JPH0653537A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 半導体基板の裏面に光が入射可能な窓部が形
成されてなる受光素子において、上記窓部の内側の基板
面に、受光する光の波長をλ、半導体基板結晶の屈折率
をｎ、半導体基板の厚さをｌ、上記窓部中心からの距離
をｒとしたときに隣合う溝との間隔ｄが次式 ｄ＝λ／（２ｎ・ｓｉｎθ），θ＝ｔａｎ-¹（ｒ／ｌ） で現わされ、深さがλ／４である同心円状の複数の溝か
らなる回折格子型レンズを形成するようにした。 【効果】 通常の凸形レンズを基板裏面に一体に形成し
たものに比べて大口径化および短焦点化が実現でき、加
工ばらつきに伴う曲率の変化や偏心による集光位置(焦
点)ずれがなくなり、光ファイバーとの光結合が容易と
なってｐ型拡散領域の小面積化が可能となり、これによ
ってｐｎ接合容量が低減された応答速度の速い半導体受
光素子を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置特にＩｎ
Ｐ単結晶のような化合物半導体基板を用いた受光素子に
関し、例えば光通信における信号受信用のＰＩＮフォト
ダイオードに利用して効果的な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体受光素子は、光通信や光情
報処理用の高感度受光器として実用化が図られており、
アバランシェ型フォトダイオードやＰＩＮ型フォトダイ
オードが知られている。このうち、アバランシェ型フォ
トダイオードは、ブレイクダウン電圧近傍にバイアスさ
れることにより、高電界における電子もしくは正孔のな
だれ増倍による高い内部電流利得を持ち、高感度素子と
して実用化されている。一方、ＰＩＮ型フォトダイオー
ドは、低い電圧で動作させることができるため、他の電
子回路と電源を共用することができ、単一電源電圧の装
置を構成できるという大きな利点を有している。そのた
め、例えば二重リング型光ファイバを用いたローカルエ
リアネットワークの分岐点（ノード）等を構成する送受
信モジュールにおける光電変換素子として広く使用され
ている。特に、ディジタル化された動画像情報を分配す
る光ファイバを用いたケーブルテレビ配給網等において
は、将来大容量の画像情報の伝送のため２Ｇｂｉｔ／秒
程度の高速度に対応できる受光素子が必要となる。

【０００３】従来、光通信における信号受信用のＰＩＮ
型フォトダイオードとしては、例えば図３に示すような
裏面入射型ものがある。すなわち、ＩｎＰ基板１の表面
（図では下面）にハイドライド気相エピタキシャル成長
法等によってｎ型ＩｎＰバッファ層２とｎ型ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層３とｎ型ＩｎＰキャップ層４を順に成長させ
る。そして、上記ＩｎＰキャップ層４の一部には、Ｚｎ
のようなｐ型不純物を拡散させて、上記ｎ型ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層３との界面に達するようなｐ型拡散領域６を
形成する。さらに、キャップ層４の表面には窒化シリコ
ン膜からなる保護膜７を、また上記ｐ型拡散領域６の表
面にはオーミック電極８を形成する。一方、ＩｎＰ基板
１の裏面（図では上面）にはｎ型電極９を形成し、その
中央には光入射用開口部９ａを開けてその内側には反射
率が最小となるように膜厚を制御した窒化シリコンから
なる反射防止膜１０を形成するというものである。

【０００４】上記構造の受光素子にあっては、上記電極
８，９間に逆方向電圧すなわち電極８に負の電圧をまた
電極９に正の電圧を印加される。このような逆バイアス
状態ではｐ型拡散領域６の境界の空乏層３０は主として
ＩｎＧａＡｓ光吸収層３内に広がる。この状態で、受光
部より入射した光はＩｎＰ基板１およびバッファ層２で
は吸収されず光吸収層３に到達して吸収され、電子−正
孔対が発生する。空乏層３０内で発生した電子−正孔対
は、空乏層３０内の電界により加速されて電極８，９に
達し、光電流として外部回路で観測される。ところで、
ＰＩＮ型フォトダイオードにあっては、応答速度を制限
する主な要因として、受光部に寄生する接合容量と寄生
抵抗によるＣＲ時定数と、光吸収で発生した電子−正孔
対の走行時間の２つがある。このうちＣＲ時定数による
制限については、受光部（ｐ型拡散層６）の面積を低減
して接合容量を小さくしたり、電極の接触抵抗を小さく
することにより高速化を図ることができる。しかるに、
ｐ型拡散領域６を小さくして小面積化を図ると光ファイ
バーとの光結合が困難になる。そこで、基板１の裏面に
一点鎖線Ａで示すようなレンズを一体に形成して入射光
を光吸収層３に集光させるようにした技術が提案されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、基板裏面に
レンズを一体に形成するには、高度に制御されたエッチ
ング技術を必要とするためプロセスが複雑になるととも
に、エッチングのみでレンズ加工を行なうとレンズ形状
の精度が低くレンズの曲率が変化したり、偏心により集
光位置がずれてしまうという欠点がある。そのため、従
来のレンズ一体型フォトダイオードではそれほどｐ型拡
散領域６を小さくすることができず、ｐｎ接合容量の低
減による高速化にも限界があることが分かった。この発
明は、上記の問題点に着目してなされたもので、高度な
エッチング技術を使用することなく、応答速度の速い半
導体受光素子を実現することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
上にバッファ層を介して形成された第１の導電型の半導
体層からなる光吸収層の上に、該光吸収層よりも禁制帯
幅の大きな第１の導電型の半導体層からなるキャップ層
が形成されているとともに、該キャップ層の一部には第
２の導電型の拡散領域が形成され、この拡散領域の表面
には電極が形成されているとともに、上記半導体基板の
裏面には光が入射可能な窓部が形成されてなる受光素子
において、上記窓部の内側の基板面に、受光する光の波
長をλ、半導体基板結晶の屈折率をｎ、半導体基板の厚
さをｌ、上記窓部中心からの距離をｒとしたときに、隣
合う溝との間隔ｄが次式 ｄ＝λ／（２ｎ・ｓｉｎθ），θ＝ｔａｎ-¹（ｒ／ｌ） で現わされ、深さがλ／４である同心円状の複数の溝か
らなる回折格子型レンズを形成するようにしたものであ
る。

【０００７】

【作用】上記した手段によれば、半導体基板の裏面の窓
部内側に形成された回折格子型レンズによって、入射し
た光を回折格子と同一の原理で光吸収層に集光させるこ
とができるため、通常の凸形レンズを基板裏面に一体に
形成したものに比べて大口径化および短焦点化が実現で
き、加工ばらつきに伴う曲率の変化や偏心による集光位
置(焦点)ずれがなくなり、光ファイバーとの光結合が容
易となってｐ型拡散領域の小面積化が可能となり、これ
によってｐｎ接合容量が低減された応答速度の速い半導
体受光素子を得ることができる。また、半導体基板裏面
の集光用の回折格子型レンズは、深さが一定(λ／４)で
ある同心円状の複数の溝からなるので、凸形レンズやフ
レネルレンズを基板に形成する場合のように曲面や傾斜
面の形成が不要であるため、通常のフォトリソグラフィ
技術による選択エッチングで簡単に形成することがで
き、プロセスを複雑にすることなくレンズ構造を有する
半導体受光素子を製造することができるようになる。な
お、溝の深さをλ／４としたのは、このタイプの回折格
子では１次の強度分布が最も強くなる溝の深さはλ／４
の奇数倍であること、及び格子間隔が狭くなる周辺部で
の加工が容易になることにより選択した。

【０００８】

【実施例】以下、図面を用いて本発明をＩｎＰを基板と
するＰＩＮ型フォトダイオードに適用した場合の実施例
を説明する。図１には本発明に係るＰＩＮ型フォトダイ
オードの一実施例が示されている。同図において図３に
示されている符号と同一符号は同一または相当部分を示
す。この実施例では、ＩｎＰ基板１の裏面（図では上
面）に深さが一定である同心円状の複数の溝からなる回
折格子型レンズ１１が形成され、この回折格子型レンズ
１１の表面に窒化シリコンからなる反射防止膜１０が、
また回折格子型レンズ１１の外側の基板表面には、ｎ型
オーミック電極９が形成されている。そして、ＩｎＰ基
板１の表面（図では下面）には、ｎ型ＩｎＰバッファ層
２と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３と、ｎ型ＩｎＰキャ
ップ層４とが順に形成されている。

【０００９】上記回折格子型レンズは、隣合う溝との間
隔ｄが次式 ｄ＝λ／（２ｎ・ｓｉｎθ），θ＝ｔａｎ-¹（ｒ／ｌ） で現わされ、深さがλ／４である複数の溝１１ａ，１１
ｂ，１１ｃ，１１ｄが同心円をなすように形成すること
で得られる。この場合、レンズの外径の大きさを先に決
定して上記式を満たす溝の間隔を外側から内側へ順に計
算して求めて行くようにしても良いし、レンズの中央の
フラット部分の大きさを先に決定してから上記式を満た
す溝の間隔を内側から外側へ順に計算して求めて行くよ
うにしても良い。

【００１０】また、上記キャップ層４の一部には、Ｚｎ
のようなｐ型不純物が拡散され上記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光
吸収層３との界面に達するようなｐ型拡散領域６が設け
られている。さらに、キャップ層４の表面には窒化シリ
コンからなる表面保護膜７が形成され、この表面保護膜
のｐ型拡散領域６に対応する部分には開口部が形成され
ており、この開口部の内側にはキャップ層４よりも禁制
帯幅の小さなｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を介し
て、図２に拡大して示すように、Ｔｉとｐ型不純物とな
るＺｎ等のIIＢ族金属の積層薄膜構造（Ｔｉ層／Ｚｎ
層）を有するｐ型オーミック電極８ａおよびＴｉ／Ｐｔ
／Ａｕ構造の第２ｐ型電極８ｂが積層形成されている。

【００１１】この実施例のＰＩＮ型フォトダイオードに
あっては、素子の上方から全体に亘って入射光が照射さ
れても、回折格子型レンズ１１によって光吸収層３の界
面の空乏層３０の部分に集光させることができるととも
に、回折格子型レンズ１１の中央部分はフラットである
ため、通常の凸形レンズにおけるような加工ばらつきに
伴う曲率の変化や偏心による集光位置(焦点)ずれやフレ
ネルレンズにおけるマスクずれによる軸ずれがない。ま
た、光ファイバーからの入射条件（ファイバーとの距離
やコア径、開口数）の違いによる光の広がり方に対し
て、中心のフラット部分の大きさを変える（例えば、ま
っすぐ入射する場合には中心フラット部を大きくし、広
がり目に入射する場合には中心フラット部を狭くする）
ことにより対処することができる。これによって光ファ
イバーとの光結合が容易となる。その結果、ｐ型拡散領
域の小面積化が可能となり、ｐｎ接合容量が低減され、
ＣＲ時定数で決まる素子の遮断周波数が高くなって、素
子の応答性が向上する。

【００１２】また、この実施例では、ｐ型電極をIIＢ族
金属を含む積層構造（Ｔｉ層／Ｚｎ層）を有するｐ型オ
ーミック電極８ａの上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造の第２ｐ
型電極８ｂを積層した構造としたので、従来のＡｕ合金
からなるオーミック電極のようなアロイ化層が不要であ
るため、高い温度で長い時間熱処理をする必要がなくな
り、熱歪による回折格子型レンズ１１の特に周辺部での
保護膜（反射防止膜１０）の剥離や割れを防止すること
ができるとともに、電気的接触の熱的安定性が向上され
る。さらに、低接触抵抗が得られるため、シリーズ抵抗
が小さくなりＣＲ時定数で決まる素子の遮断周波数が高
くなって、素子の応答速度が速くなる。

【００１３】次に、上記実施例のＰＩＮ型フォトダイオ
ードの製造プロセスについて説明する。ＩｎＰ基板１上
のｎ型ＩｎＰバッファ層２と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収
層３と、ｎ型ＩｎＰキャップ層４はＭＯＶＰＥ法（有機
金属気相エピタキシャル成長法）によって順次エピタキ
シャル成長させて形成する。ｐ型拡散領域６は、ｎ型Ｉ
ｎＰキャップ層４の上にｐ型ＩｎＧａＡｓ層をエピタキ
シャル成長させてから、その上に窒化シリコン膜を形成
して受光領域に対応する部分に円形の拡散窓を開け、こ
れを拡散マスクとしてＺｎ（亜鉛）をｎ型ＩｎＧａＡｓ
光吸収層３との界面に達するまで選択拡散させて形成す
る。コンタクト層１６は、上記拡散マスクを除去した
後、ｐ型拡散領域６の上の部分にのみｐ型ＩｎＧａＡｓ
層が残るようにエッチングすることで形成する。

【００１４】キャップ層４の表面の表面保護膜７は、窒
化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成した後、５００
℃以下（通常４００〜４５０℃）の温度で熱処理して膜
の均一化および緻密化を行なう。そして、この表面保護
膜７のｐ型拡散領域６に対応する部分には開口部を形成
する。この開口部の内側のｐ型電極８ａおよび８ｂは、
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の上に上記開口部を
覆うように、まずＴｉ層を約２００Å、Ｚｎ層を約１０
０Åの厚みに、さらにその上にＴｉ層を約２００Å、Ｐ
ｔ層を約１０００Åの厚みに形成する。それから、４５
０℃程度の温度で非酸化雰囲気中にて数十秒間熱処理を
施して、Ｚｎをｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６に固
相拡散させてＴｉ層の電気的接触抵抗を下げ、オーミッ
ク電極８ａとする。次に、上記オーミック電極８ａの上
にＴｉ層を約５００Å、Ｐｔ層を約１０００Å、Ａｕ層
を約３０００Åの厚みに被着してからパターニングして
第２ｐ型電極８ｂを形成する。

【００１５】基板裏面の回折格子型レンズ１１は、鏡面
研磨された基板裏面に、溝と溝との間隔ｄが、ｄ＝λ／
（２ｎ・ｓｉｎθ）を満足する複数の輪環状酸化シリコ
ン膜を同心円をなすようにリソグラフィ技術で形成した
後、これをエッチングマスクとして気相エッチング法で
基板裏面をλ／４の深さまで選択エッチングして形成す
る。また、複数のリング状溝を形成した後は、エッチン
グマスクとなった酸化シリコン膜を除去してから、基板
裏面にアルミニウム等の金属からなるｎ型電極９を形成
し、その中央の回折格子型レンズ１１に対応して光入射
用窓部９ａを開けてから、その内側に反射率が最小とな
るように膜厚を制御した窒化シリコンからなる反射防止
膜１０を形成する。

【００１６】なお、上記実施例では、説明の都合上、先
に基板表面側の光電変換部分（ｐ型拡散領域，ｐ型電
極）の形成方法について説明したが、製造の順序として
は基板裏面側の回折格子型レンズと基板表面側の光電変
換部分のいずれを先に形成することも可能である。ま
た、実施例のｐ型電極（８ａ，８ｂ）に加え、ｎ型電極
９に対応する電極部を基板表面に設けるようにしたいわ
ゆるフリッフチップ型の受光素子にも適用することがで
きる。さらに、実施例では本発明を、ＰＩＮ型フォトダ
イオードに適用した場合について説明したが、アバラン
シェ型フォトダイオードその他の半導体受光素子に適用
することもできる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明は、半導体
基板上にバッファ層を介して形成された第１の導電型の
半導体層からなる光吸収層の上に、該光吸収層よりも禁
制帯幅の大きな第１の導電型の半導体層からなるキャッ
プ層が形成されているとともに、該キャップ層の一部に
は第２の導電型の拡散領域が形成され、この拡散領域の
表面には電極が形成されているとともに、上記半導体基
板の裏面には光が入射可能な窓部が形成されてなる受光
素子において、上記窓部の内側の基板面に、受光する光
の波長をλ、半導体基板結晶の屈折率をｎ、半導体基板
の厚さをｌ、上記窓部中心からの距離をｒとしたとき
に、隣合う溝との間隔ｄが次式 ｄ＝λ／（２ｎ・ｓｉｎθ），θ＝ｔａｎ-¹（ｒ／ｌ） で現わされ、深さがλ／４である同心円状の複数の溝か
らなる回折格子型レンズを形成するようにしたので、半
導体基板の裏面の窓部内側に形成された回折格子型レン
ズによって、入射した光を回折格子と同一の原理で光吸
収層に集光させることができる。そのため、通常の凸形
レンズを基板裏面に一体に形成したものに比べて大口径
化および短焦点化が実現でき、加工ばらつきに伴う曲率
の変化や偏心による集光位置(焦点)ずれがなくなり、光
ファイバーとの光結合が容易となってｐ型拡散領域の小
面積化が可能となり、これによってｐｎ接合容量が低減
された応答速度の速い半導体受光素子を得ることができ
る。

【００１８】また、半導体基板裏面の集光用の回折格子
型レンズは、深さが一定(λ／４)である同心円状の複数
の溝からなるので、凸形レンズやフレネルレンズを基板
に形成する場合のように曲面や傾斜面の形成が不要であ
るため、通常のフォトリソグラフィ技術による選択エッ
チングで簡単に形成することができ、プロセスを複雑に
することなくレンズ構造を有する半導体受光素子を製造
することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をＩｎＰを基板とするＰＩＮ型フォトダ
イオードに適用した場合の一実施例の構造を示す断面図
である。

【図２】上記実施例のＰＩＮ型フォトダイオードの要部
（光電変換部）の詳細を示す拡大断面図である。

【図３】従来のＰＩＮ型フォトダイオードの一例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ３ 光吸収層 ４ キャップ層 ６ ｐ型拡散領域（受光部） ７ 保護膜（窒化シリコン膜） ８ａ，８ｂ，９ 電極 ９ａ 窓部 １０ 反射防止膜 １１ 回折格子型レンズ １１ａ〜１１ｄ 同心円状の溝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にバッファ層を介して形成
   された第１の導電型の半導体層からなる光吸収層の上
   に、該光吸収層よりも禁制帯幅の大きな第１の導電型の
   半導体層からなるキャップ層が形成されているととも
   に、該キャップ層の一部には第２の導電型の拡散領域が
   形成され、この拡散領域の表面には電極が形成されて、
   上記半導体基板の裏面には光が入射可能な円形の窓部が
   形成されてなる半導体受光素子において、上記窓部の内
   側の基板面には、受光する光の波長をλ、半導体基板結
   晶の屈折率をｎ、半導体基板の厚さをｌ、上記窓部中心
   からの距離をｒとしたときに、隣合う溝との間隔ｄが次
   式 ｄ＝λ／（２ｎ・ｓｉｎθ），θ＝ｔａｎ-¹（ｒ／ｌ） で現わされ、深さがλ／４である同心円状の複数の溝か
   らなる回折格子型レンズが形成されていることを特徴と
   する半導体受光素子。