CN1976048B - 半导体光接收元件、和具有该半导体光接收元件的光学拾波器件 - Google Patents

Abstract

一种光接收元件，具有：半导体衬底(4)；在半导体衬底(4)上形成并被配置用于分别接收不同波长的光的多个光电二极管(1，2，3)；和在多个光电二极管(1，2，3)的光接收表面上提供的抗反射膜(8，9，10)。在多个光电二极管(1，2，3)中的至少一个光电二极管上的抗反射膜(8，9，10)结构不同于在多个光电二极管(1，2，3)中的另一个光电二极管上的抗反射膜(8，9)结构。

Description

半导体光接收元件、和具有该半导体光接收元件的光学拾波器件

技术领域

本发明涉及一种具有光电二极管或者光电二极管IC的半导体光接收元件。尤其，本发明涉及一种安装于光学拾波器件中并接收多种不同波长的光的半导体光接收元件。

背景技术

目前，在用于播放视频和音频的DVD播放器、用于将数据记录到DVD中的DVD记录器等光学记录和再现装置中安装并使用了光学拾波器件。通常，光学拾波器件具有用于DVD的红光激光二极管和用于CD的红外激光二极管。红光激光二极管发射出红色光(波长：约655nm)，红外激光二极管发射出红外光(波长：约780nm)。发射出的光照射到DVD或者CD记录数据上，并且通过DVD或者CD的表面部分来调制并反射该照射的光。

光学拾波器件还具有半导体光接收元件，其用于接收来自于DVD或者CD的反射光。图1是概略示出常规半导体光接收元件的结构的平面图。如图1中所示，半导体光接收元件具有用于CD的红外光电二极管1和用于DVD的红光光电二极管2。红外光电二极管接收反射的红外光，而红光光电二极管接收反射的红光。而且，如图1中所示，可提供用于CD的多个红外光电二极管，从而在其中安装了半导体光接收器件的光学拾波器件中实现聚焦功能以及跟踪功能。通常，以光电二极管IC(称作“PDIC”)的形式提供半导体光接收元件，该光电二极管IC中将上述的光电二极管与一IC集成在一个半导体衬底上。IC被配置用于将电流信号转换成电压信号、放大该电压信号并执行算术处理。

图2是概略示出典型半导体光接收元件结构的截面图。在N型硅衬底4上形成半导体光接收元件(PDIC)。在N型硅衬底4上形成用于CD的红外光电二极管1和用于DVD的红光光电二极管2。每个光电二极管都是具有PN结的光电转换元件。而且，在红外光电二极管1的光接收表面上沉积抗反射膜(涂层)，以提高自DVD和CD的反射光的信号转换效率。抗反射膜由在光接收表面上形成的二氧化硅膜8和在二氧化硅膜8上形成的氮化硅膜9构成。将具有相同结构的这种抗反射膜共同用于接收不同波长的光。在这种情况下，必须设计抗反射膜的厚度，以偏离两种不同波长中的至少一种的最佳值。然而，在655nm(对于DVD)和780nm(对于CD)这两种不同波长的情况下，存在合适的厚度设计值，通过该合适的厚度设计值可为两种不同波长实现在实际可允许范围内的信号转换效率。通过用适当的设计值形成抗反射膜，已经可以有效地接收两种不同波长的反射光。

近些年，发出蓝光光(波长：约405nm)的蓝光激光二极管已经开始实际使用，且已经制造基于蓝光的较大容量的光盘。支持这种较大容量光盘的光学记录和再现装置目前具有两种光学拾波器件：一种是用于CD和DVD，另一种是用于蓝光。也就是说，蓝光目前是通过指定的PDIC接收的。为了降低产品尺寸以及减小制造成本，以后希望能够通过单个光学拾波器件来处理三种不同波长的光(405nm、655nm和780nm)。换句话说，希望能够通过单个PDIC来接收三种不同波长的光。在这种情况下，对于全部三种不同的波长，必须在一个PDIC中实现足够的信号转换效率。根据图2中示出的常规结构，对于三种不同波长中的至少一种，必须将抗反射膜的厚度设计成偏离最佳值。因此难以相对于全部三种不同波长都获得高信号转换效率。

下文是关于在以下专利文献中公开的相关技术。

日本特开专利申请JP-P2001-307361公开了一种光学拾波器件。所述光学拾波器件具有：表示从不位于相同光学轴上的发射点发出第一和第二激光束的第一和第二光源；将所述光源发射出的第一和第二激光束聚焦在光学记录介质的记录表面上的物镜；以及接收从记录表面反射回的第一和第二激光束的返回光的共用光接收元件。共用光接收元件具有用于接收第一激光束的返回光的第一光接收表面和用于接收第二激光束的返回光的第二光接收表面。

日本特开专利申请JP-P2001-307362也公开了一种光学拾波器件。在所述光学拾波器件中，将从第一激光元件和第二激光元件发出的不同激光波长的激光束选择性提供到单个物镜，并且读出属于不同种类的第一记录介质和第二记录介质的信号。光学拾波器件具有光电检测器，该光电检测器中在相同的半导体衬底上形成第一光接收单元和第二光接收单元。第一光接收单元接收从第一激光元件发出并在第一记录介质处调制的激光束。第二光接收单元接收从第二激光元件发出并在第二记录介质处调制的激光束。可选择性地从相同输出端子得到第一光接收单元的预定输出以及第二光接收单元的预定输出，从而共同使用光电检测器的相同输出端子。

日本特开专利申请JP-P2002-118281还公开了用于多波长的光学拾波器件。所述光学拾波器件具有：被配置用于发出激光束的发光元件；被配置用于将激光束聚焦在光盘介质上的成像光学系统；被配置用于接收激光束并将所接收的激光束转换成电流的光接收元件；以及被配置用于放大由光接收元件产生的光电流的放大电路。具体来讲，所述光学拾波器件具有：用于为CD发出具有700到800nm波长的激光束的第一发光元件；用于为DVD发出具有500到700nm波长的激光束的第二发光元件；用于为高密度DVD发出具有500nm或更少波长的激光束的第三发光元件；与第一发光元件相关的第一光接收元件；与第二发光元件相关的第二光接收元件；和与第三发光元件相关的第三光接收元件。在所述光学拾波器件中，第一、第二和第三光接收元件中的任两个或全部被集成在相同的硅衬底上。相对于所集成的光接收元件中的至少任一个而言，形成一个电极以便经由埋入层和接触孔延伸到硅衬底的表面。各埋入层的深度相互不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效接收不同波长的光的半导体光接收元件。

本发明的另一目的是提供一种光学拾波器件，其具有能够有效接收不同波长的光的半导体光接收元件。

在本发明的方面中，提供了一种半导体光接收元件。该半导体光接收元件具有：半导体衬底；在半导体衬底上形成并被配置用于分别接收不同波长的光的多个光电二极管；以及在多个光电二极管的光接收表面上提供的抗反射膜。在多个光电二极管中的至少一个光电二极管上的抗反射膜的结构与在多个光电二极管中的另一个上的抗反射膜的结构不同。

多个光电二极管可包括：被配置用于接收蓝光的蓝光光电二极管；被配置用于接收红光的红光光电二极管；以及被配置用于接受红外光的红外光电二极管。在这种情况下，在蓝光光电二极管上的抗反射膜结构不同于在红光光电二极管和红外光电二极管上的抗反射膜的结构。

具体地，在蓝光光电二极管上的抗反射膜厚于红光光电二极管和红外光电二极管上的抗反射膜。优选在蓝光光电二极管上的抗反射膜比在红光光电二极管和红外光电二极管上的抗反射膜厚35nm至80nm。

抗反射膜可具有：在光接收表面上形成以与蓝光光电二极管、红光光电二极管和红外光电二极管交叠的二氧化硅膜；在二氧化硅膜上形成以与蓝光光电二极管、红光光电二极管和红外光电二极管交叠的氮化硅膜；和在氮化硅膜上形成、仅与蓝光光电二极管交叠的氮氧化硅膜。优选氮氧化硅膜的厚度在从35nm到80nm的范围内。

在本发明的另一方面中，提供了一种光学拾波器件。该光学拾波器件具有激光二极管单元和上述的半导体光接收元件。激光接收单元具有分别发出不同波长的光的多个激光二极管。例如，多个激光二极管包括：被配置用于发出蓝光的蓝光激光二极管；被配置用于发出红光的红光激光二极管；以及被配置用于发出红外光的红外光激光二极管。将所发出的光照射到光盘上。半导体光接收元件接收自光盘的反射光。

根据本发明，单个半导体光接收元件和单个光学拾波器件能有效地接收不同波长的光。

尤其，对于蓝光(波长：405nm)、红光(波长：655nm)和红外光(波长：780nm)中的任一种，可以通过使用本发明的单个半导体光接收元件来实现实际上足够的光电转换效率。因此，不仅可以通过使用本发明的单个光学拾波器件处理DVD和CD，而且还能处理基于蓝光的光盘。由此，可减小产品尺寸和产品成本。

附图说明

根据结合附图的以下描述，本发明的上述和其他目的、优点和特征将变得明显。

图1概略示出常规半导体光接收元件的平面图；

图2是概略示出常规半导体光接收元件的结构的截面图；

图3是概略示出根据本发明实施例的半导体光接收元件结构的平面图；

图4是概略示出根据本发明实施例半导体光接收元件结构的截面图；

图5是概略示出关于在半导体光接收元件中的每个光电二极管的光透射性和氮氧化硅膜厚度之间关系的图；

图6是示出根据本发明实施例的半导体光接收元件的光学拾波器件的概略图。

具体实施方式

在此，将参考示例说明的实施例来描述本发明。本领域技术人员将意识到，使用本发明的教导可以实现很多替代实施例，并且本发明不限于为说明性目的而示出的实施例。

根据本发明的半导体光接收元件具有多个光电二极管，其在相同衬底上形成，并被配置用于分别接收不同波长的光。而且，在分别与不同波长相关联的多个光电二极管的光接收表面上提供抗反射膜。所述抗反射膜具有最佳的叠层结构，并且以集成的方式形成。

正如下文将描述的，用于不同波长的多个光电二极管中的任一个都能够以实际上足够的效率来实现光电转换。具有上述半导体光接收元件的光学拾波器件不仅能处理DVD和CD，还能处理基于蓝光的光盘。

可以通过使用本发明的单个半导体光接收元件，以实际上足够的效率来为蓝光(波长：405nm)、红光(波长：655nm)和红外光(波长：780nm)中的任一种实现光电转换。因此，通过使用本发明的单个光学拾波器件，不仅能够处理单个DVD和CD，而且还能处理基于蓝光的光盘。由此，可降低产品尺寸和产品成本。

1.半导体光接收元件

图3是概略示出根据本发明实施例的半导体光接收元件结构的平面图。尤其是，图3示出了从半导体光接收元件的光电二极管单元的光接收表面的上侧看到的概略结构。

如图3中所示，半导体光接收元件具有多个光电二极管(1、2和3)，它们被配置用于分别接收不同波长的光。对于一种波长，为了在其中安装了半导体光接收元件的光学拾波器件中实现聚焦功能和跟踪功能，可提供多个光电二极管(1)。多个光电二极管(1、2和3)被设计成将不同波长的各光有效转换成电信号。

尤其是，根据本发明的半导体光接收元件包括用于CD的红外光电二极管1、用于DVD的红光光电二极管2和用于较高密度光盘的蓝光光电二极管3。用于CD的红外光电二极管被配置用于接收红外光(波长：780nm)。用于DVD的红光光电二极管2被配置用于接收红光(波长：655nm)。用于较高密度光盘的蓝光光电二极管3被配置用于接收蓝光(波长：405nm)。通过将上述的光电二极管(1、2和3)和IC(未示出)集成在相同半导体衬底上，来提供半导体光接收元件。IC被配置用于将每个光电二极管产生的电流信号转换成电压信号，放大该电压信号并执行算术处理。

图4是概略示出根据本发明的半导体光接收元件结构的截面图。在N型硅衬底4上形成半导体光接收元件。在N型硅衬底4上形成用于CD的红外光电二极管1、用于DVD的红光光电二极管2和用于蓝光的蓝光光电二极管3。每个光电二极管都是具有PN结的光电转换元件。而且，在红外光电二极管1、红光光电二极管2和蓝光光电二极管3的光接收表面上沉积抗反射膜(未示出)。为了增加入射光的入射效率并由此在相应光电二极管中增加光电转换的转换效率，在半导体光接收元件中提供了抗反射膜。

所述抗反射膜具有最佳叠置结构，并以集成的方式形成。如图4中所示，根据本发明的抗反射膜具有二氧化硅(SiO₂)膜8、氮化硅(SiN)膜9和氮氧化硅(SiON)膜10。二氧化硅膜8、氮化硅膜9和氮氧化硅膜10的折射率分别是1.45、2.0和1.8。在红外光电二极管1、红光光电二极管2和蓝光光电二极管3的光接收表面上形成厚度例如为10nm的二氧化硅膜8。即，形成二氧化硅膜8以与红外光电二极管1、红光光电二极管2和蓝光光电二极管3交叠。在上述的二氧化硅膜8上形成厚度例如为80nm的氮化硅膜9。相似地，形成氮化硅膜9以与红外光电二极管1、红光光电二极管2和蓝光光电二极管2交叠。在一部分上述氮化硅膜9的一部分上形成例如厚度为60nm的氮氧化硅膜10。尤其是，形成氮氧化硅膜10以与蓝光光电二极管3交叠，如图4中所示。如上所述，红外光电二极管1和红光光电二极管2上的抗反射膜具有由二氧化硅膜8和氮化硅膜9构成的两层结构。另一方面，蓝光光电二极管3上的抗反射膜具有由二氧化硅膜8、氮化硅膜9和氮氧化硅膜10构成的三层结构。在蓝光光电二极管3上的抗反射膜结构不同于在红外光电二极管1和红光光电二极管2上的抗反射膜结构。在蓝光光电二极管3上的抗反射膜比在红外光电二极管1和红光光电二极管2上的抗反射膜更厚，且增加的厚度为所述氮氧化硅膜10的厚度。

图5示出了关于半导体光接收元件的光透明度与氮氧化硅膜10的厚度之间的关系。氮氧化硅膜10的厚度可通过计算机计算获得。以下方面可以从图5中明显看出。为了实现关于蓝光(405nm)的多于90％的足够透射率，优选的是将氮氧化硅膜10的厚度设计为在35nm至80nm的范围内。尤其，当氮氧化硅膜10的厚度为60nm时，蓝光的透射率取接近100％的最大值。无论氮氧化硅膜10的厚度如何，关于红光(655nm)和红外光(780)nm均可实现约90％的透射率。氮氧化硅膜10对红光和红外光的透射率并没有影响太大。如上所述，对于全部的蓝光(405nm)、红光(655nm)和红外光(780nm)，都可实现实际上足够的透射率、即实际上足够的光电转换效率。可以说，通过提供氮氧化硅膜10，可以将根据本实施例的抗反射膜最优化，从而可以通过单个半导体光接收元件来有效地接收不同波长的光。

基本上，优选的是在考虑到每一种波长的情况下，为每一个光电二极管形成最佳的抗反射膜。然而，与红光光电二极管2相关联的红光波长(655nm)和与红外光电二极管1相关联的红外光波长(780nm)相互比较接近。因此，用于红光光电二极管2的抗反射膜和用于红外光电二极管1的抗反射膜可以相互相同。换句话说，用于DVD的红光光电二极管2和用于CD的红外光电二极管可共用由二氧化硅膜8和氮化硅膜9构成的抗反射膜。即使在这种情况下，如图5中所示，对于光电二极管1和2都可以实现约90％的光透射率。可以实现具有高光电转换效率的半导体光接收元件。而且，当红光光电二极管2和红外光电二极管1共用相同的抗反射膜时，提高了半导体光接收元件的制造效率。根据本实施例，由此可以提供具有高光电转换效率和高制造效率的半导体光接收元件。

如上所述，根据本实施例的单个半导体光接收元件具有多个光电二极管，该多个光电二极管在相同硅衬底上形成并被配置用于分别接收不同波长的光。而且，在多个光电二极管的光接收表面上以集成的方式形成具有最佳化叠置结构的抗反射膜。而且，用于红光光电二极管2的抗反射膜和用于红外光电二极管1的抗反射膜相互相同。结果，可以以高制造效率实现能够以实际上足够的效率为不同波长光中的任一种执行光电转换的单个半导体光接收元件。

应当注意，可以根据具有半导体光接收元件的光学拾波器件所需的能力和性能来改变图3中示出的光电二极管数目。可适当地设计每个光电二极管的数目、设置角度和形状。可适当改变图3中示出的用于CD的红外光电二极管1、用于DVD的红光光电二极管2和用于蓝光的蓝光光电二极管3的布局图案。

2.光学拾波器件

根据本实施例的光学拾波器件具有上述的半导体光接收元件。图6示出了根据本实施例的光学拾波器件的实例。

如图6中所示，光学拾波器件20具有激光二极管单元21、衍射元件22、分束器23、准直透镜24、物镜25和根据上述实施例的半导体光接收元件26。激光二极管单元21具有多个激光二极管，其分别发出不同波长的光。在本实施例中，多个激光二极管包括被配置用于发出蓝光(405nm)的蓝光激光二极管、被配置用于发出红光(655nm)的红光激光二极管和被配置用于发出红外光(780nm)的红外激光二极管。从激光二极管单元21发出的光穿过衍射元件22以达到分束器23。然后，来自于分束器23的光穿过准直透镜24以达到物镜25。然后，将光聚焦并照射到光盘(光记录介质)如CD和DVD的记录表面上。然后，该光在记录表面处被反射。从光盘反射回的反射光(返回光)通过物镜25和准直透镜24返回到分束器23。穿过分束器23的反射光达到半导体光接收元件26的光接收表面。由此，半导体光接收元件26接收到入射光。

如上所述，根据本实施例的单个光学拾波器件20具有图3和4中示出的半导体光接收元件。因此，单个光学拾波器件20能够相对于蓝光(405nm)、红光(655nm)和红外光(780nm)来实现实际上足够的光电转换效率。通过使用单个光学拾波器件20，不仅可以编程和读出DVD和CD，而且还能编程和读出基于蓝光的光盘。由此，可以提高制造效率，减小产品尺寸并降低制造成本。

很明显，本发明不限于上述实施例，且可以进行改进和变化，而不脱离本发明的范围和精神。

Claims (8)

1.一种半导体光接收元件，包括：

半导体衬底；

多个光电二极管，形成在所述半导体衬底上并被配置用于分别接收不同波长的光；和

所述多个光电二极管的光接收表面上提供的抗反射膜，

其中在所述多个光电二极管中的至少一个光电二极管上的所述抗反射膜的结构不同于在所述多个光电二极管中的另一个光电二极管上的抗反射膜的结构，

其中所述多个光电二极管包括：

被配置用于接收蓝光的蓝光光电二极管；

被配置用于接收红光的红光光电二极管；

被配置用于接收红外光的红外光电二极管；

其中在所述蓝光光电二极管上的所述抗反射膜的结构不同于在所述红光光电二极管和所述红外光电二极管上的所述抗反射膜的结构。

2.如权利要求1的半导体光接收元件，

其中在所述蓝光光电二极管上的所述抗反射膜比在所述红光光电二极管和所述红外光电二极管上的所述抗反射膜更厚。

3.如权利要求2的半导体光接收元件，

其中在所述蓝光光电二极管上的所述抗反射膜比在所述红光光电二极管和所述红外光电二极管上的所述抗反射膜厚35nm至80nm。

4.如权利要求1的半导体光接收元件，

其中所述抗反射膜具有：

在所述光接收表面上形成以与所述蓝光光电二极管、所述红光光光电二极管和所述红外光电二极管交叠的二氧化硅膜；

在所述二氧化硅膜上形成以与所述蓝光光电二极管、所述红光光光电二极管和所述红外光电二极管交叠的氮化硅膜；和

在所述氮化硅膜上形成、仅与所述蓝光光电二极管交叠的氮氧化硅膜。

5.如权利要求4的半导体光接收元件，

其中所述氮氧化硅膜的厚度在从35nm到80nm的范围内。

6.一种光学拾波器件，包括：

激光二极管单元，其具有分别发出不同波长的光的多个激光二极管，所述发出的光被照射到光盘上；和

半导体光接收元件，其被配置用于接收从所述光盘反射的光，

其中所述半导体光接收元件具有：

半导体衬底；

多个光电二极管，其形成在所述半导体衬底上并被配置用于分别接收具有不同波长的所述反射的光；和

在所述多个光电二极管的光接收表面上提供的抗反射膜，

其中在所述多个光电二极管中至少一个光电二极管上的所述抗反射膜的结构不同于在所述多个光电二极管中另一个光电二极管上的所述抗反射膜的结构，

其中所述多个激光二极管包括：

被配置用于发出蓝光的蓝光激光二极管；

被配置用于发出红光的红光激光二极管；

被配置用于发出红外光的红外光光电二极管，

其中所述多个光电二极管包括：

被配置用于接收蓝光的蓝光光电二极管；

被配置用于接收红光的红光光电二极管；

被配置用于接收红外光的红外光电二极管，

其中在所述蓝光光电二极管上的所述抗反射膜的结构不同于在所述红光光电二极管和所述红外光光电二极管上的所述抗反射膜的结构。

7.如权利要求6的光学拾波器件，

其中在所述蓝光光电二极管上的所述抗反射膜比在所述红光光电二极管和所述红外光电二极管上的所述抗反射膜更厚。

8.如权利要求7的光学拾波器件，

其中在所述蓝光光电二极管上的所述抗反射膜比在所述红光光电二极管和所述红外光电二极管上的所述抗反射膜厚35nm至80nm。

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