CN1229875C - 光接收元件、有内构电路的光检测器以及光拾取器 - Google Patents

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Abstract

光接收元件包括至少包括第一导电型半导体层的半导体结构；设在半导体结构中的第一导电型半导体层上的第一层第二导电型半导体层；杂质浓度低于第一层第二导电型半导体层的第二层第二导电型半导体层；设在第二层第二导电型半导体层上的第二层第一导电型半导体层，或设在第二层第二导电型半导体层中的第二层第一导电型半导体层。

Description

光接收元件、有内构电路的光检测器以及光拾取器
技术领域
本发明涉及在诸如CD-R/RW，DVD-RAM等的光盘上写/读数据用的光接收元件。本发明还涉及包括光接收元件和内构电路的光检测器，以及包括光检测器的光拾取器。
背景技术
光电二极管(PD)是光接收元件，是把入射光经其光接收表面转换成电信号的半导体器件。PD用于在诸如CD-R/RW、DVD-R/RW、DVD-RAM等光盘上写数据的光盘设备的光拾取器。
图12是显示包括光电二极管的光拾取器的结构的示意图。该光拾取器包括半导体激光器(激光二极管)LD，用写数据的光辐射光盘34(如CD-R/RW)的信息记录面的预定部分；和光电二极管PD，用于把从光盘34的信息记录面的预定部分反射的光转换成电信号。光电二极管PD有5个光检测部分D1至D5。
半导体激光器LD发射的激光由设在半导体激光器LD与全息照相元件31之间的产生跟踪光束的衍射光栅30分割成三束激光束，即两束跟踪用的子激光束和一束读取信息信号的主激光束。这些激光束通过全息照相元件31作为零级光传送，经准直透镜32变为平行光，并由物镜33聚光，在光盘34的信息记录面上形成光束点。通过形成许多凹点和小岛、磁调制、折射率调制等方法，在光盘34的信息记录面的轨迹上记录数字式信息(比特信息)。
聚到光盘34的信息记录面的轨迹上的激光束由按轨迹上记录的信息排布的凹点调制，之后从光盘34的信息记录面反射。从光盘34的信息记录面反射的光通过物镜33和准直透镜32，由全息照相元件31衍射并引导到光电二极管PD的光检测部分D1至D5上，作为第一级衍射光。
全息照相元件31有两个不同的衍射凹点区，即区域31a和31b。用于读取信息信号的反射的主激光束的一部分照射到全息照相元件31的两部分之一上，会聚在分割光电二极管PD的光检测部分D2和D3的分隔线上。反射的主激光束的其它部分照射到全息照相元件31的其它区域上，并会聚到光电二极管PD的光检测部分D4上。用于跟踪的反射的子激光束经全息照相元件31会聚到光电二极管PD的各个光检测部分D1至D5上。
图12所示的光拾取器中，读信息信号用的反射的主激光束会聚于其上的光电二极管PD的位置，根据全息照相元件31与光盘34之间的距离，沿横穿光检测部分D2和D3的方向移动。用于读信息信号的反射的主激光束在光盘34的信息记录面上聚焦时，反射的主激光束射到光电二极管PD的光检测部分D2和D3之间的分割线上。
用S1至S5分别表示光检测部分D1至D5的输出。聚焦误差信号FES表示为：
FES＝S2-S3。
通过分别在光电二极管PD的光检测部分D1和D5上会聚两个跟踪用子激光束来检测跟踪误差，并获得跟踪误差信号TES。跟踪误差信号TES表示如下：
TES＝S1-S5
当跟踪误差信号TES是0时，用于读取信息信号的主激光束会聚在光盘34的信息记录面上的目标轨迹上。
读光盘34的信息记录面上的数据用的再现(读出)信号RF是光电二极管PD的光检测部分D2至D4的输出之和，所述D2至D4部分接收用于读取信息信号的反射的主激光束，即
RF＝S2+S3+S4
按该方式，光拾取器的光电二极管PD检测包括记录在光盘34的信息记录面上的数据信号的反射光的再现信号RF。光电二极管PD还检测聚焦误差信号FES和跟踪误差信号TES，聚焦误差信号FES是用于调节半导体激光器LD发射的激光的焦点的聚焦信号，跟踪误差信号TES是用于校验用激光辐射的光盘34的信息记录面上的位置的寻址信号。用光电二极管PD检测聚焦误差信号FES和跟踪误差信号TES的同时，控制光拾取器，使半导体激光器LD发射的激光朝记录数据的光盘34准确地入射到光盘34的信息记录面上的预定位置。
近年来，用诸如光拾取器的光盘设备已用于在光盘上读/写大量数据(例如，视频数据)。随着光盘的数据量的增大，减少在光盘上读/写数据使用的时间的要求也随之增加。为了满足该要求，就要提高在光盘信息记录面上的数据读/写的速度，例如16倍速、32倍速等。
用于光盘设备的光拾取器采用光检测器，在该光检测器中，光接收元件，例如图12所示的光电二极管PD，与同一器件(有内构电路的光检测器)上的信号处理电路集成在一起。
为了提高在光盘信息记录面上的数据读/写的速度，要求光电二极管高速运行。为了满足该要求，提高光电二极管对入射光的响应速度很重要。
光电二极管的响应速度主要决定于PN结区中的耗尽层的结电容(C)与阴极区、阳极区等的串联电阻(R)所确定的时间常数CR；以及比耗尽层深的半导体层中产生的光生载流子由于光生载流子的浓度不同，从产生层到耗尽层的端部所需的移动时间。CR时间常数越小，光生载流子的移动时间越短，光电二极管的响应速度越快。
在光盘设备中，通过用半导体激光器LD发射的激光的热量改变光盘信息记录面上的色素形状和相位，在光盘信息记录面上写数据。因此，为了减少在光盘信息记录面上写数据用的时间，就必需增加从半导体激光器LD发射到光盘信息记录面上的激光的光功率，以增加光量。在这种情况下，从光盘信息记录面上反射进入发光二极管PD的光量(反射光量)增加。由于进入发光二极管PD的反射光量的增加，构成发光二极管PD的半导体层中产生的光生载流子累积在PN结区附近。光生载流子累积使耗尽层宽度变窄，导致结电容增大的现象。结果，光电二极管PD的截止频率下降，因而，光电二极管PD的响应速度下降。
随着由于光生载流子累积而使光电二极管PD的响应速度下降，如果限制发光二极管PD的PN结区中的耗尽层的宽度，并增加耗尽层中的电场强度，则能防止因PN结区中的半导体层中产生的光生载流子在PN结区附近累积而使耗尽层的宽度变窄。
但是，如果限制发光电二极管PD的PN结区中的耗尽层的宽度，由于光进入发光二极管PD的光接收表面，在比耗尽层深的半导体层中产生的光生载流子利用由于光生载流子的浓度不同而产生的扩散，从比耗尽层深的半导体层逐渐移动到耗尽层的末端，从而使光生载流子的移动时间延长。光生载流子的移动时间的延长会降低光电二极管的响应速度。
日本待审公开的No.2001-77401(公开文件1)中公开了解决该问题的一个方案。
图13A是公开文件1公开的光电二极管的剖视图。图13B是沿图13A中的W-W’线的发光二极管的剖面的杂质浓度分布曲线图。
图13A所示的光电二极管包括：低电阻率的P-型半导体衬底7，杂质浓度比衬底7的杂质浓度高的P+-型掩埋扩散层2，杂质浓度比衬底7的杂质浓度低的高电阻率P-型外延层3，和N-型外延层4，这些层按该顺序在衬底7上形成叠层。因此，光电二极管具有多层结构。在高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处的预定区域中设有多层P+-型隔离掩埋扩散层12。N-型外延层4中的P+-型隔离掩埋扩散层12上设置有P+-型隔离掩埋扩散层11。从N-型外延层4的表面露出P+-型隔离掩埋扩散层11的表面。因此，在图13A中，在由高电阻率P-型外延层3上的P+-型隔离掩埋扩散层12和P+-型隔离掩埋扩散层11包围的区域中设置了光电二极管。
图13B中显示出图13A所示光电二极管从表面到内部的杂质浓度分布。
N-型外延层4的杂质浓度设计成从光电二极管的表面到N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的PN结区均匀分布。
在N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的PN结区中，N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3的杂质浓度相互补偿，两个杂质浓度急剧下降。因此，在PN结区中产生从N-型外延层4和高电阻率P-型外延层3朝向结界面的强电场。
高电阻率P-型外延层3的杂质浓度设计成均匀分布，而且，除PN结区外，杂质浓度低于N-型外延层4的杂质浓度。
P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度设计成高于高电阻率P-型外延层3的杂质浓度，并有杂质浓度峰值的曲线分布。因此，P+-型掩埋扩散层2的一部分在有杂质浓度峰值的区域和有高电阻率P-型外延层3之间，该P+-型掩埋扩散层2的一部分的电位高于高电阻率P-型外延层3的电位。因此在P+-型掩埋扩散层2中产生从有杂质浓度峰值的区域朝向高电阻率P-型外延层3的内电场。
低电阻率的P-型半导体衬底7的杂质浓度设计成均匀分布，而且杂质浓度低于P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值。因此，具有杂质浓度峰值的P+-型掩埋扩散层2的区域的电位有阻挡低电阻率的P-型半导体衬底7中的电子的电位势垒的功能。
在这样构成的光电二极管中，由于光进入光电二极管的光接收表面(即N-型外延层4的表面)，在比P+-型掩埋扩散层2深的低电阻率P-型半导体衬底7中产生的光生载流子的减少部分会越过P+-型掩埋扩散层2的区域，到达高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处的PN结区。其原因是，低电阻率的P-型半导体衬底7附近的P+-型掩埋扩散层2的一部分的电位有与低电阻率的P-型半导体衬底7的电位相对的电位势垒功能。因此，由于P+-型掩埋扩散层2的电位势垒，使低电阻率的P-型半导体衬底7中产生的大量光生载流子不能到达PN结区，而在低电阻率的P-型半导体衬底7中重新组合而消除。
因此，在图13A和13B中所示的光电二极管中，光生载流子的数量可减少，该光生载流子在光电二极管的深处产生，并且由于光生载流子浓度的不同而引起的扩散使光生载流子迁移过一段长距离而到达耗尽层末端，即高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处形成的PN结区。因此，能防止光电二极管的响应速度下降。
如果高电阻率P-型外延层3和P+-型掩埋扩散层2之间的杂质浓度差增大，如图13B所示，从P+-型掩埋扩散层2朝向高电阻率P-型外延层3产生的内电场强度增大。因此，在高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处的耗尽层下面的区域和比P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度的峰值区更靠近光电二极管表面的区域之间产生的光生载流子的迁移率增大。因此，即使为了减少在光盘的信息记录面写数据所用的时间，而用大量的光辐射光盘的信息记录面时，也能提高光电二极管的响应速度，从而使大量的反射光进入光电二极管。
而且，即使为了减少在光盘的信息记录面写数据使用的时间，而用大量的光辐射光盘的信息记录面，从而使大量的反射光进入光电二极管时，为了抑制因在高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处的耗尽层附近的电子电荷的累积而造成的光电二极管的响应速度的下降，也可以使高电阻率P-型外延层3的厚度减小预定值，而且可以限制耗尽层的宽度，以增加耗尽层中产生的电场强度。从而提高了光电二极管的响应速度。
在将数据写入光盘的信息记录面的典型的写模式中，数据的写入和用于检验在信息记录面上的预定置上是否已准确记录写入数据的寻址信号的读取交替地进行。
光盘设备的写模式中，通过用大功率激光辐射光盘的信息记录面来写数据。在读取寻址信号的模式中，用比写数据用的激光功率小很多的恒定功率的激光辐射光盘的信息记录面来读数据。激光从光盘反射，2/100以下的写模式中的反射光可用光电二极管检测的到。
当在按写模式下读取寻址信号时，光电二极管必须可靠地检测由极小的激光功率产生的光生载流子。为了满足这种要求，写数据时，由大功率激光的反射光产生的光生载流子收集为高速光电流，剩余的光生载流子(有长移动时间的载流子)经重新组合，以防止剩余的光生载流子构成光电电流(信号)。因此，能快速进行随后的寻址信号的读取。
然而用光盘设备在光盘上写数据的速度还会进一步提高，而且写数据中的激光的光功率也会增大。由于激光光量的增大，紧接着按写模式在光盘上写数据之后，光电二极管可能不能立即读取寻址信号。
发明人用模拟方法分析该现象。结果发现在光盘上的写数据时，比PN结深的光电二极管的半导体层区域中产生的部分光生载流子移动到达PN结区，并检测为光电流，即光生载流子的移动时间延长到这样的水平。与寻址信号电平相比，由有长移动时间的光生载流子产生的信号电平(光电电流)等于或大于预定电平时，由有长移动时间的光生载流子产生的信号与寻址信号叠加，因此，可能读不出表示寻址信号的光电电流。
以下将根据写模式中在光电二极管中读不出表示寻址信号的光电电流的情况描述机理，见图13A和13B。
图14是图13A和13B所示光电二极管相对于波长为λ＝780nm的脉冲激光的响应特性曲线。该曲线示出光电电流(输出电流)随时间所产生的变化，该光电电流是在按光盘设备的写模式写数据时，使大功率脉冲激光的反射光在光电二极管的每个区域内产生的光生载流子进入外部电路而产生的。
图14中的曲线的上部示出图13B的半导体层，区域B是指N-型外延层4，区域C是指高电阻率P-型外延层3，区域D是指靠近高电阻率P-型外延层3的P+-型掩埋扩散层2的倾斜区，区域E是指杂质浓度峰值附近并且靠近高电阻率P-型外延层3的P+-型掩埋扩散层2的区域，区域F是指从杂质浓度峰值附近到低电阻率P-型半导体衬底7的P+-型掩埋扩散层2的区域。
图14中A指示的实线表示全部光生载流子的响应速度，指示使由大功率激光的反射光产生的光生载流子作为光电电流进入外部电路，光生载流子的光电电流经约14纳秒(nsec)减小到2/100以下，它可以作为寻址信号读出。
由于大功率的脉冲激光的反射光进入光电二极管而在光电二极管中的区域内产生的光生载流子可分成以下四个分量：
(i)在高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处设置的耗尽层中产生的光生载流子分量(区域B和C中产生的光生载流子)，由于耗尽层中的电场作用，使该光生载流子分量能高速移动；
(ii)在高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处的耗尽层外边产生的光生载流子分量(区域D中产生的光生载流子)，由于P+-型掩埋扩散层中的内电场作用，使该光生载流子分量能移动；
(iii)在P+-型掩埋扩散层2中的杂质浓度峰值附近的区域中产生的光生载流子分量(区域E中产生的光生载流子)，由于光生载流子的浓度差而扩散移动；和
(iv)在杂质浓度峰值附近的区域与低电阻率P-型半导体衬底7之间的P+-型掩埋扩散层2的较深区域中产生的光生载流子分量(区域F中产生的光生载流子)，它经重新组合而大致消除，只对光电电流的形成稍有供献。
在光生载流子分量(i)至(iv)中，光生载流子分量(i)有最大的响应速度，光生载流子分量(ii)有第二大的响应速度，光生载流子分量(iii)有第三大的响应速度。光生载流子分量(iv)经重新组合而大致消除，只对光电电流的形成稍有供献，有最小的响应速度。
光生载流子分量(i)的大多数在约5nsec内作为光电电流进入外部电路。光生载流子分量(ii)的大多数在约26nsec内作为光电电流进入外部电路。光生载流子分量(iii)的的大多数在约28nsec内作为光电电流进入外部电路。光生载流子分量(iv)的较大部分甚至在30nsec之后也不作为光电电流进入外部电路。
图15是在波长为λ＝780nm的大功率脉冲激光的反射光进入图13A和13B所示光电二极管时，在深度方向从光电二极管的表面开始的光强度变化的曲线。在深度方向从光电二极管的表面开始光强度按指数下降。例如，当从光电二极管的表面到P+-型掩埋扩散层2中杂质浓度峰值之间的距离是17μm时，区域E与F之间的界面附近的光强度减小到光电二极管的表面处的光强度的13％。
在光电二极管的表面和区域中产生的光生载流子的绝对数量与各个区域的光强度成正比。因此，总光生载流子的80％以上在区域B、C和D中产生。
区域E和F中分别产生光生载流子分量(iii)和(iv)。这两个区域E和F的距光电二极管的表面开始的深度比耗尽层的深度要深，所以所产生的光生载流子的绝对数量小。因此，在典型光盘设备的数据读模式中，在读寻址信号时，光生载流子分量(iii)和(iv)基本上不影响寻址信号电平。
相反，在光盘设备的数据写模式中，在写数据时从光盘进入光电二极管的反射光量大，所以在区域E中产生的光生载流子分量(iii)和在区域F中产生的光生载流子分量(iv)的绝对数量增大。在写数据后立即读寻址信号时，由光电二极管检测的光信号有小功率，它是写数据时从光盘反射的反射光的2/100以下。因此，在写数据后立即读寻址信号时，在区域E产生的光生载流子分量(iii)和在区域F产生的光生载流子分量(iv)在写数据中增大。因此，与寻址信号产生的光生载流子电平相比，那些有低响应速度的光生载流子产生的光电电流电平大于或等于紧接着写数据后的预定的量，有低响应速度的光电电流叠加到寻址信号产生的光电电流，所以表示寻址信号的光电电流可能检测不到。
当在光盘设备的写模式下高速写入数据和使用大功率的大量的脉冲激光时，这种现象可能发生。在要求用更高的数据写速度时，这是个大问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，光接收元件包括：至少包括第一导电型半导体层的半导体结构，设置在半导体结构中的所述第一导电型半导体层上的第一层第二导电型半导体层，设置在第一层第二导电型半导体层上且杂质浓度低于第一层第二导电型半导体层的第二层第二导电型半导体层，设置在第二层第二导电型半导体层上的第二层第一导电型半导体层，或设置在第二层第二导电型半导体层中的第二层第一导电型半导体层，其中第二层第一导电型半导体层的杂质浓度高于第二层第二导电型半导体层的杂质浓度。
本发明的一个实施例中，半导体结构是第一导电型半导体衬底。
本发明的一个实施例中，半导体结构还包括第二导电型半导体衬底，第二导电型半导体衬底设在第一导电型半导体层上。
本发明的一个实施例中，半导体结构还包括第一导电型半导体衬底，第一导电型半导体衬底设在第一导电型半导体层上。
本发明的一个实施例中，第一导电型半导体衬底中含的杂质元素是锑(Sb)。
本发明的一个实施例中，第一导电型半导体层中含的杂质元素是锑(Sb)。
本发明的一个实施例中，第一层第二导电型半导体层中含的杂质元素是硼(B)。
本发明的一个实施例中，第一层第二导电型半导体层的杂质浓度是1×1016/cm3至2×1018/cm3。
本发明的一个实施例中，第一导电型半导体层的厚度小于或等于7μm。
本发明的一个实施例中，第二层第一导电型半导体层和第二层第二导电型半导体层的总厚度(d)满足下式：
EXP(-Gd)＜0.02
式中G表示入射光的吸收系数。
本发明的一个实施例中，第二层第二导电型半导体层的厚度设计成在向第二层第二导电型半导体层与第二层第一导电型半导体层之间的界面处的PN结区加反向偏置电压时，在该PN结区中产生的电场强度大于或等于0.3V/μm。
本发明的一个实施例中，第一导电型半导体层是外延生长层。
本发明的一个实施例中，第二层第一导电型半导体层是外延生长层。
本发明的一个实施例中，第二层第一导电型半导体层用热扩散法形成。
本发明的一个实施例中，第一层第二导电型半导体层是外延生长层。
本发明的一个实施例中，第一导电型半导体衬底的杂质浓度设计成高于使杂质从第一层第二导电型半导体层扩散出并到达第一导电型半导体衬底的杂质浓度。
本发明的一个实施例中，第一导电型半导体衬底的电阻率小于或等于0.5Ωcm。
本发明的一个实施例中，第一层第二导电型半导体层的杂质浓度设计成小于在所述半导体结构中的第一导电型半导体层的杂质浓度。
本发明的一个实施例中，在第一层第二导电型半导体层的杂质浓度峰值附近的区域中的内电场强度增大。
本发明的一个实施例中，第一层第二导电型半导体层和半导体结构的第一导电型半导体层在芯片的端面短路。
本发明的一个实施例中，位于第一层第二导电型半导体层和半导体结构的第一导电型半导体层之间的界面处的PN结区的结面积大于或等于0.25mm2。
本发明的一个实施例中，第一层第二导电型半导体层和半导体结构中的第一导电型半导体层用外引线短路。
本发明的一个实施例中，半导体结构的第一导电型半导体衬底用外引线连接到高电位。
根据本发明的另一方面，有内构电路的光检测器包括上述的光接收元件和处理该光接收元件检测到的信号的信号处理电路。光接收元件和信号处理电路设置在同一衬底上。
本发明的一个实施例中，设置在光接收元件中的半导体结构的第一导电型半导体层至少不设置在设有信号处理电路的区域内。
根据本发明的另一方面，光拾取器包括上述光接收元件或有内构电路的上述光检测器。
本发明的一个实施例中，承载光接收元件的框架接地(GND)。
以下描述本发明的功能。
本发明的光接收元件中，进入光接收元件的光接收表面(第二层第一导电型半导体层的表面)的光在位置比第一层第二导电型半导体层深的第一导电型半导体衬底处产生光生载流子；当该光生载流子移动到第一层第二导电型半导体层与第一导电型半导体衬底之间的界面处的PN结区时，在强电场作用下，大多数光生载流子进入耗尽层，并经重新组合而消除。因此，在第一导电型半导体衬底中产生的光生载流子不到达第二层第一导电型半导体层与第二层第二导电型半导体层之间的PN结区，基本上不构成光电电流。而且，在第一层第二导电型半导体层的杂质浓度峰值附近的窄区域内产生的光生载流子沿两个方向移动，即向第一层第二导电型半导体层与第一导电型半导体衬底之间界面处的PN结区移动的光生载流子α和向第二层第二导电型半导体层移动的光生载流子β。
向第一导电型半导体衬底移动的光生载流子α(电子)基本上不构成光电电流。光生载流子β在更靠近第二层第二导电型半导体层的第一层第二导电型半导体层的所述部分中的强内电场作用下，向第二层第一导电型半导体层与第二层第二导电型半导体层之间的界面处的耗尽层高速移动。
因此，可以减少响应速度低的光生载流子的数量，该光生载流子在比光接收元件中的第一层第二导电型半导体层杂质浓度峰值附近的窄区域深的位置产生，并且经长距离迁移，到达设在第二层第二导电型半导体层与第二层第一导电型半导体层之间的界面处的耗尽层(PN结区)的端部。而且，第一层第二导电型半导体层杂质浓度峰值附近的区域是狭窄的，并且该区域中的内电场强度增大。因此，在第一层第二导电型半导体层杂质浓度峰值附近并且更靠近第二层第二导电型半导体层的窄区的一部分中产生的光生载流子能可靠地移动到在第二层第一导电型半导体层与第二层第二导电型半导体层之间的界面处的耗尽层，并构成光电电流。因此能基本上减小由于移动时间长和响应速度慢的光生载流子引起的延迟的光电电流，由此获得了与入射光相关的响应速度大大提高的光电二极管。
由此，这里所述的本发明的优点是提供了：光接收元件，该光接收元件通过减少在比耗尽层深的区域中产生、并且移动到耗尽层附近的响应时间慢的光生载流子，能在光盘设备的写模式下在光盘上高速写入数据；带有内构电路的光检测器，该光检测器包括所述光接收元件；以及包括上述器件的光拾取器。
附图说明
图1A是本发明实施例1的光接收元件(光电二极管)的剖视图；
图1B是沿图1A中的X-X’线剖开的光电二极管的剖面上的杂质浓度分布曲线图；
图2A是示出本发明的光电二极管中产生的光生载流子的状态的曲线图；
图2B是示出传统光电二极管中产生的光生载流子的状态的曲线图；
图3是示出本发明的光电二极管和传统光电二极管关于脉冲激光的响应特性的曲线图；
图4A是本发明实施例2的光接收元件(光电二极管)的剖视图；
图4B是沿图4A中的Y-Y’线剖开的光电二极管的剖面上的杂质浓度分布曲线图；
图5A是按本发明实施例3的光接收元件(光电二极管)的剖视图；
图5B是沿图5A中的Z-Z’线剖开的光电二极管的剖面上的杂质浓度分布曲线图；
图6是说明图5A所示光电二极管中的低电阻率N-型半导体衬底的杂质浓度分布的曲线图；
图7是按本发明实施例4的光接收元件(光电二极管)的剖视图；
图8是图7所示光电二极管的剖视图，显示电二极管的PN结区的结界面的短路状态；
图9是显示本发明实施例1的光电二极管的剖面结构的曲线图，显示出N+-型半导体衬底和P+-型掩埋扩散层之间的杂质浓度分布的关系；
图10示出当图9所示N+-型半导体衬底的杂质浓度与P+-型掩埋扩散层的杂质浓度相比不是很高时，杂质浓度分布的关系曲线图；
图11是显示本发明实施例2的光电二极管的剖面结构中的寄生晶体管的发射区、基区和集电区之间的杂质浓度分布关系的曲线图；
图12是包括光电二极管的光拾取器的结构的示意图；
图13A是传统光电二极管的剖视图；
图13B是沿图13A中W-W’线剖开的光电二极管的剖面上的杂质浓度分布曲线图；
图14是传统光电二极管关于脉冲激光的响应特性的曲线图；
图15是在大功率的脉冲激光的反射光进入传统光电二极管时，从光电二极管的表面开始，沿深度方向的光强度变化曲线图。
具体实施方式
以下参见附图用实施例描述本发明。
例1
图1A是按本发明实施例1的光接收元件(光电二极管)的剖视图。图1B是沿图1A中的X-X’线剖开的光电二极管的剖面上的杂质浓度分布的曲线图。注意，图1A中未示出阳极电极、阴极电极、信号线和表面保护膜。
图1A所示的光电二极管包括：有高杂质浓度的N+-型半导体衬底1(第一导电型半导体衬底)，杂质浓度比衬底1的杂质浓度低的P+-型掩埋扩散层2(第一层第二导电型半导体层)，杂质浓度低于P+-型掩埋扩散层2的高电阻率P-型外延层3(第二层第二导电型半导体层)，和N-型外延层4(第二层第一导电型半导体层)，这些所述层按此顺序在衬底1上形成叠层。因此，光电二极管具有多层结构。在高电阻率P-型外延层3与N-型外延层4之间的预定区域处设置多层P+-型隔离掩埋扩散层12。在N-型外延层4中的每个P+-型隔离掩埋扩散层12上设置P+-型隔离掩埋扩散层11。P+-型隔离掩埋扩散层11的表面从N-型外延层4的表面露出。因此，图1A所示的光电二极管设置在由高电阻率P-型外延层3上的P+-型隔离掩埋扩散层12和P+-型隔离掩埋扩散层11所包围的区域内。图1A所示的光电二极管中，在N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间和P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间设置有PN结区。
对应于N-型外延层4的N-型半导体层可以是N-型扩散层，从而用热扩散法使掩埋在高电阻率P-型外延层3中的N-型半导体层的表面从高电阻率P-型外延层3的表面露出。
图1B示出图1A所示光电二极管从表面到内部的杂质浓度分布。
通过给N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的PN结区施加反向偏置电压，在PN结区产生强电场。
高电阻率P-型外延层3的杂质浓度设计成低于N-型外延层4的杂质浓度，除PN结区外。
P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度设计成高于高电阻率P-型外延层3的杂质浓度，并具有杂质浓度峰值的曲线分布。因此，在有杂质浓度峰值的区域与高电阻率P-型外延层3之间的P+-型掩埋扩散层2的一部分的电位比高电阻率P-型外延层3的电位高。因此，在P+-型掩埋扩散层2中产生了从具有杂质浓度峰值的区域指向高电阻率P-型外延层3的内电场。
在P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处的PN结区中，P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1的杂质浓度相互补偿，两个杂质浓度快速降低。因此，在PN结区中形成从P+-型掩埋扩散层2和N+-型半导体衬底1朝向PN结界面的强电场。而且，在P+-型掩埋扩散层2中的杂质浓度峰值附近的区域中设置PN结区的结界面。因此，在P+-型掩埋扩散层2中的杂质浓度峰值附近的区域是窄区，该区域中的内电场强度增大。
N+-型半导体衬底1的杂质浓度设计成高于P+-型掩埋扩散层2中的杂质浓度峰值，并均匀而平坦的分布。由于N+-型半导体衬底1的杂质浓度设计成高于P+-型掩埋扩散层2中的杂质浓度峰值，因此，可以在P+-型掩埋扩散层2中的杂质浓度峰值附近设置P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处的PN结区。
按本发明这样构成的光电二极管中，光进入光电二极管的光接收表面(N-型外延层4)，在比P+-型掩埋扩散层2深的N+-型半导体衬底1处产生光生载流子；当光生载流子移动到P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处的PN结区时，由于强电场作用，大多数光生载流子进入PN结区中的耗尽层，经重新组合而消除。因此，在N+-型半导体衬底1中产生的光生载流子没有到达N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的PN结区，基本上不构成光电电流。而且，在P+ -型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的窄区域中产生的光生载流子按两个方向移动，即向P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处的PN结区移动的光生载流子α，和向高电阻率P-型外延层3移动的光生载流子β。
光生载流子α(电子)向N+-型半导体衬底1移动，它基本上不构成光电电流。
在高电阻率P-型外延层3附近的P+-型掩埋扩散层2的所述部分中的强电场作用，光生载流子β高速移动到N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的耗尽层。
因此，图1A和图1B所示本发明的实施例1的光电二极管中，在比光电二极管中的P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的窄区域深的位置产生、并且有低响应速度、移动一长距离后到达N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的耗尽层(PN结区)的光生载流子的数量能减少。而且P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域窄，该区域中的内电场强度增大。因此，P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近并且靠近高电阻率P-型外延层3的窄区域的一部分中产生的光生载流子能可靠地移动到N-型外延层4与高电阻率P型外延层3之间的界面处的耗尽层，并形成光电电流。由此能基本上减少因有长移动时间和低响应速度的光生载流子而构成延迟的光电电流。因此，能获得与入射光相关的响应速度大大提高了的光电二极管。
以下主要说明图1A所示的光电二极管的制造方法。
先通过在N-型杂质浓度为1×1018/cm3以上的N+-型半导体衬底1上扩散1×1017/cm3的高浓度P-型杂质，形成P+-型掩埋扩散层2。之后在P+-型掩埋扩散层2上用外延生长法形成具有低杂质浓度的高电阻率P-型外延层3。之后在高电阻率P-型外延层3上形成P+-型隔离掩埋扩散层12，随后(用外延生长法)形成N-型外延层4和P+-型隔离掩埋扩散层11。P+-型隔离掩埋扩散层11自N-型外延层4的表面形成与P+-型隔离掩埋扩散层12接触。
因此，如图1A所示，在N+-型半导体衬底1上，用P+-型隔离掩埋扩散层11和12将光电二极管与外围电路电隔开。而且可在N+-型半导体衬底1上的外围电路中设置信号处理电路，用于处理图1A所示的光电二极管中检测到的信号。或者，如日本特许公开No.10-107243所公开的，通过扩散N-型杂质，在高电阻率P-型外延层3上形成N-型扩散层。
这种情况下，优选把N+-型半导体衬底1设计成杂质浓度高于P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度。图9是显示按本发明实施例1的光电二极管的剖面结构的曲线图，示出N+-型半导体衬底1和P+-型掩埋扩散层2之间的杂质浓度分布的关系。用这种结构，本发明的光电二极管可在靠近P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域中设置PN结区，因此，可以使P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域更窄。因而，容易把P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域中产生的光生载流子分成上述的光生载流子α和光生载流子β。由于，靠近高电阻率P-型外延层3的P+-型掩埋扩散层2的一部分的杂质浓度分布，只有光生载流子β在内电场作用下高速移动。
P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度优选是约1×1016/cm3至1×1018/cm3。图10是图9所示的N+-型半导体衬底1的杂质浓度与P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度相比不是很高时杂质浓度分布的关系曲线图。如图10所示，当P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度高于2×1018/cm3时，在P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处形成的PN结区中的耗尽层位于离开P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值的位置。因此，P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域中产生的光生载流子的一部分，不会进入在P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处形成的PN结区中的耗尽层，不会重新组合，而移动到N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处形成的PN结区中的耗尽层，进入耗尽层，从而降低了提高响应速度的效果。因此，为了高速移动光生载流子，从而充分地达到提高光生载流子的响应速度的效果，N+-型半导体衬底1的杂质浓度优选比P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度高1至2个数量级。相反，当P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度低于1×1016/cm3时，光电二极管的阳极电阻增大，数据读出速度下降。
N+-型半导体衬底1中的N-型杂质优选是锑(Sb)。当N-型杂质是扩散系数小的锑(Sb)时，在P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处的PN结区的N+-型半导体衬底1部分的杂质浓度分布曲线可制成陡峭的。所以，以N+-型半导体衬底1部分的杂质浓度分布为基础的内电场强度更高，在N+-型半导体衬底1部分中的深处区域中产生的、有长的移动时间很低响应速度的光生载流子，由于电位势垒(即在P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处形成的PN结)的阻挡而不能到达N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间形成的结。
P+-型掩埋扩散层2的P-型杂质优选是硼(B)。当P-型杂质是有较大扩散系数的硼(B)时，可给N+-型半导体衬底1上的预定区域加预定量的硼(B)。之后，在用外延生长法形成高电阻率P-型外延层3时，比N-型杂质锑(Sb)的含量大的硼(B)扩散进外延生长层，由此获得预定的结构。
靠近高电阻率P-型外延层3的P+-型掩埋扩散层2的所述部分的杂质浓度分布曲线的倾斜优选是陡峭的，由此，优选用外延生长法形成。
当进入光电二极管的光量较小时，例如是几百微瓦，高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4的总厚度(d)优选设计成满足下式(1)：
EXP(-Gd)＜0.02(1)
式中G表示入射光的吸收系数。
以下说明其原因。通常，在深度x进入半导体的光强度用下式表示：
I(x)＝I0EXP(-Gx)
由于在距光电二极管的表面的距离为d的位置大致与P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值对应，如果高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4的总厚度(d)设计成满足公式(1)，则入射光到达P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近时，入射光强度衰减到2/100。因此，如果光生载流子从P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处的PN结区中的耗尽层泄漏，并到达N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的PN结区中的耗尽层，则光电电流足够小，不会影响寻址信号电平。因此在由于杂质浓度分布而具有强内电场的高电阻率P-型外延层3附近的P+-型掩埋扩散层2的一部分中产生有助于响应的全部光生载流子。因此，按本发明的光电二极管能更快的工作。
当入射到光电二极管的入射光量较高，例如是几毫瓦，并且入射到光电二极管的入射光的波长是650nm或400nm(短波长)时，高电阻率P-型外延层3的厚度优选设计成使N-型外延层4的PN结区中的耗尽层的电场强度大于或等于0.3V/μm。其原因是，如日本特许公开No.2001-77401所公开的，如果耗尽层中的电场强度弱，当在写数据中入射到光电二极管的入射光量增加时，产生光生载流子的累积引起电位变平坦，导致光电二极管的响应性能降低。
注意，在图1A所示本发明实施例1的光电二极管中，N-型外延层4设在高电阻率P-型外延层3上。即使当上述的N-型扩散层等层掩埋在高电阻率P-型外延层3中时，也能获得同样的效果。
图2A和图2B分别是显示本发明的光电二极管和传统光电二极管中产生的光生载流子状态的曲线图，用于在二者之间进行对比。
图2A示出本发明光电二极管中产生的光生载流子的状态。在本发明的光电二极管中，在P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域中设置PN结区，而且，P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域是狭窄的，所以该区域中的电场强度增大。因此，借助于在P+-型掩埋扩散层2与N+-型半导体衬底1之间的界面处的PN结区中存在的电位势垒，防止在距光电二极管的表面很深的区域中，即从P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近到N+-型半导体衬底1的区域中产生的光生载流子到达N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的PN结区，而且该光生载流子不能形成光电电流。从P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近到高电阻率P-型外延层3的区域中产生的光生载流子，在内电场作用下高速移动到N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的耗尽层，而且，作为光电电流进入外部电路。因此，在本发明的光电二极管中基本上没有移动时间长和响应速度慢的光生载流子。
图2B示出传统光电二极管中产生的光生载流子的状态。P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域的电位相对于低电阻率的P-型半导体衬底7的电位有电位势垒功能。但是，P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域比图2A中P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域宽。因此，从P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近到高电阻率P-型外延层3的区域中产生的光生载流子在内电场作用下，高速移动到N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的耗尽层，而且作为光电电流进入外部电路。P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域中产生的光生载流子的一部分穿过光生载流子基本不被电场干扰、只是被扩散的区域，到达N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的耗尽层。光生载流子的另一部分经过由弱内电场趋使光生载流子移动的区域，移动到N-型外延层4与高电阻率P-型外延层3之间的界面处的耗尽层，所述弱电场由于存在小浓度梯度而产生。因此存在移动时间长和响应速度慢的光生载流子。
因此，图2A所示的本发明的光电二极管中，PN结区设在P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域中，而且P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近的区域是狭窄的，因此可以明显减少移动时间长和响应速度慢的光生载流子。
图3是显示本发明的光电二极管和传统光电二极管关于脉冲激光(波长：λ＝780nm，光功率Popt＝1.2mw)的响应特性的曲线图。
该曲线图示出光电电流随时间的变化，在光盘设备的写模式下写数据时，借助于大功率脉冲激光的反射光在光电二极管中产生光生载流子，通过使该光生载流子进入外部电路而产生了所述光电电流。
如图3所示，在传统光电二极管中，由大功率激光的反射光产生的光生载流子作为光电电流进入外部电路，光生载流子的光电电流经约14nsec减小到2/100以下，在该电流值下，光电电流可作为寻址信号读出。
相反，在本发明的光电二极管中上述过程只需6nsec。
如果在光盘设备的写模式下写数据的速度增大40倍，例如，大功率激光的反射光产生的光生载流子作为光电电流进入外部电路，所产生的光生载流子构成的光电电流衰减到2/100以下所需的时间小于或等于10nsec，在该电流值下，光电电流可作为寻址信号读出。
因此，按图3所示结果，本发明的光电二极管能提供相当高的响应速度，能达到40倍的写速度。
例2
图4A是显示按本发明实施例2的光接收元件(光电二极管)的结构的剖视图。图4B是沿图4A中的Y-Y’线剖开的光电二极管的剖面上的杂质浓度分布曲线图。注意图4A中未示出阳极电极、阴极电极、信号线和表面保护膜。
图4A示出的光电二极管包括：低电阻率的P-型半导体衬底7(第二导电型半导体层)和位于其上的杂质浓度高于低电阻率P-型半导体衬底7的N++-型掩埋扩散层6(第一导电型半导体层)。在N++-型掩埋扩散层6上顺序层叠杂质浓度比N++-型掩埋扩散层6的杂质浓度低的P+-型掩埋扩散层2、杂质浓度比P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度低的高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4。换句话说，图4A所示光电二极管与图1A所示光电二极管的结构类似。
对应N-型外延层4的N-型半导体层可以是N-型扩散层，从而用热扩散法使掩埋在高电阻率P-型外延层3中的N-型半导体层的表面从高电阻率P-型外延层3的表面露出。
图4B显示出图4A所示光电二极管的杂质浓度从表面到内部的分布。
低电阻率的P-型半导体衬底7和N++-型掩埋扩散层6的杂质浓度分布与图1 B所示的N+-型半导体衬底1的杂质浓度分布不同。其它区域中，图4A所示光电二极管的杂质浓度分布与图1A所示光电二极管的杂质浓度分布相似。
因此图4A和4B所示光电二极管与图1A和1B所示光电二极管有相同的效果。
图4A所示光电二极管中，在有典型的杂质浓度的低电阻率的P-型半导体衬底7上，用例如1×1018/cm3以上的高浓度N-型杂质扩散形成N++-型掩埋扩散层6。之后，在N++-型掩埋扩散层6上通过扩散1×1017/cm3以上的P-型杂质形成P+-型掩埋扩散层2。之后，在P+-型掩埋扩散层2上，用外延生长法形成杂质浓度为1×1014/cm3以下的高电阻率的P-型外延层3。之后，在高电阻率的P-型外延层3上形成P+-型隔离掩埋扩散层12，随后(周外延生长法)形成N-型外延层4和P+-型隔离掩埋扩散层11。P+-型隔离掩埋扩散层11自N-型外延层4的表面形成与P+-型隔离掩埋扩散层12接触。
因此，N++-型掩埋扩散层6形成在低电阻率的P-型半导体衬底7上。用P+-型隔离掩埋扩散层11和12使图4A所示光电二极管与外围电路电隔离。
图4A所示光电二极管中，在N++-型掩埋扩散层6与P+-型掩埋扩散层2之间的界面处设置PN结区。因此，像图1A所示光电二极管一样，能显著减少移动时间长和响应速度慢的光生载流子的数量。
图4A所示光电二极管中，还在低电阻率的P-型半导体衬底7与N++-型掩埋扩散层6之间的界面处设置PN结区。因此，在比N++-型掩埋扩散层6深的区域中产生的光生载流子可以用电位势垒限定在N++-型掩埋扩散层6中，以防止光生载流子构成光电电流，并能进一步减少移动时间长和响应速度慢的光生载流子数量。
N++-型掩埋扩散层6的杂质浓度优选设计成高于P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度。
N++-型掩埋扩散层6的N-型杂质优选是锑(Sb)。
P+-型掩埋扩散层2的P-型杂质优选是硼(B)。
N++-型掩埋扩散层6或P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度分布曲线的倾斜优选是陡峭的。为满足该要求，优选用外延生长法。
N++-型掩埋扩散层6的厚度(扩散宽度)优选是7μm以下。如果大大地扩大N++-型掩埋扩散层6的厚度，那么P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近就不陡峭。这种情况下，不能减少响应速度低的光生载流子。如果N++-型掩埋扩散层6中的杂质总量相同，那么N++-型掩埋扩散层6的厚度(扩散深度)越小(越浅)，杂质浓度分布中的杂质浓度峰值越高。这在生产方面是个优点。
由于图4A所示光电二极管采用杂质浓度比N+-型半导体衬底1的杂质浓度低的低电阻率的P-型半导体衬底7，所以不需要防止从低电阻率的P-型半导体衬底7到光电二极管表面的自动掺杂，这使光电二极管容易制造。
注意，尽管图4A显示的按本发明实施例2的光电二极管中，像日本特许公开No.10-107243所公开的一样，N-型外延层4设在高电阻率P-型外延层3上，N-型扩散层等也可以掩埋在高电阻率P-型外延层3中。这种情况下，能获得同样的效果。
由于图4A和图4B显示的按本发明实施例2的光电二极管的结构包括低电阻率的P-型半导体衬底7，要注意以下指出的情况。设在P+-型掩埋扩散层2与低电阻率的P-型半导体衬底7之间的N++-型掩埋扩散层6的电位高于这些所述层(2和7)的电位。因此，参见图11，寄生NPN晶体管在光电二极管结构中形成，在该结构中，N-型外延层4、高电阻率P-型外延层3和P+-型掩埋扩散层2、N++-型掩埋扩散层6分别作为发射区、基区和集电区。这种情况下，载流子注入P-型外延层3(基区)。因此，光电二极管的光电电流值不会衰减到2/100以下，在该2/100以下的电流值下，可读出寻址信号。当N++-型掩埋扩散层6(集电区)中产生的光生载流子密度出现不正常增大时，会出现这种现象。但是，通常不会出现。例如，如果N++-型掩埋扩散层6与P+-型掩埋扩散层2之间的PN结区的结面积大于或等于0.25mm2时，N++-型掩埋扩散层6中产生的光生载流子横向扩散，所以N++-型掩埋扩散层6的光生载流子密度下降，并能防止因上述现象引起的光电二极管的响应速度下降。
包括光电二极管的光拾取器的框架的电位优选固定在地电位(GND：地)。
通过把光拾取器的框架的电位固定在地电位，使低电阻率的P-型半导体衬底7的电位波动，使N++-型掩埋扩散层6的电位不稳定，因此，能防止上述的寄生NPN晶体管工作。
例3
图5A是按本发明实施例3的光接收元件(光电二极管)的剖视图。图5B是沿图5A中的Z-Z’线剖开的光电二极管的剖面上的杂质浓度分布曲线图。注意，图5A中未示出阳极电极、阴极电极、信号线和表面保护膜。
图5A中的光电二极管包括半导体结构，该半导体结构包括低电阻率的N-型半导体衬底5(第一导电型半导体层)和位于其上的杂质浓度高于低电阻率N-型半导体衬底5的N++-型掩埋扩散层6(第一导电型半导体层)。在N++-型掩埋扩散层6上，顺序层叠杂质浓度比N++-型掩埋扩散层6的杂质浓度低的P+-型掩埋扩散层2、杂质浓度比P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度低的高电阻率P-型外延层3以及N-型外延层4。在其它方面，图5A所示光电二极管与图1A所示光电二极管的结构类似。
对应N-型外延层4的N-型半导体层可以是N-型扩散层，从而用热扩散法使掩埋在高电阻率P-型外延层3中的N-型半导体层的表面从高电阻率P-型外延层3的表面露出。
图5B显示出图5A所示光电二极管的杂质浓度从表面到内部的分布相似。
低电阻率的N-型半导体衬底5和N++-型掩埋扩散层6的杂质浓度分布与图1B所示的N+-型半导体衬底1的杂质浓度分布不同。在其它区域中，图5A所示光电二极管的杂质浓度分布与图1A所示光电二极管的杂质浓度分布相似。
因此图5A和5B所示光电二极管与图1A和1B所示光电二极管有相同的效果。
图5A所示光电二极管中，在掺有N-型杂质(磷：P)并且电阻率为0.1Ωcm的低电阻率N-型半导体衬底5上，用例如1×1018/cm3以上的高浓度N-型杂质扩散形成N++-型掩埋扩散层6。之后，在N++-型掩埋扩散层6上通过扩散浓度为1×1017/cm3以上的P-杂质形成P+-型掩埋扩散层2，之后，在P+-型掩埋扩散层2上，用外延生长法形成杂质浓度在1×1014/cm3以下的高电阻率的P-型外延层3。之后，在高电阻率的P-型外延层3上形成P+-型隔离掩埋扩散层12，随后(用外延生长法)形成N-型外延层4和P+-型隔离掩埋扩散层11。P+-型隔离掩埋扩散层11自N-型外延层4的表面形成与P+-型隔离掩埋扩散层12接触。
因此，N++-型掩埋扩散层6形成在低电阻率的N-型半导体衬底5上，并且用P+-型隔离掩埋扩散层11和12使图5A所示光电二极管与外围电路电隔离。
图5A所示光电二极管中，在N++-型掩埋扩散层6与P+-型掩埋扩散层2之间的界面处设置PN结区。因此，像图1A所示光电二极管一样，能显著减少移动时间长和响应速度慢的光生载流子的数量。
图5A所示光电二极管中，N++-型掩埋扩散层6有阻挡在低电阻率的N-型半导体衬底5中产生的载流子(空穴)的作用，因此，肯定能防止在比N++-型掩埋扩散层6深的区域中产生的光生载流子移动到高电阻率P-型外延层3与N-型外延层4之间的界面处的耗尽层。因此，能进一步减少移动时间长和响应速度慢的光生载流子。
低电阻率的N-型半导体衬底5优选设计成杂质浓度高于从位于低电阻率的N-型半导体衬底5上方的P+-型掩埋扩散层2跨过N++-型掩埋扩散层6、扩散到低电阻率的N-型半导体衬底5的P-型杂质浓度。如果扩散到低电阻率的N-型半导体衬底5的P-型杂质的浓度高于低电阻率的N-型半导体衬底5的杂质浓度，则在N++-型掩埋扩散层6与低电阻率的N-型半导体衬底5之间形成P-型扩散层5a，如图6中虚线所示，并且N++-型掩埋扩散层6与低电阻率的N-型半导体衬底5电隔离。因此，为了避免N++-型掩埋扩散层6与低电阻率的N-型半导体衬底5之间的这种电隔离，把低电阻率的N-型半导体衬底5设计成杂质浓度高于扩散到低电阻率的N-型半导体衬底5的P-型杂质浓度。
例如，低电阻率的N-型半导体衬底5的电阻率优选是小于或等于0.5Ωcm。
N++-型掩埋扩散层6的杂质浓度设计成高于P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度。
N++-型掩埋扩散层6的N-型杂质优选是锑(Sb)。
P+-型掩埋扩散层2的P-型杂质优选是硼(B)。
N++-型掩埋扩散层6或P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度分布曲线的倾斜优选是陡峭的。为满足该要求，优选用外延生长法。
N++-型掩埋扩散层6的厚度(扩散宽度)优选是7μm以下。如果大大地扩大N++-型掩埋扩散层6的厚度，那么P+-型掩埋扩散层2的杂质浓度峰值附近就不陡峭。这种情况下，不能减少响应速度低的光生载流子。如果N++-型掩埋扩散层6中的杂质总量相同，那么N++-型掩埋扩散层6的厚度(扩散深度)越小(越浅)，杂质浓度分布中的杂质浓度峰值越高。
由于图5A所示光电二极管采用杂质浓度比N+-型半导体衬底1的杂质浓度低的低电阻率的N-型半导体衬底5，所以不需要防止从低电阻率的N-型半导体衬底5到光电二极管表面的自动掺杂，这使光电二极管容易制造。
注意，尽管图5A显示的按本发明实施例3的光电二极管中，像日本特许公开No.10-107243所公开的一样，N-型外延层4设在高电阻率P-型外延层3上，N-型扩散层等也可以掩埋在高电阻率P-型外延层3中。这种情况下，能获得同样的效果。
例4
图7是按本发明实施例4的光接收元件(光电二极管)的剖视图。
图7所示的光电二极管包括：有杂质浓度的N+-型半导体衬底1，顺序形成叠层的杂质浓度比衬底1的杂质浓度低的P+-型掩埋扩散层2、杂质浓度比P+-型掩埋扩散层的杂质度低的高电阻率P-型外延层3以及N-型外延层4。因此，光电二极管具有多层结构。在高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处的预定区域中设置有多层P+-型隔离掩埋扩散层12。在N-型外延层4中的每层P+-型隔离掩埋扩散层12上设置有P+-型隔离掩埋扩散层11。P+-型隔离掩埋扩散层11的表面从N-型外延层4的表面露出。
在N-型外延层4和P+-型隔离掩埋扩散层11的表面上设置有绝缘保护膜10。在一层P+-型隔离掩埋扩散层11上的绝缘保护膜10中设置有接触孔。在该接触孔中设置有要连接到P+-型隔离掩埋扩散层11的阳极电极21。还在P+-型隔离掩埋扩散层11之间的N-型外延层4上的预定区域中设置有接触孔。在接触孔中设置有阴极电极22。阴极电极22下面的N-型外延层4中设置有N+-型扩散层4a，该N+-型扩散层4a与阴极电极22连接。在N+-型半导体衬底1背面上设置有N-型电极23。用外引线使N-型电极23和阳极电极21相互连接。
对应N-型外延层4的N-型半导体层可以是N-型扩散层，从而用热扩散法使掩埋在高电阻率P-型外延层3中的N-型半导体层的表面从高电阻率P-型外延层3的表面露出。
如果从光盘进入图7所示的光电二极管的反射光的功率增大，那么在光电二极管的N+-型半导体衬底1中产生的光生载流子增加。随着光生载流子的增加，一些光生载流子越过电位势垒区(即在N+-型半导体衬底1与P+-型掩埋扩散层2之间的PN结区)以及因杂质浓度分布引起的电场，到达高电阻率P-型外延层3和N-型外延层4之间的界面处的耗尽层。
为了防止光生载流子的这种移动，必需使N+-型半导体衬底1与P+-型隔离掩埋扩散层11的电位之间短路，或者使N+-型半导体衬底1接到高电位上，以使所述衬底1电稳定。为满足该要求，如图7所示，N-型电极23设在N+-型半导体衬底1的背面上，在P+-型隔离掩埋扩散层11上的N-型电极23和阳极电极21用外引线相互连接。通常，P+-型隔离掩埋扩散层11经阳极电极21接地。因此，在N+-型半导体衬底1的背面上的N-型电极23可以接地或连接到高电位。
参见图8，在晶片上制造光电二极管的工艺中，用切割法等方法把晶片切割成多个芯片，使每个芯片的端面对应于PN结区的结界面而短路(利用切割法短路的部分)。获得了与上述短路方法相同的效果。
上述的任何一个实施例中，处理由本发明光电二极管检测到的信号的信号处理电路(未示出)利用常用的工艺设置在光电二极管周围。因此，利用常用的工艺可容易地制造有内构电路的光检测器。所以可以容易地制造本发明的光电二极管或包括带有内构电路的光检测器的光拾取器。
本发明的例3和4中，使用了N-型半导体衬底，所以能固定N++-型掩埋扩散层6的电位。因此，N++-型掩埋扩散层6不必设置在整个晶片上，而可以至少设置在光电二极管区域中。本发明的例2中，如果能用一定方法使N++-型掩埋扩散层6的电位稳定以防止出现寄生NPN晶体管，那么就不必在整个晶片上设置N++-型掩埋扩散层6，而可以至少在光电二极管区域中设置N++-型掩埋扩散层6。
本发明的光接收元件中，在至少包括第一导电型半导体层的半导体结构和第一层第二导电型半导体层之间的界面处设置PN结区，所以第一层第二导电型半导体层的杂质浓度峰值附近的区域是狭窄的，从而能提高该区域的电场强度。因此，利用PN结区中存在的电位势垒，能防止在该区域中产生的、移动时间长的光生载流子和在半导体结构的深区中产生的光生载流子到达第二层第一导电型半导体层和第二层第二导电型半导体层之间的界面处的PN结区，并防止其形成光电电流。而且，肯定能减少在比光接收元件的耗尽层深的区域中产生的、需要长时间才能移动到耗尽层附近的、响应速度慢的光生载流子。
本领域的技术人员通过阅读并理解了结合附图所作的以上描述，将会更清楚本发明的这些优点和其它优点。
在不脱离本发明的范围和精神的前提下，本领域的技术人员容易做出多种其它的改进。所以，本发明所附权利要求的范围不局限于这里所作的说明，而可以更宽泛地加以解释。

Claims (30)

1、一种光接收元件，包括：
半导体结构，至少包括第一导电型半导体层；
第一层第二导电型半导体层，设在半导体结构中的第一导电型半导体层上；
第二层第二导电型半导体层，其设置在第一层第二导电型半导体层上且其杂质浓度低于第一层第二导电型半导体层的杂质浓度；
设在第二层第二导电型半导体层上的第二层第一导电型半导体层，或设在第二层第二导电型半导体层中的第二层第一导电型半导体层，其中第二层第一导电型半导体层的杂质浓度高于第二层第二导电型半导体层的杂质浓度。
2、按权利要求1所述的光接收元件，其中，半导体结构是第一导电型半导体衬底。
3、按权利要求1所述的光接收元件，其中，半导体结构还包括第二导电型半导体衬底，第二导电型半导体衬底设在第一导电型半导体层上。
4、按权利要求1所述的光接收元件，其中，半导体结构还包括第一导电型半导体衬底，第一导电型半导体衬底设在第一导电型半导体层上。
5、按权利要求2所述的光接收元件，其中，在第一导电型半导体衬底中包含的杂质元素是锑。
6、按权利要求4所述的光接收元件，其中，在第一导电型半导体衬底中包含的杂质元素是锑。
7、按权利要求1所述的光接收元件，其中，在第一导电型半导体层中包含的杂质元素是锑。
8、按权利要求3所述的光接收元件，其中，在第一导电型半导体层中包含的杂质元素是锑。
9、按权利要求1所述的光接收元件，其中，在第一层第二导电型半导体层中包含的杂质元素是硼。
10、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第一层第二导电型半导体层中的杂质浓度是1×1016/cm3至2×1018/cm3。
11、按权利要求3所述的光接收元件，其中，第一导电型半导体层的厚度小于或等于7μm。
12、按权利要求4所述的光接收元件，其中，第一导电型半导体层的厚度小于或等于7μm。
13、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第二层第一导电型半导体层和第二层第二导电型半导体层的总厚度d设计成满足下式：
EXP(-Gd)＜0.02
式中G表示入射光的吸收系数。
14、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第二层第二导电型半导体层的厚度设计成当向第二层第二导电型半导体层与第二层第一导电型半导体层之间的界面处的PN结区施加反向偏置电压时，在该PN结区中产生的电场强度大于或等于0.3V/μm。
15、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第一导电型半导体层是外延生长层。
16、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第二层第一导电型半导体层是外延生长层。
17、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第二层第一导电型半导体层是用热扩散法形成的。
18、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第一层第二导电型半导体层是外延生长层。
19、按权利要求4所述的光接收元件，其中，第一导电型半导体衬底的杂质浓度设计成高于使杂质从第一层第二导电型半导体层扩散到达第一导电型半导体衬底的杂质浓度。
20、按权利要求4所述的光接收元件，其中，第一导电型半导体衬底的电阻率小于或等于0.5Ωcm。
21、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第一层第二导电型半导体层的杂质浓度设成低于所述半导体结构中的第一导电型半导体层的杂质浓度。
22、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第一层第二导电型半导体层的杂质浓度峰值附近的区域中的内电场强度增大。
23、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第一层第二导电型半导体层与半导体结构的第一导电型半导体层在芯片的端面短路。
24、按权利要求1所述的光接收元件，其中，第一层第二导电型半导体层与半导体结构的第一导电型半导体层之间的界面处的PN结区的结面积大于或等于0.25mm2。
25、按权利要求1所述的光接收元件，其中，用外引线使第一层第二导电型半导体层与半导体结构中的第一导电型半导体层短路。
26、按权利要求1所述的光接收元件，其中，半导体结构中的第一导电型半导体衬底用外引线连接到高电位。
27、一种有内构电路的光检测器，包括：
光接收元件，包括：
半导体结构，至少包括第一导电型半导体层；
第一层第二导电型半导体层，设在半导体结构中的第一导电型半导体层上；
第二层第二导电型半导体层，其设置在第一层第二导电型半导体层上且其杂质浓度低于第一层第二导电型半导体层的杂质浓度；和
设在第二层第二导电型半导体层上的第二层第一导电型半导体层，或设在第二层第二导电型半导体层中的第二层第一导电型半导体层，其中第二层第一导电型半导体层的杂质浓度高于第二层第二导电型半导体层的杂质浓度；和
用于处理光接收元件检测到的信号的信号处理电路，
其中，光接收元件和信号处理电路设在同一衬底上。
28、按权利要求27的所述的光检测器，其中，设在光接收元件中的半导体结构的第一导电型半导体层至少设置在设有信号处理电路的区域外。
29、一种光拾取器，包括：
光接收元件，包括：
半导体结构，至少包括第一导电型半导体层；
第一层第二导电型半导体层，设在半导体结构中的第一导电型半导体层上；
第二层第二导电型半导体层，其设置在第一层第二导电型半导体层上且其杂质浓度低于第一层第二导电型半导体层的杂质浓度；和
设在第二层第二导电型半导体层上的第二层第一导电型半导体层，或设在第二层第二导电型半导体层中的第二层第一导电型半导体层，其中第二层第一导电型半导体层的杂质浓度高于第二层第二导电型半导体层的杂质浓度；或
有内构电路的光检测器，包括：
光接收元件，包括：
半导体结构，至少包括第一导电型半导体层；
第一层第二导电型半导体层，设在半导体结构中的第一导电型半导体层上；
第二层第二导电型半导体层，其设置在第一层第二导电型半导体层上且其杂质浓度低于第一层第二导电型半导体层的杂质浓度；
设在第二层第二导电型半导体层上的第二层第一导电型半导体层，或设在第二层第二导电型半导体层中的第二层第一导电型半导体层，其中第二层第一导电型半导体层的杂质浓度高于第二层第二导电型半导体层的杂质浓度；和
用于处理光接收元件检测到的信号的信号处理电路，
其中，光接收元件和信号处理电路设在同一衬底上。
30、按权利要求29所述的光拾取器，其中，支承光接收元件的框架接址。
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