光半導体装置
【課題】受光素子間のクロストーク（漏れ電流）を十分に低減し、小型且つ簡易な光半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る半導体装置よると、裏面電極が鏡面状の薄膜となったことにより、隣接する受光素子へのクロストークを容易に抑圧することが出来、光半導体装置の光強度検出時における誤差を少なくすることが出来る。また、パターン化した裏面電極もしくは絶縁膜の底部にオーミック電極を裏面全体に設置することにより、裏面における接触抵抗を低減することが出来る。また、２次元配列の光半導体素子を用いることおよび裏面電極を鏡面状の薄膜とすることによりクロストークを改善することが出来る。また、高い気密性を有した状態で筺体に収納することにより、光半導体素子は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能となる。
【解決手段】本発明に係る半導体装置よると、裏面電極が鏡面状の薄膜となったことにより、隣接する受光素子へのクロストークを容易に抑圧することが出来、光半導体装置の光強度検出時における誤差を少なくすることが出来る。また、パターン化した裏面電極もしくは絶縁膜の底部にオーミック電極を裏面全体に設置することにより、裏面における接触抵抗を低減することが出来る。また、２次元配列の光半導体素子を用いることおよび裏面電極を鏡面状の薄膜とすることによりクロストークを改善することが出来る。また、高い気密性を有した状態で筺体に収納することにより、光半導体素子は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として光ファイバ通信に適用される光半導体装置に関し、具体的には多チャネル化に対応した受光素子（フォトダイオード：ＰＤ）のような光半導体受光素子アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の波長多重通信等、光ファイバ通信技術の発展に伴い、より多チャネルの光を検出する受光素子が必要とされている。一方、多チャネル化に伴う装置の大型化を防ぐため、装置の小型集積化も同時に求められている。これらの要求に対し、アレイ状の受光素子が形成された光半導体装置は、多チャネルの受光が可能でありかつ小型であることから広く用いられている。
【０００３】
図１（ａ）は、特許文献１に記載された、従来の光半導体装置の外観図である。また図１（ｂ）は、受光部を含む断面図である。図１（ａ）では、４素子の受光部を有する光半導体素子アレイを例示するが、素子数は用途に応じて増減して使用される。
【０００４】
図１に示す光半導体装置は、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。ここで光吸収層１１２は絶縁性を有する。また斯かる構成では、光吸収層１１２の直上に導電性半導体層１１４が設けられ、拡散領域１２０は導電性半導体層１１４に形成される。また半導体基板１１０には裏面電極１１８が蒸着等により形成され、導電性半導体層１１４には絶縁膜１１６および表面電極１１９が形成される。ここでは、光半導体素子１００を裏面電極１１８において金属半田１３０を用いて固定し、また表面電極１１９をボンディングワイヤ１３２を用いて、電気配線板１３４上に形成した電気配線１３６と接続して実装している。
【０００５】
光半導体素子１００を構成するための材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等が用いられる。以下の説明では、長距離の光ファイバ通信に広く用いられるＩｎＰ系の材料を用いて説明する。
【０００６】
導電性半導体基板１１０はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）、光吸収層１１２は絶縁型（ｎ−型）インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ、キャリア濃度は１×１０１４ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４に形成された拡散領域１２０はＺｎドープされたｐ型のＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）である。導電性半導体層１１４上に形成された絶縁膜１１６は窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられている。この絶縁膜１１６は半導体接合のパッシベーション機能、および光入射時の無反射コーティングを兼用する。
【０００７】
受光部１４０の受光径は８０μｍで、受光素子の間隔は２５０μｍである。また導電性半導体基板１１０の厚さは約２００μｍである。
【０００８】
ここで裏面電極１１８は受光素子アレイの共通カソードとして有効に機能させるため、オーミック電極を設置することが一般的である。すなわち、ＩｎＰ基板１１０と金属半田１３０界面でのショットキー障壁を低減するための合金が挿入される。本従来例はｎ型基板であるから、ゲルマニウムを含む金、ニッケルの合金が使用される。合金は蒸着によりＩｎＰ基板に堆積した後、熱処理により金やゲルマニウムがＩｎＰに拡散し、ショットキー障壁を下げて界面のオーミック化を行う。なお図１には記載しないが、オーミック電極１１８の底部に、さらにチタン、白金、金などを用いた電極が付加される場合もある。
【０００９】
図１で示した光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図１（ｂ）のように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換され、電子１７１−正孔１７２の両キャリアとなる。ここで、逆バイアス電圧により空乏化した光吸収層１１２（絶縁型ＩｎＧａＡｓ）では、エネルギーバンドの傾斜が生じる。そのため、光吸収層１１２で発生した電子１７１、正孔１７２の各キャリアはそれぞれ、半導体基板１１０（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域１２０（ｐ型ＩｎＰ）にドリフトにより移動し、最終的には表面、裏面に形成された電極より外部に出力される。
【００１０】
ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となる。基板内透過光１５２は裏面電極１１８で反射し、一部は再び光吸収層１１２に入力されることもあるが、図１（ｂ）の破線矢印１５４で示すように、隣接素子１６２に到達する光も存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２６６２５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図１に示した従来の光半導体装置では、前述したように裏面電極１１８で反射された基板内透過光１５２の一部が隣接素子１６２およびその付近の光吸収層１１２に到達すると、隣接素子１６２においてクロストーク（漏れ電流）１７０が発生するという問題があった。漏れ電流１７０が発生することにより、光ファイバ通信における光強度監視において、光強度の検出誤差が生じてしまうという問題があった。
【００１３】
我々は、斯かるクロストークの要因を分析し、次の３つの現象が主要な要因であると推定した。すなわち、（１）基板裏面での乱反射によって隣接素子に到達する光クロストーク、（２）隣接素子付近の吸収層に到達する光によって発生したキャリア（電子および正孔）の拡散による電気クロストーク、（３）入力素子の光吸収層で完全に光電変換できなかった基板内透過光が及ぼす、（１）および（２）の現象を含む、何らかの現象によるクロストーク、である。
【００１４】
ここで、従来の文献においては、（２）および（３）の現象に対する対策が開示されている。
【００１５】
まず（２）の現象については、特許文献１において、受光素子間において第２の半導体接合層を設ける構造を有している。そのため、隣接素子付近の吸収層で発生したキャリアをドリフトにより抽出することが出来、クロストークの改善を得ている。
【００１６】
次に（３）の現象については、光吸収層を厚くすることや、複数の光吸収層を設けるなどの手法により、基板内透過光を低減することが出来、クロストークを改善することが出来る。しかしながら、基板内透過光を完全に抑制することは出来ない。よって、現象（１）における裏面での乱反射によるクロストークを削減することは重要な課題であった。
【００１７】
しかしながら、従来文献において現象（１）における裏面での乱反射そのものを低減する技術は開示されていない。
【００１８】
ここで図１（ｂ）を用いて、乱反射が発生する原因を説明する。導電性半導体基板１１０の底部には裏面電極１１８としてオーミック電極が設置されている。斯かるオーミック電極は、前述したように、熱処理によって金やゲルマニウムがＩｎＰ内に拡散する。そのため、ＩｎＰとオーミック合金の境界が粗い状態になる。図１（ｂ）には、裏面電極１１８とＩｎＰの界面が粗くなった様子が模式的に図示されている。この裏面の荒れが乱反射の要因となり、隣接素子へのクロストークが発生するという問題を生じていた。本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、受光素子間の漏れ電流を十分に低減し、小型且つ簡易な光半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、導電性半導体基板と、導電性半導体基板上に形成された光吸収層と、光吸収層上に形成された導電性半導体層とを備えた光半導体装置であって、導電性半導体層が、導電性半導体基板と逆の導電型の拡散領域を複数備えることにより、光半導体装置には、アレイ状の受光素子が形成されており、導電性半導体基板の底部に鏡面状の薄膜を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、バリアメタルを含む裏面電極を備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、パターン化されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、パターン化されており、光半導体装置は、鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜を備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜と前述絶縁膜の底部の裏面電極とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜と前述絶縁膜の底部の裏面電極とを備え、パターン化されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜と前述絶縁膜の底部の第１の裏面電極とを備え、パターン化されており、半導体装置は、鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする。
【００２７】
本発明の一実施形態において、光半導体装置は、筐体に収納されたことを特徴とする。
【００２８】
本発明の一実施形態において、受光素子が２次元に配置された構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る半導体装置よると、裏面電極が鏡面状の薄膜となったことにより、隣接する受光素子への漏れ電流を容易に抑圧することが出来、光半導体装置の光強度検出時における誤差を少なくすることが出来る。
【００３０】
また、パターン化した裏面電極もしくは絶縁膜の底部にオーミック電極を裏面全体に設置することにより、裏面における接触抵抗を低減することが出来る。
【００３１】
また、２次元配列の光半導体素子を用いることおよび裏面電極を鏡面状の薄膜とすることによりクロストークを改善することが出来る。
【００３２】
また、高い気密性を有した状態で筺体に収納することにより、光半導体素子は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は外観図であり、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は裏面構造の詳細図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子を筐体に収納したときの構造を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の評価結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための斜視図である。
【図１６】本発明の第７の実施形態７に係る光半導体素子を筐体に収納したときの構造を説明するための図である。
【図１７】本発明の第７の実施形態に係る半導体素子の評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の光半導体装置における、第１の実施形態について図２から図４を用いて説明する。図２は光半導体装置の構成図であり、図２（ａ）は受光部を含む断面図、図２（ｂ）は裏面構造の詳細図である。図２（ａ）では、複数の受光部を有する光半導体素子アレイを例示するが、素子数は用途に応じて増減して使用して構わない。
【００３５】
図２に示す光半導体装置は、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。ここで光吸収層１１２は絶縁性を有する。またこの構成では、光吸収層１１２の直上に導電性半導体層１１４が設けられ、拡散領域１２０は導電性半導体層１１４に形成される。また半導体基板１１０には裏面電極１１８が蒸着等により形成され、導電性半導体層１１４には絶縁膜１１６および表面電極１１９が形成される。
【００３６】
光半導体素子を構成するための材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等が用いられる。ここでは、従来例と同様、長距離の光ファイバ通信に広く用いられるＩｎＰ系の材料を用いて説明する。
【００３７】
導電性半導体基板１１０はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）、光吸収層１１２は絶縁型（ｎ−型）インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ、キャリア濃度は１×１０１４ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４に形成された拡散領域１２０はＺｎドープされたｐ型のＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）である。導電性半導体層１１４上に形成された絶縁膜１１６は窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられている。この絶縁膜１１６は半導体接合のパッシベーション機能、および光入射時の無反射コーティングを兼用する。
【００３８】
受光部１４０の受光径は８０μｍで、受光素子の間隔は２５０μｍである。また導電性半導体基板１１０の厚さは約２００μｍである。
【００３９】
ここで図１（ｂ）に示した従来の例の断面図と構造上異なる点は、裏面電極１１８の構造である。すなわち、本発明においては、半導体基板１１０の裏面に、裏面電極１１８の組成として合金によるオーミック金属を用いるのではなく、鏡面状の薄膜を設置することである。その材料は金属、絶縁膜を含めて多様に取りうる。本実施形態においては、バリアメタルを含む金属を使用する。バリアメタルは、材料間の相互拡散を防止するために、拡散しやすい材料間に挿入される金属である。本実施形態では金配線、および金錫半田を使用することから、金とＩｎＰの拡散を防止するための白金をバリアメタルとして使用する。
【００４０】
図２（ｂ）を用いて、裏面構造の詳細を説明する。導電性半導体基板１１０であるところのｎ型ＩｎＰの底部には、まずＩｎＰと密着性のよいチタン１１８２を蒸着により設置する。次にチタン１１８２の底部にバリアメタルである白金１１８４を蒸着により設置する。さらに白金１１８４の底部に金１１８６を蒸着により設置する。それぞれの層厚は約５００Åである。斯かる構造により、ＩｎＰと金が、バリアメタルを介することにより、加熱工程等によっても相互拡散が生じにくくなる。そのため、ＩｎＰと裏面金属の境界が平滑な状態となり、良好な鏡面状の薄膜が形成されたことをＳＥＭ顕微鏡により確認した。
【００４１】
本実施形態における光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図２（ａ）のように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換され、電子-正孔の両キャリアとなる。ここで、逆バイアス電圧により空乏化した光吸収層１１２（絶縁型ＩｎＧａＡｓ）では、エネルギーバンドの傾斜が生じる。そのため、光吸収層１１２で発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、半導体基板１１０（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域１２０（ｐ型ＩｎＰ）にドリフトにより移動し、最終的には表面、裏面に形成された電極より外部に出力される。
【００４２】
ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となる。基板内透過光１５２は裏面電極１１８で反射する。ここで裏面電極１１８が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子に到達する光が削減され、クロストークの改善が期待できる。
【００４３】
図２に示した光半導体素子は、図３に示すような筐体１８２、および窓蓋１８４に収納することが出来る。光半導体素子１００は、セラミックからなる箱型の筺体１８２内に収納され、この筺体１８２と、受光部１４０への光入力を可能にするサファイア等からなる窓蓋１８４とによって気密封止されている。図示していないが、筺体１８２と窓蓋１８４とは、金属半田１３０により接合されているため、高い気密性を有した中で、光半導体素子１００は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能である。光半導体素子１００は、受光部１４０を窓蓋１８４に対向させた状態で、裏面電極１１８と筺体１８２とが金属半田１３０等により固定しており、また表面電極１１９はボンディングワイヤ１３２により筺体内の電気配線１３６と接続している。筺体内の電気配線１３６は、筺体１８２を貫通して筺体１８２の表面にまで延長されており（図示せず）、外部に接続される電気配線ボード類への電気的接続を可能にしている。
【００４４】
図４に、光ファイバから光を入力した時のクロストーク量を評価した結果を示す。この評価は、光半導体素子１００を図３に示す筐体１８２に搭載し、窓蓋１８４による封止を行わない状態で、光ファイバを用いて受光部１４０に光入力することにより実施した。ここで入力光の波長は１．５５μｍとし、室温環境で測定を行った。縦軸に示すクロストークの値は、入力素子における受光電流と隣接素子における受光電流の比をとったものである。測定に際し、受光部と光ファイバ端面の距離（ｚ）を変化させて、クロストークの変化を観測した。
【００４５】
上記実験の結果より、従来品における隣接クロストークが、ｚ＜６００μｍの領域で−３５ｄＢ〜−４２ｄＢであったのに対し、本発明の素子を用いた場合は−４５ｄＢ〜−５２ｄＢ程度と、１０ｄＢのクロストーク改善が確認できた。
【００４６】
本実施形態においては、裏面電極１１８にオーミック電極を用いないため、ＩｎＰ基板１１０と裏面電極１１８間がショットキー接触となる。そのため接触抵抗が懸念される。しかしながら、コモン電極である裏面電極１１８の接着面積が広いため、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。例えば、１Ω程度の抵抗が増加した場合、負荷抵抗５０Ωの伝送経路においては、帯域の劣化は５０／５１程度と微小である。また、接触抵抗による電圧降下についても、１ｍＡの受光電流では電圧降下は１ｍＶ程度と無視出来る程度である。
【００４７】
なお、本実施形態においては導電性半導体基板１１０をｎ型としたが、逆の導電型のｐ型にした場合でも同様の改善効果を有する。その場合は、導電性半導体基板１１０はｐ型、光吸収層１１２はｐ−型、導電性半導体層１１４はｐ型、導電性半導体層１１４に形成された拡散領域１２０はｎ型である。
【００４８】
また、本実施形態においては裏面で鏡面反射様の反射動作を示すため、基板内透過光１５２が入力素子１６０の光吸収層１１２に入力される量が増加する。よって、入力素子１６０の受光感度が増加するという効果も奏する。
【００４９】
本発明の光半導体装置における、第２の実施形態について図５を用いて説明する。図５は光半導体装置の構成図であり、図５（ａ）は受光部を含む断面図、図５（ｂ）は金属半田を付ける前の底面図である。
【００５０】
斯かる光半導体装置は、第１の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は第１の実施形態と同等のため説明を省略する。
【００５１】
本実施形態が第１の実施形態と構造上異なる点は、裏面電極１１８を全面電極ではなくパターン化したことである。パターン化は、導電性半導体基板１１０の底部に有機レジストを塗布、露光することによるリフトオフ工程によって作製する。パターン化する位置は、受光素子表面上の各受光部１４０と、ＩｎＰ基板１１０を介した反対側に設置される。すなわち、裏面のパターンは、受光部を通る光軸が中央に来るように設置される。本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、電極のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。パターンの無い領域は、導電性半導体基板１１０が剥き出した状態となっている。
【００５２】
裏面電極の組成は、第１の実施形態と同様、合金によるオーミック金属を用いるのではなく、鏡面状の薄膜を設置することによって行う。本実施形態においては、第１の実施形態と同様、バリアメタルを含む金属を使用する。本実施形態では金配線、および金錫半田を使用することから、金とＩｎＰの拡散を防止するための白金をバリアメタルとして使用する。導電性半導体基板１１０であるところのｎ型ＩｎＰの底部に、チタン、白金、金の順番で蒸着により設置する。それぞれの層厚は約５００Åである。
【００５３】
斯かる構造により、第１の実施形態と同様、ＩｎＰと金の相互拡散が抑圧され、良好な鏡面状の薄膜が形成された。さらに本実施形態においては、裏面電極が全面に配置されていないため、熱変化による応力が発生しやすい白金の面積を低減することが出来る。よって、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００５４】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。第１の実施形態同様、まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図５（ａ）に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、裏面電極１１８で反射する。ここで裏面電極１１８が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００５５】
本実施形態においては、裏面電極１１８にオーミック電極を用いないため、ＩｎＰ基板１１０と裏面電極１１８間がショットキー接触となる。さらに、裏面電極１１８をパターン化しているため、第１の実施形態よりも接触抵抗の増加が懸念される。しかしながら、第１の実施形態同様、コモン電極である裏面電極１１８の接着面積が広いため、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。
【００５６】
次に、第２の実施形態の別形態について図６を用いて説明する。図６は半導体装置の構成図であり、図６（ａ）は受光部を含む断面図、図６（ｂ）は底面図である。
【００５７】
本構造において、図５に示した実施形態と異なるのは、裏面のパターン形状である。本形態では、受光部を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を追加した。
【００５８】
斯かる構造により、図５で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田の密着により、光半導体素子と金属半田間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。また、裏面電極の面積が増加したことにより、接触抵抗を低減することが出来た。
【００５９】
本発明の光半導体装置における、第３の実施形態について図７を用いて説明する。図７は光半導体装置の構成図であり、図７（ａ）は受光部を含む断面図、図７（ｂ）は底面図である。
【００６０】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施形態と同等のため説明を省略する。
【００６１】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、バリアメタルを含む電極を第１の裏面電極１１８７として裏面に設置した後、さらに第２の裏面電極１１８８としてオーミック電極を設置する点である。本実施形態では、第１の裏面電極１１８７を全面電極ではなくパターン化した構造とし、さらにその底部に、裏面全体にオーミック電極を第２の裏面電極１１８８として設置した。パターン化の方向および構造は、第２の実施形態と同様である。すなわち、リフトオフ工程によって作製し、その位置は、受光素子表面上の各受光部１４０と、ＩｎＰ基板１１０を介した反対側に設置される。図７（ｂ）に示すように、第１の裏面電極１１８７のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。本実施形態では、さらに第２の裏面電極１１８８としてオーミック電極が設置されるため、底面は一見、全面がオーミック電極であるように見える。
【００６２】
第１の裏面電極１１８７の組成は、前述の実施形態と同様、バリアメタルを含む金属を使用する。導電性半導体基板１１０であるｎ型ＩｎＰの底部に、チタン、白金、金の順番で蒸着により設置する。それぞれの層厚は約５００Åである。一方、第二の裏面電極１１８８は、ゲルマニウムを含む金、ニッケルの合金が使用される。合金は蒸着によりＩｎＰ基板１１０に堆積した後、熱処理を行い、ＩｎＰと接する金やゲルマニウムがＩｎＰに拡散し、ショットキー障壁を下げて界面のオーミック化を行う。
【００６３】
斯かる構造により、前述の実施形態と同様、ＩｎＰと金の相互拡散が抑圧され、良好な鏡面状の薄膜が形成された。また、第１の裏面電極１１８７が全面に配置されていないため、熱変化による応力が発生しやすい白金の面積を低減することが出来、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来る。さらに本構造では、第一の裏面電極が配置されていない領域にオーミック接触が形成されているため、接触抵抗を低減することが出来る。
【００６４】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８７間には逆バイアス電圧が印加される。図７（ａ）に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、第１の裏面電極１１８７で反射する。ここで第１の裏面電極１１８７は鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００６５】
なお第１の裏面電極１１８７が設置されていない裏面はオーミック処理によりＩｎＰとの界面が粗くなる。しかしながら、その領域に到達する基板内透過光１５２はほとんど無いため、散乱の影響は無視できる。
【００６６】
本実施形態においては、前述の実施形態と比較して、第１の裏面電極１１８７が配置されていない領域にオーミック接触が形成されているため、接触抵抗を低減することが出来る。作製した素子の電流−電圧特性より、接触抵抗の増加は１Ω以内と、良好な特性であることを確認した。
【００６７】
次に、第３の実施形態の別形態について図８を用いて説明する。図８は半導体装置の構成図であり、図８（ａ）は受光部を含む断面図、図８（ｂ）は底面図である。
【００６８】
本構造において、図７に示した実施形態と異なるのは、裏面のパターン形状である。本実施形態では、受光部１４０を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を追加した。
【００６９】
斯かる構造により、図７で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田の密着により、光半導体素子と金属半田間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。作製した光半導体素子の剥離試験（ダイシェア試験）を行った結果、３サンプルの試験で、短辺から押し圧を加えた時、平均２ｋｇｆの強度であることがわかった。これは、従来の例と同等のダイシェア強度である。
【００７０】
本発明の光半導体装置における、第４の実施形態について図９を用いて説明する。図９は光半導体装置の受光部を含む断面図である。
【００７１】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【００７２】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、鏡面状の薄膜として、絶縁膜１９０を配置したことである。本実施形態では、裏面全面に窒化シリコンを用いた絶縁膜１９０を気相成長法により堆積した。
【００７３】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と金属半田１３０間には逆バイアス電圧が印加される。図９に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、絶縁膜１９０を透過し、その底部の金属半田１３０で反射する。ここで絶縁膜１９０と金属半田１３０は相互拡散等の影響が少ないため、金属半田１３０が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００７４】
なお、裏面の絶縁膜１９０と金属半田１３０との間は電気的に絶縁されている。よって導電性半導体基板１１０と金属半田１３０の導通は、導電性半導体基板１１０の側面に金属半田１３０が回りこみ接触することによって行う。よって、ＩｎＰ基板１１０と金属半田１３０間がショットキー接触となるため、接触抵抗の増加が懸念される。しかしながら、金属半田１３０の量を増やすなどして側面との接触面積を確保することにより、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。
【００７５】
次に、第４の実施形態の別形態について図１０を用いて説明する。図１０は光半導体装置の受光部を含む断面図である。
【００７６】
本構造において、図９に示した実施形態と異なるのは、裏面に設置された絶縁膜１９０のさらに底部に、裏面電極１１８を設置することである。また、絶縁膜１９０の厚みを約０．２μｍとし、入力光に対する高反射率条件を満たすようにしたことである。なお裏面電極１１８は、絶縁膜１９０を介しているためＩｎＰとの相互拡散が生じないことから、バリアメタルを使用しない金属、たとえばチタンと金のみの組成でも良い。
【００７７】
斯かる構造により、図９で示した実施形態における発明の効果に加え、裏面電極が存在することにより、金属半田による薄膜よりも、安定した鏡面状薄膜の形成が可能である。また、絶縁膜が高反射率条件を満たすため、図９で示した実施形態よりさらに反射率が向上し、クロストークの改善、および受光感度の向上が得られた。また、裏面電極にバリアメタルを使用しない場合は、熱変化による応力が発生しないことから、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００７８】
本発明の光半導体装置における、第５の実施形態について図１１を用いて説明する。図１１は光半導体装置の構成図であり、図１１（ａ）は受光部を含む断面図、図１１（ｂ）は金属半田を付ける前の底面図である。
【００７９】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【００８０】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、鏡面状の薄膜として、絶縁膜１９０を配置し、さらに絶縁膜１９０を全面配置ではなくパターン化したことである。パターン化は、絶縁膜１９０上にパターン化されたメタルをリフトオフ工程によって作製し、そのメタルをマスクとしてエッチングを行い作製する。
【００８１】
パターン化する位置は、受光素子表面上の各受光部と、ＩｎＰ基板を介した反対側に設置される。すなわち、裏面のパターンは、受光部を通る光軸が中央に来るように設置される。本実施形態では、図１１（ｂ）に示すように、電極のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。パターンの無い領域は、導電性半導体基板１１０が剥き出した状態となっている。
【００８２】
本実施形態における光半導体装置の動作について説明する。前述の実施形態同様、まず表面電極１１９と金属半田１３０間には逆バイアス電圧が印加される。図１１（ａ）に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、絶縁膜１９０を透過し、その底部の金属半田１３０で反射する。ここで絶縁膜１９０と金属半田１３０とは相互拡散等の影響が少ないため、金属半田１３０が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００８３】
なお、裏面の絶縁膜１９０と金属半田１３０との間は電気的に絶縁されている。よって、導電性半導体基板１１０と金属半田１３０の導通は、導電性半導体基板１１０が剥き出した領域と金属半田１３０が接触することおよび導電性半導体基板１１０の側面に金属半田１３０が回りこみ接触することによって行う。これにより、ＩｎＰ基板１１０と金属半田１３０間がショットキー接触となるため、接触抵抗の増加が懸念される。しかしながら、導電性半導体基板１１０が剥き出した領域と金属半田１３０の接触面積を広くすること、あるいは金属半田１３０の量を増やすなどして側面との接触面積を確保することにより、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。
【００８４】
次に、第５の実施形態の別形態について図１２を用いて説明する。図１２は光半導体装置の受光部を含む断面図である。
【００８５】
本構造において、図１１に示した実施形態と異なるのは、裏面に設置された絶縁膜１９０のさらに底部に、裏面電極１１８を設置することである。また、絶縁膜１９０の厚みを約０．２μｍとし、入力光に対する高反射率条件を満たすようにしたことである。なお裏面電極１１８は、絶縁膜１９０を介しているためＩｎＰとの相互拡散が生じないことから、バリアメタルを使用しない金属、たとえばチタンと金のみの組成でも良い。
【００８６】
さらに本構造においては、図１１に示した実施形態と裏面のパターン形状が異なる。本形態では、受光部を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を複数追加した。
【００８７】
斯かる構造により、図１０で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田との密着により、光半導体素子と金属半田との間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。なお、裏面電極１１８と導電性半導体基板１１０との間は絶縁膜１９０を介して電気的に絶縁されているため、裏面電極の面積が増加したことにより、接触抵抗の増加が懸念されるが、導電性半導体基板１１０が剥き出された領域と金属半田１３０の接触面積を広くすること、あるいは金属半田１３０の量を増やすなどして側面との接触面積を確保することにより、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。また、裏面電極にバリアメタルを使用しない場合は、熱変化による応力が発生しないことから、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００８８】
本発明の光半導体装置における、第６の実施形態について図１３を用いて説明する。図１３は光半導体装置の構成図であり、図１３（ａ）は受光部を含む断面図、図１３（ｂ）は底面図である。
【００８９】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【００９０】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、鏡面状の薄膜として、絶縁膜１９０を配置し、さらにその底部に、裏面全体にオーミック電極を裏面電極１１８として設置した。本実施形態では、絶縁膜１９０を全面ではなくパターン化した構造とし、さらにその底部に、裏面全体にオーミック電極を裏面電極１１８として設置した。パターン化の方向および構造は、第５の実施形態と同様である。すなわち、リフトオフ工程によって作製されたメタルマスクを用いてエッチングによりパターン化し、その位置は、受光素子表面上の各受光部と、ＩｎＰ基板を介した反対側に設置される。図１３（ｂ）に示すように、絶縁膜１９０のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。本実施形態では、さらにオーミック電極が設置されるため、底面は一見、全面がオーミック電極であるように見える。
【００９１】
オーミック処理を行う裏面電極１１８は、ゲルマニウムを含む金、ニッケルの合金が使用される。合金は蒸着によりＩｎＰ基板１１０に堆積した後、熱処理を行い、ＩｎＰと接する金やゲルマニウムがＩｎＰに拡散し、ショットキー障壁を下げて界面のオーミック化を行う。
【００９２】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図１３に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、絶縁膜１９０を透過し、その底部の裏面電極１１８で反射する。ここで絶縁膜１９０と裏面電極１１８は相互拡散等の影響が少ないため、裏面電極１１８が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。さらに、絶縁膜１９０が配置されていない領域にオーミック接触が形成されているため、接触抵抗を低減することが出来た。
【００９３】
なお絶縁膜１９０が設置されていない裏面はオーミック処理によりＩｎＰとの界面が粗くなる。しかしながら、その領域に到達する基板内透過光１５２はほとんど無いため、散乱の影響は無視できる。
【００９４】
次に、第６の実施形態の別形態について図１４を用いて説明する。図１４は半導体装置の構成図であり、図１４（ａ）は受光部を含む断面図、図１４（ｂ）は底面図である。
【００９５】
本構造において、図１３に示した実施形態と異なるのは、裏面に設置された絶縁膜１９０のさらに底部に、第１の裏面電極１１８７を設置し、さらに第二の裏面電極１１８８としてオーミック電極を設置することである。また、絶縁膜１９０の厚みを０．２μｍとし、入力光に対する高反射率条件を満たすようにしたことである。なお第１の裏面電極１１８７は、絶縁膜１９０を介しているためＩｎＰとの相互拡散が生じないことから、バリアメタルを使用しない金属、たとえばチタンと金のみの組成でも良い。
【００９６】
さらに本構造においては、図１３に示した実施形態と裏面のパターン形状が異なる。本形態では、受光部を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を複数追加した。
【００９７】
斯かる構造により、図１３で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田との密着により、光半導体素子と金属半田との間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。また、裏面電極にバリアメタルを使用しない場合は、熱変化による応力が発生しないことから、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００９８】
本発明の光半導体装置における、第７の実施形態について図１５から図１７を用いて説明する。本実施形態では、前述の実施形態を用いてクロストークの改善を行った光半導体素子を２次元上に配置する。
【００９９】
図１５は、受光素子を４行×３列に配置した１２チャネルの光半導体素子アレイを例示するが、素子数は用途に応じて増減して使用することが可能である。
【０１００】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【０１０１】
本実施例では、鏡面状の薄膜として、第１の実施形態と同様、バリアメタルを含む金属を裏面電極１１８として裏面全体に配置した。
【０１０２】
図１６に示す構成では、２列に配置した光半導体素子アレイを、図に示すように筐体１８２に収納した。光半導体素子１００は、セラミックからなる箱型の筺体１８２内に収納される。図示しないが、この筺体１８２と、受光部１４０への光入力を可能にする窓蓋が、金属半田により接合されているため、高い気密性を有した中で、光半導体素子１００は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能である。光半導体素子１００は、受光部１４０を窓蓋に対向させた状態で、裏面電極と筺体１８２とが金属半田１３０等により固定されており、また表面電極１１９はボンディングワイヤ１３２により筺体内の電気配線１３６と接続している。
【０１０３】
筺体内の電気配線１３６は、この筺体１８２を貫通して筺体の表面にまで延長されており（図示せず）、筐体１８２に固定されたリードピン１３８を介して外部に接続される電気配線ボード類への電気的接続を可能にしている。
【０１０４】
図１７に、光ファイバから光を入力した時のクロストーク量を評価した結果を示す。この評価は、光半導体素子１００を図１６に示す筐体１８２に搭載し、窓蓋による封止を行わない状態で、光ファイバを用いて受光部１４０に光入力することにより実施した。ここで入力光の波長は１．５５μｍとし、室温環境で測定を行った。縦軸に示すクロストークの値は、入力素子における受光電流と隣接素子における受光電流の比をとったものである。測定に際し、受光部と光ファイバ端面の距離（ｚ）を変化させて、クロストークの変化を観測した。
【０１０５】
上記実験の結果より、従来品における隣接クロストークが、ｚ＜６００μｍの領域で−３５ｄＢ〜−４２ｄＢであったのに対し、本発明の素子を用いた場合は−４５ｄＢ〜−５２ｄＢ程度と、１０ｄＢのクロストーク改善が確認できたことは前述のとおりであるが（図４を参照）、さらに、２次元方向のクロストークについても本発明の隣接クロストークとほぼ同等な値であり、良好なクロストーク改善効果を確認することが出来た。
【符号の説明】
【０１０６】
１００ 光半導体素子
１１０ 導電性半導体基板
１１２ 光吸収層
１１４ 導電性半導体層
１１６ 絶縁膜
１１８ 裏面電極
１１８２ チタン
１１８４ 白金
１１８６ 金
１１８７ 第１の裏面電極
１１８８ 第２の裏面電極
１１９ 表面電極
１２０ 拡散領域
１３０ 金属半田
１３２ ボンディングワイヤ
１３４ 電気配線板
１３６ 電気配線
１３８ リードピン
１４０ 受光部
１５０ 入射光
１５２ 基板内透過光
１５４ 散乱光
１５６ 全反射光
１６０ 入力素子
１６２ 隣接素子
１７０ クロストーク
１７１ 電子
１７２ 正孔
１８０ 光モジュール
１８２ 筐体
１８４ 窓蓋
１９０ 絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として光ファイバ通信に適用される光半導体装置に関し、具体的には多チャネル化に対応した受光素子（フォトダイオード：ＰＤ）のような光半導体受光素子アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の波長多重通信等、光ファイバ通信技術の発展に伴い、より多チャネルの光を検出する受光素子が必要とされている。一方、多チャネル化に伴う装置の大型化を防ぐため、装置の小型集積化も同時に求められている。これらの要求に対し、アレイ状の受光素子が形成された光半導体装置は、多チャネルの受光が可能でありかつ小型であることから広く用いられている。
【０００３】
図１（ａ）は、特許文献１に記載された、従来の光半導体装置の外観図である。また図１（ｂ）は、受光部を含む断面図である。図１（ａ）では、４素子の受光部を有する光半導体素子アレイを例示するが、素子数は用途に応じて増減して使用される。
【０００４】
図１に示す光半導体装置は、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。ここで光吸収層１１２は絶縁性を有する。また斯かる構成では、光吸収層１１２の直上に導電性半導体層１１４が設けられ、拡散領域１２０は導電性半導体層１１４に形成される。また半導体基板１１０には裏面電極１１８が蒸着等により形成され、導電性半導体層１１４には絶縁膜１１６および表面電極１１９が形成される。ここでは、光半導体素子１００を裏面電極１１８において金属半田１３０を用いて固定し、また表面電極１１９をボンディングワイヤ１３２を用いて、電気配線板１３４上に形成した電気配線１３６と接続して実装している。
【０００５】
光半導体素子１００を構成するための材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等が用いられる。以下の説明では、長距離の光ファイバ通信に広く用いられるＩｎＰ系の材料を用いて説明する。
【０００６】
導電性半導体基板１１０はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）、光吸収層１１２は絶縁型（ｎ−型）インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ、キャリア濃度は１×１０１４ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４に形成された拡散領域１２０はＺｎドープされたｐ型のＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）である。導電性半導体層１１４上に形成された絶縁膜１１６は窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられている。この絶縁膜１１６は半導体接合のパッシベーション機能、および光入射時の無反射コーティングを兼用する。
【０００７】
受光部１４０の受光径は８０μｍで、受光素子の間隔は２５０μｍである。また導電性半導体基板１１０の厚さは約２００μｍである。
【０００８】
ここで裏面電極１１８は受光素子アレイの共通カソードとして有効に機能させるため、オーミック電極を設置することが一般的である。すなわち、ＩｎＰ基板１１０と金属半田１３０界面でのショットキー障壁を低減するための合金が挿入される。本従来例はｎ型基板であるから、ゲルマニウムを含む金、ニッケルの合金が使用される。合金は蒸着によりＩｎＰ基板に堆積した後、熱処理により金やゲルマニウムがＩｎＰに拡散し、ショットキー障壁を下げて界面のオーミック化を行う。なお図１には記載しないが、オーミック電極１１８の底部に、さらにチタン、白金、金などを用いた電極が付加される場合もある。
【０００９】
図１で示した光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図１（ｂ）のように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換され、電子１７１−正孔１７２の両キャリアとなる。ここで、逆バイアス電圧により空乏化した光吸収層１１２（絶縁型ＩｎＧａＡｓ）では、エネルギーバンドの傾斜が生じる。そのため、光吸収層１１２で発生した電子１７１、正孔１７２の各キャリアはそれぞれ、半導体基板１１０（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域１２０（ｐ型ＩｎＰ）にドリフトにより移動し、最終的には表面、裏面に形成された電極より外部に出力される。
【００１０】
ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となる。基板内透過光１５２は裏面電極１１８で反射し、一部は再び光吸収層１１２に入力されることもあるが、図１（ｂ）の破線矢印１５４で示すように、隣接素子１６２に到達する光も存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２６６２５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図１に示した従来の光半導体装置では、前述したように裏面電極１１８で反射された基板内透過光１５２の一部が隣接素子１６２およびその付近の光吸収層１１２に到達すると、隣接素子１６２においてクロストーク（漏れ電流）１７０が発生するという問題があった。漏れ電流１７０が発生することにより、光ファイバ通信における光強度監視において、光強度の検出誤差が生じてしまうという問題があった。
【００１３】
我々は、斯かるクロストークの要因を分析し、次の３つの現象が主要な要因であると推定した。すなわち、（１）基板裏面での乱反射によって隣接素子に到達する光クロストーク、（２）隣接素子付近の吸収層に到達する光によって発生したキャリア（電子および正孔）の拡散による電気クロストーク、（３）入力素子の光吸収層で完全に光電変換できなかった基板内透過光が及ぼす、（１）および（２）の現象を含む、何らかの現象によるクロストーク、である。
【００１４】
ここで、従来の文献においては、（２）および（３）の現象に対する対策が開示されている。
【００１５】
まず（２）の現象については、特許文献１において、受光素子間において第２の半導体接合層を設ける構造を有している。そのため、隣接素子付近の吸収層で発生したキャリアをドリフトにより抽出することが出来、クロストークの改善を得ている。
【００１６】
次に（３）の現象については、光吸収層を厚くすることや、複数の光吸収層を設けるなどの手法により、基板内透過光を低減することが出来、クロストークを改善することが出来る。しかしながら、基板内透過光を完全に抑制することは出来ない。よって、現象（１）における裏面での乱反射によるクロストークを削減することは重要な課題であった。
【００１７】
しかしながら、従来文献において現象（１）における裏面での乱反射そのものを低減する技術は開示されていない。
【００１８】
ここで図１（ｂ）を用いて、乱反射が発生する原因を説明する。導電性半導体基板１１０の底部には裏面電極１１８としてオーミック電極が設置されている。斯かるオーミック電極は、前述したように、熱処理によって金やゲルマニウムがＩｎＰ内に拡散する。そのため、ＩｎＰとオーミック合金の境界が粗い状態になる。図１（ｂ）には、裏面電極１１８とＩｎＰの界面が粗くなった様子が模式的に図示されている。この裏面の荒れが乱反射の要因となり、隣接素子へのクロストークが発生するという問題を生じていた。本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、受光素子間の漏れ電流を十分に低減し、小型且つ簡易な光半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、導電性半導体基板と、導電性半導体基板上に形成された光吸収層と、光吸収層上に形成された導電性半導体層とを備えた光半導体装置であって、導電性半導体層が、導電性半導体基板と逆の導電型の拡散領域を複数備えることにより、光半導体装置には、アレイ状の受光素子が形成されており、導電性半導体基板の底部に鏡面状の薄膜を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、バリアメタルを含む裏面電極を備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、パターン化されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、パターン化されており、光半導体装置は、鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜を備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜と前述絶縁膜の底部の裏面電極とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜と前述絶縁膜の底部の裏面電極とを備え、パターン化されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の一実施形態において、鏡面状の薄膜は、絶縁膜と前述絶縁膜の底部の第１の裏面電極とを備え、パターン化されており、半導体装置は、鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする。
【００２７】
本発明の一実施形態において、光半導体装置は、筐体に収納されたことを特徴とする。
【００２８】
本発明の一実施形態において、受光素子が２次元に配置された構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る半導体装置よると、裏面電極が鏡面状の薄膜となったことにより、隣接する受光素子への漏れ電流を容易に抑圧することが出来、光半導体装置の光強度検出時における誤差を少なくすることが出来る。
【００３０】
また、パターン化した裏面電極もしくは絶縁膜の底部にオーミック電極を裏面全体に設置することにより、裏面における接触抵抗を低減することが出来る。
【００３１】
また、２次元配列の光半導体素子を用いることおよび裏面電極を鏡面状の薄膜とすることによりクロストークを改善することが出来る。
【００３２】
また、高い気密性を有した状態で筺体に収納することにより、光半導体素子は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は外観図であり、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は裏面構造の詳細図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子を筐体に収納したときの構造を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の評価結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態の別形態に係る光半導体装置の構造を説明するための図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る光半導体装置の構造を説明するための斜視図である。
【図１６】本発明の第７の実施形態７に係る光半導体素子を筐体に収納したときの構造を説明するための図である。
【図１７】本発明の第７の実施形態に係る半導体素子の評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の光半導体装置における、第１の実施形態について図２から図４を用いて説明する。図２は光半導体装置の構成図であり、図２（ａ）は受光部を含む断面図、図２（ｂ）は裏面構造の詳細図である。図２（ａ）では、複数の受光部を有する光半導体素子アレイを例示するが、素子数は用途に応じて増減して使用して構わない。
【００３５】
図２に示す光半導体装置は、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。ここで光吸収層１１２は絶縁性を有する。またこの構成では、光吸収層１１２の直上に導電性半導体層１１４が設けられ、拡散領域１２０は導電性半導体層１１４に形成される。また半導体基板１１０には裏面電極１１８が蒸着等により形成され、導電性半導体層１１４には絶縁膜１１６および表面電極１１９が形成される。
【００３６】
光半導体素子を構成するための材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等が用いられる。ここでは、従来例と同様、長距離の光ファイバ通信に広く用いられるＩｎＰ系の材料を用いて説明する。
【００３７】
導電性半導体基板１１０はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）、光吸収層１１２は絶縁型（ｎ−型）インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ、キャリア濃度は１×１０１４ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３）、導電性半導体層１１４に形成された拡散領域１２０はＺｎドープされたｐ型のＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３）である。導電性半導体層１１４上に形成された絶縁膜１１６は窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられている。この絶縁膜１１６は半導体接合のパッシベーション機能、および光入射時の無反射コーティングを兼用する。
【００３８】
受光部１４０の受光径は８０μｍで、受光素子の間隔は２５０μｍである。また導電性半導体基板１１０の厚さは約２００μｍである。
【００３９】
ここで図１（ｂ）に示した従来の例の断面図と構造上異なる点は、裏面電極１１８の構造である。すなわち、本発明においては、半導体基板１１０の裏面に、裏面電極１１８の組成として合金によるオーミック金属を用いるのではなく、鏡面状の薄膜を設置することである。その材料は金属、絶縁膜を含めて多様に取りうる。本実施形態においては、バリアメタルを含む金属を使用する。バリアメタルは、材料間の相互拡散を防止するために、拡散しやすい材料間に挿入される金属である。本実施形態では金配線、および金錫半田を使用することから、金とＩｎＰの拡散を防止するための白金をバリアメタルとして使用する。
【００４０】
図２（ｂ）を用いて、裏面構造の詳細を説明する。導電性半導体基板１１０であるところのｎ型ＩｎＰの底部には、まずＩｎＰと密着性のよいチタン１１８２を蒸着により設置する。次にチタン１１８２の底部にバリアメタルである白金１１８４を蒸着により設置する。さらに白金１１８４の底部に金１１８６を蒸着により設置する。それぞれの層厚は約５００Åである。斯かる構造により、ＩｎＰと金が、バリアメタルを介することにより、加熱工程等によっても相互拡散が生じにくくなる。そのため、ＩｎＰと裏面金属の境界が平滑な状態となり、良好な鏡面状の薄膜が形成されたことをＳＥＭ顕微鏡により確認した。
【００４１】
本実施形態における光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図２（ａ）のように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換され、電子-正孔の両キャリアとなる。ここで、逆バイアス電圧により空乏化した光吸収層１１２（絶縁型ＩｎＧａＡｓ）では、エネルギーバンドの傾斜が生じる。そのため、光吸収層１１２で発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、半導体基板１１０（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域１２０（ｐ型ＩｎＰ）にドリフトにより移動し、最終的には表面、裏面に形成された電極より外部に出力される。
【００４２】
ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となる。基板内透過光１５２は裏面電極１１８で反射する。ここで裏面電極１１８が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子に到達する光が削減され、クロストークの改善が期待できる。
【００４３】
図２に示した光半導体素子は、図３に示すような筐体１８２、および窓蓋１８４に収納することが出来る。光半導体素子１００は、セラミックからなる箱型の筺体１８２内に収納され、この筺体１８２と、受光部１４０への光入力を可能にするサファイア等からなる窓蓋１８４とによって気密封止されている。図示していないが、筺体１８２と窓蓋１８４とは、金属半田１３０により接合されているため、高い気密性を有した中で、光半導体素子１００は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能である。光半導体素子１００は、受光部１４０を窓蓋１８４に対向させた状態で、裏面電極１１８と筺体１８２とが金属半田１３０等により固定しており、また表面電極１１９はボンディングワイヤ１３２により筺体内の電気配線１３６と接続している。筺体内の電気配線１３６は、筺体１８２を貫通して筺体１８２の表面にまで延長されており（図示せず）、外部に接続される電気配線ボード類への電気的接続を可能にしている。
【００４４】
図４に、光ファイバから光を入力した時のクロストーク量を評価した結果を示す。この評価は、光半導体素子１００を図３に示す筐体１８２に搭載し、窓蓋１８４による封止を行わない状態で、光ファイバを用いて受光部１４０に光入力することにより実施した。ここで入力光の波長は１．５５μｍとし、室温環境で測定を行った。縦軸に示すクロストークの値は、入力素子における受光電流と隣接素子における受光電流の比をとったものである。測定に際し、受光部と光ファイバ端面の距離（ｚ）を変化させて、クロストークの変化を観測した。
【００４５】
上記実験の結果より、従来品における隣接クロストークが、ｚ＜６００μｍの領域で−３５ｄＢ〜−４２ｄＢであったのに対し、本発明の素子を用いた場合は−４５ｄＢ〜−５２ｄＢ程度と、１０ｄＢのクロストーク改善が確認できた。
【００４６】
本実施形態においては、裏面電極１１８にオーミック電極を用いないため、ＩｎＰ基板１１０と裏面電極１１８間がショットキー接触となる。そのため接触抵抗が懸念される。しかしながら、コモン電極である裏面電極１１８の接着面積が広いため、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。例えば、１Ω程度の抵抗が増加した場合、負荷抵抗５０Ωの伝送経路においては、帯域の劣化は５０／５１程度と微小である。また、接触抵抗による電圧降下についても、１ｍＡの受光電流では電圧降下は１ｍＶ程度と無視出来る程度である。
【００４７】
なお、本実施形態においては導電性半導体基板１１０をｎ型としたが、逆の導電型のｐ型にした場合でも同様の改善効果を有する。その場合は、導電性半導体基板１１０はｐ型、光吸収層１１２はｐ−型、導電性半導体層１１４はｐ型、導電性半導体層１１４に形成された拡散領域１２０はｎ型である。
【００４８】
また、本実施形態においては裏面で鏡面反射様の反射動作を示すため、基板内透過光１５２が入力素子１６０の光吸収層１１２に入力される量が増加する。よって、入力素子１６０の受光感度が増加するという効果も奏する。
【００４９】
本発明の光半導体装置における、第２の実施形態について図５を用いて説明する。図５は光半導体装置の構成図であり、図５（ａ）は受光部を含む断面図、図５（ｂ）は金属半田を付ける前の底面図である。
【００５０】
斯かる光半導体装置は、第１の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は第１の実施形態と同等のため説明を省略する。
【００５１】
本実施形態が第１の実施形態と構造上異なる点は、裏面電極１１８を全面電極ではなくパターン化したことである。パターン化は、導電性半導体基板１１０の底部に有機レジストを塗布、露光することによるリフトオフ工程によって作製する。パターン化する位置は、受光素子表面上の各受光部１４０と、ＩｎＰ基板１１０を介した反対側に設置される。すなわち、裏面のパターンは、受光部を通る光軸が中央に来るように設置される。本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、電極のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。パターンの無い領域は、導電性半導体基板１１０が剥き出した状態となっている。
【００５２】
裏面電極の組成は、第１の実施形態と同様、合金によるオーミック金属を用いるのではなく、鏡面状の薄膜を設置することによって行う。本実施形態においては、第１の実施形態と同様、バリアメタルを含む金属を使用する。本実施形態では金配線、および金錫半田を使用することから、金とＩｎＰの拡散を防止するための白金をバリアメタルとして使用する。導電性半導体基板１１０であるところのｎ型ＩｎＰの底部に、チタン、白金、金の順番で蒸着により設置する。それぞれの層厚は約５００Åである。
【００５３】
斯かる構造により、第１の実施形態と同様、ＩｎＰと金の相互拡散が抑圧され、良好な鏡面状の薄膜が形成された。さらに本実施形態においては、裏面電極が全面に配置されていないため、熱変化による応力が発生しやすい白金の面積を低減することが出来る。よって、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００５４】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。第１の実施形態同様、まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図５（ａ）に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、裏面電極１１８で反射する。ここで裏面電極１１８が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００５５】
本実施形態においては、裏面電極１１８にオーミック電極を用いないため、ＩｎＰ基板１１０と裏面電極１１８間がショットキー接触となる。さらに、裏面電極１１８をパターン化しているため、第１の実施形態よりも接触抵抗の増加が懸念される。しかしながら、第１の実施形態同様、コモン電極である裏面電極１１８の接着面積が広いため、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。
【００５６】
次に、第２の実施形態の別形態について図６を用いて説明する。図６は半導体装置の構成図であり、図６（ａ）は受光部を含む断面図、図６（ｂ）は底面図である。
【００５７】
本構造において、図５に示した実施形態と異なるのは、裏面のパターン形状である。本形態では、受光部を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を追加した。
【００５８】
斯かる構造により、図５で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田の密着により、光半導体素子と金属半田間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。また、裏面電極の面積が増加したことにより、接触抵抗を低減することが出来た。
【００５９】
本発明の光半導体装置における、第３の実施形態について図７を用いて説明する。図７は光半導体装置の構成図であり、図７（ａ）は受光部を含む断面図、図７（ｂ）は底面図である。
【００６０】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施形態と同等のため説明を省略する。
【００６１】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、バリアメタルを含む電極を第１の裏面電極１１８７として裏面に設置した後、さらに第２の裏面電極１１８８としてオーミック電極を設置する点である。本実施形態では、第１の裏面電極１１８７を全面電極ではなくパターン化した構造とし、さらにその底部に、裏面全体にオーミック電極を第２の裏面電極１１８８として設置した。パターン化の方向および構造は、第２の実施形態と同様である。すなわち、リフトオフ工程によって作製し、その位置は、受光素子表面上の各受光部１４０と、ＩｎＰ基板１１０を介した反対側に設置される。図７（ｂ）に示すように、第１の裏面電極１１８７のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。本実施形態では、さらに第２の裏面電極１１８８としてオーミック電極が設置されるため、底面は一見、全面がオーミック電極であるように見える。
【００６２】
第１の裏面電極１１８７の組成は、前述の実施形態と同様、バリアメタルを含む金属を使用する。導電性半導体基板１１０であるｎ型ＩｎＰの底部に、チタン、白金、金の順番で蒸着により設置する。それぞれの層厚は約５００Åである。一方、第二の裏面電極１１８８は、ゲルマニウムを含む金、ニッケルの合金が使用される。合金は蒸着によりＩｎＰ基板１１０に堆積した後、熱処理を行い、ＩｎＰと接する金やゲルマニウムがＩｎＰに拡散し、ショットキー障壁を下げて界面のオーミック化を行う。
【００６３】
斯かる構造により、前述の実施形態と同様、ＩｎＰと金の相互拡散が抑圧され、良好な鏡面状の薄膜が形成された。また、第１の裏面電極１１８７が全面に配置されていないため、熱変化による応力が発生しやすい白金の面積を低減することが出来、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来る。さらに本構造では、第一の裏面電極が配置されていない領域にオーミック接触が形成されているため、接触抵抗を低減することが出来る。
【００６４】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８７間には逆バイアス電圧が印加される。図７（ａ）に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、第１の裏面電極１１８７で反射する。ここで第１の裏面電極１１８７は鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００６５】
なお第１の裏面電極１１８７が設置されていない裏面はオーミック処理によりＩｎＰとの界面が粗くなる。しかしながら、その領域に到達する基板内透過光１５２はほとんど無いため、散乱の影響は無視できる。
【００６６】
本実施形態においては、前述の実施形態と比較して、第１の裏面電極１１８７が配置されていない領域にオーミック接触が形成されているため、接触抵抗を低減することが出来る。作製した素子の電流−電圧特性より、接触抵抗の増加は１Ω以内と、良好な特性であることを確認した。
【００６７】
次に、第３の実施形態の別形態について図８を用いて説明する。図８は半導体装置の構成図であり、図８（ａ）は受光部を含む断面図、図８（ｂ）は底面図である。
【００６８】
本構造において、図７に示した実施形態と異なるのは、裏面のパターン形状である。本実施形態では、受光部１４０を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を追加した。
【００６９】
斯かる構造により、図７で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田の密着により、光半導体素子と金属半田間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。作製した光半導体素子の剥離試験（ダイシェア試験）を行った結果、３サンプルの試験で、短辺から押し圧を加えた時、平均２ｋｇｆの強度であることがわかった。これは、従来の例と同等のダイシェア強度である。
【００７０】
本発明の光半導体装置における、第４の実施形態について図９を用いて説明する。図９は光半導体装置の受光部を含む断面図である。
【００７１】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【００７２】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、鏡面状の薄膜として、絶縁膜１９０を配置したことである。本実施形態では、裏面全面に窒化シリコンを用いた絶縁膜１９０を気相成長法により堆積した。
【００７３】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と金属半田１３０間には逆バイアス電圧が印加される。図９に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、絶縁膜１９０を透過し、その底部の金属半田１３０で反射する。ここで絶縁膜１９０と金属半田１３０は相互拡散等の影響が少ないため、金属半田１３０が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００７４】
なお、裏面の絶縁膜１９０と金属半田１３０との間は電気的に絶縁されている。よって導電性半導体基板１１０と金属半田１３０の導通は、導電性半導体基板１１０の側面に金属半田１３０が回りこみ接触することによって行う。よって、ＩｎＰ基板１１０と金属半田１３０間がショットキー接触となるため、接触抵抗の増加が懸念される。しかしながら、金属半田１３０の量を増やすなどして側面との接触面積を確保することにより、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。
【００７５】
次に、第４の実施形態の別形態について図１０を用いて説明する。図１０は光半導体装置の受光部を含む断面図である。
【００７６】
本構造において、図９に示した実施形態と異なるのは、裏面に設置された絶縁膜１９０のさらに底部に、裏面電極１１８を設置することである。また、絶縁膜１９０の厚みを約０．２μｍとし、入力光に対する高反射率条件を満たすようにしたことである。なお裏面電極１１８は、絶縁膜１９０を介しているためＩｎＰとの相互拡散が生じないことから、バリアメタルを使用しない金属、たとえばチタンと金のみの組成でも良い。
【００７７】
斯かる構造により、図９で示した実施形態における発明の効果に加え、裏面電極が存在することにより、金属半田による薄膜よりも、安定した鏡面状薄膜の形成が可能である。また、絶縁膜が高反射率条件を満たすため、図９で示した実施形態よりさらに反射率が向上し、クロストークの改善、および受光感度の向上が得られた。また、裏面電極にバリアメタルを使用しない場合は、熱変化による応力が発生しないことから、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００７８】
本発明の光半導体装置における、第５の実施形態について図１１を用いて説明する。図１１は光半導体装置の構成図であり、図１１（ａ）は受光部を含む断面図、図１１（ｂ）は金属半田を付ける前の底面図である。
【００７９】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【００８０】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、鏡面状の薄膜として、絶縁膜１９０を配置し、さらに絶縁膜１９０を全面配置ではなくパターン化したことである。パターン化は、絶縁膜１９０上にパターン化されたメタルをリフトオフ工程によって作製し、そのメタルをマスクとしてエッチングを行い作製する。
【００８１】
パターン化する位置は、受光素子表面上の各受光部と、ＩｎＰ基板を介した反対側に設置される。すなわち、裏面のパターンは、受光部を通る光軸が中央に来るように設置される。本実施形態では、図１１（ｂ）に示すように、電極のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。パターンの無い領域は、導電性半導体基板１１０が剥き出した状態となっている。
【００８２】
本実施形態における光半導体装置の動作について説明する。前述の実施形態同様、まず表面電極１１９と金属半田１３０間には逆バイアス電圧が印加される。図１１（ａ）に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光１５０は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、絶縁膜１９０を透過し、その底部の金属半田１３０で反射する。ここで絶縁膜１９０と金属半田１３０とは相互拡散等の影響が少ないため、金属半田１３０が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。
【００８３】
なお、裏面の絶縁膜１９０と金属半田１３０との間は電気的に絶縁されている。よって、導電性半導体基板１１０と金属半田１３０の導通は、導電性半導体基板１１０が剥き出した領域と金属半田１３０が接触することおよび導電性半導体基板１１０の側面に金属半田１３０が回りこみ接触することによって行う。これにより、ＩｎＰ基板１１０と金属半田１３０間がショットキー接触となるため、接触抵抗の増加が懸念される。しかしながら、導電性半導体基板１１０が剥き出した領域と金属半田１３０の接触面積を広くすること、あるいは金属半田１３０の量を増やすなどして側面との接触面積を確保することにより、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。
【００８４】
次に、第５の実施形態の別形態について図１２を用いて説明する。図１２は光半導体装置の受光部を含む断面図である。
【００８５】
本構造において、図１１に示した実施形態と異なるのは、裏面に設置された絶縁膜１９０のさらに底部に、裏面電極１１８を設置することである。また、絶縁膜１９０の厚みを約０．２μｍとし、入力光に対する高反射率条件を満たすようにしたことである。なお裏面電極１１８は、絶縁膜１９０を介しているためＩｎＰとの相互拡散が生じないことから、バリアメタルを使用しない金属、たとえばチタンと金のみの組成でも良い。
【００８６】
さらに本構造においては、図１１に示した実施形態と裏面のパターン形状が異なる。本形態では、受光部を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を複数追加した。
【００８７】
斯かる構造により、図１０で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田との密着により、光半導体素子と金属半田との間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。なお、裏面電極１１８と導電性半導体基板１１０との間は絶縁膜１９０を介して電気的に絶縁されているため、裏面電極の面積が増加したことにより、接触抵抗の増加が懸念されるが、導電性半導体基板１１０が剥き出された領域と金属半田１３０の接触面積を広くすること、あるいは金属半田１３０の量を増やすなどして側面との接触面積を確保することにより、通常の動作条件においては、その接触抵抗の増加は品質上、問題ない場合が多い。また、裏面電極にバリアメタルを使用しない場合は、熱変化による応力が発生しないことから、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００８８】
本発明の光半導体装置における、第６の実施形態について図１３を用いて説明する。図１３は光半導体装置の構成図であり、図１３（ａ）は受光部を含む断面図、図１３（ｂ）は底面図である。
【００８９】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【００９０】
本実施形態が前述の実施形態と構造上異なる点は、鏡面状の薄膜として、絶縁膜１９０を配置し、さらにその底部に、裏面全体にオーミック電極を裏面電極１１８として設置した。本実施形態では、絶縁膜１９０を全面ではなくパターン化した構造とし、さらにその底部に、裏面全体にオーミック電極を裏面電極１１８として設置した。パターン化の方向および構造は、第５の実施形態と同様である。すなわち、リフトオフ工程によって作製されたメタルマスクを用いてエッチングによりパターン化し、その位置は、受光素子表面上の各受光部と、ＩｎＰ基板を介した反対側に設置される。図１３（ｂ）に示すように、絶縁膜１９０のパターンは円形とし、その直径はφ＝２００μｍとした。本実施形態では、さらにオーミック電極が設置されるため、底面は一見、全面がオーミック電極であるように見える。
【００９１】
オーミック処理を行う裏面電極１１８は、ゲルマニウムを含む金、ニッケルの合金が使用される。合金は蒸着によりＩｎＰ基板１１０に堆積した後、熱処理を行い、ＩｎＰと接する金やゲルマニウムがＩｎＰに拡散し、ショットキー障壁を下げて界面のオーミック化を行う。
【００９２】
本実施形態に係る光半導体装置の動作について説明する。まず表面電極１１９と裏面電極１１８間には逆バイアス電圧が印加される。図１３に示すように、表面より絶縁膜１１６を介して受光部１４０に入力された入射光は、そのほとんどが光吸収層１１２において光電変換される。ここで光吸収層１１２に入力した入射光１５０の一部は、光吸収層１１２で完全に光電変換しきれず、基板内透過光１５２となり、絶縁膜１９０を透過し、その底部の裏面電極１１８で反射する。ここで絶縁膜１９０と裏面電極１１８は相互拡散等の影響が少ないため、裏面電極１１８が鏡面状の薄膜となっており、裏面では乱反射ではなく鏡面反射様の反射動作を示す。そのため、従来の例のような裏面での乱反射による隣接素子１６２に到達する光が削減され、クロストークが改善した。さらに、絶縁膜１９０が配置されていない領域にオーミック接触が形成されているため、接触抵抗を低減することが出来た。
【００９３】
なお絶縁膜１９０が設置されていない裏面はオーミック処理によりＩｎＰとの界面が粗くなる。しかしながら、その領域に到達する基板内透過光１５２はほとんど無いため、散乱の影響は無視できる。
【００９４】
次に、第６の実施形態の別形態について図１４を用いて説明する。図１４は半導体装置の構成図であり、図１４（ａ）は受光部を含む断面図、図１４（ｂ）は底面図である。
【００９５】
本構造において、図１３に示した実施形態と異なるのは、裏面に設置された絶縁膜１９０のさらに底部に、第１の裏面電極１１８７を設置し、さらに第二の裏面電極１１８８としてオーミック電極を設置することである。また、絶縁膜１９０の厚みを０．２μｍとし、入力光に対する高反射率条件を満たすようにしたことである。なお第１の裏面電極１１８７は、絶縁膜１９０を介しているためＩｎＰとの相互拡散が生じないことから、バリアメタルを使用しない金属、たとえばチタンと金のみの組成でも良い。
【００９６】
さらに本構造においては、図１３に示した実施形態と裏面のパターン形状が異なる。本形態では、受光部を通る光軸が中央に来るように設置されるパターン（直径は２００μｍ）に加えて、その周辺部に小径（直径は約５０μｍ）の裏面電極を複数追加した。
【００９７】
斯かる構造により、図１３で示した実施形態における発明の効果に加え、小径の裏面電極と金属半田との密着により、光半導体素子と金属半田との間の接着強度が向上し、電気配線や筐体への強固な搭載が可能となる。また、裏面電極にバリアメタルを使用しない場合は、熱変化による応力が発生しないことから、熱によっても鏡面状態を保持し、剥離が生じにくい薄膜を形成することが出来た。
【００９８】
本発明の光半導体装置における、第７の実施形態について図１５から図１７を用いて説明する。本実施形態では、前述の実施形態を用いてクロストークの改善を行った光半導体素子を２次元上に配置する。
【００９９】
図１５は、受光素子を４行×３列に配置した１２チャネルの光半導体素子アレイを例示するが、素子数は用途に応じて増減して使用することが可能である。
【０１００】
斯かる光半導体装置は、前述の実施形態同様、導電性半導体基板１１０上に形成された光吸収層１１２を有し、かつ導電性半導体基板１１０と逆の導電性の拡散領域１２０を複数持つことにより形成される。その他キャリア濃度、電極等の構成は前述の実施例と同等のため説明を省略する。
【０１０１】
本実施例では、鏡面状の薄膜として、第１の実施形態と同様、バリアメタルを含む金属を裏面電極１１８として裏面全体に配置した。
【０１０２】
図１６に示す構成では、２列に配置した光半導体素子アレイを、図に示すように筐体１８２に収納した。光半導体素子１００は、セラミックからなる箱型の筺体１８２内に収納される。図示しないが、この筺体１８２と、受光部１４０への光入力を可能にする窓蓋が、金属半田により接合されているため、高い気密性を有した中で、光半導体素子１００は、外部環境から保護されて、耐湿性に優れ、高い信頼性を確保することが可能である。光半導体素子１００は、受光部１４０を窓蓋に対向させた状態で、裏面電極と筺体１８２とが金属半田１３０等により固定されており、また表面電極１１９はボンディングワイヤ１３２により筺体内の電気配線１３６と接続している。
【０１０３】
筺体内の電気配線１３６は、この筺体１８２を貫通して筺体の表面にまで延長されており（図示せず）、筐体１８２に固定されたリードピン１３８を介して外部に接続される電気配線ボード類への電気的接続を可能にしている。
【０１０４】
図１７に、光ファイバから光を入力した時のクロストーク量を評価した結果を示す。この評価は、光半導体素子１００を図１６に示す筐体１８２に搭載し、窓蓋による封止を行わない状態で、光ファイバを用いて受光部１４０に光入力することにより実施した。ここで入力光の波長は１．５５μｍとし、室温環境で測定を行った。縦軸に示すクロストークの値は、入力素子における受光電流と隣接素子における受光電流の比をとったものである。測定に際し、受光部と光ファイバ端面の距離（ｚ）を変化させて、クロストークの変化を観測した。
【０１０５】
上記実験の結果より、従来品における隣接クロストークが、ｚ＜６００μｍの領域で−３５ｄＢ〜−４２ｄＢであったのに対し、本発明の素子を用いた場合は−４５ｄＢ〜−５２ｄＢ程度と、１０ｄＢのクロストーク改善が確認できたことは前述のとおりであるが（図４を参照）、さらに、２次元方向のクロストークについても本発明の隣接クロストークとほぼ同等な値であり、良好なクロストーク改善効果を確認することが出来た。
【符号の説明】
【０１０６】
１００ 光半導体素子
１１０ 導電性半導体基板
１１２ 光吸収層
１１４ 導電性半導体層
１１６ 絶縁膜
１１８ 裏面電極
１１８２ チタン
１１８４ 白金
１１８６ 金
１１８７ 第１の裏面電極
１１８８ 第２の裏面電極
１１９ 表面電極
１２０ 拡散領域
１３０ 金属半田
１３２ ボンディングワイヤ
１３４ 電気配線板
１３６ 電気配線
１３８ リードピン
１４０ 受光部
１５０ 入射光
１５２ 基板内透過光
１５４ 散乱光
１５６ 全反射光
１６０ 入力素子
１６２ 隣接素子
１７０ クロストーク
１７１ 電子
１７２ 正孔
１８０ 光モジュール
１８２ 筐体
１８４ 窓蓋
１９０ 絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性半導体基板と、
前記導電性半導体基板上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された導電性半導体層と
を備えた光半導体装置であって、
前記導電性半導体層が、前記導電性半導体基板と逆の導電型の拡散領域を複数備えることにより、前記光半導体装置には、アレイ状の受光素子が形成されており、
前記導電性半導体基板の底部に鏡面状の薄膜を備えたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、バリアメタルを含む裏面電極を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、パターン化されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、パターン化されており、前記光半導体装置は、前記鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、絶縁膜を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、前記絶縁膜と該絶縁膜の底部の裏面電極とを備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
請求項５に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、前記絶縁膜と該絶縁膜の底部の裏面電極とを備え、パターン化されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項８】
請求項５に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、前記絶縁膜と該絶縁膜の底部の第１の裏面電極とを備え、パターン化されており、前記半導体装置は、前記鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の光半導体装置が筐体に収納されたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の光半導体装置において、前記受光素子が２次元に配置された構造を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項１】
導電性半導体基板と、
前記導電性半導体基板上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された導電性半導体層と
を備えた光半導体装置であって、
前記導電性半導体層が、前記導電性半導体基板と逆の導電型の拡散領域を複数備えることにより、前記光半導体装置には、アレイ状の受光素子が形成されており、
前記導電性半導体基板の底部に鏡面状の薄膜を備えたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、バリアメタルを含む裏面電極を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、パターン化されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、パターン化されており、前記光半導体装置は、前記鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、絶縁膜を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、前記絶縁膜と該絶縁膜の底部の裏面電極とを備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
請求項５に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、前記絶縁膜と該絶縁膜の底部の裏面電極とを備え、パターン化されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項８】
請求項５に記載の光半導体装置において、前記鏡面状の薄膜は、前記絶縁膜と該絶縁膜の底部の第１の裏面電極とを備え、パターン化されており、前記半導体装置は、前記鏡面状の薄膜の底部にオーミック電極である第２の裏面電極が形成されたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の光半導体装置が筐体に収納されたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の光半導体装置において、前記受光素子が２次元に配置された構造を有することを特徴とする光半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１５６３９１（Ｐ２０１２−１５６３９１Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５８０（Ｐ２０１１−１５５８０）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５９１２３０２９５）ＮＴＴエレクトロニクス株式会社 (565)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５９１２３０２９５）ＮＴＴエレクトロニクス株式会社 (565)
【Ｆターム（参考）】
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