WO2021074967A1

WO2021074967A1 - 受光素子

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Publication number: WO2021074967A1
Application number: PCT/JP2019/040494
Authority: WO
Inventors: 詔子辰己; 允洋名田
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-04-22
Also published as: JPWO2021074967A1; JP7280532B2; US20220416098A1

Abstract

光路長を伸長した構造を実現しながら受光素子の上面からの光入射を可能とし、その結果、光学的な実装を容易にする。基板の上面に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、半導体からなる光吸収層と、第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層に接して形成された第１電極と、前記第２半導体層に接して形成され、金属からなる第１反射層を含む第２電極とが前記基板の上面の鉛直方向に順に形成された受光素子において、前記基板の上面から入射光を入射し、前記基板の底面で反射させた後、前記鉛直方向に対して斜めに前記光吸収層に入射させる。

Description

受光素子

　本発明は、受光素子に関し、より詳細には、高速・高感度な動作を可能とする半導体受光素子に関する。

　光通信に用いる半導体受光素子として、フォトダイオードは広く普及している素子である。フォトダイオードとは、半導体のバンドギャップ以上のエネルギーの光の照射により光吸収させた際、電子・正孔を生じさせることにより光電交換を行う素子である。最も基本的なフォトダイオードは、ｐｉｎフォトダイオードと呼ばれ、不純物密度の小さいｉ層の両側を、不純物が高密度にドープされたｐ型とｎ型の半導体で挟んだ構造を有している。このｐｉｎ構造に逆バイアスを印加すると、ｉ層に電界が生じ、光照射により生成した電子と正孔が掃引され光電流が発生する。入射した光子数に対する光電流に寄与するキャリアの数の比を外部量子効率といい、高感度化のためには、外部量子効率を向上させることが必須である。

　外部量子効率向上の手段として、光吸収層内の光路長を伸ばすことが挙げられる。光吸収層を厚くして、光路長を伸ばす方法があるが、光吸収層を厚くするとキャリアの走行時間が増大して、高速応答を阻害する。光路長を伸長する他の手法として、光吸収層内を複数回通過するよう折り返し構造を形成することが挙げられる。非特許文献１に記載された受光素子においては、基板上に多層膜を形成し、受光素子に入射した光が、光吸収層よりも基板側に形成された多層膜により折り返す構造となっている。しかしながら、多層膜では反射率が７割程度しか得られないことが非特許文献１に示されている。また、多層膜では波長依存性が大きく、使用する波長帯に合わせて多層膜の最適化が必要なため、用途に合わせて複雑かつ精緻な層構造が必要になる。

　一方、特許文献１に記載された受光素子においては、基板に対して光吸収層が形成された側と反対側（基板の下面）または基板の側面から光を入射し、受光素子の上面に形成したミラーにより折り返す構造を採用している。ミラーであれば多層膜以上の反射率（９割以上、特許文献１参照）が得られ、かつ波長依存性も小さく折り返し構造による量子効率の低下を軽減することができる。

　しかしながら、ミラーを形成した受光素子では、必然的に基板を透過する光入射構造（下面入射）となる。この場合、半導体基板の鏡面研磨工程が必要となり、さらにその研磨面に反射防止膜を形成したりと、ウエハプロセスが複雑化する。また、作製した受光素子を光受信器の構成要素として実装する際、研磨面を上向きにしたフリップチップ実装を行う必要がある。この実装には、専用の装置が必要になるため実装上の負担が大きい。

　このように、ｐｉｎ構造を構成する半導体層の積層方向と平行な方向、すなわち基板に垂直に光を入射する「垂直入射構造」に対して、高感度、高速化を実現しやすい構造として「導波路型構造」が提案されている（例えば、非特許文献２）。

　しかしながら、導波路型構造については、加工面が上面だけでなく側面も加わるため、ウエハレベルでの製造および評価が困難になる。また、光の入射面の面積も垂直入射構造と比べて格段に小さくなるため、光受信器に実装する際のトレランスが大きく劣化する。このように、従来技術では、受光素子において、光学実装および素子作製の容易性を担保しながら、高速高感度動作を実現することは困難であった。

特開２０１１－１８７６０７号公報

E. Ishimura, et al., "High efficiency 10Gbps InP/lnGaAs Avalanche Photodiodes with Distributed Bragg Reflector", Proc. 27th Eur. Conf. on Opt. K. Kato, et al., "110-GHz, 50%-Efficiency Mushroom-Mesa Waveguide p-i-n Photodiode for a 1.55-μm Wavelength", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 6, No. 6, Jun (1994)

　本発明の目的は、光路長を伸長した構造を実現しながら受光素子の上面からの光入射を可能とし、その結果、光学的な実装を容易にする受光素子を提供することにある。

　本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、基板の上面に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、半導体からなる光吸収層と、第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層に接して形成された第１電極と、前記第２半導体層に接して形成され、金属からなる第１反射層を含む第２電極とが前記基板の上面の鉛直方向に順に形成された受光素子において、前記基板の上面から入射光を入射し、前記基板の底面で反射させた後、前記鉛直方向に対して斜めに前記光吸収層に入射させることを特徴とする。

図１は、本発明の第１の実施形態における半導体受光素子の構成を示す断面図、図２は、第１の実施形態の半導体受光素子の斜め面の角度設計を説明するための図、図３は、第１の実施形態の半導体受光素子内部の光の伝搬を説明するための図、図４は、第１の実施形態の半導体受光素子の上面と断面とを示す図、図５は、本発明の第２の実施形態における半導体受光素子の構成を示す断面図、図６は、本発明の第３の実施形態における半導体受光素子の構成を示す断面図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

　　（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態における半導体受光素子の構成を示す。半導体受光素子１０は、基板１１の上面に形成され、第１導電型の半導体からなる第１半導体層１２、半導体からなる光吸収層１３、半導体からなる増倍層１４、および第２導電型の半導体からなる第２半導体層１５が基板１１上面の鉛直方向（ｚ軸方向）に順に形成されている。図１において、ｚ軸方向が半導体結晶成長方向である。基板１１の側面には、光入射のための斜め面（ファセット面）が形成されている。

　第１半導体層１２には電極１６ａ，１６ｂが形成され、第２半導体層１５の上面には電極１７が形成されている。電極１７は、金属からなる反射層を含み、光吸収層１３より上面に形成されたミラーとなる。増倍層１４は、あってもなくても良いが、あればより高い受光感度を得ることができる。増倍層１４の位置も、第１半導体層１２と第２半導体層１５の間であれば、光吸収層１３から電極１７の側に形成されていなくてもよい。

　入射光は、ｚ軸と平行に基板１１の斜め面に入射し、斜め面で屈折した後、基板１１の底面で反射して、受光素子１０の光吸収層１３に入射する。このため、受光素子１０に入射した光は、ｚ軸と平行にも垂直にもならず、基板１１の鉛直方向に対して斜めに入射される。

　図２を参照して、第１の実施形態の半導体受光素子の斜め面の角度設計を説明する。光路長を伸長するための設計に不可欠なのは、ビームサイズと素子径となる。この２つを設計したのち、基板の斜め面の角度設計を行い、実現可能か判断すればよい。図２の断面図でみたとき（ｘｚ面）、基板１１の斜め面と底面とのなす鋭角の角度をθａとする。このとき、ｚ軸と平行な入射光が、基板１１の斜め面に対する入射角はθａとなる。基板１１の底面で折り返した光の受光素子への入射角をθ_２とする。入射した光の屈折角θ_２は、スネルの法則より、

であり、ｎ_２は基板１１の屈折率である。また、
θ’_２＋θ_２＝θａ
の関係より、三角関数の和積の公式から、

の関係が成り立つ。

　図３を参照して、第１の実施形態の半導体受光素子内部の光の伝搬を説明する。基板１１の底面で折り返した入射光は、受光素子１０の基板１１側から入射し、受光素子１０の光吸収層１３を経て上面のミラーにより折り返す。この時の受光素子内の光路長Ｌは、基板１１の上面から受光素子１０の上面までの光路の２倍なので、

によって決定される。

　光の伝搬より、ビームウエストから距離ｚ離れたビーム径ω（ｚ）は、以下の式で表される。

ｎは光が通過する媒体の屈折率、λは光の波長、ω_０はビームウエスト径である。受光素子１０に入射光のフォーカスが合っている場合、受光素子の厚さ方向に伝搬したビームとビームウエストの大きさがほぼ同じであれば、入射ビーム径は、ほぼビームウエストとみなしてよい。

　光の受光素子１０への入射角をθ_２と、基板１１下の媒質の屈折率次第では基板で全反射とならず基板１１下の媒質に光が伝搬しうる。基板１１下の媒質の屈折率をｎ_ｂとすると、

の場合全反射となる。基板１１下の材料がガラスや空気であれば、上記全反射の条件を満たす。

　受光素子１０のサイズについて述べる。図４（ａ）に、ｚ軸方向から見た受光素子の上面と、図４（ｂ）に、受光素子の断面とを合わせて示す。第１半導体層１２の電極１６と、第２半導体層１５の電極１７とに必要な有効素子サイズは、ｙ軸方向に入射ビーム直径分あればよい。受光素子１０の形状としては、従来よく用いられてきた、円形の受光素子であればよいが、必ずしもそうである必要はない。

　例えば、受光素子１０の形状を真円ではなく、入射光が基板１１の斜め面に入る入射点、基板１１の底面で折り返す反射点、および受光素子１０を結ぶ光軸方向、すなわちｘ軸方向の径を、ｙ軸方向の径よりも大きくする。これにより、入射光の光路長を長くとることができ、受光感度を向上させることができる。ｘ軸方向の長さがｙ軸方向の長さよりも長い構造であれば、長方形でも、光の入射を妨げない程度に長方形の角を丸めたオーバル構造でも構わない。後者の方が受光感度を損なうことなく、受光素子のサイズを小さくできるので、高速応答上有利である。

　図１に示したように、第１の実施形態の半導体受光素子では、入射光が基板１１内を折り返すため、基板１１が光吸収してしまう材質の場合、受光素子１０に至る前に光強度が減衰してしまう。例えば、高濃度にキャリアドープされた基板を用いた場合、自由キャリア吸収による入射光の減衰が予想される。高効率に受光素子に光吸収させるためには、基板の材質をキャリアドープのない半絶縁性基板、例えば半絶縁性ＩｎＰ等にすればよい。キャリアドープが少なく、基板の抵抗値が１ＭΩｃｍあれば、概ね基板での吸収を抑制することができる。

　　（第２の実施形態）
　図５に、本発明の第２の実施形態における半導体受光素子の構成を示す。半導体受光素子２０は、基板２１の上面に形成され、その構造は第１の実施形態と同じである。図５において、ｚ軸方向が半導体結晶成長方向である。基板２１の側面には、光入射のための斜め面（ファセット面）２２が形成されている。加えて、斜め面２２に対してｘ軸方向に対向する面にも、斜め面２３が形成されており、斜め面２３上には反射層（例えばＴｉとＡｕで形成された金属膜）２４が形成されている。

　実線は、入射光の光路をあらわす。入射光は、ｚ軸と平行に基板２１の斜め面２２に入射し、斜め面２２に入射した後、基板２１の底面で反射して、受光素子２０に入射する。受光素子２０に入射し、受光素子２０上面のミラーにより折り返す。反射された光は、もう一度基板２１底面で折り返し、斜め面２３の反射層２４に入射する。点線は、斜め面２３の反射層２４で反射した後の光路をあらわす。

　図５の断面図でみたとき（ｘｚ面）、基板２１の斜め面２３と底面とのなす鋭角の角度を、受光素子への入射角をθ_２と同じにする。反射層２４で反射した光は、実線の光路と同じ光路を経て、再度受光素子２０に入射する。すなわち、第２の実施形態では、第１の実施形態と比較し、受光素子内の光路長を２倍にすることができる。

　　（第３の実施形態）
　第２の実施形態において、入射光の焦点を受光素子２０に合わせている場合、受光素子２０上面のミラーで反射して、再び基板２１内を光が透過する間に、ビーム径は伝搬の式に示す通り拡大してしまう。受光素子２１から出射した光は、基板２１底面を反射角θ_２で折り返す。この折り返し地点から受光素子２０までの距離Ｌ’は以下の式で表される。

受光素子２０を、反射層２４が形成された斜め面２３の近くに配置して、反射層２４と基板２１底面の折り返し地点との距離を無視できるほど小さくしたとしても、受光素子２０と折り返し地点の往復分は光の伝搬によりビーム径が拡大してしまう。反射層２４で反射した光のうち、受光素子２０に入射した成分は受光感度に寄与するが、受光素子２０からはみ出した光の成分は受光感度に寄与しない。基板２１底面で折り返した際のビーム径も考慮し、受光素子２０の半径を拡大すれば、光路長分の受光感度増大が見込めるが、受光素子２０の応答速度は劣化する。

　図６は、本発明の第３の実施形態における半導体受光素子の構成を示す。半導体受光素子３０は、基板３１の上面に形成され、その構造は第１の実施形態と同じである。第２の実施形態と比較すると、反射層３４が形成された斜め面３３と、基板３１の底面とのなす鋭角の角度を、θ_２からわずかにずらした場合を考える。実線は、受光素子３０から斜め面３３の反射層３４までの光路、点線は、斜め面３３の反射層３４から受光素子３０への光路をあらわしている。斜め面３３と基板３１の底面とのなす鋭角をθ_２＋θｘとする。斜め面３３の反射層３４で反射した光が、基板３１の底面で折り返すとき、その反射角はθ_２＋２θｘとなる。基板３１の底面で折り返した光（点線）が、受光素子３０に入射するとき、受光素子３０から出射したときと較べて、ｘ軸方向に斜め面３３から遠い位置になる。

　このことを利用し、伝搬により拡大したビームを受光素子３０に入射させることを考える。受光素子３０からの出射光が基板３１の底面で折り返す位置に、斜め面３３を限りなく近づけると、受光素子３０からの出射光が基板３１底面で折り返す地点と、反射層３４で反射した光が折り返す地点とをほぼ同一とみなすことができる。この場合、受光素子３０からの出射位置と、反射層３４から再入射する位置の差Ｄは、

となる。Ｄを伝搬してきたビーム径とビームウエストとの差になるよう調整すれば、反射層３４で折り返した光を受光素子３０に全入射させることができる。

　受光素子３０に再入射した後、受光素子３０上面のミラーで折り返した光の多くは、受光素子３０の外部に出射してしまう。ただし、受光素子３０上面で反射した光が受光に寄与しないとしても、第３の実施形態では、第１の実施形態と比較し、受光素子内の光路長を１．５倍にすることができる。

　　（第４の実施形態）
　第１－３の実施形態では、入射光は、ｚ軸と平行に基板の斜め面に入射し、その後、基板の底面で反射させた。基板の側面に斜め面を形成せず、入射光を、基板上面の鉛直方向に対して所望の角度で斜めに入射させてもよい。その後、基板の底面で反射させた後の光路は、他の実施形態に同じである。

Claims

　基板の上面に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、半導体からなる光吸収層と、第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層に接して形成された第１電極と、前記第２半導体層に接して形成され、金属からなる第１反射層を含む第２電極とが前記基板の上面の鉛直方向に順に形成された受光素子において、
　前記基板の上面から入射光を入射し、前記基板の底面で反射させた後、前記鉛直方向に対して斜めに前記光吸収層に入射させることを特徴とする受光素子。
　前記基板の第１の側面に第１の斜め面が形成され、前記鉛直方向に入射光を前記第１の斜め面に入射し、前記第１の斜め面で屈折した後、前記基板の底面で反射させることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
　前記第１の側面と対向する前記基板の第２の側面に、第２反射層が形成された第２の斜め面が形成され、前記光吸収層を透過し前記第１反射層で反射した光が、前記基板の底面で反射し、前記第２反射層で反射して、同じ光路を経て再度前記光吸収層に入射されることを特徴とする請求項２に記載の受光素子。
　前記基板の底面と前記第１の斜め面とがなす角は、前記基板の底面と前記第２の斜め面とがなす角と異なることを特徴とする請求項３に記載の受光素子。
　前記受光素子の前記鉛直方向からみた形状は、前記入射光が前記基板に入る入射点、前記基板の底面で反射する反射点を結ぶ光軸方向の長さが、前記光軸方向と垂直な方向の長さより長いことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の受光素子。
　前記基板の抵抗が１ＭΩｃｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の受光素子。
　前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に半導体からなる増倍層をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の受光素子。