JP6660282B2

JP6660282B2 - 受光素子

Info

Publication number: JP6660282B2
Application number: JP2016237858A
Authority: JP
Inventors: 史人中島; 圭穂前田; 好史村本; 広明三条
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP2018093149A

Description

本発明は、光通信用の受光素子の構造に関する。

従来、光通信用受信モジュールにおいては受光素子として、光半導体素子であるフォトダイオード（ＰＤ）が使われているが、近年の通信容量の増大に対応してＰＤには高速な応答特性が求められるようになっている。

ＰＤの高速応答に対応するための手段の一つとして、ＰＤの接合面積を縮小して接合容量を低減化することが一般的に行われている。

しかし、接合面積を縮小することはＰＤとして光を吸収できる面積（受光面積）が縮小することと同義のため、接合面積を縮小することは、信号光との光結合の効率の低下や、受信モジュールとして実装する場合の実装トレランスの低下につながってしまう。

この関係を緩和するために、図１の従来例に示すように、ＰＤの裏面にレンズを集積して、裏面から入射する信号光を集光することで、接合面積が小さくても光結合効率の低下や実装トレランスの低下を低減できる構造を持った受光素子が実現されている。（下記非特許文献１参照）
このような従来例の受光素子（ＰＤ）の構造は、図１の断面図に示すように、ＰＤ基板１の表面側に、ｎ型半導体層２、ｉ型半導体で構成された光吸収層３、ｐ型半導体層４、アノード電極５がこの順で積層されてフォトダイオードが構成されており、光吸収層３の両脇のｎ型半導体層２上には２つのカソード電極６が設けられている。

ＰＤ基板１の裏面には、上記フォトダイオードに光軸を合わせて光学部品であるレンズ８がエッチングなどによって形成されており、入射光７は、ＰＤ基板１の裏面側から、このレンズ８を通って収束され、フォトダイオードに入射する。ＰＤ基板１の裏面には反射防止膜としてＡＲ膜９が積層されて、レンズ８表面も覆っており、入射光のレンズ表面における反射を防いでいる。

S.R.Cho et al, Enhanced Optical Coupling Performance in an InGaAs Photodiode Integrated With Wet-Etched Microlens,MARCH 2002 IEEE POTONICS TECHNOLOGY LETTERS Vol.14, No.3, p.378-380

しかしながら、このような従来例の受光素子の製造にあたっては、単に裏面プロセスにおいてレンズ形成という工程が必要となるだけでなく、半導体基板の表面に形成されたＰＤと裏面に加工されたレンズとの互いの位置合わせが必要となるという課題があった。具体的には、ＰＤにあわせて半導体基板の表面に形成されたマーカなどの位置を読み取った上で、裏面のレンズを構成するパターンの位置を決定する必要がある。

このため従来例の受光素子の製造工程では、基板両面のアライメント（位置あわせ）が可能な高価なステッパや、裏面プロセスを行うためのウエハサポートシステムなど、通常のＰＤの製造工程では必要なかった装置を使用する必要があり、製造コストが増大してしまうという問題があった。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、接合面積が小さくても光結合効率の低下や実装トレランスの低下を低減できる構造を持った受光素子を製造する際に、従来必要であったレンズとＰＤとのアライメントを不要とすることにより、工程数および使用装置が削減して、低コストに製造可能な高速な応答特性を有する受光素子を提供することにある。

上記従来の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードに隣接して形成されたレンズとを第１の面に有する半導体基板を備えた受光素子であって、前記半導体基板は、前記第１の面に対向する第２の面が、当該半導体基板に入射した光を基板内に反射する加工がなされており、前記受光素子の側面が、前記半導体基板に入射した光を基板内に反射する加工がなされていることを特徴とする受光素子である。

従来の受光素子であるＰＤの断面図である。本発明の実施例１にかかる受光素子であるＰＤの断面図である。本発明の実施例１にかかる受光素子であるＰＤの平面図である。

以下、本発明の受光素子について、詳細に説明する。

本実施形態に記載された受光素子では、半導体基板の表面（第１の面）上にＰＤを形成し、ＰＤに隣接する半導体基板の表面に半導体レンズを形成し、半導体基板の裏面（第２の面）は基板内に入射した光を基板内に反射する平坦な反射面として、半導体レンズの光軸に斜め方向から入射した光を裏面の反射面で反射させて、ＰＤに収束させる構造としたことを特徴とする。

上記構成の受光素子によれば、光結合効率の低下なく高速応答を可能とするために、接合面積が小さくても光結合効率の低下や実装トレランスの低下を低減できる構造を持った受光素子を製造する際に、裏面プロセスにおいて従来必要であったアライメントが不要となり、工程数および使用装置が減るので、高速な応答特性を有する受光素子を低コストで作成可能となる。

（実施例１）
以下、図２および図３を用いて、本発明の受光素子の実施例１を説明する。

図２は本発明の実施例１にかかる受光素子であるＰＤの断面図であり、図３はその平面図である。

図２、図３の実施例１では、ＩｎＰ（インジウム燐）系の半導体を用いたＰＤを例に挙げ、ＰＤ基板１については、半絶縁性のＩｎＰ基板１とする。このＰＤは、次に示す方法で形成できる。

（表面プロセス：ＰＤ形成）
まず、高抵抗なＩｎＰからなるＩｎＰ基板１の表面上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などのエピタキシャル成長法を利用し、ｎ型ＩｎＰ層２、ノンドープ（i型）ＩｎＧａＡｓ層（光吸収層）３、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層４を形成する。

次に、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により、上述したｐ型ＩｎＧａＡｓ層４、ノンドープＩｎＧａＡｓ層３，ｎ型ＩｎＰ層２をメサ型に加工し、次いで、ｎ型ＩｎＰ層２およびｐ型ＩｎＧａＡｓ層４に、各々オーミック接触する電極６、５を形成してフォトダイオード（ＰＤ）とする。

（表面プロセス：レンズ形成）
続いて、ＩｎＰ基板１表面のＰＤに隣接する横の部分の、エピタキシャル層がすべてエッチングされた領域において、非特許文献１等で公知になっている技術を利用してＩｎＰ基板１をレンズ形状に加工してレンズ８を形成する。

レンズ８の表面には、例えばＳiＯ₂／ＴiＯ₂の積層構造からなる反射防止膜（ＡＲ膜９）を形成しておく。図３に示すように、ＩｎＰ基板１表面のＡＲ膜９と電極５、６以外の部分（ＰＤおよびレンズを形成した領域以外の部分）は、入射光７を閉じ込めるための反射膜１２で覆ってもよい。

（裏面プロセス）
続いて、裏面プロセスに移るが、従来例と異なり本発明ではアライメントが不要であり、通常のプロセス機器を使用可能である。裏面プロセスではまず、ＰＤ基板１の裏面を研磨して所望の厚みになるように調整し、裏面の全面にＳiＯ₂／ＴiＯ₂の積層構造からなる全反射膜１１をスパッタ等により形成する。

ここで、全反射膜１１は、絶縁膜の上にメタルを形成したものでもよい。

その後、ダイシングによってチッピングされ、表面の半導体レンズ８とＰＤおよび裏面の全反射膜１１が備わった受光部品が完成する。入射光７の閉じ込めをより効果的とするためには、チップ化することにより生じたＩｎＰ基板１の側面にも全反射膜を設けてもよい。

このチップに形成されたレンズ８に、図２に示すように、基板面あるいはレンズ８の光軸に対してＰＤと反対側に傾いた角度で入射光７を入射すると、基板内に入射した光は基板裏面の全反射膜１１で全反射した後、ＰＤの吸収層３近傍に収束され、高効率でフォトダイオードに光結合されて光電流が発生する。

例えば、ＩｎＰ基板の法線から６０度傾けた角度で入射するコリメート光（直径20μｍ）を用いることを仮定すると、ＩｎＰ基板の厚さが75μｍのとき、レンズの中心とＰＤの中心は約42μｍ離せばよい。このときレンズの曲率半径が50μｍとすると、ＰＤの受光部では直径9.6μｍのスポットサイズに集光される。

吸収層で吸収しきれなかった光は、ＰＤの裏面や上面、側面に形成された反射膜１１、１２で再度反射され、再び吸収層３で吸収されるため、一度しか吸収層を通過しないＰＤ構造よりも受光感度を高めることも可能である。

本実施例の受光素子の構造では、ＰＤとレンズが形成される基板表面にのみパターンニングが施され、裏面は平坦な反射面のみであるため、裏面プロセスでアライメントは不要であり、通常のウエハプロセス装置のみで製造できることから、低コスト化に寄与する。

従来の半導体レンズがモノリシック集積されたＰＤでは、基板表面のＰＤに合わせて裏面のレンズ位置を決定するため、アライメントが必要となり製造工程が複雑になっていたが、本発明の受光部品であるＰＤにおいては、同一面にＰＤと半導体レンズを形成できるため、工程数および使用装置が減るため、製造工程を低コスト化できる。

以上記載したように、本発明によれば、裏面プロセスが簡素化され、アライメントが不要となり、工程数および使用装置が減るので、高速な応答特性を有する受光素子、受光部品を低コストで作成可能となる。

１ＰＤ基板、半絶縁性のＩｎＰ基板
２ｎ型半導体層、ｎ型ＩｎＰ層
３（ｉ型半導体）光吸収層、ＩｎＧａＡｓ層
４ｐ型半導体層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
５アノード電極
６カソード電極
７入射光
８レンズ
９ＡＲ膜
１１、１２反射膜

Claims

フォトダイオードと、前記フォトダイオードに隣接して形成されたレンズとを第１の面に有する半導体基板を備えた受光素子であって、
前記半導体基板は、前記第１の面に対向する第２の面が、当該半導体基板に入射した光を基板内に反射する加工がなされており、
前記受光素子の側面が、前記半導体基板に入射した光を基板内に反射する加工がなされていることを特徴とする受光素子。
前記半導体基板の前記第２の面に全反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
フォトダイオードと、前記フォトダイオードに隣接して形成されたレンズとを第１の面に有する半導体基板を備えた受光素子であって、
前記半導体基板は、前記第１の面に対向する第２の面が、当該半導体基板に入射した光を基板内に反射する加工がなされており、
前記半導体基板の前記第２の面に全反射膜が形成されており、
前記第１の面の、前記フォトダイオードと前記レンズとが形成された部分以外が、前記半導体基板に入射した光を基板内に反射する加工がなされていることを特徴とする受光素子。