(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型である半導体層の一部に第２の導電型である第１の領域を設けることにより形成された第１のｐｎ接合部を有する上面入射型のフォトダイオードチップであって、
光の入射により発生した光電流を外部回路に取り出すために前記第１のｐｎ接合部に形成された電極と、
第２の導電型である第２の領域を前記第１の領域を取り囲むように前記半導体層に設けることにより形成された第２のｐｎ接合部と、
を有し、前記第２のｐｎ接合部はチップ端面に達しており、前記第２の領域には電極の形成がないことを特徴とするフォトダイオードチップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムの送信装置等に用いられるフォトダイオードチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いる光通信のための半導体レーザ装置は、たとえば図４のようにレーザダイオードチップ１Ａおよびモニタ用のフォトダイオードッチップ１Ｂがヘッダ２上にマウントされ、リード３を通じて外部の駆動回路およびモニタ回路（図示せず）に接続されている。キャップ４は透光性の窓５を有しており、レーザダイオードチップ１Ａとフォトダイオードチップ１Ｂとを気密シールするために用いられる。ここで、ハウジング８にフェルール７を介して挿通された光ファイバ６にレーザダイオードチップ１Ａからの光を効率よく入射するために、レンズホルダ１０に固定した集光レンズ９が用いられている。図４のような形状をコアキシャルタイプと呼ぶ。
【０００３】
図５の装置は、バタフライタイプと呼ばれるもので、ハウジング８が矩形となっている。基本的には、図３と機能は同じであるが、ハウジング８の中にレーザ駆動回路やモニタ回路用のＩＣ（集積回路）チップなどを配置するような使い方もできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ装置は、温度変動などにより発光強度が不安定になりやすく、このためフォトダイオードチップ１Ｂで発光光をモニタし、外部の電子回路でモニタ光のレベルが常に一定になるよう、半導体レーザ１Ａに流す平均電流をコントロールしている。ところが、１００Ｍｂｐｓ付近以上の高速でより安定な動作をさせる為には、平均電流のコントロールでは不十分であり、発光の最小値と最大値とを検出して、この双方のレベルをコントロールする必要がある。
【０００５】
しかしながら従来の半導体レーザ装置では、通常のフォトダイオードチップ１Ｂを用いているため、いわゆる裾引き現象があり、最小値と最大値とを正確に知ることができず、実用に供することが難しかった。裾引き現象は、フォトダイオードのｐｎ接合から離れたところに照射された光による光電流が応答速度の遅い成分となってしまうために生じる。応答速度の遅い成分のため、レーザ光の光強度の変化を正確に検出できない事態となる。図６にその様子を示す。ファトダイオードチップ１Ｂについては、半導体基板１１上にエピタキシャル成長層１２が形成され、金属元素の拡散によって層１２とは逆の導電型の拡散領域１３が形成される。層１２と領域１３との境界部分がｐｎ接合といわれ、この部分に照射された光が主に光電流に寄与する。光電流は電極１４、１５を通じて、外部にモニタ用の信号として取り出される。
【０００６】
ここで、符号１６はレーザダイオードチップ１Ａより放射された光ビームの広がりを示すものである。このビームのうち領域１３およびそのごく近傍（たとえば３〜５μｍ）で吸収された光によるキャリアは、ｐｎ接合に印加された電界によって高速に、かつ効率よく分離されて光電流に寄与するが、それより外側では、電界が印加されていないので吸収された光は非常に応答速度の遅い光電流を発生してしまう。そうすると、デジタル信号光のモニタにおいては、パルス波形の歪みが出て（特に矩形パルスの立ち下がり部分がμｓｅｃの尾をひく）、最大値と最小値との検出が正確にできず、高速且つ安定な変調ができないという問題が生じる。
【０００７】
このため、従来の半導体レーザ装置では、フォトダイオードチップ１Ｂを実装する位置を微細に制御して、半導体レーザチップ１Ａの後端面から出た光がフォトダイオードチップ１Ｂの受光窓内にだけ入射するよう調整しなければならなかった。そして、実装位置を微細に制御するためには実装時間が長くなるなどの問題があり、量産性を損ねていた。
【０００８】
半導体レーザ装置は光通信に必須のものであるにもかかわらず、このような困難性を有し、必ずしも全ての用途に使えないため、光通信システムの急速な普及を阻害している。本発明は、かかる問題点を解決することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るフォトダイオードチップは、第１の導電型である半導体層の一部に、第２の導電型である第１の領域を設けることにより形成された第１のｐｎ接合部を有する上面入射型のフォトダイオードチップであって、光の入射により発生した光電流を外部回路に取り出すために第１のｐｎ接合部に形成された電極と、第２の導電型である第２の領域を第１の領域を取り囲むように上記半導体層に設けることにより形成された第２のｐｎ接合部とを有し、第２のｐｎ接合部はチップ端面に達しており、第２の領域には電極の形成がないことを特徴とする。
【００１０】
本発明の構造によれば、モニタ用のフォトダイオードチップには無効とすべきキャリアの捕獲構造が設けられているため、レーザダイオードチップからのモニタ光をフォトダイオードチップに入射しても、光電流信号の裾引きなどを生じることがない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図１，図２および図３を参照して本発明の一実施形態を説明する。本実施形態では、本発明のフォトダイオードについて、当該フォトダイオードが好適に適用される半導体レーザ装置を用いて説明する。
【００１２】
図１は本実施形態の半導体レーザ装置の要部を示した一部破砕断面を含む側面図であり、図２は要部の拡大図である。図１（ｂ）として拡大して図示のように、従来と異なる点は、モニタ用フォトダイオードチップ１Ｂとして、受光領域であるｐｎ接合の外部に入射した光によって発生した光電流を無効にする構造を有するタイプ（電荷捕獲型フォトダイオードチップと呼ぶ）を用いたことである。
【００１３】
図１のように、ヘッダ２にはレーザダイオードチップ１Ａがマウントされると共に、その背部にフォトダイオードチップ１Ｂがマウントされ、これにレンズホルダ１０とハウジング８が一体化されている。そして、ハウジング８にはフェルール７によって光ファイバ６が挿通され、光ファイバ６の光入射端面とレーザダイオードチップ１の発光面が、レンズ９および窓５を挟んで対向している。
【００１４】
フォトダイオードチップ１Ｂは、受光領域であるｐｎ接合領域の周囲に入射した光により発生した光電流を無効にする構造を有する（電荷捕獲型フォトダイオードチップ）。図２にその構造の一例を示す。この構造では、エピタキシャル層１２に、それぞれ同じ導電型を持った領域１３と領域１７とが金属元素の熱拡散によって形成されている。これにより、領域１３とエピタキシャル層１２との界面に受光領域である第１のｐｎ接合領域が形成される。また、領域１７とエピタキシャル層１２との界面には、受光領域の周囲に入射した光により発生した光電流を無効にするための第２のｐｎ接合領域が形成される。ここで、図２に示す通り、領域１７に電極は設けられておらず、また、領域１７はフォトダイオードチップ１Ｂの端面にまで達している。そのため、第２のｐｎ接合領域もまた、フォトダイオードチップ１Ｂの端面まで達することとなる。レーザダイオードチップ１Ａからの光が領域１７に照射された場合であっても、領域１７及び第２のｐｎ接合領域で発生した光キャリアは、領域１３の方には流れず、第２のｐｎ接合界面近傍、又は、チップ端面に露出した第２のｐｎ接合領域で消滅してしまう。具体的には、本出願人による特願平２−２３０２０６号にその詳細が示されている。
【００１５】
このような改良されたフォトダイオードチップ１Ｂをモニタに用いると、レーザダイオードチップ１Ａからのモニタ光ビームが広がった状態でも、領域１７及び第２のｐｎ接合領域で発生した光キャリアを第２のｐｎ接合界面近傍、又は、チップ端面に露出した第２のｐｎ接合領域で消滅させることができる。そのため、光電流の裾引きが低減される。したがって、レーザダイオードチップ１Ａから放出されるレーザ光の光強度変化を高応答速度にて検出する可能となる。また、フォトダイオードチップ１Ｂを実装する際、レーザダイオードチップ１Ａとの相対位置の精度を高度に保つ必要はないので、非常に簡単に、安価な半導体レーザ装置が得られる。
【００１６】
上述のフォトダイオードチップ１Ｂを用い、図１に示す半導体レーザ装置を製作した。半導体レーザチップ１Ａは、活性層としてＩｎＧａＡｓＰを有し、波長１．３μｍのレーザ光を放出する。裾引き現象のない改良されたフォトダイオードチップ１Ｂは、ＩｎＰ基板とＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ層を有する。ＩｎＧａＡｓエピタキシャル層には、Ｚｎの熱拡散による直径３００μｍ程度の受光領域としてのｐｎ接合が形成されている。また、同じくＺｎの熱拡散により電荷捕獲領域が形成されている。また、このチップ１Ｂには、ＳｉＮ膜による接合部分のパッシベーション、及び、受光部分及び電荷捕獲領域全面に反射防止膜がそれぞれ形成されている。フォトダイオードチップ１Ｂは、Ｆｅ製のＣＤレーザ用ヘッダにマウントされ、Ａｕ線によりリードと電気的に接続されている。
【００１７】
次に、窒素ガス中で平窓キャップ４で封止する。集光レンズ９としては非球面レンズを用い、これをステンレスのレンズホルダ１０に固定し、上方からモニタＴＶで監視しながら半導体レーザチップ１Ａの発光部がレンズ中心位置に見えるようにセットしＹＡＧ溶接により図中のＡの部分で固定する。さらに、光ファイバ６をフェルール７を介して固定したハウジング８とレンズホルダ１０とを接近させ、光ファイバ６からの光強度をモニタしその値が最大となるように、図中のＢの部分でＹＡＧ溶接する。
【００１８】
さらに別の実施形態を図３に示す。ここでは、波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓ系半導体レーザチップ１ＡがＡｕＳｎ共晶半田を用いてＳｉサブマウント２０上に実装されている。Ｓｉサブマウント２０は半導体レーザチップ１Ａと金属パッケージ２の電気的な絶縁を確保することを目的としている。Ｓｉサブマウント２０はＳｎＰｂ半田によって金属パッケージ２の所定の位置に実装されている。半導体レーザチップ１Ａの後ろ端面から出た光を受けることができる位置には、上述のフォトダイオードチップ１Ｂが実装されている。
【００１９】
このフォトダイオードチップ１Ｂは、先の実施形態に示したように、受光窓の外側に入射した光によって発生した電荷を捕獲してしまう構造を持っている。従ってフォトダイオードチップ１Ｂを実装する位置の制限が従来のフォトダイオードチップに比較して緩い。これは、使用する金属パッケージ２の設計自由度を上げることに寄与している。このフォトダイオードチップ１Ｂはアルミナセラミックで作られたサブマウント２１の上にＡｕＳｎ共晶半田で金属パッケージ２に固定されている。半導体レーザチップ１Ａ及びフォトダイオードチップ１Ｂの電極は各々金線によって所定の外部電極８に電気的に接続されている。
【００２０】
半導体レーザチップ１Ａの前端面から出た光を所定の光ファイバ６に結合するための球レンズ５が固定された金属のキャップ１９を、プロジェクション溶接により上記の半導体レーザチップ１Ａが実装された金属性のパッケージ２に固定する。さらに、光ファイバ６が固定されたホルダ８を同様に金属性のパッケージ２にプロジェクション溶接によって固定する。キャップ１９及びホルダ８を固定する際には調芯装置により半導体レーザチップ１Ａから出た光が光ファイバ６に効率よく入射するよう調整されている。また、金属性パッケージ２とキャップ１９で封止された半導体レーザチップ１Ａのある空間には、窒素等の不活性気体が乾燥状態で充填されており、低温環境下に置かれた場合でも、半導体素子表面に結露しない状態になっている。なお、ここで述べた半導体材料や、パッケージ材料、サブマウント材料などは一例であり、使用状態によっては他の材料を選択できるものであることは当然である。
【００２１】
このようにして、改良されたフォトダイオードチップをモニタに用いた半導体レーザ装置は、正確にレーザ光の発光状態をモニタできるため、高速まで、かつ高温まで安定した駆動ができる。さらに、フォトダイオードの実装位置の制限が緩やかになるため、容易に実装でき、また反射防止を施された電荷捕獲領域で不要な光を吸収してしまうため、半導体レーザの動作を不安定にする反射光や散乱光を発生せず動作の安定化にも効果がある。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、半導体レーザ装置に本発明に係るフォトダイオードチップを用いれば、高速動作でも、また高温環境下でも正確にレーザ光の発光波形を検知し、安定した動作ができ、さらに、フォトダイオードの実装位置の制限が緩やかになるため、容易に実装でき、また反射防止を施された電荷捕獲領域で不要な光を吸収してしまうため、半導体レーザの動作を不安定にする反射光や散乱光を発生せず動作も安定化された半導体レーザ装置を供給できる。特に現在、光化が進められている通信網のうち、高速データ通信や一般家庭に関わる光加入者系の光機器の構成要素として不可欠のものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のフォトダイオードチップが用いられた半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】本実施形態に用いる電荷捕獲型フォトダイオードチップの断面図である。
【図３】本実施形態の構成を示す他の半導体レーザ装置の断面図である。
【図４】従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【図５】従来の半導体レーザ装置の他の断面図である。
【図６】従来のフォトダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１…フォトダイオードチップ、２…ヘッダ、３…リード、４…キャップ、５…窓、６…光ファイバ、７…フェルール、８…ハウジング、９…集光レンズ、１０…レンズホルダ、１１…半導体基板、１２…エピタキシャル成長層、１３…拡散領域、１４，１５…電極、１７…拡散領域、１９…キャップ、２０…サブマウント。
【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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【図６】
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