JP2007250917A - Optical semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光半導体装置およびその製造方法に関し、特に、レーザダイオードとレーザ光立ち上げ用ミラーおよび受光素子が同一基板上に混載されたモニター用受光素子の構造および形成方法に関するものである。 The present invention relates to an optical semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a structure and a method for forming a light receiving element for monitoring in which a laser diode, a laser beam raising mirror, and a light receiving element are mixedly mounted on the same substrate.
受光素子は、光信号を電気信号に変換する素子であり、様々な分野で用いられている。中でもCDやDVD等の光ディスク分野において、光ディスク上に記録されている信号を読み書きする光ピックアップ装置のキーデバイスとして重要である。 The light receiving element is an element that converts an optical signal into an electric signal, and is used in various fields. In particular, in the field of optical discs such as CD and DVD, it is important as a key device of an optical pickup device that reads and writes signals recorded on the optical disc.
近年、高性能化・高集積化の要請により、受光素子であるフォトダイオードと、バイポーラトランジスタ、抵抗、容量などの各種電子素子を同一基板上に混載したいわゆる光電子集積回路(OEIC)として構成されている。さらなる小型化・高集積化に対応して、上記のOEICに発光素子であるレーザダイオードと、レーザ光立ち上げ用の45°マイクロミラーを一体化したOEICも広く用いられている。また、このOEICにおいては、高受光感度・高速・低ノイズ特性を有した受光素子と、高速・高性能のバイポーラトランジスタとの混載が要求されている。 In recent years, due to the demand for higher performance and higher integration, it has been configured as a so-called optoelectronic integrated circuit (OEIC) in which photodiodes as light receiving elements and various electronic elements such as bipolar transistors, resistors and capacitors are mounted on the same substrate. Yes. In response to further miniaturization and higher integration, an OEIC in which a laser diode, which is a light emitting element, and a 45 ° micromirror for starting up laser light are integrated is widely used. In the OEIC, a light receiving element having high light receiving sensitivity, high speed, and low noise characteristics and a high speed, high performance bipolar transistor are required to be mounted together.
図7は従来の光半導体装置を示す。
この例は、低濃度p型のシリコン基板1、シリコン基板1上に形成されたモニター用フォトダイオード2、マイクロミラー部3とが、同一基板上に構成されたOEICを例示するものである。15はレーザダイオードである。
FIG. 7 shows a conventional optical semiconductor device.
This example illustrates an OEIC in which a low-concentration p-type silicon substrate 1, a
モニター用フォトダイオード2において、4は高濃度n型のカソード層、5は高濃度p型のアノードコンタクト層、6はLOCOS分離層、7はカソード電極、8はアノード電極、9は酸化膜等で形成されるフィールド膜である。p型のシリコン基板1とn型のカソード層4によりPN接合が形成されモニター用フォトダイオード2が構成され、光電流はカソード電極7とアノード電極8より取り出される。
In the
マイクロミラー部3は、例えば水酸化カリウム等のアルカリ系水溶液を用いて、シリコン基板1を異方性ウエットエッチングすることにより形成され、モニター用フォトダイオード側の第一の斜面10と、反モニター用フォトダイオード側の第二の斜面11と、ミラー底面12で構成される。ここで、第一の斜面10と第二の斜面11はシリコン基板1の主面に対して所定の角度をなしており、ミラー底面12はシリコン基板1の主面に対して平行である。例えば、シリコン基板1の面方位として(100)9.7°オフした基板を用いると、アルカリ系水溶液に対するエッチングレートは(111)面が極端に遅いため、第一の斜面10と第二の斜面11の面方位は(111)面となる。(100)面と(111)面は54.7°の角度をなしているので、第一の斜面10と第二の斜面11のシリコン基板1の主面に対する角度はそれぞれ、64.3°、45°となる。また、13は第一の斜面10と第二の斜面11およびミラー底面12上に形成された酸化膜や窒化膜等で構成される絶縁膜、14は第二の斜面11上に構成された例えばAu等の金属系の膜でなるミラー反射膜である。
The
レーザダイオード15は、ミラー底面12上にレーザ下部電極16を介して載置されている。レーザダイオード15から光ディスク等に照射される信号光である前光17と、後ろ光18が出射される。
The
レーザダイオード15から出射した前光17および後ろ光18は、シリコン基板1の主面に対し平行である。第二の斜面11をシリコン基板1の主面に対し45°に形成すると、前光17はミラー反射膜14により垂直方向に立ち上がり光ディスク等に照射され、反射光がシリコン基板1上に形成された信号検出用のフォトダイオード(図示せず)に入射し光電流に変換されて、シリコン基板1上のトランジスタや抵抗素子や容量素子により形成された電子回路により、増幅や信号処理されて出力され、光ディスクの記録や再生信号となる。
The
ところが、前光17のパワーはレーザダイオード15に流す電流値により決定されるが、電流−パワー特性の個体差が大きいため、正確なパワーを調整するには出射光のパワーをモニターして、フィードバックをかけてレーザダイオード15への通電電流を調整するオートパワーコントロール(APC)が必要である。
However, although the power of the
ここで、レーザダイオード15からは後ろ光18も出射され、前光17と後ろ光18のパワーの比率はレーザダイオード15の種類により一義的に決定される。後ろ光18をモニター用フォトダイオード2により受光し光電流に変換し、その光電流の大きさをモニターしてAPCをかけることが可能となる。
Here, the
後ろ光18は第一の斜面10で一部は反射されるが、一部はシリコン基板1中に入射し、シリコン基板1で吸収され電子・正孔対が発生する。カソード層4はフィールド膜9の下部全体に形成されているため、生成した電子はシリコン基板1とカソード層4で形成されるPN接合まで到達して、カソード電極7より取り出される。また、正孔は一部はシリコン基板1中で再結合するが、一部はアノードコンタクト層5・アノード電極8を介して外部に取り出される。この光電流がモニター電流としてAPCをかけてレーザダイオード15のパワーを調整する。
近年、トランジスタの高速化が要望されており、それを実現するためには、トランジスタや配線ルールの微細化や、トランジスタの拡散層のシャロー化が必要である。ところが、マイクロミラー部3の段差が約50μmと大きいため、マイクロミラー部3の形成後の工程では厚膜レジスト(膜厚約15μm)を用いる必要があり、微細化は困難である。従って、微細化ルールのトランジスタおよび配線を形成した後に、デザインルールの大きなマイクロミラー部3を形成する必要がある。
In recent years, there has been a demand for higher speed transistors, and in order to achieve this, it is necessary to make transistors and wiring rules finer, and to shallow the diffusion layers of transistors. However, since the step of the
しかしながら上記構成では、マイクロミラー部3を形成した後にカソード層4を形成する必要があり、不純物の活性化のために熱処理が必要であるが、トランジスタのシャローな拡散層および配線形成後は500℃以上の熱処理をすることが出来ない。つまり、微細化ルールのトランジスタおよび配線と、上記構成のモニター用フォトダイオードを両立させることはできないという問題が発生する。
However, in the above configuration, the cathode layer 4 needs to be formed after the
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するもので、高速のトランジスタとモニター用フォトダイオードを同一基板上に搭載した光半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide an optical semiconductor device in which a high-speed transistor and a monitoring photodiode are mounted on the same substrate, and a method for manufacturing the same.
本発明の請求項1記載の光半導体装置は、同一基板上に発光素子と受光素子を搭載した光半導体装置であって、第1の導電型の半導体基板と、前記半導体基板の主面に設けた溝部と、前記溝部の底面に設置した前記発光素子と、前記溝部に近接又は隣接して前記半導体基板の主面に設けた第2の導電型の拡散層と、前記溝部の側面上に設けた絶縁膜とを備え、前記受光素子は前記半導体基板と前記拡散層のPN接合からなり、前記PN接合から前記半導体基板側に生じる第1の空乏層と、前記溝部の側面から前記半導体基板側に生じる第2の空乏層とが接続したことを特徴とする。 An optical semiconductor device according to claim 1 of the present invention is an optical semiconductor device in which a light emitting element and a light receiving element are mounted on the same substrate, and is provided on a first conductive type semiconductor substrate and a main surface of the semiconductor substrate. Provided on the side surface of the groove portion, the light emitting element provided on the bottom surface of the groove portion, the second conductive type diffusion layer provided on the main surface of the semiconductor substrate adjacent to or adjacent to the groove portion, and The light receiving element comprises a PN junction of the semiconductor substrate and the diffusion layer, a first depletion layer generated on the semiconductor substrate side from the PN junction, and a side surface of the groove from the semiconductor substrate side The second depletion layer generated in the step is connected.
本発明の請求項2記載の光半導体装置は、請求項1において、前記半導体基板上に設けた第2の導電型の半導体層をさらに備え、前記拡散層は前記半導体層からなることを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the optical semiconductor device according to the first aspect, further comprising a semiconductor layer of a second conductivity type provided on the semiconductor substrate, and the diffusion layer is made of the semiconductor layer. To do.
本発明の請求項3記載の光半導体装置は、請求項1において、前記半導体基板上に設けた第2の導電型の半導体層と、前記半導体層を分離する分離絶縁層と、前記半導体基板と前記半導体層の間に設けた第2の導電型の埋め込み層をさらに備え、前記拡散層は分離された前記半導体層と前記埋め込み層からなることを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the optical semiconductor device according to the first aspect, wherein the second conductive type semiconductor layer provided on the semiconductor substrate, an isolation insulating layer that separates the semiconductor layer, and the semiconductor substrate The semiconductor device further includes a buried layer of a second conductivity type provided between the semiconductor layers, and the diffusion layer includes the separated semiconductor layer and the buried layer.
本発明の請求項4記載の光半導体装置は、請求項1〜請求項3の何れかにおいて、前記溝部は前記半導体基板の主面に対して所定の角度をなす側面と、前記半導体基板の主面に対して平行である底面からなることを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is the optical semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the groove portion has a side surface forming a predetermined angle with respect to a main surface of the semiconductor substrate, and a main surface of the semiconductor substrate. It consists of the bottom face which is parallel to the surface.
本発明の請求項5記載の光半導体装置は、請求項1又は請求項3において、前記絶縁膜は前記溝部と前記拡散層の間の前記半導体基板上に拡張していることを特徴とする。
本発明の請求項6記載の光半導体装置は、請求項1〜請求項5の何れかにおいて、前記半導体基板上に設けたフィールド膜と、前記フィールド膜又は前記分離絶縁層の上に設けたゲート電極をさらに備えたことを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical semiconductor device according to the first or third aspect, the insulating film extends on the semiconductor substrate between the groove and the diffusion layer.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the optical semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the field film provided on the semiconductor substrate and the gate provided on the field film or the isolation insulating layer. An electrode is further provided.
本発明の請求項7記載の光半導体装置は、請求項1〜請求項6の何れかにおいて、前記絶縁膜は酸化膜又は窒化膜であることを特徴とする。
本発明の請求項8記載の光半導体装置は、請求項1〜請求項7の何れかにおいて、前記絶縁膜は屈折率の異なる多層膜からなることを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, in the optical semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects, the insulating film is an oxide film or a nitride film.
An optical semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to seventh aspects, the insulating film is formed of a multilayer film having a different refractive index.
本発明の請求項9記載の光半導体装置は、請求項1〜請求項8の何れかにおいて、前記絶縁膜は、前記発光素子の出射光の波長に対して透過率が最大になる膜厚および屈折率を有することを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a ninth aspect of the present invention is the optical semiconductor device according to any one of the first to eighth aspects, wherein the insulating film has a film thickness that maximizes the transmittance with respect to the wavelength of the emitted light of the light emitting element. It has a refractive index.
本発明の請求項10記載の光半導体装置は、請求項1〜請求項9の何れかにおいて、前記半導体基板の不純物濃度は1×1015cm−3以下であることを特徴とする。
本発明の請求項11記載の光半導体装置は、請求項1〜請求項10の何れかにおいて、前記拡散層は前記半導体基板よりも不純物濃度が高く、前記拡散層に近接して前記半導体基板又は前記半導体層に設けた第1の導電型の高濃度拡散層をさらに備えたことを特徴とする。
According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, the impurity concentration of the semiconductor substrate is 1 × 10 15 cm −3 or less.
An optical semiconductor device according to an eleventh aspect of the present invention is the optical semiconductor device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the diffusion layer has an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate and is close to the diffusion layer. A high-concentration diffusion layer of the first conductivity type provided in the semiconductor layer is further provided.
本発明の請求項12記載の光半導体装置の製造方法は、同一基板上に発光素子と受光素子を搭載した光半導体装置の製造方法であって、第1の導電型の半導体基板の主面に第2の導電型の拡散層を選択的に形成する工程と、前記半導体基板上にフィールド膜を形成する工程と、前記拡散層に近接又は隣接して前記半導体基板の主面に溝部を形成する工程と、前記溝部の側面上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成した後で前記溝部の底面に前記発光素子を設置する工程とを備えたことを特徴とする。
A method for manufacturing an optical semiconductor device according to
本発明の請求項13記載の光半導体装置の製造方法は、請求項12において、前記拡散層の形成工程は、前記半導体基板の主面に第2の導電型の埋め込み層を選択的に形成する工程と、前記半導体基板上に第2の導電型の半導体層を形成する工程と、前記半導体層を分離する分離絶縁層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
According to claim 13 of the present invention, in the method for manufacturing an optical semiconductor device according to
本発明の請求項14記載の光半導体装置の製造方法は、請求項12又は請求項13において、前記溝部の形成工程は、前記フィールド膜又は前記分離絶縁層を選択的に開口する工程と、前記開口から前記半導体基板を異方性ウエットエッチングする工程とを含むことを特徴とする。
本発明の請求項15記載の光半導体装置の製造方法は、請求項12〜請求項14の何れかにおいて、前記絶縁膜はCVD法又はスパッタ法により形成することを特徴とする。
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical semiconductor device according to the twelfth or thirteenth aspect, the step of forming the groove portion selectively opens the field film or the isolation insulating layer. And anisotropic wet etching the semiconductor substrate from the opening.
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an optical semiconductor device according to any one of the twelfth to fourteenth aspects, wherein the insulating film is formed by a CVD method or a sputtering method.
本発明に係る光半導体装置およびその製造方法は、上記構成を有し、第一の斜面の下に形成される空乏層に到達したキャリアが、モニター用フォトダイオードのPN接合部で形成される空乏層を経由して、カソード層を介して外部に光電流として取り出すことが可能であるため、高感度で安定したモニター用フォトダイオードが実現できる。また、マイクロミラー形成後に注入・熱処理工程は必要でないため、微細化ルールのトランジスタ・配線とモニター用フォトダイオードの集積化が可能となり、高速トランジスタと高感度モニター用フォトダイオードの両立が可能となる。 The optical semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention have the above-described configuration, and the depletion in which carriers that have reached the depletion layer formed under the first slope are formed at the PN junction of the monitoring photodiode. Since it can be taken out as a photocurrent through the cathode and through the cathode layer, a highly sensitive and stable monitoring photodiode can be realized. In addition, since the implantation / heat treatment process is not required after the formation of the micromirror, it is possible to integrate the transistors / wirings of the miniaturization rule and the monitoring photodiode, and to achieve both the high-speed transistor and the high-sensitivity monitoring photodiode.
以下、本発明の各実施形態を図1〜図6に基づいて説明する。
なお、従来例を示す図7と同一の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明の光半導体装置の第1の実施形態を示す。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to what comprises the same effect | action as FIG.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of an optical semiconductor device of the present invention.
図1において、1は低濃度p型のシリコン基板、2はモニター用フォトダイオード、3はマイクロミラー部である。15はレーザダイオードである。
モニター用フォトダイオード2において、5は高濃度p型のアノードコンタクト層、6はLOCOS分離層、7はカソード電極、8はアノード電極、9はフィールド膜である。
In FIG. 1, 1 is a low-concentration p-type silicon substrate, 2 is a monitoring photodiode, and 3 is a micromirror part.
In the
マイクロミラー部3において、10は第一の斜面、11は第二の斜面、12はミラー底面、13は絶縁膜、14はミラー反射膜、16はレーザダイオード15のレーザ下部電極、17は前光、18は後ろ光であり、これらは従来の構成と同一である。第一の斜面10とミラー底面12と第二の斜面11とでシリコン基板1の主面に溝部50が形成されている。
In the
19はシリコン基板1上に形成された高い高濃度n型の拡散層としてのカソード層で、シリコン基板1よりも不純物濃度が高く、第一の斜面10とミラー底面12と第二の斜面11とで形成された溝部50に近接又は隣接して半導体基板1の主面に設けられている。モニター用フォトダイオード2は第1の導電型の高濃度拡散層としての高濃度p型の前記アノードコンタクト層5を備えている。モニター用フォトダイオード2はカソード層19とシリコン基板1のPN接合より構成されている。
A
20は空乏層であり、モニター用フォトダイオード2により形成される空乏層20aと、第一の斜面10で形成される空乏層20bとで構成されている。20−2は第一の斜面10とカソード層19の間の境界領域で、ここで空乏層20aと空乏層20bとが接続されている。
レーザダイオードの基本的な動作は図7に示した従来の説明と同様である。カソード層19の不純物濃度に対し、シリコン基板1は1桁以上低い濃度であるため、空乏層20aはシリコン基板1側に伸びる。例えばシリコン基板1の濃度が1×1014cm−3、モニター用フォトダイオード2に印加される逆バイアスを5Vとすると、約9μmの空乏層20aがシリコン基板1側に伸びる。また、シリコン基板1は低濃度であるため絶縁膜13とシリコン基板1との界面の表面準位Nssにより、常にシリコン基板1側に空乏層20bが発生する。例えばシリコン基板1の濃度が1×1014cm−3、Nss=1×1011cm−2とすると、空乏層20bは約10μmシリコン基板1側に伸びる。ここで第一の斜面10とカソード層19の距離を数μm以下とすると、空乏層20aと空乏層20bが常に接続した状態となる。
The basic operation of the laser diode is the same as the conventional description shown in FIG. Since the silicon substrate 1 is at least one digit lower than the impurity concentration of the
例えば、絶縁膜13としてプラズマCVD法で形成された窒素膜を用いた場合、表面準位Nssは一般的に1×1010〜1×1012cm−2程度、スパッタ法で形成された酸化膜を用いた場合、表面準位Nssは1×1011〜1×1013cm−2となり、上記の空乏層20aと空乏層20bの常時接続した状態を実現できる。
For example, when a nitrogen film formed by a plasma CVD method is used as the insulating
ここで、後ろ光18が第一の斜面10より入射すると、シリコン基板1中で光が吸収され、電子・正孔対が発生する。空乏層20の外部に吸収された電子は、拡散により空乏層20aまたは20bまで到達した後、ドリフトでカソード層19まで到達し、カソード電極7から外部に取り出される。一方、正孔は拡散によりアノードコンタクト層5、アノード電極8を介して外部に取り出され光電流となる。この構成においては、モニター用フォトダイオード2のPN接合付近に吸収された光だけでなく、第一の斜面10の付近に吸収された光により発生したキャリアも光電流として寄与するため、入射光パワーに対する光電流の割合、すなわち受光感度を高くすることができる。例えば、DVDに用いられる赤色光(λ=650nm)では、シリコン中では10μmで95%の光が吸収されるので、上記の例の空乏層20bの幅の約9μmとほぼ同等であるため、生成したキャリアの90%以上を光電流に寄与することができる。
Here, when the
また、この構成ではマイクロミラー部3の形成後に拡散層を形成する工程がないため、熱処理工程は必要でなく、トランジスタのシャロー化、トランジスタ・配線の微細化が可能となり、高速のトランジスタとの集積化が実現できる。
In addition, since there is no step of forming a diffusion layer after the formation of the
また、絶縁膜13の膜厚・屈折率を調整することにより、後ろ光18が第一の斜面10での反射を低減することが可能である。例えば第一の斜面10がシリコン基板1の主面に対し64.3°の角度をなし、後ろ光18の波長が650nm、絶縁膜13として窒化膜を用い屈折率を2.00とすると、絶縁膜13の膜厚は90nmで後ろ光18の透過率は95%以上得られる。
Further, by adjusting the film thickness and refractive index of the insulating
さらに、絶縁膜13として屈折率の異なる多層膜を用い、各層の膜厚を最適化することにより、複数の波長に対して透過率を向上させることが可能となり、レーザダイオード15をDVD/CDの両方に対応した2波長レーザダイオードとした場合にも、これに対応した、高感度なモニター用フォトダイオード2が実現できる。例えば、多層膜として下層に酸化膜(膜厚72nm、屈折率1.45)・上層に窒化膜(膜厚90nm、屈折率2.00)を用い、第一の斜面10がシリコン基板1の主面に対し64.3°の角度をなし、後ろ光18の波長を650nmとすると、絶縁膜13での後ろ光18の透過率は99%以上得られる。
Furthermore, by using a multilayer film with different refractive indexes as the insulating
境界領域20―2はシリコン基板1と絶縁膜13が直接に接した構成である。この構成により、第一の斜面10上だけでなく、境界領域20―2においてもシリコン基板1と絶縁膜13界面の界面準位Nssを大きくでき、空乏層を伸ばすことが可能となり、空乏層20aと空乏層20bを安定して接続することができる。
The boundary region 20-2 has a configuration in which the silicon substrate 1 and the insulating
(第2の実施形態)
図2は本発明の光半導体装置の第2の実施形態を示す。
この第2の実施形態は、第1の実施形態の変形例であって、第1の実施形態のn型のカソード層19の代わりに、シリコン基板1上にn型エピタキシャル層21が追加した構成であり、高性能トランジスタとの集積化に有利な構造である。また、モニター用フォトダイオード2は、n型エピタキシャル層21とシリコン基板1のPN接合により構成される。n型エピタキシャル層21は第一の斜面10に露出しているため、基板濃度や絶縁膜13とシリコン基板1界面の表面準位Nssに関係なく、空乏層20aと空乏層20bが常に接続した状態となり、安定して高受光感度特性が得られる。n型エピタキシャル層21の他の構成は、第1の実施形態の構成と同一である。
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a second embodiment of the optical semiconductor device of the present invention.
The second embodiment is a modification of the first embodiment, in which an n-
(第3の実施形態)
図3は本発明の光半導体装置の第3の実施形態を示す。
図3に示すように、21はシリコン基板1上に形成されたn型エピタキシャル層、22はシリコン基板1とn型エピタキシャル層21の界面に選択的に形成されたn型埋め込み層、23はシリコン基板1上にアノードコンタクト層5と接続するように選択的に形成されたp型埋め込み層である。その他の構成は、第1の実施形態の構成と同一である。
(Third embodiment)
FIG. 3 shows a third embodiment of the optical semiconductor device of the present invention.
As shown in FIG. 3, 21 is an n-type epitaxial layer formed on the
本実施形態の光半導体装置は、第1の実施形態にn型エピタキシャル層21を追加した構成であり、トランジスタの高性能化(高速化・寄生成分の低減等)に有利な構造であり、より高速・高性能のトランジスタとの集積化が可能となる。
The optical semiconductor device of this embodiment has a configuration in which an n-
また、モニター用フォトダイオード2は、n型埋め込み層22とシリコン基板1のPN接合により構成され、第1の実施形態に対してPN接合の位置を表面から深い位置に形成することが可能となるため、PN接合部に到達するキャリアの割合が増大し、受光感度を向上させることができる。
Further, the
また、n型埋め込み層22とp型埋め込み層23はバイポーラトランジスタの埋め込み層との共用が可能であり、マスク工程を追加することなく集積化が可能である。
また、n型エピタキシャル層21を分離するLOCOS分離層6の上にゲート電極を設けることもできる。
The n-type buried
A gate electrode can also be provided on the
(第4の実施形態)
図4は本発明の光半導体装置の第4の実施形態を示す。
図4に示すように、24は第一の斜面10とn型埋め込み層22の間の境界領域、25は絶縁膜13上に形成されたゲート電極である。その他の構成は、第1の実施形態の構成と同一である。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the optical semiconductor device of the present invention.
As shown in FIG. 4, 24 is a boundary region between the
本実施形態の光半導体装置は、第3の実施形態の構成に対して、境界領域24はLOCOS分離層6がなく、シリコン基板1またはn型エピタキシャル層21と絶縁膜13が直接接した構成である。この構成により、第一の斜面10と同様にシリコン基板1と絶縁膜13界面の界面準位Nssを大きくでき、空乏層20を伸ばすことが可能となり、空乏層20aと空乏層20bを安定して接続することができる。
The optical semiconductor device of the present embodiment has a configuration in which the
さらに、絶縁膜13の上にゲート電極25を設け、ゲート電極25に電圧を印加することにより境界領域24の空乏層20の幅をさらに伸ばし、高感度化・安定化が可能となる。また、ゲート電極25への印加電圧を調整することで、空乏層20を縮小することも可能であり、空乏層20bで吸収されたキャリアの移動を止めて光電流の調整するスイッチング素子としても利用できる。
Furthermore, the
(第5の実施形態)
図5は図1に示した光半導体装置の製造方法を示している。
26はモニター用フォトダイオード用の領域、27はマイクロミラー部用の領域、28は低濃度p型のシリコン基板、29は高濃度のn型拡散層、30は高濃度のp型拡散層、31はLOCOS分離層、32はカソード電極、33はアノード電極、34は酸化膜等によるフィールド膜、35は第一の斜面、36は第二の斜面、37はミラー底面、38は絶縁膜、39はレーザ下部電極、40はレーザダイオードである。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 shows a manufacturing method of the optical semiconductor device shown in FIG.
26 is a region for a monitor photodiode, 27 is a region for a micromirror part, 28 is a low-concentration p-type silicon substrate, 29 is a high-concentration n-type diffusion layer, 30 is a high-concentration p-type diffusion layer, 31 Is a LOCOS separation layer, 32 is a cathode electrode, 33 is an anode electrode, 34 is a field film such as an oxide film, 35 is a first slope, 36 is a second slope, 37 is a mirror bottom, 38 is an insulating film, 39 is A laser
先ず図5(a)に示すように、シリコン基板28中に拡散または注入により、n型拡散層29とp型拡散層30を選択的に形成し、次いでn型拡散層29とp型拡散層30間にLOCOS分離層31を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, an n-
次に図5(a)に示すように、フィールド膜34をシリコン基板28上に形成し一部分を開口した後、n型拡散層29に接続するようにカソード電極32と、p型拡散層30に接続するようにアノード電極33をスパッタ法等により選択的に形成する。
Next, as shown in FIG. 5A, after forming a
次に図5(c)に示すように、マイクロミラー部用の領域27のフィールド膜34を開口した後、これをマスクとして、KOH等のアルカリ系水溶液によりシリコン基板28を異方性ウエットエッチングする。この際シリコン基板の面方位として(100)9.7°オフ基板を採用すると、(111)面のエッチングレートが他の面方位に対して極端に遅いため、斜面に(111)面が形成され、第一の斜面35(シリコン基板の主面に対し64.3°)、第二の斜面36(シリコン基板の主面に対し45°)、ミラー底面37(シリコン基板の主面に対し平行)が形成される。
Next, as shown in FIG. 5C, after opening the
その後、図5(d)に示すように、CVD法により窒化膜などで構成された絶縁膜38を形成する。最後に、図5(e)に示すようにミラー底面37上に蒸着またはスパッタ法によりAu等で構成されたレーザ下部電極39を形成後、レーザダイオード40を接着する。
Thereafter, as shown in FIG. 5D, an insulating
(第6の実施形態)
図6は図3に示した光半導体装置の製造方法を示している。
41は高濃度のn型埋め込み層、42は高濃度のp型埋め込み層、43はn型エピタキシャル層、44はアノードコンタクト層、45はゲート電極である。その他の構成は、図3の構成と同一である。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 shows a method of manufacturing the optical semiconductor device shown in FIG.
41 is a high-concentration n-type buried layer, 42 is a high-concentration p-type buried layer, 43 is an n-type epitaxial layer, 44 is an anode contact layer, and 45 is a gate electrode. Other configurations are the same as those in FIG.
まず図6(a)に示すように、シリコン基板28中に拡散または注入により、n型埋め込み層41とp型埋め込み層42を選択的に形成した後、n型エピタキシャル層43を成長させる。
First, as shown in FIG. 6A, after an n-type buried
次いで図6(b)に示すように、n型埋め込み層41とp型埋め込み層42間と、マイクロミラー部27にLOCOS分離層31を選択的に形成した後、アノードコンタクト層44をp型埋め込み層42に接続するように選択的に形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, after the
次に図6(c)に示すように、フィールド膜34をシリコン基板28上に形成し一部分を開口した後、n型拡散層29に接続するようにカソード電極32と、p型拡散層30に接続するようにアノード電極33をスパッタ法等により選択的に形成し、その後マイクロミラー部27のLOCOS分離層31とフィールド膜34を開口する。
Next, as shown in FIG. 6C, after forming a
図6(d)に示すように、LOCOS分離層31をマスクとして、KOH等のアルカリ系水溶液によりシリコン基板28を異方性ウエットエッチングした後、第一の斜面35と第一の斜面36周辺のLOCOS分離層31とフィールド膜34を除去する。
As shown in FIG. 6D, after the
その後、図6(e)に示すように、CVD法により窒化膜などで構成された絶縁膜38を形成する。
次に図6(f)に示すように、絶縁膜38上に蒸着またはスパッタ法によりゲート電極45を形成し、ミラー底面37上に蒸着またはスパッタ法によりAu等で構成されたレーザ下部電極39を形成後、レーザダイオード40を接着する。
Thereafter, as shown in FIG. 6E, an insulating
Next, as shown in FIG. 6F, a
なお、本実施形態において、絶縁膜としてCVD法により形成された窒化膜を用いたが、必ずしも窒化膜に限定されるものではなく、例えばCVD法またはスパッタ法により形成された酸化膜、窒化膜と酸化膜の多層膜であってもよい。 In this embodiment, the nitride film formed by the CVD method is used as the insulating film. However, the insulating film is not necessarily limited to the nitride film. For example, the oxide film and the nitride film formed by the CVD method or the sputtering method are used. It may be a multilayer film of oxide films.
なお、本実施形態において、シリコン基板を用いたが、必ずしもシリコン基板に限定されるものではなく、例えば長波長域で広く用いられているゲルマニウム基板や、化合物半導体であってもよい。 In this embodiment, the silicon substrate is used. However, the silicon substrate is not necessarily limited to the silicon substrate. For example, a germanium substrate or a compound semiconductor widely used in a long wavelength region may be used.
また、本発明ではシリコン基板としてn型を用いたが、p型を用いても適用可能であることは言うまでもない。
上記の各実施形態において、シリコン基板1の不純物濃度が例えば1×1014cm−3であるとして説明したが1×1015cm−3以下であればよい。
In the present invention, the n-type is used as the silicon substrate, but it goes without saying that the present invention can also be applied using a p-type.
In each of the above embodiments, the impurity concentration of the silicon substrate 1 has been described as being 1 × 10 14 cm −3 , for example, but may be 1 × 10 15 cm −3 or less.
本発明は、レーザダイオードと高速・高性能のトランジスタ及び高受光感度の受光素子を同一基板上に集積した、いわゆるOEICの構造および形成する方法に有用である。 The present invention is useful for a so-called OEIC structure in which a laser diode, a high-speed and high-performance transistor, and a light-receiving element with high light-receiving sensitivity are integrated on the same substrate, and a method for forming the same.
1 シリコン基板
2 モニター用フォトダイオード
3 マイクロミラー部
4 カソード層
5 アノードコンタクト層
6 LOCOS分離層
7 カソード電極
8 アノード電極
9 フィールド膜
10 第一の斜面
11 第二の斜面
12 ミラー底面
13 絶縁膜
14 ミラー反射膜
15 レーザダイオード
16 レーザ下部電極
17 前光
18 後ろ光
19 カソード層
20 空乏層
20−2 境界領域
21 n型エピタキシャル層
22 n型埋め込み層
23 p型埋め込み層
24 境界領域
25 ゲート電極
26 モニター用フォトダイオード用の領域
27 マイクロミラー部用の領域
28 シリコン基板
29 n型拡散層
30 p型拡散層
31 LOCOS分離層
32 カソード電極
33 アノード電極
34 フィールド膜
35 第一の斜面
36 第二の斜面
37 ミラー底面
38 絶縁膜
39 レーザ下部電極
40 レーザダイオード
41 n型埋め込み層
42 p型埋め込み層
43 n型エピタキシャル層
44 アノードコンタクト層
45 ゲート電極
50 溝部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (15)
第1の導電型の半導体基板と、前記半導体基板の主面に設けた溝部と、前記溝部の底面に設置した前記発光素子と、前記溝部に近接又は隣接して前記半導体基板の主面に設けた第2の導電型の拡散層と、前記溝部の側面上に設けた絶縁膜とを備え、
前記受光素子は前記半導体基板と前記拡散層のPN接合からなり、前記PN接合から前記半導体基板側に生じる第1の空乏層と、前記溝部の側面から前記半導体基板側に生じる第2の空乏層とが接続したことを特徴とする
光半導体装置。 An optical semiconductor device having a light emitting element and a light receiving element mounted on the same substrate,
A first conductivity type semiconductor substrate; a groove provided on a main surface of the semiconductor substrate; the light emitting element provided on a bottom surface of the groove; and provided on the main surface of the semiconductor substrate adjacent to or adjacent to the groove. A second conductivity type diffusion layer and an insulating film provided on the side surface of the groove,
The light receiving element includes a PN junction between the semiconductor substrate and the diffusion layer, a first depletion layer generated from the PN junction toward the semiconductor substrate, and a second depletion layer generated from the side surface of the groove toward the semiconductor substrate. And an optical semiconductor device characterized by being connected to each other.
請求項1に記載の光半導体装置。 The optical semiconductor device according to claim 1, further comprising a semiconductor layer of a second conductivity type provided on the semiconductor substrate, wherein the diffusion layer is made of the semiconductor layer.
前記拡散層分離された前記半導体層と前記埋め込み層からなることを特徴とする
請求項1に記載の光半導体装置。 A second conductive type semiconductor layer provided on the semiconductor substrate; an isolation insulating layer separating the semiconductor layer; and a second conductive type buried layer provided between the semiconductor substrate and the semiconductor layer. Prepared,
The optical semiconductor device according to claim 1, comprising the semiconductor layer separated from the diffusion layer and the buried layer.
請求項1〜請求項3の何れかに記載の光半導体装置。 The said groove part consists of the side surface which makes a predetermined angle with respect to the main surface of the said semiconductor substrate, and the bottom face which is parallel with respect to the main surface of the said semiconductor substrate. An optical semiconductor device according to 1.
請求項1又は請求項3に記載の光半導体装置。 4. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film extends on the semiconductor substrate between the groove and the diffusion layer. 5.
請求項1〜請求項5の何れかに記載の光半導体装置。 6. The optical semiconductor according to claim 1, further comprising a field film provided on the semiconductor substrate and a gate electrode provided on the field film or the isolation insulating layer. apparatus.
請求項1〜請求項6の何れかに記載の光半導体装置。 The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is an oxide film or a nitride film.
請求項1〜請求項7の何れかに記載の光半導体装置。 The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is formed of a multilayer film having a different refractive index.
請求項1〜請求項8の何れかに記載の光半導体装置。 9. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film has a film thickness and a refractive index that maximize a transmittance with respect to a wavelength of light emitted from the light emitting element. .
請求項1〜請求項9の何れかに記載の光半導体装置。 The optical semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the semiconductor substrate is 1 × 10 15 cm −3 or less.
請求項1〜請求項10の何れかに記載の光半導体装置。 The diffusion layer has an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate, and further includes a high-concentration diffusion layer (5) of the first conductivity type provided in the semiconductor substrate or the semiconductor layer in the vicinity of the diffusion layer. 11. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the optical semiconductor device is characterized in that:
第1の導電型の半導体基板の主面に第2の導電型の拡散層を選択的に形成する工程と、
前記半導体基板上にフィールド膜を形成する工程と、
前記拡散層に近接又は隣接して前記半導体基板の主面に溝部を形成する工程と、
前記溝部の側面上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を形成した後で前記溝部の底面に前記発光素子を設置する工程と
を備えたことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing an optical semiconductor device in which a light emitting element and a light receiving element are mounted on the same substrate,
Selectively forming a second conductivity type diffusion layer on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a field film on the semiconductor substrate;
Forming a groove in the main surface of the semiconductor substrate adjacent to or adjacent to the diffusion layer;
Forming an insulating film on a side surface of the groove,
And a step of installing the light emitting element on the bottom surface of the groove after forming the insulating film.
前記半導体基板の主面に第2の導電型の埋め込み層を選択的に形成する工程と、
前記半導体基板上に第2の導電型の半導体層を形成する工程と、
前記半導体層を分離する分離絶縁層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項12に記載の光半導体装置の製造方法。 The step of forming the diffusion layer includes
Selectively forming a second conductivity type buried layer on the main surface of the semiconductor substrate;
Forming a second conductivity type semiconductor layer on the semiconductor substrate;
13. The method of manufacturing an optical semiconductor device according to claim 12, further comprising a step of forming an isolation insulating layer that isolates the semiconductor layer.
前記フィールド膜又は前記分離絶縁層を選択的に開口する工程と、
前記開口から前記半導体基板を異方性ウエットエッチングする工程と
を含むことを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の光半導体装置の製造方法。 The groove forming step includes:
Selectively opening the field film or the isolation insulating layer;
14. The method of manufacturing an optical semiconductor device according to claim 12, further comprising anisotropic wet etching of the semiconductor substrate from the opening.
請求項12〜請求項14の何れかに記載の光半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing an optical semiconductor device according to claim 12, wherein the insulating film is formed by a CVD method or a sputtering method.
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