JP5936837B2 - 受光素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えばデータ通信システムなどに用いられる受光素子に関する。

特許文献１には、光信号を電気信号に変換する受光素子が開示されている。

特開２００９−１２４１４５号公報

例えば、データ通信システムなどにおいては、２波長の光に対し同等の感度を有し、かつ２波長の光の両方に対し高感度となる受光素子が要求されることがある。ところが、特許文献１に開示の受光素子は２波長の光のうち一方の光に対してのみ高感度となっており、この要求を満たせなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、２波長の光に対し同等の感度を有し、かつ２波長の光の両方に対し高感度となる受光素子を提供することを目的とする。

本発明に係る受光素子は、第１波長の光と第２波長の光を受光する受光素子であって、第１主面、該第１主面に対向する第２主面、及び貫通孔を有する基板と、該第１主面に形成された第１電極と、該第２主面の上に該貫通孔の直上部分を有するように形成された、該第１波長の光と該第２波長の光を同等の反射率で反射する多重反射層と、該貫通孔に面した該直上部分に接して形成されたメタル反射層と、該多重反射層の上に形成された、キャリアをアバランシェ増倍させる増倍層と、該増倍層の上に形成された、該第１波長の光と該第２波長の光を吸収しキャリアを生成する吸収層と、該吸収層の上に形成された拡散領域と、該第１波長と該第２波長の中間の波長の光に対し最も反射率が低くなるように該拡散領域の上に形成された無反射層と、該無反射層を避けて該拡散領域の上に形成された、該拡散領域に給電する第２電極と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、２波長の光に対し同等の感度を有し、かつ２波長の光の両方に対し高感度な受光素子を製造できる。

本発明の実施の形態１に係る受光素子の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る無反射層の反射率の波長依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る多層反射層の反射率の波長依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る受光素子の断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る受光素子の断面図である。受光素子１０は、１．３μｍの波長を有する光（第１波長の光という）と１．５μｍの波長を有する光（第２波長の光という）を受光するものである。受光素子１０は、基板１２を備えている。基板１２はｎ型ＩｎＰで形成されている。基板１２は、第１主面１２ａ、及び第１主面１２ａに対向する第２主面１２ｂを有している。また、基板１２には貫通孔１６が形成されている。第１主面１２ａには第１電極１４が形成されている。第１電極１４は受光素子１０のｎ型電極として機能する。

第２主面１２ｂの上にはＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層のペアが例えば１０ペア形成された多重反射層１８が形成されている。多重反射層１８は第１波長（１．３μｍ）と第２波長（１．５μｍ）の中間の波長（１．４μｍ）の光に対し最も反射率が高くなるように形成されている。この多重反射層１８は、貫通孔１６の直上に位置する直上部分１８ａを有している。つまり、貫通孔１６の直上には多重反射層１８の直上部分１８ａが形成されている。

貫通孔１６に面した直上部分１８ａにはメタル反射層２０が形成されている。メタル反射層２０は、ＳｉＮ／Ａｕで形成されている。メタル反射層２０は、第１波長の光も第２波長の光も１００％反射するものである。多重反射層１８の上には、ＩｎＰで形成された障壁層２２を介して、キャリアをアバランシェ増倍させる増倍層２４が形成されている。増倍層２４はＡｌＩｎＡｓで形成されている。

増倍層２４の上には、ｐ型ＩｎＰで形成された電界緩和層２６を介して、吸収層２８が形成されている。吸収層２８は、第１波長の光と第２波長の光を吸収しキャリアを生成する層である。吸収層２８は、ＩｎＧａＡｓで形成されている。吸収層２８の上には、ＩｎＧａＡｓＰで形成されたグレーディッド層３０を介して拡散領域３２が形成されている。拡散領域３２は導電型がｐ型となるように形成されている。また、グレーディッド層３０の上には拡散領域３２と並んで窓層３４が形成されている。窓層３４はＩｎＰで形成されている。ところで、前述したメタル反射層２０の面積は拡散領域３２の面積より大きい。また、拡散領域３２は、メタル反射層２０の直上に位置している。

拡散領域３２の上にはＳｉＮで無反射層３６が形成されている。無反射層３６は、所定波長以外の波長の光を反射して受光素子１０の中に入れないように作用する。無反射層３６は、第１波長（１．３μｍ）と第２波長（１．５μｍ）の中間の波長（１．４μｍ）の光に対し最も反射率が低くなるように、約１８０ｎｍの層厚で形成されている。拡散領域３２の上には、無反射層３６を避けて第２電極３８が形成されている。第２電極３８は、拡散領域３２に給電することにより受光素子１０のｐ型電極として機能するものである。図１に示されるように、受光素子１０の表面には溝が形成され、この溝の内壁も含めて受光素子１０の表面は殆ど無反射層３６で覆われている。

本発明の実施の形態１に係る受光素子１０の動作について説明する。まず受光素子１０の上方向から無反射層３６に光が入射する。入射した光は、窓層３４を透過し吸収層２８に達する。吸収層２８で光が吸収されて、正孔と電子が生じる。ここで、受光素子１０には２５Ｖ〜５０Ｖ程度の逆バイアスを印加して、吸収層２８、電界緩和層２６、及び増倍層２４を空乏化している。そのため、吸収層２８で発生した電子は空乏層の中を基板１２に向かって流れる。この電子は、高電界がかかる増倍層２４でアバランシェ増倍を起こし、増倍された電流信号を発生させる。

キャリアの走行時間を短くして受光素子１０の応答速度を上げるために、吸収層２８は薄く形成されている。そのため、一部の光は、吸収層２８を透過し、多重反射層１８に達する。多重反射層１８で反射された光は再び吸収層２８に達し、吸収層２８に吸収される。多重反射層１８を透過した光は、１００％の反射率を有するメタル反射層２０により反射される。

ところで、例えば、無反射層が第１波長の光は反射しないが第２波長の光は反射する場合、これらの２波長の光に対する受光素子の感度に差がつくことになる。この場合、第１波長から離れた波長を有する光ほど、高い反射率で反射される。ところが、本発明の実施の形態１に係る受光素子１０によれば、第１波長と第２波長の光に対して同等の反射率を有する無反射層３６を提供できる。図２は、本発明の実施の形態１に係る無反射層の反射率の波長依存性を示すグラフである。無反射層３６は、第１波長（１．３μｍ）と第２波長（１．５μｍ）の中間の波長（１．４μｍ）の光に対し最も反射率が低くなるように形成されている。第１波長と第２波長は１．４μｍから１μｍずつ離れているので、第１波長と第２波長の光に対する反射率を同等とすることができる。

多重反射層１８は特定の波長の光に対して高い反射率を有し、これを反射するものである。例えば第１波長の光は反射するが第２波長の光は反射しない場合、これらの２波長の光に対する受光素子の感度に差がつくことになる。この場合、第１波長から離れた波長を有する光ほど反射されづらくなる。ところが、本発明の実施の形態１に係る受光素子１０によれば、第１波長と第２波長の光に対して同等の反射率を有する多層反射層１８を提供できる。図３は、本発明の実施の形態１に係る多層反射層の反射率の波長依存性を示すグラフである。多重反射層１８は第１波長（１．３μｍ）と第２波長（１．５μｍ）の中間の波長（１．４μｍ）の光に対し最も反射率が高くなるように形成されている。第１波長と第２波長は１．４μｍから１μｍずつ離れているので、第１波長と第２波長の光に対する反射率を同等とすることができる。

多層反射層１８は第１波長の光と第２波長の光に対して１００％未満の反射率となるので、多層反射層１８を透過する光がある。しかしながら、この光は、Ａｕを含むメタル反射層２０によって上方に反射される。そのため、吸収層２８を透過して多層反射層１８に入射した光は１００％反射される。よって、受光素子１０の感度を高めることができる。

このように、本発明の実施の形態１に係る受光素子１０によれば、第１波長の光と第２波長の光は、無反射層３６と多重反射層１８において同等の反射率で反射されるので、２波長に対する受光素子１０の感度を同等とすることができる。また、無反射層３６と多重反射層１８は、第１波長と第２波長の「中間の波長」の光に対し最適化したので、２波長のどちらの光に対しても当該中間の波長の光とほぼ同等の反射率となる。よって、２波長の光の両方に対し高感度とすることができる。さらに、多重反射層１８を透過した光をメタル反射層２０で反射することも、感度を高めることに寄与する。

ところで、メタル反射層と多重反射層の間に基板などがあると、多重反射層で反射した光とメタル反射層で反射した光が干渉し、感度特性にリップルが生じる。本発明の実施の形態１に係る受光素子１０では、基板１２に貫通孔１６を設け、貫通孔１６により露出した直上部分１８ａにメタル反射層２０を形成する。よって、メタル反射層２０を多重反射層１８に接して形成できるので、感度特性にリップルが生じることを防止できる。

なお、基板１２をｎ型ＩｎＰで形成し多重反射層１８をＩｎＰとＩｎＧａＡｓの複数ペアで形成したことにより、塩酸による選択エッチングで多重反射層１８にダメージなく貫通孔１６を形成できる。

メタル反射層２０の面積は拡散領域３２の面積より大きいので、発光素子１０に入射し、吸収層２８及び多重反射層１８を透過した光の殆どをメタル反射層２０で反射させることができる。よって受光素子１０を高感度にできる。

本発明の実施の形態１に係る受光素子１０は上述の特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば多重反射層１８はＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層の約１０ペアからなるとしたが、本発明はこれに限定されない。ペア数は、ペア数が多いほど反射率は飽和傾向となりながら上がりつつ帯域が狭くなる点を考慮して適宜定めればよい。また、貫通孔１６を形成したあとに、第１電極１４とメタル反射層２０を同時形成してもよい。しかしながら、メタル反射層２０の多重反射層１８への沈み込みが懸念される場合は、直上部分１８ａに例えば２００ｎｍのＳｉＮ層を形成した後に５００ｎｍのＡｕ層を形成してもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る受光素子は、実施の形態１と共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る受光素子の断面図である。受光素子５０における多重反射層は第１多重反射層５２と第２多重反射層５４を有している。第１多重反射層５２は、第１波長の光に対して最も反射率が高くなるように形成されている。第２多重反射層５４は、第２波長の光に対して最も反射率が高くなるように形成されている。第１多重反射層５２と第２多重反射層５４の間にはＩｎＰスペーサ層５６が形成されている。

本発明の実施の形態２に係る受光素子５０によれば、第１波長の光は第１多重反射層５２で反射し第２波長の光は第２多重反射層５４で反射するため、高い反射率でこれらの光を反射できる。また、ＩｎＰスペーサ層５６により第１多重反射層５２と第２多重反射層５４が干渉して１つの多重反射膜となることを防止できる。

本発明の実施の形態１と２に係る多重反射層は、第１波長の光と第２波長の光を同等の反射率で反射する限りにおいて上述の構成に限定されない。本発明の実施の形態２に係る受光素子５０は本発明の実施の形態１に係る受光素子１０と同程度の変形が可能である。また、第１多重反射層５２の位置と第２多重反射層５４の位置は逆転させてもよい。

１０ 受光素子、 １２ 基板、 １２ａ 第１主面、 １２ｂ 第２主面、 １４ 第１電極、 １６ 貫通孔、 １８ 多重反射層、 １８ａ 直上部分、 ２０ メタル反射層、 ２２ 障壁層、 ２４ 増倍層、 ２６ 電界緩和層、 ２８ 吸収層、 ３０ グレーディッド層、 ３２ 拡散領域、 ３４ 窓層、 ３６ 無反射層、 ３８ 第２電極、 ５２ 第１多重反射層、 ５４ 第２多重反射層、 ５６ ＩｎＰスペーサ層

Claims (7)

1. 第１波長の光と第２波長の光を受光する受光素子であって、
   第１主面、前記第１主面に対向する第２主面、及び貫通孔を有する基板と、
   前記第１主面に形成された第１電極と、
   前記第２主面の上に前記貫通孔の直上部分を有するように形成された、前記第１波長の光と前記第２波長の光を同等の反射率で反射する多重反射層と、
   前記貫通孔に面した前記直上部分に接して形成されたメタル反射層と、
   前記多重反射層の上に形成された、キャリアをアバランシェ増倍させる増倍層と、
   前記増倍層の上に形成された、前記第１波長の光と前記第２波長の光を吸収しキャリアを生成する吸収層と、
   前記吸収層の上に形成された拡散領域と、
   前記第１波長と前記第２波長の中間の波長の光に対し最も反射率が低くなるように前記拡散領域の上に形成された無反射層と、
   前記無反射層を避けて前記拡散領域の上に形成された、前記拡散領域に給電する第２電極と、
   を備えたことを特徴とする受光素子。
2. 前記多重反射層は前記第１波長と前記第２波長の中間の波長の光に対し最も反射率が高くなるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
3. 前記多重反射層は、
   前記第１波長の光に対して最も反射率が高くなるように形成された第１多重反射層と、
   前記第２波長の光に対して最も反射率が高くなるように形成された第２多重反射層と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
4. 前記第１多重反射層と前記第２多重反射層の間に形成されたＩｎＰスペーサ層を備えたことを特徴とする請求項３に記載の受光素子。
5. 前記メタル反射層の面積は前記拡散領域の面積より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の受光素子。
6. 前記メタル反射層は、前記多重反射層に接するＳｉＮ層と、前記ＳｉＮ層に接するＡｕ層を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の受光素子。
7. 前記基板はｎ型ＩｎＰで形成され、
   前記多重反射層はＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層のペアが複数積層して形成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受光素子。

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