JP6781497B1 - 端面入射型半導体受光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体基板が入射する光に対して不透明な場合でも利用できる端面入射型半導体受光素子を提供すること。【解決手段】半導体基板（１０）の主面に対して平行に入射する光を反射させて主面側の受光部（１１）に入射させる端面入射型半導体受光素子（１Ａ）において、半導体基板（１０）の光の入射側端部から光の入射方向に沿って受光部（１１）を露出させるように形成された導光部（１８）と、導光部（１８）に入射する光を受光部（１１）に導くために、導光部（１８）の光の入射方向端部に、主面に対して所定の交差角を有する反射部（１９ａ）を有する。
Description
本発明は、平面実装式の受光素子モジュールに好適な端面入射型半導体受光素子に関する。
光通信の分野では、通信量の急激な増加に対応するため、伝送速度を高速化する開発が行われている。光通信は、送信側から光ファイバケーブル等を介して光信号を送信し、受信側では受光モジュールの半導体受光素子が受信した光信号を電気信号に変換している。受光モジュールは、光ファイバケーブルと半導体受光素子との位置合わせが正確且つ容易であることが好ましく、正確且つ容易な位置合わせを実現可能な平面実装式の受光モジュールが有用である。平面実装式の受光モジュールは、光ファイバケーブルからの入射光が半導体受光素子のマウント基板に平行になるように構成されている。
平面実装式の受光モジュールに適した半導体受光素子として、例えば特許文献１のように、半導体基板の表面側に光信号を電気信号に変換する受光部を有し、半導体基板の端面から入射した入射光を反射又は屈折させて受光部に入射させる端面入射型半導体受光素子が知られている。端面入射型半導体受光素子は、半導体基板の主面側を光ファイバケーブルに向けて固定するためのサブマウント基板を用いることなくマウント基板に固定できるので、平面実装式の受光モジュールの製造が容易且つ製造コストを低減可能であり有用である。
ところで、光通信の光信号には、半導体受光素子の半導体基板に吸収されない概ね１０００ｎｍ以上の波長の赤外光だけでなく、半導体基板に吸収される１０００ｎｍ未満の波長の光も使用される。言い換えると、半導体基板は、概ね１０００ｎｍ以上の長い波長の光に対しては透明であるが、１０００ｎｍ未満の短い波長の光に対して不透明であり、この短い波長の光を半導体受光素子が受信する場合がある。
しかし、特許文献１のような端面入射型半導体受光素子は、半導体基板中を光が進行するように構成されている。それ故、半導体基板に吸収される波長の光を使用する場合には、不透明な半導体基板によって光が減衰して受光部に到達しないので、端面入射型半導体受光素子を利用することができない。
本発明の目的は、半導体基板が入射する光に対して不透明な場合でも利用できる端面入射型半導体受光素子を提供することである。
請求項１の発明の端面入射型半導体受光素子は、半導体基板の主面側に受光部を有し、前記主面に対して平行に入射する光を反射させて前記受光部に入射させる端面入射型半導体受光素子において、前記半導体基板は、入射する光を吸収するＩＶ族半導体基板であり、
前記半導体基板の光の入射側端部から光の入射方向に沿って、前記受光部を露出させるように形成された導光部と、前記導光部の光の入射方向端部に、前記主面に対して所定の交差角を有するように形成れた反射部と、前記半導体基板の前記主面に対向する裏面側に、前記導光部に臨むマウント基板反射部を備えたマウント基板とを有し、前記反射部が入射した光を前記マウント基板反射部に向けて反射させ、前記マウント基板反射部が前記反射部で反射された光を前記受光部に向けて反射させるように構成したことを特徴としている。
前記半導体基板の光の入射側端部から光の入射方向に沿って、前記受光部を露出させるように形成された導光部と、前記導光部の光の入射方向端部に、前記主面に対して所定の交差角を有するように形成れた反射部と、前記半導体基板の前記主面に対向する裏面側に、前記導光部に臨むマウント基板反射部を備えたマウント基板とを有し、前記反射部が入射した光を前記マウント基板反射部に向けて反射させ、前記マウント基板反射部が前記反射部で反射された光を前記受光部に向けて反射させるように構成したことを特徴としている。
上記構成によれば、ＩＶ族半導体基板に吸収される波長の光に対して、反射部とマウント基板反射部で反射させて受光部に入射させるまで、導光部によって光の吸収を防ぐことができる。従って、半導体基板に吸収される波長の光に対しても端面入射型半導体受光素子を利用することができる。
請求項２の発明の端面入射型半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記反射部は、前記半導体基板の（１１１）面に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、反射部の傾斜角度が自動的に定まり、高い反射率を備えた平滑な反射部を形成できるので、受光感度を向上させることができる。
上記構成によれば、反射部の傾斜角度が自動的に定まり、高い反射率を備えた平滑な反射部を形成できるので、受光感度を向上させることができる。
請求項３の発明の端面入射型半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記受光部は、前記導光部に臨む側に反射防止膜を有することを特徴としている。
上記構成によれば、光が導光部から受光部に入射する際の反射を反射防止膜によって低減して、入射した光の大部分を受光部に到達させることができ、受光感度を向上させることができる。
上記構成によれば、光が導光部から受光部に入射する際の反射を反射防止膜によって低減して、入射した光の大部分を受光部に到達させることができ、受光感度を向上させることができる。
本発明の端面入射型半導体受光素子によれば、半導体基板が入射する光に対して不透明な場合でも利用できる。
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
図１，図２は、半導体基板１０としてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板であるＧａＡｓ基板を用いた端面入射型半導体受光素子１Ａを示している。端面入射型半導体受光素子１Ａは、半導体基板１０の（１００）面を主面１０ａとして、主面１０ａ側に光信号を電気信号に変換する受光部１１を有する。
また、端面入射型半導体受光素子１Ａは、主面１０ａ側の表面１０ｂに受光部１１で変換された電気信号を外部に取り出すための１対の電極１２，１３を有する。半導体基板１０は、主面１０ａに対向する裏面１０ｃ側がマウント基板１４に固定されている。
受光部１１は、半導体基板１０の主面１０ａにｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５、ｉ−ＧａＡｓ層１６、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層１７を順に形成し、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層１７の一部にｐ型拡散領域１７ａを形成して構成されたフォトダイオードである。また、受光部１１のｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５、ｐ型拡散領域１７ａに電気的に接続する電極１２，１３が夫々形成されている。
端面入射型半導体受光素子１Ａには、表面１０ｂと裏面１０ｃ以外の４つの端面のうちの１つの端面１０ｄ側の光ファイバケーブルから出射された光が、主面１０ａに対して平行に入射する。この出射点をＰとする。この出射点Ｐに臨む半導体基板１０の端面１０ｄ（入射側端部）から光の入射方向に沿って、半導体基板１０ａの一部が除去された導光部１８が形成されている。
導光部１８の光の入射方向端部には、主面１０ａに対して所定の交差角θ１を有する反射部１９ａが形成されている。反射部１９ａは、導光部１８の形成によって露出した半導体基板１０の（１１１）面１９に、例えば主としてＡｕ膜を含む金属膜を反射面とした反射膜によって形成されている。露出した半導体基板１０の（１１１）面１９は、Ｖ族元素のＡｓによって構成された平滑面であり、主面１０ａに対して所定の交差角θ１＝１２５．３°の鈍角に連なる。それ故、反射部１９ａは、平滑な反射面により高い反射率を有する共に、主面１０ａに対して所定の交差角θ１を有する。
受光部１１のｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５は、導光部１８の形成によって導光部１８に露出する。反射部１９ａは、露出した受光部１１のｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５に向けて、入射した光を反射させるように構成されている。そして、受光部１１のｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５に向けて反射された光の大部分が受光部１１に到達するように、導光部１８に臨むｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５に入射する際の反射を防ぐための反射防止膜２０が、露出したｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５を覆うように形成されている。反射防止膜２０は、例えばＳｉＮ膜であり、入射する光の波長の１／４の厚さ（例えば８５０ｎｍの波長の光に対して２１０ｎｍ程度の厚さ）を有する。尚、反射防止膜２０を省略することもできる。
出射点Ｐから主面１０ａに対して平行に出射された光は、矢印付きの折れ線で示すように広がりながら導光部１８を通って反射部１９ａに到達し、反射部１９ａによって受光部１１向けて反射されて受光部１１に到達する。端面入射型半導体受光素子１Ａの受光部１１までの光路には、光を吸収する半導体基板１０がないので、半導体基板１０に吸収される波長の光に対しても端面入射型半導体受光素子１Ａを利用することができる。
次に、導光部１８の形成方法について、図３，図４に基づいて説明する。
主面１０ａ側に受光部１１及び電極１２，１３が形成され、適切な厚さ（例えば１５０μｍ）に加工された半導体基板１０の表面１０ｂに、保護層２１として例えばフォトレジスト層を形成する（保護層形成工程）。この半導体基板１０には、直線Ｌ１に対して対称に２つの受光部１１が形成されている。
主面１０ａ側に受光部１１及び電極１２，１３が形成され、適切な厚さ（例えば１５０μｍ）に加工された半導体基板１０の表面１０ｂに、保護層２１として例えばフォトレジスト層を形成する（保護層形成工程）。この半導体基板１０には、直線Ｌ１に対して対称に２つの受光部１１が形成されている。
また、半導体基板１０の裏面１０ｃに、エッチングマスクとして誘電体層２２（例えばＳｉＯ２層、ＳｉＮ層）を形成し、半導体基板１０の裏面１０ｃの所定の領域（２つの受光部１１の間に対応する領域）を露出させる矩形状の開口部２２ａを形成する（エッチングマスク形成工程）。ここで、２つの受光部１１の並ぶ方向を適切に選択することによって、開口部２２ａから半導体基板１０をエッチングして半導体基板１０の（１１１）面を受光部１１に臨むように形成することができる。
エッチング液として例えば臭化水素とメタノールの混合液を用いる異方性エッチングによって、線Ｌ２で示すように開口部２２ａから半導体基板１０の一部を除去する。これにより受光部１１のｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５と半導体基板１０の（１１１）面１９を露出させ、導光部１８となる空間を形成する（基板エッチング工程）。エッチングの深さはエッチング時間によって制御できる。
導光部１８に臨む半導体基板１０の（１１１）面１９に反射部１９ａを形成し（反射部形成工程）、導光部１８に露出させたｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５に反射防止膜２０を形成する（反射防止膜形成工程）。例えば、導光部１８に露出させたｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５に保護層を形成した状態で、半導体基板１０の（１１１）面１９に誘電体膜（ＳｉＯ２膜）、金属反射膜（Ａｕ膜）の順に成膜して反射部１９ａを形成する。そして保護層を除去後、導光部１８に露出させたｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５に反射防止膜２０（ＳｉＮ膜）を形成する。
最後に、裏面１０ｃの誘電体層２２及び表面１０ｂの保護層２１を夫々除去した半導体基板１０を直線Ｌ１に沿って分割し（ダイシング工程）、マウント基板１４に夫々固定する（マウント工程）ことにより、図１，図２の端面入射型半導体受光素子１Ａが得られる。尚、マウント基板１４には、半導体基板１０の裏面１０ｃ側を固定しているが、表面１０ｂ側を固定することもできる。また、反射部形成工程と反射防止膜形成工程は、ダイシング工程とマウント工程の間であってもよい。
端面入射型半導体受光素子１Ａに対して出射点Ｐの位置に図示外の光ファイバケーブルの出射端が固定される。このとき光ファイバケーブルの位置ずれを防止するために、光ファイバケーブルから反射部１９ａまで、入射光に対して透明な合成樹脂を導光部１８に充填するようして固定してもよい。尚、図５に示すように、半導体基板１０の入射側端部全体に導光部１８を形成してもよく、図示を省略するが受光部１１を入射方向に沿って片側から支持するように半導体基板１０の入射側端部の一部を除去して導光部１８を形成してもよい。
図６，図７は、半導体基板３０としてＩＶ族半導体基板であるｎ−Ｓｉ基板を用いた端面入射型半導体受光素子１Ｂを示している。端面入射型半導体受光素子１Ｂは、半導体基板３０の（１００）面を主面３０ａとして、主面３０ａ側に光信号を電気信号に変換する受光部３１を有する。
半導体基板３０の表面３０ｂ（主面３０ａ）には、受光部３１で変換された電気信号を外部に取り出すための１対の電極３２，３３を備えている。半導体基板３０は、主面３０ａに対向する裏面３０ｃ側がマウント基板３４に固定されている。マウント基板３４は例えばセラミック基板であり、半導体基板３０が固定される表面に鏡面加工されたマウント基板反射部３４ａを有する。マウント基板反射部３４ａは、例えば主としてＡｕ膜を含む金属膜を反射面とした反射膜によって形成されている。
受光部３１は、半導体基板３０の表面３０ｂ側に、表面３０ｂから所定の深さ範囲に例えばＰ（リン）等をドープしたｎ＋拡散層３５が形成されている。また、ｎ＋拡散層３５よりも表面３０ｂ側のｎ−Ｓｉ層３６の一部領域に、例えばＢ（ホウ素）等をドープしたｐ型拡散領域３６ａが形成されている。受光部３１は、これらｎ＋拡散層３５とｎ−Ｓｉ層３６とｐ型拡散領域３６ａによって構成されたフォトダイオードである。また、受光部３１のｎ＋拡散層３５、ｐ型拡散領域３６ａに電気的に接続する電極３２，３３が夫々形成されている。
端面入射型半導体受光素子１Ｂには、表面３０ｂと裏面３０ｃ以外の４つの端面のうちの１つの端面３０ｄ側の光ファイバケーブルから出射された光が、主面３０ａに対して平行に入射する。この出射点をＰとして、出射点Ｐに臨む半導体基板３０の端面３０ｄ（入射側端部）から光の入射方向に沿って、半導体基板３０の一部が除去された導光部３８が形成されている。
導光部３８の光の入射方向端部には、主面３０ａに対して所定の交差角θ２を有する反射部３９ａが形成されている。反射部３９ａは、導光部３８の形成により露出した半導体基板３０の（１１１）面３９に、例えば主としてＡｕ膜を含む金属膜を反射面とした反射膜によって形成されている。露出した半導体基板３０の（１１１）面３９は平滑面であり、主面３０ａに対して所定の交差角θ２＝５４．７°で交差し、裏面３０ｃに１２５．３°の鈍角に連なる。それ故、反射部３９ａは、平滑な反射面により高い反射率を有する共に、主面３０ａに対して所定の交差角θ２を有する。
受光部３１のｎ＋拡散層３５は、導光部３８の形成によって導光部３８に露出する。反射部３９ａは、露出した受光部３１とは反対側のマウント基板反射部３４ａに向けて、入射した光を反射させるように構成されている。そして、受光部３１のｎ＋拡散層３５に向けて反射された光の大部分が受光部３１に到達するように、導光部３８に臨むｎ＋拡散層３５に入射する際の反射を防ぐための反射防止膜４０が、露出したｎ＋拡散層３５を覆うように形成されている。反射防止膜４０は、例えばＳｉＮ膜であり、入射する光の波長の１／４程度の厚さ（例えば８５０ｎｍの波長の光に対して２１０ｎｍ程度の厚さ）を有する。
出射点Ｐから主面３０ａに対して平行に出射された光は、矢印付きの折れ線で示すように広がりながら導光部３８を通って反射部３９ａに到達し、反射部３９ａによって受光部３１と反対側のマウント基板反射部３４ａに向けて反射される。そして、反射部３９ａで反射された光は、マウント基板反射部３４ａによって受光部３１向けて反射され、受光部３１に到達するように構成されている。端面入射型半導体受光素子１Ｂの受光部３１に到達する光路には、光を吸収する半導体基板３０がないので、半導体基板３０に吸収される波長の光に対しても端面入射型半導体受光素子１Ｂを利用することができる。
次に、導光部３８の形成方法について、図８，図９に基づいて説明する。
主面３０ａ側に受光部３１及び電極３２，３３が形成され、適切な厚さ（例えば１５０μｍ）に加工された半導体基板３０の表面３０ｂに、保護層４１として例えばフォトレジスト層を形成する（保護層形成工程）。この半導体基板３０には、直線Ｌ３に対して対称に２つの受光部３１が形成されている。
主面３０ａ側に受光部３１及び電極３２，３３が形成され、適切な厚さ（例えば１５０μｍ）に加工された半導体基板３０の表面３０ｂに、保護層４１として例えばフォトレジスト層を形成する（保護層形成工程）。この半導体基板３０には、直線Ｌ３に対して対称に２つの受光部３１が形成されている。
また、半導体基板３０の裏面３０ｃに、エッチングマスクとして誘電体層４２（例えばＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜）を形成し、半導体基板３０の裏面３０ｃの所定の領域（２つの受光部３１及びこれらの間に対応する領域）を露出させる矩形状の開口部４２ａを形成する（エッチングマスク形成工程）。ここで、２つの受光部３１の並ぶ方向を適切に選択することによって、開口部４２ａから半導体基板１０をエッチングして半導体基板３０の（１１１）面を受光部３１と反対側に臨むように形成することができる。
エッチング液として例えばＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングによって、線Ｌ４で示すように開口部４２ａから半導体基板３０の一部を除去する。これにより受光部３１のｎ＋拡散層３５と半導体基板３０の（１１１）面３９を露出させ、導光部３８となる空間を形成する（基板エッチング工程）。エッチングの深さはエッチング時間によって制御できる。
導光部３８に臨む半導体基板３０の（１１１）面３９に反射部３９ａを形成し（反射部形成工程）、導光部３８に露出させたｎ＋拡散層３５に反射防止膜４０を形成する（反射防止膜形成工程）。例えば、導光部３８に露出させたｎ＋拡散層３５に保護層を形成した状態で、半導体基板３０の（１１１）面３９に誘電体膜（ＳｉＯ２膜）、金属反射膜（Ａｕ膜）の順に成膜して反射部３９ａを形成する。そして保護層を除去後、導光部３８に露出させたｎ＋拡散層３５に反射防止膜４０（ＳｉＮ膜）を形成する。尚、反射防止膜４０を省略することもできる。
最後に、裏面３０ｃの誘電体層４２及び表面３０ｂの保護層４１を夫々除去した半導体基板３０を直線Ｌ３に沿って分割し（ダイシング工程）、マウント基板３４に夫々固定する（マウント工程）ことにより、図６，図７の端面入射型半導体受光素子１Ｂが得られる。尚、反射部形成工程と反射防止膜形成工程は、ダイシング工程とマウント工程の間であってもよい。
端面入射型半導体受光素子１Ｂに対して出射点Ｐの位置に図示外の光ファイバケーブルの出射端が固定される。このとき光ファイバケーブルの位置ずれを防止するために、光ファイバケーブルから反射部３９ａまで、入射光に対して透明な合成樹脂を導光部３８に充填するようして固定してもよい。尚、図１０に示すように、半導体基板３０の入射側端部全体に導光部３８を形成してもよく、図示を省略するが受光部３１を入射方向に沿って片側から支持するように半導体基板３０の入射側端部の一部を除去して導光部３８を形成してもよい。
上記端面入射型半導体受光素子１Ｂの作用、効果について説明する。
端面入射型半導体受光素子１Ｂの入射した光が通る導光部３８は、受光部３１が露出しており半導体基板３０がないので光が吸収されず減衰しない。そして、導光部３８の光の入射方向端部には、受光部３８に光を導くために主面３０ａに対して所定の交差角θ２を有する反射部３９ａを有する。従って、入射した光の大部分を反射部３９ａで反射させることができるので、光の減衰を抑えて受光部３１に光を導くことができ、吸収される波長の光に対しても端面入射型半導体受光素子１Ｂを利用することができる。
端面入射型半導体受光素子１Ｂの入射した光が通る導光部３８は、受光部３１が露出しており半導体基板３０がないので光が吸収されず減衰しない。そして、導光部３８の光の入射方向端部には、受光部３８に光を導くために主面３０ａに対して所定の交差角θ２を有する反射部３９ａを有する。従って、入射した光の大部分を反射部３９ａで反射させることができるので、光の減衰を抑えて受光部３１に光を導くことができ、吸収される波長の光に対しても端面入射型半導体受光素子１Ｂを利用することができる。
端面入射型半導体受光素子１Ｂは、ＩＶ族半導体基板に吸収される波長の光に対して、反射部３９ａとマウント基板反射部３４ａで反射させて受光部３１に入射させるまで、導光部３８によって光の吸収を防ぐことができる。従って、半導体基板３０吸収される波長の光に対しても端面入射型半導体受光素子１Ｂを利用することができる。
反射部３９ａは、前記半導体基板３０の（１１１）面３９に形成されたので、主面３０ａに対する反射部の３９ａの傾斜角度が自動的に定まると共に、高い反射率を備えた平滑な反射部３９ａを形成できる。従って、傾斜角度ずれによる光の入射位置ずれが低減され、反射率が高い反射部３９ａを形成できるので、受光感度を向上させることができる。
受光部３１は、導光部３８に臨む側に反射防止膜４０を有するので、光が導光部３８を進んで受光部３１に入射する際の反射を反射防止膜４０によって低減することができる。従って、入射した光の大部分を受光部３１に到達させることができ、受光感度を向上させることができる。
その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
１Ｂ ：端面入射型半導体受光素子
３０ ：半導体基板
３０ａ ：主面
３０ｂ ：表面
３０ｃ ：裏面
３０ｄ ：端面
３１ ：受光部
３２，３３：電極
３４ ：マウント基板
３８ ：導光部
３９ ：（１１１）面
３９ａ ：反射部
４０ ：反射防止膜
４１ ：保護層
４２ ：誘電体層
４２ａ ：開口部
３４ａ ：マウント基板反射部
３５ ：ｎ＋拡散層
３６ ：ｎ−層
３６ａ ：ｐ型拡散領域
３０ ：半導体基板
３０ａ ：主面
３０ｂ ：表面
３０ｃ ：裏面
３０ｄ ：端面
３１ ：受光部
３２，３３：電極
３４ ：マウント基板
３８ ：導光部
３９ ：（１１１）面
３９ａ ：反射部
４０ ：反射防止膜
４１ ：保護層
４２ ：誘電体層
４２ａ ：開口部
３４ａ ：マウント基板反射部
３５ ：ｎ＋拡散層
３６ ：ｎ−層
３６ａ ：ｐ型拡散領域
Claims (3)
- 半導体基板の主面側に受光部を有し、前記主面に対して平行に入射する光を反射させて前記受光部に入射させる端面入射型半導体受光素子において、
前記半導体基板は、入射する光を吸収するＩＶ族半導体基板であり、
前記半導体基板の光の入射側端部から光の入射方向に沿って、前記受光部を露出させるように形成された導光部と、
前記導光部の光の入射方向端部に、前記主面に対して所定の交差角を有するように形成れた反射部と、
前記半導体基板の前記主面に対向する裏面側に、前記導光部に臨むマウント基板反射部を備えたマウント基板とを有し、
前記反射部が入射した光を前記マウント基板反射部に向けて反射させ、前記マウント基板反射部が前記反射部で反射された光を前記受光部に向けて反射させるように構成した
ことを特徴とする端面入射型半導体受光素子。 - 前記反射部は、前記半導体基板の（１１１）面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の端面入射型半導体受光素子。
- 前記受光部は、前記導光部に臨む側に反射防止膜を有することを特徴とする請求項１に記載の端面入射型半導体受光素子。
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