特許 7085786 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】

(24)【登録日】2022-06-09

(45)【発行日】2022-06-17

(54)【発明の名称】半導体受光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0232 20140101AFI20220610BHJP

【ＦＩ】

H01L31/02 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022517291

(86)(22)【出願日】2022-01-19

(86)【国際出願番号】 JP2022001752

【審査請求日】2022-03-24

【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】吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２１６９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１８８４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６９２１４５７（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０２１／１３１７５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１５１６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／００９１４９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／０２－３１／０３９２，３１／０８－３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項4】

前記第２面が前記入射光の波長以上の高さの凹凸を有するように粗面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光計測、光通信に用いられる赤外光を受光する半導体受光素子に関し、特に光パルスを受光し終えた後の立下り応答特性を向上させた半導体受光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、光通信に用いられる光ファイバケーブルの損失状態、欠陥位置を測定する光パルス試験器（Optical Time Domain Reflectometer：OTDR）が広く利用されている。この光パルス試験器は、敷設されている光ファイバケーブルの一端からパルス光を入射し、このパルス光が光ファイバケーブル内を伝搬するときに生じるレイリー散乱光のうちの入射側に戻る後方散乱光を受光する。そして、後方散乱光の量（強度）に基づいて損失を測定し、パルス光を入射してから後方散乱光を受光するまでの時間に基づいて光パルス試験器からの距離を測定する。

【0003】

光パルス試験器と測定対象の光ファイバケーブルの一端を接続した接続点では、光ファイバケーブルにパルス光が入射する際に、フレネル反射が生じることが避けられない。そのため、光パルス試験器からパルス光を出射したときに、この接続点でのフレネル反射光が最初に光パルス試験器に受光され、その後で後方散乱光が受光される。

【0004】

この後方散乱光は、フレネル反射光と比べて光強度が極めて小さい。それ故、光パルス試験器の受光素子は、パルス光のパルス幅に相当するフレネル反射光の受光時間と、フレネル反射光の受光が終わってから後方散乱光を検知可能になるまでの応答時間（立下り時間）が経過するまでは、後方散乱光を検知することができない。従って、後方散乱光を検知することができない時間に相当する光パルス試験器からの光の往復距離内に欠陥が存在していても、この欠陥を検出することができないデッドゾーンが生じる。

【0005】

デッドゾーンを小さくするために、受光素子の立下り時間を短縮することが要求されている。例えば特許文献１のように、受光素子の立下り時間を短縮するために、受光部の第１光吸収層を透過した光を第２光吸収層で吸収することにより、第１光吸収層に再入射する光を減少させる半導体受光素子が知られている。反射して第１光吸収層に再入射する光が少ないので、第１光吸収層を光が透過し終わると光電流が急激に減少し、立下り時間が短縮される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平８－８４５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１の半導体受光素子は、入射した光を光電流（電気信号）に変換するための第１光吸収層と、第１光吸収層を透過した光を吸収することにより第１光吸収層に再入射しないようにするための第２光吸収層を有する。そのため、構造が複雑になると共に、結晶成長させるため形成することが容易ではない２つの光吸収層を別々に形成する必要があるので、製造コストが上昇してしまう課題がある。

【0008】

本発明の目的は、簡単な構造で受光部の光吸収層を透過した光が受光部に再入射しないように構成した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】

【0009】

請求項１の発明の半導体受光素子は、光通信用の赤外光領域の入射光に対して透明な半導体基板の第１面側に、光吸収層を有する受光部を備えた半導体受光素子において、前記半導体基板の前記第１面に対向する第２面側には、前記受光部に入射して前記光吸収層を透過した入射光が到達する領域に、前記入射光を前記第２面に向けて反射する反射部を備え、前記反射部で反射されて前記第２面に到達した光が前記第２面で反射されて到達する前記半導体基板の端面は、前記入射光の波長以上の高さの凹凸を有するように粗面に形成されたことを特徴としている。

【0010】

上記構成によれば、半導体受光素子は、半導体基板の第１面側に光吸収層を有する受光部を備え、光通信に使用される赤外光領域の光を受光する。そして、半導体基板の第２面側には、受光部に入射して光吸収層を透過した光が到達する領域に、この入射光を半導体基板の第２面に向けて反射する反射部を備えている。反射部で反射された反射光は、半導体基板の第２面で反射されて半導体基板の端面に到達する。この半導体基板の端面が、入射光の波長以上の高さの凹凸を有する粗面に形成されているので、この端面に到達した光の大部分は、端面で反射されない。従って、受光部に入射して光吸収層を透過した光の受光部への再入射を低減することができ、半導体受光素子の立下り時間を短縮することができる。

【0011】

請求項２の発明の半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記反射部は、２つの平坦な反射面を有するように前記半導体基板を前記第２面側から前記第１面側に向かって凹入させた断面Ｖ字形の溝に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、溝長を長く、且つ溝幅を大きくしながら溝深さを浅くすることができるので反射部を大きく形成することが容易である。そして、この反射部によって受光位置ずれを許容して光吸収層を透過した入射光を半導体基板の第２面に向けて反射させることができる。従って、受光部に入射して光吸収層を透過した光の受光部への再入射を一層低減することができる。

【0012】

請求項３の発明の半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記第２面が前記半導体基板の（１００）面であり、前記反射部の反射面が前記半導体基板の（１１１）面であることを特徴としている。
上記構成によれば、反射部の反射面が平坦になると共に反射面の傾斜角度が一定になる。反射部の反射面が平坦なので、受光部に入射して光吸収層を透過した入射光が受光部に戻るように反射部で散乱されることを防止することができる。また、反射面の傾斜角度が一定なので、受光部に入射して光吸収層を透過した光を半導体基板の第２面に向けて確実に反射することができる。従って、受光部に入射して光吸収層を透過した光の受光部への再入射を一層低減することができる。

【0013】

請求項４の発明の半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記第２面が前記入射光の波長以上の高さの凹凸を有するように粗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、半導体基板の第２面が粗面なので、反射部で反射されて半導体基板の第２面に到達した光の反射を低減することができ、半導体基板の端面で反射される光を一層低減することができる。従って、受光部に入射して光吸収層を透過した光の受光部への再入射を一層低減することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の半導体受光素子によれば、簡単な構造で受光部の光吸収層を透過した光が受光部に再入射しないようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施例に係る半導体受光素子の斜視図である。

【図2】図１の半導体受光素子を光入射側から見た平面図である。

【図3】図２のIII－III線断面図である。

【図4】半導体基板の端面に形成されるマイクロテクスチャの断面モデル図である。

【図5】マイクロテクスチャによる反射率を示すグラフである。

【図6】受光部に入射した光線の例を示す図である。

【図7】半導体基板の第２面も粗面に形成された場合の光の反射の例を示す図である。

【図8】半導体受光素子の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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】

【0017】

半導体受光素子１は、光通信用の赤外光領域（波長λが１１００～１６００ｎｍの領域）の入射光を受光する例えばＰＩＮフォトダイオード又はアバランシェフォトダイオードを備えている。ここでは、ＰＩＮフォトダイオードを備えた半導体受光素子１の例を説明する。

【0018】

図１～図３に示すように、半導体受光素子１は、光通信用の赤外光領域の入射光に対して透明な単結晶の半導体基板２として、例えばｎ－ＩｎＰ基板を有する。この半導体基板２の第１面２ａ（表面）は半導体基板２の（１００）面であり、この第１面２ａ側に、入射光を吸収する光吸収層４として例えばＩｎＧａＡｓ層と、半導体層５としてｎ－ＩｎＰ層が形成されている。半導体層５は、例えばＺｎが選択的にドープされたｐ型拡散領域５ａを有する。ｐ型拡散領域５ａに接する光吸収層４の領域が光吸収領域４ａであり、ｐ型拡散領域５ａと光吸収領域４ａと半導体基板２によって受光部６であるＰＩＮフォトダイオードが形成されている。半導体層５、光吸収層４の厚さは夫々適宜設定され、例えば０．５～５μｍの厚さに形成されている。

【0019】

半導体層５の表面は、ｐ型拡散領域５ａに連通する開口部７ａを有する保護膜７（例えばＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜等）に覆われている。保護膜７は、受光部に入射する光の反射防止機能を備えていてもよい。この開口部７ａを介してｐ型拡散領域５ａに接続するアノード電極８が形成されている。尚、開口部７ａがｐ型拡散領域５ａの内縁部よりも内側に形成され、ｐ型拡散領域５ａが露出していてもよい。

【0020】

ｐ型拡散領域５ａの大きさ、形状は夫々適宜設定され、例えば直径が１０～２００μｍの円形に形成されている。半導体基板２の第１面２ａが露出した部分には、この第１面２ａに接続するカソード電極９が形成されている。アノード電極８及びカソード電極９は、例えばクロム、金を含む金属膜を選択的に堆積することによって形成されている。受光部６で光電変換された光電流は、アノード電極８とカソード電極９を介して外部に出力される。

【0021】

半導体基板２の第１面２ａに対向する第２面２ｂ側（裏面側）には、半導体基板２に対して第１面２ａ側から入射するように外部から受光部６に入射して、光吸収層４の光吸収領域４ａを透過した光が到達する領域に、反射部１１を備えている。この反射部１１は、受光部６の光吸収層４を透過した光を、半導体基板２の第２面２ｂに向けて反射させる。

【0022】

反射部１１は、２つの平坦な反射面１１ａ，１１ｂを有するように、半導体基板２を第２面２ｂ側から第１面２ａ側に向かって凹入させた断面Ｖ字形の溝に形成されている。この溝の幅は受光部６の直径と同等又は同等以上に形成され、溝内に反射膜として例えば金を含む金属膜が形成されていてもよい。断面Ｖ字形の溝なので、反射部１１を大きく形成することが容易である。

【0023】

反射面１１ａ，１１ｂは、反射面１１ａの法線Ｎ１及び反射面１１ｂの法線Ｎ２が、半導体基板２の第１面２ａの法線Ｎ０に対して４５°よりも大きい角度θで夫々交差するように形成されている。これにより、受光部６に入射して光吸収層４を透過した光を半導体基板２の第２面２ｂに向けて反射させることができる。

【0024】

断面Ｖ字形の溝は、エッチング速度が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として、例えばブロム－メタノール溶液を用いて、公知の異方性エッチングによって形成される。具体的には、半導体基板２の第２面２ｂにエッチングマスク層を形成し、この第２面２ｂの露出部分を異方性エッチングすることによって、半導体基板２のエッチング速度が遅い（１１１）面を露出させる。これにより、半導体基板２の（１１１）面である２つの反射面１１ａ，１１ｂが形成される。

【0025】

半導体基板２の（１００）面と（１１１）面は５４．７°の角度で交差するので、反射面１１ａ，１１ｂの法線Ｎ１，Ｎ２は第１面２ａの法線Ｎ０に対して角度θ＝５４．７°で夫々交差する。尚、断面Ｖ字形の溝は、角度θが４５°よりも大きくなるように、例えばイオンビームによるエッチングによって形成することもできる。

【0026】

半導体基板２の４つの端面のうち、反射面１１ａ，１１ｂが夫々臨む２つの端面２ｃ，２ｄは、微細な凹凸からなるマイクロテクスチャ１２が形成されて粗面になっている。マイクロテクスチャ１２は、半導体基板２と空気の間の屈折率が連続的に変化するように作用し、端面２ｃ，２ｄにおける光の反射を軽減している。

【0027】

図４は、マイクロテクスチャ１２の断面モデル図である。マイクロテクスチャ１２は、半導体基板２を物理的に加工して形成され、断面が三角形状の微細な複数の突起１２ａを有する。マイクロテクスチャ１２の突起１２ａの高さをｈ、突起１２ａの基端の幅をｂ、突起１２ａの配設ピッチをｐとし、これらの平均値を夫々平均高さＨ、平均幅Ｂ、平均ピッチＰとする。

【0028】

図４のマイクロテクスチャ１２を備えた端面２ｃの反射率のシミュレーション結果を図５に示す。入射光の波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）と反射率の関係が、端面２ｃの断面における複数の突起１２ａの密集度別に曲線Ｌ１～Ｌ３で示されている。複数の突起１２ａの密集度は、複数の突起１２ａの平均ピッチＰに対する複数の突起１９ａの平均幅Ｂの比率（Ｂ／Ｐ）で表される。曲線Ｌ１はＢ／Ｐ＝０．２に対応し、曲線Ｌ２はＢ／Ｐ＝０．８に対応し、曲線Ｌ３はＢ／Ｐ＝１に対応する。

【0029】

突起１２ａがない平坦な端面２ｃ（平均高さＨ＝０、つまりＨ／λ＝０）の場合には、反射率が２７．４％であるが、波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）が大きいほど反射率が小さい傾向がある。また、複数の突起１２ａの密集度（Ｂ／Ｐ）が大きいほど反射率が小さい。尚、入射光は、端面２ｃに垂直に入射するものとしているが、入射の角度を変えても上記の傾向は大きく変化しない。

【0030】

図５によれば、波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）が１以上（複数の突起１２ａの平均高さＨが波長λ以上）であって、複数の突起１２ａの密集度（Ｂ／Ｐ）が０．８以上であれば、反射率を５％以下に低減することができる。また、曲線Ｌ３で示す複数の突起１２ａの密集度（Ｂ／Ｐ）が１の場合には、波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）が１以上のときに反射率を１％以下に低減することができる。

【0031】

このように反射率を低減するために、半導体基板２の端面２ｃ，２ｄには、入射光の波長λ以上の平均高さＨを有し、且つ密集度（Ｂ／Ｐ）が０．８以上となるように、好ましくは密集度（Ｂ／Ｐ）が１となるように形成された複数の突起１２ａを備えたマイクロテクスチャ１２が形成されている。尚、複数の突起１２ａの間を溝とし、溝の深さと溝底の幅と溝のピッチを用いて上記と同様にして、入射光の波長λ以上の平均深さの溝であって、マイクロテクスチャ１２の断面における溝底の幅の割合が２０％以下の溝を備えていると言うこともできる。

【0032】

マイクロテクスチャ１２は、例えば支持フィルムに貼り付けられたウェハの状態の半導体基板２をダイシングブレードによって研削して分割する際に形成される。ダイシングブレードに入射光の波長λよりも大きい粒径の砥粒が固着されている場合に、入射光の波長λ以上の高さの突起１２ａを形成可能である。ダイシングブレードの回転速度、移動速度などの加工条件については、適切に選択される。尚、端面２ｃ，２ｄ以外の端面にもマイクロテクスチャ１２が形成されてもよい。

【0033】

図６に示すように、半導体受光素子１の外部から受光部６に、半導体基板２の第１面２ａに垂直に入射光Ｉが入射する。入射光Ｉは頂角が例えば１４°程度の円錐状に広がって空気中を進行する。受光部６に入射した入射光Ｉの一部は受光部６で光電変換され、光電変換されなかった光が光吸収層４（光吸収領域４ａ）を透過して反射部１１に到達する。

【0034】

入射光Ｉのうちの反射部１１に到達した光は、反射面１１ａ，１１ｂによって半導体基板２の第２面２ｂに向けて反射される。反射面１１ａで反射された反射光Ｒ１は、半導体基板２の第２面２ｂで反射されて端面２ｃに到達する。端面２ｃにはマイクロテクスチャ１２が形成されているので、反射光Ｒ１の大部分は、端面２ｃで反射されずに半導体受光素子１の外部に出て、半導体基板２側から受光部６の光吸収層４（光吸収領域４ａ）に再入射しない。

【0035】

同様に、反射面１１ｂで反射された反射光Ｒ２は、第２面２ｂで反射され、マイクロテクスチャ１２が形成された端面２ｄに到達するので、反射光Ｒ２の大部分は受光部６に再入射しない。尚、反射部１１で第２面２ｂに向けて反射された反射光Ｒ１，Ｒ２の一部が、第２面２ｂで反射されずにマイクロテクスチャ１２を有する端面２ｃ，２ｄに直接到達しても、端面２ｃ，２ｄでほとんど反射されないので、受光部６への再入射を低減することができる。

【0036】

図７のように、半導体基板２の端面２ｃ，２ｄのマイクロテクスチャ１２と同様のマイクロテクスチャ１２が、半導体基板２の第２面２ｂにも形成されていてもよい。半導体基板２の第２面２ｂのマイクロテクスチャ１２は、例えば波長λよりも大きい粒径の砥粒を含む研磨剤を用いて第２面２ｂを研磨することによって形成することができる。半導体基板２の第２面２ｂでの反射が低減されるので、反射光Ｒ１，Ｒ２が受光部６に再入射することが一層低減される。

【0037】

図８に示すように、入射光Ｉのうち受光部６の光吸収層４を透過した光を、反射部１１の反射面１１ａのみで半導体基板２の第２面２ｂに向けて反射するようにしてもよい。反射面１１ａで反射された反射光Ｒ１は、第２面２ｂで反射され、マイクロテクスチャ１２が形成された端面２ｃに到達するので、受光部６への再入射を低減することができる。

【0038】

反射面１１ａと反射面１１ｂの交差部分で直線Ｌに沿うように分割することにより、半導体受光素子１を小型化することも可能である。図示を省略するが、直線Ｌで分割される反射面１１ｂ側の半導体基板２にも受光部６、アノード電極８，カソード電極９、マイクロテクスチャ１２を備えた端面を形成して、１つのＶ字形の溝に対して対称に半導体受光素子１を形成することもできる。

【0039】

上記半導体受光素子１の作用、効果について説明する。
半導体受光素子１は、半導体基板２の第１面２ａ側に、光吸収層４を有する受光部６を備え、光通信に使用される波長域（λ＝１１００～１６００ｎｍ）の光を受光して、光電変換により光電流を出力する。半導体基板２の第２面２ｂ側には、受光部６に入射した入射光Ｉのうち、光吸収層４（光吸収領域４ａ）を透過した光が到達する領域に、この光を半導体基板２の第２面２ｂに向けて反射する反射部１１を備えている。

【0040】

反射部１１で反射された反射光Ｒ１，Ｒ２は第２面２ｂで反射されて半導体基板２の端面２ｃ，２ｄに到達する。この半導体基板２の端面２ｃ，２ｄが、入射光Ｉの波長以上の高さの凹凸を有する粗面に形成されているので、この端面２ｃ，２ｄに到達した反射光Ｒ１，Ｒ２の大部分が端面２ｃ，２ｄで反射されずに半導体受光素子１の外部に出てゆく。従って、受光部６に入射して光吸収層４を透過した光の受光部６への再入射を低減することができ、半導体受光素子１の立下り時間を短縮することができる。

【0041】

また、反射部１１は、２つの平坦な反射面１１ａ，１１ｂを有するように半導体基板２の第２面２ｂ側から第１面２ａ側に向かって凹入させた断面Ｖ字形の溝に形成されている。これにより、溝長を長く、且つ溝幅を大きくしながら溝深さを浅くすることができるので、反射部１１を大きく形成することが容易である。この反射部１１によって受光位置ずれを許容して、受光部６の光吸収層４を透過した光を半導体基板２の第２面２ｂに向けて反射させることができ、この光吸収層４を透過した光の受光部６への再入射を一層低減することができる。

【0042】

半導体基板２の第２面２ｂがこの半導体基板２の（１００）面であり、反射部１１の反射面１１ａ，１１ｂが半導体基板２の（１１１）面なので、反射面１１ａ，１１ｂが平坦になると共に反射面１１ａ，１１ｂの傾斜角度が一定になる。従って、入射光Ｉのうち光吸収層４を透過した光が受光部６に戻るように反射部１１で散乱されることを防止することができる。また、反射面１１ａ，１１ｂの傾斜角度が一定なので、受光部６に入射して光吸収層４を透過した光を半導体基板２の第２面２ｂに向けて確実に反射することができる。それ故、受光部６の光吸収層４を透過した光の受光部６への再入射を一層低減することができる。

【0043】

半導体基板２の第２面２ｂが入射光Ｉの波長以上の深さの凹凸を有する粗面である場合には、反射部１１で反射されて第２面２ｂに到達した反射光Ｒ１，Ｒ２の反射を低減することができる。従って、半導体基板２の端面２ｃ，２ｄに到達する反射光Ｒ１，Ｒ２が少なくなり、端面２ｃ，２ｄで反射される光を一層低減することができるので、受光部６に入射して光吸収層４を透過した光の受光部６への再入射を一層低減することができる。

【0044】

反射部１１が形成される断面Ｖ字形の溝の長さは、受光部６の大きさと同等に形成されていてもよい。受光部６は、例えば増倍層を備えたアバランシェフォトダイオードでもよく、上記と異なる材料、異なる形状で形成されたフォトダイオードであってもよい。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】

【0045】

１ ：半導体受光素子
２ ：半導体基板
２ａ ：第１面
２ｂ ：第２面
２ｃ，２ｄ：端面
４ ：光吸収層
４ａ ：光吸収領域
５ ：半導体層
５ａ ：ｐ型拡散領域
６ ：受光部
７ ：保護膜
７ａ ：開口部
８ ：アノード電極
９ ：カソード電極
１１ ：反射部
１１ａ：第１反射面
１１ｂ：第２反射面
１２ ：マイクロテクスチャ
１２ａ：突起

【要約】

【課題】簡単な構造で受光部の光吸収層を透過した光が受光部に再入射しないように構成した半導体受光素子を提供すること。【解決手段】半導体受光素子（１）は、光通信用の赤外光領域の入射光に対して透明な半導体基板（２）の第１面（２ａ）側に、光吸収層（４）を有する受光部（６）を備え、半導体基板（２）の第１面（２ａ）に対向する第２面（２ｂ）側には、受光部（６）に入射して光吸収層（４）を透過した入射光が到達する領域に、入射光を半導体基板（２）の第２面（２ｂ）に向けて反射する反射部（１１）を備え、反射部（１１）で反射されて半導体基板（２）の第２面（２ｂ）に到達した光が半導体基板（２）の第２面（２ｂ）で反射されて到達する半導体基板（２）の端面（２ｃ，２ｄ）は、入射光の波長以上の高さの凹凸を有するように粗面に形成された。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】