特許 6530871 端面入射型受光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6530871

(24)【登録日】2019年5月24日

(45)【発行日】2019年6月19日

(54)【発明の名称】端面入射型受光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0232 20140101AFI20190610BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/02 D

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2018-558256(P2018-558256)

(86)(22)【出願日】2017年7月25日

(86)【国際出願番号】JP2017026791

【審査請求日】2018年11月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000161862

【氏名又は名称】株式会社京都セミコンダクター

(74)【代理人】

【識別番号】100089004

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】西村 諭一

(72)【発明者】

【氏名】大村 悦司

【審査官】 山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開平８−３１６５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２４３６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５１１９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５６００７４１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０３９２、３１／０８−３１／１１９

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

端面入射型受光素子において、
半導体基板の第１の面の近傍に形成された受光部と、前記第１の面に対向する前記半導体基板の第２の面に前記第２の面と直交する方向から視た平面視で円形に形成された部分球面状凹面反射部と、前記第１の面と前記第２の面の間に形成された平面反射部とを備え、
前記平面反射部は、前記第１の面及び前記第２の面に垂直な前記半導体基板の端面に垂直に入射した入射光を前記部分球面状凹面反射部に向けて反射し、
前記部分球面状凹面反射部は、前記平面反射部で反射した入射光を前記受光部に集光するように反射することを特徴とする端面入射型受光素子。

【請求項2】

前記平面反射部は、前記第２の面に鋭角に連なることを特徴とする請求項１に記載の端面入射型受光素子。

【請求項3】

前記平面反射部は、前記第１の面に鈍角に連なることを特徴とする請求項１に記載の端面入射型受光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、受光素子内部に入射光の光路を屈曲させる反射機構を有する端面入射型の受光素子に関し、特に２５ＧＨｚ以上の高速動作が可能な端面入射型受光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の高速大容量の通信網の発展に伴い、光幹線系等で利用される光通信用の発光素子や受光素子に求められる応答速度が２５ＧＨｚを超えるようになってきている。そのため、受光素子においては、受光部の光吸収領域を形成するＰＮ接合の接合容量を減らすことにより高速動作を可能とするために、光吸収領域の面積を小さくしている。例えば２５ＧＨｚの応答速度を得るためには、光吸収領域を２０μｍ×２０μｍ程度にする必要がある。

【0003】

このような受光素子は、大きく分けて平面入射型と端面入射型の２種類に分類される。平面入射型の受光素子は、半導体基板主面に形成された光吸収領域に対してその半導体基板主面に略垂直に光を入射するものであり、現在主流の受光素子である。一方、端面入射型の受光素子は、例えば特許文献１のように、半導体基板主面に形成された光吸収領域に対して半導体基板主面に平行方向に光を半導体基板端面から入射するものである。

【0004】

光通信用の受光素子を搭載した受信モジュールは、光ファイバの出力端を受信モジュール内に固定し、この出力端から出射される光信号を受光素子に入射し、この入射光により光吸収領域で生成された電子正孔対を電流として取り出して電気信号を出力する。受信モジュール内の光ファイバの固定等における制約により、受光素子は受信モジュールの実装基板に対して半導体基板主面が垂直になるように配設される場合が多い。それ故、平面入射型の受光素子は取り付け用のサブキャリアが必要になるが、端面入射型の受光素子ではサブキャリアが不要であるため、組み立て容易性や製造コスト低減の観点から近年注目されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−８７７６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述のように、端面入射型の受光素子は、半導体基板主面の受光部に対して平行に光が入射する。受光部の光吸収領域の深さはその半導体基板主面と平行な方向の光吸収領域のサイズと比べて小さいため、端面入射型受光素子は平面入射型受光素子と比べて入射光の受光面積が小さい。特許文献１の端面入射型受光素子は、小さい受光面積を補うため、光吸収領域の端面で入射光を反射することにより光吸収領域を通る光路を長くして受光量を確保するように構成されている。しかし、上述のように高速動作を可能とするために光吸収領域の面積を小さくすると、光吸収領域を通る光路が短くなって受光量が減るので、十分な電流を取り出すことができなくなる。そのため、受光部の光吸収領域の面積の縮小により高速化することが困難である。

【0007】

一方、図１２に示すように、半導体基板５１の端面５２に入射した入射光を、光吸収領域を備えた受光部５３にその深さ方向に入射させるように反射する反射面５４を備えた端面入射型受光素子５０が知られている。反射面５４は半導体基板５１とその外側の物質により定まる臨界角より大きい入射角で入射光が入射するように構成され、入射光は反射面５４において受光部５３に向かって全反射する。受光部５３は１００μｍ×１００μｍ程度の受光面積を有し十分な受光量を確保することができるように構成されている。

【0008】

ここで、光ファイバの出力端から出射する光は、１２°程度の頂角を有する円錐状に広がり、半導体基板５１の端面５２に入射すると屈折の法則に従ってその角度が小さくなるが、半導体基板５１内においても円錐状に広がる。この円錐底面に相当する照射範囲は半導体基板５１内を進行する程広がるため、受光部５３を小さく形成すると受光面積が縮小して十分な受光量を得ることが困難になる。それ故、受光部５３を小さくすることによる端面入射型受光素子５０の高速化を図ることができない。また、受光部５３を小さく形成すると、受信モジュールの組み立てばらつき等により光ファイバの出力端の固定位置にずれが生じた場合に、入射光の入射位置がずれるので受光量が一層低下する虞がある。

【0009】

本発明の目的は、高速動作可能な端面入射型受光素子を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

請求項１の発明の端面入射型受光素子は、半導体基板の第１の面の近傍に形成された受光部と、前記第１の面に対向する前記半導体基板の第２の面に前記第２の面と直交する方向から視た平面視で円形に形成された部分球面状凹面反射部と、前記第１の面と前記第２の面の間に形成された平面反射部とを備え、前記平面反射部は、前記第１の面及び前記第２の面に垂直な前記半導体基板の端面に垂直に入射した入射光を前記部分球面状凹面反射部に向けて反射し、前記部分球面状凹面反射部は、前記平面反射部で反射した入射光を前記受光部に集光するように反射することを特徴としている。

【0011】

上記構成により、平面反射部は、半導体基板の端面に垂直に入射した入射光を第２の面の部分球面状凹面反射部に向けて反射し、部分球面状凹面反射部は、第１の面近傍の受光部に集光するように反射するので、受光量を確保しながら受光部を小さくすることができ、受光部の縮小により端面入射型受光素子の高速化が可能である。また、部分球面状凹面反射部は受光部に集光するので、入射光の入射位置のずれによる受光量の低下を抑えることができる。

【0012】

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記平面反射部は、前記第２の面に鋭角に連なることを特徴としている。

【0013】

上記構成により、平面反射部は、半導体基板の端面に入射した入射光を半導体基板の第２の面の凹面反射部に向けて反射することができる。

【0014】

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記平面反射部は、前記第１の面に鈍角に連なることを特徴としている。

【0015】

上記構成により、平面反射部は、半導体基板の端面に入射した入射光を半導体基板の第２の面の凹面反射部に向けて反射することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明の端面入射型受光素子によれば、光吸収領域を小さくして高速動作が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例１に係る端面入射型受光素子の平面図である。

【図2】図１のII−II線断面図である。

【図3】図２において入射光の光路を示す図である。

【図4】半導体基板に拡散層を形成する工程を示す断面図である。

【図5】図４の半導体基板に受光部を形成する工程を示す断面図である。

【図6】図５の半導体基板に円形溝を形成する工程を示す断面図である。

【図7】図６の半導体基板に凸状部を形成する工程を示す断面図である。

【図8】図７の半導体基板に溝部のエッチングマスクを形成する工程を示す断面図である。

【図9】図８の半導体基板に溝部を形成する工程を示す断面図である。

【図10】図３において入射光の入射位置に応じた受光部の受光量を示す図である。

【図11】本発明の実施例２に係る端面入射型受光素子の断面図である。

【図12】従来の端面入射型受光素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

【実施例1】

【0019】

最初に、端面入射型受光素子の全体構成について説明する。
図１〜図３に示すように、端面入射型受光素子１は、半導体基板１０の（１００）面を上面１１（第１の面）として、上面１１近傍にｉ−ＩｎＧａＡｓ層１２からなる光吸収領域を備えた受光部２を有し、この半導体基板１０の上面１１に基板電極１４（ｎ電極）と、受光部２のｐ型拡散領域１９の上面に受光部電極１５（ｐ電極）を備えている。半導体基板１０は半絶縁性のＩｎＰ基板であるが、端面入射型受光素子１の用途等に応じてＳｉ基板等、適宜基板材料を選択可能である。ＩｎＰ基板は、波長が１μｍより長い赤外光に対して透明であり、ＩｎＰ基板に入射した１μｍより長波長の赤外光はＩｎＰ基板内を進行する。

【0020】

上面１１に対向する半導体基板１０の下面２１（第２の面）に開口された溝部２２は、この下面２１に夫々鋭角に連なる第１傾斜面２２ａ及び第２傾斜面２２ｂと半導体基板１０の上面１１及び下面２１に略平行な頂面２２ｃにより断面がダブテール形状に形成されている。ここでは、溝部２２の受光部２に近い傾斜面を第１傾斜面２２ａとしている。第１傾斜面２２ａ及び第２傾斜面２２ｂは半導体基板１０の｛１１１｝面であり、半導体基板１０の（１００）面と｛１１１｝面は５４．７°程度の角度で交差する。

【0021】

半導体基板１０の下面２１には、さらに第１傾斜面２２ａの近傍に下方に向かって部分球面状に膨出状に形成された凸状部２３を備えている。

【0022】

溝部２２に対して凸状部２３側の半導体基板１０の上面１１と下面２１に略垂直な端面３１は、溝部２２が延びる方向に略平行に形成され、この端面３１に光ファイバから出射される光が入射する。端面３１は、入射光の端面３１における散乱を防ぐため平坦に形成されている。また、この端面３１は、入射光の反射を抑えるための反射防止膜を備えていてもよい。

【0023】

第１傾斜面２２ａと凸状部２３は、入射光を反射するための誘電体膜２４（例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等）及び金属膜２５（例えば銀膜、金膜等）を備えて平面反射部３と部分球面状凹面反射部４を構成している。ここで、例えば波長が１．３μｍの入射光に対してＩｎＰ基板及びシリコン窒化膜の屈折率は夫々３．２及び２．０程度であり、スネルの法則により臨界角は３７．３°程度になる。尚、前記部分球面状凹面反射部４は、下面２１と直交する方向から視た平面視で円形に形成されている。

【0024】

図３に示すように端面３１に入射し、上面１１及び下面２１に平行に進行する入射光の光軸は、平面反射部３に臨界角に近い入射角θ＝３５．３°程度で入射し、入射光の大部分が凹面反射部４に向かって反射する。屈折率が小さい誘電体膜２４を選択することにより、又は金属膜２５及び誘電体膜２４を備えていない第１傾斜面２２ａを平面反射部３とすることにより、臨界角を小さくして入射光が平面反射部３で全反射するように構成することも可能である。

【0025】

凸状部２３の外径や曲率半径は、端面入射型受光素子１のサイズ等により受光部２に集光可能な値に適宜設定される。受光部２と半導体基板１０の下面２１の距離を１５０μｍ、端面３１と第１傾斜面２２ａの下端の距離Ｌ１を１８０μｍ、端面３１と凸状部２３の中心の距離Ｌ２を１２５μｍ、端面３１と受光部２の中心の距離ｗを７０μｍとし、半導体基板１０の下面２１からの距離ｈが５０μｍ、端面３１からの距離ｄが５０μｍの位置から入射光が出射される場合には、凸状部２３の外径を８０μｍ、曲率半径を３２０μｍに設定することにより、１辺が２０μｍの平面視矩形状又は外径２０μｍの平面視円形の受光部２に入射光を導くことができる。

【0026】

図２に示すように、半導体基板１０の上面１１には第１ｎ−ＩｎＰ層１６が一様に形成され、その上に平面反射部３及び凹面反射部４が反射した入射光を受光する受光部２を備えている。受光部２は、第１ｎ−ＩｎＰ層１６側から順に第２ｎ−ＩｎＰ層１７、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層１２（光吸収領域）、第３ｎ−ＩｎＰ層１８を有し、第３ｎ−ＩｎＰ層１８内にｐ型拡散領域１９を有して、ｐｉｎフォトダイオードを形成している。半導体基板１０の上面１１側の基板電極１４及び受光部電極１５以外の部分は水分等から端面入射型受光素子１を保護するための保護膜（例えばシリコン窒化膜等の誘電体膜）により覆われていてもよい。

【0027】

次に、端面入射型受光素子１の製作方法について説明する。
図４に示すように、（１００）面を主面（上面１１）とする清浄な半導体基板１０（半絶縁性ＩｎＰ基板）上に、順に第１ｎ−ＩｎＰ層１６、第２ｎ−ＩｎＰ層１７、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層１２、第３ｎ−ＩｎＰ層１８を気相成長法等により成膜する。そして、図示を省略するが、第３ｎ−ＩｎＰ層１８の所定の領域が露出するように開口したマスク層（例えばシリコン窒化膜）を形成し、選択拡散法により例えば亜鉛を拡散させたｐ型拡散領域１９を形成する。第１ｎ−ＩｎＰ層１６、第２ｎ−ＩｎＰ層１７、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層１２、第３ｎ−ＩｎＰ層１８の厚さは夫々５μｍ、２μｍ、１μｍ、２μｍ程度であり、ｐ型拡散領域１９の幅は２０μｍ程度である。

【0028】

次に、図５に示すように、ｐ型拡散領域１９を含む所定の部分を残して第１ｎ−ＩｎＰ層１６が露出するように、選択エッチング法により第３ｎ−ＩｎＰ層１８、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層１２、第２ｎ−ＩｎＰ層１７を除去して受光部２を形成する。このとき第１ｎ−ＩｎＰ層１６も上面側がエッチングされて薄くなる。そして、図示を省略するが、保護膜（例えばシリコン窒化膜等の誘電体膜）を成膜し、この保護膜を選択エッチング法により部分的に開口する。さらに金属膜を真空蒸着法により成膜し、選択エッチング法により基板電極１４及び受光部電極１５以外の領域の金属膜を除去する。受光部電極１５を形成した後で受光部２を形成し、その後基板電極１４を形成してもよい。

【0029】

電極となる金属膜は、ｐ型拡散領域１９及び第１ｎ−ＩｎＰ層１６との密着層としてクロム膜やニッケル膜等を有する積層構造の金属膜であり、実装基板の端子にワイヤボンディング等により接続可能である。また、図示を省略するが、以降の工程で受光部２等が形成された半導体基板１０の上面１１側を保護するために、フォトレジスト膜等を厚く堆積しておく。

【0030】

次に、図６に示すように、受光部２等が形成された半導体基板１０の上面１１に対向する下面２１に、選択エッチング法により外径８０μｍ程度、深さ５μｍ程度の平面視略円形の円形溝２１ａを形成する。例えばエッチングマスクとして半導体基板１０の下面２１に成膜したシリコン窒化膜２１ｂに半導体基板１０の下面２１が露出する平面視円形状の開口部２１ｃを形成し、異方性が小さい又は等方性の公知のエッチング液により半導体基板１０の下面２１をエッチングする。こうして半導体基板１０の下面２１に円形溝２１ａを形成する。このとき、後の工程で形成する溝部２２が延びる［１１０］方向を考慮して円形溝２１ａを形成する位置が設定される。

【0031】

次に、エッチングマスクを除去し、異方性が小さい又は等方性の公知のエッチング液により半導体基板１０の下面２１をエッチングする。円形溝２１ａの開口部近傍は、円形溝２１ａ内及び半導体基板１０の下面２１側の２方向からエッチングが進行するため１方向からエッチングが進行する半導体基板１０の下面２１の平坦な領域と比べてエッチング速度が速い。そのため、円形溝２１ａの内側領域には、図７に示すように膨出状の曲面を有する凸状部２３が形成される。円形溝２１ａの外側も円形溝２１ａの開口部近傍ではエッチング速度が速いので、円形溝２１ａから平坦な領域に滑らかに連なるように曲面が形成される。

【0032】

次に、半導体基板１０の下面２１に開口する溝部２２を形成するためのエッチングマスクを形成する。図８に示すように、例えば半導体基板１０の下面２１に成膜したシリコン窒化膜２１ｄに、半導体基板１０の下面２１が露出するように幅２０μｍ程度、溝部２２が延びる方向の長さが２００μｍ程度の開口部２１ｅを形成する。

【0033】

次に、図９に示すように、結晶面方位に依存する異方性を有する公知のエッチング液（例えば｛１１１｝面のエッチング速度が遅いブロムメタノール液）により、溝部２２を所定の深さ（例えば８０μｍの深さ）エッチングした後、エッチングマスクのシリコン窒化膜２１ｄを除去する。こうして第１傾斜面２２ａと第２傾斜面２２ｂと頂面２２ｃを有するダブテール形状の溝部２２が形成される。第１傾斜面２２ａ、第２傾斜面２２ｂは｛１１１｝面であり、夫々溝部２２の頂面２２ｃ及び半導体基板１０の下面２１に５４．７°程度の角度で交差する。

【0034】

次に、第１傾斜面２２ａ及び凸状部２３が入射光を反射するための誘電体膜２４（例えばシリコン窒化膜）及び金属膜２５（例えば銀膜、金膜等）を順に気相成長法及び真空蒸着法等により夫々例えば０．２μｍ、１μｍ程度の厚さに成膜して、凸状部２３に凹面反射部４を形成し、第１傾斜面２２ａに平面反射部３を形成する。凸状部２３及び第１傾斜面２２ａ以外の領域の金属膜２５は除去してもよい。

【0035】

次に、半導体基板１０の上面１１側を保護するフォトレジスト膜を除去し、受光部２と凹面反射部４と平面反射部３が形成された半導体基板１０を所定の形状にダイシングして、図１、図２に示す端面入射型受光素子１を得る。光が入射する端面３１は、入射光の散乱を防ぐための平坦化処理と、入射光の反射を防ぐための反射防止膜を成膜してもよい。

【0036】

実施例１に係る本発明の端面入射型受光素子１の作用、効果について説明する。
図３において入射光の入射位置を高さ方向及び水平方向（奥行き方向）にずらした場合に、入射光の受光部２への到達率（受光部到達率）をシミュレーションした結果を図１０に示す。受光部２は、平面視にて１辺が２０μｍの矩形又は外径２０μｍの円形に従来より小さい面積に形成されているが、入射位置を受光部２の中心に入射する位置から高さ方向又は水平方向に±２０μｍずらした場合でも９０％以上の高い受光部到達率が得られる。従って、受光部２が小さくても、凹面反射部４により集光して確実に入射光を受光部２に導くことができるので、受光部２の縮小により端面入射型受光素子１を高速化でき、この端面入射型受光素子１を搭載した受信モジュールに光ファイバの出力端を固定する際の位置合わせが容易になる。

【実施例2】

【0037】

実施例１の端面入射型受光素子１を部分的に変更した実施例２の端面入射型受光素子１Ａについて説明する。実施例１と共通する部分には同じ符号を付して説明を省略する。

【0038】

図１１に示すように、端面入射型受光素子１Ａは、半導体基板１０の（１００）面を上面１１（第１の面）として、この上面１１の近傍に受光部２を有し、この半導体基板１０の上面１１の基板電極１４（ｎ電極）と受光部２の受光部電極１５（ｐ電極）を備えている。この上面１１には、上面１１に夫々１２５．３°程度の鈍角に連なる第３傾斜面４２ａ及び第４傾斜面４２ｂで形成されるＶ形状のＶ形溝部４２を備えている。第３傾斜面４２ａ、第４傾斜面４２ｂは｛１１１｝面であり、第３傾斜面４２ａと第４傾斜面４２ｂがなすＶ形溝部４２の頂角は７０．６°程度である。第３傾斜面４２ａは、入射光を反射するための誘電体膜４４（例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等）及び金属膜４５（例えば銀膜、金膜等）を有して平面反射部３を構成している。尚、誘電体膜４４及び金属膜４５を備えていない第３傾斜面４２ａを平面反射部３とすることも可能である。

【0039】

また、半導体基板１０の下面２１には、平面視にてＶ形溝部４２と受光部２の間に下方に膨出状に形成された凸状部２３が形成されている。この凸状部２３は誘電体膜２４と金属膜２５を有し、上面に向かって凹面状に形成された部分球面状凹面反射部４を構成している。

【0040】

Ｖ形溝部４２に対して受光部２側の半導体基板１０の上面１１と下面２１に略垂直な端面３１は、Ｖ形溝部４２が延びる方向に略平行に形成された入射光の入射面である。

【0041】

Ｖ形溝部４２は、実施例１の溝部２２と同様の方法で半導体基板１０の上面１１に結晶面方位に依存した異方性を有する公知のエッチング液によりエッチングして形成される。但し、Ｖ形溝部４２が延びる方向が実施例１の溝部２２が延びる方向に直交することを考慮して受光部２と部分球面状凹面反射部４を配設する。こうして形成された端面入射型受光素子１Ａは、実施例１の端面入射型受光素子１と同様に入射光を受光部２に集光して導入することができ、同等の効果を有する。

【符号の説明】

【0042】

１，１Ａ 端面入射型受光素子
２ 受光部
３ 平面反射部
４ 部分球面状凹面反射部
１０ 半導体基板
１１ 上面（第１の面）
２１ 下面（第２の面）
２２ 溝部
２２ａ 第１傾斜面
２３ 凸状部
３１ 端面
４２ Ｖ形溝部
４２ａ 第３傾斜面

【要約】

【課題】高速動作可能な端面入射型受光素子を提供すること。
【解決手段】端面入射型受光素子において、半導体基板の第１の面の近傍に形成された受光部と、前記第１の面に対向する前記半導体基板の第２の面に形成された凹面反射部と、前記第１の面と前記第２の面の間に形成された平面反射部とを備え、前記平面反射部は、前記第１の面及び前記第２の面に垂直な前記半導体基板の端面に入射した入射光を前記凹面反射部に向けて反射し、前記凹面反射部は、前記平面反射部で反射した入射光を前記受光部に集光するように反射する。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】