(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、光を吸収する第1導電型の光吸収層と、
前記光吸収層上に形成され、光を回折する回折格子を有する回折格子層と、
前記回折格子層上に形成され、光を透過する第２導電型の第1光透過層と、
前記回折格子層上であって前記第１光透過層の周囲に形成され、光を透過する第１導電型の第２光透過層とを備え、
前記回折格子は前記第１光透過層の直下領域を囲むように形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、光を回折する回折格子を有する回折格子層と、
前記回折格子層上に形成され、光を吸収する第１導電型の光吸収層と、
前記光吸収層上に形成され、光を透過する第２導電型の第１光透過層と、
前記光吸収層上であって前記第１光透過層の周囲に形成され、光を透過する第１導電型の第２光透過層と、
前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極とを備え、
前記回折格子は前記第１光透過層の直下領域を囲むように形成されることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
前記回折格子が複数の点からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記回折格子が密度の異なる複数の点からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記回折格子が複数の環からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面入射型の半導体受光素子に関し、特に入射光の吸収効率を高めかつ応答速度を向上させた半導体受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体受光素子は、ＰＮ接合に逆バイアスを印加して空乏層を形成させた状態で受光を行う。半導体受光素子の受光表面に入射した光は光吸収層と呼ばれるエネルギーバンドの小さい領域で吸収され当該光吸収層にキャリアを発生させる。前述の空乏層は吸収層に形成されるため、光吸収により生じたキャリアは空乏層によって加速される。このようなキャリアの流れが電流成分となる。
【０００３】
上述した半導体受光素子においては、入射光をキャリアに変換する効率である吸収効率の向上が要求される。ここで、吸収効率とは、一定の入射光から空乏層に生成できるキャリアの量を表す指標である。吸収効率の向上により入射光−電流変換の効率が高まるため吸収効率は高いほど好ましい。（このような吸収効率向上に関する技術については特許文献１、２、３、５に記載がある。）
【０００４】
さらに、半導体受光素子は高速変調などに対応するために応答速度を向上することも要求される。応答速度とは、半導体受光素子の受光表面に光入射があってから半導体受光素子に電流が検出されるまでの時間である。ここで、例えば応答の遅い電流成分が生成することは高速変調には支障となる。（このような応答速度の向上に関する技術については特許文献４に記載がある。）
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２０５５７３号公報
【特許文献２】特開２００５−１５９００２号公報
【特許文献３】特開２００３−１７９２４９号公報
【特許文献４】特開平４−１１６９７７号公報
【特許文献５】特開２００４−２４１５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体受光素子においては、素子の表面と裏面とに、表面電極および裏面電極がそれぞれ形成されることが一般的である。ここで、表面とは受光表面をさす。表面電極と裏面電極が形成された半導体受光素子の例を図１４、１５に示す。図１４は半導体受光素子の表面から見た平面図である。図１４では絶縁膜１０２上に表面電極１００が形成された外観が示されている。そして図１４における１５−１５断面図が図１５である。図１５において、絶縁膜１０２の下層には第２導電型である第１光透過層１０４と、第１導電型である第２光透過層１０６とが形成されている。第１光透過層１０４と第２光透過層１０６は共に光を透過するものである。第１光透過層１０４と第２光透過層１０６の下層には光吸収層１０８が形成されている。光吸収層１０８は第１導電型である。光吸収層１０８の下層には第１導電型の半導体基板１１０が配置されている。そして、半導体基板１１０の下層には裏面電極１１２が形成されている。
【０００７】
前述の半導体受光素子では駆動バイアス電圧を低減して低消費電力化を図る観点から、表面電極１００と裏面電極１１２の距離を短くすることが必要である。図１６には、光吸収層が薄膜化された半導体受光素子であって、表面電極１００および裏面電極１１２に駆動バイアス電圧が印加された半導体受光素子を示す。図１６において、前述の駆動バイアスにより第１光透過層１０４と第２光透過層１０６との間および、第１光透過層１０４と光吸収層１０８との間に空乏層１２０が形成される。空乏層１２０が形成された半導体受光素子の受光表面から光１１６の入射があると光吸収層１０８において光の吸収が起こりキャリアが発生する。このキャリアは空乏層１２０によって加速され電流成分となる。
【０００８】
ここまでの記載から明らかなように半導体受光素子がより多くのキャリアを生成するためには、光吸収層１０８を厚くして光が光吸収層１０８で吸収される確率を高めることが好ましい。しかしながら、光吸収層１０８を厚くすると、発生したキャリアの移動距離が長くなってしまい、応答速度が低下する問題があった。
【０００９】
また、図１７に示されるように受光表面から入射した光１２２は、光吸収層１０８で吸収されずいったん光吸収層１０８を透過することがある。光吸収層１０８を透過した光は裏面電極１１２などで反射される。反射された光１２２は光吸収層１０８であって空乏層１２０から離れた場所で吸収されることがある。この吸収により生成するキャリアは空乏層１２０へ到達し電流成分となるまでに一定時間を要する。よって前述のキャリアが電流値に反映されるまでに要する時間が長くなってしまう。これは遅い電流成分を構成する。このような応答の遅い電流成分を含むと半導体受光素子の応答速度が向上できないという問題もあった。
【００１０】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、応答速度の向上のために光吸収層が薄く形成された半導体受光素子であっても吸収効率を高め、かつさらに応答速度を向上できる半導体受光素子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】
【００１１】
本発明にかかる半導体受光素子は第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、光を吸収する第1導電型の光吸収層と、前記光吸収層上に形成され、光を回折する回折格子を有する回折格子層と、前記回折格子層上に形成され、光を透過する第２導電型の第1光透過層と、前記回折格子層上であって前記第１光透過層の周囲に形成され、光を透過する第１導電型の第２光透過層とを備え、前記回折格子は前記第１光透過層の直下領域を囲むように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明にかかる半導体受光素子は第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、光を回折する回折格子を有する回折格子層と、前記回折格子層上に形成され、光を吸収する第１導電型の光吸収層と、前記光吸収層上に形成され、光を透過する第２導電型の第１光透過層と、前記光吸収層上であって前記第１光透過層の周囲に形成され、光を透過する第１導電型の第２光透過層と、前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極とを備え、前記回折格子は前記第１光透過層の直下領域を囲むように形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、半導体受光素子において吸収効率および応答速度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１
図１は本実施形態の半導体受光素子の平面図である。本実施形態の半導体受光素子は絶縁膜１２上に表面電極１０が形成されている。表面電極１０は環状に形成された部分の一部に円形に形成された部分が接する形状である。図１における２−２断面図が図２である。以後、図２を参照して本実施形態の半導体受光素子の構成を説明する。本実施形態の半導体受光素子は第１導電型である半導体基板２８を備える。半導体基板２８上には第1導電型の光吸収層２６が形成される。光吸収層２６は光を吸収しキャリアを生成する層である。
【００１５】
光吸収層２６上には回折格子層２２が形成される。回折格子層２２は光に回折作用を及ぼす回折格子２４を備える。回折格子層２２上には第２導電型の第１光透過層１８が形成される。第１光透過層１８は光を透過する層であり、回折格子層２２上の一部に形成されている。前述の第１光透過層を囲むように第２光透過層２０が形成されている。第２光透過層２０は第１導電型である。第２光透過層２０は回折格子層２２上かつ第１光透過層１８に接して形成される。
【００１６】
さらに、前述した回折格子２４は第１光透過層１８の直下の領域を囲むように形成される。すなわち、第１光透過層１８の直下領域に回折格子２４はなく、該直下領域と接してその外周に回折格子２４が配置されている。本実施形態の回折格子２４は図６の形状である。すなわち、回折格子層２２中に形成される回折格子を複数の点から形成している。しかしながら、回折格子２４は第１光透過層１８の直下領域を囲むように形成されていればよい。よって例えば図７のように複数の環状の形態であってもよい。また、図８のように密度の異なる複数の点から形成してもよい。
【００１７】
第１光透過層１８上および第２光透過層２０上には絶縁膜１２が形成される。絶縁膜１２上には図１で説明した形状の表面電極１０が配置される。ここで、第１光透過層１８は、表面電極１０と電気的に接続されるためにその一部において表面電極１０と接触している。
【００１８】
さらに、半導体基板２８の裏面には裏面電極３０が形成される。半導体基板２８および第２光透過層２０は光吸収が起こらない程度に十分大きいバンドギャップを有する。
【００１９】
以後、図３を参照して本実施形態の半導体受光素子の動作について説明する。まず、表面電極１０と裏面電極３０とに電圧が印加される。この電圧の印加は、半導体受光素子のPN接合に逆バイアスを与えるものである。ここで、PN接合とは、第２導電型の第１光透過層１８と第１導電型の第２光透過層２０とのPN接合、および、回折格子層２２を介した第２導電型の第１光透過層１８と第１導電型の光吸収層２６とからなるPN接合のことである。このようにPN接合に逆バイアスが印加されると空乏層３２が形成される。
【００２０】
次いで、空乏層３２が形成された半導体受光素子の受光表面（表面電極１０が形成された表面）から光３４が入射する。入射した光３４は光吸収層２６にて吸収され、光吸収層２６にキャリアを生成させる。ここで、空乏層３２中で生成されるキャリアは速やかに加速され電流成分となるから、キャリアは空乏層３２の中で形成されることが好ましい。
【００２１】
本実施形態では回折格子層２２において、第１光透過層１８の直下領域を囲むように回折格子２４が配置されている。従って、第１光透過層１８と第２光透過層２０との境界とその付近であって空乏層３２の形成されていない部分（以後、空乏層隣接領域と称する）に入射した光（以後、外部光と称する）は回折格子２４による回折作用を受ける。回折された外部光は光吸収層２６では、図３に示すように空乏層３２へ向かう方向の光、回折前の進路を維持する光、空乏層３２から離れる方向へ向かう光に分かれる。
【００２２】
一般に、裏面電極からの光反射を考慮しない場合にはキャリアの生成と電流への寄与について複数のモードが考えられる。このことについて、図１８、１９、２０を参照して説明する。図１８、１９、２０とも、空乏層隣接領域を拡大した図であり、空乏層２００、第１光透過層２０２、光吸収層２０４、第２光透過層２０６を備える。受光表面から入射した光は以下の３つの場所でキャリアを生成し得る。
【００２３】
すなわち、空乏層２００の中（図１８においてAで示す）と、空乏層２００外部で空乏層２００に近接した領域（図１８においてBで示す）と、空乏層２００外部で空乏層２００と離れた領域（図１８においてCで示す）の３つの場所である。場所Aで生成されるキャリアは速やかに空乏層で加速され応答の速い電流成分となるため、場所Aでは多くのキャリアが生成されることが望ましい。場所Bで生成されるキャリアは空乏層２００に到達するまでに時間がかかる（図１９参照）。これは図２０で示すように電流の遅い成分を発生させるため、応答速度の観点から低減することが好ましい。また、場所Cで生成されるキャリアは空乏層２００まで到達できない、もしくは到達確率が低いため、半導体受光素子の吸収効率および応答速度の観点からは無視できる。
【００２４】
ここまでの記載から明らかなように、半導体受光素子の光−電流変換を応答性よく行うために有用な電流成分は空乏層にて生成されたキャリアに起因する電流成分である。そして、例えば図１８では応答の速い電流成分を担うのは空乏層２００に直接に入射した光のみである。ゆえに、半導体受光素子の受光面に入射する光のうち一部のみが前述の「応答の早い電流成分」を生成し得るため吸収効率が悪いという問題があった。
【００２５】
ところが本実施形態の構成であれば、図３における空乏層隣接領域とその周辺を拡大した図４から分かるように外部光の一部が、空乏層３２へ近接する方向へ曲げられるから空乏層３２へ入射する光の量を増やすことができる。よって吸収効率を高めることができる。
【００２６】
例えば、図５に示す場合のように回折格子が設けられていない場合は、空乏層隣接領域にも他の部分と同じ強度の光の入射がある。空乏層隣接領域の直下の光吸収層４６にて発生したキャリアは空乏層４２に到達するまでに走行距離を要し電流に寄与するまでに時間がかかる。従って、空乏層隣接領域の直下（又はその近傍）の光吸収層にて発生したキャリアが電流に寄与すると、半導体受光素子の応答速度を低下させる問題がある。
【００２７】
しかしながら、本実施形態によれば空乏層隣接領域に入射した光は回折格子により回折され、空乏層へ向かう光、回折格子に入射する前の進路を維持する光、空乏層から離れる方向へ向かう光、に分かれる。空乏層へ向かう光は空乏層におけるキャリアの生成に寄与し、応答速度の速い電流を生成するから応答速度の遅延とは無関係である。そして、進路を維持する光は回折格子により弱められているから、空乏層隣接領域の直下の光吸収層においてほとんどキャリアを発生させない。空乏層から離れる方向へ向かう光については、空乏層から離れた場所でキャリアを生成し得るが、このキャリアは空乏層へ到達する前に消滅する事が多い。よって、本実施形態のように回折格子を用いれば、応答速度を低下させる要因である空乏層隣接領域の直下の光吸収層でのキャリアの発生を抑制できる。ゆえに本実施形態によれば応答速度を向上させることができる。
【００２８】
本実施形態では、回折格子は第１光透過層の直下を囲むように形成されることとしたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は空乏層の外部を走行する光を空乏層へ誘導することで吸収効率を高め、また、空乏層外部であって空乏層近傍の領域の光の通過を低減することで応答速度を高めるものである。よってこれらの効果を得られる限りにおいては回折格子の配置は任意である。
【００２９】
実施の形態２
本実施形態は応答速度を高めた半導体受光素子に関する。本実施形態の半導体受光素子の平面図は図９に示される。また、図９における１０−１０断面図が図１０である。図９、図１０において、実施形態１と同様の符号が付された構成要素については実施形態１と同様の意味であるから説明を省略する。
【００３０】
以後、図１０を参照して本実施形態の半導体受光素子の構成を説明する。本実施形態では回折格子層５４が光吸収層２６と半導体基板２８との間に配置される。回折格子５６は実施形態１と同様に、第１光透過層１８の直下領域を囲むように配置される。なお、実施形態２においても回折格子５６の形状は、例えば図６、７、８に示すものが例示できるがこれらに限定されない。
【００３１】
図１１は本実施形態の半導体受光素子に光５８が入射した様子を説明する図である。ここで、光吸収層２６は薄いため、光５８は最初に光吸収層２６を通過する際にはその一部のみ吸収される。光吸収層２６で吸収されなかった光５８のうち、「第１光透過層の直下領域を囲むように配置された」回折格子５６に入射する光は回折される。回折された光は裏面電極３０にて反射される。ここで、回折格子によって回折された光は、PN接合に向かう光と、回折前と同じ光路に戻る光と、PN接合から離れる光とに分類される。
【００３２】
裏面電極３０にて反射された光が、再度空乏層近傍へ進み、空乏層近傍の光吸収層にてキャリアを発生させることがある。このキャリアは空乏層に到達するのに一定の時間を要するため、「遅い応答」を起す要因となる。よって、裏面電極３０にて反射された光に起因する応答速度の低下の問題があった。
【００３３】
しかしながら本実施形態の構成によれば、前述の問題を解決できる。すなわち、空乏層の近傍を通り、裏面電極３０にて反射され再度空乏層の近傍を通る光を回折格子により回折する。図１１の一部拡大図である図１２に示す通り、空乏層６０の近傍を通り、光吸収層２６にて吸収されなかった光は裏面電極３０にて反射される前に回折格子５６により回折される。このように回折された光は裏面電極３０にて反射されると、PN接合に向かう光、回折前と同じ光路に戻る光、PN接合から離れる光を構成するようになる。
【００３４】
「PN接合に向かう光」は空乏層での吸収確率を高めるものであるため早い応答のために好ましい。そして、「回折前と同じ光路に戻る光」は回折格子５６を通ることにより弱められており空乏層６０の近傍でキャリアを生成することによる応答速度への悪影響は低減される。さらに、「PN接合から離れる光」は光吸収層２６にて吸収されることが考えられるが、吸収される場所が空乏層６０から離れているため空乏層６０には到達できない。
【００３５】
上述のように、本実施形態の構成によれば、裏面電極で反射された光に起因する電流の遅れ成分を低減できるから、半導体受光素子の応答速度を速めることができる。また、回折される光の一部はPN接合（空乏層に向かう方向）へ向かうため吸収効率の向上もできる。
【００３６】
本実施形態では回折格子が「第１光透過層の直下領域を囲むように配置される」こととしたがこれに限定されない。空乏層近傍を通過した光が裏面電極により反射され再度空乏層近傍へ向かうことを抑制し、かつそのような光の一部を空乏層側へ向かわせることで本発明の効果を得られるためこの効果が得られる限りにおいては回折格子の配置場所は任意である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施形態１の半導体受光素子の平面図である。
【図２】実施形態１の半導体受光素子の断面図である。
【図３】実施形態１の半導体受光素子における入射光の回折について説明するための図である。
【図４】図３の拡大図である。
【図５】回折格子が配置されていない場合の入射光の経路について説明する図である。
【図６】回折格子の構成について説明する図である。
【図７】回折格子の構成について説明する図である。
【図８】回折格子の構成について説明する図である。
【図９】実施形態２の半導体受光素子の平面図である。
【図１０】実施形態２の半導体受光素子の断面図である。
【図１１】実施形態２の半導体受光素子における入射光の回折について説明するための図である。
【図１２】図１１の拡大図である。
【図１３】回折格子が配置されていない場合の入射光の経路について説明する図である。
【図１４】回折格子を配置していない半導体受光素子の平面図である。
【図１５】回折格子を配置していない半導体受光素子の断面図である。
【図１６】回折格子が配置されていない半導体受光素子の課題を説明する図である。
【図１７】回折格子が配置されていない半導体受光素子の課題を説明する図である。
【図１８】キャリアの生成場所について説明する図である。
【図１９】生成したキャリアの電流への寄与の速度（応答速度）を説明する図である。
【図２０】空乏層の外部で生成したキャリアの電流への寄与を説明する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  表面電極
１８  第1光透過層
２０  第２光透過層
２２  回折格子層
２４  回折格子
２６  光吸収層
２８  半導体基板
３０  裏面電極
３２  空乏層
【図１】
0005003585.tif 000002
【図２】
0005003585.tif 000003
【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】
0005003585.tif 000014
【図１４】
0005003585.tif 000015
【図１５】
0005003585.tif 000016
【図１６】
0005003585.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
0005003585.tif 000019
【図１９】
0005003585.tif 000020
【図２０】
0005003585.tif 000021