(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分を基板上に設けると共に前記受光部分の端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、前記基板は、該光入射端面側に、傾斜した光入射端面の先端部より有限の長さの出っ張りを有し、該出っ張りは、ファイバ端面またはファイバ付レンズホルダが突き当たることにより、前記屈折型半導体受光素子と前記ファイバとの位置合わせを行うことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体受光素子を１チップ上に並列に配列するモノリシック構成としたことを特徴とする半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の屈折型半導体受光素子は、図２に示すように、光入射傾斜端面の近傍において、傾斜した光入射端面の先端部とほぼ一致するか、又は、より内側において劈開などによりチップが規定されている。
また、従来の導波路型半導体受光素子は、図３に示すように、劈開による光入射端面によりチップが規定されている。
【０００３】
このため、ファイバ等との光軸方向の光学的結合においては、ファイバ先端が素子の光入射端面とぶつからないように細心の注意を払いながら数十ミクロン程度以下の距離まで、高精度に機械的に微動させて合わせこむ必要が有る。
従って、受光素子とファイバを組み合わせてモジュールを製作するとき、極めて高精度な位置合わせ技術が必要であり、光軸方向の距離精度によって、受光感度の低下や応答速度の低下が発生するという問題が有る。
【０００４】
このため、通常は受光素子とファイバの間にレンズを１ないし２個挿入し、機械的位置合わせ精度をある程度緩和する方法がとられている。
しかしながら、このようなレンズ系の挿入は部品点数の増加や製作工程の増加となり、モジュールコストが上がってしまうという問題が有る。
【０００５】
また、レンズ系を挿入しても素子とレンズ系との間には、合わせ時にやはりある程度の距離ばらつきが発生するため、ミスアライメントトレランスの小さい素子においては、受光感度のばらつきの一要因となってしまうという問題が有る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、屈折型光受光素子又は導波路型光受光素子において、ファイバとの光軸方向の光結合を図る際、容易に高精度で光結合が可能となる光受光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１に係る半導体受光素子は、図１に示すように、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分を基板上に設けると共に前記受光部分の端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子において、前記基板は、該光入射端面側に、傾斜した光入射端面の先端部より有限の長さの出っ張りを有し、該出っ張りは、ファイバ端面またはファイバ付レンズホルダが突き当たることにより、前記屈折型半導体受光素子と前記ファイバとの位置合わせを行うことを特徴とする。
【０００８】
光受光層を含む受光部分形成されている基板と、出っ張りがある基板とが同一であるため、この出っ張り部分が、光軸方向において遠端よりファイバを近づけてきた時にストッパーとして働き、重要な光入射端面にファイバ先端がぶつかり破損することがない。
従来技術に比較して、ファイバ等との光軸方向の光結合が微妙な機械的位置合わせの必要なく、高精度にできる。
【０００９】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る半導体受光素子は、請求項１記載の半導体受光素子を１チップ上に並列に配列するモノリシック構成としたことを特徴とする。
傾斜した光入射端面の先端部より有限の長さ基板部分が出っ張っているため、この出っ張り部分が、光軸方向において遠端よりファイバを近づけてきた時にストッパーとして働き、重要な光入射端面にファイバ先端がぶつかり破損することがない。
このため、ファイバ等との光軸方向の光結合が、従来技術のような微妙な機械的位置合わせの必要なく、高精度にできる。
【００１０】
〔作用〕
このように、本素子は、傾斜した光入射端面の先端部より有限の長さ基板部分が出っ張っているため、この出っ張り部分が、光軸方向において遠端よりファイバを近づけてきた時にストッパーとして作用するため、ファイバを近づけてくるだけ高精度の位置合わせが可能となる。
又、１チップ上に並列に本素子を配列するモノリシック構成により多数本のファイバとの光軸方向の光結合を均一に高精度に行うことが可能となる。
【００１１】
【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。
図中、１１は光入射面、１２は１μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、１３は１μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、１４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、１５はｎ−ＩnＰ基板、１６はｐ電極、１７はｎ電極、１８はシングルモード光ファイバである。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００１２】
光入射面は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。
【００１３】
逆メサ部形成後、傾斜光入射端面の先端より１０μｍ離れた所で基板の劈開を行っている。
入射面に無反射膜を形成し、波長１．３μｍの光をシングルモードファイバにて導入すると、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００１４】
この時、シングルモードファイバは素子におおまかに接近させ、水平および垂直方向の位置合わせを行い、最後にファイバ端面を素子に図のように突き当てることにより、容易にファイバの位置合わせができた。
図のように突き当てても、重要な光入射端面にファイバの端面が接触し光入射端面の破損等が起きることはなく、また、ファイバが素子と接触する部分も光の導波する部分と関係しないクラッドの外周部分であり光学的結合になんら影響はない。
【００１５】
また、シングルモードファイバの代わりに集光レンズが搭載されたファイバ付き微小レンズホルダーを用いても同様に突き当ててこのホルダーと素子を精度よく光軸方向の位置決めができるため、レンズを用いてビームサイズを微小化しても、比較的容易に位置決めが可能となり、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子が実現できる。
受光面積（１０μｍ×２０μｍ）の素子で、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作が可能であった。
【００１６】
このように、受光部分とファイバを容易に結合でき、かつ、ファイバやレンズホルダー等と光入射端面までの距離を劈開の精度でほぼ正確に決定できるため、特性ばらつきの少ないモジュールが容易に製作できた。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
【００１７】
また、半導体受光素子部分は、第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。
【００１８】
また、この実施例では、基板としてｎ−ＩnＰを用いた例であるが、ｐ−ＩnＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性ＩnＰ基板を用いても電極の引出し方を考慮すれば同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として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に用いられるＳＡＧＭ(Separate-absorption-graded-multiplication) 構造やＳＡＭ−ＳＬ(Separate absorption and multiplication superlattice) 構造や他の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。
また、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系など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２〕
本発明の第２の実施例を図４に示す。
図中、４１は光入射面、４２は１μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、４３は１μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層、４４は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、４５はｎ−ＩnＰ基板、４６はｐ電極、４７はｎ電極、４８はシングルモード光ファイバ、４９ははんだバンプ金属、４１０は台座である。
素子の受光層面積は３０μｍ×５０μｍである。
【００２０】
光入射面は、（００１）表面のウェハをブロムメタノールを用いたウェットエッチングでは（１１１）Ａ面が図のように逆メサ形状で形成されることを利用して形成した。
もちろん、逆メサ部は他のウェットエッチング液やドライエッチング法を用いて形成してもよいし、他の結晶面を利用したり、エッチングマスクの密着性を利用し角度を制御して形成してもよい。
逆メサ部形成後、傾斜光入射端面の先端より１０μｍ離れた所で基板の劈開を行っている。
【００２１】
入射面に無反射膜を形成した後、本実施例では、台座上に、はんだバンプ金属を用いて、素子を図のような形で搭載している。
波長１．３μｍの光をシングルモードファイバにて導入すると、印加逆バイアス１．５Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
この時、垂直方向の光軸合わせはｐ電極４６とはんだバンプ金属４９の厚さで高精度に調整できるため、シングルモードファイバは台座上に沿って、素子におおまかに接近させ、水平方向のみの位置合わせを行い、最後にファイバ端面を素子に図のように突き当てることにより、極めて容易にファイバの位置合わせができた。
【００２２】
図のように突き当てても、重要な光入射端面にファイバの端面が接触し光入射端面の破損等が起きることはなく、また、ファイバが素子と接触する部分も光の導波する部分と関係しないクラッドの外周部分であり光学的結合になんら影響はない。
また、シングルモードファイバの代わりに集光レンズが搭載されたファイバ付き微小レンズホルダー等を用いても同様に突き当ててこのホルダーと素子を精度よく光軸方向の位置決めができるため、レンズを用いてビームサイズを微小化しても、比較的容易に位置決めが可能となり、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
【００２３】
なお、この場合、垂直方向の高さ調整は電極と台座の間に適当なスペーサを挿入することでフレキシブルに対応できることはいうまでない。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子が実現できる。
受光面積（１０μｍ×２０μｍ）の素子で、受光感度を高く保ちながら、３ｄＢ帯域４０ＧＨｚの高速動作が可能であった。
【００２４】
このように、受光部分とファイバを容易に結合でき、かつ、ファイバやレンズホルダー等と光入射端面までの距離を劈開の精度でほぼ正確に決定できるため、特性ばらつきの少ないモジュールが容易に製作できた。
この実施例では、ｐ電極は、直接台座と接触する構造となっているが、別の部分にｐ電極から引き出した電極パッドを設け、この部分が台座と接触するようにして電気接続及び高さ調整を行ってもよいことは言うまでもない。
【００２５】
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層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よい。
また、半導体受光素子部分は、第１導電形を有する半導体層上にあって、真性又は第一の導電型の半導体層、超格子半導体層又は多重量子井戸半導体層より成る光受光層とショットキー電極との間に、前記光受光層と前記ショットキー電極との間のショットキー障壁よりも高いショットキー障壁を前記ショットキー電極に対して有するショットキーバリアハイトの高い半導体層を介在した多層構造を基板上に構成してなる半導体受光素子や、前記ショットキーバリアハイトの高い半導体層は、Ｉn1-x-yＧaxＡlyＡs（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とその上の薄いＩn1-uＧauＡs1-vＰv（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）よりなることを特徴とする半導体受光素子で構成してもよい。
【００２６】
また、この実施例では、基板としてｎ−ＩnＰを用いた例であるが、ｐ−ＩnＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性ＩnＰ基板を用いても電極の引出し方を考慮すれば同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として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に用いられるＳＡＧＭ(Separate-absorption-graded-multiplication) 構造やＳＡＭ−ＳＬ(Separate absorption and multiplication superlattice) 構造や他の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。
また、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系など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。
【００２７】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例を図５に示す。
図中、５１は光入射端面、５２は１μｍ厚ｐ−ＩnＰ層、５３は２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層、５４は３μｍ厚１．４μｍ組成ＩnＧaＡsＰ光受光層、５５は２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層、５６は１μｍ厚ｎ−ＩnＰ層、５７はｎ−ＩnＰ基板、５８はｐ電極、５９はｎ電極、５１０はシングルモード光ファイバである。
素子の受光層面積は３０μｍ×１００μｍである。
【００２８】
光入射端面をドライエッチングで形成後、光入射端面より１０μｍ離れた所で基板の劈開を行っている。
入射面に無反射膜を形成し、波長１．３μｍの光をシングルモードファイバにて導入すると、印加逆バイアス３．０Ｖで受光感度０．８Ａ／Ｗ以上の大きな値が得られた。
【００２９】
この時、シングルモードファイバは素子におおまかに接近させ、水平及び垂直方向の位置合わせを行い、最後にファイバ端面を素子に図のように突き当てることにより、容易にファイバの位置合わせができた。
図のように、突き当てても重要な光入射端面にファイバの端面が接触し光入射端面の破損等が起きることはなく、また、ファイバが素子と接触する部分も光の導波する部分と関係しないクラッドの外周部分であり光学的結合になんら影響はない。
【００３０】
また、シングルモードファイバの代わりに集光レンズが搭載されたファイバ付き微小レンズホルダーを用いても同様に突き当ててこのホルダーと素子を精度よく光軸方向の位置決めができるため、レンズを用いてビームサイズを微小化しても、比較的容易に位置決めが可能となり、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現できる。
【００３１】
このように、受光部分とファイバを容易に結合でき、かつ、ファイバやレンズホルダー等と光入射端面までの距離を劈開の精度でほぼ正確に決定できるため、特性ばらつきの少ないモジュールが容易に製作できた。
この実施例では、表面側のｐ−ＩnＰ層およびｐ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層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よい。
【００３２】
また、この実施例では、基板としてｎ−ＩnＰを用いた例であるが、ｐ−ＩnＰを用いても上記のｐとｎを逆にして同様に製作可能であり、また、半絶縁性ＩnＰ基板を用いても電極の引出し方を考慮すれば同様に製作可能である。
また、ここでは、受光層として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に用いられるＳＡＧＭ(Separate-absorption-graded-multiplication) 構造やＳＡＭ−ＳＬ(Separate absorption and multiplication superlattice) 構造や他の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。
【００３３】
また、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系以外のＩnＧaＡlＡs／ＩnＧaＡsＰやＡlＧaＡs／ＧaＡs系など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。
また、実施例２の様に、基板側を上にして台座上にマウントする構成でも、同様に良好な光結合が図れることは言うまでもない。
【００３４】
【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、本発明では、光受光層を含む半導体多層構造よりなる受光部分と端面に表面側から離れるに従い内側に傾斜した光入射端面を設けることにより、該光入射端面で入射光を屈折させて、前記光受光層を入射光が層厚方向に対し斜めに通過するようにした屈折型半導体受光素子、又は、光受光層を含む半導体多層構造よりなる導波路型半導体受光素子において、光入射端面より有限の長さ基板部分が出っ張っているため、この部分が、光軸方向において遠端よりファイバを近づけてきた時にストッパーとして作用し、ファイバを近づけてくるだけで高精度の位置合わせが可能となる。
【００３５】
また、シングルモードファイバの代わりに集光レンズが搭載されたファイバ付き微小レンズホルダーを用いても同様に突き当ててこのホルダーと素子を精度よく光軸方向の位置決めができるため、レンズを用いてビームサイズを微小化しても、比較的容易に位置決めが可能となり、焦点のビームサイズと同等程度まで素子受光部分を微小化できる。
従って、微小化による超高速応答が可能な素子がファイバと高結合な状態で実現できる。
【００３６】
このように、受光部分とファイバを容易に光学結合出来るため、モジュール化において、部品点数の低減や製作工程の簡素化が図れ、低コストかつ高速応答可能なモジュールが製作可能となる。
又、１チップ上に並列に本素子を配列するモノリシック構成により多数本のファイバとの光軸方向の光結合を均一に高精度に行うことが可能となり、そのモジュール化も容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図である。
【図２】従来の屈折型半導体光受光素子を示す構成図である。
【図３】従来の導波路型半導体光受光素子を示す構成図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す構成図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１１  光入射面
１２  １μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
１３  １μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
１４  １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
１５  ｎ−ＩnＰ基板
１６  ｐ電極
１７  ｎ電極
１８  シングルモード光ファイバ
２１  光入射面
２２  ｐ−ＩnＰ層
２３  ＩnＧaＡs光受光層
２４  ｎ−ＩnＰ層
２５  ｎ−ＩnＰ基板
２６  ｐ電極
２７  ｎ電極
３１  光入射端面
３２  １μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
３３  ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層
３４  ３μｍ厚Ｉ．４μｍ組成ＩnＧaＡsＰ光受光層
３５  ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層
３６  １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
３７  ｎ−ＩnＰ基板
３８  ｐ電極
３９  ｎ電極
４１  光入射面
４２  １μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
４３  １μｍ厚ＩnＧaＡs光受光層
４４  １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
４５  ｎ−ＩnＰ基板
４６  ｐ電極
４７  ｎ電極
４８  シングルモード光ファイバ
４９  はんだバンプ金属
４１０  台座
５１  光入射端面
５２  １μｍ厚ｐ−ＩnＰ層
５３  ２μｍ厚１．２μｍ組成ｐ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層
５４  ３μｍ厚１．４μｍ組成ＩnＧaＡsＰ光受光層
５５  ２μｍ厚１．２μｍ組成ｎ−ＩnＧaＡsＰ光ガイド層
５６  １μｍ厚ｎ−ＩnＰ層
５７  ｎ−ＩnＰ基板
５８  ｐ電極
５９  ｎ電極
５１０  シングルモード光ファイバ
【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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