JP2007183218A - 波長検出装置、半導体装置、および光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で光の波長を検出するための技術を提供する
【解決手段】 本発明は、光の波長を検出する波長検出装置であって、複数の受光素子、演算部、および波長検出部を備える。複数の受光素子は分光感度特性が異なる。演算部は、複数の受光素子の出力比を求める。波長検出部は、出力比に対応する波長を検出する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、波長検出装置、半導体装置、および光ピックアップ装置に関する。

光検出器を用いて光源の波長を監視する構成は、公知である（例えば特許文献１）。特許文献１には、光の入射角に応じて波長透過率が変化するファブリー・ペロエタロンを利用した波長監視方法が開示されている。この方法では、入射角の条件を変えてファブリー・ペロエタロンの透過光量を測定し、その透過光量の変化から波長変化を検出している。
また、レーザー光の波長を監視する別の方法として、ブラッグ格子、ニオブ酸リチウム結晶などの光学的性質を用いる方法も公知である（特許文献１の段落０００７〜００１７）。
特開平１０−７９７２３号公報

上述した従来技術では、特殊な光学部材の光学的性質を利用して波長を検出している。そのため、光学部材を配置するなど、波長検出装置の構成が複雑化しやすい。
そこで、本発明は、簡易な構成で光の波長を検出するための技術を提供することを目的とする。

《１》 本発明は、光の波長を検出する波長検出装置であって、複数の受光素子、演算部、および波長検出部を備える。
複数の受光素子は、本装置の波長検出域において、分光感度特性が異なる。
演算部は、複数の受光素子の出力比を求める。
波長検出部は、出力比に対応する波長を検出する。
《２》 また好ましくは、複数の受光素子は、第１導電型領域と第２導電型領域の間に低不純物濃度のＩ型領域を有するＰＩＮフォトダイオードである。この場合、複数のＰＩＮフォトダイオードは、光入射方向におけるＩ型領域の幅を変えることで、分光感度特性を異ならせる。
《３》 本発明の半導体装置は、分光感度特性が異なる複数の受光素子を、低不純物濃度のＩ型半導体基体に形成した半導体装置である。
これら受光素子は、Ｉ型半導体基体に第１導電型領域および第２導電型領域を形成してなるＰＩＮフォトダイオードである。この内、複数の受光素子の一つは、受光面の下方に、第２導電型領域と接続する第２導電型下部領域を設ける。
《４》 本発明の光ピックアップ装置は、請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の波長検出装置と、レーザー光源と、レーザー光源の出射光を光記録媒体の情報記録面に照射する照射部と、光記録媒体によって反射された反射光を受光するピックアップ部と、レーザー光源を制御する制御部とを備える。
この波長検出装置は、出射光または反射光を受光して波長を検出する。
一方、制御部は、波長検出装置で検出された波長に基づいて、レーザー光源の光強度の目標値を変更する。
《５》 本発明の光ピックアップ装置は、請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の波長検出装置と、レーザー光源と、レーザー光源の出射光を光記録媒体の情報記録面に照射する照射部と、光記録媒体によって反射された反射光を受光するピックアップ部と、レーザー光源を制御する制御部とを備える。
この波長検出装置は、出射光または反射光を受光して波長を検出する。
一方、制御部は、波長検出装置で検出された波長が、予め定められた波長に一致するよう、レーザー光源の波長を制御する。

本発明は、分光感度特性の異なる受光素子を使用することにより、光の波長を簡易な構成で検出することが可能になる。

《半導体装置の実施形態》
図１は、本実施形態の半導体装置２２の上面図である。図２は、図１中に示すＸ−Ｘ′箇所の断面図である。以下、図１および図２を用いて、半導体装置２２の構成を説明する。

半導体装置２２は、ｎ型高抵抗基板４１を土台にして形成される。ｎ型高抵抗基板４１には、ｎ−型エピタキシャル層４２が層形成される。ｎ−型エピタキシャル層４２の表面は二分され、受光素子２３ａ、２３ｂが隣接して形成される。

受光素子２３ａ，２３ｂそれぞれの区画の中央には、ｐ型領域４３が配置される。このｐ型領域４３の周囲を囲むように、ｐ＋型領域４４が形成される。受光素子２３ａ側のｐ＋型領域４４には、アノード端子４５ａが接続される。受光素子２３ｂ側のｐ＋型領域４４には、アノード端子４５ｂが接続される。

さらに、受光素子２３ａ，２３ｂの外枠を囲むように、ｎ＋型領域４６が日の字状（図１に示す斜線範囲）に形成される。このｎ＋型領域４６には、受光素子２３ａ，２３ｂで共有するカソード端子４７が接続される。

なお、受光素子２３ａには、受光面の深さ方向にｎ型下部領域４８が形成される。このｎ型下部領域４８は、ｎ＋型領域４６と一体化して、受光素子２３ａの底を塞ぐような構造を形成する。

［半導体装置２２の製造方法］
図３および図４は、半導体装置２２の製造方法の一例を示す図である。
以下、これらの図を用いて、半導体装置２２の製造方法を説明する。なお、公知のフォトリソ工程などについては説明を省略する。

まず、５００〜１５００Ωｃｍ程度のｎ型高抵抗基板４１を準備する。このｎ型高抵抗基板４１に対して、受光素子２３ａの予定領域が開口した酸化膜のマスクを形成する。このマスクを介してｎ型不純物元素であるアンチモン（Ｓｂ）をｎ型高抵抗基板４１に塗布した後、１２００゜Ｃ、９０分間の熱拡散を行う。その結果、図３［Ａ］に示すｎ型下部領域４８が形成される。

次に、酸化膜を除去した後、図３［Ｂ］に示すように、シート抵抗８ｋΩ□程度のｎ−型エピタキシャル層４２を、ｎ型高抵抗基板４１の表面に厚さ３μｍで形成する。

続いて、ｎ＋型領域４６となる範囲が開口するようにレジストをパターニングし、その上からｎ＋型不純物拡散源であるオキシ塩化リン（ＰＯＣl₃）をデポジション法により堆積させる。その後、９５０゜Ｃ、３０分で熱拡散させることによって、図３［Ｃ］に示すｎ＋型領域４６を形成する。

さらに、ｐ＋型領域４４となる範囲が開口するようにレジストをパターニングし、ボロン（Ｂ）を４０ｋｅＶ、１．０Ｅ＋１５ｃｍ^-2でイオン注入する。その後、１１００゜Ｃ、５分間のアニール処理を行い、図４［Ｄ］に示すｐ＋型領域４４を形成する。

次に、ｐ型領域４３となる範囲が開口するようにレジストをパターニングし、その上からｐ型不純物拡散源である三臭化ホウ素（ＢＢｒ₃）をデポジション法により堆積させる。その後、９２０゜Ｃ、３０分間の熱拡散を行い、図４［Ｅ］に示すｐ型領域４３を形成する。

さらに、受光面となる基板表面に膜厚７０ｎｍ程度の酸化膜５０を形成する。この酸化膜５０に、コンタクトホール５１を形成することにより、図４［Ｆ］の状態を得る。
この状態の基板表面にアルミを蒸着し、フォトリソ工程などを経て、カソード端子４７、アノード端子４５ａ，４５ｂなどの配線パターンを形成する。
その後、基板裏面側に金蒸着を行い、裏面電極４９を形成する。以上の工程により、図１および図２に示す半導体装置２２が完成する。

［半導体装置２２の機能］
上記構成では、ｎ＋型領域４６と、ｐ型の領域４３，４４との間に、不純物濃度の低い半導体基体（ｎ−型エピタキシャル層４２やｎ型高抵抗基板４１）が介在する。この半導体基体がＩ型領域として機能することにより、受光素子２３ａ，２３ｂは、ＰＩＮフォトダイオードとして機能する。

さらに、受光素子２３ａは、ｎ型下部領域４８によって、光入射方向におけるＩ型領域の幅が短く制限される。そのため、受光素子２３ａは、受光素子２３ｂに比べて、受光面下に形成される空乏化領域が浅くなる。

通常、長波長の入射光ほど、受光面の深い位置に到達して、電子−ホール対を生成する。受光素子２３ｂでは、この電子−ホール対をＩ型領域の深い位置まで作用する逆バイアス電圧の電界で加速することによって、アノード端子４５ｂから光電流として出力することができる。

しかしながら、受光素子２３ａでは、ｎ型高抵抗基板４１で生成される電子−ホール対がｎ型下部領域４８で遮断され、ｐ型領域に達することができない。そのため、長波長の入射光によって生成される電子−ホール対を、光電流として出力することができない。したがって、受光素子２３ａは、受光素子２３ｂに比べて長波長側の分光感度が低下する。

図５は、この受光素子２３ａ，２３ｂの分光感度特性を示す図である。この図５に示されるように、受光素子２３ａは、波長５２０ｎｍを境にして長波長側の分光感度が急激に低下する。なお、この長波長側の感度変化については、ｎ型下部領域４８の深さや、ｎ−型エピタキシャル層４２の厚さを設計変更することによって、適宜に調整することが可能である。

《波長検出装置の実施形態》
次に、上述した半導体装置２２を使用する波長検出装置について説明する。
図６は、波長検出装置２１の構成を示す図である。
波長検出装置２１の入射光は、半導体装置２２の受光面に照射される。この半導体装置２２の受光面には、上述した受光素子２３ａ，２３ｂが形成される。これらの受光素子２３ａ，２３ｂには、駆動回路２４から逆バイアス電圧がそれぞれ印加される。

受光素子２３ａ，２３ｂには、入射光に対応した光電流が発生する。この光電流は、駆動回路２４内の電流電圧変換回路によってそれぞれ電圧変換され、演算部２５へ出力される。演算部２５は、除算回路（または対数圧縮回路および差分回路など）で構成され、受光素子２３ａ，２３ｂの出力比に相当する信号を出力する。波長検出部２６は、この出力比を、出力比−波長変換テーブル２６ａに基づいて、入射光の波長に変換する。この出力比−波長変換テーブル２６ａには、実測データに基づいて、半導体装置２２の出力比と波長との対応関係が予め記録されている。

［波長検出装置２１の動作原理］
ここで、図５に示す分光感度特性を用いて、波長検出装置２１の動作原理を説明する。なお、２つの分光感度特性の差異（図５中に示すＲ）は、演算部２５で算出される出力比に対応する。
５２０ｎｍから８２０ｎｍまでの波長検出域Ａでは、入射光の波長が長くなるに従って、この差異Ｒが単調増加する。したがって、この波長検出域Ａの範囲内であれば、波長検出部２６は、出力比から一意に波長を決定することができる。
なお、８２０ｎｍ以上の波長検出域Ｂでは、入射光の波長が長くなるに従って、逆に差異Ｒが単調減少する。したがって、この波長検出域Ｂの範囲内についても、出力比から一意に波長を決定することができる。

［波長検出の計算例］
以下、具体的な波長検出の動作について数値例をあげて説明する。まず、パッケージ温度２０゜Ｃにおいて発光波長７８０ｎｍのレーザー光を発光するレーザーダイオードを想定する。このレーザー光が、１ｍＷ／ｍｍ²の強度で、受光面積０．５ｍｍ²の受光素子２３ａ，２３ｂにそれぞれ照射されると、図５のデータに基づいて、
受光素子２３ａの光電流＝150[mA/W]×1[mW/mm²]×O.5[mm²]＝７５μＡ
受光素子２３ｂの光電流＝620[mA/W]×1[mW/mm²]×O.5[mm²]＝３１０μＡ
が出力される。

これらの光電流を、変換抵抗１０ｋΩのＩ／Ｖ変換回路で変換すると、
受光素子２３ａ側の出力電圧＝０．７５［Ｖ］
受光素子２３ｂ側の出力電圧＝３．１０［Ｖ］
となる。このとき、演算部２５で算出される出力比は、
２０゜Ｃにおける出力比＝３．１０／０．７５＝４．１３３
となる。

次に、パッケージ温度が９０゜Ｃに上昇し、このときの波長シフト量が３ｎｍ／１０゜Ｃとすると、レーザーダイオードの発光波長は８００ｎｍに変化する。上記と同様に、この条件で出力比を求めると、
９０゜Ｃにおける出力比＝３．１５／０．６７５＝４．６６７
となる。

この例では、まず、出力比の差異からレーザーダイオードの発光波長の変化を敏感に検出することができる。
さらに、出力比−波長変換テーブル２６ａに照会することによって、出力比４．６６７の値から、発光波長が８００ｎｍであることを検出することができる。
次に、求めた波長８００ｎｍを、図５に示す分光感度特性に当てはめることで、受光素子２３ｂの分光感度６３０［ｍＡ／Ｗ］を求めことができる。この分光感度と、受光素子２３ｂ側の出力電圧３．１５［Ｖ］とに基づいて、
光強度＝3.15[V]÷10[kΩ]÷630[mA/W]÷O.5[mm²]＝1[mW/mm²]
を算出することにより、受光素子の分光感度特性に依らない正確な光強度を求めることができる。

《光ピックアップ装置への応用例》
図７は、光ピックアップ装置１１を示す図である。
この光ピックアップ装置１１には、光記録再生用のレーザー光を発生するレーザー光源１２が設けられる。このレーザー光源１２から出射されたレーザー光は、対物レンズなどからなる照射部１３や、ビームスプリッタ１４を通過して、光記録媒体１５の情報記録面へ照射される。
記録時には、照射光のパワー変調や外部磁界の変調を行うことによって、光記録媒体１５の情報記録面にデータが記録される。
一方、再生時には、情報記録面で変調された反射光を、ビームスプリッタ１４を介して、ピックアップ部１６で光電変換する。この光電変換信号から、情報記録面に記録されていたデータを再生することができる。

さらに、光ピックアップ装置１１には、上述した波長検出装置２１が搭載される。出射光の一部は、ビームスプリッタ１４を介して分岐され、この波長検出装置２１に入射される。なお、情報記録面で反射した光を、波長検出装置２１に導いてもよい。
この波長検出装置２１は、入射光の波長や光強度を検出して制御部１７へ出力する。制御部１７は、予め定められた波長や、検出された波長や、検出された光強度に基づいて、レーザー光源１２を制御する。

例えば、制御部１７は、波長検出装置２１で検出された波長に基づいて、レーザー光源１２の光強度の目標値を変更する。制御部１７は、この目標値に一致するように、レーザー光源１２の光強度を制御する。

また例えば、制御部１７は、波長検出装置２１で検出された波長が、上記予め定められた波長に一致するよう、レーザー光源１２の波長を制御する。

《本実施形態の効果など》
本実施形態では、分光感度特性が異なる受光素子２３ａ，２３ｂの出力比に基づいて、入射光の波長を求める。この構成では、受光素子それ自体の分光感度特性の違いを利用するため、特殊な光学部材を備える必要がなく、波長検出装置２１を簡易な構成にすることができる。また、このような簡易な構成のために、メンテナンス性に優れた波長検出装置２１が実現する。

また、波長検出装置２１は構成が簡易で小型化が容易なため、光ピックアップ装置１１のように小型化が要求される機器への応用に適している。

さらに、本実施形態では、検出した波長に基づいて、その波長における受光素子の出力変化を補正することで、受光素子の分光感度特性に依らない正確な光強度を求めることも可能になる。

また、本実施形態では、受光素子２３ａ，２３ｂを、ＰＩＮフォトダイオードで構成する。この場合、光入射方向におけるＩ型領域の幅を変えることによって、空乏化領域の幅を大きく変化させることができる。その結果、受光素子２３ａ，２３ｂの分光感度特性を一段と大きく異ならせることが可能になる。このように分光感度特性の差異が大きくなることにより、出力比が大きくなり、波長の検出精度を高めることができる。

さらに、本実施形態では、受光素子２３ａの受光面下方に、ｎ型下部領域４８を設ける。このｎ型下部領域４８によって光入射方向におけるＩ型領域の幅を狭めて、受光素子２３ａの長波長側の感度を低下させることができる。

また、本実施形態の光ピックアップ装置１１は、波長検出装置２１で検出された波長に基づいて、光強度の目標値を変更する。そのため、波長に応じた適正な光強度で光記録および／または光再生を実施することが可能になる。

また、光ピックアップ装置１１では、波長検出装置２１で検出された波長が、目標波長に一致するよう、レーザー光源１２の波長を制御する。この動作により、波長の安定した光で光記録および／または光再生を実施することが可能になる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、説明を簡明にするため、半導体の導電型を明記した。しかしながら、本発明はこれらの導電型に限定されるものではない。例えば、導電型の一部または全部を逆にすることも可能である。

また、上述した実施形態において、半導体装置２２に、駆動回路２４、演算部２５、および波長検出部２６などの一部または全部を集積することにより、１チップの波長検出センサーを実現してもよい。このような１チップ化により、波長検出装置２１を一段と小型化することができる。

なお、上述した実施形態では、２つの受光素子２３ａ，２３ｂを使用するケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、３つ以上の受光素子を用いることで複数の出力比を求めてもよい。この場合、複数の出力比を組み合わせることで、波長の検出精度を高めることができる。また、複数の出力比を使い分けることで、波長の検出域を広げることもできる。

また、上述した実施形態では、半導体装置２２に限らず、受光素子の単体部品を使用してもよい。また、ＰＩＮフォトダイオードに限らず、ＰＮフォトダイオードその他の受光素子を使用してもよい。

さらに、上述した実施形態では、光ピックアップ装置１１への応用例について説明した。しかしながら、本発明の応用例はこれに限定されるものではない。例えば、光通信システムなどに、本発明の波長検出装置や半導体装置を応用してもよい。

以上説明したように、本発明は、波長検出装置などに利用可能な技術である。

半導体装置２２の上面図である。 Ｘ−Ｘ′箇所の断面図である。 半導体装置２２の製造方法の一例を示す図である。 半導体装置２２の製造方法の一例を示す図である。 受光素子２３ａ，２３ｂの分光感度特性を示す図である。 波長検出装置２１を示す図である。 光ピックアップ装置１１を示す図である。

符号の説明

１１…光ピックアップ装置，１２…レーザー光源，１３…照射部，１５…光記録媒体，１６…ピックアップ部，１７…制御部，２１…波長検出装置，２２…半導体装置，２３ａ…受光素子，２３ｂ…受光素子，２４…駆動回路，２５…演算部，２６…波長検出部，２６ａ…出力比−波長変換テーブル，４１…ｎ型高抵抗基板，４２…ｎ−型エピタキシャル層，４３…ｐ型領域，４４…ｐ＋型領域，４５ａ…アノード端子，４５ｂ…アノード端子，４６…ｎ＋型領域，４７…カソード端子，４８…ｎ型下部領域，５０…酸化膜

Claims (5)

1. 光の波長を検出する波長検出装置であって、
   波長の検出域において分光感度特性が異なる複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子の出力比を求める演算部と、
   前記出力比に対応する波長を検出する波長検出部と
   を備えたことを特徴とする波長検出装置。
2. 請求項１に記載の波長検出装置において、
   前記複数の受光素子は、第１導電型領域と第２導電型領域の間に低不純物濃度のＩ型領域を有するＰＩＮフォトダイオードであり、
   前記複数のＰＩＮフォトダイオードは、光入射方向におけるＩ型領域の幅を変えて前記分光感度特性を異ならせた
   ことを特徴とする波長検出装置。
3. 分光感度特性が異なる複数の受光素子を、低不純物濃度のＩ型半導体基体に形成した半導体装置であって、
   前記複数の受光素子は、前記Ｉ型半導体基体に第１導電型領域および第２導電型領域を形成してなるＰＩＮフォトダイオードであり、
   前記複数の受光素子の一つは、受光面の下方に、前記第２導電型領域と接続する第２導電型下部領域を備える
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の波長検出装置と、
   レーザー光源と、
   前記レーザー光源の出射光を光記録媒体の情報記録面に照射する照射部と、
   前記光記録媒体によって反射された反射光を受光するピックアップ部と、
   前記レーザー光源を制御する制御部とを備え、
   前記波長検出装置は、前記出射光または前記反射光を受光して波長を検出し、
   前記制御部は、前記波長検出装置で検出された波長に基づいて、前記レーザー光源の光強度を変更する
   ことを特徴とする光ピックアップ装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の波長検出装置と、
   レーザー光源と、
   前記レーザー光源の出射光を光記録媒体の情報記録面に照射する照射部と、
   前記光記録媒体によって反射された反射光を受光するピックアップ部と、
   前記レーザー光源を制御する制御部とを備え、
   前記波長検出装置は、前記出射光または前記反射光を受光して波長を検出し、
   前記制御部は、前記波長検出装置で検出された波長が、予め定められた波長に一致するよう、前記レーザー光源の波長を制御する
   ことを特徴とする光ピックアップ装置。
   

Images