JP6707393B2

JP6707393B2 - 裏面入射型受光素子及び光受信モジュール

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Publication number: JP6707393B2
Application number: JP2016087023A
Authority: JP
Inventors: 博濱田; 豊中　隆司; 隆司豊中
Original assignee: 日本ルメンタム株式会社
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-04-25
Also published as: JP2017199716A; US20170309658A1; US10204955B2

Description

本発明は、裏面入射型受光素子及び当該裏面入射型受光素子を備えた光受信モジュールに関する。

半導体基板上に、光吸収層を含む複数の半導体層を積層した受光素子であって、半導体基板側から入射した光を光吸収層により吸収する受光素子は、裏面入射型受光素子と呼ばれる場合がある。裏面入射型受光素子は、複数の半導体層を覆うように設けられた電極を有し、光吸収層により吸収されなかった光を電極で反射して、受光効率を高める場合がある。また、裏面入射型受光素子は、他の光学部材と共に光受信モジュールに実装される場合がある。なお光受信モジュールはＲＯＳＡ（Receiver Optical SubAssembly）と呼称される場合もある。

下記特許文献１には、受光部の最表面を構成する半導体層の表面にリング状のコンタクト電極を設けた半導体受光素子が記載されている。

下記特許文献２には、半導体層の上面部を覆い、反射主領域を有する反射膜と、反射膜を貫いて、反射主領域の周縁の一部を囲う上部電極と、を備える半導体受光素子が記載されている。

下記特許文献３には、半導体受光素子に入射する際のビームスポットの結像位置が、前方又は後方にずれている半導体受光装置が記載されている。

特開２００４−２００２０２号公報特開２０１１−２１０８６６号公報特開平５−２２４１０１号公報

裏面入射型受光素子に入射する光は、光吸収層で結像するようにレンズにより集光される場合がある。ここで、光吸収層におけるビームスポット半径を小さくするほど単位面積あたりの光強度が強くなり、キャリア発生量が多くなるが、単位面積あたりの光強度がある程度以上強くなるとキャリア発生量が頭打ちとなり、連続する光信号のうち後半部分が検出されないパイルアップが生じてしまう場合がある。

そのため、光吸収層で適切なビームスポット半径となるようにレンズ位置を調整してＲＯＳＡに実装する場合があるが、光吸収層におけるビームスポット半径が適切かどうかを測定するためには、レンズ位置をずらしながら受光素子の高周波特性を測定する必要があり、コストが増大してしまう。

そこで、本発明は、光吸収層におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することのできる裏面入射型受光素子を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る裏面入射型受光素子は、第１の面から光が入射する半導体基板と、前記第１の面と対向する第２の面に積層され、前記光を吸収する光吸収層を含む半導体層と、前記半導体層の上面の一部であるコンタクト部を露出させるように前記半導体層上に形成されたパッシベーション膜と、前記コンタクト部において前記半導体層と接触し、前記光の反射率が前記パッシベーション膜よりも低い電極と、を備え、前記コンタクト部は、前記光の光軸上に位置する中心部を少なくとも含み、前記中心部の面積は、前記光の設計上のビームスポットの断面積よりも小さい。

（２）上記（１）に記載の裏面入射型受光素子であって、前記半導体層の上面の面積は、前記光の設計上のビームスポットの断面積よりも大きい。

（３）上記（１）に記載の裏面入射型受光素子であって、前記中心部の面積は、前記半導体層の上面の面積の３６％以下である。

（４）上記（１）に記載の裏面入射型受光素子であって、前記中心部の面積は、前記半導体層の上面の面積の１％以上である。

（５）上記（１）に記載の裏面入射型受光素子であって、前記コンタクト部は、前記中心部と離間して前記中心部を囲む周辺部を含む。

（６）上記（１）乃至（５）に記載の裏面入射型受光素子と、前記裏面入射型受光素子の前記第１の面側に配置された集光レンズと、前記裏面入射型受光素子及び前記集光レンズを内包するパッケージと、を備えたことを特徴する光受信モジュール。

本発明により、光吸収層におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することのできる裏面入射型受光素子が提供される。

本発明の第１の実施形態に係るＲＯＳＡの断面図である。本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型受光素子の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型受光素子の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型受光素子の受光感度とコンタクト部の面積の関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る裏面入射型受光素子の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係る裏面入射型受光素子の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態の第２の変形例に係る裏面入射型受光素子の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。従来の裏面入射型受光素子の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。

図８は、従来の裏面入射型受光素子の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。グラフの縦軸は受光感度（単位：Ａ／Ｗ）を表し、横軸はビームスポット半径（単位：μｍ）を表す。ここで、受光感度は、裏面入射型受光素子に入射する光の光量（単位：Ｗ）と、入射光により発生した光電流の電流値（単位：Ａ）との比である。また、ビームスポット半径は、入射光がガウシアンビームであると仮定して、ビームウェストにおいて光強度がビーム中心の１／ｅ^２となる半径である。

従来の裏面入射型受光素子は、光を吸収する光吸収層を含む半導体層を有する。半導体層は、上面５０を有し、上面５０にはコンタクト部５１を除きパッシベーション膜が成膜されている。また、ハッチングで示したコンタクト部５１に電極が形成されている。電極は、光の反射率がパッシベーション膜よりも低く、半導体層の上面５０は、白抜きで示した高反射領域と、ハッチングで示した低反射領域（コンタクト部５１）とを含む。パッシベーション膜は酸化膜で形成されており、電極は金属膜で形成されている。

従来の裏面入射型受光素子の場合、入射光の光軸が上面５０の高反射領域に位置するように調整され、より多くの光を光吸収層側に反射させ、受光感度を向上させていた。そのため、ビームスポット半径が円環状のコンタクト部５１の内径よりも小さい場合（本例ではビームスポット半径が５μｍより小さい場合）、ビームスポット半径に関わらず受光感度が最大となる。ビームスポット半径を大きくしていき、ビームスポット半径が円環状のコンタクト部５１の内径よりも大きくなった場合（本例ではビームスポット半径が５μｍより大きい場合）、光が低反射領域に入射することとなり、反射光の強度が低下するため、ビームスポット半径を大きくするほど受光感度が低下する。ビームスポット半径をさらに大きくしていき、ビームスポット半径が半導体層の上面５０の外径よりも大きくなった場合、光の一部が半導体層に入射しなくなり、入射光の強度が低下するため、ビームスポット半径を大きくするほど受光感度が低下する。

ビームスポット半径は、受光感度が十分大きくなるように小さく絞られるべきだが、絞りすぎるとパイルアップを起こすおそれがあるため、ある程度大きく調整することが求められる。従来の裏面入射型受光素子をＲＯＳＡに実装する場合、受光感度が減少し始めるビームスポット半径を確認して、ビームスポット半径をそこからやや絞り、受光感度が十分に大きく且つパイルアップが抑制されるように調整していた。ここで、パイルアップが生じるか否かは、高周波の変調光を裏面入射型受光素子に入射させて測定する必要がある。そのため、このような調整工程は、ビームスポット半径の度重なる調整及び高周波変調光の測定によるコスト増加をもたらしていた。そこで、本発明の発明者は、裏面入射型受光素子のビームスポット半径の調整について鋭意研究を行い、光吸収層におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することのできる裏面入射型受光素子を発明した。以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るＲＯＳＡ１００の断面図である。ＲＯＳＡ１００は、裏面入射型受光素子１０と、集光レンズ１１と、コリメートレンズ１２と、光ファイバ１３と、パッケージ２０と、を含む。光ファイバ１３は、パッケージ２０の外部から内部へ貫通して設けられ、信号光をパッケージ２０の内部に導く。コリメートレンズ１２は、光ファイバ１３から出射された信号光を平行光に変換する。集光レンズ１１は、平行光を裏面入射型受光素子１０に集光する。裏面入射型受光素子１０のＲＯＳＡ１００への実装は、裏面入射型受光素子１０を所定の位置に固定し、光ファイバ１３から試験的に光を入射させ、集光レンズ１１の位置を変化させつつ、裏面入射型受光素子１０の受光感度を測定して、集光レンズ１１の位置を決定し、固定することで行なわれる。なお、以下で説明する本願発明の効果を得るためのＲＯＳＡの構造は、本実施形態に示す構造に限定されない。ＲＯＳＡは、集光レンズ１１を備えるものであればよく、パッケージは円筒形のＣＡＮ型であっても構わないし、光ファイバを備えていない構造であっても構わない。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の断面図である。裏面入射型受光素子１０は、第１の面から光（裏面入射型受光素子１０の第１の面側に配置された集光レンズ１１により集光された光、以下入射光という。）が入射する半導体基板３１を有する。ここで、第１の面とは、光吸収層３４が設けられる側と反対側の面であって、半導体基板３１の裏側の面である。半導体基板３１は、例えばＦｅドープＩｎＰ基板で形成される。半導体基板３１の第１の面（裏面）は、凸レンズ状に成形され、入射光を集光するレンズ３１ａを含む。半導体基板３１の第１の面には、低反射膜３０が設けられる。なお、レンズ３１ａはなくても構わない。また、パッケージ２０は、裏面入射型受光素子１０及び集光レンズ１１を内包するが、その他の構成を内包してもよい。

裏面入射型受光素子１０は、半導体基板３１の第１の面と対向する第２の面に積層され、入射光を吸収する光吸収層３４を含む半導体層を有する。半導体層は、半導体基板３１の第２の面（表面）に設けられたｎ型コンタクト層３２と、ｎ型コンタクト層３２の上に設けられたｎ型バッファ層３３と、ｎ型バッファ層３３の上に設けられた光吸収層３４と、光吸収層３４の上に設けられたｐ型バッファ層３５と、ｐ型バッファ層３５の上に設けられたｐ型コンタクト層３６と、を含む。半導体層の高さは、例えば１μｍ程度であり、各層は、例えば分子線エピタキシー法で成長させてよい。

裏面入射型受光素子１０は、半導体層の上面３６ａの一部であるコンタクト部３６ｂを露出させるように半導体層上に形成されたパッシベーション膜３７を有する。半導体層の上面３６ａは、ｐ型コンタクト層３６の上面である。ｐ型コンタクト層３６の上面３６ａは、略円形であってよく、その半径は１０μｍ程度であってよい。すなわち、上面３６ａの面積は、１００π（μｍ）^２（≒３１４（μｍ）^２）程度であってよい。

裏面入射型受光素子１０は、コンタクト部３６ｂにおいて半導体層と接触し、入射光の反射率がパッシベーション膜３７よりも低いｐ型電極３８を有する。また、裏面入射型受光素子１０は、ｎ型電極コンタクト部３２ａにおいてｎ型コンタクト層３２と接触するｎ型電極３９を有する。ｐ型電極３８及びｎ型電極は、金属で形成されてよい。

コンタクト部３６ｂは、入射光の光軸Ａ上に位置する中心部を少なくとも含む。本例の場合、コンタクト部３６ｂは、中心部のみからなる。コンタクト部３６ｂが、中心部の他に周辺部を含む場合については、本発明の第２の実施形態において詳細に説明する。

コンタクト部３６ｂの中心部の面積は、入射光の設計上のビームスポットの断面積よりも小さい。本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０について具体的な数値を例示すると、コンタクト部３６ｂの中心部は略円形であり、その半径は５μｍ程度である。すなわち、コンタクト部３６ｂの中心部の面積は、２５π（μｍ）^２（≒７８．５（μｍ）^２）程度である。一方、入射光の設計上のビームスポット半径は、６μｍ程度であり、ビームスポットの断面積は、３６π（μｍ）^２（≒１１３（μｍ）^２）程度である。

なお、光吸収層３４から上面３６ａまでの距離は数百ｎｍ程度であるため、半導体層の上面３６ａでのビームスポット半径と、光吸収層３４でのビームスポット半径とは、ほぼ同じである。そのため、以下の説明では、半導体層の上面３６ａでのビームスポット半径と光吸収層３４でのビームスポット半径を同一視する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の受光感度（単位：Ａ／Ｗ）とビームスポット半径（単位：μｍ）の関係を示すグラフである。グラフの縦軸は受光感度（単位：Ａ／Ｗ）を表し、横軸はビームスポット半径（単位：μｍ）を表す。グラフの左下には、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の半導体層の上面３６ａの形状を白抜きで示し、コンタクト部３６ｂの形状をハッチングで示している。コンタクト部３６ｂ以外の上面３６ａには、パッシベーション膜３７が形成され、コンタクト部３６ｂにはｐ型電極３８が形成されている。ｐ型電極３８の光の反射率は、パッシベーション膜３７の光の反射率よりも低く、コンタクト部３６ｂ以外の上面３６ａは高反射領域であり、コンタクト部３６ｂは低反射領域である。

入射光の光軸がコンタクト部３６ｂの中心に位置するように調整し、ビームスポット半径を０近くまで絞ると、光吸収層３４で吸収されなかった入射光の大部分は、低反射領域であるコンタクト部３６ｂで反射される。そのような状態からビームスポット半径を大きくしていくと、入射光の一部は低反射領域であるコンタクト部３６ｂで反射され、残りの部分は高反射領域である上面３６ａで反射されるようになる。そのため、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていくと、受光感度が除々に大きくなる。受光感度が最大となるビームスポット半径は、グラフ中に破線で示した約６μｍである。ビームスポット半径が６μｍである場合、入射光の一部は半径が５μｍであるコンタクト部３６ｂにより反射され、残りの部分は上面３６ａにより反射されていると考えられる。ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、受光感度は減少していく。これは、ビームスポット半径が半導体層の上面３６ａの外径よりも大きくなることで光の一部が半導体層に入射しなくなり、入射光の強度が低下するためと考えられる。

本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、コンタクト部３６ｂの中心部の面積が、入射光の設計上のビームスポットの断面積よりも小さいことで、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていった場合に、受光感度にピークが表れ、適切なビームスポット半径であることを認識することができる。そのため、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、光吸収層３４におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することができる。

従来の裏面入射型受光素子においても、半導体層の上面の中心にコンタクト部を設ける場合があった。しかし、従来は、電極と半導体層の電気抵抗を小さくするため、コンタクト部の面積を出来る限り大きくすることが通常だった。また、光吸収層で吸収されなかった光を多く反射する観点からは、図８に示すような円環状のコンタクト部を設けて、反射率を出来る限り大きくすることが通常だった。本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０は、コンタクト部３６ｂの中心部の面積を入射光の設計上のビームスポットの断面積よりも小さくすることで、受光感度にピークを生ずるようにしたものである。このような受光感度特性は、入射光の光軸の位置にあえて低反射領域であるコンタクト部３６ｂを設けて、コンタクト部３６ｂの面積を所望のビームスポット断面積よりも小さくすることで実現できるものであり、従来の裏面入射型受光素子とは全く異なる設計思想に基づいて得られるものである。

本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の半導体層の上面３６ａの面積は、入射光の設計上のビームスポットの断面積よりも大きい。具体的には、半導体層の上面３６ａの面積は、１００π（μｍ）^２程度であるのに対して、入射光の設計上のビームスポットの断面積は、３６π（μｍ）^２程度である。入射光の設計上のビームスポットの断面積は、コンタクト部３６ｂの中心部の面積よりも大きく、半導体層の上面３６ａの面積よりも小さい。このような構成により、ビームスポット半径を変化させた場合に受光感度にピークが生じるため、光吸収層３４におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することができる。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の受光感度とコンタクト部の面積の関係を示すグラフである。同図のグラフの縦軸は受光感度（単位：Ａ／Ｗ）を表し、横軸はビームスポット半径（単位：μｍ）を表す。同図には、上面３６ａの面積に対するコンタクト部３６ｂの面積の割合を変化させた場合における、１１の異なるグラフを示している。

上面３６ａの面積に対するコンタクト部３６ｂの面積の割合が０％の場合及び１００％の場合、受光感度にピークは表れず、ビームスポット半径がある程度大きくなると光が半導体層からはみ出すため、受光感度が低下していく。なお、コンタクト部３６ｂの面積割合が０％の場合、入射光は高反射領域で反射されることとなるため、入射光が低反射領域で反射されるコンタクト部３６ｂの面積割合が１００％の場合に比べて、受光感度の最大値が大きくなる。

上面３６ａの面積に対するコンタクト部３６ｂの面積の割合が１％、４％、９％、１６％、２５％、３６％、４９％、６４％及び８１％の場合、受光感度にピークが表れる。上面３６ａの面積に対するコンタクト部３６ｂの面積の割合が大きくなると、受光感度の最大値が小さくなり、ピークが表れるビームスポット半径が大きくなる。このような特性を考慮して、受光感度にピークが表れるビームスポット半径が所望のビームスポット半径となるよう、コンタクト部３６ｂの面積割合を設計することができる。なお、図４で示した上面３６ａの面積に対するコンタクト部３６ｂの面積の割合は例示であり、上面３６ａの面積に対するコンタクト部３６ｂの面積の割合は、これら以外の値であってもよい。上面３６ａの面積に対するコンタクト部３６ｂの面積の割合が０％及び１００％以外の値であれば、受光感度にピークが表れる。

本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０のコンタクト部３６ｂの中心部の面積は、半導体層の上面３６ａの面積の３６％以下である。具体的には、コンタクト部３６ｂの中心部の面積は２５π（μｍ）^２程度であり、上面３６ａの面積は１００π（μｍ）^２程度であるから、コンタクト部３６ｂの面積は上面３６ａの面積の２５％程度である。コンタクト部３６ｂの面積が上面３６ａの面積の３６％以下であることで、ビームスポット半径を変化させた場合に受光感度に明確なピークが表れる。そのため、光吸収層におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かをより容易に判定することができる。なお、コンタクト部３６ｂの面積が上面３６ａの面積の３６％より大きい場合であっても、面積割合が１００％より小さければ、受光感度にピークが生じるため、光吸収層におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを判定することができる。

本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０のコンタクト部３６ｂの中心部の面積は、半導体層の上面３６ａの面積の１％以上である。コンタクト部３６ｂの面積が上面３６ａの面積の１％以上であることで、ｐ型電極３８とｐ型コンタクト層３６の間の電気的接続が良好となり、裏面入射型受光素子１０の消費電力が十分に小さくなる。なお、コンタクト部３６ｂの面積が上面３６ａの面積の１％より小さい場合であっても、受光感度にピークが生じるため、光吸収層におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを判定することができる。

以上のように、コンタクト部３６ｂの大きさを適切に設定することで、所望のビームスポット半径の時に受光感度のピークが生じるようにすることができる。所望のビームスポット半径とは、例えばパイルアップが起こらないビームスポット半径である。そしてＲＯＳＡの製造工程においては、受光感度のピークを見つけるように集光レンズ１１の位置を調整し、受光感度のピーク位置で固定することで、良好な受光感度とパイルアップの起きないビームスポット半径が実現され、従来構造の裏面入射側受光素子と比較して調整時間を大幅に短縮でき、低コスト化を実現することができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。同図のグラフの縦軸は受光感度（単位：Ａ／Ｗ）を表し、横軸はビームスポット半径（単位：μｍ）を表す。グラフの左下には、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の半導体層の上面３６ａの形状を白抜きで示し、第１中心部３６ｃの形状をハッチングで示し、第１周辺部３６ｄの形状をハッチングで示している。本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０のコンタクト部は、入射光の光軸上に位置する第１中心部３６ｃと、第１中心部３６ｃと離間して第１中心部３６ｃを囲む第１周辺部３６ｄと、を含む。第１中心部３６ｃ及び第１周辺部３６ｄ以外の上面３６ａには、パッシベーション膜３７が形成され、コンタクト部である第１中心部３６ｃ及び第１周辺部３６ｄにはｐ型電極３８が形成されている。ｐ型電極３８の光の反射率は、パッシベーション膜３７の光の反射率よりも低く、第１中心部３６ｃ及び第１周辺部３６ｄ以外の上面３６ａは高反射領域であり、コンタクト部である第１中心部３６ｃ及び第１周辺部３６ｄは低反射領域である。

入射光の光軸が第１中心部３６ｃの中心に位置するように調整し、ビームスポット半径を０近くまで絞ると、光吸収層３４で吸収されなかった入射光の大部分は、低反射領域である第１中心部３６ｃで反射される。そのような状態からビームスポット半径を大きくしていくと、入射光の一部は低反射領域である第１中心部３６ｃで反射され、残りの部分は高反射領域である円環状の上面３６ａで反射されるようになる。また、ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、入射光の一部は低反射領域である第１中心部３６ｃで反射され、他の一部は高反射領域である円環状の上面３６ａで反射され、残りの部分は低反射領域である円環状の第１周辺部３６ｄで反射されるようになる。そのため、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていくと、受光感度が除々に大きくなり、ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、受光感度が減少に転じる。受光感度が最大となるビームスポット半径は、グラフ中に破線で示した約３μｍである。ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、受光感度はさらに減少していく。これは、ビームスポット半径が半導体層の上面３６ａの外径よりも大きくなることで光の一部が半導体層に入射しなくなり、入射光の強度が低下するためと考えられる。

本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、第１中心部３６ｃと第１周辺部３６ｄが設けられていることで、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていった場合に、受光感度にピークが表れ、適切なビームスポット半径であることを認識することができる。そのため、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、光吸収層３４におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係る裏面入射型受光素子１０の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。同図のグラフの縦軸は受光感度（単位：Ａ／Ｗ）を表し、横軸はビームスポット半径（単位：μｍ）を表す。グラフの左下には、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の半導体層の上面３６ａの形状を白抜きで示し、第２中心部３６ｅの形状をハッチングで示し、第２周辺部３６ｆの形状をハッチングで示している。本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０のコンタクト部は、入射光の光軸上に位置する第２中心部３６ｅと、第２中心部３６ｅと離間して第２中心部３６ｅを囲む第２周辺部３６ｆと、を含む。第２中心部３６ｅ及び第２周辺部３６ｆ以外の上面３６ａには、パッシベーション膜３７が形成され、コンタクト部である第２中心部３６ｅ及び第２周辺部３６ｆにはｐ型電極３８が形成されている。ｐ型電極３８の光の反射率は、パッシベーション膜３７の光の反射率よりも低く、第２中心部３６ｅ及び第２周辺部３６ｆ以外の上面３６ａは高反射領域であり、コンタクト部である第２中心部３６ｅ及び第２周辺部３６ｆは低反射領域である。本変形例のコンタクト部と、第２の実施形態に係る裏面入射型受光素子１０のコンタクト部とを比較すると、中心部が略円形状であり、周辺部が中心部を囲む円環形状である点で共通するが、本変形例の中心部は、第２の実施形態の場合に比べて半径が大きく、本変形例の周辺部は、第２の実施形態の場合に比べて円環の厚みが大きい。

入射光の光軸が第２中心部３６ｅの中心に位置するように調整し、ビームスポット半径を０近くまで絞ると、光吸収層３４で吸収されなかった入射光の大部分は、低反射領域である第２中心部３６ｅで反射される。そのような状態からビームスポット半径を大きくしていくと、入射光の一部は低反射領域である第２中心部３６ｅで反射され、残りの部分は高反射領域である円環状の上面３６ａで反射されるようになる。また、ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、入射光の一部は低反射領域である第２中心部３６ｅで反射され、他の一部は高反射領域である円環状の上面３６ａで反射され、残りの部分は低反射領域である円環状の第２周辺部３６ｆで反射されるようになる。そのため、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていくと、受光感度が除々に大きくなり、ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、受光感度が減少に転じる。受光感度が最大となるビームスポット半径は、グラフ中に破線で示した約４μｍである。ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、受光感度はさらに減少していく。これは、ビームスポット半径が半導体層の上面３６ａの外径よりも大きくなることで光の一部が半導体層に入射しなくなり、入射光の強度が低下するためと考えられる。

本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、第２中心部３６ｅと第２周辺部３６ｆが設けられていることで、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていった場合に、受光感度にピークが表れ、適切なビームスポット半径であることを認識することができる。そのため、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、光吸収層３４におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することができる。

図７は、本発明の第２の実施形態の第２の変形例に係る裏面入射型受光素子１０の受光感度とビームスポット半径の関係を示すグラフである。同図のグラフの縦軸は受光感度（単位：Ａ／Ｗ）を表し、横軸はビームスポット半径（単位：μｍ）を表す。グラフの左下には、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０の半導体層の上面３６ａの形状を白抜きで示し、第３中心部３６ｇの形状をハッチングで示し、第３周辺部３６ｈの形状をハッチングで示している。本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０のコンタクト部は、入射光の光軸上に位置する第３中心部３６ｇと、第３中心部３６ｇと離間して第３中心部３６ｇを囲む第３周辺部３６ｈと、を含む。第３中心部３６ｇ及び第３周辺部３６ｈ以外の上面３６ａには、パッシベーション膜３７が形成され、コンタクト部である第３中心部３６ｇ及び第３周辺部３６ｈにはｐ型電極３８が形成されている。ｐ型電極３８の光の反射率は、パッシベーション膜３７の光の反射率よりも低く、第３中心部３６ｇ及び第３周辺部３６ｈ以外の上面３６ａは高反射領域であり、コンタクト部である第３中心部３６ｇ及び第３周辺部３６ｈは低反射領域である。本変形例のコンタクト部と、第２の実施形態の第１の変形例に係る裏面入射型受光素子１０のコンタクト部とを比較すると、中心部が略円形状であり、周辺部が中心部を囲む円環形状である点で共通するが、本変形例の中心部は、第１の変形例の場合に比べて半径が大きく、本変形例の周辺部は、第１の変形例の場合に比べて円環の厚みが小さい。

入射光の光軸が第３中心部３６ｇの中心に位置するように調整し、ビームスポット半径を０近くまで絞ると、光吸収層３４で吸収されなかった入射光の大部分は、低反射領域である第３中心部３６ｇで反射される。そのような状態からビームスポット半径を大きくしていくと、入射光の一部は低反射領域である第３中心部３６ｇで反射され、残りの部分は高反射領域である円環状の上面３６ａで反射されるようになる。また、ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、入射光の一部は低反射領域である第３中心部３６ｇで反射され、他の一部は高反射領域である円環状の上面３６ａで反射され、残りの部分は低反射領域である円環状の第３周辺部３６ｈで反射されるようになる。そのため、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていくと、受光感度が除々に大きくなり、ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、受光感度が減少に転じる。受光感度が最大となるビームスポット半径は、グラフ中に破線で示した約６μｍである。ビームスポット半径をさらに大きくしていくと、受光感度はさらに減少していく。これは、ビームスポット半径が半導体層の上面３６ａの外径よりも大きくなることで光の一部が半導体層に入射しなくなり、入射光の強度が低下するためと考えられる。

本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、第３中心部３６ｇと第３周辺部３６ｈが設けられていることで、ビームスポット半径を０近くから除々に大きくしていった場合に、受光感度にピークが表れ、適切なビームスポット半径であることを認識することができる。そのため、本実施形態に係る裏面入射型受光素子１０によれば、光吸収層３４におけるビームスポット半径が適切な大きさであるか否かを容易に判定することができる。

第２の実施形態、第２の実施形態の第１の変形例及び第２の変形例に示すように、コンタクト部の中心部及び周辺部の寸法を適宜変更することで、受光感度がピークを示すビームスポット半径を変化させることができる。裏面入射型受光素子１０の設計者は、所望のビームスポット半径において受光感度がピークを示すように、コンタクト部の中心部及び周辺部の形状及び面積を設計してよい。また、第１の実施形態及び第２の実施形態に示すように、コンタクト部の形状を適宜変更することで、受光感度がピークを示すビームスポット半径を変化させることができる。裏面入射型受光素子１０の設計者は、所望のビームスポット半径において受光感度がピークを示すように、コンタクト部の形状を設計してよい。

１０裏面入射型受光素子、１１集光レンズ、１２コリメートレンズ、１３光ファイバ、２０パッケージ、３０低反射膜、３１半導体基板、３１ａレンズ、３２ｎ型コンタクト層、３２ａｎ型電極コンタクト部、３３ｎ型バッファ層、３４光吸収層、３５ｐ型バッファ層、３６ｐ型コンタクト層、３６ａ上面、３６ｂ第１コンタクト部、３６ｃ第２コンタクト部、３６ｄ第３コンタクト部、３６ｅ第４コンタクト部、３６ｆ第５コンタクト部、３６ｇ第６コンタクト部、３６ｈ第７コンタクト部、３７パッシベーション膜、３８ｐ型電極、３９ｎ型電極、５０上面、５１コンタクト部、１００ＲＯＳＡ。

Claims

第１の面から光が入射する半導体基板と、
前記第１の面と対向する第２の面に積層され、前記光を吸収する光吸収層を含む半導体層と、
前記半導体層の上面の一部であるコンタクト部を露出させるように前記半導体層上に形成されたパッシベーション膜と、
前記コンタクト部において前記半導体層と接触し、前記光の反射率が前記パッシベーション膜よりも低い電極と、を備え、
前記コンタクト部は、前記光の光軸上に位置する中心部を少なくとも含み、
前記中心部の面積は、前記光の設計上のビームスポットの断面積よりも小さく、
前記コンタクト部は、前記中心部と離間して前記中心部を囲む周辺部を含む、
裏面入射型受光素子。
請求項１に記載の裏面入射型受光素子であって、
前記半導体層の上面の面積は、前記光の設計上のビームスポットの断面積よりも大きい、
裏面入射型受光素子。
請求項１に記載の裏面入射型受光素子であって、
前記中心部の面積は、前記半導体層の上面の面積の３６％以下である、
裏面入射型受光素子。
請求項１に記載の裏面入射型受光素子であって、
前記中心部の面積は、前記半導体層の上面の面積の１％以上である、
裏面入射型受光素子。
請求項１乃至４に記載の裏面入射型受光素子と、
前記裏面入射型受光素子の前記第１の面側に配置された集光レンズと、
前記裏面入射型受光素子及び前記集光レンズを内包するパッケージと、
を備えたことを特徴する光受信モジュール。