特許 6836300 面入射型半導体受光素子

(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】6836300

(24)【登録日】2021年2月9日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】面入射型半導体受光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0232 20140101AFI20210215BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/02 C

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2020-568816(P2020-568816)

(86)(22)【出願日】2020年9月10日

(86)【国際出願番号】JP2020034227

【審査請求日】2020年12月14日

【早期審査対象出願】

(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】磯村 尚友

(72)【発明者】

【氏名】大村 悦司

【審査官】 佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−４８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−３０８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５３０８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２０４５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−３６８５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２３２、３１／０８−３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板の第１面側に中心線が前記第１面と直交する錐台状に形成され且つ前記第１面に平行な光吸収層を有する受光部と、前記受光部の側面を囲む前記中心線と同心状の傾斜面を有する反射部であって、前記傾斜面の内径が前記第１面に対向する第２面側程縮径する反射部とを備え、
前記中心線上の前記第１面から所定距離離隔したコニカルファイバの先端部から出射されて円錐状に広がって入射する光を、前記反射部が前記光吸収層の外周面に向けて前記第１面と平行な方向に反射させるように構成したことを特徴とする面入射型半導体受光素子。

【請求項2】

前記傾斜面が部分円錐面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の面入射型半導体受光素子。

【請求項3】

前記傾斜面が前記光吸収層の厚さ方向に集光する凹曲面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の面入射型半導体受光素子。

【請求項4】

前記先端部と前記反射部の間を満たす媒質に対する前記コニカルファイバの屈折率をｎ、前記先端部の頂角をθ、前記中心線に対する前記反射部の前記傾斜面の傾斜角をγとしたときに、
γ＝（π−（θ／２）−ｓｉｎ^-1（ｎ×ｃｏｓ（θ／２）））／２
を満たすように前記反射部が形成されたことを特徴とする請求項２に記載の面入射型半導体受光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光通信に用いられる面入射型半導体受光素子に関し、特に高い量子効率を備えた高速動作可能な面入射型半導体受光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、光通信分野では、光ファイバケーブルを介して通信される情報量の増加に対応するために、伝送速度を高速化する技術の開発が進められている。伝送速度を高速化するために、受光した光信号を電気信号（電流）に変換する受光素子を高速動作させることが要求されている。

【0003】

受光素子としては、面入射型半導体受光素子が広く利用されている。面入射型半導体受光素子は、半導体基板の第１面側（主面側）に光吸収層を備えた受光部を備え、第１面側又は第１面に対向する第２面側（裏面側）に配置された光ファイバケーブルから出射された光が、受光部に光吸収層の厚さ方向に入射される。この面入射型半導体受光素子を高速動作させるために、素子容量及び素子抵抗の低減と、受光部の光吸収層で生成した電荷（キャリア）のドリフト時間の短縮が要求されている。

【0004】

素子容量の低減には、受光部の面積を小さくすることが必要である。例えば４０ＧＨｚ程度の周波数帯域で使用される面入射型半導体受光素子では、要求される受光部の直径は１０μｍ程度になる。しかし、受光部が小型化されると受光量が減少するので、面入射型半導体受光素子の受光感度が低下する。

【0005】

一方、ドリフト時間の短縮には、受光部の光吸収層の厚さを薄くすることが必要である。例えば４０ＧＨｚ程度の周波数帯域で使用される面入射型半導体受光素子では、光吸収層の厚さを１μｍ以下にすることが要求される。この場合、半導体基板の第１面側又は第２面側から入射される光が光吸収層を通る距離が短くなるので、光をキャリアに変換する量子効率が低下し、受光感度が低下する。その上、光吸収層を薄くすると素子容量が大きくなる。

【0006】

上記のように、素子容量の低減とドリフト時間の短縮を両立させて高速化することは容易ではない。そこで、例えば特許文献１〜３のように、光吸収層に平行な方向に光を入射させて、入射光が光吸収層を通る距離を光吸収層の厚さよりも大きくした導波路型半導体受光素子が提案されている。光吸収層の厚さは、例えば特許文献１，２では０．４μｍ、特許文献３では０．１μｍ以下である。

【0007】

導波路型半導体受光素子には、光吸収層を有する受光部の一側面側に配置された光ファイバケーブルから、光吸収層と平行に出射された光を光吸収層に入射させる。入射光は、光吸収層の厚さで決まる光閉じ込め係数Γ（＜１）相当分だけ吸収されながら光吸収層を数μｍ程度進行する。この進行距離が光吸収層の厚さよりも大きいので、キャリア生成の機会が増加し、光吸収層を薄くしても量子効率の低下が抑制され、受光感度の低下が抑制されることになる。また、受光部を光の進行距離程度の大きさに小型化することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平５−１２１７７４号公報

【特許文献2】特開平７−３０１４１号公報

【特許文献3】特開平１０−３０３４４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、特許文献１〜３のような導波路型半導体受光素子は、薄い光吸収層に効率的に光を入射させるためには、例えば光をレンズ等の光学系によって細く絞ることが必要である。それ故、高速動作可能且つ導波路型半導体受光素子よりも光結合が容易な面入射型半導体受光素子が求められている。

【0010】

本発明の目的は、高速動作のための小型且つ薄い光吸収層における量子効率の低下を抑制して受光感度の低下を抑制した面入射型半導体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】

【0011】

請求項１の発明の面入射型半導体受光素子は、半導体基板の第１面側に中心線が前記第１面と直交する錐台状に形成され且つ前記第１面に平行な光吸収層を有する受光部と、前記受光部の側面を囲む前記中心線と同心状の傾斜面を有する反射部であって、前記傾斜面の内径が前記第１面に対向する第２面側程縮径する反射部とを備え、前記中心線上の前記第１面から所定距離離隔したコニカルファイバの先端部から出射されて円錐状に広がって入射する光を、前記反射部が前記光吸収層の外周面に向けて前記第１面と平行な方向に反射させるように構成したことを特徴としている。

【0012】

上記構成によれば、コニカルファイバから出射されて円錐状に広がって面入射型半導体受光素子に入射する光は、錐台状の受光部の側面を囲む反射部によって、受光部に向けて受光部の光吸収層と平行な方向に反射される。従って、第１面側から入射させる面入射型半導体受光素子において、受光部の光吸収層に平行に入射させた光が光吸収層を進行するので、小型で薄い光吸収層でも量子効率の低下が抑制され、受光感度の低下を抑制することができる。

【0013】

請求項２の発明の面入射型半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記傾斜面が部分円錐面に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、反射部が円錐台の側面に相当する部分円錐面の傾斜面を有するので、反射部によって反射された光は、反射部と共通する受光部の中心線に向かって集光される。従って、コニカルファイバから出射された光が縮径するように集光されて、光吸収層の外周面に入射するので、受光量の減少を抑制し、受光感度の低下を抑制することができる。

【0014】

請求項３の発明の面入射型半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記傾斜面が前記光吸収層の厚さ方向に集光する凹曲面に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、光吸収層の厚さ方向に集光する凹曲面に形成された傾斜面を有する反射部によって反射された光は、受光部の光吸収層の厚さ方向に集光されて光吸収層の外周面に入射する。従って、出射された光が光吸収層の厚さ方向に広がる場合に、光吸収層の厚さ方向に集光して受光量を増加させることができるので、受光感度の低下を抑制することができる。

【0015】

請求項４の発明の面入射型半導体受光素子は、請求項２の発明において、前記先端部と前記反射部の間を満たす媒質に対する前記コニカルファイバの屈折率をｎ、前記先端部の頂角をθ、前記中心線に対する前記反射部の前記傾斜面の傾斜角をγとしたときに、γ＝（π−（θ／２）−ｓｉｎ^-1（ｎ×ｃｏｓ（θ／２）））／２を満たすように前記反射部が形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、組み合わせるコニカルファイバに応じた反射部を容易に形成することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明の面入射型半導体受光素子によれば、高速動作のための小型且つ薄い光吸収層であっても、量子効率の低下を抑制して受光感度の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例に係る面入射型半導体受光素子の外観斜視図である。

【図2】図１のII−II線に対応する入射光の入射態様を示す断面図である。

【図3】コニカルファイバの頂角θと反射部の傾斜角γの関係の説明図である。

【図4】コニカルファイバの頂角θに対応する反射部の傾斜角γを示す図である。

【図5】光吸収層の厚さに対応する光閉じ込め係数Γを示す図である。

【図6】（ａ）は従来の面入射型半導体受光素子の光吸収層への入射態様を示す図であり、（ｂ）は実施例に係る面入射型半導体受光素子の光吸収層への入射態様と等価な入射態様を示す図である。

【図7】光吸収層の厚さと量子効率の関係を示す図である。

【図8】従来の面入射型半導体受光素子の量子効率を１とした時の実施例の量子効率の比率を示す図である。

【図9】実施例に係る成膜工程とエッチングマスク形成工程の説明図である。

【図10】実施例に係るエッチング工程の説明図である。

【図11】実施例に係る反射膜形成工程の説明図である。

【図12】実施例に係る反射防止膜形成工程の説明図である。

【図13】実施例に係るアノード電極形成工程の説明図である。

【図14】実施例に係るカソード電極形成工程の説明図である。

【図15】凹曲面に形成された反射部の説明図である。

【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】

【0019】

図１は面入射型半導体受光素子１の外観斜視図、図２は面入射型半導体受光素子１の受光部２の中心線Ｃを含み且つカソード電極４を通る断面図である。図１、図２に示すように、面入射型半導体受光素子１（以下、受光素子１と呼ぶ場合がある。）は、半導体基板１０の主面１０ａ（第１面）側に光をキャリアに変換する錐台状の受光部２を有する。この受光部２に光を入射させるために、主面１０ａ側に受光部２の中心線Ｃと同心状に配置されたコニカルファイバ２０から光を出射させる。中心線Ｃは半導体基板１０の主面１０ａと直交する。

【0020】

コニカルファイバ２０は、先端部２１が円錐状に形成されたシングルモードファイバの光ファイバケーブルである。コニカルファイバ２０の先端部２１から出射される光は、円錐状に広がる環状の光である。受光部２で変換されたキャリアは電流として、アノード電極３、カソード電極４に夫々接続されたボンディングワイヤ５ａ，５ｂを介して外部に取り出される。コニカルファイバ２０の先端部２１と受光素子１の間を満たす媒質は、例えば空気である。

【0021】

受光素子１の半導体基板１０として例えばｎ−ＩｎＰ基板の主面１０ａ側に、第１半導体層１１（ｎ−ＩｎＰ層）、光吸収層１２（ＩｎＧａＡｓ層）、第２半導体層１３（ｐ−ＩｎＰ層）がこの順に積層されている。そして、主面１０ａ側に、錐台状の受光部２の側面を囲む中心線Ｃと同心状の傾斜面１５ａを有する反射部１５を備えている。反射部１５の深さは、第１半導体層１１の途中部に達する深さであるが、半導体基板１０には到達しない。

【0022】

反射部１５は、傾斜面１５ａと、傾斜面１５ａに形成された反射膜１５ｂと、反射膜１５ｂによって形成された反射面１５ｃを有する。傾斜面１５ａは、第２半導体層１３側から半導体基板１０の主面１０ａに対向する裏面１０ｂ（第２面）側に進む程、内径が縮径するように形成されている。傾斜面１５ａと、傾斜面１５ａに鈍角に連なる第２半導体層１３表面における傾斜面１５ａの近傍部には、例えばＳｉＯ２膜、Ｃｒ膜、Ａｕ膜をこの順に選択的に堆積した環状の反射膜１５ｂが形成されている。この反射膜１５ｂに形成された環状の反射面１５ｃは、傾斜面１５ａと同じ傾斜角度で形成されている。

【0023】

錐台状の受光部２は、反射部１５の内側に形成されている。この受光部２は、半導体基板１０の主面１０ａに平行に積層されたｎ型の第１半導体層１１と光吸収層１２とｐ型の第２半導体層１３によって形成されたフォトダイオードである。受光部２の第２半導体層１３にはアノード電極３が接続され、反射部１５の外側領域においてカソード電極４が第１半導体層１１に接続されている。

【0024】

反射部１５は、コニカルファイバ２０から出射された光を受光部２に集光できる円錐台状が好適であるが、例えば正八角形等の正角錐台状でもよく、角が多い程（円錐台に近い程）好ましい。また、受光部２は、円錐台状が好適であるが、例えば正八角形等の正角錐台状でもよい。以下では、円錐台状の反射部１５と円錐台状の受光部２を備えた受光素子１として説明する。

【0025】

受光素子１には、反射部１５及び受光部２の共通する中心線Ｃ上であって、主面１０ａ側に主面１０ａから所定距離Ｄだけ離隔した位置に配置されたコニカルファイバ２０の先端部２１から出射された光が、円錐状に広がって入射する。この円錐状の先端部２１から出射された光Ｉは、先端部２１の近傍で交差して、円錐状に広がって反射部１５に入射する。

【0026】

出射された光Ｉが反射部１５の反射面１５ｃによって反射された光Ｒは、受光部２の側面に入射する。反射部１５は、受光部２の光吸収層１２の外周面１２ａに向けて半導体基板１０の主面１０ａに平行な方向に反射させるように、傾斜面１５ａの傾斜角度が設定されている。例えば図３に示すように、コニカルファイバ２０の先端部２１の頂角（全角）がθの場合に、先端部２１の円錐面の法線をＮ１、光の入射角をα、出射角をβとし、反射部１５の反射面１５ｃの法線をＮ２、光の入射角及び反射角をγとする。また、コニカルファイバ２０の先端部２１と反射部１５の間を満たす媒質に対するコニカルファイバ２０の光が通るコアの屈折率をｎとする。このときθ、α、β、γ、ｎの関係は、次の（１）〜（３）式で表される。
（１）α＝(π−θ)／２
（２）β＝sin^-1(ｎ×sin(α))＝sin^-1(ｎ×cos(θ／２))
（３）γ＝(π−(θ／２)−β)／２＝(π−(θ／２)−sin^-1(ｎ×cos(θ／２)))／２

【0027】

反射面１５ｃの光Ｉの入射点における中心線Ｃに平行な直線をＣ’とすると、反射角γは直線Ｃ’に対する傾斜面１５ａの傾斜角γでもある。それ故、上記（３）式に基づいて、コニカルファイバ２０の先端部２１の頂角θに応じて傾斜面１５ａの傾斜角γを一意に決めることができる。図４は、屈折率ｎ＝１．４５としたときの頂角θと傾斜角γの関係を曲線Ｊで示しており、例えば頂角θ＝１４０°のときに傾斜角γ＝４０．１°になる。

【0028】

図３のように、傾斜角γの傾斜面１５ａに形成された反射面１５ｃは、反射された光Ｒで示すように、コニカルファイバ２０から出射された光Ｉを受光部２に向けて半導体基板１０の主面１０ａと平行な方向に反射させる。コニカルファイバ２０の先端部２１の位置を中心線Ｃ上で調整して主面１０ａから所定距離Ｄだけ離隔させることによって、入射光を反射部１５で反射させて光吸収層１２の外周面１２ａ（端面）に入射させることができる（図２参照）。

【0029】

光吸収層１２に入射した光は、導波路型半導体受光素子と同様に、光吸収層１２を挟む第１、第２半導体層１１，１３との界面で夫々反射されながら進行する。このとき、光は完全に光吸収層１２に閉じ込められるわけではなく、第１、第２半導体層１１，１３中にもある程度広がっている。入射した光の全光強度Ｐ_Oのうちの光吸収層１２における光強度の割合が光閉じ込め係数Γで表される。

【0030】

光閉じ込め係数Γは、光吸収層１２の厚さｄと、光吸収層１２の屈折率ｎ１と、第１、第２半導体層１１，１３の屈折率ｎ２の関数である。ここで、光吸収層１２として厚さｄのＩｎＧａＡｓ層の屈折率ｎ１＝３．４、第１、第２半導体層としてＩｎＰ層の屈折率ｎ２＝３．１とすると、図５に曲線Ｋで示すように光閉じ込め係数Γは厚さｄが大きい程１に近づく厚さｄの関数なので、以下では光閉じ込め係数ΓをΓ（ｄ）とする。

【0031】

次に、光をキャリアに変換する量子効率について図６に基づいて説明する。
従来の面入射型半導体受光素子では、光強度Ｐ_Oの光が、例えば半径ａ、厚さｄの円盤状の光吸収層３２に到達し（図６（ａ）参照）、光吸収層３２を厚さ方向に距離ｄだけ進行する間に電流に変換される。このときの量子効率η０は、光吸収層３２の吸収係数をαとすると、下記（４）式のように（１−ｅｘｐ（−αｄ））に比例する。
（４）η０∝（１−ｅｘｐ（−αｄ））

【0032】

一方、上記説明した受光素子１の場合は、光強度Ｐ_Oの光が半径ａ、厚さｄの円盤状の光吸収層１２の外周面１２ａに到達する。それ故、円盤状の光吸収層１２を複数の扇形に分割して並べ替えた短辺ａ、長辺πａ、厚さｄの矩形板状の光吸収層１２Ａの長辺を含む側面に光強度Ｐ_Oの光が到達するのと等価である（図６（ｂ）参照）。そして、光吸収層１２Ａ内を進行する光の光強度は、光閉じ込め係数Γ（ｄ）を用いてΓ（ｄ）Ｐ_Oとなる。このときの量子効率η１は、光吸収層１２Ａの吸収係数をαとすると、下記（５）式で示すようにΓ（ｄ）×（１−ｅｘｐ（−αａ））に比例する。
（５）η１∝Γ（ｄ）×（１−ｅｘｐ（−αａ））

【0033】

例えば４０ＧＨｚ程度の周波数帯域で使用できるように光吸収層１２の半径ａが５μｍ、厚さｄが１μｍ以下に設定された場合には半径ａが厚さｄより５倍以上大きい。このとき上記（４）式と（５）式を比べると、（１−ｅｘｐ（−αｄ））＜＜（１−ｅｘｐ（−αａ））なので、光閉じ込め係数Γ（ｄ）が１未満であっても量子効率はη０＜η１になる。従って、光吸収層１２の厚さｄを薄くする場合には、光吸収層１２の外周面１２ａから入射させて光吸収層１２内を径方向に進行させることにより、量子効率の低下を抑制できる。

【0034】

図７は、光吸収層３２，１２の厚さｄに対する量子効率を示し、上記（４）式の場合を曲線Ｌ０、上記（５）式の場合を曲線Ｌ１，Ｌ２で示している。曲線Ｌ０，Ｌ２は光吸収層３２，１２の半径ａが５μｍの場合であり、曲線Ｌ１は光吸収層１２の半径ａが２．５μｍの場合である。光吸収層３２，１２の厚さｄが同じであれば曲線Ｌ１，Ｌ２は曲線Ｌ０よりも大きい値になるので、従来よりも量子効率が高いことが分かる。また、厚さｄを１０００ｎｍから薄くしていった場合に、４００ｎｍ程度まで量子効率の低下が従来よりも緩やかであることが分かる。

【0035】

図８は、図７における曲線Ｌ０に対する曲線Ｌ１，Ｌ２の比率（量子効率の比率）を曲線Ｌ１’，Ｌ２’で示している。例えば光吸収層１２の厚さｄが４００ｎｍのときに、光吸収層１２の半径ａが５μｍの場合の曲線Ｌ１’と、光吸収層１２の半径ａが２．５μｍの場合の曲線Ｌ２’のどちらも従来の２倍以上の量子効率になる。

【0036】

以上のように、光吸収層１２の厚さｄが従来と同じであれば従来よりも量子効率が高いので、受光感度を向上させることができる。また、光吸収層１２の半径が小さくても従来よりも量子効率が高いので、受光感度の低下を抑制しながら光吸収層１２の半径（面積）を小さくすることにより素子容量を小さくして、高速動作を可能にすることができる。

【0037】

本実施例の面入射型半導体受光素子１の形成工程について説明する。
図９に示すように、半導体基板１０（ｎ−ＩｎＰ基板）の主面１０ａ側に第１半導体層１１（ｎ−ＩｎＰ層）、光吸収層１２（ＩｎＧａＡｓ層）、第２半導体層１３（ｐ−ＩｎＰ層）をこの順に、例えばエピタキシャル成長法やＭＯＣＶＤ法によって形成する（成膜工程）。そして、第２半導体層１３上に受光部２及び反射部１５を形成するためのエッチングマスク層１６（例えばフォトレジスト）を形成する（エッチングマスク形成工程）。このとき、例えば公知のグレースケールマスクを用いて、エッチングマスク層１６に円錐台状に窪んだ反射部１５とその内側の受光部２に対応する形状を形成する。

【0038】

次に図１０に示すように、公知のドライエッチングによって、第２半導体層１３、光吸収層１２、第１半導体層１１をエッチングし、半導体基板１０の主面１０ａ側を円錐台状に窪ませて反射部１５の傾斜面１５ａを形成すると同時に、反射部１５の内側の円錐台状の受光部２を形成する（エッチング工程）。

【0039】

エッチング中には、エッチングマスク層１６全体が薄くなってゆくので、エッチングマスク層１６の薄い部分からエッチングマスク層１６が除去されて、第２半導体層１３、光吸収層１２、第１半導体層１１がエッチングされる。従って、エッチングマスク層１６の厚さが薄い部分程深くエッチングされ、傾斜面１５ａが形成される。一方、受光部２と、反射部１５の外側領域はエッチングしない。こうして受光部２は、反射部１５の内側に円錐台状に形成される。エッチングマスク層１６の形状、エッチング条件等によって、傾斜面１５ａの傾斜角γが調整される。

【0040】

残ったエッチングマスク層１６を除去後、図１１に示すように、反射部１５の内側の受光部２を囲む環状の反射面１５ｃを有する反射膜１５ｂを形成する（反射膜形成工程）。反射膜１５ｂは、例えばＳｉＯ２膜、Ｃｒ膜、Ａｕ膜の順に２００ｎｍ、５０ｎｍ、５００ｎｍの厚さで夫々選択的に堆積させた積層反射膜である。傾斜面１５ａにおいて、反射面１５ｃが第１半導体層１１から光吸収層１２と第２半導体層１３にわたって形成されている。

【0041】

次に図１２に示すように、受光部２の側面に反射防止膜１７を選択的に堆積させる（反射防止膜形成工程）。反射防止膜１７としては、受光部２の光吸収層１２の外周面１２ａに入射する光の反射を軽減するために、例えば入射する光の波長の１／４の光学膜厚のＳｉＮ膜が好適である。

【0042】

次に図１３に示すように、受光部２の第２半導体層１３に例えばＡｕを含む金属電極材料を選択的に堆積して、受光部２の第２半導体層１３に接続するアノード電極３を形成する（アノード電極形成工程）。受光部２の第２半導体層の表面の略全域にアノード電極３が接続され、低抵抗化されている。

【0043】

次に図１４に示すように、反射部１５の外側領域の一部を例えば溝状にエッチングして第１半導体層１１を露出させ、この露出した第１半導体層１１に例えばＡｕを含む金属電極材料を選択的に堆積して、第１半導体層１１に接続するカソード電極４を形成する（カソード電極形成工程）。こうして面入射型半導体受光素子１が形成される。尚、図１０のエッチング工程で、カソード電極４のために第１半導体層１１を露出させておき、アノード電極３とカソード電極４を同時に形成してもよい。

【0044】

以上説明した面入射型半導体受光素子１は、反射部１５が錐台状（円錐台状又は正角錐台状）であるため、その母線が直線である。それ故、反射部１５には受光部２の光吸収層１２の厚さ方向の集光作用がない。光はある程度広がりながら光吸収層１２の外周面１２ａに入射するので、光の広がりの程度によっては光吸収層１２に入射しない光がある。

【0045】

そこで、図１５の面入射型半導体受光素子１Ａの反射部２５のように、受光部２の光吸収層１２の厚さ方向に集光作用を付与するために、傾斜面２５ａの母線を曲線（円弧又は放物線の一部）としてもよい。この傾斜面２５ａに反射膜２５ｂを形成することにより、凹曲面の反射面２５ｃを有する反射部２５を形成して、受光部２の光吸収層１２の厚さ方向に集光させることができる。このとき、コニカルファイバ２０の中心線Ｃ近傍の光強度が強い光を、反射面２５ｃによって半導体基板１０の主面１０ａと平行に反射させるように傾斜面２５ａの傾斜角を設定する。

【0046】

上記実施例に係る面入射型半導体受光素子１，１Ａの作用、効果について説明する。
面入射型半導体受光素子１（１Ａ）には、その半導体基板１０の主面１０ａ（第１面）側に配置されたコニカルファイバ２０から出射されて円錐状に広がった光Ｉが入射する。この光Ｉは、受光部２と同心状に形成された受光部２の側面を囲む傾斜面１５ａ（２５ａ）を有する反射部１５（２５）によって、受光部２に向けて受光部２の光吸収層１２と平行な方向に反射される。

【0047】

反射部１５（２５）によって反射された光Ｒは、受光部２の光吸収層１２の外周面１２ａに入射する。従って、主面１０ａ側から入射させる面入射型半導体受光素子において、受光部２の光吸収層１２に平行に入射した光がこの光吸収層１２を進行するので、薄い光吸収層１２でも量子効率の低下が抑制され、受光感度の低下を抑制することができる。

【0048】

また、面入射型半導体受光素子１の反射部１５の傾斜面１５ａが円錐台の側面に相当する部分円錐面に形成されているので、反射部１５によって反射された光Ｒは、反射部１５と共通する受光部２の中心線Ｃに向かって集光される。従って、コニカルファイバ２０の先端部２１から出射された光が集光されて、光吸収層１２の外周面１２ａに入射するので、受光量の減少を抑制し、受光感度の低下を抑制することができる。

【0049】

面入射型半導体受光素子１Ａは、反射部２５の傾斜面２５ａが光吸収層の厚さ方向に集光する凹曲面に形成されているので、反射部２５によって反射された光Ｒは、受光部２の光吸収層１２の厚さ方向に集光されて光吸収層１２の外周面１２ａに入射する。従って、コニカルファイバ２０の先端部２１から出射された光Ｉが光吸収層１２の厚さ方向に広がる場合でも、光吸収層１２の厚さ方向に集光して受光量を増加させることができるので、受光感度の低下を抑制することができる。

【0050】

面入射型半導体受光素子１は、コニカルファイバ２０の先端部２１と反射部１５の間を満たす媒質（例えば空気）に対するコニカルファイバ２０の屈折率をｎ、先端部２１の頂角をθ、中心線Ｃに対する反射部１５の傾斜面１５ａの傾斜角をγとしたときに、上記（３）式のγ＝（π−（θ／２）−ｓｉｎ^-1（ｎ×ｃｏｓ（θ／２）））／２を満たすように反射部１５が形成されている。これにより、組み合わせるコニカルファイバ２０の先端部２１の頂角θに応じた反射部１５を容易に形成することができる。

【0051】

半導体基板１０や第１、第２半導体層１１，１３、光吸収層１２の材質や厚さ等は、上記に限られるものではなく、受光する光の波長に適した公知の材質を使用して適切なサイズの受光部を備えた面入射型半導体受光素子１を形成することができる。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。

【符号の説明】

【0052】

１，１Ａ ：面入射型半導体受光素子
２ ：受光部
３ ：アノード電極
４ ：カソード電極
５ａ，５ｂ ：ボンディングワイヤ
１０ ：半導体基板
１０ａ：主面（第１面）
１０ｂ：裏面（第２面）
１１ ：第１半導体層（ｎ−ＩｎＰ層）
１２ ：光吸収層（ＩｎＧａＡｓ層）
１２ａ：外周面
１３ ：第２半導体層（ｐ−ＩｎＰ層）
１５，２５ ：反射部
１５ａ，２５ａ ：傾斜面
１５ｂ，２５ｂ ：反射膜
１５ｃ，２５ｃ ：反射面
１６ ：エッチングマスク
１７ ：反射防止膜
２０ ：コニカルファイバ
２１ ：先端部
Ｃ ：中心線
γ ：傾斜角
θ ：頂角

【要約】

【課題】高速動作のための小型且つ薄い光吸収層における量子効率の低下を抑制して受光感度の低下を抑制した面入射型半導体受光素子を提供すること。
【解決手段】半導体基板(10)の第１面(10a)側に中心線(C)が第１面(10a)と直交する錐台状に形成され且つ第１面(10a)に平行な光吸収層(12)を有する受光部(2)と、受光部(2)の側面を囲む傾斜面(15a)を有する中心線(C)と同心状の反射部(15)であって、傾斜面(15a)の内径が第１面(10a)に対向する第２面(10b)側程縮径する反射部(15)とを備え、中心線(C)上の第１面(10a)側に所定距離離隔したコニカルファイバ(20)の先端部(21)から出射されて円錐状に広がって入射する光を、反射部(15)が光吸収層(12)の外周面(12a)に向けて第１面(10a)と平行な方向に反射させる。
【選択図】図２

【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】