JP2004241746A

JP2004241746A - 高速受光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2004241746A
Application number: JP2003042463A
Authority: JP
Inventors: Morio Wada; 守夫和田; Toshimasa Umezawa; 俊匡梅沢; Takahiro Kudo; 貴裕工藤; Takashi Mogi; 孝史茂木
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】遮断周波数が極めて高く、光入射手段に関して簡単な構成で済む高速受光素子を提供する。
【解決手段】端面が傾斜して形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された受光素子と、からなり、前記半導体基板に形成された傾斜面から入射した光が前記受光素子を照射するように構成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用測定機器のＯ／Ｅ変換素子として、また、Ｏ／Ｅ変換モジュ−ル（フォトダイオ−ド・モジュ−ル、レシ−バ・モジュ−ル）などのコンポーネントとして用いられる光通信用超高速受光モジュ−ルの受光感度の改善及び光を受光素子に入射する際の光出射手段の位置決めの容易化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は一般的なＩｎＧａＡｓフォトダイオ−ドの断面構造図である。この例では、半絶縁性ＩｎＰ基板１上にｎ型電極コンタクト層（ｎ^＋−ＩｎＰ層）２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３、ｎ−ＩｎＰ窓層４が積層されている。
【０００３】
ＩｎＰ窓層４を含むＩｎＧａＡｓ層３の上部領域はＺｎ拡散等のプロセスによりｐ^＋ＩｎＧａＡｓ領域４ａとなっており、このｐ^＋型領域４ａの上には反射防止膜８が形成されている。６は下部電極、７は上部電極、９は層間絶縁膜である。
【０００４】
上述の構成において、光は反射防止膜８を通して図示のように上部から入射する。ＩｎＧａＡｓ層３で吸収された光により、電子−正孔対が形成され、光励起キャリアとなる。受光素子のＩｎＧａＡｓ層３内のｐｎ接合に逆方向バイアス電圧が印加されており、ＩｎＧａＡｓ層３の空乏化した領域に電界が発生する。この電界により光励起キャリアが加速され、キャリアが（自由正孔は）ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓ領域、（自由電子は）ｎ^＋−ＩｎＰ層にドリフトして、それぞれ電極から光信号電流として取り出される。
【０００５】
このとき、受光素子の応答特性（遮断周波数）を決定する主要因は、
１）素子容量（Ｃ）と素子抵抗（Ｒ）との積であるＲＣ時定数、
２）ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓ（Ｚｎ拡散）領域６を除くＩｎＧａＡｓ光吸収層５内のキャリア走行時間、である。
【０００６】
光通信等に用いられる光ファイバ−から出射して受光素子に入射する光ビ−ム径はレンズ等の光学系を用いて数μｍ程度に容易に絞れることから、受光素子（ｐｎ接合面積）を小さくして素子容量の減少が可能である。また、電極接触抵抗の小さい電極材料の選定、コンタクト層の形成等の電極構造を採用して素子抵抗の低減も可能となっている。
【０００７】
一方、ＩｎＧａＡｓ光吸収層３内のキャリア走行時間は、層厚とキャリアのドリフト速度から決定される。高いドリフト速度を得るために不純物などによる散乱の低減（フォノンによる散乱は素子温度を下げると低減する）を行い、高純度ＩｎＧａＡｓ層を形成する。
【０００８】
しかし、素子に印加する逆方向バイアス電圧を増加して電界強度を大きくしても、ドリフト速度は半導体材料自体のバンド構造に起因する本質的な物性（例えば自由電子ではバンドのバレイ散乱）により飽和速度に達する。
【０００９】
したがって、現実的な使用条件（素子の動作温度が室温）で高い遮断周波数を得るには、光励起キャリアがドリフトして走行するＩｎＧａＡｓ層３の厚さを薄くする必要がある。その場合、図９の入射光の強度変化は矢印の幅で模式的に示すように、ＩｎＧａＡｓ層３内の光吸収量が減少し、高い感度が得られなくなる。
【００１０】
例えば、光−電変換の効率を示す内部量子効率は、薄いｐ^＋−ＩｎＧａＡｓ（Ｚｎ拡散）領域４ａを除くＩｎＧａＡｓ光吸収層３の厚さが約２．５μｍで約８０％、約１．０μｍで約３５％となる。光吸収層厚さ約１．０μｍの場合、キャリア走行時間で制限される遮断周波数（ｆ_−３ｄＢ）は約２５ＧＨｚである。したがって、図９に示すような受光素子構造の基本構成を変えることなく、高い感度を有する遮断周波数の高い受光素子を実現するのは難しいという問題がある。
【００１１】
このような問題を解決した先行技術文献として特開２０００−１５０９２３号公報がある。
【００１２】
図１０は上記特許文献に記載された「半導体受光装置」の断面図である。図において、１は半絶縁性ＩｎＰ基板であり、この基板上にｎ型電極層２、キャリア走行層３、光吸収層４、上部電極層５が積層されている。６は下部電極、７は上部電極、１１は反射防止膜である。
【００１３】
このような構成の受光素子１３は図９に示すものと同等である。この従来例においては受光素子１３の近傍に順メサエッチングによりＶ溝１４を形成し、この面にミラー部材１５をコーティングしている。ここで、光は点線の矢印１０で示すように基板の裏側から入射し、ミラー部材１５で反射して受光素子を照射する構成となっている。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−１５０９２３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成の受光素子に光を入射するためには、基板の受光素子チップを半導体基板裏面とマウント（図示省略）との間で固定するとともに、裏面からの光入射のための光路を確保するため、Ｖ溝１４に正確に光が反射して受光部に到達するように光ビ−ムの通過する開口部をマウントに形成する必要がある
【００１６】
また、このマウントと受光素子チップの固定の際の位置決めは、前述の光路が確保できるように正確に行わねばならず、そのために精度の高い位置決め装置が必要となる。さらに、マウントの開口部と、光ファイバ−端から出射して広がる光束を集光するレンズ光学系の位置決めとファイバ−、レンズ系を含めた固定が必要となる。
【００１７】
また、受光素子チップを裏返してマウントに固定して半導体基板裏面を上にしてここから光入射を行う場合（フリップチップボンディングと呼ばれる方法など）では、受光素子チップ上の配線パタ−ンとマウント上の配線との正確な位置決めとバンプ等による固定が必要となり、このための位置決め工程とボンディング工程が必要となる。
【００１８】
更に、基板裏面からの光学系のアライメントでは、基板上部にあるＶ溝などの位置を基板裏面から検出する必要がある。この場合、裏面に何らかの位置マ−クを形成するか、基板を透過する赤外光により裏面から表面の構造物を検出するなどの方法をとる必要がある。
【００１９】
前者の場合では基板両面にパタ−ンを形成する必要があるため両面露光装置など、後者の場合は赤外光の位置合わせ装置などの特殊な装置を必要とする。また、粗調なしに、はじめから受光素子の光電流をモニタ−してアクティブアライメントを行う場合には位置合わせ目標がないため、一定のアライメント時間を設定することができないし、一般にかなりの時間を必要とする。
【００２０】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、受光感度の改善及び光を受光素子に入射する際の光出射手段の位置決めの容易化を図った高速受光素子を実現することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明では、
請求項１においては、高速受光素子において、
端面が傾斜して形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された受光素子と、からなり、前記半導体基板に形成された傾斜面から入射した光が前記受光素子を照射するように構成したことを特徴とする。
端面が傾斜して形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された受光素子と、からなり、前記半導体基板に形成された傾斜面から入射した光が前記受光素子を照射するように構成したことを特徴とする高速受光素子。
【００２２】
請求項２においては、高速受光素子において、
縁部から所定の点（Ｐ）まで直線状に形成されたＶ溝を有する１半導体基板と、
裏面入射型受光素子が形成された第２半導体基板と、
からなり、前記第１半導体基板に形成された前記所定の点（Ｐ）部分を覆って前記第２半導体基板を固定し、前記Ｖ溝の縁部から入射した光が前記所定の点（Ｐ）の傾斜部分で反射して前記裏面入射型受光素子の受光部に入射するように構成したことを特徴とする。
【００２３】
請求項３においては、請求項１又は２記載の高速受光素子において、
入射光は半導体基板の表面に対してほぼ平行に入射し、前記傾斜面で屈折した光が前記受光素子を所定の角度傾斜した方向から照射するように構成したことを特徴とする。
【００２４】
請求項４においては、請求項１から３のいずれかに記載の高速受光素子において、
受光素子の受光面を楕円状に形成するとともに、この楕円部分の大きさを光照射により受光面に形成される照射面積より僅かに大きく形成したことを特徴とする。
【００２５】
請求項５においては、高速受光素子の製造方法において、
半導体基板の（１１０）面に受光素子を形成する工程と、
この受光素子の近傍であって前記半導体基板の［０１１］または［０−１１］方向の面に３〜１５度傾けてマスク穴を形成する工程と、
このマスク穴から半導体基板の逆メサエッチングを行う工程と、
エッチングを行った部分の少なくとも逆メサ部分と受光素子を残して前記半導体基板を切断する工程と、
を含むことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の高速受光素子を示す断面構成図である。
図において、図９、図１０と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。
本発明においては半絶縁性Ｉｎｐ基板の端面に傾斜面１２を設け、この傾斜面が形成された近傍の半絶縁性Ｉｎｐ基板１上に受光素子を形成する。
【００２７】
本発明では図９で示す従来例でのｎ−ＩｎＰ窓層４に替わって電極金属７ａが光反射面となるように広く形成されている。
図２は図１に示す高速受光素子の製作工程を示すもので、基板１の表面に形成した受光素子の近傍にエッチング穴１６を形成し、この部分から逆メサエッチングを行う。そして線分Ａ−Ａで示す個所で切断してチップ化し、エッチング穴１６の断面（図１参照）に反射防止膜８を形成する。
【００２８】
この逆メサ面の断面はほぼ４０〜４５°のとなっている。波長１．５μｍ付近でのＩｎＰの屈折率は３．１であり、図１のように逆メサ側面にほぼ平行に１．５μｍ帯の光を入射させた場合は、受光素子部反射面には約５７°（反射面の法線方向からの角度）で入射する。
【００２９】
この時、入射ビ−ムの光反射面での投影形状（光照射範囲Ｋ）は図３に示すように、楕円となり長径方向は１．８〜１．９倍になる。この反射面でのビ−ム投影形状に整合するようにｐｎ接合形成部分Ｍを形成する。例えば、光ファイバ−から集光する場合、コア径１０μｍ程度の単一モ−ドファイバ−では、集光光学系を用いて光ビ−ム径（直径）を１０μｍ以下にすることが出来る。
【００３０】
ファイバ−を含む光学系の固定に際し再現性を考慮して、ビ−ム投影形状より０．５〜１μｍ程度大きなｐｎ接合面積とすれば、受光素子容量は従来例（図９）と同程度かまたは小さくなる。
【００３１】
図２，図３に示すエッチング穴１６の形成方法と逆メサ形状の形成方法は以下の通りである。図１に断面で示すｎ^＋−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ層は（１００）面のＩｎＰ基板ウェハ上に成長する。この時、逆メサ形状は、［０１１］方向または［０−１１］方向に角度θ傾けて形成したマスク穴により化学エッチングして制御する。
【００３２】
化学エッチング液は、塩酸と燐酸の混合液が使用できる。逆メサ形状と角度θとの関係は、角度θが約３°〜１５°の範囲で図１に示す光が入射するメサ角度が約４０〜４５°となる。エッチングマスクにはＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４などの薄膜を使用できるが、塩酸と燐酸の混合液であるエッチング液がＩｎＧａＡｓをほとんどエッチングしないことから、ＩｎＧａＡｓ光吸収層をエッチングマスクとして使用することもできる。
【００３３】
図１に示すようにＩｎＧａＡｓ光吸収層３上の金属電極７ａ（反射面）で入射光が折り返されるので、入射光はＩｎＧａＡｓ層を２度通過する。入射光がＩｎＧａＡｓ層を斜めに通過することから、メサ角度約４０〜４５°に水平に光が入射する（図１）場合では、結果的に、ＩｎＧａＡｓ層厚さの約１．８〜１．９（斜め効果）×２（往復）倍の厚さのＩｎＧａＡｓ光吸収層を通過する。
【００３４】
したがって、キャリア走行時間を決定するＩｎＧａＡｓ層の厚さを薄くして、実効的な光吸収層厚さを増大させることができる。例えば、ＩｎＧａＡｓ光吸収層を１μｍとすると受光素子の遮断周波数が約２５ＧＨｚで、実効的な光吸収層３の厚さは約３．６μｍと厚くなって内部量子効率は８０％を超え、十分な感度が得られる。さらに、遮断周波数を３５ＧＨｚを超えるようにＩｎＧａＡｓ層を例えば０．６μｍ程度とした場合でも、実効光吸収層３の厚さは約２μｍとなり、内部量子効率は従来例の図９の場合より２倍以上改善する。
【００３５】
図４は受光素子部１３と集光レンズ系２５の位置関係を示す断面図である。
受光チップ（図１に示す半絶縁性基板）１に形成した受光素子１３を高周波伝送線路２０が形成された高周波基板２１とともにマウント２２上に固定し、ボンディング配線２３を施した断面と光ファイバ２４および集光レンズ系２５を示している。２５ａは光ファイバ１８から出射した光ファイバ出射光ビーム，２５ｂは集光レンズ系２５で集光されるレンズ集光ビームである。
【００３６】
図５は傾斜面１２に入射するレンズ集光ビーム２５ｂと受光素子部１３の位置関係を示す図である。
図４，５に示すようにマウント２２上の受光素子部１３を同一方向から観測することができる。このため、光学系のアライメント（位置合わせ）では、受光素子部１３下にある傾斜面１２にまず集光ビ−ムが位置するようにＢで示す線上（図５参照）に粗調し、最終的に、受光素子の光電流をモニタ−しながら集光レンズ系２５や光ファイバ２４を固定する（アクティブスキャン）ことができる。
【００３７】
図６、図７、図８は本発明の請求項２に係る実施例を示す断面図である。これらの図において、図６は第１半導体基板３０上に第２半導体基板３３を固定した状態を示す拡大構成図、図７は第１半導体基板３０上に形成したＶ溝１４とこの溝の端部Ｐ点および第２半導体基板の位置関係を示す図、図８は受光素子チップ３３と集光レンズ系２５の位置関係を示す断面図である。
【００３８】
この実施例では図７に示すように第１半導体基板（Ｓｉ）３０上にＶ溝３１を形成した後、第２半導体基板に形成された裏面入射型受光素子チップ３３を固定する。入射光はＳｉ基板３０に形成されたＶ溝３１に沿って入射し、Ｐ点で示すＶ溝面のミラ−膜で反射して受光素子チップ３３の裏面から所定の角度（７０．５°）傾斜して入射し受光素子チップの光吸収層３に達する。
【００３９】
そして、光吸収層３の上部に設けられた金属電極（反射面）７ａで反射して再び光吸収層３内に戻る。なお、Ｖ溝面および光吸収層上部のミラ−膜は金属薄膜または誘電体多層膜による高反射膜を用いている。
【００４０】
本実施例では第１半導体基板としてＳｉ基板を用いたが、ダイアモンド構造のＳｉ、または閃亜鉛構造のＩｎＰやＧａＡｓなどを用いても良い。その場合、（１００）面ウェハを用いて、＜１００＞、＜１１０＞方向に辺をもつエッチングマスクを形成し、化学（ウェット）エッチングにより容易にＶ溝構造を加工することが出来る。この加工では、Ｖ溝の角度は約５４．７５°となる（図６参照）。
【００４１】
図８に示すように、光ファイバ−２４からの出射した光を集光レンズ系２５を用いて集光する場合、コア径１０μｍ程度の単一モ−ドファイバ−では、光ビ−ム径（直径）を１０μｍ以下にすることが出来る。ファイバ−を含む光学系の固定に際の再現性を考慮して、ビ−ム投影形状より０．５〜１μｍ程度大きなｐｎ接合面積とすれば、受光素子容量は図９に示す従来例と同程度かまたは小さくすることができる。
【００４２】
このような実施例においても、ＩｎＧａＡｓ光吸収層上の反射面で入射光が折り返されるので、入射光はＩｎＧａＡｓ層を２度が通過する通過することから、ＩｎＧａＡｓ層厚さの約２倍（往復）の厚さのＩｎＧａＡｓ光吸収層を通過する。したがって、キャリア走行時間を決定するＩｎＧａＡｓ層厚さを薄くして、実効的な光吸収層厚さを増大させることができる。
【００４３】
また、この実施例では図１に示す実施例と異なり光がＶ溝の空間を通過して裏面入射型受光素子の受光部に入射するので、図１に示す実施例と異なり光ばＶ溝の空間を通過してＶ溝側面のミラ−で反射されて、受光素子の反射防止膜が形成された基板裏面に浅い角度で入射して受光部に到達する。
【００４４】
このとき、Ｖ溝側面のミラ−は金属反射膜で形成する場合、ミラ−での偏波面の異なる光（Ｖ溝側面のミラ−の傾斜面に水平と垂直な偏波面をもつ光）の間の反射率の偏波面依存性（ＰＤＬ：ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＤｅｐｅｎｄｅｎｔＬｏｓｓと呼ばれる）が原理的になく、受光素子の基板裏面でもほぼ垂直に光入射することから基板裏面での透過率の偏波面依存性も小さくできると効果がある。
【００４５】
一方、図１に示す実施例では、入射光が反射防止膜８が形成された大きな角度の傾斜面１２を透過するときに偏波面の異なる光の間の透過率の波長依存性が存在し、偏波面依存損失を小さく抑えるのが困難である。
【００４６】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、端面が傾斜して形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された受光素子と、からなり、前記半導体基板に形成された傾斜面から入射した光が前記受光素子を照射するように構成した。
【００４８】
即ち、同一ウェハ内に受光素子部と一緒に逆メサ側面をもつように傾けたエッチング穴を配置し、このエッチング穴の部分を切断して、受光素子のチップ化を行い、逆メサ部に反射防止膜を形成して光入射構造としたので、遮断周波数が極めて高く、かつ、従来にない高い受光感度を実現でき、更に光入射手段に関して簡単な構成で済む高速受光素子を実現することができた。
また、光がＶ溝の空間を通過して裏面入射型受光素子の受光部に入射するようにしたので、ミラ−での偏波面の異なる光の間の反射率の偏波面依存性が原理的になく、受光素子の基板裏面でもほぼ垂直に光入射することから基板裏面での透過率の偏波面依存性も小さくできると効果がある。
【００４９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速受光素子の実施形態の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の受光素子の製作工程の一例を示す構成図である。
【図３】本発明の高速受光素子の光照射範囲と受光面積の関係の一例を示す構成図である。
【図４】本発明の高周波受光素子と集光レンズ系の位置関係を示す断面図である。
【図５】傾斜面入射するレンズ集光ビームと受光素子部の位置関係を示す図である。
【図６】本発明の高速受光素子の他の実施形態の一例を示す構成図である。
【図７】第１半導体基板上に形成したＶ溝と溝の端部Ｐ点および第２半導体基板の位置関係を示す図である。
【図８】受光素子チップと集光レンズ系の位置関係を示す断面図である。
【図９】従来の受光素子の一例を示す構成図である。
【図１０】従来の高速受光素子の他の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１半絶縁性基板
２ｎ^＋Ｉｎｐ層
３ｎ−ＩｎＧａＡｓ層
４ａＺｎ拡散領域（ｐ^＋ＩｎＧａＡｓ）
６下部電極
７上部電極
８反射防止膜
９層間絶縁膜
１２傾斜面
１３受光素子形成領域
１５ミラー部材
１６エッチング穴
１７チップ切断位置
２０高周波伝送線路
２１高周波基板
２２マウント
２３ボンディング配線
２４光ファイバ
２５集光レンズ系
２５ａ光ファイバ出射光ビーム
２５ｂレンズ集光ビーム
３０第１半導体基板
３１Ｖ溝
３２ミラー膜
３３第２半導体基板

Claims

端面が傾斜して形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された受光素子と、からなり、前記半導体基板に形成された傾斜面から入射した光が前記受光素子を照射するように構成したことを特徴とする高速受光素子。
縁部から所定の点（Ｐ）まで直線状に形成されたＶ溝を有する１半導体基板と、
裏面入射型受光素子が形成された第２半導体基板と、
からなり、前記第１半導体基板に形成された前記所定の点（Ｐ）部分を覆って前記第２半導体基板を固定し、前記Ｖ溝の縁部から入射した光が前記所定の点（Ｐ）の傾斜部分で反射して前記裏面入射型受光素子の受光部に入射するように構成したことを特徴とする高速受光素子。
入射光は半導体基板の表面に対してほぼ平行に入射し、前記傾斜面で屈折した光が前記受光素子を所定の角度傾斜した方向から照射するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の高速受光素子。
受光素子の受光面を楕円状に形成するとともに、この楕円部分の大きさを光照射により受光面に形成される照射面積より僅かに大きく形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高速受光素子。
半導体基板の（１１０）面に受光素子を形成する工程と、
この受光素子の近傍であって前記半導体基板の［０１１］または［０−１１］方向の面に３〜１５度傾けてマスク穴を形成する工程と、
このマスク穴から半導体基板の逆メサエッチングを行う工程と、
エッチングを行った部分の少なくとも逆メサ部分と受光素子を残して前記半導体基板を切断する工程と、
を含むことを特徴とする高速受光素子の製造方法。