JP3596428B2 - 半導体発光装置および半導体基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク装置等に用いられる半導体発光装置および半導体基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、広く普及しているコンパクトディスク（ＣＤ）やデジタルヴァーサタイルディスク（ＤＶＤ）といった光ディスク装置に搭載される光ピックアップには、光源である半導体レーザ素子と、光ディスクからの反射光を受光してサーボ信号および再生信号を検出するための受光素子が必要である。近年、光ピックアップの組立工程を簡素化し、光ピックアップおよび光ディスク装置を小型化する目的で、光源である半導体レーザ素子と検出部である受光素子、さらには信号演算回路を集積化した半導体発光装置が数多く提案されてきた。その一例を図６および図７に示す。このような構成は、例えば特公平６−４４６５７号公報に記載されている。以下、この構成について概説する。なお、図６は平面図、図７は図６のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。
【０００３】
図面において、１０１は半導体基板、１０２は傾斜した反射面で半導体基板１０１の略中央部に形成されており、この傾斜した反射面は結晶方向の適宜な選択に基づく異方性エッチングにより形成され、半導体基板１０１表面に対して略４５°の傾斜角度を有している。１０３は反射面１０２の下端部とＶ状溝１０４を介して連なるレーザ素子固着面で、半導体基板１０１表面と平行に反射面１０２から遠ざかる方向に延びている。１０５は該レーザ素子固着面１０３の反射面１０２側の領域に形成された半田層で、該半田層１０５上に半導体レーザ素子１０６がボンディングされている。１０７はその半導体レーザ素子１０６の活性層である。該半導体レーザ素子１０６はそのレーザビーム出射端面１０８が反射面１０２側を向くような向きでボンディングされる。レーザ素子固着面１０３の半導体レーザ素子ボンディング部の後側（即ち、モニター用レーザビーム出射端面１０９側）にはモニター用レーザビームを受光するＡＰＣ用フォトダイオード素子１１０が形成されている。１１１はサーボ用４分割フォトデテクタで、４つのフォトダイオード素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄからなる。この４つのフォトダイオード素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄは反射面１０２のまわりに形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の半導体発光装置においては、サーボ用４分割フォトデテクタ１１１と半導体基板１０１との間に生じる寄生容量のために光ディスク装置の高速応答性が悪く、近年市場からの要望が増大している再生専用ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ）または再生専用ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）の高倍速再生に対応できないという課題があった。
【０００５】
また、ＣＤ−ＲＯＭ再生には７８０ｎｍ帯の波長が使用され、ＤＶＤ−ＲＯＭ再生には６５０ｎｍ帯の波長が使用されるが、これらの光を同一の受光素子で受光する場合、受光素子への侵入長が異なるため、両方の光に対して受光素子が効率良く受光できなかった。
【０００６】
そこで、本発明は上記従来の課題を解決し、発光素子を配置するのに適したシリコン単結晶層と、信号演算回路ならびに受光素子を形成するためのシリコン単結晶層とを、絶縁層を介して積層した半導体基板を使用することにより、高速応答性ならびに受光感度に優れ、受発光素子の集積に適した半導体発光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体発光装置は、基板と、前記基板の上に形成された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成された半導体層とを有し、前記基板の上には半導体発光素子が載置され、前記半導体層には電子素子が形成されたものである。
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の半導体発光装置は、基板と、前記基板の上に積層された絶縁層と、前記絶縁層の上に積層された半導体層とを有し、前記半導体層および前記絶縁層を通して前記基板まで到達する凹部が形成されており、前記凹部の底面に半導体発光素子が載置され、前記凹部の側面に前記半導体発光素子からの光を反射するミラーが形成され、前記半導体層には受光素子部及び信号演算回路となるトランジスタ部が形成され、前記受光部及び前記トランジスタ部は前記絶縁層によって前記基板と電気的に絶縁されており、前記受光素子部を透過して前記基板に入射していく光は、前記基板と、前記絶縁層及び前記半導体層とで構成される多層膜反射ミラーにより反射して、再度前記受光素子部に入射され、前記多層膜反射ミラーの反射率が７８０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯の光に対してどちらも少なくとも３０％以上になるように前記絶縁層の膜厚が設定されたものである。
【０００９】
この構成により、基板と半導体層との間に絶縁層を有しているので、基板と受光素子部及び信号演算回路となるトランジスタ部との間に生じる寄生容量の影響が小さくなり、光ディスク装置の高速応答性が著しく向上するとともに、前記基板と、前記絶縁層及び前記半導体層とで構成される多層膜反射ミラーでの反射率が３０％以上であることにより、従来の場合よりも受光素子部及び信号演算回路となるトランジスタ部の形成された半導体層に向けてより多くの光を反射させることができる。
【００１０】
本発明の半導体発光装置は、かかる構成につき、前記凹部の一側面と、前記凹部の底面とがなす角度が４０°以上５０°以下であることにより、半導体発光素子から放射される光を基板に対してほぼ垂直な方向に導くことができる。
【００１１】
本発明の半導体発光装置は、かかる構成につき、基板は｛１００｝面から［０１１］方向に傾斜した面を主面とする基板であることにより、凹部の一側面を｛１１１｝面として４５°ミラーとすることができる。
【００１２】
本発明の半導体発光装置は、かかる構成につき、傾斜した面の｛１００｝面に対する傾斜角度が５°以上１５°以下であることにより、凹部の一側面を｛１１１｝面として半導体発光素子の端面に対して４０°以上５０°以下の傾斜を有するミラーとすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１から図３を用いて本発明の実施形態１における半導体基板を説明する。図１は本発明の実施形態１における半導体発光装置の断面図である。この半導体発光装置は大きく分けて３つの層から構成されている。すなわち、（１００）面またはそれと等価である面（（００１）面および（０１０）面、以下（１００）面に等価である面のうち適当に選ばれた１つを（１００）面を含めて｛１００｝面という）から＜０１１＞等価方向（＜０１１＞、＜１０１＞、＜１１０＞、以下これらの等価方向のうち適当に選ばれた１つを［０１１］方向という）に約１０°傾斜した面を主面とするシリコン単結晶基板５と、その上部に積層された絶縁層であるシリコン酸化膜層４と、シリコン酸化膜層４の上部に積層された｛１００｝面を主面とするＮ型シリコン単結晶基板１よりなる。
【００２８】
さて、半導体発光装置には水酸化カリウム系水溶液による異方性エッチングによりシリコン単結晶基板５まで到達する凹部が形成され、シリコン単結晶基板５上に位置する該凹部の底面に半導体レーザ素子１０が配置されている。ここで、シリコン単結晶基板５は｛１００｝面から［０１１］等価方向に約１０°傾斜した面を主面とするため、前記異方性エッチングにより、該凹部の一側面に該凹部底面と約４５°の角度をなす（１１１）等価面すなわち｛１１１｝面が現れる。この｛１１１｝面は反射ミラー１１として働くので、半導体レーザ素子１０からの出射ビームを、反射ミラー１１を介して容易に上部へ取り出すことができる。
【００２９】
次に、絶縁層であるシリコン酸化膜層４上に位置するＮ型シリコン単結晶基板１にはＰ型シリコン分離領域１２で分離された、受光素子部１７とトランジスタ部１８が形成されている。受光素子部１７は、電極８とＰ型シリコン拡散領域９とＮ型シリコンコンタクト領域７とＮ型シリコン単結晶基板１（Ｎ型シリコン単結晶層として機能する）およびＮ型シリコン埋め込み領域２から構成され、受光素子部１７に入射した光はＰ型シリコン拡散領域９とＮ型シリコン単結晶基板１との間に生じる空乏層（図では省略）で主に吸収され電極８を介し、光電流として出力される。一方、トランジスタ部１８は、Ｎ型シリコンエミッタ領域１３とＰ型シリコンベース領域１４とＮ型シリコンコレクタコンタクト領域１５とＮ型シリコン単結晶基板１およびＮ型シリコン埋め込み領域２とから構成される。この構成においては、トランジスタ部１８のコレクタ部がシリコン酸化膜層４によりシリコン単結晶基板５と電気的に絶縁されているので、コレクタ部とシリコン単結晶基板５との間に寄生容量は発生せず、トランジスタの高速応答性を著しく向上させることができる。
【００３０】
以上のように、発光素子を配置するのに適した第一のシリコン単結晶層であるシリコン単結晶基板５と、受光素子やトランジスタを形成するための第二の半導体単結晶層であるＮ型シリコン単結晶基板１とを、絶縁層であるシリコン酸化膜層４を介して積層した半導体基板を用いれば、高速応答性の優れた受発光素子の集積に適した半導体発光装置を実現することができる。また、このシリコン酸化膜層４を介して積層した半導体基板についてはシリコン酸化膜層４がシリコン単結晶基板５およびシリコン単結晶基板１と屈折率が異なるので、シリコン酸化膜層４をミラーとして用いることができ、受光素子部１７に効率よく光を導くことができる。
【００３１】
なお、反射ミラー１１に金などの金属をコーティングすることで、反射効率を向上させることができる。この場合、半導体レーザ素子１０の出力パワーを大幅に抑制することが可能になるので、低消費電力型の受発光素子を集積するのに適した半導体基板が実現できる。さらに、コーティング材料としてＳｉＯ２／ＳｉＮなどの誘電体多層膜を用いれば、該多層膜の膜厚や屈折率を調整することで半導体レーザ素子１０の発振波長に対して最も反射効率のよいミラー面を設計することができる。
【００３２】
半導体基板１６の製造方法として、例えば、図２（ａ）〜（ｄ）に示す方法が考えられる。まず、｛１００｝等価面を主面とするシリコン単結晶基板５を用意し（図２（ａ））、表面を酸化してシリコン酸化膜層４を形成する（図２（ｂ））。次に、Ｎ型シリコン単結晶基板１を、シリコン酸化膜層４を介してシリコン単結晶基板５に貼り付ける（図２（ｃ））。そして受光素子やトランジスタを形成するのに適した厚みにまでＮ型シリコン単結晶基板１を削る（図２（ｄ））。ここで、シリコン単結晶（真性）の吸収係数ならびに侵入長の波長依存性を示すと表１のようになる。
【００３３】
【表１】
【００３４】
例えば、ＤＶＤ−ＲＯＭ再生に使用される６５０ｎｍ帯の波長を受光するためにはＮ型シリコン単結晶基板１の残り厚を少なくとも３．２μｍ以上にするのが望ましい。
【００３５】
受光素子部１７を形成する工程としては、例えば図３（ａ）〜（ｄ）に示すものが考えられる。まずＮ型シリコン埋め込み領域２およびＮ型シリコンコンタクト領域７をＮ型シリコン単結晶基板１に形成し（図３（ａ））、次にＰ型シリコン分離領域１２を形成し（図３（ｂ））、Ｐ型シリコン拡散領域９を形成する（図３（ｃ））。そして、最後に保護層６で表面を保護した後、Ｐ型電極／Ｎ型電極８を形成する（図３（ｄ））。なお、トランジスタ部１８を形成する場合も、受光素子部１７を形成する場合とほぼ同様であるので、ここでは割愛する。さらに、上述のように受光素子部１７およびトランジスタ部１８を形成した後、凹部を異方性エッチングにより形成し、該凹部の底面に電極８を介して半導体レーザ素子１０を配置すれば図１で示す半導体発光装置が実現できる。
【００３６】
また、本実施形態においては｛１００｝面を主面とするシリコン単結晶基板１を用いたが、｛１１１｝面を主面とするシリコン単結晶基板を用いてもよい。
【００３７】
また、上述した作製方法とは別に、｛１００｝面から［０１１］方向に約１０°傾斜したシリコン単結晶基板５に酸素イオンを注入して該シリコン単結晶基板５中にシリコン酸化膜層４を形成することで半導体基板１６を作製してもよい。この場合、２つの基板を貼り合わせる工程と、貼り合わせた後に一方の基板の一部を除去する工程を省略することができる。さらに、Ｎ型シリコン単結晶基板１も不要になる。
【００３８】
また、とりわけ、４５°ミラーを得るために｛１００｝面に対してオフアングルを設けたシリコン単結晶基板１の上に｛１００｝等価面を主面とするシリコン単結晶基板５を貼り合わせているのがよい。その場合、シリコン単結晶基板５に係るプロセス条件、例えばイオン注入等の条件を、｛１００｝等価面を有するシリコン基板に関するプロセス条件に合わせることができる。
【００３９】
また、本実施形態においては、シリコン分離領域１２として（１１１）面を主面とするシリコンを用いてもよい。
【００４０】
なお、本実施形態においては、受光素子部１７およびトランジスタ部１８としてそれぞれ単一の素子で構成した例を示したが、もちろん、複数の受光素子およびトランジスタを集積していてもよい。また、受動素子として抵抗や容量等の素子を複数集積化することも現在のプロセス技術を使用すれば可能である。このようにして、信号演算回路全体を半導体基板１６へ集積すれば、外部に別途、信号演算回路を設ける必要がなくなり、光ディスク装置を安価にすることができる。また、受光素子と外部回路との間の配線長が短縮されることにより、光ディスク装置に内蔵される光ディスク駆動装置からのノイズの影響が激減するので、再生特性の非常に良好な光ディスク装置が得られるという効果もある。
【００４１】
さらに、ここでは、各基板ならびに各層ならびに各領域における導電型のみを示し、各基板ならびに各層ならびに各領域のキャリア濃度もしくはドーピング密度については明記していないが、受光素子部１７およびトランジスタ部１８が最適に機能するように設計するのは言うまでもない。また、トランジスタ部１８におけるトランジスタとしてＮＰＮ型のバイポーラトランジスタを例として示したが、もちろんＰＮＰ型のバイポーラトランジスタを使用してもよい。さらに、ＭＯＳ型のトランジスタを使用しても何ら問題はない。また、導電型を示さなかった基板、層、領域についてはどのような導電型であってもよい。
【００４２】
また、高速応答性の必要のない受光素子ならびにトランジスタについてはシリコン単結晶基板５に形成してもよい。例としては、半導体レーザ素子１０の後光を受光して出力パワーを制御するための受光素子ならびにトランジスタ回路が考えられる。このような受光素子ならびにトランジスタ回路の形成方法としては、例えば、予めシリコン単結晶基板５に形成しておき、その後図２および図３に示した工程により半導体基板１６を作製する方法がある。
【００４３】
（実施形態２）
以下、図４、図５を用いて本実施形態２について説明する。本実施形態における半導体基板の構成は基本的には実施形態１で示した半導体基板１６の構成と同様である。従って、半導体基板の構成は実施形態１の図１で示した半導体基板１６で代用し、ここでは省略する。
【００４４】
本実施形態と異なる点はシリコン酸化膜層４の膜厚を最適化した点である。以下ではこの点に絞って本実施形態の説明を行う。
【００４５】
図４は、半導体基板１６のシリコン酸化膜層４付近を拡大した図である。ここで、シリコン単結晶基板５と、シリコン酸化膜層４と、Ｎ型シリコン単結晶基板１とは屈折率が異なるため、多層膜反射ミラーを形成する。すなわち、図４に示すようにＮ型シリコン単結晶基板１からシリコン酸化膜層４へ入射した光は多重反射を繰り返す。ここで、Ｎ型シリコン単結晶基板１とシリコン単結晶基板５の屈折率をｎ１とし、シリコン酸化膜層４の屈折率をｎ２とする。また、シリコン酸化膜層４の膜厚をＤ、シリコン酸化膜層４への光の入射角をθ、入射光の真空中の波長をλとする。このとき、反射光の隣り合う光路（例えば光路Ｌ１とＬ２）の位相差をδとすると、
【００４６】
【数７】
【００４７】
と表され、これを用いて、該多層膜ミラーの反射率Ｒは下記式で表される。
【００４８】
【数８】
【００４９】
【数９】
【００５０】
なお、図４においてｎ１はＮ型シリコン単結晶基板１ならびにシリコン単結晶基板５の屈折率、ｎ２はシリコン酸化膜層４の屈折率、一点鎖線は反射面に対する垂直方向を表す。
【００５１】
図５に多層膜反射ミラーの反射特性の一例を示す（θを０°に固定し、シリコン酸化膜厚Ｄを変化させた場合について計算し、ｎ１＝３．４５、ｎ２＝１．４６とした）。なお、図５において曲線Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ波長７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４００ｎｍに関する反射特性のグラフを表す。ここで、ＣＤ−ＲＯＭ等の７８０ｎｍ帯の光を利用する光ピックアップに本実施形態の半導体基板１６が組み込まれる場合には、シリコン酸化膜層４の厚みＤを１３０ｎｍ付近に設定する。そうすれば、受光素子を透過してシリコン単結晶基板５へ入射していく光のうちの、ほぼ５０％近くを多層膜反射ミラーにより反射し、再度受光素子へと入射させることができるので、受光感度が劇的に向上する。
【００５２】
以上、発光素子を配置するのに適した第一のシリコン単結晶層であるシリコン単結晶基板５と、受光素子やトランジスタを形成するための第二の半導体単結晶層であるＮ型シリコン単結晶基板１とを、絶縁層であるシリコン酸化膜層４を介して積層した半導体基板１６を用いれば、高速応答性に優れるのみならず、受光感度も非常に高い受発光素子の集積に適した半導体基板を実現することができる。
【００５３】
なお、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の６５０ｎｍ帯を使用する光ピックアップや次世代のＨＤ−ＤＶＤ等の４００ｎｍ帯を使用する光ピックアップに本実施形態の半導体基板が組み込まれる際には同様の設計によりシリコン酸化膜層４の膜厚を決定すればよい。また、ＣＤ−ＲＯＭとＤＶＤ−ＲＯＭを同時に再生／記録するような多波長に対応した光ピックアップに対しては、多層膜反射ミラーの反射率がどちらの波長の光に対しても少なくとも３０％以上になるようにシリコン酸化膜層４の膜厚を決定すればよい。
【００５４】
また、本実施形態においては、Ｎ型シリコン単結晶基板１とシリコン単結晶基板５の屈折率が同一の場合を示したが、もちろん、異なる場合にも同様の手法で設計可能である。また、受光素子に対して受光する光が斜入射する場合には、その効果も考慮した設計を行うのは言うまでもない。さらに、多層膜反射ミラーの反射特性はシリコン酸化膜厚Ｄに対して周期的に変化するので、所望の反射率を得るためのシリコン酸化膜厚Ｄはひとつではない（図５は２００ｎｍまでしか計算していないが、４００ｎｍ付近でも７８０ｎｍの光に対して反射率が５０％近くになる）。
【００５５】
また、シリコン酸化膜層４の代わりにシリコン窒化膜を用いてもよい。さらにシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを交互に多層膜として形成してもよい。さらに、シリコン膜とシリコン酸化膜、またはシリコン膜とシリコン窒化膜とを交互に多層膜として形成してもよい。
【００５６】
また、シリコン酸化膜層４の代わりに酸化アルミニウムや酸化チタン等の単層膜または多層膜を用いてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体基板は、｛１００｝面から［０１１］方向に傾斜した面を主面とする第一のシリコン単結晶層と、第二の半導体単結晶層とが、絶縁層を介して積層されていることを特徴とする半導体基板であり、（１）半導体レーザ素子を配置するのに適した第一のシリコン単結晶層を有する、（２）絶縁層上の第二の半導体単結晶層に受光素子ならびにトランジスタを構成すれば該受光素子ならびに該トランジスタと、第一のシリコン単結晶層との間に生じる寄生容量の影響がなくなるため高速応答性が著しく向上する、（３）第一のシリコン単結晶層と、絶縁層と、第二の半導体単結晶層とで屈折率差の違いにより反射ミラーが形成され、本来なら受光素子を透過して第一のシリコン単結晶層へと侵入していく光を受光素子の形成された第二の半導体単結晶層へと反射させることができるので受光感度が向上する、という３つの効果により、受発光素子の集積に好適な半導体基板が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における半導体発光装置を示す断面図
【図２】同半導体基板の製造方法を示す断面図
【図３】同受光素子の製造方法を示す断面図
【図４】本発明の実施形態２における半導体発光装置の、シリコン酸化膜近傍の様子を示す断面図
【図５】同半導体発光装置の、シリコン酸化膜に関する反射率特性を示す図
【図６】従来の半導体発光装置の上面図
【図７】従来の半導体発光装置のＥ−Ｅ断面図
【符号の説明】
１ Ｎ型シリコン単結晶基板
２ Ｎ型シリコン埋め込み領域
４ シリコン酸化膜層
５ シリコン単結晶基板
６ 保護層
７ Ｎ型シリコンコンタクト領域
８ 電極
９ Ｐ型シリコン拡散領域
１０ 半導体レーザ素子
１１ 反射ミラー
１２ Ｐ型シリコン分離領域
１３ Ｎ型シリコンエミッタ領域
１４ Ｐ型シリコンベース領域
１５ Ｎ型シリコンコレクタコンタクト領域
１６ 半導体基板
１７ 受光素子部
１８ トランジスタ部
Ｌ１ 光路
Ｌ２ 光路
Ｌ３ 光路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク装置等に用いられる半導体発光装置および半導体基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、広く普及しているコンパクトディスク（ＣＤ）やデジタルヴァーサタイルディスク（ＤＶＤ）といった光ディスク装置に搭載される光ピックアップには、光源である半導体レーザ素子と、光ディスクからの反射光を受光してサーボ信号および再生信号を検出するための受光素子が必要である。近年、光ピックアップの組立工程を簡素化し、光ピックアップおよび光ディスク装置を小型化する目的で、光源である半導体レーザ素子と検出部である受光素子、さらには信号演算回路を集積化した半導体発光装置が数多く提案されてきた。その一例を図６および図７に示す。このような構成は、例えば特公平６−４４６５７号公報に記載されている。以下、この構成について概説する。なお、図６は平面図、図７は図６のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。
【０００３】
図面において、１０１は半導体基板、１０２は傾斜した反射面で半導体基板１０１の略中央部に形成されており、この傾斜した反射面は結晶方向の適宜な選択に基づく異方性エッチングにより形成され、半導体基板１０１表面に対して略４５°の傾斜角度を有している。１０３は反射面１０２の下端部とＶ状溝１０４を介して連なるレーザ素子固着面で、半導体基板１０１表面と平行に反射面１０２から遠ざかる方向に延びている。１０５は該レーザ素子固着面１０３の反射面１０２側の領域に形成された半田層で、該半田層１０５上に半導体レーザ素子１０６がボンディングされている。１０７はその半導体レーザ素子１０６の活性層である。該半導体レーザ素子１０６はそのレーザビーム出射端面１０８が反射面１０２側を向くような向きでボンディングされる。レーザ素子固着面１０３の半導体レーザ素子ボンディング部の後側（即ち、モニター用レーザビーム出射端面１０９側）にはモニター用レーザビームを受光するＡＰＣ用フォトダイオード素子１１０が形成されている。１１１はサーボ用４分割フォトデテクタで、４つのフォトダイオード素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄからなる。この４つのフォトダイオード素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄは反射面１０２のまわりに形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の半導体発光装置においては、サーボ用４分割フォトデテクタ１１１と半導体基板１０１との間に生じる寄生容量のために光ディスク装置の高速応答性が悪く、近年市場からの要望が増大している再生専用ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ）または再生専用ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）の高倍速再生に対応できないという課題があった。
【０００５】
また、ＣＤ−ＲＯＭ再生には７８０ｎｍ帯の波長が使用され、ＤＶＤ−ＲＯＭ再生には６５０ｎｍ帯の波長が使用されるが、これらの光を同一の受光素子で受光する場合、受光素子への侵入長が異なるため、両方の光に対して受光素子が効率良く受光できなかった。
【０００６】
そこで、本発明は上記従来の課題を解決し、発光素子を配置するのに適したシリコン単結晶層と、信号演算回路ならびに受光素子を形成するためのシリコン単結晶層とを、絶縁層を介して積層した半導体基板を使用することにより、高速応答性ならびに受光感度に優れ、受発光素子の集積に適した半導体発光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体発光装置は、基板と、前記基板の上に形成された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成された半導体層とを有し、前記基板の上には半導体発光素子が載置され、前記半導体層には電子素子が形成されたものである。
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の半導体発光装置は、基板と、前記基板の上に積層された絶縁層と、前記絶縁層の上に積層された半導体層とを有し、前記半導体層および前記絶縁層を通して前記基板まで到達する凹部が形成されており、前記凹部の底面に半導体発光素子が載置され、前記凹部の側面に前記半導体発光素子からの光を反射するミラーが形成され、前記半導体層には受光素子部及び信号演算回路となるトランジスタ部が形成され、前記受光部及び前記トランジスタ部は前記絶縁層によって前記基板と電気的に絶縁されており、前記受光素子部を透過して前記基板に入射していく光は、前記基板と、前記絶縁層及び前記半導体層とで構成される多層膜反射ミラーにより反射して、再度前記受光素子部に入射され、前記多層膜反射ミラーの反射率が７８０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯の光に対してどちらも少なくとも３０％以上になるように前記絶縁層の膜厚が設定されたものである。
【０００９】
この構成により、基板と半導体層との間に絶縁層を有しているので、基板と受光素子部及び信号演算回路となるトランジスタ部との間に生じる寄生容量の影響が小さくなり、光ディスク装置の高速応答性が著しく向上するとともに、前記基板と、前記絶縁層及び前記半導体層とで構成される多層膜反射ミラーでの反射率が３０％以上であることにより、従来の場合よりも受光素子部及び信号演算回路となるトランジスタ部の形成された半導体層に向けてより多くの光を反射させることができる。
【００１０】
本発明の半導体発光装置は、かかる構成につき、前記凹部の一側面と、前記凹部の底面とがなす角度が４０°以上５０°以下であることにより、半導体発光素子から放射される光を基板に対してほぼ垂直な方向に導くことができる。
【００１１】
本発明の半導体発光装置は、かかる構成につき、基板は｛１００｝面から［０１１］方向に傾斜した面を主面とする基板であることにより、凹部の一側面を｛１１１｝面として４５°ミラーとすることができる。
【００１２】
本発明の半導体発光装置は、かかる構成につき、傾斜した面の｛１００｝面に対する傾斜角度が５°以上１５°以下であることにより、凹部の一側面を｛１１１｝面として半導体発光素子の端面に対して４０°以上５０°以下の傾斜を有するミラーとすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１から図３を用いて本発明の実施形態１における半導体基板を説明する。図１は本発明の実施形態１における半導体発光装置の断面図である。この半導体発光装置は大きく分けて３つの層から構成されている。すなわち、（１００）面またはそれと等価である面（（００１）面および（０１０）面、以下（１００）面に等価である面のうち適当に選ばれた１つを（１００）面を含めて｛１００｝面という）から＜０１１＞等価方向（＜０１１＞、＜１０１＞、＜１１０＞、以下これらの等価方向のうち適当に選ばれた１つを［０１１］方向という）に約１０°傾斜した面を主面とするシリコン単結晶基板５と、その上部に積層された絶縁層であるシリコン酸化膜層４と、シリコン酸化膜層４の上部に積層された｛１００｝面を主面とするＮ型シリコン単結晶基板１よりなる。
【００２８】
さて、半導体発光装置には水酸化カリウム系水溶液による異方性エッチングによりシリコン単結晶基板５まで到達する凹部が形成され、シリコン単結晶基板５上に位置する該凹部の底面に半導体レーザ素子１０が配置されている。ここで、シリコン単結晶基板５は｛１００｝面から［０１１］等価方向に約１０°傾斜した面を主面とするため、前記異方性エッチングにより、該凹部の一側面に該凹部底面と約４５°の角度をなす（１１１）等価面すなわち｛１１１｝面が現れる。この｛１１１｝面は反射ミラー１１として働くので、半導体レーザ素子１０からの出射ビームを、反射ミラー１１を介して容易に上部へ取り出すことができる。
【００２９】
次に、絶縁層であるシリコン酸化膜層４上に位置するＮ型シリコン単結晶基板１にはＰ型シリコン分離領域１２で分離された、受光素子部１７とトランジスタ部１８が形成されている。受光素子部１７は、電極８とＰ型シリコン拡散領域９とＮ型シリコンコンタクト領域７とＮ型シリコン単結晶基板１（Ｎ型シリコン単結晶層として機能する）およびＮ型シリコン埋め込み領域２から構成され、受光素子部１７に入射した光はＰ型シリコン拡散領域９とＮ型シリコン単結晶基板１との間に生じる空乏層（図では省略）で主に吸収され電極８を介し、光電流として出力される。一方、トランジスタ部１８は、Ｎ型シリコンエミッタ領域１３とＰ型シリコンベース領域１４とＮ型シリコンコレクタコンタクト領域１５とＮ型シリコン単結晶基板１およびＮ型シリコン埋め込み領域２とから構成される。この構成においては、トランジスタ部１８のコレクタ部がシリコン酸化膜層４によりシリコン単結晶基板５と電気的に絶縁されているので、コレクタ部とシリコン単結晶基板５との間に寄生容量は発生せず、トランジスタの高速応答性を著しく向上させることができる。
【００３０】
以上のように、発光素子を配置するのに適した第一のシリコン単結晶層であるシリコン単結晶基板５と、受光素子やトランジスタを形成するための第二の半導体単結晶層であるＮ型シリコン単結晶基板１とを、絶縁層であるシリコン酸化膜層４を介して積層した半導体基板を用いれば、高速応答性の優れた受発光素子の集積に適した半導体発光装置を実現することができる。また、このシリコン酸化膜層４を介して積層した半導体基板についてはシリコン酸化膜層４がシリコン単結晶基板５およびシリコン単結晶基板１と屈折率が異なるので、シリコン酸化膜層４をミラーとして用いることができ、受光素子部１７に効率よく光を導くことができる。
【００３１】
なお、反射ミラー１１に金などの金属をコーティングすることで、反射効率を向上させることができる。この場合、半導体レーザ素子１０の出力パワーを大幅に抑制することが可能になるので、低消費電力型の受発光素子を集積するのに適した半導体基板が実現できる。さらに、コーティング材料としてＳｉＯ２／ＳｉＮなどの誘電体多層膜を用いれば、該多層膜の膜厚や屈折率を調整することで半導体レーザ素子１０の発振波長に対して最も反射効率のよいミラー面を設計することができる。
【００３２】
半導体基板１６の製造方法として、例えば、図２（ａ）〜（ｄ）に示す方法が考えられる。まず、｛１００｝等価面を主面とするシリコン単結晶基板５を用意し（図２（ａ））、表面を酸化してシリコン酸化膜層４を形成する（図２（ｂ））。次に、Ｎ型シリコン単結晶基板１を、シリコン酸化膜層４を介してシリコン単結晶基板５に貼り付ける（図２（ｃ））。そして受光素子やトランジスタを形成するのに適した厚みにまでＮ型シリコン単結晶基板１を削る（図２（ｄ））。ここで、シリコン単結晶（真性）の吸収係数ならびに侵入長の波長依存性を示すと表１のようになる。
【００３３】
【表１】
例えば、ＤＶＤ−ＲＯＭ再生に使用される６５０ｎｍ帯の波長を受光するためにはＮ型シリコン単結晶基板１の残り厚を少なくとも３．２μｍ以上にするのが望ましい。
【００３５】
受光素子部１７を形成する工程としては、例えば図３（ａ）〜（ｄ）に示すものが考えられる。まずＮ型シリコン埋め込み領域２およびＮ型シリコンコンタクト領域７をＮ型シリコン単結晶基板１に形成し（図３（ａ））、次にＰ型シリコン分離領域１２を形成し（図３（ｂ））、Ｐ型シリコン拡散領域９を形成する（図３（ｃ））。そして、最後に保護層６で表面を保護した後、Ｐ型電極／Ｎ型電極８を形成する（図３（ｄ））。なお、トランジスタ部１８を形成する場合も、受光素子部１７を形成する場合とほぼ同様であるので、ここでは割愛する。さらに、上述のように受光素子部１７およびトランジスタ部１８を形成した後、凹部を異方性エッチングにより形成し、該凹部の底面に電極８を介して半導体レーザ素子１０を配置すれば図１で示す半導体発光装置が実現できる。
【００３６】
また、本実施形態においては｛１００｝面を主面とするシリコン単結晶基板１を用いたが、｛１１１｝面を主面とするシリコン単結晶基板を用いてもよい。
【００３７】
また、上述した作製方法とは別に、｛１００｝面から［０１１］方向に約１０°傾斜したシリコン単結晶基板５に酸素イオンを注入して該シリコン単結晶基板５中にシリコン酸化膜層４を形成することで半導体基板１６を作製してもよい。この場合、２つの基板を貼り合わせる工程と、貼り合わせた後に一方の基板の一部を除去する工程を省略することができる。さらに、Ｎ型シリコン単結晶基板１も不要になる。
【００３８】
また、とりわけ、４５°ミラーを得るために｛１００｝面に対してオフアングルを設けたシリコン単結晶基板１の上に｛１００｝等価面を主面とするシリコン単結晶基板５を貼り合わせているのがよい。その場合、シリコン単結晶基板５に係るプロセス条件、例えばイオン注入等の条件を、｛１００｝等価面を有するシリコン基板に関するプロセス条件に合わせることができる。
【００３９】
また、本実施形態においては、シリコン分離領域１２として（１１１）面を主面とするシリコンを用いてもよい。
【００４０】
なお、本実施形態においては、受光素子部１７およびトランジスタ部１８としてそれぞれ単一の素子で構成した例を示したが、もちろん、複数の受光素子およびトランジスタを集積していてもよい。また、受動素子として抵抗や容量等の素子を複数集積化することも現在のプロセス技術を使用すれば可能である。このようにして、信号演算回路全体を半導体基板１６へ集積すれば、外部に別途、信号演算回路を設ける必要がなくなり、光ディスク装置を安価にすることができる。また、受光素子と外部回路との間の配線長が短縮されることにより、光ディスク装置に内蔵される光ディスク駆動装置からのノイズの影響が激減するので、再生特性の非常に良好な光ディスク装置が得られるという効果もある。
【００４１】
さらに、ここでは、各基板ならびに各層ならびに各領域における導電型のみを示し、各基板ならびに各層ならびに各領域のキャリア濃度もしくはドーピング密度については明記していないが、受光素子部１７およびトランジスタ部１８が最適に機能するように設計するのは言うまでもない。また、トランジスタ部１８におけるトランジスタとしてＮＰＮ型のバイポーラトランジスタを例として示したが、もちろんＰＮＰ型のバイポーラトランジスタを使用してもよい。さらに、ＭＯＳ型のトランジスタを使用しても何ら問題はない。また、導電型を示さなかった基板、層、領域についてはどのような導電型であってもよい。
【００４２】
また、高速応答性の必要のない受光素子ならびにトランジスタについてはシリコン単結晶基板５に形成してもよい。例としては、半導体レーザ素子１０の後光を受光して出力パワーを制御するための受光素子ならびにトランジスタ回路が考えられる。このような受光素子ならびにトランジスタ回路の形成方法としては、例えば、予めシリコン単結晶基板５に形成しておき、その後図２および図３に示した工程により半導体基板１６を作製する方法がある。
【００４３】
（実施形態２）
以下、図４、図５を用いて本実施形態２について説明する。本実施形態における半導体基板の構成は基本的には実施形態１で示した半導体基板１６の構成と同様である。従って、半導体基板の構成は実施形態１の図１で示した半導体基板１６で代用し、ここでは省略する。
【００４４】
本実施形態と異なる点はシリコン酸化膜層４の膜厚を最適化した点である。以下ではこの点に絞って本実施形態の説明を行う。
【００４５】
図４は、半導体基板１６のシリコン酸化膜層４付近を拡大した図である。ここで、シリコン単結晶基板５と、シリコン酸化膜層４と、Ｎ型シリコン単結晶基板１とは屈折率が異なるため、多層膜反射ミラーを形成する。すなわち、図４に示すようにＮ型シリコン単結晶基板１からシリコン酸化膜層４へ入射した光は多重反射を繰り返す。ここで、Ｎ型シリコン単結晶基板１とシリコン単結晶基板５の屈折率をｎ１とし、シリコン酸化膜層４の屈折率をｎ２とする。また、シリコン酸化膜層４の膜厚をＤ、シリコン酸化膜層４への光の入射角をθ、入射光の真空中の波長をλとする。このとき、反射光の隣り合う光路（例えば光路Ｌ１とＬ２）の位相差をδとすると、
【００４６】
【数７】
と表され、これを用いて、該多層膜ミラーの反射率Ｒは下記式で表される。
【００４８】
【数８】
【数９】
なお、図４においてｎ１はＮ型シリコン単結晶基板１ならびにシリコン単結晶基板５の屈折率、ｎ２はシリコン酸化膜層４の屈折率、一点鎖線は反射面に対する垂直方向を表す。
【００５１】
図５に多層膜反射ミラーの反射特性の一例を示す（θを０°に固定し、シリコン酸化膜厚Ｄを変化させた場合について計算し、ｎ１＝３．４５、ｎ２＝１．４６とした）。なお、図５において曲線Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ波長７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４００ｎｍに関する反射特性のグラフを表す。ここで、ＣＤ−ＲＯＭ等の７８０ｎｍ帯の光を利用する光ピックアップに本実施形態の半導体基板１６が組み込まれる場合には、シリコン酸化膜層４の厚みＤを１３０ｎｍ付近に設定する。そうすれば、受光素子を透過してシリコン単結晶基板５へ入射していく光のうちの、ほぼ５０％近くを多層膜反射ミラーにより反射し、再度受光素子へと入射させることができるので、受光感度が劇的に向上する。
【００５２】
以上、発光素子を配置するのに適した第一のシリコン単結晶層であるシリコン単結晶基板５と、受光素子やトランジスタを形成するための第二の半導体単結晶層であるＮ型シリコン単結晶基板１とを、絶縁層であるシリコン酸化膜層４を介して積層した半導体基板１６を用いれば、高速応答性に優れるのみならず、受光感度も非常に高い受発光素子の集積に適した半導体基板を実現することができる。
【００５３】
なお、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の６５０ｎｍ帯を使用する光ピックアップや次世代のＨＤ−ＤＶＤ等の４００ｎｍ帯を使用する光ピックアップに本実施形態の半導体基板が組み込まれる際には同様の設計によりシリコン酸化膜層４の膜厚を決定すればよい。また、ＣＤ−ＲＯＭとＤＶＤ−ＲＯＭを同時に再生／記録するような多波長に対応した光ピックアップに対しては、多層膜反射ミラーの反射率がどちらの波長の光に対しても少なくとも３０％以上になるようにシリコン酸化膜層４の膜厚を決定すればよい。
【００５４】
また、本実施形態においては、Ｎ型シリコン単結晶基板１とシリコン単結晶基板５の屈折率が同一の場合を示したが、もちろん、異なる場合にも同様の手法で設計可能である。また、受光素子に対して受光する光が斜入射する場合には、その効果も考慮した設計を行うのは言うまでもない。さらに、多層膜反射ミラーの反射特性はシリコン酸化膜厚Ｄに対して周期的に変化するので、所望の反射率を得るためのシリコン酸化膜厚Ｄはひとつではない（図５は２００ｎｍまでしか計算していないが、４００ｎｍ付近でも７８０ｎｍの光に対して反射率が５０％近くになる）。
【００５５】
また、シリコン酸化膜層４の代わりにシリコン窒化膜を用いてもよい。さらにシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを交互に多層膜として形成してもよい。さらに、シリコン膜とシリコン酸化膜、またはシリコン膜とシリコン窒化膜とを交互に多層膜として形成してもよい。
【００５６】
また、シリコン酸化膜層４の代わりに酸化アルミニウムや酸化チタン等の単層膜または多層膜を用いてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体基板は、｛１００｝面から［０１１］方向に傾斜した面を主面とする第一のシリコン単結晶層と、第二の半導体単結晶層とが、絶縁層を介して積層されていることを特徴とする半導体基板であり、（１）半導体レーザ素子を配置するのに適した第一のシリコン単結晶層を有する、（２）絶縁層上の第二の半導体単結晶層に受光素子ならびにトランジスタを構成すれば該受光素子ならびに該トランジスタと、第一のシリコン単結晶層との間に生じる寄生容量の影響がなくなるため高速応答性が著しく向上する、（３）第一のシリコン単結晶層と、絶縁層と、第二の半導体単結晶層とで屈折率差の違いにより反射ミラーが形成され、本来なら受光素子を透過して第一のシリコン単結晶層へと侵入していく光を受光素子の形成された第二の半導体単結晶層へと反射させることができるので受光感度が向上する、という３つの効果により、受発光素子の集積に好適な半導体基板が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における半導体発光装置を示す断面図
【図２】同半導体基板の製造方法を示す断面図
【図３】同受光素子の製造方法を示す断面図
【図４】本発明の実施形態２における半導体発光装置の、シリコン酸化膜近傍の様子を示す断面図
【図５】同半導体発光装置の、シリコン酸化膜に関する反射率特性を示す図
【図６】従来の半導体発光装置の上面図
【図７】従来の半導体発光装置のＥ−Ｅ断面図
【符号の説明】
１ Ｎ型シリコン単結晶基板
２ Ｎ型シリコン埋め込み領域
４ シリコン酸化膜層
５ シリコン単結晶基板
６ 保護層
７ Ｎ型シリコンコンタクト領域
８ 電極
９ Ｐ型シリコン拡散領域
１０ 半導体レーザ素子
１１ 反射ミラー
１２ Ｐ型シリコン分離領域
１３ Ｎ型シリコンエミッタ領域
１４ Ｐ型シリコンベース領域
１５ Ｎ型シリコンコレクタコンタクト領域
１６ 半導体基板
１７ 受光素子部
１８ トランジスタ部
Ｌ１ 光路
Ｌ２ 光路
Ｌ３ 光路
Claims (4)
- 基板と、前記基板の上に積層された絶縁層と、前記絶縁層の上に積層された半導体層とを有し、前記半導体層および前記絶縁層を通して前記基板まで到達する凹部が形成されており、前記凹部の底面に半導体発光素子が載置され、前記凹部の側面に前記半導体発光素子からの光を反射するミラーが形成され、
前記半導体層には受光素子部及び信号演算回路となるトランジスタ部が形成され、前記受光部及び前記トランジスタ部は前記絶縁層によって前記基板と電気的に絶縁されており、
前記受光素子部を透過して前記基板に入射していく光は、前記基板と、前記絶縁層及び前記半導体層とで構成される多層膜反射ミラーにより反射して、再度前記受光素子部に入射され、
前記多層膜反射ミラーの反射率が７８０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯の光に対してどちらも少なくとも３０％以上になるように前記絶縁層の膜厚が設定された半導体発光装置。 - 前記凹部の一側面と、前記凹部の底面とがなす角度が４０°以上５０°以下である請求項１記載の半導体発光装置。
- 前記基板は｛１００｝面から［０１１］方向に傾斜した面を主面とするシリコン基板である請求項２記載の半導体発光装置。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体発光装置を組み込んだ多波長に対応した光ピックアップ。
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