(57)【要約】【課題】半導体受光素子内における光の多重反射および外部への反射を抑制して、迷光、雑音光の発生や光クロストークの劣化を防いだ光レシーバを実現する。【解決手段】半導体基板の上に少なくとも光吸収層と第１の導電型の半導体層とが形成された面入射型半導体受光素子であって、前記面入射型半導体受光素子のチップの、光を入射する入射光窓領域および電気信号を取り出す開口領域以外の面の少なくとも一部は、信号光の波長において光を吸収する媒体の膜で覆われていることを特徴とする面入射型半導体受光素子とした。【選択図】図１
2018098399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に少なくとも光吸収層と第１の導電型の半導体層とが形成された面入射型半導体受光素子であって、
前記面入射型半導体受光素子のチップの、光を入射する入射光窓領域および電気信号を取り出す開口部領域以外の面の少なくとも一部は、少なくとも受光する信号光の波長において光を吸収する媒体の膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の面入射型半導体受光素子において、
半導体基板は第２の導電型を有し、
前記半導体基板と反対側のチップ表面に前記入射光窓領域が設けられており、
該入射光窓領域と前記開口部領域以外の前記チップ表面は、信号光の波長において光を吸収する前記媒体の膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【請求項３】
請求項１に記載の面入射型半導体受光素子において、
前記半導体基板と前記光吸収層の間に第２の導電型のコンタクト層を有し、
前記半導体基板側のチップ裏面に前記入射光窓領域が設けられており、
該入射光窓領域以外のチップ裏面は、信号光の波長において光を吸収する前記媒体の膜で覆われており、
前記半導体基板と反対側のチップ表面に前記開口部領域が設けられており、
該開口部領域以外のチップ表面は、信号光の波長において光を吸収する前記媒体の膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の面入射型半導体受光素子において、
少なくとも受光する信号光の波長において光を吸収する前記媒体がＴｉである
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の面入射型半導体受光素子において、
少なくとも前記入射光窓領域が反射防止膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関し、特に面入射型の半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信の分野においては、使用する波長帯の光信号の光電変換による受光が可能で、チップ自体が小型である半導体受光素子を用いて光レシーバを構成することが一般的である。光レシーバの中には半導体受光素子以外に、光電変換した電気信号を増幅出力するための電気アンプや伝送線路、接続端子などの電気系と、外部からの光信号を受光素子に入力するための光学系とがある。これらの部品を使用して光レシーバを組み立てる際、出力側の電気系の部分では高周波電気信号を損失無く取り出すために、伝送線路や接続端子部分などでの反射や透過特性を良くする為の実装方法が工夫されている。
【０００３】
一方、入力側の光信号に対しても、受光素子からの反射光が再び光学系に入射されて戻り光となり、システム全体の雑音や不安定動作を引き起こすことが無いよう、様々な工夫がなされている。
【０００４】
このような工夫として、一般的には受光素子のチップの光入射面を入射光に対して垂直方向から傾けて設置することにより、チップ表面からの反射光が光学系に戻ることを抑制する手法が取られている。
【０００５】
一方、近年の光通信システムでは大容量化のために信号を多チャンネル化する方式が盛んに研究開発されており、受光素子も一つの光レシーバの中に複数のチップが組み込まれるか、一つのチップの中に複数の受光素子が集積された構造を有するようになってきている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“All-in-One 112-Gb/s DP-QPSK Optical Receiver Front-End Module Using Hybrid Integration of Silica-Based Planar Lightwave Circuit and Photodiode Arrays”、Ｏｈｙａｍａ他、ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．８、ＡＰＲＩＬ  １５，２０１２、ｐｐ．６４６−６４８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の光レシーバで組み込まれる受光素子は基本的に一つで良かったため、光学系にさえ反射光が戻らないようなケアをするだけでよく、前述のようなチップの光入射面を傾けた実装方法で対処が可能であった。
【０００８】
しかし、光通信回線の大容量化、多チャンネル化に伴って受光素子が複数個に増えることにより、あるチャンネルの受光素子において光学系に戻らずに反射した光が、再び別のチャンネルの受光素子の光学系側に戻ってきたり、多重反射を起こすことでいわゆる迷光が発生してしまう。この迷光によって、あるチャンネルの受光素子の信号光が、隣の素子やまたその隣の素子といったように別のチャンネルに漏れることとなり、チャンネル間の光のクロストーク特性が劣化するといった問題が生じている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記従来技術における問題点を解消するものであって、面入射型の半導体受光素子において、少なくともチップ裏面と表面の光入力や電気出力に必要な領域以外を、例えばＴｉ（チタン）のような、少なくとも受光する信号光の波長において光を吸収する媒体によって覆い、チップからの反射光やチップ内部での多重反射を抑制する。このようにすることで、受光素子を搭載する光レシーバモジュール内においても部材間の多重反射を抑制し、光レシーバ内の迷光対策により光のクロストーク特性を改善するものである。
本発明は、具体的には以下のような構造の面入射型半導体受光素子とした点を特徴とする。
【００１０】
（発明の構成１）
半導体基板の上に少なくとも光吸収層と第１の導電型の半導体層とが形成された面入射型半導体受光素子であって、
前記面入射型半導体受光素子のチップの、光を入射する入射光窓領域および電気信号を取り出す開口部領域以外の面の少なくとも一部は、少なくとも受光する信号光の波長において光を吸収する媒体の膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【００１１】
（発明の構成２）
発明の構成１に記載の面入射型半導体受光素子において、
半導体基板は第２の導電型を有し、
前記半導体基板と反対側のチップ表面に前記入射光窓領域が設けられており、
該入射光窓領域と前記開口部領域以外の前記チップ表面は、信号光の波長において光を吸収する前記媒体の膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【００１２】
（発明の構成３）
発明の構成１に記載の面入射型半導体受光素子において、
前記半導体基板と前記光吸収層の間に第２の導電型のコンタクト層を有し、
前記半導体基板側のチップ裏面に前記入射光窓領域が設けられており、
該入射光窓領域以外のチップ裏面は、信号光の波長において光を吸収する前記媒体の膜で覆われており、
前記半導体基板と反対側のチップ表面に前記開口部領域が設けられており、
該開口部領域以外のチップ表面は、信号光の波長において光を吸収する前記媒体の膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【００１３】
（発明の構成４）
発明の構成１から３のいずれか１項に記載の面入射型半導体受光素子において、
少なくとも受光する信号光の波長において光を吸収する前記媒体がＴｉである
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【００１４】
（発明の構成５）
発明の構成１から４のいずれか１項に記載の面入射型半導体受光素子において、
少なくとも前記入射光窓領域が反射防止膜で覆われている
ことを特徴とする面入射型半導体受光素子。
【発明の効果】
【００１５】
以上記載したように、本発明によれば、受光素子チップからの反射やチップ内部での多重反射を抑制することで、受光素子を搭載する光レシーバモジュール内において迷光の発生を抑制し、光レシーバの光のクロストーク特性を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態において例示した、Ｔｉ膜で覆われた上面入射構造の面型半導体受光素子を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態において例示した、Ｔｉ膜で覆われた裏面入射構造の面型半導体受光素子を説明するための断面図である。
【図３】従来技術の、上面入射構造の面入射型半導体受光素子を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の半導体受光素子の第１の実施形態の説明をする断面図である。
【００１９】
図１の第１実施形態の半導体受光素子は、基本的にｎ型のＩｎＰ基板１０１の上に、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１０２、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０３が積層されて形成されたフォトダイオードである。図１には更に、ｐ電極１０４、ｎ電極１０５、ポリイミド１０６、配線パッドメタル１０７、ＳｉＮ膜１０８、Ｔｉ膜１０９が図示される。
【００２０】
また図１には、チップへの入射光１１０Ａ、チップ内の反射光１１０Ｂも矢印で示されている。
【００２１】
本実施形態１で説明する半導体受光素子は、半導体層１０２、１０３で構成されるメサ型構造を、ポリイミド１０６で埋め込んで形成されている。受光する信号光である入射光１１０Ａは、反射防止膜となるＳｉＮ膜１０８で覆われた入射光窓領域を通して、素子の上面（表面）から素子に入射されるが、吸収層１０２で吸収しきれなかった光は、素子の裏面に形成されたｎ電極１０５で反射されてチップ内への反射光１１０Ｂとなり、素子上面に戻ってくる。
【００２２】
本実施形態１の構造ではチップの上面において、ｐ電極１０４とコンタクトする配線パッドメタル１０７の開口面（電気信号を取り出す開口部領域となる）と、光を入射する入射光窓領域とを除いて、少なくとも受光する信号光の波長において光を吸収する媒体であるＴｉ（チタン）膜 １０９で覆われている。よって、反射して素子上面に戻ってきたチップ内の反射光１１０ＢはＴｉ膜 １０９で吸収されることになり、素子のチップ内で多重反射を繰り返して最終的にチップ上面から再び出射されることは大幅に抑制される。
【００２３】
図３に示すような従来構造では、素子の表面は反射防止膜であるＳｉＮ膜３０８で覆われているだけであり、素子裏面で反射されて戻ってきた光３１０Ｂはそのままチップの上面から出射されるか、チップ表面の配線メタル等の構造物で反射されて再びチップ内部に戻ってきてしまい、多重反射を繰り返して、最終的にはチップ上面から出射されることになる。
【００２４】
前述のように、一般的な光レシーバでは半導体受光素子チップを入射光学系に対して傾けて配置することにより、戻ってきた光がそのまま光学系に戻ることがないように工夫されている。しかし、多チャンネル化されて複数個のチップが近接配置されたり、複数の素子がモノリシック集積されたチップでは、光学系に入らずに再びチップ側に反射して戻ってきた光が多重反射を繰り返すことにより迷光となって、隣や他のチャンネルのチップおよび素子に再び入射されることになり、雑音光が増えたり光のクロストーク特性を劣化させる原因となる。
【００２５】
また、光レシーバには、信号光を受光するためのチップ以外にもパワーモニター用のチップが搭載されていることが多い。光レシーバ内で多重反射された光が、最終的にこのモニター用チップに入ると、モニタ信号の品質を低下させることで、光レシーバの特性を劣化させることにもなりかねない。
【００２６】
本実施形態１では、チップそのものに入射された光が再びチップ外に出射されることが大幅に抑制されるため、従来技術における反射光や迷光の問題を解決することが可能となる。
【００２７】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の半導体受光素子の第２の実施形態の説明をする断面図である。
【００２８】
図２の実施形態２の半導体受光素子は、半絶縁性のＩｎＰ基板２０１の上に、ｎ+−ＩｎＰコンタクト層２０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０３、ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０４が積層されて形成される。図２には更に、ｐ電極２０５、ｎ電極２０６、ポリイミド２０７、配線パッドメタル２０８、ＳｉＮ膜２０９、２１１、Ｔｉ膜２１０、２１２が図示される。
【００２９】
図２には、矢印でチップへの入射光２１３Ａ、チップ内の反射光２１３Ｂも示されている。
【００３０】
本実施形態２で説明する半導体受光素子は、２０２〜２０４で形成されたメサ構造をポリイミド２０７で埋め込んで構成されている。ｐ電極２０５に接続された配線パッドメタル２０８の開口部とｎ電極２０６は、チップ表面から電気信号を取り出す開口部領域を構成しており、チップ裏面の入射光窓領域から受光する信号光である光２１３Ａを入射させるいわゆる裏面入射型構造を有している。
【００３１】
チップ裏面から、反射防止膜となるＳｉＮ膜２１１で覆われた入射光窓領域を通して入射した光２１３Ａは、光吸収層２０３を通過した後、素子頂上に形成されたｐ電極２０５で反射されて再び光吸収層２０３を通過する。吸収しきれなかった反射光２１３Ｂは、チップ裏面の入射光窓領域以外に形成されたＴｉ膜２１２で吸収されるので、チップ裏面側からチップ外部に出たり再びチップ内部で多重反射を起こすことは大幅に抑制される。
【００３２】
また、チップ表面においても、チップ全体をカバーしている絶縁体のＳｉＮ膜２０９の上面にＴｉ膜２１０を形成しているため、素子上の構造物でチップ表面の方向に反射した光も吸収されることになり、最終的に本実施形態２の構造においてもチップに入射した光が再びチップの外部に出射されることが大幅に抑制される。この結果、やはり光レシーバ内における光の多重反射を抑制することになり、雑音光の発生や光クロストークの劣化を防ぐことが可能である。
【００３３】
実施形態１，２のいずれにおいてもＴｉ膜は、半導体受光素子のチップの、光を入射する入射光窓領域および電気信号を取り出す開口部領域以外の面の少なくとも一部を覆うように形成されていれば、反射光抑制の効果はある。
【００３４】
なお、以上の記載において半導体の導電型、極性を具体的にｐ型、ｎ型と表記したが、駆動電圧などの正負や信号の極性を逆とすれば、これらの導電型は入れ替えが可能であるから、一方を第１の導電型、他方を第２の導電型ということができる。
【００３５】
また、反射防止膜はＳｉＮ膜としたが、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5／ＳｉＯ2といった多層膜構造とすることもできる。
【００３６】
（本発明の作用効果）
以上の実施形態１，２に述べたように、本発明は、光レシーバに搭載される面入射型構造の半導体受光素子に関するものである。チップの表面と裏面の少なくとも一部を光を吸収する媒体であるＴｉ膜で覆うことにより、チップの入射面と反対の面で反射後に受光領域以外に広がった光はＴｉ膜で吸収される。また配線メタルや素子形状といった構造物で反射された光も表面か裏面のどちらかのＴｉ膜で吸収されるため、再びチップ表面や裏面から出射されることも抑制され、更にチップ内での多重反射光も抑制することが出来る。
【００３７】
この結果として、本発明によれば、複数のチップや一つのチップに複数の素子がモノリシック集積されたチップで構成される形態の多チャンネルレシーバであっても、迷光を抑え、光のクロストーク特性を改善することが可能になる。
【００３８】
なお、実施形態においては，ＩｎＧａＡｓを光吸収層、ＩｎＰを基板材料としたエピウェハ構造における半導体受光素子の例を述べたが、本技術は、半導体材料の種類を制限するものではなく、他の半導体材料の組み合わせによる半導体受光素子においても、本特許の思想は同じ様に適用することができることは言うまでもない。また半導体受光素子の構造として、一般的なｐｉｎフォトダイオードを例示したが、アバランシェフォトダイオードや他の半導体受光素子でも同様の効果が実現できる。
【００３９】
また、実施形態としてメサ構造の例を述べたが、不純物拡散やイオン注入によるプレーナ型構造においても同様の効果が実現可能であり、素子作製もフォトリソグラフィやウェットエッチング、ドライエッチングの一般的な技術で作製可能であり、その製造方法に限定されることは無い。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上述べたように、本発明の面入射型構造の半導体受光素子によれば、半導体受光素子内における光の多重反射および外部への反射を抑制することができ、迷光、雑音光の発生や光クロストークの劣化を防いだ光レシーバを実現することが可能になる。
【符号の説明】
【００４１】
１０１、３０１…ｎ型ＩｎＰ基板
１０２、２０３、３０２…ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１０３、２０４、３０３…ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０４、２０５、３０４…ｐ電極
１０５、２０６、３０５…ｎ電極
１０６、２０７、３０６…ポリイミド
１０７、２０８、３０７…配線パッドメタル
１０８，２１１、３０８…ＳｉＮ膜（反射防止膜）
１０９、２１０、２１２…Ｔｉ膜
１１０Ａ、２１３Ａ、３１０Ａ…チップへの入射光
１１０Ｂ、２１３Ｂ、３１０Ｂ…チップ内での反射光
２０１…半絶縁性のＩｎＰ基板
２０２…ｎ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２０９…ＳｉＮ膜（チップ保護膜）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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