JP6941403B1 - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高速化に伴う受光感度の低下を軽減することができる半導体受光素子を提供すること。【解決手段】半導体基板(2)の第１面(2a)に第１半導体層(5)と光吸収層(6)と第２半導体層(7)をこの順に積層させて形成された受光部(3)を有し、半導体基板(2)の第１面(2a)に対向する第２面(2b)側に受光部(3)の中心線(CL)と同心に形成された集光レンズ(4)を有する半導体受光素子(1A〜1C)において、第２半導体層(7)の表面(7a)に、光吸収層(6)に対して傾斜した平面状の第１反射部(8)を備え、集光レンズ(4)に入射して第１反射部(8)で反射された光が半導体基板(2)の第２面(2b)側に到達する投光領域に第２反射部(17,27,37)を備え、集光レンズ(4)から受光部(3)に入射して光吸収層(6)を透過した光が、第１反射部(8)によって反射されて光吸収層(6)を再度透過し、この光吸収層(6)を再度透過した光が、第２反射部(17,27,37)によって反射されて受光部(3)に再入射するように構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、光通信に用いられる半導体受光素子に関し、特に素子容量を小さくし、且つドリフト時間を短縮することにより高速動作可能な半導体受光素子に関する。

従来から、光通信分野では、光ファイバケーブルを介して通信される情報量の増加に対応するために、伝送速度を高速化する技術の開発が進められている。伝送速度を高速化するために、受光した光信号を電気信号（光電流）に変換する受光素子を高速動作させることが要求されている。

受光素子としては、面入射型の半導体受光素子が広く利用されている。面入射型の半導体受光素子は、半導体基板の第１面側に光吸収層を有する受光部を備え、第１面側又は第１面に対向する第２面側に配置された光ファイバケーブルから出射された光が、受光部に光吸収層の厚さ方向に入射される。この半導体受光素子を高速動作させるために、素子容量及び素子抵抗の低減と、受光部の光吸収層で生成した電荷（キャリア）のドリフト時間の短縮が要求されている。

素子容量の低減には、受光部の面積を小さくすることが必要である。例えば４０ＧＨｚ程度の周波数帯域で使用される面入射型半導体受光素子では、要求される受光部の直径は１０μｍ程度になる。しかし、受光部が小型化されると受光量が減少するので、受光感度が低下する。

一方、ドリフト時間の短縮には、受光部の光吸収層の厚さを薄くすることが必要である。例えば４０ＧＨｚ程度の周波数帯域で使用される半導体受光素子では、光吸収層の厚さを１μｍ以下にすることが要求される。光吸収層が薄いので、光をキャリアに変換する量子効率が低下し、受光感度が低下する。その上、光吸収層を薄くすると素子容量が大きくなる。

上記のように、高速化しながら受光感度の低下を軽減することは容易ではない。そこで、例えば特許文献１のように、高速化のために受光部の面積を小さくしたときに受光感度の低下を軽減するために、半導体基板に一体的に形成された集光レンズを有する半導体受光素子が知られている。光が広がるため受光部に到達できない光も集光レンズで集光して受光部に入射させるので、面積が小さい受光部でも受光感度の低下が軽減される。

また、高速化のために光吸収層を薄くしたときの受光感度の低下も軽減するために、特許文献２のように、集光レンズで集光して受光部に入射させ、光吸収層を透過した光を反射させて光吸収層を再度透過させ、この光を集光レンズの中央部表面に形成された金属反射膜によって受光部に向けて反射させる半導体受光素子が知られている。光が光吸収層を複数回透過して量子効率が向上するので、受光感度の低下が軽減される。

特開平２−１０５５８５号公報 特開平６−７７５１８号公報

上記特許文献１では、光吸収層を薄くした場合に受光感度の低下を防ぐことができないので、受光感度の低下の軽減と高速化の両立が困難である。また、特許文献２のように、集光レンズの中央部表面に形成された金属反射膜は、入射光を集光レンズ全域に入射させる場合に光強度が強い光軸及びその近傍の光を遮ってしまうので、受光感度の向上が限定的になり、却って受光感度が低下する虞もある。

本発明の目的は、高速化に伴う受光感度の低下を軽減することができる半導体受光素子を提供することである。

請求項１の発明の半導体受光素子は、半導体基板の第１面に第１半導体層と光吸収層と第２半導体層をこの順に積層させて形成された受光部を有し、前記半導体基板の前記第１面に対向する第２面側に前記受光部の中心線と同心のレンズ中心線を備えた集光レンズを有する半導体受光素子において、前記第２半導体層の表面に、前記集光レンズに入射した光を反射する第１反射部であって前記光吸収層に対して傾斜した平面状の第１反射部を備え、前記集光レンズに入射して前記第１反射部で反射された光が前記半導体基板の前記第２面側に到達する投光領域に第２反射部を備え、前記集光レンズから前記受光部に入射して前記光吸収層を透過した光が、前記第１反射部によって反射されて前記光吸収層を再度透過し、前記光吸収層を再度透過した光が、前記第２反射部によって反射されて前記受光部に再入射す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、窓部から受光部に入射して光吸収層を透過した光は、第１反射部で反射されて光吸収層を再度透過する。そして、光吸収層を再度透過した光が、第２反射部で反射されて受光部に再入射する。従って、窓部から入射した光は受光部の光吸収層を２回透過した後、第２反射部によって反射されて光吸収層を再び透過することができる。それ故、量子効率が向上するので、高速化のために光吸収層を薄くした半導体受光素子の受光感度の低下を軽減することができる。

請求項２の発明の半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記集光レンズは、前記中心線の近傍に光が入射する窓部を有し、前記第２反射部は、前記集光レンズにおける前記窓部の外側部分に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、集光レンズにおける窓部の外側部分に第２反射部が形成されているので、窓部に入射する光が第２反射部に遮られずに受光部に入射する。そして、受光部に入射した光は、第１反射部によって反射されて光吸収層を複数回透過するので、量子効率が向上し、受光感度の低下を軽減することができる。

請求項３の発明の半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記第２反射部は、前記集光レンズの外側に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、集光レンズの外側に第２反射部が形成されているので、集光レンズに入射する光が第２反射部に遮られない。それ故、集光レンズから入射した光を第１反射部によって反射して光吸収層を複数回透過させることにより量子効率が向上するので、受光感度の低下を軽減することができる。

請求項４の発明の半導体受光素子は、請求項１の発明において、前記第２反射部は、平面状に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、第２反射部が平面状なので、第１反射部で反射された光をその第１反射部の反射点の近傍に戻るように反射させる第２反射部を容易に形成することができる。そして、光吸収層を透過した光を第２反射部で反射させて光吸収層に再入射させることができるので、高速化のために光吸収層を薄くした場合に受光感度の低下を軽減することができる。

請求項５の発明の半導体受光素子は、請求項２の発明において、前記第１反射部で反射された光が前記第２反射部に入射する入射点において、入射する光線と前記第２反射部の法線が重なる又は接近するように前記第２反射部の曲率半径が設定されたことを特徴としている。
上記構成によれば、第１反射部で反射した光を第２反射部で反射させたときに、この第２反射部で反射した光を元の第１反射部の反射点に一致又は接近させて入射させることができる。従って、光吸収層を透過した光を第２反射部で反射させて光吸収層に再入射させることができ、高速化のために光吸収層を薄くした場合に受光感度の低下を軽減することができる。

本発明の半導体受光素子によれば、高速化に伴う受光感度の低下を軽減することができる。

本発明の実施例１に係る半導体受光素子を集光レンズ側から見た平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に対応する入射光の入射経路を示す断面図である。 図２の集光レンズと第１反射部と第２反射部の関係の説明図である。 第２反射部に入射する光線に直交する直線と第２反射部の接線の関係の説明図である。 本発明の実施例２に係る半導体受光素子を示す図２に相当する図である。 図５の集光レンズと第１反射部と第２反射部の関係の説明図である。 本発明の実施例３に係る半導体受光素子を集光レンズ側から見た平面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に対応する入射光の入射経路を示す断面図である。 図８の集光レンズと第１反射部と第２反射部の関係の説明図である。

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に示すように、半導体受光素子１Ａは、半導体基板２として例えばｎ−ＩｎＰ基板の第１面２ａ側に受光部３を有する。第１面２ａに対向する第２面２ｂ側には、受光部３の中心線ＣＬと同心のレンズ中心線を備えた集光レンズ４を有する。半導体基板２の第１面２ａに、第１半導体層５としてｎ−ＩｎＰ層、光吸収層６としてＩｎＧａＡｓ層、第２半導体層７としてｐ−ＩｎＰ層がこの順に積層されている。半導体基板２、第１半導体層５、第２半導体層７は、光通信に使用される赤外光に対して透明である。

受光部３は、例えばエッチングによって第２半導体層７、光吸収層６、第１半導体層５を１つの円柱状又は円錐台状に形成し、この第２半導体層７の表面７ａ（光吸収層６と反対側の面）を光吸収層６に対して傾斜した平面状に形成したフォトダイオードである。第２半導体層７、光吸収層６、第１半導体層５を１つの正多角柱状又は正多角錐状に形成した後、第２半導体層７の表面７ａを光吸収層６に対して傾斜した平面状に形成して受光部３を形成することもできる。

第２半導体層７の表面７ａは、外縁部分を除いて誘電体膜８ａ（例えばＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜）によって覆われている。そして、第２半導体層７の表面７ａと誘電体膜８ａを覆うように、金属膜８ｂ（例えばＴｉ膜とＡｕ膜の積層膜）が選択的に堆積されて、光吸収層６側が平面状の反射面になった第１反射部８であって前記集光レンズ４に入射した光を反射する第１反射部８が形成されている。

金属膜８ｂは、第２半導体層７の表面７ａの外縁部分に接続され、半導体受光素子１Ａの電極（アノード電極）になっている。表面７ａの外縁部分以外では、金属膜８ｂと第２半導体層７との間に誘電体膜８ａを備えているので、金属膜８ｂと第２半導体層７との界面における合金化による凹凸の発生が防止され、滑らかな反射面が形成されている。受光部３の側面は、保護膜（例えばＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜）によって覆われていてもよい。

受光部３から離隔した半導体基板２の第１面２ａ側の所定の領域には、例えばエッチングによって露出させた第１半導体層５に接続する電極１１（カソード電極）が形成されている。電極１１は半導体基板２の第２面２ｂにおける集光レンズ４から離隔した部位に形成されていてもよい。図示を省略するが、半導体受光素子１Ａは第１面２ａ側が実装基板に固定され、且つアノード電極とカソード電極が実装基板上の対応する配線に夫々接続され、受光部３で変換された光電流が半導体受光素子１Ａの外部に取り出される。

集光レンズ４は、第２面２ｂ側から第１面２ａ側に向かって半導体基板２をエッチングすることによって、受光部３の中心線ＣＬと同心に形成された凸レンズである。この集光レンズ４の表面を含む半導体基板２の第２面２ｂには、入射光の反射防止用の反射防止膜１２（例えばＳｉＮ膜）が形成されている。

集光レンズ４の中心線ＣＬの近傍には、光が入射する窓部１４を有する。この窓部１４は、曲率半径ｒ１の部分球面状に形成されている。窓部１４の曲率半径ｒ１は、例えばｒ１＝９０μｍである。

窓部１４の外側部分１５の曲率半径ｒ２は、窓部１４の曲率半径ｒ１よりも大きく、且つ窓部１４から離れるにつれて徐々に大きくなるように設定されている。窓部１４に入射して第１反射部８で反射された光は、半導体基板２の第２面２ｂ側に形成された集光レンズ４の窓部１４の外側部分１５に到達する。この入射光が到達する領域を投光領域１５ａとする。

投光領域１５ａには金属膜１６（例えばＴｉ膜とＡｕ膜の積層膜）が選択的に堆積され、光吸収層６側が凹面状の第２反射部１７が形成されている。例えば光ファイバケーブルの出射端の位置ずれや光の発散角のばらつきによって、投光領域１５ａの位置や大きさがずれる場合も許容できるように、投光領域１５ａよりも広い領域が金属膜１６で覆われていてもよい。

光ファイバケーブルの出射端に相当する中心線ＣＬ上の点Ｉから出射された光は、例えば光線ＩＬ１，ＩＬ２で示すように発散角２θ（全角）を有して広がりながら空気中を進行し、集光レンズ４の窓部１４から半導体受光素子１Ａに入射する。半導体受光素子１Ａの受光部３に入射する光は、集光レンズ４によって集光されて光吸収層６を透過し、第１反射部８で反射されて光吸収層６を再度透過する。

第１反射部８で反射されて光吸収層６を再度透過した光は、反射光線ＲＬ１，ＲＬ２で示すように第２反射部１７によって半導体基板２の第１面２ａに向かって反射され、受光部３に再入射する。受光部３に再入射した光は光吸収層６を透過し、第１反射部８で反射されて光吸収層６をもう１回透過する。従って、窓部１４から入射した光が光吸収層６を４回透過するので、量子効率が向上する。それ故、高速化のために光吸収層６を薄くした場合に、光吸収層６の厚さを実質的に補って、受光感度の低下を軽減することができる。

図３は、集光レンズ４と第１反射部８と第２反射部１７の関係の説明図である。集光レンズ４における曲率半径ｒ１の部分球面状の窓部１４を円弧Ｒ１で表し、曲率半径ｒ１の円弧Ｒ１の中心を中心線ＣＬ上の点Ｏとする。また、中心線ＣＬに一致させた軸をｙ軸とし、点Ｏを通りｙ軸に直交する軸をｘ軸とし、点Ｏを原点とする。

平面状の第１反射部８の反射面を、原点Ｏに対して円弧Ｒ１と反対側の直線Ｆ１で表す。光吸収層６は、ｘ軸と平行であり、原点Ｏと直線Ｆ１の間に位置し、光吸収層６の中心をｙ軸が通る。また、第２反射部１７の反射面を曲線Ｒ２で表し、円弧Ｒ１を延長した円弧Ｒ１ａを二点鎖線で表している。

ｙ軸上で集光レンズ４から距離ｈだけ離隔した点Ｉ（０，ｒ１＋ｈ）から、光軸がｙ軸に一致するように光吸収層６に向けて光が出射され、光線ＩＬ１，ＩＬ２で示すように発散角２θ（全角）を有して集光レンズ４の窓部１４（円弧Ｒ１）に入射する。光線ＩＬ１の入射点を点Ｐ１（ｘ０，ｙ０）とし、光線ＩＬ２の入射点を点Ｐ２とする。直線ＯＰ１とｙ軸がなす角をαとし、直線ＯＰ１（点Ｐ１における窓部１４の法線）と線分ＩＰ１（光線ＩＬ１）がなす角をγとする。このとき点Ｐ１（ｘ０，ｙ０）とγとθは下記（１）〜（４）式のように表される。
（１）ｘ０＝ｒ１×ｓｉｎ（α）
（２）ｙ０＝ｒ１×ｃｏｓ（α）
（３）γ＝θ＋α
（４）θ＝ｓｉｎ^-1（ｘ０／（ｘ０²＋（ｒ１＋ｈ−ｙ０）²）^1/2）

点Ｐ１から半導体基板２内に屈折して入射した光は、光吸収層６を透過して直線Ｆ１上の点Ｑ１（ｘ１，ｙ１）に入射する。第１反射部８の中心Ｃ０をｙ軸上の点Ｃ０（０，−ｔ）とする。直線ＯＰ１と線分Ｐ１Ｑ１がなす角をβとし、点Ｑ１における第１反射部８の法線Ｎ１と線分Ｐ１Ｑ１がなす角をδとする。点Ｑ１において、ｙ軸に直交する直線Ｌ１と直線Ｆ１がなす角（光吸収層６に対する第１反射部８の傾き）をφとする。また、空気に対する半導体基板２の屈折率をｎとする。このとき、βとδは下記（５），（６）式のように表される。
（５）β＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎ（γ）／ｎ）
（６）δ＝φ＋α−β

直線Ｆ１上の点Ｑ１に入射した光は、半導体基板２の第２面２ｂに向けて反射され、第２反射部１７の反射面を表す曲線Ｒ２上の点Ｓ１に入射する。直線Ｌ１と線分Ｑ１Ｓ１がなす角をσとする。このときσは下記（７）式のように表される。
（７）σ＝π／２＋α−β＋２φ

第２反射部１７の曲率半径ｒ２は、窓部１４の曲率半径ｒ１よりも大きく、且つ窓部１４から離れるにつれて徐々に大きくなる。曲線Ｒ２上の点Ｓ１における第２反射部１７の曲率半径ｒ２の中心Ｃ１をｙ軸上の点Ｃ１とする。点Ｑ１で反射されて点Ｓ１に入射する光は、点Ｓ１で半導体基板２の第１面２ａに向けて反射される。

仮想的に曲率半径ｒ１の部分球面状のレンズに第２反射部１７に相当する仮想反射部を設けた場合、その仮想反射面が曲率半径ｒ１の円弧Ｒ１ａで表される。この場合、円弧Ｒ１ａが線分Ｑ１Ｓ１と交差する点Ｓ１ａ（ｘ２，ｙ２）に入射した光は、直線ＯＳ１ａ（点Ｓ１ａにおける法線）に対して対称に反射されるので、反射光線ＲＬ１ａで示すように光吸収層６に再入射させることができない。

ここで、点Ｓ１ａにおける入射光線を表す線分Ｑ１Ｓ１ａに直交する直線を直線Ｍとし、点Ｓ１ａにおける円弧Ｒ１ａの接線を接線Ｔ１とする。そして、図４に、直線ＯＰ１とｙ軸がなす角αに対して、ｘ軸に対する直線Ｍの傾斜角と点Ｓ１ａにおける接線Ｔ１ａの傾斜角を示す。αが大きい程、即ち点Ｐ１がｙ軸（中心線ＣＬ）から離れる程、直線Ｍの傾斜角及び点Ｓ１ａにおける接線Ｔ１ａの傾斜角が大きくなり、これらの角度の差も大きくなる。そして、角度の差が大きくなる程、図３に示すように反射光線ＲＬ１ａは点Ｓ１ａで入射方向から大きくずれた方向に反射されることになる。

直線Ｍの傾きをｍ１とし、接線Ｔ１ａの傾きをｍ１ａとすると、傾きｍ１、ｍ１ａは下記（８），（９）式のように表される。
（８）ｍ１＝−１／ｔａｎ（σ）
（９）ｍ１ａ＝−ｘ２／ｙ２

直線Ｆ１上の点Ｑ１（ｘ１，ｙ１）は下記（１０），（１１）式の関係を満たす。
（１０）ｙ１＋ｔ＝ｘ１×ｔａｎ（φ）
（１１）ｙ１−ｙ０＝（ｘ１−ｘ０）×ｔａｎ（π／２−α＋β）

円弧Ｒ１ａ上の点Ｓ１ａ（ｘ２，ｙ２）は下記（１２），（１３）式の関係を満たす。
（１２）ｘ２²＋ｙ２²＝ｒ１²
（１３）ｙ２−ｙ１＝（ｘ２−ｘ１）×ｔａｎ（σ）

以上の（１）〜（１３）式の関係から、点Ｐ１（ｘ０，ｙ０）とα、φ、ｈ、ｒ１、ｔを与えると、他の角β、γ、δ、θ、σが定まり、点Ｑ１（ｘ１，ｙ１）と点Ｓ１ａ（ｘ２，ｙ２）が定まる。そして、直線Ｃ１Ｓ１（点Ｓ１における第２反射部１７の法線）が点Ｓ１ａを通る線分Ｑ１Ｓ１に重なる又は接近するように、直線Ｑ１Ｓ１ａ上に第２反射部１７の曲率半径ｒ２（線分Ｃ１Ｓ１）を曲率半径ｒ１よりも大きく設定した点Ｓ１を定めることができる。曲線Ｒ２は、窓部１４に入射する光に対して上記のように定めた複数の点によって構成され、窓部１４に近い点から順に曲率半径ｒ２を徐々に大きして曲線Ｒ２を定め、外側部分１５が窓部１４から滑らかに連なるようにすることもできる。

点Ｓ１における第２反射部１７の接線Ｔ１の傾きを直線Ｍの傾きｍ１に近づけると、直線Ｃ１Ｓ１が線分Ｑ１Ｓ１に接近し、接線Ｔ１の傾きを直線Ｍの傾きｍ１に一致させた（接線Ｔ１を直線Ｍと平行にした）場合には、直線Ｃ１Ｓ１が線分Ｑ１Ｓ１に重なる。従って、点Ｓ１における第２反射部１７の接線Ｔ１の傾きを入射光に直交する直線Ｍの傾きｍ１に一致又は近づけて設定することによって、点Ｓ１における曲率半径ｒ２を設定することができる。そして、窓部１４に入射する光に対して上記のように曲率半径ｒ２を設定した複数の点によって曲線Ｒ２を定めることができる。

半導体受光素子１Ａの第２反射部１７は、中心線ＣＬを含む断面が上記のように定められた曲線Ｒ２で表される反射面を有する。これにより、点Ｓ１ａで反射光線ＲＬ１ａのように反射されるはずだった光を点Ｓ１で反射させて、反射光線ＲＬ１で示すように光吸収層６に再入射させることができる。直線Ｃ１Ｓ１を線分Ｑ１Ｓ１に重ねた場合には、反射光線ＲＬ１は元の反射点Ｑ１に入射するので、確実に光吸収層６に再入射させることができ、点Ｑ１で反射して光吸収層６にもう１回入射させることができる。

円弧Ｒ１上の点Ｐ２に入射して直線Ｆ１上の点Ｑ２で反射され、曲線Ｒ２上の点Ｓ２に入射する光（線分Ｑ２Ｓ２で表される光線）も、半導体基板２の第１面２ａに向けて反射される。上記と同様にして、円弧Ｒ１ａ上の点Ｓ２ａが定まり、直線Ｃ２Ｓ２（点Ｓ２における第２反射部１７の法線）が点Ｓ２ａを通る線分Ｑ２Ｓ２に重なる又は接近するように設定した点Ｓ２が曲線Ｒ２に含まれている。それ故、点Ｓ２ａで反射光線ＲＬ２ａのように反射されるはずだった光を点Ｓ２で反射させて、反射光線ＲＬ２で示すように光吸収層６に再入射させることができる。

上記のように第２反射部１７は、中心線ＣＬを含む断面が上記のように定められた曲線Ｒ２で表される反射面を有する。それ故、第２反射部１７は、中心線ＣＬから離れていても、窓部１４に入射して第１反射部８で反射された光を反射して、反射光線ＲＬ１，ＲＬ２のように光吸収層６に再入射させることができる。そして、光吸収層６に再入射した光が第１反射部８で反射されて光吸収層６にもう１回入射するので、光吸収層６の厚さが実質的に４倍になって量子効率が向上し、光吸収層６を薄くした場合でも受光感度の低下を軽減することができる。

上記実施例１の半導体受光素子１Ａを部分的に変更した半導体受光素子１Ｂについて説明する。実施例１と同等部分には実施例１と同じ符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、導体受光素子１Ｂは、集光レンズ４の窓部１４の外側部分１５の投光領域１５ａを含む領域が、例えばエッチング又は研磨によって平面状の傾斜面２５に形成されている。この傾斜面２５に反射防止膜１２と金属膜１６が形成され、平面状の反射面を有する第２反射部２７が形成されている。点Ｉから発散角２θで入射する光線ＩＬ１，ＩＬ２は、光吸収層６を透過して第１反射部８で反射され、光吸収層６を再度透過して第２反射部２７に入射する。そして第２反射部２７で反射された光ＲＬ３，ＲＬ４が受光部３に入射して光吸収層６を再び透過する。

図６に示すように、平面状の第２反射部２７の反射面を直線Ｆ２で表し、光線ＩＬ１が点Ｑ１で反射され、直線Ｆ２上の点Ｓ３に入射する。点Ｓ３に入射した光（線分Ｑ１Ｓ３で表される光線）は、反射光線ＲＬ３のように半導体基板２の第１面２ａに向けて反射される。直線Ｆ２の傾きを線分Ｑ１Ｓ３に直交するように設定する（第２反射部２７の法線を線分Ｑ１Ｓ３に重ねる）ことによって、点Ｓ３で反射させた光を光吸収層６に確実に再入射させることができる。

一方、光線ＩＬ２が点Ｐ２から入射し、点Ｑ２で反射されて直線Ｆ２上の点Ｓ４に入射する光（線分Ｑ２Ｓ４で表される光線）も、反射光線ＲＬ４のように半導体基板２の第１面２ａに向けて反射される。このとき、点Ｓ４において第２反射部２７の法線に対して対称に反射されるので、円弧Ｒ１ａで表される仮想反射面の点Ｓ２ａで反射される反射光線ＲＬ２ａの場合よりも反射角が小さくなり、点Ｓ４で反射させた光を光吸収層６に再入射させることができる。

従って、窓部１４に入射した光が光吸収層６に複数回（４回）入射して量子効率が向上するので、半導体受光素子１Ｂは光吸収層６を薄くした場合でも受光感度の低下を軽減することができる。また、直線Ｆ２の傾きを設定する際に、第２反射部２７から遠い点Ｐ１に入射して第２反射部２７に到達する光が直線Ｆ２と直交するように設定することによって、半導体受光素子１Ｂに入射した光が出射点Ｉに戻らないようにして、ノイズの原因になる戻り光を防いでいる。尚、ｙ軸に沿って入射して第２反射部２７に到達する光、又は第２反射部２７に近い点Ｐ２に入射して第２反射部２７に到達する光に直交するように直線Ｆ２の傾きを設定することもできる。

上記実施例１の半導体受光素子１Ａを部分的に変更した半導体受光素子１Ｃについて説明する。実施例１と同等部分には実施例１と同じ符号を付して説明を省略する。

図７、図８に示すように、半導体受光素子１Ｃは、半導体基板２の第１面２ａ側に形成された光吸収層６を有する受光部３を備え、半導体基板２の第２面２ｂ側に受光部３の中心線ＣＬと同心に形成された集光レンズ４を備えている。受光部３の第２半導体層７の表面７ａには、光吸収層６に対して傾斜した平面状の第１反射部８が形成されている。

集光レンズ４に入射して第１反射部８で反射された光は、半導体基板２の第２面２ｂの集光レンズ４の外側に到達する。この光が到達する領域を投光領域３５ａとし、投光領域３５ａを含む領域が、例えばエッチングによって平面状の傾斜面３５に形成されている。この傾斜面３５に反射防止膜１２と金属膜３６が形成され、平面状の反射面を有する第２反射部３７が形成されている。

点Ｉから発散角２θで入射する光線ＩＬ１，ＩＬ２は、光吸収層６を透過して第１反射部８で反射され、光吸収層６を再度透過して第２反射部３７に入射する。そして第２反射部３７で反射された光ＲＬ５，ＲＬ６が受光部３の光吸収層６に再び入射して透過する。

図９に示すように、平面状の第２反射部３７の反射面を直線Ｆ３で表し、光線ＩＬ１が点Ｑ１（ｘ１，ｙ１）で反射され、直線Ｆ３上の点Ｓ５に入射する。点Ｓ５に入射した光（線分Ｑ１Ｓ５で表される光線）は、反射光線ＲＬ５のように半導体基板２の第１面２ａに向けて反射される。直線Ｆ３の傾きを線分Ｑ１Ｓ５に直交するように設定する（第２反射部３７の法線を線分Ｑ１Ｓ５に重ねる）ことによって、点Ｓ５で反射させた光を光吸収層６に確実に再入射させることができる。

一方、光線ＩＬ２が点Ｑ２で反射されて直線Ｆ３上の点Ｓ６に入射する光（線分Ｑ２Ｓ６で表される光線）も、反射光線ＲＬ６のように半導体基板２の第１面２ａに向けて反射される。このとき、点Ｓ６において第２反射部３７の法線に対して対称に反射されるので、円弧Ｒ１ａで表される仮想反射面の点Ｓ２ａで反射される反射光線ＲＬ２ａの場合よりも反射角が小さくなり、点Ｓ６で反射させた光を光吸収層６に再入射させることができる。

従って、窓部１４に入射した光が光吸収層６に複数回（４回）入射して量子効率が向上するので、半導体受光素子１Ｃは光吸収層６を薄くした場合でも受光感度の低下を軽減することができる。第２反射部３７の傾きを設定する際に、第２反射部３７から遠い点Ｐ１に入射する光に対して第２反射部３７が直交するように傾きを設定することにより、半導体受光素子１Ｃに入射した光が出射点Ｉに戻らないようにして、ノイズの原因になる戻り光を防いでいる。尚、ｙ軸に沿って入射して第２反射部３７に到達する光、又は第２反射部３７に近い点Ｐ２に入射して第２反射部３７に到達する光に直交するように直線Ｆ２の傾きを設定することもできる。

上記半導体受光素子１Ａ〜１Ｃの作用、効果について説明する。
半導体受光素子１Ａ〜１Ｃの窓部１４から受光部３に入射して光吸収層６を透過した光は、第１反射部８によって反射されて光吸収層６を再度透過する。この光吸収層６を再度透過した光は、第２反射部１７，２７，３７によって反射されて受光部３に再入射する。

従って、窓部１４から入射した光は第１反射部８によって受光部３の光吸収層６を２回透過することができる。この光吸収層６を２回透過した光は第２反射部１７，２７，３７によって反射され、受光部３の光吸収層６に再び入射して透過することができる。それ故、量子効率が向上するので、半導体受光素子１Ａ〜１Ｃの高速化のために光吸収層６を薄くした場合における受光感度の低下を軽減することができる。

第２反射部１７，２７，３７は、集光レンズ４における窓部１４の外側部分１５又は集光レンズ４の外側に形成されているので、窓部１４に入射する光は、第２反射部１７，２７，３７に遮られずに受光部３に入射する。そして、受光部３に入射した光を第１反射部８によって反射して光吸収層６を複数回透過させることにより量子効率が向上するので、受光感度の低下を軽減することができる。

半導体受光素子１Ｂ，１Ｃの第２反射部２７，３７は平面状に形成されている。それ故、第２反射部２７，３７上の１点で、第１反射部８で反射された光が元の第１反射部８の反射点に戻るように傾きを設定し、この傾きを有する平面状の第２反射部２７，３７を容易に形成することができる。そして、光吸収層６を透過した光を第２反射部２７，３７で反射させて光吸収層６に再入射させることができ、半導体受光素子１Ｂ，１Ｃの高速化のために光吸収層６を薄くした場合に受光感度の低下を軽減することができる。

第１反射部８の点Ｑ１で反射された光が第２反射部１７に入射する点Ｓ１において、入射する光線（線分Ｑ１Ｓ１）と第２反射部１７の法線（直線Ｃ１Ｓ１）が重なる又は接近するように第２反射部１７の曲率半径ｒ２が設定されている。半導体受光素子１Ａは、このように設定された複数の点で構成された曲線Ｒ２で表される反射面を備えた第２反射部１７を有する。従って、第１反射部８で反射した光を第２反射部１７で反射させたときに、この第２反射部１７で反射した光を元の第１反射部８の反射点に一致又は接近させて入射させることができる。それ故、光吸収層６を透過した光を第２反射部１７で反射させて光吸収層６に再入射させることができ、半導体受光素子１Ａの高速化のために光吸収層６を薄くした場合に受光感度の低下を軽減することができる。

半導体基板２や第１、第２半導体層５，７、光吸収層６の材質は、上記に限られるものではなく、受光する光の波長に適した公知の材質を使用して適切なサイズの受光部を備えた半導体受光素子を形成することができる。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、上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、本発明はその種の変更形態も包含するものである。

１Ａ〜１Ｃ ：半導体受光素子
２ ：半導体基板
２ａ ：第１面
２ｂ ：第２面
３ ：受光部
４ ：集光レンズ
５ ：第１半導体層
６ ：光吸収層
７ ：第２半導体層
７ａ ：表面
８ ：第１反射部
８ａ ：誘電体膜
８ｂ ：金属膜
１１ ：電極
１２ ：反射防止膜
１４ ：窓部
１５ ：外側部分
１５ａ，３５ａ ：投光領域
１６，３６ ：金属膜
１７，２７，３７ ：第２反射部
２５，３５ ：傾斜面
ＣＬ ：中心線

Claims (5)

1. 半導体基板の第１面に第１半導体層と光吸収層と第２半導体層をこの順に積層させて形成された受光部を有し、前記半導体基板の前記第１面に対向する第２面側に前記受光部の中心線と同心のレンズ中心線を備えた集光レンズを有する半導体受光素子において、
   前記第２半導体層の表面に、前記集光レンズに入射した光を反射する第１反射部であって前記光吸収層に対して傾斜した平面状の第１反射部を備え、
   前記集光レンズに入射して前記第１反射部で反射された光が前記半導体基板の前記第２面側に到達する投光領域に第２反射部を備え、
   前記集光レンズから前記受光部に入射して前記光吸収層を透過した光が、前記第１反射部によって反射されて前記光吸収層を再度透過し、前記光吸収層を再度透過した光が、前記第２反射部によって反射されて前記受光部に再入射するように構成したことを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記集光レンズは、前記中心線の近傍に光が入射する窓部を有し、
   前記第２反射部は、前記集光レンズにおける前記窓部の外側部分に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 前記第２反射部は、前記集光レンズの外側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
4. 前記第２反射部は、平面状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
5. 前記第１反射部で反射された光が前記第２反射部に入射する入射点において、入射する光線と前記第２反射部の法線が重なる又は接近するように前記第２反射部の曲率半径が設定されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体受光素子。

Images