TW201941442A - 半導體受光元件 - Google Patents

Abstract

[課題]提供一種可高速響應與靈敏度提高，並且可擴大可容許的入射位置偏差的半導體受光元件。[解決手段]一種半導體受光元件，其具備：光吸收區域，其係形成在對於入射光是透明的半導體基板的主面附近部分；入射區域，其係和前述光吸收區域同心狀地設定為大於前述光吸收區域；以及部分球面狀的凹面反射部，其係可在前述半導體基板的與主面對向的背面，將從前述半導體基板的主面側射入前述入射區域的入射光朝向前述光吸收區域反射；設前述凹面反射部的曲率半徑為R、前述入射區域的直徑為B、前述光吸收區域與前述凹面反射部的距離為W、前述光吸收區域的直徑為P，則將前述曲率半徑R設定成滿足2BW／(B－P／2)≦R≦2BW／(B－P)的條件。

Description

半導體受光元件

本發明係關於一種將接收的入射光轉換為電子訊號而輸出的半導體受光元件，特別是關於一種可將入射光反射而導入受光部的半導體受光元件。

在光通訊領域，為了對應通訊量的急劇增加，進行了使傳送速度高速化的開發。光通訊係從傳送側經由光纖電纜等而傳送光訊號，在接收側將半導體受光元件接收到的光訊號轉換為電子訊號。

接收側的傳送速度的高速化，係由半導體受光元件的響應速度的高速化所實現，但為此，必須使以元件電容與元件電阻所規定的響應速度的上限提高。元件電容，係半導體受光元件的受光部的面積，即將光轉換為電性（電荷）的光吸收區域的直徑越小而變得越小，例如實現響應頻帶約20GHz的半導體受光元件時，若設光吸收區域的直徑為約20μm，則元件電容會變得十分小。

另一方面，光吸收區域的直徑越小，受光面積變得越小，而受光量變得越少，所以接收效率（靈敏度）會降低。而且，當入射光的光束直徑小時，為了使光確實地射入小的光吸收區域，必須調整入射位置，入射位置的偏差會敏感地影響到靈敏度。因此，半導體受光元件的響應速度的高速化與靈敏度提高的共存變得困難。

在光計測領域也有下述要求：為了邊維持半導體受光元件的頻率響應特性邊提高靈敏度，希望盡量加大受光面積。例如，有受光面積的直徑為約200μm、響應頻帶為150MHz的半導體受光元件的要求，但若只是使光吸收區域的直徑成為所要求的200μm，則響應頻帶會停留在約幾十MHz，無法滿足要求性能。

為了實現這種響應速度的高速化與靈敏度提高，例如如專利文獻1，已知一種半導體受光元件，其具備薄薄地形成於半導體基板主面上的光吸收區域以及如同與光吸收區域對向一般形成於半導體基板背面的反射部，構成為從主面側射入光吸收區域而穿透的光會以反射部反射後，再度射入光吸收區域。此外，如專利文獻2，已知一種半導體受光元件，其在形成於半導體基板主面上的凸透鏡狀或菲涅耳透鏡（Fresnel lens）狀的受光窗的中央部具備光吸收區域，同時在半導體基板的背面具備平面的反射部，使從主面側射入受光窗的光邊聚集邊射入反射部，使射入反射部的光反射成聚光於光吸收區域。

[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特許第2995921號公報
專利文獻2：日本特開平5-136446號公報

[發明所欲解決的課題]
在專利文獻1方面，光吸收區域的面積為受光面積，縮小光吸收區域時，即使利用反射光，也難以確保充分的受光量。此外，為了使光確實地射入小的光吸收區域，必須正確地調整入射光的入射位置，由於高速動作，對於縮小的光吸收區域，入射位置偏差會大幅影響到靈敏度。

在專利文獻2方面，受光窗的面積相當於受光面積，即使縮小光吸收區域，也可以確保大的受光面積，使響應速度的高速化與靈敏度提高共存，但形成光吸收區域後，必須將其周圍加工成凸透鏡狀或菲涅耳透鏡（Fresnel lens）狀，要不影響到光吸收區域而進行此加工並不容易。再者，透鏡聚光成聚焦於光吸收區域上，會在焦點附近集中地生成電荷，由於電荷的移動受限於電荷的過度集中的空間電荷效應，而有響應速度的高速化受到阻礙之虞。

本發明的目的是提供一種可使響應速度的高速化與靈敏度提高共存的半導體受光元件。

[解決課題的技術手段]
請求項1的發明，係一種半導體受光元件，其具備：光吸收區域，其係形成在對於入射光是透明的半導體基板的主面附近部分；入射區域，其係和前述光吸收區域同心狀地設定為大於前述光吸收區域；以及部分球面狀的凹面反射部，其係可在前述半導體基板的與主面對向的背面，將從前述半導體基板的主面側射入前述入射區域的入射光朝向前述光吸收區域反射；其特徵在於：設前述凹面反射部的曲率半徑為R、前述入射區域的直徑為B、前述光吸收區域與前述凹面反射部的距離為W、前述光吸收區域的直徑為P，則前述曲率半徑R滿足2BW／(B－P／2)≦R≦2BW／(B－P)的條件。

根據上述構造，部分球面狀的凹面反射部將從半導體受光元件的半導體基板的主面側射入入射區域的入射光之中未射入光吸收區域的入射光反射成朝向光吸收區域聚集。而且，將凹面反射部的曲率半徑設定成可將射入入射區域的入射光有效率地導入光吸收區域，並且可抑制以凹面反射部反射的入射光的過度聚集而導入光吸收區域。因此，可將光吸收區域縮得比入射區域小，抑制空間電荷效應以加快半導體受光元件的響應速度，同時可確保相當於入射區域面積的受光面積以提高靈敏度。而且，確保了比光吸收區域更大的受光面積，所以即使是小的光吸收區域，也可以抑制入射光的入射位置偏差造成的靈敏度降低。

請求項2的發明，係一種半導體受光元件，其具備：光吸收區域，其係形成在對於入射光是透明的半導體基板的主面附近部分；入射區域，其係和前述光吸收區域同心狀地設定為大於前述光吸收區域；以及旋轉拋物面狀的凹面反射部，其係可在前述半導體基板的與主面對向的背面，將從前述半導體基板的主面側射入前述入射區域的入射光朝向前述光吸收區域反射；其特徵在於：設近似前述凹面反射部的旋轉拋物面的部分球面的曲率半徑為R、前述入射區域的直徑為B、前述光吸收區域與前述凹面反射部的距離為W、前述光吸收區域的直徑為P，則前述曲率半徑R滿足2BW／(B－P／2)≦R≦2BW／(B－P)的條件。

根據上述構造，旋轉拋物面狀的凹面反射部將從半導體受光元件的半導體基板的主面側射入入射區域的入射光之中未射入光吸收區域的入射光反射成朝向光吸收區域聚集。而且，將凹面反射部的曲率半徑設定成可將射入入射區域的入射光有效率地導入光吸收區域，並且可抑制以凹面反射部反射的入射光的過度聚集而導入光吸收區域。因此，可將光吸收區域縮得比入射區域小，抑制空間電荷效應以加快半導體受光元件的響應速度，同時可確保相當於入射區域面積的受光面積以提高靈敏度。而且，確保了比光吸收區域更大的受光面積，所以即使是小的光吸收區域，也可以抑制入射光的入射位置偏差造成的靈敏度降低。

[發明功效]
藉由本發明的半導體受光元件，可使響應速度的高速化與靈敏度提高共存。

以下，就實施本發明用的形態，基於實施例進行說明。

實施例
首先，就半導體受光元件1的整個構造進行說明。
如圖1、圖2所示，半導體受光元件1具有：半導體基板2；受光部4，其配設於半導體基板2的主面3的附近部分；凹面反射部6，其配設於半導體基板2的與主面3對向的背面5；p電極7，其連接於受光部4；以及n電極8，其連接於半導體基板2的背面5。此半導體基板2為n-InP基板，對於波長比1μm長的紅外線為透明，射入半導體基板2的比1μm長的波長的紅外線會在半導體基板2內行進。再者，半導體基板2可按照半導體受光元件1的用途等，而適當選擇基板材料。

在半導體基板2的主面3上同樣地形成有例如厚度5μm的第一n-InP層11，在第一n-InP層11上設有受光部4。受光部4從第一n-InP層11側依次具有例如由厚度1μm的InGaAs層構成的光吸收區域12與厚度2μm的p型擴散區域13，在要求約10GHz的高速響應時，形成有直徑40μm的圓柱狀的pin光電二極體（photodiode）。在光吸收區域12，光從p型擴散區域13側以及從第一n-InP層11側射入，吸收入射光而生成電荷。p電極7連接於p型擴散區域13，第一n-InP層11的表面與受光部4的p電極7以外的部分被防止入射光反射的反射防止膜14（例如膜厚100nm的氮化矽膜）所覆蓋。

在半導體基板2的背面5，在和主面3相反側配設有凸狀且部分球面狀的例如寬度（外徑）300μm的凹面反射部6，n電極8以外的部分被介電膜15（例如膜厚100nm的氧化矽膜）所覆蓋。凹面反射部6配設成凹面反射部6的頂點（在和主面3相反側最突出之點）與圓柱狀的受光部4的軸心Z一致，和受光部4的光吸收區域12同心狀地設定有大於例如直徑200μm的受光部4的入射區域16。在凹面反射部6，從半導體基板2側依次形成有介電膜15與金屬膜17（例如膜厚10nm的鉻膜與膜厚40nm的金膜的層積膜），形成有對於來自主面3側的入射光具有高反射率的反射膜。

圖3為將改變構成反射膜的氧化矽膜、鉻膜以及金膜的膜厚時的反射率的運算結果連接相同反射率之點而顯示成等高線狀。反射率的運算是以從半導體基板2垂直射入反射膜的設想進行，設半導體基板2與氧化矽膜的折射率分別為3.224與1.45，設鉻膜與金膜的複數折射率分別為3.6-j3.6與0.55-j11.5（j為虛數單位）。鉻膜作用為氧化矽膜與金膜的密合層。要得到超過反射率90%的高反射率，雖然也取決於氧化矽膜的膜厚，但在氧化矽膜的膜厚為100nm時，得知鉻膜的膜厚有約10nm、金膜的膜厚有約40nm就足夠了。

凹面反射部6係將曲率半徑R設定成可朝向光吸收區域12反射入射光，該入射光係從受光部4側與軸心Z平行射入入射區域16而到達凹面反射部6的入射光。如圖4所示，在例如俯視圓形的光吸收區域12的直徑P為40μm、光吸收區域12與凹面反射部6的頂點的距離W為150μm、凹面反射部6的外徑D為300μm、入射區域16的直徑B為200μm時，藉由將曲率半徑R設定為375μm以下，可將從受光部4側與受光部4的軸心Z平行射入入射區域16的入射光以凹面反射部6反射而有效率地導入光吸收區域12。若使曲率半徑R比此更大，則射入入射區域16的外周側部分的入射光就會被反射成通過光吸收區域12的徑向外側，而無法射入光吸收區域12，耦合效率會降低。此處所謂耦合效率，係入射光之中射入光吸收區域12的光的比例。

另一方面，若逐漸縮小曲率半徑R，則射入入射區域16的入射光就會被凹面反射部6聚集到光吸收區域12的中央部分，既而就會聚焦在光吸收區域12的中央部分。若過度聚集到光吸收區域12的中央部分，則由入射光生成的電荷會過度集中到光吸收區域12的中央部分，由於此電荷集中產生的空間電荷效應，電荷的移動受到限制，而半導體受光元件1的響應速度的高速化會受到阻礙。為了避免此等耦合效率的降低以及空間電荷效應，將曲率半徑R設定成滿足下列條件式（1）：
2BW／(B－P／2)≦R≦2BW／(B－P) … （1）

此處，就曲率半徑R的條件式（1）進行說明。
如圖5所示，以曲率半徑R的圓弧A表示凹面反射部6，設凹面反射部6的頂點為T、曲率半徑R的圓弧A的中心為C、與軸心Z平行射入直徑B的入射區域16的最外周部分的光線i與圓弧A的交點為I。光線i被反射成入射角與反射角對於線段CI相等的反射光線r會到達在線段CT上的曲率半徑R的凹面反射部6的焦點F。頂點T與焦點F的距離（焦點距離）近似R／2。此外，為了簡化，設圓弧A的頂點T的切線與光線i的延長線的交點為I’，以三角形FTI’近似由線段FT、反射光線r、弧TI構成的圖形。

在直徑P的光吸收區域12離頂點T在距離W的位置時，將反射光線r射入光吸收區域12的最外周部分的情況設定為曲率半徑R的上限。此情況，設近似反射光線r的線段FI’與光吸收區域12交叉的交點為X、從交點X對於線段TI’畫出的垂線與線段TI’的交點為T’，則利用三角形FTI’與三角形XT’I’為相似，可導出條件式（1）的上限的曲率半徑R＝2BW／(B－P)。在光吸收區域12的直徑P為40μm、光吸收區域12與凹面反射部6的頂點的距離W為150μm、入射區域16的直徑B為200μm時，上限的曲率半徑R成為375μm。

如圖6所示，在圖4的半導體受光元件1，設凹面反射部6的曲率半徑R為330μm時，光吸收區域12的中央部分會接收到以凹面反射部6反射的入射光，由於生成於此中央部分的電荷的集中，所以無法忽視空間電荷效應。此時，射入直徑B的入射區域16的最外周部分的光線i會射入從光吸收區域12的最外周向中心側偏移P／4的位置。將此情況設定為曲率半徑R的下限，和圖5同樣地利用三角形的相似關係，則可導出條件式（1）的下限的曲率半徑R＝2BW／(B－P／2)。在光吸收區域12的直徑P為40μm、光吸收區域12與凹面反射部6的頂點的距離W為150μm、入射區域16的直徑B為200μm時，下限的曲率半徑R成為333μm。將曲率半徑R設定成滿足如此設定的條件式（1）而將入射光有效率地導入光吸收區域12，可使半導體受光元件1的響應速度的高速化與靈敏度提高共存。

至此，說明了大光束直徑的平行光線狀的入射光射入半導體受光元件1的情況，但在光通訊的光纖中傳送的光的光束直徑已被縮小，從光纖的輸出端射出的光會擴大成具有約14°的頂角的圓錐狀，即使在半導體基板2內也會按照折射的定律，其角度雖然變小，但會擴大成圓錐狀。為了讓此圓錐狀的入射光直接射入受光部4，必須調整光纖的輸出端的位置，但此調整並不容易。

即使在此情況，如圖7所示，設光吸收區域12的直徑P為例如40μm，若是具備滿足條件式（1）的曲率半徑R的凹面反射部6的半導體受光元件1，則也可以將圓錐狀的入射光以凹面反射部6反射而導入光吸收區域12。例如，來自光纖的出射光的頂角為14°時，將從出射位置O到受光部4的軸心Z的距離M與耦合效率的關係顯示於圖8。無凹面反射部6的情況，如以線L0顯示，若出射位置O從軸心Z偏移約15μm，則耦合效率就會急劇降低。耦合效率降低到50%的位置偏移的全寬（FWHM：Full Width at Half Maximum，半高寬）為約40μm，在此範圍內必須調整出射位置O。有凹面反射部6的反射的情況，例如曲率半徑R為360μm時，FWHM變成約180μm，擴大可容許的入射位置偏移，而實效的受光面積變大。

為了更進一步的響應速度的高速化，設光吸收區域12的直徑P為10μm，當W＝150μm、B＝200μm時，條件式（1）被計算為308μm≦R≦315μm，具備滿足此的曲率半徑R的凹面反射部6的半導體受光元件1，如圖9所示，可確保120μm以上的FWHM，並擴大可容許的入射位置偏移，而實效的受光面積變大。

其次，就半導體受光元件1的形成方法進行說明。
如圖10所示，在清潔的半導體基板2的主面3上，依次將第一n-InP層11、InGaAs層22、第二n-InP層23利用氣相成長法等進行成膜。然後，形成覆蓋第二n-InP層23的預定區域以外的未圖示的擴散遮罩（例如氮化矽膜），並利用選擇擴散法在預定的區域上形成使例如Zn擴散的p型擴散區域13。

其次，如圖11所示，保留包含p型擴散區域13的預定部分，以第一n-InP層11露出的形式利用選擇蝕刻法去除第二n-InP層23、InGaAs層22，形成具備光吸收區域12的受光部4。例如，雖然省略圖示，但在第二n-InP層23上形成覆蓋p型擴散區域13的蝕刻遮罩（例如光阻膜或氮化矽膜等介電膜），以第一n-InP層11露出的形式進行蝕刻。此時，第一n-InP層11也是上面側被蝕刻而變薄。化學蝕刻的情況，通常所使用的蝕刻液為溴化氫 （HBr）與甲醇的混合液，但並不受此限定，可以使用習知的蝕刻液。也可以利用乾式蝕刻形成受光部4。雖然省略圖示，但去除蝕刻遮罩後，為了在以後的步驟保護形成有受光部4的主面3側，預先厚厚地（例如厚度約15μm）堆積光阻膜等。

其次，如圖12所示，在形成有受光部4的半導體基板2的背面5，利用選擇蝕刻法形成俯視略圓形的環狀槽26。例如，作為蝕刻遮罩，在形成於背面5的氮化矽膜24上，俯視圓形地形成半導體基板2的背面5露出的寬度20μm的開口部25。然後，利用上述的蝕刻液蝕刻從開口部25露出的半導體基板2的背面5。如此一來，在背面5形成例如外徑300μm、深度5μm的環狀槽26。

其次，去除蝕刻遮罩後，如圖13所示，利用上述的蝕刻液，適當的時間全面蝕刻半導體基板2的背面5，形成構成凹面反射部6的曲率半徑R的部分球面狀的曲面部27。由於蝕刻從環狀槽26內以及半導體基板2的背面5側的兩個方向進行，所以環狀槽26的開口部附近相較於蝕刻從一個方向進行的背面5的平坦區域，可以促進蝕刻。因此，在環狀槽26的內側區域可以形成部分球面狀的曲面部27。環狀槽26的外側也是，在環狀槽26的開口部附近可以促進蝕刻，所以可以如同從環狀槽26平滑地連接到平坦的區域一般地形成曲面。

其次，去除保護主面3側的光阻膜，如圖14所示，利用電漿CVD（化學氣相沉積）法等形成由氮化矽膜等構成的反射防止膜14。然後，在半導體基板2的背面5，作為反射膜，利用電漿CVD法等形成介電膜15與利用真空蒸鍍法等形成金屬膜17後，保留曲面部27的金屬膜17，利用選擇蝕刻法等去除此以外區域的金屬膜17以形成凹面反射部6。金屬膜17為例如提高和介電膜15的密合性的鉻膜與金膜的層積膜。

其次，雖然省略圖示，但去除覆蓋受光部4上面的反射防止膜14的一部分以形成p電極7，去除半導體基板2的背面5的介電膜15的一部分以形成n電極8，並切割成預定的大小以得到圖1、圖2所示的半導體受光元件1。

茲就關於實施例的半導體受光元件1的作用、效果進行說明。
如圖4所示，若由平行光線構成的入射光從半導體受光元件1的形成有受光部4的主面3側與受光部4的軸心Z平行射入直徑B的入射區域16，則入射光的一部分會從受光部4的上面射入直徑P的光吸收區域12。未從受光部4的上面射入光吸收區域12的入射光會被部分球面狀的凹面反射部6反射成朝向光吸收區域12聚集。由於以滿足上述條件式（1）的形式設定凹面反射部6的曲率半徑R，所以以凹面反射部6反射的入射光可以有效率地射入光吸收區域12，並可以抑制過度的聚光而抑制光吸收區域12的空間電荷效應。因此，可以將光吸收區域12得比入射區域16小，以使響應速度高速化，同時可以確保相當於入射區域16面積的實效受光面積，以提高靈敏度。而且，由於確保了比光吸收區域12更大的受光面積，所以即使縮小光吸收區域12，也可以抑制入射光的入射位置偏差造成的靈敏度降低。

凹面反射部6也可以如圖15，形成為使拋物線P旋轉的旋轉拋物面狀，即使在以滿足條件式（1）的形式設定近似此旋轉拋物面的部分球面的曲率半徑R的半導體受光元件1A方面，也具有和上述實施例的半導體受光元件1同樣的作用、效果。再者，旋轉拋物面由於難以使用蝕刻液形成，所以較佳為利用乾式蝕刻等形成。

其他，若是精通本技術者，可以不脫離本發明的宗旨，而以對前述實施形態附加各種變更的形態實施，本發明當然也包含這種變更形態。

1、1A‧‧‧半導體受光元件

2‧‧‧半導體基板

3‧‧‧主面

4‧‧‧受光部

5‧‧‧背面

6‧‧‧凹面反射部

12‧‧‧光吸收區域

16‧‧‧入射區域

圖1為關於本發明實施例的半導體受光元件的平面圖。

圖2為圖1的II－II線剖面圖。

圖3為就凹面反射部的反射膜的反射率，顯示膜厚相關性的圖。

圖4為顯示由平行光線構成的入射光射入具備上限的曲率半徑R的凹面反射部的半導體受光元件之例的圖。

圖5為說明凹面反射部的曲率半徑R上限的圖。

圖6為顯示由平行光線構成的入射光射入具備下限的曲率半徑R的凹面反射部的半導體受光元件之例的圖。

圖7為顯示由擴散光線構成的入射光偏離受光部中心而射入半導體受光元件之例的圖。

圖8為以耦合效率顯示凹面反射部的曲率半徑影響的圖。

圖9為以耦合效率顯示為了響應速度的高速化而將受光區域直徑縮小為10μm時的影響的圖。

圖10為顯示在半導體基板上形成擴散層的步驟的剖面圖。

圖11為顯示在圖10的半導體基板上形成受光部的步驟的剖面圖。

圖12為顯示在圖11的半導體基板上形成環狀槽的步驟的剖面圖。

圖13為顯示在圖12的半導體基板上形成凸狀部的步驟的剖面圖。

圖14為顯示在圖13的半導體基板上形成凹面反射部的步驟的剖面圖。

圖15為顯示在部分球面上具有近似的旋轉拋物面狀的凹面反射部的半導體受光元件的圖。

Claims (2)

1. 一種半導體受光元件，其具備：光吸收區域，其係形成在對於入射光是透明的半導體基板的主面附近部分；入射區域，其係和前述光吸收區域同心狀地設定為大於前述光吸收區域；以及部分球面狀的凹面反射部，其係可在前述半導體基板的與主面對向的背面，將從前述半導體基板的主面側射入前述入射區域的入射光朝向前述光吸收區域反射；其特徵在於： 設前述凹面反射部的曲率半徑為R、前述入射區域的直徑為B、前述光吸收區域與前述凹面反射部的距離為W、前述光吸收區域的直徑為P，則前述曲率半徑R滿足： 2BW／(B－P／2)≦R≦2BW／(B－P)的條件。
2. 一種半導體受光元件，其具備：光吸收區域，其係形成在對於入射光是透明的半導體基板的主面附近部分；入射區域，其係和前述光吸收區域同心狀地設定為大於前述光吸收區域；以及旋轉拋物面狀的凹面反射部，其係可在前述半導體基板的與主面對向的背面，將從前述半導體基板的主面側射入前述入射區域的入射光朝向前述光吸收區域反射；其特徵在於： 設近似前述凹面反射部的旋轉拋物面的部分球面的曲率半徑為R、前述入射區域的直徑為B、前述光吸收區域與前述凹面反射部的距離為W、前述光吸收區域的直徑為P，則前述曲率半徑R滿足： 2BW／(B－P／2)≦R≦2BW／(B－P)的條件。