(57)【要約】【課題】反射層を備える下面入射型の半導体受光素子における反射層における性能の劣化が抑制できるようにする。【解決手段】基板１０１の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された半導体からなる光吸収層１０３と、光吸収層１０３の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層１０４と、第２半導体層１０４の上の周辺部に接して形成された第１電極１０５と、第１半導体層１０２に形成された第２電極１０６と、第１電極１０５の内側の第２半導体層１０４の上に誘電体層１０８を介して形成された金属からなる反射層１０９とを少なくとも備える。【選択図】  図１Ａ
2011187607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、
この第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、
この光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、
この第２半導体層の上の周辺部に接して形成された第１電極と、
前記第１半導体層に形成された第２電極と、
前記第１電極の内側の前記第２半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層と
を少なくとも備え、
前記光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、
前記第１半導体層，および前記第２半導体層は、前記光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、
前記第１半導体層および前記第２半導体層は、不純物を導入することで各々の前記導電型とされ、
前記光吸収層は、前記第１半導体層および前記第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１の半導体受光素子において、
前記光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２導電型光吸収層を備え、
前記第２導電型光吸収層は、前記光吸収層と同じ半導体から構成され、
第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体受光素子において、
前記基板の側部に、前記基板の内側に入り込んで形成され、前記基板の平面に対して鋭角とされた切り子面からなる光入射面を備えることを特徴とする半導体光受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関し、特に、高速，高効率な動作を可能にする半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信に用いる半導体受光素子として、フォトダイオードが一般的に用いられている。フォトダイオードは、半導体吸収層に対するバンドギャップ以上の波長の光入射により電子および正孔を生成させ、生成させた電子および正孔を電気的エネルギーとして取り出すことで光電変換している。
【０００３】
フォトダイオードは、動作時には、ｐ型の半導体層，ｉ型の光吸収層，ｎ型の半導体層からなるｐｉｎ接合間に電圧を印加し、光吸収層を空乏化させる。この状態で、入射した光により光吸収層に誘起された電子および正孔は、電圧が印加されているために、光吸収層内でドリフト移動し、この後で電極に達する。これが、ｐｉｎフォトダイオードでの光電変換の基本原理である。
【０００４】
上述したフォトダイオードに代表される半導体受光素子の応答速度は、一般的に素子のＣＲ時定数とキャリアの走行時間に支配されている。従って、半導体受光素子の応答速度の向上のためには、両方を改善することが重要となる。
【０００５】
まず、キャリアの走行時間を短くするためには、光吸収層を薄くすることが考えられる。しかし、光吸収層を薄くすると入射光を十分に吸収することができなくなり、光電変換効率が低下する。この光電変換効率の低下を改善するため、基板に対して上面から光を入射する上面入射型の半導体受光素子では、基板の裏面に金属、あるいは誘電体多層膜によるミラーを形成する方法が提案されている。このようにミラーを形成することで、光吸収層を抜けてきた入射光をミラーで反射して再び光吸収層に戻すことができ、薄い光吸収層でも入射光の光吸収層内の光路長を実効的に大きくすることができ、光電変換効率の低下を抑えながら走行時間を短縮することができる。
【０００６】
次に、ＣＲ時定数を小さくするためには、受光部を小さく作製して素子のキャパシタンスを低減させる必要がある。しかし、前述の基板裏面での反射を用いた構造で受光部を小さくすると、基板の厚さのために光路長が長く、基板裏面のミラーによって反射してくる光が大きく広がるため、戻ってくる光を受光部が受け切れなくなる。これに対して光吸収層の直下に、半導体多層膜のＤＢＲミラーを形成する方法がある（例えば非特許文献１参照）。しかしながら、半導体ＤＢＲは波長依存性が大きく、用いられる波長帯によってミラー構成の最適化を行う必要があるなど、適用が容易ではない。
【０００７】
上述した基板側反射の構成の問題を解消した半導体受光素子として、基板側から光を入射する下面入射型がある。以下、高速光通信に用いられている下面入射型ｐｉｎフォトダイオードを例に説明する。このフォトダイオードは、図７に示すように、まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板７０１の上に、ｎ+−ＩｎＰからなるｎ電極コンタクト層７０２，アンドープのＩｎＧａＡｓからなる光吸収層７０３，ｐ+−ＩｎＧａＡｓからなるｐ電極コンタクト層７０４が、順次エピタキシャル成長により形成されている。また、ｐ電極コンタクト層７０４の上には、Ｐｔ/Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕ/Ｐｔ/Ｔｉ多層膜からなるｐ電極兼反射層７０５が形成されている。また、エッチングにより露出させた一部のｎ電極コンタクト層７０２の上には、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕ/Ｐｔ/Ｔｉ多層膜からなるｎ電極７０６が形成されている。
【０００８】
上述した下面入射型のフォトダイオードは、基板７０１の側より入射して光吸収層７０３を抜けてきた入射光を、最上面に形成したｐ電極兼反射層７０５で反射させ、再び光吸収層７０３に戻すようにしている。この構造の場合、光吸収層７０３とｐ電極兼反射層７０５との間に、基板７０１のような各半導体層よりも非常に厚みのある物体が入らない。このため、たとえｐ電極兼反射層７０５によって反射光が広がったとしても、光吸収層７０３に到達するまでの広がりは極わずかで済み、ほとんどの光は光吸収層７０３に再び戻っていく。このため、下面入射型とすることで、受光部を小さくしても光電変換効率の低下を抑えることが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】E. Yagyu, et al. ,"Guardring-Free Planar AlInAs Avalanche Photodiodes for 2.5-Gb/s Receivers With High Sensitivity", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.19, No.10, pp.765-767, 2007.
【非特許文献２】Y. Muramoto and T. Ishibashi, "InP=InGaAs pin photodiode structure maximising bandwidth and efficiency",ELECTRONICS LETTERS 27th, Vol.39, No.24, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した下面入射型では、ミラー（反射層）が電極を兼用しているため、ミラーとなる金属層が半導体層に接して形成されることになる。このように金属層と半導体層とが接触していると、製造過程における各種の加熱処理による熱履歴の結果、半導体層に金属層の金属元素が拡散し、また、半導体層と金属層との接触面に合金が形成されるようになる。このような状態では、半導体と金属層との界面での急峻性が損なわれ、ミラーとしての効果を十分発揮できなくなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、反射層を備える下面入射型の半導体受光素子における反射層における性能の劣化が抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る半導体受光素子は、基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、この第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、この光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、この第２半導体層の上の周辺部に接して形成された第１電極と、第１半導体層に形成された第２電極と、第１電極の内側の第２半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層とを少なくとも備え、光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層，および第２半導体層は、光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層および第２半導体層は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層は、第１半導体層および第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされている。
【００１３】
上記半導体受光素子において、光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２導電型光吸収層を備え、第２導電型光吸収層は、光吸収層と同じ半導体から構成され、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型とされていてもよい。また、基板の側部に、基板の内側に入り込んで形成され、基板の平面に対して鋭角とされた切り子面からなる光入射面を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、第１電極の内側の第２半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層を備えるようにしたので、反射層を備える下面入射型の半導体受光素子における反射層における性能の劣化が抑制できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体受光素子の構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体受光素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、誘電体層１０８を構成するＳｉＯ2層の層厚による反射率の変化を示した特性図である。
【図３】図３は、ＴｉＯ2層の層厚を６ｎｍ，ＳｉＯ2層の層厚を０．２３μｍとして誘電体層１０８を形成したときの、反射層１０９における反射率の波長依存性を示した特性図である。
【図４】図４は、反射層における反射率と受光感度との光吸収層厚依存性を示す相関図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態２における半導体受光素子の構成を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体受光素子の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本実施の形態における半導体受光素子の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、下面入射型ｐｉｎフォトダイオードの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体受光素子の構成を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａのｂｂ線における断面である。
【００１８】
本実施の形態における半導体受光素子は、基板１０１の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された半導体からなる光吸収層１０３と、光吸収層１０３の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層１０４と、第２半導体層１０４の上の周辺部に接して形成された第１電極１０５と、第１半導体層１０２に形成された第２電極１０６と、第１電極１０５の内側の第２半導体層１０４の上に誘電体層１０８を介して形成された金属からなる反射層１０９とを少なくとも備える。
【００１９】
ここで、光吸収層１０３は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層１０２，および第２半導体層１０４は、光吸収層１０３を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層１０２および第２半導体層１０４は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層１０３は、第１半導体層１０２および第２半導体層１０４よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。
【００２０】
例えば、基板１０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層１０２は、ｎ型不純物が高濃度に導入されたｎ+−ＩｎＰから構成されていればよい。また、光吸収層１０３は、アンドープのＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、第２半導体層１０４は、ｐ型の不純物が高濃度に導入されたｐ+−ＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。これらの場合、上述した第１導電型が、ｎ型となり、第２導電型がｐ型となる。
【００２１】
なお、光吸収層１０３および第２半導体層１０４は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第１半導体層１０２は露出し、この露出領域に第２電極１０６が形成されている。例えば、光吸収層１０３および第２半導体層１０４は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。また、本実施の形態では、基板１０１，第１半導体層１０２，光吸収層１０３，および第２半導体層１０４より構成されている半導体受光素子の側部が、例えばポリイミドからなる保護膜１０７で覆われている。また、本実施の形態では、誘電体層１０８は、反射層１０９と第２半導体層１０４との間から、反射層１０９と第１電極１０５との間および保護膜１０７の外側側面のほぼ全域に形成している。なお、図示せず省略しているが、第１電極１０５および第２電極１０６には、各々引き出し配線が接続されている。
【００２２】
以下、本実施の形態における半導体受光素子の製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１の上に、ｎ型のＩｎＰ（第１半導体層１０２）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層１０３）、およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（第２半導体層１０４）を順次堆積する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により形成すればよい。また、ｎ型の層は、例えばＳｉを不純物として用いればよく、ｐ型の層は、例えばＺｎを不純物として用いればよい。
【００２３】
次に、第２半導体層１０４となるＩｎＧａＡｓＰの層の上に、第１電極１０５を形成する。例えば、第１電極１０５の形成領域が開放したレジストパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法によりＰｔ，Ｔｉ，Ａｕを順次蒸着し、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ多層膜を形成する。この後、レジストパターンを除去すればＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ多層膜から構成された第１電極１０５できる（リフトオフ法）。第１電極１０５は、例えば、平面視、内径１８μｍ、外径２２μｍ程度の円形のリング状に形成すればよい。
【００２４】
次に、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチングにより、アンドープのＩｎＧａＡｓの層およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層をパターニングし、円柱状の光吸収層１０３および第２半導体層１０４を形成する。次に、このパターニングにより露出した第１半導体層１０２の所望の箇所に、上述した第１電極１０５と同様にすることで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜から構成された第２電極１０６を形成する。
【００２５】
次に、基板１０１，第１半導体層１０２，光吸収層１０３，第２半導体層１０４の側部、および第１半導体層１０２の露出部を覆う保護膜１０７を形成する。例えば、ポリイミド樹脂を塗布し、この塗布膜を２００℃程度に加熱して硬化させることで、保護膜１０７が形成できる。
【００２６】
次に、誘電体層１０８を形成する。例えば、ＴｉＯ2の層およびＳｉＯ2の層を順次にスパッタ法で堆積し、ＴｉＯ2およびＳｉＯ2の積層からなる誘電体層１０８を形成すればよい。ここで、誘電体層１０８の機能を発現させるためには、ＳｉＯ2のみで十分であるが、第２半導体層１０４とＳｉＯ2との界面の密着性、濡れ性などを向上させることを目的として、ＴｉＯ2の層を挿入する。
【００２７】
次に、反射層１０９を形成する。例えば、電子ビーム法により選択的にＡｕを堆積することで、反射層１０９を形成すればよい。反射層１０９は、第１電極１０５の形成領域より内側の領域に形成する。なお、上述した引き出し配線なども形成する。
【００２８】
以上のように、本実施の形態によれば、金属からなる反射層１０９は、誘電体層１０８を介して第２半導体層１０４の上に形成されるので、製造過程における各種の加熱処理による熱履歴が加わっても、誘電体層１０８に反射層１０９からの金属元素の拡散や、界面における合金の形成などが抑制されるようになる。この結果、反射層１０９における界面での急峻性が損なわれることが抑制され、性能の劣化が抑制でき、反射層１０９としての機能が十分に発揮されるようになる。
【００２９】
次に、誘電体層１０８についてより詳細に説明する。まず、本実施の形態における半導体受光素子においては、基板１０１の側（裏面側）より入射する入射波と、入射した光が反射層１０９で反射した反射波とは、干渉により減衰することがある。図２は、誘電体層１０８を構成するＳｉＯ2層の層厚による反射率の変化を示したものである。図２では、誘電体層１０８を構成するＴｉＯ2層の層厚が、６ｎｍ（実線），３０ｎｍ（一点鎖線），および６０ｎｍ（点線）の３つの場合について示している。また、入射光の波長は１．５５μｍである。
【００３０】
ＴｉＯ2層の層厚がいずれの場合においても、ＳｉＯ2層の層厚には反射率が最大となる最適値が存在し、この最大値より厚い場合および薄い場合の両者とも反射率は低下することがわかる。また、ＴｉＯ2層の層厚が薄いほど反射率の最大値が向上していることもわかる。このように、誘電体層１０８の層厚により反射率は変化するため、誘電体層１０８の層厚は、実験により最大の反射率が得られる値を求めて適宜に設定すればよい。なお、ＴｉＯ2層がない構造が最も反射率が良くなるが、ＴｉＯ2層は、半導体層とＳｉＯ2層との密着性および濡れ性を改善するために重要となる。このため、ＴｉＯ2層は、スパッタ法などにより確実に全面を覆うことができる層厚は最低でも必要となる。
【００３１】
本実施の形態では、ＴｉＯ2層についてはスパッタ法で確実に成層可能な６ｎｍ程度の層厚とした。このＴｉＯ2層の層厚とすることで、ＳｉＯ2層の層厚を０．２３μｍとすると、最大の反射率を得ることが可能となる。なお、使用する成膜方法によって、均一な層がより薄くできる場合、ＴｉＯ2層は、６ｎｍよりも薄くしても良い。
【００３２】
図３は、ＴｉＯ2層の層厚を６ｎｍ，ＳｉＯ2層の層厚を０．２３μｍとして誘電体層１０８を形成したときの、反射層１０９における反射率の波長依存性を示した特性図である。最適化されたＳｉＯ2層の層厚においては、波長１．５５μｍで９６.３％、波長１．３μｍで９５．５％程度の反射率がある。このように、本実施の形態における半導体受光素子は、光通信用として一般的によく用いられている１．５５μｍ帯および１．３μｍ帯のどちらの波長においても適用可能であることを示している。
【００３３】
以上のように反射率を向上させたことの効果について、１例として３ｄＢ帯域２０ＧＨｚ以上となる半導体受光素子とするために素子の接合面積（受光面積）を直径２４μｍ、光吸収層の層厚を０．８μｍとしたものについて説明する。ここでは、図７を用いて説明した半導体受光素子と、上述した本実施の形態における半導体受光素子とを比較する。電極兼反射ミラーを直接半導体層に形成した半導体受光素子では、製造プロセス中の温度履歴を経ることにより、反射率は５０％以下となり、受光感度は０．６５Ａ／Ｗ以下となる。
【００３４】
一方、誘電体層を介して反射層を形成した本実施の形態における半導体受光素子では、製造プロセス中の温度履歴を経た後でも、９５％以上の高い反射率が得られ、受光感度は０．８０Ａ／Ｗ以上となる。
【００３５】
次に、反射率と受光感度との光吸収層厚依存性について説明する。図４は、反射層における反射率と受光感度との光吸収層厚依存性を示す相関図である。図４において、白丸は反射率１００％、白三角は反射率５０％、白四角は反射率０％の場合を示している。光吸収層の層厚が３μｍと厚い場合は、光吸収層で入射光の大半を吸収できるため、反射率が悪くても受光感度に大きな差はない。しかし、高速応答可能な半導体受光素子とするために光吸収層を薄くした場合、反射率によって量子効率に大きな差を生じる。これは、光吸収層で吸収されなかった入射光が多くなり、相対的に反射ミラーからの反射光の寄与率が大きくなったためである。
【００３６】
これらのことから明らかなように、反射ミラーの反射率を向上させることが可能とする本実施の形態によれば、高速応答可能な半導体受光素子とするために光吸収層を薄くする場合に特に好適であり、図７を用いて説明した半導体受光素子に比較して、より高速に、また、より高感度にすることができる。
【００３７】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体受光素子の構成を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａのｂｂ線における断面である。
【００３８】
本実施の形態における半導体受光素子は、基板５０１の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層５０２と、第１半導体層５０２の上に形成された半導体からなる光吸収層５０３と、光吸収層５０３の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型光吸収層５０４と、ｐ型光吸収層５０４の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層５０５と、第２半導体層５０５の上の周辺部に接して形成された第１電極５０６と、第１半導体層５０２に形成された第２電極５０７と、第１電極５０６の内側の第２半導体層５０５の上に誘電体層５０９を介して形成された金属からなる反射層５１０とを少なくとも備える。
【００３９】
ここで、光吸収層５０３およびｐ型光吸収層５０４は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層５０２，および第２半導体層５０５は、光吸収層５０３を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層５０２，ｐ型光吸収層５０４，および第２半導体層５０５は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層５０３は、第１半導体層５０２，ｐ型光吸収層５０４，および第２半導体層５０５よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。
【００４０】
例えば、基板５０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層５０２は、ｎ型不純物が高濃度に導入されたｎ+−ＩｎＰから構成されていればよい。また、光吸収層５０３は、アンドープのＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、ｐ型光吸収層５０４は、ｐ型の不純物が導入されたＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、第２半導体層５０５は、ｐ型の不純物が高濃度に導入されたｐ+−ＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。
【００４１】
なお、光吸収層５０３，ｐ型光吸収層５０４，および第２半導体層５０５は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第１半導体層５０２は露出し、この露出領域に第２電極５０７が形成されている。例えば、光吸収層５０３，ｐ型光吸収層５０４，および第２半導体層５０５は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。また、本実施の形態では、基板５０１，第１半導体層５０２，光吸収層５０３，ｐ型光吸収層５０４，および第２半導体層５０５より構成されている半導体受光素子の側部が、例えばポリイミドからなる保護膜５０８で覆われている。また、本実施の形態では、誘電体層５０９は、反射層５１０と第２半導体層５０５との間から、反射層５１０と第１電極５０６との間および保護膜５０８の外側側面のほぼ全域に形成している。なお、図示していないが、第１電極５０６および第２電極５０７には、各々引き出し配線が接続されている。
【００４２】
以下、本実施の形態における半導体受光素子の製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板５０１の上に、ｎ型のＩｎＰ（第１半導体層５０２）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層５０３）、ｐ型のＩｎＧａＡｓ（ｐ型光吸収層５０４）、およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（第２半導体層５０５）を順次堆積する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により形成すればよい。また、ｎ型の層は、例えばＳｉを不純物として用いればよく、ｐ型の層は、例えばＺｎを不純物として用いればよい。
【００４３】
次に、第２半導体層５０５となるＩｎＧａＡｓＰの層の上に、第１電極５０６を形成する。例えば、第１電極５０６の形成領域が開放したレジストパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法により、Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｕを順次蒸着して，Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ多層膜を形成する。この後、レジストパターンを除去すればＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ多層膜から構成された第１電極５０６できる（リフトオフ法）。第１電極５０６は、例えば、平面視、内径１８μｍ、外径２２μｍ程度のリング状に形成すればよい。
【００４４】
次に、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチングにより、アンドープのＩｎＧａＡｓの層，ｐ型のＩｎＧａＡｓの層，およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層をパターニングし、円柱状の光吸収層５０３，ｐ型光吸収層５０４，および第２半導体層５０５を形成する。次に、このパターニングにより露出した第１半導体層５０２の所望の箇所に、上述した第１電極５０６と同様にすることで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜から構成された第２電極５０７を形成する。
【００４５】
次に、基板５０１，第１半導体層５０２，光吸収層５０３，ｐ型光吸収層５０４，第２半導体層５０５の側部、および第１半導体層５０２の露出部を覆う保護膜５０８を形成する。例えば、ポリイミド樹脂を塗布し、この塗布膜を２００℃程度に加熱して硬化させることで、保護膜５０８が形成できる。
【００４６】
次に、誘電体層５０９を形成する。例えば、ＴｉＯ2の層およびＳｉＯ2の層を順次にスパッタ法で堆積し、ＴｉＯ2およびＳｉＯ2の積層からなる誘電体層５０９を形成すればよい。ここで、誘電体層５０９の機能としては、ＳｉＯ2のみで十分であるが、第２半導体層５０５とＳｉＯ2との界面の密着性、濡れ性などを向上させることを目的として、ＴｉＯ2の層を挿入する。
【００４７】
次に、反射層５１０を形成する。例えば、電子ビーム法により選択的にＡｕを堆積することで、反射層５１０を形成すればよい。反射層５１０は、第１電極５０６の形成領域より内側の領域に形成する。なお、上述した引き出し配線なども形成する。
【００４８】
以上のように、本実施の形態においても、金属からなる反射層５１０は、誘電体層５０９を介して第２半導体層５０５の上に形成されるので、製造過程における各種の加熱処理による熱履歴が加わっても、誘電体層５０９に反射層５１０からの金属元素の拡散や、界面における合金の形成などが抑制されるようになる。この結果、反射層５１０における界面での急峻性が損なわれることが抑制され、性能の劣化が抑制でき、反射層５１０としての効果が十分に得られるようになる。
【００４９】
また、本実施の形態においては、前述した実施の形態とは異なり、ｐ型光吸収層５０４を備える。ｐ型光吸収層５０４は、半導体受光素子を動作させるために電圧を印加してアンドープのＩｎＧａＡｓからなる光吸収層５０３を空乏化した場合でもｐ型光吸収層５０４全領域が空乏化されないよう、印加電圧と層厚に応じたドーピング濃度分布とする。ただし、光吸収層５０３との接続面が空乏化するのまで阻止しようとすると、セミメタルに近い状態になるまで高濃度にドープする必要があるため、その程度は許容する。
【００５０】
本実施の形態では、光吸収は光吸収層５０３およびｐ型光吸収層５０４の両方において生じ、かつ生じたキャリアの輸送機構は独立である。このため、半導体受光素子そのものの特徴から、量子効率を高めるために光吸収層の層厚（アンドープ光吸収層５０３とｐ型光吸収層５０４とを合わせた層厚）を厚くしても高速応答が可能である（例えば非特許文献２参照）。加えて、本実施の形態によれば、反射率の向上が図れる（反射率の低下が抑制できる）構成とした反射層５１０を備えるようにしたので、受光感度の低下を抑制した状態で、光吸収層を薄くしてさらなる高速化を図ることが可能となる。
【００５１】
例えば、３ｄＢ帯域２０ＧＨｚ以上となる半導体受光素子とする場合、素子の接合面積を直径２４μｍ、アンドープの光吸収層の厚さを０．７μｍ、ｐ型不純物をドープした光吸収層の厚さを０．５μｍとする。これにより、光吸収層の全体の層厚は１．２μｍとなる。この厚みでも、ｐ型不純物をドープの光吸収層を備えているため、前述した実施の形態１の場合に比較してより高速な応答が可能である。
【００５２】
ここで、上述したようにｐ型不純物をドープした光吸収層を加えて光吸収層の全体の層厚が厚くすることで、図７を用いて説明したように反射層を電極と兼用して半導体の上に直接形成した場合でも、量子効率は０．８５Ａ／Ｗ程度になる。
【００５３】
これに対し、反射層を、誘電体層を介して半導体層の上に形成し、９５％以上の反射率が維持できるようにすることで、受光感度は約１．０Ａ／Ｗにまで向上させてより高感度にすることができる。一方、受光感度を０．８５Ａ／Ｗ程度としてもよい場合は、光吸収層の全体の層厚を０．８μｍまで薄くすることができ、さらなる高速応答が可能となる。
【００５４】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図６は、本実施の形態における半導体受光素子の構成を示す断面図である。本実施の形態における半導体受光素子は、基板６０１の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層６０２と、第１半導体層６０２の上に形成された半導体からなる光吸収層６０３と、光吸収層６０３の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層６０４と、第２半導体層６０４の上の周辺部に接して形成された第１電極６０５と、第１半導体層６０２に形成された第２電極６０６と、第１電極６０５の内側の第２半導体層６０４の上に誘電体層６０８を介して形成された金属からなる反射層６０９とを少なくとも備える。
【００５５】
ここで、光吸収層６０３は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有した半導体から構成され、第１半導体層６０２，および第２半導体層６０４は、光吸収層６０３を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層６０２および第２半導体層６０４は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、光吸収層６０３は、第１半導体層６０２および第２半導体層６０４よりも不純物濃度が低い状態とされていればよい。
【００５６】
例えば、基板６０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、第１半導体層６０２は、ｎ型不純物が高濃度に導入されたｎ+−ＩｎＰから構成されていればよい。また、光吸収層６０３は、アンドープのＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、第２半導体層６０４は、ｐ型の不純物が高濃度に導入されたｐ+−ＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。これらの場合、上述した第１導電型が、ｎ型となり、第２導電型がｐ型となる。
【００５７】
なお、光吸収層６０３および第２半導体層６０４は、所望とする形状にパターニングされ、一部の第１半導体層６０２は露出し、この露出領域に第２電極６０６が形成されている。例えば、光吸収層６０３および第２半導体層６０４は、直径２２μｍ程度の円柱形状に加工されている。また、本実施の形態では、基板６０１，第１半導体層６０２，光吸収層６０３，および第２半導体層６０４より構成されている半導体受光素子の側部が、例えばポリイミドからなる保護膜６０７で覆われている。また、本実施の形態では、誘電体層６０８は、反射層６０９と第２半導体層６０４との間から、反射層６０９と第１電極６０５との間および保護膜６０７の外側側面のほぼ全域に形成している。なお、図示していないが、第１電極６０５および第２電極６０６には、各々引き出し配線が接続されている。
【００５８】
以上の構成は、前述した実施の形態１とほぼ同様である。本実施の形態では、誘電体層６０８は、第２半導体層６０４と反射層６０９との間に配置し、反射層６０９が第１電極６０５に接触した構成としている。反射層６０９は、半導体層と接触せずに形成されていればよく、第１電極６０５に接触していても問題はない。
【００５９】
また、本実施の形態では、基板６０１の側部に、内側に入り込んで形成された切り子面６１１を備え、切り子面６１１を光入射面とした、公知の端面入射屈折型の半導体受光素子としている。
【００６０】
切り子面６１１は、例えば、ＩｎＰからなる基板６０１の側壁を、光吸収層６０３の面（基板平面）と鋭角をなすように、ウエットエッチングにより加工することで形成できる。なお、切り子面６１１の基板６０１の側（内側）の面が、基板６０１の第１半導体層６０２の側の平面に対して鋭角となるように形成されていればよい。入射光は、基板平面に対して鋭角をなした切り子面６１１屈折して光吸収層６０３に入射する。入射光は、光吸収層６０３の平面に対して斜めに入射される。このようにすることで、光吸収層６０３内での入射光および反射光の光路長が長くなり、光吸収層６０３の層厚を厚くした場合とほぼ等価な受光感度が得られる。
【００６１】
ここで、切り子面６１１の形成方法例について簡単に説明する。主面方位が（００１）面に等価な面となっているＩｎＰ基板を用い、側壁とするＩｎＰ（−１１０）面に等価な面の一端を残し、これ以外の部分をレジスト等で保護する。次に、ブロムとメタノールの混合液、臭酸、塩酸と燐酸の混合液、および硫酸と過酸化水素の混合液などのエッチング液を用いたウエットケミカルエッチングにより、露出させてある面を異方性エッチングする。これにより、（１１１）Ｂ面、あるいはこれと等価な面が新たに露出し、第１半導体層６０２側の基板６０１表面とのなす角度が約５４．７度となる、切り子面６１１が形成できる。
【００６２】
上述したウエットエッチングにより形成した切り子面６１１に、基板６０１の平面に平行な入射光を入射すると、入射光は切り子面６１１で屈折し、光吸収層６０３に取り込まれる。ここで、反射層６０９および誘電体層６０８を、前述した実施の形態１の場合と同様に構成した場合、９５％以上の反射率が得られるために受光感度はさらに向上する。また、本実施の形態によれば、入射光を側面から導入できるため、光モジュールの回路基板に実装する際に下面入射の穴を開ける必要がなくなり、実装しやすくなるという利点がある。
【００６３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【００６４】
例えば、上述では、ｐｉｎダイオード形式の半導体受光素子を例に説明したが、これに限るものではない。本発明は、アバランシェフォトダイオードおよび単一キャリア走行フォトダイオードを含め、層の積層方向に光を入射する半導体受光素子であれば同様に適用可能である。
【００６５】
本発明の半導体受光素子は、基板の上に順次に積層された、第１導電型の半導体からなる第１半導体層、第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層、光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層、第２半導体層の上の周辺部に接して形成された第１電極、第１半導体層に形成された第２電極、および第１電極の内側の第２半導体層の上に誘電体層を介して形成された金属からなる反射層を少なくとも備えることが特徴である。
【００６６】
また、誘電体層は、ＴｉＯ2/ＳｉＯ2の積層構造として説明したが、入射光の波長帯で大きな吸収係数を持たない限り、Ａｌ2Ｏ3およびＴａ2Ｏ5などの他の酸化物、また、Ｓｉ3Ｎ4，ＴｉＮ，およびＡｌＮなどの窒化物から構成してもよい。また、誘電体層を形成する半導体表面との密着性および濡れ性が十分にある場合は、ＴｉＯ2/ＳｉＯ2のように多層構造にする必要はない。材料を変更しても、誘電体層の層厚はＴｉＯ2/ＳｉＯ2の場合と同様に、プロセスに支障をきたさないために必要最低限度以上の層厚で、かつ反射率が最大となる層厚にすればよい。
【００６７】
また、反射層を構成する金属はＡｕとして説明したが、入射光の波長に対する反射率が十分に確保できる金属材料で、かつ組み合わせて用いる誘電体層に拡散および誘電体層と合金化しないものであればよい。例えば、反射層を構成する材料としては、Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｗ，Ｃｕ，およびＴｉなどが挙げられる。
【００６８】
また、受光面積の直径を２４μｍとして説明したが、要求される帯域に応じて他の寸法の受光面積としてもよい。また、上述では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系化合物半導体を用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、Ｐ系、Ａｓ系、Ｎ系、Ｓｂ系、などの化合物半導体を用いるようにしてもよく、またＧｅ系、Ｓｉ系などの単元素半導体材料でもよい。
【００６９】
また、上述した実施の形態１，３において、導電型を入れ替えてもよいことはいうまでもない。また、実施の形態２においては、基板の側より、ｐ型とした半導体層，ｐ型光吸収層，ｉ型の光吸収層，ｎ型とした半導体層の順に積層し、ｎ型とした半導体層の上に、誘電体層を介して反射層を形成してもよい。
【００７０】
また、上述では、反射層を設ける側の電極を円形のリング状に形成したが、これに限るものではない。例えば、四角形および六角形などの外形の枠状に形成してもよく、基板の側より入射してきた光を反射することができる領域が、電極を形成する反射層に備えられるようにされていればよい。また、保護膜としてポリイミドを用いるようにしたが、これに限るものではなく、ＢＣＢ（Benzo cyclo butene：ベンゾシクロブテン）などの有機系絶縁材料を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…光吸収層、１０４…第２半導体層、１０５…第１電極、１０６…第２電極、１０７…保護膜、１０８…誘電体層、１０９…反射層。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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