光受信デバイス
【課題】 高速の光信号を受信することができるフォトダイオードと、その平均の出力あるいは高速信号の存否を検出できる感度の高い応答速度の低いフォトダイオードを組み合わせた複合フォトダイオードデバイスを与えること。
【解決手段】 高速の光信号を受信するために、受光面の狭い寸法の小さい小フォトダイオードと、信号の平均の強度を検出するために広い受光部の大きい寸法を有する大フォトダイオードを持ち、それぞれのカソード、アノード電極は独立で絶縁されており、大フォトダイオードにも小フォトダイオードにも光信号が当たるようにし、それぞれで受光できるようにする。
【解決手段】 高速の光信号を受信するために、受光面の狭い寸法の小さい小フォトダイオードと、信号の平均の強度を検出するために広い受光部の大きい寸法を有する大フォトダイオードを持ち、それぞれのカソード、アノード電極は独立で絶縁されており、大フォトダイオードにも小フォトダイオードにも光信号が当たるようにし、それぞれで受光できるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
例えば受光パワーが間欠的に変化するバースト信号と、信号の平均のパワーを検出したいというような場合がある。一方の信号を通信そのものに使い、他方の信号を平均し受光パワーの平均の変動を求め、後段の増幅器のゲイン調整に利用するというようなことがある。そのように同じ信号を二つの受光素子で受光し、異なる処理をする場合に、一つの信号を二つの受光モジュールで受けるようにすると、光を分配するための光分波器、光導波路などが必要になる。光を効率よく受光素子に当てるためのレンズも二つ必要になる。パッケージも二つ要る。受光素子とレンズの間の調芯も二つのモジュールについて必要である。構造が複雑でデバイスのサイズが肥大化し製造コストが上がる。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の図１は通常のフォトダイオードの構造を示す。ｎ型基板１の上にｎ型受光層２を設け、ｎ型受光層の中間部にｐ型不純物を拡散してｐ領域３を作り、受光層２にｐｎ接合４を形成し、ｐ領域３にはｐ電極７を、ｎ型基板１にはｎ電極８を設けている。受光部はｐｎ接合４の存在する部分である。裏面が閉ざされているので上面入射型である。上面入射型で光信号はレンズで絞ってフォトダイオードの受光部に上方から入力する。ｐｎ接合４の存在する部分に入った光は空乏層６で電子正孔対を発生する。アノード（ｐ電極７）とカソード（ｎ電極８）の間には逆バイアスが掛かっている。逆バイアスのため電子ｅはｎ型基板１の方へ引き寄せられる。正孔ｈはｐｎ接合４からｐ領域３へと引き寄せられる。正孔ｈがｐ領域３に入ると光電流が流れる。上面から光が入るのでｐ電極はリング状か小さいドット状の電極とする。ｎ電極は広い底面電極となっている。
【０００３】
レンズで集光するのであるが、一部の光が受光部から逸れてチップの外周部（ｎ型）に入る場合もある。外周部でも電子正孔対ができる。そのうち少数キャリヤである正孔ｈが問題である。外周部にはバイアスが掛かっていないので正孔の動きが鈍い。濃度差によって正孔ｈがゆっくりと移動し、中央のｐｎ接合４を越えてｐ領域３に入る。そのときに光電流が流れる。初めの光信号が入ったときからかなり遅れてその光電流が流れる。そのため受信パルス信号が裾を引く事になる。それは受信信号を歪ませるので好ましくない。
【０００４】
そこで特許文献１は、周辺部にもリング状のｐ領域を形成して、周辺部のｐｎ接合に正孔を引き寄せるような構造を持つフォトダイオードを提案している。図２の断面図において、周辺部のｐ領域１３を形成するのである。周辺ｐｎ接合１４ができる。周辺部のｐ領域を拡散遮蔽層と呼んでいる。特許文献１は周辺部ｐ領域１３にｐ電極１７を設けており、底部のｎ電極８とｐ電極１７の間に別の電源を用いて逆バイアスしている。
【０００５】
これは信号検出でなく、周辺光によるノイズ除去のためのｐ電極１７であり、周辺光ノイズ除去用電源である。周辺光ノイズ除去用電源によって周辺ｐｎ接合１４に電界が発生する。周辺に入った光によってできた電子正孔対のうち、正孔ｈは逆バイアスによる電界によってｐｎ接合１４の方へ引き寄せられる。正孔ｈはｐ領域１３に入って消滅する。それによってｐ電極１７、底部ｎ電極８の間に電流が流れる。この光電流は中央のｐ電極７を通らない。よって周辺光は光信号（中央ｐ電極７を通る）から分離される。光信号の歪み（裾引き）を防ぐことができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２８８９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えばパワーが間欠的に変化するバースト信号などの検出に使用するフォトダイオードの場合、受光パワーが予め分からないとか受光パワーが変動するとかいうことがある。受光パワーの平均値を知ってゲイン（増幅率）を調整したいということもある。そのためには同じ信号に対して二つのフォトダイオードを設ける必要がある。高速の光信号Ｊ（ｔ）を歪みなくそのまま検出する高速信号用のフォトダイオードと、平均値＜Ｊ（ｔ）＞を検出する平均値用の低速フォトダイオードを設けるということになる。
【０００８】
すると、フォトダイオードのパッケージも二つ必要である。二つのフォトダイオードへ同一の信号光を導入するには、光を二つに分岐する光分波器や分岐光導波路が必要となる。また光ファイバなどによって二つの光を独立のフォトダイオードへ導く必要もある。一つのフォトダイオードだけを用いる場合の約２倍の構成要素が必要になり構造が複雑になってしまう。
【０００９】
高速用フォトダイオードと低速用フォトダイオードを持ちながら光分波器、分岐導波路などを不要とし、ファイバで信号光を引き回す必要のない簡単な構造であって、異なる二つの用途、異なる二つの速度の信号の検出に用いることができるデバイスを提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
それぞれが独立し絶縁されたカソード、アノード電極を持ち、受光部が狭く寸法の小さい小フォトダイオードと、受光部が広く寸法の大きいフォトダイオードを、受光部が同じ方向を向くように近傍に設け、レンズによって光を小フォトダイオードの近くに集光し、大フォトダイオードにも一部が入るようにしている。大フォトダイオードの上方に小フォトダイオードを設けることができる（上下型）。図３は上下に小フォトダイオードＰＤ１と大フォトダイオードＰＤ２を配置した上下型の例を示す断面図である。
【００１１】
図５は同じものの斜視図である。小フォトダイオードＰＤ１は狭い受光部２１を持つ。レンズ９によって光信号を絞るが、集光点は小フォトダイオードＰＤ１の受光部２１の近くに合わせてある。大フォトダイオードＰＤ２は寸法が大きく受光部２２も広い。大フォトダイオードＰＤ２と小フォトダイオードＰＤ１の間には空隙３２がある。これは絶縁のためである。レンズ９によって光信号は小フォトダイオードに入るよう導かれるが一部の光は大フォトダイオードＰＤ２に入る。
【００１２】
小フォトダイオードは狭い受光部を持ち容量抵抗積である時定数ＣＲも小さいので、高速信号Ｊ（ｔ）を歪みなく受信する。大フォトダイオードは応答速度は遅いが広い受光部を持ち、レンズで絞られた光の一部の漏れ光を感度良く受光できる。後段に積分回路などを設けて信号の平均値＜Ｊ（ｔ）＞を検出できる。それによって小フォトダイオードの後段のゲイン調整をすることができる。上下型の場合、小チップを大チップの上に載せるので面積を節減できる。いずれも角型のチップを用いることができるので製造容易である。
【００１３】
円環状の大フォトダイオードの内部穴に、円形の小フォトダイオードを同心円状に設けるものも可能である。図４は同心型を示す断面図である。図６は同心型のものの斜視図である。円環状大フォトダイオードＰＤ４の穴に、円形状の小フォトダイオードＰＤ３を設けたものである。小フォトダイオードＰＤ３は狭い受光部２３を持つ。大フォトダイオードＰＤ４は円環状の広い受光部２４を備える。大小フォトダイオードＰＤ３、ＰＤ４の間には間隙３４がある。レンズ９によって信号光が主に小フォトダイオードＰＤ３の受光部２３に入るようにする。一部は漏れて大フォトダイオードＰＤ４の受光部２４に入る。同心円状の場合は円筒対称性があるので、レンズによって絞られた光の偏奇を検出することもできる。
【００１４】
矩形の３偶を持つ大フォトダイオードと、矩形の一偶を小フォトダイオードとする（同一平面偏奇型）のも可能である。図７はそのような偏奇型のフォトダイオードの斜視図を示す。Ｌ字型の大フォトダイオードＰＤ６は、Ｌ字型の広い受光部２６を持っている。一隅に狭い受光部２５を持つ小フォトダイオードＰＤ５が設けられる。間隙３６によって小フォトダイオードＰＤ５は大フォトダイオードＰＤ６から隔てられる。図８は信号光をレンズ９によって絞った様子を示す。大部分の信号光は小フォトダイオードに入る。一部の信号光は大フォトダイオードＰＤ６に入るようになっている。同一平面偏奇型の場合、同一の絶縁基板上に幾つかの角型のチップを並べるようにできるから製造容易であるという利点がある。
【００１５】
いずれも同一方向に大小のフォトダイオードを並べたもので同一の信号を受光するものである。大小のフォトダイオードを絶縁基板によって固定する。それによって相互の位置関係が決定される。
【００１６】
レンズから出た光を空間伝搬させることによって、小フォトダイオードと大フォトダイオードで分配する。それはどうして可能か？ということをここでは問題にする。
【００１７】
レンズが収差のない高品質のものであると、小フォトダイオード受光面に集光点を合わせると漏れがなく大フォトダイオードへ光が入らない。光ファイバのコア径を例えば１０μｍとし、小フォトダイオードの受光部径を５０μｍとすると、レンズの倍率を１／５として、ファイバ端の像を５倍に拡大して小フォトダイオードの受光面に投影すると、全ての光は小フォトダイオードに吸収されてしまう。
【００１８】
それでは困るので、集光点を小フォトダイオードの受光部より前後にずらす。前後にずらすと、一部の光が漏れて大フォトダイオードに入射する。集光点が前後にずれると小フォトダイオードの受光面で光は収束しないが、それでも光量検出は正確に行なうことができる。
【００１９】
或いは集光点を小フォトダイオードの受光部の前後にずらすと共に左右にもずらせることもできる。多少受光部からずれていても小フォトダイオードは光信号を検出できる。
【００２０】
レンズが球レンズのように安価で収差の大きいものであると、光線の角度によって集光点が違うので一層本発明には適するようになる。近軸光線はより遠くで集光し遠軸光線はより近くで収束する。ビームの直径はどこでも０とならない。最小錯乱円より小さくならない。最小錯乱円より遠く或いは近くに小フォトダイオードの受光部を設定すると、一部の光が大フォトダイオードに入るようにできる。
【００２１】
前述の特許文献１も、周辺ｐ電極とｎ電極に逆バイアスを与える電源とｐ電極、ｎ電極を繋ぐ経路の光電流を測定すれば平均光量が分かる筈であるが、特許文献１の場合は、周辺の僅かな空間にｐ領域を作りｐ電極を設けるので、受光部面積を大きくできない。周辺部のｐ領域に入る光量は極微弱である。従って平均の光電流＜Ｊ（ｔ）＞を正確に求めることができない。本発明の場合は、大フォトダイオードは別のフォトダイオードなので、受光部面積を大きくできる。漏れ光を広い範囲で拾うので、平均値をより精度良く検出できる。
【００２２】
また大フォトダイオードの電極は、小フォトダイオードの電極と絶縁され独立であるから、平均値電流を使って小フォトダイオードの増幅率を加減する場合に、回路構成の自由度が高くなる。
【発明の効果】
【００２３】
寸法、受光部の面積の異なる大小のフォトダイオードを受光部を同じ方向に向け近接して設け、レンズで集光した光の一部が大フォトダイオードと小フォトダイオードに入るようにしているので、小フォトダイオードによって高速の光信号そのものを検出する事ができるし、大フォトダイオードによって光信号の存在或いは、その平均パワーを検出することができる。
【００２４】
光信号の存在非存在は、大フォトダイオードに光電流が流れているかいないかによって検出できる。平均パワー＜Ｊ（ｔ）＞を得るには大フォトダイオードに続いて積分作用を持つ回路を用いて光信号の平均を求めればよい。平均パワー＜Ｊ（ｔ）＞が小さい場合は、小フォトダイオードの後段の増幅器のゲインを増強する。平均パワー＜Ｊ（ｔ）＞が大きい場合は、小フォトダイオードの後段の増幅器のゲインを下げるようにする。
【００２５】
同じパッケージの中に大小フォトダイオードを収容することができるから、二つ分のフォトダイオードモジュールよりも寸法、容積が小さくなる。レンズで集光した漏れ分を大フォトダイオードで受けるようにするから、光分波器、分岐光導波路などは不要である。分岐した光をそれぞれのフォトダイオードへ与えるための光ファイバを引き回す必要もない。
【実施例１】
【００２６】
［実施例１（上下２型；図９〜図１３）］
ｎ型基板の上に、バッファ層、受光層、窓層などをエピタキシャル成長させる。これがエピタキシャルウエハ−である。エピタキシャルウエハ−の上に、所望のチップの寸法や形状に合わせてｐ領域を形成する。ｐ領域の上にｐ電極を、ｎ型基板の底にｎ電極を形成する。必要であれば、パッシベーション膜や反射防止膜等も形成する。エピタキシャルウエハ−に電極や反射防止膜などを形成したウエハ−をプロセスウエハ−と仮に呼ぶ。一枚のエピタキシャルウエハ−の上に全て同じデバイスの単位を作るのではなくて、複数種類の異なるチップ単位を作製する。
【００２７】
図９のように、そのような複数種類の異なるチップ単位を含むプロセスウエハ−から、異なる寸法のフォトダイオード用結晶を切り出す。これを小フォトダイオードチップＰＤ１、大フォトダイオードチップＰＤ２と呼ぶ。簡単に小チップＰＤ１、大チップＰＤ２とも呼ぶ。小チップＰＤ１は、高速の光通信信号を受信できるように小型でありｐｎ接合も狭く受光部径も狭い。大チップＰＤ２は、同じ信号を受けるがその平均のパワーを感受する。大チップＰＤ２は光通信信号が存在するか非存在であるかということを監視できる。或いは平均のパワーがどれだけかというようなことを調べるために利用する。チップには、ＡｕＺｎ、ＡｕＧｅＮｉ等の電極金属が形成されている。
【００２８】
受光部は小チップＰＤ１については中央部に存在する。しかし大チップの場合は必ずしも受光部は中央部になくてもよく、光を受け易いように、一方に片寄って受光部を形成するというようなこともできる。
【００２９】
図９は、寸法の異なるフォトダイオード用のチップＰＤ１、ＰＤ２を切り出した状態を示す。ＰＤ２、ＰＤ１はｎ型基板、受光層、ｐ領域、ｎ電極、ｐ電極等を含むものである。ｎ電極、ｐ電極に付けるための金の電極を作る。
【００３０】
これは図１０のように、二つのチップのｎ電極、ｐ電極につける金電極である。底面電極と上面電極というように区別する。小チップＰＤ１のための底面電極８１はＰＤ１の底面のｎ電極に接合するものであり矩形状である。小チップＰＤ１のための上面電極７１は、上面のｐ領域に接合するものでコの字型である。大チップＰＤ２のための底面電極８２は、チップＰＤ２のサイズに合わせた矩形（または正方形）である。大チップＰＤ２のための上面電極７２はチップの外辺に沿ったコの字型をしている。いずれも金の薄片で作る。
【００３１】
図１１は金の電極８２、８１、７２を、大チップＰＤ２に組み付ける様子を示す。金（Ａｕ）錫（Ｓｎ）の共晶半田によって、ＰＤ２の底面（ｎ電極）に底面電極８２を貼り合わせる。小さくて薄く、電極の熱容量は小さい。半田ごてで付けるのは難しい。電極にＡｕとＳｎの共晶半田を蒸着しておき、チップに密着させ加熱して半田を溶かし冷却して半田付けする。ＰＤ２の上面にはコの字型の上面電極７２と、ＰＤ１の底面電極８１をＡｕとＳｎの共晶半田で貼り付ける。上面電極７２がＰＤ２のアノード（ｐ電極）となる。底面電極８２がＰＤ２のカソード（ｎ電極）となる。ＰＤ２の上面の前端中央の一部はＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁膜で被覆される。絶縁膜の上に先述のＰＤ１底面電極８１を貼り付ける。ＰＤ２の受光部（ｐ領域の部分）はそれを除くコの字型の部分に広く形成されている。
【００３２】
次に図１２のように、大チップＰＤ２の前端中央にある底面電極８１の上に小チップＰＤ１の底面をＡｕとＳｎの共晶半田で接合する。さらに小チップＰＤ１の上にコの字型の上面電極７１を半田で付ける。底面電極８１はＰＤ１のカソードに、上面電極７１はアノードとなる。
【００３３】
図１３は上下に張り合わされた小チップＰＤ１と大チップＰＤ２よりなる親子フォトダイオードの完成図を示す。大チップＰＤ２の上前端部に小チップＰＤ１が搭載されている。小チップＰＤ１の底面電極８１は、絶縁膜（ＳｉＯ２、ＳｉＮ膜）を介して大チップＰＤ２の上面に固着されている。大フォトダイオードＰＤ２のカソードは底面電極８２、アノードは上面電極７２となる。小フォトダイオードＰＤ１のカソードは底面電極８１に、アノードは上面電極７１となる。ＰＤ２、ＰＤ１のアノード、カソードは別個であり、それぞれは絶縁されている。この親子フォトダイオードは、レンズ系によって集光された信号光の集光点近くに置かれる小チップＰＤ１の受光面にレンズの集光点が来るようにする。
【００３４】
高速の光信号を小チップＰＤ１によって受光する。デフォーカス分の一部が大チップＰＤ２に入る。大チップは受光面が広いのでデフォーカス光を巧く集光できる。受光面が広くＣＲが大きいので感度は良いが応答速度は遅い。大チップＰＤ２は信号光を取るというのではなくて、光信号の存在非存在の検出、或いは、平均光を検知するのに向いている。平均値を求める場合には、ＰＤ２の後段に平均化回路を設けるようにする。光信号をＪ（ｔ）とすると、小チップＰＤ１の出力はＪ（ｔ）で、大チップＰＤ２の検知するべき出力は＜Ｊ（ｔ）＞である。
【００３５】
図２８に光受信モジュールの全体の構造の斜視図を示し、図２９にその内部構造の断面図を示す。光ファイバ５９の先端を光ファイバ固定金具６０によって固定する。光ファイバ固定金具６０は円筒形のスリーブの開口部の上面に溶接される。円筒形のスリーブ６１の下端は、円盤状のステム６３の上に溶接される。ステム６３の上には小フォトダイオードＰＤ１と大フォトダイオードＰＤ２が上下に並んでマウントされる。ステム６３の上面には円筒形のレンズホルダ−６２が溶接される。レンズホルダ−６２は中央開口部にレンズ９を保持する。ステム６３の下面からリードピン６４、６５、６６、６７が下向きに突出している。光ファイバ５９の先端６８から信号光が出る。それがレンズ９によって絞られる。一部は小フォトダイオードＰＤ１に入り一部は大フォトダイオードＰＤ２に入る。
【実施例２】
【００３６】
［実施例２（同心円型；図１４〜図２０）］
大チップと小チップを大小の同心円に配置することもできる。その場合はチップを円板状、円筒状に成形する。同じエピタキシャルウエハ−の上に大チップ、小チップに相応しい構造を持つユニットを作製し、これをチップに分離し円形に成形する。
【００３７】
元のエピウエハ−は、ｎ型基板、受光層、窓層、ｐ領域などを含む。ｎ型基板と受光層の間にバッファ層を介在させることもある。チップの形状に合わせて適当な形状のｐ領域を設ける。更にｐ、ｎ電極も設ける。上面入射型のフォトダイオードであるから、ｐ電極をｐ領域の上方にリング状または小さいドット状に設ける。ｎ電極はｎ型基板の底面に広く形成される。ｐ領域、電極はチップ形状に合わせて設計される。
【００３８】
図１４のように、角型の大チップＣＰ４、小チップＣＰ３を電極を設けたウエハ−から切り取る。角型の大チップＣＰ４、小チップＣＰ３を一部にマスクをしてエッチングし、穴開き円筒形の大チップＰＤ４、円形の小チップＰＤ３とする。
図１５に穴開き円筒形の大チップＰＤ４、円形の小チップＰＤ３を示す。
【００３９】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁基板５４を準備する。図１６のように絶縁基板５４の上に金のパターンを蒸着し電極を形成する。小チップ用の底面電極８３と大チップ用の底面電極８４を同心円状に設ける。二つのチップの電極の間には隙間があって相互に絶縁されている。
【００４０】
図１７のように金で上面電極を作る。小チップ用の上面電極７３は小さい直径のリング状である。大チップ用の上面電極７４は一部が欠けたリング状である。その他に中継電極９３も予め作製しておく。
【００４１】
図１８のように絶縁基板５４の小チップ用の底面電極８３の上に小チップＰＤ３を、大チップ用のリング状底面電極８４の上に大チップＰＤ４をＡｕとＳｎの共晶半田によって貼り合わせる。絶縁基板５４に同心状に大チップＰＤ４、小チップＰＤ３が貼り付けられた状態になる。
【００４２】
図１９のように、小チップＰＤ３の上にリング状の上面電極７３を貼り付ける。大チップＰＤ４の上にリング状の上面電極７４を貼り付ける。また中継電極９３を大チップＰＤ４の上に貼り付ける。図２０が完成した状態を示す斜視図である。
絶縁基板５４の上に、大フォトダイオードＰＤ４と、その穴に入るように小フォトダイオードＰＤ３が固定される。小フォトダイオードＰＤ３の上面電極７３と中継電極９３とはワイヤ９４で接続されている。大フォトダイオードＰＤ４はアノード７４、カソード８４を持つ。小フォトダイオードＰＤ３はアノード９３、カソード８３を持つ。大、小フォトダイオードのアノード、カソードは相互に絶縁される。
【００４３】
これによって図６に基本形を示した複合フォトダイオードを得る。これも狭い受光部を持つ小チップＰＤ３が高速の光信号を受信し、広い受光部を持つ大チップＰＤ４が感度良く且つ広く漏れ光を集めるようにできる。大チップは光信号の平均のパワーを検出することができる。同心状で同一平面上に大小フォトダイオードＰＤ４、ＰＤ３を並べているので、ＰＤ４の受光面をＰＤ３が遮らないという利点がある。また上下に伸びないから、よりコンパクトにできて有利である。対称性良く受光できるから、光の偏奇を正しく検出することもできる。
【００４４】
図２８に光受信モジュールの全体の構造の斜視図を示し、図３０にその内部構造の断面図を示す。光ファイバ５９の先端を光ファイバ固定金具６０によって固定する。光ファイバ固定金具６０は円筒形のスリーブの開口部の上面に溶接される。円筒形のスリーブ６１の下端は、円盤状のステム６３の上に溶接される。ステム６３の上には小フォトダイオードＰＤ３と大フォトダイオードＰＤ４が内外に並んでマウントされる。ステム６３の上面には円筒形のレンズホルダ−６２が溶接される。レンズホルダ−６２は中央開口部にレンズ９を保持する。ステム６３の下面からリードピン６４、６５、６６、６７が下向きに突出している。光ファイバ５９の先端６８から信号光が出る。それがレンズ９によって絞られる。一部は小フォトダイオードＰＤ３に入り一部は大フォトダイオードＰＤ４に入る。
【実施例３】
【００４５】
［実施例３（同一平面偏奇型：図２１〜２７）］
図７、図８の基本形に対応するものである。Ｌ字型のフォトダイオードを作ることはできるが、ここではＬ字型大チップを三つの分割チップで構成した例を示す。図２１に示すように、エピタキシャルウエハ−にｐ領域、ｐ電極、ｎ電極を設けたプロセスウエハ−から、四つのチップＰＤ５、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９を切り取る。このうちＰＤ７〜ＰＤ９は、三つでＬ字型大チップを等価的に構成する。図２２のように絶縁基板５６の上に、小チップ用の底面電極８５と大チップ用の底面電極８６を設ける。金の電極８５、８６を金と錫の共晶半田で貼り合わせる。チップＰＤ５、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の為の上面電極７５、７７、７８、７９を金の薄片で作製する。
【００４６】
図２３のように底面電極８５に小チップＰＤ５をＡｕとＳｎの共晶半田で貼り付ける。Ｌ字型底面電極８６にＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９を貼り付ける。貼り付けた状態の平面図が図２４である。ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９は同等であって、三つで大チップの変わりとなる。図２５のように金の薄片である上面電極７５、７７、７８、７９をＰＤ５、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の上に貼り付ける。図２６は上面電極を貼り付けた状態の斜視図である。更に図２７のように、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の上面電極７７、７８、７９同士をワイヤ９７、９８によって結合する。上面電極７５、底面電極８５が小フォトダイオードＰＤ５のアノード、カソードとなる。上面電極７７、７８、７９、底面電極８６が大フォトダイオードのアノード、カソードとなる。フォトダイオードのカソード、アノードは別個であり独立している。
【００４７】
図２８に光受信モジュールの全体の構造の斜視図を示し、図３１にその内部構造の断面図を示す。光ファイバ５９の先端を光ファイバ固定金具６０によって固定する。光ファイバ固定金具６０は円筒形のスリーブの開口部の上面に溶接される。円筒形のスリーブ６１の下端は、円盤状のステム６３の上に溶接される。ステム６３の上には小フォトダイオードＰＤ５と大フォトダイオードＰＤ７、８、９が同一平面状偏奇し並んでマウントされる。ステム６３の上面には円筒形のレンズホルダ−６２が溶接される。レンズホルダ−６２は中央開口部にレンズ９を保持する。ステム６３の下面からリードピン６４、６５、６６、６７が下向きに突出している。光ファイバ５９の先端６８から信号光が出る。それがレンズ９によって絞られる。一部は小フォトダイオードＰＤ５に入り一部は大フォトダイオードＰＤ７，８，９に入る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】特開２０００−１２８８９に従来例として記載されたフォトダイオードの断面図。
【００４９】
【図２】特開２０００−１２８８９に実施例として記載されたフォトダイオードの断面図。
【００５０】
【図３】光信号をレンズによって集光し集光部の近傍に小フォトダイオードと大フォトダイオードを上下に配置した上下型の本発明の一例を示す概略断面図。
【００５１】
【図４】光信号をレンズによって集光し集光部の近傍に、円環状の大フォトダイオードと、その中央穴に円形の小フォトダイオードを配置した同心型の本発明の一例を示す概略断面図。
【００５２】
【図５】大フォトダイオードの上方に小フォトダイオードを設けた上下型の本発明の一例を示す斜視図。
【００５３】
【図６】円環状の大フォトダイオードの内部穴に小フォトダイオードを設けた同心型の本発明の一例を示す概略斜視図。
【００５４】
【図７】Ｌ字型の大フォトダイオードとその一隅に設けられる小フォトダイオードとよりなる偏奇同一平面型の本発明の一例を示す概略斜視図。
【００５５】
【図８】Ｌ字型の大フォトダイオードとその一隅に設けられる小フォトダイオードとよりなる偏奇同一平面型の場合の、レンズによって光信号を小フォトダイオードに集光し、一部が大フォトダイオードへ入る様子を示す本発明の一例の概略斜視図。
【００５６】
【図９】上下型のデバイスを作製するためにプロセスウエハ−から寸法の相違する二つの矩形フォトダイオードチップを切り出した状態の斜視図。
【００５７】
【図１０】二つの寸法の異なる矩形チップの底面電極、上面電極を金によって作製した状態を示す平面図。
【００５８】
【図１１】矩形の大チップの下に底面電極を、上に上面電極を貼り付ける直前の様子を示す斜視図。
【００５９】
【図１２】底面電極と上面電極を貼りつけた矩形大チップと小チップの底面電極の上に小チップを固定する直前の状態を示す斜視図。
【００６０】
【図１３】大チップの上面電極の上に小チップを貼り付け上下型のデバイスを完成した状態を示す斜視図。
【００６１】
【図１４】同心型のデバイスを作製するために矩形大チップと、矩形小チップをプロセスウエハ−から切り出した状態を示す斜視図。
【００６２】
【図１５】矩形大チップ、矩形小チップにマスクを形成しエッチングすることによって円環状大チップと、円形の小チップにした状態を示す斜視図。
【００６３】
【図１６】窒化アルミ基板の上に、円環状の大チップ用底面電極と、円形の小チップ用底面電極を同心状に形成した様子を示す基板の斜視図。
【００６４】
【図１７】円環状大チップのための上面電極７４、円形小チップのための上面電極７３、中継電極９３を金によって作製した状態を示す平面図。
【００６５】
【図１８】底面電極８３、８４を設けた窒化アルミ基板に円環状の大チップと円形の小チップを貼り付ける直前の状態を示す斜視図。
【００６６】
【図１９】底面電極８３、８４を設けた窒化アルミ基板に円環状の大チップと円形の小チップを貼り付け、その上に上面電極７３、７４及び中継電極９３を貼り付ける直前の状態を示す斜視図。
【００６７】
【図２０】底面電極８３、８４を設けた窒化アルミ基板に円環状の大チップと円形の小チップを貼り付け、その上に上面電極７３、７４及び中継電極９３を貼り付け、上面電極７３と中継電極９３をワイヤ９４で接続してデバイスを完成した状態の斜視図。
【００６８】
【図２１】プロセスウエハ−から四つのフォトダイオードチップを切り出した状態を示す斜視図。
【００６９】
【図２２】絶縁基板５６の上に大フォトダイオード用のＬ字型底面電極８６と、その空隙の一隅に設けた小フォトダイオード用の底面電極８５とを貼り付け、三つの大フォトダイオードを構成するチップ用の上面電極７７、７８、７９と、小チップ用の上面電極７５を作製した状態を示す斜視図。
【００７０】
【図２３】大小の底面電極を張り付けた絶縁基板５６の、大底面電極の上に三つの大フォトダイオード用のチップＰＤ７〜ＰＤ９を、小底面電極ＰＤ５の上に小チップを貼り付ける直前の状態を示す斜視図。
【００７１】
【図２４】大小の底面電極を貼り付けた絶縁基板５６の、大底面電極の上に三つの大フォトダイオード用のチップＰＤ７〜ＰＤ９を、小底面電極の上に小チップＰＤ５を貼り付けた状態を示す平面図。
【００７２】
【図２５】絶縁基板５６に貼り付けた大フォトダイオード用の三つのチップＰＤ７〜ＰＤ９と、小チップＰＤ５の上に上面電極７５、７７、７８、７９を貼り付ける直前の様子を示す斜視図。
【００７３】
【図２６】大底面電極と小底面電極を設けた絶縁基板５６に貼り付けた大フォトダイオード用の三つのチップＰＤ７〜ＰＤ９と、小チップＰＤ５の上に上面電極７５、７７、７８、７９を貼り付けたものを示す斜視図。
【００７４】
【図２７】三つの大フォトダイオード用チップの上面電極７７、７８、７９をワイヤ９７、９８で結合しデバイスを完成させたものを示す斜視図。
【００７５】
【図２８】大フォトダイオードと小フォトダイオードを組み合わせた本発明の実施例に係る光受信モジュール全体の斜視図。
【００７６】
【図２９】大フォトダイオードの上に小フォトダイオードを乗せた上下型の本発明の実施例１に係る光受信モジュールの縦断面図。
【００７７】
【図３０】大フォトダイオードの内部に小フォトダイオードを付けた同心円型の本発明の実施例２に係る光受信モジュールの縦断面図。
【００７８】
【図３１】Ｌ型に並べた３つのフォトダイオードからなる大フォトダイオードの隅部に小フォトダイオードを付けた同一平面偏奇型の本発明の実施例３に係る光受信モジュールの縦断面図。
【符号の説明】
【００７９】
ＰＤ１ 小フォトダイオード
ＰＤ２ 大フォトダイオード
ＰＤ３ 小フォトダイオード
ＰＤ４ 大フォトダイオード
ＰＤ５ 小フォトダイオード
ＰＤ６ 大フォトダイオード
ＰＤ７〜ＰＤ９ 大フォトダイオードの一部を構成するフォトダイオード
ＣＰ３ 小チップ
ＣＰ４ 大チップ
１ ｎ型基板
２ 受光層
３ ｐ領域
４ ｐｎ接合
６ 空乏層
７ ｐ電極
８ ｎ電極
９ レンズ
１３ ｐ領域
１４ ｐｎ接合
１６ 空乏層
２１〜２６ 受光部
３２ 間隙
３４ 間隙
５４ 絶縁基板
５６ 絶縁基板
５９ 光ファイバ
６０ 光ファイバ固定金具
６１ スリーブ
６２ レンズホルダ−
６３ ステム
６４ リードピン
６５ リードピン
６６ リードピン
６７ リードピン
６８ 光ファイバの先端
７１ ＰＤ１の上面電極
７２ ＰＤ２の上面電極
７３ ＰＤ３の上面電極
７４ ＰＤ４の上面電極
７５ ＰＤ５の上面電極
７７ ＰＤ７の上面電極
７８ ＰＤ８の上面電極
７９ ＰＤ９の上面電極
８１ ＰＤ１の底面電極
８２ ＰＤ２の底面電極
８３ ＰＤ３の底面電極
８４ ＰＤ４の底面電極
８５ ＰＤ５の底面電極
８６ ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の底面電極
９７、９８ ワイヤ
【技術分野】
【０００１】
例えば受光パワーが間欠的に変化するバースト信号と、信号の平均のパワーを検出したいというような場合がある。一方の信号を通信そのものに使い、他方の信号を平均し受光パワーの平均の変動を求め、後段の増幅器のゲイン調整に利用するというようなことがある。そのように同じ信号を二つの受光素子で受光し、異なる処理をする場合に、一つの信号を二つの受光モジュールで受けるようにすると、光を分配するための光分波器、光導波路などが必要になる。光を効率よく受光素子に当てるためのレンズも二つ必要になる。パッケージも二つ要る。受光素子とレンズの間の調芯も二つのモジュールについて必要である。構造が複雑でデバイスのサイズが肥大化し製造コストが上がる。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の図１は通常のフォトダイオードの構造を示す。ｎ型基板１の上にｎ型受光層２を設け、ｎ型受光層の中間部にｐ型不純物を拡散してｐ領域３を作り、受光層２にｐｎ接合４を形成し、ｐ領域３にはｐ電極７を、ｎ型基板１にはｎ電極８を設けている。受光部はｐｎ接合４の存在する部分である。裏面が閉ざされているので上面入射型である。上面入射型で光信号はレンズで絞ってフォトダイオードの受光部に上方から入力する。ｐｎ接合４の存在する部分に入った光は空乏層６で電子正孔対を発生する。アノード（ｐ電極７）とカソード（ｎ電極８）の間には逆バイアスが掛かっている。逆バイアスのため電子ｅはｎ型基板１の方へ引き寄せられる。正孔ｈはｐｎ接合４からｐ領域３へと引き寄せられる。正孔ｈがｐ領域３に入ると光電流が流れる。上面から光が入るのでｐ電極はリング状か小さいドット状の電極とする。ｎ電極は広い底面電極となっている。
【０００３】
レンズで集光するのであるが、一部の光が受光部から逸れてチップの外周部（ｎ型）に入る場合もある。外周部でも電子正孔対ができる。そのうち少数キャリヤである正孔ｈが問題である。外周部にはバイアスが掛かっていないので正孔の動きが鈍い。濃度差によって正孔ｈがゆっくりと移動し、中央のｐｎ接合４を越えてｐ領域３に入る。そのときに光電流が流れる。初めの光信号が入ったときからかなり遅れてその光電流が流れる。そのため受信パルス信号が裾を引く事になる。それは受信信号を歪ませるので好ましくない。
【０００４】
そこで特許文献１は、周辺部にもリング状のｐ領域を形成して、周辺部のｐｎ接合に正孔を引き寄せるような構造を持つフォトダイオードを提案している。図２の断面図において、周辺部のｐ領域１３を形成するのである。周辺ｐｎ接合１４ができる。周辺部のｐ領域を拡散遮蔽層と呼んでいる。特許文献１は周辺部ｐ領域１３にｐ電極１７を設けており、底部のｎ電極８とｐ電極１７の間に別の電源を用いて逆バイアスしている。
【０００５】
これは信号検出でなく、周辺光によるノイズ除去のためのｐ電極１７であり、周辺光ノイズ除去用電源である。周辺光ノイズ除去用電源によって周辺ｐｎ接合１４に電界が発生する。周辺に入った光によってできた電子正孔対のうち、正孔ｈは逆バイアスによる電界によってｐｎ接合１４の方へ引き寄せられる。正孔ｈはｐ領域１３に入って消滅する。それによってｐ電極１７、底部ｎ電極８の間に電流が流れる。この光電流は中央のｐ電極７を通らない。よって周辺光は光信号（中央ｐ電極７を通る）から分離される。光信号の歪み（裾引き）を防ぐことができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２８８９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えばパワーが間欠的に変化するバースト信号などの検出に使用するフォトダイオードの場合、受光パワーが予め分からないとか受光パワーが変動するとかいうことがある。受光パワーの平均値を知ってゲイン（増幅率）を調整したいということもある。そのためには同じ信号に対して二つのフォトダイオードを設ける必要がある。高速の光信号Ｊ（ｔ）を歪みなくそのまま検出する高速信号用のフォトダイオードと、平均値＜Ｊ（ｔ）＞を検出する平均値用の低速フォトダイオードを設けるということになる。
【０００８】
すると、フォトダイオードのパッケージも二つ必要である。二つのフォトダイオードへ同一の信号光を導入するには、光を二つに分岐する光分波器や分岐光導波路が必要となる。また光ファイバなどによって二つの光を独立のフォトダイオードへ導く必要もある。一つのフォトダイオードだけを用いる場合の約２倍の構成要素が必要になり構造が複雑になってしまう。
【０００９】
高速用フォトダイオードと低速用フォトダイオードを持ちながら光分波器、分岐導波路などを不要とし、ファイバで信号光を引き回す必要のない簡単な構造であって、異なる二つの用途、異なる二つの速度の信号の検出に用いることができるデバイスを提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
それぞれが独立し絶縁されたカソード、アノード電極を持ち、受光部が狭く寸法の小さい小フォトダイオードと、受光部が広く寸法の大きいフォトダイオードを、受光部が同じ方向を向くように近傍に設け、レンズによって光を小フォトダイオードの近くに集光し、大フォトダイオードにも一部が入るようにしている。大フォトダイオードの上方に小フォトダイオードを設けることができる（上下型）。図３は上下に小フォトダイオードＰＤ１と大フォトダイオードＰＤ２を配置した上下型の例を示す断面図である。
【００１１】
図５は同じものの斜視図である。小フォトダイオードＰＤ１は狭い受光部２１を持つ。レンズ９によって光信号を絞るが、集光点は小フォトダイオードＰＤ１の受光部２１の近くに合わせてある。大フォトダイオードＰＤ２は寸法が大きく受光部２２も広い。大フォトダイオードＰＤ２と小フォトダイオードＰＤ１の間には空隙３２がある。これは絶縁のためである。レンズ９によって光信号は小フォトダイオードに入るよう導かれるが一部の光は大フォトダイオードＰＤ２に入る。
【００１２】
小フォトダイオードは狭い受光部を持ち容量抵抗積である時定数ＣＲも小さいので、高速信号Ｊ（ｔ）を歪みなく受信する。大フォトダイオードは応答速度は遅いが広い受光部を持ち、レンズで絞られた光の一部の漏れ光を感度良く受光できる。後段に積分回路などを設けて信号の平均値＜Ｊ（ｔ）＞を検出できる。それによって小フォトダイオードの後段のゲイン調整をすることができる。上下型の場合、小チップを大チップの上に載せるので面積を節減できる。いずれも角型のチップを用いることができるので製造容易である。
【００１３】
円環状の大フォトダイオードの内部穴に、円形の小フォトダイオードを同心円状に設けるものも可能である。図４は同心型を示す断面図である。図６は同心型のものの斜視図である。円環状大フォトダイオードＰＤ４の穴に、円形状の小フォトダイオードＰＤ３を設けたものである。小フォトダイオードＰＤ３は狭い受光部２３を持つ。大フォトダイオードＰＤ４は円環状の広い受光部２４を備える。大小フォトダイオードＰＤ３、ＰＤ４の間には間隙３４がある。レンズ９によって信号光が主に小フォトダイオードＰＤ３の受光部２３に入るようにする。一部は漏れて大フォトダイオードＰＤ４の受光部２４に入る。同心円状の場合は円筒対称性があるので、レンズによって絞られた光の偏奇を検出することもできる。
【００１４】
矩形の３偶を持つ大フォトダイオードと、矩形の一偶を小フォトダイオードとする（同一平面偏奇型）のも可能である。図７はそのような偏奇型のフォトダイオードの斜視図を示す。Ｌ字型の大フォトダイオードＰＤ６は、Ｌ字型の広い受光部２６を持っている。一隅に狭い受光部２５を持つ小フォトダイオードＰＤ５が設けられる。間隙３６によって小フォトダイオードＰＤ５は大フォトダイオードＰＤ６から隔てられる。図８は信号光をレンズ９によって絞った様子を示す。大部分の信号光は小フォトダイオードに入る。一部の信号光は大フォトダイオードＰＤ６に入るようになっている。同一平面偏奇型の場合、同一の絶縁基板上に幾つかの角型のチップを並べるようにできるから製造容易であるという利点がある。
【００１５】
いずれも同一方向に大小のフォトダイオードを並べたもので同一の信号を受光するものである。大小のフォトダイオードを絶縁基板によって固定する。それによって相互の位置関係が決定される。
【００１６】
レンズから出た光を空間伝搬させることによって、小フォトダイオードと大フォトダイオードで分配する。それはどうして可能か？ということをここでは問題にする。
【００１７】
レンズが収差のない高品質のものであると、小フォトダイオード受光面に集光点を合わせると漏れがなく大フォトダイオードへ光が入らない。光ファイバのコア径を例えば１０μｍとし、小フォトダイオードの受光部径を５０μｍとすると、レンズの倍率を１／５として、ファイバ端の像を５倍に拡大して小フォトダイオードの受光面に投影すると、全ての光は小フォトダイオードに吸収されてしまう。
【００１８】
それでは困るので、集光点を小フォトダイオードの受光部より前後にずらす。前後にずらすと、一部の光が漏れて大フォトダイオードに入射する。集光点が前後にずれると小フォトダイオードの受光面で光は収束しないが、それでも光量検出は正確に行なうことができる。
【００１９】
或いは集光点を小フォトダイオードの受光部の前後にずらすと共に左右にもずらせることもできる。多少受光部からずれていても小フォトダイオードは光信号を検出できる。
【００２０】
レンズが球レンズのように安価で収差の大きいものであると、光線の角度によって集光点が違うので一層本発明には適するようになる。近軸光線はより遠くで集光し遠軸光線はより近くで収束する。ビームの直径はどこでも０とならない。最小錯乱円より小さくならない。最小錯乱円より遠く或いは近くに小フォトダイオードの受光部を設定すると、一部の光が大フォトダイオードに入るようにできる。
【００２１】
前述の特許文献１も、周辺ｐ電極とｎ電極に逆バイアスを与える電源とｐ電極、ｎ電極を繋ぐ経路の光電流を測定すれば平均光量が分かる筈であるが、特許文献１の場合は、周辺の僅かな空間にｐ領域を作りｐ電極を設けるので、受光部面積を大きくできない。周辺部のｐ領域に入る光量は極微弱である。従って平均の光電流＜Ｊ（ｔ）＞を正確に求めることができない。本発明の場合は、大フォトダイオードは別のフォトダイオードなので、受光部面積を大きくできる。漏れ光を広い範囲で拾うので、平均値をより精度良く検出できる。
【００２２】
また大フォトダイオードの電極は、小フォトダイオードの電極と絶縁され独立であるから、平均値電流を使って小フォトダイオードの増幅率を加減する場合に、回路構成の自由度が高くなる。
【発明の効果】
【００２３】
寸法、受光部の面積の異なる大小のフォトダイオードを受光部を同じ方向に向け近接して設け、レンズで集光した光の一部が大フォトダイオードと小フォトダイオードに入るようにしているので、小フォトダイオードによって高速の光信号そのものを検出する事ができるし、大フォトダイオードによって光信号の存在或いは、その平均パワーを検出することができる。
【００２４】
光信号の存在非存在は、大フォトダイオードに光電流が流れているかいないかによって検出できる。平均パワー＜Ｊ（ｔ）＞を得るには大フォトダイオードに続いて積分作用を持つ回路を用いて光信号の平均を求めればよい。平均パワー＜Ｊ（ｔ）＞が小さい場合は、小フォトダイオードの後段の増幅器のゲインを増強する。平均パワー＜Ｊ（ｔ）＞が大きい場合は、小フォトダイオードの後段の増幅器のゲインを下げるようにする。
【００２５】
同じパッケージの中に大小フォトダイオードを収容することができるから、二つ分のフォトダイオードモジュールよりも寸法、容積が小さくなる。レンズで集光した漏れ分を大フォトダイオードで受けるようにするから、光分波器、分岐光導波路などは不要である。分岐した光をそれぞれのフォトダイオードへ与えるための光ファイバを引き回す必要もない。
【実施例１】
【００２６】
［実施例１（上下２型；図９〜図１３）］
ｎ型基板の上に、バッファ層、受光層、窓層などをエピタキシャル成長させる。これがエピタキシャルウエハ−である。エピタキシャルウエハ−の上に、所望のチップの寸法や形状に合わせてｐ領域を形成する。ｐ領域の上にｐ電極を、ｎ型基板の底にｎ電極を形成する。必要であれば、パッシベーション膜や反射防止膜等も形成する。エピタキシャルウエハ−に電極や反射防止膜などを形成したウエハ−をプロセスウエハ−と仮に呼ぶ。一枚のエピタキシャルウエハ−の上に全て同じデバイスの単位を作るのではなくて、複数種類の異なるチップ単位を作製する。
【００２７】
図９のように、そのような複数種類の異なるチップ単位を含むプロセスウエハ−から、異なる寸法のフォトダイオード用結晶を切り出す。これを小フォトダイオードチップＰＤ１、大フォトダイオードチップＰＤ２と呼ぶ。簡単に小チップＰＤ１、大チップＰＤ２とも呼ぶ。小チップＰＤ１は、高速の光通信信号を受信できるように小型でありｐｎ接合も狭く受光部径も狭い。大チップＰＤ２は、同じ信号を受けるがその平均のパワーを感受する。大チップＰＤ２は光通信信号が存在するか非存在であるかということを監視できる。或いは平均のパワーがどれだけかというようなことを調べるために利用する。チップには、ＡｕＺｎ、ＡｕＧｅＮｉ等の電極金属が形成されている。
【００２８】
受光部は小チップＰＤ１については中央部に存在する。しかし大チップの場合は必ずしも受光部は中央部になくてもよく、光を受け易いように、一方に片寄って受光部を形成するというようなこともできる。
【００２９】
図９は、寸法の異なるフォトダイオード用のチップＰＤ１、ＰＤ２を切り出した状態を示す。ＰＤ２、ＰＤ１はｎ型基板、受光層、ｐ領域、ｎ電極、ｐ電極等を含むものである。ｎ電極、ｐ電極に付けるための金の電極を作る。
【００３０】
これは図１０のように、二つのチップのｎ電極、ｐ電極につける金電極である。底面電極と上面電極というように区別する。小チップＰＤ１のための底面電極８１はＰＤ１の底面のｎ電極に接合するものであり矩形状である。小チップＰＤ１のための上面電極７１は、上面のｐ領域に接合するものでコの字型である。大チップＰＤ２のための底面電極８２は、チップＰＤ２のサイズに合わせた矩形（または正方形）である。大チップＰＤ２のための上面電極７２はチップの外辺に沿ったコの字型をしている。いずれも金の薄片で作る。
【００３１】
図１１は金の電極８２、８１、７２を、大チップＰＤ２に組み付ける様子を示す。金（Ａｕ）錫（Ｓｎ）の共晶半田によって、ＰＤ２の底面（ｎ電極）に底面電極８２を貼り合わせる。小さくて薄く、電極の熱容量は小さい。半田ごてで付けるのは難しい。電極にＡｕとＳｎの共晶半田を蒸着しておき、チップに密着させ加熱して半田を溶かし冷却して半田付けする。ＰＤ２の上面にはコの字型の上面電極７２と、ＰＤ１の底面電極８１をＡｕとＳｎの共晶半田で貼り付ける。上面電極７２がＰＤ２のアノード（ｐ電極）となる。底面電極８２がＰＤ２のカソード（ｎ電極）となる。ＰＤ２の上面の前端中央の一部はＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁膜で被覆される。絶縁膜の上に先述のＰＤ１底面電極８１を貼り付ける。ＰＤ２の受光部（ｐ領域の部分）はそれを除くコの字型の部分に広く形成されている。
【００３２】
次に図１２のように、大チップＰＤ２の前端中央にある底面電極８１の上に小チップＰＤ１の底面をＡｕとＳｎの共晶半田で接合する。さらに小チップＰＤ１の上にコの字型の上面電極７１を半田で付ける。底面電極８１はＰＤ１のカソードに、上面電極７１はアノードとなる。
【００３３】
図１３は上下に張り合わされた小チップＰＤ１と大チップＰＤ２よりなる親子フォトダイオードの完成図を示す。大チップＰＤ２の上前端部に小チップＰＤ１が搭載されている。小チップＰＤ１の底面電極８１は、絶縁膜（ＳｉＯ２、ＳｉＮ膜）を介して大チップＰＤ２の上面に固着されている。大フォトダイオードＰＤ２のカソードは底面電極８２、アノードは上面電極７２となる。小フォトダイオードＰＤ１のカソードは底面電極８１に、アノードは上面電極７１となる。ＰＤ２、ＰＤ１のアノード、カソードは別個であり、それぞれは絶縁されている。この親子フォトダイオードは、レンズ系によって集光された信号光の集光点近くに置かれる小チップＰＤ１の受光面にレンズの集光点が来るようにする。
【００３４】
高速の光信号を小チップＰＤ１によって受光する。デフォーカス分の一部が大チップＰＤ２に入る。大チップは受光面が広いのでデフォーカス光を巧く集光できる。受光面が広くＣＲが大きいので感度は良いが応答速度は遅い。大チップＰＤ２は信号光を取るというのではなくて、光信号の存在非存在の検出、或いは、平均光を検知するのに向いている。平均値を求める場合には、ＰＤ２の後段に平均化回路を設けるようにする。光信号をＪ（ｔ）とすると、小チップＰＤ１の出力はＪ（ｔ）で、大チップＰＤ２の検知するべき出力は＜Ｊ（ｔ）＞である。
【００３５】
図２８に光受信モジュールの全体の構造の斜視図を示し、図２９にその内部構造の断面図を示す。光ファイバ５９の先端を光ファイバ固定金具６０によって固定する。光ファイバ固定金具６０は円筒形のスリーブの開口部の上面に溶接される。円筒形のスリーブ６１の下端は、円盤状のステム６３の上に溶接される。ステム６３の上には小フォトダイオードＰＤ１と大フォトダイオードＰＤ２が上下に並んでマウントされる。ステム６３の上面には円筒形のレンズホルダ−６２が溶接される。レンズホルダ−６２は中央開口部にレンズ９を保持する。ステム６３の下面からリードピン６４、６５、６６、６７が下向きに突出している。光ファイバ５９の先端６８から信号光が出る。それがレンズ９によって絞られる。一部は小フォトダイオードＰＤ１に入り一部は大フォトダイオードＰＤ２に入る。
【実施例２】
【００３６】
［実施例２（同心円型；図１４〜図２０）］
大チップと小チップを大小の同心円に配置することもできる。その場合はチップを円板状、円筒状に成形する。同じエピタキシャルウエハ−の上に大チップ、小チップに相応しい構造を持つユニットを作製し、これをチップに分離し円形に成形する。
【００３７】
元のエピウエハ−は、ｎ型基板、受光層、窓層、ｐ領域などを含む。ｎ型基板と受光層の間にバッファ層を介在させることもある。チップの形状に合わせて適当な形状のｐ領域を設ける。更にｐ、ｎ電極も設ける。上面入射型のフォトダイオードであるから、ｐ電極をｐ領域の上方にリング状または小さいドット状に設ける。ｎ電極はｎ型基板の底面に広く形成される。ｐ領域、電極はチップ形状に合わせて設計される。
【００３８】
図１４のように、角型の大チップＣＰ４、小チップＣＰ３を電極を設けたウエハ−から切り取る。角型の大チップＣＰ４、小チップＣＰ３を一部にマスクをしてエッチングし、穴開き円筒形の大チップＰＤ４、円形の小チップＰＤ３とする。
図１５に穴開き円筒形の大チップＰＤ４、円形の小チップＰＤ３を示す。
【００３９】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁基板５４を準備する。図１６のように絶縁基板５４の上に金のパターンを蒸着し電極を形成する。小チップ用の底面電極８３と大チップ用の底面電極８４を同心円状に設ける。二つのチップの電極の間には隙間があって相互に絶縁されている。
【００４０】
図１７のように金で上面電極を作る。小チップ用の上面電極７３は小さい直径のリング状である。大チップ用の上面電極７４は一部が欠けたリング状である。その他に中継電極９３も予め作製しておく。
【００４１】
図１８のように絶縁基板５４の小チップ用の底面電極８３の上に小チップＰＤ３を、大チップ用のリング状底面電極８４の上に大チップＰＤ４をＡｕとＳｎの共晶半田によって貼り合わせる。絶縁基板５４に同心状に大チップＰＤ４、小チップＰＤ３が貼り付けられた状態になる。
【００４２】
図１９のように、小チップＰＤ３の上にリング状の上面電極７３を貼り付ける。大チップＰＤ４の上にリング状の上面電極７４を貼り付ける。また中継電極９３を大チップＰＤ４の上に貼り付ける。図２０が完成した状態を示す斜視図である。
絶縁基板５４の上に、大フォトダイオードＰＤ４と、その穴に入るように小フォトダイオードＰＤ３が固定される。小フォトダイオードＰＤ３の上面電極７３と中継電極９３とはワイヤ９４で接続されている。大フォトダイオードＰＤ４はアノード７４、カソード８４を持つ。小フォトダイオードＰＤ３はアノード９３、カソード８３を持つ。大、小フォトダイオードのアノード、カソードは相互に絶縁される。
【００４３】
これによって図６に基本形を示した複合フォトダイオードを得る。これも狭い受光部を持つ小チップＰＤ３が高速の光信号を受信し、広い受光部を持つ大チップＰＤ４が感度良く且つ広く漏れ光を集めるようにできる。大チップは光信号の平均のパワーを検出することができる。同心状で同一平面上に大小フォトダイオードＰＤ４、ＰＤ３を並べているので、ＰＤ４の受光面をＰＤ３が遮らないという利点がある。また上下に伸びないから、よりコンパクトにできて有利である。対称性良く受光できるから、光の偏奇を正しく検出することもできる。
【００４４】
図２８に光受信モジュールの全体の構造の斜視図を示し、図３０にその内部構造の断面図を示す。光ファイバ５９の先端を光ファイバ固定金具６０によって固定する。光ファイバ固定金具６０は円筒形のスリーブの開口部の上面に溶接される。円筒形のスリーブ６１の下端は、円盤状のステム６３の上に溶接される。ステム６３の上には小フォトダイオードＰＤ３と大フォトダイオードＰＤ４が内外に並んでマウントされる。ステム６３の上面には円筒形のレンズホルダ−６２が溶接される。レンズホルダ−６２は中央開口部にレンズ９を保持する。ステム６３の下面からリードピン６４、６５、６６、６７が下向きに突出している。光ファイバ５９の先端６８から信号光が出る。それがレンズ９によって絞られる。一部は小フォトダイオードＰＤ３に入り一部は大フォトダイオードＰＤ４に入る。
【実施例３】
【００４５】
［実施例３（同一平面偏奇型：図２１〜２７）］
図７、図８の基本形に対応するものである。Ｌ字型のフォトダイオードを作ることはできるが、ここではＬ字型大チップを三つの分割チップで構成した例を示す。図２１に示すように、エピタキシャルウエハ−にｐ領域、ｐ電極、ｎ電極を設けたプロセスウエハ−から、四つのチップＰＤ５、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９を切り取る。このうちＰＤ７〜ＰＤ９は、三つでＬ字型大チップを等価的に構成する。図２２のように絶縁基板５６の上に、小チップ用の底面電極８５と大チップ用の底面電極８６を設ける。金の電極８５、８６を金と錫の共晶半田で貼り合わせる。チップＰＤ５、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の為の上面電極７５、７７、７８、７９を金の薄片で作製する。
【００４６】
図２３のように底面電極８５に小チップＰＤ５をＡｕとＳｎの共晶半田で貼り付ける。Ｌ字型底面電極８６にＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９を貼り付ける。貼り付けた状態の平面図が図２４である。ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９は同等であって、三つで大チップの変わりとなる。図２５のように金の薄片である上面電極７５、７７、７８、７９をＰＤ５、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の上に貼り付ける。図２６は上面電極を貼り付けた状態の斜視図である。更に図２７のように、ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の上面電極７７、７８、７９同士をワイヤ９７、９８によって結合する。上面電極７５、底面電極８５が小フォトダイオードＰＤ５のアノード、カソードとなる。上面電極７７、７８、７９、底面電極８６が大フォトダイオードのアノード、カソードとなる。フォトダイオードのカソード、アノードは別個であり独立している。
【００４７】
図２８に光受信モジュールの全体の構造の斜視図を示し、図３１にその内部構造の断面図を示す。光ファイバ５９の先端を光ファイバ固定金具６０によって固定する。光ファイバ固定金具６０は円筒形のスリーブの開口部の上面に溶接される。円筒形のスリーブ６１の下端は、円盤状のステム６３の上に溶接される。ステム６３の上には小フォトダイオードＰＤ５と大フォトダイオードＰＤ７、８、９が同一平面状偏奇し並んでマウントされる。ステム６３の上面には円筒形のレンズホルダ−６２が溶接される。レンズホルダ−６２は中央開口部にレンズ９を保持する。ステム６３の下面からリードピン６４、６５、６６、６７が下向きに突出している。光ファイバ５９の先端６８から信号光が出る。それがレンズ９によって絞られる。一部は小フォトダイオードＰＤ５に入り一部は大フォトダイオードＰＤ７，８，９に入る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】特開２０００−１２８８９に従来例として記載されたフォトダイオードの断面図。
【００４９】
【図２】特開２０００−１２８８９に実施例として記載されたフォトダイオードの断面図。
【００５０】
【図３】光信号をレンズによって集光し集光部の近傍に小フォトダイオードと大フォトダイオードを上下に配置した上下型の本発明の一例を示す概略断面図。
【００５１】
【図４】光信号をレンズによって集光し集光部の近傍に、円環状の大フォトダイオードと、その中央穴に円形の小フォトダイオードを配置した同心型の本発明の一例を示す概略断面図。
【００５２】
【図５】大フォトダイオードの上方に小フォトダイオードを設けた上下型の本発明の一例を示す斜視図。
【００５３】
【図６】円環状の大フォトダイオードの内部穴に小フォトダイオードを設けた同心型の本発明の一例を示す概略斜視図。
【００５４】
【図７】Ｌ字型の大フォトダイオードとその一隅に設けられる小フォトダイオードとよりなる偏奇同一平面型の本発明の一例を示す概略斜視図。
【００５５】
【図８】Ｌ字型の大フォトダイオードとその一隅に設けられる小フォトダイオードとよりなる偏奇同一平面型の場合の、レンズによって光信号を小フォトダイオードに集光し、一部が大フォトダイオードへ入る様子を示す本発明の一例の概略斜視図。
【００５６】
【図９】上下型のデバイスを作製するためにプロセスウエハ−から寸法の相違する二つの矩形フォトダイオードチップを切り出した状態の斜視図。
【００５７】
【図１０】二つの寸法の異なる矩形チップの底面電極、上面電極を金によって作製した状態を示す平面図。
【００５８】
【図１１】矩形の大チップの下に底面電極を、上に上面電極を貼り付ける直前の様子を示す斜視図。
【００５９】
【図１２】底面電極と上面電極を貼りつけた矩形大チップと小チップの底面電極の上に小チップを固定する直前の状態を示す斜視図。
【００６０】
【図１３】大チップの上面電極の上に小チップを貼り付け上下型のデバイスを完成した状態を示す斜視図。
【００６１】
【図１４】同心型のデバイスを作製するために矩形大チップと、矩形小チップをプロセスウエハ−から切り出した状態を示す斜視図。
【００６２】
【図１５】矩形大チップ、矩形小チップにマスクを形成しエッチングすることによって円環状大チップと、円形の小チップにした状態を示す斜視図。
【００６３】
【図１６】窒化アルミ基板の上に、円環状の大チップ用底面電極と、円形の小チップ用底面電極を同心状に形成した様子を示す基板の斜視図。
【００６４】
【図１７】円環状大チップのための上面電極７４、円形小チップのための上面電極７３、中継電極９３を金によって作製した状態を示す平面図。
【００６５】
【図１８】底面電極８３、８４を設けた窒化アルミ基板に円環状の大チップと円形の小チップを貼り付ける直前の状態を示す斜視図。
【００６６】
【図１９】底面電極８３、８４を設けた窒化アルミ基板に円環状の大チップと円形の小チップを貼り付け、その上に上面電極７３、７４及び中継電極９３を貼り付ける直前の状態を示す斜視図。
【００６７】
【図２０】底面電極８３、８４を設けた窒化アルミ基板に円環状の大チップと円形の小チップを貼り付け、その上に上面電極７３、７４及び中継電極９３を貼り付け、上面電極７３と中継電極９３をワイヤ９４で接続してデバイスを完成した状態の斜視図。
【００６８】
【図２１】プロセスウエハ−から四つのフォトダイオードチップを切り出した状態を示す斜視図。
【００６９】
【図２２】絶縁基板５６の上に大フォトダイオード用のＬ字型底面電極８６と、その空隙の一隅に設けた小フォトダイオード用の底面電極８５とを貼り付け、三つの大フォトダイオードを構成するチップ用の上面電極７７、７８、７９と、小チップ用の上面電極７５を作製した状態を示す斜視図。
【００７０】
【図２３】大小の底面電極を張り付けた絶縁基板５６の、大底面電極の上に三つの大フォトダイオード用のチップＰＤ７〜ＰＤ９を、小底面電極ＰＤ５の上に小チップを貼り付ける直前の状態を示す斜視図。
【００７１】
【図２４】大小の底面電極を貼り付けた絶縁基板５６の、大底面電極の上に三つの大フォトダイオード用のチップＰＤ７〜ＰＤ９を、小底面電極の上に小チップＰＤ５を貼り付けた状態を示す平面図。
【００７２】
【図２５】絶縁基板５６に貼り付けた大フォトダイオード用の三つのチップＰＤ７〜ＰＤ９と、小チップＰＤ５の上に上面電極７５、７７、７８、７９を貼り付ける直前の様子を示す斜視図。
【００７３】
【図２６】大底面電極と小底面電極を設けた絶縁基板５６に貼り付けた大フォトダイオード用の三つのチップＰＤ７〜ＰＤ９と、小チップＰＤ５の上に上面電極７５、７７、７８、７９を貼り付けたものを示す斜視図。
【００７４】
【図２７】三つの大フォトダイオード用チップの上面電極７７、７８、７９をワイヤ９７、９８で結合しデバイスを完成させたものを示す斜視図。
【００７５】
【図２８】大フォトダイオードと小フォトダイオードを組み合わせた本発明の実施例に係る光受信モジュール全体の斜視図。
【００７６】
【図２９】大フォトダイオードの上に小フォトダイオードを乗せた上下型の本発明の実施例１に係る光受信モジュールの縦断面図。
【００７７】
【図３０】大フォトダイオードの内部に小フォトダイオードを付けた同心円型の本発明の実施例２に係る光受信モジュールの縦断面図。
【００７８】
【図３１】Ｌ型に並べた３つのフォトダイオードからなる大フォトダイオードの隅部に小フォトダイオードを付けた同一平面偏奇型の本発明の実施例３に係る光受信モジュールの縦断面図。
【符号の説明】
【００７９】
ＰＤ１ 小フォトダイオード
ＰＤ２ 大フォトダイオード
ＰＤ３ 小フォトダイオード
ＰＤ４ 大フォトダイオード
ＰＤ５ 小フォトダイオード
ＰＤ６ 大フォトダイオード
ＰＤ７〜ＰＤ９ 大フォトダイオードの一部を構成するフォトダイオード
ＣＰ３ 小チップ
ＣＰ４ 大チップ
１ ｎ型基板
２ 受光層
３ ｐ領域
４ ｐｎ接合
６ 空乏層
７ ｐ電極
８ ｎ電極
９ レンズ
１３ ｐ領域
１４ ｐｎ接合
１６ 空乏層
２１〜２６ 受光部
３２ 間隙
３４ 間隙
５４ 絶縁基板
５６ 絶縁基板
５９ 光ファイバ
６０ 光ファイバ固定金具
６１ スリーブ
６２ レンズホルダ−
６３ ステム
６４ リードピン
６５ リードピン
６６ リードピン
６７ リードピン
６８ 光ファイバの先端
７１ ＰＤ１の上面電極
７２ ＰＤ２の上面電極
７３ ＰＤ３の上面電極
７４ ＰＤ４の上面電極
７５ ＰＤ５の上面電極
７７ ＰＤ７の上面電極
７８ ＰＤ８の上面電極
７９ ＰＤ９の上面電極
８１ ＰＤ１の底面電極
８２ ＰＤ２の底面電極
８３ ＰＤ３の底面電極
８４ ＰＤ４の底面電極
８５ ＰＤ５の底面電極
８６ ＰＤ７、ＰＤ８、ＰＤ９の底面電極
９７、９８ ワイヤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
狭い受光部を持つ小フォトダイオードと、広い受光部を持つ大フォトダイオードとを受光部を同じ方向に向けて間隙を置いて近接して設け、大フォトダイオード、小フォトダイオードのアノード、カソード電極は独立し絶縁されており、光信号がそれぞれのフォトダイオードに入射するようにし、小フォトダイオードが大フォトダイオードよりも応答速度が速いことを特徴とする光受信デバイス。
【請求項２】
大フォトダイオードは円穴を有する円環状であり、小フォトダイオードは円形であって、大フォトダイオードの円穴の内部に設けられ、大フォトダイオードと小フォトダイオードが同一絶縁基板上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項３】
大フォトダイオードは角型であり、上面の一部に絶縁膜があって、絶縁膜の上に小フォトダイオードが固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項４】
大フォトダイオードはＬ字型に絶縁基板上に配置された小型のフォトダイオードの複数個の並列接続した組み合わせからなり、小フォトダイオードは、同じ絶縁基板上に、前記複数フォトダイオードに近接した位置に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項５】
請求項１から４の何れかの光受信デバイスと、光信号を前記光受信デバイスに結合する光学部品を有し、大フォトダイオードが小フォトダイオードよりも高感度で受信することを特徴とする光受信モジュール。
【請求項１】
狭い受光部を持つ小フォトダイオードと、広い受光部を持つ大フォトダイオードとを受光部を同じ方向に向けて間隙を置いて近接して設け、大フォトダイオード、小フォトダイオードのアノード、カソード電極は独立し絶縁されており、光信号がそれぞれのフォトダイオードに入射するようにし、小フォトダイオードが大フォトダイオードよりも応答速度が速いことを特徴とする光受信デバイス。
【請求項２】
大フォトダイオードは円穴を有する円環状であり、小フォトダイオードは円形であって、大フォトダイオードの円穴の内部に設けられ、大フォトダイオードと小フォトダイオードが同一絶縁基板上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項３】
大フォトダイオードは角型であり、上面の一部に絶縁膜があって、絶縁膜の上に小フォトダイオードが固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項４】
大フォトダイオードはＬ字型に絶縁基板上に配置された小型のフォトダイオードの複数個の並列接続した組み合わせからなり、小フォトダイオードは、同じ絶縁基板上に、前記複数フォトダイオードに近接した位置に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項５】
請求項１から４の何れかの光受信デバイスと、光信号を前記光受信デバイスに結合する光学部品を有し、大フォトダイオードが小フォトダイオードよりも高感度で受信することを特徴とする光受信モジュール。
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２００８−２２７０４０（Ｐ２００８−２２７０４０Ａ）
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６１４６１（Ｐ２００７−６１４６１）
【出願日】平成１９年３月１２日（２００７．３．１２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１２日（２００７．３．１２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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