光接收装置及其制造方法与流程

本发明涉及一种包括光电二极管和半导体光放大器的光接收装置及其制造方法。

背景技术：

近年来，随着数据中心等的通信容量的增大，需要提高作为内嵌在接收器中的光电转换元件的光电二极管(pd)的速度。作为提高速度的途径，存在一种减小吸收层的厚度从而减少由光的接收生成的载流子的行进时间的技术。然而，因为吸收层的厚度减小，所以该技术导致光接收灵敏度的降低。这样，在速度的增大与光接收灵敏度之间存在平衡关系。

如上所述，光电二极管自身很难同时实现高的速度和高的光接收灵敏度。然而，存在一种通过将光电二极管与半导体光放大器进行集成来在确保高速的同时提高光接收灵敏度的技术(参见非专利文献1)。

根据该技术，在由inp制成的衬底的主表面上形成半导体光放大器和光电二极管。在该技术中，在inp衬底上，首先通过晶体生长来形成用于形成半导体光放大器的化合物半导体层，然后通过晶体生长来形成用于形成光电二极管的化合物半导体层。然后，将这些通过晶体生长形成的化合物半导体层图案化为预定形状，从而形成包括波导型的半导体光放大器和光电二极管的光接收装置(参见非专利文献1的图1)。

通过该光接收装置，如图3所示，光从形成在衬底201上的半导体光放大器202的输入端203进入，并且入射的光被半导体光放大器202放大并从出射端204射出。离开出射端204的放大后的光被光波导205引导并进入到光电二极管206。

与仅通过自身接收光的光电二极管不同，上述光接收装置可以利用半导体光放大器的放大效果，因此，即使为了增大速度而减小光电二极管的吸收层的厚度，也可以保持整个光接收装置的高的光接收灵敏度。根据非专利文献1，当驱动电流为170ma时，半导体光放大器实现约8db的光放大。

引用列表

非专利文献

非专利文献1：f.xiaetal.，″monolithicintegrationofasemiconductoropticalamplifierandahighbandwidthp-i-nphotodiodeusingasymmetrictwin-waveguidetechnology″，ieeephotonicstechnologyletters，vol.15，no.3，pp.452-454，2003.

技术实现要素：

技术问题

然而，上述技术存在制造成本高的问题。如上所述，通过晶体生长形成用于形成半导体光放大器的化合物半导体层，并且通过晶体生长形成用于形成光电二极管的化合物半导体层。然而，用于形成半导体光放大器的化合物半导体层和用于形成光电二极管的化合物半导体层在制造条件(例如，与晶体生长有关的条件)上显著不同。因此，从成品率(例如，衬底表面的平坦性)的观点出发，制造成本较高。

本发明是为了解决上述问题而做出的，本发明的目的是抑制包括光电二极管和半导体光放大器的光接收装置的制造成本的增加。

用于解决问题的手段

根据本发明的光接收装置包括：波导型的半导体光放大器，形成在第一衬底的主表面上，并且在与所述主表面平行的方向上引导波；第一反射部，由所述半导体光放大器的一端的端面形成，所述一端的端面被形成为相对于所述第一衬底的主表面倾斜，使得输入到所述第一衬底的背面的输入光被输入；第二反射部，由所述半导体光放大器的另一端的端面形成，所述另一端的端面被形成为相对于所述第一衬底的所述主表面倾斜，使得输出光朝所述第一衬底的背面输出；第二衬底，其背面结合到所述第一衬底的背面；以及平面型的光电二极管，形成在所述第二衬底的主表面上的、所述光电二极管能够接收从所述第二反射部输出的输出光的位置处。

上述光接收装置还可以包括：第一聚光透镜，形成在输入到所述第一反射部的输入光的光路上的、所述第一衬底的背面或所述第二衬底的背面上；以及第二聚光透镜，形成在从所述第二反射部输出并输入到所述光电二极管的输出光的光路上的、所述第一衬底的背面或所述第二衬底的背面上。

根据本发明的光接收装置的制造方法包括：第一步骤，在第一衬底的主表面上形成波导型的半导体光放大器，所述波导型的半导体光放大器在与所述主表面平行的方向上引导波；第二步骤，在第二衬底的主表面上形成平面型的光电二极管；以及第三步骤，将所述第一衬底的背面与所述第二衬底的背面彼此结合，由所述半导体光放大器的一端的端面形成第一反射部，所述一端的端面被形成为相对于所述第一衬底的主表面倾斜，使得输入到所述第一衬底的背面的输入光被输入，由所述半导体光放大器的另一端的端面形成第二反射部，所述另一端的端面被形成为相对于所述第一衬底的主表面倾斜，使得输出光朝所述第衬底的背面输出，并且在所述第二衬底的主表面上的、所述光电二极管能够接收从所述第二反射部输出的输出光的位置处形成所述光电二极管。

上述光接收装置的制造方法还可以包括：第四步骤，在输入到所述第一反射部的输入光的光路上的、所述第一衬底的背面或所述第二衬底的背面上形成第一聚光透镜；以及第五步骤，在从所述第二反射部输出并输入到所述光电二极管的输出光的光路上的、所述第一衬底的背面或所述第二衬底的背面上形成第二聚光透镜。

发明效果

以上描述的本发明具有显著的效果，即，能够抑制包括光电二极管和半导体光放大器的光接收装置的制造成本的增加。

附图说明

图1是示出了根据本发明的第一实施例的光接收装置的结构的图。

图2a是示出了根据本发明的第二实施例的光接收装置的结构的图。

图2b是示出了根据本发明的第二实施例的光接收装置的另一结构的图。

图2c是示出了根据本发明的第二实施例的光接收装置的另一结构的图。

图2d是示出了根据本发明的第二实施例的光接收装置的另一结构的图。

图3是示出了传统的光接收装置的结构的图。

具体实施方式

以下，将描述根据本发明的实施例的光接收装置。

[第一实施例]

首先，将参照图1来描述根据本发明的第一实施例的光接收装置。图1是示意性的截面图。

光接收装置包括形成在第一衬底101的主表面101a上的半导体光放大器102。半导体光放大器102是公知的波导型的半导体光放大器，并且在与主表面101a平行的方向上引导光。半导体光放大器102例如包括：形成在由半绝缘的inp制成的第一衬底101上的n型inp层、由ingaasp制成的作为增益介质的有源层、以及形成在有源层上的p型inp层。电极连接到第一衬底101和p型inp层中的每一个，使得电流可以注入到有源层中。

半导体光放大器102在其一端包括第一反射部103，并且第一反射部103由半导体光放大器102的相对于第一衬底101的主表面101a倾斜的端面形成。第一反射部103使从第一衬底101的背面101b侧输入的输入光进入。

半导体光放大器102在其另一端还包括第二反射部104，并且第二反射部104由半导体光放大器102的相对于第一衬底101的主表面101a倾斜的端面形成。由半导体光放大器102放大的输出光从第二反射部104输出到第一衬底101的背面101b侧。

光接收装置还包括第二衬底105和光电二极管106，第二衬底105在其背面105b结合到第一衬底101的背面101b，光电二极管106形成在第二衬底105的主表面105a上。光电二极管106是公知的平面型(表面入射)的pin式光电二极管。光电二极管106可以是雪崩光电二极管。光电二极管106形成在光电二极管106能够接收来自第二反射部104的输出光的位置处。

接下来，将描述制造根据第一实施例的光接收装置的方法。在该制造方法中，在第一衬底101的主表面101a上形成在与主表面101a平行的方向上引导波的波导型的半导体光放大器102(第一步骤)。在第二衬底105的主表面105a上形成平面型的光电二极管106(第二步骤)。将第一衬底101的背面101b与第二衬底105的背面105b彼此结合(第三步骤)。

备选地，形成用于形成半导体光放大器102的半导体层，形成用于形成光电二极管106的半导体，然后将两个衬底彼此结合，在此之后，可以形成各个元件结构。备选地，可以在形成半导体光放大器102的元件结构和光电二极管106的元件结构之后，将第一衬底101与第二衬底105彼此结合。

例如，制备由半绝缘的inp制成的第一衬底101，并且利用公知的有机金属气相沉积工艺等，通过外延生长在第一衬底101的主表面101a上形成用于形成半导体光放大器102的半导体层，诸如n-inp层、ingaasp层和p-inp层。

另一方面，制备由半绝缘的inp制成的第二衬底105，并且利用有机金属气相沉积工艺等，通过外延生长在第二衬底105的主表面105a上形成用于形成光电二极管106的半导体层，诸如n-inp层、ingaas吸收层和p-inp层。

然后，通过研磨和抛光将第一衬底101和第二衬底105各自减薄到预定厚度，并且将第一衬底101的背面101b与第二衬底105的背面105b彼此结合。可以通过诸如原子扩散结合(adb)或表面活化结合(sab)之类的结合技术来实现上述结合。备选地，可以通过粘合剂来实现上述结合。

然后，通过公知的光刻技术或蚀刻技术将形成在第一衬底101的主表面101a上的半导体层图案化，以形成波导结构(参见非专利文献1)。通过该图案化，形成第一反射部103和第二反射部104。例如，所形成的波导结构的一端和另一端被塑形为相对于第一衬底101的主表面101a倾斜45°。为了防止未能被光电二极管106吸收的光返回到半导体光放大器102，第二反射部104的反射面的倾斜角度可以与45°相差几度。

在如上所述形成波导结构之后，以公知的剥离工艺等形成各个电极以完成半导体光放大器102。

另一方面，通过公知的光刻技术或蚀刻技术将形成在第二衬底105的主表面105a上的半导体层图案化，以形成台面结构。以公知的剥离工艺等形成各个电极以完成光电二极管106。

光电二极管106在第二衬底105的主表面105a上的光电二极管106能够接收来自第二反射部104的输出光的位置处形成。特别地，在主表面105a上布置光电二极管106，使得来自第二反射部104的输出光进入到光电二极管106的光接收表面的中心。布置光电二极管106的位置取决于第二反射部104的反射表面的角度以及第衬底101和第二衬底105的厚度。

通过根据第一实施例的光接收装置，光首先从第二衬底105的主表面105a侧进入，并且透射通过第二衬底105和第一衬底101以到达第一反射部103。到达第一反射部103的光改变行进方向，进入半导体光放大器102的放大部并被放大。由半导体光放大器102放大的放大后的光在第二反射部104处改变行进方向，透射通过第一衬底101和第二衬底105，并且被光电二极管106接收并转换为电能。

根据第一实施例，光在基本上垂直于衬底表面的方向上进入衬底，使得光接收装置能够容易地与平面光滤波器等组合。平面光滤波器可以是薄膜滤波器(tff)，薄膜滤波器(tff)是在可用于光通信的波分复用(wdm)的小型接收器(rosa)中经常使用的光demux滤波器。

[第二实施例]

接下来，将参照图2a、图2b、图2c和图2d来描述根据本发明的第二实施例的光接收装置。图2a、图2b、图2c和图2d是示意性的截面图。

光接收装置包括形成在第一衬底101的主表面101a上的半导体光放大器102。光接收装置还包括第二衬底105和光电二极管106，第二衬底105在其背面105b结合到第一衬底101的背面101b，光电二极管106形成在第二衬底105的主表面105a上。到目前为止描述的结构与先前描述的根据第一实施例的光接收装置的结构相同。

根据第二实施例的光接收装置包括形成在第一衬底101的背面101b或第二衬底105的背面105b上的第一聚光透镜107。第一聚光透镜107布置在输入到第一反射部103的输入光的光路上。光接收装置还包括形成在第一衬底101的背面101b或第二衬底105的背面105b上的第二聚光透镜108。第二聚光透镜108布置在从第二反射部104输出并输入到光电二极管106的输出光的光路上。

例如，如图2a所示，第一聚光透镜107可以形成在第一衬底101的背面101b上，并且第二聚光透镜108可以形成在第二衬底105的背面105b上。备选地，如图2b所示，第一聚光透镜107和第二聚光透镜108可以形成在第一衬底101的背面101b上。备选地，如图2c所示，第一聚光透镜107和第二聚光透镜108可以形成在第二衬底105的背面105b上。第一聚光透镜107和第二聚光透镜108形成在衬底之一上使得能够同时形成多个透镜结构，这带来了工艺的简化。

备选地，如图2d所示，第二聚光透镜108可以形成在第一衬底101的背面101b上，并且第一聚光透镜107可以形成在第二衬底105的背面105b上。

接下来，将描述制造根据第二实施例的光接收装置的方法。在第二实施例中，除了在先前描述的根据第一实施例的制造方法中形成的元件之外，以第一聚光透镜107位于输入到第一反射部103的输入光的光路上的方式，在第一衬底101的背面101b或第二衬底105的背面105b上形成第一聚光透镜107(第四步骤)。另外，以第二聚光透镜108位于从第二反射部104输出并输入到光电二极管106的输出光的光路上的方式，在第一衬底101的背面101b或第二衬底105的背面105b上形成第二聚光透镜108(第五步骤)。

例如，制备由半绝缘的inp制成的第一衬底101，并且在主表面101a上形成用于对准的第一标记。例如，可以在剥离工艺等中在预定位置处形成由金属制成的第一标记。然后，利用公知的有机金属气相沉积工艺等，通过外延生长在第一衬底101的主表面101a上形成用于形成半导体光放大器102的半导体层，诸如n-inp层、ingaasp层和p-inp层。

另一方面，制备由半绝缘的inp制成的第二衬底105，并且在主表面101a上形成用于对准的第二标记。然后，利用有机金属气相沉积工艺等，通过外延生长在第二衬底105的主表面105a上形成用于形成光电二极管106的半导体层，诸如n-inp层、ingaas吸收层和p-inp层。

然后，通过研磨和抛光将第一衬底101和第二衬底105各自减薄到预定厚度。在该状态下，在第一衬底101的背面101b上形成第一聚光透镜107。例如，在第一衬底101的背面101b上形成在其底部具有凸面的凹部，并且将该凹部用作第一聚光透镜107。第二聚光透镜108以相同的方式形成在第二衬底105的背面105b上。第一聚光透镜107形成在以第一标记为基准的预定位置处，并且第二聚光透镜108形成在以第二标记为基准的预定位置处。备选地，第一聚光透镜107和第二聚光透镜108可以形成在衬底之一的背面上。

在如上所述形成第一聚光透镜107和第二聚光透镜108之后，将第一衬底101的背面101b与第二衬底105的背面105b彼此结合。可以通过诸如原子扩散结合(adb)或表面活化结合(sab)之类的结合技术来实现上述结合。备选地，可以通过粘合剂来实现上述结合。在结合时，要确保第一标记和第二标记具有预定位置关系。

第一聚光透镜107的凹部和第二聚光透镜108的凹部可以是空间(空气层)，或者可以填充有诸如氧化硅之类的电介质。可以在由inp制成的第一衬底101和第二衬底105与上述凹部中的空气层或电介质层之间提供较大的折射率差，并且可以通过该凹部的底部的凸面来构成聚光透镜。此外，为了防止输入光和输出光的反射损失，可以在聚光透镜的表面和第一衬底或第二衬底的背面上形成根据凹部的材料性质设计的防反射膜。此外，为了防止输入光的反射损失，可以在第二衬底105的主表面105a上的光进入的部分中形成防反射膜。

如先前描述的第一实施例中那样，然后将形成在第一衬底101的主表面101a上的半导体层图案化以形成波导结构。通过该图案化，形成第一反射部103和第二反射部104。此外，在如上所述形成波导结构之后，以公知的剥离工艺等形成各个电极以完成半导体光放大器102。在第二实施例中，半导体光放大器102被形成为与第一标记具有预定位置关系。

如先前描述的第一实施例中那样，将形成在第二衬底105的主表面105a上的半导体层图案化以形成台面结构。以公知的剥离工艺等形成各个电极以完成光电二极管106。在第二实施例中，光电二极管106被形成为与第二标记具有预定位置关系。

通过如上所述以分别与第一标记或第二标记具有预定位置关系的方式形成第一聚光透镜107、第二聚光透镜108、半导体光放大器102和光电二极管106，第一聚光透镜107被布置在输入到第一反射部103的输入光的光路上。另外，光电二极管106被形成在第二衬底105的主表面105a上的光电二极管106能够接收从第二反射部104输出的输出光的位置处，并且第二聚光透镜108被布置在该输出光的光路上。

根据第二实施例，设置了第一聚光透镜107和第二聚光透镜108。这些透镜提供了如下优点：增加了第一衬底101和第二衬底105的厚度的灵活度，并且提高了制造裕度，使得制造成本降低。另外，由于光是通过第一聚光透镜107导入的，所以根据第二实施例的光接收装置具有改善的封装容差，并且有助于降低制作接收器模块的成本。

如上所述，由于在彼此结合的第一衬底和第二衬底上分别形成半导体光放大器和光电二极管，因此可以抑制包括光电二极管和半导体光放大器的光接收装置的制造成本的增大。根据本发明，可以分开形成用于形成半导体光放大器的半导体层和用于形成光电二极管的半导体层，使得可以采用每个元件的最佳形成(晶体生长)条件。另外，由于根据本发明的光接收装置能够是允许光垂直入射的平面型装置，因此增大了光耦合容差，能够更容易地实现光接收装置。另外，由于设置了第一聚光透镜和第二聚光透镜，所以可以进一步提高光耦合容差。

显然，本发明不限于上述实施例，本领域普通技术人员可以在本发明的技术构思内想到多种变形和组合。

附图标记列表

101第一衬底

101a主表面

101b背面

102半导体光放大器

103第一反射部

104第二反射部

105第二衬底

105a主表面

105b背面

106光电二极管。