JP2011124388A - 光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光デバイスの膜の剥離を防止することを目的とする。
【解決手段】光デバイスは、基板１０１と、基板１０１の第１面１２０に形成された、発光部又は受光部１２２と、基板１０１の第１面１２０とは反対の第２面１２４に形成された、基板１０１の表面よりも光反射率が低い反射防止膜１１５と、を有する。第２面１２４には、発光部又は受光部１２２に対向する領域を囲む溝１１６が形成されている。反射防止膜１１５は、溝１１６に囲まれた領域、溝１１６の内部及び溝１１６の外側に連続的に密着して形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイス及びその製造方法に関する。

半導体基板上に、光を吸収してキャリアを発生する光吸収層と、発生したキャリアを増倍する増倍層と、光吸収層と増倍層の間に位置する電界調整層と、を備えるＡＰＤ（Avalanche Photodiode）が知られている。たとえば、特許文献１および特許文献２には、裏面入射型ＡＰＤが開示されている。

特開２００２−３２４９１１号公報 特開２００４−１７９４０４号公報

従来の裏面受光型ＡＰＤは、裏面の光入射面に低反射膜を有している。しかしながら、半導体ウエハからチップに分割する際に分割の衝撃により、外周部から低反射膜が剥がれる、欠ける不具合が発生しやすくなっている。

対策としては、分割位置の低反射膜をエッチングにより除去することが考えられるが、作業工程が増えるだけでなく、半導体ウエハを分割の為薄く加工しているため反りが生じることが多く、フォトリソグラフィによるマスク加工が困難となっている。

本発明は、光デバイスの膜の剥離を防止することを目的とする。

（１）本発明に係る光デバイスは、基板と、前記基板の第１面に形成された、受光部又は発光部と、前記基板の前記第１面とは反対の第２面に形成された、前記基板の表面よりも光反射率が低い反射防止膜と、を有し、前記第２面には、前記受光部又は前記発光部に対向する領域を囲む溝が形成されており、前記反射防止膜は、前記溝に囲まれた前記領域、前記溝の内部及び前記溝の外側に連続的に密着して形成されていることを特徴とする。本発明によれば、受光部又は発光部に対向する領域を囲む溝の外側又は溝内で反射防止膜の剥離の進行が止まるので、溝に囲まれた領域では反射防止膜の剥離を防止することができる。

（２）（１）に記載された光デバイスにおいて、前記第２面には、前記溝に囲まれた前記領域に窪みが形成されていることを特徴としてもよい。

（３）（１）又は（２）に記載された光デバイスにおいて、前記溝の深さは、前記反射防止膜の厚みよりも深いことを特徴としてもよい。

（４）（１）から（３）のいずれか１項に記載された光デバイスにおいて、前記溝の幅は、前記溝の深さよりも狭いことを特徴としてもよい。

（５）（１）から（４）のいずれか１項に記載された光デバイスにおいて、前記溝は、深さ方向に幅が拡がる逆テーパ形状をなしていることを特徴としてもよい。

（６）（１）から（５）のいずれか１項に記載された光デバイスにおいて、前記第２面は、前記溝の外側に少なくとも５μｍの幅の領域を有することを特徴としてもよい。

（７）本発明に係る光デバイスの製造方法は、第１面に受光部又は発光部が設けられた基板であって、前記第１面とは反対の第２面に前記基板の表面よりも光反射率が低い反射防止膜が形成された基板を用意する工程と、前記基板を切断する工程を含み、前記第２面には、前記受光部又は前記発光部に対向する領域を囲む溝が形成されており、前記反射防止膜は、前記溝に囲まれた前記領域、前記溝の内部及び前記溝の外側に連続的に密着して形成されており、前記基板を切断する工程で、前記溝の外側で前記基板を切断することを特徴とする。本発明によれば、受光部又は発光部に対向する領域を囲む溝の外側又は溝内で反射防止膜の剥離の進行が止まるので、溝に囲まれた領域では反射防止膜の剥離を防止することができる。

（８）（７）に記載された光デバイスの製造方法において、前記基板を切断する工程で、前記溝から少なくとも５μｍ外側で前記基板を切断することを特徴としてもよい。

本発明の実施形態に係る光デバイスを示す断面図である。 図１に示す光デバイスの底面図である。 図１に示す光デバイスの一部拡大図である。 図１に示す光デバイスの作用効果を説明するための図である。 図１に示す光デバイスの作用効果を説明するための図である。 溝の変形例を説明する図である。 溝の他の変形例を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る光デバイスの製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る光デバイスの製造方法の変形例を説明する図である。 変形例によって製造された光デバイスを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光デバイスを示す断面図である。光デバイスは、基板１０１（例えば半導体基板）を有する。基板１０１は第１面１２０を有する。基板１０１の第１面１２０には、発光部又は受光部１２２が形成されている。

図２は、図１に示す光デバイスの底面図である。図３は、図１に示す光デバイスの一部拡大図である。

基板１０１は、第１面１２０とは反対の第２面１２４を有する。第２面１２４には、発光部又は受光部１２２に対向する領域に窪み１１４が形成されている。第２面１２４には、発光部又は受光部１２２に対向する領域（図１の例では窪み１１４）を囲む溝１１６が形成されている。溝１１６は、角溝、Ｕ溝、丸溝、Ｖ溝のいずれであってもよい。第２面１２４は、溝１１６の外側に少なくとも５μｍの幅の領域を有する。溝１１６の幅は、溝１１６の深さよりも狭い。

第２面１２４には、基板１０１の表面よりも光反射率が低い反射防止膜１１５が形成されている。反射防止膜１１５は、溝１１６に囲まれた領域、溝１１６の内部及び溝１１６の外側に連続的に密着して形成されている。溝１１６の深さは、反射防止膜１１５の厚みよりも深い。

図１に示す光デバイスはホトダイオードである。このホトダイオードは、ＡＰＤ（Avalanche Photodiode）であるが、ＰＩＮ-ＰＤ（ＰＩＮ型フォトダイオード）でもよい。

図１に示すＡＰＤは、裏面入射型ＡＰＤであって、基板（例えばｎ型ＩｎＰ基板）１０１の第２面１２４へ入射する光は、その後、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５で受光される。そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５において光電変換により発生した電子は、印加された電界により加速され、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３を通過する。その際に、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３において、アバランシェ増倍作用によりキャリアの増倍が行われ、電流として検出される。このように、ＡＰＤは、信号光電流に対する増倍作用を有しており、微弱光信号を受信する光通信用の受光素子として広く用いられている。

ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５には、ＩｎＰ基板に格子整合し、１５５０ｎｍ帯の光信号に対して高い感度を有するＩｎＧａＡｓが用いられる。ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３には、ＩｎＰ基板に格子整合し、高いイオン化率比を有するＩｎＡｌＡｓが用いられる。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５とｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３の間には、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなる電界調整層１０４が配置され、その濃度を適切に調整することにより、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５とｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３が適切な電界強度に印加されることが可能となる。電界調整層１０４は、メサ構造中心部が周辺部より厚くなっている構造を有し、これによりエッジ降伏を防止することが可能となっている。発光部又は受光部１２２の構造の詳細は、その製造方法とともに後述する。

図４は、図１に示す光デバイスの作用効果を説明するための図である。本実施形態によれば、反射防止膜１１５が端部から剥離しても、溝１１６で反射防止膜１１５が破断されるので、反射防止膜１１５の剥離の進行が止まる。

剥離を確実に止めるためには、溝１１６が角部を有していることが好ましい。角部では、反射防止膜１１５が破断しやすくなる。また、反射防止膜１１５をスパッタリングや蒸着で形成すれば、角部では反射防止膜１１５を薄くすることができ、一層破断しやすくなる。さらに、溝１１６内に、複数の角部を形成しておくことで、１個所で反射防止膜１１５の破断が生じなくても、次の角部で破断を生じさせることができる。例えば、図４に示す溝１１６は、深さ方向の対向する一対の側面１１６ａと底面１１６ｂを有しており、一対の側面１１６ａのそれぞれと第２面１２４の表面でそれぞれ凸状に構成される一対の角部１２６と、一対の側面１１６ａのそれぞれと底面１１６ｂでそれぞれ凹状に構成される一対の角部１２８と、の合計４つの角部が構成されている。

図５は、図１に示す光デバイスの作用効果を説明するための図である。図５に示すように、本実施形態によれば、反射防止膜１１５が剥離したとしても、発光部又は受光部１２２に対向する領域を囲む溝１１６の外側又は溝１１６内で反射防止膜１１５の剥離の進行が止まるので、溝１１６に囲まれた領域では反射防止膜１１５の剥離を防止することができる。また、溝１１６の位置を、基板１０１の端から少なくとも５μｍ程度（例えば２０〜３０μｍ）内側にすることで、溝１１６の開口領域の角部での剥離防止効果を確実に発揮できるようにしてある。

なお、溝１１６の幅が小さいほど剥離防止効果は高いが、エッチングマスクを形成するときのフォトリソグラフィの微細化の限界及びウエットエッチングによるサイドエッチの発生などの理由から、溝１１６の幅は５〜１０μｍ程度にすることが現実的である。

図６は、溝の変形例を説明する図である。図６に示す溝２１６は、Ｈｂｒ系エッチング液を用いるなどして、深さ方向に幅が拡がる逆テーパ形状にしてある。これによれば、溝２１６の開口に構成される凸状の角部２３０の内角と、底部に構成される凹状の角部２３２の内角と、がいずれも鋭角になっているので、反射防止膜２１５が破断しやすくなるため、その剥離防止の効果が高い。

図７は、溝の他の変形例を説明する図である。図７に示す溝３１６は、平面形状において四辺形の角を丸くした形状になっている。こうすることで、ウエットエッチングでサイドエッチが発生するなどしても、確実な溝３１６の形成が可能になる。

図８は、本発明の実施の形態に係る光デバイスの製造方法を説明する図である。本実施形態では、複数の光デバイスを一体的に形成するための基板１０１を用意する。基板１０１の第１面１２０には、複数の発光部又は受光部１２２が設けられている。

基板１０１（例えば不純物濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３のｎ型ＩｎＰ基板）に、分子線エピタキシャル成長法を用いて、順に、不純物濃度２×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.７μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層１０２、不純物濃度５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^３以下で厚さ０.２μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３、不純物濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.０２０μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層１０４ａ（第１電界調整層）、不純物濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層１０４ｂ（第２電界調整層）、不純物濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.０２０μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層１０４ｃ（第３電界調整層）、不純物濃度１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ１.２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５、不純物濃度５×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ１.０μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層１０６、不純物濃度５×１０^１９ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ０.１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を形成する。

こうして得られた構造体の上に、図示しない円形のハードマスクを形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層１０６、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５およびｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層１０４ｃをエッチングすることにより、第１メサ構造１０８を形成する。ここで、エッチングの際に、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓに対して選択性があるエッチング液を交互に使用することにより、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層１０４ｂの上面でエッチングを停止することが可能である。

次に、有機金属気相エピタキシャル（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて、第１メサ構造１０８の周囲に、不純物濃度１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^３で厚さ１．６μｍのＦｅドーピングＩｎＰ結晶からなる埋め込み層１０９を成長させ、その後、ハードマスク（図示せず）を除去する。

次に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７、埋め込み層１０９の上部に、第１メサ構造１０８の上端面よりも径の大きい直径の円形の平面パターンを有するフォトレジスト（図示せず）を形成し、このレジストをマスクとして、埋め込み層１０９、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層１０４ａ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層１０４ｂ、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層１０４ｃ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３、ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層１０２および基板（ｎ型ＩｎＰ基板）１０１の表面を、Ｂｒ系エッチング液によりエッチングする。

以上の工程により、第１メサ構造１０８の周囲に、第２メサ構造１１０を形成する。第２メサ構造１１０は、第１メサ構造１０８に対して同心円状の平面パターンを有している。

そして、フォトレジスト（図示せず）を除去した後、基板１０１の表面全体を絶縁性の保護膜１１１によって被膜する。保護膜１１１は、膜厚が０．２μｍのＳｉＮ層と膜厚が０．３μｍのＳｉＯ_２層とで構成される。保護膜１１１をフォトリソグラフィ技術で加工することによって、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７の一部（スルーホール）および基板１０１の一部（図示せず）を露出させ、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７に接続されるように、ｐ型電極１１２およびｎ型電極１１３を形成する。ｎ型電極は、基板１０１に接続する。

ｐ型電極１１２およびｎ型電極１１３は、蒸着法で堆積した膜厚０．５μｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜（本明細書において、”／”は、基板１０１に近い側から遠い側の順に、配置されていることを記している）を、フォトリソグラフィ技術でパターニングすることによって形成する。なお、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７に形成したスルーホールは二つの同心円からなるリング形状を有している。この結果、リング形状のスルーホール部以外では、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７の上に、透明の保護膜１１１が形成され、メタライズとしてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜（ｐ型電極１１２）が形成され、これにより鏡（ミラー）が構成される。

基板１０１の第２面１２４には、光入射部として、フォトリソグラフィ技術を用いて窪み１１４（例えば円形パターン受光窓）１１４を形成する。窪み１１４を形成する際に同時にフォトリソグラフィを行って溝１１６を形成する。そして、厚さ０．２μｍのＳｉＮからなる反射防止膜１１５を被着する。

次に、基板１０１を切断する。基板１０１を切断する工程で、溝１１６の外側で基板１０１を切断する。詳しくは、基板１０１を、ｐ型電極１１２、ｎ型電極１１３を含む１素子ごとに分割する。なお、溝１１６から少なくとも５μｍ外側で基板１０１を切断する。こうして、個々の光デバイスを得ることができる。

図９は、本発明の実施の形態に係る光デバイスの製造方法の変形例を説明する図である。この例では、基板１０１の第２面１２４の、溝１１６で囲まれた領域の外側に、凹部１３４が形成してある。凹部１３４は基板１０１の切断ラインに沿って形成されている。基板１０１の切断は、凹部１３４の底面を切断することで行う。凹部１３４の形成は、窪み１１４の形成と同時にエッチングによって行うことができる。凹部１３４を形成しておくことで、基板１０１の切断を容易に行うことができる。

図１０は、変形例によって製造された光デバイスを示す断面図である。図１０に示す光デバイスは、図９に示す凹部１３４が切断されて形成された切り欠き１３６が、基板１０１（第２面１２４）の端部に形成されている。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

１０１ 基板、１０２ ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、１０３ ｎ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、１０４ 電界調整層、１０４ａ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層（第１電界調整層）、１０４ｂ ｐ型ＩｎＧａＡｓ電界調整層（第２電界調整層）、１０４ｃ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層（第３電界調整層）、１０５ ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１０６ ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓキャップ層、１０７ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１０８ 第１メサ構造、１０９ 埋め込み層、１１０ 第２メサ構造、１１１ 保護膜、１１２ ｐ型電極、１１３ ｎ型電極、１１４ 窪み、１１５ 反射防止膜、１１６ 溝、１１６ａ 側面、１１６ｂ 底面、１２０ 第１面、１２２ 発光部又は受光部、１２４ 第２面、１２６ 角部、１２８ 角部、１３４ 凹部、１３６ 切り欠き、２１５ 反射防止膜、２１６ 溝、２３０ 角部、２３２ 角部、３１６ 溝。

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の第１面に形成された、受光部又は発光部と、
   前記基板の前記第１面とは反対の第２面に形成された、前記基板の表面よりも光反射率が低い反射防止膜と、
   を有し、
   前記第２面には、前記受光部又は前記発光部に対向する領域を囲む溝が形成されており、
   前記反射防止膜は、前記溝に囲まれた前記領域、前記溝の内部及び前記溝の外側に連続的に密着して形成されていることを特徴とする光デバイス。
2. 請求項１に記載された光デバイスにおいて、
   前記第２面には、前記溝に囲まれた前記領域に窪みが形成されていることを特徴とする光デバイス。
3. 請求項１又は２に記載された光デバイスにおいて、
   前記溝の深さは、前記反射防止膜の厚みよりも深いことを特徴とする光デバイス。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された光デバイスにおいて、
   前記溝の幅は、前記溝の深さよりも狭いことを特徴とする光デバイス。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された光デバイスにおいて、
   前記溝は、深さ方向に幅が拡がる逆テーパ形状をなしていることを特徴とする光デバイス。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された光デバイスにおいて、
   前記第２面は、前記溝の外側に少なくとも５μｍの幅の領域を有することを特徴とする光デバイス。
7. 第１面に受光部又は発光部が設けられた基板であって、前記第１面とは反対の第２面に前記基板の表面よりも光反射率が低い反射防止膜が形成された基板を用意する工程と、
   前記基板を切断する工程を含み、
   前記第２面には、前記受光部又は前記発光部に対向する領域を囲む溝が形成されており、
   前記反射防止膜は、前記溝に囲まれた前記領域、前記溝の内部及び前記溝の外側に連続的に密着して形成されており、
   前記基板を切断する工程で、前記溝の外側で前記基板を切断することを特徴とする光デバイスの製造方法。
8. 請求項７に記載された光デバイスの製造方法において、
   前記基板を切断する工程で、前記溝から少なくとも５μｍ外側で前記基板を切断することを特徴とする光デバイスの製造方法。

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