WO2022074780A1 - 半導体受光素子 - Google Patents

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WO2022074780A1
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light
receiving element
incident
light receiving
operating region
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允洋 名田
泰彦 中西
詔子 辰己
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日本電信電話株式会社
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    • 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
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type

Definitions

  • the present invention relates to high speed and high sensitivity of a semiconductor light receiving element.
  • the semiconductor light receiving element has a role of converting an incident optical signal into an electric signal, and is widely applied to an optical receiver in optical communication, a photomixer for millimeter wave oscillators, and the like.
  • the basic structure of a semiconductor light receiving element is roughly divided into two.
  • the incident light propagates in the light absorption layer formed by crystal growth perpendicular to the film thickness direction, and the generated photocarriers move in the film thickness direction. Therefore, the carrier transport time can be shortened while improving the light absorption efficiency, and the structure is aimed at high speed and high sensitivity.
  • the vertically incident type structure has an advantage that the element formation is easy and the optical coupling of the manufactured element is also easy.
  • dark current, light receiving sensitivity, and operating band are important as performance indexes required for semiconductor light receiving elements.
  • the trade-off between the light receiving sensitivity and the operating band is more remarkable in the vertically incident type. This is related to the optical path length of the light propagating in the light absorption layer and the mileage of the carrier.
  • the vertically incident type it is easy to adopt a structure that selectively generates an electric field only on the side surface of the element, and there is a reduction in the side surface dark current that is the main component of the dark current.
  • the waveguide type it is difficult to adopt such a structure.
  • FIG. 1 shows an example of a conventional vertically incident type light receiving element.
  • a typical example of the vertically incident type is the inverted structure disclosed in Non-Patent Document 1.
  • a mesa 3 including a light absorption layer is formed on the surface of the substrate 1 via the contact layer 2.
  • the actual operating region 5 of the light absorption layer is defined by the mesa corresponding to the contact layer 4 at the uppermost portion.
  • the terrace portion which is the portion other than the uppermost mesa, the electric field strength does not increase even if the voltage of the light receiving element is increased. Therefore, even if the applied voltage is high, the electric field on the side surface of the device is kept small, and the side dark current can be reduced.
  • this inverted structure is excellent in scalability because the operating area of the element can be defined by etching the uppermost mesa. Therefore, even if it is a vertically incident structure, it is possible to easily realize a certain degree of high-speed operation in the inverted structure.
  • the light receiving element is a back surface incident type in which light is incident on the light absorption layer from the back surface of the substrate.
  • a certain degree of light receiving sensitivity can be observed even if the incident light L1 does not hit the central portion of the element or the portion where an electric field is generated in the element. This is because when light is incident on the light absorption layer corresponding to the terrace portion of the device, the carrier is taken out of the device by the diffusion movement of electrons / holes.
  • the carrier that moves by diffusion has a lower moving speed than the drift movement in which the carrier is accelerated and moved by an electric field.
  • the carrier drifts in the vertical direction with the component A having a slow diffusion speed in the horizontal direction. It will have two components, component B, which has a high speed of drifting. Therefore, the response speed is significantly deteriorated as compared with the case where the incident light L1 hits the central portion of the element.
  • the operating area of the light receiving element is reduced in order to increase the speed.
  • a photocarrier generated by incident signal light in the operating region and a photocarrier generated by incident signal light in the peripheral portion thereof are in a mixed state.
  • the expected light receiving sensitivity can be obtained, but high-speed operation may be impaired due to the slow response of the photocarrier generated in the peripheral portion. Therefore, there is a problem that optimum optical coupling becomes difficult.
  • An object of the present invention is to apply a structure that blocks light incident to the peripheral portion of the element on the back surface portion, and to ensure high-speed operation by incident light on the central portion of the element when optically coupled to the light receiving element.
  • the present invention is to provide a semiconductor light receiving element that can be realized.
  • one embodiment of the present invention is a semiconductor light receiving element that includes a semiconductor light absorbing layer on the surface of a semiconductor substrate and incidents signal light from the back surface of the semiconductor substrate.
  • the transmittance of the inner region of the back surface of the semiconductor substrate which has a similar shape and has the same center as the operating region determined by the semiconductor light absorption layer, is higher than the transmittance of the outer region of the shape.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a conventional vertically incident type light receiving element.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the operation of a conventional vertically incident type light receiving element.
  • FIG. 3 is a diagram showing the structure of the light receiving element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the structure of the light receiving element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the structure of the light receiving element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a structure of a light receiving element according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows the structure of the light receiving element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the vertically incident type semiconductor light receiving element 10.
  • the semiconductor light receiving element 10 has a layer structure in which a p-type InP contact layer 12, an undoped InGaAs light absorption layer 13, and an n-type InP contact layer 14 are laminated in this order on the surface of the InP substrate 11.
  • the uppermost contact layer 14 has a multi-stage mesa structure in which the outer shape thereof is gradually increased in the order of the light absorption layer 13 and the contact layer 12 after being processed into the smallest mesa.
  • the mesa of the uppermost contact layer 14 is formed in a circular shape.
  • 3B is a bottom view of the semiconductor light receiving element 10.
  • a light shielding film 16 made of Ti is provided on the outside of a concentric circle centered on the operating region 15 defined by the contact layer 14.
  • the InP substrate 11 is exposed inside the concentric circles.
  • the incident light on the light receiving element 10 is incident on the back surface of the substrate 11.
  • the incident light is absorbed by the light absorption layer 13, a photocarrier is generated, and a current flows between the contact layers 12 and 14, so that the incident light functions as a light receiving element.
  • the incident light L 2 from the back surface is incident on the central portion of the operating region 15, the incident light L 2 is incident without being interrupted by the light shielding film 16. Therefore, the photocurrent at the time of centering shows the maximum value. Since the incident light L 2 is incident on the central portion of the operating region 15, all the generated photocarriers are affected by the electric field generated in the operating region 15 and drift and move. Therefore, a desired high-speed operation can be realized.
  • the incident light L 3 deviates from the central portion of the operating region 15, a part of the incident light L 3 is blocked by the light-shielding film 16, so that the observed photocurrent is extremely reduced.
  • the transmittance of the light inside the concentric circle having the same center as the operating region 15 is higher than the transmittance of the region outside the concentric circle. Therefore, the photocurrent is maximized only when the signal light is incident on the central portion of the operating region 15.
  • the accuracy of alignment can be improved even with optical alignment using unmodulated light (CW light). Therefore, in the subsequent actual operation, even when receiving modulated light of several tens of GHz, the accuracy of alignment is high, so that the influence of slow components can be suppressed and high-speed operation can be realized.
  • the method of manufacturing the semiconductor light receiving element 10 of the first embodiment will be described.
  • the p-type InP contact layer 12, the undoped InGaAs light absorption layer 13, and the n-type InP light absorption layer 14 are epitaxially grown on the surface of the semi-insulating InP substrate 11 in this order by using the MOCVD method.
  • photolithography and etching are sequentially performed so that the contact layer 14 becomes the smallest mesa, and then the area of the light absorption layer 13 and the contact layer 12 increases in this order.
  • the back surface of the light receiving element 10 that is, the back surface of the substrate 11 is polished.
  • a resist that is concentric with the center of the operating region 15 is formed on the polished surface.
  • the light-shielding film 16 is formed by peeling off the resist.
  • the diameter of the concentric circles formed on the back surface of the substrate 11 does not necessarily have to match the diameter of the operating region 15, that is, the contact layer 14 of the semiconductor light receiving element 10.
  • the incident light is parallel light, there is no problem even if the diameter of the concentric circles matches the diameter of the contact layer 14.
  • the diameter of the concentric circles may be appropriately determined depending on the thickness of the substrate and the focal position of the incident light.
  • the light-shielding film does not need to completely block light, and it is sufficient that the transmittance of the inner region of the concentric circles centered on the operating region 15 is higher than the transmittance of the outer region of the concentric circles.
  • FIG. 4 shows the structure of the light receiving element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the vertically incident type semiconductor light receiving element 20.
  • the semiconductor light receiving element 20 has a layer structure in which a p-type InP contact layer 22, an undoped InGaAs light absorption layer 23, and an n-type InP contact layer 24 are laminated in this order on the surface of the InP substrate 21.
  • the uppermost contact layer 24 has a multi-stage mesa structure in which the outer shape of the contact layer 24 is gradually increased in the order of the light absorption layer 23 and the contact layer 22 after being processed into the smallest mesa.
  • FIG. 4B is a bottom view of the semiconductor light receiving element 20.
  • an antireflection film 26 made of a dielectric multilayer film made of SiO 2 / TiO 2 is provided in a shape concentric circle having the same center as the operating region 25 defined by the contact layer 24.
  • the incident light on the light receiving element 20 is incident on the back surface of the substrate 21.
  • the incident light is absorbed by the light absorption layer 23, a photocarrier is generated, and a current flows between the contact layers 22 and 24 to function as a light receiving element.
  • the incident light from the back surface is incident on the central portion of the operating region 25
  • the incident light is transmitted through the region where the antireflection film 26 is formed, so that the reflection on the back surface of the substrate 21 is suppressed and the incident light is substantially. It reaches the light absorption layer 23 with a transmittance close to 100%. Therefore, the photocurrent at the time of centering shows the maximum value. Since the incident light is incident on the central portion of the operating region 25, all the generated photocarriers are affected by the electric field generated in the operating region 25 and drift and move. Therefore, a desired high-speed operation can be realized.
  • the incident light deviates from the center of the operating region 25, a part of the incident light does not pass through the antireflection film 26, so that it is reflected on the back surface of the substrate 21 and the observed photocurrent is extremely reduced. ..
  • the transmittance of the light inside the concentric circle having the same center as the operating region 25 is higher than the transmittance of the region outside the concentric circle. Therefore, the photocurrent is maximized only when the signal light is incident on the central portion of the operating region 25.
  • the optical alignment is performed by unmodulated light (CW light)
  • CW light unmodulated light
  • the p-type InP contact layer 22, the undoped InGaAs light absorption layer 23, and the n-type InP light absorption layer 24 are epitaxially grown on the surface of the semi-insulating InP substrate 21 in this order by using the MOCVD method. After crystal growth, photolithography and etching are sequentially performed so that the contact layer 24 becomes the smallest mesa, and then the area of the light absorption layer 23 and the contact layer 22 increases in this order. After forming the necessary electrodes and the like on the contact layers 22 and 24, the back surface of the light receiving element 20, that is, the back surface of the substrate 21 is polished.
  • an antireflection film of SIO 2 / TiO 2 is formed on the polished surface by sputtering.
  • a resist that is concentric with the center of the operating region 25 is formed, the antireflection film 26 is processed into a circular shape by dry etching, and the resist is peeled off.
  • the diameter of the concentric circles formed on the back surface of the substrate 21 does not necessarily have to match the diameter of the operating region 25 of the semiconductor light receiving element 20, that is, the contact layer 24.
  • the incident light is parallel light, there is no problem even if the diameter of the concentric circles matches the diameter of the contact layer 24.
  • the incident light is diffused light or convergent light, the beam diameter incident on the contact layer 24 and the beam diameter on the back surface of the substrate 21 are different.
  • the diameter of the concentric circles may be appropriately determined depending on the thickness of the substrate and the focal position of the incident light.
  • the antireflection film does not need to completely reflect light, and it is sufficient that the transmittance of the region inside the concentric circle centered with the operating region 25 is higher than the transmittance of the region outside the concentric circle.
  • FIG. 5 shows the structure of the light receiving element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of the vertically incident type semiconductor light receiving element 30.
  • the semiconductor light receiving element 30 has a layer structure in which a p-type InP contact layer 32, an undoped InGaAs light absorption layer 33, and an n-type InP contact layer 34 are laminated in this order on the surface of the InP substrate 31.
  • the uppermost contact layer 34 has a multi-stage mesa structure in which the outer shape thereof is gradually increased in the order of the light absorption layer 33 and the contact layer 32, which is processed into the smallest mesa.
  • FIG. 5B is a bottom view of the semiconductor light receiving element 30.
  • An antireflection film 36 made of SiO 2 / TiO 2 is formed on the back surface of the light receiving element 30, and a light shielding film 37 made of Ti is provided on the outside of an ellipse having the same center as the operating region 35 defined by the contact layer 34. Has been done.
  • the antireflection film 36 is exposed inside the ellipse.
  • the incident light on the light receiving element 30 is incident on the back surface of the substrate 31.
  • the incident light is absorbed by the light absorption layer 33, a photocarrier is generated, and a current flows between the contact layers 32 and 34, so that the incident light functions as a light receiving element.
  • the incident light from the back surface is incident on the central portion of the operating region 35
  • the incident light is transmitted through the region where the antireflection film 36 is formed, so that the reflection on the back surface of the substrate 31 is suppressed and the incident light is substantially. It reaches the light absorption layer 33 with a transmittance close to 100%. Therefore, the photocurrent at the time of centering shows the maximum value. Since the incident light is incident on the central portion of the operating region 35, all the generated photocarriers are affected by the electric field generated in the operating region 35 and drift and move. Therefore, a desired high-speed operation can be realized.
  • the p-type InP contact layer 32, the undoped InGaAs light absorption layer 33, and the n-type InP light absorption layer 34 are epitaxially grown on the surface of the semi-insulating InP substrate 31 in this order by using the MOCVD method. After crystal growth, photolithography and etching are sequentially performed so that the contact layer 34 becomes the smallest mesa, and then the area of the light absorption layer 33 and the contact layer 32 increases in this order. After forming the necessary electrodes and the like on the contact layers 32 and 34, the back surface of the light receiving element 30, that is, the back surface of the substrate 31 is polished.
  • the antireflection film 36 of SIO 2 / TiO 2 is formed on the polished surface by sputtering. After the antireflection film 36 is formed, a resist having an ellipse centered on the operating region 35 is formed. After forming Ti by sputtering, the light-shielding film 37 is formed by peeling off the resist.
  • the major axis and the minor axis of the ellipse formed on the back surface of the substrate 31 do not necessarily have to match the major axis and the minor axis of the operating region 35 of the semiconductor light receiving element 30, that is, the contact layer 34.
  • the incident light is parallel light, there is no problem even if the major axis and the minor axis of the ellipse match the major axis and the minor axis of the contact layer 34.
  • the incident light is diffused light or convergent light, the beam diameter incident on the contact layer 34 and the beam diameter on the back surface of the substrate 31 are different.
  • the major axis and the minor axis of the ellipse may be appropriately determined depending on the thickness of the substrate and the focal position of the incident light.
  • FIG. 6 shows the structure of the light receiving element according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of the vertically incident type semiconductor light receiving element 40.
  • the semiconductor light receiving element 40 has a layer structure in which a p-type InP contact layer 42, an undoped InGaAs light absorption layer 43, and an n-type InP contact layer 44 are laminated in this order on the surface of the InP substrate 41.
  • the uppermost contact layer 44 has a multi-stage mesa structure in which the outer shape thereof is gradually increased in the order of the light absorption layer 43 and the contact layer 42, which are processed into the smallest mesa.
  • the mesa of the uppermost contact layer 44 is formed in a circular shape.
  • FIG. 6B is a bottom view of the semiconductor light receiving element 40.
  • An antireflection film 46 made of SiO 2 / TiO 2 is formed on the back surface of the light receiving element 40, and a ring-shaped light-shielding film 47 made of Ti is formed on a concentric circle centered on the operating region 35 defined by the contact layer 44. It is provided.
  • the antireflection film 36 is exposed on the back surface excluding the light-shielding film 47.
  • the incident light on the light receiving element 40 is incident on the back surface of the substrate 41.
  • the incident light is absorbed by the light absorption layer 43, a photocarrier is generated, and a current flows between the contact layers 42 and 44, so that the incident light functions as a light receiving element.
  • the incident light from the back surface is incident on the central portion of the operating region 45
  • the incident light is transmitted through the region where the antireflection film 46 is formed, so that the reflection on the back surface of the substrate 41 is suppressed, and the incident light is substantially. It reaches the light absorption layer 43 with a transmittance close to 100%. Therefore, the photocurrent at the time of centering shows the maximum value. Since the incident light is incident on the central portion of the operating region 45, all the generated photocarriers are affected by the electric field generated in the operating region 45 and drift and move. Therefore, a desired high-speed operation can be realized.
  • the incident light deviates from the center of the operating region 45, a part of the incident light is blocked by the ring-shaped light-shielding film 47, so that the observed photocurrent is extremely reduced.
  • the transmittance of the light inside the ring having the same center as the operating region 45 is higher than the transmittance of the region outside the ring. Therefore, the photocurrent is maximized only when the signal light is incident on the central portion of the operating region 45.
  • the optical alignment is performed by unmodulated light (CW light)
  • CW light unmodulated light
  • a method for manufacturing the semiconductor light receiving element 40 according to the fourth embodiment will be described.
  • a p-type InP contact layer 42, an undoped InGaAs light absorption layer 43, and an n-type InP light absorption layer 44 are epitaxially grown on the surface of the semi-insulating InP substrate 41 using the MOCVD method.
  • photolithography and etching are sequentially performed so that the contact layer 44 becomes the smallest mesa, and then the area of the light absorption layer 43 and the contact layer 42 increases in this order.
  • the back surface of the light receiving element 40 that is, the back surface of the substrate 41 is polished.
  • an antireflection film 46 of SIO 2 / TiO 2 is formed on the polished surface by sputtering. After the antireflection film 46 is formed, a resist having a ring shape concentric with the center of the operating region 45 is formed. After forming Ti by sputtering, the light-shielding film 47 is formed by peeling off the resist.
  • the ring diameter of the concentric circles formed on the back surface of the substrate 41 does not necessarily have to match the diameter of the operating region 45 of the semiconductor light receiving element 40, that is, the contact layer 44.
  • the incident light is parallel light, there is no problem even if the diameter of the concentric circles matches the diameter of the contact layer 44.
  • the incident light is diffused light or convergent light, the beam diameter incident on the contact layer 44 and the beam diameter on the back surface of the substrate 41 are different.
  • the diameter of the concentric circles may be appropriately determined depending on the thickness of the substrate and the focal position of the incident light.
  • the InGaAs-based light-receiving element has been described as an example, but it is clear that the light-receiving element can be applied to other material-based devices such as Si and SiGe. Further, a so-called “two-pass structure" may be adopted in which a mirror is formed on the light absorption layer side of the light receiving element, that is, on the mesa side of the contact layer, and the incident light is reflected on the surface side.
  • the shape of the operating region defined by the contact layer is not limited to a circular shape or an elliptical shape, and may be any shape.
  • the shape having the same center as the operating region formed on the back surface may be a shape similar to the shape of the operating region, and should be appropriately designed in an optical system for incident signal light on the light receiving element.
  • all light receiving elements having a mesa structure have been exemplified, but it goes without saying that the light receiving elements such as a so-called ion implantation structure and a "planar structure" using selective diffusion can also be applied.
  • This embodiment is a vertically incident type, and is a widely effective technique as long as it has some kind of electric field constriction structure.
  • alignment marks are also possible to form alignment marks at the same time in the back surface process in the method of manufacturing the light receiving element. For example, coarse alignment can be performed by passive alignment using an alignment mark, and highly accurate alignment can be performed by active alignment.

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Abstract

裏面部分に、素子の周辺部への光入射を遮る構造を適用し、受光素子に光学結合した際には必ず素子の中心部に光を入射させる。一実施態様は、半導体基板（１１）の表面上に半導体光吸収層（１３）を含み、信号光を前記半導体基板（１１）の裏面から入射する半導体受光素子（１０）であって、前記半導体基板（１１）の裏面の、前記半導体光吸収層（１３）に確定された動作領域（１５）と中心を同じくする相似の形状の内側の領域の透過率は、当該形状の外側の透過率より高い。

Description

半導体受光素子
　本発明は、半導体受光素子の高速高感度化に関する。
　半導体受光素子は、入射した光信号を電気信号に変換する役割を有しており、光通信における光レシーバやミリ波発振器向けのフォトミキサ等に広く応用されている。
　半導体受光素子の基本的な構造は、２つに大別される。入射光を基板表面と平行な方向から入射する、導波路型構造と、基板表面と垂直な方向から入射する垂直入射型構造である。導波路型構造は、結晶成長により形成される光吸収層を、入射光が膜厚方向とは垂直に伝搬し、発生したフォトキャリアは膜厚方向に移動する。このため、光吸収効率を向上させながらもキャリア輸送時間を短縮できるため、高速高感度化に向けた構造である。一方、垂直入射型構造は、素子形成が容易であり、また作製した素子の光学結合も容易であるという利点を有する。
　ところで、半導体受光素子に求められる性能指標として、暗電流、受光感度、および動作帯域が重要になる。垂直入射型と導波路型の受光素子を比較したとき、一般論として、受光感度および動作帯域のトレードオフは垂直入射型のほうがより顕著である。これは、光吸収層内を伝搬する光の光路長とキャリアの走行距離とに関連する。一方で、導波路型の受光素子は、暗電流を低減することが比較的難しい。垂直入射型では、素子の側面にのみ選択的に電界を発生させる構造がとりやすく、暗電流の主成分となる側面暗電流の低減がある。一方、導波路型においては、このような構造をとるのが困難なためである。
　図１に、従来の垂直入射型の受光素子の一例を示す。垂直入射型の典型的な例として、例えば、非特許文献１に開示されている反転型構造が挙げられる。受光素子反転型構造においては、基板１表面上にコンタクト層２を介して光吸収層を含むメサ３が形成されている。さらに最上部のコンタクト層４にあたるメサによって、光吸収層の実動作領域５が画定される。最上部のメサ以外の部分にあたるテラス部分では、受光素子の電圧を上昇させても電界強度は大きくならない。このため、高い印加電圧であっても、素子の側面の電界は小さく保たれ、側面暗電流を低減することができる。
　この反転型構造は、最上部のメサのエッチング加工により、素子の動作面積を画定できることから、スケーラビリティに優れていると言える。従って、垂直入射構造であっても、反転型構造ではある程度の高速動作を容易に実現することができる。
　図２を参照して、従来の垂直入射型の受光素子の動作を説明する。受光素子は、基板の裏面から光吸収層に光が入射される裏面入射型である。反転型構造では、素子の中心部ないしは素子に電界が発生する部分に入射光Ｌ１が当たらなくても、ある程度の受光感度を観測することができる。これは、素子のテラス部にあたる光吸収層に光が入射された際、電子／正孔の拡散移動により、キャリアが素子外へ取り出されるためである。しかしながら、拡散移動するキャリアは、電界によりキャリアが加速され移動するドリフト移動に比べて、移動速度が小さい。このため、入射光Ｌ１が素子の中心である実動作領域５、すなわち電界が生じている領域からずれた場合には、キャリアは横方向に拡散する速度の遅い成分Ａと、縦方向にドリフトする速度の速い成分Ｂの２つの成分を持つことになる。従って、素子の中心部に入射光Ｌ１が当たる場合と比較して、顕著に応答速度が劣化する。
　超高速動作を目指して、素子の動作領域を小さくした受光素子においては、このような応答速度の劣化は重要な問題になる。素子径を小さくした場合、入射光と受光領域の光学トレランスはより小さくなる。通常、光学調心を行って、入射光が動作領域の中心に入射されるようにするが、無変調光（ＣＷ光）による調心においては、速度の遅い成分Ａと速度の速い成分Ｂの双方を検出しているので、入射光が動作領域の中心からずれて入射されても光電流の変化が少なく、調心の精度を上げることができない。その後の実運用において、数１０ＧＨｚといった変調光を受光する場合に、調心の精度が悪いと、速度の遅い成分Ａによる影響が顕著に現れ応答速度が劣化する場合がある。
　これは、低い暗電流ひいては高信頼性を目指した、電界閉じ込め構造をもつ受光素子では、共通の問題となっている。
　上述したように、受光素子の低暗電流化を目指した垂直入射型受光素子においては、高速化のために、受光素子の動作面積を縮小することになる。この場合、受光素子の光吸収層では、動作領域において信号光が入射し発生したフォトキャリアと、その周辺部において信号光が入射し発生したフォトキャリアが混在した状態となる。この状態では、非変調光で光学結合した場合には、期待通りの受光感度が得られるが、周辺部で発生したフォトキャリアの遅い応答により、高速動作を損なうことがある。このため、最適な光学結合が困難になるという課題があった。
　本発明の目的は、裏面部分に、素子の周辺部への光入射を遮る構造を適用し、受光素子に光学結合した際には必ず素子の中心部に光を入射させることにより、高速動作を実現することができる半導体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、半導体基板の表面上に半導体光吸収層を含み、信号光を前記半導体基板の裏面から入射する半導体受光素子であって、前記半導体基板の裏面の、前記半導体光吸収層に確定された動作領域と中心を同じくする相似の形状の内側の領域の透過率は、当該形状の外側の透過率より高いことを特徴とする。
図１は、従来の垂直入射型の受光素子の一例を示す断面図、 図２は、従来の垂直入射型の受光素子の動作を説明するための断面図、 図３は、本発明の第１の実施形態にかかる受光素子の構造を示す図、 図４は、本発明の第２の実施形態にかかる受光素子の構造を示す図、 図５は、本発明の第３の実施形態にかかる受光素子の構造を示す図、 図６は、本発明の第４の実施形態にかかる受光素子の構造を示す図である。
　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３に、本発明の第１の実施形態にかかる受光素子の構造を示す。図３（ａ）は、垂直入射型の半導体受光素子１０の断面図である。半導体受光素子１０は、ＩｎＰ基板１１表面上にｐ型ＩｎＰコンタクト層１２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層１３、ｎ型ＩｎＰコンタクト層１４の順に積層された層構造を有している。最上部のコンタクト層１４は、最も小さいメサに加工され、続いて光吸収層１３、コンタクト層１２の順にその外形が段階的に大きくなる多段メサ構造を有している。最上部のコンタクト層１４のメサは、円形に形成されている。図３（ｂ）は、半導体受光素子１０の底面図である。受光素子１０の裏面には、コンタクト層１４によって画定される動作領域１５と中心を同じくする同心円の外側に、Ｔｉによる遮光膜１６が設けられている。同心円の内側はＩｎＰ基板１１が露出している。
　第１の実施形態における半導体受光素子１０の動作原理を説明する。受光素子１０への入射光は、基板１１の裏面から入射される。入射光は光吸収層１３で吸収され、フォトキャリアが発生し、コンタクト層１２，１４の間に電流が流れることにより、受光素子として機能する。
　ここで、裏面からの入射光Ｌ２が動作領域１５の中心部に入射する場合、入射光Ｌ２は、遮光膜１６にさえぎられることなく入射される。このため、調心時における光電流は最大値を示す。入射光Ｌ２は、動作領域１５の中心部に入射されるため、発生したフォトキャリアはすべて動作領域１５に発生する電界の効果を受け、ドリフト移動する。よって、所望の高速動作を実現することができる。
　一方、入射光Ｌ３が動作領域１５の中心部からずれた場合、入射光Ｌ３の一部は、遮光膜１６によって遮られるため、観測される光電流は極端に低下する。このように、動作領域１５と中心を同じくする同心円の内側の光の透過率は、同心円の外側の領域の透過率より高い。このため、動作領域１５の中心部に信号光が入射するときのみ、光電流が最大化される。これにより、無変調光（ＣＷ光）による光学調心であっても、調心の精度を高くすることができる。従って、その後の実運用において、数１０ＧＨｚといった変調光を受光する場合でも、調心の精度が高いので、速度の遅い成分による影響が抑制され、高速動作を実現することができる。
　第１の実施形態の半導体受光素子１０の作製方法を説明する。最初に、半絶縁性ＩｎＰ基板１１表面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型ＩｎＰコンタクト層１２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層１３、ｎ型ＩｎＰ光吸収層１４をこの順にエピタキシャル成長させる。結晶成長後、コンタクト層１４が最も小さいメサとなり、次に光吸収層１３、コンタクト層１２の順にその面積が大きくなるよう、順次フォトリソグラフィおよびエッチングを行う。必要な電極等をコンタクト層１２，１４に形成したのち、受光素子１０の裏面、すなわち基板１１の裏面を研磨する。その後、研磨面に、動作領域１５と中心を同じくする同心円となるレジストを形成する。Ｔｉをスパッタにより形成した後、レジストを剥離することにより遮光膜１６を形成する。
　基板１１の裏面に形成する同心円の直径は、必ずしも半導体受光素子１０の動作領域１５、すなわちコンタクト層１４の直径に一致している必要はない。入射光が平行光である場合は、同心円の直径がコンタクト層１４の直径に一致していても問題はない。入射光が拡散光または収束光の場合は、コンタクト層１４に入射するビーム径と基板１１の裏面におけるビーム径とは異なる。この場合は、基板厚や入射光の焦点位置において、適切に同心円の直径を決定すればよい。遮光膜は、完全に光を遮る必要はなく、動作領域１５と中心を同じくする同心円の内側の領域の透過率が、同心円の外側の透過率より高ければよい。
　以上に説明したように、第１の実施形態の構造を適用することで、裏面入射型の受光素子において光学調心を行うことにより、同時に高速動作も担保することができる。
　　［第２の実施形態］
　図４に、本発明の第２の実施形態にかかる受光素子の構造を示す。図４（ａ）は、垂直入射型の半導体受光素子２０の断面図である。半導体受光素子２０は、ＩｎＰ基板２１表面上にｐ型ＩｎＰコンタクト層２２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層２３、ｎ型ＩｎＰコンタクト層２４の順に積層された層構造を有している。最上部のコンタクト層２４は、最も小さいメサに加工され、続いて光吸収層２３、コンタクト層２２の順にその外形が段階的に大きくなる多段メサ構造を有している。最上部のコンタクト層２４のメサは、円形に形成されている。図４（ｂ）は、半導体受光素子２０の底面図である。受光素子２０の裏面には、コンタクト層２４によって画定される動作領域２５と中心を同じくする同心円の形状で、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層膜による反射防止膜２６が設けられている。
　第２の実施形態における半導体受光素子２０の動作原理を説明する。受光素子２０への入射光は、基板２１の裏面から入射される。入射光は光吸収層２３で吸収され、フォトキャリアが発生し、コンタクト層２２，２４の間に電流が流れることにより、受光素子として機能する。
　ここで、裏面からの入射光が動作領域２５の中心部に入射する場合、入射光は、反射防止膜２６が形成された領域を透過することにより、基板２１の裏面における反射が抑制され、ほぼ１００％に近い透過率で光吸収層２３に到達する。このため、調心時における光電流は最大値を示す。入射光は、動作領域２５の中心部に入射されるため、発生したフォトキャリアはすべて動作領域２５に発生する電界の効果を受け、ドリフト移動する。よって、所望の高速動作を実現することができる。
　一方、入射光が動作領域２５の中心部からずれた場合、入射光の一部は、反射防止膜２６を透過しないため、基板２１の裏面において反射され、観測される光電流は極端に低下する。このように、動作領域２５と中心を同じくする同心円の内側の光の透過率は、同心円の外側の領域の透過率より高い。このため、動作領域２５の中心部に信号光が入射するときのみ、光電流が最大化される。これにより、無変調光（ＣＷ光）による光学調心であっても、調心の精度を高くすることができ、数１０ＧＨｚといった変調光を受光する場合でも高速動作を実現することができる。
　第２の実施形態の半導体受光素子２０の作製方法を説明する。最初に、半絶縁性ＩｎＰ基板２１表面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型ＩｎＰコンタクト層２２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層２３、ｎ型ＩｎＰ光吸収層２４をこの順にエピタキシャル成長させる。結晶成長後、コンタクト層２４が最も小さいメサとなり、次に光吸収層２３、コンタクト層２２の順にその面積が大きくなるよう、順次フォトリソグラフィおよびエッチングを行う。必要な電極等をコンタクト層２２，２４に形成したのち、受光素子２０の裏面、すなわち基板２１の裏面を研磨する。その後、研磨面に、ＳＩＯ２／ＴｉＯ２の反射防止膜をスパッタにより形成する。動作領域２５と中心を同じくする同心円となるレジストを形成し、反射防止膜２６をドライエッチにより円形に加工し、レジストを剥離する。
　基板２１の裏面に形成する同心円の直径は、必ずしも半導体受光素子２０の動作領域２５、すなわちコンタクト層２４の直径に一致している必要はない。入射光が平行光である場合は、同心円の直径がコンタクト層２４の直径に一致していても問題はない。入射光が拡散光または収束光の場合は、コンタクト層２４に入射するビーム径と基板２１の裏面におけるビーム径とは異なる。この場合は、基板厚や入射光の焦点位置において、適切に同心円の直径を決定すればよい。反射防止膜は、完全に光を反射する必要はなく、動作領域２５と中心を同じくする同心円の内側の領域の透過率が、同心円の外側の透過率より高ければよい。
　以上に説明したように、第１の実施形態の構造を適用することで、裏面入射型の受光素子において光学調心を行うことにより、同時に高速動作も担保することができる。
　　［第３の実施形態］
　図５に、本発明の第３の実施形態にかかる受光素子の構造を示す。図５（ａ）は、垂直入射型の半導体受光素子３０の断面図である。半導体受光素子３０は、ＩｎＰ基板３１表面上にｐ型ＩｎＰコンタクト層３２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層３３、ｎ型ＩｎＰコンタクト層３４の順に積層された層構造を有している。最上部のコンタクト層３４は、最も小さいメサに加工され、続いて光吸収層３３、コンタクト層３２の順にその外形が段階的に大きくなる多段メサ構造を有している。最上部のコンタクト層３４のメサは、楕円形に形成されている。図５（ｂ）は、半導体受光素子３０の底面図である。受光素子３０の裏面には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２による反射防止膜３６が形成され、さらにコンタクト層３４によって画定される動作領域３５と中心を同じくする楕円の外側に、Ｔｉによる遮光膜３７が設けられている。楕円の内側は反射防止膜３６が露出している。
　第３の実施形態における半導体受光素子３０の動作原理を説明する。受光素子３０への入射光は、基板３１の裏面から入射される。入射光は光吸収層３３で吸収され、フォトキャリアが発生し、コンタクト層３２，３４の間に電流が流れることにより、受光素子として機能する。
　ここで、裏面からの入射光が動作領域３５の中心部に入射する場合、入射光は、反射防止膜３６が形成された領域を透過することにより、基板３１の裏面における反射が抑制され、ほぼ１００％に近い透過率で光吸収層３３に到達する。このため、調心時における光電流は最大値を示す。入射光は、動作領域３５の中心部に入射されるため、発生したフォトキャリアはすべて動作領域３５に発生する電界の効果を受け、ドリフト移動する。よって、所望の高速動作を実現することができる。
　一方、入射光が動作領域３５の中心部からずれた場合、入射光の一部は、遮光膜３７によって遮られるため、観測される光電流は極端に低下する。このように、動作領域３５と中心を同じくする楕円形の内側の光の透過率は、楕円形の外側の領域の透過率より高い。このため、動作領域３５の中心部に信号光が入射するときのみ、光電流が最大化される。これにより、無変調光（ＣＷ光）による光学調心であっても、調心の精度を高くすることができ、数１０ＧＨｚといった変調光を受光する場合でも高速動作を実現することができる。
　第３の実施形態の半導体受光素子３０の作製方法を説明する。最初に、半絶縁性ＩｎＰ基板３１表面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型ＩｎＰコンタクト層３２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層３３、ｎ型ＩｎＰ光吸収層３４をこの順にエピタキシャル成長する。結晶成長後、コンタクト層３４が最も小さいメサとなり、次に光吸収層３３、コンタクト層３２の順にその面積が大きくなるよう、順次フォトリソグラフィおよびエッチングを行う。必要な電極等をコンタクト層３２，３４に形成したのち、受光素子３０の裏面、すなわち基板３１の裏面を研磨する。その後、研磨面に、ＳＩＯ２／ＴｉＯ２の反射防止膜３６をスパッタにより形成する。反射防止膜３６の形成後、動作領域３５と中心を同じくする楕円となるレジストを形成する。Ｔｉをスパッタにより形成した後、レジストを剥離することにより遮光膜３７を形成する。
　基板３１の裏面に形成する楕円の長径及び短径は、必ずしも半導体受光素子３０の動作領域３５、すなわちコンタクト層３４の長径及び短径に一致している必要はない。入射光が平行光である場合は、楕円の長径及び短径がコンタクト層３４の長径及び短径に一致していても問題はない。入射光が拡散光または収束光の場合は、コンタクト層３４に入射するビーム径と基板３１の裏面におけるビーム径とは異なる。この場合は、基板厚や入射光の焦点位置において、適切に楕円の長径及び短径を決定すればよい。
　以上に説明したように、第３の実施形態の構造を適用することで、裏面入射型の受光素子において光学調心を行うことにより、同時に高速動作も担保することができる。
　　［第４の実施形態］
　図６に、本発明の第４の実施形態にかかる受光素子の構造を示す。図６（ａ）は、垂直入射型の半導体受光素子４０の断面図である。半導体受光素子４０は、ＩｎＰ基板４１表面上にｐ型ＩｎＰコンタクト層４２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層４３、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４４の順に積層された層構造を有している。最上部のコンタクト層４４は、最も小さいメサに加工され、続いて光吸収層４３、コンタクト層４２の順にその外形が段階的に大きくなる多段メサ構造を有している。最上部のコンタクト層４４のメサは、円形に形成されている。図６（ｂ）は、半導体受光素子４０の底面図である。受光素子４０の裏面には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２による反射防止膜４６が形成され、さらにコンタクト層４４によって画定される動作領域３５と中心を同じくする同心円上にリング状のＴｉによる遮光膜４７が設けられている。遮光膜４７を除く裏面は反射防止膜３６が露出している。
　第４の実施形態における半導体受光素子４０の動作原理を説明する。受光素子４０への入射光は、基板４１の裏面から入射される。入射光は光吸収層４３で吸収され、フォトキャリアが発生し、コンタクト層４２，４４の間に電流が流れることにより、受光素子として機能する。
　ここで、裏面からの入射光が動作領域４５の中心部に入射する場合、入射光は、反射防止膜４６が形成された領域を透過することにより、基板４１の裏面における反射が抑制され、ほぼ１００％に近い透過率で光吸収層４３に到達する。このため、調心時における光電流は最大値を示す。入射光は、動作領域４５の中心部に入射されるため、発生したフォトキャリアはすべて動作領域４５に発生する電界の効果を受け、ドリフト移動する。よって、所望の高速動作を実現することができる。
　一方、入射光が動作領域４５の中心部からずれた場合、入射光の一部は、リング形状の遮光膜４７によって遮られるため、観測される光電流は極端に低下する。このように、動作領域４５と中心を同じくするリングの内側の光の透過率は、リングの外側の領域の透過率より高い。このため、動作領域４５の中心部に信号光が入射するときのみ、光電流が最大化される。これにより、無変調光（ＣＷ光）による光学調心であっても、調心の精度を高くすることができ、数１０ＧＨｚといった変調光を受光する場合でも高速動作を実現することができる。
　第４の実施形態の半導体受光素子４０の作製方法を説明する。最初に、半絶縁性ＩｎＰ基板４１表面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型ＩｎＰコンタクト層４２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層４３、ｎ型ＩｎＰ光吸収層４４をこの順にエピタキシャル成長する。結晶成長後、コンタクト層４４が最も小さいメサとなり、次に光吸収層４３、コンタクト層４２の順にその面積が大きくなるよう、順次フォトリソグラフィおよびエッチングを行う。必要な電極等をコンタクト層４２，４４に形成したのち、受光素子４０の裏面、すなわち基板４１の裏面を研磨する。その後、研磨面に、ＳＩＯ２／ＴｉＯ２の反射防止膜４６をスパッタにより形成する。反射防止膜４６の形成後、動作領域４５と中心を同じくする同心円のリング形状となるレジストを形成する。Ｔｉをスパッタにより形成した後、レジストを剥離することにより遮光膜４７を形成する。
　基板４１の裏面に形成する同心円のリング直径は、必ずしも半導体受光素子４０の動作領域４５、すなわちコンタクト層４４の直径に一致している必要はない。入射光が平行光である場合は、同心円の直径がコンタクト層４４の直径に一致していても問題はない。入射光が拡散光または収束光の場合は、コンタクト層４４に入射するビーム径と基板４１の裏面におけるビーム径とは異なる。この場合は、基板厚や入射光の焦点位置において、適切に同心円の直径を決定すればよい。
　以上に説明したように、第４の実施形態の構造を適用することで、裏面入射型の受光素子において光学調心を行うことにより、同時に高速動作も担保することができる。
　　［その他の実施形態］
　第１～第４の実施形態においては、ＩｎＧａＡｓ系の受光素子を例に説明したが、Ｓｉ、ＳｉＧｅ系など他の材料系における受光素子にも適用できることは明らかである。また、受光素子の光吸収層側、すなわちコンタクト層のメサ側にミラーを形成し、入射光を表面側で反射させるいわゆる「２パス構造」としても構わない。
　上述した同心円の直径、楕円の長径及び短径のほか、基板の膜厚、メサの膜厚に対して制限を設けるものではない。さらに、コンタクト層によって画定される動作領域の形状は、円形、楕円形に限らず、どのような形状でも構わない。裏面に形成する動作領域と中心を同じくする形状も、動作領域の形状と相似の形状であればよく、受光素子に信号光を入射させる光学系において適宜設計されるべきものである。
　また、本実施形態では、すべてメサ構造の受光素子を例示してきたが、いわゆるイオン注入構造、選択拡散を用いた「プレーナ構造」などの受光素子に対しても適用できることは言うまでもない。本実施形態は、垂直入射型であり、なんらかの電界狭窄構造を有していれば広く有効な技術である。
　受光素子の作製方法における裏面プロセスにおいて、同時にアライメントマークを形成することも可能である。例えば、粗い調心をアライメントマークによるパッシブアライメントで実施し、精度の高い調心をアクティブアライメントで実施することもできる。

Claims (6)

  1. 　半導体基板の表面上に半導体光吸収層を含み、信号光を前記半導体基板の裏面から入射する半導体受光素子であって、
    　前記半導体基板の裏面の、前記半導体光吸収層に画定された動作領域と中心を同じくする相似の形状の内側の領域の透過率は、当該形状の外側の透過率より高いことを特徴とする半導体受光素子。
  2. 　前記形状の外側は、遮光膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
  3. 　前記動作領域と中心を同じくする相似の形状の反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
  4. 　前記半導体基板の裏面に、反射防止膜が形成され、
    　前記形状の外側に、前記動作領域と中心を同じくする同心円上にリング状の遮光膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
  5. 　前記反射防止膜は、誘電体多層膜により形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体受光素子。
  6. 　前記動作領域と中心を同じくする相似の形状は、円形または楕円形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項に記載の半導体受光素子。
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