JP2010074041A - フォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも受光感度が向上し高速応答できるフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子を提供する。
【解決手段】フォトダイオード２０は、Ｎ型及びＰ型のうちの一方である第１の導電型の半導体基板１と、半導体基板１上に形成されＮ型及びＰ型のうちの他方である第２の導電型の半導体層２と、半導体層２に半導体基板１とは離間して形成された第１の導電型の第１の拡散層３と、半導体層２に半導体基板１及び第１の拡散層３とは離間して形成された第２の導電型の第２の拡散層４と、を有する。そして、半導体基板１，第１の拡散層３に外部から電圧Ｖｄｄ，Ｖｋを印加することにより半導体層２に空乏層６０を発生させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ピックアップ等に用いられるフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子に関する。

光ディスクは、ＣＤ（Compact Disc），ＤＶＤ（Digital Versatile Disc），ＢＤ（Blu-ray Disc）へと記録密度の高密度化が進んでいる。
光ディスクの記録密度の高密度化に応じて、光ディスクに記録されている情報を読み出す際の光ピッアップの読み出し速度の高速度化が求められている。
光ピッアップの読み出し速度の高速度化に応じて、光ピッアップに用いられるフォトダイオードでは受光感度の向上及び高速応答が求められている。

ここで、例えば特許文献１に開示されているような一般的なフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子について図４を用いて説明する。
図４は、一般的なフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子を説明するための図であり、同図中の（ａ）は回路図、（ｂ）は（ａ）中のフォトダイオード１００の構造を示す模式的断面図である。

図４（ａ）に示すように、集積化受光素子２００は、フォトダイオード１００、ＩＶアンプ（電流−電圧変換アンプ）１１０、電源１２０、及び抵抗１３０を有して構成されている。
図４（ｂ）に示すように、フォトダイオード１００は、Ｎ^＋型の半導体基板１０２と、半導体基板１０２上に形成されたＮ型のエピタキシャル層１０４と、エピタキシャル層１０４に形成されたＰ^＋型の拡散層１０６と、エピタキシャル層１０４及び拡散層１０６上に形成された反射防止膜１０８と、を有して構成されている。半導体基板１０２及びエピタキシャル層１０４はＳｉ（シリコン）からなる。
そして、フォトダイオード１００のカソードであるＮ^＋型の半導体基板１０２に所定の電圧Ｖｄｄを印加することによって空乏層１５０が発生する。
この空乏層１５０に外部から光が照射されると、この光は空乏層１５０で光電変換され信号電流Ｉｐとしてフォトダイオード１００のアノードであるＰ^＋型の拡散層１０６から出力される。
信号電流ＩｐはＩＶアンプ１１０で電流・電圧変換されて信号電圧Ｖｏｕｔとして出力される。ここで、抵抗１３０の抵抗値をＲｆとすると、Ｖｏｕｔ＝Ｉｐ×Ｒｆで表すことができる。
実開平４−５９１６４号公報

上述したフォトダイオード１００の容量Ｃｐは（１）式で表される。
Ｃｐ＝Ｓ（εＳｉ×ε０）／ｄ ．．．（１）式
ここで、Ｓはアノード（拡散層１０６）の面積、εＳｉはＳｉの比誘電率、ε０は真空誘電率、ｄは空乏層１５０の幅（厚さ）である。
（１）式からわかるように、空乏層１５０の幅ｄが広いほどフォトダイオード１００の容量Ｃｐは小さくなるので高速応答が可能になる。また、空乏層１５０の幅ｄが広いほど光電変換領域である空乏層１５０が大きく形成されるため受光感度が向上する。

空乏層１５０の幅ｄは（２）式で表される。
ｄ＝｛２εＳｉ×ε０（Ｖ＋Ｖｄ）／（ｑ×Ｎｄ）｝×（１／２）
．．．（２）式
ここで、Ｖは印加電圧、Ｖｄは拡散電圧、ｑは電子の電荷量、ＮｄはＮ型のエピタキシャル層１０４のドーパント濃度である。
（２）式からわかるように、空乏層１５０の幅ｄを広げるためには、Ｎ型のエピタキシャル層１０４のドーパント濃度Ｎｄを小さくするか、印加電圧Ｖを大きくすればよい。

しかしながら、ドーパント濃度Ｎｄが小さい高比抵抗のＮ型のエピタキシャル層１０４を形成することは技術的に難しいため、実際にはドーパント濃度Ｎｄを十分に小さくすることは難しい。

印加電圧Ｖは、電源１２０からＩＶアンプ１１０に印加される基準電圧Ｖｒｅｆ、及びフォトダイオード１００のアノードに印加される電圧Ｖｄｄに対して、Ｖ＝Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆの関係を有する。
また、高速動作するＩＶアンプ１１０には高い電圧を印加することができないので、通常、電圧Ｖｄｄは５Ｖ程度である。基準電圧Ｖｒｅｆを２．５Ｖとすると印加電圧Ｖは２．５Ｖ程度にしかならならないので、このときの空乏層１５０の幅ｄは約３．３μｍであり、これ以上空乏層１５０の幅ｄを広げることは難しい。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来よりも受光感度が向上し、高速応答できるフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願各発明は次のフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子を提供する。
１）Ｎ型及びＰ型のうちの一方である第１の導電型の半導体基板（１）と、前記半導体基板上に形成され、Ｎ型及びＰ型のうちの他方である第２の導電型の半導体層（２）と、前記半導体層に前記半導体基板とは離間して形成された前記第１の導電型の第１の拡散層（３）と、前記半導体層に前記半導体基板及び前記第１の拡散層とは離間して形成された前記第２の導電型の第２の拡散層（４）と、を有し、前記半導体基板及び前記第１の拡散層に外部から電圧（Ｖｄｄ，Ｖｋ）をそれぞれ印加することにより、前記半導体層に空乏層（６０）を発生させるフォトダイオード（２０）。
２）１）記載のフォトダイオードと、前記フォトダイオードの前記第２の拡散層に接続されたアンプ（３０）と、を有し、前記空乏層に外部から光が照射された際に、前記光を前記空乏層で光電変換し信号電流（ＩＰ）として前記第２の拡散層から出力し、前記信号電流を前記アンプで信号電圧（Ｖｏｕｔ）に変換して出力する集積化受光素子（８０）。

本発明に係るフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子によれば、従来よりも受光感度が向上し、高速応答が可能になるという効果を奏する。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本発明に係るフォトダイオードの実施例を説明するための図であり、同図中の（ａ）は実施例のフォトダイオードの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式的断面図である。

＜実施例＞
図１に示すように、フォトダイオード２０は、Ｎ^＋型の半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたＰ型のエピタキシャル層２と、エピタキシャル層２の表面及びその近傍に半導体基板１とは離間して形成されたＮ^＋型の第１の拡散層３と、エピタキシャル層２の表面及びその近傍に半導体基板１及び第１の拡散層３とは離間して形成されたＰ^＋型の第２の拡散層４と、半導体基板１とエピタキシャル層２と界面及びその近傍に第１の拡散層３及び第２の拡散層４を囲って形成されたＮ型の埋め込み層５と、エピタキシャル層２における埋め込み層５上に形成されたＮ型の絶縁層６と、エピタキシャル層２上に形成された反射防止膜７と、を有して構成されている。

次に、上述したフォトダイオード２０の製造方法について図２を用いて説明する。図２は上述したフォトダイオード２０の製造方法の実施例を説明するための模式的断面図であり、同図中の（ａ）〜（ｄ）は各製造過程を示すものである。

まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ（シリコン）ウエハ等のＮ^＋型の半導体基板１における所定の領域にＰ（リン）をイオン注入してＮ型のイオン注入層１０を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１上にＰ型のエピタキシャル層２を形成する。このとき、Ｎ型のイオン注入層１０は、注入されているイオン（Ｐ）がエピタキシャル層２に拡散して上述のＮ型の埋め込み層５になる。
実施例では、エピタキシャル層２において、厚さを５μｍ、ドーパント濃度を１×１０^１５atoms／cm³、比抵抗を１５Ω・cmとした。

次に、図２（ｃ）に示すように、エピタキシャル層２におけるＮ型の埋め込み層５に対応する領域にＰをイオン注入して熱処理を施すことにより、埋め込み層５上に上述のＮ型の絶縁層６を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、エピタキシャル層２の所定の領域にＡｓ（砒素）をイオン注入し、上記所定の領域とは異なる領域にＢ（ボロン）をイオン注入した後、熱処理を施すことにより、Ａｓが熱拡散した領域が上述のＮ^＋型の第１の拡散層３になり、Ｂが熱拡散した領域が上述のＰ^＋型の第２の拡散層４になる。

その後、上述の工程を経たエピタキシャル層２上に反射防止膜７を形成することにより、前述した図１のフォトダイオード２０を得る。

また、後述するＩＶアンプ３０は、フォトダイオード２０と同様に半導体基板１上に形成される。ＩＶアンプ３０は、周知のＣＭＯＳプロセスやバイポーラプロセスにより形成することができる。
また、上記第１の拡散層３及び第２の拡散層４として、これらＣＭＯＳプロセスやバイポーラプロセスにより形成された拡散層を用いてもよい。

次に、本発明に係る集積化受光素子の実施例について図３を用いて説明する。図３は本発明に係る集積化受光素子の実施例を説明するための図であり、同図中の（ａ）は回路図であり、（ｂ）は図１の（ｂ）に対応するものであり、エピタキシャル層２に空乏層６０が発生した状態を示すものである。

図２に示すように、集積化受光素子８０は、上述したフォトダイオード２０、ＩＶアンプ（電流−電圧変換アンプ）３０、電源４０、及び抵抗５０を有して構成されている。

フォトダイオード２０は、第１のフォトダイオード２２及び第２のフォトダイオード２４を有して構成されている。
第１のフォトダイオード２２は、アノードがＰ^＋型の第２の拡散層４であり、カソードがＮ^＋型の半導体基板１である。
第２のフォトダイオード２４は、アノードがＰ^＋型の第２の拡散層４であり、カソードがＮ^＋型の第１の拡散層３である。

そして、第１のフォトダイオード２２のカソードであるＮ^＋型の半導体基板１に所定の電圧Ｖｄｄを印加し、第２のフォトダイオード２４のカソードであるＮ^＋型の第１の拡散層３に所定の電圧Ｖｄｄよりも高い電圧である電圧Ｖｋを印加することにより、図３（ｂ）に示すように、Ｐ型のエピタキシャル層２の広い領域に空乏層６０が発生する。
電圧Ｖｄｄを５Ｖ、電圧Ｖｋを１０Ｖとし、電源４０からＩＶアンプ３０に印加される基準電圧Ｖｒｅｆを２．５Ｖとすると、空乏層６０の第１の幅（厚さ）ｄ１は約３．３μｍとなり、第２の幅（厚さ）ｄ２は約２μｍとなる。

この空乏層６０に外部から光が照射されると、この光は空乏層６０で光電変換され、信号電流Ｉｐとして第１のフォトダイオード２２及び第２のフォトダイオード２４の共通のアノードであるＰ^＋型の第２の拡散層４から出力される。
信号電流Ｉｐは、ＩＶアンプ３０で電流・電圧変換されて信号電圧Ｖｏｕｔとして出力される。

上述したフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子によれば、従来よりも、空乏層の幅を広くすることができ光電変換領域である空乏層が大きくなるため、フォトダイオードの受光感度が向上し、高速応答が可能になる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。

例えば、実施例では、フォトダイオードと他の領域との絶縁性を向上させる目的で埋め込み層５及び絶縁層６を形成したが、これに限定されるものではない。

本発明に係るフォトダイオードの実施例を説明するための図である。 本発明に係るフォトダイオードの製造方法の実施例を説明するための模式的断面図である。 本発明に係る集積化受光素子の実施例を説明するための図である。 一般的なフォトダイオード及びそれを備えた集積化受光素子を説明するための図である。

符号の説明

１＿Ｎ^＋型の半導体基板（カソード）、 ２＿Ｐ型のエピタキシャル層、 ３＿Ｎ^＋型の第１の拡散層（カソード）、 ４＿Ｐ^＋型の第２の拡散層（アノード）、 ５＿Ｎ型の埋め込み層、 ６＿Ｎ型の絶縁層、 ７＿反射防止膜、 ２０＿フォトダイオード、 ３０＿ＩＶアンプ、 ４０＿電源、 ５０＿抵抗、 ６０＿空乏層、 ８０＿集積化受光素子

Claims (2)

1. Ｎ型及びＰ型のうちの一方である第１の導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成され、Ｎ型及びＰ型のうちの他方である第２の導電型の半導体層と、
   前記半導体層に前記半導体基板とは離間して形成された前記第１の導電型の第１の拡散層と、
   前記半導体層に前記半導体基板及び前記第１の拡散層とは離間して形成された前記第２の導電型の第２の拡散層と、
   を有し、
   前記半導体基板及び前記第１の拡散層に外部から電圧をそれぞれ印加することにより、前記半導体層に空乏層を発生させるフォトダイオード。
2. 請求項１記載のフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードの前記第２の拡散層に接続されたアンプと、
   を有し、
   前記空乏層に外部から光が照射された際に、
   前記光を前記空乏層で光電変換し信号電流として前記第２の拡散層から出力し、
   前記信号電流を前記アンプで信号電圧に変換して出力する集積化受光素子。

Images