JP2019024142A - 受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の裏面にレンズを有し、該レンズに対する光軸ずれの許容幅を高めることができる受光素子を提供する。【解決手段】受光素子１Ａは、半導体基板１０Ａの表面１０ａ上に設けられ、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂから入射した入力光Ｌ１を電気信号に変換する一つの受光部２０と、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂに形成され、第１の曲率を有し、一つの受光部２０と光結合する第１のレンズ１１と、第１のレンズ１１の周辺に形成され、第１の曲率よりも大きい第２の曲率を有し、一つの受光部２０と光結合する第２のレンズ１２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子に関するものである。

特許文献１には、モノリシックレンズ付きの半導体光素子の製造方法が開示されている。この製造方法は、レンズ部の周囲をレンズ頂点よりも高くすることを特徴とし、レンズ周囲に２層レジストまたは酸化膜（若しくは窒化膜）マスクを付け、ドライエッチングによりレンズを形成する。

特開平６−１０４４８０号公報

近年、光伝送システムにおいて、例えば４波集積型光モジュールのような小型の光受信モジュールの需要が高まっている。そのような小型の光受信モジュールとして、半導体基板の裏面にレンズが形成された受光素子を、例えばＲＯＳＡ（Receiver. Optical Sub Assembly）と呼ばれる小型のパッケージに搭載したものがある。このような光受信モジュールでは、製造時における光軸ずれの許容幅（クリアランス）を高めるために、レンズ径が大きいことが望まれる。しかしながら、所望の曲率を有するレンズを大口径に形成することは、製造上の制約があり困難である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体基板の裏面にレンズを有し、該レンズに対する光軸ずれの許容幅を高めることができる受光素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態による受光素子は、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板の裏面側から入射した入力光を電気信号に変換する受光部と、半導体基板の裏面に設けられ、第１の曲率を有し、入力光と受光部とが光結合するドーム形状をなす第１の結合部と、第１の結合部の周辺に設けられ、ドーム形状の外側から入射する入力光と受光部とが光結合する第２の結合部とを備える。

本発明によれば、半導体基板の裏面にレンズを有する受光素子に対する光軸ずれの許容幅を高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る受光素子の構造を示す側断面図である。 図２は、受光素子を半導体基板の裏面側から見た裏面図である。 図３は、第１及び第２のレンズの形成方法を示す側断面図である。 図４は、第１及び第２のレンズの形成方法を示す側断面図である。 図５は、比較例としての受光素子の構造を示す側断面図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る受光素子の構造を示す側断面図である。 図７は、受光素子を半導体基板の裏面側から見た裏面図である。 図８は、レンズの形成方法を示す側断面図である。 図９は、レンズの形成方法を示す側断面図である。 図１０は、レンズの形成方法を示す側断面図である。 図１１は、レンズの形成方法を示す側断面図である。 図１２は、本発明の第３実施形態に係る受光素子の構造を示す側断面図である。 図１３は、受光素子を半導体基板の裏面側から見た裏面図である。 図１４は、中心レンズ及び周辺レンズの形成方法を示す側断面図である。 図１５は、中心レンズ及び周辺レンズの形成方法を示す側断面図である。 図１６は、中心レンズ及び周辺レンズの形成方法を示す側断面図である。 図１７は、中心レンズ及び周辺レンズの形成方法を示す側断面図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の一実施形態による受光素子は、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板の裏面側から入射した入力光を電気信号に変換する受光部と、半導体基板の裏面に設けられ、入力光を受光部へ集光する第１の結合部と、半導体基板の裏面において第１の結合部の周辺に設けられ、入力光を受光部へ集光し、一又は複数の結合部領域を含む第２の結合部と、を備える。第１の結合部は、第１の曲率を有するドーム形状からなる。第２の結合部は、第２の曲率を有する凸レンズからなる。第２の曲率は、第１の曲率よりも大きい。

この受光素子では、半導体基板の裏面に、入力光と受光部とを光結合させる２種類の結合部が形成されている。一つは、第１の曲率を有するドーム形状の第１の結合部である。他の一つは、第１の結合部の周辺に設けられる第２の結合部である。このような構成によって、第１の結合部から外れた光であっても第２の結合部により受光部と光結合され得るので、光軸ずれの許容幅を高めることができる。また、半導体基板の裏面に一つの大口径結合部を形成する場合と比較して、結合部の凹凸の高さ（または深さ）を抑えることができ、所望の曲率を有する結合部を半導体基板に容易に形成することができる。

また、上記の受光素子では、受光部が、メサ状の受光メサと、受光メサに設けられ逆バイアス電位を印加する電極とを有し、受光メサとは別に設けられたメサ状の凸部と、凸部の頂部に設けられ、電極と接続された電極パッドとを更に備えてもよい。これにより、実装時に受光部が押圧されることを回避して、受光部の信頼性および特性変動などへの影響を低減できる。また、凸部に電極が設けられることにより実装時に半導体基板が歪むような場合であっても、上記の第１及び第２の結合部により、入力光を好適に集光させることができる。

また、上記の受光素子では、半導体基板が、裏面に凹部を有し、凹部は第１の結合部および第２の結合部を囲んでもよい。これにより、イオンミリング等によって第１及び第２の結合部を容易に形成することができる。

また、上記の受光素子では、第２の結合部の結合部領域が、第１の結合部の周辺に４つ並んで形成されてもよい。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る受光素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る受光素子１Ａの構造を示す側断面図である。図１に示されるように、本実施形態の受光素子１Ａは、半導体基板１０Ａ、単一の受光部２０、及び電気接続部３０，４０を備えている。

半導体基板１０Ａは、たとえば半絶縁性のIII−Ｖ族化合物半導体（一例ではＩｎＰ）から成ってもよく、或いはIII−Ｖ族化合物半導体を結晶成長可能な他種基板であってもよい。半導体基板１０Ａは、表面１０ａ及び裏面１０ｂを有する。表面１０ａ側（本実施形態では表面１０ａ上）には、単一の受光部２０、及び電気接続部３０，４０が形成されている。裏面１０ｂには、第１のレンズ１１（第１の結合部）及び第２のレンズ１２（第２の結合部）が設けられている。裏面１０ｂは、例えばＳｉＮといった絶縁性の保護膜１４によって覆われている。

受光部２０は、裏面１０ｂ側から入射する入力光Ｌ１を電気信号に変換する半導体機能部である。受光部２０は、表面１０ａ上において、メサ状の受光メサ２６を有し、第１コンタクト層２１、光吸収層２２、窓層２３，２４、及び第２コンタクト層２５を有している。第１コンタクト層２１は、半導体基板１０Ａ上にエピタキシャル成長され、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体（例えばｎ型ＩｎＰ）を含む。光吸収層２２は、第１コンタクト層２１の一部の上にエピタキシャル成長され、III−Ｖ族化合物半導体（例えばｉ型ＩｎＧａＡｓ）を含む。窓層２３は、光吸収層２２上にエピタキシャル成長され、第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体（例えばｐ型ＩｎＰ）を含む。窓層２４は、光吸収層２２上において窓層２３を取り囲むようにエピタキシャル成長され、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体（例えばｎ型ＩｎＰ）を含む。第２コンタクト層２５は、窓層２３上にエピタキシャル成長され、第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体（例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ）を含む。

受光部２０の受光メサ２６は、例えばＳｉＮといった絶縁性の保護膜１３によって覆われている。更に、受光メサ２６には、光吸収層２２に逆バイアス電位を印加するｐ型電極３７ａ及びｎ型電極３７ｂが設けられている。すなわち、窓層２３，２４上の保護膜１３上には、ｐ型電極３７ａとしてのＴｉ／Ｐｔ層３１ａ、Ａｕスパッタ層３２ａ、及びＡｕメッキ層３３ａがこの順に積層されている。第２コンタクト層２５上の保護膜１３には開口が形成され、Ｔｉ／Ｐｔ層３１ａは、該開口を介して第２コンタクト層２５と接触している。また、第１コンタクト層２１のうち光吸収層２２が形成されていない部分を覆う保護膜１３にも開口が形成され、該開口内に、ｎ型電極３７ｂとしてのＡｕＧｅ／Ａｕ層３４が設けられている。ＡｕＧｅ／Ａｕ層３４は、該開口を介して第１コンタクト層２１と接触している。更に、ｎ型電極３７ｂとしてのＴｉ／Ｐｔ層３１ｂ、Ａｕスパッタ層３２ｂ、Ａｕメッキ層３３ｂがその上に積層されている。

電気接続部３０，４０は、受光メサ２６とは別に設けられたメサ状の凸部である。電気接続部３０，４０は、それぞれｎ型電極３７ａ及びｐ型電極３７ｂのための電極パッド３８ａ，３８ｂをそれぞれ有する。具体的には、電気接続部３０，４０は、表面１０ａ上において、受光部２０と共通の第１コンタクト層２１、光吸収層２２、及び窓層２４を有している。但し、これらの層は電気的に何れとも接続されておらず、電極パッド３８ａ，３８ｂの高さを確保するために残存している。

電気接続部３０の層２１、２２及び２４は絶縁性の保護膜１３によって覆われており、その頂部には、受光部２０の窓層２３上から延びるＴｉ／Ｐｔ層３１ａ、Ａｕスパッタ層３２ａ、及びＡｕメッキ層３３ａが設けられている。そして、Ａｕメッキ層３３ａ上には、電極パッド３８ａとしてのＡｕメッキ層３５ａ及び導電性接着剤としてのＡｕＳｎ層３６ａがこの順に積層されてｎ型電極３７ａと電気的に接続されている。

電気接続部４０の層２１、２２及び２４もまた絶縁性の保護膜１３によって覆われており、その頂部には、受光部２０の第１コンタクト層２１上から延びるＴｉ／Ｐｔ層３１ｂ、Ａｕスパッタ層３２ｂ、及びＡｕメッキ層３３ｂが設けられている。そして、Ａｕメッキ層３３ｂ上には、電極パッド３８ｂとしてのＡｕメッキ層３５ｂ及び導電性接着剤としてのＡｕＳｎ層３６ｂがこの順に積層されてｐ型電極３７ｂと電気的に接続されている。

ここで、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂに形成された第１のレンズ１１及び第２のレンズ１２について詳細に説明する。図２は、受光素子１Ａを半導体基板１０Ａの裏面１０ｂ側から見た裏面図である。図１及び図２に示されるように、第１のレンズ１１は、裏面１０ｂに形成されたドーム形状を成す凸レンズであって、この第１のレンズ１１において、入力光Ｌ１と受光部２０とが光結合する。第１のレンズ１１は、半導体基板１０Ａの厚さ方向から見て受光部２０の光吸収層２２と重なる位置に形成されている。言い換えれば、第１のレンズ１１は、光吸収層２２と対向して配置されている。より好ましくは、平面円形状に形成された光吸収層２２の中心軸線（図１の線Ａ１）と、第１のレンズ１１の中心軸線（図１の線Ａ２）とが互いに一致するように、第１のレンズ１１が形成されている。一例では、第１のレンズ１１の直径Ｄ１は、光吸収層２２の直径Ｄ２よりも大きく、第１コンタクト層２１の直径（すなわちメサの直径）Ｄ３よりも小さい。第１のレンズ１１は、入力光Ｌ１を光吸収層２２に集光するための所望の曲率（第１の曲率）を有する。

第２のレンズ１２は、裏面１０ｂに形成された凸レンズであって、第１のレンズ１１の周辺に形成されている。この第２のレンズ１２において、ドーム形状の第１のレンズ１１の外側から入射する入力光Ｌ１と受光部２０とが光結合する。本実施形態では、複数（図２の例では４つ）の結合部領域としての第２のレンズ１２が第１のレンズ１１の周方向に並んで形成されているが、第２のレンズ１２は一つであってもよい。第２のレンズ１２の中心軸線（図中の線Ａ３）は、光吸収層２２とは重ならない。一例では、半導体基板１０Ａの厚さ方向から見て、第２のレンズ１２と光吸収層２２とは互いに重ならない。第２のレンズ１２は、入力光Ｌ１を光吸収層２２に集光するための所望の曲率（第２の曲率）を有する。この曲率は、第１のレンズ１１の曲率よりも大きい。

また、本実施形態の半導体基板１０Ａは、裏面１０ｂに凹部（枠部）１５を有する。凹部１５は、半導体基板１０Ａの厚さ方向から見て例えば正方形状を呈しており、その内側の底面に、第１のレンズ１１及び第２のレンズ１２を含む。このような凹部１５は、後述する製造方法において第１のレンズ１１及び第２のレンズ１２がイオンミリングにより形成されることによって生じる。すなわち、凹部１５の深さは、第１のレンズ１１及び第２のレンズ１２の底面からの高さと同じか、それよりも深い。

ここで、本実施形態の受光素子１Ａの製造方法のうち、特に第１のレンズ１１及び第２のレンズ１２の形成方法について説明する。図３及び図４は、第１のレンズ１１及び第２のレンズ１２の形成方法を示す側断面図である。まず、図３に示されるように、半導体基板１０Ａ上に受光部２０、電気接続部３０及び４０が形成された基板生産物５０を準備する。そして、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂ上に、所定のパターンを有するレジストマスク５１を形成する。詳細には、まず、裏面１０ｂ上にレジストを塗布し、所定のパターンに露光・現像する。所定のパターンは、第１のレンズ１１を形成するための平面円形状のパターン５１ａと、第２のレンズ１２を形成するための平面円形状の複数のパターン５１ｂとを含む。

続いて、レジストマスク５１に対して熱処理を行う。このときの熱処理は、例えば１８０℃以上２２０℃以下の温度範囲に含まれる温度で行われ、例えば２分以上５分以下の範囲に含まれる所定時間にわたって行われる。これにより、図４に示されるように、レジストマスク５１のパターン５１ａ及び５１ｂの表面の角が取れ、所望の曲率を有するレンズの形状となる。さらに、レジストマスク５１、パターン５１ａ及び５１ｂの表面にレジスト５６を塗布し、所定のパターンに露光・現像する。所定のパターンは、パターン５１ａ及び５１ｂとを含む領域を露出する形状を有する。この後、レジストマスク５６、パターン５１ａ及び５１ｂを介して半導体基板１０Ａにイオンミリングを施すことにより、パターン５１ａ及び５１ｂの形状が半導体基板１０Ａに転写され、第１のレンズ１１及び第２のレンズ１２が形成される。最後に、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂを覆うように保護膜１４を形成し、基板生産物５０をチップ状に分割することにより、本実施形態の受光素子１Ａが完成する。

以上の構成を備える本実施形態の受光素子１Ａによって得られる効果について説明する。図５は、比較例としての受光素子１００の構造を示す側断面図である。受光素子１００は、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂにレンズ１０１のみが形成されている点を除き、本実施形態の受光素子１Ａと同様の構成を備えている。この受光素子１００では、入力光Ｌ１がレンズ１０１の範囲（図中のＢ１）から外れた場合、入力光Ｌ１が光吸収層２２に到達することができない。従って、入力光Ｌ１の光軸を範囲Ｂ１内に精度良く収める必要があり、光軸調整に手間を要する。また、範囲Ｂ１を拡げようとレンズ１０１の直径を拡大すると、レンズ１０１の高さを確保するために半導体基板１０Ａを深くミリングする必要があり、レンズ１０１の形成に時間がかかるという問題が生じる。更には、製造上の制約から、レンズ１０１の直径の拡大にも限度がある。

また、受光素子１００は、半導体基板１０Ａの表面側にメサ状の受光部２０、電気接続部３０，４０が形成され、裏面側にレンズが形成されたフリップ型の受光素子である。このような構成において、受光素子１００を実装基板（図示しない）に実装するための電極を受光部２０の頂部に形成した場合には、受光部２０が押圧され、受光部２０の信頼性および特性変動などに影響が生じるおそれがある。このため、受光部２０の両側に位置するメサ状の電気接続部３０、４０の頂部に実装用の電極が設けられる。しかしながら、このような構成では、受光部２０が実装基板に押圧されないので、実装時に半導体基板１０Ａが歪んでしまい、レンズ１０１が設計通りに集光しないなどの問題が発生してしまう。

これに対し、本実施形態の受光素子１Ａでは、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂに、受光部２０と光結合する２種類のレンズ（結合部）が形成されている。一つは、第１の曲率を有するドーム形状の第１のレンズ１１である。他の一つは、第１のレンズ１１の周辺に設けられる第２のレンズ１２である。このような構成によって、第１のレンズ１１から外れた入力光Ｌ１であっても第２のレンズ１２により受光部２０と光結合され得るので、光軸ずれの許容幅を高めることができる。更には、半導体基板１０Ａの裏面１０ｂに一つの大口径レンズを形成する場合と比較して、レンズの凹凸の高さ（または深さ）を抑えることができ、所望の曲率を有するレンズ１１，１２を半導体基板１０Ａに容易に形成することができる。従って、フリップ型の受光素子であっても、光軸ずれの影響を抑制することができる。

また、本実施形態のように、受光部２０は、メサ状の受光メサ２６と、受光メサ２６に設けられ逆バイアス電位を印加する電極３７ａ，３７ｂとを有し、受光素子１Ａは、受光メサ２６とは別に設けられたメサ状の凸部である電気接続部３０，４０と、電気接続部３０，４０の頂部に設けられ、電極３７ａ，３７ｂと接続された電極パッド３８ａ，３８ｂとを備えてもよい。これにより、実装時に受光部２０が押圧されることを回避して、受光部２０の信頼性および特性変動などへの影響を低減できる。また、電気接続部３０，４０に電極３７ａ，３７ｂが設けられることにより実装時に半導体基板１０Ａが歪むような場合であっても、第１及び第２のレンズ１１，１２により、入力光Ｌ１を好適に集光させることができる。

また、本実施形態のように、半導体基板１０Ａは、第１及び第２のレンズ１１，１２を内側に含む凹部１５を裏面１０ｂに有してもよい。これにより、イオンミリング等によって第１及び第２のレンズ１１，１２を容易に形成することができる。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る受光素子１Ｂの構造を示す側断面図である。図７は、受光素子１Ｂを半導体基板１０Ｂの裏面１０ｂ側から見た裏面図である。図６及び図７に示されるように、本実施形態の受光素子１Ｂは、半導体基板１０Ｂ、単一の受光部２０、及び電気接続部３０，４０を備えている。なお、受光部２０、及び電気接続部３０，４０の構成は上述した第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

本実施形態の半導体基板１０Ｂの裏面１０ｂには、単一のレンズ１６が形成されている。レンズ１６は、中心部１６ａと、周辺部１６ｂとを含んで構成されている。

中心部１６ａは、本実施形態における第１の結合部である。中心部１６ａは、裏面１０ｂに形成されたドーム形状を成す凸レンズであって、この第１のレンズ１１において、入力光Ｌ１と受光部２０とが光結合する。中心部１６ａは、半導体基板１０Ｂの厚さ方向から見て受光部２０の光吸収層２２と重なる位置に形成されている。より好ましくは、平面円形状に形成された光吸収層２２の中心軸線（図中の線Ａ１）と、中心部１６ａの中心軸線（図中の線Ａ４）とが互いに一致するように、中心部１６ａが形成されている。中心部１６ａは、入力光Ｌ１を光吸収層２２に集光するための所望の曲率（第１の曲率）を有する。

周辺部１６ｂは、本実施形態における第２の結合部である。周辺部１６ｂは、裏面１０ｂに形成された凸レンズであって、中心部１６ａを囲む同心円状に形成され、且つ、中心部１６ａから連続して形成されている。周辺部１６ｂは、中心軸線Ａ４を含む面内において、入力光Ｌ１を光吸収層２２に集光するための所望の曲率（第２の曲率）を有する。この曲率は、中心部１６ａの曲率よりも大きい。

また、半導体基板１０Ｂは、第１実施形態の半導体基板１０Ａと同様、裏面１０ｂに凹部１７を有する。凹部１７は、半導体基板１０Ｂの厚さ方向から見て例えば正方形状を呈しており、その内側の底面にレンズ１６を含む。このような凹部１７は、後述する製造方法においてレンズ１６がイオンミリングにより形成されることによって生じる。すなわち、凹部１７の深さは、レンズ１６の底面からの高さと同じか、それよりも深い。

ここで、本実施形態の受光素子１Ｂの製造方法のうち、特にレンズ１６の形成方法について説明する。図８〜図１１は、レンズ１６の形成方法を示す側断面図である。まず、図８に示されるように、半導体基板１０Ｂ上に受光部２０、電気接続部３０及び４０が形成された基板生産物６０を準備する。そして、半導体基板１０Ｂの裏面１０ｂ上に、所定のパターンを有する第１のレジストマスク５２を形成する。詳細には、まず、裏面１０ｂ上にレジストを塗布し、所定のパターンに露光・現像する。所定のパターンは、レンズ１６の中心部１６ａを形成するための平面円形状のパターン５２ａを含む。

続いて、第１のレジストマスク５２に対して熱処理を行う。このときの熱処理は、例えば１８０℃以上２２０℃以下の温度範囲に含まれる温度で行われ、例えば２分以上５分以下の範囲に含まれる所定時間にわたって行われる。これにより、図９に示されるように、第１のレジストマスク５２のパターン５２ａの表面の角が取れ、所望の曲率を有するレンズの形状となる。

続いて、図１０に示されるように、半導体基板１０Ｂの裏面１０ｂ上に、再びレジスト５３を塗布する。そして、レジスト５３を所定のパターンに露光・現像することにより、第２のレジストマスクを形成する。第２のレジストマスクは、レンズ１６の周辺部１６ｂを形成するための平面円環状のパターンを含む。その後、第２のレジストマスクに対して熱処理を行う。このときの熱処理は、例えば１８０℃以上２２０℃以下の温度範囲に含まれる温度で行われ、例えば２分以上５分以下の範囲に含まれる所定時間にわたって行われる。これにより、図１１に示されるように、第２のレジストマスク５４の表面の角が取れ、所望の曲率を有するレンズの形状を含むものとなる。

この後、レジストマスク５２，５４を介して半導体基板１０Ｂにイオンミリングを施すことにより、レジストマスク５２，５４のパターン形状が半導体基板１０Ｂに転写され、中心部１６ａ及び周辺部１６ｂを含むレンズ１６が形成される。最後に、半導体基板１０Ｂの裏面１０ｂを覆うように保護膜１４を形成し、基板生産物６０をチップ状に分割することにより、本実施形態の受光素子１Ｂが完成する。

以上の構成を備える本実施形態の受光素子１Ｂによって得られる効果について説明する。この受光素子１Ｂでは、半導体基板１０Ｂの裏面１０ｂに形成されたレンズ１６が、一つの受光部２０と光結合する２つの部分を有する。一つは、第１の曲率を有する中心部１６ａである。他の一つは、第１の曲率よりも大きい第２の曲率を有する周辺部１６ｂである。このような構成によって、中心部１６ａから外れた入力光Ｌ１であっても周辺部１６ｂにより集光され得るので、光軸ずれの許容幅を高めることができる。また、半導体基板１０Ｂの裏面１０ｂに均一な曲率を有する大口径レンズを形成する場合と比較して、レンズ１６の凹凸の高さ（または深さ）を抑えることができ、所望の曲率を有するレンズ１６を半導体基板１０Ｂに容易に形成することができる。

また、本実施形態のように、半導体基板１０Ｂは、レンズ１６を内側に含む凹部１７を裏面１０ｂに有してもよい。これにより、イオンミリング等によってレンズ１６を容易に形成することができる。

（第３の実施の形態）
図１２は、本発明の第３実施形態に係る受光素子１Ｃの構造を示す側断面図である。図１３は、受光素子１Ｃを半導体基板１０Ｃの裏面１０ｂ側から見た裏面図である。図１２及び図１３に示されるように、本実施形態の受光素子１Ｃは、半導体基板１０Ｃ、単一の受光部２０、及び電気接続部３０，４０を備えている。なお、受光部２０、及び電気接続部３０，４０の構成は上述した第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

本実施形態の半導体基板１０Ｃの裏面１０ｂには、中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂが形成されている。中心レンズ１８ａは、本実施形態における第１の結合部の例である。中心レンズ１８ａは、裏面１０ｂに形成されたドーム形状をなす凸レンズであって、この中心レンズ１８ａにおいて、入力光Ｌ１と受光部２０とが光結合する。中心レンズ１８ａは、半導体基板１０Ｃの厚さ方向から見て受光部２０の光吸収層２２と重なる位置に形成されている。より好ましくは、平面円形状に形成された光吸収層２２の中心軸線（図中の線Ａ１）と、中心レンズ１８ａの中心軸線（図中の線Ａ５）とが互いに一致するように、中心レンズ１８ａが形成されている。中心レンズ１８ａは、入力光Ｌ１を光吸収層２２に集光するための所望の曲率を有する。

周辺レンズ１８ｂは、本実施形態における第２の結合部の例である。周辺レンズ１８ｂは、半導体基板１０Ｃの裏面１０ｂにおいて中心レンズ１８ａを囲むように同心円状に形成され、且つ中心レンズ１８ａから連続して形成されている。周辺レンズ１８ｂは、中心レンズ１８ａの光軸（すなわち中心軸線Ａ５）に対して傾斜した表面を有し、ドーム形状の中心レンズ１８ａの外側から入射する入力光Ｌ１と受光部２０とがこの周辺レンズ１８ｂにおいて光結合され、受光部２０へ向けて入力光Ｌ１が屈折・偏向する。周辺レンズ１８ｂの表面の法線ベクトルは、中心軸線Ａ５から遠ざかる方向に傾斜している。一例では、周辺レンズ１８ｂの表面は、中心レンズ１８ａの光軸（中心軸線Ａ５）を中心軸線とする円錐台の側面を含んで構成されている。なお、中心軸線Ａ５に対する周辺レンズ１８ｂの表面の角度は、例えば５度以上２０度以下の範囲に含まれる。

また、半導体基板１０Ｃは、第１実施形態の半導体基板１０Ａと同様、裏面１０ｂに凹部１９を有する。凹部１９は、半導体基板１０Ｃの厚さ方向から見て例えば正方形状を呈しており、その内側の底面に中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂを含む。このような凹部１９は、後述する製造方法において中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂがイオンミリングにより形成されることによって生じる。すなわち、凹部１９の深さは、中心レンズ１８ａの底面からの高さと同じか、それよりも深い。

ここで、本実施形態の受光素子１Ｃの製造方法のうち、特に中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂの形成方法について説明する。図１４〜図１７は、中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂの形成方法を示す側断面図である。まず、図１４に示されるように、半導体基板１０Ｃ上に受光部２０、電気接続部３０及び４０が形成された基板生産物７０を準備する。そして、半導体基板１０Ｃの裏面１０ｂに、第１実施形態と同様の方法によって、中心レンズ１８ａを形成する。

続いて、図１５に示されるように、所定のパターンを有するマスクパターン５５を形成する。マスクパターン５５は、例えばＳｉＯ_２といったシリコン化合物からなる。詳細には、まず、裏面１０ｂ上にシリコン化合物膜を形成し、その上にレジストを塗布する。レジストを所定のパターンに露光・現像することにより、レジストマスクを形成する。そして、レジストマスクを介してシリコン化合物膜をエッチングすることにより、マスクパターン５５が形成される。マスクパターン５５は、中心レンズ１８ａを完全に覆っており、周辺レンズ１８ｂを形成するための斜面５５ａを含む。

続いて、図１６に示されるように、マスクパターン５５を介して半導体基板１０Ｃにイオンミリングを施すことにより、マスクパターン５５の斜面５５ａの形状が半導体基板１０Ｃに転写され、中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂが形成される。そして、残存したマスクパターン５５を除去したのち、図１７に示されるように、半導体基板１０Ｃの裏面１０ｂを覆うように保護膜１４を形成し、基板生産物６０をチップ状に分割することにより、本実施形態の受光素子１Ｃが完成する。

以上の構成を備える本実施形態の受光素子１Ｃによって得られる効果について説明する。この受光素子１Ｃでは、半導体基板１０Ｃの裏面１０ｂに、一つの受光部２０と光結合する２種類のレンズが形成されている。一つは、中心レンズ１８ａである。他の一つは、中心レンズ１８ａを囲むように形成され、中心レンズ１８ａの光軸（中心軸線Ａ５）に対して傾斜した表面を有する周辺レンズ１８ｂである。このような構成によって、中心レンズ１８ａから外れた入力光Ｌ１であっても周辺レンズ１８ｂにより受光部２０へ偏向され得るので、光軸ずれの許容幅を高めることができる。また、半導体基板１０Ｃの裏面１０ｂに一つの大口径レンズを形成する場合と比較して、レンズの凹凸の高さ（または深さ）を抑えることができ、所望の曲率を有する中心レンズ１８ａを半導体基板１０Ｃに容易に形成することができる。

また、本実施形態のように、周辺レンズ１８ｂの表面は、中心レンズ１８ａの光軸を中心軸線とする円錐台の側面を含んでもよい。これにより、周辺レンズ１８ｂが受光部２０へ向けて光を好適に偏向することができる。

また、本実施形態のように、半導体基板１０Ｃは、中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂを内側に含む凹部１９を裏面１０ｂに有してもよい。これにより、イオンミリング等によって中心レンズ１８ａ及び周辺レンズ１８ｂを容易に形成することができる。

本発明による受光素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では受光素子の半導体がIII−Ｖ族半導体である場合を例示したが、本発明はこれに限られず、例えばII−IV族半導体といった様々な半導体をベースとする受光素子に適用可能である。

（付記）
一実施形態による顕微鏡装置及び画像取得方法は、下記の特徴を有してもよい。

一実施形態による受光素子は、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板の裏面側から入射した入力光を電気信号に変換する受光部と、半導体基板の裏面に設けられ、第１の曲率を有し、入力光と受光部とが光結合するドーム形状をなす第１の結合部と、第１の結合部の周辺に設けられ、ドーム形状の外側から入射する入力光と受光部とが光結合する第２の結合部とを備えてもよい。

また、第２の結合部は、第１の曲率よりも大きい第２の曲率を有する一又は複数の結合部領域を含んでもよい。或いは、第２の結合部は、第１の曲率よりも大きい第２の曲率を有し、第１の結合部と第２の結合部とが連続して形成されてもよい。或いは、第２の結合部は、第１の結合部を囲むように形成され、第１の結合部の光軸に対して傾斜した表面を有し、第１の結合部と第２の結合部とが連続して形成されてもよい。これらの何れかの構成により、上記の第１及び第２の結合部を好適に実現できる。

また、第２の結合部の傾斜した表面は、第１の結合部の光軸を中心軸線とする円錐台の側面を含んでもよい。これにより、第２の結合部が受光部へ向けて光を好適に偏向することができる。

また、半導体基板は、第１の結合部および第２の結合部を内側に含む凹部を裏面に有してもよい。これにより、イオンミリング等によって第１及び第２の結合部を容易に形成することができる。

１Ａ〜１Ｃ…受光素子、１０Ａ〜１０Ｃ…半導体基板、１０ａ…表面、１０ｂ…裏面、１１…第１のレンズ、１２…第２のレンズ、１３…保護膜、１４…保護膜、１５，１７，１９…凹部、１６…レンズ、１６ａ…中心部、１６ｂ…周辺部、１８ａ…中心レンズ、１８ｂ…周辺レンズ、２０…受光部、２１…第１コンタクト層、２２…光吸収層、２３，２４…窓層、２５…第２コンタクト層、３０，４０…電気接続部、４０…電気接続部、５０，６０，７０…基板生産物、５１，５２，５４…レジストマスク、５３…レジスト、５５…マスクパターン、５５ａ…斜面、Ｌ１…入力光。

Claims (4)

1. 半導体基板の表面側に設けられ、前記半導体基板の裏面側から入射した入力光を電気信号に変換する受光部と、
   前記半導体基板の前記裏面に設けられ、前記入力光を前記受光部へ集光する第１の結合部と、
   前記半導体基板の前記裏面において前記第１の結合部の周辺に設けられ、前記入力光を前記受光部へ集光し、一又は複数の結合部領域を含む第２の結合部と、を備え、
   前記第１の結合部は、第１の曲率を有するドーム形状からなり、
   前記第２の結合部は、第２の曲率を有する凸レンズからなり、
   前記第２の曲率は、前記第１の曲率よりも大きい、受光素子。
2. 前記受光部は、メサ状の受光メサと、前記受光メサに設けられ逆バイアス電位を印加する電極とを有し、
   前記受光メサとは別に設けられたメサ状の凸部と、
   前記凸部の頂部に設けられ、前記電極と接続された電極パッドと、
   を更に備える、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記半導体基板は、前記裏面に凹部を有し、前記凹部は前記第１の結合部および前記第２の結合部を囲んでいる、請求項１または２に記載の受光素子。
4. 前記第２の結合部の前記結合部領域は、前記第１の結合部の周辺に４つ並んで形成されている、請求項１に記載の受光素子。

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