JPH0832102A

JPH0832102A - フォトディテクタ

Info

Publication number: JPH0832102A
Application number: JP6182862A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Iwase; 正幸岩瀬
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1994-07-12
Filing date: 1994-07-12
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザと共通のキャリアに搭載可能
で、かつ、光ファイバとの光結合効率が高い半導体フォ
トディテクタを提供する。【構成】裏面入射型フォトディテクタが形成された基
板１６の裏面に溝３０を形成し、この溝３０内に基板１
６の主面に平行な光導波路３２と、光導波路３２の光を
９０度曲げる傾斜鏡面３８とを形成する。傾斜鏡面３８
は基板の主面と４５度の角度をなし、表面に高反射膜５
０が形成される。半導体レーザと同様に基板の主面と平
行方向に延びる光ファイバ４０との接続を可能としたの
で、光通信等に利用される光モジュールにおいて、半導
体レーザ及びフォトディテクタを共通のキャリア１０に
搭載可能とする。光ファイバとの間で高い光結合効率を
得ると共に、光モジュールの製造コストを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フォトディテクタに関
し、特に、光通信、光計測、光メモリ等において検出器
として利用される半導体フォトディテクタの構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体フォトディテクタ（受光素子）
は、光通信、光計測、光メモリ等において光検出器とし
て用いられる。特に、裏面入射型フォトディテクタは、
電極間の容量が小さく形成できることから、高速作動に
適し、高速光通信の受光素子として実用化されている。

【０００３】図５は、従来のフォトディテクタを、裏面
入射ｐｉｎ型フォトダイオードを例として示す基板主面
と直交方向の断面図である。フォトダイオード６０のｎ
型ＩnＰ（ｎ-ＩnＰ）基板６２の主面には、バッファ層
６４、ノンドープ活性層６６及び受光窓部６８が形成さ
れている。光ファイバ４０を経由し、基板裏面から基板
６２の主面に垂直な方向に入射した信号光は、受光窓部
６８に入射し、電気信号に変換されて電極７０及び７２
を経由して取り出される。フォトディテクタは、同図に
示した裏面入射型の他に表面入射型も用いられ、何れも
基板と直交方向の光を検出する。

【０００４】ところで、半導体フォトディテクタのため
の信号光源には、例えば半導体レーザが用いられてお
り、半導体レーザは、一般に、基板の主面と平行な方向
にレーザ光を出射する。即ち、基板の主面と光の進行方
向との関係では、半導体レーザとフォトディテクタとで
はその方向が９０度異なっている。このため、半導体レ
ーザ及びフォトディテクタを１つの光モジュール内に組
み込み、相互に平行に配列された光ファイバとこれら各
素子とを光接続するためには、従来、下記のような構造
を採用する必要があった。

【０００５】図６は、その１つの例を示すもので、同図
（ａ）は半導体レーザを、同図（ｂ）はフォトディテク
タを夫々示している。同図（ａ）において、半導体レー
ザ７６のキャリア７８の主面８２上には、半導体レーザ
が形成された基板全体が搭載され、半導体レーザ７６の
活性層８０からの出力光は、キャリア７８の主面８２と
平行方向に延びる光ファイバ４０に入射する。また、同
図（ｂ）において、フォトディテクタ６０のキャリア８
４の第１の主面８６上には、裏面入射型フォトディテク
タが形成された基板全体が取り付けられ、基板の裏面に
は、キャリア８４の第１の主面８６と直交方向に延びる
光ファイバ４０からの信号光が入射する。フォトディテ
クタ６０の電極９２は、キャリア８４の第１の主面８６
上に形成された図示しないボンディングパッドと接続さ
れ、キャリア８４の第２の主面８８上に形成された信号
ライン９０にまで延びている。

【０００６】図６に示した半導体レーザ及びフォトディ
テクタを組み合わせた光モジュールでは、これら各素子
を搭載したキャリアを並列に配列することにより、多数
の半導体レーザ及びフォトディテクタと、これら各素子
に対応する相互に平行な光ファイバとの直接接続を可能
にする。

【０００７】別の従来の光モジュールでは、半導体レー
ザ及び裏面入射型フォトディテクタが形成された各基板
（素子基板）を、共通のキャリア（共通基板）の１主面
上に搭載することを可能にする。図７は、この光モジュ
ールにおけるフォトディテクタを示している。同図にお
いて、フォトディテクタ６０に光を入射する光ファイバ
４０の光出射側の端部を４５度に切断し、この切断によ
り得られた傾斜端面９４を鏡面として利用する。これに
より、光ファイバ４０から入射する光の方向を９０度変
える。かかる構成を採用すると、裏面入射型フォトディ
テクタ６０とキャリア７８の主面に平行に延びる光ファ
イバ４０との光結合を可能にし、前記の如く、半導体レ
ーザ及びフォトディテクタの双方を共通キャリア上に搭
載することを可能にする。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した従来例で
は、半導体レーザ及びフォトディテクタの各素子の実装
部品を成すキャリアの構造が素子の種類毎に相互に異な
る。この素子毎に異なる実装部品により、実装部品のコ
スト上昇を招くのみならず、双方の素子が組み込まれる
光モジュールにおいては、双方の素子を別々に製造しか
つ組み立てることが必要となる。このため、その組立て
コストを上昇させ、光モジュール全体のコストアップを
引き起こす。

【０００９】また、図７に示したフォトディテクタを採
用する光モジュールでは、共通キャリアに双方の素子を
設けることにより、部品コスト及び素子の組立てコスト
の低減を可能にするが、光ファイバの４５度方向の切断
加工は困難であり、その加工に多くの工数を必要とする
という問題がある。また、この場合、光ファイバとフォ
トディテクタとの光結合効率が例えば５０〜８０％程度
に低下し、光伝送効率が低下する。更に、光ファイバの
光出射側の端部の支持ができなく、光ファイバが片持ち
梁になって機械的な振動の影響を受けやすいことから、
その信頼性が低下するという問題もある。

【００１０】本発明は、上記に鑑み、基板の主面と平行
方向に延びる光ファイバとの光結合を可能にすると共
に、光ファイバとの間で高い光結合効率が得られるフォ
トディテクタを提供し、もって、フォトディテクタ及び
半導体レーザを共通キャリア上に形成することを可能に
し、部品点数の削減及び素子の組立て工数の低減によ
り、光通信等に利用される光モジュールのコストを低減
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のフォトディテクタは、基板と、該基板の主
面上に形成され、該主面と直交方向の光を受光して電気
信号に変換する光電変換層と、前記基板上に前記主面と
略平行に形成されるコア層を有する光導波路と、該光導
波路の光出射側端部に形成されて前記主面と略４５度の
角度をなす傾斜鏡面とを備え、前記傾斜鏡面が前記光導
波路からの光を反射して前記光電変換層に入射すること
を特徴とする。

【００１２】ここで、本発明のフォトディテクタは、半
導体フォトダイオード或いはアバランシェフォトダイオ
ード等の何れも採用できる。また、本発明における基
板、光電変換層、及び、光導波路の各材料は、従来から
利用されているいかなる材料も使用できる。

【００１３】光導波路の材料としては、例えば、フッ素
系ポリイミド、エポキシ樹脂、重水素化ポリメチルメタ
クリレート、ポリカーボネート及びポリスチレン等を使
用することが好ましい。

【００１４】コア層の光入射側の端面が主面と直交する
方向に対して約５〜１０度の角度を有する構成を採用す
ることが好ましく、この場合、フォトディテクタから光
源側に戻る反射光量を低減することができる。

【００１５】光導波路は、基板上にエッチングで形成さ
れた溝内に直接形成する構成が好ましく、この場合、フ
ォトリソグラフィ技術及びイオンビームエッチング技術
等が利用でき、製造工程が特に簡素化される。

【００１６】コア層としては、スラブ型コア層を採用す
ることが好ましく、この場合、光を主面と平行方向に閉
じ込めることができ、光の拡がりを更に抑えることで、
光ファイバとの間で更に高い光結合効率が得られる。

【００１７】

【作用】本発明のフォトディテクタでは、基板の主面と
平行なコア層を有する光導波路及び主面に対して傾斜す
る傾斜鏡面を基板上に形成した構成により、基板の主面
と平行方向に入射する光を、その進行方向と直交する方
向に閉じ込めつつ、主面と直交方向に角度を変えて光電
変換層に入射させることができる。このため、基板の主
面と平行方向に延びる光ファイバとの間で光結合を可能
にすると共に、光電変換層に入射する以前の光の拡散を
小さく抑えることから、光ファイバとの間で高い光結合
効率が得られる。

【００１８】

【実施例】図面を参照して本発明を更に詳しく説明す
る。図１は、本発明の一実施例のフォトディテクタの構
造を、そのキャリア及び光ファイバと共に示すもので、
フォトディテクタの光導波路の軸に沿う断面図である。
また、図２は、図１のフォトディテクタのII−II矢視の
拡大断面図である。本実施例のフォトディテクタは、裏
面入射型のフォトディテクタとして構成され、半導体レ
ーザと同一のキャリア上に形成することを可能にする。

【００１９】キャリア１０の主面上には信号ラインを成
す配線層１２が形成されており、ｎ-ＩnＰ基板１６の主
面には、ｎ⁺-ＩnＰバッファ層１８、アンドープＩnＧa
Ａs活性層２０、ｎ^--ＩnＰ層２２が順次エピタキシャル
成長層として形成されている。ｎ^-−ＩnＰ層２２及びア
ンドープＩnＧaＡs活性層２０には、選択的にＺn拡散が
なされて、受光窓部２４が形成されている。受光窓部２
４を含むｎ^--ＩnＰ層２２上には、ＡuＺnから成るｐ電
極２６が、また、溝を挟んでｎ^--ＩnＰ層２２を基板主
面と平行方向に取り囲むバッファ層１８上にはＡuＧeか
ら成るｎ電極２８が形成されている。このフォトディテ
クタ１４は、いわゆるｐｉｎ型フォトダイオードを成し
ており、エピタキシャル成長層側からｐ、ｎ電極をとる
ため、メサ構造を採用している。しかし、本発明のフォ
トディテクタの活性層構造はアバランシェ型でもよく、
構造はメサ−プレーナ型或いはプレーナ型でもよい。

【００２０】図１において、基板１６の裏面の溝３０内
には、有機材料からなる光導波路３２が形成され、光導
波路３２の光入射側の端面３４はキャリア１０の端面３
６と一致している。また、光導波路３２の光出射側の端
面３８は、基板１６の主面と約４５度の角度を成す傾斜
鏡面を構成している。光ファイバ４０からの光は、基板
１６の主面と平行に入射し、光導波路３２の入射側端面
３４から光導波路のコア層４２を経由して出射側の傾斜
鏡面３８に送られ、更に、傾斜鏡面３８で反射して主面
と直交方向の光となって光電変換部を成す受光窓部２４
に入射する。

【００２１】上記実施例のフォトディテクタは以下のよ
うに製造される。この様子を更に図３を参照して説明す
る。図３は、図１におけるフォトディテクタの拡大図で
ある。まず、ｎ-ＩｎＰ基板１６の主面上にｎ⁺-ＩｎＰ
バッファ層１８、アンドープＩnＧaＡs活性層２０、及
び、ｎ^--ＩｎＰ層２２を順次に成長形成し、受光窓部２
４のみに選択的にＺn拡散を行なう。次いで、エッチン
グにより、受光窓部２４を囲む溝を活性層の下まで形成
してメサ構造とする。

【００２２】その後、受光窓部にｐ電極２６としてＡu
Ｚn電極を、バッファ層１８上にｎ電極２８としてＡuＧ
e電極を夫々形成する。次に、基板厚みが１００μmとな
るまで基板１６裏面を研磨し、引き続き、受光窓部２４
に平面的に重なる基板裏面の位置に、幅５０μmで深さ
２０μmのストライプ溝３０をエッチングにより形成す
る。次に、溝３０の表面に反射率１％の低反射膜４４、
例えばＳiＮ膜を形成する。

【００２３】次いで、溝３０内に屈折率ｎ₁＝１．５２
のフッ化物ポリイミドを塗布し、熱硬化させて光導波路
３２の下側クラッド層４６とする。この下側クラッド層
４６内に、図示しないＳiＯ₂膜をマスクとし酸素イオン
を利用するイオンビームエッチングにより、受光窓部２
４を平面的に横切る、幅１０μmで深さ１５μmの第２の
ストライプ溝を形成する。引き続き、屈折率ｎ₂＝１．
５３のフッ化物ポリイミドを塗布し、熱硬化させた後に
再度酸素イオンを利用したイオンビームエッチングによ
り、厚み５μmだけエッチングする。このエッチングに
より、第２のストライプ溝内の光導波路３２のコア層の
厚みが決定され、１０μm厚のコア層４２が形成され
る。なお、コア層４２の厚み１０μmは、一例であり、
この場合、シングルモードファイバ４０の一般的なモー
ドフィールドの径と同じ値にした。

【００２４】次に、ＳiＯ₂膜を除去し、屈折率ｎ₃＝
１．５２（＝ｎ₁）のフッ化物ポリイミドを塗布し、熱
硬化させた後に、酸素イオンを利用したイオンビームエ
ッチングを行なう。この場合、基板表面が露出するまで
フッ化物ポリイミドをエッチバックすることで、上側ク
ラッド層４８を得る。これにより、１０μm厚のコア層
４４を有するスラブ型光導波路３２が形成される。

【００２５】次いで、上記光導波路３２の上に、受光窓
部２４の中心からストライプ溝の方向に夫々約１０μm
離れた位置の間に開口を有するマスクをＳiＯ₂膜により
形成する。図面上で基板の右側を下げるようにして、基
板裏面（主面）が水平面から約４５度に傾くように傾斜
させる。引き続き、ＳiＯ₂膜をマスクとし酸素イオンを
利用するイオンビームエッチングを行なって、光導波路
３２のコア層４２の末端部分を４５度方向にエッチング
除去する。その結果、図３に示すように、基板の主面と
４５度の傾斜を有する傾斜面３８が光導波路３２の出射
側端面に形成される。

【００２６】その後、傾斜面３８の表面に反射率が９０
％の高反射膜５０を形成し、傾斜面３８を傾斜鏡面とし
て形成する。高反射膜５０は、ＳiＯ₂膜及びアモルファ
スＳi膜の多層誘電体膜や、絶縁膜の上に金属膜を蒸着
した積層膜等を採用する。その後、ウエハ全体を切断、
分割して、各フォトディテクタ素子を得る。光導波路３
２の光ファイバ４０との結合側の入射側端面３４はこの
ウエハのへき開時に得られる。へき開面３４には反射防
止用の低反射膜５２としてＳiＮ膜を形成する。

【００２７】図４は、本発明の第２の実施例のフォトデ
ィテクタを示す断面図である。本実施例のフォトディテ
クタ１４Ａは、光ファイバ４０との結合側の光導波路３
２の端面５４を、基板の主面と垂直な方向に対して約５
〜１０度の角度をなすように形成してある。この形状
は、酸素イオンを利用するイオンビームエッチングによ
り得られる。端面５４には、先の実施例と同様にＳiＮ
膜から成る反射防止用の低反射膜５６を形成してある。
この構造は、光導波路３２から光ファイバ４０側に戻る
反射光の強度を低減するために採用される。その他の構
成は先の実施例と同様であり、他の要素は、図１〜図３
と同様な符号を付してその説明を省略する。

【００２８】上記各実施例では、光導波路の材料として
有機物誘電体を採用した例について説明したが、光導波
路の材料は、上記有機物誘電体の他に、半導体、酸化物
結晶、及び、シリカ系ガラス等が利用できる。

【００２９】上記実施例の如く、光導波路の材料として
有機系材料を採用する場合には、有機系材料は、スピン
コート法を利用して容易に成膜が可能であり、特に、厚
膜の形成が容易であるという利点がある。また、熱膨張
係数の相違に起因する歪を基板に対して殆ど与えないの
で、フォトディテクタの信頼性が向上するという利点も
ある。有機系材料としては、フッ化物ポリイミドの他
に、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ＫＰＲフォトレジス
ト、シロキサン系高分子等が利用でき、これらのうち、
特にフッ化物ポリイミド及びシロキサン系高分子は、吸
湿及び加水分解が生じ難く、耐熱性が良好という長所が
ある。

【００３０】光導波路材料として半導体を採用する場合
には、例えば、コア層の材料としてＩnＧaＡsＰ（ｎ＝
３．４）を、クラッド層の材料としてＩnＰ（ｎ＝３．
２）を使用し、ＣＶＤ法による成長及びパターンエッチ
ング技術を組み合わせることにより、容易に導波路構造
を形成できる。このように半導体材料を使用すると、こ
れらは、基板との間で熱膨張係数の差が小さく、また、
格子不整合率も小さく抑えられるので、得られたフォト
ディテクタの信頼性が向上する。

【００３１】光導波路材料としてシリカガラス（Ｓi
Ｏ₂）を採用する場合には、高屈折率のコア層はＧeドー
プによって得る。この場合には、ＣＶＤ法及び加炎加水
分解法等の通常の光導波路の形成方法の組合せが使用で
きる。シリカガラスは、パターニング及び厚膜形成が容
易で、かつ、導波路損失が低いという長所がある。シリ
カガラスを使用する場合には、屈折率は、クラッド層で
１．４５程度、コア層で１．４６程度である。

【００３２】光導波路材料として酸化物結晶を採用する
場合には、Ｓi₃Ｎ₄、Ｎb₂Ｏ₅、Ｔa₂Ｏ₅、ＺnＯ等が用い
られ、これらの内から高屈折率材料及び低屈折率材料を
選択し組み合せて使用する。この場合、光導波路の形成
にはＣＶＤ法及びスパッタリング法が利用できる。

【００３３】前記各実施例では、基板裏面の溝内に光導
波路及び傾斜鏡面を形成する構成を採用している。ここ
で、上記溝内に或いは基板裏面上に、単に傾斜鏡面のみ
を単独で形成する構成も考えられ、かかる構成によって
も、基板の主面と平行方向に延びる光ファイバからの信
号光を基板の主面と直交方向の光に変えることが出来
る。しかし、この場合には、光ファイバから出射した光
が、フォトディテクタの光電変換部に入射する以前に大
きく拡がり、光ファイバとフォトディテクタとの光結合
効率が低下する欠点がある。

【００３４】以上、本発明を、主としてその好適な実施
例に基づいて説明したが、各実施例の構成は単に例示で
あり、本発明のフォトディテクタは、上記各実施例の構
成から種々の修正及び変更が可能である。例えば、本発
明におけるフォトディテクタは、裏面入射型に限らず、
表面入射型に適用できる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のフォトデ
ィテクタによると、基板の主面と平行方向に延びる光フ
ァイバとの光結合が可能となると共に、光ファイバとの
光結合効率が向上する。従って、フォトディテクタと半
導体レーザとで共通の実装部品の使用を可能とし、実装
部品のコスト低減のみならず、素子の組立て工数の削減
をも可能とし、光通信等に利用される光モジュールの製
造コストを低減し、その信頼性及びエネルギー効率を向
上させた顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のフォトディテクタを光
ファイバと共に示す、光導波路の軸に沿う断面図。

【図２】図１のフォトディテクタのII−II矢視の拡大断
面図。

【図３】図１のフォトディテクタの拡大図。

【図４】本発明の第２の実施例のフォトディテクタを光
ファイバと共に示す、光導波路の軸に沿う断面図。

【図５】従来の裏面入射型のフォトディテクタの断面
図。

【図６】（ａ）及び（ｂ）は、第１の従来例の光モジュ
ールにおけるフォトディテクタ及び半導体レーザを示す
断面図。

【図７】第２の従来例の光モジュールにおけるフォトデ
ィテクタをそのキャリアと共に示す断面図。

【符号の説明】

１０キャリア１２配線層１４フォトディテクタ１６基板１８ｎ⁺−ＩnＰバッファ層２０アンドープＩnＧaＡs活性層２２ｎ^-−ＩnＰ層２４受光窓部２６ｐ電極２８ｎ電極３０溝３２光導波路３４、５４光導波路の光入射側端面３６キャリア端面３８傾斜鏡面４０光ファイバ４２コア層４４、５２、５６低反射膜４６下側クラッド層４８上側クラッド層５０高反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板の主面上に形成され、該
主面と直交方向の光を受光して電気信号に変換する光電
変換層と、前記基板上に前記主面と略平行に形成される
コア層を有する光導波路と、該光導波路の光出射側端部
に形成されて前記主面と略４５度の角度をなす傾斜鏡面
とを備え、前記傾斜鏡面が前記光導波路からの光を反射
して前記光電変換層に入射することを特徴とするフォト
ディテクタ。
【請求項２】前記コア層の光入射側の端面が前記主面
に垂直な方向に対して約５〜１０度の角度を有する、請
求項１に記載のフォトディテクタ。
【請求項３】前記光導波路の材料が、フッ素系ポリイ
ミド、エポキシ樹脂、重水素化ポリメチルメタクリレー
ト、ポリカーボネート及びポリスチレンの少くとも１種
類を含む、請求項１又は２に記載のフォトディテクタ。
【請求項４】前記光導波路が、前記基板上にエッチン
グで形成された溝内に形成される、請求項１乃至３の一
に記載のフォトディテクタ。
【請求項５】前記コア層がスラブ型コア層として形成
される、請求項１乃至４の一に記載のフォトディテク
タ。