JP3589878B2 - Back-illuminated light-receiving device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の裏面から信号光を入射する構造の受光装置に係り、特に高速で、高効率の裏面入射型受光装置およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
フォトダイオードに代表される半導体受光素子は、光信号を電気信号に変換する素子であり、光通信や光測定などの分野で幅広く使われいる。従来のpn接合を用いたフォトダイオードは、例えば、図20に示すように基板の端面から信号光を入射する「導波路型」受光素子と、図21に示すように基板に垂直に信号光を入射する「面型」受光素子とに分類される。ここで、半導体層25は、半導体基板26上に形成されたn型電極層、光吸収層27、p型電極層からなる半導体積層構造を基本としており、必要とする層をさらに多層構造にすることにより、光導波路構造を兼ねる構造にすることもできる。受光素子28は、メサ加工により絶縁分離されることが多く、素子の上部および下部電極層に接して、それぞれ上部電極30および下部電極31が形成される。導波路型受光素子の特徴は、入射光29の進行方向と光励起キャリアの走行方向が互いに異なるため、受光素子の帯域と効率を独立に設計できることである。しかし、その反面、入射光との結合効率が低いことや、光入射端面に劈開面33を用いるため、通常の半導体製造プロセス等との整合性が悪く、量産性の観点で問題があり、他の素子とのモノリシック集積化の自由度も低いなどの欠点がある。さらに、劈開しないと素子特性の測定ができないために、ウエハ状態での素子評価ができないのも欠点の一つである。これに対し、基板に垂直方向から信号光を入力する面型受光素子は、幾つかの点において利点を有している。すなわち、入射光との結合効率低下の問題が少なく、光吸収層の厚さを厚くすることにより効率を高くできるという特徴や、通常の半導体製造プロセスとの整合性が良いので量産性に富み、構造の類似性からも他の素子とのモノリシック集積化の自由度も高いなどの特徴がある。また、ウエハ状態での素子評価も容易である。
面型フォトダイオードのうち、信号光を基板表面側から入射する面型受光素子、すなわち表面入射型素子(図21)は、入射光を導入するファイバー等とのモジュール化が簡便に行えることから、低速応用の領域では多く用いられている。しかし、表面入射型の場合は、上部電極30領域内に光入射用の窓32が必要であり、したがって窓領域(電極の無い部分)の広がり抵抗が大きくなり、素子特性の向上がはかれないという欠点があった。また、光吸収層27の厚さと素子効率はトレードオフの関係にあり、吸収層を薄層化して高速化をはかると効率が低下するという問題があった。これに対し、高速応用や高効率が必要な領域では、面型受光素子である裏面入射型(図22)が主流となっている。その理由は、上部電極30領域全面に電極を形成することで素子抵抗の低減をはかることができると共に、上部電極30で信号光を反射させ、反射光34を再度、光吸収層へ導くことにより、素子の高効率化がはかれるからである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の裏面入射面型フォトダイオードにおいて、さらなる高速化をはかるためには、キャリア走行距離を極端に短くすること、すなわち光吸収層の厚さを極端に薄くせざるを得ないために、高速性を保持したままで十分な素子効率を得ることができないという問題があった。
【0004】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解消し、受光素子の光吸収層部に信号光を斜めに入射すると共に、入射した信号光をさらに反射させ、より小さい素子面積で光吸収層に効率的に信号光を導入することが可能で、素子の高速化と高効率化をはかることができる裏面入射型受光装置およびその作製方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項1に記載のように、
裏面入射型受光装置であって、半導体基板上に形成された半導体受光素子と、上記基板表面に、上記受光素子の側部に独立して形成された単数もしくは複数の凹状の斜面反射部とを少なくとも備え、上記基板の裏面から入射した信号光が上記斜面反射部で反射し、基板面に対し斜め方向から上記受光素子に入射する構造に、上記受光素子および上記斜面反射部を配設し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有する裏面入射型受光装置とするものである。
また、本発明は請求項2に記載のように、
請求項1において、半導体基板の厚さをT、斜面反射部の深さをD、上記斜面反射部で反射され受光素子へ入射する信号光の入射方向と基板面とのなす角度をθ′とした場合に、上記受光素子を構成する光吸収層の上記斜面反射部側の端部と、上記斜面反射部の最深部との水平距離zが、z<T/(10・tanθ′)となる範囲に設定し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有する裏面入射型受光装置とするものである。
また、本発明は請求項3に記載のように、
請求項1または請求項2において、斜面反射部を受光素子に対して対称な位置に、偶数個、配設し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、かつ上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有する裏面入射型受光装置とするものである。
また、請求項4に記載のように、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、受光素子の少なくとも斜面反射部とは反対側の側面を、逆メサ状の断面形状に構成してなる裏面入射型受光装置とするものである。
また、請求項5に記載のように、
請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の裏面入射型受光装置の作製方法であって、半導体基板上に凹状の斜面反射部を形成する際に、半導体基板に対し選択エッチング特性を有する半導体薄膜をマスクとして用い、化学的エッチング法により、基板結晶の(111)A面、もしくはこれと等価な面が露出されるようにエッチングする工程を含む裏面入射型受光装置の作製方法とするものである。
本発明は、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のように、受光素子側部に独立した斜面反射部を設け、裏面からの入射光をすべて反射させ、光吸収層に斜め方向から信号光を入射させるようにしたものである。このような構成とすることにより、入射光にとって実効的な吸収長が増大するため、受光素子の効率を顕著に増大させることができる効果がある。そして、基板裏面から垂直に入射した入射信号光を、受光素子とは独立して基板内に形成された斜面反射部ですべて反射させることにより、光吸収層に対して低角度で入射させる点が従来技術とは異なるところである。
また、本発明は請求項1ないし請求項4に記載のように、受光素子の全側面部、もしくは少なくとも上記斜面反射部とは反対側に位置する素子側面部も反射部となるように構成するものであって、このような構成とすることにより、素子部に、斜めに入射した信号光をさらに反射させ、より小さい素子面積で光吸収層に効率的に信号光を導くことができる効果がある。そして、素子側面を反射部とし、短い素子寸法であっても低角度の入射信号光を効率良く光吸収層へ導くように構成した点が従来技術とは異なるところである。
さらに本発明は、請求項5に記載のように、半導体基板に対し選択エッチング特性を有する半導体薄膜をマスクとして用い、化学的エッチング法によって、基板結晶の(111)A面、もしくはこれと等価な面が露出されるようにエッチングして斜面反射部を形成する方法であるので、容易に、再現性良く、高歩留まりで斜面反射部を有する半導体基板を作製できる効果がある。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を引用しながら詳細に説明する。以下に述べる実施の形態では、受光素子の一例として、高速性、高出力性に優れるUTC−PD(Uni−Traveling−Carrier Photodiode)と呼ばれるフォトダイオード(特開平9−275224号公報)を用いた。
〈実施の形態1〉
図1は本発明の第1の実施の形態であって、1は半絶縁性のInPからなる半導体基板、2はn型InP電極層、3はアンドープInPキャリア走行層、4は信号光を吸収するp型InGaAs吸収層(膜厚2500Å)、5は p型InGaAsP電極層(組成:波長1.3μm相当)、6は下部電極、7は上部電極、8は素子側部に形成されたV溝からなる斜面反射部、9は入射光、10は反射光である。また、基板裏面には反射防止膜11が設けられている。なお、本発明の構成には直接関係しないため、ここではUTC−PDの層構成は簡略化して記述している。また、有限の径を有する光ビームの半導体層界面での屈折の様子は、図3を除いて省略して記述している。
図1に示すように、本実施の形態では、メサ形状の受光素子13が形成され、その側部にV溝からなる斜面反射部8が独立して形成されている。後述するように、この斜面が基板表面とのなす角度(鋭角側)は、約54.7°(度)とした。 まず、基板裏面から基板面に垂直に入射した入射光9は、斜面反射部(V溝)8ですべて反射され、メサ型素子部の光吸収層4に斜め方向から入射する。ここで、図2に示すように、基板表面12に対する斜面反射部8の角度(鋭角側)をθとすると、光吸収層4への入射方向と基板面の角度θ′は2θ−90°となる。この入射光9は、キャリア走行層3と、InGaAs層よりなる光吸収層4、および光吸収層4とInGaAsPよりなる電極層5との界面で、図3に示すように、スネルの法則にしたがい屈折する。したがって、光吸収層4の厚ををd、アンドープInPキャリア走行層3の屈折率をn1、光吸収層4の屈折率をn2とすると、光吸収層4に入射した信号光は、光吸収層4内を、次の(数1)式で示される距離deffだけ伝搬し、光吸収層4の上部に出射する。
deff=d/〔1−4(n1/n2)2 sin2θcos2θ〕1/2………(数1)
出射した信号光は、上部電極7で反射され、再度、光吸収層4へ入射し、光吸収層4内を再度、距離deffだけ伝搬する。したがって、実効的な吸収長は、
2deffとなる。これは、信号光が光吸収層4に対して垂直に入射した場合(吸収長2d)に比べ、(数1)式に示す係数だけ長くなり、結果として素子の効率増大に寄与することになる。本実施の形態における構成では、吸収長の増大係数は約1.8倍となる。
信号光の実効的な吸収長(実効吸収長と言う)は、斜面反射部8の入射光9の角度θに依存するが、光吸収層4への入射方向と基板面の角度(θ′)が90度に近づくと、斜め入射による実効吸収長の増大効果は少なくなり、一方、入射角を小さくし過ぎると、後述するが、素子面積、すなわち素子容量が増大して高速特性は低下することになる。また、実際には、入射信号光は有限のビーム径を有するので、受光素子13の素子面積(実際には入射方向の素子長)をθ′と連動して増大させないと、図4に示すような信号光9の「遮り」が生じ、信号光9の一部しか光吸収層4に到達しないため素子効率は低下する。また、自明ではあるが、基板表面と斜面反射部とのなす角度(θ)が45度よりも小さい場合には、反射光10は素子に到達できないし、90度以上の場合は入射光9がいったん基板から出射することなしには反射部として機能しない。したがって、θとして考えられる範囲は90°>θ>45°となる。すなわち、「斜面反射部8」は、基板表面と斜面反射部とのなす角(鋭角側)θは、上記の範囲内にあるものと定義される。
以上のように、素子の高速性と効率は共にθの関数であり、トレードオフの関係にある。図5に示すように、θが67度を越えると、実効吸収長の増分(差分)%は30%程度以下となってしまうので、実効吸収長の増分の効果は十分ではない。したがって、θは67度以下が好ましい。他方、θが低くなり過ぎると、必要とする素子面積が増大し、素子容量の増大による素子高速特性の著しい低下を招くため、やはり実用的ではない。ところで、素子の高速性は、容量を制限する要素と、キャリア走行時間を制限する要素とがある。前者は素子面積と関連しており、後者は光吸収層の厚さと関連している。一般に、光吸収層の厚さは、所定の効率を確保するために有限の値に設定する(本実施の形態では約2500Åに設定した)。したがって、ある程度の素子面積までは、その面積増大が素子の高速性に対し顕著な影響を及ぼさない。その影響が顕著になるのは、垂直入射の場合に比べて、素子面積がおおむね5倍以上に増大した場合であり、θとしては50度以上が好適である。したがって、現実的な装置を考えた場合に、上記θの好適な範囲としては、67°≧θ≧50°となる。
本発明の裏面入射型受光装置の構成では、斜面反射部(V溝)8で、入射光9の全反射が起こるようにθを決定しなければならない。また、V溝表面に表面保護などの目的で膜を堆積する場含には、その屈折率についても考慮する必要がある。本実施の形態で用いたInP基板の屈折率は3.17(波長1.55μmの場合)であるため、表面が空気あるいは封入ガスなど(いずれも屈折率はほぼ1)の場合、θが45度以上ではすべて全反射条件を満たしている。一方、保護膜を堆積する場合は、全反射条件を保つためには屈折率の制約が生じる。例えば、θを54.7度と設定した場合にV溝表面に堆積する材料は、屈折率2.59以下でなければならない。本実施の形態では用いていないが、一般には表面保護膜を用いる構成が好まれ、通常の半導体プロセスとの整合性の観点から、堆積膜としては、ポリイミド(屈折率1.5程度)、有機膜の一種であるBCB(ビスベンゾシクロブテン:屈折率1.5程度)、シリコン酸化膜(屈折率1.5程度)、シリコン窒化膜(屈折率1.8〜2.2程度)等が好適に用いられる。これらはいずれも、θが45度以上で全反射条件を満たしている。堆積膜の種類は、上記以外の膜であっても良く、また屈折率の制約は、θによって適宜規定されるものであり、θを大きくすればこの制約は緩和される。
図1において、入射光9は上部電極7で反射すると述べたが、電極層5に用いる材料と光吸収層4に用いる材料との屈折率差を適宜選択することにより、図6に示すように、入射光9を吸収層4および電極層5′の界面で全反射させることができる。実際の素子では、半導体/金属界面で光の吸収が生じる場合があるため、この構造は素子効率の向上に有効である。例えば、本実施の形態のように、θ′=19.5°となるように、基板表面と斜面反射部とのなす角度θを選んで斜面反射部8を形成すると、光吸収層4および電極層5′の界面で全反射条件となるのに必要な屈折率比は約0.83となる。したがって光吸収層4をInGaAs(屈折率3.59)で構成した場合、電極層5′は例えばA1PやA1As(いずれも1.55μmにおける屈折率2.8以下)で構成すれば良いことになる。
【0007】
〈実施の形態2〉
図7(a)、(b)および図8は、半導体基板1に斜面反射部(V溝)8の作製方法を示す模式図である。V溝の作製方法としては、半導体の化学エッチング特性を利用するものである。すなわち、化合物半導体基板として一般的に用いられる(001)面、あるいはこれと等価な面を表面とする基板を、メサエッチングした場合に、その(−110)断面および(110)断面(あるいは、これらと等価な面の組み合わせであっても良い。)からみたエッチング断面形状は、それぞれ、図7(a)および図7(b)に示すように、前者がいわゆる「逆メサ」形状となり、後者が「順メサ」形状となる。より具体的には、通常市販されている基板のOF(オリエンテーションフラット)に対して平行なストライブ状メサの側面(OFから見て前後)は順メサとなり、90度異なる方向の側面(OFから見て左右)は逆メサとなる。これらのメサ斜面の基板表面に対する角度(順メサの場合は鋭角側、逆メサの場合は鈍角側)は、エッチング液によっても異なるが、適当なエッチング液、エッチング条件を選択すれば、メサ側面を表面として(111)面、あるいはこれと等価な面を露出させることができる。
これは、例えばIII−V族化合物半導体の場合、金属原子面(通常、A面と称する)でエッチングが停止しやすい性質を有しているからである。基板がInPの場合、この面はIn面となり、典型的には、ブロムとメタノールの混合液、臭酸、塩酸と燐酸の混合液、硫酸と過酸化水素の混合液などを用いて露出させることができる(例えば、S.Adachi他、J.E1ectrochem.Soc.Vo1,128,No.6.1981,pp.1342〜1349)。(111)A面、あるいはこれと等価な面でエッチングを止めた場合、(−110)断面、あるいはこれと等価な面から見た基板表面と斜面とのなす角度は約54.7度となる。
図8は本実施の形態で作製した斜面反射部(V溝)を示す図であって、まず、InP基板上に形成されたInGaAs層上に、フォトレジストで開口部を有するマスクを作製し、続いてクエン酸系のエッチング液でInGaAs層を選択的にエッチングする。その後、塩酸と燐酸の混合液を用いてInPのみを選択的にエッチングし、(111)A面でエッチングを自動的に停止させることによりV溝を形成する。図8に示すように、V溝の深さはエッチングマスクの開口部長さに依存する(開口部長さに対し深さは1/√2となる)ので、マスク設計によりV溝の深さを決定することができる。必要なV溝の深さは、受光素子とV溝との位置関係により決まる。ここでは、開口部長を約28μm、V溝深さを約20 μmとした。また、光吸収層の端部からV溝最深部(中心)までの水平距離を 27μmとした。これらの値は、素子からの引き出し電極の形状、配置、素子の放熱(基板の熱抵抗)の観点、基板の機械的強度の観点、膜堆積などによるV溝の埋め直しの必要性の有無、入射信号光の位置合わせ余裕度などにより、適宜設定することができる。
V溝位置を素子から離すほど、V溝深さを深くする必要がある。また、ある程度V溝深さを深くしておけば、斜面反射部を十分な長さにすることができ、入射光9の位置合わせ余裕度が増大する。しかし、V溝の位置は、その深さに応じて、基板裏面からの入射光が反射されて受光素子に到達できるように受光素子の近傍に配置しなければならない。また、基板の機械的強度を考慮すると、斜面反射部の深さは、おおむね基板厚さの1/10程度に留めるのが望ましい。例えば、市販のInP基板では、2インチ基板の厚さは450μm程度、3インチ基板の厚さは600μm程度であるので、それぞれ斜面反射部の最適深さは約45μm以下、および約60μm以下となる。これらを勘案すると、光吸収層の斜面反射部側の端部と斜面反射部の最深部との水平距離z(図9)に関する制約は以下のように記述される。すなわち、入射光ビーム径を無限小と仮定した場合、斜面反射部の最深部の光吸収層端部で反射した入射光が少なくとも光吸収層に到達するためには、基板厚さをT、斜面反射部深さをDとすると、z≦T/(10・tanθ′)とする必要がある。実際にはビーム径は有限であるため上記の式は等号を除くべきである。したがって、必要な条件はz<T/(10・tanθ′)となる。上述の2インチおよび3インチ基板では、この距離zは、それぞれ約127μmおよび約169μmとなる。ただし、チップサイズを無意昧に大きくしないためには、必要十分な距離を置いて両者をできるだけ近接させるのが好適である。一方、逆に斜面反射部を光吸収層の端部に接して形成するのは好ましくない。それは、斜面の作製が困難になるだけではなく、電極の配置が制限されたり、放熱が阻害されるなどの問題が生じるからである。したがって、斜面反射部を光吸収層端部に極端に近接させて形成するのは、上記の問題点を上回るメリットがある場含に限られる。
図8に示すように、半導体基板(InP基板)1の表面に、例えば50Å程度以上のInGaAs層やInGaAsP層などのInP基板に対してエッチングの選択性のある層を残し、これをエッチングマスク20として用いれば、InP基板のサイドエッチを防ぐことができるので、V溝の開口部長および深さを、より正確に制御することができる。また、本手法により(111)A面、あるいはこれと等価な面を露出させた場合、上述のようにθは約54.7度、したがって光吸収層への入射方向と基板面の角度θ′は約19.5度となり、屈折を考慮すると実効吸収長は、垂直入射の場合に比べて約1.8倍となる。したがって、この手法は、本発明の受光装置を作製する上で好適である。その理由は、1.8倍の実効吸収長の増大は、高効率化の観点から十分な効果が得られる一方、それに対応する素子面積の増大(3倍)は、上述したように素子の高速性にそれほど悪影響を及ぼさないので、この本発明の手法により得られる素子構造は、高速性を犠性にせずに素子の高効率化がはかれるメリットがある。加えて、化学的な性質によりθが自律的に決定されるため、装置作製における再現性、均一性に対し非常に優れた手法となる。なお、本実施の形態ではV溝を形成する場合について述べたが、エッチングを途中で停止することにより、図7(b)に示すように、溝の底部に平坦な箇所を残しても良い。また、InP以外の基板、例えばGaAsやGaP基板でも適宜エッチング液を選択することにより、上記と同様の工程が適用可能であり、同様の効果が得られる。
図10は、θを54.7度とした場合の、本発明の裏面入射型受光装置と従来の裏面入射型受光素子との効率の膜厚依存性(計算値)を比較して示したグラフである。ここでは、基板裏面での反射が無く、入射光の吸収は光吸収層のみで生じると仮定している。例えば、実施の形態1における光吸収層の厚さ2500Åの場合、従来の受光素子では受光感度は0.4A/W程度にしかならないが、本発明の受光装置では、受光感度を0.7A/W程度にまで増大させることができる。また、θをさらに小さくすれば、受光感度をさらに増大させることもできる。
【0008】
〈実施の形態3〉
図11は、本発明の実施の形態3で例示する受光装置の上面図である。ここで15は上部電極、16は下部電極、17は斜面反射部であるV溝である。ここで、光吸収層を含む素子部分は上部電極15の下部に存在する。素子部の層構造は、実施の形態1と同様である。信号光を斜面反射部(V溝)17の受光素子13側の斜面で反射させ、素子領域(上部電極)15に斜めに入射させるため、素子の形状は図4に示したような「遮り」が生じないように、信号光入射方向に対し長辺を有する長方形となっている。一方、短辺の長さは、信号光のビーム径と同程度以上であれば良い。本実施の形態では、ビーム径が3μmであるのに対し、入射光ビームの合わせ余裕を考慮して素子寸法を4μm×11μmとした。この程度の面積では、例えばキャリア走行層の厚さが0.2μmの場合、素子の帯域として100GHz以上を有している。また、本実施の形態のように、斜面反射部17を受光素子に対して対称に2箇所設けるのが好適である。このようにすることにより、片方の反射部が劣化したり、製作プロセスの途中でダメージを受けたりした場合でも、もう一方の反射部で代用することが可能であることに加え、各々の反射部を独立に利用して、異なる信号を同時、あるいは時分割的に素子に入力させるようにすることもできる。また、反射部の位置が受光素子に関して対称であるため、図12に示すように、片方の斜面反射部(V溝)8から受光素子13に入射した信号光(入射光)9の反射光10を再び基板裏面側へ垂直に導くことができ、基板裏面側に上記受光素子13とは独立したフォトダイオード等のモニタ素子18を配することにより、信号光のモニタリングを行うこともできる。また、受光素子あるいは発光素子を搭載した基板を積層し、基板間で信号を授受する光インターコネクト構成とすることもできる。
図13は、本実施の形態で例示する受光装置の模式図あって、斜め溝19を除いて、図1と同様である。斜面反射部8を作製する方法としては、実施の形態2で示した半導体のウェットエッチング特性を利用するものの他に、斜めドライエッチングを用いることもできる。すなわち、図14に示すように、基板上にエッチングマスク(例えばInGaAs層)20を形成した後、半導体基板(例えばInP基板)1を斜めに保持し、エッチングガス、およびエッチング条件を選択することにより、異方性および側面の平坦性に優れた深い溝を掘ることができる。例えば、本実施の形態のInP基板に対する優れた異方性エッチング手法としては、Br2−N2系のガスを用いたものが報告されている(S.Oku他、Conference Proceedings of the International Conference on Indium Phosphide and Re1ated Materials、(1997)、pp.574〜577)。もちろん、これ以外の公知のガスや手法を用いることもできるし、他の基板、例えばGaAsやGaP基板をエッチングする場合でも、それぞれ公知の最適なガス種、手法を用いることにより、平坦性に優れた斜め溝を作製することができる。そして、この斜め溝19は、実施の形態1で述べたV溝と等価な役割を果たす。このように、斜めドライエッチングを用いる場合は、結晶の性質で決まる特定の面を用いなければならないという実施の形態2で述べたような制約が無くなり、実施の形態1で述べた最適配置条件の範囲内で、斜面の角度や溝の深さを任意に設計することができる。さらに、斜めドライエッチングを用いれば、素子に対して順メサになる配置以外にも斜面反射部19を設けることができるので、素子形状を三角形、矩形、円形、十字型等に適宜変形させ、素子側部の任意の位置に、任意の数の反射部となる溝を設けることもできる。このようにすることにより、代用反射部の数を任意の数まで増大させることができると共に、任意の数の複数の異なる信号を同時、あるいは時分割的に受光素子へ入力させることも可能となる。例えば、図15(a)、(b)は、上述の斜めドライエッチングを用いて、円形の受光素子の周囲4箇所に、斜面反射部21を設けたものである(4入力装置)。図15(b)に示すように、受光素子13に対し、順メサ断面が生じる結晶方位だけでなく、逆メサ断面が生じる方位など任意の方位に、断面が順メサ形状の斜面反射部(斜め溝)21を形成することができる。なお、図15(b)は、図15(a)のA−A断面を示す。
図16は、実施の形態1の受光素子に、有限なビーム径wを有する信号光を入射させる場合に必要な素子長Lを説明するものである。実施の形態1でも示したが、現実的こは図1に示すように、受光素子として、光吸収層までを第1段のメサ型に形成し、キャリア走行層は、もう一段広いメサ形状とするのが好適である。その理由は、2段目のメサをθ′(光吸収層への入射方向と基板面の角度)に応じた距離だけ広くしておけば、図4に示した入射光の「遮り」を防ぐことができるからである。また、この2段メサ構造は、キャリア走行層の側面部への電界集中を防止する意昧からも効果的である。「遮り」に関しては、下部電極層メサに関しても同様であり、必要な距離だけ広げて、さらにもう一段広いメサ形状となっている。このようにすれば、必要な素子長Lを考える場合、問題を光吸収層より上部のメサ長に簡略化することができる。以下の実施の形態では、このような仮定の下に詳述する。もちろん、2段メサを採用しない場合は、「遮り」についても考慮する必要がある。また、上述したように、ここでは半導体層界面での入射光の屈折の影響は省略して記述しているが、実際の素子では、素子長に比べ光吸収層の厚さは2桁程度小さいので、これは良い近似値となる。
図16に示されているように、入射光9の入射方向と基板面の角度がθ′の場合、入射光9の遮りが生じないための最小限必要な素子長(光吸収層4までのメサ長)は、光吸収層4、および上部電極層(p型InGaAsP電極層)5の厚さの合計をt、入射光9のビーム径をwとすると、w/sinθ′+t/tanθ′となる。例えば、w=3μm、θ′=19.5度、t=0.5μmとすると、L=10.4μmとなる。実施の形態1のところで述べたように、基板表面と斜面反射部とのなす角θの値によっては、この素子長の増大は、素子の高速特性を著しく低下させる原因となる。
【0009】
〈実施の形態4〉
図17は、本発明の第4の実施の形態を示すものであって、図16で示した受光装置に比べて、素子長が異なる点と、素子側面が反射面となるように加工されている点を除いて、他は同様である。ここで、素子側面を反射加工面(素子側壁)22とすることにより、図17に示すように、光吸収層4に入射させた入射光9を素子側壁で反射させることができ、すべて光吸収層4へ導くことができる。そして、上部電極7で反射した信号光を効率的に再度、光吸収層4へ導くこともできる。これにより、入射光9の遮りが生じないための最小限必要な素子長をw/sinθ′まで短縮することができる。例えばw=3μm、θ′=19.5度とすると、L=9μmとなる。反射加工面22は、斜面反射部と反対側の素子側面に設けるだけでも効果があるが、両面とも反射加工面22としておけば、さらに効率よく入射光を光吸収層4へ導くことができる。ここで、素子側面における全反射条件についても考慮する必要がある。素子側壁が基板に対し垂直であり、素子周囲部に膜が堆積されていない(周囲部の屈折率1)と仮定した場合、InGaAsよりなる光吸収層(屈折率3.59)では、臨界角は約16.2度となる。InP層の場合(屈折率3.17)は、臨界角は約18.4度となる。斜面反射部として実施の形態2で示した(111)面あるいはこれと等価な面を用いる場合、θ′は約19.5度であり、光吸収層内では半導体層界面での屈折の結果、入射角は約33.7度となっており、したがって、受光素子をInP、InGaAs、およびInGaAsPのいずれの材料で構成しても、この全反射条件を満足している。素子側壁に膜を堆積する場合は、側壁で全反射が生じる条件にするため、その屈折率に関して考慮する必要があるが、図17のように構成すれば、側面反射は光吸収層4より上部で生じるため、屈折率の条件は緩和される。 そして、InGaAs光吸収層の側壁においては屈折率が1.99以下の材料であれば良いので、堆積膜としてボリイミド、BCB、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等を用いることができる。基板に対し垂直な側壁は、例えばInGaAsであればクエン酸系のウェットエッチング液を用いることにより形成することができる。もちろん、ドライエッチングでも形成することができる。
【0010】
〈実施の形態5〉
図18は本発明の第5の実施の形態を示すものであって、図17の受光装置と比べて異なるところは、斜面反射部と反対側の受光素子の側部を、さらに、深さt′だけ掘り込んだ非対称の断面形状としている。そして、入射光9がすべて直接もしくは素子側壁23で反射して吸収層に導かれるように、その位置および深さを選定している。また、ここでは側壁はすべて基板に対し垂直としている。素子側部の掘り込み深さt′は、直接、光吸収層に入射しない入射光をすべて光吸収層側へ反射させるだけの深さ以上とする必要があり、一方、素子長は、上記反射した入射光がすべて光吸収層へ導かれる範囲に設定しなければならない。そのためには、素子長が、1/2・w/sinθ′以上であれば良く、その場合、 t′はL・tanθ′以上であれば良い。したがって、最大で、素子長を実施の形態4の半分にまで短縮することができる。例えばw=3μm、θ′=19.5度とすると、L=4.5μmとなる。このような構成とすることにより、図18に示すように、入射光の遮りを生じさせずに、入射光をすべて光吸収層へ導くことができる。ここでは、上記側面のうち、斜面反射部側を光吸収層の下部まで、斜面反射部の反対側を、キャリア走行層以下の層にまで掘り込んだ構成としたが、メサ深さはこれに制限されるものではなく、前者をキャリア走行層以下の層まで堀り込んだ場合でも、後者をより深く掘り込むことにより非対称な断面形状とし、入射光9の一部を斜面反射部の反対側の側壁で反射させて光吸収層へ導くことができる。
【0011】
〈実施の形態6〉
図19は、本発明の第6の実施の形態であって、図18と比べて異なるところは、斜面反射部の反対側の素子側壁24を、断面が逆メサ形状(すなわち、φ<90度)となるようにしている。そして、図18の場合と同様に、側壁で反射した信号光がすべて光吸収層4に到達するようにしている。ここでの条件は、実施の形態5と同様に、入射光10がすべて光吸収層4へ導かれるように、素子長L、掘り込み深さt′、および側面角度φを設定するところである。ここでの素子長Lは、素子容量を規定する光吸収層4の下面の長さを意昧している。このような構成とすることにより、実施の形態5と同様、図19に示されるように、入射光10をすべて光吸収層4へ導くことができる。そして、素子側部を逆メサ状にしているため、入射光10の遮りが生じないための最小限必要な素子長を、実施の形態5の場合よりもいっそう短縮することができる。ここで、斜面反射部側の素子側面は基板に対して垂直としたが、もちろん角度を有していても良い。これを逆メサ断面にすることにより、上部電極7のコンタクト面積を増大させ、コンタクト抵抗の低減をはかることもできる。
上述の各実施の形態では、受光素子としてフォトダイオードの一種であるUTC−PDを用いた。UTC−PDの層構成は、本実施の形態で示したもの以外にも、吸収層とキャリア走行層との間に複数の層を挿入し、伝導帯不連続を低減することによりキャリアブロック現象を防止したり、キャリア走行層の一部を光吸収層として用いるハイブリッド構造など、さまざまなバリエーションが可能である。また、フォトダイオードとしては、高不純物濃度p型電極層、アンドープもしくは低不純物濃度光吸収層、高不純物濃度n型電極層の積層構造を基本とする通常のpinフォトダイオード、超格子構造の吸収層を用いたフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等、その他のフォトダイオードを用いることもできる。また受光素子としては、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の単体受光素子以外にも、受光素子と他の素子を縦積みに形成した複合素子や、受光素子と電子デバイスとの集積回路であっても良い。
受光装置を構成する材料としては、上記実施の形態ではInP基板に格子整合するInP/InGaAs(P)系を用いたが、InAl(Ga)As/In GaAs、InA1As/GaAsSbなどのInPに格子整合する他の材料系、A1GaAs/(A1)GaAs、InGaP/GaAsなどのGaAsに格子整合する材料系、A1GaN/GaN/InGaNなどのGaNに格子整合する半導体材料の組み合わせなどや、格子不整合系材料など、通常の半導体材料の組み合わせを用いることもできる。
基板としては、半絶縁性のものを用いたが、導電性のものであっても良い。
なお、詳述しなかったが、裏面入射型受光素子の場合は、基板が入射光に対して透明であることが必要であり、電極層なども極力入射光に対して透明であることが望ましい。
光通信で通常用いられている1.3μm帯や、1.5μm帯の波長の光に対し、InPは透明であることから、一般に用いられているInP基板上に作製されたInP、InGaAs、InGaAsPなどを用いた受光素子は好適な例である。この他にも、例えば1.3μm帯や1.5μm帯の波長の光に対しGaAs、0.85μm帯の波畏の光に対しA1GaAsを基板として用いることも好適な例である。
【0012】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の裏面入射型受光装置は、受光素子の側部に受光素子とは独立した斜面反射部を設け、基板裏面からの入射光をすべて反射させ、吸収層に斜めから信号光を入射させることにより、吸収層内での実効的な吸収長を増大させることができるので、吸収層の厚さの増大による高速性の低下を招くことなく、素子効率を向上できる効果がある。また、上記構成に加え、少なくとも斜面反射部の反対側に位置する素子の側端部も反射部となるように構成することにより、素子部に斜めに入射した信号光の一部をさらに反射させ、より小さい素子面積で光吸収層に効率的に信号光を導くことができるので、素子の高速性の低下を招くことなく、さらに素子効率を向上できる効果がある。さらに、複数の斜面反射部を設けることにより、容易に複数の入射光の入力が可能となり、受光装置の機能化がはかれると共に、斜面反射部を代替えできる効果もある。また、半導体薄膜をエッチングマスクとして基板結晶の(111)A面あるいはこれと等価な面が露出するようなエッチング液を用いて斜面反射部を形成することにより、斜面反射部として好適な角度を有するV溝を、寸法および角度の制御性良く形成できる効果がある。
本発明の受光装置は、従来の受光素子と比べ、層構成やプロセス上の特別の配慮が不要であり、単純に受光素子から必要な距離範囲で、素子が存在しない領域に斜面反射部となる凹部を形成するだけで良いので、他の素子、例えば、電子回路との集積化(OEIC化)などが容易に行える効果もある。また、素子効率をそれほど必要としない場合は、さらなる光吸収層の薄層化により、素子のさらなる高速化をはかることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1で例示した裏面入射型受光装置の構成を示す模式図。
【図2】本発明の実施の形態1で例示した裏面入射型受光装置の斜面反射部角度と吸収層への入射角の関係を示す模式図。
【図3】本発明の実施の形態1で例示した裏面入射型受光装置の斜め入射による実効吸収長の増大効果を示す模式図。
【図4】本発明の実施の形態1で例示した入射光の遮りが生じる場合を示す模式図。
【図5】本発明の実施の形態1で例示した実効吸収長の増分と素子速度(相対値)の斜面反射部の角度(θ)依存性を示すグラフ。
【図6】本発明の実施の形態1で例示した裏面入射型受光装置の他の構成を示す模式図。
【図7】本発明の実施の形態2で例示した基板結晶の面方位と逆メサ形状(a)および順メサ形状(b)を示す模式図。
【図8】本発明の実施の形態2で例示したV溝の作製方法を示す模式図。
【図9】本発明の実施の形態2で例示した斜面反射部の深さ(D)と光吸収層からの距離(z)の制約に関する説明図。
【図10】本発明の実施の形態2で例示した本発明の受光装置の素子効率の光吸収層の厚さ依存性を、従来の素子と比較して示したグラフ。
【図11】本発明の実施の形態3で例示した裏面入射型受光素子と斜面反射部の配置を示す模式図。
【図12】本発明の実施の形態3で例示した裏面入射型受光装置の構成を示す模式図。
【図13】本発明の実施の形態3で例示した裏面入射型受光装置の他の構成を示す模式図。
【図14】本発明の実施の形態3で例示した斜めエッチングによる斜面反射部の作製方法を示す模式図。
【図15】本発明の実施の形態3で例示した4入力型裏面入射型受光装置の構成を示す模式図。
【図16】本発明の実施の形態3で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図17】本発明の実施の形態4で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図18】本発明の実施の形態5で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図19】本発明の実施の形態6で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図20】従来の導波路型受光素子の構成を示す模式図。
【図21】従来の表面入射型受光素子の構成を示す模式図。
【図22】従来の裏面入射型受光素子の構成を示す模式図。
【符号の説明】
1…半導体基板(InP基板など)
2…n型InPよりなる電極層(下部電極層)
3…アンドープInPよりなるキャリア走行層
4…p型InGaAsよりなる光吸収層
5…p型InGaAsPよりなる電極層(上部電極層)
5′…p型半導体よりなる電極層(上部電極層)
6…下部電極
7…上部電極
8…斜面反射部(V溝)
9…入射光
10…反射光
11…反射防止膜
12…基板表面
13…受光素子
14…基板裏面
15…上部電極
16…下部電極
17…斜面反射部(V溝)
18…モニタ素子
19…斜め溝
20…エッチングマスク(InGaAs層など)
21…斜面反射部(斜め溝)
22…反射加工面(素子側壁)
23…素子側壁
24…素子側壁
25…半導体層
26…半導体基板
27…光吸収層
28…受光素子
29…入射光
30…上部電極
31…下部電極
32…入射窓
33…劈開面
34…反射光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light-receiving device having a structure in which signal light is incident from the back surface of a substrate, and particularly to a high-speed, high-efficiency back-illuminated light-receiving device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor light receiving element represented by a photodiode is an element that converts an optical signal into an electric signal, and is widely used in fields such as optical communication and optical measurement. A photodiode using a conventional pn junction includes, for example, a “waveguide-type” light receiving element that receives signal light from an end face of a substrate as shown in FIG. 20 and a signal light perpendicular to the substrate as shown in FIG. It is classified into a “surface type” light-receiving element that enters. Here, the
Among the surface-type photodiodes, the surface-type light-receiving element for inputting signal light from the substrate surface side, that is, the front-illumination-type element (FIG. 21) can be easily modularized with a fiber or the like for introducing incident light. It is often used in low-speed applications. However, in the case of the front-illuminated type, the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional back-illuminated surface-type photodiode, in order to further increase the speed, in order to shorten the carrier traveling distance extremely, that is, in order to force the thickness of the light absorbing layer to be extremely thin, There has been a problem that sufficient element efficiency cannot be obtained while maintaining high speed.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems in the prior art and to make a signal light obliquely incident on a light absorbing layer portion of a light receiving element, further reflect the incident signal light, and reduce the light absorbing layer with a smaller element area. It is an object of the present invention to provide a back-illuminated light-receiving device capable of efficiently introducing signal light into a light-emitting device, achieving high-speed and high-efficiency elements, and a method for manufacturing the same.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object of the present invention, the present invention is configured as described in the claims. That is,
The present invention as defined in
A back-illuminated light-receiving device, comprising: a semiconductor light-receiving element formed on a semiconductor substrate; and, on the surface of the substrate, one or more concave slope reflection portions formed independently on a side of the light-receiving element. At least the light receiving element and the inclined surface reflecting portion are arranged in a structure in which the signal light incident from the back surface of the substrate is reflected by the inclined surface reflecting portion and is incident on the light receiving element from an oblique direction with respect to the substrate surface. And, on the entire side surface portion of the light receiving element, or at least on the side surface portion opposite to the slope reflection portion, there is no structure for reflecting the signal light incident obliquely to the light receiving element toward the element side, and the slope reflection portion Has an asymmetrical mesa-shaped cross-sectional shape in which the opposite element side surface is dug deeper than the element side surface on the side of the inclined reflector. This is a back illuminated light receiving device.
Further, the present invention provides, as described in
2. The semiconductor device according to
Further, the present invention provides, as set forth in
In
Also, as described in
4. A light receiving element according to
Ma
The present invention relates to
Also, the
Further, the present invention provides 5 As described above, using a semiconductor thin film having selective etching characteristics for a semiconductor substrate as a mask, etching is performed by a chemical etching method so that the (111) A plane of the substrate crystal or a plane equivalent thereto is exposed. This is a method of forming a slope reflection portion, and thus has an effect that a semiconductor substrate having a slope reflection portion can be easily manufactured with good reproducibility and high yield.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiment described below, a photodiode called a UTC-PD (Uni-Traveling-Carrier Photodiode) having excellent high-speed performance and high output performance (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-275224) is used as an example of a light receiving element.
<
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, in which 1 is a semiconductor substrate made of semi-insulating InP, 2 is an n-type InP electrode layer, 3 is an undoped InP carrier traveling layer, and 4 is a signal light absorbing layer. P-type InGaAs absorption layer (film thickness 2500 Å), 5 is a p-type InGaAsP electrode layer (composition: equivalent to a wavelength of 1.3 μm), 6 is a lower electrode, 7 is an upper electrode, and 8 is a V-groove formed on a side of the element. 9 is incident light, and 10 is reflected light. Further, an
As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a
d eff = D / [1-4 (n 1 / N 2 ) 2 sin 2 θcos 2 θ) 1/2 ...... (Equation 1)
The emitted signal light is reflected by the
2d eff It becomes. This is longer than the case where the signal light is perpendicularly incident on the light absorbing layer 4 (absorption length 2d) by the coefficient shown in the expression (1), thereby contributing to an increase in the efficiency of the device. . In the configuration of the present embodiment, the absorption length increase coefficient is about 1.8 times.
Although the effective absorption length of the signal light (referred to as the effective absorption length) depends on the angle θ of the
As described above, the speed and efficiency of the element are both functions of θ and have a trade-off relationship. As shown in FIG. 5, if θ exceeds 67 degrees, the increase (difference)% of the effective absorption length becomes about 30% or less, and the effect of the increase of the effective absorption length is not sufficient. Therefore, θ is preferably 67 degrees or less. On the other hand, if θ becomes too low, the required element area increases, and the element high-speed characteristics are remarkably reduced due to an increase in element capacitance. By the way, the high-speed properties of the element include an element that limits the capacity and an element that limits the carrier transit time. The former is related to the element area, and the latter is related to the thickness of the light absorbing layer. Generally, the thickness of the light absorbing layer is set to a finite value in order to secure a predetermined efficiency (set to about 2500 ° in the present embodiment). Therefore, up to a certain element area, the increase in the area does not significantly affect the high speed of the element. The effect becomes remarkable when the element area is increased about 5 times or more as compared with the case of normal incidence, and θ is preferably 50 degrees or more. Therefore, when considering a realistic device, a preferable range of the above θ is 67 ° ≧ θ ≧ 50 °.
In the configuration of the back illuminated light receiving device according to the present invention, θ must be determined so that the
In FIG. 1, the
[0007]
<
FIGS. 7A, 7B, and 8 are schematic views showing a method of forming the inclined reflection portion (V-groove) 8 on the
This is because, for example, in the case of a group III-V compound semiconductor, the property is such that the etching is easily stopped at the metal atom plane (usually referred to as the A plane). When the substrate is InP, this surface is an In surface, and is typically exposed using a mixed solution of bromide and methanol, a mixed solution of bromic acid, hydrochloric acid and phosphoric acid, or a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide. (Eg, S. Adachi et al., J. E1 electrochem. Soc. Vo1, 128, No. 6.1981, pp. 1342-1349). When the etching is stopped on the (111) A plane or a plane equivalent thereto, the angle between the substrate surface and the slope as viewed from the (-110) cross section or the plane equivalent thereto is about 54.7 degrees. .
FIG. 8 is a diagram showing a slope reflection portion (V groove) manufactured in the present embodiment. First, a mask having an opening with a photoresist is manufactured on an InGaAs layer formed on an InP substrate. Subsequently, the InGaAs layer is selectively etched with a citric acid-based etchant. After that, only InP is selectively etched using a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid, and the etching is automatically stopped on the (111) A plane to form a V groove. As shown in FIG. 8, since the depth of the V groove depends on the length of the opening of the etching mask (the depth is 1 / √2 with respect to the length of the opening), the depth of the V groove is determined by the mask design. can do. The required depth of the V groove is determined by the positional relationship between the light receiving element and the V groove. Here, the opening length was about 28 μm, and the V-groove depth was about 20 μm. The horizontal distance from the end of the light absorbing layer to the deepest part (center) of the V groove was set to 27 μm. These values are determined based on the shape and arrangement of the extraction electrodes from the element, the viewpoint of heat radiation of the element (thermal resistance of the substrate), the viewpoint of mechanical strength of the substrate, the necessity of refilling the V-groove by film deposition, etc. It can be set appropriately according to the positioning margin of the incident signal light.
It is necessary to increase the depth of the V groove as the position of the V groove is further away from the element. Also, if the V-groove depth is increased to some extent, the slope reflecting portion can be made sufficiently long, and the alignment margin of the
As shown in FIG. 8, a layer having an etching selectivity with respect to an InP substrate such as an InGaAs layer or an InGaAsP layer of, for example, about 50 ° or more is left on the surface of the semiconductor substrate (InP substrate) 1, and this is left as an
FIG. 10 is a graph comparing the thickness dependency (calculated value) of the efficiency of the back illuminated light receiving device of the present invention and the conventional back illuminated light receiving element when θ is set to 54.7 degrees. It is. Here, it is assumed that there is no reflection on the back surface of the substrate, and that the incident light is absorbed only by the light absorbing layer. For example, when the thickness of the light absorbing layer is 2500 ° in
[0008]
<
FIG. 11 is a top view of the light receiving device exemplified in the third embodiment of the present invention. Here, 15 is an upper electrode, 16 is a lower electrode, and 17 is a V-groove, which is a slope reflection portion. Here, the element portion including the light absorption layer exists below the
FIG. 13 is a schematic diagram of a light receiving device exemplified in the present embodiment, and is similar to FIG. 1 except for an
FIG. 16 illustrates an element length L required when a signal light having a finite beam diameter w is incident on the light receiving element of the first embodiment. As shown in
As shown in FIG. 16, when the angle between the incident direction of the
[0009]
<
FIG. 17 shows a fourth embodiment of the present invention. Compared to the light receiving device shown in FIG. 16, the device has a different element length and is processed so that the side surface of the device becomes a reflective surface. Others are similar, except that Here, by forming the side surface of the element as a reflection processed surface (element side wall) 22,
[0010]
<
FIG. 18 shows a fifth embodiment of the present invention. The difference from the light receiving device of FIG. 17 is that the side of the light receiving element opposite to the inclined reflecting portion is further provided with a depth t. ′, And has an asymmetrical cross-sectional shape. The position and the depth are selected so that all the
[0011]
<
FIG. 19 shows a sixth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 18 is that the element side wall 24 on the opposite side of the inclined reflecting portion has an inverted mesa-shaped cross section (that is, φ <90 degrees). ). Then, as in the case of FIG. 18, all the signal light reflected on the side wall reaches the
In each of the above embodiments, UTC-PD, which is a kind of photodiode, is used as the light receiving element. The layer configuration of the UTC-PD is different from that shown in the present embodiment in that a plurality of layers are inserted between the absorption layer and the carrier traveling layer to reduce the conduction band discontinuity, thereby reducing the carrier blocking phenomenon. Various variations are possible, such as a hybrid structure in which a part of the carrier traveling layer is used as a light absorbing layer, or a light absorbing layer. As the photodiode, a normal pin photodiode based on a laminated structure of a high impurity concentration p-type electrode layer, an undoped or low impurity concentration light absorbing layer, and a high impurity concentration n-type electrode layer, and an absorption layer having a superlattice structure are used. Other photodiodes such as a photodiode using an avalanche photodiode and the like can also be used. Further, as the light receiving element, in addition to a single light receiving element such as a photodiode or a phototransistor, a composite element formed by vertically stacking a light receiving element and another element, or an integrated circuit of a light receiving element and an electronic device may be used. .
In the above-described embodiment, an InP / InGaAs (P) system lattice-matched to the InP substrate was used as a material constituting the light-receiving device. However, lattice matching to InP such as InAl (Ga) As / InGaAs or InA1As / GaAsSb was used. Other material systems, such as A1GaAs / (A1) GaAs, a material system lattice-matched to GaAs such as InGaP / GaAs, a combination of semiconductor materials lattice-matched to GaN such as A1GaN / GaN / InGaN, and a lattice-mismatched material For example, a combination of ordinary semiconductor materials can be used.
Although a semi-insulating substrate is used as the substrate, a conductive substrate may be used.
Although not described in detail, in the case of a back-illuminated light-receiving element, the substrate needs to be transparent to incident light, and it is desirable that the electrode layer and the like be as transparent as possible to incident light. .
Since InP is transparent to light having a wavelength in the 1.3 μm band or 1.5 μm band generally used in optical communication, InP, InGaAs, InGaAsP manufactured on a commonly used InP substrate is used. A light receiving element using such a method is a preferable example. In addition, it is also preferable to use GaAs as a substrate for light having a wavelength of, for example, 1.3 μm or 1.5 μm, and use A1GaAs for light having a wavelength of 0.85 μm.
[0012]
【The invention's effect】
As described above, the back-illuminated light-receiving device of the present invention is provided with a slope reflection portion independent of the light-receiving element on the side of the light-receiving element, reflects all incident light from the back surface of the substrate, and obliquely reflects on the absorption layer. By injecting the signal light, the effective absorption length in the absorption layer can be increased, so that the efficiency of the device can be improved without reducing the high speed due to the increase in the thickness of the absorption layer. is there. In addition, in addition to the above configuration, at least a side end of the element located on the opposite side of the slope reflection part is also configured to be a reflection part, so that a part of the signal light obliquely incident on the element part is further reflected. Since the signal light can be efficiently guided to the light absorbing layer with a smaller device area, there is an effect that the device efficiency can be further improved without lowering the speed of the device. Further, by providing a plurality of slope reflection sections, it is possible to easily input a plurality of incident lights, and the function of the light receiving device can be achieved, and the slope reflection section can be replaced. In addition, by forming the inclined reflecting portion using an etching solution that exposes the (111) A surface of the substrate crystal or an equivalent surface thereof using the semiconductor thin film as an etching mask, the inclined reflecting portion has a suitable angle. There is an effect that the V-groove can be formed with good controllability of dimensions and angles.
The light-receiving device of the present invention does not require special consideration on the layer configuration and process as compared with the conventional light-receiving element, and simply becomes a slope reflection portion in a region where no element exists within a necessary distance range from the light-receiving element. Since it is only necessary to form a concave portion, there is an effect that integration with other elements, for example, an electronic circuit (OEIC) can be easily performed. Further, when the device efficiency is not so required, there is an effect that the speed of the device can be further increased by further reducing the thickness of the light absorption layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a back illuminated light receiving device exemplified in
FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the angle of the inclined reflector and the angle of incidence on the absorption layer of the back-illuminated light-receiving device exemplified in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the effect of increasing the effective absorption length by oblique incidence of the back-illuminated light-receiving device exemplified in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a case where the incident light is blocked as exemplified in the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the dependence of the increment of the effective absorption length and the element speed (relative value) on the angle (θ) of the inclined surface reflection section as exemplified in the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing another configuration of the back illuminated light receiving device exemplified in the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing the plane orientation of a substrate crystal and an inverted mesa shape (a) and a forward mesa shape (b) exemplified in the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view illustrating a method for manufacturing a V-groove illustrated in
FIG. 9 is an explanatory diagram regarding restrictions on a depth (D) of a slope reflection portion and a distance (z) from a light absorption layer, which are exemplified in the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the dependence of the element efficiency of the light receiving device of the present invention exemplified in the second embodiment of the present invention on the thickness of the light absorbing layer in comparison with a conventional element.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the arrangement of a back-illuminated light-receiving element and a slope reflection section exemplified in
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a configuration of a back illuminated light receiving device exemplified in
FIG. 13 is a schematic diagram showing another configuration of the back illuminated light receiving device exemplified in the third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic view illustrating a method for manufacturing a slope reflection portion by oblique etching illustrated in
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a configuration of a four-input back-illuminated light-receiving device exemplified in
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a minimum element length of the back illuminated light receiving element exemplified in the third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a minimum element length of the back illuminated light receiving element exemplified in the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a minimum element length of the back illuminated light receiving element exemplified in the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is an explanatory diagram showing a minimum element length of the back illuminated light receiving element exemplified in the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic view showing a configuration of a conventional waveguide type light receiving element.
FIG. 21 is a schematic view showing a configuration of a conventional front-illuminated light receiving element.
FIG. 22 is a schematic view showing a configuration of a conventional back illuminated light receiving element.
[Explanation of symbols]
1. Semiconductor substrate (InP substrate, etc.)
2 .... n-type InP electrode layer (lower electrode layer)
3. Carrier transit layer made of undoped InP
4: light absorption layer made of p-type InGaAs
5 ... P-type InGaAsP electrode layer (upper electrode layer)
5′—electrode layer made of p-type semiconductor (upper electrode layer)
6 Lower electrode
7 Upper electrode
8 ... Slope reflection part (V groove)
9… incident light
10: reflected light
11 ... Anti-reflection film
12 ... substrate surface
13 ... Light receiving element
14 ... Back side of substrate
15 ... Upper electrode
16 Lower electrode
17 ... Slope reflection part (V groove)
18 Monitor element
19 ... Slanted groove
20: Etching mask (InGaAs layer etc.)
21 ... Slope reflection part (diagonal groove)
22 ... Reflection processing surface (element side wall)
23 ... element side wall
24 ... Element side wall
25 ... Semiconductor layer
26 ... Semiconductor substrate
27 ... Light absorbing layer
28 ... Light receiving element
29 ... Incident light
30 ... upper electrode
31 ... Lower electrode
32 ... entrance window
33 ... cleavage plane
34 ... Reflected light
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