JPH0653537A - Semiconductor light receiving element - Google Patents

Semiconductor light receiving element

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JPH0653537A
JPH0653537A JP4204966A JP20496692A JPH0653537A JP H0653537 A JPH0653537 A JP H0653537A JP 4204966 A JP4204966 A JP 4204966A JP 20496692 A JP20496692 A JP 20496692A JP H0653537 A JPH0653537 A JP H0653537A
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JP
Japan
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type
layer
substrate
lens
light
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Application number
JP4204966A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiko Suga
和彦 菅
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Eneos Corp
Original Assignee
Japan Energy Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To quicken response by forming a diffraction lattice type lens, comprising a plurality of concentric grooves with the gap (d) between adjacent grooves being represented by specific conditions, on the surface of a substrate on the inside of a window. CONSTITUTION:A diffraction lattice type leans 11 comprising a plurality of concentric grooves having the same depth is formed on the rear surface of an InP substrate 1. An antireflection film 10 is formed on the surface of the diffraction lattice lens 11 whereas an n-type ohmic electrode 9 is formed on the surface of the substrate on the outside of the diffraction lattice leans 11. An n-type InP buffer layer 2, an n-type InGaAs light absorption layer 3, and an n-type InP cap layer 4 are formed sequentially on the surface of the InP substrate 1. The diffraction lattice type lens 11 is obtained by making a plurality of grooves 11a, 11b, 11c, 11d concentrically at an interval d=lambda/2n.sintheta (theta= tan-1(r/1)) and a depth lambda/4.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置特にIn
P単結晶のような化合物半導体基板を用いた受光素子に
関し、例えば光通信における信号受信用のPINフォト
ダイオードに利用して効果的な技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an optical semiconductor device, especially In
The present invention relates to a light receiving element using a compound semiconductor substrate such as P single crystal, and relates to a technique effectively used for a PIN photodiode for signal reception in optical communication, for example.

【0002】[0002]

【従来の技術】化合物半導体受光素子は、光通信や光情
報処理用の高感度受光器として実用化が図られており、
アバランシェ型フォトダイオードやPIN型フォトダイ
オードが知られている。このうち、アバランシェ型フォ
トダイオードは、ブレイクダウン電圧近傍にバイアスさ
れることにより、高電界における電子もしくは正孔のな
だれ増倍による高い内部電流利得を持ち、高感度素子と
して実用化されている。一方、PIN型フォトダイオー
ドは、低い電圧で動作させることができるため、他の電
子回路と電源を共用することができ、単一電源電圧の装
置を構成できるという大きな利点を有している。そのた
め、例えば二重リング型光ファイバを用いたローカルエ
リアネットワークの分岐点(ノード)等を構成する送受
信モジュールにおける光電変換素子として広く使用され
ている。特に、ディジタル化された動画像情報を分配す
る光ファイバを用いたケーブルテレビ配給網等において
は、将来大容量の画像情報の伝送のため2Gbit/秒
程度の高速度に対応できる受光素子が必要となる。
2. Description of the Related Art Compound semiconductor photodetectors have been put into practical use as high-sensitivity photodetectors for optical communication and optical information processing.
Avalanche type photodiodes and PIN type photodiodes are known. Among them, the avalanche type photodiode has a high internal current gain due to avalanche multiplication of electrons or holes in a high electric field by being biased in the vicinity of the breakdown voltage, and has been put to practical use as a high sensitivity element. On the other hand, since the PIN photodiode can be operated at a low voltage, it can share a power source with other electronic circuits, and has a great advantage that a device having a single power source voltage can be configured. Therefore, for example, it is widely used as a photoelectric conversion element in a transmission / reception module that constitutes a branch point (node) or the like of a local area network using a double ring type optical fiber. In particular, in a cable television distribution network using an optical fiber for distributing digitized moving image information, a light receiving element capable of supporting a high speed of about 2 Gbit / sec is required for transmission of a large amount of image information in the future. Become.

【0003】従来、光通信における信号受信用のPIN
型フォトダイオードとしては、例えば図3に示すような
裏面入射型ものがある。すなわち、InP基板1の表面
(図では下面)にハイドライド気相エピタキシャル成長
法等によってn型InPバッファ層2とn型InGaA
s光吸収層3とn型InPキャップ層4を順に成長させ
る。そして、上記InPキャップ層4の一部には、Zn
のようなp型不純物を拡散させて、上記n型InGaA
s光吸収層3との界面に達するようなp型拡散領域6を
形成する。さらに、キャップ層4の表面には窒化シリコ
ン膜からなる保護膜7を、また上記p型拡散領域6の表
面にはオーミック電極8を形成する。一方、InP基板
1の裏面(図では上面)にはn型電極9を形成し、その
中央には光入射用開口部9aを開けてその内側には反射
率が最小となるように膜厚を制御した窒化シリコンから
なる反射防止膜10を形成するというものである。
Conventionally, a PIN for signal reception in optical communication
As the type photodiode, for example, there is a back illuminated type photodiode as shown in FIG. That is, the n-type InP buffer layer 2 and the n-type InGaA are formed on the surface (the lower surface in the figure) of the InP substrate 1 by the hydride vapor phase epitaxial growth method or the like.
s The light absorption layer 3 and the n-type InP cap layer 4 are sequentially grown. Then, Zn is formed on a part of the InP cap layer 4 by
By diffusing a p-type impurity such as
The p-type diffusion region 6 is formed so as to reach the interface with the light absorption layer 3. Further, a protective film 7 made of a silicon nitride film is formed on the surface of the cap layer 4, and an ohmic electrode 8 is formed on the surface of the p-type diffusion region 6. On the other hand, an n-type electrode 9 is formed on the back surface (upper surface in the figure) of the InP substrate 1, a light entrance opening 9a is formed in the center thereof, and a film thickness is formed inside the opening 9a to minimize the reflectance. The antireflection film 10 made of controlled silicon nitride is formed.

【0004】上記構造の受光素子にあっては、上記電極
8,9間に逆方向電圧すなわち電極8に負の電圧をまた
電極9に正の電圧を印加される。このような逆バイアス
状態ではp型拡散領域6の境界の空乏層30は主として
InGaAs光吸収層3内に広がる。この状態で、受光
部より入射した光はInP基板1およびバッファ層2で
は吸収されず光吸収層3に到達して吸収され、電子−正
孔対が発生する。空乏層30内で発生した電子−正孔対
は、空乏層30内の電界により加速されて電極8,9に
達し、光電流として外部回路で観測される。ところで、
PIN型フォトダイオードにあっては、応答速度を制限
する主な要因として、受光部に寄生する接合容量と寄生
抵抗によるCR時定数と、光吸収で発生した電子−正孔
対の走行時間の2つがある。このうちCR時定数による
制限については、受光部(p型拡散層6)の面積を低減
して接合容量を小さくしたり、電極の接触抵抗を小さく
することにより高速化を図ることができる。しかるに、
p型拡散領域6を小さくして小面積化を図ると光ファイ
バーとの光結合が困難になる。そこで、基板1の裏面に
一点鎖線Aで示すようなレンズを一体に形成して入射光
を光吸収層3に集光させるようにした技術が提案されて
いる。
In the light receiving element having the above structure, a reverse voltage is applied between the electrodes 8 and 9, that is, a negative voltage is applied to the electrode 8 and a positive voltage is applied to the electrode 9. In such a reverse bias state, the depletion layer 30 at the boundary of the p-type diffusion region 6 spreads mainly in the InGaAs light absorption layer 3. In this state, the light incident from the light receiving portion is not absorbed by the InP substrate 1 and the buffer layer 2 but reaches the light absorption layer 3 and is absorbed, and an electron-hole pair is generated. The electron-hole pair generated in the depletion layer 30 is accelerated by the electric field in the depletion layer 30 and reaches the electrodes 8 and 9, and is observed as a photocurrent in an external circuit. by the way,
In the PIN photodiode, two main factors that limit the response speed are the CR time constant due to the junction capacitance and parasitic resistance parasitic on the light receiving portion, and the transit time of the electron-hole pair generated by light absorption. There is one. Regarding the limitation by the CR time constant, the speed can be increased by reducing the area of the light receiving portion (p-type diffusion layer 6) to reduce the junction capacitance or by reducing the contact resistance of the electrode. However,
If the size of the p-type diffusion region 6 is reduced to reduce the area, optical coupling with an optical fiber becomes difficult. Therefore, a technique has been proposed in which a lens as indicated by a chain line A is integrally formed on the back surface of the substrate 1 so that incident light is focused on the light absorption layer 3.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところが、基板裏面に
レンズを一体に形成するには、高度に制御されたエッチ
ング技術を必要とするためプロセスが複雑になるととも
に、エッチングのみでレンズ加工を行なうとレンズ形状
の精度が低くレンズの曲率が変化したり、偏心により集
光位置がずれてしまうという欠点がある。そのため、従
来のレンズ一体型フォトダイオードではそれほどp型拡
散領域6を小さくすることができず、pn接合容量の低
減による高速化にも限界があることが分かった。この発
明は、上記の問題点に着目してなされたもので、高度な
エッチング技術を使用することなく、応答速度の速い半
導体受光素子を実現することを目的とする。
However, in order to integrally form a lens on the back surface of the substrate, a highly controlled etching technique is required, which complicates the process, and if the lens is processed only by etching. There are drawbacks that the precision of the lens shape is low and the curvature of the lens changes, and the condensing position shifts due to decentering. Therefore, it has been found that the p-type diffusion region 6 cannot be made so small in the conventional lens-integrated photodiode, and there is a limit to speeding up by reducing the pn junction capacitance. The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize a semiconductor light receiving element having a fast response speed without using an advanced etching technique.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
上にバッファ層を介して形成された第1の導電型の半導
体層からなる光吸収層の上に、該光吸収層よりも禁制帯
幅の大きな第1の導電型の半導体層からなるキャップ層
が形成されているとともに、該キャップ層の一部には第
2の導電型の拡散領域が形成され、この拡散領域の表面
には電極が形成されているとともに、上記半導体基板の
裏面には光が入射可能な窓部が形成されてなる受光素子
において、上記窓部の内側の基板面に、受光する光の波
長をλ、半導体基板結晶の屈折率をn、半導体基板の厚
さをl、上記窓部中心からの距離をrとしたときに、隣
合う溝との間隔dが次式 d=λ/(2n・sinθ),θ=tan-1(r/l) で現わされ、深さがλ/4である同心円状の複数の溝か
らなる回折格子型レンズを形成するようにしたものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a light absorption layer formed on a semiconductor substrate via a buffer layer and formed of a semiconductor layer of a first conductivity type has a forbidden band more than the light absorption layer. A cap layer made of a semiconductor layer of the first conductivity type having a large width is formed, a diffusion region of the second conductivity type is formed in a part of the cap layer, and an electrode is formed on the surface of the diffusion region. And a window portion through which light can be incident is formed on the back surface of the semiconductor substrate, the wavelength of the received light is λ, and the semiconductor substrate is a substrate surface inside the window portion. When the refractive index of the crystal is n, the thickness of the semiconductor substrate is 1, and the distance from the center of the window is r, the distance d between adjacent grooves is expressed by the following equation: d = λ / (2n · sin θ), θ = Tan- 1 (r / l) and a plurality of concentric circles with a depth of λ / 4 A diffraction grating type lens composed of grooves is formed.

【0007】[0007]

【作用】上記した手段によれば、半導体基板の裏面の窓
部内側に形成された回折格子型レンズによって、入射し
た光を回折格子と同一の原理で光吸収層に集光させるこ
とができるため、通常の凸形レンズを基板裏面に一体に
形成したものに比べて大口径化および短焦点化が実現で
き、加工ばらつきに伴う曲率の変化や偏心による集光位
置(焦点)ずれがなくなり、光ファイバーとの光結合が容
易となってp型拡散領域の小面積化が可能となり、これ
によってpn接合容量が低減された応答速度の速い半導
体受光素子を得ることができる。また、半導体基板裏面
の集光用の回折格子型レンズは、深さが一定(λ/4)で
ある同心円状の複数の溝からなるので、凸形レンズやフ
レネルレンズを基板に形成する場合のように曲面や傾斜
面の形成が不要であるため、通常のフォトリソグラフィ
技術による選択エッチングで簡単に形成することがで
き、プロセスを複雑にすることなくレンズ構造を有する
半導体受光素子を製造することができるようになる。な
お、溝の深さをλ/4としたのは、このタイプの回折格
子では1次の強度分布が最も強くなる溝の深さはλ/4
の奇数倍であること、及び格子間隔が狭くなる周辺部で
の加工が容易になることにより選択した。
According to the above means, the incident light can be condensed on the light absorption layer by the same principle as the diffraction grating by the diffraction grating type lens formed inside the window on the back surface of the semiconductor substrate. In comparison with the one in which a normal convex lens is integrally formed on the back surface of the substrate, a larger aperture and a shorter focus can be realized, and there is no change in curvature due to processing variations or deviation of the focusing position (focal point) due to eccentricity. It becomes easy to optically couple with p and the area of the p-type diffusion region can be reduced, whereby a semiconductor light receiving element with a fast response speed in which the pn junction capacitance is reduced can be obtained. Further, since the diffraction grating lens for condensing light on the back surface of the semiconductor substrate is composed of a plurality of concentric circular grooves having a constant depth (λ / 4), it is necessary to form a convex lens or Fresnel lens on the substrate. Since it is not necessary to form a curved surface or an inclined surface as described above, it can be easily formed by selective etching by a normal photolithography technique, and a semiconductor light receiving element having a lens structure can be manufactured without complicating the process. become able to. The depth of the groove is set to λ / 4 because the depth of the groove where the first-order intensity distribution is the strongest in this type of diffraction grating is λ / 4.
It is selected because it is an odd multiple of 1 and it facilitates processing in the peripheral portion where the lattice spacing is narrow.

【0008】[0008]

【実施例】以下、図面を用いて本発明をInPを基板と
するPIN型フォトダイオードに適用した場合の実施例
を説明する。図1には本発明に係るPIN型フォトダイ
オードの一実施例が示されている。同図において図3に
示されている符号と同一符号は同一または相当部分を示
す。この実施例では、InP基板1の裏面(図では上
面)に深さが一定である同心円状の複数の溝からなる回
折格子型レンズ11が形成され、この回折格子型レンズ
11の表面に窒化シリコンからなる反射防止膜10が、
また回折格子型レンズ11の外側の基板表面には、n型
オーミック電極9が形成されている。そして、InP基
板1の表面(図では下面)には、n型InPバッファ層
2と、n型InGaAs光吸収層3と、n型InPキャ
ップ層4とが順に形成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the present invention is applied to a PIN photodiode using InP as a substrate will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a PIN photodiode according to the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 3 indicate the same or corresponding portions. In this embodiment, a diffraction grating lens 11 having a plurality of concentric circular grooves having a constant depth is formed on the back surface (upper surface in the figure) of the InP substrate 1, and the silicon nitride is formed on the surface of the diffraction grating lens 11. The antireflection film 10 made of
An n-type ohmic electrode 9 is formed on the substrate surface outside the diffraction grating lens 11. Then, an n-type InP buffer layer 2, an n-type InGaAs light absorption layer 3, and an n-type InP cap layer 4 are sequentially formed on the surface (lower surface in the figure) of the InP substrate 1.

【0009】上記回折格子型レンズは、隣合う溝との間
隔dが次式 d=λ/(2n・sinθ),θ=tan-1(r/l) で現わされ、深さがλ/4である複数の溝11a,11
b,11c,11dが同心円をなすように形成すること
で得られる。この場合、レンズの外径の大きさを先に決
定して上記式を満たす溝の間隔を外側から内側へ順に計
算して求めて行くようにしても良いし、レンズの中央の
フラット部分の大きさを先に決定してから上記式を満た
す溝の間隔を内側から外側へ順に計算して求めて行くよ
うにしても良い。
In the diffraction grating lens, the distance d between adjacent grooves is expressed by the following equations d = λ / (2n · sin θ) and θ = tan- 1 (r / l), and the depth is λ / A plurality of grooves 11a, 11
It is obtained by forming b, 11c and 11d so as to form concentric circles. In this case, the size of the outer diameter of the lens may be determined first, and the distance between the grooves satisfying the above formula may be calculated in order from the outer side to the inner side, or the size of the flat portion in the center of the lens may be calculated. Alternatively, the distance between the grooves satisfying the above formula may be calculated in order from the inner side to the outer side and then calculated.

【0010】また、上記キャップ層4の一部には、Zn
のようなp型不純物が拡散され上記n型InGaAs光
吸収層3との界面に達するようなp型拡散領域6が設け
られている。さらに、キャップ層4の表面には窒化シリ
コンからなる表面保護膜7が形成され、この表面保護膜
のp型拡散領域6に対応する部分には開口部が形成され
ており、この開口部の内側にはキャップ層4よりも禁制
帯幅の小さなp型InGaAsコンタクト層16を介し
て、図2に拡大して示すように、Tiとp型不純物とな
るZn等のIIB族金属の積層薄膜構造(Ti層/Zn
層)を有するp型オーミック電極8aおよびTi/Pt
/Au構造の第2p型電極8bが積層形成されている。
Further, Zn is formed on a part of the cap layer 4.
The p-type diffusion region 6 is provided so that the p-type impurity as described above is diffused and reaches the interface with the n-type InGaAs light absorption layer 3. Further, a surface protective film 7 made of silicon nitride is formed on the surface of the cap layer 4, and an opening is formed in a portion of the surface protective film corresponding to the p-type diffusion region 6, and the inside of the opening is formed. 2 through a p-type InGaAs contact layer 16 having a bandgap smaller than that of the cap layer 4, as shown in an enlarged view in FIG. 2, a laminated thin film structure of a group IIB metal such as Ti and Zn serving as p-type impurities ( Ti layer / Zn
Layer) p-type ohmic electrode 8a and Ti / Pt
The second p-type electrode 8b having the / Au structure is formed by lamination.

【0011】この実施例のPIN型フォトダイオードに
あっては、素子の上方から全体に亘って入射光が照射さ
れても、回折格子型レンズ11によって光吸収層3の界
面の空乏層30の部分に集光させることができるととも
に、回折格子型レンズ11の中央部分はフラットである
ため、通常の凸形レンズにおけるような加工ばらつきに
伴う曲率の変化や偏心による集光位置(焦点)ずれやフレ
ネルレンズにおけるマスクずれによる軸ずれがない。ま
た、光ファイバーからの入射条件(ファイバーとの距離
やコア径、開口数)の違いによる光の広がり方に対し
て、中心のフラット部分の大きさを変える(例えば、ま
っすぐ入射する場合には中心フラット部を大きくし、広
がり目に入射する場合には中心フラット部を狭くする)
ことにより対処することができる。これによって光ファ
イバーとの光結合が容易となる。その結果、p型拡散領
域の小面積化が可能となり、pn接合容量が低減され、
CR時定数で決まる素子の遮断周波数が高くなって、素
子の応答性が向上する。
In the PIN type photodiode of this embodiment, even if the incident light is irradiated from the upper side of the device to the whole, the depletion layer 30 at the interface of the light absorption layer 3 is formed by the diffraction grating type lens 11. In addition, since the central portion of the diffraction grating lens 11 is flat, the curvature of the focal point (focal point) is deviated due to a change in curvature or decentering due to processing variations as in a normal convex lens, and the Fresnel There is no axial misalignment due to mask misalignment in the lens. In addition, the size of the central flat part is changed according to the way the light spreads due to the difference in the incident conditions (distance from the optical fiber, core diameter, numerical aperture) from the optical fiber (for example, in the case of a straight incident, the central flat part is changed). The area is enlarged, and the central flat area is narrowed when entering a widening eye.)
It can be dealt with. This facilitates optical coupling with the optical fiber. As a result, it is possible to reduce the area of the p-type diffusion region, reduce the pn junction capacitance,
The cutoff frequency of the element, which is determined by the CR time constant, increases, and the response of the element improves.

【0012】また、この実施例では、p型電極をIIB族
金属を含む積層構造(Ti層/Zn層)を有するp型オ
ーミック電極8aの上にTi/Pt/Au構造の第2p
型電極8bを積層した構造としたので、従来のAu合金
からなるオーミック電極のようなアロイ化層が不要であ
るため、高い温度で長い時間熱処理をする必要がなくな
り、熱歪による回折格子型レンズ11の特に周辺部での
保護膜(反射防止膜10)の剥離や割れを防止すること
ができるとともに、電気的接触の熱的安定性が向上され
る。さらに、低接触抵抗が得られるため、シリーズ抵抗
が小さくなりCR時定数で決まる素子の遮断周波数が高
くなって、素子の応答速度が速くなる。
In this embodiment, the p-type electrode is a second p-type electrode having a Ti / Pt / Au structure on the p-type ohmic electrode 8a having a laminated structure (Ti layer / Zn layer) containing a Group IIB metal.
Since the type electrodes 8b are laminated, an alloying layer such as an ohmic electrode made of a conventional Au alloy is not required, so that heat treatment at a high temperature for a long time is not required, and a diffraction grating lens due to thermal strain. It is possible to prevent the protective film (antireflection film 10) from peeling or cracking particularly in the peripheral portion of 11, and improve the thermal stability of electrical contact. Furthermore, since a low contact resistance is obtained, the series resistance becomes small, the cutoff frequency of the element determined by the CR time constant becomes high, and the response speed of the element becomes fast.

【0013】次に、上記実施例のPIN型フォトダイオ
ードの製造プロセスについて説明する。InP基板1上
のn型InPバッファ層2と、n型InGaAs光吸収
層3と、n型InPキャップ層4はMOVPE法(有機
金属気相エピタキシャル成長法)によって順次エピタキ
シャル成長させて形成する。p型拡散領域6は、n型I
nPキャップ層4の上にp型InGaAs層をエピタキ
シャル成長させてから、その上に窒化シリコン膜を形成
して受光領域に対応する部分に円形の拡散窓を開け、こ
れを拡散マスクとしてZn(亜鉛)をn型InGaAs
光吸収層3との界面に達するまで選択拡散させて形成す
る。コンタクト層16は、上記拡散マスクを除去した
後、p型拡散領域6の上の部分にのみp型InGaAs
層が残るようにエッチングすることで形成する。
Next, the manufacturing process of the PIN photodiode of the above embodiment will be described. The n-type InP buffer layer 2, the n-type InGaAs light absorption layer 3, and the n-type InP cap layer 4 on the InP substrate 1 are formed by sequentially epitaxially growing by the MOVPE method (metal organic chemical vapor deposition method). The p-type diffusion region 6 is an n-type I.
After epitaxially growing a p-type InGaAs layer on the nP cap layer 4, a silicon nitride film is formed on the p-type InGaAs layer and a circular diffusion window is opened in a portion corresponding to the light receiving region, and Zn (zinc) is used as a diffusion mask. N-type InGaAs
It is formed by selective diffusion until reaching the interface with the light absorption layer 3. After removing the diffusion mask, the contact layer 16 is p-type InGaAs only on the portion above the p-type diffusion region 6.
It is formed by etching so that the layer remains.

【0014】キャップ層4の表面の表面保護膜7は、窒
化シリコン膜をプラズマCVD法で形成した後、500
℃以下(通常400〜450℃)の温度で熱処理して膜
の均一化および緻密化を行なう。そして、この表面保護
膜7のp型拡散領域6に対応する部分には開口部を形成
する。この開口部の内側のp型電極8aおよび8bは、
p型InGaAsコンタクト層16の上に上記開口部を
覆うように、まずTi層を約200Å、Zn層を約10
0Åの厚みに、さらにその上にTi層を約200Å、P
t層を約1000Åの厚みに形成する。それから、45
0℃程度の温度で非酸化雰囲気中にて数十秒間熱処理を
施して、Znをp型InGaAsコンタクト層16に固
相拡散させてTi層の電気的接触抵抗を下げ、オーミッ
ク電極8aとする。次に、上記オーミック電極8aの上
にTi層を約500Å、Pt層を約1000Å、Au層
を約3000Åの厚みに被着してからパターニングして
第2p型電極8bを形成する。
The surface protective film 7 on the surface of the cap layer 4 is formed of a silicon nitride film by plasma CVD and then 500
The film is heat-treated at a temperature of not more than 0 ° C. (usually 400 to 450 ° C.) to make the film uniform and dense. Then, an opening is formed in a portion of the surface protective film 7 corresponding to the p-type diffusion region 6. The p-type electrodes 8a and 8b inside this opening are
First, a Ti layer of about 200 Å and a Zn layer of about 10 are formed on the p-type InGaAs contact layer 16 so as to cover the opening.
A thickness of 0Å and a Ti layer of about 200Å on it, P
The t-layer is formed to a thickness of about 1000Å. Then 45
Heat treatment is performed at a temperature of about 0 ° C. in a non-oxidizing atmosphere for several tens of seconds to solid-phase diffuse Zn into the p-type InGaAs contact layer 16 to reduce the electrical contact resistance of the Ti layer to form the ohmic electrode 8a. Then, a Ti layer is deposited on the ohmic electrode 8a to a thickness of about 500Å, a Pt layer is deposited to a thickness of about 1000Å, and an Au layer is deposited to a thickness of about 3000Å, and then patterned to form a second p-type electrode 8b.

【0015】基板裏面の回折格子型レンズ11は、鏡面
研磨された基板裏面に、溝と溝との間隔dが、d=λ/
(2n・sinθ)を満足する複数の輪環状酸化シリコ
ン膜を同心円をなすようにリソグラフィ技術で形成した
後、これをエッチングマスクとして気相エッチング法で
基板裏面をλ/4の深さまで選択エッチングして形成す
る。また、複数のリング状溝を形成した後は、エッチン
グマスクとなった酸化シリコン膜を除去してから、基板
裏面にアルミニウム等の金属からなるn型電極9を形成
し、その中央の回折格子型レンズ11に対応して光入射
用窓部9aを開けてから、その内側に反射率が最小とな
るように膜厚を制御した窒化シリコンからなる反射防止
膜10を形成する。
In the diffraction grating lens 11 on the back surface of the substrate, the distance d between the grooves is d = λ / on the back surface of the mirror-polished substrate.
After forming a plurality of annular silicon oxide films satisfying (2n · sin θ) by concentric circles by lithography technology, the back surface of the substrate is selectively etched to a depth of λ / 4 by vapor phase etching using this as an etching mask. To form. After forming the plurality of ring-shaped grooves, the silicon oxide film serving as the etching mask is removed, and then the n-type electrode 9 made of a metal such as aluminum is formed on the back surface of the substrate. After opening the light incident window portion 9a corresponding to the lens 11, an antireflection film 10 made of silicon nitride having a film thickness controlled so that the reflectance is minimized is formed inside thereof.

【0016】なお、上記実施例では、説明の都合上、先
に基板表面側の光電変換部分(p型拡散領域,p型電
極)の形成方法について説明したが、製造の順序として
は基板裏面側の回折格子型レンズと基板表面側の光電変
換部分のいずれを先に形成することも可能である。ま
た、実施例のp型電極(8a,8b)に加え、n型電極
9に対応する電極部を基板表面に設けるようにしたいわ
ゆるフリッフチップ型の受光素子にも適用することがで
きる。さらに、実施例では本発明を、PIN型フォトダ
イオードに適用した場合について説明したが、アバラン
シェ型フォトダイオードその他の半導体受光素子に適用
することもできる。
In the above embodiment, the method of forming the photoelectric conversion portion (p-type diffusion region, p-type electrode) on the front surface side of the substrate has been described for convenience of explanation. It is possible to first form either the diffraction grating lens or the photoelectric conversion portion on the substrate surface side. Further, in addition to the p-type electrodes (8a, 8b) of the embodiment, the present invention can be applied to a so-called flip chip type light receiving element in which an electrode portion corresponding to the n-type electrode 9 is provided on the substrate surface. Furthermore, although the present invention has been described in the embodiment as applied to a PIN photodiode, it can also be applied to an avalanche photodiode and other semiconductor light receiving elements.

【0017】[0017]

【発明の効果】以上説明したようにこの発明は、半導体
基板上にバッファ層を介して形成された第1の導電型の
半導体層からなる光吸収層の上に、該光吸収層よりも禁
制帯幅の大きな第1の導電型の半導体層からなるキャッ
プ層が形成されているとともに、該キャップ層の一部に
は第2の導電型の拡散領域が形成され、この拡散領域の
表面には電極が形成されているとともに、上記半導体基
板の裏面には光が入射可能な窓部が形成されてなる受光
素子において、上記窓部の内側の基板面に、受光する光
の波長をλ、半導体基板結晶の屈折率をn、半導体基板
の厚さをl、上記窓部中心からの距離をrとしたとき
に、隣合う溝との間隔dが次式 d=λ/(2n・sinθ),θ=tan-1(r/l) で現わされ、深さがλ/4である同心円状の複数の溝か
らなる回折格子型レンズを形成するようにしたので、半
導体基板の裏面の窓部内側に形成された回折格子型レン
ズによって、入射した光を回折格子と同一の原理で光吸
収層に集光させることができる。そのため、通常の凸形
レンズを基板裏面に一体に形成したものに比べて大口径
化および短焦点化が実現でき、加工ばらつきに伴う曲率
の変化や偏心による集光位置(焦点)ずれがなくなり、光
ファイバーとの光結合が容易となってp型拡散領域の小
面積化が可能となり、これによってpn接合容量が低減
された応答速度の速い半導体受光素子を得ることができ
る。
As described above, according to the present invention, a light-absorbing layer made of a semiconductor layer of the first conductivity type formed on a semiconductor substrate with a buffer layer interposed between the light-absorbing layer and the light-absorbing layer is more forbidden than the light-absorbing layer. A cap layer made of a semiconductor layer of the first conductivity type having a large band width is formed, and a diffusion region of the second conductivity type is formed in a part of the cap layer, and a surface of the diffusion region is formed. In a light receiving element in which an electrode is formed and a window through which light can enter is formed on the back surface of the semiconductor substrate, a substrate surface inside the window has a wavelength of received light of λ, a semiconductor When the refractive index of the substrate crystal is n, the thickness of the semiconductor substrate is l, and the distance from the center of the window is r, the distance d between adjacent grooves is expressed by the following equation: d = λ / (2n · sin θ), A concentric circular compound with a depth of λ / 4, expressed as θ = tan- 1 (r / l). Since a diffraction grating type lens consisting of a number of grooves is formed, the incident light is guided to the light absorbing layer by the same principle as the diffraction grating by the diffraction grating type lens formed inside the window on the back surface of the semiconductor substrate. Can be focused. Therefore, compared to a normal convex lens integrally formed on the back surface of the substrate, it is possible to realize a larger aperture and a shorter focus, and there is no change in curvature due to processing variations or deviation of the focus position (focus) due to eccentricity. The optical coupling with the optical fiber is facilitated, and the area of the p-type diffusion region can be reduced, which makes it possible to obtain a semiconductor light receiving element having a fast response speed with a reduced pn junction capacitance.

【0018】また、半導体基板裏面の集光用の回折格子
型レンズは、深さが一定(λ/4)である同心円状の複数
の溝からなるので、凸形レンズやフレネルレンズを基板
に形成する場合のように曲面や傾斜面の形成が不要であ
るため、通常のフォトリソグラフィ技術による選択エッ
チングで簡単に形成することができ、プロセスを複雑に
することなくレンズ構造を有する半導体受光素子を製造
することができるという効果がある。
Further, since the diffraction grating lens for collecting light on the back surface of the semiconductor substrate is composed of a plurality of concentric circular grooves having a constant depth (λ / 4), a convex lens or Fresnel lens is formed on the substrate. Since it is not necessary to form curved surfaces or inclined surfaces as in the case of manufacturing, it can be easily formed by selective etching by ordinary photolithography technology, and a semiconductor light receiving element having a lens structure can be manufactured without complicating the process. There is an effect that can be done.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明をInPを基板とするPIN型フォトダ
イオードに適用した場合の一実施例の構造を示す断面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an embodiment in which the present invention is applied to a PIN photodiode using InP as a substrate.

【図2】上記実施例のPIN型フォトダイオードの要部
(光電変換部)の詳細を示す拡大断面図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing details of a main part (photoelectric conversion part) of the PIN photodiode of the above embodiment.

【図3】従来のPIN型フォトダイオードの一例を示す
断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing an example of a conventional PIN photodiode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 3 光吸収層 4 キャップ層 6 p型拡散領域(受光部) 7 保護膜(窒化シリコン膜) 8a,8b,9 電極 9a 窓部 10 反射防止膜 11 回折格子型レンズ 11a〜11d 同心円状の溝 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 substrate 3 light absorption layer 4 cap layer 6 p type diffusion region (light receiving part) 7 protective film (silicon nitride film) 8a, 8b, 9 electrode 9a window part 10 antireflection film 11 diffraction grating lens 11a to 11d concentric circles groove

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上にバッファ層を介して形成
された第1の導電型の半導体層からなる光吸収層の上
に、該光吸収層よりも禁制帯幅の大きな第1の導電型の
半導体層からなるキャップ層が形成されているととも
に、該キャップ層の一部には第2の導電型の拡散領域が
形成され、この拡散領域の表面には電極が形成されて、
上記半導体基板の裏面には光が入射可能な円形の窓部が
形成されてなる半導体受光素子において、上記窓部の内
側の基板面には、受光する光の波長をλ、半導体基板結
晶の屈折率をn、半導体基板の厚さをl、上記窓部中心
からの距離をrとしたときに、隣合う溝との間隔dが次
式 d=λ/(2n・sinθ),θ=tan-1(r/l) で現わされ、深さがλ/4である同心円状の複数の溝か
らなる回折格子型レンズが形成されていることを特徴と
する半導体受光素子。
1. A first conductivity type having a forbidden band width larger than that of the light absorption layer, which is formed on a semiconductor substrate via a buffer layer and is composed of a semiconductor layer of the first conductivity type. And a second conductive type diffusion region is formed on a part of the cap layer, and an electrode is formed on the surface of the diffusion region.
In a semiconductor light receiving element in which a circular window through which light can be incident is formed on the back surface of the semiconductor substrate, the wavelength of the received light is λ, and the semiconductor substrate crystal is refracted on the substrate surface inside the window. When the ratio is n, the thickness of the semiconductor substrate is l, and the distance from the center of the window is r, the distance d between adjacent grooves is given by the following equation: d = λ / (2n · sin θ), θ = tan- A semiconductor light receiving element, characterized in that a diffraction grating type lens formed by a plurality of concentric circular grooves having a depth of λ / 4, which is represented by 1 (r / l), is formed.
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