JPH02185070A

JPH02185070A - 受光素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH02185070A
Application number: JP1005243A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Otsuka; 信之大塚; Kenichi Matsuda; 賢一松田; Atsushi Shibata; 淳柴田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-01-12
Filing date: 1989-01-12
Publication date: 1990-07-19
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: JP2650389B2

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集光レンズを内蔵した受光素子の構造及びその
製造方法に関するものであり、光信号を凹型の集光レン
ズにより集光することによりファイバーとの結合が容易
でかつ受光領域を小さくでき高速動作の可能な受光素子
として応用できる。

従来の技術受光素子と集光レンズを同一チップ内に集積化している
受光装置は、例えば基板裏面にイオンビームエツチング
法によりマイクロレンズを作成するものとして第４図に
示すものがある。（熊井次男他　昭和６２年秋期応物予
稿　１８ａ−ＺＫ−６）ｎ”−１ｎＰ基板ｌｌ上にｎ−
−１ｎＰＦｊ１２、ｉ　−１ｎＧａＡｓＦｊ　１３、お
よびｉ　−１ｎＧａＡｓ　Ｎ　ｌ　３上の一部にｐ”−
ＩｎＰＦｉ１５が積層されており、受光領域１６となっ
ている。また１−１ｎＧａＡｓ層１３上の一部には、ｎ
−１ｎＰ層１４も積層されており、ｎ−１ｎＰ層１４上
にはｎ側電極１７としてＡｕＧｅが、ｐ”−１ｎＰＦｊ
１５上にはｐ側電極１８としてＡｕＺｎが蒸着されてい
る。基板１１裏面にイオンビームエチング法によりマイ
クロレンズ１８が形成されている。すなわち、光ファイ
バーから出射した光は、マイクロレンズ１８により集光
され、受光領域内で焦点を結ぶ。その結果光信号に対応
した電気信号をｎ側電極１７と、ｐ側電極１８より得る
ことができる。

また、屈折率を順次変化させることで集光効果を持つも
のとして肉付ＣＶＤ法をはじめ外付ＣＶＤ法、ＶＡＤ法
などにより作成した分布屈折率型光ファイバーが知られ
ている。ここでは特に光ＣＶＤ法と同様に、囲まれた空
間にガスを流すことで絶縁膜、の堆積を行なうものとし
て肉付ＣＶＤ法を第５図に示す。（内田長志他　光デバ
イス技術入門　９．３９）肉付ＣＶＤ法とは高純度の石
英管２１中に光ファイバーの主材料であるＳｉのハロゲ
ン化物５ｉＣ１ｎ２２．　　ドープ剤のハロゲン化物Ｇ
　ｅ　Ｃｌ　ｍ　２３　、その他２４　（ＰＯＣ１３，
８ｃ　１３）などをガス状にして送り込み、石英管２１
を回転させながら外部から約１５００℃にバーナー２５
などによって加熱して化学反応を起こさせ、原材料の石
英管への送出量制御によって屈折率の異なる石英ガラス
を管内に堆積させた後、その石英管を押しつぶすことで
半径方向に屈折率の異なる光ファイバーを得る方法であ
る。このようにして得られた分布屈折率形の光ファイバ
ー　またはこの光ファイバーを短く切り出した分布屈折
率形のレンズ単体として集光効果を示すものがある。

発明が解決しようとする課題集光レンズを集積化した受光素子はすでに報告されてい
る。しかしながら、第４図に示す受光素子は、集光レン
ズとして凸レンズを用いているために集光レンズと光フ
ァイバーが接した場合光ファイバーのコア部を偏つける
可能性がある。このように凸レンズを用いているため光
ファイバーとの光軸合わせなど実装が難しいという問題
がある。

本発明は、このような従来の問題を解決するものである
。すまわち光ファイバーからの光が集光レンズのいずれ
の位置に入射した場合でも受光領域内に集光可能なもの
であり、かつ集光レンズを凹型としたため、絶縁膜表面
は平面になっており光ファイバーを密着することができ
る。また終端を球状に加工した光ファイバーを用いた場
合その先端の一部を凹部に挿入することも可能であり光
軸合わせが非常に容易になる。

また、分布屈折率型の集光効果を示すレンズとしては、
光ファイバーを初めとして従来より多くの報告がある。

しかしながら、第５図に示したような分布屈折率型光フ
ァイバーは、１０００℃以上にガスを加熱することで石
英ガラス上に屈折率が順次変化した絶縁膜を堆積するも
のであり、化合物基板の特に凹部の垂直面に対しても水
平面と同様な膜厚の絶縁膜を堆積することは、不可能で
あるという問題点があった。また、第５図に示した分布
屈折率型光ファイバーを切断するなどして分布屈折率型
集光レンズを作成することは可能であるがこれを化合物
半導体基板の的確な位置に実装することは非常な困難を
伴う。本発明は、このような従来の問題を解決するもの
であり、凹部を有する化合物半導体基板上に、例えば基
板に対して垂直面と水平面に同じ厚みの絶縁膜を堆積す
ることの可能な光ＣＶＤ法を用いて絶縁膜を積層するこ
とで、容易に分布屈折率型の集光レンズを作成すること
ができる。

課題を解決するための手段本発明は上記問題点を解決するために、化合物半導体基
板と、前記基板上に積層された光吸収層と、前記光吸収
層の一部領域に形成され前記光吸収層と伝導型の異なる
受光領域と、前記基板裏面に形成された凹部と、前記凹
部に屈折率の順次変化した絶縁膜を積層することで形成
した集光レンズを含み、前記集光レンズにより光信号が
前記受光領域に集光されることを特徴とした受光素子を
提供するものであり、また、化合物半導体基板上に光吸
収層をエピタキシャル成長する工程と、前記光吸収層の
一部領域に前記光吸収層と伝導型の異なる受光領域を形
成する工程と前記基板裏面を円筒形にエツチングする工
程と前記凹部に屈折率を順次変化させて絶縁膜を堆積す
る工程を含むことを特徴とした受光素子の製造方法を提
案しようとするものである。

作用本発明の受光素子は、基板裏面に集光レンズを内蔵した
もので、従来より多く提案されている集光を目的とした
マイクロレンズと受光素子をディスクリートに集積化す
るものに対して光軸の調整が不用である点で大量生産に
適した構造となっている。

この集光レンズの作成方法としては、例えば、レンズの
中心部はど屈折率が高くなるように、凹部側面に最初に
例えばＳｉＯ２膜を堆積し５ｉ３Ｎａｘｏａ＋＋−ｘ＋
のＸを順次増加させて中心部に於いてはＳ　ｉ３Ｎ４膜
とする。屈折率と組成Ｘの関係が直線関係を満たしてい
るとして、屈折率が絶縁膜の厚みに対して２乗分布をと
るように組成を変化させることで分布屈折率型の集光レ
ンズを得ることカテキル。Ｓ　１３Ｎｉｘｏａｔ＋−ｘ
＋（Ｄ組成ｘの制御は、ドーピングガスであるＳ　ｉ　
Ｈａ、　　Ｎ２０．　　ＮＨ３のうちＮ２０とＮＨ３の
流量比を変えることで容易に可能となる。

絶縁膜の堆積方法としては、凹部の垂直面と水平面に対
して等しい膜厚の絶縁膜を堆積するために例えば光ＣＶ
Ｄ法を用いると良い。加えて光ＣＶＤ法では、基板を約
２００℃に加熱する程度で絶縁膜の堆積が可能となり絶
縁膜を厚く積層することによるクラックの発生の危険性
が少ない。

実施例まず、絶縁膜の構造としては、第３図（ａ）に斜線で示
したように受光領域直上部には集光レンズを作成せず基
板と平行に絶縁膜を堆積する。これは平行光線が入射す
るとして受光領域の範囲以内に入射する光まで集光する
必要がないためである。従って集光レンズは受光領域直
上部を取り囲むように形成される。第３図（ａ）中に矢
印で光路を示している。いま、説明を簡単にするために
第３図（ｂ）に示したように左右のレンズ領域を接合し
て考える。ここで、集光レンズの屈折率が２乗分布をと
るようにすると、集光レンズは分布屈折率型光ファイバ
ーの一部とみなされる。分布屈折率型光ファイバー中の
光の軌跡はｃｏｓ閏数で示され、第３図（ｂ）に点線で
示したようになる。ここで、光の軌跡が一点に収束しな
いのは、光ファイバーの先端を集光レンズと同様に円錐
形としたためである。集光レンズを通過した光は基板表
面で回折したのち直進して第３図（ｂ）に示した矢印の
実線となる。ここで第３図（ｂ）において凹部に積層す
る絶縁膜を凹部の周辺から中心部に向けＴＳ　ｉ　３Ｎ
ａｘｏｓｕ−ｘ＋（Ｄ組成ｘｔｔＯからｌへと変化させ
る。集光レンズの外径と内径との差を２ａ−２０μｍと
し、レンズの厚みをａ＝１０μｍとしたときレンズの最
も外周部を通過する光は、Ｌ＋＝４４．８μｍのところ
で集光することになる。

光が屈折率が二乗分布をとるレンズの最外周部に入射し
た場合の計算方法を以下に示す。

Ａ：第３図（ａ）において光がＢ”ＢＣＣ’の範囲を進
む場合の光の軌跡はｙ＝ａニエｏｓ（ｇｘ）ｇ＝　　２Δ／ａ Δ”　（ｎｓｉ３１１ｉ　　ｎ５ｉ０２）　／　ｎｓ＋
３Ｎａとなる。ところで、光が直線ＡＢに到達する場所
は　　ｘ＝ｙよりａ＝１０μｍ、　　ｎｓ；３Ｎｍ＝２．０ｂ　　ｎｓ＋
ｏ２＝１．４５とするとｘｓ＝８．　２０μｍ、　　ｙｅ＝８．　２０μｍ。

ｄｙ／ｄｘ＝−０，４２４となる。

Ｂ：第３図において光がＡＢＢＣの範囲を進む場合、光
の通過する距離が短いとして光の軌跡は次式に近似され
る。

ｘ＝ｘｌＩＩＩＣＯ８（ｇｙ）十ｇ＠ｄｙｌｄｘｌＩＳ
ｉｎ（ｇｙ）いま、Ｋ：ａ−ＸｌＩとすると３Ｆ＋ニア、４３μｍ、ｄｙ／ｄｘ＝−０，４３００＋
＝０．４０６ｒａｄとなる。

Ｃ：直線ＡＣにおいてＳｉＯ２とＩｎＰの屈折率差によ
り次式で示す屈折を生ずる。

ｓｉｎθ２　　　　　ｎ１ｎＰ　　　　　　ａ、　　３
５その結果　θ２＝Ｑ、１６４ｒａｄｄｙ／ｄｘ＝ｔａｎθ２＝０．１６６その後、光は直進するとしてＬ＋＝Ｖ＋／　（ｄｙ／ｄｘ）：４４．８ｎｍＬ２：　
（ｙ＋＋１５７ｚｍ）　／　（ｄｙ／ｄｘ）　＝１３５
μｍとなる。

受光領域と集光レンズとの距離は受光領域の大きさを１
５μｍとすると第３図（ａ）中に示したように基板裏面
からＬ＋＝４４．　８ｎｍとＬ２＝１３５μｍの間にあ
る必要がある。この場合光ファイバーの位置が、集光レ
ンズのどの位置にあっても光は受光領域に集光すること
ができる。

以Ｅ述へてきたように、本発明の集光レンズ付き受光素
子を用いて、受光領域を１５μｍφとしレンズの外径と
内径の差を２０μｍとすれば、従来の受光素子において
３５μｍφの受光径をもち１５μｍφの受光径を持つ受
光素子と同様な動作速度を得ることができる。また、光
ファイバーとの結合において１５μｍφの受光径をもつ
受光素子に対して３５μｍの合わせ余裕をうろことがで
きる。

第１図は本発明による受光素子の一実施例を示す断面図
である。ｎ−１ｎＰ基板ｌ上にｎ−−ＩｎＧａＡｓ光吸
収Ｎ２とｎ−ＩｎＰ光透過Ｎ３が積層されており、Ｚｎ
の気相拡散等によって形成されたＰ型費光領域４ととも
にＰＩＮホトダイオードを構成している。ＰＩＮホトダ
イオードには、リング状のｐ側電極６およびｎ側電極５
が蒸着されている。ｐ側電極６として例えばＣｒ／Ｐｔ
／Ａｕを用いｎ側電極５としては例えばＡｕ　　Ｓｎを
用いる。基板ｌの裏面に凹部７を形成しておりその下に
絶縁膜８を屈折率を変えながら堆積している。

第２図は本発明による受光素子の製造方法の一実施例に
ついて示す断面図である。ｎ−１ｎＰ基板ｌ（キャリア
濃度５Ｘ１０”Ｃｍ”　　基板厚さ３００μｍ）上にｎ
−−１ｎＧａＡｓ光吸収層２（キャリア濃度ｌＸｌ０１
５　膜厚３ｕｍ）、ｎ−１ｎＰ光透過層３（キャリア濃
度１ｘｌＯＩ７　膜厚１μｍ）をエピタキシャル成長さ
せる。（第２図ａ）０次に光透過層と光吸収層にＺｎを
５００℃にて６分間拡散を行い、直径１５μｍ深さ２μ
ｍのｐ型拡散領域を形成し受光領域４とする。（第２図
ｂ）、光透過層３上にリフトオフによりＡｕ−５ｎ　　
ｎ側電極５を形成したのち、受光領域４上にＣｒ／Ｐｔ
／Ａｕ　　ｆ）側電極６をリフトオフにより形成しシン
ター処理を行なう（第２図Ｃ）。

次に基板ｌＸ面にＡｒ−Ｂｒ系のりアクティブイオンエ
チングにより垂直性良く高速エツチングを行なう。エツ
チングにより形成された凹部７は直径３５　／Ａ　ｍφ
、深さ１０μｍとする（第３図ｄ）。

最後に集光レンズを作成するために絶縁膜８を堆積する
。堆積中の基板温度は２００℃とし、２０００　ごとに
１０μｍ積層するまで５ｉ３ＮａｘＯｅ（１−Ｘｌの組
成Ｘを屈折率が２乗分布をとるように０から０．２０ま
で変化させる。絶縁膜８の凹部の内径は１５μｍである
（第２図ｅ）。

本実施例に示した受光素子はＳ　ｉ　３Ｎ４ＸＯ６１１
−Ｘ）の組成ｘｔ？ｏから０．２０までとした。その結
果受光領域の位置はＬ＋＝１５５μｍ、Ｌ２＝５０７μ
ｍの問となり基板の厚さすなわち受光領域と集光レンズ
の距離をその中間であるＬ　＝　３００　Ｉｔ　ｍとし
た。これはＳｉＯ２を積層した後には残留０２により純
粋な５ｉａＮａの積層が難しいためであるが組成Ｘを２
０％程度変化させるだけで十分な効果を得ることができ
た。

本実施例に示した集光レンズ付き受光素子を用いること
で３５μｍφの受光径をもち１５μｍφの受光径を持つ
受光素子と同様な動作速度を得ることができる。また、
光ファイバーとの結合において１５７１ｍφの受光径を
もつ受光素子に対して３５μｍの合わせ余裕をうろこと
ができる。さらに球状に終端された光ファイバーを用い
た場合その一部を凹部に挿入することで光ファイバーの
位置決めを容易にすることができる。

本発明による受光素子の実施例において集光レンズを基
板裏面に形成したが基板表面に形成してもよい、この場
合ｐ側電極は受光領域を覆い隠さないような構造にする
か、透明電極として例えばＩＴＯを用いることで、電極
による光の遮断領域をなくす必要がある。さらに本受光
素子の製造１の利点としては、全体がブレーナ構造にな
っているという点があげられるが、０ＥＩＣとして他の
電気素子と集積化して光集積回路を構成しようとすると
電気的分離の問題が生じてくるため例えばＩｎＰ基板を
半絶縁性として受光素子をメサ構造とするか、素子間に
誘電帯を埋め込み誘電分離を行ってもよい。

ところで本実施例においては絶１１Ｈの凹部の内径を１
５μｍとしたが、凹部の内径をさらに大きくするこンで
凹部内に光ファイバーを挿入して位置決めをさらに容易
にすることができる。また絶縁膜としてＳｉ３Ｎ４膜と
ＳｉＯ２膜及びその中ｍ組成をもつ膜を用いたが、それ
以外の絶縁膜または絶縁膜以外でも屈折率差を変化させ
ながら堆積できるものならば有機質膜なとでもよい、絶
縁膜の堆積法において光ＣＶＤ法を用いたが、これ以外
の堆積法を用いてもよい。

また、実施例では受光領域をＺｎの気相拡散により形成
しているが、例えばイオンインプランテーション法によ
り受光領域を形成することが可能であるし、エツチング
により受光領域を分離することも可能である。なお、以
上の実施例の説明においては半導体材料をｊｎＰ系とし
てきたが、他の半導体材料を用いてもよい。また、ＰＩ
Ｎホトダイオードを例えばアバランシェホトダイオード
、ＭＳＭホトダイオードなどとすることも可能である。

発明の効果以上述べてきたように、本発明によれば受光素子に絶縁
膜を堆積することで高速動作、広受光面積の受光素子を
得ることができかつ製造も容易で大量生産に適している
。プレーナー構造であるため実装も容易である。また、
受光素子の動作速度を大きくするために受光領域の小径
化が進み光ファイバーとの結合が難しくなってきている
が本発明の受光素子を用いることで光ファイバーとの大
きな合わせ余裕をもつ受光素子を得ることができる。

【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構造の断面図、
第２図は本発明の一実施例の受光素子の製造方法の断面
図、第３図は本発明の動作を示す原理図、第４図は従来
の受光素子の断Ｎ図、第５図は光ファイバーの作成方法
の説明図である。１・・・ＩｎＰ基板、２・・・光吸収層、３・・・光透
過層、４・・・受光領域、δ・・・ｎ側電極、６・・・
ｎ側電極、７・・・口部、８・・・！＠縁膜。代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか】名第１図入射尤第図第図先第図光

Claims

【特許請求の範囲】

（１）化合物半導体基板と、前記基板上に積層された光
吸収層と、前記光吸収層の一部領域内に形成され前記光
吸収層と伝導型の異なる受光領域と、前記基板裏面に形
成された凹部と、前記凹部に屈折率の順次変化した絶縁
膜を積層することで形成した集光レンズを含み、前記集
光レンズにより光信号が前記受光領域に集光されること
を特徴とした受光素子。
（２）化合物半導体基板上に光吸収層をエピタキシャル
成長する工程と、前記光吸収層の一部領域に前記光吸収
層と伝導型の異なる受光領域を形成する工程と前記基板
裏面を凹型にエッチングする工程と前記凹型部に屈折率
を順次変化させて絶縁膜を堆積する工程を含むことを特
徴とした受光素子の製造方法。