JPH045870A - 光半導体装置及びそれを用いた受光器 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光フアイバ伝送システム、光信号処理システ
ム等において光信号を電気信号に変換する光半導体装置
及びそれを用いた受光器に係り、特にフリップチップ実
装（フェイスダウン　ボンディング）に適用できる光半
導体装置及びそれを用いた受光器に関する。

〔従来の技術〕

光フアイバ伝送システムに用いる光受信部の光信号を電
気信号に変換する受光素子には、受信感度向上のために
受光素子自体に増倍作用のあるなだれ降伏ホトダイオー
ド（Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏ−ｄｉｏｄｅ。

以後ＡＰＤと略す）が一般に用いられる。近年この光フ
アイバ伝送システムの長距離、大容量化は急速に進み、
現在では日本及び米国においてそれぞれ１．６Ｇｂ／ｓ
、１．７Ｇｂ／ｓの光伝送システムが実用に供されてい
る。各所の研究開発機関では、さらに高速、大容量化を
自相して数Ｇｂ／Ｓ〜１０　Ｇ　ｂ　／　ｇ光ファイバ
伝送システムの研究開発が活発化している。このような
大容量光伝送システムに用いるＡＰＤは数ＧＨｚ以上の
高速広帯域でかつ低雑音特性が要求される。そのために
は受光素子自体の特性向上のみならず、受光素子の寄生
効果低減も重要技術課題の１つとなっている。

例えば、アイ・イー・イー・イー、ジャーナルオブ　ク
オンタム　エレクトロニクス　第２４巻、第３号（１９
８８年）、第４９６頁から５００頁（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃＳｖｏｌ、２４．　Ｎａ３　（１９８８）　ｐｐ４９
６−５００）で論じられているような基板に対しメサ型
構造の裏面光入射方式のＡＰＤがある。この従来の受光
素子の構造を第２図に示す。この受光素子は、ｐ”−Ｉ
ｎＰ基板２上にバッファー層３、ＩｎＰ系の増倍層４、
障壁緩和層５を積層し、さらにその上に、光ファイバの
最低損失波長１．５５μｍ帯に感度を有するＩ　ｎ　Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ系からなる光吸収層６、コンタクト層７、
ｎ電極８を形成し、ｐ＋−ＩｎＰ基板２の裏面にｐ電極
９を設けた構造であり、１．６Ｇｂ／Ｓ光伝送システム
で高速、低雑音特性の実績を持つ、いわゆるＩｎＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ系ＡＰＤである。

この従来の受光素子の特長は１．６Ｇｂ／ｓ光伝送シス
テム等で用いられているプレーナ型表面光入射方式に換
えてメサ型構造の裏面光入射方式を採用している点であ
る。プレーナ型ではエツジブレークダウン防止のために
必要であったガードリングがこのメサ型構造では不要と
なるため、受光素子自体のｐｎ接合径を３０％以上小さ
くすることができ、これによりｐｎ接合容容量半分以下
にすることが可能となった。また、裏面光入射方式では
、電気接続のためのワイヤポンディングパッドを半導体
表面に新たに設ける必要があり、このため寄生容量とし
て０．２〜Ｑ、３ｐＦが付加されることになる。しかし
、上記の裏面入射方式にすると受光部の表面をこのポン
ディングパッドとして用いることができ、０．２〜０．
３ｐＦの寄生容量を低減することが可能となった。以上
よ＝４＝ り第２図に示した従来の受光素子は、素子容量０．２ｐ
Ｆと市販品の０．６〜０．７ｐＦと比べ極めて低容量を
実現し、遮断周波数８　Ｇ　Ｈｚの高速特性を達成して
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、素子容量の低減による高速性劣化すな
わち周波数特性の劣化については十分考慮されているが
、実装に伴うボンディングワイヤの寄生インダクタンス
の低減については配慮されておらず、素子容量とこの寄
生インダクタンスによる共振現象による周波数特性の劣
化の問題があった。

第３図にこのＬＣ共振による周波数特性劣化の計算結果
を示す。計算は素子容量０．２ｐＦと固定し、寄生イン
ダクタンスをパラメータとし、０．０．５．１．０．２
．０．４．ＯｎＨの値を用いて行った。図から分かるよ
うに寄生インダクタンスがない場合、２０　Ｇ　Ｈｚ以
上まで平坦、良好な周波数特性が得られているが、寄生
インダクタンスが０．５．１．○、２．０．４．０ｎＨ
とついてくると共振特性が２０Ｇ　Ｈｚから６　Ｇ　Ｈ
ｚへと下がりながら現われてくるのが分かる。

上記従来の技術は、寄生インダクタンスが極めて小さい
高周波特性評価用治具にマウントされているが、実シス
テムで用いる場合、プリアンプ回路との電気的接続のた
めに２ｍｍ程度のＡｕ又はＡΩのボンディングワイヤが
必要である。通常のボンディングワイヤは長さｌｎｗｎ
に付きｉｎＨのインダクタンスを持つことを考慮すると
、２ｎＨ程度の寄生インダクタンスによる共振が８ＧＨ
ｚ付近に現われ、１０　Ｇ　ｂ　／　ｓの光伝送では大
きな伝送特性劣化要因となることが分かる。

本発明の目的は、寄生インダクタンスによる周波数特性
の劣化を解決する光半導体装置及びそれを用いた受光器
を提供することにある。

〔課題を解□決するための手段〕

上記目的は、（１）透光性基板、該基板上に積層された
光電変換領域を有する半導体積層構造、該半導体積層構
造内に電界を印加するための一対の電極を有し、該一対
の電極は、該基板に対し該半導体積層構造が形成されて
いる側に設けられていることを特徴とする光半導体装置
、（２）透光性基板、該基板上に積層された光電変換領
域を有する半導体積層構造、該半導体積層構造内に電界
を印加するための一対の電極を有し、該一対の電極は、
実質的に同一平面上に設けられていることを特徴とする
光半導体装置、（３）上記１又は２記載の光半導体装置
において、上記一対の電極の一方は、上記透光性基板又
は該透光性基板と同一の導電型の半導体層と電気的に接
続する電極であることを特徴とする光半導体装置、（４
）上記１．２又は３記載の光半導体装置において、上記
光電変換領域は、なだれ増倍機構を利用した増倍層と光
吸収層とを有することを特徴とする光半導体装置、（５
）上記１から４までのいずれかに記載の光半導体装置に
おいて、上記透光性基板は、上記半導体積層構造が形成
されている側と反対の側は、その上部から侵入する光を
上記光電変換領域に集光するための曲面構造を有するこ
とを特徴とする光半導体装置、（６）上記１から４まで
のいずれかに記１載の光半導体装置において、上記透光
性基板は、上記半導体積層構造が形成されている側と反
対の側の上記光電変換領域と対応する位置に凹部を有す
ることを特徴とする光半導体装置、（７）所望の配線パ
ターンを有する回路基板上に、上記１から６までのいず
れかに記載の光半導体装置を、上記一対の電極を有する
側を該回路基板と向き合わせて接続したことを特徴とす
る受光器によって達成される。

本発明の光半導体装置の好ましい構造の一例は、受光部
をメサ型構造とし、一対の電極の一方をその表面しこ設
け、他方の電極を第２のメサ型構造の表面に設けたもの
である。また、他方の電極を、メサ型構造の表面から基
板又は基板と同一の導電形の半導体層まで段差のある所
に一面に形成することが好ましい。４〜５μｍの段差が
ある状態でも段切れが起きないことが実験的に確認され
ている。素子設計上もメサ型構造の高さは数μｍ程度と
見積られ、段切れなく素子を形成することが可能である
。

上記５項は基板裏面上にマイクロレンズ、球面ドーム層
等を形成し、光ファイバとの光結合を高めたものである
。このレンズ効果により実効的に受光径を２〜４倍程度
拡大した素子と等価の光結合特性を得ている。これによ
りさらに実際のｐｎ接合径を縮小し、０．１ｐＦ以下の
素子容量も達成可能である。

上記６項は基板裏面の受光部をエツチングして基板の厚
みを薄くし、光ファイバとの光結合を高めたものである
。これは特にｐ−ＩｎＰ基板のようにｎ　−Ｉ　ｎ’Ｐ
基板より１．５μｍ帯での光吸収係数が高・く、基板で
の光信号吸収が無視できない場合に有効である。

〔作　　用〕

本発明の光半導体装置は、生温体表面のほぼ同一平面上
にＡＰＤバイアス用ｐ、ｎ電極を有し、またこの電極用
パターンは十分大きいため、安定したフリップチップ実
装となった。また、この光半導体装置をフリップチップ
実装した受光器は、ボンディングワイヤを必要としない
ため、ボンデイングワイヤの寄生インダクタンスの寄与
による共振現象がなくなり、良好な高速応答性が実現で
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例の受光素子（ＡＰＤ）の断
面図である。表面が（１００）面のＰ＋−Ｉ　ｎＰ基板
２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｂｅ　　ドープｐ　　
−ＩｎＰよりなるバッファ層（ＩＸ　１０１９ａｎ−”
、０．５μｍ）３、Ｓｅ　　ドープｎＩｎＰよりなる増
倍層（４Ｘ　Ｉ　Ｑ　”ｃｍ−”０．７μｍ）４、ｎ−
ＩｎＧａＡｓＰよりなる障壁緩和層（８Ｘ　１０”Ｃ１
１１−”、０．１μｍ）５、ｎ−−ＩｎＧａＡｓよりな
る光吸収ＪＷＦ（６ＸＩＱ１５ｃｍ−３，３μｍ）６．
ｎ−ＩｎＰよりなるコンタクト層（２ｘ１０１７価−３
．１μｍ）７を順次連続成長させ、Ｉ　ｎ　Ｐ　／　Ｉ
　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ　／　Ｉ　ｎＧ　ａ　Ａ　ｓ
層のＳＡＧＭ構造を得る。なお、上記各層は、気相成長
法や液相成長法によって形成することもできる。

次いで、重クロム酸系エツチング液を用いて、第１図に
示す構造にメサエッチングした後、ｎ電極８、ｐ電（（
ｉ９を真空蒸着する。この時、ｎ電極８、ｐ電極９の材
料としては、それぞれｎ−ＩｎＰのコンタクトＮ７、ｐ
　　−ＩｎＰ基板２又はｐｌ−ＩｎＰのバッファ層３と
オーミック接合とれるように選べば良い。すなわち、ｎ
電極８の材料としてはＡｕＺｎ／Ｐｔ／Ａｕ、　ｐ電極
９としてはＴ　ｉ　／　Ａ　ｕを用いた。なお、ＡｕＧ
ｅＮｉのようなｐ、ｎ両性半導体ともオーミック接合と
れる電極材料を用いることもできる。絶縁保護膜はＡＰ
Ｄの暗電流特性等から必要に応じて設ければ良い。

材料としてはＳｉＮ、ＰＳＧ、５ｉ０２等がありＣＶＤ
法により形成する。本実施例では絶縁保護膜は設けてい
ない。Ｐ＋−ＩｎＰ基板２真面には反射防止膜１０を設
け、ダーエｎ、Ｐ基板２での反射による光結合効率の劣
化を防止する。以上、本実施例の作製について述へた。

次に本実施例の受光素子の動作について述べる。

電極８．９を介してＡＰＤを逆バイアス状態にする。光
信号１１（波長は１−１３又は１．５５μｍ帯）はＡＰ
Ｄの裏面より反射防止膜］−〇を介して入射され、コン
タクト層３、増倍層４、障壁緩和Ｍ５を通り抜け、ｎ　
　−ＩｎＧａＡｓからなる光吸収Ｍ６で吸収されホール
・電子対の電気信号に変換される。この光吸収層６で発
生したホールは電界により障壁緩和層５、増倍層４をｐ
　　−ＩｎＰ基板２裏面に向かってドリフトしｐ　−Ｉ
　ｎ　ＰのコンタクトＭ３とｎ　−Ｉ　ｎ　Ｐの増倍層
４のｐｎ接合界面の増倍Ｍ４側でアバランシェ増倍し、
電極９より増倍電気信号として外部に送出される。

本実施例で得られた特性は、素子容量の０．１５ｐＦ、
暗電流５０　ｎ　Ａ以下と１０ＧＨｚ以上の高速・低雑
音動作が可能である。同様の構造で作製したＰＩＮホト
ダイオードでは１５Ｇ　Ｈｚ以上の高速動作が得られた
。

以上、第１図を用いて本発明の一実施例について述べた
。本発明では、光結合系の構成には様々な応用が考えら
れるのでそのうちいくつかの実施例について以下に述べ
る。その一実施例の受光素子の断面図を第４図に示す。

第１図に示した実施例と同様にｐ　　−ＩｎＰ基板２上
にＩ　ｎ　Ｐ　／　Ｉ　ｎＧ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ　／　Ｉ
　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓの層構造を得、所望のパターン構
造にメサエッチし、電極形成を行った後、次にｐ　　−
Ｉｎ、Ｐ基板２の裏面を研摩し、光吸収層６に光信号１
１が集光するような曲率を持つマイクロレンズ１２を設
ける。その後、反射防止膜１０を第１図に示した実施例
と同様にして形成する。このマイクロレンズ１２のレン
ズ効果により実効的に受光径が２〜４倍拡大した素子と
等価な光結合特性が得られ、第１図に示した実施例に比
べて受光径を３０％低減可能となり素子容量の０．１ｐ
Ｆが得られた。

他の実施例の受光素子の断面図を第５図に示す。

第５図に示す実施例は半導体基板が光信号の波長に対し
て吸収係数が無視できない場合に有効である。すなわち
基板裏面の受光部を化学エツチング等により適当に薄く
する。本実施例の作製について述べる。第１図に示した
実施例と同様にｐ＋ＩｎＰ基板２上にＩ　ｎ　Ｐ　／　
Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ　／　Ｉ　ｎＧ　ａ　Ａ　
ｓの層構造を形成し、所望のパターン構造にメサエッチ
ングし、ｐ、ｎ電極形成を行った後、次［こｐ　　−Ｉ
ｎＰ基板２の裏面受光部をＢｒ系エツチング液を用いて
適当な薄さしこなるまでエツチング除去を行う。本実施
例では、基板強度も考慮して４５０μｍ厚基板を上基板
エツチングにより受光部を１５０μｍ以下の厚みにした
後、反射防止膜１０を第１図に示した実施例と同様にし
て形成した。これにより１０％程度の量子効率の改善を
得た。

以上、ＩｎＰ系ＡＰＤを中心に３つの実施例について述
べたが、本発明はＡＰＤに限らすＰＩＮホトダイオード
等の縦構造受光素子、半導体材料はその他の■−ｖ族化
合物半導体系やＳｉ−Ｇｅ等の半導体にも適用可能であ
る。

第６図は本発明の一実施例の受光器の断面図である。回
路基板１３は、受光素子１と電気接続し受光素子１ヘバ
イアスを供給し電気信号を取り出すための配線パターン
１４を有し、配線パターン１４の受光素子１との電気接
続部にハンダバンプ工５を設けである。受光素子１をフ
ェイスダウンして第６図に示すように回路基板１３上に
置き、ホットプレートで加熱しハンダバンプを溶かして
受光素子１と配線パターン１４と接続固定する。

この際、溶けたハンダの表面張力により受光素子１は配
線パターン１４の所定位置に設置することが出来る。こ
のように本発明の構造を採用することにより電気接続用
のボンディングワイヤを不要とするフリップチップ実装
が可能となり、ボンディングワイヤのインダクタンスの
影響による高周波特性の劣化がなくなり、受光素子本来
の持つ良好な高周波特性を持つ受光器を実現した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光半導体装置の光電変換領域を有する
半導体積層構造内に電界を印加するための一対の電極を
基板に対し上記半導体積層構造を有する側に設け、又は
ほぼ同一平面上に設けるため、安定にフリップチップ実
装を取ることができる。

一１５＝ また、上記光半導体装置を用い、フリップチップ実装し
た受光器は、電気接続用のボンディングワイヤがないた
め、ボンディングワイヤの寄生インダクタンスの寄与に
よる共振現象がなくなり、リップルのない周波数特性と
なり、良好な高速応答性が実現できる。さらに、実装用
電極パターン部により、フリップチップ実装の際、実装
用回路基板に安定に設置することが可能となり組立ての
歩留りが向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の受光素子の断面図、第２図
は従来の受光素子の断面図、第３図は受光素子周波数特
性の寄生インダクタンス依存性を示す特性図、第４図及
び第５図は本発明の他の実施例の受光素子の断面図、第
６図は本発明の一実施例の受光器の断面図である。 １・・・受光素子　　　　　２・・・ｐ　　−ＩｎＰ基
板３・・・バッファ層　　　　４・・・増倍層５・・・
障壁緩和Ｎ　　　　６・・・光吸収層７・・・コンタク
ト層　　　８・・・ｎ電極・ｐ電極 １・・・光信号 ３・・・回路基板 ５・・・ハンダバンプ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、透光性基板、該基板上に積層された光電変換領域を
   有する半導体積層構造、該半導体積層構造内に電界を印
   加するための一対の電極を有し、該一対の電極は、該基
   板に対し該半導体積層構造が形成されている側に設けら
   れていることを特徴とする光半導体装置。 ２、透光性基板、該基板上に積層された光電変換領域を
   有する半導体積層構造、該半導体積層構造内に電界を印
   加するための一対の電極を有し、該一対の電極は、実質
   的に同一平面上に設けられていることを特徴とする光半
   導体装置。 ３、請求項１又は２記載の光半導体装置において、上記
   一対の電極の一方は、上記透光性基板又は該透光性基板
   と同一の導電型の半導体層と電気的に接続する電極であ
   ることを特徴とする光半導体装置。 ４、請求項１、２又は３記載の光半導体装置において、
   上記光電変換領域は、なだれ増倍機構を利用した増倍層
   と光吸収層とを有することを特徴とする光半導体装置。 ５、請求項１から４までのいずれかに記載の光半導体装
   置において、上記透光性基板は、上記半導体積層構造が
   形成されている側と反対の側は、その上部から侵入する
   光を上記光電変換領域に集光するための曲面構造を有す
   ることを特徴とする光半導体装置。 ６、請求項１から４までのいずれかに記載の光半導体装
   置において、上記透光性基板は、上記半導体積層構造が
   形成されている側と反対の側の上記光電変換領域と対応
   する位置に凹部を有することを特徴とする光半導体装置
   。 ７、所望の配線パターンを有する回路基板上に、請求項
   １から６までのいずれかに記載の光半導体装置を、上記
   一対の電極を有する側を該回路基板と向き合わせて接続
   したことを特徴とする受光器。