(57)【要約】【課題】受光部に対する光ファイバの位置合わせを手間や時間を掛けずに容易に行う。【解決手段】裏面入射受光素子１は、光ファイバ１１からの光を半導体基板３の裏面９に入射させ、この入射した光を半導体基板３の表面５に設けた受光部７で受光し、この受光量に応じた電気信号を出力する。半導体基板３の裏面には、光ファイバ１１を半導体基板３の裏面９に位置合わせするための枠状の位置決めパターン２１が設けられる。この位置決めパターン２１は、受光部７の出力が所定値以下に低下しない受光部７に対する光ファイバ１１の変位可能領域を示している。光ファイバ１１を受光部７に位置合わせする場合は、顕微鏡下において、光ファイバ１１の先端面を位置決めパターン２１の輪郭２３内の範囲Ｓに合わせて設置する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ（１１）からの光を半導体基板（３）の裏面（９）に入射させ、この入射した光を前記半導体基板の表面（５）に設けた受光部（７）で受光し、この受光量に応じた電気信号を出力する裏面入射型受光素子（１）において、
前記半導体基板の裏面（９）の前記受光部（７）に対向した位置に、前記光ファイバ（１１）を位置合わせするための枠状の位置決めパターン（２１）を備えたことを特徴とする裏面入射型受光素子。
【請求項２】
前記位置決めパターン（２１）が、前記受光部（７）の出力が所定値以下に低下しない該受光部に対応した前記光ファイバ（１１）の変位可能位置を示し、前記光ファイバの先端面の外形が該位置決めパターンの輪郭（２３）の内側に位置するごとくなされたことを特徴とする請求項１記載の裏面入射型受光素子。
【請求項３】
前記位置決めパターン（２１）は、所定の厚み（ｔ）を有するとともに前記輪郭（２３）から内方に向けて一定の幅（ｗ２）を有し、
該幅（ｗ２）は、前記光ファイバ（１１）の直径方向一端の外周（ｄ１）が前記輪郭に接したときに、直径方向他端の外周（ｄ２）が前記位置決めパターンから外れない大きさである請求項１記載の裏面入射型受光素子。
【請求項４】
前記受光部（７）の中心位置すなわち前記位置決めパターン（２１）の中心位置が、裏面入射型受光素子の１端面から前記光ファイバ（１１）の半径に相当した長さだけ内側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いる裏面入射型受光素子に関し、さらに詳しくは、光ファイバからの光を半導体基板の裏面に入射させ、この入射した光を半導体基板の表面に設けた受光部で受光し、この受光量に応じた電気信号（光電流）を出力する裏面入射型受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを利用した光通信では、光ファイバから伝送されてくる光信号を受光素子に入射させて電気信号に変換している。この受光素子においては、受光部に直接ワイアボンディングすることは受光部を破壊する虞があり、且つワイアの寄生インダクタンスの影響で受光素子の周波数特性を劣化させることになるので、受光素子の表面電極を直接回路基板にボンディングするフリップチップ実装ができる裏面入射型受光素子が知られている。この種の裏面入射型受光素子は、受光部と、その電極とを半導体基板の表面に備え、光ファイバからの光を半導体基板の裏面に入射させ、表面に設けた受光部で受光し、この受光量に応じた光電流を発生して出力する。この裏面入射型受光素子では、表面を下にしたフェースダウン状態で回路基板上の配線パターンに電極を直接ボンディングし、裏面の光が入射される受光面に光ファイバを直接光結合し、増幅器との接続を容易にしている。
【０００３】
ところで、この光ファイバと受光面との間を接続する場合、光ファイバと受光部の中心の位置を合わせて光軸合わせを行った後、例えば紫外線硬化樹脂等の接着剤やハンダ付けにより固定される。ここで、受光部で発生する光電流は、受光部に対する光量、換言すれば光ファイバと受光部の位置合わせ精度により変化する。すなわち、受光部と光ファイバとの光軸合わせ時に、受光部と光ファイバとのずれ量が増加すると、発生する光電流が低下する、所謂光軸合わせ時の位置ずれに伴って光電流が変化する調芯特性を有している。このため、従来の光ファイバの位置合わせでは、実際に光ファイバに光を入射し、この光を受光部が受光したときの出力レベル（光電流レベル）を検出して測定し、この測定値が所望の出力レベルを示す位置に光ファイバを光軸合わせして固定していた。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３７００４号公報
【０００５】
図９は上記特許文献１に開示される受光素子の構造を示す図である。図９に示すように、特許文献１に開示される受光素子５１では、受光部５２に対応する凹部５３を半導体基板５４の裏面５５に形成し、凹部５３に光ファイバ５６の先端部を挿入することで、光ファイバ５６の端面から出射される光信号を正確に位置合わせして受光部５２に導くようにし、光ファイバ５６と受光素子５１との光結合を容易かつ正確に行えるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の裏面入射型受光素子は、光ファイバを位置合わせする際、実際に光ファイバに光を入射し、所望の出力レベルが得られる位置に光ファイバを光軸合わせした後に固定するので、光ファイバの位置合わせに手間と時間が掛かる問題があった。
【０００７】
また、図９に示すように、特許文献１に開示される凹部５３を備えた受光素子５１は、凹部５３に光ファイバ５６の先端部を挿入することで、光ファイバ５６の位置合わせを容易に行えるが、凹部５３に光ファイバ５６の先端を挿入する際に、角部に光ファイバ５６の先端面が接触し易い。これにより、光ファイバ５６の先端面や半導体基板５４の受光面を傷つけたり、光ファイバ５６の先端や受光面を破損させてしまう虞があった。また、光ファイバ５６の先端は、凹部５３の底面に当接して固定されるが、凹部５３が化学エッチングにより形成されるため、凹部５３の底面の平滑性を得るのが困難であった。このため、凹部５３の底面が微小の凹凸面を形成し、光ファイバ５６から入射された光が微小の凹凸面により散乱し、光損失を招くという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、受光部に対する光ファイバの位置合わせが手間、時間を掛けずに容易に行える裏面入射型受光素子を得ることにある。また、その第２の目的は、光ファイバの位置合わせに際し光ファイバ或いは半導体基板の傷つき、破損を防止できる裏面入射型受光素子を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
この発明の請求項１記載の裏面入射型受光素子１は、光ファイバ１１からの光を半導体基板３の裏面９に入射させ、この入射した光を前記半導体基板の表面５に設けた受光部７で受光し、この受光量に応じた電気信号を出力する裏面入射型受光素子１において、
前記半導体基板の裏面９の前記受光部７に対向した位置に、前記光ファイバ１１を位置合わせするための枠状の位置決めパターン２１を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の裏面入射型受光素子１は、請求項１記載の裏面入射型受光素子１において、
前記位置決めパターン２１が、前記受光部７の出力が所定値以下に低下しない該受光部に対応した前記光ファイバ１１の変位可能位置を示し、前記光ファイバの先端面の外形が該位置決めパターンの輪郭２３の内側に位置するごとくなされたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の裏面入射型受光素子１は、請求項１記載の裏面入射型受光素子１において、
前記位置決めパターン２１は、所定の厚みｔを有するとともに前記輪郭２３から内方に向けて一定の幅ｗ２を有し、
該幅ｗ２は、前記光ファイバ１１の直径方向一端の外周ｄ１が前記輪郭２３に接したときに、直径方向他端の外周ｄ２が前記位置決めパターン２１から外れない大きさであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の裏面入射型受光素子１は、請求項１記載の裏面入射型受光素子１において、
前記受光部７の中心位置すなわち前記位置決めパターン２１の中心位置が、裏面入射型受光素子の１端面から前記光ファイバ１１の半径に相当した長さだけ内側に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る裏面入射型受光素子１では、半導体基板３に対して光ファイバ１１を位置決めして光軸合わせを行う際、半導体基板３の裏面９に設けた位置決めパターン２１の輪郭２３から光ファイバ１１の先端面の外形が外へはみ出さないように光ファイバ１１を位置決めパターン２１に位置合わせすれば、受光部７の電流が所定値以下に低下せず、所定の調芯特性が得られる。したがって、実際に光ファイバ１１に光を入射させ、光電流を検出しながら光ファイバ１１を位置決めする必要がなく、顕微鏡下で位置決めパターン２１の輪郭２３からはみ出さないように光ファイバ１１を半導体基板３の裏面９の位置決めパターン２１上に合せるのみで、手間と時間を掛けずに受光部７に対する光ファイバ１１の位置決めが可能となる。
【００１４】
また、光ファイバ１１が位置決めパターン２１上で移動しても、光ファイバ１１の直径方向両端が位置決めパターン２１上に重なり、常に光ファイバ１１の端面が位置決めパターン２１に載った状態となる。これにより、光ファイバ１１が位置決めパターン２１から外れて落ちることによる半導体基板３との接触が防止され、光ファイバ１１の端面や半導体基板３の表面を傷つけたり、破損するのを防止できる。また、常に光ファイバ１１の端面が位置決めパターン２１に載った状態となるので、光ファイバ１１の光軸が半導体基板３の受光面１３に垂直に位置決めされ、光ファイバ１１が傾斜することによる光軸ずれや、この光軸ずれによる接続損失を抑止できる。さらに、位置決めパターン２１の中心位置が、裏面入射型受光素子１の１端面から光ファイバ１１の半径に相当した長さ（例えば６５μｍ）だけ内側に形成されていれば、受光素子を基板に設置した場合、同一基板上に光ファイバ１１を固定すれば、光ファイバ１１の上下位置は位置決めパターン２１の上下位置の中心に自動的に配置されることになり、光ファイバ位置決めをより容易にする。また、光ファイバが基板に直接固定されることになり、機械的強度も改善される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る裏面入射型受光素子の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明に係る裏面入射型受光素子を裏面から見た平面図、図２は図１に示した裏面入射型受光素子の縦断面図、図３（ａ）〜（ｃ）は位置決めパターンの変形例を示す平面図、図４は受光素子の調芯特性を示す図、図５は受光素子の調芯特性と位置合わせ範囲との関係を表した模式図、図６は光ファイバの位置合わせ時における光ファイバと変位可能領域との位置関係を表した模式図、図７は本発明に係る裏面入射型受光素子と光ファイバを同一基板上に配置した場合の例を示す側面図、図８は光ファイバの位置合わせ状況を表した説明図である。
【００１７】
本実施の形態による裏面入射型受光素子（以下、単に「受光素子」という）１は、図２に示すように、半導体基板３の表面５側に受光部７が設けられ、半導体基板３の裏面９側が光ファイバ１１からの光が入射される受光面１３となる。そして、この受光素子１では、光ファイバ１１からの光が受光面１３に入射されると、その光が半導体基板３を透過して受光部７に入射する。なお、本例の受光素子１の受光面１３に位置合わせされる光ファイバ１１は、例えばコア径が約１０μｍ、外径が１２５μｍのベアファイバである。
【００１８】
受光素子１は、図１の破線及び図２に示すように、受光部７の中央部にｐ電極１５が形成され、受光部７の周囲に一つ又は複数（本実施の形態では、図１の破線で示すようにｐ電極を中心として上下左右に４つ）のｎ電極１７が形成され、半導体基板３中にはｐｎ接合部が形成されている。受光素子１は、受光面１３に光が入射すると、光によって対生成された電子及び正孔が接合部の内部電界により、ｐ領域の電子がｎ領域に移動し、ｎ領域の正孔がｐ領域に移動する。その結果、ｎ領域が負に帯電し、ｐ領域が正に帯電する。これにより、ｐ電極１５及びｎ電極１７に接続した不図示の外部回路の両端に電圧（光起電力）が発生し、光電流が流れる。
【００１９】
受光素子１のｎ電極１７には逆バイアス電圧が加えられ、感光領域内（接合部とその近傍）でつくられたキャリアが全部光電流として有効に収集されるようになっている。すなわち、ｐ電極１５は、ｎ電極１７にバイアス電圧が与えられている状態で、光が入射したときに、その光電流を出力として取り出すための電極となっている。
【００２０】
なお、本例の受光素子１には、内部に電流増倍作用を持つアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：avalanche photodiode）を採用しているが、本発明の適用範囲はＡＰＤに限ることなく、例えばｐ層とｎ層との間に高抵抗層を設けたｐｉｎ接合形のＰＩＮフォトダイオードであっても良い。
【００２１】
半導体基板３の裏面９側である受光面１３には、光ファイバ１１の位置合わせをするための枠状の位置決めパターン２１が形成されている。この位置決めパターン２１は、光ファイバ１１の先端面や半導体基板３の表面を傷つけたり、破損しないように薄膜で形成される。本例では、例えば金等の金属薄膜で位置決めパターン２１を形成し、酸化による変色を防止している。
【００２２】
本実施の形態において、位置決めパターン２１は、図１に示すように、同心円からなる円環状の枠を９０°毎で分割した四つの１／４円によって構成されている。なお、位置決めパターン２１は、図１に示した形状以外に、図３（ａ）に示す馬蹄状の位置決めパターン２１ａ、図３（ｂ）に示す円環状の位置決めパターン２１ｂ、図３（ｃ）に示す四角枠状の位置決めパターン２１ｃの他、一つの１／４円からなるものであっても良い。すなわち、位置決めパターン２１は、後述するように、受光部７に対する光ファイバ１１の変位可能領域を表示するものであり、例えば受光部７が直線状の壁に近接する場合には、馬蹄状の位置決めパターン２１ａが用いられ、受光部７が直交する二つの壁部に挟まれるコーナー部に近接する場合には、１／４円からなる位置決めパターン２１が好適に用いられる。
【００２３】
ここで、位置決めパターン２１の形状をさらに説明する前に、受光素子（ＡＰＤ）の調芯特性について説明する。
【００２４】
受光素子１は、図４に示すように、受光部７の中心（調芯軸Ｘ＝０、Ｙ＝０）に対する光ファイバ１１の中心（調芯軸）の変位量が増加すると、光電流が減少する調芯特性を有している。この受光素子１の調芯特性には、図４の特性曲線Ａで示す放物線状の特性を示すものと、特性曲線Ｂに示す略台形状の特性を示すものとがある。
【００２５】
台形状の特性曲線Ｂの調芯特性を有する受光素子１では、図５に示すように、最大値ＩＰmax2が略一定の値で推移する。この特性曲線Ｂにおける最大値ＩＰmax2は、放物線状の特性曲線Ａにおける最大値ＩＰmax1から一定の値ΔＩＰ下がった最大値ＩＰmax2を本例では「所定値」と称している。そして、この「所定値」ＩＰmax2は、「（特性曲線Ａの最大値ＩＰmax1）×８０％」程度である。
【００２６】
このような前提条件のもとに、位置決めパターン２１は、図６に示す輪郭２３が定められている。すなわち、輪郭２３は、受光部７の光電流が上記の「所定値」ＩＰmax2以下に低下しない受光部７に対する光ファイバ１１の変位可能領域を表している。そして、位置決めパターン２１は、図６に示すように、調芯特性上の「所定値」の位置と光ファイバ１１のコア外周が重なった位置が外側の輪郭２３となるように内方に向けて一定の幅で形成される。これにより、光ファイバ１１が輪郭２３の内側で接し、この輪郭２３から外に出ない範囲の変位においては、受光部７の光電流が「所定値」であるＩＰmax2以下に低下しないことになる。換言すれば、図５に示す範囲Ｌが光ファイバ１１の位置合わせ範囲となる。
【００２７】
また、位置決めパターン２１は、図６に示すように、任意な幅ｗ１（光が伝播されるコアと重ならない幅）で形成しても、上記した位置合わせ作用を有することになるが、特に所定の厚みｔ（図２参照）を有して形成した場合には、輪郭２３から内方に向けて一定の幅ｗ２で形成することが好ましい。この幅ｗ２は、光ファイバ１１の直径方向一端の外周ｄ１が輪郭２３に接したときに、光ファイバ１１の直径方向他端の外周ｄ２が位置決めパターン２１から外れない大きさで設定されている。
【００２８】
以上は、位置決めパターン２１の好ましい形状についての説明であったが、次に受光素子チップ内における位置決めパターン２１の位置（中心位置）について説明する。位置決めパターン２１の中心位置が、受光素子１の１端面から光ファイバ１１の半径に相当した長さだけ内側に形成されていれば、同一基板上に受光素子１（基板に対し垂直に設置）と光ファイバ１１を固定すれば、位置決めパターン２１の中心と光ファイバ１１の中心の上下位置（垂直方向の位置）は自動的に合致される。
【００２９】
次に、このように構成された受光素子１に光ファイバ１１を位置合わせする際の動作について説明する。
【００３０】
光ファイバ１１を受光部７に対して位置合わせを行う場合には、顕微鏡下において、図７に示すように、光ファイバ１１の先端面を位置決めパターン２１の輪郭２３内の範囲Ｓに合わせて設置する。この際、光ファイバ１１の先端面の外周が位置決めパターン２１の輪郭２３の外側にはみ出さなければ、受光素子１の光電流が所定値以下に低下しない。この際、光ファイバ１１の外周から外れる位置決めパターン２１のはみ出し幅が、光ファイバ１１の外周から均等となるように、光ファイバ１１を位置決めパターン２１上に位置決めするのが好ましい（図６のベアファイバの理想位置）。このように位置合わせを行うことにより、光電流が所定値以下に低下することを確実に防止できるとともに、より精度の高い位置合わせが可能となる。
【００３１】
そして、上記のように受光素子１に対する光ファイバ１１の位置合わせが完了した後、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤やハンダ付けにより、光ファイバ１１と受光面１３及び位置決めパターン２１とを固定する。
【００３２】
上記の受光素子１によれば、半導体基板３に対して光ファイバ１１を位置決めする際、半導体基板３の裏面９に設けた位置決めパターン２１の輪郭２３から光ファイバ１１の先端面の外形が外へはみ出さなければ、受光部７の光電流が所定値以下に低下せず、所定の調芯特性が得られる。
【００３３】
従って、実際に光ファイバ１１に光を入射させ、光電流を検出しながら光ファイバ１１を位置決めする必要がなく、顕微鏡下で位置決めパターン２１の輪郭２３からはみ出さないように光ファイバ１１を半導体基板３の裏面９の位置決めパターン２１上に合せるのみで、手間や時間を掛けずに受光部７に対する光ファイバ１１の位置決めを容易に行うことができる。
【００３４】
これに加え、光ファイバ１１が位置決めパターン２１上で移動しても、光ファイバ１１の直径方向両端ｄ１、ｄ２が位置決めパターン２１上に重なり、常に光ファイバ１１の端面が位置決めパターン２１に載った状態となる。これにより、光ファイバ１１が位置決めパターン２１から外れて落ちることなく半導体基板３との接触が防止され、光ファイバ１１の先端面や半導体基板３の表面を傷つけたり、破損するのを防止できる。
【００３５】
また、常に光ファイバ１１の端面が位置決めパターン２１に載った状態となるので、光ファイバ１１の光軸が半導体基板３の受光面１３に垂直に位置決めされ、光ファイバ１１が傾斜することによる光軸ずれや、この光軸ずれによる接続損失を抑止することができる。
【００３６】
ここで、位置決めパターン２１の中心位置が、受光素子１の１端面から光ファイバ１１の半径に相当した長さだけ内側に形成されている場合も、基本的な光ファイバ１１の位置決め方法は上記の場合と同様であるが、受光素子１と光ファイバ１１を同一基板上に配置することにより、上下方向の位置合せが自動的になされるという利点がある。その場合の実施の形態を図７に示す。図７に示すように、基板２５上に受光素子１が垂直に配置されている。光ファイバ１１は、基板２５の表面に平行に設置されている。位置決めパターン２１の中心は、受光素子１の端面（基板２５との設置面）から光ファイバ１１の半径（例えば６５μｍ）だけ内側に配置されているので、図８の如く垂直方向については位置決めパターン２１の中心と光ファイバ１１の中心は両者を固定した時点で自動的に合致されている。また、本構造においては光ファイバ１１が基板２５に直接固定されるので、機械的強度も良好である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る裏面入射型受光素子によれば、受光部の電流が所定値以下に低下しない光ファイバの変位可能領域を、光ファイバの先端面の外形が輪郭の内側で接する枠状の位置決めパターンとして半導体基板の裏面に設けたので、実際に光ファイバに光を入射させ、電流を検出しながら光ファイバを位置決めする必要がなく、顕微鏡下で位置決めパターンの輪郭からはみ出さないように光ファイバを半導体基板の裏面の位置決めパターン上に合せるのみで、手間や時間を掛けずに受光部に対する光ファイバの位置決めを容易に行うことができる。
【００３８】
また、位置決めパターンは、所定の厚みを有するとともに輪郭から内方に向けて一定の幅を有している。そして、この幅は、光ファイバの直径方向一端の外周が輪郭に接したときに、直径方向他端の外周が位置決めパターンから外れない大きさであるので、光ファイバを位置決めパターン上で移動しても、常に光ファイバの端面が位置決めパターンに載った状態となり、光ファイバと半導体基板との接触を防止して、光ファイバの先端面や半導体基板の表面を傷つけたり、破損するのを防止することができる。また、常に光ファイバの端面が位置決めパターンに載った状態であるので、光ファイバの光軸を半導体基板の受光面に位置決めでき、光ファイバが傾斜することによる光軸ずれや、この光軸ずれによる接続損失を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る裏面入射型受光素子を裏面から見た平面図である。
【図２】図１に示した裏面入射型受光素子の縦断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）位置決めパターンの変形例を示す平面図である。
【図４】受光素子の調芯特性を示す図である。
【図５】受光素子の調芯特性と位置合わせ範囲との関係を表した模式図である。
【図６】光ファイバの位置合わせ時における光ファイバと変位可能領域との位置関係を表した模式図である。
【図７】本発明に係る裏面入射型受光素子と光ファイバを同一基板上に配置した場合の例を示す側面図である。
【図８】光ファイバの位置合わせ状況を表した説明図である。
【図９】特許文献１に開示される受光素子の構造を示す図である。
【符号の説明】
１…裏面入射型受光素子、３…半導体基板、５…表面、７…受光部、９…裏面、１１…光ファイバ、２１…位置決めパターン、２３…輪郭、ｄ１…直径方向一端の外周、ｄ２…直径方向他端の外周、ｗ２…一定の幅。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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