(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも光吸収層を含む半導体多層構造を有する受光素子と、該受光素子の取り付け部材と、光を該受光素子に入射させる手段とから構成される半導体受光装置において、該受光素子への入射光が、該半導体多層構造と略垂直な基板端面に斜めに入射し、かつ、該光吸収層を斜めに通過する様に、該受光素子と該手段を配置したことを特徴とする半導体受光装置。
【請求項２】
該手段は、少なくとも該取り付け部材に対して斜めに配置された要素を含むことを特徴とする請求項１の半導体受光装置。
【請求項３】
該取り付け部材に対して、少なくとも該受光素子を斜めに配置したことを特徴とする請求項１又は２の半導体受光装置。
【請求項４】
該手段は、光ファイバを有することを特徴とする請求項１，２又は３の半導体受光装置。
【請求項５】
該手段は、光路変換手段を有することを特徴とする請求項１，２，３又は４の半導体受光装置。
【請求項６】
該光路変換手段は、少なくとも反射鏡を有することを特徴とする請求項５の半導体受光装置。
【請求項７】
該光路変換手段は、少なくともプリズムを有することを特徴とする請求項５の半導体受光装置。
【請求項８】
該光路変換手段は、少なくともレンズを有することを特徴とする請求項５の半導体受光装置。
【請求項９】
該基板端面は、劈開面であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７又は８記載の半導体受光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールにおいては、高速動作を可能にするために該半導体受光素子の光吸収層を薄層化した場合には、入射光と該端面入射型半導体受光素子との光結合効率が低下し、その結果、受光感度が低下するという問題があった。
この問題を解決するために光導波路型半導体受光素子或いは屈折型半導体受光素子が提案されている。
【０００３】
図２（ａ）に光導波路型半導体受光素子を示す。
同図において、２１ａは光入射端面、２２ａはｐ−ＩnＰ層、２３ａはｐ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層、２４ａはＩnＧaＡs光吸収層、２５ａはｎ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層、２６ａはｎ−ＩnＰ基板、２７ａはｐ電極、２８ａはｎ電極である。
【０００４】
この光導波路型半導体受光素子は、光ガイド層２３ａ，２５ａの働きにより、光吸収層２４ａを薄層化した場合でも、入射光に対して高い受光感度を得られる。
しかしながら、光吸収層２４ａとＩnＰ層２２ａ，２６ａの間に光ガイド層２３ａを設けるために全成長層厚が厚くなり、結晶成長及び素子作製プロセスが容易ではないという問題がある。
【０００５】
図２（ｂ）に屈折型半導体受光素子を示す。
同図において、２１ｂは光入射端面、２２ｂはｐ−ＩnＰ層、２３ｂはＩnＧaＡs光吸収層、２４ｂはｎ−ＩnＰ層、２５ｂはｎ−ＩnＰ基板、２６ｂはｐ電極、２７ｂはｎ電極である。
【０００６】
この屈折型半導体受光素子は、光入射端面２１ｂを傾斜させて形成しているため、該光入射端面２１ｂで屈折した入射光が光吸収層２３ｂを斜めに通過し、それによって該光吸収層２３ｂを薄層化した場合でも、入射光に対して高い受光感度を得られる。
しかしながら、傾斜した光入射端面２１ｂをエッチングで作製するプロセスが必要であるという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、結晶成長、及び作製プロセスが簡易な端面入射型受光素子を用いながら、高速動作が可能で、かつ高受光感度が得られる半導体受光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に成長された光吸収層を含む半導体多層構造に対し端面から光を入射する構造の半導体受光素子（端面入射型受光素子）を用いた受光モジュールにおいて、入射光を該半導体多層構造と略垂直な基板端面に対して斜めに入射することにより、該光入射端面において屈折した入射光が前記光吸収層を層厚方向に対して斜めに通過するように構成されていることを特徴とする。
薄い半導体成長層厚で通常の光入射端面を有する端面入射型半導体受光素子を用いながら、光が光吸収層に対し斜めに入射されるために、該端面入射型半導体受光素子の高速動作を可能とする薄い光吸収層に対しても高い受光感度を得られる。
【０００９】
〔作用〕
このように、本発明は、光が光吸収層に対し斜めに入射されるために、薄い光吸収層に対しても高い光結合効率が得られ、同時に光が光吸収層を斜めに通過するために実効的光吸収長が長くなる。
その結果、半導体受光素子の高速動作を可能とする薄い光吸収層を用いた場合でも高い受光感度を得ることが出来る。
即ち、簡易な層構造及び作製プロセスで作製可能な端面入射型半導体受光素子を用いていながら、高速、高受光感度の受光モジュールが作製可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例を図１に示す。
本実施例は、端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、１１は光入射端面、１２はｐ−ＩnＰ層、１３はＩnＧaＡs光吸収層、１４はｎ−ＩnＰ層、１５はｎ−ＩnＰ基板、１６はｐ電極、１７はｎ電極、１８はフラットエンドファイバ、１９はパッケージである。
光入射端面１１には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００１１】
フラットエンドファイバ１８がパッケージ１９に対して斜めに取り付けられているため、入射光は入射角θで光入射端面１１に入射される。
該光入射端面１１で屈折した光は光吸収層１３に対してφの角度を持って入射する。
波長１．３μｍの光を入射すると、入射光に対するＩnＰの屈折率は３．２０９であり、入射角θ＝６０度の時、屈折角φ＝１５．７度となる。
屈折した光は光吸収層１３内を１５．７度の角度を持って通過するので、０．５μｍ厚の光吸収層を用いても、実効光吸収長は１．８５μｍになり、受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られる。
【００１２】
光吸収層厚０．５μｍであれば、受光層面積を縮小することで、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚ以上の高速動作が可能である。
本実施例では、フラットエンドファイバ１８をパッケージ１９に対して斜めに取り付けることで、光入射端面１１に対して入射光が斜めに入射する構造を実現しているが、入射光光軸と受光素子の両方をパッケージ底面に対して斜めの角度を持つように配置してもよい。
また、本実施例ではフラットエンドファイバ１８を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
【００１３】
端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のｐ−ＩnＰ層１２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩnＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚnの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
また、本実施例ではｎ−ＩnＰ基板１５を用いた例を示しているが、ｐ−ＩnＰ基板、或いは半絶縁性ＩnＰ基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
【００１４】
受光素子の光吸収層１３については、本実施例では均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、ＩnＧaＡs／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【００１５】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例を図３に示す。
本実施例は、端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、３１は光入射端面、３２はｐ−ＩnＰ層、３３はＩnＧaＡs光吸収層、３４はｎ−ＩnＰ層、３５はｎ−ＩnＰ基板、３６はｐ電極、３７はｎ電極、３８はフラットエンドファイバ、３９１は傾斜形成用台座、３９２はパッケージである。
光入射端面３１には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００１６】
傾斜形成用台座３９１により半導体受光素子が傾斜して設置されるため、入射光は入射角θで光入射端面３１に入射される。
該光入射端面３１で屈折した光は光吸収層３３に対してφの角度を持って入射する。
波長１．３μｍの光を入射すると、入射光に対するＩnＰの屈折率は３．２０９であり、入射角θ＝６０度の時、屈折角φ＝１５．７度となる。
屈折した光は光吸収層３３内を１５．７度の角度を持って通過するので、０．５μｍ厚の光吸収層を用いても実効光吸収長は１．８５μｍになり、受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られる。
【００１７】
光吸収層厚０．５μｍであれば、受光層面積を縮小することで、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚ以上の高速動作が可能である。
本実施例ではフラットエンドファイバ３８を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のｐ−ＩnＰ層３２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩnＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚnの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００１８】
また、本実施例ではｎ−ＩnＰ基板３５を用いた例を示しているが、ｐ−ＩnＰ基板或いは半絶縁性ＩnＰ基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
受光素子の光吸収層３３については、本実施例では均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、ＩnＧaＡsＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡsＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【００１９】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例を図４に示す。
本実施例は、端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、４１は光入射端面、４２はｐ−ＩnＰ層、４３はＩnＧaＡs光吸収層、４４はｎ−ＩnＰ層、４５はｎ−ＩnＰ基板、４６はｐ電極、４７はｎ電極、４８はフラットエンドファイバ、４９１は反射鏡、４９２はパッケージである。
光入射端面４１には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２０】
反射鏡４９１により反射された入射光は入射角θで光入射端面４１に入射される。
該光入射端面４１で屈折した光は光吸収層４３に対してφの角度を持って入射する。
波長１．３μｍの光を入射すると、入射光に対するＩnＰの屈折率は３．２０９であり、入射角θ＝６０度の時、屈折角φ＝１５．７度となる。
屈折した光は光吸収層４３内を１５．７度の角度を持って通過するので、０．５μｍ厚の光吸収層を用いても実効光吸収長は１．８５μｍになり、受光感度０．９Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られる。
【００２１】
光吸収層厚０．５μｍであれば、受光層面積を縮小することで、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚ以トの高速動作が可能である。
本実施例では、反射鏡４９１を１つ用いているが、複数の反射鏡を用いて入射光が光入射端面に対して斜めに入射する構造を実現しても良いし、プリズム、レンズ等を用いて入射光が光入射端面に対して斜めに入射する構造を実現しても良い。
また、本実施例ではフラットエンドファイバ４８を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
【００２２】
端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のｐ−ＩnＰ層４２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩnＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚnの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
また、本実施例ではｎ−ＩnＰ基板４５を用いた例を示しているが、ｐ−ＩnＰ基板、或いは半絶縁性ＩnＰ基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
【００２３】
受光素子の光吸収層４３については、本実施例では均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構遣の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、ＩnＧaＡs／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【００２４】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例を図５に示す。
本実施例は、表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を有する端面入射型半導体受光素子を用いた受光モジュールである。
同図において、５１は光入射端面、５２はｐ−ＩnＰ層、５３はＩnＧaＡs光吸収層、５４はｎ−ＩnＰ層、５５はｎ−ＩnＰ８度オフ基板、５６はｐ電極、５７はｎ電極、５８はフラットエンドファイバ、５９１は反射鏡、５９２はパッケージである。
【００２５】
８度オフ基板５５を用いているために、劈開により形成した光入射端面５１は表面に対して８２度の角度をなす。
光入射端面５１には無反射膜を形成している。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
反射鏡５９１により反射された入射光は入射角θで光入射端面５１に入射される。
該光入射端面５１で屈折した光は光吸収層５３に対してφ＋８度の角度を持って入射する。
波長１．３μｍの光を入射すると、入射光に対するＩnＰの屈折率は３．２０９であり、入射角θ＝６０度の時、屈折角φ＝１５．７度となる。
【００２６】
屈折した光は光吸収層５３内を２３．７度の角度を持って通過するので、０．５μｍ厚の光吸収層を用いても実効光吸収長は１．２５μｍになり、受光感度０．８Ａ／Ｗ以下の大きな値が得られる。
光吸収層厚０．５μｍであれば、受光層面積を縮小することで、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚ以上の高速動作が可能である。
光入射端面５１が表面側から離れるに従い内側に傾斜しているため、光吸収層５３と入射光のなす角度を大きくすることも可能となり、高速化を目指して受光層面積を小さくした場合でも、光が光吸収層外に漏れることを極力小さくすることができ、受光感度の低下を小さく抑える設計が可能となる。
【００２７】
本実施例では基板表面が（１００）面に対して８度の角度を持つ基板５５を用いているが、この角度は何度であってもよい。
また、本実施例では基板表面が（１００）面に対してある角度を持つ基板５５を用いた時に劈開面が表面に対して斜めの角度を持つことを利用して光入射端面５１が表面側から離れるに従い内側に傾斜している構造を形成しているが、基板５５としては通常の基板を用いて、エッチング等により光入射端面が表面側から離れるに従い内側に傾斜している構造を形成してもよい。
【００２８】
本実施例では、反射鏡５９１を１つ用いているが、複数の反射鏡を用いて入射光が光入射端面５１に対して斜めに入射する構造を実現しても良いし、プリズム、レンズ等を用いて入射光が光入射端面に対して斜めに入射する構造を実現しても良い。
また、本実施例ではフラットエンドファイバ５８を用いているが、先球ファイバ、光導波路、レンズ等を用いて受光素子に光を導いてもよいことは言うまでもない。
【００２９】
更に、実施例１に示すような、受光素子はパッケージに対して水平に設置し、入射光光軸を斜めにする構造、或いは実施例２に示すような、受光素子をパッケージに対して斜めに設置し、入射光光軸は水平にする構造等に本実施例で示した表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を有する端面入射型半導体受光素子を用いてもよい。
尚、端面入射型半導体受光素子については、本実施例では表面側のｐ−ＩnＰ層５２は結晶成長によって形成しているが、結晶成長ではアンドープＩnＰ層とし、表面側の主たる部分の半導体の導電形を、Ｚnの拡散や、イオン注入法とその後のアニールによって決定しても良い。
【００３０】
また、本実施例ではｎ−ＩnＰ基板５５を用いた例を示しているが、ｐ−ＩnＰ基板、或いは半絶縁性ＩnＰ基板を用いて作製した受光素子でも同様な効果が得られる。
受光素子の光吸収層５３については、本実施例では均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオード構造や超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。
更に、ＩnＧaＡs／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系などの他の材料系や歪を内在するような材料系でもよいことは言うまでもない。
【００３１】
また、半導体受光装置には電気素子がハイブリッドに内蔵される、或いは、受光素子とモノリシック集積されてもかまわない。
更には、特願平１１−３０１３７号に示すように、半導体受光層の上層或いはその周辺部に光入射用の窓を設けた端面入射型半導体受光素子で構成されたことを特徴とする半導体受光装置にも適用可能なものである。
【００３２】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明の受光モジュールは、光が光吸収層に対し斜めに入射されるために、薄い光吸収層に対しても高い光結合効率が得られ、同時に光が光吸収層を斜めに通過するために実効的光吸収長が長くなる。
その結果、半導体受光素子の高速動作を可能とする薄い光吸収層を用いた場合でも高い受光感度を得ることが出来る。
即ち、簡易な層構造及び作製プロセスで作製可能な端面入射型半導体受光素子を用いていながら、高速、高受光感度の受光モジュールが作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図である。
【図２】従来の受光モジュールで用いる半導体受光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１  光入射端面
１２  ｐ−ＩnＰ層
１３  ＩnＧaＡs光吸収層
１４  ｎ−ＩnＰ層
１５  ｎ−ＩnＰ基板
１６  ｐ電極
１７  ｎ電極
１８  フラットエンドファイバ
１９  パッケージ
２１ａ  光入射端面
２２ａ  ｐ−ＩnＰ層
２３ａ  ｐ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層
２４ａ  ＩnＧaＡs光吸収層
２５ａ  ｎ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層
２６ａ  ｎ−ＩnＰ基板
２７ａ  ｐ電極
２８ａ  ｎ電極
２１ｂ  光入射端面
２２ｂ  ｐ−ＩnＰ層
２３ｂ  ＩnＧaＡs光吸収層
２４ｂ  ＩnＰ層
２５ｂ  ｎ−ＩnＰ基板
２６ｂ  ｐ電極
２７ｂ  ｎ電極
３１  入射端面
３２  ｐ−ＩnＰ層
３３  ＩnＧaＡs光吸収層
３４  ｎ−ＩnＰ層
３５  ｎ−ＩnＰ基板
３６  ｐ電極
３７  ｎ電極
３８  フラットエンドファイバ
３９１  傾斜形成用台座
３９２  パッケージ
４１  入射端面
４２  ｐ−ＩnＰ層
４３  ＩnＧaＡs光吸収層
４４  ｎ−ＩnＰ層
４５  ｎ−ＩnＰ基板
４６  ｐ電極
４７  ｎ電極
４８  フラットエンドファイバ
４９１  反射鏡
４９２  パッケージ
５１    入射端面
５２  ｐ−ＩnＰ層
５３  ＩnＧaＡs光吸収層
５４  ｎ−ＩnＰ層
５５  ｎ−ＩnＰ８度オフ基板
５６  ｐ電極
５７  ｎ電極
５８  フラットエンドファイバ
５９１  反射鏡
５９２  パッケージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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