JP7409489B2 - 受光装置 - Google Patents

受光装置 Download PDF

Info

Publication number
JP7409489B2
JP7409489B2 JP2022516572A JP2022516572A JP7409489B2 JP 7409489 B2 JP7409489 B2 JP 7409489B2 JP 2022516572 A JP2022516572 A JP 2022516572A JP 2022516572 A JP2022516572 A JP 2022516572A JP 7409489 B2 JP7409489 B2 JP 7409489B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
light receiving
substrate
lens
receiving device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022516572A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2021214934A1 (ja
Inventor
友輝 山田
允洋 名田
詔子 辰己
秀昭 松崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Publication of JPWO2021214934A1 publication Critical patent/JPWO2021214934A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7409489B2 publication Critical patent/JP7409489B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0076—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a detector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/10—Mirrors with curved faces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with infrared radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/003—Light absorbing elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

本発明は、半導体から構成された受光装置に関する。
受光素子は、光通信においては、光ファイバを伝搬する光信号を電気信号へと変換する役割を担う素子である。近年のデータセンタなどにおける通信容量の増大に伴い、光ファイバ通信システムの伝送容量の増大が求められている。このため、光ファイバ通信システムに用いられる受光素子には高速性が要求されているため、フォトダイオード（ＰＤ）などの半導体受光素子が一般的に用いられる。この種の光通信用の受光素子は、一般的に、InPからなる基板を用い、この基板上に、光吸収層を含むＩｎＰ系の化合物半導体からなる受光層が形成されている。例えば、光吸収層には、通信波長帯（１．５５μｍや１．３μｍ）における光吸収係数の大きいＩｎＧａＡｓが用いられる。
非特許文献１のような一般的な垂直入射型ＰＤの受光感度は、光吸収層内での光路長で決定するため、一般的に、光吸収層をより厚くすることで高感度化を実現している。一方で、ＰＤの帯域は、キャリアの走行時間、素子容量、抵抗などで決定されるが、光吸収層を厚くすることは、キャリアの走行時間が増加するため、帯域の低下を招く。これらのように、垂直入射型ＰＤでは、受光感度と帯域との間にトレードオフの関係がある。
この問題を解決するため、受光層に対して斜め方向から光が入射され、光吸収層の積層方向に対して斜めに光が伝搬される、斜め入射型の受光装置が提案されている（非特許文献２）。
この斜め入射型の受光装置について、図１１を参照して説明する。この受光装置は、ＩｎＰ基板３０１の上にＩｎＧａＡｓＰなどから構成される第１コンタクト層３０２、ＩｎＧａＡｓから構成される光吸収層３０３、ＩｎＧａＡｓＰなどから構成される第２コンタクト層３０４が順に積層された受光素子を備える。第１コンタクト層３０２には第１電極３１１が接続され、第２コンタクト層３０４には第２電極３１２が接続されている。
また、この受光装置は、ＩｎＰ基板３０１の側面に、ウエットエッチングなどの方法で（１，－１，－１）方向のファセット面３０５が形成されている。ファセット面３０５に横方向から入射した入射光は、受光素子の裏面側（第１コンタクト層３０２）に対して入射角６５°で入射し、光吸収層３０３には入射角５４°で入射される。この結果、垂直入射型と比較して光路長が１．７倍に増加するため、感度の大幅な向上が期待できる。
M. Nada et al., "Inverted InAlAs/InGaAs Avalanche Photodiode with Low-High-Low Electric Field Profile", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 51, 02BG03, 2012. Y. Hirota et al., "Reliable non-Zn-diffused InP/InGaAs avalanche photodiode with buried n-InP layer operated by electron injection mode", Electronics Letters, vol. 40, no. 21, pp. 2004.
上述した斜め入射型の受光装置では、受光素子（光吸収層）内を光が斜めに伝搬するため、光吸収層を含む受光素子内を伝搬する光のビームスポットが、垂直入射型と比較して広がる。このようにビームスポットが広がることによる入射光漏れによる感度低下を防ぐためには、上述したビームスポットに合わせて、受光素子内の光の伝搬経路（光吸収層）の平面視の面積を拡大する必要がある。しかしながら、受光素子の面積拡大により受光素子の動作面積も拡大するため、素子容量の増大による帯域の低下が生じる。例えば、図１１に示すような従来構造の斜め入射構造では、第１コンタクト層３０２における平面視のビームスポットのサイズは、入射方向（ｘ方向）が、入射方向に垂直なｙ方向の２．９倍に広がる。
受光素子に信号光を入射する際に、外部レンズを用いて入射光のスポットサイズを絞り、小さい受光面積の素子に対しても損失の少ない光結合を実現することは、一般的な技術であり、垂直入射構造における入射光のスポットサイズは約１０μｍまで絞ることができる。しかしながら、焦点距離の長い外部レンズでは、それ以下にビームスポットを狭めることができず、図１１の斜め入射構造では、入射光のスポットサイズを、約２９μｍ×１０μｍまでしか絞ることができない。このため、受光素子の小型化が困難である。
以上のように、斜め入射構造の受光装置では、受光素子に入射する光のビームスポットが広がることで、受光素子の小型化が困難であり、高速動作が難しいという課題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、斜め入射構造の受光装置において、帯域の低下を招くことなく受光素子がより小型にできるようにすることを目的とする。
本発明に係る受光装置は、基板の主表面の上に形成された受光素子と、基板の平面に対して鋭角または鈍角とされて基板の側部に形成され、１つの平面を形成する斜面からなる光入射面と、受光素子に入射する光を集光するレンズとを備え、受光素子は、基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、第２半導体層に接続する第１電極と、第１半導体層に接続する第２電極とを備える裏面入射型フォトダイオードから構成され、光入射面から入射した光は、基板の裏面の側で反射して、光吸収層の平面に対して斜めとなるように、受光素子に入射する。
以上説明したように、本発明によれば、受光素子が形成されている基板の平面に対して鋭角または鈍角とされて基板の側部に形成された光入射面から入射して受光素子に入射する光を集光するレンズとを備えるので、斜め入射構造の受光装置において、帯域の低下を招くことなく受光素子がより小型にできる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る受光装置の構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る受光装置の一部構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る受光装置の一部構成を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）、（ｃ）である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る受光装置の一部構成を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）、（ｃ）である。 図４は、本発明の実施の形態３に係る受光装置の構成を示す斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態４に係る受光装置の構成を示す斜視図である。 図６は、本発明の実施の形態５に係る受光装置の構成を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態６に係る受光装置の構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態７に係る受光装置の構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態７に係る受光装置の構成を示す断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態８に係る受光装置の構成を示す断面図である。 図１１は、斜め入射型の受光装置の構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態に係る受光装置について説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る受光装置について、図１、図２Ａ、図２Ｂを参照して説明する。この受光装置は、基板１０１の主表面の上に形成された受光素子１０２と、基板１０１の平面に対して鋭角または鈍角とされて基板１０１の側部に形成され、１つの平面を形成する斜面からなる光入射面１０６と、受光素子１０２に入射する光を集光するレンズ１０７とを備える。
基板１０１は、例えば、ＩｎＰから構成されている。受光素子１０２は、基板１０１の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層１０３と、第１半導体層１０３の上に形成された半導体からなる光吸収層１０４と、光吸収層１０４の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層１０５とを備える。受光素子１０２は、いわゆる裏面入射型フォトダイオードである。
第１半導体層１０３は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＧａＡｓＰから構成されている。また、光吸収層１０４は、ｉ－ＩｎＧａＡｓから構成されている。また、第２半導体層１０５は、第２導電型（例えばｐ型）のＩｎＧａＡｓＰから構成されている。
また、受光素子１０２は、第２半導体層１０５に接続する第１電極１２１と、第１半導体層１０３に接続する第２電極１２２とを備える。これら電極は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属積層構造から構成することができる。
また、実施の形態１に係る受光装置において、光入射面１０６から入射した光は、基板１０１の裏面の側で反射して、光吸収層１０４の平面に対して斜めとなるように、受光素子１０２に入射する。実施の形態１において、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１の主表面と光入射面１０６とのなす角は、鋭角とされ、光入射面１０６から入射した光は、基板１０１の主表面の側で反射してから基板１０１の裏面の側で反射して受光素子１０２に入射する。実施の形態１において、レンズ１０７は、光入射面１０６から入射した光が、基板１０１の裏面の側で反射する箇所に配置されている。
また、実施の形態１において、レンズ１０７は、光入射面１０６から入射する光の入射方向（ｘ方向）に曲率を有し、いわゆるシリンドリカルレンズと同様の形状とされている。
上述した構造とされている実施の形態１に係る受光装置では、基板１０１の平面に平行な状態で、光入射面１０６より入射した光は、光入射面１０６で屈折して光の進行方向を、基板１０１の平面に垂直な面に平行な平面（ｘｚ面）上で変更し、基板１０１の主表面で反射して、再び光の進行方向を、ｘｚ面上で変更する。次いで、この光は、レンズ１０７の表面で反射して、三度、光の進行方向を、ｘｚ面上で変更し、受光素子１０２の裏面に斜めから入射される。ここで、レンズ１０７は、ｘ方向に曲率を有してｘ方向に集光する性能を有するため、レンズ１０７の表面で反射した光は、受光素子１０２を透過する光のスポットを真円形状にすることができる。
レンズ１０７の具体的な曲率および焦点距離は、入射側の光学系にも依存するため任意の設計事項であるが、基板１０１の厚さと同等の焦点距離となるように設計することができる。また、ｘ方向のスポットサイズを１／３倍以下まで縮小するためには、基板１０１の厚さを１５０μｍ以下とすることが望ましい。
実施の形態１によれば、以上のようにして、斜め入射構造を用いたことによるスポットの拡大を抑制することができ、受光素子の小型化による高速動作を実現することができる。
まず、ＩｎＰからなる基板１０１の上に、第１半導体層１０３、光吸収層１０４、第２半導体層１０５を結晶成長させる。各半導体の層は、例えば、よく知られた有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法を用いて成長させればよい。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術、およびエッチング技術により、第１半導体層１０３、光吸収層１０４、第２半導体層１０５を、メサ形状に加工する。この後、蒸着、リフトオフなどの製造技術により、第１電極１２１第２電極１２２を形成する。
次に、受光素子１０２を覆い、基板１０１の光入射面１０６を形成する領域に開口を備える保護膜を、公知のフォトリソグラフィー技術により形成し、形成した保護膜をマスクとし、塩酸をエッチャントとしたウエットエッチングにより、基板１０１を選択的にエッチングする。例えば、ＩｎＰからなる基板１０１の主表面を（００１）面とし、基板１０１の側壁を（－１１０）面とする。このような基板１０１の側面の、保護膜が開口した箇所を上述したウエットエッチングにより異方性エッチングすることで、ＩｎＰの（１，－１，－１）面が露出し、言い換えると、（１，－１，－１）方向のファセット面が形成され、光入射面１０６が形成される。
次に、基板１０１を、裏面の側からよく知られた機械研磨などの研磨技術により薄層化して、この後、基板１０１の裏面の所定箇所にレンズ１０７を形成する。レンズ１０７の形成は、例えば、参考文献に記載されているような、レジストパターンの転写技術を用いればよい。まず、基板１０１の裏面に、例えば、ノボラック系の樹脂からなる、いわゆるポジ型のフォトレジストを塗布し、レジスト層を形成する。次に、形成したレジスト層を、公知のリソグラフィー技術による露光現像し、平面視で短冊形の直方体のレジストパターンを形成する。
次に、形成したレジストパターンを、例えば、１００～２００℃に加熱することで、リフローさせる。この加熱処理により、レジストパターンは、円柱の一部を切り出した形状となる。次に、このリフローさせたレジストパターンをマスクとし、反応性イオンエッチングなどの垂直異方性を有するドライエッチング技術を用い、レジストパターンと基板１０１とのエッチングレートが同じとなるような処理条件により基板１０１の裏面をエッチングする。このエッチング処理により、リフローさせたレジストパターンの形状が、基板１０１の裏面に形成でき、シリンドリカルレンズと同様のレンズ１０７とすることができる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る受光装置について、図３を参照して説明する。上述した実施の形態１では、レンズ１０７を、光入射面１０６から入射する光の入射方向（ｘ方向）に曲率を有する、いわゆるシリンドリカルレンズとしたが、これに限るものではない。例えば、基板１０１の裏面に、光入射面１０６から入射する光の入射方向（ｘ方向）に加え、基板１０１の平面に平行な面内で、光入射面１０６から入射する光の入射方向に垂直な方向（ｙ方向）にも曲率を有するレンズ１０７ａを配置（形成）することもできる。入射方向（ｘ方向）の曲率と入射方向に垂直な方向（ｙ方向）の曲率とは、互いに異なるものとする。他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。
実施の形態１に説明したように、シリンドリカルレンズと同様のレンズ１０７を使用した場合、受光素子１０２における平面視でｙ方向のスポットを１０μｍ以下に集光することは難しく、これは焦点距離の長い外部レンズ（外部光学系）を用いた場合であっても同様である。このため、素子サイズの縮小による高速化には改善の余地がある。これに対し、実施の形態２のレンズ１０７ａを用いることで、受光素子におけるスポット形を、真円形状に保ったまま、スポットサイズを縮小することが可能となる。
入射側の外部光学系にも依存するため、レンズ１０７ａの具体的な曲率および焦点距離は任意の設計事項であるが、基板１０１の厚さと同等の焦点距離となるように、レンズ１０７ａを形成することができる。また、ｘ方向，ｙ方向のスポットサイズを１０μｍ以下まで縮小するためには、基板１０１の厚さを１５０μｍ以下とすることが望ましい。
実施の形態２によれば、以上のようにして、斜め入射構造を用いたことによるスポットの拡大を抑制することができ、受光素子の小型化による高速動作を実現することができる。なお、実施の形態２では、平面視で楕円形状のレンズ１０７ａを用いて説明したが、平面視の形状が真円形状のレンズを用いても、スポットサイズ縮小の効果はある。ただし、その場合、受光素子１０２における光の平面視のスポット形状は楕円となる。なお、レンズ１０７ａは、前述したレンズ１０７と同様にすることで形成することができる。レンズ１０７ａの形成では、平面視で楕円形としたレジストパターンを形成し、これをリフローして用いればよい。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る受光装置について、図４を参照して説明する。実施の形態３に係る受光装置は、基板１０１の主表面の上に、複数の受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄが形成されている。受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの各々は、前述した実施の形態１の受光素子１０２と同様である。受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは、基板１０１の主表面上で、入射方向に垂直なｙ方向に延在する直線上に配列されている。受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの各々に、入射光が入射する。
このように、複数の受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを、基板１０１の主表面の上に設ける場合、複数の受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの配列長さより、レンズ１０７のｙ方向の長さを長くする。この構成とすることで、複数の受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄに対して、１つのレンズ１０７により、各々の入射光の集光を行うことができる。このように構成することで、複数の受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを用いても、複数のレンズを成する必要がないため作製が容易となる。加えて、同一のレンズ１０７で集光ができるため、受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄごとの特性ばらつきを抑えることができる。
また、実施の形態３によれば、前述した実施の形態１～３と同様に斜め入射構造としており、スポットの拡大が抑制でき、受光素子の小型化による高速動作を実現することができる。
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について、図５を参照して説明する。実施の形態４に係る受光装置は、基板１０１の主表面の上に、複数の受光素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄが形成されている。これらの構成は、前述した実施の形態３と同様である。実施の形態４では、ｘ方向に加え、ｙ方向にも曲率を有するレンズ１０７ａを用いる。
実施の形態４によれば、受光素子とレンズとを同数設ける構成に比較して、受光素子の間隔がレンズのサイズに制限されないメリットも存在する。
［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について、図６を参照して説明する。実施の形態５に係る受光装置は、基板１０１の裏面に形成された凹部１０８を備える。凹部１０８は、例えば、入射方向（ｘ方向）に垂直な方向（ｙ方向）に延在する溝である。実施の形態５では、凹部１０８の底面に、レンズ１０７が形成されている。また、実施の形態５では、レンズ１０７の表面を覆って形成された金属層１０９を備える。金属層１０９は、ミラーとして機能する。また、実施の形態５では、金属層１０９が形成されたレンズ１０７を保護する保護膜１１０を備える。他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。
受光装置をモジュールに実装した際に、パッケージ基板などに基板１０１の裏面が触れることでレンズ１０７の表面が傷つき、反射率が低下する恐れが考えられる。これに対し、凹部１０８を形成し、この底部にレンズ１０７を設けることで、実装において、レンズが他の部品に接触することが防げるようになる。また、保護膜１１０を形成することで、レンズ１０７の表面への傷や不純物の混入を防ぐ効果が期待できる。保護膜１１０は、例えば、樹脂から構成することができる。また、保護膜１１０は、ＳｉＮやＳｉＯ2などから構成することもできる。
また、保護膜１１０を形成すると、レンズ１０７との間の屈折率差が減少し、レンズ１０７の表面での反射率が低下する可能性がある。例えば、ＩｎＰ（屈折率３．２）と空気（屈折率１．０）との界面では、入射角１８°以上で全反射が生じる。これに対し、ＩｎＰとＳｉＮ（屈折率２．０）との界面では、全反射が生じるのは入射角３９°以上となる。このように、保護膜１１０を形成することで反射率の低下が懸念される。これに対し、金属層１０９を形成することで、レンズ１０７の表面における反射率の低下を防ぐ効果がある。
実施の形態５においても、前述した実施の形態１～４と同様に、斜め入射構造を用いたことによるスポットの拡大を抑制することができ、受光素子の小型化による高速動作を実現することができる。なお、実施の形態５に係る受光装置の構造は、実施の形態１において説明したレンズ１０７の形成の前に、凹部１０８を形成しておくことで作製できる。凹部１０８は、公知のリソグラフィー技術およびドライエッチング技術により形成できる。また、レンズ１０７を形成した後に、蒸着などの堆積技術によりＡｕなどを堆積すれば、金属層１０９が形成できる。また、金属層１０９を形成した後、化学的気相成長法などの堆積技術で、ＳｉＮやＳｉＯ2など堆積すれば、保護膜１１０が形成できる。
［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６について、図７を参照して説明する。実施の形態７に係る受光装置は、基板１０１の主表面に、レンズ１０７が形成されている。なお、実施の形態６では、基板１０１の主表面に、凹部１１１を形成し、凹部１０８の底面に、レンズ１０７を形成している。レンズ１０７は、光入射面１０６から入射した光が、基板１０１の主表面の側で反射する箇所に配置されている。他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。
上述した構造とされている実施の形態６に係る受光装置では、基板１０１の平面に平行な状態で、光入射面１０６より入射した光は、光入射面１０６で屈折して光の進行方向を、基板１０１の平面に垂直な面に平行な平面（ｘｚ面）上で変更する。次いで、この光は、基板１０１の主表面の側でレンズ１０７の表面で反射して、再び光の進行方向を、ｘｚ面上で変更する。次いで、この光は、レンズ１０７の裏面で反射して、三度、光の進行方向を、ｘｚ面上で変更し、受光素子１０２の裏面に斜めから入射される。ここで、レンズ１０７は、ｘ方向に曲率を有してｘ方向に集光する性能を有するため、レンズ１０７の表面で反射した光は、受光素子１０２を透過する光のスポットを真円形状にすることができる。
実施の形態６によれば、受光素子１０２を形成する基板１０１の表面側に凹部１１１やレンズ１０７を形成している。このため、例えば、凹部１１１やレンズ１０７を形成するためのリソグラフィー技術において、基板１０１の裏面側での露光の位置合わせなどが不溶となり、複雑なプロセスを経ることなく、受光装置の作成ができる。また、レンズ１０７を形成した後で、基板１０１の薄層化工程が実施できるため、機械的強度が高い状態の厚い基板１０１において、レンズ１０７の形成が実施できるようになる。
実施の形態６においても、前述した実施の形態１～５と同様に、斜め入射構造を用いたことによるスポットの拡大を抑制することができ、受光素子の小型化による高速動作を実現することができる。ところで、基板１０１は、受光素子を構成するＩｎＰ系の化合物半導体とは異なる材料から構成することもできる。例えば、基板１０１は、Ｓｉから構成することができる。Ｓｉの方が、ＩｎＰなどの材料系よりもドライエッチングによる加工性が高く、レンズの形成も容易である。このため、受光装置が、より高い加工精度で作製することが可能となる。
例えば、ＩｎＰなどから構成した成長基板の上に、受光素子１０２を作製し、受光素子１０２を作製した後、成長基板を機械研磨などで薄層化する。この後、薄層化した成長基板に、シリコンからなる基板を貼り付けて基板１０１とする。この後、上述したように、凹部の形成やレンズの形成を実施する。また、レンズは基板と同じ材料から構成する必要はなく、ガラスなどの材料系から形成したレンズを、所定の箇所に貼り付けて用いることもできる。
［実施の形態７］
次に、本発明の実施の形態７について、図８を参照して説明する。実施の形態８に係る受光装置は、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１ａの主表面と光入射面１０６ａとのなす角は、鈍角とされている。実施の形態７では、光入射面１０６ａを、基板１０１ａの表面側に向く状態に形成する。従って、実施の形態７では、入射光を、基板１０１ａの上方から光入射面１０６ａに入射する構成としている。
実施の形態７において、光入射面１０６ａから入射した光は、基板１０１ａの裏面の側で反射して受光素子１０２に入射し、レンズ１０７は、光入射面１０６ａから入射した光が、基板１０１ａの裏面の側で反射する箇所に配置されている。他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。
実施の形態７では、レンズ１０７を用いない場合、受光素子１０２におけるスポットサイズは、２３μｍ×１０μｍまでしか絞ることができず、受光素子１０２の動作面積の縮小が困難である。これに対し、レンズ１０７を設けることで、スポットサイズの拡大抑制の効果が期待できる。
また、実施の形態７では、受光素子１０２の箇所から所定の距離の所に、基板１０１ａの側面を、へき開などにより形成しておく必要が無い。これは、光入射面１０６ａは、基板１０１ａの表面側を向くようにしているためである。このため、基板１０１ａの上に受光素子１０２を形成した後、へき開により所定箇所に側面を形成する必要が無く、受光素子１０２に光を入射させることができるため、ウエハ形態での特性評価が可能である。光入射面１０６ａの形成には、例えば、ＩｎＰの（１，１，１）方向のファセット面を利用すればよく、ウエットエッチングなどのエッチング技術で形成可能である。
［実施の形態８］
次に、本発明の実施の形態８について、図９を参照して説明する。実施の形態８に係る受光装置は、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１ａの主表面と光入射面１０６ａとのなす角は、鈍角とされている。実施の形態８では、光入射面１０６ａを、基板１０１ａの表面側に向く状態に形成する。従って、実施の形態８では、入射光を、基板１０１ａの上方から光入射面１０６ａに入射する構成としている。これは、前述した実施の形態７と同様である。
実施の形態８において、光入射面１０６から入射した光は、基板１０１の裏面の側で反射して受光素子１０２に入射し、レンズ１０７は、光入射面１０６ａから入射する光の入射側に配置されている。実施の形態８では、光入射面１０６ａを覆う保護膜１１２を備え、保護膜１１２の上にレンズ１０７を配置する。保護膜１１２は、例えば、樹脂や、ＳｉＮやＳｉＯ2など絶縁材料から構成することができる。この例において、保護膜１１２のレンズ１０７形成面は、基板１０１ａの主表面と同一の平面を形成している。
実施の形態８によれば、光入射面１０６ａを保護膜１１２で保護しているので、光入射面１０６ａへの傷や不純物の混入を防ぐ効果が期待できる。また、実施の形態８においても、前述した実施の形態１～７と同様に、斜め入射構造としており、スポットの拡大が抑制でき、受光素子の小型化による高速動作を実現することができる。
［実施の形態９］
次に、本発明の実施の形態９について、図１０を参照して説明する。実施の形態９に係る受光装置は、受光素子１０２が形成されている領域の基板１０１ａの主表面と光入射面１０６ａとのなす角は、鈍角とされている。実施の形態９では、光入射面１０６ａを、基板１０１ａの表面側に向く状態に形成する。従って、実施の形態９では、入射光を、基板１０１ａの上方から光入射面１０６ａに入射する構成としている。これは、前述した実施の形態７と同様である。
実施の形態９において、光入射面１０６から入射した光は、基板１０１の裏面の側で反射して受光素子１０２に入射し、レンズ１０７は、光入射面１０６ａから入射する光の入射側に配置されている。実施の形態９では、光入射面１０６ａにレンズ１０７を配置する。他の構成は、前述した実施の形態９と同様である。レンズ１０７は、例えば、Ｓｉなどの材料から構成し、光入射面１０６ａに貼り付ける。実施の形態９においても、前述した実施の形態１～８と同様に、斜め入射構造としており、スポットの拡大が抑制でき、受光素子の小型化による高速動作を実現することができる。
なお、上述では、基板としてＩｎＰやＳｉを用いて説明したが、これに限るものではなく、基板は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ガラスなどから構成することもできる。また、光吸収層は、ＩｎＧａＡｓから構成する場合について説明したが、これに限るものではなく、光吸収層をＧｅなどの他の半導体から構成することもできる。
光は、受光素子の上面または裏面から入射することもでき、側面から入射することもでき、また斜め方向から入射することもできる。
また、光入射面の形成に、ファセット面を利用した方法を説明したが、これに限るものではなく、ダイシングなどで任意の加工法により形成することができる。また、レンズとして、球面・非球面のレンズを用いることもでき、フレネルレンズを用いることもできる。また、光入射面に、反射防止層を形成することもできる。また、受光素子において、上部側（第２半導体層の上）にミラーを設け、受光素子内を透過する光の光路長を拡大することは、一般的な設計の範囲内である。また、上述では、いわゆるＰｉｎ型のフォトダイオードを例に説明したが、受光素子は、アバランシェフォトダイオードから構成することもできる。
以上に説明したように、本発明によれば、受光素子が形成されている基板の平面に対して鋭角または鈍角とされて基板の側部に形成された光入射面から入射して受光素子に入射する光を集光するレンズとを備えるので、斜め入射構造の受光装置において、帯域の低下を招くことなく受光素子がより小型にできるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
［参考文献］O. Wada, "Ion-Beam Etching of InP and Its Application to the Fabrication of High Radiance InGaAsP/InP Light Emitting Diodes", J. Electrochem. Soc., vol. 131, no. 10, pp. 2373-2380, 1984.
１０１…基板、１０２…受光素子、１０３…第１半導体層、１０４…光吸収層、１０５…第２半導体層、１０６…光入射面、１０７…レンズ、１２１…第１電極、１２２…第２電極。

Claims (6)

  1. 基板の主表面の上に形成された受光素子と、
    前記基板の平面に対して鋭角または鈍角とされて前記基板の側部に形成され、１つの平面を形成する斜面からなる光入射面と、
    前記受光素子に入射する光を集光するレンズと
    を備え、
    前記受光素子は、
    前記基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、
    前記第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、
    前記光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、
    前記第２半導体層に接続する第１電極と、
    前記第１半導体層に接続する第２電極と
    を備える裏面入射型フォトダイオードから構成され、
    前記受光素子が形成されている領域の前記基板の主表面と前記光入射面とのなす角は、鋭角とされ、
    前記光入射面から入射した光は、前記基板の主表面の側で反射してから前記基板の裏面の側で反射して前記受光素子に入射し、
    前記レンズは、前記光入射面から入射した光が、前記基板の主表面の側で反射する箇所、または裏面の側で反射する箇所に配置され、
    前記光入射面から入射した光は、前記基板の裏面の側で反射して、前記光吸収層の平面に対して斜めとなるように、前記受光素子に入射する
    ことを特徴とする受光装置。
  2. 請求項１記載の受光装置において、
    前記レンズは、前記光入射面から入射する光の入射方向に曲率を有することを特徴とする受光装置。
  3. 請求項２記載の受光装置において、
    前記レンズは、前記基板の平面に平行な面内で、前記光入射面から入射する光の入射方向に垂直な方向に曲率を有し、入射方向の曲率と入射方向に垂直な方向の曲率とは、互いに異なることを特徴とする受光装置。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の受光装置において、
    前記レンズは、前記基板に形成された凹部の底面に形成されていることを特徴とする受光装置。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の受光装置において、
    前記レンズの表面を覆って形成された金属層を更に備えることを特徴とする受光装置。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の受光装置において、
    前記基板の主表面の上に、前記受光素子が複数形成されていることを特徴とする受光装置。
JP2022516572A 2020-04-23 2020-04-23 受光装置 Active JP7409489B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/017455 WO2021214934A1 (ja) 2020-04-23 2020-04-23 受光装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2021214934A1 JPWO2021214934A1 (ja) 2021-10-28
JP7409489B2 true JP7409489B2 (ja) 2024-01-09

Family

ID=78270678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022516572A Active JP7409489B2 (ja) 2020-04-23 2020-04-23 受光装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230141520A1 (ja)
JP (1) JP7409489B2 (ja)
WO (1) WO2021214934A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000269539A (ja) 1999-03-15 2000-09-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 受光素子およびその製造方法
JP2003243674A (ja) 2002-02-19 2003-08-29 Oki Electric Ind Co Ltd 半導体受光素子
JP2005167043A (ja) 2003-12-04 2005-06-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 受光装置
WO2018156516A1 (en) 2017-02-21 2018-08-30 Newport Corporation High responsivity high bandwidth photodiode and method of manufacture
WO2019043864A1 (ja) 2017-08-31 2019-03-07 京セミ株式会社 端面入射型受光素子

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09307134A (ja) * 1996-05-13 1997-11-28 Fujitsu Ltd 受光素子及びその光モジュール並びに光ユニット

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000269539A (ja) 1999-03-15 2000-09-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 受光素子およびその製造方法
JP2003243674A (ja) 2002-02-19 2003-08-29 Oki Electric Ind Co Ltd 半導体受光素子
JP2005167043A (ja) 2003-12-04 2005-06-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 受光装置
WO2018156516A1 (en) 2017-02-21 2018-08-30 Newport Corporation High responsivity high bandwidth photodiode and method of manufacture
WO2019043864A1 (ja) 2017-08-31 2019-03-07 京セミ株式会社 端面入射型受光素子

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021214934A1 (ja) 2021-10-28
JPWO2021214934A1 (ja) 2021-10-28
US20230141520A1 (en) 2023-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7800193B2 (en) Photodiode, method for manufacturing such photodiode, optical communication device and optical interconnection module
JP2002289904A (ja) 半導体受光素子とその製造方法
US20050145965A1 (en) Light receiving element and method of manufacturing the same
JP2008536293A (ja) 端面視光検出器
US11960122B2 (en) Devices, systems, and methods for optical signal processing
JPWO2019021362A1 (ja) 端面入射型受光素子
JP2011124450A (ja) 半導体受光素子
US20220173259A1 (en) Photoreceiver and Optical Receiver
JP3589878B2 (ja) 裏面入射型受光装置およびその作製方法
JP2009117499A (ja) 受光素子
JP7409489B2 (ja) 受光装置
KR20110068041A (ko) 마이크로 렌즈가 집적된 아발란치 광 검출기
US6808957B1 (en) Method for improving a high-speed edge-coupled photodetector
JP2002203982A (ja) 半導体受光装置およびその製造方法
WO2023062766A1 (ja) 導波路型受光素子、導波路型受光素子アレイ及び導波路型受光素子の製造方法
US20220271182A1 (en) Backside illuminated avalanche photodiode and manufacturing method thereof
JP6660282B2 (ja) 受光素子
KR102176477B1 (ko) 후면 입사형 광 검출기
JP2005294669A (ja) 表面入射型受光素子
CN113314625A (zh) 集成电路、集成器件及其形成方法
CN113053925B (zh) 集成电路、光电侦测器以及形成集成电路的方法
TWI794399B (zh) 半導體受光元件
US20230296834A1 (en) Photonic device and methods of forming same
JP2004158763A (ja) 半導体受光素子
JP4027917B2 (ja) 半導体受光素子

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220804

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230801

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230929

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231204

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7409489

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150