WO2024150363A1 - 受光素子 - Google Patents

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light
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詔子 辰己
泰彦 中西
考宏 中村
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日本電信電話株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • 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
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Definitions

  • This disclosure relates to a light receiving element.
  • Non-Patent Document 1 discloses that the light receiving sensitivity of a photodiode that converts light into electric current is defined by the ratio at which the energy of a photon is converted into electric current.
  • the light receiving sensitivity of a photodiode is expressed in units of A/W.
  • Non-Patent Document 2 discloses a photodiode with a light receiving sensitivity of 0.8 A/W at 30 GHz as a photodiode for realizing high-speed optical communication systems.
  • Non-Patent Document 3 discloses a photodiode with a light receiving sensitivity of 0.7 A/W at 70 GHz as a photodiode for realizing high-speed optical communication systems. In general, there is a trade-off between improving the light receiving sensitivity of a photodiode and broadening the bandwidth.
  • Non-Patent Document 3 discloses a photodiode with a double-pass structure. According to Non-Patent Document 3, a mirror placed on the top surface of a photodiode formed on the surface of a substrate reflects light incident from the back surface of the substrate. Then, both the incident light and the reflected light pass through the light absorption layer of the photodiode, thereby improving light receiving sensitivity and achieving a wide bandwidth.
  • Non-Patent Document 3 achieves improved light receiving sensitivity and broadband by allowing both incident light and reflected light to pass through the light absorption layer of the photodiode, but there is a problem in that the light receiving sensitivity is insufficient for increasing the speed of optical communication systems and further expanding the service area covered by optical communication systems.
  • This disclosure has been made in consideration of the above problems. Its purpose is to provide a light receiving element that can achieve further improvement in light receiving sensitivity and a wider bandwidth.
  • a light receiving element has a first semiconductor layer made of a semiconductor of a first conductivity type, a light absorbing layer made of a semiconductor, a second semiconductor layer made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, and a reflective layer, which are formed in this order in the vertical direction on the upper surface of a substrate.
  • the interface between the reflective layer and the second semiconductor layer includes an inclined surface having an inclination angle with respect to the interface between the substrate and the first semiconductor layer.
  • This disclosure makes it possible to further improve the light receiving sensitivity of the light receiving element and achieve a wider bandwidth.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a light receiving element according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of a light receiving element according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a light receiving element according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a light receiving element according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a light receiving element according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • the light receiving element includes a substrate 101, a first semiconductor layer 102, a light absorbing layer 103, a second semiconductor layer 104, and a reflective layer 105.
  • the interface between the reflective layer 105 and the second semiconductor layer 104 includes an inclined surface 401 having an inclination angle with respect to the interface between the substrate 101 and the first semiconductor layer 102.
  • the inclined surface 401 is formed of a flat surface.
  • the first semiconductor layer 102, the light absorbing layer 103, the second semiconductor layer 104, and the reflective layer 105 are formed in this order in the vertical direction on the top surface of the substrate 101.
  • the substrate 101 is an InP (indium phosphide) substrate.
  • the first semiconductor layer 102 is made of a semiconductor of a first conductivity type, for example, P-type InP.
  • the light absorbing layer 103 is made of a semiconductor, for example, undoped InGaAs (indium gallium arsenide).
  • the second semiconductor layer 104 is made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, for example, N-type InP.
  • the reflective layer 105 is a reflective film formed by deposition or the like.
  • the reflective layer 105 is formed on the inclined surface 401 in contact with the second semiconductor layer 104.
  • the inclination angle of the inclined surface 401 is indicated by the inclination angle AR1.
  • the structure of the light receiving element shown in Figure 1 is formed by the following manufacturing method. First, a first semiconductor layer 102, a light absorbing layer 103, and a second semiconductor layer 104 are deposited in this order on a substrate 101 using a method such as Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD).
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • a cylindrical second semiconductor layer 104 is formed by lithography and wet etching. Then, an oblique processing is performed by dry etching to form an inclined surface 401.
  • the inclination angle AR1 of the inclined surface 401 can be adjusted by the installation angle of the substrate 101 during dry etching.
  • a reflective layer 105 is formed on the inclined surface 401 by deposition or the like. Then, the light absorption layer 103 and the first semiconductor layer 102 are formed to the desired size by wet etching.
  • the optical signal SG1 incident on the bottom surface of the substrate 101 passes through the substrate 101 and the first semiconductor layer 102 to reach the light absorbing layer 103.
  • the optical signal SG1 is absorbed according to the thickness of the light absorbing layer 103 and the material that constitutes the light absorbing layer 103.
  • the optical signal SG1 that is not absorbed passes through the second semiconductor layer 104 to reach the reflective layer 105.
  • the optical signal SG1 is reflected and becomes the optical signal SG2.
  • the reflective layer 105 is formed on the inclined surface 401 and in contact with the second semiconductor layer 104, the optical signal SG2 is emitted from the inclined surface 401 at an angle corresponding to the inclination angle AR1.
  • the optical signal SG2 passes through the second semiconductor layer 104 and reaches the optical absorption layer 103.
  • the optical signal SG2 is absorbed in the optical absorption layer 103.
  • the optical signal SG2 that is not absorbed passes through the first semiconductor layer 102 and the substrate 101, and is then emitted.
  • the optical signals SG1 and SG2 are absorbed by the optical absorption layer 103 while passing through the optical absorption layer 103.
  • the magnitude of the inclination angle AR1 is represented by " ⁇ ” and the thickness of the optical absorption layer 103 is represented by "L”
  • the total optical path length "D" of the optical signals SG1 to SG4 when passing through the optical absorption layer 103 is represented by the following formula (1).
  • the optical path length was calculated assuming that the optical signal SG1 is perpendicularly incident on the substrate 101. In reality, the optical signal SG1 is not limited to being perpendicularly incident on the substrate 101, and may be incident on the substrate 101 in any other manner. The incident light may be incident at an angle to the light.
  • the optical path length of light in the light absorption layer is "2L". Therefore, compared to the optical path length in the light absorption layer with a double-pass structure, it can be seen that the optical path length in the light absorption layer 103 of the optical signals SG1 and SG2 in the structure of this embodiment is " ⁇ cos(2 ⁇ )+1 ⁇ /2cos(2 ⁇ )" times longer.
  • the light receiving sensitivity of the light receiving element according to this embodiment is improved.
  • the light receiving sensitivity improves as the inclination angle AR1 of the inclined surface 401 approaches " ⁇ /2" from "0".
  • the travel distance of the electrons and holes generated in the light absorbing layer 103 is determined by the thickness of the light absorbing layer 103, and there is no difference between the travel distance in the double-pass structure and the travel distance in the structure of this embodiment. Therefore, the usable band of the light receiving element according to this embodiment is the same as the usable band of the light receiving element having a double-pass structure.
  • the structure of the photodetector shown in Figure 1 makes it possible to improve the photosensitivity without degrading the bandwidth. This makes it possible to improve the photosensitivity of the photodetector and achieve a wider bandwidth.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a light receiving element (avalanche photodiode) according to a second embodiment of the present disclosure.
  • the light receiving element shown in FIG. 2 further includes a multiplication layer 201 formed between the light absorption layer 103 and the second semiconductor layer 104.
  • the photodetector shown in Figure 2 can improve its photosensitivity without degrading the bandwidth. This makes it possible to improve the photodetector's photosensitivity and widen its bandwidth.
  • [Description of the Third Embodiment] 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a light-receiving element according to a third embodiment of the present disclosure.
  • the interface between the reflective layer 105 and the second semiconductor layer 104 includes a flat surface 402 parallel to the interface between the substrate 101 and the first semiconductor layer 102.
  • the light receiving element may further include a multiplication layer 201 formed between the light absorption layer 103 and the second semiconductor layer 104.
  • the optical signal SG1 is not limited to being incident perpendicularly to the substrate 101, and may be incident at an angle relative to the substrate 101.
  • the light receiving element shown in FIG. 3 can be manufactured in the same manner as the light receiving element shown in FIG. 1.
  • the desired area of the second semiconductor layer 104 can be covered with resist to form an inclined surface 401 and a flat surface 402.
  • optical signal SG1 incident on the bottom surface of substrate 101 is reflected by inclined surface 401 to become optical signal SG2 is the same as in FIG. 1.
  • the optical signal SG3 incident on the bottom surface of the substrate 101 passes through the substrate 101 and the first semiconductor layer 102 to reach the light absorbing layer 103.
  • the optical signal SG3 is absorbed according to the thickness of the light absorbing layer 103 and the material that constitutes the light absorbing layer 103.
  • the optical signal SG3 that is not absorbed passes through the second semiconductor layer 104 to reach the reflective layer 105.
  • the optical signal SG3 is reflected and becomes the optical signal SG4.
  • the optical signal SG3 is reflected at the flat surface 402 and becomes the optical signal SG4.
  • the optical signal SG4 passes through the second semiconductor layer 104 and reaches the optical absorption layer 103.
  • the optical signal SG4 is absorbed in the optical absorption layer 103.
  • the optical signal SG4 that is not absorbed passes through the first semiconductor layer 102 and the substrate 101, and is then emitted.
  • a flat surface 402 is provided at the end of the inclined surface 401, so that the optical signal SG2 emitted from the inclined surface 401 is prevented from being emitted outside the light receiving element without passing through the light absorption layer 103.
  • the light receiving sensitivity of the light receiving element can be improved.
  • the light receiving sensitivity of the light receiving element shown in Figure 3 can be improved without degrading the bandwidth. Therefore, it is possible to improve the light receiving sensitivity of the light receiving element and achieve a wider bandwidth.
  • [Description of the Fourth Embodiment] 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a light receiving element according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • the boundary surface between the reflective layer 105 and the second semiconductor layer 104 includes a plurality of inclined surfaces 401 having an inclination angle with respect to the boundary surface between the substrate 101 and the first semiconductor layer 102.
  • an inclined surface 401 having an inclination angle AR1 and an inclined surface 401 having an inclination angle AR2 are shown.
  • the inclination angles of the plurality of inclined surfaces 401 may be the same angle or different angles.
  • the inclination directions may be the same or different.
  • the light receiving element may further include a multiplication layer 201 formed between the light absorption layer 103 and the second semiconductor layer 104.
  • the optical signal SG1 is not limited to being incident perpendicularly to the substrate 101, and may be incident at an angle relative to the substrate 101.
  • the light receiving sensitivity of the light receiving element shown in Figure 4 can be improved without degrading the bandwidth. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the light receiving element and achieve a wider bandwidth.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a light receiving element according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • the interface between the reflective layer 105 and the second semiconductor layer 104 includes an inclined surface 401 having an inclination angle with respect to the interface between the substrate 101 and the first semiconductor layer 102.
  • the inclined surface 401 is formed of a curved surface. Therefore, the inclination angle of the inclined surface 401 may vary depending on the position.
  • the light receiving element may further include a multiplication layer 201 formed between the light absorption layer 103 and the second semiconductor layer 104.
  • the optical signal SG1 is not limited to being incident perpendicularly to the substrate 101, and may be incident at an angle relative to the substrate 101.
  • the interface between the reflective layer 105 and the second semiconductor layer 104 may include a flat surface 402 parallel to the interface between the substrate 101 and the first semiconductor layer 102.
  • the interface between the reflective layer 105 and the second semiconductor layer 104 may include a plurality of inclined surfaces 401 having an inclination angle with respect to the interface between the substrate 101 and the first semiconductor layer 102.
  • the structure of the light receiving element shown in FIG. 5 is formed by the following manufacturing method. As with the structure in FIG. 1, the first semiconductor layer 102, the light absorbing layer 103, and the second semiconductor layer 104 are deposited in that order on the substrate 101.
  • the cylindrical second semiconductor layer 104 is formed by lithography and wet etching.
  • a curved inclined surface 401 and a flat surface 402 are formed on the upper part of the second semiconductor layer 104, for example, by an ion beam method.
  • the inclination angle AR3 (contact angle) at each point of the curved surface can be adjusted by the irradiation time and angle of the ion beam.
  • the size of the flat surface 402 can also be adjusted by the irradiation time and angle of the ion beam.
  • the reflective layer 105 is formed on the inclined surface 401 by deposition or the like. Then, the light absorbing layer 103 and the first semiconductor layer 102 are formed to the desired size by wet etching.
  • an inclined surface 401 is provided at the end of the flat surface 402, so that the optical signal SG2 emitted from the inclined surface 401 is prevented from being emitted outside the light receiving element without passing through the light absorption layer 103.
  • the light receiving sensitivity of the light receiving element can be improved.
  • the light receiving sensitivity of the light receiving element shown in Figure 5 can be improved without degrading the bandwidth. This makes it possible to improve the light receiving sensitivity of the light receiving element and achieve a wider bandwidth.
  • the light receiving element has a first semiconductor layer made of a semiconductor of a first conductivity type, a light absorbing layer made of a semiconductor, a second semiconductor layer made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, and a reflective layer, which are formed in this order in the vertical direction on the upper surface of the substrate.
  • the interface between the reflective layer and the second semiconductor layer includes an inclined surface having an inclination angle with respect to the interface between the substrate and the first semiconductor layer.
  • the light receiving sensitivity of a light receiving element can be increased by thickening the light absorbing layer and converting all incident light into electric current.
  • the light absorbing layer is thick, the travel time of electrons and holes generated in the light absorbing layer increases, resulting in a limited bandwidth. For this reason, there is a trade-off between improving the light receiving sensitivity of a light receiving element and broadening the bandwidth.
  • the light receiving element of this embodiment compared to the light before it is reflected by the reflective layer, the light that passes through the light absorbing layer after being reflected by the reflective layer travels in a different direction depending on the inclination angle of the inclined surface. As a result, the light absorbing layer is effectively thicker. However, since the actual thickness of the light absorbing layer remains unchanged, the travel time of electrons and holes generated in the light absorbing layer does not increase, and the bandwidth is not limited.
  • the inclined surface may be formed as a flat surface. This allows the direction of light reflected at the boundary surface between the reflective layer and the second semiconductor layer to be aligned in a predetermined direction. This makes it possible to more reliably increase the effective thickness of the light absorption layer, thereby achieving further improvement in the light receiving sensitivity of the light receiving element and a wider bandwidth.
  • the inclined surface may be configured as a curved surface. This prevents light reflected at the boundary surface between the reflective layer and the second semiconductor layer and emitted from the inclined surface from being emitted outside the light receiving element without passing through the light absorbing layer. As a result, it is possible to improve the light receiving sensitivity of the light receiving element.
  • the interface between the reflective layer and the second semiconductor layer may include a flat surface parallel to the interface between the substrate and the first semiconductor layer. This prevents light reflected at the interface between the reflective layer and the second semiconductor layer and emitted from the inclined surface from being radiated outside the light receiving element without passing through the light absorbing layer. As a result, it is possible to improve the light receiving sensitivity of the light receiving element.
  • the interface between the reflective layer and the second semiconductor layer may include a plurality of inclined surfaces. This makes it possible to more reliably increase the effective thickness of the light absorbing layer, thereby achieving further improvement in the light receiving sensitivity and broadening of the bandwidth of the light receiving element.
  • the light receiving element according to this embodiment may further include a multiplication layer that performs avalanche multiplication between the light absorption layer and the second semiconductor layer. This can increase the light receiving sensitivity of the light receiving element.
  • light that passes through the light absorbing layer and reaches the reflective layer may be reflected by the reflective layer and pass through the light absorbing layer again. This allows as much of the incident light as possible to be converted into current, thereby increasing the light receiving sensitivity of the light receiving element.

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Abstract

受光素子は、基板（１０１）の上面の鉛直方向に順に形成された、第１導電型の半導体からなる第１半導体層（１０２）、半導体からなる光吸収層（１０３）、第１導電型とは異なる第２導電型の半導体からなる第２半導体層（１０４）、反射層（１０５）、を有する。反射層（１０５）と第２半導体層（１０４）の境界面は、基板（１０１）と第１半導体層（１０２）の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面（４０１）を含む。

Description

受光素子
　本開示は、受光素子に関する。
　非特許文献１には、光を電流に変換するフォトダイオードの受光感度が、フォトンのエネルギーが電流に変換される割合によって定義されることが開示されている。フォトダイオードの受光感度は、単位Ａ／Ｗによって表される。
　非特許文献２には、光通信システムの高速化を実現するためのフォトダイオードとして、３０ＧＨｚでの受光感度が０．８Ａ／Ｗであるフォトダイオードが開示されている。また、非特許文献３には、光通信システムの高速化を実現するためのフォトダイオードとして、７０ＧＨｚでの受光感度が０．７Ａ／Ｗであるフォトダイオードが開示されている。一般に、フォトダイオードの受光感度の向上と広帯域化はトレードオフの関係にある。
　非特許文献３には、ダブルパス構造を有するフォトダイオードが開示されている。非特許文献３によれば、基板の表面に形成したフォトダイオードの上面に配置したミラーによって、基板の裏面から入射した光を反射する。そして、入射光及び反射光の両方がフォトダイオードの光吸収層を通過することで、受光感度の向上と広帯域化を実現している。
加藤和利「光検出器の原理と応用　高速フォトダイオードの話題を中心に」計測と制御　45 巻 (2006) 4 号　https://doi.org/10.11499/sicejl1962.45.312 T. Yoshimatsu et al., "Composite-field MIC-PDs for low-bias-voltage operation," 2010 22nd International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM), 2010, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICIPRM.2010.5516213. M. Nada et al., "Inverted p-down pin photodiode exceeding 70-GHz bandwidth featuring low operating bias voltage of 2 V," 2020 European Conference on Optical Communications (ECOC), 2020, pp. 1-4, doi: 10.1109/ECOC48923.2020.9333388.
　非特許文献３に記載されたフォトダイオードによれば、入射光及び反射光の両方がフォトダイオードの光吸収層を通過することで、受光感度の向上と広帯域化を実現しているが、光通信システムの高速化及び光通信システムの対象となるサービスエリアの更なる拡大のためには、受光感度が十分でないという問題がある。
　本開示は、上記問題に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、更なる受光感度の向上と広帯域化を実現することができる受光素子を提供することにある。
　上述した課題を解決するために、本開示の一態様に係る受光素子は、基板の上面の鉛直方向に順に形成された、第１導電型の半導体からなる第１半導体層、半導体からなる光吸収層、第１導電型とは異なる第２導電型の半導体からなる第２半導体層、反射層、を有する。反射層と第２半導体層の境界面は、基板と第１半導体層の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面を含む。
　本開示によれば、受光素子の更なる受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
図１は、本開示の第１実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。 図２は、本開示の第２実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。 図３は、本開示の第３実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。 図４は、本開示の第４実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。 図５は、本開示の第５実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。
　次に、図面を参照して、本開示の実施の形態を詳細に説明する。説明において、同一のものには同一符号を付して重複説明を省略する。
　［第１実施形態の説明］
　図１は、本開示の第１実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。受光素子（フォトダイオード）は、基板１０１、第１半導体層１０２、光吸収層１０３、第２半導体層１０４、反射層１０５を備える。反射層１０５と第２半導体層１０４の境界面は、基板１０１と第１半導体層１０２の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面４０１を含む。例えば、図１に示すように、傾斜面４０１は平面で構成される。
　第１半導体層１０２、光吸収層１０３、第２半導体層１０４、反射層１０５は、基板１０１の上面の鉛直方向に順に形成されている。例えば、基板１０１は、ＩｎＰ（リン化インジウム）の基板である。第１半導体層１０２は、第１導電型の半導体からなり、例えばＰ型のＩｎＰである。光吸収層１０３は半導体からなり、例えば、アンドープＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）である。第２半導体層１０４は、第１導電型とは異なる第２導電型の半導体からなり、例えばＮ型のＩｎＰである。反射層１０５は、蒸着等により形成された反射膜である。
　反射層１０５は、傾斜面４０１上に第２半導体層１０４と接して形成されている。ここで、傾斜面４０１の傾斜角は、傾斜角ＡＲ１によって示されている。
　図１に示す受光素子の構造は、次の製造方法によって形成される。初めに、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）などの手法を用いて、基板１０１上に、第１半導体層１０２、光吸収層１０３、第２半導体層１０４の順番で堆積させていく。
　次に、リソグラフィー技術およびウエットエッチングにより円柱状の第２半導体層１０４を形成する。そして、ドライエッチングにより、傾斜面４０１を形成する斜め加工を行う。傾斜面４０１の傾斜角ＡＲ１は、ドライエッチングの際の基板１０１の設置角度により調整可能である。斜め加工後、蒸着等により傾斜面４０１上に反射層１０５を形成する。その後、光吸収層１０３、第１半導体層１０２をウエットエッチングにより所望のサイズに形成する。
　次に、受光素子内の光路について説明する。光吸収層１０３を通過して反射層１０５に到達した光は、反射層１０５で反射されて、再度、光吸収層１０３を通過する。
　より具体的には、基板１０１の下面から入射した光信号ＳＧ１は、基板１０１及び第１半導体層１０２を通過して、光吸収層１０３に至る。光吸収層１０３において、光吸収層１０３の厚み及び光吸収層１０３の構成材料に応じて光信号ＳＧ１が吸収される。吸収されなかった光信号ＳＧ１が、第２半導体層１０４を通過して反射層１０５に至る。
　反射層１０５において、光信号ＳＧ１は反射され、光信号ＳＧ２となる。ここで、反射層１０５は、傾斜面４０１上に第２半導体層１０４と接して形成されているため、光信号ＳＧ２は、傾斜面４０１より傾斜角ＡＲ１に対応した角度で出射される。
　光信号ＳＧ２は、第２半導体層１０４を通過して光吸収層１０３に至る。光吸収層１０３において、光信号ＳＧ２が吸収される。吸収されなかった光信号ＳＧ２が、第１半導体層１０２及び基板１０１を通過し、その後、放射される。
　上述のように、光信号ＳＧ１，ＳＧ２が光吸収層１０３を通過する間に光吸収層１０３で吸収される構造となっている。ここで、傾斜角ＡＲ１の大きさが「θ」で表され、光吸収層１０３の厚みが「Ｌ」で表される場合、光吸収層１０３を通過する際の光信号ＳＧ１～ＳＧ４の光路長の合計「Ｄ」は、次の数式（１）によって表される。
　Ｄ＝Ｌ＋Ｌ／ｃｏｓ（２θ）　　・・・（１）
　なお、光信号ＳＧ１は、基板１０１に対して垂直に入射するものとして光路長を計算した。実際には、光信号ＳＧ１は、基板１０１に対して垂直に入射する場合に限らず、基板１０１に対して傾斜した向きで入射するものであってもよい。
　ダブルパス構造の受光素子によれば、光吸収層における光の光路長は「２Ｌ」である。したがって、ダブルパス構造による光吸収層内での光路長と比較して、本実施形態の構造における光信号ＳＧ１，ＳＧ２による光吸収層１０３内での光路長は、「｛ｃｏｓ（２θ）＋１｝／２ｃｏｓ（２θ）」倍だけ長くなっていることが分かる。その結果、ダブルパス構造を有する受光素子の受光感度と比較して、本実施形態に係る受光素子の受光感度は向上することになる。特に、傾斜面４０１の傾斜角ＡＲ１が「０」から「π／２」に近づくにつれて、受光感度は向上する。
　光吸収層１０３において発生した電子及び正孔の移動距離は、光吸収層１０３の厚みによって決まり、ダブルパス構造における移動距離と本実施形態の構造における移動距離に違いがない。そのため、ダブルパス構造を有する受光素子の使用可能な帯域と比較して、本実施形態に係る受光素子の使用可能な帯域は、同じである。
　図１に示される受光素子の構造により、帯域を劣化させることなく受光感度を向上させることができる。よって、受光素子の受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　［第２実施形態の説明］
　図２は、本開示の第２実施形態に係る受光素子（アバランシェフォトダイオード）の構成を示す断面図である。図２に示す受光素子は、光吸収層１０３と第２半導体層１０４の間に形成された増倍層２０１を更に備える。
　図１に示す受光素子と同様に、図２に示す受光素子においても、帯域を劣化させることなく受光感度を向上させることができる。よって、受光素子の受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　［第３実施形態の説明］
　図３は、本開示の第３実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。反射層１０５と第２半導体層１０４の境界面は、基板１０１と第１半導体層１０２の境界面に対して平行な平坦面４０２を含む。
　なお、図２に示す受光素子と同様に、光吸収層１０３と第２半導体層１０４の間に形成された増倍層２０１を更に備えるものであってもよい。また、光信号ＳＧ１は、基板１０１に対して垂直に入射する場合に限らず、基板１０１に対して傾斜した向きで入射するものであってもよい。
　図１に示す受光素子と同様に、図３に示す受光素子を製造することが可能である。なお、ドライエッチングによる斜め加工の際、第２半導体層１０４の所望の範囲をレジストで覆うことにより、傾斜面４０１及び平坦面４０２を形成することが可能である。
　基板１０１の下面から入射した光信号ＳＧ１が、傾斜面４０１によって反射されて光信号ＳＧ２となる様子は、図１の場合と同様である。
　基板１０１の下面から入射した光信号ＳＧ３は、基板１０１及び第１半導体層１０２を通過して、光吸収層１０３に至る。光吸収層１０３において、光吸収層１０３の厚み及び光吸収層１０３の構成材料に応じて光信号ＳＧ３が吸収される。吸収されなかった光信号ＳＧ３が、第２半導体層１０４を通過して反射層１０５に至る。
　反射層１０５において、光信号ＳＧ３は反射され、光信号ＳＧ４となる。特に、光信号ＳＧ３は、平坦面４０２において反射されて光信号ＳＧ４となる。
　光信号ＳＧ４は、第２半導体層１０４を通過して光吸収層１０３に至る。光吸収層１０３において、光信号ＳＧ４が吸収される。吸収されなかった光信号ＳＧ４が、第１半導体層１０２及び基板１０１を通過し、その後、放射される。
　図３に示す構造によれば、傾斜面４０１の端部に平坦面４０２が設けられているため、傾斜面４０１から出射された光信号ＳＧ２が、光吸収層１０３を通過せずに受光素子の外部に放射されてしまうことが抑制される。その結果、受光素子の受光感度の向上を実現することができる。
　図１，２に示す受光素子と同様に、図３に示す受光素子においても、帯域を劣化させることなく受光感度を向上させることができる。よって、受光素子の受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　［第４実施形態の説明］
　図４は、本開示の第４実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。反射層１０５と第２半導体層１０４の境界面は、基板１０１と第１半導体層１０２の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面４０１を複数含む。図４では、傾斜角ＡＲ１を有する傾斜面４０１と、傾斜角ＡＲ２を有する傾斜面４０１が示されている。複数ある傾斜面４０１の傾斜角は、同じ角度であってもよいし、異なる角度であってもよい。また、傾斜する方向が同じであってもよいし、異なっていてもよい。
　なお、図２に示す受光素子と同様に、光吸収層１０３と第２半導体層１０４の間に形成された増倍層２０１を更に備えるものであってもよい。また、光信号ＳＧ１は、基板１０１に対して垂直に入射する場合に限らず、基板１０１に対して傾斜した向きで入射するものであってもよい。
　図１～３に示す受光素子と同様に、図４に示す受光素子においても、帯域を劣化させることなく受光感度を向上させることができる。よって、受光素子の受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　［第５実施形態の説明］
　図５は、本開示の第５実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。反射層１０５と第２半導体層１０４の境界面は、基板１０１と第１半導体層１０２の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面４０１を含む。例えば、図５に示すように、傾斜面４０１は曲面で構成される。したがって、傾斜面４０１の傾斜角は位置によって異なるものであってもよい。
　なお、図２に示す受光素子と同様に、光吸収層１０３と第２半導体層１０４の間に形成された増倍層２０１を更に備えるものであってもよい。また、光信号ＳＧ１は、基板１０１に対して垂直に入射する場合に限らず、基板１０１に対して傾斜した向きで入射するものであってもよい。
　その他、図３に示すように、反射層１０５と第２半導体層１０４の境界面は、基板１０１と第１半導体層１０２の境界面に対して平行な平坦面４０２を含むものであってもよい。図４に示すように、反射層１０５と第２半導体層１０４の境界面は、基板１０１と第１半導体層１０２の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面４０１を複数含むものであってもよい。
　図５に示す受光素子の構造は、次の製造方法によって形成される。図１の構造と同様に、基板１０１上に、第１半導体層１０２、光吸収層１０３、第２半導体層１０４の順番で堆積させていく。リソグラフィー技術およびウエットエッチングにより円柱状の第２半導体層１０４を形成する。
　次に、例えばイオンビーム法により第２半導体層１０４の上部に、曲面状の傾斜面４０１、及び、平坦面４０２を形成する。曲面の各点での傾斜角ＡＲ３（接点角度）は、イオンビームの照射時間及び角度により調整可能である。また、平坦面４０２のサイズも、イオンビームの照射時間及び角度により調整可能である。
　その後、蒸着等により傾斜面４０１上に反射層１０５を形成する。その後、光吸収層１０３、第１半導体層１０２をウエットエッチングにより所望のサイズに形成する。
　図５に示す構造によれば、平坦面４０２の端部に傾斜面４０１が設けられているため、傾斜面４０１から出射された光信号ＳＧ２が、光吸収層１０３を通過せずに受光素子の外部に放射されてしまうことが抑制される。その結果、受光素子の受光感度の向上を実現することができる。
　図１～４に示す受光素子と同様に、図５に示す受光素子においても、帯域を劣化させることなく受光感度を向上させることができる。よって、受光素子の受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　［実施形態の効果］
　以上詳細に説明したように、本実施形態に係る受光素子は、基板の上面の鉛直方向に順に形成された、第１導電型の半導体からなる第１半導体層、半導体からなる光吸収層、第１導電型とは異なる第２導電型の半導体からなる第２半導体層、反射層、を有する。反射層と第２半導体層の境界面は、基板と第１半導体層の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面を含む。
　これにより、受光素子の更なる受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　受光素子の受光感度は光吸収層を厚くし、入射した光を残さず電流に変換することで高めることができる。一方で、光吸収層が厚いと、光吸収層で発生した電子や正孔の移動時間が増加し、結果として帯域が制限される。このような理由により、受光素子の受光感度の向上と広帯域化はトレードオフの関係にある。本実施形態に係る受光素子によれば、反射層で反射される前の光と比較して、反射層で反射された後に光吸収層を通過する光は、傾斜面の傾斜角に応じて異なる方向に進む。その結果、光吸収層が実効的に厚くなっている。しかし実際の光吸収層の厚さは変わっていないため、光吸収層で発生した電子や正孔の移動時間が増加することがなく、帯域も制限されない。
　また、本実施形態に係る受光素子において、傾斜面は平面で構成されるものであってもよい。これにより、反射層と第２半導体層の境界面で反射される光の進む方向を所定の方向にそろえることができる。より確実に光吸収層を実効的に厚くすることができるため、受光素子の更なる受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　さらに、本実施形態に係る受光素子において、傾斜面は曲面で構成されるものであってもよい。これにより、反射層と第２半導体層の境界面で反射されて傾斜面から出射された光が、光吸収層を通過せずに受光素子の外部に放射されてしまうことが抑制される。その結果、受光素子の受光感度の向上を実現することができる。
　また、本実施形態に係る受光素子において、反射層と第２半導体層の境界面は、基板と第１半導体層の境界面に対して平行な平坦面を含むものであってもよい。これにより、反射層と第２半導体層の境界面で反射されて傾斜面から出射された光が、光吸収層を通過せずに受光素子の外部に放射されてしまうことが抑制される。その結果、受光素子の受光感度の向上を実現することができる。
　さらに、本実施形態に係る受光素子において、反射層と第２半導体層の境界面は、複数の傾斜面を含むものであってもよい。これにより、より確実に光吸収層を実効的に厚くすることができるため、受光素子の更なる受光感度の向上と広帯域化を実現することができる。
　また、本実施形態に係る受光素子は、光吸収層と第２半導体層の間に、アバランシェ増倍を行う増倍層を更に備えるものであってもよい。これにより、受光素子の受光感度を増大させることができる。
　さらに、本実施形態に係る受光素子において、光吸収層を通過して反射層に到達した光は、反射層で反射されて、再度、光吸収層を通過するものであってもよい。これにより、入射した光をなるべく多く電流に変換して、受光素子の受光感度を増大させることができる。
　以上、実施形態に沿って本開示の内容を説明したが、本開示はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。この開示の一部をなす論述および図面は本開示を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
　本開示はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本開示の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
　１０１　　基板
　１０２　　第１半導体層
　１０３　　光吸収層
　１０４　　第２半導体層
　１０５　　反射層
　４０１　　傾斜面
　４０２　　平坦面
　２０１　　増倍層
　ＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ３，ＳＧ４　光信号

Claims (7)

  1. 　基板の上面の鉛直方向に順に形成された
    　　第１導電型の半導体からなる第１半導体層、
    　　半導体からなる光吸収層、
    　　前記第１導電型とは異なる第２導電型の半導体からなる第２半導体層、
    　　反射層、
    を有する受光素子であって、
    　前記反射層と前記第２半導体層の境界面は、前記基板と前記第１半導体層の境界面に対して傾斜角を有する傾斜面を含むこと
    を特徴とする受光素子。
  2. 　前記傾斜面は、平面で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
  3. 　前記傾斜面は、曲面で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
  4. 　前記反射層と前記第２半導体層の境界面は、前記基板と前記第１半導体層の境界面に対して平行な平坦面を含むこと
    を特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
  5. 　前記反射層と前記第２半導体層の境界面は、複数の前記傾斜面を含むこと
    を特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の受光素子。
  6. 　前記光吸収層と前記第２半導体層の間に、アバランシェ増倍を行う増倍層を更に備えること
    を特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の受光素子。
  7. 　前記光吸収層を通過して前記反射層に到達した光は、前記反射層で反射されて、再度、前記光吸収層を通過すること
    を特徴とする、請求項１～４いずれか一項に記載の受光素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008153361A (ja) * 2006-12-15 2008-07-03 Hitachi Ltd 固体撮像素子、光検出器及びこれを用いた認証装置
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WO2022079913A1 (ja) * 2020-10-16 2022-04-21 株式会社京都セミコンダクター 半導体受光素子

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