WO2019150533A1 - 半導体受光素子 - Google Patents

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incident
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light receiving
light absorption
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健 臼井
尚友 磯村
悦司 大村
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株式会社京都セミコンダクター
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light receiving element that converts received light into an electrical signal and outputs it, and more particularly to a semiconductor light receiving element that can reflect incident light and introduce it into a light receiving section.
  • optical communication In the optical communication field, development is being carried out to increase the transmission speed in order to cope with a sudden increase in communication volume.
  • an optical signal is transmitted from the transmission side via an optical fiber cable or the like, and the optical signal received by the semiconductor light receiving element is converted into an electrical signal on the reception side.
  • Acceleration of the transmission speed on the receiving side is realized by increasing the response speed of the semiconductor light receiving element. To that end, it is necessary to improve the upper limit of the response speed defined by the element capacitance and the element resistance.
  • the element capacitance becomes smaller as the area of the light receiving portion of the semiconductor light receiving element, that is, the diameter of the light absorption region that converts light into electricity (charge) is smaller. For example, when realizing a semiconductor light receiving element with a response frequency band of about 20 GHz, When the diameter of the light absorption region is about 20 ⁇ m, the element capacitance is sufficiently small.
  • the reception efficiency decreases.
  • the beam diameter of the incident light is small, it is necessary to adjust the incident position so that the light is surely incident on the small light absorption region, and the shift of the incident position sensitively affects the sensitivity. Therefore, it is difficult to increase both the response speed and the sensitivity of the semiconductor light receiving element.
  • a light absorption region that is thinly formed on the main surface of the semiconductor substrate and a semiconductor substrate that faces the light absorption region are formed.
  • a semiconductor light receiving element having a reflective portion formed on the back surface and configured so that light that has entered and transmitted through a light absorption region from the main surface side is reflected by the reflection portion and is incident on the light absorption region again is known.
  • the light receiving window is provided in the center of the convex lens-shaped or Fresnel lens-shaped light receiving window formed on the main surface of the semiconductor substrate, and the flat reflective portion is provided on the back surface of the semiconductor substrate.
  • a semiconductor light receiving element is known in which light incident on a light receiving window from the main surface side is incident on a reflecting portion while being condensed and reflected so that the light incident on the reflecting portion is condensed on a light absorption region.
  • the area of the light absorption region is the light reception area, and it is difficult to secure a sufficient amount of light reception even if the reflected light is used when the light absorption region is reduced.
  • the area of the light receiving window corresponds to the light receiving area, and even if the light absorption area is reduced, a large light reception area can be secured to achieve both a high response speed and an improvement in sensitivity.
  • focusing is performed so that the lens is focused on the light absorption region, and charges are concentrated in the vicinity of the focal point, and the response speed is increased by the space charge effect that restricts the movement of charges due to excessive concentration of charges. May be disturbed.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor light-receiving element that can achieve both high response speed and improved sensitivity.
  • the invention according to claim 1 is a light absorption region formed in the vicinity of a main surface of a semiconductor substrate transparent to incident light, and an incident region set larger than the light absorption region concentrically with the light absorption region.
  • a semiconductor comprising a partially spherical concave reflecting portion capable of reflecting incident light incident on the incident region from the main surface side of the semiconductor substrate toward the light absorption region on the back surface facing the main surface of the semiconductor substrate.
  • the curvature is Radius R is the curvature radius, where R is the radius of curvature of the concave reflecting portion, B is the diameter of the incident region, W is the distance between the light absorbing region and the concave reflecting portion, and P is the diameter of the light absorbing region.
  • the radius R is 2BW / (BP / 2) ⁇ R ⁇ 2. It is characterized in satisfying the condition of W / (B-P).
  • the incident light that has not entered the light absorption region out of the incident light that has entered the incident region from the main surface side of the semiconductor substrate of the semiconductor light receiving element is converted into the light absorption region by the partially spherical concave reflection portion. Reflects so as to converge toward. Then, the incident light incident on the incident region can be efficiently introduced into the light absorption region, and excessive condensing of the incident light reflected by the concave reflection unit can be suppressed and introduced into the light absorption region.
  • the radius of curvature is set.
  • the light absorption area can be made smaller than the incident area, the space charge effect can be suppressed, the response speed of the semiconductor light receiving element can be increased, and the light receiving area corresponding to the area of the incident area can be secured to improve the sensitivity. It is. In addition, since a light receiving area larger than the light absorption region is secured, it is possible to suppress a decrease in sensitivity due to a shift in the incident position of incident light even in a small light absorption region.
  • a light absorption region formed in a vicinity of a main surface of a semiconductor substrate transparent to incident light, an incident region set larger than the light absorption region concentrically with the light absorption region,
  • a rotating paraboloid concave reflecting portion capable of reflecting incident light incident on the incident region from the main surface side of the semiconductor substrate toward the light absorption region on a back surface opposite to the main surface of the semiconductor substrate;
  • the radius of curvature of the partial spherical surface approximating the paraboloid of the concave reflecting portion is R
  • the diameter of the incident region is B
  • the distance between the light absorbing region and the concave reflecting portion is W
  • the radius of curvature R is characterized by satisfying the condition of 2BW / (BP / 2) ⁇ R ⁇ 2BW / (BP).
  • the rotary parabolic concave reflecting portion absorbs incident light that has not entered the light absorbing region out of incident light that has entered the incident region from the main surface side of the semiconductor substrate of the semiconductor light receiving element. Reflects toward the area to collect light. Then, the incident light incident on the incident region can be efficiently introduced into the light absorption region, and excessive condensing of the incident light reflected by the concave reflection unit can be suppressed and introduced into the light absorption region.
  • the radius of curvature is set. Therefore, the light absorption area can be made smaller than the incident area, the space charge effect can be suppressed, the response speed of the semiconductor light receiving element can be increased, and the light receiving area corresponding to the area of the incident area can be secured to improve the sensitivity. It is. In addition, since a light receiving area larger than the light absorption region is secured, it is possible to suppress a decrease in sensitivity due to a shift in the incident position of incident light even in a small light absorption region.
  • the semiconductor light receiving element of the present invention it is possible to achieve both high response speed and improved sensitivity.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. It is a figure which shows film thickness dependence about the reflectance of the reflective film of a concave reflective part. It is a figure which shows the example which the incident light which consists of a parallel light injects into the semiconductor light-receiving element provided with the concave-surface reflection part of the upper limit curvature radius R. It is a figure explaining the upper limit of the curvature radius R of a concave reflective part.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a step of forming a light receiving portion on the semiconductor substrate of FIG. 12 is a cross-sectional view showing a step of forming an annular groove in the semiconductor substrate of FIG.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a step of forming a convex portion on the semiconductor substrate of FIG. 12. It is sectional drawing which shows the process of forming a concave reflective part in the semiconductor substrate of FIG. It is a figure which shows the semiconductor light receiving element which has a concave parabolic reflection part approximated by the partial spherical surface.
  • the semiconductor light receiving element 1 is opposed to the semiconductor substrate 2, the light receiving portion 4 disposed in the vicinity of the main surface 3 of the semiconductor substrate 2, and the main surface 3 of the semiconductor substrate 2.
  • a concave reflecting portion 6 disposed on the back surface 5, a p electrode 7 connected to the light receiving portion 4, and an n electrode 8 connected to the back surface 5 of the semiconductor substrate 2.
  • the semiconductor substrate 2 is an n-InP substrate and is transparent to infrared light having a wavelength longer than 1 ⁇ m.
  • the infrared light having a wavelength longer than 1 ⁇ m incident on the semiconductor substrate 2 travels in the semiconductor substrate 2. .
  • an appropriate substrate material such as a Si substrate can be selected according to the use of the semiconductor light receiving element 1.
  • a first n-InP layer 11 having a thickness of 5 ⁇ m is uniformly formed on the main surface 3 of the semiconductor substrate 2, and a light receiving unit 4 is provided on the first n-InP layer 11.
  • the light receiving unit 4 includes, in order from the first n-InP layer 11 side, a light absorption region 12 made of, for example, an InGaAs layer having a thickness of 1 ⁇ m and a p-type diffusion region 13 having a thickness of 2 ⁇ m, and has a high-speed response of about 10 GHz. Is required, a cylindrical pin photodiode having a diameter of 40 ⁇ m is formed.
  • the p-electrode 7 is connected to the p-type diffusion region 13, and the surface of the first n-InP layer 11 and the portion other than the p-electrode 7 of the light receiving unit 4 are antireflection films 14 (for example, film thicknesses) that prevent reflection of incident light. 100 nm silicon nitride film).
  • the concave reflecting portion 6 is disposed so that the apex of the concave reflecting portion 6 (the most protruding point opposite to the main surface 3) coincides with the axial center Z of the cylindrical light receiving portion 4.
  • An incident region 16 larger than the light receiving unit 4 having a diameter of 200 ⁇ m, for example, is set concentrically with the absorption region 12.
  • a dielectric film 15 and a metal film 17 are formed on the concave reflecting portion 6 in this order from the semiconductor substrate 2 side.
  • a reflective film having a high reflectivity with respect to incident light from is formed.
  • FIG. 3 shows the calculation results of the reflectance when the thicknesses of the silicon oxide film, the chromium film, and the gold film constituting the reflecting film are changed by connecting the points having the same reflectance in a contour line.
  • the calculation of the reflectivity is performed on the assumption that the semiconductor substrate 2 is perpendicularly incident on the reflection film, and the refractive indexes of the semiconductor substrate 2 and the silicon oxide film are 3.224 and 1.45, respectively, and the complex refractive index of the chromium film and the gold film is set. Respectively, 3.6-j3.6 and 0.55-j11.5 (j is an imaginary unit).
  • the chromium film functions as an adhesion layer between the silicon oxide film and the gold film.
  • the thickness of the chromium film is about 10 nm. It can be seen that a film thickness of about 40 nm is sufficient.
  • the concave reflecting portion 6 has a radius of curvature R so that incident light that has entered the incident region 16 parallel to the axis Z from the light receiving portion 4 side and has reached the concave reflecting portion 6 can be reflected toward the light absorbing region 12. Is set. As shown in FIG.
  • the diameter P of the light absorption region 12 having a circular shape in plan view is 40 ⁇ m
  • the distance W between the light absorption region 12 and the vertex of the concave reflection portion 6 is 150 ⁇ m
  • the outer diameter D of the concave reflection portion 6 is 300 ⁇ m
  • the radius of curvature R is set to 375 ⁇ m or less so that the incident light incident on the incident region 16 from the light receiving unit 4 side parallel to the axis Z of the light receiving unit 4 is concave. The light is reflected by the reflecting portion 6 and can be efficiently guided to the light absorption region 12.
  • the coupling efficiency is a ratio of light incident on the light absorption region 12 in incident light.
  • the curvature radius R is set so as to satisfy the following conditional expression (1). 2BW / (BP / 2) ⁇ R ⁇ 2BW / (BP) (1)
  • the concave reflecting portion 6 is represented by an arc A having a radius of curvature R
  • the vertex of the concave reflecting portion 6 is T
  • the center of the arc A having a radius of curvature R is C
  • the diameter B is parallel to the axis Z.
  • the distance between the vertex T and the focal point F is approximated to R / 2.
  • the intersection of the tangent line at the apex T of the arc A and the extension line of the ray i is set as I ′, and the figure composed of the line segment FT, the reflected ray r, and the arc TI is approximated by a triangle FTI ′.
  • the upper limit of the radius of curvature R is set when the reflected light beam r is incident on the outermost peripheral portion of the light absorption region 12 when the light absorption region 12 having the diameter P is at a position W from the apex T.
  • X ′ be the intersection where the line segment FI ′ approximating the reflected ray r intersects the light absorption region 12
  • T ′ be the intersection of the perpendicular drawn from the intersection X to the line segment TI ′.
  • the diameter P of the light absorption region 12 is 40 ⁇ m
  • the distance W between the light absorption region 12 and the vertex of the concave reflecting portion 6 is 150 ⁇ m
  • the diameter B of the incident region 16 is 200 ⁇ m
  • the upper limit radius of curvature R is 375 ⁇ m.
  • the central portion of the light absorbing region 12 receives incident light reflected by the concave reflecting portion 6.
  • the space charge effect cannot be ignored due to the concentration of charges generated in the central portion.
  • the light beam i incident on the outermost peripheral portion of the incident region 16 having the diameter B enters the position shifted P / 4 from the outermost outer periphery of the light absorption region 12 toward the center. If this case is set as the lower limit of the radius of curvature R and the similar relationship of triangles is used as in FIG.
  • the lower limit of the radius of curvature R of the conditional expression (1) R 2BW / (BP / 2) is derived.
  • the diameter P of the light absorption region 12 is 40 ⁇ m
  • the distance W between the light absorption region 12 and the vertex of the concave reflecting portion 6 is 150 ⁇ m
  • the diameter B of the incident region 16 is 200 ⁇ m
  • the lower limit radius of curvature R is 333 ⁇ m.
  • the radius of curvature R is set so as to satisfy the conditional expression (1) set in this way, and incident light is efficiently introduced into the light absorption region 12 so that both the response speed of the semiconductor light receiving element 1 is increased and the sensitivity is improved. can do.
  • the semiconductor light-receiving element 1 includes the concave reflecting portion 6 having the curvature radius R satisfying the conditional expression (1)
  • the diameter P of the light absorption region 12 is 40 ⁇ m, for example, a cone Incident light can be reflected by the concave reflecting portion 6 and guided to the light absorption region 12.
  • the apex angle of the outgoing light from the optical fiber is 14 °
  • the relationship between the distance M from the outgoing position O to the axis Z of the light receiving unit 4 and the coupling efficiency is shown in FIG.
  • the coupling efficiency is drastically lowered when the emission position O is deviated from the axis Z by about 15 ⁇ m as indicated by the line L0.
  • the full width of displacement (FWHM: Full Width at Half Maximum) at which the coupling efficiency is reduced to 50% is about 40 ⁇ m, and it is necessary to adjust the emission position O within this range.
  • the FWHM is about 180 ⁇ m, and the allowable incident position deviation is enlarged, so that the effective light receiving area is increased.
  • the conditional expression (1) is calculated as 308 ⁇ m ⁇ R ⁇ 315 ⁇ m, and the curvature satisfies this As shown in FIG. 9, the semiconductor light-receiving element 1 having the concave reflecting portion 6 having the radius R can secure a FWHM of 120 ⁇ m or more, and an allowable incident position deviation is enlarged to increase an effective light receiving area.
  • a method for forming the semiconductor light receiving element 1 will be described.
  • a first n-InP layer 11, an InGaAs layer 22, and a second n-InP layer 23 are sequentially formed on the main surface 3 of a clean semiconductor substrate 2 by a vapor phase growth method or the like.
  • a non-illustrated diffusion mask for example, a silicon nitride film
  • a p-type diffusion region in which, for example, Zn is diffused into the predetermined region by a selective diffusion method. 13 is formed.
  • the second n-InP layer 23 is selectively etched to leave the predetermined portion including the p-type diffusion region 13 and the first n-InP layer 11 is exposed.
  • the InGaAs layer 22 is removed to form the light receiving portion 4 having the light absorption region 12.
  • an etching mask for example, a dielectric film such as a photoresist or a silicon nitride film
  • the first n ⁇ Etching is performed so that the InP layer 11 is exposed.
  • the first n-InP layer 11 is also thinned by etching the upper surface side.
  • etching solution is a mixed solution of hydrogen bromide (HBr) and methanol, but is not limited to this, and a known etching solution can be used.
  • the light receiving portion 4 may be formed by dry etching. Although not shown, after removing the etching mask, a thick photoresist film (for example, about 15 ⁇ m thick) is deposited in order to protect the main surface 3 side where the light receiving portion 4 is formed in the subsequent steps. .
  • an annular groove 26 having a substantially circular shape in plan view is formed on the back surface 5 of the semiconductor substrate 2 on which the light receiving portion 4 is formed by a selective etching method.
  • a selective etching method For example, in the silicon nitride film 24 formed on the back surface 5 as an etching mask, an opening 25 having a width of 20 ⁇ m from which the back surface 5 of the semiconductor substrate 2 is exposed is formed in a circular shape in plan view. Then, the back surface 5 of the semiconductor substrate 2 exposed from the opening 25 is etched by the etching solution.
  • an annular groove 26 having an outer diameter of 300 ⁇ m and a depth of 5 ⁇ m is formed on the back surface 5.
  • the entire back surface 5 of the semiconductor substrate 2 is etched for an appropriate time with the above-described etching solution to form a partial spherical surface with a radius of curvature R constituting the concave reflecting portion 6.
  • the curved surface portion 27 is formed.
  • etching proceeds from two directions in the annular groove 26 and on the back surface 5 side of the semiconductor substrate 2, so that the etching is accelerated compared to the flat region of the back surface 5 where etching proceeds from one direction. Is done. Therefore, a partially spherical curved surface portion 27 is formed in the inner region of the annular groove 26. Etching is also promoted on the outside of the annular groove 26 in the vicinity of the opening of the annular groove 26, so that a curved surface is formed so as to be smoothly connected from the annular groove 26 to a flat region.
  • an antireflection film 14 made of a silicon nitride film or the like is formed by plasma CVD or the like as shown in FIG.
  • the metal film 17 of the curved surface portion 27 is left, and the other region.
  • the concave reflection portion 6 is formed by removing the metal film 17 by a selective etching method or the like.
  • the metal film 17 is, for example, a laminated film of a chromium film and a gold film that enhances adhesion with the dielectric film 15.
  • a part of the antireflection film 14 covering the upper surface of the light receiving unit 4 is removed to form a p-electrode 7 and a part of the dielectric film 15 on the back surface 5 of the semiconductor substrate 2 is removed.
  • the n-electrode 8 is formed and diced to a predetermined size to obtain the semiconductor light-receiving element 1 shown in FIGS.
  • the semiconductor light receiving element 1 when incident light composed of parallel rays enters the incident region 16 having a diameter B parallel to the axis Z of the light receiving unit 4 from the main surface 3 side where the light receiving unit 4 of the semiconductor light receiving element 1 is formed. A part of the incident light enters the light absorption region 12 having a diameter P from the upper surface of the light receiving unit 4. Incident light that has not entered the light absorption region 12 from the upper surface of the light receiving portion 4 is reflected by the partially spherical concave reflection portion 6 so as to be condensed toward the light absorption region 12.
  • the radius of curvature R of the concave reflecting portion 6 is set so as to satisfy the conditional expression (1), the incident light reflected by the concave reflecting portion 6 can be efficiently incident on the light absorption region 12 and excessively condensed. And the space charge effect in the light absorption region 12 can be suppressed. Therefore, the light absorption region 12 can be made smaller than the incident region 16 to increase the response speed, and the effective light receiving area corresponding to the area of the incident region 16 can be secured to improve the sensitivity. In addition, since a light receiving area larger than that of the light absorption region 12 is ensured, even if the light absorption region 12 is made small, it is possible to suppress a decrease in sensitivity due to an incident position shift of incident light.
  • the concave reflecting portion 6 may be formed in the shape of a rotating paraboloid obtained by rotating the parabola P as shown in FIG. 15, and is a partial spherical surface that approximates this rotating paraboloid so as to satisfy the conditional expression (1).
  • the semiconductor light receiving element 1A in which the radius of curvature R is set also has the same operations and effects as the semiconductor light receiving element 1 of the above embodiment. Since the paraboloid is difficult to form using an etching solution, it is preferable to form the paraboloid by dry etching or the like.
  • SYMBOLS 1,1A Semiconductor light receiving element 2: Semiconductor substrate 3: Main surface 4: Light receiving part 5: Back surface 6: Concave reflection part 12: Light absorption area 16: Incident area

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Abstract

【課題】高速応答と感度向上を可能にすると共に許容できる入射位置のずれを拡大可能な半導体受光素子を提供すること。【解決手段】入射光に対して透明な半導体基板の主面近傍部に形成された光吸収領域４と、前記光吸収領域４と同心状に前記光吸収領域４より大きく設定された入射領域と、前記半導体基板の主面に対向する裏面に前記半導体基板の主面側から前記入射領域に入射した入射光を前記光吸収領域４に向けて反射可能な部分球面状の凹面反射部６を備えた半導体受光素子１において、前記凹面反射部６の曲率半径をＲ、前記入射領域の直径をＢ、前記光吸収領域４と前記凹面反射部６との距離をＷ、前記光吸収領域４の直径をＰとすると、前記曲率半径Ｒを２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ／２）≦Ｒ≦２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ）の条件を満たすように設定する。

Description

半導体受光素子
　本発明は、受光した入射光を電気信号に変換して出力する半導体受光素子に関し、特に入射光を反射して受光部に導入可能な半導体受光素子に関する。
　光通信分野では、通信量の急激な増加に対応するため、伝送速度を高速化する開発が行われている。光通信は、送信側から光ファイバケーブル等を介して光信号を送信し、受信側では半導体受光素子が受信した光信号を電気信号に変換している。
　受信側における伝送速度の高速化は、半導体受光素子の応答速度の高速化により実現されるが、そのためには素子容量と素子抵抗で規定される応答速度の上限を向上させる必要がある。素子容量は、半導体受光素子の受光部の面積、即ち光を電気（電荷）に変換する光吸収領域の直径が小さい程小さくなり、例えば応答周波数帯域が２０ＧＨｚ程度の半導体受光素子を実現する場合、光吸収領域の直径を２０μｍ程度とすれば素子容量が十分小さくなる。
　一方、光吸収領域の直径が小さくなる程受光面積が小さくなって受光量が少なくなるため、受信効率（感度）が低下する。その上、入射光のビーム径が小さい場合には、小さい光吸収領域に確実に光を入射させるように入射位置を調整する必要があり、入射位置のずれが敏感に感度に影響する。従って、半導体受光素子の応答速度の高速化と感度向上の両立が困難になっている。
　光計測分野においても、半導体受光素子の周波数応答特性を維持しながら感度向上のために受光面積をできるだけ大きくしたいという要求がある。例えば、受光面積の直径が２００μｍ程度、応答周波数帯域が１５０ＭＨｚの半導体受光素子の要求があるが、単に光吸収領域の直径を要求される２００μｍにしただけでは、応答周波数帯域は数十ＭＨｚ程度に留まり要求性能を満たせない。
　このような応答速度の高速化と感度向上の実現のため、例えば特許文献１のように、半導体基板の主面に薄く形成された光吸収領域と、光吸収領域に対向するように半導体基板の裏面に形成された反射部を備え、主面側から光吸収領域に入射して透過した光が、反射部で反射して再度光吸収領域に入射するように構成された半導体受光素子が知られている。また、特許文献２のように、半導体基板の主面に形成された凸レンズ状又はフレネルレンズ状の受光窓の中央部に光吸収領域を備えると共に、半導体基板の裏面に平面の反射部を備え、主面側から受光窓に入射した光を集光しながら反射部に入射させ、反射部に入射した光を光吸収領域に集光するように反射させる半導体受光素子が知られている。
特許第２９９５９２１号公報 特開平５－１３６４４６号公報
　特許文献１では、光吸収領域の面積が受光面積であり、光吸収領域を小さくしたときに反射光を利用しても十分な受光量を確保することが困難になる。また、小さい光吸収領域に確実に光を入射させるために入射光の入射位置を正確に調整する必要があり、高速動作のために小さくした光吸収領域に対して入射位置ずれが感度に大きく影響する。
　特許文献２では、受光窓の面積が受光面積に相当し、光吸収領域を小さくしても大きい受光面積を確保して応答速度の高速化と感度向上を両立可能であるが、光吸収領域を形成後その周囲を凸レンズ状又はフレネルレンズ状に加工する必要があり、この加工を光吸収領域に影響がないように行うことが容易ではない。さらに、レンズが光吸収領域に焦点を結ぶように集光して焦点近傍に電荷が集中的に生成され、電荷の過剰な集中により電荷の移動が制限される空間電荷効果によって応答速度の高速化が阻害される虞がある。
　本発明の目的は、応答速度の高速化と感度向上を両立可能な半導体受光素子を提供することである。
　請求項１の発明は、入射光に対して透明な半導体基板の主面近傍部に形成された光吸収領域と、前記光吸収領域と同心状に前記光吸収領域より大きく設定された入射領域と、前記半導体基板の主面に対向する裏面に前記半導体基板の主面側から前記入射領域に入射した入射光を前記光吸収領域に向けて反射可能な部分球面状の凹面反射部を備えた半導体受光素子において、前記凹面反射部の曲率半径をＲ、前記入射領域の直径をＢ、前記光吸収領域と前記凹面反射部との距離をＷ、前記光吸収領域の直径をＰとすると、前記曲率半径Ｒは、前記凹面反射部の曲率半径をＲ、前記入射領域の直径をＢ、前記光吸収領域と前記凹面反射部との距離をＷ、前記光吸収領域の直径をＰとすると、前記曲率半径Ｒは、２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ／２）≦Ｒ≦２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ）の条件を満たすことを特徴としている。
　上記構成によれば、半導体受光素子の半導体基板の主面側から入射領域に入射した入射光のうち光吸収領域に入射しなかった入射光を、部分球面状の凹面反射部が光吸収領域に向けて集光するように反射する。そして、入射領域に入射した入射光を効率よく光吸収領域に導入可能、且つ凹面反射部で反射された入射光の過度の集光を抑えて光吸収領域に導入可能なように凹面反射部の曲率半径を設定している。従って、光吸収領域を入射領域より小さくし、空間電荷効果を抑えて半導体受光素子の応答速度の高速化が可能であると共に、入射領域の面積に相当する受光面積を確保して感度向上が可能である。その上、光吸収領域より大きい受光面積を確保したので、小さい光吸収領域であっても入射光の入射位置ずれによる感度低下を抑えることができる。
　請求項２の発明は、入射光に対して透明な半導体基板の主面近傍部に形成された光吸収領域と、前記光吸収領域と同心状に前記光吸収領域より大きく設定された入射領域と、前記半導体基板の主面に対向する裏面に前記半導体基板の主面側から前記入射領域に入射した入射光を前記光吸収領域に向けて反射可能な回転放物面状の凹面反射部を備えた半導体受光素子において、前記凹面反射部の回転放物面を近似する部分球面の曲率半径をＲ、前記入射領域の直径をＢ、前記光吸収領域と前記凹面反射部との距離をＷ、前記光吸収領域の直径をＰとすると、前記曲率半径Ｒは、２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ／２）≦Ｒ≦２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ）の条件を満たすことを特徴としている。
　上記構成によれば、半導体受光素子の半導体基板の主面側から入射領域に入射した入射光のうち光吸収領域に入射しなかった入射光を、回転放物面状の凹面反射部が光吸収領域に向けて集光するように反射する。そして、入射領域に入射した入射光を効率よく光吸収領域に導入可能、且つ凹面反射部で反射された入射光の過度の集光を抑えて光吸収領域に導入可能なように凹面反射部の曲率半径を設定している。従って、光吸収領域を入射領域より小さくし、空間電荷効果を抑えて半導体受光素子の応答速度の高速化が可能であると共に、入射領域の面積に相当する受光面積を確保して感度向上が可能である。その上、光吸収領域より大きい受光面積を確保したので、小さい光吸収領域であっても入射光の入射位置ずれによる感度低下を抑えることができる。
　本発明の半導体受光素子によれば、応答速度の高速化と感度向上を両立可能である。
本発明の実施例に係る半導体受光素子の平面図である。 図１のII－II線断面図である。 凹面反射部の反射膜の反射率について膜厚依存性を示す図である。 上限の曲率半径Ｒの凹面反射部を備えた半導体受光素子に平行光線からなる入射光が入射した例を示す図である。 凹面反射部の曲率半径Ｒの上限を説明する図である。 下限の曲率半径Ｒの凹面反射部を備えた半導体受光素子に平行光線からなる入射光が入射した例を示す図である。 半導体受光素子に受光部中心からずれて拡散光線からなる入射光が入射した例を示す図である。 凹面反射部の曲率半径の影響を結合効率で示す図である。 応答速度の高速化のため受光領域径を１０ｕｍに縮小したときの影響を結合効率で示す図である。 半導体基板に拡散層を形成する工程を示す断面図である。 図１０の半導体基板に受光部を形成する工程を示す断面図である。 図１１の半導体基板に環状溝を形成する工程を示す断面図である。 図１２の半導体基板に凸状部を形成する工程を示す断面図である。 図１３の半導体基板に凹面反射部を形成する工程を示す断面図である。 部分球面で近似された回転放物面状の凹面反射部を有する半導体受光素子を示す図である。
　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。
　最初に、半導体受光素子１の全体構成について説明する。
　図１、図２に示すように、半導体受光素子１は、半導体基板２と、半導体基板２の主面３の近傍部に配設された受光部４と、半導体基板２の主面３に対向する裏面５に配設された凹面反射部６と、受光部４に接続するｐ電極７と、半導体基板２の裏面５に接続するｎ電極８を有する。この半導体基板２はｎ－ＩｎＰ基板であって波長が１μｍより長い赤外光に対して透明であり、半導体基板２に入射した１μｍより長波長の赤外光は、半導体基板２内を進行する。尚、半導体基板２は半導体受光素子１の用途等に応じてＳｉ基板等、適宜基板材料を選択可能である。
　半導体基板２の主面３には例えば厚さ５μｍの第１のｎ－ＩｎＰ層１１が一様に形成され、第１のｎ－ＩｎＰ層１１上に受光部４が設けられている。受光部４は、第１のｎ－ＩｎＰ層１１側から順に、例えば厚さ１μｍのＩｎＧａＡｓ層からなる光吸収領域１２と厚さ２μｍのｐ型拡散領域１３を有して、１０ＧＨｚ程度の高速応答が求められる場合には直径４０μｍの円柱状のｐｉｎフォトダイオードを形成している。光吸収領域１２には、ｐ型拡散領域１３側から及び第１のｎ－ＩｎＰ層１１側から光が入射し、入射光が吸収されて電荷を生成する。ｐ電極７はｐ型拡散領域１３に接続され、第１のｎ－ＩｎＰ層１１の表面と受光部４のｐ電極７以外の部分は、入射光の反射を防ぐ反射防止膜１４（例えば膜厚１００ｎｍのシリコン窒化膜）により覆われている。
　半導体基板２の裏面５には、主面３と反対側に凸状であって部分球面状の例えば幅（外径）３００μｍの凹面反射部６が配設され、ｎ電極８以外の部分が誘電体膜１５（例えば膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜）に覆われている。凹面反射部６は、凹面反射部６の頂点（主面３と反対側に最も突出した点）が円柱状の受光部４の軸心Ｚに一致するように配設され、受光部４の光吸収領域１２と同心状に例えば直径２００μｍの受光部４より大きい入射領域１６が設定されている。凹面反射部６には、半導体基板２側から順に、誘電体膜１５と金属膜１７（例えば膜厚１０ｎｍのクロム膜と膜厚４０ｎｍの金膜の積層膜）が成膜され、主面３側からの入射光に対して高い反射率を有する反射膜が形成されている。
　図３は、反射膜を構成するシリコン酸化膜とクロム膜と金膜の膜厚を変えたときの反射率の演算結果を、同じ反射率となる点をつなげて等高線状に示している。反射率の演算は、半導体基板２から反射膜に垂直入射する想定で行い、半導体基板２とシリコン酸化膜の屈折率を夫々３．２２４と１．４５、クロム膜と金膜の複素屈折率を夫々３．６－ｊ３．６と０．５５－ｊ１１．５（ｊは虚数単位）としている。クロム膜はシリコン酸化膜と金膜の密着層として機能する。反射率９０％を超える高い反射率を得るためには、シリコン酸化膜の膜厚にもよるが、シリコン酸化膜の膜厚が１００ｎｍの場合にはクロム膜の膜厚が１０ｎｍ程度、金膜の膜厚が４０ｎｍ程度あれば十分であることが分かる。
　凹面反射部６は、受光部４側から軸心Ｚに平行に入射領域１６に入射して凹面反射部６に到達した入射光を光吸収領域１２に向けて反射可能なように曲率半径Ｒが設定されている。図４に示すように、例えば平面視円形の光吸収領域１２の直径Ｐが４０μｍ、光吸収領域１２と凹面反射部６の頂点の距離Ｗが１５０μｍ、凹面反射部６の外径Ｄが３００μｍ、入射領域１６の直径Ｂが２００μｍの場合には、曲率半径Ｒを３７５μｍ以下に設定することにより、受光部４側から受光部４の軸心Ｚに平行に入射領域１６に入射した入射光を凹面反射部６で反射して光吸収領域１２に効率よく導くことができる。曲率半径Ｒをこれより大きくすると、入射領域１６の外周側部分に入射する入射光が光吸収領域１２より径方向外側を通るように反射されて光吸収領域１２に入射せず、結合効率が低下する。ここで結合効率とは、入射光のうち光吸収領域１２に入射する光の割合である。
　一方、曲率半径Ｒを小さくしていくと、入射領域１６に入射した入射光が凹面反射部６により光吸収領域１２の中央部分に集光されるようになり、やがて光吸収領域１２の中央部分に焦点を結ぶようになる。光吸収領域１２の中央部分に集光し過ぎると、入射光によって生成された電荷が光吸収領域１２の中央部分に過剰に集中し、この電荷集中による空間電荷効果のため電荷の移動が制限されて半導体受光素子１の応答速度の高速化が阻害される。これら結合効率の低下及び空間電荷効果を回避するため、曲率半径Ｒを下記の条件式（１）を満たすように設定する。
　２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ／２）≦Ｒ≦２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ）…（１）
　ここで、曲率半径Ｒの条件式（１）について説明する。
　図５に示すように、凹面反射部６を曲率半径Ｒの円弧Ａで表し、凹面反射部６の頂点をＴ、曲率半径Ｒの円弧Ａの中心をＣ、軸心Ｚに平行に直径Ｂの入射領域１６の最外周部分に入射した光線ｉと円弧Ａの交点をＩとする。線分ＣＩに対して入射角と反射角が等しくなるように光線ｉが反射された反射光線ｒは、線分ＣＴ上にある曲率半径Ｒの凹面反射部６の焦点Ｆに至る。頂点Ｔと焦点Ｆの距離（焦点距離）はＲ／２に近似される。また、簡単化のため、円弧Ａの頂点Ｔにおける接線と光線ｉの延長線との交点をＩ’として、線分ＦＴ、反射光線ｒ、弧ＴＩからなる図形を三角形ＦＴＩ’で近似する。
　直径Ｐの光吸収領域１２が頂点Ｔから距離Ｗの位置にあるときに、反射光線ｒが光吸収領域１２の最外周部分に入射する場合を曲率半径Ｒの上限に設定する。この場合、反射光線ｒを近似する線分ＦＩ’と光吸収領域１２が交差する交点をＸ、交点Ｘから線分ＴＩ’に対して引いた垂線と線分ＴＩ’の交点をＴ’とすると、三角形ＦＴＩ’と三角形ＸＴ’Ｉ’が相似であることを利用して、条件式（１）の上限の曲率半径Ｒ＝２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ）が導かれる。光吸収領域１２の直径Ｐが４０μｍ、光吸収領域１２と凹面反射部６の頂点の距離Ｗが１５０μｍ、入射領域１６の直径Ｂが２００μｍの場合に上限の曲率半径Ｒが３７５μｍとなる。
　図６に示すように、図４の半導体受光素子１において凹面反射部６の曲率半径Ｒを３３０μｍにしたとき、凹面反射部６で反射された入射光を光吸収領域１２の中央部分が受光し、この中央部分に生成した電荷の集中によって空間電荷効果が無視できなくなる。このとき、直径Ｂの入射領域１６の最外周部分に入射する光線ｉが光吸収領域１２の最外周から中心側にＰ／４ずれた位置に入射する。この場合を曲率半径Ｒの下限に設定して図５と同様に三角形の相似関係を利用すると、条件式（１）の下限の曲率半径Ｒ＝２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ／２）が導かれる。光吸収領域１２の直径Ｐが４０μｍ、光吸収領域１２と凹面反射部６の頂点の距離Ｗが１５０μｍ、入射領域１６の直径Ｂが２００μｍの場合に下限の曲率半径Ｒが３３３μｍとなる。このように設定された条件式（１）を満たすように曲率半径Ｒを設定して入射光を効率よく光吸収領域１２に導入して半導体受光素子１の応答速度の高速化と感度向上を両立することができる。
　ここまでは大きいビーム径の平行光線状の入射光が半導体受光素子１に入射する場合を説明したが、光通信の光ファイバ中を伝わる光のビーム径は小さく絞られており、光ファイバの出力端から出射する光は、１４°程度の頂角を有する円錐状に広がり、半導体基板２内でも屈折の法則に従ってその角度が小さくなるが円錐状に広がる。この円錐状の入射光が受光部４に直接入射するように、光ファイバの出力端の位置を調整する必要があるが、この調整は容易ではない。
　この場合においても、図７に示すように光吸収領域１２の直径Ｐを例えば４０μｍとして、条件式（１）を満たす曲率半径Ｒの凹面反射部６を備えた半導体受光素子１であれば、円錐状の入射光を凹面反射部６で反射して光吸収領域１２に導くことができる。例えば光ファイバからの出射光の頂角が１４°の場合に、出射位置Ｏから受光部４の軸心Ｚまでの距離Ｍと結合効率の関係を図８に示す。凹面反射部６が無い場合には、線Ｌ０で示すように出射位置Ｏが軸心Ｚから１５μｍ程度ずれると結合効率が急激に低下する。結合効率が５０％に低下する位置ずれの全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）は４０μｍ程度であり、この範囲内に出射位置Ｏを調整する必要がある。凹面反射部６の反射がある場合は、例えば曲率半径Ｒが３６０μｍのときにＦＷＨＭが１８０μｍ程度になり、許容可能な入射位置ずれが拡大されて実効的な受光面積が大きくなる。
　更なる応答速度の高速化のため、光吸収領域１２の直径Ｐを１０μｍとし、Ｗ＝１５０μｍ、Ｂ＝２００μｍの場合に条件式（１）は３０８μｍ≦Ｒ≦３１５μｍと計算され、これを満たす曲率半径Ｒの凹面反射部６を備えた半導体受光素子１は、図９に示すように１２０μｍ以上のＦＷＨＭを確保でき、許容可能な入射位置ずれが拡大されて実効的な受光面積が大きくなる。
　次に、半導体受光素子１の形成方法について説明する。
　図１０に示すように、清浄な半導体基板２の主面３上に、順に第１のｎ－ＩｎＰ層１１、ＩｎＧａＡｓ層２２、第２のｎ－ＩｎＰ層２３を気相成長法等により成膜する。そして、第２のｎ－ＩｎＰ層２３の所定の領域以外を覆う図示外の拡散マスク（例えばシリコン窒化膜）を形成し、選択拡散法により所定の領域に例えばＺｎを拡散させたｐ型拡散領域１３を形成する。
　次に、図１１に示すように、ｐ型拡散領域１３を含む所定の部分を残して第１のｎ－ＩｎＰ層１１が露出するように、選択エッチング法により第２のｎ－ＩｎＰ層２３、ＩｎＧａＡｓ層２２を除去して光吸収領域１２を備えた受光部４を形成する。例えば、図示を省略するが、ｐ型拡散領域１３を覆うエッチングマスク（例えばフォトレジスト又はシリコン窒化膜等の誘電体膜）を第２のｎ－ＩｎＰ層２３上に形成し、第１のｎ－ＩｎＰ層１１が露出するようエッチングする。このとき、第１のｎ－ＩｎＰ層１１も上面側がエッチングされて薄くなる。化学エッチングの場合、通常用いられるエッチング液は臭化水素（ＨＢr）とメタノールの混合液であるが、これに限定されるものではなく公知のエッチング液を使用できる。ドライエッチングにより受光部４を形成してもよい。図示を省略するが、エッチングマスクを除去後、以降の工程で受光部４が形成された主面３側を保護するために、フォトレジスト膜等を厚く（例えば厚さ１５μｍ程度）堆積しておく。
　次に、図１２に示すように、受光部４が形成された半導体基板２の裏面５に、選択エッチング法により平面視略円形の環状溝２６を形成する。例えばエッチングマスクとして裏面５に成膜したシリコン窒化膜２４に、半導体基板２の裏面５が露出する幅２０μｍの開口部２５を平面視円形に形成する。そして、上記のエッチング液により開口部２５から露出した半導体基板２の裏面５をエッチングする。こうして裏面５に例えば外径３００μｍ、深さ５μｍの環状溝２６を形成する。
　次に、エッチングマスクを除去後、図１３に示すように、上記のエッチング液により半導体基板２の裏面５を適当な時間全面エッチングして、凹面反射部６を構成する曲率半径Ｒの部分球面状の曲面部２７を形成する。環状溝２６の開口部近傍は、環状溝２６内及び半導体基板２の裏面５側の２方向からエッチングが進行するため、１方向からエッチングが進行する裏面５の平坦な領域と比べてエッチングが促進される。そのため、環状溝２６の内側領域には、部分球面状の曲面部２７が形成される。環状溝２６の外側も環状溝２６の開口部近傍ではエッチングが促進されるので、環状溝２６から平坦な領域に滑らかに連なるように曲面が形成される。
　次に、主面３側を保護するフォトレジスト膜を除去し、図１４に示すようにシリコン窒化膜等からなる反射防止膜１４をプラズマＣＶＤ法等により成膜する。そして、半導体基板２の裏面５に反射膜としてプラズマＣＶＤ法等により誘電体膜１５と真空蒸着法等により金属膜１７を成膜した後、曲面部２７の金属膜１７を残し、これ以外の領域の金属膜１７を選択エッチング法等により除去して凹面反射部６を形成する。金属膜１７は、例えば誘電体膜１５との密着性を高めるクロム膜と金膜の積層膜である。
　次に、図示を省略するが、受光部４の上面を覆う反射防止膜１４の一部を除去してｐ電極７を形成し、半導体基板２の裏面５の誘電体膜１５の一部を除去してｎ電極８を形成し、所定の大きさにダイシングして図１、図２に示す半導体受光素子１を得る。
　実施例に係る半導体受光素子１の作用、効果について説明する。
　図４に示すように、平行光線からなる入射光が半導体受光素子１の受光部４が形成された主面３側から受光部４の軸心Ｚに平行に直径Ｂの入射領域１６に入射すると、入射光の一部は受光部４の上面から直径Ｐの光吸収領域１２に入射する。受光部４の上面から光吸収領域１２に入射しなかった入射光は、部分球面状の凹面反射部６で光吸収領域１２に向かって集光するように反射される。上記条件式（１）を満たすように凹面反射部６の曲率半径Ｒを設定したので、凹面反射部６で反射された入射光は光吸収領域１２に効率よく入射可能であり、過度の集光を抑えて光吸収領域１２における空間電荷効果を抑えることが可能である。それ故、光吸収領域１２を入射領域１６より小さくして応答速度を高速化可能であると共に、入射領域１６の面積に相当する実効的な受光面積を確保して感度向上が可能である。その上、光吸収領域１２より大きい受光面積を確保したので、光吸収領域１２を小さくしても入射光の入射位置ずれによる感度低下を抑えることができる。
　凹面反射部６は、図１５のように放物線Ｐを回転させた回転放物面状に形成されていてもよく、条件式（１）を満たすようにこの回転放物面を近似する部分球面の曲率半径Ｒを設定した半導体受光素子１Ａにおいても、上記実施例の半導体受光素子１と同様の作用、効果を有する。尚、回転放物面はエッチング液を用いて形成することが困難なので、ドライエッチング等によって形成することが好ましい。
　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、前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、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
１，１Ａ　　：半導体受光素子
２　　　　　：半導体基板
３　　　　　：主面
４　　　　　：受光部
５　　　　　：裏面
６　　　　　：凹面反射部
１２　　　　：光吸収領域
１６　　　　：入射領域

Claims (2)

  1. 　入射光に対して透明な半導体基板の主面近傍部に形成された光吸収領域と、前記光吸収領域と同心状に前記光吸収領域より大きく設定された入射領域と、前記半導体基板の主面に対向する裏面に前記半導体基板の主面側から前記入射領域に入射した入射光を前記光吸収領域に向けて反射可能な部分球面状の凹面反射部を備えた半導体受光素子において、
    　前記凹面反射部の曲率半径をＲ、前記入射領域の直径をＢ、前記光吸収領域と前記凹面反射部との距離をＷ、前記光吸収領域の直径をＰとすると、前記曲率半径Ｒは、
    ２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ／２）≦Ｒ≦２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ）
    の条件を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
  2. 　入射光に対して透明な半導体基板の主面近傍部に形成された光吸収領域と、前記光吸収領域と同心状に前記光吸収領域より大きく設定された入射領域と、前記半導体基板の主面に対向する裏面に前記半導体基板の主面側から前記入射領域に入射した入射光を前記光吸収領域に向けて反射可能な回転放物面状の凹面反射部を備えた半導体受光素子において、
    　前記凹面反射部の回転放物面を近似する部分球面の曲率半径をＲ、前記入射領域の直径をＢ、前記光吸収領域と前記凹面反射部との距離をＷ、前記光吸収領域の直径をＰとすると、前記曲率半径Ｒは、
    ２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ／２）≦Ｒ≦２ＢＷ／（Ｂ－Ｐ）
    の条件を満たすことを特徴とする半導体受光素子。
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