半導体受光素子及びそれを有する受光装置
【課題】抵抗を所望の大きさとすることが可能な半導体受光素子及びそれを有する受光装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、一導電型のｎ型ＩｎＰ基板２０と、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、ｐ型ＩｎＰ窓層２４上に設けられたシリコン窒化膜３２と、シリコン窒化膜３２上に設けられたｐ電極３６と、ｐ電極３６とオーバーラップする領域のシリコン窒化膜３２に複数設けられた、ｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とを電気的に接続するための窓３４と、を備える半導体受光素子である。
【解決手段】本発明は、一導電型のｎ型ＩｎＰ基板２０と、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、ｐ型ＩｎＰ窓層２４上に設けられたシリコン窒化膜３２と、シリコン窒化膜３２上に設けられたｐ電極３６と、ｐ電極３６とオーバーラップする領域のシリコン窒化膜３２に複数設けられた、ｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とを電気的に接続するための窓３４と、を備える半導体受光素子である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子及びそれを有する受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、受光素子の表面から入射する光を受光する表面入射型受光素子や裏面から入射する光を受光する裏面入射型受光素子が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４５６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
受光素子とトランスインピーダンスアンプが接続されて構成されている。トランスインピーダンスアンプは、受光素子から出力された光電流を、電圧に変換させている。この場合に、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間でインピーダンスのミスマッチが起こる場合があるため、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子を組み込んでミスマッチを抑えている。
【０００５】
図１は、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子を接続させた回路図の例である。図１のように、受光素子１０とトランスインピーダンスアンプ１２との間に直列に抵抗素子１４を接続させている。これにより、受光素子１０とトランスインピーダンスアンプ１２との間のインピーダンスのミスマッチを抑制できる。しかしながら、受光素子１０とトランスインピーダンスアンプ１２との間に、別部品である抵抗素子１４を接続させると、コストの増大を招くと共に、小型化の面でもデメリットとなる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、抵抗を所望の大きさとすることが可能な半導体受光素子及びそれを有する受光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一導電型の半導体層と、前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた電極と、前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に複数設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子である。本発明によれば、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【０００８】
上記構成において、前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を除く前記受光領域を包囲する領域に配置されてなる構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を含む前記受光領域を包囲する領域の内側に配置されてなる構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記受光領域には、前記一導電型の半導体層側から信号光が入射する構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記複数設けられた窓は、一定の間隔で配置されている構成とすることができる。この構成によれば、光吸収層に印加される電界分布を均一にすることができる。
【００１２】
本発明は、一導電型の半導体層と、前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた電極と、前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に、前記受光領域を包囲し、一部が分断されたパターンによって設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子である。本発明によれば、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【００１３】
上記構成において、前記反対導電型の半導体層と前記絶縁膜の間には、コンタクト層が形成されてなる構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記半導体受光素子は、フリップチップ構造を有する構成とすることができる。
【００１５】
本発明は、トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板と、前記トランスインピーダンスアンプに電気的に接続するように前記回路基板に実装された請求項１から８のいずれか一項記載の半導体受光素子と、を備えることを特徴とする受光装置である。本発明によれば、半導体受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子等の外部部品を接続させることなく、半導体受光素子とトランスインピーダンスとの間のインピーダンスのミスマッチを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子を接続させた回路図の例である。
【図２】図２（ａ）は、比較例１に係る受光素子の上面図の例であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図の例である。
【図３】図３は、コンタクト面積に対する受光素子の抵抗の測定結果である。
【図４】図４は、窓の幅を狭めた受光素子の上面図の例である。
【図５】図５は、実施例１に係る受光素子の上面図の例である。
【図６】図６（ａ）から図６（ｃ）は、窓の製造方法を示す断面図の例である。
【図７】図７は、実施例１の変形例１に係る受光素子の上面図の例である。
【図８】図８は、実施例１の変形例２に係る受光素子の上面図の例である。
【図９】図９は、実施例２に係る受光素子の断面図の例である。
【図１０】図１０（ａ）は、図９の破線領域の拡大図の例であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の上面図の例である。
【図１１】図１１は、窓を格子点状に配置した場合の例である。
【図１２】図１２は、実施例３に係る受光素子の断面図の例である。
【図１３】図１３（ａ）は、図１２の破線領域の拡大図の例であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の上面図の例である。
【図１４】図１４（ａ）は、実施例４に係る受光装置の上面図の例であり、図１４（ｂ）は、側面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、比較例１に係る受光素子について説明する。図２（ａ）は、比較例１に係る受光素子１０Ａの上面図の例であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図の例である。なお、図２（ａ）においては、Ａｕスパッタ膜３８及びＡｕめっき層４０を透視してｐ電極３６を図示している（図３、図５、図７、図８、図１０（ｂ）、図１１、図１３（ｂ）において同じ）。図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２が設けられている。ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２上に、ｐ型ＩｎＰ窓層２４とｎ型ＩｎＰ窓層２６とが設けられている。ｐ型ＩｎＰ窓層２４は、ｎ型ＩｎＰ窓層２６上に設けられたシリコン窒化膜２８をマスクとして、ｐ型不純物（例えば、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ等）をドープすることで形成された拡散領域である。このように、比較例１に係る受光素子１０Ａは、一導電型であるｎ型ＩｎＰ基板２０上に、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２と、一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、が順次積層された半導体層２３が設けられたＰＩＮ型フォトダイオードである。
【００１９】
ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上面に、リング形状のコンタクト層３０が設けられている。リング形状とは、円板の中心部をくり抜いた形状をいい、ドーナッツ形状ともいえる。コンタクト層３０は、例えばＩｎＧａＡｓからなる。コンタクト層３０は、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の周辺側に位置している。ｐ型ＩｎＰ窓層２４上には、コンタクト層３０を覆ってシリコン窒化膜３２が設けられ、コンタクト層３０上面のシリコン窒化膜３２の一部は開口して窓３４が設けられている。窓３４は、リング形状をしたコンタクト層３０の上面に沿って設けられており、コンタクト層３０と同じリング状をしている。窓３４では、コンタクト層３０の上面が露出している。窓３４に埋め込まれるように、コンタクト層３０の上側であってシリコン窒化膜３２上に、基板側からＴｉ、Ｐｔが順次積層されたｐ電極３６が設けられている。言い換えると、ｐ電極３６とオーバーラップする領域のシリコン窒化膜３２に複数の窓３４が設けられている。ｐ電極３６もリング形状をしていて、コンタクト層３０とｐ電極３６とは、同心状で、同程度の幅を有している。窓３４は、コンタクト層３０及びｐ電極３６よりも狭い幅を有している。
【００２０】
ｐ電極３６の上面には、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０とが順次積層して設けられている。つまり、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０も、コンタクト層３０及びｐ電極３６と同心状のリング形状をしている。ｎ型ＩｎＰ基板２０の裏面には、基板側からＡｕＧｅ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕが順次積層されたｎ電極４２が設けられている。
【００２１】
リング形状のコンタクト層３０、ｐ電極３６、Ａｕスパッタ膜３８、及びＡｕめっき層４０の内側領域が、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上方から入射する光を受光する受光領域４４である。つまり、比較例１に係る受光素子は、表面入射型の受光素子である。
【００２２】
ｐ電極３６が窓３４に埋め込まれるように設けられることで、ｐ電極３６とコンタクト層３０とは窓３４において接触し電気的に接続している。言い換えると、窓３４は、コンタクト層３０を介してｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とを電気的に接続させるために設けられている。ｐ電極３６とコンタクト層３０とが接触する領域をコンタクト領域とし、その接触面積をコンタクト面積とする。つまり、窓３４が開口した領域がコンタクト領域となり、窓３４が開口した面積がコンタクト面積となる。図２（ａ）のように、窓３４はリング状に開口していることから、コンタクト領域はリング状となり、その面積がコンタクト面積となる。
【００２３】
ここで、コンタクト面積の大きさと受光素子の抵抗の大きさとの相関関係を調べた。調査は、コンタクト面積を異ならせた複数の受光素子をウエハ面内に作製し、受光素子夫々について抵抗値を測定することで行った。図３は、コンタクト面積に対する受光素子の抵抗の測定結果である。なお、図３では、同様に作製した３枚のウエハについての測定結果を示している。図３のように、受光素子の抵抗はコンタクト面積に反比例し、コンタクト面積が大きくなるに従い、受光素子の抵抗は小さくなることが分かる。このことから、コンタクト面積の大きさを制御することで、受光素子の抵抗の大きさを制御できることが分かる。
【００２４】
コンタクト面積を小さくする方法として、図４のように、リング状の窓３４の幅Ｄを狭くすることが考えられる。しかしながら、窓３４は、シリコン窒化膜３２上にパターン化されたフォトレジストを形成し、フォトレジストをマスクとしてシリコン窒化膜３２をエッチングすることで形成される。このため、形成可能なパターン幅等のプロセス限界の制限を受け、窓３４の幅Ｄの最小寸法が決まってしまう。したがって、リング状をした窓３４の幅Ｄを狭くする方法では、十分に小さいコンタクト面積を得ることができず、受光素子の抵抗を所望の大きさにできない場合がある。そこで、このような課題を解決すべく、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能な実施例に係る受光素子について以下に説明する。
【実施例１】
【００２５】
実施例１に係る受光素子１００は、表面入射型のＰＩＮ型フォトダイオードの場合の例である。図５は、実施例１に係る受光素子１００の上面図の例である。図５のＡ−Ａ間の断面図は、図２（ｂ）に示した比較例１に係る受光素子の場合と同じであるため、ここでは図示及び説明を省略する。
【００２６】
図５のように、実施例１に係る受光素子１００では、窓３４は、リング形状をしたコンタクト層３０に沿って２つに分離して設けられている。つまり、２つに分離された窓３４は、リング状に配置されている。言い換えると、窓３４は、受光領域４４を包囲する領域に配置されている。窓３４の幅Ｄは、例えば３．０μｍである。リング形状のコンタクト層３０の中心Ｏに対する窓３４の角度θは、例えば９０°である。また、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域である受光領域４４の直径Ｌは、例えば５０μｍである。２つに分離されてリング状に配置された窓３４は、中心Ｏに対して対称に設けられており、リングに沿う方向で一定の間隔で配置されている。
【００２７】
実施例１に係る受光素子によれば、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に設けられたＩｎＧａＡｓ光吸収層２２及びｐ型ＩｎＰ窓層２４を有する半導体層２３上に、リング形状をしたコンタクト層３０が設けられている。コンタクト層３０上には、コンタクト層３０とｐ電極３６とを接触させるための窓３４が複数に分離して形成されたシリコン窒化膜３２が設けられ、シリコン窒化膜３２上には、コンタクト層３０と電気的に接続するｐ電極３６が設けられている。言い換えると、実施例１に係る受光素子によれば、一導電型のｎ型ＩｎＰ基板２０と、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、を有する。そして、ｐ型ＩｎＰ窓層２４上に設けられたシリコン窒化膜３２に、シリコン窒化膜３２上に設けられたｐ電極３６とオーバーラップする領域にｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とを電気的に接続させる複数の窓３４が設けられている。このように、窓３４を複数に分離させて設けることで、図２（ａ）に示したリング状の窓３４に比べて、幅Ｄを同一にしたままコンタクト層３０とｐ電極３６とのコンタクト面積を小さくすることができる。つまり、プロセス限界の制約を受けることなくコンタクト面積を小さくすることができ、図３のようなリング状の窓３４の幅Ｄをプロセス限界まで狭めた場合よりも小さなコンタクト面積とすることができる。したがって、リング状の窓３４ではプロセス限界の制約を受けて実現できない程に小さなコンタクト面積とすることもでき、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【００２８】
比較例１に係る受光素子でも述べたが、窓３４はエッチングにより形成される。図６（ａ）から図６（ｃ）は、窓３４の製造方法を説明する断面図の例である。図６（ａ）のように、コンタクト層３０を覆って形成されたシリコン窒化膜３２上に、窓３４を形成すべき領域を開口させたフォトレジスト５８を形成する。ここで、図３に示したように、受光素子の抵抗とコンタクト面積とは相関関係があることから、受光素子の抵抗が所望の大きさとなるコンタクト面積を求め、それを基にして、フォトレジスト５８の開口領域を決定する。
【００２９】
図６（ｂ）のように、フォトレジスト５８をマスクとして、例えばドライ又はウエットエッチング法により、シリコン窒化膜３２をエッチングする。その後、図６（ｃ）のように、フォトレジスト５８を除去する。これにより、シリコン窒化膜３２に、所望の大きさの窓３４を形成することができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることができる。
【００３０】
実施例１に係る受光素子は、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域が、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上方からの光を受光する受光領域４４である表面入射型の受光素子であり、窓３４は受光領域４４の外側に設けられている。言い換えると、複数の窓３４は、受光領域４４の中央部を除く受光領域４４を包囲する領域に配置されている。これにより、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２での光の吸収効率の劣化を抑制できる。
【００３１】
コンタクト面積を十分に小さくでき、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる点からは、図７に示す実施例１の変形例１に係る受光素子のように、リング形状をしたコンタクト層３０の上面に沿って設けられた窓３４が、リングを一部で分断させたような形状をして１つ設けられている場合でもよい。言い換えると、窓３４は、ｐ電極３６とオーバーラップする領域のシリコン窒化膜３２に、受光領域４４を包囲し、一部が分断されて設けられている場合でもよい。しかしながら、窓３４は、複数に分離され、リングに沿う方向で一定の間隔となるように配置されている場合が好ましい。この理由は、窓３４においてコンタクト層３０とｐ電極３６とが接触することから、窓３４を複数に分離させ、一定の間隔となるように配置することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができるからである。
【００３２】
実施例１では、図５のように、窓３４は２つに分離されている場合を例に示したが、これに限られず、３つ以上の複数に分離されている場合でもよい。図８は、窓３４が８つに分離されている実施例１の変形例２に係る受光素子の上面図の例である。図８のように、窓３４は８つに分離され、リング状に配置されている。中心Ｏに対する窓３４の角度θは、例えば２０°である。８つに分離されてリング状に配置された窓３４は、中心Ｏに対して対称となる対を有するように、リングに沿う方向で一定の間隔で配置されている。実施例１の変形例２に係る受光素子によっても、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。また、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を、図５のように窓３４を２つに分離させた場合よりも均一にすることができる。このように、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布が均一になるようにするため、窓３４の個数は多い方が好ましく、例えば４個以上の場合が好ましく、６個以上の場合がより好ましく、８個以上の場合がさらに好ましい。また、窓３４の個数は奇数個の場合でもよい。
【００３３】
窓３４の形状は、図５や図８のように扇形形状をしている場合でもよいが、円形や楕円形、長方形、正方形等の形状をしている場合でもよい。
【００３４】
実施例１では、ｐ型ＩｎＰ窓層２４とシリコン窒化膜３２との間にコンタクト層３０が設けられ、ｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とはコンタクト層３０を介して電気的に接続する場合を例に示したが、コンタクト層３０は設けられていない場合でもよい。
【００３５】
実施例１において、コンタクト層３０を覆い、一部に窓３４が形成された絶縁膜としてシリコン窒化膜３２の場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上方から入射する光に対して透明で反射を防止する絶縁膜であれば、その他の絶縁膜の場合でもよい。
【００３６】
また、実施例１に係る受光素子として、ＰＩＮ型フォトダイオードの場合を例に説明したが、これに限られる訳ではなく、例えばアバランシェフォトダイオードやＰＮ接合型のフォトダイオード等のその他のフォトダイオードの場合でもよい。また、ｐ型とｎ型の導電型を逆転させた場合でもよい。
【実施例２】
【００３７】
実施例２に係る受光素子１０１は、裏面入射型のＰＩＮ型フォトダイオードの場合の例である。図９は、実施例２に係る受光素子１０１の断面図の例である。図１０（ａ）は、図９の破線領域の拡大図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の上面図の例である。なお、図１０（ｂ）においては、ｐ電極３６は、コンタクト層３０の上面に設けられた部分のみを図示している（図１１、図１３（ｂ）において同じ）。図９及び図１０（ａ）のように、半絶縁性ＩｎＰ基板４６上に、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２が順次積層されて設けられている。ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２上に、ｐ型ＩｎＰ窓層２４とｎ型ＩｎＰ窓層２６とが設けられている。ｐ型ＩｎＰ窓層２４は、ｎ型ＩｎＰ窓層２６上に設けられたシリコン窒化膜２８をマスクとして、ｐ型不純物をドープすることで形成された拡散領域である。このように、実施例２に係る受光素子１０１は、半絶縁性ＩｎＰ基板４６上に、一導電型のｎ型ＩｎＰコンタクト層４８と、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２と、一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、が順次積層する半導体層２３が設けられたメサ形状のＰＩＮ型フォトダイオードである。実施例２のＰＩＮ型フォトダイオードは、メサ形状の受光部１０１Ａと、ダミーメサ１０１Ｂ及び１０１Ｃから構成されている。
【００３８】
メサ形状の受光部１０１Ａとダミーメサ１０１Ｂ及び１０１Ｃとの周縁には、ｎ型ＩｎＰ窓層２６から半絶縁性ＩｎＰ基板４６にまで達する溝４９が形成されている。この溝４９によって、メサ形状の受光部１０１Ａとダミーメサ１０１Ｂ及び１０１Ｃとの間の容量やｎ型ＩｎＰコンタクト層４８を介したリーク電流を抑制することができる。半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面には、反射防止膜としてシリコン窒化膜５０が設けられている。
【００３９】
ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上面の大部分を覆って、円板形状をしたコンタクト層３０が設けられている。コンタクト層３０は、例えばＩｎＧａＡｓからなる。ｐ型ＩｎＰ窓層２４上に、コンタクト層３０を覆ってシリコン窒化膜３２が設けられ、コンタクト層３０上面のシリコン窒化膜３２の一部は開口されて窓３４が設けられている。図１０（ｂ）のように、窓３４は、図８に示した実施例１の変形例２に係る受光素子の場合と同じように、８つに分離されており、リング状に配置されている。窓３４は、コンタクト層３０の周辺側、即ち、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の周辺側に位置している。
【００４０】
窓３４に埋め込まれるように、シリコン窒化膜３２上にｐ電極３６が設けられ、ｐ電極３６は、溝４９の内面を経由して一方の側に引き出されている。ｐ電極３６は、コンタクト層３０の上面全面に設けられているため、コンタクト層３０と同心円状の円板形状を有している。ｐ電極３６は、基板側からＴｉ、Ｐｔが順次積層された構造をしている。溝４９の内面等にもシリコン窒化膜３２は設けられており、シリコン窒化膜３２により、ｐ電極３６とｎ型ＩｎＰコンタクト層４８等とは絶縁されている。ｐ電極３６上には、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０とが順次積層されている。
【００４１】
ｐ電極３６が引き出された側と反対側の溝４９には、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８上のシリコン窒化膜３２の一部が開口し、開口した領域には、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８に接して、基板側からＡｕＧｅ、Ａｕが順次積層されたｎ電極４２が設けられている。溝４９の内面に設けられたシリコン窒化膜３２上には、ｎ電極４２に接続した引き出し電極５２が設けられている。引き出し電極５２は、基板側からＴｉ、Ｐｔが順次積層された構造をしている。引き出し電極５２上には、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０とが順次積層されている。
【００４２】
Ａｕめっき層４０上には、ｐ電極３６と電気的に接続する半田層５４と、ｎ電極４２と電気的に接続する半田層５４と、が設けられている。半田層５４は、例えばＡｕＳｎ半田である。実施例２に係る受光素子は、半田層５４が例えば回路基板に接続することで回路基板に実装される、フリップチップ構造を有している。つまり、実施例２に係る受光素子は、例えば回路基板にフェースダウンで実装される。
【００４３】
実施例２に係る受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面側から入射する光をＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で吸収する裏面入射型の受光素子であり、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８とＩｎＧａＡｓ光吸収層２２とｐ型ＩｎＰ窓層２４とが積層された領域が、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面側から入射する光を受光する受光領域４４である。即ち、実施例２に係る受光素子は、一導電型であるｎ型ＩｎＰコンタクト層４８側から信号光が入射する。
【００４４】
実施例２に係る受光素子１０１は裏面入射型であるため、表面入射型である実施例１に係る受光素子１００のようにコンタクト層３０をリング形状にしなくてもよく、コンタクト層３０は円板形状をしている。そして、図１０（ｂ）のように、コンタクト層３０とｐ電極３６とを接触させるための窓３４は、複数に分離されて、受光領域４４の中央部を除く受光領域４４を包囲する領域に配置されている。このように、裏面入射型の受光素子であって、コンタクト層３０が円板形状をしている場合であっても、窓３４を複数に分離させて設けることで、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【００４５】
コンタクト層３０が円板形状をしている場合は、例えば円板の中心部分に小さな窓３４を１つ設けることでも、コンタクト面積を十分に小さくすることができる。しかしながら、この場合は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布が不均一となってしまう。一方、図１０（ｂ）のように、窓３４を分離させて、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の周辺側、即ち、受光領域４４を包囲するように、一定の間隔で設けることで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができる。また、電界分布をより均一にするために、円板形状をしたコンタクト層３０の中心部分に更に窓３４を設けてもよい。
【００４６】
また、コンタクト層３０が円板形状である場合は、窓３４をリング状に配置する場合に限らず、図１１に示す実施例２の変形例１に係る受光素子のように、窓３４を格子点状に配置してもよい。即ち、複数の窓３４を、受光領域４４の中央部を含む受光領域４４を包囲する領域の内側に配置させてもよい。これによっても、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。また、格子点上に配置されて隣接する窓３４を一定間隔で配置することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができる。窓３４の形状は、円形の場合に限られず、楕円形や長方形、正方形等の場合でもよい。
【００４７】
実施例２において、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面に設けられた反射防止膜としてシリコン窒化膜５０の場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面側から入射する光に対して透明で反射を防止する膜であれば、その他の膜の場合でもよい。
【実施例３】
【００４８】
実施例３に係る受光素子１０２も、裏面入射型のＰＩＮ型フォトダイオードの場合の例である。図１２は、実施例３に係る受光素子１０２の断面図の例である。図１３（ａ）は、図１２の破線領域の拡大図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の上面図の例である。図１２及び図１３（ａ）のように、実施例３に係る受光素子１０２が、実施例２に係る受光素子１０１と異なる点は、コンタクト層３０及びその上側に設けられたｐ電極３６がリング形状をしており、リング形状の内側領域に、シリコン窒化膜３２、Ａｕスパッタ膜３８、及びＡｕめっき層４０が順次積層されている点である。その他については、実施例２に係る受光素子と同じであるため、ここでは説明を省略する。
【００４９】
実施例３に係る受光素子１０２は、実施例２に係る受光素子と同様に、裏面入射型の受光素子であるため、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面から入射する光をＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で吸収する。この場合に、入射した光をＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で吸収しきれずに、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過する光が存在する。通過した光は、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域に設けられたシリコン窒化膜３２及びＡｕスパッタ膜３８の積層体に到達する。この積層体は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光を反射する反射膜５６として機能するため、光はＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に向かって反射される。このため、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で反射光を再度吸収することが可能となる。一方、実施例２に係る受光素子１０１では、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上面に円板形状をしたＩｎＧａＡｓのコンタクト層３０が設けられており、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光は、コンタクト層３０で反射されずに吸収される。このため、実施例２に係る受光素子は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光を再度吸収することができない。よって、実施例３に係る受光素子は、実施例２に係る受光素子に比べて、光の吸収効率が高くなる。
【００５０】
したがって、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のように、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域に設けられた反射膜５６よりも外側に窓３４を形成することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光の反射を妨げることを抑制でき、光の吸収効率を向上させることができる。言い換えると、複数の窓３４を、受光領域４４の中央部を除く受光領域４４を包囲する領域に配置することで、光の吸収効率を向上させることができる。
【００５１】
また、図１３（ｂ）のように、コンタクト層３０とｐ電極３６とを接触させるための窓３４は８つに分離されて設けられているため、実施例１に係る受光素子と同様に、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。また、窓３４を一定の間隔で配置することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができる。
【００５２】
実施例３において、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域に設けられた反射膜５６としてシリコン窒化膜３２及びＡｕスパッタ膜３８の積層体である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面から入射する光を反射させることができれば、その他の金属、絶縁膜、またはこれらの組み合わせの場合でもよい。なお、実施例３のＰＩＮ型フォトダイオードは、実施例２の場合と同様に、メサ形状の受光部１０２Ａとダミーメサ１０２Ｂ及び１０２Ｃから構成されている。
【実施例４】
【００５３】
実施例４は、実施例１から３のいずれかの受光素子が、トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板に実装された受光装置の例である。図１４（ａ）は、実施例４に係る受光装置の上面図の例であり、図１４（ｂ）は、側面図の例である。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）のように、トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板６０上に、例えばＡｕバンプ６２により、実施例１から３のいずれかに係る受光素子６４が実装されている。実施例１に係る受光素子の場合はフェースアップで実装され、実施例２及び３に係る受光素子の場合はフェースダウンで実装されている。これにより、実施例１から３のいずれかに係る受光素子６４とトランスインピーダンスアンプとが電気的に接続している。
【００５４】
実施例１から３に係る受光素子は、上述したように、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさにすることが可能である。このため、実施例４に係る受光装置によれば、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子等の外部部品を接続させることなく、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間のインピーダンスのミスマッチを抑制することができる。よって、コストの低減や小型化を実現することが可能となる。
【００５５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 受光素子
１０Ａ 受光素子
１２ トランスインピーダンスアンプ
１４ 抵抗素子
２０ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２３ 半導体層
２４ ｐ型ＩｎＰ窓層
２６ ｎ型ＩｎＰ窓層
２８ シリコン窒化膜
３０ コンタクト層
３２ シリコン窒化膜
３４ 窓
３６ ｐ電極
３８ Ａｕスパッタ膜
４０ Ａｕめっき層
４２ ｎ電極
４４ 受光領域
４６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
４８ ｎ型ＩｎＰコンタクト層
４９ 溝
５０ シリコン窒化膜
５２ 引き出し電極
５４ 半田層
５６ 反射膜
５８ フォトレジスト
６０ 回路基板
６２ Ａｕバンプ
６４ 受光素子
１００ 受光素子
１０１ 受光素子
１０２ 受光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子及びそれを有する受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、受光素子の表面から入射する光を受光する表面入射型受光素子や裏面から入射する光を受光する裏面入射型受光素子が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４５６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
受光素子とトランスインピーダンスアンプが接続されて構成されている。トランスインピーダンスアンプは、受光素子から出力された光電流を、電圧に変換させている。この場合に、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間でインピーダンスのミスマッチが起こる場合があるため、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子を組み込んでミスマッチを抑えている。
【０００５】
図１は、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子を接続させた回路図の例である。図１のように、受光素子１０とトランスインピーダンスアンプ１２との間に直列に抵抗素子１４を接続させている。これにより、受光素子１０とトランスインピーダンスアンプ１２との間のインピーダンスのミスマッチを抑制できる。しかしながら、受光素子１０とトランスインピーダンスアンプ１２との間に、別部品である抵抗素子１４を接続させると、コストの増大を招くと共に、小型化の面でもデメリットとなる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、抵抗を所望の大きさとすることが可能な半導体受光素子及びそれを有する受光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一導電型の半導体層と、前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた電極と、前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に複数設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子である。本発明によれば、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【０００８】
上記構成において、前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を除く前記受光領域を包囲する領域に配置されてなる構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を含む前記受光領域を包囲する領域の内側に配置されてなる構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記受光領域には、前記一導電型の半導体層側から信号光が入射する構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記複数設けられた窓は、一定の間隔で配置されている構成とすることができる。この構成によれば、光吸収層に印加される電界分布を均一にすることができる。
【００１２】
本発明は、一導電型の半導体層と、前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた電極と、前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に、前記受光領域を包囲し、一部が分断されたパターンによって設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子である。本発明によれば、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【００１３】
上記構成において、前記反対導電型の半導体層と前記絶縁膜の間には、コンタクト層が形成されてなる構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記半導体受光素子は、フリップチップ構造を有する構成とすることができる。
【００１５】
本発明は、トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板と、前記トランスインピーダンスアンプに電気的に接続するように前記回路基板に実装された請求項１から８のいずれか一項記載の半導体受光素子と、を備えることを特徴とする受光装置である。本発明によれば、半導体受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子等の外部部品を接続させることなく、半導体受光素子とトランスインピーダンスとの間のインピーダンスのミスマッチを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子を接続させた回路図の例である。
【図２】図２（ａ）は、比較例１に係る受光素子の上面図の例であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図の例である。
【図３】図３は、コンタクト面積に対する受光素子の抵抗の測定結果である。
【図４】図４は、窓の幅を狭めた受光素子の上面図の例である。
【図５】図５は、実施例１に係る受光素子の上面図の例である。
【図６】図６（ａ）から図６（ｃ）は、窓の製造方法を示す断面図の例である。
【図７】図７は、実施例１の変形例１に係る受光素子の上面図の例である。
【図８】図８は、実施例１の変形例２に係る受光素子の上面図の例である。
【図９】図９は、実施例２に係る受光素子の断面図の例である。
【図１０】図１０（ａ）は、図９の破線領域の拡大図の例であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の上面図の例である。
【図１１】図１１は、窓を格子点状に配置した場合の例である。
【図１２】図１２は、実施例３に係る受光素子の断面図の例である。
【図１３】図１３（ａ）は、図１２の破線領域の拡大図の例であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の上面図の例である。
【図１４】図１４（ａ）は、実施例４に係る受光装置の上面図の例であり、図１４（ｂ）は、側面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、比較例１に係る受光素子について説明する。図２（ａ）は、比較例１に係る受光素子１０Ａの上面図の例であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図の例である。なお、図２（ａ）においては、Ａｕスパッタ膜３８及びＡｕめっき層４０を透視してｐ電極３６を図示している（図３、図５、図７、図８、図１０（ｂ）、図１１、図１３（ｂ）において同じ）。図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２が設けられている。ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２上に、ｐ型ＩｎＰ窓層２４とｎ型ＩｎＰ窓層２６とが設けられている。ｐ型ＩｎＰ窓層２４は、ｎ型ＩｎＰ窓層２６上に設けられたシリコン窒化膜２８をマスクとして、ｐ型不純物（例えば、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ等）をドープすることで形成された拡散領域である。このように、比較例１に係る受光素子１０Ａは、一導電型であるｎ型ＩｎＰ基板２０上に、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２と、一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、が順次積層された半導体層２３が設けられたＰＩＮ型フォトダイオードである。
【００１９】
ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上面に、リング形状のコンタクト層３０が設けられている。リング形状とは、円板の中心部をくり抜いた形状をいい、ドーナッツ形状ともいえる。コンタクト層３０は、例えばＩｎＧａＡｓからなる。コンタクト層３０は、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の周辺側に位置している。ｐ型ＩｎＰ窓層２４上には、コンタクト層３０を覆ってシリコン窒化膜３２が設けられ、コンタクト層３０上面のシリコン窒化膜３２の一部は開口して窓３４が設けられている。窓３４は、リング形状をしたコンタクト層３０の上面に沿って設けられており、コンタクト層３０と同じリング状をしている。窓３４では、コンタクト層３０の上面が露出している。窓３４に埋め込まれるように、コンタクト層３０の上側であってシリコン窒化膜３２上に、基板側からＴｉ、Ｐｔが順次積層されたｐ電極３６が設けられている。言い換えると、ｐ電極３６とオーバーラップする領域のシリコン窒化膜３２に複数の窓３４が設けられている。ｐ電極３６もリング形状をしていて、コンタクト層３０とｐ電極３６とは、同心状で、同程度の幅を有している。窓３４は、コンタクト層３０及びｐ電極３６よりも狭い幅を有している。
【００２０】
ｐ電極３６の上面には、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０とが順次積層して設けられている。つまり、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０も、コンタクト層３０及びｐ電極３６と同心状のリング形状をしている。ｎ型ＩｎＰ基板２０の裏面には、基板側からＡｕＧｅ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕが順次積層されたｎ電極４２が設けられている。
【００２１】
リング形状のコンタクト層３０、ｐ電極３６、Ａｕスパッタ膜３８、及びＡｕめっき層４０の内側領域が、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上方から入射する光を受光する受光領域４４である。つまり、比較例１に係る受光素子は、表面入射型の受光素子である。
【００２２】
ｐ電極３６が窓３４に埋め込まれるように設けられることで、ｐ電極３６とコンタクト層３０とは窓３４において接触し電気的に接続している。言い換えると、窓３４は、コンタクト層３０を介してｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とを電気的に接続させるために設けられている。ｐ電極３６とコンタクト層３０とが接触する領域をコンタクト領域とし、その接触面積をコンタクト面積とする。つまり、窓３４が開口した領域がコンタクト領域となり、窓３４が開口した面積がコンタクト面積となる。図２（ａ）のように、窓３４はリング状に開口していることから、コンタクト領域はリング状となり、その面積がコンタクト面積となる。
【００２３】
ここで、コンタクト面積の大きさと受光素子の抵抗の大きさとの相関関係を調べた。調査は、コンタクト面積を異ならせた複数の受光素子をウエハ面内に作製し、受光素子夫々について抵抗値を測定することで行った。図３は、コンタクト面積に対する受光素子の抵抗の測定結果である。なお、図３では、同様に作製した３枚のウエハについての測定結果を示している。図３のように、受光素子の抵抗はコンタクト面積に反比例し、コンタクト面積が大きくなるに従い、受光素子の抵抗は小さくなることが分かる。このことから、コンタクト面積の大きさを制御することで、受光素子の抵抗の大きさを制御できることが分かる。
【００２４】
コンタクト面積を小さくする方法として、図４のように、リング状の窓３４の幅Ｄを狭くすることが考えられる。しかしながら、窓３４は、シリコン窒化膜３２上にパターン化されたフォトレジストを形成し、フォトレジストをマスクとしてシリコン窒化膜３２をエッチングすることで形成される。このため、形成可能なパターン幅等のプロセス限界の制限を受け、窓３４の幅Ｄの最小寸法が決まってしまう。したがって、リング状をした窓３４の幅Ｄを狭くする方法では、十分に小さいコンタクト面積を得ることができず、受光素子の抵抗を所望の大きさにできない場合がある。そこで、このような課題を解決すべく、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能な実施例に係る受光素子について以下に説明する。
【実施例１】
【００２５】
実施例１に係る受光素子１００は、表面入射型のＰＩＮ型フォトダイオードの場合の例である。図５は、実施例１に係る受光素子１００の上面図の例である。図５のＡ−Ａ間の断面図は、図２（ｂ）に示した比較例１に係る受光素子の場合と同じであるため、ここでは図示及び説明を省略する。
【００２６】
図５のように、実施例１に係る受光素子１００では、窓３４は、リング形状をしたコンタクト層３０に沿って２つに分離して設けられている。つまり、２つに分離された窓３４は、リング状に配置されている。言い換えると、窓３４は、受光領域４４を包囲する領域に配置されている。窓３４の幅Ｄは、例えば３．０μｍである。リング形状のコンタクト層３０の中心Ｏに対する窓３４の角度θは、例えば９０°である。また、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域である受光領域４４の直径Ｌは、例えば５０μｍである。２つに分離されてリング状に配置された窓３４は、中心Ｏに対して対称に設けられており、リングに沿う方向で一定の間隔で配置されている。
【００２７】
実施例１に係る受光素子によれば、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に設けられたＩｎＧａＡｓ光吸収層２２及びｐ型ＩｎＰ窓層２４を有する半導体層２３上に、リング形状をしたコンタクト層３０が設けられている。コンタクト層３０上には、コンタクト層３０とｐ電極３６とを接触させるための窓３４が複数に分離して形成されたシリコン窒化膜３２が設けられ、シリコン窒化膜３２上には、コンタクト層３０と電気的に接続するｐ電極３６が設けられている。言い換えると、実施例１に係る受光素子によれば、一導電型のｎ型ＩｎＰ基板２０と、ｎ型ＩｎＰ基板２０上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、を有する。そして、ｐ型ＩｎＰ窓層２４上に設けられたシリコン窒化膜３２に、シリコン窒化膜３２上に設けられたｐ電極３６とオーバーラップする領域にｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とを電気的に接続させる複数の窓３４が設けられている。このように、窓３４を複数に分離させて設けることで、図２（ａ）に示したリング状の窓３４に比べて、幅Ｄを同一にしたままコンタクト層３０とｐ電極３６とのコンタクト面積を小さくすることができる。つまり、プロセス限界の制約を受けることなくコンタクト面積を小さくすることができ、図３のようなリング状の窓３４の幅Ｄをプロセス限界まで狭めた場合よりも小さなコンタクト面積とすることができる。したがって、リング状の窓３４ではプロセス限界の制約を受けて実現できない程に小さなコンタクト面積とすることもでき、受光素子の抵抗の制御幅が広がるため、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【００２８】
比較例１に係る受光素子でも述べたが、窓３４はエッチングにより形成される。図６（ａ）から図６（ｃ）は、窓３４の製造方法を説明する断面図の例である。図６（ａ）のように、コンタクト層３０を覆って形成されたシリコン窒化膜３２上に、窓３４を形成すべき領域を開口させたフォトレジスト５８を形成する。ここで、図３に示したように、受光素子の抵抗とコンタクト面積とは相関関係があることから、受光素子の抵抗が所望の大きさとなるコンタクト面積を求め、それを基にして、フォトレジスト５８の開口領域を決定する。
【００２９】
図６（ｂ）のように、フォトレジスト５８をマスクとして、例えばドライ又はウエットエッチング法により、シリコン窒化膜３２をエッチングする。その後、図６（ｃ）のように、フォトレジスト５８を除去する。これにより、シリコン窒化膜３２に、所望の大きさの窓３４を形成することができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることができる。
【００３０】
実施例１に係る受光素子は、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域が、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上方からの光を受光する受光領域４４である表面入射型の受光素子であり、窓３４は受光領域４４の外側に設けられている。言い換えると、複数の窓３４は、受光領域４４の中央部を除く受光領域４４を包囲する領域に配置されている。これにより、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２での光の吸収効率の劣化を抑制できる。
【００３１】
コンタクト面積を十分に小さくでき、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる点からは、図７に示す実施例１の変形例１に係る受光素子のように、リング形状をしたコンタクト層３０の上面に沿って設けられた窓３４が、リングを一部で分断させたような形状をして１つ設けられている場合でもよい。言い換えると、窓３４は、ｐ電極３６とオーバーラップする領域のシリコン窒化膜３２に、受光領域４４を包囲し、一部が分断されて設けられている場合でもよい。しかしながら、窓３４は、複数に分離され、リングに沿う方向で一定の間隔となるように配置されている場合が好ましい。この理由は、窓３４においてコンタクト層３０とｐ電極３６とが接触することから、窓３４を複数に分離させ、一定の間隔となるように配置することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができるからである。
【００３２】
実施例１では、図５のように、窓３４は２つに分離されている場合を例に示したが、これに限られず、３つ以上の複数に分離されている場合でもよい。図８は、窓３４が８つに分離されている実施例１の変形例２に係る受光素子の上面図の例である。図８のように、窓３４は８つに分離され、リング状に配置されている。中心Ｏに対する窓３４の角度θは、例えば２０°である。８つに分離されてリング状に配置された窓３４は、中心Ｏに対して対称となる対を有するように、リングに沿う方向で一定の間隔で配置されている。実施例１の変形例２に係る受光素子によっても、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。また、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を、図５のように窓３４を２つに分離させた場合よりも均一にすることができる。このように、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布が均一になるようにするため、窓３４の個数は多い方が好ましく、例えば４個以上の場合が好ましく、６個以上の場合がより好ましく、８個以上の場合がさらに好ましい。また、窓３４の個数は奇数個の場合でもよい。
【００３３】
窓３４の形状は、図５や図８のように扇形形状をしている場合でもよいが、円形や楕円形、長方形、正方形等の形状をしている場合でもよい。
【００３４】
実施例１では、ｐ型ＩｎＰ窓層２４とシリコン窒化膜３２との間にコンタクト層３０が設けられ、ｐ電極３６とｐ型ＩｎＰ窓層２４とはコンタクト層３０を介して電気的に接続する場合を例に示したが、コンタクト層３０は設けられていない場合でもよい。
【００３５】
実施例１において、コンタクト層３０を覆い、一部に窓３４が形成された絶縁膜としてシリコン窒化膜３２の場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上方から入射する光に対して透明で反射を防止する絶縁膜であれば、その他の絶縁膜の場合でもよい。
【００３６】
また、実施例１に係る受光素子として、ＰＩＮ型フォトダイオードの場合を例に説明したが、これに限られる訳ではなく、例えばアバランシェフォトダイオードやＰＮ接合型のフォトダイオード等のその他のフォトダイオードの場合でもよい。また、ｐ型とｎ型の導電型を逆転させた場合でもよい。
【実施例２】
【００３７】
実施例２に係る受光素子１０１は、裏面入射型のＰＩＮ型フォトダイオードの場合の例である。図９は、実施例２に係る受光素子１０１の断面図の例である。図１０（ａ）は、図９の破線領域の拡大図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の上面図の例である。なお、図１０（ｂ）においては、ｐ電極３６は、コンタクト層３０の上面に設けられた部分のみを図示している（図１１、図１３（ｂ）において同じ）。図９及び図１０（ａ）のように、半絶縁性ＩｎＰ基板４６上に、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２が順次積層されて設けられている。ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２上に、ｐ型ＩｎＰ窓層２４とｎ型ＩｎＰ窓層２６とが設けられている。ｐ型ＩｎＰ窓層２４は、ｎ型ＩｎＰ窓層２６上に設けられたシリコン窒化膜２８をマスクとして、ｐ型不純物をドープすることで形成された拡散領域である。このように、実施例２に係る受光素子１０１は、半絶縁性ＩｎＰ基板４６上に、一導電型のｎ型ＩｎＰコンタクト層４８と、ノンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層２２と、一導電型と反対導電型のｐ型ＩｎＰ窓層２４と、が順次積層する半導体層２３が設けられたメサ形状のＰＩＮ型フォトダイオードである。実施例２のＰＩＮ型フォトダイオードは、メサ形状の受光部１０１Ａと、ダミーメサ１０１Ｂ及び１０１Ｃから構成されている。
【００３８】
メサ形状の受光部１０１Ａとダミーメサ１０１Ｂ及び１０１Ｃとの周縁には、ｎ型ＩｎＰ窓層２６から半絶縁性ＩｎＰ基板４６にまで達する溝４９が形成されている。この溝４９によって、メサ形状の受光部１０１Ａとダミーメサ１０１Ｂ及び１０１Ｃとの間の容量やｎ型ＩｎＰコンタクト層４８を介したリーク電流を抑制することができる。半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面には、反射防止膜としてシリコン窒化膜５０が設けられている。
【００３９】
ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上面の大部分を覆って、円板形状をしたコンタクト層３０が設けられている。コンタクト層３０は、例えばＩｎＧａＡｓからなる。ｐ型ＩｎＰ窓層２４上に、コンタクト層３０を覆ってシリコン窒化膜３２が設けられ、コンタクト層３０上面のシリコン窒化膜３２の一部は開口されて窓３４が設けられている。図１０（ｂ）のように、窓３４は、図８に示した実施例１の変形例２に係る受光素子の場合と同じように、８つに分離されており、リング状に配置されている。窓３４は、コンタクト層３０の周辺側、即ち、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の周辺側に位置している。
【００４０】
窓３４に埋め込まれるように、シリコン窒化膜３２上にｐ電極３６が設けられ、ｐ電極３６は、溝４９の内面を経由して一方の側に引き出されている。ｐ電極３６は、コンタクト層３０の上面全面に設けられているため、コンタクト層３０と同心円状の円板形状を有している。ｐ電極３６は、基板側からＴｉ、Ｐｔが順次積層された構造をしている。溝４９の内面等にもシリコン窒化膜３２は設けられており、シリコン窒化膜３２により、ｐ電極３６とｎ型ＩｎＰコンタクト層４８等とは絶縁されている。ｐ電極３６上には、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０とが順次積層されている。
【００４１】
ｐ電極３６が引き出された側と反対側の溝４９には、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８上のシリコン窒化膜３２の一部が開口し、開口した領域には、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８に接して、基板側からＡｕＧｅ、Ａｕが順次積層されたｎ電極４２が設けられている。溝４９の内面に設けられたシリコン窒化膜３２上には、ｎ電極４２に接続した引き出し電極５２が設けられている。引き出し電極５２は、基板側からＴｉ、Ｐｔが順次積層された構造をしている。引き出し電極５２上には、Ａｕスパッタ膜３８とＡｕめっき層４０とが順次積層されている。
【００４２】
Ａｕめっき層４０上には、ｐ電極３６と電気的に接続する半田層５４と、ｎ電極４２と電気的に接続する半田層５４と、が設けられている。半田層５４は、例えばＡｕＳｎ半田である。実施例２に係る受光素子は、半田層５４が例えば回路基板に接続することで回路基板に実装される、フリップチップ構造を有している。つまり、実施例２に係る受光素子は、例えば回路基板にフェースダウンで実装される。
【００４３】
実施例２に係る受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面側から入射する光をＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で吸収する裏面入射型の受光素子であり、ｎ型ＩｎＰコンタクト層４８とＩｎＧａＡｓ光吸収層２２とｐ型ＩｎＰ窓層２４とが積層された領域が、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面側から入射する光を受光する受光領域４４である。即ち、実施例２に係る受光素子は、一導電型であるｎ型ＩｎＰコンタクト層４８側から信号光が入射する。
【００４４】
実施例２に係る受光素子１０１は裏面入射型であるため、表面入射型である実施例１に係る受光素子１００のようにコンタクト層３０をリング形状にしなくてもよく、コンタクト層３０は円板形状をしている。そして、図１０（ｂ）のように、コンタクト層３０とｐ電極３６とを接触させるための窓３４は、複数に分離されて、受光領域４４の中央部を除く受光領域４４を包囲する領域に配置されている。このように、裏面入射型の受光素子であって、コンタクト層３０が円板形状をしている場合であっても、窓３４を複数に分離させて設けることで、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。
【００４５】
コンタクト層３０が円板形状をしている場合は、例えば円板の中心部分に小さな窓３４を１つ設けることでも、コンタクト面積を十分に小さくすることができる。しかしながら、この場合は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布が不均一となってしまう。一方、図１０（ｂ）のように、窓３４を分離させて、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の周辺側、即ち、受光領域４４を包囲するように、一定の間隔で設けることで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができる。また、電界分布をより均一にするために、円板形状をしたコンタクト層３０の中心部分に更に窓３４を設けてもよい。
【００４６】
また、コンタクト層３０が円板形状である場合は、窓３４をリング状に配置する場合に限らず、図１１に示す実施例２の変形例１に係る受光素子のように、窓３４を格子点状に配置してもよい。即ち、複数の窓３４を、受光領域４４の中央部を含む受光領域４４を包囲する領域の内側に配置させてもよい。これによっても、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。また、格子点上に配置されて隣接する窓３４を一定間隔で配置することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができる。窓３４の形状は、円形の場合に限られず、楕円形や長方形、正方形等の場合でもよい。
【００４７】
実施例２において、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面に設けられた反射防止膜としてシリコン窒化膜５０の場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面側から入射する光に対して透明で反射を防止する膜であれば、その他の膜の場合でもよい。
【実施例３】
【００４８】
実施例３に係る受光素子１０２も、裏面入射型のＰＩＮ型フォトダイオードの場合の例である。図１２は、実施例３に係る受光素子１０２の断面図の例である。図１３（ａ）は、図１２の破線領域の拡大図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の上面図の例である。図１２及び図１３（ａ）のように、実施例３に係る受光素子１０２が、実施例２に係る受光素子１０１と異なる点は、コンタクト層３０及びその上側に設けられたｐ電極３６がリング形状をしており、リング形状の内側領域に、シリコン窒化膜３２、Ａｕスパッタ膜３８、及びＡｕめっき層４０が順次積層されている点である。その他については、実施例２に係る受光素子と同じであるため、ここでは説明を省略する。
【００４９】
実施例３に係る受光素子１０２は、実施例２に係る受光素子と同様に、裏面入射型の受光素子であるため、半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面から入射する光をＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で吸収する。この場合に、入射した光をＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で吸収しきれずに、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過する光が存在する。通過した光は、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域に設けられたシリコン窒化膜３２及びＡｕスパッタ膜３８の積層体に到達する。この積層体は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光を反射する反射膜５６として機能するため、光はＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に向かって反射される。このため、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２で反射光を再度吸収することが可能となる。一方、実施例２に係る受光素子１０１では、ｐ型ＩｎＰ窓層２４の上面に円板形状をしたＩｎＧａＡｓのコンタクト層３０が設けられており、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光は、コンタクト層３０で反射されずに吸収される。このため、実施例２に係る受光素子は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光を再度吸収することができない。よって、実施例３に係る受光素子は、実施例２に係る受光素子に比べて、光の吸収効率が高くなる。
【００５０】
したがって、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のように、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域に設けられた反射膜５６よりも外側に窓３４を形成することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２を通過した光の反射を妨げることを抑制でき、光の吸収効率を向上させることができる。言い換えると、複数の窓３４を、受光領域４４の中央部を除く受光領域４４を包囲する領域に配置することで、光の吸収効率を向上させることができる。
【００５１】
また、図１３（ｂ）のように、コンタクト層３０とｐ電極３６とを接触させるための窓３４は８つに分離されて設けられているため、実施例１に係る受光素子と同様に、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさとすることが可能となる。また、窓３４を一定の間隔で配置することで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２２に印加される電界分布を均一にすることができる。
【００５２】
実施例３において、リング形状をしたコンタクト層３０の内側領域に設けられた反射膜５６としてシリコン窒化膜３２及びＡｕスパッタ膜３８の積層体である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。半絶縁性ＩｎＰ基板４６の裏面から入射する光を反射させることができれば、その他の金属、絶縁膜、またはこれらの組み合わせの場合でもよい。なお、実施例３のＰＩＮ型フォトダイオードは、実施例２の場合と同様に、メサ形状の受光部１０２Ａとダミーメサ１０２Ｂ及び１０２Ｃから構成されている。
【実施例４】
【００５３】
実施例４は、実施例１から３のいずれかの受光素子が、トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板に実装された受光装置の例である。図１４（ａ）は、実施例４に係る受光装置の上面図の例であり、図１４（ｂ）は、側面図の例である。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）のように、トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板６０上に、例えばＡｕバンプ６２により、実施例１から３のいずれかに係る受光素子６４が実装されている。実施例１に係る受光素子の場合はフェースアップで実装され、実施例２及び３に係る受光素子の場合はフェースダウンで実装されている。これにより、実施例１から３のいずれかに係る受光素子６４とトランスインピーダンスアンプとが電気的に接続している。
【００５４】
実施例１から３に係る受光素子は、上述したように、コンタクト面積を十分に小さくすることができ、受光素子の抵抗を所望の大きさにすることが可能である。このため、実施例４に係る受光装置によれば、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間に抵抗素子等の外部部品を接続させることなく、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの間のインピーダンスのミスマッチを抑制することができる。よって、コストの低減や小型化を実現することが可能となる。
【００５５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 受光素子
１０Ａ 受光素子
１２ トランスインピーダンスアンプ
１４ 抵抗素子
２０ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ ＩｎＧａＡｓ光吸収層
２３ 半導体層
２４ ｐ型ＩｎＰ窓層
２６ ｎ型ＩｎＰ窓層
２８ シリコン窒化膜
３０ コンタクト層
３２ シリコン窒化膜
３４ 窓
３６ ｐ電極
３８ Ａｕスパッタ膜
４０ Ａｕめっき層
４２ ｎ電極
４４ 受光領域
４６ 半絶縁性ＩｎＰ基板
４８ ｎ型ＩｎＰコンタクト層
４９ 溝
５０ シリコン窒化膜
５２ 引き出し電極
５４ 半田層
５６ 反射膜
５８ フォトレジスト
６０ 回路基板
６２ Ａｕバンプ
６４ 受光素子
１００ 受光素子
１０１ 受光素子
１０２ 受光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体層と、
前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、
前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた電極と、
前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に複数設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を除く前記受光領域を包囲する領域に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を含む前記受光領域を包囲する領域の内側に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記受光領域には、前記一導電型の半導体層側から信号光が入射することを特徴とする請求項３記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記複数設けられた窓は、一定の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体受光素子。
【請求項６】
一導電型の半導体層と、
前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、
前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた電極と、
前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に、前記受光領域を包囲し、一部が分断されたパターンによって設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項７】
前記反対導電型の半導体層と前記絶縁膜の間には、コンタクト層が形成されてなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記半導体受光素子は、フリップチップ構造を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の半導体受光素子。
【請求項９】
トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板と、
前記トランスインピーダンスアンプに電気的に接続するように前記回路基板に実装された請求項１から８のいずれか一項記載の半導体受光素子と、を備えることを特徴とする受光装置。
【請求項１】
一導電型の半導体層と、
前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、
前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた電極と、
前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に複数設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を除く前記受光領域を包囲する領域に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記複数設けられた窓は、前記受光領域の中央部を含む前記受光領域を包囲する領域の内側に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記受光領域には、前記一導電型の半導体層側から信号光が入射することを特徴とする請求項３記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記複数設けられた窓は、一定の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体受光素子。
【請求項６】
一導電型の半導体層と、
前記一導電型の半導体層上に設けられ、周縁の内側が受光領域となる前記一導電型と反対導電型の半導体層と、
前記反対導電型の半導体層上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた電極と、
前記電極とオーバーラップする領域の前記絶縁膜に、前記受光領域を包囲し、一部が分断されたパターンによって設けられた、前記電極と前記反対導電型の半導体層とを電気的に接続するための窓と、を備えることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項７】
前記反対導電型の半導体層と前記絶縁膜の間には、コンタクト層が形成されてなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記半導体受光素子は、フリップチップ構造を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の半導体受光素子。
【請求項９】
トランスインピーダンスアンプが形成された回路基板と、
前記トランスインピーダンスアンプに電気的に接続するように前記回路基板に実装された請求項１から８のいずれか一項記載の半導体受光素子と、を備えることを特徴とする受光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１１９４９０（Ｐ２０１２−１１９４９０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７８３９（Ｐ２０１０−２６７８３９）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００１５４３２５）住友電工デバイス・イノベーション株式会社 (291)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００１５４３２５）住友電工デバイス・イノベーション株式会社 (291)
【Ｆターム（参考）】
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