JP5642593B2

JP5642593B2 - 裏面入射型半導体受光素子、光受信モジュール、光トランシーバ

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Publication number: JP5642593B2
Application number: JP2011050848A
Authority: JP
Inventors: 豊中　隆司; 隆司豊中; 博濱田; 政貴横澤
Original assignee: 日本オクラロ株式会社
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: JP2012004537A; US8575714B2; US20110286083A1

Description

本発明は、裏面入射型半導体受光素子、それを内蔵する光受信モジュールおよび光トランシーバに関する。

裏面入射型半導体受光素子は、半導体基板とその半導体基板の表面に形成された受光部とを含み、半導体基板の裏面から入射される光を受光部で受光する光電変換素子である。

一般に、裏面入射型半導体受光素子は、半導体基板の裏面から入射する光を受光しやすいように、裏面が上に表面が下になるよう上下逆さにしてたとえばセラミック製のキャリアに搭載される。具体的には、ＰＮ接合部を有する受光メサ部の上面に形成されＰＮ接合の一方側に導通する第１導電型の電極（たとえばＰ型電極）と、基板表面上の受光部が形成された領域とは異なる領域に形成されたメサ部の上面まで引き出されＰＮ接合の他方側に導通する第２導電型の電極（たとえばＮ型電極）と、が、キャリア表面に形成された２つ電極にそれぞれはんだで接続される。

しかし、第１導電型の電極が形成される受光メサ部の上面は、通常、第２導電型の引き出し電極が形成される台座の上面に比べて面積が狭いため、受光メサ部の上面側に集中する圧力によって受光メサ部が破損することがある。

この点、特許文献１には、受光メサ部（動作領域）を挟んで第２導電型の電極が形成されたメサ部の反対側に、そのメサ部と同形状のメサ部を形成することにより、配線基板などに熱圧着する際に受光メサ部の上面にかかる圧力を低減し、受光メサ部の破損や素子の接着不足を防ぐようにした半導体受光素子が記載されている。

特開２０００−３４９１１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された半導体受光素子は、横長形状の半導体基板の長手方向に沿って３つのメサ部が中央部に一列に形成されているため、取り扱いが難しい。たとえば、このような構造を有する受光素子をキャリアに搭載する場合、コレットで受光素子を真空吸着する際に短手方向のあおりが生じやすいため、組み立て作業性が著しく低下してしまう。

ただし、単に半導体基板の縦横比を１対１に近づけると（半導体基板の形状を正方形に近づける）と、受光素子の取り扱いは容易になるものの、今度は光受信モジュール内部に実装する場合にＰＮ接合部から前置増幅回路の接続端子への接続配線長が長くなるため、光送信モジュールの周波数特性が悪化してしまう。

図６は、光送信モジュール内部に実装された、正方形状の基板を有する裏面入射型半導体受光素子の一例である裏面入射型半導体受光素子４０を示す図である。図６に示す通り、受光素子の取り扱いが容易になるよう裏面入射型半導体受光素子４０の半導体基板４１の形状を正方形に近づけた場合、それに合わせて受光メサ部４２の両側に形成されるメサ部４３，４４の形状を縦長にすれば受光メサ部４２の上面にかかる圧力を低減することはできる。しかし、半導体基板４１の中央部に形成された受光メサ部４２の上面に形成された信号電圧用電極と前置増幅回路４８の信号電圧用端子４９とを接続する配線（サブマウント４５上に形成された信号電圧用膜状配線４６とパターン接続用ワイヤ５０）の長さが長くなる。また、メサ部４３の上面に形成された引き出し電極とバイアス電源電極５１とを接続する配線（サブマウント４５上に形成されたバイアス電圧用膜状配線４７とパターン接続用ワイヤ５２）の長さも若干長くなる。このため、光送信モジュールの周波数特性を悪化してしまう。

本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、組立て作業性を損なうことなく、周波数特性を向上させ得る、裏面入射型半導体受光素子、それを内蔵する光受信モジュールおよび光トランシーバを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る裏面入射型半導体受光素子は、矩形状の半導体基板と、前記半導体基板の表面における１辺側の中央部にあって、前記１辺からの距離が前記１辺に隣接する他の２辺の長さの１/２より短い位置に形成された、前記半導体基板の裏面から入射される光を受光するＰＮ接合部を有するメサ状の受光部と、前記受光部の上面に形成された、前記ＰＮ接合部の一方側に導通する第１導電型の電極と、前記半導体基板の表面における前記１辺側の１隅部に形成された、前記受光部の上面より広い上面を有する主メサ部と、前記主メサ部の上面まで引き出された、前記ＰＮ接合の他方側に導通する第２導電型の電極と、前記半導体基板の表面における他の３つの隅部を含む領域に形成された、前記受光部の上面より広い上面を有する１または複数の副メサ部と、前記副メサ部の上面に形成された電極と、を含むことを特徴とする。

また、前記受光部中心から前記１辺までの距離が０．１ｍｍ以下であってもよい。

また、前記主メサ部の高さおよび前記副メサ部の高さは、前記受光部の高さ以上であってもよい。

また、前記半導体基板の表面における他の３つの隅部を含む領域に複数の副メサ部が形成される場合に、前記複数の副メサ部の１つは、前記半導体基板の表面における前記１辺側の他の１隅部に形成され、該副メサ部の上面まで前記第１導電型の電極が引き出されており、前記複数の副メサ部における他の副メサ部の上面には、前記ＰＮ接合部から絶縁されたダミー電極が形成されてもよい。

また、本発明に係る光受信モジュールは、矩形状の半導体基板と、前記半導体基板の表面における１辺側の中央部にあって、前記１辺からの距離が前記１辺に隣接する他の２辺の長さの１/２より短い位置に形成された、前記半導体基板の裏面から入射される光を受光するＰＮ接合部を有するメサ状の受光部と、前記受光部の上面に形成された、前記ＰＮ接合部の一方側に導通する第１導電型の電極と、前記半導体基板の表面における前記１辺側の１隅部に形成された、前記受光部の上面より広い上面を有する主メサ部と、前記主メサ部の上面まで引き出された、前記ＰＮ接合の他方側に導通する第２導電型の電極と、前記半導体基板の表面における他の３つの隅部を含む領域に形成された、前記受光部の上面より広い上面を有する１または複数の副メサ部と、前記副メサ部の上面に形成された電極と、を含む裏面入射型半導体受光素子を内蔵することを特徴とする。

また、上記光受信モジュールは、前記裏面入射型半導体受光素子の電気信号出力を増幅する前置増幅回路と、前記第１導電型の電極が接続される信号電圧用配線と、前記第２導電型の電極が接続されるバイアス電圧用配線と、前記副メサ部の上面に形成された電極が接続される配線と、が形成された、前記裏面入射型半導体受光素子をその表面側から保持する保持部材と、を含み、前記保持部材の上面は前記前置増幅回路の近傍に位置し、前記保持部材の上面の高さと前記前置増幅回路の上面の高さとが略同一であり、前記信号電圧用配線のうち前記保持部材の上面まで延伸した部分は、前記前置増幅回路の上面に形成された信号電圧用端子に導体ワイヤを介して接続されてもよい。

また、上記光受信モジュールにおいて、前記受光部中心から前記信号電圧用端子までの接続配線長が１ｍｍ以下であってもよい。

また、本発明に係る光トランシーバは、上記光受信モジュールを備えてもよい。

本発明により、組立て作業性を損なうことなく、周波数特性を向上させ得る、裏面入射型半導体受光素子、それを内蔵する光受信モジュールおよび光トランシーバが提供される。

本発明の実施形態に係る裏面入射型半導体受光素子の斜視図である。本発明の実施形態に係る裏面入射型半導体受光素子の受光メサ部近傍の断面図である。本発明の実施形態に係る光受信モジュール主要部の斜視図である。本発明の実施形態に係る光受信モジュールの、接続配線長Ｌに対する周波数応答特性の計算結果を示す図である。本発明の実施形態に係る光受信モジュールの、接続配線長Ｌに対する３ｄＢ遮断周波数の計算結果を示す図である。本発明の他の実施形態に係る裏面入射型半導体受光素子の斜視図である。本発明の他の実施形態に係る裏面入射型半導体受光素子の斜視図である。本発明の他の実施形態に係る裏面入射型半導体受光素子の斜視図である。従来技術に係る裏面入射型半導体受光素子の斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る裏面入射型半導体受光素子１８の斜視図である。裏面入射型半導体受光素子１８およびこれを内蔵する光受信モジュールは、たとえば、伝送速度が４４．６Ｇｂｐｓといった高速で信号を伝送する高速・広帯域の光受信器に備えられる。

図１に示す通り、裏面入射型半導体受光素子１８は、半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ基板１と、受光メサ部２と、受光領域メサ部３と、Ｐ型電極４と、Ｎ型電極５と、ダミー電極６と、Ｐ型電極メサ部８（副メサ部の１つ）と、Ｎ型電極メサ部９（主メサ部）と、ダミー電極メサ部１０（副メサ部の１つ）と、を含んで構成される。

ＦｅドープＩｎＰ基板１は、矩形状の半導体基板である。ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面における１辺（ここでは上辺）側の中央部には、受光メサ部２およびそれを含む受光領域メサ部３が形成されている。

受光メサ部２は、ＦｅドープＩｎＰ基板１の裏面から入射される光を受光するＰＮ接合部を有するメサ状の受光部である。

ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面における上記１辺（上辺）側の１隅部（ここでは右上隅部）には、Ｐ型電極メサ部８が形成されており、他の１隅部（ここでは左上隅部）には、Ｎ型電極メサ部９が形成されている。つまり、ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面には、その１辺に沿って、Ｎ型電極メサ部９、受光メサ部２（受光領域メサ部３）、およびＰ型電極メサ部８が形成されている。

受光メサ部２の上面には、ＰＮ接合部の一方側（ここではＰ型コンタクト層）に電気的に接続する（導通する）Ｐ型電極４が形成されている。なお、本実施形態では、Ｐ型電極４が、受光メサ部２の上面からＰ型電極メサ部８の上面まで引き出されている。また、受光メサ部２のＰＮ接合の他方側（ここではＮ型コンタクト層）にスルーホール７を介して電気的に接続するＮ型電極５は、Ｎ型電極メサ部９の上面まで引き出されている。

ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面は、横長形状ではなく縦横比が１対１に近い形状を有しており、上記１辺（上辺）に隣接する他の２辺（左辺と右辺）は、受光メサ部２とＮ型電極メサ部９とを含む領域の長手方向の長さより長い。つまり、裏面入射型半導体受光素子１８の受光に係る主要な構成要素は、ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面の上記１辺（上辺）側に集中するよう形成されている。これは、裏面入射型半導体受光素子１８が光受信モジュールに内蔵される場合に、Ｐ型電極４から前置増幅回路上に形成された信号電圧用端子（後述）までの接続配線長が長くなることを防ぐためである。

これに対し、上記１辺（上辺）に対向する辺（ここでは下辺）側には、ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面の隅部の一方（左下隅部）と他方（右下隅部）とを含む領域に、ダミー電極メサ部１０が形成されている。このダミー電極メサ部１０の上面には、受光メサ部２のＰＮ接合部から電気的に独立した（絶縁された）ダミー電極６が形成されている。

このように、本実施形態では、Ｐ型電極メサ部８およびダミー電極メサ部１０を、ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面における、主メサ部であるＮ型電極メサ部９が形成された隅部（左上隅部）を除く３つの隅部（右上隅部、左下隅部、右下隅部）を含む領域に形成される副メサ部としている。

なお、図１に示す通り、ＦｅドープＩｎＰ基板１の表面の４つの隅部に位置する、Ｐ型電極メサ部８、Ｎ型電極メサ部９、およびダミー電極メサ部１０は、受光メサ部２の上面より広い上面を有している。これは、裏面入射型半導体受光素子１８が光受信モジュール内の保持部材に取り付けられる場合に、受光メサ部２の上面に係る圧力を主メサ部および副メサ部の上面に分散させ、受光メサ部２の破損や素子の接着不足を防ぐためである。また、Ｐ型電極メサ部８、Ｎ型電極メサ部９、およびダミー電極メサ部１０は、受光メサ部２の高さ以上（ここでは略同一）の高さを有している。

次に、図２を参照して、受光メサ部２近傍の詳細構造および製造プロセスの一例を説明する。図２は、裏面入射型半導体受光素子１８の受光メサ部２近傍の断面図である。なお、ここに示す具体的数値は一例に過ぎない。

図２に示す通り、半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ基板１に、分子線エピタキシャル成長法を用いて、順に、不純物濃度５×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ１μｍのｎ型ＩｎＰコンタクト層１２、不純物濃度３×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１３、不純物濃度２×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^３以下で厚さ０.８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、不純物濃度３×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１５、不純物濃度５×１０^１９ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を、形成する。

その後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の上部に酸化膜のパターニングマスクを形成し、これをマスクとしてｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１５、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１３、ｎ型ＩｎＰコンタクト層１２、およびがＦｅドープＩｎＰ基板１の一部までを非選択性のＢｒ系エッチング液によりエッチングすることにより、受光メサ部２を含む受光領域メサ部３、Ｐ型電極メサ部８、Ｎ型電極メサ部９、ダミー電極メサ部１０を形成する。Ｐ型電極メサ部８、Ｎ型電極メサ部９は、縦、横とも５０μｍの正方形、ダミー電極メサ部１０は、縦１１０μｍ、横２２０μｍの長方形である。

次に、受光領域メサ部３のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の上部で、受光メサ部２を形成する部分に、酸化膜の円形パターニングマスクを形成し、これをマスクとして受光領域メサ部３の、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１５、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、およびｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層１３をエッチングすることにより、受光メサ部２を形成する。このエッチングは、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料に対するエッチングレートがＩｎＰに対するエッチングレートより十分大きい選択性のエッチング液、例えば燐酸系のエッチング液を用いることにより、ｎ型ＩｎＰコンタクト層１２の最表面付近でエッチング停止することが可能である。受光メサ部２は直径１０μｍの円形である。Ｐ型電極メサ部８の中心と受光メサ部２の中心間の距離は７０μｍ、Ｎ型電極メサ部９の中心と受光メサ部２の中心間の距離は９０μｍである。

円形パターニングマスクを除去した後、表面全体を絶縁性の保護膜１１により被膜する。保護膜１１は、例えば、厚さ０．２μｍのＳｉＮ層と厚さ０．３μｍのＳｉＯ_２層で構成することが可能であるが、その他の絶縁性材料を適用することも可能である。保護膜１１をフォトリソグラフィ技術で加工することによって、ｎ型ＩｎＰコンタクト層１２の一部（スルーホール７）およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の一部を露出し、ｎ型ＩｎＰコンタクト層１２に接続するＮ型電極５、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６に接続するＰ型電極４、およびダミー電極６を形成する。これら電極は、蒸着法で堆積した膜厚０．５μｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜（本明細書において、”／”は、基板に近い側、基板に遠い側の順に、配置されていることを記している）を、フォトリソグラフィ技術でパターニングすることによって、形成される。なお、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６に形成したスルーホールは二つの同心円からなるリング形状を有している。この結果、リング形状のスルーホール部以外は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の上に光学的に透明な保護膜１１、メタライズとしてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜が形成され、鏡（ミラー）を構成する。

次に、ＦｅドープＩｎＰ基板１の裏面、すなわち、図２の図中下側の面には、厚さ０．２μｍのＳｉＮからなる反射防止膜１７が被着され、ウエハが完成する。

最後に、このウエハは、図１に示す１素子分毎に分割される。素子サイズは、縦横とも０．３ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍである。Ｐ型電極メサ部８の中心、受光メサ部２の中心、Ｎ型電極メサ部９の中心は、外周縁から０．０５ｍｍの距離にある。なお、通常素子サイズは取り扱いの観点から一辺の長さが０．２ｍｍ以上あり、受光メサ部２の中心が素子中心にある場合は外周縁から０．１ｍｍ以上の距離となる。しかし、受光メサ部２の中心は素子中心より外周縁（上辺）に近くなっている、すなわち、受光メサ部２の中心は左辺と右辺の１／２より短い位置にある、のが望ましく、上記実施例では外周縁から０．０５ｍｍの距離とした。尚、我々の実験によれば、この距離は０．０５ｍｍに限定されず、０．１ｍｍ以下の範囲とすれば充分な特性が得られることを確認している。

図３は、上記裏面入射型半導体受光素子１８を内蔵する光受信モジュール主要部の斜視図である。この裏面入射型半導体受光素子１８が、楔型の窒化アルミニウム製のサブマウント１９（裏面入射型半導体受光素子１８をその表面側から保持する保持部材）上に搭載されており、さらにサブマウント１９が基台部２５の段差部に搭載されている。なお、裏面入射型半導体受光素子１８は、受光窓２０を備えている。ここで裏面入射型半導体受光素子１８が搭載されている面をサブマウント１９の前面、これと対向する面を背面、基台部２５の段差部に接続されている幅が広い面を底面、これと対向する幅が狭い面を上面と定義する。サブマウント１９の横幅は２ｍｍ、高さは１．１ｍｍ、底面の幅は０．８ｍｍ、上面の幅は０．５５ｍｍである。

サブマウント１９の上面と前面の一部には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜による右基準電圧用膜状配線２１、バイアス電圧用膜状配線２２、信号電圧用膜状配線２３、左基準電圧用膜状配線２４が形成されている。サブマウント１９の底面は全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜が形成されており、これと右基準電圧用膜状配線２１、左基準電圧用膜状配線２４が電気的に接続されている。サブマウント１９の上面において、信号電圧用膜状配線２３の一端には、裏面入射型半導体受光素子１８のＰ型電極４のサイズに合わせて、またバイアス電圧用膜状配線２２の一端には、Ｎ型電極５のサイズに合わせてＡｕＳｎはんだ蒸着パターンが形成されている。これらのＡｕＳｎはんだ蒸着パターンの中心はサブマウント１９の上端から０．２３ｍｍの位置にある。さらにこれらと独立に、ダミー電極６のサイズに合わせて、ＡｕＳｎはんだ蒸着パターンが形成されている。適切な荷重と温度を加え、３箇所の電極を同時にはんだ接続することにより、裏面入射型半導体受光素子１８をサブマウント１９に搭載することが可能となる。

なお、裏面入射型半導体受光素子１８は、裏面から入射した受信光をミラーで反射して、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４を双方向に通過させてキャリアを発生させることが可能であり、高感度である。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１４を薄くすることが可能となり、キャリア走行時間を短縮し、高速応答特性に優れている。

裏面入射型半導体受光素子１８をサブマウント１９に搭載した状態で行った評価を以下に示す。当該素子に、３Ｖの逆バイアス電圧を印加し、波長１５５０ｎｍ、強度１０μＷの光信号を入力したところ、０．８Ａ／Ｗの受光感度が得られた。３Ｖの逆バイアス電圧における暗電流は、室温で３ｎＡ以下、８５℃で３０ｎＡ以下、と十分に低い値であった。高温逆バイアス通電試験（２００℃，６Ｖ）では、２０００時間後の暗電流は８５℃で１００ｎＡ以下であり、高い信頼性を示した。端子間容量はサブマウント１９の寄生容量を含めて４０ｆＦ、順方向抵抗は２０Ωであった。

３Ｖの逆バイアス電圧を印加し、波長１５５０ｎｍ、強度１００μＷの光信号を入力して、周波数応答特性を測定した結果、８５℃にて、３ｄＢ遮断周波数は４０ＧＨｚ以上、帯域内偏差は１ｄＢ以下が得られた。

次に、図３にて、裏面入射型半導体受光素子１８を内蔵する光受信モジュールの主要部の構成を説明する。図３に示す通り、基台部２５は、金属などの導電性の物質により形成されており、階段状の部分を有している。階段状の部分に裏面入射型半導体受光素子１８を配置したサブマウント１９は、その底面、背面が基台部２５の段差部に接するように配置されている。サブマウント１９の上面は、基台部２５の上段面よりも高くなっている。

ここで、基台部２５が基準電圧となっており、左基準電圧用膜状配線２４及び右基準電圧用膜状配線２１は、それぞれ、基台部２５に電気的に接続されている。基台部２５が接地される場合、基準電圧は０Ｖとなる。

基台部２５の上段面には、段差端の近くに、図中右側から、バイアス電源電極２７、前置増幅回路２６、基準電圧電極２８が、配置される。前置増幅回路２６は、裏面入射型半導体受光素子１８の電気信号出力を増幅するものであり、その上面には、信号電圧用端子２９と基準電圧用端子３０が設けられている。左基準電圧用膜状配線２４の上面部分が基準電圧電極２８とパターン接続用ワイヤ３４を介して電気的に接続される。左基準電圧用膜状配線２４の上面部分は、信号電圧用膜状配線２３の方向に向けて、基準電圧用端子３０の近傍まで延伸しており、その先端部と基準電圧用端子３０は、パターン接続用ワイヤ３２で電気的に接続されている。また、信号電圧用端子２９の近傍に、信号電圧用膜状配線２３の上面部分が位置しており、パターン接続用ワイヤ３１で電気的に接続されている。前置増幅回路２６の横には、バイアス電源電極２７が配置され、バイアス電圧用膜状配線２２の上面部分は、右基準電圧用膜状配線２１の方向に向けて、バイアス電源電極２７の近傍まで延伸しており、その先端部とバイアス電源電極２７は、パターン接続用ワイヤ３３で電気的に接続されている。

以上の構成により、信号電圧用膜状配線２３は、裏面入射型半導体受光素子１８のＰ型電極４と前置増幅回路２６とを電気的に接続し、バイアス電圧用膜状配線２２は、裏面入射型半導体受光素子１８のＮ型電極５とバイアス電源電極２７とを電気的に接続している。当該モジュール内部には、上述の裏面入射型半導体受光素子１８を搭載したサブマウント１９、前置増幅回路２６などの他に、レンズなどの光学系部品（図示せず）、受光素子バイアス回路（図示せず）、受光素子バイアス電源（図示せず）、中継線路（図示せず）などが備えられている。当該モジュールの入力側には光ファイバが接続されており、光信号が入力されると、裏面入射型半導体受光素子１８で受光され、電気信号に変換して出力することが可能である。当該モジュールの出力側には、ＡＧＣ増幅回路などがさらに接続され、その後、増幅されたアナログ信号がデジタル信号に変換などされる。

裏面入射型半導体受光素子１８では、受光メサ部２の中心を外周縁から０．０５ｍｍの距離に配置することにより、Ｐ型電極メサ部８の中心と受光メサ部２の中心間の距離は０．０７ｍｍと短くしている。この結果、受光メサ部２の中心から、Ｐ型電極４、信号電圧用膜状配線２３、パターン接続用ワイヤ３１を介して信号電圧用端子２９までの接続配線長が１ｍｍと短くなり、それらの接続配線により発生する寄生インダクタンスが軽減がされている。

ここで、所望の周波数に対して、軽減すべき寄生インピーダンスを求めることにより、受光メサ部２の中心から、Ｐ型電極４、信号電圧用膜状配線２３、パターン接続用ワイヤ３１を介して信号電圧用端子２９までの接続配線長が決定される。すなわち接続配線長Ｌを変化させた場合について、周波数応答特性の１つであるＳ２１特性を、計算機シミュレーションにより得ることが出来る。

図４Ａは、裏面入射型半導体受光素子１８を内蔵する光受信モジュールの、接続配線長Ｌに対する周波数応答特性の計算結果を示す図である。図４Ａには、裏面入射型半導体受光素子１８、およびこれを内蔵する光受信モジュールにおいて、上述の接続配線長Ｌが０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、１．１ｍｍの場合それぞれについて計算したＳ２１特性が示されている。ここで、裏面入射型半導体受光素子１８の順方向抵抗は２０Ω、端子間容量は４０ｆＦ、キャリア走行時間は１４．８ｐ秒を仮定している。また、前置増幅回路の周波数特性は考慮していない。図４Ｂは、当該モジュールの、接続配線長Ｌに対する３ｄＢ遮断周波数（ｆ３ｄＢ）の計算結果を示す図である。

ここで、Ｌ＝１．１ｍｍとした場合、信号線路の長さＬから起因するインダクタンス成分の増加により、Ｌが０．８〜０．６ｍｍの場合よりも低い周波数である２３ＧＨｚ付近に、Ｓ２１特性のピーキングを有するとともに、３ｄＢ遮断周波数は約２９ＧＨｚ程度になっている。４０Ｇｂｐｓ以上の伝送速度、例えば４４．６Ｇｂｐｓの伝送速度が要求される高速・広帯域の光受信器用の光受信モジュールとしてはビットレートの７０％を超える３２ＧＨｚ以上の３ｄＢ遮断周波数が望ましい。この場合、少なくともＬを１ｍｍ以下にする必要があるが、本実施形態に係る裏面入射型半導体受光素子１８、およびこれを内蔵する光受信モジュールの場合はＬ＝１ｍｍであり、Ｓ２１特性のピーキングの強度が低く、周波数は高くなっているため、３ｄＢ遮断周波数は３２ＧＨｚ以上であり、４４．６Ｇｂｐｓ以上の伝送速度で信号を伝送する高速・広帯域の光トランシーバ用の光受信モジュールとして適用可能な周波数特性が得られている。前置増幅回路２６の周波数特性の制限により光受信モジュールの３ｄＢ遮断周波数が不足する場合、サブマウント１９の上面の幅、および裏面入射型半導体受光素子１８のＰ型電極４、Ｎ型電極５の中心からサブマウント１９の上端までの距離を短くすることにより、Ｌをさらに短くして、図４Ｂに示す３ｄＢ遮断周波数を増加させ、光受信モジュールとして所望の３ｄＢ遮断周波数、例えば３２ＧＨｚを得ることが可能である。例えば、図４Ｂにて４２ＧＨｚの３ｄＢ遮断周波数が必要な場合、サブマウント１９の上面の幅を、ワイヤボンディング可能な最小幅以上、たとえば０．１ｍｍまで短くすることにより、Ｌ＝０．５５ｍｍとすることが可能であり、４２ＧＨｚの３ｄＢ遮断周波数が得られる。

さらに、サブマウント１９の上面において、信号電圧用膜状配線２３は、両側に位置する左基準電圧用膜状配線２４及びバイアス電圧用膜状配線２２と、高周波伝送線路の１つであるコプレーナ伝送線路に近似される構造となっているため、各膜状配線のパターンを最適化し、高周波伝送線路の観点から、後段にある前置増幅回路２６とのインピーダンス整合をとるように、サブマウント１９を設計することが可能である。

以上説明した裏面入射型半導体受光素子１８およびそれを内蔵する光受信モジュールによれば、組立て作業性を損なうことなく、周波数特性を向上させることができる。また、寄生素子を含む受光素子を用いても、より高速の伝送速度に対して十分な応答特性を有し、かつ、後段の前置増幅回路とのインピーダンス整合が実現される光受信モジュールの提供が可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

たとえば、上記実施形態では、Ｐ型電極メサ部８およびダミー電極メサ部１０を副メサ部とする例を示したが、図５Ａ〜図５Ｃに示す通り、ダミー電極メサ部だけで副メサ部を構成してもよい。すなわち、図５Ａに示すように、図１に示すＰ型電極メサ部８に代えて、ダミー電極メサ部１０Ａ（およびダミー電極６Ａ）を形成してもよい。また、図５Ｂに示すように、主メサ部であるＮ型電極メサ部９が形成された隅部を除く３つの隅部それぞれに、ダミー電極メサ部１０Ｂ−１〜１０Ｂ−３（およびダミー電極６Ｂ−１〜６Ｂ−３）を形成してもよい。また、図５Ｃに示すように、主メサ部であるＮ型電極メサ部９が形成された隅部を除く３つの隅部を含む鍵型の領域に、その領域の形状に沿う形状を有する１つダミー電極メサ部１０Ｃ（およびダミー電極６Ｃ）を形成してもよい。

また、上記実施形態において、伝送速度が４４．６Ｇｂｐｓといった４０Ｇｂｓ帯の伝送速度で信号を伝送する光受信器に備えられる光受信モジュールについて説明したが、伝送速度が４０Ｇｂｐｓ帯に限定するものでないのは言うまでもない。また、伝送符号形式がいずれかに限定されるものでもない。キャリア上に抵抗やインピーダンスを、さらに接続してもよい。

また、本発明は、光送信モジュールと光受信モジュールとを備える光トランシーバにも適用可能である。

１ＦｅドープＩｎＰ基板、２，４２受光メサ部、３受光領域メサ部、４Ｐ型電極、５Ｎ型電極、６ダミー電極、７スルーホール、８Ｐ型電極メサ部、９Ｎ型電極メサ部、１０ダミー電極メサ部、１１保護膜、１２ｎ型ＩｎＰコンタクト層、１３ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層、１４ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１５ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層、１６ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１７反射防止膜、１８，４０裏面入射型半導体受光素子、１９，４５サブマウント、２０受光窓、２１右基準電圧用膜状配線、２２，４７バイアス電圧用膜状配線、２３，４６信号電圧用膜状配線、２４左基準電圧用膜状配線、２５基台部、２６，４８前置増幅回路、２７，５１バイアス電源電極、２８基準電圧電極、２９，４９信号電圧用端子、３０基準電圧用端子、３１，３２，３３，３４，５０，５２パターン接続用ワイヤ、４１半導体基板、４３，４４メサ部。

Claims

矩形状の半導体基板と、
前記半導体基板の表面における１辺側の中央部にあって、前記１辺からの距離が前記１辺に隣接する他の２辺の長さの１/２より短い位置に形成された、前記半導体基板の裏面から入射される光を受光するＰＮ接合部を有するメサ状の受光部と、
前記受光部の上面に形成された、前記ＰＮ接合部の一方側に導通する第１導電型の電極と、
前記半導体基板の表面における前記１辺側の１隅部に形成された、前記受光部の上面より広い上面を有する主メサ部と、
前記主メサ部の上面まで引き出された、前記ＰＮ接合の他方側に導通する第２導電型の電極と、
前記半導体基板の表面における他の３つの隅部を含む領域に形成された、前記受光部の上面より広い上面を有する１または複数の副メサ部と、
前記副メサ部の上面に形成された電極と、
を含むことを特徴とする裏面入射型半導体受光素子。
請求項１に記載の裏面入射型半導体受光素子において、
前記受光部中心から前記１辺までの距離が０．１ｍｍ以下である、
ことを特徴とする裏面入射型半導体受光素子。
請求項１または２に記載の裏面入射型半導体受光素子において、
前記主メサ部の高さおよび前記副メサ部の高さは、前記受光部の高さ以上である、
ことを特徴とする裏面入射型半導体受光素子。
請求項１から３のいずれかに記載の裏面入射型半導体受光素子において、
前記半導体基板の表面における他の３つの隅部を含む領域に複数の副メサ部が形成される場合に、
前記複数の副メサ部の１つは、前記半導体基板の表面における前記１辺側の他の１隅部に形成され、該副メサ部の上面まで前記第１導電型の電極が引き出されており、
前記複数の副メサ部における他の副メサ部の上面には、前記ＰＮ接合部から絶縁されたダミー電極が形成されている、
ことを特徴とする裏面入射型半導体受光素子。
請求項１から４のいずれかに記載の裏面入射型半導体受光素子を内蔵することを特徴とする光受信モジュール。
請求項５に記載の光受信モジュールにおいて、
前記裏面入射型半導体受光素子の電気信号出力を増幅する前置増幅回路と、
前記第１導電型の電極が接続される信号電圧用配線と、前記第２導電型の電極が接続されるバイアス電圧用配線と、前記副メサ部の上面に形成された電極が接続される配線と、が形成された、前記裏面入射型半導体受光素子をその表面側から保持する保持部材と、
を含み、
前記保持部材の上面は前記前置増幅回路の近傍に位置し、かつ、前記保持部材の上面の高さと前記前置増幅回路の上面の高さとが略同一であり、
前記信号電圧用配線のうち前記保持部材の上面まで延伸した部分は、前記前置増幅回路の上面に形成された信号電圧用端子に導体ワイヤを介して接続されている、
ことを特徴とする光受信モジュール。
請求項６に記載の光受信モジュールにおいて、
前記受光部中心から前記信号電圧用端子までの接続配線長が１ｍｍ以下である、
ことを特徴とする光受信モジュール。
請求項５から７のいずれかに記載の光受信モジュールを備える光トランシーバ。