによって受光層において光強度
が一様になるようにできる。光密度が均一であるから歪
みが小さく感度が高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光計測に
用いられる受光素子（フォトダイオード）、及び受光素
子を光ファイバを組み合わせたフォトダイオードモジュ
ールに関する。特に受光面での光パワーの分布がより一
様であり受信信号の歪みが少ない受光素子、受光素子モ
ジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】

（１）従来例にかかるフォトダイオードチップまず従来から用いられる一般的なフォトダイオードチッ
プを図１に示す。波長によってフォトダイオードの材料
が異なる。光通信などでは近赤外の１．３μｍや１．５
５μｍを用いることが多い。これらの光はＧａＡｓ素子
が発生する光よりも波長が長いので長波長帯という言い
方をすることがある。１．３μｍや１．５５μｍの長波
長帯では、主にＩｎＧａＡｓを受光層としたｐｉｎＰＤ
が用いられる。フォトダイオード１は、ｎ−ＩｎＰ基板
２の上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ
受光層（光吸収層）４、ｎ型ＩｎＰ窓層５をエピタキシ
ャル成長させたエピタキシャルウエハーの上に作られ
る。素子単位の中央部にＺｎを拡散してｐ型領域６を作
る。ｐ型領域６とｎ型半導体の境界がｐｎ接合７であ
る。受光部を除いてパッシベ−ション膜８が形成され
る。受光部とパッシベ−ション膜８の上に反射防止膜９
を被覆する。Ｚｎ拡散した受光部の上にｐ電極１０を設
ける。基板の裏側にｎ側電極１１を形成する。

【０００３】これでウエハ−上に同一の素子が数多くで
きるから切り放してチップとする。チップをパッケージ
に入れて電極とリードをワイヤボンディングしキャップ
を被せ、気密封止すると独立の受光素子になる。独立の
素子とすることもあるが、使いやすいように光ファイバ
と受光素子チップを一体化した受光素子モジュールとし
ても利用される。

【０００４】（２）従来例にかかるＰＤモジュールモジュールにする場合は、ケース（パッケージ）１２に
受光素子チップ１を固定し、光ファイバ１４がこれに対
向するように設ける。後段の電気回路のグランドにつな
がれるケース１２から浮き上がらせるために、ＰＤチッ
プは、絶縁物を介してグランドに固定される。この絶縁
物はサブマウント１３と呼ぶ。例えばアルミナ（Ａｌ₂
Ｏ₃ ）、ＡｌＮなどのセラミックの板の両面をメタライ
ズしたものなどをサブマウント１３とする。パッケージ
１２にサブマウント１３を固定しさらにその上に受光素
子チップ１をＰｂＳｎ半田によって固定する。その後、
ＰＤのアノード（ｐ電極）、カソード（ｎ電極）をそれ
ぞれのリード１５、１６にＡｕ線によってワイヤボンデ
ィングする。

【０００５】気密封止のために金属製のキャップ２２を
被せる。この例では、球レンズ２３の付いたキャップ２
２を用いている。光ファイバ１４と結合しやすくするた
めである。ケースピン１７はパッケージ１２に直付けさ
れる。パッケージ１２の外側にはスリーブ１８を固定す
る。フェルールホルダー１９にはフェルール２０が挿通
してある。フェルール２０はシングルモードファイバ１
４の先端を支持している。フェルールホルダー１９をス
リーブ１８に対して水平に移動しファイバ１４からの光
をフォトダイオード１で検出し適当な光量を得る位置
で、フェルールホルダー１９をスリーブ１８に対して固
定する。さらにフェルール２０を軸方向に動かしフォト
ダイオードの光量を監視して軸方向の位置を決め、フェ
ルール２０をホルダー１９に対して固定する。ファイバ
の過度の湾曲を防止するために、ベンドリミッタ２１が
フェルールホルダー１９の外側に差し入れられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は光ＣＡＴＶの
受信器として用いる受光素子とそのモジュールを与える
ことを目的とする。従来の受光素子やそのモジュールを
光ＣＡＴＶに利用するとすればどのような問題があるの
かを説明する。初期の光ＣＡＴＶでは、数チャンネル
（ｃｈ）の伝送を行うにすぎなかった。しかし現在では
４０ＣＨが標準である。最近ではさらに８０ＣＨ〜１１
０ＣＨを伝送できるシステムに対する要望もある。この
ような多チャンネル化に伴い、受信器の周波数帯域も広
がらざるをえない。従来は４５０ＭＨｚの帯域で十分で
あったが、チャンネル数を多くしようとすると、８６０
ＭＨｚの周波数帯域が必要になる。

【０００７】さらに問題がある。より多くの家庭（端
末）が加入するようになり、より多くの端末に信号光を
送る必要が出てきた。そのためにより高出力のレ−ザ光
源を使わざるをえないようになってきた。すると受信光
も強くなり、１ｍＷ以上の強いパワーのレ−ザ光が受光
素子に入射する場合も出てきた。つまり周波数はより高
く光強度はより強く集中してきたということができる。

【０００８】従来のＰＤモジュールでは、パワー集中度
が甚だしく周波数の高い信号光を、感度を落とすことな
く歪みを生じないように受信することが難しかった。こ
こで歪みというのは受信器の非線形性による受信信号の
乱れのことで、二次歪み、三次歪みなど高次の項が受光
素子の出力に含まれるということである。光ＣＡＴＶ
は、アナログ信号を送信するから、二次歪みがあれば、
任意の二つの送信周波数ｆ₁ 、ｆ₂ の和ｆ₁ ＋ｆ₂ や差
ｆ₁ −ｆ₂ が現れる。これらの値が第３の周波数ｆ₃ に
接近していると、これらの間で混信が起こる。多くの周
波数の信号を含む光信号を１本の光ファイバによって伝
送するから歪みがあると著しく受信信号の質を低下させ
る。歪みが無いことが望まれる。

【０００９】どうして歪みが生ずるのか？どうして高次
の項、高調波が発生するのか？その原因ははっきりしな
い。しかし次のようなことは分かっている。光のパワー
が大きいほど二次歪みは著しい。チャンネル数が多い方
が歪みは起こりやすい。高次の項であるからパワーが大
きくなるに従って現れやすくなるのは当然である。従来
のようにレンズによって幾何光学的に強く絞ると局所的
にパワーが大きくなり歪みが現れるのである。つまり光
ＣＡＴＶの進展は歪みをより大きくする傾向を色濃く持
っている。

【００１０】受光素子をレンズの距離を変えてゆくと、
感度と歪みが距離の関数として変動する。感度が最大の
位置よりも遠くにおいて歪みが小さくなる。歪み抑制を
優先すると感度が落ちてしまう。であるから、感度を落
とさず歪みを減らすことが難しいと述べたのである。

【００１１】本発明者は、歪みを減らす為に、球レンズ
の収差を積極的に利用した受光素子モジュールを以下の
出願として提案した。特願平６−１７１８７３号「アナログＰＤモジュール
及びその製造方法」において提案した。これは球レンズ
による光ファイバ端面の像点よりももっとレンズ側に受
光素子を近づけるものである。感度は高いままで歪みの
小さい点が、像点よりもレンズ側にあるのである。これ
は受光素子位置を前方にデフォーカスすることによって
歪みを減らす手法である。

【００１２】本発明は、同じくアナログＰＤモジュール
において、感度を落とさず、歪みを減らす別の方法を提
案する。これはより少ない部品によって歪みの少ない受
信器を実現する事ができる。歪みが大きくなるのは局所
的に光のパワーが過大になるからである。従来の球レン
ズや球面をもつレンズは、全ての光を一点に集中させ
る。この点が光ファイバ端面の像点である。一点集中さ
せると歪みが発生しやすい。

【００１３】アナログ光信号を受信する受光素子におい
て、信号歪みの少ない受光素子を提供するのが本発明の
第１の目的である。多数のチャンネルがあっても混信を
起こさないように受信できる受光素子を提供するのが本
発明の第２の目的である。部品コストを押し上げること
なく、歪みの小さい受信を可能にする受光素子モジュー
ルを提供することが本発明の第３の目的である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の受光素子は、中
央部は集光作用がない平坦面とし周辺部のみ凸面とした
レンズを受光素子チップに一体的に作るものである。こ
れによって光ファイバからの光を一点に集中させること
なく受光素子の受光面の全体に一様に広げるようにす
る。受光面では光の強度がほぼ一定になるようにし、受
光面より外側には光が殆ど存在しないようにする。レン
ズは特殊な断面形状をしている。中央部では平坦であっ
て集光作用がなく、周辺部では球面の一部であって集光
作用がある。簡単にいうと中平周凸レンズということが
できる。さらに簡単にメサ型レンズと呼ぶことにする。
本発明の受光素子は中平周凸レンズ或いはメサ型レンズ
を一体的に受光素子に形成したというところに特徴があ
る。

【００１５】図１５と図１６によって、本発明の思想の
概略を予め説明する。図１５半導体基板の裏面に中平周
凸レンズを形成した場合の光線の屈折を示す。レンズは
ＬＪ間で平坦であり、ＬＮとＪＨ間で凸球面レンズにな
っている。ＬＪの内部の円に入射したビ−ムは屈折しな
いで直進する。シングルモ−ドファイバの開口角の半分
の円錐角に含まれるビ−ムが丁度平坦面ＬＪに入るよう
にする。これより外側のビ−ムは凸球面レンズの部分Ｎ
Ｌ、ＪＨに入るようにする。

【００１６】受光素子の受光層は下方のＱによって示さ
れる。これも円形の領域である。中心部を通ってきた光
はＬＪ間に入るから屈折することなく基板に入り直進し
て、受光層Ｑの全体に広がる。受光層Ｑはこのように中
央の平坦部を通過した光を受ける。それだけではない。
周辺部ＬＮ、ＪＨに到達した光は、強く屈折し、より遠
くへ入った光ほど、より内側に曲げられて基板の中央近
くの点Ｉ、Ｐに到達する。つまり周辺部の光はＬＮは分
布が反転して基板上ではＭＰの範囲に広がる。これは部
分レンズＮＬ、ＬＨの焦点が基板内部に位置しており、
受光面は焦点より遠くにあることに原因がある。

【００１７】これによって好都合なパワ−の再分配が実
現する。図１６のビ−ムはガウシアンを示すが、レンズ
の直前では、ＮＬＪＨに示すようにガウシアンそのもの
である。イケオウコアの分布を持つ。しかしレンズによ
ってＮＬとＪＨの部分が反転するから分布のアとイの部
分が縦線Ｌ、Ｊを境に折り曲げたようになりコ、ケに重
なる。つまり上にカ、キを積み重ねたような分布に矯正
されることになる。つまりイ→キ、ア→カのようなパワ
ーの再分布が起こる。これを起こさせるのが、中平周凸
レンズＮＬＪＨである。

【００１８】

【発明の実施の形態】作りつけのレンズを受光素子に形
成するというものはすでにいくつか提案されている。し
かしいずれもコスト削減のために独立の球レンズを省い
て、チップにレンズ部分を形成したものにすぎない。で
あるから球面のレンズであって収差のないものが理想と
される。球面レンズであるから一点に光を集中させる。
であるから歪みは大きい。アナログの多チャンネル信号
を扱うには不適である。本発明とコンセプトが違うので
あるが、ここに作りつけレンズの従来例を説明する。

【００１９】M.MAKIUCHI，O.WADA,T.KUMAI,H.HAMAGUC
HI,O.AOKI,Y.OIKAWA,"SMALL-JUNCTION-AREA GaInAs /
InP pin PHOTODIODE WITH MONOLITHIC MICROLEN
S”,ELECTRONICS LETTERS ,vol ．24,No.２, p109, (19
88) これはＩｎＧａＡｓを受光層とするＩｎＰ系のフォトダ
イオードのＩｎＰ基板底面に球面の一部をなすレンズを
作成したものである。チップの寸法は２００μｍ×２０
０μｍである。球面レンズの曲率半径は５５μｍであっ
て、レンズの開口は５０μｍである。これはフォトレジ
ストをレンズ状に基板底面に塗布しエッチングすること
によって中央でエッチング量を小さく、周辺でエッチン
グ量を大きくして球面の一部をなるレンズをきれいに作
成している。これは集光性をあげるためであって歪みは
問題にしていない。

【００２０】受光素子チップに作りつけレンズを設ける
という点では同じであるが、本発明とこれらの従来例と
は目的が異なり、レンズの形状が相違する。両者を判然
と区別することが大切である。そこではじめに従来例に
かかる球面レンズの原理を説明することにする。

【００２１】図３は従来例にかかる作りつけ球面レンズ
を持つ受光素子に光ファイバからの光線が入射する場合
を示す。光ファイバの端点Ｇからビームが出る。これは
円錐形に広がりながら進む。軸線をＧＴとする。球面レ
ンズｂと受光面（受光層）Ｑが示される。受光面Ｑは図
１のｐ型ＩｎＰ６の部分に該当する。裏面から入射する
ようになっていて、図１の素子の底面側から光が入る。
ｎ電極はリング状にする。ＧＨ、ＧＮが光ファイバの開
口角一杯の広がりを示す。この開口角θはクラッド、コ
アの屈折率によって決まるのであるが、ここでは５．７
゜である。そのθのちょうど半分の角度（２．９゜）の
広がり角をもつ部分をＧＪ、ＧＬによって示している。
この素子は基板側に球面の一部をもつレンズｂを作りつ
けで作製しているから、すべての光線が集光される。レ
ンズの曲率半径は１００μｍである。受光素子と光ファ
イバの距離は５００μｍとしている。

【００２２】開口角に沿う光線ＧＨ、ＧＮはＨＩ、ＮＰ
のように曲がる。半角の光線ＧＪ、ＧＬはＪＫ、ＬＭの
ように屈折する。これらの光線は、受光素子の受光層Ｑ
に集まる。受光層Ｑは面方向に広がりがある。光は受光
層（面）Ｑに一様に分布しない。球面レンズｂは球面Ｈ
ＪＬＮを持つ結像レンズであるから一点に集中させる傾
向がある。結像位置に受光面Ｑがくるようにレンズを作
るから中心付近で光強度が高く周辺部では光強度が弱
い。感度は受光面に入った光の総量によるから、感度だ
けが問題の場合は、光が受光面Ｑで一点に集中しても差
し支えない。

【００２３】しかし本発明では歪みを問題にする。受光
素子において高調波が現れると、差周波数や和周波数が
出現し、他のチャンネルとの混信を引き起こす。このよ
うな非線形性がどうして出現するのか？いまだ明確でな
いが、ひとつの原因は光パワーの過度の集中である、と
本発明者は考える。図３の作りつけレンズは感度を上げ
る作用はあるが、歪みには全く無力である。レ−ザのビ
ームの空間的強度分布がガウシアンであるとすると、レ
ンズで絞ったものもガウシアンである。つまりレンズで
絞るだけに余計に歪みが大きくなる。

【００２４】そこで、本発明者はレンズによって光ファ
イバからの光を集光し、焦点の前後の位置で軸垂直方向
の光量の分布と、その位置での歪みＩＭＤ₂ を測定し
た。これによって、ビームの軸垂直方向の広がりと、二
次歪みＩＭＤ₂ の相関を知ることができる。

【００２５】図５は軸方向の距離が異なる５つの位置
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにおける軸垂直方向の光の分布を実
測した結果を示す。全光量はどこでも同じである。点Ａ
がレンズによる光ファイバ端面の像の位置である。ここ
は当然に光の集中度が高く中心より±１０μｍの範囲に
殆どの光パワーが集中している。点Ｂはそれより少しレ
ンズ側にデフォーカスした位置である。中心部の光パワ
ーがＡ点に比べて０．４に低下している。点Ｃはさらに
Ｂよりもレンズ側によった位置である。中心部での光パ
ワーがさらに減少しＡの場合の０．１６倍程度に減り周
辺部のパワーが相対的に増えている。光パワーの存在す
る範囲が±３０μｍの程度に広がっている。点Ｄはもっ
とデフォーカスした位置である。光パワーの広がりは±
４０μｍにもなる。点Ｅは中央の光パワーがＡに比べて
０．０８の程度であって光は周辺部にまで広がってい
る。広がりは±５０μｍ程度になる。

【００２６】このように広がっていても像を見るのでは
なく、受光素子で光強度を検出すればよいのであるから
別段差し支えない。受光素子の受光面積がこれらのビー
ム広がりをカバーしてさえいればよいのである。受光素
子の広がりを±５０μｍ以上つまり直径を１００μｍ以
上にすれば、点Ｅのように著しいデフォーカスであって
も総光量を受けることができる。図５（ｂ）はそれぞれ
の位置における二次歪みＩＭＤ₂ の測定結果である。こ
れは驚くべきことを明らかにする。横軸は光密度の比で
ある。これは軸中心への光パワーの集中度をＡを基準に
しｄＢ単位で示したものである。縦軸は二次歪みである

【００２７】これは信号ｓが入射したとき、受光素子の
出力がａｓ＋ｂｓ² ＋…と表現されるとき、二次の高調
波を一次成分で割ったもので、１０ｌｏｇ（ｂｓ／ａ）
である。横軸は左へ行くほど中心での光パワーが弱くな
り、分散の甚だしいものである。ところが、二次歪みは
なんと分散の大きいビーム形の方がより小さいのであ
る。点Ａは焦点の位置に受光素子をおいたというもので
あるが、二次歪みは大きく−５７ｄＢである。点Ｂでは
ビームが広がるが歪みは−６６ｄＢに減る。点Ｅでは光
は広く分散しているが二次歪みは−８３ｄＢと極めて小
さい。

【００２８】このような結果は常識に反するものであ
る。結像系ということでは点Ａの焦点位置に受光素子を
置くのがもっとも良い。しかし歪みは最も大きい。反対
に光が広がっている点Ｅでは結像していないのでこの位
置に受光素子を置くというのは抵抗があるかも知れな
い。

【００２９】しかし実際には予想に反し、この位置が最
も二次歪みが小さい。良い結像系はすなわち、歪みの低
い良い受信をすると思いがちであろう。しかし事実は全
く反対である。良い結像系は深刻な歪みをもたらすので
ある。このような歪みと結像の相反性が本発明者がおそ
らく初めて気づいたものであろう。

【００３０】さてこれからビームの分布の問題を取り上
げる。そのためにはじめに光ファイバを伝搬した光の軸
と直角方向の光パワーの分布について述べる。図４はガ
ウシアンビームを仮定した場合の光ファイバ出射光の角
度分布を示す。これはレ−ザの横モードによって決まる
のであるが、典型的な例としてガウシアンビームを取り
上げる。横軸は出射角θである。光量が０になる角度が
開口角である。つまりＨ、Ｎ点がここに対応する。θ
_1/2 はパワーが中心の半分に減る角度である。Ｌ、Ｊが
これに対応する。

【００３１】このようなガウシアンを収差のないレンズ
で集光し或いは拡散しても横方向の分布は常にガウシア
ンである。収差が無いと言うことは原画像を忠実に拡大
縮小するということである。ガウシアンのように中心に
局在するビームを絞ると、図５のＡの例のようになる
が、これは最も歪みが甚だしくなるのである。図５は局
在させない方が歪みを小さくできるということを言って
いる。本発明者の先願は受光素子を結像点よりレンズ側
にずらして歪みを減らしている。

【００３２】本発明では異なる手法でやはり中心への光
パワーの集中を防ぐ。いかなる手法を用いるのか？レン
ズに工夫をする。中心部はほぼ平坦で、周辺部を球面の
一部とする。周辺部では集光結像の作用がある。しかし
中心部は、結像集光作用がない。

【００３３】この表現は分かりやすいが、不正確であ
る。中心部も周辺部も結像作用があるのはある特定の距
離ｚにおいてである。中心部の焦点距離をｆ₁ 、周辺部
の焦点距離をｆ₂ とすると、ｆ₁ ＞ｆ₂ であって、受光
素子の受光面が周辺部の結像点の近傍にくるようにする
ということである。曲率半径でいうと中心部の曲率ρ₁
が周辺部の曲率ρ₂ よりも小さく（ρ₁ ＜ρ₂ ）、受光
面が周辺部による像点の近くにある、ということであ
る。

【００３４】つまり二つの条件があり、レンズの幾何学
的な特異性が一つ、レンズと受光面の距離ｚ₁ がもう一
つの条件である。後者の条件も重要である。前者はレン
ズの幾何学的な異形性であって分かりやすい。しかし後
者の条件を、忘れてはならない。

【００３５】そうするとレンズの周縁部に到達した光は
中心方向に集光されるが、中央部に至った光は集光され
ない。このような半径方向の集光の特異性があるから、
はじめガウシアンであっても、中央部はほぼ平坦な光パ
ワーをもち周辺部は殆ど光パワーがないようになる。つ
まり中央集中的なガウシアン分布をしていた光は、本発
明のメサ型レンズによって矩形分布の光になる。

【００３６】図７は矩形分布の光パワーを示す。横軸は
角度θである。これは受光面における広がりと解釈する
こともできる。殆どの光パワーは線Ｌ、Ｊの間に入る。
ＬＪの外側に漏れる光はごくわずかである。

【００３７】

【実施例】

［実施例１：受光層の直径が５０μｍの受光素子チッ
プ］図６は本発明の第１の実施例にかかる受光素子の
概略断面である。ＩｎＰ基板にＩｎＧａＡｓ受光層Ｑを
もうけている。これは裏面入射型の受光素子チップであ
る。チップの厚さは１００μｍである。裏面（つまり基
板面）にメサ型レンズを作る。つまり中央部ＪＬでは平
坦な面をもち、周辺部ＬＮ、ＨＪでは半径Ｒ＝１００μ
ｍの球面となっている。光ファイバＧとの距離は５００
μｍである。図３のものと違うのは、レンズの中央部Ｌ
Ｊが平坦面になっているところである。ＬＪ部分は半径
５０μｍの円形の領域である（ＬＪ＝１００μｍ）。レ
ンズ全体の大きさは半径１００μｍ（ＨＮ＝２００μ
ｍ）である。

【００３８】１．３μｍ用のシングルモードファイバの
場合、開口角は５．７度である。しかし特に強度の強い
部分は２．９度の範囲である。だからＧＬ、ＧＪの部分
に光量の大部分が含まれる。ＪＬは平坦面であるから境
界でスネルの法則に従って屈折するが殆ど光軸と平行な
光となる。ＩｎＰの屈折率が３．５と大きい値であるた
めにＪＬの端点でも広がり角は０．８３度にすぎない。
つまりＪＫ、ＬＭは光軸ＧＴに殆ど平行である。集光作
用はない。ＬＪでのビームの分布（ガウシアンの中央
部）をそのままＫＭに転写すると言って良い。これだけ
ではＬＪ間で光強度が一様にならない。ガウシアンのま
まである。ガウシアンの両端部の下がりを埋めるのがそ
れより外側からくる光なのである。

【００３９】残りの光は２．９゜〜５．７゜にある。こ
れらは球面レンズの一部ＪＨ、ＬＮによって屈折し集光
される。球面ＪＨ、ＬＮの結像距離に受光層Ｑが位置す
る。レンズ端面からの受光層までの距離ｆの厳密な設定
が重要である。レンズから受光面までの距離を適当に決
めることにより、周辺部で屈折された光が殆ど全て受光
面に入射し、しかも受光面内での光強度分布を一様にで
きる。例えば最外角の５．７°の光は屈折されて２０．
４゜の角度で絞られる。その広がりを５０μｍφ（受光
層の面積）にするには、受光層が基板裏面からｗ＝６７
μｍの深さに形成されていれば良い。

【００４０】このような構成によって図７のような受光
層面内で、均一な光強度をうることができる。中央部の
光は平行に進むから距離ｗはどうでも良い。しかしレン
ズ部を通る周辺の光にとって、距離ｗは重要である。距
離を厳密に決めなければならないので、作りつけのレン
ズが有利なのである。メサ型のレンズを外部にとりつけ
る場合は位置決めに手数がかかる。また不正確である恐
れもある。作りつけにしてしまえば位置決めも不要であ
る。

【００４１】そのような観点からメサ型のレンズによっ
て光パワーを矩形分布にしようとする場合、図８のよう
に裏面入射型の受光素子として、基板裏面に作りつけレ
ンズを作製すればよい。これは図１の受光素子を上下反
対にした形状に書いてある。ｎ型ＩｎＰ基板２の上にｎ
型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層４、ｎ
型ＩｎＰクラッド層（窓層）５がエピタキシャル成長し
てあり、ｎ型ＩｎＰクラッド層の中央部にはｐ型領域６
が形成される。これとは別に周辺部にもｐ型領域３０が
ある。これは漏れ光吸収用のｐ型領域である。周辺部に
もしも漏れ光が入ってここで光電変換されてもｐｎ接合
があり電荷が電極まで走行できない。漏れ光が光電流を
発生しないので応答性に優れる。中央部のｐ型領域の上
にはｐ側電極３１がある。これはリング電極ではない。
ｐ側から光を入射する必要がないからである。ｐ側電極
３１以外の領域はパッシベ−ション膜８によって覆われ
ている。

【００４２】裏面から光が入るタイプの素子であるが、
入射部分に作りつけレンズ３３が形成してある。これは
ｎ型ＩｎＰ基板の一部を残すことによって作られるレン
ズである。単純な球面を持つレンズではない。中央部が
平坦面３４に周辺部が球面３５になったメサ型のレンズ
である。レンズの回りに、ｎ側の電極３２が形成され
る。このようにメサ型レンズを使うと、図７のように特
定の広がりＬＪ間での光パワーがほぼ一定になり、その
外側での光パワーがほぼ０になる。これはメサ型レンズ
の効果である。

【００４３】作りつけにした効果はまた別にある。一つ
は部材を減らしたので部品コストを下げることができ
る、ということである。もう一つは、もっと根本的な長
所である。ガウシアンビームを図７のように矩形分布に
変化させるには、レンズと受光面の距離を厳密に規定し
なければならない。独立のメサ型レンズを別体で制作し
ても位置合わせが難しい。軸方向の位置合わせ、軸直角
方向の調芯などの作業に時間がかかり製造コストを押し
上げる。作りつけならそのような調芯固定の作業が全く
不要である。

【００４４】すると作りつけメサ型レンズをどのように
して作ることができるのか？問題はここに絞られよう。
ところがメサ型レンズを作るのは簡単である。図９によ
って説明する。図９（ａ）のように、ＩｎＰ基板２の裏
面にレジスト３８を半球状に形成する。そしてイオンビ
−ム３９を照射してイオンエッチングする。レジスト３
８によって覆われた部分４０はそのまま残る。覆われな
い部分４１は一様に除去されて行く。レジスト３８によ
って覆われた部分４０も安泰ではない。イオンビ−ムに
よってレジストも次第にエッチングされて痩せてくるの
である。

【００４５】レジスト３８が端から削られて行くので被
覆部が減少してくる。被覆部４０の端の部分４２から基
板が露呈してきてその部分が削られる。レジスト３８が
段々と低く狭くなり次第に露出した部分が削られるから
図９（ｂ）のようにレジスト３８の減少とともにレンズ
のような形状に基板成分が残って行く。レジスト３８が
全部消えるまでエッチングをすると完全に球面のレンズ
ができる。

【００４６】しかしそこまでエッチングを進行させな
い。図９（ｂ）のように、中央部に少しのレジスト３８
を残す時にエッチングを終了する。レジストがなくなっ
ている部分４３は凸球面の一部になっている。レジスト
３８が残っている部分は平坦面４４になる。このように
レジストを一部に残した状態でエッチングを止めるとい
うことが重要である。ここでレジストを除くと、図９
（ｃ）のように平坦面３４と凸球面３５よりなる中平周
凸レンズ３３が作製される。

【００４７】［実施例２：受光層直径が８０μｍの受光
素子チップ］実施例１では受光径が５０μｍのものに
ついて説明した。光ＣＡＴＶで使用される周波数はせい
ぜい１ＧＨｚまでである。あまり高くないから受光径が
かなり広くても十分に動作する。ＰＤの受光径は８０μ
ｍ〜１００μｍのものが使われる。そこで、受光径が８
０μｍの場合の実施例を説明する。

【００４８】図１０によって受光素子の断面と光線の屈
折などを表す。チップの厚みは基板とエピタキシャル層
を含めて約１２０μｍである。受光面の径（受光径）は
２ｒ＝８０μｍである。基板の裏面には直径が１６０μ
ｍのメサ型の作りつけレンズが形成される。中央部には
平坦面ＪＬがあってこれの直径は８０μｍである。受光
層の直径８０μｍと等しくしてある。従ってｒ＝４０μ
ｍ〜８０μｍの同心円状の部分が球面の一部をなす凸湾
曲面になっている。

【００４９】図３、図６に関連して述べたように、１．
３μｍ用のシングルモードファイバの場合、開口角は
５．７゜であるが、強度の強い光は主に２．９゜（頂角
は５．８゜）の円錐に含まれる。θ＝２．９゜の円錐
が、図１０のレンズの平坦部ＬＪ（８０μｍφ）に合致
するのは、ファイバ端とレンズの距離がＬ＝８００μｍ
となる時である。つまり２Ｌθ_1/2 ＝ＪＬによってＬを
決める。するとθ_1/2 ＝２．９゜に含まれる強度の強い
光は平坦面ＪＬに入射する。これは単純な平面であるか
ら集光されることなくほぼ平行光（傾き角は０．８３
゜）ＩｎＰの屈折率が大きいから）となって受光層に至
る。ＪＫ、ＬＭのようにそのまま直進し受光層のほぼ全
域に広がる。

【００５０】そうは言っても２．９゜に含まれていても
元はガウシアンであるから、端での光パワーは相対的に
弱い。これを補填するのが球面ＪＨ、ＬＮからの収束光
である。これは半径が１６０μｍの球殻の一部を持つ。
ＬＮ内に入って来た光はＬＵ、ＮＰによって囲まれる範
囲に屈折される。受光層の端のＵＰの部分にこれらの光
が入射する。ＬＵの軸線となす角度は９．６゜である。
外側の光線ＮＰは軸と２０．４゜をなす。受光層は裏面
から１０８μｍである。レンズ面の点Ｎと受光層の点Ｐ
は軸直角方向に４０μｍ（＝１０８ｔａｎ２０．４゜）
隔てることになる。つまりＭ点は受光層の端であること
になる。

【００５１】つまりＬＮ、ＪＨを通る光はＭ点、Ｋ点よ
りさらに内側に屈折して受光層の両端の光線不足の部分
の光パワーを増強する。まことに優れた配分になる。こ
れは実施例１よりも受光層の広い例である。光パワーの
分布は図７のようになる。中平周凸レンズの製造方法は
図９で説明した通りである。

【００５２】［実施例３：ＰＤモジュールへの応用］Ｐ
Ｄチップ５０は裏面入射型のチップで図８に示すような
構造を持つ。ｐ側電極の方が下にくるようにサブマウン
ト５１を介してステム５２に固着される。ステム５２は
円形のパッケージであり、下向きにリードピン５３、５
４、５５などを持つ。サブマウント５１は両面にメタラ
イズしたセラミックの板である。ｐ側電極をステム５２
から絶縁する必要があるので、サブマウント５１を使
う。受光素子チップ５０は先述のように裏面入射型であ
り、入射部分に中平周凸レンズ３３が形成されている。
中央の平坦部３４と周辺の凸球面３５を含む。チップ５
０の上にはキャップ５６が設けられる。キャップは真ん
中に窓があり、ガラス窓５７が固定される。さらにホル
ダー５８がステム５２の上に固定される。

【００５３】ホルダー５８は、フェルール５９を受光素
子チップの直上に支持するものである。フェルール５９
はシングルモードファイバ６０の先端を支持している。
ファイバ６０の先端は斜めに研磨されている。ｐ電極は
ワイヤ６２によってリードピン５３に接続される。ｎ電
極は、ワイヤ６１によってリードピン５５に製造され
る。ファイバに光を通し、ＰＤに光を入射させ、ＰＤの
光電流を測定し、光量が最大になるように軸垂直方向に
ホルダー５８を動かして調芯する。さらにフェルール５
９を軸方向に動かして最適の位置で固定する。これによ
って、図７のような矩形の光パワー分布を得ることがで
きるから、歪みの小さい受光素子モジュールを得ること
ができる。軸方向の最適の位置というのは図１０に関連
して説明したように開口角の広がりの周辺部が中平周凸
レンズの周辺に対応し、θ_1/2 に含まれる光が平坦部３
４と曲面部３５の境界に対応するような位置である。光
量が最大ということとはまた異なる。

【００５４】［ＰＤチップの製造方法］図８に示す本発
明の実施例にかかる受光素子チップの製造方法をつぎに
説明する。ｎ型ＩｎＰウエハ−を用意する。その上にｎ
型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層（受
光層）４、ｎ型ＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長させ
る。ｎ型ＩｎＰ基板の裏面に、図９に示した方法によっ
て中平周凸レンズ３３を作る。レンズにはＳｉＮの反射
防止膜が形成される。ｎ型窓層の中央部にはＺｎ拡散に
よってｐ領域６を作る。これが作るｐｎ接合が受光層に
なる。受光層の直径は８０μｍ（実施例２）と５０μｍ
（実施例１）である。このｐ領域６のすぐ上にｐ側電極
３１をつける。また周辺部にはやはりＺｎ拡散によるｐ
層３０が形成されている。これは漏れ光を吸収しｐ電極
３１に行かないようにする作用がある。

【００５５】入射光は基板裏面中央のレンズ３３を通り
基板側から入射するので、基板側のｎ−電極３２はリン
グ状の電極とする。電極によって囲まれている中央部か
ら光が入り、バッファ層３を通過し、ＩｎＧａＡｓ受光
層に至る。ここで電子正孔対を発生させて消滅する。電
子はｎ電極３２に向かって走り、正孔はｐ電極を目指し
て走行する。電極間に光電流が流れる。これによって光
電変換される。

【００５６】レンズ３３によって光を絞るから、周辺部
に漏れる光は本来存在しないはずであるが、もしも漏れ
たとしても漏れ光吸収用のｐ領域３０で電子正孔を生ず
るからこれはｐｎ接合を越えることができず、光電流に
ならない。これは特開平４−１１１４７７号（特願平２
−２３０２０６号）によって本出願人が提案したもので
ある。ｐ側から光が入射する受光素子において特に必要
である。本発明は裏面入射であってしかもレンズ付きで
あるから漏れ光のようなものはもともと殆どないが、た
とえあってもその影響を完全に遮断することができるの
である。

【００５７】このような方法によって作製したＰＤチッ
プをパッケージに実装した。そして光ファイバを取り付
け図１１の受光素子モジュールとした。そして受光素子
の電極間に１５Ｖの逆バイアスを加えた。０ｄＢｍの光
を光ファイバから入れた時の二次歪みＩＭＤ₂ を測定し
た。二次歪みは−８５ｄＢであった。さらに受光素子の
中央部での光パワー密度を測定した。ガウシアンのよう
に中央部に局在する光でない（図８）の密度は低くて、
−１２ｄＢである。これを図５（ｂ）のグラフに書き込
むと図１２のようになる。本発明の受光素子の場合、従
来例で最も光量が小さいケースＥよりもまだ密度が低
く、ＩＭＤ₂ も小さい。

【００５８】［実施例４：レンズを付加する場合］本
発明のＰＤは基板側に作りつけのメサ型レンズをもつか
ら集光性はあるのであるが、それだけでは光ファイバと
受光素子チップの距離が厳密に決まってしまう。光ファ
イバとレンズの距離をもっと広くとりたいという要望が
ある場合、レンズを光ファイバと受光素子の間に挿入す
る。レンズによって集光できるから光ファイバをより遠
くへ変位させることができる。図１３はこのようなレン
ズを設けた受光素子モジュールの構成を示している。収
差のないレンズを設ける場合は計算は単純である。θ
_1/2 の光が中平周凸レンズの平面曲面の境界に当たるよ
うに決めればよい。

【００５９】しかし球レンズのように収差の大きいレン
ズの場合は少し注意を要する。球レンズは遠軸光線を強
く屈折し、近軸光を弱く屈折するから受光素子チップ面
での光線が図１０のようにならない。

【００６０】［実施例５：レンズ境界をθ_1/2 からはず
す場合］これまでに述べた実施例では、中平周凸レンズ
の平面曲面の境界をθ_1/2 に合致させていたがそれに限
らない。図７のように光パワー分布が矩形分布するよう
にさせれば良いのであるから、ビームがガウシアンであ
っても境界とθ_1/2 を一致させなくても矩形分布を得る
ことができる場合もある。ビームがガウシアンでないと
言うこともよくあるが、その場合はビームの光パワーの
分布によって光の広がりとレンズの境界の対応を最適化
すればよい。例えば、中心でも光強度が大きくしかも周
辺部まで光パワーがすそを引くような光源の場合は、レ
ンズの平坦部を狭くし、球面部を広くするのがよい。

【００６１】［実施例６：後付けレンズ］以上に述べた
実施例においてはレンズは作りつけになっていた。これ
だと材質は基板と同じものになる。図１４のように独立
の中平周凸レンズを別の材料によって作製して、これを
チップの基板裏面にはりつけるようにしても良い。その
ようにすると材料の制限から免れる。材料を選ぶことが
できれば屈折率もある程度自由に選ぶことができるので
直径、曲率、境界線などの設計の自由度が広がる。例え
ばガラス、Ｓｉなどをレンズの材料として用いることが
できる。レンズは透明の樹脂によって基板裏面に張り付
ける。

【００６２】

【発明の効果】受光層において光密度が高いほど歪みが
大きくなる。感度は、全光量に比例する。本発明は受光
素子チップに中平周凸レンズを作りつけにし、あるいは
固定するので受光層において光密度分布が一様になる。
本発明は光密度が受光層においてほぼ均一であるから歪
みは小さくしかも感度が大きい。歪みが小さいのでアナ
ログのＰＤモジュールとして最適である。チャンネルの
数が多くてもクロストークなどが起こらない。高感度で
低歪みの受信器を作製することができる。光ＣＡＴＶの
受信器の受光素子モジュールや、光計測に用いる受光素
子として最適な性能を持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例にかかるＰＩＮフォトダイオードチップ
の断面図。

【図２】従来例にかかる受光素子モジュールの斜視図。

【図３】従来例にかかる作りつけレンズを有する受光素
子チップに光ファイバからの光が入射する際の光線の屈
折を示す説明図。

【図４】現在得られるレ−ザの典型的な例として、ガウ
シアンビームを発生するレ−ザの発生するビームの角度
分布を示すグラフ。

【図５】レ−ザの光軸上の５点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにお
ける軸垂直方向の光強度分布とその点に受光素子を設定
した時の二次歪みＩＭＤ₂ を示すグラフ。（ａ）は５点
での軸垂直方向の光強度分布を示し、（ｂ）はその５点
におけるＩＭＤ₂ を示す。

【図６】本発明の受光素子に光ファイバからの光が入射
するときの光線の屈折を示す光線説明図。

【図７】中平周凸レンズをもつ本発明の受光素子に、光
ファイバからの光を入射させるときに受光層においてど
のような光密度分布になるかを示すグラフ。ガウシアン
ビームが矩形分布のビームに整形される。

【図８】本発明の実施例にかかる基板面入射型で基板側
に中平周凸レンズを有する受光素子チップの断面図。

【図９】本発明の受光素子において基板裏面側に中平周
凸レンズを作製する手法を説明する図。（ａ）は基板面
側にレジストを球の一部をなすような厚み分布をもって
塗布しイオンビ−ムを照射してエッチングしている状態
を示す。（ｂ）はイオンビ−ムエッチングを途中で中止
するとレジストの一部が中央部に残りその周辺部は球面
上にエッチングされた状態になることを示す図。

【図１０】８０μｍの直径の受光層をもつ本発明の実施
例にかかる受光素子の光線の屈折を示す断面図。

【図１１】本発明の実施例にかかる受光素子モジュール
の断面図。

【図１２】受光層の中心における光密度と二次歪みＩＭ
Ｄ₂ の相関を示すグラフに従来例の結果に並べて本発明
の実施例の結果を記入したグラフ。

【図１３】本発明の実施例にかかる作りつけ中平周凸レ
ンズを有する受光素子と光ファイバの間に別体のレンズ
を追加して光ファイバと受光素子の間の距離を調整可能
にした例を示す受光素子モジュールの構成図。

【図１４】本発明の別の実施例にかかる後付け中平周凸
レンズを設けた受光素子チップの側面図。

【図１５】本発明の中平周凸レンズの作用を説明するた
めの幾何学的な光線図。

【図１６】中平周凸レンズによって矯正されるビ−ムの
前後の強度分布を示す図。

【符号の説明】１受光素子チップ２ｎ型ＩｎＰ基板３ｎ型ＩｎＰバッファ層４ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５ｎ型ＩｎＰ窓層６ｐ型領域７ｐｎ接合８パッシベ−ション膜９反射防止膜１０ｐ電極１１ｎ電極１２パッケージ１３サブマウント１４シングルモードファイバ１５アノードピン１６カソードピン１７ケースピン１８スリーブ１９フェルールホルダー２０フェルール２１ベンドリミッタ２２球レンズ付キャップ２３球レンズ３０漏れ光吸収用ｐ型層３１ｐ側電極３２ｎ側電極３３中平周凸レンズ３４中央平坦部３５周辺球面部３６入射光３８レンズ形成用レジスト３９イオンビーム４０レジストによって被覆された基板部分４１レジストによって被覆されない基板部分４２レジストの周辺境界部５０ＰＤチップ５１サブマウント５２ステム５３リードピン５４リードピン５５リードピン５６キャップ５７ガラス窓５８フェルールホルダー５９フェルール６０シングルモードファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤村康大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光部と一体化されたレンズを有する半
導体受光素子において、レンズの先端中央部分が部分的
に平坦であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】上記のレンズが平凸レンズの凸側の先端
を平坦化し、これをＰＤに固定したことを特徴とする請
求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】上記のレンズがＰＤの基板に作りつけら
れたものであることを特徴とする請求項２に記載の半導
体受光素子。
【請求項４】レンズの平坦部の最外周を通って入射し
た光線が受光層のほぼ外周付近に入射し、作りつけレン
ズのレンズ効果を有する最外周部を通った光が屈折して
同じく受光層のほぼ外周付近に入射することを特徴とす
る請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項５】ガウシアンビームの強度が１／２になる
角度以内にある光が、レンズの平坦部を通り、ほぼ全て
の光を含み最外角の光がレンズの最外周を通って、受光
面に集光されることを特徴とする請求項４に記載の半導
体受光素子。
【請求項６】ＩｎＧａＡｓ受光層よりなるＰＤチップ
を用いたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載
の半導体受光素子。
【請求項７】ＰＤチップがＩｎＰ基板、ＩｎＰバッフ
ァ層、ＩｎＧａＡｓ受光層、ＩｎＰ窓層よりなる事を特
徴とする請求項６に記載の半導体受光素子。
【請求項８】フォトダイオードを平坦な窓を有するパ
ッケージに実装したことを特徴とする請求項６又は７に
記載の半導体受光素子。
【請求項９】ＰＤチップが受光層の周辺にもＺｎ拡散
によるｐｎ接合を有し、周辺の漏れ光による不要なフォ
トキャリヤを除去することを特徴とする請求項６に記載
の半導体受光素子。
【請求項１０】ＰＤの受光径が略５０μｍで、ＩｎＰ
基板表面より約６７μｍの深さにあり、作りつけレンズ
の半径が略１００μｍであり、先端の平坦部の外径が略
５０μｍであり、レンズ部の最外周が略１００μｍであ
ることを特徴とする請求項６、７、８、９の何れかに記
載の半導体受光素子。
【請求項１１】光ファイバがシングルモードファイバ
で、ＰＤとの距離が略５００μｍであることを特徴とす
る請求項１０に記載の半導体受光素子。
【請求項１２】ＰＤの受光径が略８０μｍで、ＩｎＰ
基板表面より約１０８μｍの深さにあり、作りつけレン
ズの半径が略１６０μｍであり、先端の平坦部の外径が
略８０μｍであり、レンズ部の最外周が略１６０μｍで
あることを特徴とする請求項６、７、８、９の何れかに
記載の半導体受光素子。
【請求項１３】光ファイバがシングルモードファイバ
で、ＰＤとの距離が略８００μｍであることを特徴とす
る請求項１２に記載の半導体受光素子。
【請求項１４】ＰＤとレンズとを一体化したものを光
ファイバと組み合わせてなることを特徴とする請求項１
〜１３の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１５】光ファイバとＰＤの間にレンズを介在
させることを特徴とする請求項１４に記載の半導体受光
素子。