(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長λ１の光とそれより長い第２の波長λ２の光（λ１＜λ２）を用いた光通信において第２の波長λ２の光のみを感受するための受光素子であって、ｎ型又はｐ型のいずれかである第１伝導型の半導体基板と、半導体基板の一方の面にエピタキシャル成長させた基板と同じ第１伝導型の受光層と、受光層の一部に基板と反対の第２伝導型の不純物をドープして形成した第２伝導型のｐ型或いはｎ型領域と、受光層のなかに形成されるｐｎ接合と、第２伝導型領域の上に形成される第２伝導型用の電極と、前記の半導体基板の他方の面にエピタキシャル成長させた波長λ１の光のエネルギーより低く波長λ２の光のエネルギーより高いバンドギャップを有する第１伝導型半導体結晶よりなるフィルタ層と、フィルタ層の上に開口部を有するように形成された第１伝導型用の電極とよりなり、第１伝導型電極の開口部を通してλ１、λ２の光を入射させ、フィルタ層によってλ１を吸収し、λ２のみが受光層のｐｎ接合に到達するようにしたことを特徴とする受光素子。
【請求項２】
第１の波長λ１の光とそれより長い第２の波長λ２の光（λ１＜λ２）を用いた光通信において第２の波長λ２の光のみを感受するための受光素子であって、ｎ型又はｐ型のいずれかである第１伝導型の半導体基板と、半導体基板の一方の面にエピタキシャル成長させた基板と同じ第１伝導型の受光層と、受光層の一部に基板と反対の第２伝導型の不純物をドープして形成した第２伝導型のｐ型或いはｎ型領域と、受光層のなかに形成されるｐｎ接合と、第２伝導型領域の上に形成される第２伝導型用の電極と、前記の半導体基板の他方の面にエピタキシャル成長させた波長λ１の光のエネルギーより低く波長λ２の光のエネルギーより高いバンドギャップを持ちλ１の光の透過率が１％以下である厚みを有する第１伝導型半導体結晶よりなるフィルタ層と、フィルタ層の上に開口部を有するよう形成された第１伝導型用の電極とよりなり、第１伝導型電極の開口部を通してλ１、λ２の光を入射させ、フィルタ層によってλ１を吸収し、λ２のみが受光層のｐｎ接合に到達するようにしたことを特徴とする受光素子。
【請求項３】
フィルタ層が、基板と同じ第１の伝導型の半導体結晶のエピタキシャル層よりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の受光素子。
【請求項４】
第１の波長λ１が１．３μｍであり、第２の波長λ２が１．５〜１．６μｍ帯である請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子。
【請求項５】
第１伝導型がｎ型で、第２伝導型がｐ型であって、基板がｎ−ＩｎＰ単結晶よりなり、受光層がｎ−ＩｎＧａＡｓよりなり、受光層の中央部にｐ型不純物をドープしたｐ型領域が形成され、ｐ型領域にｐ電極が設けられ、フィルタ層がｎ型のＩｎ０．６６Ｇａ０．３４Ａｓ０．７６Ｐ０．２４よりなり、フィルタ層の上にｎ電極が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の受光素子。
【請求項６】
フィルタ層であるｎ型のＩｎ０．６６Ｇａ０．３４Ａｓ０．７６Ｐ０．２４層の厚みが５μｍ以上ある事を特徴とする請求項５に記載の受光素子。
【請求項７】
ＩｎＧａＡｓ受光層とｐ電極の間にＩｎＰ窓層を有しＩｎＰ窓層のｐ電極によって覆われない外周部はパッシベーション膜によって被覆されていることを特徴とする請求項６に記載の受光素子。
【請求項８】
受光素子チップの第２伝導電極の方をサブマウントに固定し、サブマウントをパッケージに固定することによって、受光素子チップをサブマウントを介して窓付きのパッケージに気密封止し、受光素子チップをレンズを介して光ファイバに光学的に結合し、光ファイバから出た光は第１伝導電極の開口部からフィルタ層に入射できるようにした請求項１〜７のいずれかに記載の受光素子。
【請求項９】
第１の波長λ１の光とそれより長い第２の波長λ２の光（λ１＜λ２）を用いた光通信において第２の波長λ２の光のみを感受するための受光素子チップであって、ｎ型又はｐ型のいずれかである第１伝導型の半導体基板と、半導体基板の一方の面にエピタキシャル成長させた基板と同じ第１伝導型の受光層と、受光層の一部に基板と反対の第２伝導型の不純物をドープして形成した第２伝導型のｐ型或いはｎ型領域と、受光層のなかに形成されるｐｎ接合と、第２伝導型領域の上に形成される第２伝導型用の電極と、前記の半導体基板の他方の面にエピタキシャル成長させた波長λ１の光のエネルギーより低く波長λ２の光のエネルギーより高いバンドギャップを持ちλ１の光の透過率が１％以下である厚みを有する第１伝導型半導体結晶よりなるフィルタ層と、フィルタ層の上に開口部を有するよう形成された第１伝導型用の電極とよりなり、第１伝導型電極の開口部を通してλ１、λ２の光を入射させ、フィルタ層によってλ１を吸収し、λ２のみが受光層のｐｎ接合に到達するようにした受光素子チップと、光ファイバ、光導波路、光ガイドなど光伝導媒体とをレンズを介してあるいはレンズを介さずに光学的に結合し、光伝導媒体から出射した光が、受光素子の第１伝導型用電極の開口をとおって受光層のｐｎ接合に至るようにしたことを特徴とする受光素子モジュール。
【請求項１０】
受光素子チップの第２伝導型用電極の側をサブマウントに取り付け、受光素子をサブマウントを介してパッケージに気密封止し、光ファイバの終端を受光素子チップの第１伝導型用電極の開口部に対向するようにパッケージに固定し、パッケージに固定したレンズによって光ファイバと受光素子を光学的に結合した事を特徴とする請求項９に記載の受光素子モジュール。
【請求項１１】
光ファイバの終端を保持する第１の光コネクタと、受光素子を固定したパッケージを有する第２の光コネクタからなり、第１、第２の光コネクタは着脱自在であって、第１、第２の光コネクタを結合したとき光ファイバからの出射光が受光素子に入射するようにした事を特徴とする請求項９に記載の受光素子モジュール。
【請求項１２】
光導波路、光ファイバ或いは光ガイドなど光伝導媒体の終端を斜めに切断し、第１伝導型用電極が接触するよう受光素子チップを光伝導媒体の側面に固定し、光伝導媒体の斜め切断面で反射した光が、第１伝導型用電極の開口部を通って受光素子に入射するようにした事を特徴とする請求項９に記載の受光素子モジュール。
【請求項１３】
光ファイバの先端を固定する部分とサブマウントを固定する部分を有するガイドブロックと、受光素子を側面が面一になるよう固定するサブマウントとを用いて、ガイドブロックに光ファイバと、受光素子を有するサブマウントを固定し、光ファイバの出射端面と、受光素子がレンズを介することなく直接に対向するようにしたことを特徴とする請求項９に記載の受光素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバに２つの異なる波長λ1 、λ2 の光信号を一方向或いは双方向に通し、基地局と加入者の間で情報を伝送する光双方向通信において、受信器として用いる受光素子、或いは受光素子と発光素子を一体化した光送受信モジュールに関する。
【０００２】
［光双方向通信の説明］  近年光ファイバの伝送損失が低下し、半導体レ−ザ（以下ＬＤと略す）や半導体受光素子（以下ＰＤと略す）の特性が向上してきた。このため光を用いた様々な情報の伝送が可能になってきた。光を用いる通信であるので、光通信という。伝送されるべき情報の形態としては、電話、ファクシミリ、テレビ画像信号などがある。特に、波長が１．３μｍ帯の光や、１．５〜１．６μｍ帯の光などの長波長の光を用いた通信の試みが盛んに行われている。最近は、１本の光ファイバを用いて信号を双方向に送り、同時に信号を送受信できるシステムが検討されている。信号を双方向に送るから双方向通信と呼ぶ。この方式の利点は、ファイバが１本で済むことである。
【０００３】
図１は、このような双方向通信のうち、異なる波長の光を用いる波長多重双方向通信の原理図である。一つの局と複数の加入者が光ファイバによって結合される。ここでは加入者は一つだけ図示している。実際には数多くの分岐点があって局からの光ファイバは多数の光ファイバに分岐して加入者の装置に至っている。
【０００４】
局側は、電話やＴＶの信号をデジタル或いはアナログ信号として増幅し、この信号によって半導体レ−ザＬＤ１を駆動する。この信号は波長λ1 の信号となって、光ファイバ１に入る。分波器２によって、中間の光ファイバ３に導かれる。これが加入者側の分波器４により光ファイバ５に入り、受光素子ＰＤ２によって受信される。これによって光電変換され電気信号Ｐ３となる。電気信号Ｐ３は、加入者側の装置によって増幅され信号処理されて、電話の音声或いはテレビ画像として再生される。このように基地局から加入者側に向かう信号を下り信号といい、この方向を下り系という。
【０００５】
一方加入者側は、電話やファクシミリの信号を半導体レ−ザＬＤ２によって波長λ2 の光信号に変換する。λ2 の光は、光ファイバ６に入射し、分波器４によって中間の光ファイバ３に導かれ、局側の分波器２を通って受光素子ＰＤ１に入る。局側の装置はλ2 の光信号をＰＤ１によって光電変換し、電気信号とする。この電気信号は、交換機や信号処理回路に送り込まれて適当な処理を受ける。このように局側へ信号を送る方向を上り系という。
【０００６】
［光の分波器の説明］  このように、２つの波長の光を用い、１本の光ファイバによって、光双方向通信を行うためには、局側、加入者側どちらも光の波長を識別し光路を分離する機能が必要である。図１における分波器２、４がその機能を果たす。分波器は、波長λ1 と波長λ2 の光を、結合して１本の光ファイバに導入したり、二つの波長の光から、一方の光のみを選んで１本の光ファイバに取り出したりする作用がある。波長多重双方向通信を行うには分波器が極めて重要な役割を果たす。
【０００７】
現在提案されている分波器にはいくつかの種類がある。図２〜図４によって説明する。図２の例では、分波器は光ファイバまたは光導波路によって作られる。二つの光路８、９が一部分１０で近接しており、ここで光エネルギーの交換がなされる。近接部１０の間隔Ｄや距離Ｌによって様々の態様の結合を実現できる。
【０００８】
ここでは、光路８にλ1 の光を、光路９にλ2 の光を入射すると、光路１１にλ1 、λ2 のいずれもの光が出てくるようになっている。光路１２にはいずれの光も入らないようになっている。ポートＰ１からのλ1 とＰ２からのλ2 が、いずれもＰ３に現れる。Ｐ４には光が出てこない。つまりλ1 は隣接光ファイバには入らず、λ2 が位相条件を満足し、隣接光ファイバに全部移ってしまうのである。光ファイバや光導波路を用いるからこの分波器は、偏波依存性が少ないという長所がある。
【０００９】
導波路や光ファイバを進む光の経路については可逆性がある。図２のような分波器を、双方向通信では、図３のようにして利用することができる。Ｐ１から光ファイバ８にλ1 の光を入れ、Ｐ３から出るようにする。Ｐ３からλ2 の光を入れてＰ２から取り出す。これは図１の分波器２、４として使うことができる。
【００１０】
図４は、多層膜ミラーを使うものである。二等辺三角形柱のガラスブロック１３、１４の斜辺面に誘電体多層膜を形成している。誘電体の屈折率と厚みを適当に組み合わせて、λ1 の光は全て透過し、λ2 の光は全て反射するようにしている。これは４５°の角度で入射した光を反射させるから偏波依存性がある。この分波器も図１の分波器２、４として利用できる。このような分波器は、分波・合波器とも呼ばれる。ＷＤＭということもある。光ファイバやガラスブロックによるものは既に市販されている。
【００１１】
【従来の技術】
加入者側の光送受信モジュールについて説明する。図５において、局から加入者に向けて敷設された光ファイバ１６の終端が光コネクタ１７によって、屋内の光ファイバ１８に接続される。加入者の屋内にあるＯＮＵモジュールには、光ファイバＷＤＭ（分波器）２１が設けられる。光ファイバ１８と光ファイバ１９が、ＷＤＭ２１の内部で波長選択的に結合されている。光ファイバ１８には光コネクタ２２によって、ＬＤモジュール２５をつなぐ。光ファイバ１９には光コネクタ２３を介してＰＤモジュール２７を接続する。
【００１２】
ＬＤ２５、光ファイバ２４は、上り系である。１．３μｍ帯光が加入者側の信号を局へと伝送する。光ファイバ２６、ＰＤモジュール２７は下り系である。局からの例えば１．５５μｍ帯信号を受けて、ＰＤモジュールによって光電変換する。送信装置であるＬＤ２５は電話やファクシミリの信号を増幅し、変調する回路や、電気信号を光信号に変換する半導体レ−ザなどを含む。受信装置であるＰＤモジュール２７は、局から送られたＴＶ信号、電話などの光信号を光電変換するフォトダイオードと増幅回路、復調回路などを含む。
【００１３】
波長分波器２１は、１．５５μｍ帯光と１．３μｍ帯光を分離する作用がある。この例では、１．３μｍ帯を上り系の信号光、１．５５μｍ帯を下り系の信号光として使っている。そのような場合、波長分波器において二つの異なる波長の光を効率よく分離しなければならない。
本発明は、２つの波長の異なる光信号を用いて双方向通信をする場合における受光素子及び受信モジュールの改良に関する。
【００１４】
［従来例に係る半導体受光素子モジュールの説明］
図６によって従来の半導体受光素子モジュールの一例を説明する。受光素子チップ４１がヘッダ４２の上面にダイボンドされる。ヘッダ４２の下面にはリードピン４３が設けられる。ヘッダ４２の上面はキャップ４４によって覆われる。キャップ４４の中央には光を通すための窓４５がある。キャップの外側にはさらに、円筒形のホルダ−４６が固定される。これはレンズ４７を保持するためのものである。
【００１５】
レンズホルダ−４６の更に上には、円錐形のハウジング４８が固定される。光ファイバ５０の先端をフェルール４９によって固定し、フェルール４９がハウジングによって保持される。フェルール、光ファイバの先端５１は斜め研磨してある。
【００１６】
受光素子チップの調芯のため、光ファイバに光を通し、受光素子チップ４１の出力を監視しながら、ホルダ−４６の位置と、ハウジング４８の位置、フェルールの位置を決める。受光素子の半導体層によって、受光可能な波長が決まる。可視光の場合はＳｉの受光素子を使うことができる。しかし本発明では、近赤外光を用いるＯＮＵモジュールを対象にするから、Ｓｉのフォトダイオードは不適当である。赤外光を感受するためにはＩｎＰを基板とする化合物半導体の受光素子を用いる必要がある。
【００１７】
［従来例に係る半導体受光素子チップの説明］
そこでＩｎＰ基板を用いた長波長用の受光素子について述べる。図７は従来例に係る光通信用受光素子チップの断面図である。
ｎ型ＩｎＰ基板５２の上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層５３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層（光吸収層）５４、ｎ型ＩｎＰ窓層５５がこの順にエピタキシャル成長されている。チップの中央部上方から亜鉛を拡散することによって、ｐ型領域５６を形成する。亜鉛拡散はｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層の半ばにまで達している。つまりこの部分は、ｐ型−ＩｎＰ窓層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ受光層となっている。ｐｎ接合がＩｎＧａＡｓ受光層の内部に生ずる。
【００１８】
亜鉛拡散層５６の上にリング状のｐ電極５７を付ける。リング状ｐ電極５７の内側は光が入る部分である。光入射部分は反射防止膜５８によって覆う。ｐ電極５７の外側はパッシベ−ション膜５９によって保護される。基板５２の裏面にはｎ電極６０が形成される。このように基板の裏面は必ず電極が全面に形成されて光が通らないようになっている。これが従来例の受光素子の特徴の一つである。
【００１９】
ｐ電極とｎ電極に電圧をかけてｐｎ接合を逆バイアスする。光ファイバの端部から出た入射光は中央部の反射防止膜５８、ｐ型ＩｎＰ窓層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、ｐｎ接合を通りｎ型ＩｎＧａＡｓ５４に至る。光が吸収されて電子正孔対を生ずる。逆バイアスされているから電子はｎ電極に向けて、正孔はｐ電極に向って走行する。為に電流が流れる。吸収された光子の量と電流が比例するから、入射光量を検出することができる。
【００２０】
ＩｎＧａＡｓ吸収層は、１．３μｍ光も１．５〜１．６μｍ光も吸収することができる。ＩｎＰ窓層では光は吸収されない。半導体は、バンドギャップよりも小さいエネルギーの光はそのまま透過する。その光によって価電子帯の電子を伝導帯にまで上げることができないからである。つまりバンドギャップに対応する波長よりも長い波長の光に対して半導体は透明である。
【００２１】
反対に、十分な厚みがあれば、半導体はバンドギャップよりも大きいエネルギーの光を全部吸収する。その光によって価電子帯の電子を伝導帯に上げることができるからである。そこで窓層の半導体のバンドギャップをＥｇw 、吸収層（受光層）のバンドギャップをＥｇz とすると、Ｅｇz ＜ｈν＜Ｅｇw の光は、窓層を通り、受光層によって感受されることになる。ここでｈはプランク定数、νは光の振動数（周波数）である。つまり吸収層のバンドギャップＥｇz より大きく、窓層のバンドギャップＥｇw より小さいエネルギーの光がこの受光素子によって検出され得るのである。
【００２２】
さらにＩｎＧａＡｓと単純化して表現するが、基板であるＩｎＰとの格子整合の条件から、ＩｎとＧａの比率は一義に決まる。Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓと書いた時の混晶比ｘは一つの値に決まっている。つまりＩｎＰに整合するＩｎＧａＡｓ層のバンドギャップは一義的に決定されるのである。
図８は図７のようなＩｎＧａＡｓ受光素子の感度特性を示す。横軸は光の波長（μｍ）である。縦軸は感度（Ａ／Ｗ）である。０．９μｍ以下（Ｐ領域）では感度が低く、０．９５μｍで感度が急に増加する。１．０μｍ〜１．５μｍ（Ｑ領域）で感度は単調に増える。１．７μｍから感度は急減し（Ｒ領域）、１．７５μｍで感度は０に落ちる。
【００２３】
良く知られているように、光の波長λとエネルギーＥの間には、ｈν＝ｈｃ／λ＝Ｅの関係がある。ここでｈはプランク定数である。νは光の振動数、ｃは光速である。感度の波長下限（０．９５μｍ）を決めるのは、窓層（ＩｎＰ）のバンドギャップＥｇw である。これより高いエネルギーの光は全て窓層によって吸収されるから受光層（吸収層）まで入らない。
【００２４】
感度の波長上限（１．６７μｍ）を決めるのは吸収層（ＩｎＧａＡｓ）のバンドギャップＥｇz である。これより低いエネルギーの光は吸収層を単に透過してしまうのでこの検出器によっては検知できない。
つまり感度の立ち上がるＰ領域の波長を決めるのは窓層のバンドギャップで、感度の立ち下がるＲ領域の波長を決めるのは吸収層のバンドギャップである。
このフォトダイオードはこのように広い感受幅をもつから、１．３μｍ光にも１．５５μｍ光にも十分な感度を持っている。つまり同じフォトダイオードを、１．３μｍの検出にも、１．５５μｍの検出にも用いることができる。
【００２５】
さらにフォトン（光子）のエネルギーはｈν＝ｈｃ／λであって、理想的にはフォトン一つが電子正孔対を作り、２ｑ（ｑは電荷素量）の電流を発生する。変換効率が１００％の場合にそのようになる。つまり受光素子の効率が１００％という場合、感度は２ｑλ／ｈｃ（Ａ／Ｗ）によって与えられる。図８において１．０μｍ〜１．５５μｍの間（Ｑ領域）で感度が波長λに単調に増えているのはこの関係による。高感度のフォトダイオードであれば必ずこのような感度曲線になる。
【００２６】
１．３μｍ光と１．５５μｍ光とを用いて光通信の信号を伝送するシステムにおいて、いずれの波長の光をも感受できるフォトダイオードを使用するのは極めて好都合のように思える。しかし実はここに問題が伏在しているのである。
【００２７】
もう一つの問題は波長分波器にある。
【００２８】
波長分波器には一つの欠点がある。二つの波長を扱い、これを１：１に分配をするだけであるのに、分離が不完全である。出力を１、２で表すと、λ1 ：λ2 の比が、出力１でλ1 ：λ2 ＝１：ε、出力２でλ1 ：λ2 ＝ε：１となる。消光比εが０にならない。せいぜい１／１００の程度である。
【００２９】
従ってコネクタ部分や分波器などで反射散乱された不要な光（特に自分自身１．３μｍの反射戻り光）を感じクロストークを生ずる。これは困る。分波器だけでは分離不完全であるために誘電体多層膜によってさらに消光比を０に近づけるようにする。すなわち図５のコネクタ２３のと分波器の間に、１．３μｍをカットするフィルタを挿入したりする必要があった。
【００３０】
一定の波長の光のみを感受する横型の受光素子（導波路型）が提案されている。それ以外の波長の光は遮断してしまうものである。これは波長分波器で分離した一方の光のみを高感度で検知するために開発される。
【００３１】
▲１▼  宍倉正人、田中滋久、松田広志、中村均、宮崎隆雄、辻伸二、「広トレランス導波路型ＰＩＮフォトダイオード」、１９９５年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−３８６ｐ３８６（１９９５）
これは１．３μｍと１．５５μｍを含む光を面に平行な導波路に入射すると、１．３μｍ光のみを感じるようにしたフォトダイオードである。適当なバイアス電圧かけたとき、１．３μｍと１．５５μｍの感度の比は２３ｄＢ（２００倍）であったと述べている。これは波長分波器によって光を分離した後に、１．３μｍのみを感受するのに使われるフォトダイオードとして開発されたものである。波長分波器はもちろん必要になる。しかしこれは１．３μｍの受光にのみ適している。本発明が対象にする１．５５μｍの受光には用いる事ができない。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光受信モジュールには、このように３つの主要部品がある。波長分波器、フィルタ、受光素子の３つの部品である。部品点数が多いので高価額になる。これは双方向光通信の送受信器として致命的な欠陥と言わねばならない。
【００３３】
部品点数がより少ない光受信モジュールを提供する事が本発明の第１の目的である。より小型で低価額の光受信モジュールを提供する事が本発明の第２の目的である。長距離通信に好適な光受信モジュールを提供する事が本発明の第３の目的である。低価額低光損失のモジュールを提供する事によって光加入者系の実用化を多いに促進することが本発明の第４の目的である。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
なぜに、従来の光受信モジュールが大型に、高価になるのか？本発明者はこの問題について様々に考察した。
【００３５】
従来の受信器は、いずれの波長の光をも感受できる受光素子を用いていた。つまり共通型の受光素子を使っていた。どの波長の光でも感受できるので便利なようである。しかし反面これが問題である。何れの波長の光にも感度があるので、予め信号光を空間的に分離しなければならなかったのである。空間的分離のために波長分波器や、誘電体多層膜が不可欠であった。波長の異なる光を空間分離し、異なる光路に導き、異なる光路の終点に感度共通型受光素子を設置し、これによってそれぞれの光の強度を検出していた。
【００３６】
本発明は感度共通型受光素子を用いない。感度固有型の受光素子を用いる。つまり対象となる波長λj のみを感受する固有の受光素子Ｄj を用いる。誘電体多層膜フィルタは用いない。波長分波器の機能を受光素子にもたせる。ために波長分波器は不要になる。本発明は半導体受光素子の物性に関する深い省察からなされたものである。良く考えれば半導体受光素子は特定の波長のみに感受するようにできる。
【００３７】
図８によって半導体受光素子の感度の波長依存性を説明した。この点は本発明にとって極めて重要であるのでさらに説明する。図２２によって入射光のエネルギーと、半導体のバンド構造について述べる。伝導帯の下端のエネルギーをＥc 、価電子帯の上端のエネルギーをＥv とする。この差がバンドギャップである（Ｅg ＝Ｅc −Ｅv ）。伝導帯と価電子帯の間は禁制帯である。
【００３８】
不純物がない場合は、禁制帯には準位がない。伝導帯には電子が少ししかないし、価電子帯には電子が詰まっている。価電子帯の電子の不足分が正孔である。０Ｋでは伝導帯の電子、価電子帯の正孔の密度は０である。不純物準位がない場合、フェルミ準位は禁制帯の中間部に位置する。有限の温度では熱によって、伝導帯に電子、価電子帯に正孔が僅かに励起されている。
【００３９】
光子が入射すると、価電子帯の電子を伝導帯に励起する。これをａによって示す。このような現象を電子正孔の励起という。これは当然に光のエネルギーがバンドギャップより高い時にしか起こらない。つまりｈν≧Ｅg が条件である。半導体が十分な厚さを持てば、バンドギャップより高いエネルギーの光は全て吸収される。波長でいうと吸収端波長λg （＝ｈｃ／Ｅg ）より短い波長λの光は全て吸収されるということになる（λ＜λg ）。
【００４０】
反対にバンドギャップよりも小さいエネルギーの光が入射しても、矢印ｂ、ｃのようにエネルギーが足りない。禁制帯に電子準位がないので、矢印ｂ、ｃのような遷移は起こらない。つまりバンドギャップよりエネルギーの小さい光子（ｈν＜Ｅg ）はそのまま半導体を通過する。このようなエネルギーの低い光に対して半導体は透明である。波長でいうと、吸収端波長λg より長い波長の光は半導体を透過できるのである。
【００４１】
以上の説明は真性半導体の場合であって禁制帯に電子準位のない場合である。しかしｎ型、ｐ型半導体の場合であっても、多くの場合浅い不純物準位Ｅn 、Ｅp を作る。これを図２２によって説明する。
【００４２】
この場合、遷移の起こるエネルギーの限界は（Ｅg −Ｅn ）或いは（Ｅg −Ｅp ）となる。これらの準位Ｅn 、Ｅp はバンドギャップに比較して数百分の１〜十分の１程度である。であるからｎ型、ｐ型の半導体でも、吸収端が少しずれるだけで殆ど同じ事が言える。
【００４３】
Ｅs のように深い準位を作る不純物は、伝導性の制御の為にはドープしない。良質のエピタキシャル膜はこのような深い不純物準位を持たない。ｎ型、ｐ型の場合は吸収されるフォトンエネルギーの限界がバンドギャップＥg の代わりに、（Ｅg −Ｅn ）或いは（Ｅg −Ｅp ）となる。しかし殆ど値が変わらないので、以後、簡単にバンドギャップＥg によって代表する。
【００４４】
つまり何れにしても、半導体の内部で、バンドギャップＥg より高いエネルギーｈνの光子（Ｅ≧Ｅg ：λ≦λg ））は吸収され、低いエネルギーの光子（Ｅ＜Ｅg ：λ＞λg ））は透過する。つまり半導体はそれ自身波長選択性がある。これまで、半導体素子自体を波長選択素子として利用したものはなかった。本発明者は半導体の波長選択性を巧妙に利用する。そして半導体の波長選択性を利用した素子を初めて提供する。以下に実施例によって本発明を説明する。
【００４５】
図９は、ＩｎＧａＡｓを受光層とするフォトダイオードの例である。これは二つの波長λ1 、λ2 ともに受信する従来のフォトダイオードである。ｎ−ＩｎＰ基板５２の上にｎ−ＩｎＰバッファ層５３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ｎ−ＩｎＰ窓層５５がある。窓層５５の中央部は亜鉛拡散によるｐ型領域５６になっておりここにはリング状ｐ電極５７がある。ＩｎＰ窓層５５の周辺部にはパッシベーション膜５９がありｐｎ接合の端を保護する。ｎ−ＩｎＰ基板５２の裏面全面にはｎ電極６０がある。λ1 、λ2 はどのような波長であっても良いが、一例として、λ1 ＝１．３μｍ、λ2 ＝１．５５μｍとして説明する。受光層の材料であるＩｎＧａＡｓはいずれも波長の光をも吸収し感受する。ＩｎＰのバンドギャップはλ1 、λ2 のエネルギーより高く、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップはλ1 、λ2 のエネルギーより小さいからである。このような組み合わせでは波長選択性がでてこない。
【００４６】
本発明の目的は、λ1を落とし、λ2だけを感受するというように波長選択性あるフォトダイオードを与える事である。そのためにはλ1〜λ2間にバンドギャップのある波長選択性ある層を素子構造のなかに取り入れる事が必要である。
【００４７】
そこで、このＩｎＧａＡｓ層の入射側に、例えばλ1 ＝１．３μｍを吸収するＩｎＧａＡｓＰ層を設ける仮定しよう。そうすればλ1 を落とし、λ2 だけを通すフィルタとしての役割を機能を期待することができる。
【００４８】
例えば図１０に示すような透過特性があればλ1 とλ2 を区別することができる。これは、バンドギャップλg ＝１．４２μｍをもつ結晶によってもたらされる。ＩｎＧａＡｓＰの組成でいうと、Ｉｎ0.66Ｇａ0.34Ａｓ0.76Ｐ0.24の４元混晶である。これは１．３μｍを吸収し、１．５５μｍを透過する。１．４２μｍに限らず、λg が１．３μｍと１．５５μｍの間にある結晶であればそのような性質がある。このＩｎＧａＡｓＰ混晶を受光側に乗せると、１．３μｍを吸収し１．５５μｍを通すものが得られるはずである。
【００４９】
しかし話はそう単純でない。もしもただ単に、ＩｎＧａＡｓ受光層の上に、ＩｎＧａＡｓＰのフィルタ層を設けただけであると、ここにも電界がかかっているのであるから、１．３μｍによって発生したキャリヤが１．５５μｍによるキャリヤと混ざって電極に流れ、やはり１．３μｍを受信してしまうことになる。クロストークは減少しない。元々の受光層とフィルタ層は空間的に分離していなければならない。
【００５０】
［実施例▲１▼：裏面にｎ型フィルタ層を設ける］
そこでいろいろ考えた末に、まず図１１のフォトダイオード構造を考えた。基板に関して受光層とは反対側にλ1 を落とすフィルタを設ける。そのためｎ型のＩｎＧａＡｓＰ吸収層（フィルタ）をｎ−ＩｎＰ基板の裏面に形成する。そして裏面入射型とする。フィルタ層を、受光層と空間的に分離するためには、フィルタ層は基板の裏面に設ける他はない。そして不要光を除いていてから受光層に至るようにする必要があるので裏面入射型とせざるをえない。
【００５１】
ｎ−ＩｎＰ基板５２の上にｎ−ＩｎＰバッファ層５３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ｎ−ＩｎＰ窓層５５をエピタキシャル成長させる。この点は従来例と同じである。さらに、それに加えてｎ−ＩｎＰ基板５２の裏面にｎ+ −のＩｎＧａＡｓＰフィルタ層６３（λg ＝１．４μｍ）をエピタキシャル成長させる。このようなエピタキシャル層を裏面に形成することが本発明の顕著な特徴である。
表裏面のエピタキシャル成長の順序は逆でも良い。
【００５２】
つまりこのＩｎＰウェファは両面エピタキシャルウェファである。表面側には通常のフォトダイオードと同様に、マスクをして亜鉛拡散してｐ領域５６を形成する。ｐｎ接合３１がＩｎＧａＡｓ受光層５４の中に形成される。ｐ領域５６の上にｐ電極６２を取り付ける。但しこのｐ電極はリング状でなくて一様板状でよい。光がｐ側から入射しないからである。ｐ電極６２の周囲はパッシベーション膜５９によって覆う。
【００５３】
裏面側のｎ+ −ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層６３の上にはリング状のｎ電極６４を形成する。ｎ+ −ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層６３の中央部には反射防止膜６５を被覆する。ここではサフィックスを省略しているが、フィルタ層の組成は前述のようにＩｎ0.66Ｇａ0.34Ａｓ0.76Ｐ0.24である。以後も同様の組成であるが簡単のためにサフィックスを省略する。
【００５４】
λ1 、λ2 光は基板の裏面側から入射する。λ1 （１．３μｍ）はフィルタ層６３のバンドギャップλg ＝１．４２μｍより短波長であるからフィルタ層で吸収される。フィルタ層でキャリヤを生ずるが、これが電極にまで到達しないで再結合し消滅する。ところがλ2 は、フィルタ層のバンドギャップより長波長であるからそのままフィルタ層を透過する。図１０に示すとおりである。上方のｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４にはλ2 ＝１．５５μｍだけしか到達しない。だからこの受光素子は１．５５μｍだけを感受できる。波長選択性があるフォトダイオードとなる。
【００５５】
ｎ型基板の上のｎ型のフィルタ層であるからここにｐｎ接合ができない。ｎ電極６４には正電圧を、ｐ電極６２には負電圧を掛けるから、フィルタ層６３、基板５２、バッファ層などには電圧がかからない。電圧はｐｎ接合３１に掛かる。ここで電圧に応じた厚みの空乏層ができる。裏面に入射したλ1 はフィルタ層で完全に吸収される。吸収されて電子正孔対を作るが、電界が掛かってないのでキャリヤは殆ど動かない。濃度差によって拡散するがその速度は僅かである。ｎ型層にできた電子は周りにも電子が沢山あって別段どうということもない。正孔は電界がなくて動きが遅いのでやがて周りの電子と再結合して消滅する。つまりこれらは電極に到達する前に再結合して消滅し熱になるだけである。であるから１．３μｍ光は光電流にならずに完全に消滅する。
【００５６】
１．５５μｍはｎ型ＩｎＧａＡｓＰによって吸収されないので、表面近くの受光層にまで至りここで吸収される。代わりに電子正孔対ができる。ｐｎ接合近くで強い電界があるのでこれを感じて電子はｎ側へ、正孔はｐ側と走行しそれぞれ光電流となるのである。つまりｎ−ＩｎＰ基板の裏面に設けたＩｎＧａＡｓＰは、１．３μｍを遮断し１．５５μｍを通すフィルタとして機能し得るのである。ＩｎＧａＡｓＰフィルタを裏面に設けたＩｎＧａＡｓ裏面入射型フォトダイオードは１．３μｍに不感で、１．５５μｍを感受する選択的な光検出器となる。
【００５７】
［実施例▲２▼：裏面ｐ型フィルタ層を設ける］
実施例▲１▼はｎ型基板の裏面にｎ型のＩｎＧａＡｓＰフィルタ層を設けたものであるからここでできた電子の一部はｎ側電極に至る。その分の正孔は電子と再結合する。これは結局光電流が少し流れたということである。光によって生じたキャリヤ（電子正孔）をもっと速く再結合させて消滅させる方が好ましい。
【００５８】
そのためにはフィルタ層の近傍にｐｎ接合があってこれに電界を掛けるようにするのが良い。そこで次に図１２に示すフォトダイオードを創案した。これはｎ型ＩｎＰ基板の裏面にｎ型ではなくてｐ型のＩｎＧａＡｓＰフィルタ層を設けるものである。
【００５９】
ｎ−ＩｎＰ基板５２の表面にｎ−ＩｎＰバッファ層５３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ｎ−ＩｎＰ窓層５５をエピタキシャル成長させる。この点は従来例と同じである。さらに、それに加えてｎ−ＩｎＰ基板５２の裏面にｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層（λg ＝１．４μｍ）６７をエピタキシャル成長させる。実施例▲１▼はｎ型ＩｎＧａＡｓＰをフィルタとするが、この実施例ではｐ型ＩｎＧａＡｓＰをフィルタとする。ｎ型とｐ型の違いがあるが、前例と同じようにこのＩｎＰウェファは両面エピタキシャルウェファである。
【００６０】
表面側には通常のフォトダイオードと同様に、マスクをして亜鉛拡散してｐ−領域５６を形成する。ｐｎ接合３１ができる。ｐ領域５６の上にｐ電極６２を取り付ける。前例と同じくこのｐ電極６２はリング状でなくて一様板状である。光が、ｐ側から入射しないからである。ｐ電極６２の周囲はパッシベーション膜５９によって覆う。ｐｎ接合３１の端はパッシベーション膜５９によって被覆される。
【００６１】
裏面側のｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層６７の上にはリング状のｎ電極６４を形成する。但しｎ電極６４といっても接触するのはｐ型材料であるから、電極材料はｐ電極用のものを使う必要がある。この点でｎ電極６４は図１１や図１４のものと違う。ｐ+ −ＩｎＧａＡｓフィルタ層６７の中央部には反射防止膜６５を被覆する。
【００６２】
するとｐ−ＩｎＧａＡｓＰとｎ−ＩｎＰ基板の間に新たなｐｎ接合３２ができる。つまりｐｎ接合３１、３２が２重にできる。フィルタ層と基板の間のｐｎ接合３２は順バイアスされるので電界は殆ど上側の受光層のｐｎ接合３１に掛かる事になる。
【００６３】
下側のｐｎ接合はチップの側面に露呈している。ここをパッシベーション膜で覆わないから漏れ電流が流れる。この電流によってｐｎ接合を短絡する。ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層の中で１．３μｍがフォトキャリヤを発生する。ｐｎ接合には自然に電圧降下がおこるので正孔はｎ−ＩｎＰに加速して流れここで再結合する。電子はｐ−ＩｎＧａＡｓＰの中の多数キャリヤである正孔と結合する。１．３μｍによって生じたキャリヤは電流を流すに至らない。
【００６４】
図１３はこの受光素子の等価回路図である。上方に描かれた受光層のｐｎ接合３１と、フィルタ層のｐｎ接合３２があり直列につながれる。受光層のｐｎ接合３１は逆バイアスされ、フィルタ層のｐｎ接合３２は順バイアスされる。抵抗６８はｐｎ接合露出部６８が電荷を流す作用があるのでこれを等価的に示したものである。１．５５μｍによる光電流はｐｎ接合３２と抵抗６８を通じて流れる。
【００６５】
［実施例▲３▼：ｐｎ接合を短絡する］
前例ではフィルタ層に作ったｐｎ接合を露呈する事によって実質的に短絡させている。より積極的にフィルタ層のｐｎ接合３２を短絡させる事も可能である。そうすると１．３μｍ光によってできた不要キャリヤをより速く消滅させる事ができる。しかしｐｎ接合がチップの側面に出るのでは短絡することができない。裏面にｐｎ接合が露呈する必要がある。露呈したｐｎ接合を金属電極によって短絡する。図１４にこのような受光素子７０を示す。
【００６６】
ｎ−ＩｎＰ基板５２の上にｎ−ＩｎＰバッファ層５３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ｎ−ＩｎＰ窓層５５をエピタキシャル成長させる。さらに、ｎ−ＩｎＰ基板５２の裏面にｎ+ −のＩｎＧａＡｓＰフィルタ層（λg ＝１．４μｍ）６３をエピタキシャル成長させる。つまりこのＩｎＰウェファは両面エピタキシャルウェファである。前例とちがって基板の裏面にはｎ型のＩｎＧａＡｓＰを設けるこの点で実施例▲１▼に似ている。
【００６７】
表面側には通常のフォトダイオードと同様に、マスクをして亜鉛拡散してｐ−領域５６を形成する。ｐｎ接合３１ができる。ｐ領域５６の上にｐ電極６２を取り付ける。前例と同じくこのｐ電極はリング状でなくて一様板状である。光がｐ側から入射しないからである。ｐ電極６２の周囲はパッシベーション膜５９によって覆う。裏面側のｎ+ −ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層６３には更にマスクして、亜鉛拡散を行う。
【００６８】
亜鉛拡散によって中央部にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ部６９ができる。このｐ領域６９はＩｎＰでなくてＩｎＧａＡｓＰのｐ領域であり、上部のｐ領域５６よりも広い。ｐｎ接合３２がＩｎＧａＡｓＰ層の内部に生成される。ｐｎ接合の端部を含んでｎ−ＩｎＧａＡｓＰ６３と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ６９の一部にリング状のｎ電極兼短絡電極６４が形成される。
【００６９】
このｎ電極６４は実施例▲１▼と同じくｎ電極用の材料で作る。この電極はｎ−領域とｐ−領域にまたがっており、ｐｎ接合を短絡するという積極的な役割を持つ。もちろんｎ電極としての作用をも持っている。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ６９は反射防止膜６５によって覆われる。
【００７０】
λ1 ＋λ2 の光は、裏面から入射する。λ1 （１．３μｍ）はｐ−、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層６９、６３で吸収されキャリヤを生ずる。このｐｎ接合は順バイアスであるから電界が弱くてキャリヤの運動は鈍い。正孔はｎ−領域に入り少数キャリヤとなり、電子はｐ−領域にいって少数キャリヤとなる。少数キャリヤであるから速度が遅いとやがて多数キャリヤと衝突し再結合してしまう。図１５は図１４のフォトダイオードの等価回路である。ｐｎ接合３２が電極６４によって短絡されているということが図示される。
【００７１】
［実施例４：ＰＤチップを金属パッケージに収容した受光素子］
フォトダイオードチップを金属パッケージに実装した実施例を図１６によって説明する。裏面入射型であるから、図１１、図１２、図１４のフォトダイオードチップ６１、６６、７０を上下逆転させてパッケージに実装する。何れでも良いがここでは受光素子７０を示している。
【００７２】
ステム７１は金属製（例えばコバール）であり、アノードピン７２、ケースピン７３、カソードピン７４等を備える。アルミナなど絶縁体の両面をメタライズしたサブマウント７５をステム７１に半田付けし、さらにサブマウント７５にＰＤチップのｐ電極６２を半田付けする。チップはステムの丁度真中になるように位置決めする。サブマウントのメタライズはワイヤ８０によってアノードピン７２に接続される。つまりｐ電極６２をピン７２に接続しているのである。
【００７３】
チップは上下反転しているから、下から順に、ｐ領域５６、ＩｎＰ窓層５５、ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ＩｎＰバッファ層５３、ＩｎＰ基板５２、ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層６３、ｐ領域６６が並ぶことになる。ｐ領域の反射防止膜６５が上向きの面となる。これが光の入射面となる。フィルタ層上にあるｎ電極６４（カソード）がワイヤ７６によってカソードピンに接続される。キャップ７７はレンズ７８が付いたものであって、調芯したのちステムに溶接する。光ファイバ８１が集光レンズ７８の外側に設けられる。アノード（ｐ電極６２）には負電圧が、カソード（ｎ電極６４）には正電圧が印加されるので、電圧は下側のｐｎ接合３１に掛かっている。
【００７４】
光ファイバ８１からは１．３μｍ、１．５５μｍの２種類の光が出てレンズによって集光されＰＤチップに入る。１．３μｍは上方のＩｎＧａＡｓＰフィルタ６３によって完全に吸収される。１．５５μｍはエネルギーが、ＩｎＧａＡｓＰフィルタのバンドギャップよりも小さいからフィルタを通過して下側のｐｎ接合３１に至りここで電子正孔対を作りだす。ここには強い電界が存在するので電子はｎ電極６４（カソード）へ、正孔はｐ電極６２（アノード）へ速やかにドリフトする。これが回路を廻る電流になる。つまり光電流が流れる。１．５５μｍ光の入射によって光電流が流れ、１．３μｍ光はそれまでに吸収され光電流を生じない。だから選択的に１．５５μｍだけを感受する。光路を空間的に分離する必要がない選択フォトダイオードである。
【００７５】
［実施例５：光導波路、光ガイド、光ファイバと一体化したもの］
光ファイバ、光導波路、光ガイドなど光を導く媒体の終端部に直接に接合することもできる。直付けするとレンズは不要であるし場合によってはパッケージも簡略化できる。調芯作業も省略できる。図１７にこれを示す。光導波層、光ガイド、光ファイバの終端部を斜めに切断する。切断部８３で光が反射されるので光の向きが変わりコアから出て行きさらに媒体から横方向に出射することになる。
【００７６】
切断角を４５゜にしておくと丁度側面に垂直に光が出る。そこで媒体の側面に本発明のＰＤチップを基板側が下になるように固定する。裏面入射型のＰＤでありこの場合接合側から光がくるので、裏面側を媒体に固定することができ極めて好都合である。最下点にあるＩｎＧａＡｓＰフィルタが１．３μｍを吸収し、ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ｐｎ接合３１にまで到達しない。１．５５μｍのみがｐｎ接合３１に至り光電流を発生する。
【００７７】
レンズが不要でありパッケージも省くことができ媒体の終端に寄生する小型の受光素子とする事ができる。同一平面上に増幅器などを設けた電子回路などを構成するのに好都合の形態になっている。
【００７８】
［実施例６：チップを横向きに固定し光ファイバと対向］
図１８によって横型の実施例を説明する。本発明のチップをｐ電極が接触し面一になるようにサブマウント９８に固定する。平坦なガイドブロック９０の上にサブマウントともに横に寝かして固定している。ガイドブロック９０の先端にはファイバ固定部９１があってここにファイバが固定される。ファイバ８１の先端が本発明のＰＤの裏面側の入射面に対向している。フィルタ層６３、６７があるので、１．３μｍはここで吸収され奥へ侵入することができない。１．５５μｍだけが感受される。横型の配置となるので、図１６のものよりも小型安価になる。これも同一平面上に増幅器などの電子回路素子と一体に配置するのに都合がよい。
【００７９】
［実施例７：受光素子モジュールに組立］
本発明のＰＤは、図２０のようなピグテイル型の受光素子モジュールとすることもできる。そのためには図１３に示したＰＤチップを図１９のようにパッケージに実装しさらに図２０のようなモジュールに組み立てる必要がある。そこで図１３のチップ７０の製造方法、図１９の実装方法などからモジュールの組立に付いて説明する。
【００８０】
図１４のＰＤチップ７０は次のような工程によって作製する。ｎ−ＩｎＰ基板５２の一方の面に、ｎ−ＩｎＰバッファ層５３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ｎ−ＩｎＰ窓層５５をクロライドＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させた。それぞれの膜厚ｄ、キャリヤ濃度ｎは次の通りである。
【００８１】
ｎ−ＩｎＰ基板５２          ｄ＝３５０μｍ  ｎ＝５×１０18ｃｍ-3
【００８２】
ｎ−ＩｎＰバッファ層５３    ｄ＝    ２μｍ  ｎ＝２×１０15ｃｍ-3
【００８３】
ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４  ｄ＝    ４μｍ  ｎ＝１×１０15ｃｍ-3
【００８４】
ｎ−ＩｎＰ窓層５５          ｄ＝    ２μｍ  ｎ＝２×１０15ｃｍ-3
【００８５】
このエピタキシャルウエハ−の裏面側つまり基板面に、ｎ−Ｉｎ0.66Ｇａ0.34Ａｓ0.76Ｐ0.24をクロライドＶＰＥでエピタキシャル成長させた。これの膜厚はｄ＝５μｍ、ｎ＝２×１０15ｃｍ-3である。この裏面エピタキシャル層は１．３μｍに対する吸収係数がα＝１×１０4 ｃｍ-1である。膜厚を５μｍにする理由は、そのときの透過率Ｔが
【００８６】
Ｔ＝ｅｘｐ（−αｄ）＝０．００７
【００８７】
となり、透過率が０．７％となる。つまり９９％以上が５μｍのフィルタ層によって吸収されるからである。このようにすると、１．３μｍ光は光分波器によって１／１００以下に減り、さらにこのＩｎＧａＡｓＰフィルタによって１／１００以下に減る。併せて１／１００００以下に減少することになる。実用上要求される４０ｄＢという消光比を満足する事ができる。
【００８８】
この両面エピタキシャルウェファに、両面マスク合わせ、フォトエッチング、Ｚｎ拡散、蒸着などの技術を使って、ウエハ−表面には、チップサイズに応じた寸法のｐ+ −Ｚｎ拡散層５６、ｎ−ＩｎＰ窓層の上のＳｉＮx パッシベーション膜５９、ＡｕＺｎ系ｐ電極６２を形成した。ウエハ−の裏面側ＩｎＧａＡｓＰフィルタの上には、ｐ+ −Ｚｎ拡散層６９、ＳｉＯＮパッシベーション膜（反射防止膜）６５、ＡｕＧｅＮｉ系ｎ電極６４を形成した。
【００８９】
ここでＰＤのチップサイズは５５０μｍ×５５０μｍである。ＩｎＧａＡｓ受光層５４の、Ｚｎ拡散層半径（受光径）は１００μｍとした。裏面の入射面ＩｎＧａＡｓＰフィルタ側の開口部直径（リングｎ電極の内径）はより広く３００μｍ径とした。ｎ電極が入射光を遮断しないようにするためである。ウエハ−プロセスによって多数のＰＤ単位が製作されたので縦横にウエハ−を切ってチップとする。こうして図１４のＰＤチップができた。
【００９０】
つぎに図１９に示すようなフォトダイオードを作る。鉄（Ｆｅ）製３ピンのステム１１１中央に、両面メタライズしたアルミナ製サブマウント１２０をＡｕＳｎ半田によって半田付けしておく。ＰＤチップ７０を上下反対にして、ｐ電極６２側を、サブマウント１２０の上に、ＳｎＰｂによって半田付けした。ｐ電極６２はサブマウント上面と電気的に接続される。サブマウント上面とアノードピン１１３がＡｕワイヤで接続される。リング状のｎ電極６４が上を向いている。２０μｍ径のＡｕワイヤ１２１によってリング状ｎ電極６４がカソードピン１１４に接続される。
【００９１】
さらに窒素（Ｎ2 ）雰囲気で、キャップシールする。キャップ１２４にはＢＫ−７ガラスの球レンズ１２６つきのキャップを利用している。そうするとレンズが窓ガラスを兼ねて費用節減できる。もちろんレンズは別にして、平坦窓ガラスつきのキャップを使っても差し支えない。こうして図１９のパッケージに実装された受光素子となる。
【００９２】
さらにこれを使って、図２０の受光素子モジュールを作製する。シングルモードファイバ１３０の先端をフェルール１３６に差し込んで固定し先端を斜め研磨しておく。頂部が狭くなった円筒形状のステンレス製フェルールホルダ−１３３の通し穴に、フェルール１３６を差し込んでおく。フェルールホルダ−１３３の円筒端面はステム１１１の直径とほぼ同じ大きさをもつ。ホルダ−１３３の端面をステム１１１に当てて、光ファイバに光を通し、ＰＤでこれを検出するようにする。ホルダ−端面をステム面内で動かして最大感度点を探し、そこでＡ部をＹＡＧレ−ザによって溶接する。
【００９３】
つぎにフェルール１３６を、ホルダ−１３３に対して軸方向に動かして最も感度の良い点を探す。最大感度を得る点が見つかるとＢの位置でＹＡＧ溶接する。さらに光ファイバの根元付近での過度の曲がりを避けるために、ゴム製のベンドリミッタ１３４をかぶせる。こうしてピッグテイル型の受光素子モジュールが作製された。
【００９４】
このＰＤモジュールの、１．３μｍ光と１．５５μｍ光に対する感度を測定した。ＰＤの逆バイアスは５Ｖである。
【００９５】
１．３μｍ光に対する感度は、０．０１Ａ／Ｗ以下
１．５５μｍ光に対する感度は、１．０Ａ／Ｗ
【００９６】
であった。１．５５μｍに対する感度は良好である。１．３μｍにはほとんど感じない。消光比は１／１００以下であった。優れた波長選択性のある受光素子である。
【００９７】
［実施例８：レセプタクル型受光素子モジュールへ］
前述のピッグテイル型の場合は光ファイバがモジュールに固定され光ファイバの着脱のためには別に光コネクタが必要であった。ここではさらに着脱自由な光コネクタ機能を兼ね備えた受光素子モジュールとしてレセプタクル型のものを挙げよう。図２１は本発明のＰＤチップを組み込んだレセプタクル型ＰＤモジュールを示す。図１９のパッケージ入りのＰＤから出発する。ステム１１１の上に円筒形のＰＤ固定フランジ１４０が固定される。
【００９８】
これは上部にダミーファイバ１４２を把持するダミーファイバホルダ−１４１を有する。ダミーファイバは短いファイバ片でありここに固定されている。ＰＤ固定フランジ１４０の上端面にはネジ付き円盤状の雌型ハウジング１４３が溶接される。雌型ハウジング１４３の反対側の端面１４４の外周には雄螺部１４７が刻まれている。ハウジング１４３の中心を貫く穴にはスリーブ１４８がはめこんである。ハウジング１４３のフランジ部１４５には止めネジ用穴１４６がいくつか穿孔される。これは受光素子側の雌型コネクタの構造である。
【００９９】
光ファイバ側の雄型コネクタ１５０は、ファイバコード１５２の先端にハウジング１５１を取り付けている。ファイバ１５４の先端はフェルール１５５によって保護される。フェルールは摺動性に優れた材料、たとえばジルコニヤなどで作る。フェルール１５５はハウジング１５１を貫いている。ハウジング１５１の側面には嵌合用の袋ナット１５３を設ける。さらにハウジング側面にはキイ１５６があって受光素子側の位置決め穴に挿入されてコネクタ同士の位置決めをする。
【０１００】
フェルール１５５をスリーブ１４８に差し込んで、袋ナット１５３を雄螺部１４７に螺合させる。ナット１５３を締め付ける事によってコネクタを一体化できる。ファイバ１５４はダミーファイバ１４１の後端面に接触しここでの光の反射が０になる。光ファイバから出た光は、ダミーファイバ１４１を通り、端面から出てレンズ１２６で集光され、ＰＤチップ７０に入る。レセプタクルタイプであるから、モジュールに光ファイバを自在に着脱することができる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、フォトダイオード自体に、フィルタ機能を持たせている。フィルタ機能があるので、２波長光通信における受信器として、安価で使いやすいモジュールを提供することができる。２波長通信系において波長分波器は使うけれども消光比の不足を補完する誘電体膜フィルタは不要になる。以上に述べたものは、２波長λ1 、λ2 として、１．３μｍと１．５５μｍの組み合わ（ａ）せである。２波長系であればどのような組み合わせのものでも本発明を適用できる。実現性の高い２波長の組み合わせは（ａ）の他にも、
【０１０２】
（ｂ）０．９８μｍと１．３μｍの組み合わせ
（ｃ）１．３μｍと１．６５μｍの組み合わせ
（ｄ）１．５５μｍと１．６５μｍの組み合わせ
【０１０３】
などがある。これらのλ1 、λ2 の組み合わせ等にも本発明を同様に適用することができる。これらはＩｎＰ系の受光素子であって受信波長も長いものである。そのほかにより波長が短いＧａＡｓ系の受光素子等にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長多重双方向通信の概略説明図。
【図２】λ1 とλ2 の光を分波器によって結合して１本の光ファイバにλ1 ＋λ2 として導くような分波器の説明図。
【図３】λ1 とλ2 の光を互いに分波器の反対側から入れて、一方の側では同じファイバに、他方の側では異なる側に取り出すようにした分波器の説明図。
【図４】多層膜ミラーを利用した分波器の説明図。
【図５】従来の加入者側の光送受信モジュールの構成例。
【図６】従来例に係る半導体受光素子の縦断面図。
【図７】従来例に係るフォトダイオードの縦断面図。
【図８】従来のフォトダイオードチップの感度特性図。
【図９】従来例に係るフォトダイオードに異なる二つの波長λ1 、λ2 を入射したとき、いずれの光も受光層に到達して光電流を生ずるということを説明する断面図。
【図１０】ＩｎＧａＡｓＰ（λg ＝１．４２μｍ）層の光透過率のグラフ。横軸は波長（μｍ）、縦軸は透過率（％）。
【図１１】ｎ−ＩｎＰ基板の裏面にｎ−ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層を設けた本発明の第１の実施例にかかるフォトダイオードチップの断面図。
【図１２】ｎ−ＩｎＰ基板の裏面にｐ−ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層を設けた本発明の第２の実施例にかかるフォトダイオードチップの断面図。
【図１３】図１２のフォトダイオードチップの等価回路図。
【図１４】ｎ−ＩｎＰ基板の裏面にｎ−ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層を設けさらにＺｎ拡散をしてＩｎＧａＡｓＰフィルタ層の内部にｐｎ接合を作製した本発明の第３の実施例にかかるフォトダイオードチップの断面図。
【図１５】図１４のフォトダイオードチップの等価回路図。
【図１６】図１４に示した本発明の実施例にかかるチップを上下逆にしてサブマウントに取り付け円筒形のパッケージに実装した受光素子の断面図。
【図１７】導波路、光ガイド、光ファイバなど光伝送媒体の終端を斜めに切り、図１４に示した本発明の実施例にかかるチップを、媒体の側面に直接取り付けてこれら光媒体を伝搬した光をＰＤチップによって検出するようにしたものの断面図。
【図１８】本発明の受光素子チップをサブマウントに側面が面一になるように固定しガイドブロックに寝かせて固定し光ファイバの終端もガイドブロックによって固定して光ファイバからの出射光を受光素子によって感受するようにした検出器の断面図。
【図１９】金属ステムに本発明の裏面入射型受光素子をサブマウントを介して取り付け、レンズ付きキャップによって覆ったパッケージ入り受光素子の実施例を示す断面図。
【図２０】本発明の裏面入射型ＰＤ素子を取り付けたステムと、フェルールに固定した光ファイバを、フェルールホルダ−を介して一体化したピッグテイル型受光素子モジュールの縦断面図。
【図２１】本発明の裏面入射型ＰＤ素子を取り付けたステムと、フェルールに固定した光ファイバとを結合分離可能としたレセプタクル型モジュールの縦断面図。
【図２２】本発明のよって立つ原理を説明するための真性半導体のバンド図。
【図２３】本発明のよって立つ原理を説明する為の、浅い不純物準位を有する半導体のバンド図。
【符号の説明】
１  光ファイバ
２  分波器
３  光ファイバ
４  分波器
５  光ファイバ
６  光ファイバ
７  光ファイバ
１０  波長分波器の結合部（近接部）
１１  光ファイバ
１２  光ファイバ
１３  ガラスブロック
１４  ガラスブロック
１５  誘電体多層膜
１７  光コネクタ
２０  光ファイバの結合部
２１  光ファイバ型波長分波器
２２  光コネクタ
２３  光コネクタ
２５  発光素子モジュール
２７  受光素子モジュール
４１  受光素子チップ
４２  ヘッダ
４３  ピン
４４  キャップ
４５  窓
４６  レンズホルダ−
４７  レンズ
４８  ハウジング
４９  フェルール
５０  光ファイバ
５１  フェルールの斜め端面
５２  ｎ−ＩｎＰ基板
５３  ｎ−ＩｎＰバッファ層
５４  ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層
５５  ｎ−ＩｎＰ窓層
５６  亜鉛拡散領域
５７  環状ｐ電極
５８  反射防止膜
５９  パッシベーション膜
６０  ｎ電極
６１  ＰＤチップ
６２  ｐ電極
６３  ｎ+ −ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層
６４  環状ｎ電極
６５  反射防止膜
６６  ＰＤチップ
６７  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰフィルタ層
６８  ｐｎ接合露出部
６９  ｐ−Ｚｎ拡散層
７０  ＰＤチップ
７１  ステム
７２  アノードピン
７３  ケースピン
７４  カソードピン
７５  サブマウント
７６  ワイヤ
７７  キャップ
７８  集光レンズ
７９  メタライズパターン
８１  光ファイバ
８２  光導波路、光ガイド
８３  傾斜切断面
９０  ガイドブロック
９８  サブマウント
１１１  ステム
１１２  リードピン
１１３  リードピン
１１４  リードピン
１１８  絶縁性接着材
１２０  ＰＤ用サブマウント
１２１  ワイヤ
１２４  キャップ
１２６  レンズ
１３０  光ファイバ
１３３  フェルールホルダ−
１３４  ベンドリミッタ
１３６  フェルール
１３７  斜め研磨端面
１４０  ＬＤ固定フランジ
１４１  ダミーファイバホルダ−
１４２  ダミーファイバ
１４３  雌型光コネクタ
１４５  フランジ部
１４６  止めネジ用穴
１４７  雄ねじ部
１４８  スリーブ
１５０  雄型光コネクタ
１５１  ハウジング
１５２  光ファイバコード
１５３  嵌合用袋ナット
１５４  光ファイバ
１５５  フェルール
１５６  方向を決めるためのピン
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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