JP6035770B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

Description

本発明は、光通信や光情報処理等において用いられる半導体受光素子に関し、特に、光吸収層が薄厚に形成された半導体受光素子に関する。

半導体受光素子は、光通信や光情報処理用の高感度受光器として実用化されている。半導体受光素子は特に、大容量長距離光通信用の波長１．３μｍあるいは１．５５μｍの通信光に対する高感度受光器として用いられている。

しかし、高速応答特性や耐高光入力特性を意図して光吸収層を２μｍ以下に薄くする場合、半導体受光素子の量子効率が低下する。特に、波長１．５５μｍの通信光は量子効率の低下が大きく、充分な感度が得られない場合がある。

そこで、特許文献１には、半導体基板の下方に曲面状の反射層を配置した半導体受光素子が開示されている。特許文献１の半導体受光素子の断面図を図１０に示す。図１０に示した半導体受光素子９００において、受光領域９２０で光電変換されなかった光は、半導体基板９１０の下方に配置されている曲面状の反射層９３０で反射され、再度、受光領域９２０に入射して光電変換される。

特開２００１−３０８３６６号公報

ここで、入射光は、受光領域に垂直方向に入射する場合と、受光領域に対して斜めに入射する場合とがある。特許文献１の半導体受光素子９００は、受光領域９２０に垂直方向に入射した光については曲面状の反射層９３０で反射して再度、受光領域９２０に集光させることができるが、受光領域９２０に対して斜めに入射した光を有効に集光することができない。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、受光領域で吸収されなかった光を、高い集光率で受光領域に再集光して光電変換できる半導体受光素子を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る半導体受光素子は、半導体基板と、半導体基板の上面に配置され、光が入射する受光部と、半導体基板下方に配置され、受光部を透過した光を反射する反射部と、を備える。ここで、反射部は、反射部で反射されて受光部に再び入射する光の反射光スポットサイズが受光部に入射する光の入射光スポットサイズ以下となる位置に配置される。

本発明に係る半導体受光素子は、受光領域で吸収されなかった光を、高い集光率で受光領域に再集光して光電変換できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体受光素子１０の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体受光素子１００の断面図である。 入射光スポットサイズφｉと反射光スポットサイズφｒとの関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体受光素子１００の製造工程図である。 本発明の第２の実施形態に係る別の半導体受光素子１００Ｂの断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体受光素子１００Ｃの断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る別の半導体受光素子１００Ｄの断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体受光素子１００Ｅの断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体受光素子１００Ｅの製造工程図である。 特許文献１の半導体受光素子９００の断面図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る半導体受光素子について説明する。本実施形態に係る半導体受光素子の断面図を図１に示す。図１において、本実施形態に係る半導体受光素子１０は、半導体基板２０、受光部３０および反射部４０を備える。

半導体基板２０は、第１導電型の半導体層の上面に複数の層を積層することによって形成される。受光部３０は、半導体基板２０の上面に配置される。また、受光部３０は、第２導電型の不純物領域を備え、入射光を吸収して電気信号に変換する。反射部４０は、半導体基板２０の下方に配置され、受光部３０において吸収されなかった光を反射する。

本実施形態に係る半導体受光素子１０において、反射部４０は、反射部４０で反射されて受光部３０に再び入射する光の反射光スポットサイズφｒが、受光部３０に入射する光の入射光スポットサイズφｉ以下となる位置に配置される。具体的には、反射部４０は、入射光スポットサイズφｉの境界に入射した光が集光する焦点位置Ｆ上または焦点位置Ｆより受光部３０側に配置される。

反射光スポットサイズφｒが入射光スポットサイズφｉ以下となる位置に反射部４０を配置することにより、高い集光率で反射光を受光部３０に集光して光電変換することができる。従って、本実施形態に係る半導体受光素子１０は、受光部３０で吸収されなかった光を、高い集光率で受光部３０に再集光して光電変換できる。

ここで、反射光スポットサイズφｒは、半導体受光素子１０に光を入射させるための光学系の設計パラメータや、半導体基板２０の厚さ、半導体基板２０の屈折率などで変化する。従って、反射部４０の位置は、半導体受光素子を含む光受信器全体の設計の最適化と合わせて決定することが望ましい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る半導体受光素子の断面図を図２に示す。図２において、本実施形態に係る半導体受光素子１００は、半導体基板２００、受光部３００および反射膜４００を備える。

半導体基板２００は、第１導電型の半導体層の上面に複数の層を積層することによって形成される。半導体基板２００は、例えば、第１導電型の半導体層としてのｎ型ＩｎＰ基板の上面に、ｎ型ＩｎＰ緩衝層、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層、ｎ型ＩｎＰ電界緩和層およびｎ型ＩｎＰ窓層等を順次積層することによって形成される。また、半導体基板２００の上面内の受光領域には受光部３００が配置され、半導体基板２００の下面の、受光部３００と対向する位置には穴部２１０が形成されている。穴部２１０については後述する。

受光部３００は、第２導電型の不純物領域を備える。受光部３００は、半導体基板２００の上面内に配置され、入射光を吸収して電気信号に変換する。受光部３００は、ｐ型不純物、例えば、Ｚｎを半導体基板２００の受光領域に注入等することにより形成される。

反射膜４００は、半導体基板２００の下面と、穴部２１０の側面および底面と、に配置され、受光部３００に入射し、受光部３００において吸収されなかった光を反射する。反射膜４００としては、例えば、金属製の薄膜を適用することができる。

穴部２１０について説明する。穴部２１０は、半導体基板２００の下面の受光部３００と対応する位置を凹状に除去することによって形成される。本実施形態において、穴部２１０の深さｄは、受光部３００の入射光スポットサイズφｉの境界に入射した光の焦点位置Ｆに穴部２１０の底面、すなわち、反射膜４００が位置するように設計される。この場合、受光部３００に光が入射するときのスポットサイズである入射光スポットサイズφｉと、反射膜４００で反射された光が受光部３００に再び入射するときのスポットサイズである反射光スポットサイズφｒと、が一致する。反射膜４００を入射光の焦点位置Ｆに配置することにより、反射膜４００で反射された光は、高い集光率で受光部３００の領域内に集光される。

ここで、入射光スポットサイズφｉとは、入射光が受光部３００に入射する領域の範囲を指す。一方、反射光スポットサイズφｒとは、入射光スポットサイズφｉの境界に入射した光が、反射膜４００で反射されて受光部３００に再入射した時の位置で規定される範囲を指す。図３（ａ）〜（ｅ）に、入射光スポットサイズφｉと反射光スポットサイズφｒとの関係を示す。

図３（ａ）に示すように、反射光スポットサイズφｒが入射光スポットサイズφｉよりも大きい場合、受光部に斜め方向から入射して反射膜で反射された光の一部は受光部に再集光されず、光電変換効率が低下する。一方、図３（ｂ）〜（ｅ）に示す半導体受光素子１００の場合、反射光スポットサイズφｒが入射光スポットサイズφｉと同等か、それよりも小さいため、反射膜で反射された光は高い集光率で受光部に再集光される。従って、光電変換効率が向上する。

次に、本実施形態に係る半導体受光素子１００の製造方法について説明する。本実施形態に係る半導体受光素子１００の製造工程を図４に示す。

図４（ａ）に示すように、先ず、ｎ型ＩｎＰ基板の上に、ｎ型ＩｎＰ緩衝層、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層、ｎ型ＩｎＰ電界緩和層およびｎ型ＩｎＰ窓層等を順次積層し、半導体基板２００を形成する。そして、半導体基板２００のＩｎＰ窓層の受光領域にｐ型不純物、例えば、Ｚｎを拡散あるいはイオン注入することにより第２導電型の不純物領域を形成する。さらに、第２導電型の不純物領域の周りに、例えば、Ｂｅを拡散またはイオン注入することによって図示しないガードリングを形成し、受光部３００を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、半導体基板２００の受光部３００の下方領域をフォトリソグラフィー工法や半導体のエッチング工法等を用いて除去し、穴部２１０を形成する。ここで、穴部２１０は、穴部２１０の底面が受光部３００から入射した入射光の焦点位置Ｆに位置する深さｄに形成される。穴部２１０の底面が焦点位置Ｆに位置する時、入射光スポットサイズφｉと反射光スポットサイズφｒとが一致する。

さらに、図４（ｃ）に示すように、穴部２１０の側面および底面を含む基板２００の下面全体に、例えば、ＴｉＰｔＡｕを蒸着等することによって反射膜４００を形成し、本実施形態に係る半導体受光素子１００が形成される。

上記のように形成された半導体受光素子１００は、入射した光を受光部３００において電気信号に変換する。一方、電気信号に変換されなかった入射光は、反射膜４００まで到達する。そして、反射膜４００に到達した入射光は、反射膜４００が入射光スポットサイズφｉと反射光スポットサイズφｒとが一致する位置に配置されていることから、高い集光率で受光部３００に再集光され、光電変換される。従って、光電変換効率が向上する。

また、上記のように形成された半導体受光素子１００は、半導体基板２００に穴部２１０を形成し、この穴部２１０に反射膜４００を配置する。この場合、穴部２１０の深さｄを半導体基板２００の厚さとは別個に設計することができる。たとえば、光受信器全体の設計の都合上、入射光の焦点位置が受光部３００近傍に来てしまう場合でも、穴部２１０の深さｄを焦点位置Ｆに合わせて設計すればよく、半導体基板２００の厚さは厚く保つことできる。従って、半導体受光素子１００の機械的強度を保つことが出来る。

ここで、一般的に、狭い領域に入射光を集中させると、その領域の光電流密度が高まる。光電流密度が高い場合は生成されたキャリアを引き抜くことが難しくなり、周波数応答が劣化する。従って、できるだけ受光部３００Ｂ全体に入射光を分散させて光電流密度を低くすることが望ましい。トータルの入射光パワーが決まっている場合は、入射光スポットサイズφｉを大きくし、受光部３００Ｂ全体に入射光を分散させることによって、光電流密度上昇による周波数応答の劣化を低減することができる。入射光スポットサイズφｉを大きくした場合の半導体受光素子の断面図を図５に示す。

図５に示した半導体受光素子１００Ｂの入射光スポットサイズφｉは、図２に示した半導体受光素子１００の入射光スポットサイズφｉよりも大きい。従って、トータルの入射光パワーが決まっている場合、入射光が受光部３００Ｂ全体に分散され、光電流密度上昇による周波数応答の劣化を低減することができる。

しかし、入射光スポットサイズφｉを大きくする場合、入射光の仮想的な焦点位置Ｆが受光部３００Ｂから離れてしまい、散乱等によって集光率が低下する。そこで、図５に示した半導体受光素子１００Ｂにおいては、半導体基板２００Ｂに形成する穴部２１０Ｂの深さｄ’を、受光部３００から入射した光の焦点位置Ｆに反射膜４００が位置するように設計した時の深さｄよりも大きく設計した。この場合、散乱等によって集光率が低下することを低減できる。

なお、穴部２１０Ｂの底面が焦点位置Ｆよりも受光部３００Ｂ側に位置する場合、反射光スポットサイズφｒが入射光スポットサイズφｉよりも小さくなる。一般的に、反射膜で反射して再び受光部に入射する光のパワーは、入射光学系から直接受光部に入射される光のパワーに比べて低いことから、反射光スポットサイズφｒが小さい場合でも反射光の集中による光電流密度の高まりは無視することができる。

以上のように、図５に示した半導体受光素子１００Ｂは、入射光スポットサイズφｉを大きくしたことから、入射光が受光部３００Ｂ全体に分散され、光電流密度上昇による周波数応答の劣化を低減することができる。また、穴部２１０Ｂの深さｄ’を、受光部３００から入射した光の焦点位置Ｆに反射膜４００が位置するように設計した時の深さｄよりも大きく設計したことから、散乱等による集光率の低下を低減することができる。さらに、反射光スポットサイズφｒが入射光スポットサイズφｉよりも小さいことから、反射膜４００Ｂによって反射された光は高い集光率で受光部３００Ｂに集光され、光電変換される。従って、光電変換効率を向上させることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る半導体受光素子の断面図を図６に示す。図６において、本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｃは、半導体基板２００Ｃ、受光部３００Ｃおよび反射膜４００Ｃを備える。

半導体基板２００Ｃは、第１導電型の半導体層の上面に複数の層を積層することによって形成される。受光部３００Ｃは、第２導電型の不純物領域を備え、入射した光を吸収して電気信号に変換する。反射膜４００Ｃは、半導体基板２００の下面に配置され、受光部３００Ｃで吸収されなかった光を反射する。

本実施形態において、半導体基板２００Ｃの厚さｔは、受光部３００Ｃから受光部３００Ｃに入射した光の焦点距離Ｆまでの距離（以下、焦点距離と記載する。）と同等になるように設計されている。半導体基板２００Ｃの厚さｔは、例えば、焦点距離と同等に、１００〜２００μｍ程度に設計される。

ここで、焦点距離は、入射光学系を含む光受信器全体の設計から決まる。焦点距離は、例えば、受光部３００Ｃの上面に高屈折率層やマイクロレンズ等を配置したり、受光部３００Ｃの面積を調整したり、半導体基板２００の屈折率を調整したりすることによって調整することができる。なお、半導体受光素子１００Ｃへ入射する光の入射条件を調整することによって焦点距離を所望の値に調整することもできる。

本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｃにおいて、半導体基板２００Ｃの厚さｔを入射光の焦点距離と同等の値に調整することにより、反射膜４００Ｃが入射光の焦点位置Ｆに配置される。この場合、受光部３００Ｃに光が入射するときのスポットサイズである入射光スポットサイズφｉと、反射膜４００Ｃで反射された光が受光部３００Ｃに再び入射するときのスポットサイズである反射光スポットサイズφｒと、が一致する。従って、反射膜４００Ｃで反射された光は高い集光率で受光部３００Ｃに集光される。

以上のように、本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｃは、反射光を高い集光率で受光部３００Ｃに集光して光電変換することができ、光電変換効率を向上させることができる。さらに、本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｃは、半導体基板２００Ｃに穴部等を形成する必要がないことから、製造コストを低減することができる。

ここで、トータルの入射光パワーが決まっている場合、光電流密度上昇による周波数応答の劣化を低減するために、入射光スポットサイズφｉを大きくすることが望ましい。入射光スポットサイズφｉを大きく設計した場合の半導体受光素子の断面図を図７に示す。

図７に示した半導体受光素子１００Ｄの入射光スポットサイズφｉは、図６に示した半導体受光素子１００Ｃの入射光スポットサイズφｉよりも大きい。従って、トータルの入射光パワーが決まっている場合、入射光が受光部３００Ｄ全体に分散され、光電流密度上昇による周波数応答の劣化を低減することができる。

しかし、入射光スポットサイズφｉを大きくする場合、入射光の仮想的な焦点位置Ｆが受光部３００Ｄから離れてしまい、散乱等によって集光率が低下する。そこで、図７に示した半導体受光素子１００Ｄにおいては、半導体基板２００Ｄの厚さｔ’を、焦点位置Ｆに反射膜が位置するように設計した時の厚さｔよりも小さく設計した。この場合、散乱等によって集光率が低下することを低減できる。

なお、反射膜４００Ｄが焦点位置Ｆよりも受光部３００Ｄ側に位置する場合、反射光スポットサイズφｒが入射光スポットサイズφｉよりも小さくなる。この場合も、反射膜４００Ｄによって反射された光は高い集光率で受光部３００Ｄに集光される。従って、反射光を受光部３００Ｄで効率よく再受光して光電変換することができ、光電変換効率を向上させることができる。さらに、本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｄは、半導体基板２００Ｄに穴部等を形成する必要がないことから、製造コストを低減することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。本実施形態に係る半導体受光素子の断面図を図８に示す。図８において、本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｅは、半導体基板２００Ｅ、受光部３００Ｅおよび反射膜４００Ｅを備える。

半導体基板２００Ｅは、第１導電型の半導体層の上面に複数の層を積層することによって形成される。半導体基板２００Ｅの上面の受光領域には受光部３００Ｅが配置され、半導体基板２００Ｅの下面の、受光部３００Ｅと対向する位置には穴部２１０Ｅが形成されている。穴部２１０Ｅについては後述する。

受光部３００Ｅは、第２導電型の不純物領域を備え、入射した光を吸収して電気信号に変換する。反射膜４００Ｅは、半導体基板２００Ｅの下面と、穴部２１０Ｅの側面および底面と、に配置され、受光部３００Ｅに入射して受光部３００Ｅにおいて吸収されなかった光を、受光部３００Ｅ側へ反射する。反射膜４００Ｅとしては、例えば、金属製の薄膜を適用することができる。

穴部２１０Ｅについて説明する。穴部２１０Ｅは、半導体基板２００Ｅの下面の受光部３００Ｅと対応する位置を凹状に除去することによって形成される。さらに、穴部２１０Ｅの底面は球面状に加工されている。本実施形態において、穴部２１０Ｅは、受光部３００Ｅから入射した入射光の焦点位置Ｆと、穴部２１０Ｅの球面状の底面の幾何学的中心Ｏと、が一致するように設計されている。

この場合、受光部３００Ｅに光が入射するときのスポットサイズである入射光スポットサイズφｉと、反射膜４００Ｅで反射された光が受光部３００Ｅに再び入射するときのスポットサイズである反射光スポットサイズφｒと、が一致する。入射光の焦点位置Ｆと球面状の底面の幾何学的中心Ｏとを一致させることにより、反射膜４００Ｅで反射された光は、再度、焦点位置Ｆ（幾何学的中心Ｏ）に集まった後、高い集光率で受光部３００Ｅに集光される。

次に、本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｅの製造方法について説明する。本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｅの製造工程を図９に示す。

図９（ａ）において、第２の実施形態と同様に、第１導電型の半導体基板の上に、ｎ型ＩｎＰ緩衝層、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層、ｎ型ＩｎＰ電界緩和層およびｎ型ＩｎＰ窓層等を順次積層して半導体基板２００Ｅを形成し、半導体基板２００ＥのＩｎＰ窓層の一部分に第２導電型の不純物領域を形成して受光部３００Ｅを形成する。さらに、半導体基板２００Ｅの受光部３００Ｅの下方領域をフォトリソグラフィー工法や半導体のエッチング工法等を用いて除去し、穴部２１０Ｅを形成する。

次に、図９（ｂ）に示すように、半導体基板２００Ｅの穴部２１０Ｅの底面に、フォトリソグラフィー工法や半導体のエッチング工法を用いて、メサ状の構造を形成する。さらに、フォトリソグラフィー工法を用いて、このメサ状の構造を含む凹状の部分を除き、素子裏面をレジスト膜で覆う。

この状態で、図９（ｃ）に示すように、ウェットエッチングにより、メサ状の構造全体をエッチングして球面形状を形成し、レジストを除去する。なお、穴部２１０Ｅの形成工程、メサ状の構造の形成工程およびメサ状の構造のエッチング工程の中で、入射光の焦点位置Ｆと穴部２１０Ｅの球面状の底面の幾何学的中心Ｏとが一致するように調整する。

最後に、図９（ｄ）に示すように、例えば、ＴｉＰｔＡｕを半導体基板２００Ｅの下面と、穴部２１０Ｅの側面および底面と、に蒸着する等により反射膜４００Ｅを形成し、本実施形態に係る半導体受光素子１００Ｅを得る。

上記のように形成された半導体受光素子１００Ｅにおいて、穴部２１０Ｅは、受光部３００Ｅから入射した入射光の焦点位置Ｆと、穴部２１０Ｅの球面状の底面の幾何学的中心Ｏと、が一致するように設計されている。この場合、受光部３００Ｅで吸収されずに、焦点位置Ｆを通過して反射膜４００Ｅまで到達した入射光は、反射膜４００Ｅで反射されて、再度焦点位置Ｆに集まった後、高い集光率で受光部３００Ｅへ集光される。従って、反射光を効率よく受光部３００Ｅで再受光して光電変換することができ、光電変換効率が向上する。

さらに、入射光の焦点位置Ｆに反射膜４００Ｅを配置するのではなく、入射光の焦点位置Ｆを幾何学的中心Ｏとした球面上に反射膜４００Ｅを配置することにより、受光部３００Ｅと反射膜４００Ｅとの距離を大きくすることができ、受光部３００Ｅの下方の半導体基板２００Ｅの厚さを大きくすることができる。従って、半導体基板２００Ｅの機械的強度を大きくすることができる。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

１０ 半導体受光素子
２０ 半導体基板
３０ 受光部
４０ 反射部
１００、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ 半導体受光素子
２００、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ 半導体基板
２１０、２１０Ｂ、２１０Ｅ 穴部
３００、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ、３００Ｅ 受光部
４００、４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄ、４００Ｅ 反射膜
９００ 半導体受光素子
９１０ 半導体基板
９２０ 受光領域
９３０ 反射層

Claims (3)

1. 下面に穴部が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の上面の前記穴部と対向する位置に配置され、光が入射する受光部と、
   前記穴部が形成された領域を含む前記半導体基板の下面に配置され、前記受光部を透過した光を反射する反射部と、
   を備え、
   前記穴部の深さは、前記穴部に配置された前記反射部が、前記受光部に入射する光の入射光スポットサイズの境界に入射した光の焦点位置または該焦点位置よりも前記受光部側に配置される深さに設定されることを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記穴部の底面は、平面状に形成される、
   請求項１記載の半導体受光素子。
3. 下面に穴部が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の上面の前記穴部と対向する位置に配置され、光が入射する受光部と、
   前記穴部が形成された領域を含む前記半導体基板の下面に配置され、前記受光部を透過した光を反射する反射部と、
   を備え、
   前記穴部の底面は、中心が前記受光部に入射する光の入射光スポットサイズの境界に入射した光の焦点位置に一致する球面状に形成された半導体受光素子。
   
   
   

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