JPWO2023166709A5 - - Google Patents

Description

本発明は光計測、光通信に用いられる赤外光を受光する半導体受光素子に関し、特に光パルスを受光し終えた後の立下り応答特性を向上させた半導体受光素子に関する。

従来から、光通信に用いられる光ファイバケーブルの損失状態、欠陥位置を測定する光パルス試験器（Optical Time Domain Reflectometer：OTDR）が広く利用されている。この光パルス試験器は、敷設されている光ファイバケーブルの一端から例えばパルス幅が１００ｎｓ程度のパルス光を入射し、このパルス光が光ファイバケーブル内を伝搬するときに生じるレイリー散乱光のうちの入射側に戻る後方散乱光を受光する。そして、後方散乱光の量（強度）に基づいて損失を測定し、パルス光を入射してから後方散乱光を受光するまでの時間に基づいて光パルス試験器からの距離を測定する。

光パルス試験器と測定対象の光ファイバケーブルの一端を接続した接続点では、光ファイバケーブルにパルス光が入射する際に、フレネル反射が生じることが避けられない。そのため、光パルス試験器からパルス光を出射したときに、この接続点でのフレネル反射光が最初に光パルス試験器に受光され、その後で後方散乱光が受光される。

この後方散乱光は、フレネル反射光と比べて光強度が極めて小さい。それ故、光パルス試験器の受光素子は、パルス光のパルス幅に相当するフレネル反射光の受光時間と、フレネル反射光の受光が終わってから後方散乱光を検知可能になるまでの応答時間（立下り時間）が経過するまでは、後方散乱光を検知することができない。従って、後方散乱光を検知することができない時間に相当する光パルス試験器からの光の往復距離内に欠陥が存在していても、この欠陥を検出することができないデッドゾーンが生じる。

デッドゾーンを小さくするために、受光素子の立下り時間を短縮することが要求されている。例えば特許文献１のように、受光素子の立下り時間を短縮するために、受光部の第１光吸収層を透過した光を第２光吸収層で吸収することにより、第１光吸収層に再入射する光を減少させる半導体受光素子が知られている。第１光吸収層を透過した光が反射されて第１光吸収層に再入射する光が減少するので、第１光吸収層を光が透過し終わると光電流が急激に減少し、立下り時間が短縮される。

特開平８－８４５６号公報

上記特許文献１の半導体受光素子は、入射した光を光電流（電気信号）に変換するための第１光吸収層と、第１光吸収層を透過した光を吸収することにより第１光吸収層に再入射しないようにするための第２光吸収層を有する。そのため、構造が複雑になると共に、結晶成長させるため形成することが容易ではない２つの光吸収層を別々に形成する必要があるので、製造コストが上昇してしまう課題がある。

本発明の目的は、受光部の光吸収層を透過した透過光が受光部に再入射しないように構成した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、光通信用の赤外光領域の波長の光に対して透明な半導体基板の第１面側に、光吸収層を有する受光部を備えた半導体受光素子において、前記半導体基板の前記第１面に対向する第２面側には、前記受光部に前記半導体基板と反対側から入射した入射光のうち前記光吸収層を透過した透過光が到達する領域に、前記第１面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を備え、前記傾斜部に前記透過光の波長以上の高さの凹凸を有する粗面であって、凹凸の突起の平均ピッチをＰ、平均幅をＢとしたときの密集度（Ｂ／Ｐ）が８０％以上となる粗面が形成されたことを特徴としている。

上記構成によれば、半導体受光素子は、赤外光領域の波長の光を透過させる半導体基板の第１面側に光吸収層を有する受光部を備え、この受光部には半導体基板と反対側から光が入射する。そして、半導体基板の第１面と対向する第２面側には、受光部の光吸収層を透過した透過光が到達する領域に、半導体基板の第１面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を備えている。この傾斜部には、透過光の波長以上の高さの凹凸を有する粗面であって、凹凸の突起の平均ピッチをＰ、平均幅をＢとしたときの密集度（Ｂ／Ｐ）が８０％以上となる粗面が形成されているので、反射率を５％以下に低減することができ、傾斜部に到達した透過光の大部分が反射されずに半導体基板の外側に出て行く。また、傾斜部が半導体基板の第１面に対して所定の角度で傾斜しているので、透過光のうちの傾斜部で反射される光が受光部に向けて反射されないようにすることができる。従って、透過光の受光部への再入射を低減することができるので、半導体受光素子の立下り時間が短縮される。

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、前記傾斜部は、前記半導体基板を前記第２面から前記第１面に向かって凹入させたＶ字形の溝によって形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、傾斜部はＶ字形の溝によって形成され、このＶ字形の溝に形成された粗面は、外部の物体との衝突、擦れによる破損から保護される。従って、半導体受光素子の取り扱いが容易になる。

請求項３の発明の半導体受光素子は、請求項２の発明において、前記半導体基板の前記第１面が前記半導体基板の（１００）面であり、且つ前記傾斜部が前記半導体基板の（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、半導体基板の第１面に対する傾斜部の所定の角度は、透過光が傾斜部で半導体基板の第２面に向かって反射されるように定まる。従って、受光部の光吸収層を透過した透過光が受光部に戻るように傾斜部で反射されることを防止することができる。

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、前記半導体基板の前記第２面に、前記透過光の波長以上の高さの凹凸を有する粗面が形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、受光部の光吸収層を透過した透過光の一部が傾斜部で反射されて半導体基板の第２面に到達したときに、この半導体基板の第２面での光の反射を低減することができる。従って、受光部の光吸収層を透過した透過光の受光部への再入射を一層低減することができる。

本発明の半導体受光素子によれば、受光部の光吸収層を透過した光が受光部に再入射しないようにすることができる。

本発明の実施例に係る半導体受光素子の斜視図である。 図１の半導体受光素子を光入射側から見た平面図である。 図２のIII－III線断面図である。 サンドブラスト加工の説明図である。 半導体基板の傾斜面に形成されたマイクロテクスチャの断面モデル図である。 マイクロテクスチャによる反射率を示すグラフである。 受光部に入射した光線の例を示す図である。 半導体基板の第２面も粗面に形成された場合の光線の例を示す図である。 半導体素子の変形例を示す図である。

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。

半導体受光素子１は、光通信用の赤外光領域（波長が１１００～１６００ｎｍの領域）の入射光を受光する例えばＰＩＮフォトダイオード又はアバランシェフォトダイオードを備えている。ここでは、ＰＩＮフォトダイオードを備えた半導体受光素子１の例を説明する。

図１～図３に示すように、半導体受光素子１は、光通信用の赤外光領域の波長の入射光に対して透明な単結晶の半導体基板２として、例えばｎ－ＩｎＰ基板を有する。この半導体基板２の第１面２ａ（表面）は半導体基板２の（１００）面である。この第１面２ａ側には、入射光を吸収する光吸収層４として例えばＩｎＧａＡｓ層と、半導体層５としてｎ－ＩｎＰ層が形成されている。

半導体層５は、例えばＺｎが選択的にドープされたｐ型拡散領域５ａを有する。ｐ型拡散領域５ａに接する光吸収層４の領域が光吸収領域４ａであり、ｐ型拡散領域５ａと光吸収領域４ａと半導体基板２によって受光部６であるＰＩＮフォトダイオードが形成されている。半導体層５、光吸収層４の厚さは夫々適宜設定され、例えば０．５～５μｍの厚さに形成されている。

半導体層５の表面は、ｐ型拡散領域５ａに連通する開口部７ａを有する保護膜７（例えばＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜等）に覆われている。保護膜７は、受光部６に入射する光の反射防止機能を備えていてもよい。そして、保護膜７の開口部７ａを介してｐ型拡散領域５ａに接続するアノード電極８が形成されている。ｐ型拡散領域５ａの大きさ、形状は夫々適宜設定され、例えば直径が１０～２００μｍの円形に形成されている。

半導体基板２の第１面２ａが露出した部分には、この第１面２ａに接続するカソード電極９が形成されている。アノード電極８及びカソード電極９は、例えばクロム、金を含む金属膜を選択的に堆積することによって形成されている。受光部６で光電変換された光電流は、アノード電極８とカソード電極９を介して外部に出力される。

受光部６には、半導体基板２と反対側から光が入射する。半導体基板２の第１面２ａに対向する第２面２ｂ側には、受光部６に入射して光吸収層４（光吸収領域４ａ）を透過した透過光が到達する領域に、傾斜部１１を備えている。

傾斜部１１は、半導体基板２の第２面２ｂ側から第１面２ａ側に向かって凹入させた断面形状がＶ字形の溝によって形成され、２つの傾斜面１１ａ，１１ｂを有する。これら傾斜面１１ａ，１１ｂは、傾斜面１１ａ，１１ｂの法線Ｎ１，Ｎ２が第１面２ａの法線Ｎ０に対して４５°よりも大きい所定の角度θで夫々交差するように形成されている。

Ｖ字形の溝は、エッチング速度が結晶面方位に依存する公知のエッチング液として、例えばブロム－メタノール溶液を用いて、公知の異方性エッチングによって形成される。具体的には、半導体基板２の第２面２ｂにエッチングマスク層を形成し、この第２面２ｂの露出部分から異方性エッチングをすることによって、半導体基板２のエッチング速度が遅い（１１１）面を露出させる。これにより、半導体基板２の（１１１）面である２つの傾斜面１１ａ，１１ｂが形成される。

半導体基板２の（１００）面と（１１１）面は５４．７°の角度で交差するので、傾斜面１１ａ，１１ｂの法線Ｎ１，Ｎ２は第１面２ａの法線Ｎ０に対して角度θ＝５４．７°で夫々交差する。尚、Ｖ字形の溝は、角度θが４５°よりも大きくなるように、例えばイオンビームによるエッチングによって形成することもできる。

傾斜部１１（Ｖ字形の溝）を構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂは、異方性エッチングによって形成されたときには平坦である。これらの傾斜面１１ａ，１１ｂは、微細な凹凸からなるマイクロテクスチャ１２が形成されたことにより粗面化されている。マイクロテクスチャ１２は、例えば図４のように、ノズルＮｚから微細な粒子状の研磨材Ａｂを吹き付けるサンドブラスト加工によって形成される。

例えば、半導体基板２の第１面２ａ側の複数の受光部６に対応する第２面２ｂ側の複数の傾斜部１１が形成された半導体基板２に対して、その第２面２ｂ側を傾斜部１１に沿うようにサンドブラスト加工を行う。これにより、傾斜面１１ａ，１１ｂにマイクロテクスチャ１２が夫々形成される。この傾斜部１１のマイクロテクスチャ１２の形成時に、半導体基板２の第２面２ｂにもマイクロテクスチャ１２を形成することができる。

マイクロテクスチャ１２は、半導体基板２とその外側（空気）との間の屈折率が連続的に変化するように作用し、傾斜面１１ａ，１１ｂにおける光の反射を低減する。サンドブラスト加工後には、ダイシングソーによって半導体基板２を切断して複数の半導体受光素子１を個片化する。切断された半導体基板２の端面は、ダイシングソーに固着された砥粒のサイズを含む切断条件にもよるが、マイクロテクスチャ１２と同様の微細な凹凸が形成された粗面にすることができる。

図５は、マイクロテクスチャ１２の断面モデル図である。マイクロテクスチャ１２は、半導体基板２を加工して形成された複数の微細な突起１２ａを有する。この突起１２ａの断面を単純化して例えば三角形状とし、突起１２ａの高さをｈ、突起１２ａの基端の幅をｂ、突起１２ａの配設ピッチをｐとし、これらの平均値を夫々平均高さＨ、平均幅Ｂ、平均ピッチＰとする。

サンドブラスト加工で噴射する研磨材Ａｂの粒径、噴射速度といった加工条件を適切に選択することによって、傾斜部１１に形成される突起１２ａのサイズを調整することができる。複数の微細な突起１２ａは、半導体基板２を凹入させたＶ字形の溝に形成されるので、例えば外部の物体との衝突、擦れから複数の突起１２ａが保護されて破損し難くなり、半導体受光素子１の取り扱いが容易になる。

図６は、マイクロテクスチャ１２を備えた傾斜面１１ａの反射率のシミュレーション結果である。半導体基板２を進行する光の波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）と反射率の関係が、傾斜面１１ａの断面における複数の突起１２ａの密集度別に曲線Ｌ１～Ｌ３で示されている。複数の突起１２ａの密集度は、複数の突起１２ａの平均ピッチＰに対する複数の突起１２ａの平均幅Ｂの比率（Ｂ／Ｐ）で表される。半導体基板２を進行する光の波長λは、受光部６の光吸収層４を透過して傾斜部１１に到達する透過光の波長に相当する。

突起１２ａがない平坦な傾斜面１１ａ（平均高さＨ＝０、つまりＨ／λ＝０）の場合には、反射率が２７％程度であるが、波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）が大きいほど反射率が低減される傾向がある。また、複数の突起１２ａの密集度（Ｂ／Ｐ）が大きいほど反射率が小さい。尚、図６は傾斜面１１ａに垂直に光が入射する場合について示しているが、入射角を変えても同様の傾向がある。

半導体基板２を進行する光の波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）が１以上であって、且つ複数の突起１２ａの密集度（Ｂ／Ｐ）が０．８（８０％）以上の場合には、反射率を５％以下に低減することができる。また、複数の突起１２ａの密集度（Ｂ／Ｐ）が１（１００％）の場合には、半導体基板２を進行する光の波長λに対する複数の突起１２ａの平均高さＨの比率（Ｈ／λ）が１以上で反射率を１％以下に低減することができる。

このように反射率を低減するために、傾斜面１１ａ，１１ｂには、半導体基板２を進行する光の波長λ以上の平均高さＨを有し、且つ密集度（Ｂ／Ｐ）が８０％以上となるように形成された複数の突起１２ａを備えたマイクロテクスチャ１２が形成されている。尚、空気中での波長が例えば１６００ｎｍの赤外光に対して空気の屈折率を１としたときに、半導体基板２がｎ－ＩｎＰ基板の場合にその屈折率は３．２程度なので、突起１２ａの平均高さＨを５００ｎｍ程度にすることによってＨ／λを１以上とすることができる。

図７に示すように、半導体受光素子１は、半導体基板２の第２面２ｂ側が、例えば端子を備えた基板のようなマウント部材１４に接着剤１５によって固定される。受光部６には、マウント部材１４と反対側から、即ち半導体基板２と反対側から光が入射する。この入射光Ｉの一部は受光部６で光電流に変換されて出力され、残りの大部分は受光部６の光吸収層４（光吸収領域４ａ）を透過する。

受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔが傾斜部１１に到達し、マイクロテクスチャ１２が形成された傾斜面１１ａ，１１ｂから透過光Ｔの大部分が反射されずに半導体基板２の外側に出て行く。傾斜部１１がＶ字形の溝なので、半導体基板２の第２面２ｂ側をマウント部材１４に固定していても、受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔを半導体基板２の外側へ導くことができる。尚、マウント部材１４は、半導体基板２を透過した光が傾斜部１１に戻らないように、例えば透過、吸収、又は反射防止の機能を備えていることが好ましい。

また、傾斜部１１の傾斜面１１ａ，１１ｂが半導体基板２の（１１１）面なので、透過光Ｔの一部が傾斜部１１で半導体基板２の第２面２ｂに向かって反射される。そして、この第２面２ｂでさらに反射されて、端面２ｃ，２ｄから半導体基板２の外側に出て行く。従って、傾斜部１１に到達した透過光Ｔの大部分が半導体基板２の外側に出て行くので、透過光Ｔの受光部６への再入射が低減される。半導体基板２の端面２ｃ，２ｄが粗面になっている場合には、端面２ｃ，２ｄでの反射が低減され、透過光Ｔの受光部６への再入射が一層低減される。

図８に示すように、半導体基板２の第２面２ｂにもマイクロテクスチャ１２が形成されている場合には、第２面２ｂに到達した透過光Ｔの大部分が第２面２ｂで反射されずに半導体基板２の外側に出て行く。それ故、半導体基板２の第２面２ｂで反射された後、端面２ｃ，２ｄで反射される透過光Ｔが低減されるので、受光部６への再入射を一層低減することができる。

図８の場合には、半導体基板２の例えば端面２ｃ，２ｄ以外の端面（図８の断面に平行な端面）を不図示のマウント部材に接着剤によって固定することが好ましい。これにより、半導体基板２の第２面２ｂに形成されたマイクロテクスチャ１２の反射低減機能が例えば接着剤によって制限されることがない。尚、半導体基板２の第２面２ｂにマイクロテクスチャ１２がない場合でも、半導体基板２の端面をマウント部材に固定することができる。

図９に示すように、傾斜部１１を大きく形成して、透過光Ｔを例えばマイクロテクスチャ１２が形成された傾斜面１１ａのみで受けるようにしてもよい。この場合も傾斜部１１に到達した透過光Ｔの大部分が反射されずに半導体基板２の外側に出て行くので、透過光Ｔの受光部６への再入射が低減される。傾斜面１１ｂ側にも受光部６、アノード電極８，カソード電極９を形成して、１つのＶ字形の溝に対して対称に半導体受光素子１を形成し、線Ｌで分割することにより、粗面化された傾斜部１１を有する半導体受光素子１の製造効率を向上させることが可能である。

上記半導体受光素子１の作用、効果について説明する。
半導体受光素子１は、光通信に使用される赤外光領域の光に対して透明な半導体基板２の第１面２ａ側に光吸収層４を有する受光部６を備えている。この受光部６には、半導体基板２と反対側から光が入射する。そして、半導体基板２の第２面２ｂ側には、受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔが到達する領域に、半導体基板２の第１面２ａに対して所定の角度θで傾斜した傾斜部１１を備えている。

傾斜部１１には、透過光Ｔの波長λ以上の高さの凹凸を有する粗面が形成されているので、この傾斜部１１に到達した透過光Ｔの大部分が反射されずに半導体基板２の外側に出て行く。また、傾斜部１１が半導体基板２の第１面２ａに対して所定の角度θで傾斜しているので、透過光Ｔのうちの傾斜部１１で反射される光が受光部６に向けて反射されないようにすることができる。従って、受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔの受光部６への再入射を低減することができるので、半導体受光素子１の立下り時間が短縮される。

傾斜部１１は、半導体基板２の第２面２ｂ側から第１面２ａ側に向かって凹入させたＶ字形の溝によって形成されている。このＶ字形の溝に形成された粗面は、外部の物体との衝突、擦れによる破損から保護される。これにより、半導体受光素子１の取り扱いが容易になる。また、半導体受光素子１の第２面２ｂ側をマウント部材１４に固定しても、受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔを半導体基板２の外側へ導いて、受光部６への再入射を低減することができる。

半導体基板２の第１面２ａが半導体基板２の（１００）面であり、且つ傾斜部１１が半導体基板２の（１１１）面に形成されている。それ故、半導体基板２の第１面２ａに対する傾斜部１１の所定の角度θは、傾斜部１１で反射された透過光Ｔが半導体基板２の第２面２ｂに向かうように定まる。従って、受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔが受光部６に戻るように傾斜部１１で反射されることを防止することができる。

半導体基板２の第２面２ｂに、受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔの波長λ以上の深さの凹凸を有する粗面が形成されている場合には、透過光Ｔの一部が傾斜部１１で反射されて第２面２ｂに到達したときの第２面２ｂでの反射を低減することができる。従って、受光部６の光吸収層４を透過した透過光Ｔの受光部６への再入射を一層低減することができる。

受光部６は、例えば増倍層を備えたアバランシェフォトダイオードでもよく、上記と異なる材料、異なる形状で形成されたフォトダイオードであってもよい。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。

１ ：半導体受光素子
２ ：半導体基板
２ａ ：第１面
２ｂ ：第２面
２ｃ，２ｄ：端面
４ ：光吸収層
４ａ ：光吸収領域
５ ：半導体層
５ａ ：ｐ型拡散領域
６ ：受光部
７ ：保護膜
７ａ ：開口部
８ ：アノード電極
９ ：カソード電極
１１ ：傾斜部
１１ａ，１１ｂ：傾斜面
１２ ：マイクロテクスチャ
１２ａ：突起
１４ ：マウント部材
１５ ：接着剤

Claims (4)

1. 光通信用の赤外光領域の波長の光に対して透明な半導体基板の第１面側に、光吸収層を有する受光部を備えた半導体受光素子において、
   前記半導体基板の前記第１面に対向する第２面側には、前記受光部に前記半導体基板と反対側から入射した入射光のうち前記光吸収層を透過した透過光が到達する領域に、前記第１面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を備え、
   前記傾斜部に前記透過光の波長以上の高さの凹凸を有する粗面であって、凹凸の突起の平均ピッチをＰ、平均幅をＢとしたときの密集度（Ｂ／Ｐ）が８０％以上となる粗面が形成されたことを特徴とする半導体受光素子。
2. 前記傾斜部は、前記半導体基板を前記第２面から前記第１面に向かって凹入させたＶ字形の溝によって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. 前記半導体基板の前記第１面が前記半導体基板の（１００）面であり、且つ前記傾斜部が前記半導体基板の（１１１）面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
4. 前記半導体基板の前記第２面に、前記透過光の波長以上の高さの凹凸を有する粗面が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。

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