(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面入射型受光装置であって、半導体基板上に形成された半導体受光素子と、上記基板表面に、上記受光素子の側部に独立して形成された単数もしくは複数の凹状の斜面反射部とを少なくとも備え、上記基板の裏面から入射した信号光が上記斜面反射部で反射し、基板面に対し斜め方向から上記受光素子に入射する構造に、上記受光素子および上記斜面反射部を配設し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有することを特徴とする裏面入射型受光装置。
【請求項２】
請求項１において、半導体基板の厚さをＴ、斜面反射部の深さをＤ、上記斜面反射部で反射され受光素子へ入射する信号光の入射方向と基板面とのなす角度をθ′とした場合に、上記受光素子を構成する光吸収層の上記斜面反射部側の端部と、上記斜面反射部の最深部との水平距離ｚが、ｚ＜Ｔ／（１０・ｔａｎθ′）となる範囲に設定し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有することを特徴とする裏面入射型受光装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、斜面反射部を受光素子に対して対称な位置に、偶数個、配設し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、かつ上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有することを特徴とする裏面入射型受光装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、受光素子の少なくとも斜面反射部とは反対側の側面を、逆メサ状の断面形状に構成してなることを特徴とする裏面入射型受光装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の裏面入射型受光装置の作製方法であって、半導体基板上に凹状の斜面反射部を形成する際に、半導体基板に対し選択エッチング特性を有する半導体薄膜をマスクとして用い、化学的エッチング法により、基板結晶の（１１１）Ａ面、もしくはこれと等価な面が露出されるようにエッチングする工程を含むことを特徴とする裏面入射型受光装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の裏面から信号光を入射する構造の受光装置に係り、特に高速で、高効率の裏面入射型受光装置およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトダイオードに代表される半導体受光素子は、光信号を電気信号に変換する素子であり、光通信や光測定などの分野で幅広く使われいる。従来のｐｎ接合を用いたフォトダイオードは、例えば、図２０に示すように基板の端面から信号光を入射する「導波路型」受光素子と、図２１に示すように基板に垂直に信号光を入射する「面型」受光素子とに分類される。ここで、半導体層２５は、半導体基板２６上に形成されたｎ型電極層、光吸収層２７、ｐ型電極層からなる半導体積層構造を基本としており、必要とする層をさらに多層構造にすることにより、光導波路構造を兼ねる構造にすることもできる。受光素子２８は、メサ加工により絶縁分離されることが多く、素子の上部および下部電極層に接して、それぞれ上部電極３０および下部電極３１が形成される。導波路型受光素子の特徴は、入射光２９の進行方向と光励起キャリアの走行方向が互いに異なるため、受光素子の帯域と効率を独立に設計できることである。しかし、その反面、入射光との結合効率が低いことや、光入射端面に劈開面３３を用いるため、通常の半導体製造プロセス等との整合性が悪く、量産性の観点で問題があり、他の素子とのモノリシック集積化の自由度も低いなどの欠点がある。さらに、劈開しないと素子特性の測定ができないために、ウエハ状態での素子評価ができないのも欠点の一つである。これに対し、基板に垂直方向から信号光を入力する面型受光素子は、幾つかの点において利点を有している。すなわち、入射光との結合効率低下の問題が少なく、光吸収層の厚さを厚くすることにより効率を高くできるという特徴や、通常の半導体製造プロセスとの整合性が良いので量産性に富み、構造の類似性からも他の素子とのモノリシック集積化の自由度も高いなどの特徴がある。また、ウエハ状態での素子評価も容易である。
面型フォトダイオードのうち、信号光を基板表面側から入射する面型受光素子、すなわち表面入射型素子（図２１）は、入射光を導入するファイバー等とのモジュール化が簡便に行えることから、低速応用の領域では多く用いられている。しかし、表面入射型の場合は、上部電極３０領域内に光入射用の窓３２が必要であり、したがって窓領域（電極の無い部分）の広がり抵抗が大きくなり、素子特性の向上がはかれないという欠点があった。また、光吸収層２７の厚さと素子効率はトレードオフの関係にあり、吸収層を薄層化して高速化をはかると効率が低下するという問題があった。これに対し、高速応用や高効率が必要な領域では、面型受光素子である裏面入射型（図２２）が主流となっている。その理由は、上部電極３０領域全面に電極を形成することで素子抵抗の低減をはかることができると共に、上部電極３０で信号光を反射させ、反射光３４を再度、光吸収層へ導くことにより、素子の高効率化がはかれるからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の裏面入射面型フォトダイオードにおいて、さらなる高速化をはかるためには、キャリア走行距離を極端に短くすること、すなわち光吸収層の厚さを極端に薄くせざるを得ないために、高速性を保持したままで十分な素子効率を得ることができないという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解消し、受光素子の光吸収層部に信号光を斜めに入射すると共に、入射した信号光をさらに反射させ、より小さい素子面積で光吸収層に効率的に信号光を導入することが可能で、素子の高速化と高効率化をはかることができる裏面入射型受光装置およびその作製方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、
裏面入射型受光装置であって、半導体基板上に形成された半導体受光素子と、上記基板表面に、上記受光素子の側部に独立して形成された単数もしくは複数の凹状の斜面反射部とを少なくとも備え、上記基板の裏面から入射した信号光が上記斜面反射部で反射し、基板面に対し斜め方向から上記受光素子に入射する構造に、上記受光素子および上記斜面反射部を配設し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有する裏面入射型受光装置とするものである。
また、本発明は請求項２に記載のように、
請求項１において、半導体基板の厚さをＴ、斜面反射部の深さをＤ、上記斜面反射部で反射され受光素子へ入射する信号光の入射方向と基板面とのなす角度をθ′とした場合に、上記受光素子を構成する光吸収層の上記斜面反射部側の端部と、上記斜面反射部の最深部との水平距離ｚが、ｚ＜Ｔ／（１０・ｔａｎθ′）となる範囲に設定し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有する裏面入射型受光装置とするものである。
また、本発明は請求項３に記載のように、
請求項１または請求項２において、斜面反射部を受光素子に対して対称な位置に、偶数個、配設し、かつ受光素子の全側面部、もしくは少なくとも斜面反射部とは反対側の側面部において、上記受光素子に対し斜め方向に入射する信号光を素子側へ反射させる構造となし、かつ上記斜面反射部とは反対側の素子側面が、上記斜面反射部側の素子側面よりも深く掘り込まれた非対称なメサ状の断面形状を有する裏面入射型受光装置とするものである。
また、請求項４に記載のように、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、受光素子の少なくとも斜面反射部とは反対側の側面を、逆メサ状の断面形状に構成してなる裏面入射型受光装置とするものである。
また、請求項５に記載のように、
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の裏面入射型受光装置の作製方法であって、半導体基板上に凹状の斜面反射部を形成する際に、半導体基板に対し選択エッチング特性を有する半導体薄膜をマスクとして用い、化学的エッチング法により、基板結晶の（１１１）Ａ面、もしくはこれと等価な面が露出されるようにエッチングする工程を含む裏面入射型受光装置の作製方法とするものである。
本発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のように、受光素子側部に独立した斜面反射部を設け、裏面からの入射光をすべて反射させ、光吸収層に斜め方向から信号光を入射させるようにしたものである。このような構成とすることにより、入射光にとって実効的な吸収長が増大するため、受光素子の効率を顕著に増大させることができる効果がある。そして、基板裏面から垂直に入射した入射信号光を、受光素子とは独立して基板内に形成された斜面反射部ですべて反射させることにより、光吸収層に対して低角度で入射させる点が従来技術とは異なるところである。
また、本発明は請求項１ないし請求項４に記載のように、受光素子の全側面部、もしくは少なくとも上記斜面反射部とは反対側に位置する素子側面部も反射部となるように構成するものであって、このような構成とすることにより、素子部に、斜めに入射した信号光をさらに反射させ、より小さい素子面積で光吸収層に効率的に信号光を導くことができる効果がある。そして、素子側面を反射部とし、短い素子寸法であっても低角度の入射信号光を効率良く光吸収層へ導くように構成した点が従来技術とは異なるところである。
さらに本発明は、請求項５に記載のように、半導体基板に対し選択エッチング特性を有する半導体薄膜をマスクとして用い、化学的エッチング法によって、基板結晶の（１１１）Ａ面、もしくはこれと等価な面が露出されるようにエッチングして斜面反射部を形成する方法であるので、容易に、再現性良く、高歩留まりで斜面反射部を有する半導体基板を作製できる効果がある。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を引用しながら詳細に説明する。以下に述べる実施の形態では、受光素子の一例として、高速性、高出力性に優れるＵＴＣ−ＰＤ（Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）と呼ばれるフォトダイオード（特開平９−２７５２２４号公報）を用いた。
〈実施の形態１〉
図１は本発明の第１の実施の形態であって、１は半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板、２はｎ型ＩｎＰ電極層、３はアンドープＩｎＰキャリア走行層、４は信号光を吸収するｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層（膜厚２５００Å）、５は  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極層（組成：波長１．３μｍ相当）、６は下部電極、７は上部電極、８は素子側部に形成されたＶ溝からなる斜面反射部、９は入射光、１０は反射光である。また、基板裏面には反射防止膜１１が設けられている。なお、本発明の構成には直接関係しないため、ここではＵＴＣ−ＰＤの層構成は簡略化して記述している。また、有限の径を有する光ビームの半導体層界面での屈折の様子は、図３を除いて省略して記述している。
図１に示すように、本実施の形態では、メサ形状の受光素子１３が形成され、その側部にＶ溝からなる斜面反射部８が独立して形成されている。後述するように、この斜面が基板表面とのなす角度（鋭角側）は、約５４．７°（度）とした。  まず、基板裏面から基板面に垂直に入射した入射光９は、斜面反射部（Ｖ溝）８ですべて反射され、メサ型素子部の光吸収層４に斜め方向から入射する。ここで、図２に示すように、基板表面１２に対する斜面反射部８の角度（鋭角側）をθとすると、光吸収層４への入射方向と基板面の角度θ′は２θ−９０°となる。この入射光９は、キャリア走行層３と、ＩｎＧａＡｓ層よりなる光吸収層４、および光吸収層４とＩｎＧａＡｓＰよりなる電極層５との界面で、図３に示すように、スネルの法則にしたがい屈折する。したがって、光吸収層４の厚ををｄ、アンドープＩｎＰキャリア走行層３の屈折率をｎ１、光吸収層４の屈折率をｎ２とすると、光吸収層４に入射した信号光は、光吸収層４内を、次の（数１）式で示される距離ｄｅｆｆだけ伝搬し、光吸収層４の上部に出射する。
ｄｅｆｆ＝ｄ／〔１−４（ｎ１／ｎ２）２  ｓｉｎ２θｃｏｓ２θ〕１／２………（数１）
出射した信号光は、上部電極７で反射され、再度、光吸収層４へ入射し、光吸収層４内を再度、距離ｄｅｆｆだけ伝搬する。したがって、実効的な吸収長は、
２ｄｅｆｆとなる。これは、信号光が光吸収層４に対して垂直に入射した場合（吸収長２ｄ）に比べ、（数１）式に示す係数だけ長くなり、結果として素子の効率増大に寄与することになる。本実施の形態における構成では、吸収長の増大係数は約１．８倍となる。
信号光の実効的な吸収長（実効吸収長と言う）は、斜面反射部８の入射光９の角度θに依存するが、光吸収層４への入射方向と基板面の角度（θ′）が９０度に近づくと、斜め入射による実効吸収長の増大効果は少なくなり、一方、入射角を小さくし過ぎると、後述するが、素子面積、すなわち素子容量が増大して高速特性は低下することになる。また、実際には、入射信号光は有限のビーム径を有するので、受光素子１３の素子面積（実際には入射方向の素子長）をθ′と連動して増大させないと、図４に示すような信号光９の「遮り」が生じ、信号光９の一部しか光吸収層４に到達しないため素子効率は低下する。また、自明ではあるが、基板表面と斜面反射部とのなす角度（θ）が４５度よりも小さい場合には、反射光１０は素子に到達できないし、９０度以上の場合は入射光９がいったん基板から出射することなしには反射部として機能しない。したがって、θとして考えられる範囲は９０°＞θ＞４５°となる。すなわち、「斜面反射部８」は、基板表面と斜面反射部とのなす角（鋭角側）θは、上記の範囲内にあるものと定義される。
以上のように、素子の高速性と効率は共にθの関数であり、トレードオフの関係にある。図５に示すように、θが６７度を越えると、実効吸収長の増分（差分）％は３０％程度以下となってしまうので、実効吸収長の増分の効果は十分ではない。したがって、θは６７度以下が好ましい。他方、θが低くなり過ぎると、必要とする素子面積が増大し、素子容量の増大による素子高速特性の著しい低下を招くため、やはり実用的ではない。ところで、素子の高速性は、容量を制限する要素と、キャリア走行時間を制限する要素とがある。前者は素子面積と関連しており、後者は光吸収層の厚さと関連している。一般に、光吸収層の厚さは、所定の効率を確保するために有限の値に設定する（本実施の形態では約２５００Åに設定した）。したがって、ある程度の素子面積までは、その面積増大が素子の高速性に対し顕著な影響を及ぼさない。その影響が顕著になるのは、垂直入射の場合に比べて、素子面積がおおむね５倍以上に増大した場合であり、θとしては５０度以上が好適である。したがって、現実的な装置を考えた場合に、上記θの好適な範囲としては、６７°≧θ≧５０°となる。
本発明の裏面入射型受光装置の構成では、斜面反射部（Ｖ溝）８で、入射光９の全反射が起こるようにθを決定しなければならない。また、Ｖ溝表面に表面保護などの目的で膜を堆積する場含には、その屈折率についても考慮する必要がある。本実施の形態で用いたＩｎＰ基板の屈折率は３．１７（波長１．５５μｍの場合）であるため、表面が空気あるいは封入ガスなど（いずれも屈折率はほぼ１）の場合、θが４５度以上ではすべて全反射条件を満たしている。一方、保護膜を堆積する場合は、全反射条件を保つためには屈折率の制約が生じる。例えば、θを５４．７度と設定した場合にＶ溝表面に堆積する材料は、屈折率２．５９以下でなければならない。本実施の形態では用いていないが、一般には表面保護膜を用いる構成が好まれ、通常の半導体プロセスとの整合性の観点から、堆積膜としては、ポリイミド（屈折率１．５程度）、有機膜の一種であるＢＣＢ（ビスベンゾシクロブテン：屈折率１．５程度）、シリコン酸化膜（屈折率１．５程度）、シリコン窒化膜（屈折率１．８〜２．２程度）等が好適に用いられる。これらはいずれも、θが４５度以上で全反射条件を満たしている。堆積膜の種類は、上記以外の膜であっても良く、また屈折率の制約は、θによって適宜規定されるものであり、θを大きくすればこの制約は緩和される。
図１において、入射光９は上部電極７で反射すると述べたが、電極層５に用いる材料と光吸収層４に用いる材料との屈折率差を適宜選択することにより、図６に示すように、入射光９を吸収層４および電極層５′の界面で全反射させることができる。実際の素子では、半導体／金属界面で光の吸収が生じる場合があるため、この構造は素子効率の向上に有効である。例えば、本実施の形態のように、θ′＝１９．５°となるように、基板表面と斜面反射部とのなす角度θを選んで斜面反射部８を形成すると、光吸収層４および電極層５′の界面で全反射条件となるのに必要な屈折率比は約０．８３となる。したがって光吸収層４をＩｎＧａＡｓ（屈折率３．５９）で構成した場合、電極層５′は例えばＡ１ＰやＡ１Ａｓ（いずれも１．５５μｍにおける屈折率２．８以下）で構成すれば良いことになる。
【０００７】
〈実施の形態２〉
図７（ａ）、（ｂ）および図８は、半導体基板１に斜面反射部（Ｖ溝）８の作製方法を示す模式図である。Ｖ溝の作製方法としては、半導体の化学エッチング特性を利用するものである。すなわち、化合物半導体基板として一般的に用いられる（００１）面、あるいはこれと等価な面を表面とする基板を、メサエッチングした場合に、その（−１１０）断面および（１１０）断面（あるいは、これらと等価な面の組み合わせであっても良い。）からみたエッチング断面形状は、それぞれ、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、前者がいわゆる「逆メサ」形状となり、後者が「順メサ」形状となる。より具体的には、通常市販されている基板のＯＦ（オリエンテーションフラット）に対して平行なストライブ状メサの側面（ＯＦから見て前後）は順メサとなり、９０度異なる方向の側面（ＯＦから見て左右）は逆メサとなる。これらのメサ斜面の基板表面に対する角度（順メサの場合は鋭角側、逆メサの場合は鈍角側）は、エッチング液によっても異なるが、適当なエッチング液、エッチング条件を選択すれば、メサ側面を表面として（１１１）面、あるいはこれと等価な面を露出させることができる。
これは、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、金属原子面（通常、Ａ面と称する）でエッチングが停止しやすい性質を有しているからである。基板がＩｎＰの場合、この面はＩｎ面となり、典型的には、ブロムとメタノールの混合液、臭酸、塩酸と燐酸の混合液、硫酸と過酸化水素の混合液などを用いて露出させることができる（例えば、Ｓ．Ａｄａｃｈｉ他、Ｊ．Ｅ１ｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｖｏ１，１２８，Ｎｏ．６．１９８１，ｐｐ．１３４２〜１３４９）。（１１１）Ａ面、あるいはこれと等価な面でエッチングを止めた場合、（−１１０）断面、あるいはこれと等価な面から見た基板表面と斜面とのなす角度は約５４．７度となる。
図８は本実施の形態で作製した斜面反射部（Ｖ溝）を示す図であって、まず、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓ層上に、フォトレジストで開口部を有するマスクを作製し、続いてクエン酸系のエッチング液でＩｎＧａＡｓ層を選択的にエッチングする。その後、塩酸と燐酸の混合液を用いてＩｎＰのみを選択的にエッチングし、（１１１）Ａ面でエッチングを自動的に停止させることによりＶ溝を形成する。図８に示すように、Ｖ溝の深さはエッチングマスクの開口部長さに依存する（開口部長さに対し深さは１／√２となる）ので、マスク設計によりＶ溝の深さを決定することができる。必要なＶ溝の深さは、受光素子とＶ溝との位置関係により決まる。ここでは、開口部長を約２８μｍ、Ｖ溝深さを約２０  μｍとした。また、光吸収層の端部からＶ溝最深部（中心）までの水平距離を  ２７μｍとした。これらの値は、素子からの引き出し電極の形状、配置、素子の放熱（基板の熱抵抗）の観点、基板の機械的強度の観点、膜堆積などによるＶ溝の埋め直しの必要性の有無、入射信号光の位置合わせ余裕度などにより、適宜設定することができる。
Ｖ溝位置を素子から離すほど、Ｖ溝深さを深くする必要がある。また、ある程度Ｖ溝深さを深くしておけば、斜面反射部を十分な長さにすることができ、入射光９の位置合わせ余裕度が増大する。しかし、Ｖ溝の位置は、その深さに応じて、基板裏面からの入射光が反射されて受光素子に到達できるように受光素子の近傍に配置しなければならない。また、基板の機械的強度を考慮すると、斜面反射部の深さは、おおむね基板厚さの１／１０程度に留めるのが望ましい。例えば、市販のＩｎＰ基板では、２インチ基板の厚さは４５０μｍ程度、３インチ基板の厚さは６００μｍ程度であるので、それぞれ斜面反射部の最適深さは約４５μｍ以下、および約６０μｍ以下となる。これらを勘案すると、光吸収層の斜面反射部側の端部と斜面反射部の最深部との水平距離ｚ（図９）に関する制約は以下のように記述される。すなわち、入射光ビーム径を無限小と仮定した場合、斜面反射部の最深部の光吸収層端部で反射した入射光が少なくとも光吸収層に到達するためには、基板厚さをＴ、斜面反射部深さをＤとすると、ｚ≦Ｔ／（１０・ｔａｎθ′）とする必要がある。実際にはビーム径は有限であるため上記の式は等号を除くべきである。したがって、必要な条件はｚ＜Ｔ／（１０・ｔａｎθ′）となる。上述の２インチおよび３インチ基板では、この距離ｚは、それぞれ約１２７μｍおよび約１６９μｍとなる。ただし、チップサイズを無意昧に大きくしないためには、必要十分な距離を置いて両者をできるだけ近接させるのが好適である。一方、逆に斜面反射部を光吸収層の端部に接して形成するのは好ましくない。それは、斜面の作製が困難になるだけではなく、電極の配置が制限されたり、放熱が阻害されるなどの問題が生じるからである。したがって、斜面反射部を光吸収層端部に極端に近接させて形成するのは、上記の問題点を上回るメリットがある場含に限られる。
図８に示すように、半導体基板（ＩｎＰ基板）１の表面に、例えば５０Å程度以上のＩｎＧａＡｓ層やＩｎＧａＡｓＰ層などのＩｎＰ基板に対してエッチングの選択性のある層を残し、これをエッチングマスク２０として用いれば、ＩｎＰ基板のサイドエッチを防ぐことができるので、Ｖ溝の開口部長および深さを、より正確に制御することができる。また、本手法により（１１１）Ａ面、あるいはこれと等価な面を露出させた場合、上述のようにθは約５４．７度、したがって光吸収層への入射方向と基板面の角度θ′は約１９．５度となり、屈折を考慮すると実効吸収長は、垂直入射の場合に比べて約１．８倍となる。したがって、この手法は、本発明の受光装置を作製する上で好適である。その理由は、１．８倍の実効吸収長の増大は、高効率化の観点から十分な効果が得られる一方、それに対応する素子面積の増大（３倍）は、上述したように素子の高速性にそれほど悪影響を及ぼさないので、この本発明の手法により得られる素子構造は、高速性を犠性にせずに素子の高効率化がはかれるメリットがある。加えて、化学的な性質によりθが自律的に決定されるため、装置作製における再現性、均一性に対し非常に優れた手法となる。なお、本実施の形態ではＶ溝を形成する場合について述べたが、エッチングを途中で停止することにより、図７（ｂ）に示すように、溝の底部に平坦な箇所を残しても良い。また、ＩｎＰ以外の基板、例えばＧａＡｓやＧａＰ基板でも適宜エッチング液を選択することにより、上記と同様の工程が適用可能であり、同様の効果が得られる。
図１０は、θを５４．７度とした場合の、本発明の裏面入射型受光装置と従来の裏面入射型受光素子との効率の膜厚依存性（計算値）を比較して示したグラフである。ここでは、基板裏面での反射が無く、入射光の吸収は光吸収層のみで生じると仮定している。例えば、実施の形態１における光吸収層の厚さ２５００Åの場合、従来の受光素子では受光感度は０．４Ａ／Ｗ程度にしかならないが、本発明の受光装置では、受光感度を０．７Ａ／Ｗ程度にまで増大させることができる。また、θをさらに小さくすれば、受光感度をさらに増大させることもできる。
【０００８】
〈実施の形態３〉
図１１は、本発明の実施の形態３で例示する受光装置の上面図である。ここで１５は上部電極、１６は下部電極、１７は斜面反射部であるＶ溝である。ここで、光吸収層を含む素子部分は上部電極１５の下部に存在する。素子部の層構造は、実施の形態１と同様である。信号光を斜面反射部（Ｖ溝）１７の受光素子１３側の斜面で反射させ、素子領域（上部電極）１５に斜めに入射させるため、素子の形状は図４に示したような「遮り」が生じないように、信号光入射方向に対し長辺を有する長方形となっている。一方、短辺の長さは、信号光のビーム径と同程度以上であれば良い。本実施の形態では、ビーム径が３μｍであるのに対し、入射光ビームの合わせ余裕を考慮して素子寸法を４μｍ×１１μｍとした。この程度の面積では、例えばキャリア走行層の厚さが０．２μｍの場合、素子の帯域として１００ＧＨｚ以上を有している。また、本実施の形態のように、斜面反射部１７を受光素子に対して対称に２箇所設けるのが好適である。このようにすることにより、片方の反射部が劣化したり、製作プロセスの途中でダメージを受けたりした場合でも、もう一方の反射部で代用することが可能であることに加え、各々の反射部を独立に利用して、異なる信号を同時、あるいは時分割的に素子に入力させるようにすることもできる。また、反射部の位置が受光素子に関して対称であるため、図１２に示すように、片方の斜面反射部（Ｖ溝）８から受光素子１３に入射した信号光（入射光）９の反射光１０を再び基板裏面側へ垂直に導くことができ、基板裏面側に上記受光素子１３とは独立したフォトダイオード等のモニタ素子１８を配することにより、信号光のモニタリングを行うこともできる。また、受光素子あるいは発光素子を搭載した基板を積層し、基板間で信号を授受する光インターコネクト構成とすることもできる。
図１３は、本実施の形態で例示する受光装置の模式図あって、斜め溝１９を除いて、図１と同様である。斜面反射部８を作製する方法としては、実施の形態２で示した半導体のウェットエッチング特性を利用するものの他に、斜めドライエッチングを用いることもできる。すなわち、図１４に示すように、基板上にエッチングマスク（例えばＩｎＧａＡｓ層）２０を形成した後、半導体基板（例えばＩｎＰ基板）１を斜めに保持し、エッチングガス、およびエッチング条件を選択することにより、異方性および側面の平坦性に優れた深い溝を掘ることができる。例えば、本実施の形態のＩｎＰ基板に対する優れた異方性エッチング手法としては、Ｂｒ２−Ｎ２系のガスを用いたものが報告されている（Ｓ．Ｏｋｕ他、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅ１ａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、（１９９７）、ｐｐ．５７４〜５７７）。もちろん、これ以外の公知のガスや手法を用いることもできるし、他の基板、例えばＧａＡｓやＧａＰ基板をエッチングする場合でも、それぞれ公知の最適なガス種、手法を用いることにより、平坦性に優れた斜め溝を作製することができる。そして、この斜め溝１９は、実施の形態１で述べたＶ溝と等価な役割を果たす。このように、斜めドライエッチングを用いる場合は、結晶の性質で決まる特定の面を用いなければならないという実施の形態２で述べたような制約が無くなり、実施の形態１で述べた最適配置条件の範囲内で、斜面の角度や溝の深さを任意に設計することができる。さらに、斜めドライエッチングを用いれば、素子に対して順メサになる配置以外にも斜面反射部１９を設けることができるので、素子形状を三角形、矩形、円形、十字型等に適宜変形させ、素子側部の任意の位置に、任意の数の反射部となる溝を設けることもできる。このようにすることにより、代用反射部の数を任意の数まで増大させることができると共に、任意の数の複数の異なる信号を同時、あるいは時分割的に受光素子へ入力させることも可能となる。例えば、図１５（ａ）、（ｂ）は、上述の斜めドライエッチングを用いて、円形の受光素子の周囲４箇所に、斜面反射部２１を設けたものである（４入力装置）。図１５（ｂ）に示すように、受光素子１３に対し、順メサ断面が生じる結晶方位だけでなく、逆メサ断面が生じる方位など任意の方位に、断面が順メサ形状の斜面反射部（斜め溝）２１を形成することができる。なお、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ断面を示す。
図１６は、実施の形態１の受光素子に、有限なビーム径ｗを有する信号光を入射させる場合に必要な素子長Ｌを説明するものである。実施の形態１でも示したが、現実的こは図１に示すように、受光素子として、光吸収層までを第１段のメサ型に形成し、キャリア走行層は、もう一段広いメサ形状とするのが好適である。その理由は、２段目のメサをθ′（光吸収層への入射方向と基板面の角度）に応じた距離だけ広くしておけば、図４に示した入射光の「遮り」を防ぐことができるからである。また、この２段メサ構造は、キャリア走行層の側面部への電界集中を防止する意昧からも効果的である。「遮り」に関しては、下部電極層メサに関しても同様であり、必要な距離だけ広げて、さらにもう一段広いメサ形状となっている。このようにすれば、必要な素子長Ｌを考える場合、問題を光吸収層より上部のメサ長に簡略化することができる。以下の実施の形態では、このような仮定の下に詳述する。もちろん、２段メサを採用しない場合は、「遮り」についても考慮する必要がある。また、上述したように、ここでは半導体層界面での入射光の屈折の影響は省略して記述しているが、実際の素子では、素子長に比べ光吸収層の厚さは２桁程度小さいので、これは良い近似値となる。
図１６に示されているように、入射光９の入射方向と基板面の角度がθ′の場合、入射光９の遮りが生じないための最小限必要な素子長（光吸収層４までのメサ長）は、光吸収層４、および上部電極層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極層）５の厚さの合計をｔ、入射光９のビーム径をｗとすると、ｗ／ｓｉｎθ′＋ｔ／ｔａｎθ′となる。例えば、ｗ＝３μｍ、θ′＝１９．５度、ｔ＝０．５μｍとすると、Ｌ＝１０．４μｍとなる。実施の形態１のところで述べたように、基板表面と斜面反射部とのなす角θの値によっては、この素子長の増大は、素子の高速特性を著しく低下させる原因となる。
【０００９】
〈実施の形態４〉
図１７は、本発明の第４の実施の形態を示すものであって、図１６で示した受光装置に比べて、素子長が異なる点と、素子側面が反射面となるように加工されている点を除いて、他は同様である。ここで、素子側面を反射加工面（素子側壁）２２とすることにより、図１７に示すように、光吸収層４に入射させた入射光９を素子側壁で反射させることができ、すべて光吸収層４へ導くことができる。そして、上部電極７で反射した信号光を効率的に再度、光吸収層４へ導くこともできる。これにより、入射光９の遮りが生じないための最小限必要な素子長をｗ／ｓｉｎθ′まで短縮することができる。例えばｗ＝３μｍ、θ′＝１９．５度とすると、Ｌ＝９μｍとなる。反射加工面２２は、斜面反射部と反対側の素子側面に設けるだけでも効果があるが、両面とも反射加工面２２としておけば、さらに効率よく入射光を光吸収層４へ導くことができる。ここで、素子側面における全反射条件についても考慮する必要がある。素子側壁が基板に対し垂直であり、素子周囲部に膜が堆積されていない（周囲部の屈折率１）と仮定した場合、ＩｎＧａＡｓよりなる光吸収層（屈折率３．５９）では、臨界角は約１６．２度となる。ＩｎＰ層の場合（屈折率３．１７）は、臨界角は約１８．４度となる。斜面反射部として実施の形態２で示した（１１１）面あるいはこれと等価な面を用いる場合、θ′は約１９．５度であり、光吸収層内では半導体層界面での屈折の結果、入射角は約３３．７度となっており、したがって、受光素子をＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、およびＩｎＧａＡｓＰのいずれの材料で構成しても、この全反射条件を満足している。素子側壁に膜を堆積する場合は、側壁で全反射が生じる条件にするため、その屈折率に関して考慮する必要があるが、図１７のように構成すれば、側面反射は光吸収層４より上部で生じるため、屈折率の条件は緩和される。  そして、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の側壁においては屈折率が１．９９以下の材料であれば良いので、堆積膜としてボリイミド、ＢＣＢ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等を用いることができる。基板に対し垂直な側壁は、例えばＩｎＧａＡｓであればクエン酸系のウェットエッチング液を用いることにより形成することができる。もちろん、ドライエッチングでも形成することができる。
【００１０】
〈実施の形態５〉
図１８は本発明の第５の実施の形態を示すものであって、図１７の受光装置と比べて異なるところは、斜面反射部と反対側の受光素子の側部を、さらに、深さｔ′だけ掘り込んだ非対称の断面形状としている。そして、入射光９がすべて直接もしくは素子側壁２３で反射して吸収層に導かれるように、その位置および深さを選定している。また、ここでは側壁はすべて基板に対し垂直としている。素子側部の掘り込み深さｔ′は、直接、光吸収層に入射しない入射光をすべて光吸収層側へ反射させるだけの深さ以上とする必要があり、一方、素子長は、上記反射した入射光がすべて光吸収層へ導かれる範囲に設定しなければならない。そのためには、素子長が、１／２・ｗ／ｓｉｎθ′以上であれば良く、その場合、  ｔ′はＬ・ｔａｎθ′以上であれば良い。したがって、最大で、素子長を実施の形態４の半分にまで短縮することができる。例えばｗ＝３μｍ、θ′＝１９．５度とすると、Ｌ＝４．５μｍとなる。このような構成とすることにより、図１８に示すように、入射光の遮りを生じさせずに、入射光をすべて光吸収層へ導くことができる。ここでは、上記側面のうち、斜面反射部側を光吸収層の下部まで、斜面反射部の反対側を、キャリア走行層以下の層にまで掘り込んだ構成としたが、メサ深さはこれに制限されるものではなく、前者をキャリア走行層以下の層まで堀り込んだ場合でも、後者をより深く掘り込むことにより非対称な断面形状とし、入射光９の一部を斜面反射部の反対側の側壁で反射させて光吸収層へ導くことができる。
【００１１】
〈実施の形態６〉
図１９は、本発明の第６の実施の形態であって、図１８と比べて異なるところは、斜面反射部の反対側の素子側壁２４を、断面が逆メサ形状（すなわち、φ＜９０度）となるようにしている。そして、図１８の場合と同様に、側壁で反射した信号光がすべて光吸収層４に到達するようにしている。ここでの条件は、実施の形態５と同様に、入射光１０がすべて光吸収層４へ導かれるように、素子長Ｌ、掘り込み深さｔ′、および側面角度φを設定するところである。ここでの素子長Ｌは、素子容量を規定する光吸収層４の下面の長さを意昧している。このような構成とすることにより、実施の形態５と同様、図１９に示されるように、入射光１０をすべて光吸収層４へ導くことができる。そして、素子側部を逆メサ状にしているため、入射光１０の遮りが生じないための最小限必要な素子長を、実施の形態５の場合よりもいっそう短縮することができる。ここで、斜面反射部側の素子側面は基板に対して垂直としたが、もちろん角度を有していても良い。これを逆メサ断面にすることにより、上部電極７のコンタクト面積を増大させ、コンタクト抵抗の低減をはかることもできる。
上述の各実施の形態では、受光素子としてフォトダイオードの一種であるＵＴＣ−ＰＤを用いた。ＵＴＣ−ＰＤの層構成は、本実施の形態で示したもの以外にも、吸収層とキャリア走行層との間に複数の層を挿入し、伝導帯不連続を低減することによりキャリアブロック現象を防止したり、キャリア走行層の一部を光吸収層として用いるハイブリッド構造など、さまざまなバリエーションが可能である。また、フォトダイオードとしては、高不純物濃度ｐ型電極層、アンドープもしくは低不純物濃度光吸収層、高不純物濃度ｎ型電極層の積層構造を基本とする通常のｐｉｎフォトダイオード、超格子構造の吸収層を用いたフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等、その他のフォトダイオードを用いることもできる。また受光素子としては、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の単体受光素子以外にも、受光素子と他の素子を縦積みに形成した複合素子や、受光素子と電子デバイスとの集積回路であっても良い。
受光装置を構成する材料としては、上記実施の形態ではＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）系を用いたが、ＩｎＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／Ｉｎ  ＧａＡｓ、ＩｎＡ１Ａｓ／ＧａＡｓＳｂなどのＩｎＰに格子整合する他の材料系、Ａ１ＧａＡｓ／（Ａ１）ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓなどのＧａＡｓに格子整合する材料系、Ａ１ＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどのＧａＮに格子整合する半導体材料の組み合わせなどや、格子不整合系材料など、通常の半導体材料の組み合わせを用いることもできる。
基板としては、半絶縁性のものを用いたが、導電性のものであっても良い。
なお、詳述しなかったが、裏面入射型受光素子の場合は、基板が入射光に対して透明であることが必要であり、電極層なども極力入射光に対して透明であることが望ましい。
光通信で通常用いられている１．３μｍ帯や、１．５μｍ帯の波長の光に対し、ＩｎＰは透明であることから、一般に用いられているＩｎＰ基板上に作製されたＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどを用いた受光素子は好適な例である。この他にも、例えば１．３μｍ帯や１．５μｍ帯の波長の光に対しＧａＡｓ、０．８５μｍ帯の波畏の光に対しＡ１ＧａＡｓを基板として用いることも好適な例である。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の裏面入射型受光装置は、受光素子の側部に受光素子とは独立した斜面反射部を設け、基板裏面からの入射光をすべて反射させ、吸収層に斜めから信号光を入射させることにより、吸収層内での実効的な吸収長を増大させることができるので、吸収層の厚さの増大による高速性の低下を招くことなく、素子効率を向上できる効果がある。また、上記構成に加え、少なくとも斜面反射部の反対側に位置する素子の側端部も反射部となるように構成することにより、素子部に斜めに入射した信号光の一部をさらに反射させ、より小さい素子面積で光吸収層に効率的に信号光を導くことができるので、素子の高速性の低下を招くことなく、さらに素子効率を向上できる効果がある。さらに、複数の斜面反射部を設けることにより、容易に複数の入射光の入力が可能となり、受光装置の機能化がはかれると共に、斜面反射部を代替えできる効果もある。また、半導体薄膜をエッチングマスクとして基板結晶の（１１１）Ａ面あるいはこれと等価な面が露出するようなエッチング液を用いて斜面反射部を形成することにより、斜面反射部として好適な角度を有するＶ溝を、寸法および角度の制御性良く形成できる効果がある。
本発明の受光装置は、従来の受光素子と比べ、層構成やプロセス上の特別の配慮が不要であり、単純に受光素子から必要な距離範囲で、素子が存在しない領域に斜面反射部となる凹部を形成するだけで良いので、他の素子、例えば、電子回路との集積化（ＯＥＩＣ化）などが容易に行える効果もある。また、素子効率をそれほど必要としない場合は、さらなる光吸収層の薄層化により、素子のさらなる高速化をはかることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１で例示した裏面入射型受光装置の構成を示す模式図。
【図２】本発明の実施の形態１で例示した裏面入射型受光装置の斜面反射部角度と吸収層への入射角の関係を示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態１で例示した裏面入射型受光装置の斜め入射による実効吸収長の増大効果を示す模式図。
【図４】本発明の実施の形態１で例示した入射光の遮りが生じる場合を示す模式図。
【図５】本発明の実施の形態１で例示した実効吸収長の増分と素子速度（相対値）の斜面反射部の角度（θ）依存性を示すグラフ。
【図６】本発明の実施の形態１で例示した裏面入射型受光装置の他の構成を示す模式図。
【図７】本発明の実施の形態２で例示した基板結晶の面方位と逆メサ形状（ａ）および順メサ形状（ｂ）を示す模式図。
【図８】本発明の実施の形態２で例示したＶ溝の作製方法を示す模式図。
【図９】本発明の実施の形態２で例示した斜面反射部の深さ（Ｄ）と光吸収層からの距離（ｚ）の制約に関する説明図。
【図１０】本発明の実施の形態２で例示した本発明の受光装置の素子効率の光吸収層の厚さ依存性を、従来の素子と比較して示したグラフ。
【図１１】本発明の実施の形態３で例示した裏面入射型受光素子と斜面反射部の配置を示す模式図。
【図１２】本発明の実施の形態３で例示した裏面入射型受光装置の構成を示す模式図。
【図１３】本発明の実施の形態３で例示した裏面入射型受光装置の他の構成を示す模式図。
【図１４】本発明の実施の形態３で例示した斜めエッチングによる斜面反射部の作製方法を示す模式図。
【図１５】本発明の実施の形態３で例示した４入力型裏面入射型受光装置の構成を示す模式図。
【図１６】本発明の実施の形態３で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図１７】本発明の実施の形態４で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図１８】本発明の実施の形態５で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図１９】本発明の実施の形態６で例示した裏面入射型受光素子の最小素子長を示す説明図。
【図２０】従来の導波路型受光素子の構成を示す模式図。
【図２１】従来の表面入射型受光素子の構成を示す模式図。
【図２２】従来の裏面入射型受光素子の構成を示す模式図。
【符号の説明】
１…半導体基板（ＩｎＰ基板など）
２…ｎ型ＩｎＰよりなる電極層（下部電極層）
３…アンドープＩｎＰよりなるキャリア走行層
４…ｐ型ＩｎＧａＡｓよりなる光吸収層
５…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰよりなる電極層（上部電極層）
５′…ｐ型半導体よりなる電極層（上部電極層）
６…下部電極
７…上部電極
８…斜面反射部（Ｖ溝）
９…入射光
１０…反射光
１１…反射防止膜
１２…基板表面
１３…受光素子
１４…基板裏面
１５…上部電極
１６…下部電極
１７…斜面反射部（Ｖ溝）
１８…モニタ素子
１９…斜め溝
２０…エッチングマスク（ＩｎＧａＡｓ層など）
２１…斜面反射部（斜め溝）
２２…反射加工面（素子側壁）
２３…素子側壁
２４…素子側壁
２５…半導体層
２６…半導体基板
２７…光吸収層
２８…受光素子
２９…入射光
３０…上部電極
３１…下部電極
３２…入射窓
３３…劈開面
３４…反射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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