WO2021245756A1 - 端面入射型半導体受光素子 - Google Patents

端面入射型半導体受光素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2021245756A1
WO2021245756A1 PCT/JP2020/021628 JP2020021628W WO2021245756A1 WO 2021245756 A1 WO2021245756 A1 WO 2021245756A1 JP 2020021628 W JP2020021628 W JP 2020021628W WO 2021245756 A1 WO2021245756 A1 WO 2021245756A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
light receiving
incident
absorption region
receiving element
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/021628
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
尚友 磯村
悦司 大村
Original Assignee
株式会社京都セミコンダクター
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社京都セミコンダクター filed Critical 株式会社京都セミコンダクター
Priority to JP2021519177A priority Critical patent/JP6918398B1/ja
Priority to PCT/JP2020/021628 priority patent/WO2021245756A1/ja
Publication of WO2021245756A1 publication Critical patent/WO2021245756A1/ja
Priority to US17/979,777 priority patent/US20230049438A1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/10Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0232Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022408Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022416Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier comprising ring electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281Shape of the body

Definitions

  • the present invention relates to an end face incident type semiconductor light receiving element having increased sensitivity to light in a wavelength range called the L band used in an optical communication system.
  • optical communication In the field of optical communication, development is being carried out to increase the transmission speed in order to respond to the rapid increase in communication volume.
  • an optical signal is transmitted from the transmitting side via an optical fiber cable or the like, and on the receiving side, the optical signal received by the semiconductor light receiving element of the light receiving module is converted into an electric signal.
  • the alignment between the optical fiber cable and the semiconductor light receiving element is accurate and easy, and a plane-mounted light receiving module capable of realizing accurate and easy alignment is useful.
  • the plane-mounted light receiving module is configured so that the incident light from the optical fiber cable is parallel to the mounting substrate of the semiconductor light receiving element.
  • a semiconductor light receiving element suitable for a plane-mounted light receiving module for example, as in Patent Documents 1 and 2, a light absorbing region is provided on the surface side of the semiconductor substrate, and incident light incident from the end surface of the semiconductor substrate is reflected or refracted.
  • an end face incident type semiconductor light receiving element that is made to enter the light absorption region. Since the end face incident type semiconductor light receiving element can be fixed to the mounting substrate without using a sub-board for fixing the surface of the semiconductor substrate toward the incident side of light, it is easy to manufacture a plane mount type light receiving module and the manufacturing cost is reduced. It is possible.
  • optical signal for optical communication light in a wavelength range of 1530 nm to 1565 nm, which is called a C band, which has a small loss in an optical fiber cable, has been mainly used.
  • light in the wavelength range of 1565 nm to 1625 nm, which is called the L band has come to be used in order to cope with the increasing amount of communication.
  • a compound semiconductor having an InGaAs layer is often used as a light absorption region, and the upper limit of the wavelength of a receivable optical signal based on the bandgap energy is about 1670 nm. Therefore, in the L band, the light-receiving sensitivity of the semiconductor light-receiving element to the optical signal tends to decrease as it approaches 1670 nm (the longer the wavelength) (see FIG. 3). Moreover, in principle of the semiconductor light receiving element, it is known that the lower the temperature in the usage environment, the more the light receiving sensitivity spectrum shifts to the short wavelength side, and the light receiving sensitivity in the L band decreases. Therefore, there is a demand for improvement in the light receiving sensitivity of the semiconductor light receiving element.
  • the thicker the light absorption region the more likely it is that crystal defects will occur, and there is a risk that the dark current due to the crystal defects will increase.
  • it takes time to form the light absorption region which increases the manufacturing cost of the semiconductor light receiving element.
  • the light transmitted through the light absorption region 101 is reflected by the reflecting portion 102 formed on the back surface of the semiconductor substrate and is made to enter the light absorption region 101 again.
  • a technique for substantially doubling the thickness of the light absorption region 101 is known (see FIG. 13).
  • the surface-mounting semiconductor light-receiving element needs to be fixed to the mounting board with the surface facing the incident side by using a sub-board, which is not suitable for a plane-mounted light-receiving module.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element suitable for the plane-mounted light receiving module as in Patent Documents 1 and 2 has a structure in which the reflected or refracted incident light is incident on the light absorption region once, so that the light absorption region is formed. It is not easy to improve the light receiving sensitivity without making it thicker.
  • An object of the present invention is to provide an end face incident type semiconductor light receiving element having improved light receiving sensitivity.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element according to claim 1 has a first light absorption region on the main surface side of the semiconductor substrate, and reflects or refracts the light incident from the end face side of the semiconductor substrate to absorb the first light.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element incident on the region is characterized by having a first reflecting portion on the main surface side for incident the light transmitted through the first light absorption region on the first light absorption region. There is.
  • the light incident from the end face side of the semiconductor substrate and transmitted through the first light absorption region on the main surface side is reflected by the first reflection portion on the main surface side of the semiconductor substrate and is reflected in the first light absorption region. Is incident again. Since there is a first reflecting portion on the main surface side where the first light absorbing region is located and the distance between them is short, the spread of light reciprocating between the first light absorbing region and the first reflecting portion is small. Therefore, since all the light transmitted through the first light absorption region can be incident on the first light absorption region, the light reception sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element can be improved.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element of the invention of claim 2 causes the light reflected by the first reflecting portion and transmitted through the first light absorption region to be incident on the first light absorption region. It is characterized by having a second reflective portion for the purpose. According to the above configuration, the light reflected by the first reflecting unit and transmitted through the first light absorbing region can be reflected by the second reflecting unit and incident on the first light absorbing region. Therefore, since the incident light can be incidented on the first light absorption region four times in total by the first and second reflecting portions, the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element can be improved.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element of the invention of claim 3 has a second light absorption region separated from the first light absorption region on the main surface side, and the first reflection unit. It is characterized by having a third reflecting portion for incident the light reflected by the light absorbing region and transmitted through the first light absorbing region into the second light absorbing region. According to the above configuration, the light reflected by the first reflecting unit and transmitted through the first light absorbing region can be reflected by the third reflecting unit and incident on the second light absorbing region. Therefore, the incident light can be incidented twice on the first light absorption region by the first reflecting portion, and the light transmitted through the first light absorbing region can be incident on the second light absorbing region by the third reflecting portion. It is possible to improve the light receiving sensitivity of the incident type semiconductor light receiving element.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element of the invention of claim 4 has an annular electrode formed on the main surface side so as to border the first light absorption region.
  • the first reflective portion is characterized in that it is formed by laminating a dielectric film and a plurality of metal films inside the annular electrode. According to the above configuration, a first reflective portion in which a dielectric film and a plurality of metal films are laminated is formed inside an annular electrode formed on the main surface side of the semiconductor substrate so as to border the first light absorption region. Has been done.
  • the junction surface of the annular electrode has low reflectance because fine irregularities are generated by alloying.
  • a first reflective portion is formed in which a dielectric film that prevents alloying and provides a smooth surface and a plurality of metal films that provide high reflectance are laminated. .. Therefore, since the light transmitted through the first light absorption region can be reflected by the first reflection unit and incident on the first light absorption region, the light reception sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element can be improved.
  • the light receiving sensitivity can be improved.
  • the end face incident type light receiving element 1A absorbs light in the InGaAs layer 11 formed on the main surface 10a side with the (100) surface of the semiconductor substrate 10 which is an n-InP substrate as the main surface 10a.
  • a first light receiving unit 15 photodiode having a region 11a and a p-type diffusion region 12a formed in the n-InP layer 12 formed on the InGaAs layer 11 is provided. Since the semiconductor substrate 10 is transparent to infrared light having a wavelength longer than 1000 nm, infrared light having a wavelength longer than 1000 nm incident on the semiconductor substrate 10 travels in the semiconductor substrate 10.
  • the p-type diffusion region 12a is formed by doping a predetermined region of the n-InP layer 12 on the InGaAs layer 11 with, for example, Zn, and although not shown, it includes a circular shape or a rectangle when viewed from the main surface 10a side. It is formed in a polygonal shape.
  • the region of the InGaAs layer 11 in contact with the p-type diffusion region 12a corresponds to the first light absorption region 11a.
  • An annular electrode 16 (p electrode) is provided on the p-type diffusion region 12a so as to border the p-type diffusion region 12a, that is, to border the first light absorption region 11a.
  • the junction surface between the annular electrode 16 and the p-type diffusion region 12a has fine irregularities due to alloying, so that the reflectance of light is low.
  • the region other than the first light receiving portion 15 is covered with, for example, a SiO2 film as the dielectric film 13.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1A is provided with a substrate electrode 17 (n electrode) on the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 facing the main surface 10a.
  • a substrate electrode 17 (n electrode) on the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 facing the main surface 10a.
  • One of the substrate electrode 17 or the annular electrode 16 (for example, the substrate electrode 17) is joined in a state of being placed on a predetermined wiring of a mounting substrate (not shown), and the other (for example, the annular electrode 16) is a mounting substrate. It is connected to a predetermined wiring by wire bonding.
  • the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 has a groove portion 18 (recessed portion) whose cross section is formed into an isosceles triangle or trapezoidal shape by the first inclined surface 18a and the second inclined surface 18b which are connected to the back surface 10b at obtuse angles.
  • the inclined surface of the groove portion 18 near the first light receiving portion 15 is referred to as the first inclined surface 18a.
  • the groove 18 is formed by a known etching means using a known etching solution having anisotropy depending on the crystal plane orientation (for example, a mixed solution of hydrogen bromide and methanol having a slow etching rate on the ⁇ 111 ⁇ plane). ..
  • the end face substantially perpendicular to the main surface 10a and the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 is formed parallel to the direction in which the groove portion 18 extends, and the light emitted from the optical fiber is incident on the end surface 10c on the first inclined surface 18a side. Let P be this emission point.
  • the end face 10c is formed flat in order to prevent scattering of incident light on the end face 10c. Further, the end face 10c may be provided with an antireflection film such as a SiN film in order to suppress the reflection of the incident light.
  • the first inclined surface 18a includes a dielectric film (for example, SiN film, SiO2 film, etc.) and a metal film (for example, Ag film, Au film, etc.) for reflecting incident light, and constitutes a groove reflecting portion 20. ..
  • a dielectric film for example, SiN film, SiO2 film, etc.
  • a metal film for example, Ag film, Au film, etc.
  • the critical angle is 37.3 according to Snell's law. It will be about °.
  • the incident light incident on the end surface 10c from the emission point P and traveling parallel to the main surface 10a and the back surface 10b has an incident angle of 35.3 ° whose optical axis is close to the critical angle with respect to the groove reflecting portion 20. Most of the incident light is reflected toward the first light receiving unit 15.
  • the critical angle is reduced and the incident light is reflected by the groove. It is also possible to configure the unit 20 to totally reflect.
  • the first reflection portion 21 is formed in the vicinity of the first light absorption region 11a and in the region inside the annular electrode 16 on the p-type diffusion region 12a.
  • the first reflective portion 21 is formed of a dielectric film 13 that covers the p-type diffusion region 12a and a plurality of metal films laminated on the dielectric film 13.
  • the dielectric film 13 is, for example, a SiO2 film, and the plurality of laminated metal films are a Cr film 22, a Ni film 23, and an Au film 24 in this order from the dielectric film 13 side.
  • the dielectric film 13 prevents alloying of these metal films with the p-type diffusion region 12a, maintains the smoothness of the interface, and enhances the reflectance of the first reflecting portion 21.
  • the light emitted from the emission point P and incident on the semiconductor substrate 10 from the end face 10c side is reflected toward the first light receiving unit 15 by the groove reflecting unit 20 and incident on the first light absorbing region 11a of the first light receiving unit 15. Then, a part of it is converted into an electric signal.
  • the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected by the first reflection unit 21 in the vicinity of the first light absorption region 11a, and is again incident on the first light absorption region 11a.
  • the first reflecting portion 21 is in the vicinity of the first light absorbing region 11a, the spread of light reciprocating between the first light absorbing region 11a and the first reflecting portion 21 is negligibly small, and the first reflecting portion 21 All the light reflected by is incident on the first light absorption region 11a. Therefore, since the incident light passes through the first light absorption region 11a twice, the thickness of the first light absorption region 11a is substantially doubled, and the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element 1 is improved.
  • FIG. 2 shows the light receiving sensitivity spectrum of the end face incident type light receiving element 1A having the first reflecting unit 21 on the curve L1, and shows the light receiving sensitivity spectrum when the first reflecting unit 21 is not present on the curve L0.
  • the upper limit of the wavelength of the receivable optical signal is about 1670 nm, which is the same, but in the L band (wavelength range of 1565 nm to 1625 nm), the thickness of the first light absorption region 11a is substantially 2 due to the first reflecting unit 21.
  • the light receiving sensitivity is improved by doubling. Further, the light receiving sensitivity is similarly improved in the C band (wavelength range of 1530 nm to 1565 nm).
  • the dielectric film 13 (for example, a SiO2 film having a thickness of 200 nm) covering the semiconductor substrate 10 on which the first light receiving portion 15 is formed on the main surface 10a side is dielectriced by a known photo and etching means.
  • the body film 13 is selectively removed to form a groove 13a for forming the annular electrode 16 (groove forming step). At the bottom of the groove 13a, the p-type diffusion region 12a is exposed.
  • a metal electrode material having a Cr film, a Ni film, or the like as an adhesion layer with the p-type diffusion region 12a is laminated so as to cover the dielectric film 13, and the metal is formed in the groove 13a.
  • the electrode material is deposited, and the metal electrode material outside the groove 13a is selectively removed by a known photo-etching means to form the annular electrode 16 (annular electrode forming step).
  • the alloying of the joint surface between the p-type diffusion region 12a and the annular electrode 16 may be promoted by heat treatment.
  • the dielectric film 13 is exposed at the portion where the metal electrode material is removed.
  • a metal film is formed in the order of Cr film 22, Ni film 23, and Au film 24 with thicknesses of 50 nm, 200 nm, and 200 nm, respectively, so as to cover the dielectric film 13 and the annular electrode 16. (Metal film laminating process). Then, as shown in FIG. 6, the laminated metal film is selectively removed by a known photo-etching means to form the first reflective portion 21 (metal laminated film removing step).
  • the groove reflecting portion 20 is formed, and the metal electrode material is selectively deposited on the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 to form the substrate electrode 17, and the end face incident type semiconductor light receiving element 1 of FIG. 1 is obtained (substrate electrode). Formation process).
  • the groove portion 18 may be formed after the formation of the first light receiving portion 15. It may be formed after the metal laminated film removing step.
  • FIG. 7 shows the first reflective portion 21 when the film thicknesses of the Ni film 23 are changed when the film thicknesses of the dielectric film 13 (SiO2 film), the Cr film 22, and the Au film 24 are 200 nm, 50 nm, and 200 nm, respectively. It shows the change of the reflectance of. According to this, the reflectance periodically fluctuates in the range of about 92% to 98% according to the film thickness of the Ni film 23. This is because the reflections at each interface of the laminated film constituting the first reflective portion 21 interfere with each other. Since the thinner Ni film 23 is advantageous for reducing the manufacturing cost, the first reflective portion 21 having a high reflectance of about 98% is formed by adopting the Ni film 23 having a thickness of about 180 nm to 340 nm.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1B in which the end face incident type semiconductor light receiving element 1A of the first embodiment is modified and equipped with the second reflecting portion 25 will be described.
  • the light incident from the emission point P on the end face 10c side is reflected by the groove reflecting unit 20 toward the first light receiving unit 15, and the first light receiving unit 15
  • the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected by the first reflection unit 21 and re-entered into the first light absorption region 11a.
  • the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected toward the first light receiving unit 15 by the second reflecting unit 25 formed on the back surface 10b side of the semiconductor substrate 10.
  • the light reflected by the second reflecting unit 25 is incident on the first light absorption region 11a, and the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected by the first reflection unit 21 and is reflected on the first light absorption region 11a. It will be incident once more. Therefore, since the light incident from the end face 10c is incident on the first light absorption region 11a four times in total, the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element 1B is improved. Since the light reflected by the second reflection unit 25 spreads and is incident on the first light absorption region 11a, a part of the light reflected by the second reflection unit 25 is incident on the first light absorption region 11a. However, the improvement of the light receiving sensitivity by the second reflecting unit 25 may be limited.
  • the second reflection portion 25 is processed so that the corner portion extending from the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 to the end surface 10c becomes a flat surface portion 25a connected to the back surface 10b at a predetermined angle, and the first reflection portion 25a has a flat surface portion 25a. It is formed by forming a laminated film having the same structure as that of the portion 21.
  • the predetermined angle ⁇ 2 of the flat surface portion 25a is 160.6 ° so as to be vertically incident on the second reflecting portion 25 in order to improve the light receiving sensitivity. Is set to.
  • the flat surface portion 25a is processed by cutting, grinding, polishing, or the like.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1C refracts the light incident from the emission point P on the end face 10c side toward the first light receiving unit 15 by the refracting surface 10d, and the first light receiving unit 15 is the first.
  • the light transmitted through the 1 light absorption region 11a is reflected by the first reflection unit 21 and re-entered into the first light absorption region 11a. Since the incident light passes through the first light absorption region 11a twice, the thickness of the first light absorption region 11a is substantially doubled, and the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element 1C is improved.
  • the corner portion extending from the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 to the end surface 10c becomes a flat refracting surface 10d connected to the back surface 10b at a predetermined angle. It has been processed.
  • the predetermined angle ⁇ 3 is, for example, 135 °, and the refraction surface 10d is formed by cutting, grinding, polishing, or the like. Since the first reflecting unit 21 has the same structure as that of the first and second embodiments, the description thereof will be omitted.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1D in which the end face incident type semiconductor light receiving element 1C of the third embodiment is modified and equipped with the second reflecting portion 26 will be described.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1D refracts the light incident from the emission point P on the end face 10c side toward the first light receiving unit 15 on the refracting surface 10d, and the first light receiving unit 15 is the first.
  • the light transmitted through the 1 light absorption region 11a is reflected by the first reflection unit 21 and re-entered into the first light absorption region 11a.
  • the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected toward the first light receiving unit 15 by the second reflecting unit 26 formed on the back surface 10b side of the semiconductor substrate 10.
  • the light reflected by the second reflection unit 26 is incident on the first light absorption region 11a, and the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected by the first reflection unit 21 and is reflected on the first light absorption region 11a. It will be incident once more. Therefore, since the incident light is incident on the first light absorption region 11a four times in total, the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element 1D is improved. Since the light reflected by the second reflection unit 26 spreads and is incident on the first light absorption region 11a, a part of the light reflected by the second reflection unit 26 is incident on the first light absorption region 11a. However, the improvement of the light receiving sensitivity by the second reflecting unit 26 may be limited.
  • the second reflecting portion 26 is processed so that the corner portion extending from the back surface 10b of the semiconductor substrate 10 to the end surface 10e on the opposite side of the end surface 10c is formed into a flat surface portion 10f connected to the back surface 10b at a predetermined angle.
  • a laminated film having the same structure as that of the first reflecting portion 21 is formed on the portion 10f to form a film.
  • the predetermined angle ⁇ 4 is 147 ° when the refractive index of the semiconductor substrate 10 with respect to air is 3.4.
  • the flat surface portion 10f is processed by cutting, grinding, polishing, or the like.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1E in which the end face incident type semiconductor light receiving element 1A of the first embodiment is provided with a second light receiving unit 30 and a third reflecting unit 31 for reflecting light toward the second light receiving unit 30 will be described. ..
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1E has a first light receiving portion 15 and a second light receiving portion 30 formed apart from the first light receiving portion 15 on the main surface 10a side of the semiconductor substrate 10.
  • the groove reflecting portion 20 is provided on the back surface 10b side.
  • the back surface 10b has a third reflecting portion 31 at a portion intermediate between the first light receiving portion 15 and the second light receiving portion 30.
  • the second light receiving unit 30 is a photodiode having a second light absorption region 11b and a p-type diffusion region 12b and having the same structure as the first light receiving unit 15.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1E reflects the light incident from the emission point P on the end face 10c side toward the first light receiving unit 15 by the groove reflecting unit 20, and forms the first light absorbing region 11a of the first light receiving unit 15.
  • the transmitted light is reflected by the first reflecting unit 21 and re-entered into the first light absorbing region 11a.
  • the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected toward the second light receiving unit 30 by the third reflecting unit 31 formed on the back surface 10b of the semiconductor substrate 10, and the second light of the second light receiving unit 30 is reflected. It is incident on the absorption region 11b.
  • the second light receiving unit 30 has a fourth reflecting unit 35 inside the annular electrode 32, and light is incident on the second light absorbing region 11b twice.
  • the third reflecting portion 31 and the fourth reflecting portion have the same laminated structure as 35 and the first reflecting portion 21.
  • the fourth reflecting unit 35 may be omitted.
  • the second light receiving unit 30 is separated from the first light receiving unit 15 so that the light reflected by the third reflecting unit 31 is incident on the second light receiving unit 30, but the first light receiving unit 15 and the second light receiving unit 15 are separated. 30 are electrically connected in parallel, and the sum of the outputs of the first and second light receiving units 15 and 30 is output from the end face incident type semiconductor light receiving element 1E. Therefore, the light incident from the end face 10c is incident on the first and second light absorption regions 11a and 11b twice, respectively, so that the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element 1E is improved.
  • the third reflection unit 31 Since the light reflected by the third reflection unit 31 spreads and is incident on the second light absorption region 11b, a part of the light reflected by the third reflection unit 31 is not incident on the second light absorption region 11b.
  • the improvement of the light receiving sensitivity by the third reflecting unit 31 may be limited. Further, when the fourth reflection unit 35 is omitted, the light is incident on the second light absorption region 11b only once, so that the improvement of the light receiving sensitivity is limited by that amount.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1F provided with a second light receiving unit 30 and a third reflecting unit 31 for reflecting light toward the second light receiving unit 30 by deforming the end face incident type semiconductor light receiving element 1C of the third embodiment.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1F has a first light receiving portion 15 and a second light receiving portion 30 formed apart from the first light receiving portion 15 on the main surface 10a side of the semiconductor substrate 10.
  • a third reflecting portion 31 is provided at a portion intermediate between the first light receiving portion 15 and the second light receiving portion 30 on the back surface 10b.
  • the second light receiving unit 30 is a photodiode having a second light absorption region 11b and a p-type diffusion region 12b and having the same structure as the first light receiving unit 15.
  • the end face incident type semiconductor light receiving element 1F refracts the light incident from the emission point P on the end face 10c side toward the first light receiving unit 15 on the refracting surface 10d, and transmits the light through the first light absorption region 11a of the first light receiving unit 15.
  • the light is reflected by the first reflecting unit 21 and re-entered into the first light absorbing region 11a.
  • the light transmitted through the first light absorption region 11a is reflected toward the second light receiving unit 30 by the third reflecting unit 31 formed on the back surface 10b of the semiconductor substrate 10, and the second light absorption of the second light absorbing unit 30 is performed. It is incident on the region 11b.
  • the second light receiving unit 30 has a fourth reflecting unit 35 inside the annular electrode 32, and light is incident on the second light absorbing region 11b twice.
  • the third reflecting portion 31 and the fourth reflecting portion 35 have the same laminated structure as the first reflecting portion 15.
  • the fourth reflecting unit 35 may be omitted.
  • the second light receiving unit 30 is separated from the first light receiving unit 15 so that the light reflected by the third reflecting unit 31 is incident on the second light receiving unit 30, but the first light receiving unit 15 and the second light receiving unit 15 are separated. 30 are electrically connected in parallel, and the sum of the outputs of the first and second light receiving units 15 and 30 is output from the end face incident type semiconductor light receiving element 1F. Therefore, the light incident from the emission point P is incident on the first and second light absorption regions 11a and 11b twice, respectively, so that the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving element 1F is improved.
  • the third reflection unit 31 Since the light reflected by the third reflection unit 31 spreads and is incident on the second light absorption region 11b, a part of the light reflected by the third reflection unit 31 is not incident on the second light absorption region 11b.
  • the improvement of the light receiving sensitivity by the third reflecting unit 31 may be limited. Further, when the fourth reflection unit 35 is omitted, the light is incident on the second light absorption region 11b only once, so that the improvement of the light receiving sensitivity is limited by that amount.
  • the actions and effects of the end face incident type semiconductor light receiving elements 1A to 1F will be described.
  • the end face incident type semiconductor light receiving elements 1A to 1F have a first light absorption region 11a on the main surface 10a side of the semiconductor substrate 10, and the light incident from the emission point P on the end face 10c side is reflected or refracted by the groove reflecting portion 20. By refraction by the surface 10d, the light is incident on the first light absorption region 11a.
  • the end face incident type semiconductor light receiving elements 1A to 1F have a first reflecting portion 21 in the vicinity of the first light absorbing region 11a on the main surface 10a side, and the light transmitted through the first light absorbing region 11a is the first reflecting portion 21.
  • the first reflecting portion 21 is located in the vicinity of the first light absorbing region 11a, the spread of the reflected light is small. Therefore, since all the light reflected by the first reflecting unit 21 can be incident on the first light absorption region 11a, the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving elements 1A to 1F can be improved.
  • the end face incident type semiconductor light receiving elements 1B and 1D have second reflecting portions 25 and 26, and the light reflected by the first reflecting portion 21 and transmitted through the first light absorption region 11a is transmitted by the second reflecting portions 25 and 26. It can be reflected and incident on the first light absorption region 11a. Therefore, the incident light can be incidented on the first light absorption region 11a four times in total by the first and second reflecting portions 21, 25, 26, so that the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving elements 1B and 1D is improved. be able to.
  • the end face incident type semiconductor light receiving elements 1E and 1F have a second light absorption region 11b separated from the first light absorption region 11a on the main surface 10a side of the semiconductor substrate 10 and a third reflection portion 31 on the back surface 10b. Then, the light reflected by the first reflecting unit 21 and transmitted through the first light absorbing region 11a is reflected by the third reflecting unit and incident on the second light absorbing region 11b. Therefore, the incident light can be incidented twice on the first light absorption region 11a by the first reflection unit 21, and the light transmitted through the first light absorption region 11a by the third reflection unit 31 is transmitted to the second light absorption region 11b. Since the light can be made incident, the light receiving sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving elements 1E and 1F can be improved.
  • the end face incident type semiconductor light receiving elements 1A to 1F have an annular electrode 16 formed on the main surface 10a side of the semiconductor substrate 10 so as to border the first light absorption region 11a, and a dielectric material is provided inside the annular electrode 16.
  • the first reflective portion 21 in which the film 13 and the plurality of metal films 22 to 24 are laminated is formed.
  • the interface between the annular electrode 16 and the p-type diffusion region 12a of the first light receiving portion 15 has low reflectance because fine irregularities are generated by alloying.
  • the dielectric film 13 that prevents alloying and maintains the flatness of the interface, and the plurality of metal films 22 to 24 for providing high reflectance are laminated first.
  • the reflective portion 21 is formed.
  • the light transmitted through the first light absorption region 11a can be reflected by the first reflection unit 21 and incident on the first light absorption region 11a, so that the light reception sensitivity of the end face incident type semiconductor light receiving elements 1A to 1F is improved. Can be made to.
  • End face incident type semiconductor light receiving element 10 Semiconductor substrate 10a: Main surface 10b: Back surface 10c: End face 10d: Refractive surface 10e: End face 10f: Flat surface portion 11: InGaAs layer 11a: First light absorption region 11b: Second Light absorption region 12: n-InP layer 12a, 12b: p-type diffusion region 13: Dielectric film 15: First light receiving portion 16: Circular electrode 17: Substrate electrode 18: Groove portion 18a: First inclined surface 18b: Second inclined Surface 20: Groove reflecting part 21: First reflecting part 22: Cr film 23: Ni film 24: Au film 25, 26: Second reflecting part 30: Second light receiving part 31: Third reflecting part 32: Circular electrode 35: 4th reflector

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

【課題】受光感度を向上させた端面入射型半導体受光素子を提供すること。 【解決手段】端面入射型半導体受光素子(1A)は、半導体基板(10)の主面側に第1光吸収領域(11a)を有し、半導体基板(10)の端面側から入射する光を反射又は屈折によって第1光吸収領域(11a)に入射させ、半導体基板(10)の主面側に、第1光吸収領域(11a)を透過した光を第1光吸収領域(11a)に入射させるための第1反射部(21)を有する。

Description

端面入射型半導体受光素子
 本発明は、光通信システムで用いられるLバンドと呼ばれる波長域の光に対して感度を高めた端面入射型半導体受光素子に関する。
 光通信の分野では、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、受信側では受光モジュールの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。受光モジュールは、光ファイバケーブルと半導体受光素子との位置合わせが正確且つ容易であることが好ましく、正確且つ容易な位置合わせを実現可能な平面実装式の受光モジュールが有用である。平面実装式の受光モジュールは、光ファイバケーブルからの入射光が半導体受光素子の実装基板に平行になるように構成されている。
 平面実装式の受光モジュールに適した半導体受光素子として、例えば特許文献1,2のように、半導体基板の表面側に光吸収領域を有し、半導体基板の端面から入射した入射光を反射又は屈折させて光吸収領域に入射させる端面入射型半導体受光素子が知られている。端面入射型半導体受光素子は、半導体基板の表面を光の入射側に向けて固定するサブ基板を用いることなく実装基板に固定できるので、平面実装式の受光モジュールの製造が容易且つ製造コストを低減可能である。
 ところで、光通信の光信号には、光ファイバケーブルにおける損失が小さいCバンドと呼ばれる1530nm~1565nmの波長域の光が主に使用されてきた。そして近年は、増加する通信量に対応するために、Lバンドと呼ばれる1565nm~1625nmの波長域の光も用いられるようになってきている。
 光通信に使用される半導体受光素子は、光吸収領域としてInGaAs層を有する化合物半導体が用いられる場合が多く、そのバンドギャップエネルギに基づく受信可能な光信号の波長の上限は、1670nm程度である。それ故、Lバンドでは、1670nmに近づく程(波長が長い程)光信号に対する半導体受光素子の受光感度が低下する傾向がある(図3参照)。その上、半導体受光素子の原理上、使用環境における温度が低くなる程、受光感度スペクトルが短波長側にシフトして、Lバンドにおける受光感度が低下することが知られている。それ故、半導体受光素子の受光感度の向上が要望されている。
 受光感度を向上させるためには、光吸収領域のInGaAs層を厚くして、光信号を電気信号に変換する機会を増加させることが有効である。しかし、光吸収領域は、厚くする程結晶欠陥が発生し易くなり、結晶欠陥に起因する暗電流が増加する虞がある。また、光吸収領域の形成に時間がかかるようになり、半導体受光素子の製造コストを上昇させる。
 そのため、例えば一般的な表面入射型の半導体受光素子100では、光吸収領域101を透過した光を、半導体基板裏面に形成された反射部102で反射させて再度光吸収領域に101入射させることにより、光吸収領域101の厚さを実質的に2倍にする技術が知られている(図13参照)。
特許第3152907号公報 特開平11-307806号公報
 しかし、表面入射型の半導体受光素子の光吸収領域と反射部の間を往復する間に、入射光が広がってしまうので、反射させた入射光を十分に光吸収領域に再入射させることが困難であり、受光感度の向上は限定的である。そして、表面入射型の半導体受光素子は、サブ基板を用いて表面を入射側に向けて実装基板に固定する必要があり、平面実装式の受光モジュールに不向きである。
 一方、特許文献1,2のような平面実装式の受光モジュールに適した端面入射型半導体受光素子は、反射又は屈折させた入射光を光吸収領域に1回入射させる構造なので、光吸収領域を厚くせずに受光感度を向上させることは容易ではない。
 本発明の目的は、受光感度を向上させた端面入射型半導体受光素子を提供することである。
 請求項1の発明の端面入射型半導体受光素子は、半導体基板の主面側に第1光吸収領域を有し、前記半導体基板の端面側から入射する光を反射又は屈折によって前記第1光吸収領域に入射させる端面入射型半導体受光素子において、前記主面側に、前記第1光吸収領域を透過した光を前記第1光吸収領域に入射させるための第1反射部を有することを特徴としている。
 上記構成によれば、半導体基板の端面側から入射して主面側の第1光吸収領域を透過した光は、半導体基板の主面側の第1反射部によって反射されて第1光吸収領域に再び入射される。第1光吸収領域がある主面側に第1反射部があり、これらの距離が近いので、第1光吸収領域と第1反射部の間を往復する光の広がりは僅かである。従って、第1光吸収領域を透過した光の全てを第1光吸収領域に入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子の受光感度を向上させることができる。
 請求項2の発明の端面入射型半導体受光素子は、請求項1の発明において、前記第1反射部によって反射されて前記第1光吸収領域を透過した光を前記第1光吸収領域に入射させるための第2反射部を有することを特徴としている。
 上記構成によれば、第1反射部で反射されて第1光吸収領域を透過した光を、第2反射部によって反射させて第1光吸収領域に入射させることができる。従って、第1、第2反射部によって入射光を第1光吸収領域に通算4回入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子の受光感度を向上させることができる。
 請求項3の発明の端面入射型半導体受光素子は、請求項1の発明において、前記主面側に、前記第1光吸収領域から離隔した第2光吸収領域を有し、前記第1反射部によって反射されて前記第1光吸収領域を透過した光を前記第2光吸収領域に入射させるための第3反射部を有することを特徴としている。
 上記構成によれば、第1反射部で反射されて第1光吸収領域を透過した光を、第3反射部によって反射させて第2光吸収領域に入射させることができる。従って、第1反射部によって入射光を第1光吸収領域に2回入射させ、第3反射部によって第1光吸収領域を透過した光を第2光吸収領域に入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子の受光感度を向上させることができる。
 請求項4の発明の端面入射型半導体受光素子は、請求項1~3の何れか1項の発明において、前記主面側に前記第1光吸収領域を縁取るように形成された環状電極を有し、前記第1反射部は、前記環状電極の内側において、誘電体膜と複数の金属膜を積層して形成されたことを特徴としている。
 上記構成によれば、第1光吸収領域を縁取るように半導体基板の主面側に形成された環状電極の内側に、誘電体膜と複数の金属膜が積層された第1反射部が形成されている。環状電極の接合面は、合金化によって細かい凹凸が生じるため反射率が低い。しかし、環状電極の内側には、合金化を防いで平滑面を提供する誘電体膜と、高い反射率を提供するための複数の金属膜とが積層された第1反射部が形成されている。従って、第1光吸収領域を透過した光を第1反射部で反射させて第1光吸収領域に入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子の受光感度を向上させることができる。
 本発明の端面入射型半導体受光素子によれば、受光感度を向上させることができる。
本発明の実施例1に係る端面入射型半導体受光素子の要部断面図である。 端面入射型半導体受光素子の感度スペクトルを示す図である。 環状電極形成用の溝形成工程を示す図である。 環状電極形成工程を示す図である。 第1反射部形成用の金属膜積層工程を示す図である。 第1反射部形成工程を示す図である。 第1反射部のNi膜厚と反射率の関係を示す図である。 本発明の実施例2に係る端面入射型半導体受光素子の要部断面図である。 本発明の実施例3に係る端面入射型半導体受光素子の要部断面図である。 本発明の実施例4に係る端面入射型半導体受光素子の要部断面図である。 本発明の実施例5に係る端面入射型半導体受光素子の要部断面図である。 本発明の実施例6に係る端面入射型半導体受光素子の要部断面図である。 表面入射型の半導体受光素子を例示する図である。
 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。
 図1に示すように、端面入射型受光素子1Aは、n-InP基板である半導体基板10の(100)面を主面10aとして、主面10a側に形成されたInGaAs層11内の光吸収領域11aと、InGaAs層11上に形成されたn-InP層12内に形成されたp型拡散領域12aを有する第1受光部15(フォトダイオード)を備えている。半導体基板10は、波長が1000nmより長い赤外光に対して透明であるため、半導体基板10に入射した1000nmより長波長の赤外光は半導体基板10内を進行する。
 p型拡散領域12aは、InGaAs層11上のn-InP層12の所定の領域に例えばZnをドープして形成され、図示を省略するが、主面10a側から見て円形状又は矩形を含む多角形状に形成されている。このp型拡散領域12aに接するInGaAs層11の領域が第1光吸収領域11aに相当する。p型拡散領域12a上には、p型拡散領域12aを縁取るように、即ち第1光吸収領域11aを縁取るように環状電極16(p電極)を備えている。環状電極16とp型拡散領域12aの接合面は、合金化によって細かい凹凸ができるため、光の反射率が低い。n-InP層12は、第1受光部15以外の領域が誘電体膜13として例えばSiO2膜に覆われている。
 端面入射型半導体受光素子1Aは、主面10aに対向する半導体基板10の裏面10bに、基板電極17(n電極)を備えている。この基板電極17又は環状電極16のうちの一方(例えば基板電極17)が図示外の実装基板の所定の配線上に載置された状態で接合され、他方(例えば環状電極16)が実装基板の所定の配線にワイヤボンディングによって接続される。
 半導体基板10の裏面10bには、この裏面10bに夫々鈍角に連なる第1傾斜面18a及び第2傾斜面18bにより断面が二等辺三角形状又は台形状に形成された溝部18(凹部)を有する。ここでは、溝部18の第1受光部15に近い傾斜面を第1傾斜面18aとしている。
 第1傾斜面18a及び第2傾斜面18bは半導体基板10の{111}面であり、半導体基板10の(100)面と{111}面は54.7°の角度で交差する。それ故、第1傾斜面18aは、裏面10bにθ1=125.3°の鈍角に連なる。この溝部18は、結晶面方位に依存する異方性を有する公知のエッチング液(例えば{111}面のエッチング速度が遅い臭化水素とメタノールの混合液)を用いる公知のエッチング手段によって形成される。
 半導体基板10の主面10aと裏面10bに略垂直な端面は、溝部18が延びる方向に平行に形成され、この第1傾斜面18a側の端面10cに光ファイバから出射される光が入射する。この出射点をPとする。入射光の端面10cにおける散乱を防ぐため、端面10cは平坦に形成されている。また、この端面10cは、入射光の反射を抑えるために、例えばSiN膜等の反射防止膜を備えていてもよい。
 第1傾斜面18aは、入射光を反射するための誘電体膜(例えばSiN膜、SiO2膜等)及び金属膜(例えばAg膜、Au膜等)を備えて溝反射部20を構成している。ここで、例えばLバンドに属する波長が1600nmの入射光に対して、n-InP基板及びSiN膜の屈折率を夫々3.2及び2.0とすると、スネルの法則により臨界角は37.3°程度になる。
 出射点Pから端面10cに入射して主面10a及び裏面10bに平行に進行する入射光は、その光軸が溝反射部20に対して臨界角に近い35.3°の入射角になるので、入射光の大部分が第1受光部15に向かって反射される。屈折率が小さい誘電体膜を選択することにより、又は金属膜及び誘電体膜を備えていない第1傾斜面18aを溝反射部20とすることにより、臨界角を小さくして入射光が溝反射部20で全反射するように構成することも可能である。
 第1光吸収領域11a近傍であって、p型拡散領域12a上の環状電極16の内側の領域には、第1反射部21が形成されている。第1反射部21は、p型拡散領域12aを覆う誘電体膜13と、この誘電体膜13上に積層された複数の金属膜により形成されている。誘電体膜13は例えばSiO2膜であり、積層された複数の金属膜は誘電体膜13側から順にCr膜22、Ni膜23、Au膜24である。誘電体膜13は、これら金属膜とp型拡散領域12aの合金化を防いで界面の平滑性を維持し、第1反射部21の反射率を高める。
 出射点Pから出射されて端面10c側から半導体基板10に入射する光は、溝反射部20によって第1受光部15に向けて反射され、第1受光部15の第1光吸収領域11aに入射して一部が電気信号に変換される。第1光吸収領域11aを透過した光は、第1光吸収領域11a近傍の第1反射部21で反射され、第1光吸収領域11aに再び入射する。
 第1反射部21は、第1光吸収領域11aの近傍にあるので、第1光吸収領域11aと第1反射部21の間を往復する光の広がりは無視できるほど小さく、第1反射部21で反射された光は全て第1光吸収領域11aに入射する。従って、入射した光が第1光吸収領域11aを2回通るので、第1光吸収領域11aの厚さが実質的に2倍になり、端面入射型半導体受光素子1の受光感度が向上する。
 図2は、第1反射部21を有する端面入射型受光素子1Aの受光感度スペクトルを曲線L1で示し、第1反射部21がない場合の受光感度スペクトルを曲線L0で示している。受信可能な光信号の波長の上限は1670nm程度で同じであるが、Lバンド(1565nm~1625nmの波長域)では、第1反射部21によって第1光吸収領域11aの厚さが実質的に2倍になったことにより受光感度が向上している。また、Cバンド(1530nm~1565nmの波長域)においても同様に受光感度が向上している。
 次に、第1反射部21の形成方法について説明する。
 図3に示すように、主面10a側に第1受光部15が形成された半導体基板10を覆う誘電体膜13(例えば200nmの厚さのSiO2膜)を、公知のフォト、エッチング手段によって誘電体膜13を選択的に除去して、環状電極16を形成するための溝13aを形成する(溝形成工程)。溝13aの底部では、p型拡散領域12aを露出させる。
 次に、図4に示すように、誘電体膜13を覆うように、p型拡散領域12aとの密着層となるCr膜やNi膜等を有する金属電極材料を積層して溝13a内に金属電極材料を堆積し、公知のフォト、エッチング手段によって溝13a外の金属電極材料を選択的に除去して環状電極16を形成する(環状電極形成工程)。低抵抗化のために熱処理によりp型拡散領域12aと環状電極16の接合面の合金化を促進させてもよい。金属電極材料が除去された部分は誘電体膜13が露出する。
 次に、図5に示すように、誘電体膜13と環状電極16を覆うようにCr膜22、Ni膜23、Au膜24の順に夫々50nm、200nm、200nmの厚さに金属膜を成膜する(金属膜積層工程)。そして図6に示すように、公知のフォト、エッチング手段によって、積層した金属膜を選択的に除去して第1反射部21を形成する(金属積層膜除去工程)。
 最後に、溝反射部20を形成し、半導体基板10の裏面10bに金属電極材料を選択的に堆積して基板電極17を形成し、図1の端面入射型半導体受光素子1を得る(基板電極形成工程)。尚、溝部18は第1受光部15の形成後に形成してもよく。上記金属積層膜除去工程後に形成してもよい。
 図7は、誘電体膜13(SiO2膜)、Cr膜22、Au膜24の膜厚が夫々200nm、50nm、200nmの場合に、Ni膜23の膜厚を変えたときの第1反射部21の反射率の変化を示している。これによると、反射率は概ね92%~98%の範囲をNi膜23の膜厚に応じて周期的に変動する。これは、第1反射部21を構成する積層膜の各界面における反射が、相互に干渉するためである。Ni膜23が薄い方が製造コストの低減に有利なので、180nm~340nm程度のNi膜23を採用することにより98%程度の高い反射率を有する第1反射部21が形成される。
 実施例1の端面入射型半導体受光素子1Aを変形して、第2反射部25を装備させた端面入射型半導体受光素子1Bについて説明する。
 図8に示すように、端面入射型半導体受光素子1Bは、端面10c側の出射点Pから入射する光を溝反射部20で第1受光部15に向けて反射させ、第1受光部15の第1光吸収領域11aを透過した光を第1反射部21で反射させて第1光吸収領域11aに再び入射させる。そして、第1光吸収領域11aを透過した光を、半導体基板10の裏面10b側に形成された第2反射部25によって第1受光部15に向けて反射させる。
 第2反射部25によって反射された光は、第1光吸収領域11aに入射し、第1光吸収領域11aを透過した光は、第1反射部21によって反射されて第1光吸収領域11aにもう1回入射する。従って、端面10cから入射した光は、第1光吸収領域11aに通算4回入射するので、端面入射型半導体受光素子1Bの受光感度が向上する。尚、第2反射部25で反射された光は、広がって第1光吸収領域11aに入射するので、第2反射部25で反射された光の一部が第1光吸収領域11aに入射されず、第2反射部25による受光感度の向上は限定的になる場合がある。
 第2反射部25は、半導体基板10の裏面10bから端面10cに連なる角部を、裏面10bに対して所定の角度で連なる平面部25aとなるように加工し、この平面部25aに第1反射部21と同じ構造の積層膜を成膜して形成される。第1傾斜面18aが裏面10bに125.3°の鈍角に連なる場合、受光感度向上のため第2反射部25に垂直に入射させるように、平面部25aの所定の角度θ2は160.6°に設定される。尚、平面部25aの加工は、切削、研削、研磨等によって行われる。
 図9に示すように、端面入射型半導体受光素子1Cは、端面10c側の出射点Pから入射する光を屈折面10dにより第1受光部15に向けて屈折させ、第1受光部15の第1光吸収領域11aを透過した光を第1反射部21で反射させて第1光吸収領域11aに再び入射させる。入射した光は、第1光吸収領域11aを2回通るので、第1光吸収領域11aの厚さが実質的に2倍になり、端面入射型半導体受光素子1Cの受光感度が向上する。
 入射光を第1受光部15に向けて屈折させるために、半導体基板10の裏面10bから端面10cに連なる角部が、裏面10bに対して所定の角度で連なる平坦な屈折面10dとなるように加工されている。所定の角度θ3は、例えば135°であり、切削、研削、研磨等によって屈折面10dを形成する。第1反射部21は、上記実施例1,2と同じ構造なので説明を省略する。
 実施例3の端面入射型半導体受光素子1Cを変形して、第2反射部26を装備させた端面入射型半導体受光素子1Dについて説明する。
 図10に示すように、端面入射型半導体受光素子1Dは、端面10c側の出射点Pから入射する光を屈折面10dで第1受光部15に向けて屈折させ、第1受光部15の第1光吸収領域11aを透過した光を第1反射部21で反射させて第1光吸収領域11aに再び入射させる。そして第1光吸収領域11aを透過した光を、半導体基板10の裏面10b側に形成された第2反射部26によって第1受光部15に向けて反射させる。
 第2反射部26によって反射された光は、第1光吸収領域11aに入射し、第1光吸収領域11aを透過した光は、第1反射部21によって反射されて第1光吸収領域11aにもう1回入射する。従って、入射した光は、第1光吸収領域11aに通算4回入射するので、端面入射型半導体受光素子1Dの受光感度が向上する。尚、第2反射部26で反射された光は、広がって第1光吸収領域11aに入射するので、第2反射部26で反射された光の一部が第1光吸収領域11aに入射されず、第2反射部26による受光感度の向上は限定的になる場合がある。
 第2反射部26は、半導体基板10の裏面10bから端面10cと反対側の端面10eに連なる角部を、裏面10bに対して所定の角度で連なる平面部10fとなるように加工し、この平面部10fに第1反射部21と同じ構造の積層膜を成膜して形成される。屈折面10dが裏面10bにθ3=135°の鈍角に連なる場合、所定の角度θ4は、空気に対する半導体基板10の屈折率を3.4とした場合に147°である。尚、平面部10fの加工は、切削、研削、研磨等によって行われる。
 実施例1の端面入射型半導体受光素子1Aに、第2受光部30と光を第2受光部30に向けて反射させる第3反射部31を備備させた端面入射型半導体受光素子1Eについて説明する。
 図11に示すように、端面入射型半導体受光素子1Eは、半導体基板10の主面10a側に第1受光部15及び第1受光部15から離隔して形成された第2受光部30を有し、裏面10b側に溝反射部20を有する。また、裏面10bにおける第1受光部15と第2受光部30の中間の部位に第3反射部31を有する。第2受光部30は、第2光吸収領域11bとp型拡散領域12bを有し、第1受光部15と同じ構造のフォトダイオードである。
 端面入射型半導体受光素子1Eは、端面10c側の出射点Pから入射する光を溝反射部20で第1受光部15に向けて反射させ、第1受光部15の第1光吸収領域11aを透過した光を第1反射部21で反射させて第1光吸収領域11aに再び入射させる。そして、第1光吸収領域11aを透過した光を、半導体基板10の裏面10bに形成された第3反射部31によって第2受光部30に向けて反射させ、第2受光部30の第2光吸収領域11bに入射させる。
 第2受光部30は環状電極32の内側に第4反射部35を有し、光が第2光吸収領域11bに2回入射する。第3反射部31と第4反射部は35、第1反射部21と同じ積層構造を有する。尚、第4反射部35を省略することもできる。
 第3反射部31で反射された光が第2受光部30に入射するように、第2受光部30は第1受光部15から離隔させているが、第1受光部15と第2受光部30は電気的に並列接続され、第1、第2受光部15,30の出力の和が端面入射型半導体受光素子1Eから出力される。従って、端面10cから入射した光は、第1、第2光吸収領域11a,11bに夫々2回入射するので、端面入射型半導体受光素子1Eの受光感度が向上する。
 尚、第3反射部31で反射された光は広がって第2光吸収領域11bに入射するので、第3反射部31で反射された光の一部が第2光吸収領域11bに入射されず、第3反射部31による受光感度の向上は限定的になる場合がある。また、第4反射部35を省略した場合には、第2光吸収領域11bへの光の入射は1回になるので、その分だけ受光感度の向上が制限される。
 実施例3の端面入射型半導体受光素子1Cを変形して、第2受光部30と光を第2受光部30に向けて反射させる第3反射部31を備備させた端面入射型半導体受光素子1Fについて説明する。
 図12に示すように、端面入射型半導体受光素子1Fは、半導体基板10の主面10a側に第1受光部15及び第1受光部15から離隔して形成された第2受光部30を有し、裏面10bの第1受光部15と第2受光部30の中間の部位に第3反射部31を有する。第2受光部30は、第2光吸収領域11bとp型拡散領域12bを有し、第1受光部15と同じ構造のフォトダイオードである。
 端面入射型半導体受光素子1Fは、端面10c側の出射点Pから入射する光を屈折面10dで第1受光部15に向けて屈折させ、第1受光部15の第1光吸収領域11aを透過した光を第1反射部21で反射させて第1光吸収領域11aに再び入射させる。そして第1光吸収領域11aを透過した光を、半導体基板10の裏面10bに形成された第3反射部31によって第2受光部30に向けて反射させ、第2受光部30の第2光吸収領域11bに入射させる。
 第2受光部30は環状電極32の内側に第4反射部35を有し、光が第2光吸収領域11bに2回入射する。第3反射部31と第4反射部35は、第1反射部15と同じ積層構造を有する。尚、第4反射部35を省略することもできる。
 第3反射部31で反射された光が第2受光部30に入射するように、第2受光部30は第1受光部15から離隔させているが、第1受光部15と第2受光部30は電気的に並列接続され、第1、第2受光部15,30の出力の和が端面入射型半導体受光素子1Fから出力される。従って、出射点Pから入射する光は、第1、第2光吸収領域11a,11bに夫々2回入射するので、端面入射型半導体受光素子1Fの受光感度が向上する。
 尚、第3反射部31で反射された光は広がって第2光吸収領域11bに入射するので、第3反射部31で反射された光の一部が第2光吸収領域11bに入射されず、第3反射部31による受光感度の向上は限定的になる場合がある。また、第4反射部35を省略した場合には、第2光吸収領域11bへの光の入射は1回になるので、その分だけ受光感度の向上が制限される。
 上記端面入射型半導体受光素子1A~1Fの作用、効果について説明する。
 端面入射型半導体受光素子1A~1Fは、半導体基板10の主面10a側に第1光吸収領域11aを有し、端面10c側の出射点Pから入射する光を溝反射部20による反射又は屈折面10dによる屈折によって、第1光吸収領域11aに入射させる。そして、端面入射型半導体受光素子1A~1Fは主面10a側の第1光吸収領域11a近傍に第1反射部21を有し、第1光吸収領域11aを透過した光が第1反射部21で反射され、第1光吸収領域11aに再び入射される。第1光吸収領域11aの近傍に第1反射部21があるので、反射された光の広がりは僅かである。従って、第1反射部21で反射された光の全てを第1光吸収領域11aに入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子1A~1Fの受光感度を向上させることができる。
 端面入射型半導体受光素子1B,1Dは第2反射部25,26を有し、第1反射部21によって反射されて第1光吸収領域11aを透過した光を、第2反射部25,26によって反射させて第1光吸収領域11aに入射させることができる。従って、第1、第2反射部21,25,26によって入射光を第1光吸収領域11aに通算4回入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子1B,1Dの受光感度を向上させることができる。
 端面入射型半導体受光素子1E,1Fは、半導体基板10の主面10a側の第1光吸収領域11aから離隔した第2光吸収領域11bと、裏面10bの第3反射部31を有する。そして、第1反射部21によって反射されて第1光吸収領域11aを透過した光を第3反射部で反射させて第2光吸収領域11bに入射させる。従って、第1反射部21によって入射光を第1光吸収領域11aに2回入射させることができ、第3反射部31によって第1光吸収領域11aを透過した光を第2光吸収領域11bに入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子1E,1Fの受光感度を向上させることができる。
 端面入射型半導体受光素子1A~1Fは、半導体基板10の主面10a側に第1光吸収領域11aを縁取るように形成された環状電極16を有し、環状電極16の内側に、誘電体膜13と複数の金属膜22~24が積層された第1反射部21が形成されている。環状電極16と第1受光部15のp型拡散領域12aの界面は、合金化によって細かい凹凸が生じるため反射率が低い。しかし、環状電極16の内側には、合金化を防いで界面の平坦性を維持する誘電体膜13と、高い反射率を提供するための複数の金属膜22~24とが積層された第1反射部21が形成されている。従って、第1光吸収領域11aを透過した光を第1反射部21で反射させて第1光吸収領域11aに入射させることができるので、端面入射型半導体受光素子1A~1Fの受光感度を向上させることができる。
 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、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。
1A~1F :端面入射型半導体受光素子
10  :半導体基板
10a :主面
10b :裏面
10c :端面
10d :屈折面
10e :端面
10f :平面部
11  :InGaAs層
11a :第1光吸収領域
11b :第2光吸収領域
12  :n-InP層
12a,12b :p型拡散領域
13  :誘電体膜
15  :第1受光部
16  :環状電極
17  :基板電極
18  :溝部
18a :第1傾斜面
18b :第2傾斜面
20  :溝反射部
21  :第1反射部
22  :Cr膜
23  :Ni膜
24  :Au膜
25,26  :第2反射部
30  :第2受光部
31  :第3反射部
32  :環状電極
35  :第4反射部

Claims (4)

  1.  半導体基板の主面側に第1光吸収領域を有し、前記半導体基板の端面側から入射する光を反射又は屈折によって前記第1光吸収領域に入射させる端面入射型半導体受光素子において、
     前記主面側に、前記第1光吸収領域を透過した光を前記第1光吸収領域に入射させるための第1反射部を有することを特徴とする端面入射型半導体受光素子。
  2.  前記第1反射部によって反射されて前記第1光吸収領域を透過した光を前記第1光吸収領域に入射させるための第2反射部を有することを特徴とする請求項1に記載の端面入射型半導体受光素子。
  3.  前記主面側に、前記第1光吸収領域から離隔した第2光吸収領域を有し、前記第1反射部によって反射されて前記第1光吸収領域を透過した光を前記第2光吸収領域に入射させるための第3反射部を有することを特徴とする請求項1に記載の端面入射型半導体受光素子。
  4.  前記主面側に前記第1光吸収領域を縁取るように形成された環状電極を有し、前記第1反射部は、前記環状電極の内側において、誘電体膜と複数の金属膜を積層して形成されたことを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の端面入射型半導体受光素子。
PCT/JP2020/021628 2020-06-01 2020-06-01 端面入射型半導体受光素子 WO2021245756A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021519177A JP6918398B1 (ja) 2020-06-01 2020-06-01 端面入射型半導体受光素子
PCT/JP2020/021628 WO2021245756A1 (ja) 2020-06-01 2020-06-01 端面入射型半導体受光素子
US17/979,777 US20230049438A1 (en) 2020-06-01 2022-11-03 End-face incident type semiconductor light receiving device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/021628 WO2021245756A1 (ja) 2020-06-01 2020-06-01 端面入射型半導体受光素子

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/979,777 Continuation US20230049438A1 (en) 2020-06-01 2022-11-03 End-face incident type semiconductor light receiving device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021245756A1 true WO2021245756A1 (ja) 2021-12-09

Family

ID=77269457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/021628 WO2021245756A1 (ja) 2020-06-01 2020-06-01 端面入射型半導体受光素子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230049438A1 (ja)
JP (1) JP6918398B1 (ja)
WO (1) WO2021245756A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004241681A (ja) * 2003-02-07 2004-08-26 Toshiba Corp 半導体受光装置及びその製造方法
JP2005165254A (ja) * 2003-11-28 2005-06-23 Korea Electronics Telecommun 光検出器が集積可能な光結合装置
JP2011003638A (ja) * 2009-06-17 2011-01-06 Opnext Japan Inc 受光素子
JP2011187607A (ja) * 2010-03-08 2011-09-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体受光素子

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004241681A (ja) * 2003-02-07 2004-08-26 Toshiba Corp 半導体受光装置及びその製造方法
JP2005165254A (ja) * 2003-11-28 2005-06-23 Korea Electronics Telecommun 光検出器が集積可能な光結合装置
JP2011003638A (ja) * 2009-06-17 2011-01-06 Opnext Japan Inc 受光素子
JP2011187607A (ja) * 2010-03-08 2011-09-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体受光素子

Also Published As

Publication number Publication date
JP6918398B1 (ja) 2021-08-18
US20230049438A1 (en) 2023-02-16
JPWO2021245756A1 (ja) 2021-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4749978B2 (ja) 光検出器が集積可能な光結合装置
JPH1168164A (ja) 双方向光通信用モジュール
US20050145965A1 (en) Light receiving element and method of manufacturing the same
US20040241897A1 (en) Edge-illuminated refracting-facet type light receiving device and method for manufacturing the same
JP6530871B1 (ja) 端面入射型受光素子
JP2003207695A (ja) 光通信モジュール及び一芯双方向光通信モジュール
US7589915B2 (en) Optical element, optical module holder including optical element, optical module, and optical connector
US7807954B2 (en) Light receiving element with upper and side light receiving faces and an optical semiconductor module with the light receiving element and a light emitting element mounted on the same mounting unit
WO2010050265A1 (ja) 光モジュール
JP7280532B2 (ja) 受光素子
WO2021245756A1 (ja) 端面入射型半導体受光素子
JPH11274546A (ja) 半導体受光素子
KR102093168B1 (ko) 이중 광경로를 가진 광 검출기
JP2009117499A (ja) 受光素子
JP2002203982A (ja) 半導体受光装置およびその製造方法
WO2019150533A1 (ja) 半導体受光素子
KR102176477B1 (ko) 후면 입사형 광 검출기
WO2024142254A1 (ja) 受光装置
JP7438595B1 (ja) 受光装置
JP2006344681A (ja) 受光素子及び受光素子モジュール
KR100871017B1 (ko) 한 개의 빔 스플리터/필터가 구비된 양방향 통신용트리플렉서 광모듈 패키지 및 이 빔 스플리터/필터의 제작방법
EP3588564A1 (en) Solid-state photodetector
KR100858217B1 (ko) 양방향 통신용 광모듈 패키지
JP3672168B2 (ja) 半導体受光装置
KR101478996B1 (ko) 양방향 송수신 소자

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021519177

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20938516

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20938516

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1