CN1318867A - 结合有电路的光接收装置 - Google Patents

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Abstract

一种结合有电路的光接收装置,包括一个第一导电型的第一半导体衬底,一个第一导电型的第一半导体层,一个第一导电型的第二半导体层,一个第二导电型的扩散区、设置在第一导电型的第二半导体层的第一部分,一个电路元件、设置在第一导电型的第一半导体层的第一部分和第一导电型的第二半导体层的第二部分中。第一导电型的第二半导体层和第二导电型的扩散区形成一个光探测光电二极管部分,以及第二导电型的扩散区具有扩散厚度小于或等于短波长信号光的穿透厚度。

Description

结合有电路的光接收装置
本发明涉及一种结合有电路的光接收装置，其中光接收装置包括在同一衬底上的光探测光电二极管部分和电路元件。本发明尤其涉及一种结合有电路的光接收装置的结构，用以改进光探测光电二极管部分的性能。
近年来，光盘装置变得越来越小，而其性能变得越来越高。随着这种改进，增加了对结构紧密和重量轻的光读取装置的需求。为实现这种光读取装置，提出了一项技术，其中有：在单个全息装置中集成产生寻轨光束的功能、对光分束的功能和产生误差信号的功能；激光二极管、分束光电二极管等容放在单个装配盒中；或全息装置安置在装配盒的上表面。这种技术称作光模块。
包含在光读取装置中的部件是一个结合有电路的光接收装置。在结合有电路的光接收装置中，集成例如，将信号光转变为电信号(光电转换信号)的光探测光电二极管部分的电路元件、用于处理光电转换信号的晶体管、电阻和电容器。
图5表示传统的结合有电路的光接收装置4000的横截面图。
结合有电路的光接收装置4000包括光电二极管区51和用于处理光电转换信号的外部电路区52，其中光电二极管区51中设置有把光信号转换为电信号的光探测光电二极管。特别是，在外部电路区52中，安装了NPN晶体管和直立的PNP晶体管。
为了降低结合有电路的光接收装置4000的生产成本，增加制造工艺的公用性。对于光电二极管区51和外部电路区52，顺次提供P型衬底53(P)、P型外延层54(P-)和N型外延层55(N)。在光电二极管区51中，具有PN结的P型外延层54和N型外延层55，形成光探测光电二极管区。在外部电路区52中，上述两个晶体管由于杂质扩散提供给P型外延层54和N型外延层55。
光电二极管的光敏性和响应速度通常是光电二极管性能的主要量度。光敏性由耗散层产生的载流子数量和在耗散层之外产生并在光探测中当把反向偏压施加给PN结时由于载流子扩散而到达耗散层的载流子数量之和来决定。响应速度在很大程度上受探测光电二极管PN结的电容量值影响。因此，为足够增大耗散层的有效做法是增加光电二极管的光敏性和降低结的电容量以提高响应速度。
因此，作为第一导电型区域，如上所述地使用P型衬底53，其中P型衬底53设置在P型外延层54具有低浓度(高的特定阻力)的表面。或者也可用P型低浓度衬底(未示出)代替。
这样的衬底导致耗散层容易在吸收光的第一导电型区中膨胀，因此使得能够有效利用进入的信号光。另外，可降低PN结电容量。
因此随着时间的推移，由于光记录介质如光盘的记录密度变大，所以施加到介质上的光的波长减小。特别是，当具有780nm的红外光用于CD盘时，650nm的减小波长的红光用于DVD。现在正在开发使用进一步减少波长的大约410nm的蓝光。
但是，当信号波长减少时，信号光可以到达的硅的厚度(后面称为穿透厚度)也快速减少。例如，虽然780nm光的穿透厚度长达大约8μm，但410nm光的穿透厚度小于或等于大约0.3μm。
图5所示的常规结合有电路的光接收装置4000中光电二极管的结构存在如下问题。
(1)N型外延层55通常需要至少大约1μm或更大的厚度，以便在外部电路区52中提供晶体管。另外，提供具有高浓度的N型扩散区56(N+)，以降低阴极电阻，使得穿透光大部分被基本上没有耗散的N型外延层55吸收。因此，载流子的复合率较高并且复合的载流子不能对光电电流做贡献，故不能增加光敏性。另外，光探测光电二极管部分的PN结电容太大以至于不能达到高响应速度。
(2)不考虑外部电路区52的一致性，N型外延层55可制造得很薄。在这种情况下，当N型外延层55生长时，由于外部隔离扩散区57(P+)或膜生产装置的作用，发生P型自动掺杂。自动掺杂的发生导致在第一导电区(P型衬底53，其具有在其上生长的低浓度P型外延层；或P型低浓度衬底)和在其上生长的N型外延层55之间的界面附近形成一个势能峰值，破坏了响应特征。
(3)为减少生产步骤和提高对短波光的敏感性，可提供光探测光电二极管部分，其中在N型外延层55中提供P型扩散区。但是，在这种情况下，用在P型扩散区中的硼在其表面分离，因此Ns(表面浓度)很低。结果是，复合的表面增加，使得敏感性降低。另外，对于由于其结构而具有较大穿透厚度的长波，光探测光电二极管的光敏性不能增加。因为耗散层不能变大，所以结的电容增加并因此降低响应速度。
(4)在图5所示的常规结构中，其中光探测光电二极管部分被在其中上下进行散射的隔离扩散区57分离，假设光照射到隔离扩散区57。如图6A和6B所示，隔离扩散区57的杂质浓度分布具有沿图5A-A′线的轮廓和沿图5B-B′线的轮廓。产生的载流子在图6A的凹陷处累积。参考图6B，因为中部实际上没有倾斜，积累的载流子以低速横向移动。因此，不能改进响应速度。
根据上述原因，在记录和重放装置中，需要对应于各个波长区的多个结合有电路的光接收装置，采用不同波长如短波和长波的信号光以与光记录介质匹配。这导致复杂的系统。
根据本发明的一个方面，结合有电路的光接收装置包括一个第一导电型的第一半导体衬底、一个第一导电型的第一半导体层、一个第一导电型的第二半导体层、第二导电型的扩散区，其设置在第一导电型的第二半导体层的第一部分、设置在第一导电型的第一半导体层的第一部分和第一导电型的第二半导体层的第二部分中的电路元件。第一导电型的第二半导体层和第二导电型的扩散区形成一个光探测光电二极管部分，并且第二导电型的扩散区具有扩散厚度小于或等于短波长信号光的穿透厚度。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区的扩散厚度小于或等于0.3μm。
在本发明的一个实施例中，短波长信号光为蓝光。
因此，其中设置有电路元件的第一和第二半导体层的厚度足够厚，并且可在第二半导体层中的光电二极管区表面的浅处部位提供PN结。甚至短波长信号光也可被足够吸收。这使得实现一种具有高敏感性的光探测光电二极管部分的结合有电路的光接收装置。
另外，当第一和第二半导体层的浓度设为低值时，如常规的情况一样，光探测光电二极管部分中的耗散层向衬底侧充分扩展。这使得能够实现具有高敏感性的光探测光电二极管部分的结合有电路的光接收装置。这些特性在长波信号光的情况中不会降低。
当硅作为包含在光电二极管区中的半导体材料使用时，这个特别有效。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第一半导体层的表面杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
因此，可增强抗自动掺杂能力。不理想的自动掺杂浓度最大为大约1×1014cm-3。在上述表面浓度的情况中，自动掺杂不会实质上影响光探测光电二极管特性的变化。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第一半导体层和第一导电型的第二半导体层具有这样的杂质浓度：当反向偏压施加给探测光信号的光探测光电二极管部分上时，从第一导电型的第二半导体层和第二导电型的扩散区之间的界面向第一导电型的第二半导体层扩展的耗散层，到达的位置比第一导电型的第一半导体层和第一导电型的第二半导体层之间的界面要深。
这使得有可能去除在制造过程中由于自动掺杂而在第一和第二半导体层之间界面处的势能峰值的影响。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的高浓度掩埋层设置在第一导电型的第一半导体衬底和第一导电型的第一半导体层之间，其中高浓度掩埋层的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度。
因此，降低了沿横向到达电极的阳极电阻。另外，当长波信号光进入装置时，产生一个势垒以抵制比掩埋层更深的地方产生的载流子。在这种情况下，阻止向光电流提供载流子，由此能够避免由于散射电流而降低响应速度。
在本发明的一个实施例中，通过掩埋扩散法或外延生长法提供第一导电型的高浓度掩埋层。
在掩埋扩散法的情况下，可以很容易得到结合有电路的光接收装置。在外延生长法的情况下，可以很高的精确度控制其浓度轮廓线。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第一半导体层的第一部分和第一导电型的第二半导体层的第二部分具有N型阱区和P型阱区，并且利用采用N型阱区和P型阱区提供电路元件。
对于光电二极管，可自由地设计条件，如导电型和在其上设置电路元件如晶体管的外延生长层的浓度。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的隔离扩散区设置在光探测光电二极管部分和电路元件之间，其中隔离扩散区的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度，并且第一导电型的隔离扩散区到达的位置较光探测光电二极管部分和电路元件要深。
可减少在深度方向上到达电极的阳极电阻，由此减小CR时间常数并达到高速响应特征。
在本发明的一个实施例中，每个第一导电型的第一半导体层和第一导电型的第二半导体层的杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
可形成结合有电路的光接收装置，该装置具有吸收任何从长波到短波的光的光探测光电二极管部分，并在长波到短波的区间具有高光敏性和高速响应。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区被第一导电型的第二半导体层分成多个区。
因为没有采用由向上和向下高浓度散射法得到的绝缘结构，所以实质上不存在非高浓度的隔离扩散区。因此，实质上在多个区没有耗散层产生，并且在多个区之下产生的载流子到达耗散层而不沿隔离扩散区移动。因此，可实现具有改进响应速度的分离的结合有电路的光接收装置，其中该光接收装置具有划分的光探测光电二极管部分。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区域被凹槽分为多个区。
比起当光探测光电二极管使用可较大幅度降低侧边的寄生电容，其降低程度远大于通过利用隔离扩散区的向上和向下的高浓度散射法分割时的情形。因此，可以实现具有改进的CR时间常数的分割的光探测二极管部分的结合有电路的光接收装置。
在本发明的一个实施例中，由LOCOS法提供凹槽。
因为半导体层通过LOCOS法去除，所以可得到高可靠性的光电二极管。虽然可用沟道法制造本发明的结构，但由于干蚀刻增加结的泄漏，导致光电二极管特性的衰减。当由LOCOS法制造凹槽时，可实现具有更可靠的光探测光电二极管部分的结合有电路的光接收装置。
根据本发明实施例的另一方面，结合有电路的光接收装置包括一个第一导电型的第一半导体衬底、一个第一导电型的第一半导体层、一个第一导电型的第二半导体层、一个到达设置在第二半导体层中第一导电型的第一半导体层的第一凹槽、一个设置在第一导电型第一半导体层的第一部分的第二导电型扩散区，该第一部分暴露在第一凹槽底侧、以及一个设置在第一导电型的第一半导体层的第二部分和第一导电型的第二半导体层的第一部分中的电路元件。第一导电型的第一半导体层和第二导电型的扩散区形成一个光探测光电二极管部分。第二导电型的扩散区具有小于或等于短波长信号光的穿透厚度的扩散厚度。
因此，对于光探测光电二极管部分，可自由独立地确定第二半导体的条件，如导电型、浓度、厚度等。可设计电路元件所需的条件。可在第一半导体层中的光电二极管区表面的浅处部位设置PN结，并且在耗散层中即使短波长信号光也可被充分地吸收。因此，可实现有一个电路元件的结合有电路的光接收装置，该装置具有最佳特性和高敏感性光探测光电二极管。
因为凹槽厚度到达的区域比第一半导体层和第二半导体层之间的界面要深，所以可去除产生在界面附近的自动掺杂层。另外，当第一半导体层的浓度设为低值时，如常规的情况一样，光探测光电二极管部分中的耗散层向衬底侧充分扩展。这使得能实现高速光探测光电二极管部分。这些性能在长波信号光的情况中不会降低。
在本发明的一个实施例中，第二导电型扩散区的扩散厚度小于或等于0.3μm。
在本发明的一个实施例中，短波长信号光为蓝光。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的高浓度掩埋层设置在第一导电型的第一半导体衬底和第一导电型的第一半导体层之间，其中高浓度掩埋层的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的高浓度掩埋层由掩埋扩散法或外延生长法提供。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第一半导体层的第二部分和第一导电型的第二半导体层的第一部分具有N型阱区和P型阱区，并且采用N型阱区和P型阱区提供电路元件。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的隔离扩散区设置在光探测光电二极管部分和电路元件之间，其中隔离扩散区的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度，并且隔离扩散区到达的位置比光探测光电二极管部分和电路元件要深。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第一半导体层的杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区被第一导电型的第一半导体层分成多个区。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区域被第二凹槽分为多个区。
在本发明的一个实施例中，由LOCOS法提供第一凹槽。
根据本发明实施例的另一方面，结合有电路的光接收装置包括一个第一导电型的第一半导体衬底、一个第一导电型的第一半导体层、一个到达设置在第一半导体层上的第一导电型的第一半导体层中的第一凹槽、一个设置在第一导电型第一半导体层的第一部分的第二导电型扩散区，第一部分暴露在第一凹槽底侧、以及一个设置在第一导电型的第一半导体衬底的第二部分和第一导电型的第一半导体层的第一部分中的电路元件。第一导电型的第一半导体层和第二导电型的扩散区形成一个光探测光电二极管部分。第二导电型的扩散区具有扩散厚度小于或等于短波长信号光的穿透厚度。
因此，不使用很难控制的低浓度(高比电阻)外延生长层，而采用相对容易生产的低浓度衬底。可以实现具有最佳特性的电路元件和具有高敏感性和在从长波到短波整个区间具有高速响应的光探测光电二极管的结合有电路的光接收装置。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区的扩散厚度小于或等于0.3μm。
在本发明的一个实施例中，短波长信号光为蓝光。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第二半导体衬底设置在第一导电型的第一半导体衬底的底侧，其中，第一导电型的高浓度掩埋层设置在第一导电型的第二半导体衬底上，其中第一导电型的高浓度掩埋层的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体衬底的杂质浓度。
因此，在高浓度掩埋层中降低了沿横向到达电极的阳极电阻。另外，当长波信号光进入装置时，产生一个势垒，当长波信号光入射到装置中时，抵制在掩埋层较深处产生的载流子。在这种情况下，阻止向光电流提供载流子，由此能够避免由于散射电流而使响应速度降低。此外，采用相互结合的衬底，而且采用很难控制的低浓度的外延生长层，并且可在高浓度掩埋层中提供低浓度区。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第二半导体衬底设置在第一导电型的第一半导体衬底的底侧，其中，第一导电型的第二半导体衬底具有的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体衬底的杂质浓度。
因此，在高浓度掩埋层中降低了沿横向到达电极的阳极电阻。另外，当长波信号光进入装置时，产生一个势垒，当长波信号光入射到装置中时，抵制在掩埋层较深处产生的载流子。在这种情况下，阻止向光电流提供载流子，由此能够避免由于散射电流而使响应速度降低。此外，采用相互结合的衬底，而且采用很难控制的低浓度的外延生长层，并且可在高浓度掩埋层中提供低浓度区。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第一半导体衬底的第二部分和第一导电型的第一半导体层的第一部分具有N型阱区和P型阱区，并且采用N型阱区和P型阱区提供电路元件。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的隔离扩散区设置在光探测光电二极管部分和电路元件之间，其中隔离扩散区的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度，并且隔离扩散区到达的位置比光探测光电二极管部分和电路元件要深。
在本发明的一个实施例中，第一导电型的第一半导体层的杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区被第一导电型的第一半导体层分成多个区。
在本发明的一个实施例中，第二导电型的扩散区域被第二凹槽分为多个区。
在本发明的一个实施例中，由LOCOS法提供第一凹槽。
因此，此处所述的本发明使得能够得到提供结合有电路的光接收装置的优点，该装置可读出用于CD、DVD或蓝光DVD的短波到长波的信号光，并且可很容易地在同样的衬底上由集成电路元件如晶体管等制成。
对于本领域的技术人员，通过阅读和理解下面参考附图的详细描述，本发明的这些和其它优点将变得很明显。
图1A和1B为根据本发明实例1的结合有电路的光接收装置的横截面图。
图2A、2B、2C、2D和2E为制造图1的结合有电路的光接收装置的示范性方法的横截面图。
图3A、3B和3C为根据本发明实例2制造的结合有电路的光接收装置的示范性方法的横截面图。
图4A、4B和4C为根据本发明实例3的结合有电路的光接收装置的横截面图。
图5表示常规的结合有电路的光接收装置的结构的横截面图。
图6A和6B表示图5结合有电路的光接收装置中特定方向上分离部分的浓度分布曲线。
下面，将通过参考附图解释实例来描述本发明。每部分的导电型和浓度分别由每部分之后的()来描述。
(实例1)
图1A为根据本发明实例1的结合有电路的光接收装置1000的横截面图。
结合有电路的光接收装置1000包括一个在其中设置有把信号光转换成电信号(光电转换信号)的光探测二极管部分的光电二极管区1，和一个在其中设置有用于处理光电转换信号的电路元件的外部电路区2。具体地说，在外部电路区2中，设置NPN晶体管和垂直PNP晶体管。
在光电二极管区1中，顺次设置P型硅衬底3(P)、P型高浓度掩埋层4(P+)、第一P型外延层5(P-)和第二P型外延层6(P-)。薄的第一N型扩散区7(N)设置在第二P型外延层6之内。设置PN结的第二P型外延层6和第一N型扩散区7形成光探测光电二极管部分。
在外部电路区2中，顺次设置P型硅衬底3(P)、P型高浓度层4(P+)、第一P型外延层5(P-)、和第二P型外延层6(P-)。这些制造步骤可与光电二极管区1的制造步骤同时进行。NPN晶体管和垂直PNP晶体管是由第一和第二P型外延层5和6的各个区域(后面将描述)形成的。
第一N型扩散区7具有对应于大约410nm波长(短波长)的蓝信号光的半导体穿透厚度的扩散厚度，它可用于DVD等。具体地说，如上所述对于蓝信号光，硅的穿透厚度大约为0.3μm或更少，故扩散厚度设为大约0.3μm或更少。
因此，由于施加到光探测光电二极管部分的反向偏压的作用，耗散层30从第二P型外延层6和第一N型扩散区7之间的界面处扩展的位置对应于蓝信号光的穿透厚度。结果是，在耗散层内可产生载流子，由此改进了光电二极管对于短波光的光敏性和响应速度。另外，第一N型扩散区7的扩散厚度设为大约0.3μm或更少，这对于包括在光电二极管区1的半导体材料是有效的，并当材料为硅时尤其有效。
另外，第一和第二P型外延层5和6具有的杂质浓度，使得耗散层30的位置由于施加到光探测光电二极管部分的反向偏压的作用，从第二P型外延层6和第一N型扩散区7之间的界面处膨胀，膨胀的厚度对应于用于CD等的大约780nm的红外信号光的穿透厚度。结果是，即使对于长波，在耗散层内可产生载流子，由此改进了光电二极管对于长波光的光敏性和响应速度。另外，当第一和第二P型外延层5和6具有的杂质浓度使得耗散层30到达的厚度深于第一P型外延层5和第二P型外延层6之间的界面的位置时，在制造过程中可改进由于自动掺杂作用在层5和6之间的界面处的势能峰值的影响。
另外，当多个第一N型扩散区7设置在第二P型外延层6中时，光电区1被分为多个光接收区，在此第二P型外延层6插入在每个光接收区之间。在此结构中，没有使用由向上和向下高浓度散射法得到的常规的隔离区。因此，实质上没有提供高浓度的隔离扩散区。结果是，实质上可以导致第二P型外延层6中所有的多个光接收区具有消耗。因此，在光接收区之下产生的载流子可到达耗散层30而不沿光电二极管区1移动，由此提高了响应速度。
代替上述的结构，在图1B所示的结合有电路的光接收装置1001中，单个第一N型扩散区7可被到达第二P型外延层6的凹槽6′分割。在这种情况中，光接收区一侧的寄生电容降低得大于当使用绝缘散射结构的向上和向下高浓度散射法时的情况，由此改进CR时间常数。
图2A、2B、2C、2D和2E为图1制造结合有电路的光接收装置1000的示范性方法的横截面图。下面将描述结合有电路的光接收装置1000的制造方法。
参考图2A，通过掩埋扩散法或外延生长法，在具有大约40Ωcm比电阻的P型硅衬底3(P)上形成具有1×1018cm-3或更大的峰值杂质浓度的P型高浓度掩埋层4(P+)。具有厚度大约为15μm的第一P型外延层5(P-)在P型高浓度掩埋层4上生长，使得层5在其表面上(对应的浓度大约为1×1014cm-3或更大)具有大约200Ωcm的比电阻。把比电阻设定为这样的值的原因是由于硼的自动掺杂的典型浓度一般出现在大约1×1014cm-3或更少并且当浓度为大约1×1014cm-3或更多时可避免由于自动掺杂的响应特征。
参考图2B，在第一P型外延层5的表面上，形成一个用于垂直PNP晶体管的N型掩埋区8(N+)、一个用于垂直PNP晶体管绝缘的第一N型阱区9(N)、一个用于在每个元件之间垂直PNP晶体管的集流器的P型掩埋层10a(P+)和一个隔离区的P型掩埋区10b(P+)、和一个用于降低阳极电阻的P型扩散区11(P+)，其中提供的阳极电阻比P型掩埋区10b(P+)要深并且从第一P型外延层5向上至P型高浓度掩埋层4扩展。
参考图2C，在第一P型外延层5上形成具有大约200Ωcm的比电阻(对应的浓度大约为1×1014cm-3或更大)和厚度大约为2μm的第二P型外延层6(P-)。第二N型阱区12形成在第二P型外延层6的PNP晶体管中，而P型阱区13形成在垂直PNP晶体管区中。因此，执行LOCOS(硅的局部氧化)步骤使得形成氧化膜14的隔离区14a(隔离氧化膜)。注意在图2C中，整个阴影部分表示氧化膜14。
如上所述，采用阱区结构而不是常规的N型外延层，提供外围电路元件如晶体管。因此，可根据各个外延层控制NPN晶体管和PNP晶体管的特征，由此可使用适合于光电二极管的P型外延层5和6。
参考图2D，在P型阱区13上形成作为垂直PNP晶体管基区的第二N型扩散区15(N)。第二N型阱区12中，形成用于NPN晶体管的集流器补偿散射的第三N型扩散区16(N+)。因此，作为NPN晶体管的基区的P型扩散区17a、17b和17c(P+)、垂直PNP晶体管的发射区、和垂直PNP晶体管的集流器接触区分别在第二N型阱区12、第一N型扩散区15和P型阱区13中形成。另外，作为NPN晶体管发射区的多晶硅区18a、18b和18c、垂直PNP晶体管的集流器接触区和垂直PNP晶体管的基部接触区分别在NPN晶体管基区的P型扩散区17a的表面、第三N型扩散区16和第一N型扩散区15中形成。
参考图2E，作为阴极的砷的多个第一N型扩散区7形成在光电二极管区1中的第二外延层6的表面。采用斜面煅烧等激活光电二极管区1。在此方法中，可提供大量的浅PN结。在此情况中，PN结的厚度可为0.3□m或更少。因此，即使当信号光为大约410nm的短波光时，在信号光探测中施加到光电二极管区1的反向偏压导致大部分的载流子发生在由第二P型外延层6和第一N型扩散区7之间的界面(PN结)扩展的耗散层30(图1)中。可达到高水平的敏感性。另外，第一N型扩散区7可包括另一个N型杂质，如磷。
为简化制造步骤之目的，可选择性省略P型高浓度掩埋层4和P型扩散区11。
另外，可采用LOCOS的隔离区(即，凹槽6′)分割光探测光电二极管部分。具体地，初始形成单个N型扩散区，然后被采用LOCOS的隔离区分割。
(实例2)
图3A、3B和3C为根据本发明实例2的制造结合有电路的光接收装置2000的示范性方法的横截面图。只描述与实例1的结合有电路的光接收装置1000的结构和制造方法不同的结合有电路的光接收装置2000方法。
开始，将描述结合有电路的光接收装置2000的结构。参见图3C，在光电二极管区1’中，顺次设置P型硅衬底3(P)、P型高浓度掩埋层4(P+)和第一P型外延层5(P-)(层5的浓度大约为1×1014cm-3或更大)。第一N型扩散区7(N)埋置在第一P型外延层5的表面内。具有PN结的第一P型外延层部和第一N型扩散区7形成用于探测光信号的光探测光电二极管部分。
另外，在外部电路区2’中，设置P型硅衬底3(P)、P型高浓度掩埋层4(P+)、和第一P型外延层5(P-)和N型外延层21(N)。如实例1所述的NPN晶体管和垂直PNP晶体管设置在第一外延层5和N型外延层21中。
与实例1的不同之处在于在外部电路区2’中使用实例2的N型外延层21，以替换实例1的外部电路区中的第二P型外延层6。另外，在外部电路区2’上设置N型外延层21而不覆盖光探测光电二极管部分。另外，第一N型扩散区7设置在第一P型外延层5之间。而且，不需要第一阱区12(图2C)。
接着，描述制造方法。图2A和2B中所示的步骤与实例1的结合有电路的光接收装置1000的步骤相同。与实例1不同之处在于，因为在光电二极管区1’中稍后会去除N型外延层21，最优化导电型(P型或N型)和特定的电阻(浓度)以便匹配在N型外延层21中提供的晶体管的特征。例如，N型外延层21可具有N型的导电性和大约3Ωm的比电阻。这意味着在与常规的制造步骤类似的条件下进行实例2的制造步骤。
参见图3A，P型掩埋区10b作为隔离区并且光电二极管区1’经历Si蚀刻，并因此进行LOCOS步骤以形成氧化膜14。
参见图3B，在光电二极管区1’中只去除氧化膜14，以形成暴露第一P型外延层5的凹槽。在凹槽底部处暴露的第一P型外延层5表面上形成抗反射膜22。在此方法中，除了沟道法，结合Si蚀刻采用LOCOS步骤形成光电二极管区1。这是因为如果只采用Si蚀刻，在半导体表面由于干蚀刻发生损害。在这种情况下，在表面附近发生载流子复合的增加，导致降低光电二极管的光敏性。这种不利的作用可通过用LOCOS氧化蚀刻的表面并去除氧化膜来避免，由此阻止了由于该作用导致的品质下降。
参见图3C，与实例1的制造方法类似，在晶体管形成在外部电路区2’之后，在光电二极管区1’中的第一P型外延层5的表面之中作为阴极的第一N型扩散区7通过砷离子植入法形成。采用斜面煅烧等激活光电二极管区1’。另外，可通过涂布另一种N型杂质如磷形成第一扩散区。
与实例1类似，可选择性省略P型高浓度掩埋层4和P型扩散区11。
实例2的结合有电路的光接收装置2000的优点在于，N型外延层21的比电阻可不必很大(即，浓度可不必很低)，因为在光电二极管区1’中没有设置第二半导体层即N型外延层21。很难控制一个薄的、低浓度的外延层，并且对于元件的绝缘，由于硼引起的自动掺杂作用，特定的电阻限定为大约100Ωm。因此很难制造一个具有大约100Ωm比电阻的薄的、低浓度的外延层。相反，在实例2中，使用厚的第一P型外延层5，由此层5可具有大约500Ωm的比电阻。这可导致光电二极管频率特性的改进。与实例1类似，N型扩散区7可被凹槽6’(图1B)分割。
(实例3)
图4A、4B和4C为根据本发明实例3的结合有电路的光接收装置3000的横截面图。只描述与实例2的结合有电路的光接收装置2000不同的结合有电路的光接收装置3000。
在实例3的结合有电路的光接收装置3000中，采用预先形成的P型半导体衬底25(P-)而不是第一P型外延层5(图3C)。这是因为它相对容易导致衬底具有比外延层得到的比电阻大的大约1000Ωm或更大的比电阻。这种结构具有进一步降低结电容的优点。
另外，在P型衬底25之下不设置P型硅衬底3和P型高浓度掩埋层4(图3C)。因此，P型扩散区11不到达P型衬底25的底侧，并且散射停止位于比P型掩埋区10b更深的位置。除了这点，实例3的结合有电路的光接收装置3000与实例2的相同。
在实例3中，如图4B所示，在P型半导体衬底25之下顺次结合具有大约4Ωm的低比电阻层4′(P+)和具有大约1000Ωm或更大的比电阻晶片3′(P)。另外，具有大约1000Ωm或更大的电阻晶片3′(P)结合到P型半导体衬底25中，其中电阻晶片3′(P)包括作为高浓度掩埋层的P型掩埋层的大约4Ωm的低比电阻层4′。在这些情况中，可完成实质上理想的具有小电容和电阻的光电二极管。另外，如图4C所示，只有高浓度掩埋层4′可结合到P型半导体衬底25的低侧上。与实例1相似，N型扩散区7可被凹槽6′(图1B)分割。
注意，在实例1至实例3中，为简化起见，整个芯片中光电二极管和导体的电极接触被省略。
如上所述，根据本发明，可得到结合有电路的光接收装置，其中光探测光电二极管具有高光敏性和在长波到短波的宽区间内的响应特征，并且电路元件可容易形成在相同的衬底上并具有低成本和高性能。
在不背离本发明的范围和实质的情况下，其它不同的改进是显而易见的并且本领域的技术人员可容易进行。因此，本发明的权利要求不仅限于上述的内容，而是由权利要求书的宽泛要求所确定。

Claims (35)

1．一种结合有电路的光接收装置，包括：
一个第一导电型的第一半导体衬底；
一个第一导电型的第一半导体层；
一个第一导电型的第二半导体层；
一个第二导电型的扩散区，设置在第一导电型的第二半导体层的第一部分；
一个电路元件，设置在第一导电型的第一半导体层的第一部分和第一导电型的第二半导体层的第二部分中，
其中：
第一导电型的第二半导体层和第二导电型的扩散区形成一个光探测光电二极管部分；和
第二导电型的扩散区具有扩散厚度小于或等于短波长信号光的穿透厚度。
2．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区的扩散厚度小于或等于0.3μm。
3．根据权利要求2的结合有电路的光接收装置，其中短波长信号光为蓝光。
4．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的第一半导体层的表面杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
5．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的第一半导体层和第一导电型的第二半导体层具有的杂质浓度使得当在光探测光电二极管部分施加反向偏压以进行信号光的探测时，耗散层从第一导电型的第二半导体层和第二导电型的扩散区域之间的界面处向第一导电型的第二半导体层侧处膨胀，到达的深度深于第一导电型的第一半导体层和第一导电型的第二半导体层之间的界面。
6．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的高浓度掩埋层设置在第一导电型的第一半导体衬底和第一导电型的第一半导体层之间，其中高浓度掩埋层的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度。
7．根据权利要求6的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的高浓度掩埋层由掩埋扩散法或外延生长法提供。
8．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中：
第一导电型的第一半导体层的第一部分和第一导电型的第二半导体层的第二部分具有N型阱区和P型阱区；和
采用N型阱区和P型阱区提供电路元件。
9．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的隔离扩散区设置在光探测光电二极管部分和电路元件之间，其中隔离扩散区的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度，并且第一导电型的隔离扩散区到达的位置较光探测光电二极管部分和电路元件要深。
10．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中每个第一导电型的第一半导体层和第一导电型的第二半导体层的杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
11．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区被第一导电型的第二半导体层分成多个区。
12．根据权利要求1的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区域被凹槽分为多个区。
13．根据权利要求12的结合有电路的光接收装置，其中由LOCOS法提供凹槽。
14．一种结合有电路的光接收装置，包括：
一个第一导电型的第一半导体层；
一个第一导电型的第一半导体层；
一个第一导电型的第二半导体层，一个到达设置在第二半导体层的第一导电型的第一半导体层的第一凹槽；
一个设置在第一导电型第一半导体层的第一部分的第二导电型扩散区，第一部分在第一凹槽的底侧暴露；和
一个提供在第一导电型的第一半导体层的第二部分和第一导电型的第二半导体层的第一部分中的电路元件，
其中：
第一导电型的第一半导体层和第二导电型的扩散区形成一个光探测光电二极管部分；和
第二导电型的扩散区具有扩散厚度小于或等于短波长信号光的穿透厚度。
15．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区的扩散厚度小于或等于0.3μm。
16．根据权利要求15的结合有电路的光接收装置，其中短波长信号光为蓝光。
17．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的高浓度掩埋层设置在第一导电型的第一半导体衬底和第一导电型的第一半导体层之间，其中高浓度掩埋层的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度。
18．根据权利要求17的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的高浓度掩埋层由掩埋扩散法或外延生长法提供。
19．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中：
第一导电型的第一半导体层的第二部分和第一导电型的第二半导体层的第一部分具有N型阱区和P型阱区；和
采用N型阱区和P型阱区提供电路元件。
20．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的隔离扩散区设置在光探测光电二极管部分和电路元件之间，其中隔离扩散区的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体层的杂质浓度，并且隔离扩散区到达的位置较光探测光电二极管部分和电路元件要深。
21．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中每个第一导电型的第一半导体层的杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
22．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区被第一导电型的第一半导体层分成多个区。
23．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区域被一第二凹槽分为多个区。
24．根据权利要求14的结合有电路的光接收装置，其中第一凹槽由LOCOS法提供。
25．一种结合有电路的光接收装置，包括：
一个第一导电型的第一半导体衬底；
一个第一导电型的第一半导体层，一个到达设置在第一半导体层上的第一导电型的第一半导体层的第一凹槽；
一个设置在第一导电型第一半导体衬底的第一部分的第二导电型扩散区，第一部分在第一凹槽的底侧暴露；和
一个提供在第一导电型的第一半导体衬底的第二部分和第一导电型的第一半导体层的第一部分中的电路元件，
其中：
第一导电型的第一半导体衬底和第二导电型的扩散区形成一个光探测光电二极管部分；和
第二导电型的扩散区具有扩散厚度小于或等于短波长信号光的穿透厚度。
26．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区的扩散厚度小于或等于0.3μm。
27．根据权利要求26的结合有电路的光接收装置，其中短波长信号光为蓝光。
28．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的第二半导体衬底设置在第一导电型的第一半导体衬底的底侧，其中第一导电型的高浓度掩埋层设置在第一导电型的第二半导体衬底上，其中第一导电型的高浓度掩埋层的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体衬底的杂质浓度。
29．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的第二半导体衬底设置在第一导电型的第一半导体衬底的底侧，其中第一导电型的第二半导体衬底具有杂质浓度大于第一导电型的第一半导体衬底的杂质浓度。
30．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中：
第一导电型的第一半导体衬底的第二部分和第一导电型的第一半导体层的第一部分具有N型阱区和P型阱区；和
采用N型阱区和P型阱区提供电路元件。
31．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的隔离扩散区设置在光探测光电二极管部分和电路元件之间，其中隔离扩散区的杂质浓度大于第一导电型的第一半导体衬底的杂质浓度，并且隔离扩散区到达的位置较光探测光电二极管部分和电路元件要深。
32．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第一导电型的第一半导体衬底的杂质浓度大于或等于1×1014cm-3。
33．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区被第一导电型的第一半导体衬底分成多个区。
34．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第二导电型的扩散区域被第二凹槽分为多个区。
35．根据权利要求25的结合有电路的光接收装置，其中第一凹槽由LOCOS法提供。
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