WO2019150534A1 - 半導体受光素子 - Google Patents

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WO2019150534A1
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lens portion
concave lens
convex lens
receiving element
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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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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light receiving element that converts received light to an electrical signal and outputs the electric signal, and more particularly to a semiconductor light receiving element that can improve response speed.
  • 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 part of the semiconductor light receiving element, that is, the diameter of the light absorbing part 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, If the diameter of the light absorbing portion is about 20 ⁇ m, the element capacitance becomes sufficiently small.
  • the semiconductor light receiving element receives incident light that is emitted from the end of the optical fiber cable and travels while spreading at a predetermined spread angle (divergence angle). Therefore, as the diameter of the light absorbing portion is reduced in order to reduce the element capacity, the amount of received light decreases and the reception efficiency (sensitivity) decreases. Therefore, for example, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, there is known a back-illuminated type semiconductor light receiving element in which a convex lens capable of condensing incident light is formed on a semiconductor substrate in a small diameter light absorbing portion in order to suppress a decrease in the amount of received light. Yes.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor light receiving element capable of increasing the response speed.
  • a light absorbing portion is provided in the vicinity of a main surface of a semiconductor substrate that is transparent to incident light, and the back surface of the semiconductor substrate facing the main surface is larger in diameter than the light absorbing portion and has a curvature.
  • a back-illuminated semiconductor light-receiving element that includes a convex lens portion having a radius R1
  • the center of the light absorbing portion is located on the optical axis of the convex lens portion
  • the convex lens portion and the optical axis are common to the central portion of the convex lens portion.
  • the concave lens portion has a concave lens portion having a radius of curvature R2 smaller than the light absorbing portion and larger than the radius of curvature R1, and the concave lens portion diffuses incident light toward the light absorbing portion.
  • the semiconductor light receiving element can collect the light incident on the convex lens portion of the incident light incident from the back surface along the optical axis of the convex lens portion toward the light absorbing portion, and the convex lens portion. Light incident on the central concave lens portion is diffused toward the light absorbing portion. Accordingly, it is possible to secure the amount of light received in the light absorption unit by condensing and to avoid the space charge effect due to the concentration of incident light in the light absorption unit by diffusion, and to increase the response speed of the semiconductor light receiving element.
  • the distance L from the emission point of the incident light to the concave lens portion, the divergence angle ⁇ of the incident light, the diameter D of the light absorption portion, the concave lens portion and the light absorption is set so that all of the incident light incident on the concave lens portion is diffused from the concave lens portion and enters the light absorbing portion based on the distance H of the concave portion.
  • the radius of curvature R1 of the convex lens portion is (n ⁇ 1) / (1 / L + n / H) ⁇ It is characterized by satisfying R1 ⁇ (n-1) / (n / H).
  • the light can be condensed without being focused on the light absorption unit by the convex lens unit, so that the amount of light received by the light absorption unit is secured and the space charge effect is avoided and the response speed of the semiconductor light receiving element is increased. Can be realized.
  • the semiconductor substrate is an InP substrate.
  • the response speed can be increased.
  • the semiconductor light-receiving element 1 includes a semiconductor substrate 2 that is transparent to incident light, a light-receiving unit 4 that is disposed in the vicinity of the main surface 3 of the semiconductor substrate 2, a p-electrode 5 on the light-receiving unit 4, and a semiconductor substrate 2.
  • An n-electrode 6 is provided on the main surface 3 side.
  • a back-illuminated semiconductor light-receiving element 1 is configured that introduces light incident on the convex lens portion 8 and the concave lens portion 9 from the back surface 7 side of the semiconductor substrate 2 into the light-receiving portion 4 and converts it into charges.
  • an n-InP substrate used for a light receiving element that receives infrared light having a wavelength of 1.3 ⁇ m or 1.5 ⁇ m for optical communication will be described as an example. Selectable.
  • the main surface 3 of the semiconductor substrate 2 is covered with a buffer layer 11 made of, for example, an n-type InP layer.
  • the light receiving unit 4 includes a first semiconductor layer 12 made of, for example, an n-type InP layer, and a light absorbing unit 13 made of, for example, an n-type InGaAs layer, in order from the buffer layer 11 side on the opposite side of the buffer substrate 11 from the semiconductor substrate 2.
  • a PIN photodiode in which a second semiconductor layer 14 made of a p-type InP layer is stacked.
  • the thicknesses of the buffer layer 11, the first semiconductor layer 12, the light absorbing portion 13, and the second semiconductor layer 14 are, for example, 5 ⁇ m, 2 ⁇ m, 1 ⁇ m, and 2 ⁇ m in this order.
  • the columnar or truncated cone-shaped light receiving unit 4 having a diameter D of the light absorbing unit 13 of about 20 ⁇ m is formed.
  • the first and second semiconductor layers 12 and 14 have a low dopant resistance of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the p electrode 5 is disposed so as to be electrically connected to the second semiconductor layer 14, and the n electrode 6 is disposed so as to be electrically connected to the buffer layer 11.
  • a region other than the p-electrode 5 and the n-electrode 6 on the main surface 3 side of the semiconductor substrate 2 may be covered with a protective film (for example, a silicon nitride film having a thickness of about 100 nm).
  • a current due to charges generated by incident light in the light receiving unit 4 is output to the outside through the p electrode 5 and the n electrode 6.
  • the convex lens portion 8 on the back surface 7 of the semiconductor substrate 2 is formed in a partial spherical shape having a larger diameter than the light absorbing portion 13, for example, a diameter (width) of 60 ⁇ m and a curvature radius R 1 of 100 ⁇ m, and the center of the light absorbing portion 13 is the convex lens portion.
  • Eight optical axes Z are disposed so as to pass therethrough.
  • a partially spherical concave lens portion 9 having an optical axis Z common to the convex lens portion 8 and having a radius of curvature R2 larger than the radius of curvature R1 is disposed at the center of the convex lens portion 8.
  • the concave lens portion 9 has, for example, a radius of curvature R2 of 150 ⁇ m, a diameter (width) of 5 ⁇ m, a smaller diameter than the light absorbing portion 13, and a distance H from the light absorbing portion 13 of 150 ⁇ m.
  • An antireflection film 10 made of, for example, a 100 nm thick silicon nitride film is disposed on the back surface 7 of the semiconductor substrate 2 so as to cover at least the convex lens portion 8 and the concave lens portion 9. In FIG. 1, the concave lens portion 9 is exaggerated for easy viewing.
  • incident light incident along the optical axis Z from the back surface 7 side of the semiconductor light receiving element 1 is refracted by the convex lens portion 8 or the concave lens portion 9 and reaches the light absorbing portion 13.
  • incident light having a divergence angle 2 ⁇ (full angle) of 5 ° is emitted from a position 50 ⁇ m away from the concave lens portion 9 on the optical axis Z, substantially all of the incident light enters the concave lens portion 9. The incident light travels further from the concave lens portion 9 and reaches the light absorbing portion 13.
  • the central portion of the incident light near the optical axis Z is incident on the concave lens portion 9 and diffused. Reaches the light absorbing portion 13. Further, incident light outside this is incident on the convex lens portion 8 and can reach the light absorbing portion 13 by the condensing action of the convex lens portion 8.
  • FIG. 3 shows the simulation result of the arrival position of the incident light having the divergence angle 2 ⁇ of 5 ° from the emission position in FIG.
  • FIG. 4 shows a simulation result of the arrival position of the same incident light in the light absorbing portion 13 for a conventional semiconductor light receiving device equivalent to the semiconductor light receiving device 1 except that the concave lens portion 9 is not provided.
  • the circle in the figure represents the light absorption unit 13, and the point represents the arrival position of the 500 light beams included in the incident light extracted at random in the light absorption unit 13.
  • FIG. 4 where there is no concave lens portion 9, the light is condensed at the center of the light absorbing portion 13, but in FIG. 3, the reaching position is not concentrated at the center of the light absorbing portion 13 by the concave lens portion 9, and in a wider range than FIG. It can be seen that the incident light has reached.
  • FIG. 5 shows the relationship between the divergence angle 2 ⁇ of the incident light incident on the semiconductor light receiving element 1 and the average value and standard deviation of the distance u from the center of the light absorbing portion 13 at the arrival position of the incident light.
  • squares ( ⁇ ) indicate average values when there is no concave lens portion 9 corresponding to a conventional semiconductor light receiving element
  • circles ( ⁇ ) indicate average values of the semiconductor light receiving element 1 provided with the concave lens portion 9.
  • the arrows extending up and down represent the respective standard deviations.
  • the average value of the distance u tends to be larger as the divergence angle 2 ⁇ is smaller than in the case without the concave lens portion 9. Therefore, it can be seen that incident light is diffused by the concave lens portion 9 and reaches the light absorbing portion 13.
  • An arc 8a having a radius R1 centered on the point O represents a partial spherical surface of the convex lens portion 8 having a radius of curvature R1, and light having a divergence angle 2 ⁇ is emitted from a point A at a distance L1 from the arc 8a on the optical axis Z.
  • the light is emitted along Z.
  • a point where the optical axis Z intersects the arc 8a is a point B
  • a point where the outermost ray of incident light intersects the arc 8a is a point P
  • a point on the optical axis Z where the incident light is focused is a point C.
  • the distance from B to point C be H1.
  • the incident light is emitted in the air
  • the refractive index of air is n1
  • the refractive index of the convex lens portion 8 is n2
  • the curvature radius R1 is set so as to satisfy the following expression (2) obtained by modifying (1).
  • the incident light is regarded as a bundle of rays parallel to the optical axis Z, and the distance L1 ⁇ ⁇ is given in the equation (1), and the refractive index n and the distance H1 are given.
  • the curvature radius R1 is set so as to satisfy the following (3) obtained by modifying the expression (1).
  • An arc 9a having a radius R2 represents a partial spherical surface of the concave lens portion 9 having a radius of curvature R2, so that light having a divergence angle 2 ⁇ is along the optical axis Z at a point P0 at a distance L on the optical axis Z of the concave lens portion 9 from the arc 9a. Emitted.
  • the optical axis Z is the x-axis, the y-axis orthogonal to the x-axis is set with the center of the arc 9a as the origin, and the point at which the outermost ray IL1 of the incident light enters the concave lens unit 9 at an incident angle ⁇ is defined as a point P1.
  • ⁇ be the refraction angle at the point P1.
  • the refractive index n2 of the concave lens portion 9 with respect to the refractive index n1 of air is the refractive index n
  • the refractive index n sin ⁇ / sin ⁇ according to Snell's law.
  • a straight line having a length D representing a light absorbing portion 13 having a diameter D perpendicular to the x-axis centered on a point (x2, 0) on the x-axis at a distance H in the traveling direction of incident light from the concave lens portion 9 is set.
  • a point where a light beam IL2 refracted at a refraction angle ⁇ at the point P1 and intersects with a straight line representing the light absorbing portion 13 is defined as a point P2.
  • the crossing angle between the light beam IL2 and the x axis is ⁇ .
  • the radius of curvature R2 of the concave lens portion 9 can be set so that
  • D / 2 at the point P2 where the light beam IL2 enters the light absorbing portion 13.
  • L 50 ⁇ m
  • D 20 ⁇ m
  • H 150 ⁇ m
  • R2 150 ⁇ m is set.
  • the concave lens portion 9 having the radius of curvature R2 set in this manner causes all of the light incident on the concave lens portion 9 to reach the light absorbing portion 13, the concentration of incident light in the light absorbing portion 13 is reduced. Therefore, since the space charge effect due to the concentration of charges generated by the light absorbing portion 13 by the concave lens portion 9 can be suppressed, the response speed can be increased.
  • the distance L1 between the exit point of the incident light and the convex lens portion 8 is substantially equal to the distance L between the exit point of the incident light and the concave lens portion 9.
  • the distance H1 between the convex lens portion 8 and the light absorbing portion 13 and the distance H between the concave lens portion 9 and the light absorbing portion 13 are substantially equal. Therefore, the curvature radius R1 of the convex lens portion 8 may be set with L1 and H1 in the expressions (2) and (3) as L and H, respectively. That is, by setting the curvature radius R1 so as to satisfy the following expression (12), the convex lens portion 8 can be focused on the light absorbing portion 13 so as not to focus on the light absorbing portion 13.
  • the buffer layer 11, the first semiconductor layer 12, the light absorbing portion 13, and the second semiconductor layer 14 are formed on the main surface 3 of the clean semiconductor substrate 2 in this order from the main surface 3 side by vapor phase epitaxy or the like. Form a film.
  • an unillustrated etching mask 15 is formed on the surface of the second semiconductor layer 14 to cover a predetermined region where the light receiving unit 4 is to be formed.
  • the etching mask 15 is formed by removing, for example, a silicon nitride film formed on the surface of the second semiconductor layer 14 so as to remain only in a predetermined region by a selective etching method or the like.
  • the second semiconductor layer 14, the light absorber 13, and the first semiconductor layer are formed by selective etching so that the buffer layer 11 is exposed leaving a predetermined portion covered with the etching mask 15.
  • the etching mask 15 is removed.
  • a commonly used 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.
  • an etching mask 16 is formed on the back surface 7 of the semiconductor substrate 2 so as to cover a predetermined region having a diameter of, for example, 80 ⁇ m for forming the convex lens portion 8.
  • the etching mask 16 is formed by removing, for example, a silicon nitride film formed on the back surface 7 of the semiconductor substrate 2 so as to remain only in a predetermined region by a selective etching method or the like.
  • a substantially cylindrical region 17 for forming the convex lens portion 8 is formed on the back surface 7 side of the semiconductor substrate 2 so as to protrude from the semiconductor substrate 2 by a selective etching method. Remove. At this time, the above etching solution can be used, and the region 17 can also be formed by dry etching.
  • the back surface 7 of the semiconductor substrate 2 is entirely etched with the above etching solution to form a partially spherical convex lens portion 8.
  • the corner of the substantially cylindrical region 17 to be the convex lens portion 8 is etched from the two surfaces (the circular plane of the cylinder and the circumferential surface) that form the corner, compared to the plane portion. Etching is accelerated and rounds.
  • the partial spherical convex lens portion 8 having a radius of curvature R1 is formed by utilizing the rounded corners of the region 17.
  • an etching mask 19 that covers the back surface 7 of the semiconductor substrate 2 is formed except for the top of the convex lens portion 8 that forms the concave lens portion 9. Then, a concave lens portion 9 is formed on the back surface 7 side of the semiconductor substrate 2 by a selective etching method.
  • the etching mask 19 is formed by removing, for example, a silicon nitride film formed on the back surface 7 of the semiconductor substrate 2 only, for example, a region having a diameter of 15 ⁇ m at the top of the convex lens portion 8 by a selective etching method or the like. And the area
  • the etching of the region where the convex lens portion 8 is exposed proceeds in the lateral direction of the convex lens portion 8 covered with the etching mask 19.
  • the central portion of the region where the convex lens portion 8 is exposed is more easily supplied with a fresh etching solution than the peripheral portion, so that the etching is promoted and becomes round. Utilizing this fact, a partially spherical concave lens portion 9 having a set radius of curvature R2 is formed.
  • an antireflection film 10 made of a silicon nitride film or the like is formed by a plasma CVD method or the like so as to cover at least the convex lens portion 8 and the concave lens portion 9, and protection outside the drawing on the main surface 3 side of the semiconductor substrate 2.
  • the p-electrode 5 and the n-electrode 6 are selectively formed of a metal film having a laminated structure having, for example, a chromium film or a nickel film as an adhesion layer, the semiconductor shown in FIG.
  • the light receiving element 1 is obtained.
  • the semiconductor light receiving element 1 can collect the light incident on the convex lens portion 8 on the light absorbing portion 13, diffuses the light incident on the concave lens portion 9 toward the light absorbing portion 13, and emits light.
  • the light is incident on the absorber 13. Therefore, the amount of light received by the light absorption unit 13 can be secured, the excessive concentration of charges generated in the light absorption unit 13 can be suppressed, the space charge effect can be avoided, and the response speed of the semiconductor light receiving element 1 can be increased. .
  • the radius of curvature R2 of the concave lens portion 9 is set so that all of the light incident on the concave lens portion 9 is spread and surely incident on the light absorbing portion 13 using the relationships of the equations (4) to (11). To do. Therefore, the amount of received light can be ensured, the space charge effect can be avoided, and the response speed of the semiconductor light receiving element 1 can be increased.
  • the equation (12) is satisfied. Is set to the radius of curvature R1 of the convex lens portion 8. Therefore, incident light that has not entered the concave lens portion 9 can be condensed on the light absorbing portion 13 by the convex lens portion 8 to secure the amount of received light. Furthermore, since the semiconductor substrate 2 is an InP substrate, the response speed of the semiconductor light receiving element 1 for optical communication can be increased.

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Abstract

【課題】応答速度の高速化が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に光吸収部（１３）を備え、前記主面に対向する前記半導体基板の裏面に前記光吸収部（１３）より大径であって曲率半径Ｒ１の凸レンズ部（８）を備え、前記凸レンズ部（８）の光軸上に前記光吸収部（１３）の中心が位置する裏面入射型の半導体受光素子（１）において、前記凸レンズ部（８）の中央部に、前記凸レンズ部（８）と光軸が共通であって前記光吸収部（１３）より小径且つ前記曲率半径Ｒ１より大きい曲率半径Ｒ２の凹レンズ部（９）を有し、前記凹レンズ部（９）は、入射した光を前記光吸収部（１３）に向けて拡散させる。

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、特に応答速度を向上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）に変換する光吸収部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、光吸収部の直径を２０μｍ程度とすれば素子容量が十分小さくなる。
　一方、半導体受光素子は光ファイバケーブル端部から出射されて所定の拡がり角（発散角）で拡がりながら進行する入射光を受光する。それ故、素子容量を小さくするために光吸収部の直径を小さくする程、受光量が減少して受信効率（感度）が低下する。そのため、例えば特許文献１、２のように、受光量の減少を抑えるため小径の光吸収部に入射光を集光可能な凸レンズを半導体基板に形成した裏面入射型の半導体受光素子が知られている。
特許第２９８９９９６号公報 特許第３０３１２３８号公報
　しかし、凸レンズ部が光吸収部で焦点を結ぶように集光すると、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その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。また、発散角が小さい入射光の場合、凸レンズ部が光吸収部で焦点を結ばなくても、その凸レンズ部の集光作用により光吸収部の一部に入射光が集中して生成された電荷が過剰に集中し、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。
　発散角が大きい入射光であっても、通常その中心の光軸に垂直な面内の入射光径方向の光の強度分布がガウス分布と見なせるガウシアンビームであり、入射光の光軸に近い程強度が強い。そのため、凸レンズ部の集光作用によって入射光の強度が強い中央部分が入射する光吸収部の一部で電荷の生成が過剰に集中し、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もある。
　本発明の目的は、応答速度の高速化が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に光吸収部を備え、前記主面に対向する前記半導体基板の裏面に前記光吸収部より大径であって曲率半径Ｒ１の凸レンズ部を備え、前記凸レンズ部の光軸上に前記光吸収部の中心が位置する裏面入射型の半導体受光素子において、前記凸レンズ部の中央部に、前記凸レンズ部と光軸が共通であって前記光吸収部より小径且つ前記曲率半径Ｒ１より大きい曲率半径Ｒ２の凹レンズ部を有し、前記凹レンズ部は、入射した光を前記光吸収部に向けて拡散させることを特徴としている。
　上記構成によれば、半導体受光素子は凸レンズ部の光軸に沿うように裏面から入射した入射光のうち、凸レンズ部に入射した光を光吸収部に向けて集光可能であると共に、凸レンズ部中央部の凹レンズ部に入射した光を光吸収部に向けて拡散させる。従って、集光によって光吸収部における受光量を確保すると共に、拡散によって光吸収部における入射光の集中による空間電荷効果を回避して、半導体受光素子の応答速度の高速化を実現できる。
　請求項２の発明は請求項１において、入射光の出射点から前記凹レンズ部までの距離Ｌと、入射光の発散角θと、前記光吸収部の直径Ｄと、前記凹レンズ部と前記光吸収部の距離Ｈに基づいて、前記凹レンズ部に入射した入射光の全部が前記凹レンズ部から拡散して前記光吸収部に入射するように前記凹レンズ部の曲率半径Ｒ２を設定したことを特徴としている。
　上記構成によれば、入射光の光強度が強い中央部の光の全部を光吸収部に広がるように且つ確実に入射させる。従って、光吸収部における受光量を確保すると共に、空間電荷効果を回避して半導体受光素子の応答速度の高速化を実現できる。
　請求項３の発明は、請求項２において、空気に対する前記半導体基板の屈折率をｎとしたとき、前記凸レンズ部の前記曲率半径Ｒ１は、（ｎ－１）／（１／Ｌ＋ｎ／Ｈ）＜Ｒ１＜（ｎ－１）／（ｎ／Ｈ）を満たすことを特徴としている。
　上記構成によれば、凸レンズ部によって光吸収部に焦点を結ばないように集光できるので、光吸収部の受光量を確保すると共に空間電荷効果を回避して半導体受光素子の応答速度の高速化を実現できる。
　請求項４の発明は、請求項１～３において、前記半導体基板は、ＩｎＰ基板であることを特徴としている。
　上記構成によれば、光通信で利用される波長の赤外光を効率よく受光することができるので、光通信用の半導体受光素子の応答速度を高速化可能である。
　本発明の半導体受光素子によれば、応答速度の高速化が可能である。
本発明の実施例に係る半導体受光素子の断面図である。 図１の半導体受光素子に入射する入射光の例を示す模式図である。 図１の半導体受光素子に発散角５°の入射光が入射したときの光吸収部における到達位置のシミュレーション結果を示す図である。 従来の凸レンズ部を備えた半導体受光素子に発散角５°の入射光が入射したときの光吸収部における到達位置のシミュレーション結果を示す図である。 入射光の発散角と光吸収部における入射位置の光吸収部中心からの距離の平均値及び標準偏差の関係を示す図である。 凸レンズ部の曲率半径Ｒ１を説明する図である。 凹レンズ部の曲率半径Ｒ２を説明する図である。 半導体受光素子の半導体層の形成工程を示す断面図である。 半導体受光素子の受光部の形成工程を示す断面図である。 半導体受光素子の凸レンズ部となる凸部の形成工程を示す断面図である。 半導体受光素子の凸レンズ部の形成工程を示す断面図である。 半導体受光素子の凹レンズ部の形成工程を示す断面図である。
　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図１に基づいて説明する。
　半導体受光素子１は、入射光に対して透明な半導体基板２と、半導体基板２の主面３の近傍に配設された受光部４と、受光部４にｐ電極５と、半導体基板２の主面３側にｎ電極６を有する。また、半導体基板２の主面３に対向する半導体基板２の裏面７には、凸レンズ部８と、この凸レンズ部８の中央部に凸レンズ部８より小径の凹レンズ部９と、少なくとも凸レンズ部８及び凹レンズ部９を覆う反射防止膜１０を備えている。そして、半導体基板２の裏面７側から凸レンズ部８、凹レンズ部９に入射した光を受光部４に導入して電荷に変換する裏面入射型の半導体受光素子１が構成されている。半導体基板２として、光通信用の波長１．３μｍや１．５μｍの赤外光を受光する受光素子に使用されるｎ－ＩｎＰ基板を例に説明するが、用途等に応じて適宜基板材料を選択可能である。
　半導体基板２の主面３は、例えばｎ型のＩｎＰ層からなるバッファ層１１に覆われている。受光部４は、バッファ層１１の半導体基板２と反対側にバッファ層１１側から順に例えばｎ型のＩｎＰ層からなる第１半導体層１２と、例えばｎ型のＩｎＧａＡｓ層からなる光吸収部１３と、例えばｐ型のＩｎＰ層からなる第２半導体層１４を積層したＰＩＮフォトダイオードで構成されている。バッファ層１１、第１半導体層１２、光吸収部１３、第２半導体層１４の厚さはこの順に、例えば５μｍ、２μｍ、１μｍ、２μｍである。２０ＧＨｚ程度の応答周波数帯域が求められる場合には光吸収部１３の直径Ｄが２０μｍ程度の円柱状又は円錐台状の受光部４が形成される。尚、応答速度の高速化のため、第１、第２半導体層１２，１４は、ドーパント濃度を１×１０18ｃｍ-3以上として低抵抗にすることが好ましい。
　ｐ電極５は、第２半導体層１４に導通するように配設され、ｎ電極６はバッファ層１１に導通するように配設されている。半導体基板２の主面３側はｐ電極５及びｎ電極６以外の領域が保護膜（例えば１００ｎｍ程度の厚さのシリコン窒化膜等）に覆われていてもよい。受光部４において入射光により生成した電荷による電流は、ｐ電極５及びｎ電極６を介して外部に出力される。
　半導体基板２の裏面７の凸レンズ部８は、光吸収部１３より大径の例えば直径（幅）が６０μｍ、曲率半径Ｒ１が１００μｍの部分球面状に形成され、光吸収部１３の中心を凸レンズ部８の光軸Ｚが通るように配設されている。この凸レンズ部８の中央部に、凸レンズ部８と共通の光軸Ｚを有し且つ曲率半径Ｒ１より大きい曲率半径Ｒ２の部分球面状の凹レンズ部９が配設されている。この凹レンズ部９は、例えば曲率半径Ｒ２が１５０μｍ、直径（幅）が５μｍで光吸収部１３より小径であり、光吸収部１３との距離Ｈが１５０μｍである。そして、少なくとも凸レンズ部８及び凹レンズ部９を覆うように、例えば１００ｎｍの厚さのシリコン窒化膜からなる反射防止膜１０が半導体基板２の裏面７に配設されている。尚、図１では凹レンズ部９が見易いようにその凹形状を誇張して示している。
　図２に示すように、半導体受光素子１の裏面７側から光軸Ｚに沿うように入射する入射光は、凸レンズ部８又は凹レンズ部９により屈折して光吸収部１３に到達する。例えば、光軸Ｚ上において凹レンズ部９から５０μｍ離れた位置から発散角２θ（全角）が５°の入射光が出射された場合、入射光の略全部が凹レンズ部９に入射する。そして入射光は、この凹レンズ部９から一層拡がるように進行して光吸収部１３に到達する。また、破線で示すように、同じ出射位置から出射される入射光の発散角２θが５°より大きい場合は、光軸Ｚに近い入射光の中央部分が凹レンズ部９に入射して拡散するように光吸収部１３に到達する。そしてこれより外側の入射光が凸レンズ部８に入射して、凸レンズ部８の集光作用により光吸収部１３に到達可能である。
　半導体受光素子１について、図２の出射位置から発散角２θが５°の入射光の光吸収部１３における到達位置のシミュレーションの結果を図３に示す。また、凹レンズ部９が無いこと以外は半導体受光素子１と同等の従来の半導体受光素子について同じ入射光の光吸収部１３における到達位置のシミュレーションの結果を図４に示す。図中の円が光吸収部１３を表し、点がランダムに抽出した入射光に含まれる５００本の光線の光吸収部１３における到達位置を表している。凹レンズ部９が無い図４では光吸収部１３の中央に集光されているが、図３では凹レンズ部９によって到達位置が光吸収部１３の中央に集中せず、図４よりも広い範囲に入射光が到達していることが分かる。
　このような半導体受光素子１に入射する入射光の発散角２θと、入射光の到達位置の光吸収部１３の中心からの距離ｕの平均値及び標準偏差との関係を図５に示す。図中の四角（□）は従来の半導体受光素子に相当する凹レンズ部９が無い場合の平均値、丸（○）は凹レンズ部９を備えた半導体受光素子１の平均値を表し、これら平均値の上下に伸びる矢印は夫々の標準偏差を表す。凹レンズ部９が無い場合は発散角２θが小さい程、距離ｕの平均値が小さくなり、ばらつきを表す標準偏差も小さくなる。一方、凹レンズ部９がある半導体受光素子１では、発散角２θが小さい程距離ｕの平均値が凹レンズ部９が無い場合よりも大きくなる傾向にあり、標準偏差も小さくならずばらつきが大きい。従って、凹レンズ部９によって入射光が拡散されて光吸収部１３に到達することが分かる。
　凸レンズ部８の曲率半径Ｒ１の設定について、図６に基づいて説明する。
　点Ｏを中心とした半径Ｒ１の円弧８ａは曲率半径Ｒ１の凸レンズ部８の部分球面を表し、光軸Ｚ上において円弧８ａから距離Ｌ１の点Ａを出射点として発散角２θの光が光軸Ｚに沿うように出射される。光軸Ｚと円弧８ａの交差する点を点Ｂ、入射光の最も外側の光線が円弧８ａに交差する点を点Ｐ、入射光が焦点を結ぶ光軸Ｚ上の点を点Ｃとし、点Ｂから点Ｃまでの距離をＨ１とする。また、入射光は空気中で出射され、空気の屈折率をｎ１、凸レンズ部８の屈折率をｎ２とし、空気の屈折率ｎ１に対する凸レンズ部８の屈折率ｎ２を屈折率ｎ（＝ｎ２／ｎ１）とする。このとき近軸光線近似により曲率半径Ｒ１と距離Ｌ１，Ｈ１と屈折率ｎの関係が下記（１）式で表される。
　（１／Ｌ１）＋（ｎ／Ｈ１）＝（ｎ－１）／Ｒ１　…（１）
　点Ｃに光吸収部１３を配設する場合に、（１）式に屈折率ｎと距離Ｌ１，Ｈ１を与えて求めた曲率半径Ｒ１より大きい曲率半径を設定すれば、凸レンズ部８の集光作用が弱まるので、入射光が点Ｃの光吸収部１３に焦点を結ばないように集光可能である。従って（１）を変形した下記（２）式を満たすように曲率半径Ｒ１を設定する。
　Ｒ１＞（ｎ－１）／（１／Ｌ１＋ｎ／Ｈ１）　…（２）
　同様に点Ｃに光吸収部１３を配設する場合に、入射光を光軸Ｚに平行な光線の束と見なして（１）式において距離Ｌ１→∞とし、屈折率ｎと距離Ｈ１を与えて求めた曲率半径Ｒ１より小さい曲率半径を設定すれば、凸レンズ部８の集光作用が強まるので、拡がるように進行する入射光を光吸収部１３に集光可能である。従って（１）式を変形した下記（３）を満たすように曲率半径Ｒ１を設定する。
　Ｒ１＜（ｎ－１）／（ｎ／Ｈ１）　…（３）
　次に、凹レンズ部９の曲率半径Ｒ２の設定について、図７に基づいて説明する。
　半径Ｒ２の円弧９ａは曲率半径Ｒ２の凹レンズ部９の部分球面を表し、円弧９ａから凹レンズ部９の光軸Ｚ上の距離Ｌの点Ｐ０において発散角２θの光が光軸Ｚに沿うように出射される。
　光軸Ｚをｘ軸、円弧９ａの中心を原点としてｘ軸に直交するｙ軸を設定し、入射光の最も外側の光線ＩＬ１が入射角αで凹レンズ部９に入射する点を点Ｐ１とし、点Ｐ１における屈折角をβとする。また、空気の屈折率ｎ１に対する凹レンズ部９の屈折率ｎ２を屈折率ｎとすると、スネルの法則により屈折率ｎ＝sinα／sinβである。凹レンズ部９から入射光の進行方向に距離Ｈのｘ軸上の点（x2，0）を中心にしたｘ軸に直交する直径Ｄの光吸収部１３を表す長さＤの直線を設定し、点Ｐ１で屈折角βで屈折して進行する光線ＩＬ２が光吸収部１３を表す直線と交差する点を点Ｐ２とする。この光線ＩＬ２とｘ軸の交差角をγとする。
　点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２の座標をＰ０（x0，0）、Ｐ１（x1，y1）、Ｐ２（x2，y2）とすると、光線ＩＬ１を表す直線y=(x-x0)tanθと光線ＩＬ２を表す直線y-y1=(x-x1)tanγに基づいて、これらの関係が下記の（４）～（１１）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　これら（４）～（１１）式に入射光の出射点から凹レンズ部９までの距離Ｌと、入射光の発散角θ（半角）と、光吸収部１３の直径Ｄと、凹レンズ部９と光吸収部１３の距離Ｈを与えれば、光線ＩＬ２が光吸収部１３に入射する点Ｐ２で｜y2｜＝Ｄ／２となるように凹レンズ部９の曲率半径Ｒ２を設定することができる。例えば、Ｌ＝５０μｍ、２θ＝５°（θ＝２．５°）、Ｄ＝２０μｍ、Ｈ＝１５０μｍのときにＲ２＝１５０μｍに設定する。このように設定した曲率半径Ｒ２の凹レンズ部９が、凹レンズ部９に入射した光の全部を光吸収部１３に広がるように到達させるので、光吸収部１３における入射光の集中を緩和する。従って、凹レンズ部９により光吸収部１３で生成される電荷の集中による空間電荷効果を抑制することができるので、応答速度の高速化が可能である。
　ここで、入射光の出射点と凸レンズ部８の距離Ｌ１と、入射光の出射点と凹レンズ部９の距離Ｌとが略等しい。また、凸レンズ部８と光吸収部１３の距離Ｈ１と、凹レンズ部９と光吸収部１３の距離Ｈとが略等しい。それ故、（２），（３）式のＬ１，Ｈ１を夫々Ｌ，Ｈとして凸レンズ部８の曲率半径Ｒ１を設定してもよい。即ち、下記（１２）式を満たすように曲率半径Ｒ１を設定することにより、凸レンズ部８が光吸収部１３に焦点を結ばないように光吸収部１３に集光可能である。例えばＬ＝５０μｍ、Ｈ＝１５０μｍ、ｎ＝３．２のときにＲ１＝１００μｍに設定する。
　（ｎ－１）／（１／Ｌ＋ｎ／Ｈ）＜Ｒ１＜（ｎ－１）／（ｎ／Ｈ）　…（１２）
　次に、半導体受光素子１の形成方法について説明する。
　図８に示すように、清浄な半導体基板２の主面３に、主面３側から順にバッファ層１１第１半導体層１２、光吸収部１３、第２半導体層１４を気相成長法等により成膜する。そして、第２半導体層１４の表面に、受光部４を形成する所定の領域を覆う図示外のエッチングマスク１５を形成する。エッチングマスク１５は、第２半導体層１４の表面に成膜した例えばシリコン窒化膜を選択エッチング法等により所定の領域にのみ残るように除去して形成する。
　次に図９に示すように、エッチングマスク１５で覆われた所定の部分を残してバッファ層１１が露出するように、選択エッチング法により第２半導体層１４、光吸収部１３、第１半導体層１２を除去して例えば直径Ｄが２０μｍの光吸収部１３を有する受光部４を形成後、エッチングマスク１５を除去する。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。
　エッチングマスク１５を除去後、受光部４を有する半導体基板２の主面３側を保護するために、例えばフォトレジスト等からなる保護膜（図示略）で覆う。そして半導体基板２の裏面７に、凸レンズ部８を形成する例えば直径８０μｍの所定の領域を覆うエッチングマスク１６を形成する。エッチングマスク１６は、半導体基板２の裏面７に成膜した例えばシリコン窒化膜を選択エッチング法等により所定の領域にのみ残るように除去して形成する。
　次に図１０に示すように、半導体基板２の裏面７側に、選択エッチング法により凸レンズ部８を形成する略円柱状の領域１７を半導体基板２から突出するように形成した後、エッチングマスク１６を除去する。このとき上記のエッチング液が使用可能であり、ドライエッチングで領域１７を形成することもできる。
　次に図１１に示すように、半導体基板２の裏面７を上記のエッチング液により全面エッチングして部分球面状の凸レンズ部８を形成する。このとき、凸レンズ部８となる略円柱状の領域１７の角部は、その角部を形成する２つの面（円柱の円形平面と円周面）からエッチングが進行するので、平面部分と比べてエッチングが促進されて丸くなる。この領域１７の角部が丸くなることを利用して曲率半径Ｒ１の部分球面状の凸レンズ部８を形成している。
　次に図１２に示すように、凹レンズ部９を形成する凸レンズ部８の頂部を除いて半導体基板２の裏面７を覆うエッチングマスク１９を形成する。そして半導体基板２の裏面７側に、選択エッチング法により凹レンズ部９を形成する。エッチングマスク１９は、半導体基板２の裏面７に成膜した例えばシリコン窒化膜を、選択エッチング法等により凸レンズ部８の頂部の例えば直径１５μｍの領域のみ除去して形成する。そしてこの凸レンズ部８が露出した領域を上記のエッチング液によりエッチングする。
　このとき、凸レンズ部８が露出した領域のエッチングはエッチングマスク１９で覆われた凸レンズ部８の横方向にもエッチングが進行する。このとき凸レンズ部８が露出した領域の中央部分は、周辺部分と比べて新鮮なエッチング液が供給され易いためエッチングが促進されて丸くなる。このことを利用して、設定された曲率半径Ｒ２の部分球面状の凹レンズ部９を形成している。
　図示を省略するが、少なくとも凸レンズ部８及び凹レンズ部９を覆うようにシリコン窒化膜等からなる反射防止膜１０をプラズマＣＶＤ法等により形成し、半導体基板２の主面３側の図示外の保護膜を除去して例えば密着層としてクロム膜、ニッケル膜等を有する積層構造の金属膜によりｐ電極５とｎ電極６を選択的に形成した後、所定の大きさにダイシングして図１の半導体受光素子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２に示すように、半導体受光素子１は凸レンズ部８に入射した光を光吸収部１３に集光可能であり、凹レンズ部９に入射した光を光吸収部１３に向けて拡散させて光吸収部１３に入射させる。従って、光吸収部１３における受光量を確保できると共に、光吸収部１３において生成される電荷の過剰な集中を抑えて空間電荷効果を回避でき、半導体受光素子１の応答速度の高速化を実現できる。
　また、入射光の出射点から凹レンズ部９までの距離Ｌと、入射光の発散角θ（半角）と、光吸収部１３の直径Ｄと、凹レンズ部９と光吸収部１３の距離Ｈに基づいて、（４）～（１１）式の関係を利用して凹レンズ部９に入射した光の全部を光吸収部１３に広がるように且つ確実に入射させるように凹レンズ部９の曲率半径Ｒ２を設定する。従って、受光量を確保すると共に空間電荷効果を回避でき、半導体受光素子１の応答速度の高速化を実現できる。
　その上、凸レンズ部８と光吸収部１３の距離Ｈ１と略同等の凹レンズ部９と光吸収部１３の距離Ｈ及び空気に対する半導体基板２の屈折率ｎに基づいて、（１２）式を満たすように凸レンズ部８の曲率半径Ｒ１を設定する。従って、凹レンズ部９に入射しなかった入射光を凸レンズ部８によって光吸収部１３に集光して受光量を確保することができる。さらに、半導体基板２はＩｎＰ基板なので、光通信用の半導体受光素子１の応答速度を高速化できる。
　上記の発散角や各部の長さ等は１例であってこれに限定されるものではなく、要求される性能等に応じて適宜設定される。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、上記実施例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　　　：半導体受光素子
２　　　：半導体基板
３　　　：主面
４　　　：受光部
５　　　：ｐ電極
６　　　：ｎ電極
７　　　：裏面
８　　　：凸レンズ部
９　　　：凹レンズ部
１０　　：反射防止膜
１３　　：光吸収部

Claims (4)

  1. 　入射光に対して透明な半導体基板の主面近傍に光吸収部を備え、前記主面に対向する前記半導体基板の裏面に前記光吸収部より大径であって曲率半径Ｒ１の凸レンズ部を備え、前記凸レンズ部の光軸上に前記光吸収部の中心が位置する裏面入射型の半導体受光素子において、
    　前記凸レンズ部の中央部に、前記凸レンズ部と光軸が共通であって前記光吸収部より小径且つ前記曲率半径Ｒ１より大きい曲率半径Ｒ２の凹レンズ部を有し、
    　前記凹レンズ部は、入射した光を前記光吸収部に向けて拡散させることを特徴とする半導体受光素子。
  2. 　入射光の出射点から前記凹レンズ部までの距離Ｌと、入射光の発散角θと、前記光吸収部の直径Ｄと、前記凹レンズ部と前記光吸収部の距離Ｈに基づいて、前記凹レンズ部に入射した入射光の全部が前記凹レンズ部から拡散して前記光吸収部に入射するように前記凹レンズ部の曲率半径Ｒ２を設定し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. 　空気に対する前記半導体基板の屈折率をｎとしたとき、前記凸レンズ部の前記曲率半径Ｒ１は、
    　（ｎ－１）／（１／Ｌ＋ｎ／Ｈ）＜Ｒ１＜（ｎ－１）／（ｎ／Ｈ）
    を満たすことを特徴とする請求項２に記載の半導体受光素子。
  4. 　前記半導体基板は、ＩｎＰ基板であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体受光素子。
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