JP2828244B2 - 受光素子 - Google Patents

受光素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換信号を処
理する回路を内蔵した回路内蔵受光素子に関し、特に、
光ピックアップ等に使用される分割フォトダイオード素
子のような受光素子において、その受光素子の応答速度
を改善する構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から光ピックアップは、ＣＤ−ＲＯ
ＭやＤＶＤ（ディジタルビデオディスク）等の光ディス
ク装置に使用されている。ＣＤ−ＲＯＭ装置は、近年高
速化が急激に進められており、現在、４〜６倍速のもの
まで製品化され、さらに８〜１２倍速への高速化が進め
られている。また、ＤＶＤの開発も盛んである。ＤＶＤ
は、６倍速ＣＤ−ＲＯＭ程度の応答速度でデータのアク
セスが行われるものであり、将来的には倍速のＤＶＤの
開発も進められると考えられる。
【０００３】さらにこのような光ディスクでは、動画像
等の記憶に必要な多量のデータを扱うようになってきて
おり、光ピックアップの高速化の要求は非常に強い。
【０００４】そして、光ピックアップにおける信号検出
用素子としては、従来から、受光領域が複数の光検出部
に分割されている分割フォトダイオード素子が用いられ
ている。
【０００５】近年、光ディスク装置の小型高性能化に伴
い、光ピックアップの小型軽量化が重要となっている。
これを実現するために、トラッキングビーム生成機能、
光分岐機能、誤差信号生成機能を１つのホログラム素子
に集積化し、レーザダイオードと分割フォトダイオード
素子とを１つのパッケージ内に配した構造の光モジュー
ルが提案されている。
【０００６】そのような光ピックアップ光学系１０００
の略構成図を図７に示す。
【０００７】光学系１０００の信号検出原理を、以下に
簡単に説明する。
【０００８】レーザダイオード１１０から出射された光
は、回折格子１２０とホログラム１３０とがそれぞれ裏
面及び上面に形成されているホログラム素子（素子の外
形は不図示）に入射する。素子の裏面に形成されたトラ
ッキングビーム生成用の回折格子１２０により、レーザ
ダイオード１１０からの出射光は、２つのトラッキング
用副ビーム及び情報信号読みだし用主ビームの３つの光
ビームに分けられる。そして、光ビームはホログラム素
子の上面のホログラム１３０を０次元として透過し、コ
リメートレンズ１４０で平行光に変換された後、対物レ
ンズ１５０によってディスク１６０の上に集光される。
【０００９】ディスク１６０の上に形成されたピットに
よる変調を受けた反射光は、対物レンズ１５０、コリメ
ートレンズ１４０を透過した後に、ホログラム１３０に
よって回折されて、１次回折光として、分割された５つ
の光検出フォトダイオード部（以下、「光検出部」と略
記する）Ｄ１〜Ｄ５が形成されている分割フォトダイオ
ード素子１７０の上に導かれる。ここで、分割フォトダ
イオード素子１７０は、光ピックアップ光学系１０００
において受光素子として機能する。
【００１０】ホログラム１３０は回折周期の異なる２つ
の領域からなっており、主ビームの反射光のうちでその
一方の領域に入射したものは光検出部Ｄ２及びＤ３の分
割線上に集光され、他方の領域に入射したものは光検出
部Ｄ４の上に集光される。また、２つの副ビームの反射
光は、それぞれ光検出部Ｄ１及びＤ５の上に集光され
る。
【００１１】上記光学系１０００では、ホログラム１３
０とディスク１６０との間の距離の変化に応じて、分割
フォトダイオード素子１７０の上における主ビームの反
射光の入射位置が、光検出部Ｄ２及びＤ３が並ぶ方向に
変化する。主ビームの焦点がディスク１６０の上で合っ
ている場合には、その反射光は光検出部Ｄ２及びＤ３の
分離部に入射する。これより、分割フォトダイオード素
子１７０の光検出部Ｄ１〜Ｄ５の出力をそれぞれＳ１〜
Ｓ５とすると、フォーカス誤差信号ＦＥＳは、 ＦＥＳ＝Ｓ２−Ｓ３ で与えられる。
【００１２】一方、トラッキング誤差は、いわゆる３ビ
ーム法で検出される。２つのトラッキング用副ビームは
それぞれ光検出部Ｄ１及びＤ５の上に集光されるので、
トラッキング誤差信号ＴＥＳは、 ＴＥＳ＝Ｓ１−Ｓ５ で与えられる。このトラッキング誤差信号ＴＥＳが零で
あるときに、主ビームは、照射すべきトラックの上に正
しく位置していることになる。
【００１３】また、再生信号ＲＦは、主ビームの反射光
を受光する光検出部Ｄ２〜Ｄ４の出力の総和として、 ＲＦ＝Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４ で与えられる。
【００１４】図８に、上記光学系１０００における分割
フォトダイオード素子１７０の平面図を示す。
【００１５】分割フォトダイオード素子１７０には、先
述のように５つの光検出部Ｄ１〜Ｄ５が縦長の領域の内
部に形成されている。また、各光検出部Ｄ１〜Ｄ５に共
通の１対のアノード電極１７２ａ及び１７２ｂ、ならび
にそれぞれの光検出部Ｄ１〜Ｄ５にそれぞれ対応する５
つのカソード電極１７４ａ〜１７４ｅが、光検出部Ｄ１
〜Ｄ５が設けられている領域を囲むように配置されてい
る。
【００１６】分割フォトダイオード素子１７０の形状は
光学系１０００により決まり、図８に示すように各光検
出部Ｄ１〜Ｄ５は、いずれも縦長の形状となる。これ
は、以下の理由による。
【００１７】光学系１０００では、レーザダイオード１
１０と分割フォトダイオード素子１７０とを１つのパッ
ケージに組み込んだ後に、回折格子１２０及びホログラ
ム１３０を有するホログラム素子をパッケージの上面に
接着する。このとき、レーザダイオード１１０と分割フ
ォトダイオード素子１７０との間の位置合わせのバラツ
キが生じる。また、レーザダイオード１１０の発振波長
は、個体間でバラツキがあるとともに、温度変動に起因
して変化する。以上のような原因によって、回折光の回
折角が変化して、回折光の入射位置がずれることがあ
る。このような問題に対応できるように、分割フォトダ
イオード素子１７０では、回折角の変化によって回折光
の入射位置が変わる方向である図８のＹ方向に沿って、
受光面を広くとる必要がある。
【００１８】一方、図８に示すＸ方向については、レー
ザダイオード１１０の発振波長の個体間バラツキや温度
変動に起因する発振波長の変化による回折光の回折角の
変化の影響は受けない。また、レーザダイオード１１０
と分割フォトダイオード素子１７０の位置合わせにおけ
るバラツキは、パッケージの上面に接着するホログラム
素子を回転させることで調整できる。したがって、Ｘ方
向に関しては、受光面を広くとる必要がない。逆に、こ
のＸ方向にならぶ３つのビームが離れていると光ピック
アップを光ディスク装置に組み込む際に調整が難しくな
るため、Ｘ方向については、光検出部Ｄ１〜Ｄ５の幅、
及び各光検出部Ｄ１〜Ｄ５の間の分離部の幅を、狭くす
る必要がある。
【００１９】以上のことから、図８に示すように、分割
フォトダイオード素子１７０の形状は必然的に縦長とな
る。
【００２０】図９は、図８に示す線ａ−ａ’に沿った断
面図であり、従来の光検出用の分割フォトダイオード素
子１７０の略断面図である。ただし、この図では、メタ
ル処理工程以後の工程によって形成される構造、例えば
多層配線や保護膜等は省略している。
【００２１】分割フォトダイオード素子１７０の作成方
法を、図１０（ａ）〜（ｄ）の断面図を参照して以下に
説明する。なお、図９と図１０（ａ）〜（ｄ）とで、同
じ構成要素には同じ参照番号を付している。
【００２２】まず、Ｐ型半導体基板１上において、光検
出部Ｄ１〜Ｄ５を分割する分離部となる領域に、Ｐ型埋
込拡散層２を形成する（図１０（ａ））。
【００２３】ついで、図１０（ｂ）に示すように、Ｐ型
半導体基板１の表面全面にＮ型エピタキシャル層４を形
成する。ついで、Ｎ型エピタキシャル層４の内部におい
てＰ型埋込拡散層２に対応する部分に、Ｐ型分離拡散層
５を形成する。Ｐ型分離拡散層５は、Ｎ型エピタキシャ
ル層４の表面から、Ｐ型半導体基板１の表面（Ｐ型埋込
拡散層２）に達するように形成される。これにより、Ｎ
型エピタキシャル層４が複数のＮ型半導体領域に電気的
に分離されて、各光検出部Ｄ１〜Ｄ５（ただし、Ｄ４は
不図示）が形成される。
【００２４】ついで、Ｎ型エピタキシャル層４の表面に
おいて右端のＰ型分離拡散層５の表面から左端のＰ型分
離拡散層５の表面に至る部分の表面、及び光検出部Ｄ１
〜Ｄ５の分離部となるＰ型分離拡散層５の表面に、Ｐ型
拡散層６を形成する（図１０（ｃ））。
【００２５】ついで、図１０（ｄ）に示すように、Ｐ型
拡散層６の形成時にＰ型拡散層６及びＮ型エピタキシャ
ル層４の表面に形成された酸化膜７のうち、Ｐ型拡散層
６の表面の受光領域に相当する部分を除去して、代わり
に窒化膜８を形成する。窒化膜８は、反射防止膜として
機能するように、レーザダイオードの波長にあわせてそ
の膜厚を設定する。
【００２６】ついで、酸化膜７及び窒化膜８に電極窓を
開口する。そして、電極配線９ａを形成すると同時に、
窒化膜８の表面の信号光があたらない部分に金属膜９を
形成する。これによって、図９に示す分割フォトダイオ
ード素子１７０の構造を得る。また、信号処理回路部分
（図示せず）は、通常のバイポーラＩＣプロセスで半導
体基板１の上に作成される。
【００２７】各光検出部Ｄ１〜Ｄ５では、印加される逆
バイアスによって、基板１の表面近傍に空乏層１１が形
成される。
【００２８】分割フォトダイオード素子１７０におい
て、個々の光検出部Ｄ１〜Ｄ５の分離部のＰＮ接合は、
Ｐ型拡散層６によって覆われている。このため、窒化膜
８を分割フォトダイオード素子１７０の表面に直接形成
しても、接合リークの増大等の問題は起こらない。した
がって、実際にディスク１６０からの反射光（以下、ホ
ログラム１２０によって回折された光という意味で、
「回折光」とも称する。）の集光ビームが当たる光検出
部Ｄ２及びＤ３の分離部でも、集光ビームの受光面での
反射が低く抑えられて、分割フォトダイオード素子１７
０の高感度化が実現できる。また、回折光の光ビームが
当たらない部分、ここでは光検出部Ｄ１とＤ２との間、
及びＤ３とＤ５との間に金属膜９が形成されているた
め、迷光などの影響を受けにくくなり、分割フォトダイ
オード素子のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】再生信号ＲＦを処理す
る光検出部Ｄ２，Ｄ３及びＤ４は、特に高速動作が必要
である。そのうちで光検出部Ｄ２及びＤ３では、光ビー
ムがこれら光検出部Ｄ２及びＤ３の間の分離部に照射さ
れた場合に、各光検出部の中央に光ビームが照射された
時に比べて、遮断周波数が低下する。
【００３０】そのことを示す実験結果を、図１１（ａ）
及び（ｂ）に示す。図１１（ａ）は、図９の分割フォト
ダイオード素子１７０の光検出部Ｄ２及びＤ３の近傍部
分の断面図である。一方、図１１（ｂ）は、分割フォト
ダイオード素子１７０の遮断周波数の光ビーム位置依存
性を示すグラフであって、その横軸は光検出部Ｄ２及び
Ｄ３の近傍における回折光の光ビームの位置を示し、縦
軸はそれぞれの位置における遮断周波数ｆｃを示す。こ
れにより、光ビームが光検出部Ｄ２及びＤ３の分離部近
傍にある場合には、遮断周波数ｆｃが減少している。
【００３１】ここで、Ｐ型半導体基板１の比抵抗は１５
Ωｃｍであり、測定条件としては、フォトダイオードに
印加される逆バイアスを１．５Ｖとし、負荷抵抗を３８
０Ωとしている。また、ＣＤ−ＲＯＭに使用される光の
波長λは７８０ｎｍであり、ＤＶＤに使用される光の波
長λは６３５ｎｍであるため、この実験結果では、この
２波長についてのフォトダイオードの遮断周波数を示し
てある。
【００３２】ここで、波長７８０ｎｍの光に対しては、
分割部に光が照射された時の素子の応答速度が数ＭＨｚ
程度であるため、４倍速ＣＤ−ＲＯＭの光ディスク装置
には性能的に対応することができるが、６倍速以上のＣ
Ｄ−ＲＯＭには対応することができない。
【００３３】また、波長６３５ｎｍの光に対しては、分
割部に光が照射された時の素子の応答速度が２０数ＭＨ
ｚであるため、ＤＶＤには対応することができるが、倍
速ＤＶＤではフォトダイオード素子に要求される応答速
度は３０ＭＨｚ以上であるため、図９に示す分割フォト
ダイオードの素子構造では、倍速ＤＶＤに対応すること
はできない。
【００３４】デバイスシミュレーションを使用して光検
出部Ｄ２及びＤ３の分離部に光ビームが照射された状態
を解析した結果、この状態では、光キャリアが分離部の
Ｐ型埋込拡散層２を迂回して、Ｎ型エピタキシャル層４
とＰ型半導体基板１との間の接合部分に到達することが
確認された。このような迂回経路では、光キャリアが拡
散によって移動する距離が長くなる。これが、上述のよ
うな遮断周波数の低下の原因である。
【００３５】また、図１１（ｂ）において、光の波長７
８０ｎｍと６３５ｎｍとで、応答速度に差があるのは、
光の侵入長（基板内部への侵入深さ）の差によるもので
あり、波長６３５ｎｍの光の方が応答性が良いのは、光
の侵入長が短く、このため光キャリアが拡散によって移
動する距離が短いためである。
【００３６】図１２は、光検出部Ｄ２及びＤ３の間の分
離部に相当するＰ型埋込拡散層２、及びその近傍におけ
る電流の流れを求めたシミュレーション結果であり、電
流の向きを矢印で示している。光キャリアである電子
は、図１２の中の矢印とは逆向きに移動している。
【００３７】一方、図１３は、光検出部の間の分離部の
Ｐ型分離拡散層５の深さ方向のポテンシャル分布を示す
グラフである。図１３から分かるように、このポテンシ
ャル分布は、基板１の中でその表面側に向かう光キャリ
アである電子に対して、ポテンシャルバリアとして作用
する。そのために、図１２に示されるように、光キャリ
アはＰ型埋込拡散層２を迂回して移動する。
【００３８】上述したとおり、通常使用されるＰ型半導
体基板１は、その比抵抗が約１５Ωｃｍである。そのた
め、各光検出部を構成する光検出フォトダイオード部に
印加される逆バイアス電圧が１．５Ｖである場合、図９
に示すように、Ｐ型埋込拡散層２の深さ（Ｐ型半導体基
板１の中への拡散深さ）Ｘｊが２．５μｍ程度であるの
に対して、空乏層１１の深さＸｄは約１．７μｍ程度し
か広がらない。この結果、図１２にも示されているよう
に、光キャリアが迂回して走る距離は十数μｍに及ぶ。
【００３９】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたものであり、特にホログラム素子を用いた光ピ
ックアップ光学系などに使用される分割フォトダイオー
ド素子などの受光素子において、光ビームが光検出部の
分離部に照射された状態における応答速度を改善するこ
とを目的としている。
【００４０】
【課題を解決するための手段】本発明の受光素子は、第
１導電型半導体基板と、該第１導電型半導体基板の表面
の所定の領域の上に形成された第１の第２導電型半導体
層と、該第１の第２導電型半導体層の表面から該第１導
電型基板の表面に達するように形成され、該第１の第２
導電型半導体層を複数の第２導電型半導体領域に分割す
る少なくとも一つの第１導電型半導体領域と、を備え、
印加される逆バイアス電圧によって該第１導電型半導体
基板に形成される空乏層の深さＸｄと、該第１導電型半
導体層の該第１導電型半導体基板の中への拡散深さＸｊ
と、の間でＸｄ≧Ｘｊという条件が満足されるように、
該第１導電型半導体基板の比抵抗が所定の範囲内に設定
されており、そのことによって上記目的が達成される。
【００４１】ある実施例では、前記分割された複数の第
２導電型半導体領域のそれぞれに対応して、前記第１導
電型半導体基板に、第２の第２導電型半導体層が埋め込
まれている。
【００４２】他の実施例では、前記第１導電型半導体基
板の表面において、前記所定の領域以外の部分に所定の
回路素子が形成されている。
【００４３】さらに他の実施例では、前記分割された複
数の第２導電型半導体領域のそれぞれと、それに対応す
る前記第１導電型半導体基板の部分とによって、信号光
を検出する光検出フォトダイオード部が形成されてい
る。
【００４４】以下、作用について説明する。
【００４５】分割フォトダイオード素子の分離部に光が
照射される場合に、第１導電型半導体基板の比抵抗を高
くすることで、形成される空乏層の広がりを大きくでき
る。これによって、空乏層の端部がＰ型埋込拡散層の端
部よりも深く位置するようにすることができる。この結
果、従来の分割フォトダイオード素子の構成では光キャ
リアがＰ型埋込拡散層を迂回して移動していたのに比べ
て、そのような光キャリアの迂回を抑制して拡散による
移動距離を短くすることができる。この結果、応答速度
が改善されて、遮断周波数特性が向上する。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）本発明の第１の実施形態における受
光素子である分割フォトダイオード素子１００を、図面
を参照して説明する。
【００４７】図１は、分割フォトダイオード素子１００
の断面図である。この図では、メタル配線の処理工程以
降の工程で形成される構造、例えば多層配線、保護膜な
どは省略している。
【００４８】分割フォトダイオード素子１００におい
て、Ｐ型半導体基板（例えば、シリコン基板）１の上に
Ｎ型エピタキシャル層４が形成されている。このＮ型エ
ピタキシャル層４の内部には、Ｐ型分離拡散層５が、エ
ピタキシャル層４の表面から形成されている。半導体基
板１の表面においてＰ型分離拡散層５に対向する位置に
は、Ｐ型埋込拡散層２が形成されている。これらの拡散
層２及び５によって、Ｎ型エピタキシャル層４は複数の
領域に分割されている。Ｎ型エピタキシャル層４をこの
ように分割して得られる個々のＮ型半導体領域とその下
側の基板１とによって、信号光を検出する光検出部（光
検出フォトダイオード部）Ｄ１〜Ｄ５が構成される（た
だし、Ｄ４は不図示）。
【００４９】各光検出部Ｄ１〜Ｄ５では、印加される逆
バイアスによって、基板１の表面近傍に空乏層２１が形
成される。ここで、従来の分割フォトダイオード素子１
７０とは異なって、本発明の分割フォトダイオード素子
１００は、空乏層２１の下端部がＰ型埋込拡散層２の下
端部に比べて基板内のより深い部位に位置するように構
成されている。
【００５０】この分割フォトダイオード１００の製造方
法は、基本的には先に図１０（ａ）〜（ｄ）を参照して
説明した従来の分割フォトダイオード素子１７０の製造
工程と同じであるので、ここではその詳細な説明を省略
する。
【００５１】本発明の分割フォトダイオード素子１００
が従来のものから大きく異なる点は、Ｐ型半導体基板１
の比抵抗である。具体的には、本発明の分割フォトダイ
オード素子１００では、Ｐ型半導体基板１の比抵抗が以
下の関係を満たすように設定される。
【００５２】Ｘｄ ≧ Ｘｊ ここで、Ｘｄは、分割フォトダイオード素子１００の光
検出部Ｄ１〜Ｄ５に印加される逆バイアスによって基板
１の表面に広がる空乏層２１の深さであり、Ｘｊは、Ｐ
型埋込拡散層２のＰ型半導体基板１への拡散深さである
（図１参照）。
【００５３】このように、Ｐ型埋込拡散層２の拡散深さ
Ｘｊに対して、光検出部に印加される逆バイアスで広が
る空乏層２１の深さＸｄが等しいか或いはより深くなる
ようにすることによって、迂回する光キャリアが拡散で
移動する距離を短くすることができ、光検出部の分離部
に光ビームが照射された状態における遮断周波数特性を
向上させることができる。
【００５４】Ｐ型半導体基板１の比抵抗は、好ましくは
３０Ωｃｍ〜１０００Ωｃｍ、さらに好ましくは５０Ω
ｃｍ〜５００Ωｃｍに設定する。
【００５５】例えば、Ｐ型半導体基板１の比抵抗が５０
Ωｃｍになるように設定すれば、Ｐ型埋込拡散層２の拡
散深さＸｊが２．５μｍであって光検出部に印加される
逆バイアスが１．５Ｖである場合において、空乏層２１
の深さＸｄは約３．２μｍとなって、Ｐ型埋込拡散層２
の拡散深さＸｊ＝２．５μｍよりも深くすることができ
る。このようにすることによって、図１に示すように空
乏層２１を大きく広げることができるため、光検出部Ｄ
２及びＤ３の分離部における光キャリアの拡散による移
動距離を短くすることができて、分離部での遮断周波数
を向上させることができる。
【００５６】図１４は、上記第１の実施形態について、
Ｐ型半導体基板の比抵抗が５０Ωｃｍであるときのフォ
トダイオードの応答速度を説明するための図である。図
１４（ａ）は、図１の分割フォトダイオード素子１００
の光検出部Ｄ２及びＤ３の近傍部分の断面構造を示す。
図１４（ｂ）は、該分割フォトダイオード素子１００の
遮断周波数の光ビーム位置依存性をグラフで示す。この
図１４（ｂ）で、その横軸は光検出部Ｄ２及びＤ３の近
傍における回折光の光ビームの位置を示し、縦軸はそれ
ぞれの位置における遮断周波数ｆｃ（ＭＨz）を示す。
測定方法、条件等は、図１１を用いて説明した従来のフ
ォトダイオードについてのものと同じである。
【００５７】波長７８０ｎｍの光に対しては、分割部で
の応答速度が１４ＭＨｚ程度となっており、６〜８倍速
ＣＤ−ＲＯＭの光ディスクに対応できるフォトダイオー
ドの性能が確保されている。
【００５８】また、波長６３５ｎｍの光に対しては、分
割部での応答速度は３０ＭＨｚを達成しており、倍速Ｄ
ＶＤに要求されるフォトダイオードの性能を満足してい
る。
【００５９】したがって、基板比抵抗をＸｄ≧Ｘｊを満
たす範囲に設定することにより、６〜８倍速ＣＤ−ＲＯ
Ｍ用及び倍速ＤＶＤ用のフォトダイオードを提供するこ
とが可能となることがわかる。
【００６０】このように、基板比抵抗は高い方が、空乏
層２１の広がりが大きくなり、光キャリヤの移動距離を
さらに短くできるため、フォトダイオードをより高速化
できる。
【００６１】半導体基板１の比抵抗を上記のような所望
の範囲に設定する場合、比抵抗の目標値に応じて以下の
ような結晶成長の手法を用いる。例えば、比抵抗の目標
値が１００Ωｃｍ以下であればＣＺ法、１００Ωｃｍ〜
１０００ΩｃｍであればＭＣＺ法、さらに１０００Ωｃ
ｍ以上であればＦＺ法などの結晶成長の手法を用いる。
【００６２】（第２の実施形態）図２は、分割フォトダ
イオード素子２００の断面図である。この図では、メタ
ル配線の処理工程以降の工程で形成される構造、例えば
多層配線、保護膜などは省略している。
【００６３】分割フォトダイオード素子２００の基本的
な構造は、先に図１を参照して説明した第１の実施形態
における分割フォトダイオード素子１００と同じであ
る。相違点は、半導体基板１の光検出部Ｄ１〜Ｄ５に相
当する部分に、Ｎ型埋込拡散層３が埋め込まれて形成さ
れている点である（特願平６−１６２４１２号参照）。
ここで、Ｎ型埋込拡散層３は、Ｐ型埋込拡散層２の外周
の各点から該拡散層２を迂回してＮ型エピタキシャル層
４に到達する距離よりも、Ｐ型埋込拡散層２に近いとこ
ろに形成されている。
【００６４】分割フォトダイオード素子２００の作成方
法を、図３（ａ）〜（ｄ）の断面図を参照して以下に説
明する。
【００６５】まず、Ｐ型半導体基板（例えば、シリコン
基板）１の上において、光検出部となるべき箇所の一部
にＮ型埋込拡散層３を形成する。また、光検出部を分割
する分離部となる領域には、Ｐ型埋込拡散層２を形成す
る（図３（ａ））。
【００６６】ついで、図３（ｂ）に示すように、Ｐ型半
導体基板１の表面全面にＮ型エピタキシャル層４を形成
する。ついで、Ｎ型エピタキシャル層４の内部において
Ｐ型埋込拡散層２に対応する部分に、その表面からＰ型
分離拡散層５を形成する。これにより、電気的に分離さ
れた各光検出部Ｄ１〜Ｄ５（ただし、Ｄ４は不図示）が
形成される。
【００６７】ついで、右端のＰ型分離拡散層５の表面か
ら左端のＰ型分離拡散層５の表面に至るＮ型エピタキシ
ャル層４の表面、及びフォトダイオードＤ１〜Ｄ５の分
離部となるＰ型分離拡散層５の表面に、Ｐ型拡散層６を
形成する（図３（ｃ））。
【００６８】ついで、図３（ｄ）に示すように、Ｐ型拡
散層６の形成時にＰ型拡散層６及びＮ型エピタキシャル
層４の表面に形成された酸化膜７のうち、Ｐ型拡散層６
の表面の受光領域に相当する部分を除去して、代わりに
窒化膜８を形成する。窒化膜８は、反射防止膜として機
能するように、レーザダイオードの波長にあわせてその
膜厚を設定する。
【００６９】ついで、酸化膜７及び窒化膜８に電極窓を
開口する。そして、電極配線９ａを形成すると同時に、
窒化膜８の表面の信号光があたらない部分に金属膜９を
形成する。これによって、図２に示す分割フォトダイオ
ード素子２００の構造を得る。また、信号処理回路部分
（図示せず）は、通常のバイポーラＩＣプロセスで半導
体基板１の上に作成される。
【００７０】上記のように、分割フォトダイオード素子
に高濃度のＮ型埋込拡散層３を形成することにより、カ
ソード側の直列抵抗が低減される。このため、その直列
抵抗とフォトダイオード容量とに起因するＣＲ時定数が
低減され、結果として遮断周波数特性が向上される。
【００７１】図４（ａ）は、図２の分割フォトダイオー
ド素子２００の光検出部Ｄ２及びＤ３の近傍部分の断面
図である。一方、図４（ｂ）は、分割フォトダイオード
素子２００の遮断周波数の光ビーム位置依存性をグラフ
で示し、その横軸は光検出部Ｄ２及びＤ３の近傍におけ
る回折光の光ビームの位置を示し、縦軸はそれぞれの位
置における遮断周波数ｆｃ（ＭＨz）を示す。これよ
り、光ビームが光検出部Ｄ２及びＤ３の分離部近傍にあ
る場合には遮断周波数ｆｃの若干の減少が認められるも
のの、図１１（ｂ）を参照して説明した従来技術の場合
に比べてその程度は大きく低減されている。
【００７２】ここでＰ型半導体基板１の比抵抗は１５Ω
ｃｍであり、測定条件は、図１１に示すものと同じであ
る。
【００７３】図２に示す分割フォトダイオード素子２０
０は、その分割部での応答速度として２０ＭＨｚ程度を
達成しており、８倍速までのＣＤ−ＲＯＭに対応可能で
ある。
【００７４】また、図２の分割フォトダイオード素子２
００における光キャリアの動きのシミュレーション結果
を、図５に示す。図５の中の矢印は電流の向きを示して
おり、光キャリアである電子は、矢印とは逆向きに移動
している。
【００７５】以上からわかるように、分割フォトダイオ
ード素子２００では、Ｎ型埋込拡散層３がＰ型埋込拡散
層２の外周の各点から該拡散層を迂回してＮ型エピタキ
シャル層４に到達する距離よりも近いところに形成され
ている。これによって、逆バイアス電圧の印加にともな
う空乏層３１（深さをＸｄとする）は、Ｎ型埋込拡散層
３の下端から基板１の方向へ向けて形成される（図２参
照）。この結果、光検出部の分離部に光ビームを照射し
た際の光キャリアの拡散移動距離を、十数μｍから数μ
ｍへ短くすることができる。これによって、遮断周波数
が向上される。また、ＣＲ時定数の低減によっても、遮
断周波数は向上する。
【００７６】しかし、図５のシミュレーション結果に表
されているように、図２の構成では、光キャリアがＰ型
埋込拡散層２を迂回する距離は依然として数μｍであ
る。このため、光検出部の分離部に光ビームが照射され
た際の応答周波数に、まだ改善の余地が残されている。
【００７７】そこで、第１の実施形態の場合と同様に、
図２に示す分割フォトダイオード素子２００の構成にお
いても、Ｐ型半導体基板１の比抵抗を以下に示す関係が
満たされるように設定することによって、図６に示すよ
うな構成の分割フォトダイオード素子２５０を得ること
ができる。
【００７８】Ｘｄ ≧ Ｘｊ ここで、Ｘｄは、分割フォトダイオード素子２５０の光
検出部Ｄ１〜Ｄ５に印加される逆バイアスによって基板
１の表面に広がる空乏層４１の深さであり、Ｘｊは、Ｐ
型埋込拡散層２の拡散深さである（図６参照）。
【００７９】このように、Ｐ型埋込拡散層２の拡散深さ
Ｘｊに対して、光検出部に印加される逆バイアスで広が
る空乏層４１の深さＸｄがより深くなるようにすること
によって、迂回する光キャリアが拡散で移動する距離を
短くすることができ、光検出部の分離部に光ビームが照
射された状態における遮断周波数特性を向上させること
ができる。
【００８０】Ｐ型半導体基板１の比抵抗は、好ましくは
３０Ωｃｍ〜１０００Ωｃｍ、さらに好ましくは５０Ω
ｃｍ〜５００Ωｃｍに設定する。
【００８１】例えば、Ｐ型半導体基板１の比抵抗が５０
Ωｃｍになるように設定すれば、Ｐ型埋込拡散層２の拡
散深さＸｊが２．５μｍであって光検出部に印加される
逆バイアスが１．５Ｖである場合において、空乏層４１
の深さＸｄは約３．２μｍとなって、Ｐ型埋込拡散層２
の拡散深さＸｊ＝２．５μｍよりも深くすることができ
る。このようにすることによって、図６に示すように空
乏層４１を大きく広げることができるため、光検出部Ｄ
２及びＤ３の分離部における光キャリアの拡散による移
動距離を短くすることができて、分離部での遮断周波数
を向上させることができる。
【００８２】図１５は、上記第２の実施形態について、
Ｐ型半導体基板の比抵抗が５０Ωｃｍであるときの分割
フォトダイオード２５０（図６参照）の応答速度を説明
するための図である。図１５（ａ）は、図６の分割フォ
トダイオード素子２５０の光検出部Ｄ２及びＤ３の近傍
部分の断面構造を示す。図１５（ｂ）は、分割フォトダ
イオード素子２５０の遮断周波数の光ビーム位置依存性
をグラフで示す。この図１５（ｂ）では、その横軸は光
検出部Ｄ２及びＤ３の近傍における回折光の光ビームの
位置を示し、縦軸はそれぞれの位置における遮断周波数
ｆｃ（ＭＨz）を示す。測定方法、条件等は図１１を用
いて説明した従来のフォトダイオードについてのものと
同じである。
【００８３】波長７８０ｎｍの光に対しては、分割部で
の応答速度として３０ＭＨｚ近くが達成されており、１
２倍速ＣＤ−ＲＯＭに使用するフォトダイオードに要求
される応答性を満足することができる。
【００８４】このようにフォトダイオード分割部近傍に
Ｎ型埋込拡散層を形成する構成と、本発明の、基板比抵
抗をＸｄ≧Ｘｊを満たす範囲に設定する構成とにより、
１２倍速ＣＤ−ＲＯＭ用フォトダイオードを提供するこ
とが可能となる。
【００８５】半導体基板１の比抵抗を上記のような所望
の範囲に設定する場合、比抵抗の目標値に応じて、第１
の実施形態で説明したものと同様の結晶成長の手法を用
いることができる。例えば、比抵抗の目標値が１００Ω
ｃｍ以下であればＣＺ法、１００Ωｃｍ〜１０００Ωｃ
ｍであればＭＣＺ法、さらに１０００Ωｃｍ以上であれ
ばＦＺ法などの結晶成長の手法を用いることができる。
【００８６】（第３の実施形態）図１６は、本発明の第
３の実施形態による受光素子として、分割フォトダイオ
ード素子に加えて信号処理回路を同一基板上に搭載した
回路内蔵受光素子３００を示す断面図である。この図で
はメタル配線の処理工程以後で形成される構造、例え
ば、多層配線、保護膜などは省略してある。
【００８７】この回路内蔵受光素子３００における分割
フォトダイオード３００ａの基本的な構造は、図１に示
した第１の実施形態における分割フォトダイオード１０
０と同じである。この第３の実施形態では、分割フォト
ダイオードを形成した領域以外のＮ型エピタキシャル層
４に信号処理回路３００ｂを形成している点が第１の実
施形態と異なっている。
【００８８】以下にこの回路内蔵受光素子３００の作成
方法を図１６を用いて説明する。また、ここでは、信号
処理回路３００ｂとしてｎｐｎトランジスタが構成され
ている。
【００８９】まず、Ｐ型半導体基板１上において、ｎｐ
ｎトランジスタ形成予定領域の一部にコレクタ抵抗低減
用のＮ型埋込拡散層３を形成する。また、光検出部を分
割する分離部となる領域と、信号処理回路の各素子を分
離する部分にＰ型埋込拡散層２を形成する。
【００９０】ついで、Ｐ型半導体基板１の表面全面にＮ
型エピタキシャル層４を形成する。ついで、Ｎ型エピタ
キシャル層４の内部においてＰ型埋込拡散層２に対応す
る部分にその表面からＰ型分離拡散層５を形成する。
【００９１】これにより、各光検出部Ｄ１〜Ｄ５（ただ
し、Ｄ４は不図示）と信号処理回路部の各素子は電気的
に分離される。
【００９２】ついで、分割フォトダイオード３００ａに
おける右端のＰ型分離拡散層５の表面から左端のＰ型分
離拡散層５の表面に至るＮ型エピタキシャル層４の表
面、光検出フォトダイオード部Ｄ１〜Ｄ５の分離部とな
るＰ型分離拡散層５の表面、及び信号処理回路３００ｂ
におけるベース形成予定領域に、Ｐ型拡散層６を形成す
る。
【００９３】ついで、信号処理回路３００ｂにおけるｎ
ｐｎトランジスタのエミッタ形成予定領域とコレクタ電
極取り出し予定領域にＮ型拡散層１０を形成する。
【００９４】ついで、Ｐ型拡散層６の形成時にＰ型拡散
層６及びＮ型エピタキシャル層４の表面に形成された酸
化膜７のうち、Ｐ型拡散層６の表面の受光領域に相当す
る部分を除去して、代わりに窒化膜８を形成する。
【００９５】窒化膜８は、反射防止膜として機能するよ
うにレーザダイオードの波長にあわせてその膜厚を設定
する。ついで、酸化膜７及び窒化膜８に電極窓を開口す
る。
【００９６】そして電極配線９ａを形成すると同時に窒
化膜の表面の信号光があたらない部分に金属膜９を形成
する。また同時に信号処理回路３００ｂにおけるＰ型拡
散層６とＮ型拡散層１０に対応する部分にそれぞれベー
ス電極９ｂ、エミッタ電極９ｃ、コレクタ電極９ｄを形
成する。
【００９７】これによって、図１６に示す、分割フォト
ダイオード３００ａと信号処理回路３００ｂとを同一基
板上に搭載した回路内蔵受光素子３００の構造を得る。
【００９８】この実施形態では、分割フォトダイオード
については第１の実施形態と同じであるため、特性につ
いての詳細な説明は省略する。
【００９９】この第３の実施形態では、上記第１の実施
形態と同様、分割フォトダイオードの分割部での応答性
が改善された、回路内蔵受光素子を得ることができる。
【０１００】（第４の実施形態）図１７は本発明の第４
の実施形態に受光素子として、分割フォトダイオード素
子に加えて信号処理回路を同一基板上に搭載した回路内
蔵受光素子４００を示す断面図である。この図ではメタ
ル配線の処理工程以後で形成される構造、例えば、多層
配線、保護膜などは省略してある。
【０１０１】この回路内蔵受光素子４００における分割
フォトダイオード３００ａの基本的な構造は、図１に示
した第１の実施形態における分割フォトダイオード１０
０と同じである。この第４の実施形態では、分割フォト
ダイオードを形成した領域以外のＮ型エピタキシャル層
４に信号処理回路４００ｂを形成している点が第１の実
施形態と異なっている。
【０１０２】また、この信号処理回路４００ｂには、上
記第３の実施形態の信号処理回路３００ｂの構成に加え
て、Ｐ型埋込拡散層１ａが形成されている。
【０１０３】このＰ型埋込拡散層１ａは信号処理回路４
００ｂにおけるラッチアップを防止するためのものであ
り、基板比抵抗を高くするに伴って必要に応じて形成さ
れるものである。
【０１０４】なお、上記第３，４の実施形態では、分割
フォトダイオードとして第１の実施形態のものを示した
が、信号処理回路とともに同一基板上に搭載される分割
フォトダイオードは、第２の実施形態で示した図６の分
割フォトダイオード２５０でもよい。
【０１０５】以上の説明では、光ピックアップ光学系に
てディスクからの反射光を受光する受光素子として使用
される分割フォトダイオード素子を例にとって本発明を
説明しているが、本発明は、他の光学系におけるフォト
ダイオード素子、或いは形状の異なるフォトダイオード
素子にも適用することは可能である。
【０１０６】なお、本発明は、上記の説明における導電
型の種類（すなわち、Ｐ型及びＮ型）をすべて入れ換え
た構成に対しても適用することができ、その場合にも上
述したものと同様の効果を得ることができる。
【０１０７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、第１導電
型半導体基板、例えばＰ型半導体基板の比抵抗を高くす
ることにより、光検出部の分離部の拡散深さに対して、
光検出部の基板側に広がる空乏層の幅（深さ）を等しい
か或いは大きくする。これによって、光キャリアが第１
導電型半導体層、例えばＰ型埋込拡散層を迂回して拡散
で移動する距離を短くすることができ、分割フォトダイ
オード素子の応答速度が改善されて、周波数特性を向上
することができる。
【０１０８】また、本発明は、半導体基板のうちで光検
出部に相当する部分の表面に、第２導電型埋込拡散層、
例えばＮ型埋込拡散層が埋め込まれて形成されている構
造についても、適用可能である。このような場合には、
光キャリアが第１導電型半導体層、例えばＰ型埋込拡散
層を迂回して拡散で移動する距離をさらに短くすること
ができるので、分割フォトダイオード素子の応答速度及
び周波数特性を大きく改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による受光素子の構成
を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による受光素子の構成
を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、図２の受光素子の製造工程
を示す断面図である。
【図４】（ａ）は、図２の受光素子の一部の断面図であ
り、（ｂ）は、図２の受光素子における遮断周波数の光
ビーム位置依存性を示す図である。
【図５】図２の受光素子において光ビームが光検出部の
分離部近傍を照射する状態におけるデバイスシミュレー
ションの結果を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による受光素子の構成
を示す断面図である。
【図７】ホログラム素子を用いた光ピックアップ光学系
の構成図である。
【図８】図７に示す光ピックアップ光学系に用いられる
受光素子の平面図である。
【図９】図８の線ａ−ａ’に沿った断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、図９の従来の受光素子の
製造工程を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は、図９の従来の受光素子の一部の断
面図であり、（ｂ）は、図９の従来の受光素子における
遮断周波数の光ビーム位置依存性を示す図である。
【図１２】図９の従来の受光素子において光ビームが光
検出部の分離部近傍を照射する状態におけるデバイスシ
ミュレーションの結果を示す図である。
【図１３】図９の従来の受光素子における光検出部の分
離部近傍でのポテンシャル分布を示す図である。
【図１４】上記第１の実施形態について、Ｐ型半導体基
板の比抵抗が５０Ωｃｍであるときのフォトダイオード
の応答速度を説明するための図である。図１４（ａ）
は、図１の分割フォトダイオード素子１００の光検出部
Ｄ２及びＤ３の近傍部分の断面構造を示し、図１４
（ｂ）は、該分割フォトダイオード素子１００の遮断周
波数の光ビーム位置依存性をグラフで示す。
【図１５】上記第２の実施形態について、Ｐ型半導体基
板の比抵抗が５０Ωｃｍであるときのフォトダイオード
の応答速度を説明するための図である。図１５（ａ）
は、図６の分割フォトダイオード素子２５０の光検出部
Ｄ２及びＤ３の近傍部分の断面構造を示し、図１５
（ｂ）は、分割フォトダイオード素子２５０の遮断周波
数の光ビーム位置依存性をグラフで示す。
【図１６】本発明の第３の実施形態による受光素子とし
て、分割フォトダイオード素子に加えて信号処理回路を
同一基板上に搭載した回路内蔵受光素子３００を示す断
面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態による受光素子とし
て、分割フォトダイオード素子に加えて信号処理回路を
同一基板上に搭載した回路内蔵受光素子４００を示す断
面図である。
【符号の説明】
１ Ｐ型半導体基板 １ａ、２ Ｐ型埋込拡散層 ３ Ｎ型埋込拡散層 ４ Ｎ型エピタキシャル層 ５ Ｐ型分離拡散層 ６ Ｐ型拡散層 ７ 酸化膜 ８ 窒化膜 ９ 金属膜 ９ａ 電極配線 １１、２１、３１、４１ 空乏層 １００、１７０、２００、２５０、３００ａ 分割フォ
トダイオード素子 １１０ レーザダイオード １２０ 回折格子 １３０ ホログラム １４０ コリメートレンズ １５０ 対物レンズ １６０ ディスク １７２ａ、１７２ｂ アノード電極 １７４ａ〜１７４ｅ カソード電極 ３００、４００ 回路内蔵受光素子 ３００ｂ、４００ｂ 信号処理回路 １０００ 光ピックアップ光学系 Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５ 光検出フォトダイオー
ド部（光検出部）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−154063（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−271172（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−55982（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−82268（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−183563（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−174357（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−32100（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 27/14 - 27/148 H01L 29/762 - 29/768 H01L 31/10

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１導電型半導体基板と、 該第１導電型半導体基板の表面の所定の領域の上に形成
    された第１の第２導電型半導体層と、 該第１の第２導電型半導体層の表面から該第１導電型基
    板の表面に達するように形成され、該第１の第２導電型
    半導体層を複数の第２導電型半導体領域に分割する少な
    くとも一つの第１導電型半導体領域と、 を備える分割フォトダイオード素子であって、 印加される逆バイアス電圧によって該第１導電型半導体
    基板に形成される空乏層の深さＸｄと、該第１導電型半
    導体領域の該第１導電型半導体基板の中への拡散深さＸ
    ｊと、の間でＸｄ≧Ｘｊという条件が満足されるよう
    に、該第１導電型半導体基板の比抵抗が所定の範囲内に
    設定されている分割フォトダイオード素子。
  2. 【請求項２】 前記分割された複数の第２導電型半導体
    領域のそれぞれに対応して、前記第１導電型半導体基板
    に、第２の第２導電型半導体層が埋め込まれている請求
    項１に記載の分割フォトダイオード素子。
  3. 【請求項３】 前記第１導電型半導体基板の表面におい
    て、前記所定の領域以外の部分に所定の回路素子が形成
    されている請求項１または２に記載の分割フォトダイオ
    ード素子。
  4. 【請求項４】 前記分割された複数の第２導電型半導体
    領域のそれぞれと、それに対応する前記第１導電型半導
    体基板の部分とによって、信号光を検出する光検出フォ
    トダイオード部が形成されている請求項１から３のいず
    れかに記載の分割フォトダイオード素子。
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