JPH0430581A

JPH0430581A - 半導体受光装置

Info

Publication number: JPH0430581A
Application number: JP2138140A
Authority: JP
Inventors: Nami Yasuoka; 奈美安岡; J Deri Robert; ロバート　ジェイ．デリ; Masao Makiuchi; 正男牧内; Osamu Wada; 修和田
Original assignee: Fujitsu Ltd; Telcordia Technologies Inc; Bell Communications Research Inc
Current assignee: Fujitsu Ltd; Iconectiv LLC
Priority date: 1990-05-28
Filing date: 1990-05-28
Publication date: 1992-02-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔概　要〕光導波層を備えた半導体受光装置に関し、低接合容量化
、高量子効率化を図るとともに、光ファイバの接続を容
易にすることを日的とし、受光素子を基板の表層に埋込
んで形成し、前記基板及び前記受光素子の上に光導波層
６を設けるとともに、前記光導波層内において伝搬した
光を前記受光素子に向けて反射させる反射面を、前記受
光素子上に設けられた前記光導波層の端面に形成したこ
とを含み構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光半導体受光装置に関し、より詳しくは、光
導波層を備えた半導体受光装置に関する。

〔従来の技術〕

光通信システムにおいて、搬送された光信号を電気信号
に変換する場合に、フォトダイオードに光ファイバを接
続し、光ファイバによって搬送した光信号をフォトダイ
オードに入射して電気信号に変換することが行われてい
る。

この場合、方向性結合器としてガラスカプラを用いてい
るが、ガラスファイバーと受光素子との結合部において
、同位相の出力が必要となるため、数μｍオーダでの位
置合わせ精度が要求され、高度な技術が必要となる。

そこで、導波路とＰＩＮフォトダイオードとを結合した
ものとして、エバレンセント・ディテクター及びバット
カブラード・ディテクターが用いられている。

エバレンセント・ディテクターは、第１ｏ図（ａ）に例
示するように、ＰＩＮフォトダイオード７０の光吸収層
７１とＮ型層７２との間に光導波層７３を形成したもの
で、光導波層７３と光吸収層７１との屈折率を異ならせ
ることにより、光導波層７３に沿って進行する光を光吸
収層７１に導くようにしている。

一方、バットカブラード・ディテクターは、第１０図（
ｂ）に示すように、ＰＩＮフォトダイオード８０のＮ型
基板８１を光吸収層８２よりも広くするとともに、Ｎ型
基板８１の上に光導波層８３を形成して光吸収層８２の
側部と光導波層８３とを接合させたものであり、光導波
層８３から光吸収層８２の側部に光が進行するようにし
ている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、前者の装置によれば、光導波層７３と光吸収層
７１との光結合が弱く、光を光吸収層に導くためには語
長ｌを大きくする必要があり、装置が大型化するために
ＰＮ接合面が広くなって接合容量が大きくなったり、量
子効率が低くなるといった不都合がある。

また、後者の装置によれば、語長！を大きくする必要は
なく、低容量化、高量子効率化が図れるが、光導波層８
３の厚さを、高速応答素子として設計した極めて薄い光
吸収層８２と同程度にする必要があり、光導波層８３に
接続する光ファイバとの結合損失が大きくなるといった
問題がある。

結合損失を減少するデバイスとしては、受光素子の基板
を挟んだ面にＶ溝による鏡を有する光導波路を設けたも
のが知られている。（Ｒ，ＴＲＯＭＭＥＲＥＬＥＣＴＩ
？０１１１１Ｃ５ＬＥＴＴＥＲ３２５ｔｈ　Ａｐｒｉｌ
　１９８５νｏ１．２１Ｎｏ、９　Ｐ、３８２−３８３
）　Ｌかしながら、このデバイスは■溝を正確に作らね
ば、信号光を受光素子に正確に照射できない、また、複
数の受光素子を集積化した場合は、基板を介したクロス
トークが生しる恐れがある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって
、低接合容量化、高量子効率化を図るとともに、光ファ
イバの接続が容易な光半導体受光装置を提供することを
目的とする。

ＣｔＪＢを解決するための手段〕上記した課題は、第１図に例示するように、受光素子１
を基板２の表層に埋込んで形成し、前記基板２及び前記
受光素子の上に光導波層６を設けるとともに、前記光導
波層６内において伝搬した光を前記受光素子ｌに向けて
反射させる反射面７を、前記受光素子上に設けられた前
記光導波層６の端面に形成したことを特徴とする半導体
受光装置、又は、第３〜６図に示すように、光導波層１６と基板１
２との間に量子井戸（ＭＱＷ）層２８を設けたことを特
徴とする第１項の半導体受光装置によって達成される。

〔作　用〕

本発明によれば、第１図に例示するように、受光素子１
を基板２の表層に埋め込んで形成するとともに、基板２
の上に形成した光導波層６の反射面７によって光信号を
受光素子１に導くようにしている。

このため、光導波層１の厚みに制約が加わらず、これを
厚く形成することによって、光導波層６と光ファイバー
との接続が容易になる。

また、伝搬された光を反射面７によって反射させるよう
にしているため、光を大幅に減衰させないで受光素子ｌ
に導くことができるため、受光素子１の大型化が抑制さ
れ、受光素子ｌの低接合容量化、高量子効率化を得ると
かできる。

さらに、第６図に示すように、受光素子ＩＩを形成した
基板１２の上に、量子井戸（ＭＱＷ）層２８を介して導
波路１６を構成し、量子井戸層１６をコアとして光を伝
搬させると、光ファイバと光導波層１６との結合効率が
高くなる。

〔実施例］そこで、以下に本発明の詳細を図面に基づいて説明する
。

（ａ）本発明の第１の実施例の説明第１図は、本発明の一実施例を示す装置の断面図であっ
て、図中符号１は、半絶縁性１ｎＰ基板２の表層に埋込
み形成されたＰＩＮフォトダイオードで、このフォトダ
イオード１は、Ｎ３型１ｎＰよりなるスリ林状のＮ゛゛
層３と、Ｎ型層３の中に積層されたＩｎＧａＡｓよりな
る光吸収層４と、光吸収層４の表面にＺｎを拡散して形
成したＰ゛型抵拡散層５よって・構成されている。

６は、基板２の上に６μｍの厚さに積層されたＮ型Ｉｎ
Ｐよりなる光導波層で、この光導波層６の一端面はＰ゛
型抵拡散層５上方に位置するとともに、基板２上面から
法線方向に例えば１０度傾いた反射面７となっていて、
光導波層６内を進行した光を反射面７より反射させて光
吸収層４に導くように構成されている。

なお、図中符号８は、Ｎ゛゛層３の上端に形成されたＮ
電極、９は、Ｐ３型拡散層５上の一部に積層されたＰｔ
極、１０は、光導波層６に接続する光ファイバを示して
いる。

この実施例において、光導波層６の一端の反射面７に向
けて光を進行させると、その光の進路はその反射面７に
より偏向され、Ｐ゛型抵拡散層５透過して光吸収層４に
吸収されるやそして、その光のエネルギーが、光吸収層４及びＮ°°
層３において電子を励起するために十分な場合には、Ｐ
°型型数散層５Ｎ゛゛層３との間に、ドリフト電流と拡
散電流の和の光電流が流れることになる。

この場合、光導波層６は、ＰＩＮフォトダイオードｌの
上方に形成されるために、その膜厚を厚くして光ファイ
バー１０との位置合わせを容易にすることができる。

また、反射面７によって光路を偏向することにより、Ｐ
ｒＮフォトダイオード１に光を照射しているので、光の
エネルギーの減衰量が小さく、ＰＩＮフォトダイオード
ｌを小型化してＰＮ接合容量の増加を阻止したり、量子
効率を良くすることが可能になる。

（ｂ）本発明の第２の実施例の説明第２図は、本発明の第２の実施例を示す装置の断面図で
あって、図中符号１１は、半絶縁性１ｎＰ基板１２の表
層に埋込み形成されたＰＩＮフォトダイオードで、この
フォトダイオード１１は、Ｎ′″型夏ｎＰよりなるスリ
林状のＮ゛゛層１３と、Ｎ型層１３の中に積層されたＩ
ｎＧａＡｓよりなる光吸収層１４を有している。

１６は、基板Ｉ２の上に６μｍの厚さに積層されたＮ型
１ｎＰよりなる光導波層で、この光導波層１６の一端面
は光吸収層１４の中央上方に位置するとともに、基板１
２の法線から光導波層１６側に８０度程度傾いた反射面
１７となっていて、光導波層１６内を進行した光を反射
面１７より反射させて光吸収層１４に導くように構成さ
れている。

また、この光導波層１６のうちＰｒＮフォトダイオード
１１から離れた領域には、素子分離用Ｐ型拡散層２０が
形成されており、Ｐ型拡散層２０によって光導波層１６
がＰｒＮフォトダイオード１１から絶縁されるように構
成されている。

１５は、光導波層１６及び光吸収層１４の表面に形成さ
れたＰ°型型数散層１５、このＰ゛型型数散層１５、反
射面１７及びその近傍にＺｎを拡散して形成されたもの
である。

なお、図中符号１８は、Ｎ°°層１３の上端に形成され
たＮｉｉ極、１９は、Ｐ０型拡散層１５上の一部に積層
されたＰ電極を示している。

上記した実施例において、光導波層１６は、ＰｒＮフォ
トダイオード１１の上方に形成されるために、その膜厚
を大きくして光ファイバＩＯとの接続を容易にすること
ができる。

また、反射面１７によって光路を偏向してＰｒＮフォト
ダイオード１１に照射しているので、光のエネルギーを
ほとんど減衰させずに導くことになり、ＰＩＮフォトダ
イオードを小型化してＰＮ接合容量の増加を阻止するこ
とになる。

次に、このＰｒＮフォトダイオード１１（１１ａ、１ｌ
ｂ）を用いて、第３図に示すように、バランス型ＰＩＮ
ダイオード１１と方向性結合器２１とをモノリシックに
形成する方法について説明する。

まず、第４図（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基
板１２の上の素子形成領域Ａを除いた部分にレジストを
塗布した後に、基板１２を面方向に回転させながら、イ
オンビームエツチング（ＩＢＥ）法によりイオンを斜め
方向から打ち込んで基板１２を選択的にエツチングし、
これにより断面スリ林状の溝２３を素子形成領域Ａに形
成する。この溝２３は、例えば底面の幅が約３００μｍ
、深さが７５μｍとなるように形成する（第４図（ａ）
）。

次に、ＭＯＣＶＤ法によって基板１２の上に、Ｎ３型１
ｎＰ層２４をｌｔＩｍ、、Ｎ型１ｎＧａＡｓ層２５を２
μｍ、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層２６を１ｐｍ積層す
る（第４図（ｂ））。この後に、最上層のＩｎＧａＡｓ
Ｐ層２６に形成された窪部にレジスト２７を埋め込んだ
状態で、イオンビームエツチングにより各層２４〜２６
をエツチングして平坦化し、基板１２の溝２３内にだけ
Ｎ゛型１ｎＰ層２４、Ｎ型１ｎＧａＡｓ層２５、ノンド
ープＩｎＧａＡｓＰ層２６を残存させる（第４図（Ｃ）
、第５図（ａ））。

この場合のＮ゛型ＩｎＰ層２４は、第２図に示すＰＩＮ
フォトダイオード１１のＮ゛゛層３となり、Ｎ型１ｎＧ
ａＡｓ層２５は光吸収層１４となる。

この後に、第４図（ｄ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法に
より、基板１２の上に膜厚１μｍのＩｎＰ膜２７を形成
し、この上にマルチカンタムウェル（ＭＱＷ、多量子井
戸）膜２８、厚さ６μｍ程度のＮ−型１ｎＰ膜２９を順
に積層する。

ＭＱＷ層２８は、光ファイバｌＯとの光結合効率を高め
るために形成されるものであって、可能光発振波長が１
．１３μｍとなる膜厚３５人のＩｎＧａＡｓＰ膜と、膜
厚１３９４人のＩｎＰ膜とを交互に１５層づつ重ねて形
成したものである。

この状態から、フォトレジスト３０を露光、現像して、
結合器形成領域Ｂをフォトレジスト３０によって覆うと
ともに、そのフォトレジスト３０の端面を素子形成領域
Ａの中央近傍に位置させる。

そして、基板１２の上面から法線方向に１０度傾けた角
度でイオンビームエツチングによす基板１２上のＮ−型
ＩｎＰ膜２９、ＭＱＷ膜２８、ＩｎＰ膜２７をエツチン
グし、これらの膜２７〜２９の端面に傾斜面を形成し、
これを反射面１７となす（第４図（ｅ）、第５図（ｂ）
）。

この場合、ＭＱＷ層２８をコアとする導波路内を進行す
る光が、反射面１７により光路を変えて溝２３内のＩｎ
ＧａＡｓＰ層２６、ＩｎＧａＡｓ層２５に入射するよう
な傾きとなるように反射面１７を形成している。

次に、素子形成領域Ａ及び結合器形成領域Ｂの全体に窒
化膜３１を形成し、この後に、フォトリソグラフィー法
により窒化膜３１をバターニングして、２つのフォトダ
イオード形成領域Ｃ，ＤにあるＩｎＧａＡｓＰ層１６の
一部上方と、その近傍に位置する結合器形成領域Ｂにあ
る２つの導波路形成領域ＥＳＦの一部に窓３２〜３５を
形成する（第４図（ｆ）、第５図（Ｃ））。

そして、窓３２〜３５を通して亜鉛（Ｚｎ）をアンプル
中で拡散し、反射面１７の先端領域からＩｎＧａＡｓＰ
層２６の底面にかけてＰ゛型型数散層３６３７を形成す
るとともに、基板１２表層に達するＰ型拡散層３８．３
９を導波路形成領域Ｅ、Ｆに形成する。

次に、２つのＰ９型拡散層３６．３７の表面に金／亜鉛
／金よりなるＰ電極４０．４１を積層し、さらに、全体
に窒化膜４２を形成した状態でキャップアニールを行い
、Ｐ電極４０．４１の密着性を向上させる（第４図（ｇ
）、第５図（ｄ））。

この後に、図示しないフォトレジストをマスクに用いて
、イオンビームエツチングによりＮ−ＩｎＰ膜２９をバ
ターニングすることにより、フォトダイオード形成領域
Ａの導波路形成領域Ｅ、Ｆにおいて幅３０μｍ、長さ１
６０μｍの平面矩形状にするとともに、結合器形成領域
Ｂにおいてフォトダイオード形成領域Ａの導波路形成領
域Ｅ、　Ｆの中央線に沿って幅７μｍの帯状となるよう
に形成する（第４図（ｈ）、第５図（ｅ））、この工程
におけるＩＢＥ法のイオンビームは反射面１７と平行な
向きに照射する。

これにより、第３図に示すような光導波層１６の上部ク
ラッド層１６ａ、１６ｂが形成されることになるが、２
つのフォトダイオード形成領域Ｃ１Ｄから結合器形成領
域Ｂに到るクラッド層１６ａ、１６ｂは線対称に弓状に
形成され、その中央領域において５μｍ程度の間隙をお
いて接近するように構成する。

さらにこの後に、同様な方法によってＭＱＷ層２８とそ
の下のＩｎＰ層２７を導波路形成領域Ｅ、Ｆに沿ってバ
ターニングし、第３図に示すようにＸ字状に形成し、こ
れらを光導波層１６のコア１６ｃ、１６ｄ及び下部クラ
ッド層１６ｅ、ｆにする（第５図（ｆ））。

この場合、交差領域においてはその幅が５０μｍ、それ
以外の領域では３０μｍとなるように形成する。

また、フォトダイオード形成領域Ｃ，，Ｄの側部の上面
に表れたＩｎＧａＡｓ層１６、Ｎ型ＩｎＧａＡｓ層２５
、Ｎ’ｌｎＰ層２６及び基板１２をＩＢＥ法によりエツ
チングして幅２０μｍ、深さ５０人となし、この後に、
第４図（ｉ）及び第５図（ｇ）に示すように、この領域
にリフトオフ法によって金／ゲルマニウム／金のＮ電極
４３．４４を形成する。この後に、Ｐ電極４０．４１と
同様にＮ電極４３．４４をキャップアニールする。

次に、図示しないフォトレジストをマスクにしたイオン
ビームエツチングにより、２つのフォトダイオード形成
領域Ｃ，Ｄの間にスリ林状の溝２３よりも深い素子分離
用の溝４５を形成しく第４図（ｊ）及び第５図（ｇ））
、２つのフォトダイオード形成ｅＪｉ域Ｃ，Ｄを絶縁状
態にする。

これにより、２つのフォトダイオード形成領域Ｃ，Ｄに
は、Ｘ字状の方向性結合器２１に接続された第１及び第
２のＰＩＮフォトダイオード１１ａ、ｌｌｂがそれぞれ
形成されることになる。この場合、溝２３内のＮ″Ｉｎ
Ｐ層２４はＮ４層、Ｎ型１ｎＧａＡｓ層２５は１層、Ｐ
′″型拡散拡散層３６７はＰ゛層として適用される。

この後に、第１０ＰＩＮフオトダイオード１１ａのＮ電
極４３に第１の配線電極４６を接続するとともに、第２
のＰＩＮフォトダイオードｌｌｂのＮ電極４４から第１
のＩＩＮフォトダイオード１１ａのＰ電極に到る領域に
第２の配線電極４７を基板１２上に形成する。

さらに、２つのＰ電極４０．４１から基板１２に到る領
域に、ポリイミド等よりなる絶縁膜４８を形成し、さら
に、絶縁膜４８を介して第１のＰＩＮフォトダイオード
ｌｌａのＰｉ電極４０ら第２の配線電極４７に到る領域
に第３の電極配線４９、及び第２のＰＩＮフォトダイオ
ードｌｌａのＰ電極４１から外方に到る第４の電極５０
を形成する（第４図（ｋ）、第５図（ｈ））。なお、３
つの配線電極４６．４７．４９は、アルミニウム膜をフ
ォトリソグラフィー法によりパターニングして形成する
。

これにより第３図に示すような装置が形成されるととも
に、第７図に見られるような回路が構成されることにな
る。

この場合、方向性結合器２１は、第８図に示すような斜
視断面図となり、光は上部クラッド層１６ａ、１６ｂに
沿ってＭＱＷ層２８を中心にして進行することになる。

なお、上記した実施例では、素子形成領域Ａに溝２３を
形成し、その溝２３の最上層にノンドープのＩｎＧａＡ
ｓＰ層２６を形成したが、これを第９図に示すＩｎＰ層
５１とすることもできる。

ただし、ＩｎＧａＡｓＰを用いる場合には、第９図（ａ
）に示すように、傾斜させて形成した反射面１７から拡
散した亜鉛がほとんど段差のない深さとなる領域が広が
ってＩｎＧａＡｓＰ層２５に達することになり、Ｐ′″
′″層３６．３７とＩｒｌＧａＡｓＰ層２５との接合面
積を広くすることができ、光の吸収効率を高めることが
可能になる。これは、ＩｎＧａＡｓＰ層の拡散速度がそ
の上のＩｎＰ層よりも小さいことによる。

〔発明の効果］以上述べたように本発明によれば、受光素子を基板の表
層に埋め込んで形成するとともに、基板の上に形成した
光導波層の反射面によって光信号を受光素子に導（よう
にしたので、光導波層の厚みに制約が加わらず、これを
厚く形成することによって、光導波層と光ファイバーと
の接続が容易になる。

また、伝搬された光を反射面によって反射させるように
しているため、光を大幅に減衰させないで受光素子に導
くことができるため、受光素子の大型化が抑制され、受
光素子の低接合容量化、高量子効率化を得るとかできる
。

さらに、受光素子を形成した基板の上に、量子井戸（Ｍ
ＱＷ）層を介して導波路を構成し、量子井戸層をコアと
して光を伝搬させると、光ファイバと光導波層との結合
効率が高くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示す装置の断面図、第２図は、本発明の第２の実施例を示す装置の断面図、第３図は、本発明の第２の実施例を適用した半導体受光
装置の一例を示す平面図、第４図は、本発明装置の製造方法の一例を示す断面図、第５図は、本発明装置の製造方法の一例を示す平面図、第６図は、本発明の第２の実施例を示す装置の斜視図、第７図は、本発明の第２の実施例素子を適用した半導体
受光装置の回路図、第８図は、本発明の装置に接続される方向性結合器の一
例を示す部分拡大斜視図、第９図は、本発明のその他の実施例を示す部分断面図、第１０図は、従来装置の一例を示す断面図である。（符号の説明）１．１１・・・ＰＩＮフォトダイオード（受光素子）、２．１２・・・基板、３．１３・・・Ｎ層型層、４、Ｉ４・・・光吸収層、５．１５・・・Ｐ゛型型数散層６．１６・・・光導波層、７．１７・・・反射面、８．１８・・・Ｎ電極、９．１９−Ｐ′Ｆ４％、２０・・・素子分離用拡散層、Ａ・・・素子形成領域、２３・・・溝、２４・Ｎ′″型ＩｎＰ層（Ｎ層）、２５−Ｎ型１ｎＧａＡｓ層（１層）、２６・・・ノンドープＩｎＰ層、３６．３７・・・Ｐ゛型型数散層Ｐ層）２７・・・Ｉｎ
Ｐ層、２８・・・ＭＱＷ層、２９　・Ｎ−型１ｎＰ層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）受光素子を基板の表層に埋込んで形成し、前記基
板及び前記受光素子の上に光導波層を設けるとともに、前記光導波層内において伝搬した光を前記受光素子に向
けて反射させる反射面を、前記受光素子上に設けられた
前記光導波層の端面に形成したことを特徴とする半導体
受光装置。
（２）前記光導波層と前記基板との間に量子井戸層を設
けたことを特徴とする第１項の半導体受光装置。