JP2989996B2 - 半導体基板へのモノリシックレンズ形成方法 - Google Patents

半導体基板へのモノリシックレンズ形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信等に用いる半導体
受光素子あるいは発光素子に関し、特にそのモノリシッ
クレンズ形成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光通信技術の発展には目を見張るものが
あり、光通信技術の高度化に相伴って各コンポーネント
の改良,高性能化が精力的に進められている。この内、
光信号を送り出す発光素子、あるいは、光信号を検出し
電気信号に変換する受光素子において光(信号)の有効
利用と素子の高性能化を図る手段として、これらの素子
を構成する半導体基板を加工してモノリシックレンズを
素子と一体化する技術が注目されている。
【0003】例えば、光通信用の半導体受光素子を例と
して取り上げるならば、シリカ光ファイバーの低損失波
長である1.3〜1.55μm域に対して高い感度を有
するInGaAs材料を光吸収層としたPIN型のフォ
トダイオード(以下、PIN−PDと略称する)が上げ
られる。この一例を図7に示す(「光通信素子工学」、
米津宏雄著、工学図書株式会社刊、372頁図6.7
(c))。
【0004】n−InP基板3上に気相成長法等でn−
InPバッファー層4、n- −InGaAs光吸収層
5、n−InGaAsPウィンドウ層6を順次成長し、
+ 領域7を選択熱拡散により形成し、p−i−n構造
を形成する。
【0005】プレーナー構造で絶縁膜および反射損防止
膜としての用をなすAR膜8、p電極9、n電極10に
より素子化される。
【0006】このような構造では、光をエピ成長側から
導入する点から、表面入射型PINと言われることが多
い。このようなPIN−PDの特性として、より一層の
高速応答が要求される場合には、CR制限からの回避、
すなわち、pn接合径を縮小し素子容量を低減すること
が必須となる。
【0007】このとき生ずる、受光感度を有するpn接
合領域の縮小による入射光との結合トレランスの低下を
解決する方法として、基板裏面にマイクロレンズを形成
し、その基板裏面から光を有効に入射する方法が注目さ
れている。ここで、マイクロレンズのレンズ効果を利用
することにより、受光感度を有する面積に対し入射光の
基板裏面における有効受光面積を大幅に拡大することが
可能となる。
【0008】このようなマイクロレンズ形成にはドライ
エッチングあるいはウエットエッチングによる方法が通
常用いられており、後者のウエットエッチングでは、第
1エッチングで円形のパターンにより円形状台地(円形
メサ)を形成し、第2エッチングでこのメサの角をとり
球面化する、2段階エッチングが主に用いられている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このような2段階ウエ
ットエッチングによるマイクロレンズ形成方法では、経
験的要素が大きく所望のレンズのプロセス設計・制御方
法が曖昧で、再現性に乏しいという問題がある。
【0010】また、レンズ周辺部分のくずれにより有効
受光部分が大きく左右されるという欠点を有している。
【0011】本発明は、このような問題点を解決する、
すなわちプロセス工程におけるレンズ曲率の支配因子を
数値的に明確化することにより、制御方法を確立し再現
性に優れたモノリシックレンズの形成方法を提供するこ
とにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板への
モノリシックレンズ形成方法は、2段階のウエット・エ
ッチングを施すことによってモノリシックレンズを半導
体基板に作り付ける方法において、半導体の円形領域を
残してこの周縁部をエッチングすることにより円形状台
地を形成する第1の工程と、前記第1の工程によって形
成された円形状台地を含む半導体基板の領域を全体にわ
たってエッチングすることによって、前記円形状台地の
中心領域を所定の曲率を有するレンズとする第2の工程
とを含み、前記第1の工程によって得られる円形状台地
頂上の直径をLD 、円形状台地の高さ即ちエッチング深
さをLH で近似し、直径がLD で高さがLH の円柱を仮
定し、この円柱の頂上面中心と底面を形成する直径LD
の円との両方に接する球の半径をRM としたとき、前記
第2の工程のエッチングによって形成する所定のレンズ
の曲率半径をRとすると、前記RM として、0.31R−13.81<R M <0.31R+4.55 の関係を満たすように前記第1の工程のエッチングを行
うことを特徴とする。
【0013】また本発明のモノリシックレンズ形成方法
は、所定のレンズ曲率半径Rにより規定される球が、前
記形成レンズの内側に仮想位置することを特徴とする。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を用い
て説明する。
【0015】まず始めに、図1を用いてウエットエッチ
ングによるレンズ作製工程について説明する。
【0016】まず、図1(a)に示すように、所望の厚
さまで研磨した半導体基板1の裏面に対し、エッチング
のストッパーとなる円形マスク(例えばOMRレジス
ト)2を、パターニングする。
【0017】次に、図1(b)に示すように、例えば、
2.5%のBrを含んだメタノール液によりエッチング
を行い(第1エッチング)、メサ(円形状台地)を形成
する。
【0018】次に、図1(c)に示すように、円形マス
ク2を除去する。
【0019】次に、図1(d)に示すように、全面エッ
チング(第2エッチング)により、メサを球面化する。
【0020】以上の順でレンズ作製が行われる。
【0021】ここで、第1および第2のエッチングによ
り得られる形状について、図2に示すように定量化す
る。図2(a)に示すように、第1エッチングによる円
形状台地を定量化する。すなわち、図1(c)に対応し
て円形状台地頂上の直径をLDとし、円形状台地の高
さ、これは第1エッチングの深さに対応するが、これを
H とする。このときLD とLH とで定義される円柱を
仮定し、図2(a)に示すように円柱頂上面中心と円柱
底面を形成する直径LD の円との両方に接する球の半径
を、メサ曲率半径RM とする。
【0022】次に第2エッチングにより得られるレンズ
の曲率半径をRとする。ここでレンズは理想的な球面で
あることが望ましいが、第1エッチングの円形状台地中
心から離れるに従って誤差が大きくなる。実験的にはレ
ンズ頂点、すなわち円形状台地中心とレンズ頂点から水
平方向に±20μm離れた3点を通る円の半径をレンズ
曲率半径Rとした(曲率半径Rの見積り方は本発明の本
質ではない)。
【0023】以上のような定義に従うレンズ曲率半径R
とメサ曲率半径RM の関係を種々の第1エッチングに
対応するLD ,LH に対して、種々の第2エッチング
を施した実験データを元にRとRM の関係を作図する
と図3のようになる。実験的事実として、所望のレンズ
曲率半径Rに対してメサ曲率半径RM が0.31R−
13.81<R M <0.31R+4.55の範囲では、
極めて良好なレンズが形成され、レンズ曲率半径Rは第
1エッチングの台形の角が取れるほど、第2エッチング
時間にはほとんど依存しない特徴を有する。
【0024】また、得られるレンズ形状としては第2エ
ッチング時間に依存しないと上記したが、厳密には若干
差異があり、これについて図4で説明する。すなわち、
第2エッチングを行い所望のレンズ曲率半径Rを得よう
とするとき、Rの仮想円(点線で示す)を想定すると、
エッチングが進むにつれてレンズが仮想円に内接する形
状(図4(b))から外接する形状(図4(c))に変
化する。このとき外接型の方が、よりレンズの有効受光
面積として大きい領域を得ることができ、レンズ周辺部
分のくずれの有効利用ができる。
【0025】次に、実際の受光素子を試作した例につい
て述べる。図5に示すように試作用ウェハとしては半絶
縁性InP基板11を用い、気相成長法等でn+ −In
Pバッファー層12、InGaAs光吸収層13、In
Pキャップ層14を順次成長し、p+ 領域15を選択熱
拡散により形成する。1%のBrを含んだメタノール液
で基板11をメサ型にウエットエッチングした後、絶縁
膜16、p電極17、n電極18、および独立電極への
配線用金属19、バンプ電極20を形成し素子化され
る。さらに光の入射側の基板裏面に上記の方法で作製し
たマイクロレンズ21、およびAR膜22を有してい
る。このマイクロレンズ頂点から光吸収層13までの距
離は、レンズ曲率・屈折率等を考慮し入射光の焦点位置
が光吸収層上になるように設計されている。
【0026】以上は受光素子の実施例について説明した
が、光を発する場合、すなわち発光領域を狭い領域で形
成して高速性に優れる面発光型の発光ダイオードやレー
ザーダイオードにも本発明が適応できることは言うまで
もない。
【0027】以下、実際の面発光型発光ダイオードを試
作した例について述べる。図6に示すように試作用ウェ
ハとしてはn−InP基板23を用い、例えば気相成長
法等でn−InP第1クラッド層24、n−InGaA
sP活性層25、p−InP第2クラッド層26、p−
InGaAsPキャップ層27を順次成長する。次に電
流を発光スポット領域28に集中させるため、メサ型に
エッチングした後、絶縁膜29、p電極30、n電極3
1、Auメッキ32を形成し素子化される。
【0028】このようにして作製した発光ダイオードの
光出射端にあたるn−InP基板23に前記同様、本発
明のレンズ作製方法を適用することにより、マイクロレ
ンズ33およびAR膜34を得ることができる。また、
上記のマイクロレンズ作製方法では、レンズ間隔100
μmピッチまで狭めることが可能であり、素子のアレイ
化,集積化への適用も容易である。
【0029】
【発明の効果】実施例でも示したように、本発明によ
り、第1エッチングによるRM を定義すれば第2エッチ
ングによらないRM のみに依存した曲率半径のマイクロ
レンズを得ることができ、制御性・再現性が向上するほ
か、設計指針が明確化される。
【0030】またレンズ周辺部分のくずれの有効化によ
り有効受光面積を拡大できる。これによりPIN−PD
などの半導体受光素子において入射光との結合トレラン
スの低下もなく応答特性の高速化(素子容量の低減によ
る)が得られる。例えば上記実施例において、マイクロ
レンズ付き裏面入射型とすることで、pn接合径18μ
mに対し有効受光径約100μmと5倍以上(面積にし
て約30倍)に拡大される。
【0031】また、同様に、発光素子に適用すること
で、高い結合効率が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明するためのレンズ形成工程を示す
断面図である。
【図2】本発明を説明するための円形メサ断面図および
レンズ断面図である。
【図3】本発明の一実施例によるレンズ曲率半径のメサ
曲率依存性を示す図である。
【図4】本発明の一実施例によるレンズ形成工程を示す
断面図である。
【図5】本発明の一実施例によるマイクロレンズ付きフ
ォトダイオードの概略横断面図である。
【図6】本発明の一実施例によるマイクロレンズ付き発
光ダイオードの概略横断面図である。
【図7】従来例を示すPIN−フォトダイオードの断面
図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 円形マスク 3 n−InP基板 4 n−InPバッファー層 5 n- −InGaAs光吸収層 6 n−InGaAsPウィンドウ層 7 p+ −拡散層 8,22,34 AR膜 9,17,30 p電極 10,18,31 n電極 11 半絶縁InP基板 12 n+ −InPバッファー層 13 InGaAs光吸収層 14 InPキャップ層 15 p+ 拡散領域 16,29 絶縁膜 19 配線用金属 20 バンプ金属 21,33 マイクロレンズ 23 n−InP基板 24 n−InP第1クラッド層 25 n−InGaAsP活性層 26 p−InP第2クラッド層 27 p−InGaAsPキャップ層 28 発光スポット領域 32 Auメッキ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2段階のウエット・エッチングを施すこ
    とによってモノリシックレンズを半導体基板に作り付け
    る方法において、 半導体の円形領域を残してこの周縁部をエッチングする
    ことにより円形状台地を形成する第1の工程と、 前記第1の工程によって形成された円形状台地を含む半
    導体基板の領域を全体にわたってエッチングすることに
    よって、前記円形状台地の中心領域を所定の曲率を有す
    るレンズとする第2の工程とを含み、 前記第1の工程によって得られる円形状台地頂上の直径
    をLD 、円形状台地の高さ即ちエッチング深さをLH
    近似し、直径がLD で高さがLH の円柱を仮定し、この
    円柱の頂上面中心と底面を形成する直径LD の円との両
    方に接する球の半径をRM としたとき、前記第2の工程
    のエッチングによって形成する所定のレンズの曲率半径
    をRとすると、前記RM として、0.31R−13.81<R M <0.31R+4.55 の関係を満たすように前記第1の工程のエッチングを行
    うことを特徴とする半導体基板へのモノリシックレンズ
    形成方法。
  2. 【請求項2】 所定のレンズ曲率半径Rにより規定され
    る球が、前記形成レンズの内側に仮想位置することを特
    徴とする請求項1記載の半導体基板へのモノリシックレ
    ンズ形成方法。
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