JPH04249382A - 半導体受光素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体受光素子の構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】幹線系光通信システムにおける昨今の技
術確信はめざましく、動的単一軸モードでつねに安定し
て発振するＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還語レーザダイオード
）、高効率・高感度を同時に実現したＡＰＤ（アバラン
シェフォトダイオード）の開発、実用化とともに１Ｇｂ
／ｓ〜２Ｇｂ／ｓの光通信システムがすでに商用化に達
している。こうした状況のなか、さらなる中継器間隔の
長距離化、超高速変調による大容量化をめざした次世代
光通信システムに対する研究開発も活発に行なわれてい
る。このうち超高速変調による大容量化をめざした次世
代光通信システムにおいては、発光素子、受光素子に直
結される駆動回路、初段増幅器それぞれが超高速動作の
ために集積回路化されるだけでなく、これらの集積回路
と発光素子・受光素子との接続に際し、できるだけ寄生
容量、寄生インダクタンスを生じないようにすることが
重要である。

【０００３】これまで実用・商用化に達した１Ｇｂ／ｓ
〜２Ｇｂ／ｓ幹線系光通信システムでは、各々素子の動
作速度については様々な検討がなされていたが、これら
の実装および接続によって生ずる動特性の劣化について
は、使用領域が比較的低周波領域だったこともあり十分
な検討や対策が為されていなかった。具体的には、発光
素子・受光素子や駆動回路・初段増幅器はそれぞれ単体
で個々のバッケージに封入されており、各々の素子は回
路基盤上に実装されたのちリード線等をもちいて接続さ
れていた。この方法では、各々の素子にはあらかじめ十
分な選別・スクリーニングを施すことができるため、各
種の電気特性、光学特性を確認できるだけでなく、動作
速度、信頼性についてもそれぞれ確認しておくことがで
きるという大きな利点を有しているが、素子を封入して
いる個々のバッケージに寄生容量や寄生インダクタンス
が付随しているためにこれらの素子の実装および接続に
よって動特性が劣化してしまうという大きな欠点をも有
している。従って、この方法が極めて有効であるのは〜
２Ｇｂ／ｓの変調速度域までで、これ以上の超高速変調
では実装方法や個々の素子間の接続方法にも新しい方法
を確立する必要がある。

【０００４】この新しい方法としては、第一に発光素子
や受光素子を駆動回路、初段増幅器の集積回路それぞれ
に近接して実装し、両者を約１ｍｍ程度のボンディング
ワイヤによって接続する方法（ベアチップによる実装）
、集積回路上にあらかじめ発光素子、受光素子用の実装
パターンを形成しておき、その上に発光素子、受光素子
を実装することで集積回路との接続をとる方法（フリッ
プチップ実装）、発光素子、受光素子自体をそれぞれの
集積回路上に形成して一体の素子にする方法（ＯＥＩＣ
）がある。それぞれの実装方法で十分に超高速動作が可
能な素子を実装・接続した場合、動作可能な変調周波数
域は、ベアチップによる実装で約５ＧＨｚまで、フリッ
プチップ実装で約１０ＧＨｚまで、そしてＯＥＩＣでは
さらに高周波領域までと推定されている。

【０００５】ＳＯＮＥＴに準拠した２．５Ｇｂ／ｓの幹
線系通信システムに搭載する発光・受光モジュールは超
高速変調による通信容量の大容量化という面で、最近で
は最も開発が盛んである。そのうち駆動回路や初段増幅
集積回路を内蔵した駆動回路内蔵発光モジュール、初段
増幅集積回路内蔵受光モジュールでは実装および素子間
の接続についても配慮が為され、すでにベアチップによ
る実装が試みられている。特に初段増幅集積回路を受光
素子に近接して実装しボンディングワイヤで接続した、
初段増幅集積回路内蔵受光モジュールは受光素子自体が
発熱しないこと等の理由のためにモジュールとしての構
成が比較的簡易であり、駆動回路内蔵の発光モジュール
に比べて開発に対する要求も強い。

【０００６】図３は従来の初段増幅集積回路内蔵発光モ
ジュールの簡易的な構成図である。光ファイバ１３１か
ら出射された信号光はセルフォックレンズ１３３で集光
されたのち、受光素子３１に入射され光電効果によって
電気信号に変換される。受光素子３１は初段増幅集積回
路３３と近接して台座３６上に実装されており、変換さ
れた電気信号は高速動作性を妨げることなくボンディン
グワイヤ３２を通じて初段増幅集積回路３３に入力され
て増幅され、さらに回路基盤上に形成された電極パタン
３４を伝送され出力端子３５を経て、初段増幅集積回路
内蔵受光モジュールから出力される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように２Ｇｂ／
ｓ以上の超高速変調を実現するためには、受光素子と初
段増幅器とは同一平面上に近接して実装され、約１ｍｍ
程度のボンディングワイヤで接続されることが必要であ
る。また、実際の装置、あるいはプリント基盤への実装
を考えた場合、発光モジュール自体は平面実装可能な形
態、すなわち光信号を入力する光ファイバと受光モジュ
ールの出力端子とが同一平面に対して平行となるような
形態をしていることも必要とされる。ところが従来の初
段増幅集積回路内蔵受光モジュールにおいては、受光素
子の実装面、初段増幅集積回路の実装面と発光モジュー
ル自体の実装面は互いに平行とすることは困難である。 これは信号光の入力方向が受光素子の受光面とが互いに
直交するように位置することが必要とされるためであり
、このため例えば受光素子と初段増幅集積回路とを同一
平面上に近接して実装した図３のような従来例において
は、初段増幅集積回路の出力部までは高速応答性を劣化
させることがないが、初段増幅回路の出力部と受光モジ
ュールの出力端子とは互いに直交した面内にあるため回
路基盤上の電極パタンに沿って電気信号を伝送させる際
に、高速応答性の劣化を避けることができない。このよ
うに、高速応答性を実装および素子間の接続で劣化させ
ることがないという、ベアチップによる実装の最大のメ
リットを十分に生かすためには、受光モジュールにおい
ては光信号を入力する光ファイバと受光モジュールの出
力端子とが同一平面に対して平行となるような構造を如
何にして実現するかということが最大の問題点となる。

【０００８】この問題点に対し、受光素子に対する光信
号の入力方向を光結合系に工夫をすることで解決する方
法が考えられる。図４は光ファイバの先端部を直接加工
して光ファイバの方向と光信号の入力方向を直交させる
ことを実現したペリカンビルファイバを用いた初段増幅
集積回路内蔵受光モジュールの簡易的な構成図である。 ペリカンビルファイバ１４２をあらかじめ先端を先球加
工した光ファイバの先球部を斜めに研磨して信号光を反
射させ、光ファイバの方向と光信号の出射方向と直交さ
せることを可能にしている。信号光はペリカンビルファ
イバ１４２によって光ファイバの方向と直交する方向に
反射させられたのち、受光素子４１に入射され光電効果
によって電気信号に変換される。受光素子４１は初段増
幅集積回路４３と近接して実装されているため、変換さ
れた電気信号は高速動作性を妨げることなくボンディン
グワイヤ４２を通じて初段増幅集積回路４３に入力され
て増幅され、さらに回路基盤上に形成されたきわめて短
い電極パタン４４を通じて出力端子４５に接続され、初
段増幅集積回路内蔵受光受光モジュールから出力される
。

【０００９】本例においてはペリカンビルファイバを用
いることにより、受光素子の実装面、初段増幅集積回路
の実装面と受光モジュールからの出力端子すなわち受光
モジュール自体の実装面は互いに平行とすることが可能
となり、素子の実装、接続によって動特性を劣化させる
ことはないが、一方でペリカンビルファイバ自体の製作
が容易でなく再現性がよくないこと、また複雑な形状を
しているためファイバ内で損失を生じ、十分な光電効率
ひいては高い受信感度を得ることが困難であるという欠
点を有していた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体受光素子
は、受信光を入射する第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層よりバンドギャップが小さく前記第
１の半導体層に接する第１導電型の第２の半導体層と、
第１，第２導電型の半導体接合とを少なくとも有し、前
記第１の半導体層と前記第２の半導体層の境界に回折格
子を有することを特徴とする。

【００１１】

【実施例１】次に本発明について図面を参照して詳細に
説明する。図１は、本発明の実施例１を示す半導体受光
素子の構造の断面図である。本発明の半導体受光素子は
ｎ型半導体基板１１上に周期Λの回折格子１２を形成し
たのち、ｎ型半導体層１３で回折格子１２を埋めこみ、
ｎ型アバランシェ層１４，ｎ型半導体層１５を積層し、
ｎ型半導体層１５にガードリング１６とｐ型半導体領域
（光吸収層）１７とを形成したのち、高反射膜１８およ
び電極１９，２０を積層して形成する。屈折率ｎｊ　の
ｎ型半導体基板１１に垂直に入射された波長λの信号光
は層内を導波し、周期Λの回折格子１２との相互作用に
よって入射方向に対しθの角度をなす方向に次式を満足
するように回折され、屈折率ｎ２　のｎ型半導体層１３
に放射される。

【００１２】

【００１３】さらに回折された放射光は、ｐ型半導体領
域（光吸収層）１７に入射され光電効果により電気信号
に変換され、受光素子から出力される。この時、受光さ
れ得る放射光はθ〜π／２を満たす場合、すなわち、

【
００１４】

【００１５】に限られるため受光することのできる入射
光は理論的に

【００１６】

【００１７】を満たす波長に限定される。また、通常受
光素子の光電効率は約８０％程度とされ、その一部は電
気信号に変換されずに受光素子を通過してしまうため、
本実施例においては、ｐ型半導体領域（光吸収層）１７
に接して高反射膜１８を形成し、通過光を反射させて再
び光吸収層に入射して光電効率の向上をはかっている。 このようにして回折格子による信号光の回折現象を利用
して受光素子を形成することにより、受光素子の実装面
に対して平行に信号光を入射することが可能となり、素
子の実装，接続によって動特性を劣化させることなく初
段増幅集積回路内蔵受光モジュールを製作することがで
きる。尚、本実施例においては半導体受光素子としてア
バランシェ層を有するアバランシェフォトダイオードを
用いたが、特に限定したものではない。

【００１８】

【実施例２】図２は、本発明の実施例２を示す半導体受
光素子の構造の断面図である。本発明の半導体受光素子
は屈折率ｎ３　のｎ型半導体基板１１上に屈折率ｎｊ　
（ｎ３　＜ｎｊ　）のｎ型半導体層１２１を積層し、そ
の表面に周期Λの回折格子１２を形成したのち、屈折率
ｎ２　（ｎ２　＜ｎ３　＜ｎｊ　）　　のｎ型半導体層
１３で回折格子１２を埋めこみ、ｎ型アバランシェ層１
４、ｎ半導体層１５を積層し、ｎ半導体層１５にガード
リング１６とｐ型半導体領域（光吸収層）１７とを形成
したのち高反射膜１８、電極１９，２０、および反射鏡
１２２を形成して製作される。屈折率ｎｊ　のｎ型半導
体層１２１に垂直に入射された波長λの信号光は、実施
例１の場合と同様に層内を導波し、周期Λの回折格子１
２との相互作用によって入射方向に対しθの角度をなす
方向に回折され放射される。放射光は屈折率ｎ２　のｎ
型半導体層１３をへてｐ型半導体領域（光吸収層）１７
に入射され、光電効果により電気信号に変換され受光素
子から出力される。

【００１９】本実施例においても回折格子による信号光
の回折現象を利用して受光素子を形成することにより、
受光素子の実装面に対して平行に信号光を入射すること
が可能となり、素子の実装、接続によって動特性を劣化
させることなく初段増幅集積回路内蔵受光モジュールを
製作することができる。また特に本実施例においては信
号光の導波層（ｎ型半導体層１２１）に接して屈折率変
化が与えられているために、導波層内への光の閉じ込め
が強く実施例１の場合に比べ回折効率が向上するばかり
でなく、ｐ型半導体領域（光吸収層）１７に接して高反
射膜１８、ｎ型半導体基板に接して反射鏡１２２を形成
しているのに反射光を再び光吸収層に入射してさらに光
電効率の向上をはかることができる。尚、本実施例にお
いても半導体受光素子としてアバランシェ層を有するア
バランシェフォトダイオードを用いたが、実施例１と同
様に特に限定したものではない。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体受光
素子は、受光素子内に回折格子を有しているために、回
折格子による信号光の回折現象を利用して受光素子を形
成することができ、受光素子の実装面に対して平行に信
号光を入射することが可能となるために、素子の実装、
接続によって動特性を劣化させることがないという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す半導体受光素子の構造
の断面図、

【図２】本発明の実施例２を示す半導体受光素子の構造
の断面図、

【図３】従来の初段増幅集積回路内蔵受光モジュールの
簡易的な構成図、

【図４】ペリカンビルファイバを用いた初段増幅集積回
路内蔵受光モジュールの簡易的な構成図である。

【符号の説明】

１１　　　　ｎ型半導体基板 １２　　　　回折格子 １３　　　　ｎ型半導体層 １４　　　　ｎ型アバランシェ層 １５　　　　ｎ型半導体層 １６　　　　ガードリング １７　　　　ｐ型半導体領域（光吸収層）１８　　　　
高反射膜 １９，２０　　　　電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　受信光が入射する第１導電型の第１の
   半導体層と、前記第１の半導体層よりバンドギャップが
   小さく前記第１の半導体層に接する第１導電型の第２の
   半導体層と、第１，第２導電型の半導体接合とを少なく
   とも有する半導体受光素子において、前記第１の半導体
   層と前記第２の半導体層の境界に回折格子を有すること
   を特徴とする半導体受光素子。