JP2011124450A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 受光感度の偏りが抑制された半導体受光素子を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体受光素子１は、基板１０１上に、光吸収領域１０５を含む半導体層１１０が配置され、さらに、前記半導体層１１０よりも光入射側にレンズ１２０が配置され、前記レンズ１２０は、光入射側に凸面を有し、前記凸面は、中心領域１２１と、前記中心領域１２１を取り囲む外周領域１２２とを有し、前記外周領域１２２は、前記光吸収領域１０５への集光に必要な曲率半径を有し、前記中心領域１２１は、平面であり、前記中心領域１２１から入射した光の前記光吸収領域１０５における光入射面積が、前記光吸収領域１０５の面積以下であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体受光素子に関する。

近年の技術の発展に伴い、光通信、光計測、光情報処理等の分野における高速かつ大容量化は必須であり、受光素子においては、高速応答に優れた半導体受光素子の開発が不可欠である。前記半導体受光素子においては、素子特性の他にも、使用環境やパッケージ設計の自由度等の点から、高い信頼性、低コスト、および高い生産性が要求されている。前記半導体受光素子としては、例えば、波長１μｍ〜１．６μｍ帯に対して高い受光感度を有する化合物半導体を光吸収層としたＰＩＮ型のフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤという）（例えば、非特許文献１〜３）やアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）という（例えば、特許文献１および非特許文献４、５）等があげられる。これらの半導体受光素子では、特許文献１および非特許文献２に記載のプレーナ型構造や擬似プレーナ型構造、または、非特許文献１および４に記載のメサ型構造が採用されている。

前記半導体受光素子は、光が入射する方向により、裏面入射構造、表面入射構造、および、端面入射構造のいずれかに区分される。非特許文献１および４に記載の半導体受光素子は、裏面入射構造である。特許文献１および非特許文献２に記載の半導体受光素子は、表面入射構造である。非特許文献３および５に記載の半導体受光素子は、端面入射構造である。

これらの中で、非特許文献３および５に記載の端面入射構造では、薄膜化によるキャリア走行時間の短縮によって、効率を低下させることなく、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速の半導体受光素子が実現されている。しかし、幅数μｍである狭面積の導波路入力端に入力光（入射光）を結合する必要があるため、実装工程での難易度が高く、また導波路等が加わることから製造工程が煩雑になり、生産性や低コスト化の点で課題がある。

一方、裏面入射構造および表面入射構造は、入力光との結合が容易である。特に、非特許文献４に記載の単純メサ構造では低コスト化が可能である。しかし、裏面入射構造および表面入射構造は、層厚において応答速度と効率とがトレードオフの関係にあるため、薄膜化による高速化には限界がある。このため、裏面入射構造および表面入射構造では、一般に薄膜化と共にｐｎ接合面積の縮小による容量低減により高速化が図られる。しかし、裏面入射構造および表面入射構造におけるｐｎ接合面積の縮小は、受光領域の縮小にもなることから、入力光の結合トレランスの低下が懸念される。これを解決するものとして、裏面入射構造および表面入射構造における高速化に伴う受光領域の縮小に対して、光入射面にレンズを搭載して実質的な受光面積を拡大する方法がある（特許文献２〜５および非特許文献６）。例えば、非特許文献６に記載の裏面入射構造のメサ型ＡＰＤは、光入射面にレンズを搭載することでｐｎ接合面積の４倍の受光面積を得ている。前記レンズとしては、非特許文献６に記載のモノリシックレンズの他に、樹脂や絶縁膜あるいはフォトレジストによるレンズ等も作製されている。

特開２０００−３２３７４６号公報 特開昭５７−１３２３７６号公報 特開平６−１０４４８０号公報 特開平７−３００８２号公報 特開平１０−４８４０３号公報

ＩＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｊ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．１３７ Ｎｏ．１ ７４−７８ページ、１９９０ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．１６ ６５４−６５６ページ、１９８４ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ． ２００７． ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ、Ｔｕ−ＢＢ−２、３８７−３８８ページ ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．１５ Ｎｏ．６ １０１２−１０１９ページ、１９９７ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．２４ ２０３３−２０３４ページ、２０００ ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＲＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１０ Ｎｏ．４ ５７６−５７８ページ、１９９８

しかしながら、前記レンズを搭載した裏面入射構造および表面入射構造の半導体受光素子には受光感度の偏りが生じやすいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、受光感度の偏りが抑制された半導体受光素子を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の半導体受光素子は、
基板上に、光吸収領域を含む半導体層が配置され、
さらに、前記半導体層よりも光入射側にレンズが配置され、
前記レンズは、光入射側に凸面を有し、
前記凸面は、中心領域と、前記中心領域を取り囲む外周領域とを有し、
前記外周領域は、前記光吸収領域への集光に必要な曲率半径を有し、
前記中心領域は、平面または前記外周領域よりも曲率半径が大きい曲面であり、
前記中心領域から入射した光の前記光吸収領域における入射光面積が、前記光吸収領域の面積以下であることを特徴とする。

本発明によれば、受光感度の偏りが抑制された半導体受光素子を提供することができる。

図１は、本発明の半導体受光素子の一例の構成を示す断面図である。 図２は、図１に示す半導体受光素子の平面図である。 図３Ａは、図１に示す半導体受光素子における入射光の様子を例示する模式図である。 図３Ｂは、図１に示す半導体受光素子における入射光の様子を例示する模式図である。 図４は、図１に示す半導体受光素子と入射光との結合距離を説明するための模式図である。 図５は、図１に示す半導体受光素子の受光感度分布の一例を示すグラフである。 図６Ａは、本発明の半導体受光素子のその他の例の構成を示す断面図である。 図６Ｂは、図６Ａに示す半導体受光素子のレンズの曲率半径を説明するための模式図である。 図６Ｃは、図６Ａに示す半導体受光素子における入射光の様子を例示する模式図である。 図７は、図６Ａに示す半導体受光素子の平面図である。 図８は、本発明の半導体受光素子のさらにその他の例の構成を示す断面図である。 図９は、本発明の半導体受光素子のさらにその他の例の構成を示す断面図である。 図１０は、半導体受光素子の一例の構成を示す断面図である。 図１１（ａ）および（ｂ）は、図１０に示す半導体受光素子の受光感度分布を示すグラフである。 図１２Ａは、半導体受光素子において受光不能が発生する場合の入射光の様子を例示する模式図である。 図１２Ｂは、半導体受光素子において受光不能が発生する場合の入射光の様子を例示する模式図である。 図１３は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す半導体受光素子の受光感度分布を例示するグラフである。

本発明の半導体受光素子において、基板上に半導体層が配置されている状態とは、基板に半導体層が直接接触している状態でもよいし、基板と半導体層との間に他の構成要素等が存在し、基板と半導体層とが直接接触していない状態でもよい。

本発明の半導体受光素子において、前記中心領域が、平面であり、前記中心領域の面積が、前記光吸収領域の面積以下であってもよい。

本発明の半導体受光素子において、前記半導体層が、前記基板を挟んで前記レンズと反対側に配置されていてもよい。

本発明の半導体受光素子において、前記半導体層が、前記基板と前記レンズとの間に配置されていてもよい。

つぎに、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造を適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際と異なる場合がある。

（実施形態１）
図１および図２に、本発明の半導体受光素子の一例の構成を示す。図１は、本実施形態の半導体受光素子の断面図であり、図２は、本実施形態の半導体受光素子の平面図である。本実施形態の半導体受光素子は、半導体層が、基板を挟んでレンズと反対側に配置された裏面入射構造のメサ型ＡＰＤである。図示のとおり、この半導体受光素子１は、ｎ型半導体基板１０１、レンズ１２０、メサ状の受光領域１１０、ｐ型電極１１２およびｎ型電極１１３を主要構成部材として有する。前記受光領域１１０は、前記ｎ型半導体基板１０１の光入射側と反対側の面上に形成されており、光入射側から順に、ｎ型バッファ層１０２、増倍層１０３、ｐ^＋型電界緩和層１０４、光吸収層１０５、ｐ型キャップ層１０６およびｐ型コンタクト層１０７が積層された構造である。前記ｐ型電極１１２は、前記受光領域１１０のメサ上面に直接接触するように形成されている。前記ｎ型電極１１３は、前記ｎ型バッファ層１０２上に形成されている。前記受光領域１１０のメサ側壁は、保護膜１１８によって被覆されている。前記ｎ型半導体基板１０１の光入射側の面上には、凸面を光入射側としてレンズ１２０が前記受光領域１１０のメサの直上に位置するように配置されている。前記レンズ１２０の凸面を含む光入射面１３０は、ＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コート１１９で被覆されている。なお、前記ｎ型半導体基板１０１は、前記「基板」に相当し、前記受光領域１１０は、前記「半導体層」に相当する。

前記レンズ１２０の凸面は、中心領域１２１と、前記中心領域１２１を取り囲む外周領域１２２とを有する。前記外周領域１２２は、前記光吸収層１０５の光吸収領域（本実施形態では、前記光吸収層１０５の光入射側に面）への集光に必要な曲率半径を有する。本発明の半導体受光素子では、前記レンズの凸面の曲率半径が不均一である。例えば、本実施形態の半導体受光素子１では、前記中心領域１２１は、平面である。前記平面１２１の中心１２１ａは、前記ｎ型バッファ層１０２の光入射側の面の中心１３１ａの直上に位置する。前記平面１２１の直径Ｆと、前記光吸収層１０５の光入射側の面の直径Ｅとの関係は、Ｆ≦Ｅの関係にある。本実施形態の半導体受光素子は、この構成を有することにより、受光感度の偏りが抑制されている。以下、これについて詳しく説明する。

まず、前記レンズの凸面の曲率半径が均一な半導体受光素子では、例えば、以下のメカニズムで受光感度の偏りが生じる。図１０の断面図に、そのような半導体受光素子の一例を示す。図示のとおり、この半導体受光素子１１は、前記レンズ１１２０の凸面の曲率半径が均一であること以外、図１に示す半導体受光素子１と同様の構成である。図１０において、１１０１は、ｎ型半導体基板を、１１１０は、メサ状の受光領域を、１１０２は、ｎ型バッファ層を、１１０３は、増倍層を、１１０４は、ｐ^＋型電界緩和層を、１１０５は、光吸収層を、１１０６は、ｐ型キャップ層を、１１０７は、ｐ型コンタクト層を、１１１２は、ｐ型電極を、１１１３は、ｎ型電極を、１１１８は、保護膜を、１１１９は、ＡＲコートを、１１２０は、レンズを、１１３０は、光入射面を示す。

この半導体受光素子１１では、入力光（入射光）と半導体受光素子１１の結合アライメントの位置により前記入力光が前記光吸収層１１０５近傍に集光すると、図１１（ａ）に示すように、前記光吸収層１１０５の光吸収領域の中心部分に受光感度の高い領域が発生する。また、前記入力光が前記光吸収層１１０５よりも手前（光入射側）に集光すると、搭載された前記レンズ１１２０によって一度集光された光が再び広がり始めた状態で前記光吸収層１１０５に到達するために、図１１（ｂ）に示すように、受光感度の高い領域が前記光吸収層１１０５の光吸収領域の外周部に偏ったドーナッツ型の受光感度分布を示す。これらの受光感度の偏りは、搭載されたレンズの曲率半径が小さい構造で特に顕著である。したがって、このことは、レンズおよび半導体受光素子の小型化の妨げとなり、ひいては、低コスト化、生産性向上、高速化の妨げともなる。なお、図１１（ａ）は、ｐｎ接合が直径３０μｍの円形、前記光入射面１１３０から前記光吸収層１１０５までの最大距離が１４０μｍ、前記レンズ１１２０の曲率半径が１００μｍの場合の受光感度分布を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、さらに入力光との結合距離を３００μｍ広げた場合の受光感度分布を示すグラフである。図１１（ａ）および（ｂ）において、横軸は、前記光吸収層１１０５の光入射側の面（光吸収領域）の中心を０とした前記中心からの距離（面内位置）を示し、縦軸は、光電流を示す。

また、この半導体受光素子１１は、受光感度が光吸収層の光吸収領域で不均一であるために、アライメント位置によっては受光感度が低くなることで素子特性上も不利である。これは、前述の受光感度の偏りと同様に、半導体受光素子内部での焦点位置に起因する。このような光吸収層の光吸収領域での受光感度の分布や偏りは、素子またはモジュールの歩留まりを下げる原因ともなる。

また、レンズの凸面の曲率半径が不均一であっても、中心領域（平面）の直径Ｆと、光吸収層の光入射側の面の直径Ｅとの関係が、Ｆ＞Ｅの関係にある場合には、例えば、以下のメカニズムで受光不能が生じる。図１２Ａの模式図に、レンズ５２０の凸面の平面５２１の直径Ｆと、光吸収層５０５の光入射側の面の直径Ｅとの関係が、Ｆ＞Ｅの関係にある半導体受光素子の場合について示す。この半導体受光素子では、前記平面５２１から入射した光の前記光吸収領域における入射光面積Ｆａと、光吸収層５０５の光入射側の面（光吸収領域）の面積Ｅａとの関係は、図１２Ｂに示すとおり、Ｆａ＞Ｅａの関係となる。このため、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、平面５２１からの入射光の一部は、光吸収層５０５に入射しない（到達しない）。したがって、図１３に示すように、前記平面５２１から入射する光の一部に受光不能が発生し、受光感度が不均一となる。なお、図１２Ａに示す半導体受光素子は、Ｆ＞Ｅの関係にある点を除き、図１〜３に示す半導体受光素子１と同じ構成であり、図１２Ａにおいて、５２２は、外周領域を、５１２は、ｐ型電極を示す。図１２Ｂでは、簡略化のために、レンズ凸面の中心領域５２１、外周領域５２２と、光吸収層５０５以外の構成要素は省略している。また、図１３は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す半導体受光素子の受光感度分布を示すグラフである。図１３において、横軸は、前記光吸収層５０５の光入射側の面（光吸収領域）の中心からの距離（面内位置）を示し、縦軸は、光電流を示す。

これらに対し、本実施形態の半導体受光素子１では、以下のとおりである。すなわち、まず、図３Ａの模式図を用いて、本実施形態の半導体受光素子１における入射光の様子について説明する。図示のように、前記レンズ１２０の凸面の平面１２１から入射した光は、レンズが形成されていない場合と同様に、前記半導体受光素子１内を直進し、前記受光領域１１０内の前記光吸収層１０５で吸収される。また、前記入射した光の一部は、前記光吸収層１０５を透過し、前記ｐ型電極１１２で反射され、再度前記光吸収層１０５に到達し、吸収される（図示せず）。このように、前記平面１２１から入射した光を受光する機構は、レンズを搭載していない裏面入射構造ＡＰＤと同じであることから、均一な受光感度が得られる。前記外周領域１２２は、前述のとおり、前記光吸収層１０５の光吸収領域への集光に必要な曲率半径を有する。このため、前記外周領域１２２から入射した光は、前記外周領域１２２の曲率に従って前記光吸収層１０５の光吸収領域へ集光して吸収される。また、前記入射した光の一部は、前記光吸収層１０５を透過し、前記ｐ型電極１１２で反射され、再度前記光吸収層１０５に到達し、吸収される（図示せず）。これらによって、本実施形態の半導体受光素子１では、ｐｎ接合面積よりも広い有効受光領域が得られる。

また、図３Ｂの模式図に、中心領域１２１から入射した光の前記光吸収領域における入射光面積と、前記光吸収領域の面積との関係について示す。同図では、簡略化のために、レンズ凸面の中心領域１２１、外周領域１２２と、光吸収層１０５以外の構成要素は省略している。中心領域（平面）１２１に入射した光は、前述のとおり、直進するため、中心領域１２１から入射した光の前記光吸収領域における入射光面積Ｆａは、中心領域１２１の面積に等しい。また、図１に示したとおり、前記平面１２１の直径Ｆと、前記光吸収層１０５の光入射側の面の直径Ｅとの関係は、Ｆ≦Ｅである。この結果、前記入射光面積Ｆａと、前記光吸収領域の面積Ｅａとの関係は、図３Ｂに示すとおり、Ｆａ≦Ｅａの関係となっている。このため、図１の半導体受光素子１では、中心領域１２１から入射した光の受光不能が発生しない。なお、前記入射光面積Ｆａと、前記光吸収領域の面積Ｅａとの関係は、Ｆａ＜Ｅａの関係であることが好ましい。

つぎに、図４の模式図を用いて、本実施形態の半導体受光素子１と入射光との結合距離について説明する。光出射装置の光出射面と、半導体受光素子の光入射面との結合距離のトレランスは、通常、平面から入射する光では大きくなる傾向にある。前述のとおり、本実施形態の半導体受光素子１では、レンズの凸面の中心領域は平面であるので、光出射装置６０の光出射面と、本実施形態の半導体受光素子１の光入射面との結合距離６００のトレランスが、図１０に示す半導体受光素子１１よりも大きくなる。このため、本実施形態の半導体受光素子１は、実装時の結合トレランスの向上にも有効である。

図５のグラフに、本実施形態の半導体受光素子１の受光感度分布の一例を示す。図５において、横軸は、前記光吸収層１０５の光入射側の面（光吸収領域）の中心を０とした前記中心からの距離（面内位置）を示し、縦軸は、光電流を示す。この受光感度分布は、ｐｎ接合の直径が３０μｍであり、前記光入射面１３０から前記光吸収層１０５までの最大距離が１４０μｍであり、前記平面１２１の直径Ｆが２８μｍであり、前記外周領域１２２の曲率半径が１００μｍの場合の例である。このとき、光電流の最大値（ｍａｘ）×１／２の有効受光領域の直径は、５０μｍ以上となり、有効受光径の拡大の効果は維持される。また、入力光との結合距離を４５０μｍ広げた場合でも、前記平面１２１の感度分布は、維持される。高速用の裏面入射構造の半導体受光素子においては、ｐｎ接合容量低減のために、例えば、応答速度が３Ｇｂｉｔ／ｓ以下ではｐｎ接合の直径が５０μｍ以下に、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上では３０μｍ以下等に受光領域が縮小される。また、量産性向上のため、素子サイズも縮小される傾向にあり、素子サイズに見合った小型のレンズが必要となるため、レンズの曲率半径も小さくなる傾向にある。本実施形態の半導体受光素子１は、これらの高速化対応の素子に対して特に有効である。

本発明の半導体受光素子の構造は、図１〜３に示す構造に限定されない。例えば、本実施形態では、前記レンズ１２０および前記受光領域１１０のメサの平面形状は、円形状である。これに対し、本発明の半導体受光素子では、前記レンズおよび前記受光領域のメサの平面形状は、楕円形や矩形であってもよい。

図１〜３に示す半導体受光素子１の製造方法は、特に制限されないが、例えば、つぎのとおりである。

まず、ガスソースＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、固体ソースＭＢＥ法、ＭＯ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ）−ＭＢＥ法等を用いて、前記ｎ型半導体基板１０１の光入射側と反対側の面上に、前記ｎ型バッファ層１０２、前記増倍層１０３、前記ｐ^＋型電界緩和層１０４、前記光吸収層１０５、前記ｐ型キャップ層１０６、および前記ｐ型コンタクト層１０７を、前記順序で積層し、半導体層（エピタキシャル層）を形成する。各層形成時のガス濃度、成長温度等の条件は、例えば、半導体受光素子の製造において一般に用いている条件を参考に適宜設定可能である。各層の形成材料も、半導体受光素子の製造において一般に用いられているものを用いればよい。

つぎに、ブロム系等のエッチング液を用いたウェットエッチング、またはドライエッチングにより、前記エピタキシャル層にメサ状の受光領域１１０を形成する。

つぎに、前記受光領域１１０のメサ側壁を、前記保護膜１１８で覆う。前記保護膜１１８は、ＳｉＮ_ｘまたはＳｉＯ_ｘ等の無機絶縁膜や、ポリイミドまたはＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等の有機絶縁膜により形成することができる。

つぎに、電極金属を真空蒸着することで、前記ｐ型電極１１２および前記ｎ型電極１１３を形成する。

つぎに、前記ｎ型半導体基板１０１を所望の厚さまで研磨する。

つぎに、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより、前記ｎ型半導体基板１０１の光入射側の面に、前記レンズ１２０を形成する。前記レンズ１２０の形成においては、前記エッチングを２回に分けて行い、前半のエッチングにおけるエッチングマスクサイズおよびサイドエッチング量と、後半のエッチングにおけるエッチング時間を制御することにより、前記平面１２１の直径、および前記外周領域１２２の曲率半径を制御することができる。

つぎに、前記レンズ１２０の凸面を含む前記光入射面１３０上に前記ＡＲコート１１９を形成することで、前記半導体受光素子１を得る。

（実施形態２）
図６および図７に、本発明の半導体受光素子のその他の例の構成を示す。図６Ａは、本実施形態の半導体受光素子の断面図であり、図７は、本実施形態の半導体受光素子の平面図である。また、図６Ｂは、本実施形態の半導体受光素子のレンズの曲率半径を説明するための模式図である。図６Ｃは、本実施形態の半導体受光素子において、レンズ凸面の中心領域から入射した光の光吸収領域における入射光面積と、光吸収領域の面積との関係について示す模式図である。本実施形態の半導体受光素子は、裏面入射構造のメサ型ＡＰＤである。図示のとおり、本実施形態の半導体受光素子２は、レンズ２２０の凸面の中心領域２２１が、外周領域２２２よりも曲率半径が大きい曲面である点を除き、図１〜３に示す半導体受光素子１と同様の構成である。前記曲面２２１の曲率半径ｎＲは、前記外周領域２２２の曲率半径Ｒの１．５倍以上であることが好ましく、より好ましくは、３倍以上である。前記曲面２２１から入射した光は、集光する位置までの距離が長くなる。このため、前記曲面２２１から入射した光は、前記半導体受光素子２内で集光せずに直進に近い状態で光吸収層２０５に到達する。具体的には、図６Ｃの模式図に示すとおりである。同図では、簡略化のために、レンズ凸面の中心領域２２１、外周領域２２２と、光吸収層２０５以外の構成要素は省略している。図示のとおり、中心領域（曲面）２２１から入射した光の前記光吸収領域における入射光面積Ｆａは、中心領域２２１の面積よりも若干小さくなる。また、図６Ａに示したとおり、前記曲面２２１の光入射側と反対側の面の直径Ｆと、前記光吸収層２０５の光入射側の面の直径Ｅとの関係は、Ｆ≦Ｅである。この結果、前記入射光面積Ｆａと、前記光吸収領域の面積Ｅａとの関係は、図６Ｃに示すとおり、Ｆａ≦Ｅａの関係となっている。このため、この半導体受光素子２では、中心領域２２１から入射した光の受光不能が発生しない。これらの結果、本実施形態の半導体受光素子２は、図１〜３に示す半導体受光素子１と同様の作用・効果を奏する。なお、図６および図７において、２０１は、ｎ型半導体基板を、２０２は、ｎ型バッファ層を、２０３は、増倍層を、２０４は、ｐ^＋型電界緩和層を、２０６は、ｐ型キャップ層を、２０７は、ｐ型コンタクト層を、２１０は、受光領域（半導体層）を、２１２は、ｐ型電極を、２１３は、ｎ型電極を、２１８は、保護膜を、２１９は、ＡＲコートを、２２１ａは、前記曲面２２１の中心を、２３０は、光入射面を、２３１ａは、前記ｎ型バッファ層２０２の光入射側の面の中心を示す。本実施形態の半導体受光素子２は、前記レンズ２２０の凸面の中心領域２２１を、外周領域２２２よりも曲率半径が大きい曲面として形成する点を除き、図１〜３に示す半導体受光素子１と同様にして製造できる。

（実施形態３）
図８の断面図に、本発明の半導体受光素子のさらにその他の例の構成を示す。本実施形態の半導体受光素子は、半導体層が、基板を挟んでレンズと反対側に配置された裏面入射構造のメサ型ＰＩＮ−ＰＤである。図示のとおり、本実施形態の半導体受光素子３は、ｎ型半導体基板３０１、レンズ３２０、メサ状の受光領域３１０、ｐ型電極３１２およびｎ型電極３１３を主要構成部材として有する。前記受光領域３１０は、前記ｎ型半導体基板３０１の光入射側と反対側の面上に形成されており、光入射側から順に、ｎ型バッファ層３０２、アンドープＩｎＧａＡｓ層（光吸収層）３０５、ｐ型ＩｎＰ層３０６およびｐ型コンタクト層３０７が積層された構造である。前記受光領域３１０の構造を除き、本実施形態の半導体受光素子３は、図１〜３に示す半導体受光素子１と同様の構成である。本実施形態の半導体受光素子３も、図１〜３に示す半導体受光素子１と同様の作用・効果を奏する。なお、図８において、３１８は、保護膜を、３１９は、ＡＲコートを、３２１は、平面を、３２１ａは、前記平面３２１の中心を、３３０は、光入射面を、３３１ａは、前記ｎ型バッファ層３０２の光入射側の面の中心を示す。本実施形態の半導体受光素子３は、増倍層およびｐ^＋型電界緩和層を積層せず、ｐ型キャップ層に代えてｐ型ＩｎＰ層３０６を積層する点を除き、図１〜３に示す半導体受光素子１と同様にして製造できる。

（実施形態４）
図９の断面図に、本発明の半導体受光素子のさらにその他の例の構成を示す。本実施形態の半導体受光素子は、半導体層が、基板とレンズとの間に配置された表面入射構造のプレーナ型ＰＩＮ−ＰＤである。図示のとおり、この半導体受光素子４は、ｎ型半導体基板４０１、ｎ型バッファ層４０２、光吸収層４０５、ｎ型ウインドウ層４４１、ｐ^＋型拡散層４０４、保護膜４１８、レンズ４２０、ＡＲコート４１９、ｐ型電極４１２、パッド電極４４２およびｎ型電極４１３を主要構成部材として有する。前記ｎ型バッファ層４０２、前記光吸収層４０５、および前記ｎ型ウインドウ層４４１は、前記ｎ型半導体基板４０１の光入射側の面上に、前記順序で積層されている。前記ｐ^＋型拡散層４０４は、前記ｎ型ウインドウ層４４１内に形成されている。前記保護膜４１８は、前記ｎ型ウインドウ層４４１および前記ｐ^＋型拡散層４０４上に、断面が凸形状となるように形成されている。前記ｐ型電極４１２は、前記ｐ^＋型拡散層４０４に向けて前記保護膜４１８に形成された溝の中に、前記ｐ^＋型拡散層４０４下面に直接接触するように、かつ、高さが前記保護膜４１８の素子端部側と同じになるように形成されている。前記パッド電極４４２は、前記ｐ型電極４１２の保護のために、前記ｐ型電極４１２を覆うように前記溝の中に形成されるとともに、外部回路との接続のために、前記保護膜４１８の素子端部側下面に直接接触した状態で、素子端部に向かって延びている。前記レンズ４２０は、凸面を光入射側として前記保護膜４１８および前記パッド電極４４２上に形成されている。前記レンズ４２０の凸面は、ＡＲコート４１９で被覆されている。前記ｎ型電極４１３は、前記ｎ型半導体基板４０１の前記ｎ型バッファ層４０２とは反対側の面上に形成されている。なお、前記ｎ型半導体基板４０１は、前記「基板」に相当し、前記ｎ型バッファ層４０２、前記光吸収層４０５、前記ｎ型ウインドウ層４４１および前記ｐ^＋型拡散層４０４を合わせたものが、前記「半導体層」に相当する。また、図９において、４３０は、光入射面を表す。

前記レンズ４２０の凸面は、中心領域４２１と、前記中心領域４２１を取り囲む外周領域４２２とを有する。前記外周領域４２２は、前記光吸収層４０５の光吸収領域（本実施形態では、前記光吸収層４０５の前記ｐ^＋型拡散層４０４近傍の図９において四角で囲った部分の光入射側の面）への集光に必要な曲率半径を有する。本実施形態の半導体受光素子４では、前記中心領域４２１は、平面である。前記平面４２１の中心４２１ａは、前記ｐ^＋型拡散層４０４の光入射側の面の中心４３１ａの直下に位置する。前記平面４２１の直径Ｆと、前記光吸収層４０５の光入射側の面の直径Ｅとの関係は、Ｆ≦Ｅの関係にある。この結果、前記平面４２１から入射した光の前記光吸収領域における光入射面積Ｆａと、前記光吸収領域の面積Ｅａとの関係は、Ｆａ≦Ｅａの関係となっている。本実施形態の半導体受光素子４も、図１〜３に示す半導体受光素子１と同様、受光感度の偏りの抑制等の作用・効果を奏する。

図９に示す半導体受光素子４の製造方法は、特に制限されないが、例えば、つぎのとおりである。

まず、気相成長法等を用いて、前記ｎ型半導体基板４０１の面上に、前記ｎ型バッファ層４０２、前記光吸収層４０５、前記ｎ型ウインドウ層４４１を、前記順序で積層する。各層形成時のガス濃度、成長温度等の条件は、例えば、一般に気相成長法に用いている条件を参考に適宜設定可能である。各層の形成材料も、一般に用いられているものを用いればよい。

つぎに、前記ｐ^＋型拡散層４０４を選択熱拡散により形成し、ｐ−ｉ−ｎ構造を形成する。

つぎに、前記ｎ型ウインドウ層４４１および前記ｐ^＋型拡散層４０４上に、断面が凸形状となるように前記保護膜４１８を形成する。前記保護膜４１８は、ＳｉＯ_２膜により形成することができる。前記保護膜４１８の形成は、通常のフォトリソグラフィにより容易に行うことができる。

つぎに、通常の工程により前記保護膜４１８に前記ｐ^＋型拡散層４０４下面に達するようにリング状に溝を形成し、前記溝の中に前記ｐ^＋型拡散層４０４下面に直接接触するように、かつ、高さが前記保護膜４１８の素子端部側と同じになるように前記ｐ型電極４１２を形成する。前記ｐ型電極４１２は、前記レンズ４２０からの光入射をなるべく阻害しないように、透明電極とすることが好ましい。前記透明電極は、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ等を用いて形成できる。前記ｐ型電極を透明電極とする場合には、その形成に際し、接触抵抗および素子に受光させる吸収波長帯域に留意することが好ましい。ついで、前記溝の中の前記ｐ型電極４１２を覆い、かつ、前記保護膜４１８の素子端部側下面に直接接触した状態で、素子端部に向かって延びるように前記パッド電極４４２を形成する。前記パッド電極４４２の形成方法は、特に制限されず、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次蒸着する等の従来公知の方法を採用できる。

つぎに、前記保護膜４１８および前記パッド電極４４２上にＰＳＧ（燐ケイ酸ガラス）膜を選択的に形成した後、レーザービームまたは熱処理によって前記ＰＳＧ膜の流動（メルトフロー）を行い、前記レンズ４２０を形成する。

つぎに、前記レンズ４２０の凸面を含む前記光入射面４３０上に前記ＡＲコート４１９を形成する。

つぎに、通常の工程により前記ｎ型半導体基板４０１の前記ｎ型バッファ層４０２とは反対側の面上に前記ｎ型電極４１３を形成することで、前記半導体受光素子４を得る。

つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例によってなんら限定ないし制限されない。

（実施例１）
図１〜３に示す半導体発光素子１を作製する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の光入射側と反対側の面上に、ガスソースＭＢＥ法を用いて、約１μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層１０２、０．２μｍ〜０．５μｍのＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３、０．０５μｍ以下のｐ^＋型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４、０．５μｍ〜１μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層１０５、０．３μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０６、０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を、前記順序で積層する。つぎに、ブロム系等のエッチング液を用いたエッチングにより、ｐｎ接合の直径が３０μｍのメサ状の受光領域１１０を形成する。つぎに、前記受光領域１１０のメサ側壁をＳｉＮ_ｘからなる保護膜１１８により被覆する。つぎに、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極１１２を形成し、前記受光領域１１０のメサ上面に直接接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ型電極１１３を形成する。つぎに、前記ｎ型ＩｎＰ基板１０１を、１５０μｍ〜２００μｍ程度の厚さまで研磨する。つぎに、ブロム系等のエッチング液による２段階のエッチングにより、レンズ１２０を形成する。前記レンズ１２０の凸面の平面１２１の直径は、２０μｍ〜２８μｍ程度、外周領域１２２の曲率半径は、８０μｍ〜１００μｍとする。つぎに、前記レンズ１２０の凸面を含む光入射面１３０をＡＲコート１１９で被覆する。このようにして、本実施例の半導体受光素子１（裏面入射構造のメサ型ＡＰＤ）を得る。

上記のようにして、実際に半導体受光素子１を作製し、受光感度分布を測定した。測定に用いた半導体受光素子は、光入射面１３０から前記光吸収層１０５までの最大距離が１４０μｍ、前記平面１２１の直径が２８μｍ、前記外周領域１２２の曲率半径が１００μｍであった。図４における光出射装置６０としては、半導体レーザおよびレンズ付ファイバを用いた。本実施例の半導体受光素子１では、図５に示すとおり、３０μｍのｐｎ接合の直径に対して、５０μｍ以上の有効受光径が得られ、さらに前記有効受光径内で均一な受光感度分布が得られた。

（実施例２）
図６および図７に示す半導体発光素子２を作製する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の光入射側と反対側の面上に、ガスソースＭＢＥ法を用いて、約１μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２０２、０．２μｍ〜０．５μｍのＩｎＡｌＡｓ増倍層２０３、０．０５μｍ以下のｐ^＋型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層２０４、０．５μｍ〜１μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層２０５、０．３μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓキャップ層２０６、０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７を、前記順序で積層する。つぎに、ブロム系等のエッチング液を用いたエッチングにより、ｐｎ接合の直径が３０μｍのメサ状の受光領域２１０を形成する。つぎに、前記受光領域２１０のメサ側壁をＳｉＮ_ｘからなる保護膜２１８により被覆する。つぎに、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極２１２を形成し、前記受光領域２１０のメサ上面に直接接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ型電極２１３を形成する。つぎに、前記ｎ型ＩｎＰ基板２０１を、１５０μｍ〜２００μｍ程度の厚さまで研磨する。つぎに、ブロム系等のエッチング液による２段階のエッチングにより、レンズ２２０を形成する。前記レンズ２２０の凸面の曲面２２１の光入射側と半対話の面の直径は、２０μｍ〜２８μｍ程度、曲率半径は、１７０〜２００μｍ、外周領域２２２の曲率半径は、８０μｍ〜１００μｍとする。つぎに、前記レンズ２２０の凸面を含む光入射面２３０をＡＲコート２１９で被覆する。このようにして、本実施例の半導体受光素子２（裏面入射構造のメサ型ＡＰＤ）を得る。

上記のようにして、実際に半導体受光素子２を作製し、受光感度分布を測定した。測定に用いた半導体受光素子における前記最大距離、直径、曲率半径、および光出射装置並びに結合距離は、実施例１と同様とした。本実施例の半導体受光素子２でも、３０μｍのｐｎ接合の直径に対して、５０μｍ以上の有効受光径が得られ、さらに前記有効受光径内で均一な受光感度分布が得られた。また、本実施例の半導体受光素子２と、実施例１の半導体受光素子１とでは、ｎ型ＩｎＰ基板の厚みを同じとすれば、受光感度分布を示すグラフにほとんど違いがなかった。

（実施例３）
図８に示す半導体発光素子３を作製する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板３０１の光入射側と反対側の面上に、ガスソースＭＢＥ法を用いて、約１μｍ〜１．５μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層３０２、１μｍ〜２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層３０５、０．３μｍ〜０．５μｍのｐ型ＩｎＰ層３０６、０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０７を、前記順序で積層する。つぎに、ブロム系等のエッチング液を用いたエッチングにより、ｐｎ接合の直径が３０μｍのメサ状の受光領域３１０を形成する。つぎに、前記受光領域３１０のメサ側壁をＳｉＮ_ｘからなる保護膜３１８により被覆する。つぎに、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０７上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極３１２を形成し、前記受光領域３１０のメサ上面に直接接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ型電極３１３を形成する。つぎに、前記ｎ型ＩｎＰ基板３０１を、１５０μｍ〜２００μｍ程度の厚さまで研磨する。つぎに、ブロム系等のエッチング液による２段階のエッチングにより、レンズ３２０を形成する。前記レンズ３２０の凸面の平面３２１の直径は、２０μｍ〜２８μｍ程度、外周領域３２２の曲率半径は、８０μｍ〜１００μｍとする。つぎに、前記レンズ３２０の凸面を含む光入射面３３０をＡＲコート３１９で被覆する。このようにして、本実施例の半導体受光素子３（裏面入射構造のメサ型ＰＩＮ−ＰＤ）を得る。

上記のようにして、実際に半導体受光素子３を作製し、受光感度分布を測定した。測定に用いた半導体受光素子における前記最大距離、直径、曲率半径、および光出射装置並びに結合距離は、実施例１と同様とした。本実施例の半導体受光素子３でも、３０μｍのｐｎ接合の直径に対して、５０μｍ以上の有効受光径が得られ、さらに前記有効受光径内で均一な受光感度分布が得られた。また、本実施例の半導体受光素子３と、実施例１の半導体受光素子１とでは、ｎ型ＩｎＰ基板の厚みを同じとすれば、受光感度分布を示すグラフにほとんど違いがなかった。

上記実施例１〜３では、メサ型の半導体受光素子に対してｎ型半導体基板を用いたが、半導体基板および各半導体層の導電型が全て逆転していてもよく、半絶縁性半導体基板を用いてもよい。

また、上記実施例１および２では、ＡＰＤについて述べ、上記実施例３では、ＰＩＮ−ＰＤについて述べているが、裏面入射構造または表面入射構造の半導体受光素子であれば、ＡＰＤおよびＰＩＮ−ＰＤ以外のフォトダイオードにおいても同等の効果が得られる。

そして、上記実施例１〜３では、いずれもメサ型について述べているが、本発明の半導体受光素子は、図９に示すようなプレーナ型、または擬似プレーナ型であってもよい。

さらに、上記実施例１〜３では、いずれも裏面入射構造について述べているが、本発明の半導体受光素子は、図９に示すような表面入射構造であってもよい。

さらに、上記実施例１〜３では、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体層により形成された半導体受光素子を例示しているが、本発明の半導体受光素子は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐ、ＳｂおよびＮからなる群から選択される化合物半導体で形成されていてもよい。

さらに、上記実施例１〜３では、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極金属により形成された半導体受光素子を例示しているが、本発明の半導体受光素子は、Ａｕ／Ｇｅ／ＮｉまたはＡｕＺｎ等のオーミック電極を形成する電極金属からなる電極により形成されていてもよい。

さらに、上記実施例１〜３では、半導体基板の光入射側と反対側の面上に形成されるレンズを例示しているが、前記レンズは、ＳｉＯ_ｘまたはＳｉＮ_ｘ等の無機絶縁膜や、ポリイミドまたはＢＣＢ等の有機絶縁膜、フォトレジスト等の有機膜から形成されていてもよい。

以上のように、本発明の半導体受光素子は、受光感度の偏りが抑制されたものである。本発明の半導体受光素子の用途は、特に限定されず、例えば、光通信装置、光情報処理装置、光計測装置等に幅広く利用可能である。

１、２、３、４、１１ 半導体受光素子
６０ 光出射装置
１０１、２０１、３０１、４０１、１１０１ ｎ型半導体基板
１０２、２０２、３０２、４０２、１１０２ ｎ型バッファ層
１０３、２０３、１１０３ 増倍層
１０４、２０４、１１０４ ｐ^＋型電界緩和層
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、１１０５ 光吸収層
１０６、２０６、１１０６ ｐ型キャップ層
１０７、２０７、３０７、１１０７ ｐ型コンタクト層
１１０、２１０、３１０、１１１０ 受光領域
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、１１１２ ｐ型電極
１１３、２１３、３１３、４１３、１１１３ ｎ型電極
１１８、２１８、３１８、４１８、１１１８ 保護膜
１１９、２１９、３１９、４１９、１１１９ ＡＲコート
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、１１２０ レンズ
１２１、３２１、４２１、５２１ 平面
１２１ａ、３２１ａ、４２１ａ 平面の中心
１２２、２２２、３２２、４２２、５２２ 外周領域
１３０、２３０、３３０、４３０、１１３０ 光入射面
１３１ａ、２３１ａ、３３１ａ ｎ型バッファ層の光入射側の面の中心
２２１ 曲面
２２１ａ 曲面の中心
３０６ ｐ型ＩｎＰ層
４０４ ｐ^＋型拡散層
４３１ａ ｐ^＋型拡散層の中心
４４１ ｎ型ウインドウ層
４４２ パッド電極
６００ 結合距離

Claims (4)

1. 基板上に、光吸収領域を含む半導体層が配置され、
   さらに、前記半導体層よりも光入射側にレンズが配置され、
   前記レンズは、光入射側に凸面を有し、
   前記凸面は、中心領域と、前記中心領域を取り囲む外周領域とを有し、
   前記外周領域は、前記光吸収領域への集光に必要な曲率半径を有し、
   前記中心領域は、平面または前記外周領域よりも曲率半径が大きい曲面であり、
   前記中心領域から入射した光の前記光吸収領域における入射光面積が、前記光吸収領域の面積以下であることを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記中心領域が、平面であり、前記中心領域の面積が、前記光吸収領域の面積以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
3. 前記半導体層が、前記基板を挟んで前記レンズと反対側に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体受光素子。
4. 前記半導体層が、前記基板と前記レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体受光素子。

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