TW399333B - Light-receiving element - Google Patents

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Masaru Kubo
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Sharp Kk
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Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（i ) 發明背景 1.發明領域： 本發明係關於將供處理光電子轉換信號之電路被整合在 一起之電路整合型受光元件。更特別者，本發明係關於供 改善諸如供使用於拾取光學訊號之分割型光二極體元件及 類似物之受光元件應答速度之構造。· 2 .相關技藝之敘述： 到目前爲止光學訊號之拾取包含CD-ROM，數位影像光碟 (DVD )及類似物等各種種類之光碟裝置。在近年，CD-ROM裝置已被更積極而迅速地開發，以致於具有極高之應 答速度。目前具有4x至6x應答速度（即，應答速度爲正常 應答速度4至6倍）之CD-ROM裝置已上市。另外，具有8x至 12x應答速度之CD-ROM裝置已被開發完成並將於最近商品 化。另一方面，DVD亦已大量開發中。於DVD中，其有可 能以接近高達如CD-ROM之6倍之應答速度存取儲存在其中 之資訊。而極可能在不久的將來具有應答速度爲目前市售 DVD之二倍之DVD將被開發完成。 另外，此類光碟裝置目前需要處理儲存動畫及類似資料 所需之大量資訊。由於此等情況，實現高應答速度之光學 訊號存取爲一迫切性工作目標。 耷割型光二極體元件（其中受光區域被分割成多個光檢測 區域）習知上均使用作爲供光學訊號拾〆裝置之信號檢測元 件。 因爲近年來更小尺寸而高性能之光碟裝置已被提出，減 (請先閲讀背面之注意事項再·填寫本頁) -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（2 ) 少光學訊號拾取裝置之尺寸與重量變得越來越具重要性。 爲實現此類型光學訊號拾取裝置，一種光學组件己被提 出，其中產生循軌光束功能，光束分歧功能與產生誤差信 號功能被整合在全像元件中而與一雷射二極體與一分割型 光二極體元件被配置在同一套件内。 第7圖以圖示顯示在光學訊號拾取裝置中之此類光學系統 1000之典型配置。在本文中，將簡單説明光學系統1000如 何檢測信號之原理。 自雷射二極體110發射之光係入射於具有一繞射柵120與一 全像片130之一全像元件上（第7圖並未繪示元件之外部造 型），繞射栅120與全像片130則分別形成於全像元件之下表 面與上表面上。自雷射二極體110發射之光係由形成於全像 元件下表面之繞射栅120所分離而產生一循軌光束。循軌光 束係分裂爲三束光束，其包括兩束次光束供用於循軌及一 主要光束供讀取資訊信號。然後，光束被傳送經過形成在 全像元件上表面之全像片130以作爲零次光束，經由準直儀 透鏡140轉換成平行光束然後藉接物鏡150聚光在光碟160 上。 聚光被調變且被形成在光碟160上之小凹痕所反射；穿透 經接物鏡150與準直儀透鏡140 ;然後由全像片130繞射以致 於舉導引爲一次繞射光束入射在分割型光二極體元件170 上，在其上製有五個分割之光檢測光 > 極體區D1至D5 (在 本文以下，簡化參照爲"光檢測區％ )。於此狀況下，分割 之光二極體元件170之功能爲光學訊號拾取裝置之光學系統 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（3 ) 1000中之受光元件。 全像片130包含兩個分別具有不同繞射週期之區域。當主 要光束之反射光束入射在兩個區域之一時，光束被聚光在 介於檢測光區D2與D3間之線性隔離區。另一方面，當主要 光束之反射光束入射在全像片130上時，光束被聚光在檢測 光區D4上。兩束次光束之反射光束分別被聚光在光檢測區 D1與D5上。 在光學系統1000中，主要光束入射在分割型光二極體元 件170上之位置依在全像片130及光碟160間距離之差異沿著 垂直於光檢測區D2及D3之縱方向之方向移動。於主要光束 聚焦於光碟160上之情況下，其中之反射光束係入射在介於 光檢測區D2與D3間之隔離區。因此，假設分割型光二極體 元件170之光檢測區D1至.D5之輸出分別以S1至S5表示，聚焦 誤差信號F E S根據以下方程式而得： FES = S2-S3。 •另一方面，循軌誤差係藉所謂三光束法予以檢測。因爲 供循軌束次光束分別聚光在光檢測光區D1與D5上，循軌 誤差信號TES根據方程式TES = S1-S5而得，因此當循軌 誤差信號TES爲零時，主要光束正確地被定位於主要光束 所照射到之目標軌跡。 巧外，一複製之信號RF被提供作爲拾取主|光束之反射 光束之光檢測光區D 2至D 4之輸出 < 總合，其係依方程 式：RF = S2 + S3 + S4而得。 ’ 圖8顯示光系統1000之分割型光二極體元件170之平面圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) λ- 訂 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製
A7 B7五'發明説明（4) 於分割型光二極體元件170中，五個光檢測區D1至D5被形 成在一狹長區域之内，.如以上所述。此外，如圖8所示由所 有光檢測區D1至D5所共用之一對陽極電極172a與172b及相 對於五個光檢測區D1至D5之五個陰極電極174a至174e，被 配置以致於圍繞在光檢測區D1至D5所在之區域。 分割型光二極體元件170之外形由光學系統1000所決定。 如圖8所示所有光檢測區D1至D5呈現狹長之外形。其原因 如下。 於組合光學系統1000時，在雷射二極體110與分割型光二 極體元件170被裝入套件之後，具有全像片130與繞射柵120 之全像元件被粘附在套件之上表面。於此組合時，誤差可 能會由於雷射二極體110與分割型光二極體元件170之對位 而形成。此外，雷射二極體110之振動波長不僅依其個別產 品而可變且按照溫度之變化而可變。基於此等理由，繞射 光之繞射角度被改變，因此繞射光之入射位置偏差某些程 度。爲了處理此類問題，分割型光二極體元件170之受光平 面如圖8所示沿著Y方向即，沿著繞射光按照繞射角度改變 而入射之位置之方向，需要具有一較長之邊。 另一方面，在如圖8所示之X方向，繞射光之繞射角度並 不受振動波長之改變而影響，其係由於在個別產品中雷射 二择體110振動波長之改變或溫度變化所致之择動波長之改 變。另外，當雷射二極體110與分割g光二極體元件170對 位而造成誤差時可藉轉動粘著在.件上表面之全像元件予 以補償。因此，分割型光二極體元件170之受光平面沿著X (請先閎讀背面之注意事項再·填寫本頁)
、1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（，） D 方向不需要具有較長之一邊。反之，若入射時沿著X方向而 相互平行之三光束之相鄰光束間之距離夠大時，則不易調 整置於光碟裝置中之光學存取裝置之位置。因此，關於X方 向，光檢測區D1至D5之寬度與在光檢測區D1至D5間之隔離 區之諸寬度需變小。 根據以上之説明，分割型光二極體元件170之外形必須加 長。 圖9顯示一習知光檢測分割型光二極體元件170之剖視圖 圖示，其係沿著如圖8所示之IX-IX線觀察。可注意到於連 接金屬線路之處理步驟之諸個別步驟中所形成包含之多層 線路，保護膜及類似物件之各種组件於圖9中均予省略。 在以下之本文中，製造分割型光二極體元件170之方法將 參考圖10A至10D之剖視圖舉實例予以説明。於圖9與圖10A 至10D中，相同之組件係參考相同之編號。 首先，P型嵌埋擴散區域2被形成於P型半導體基質1之表 面附近區域其係將作爲供光檢測區D 1至D 5彼此隔離之隔 離區（第1 0A圖）。 接著，如圖1 0 B所示，一 N型悬晶成長層4 (在下文簡稱 MN型磊晶層"）形成覆蓋於P型半導體基質1之全部表面。然 後，P型隔離擴散區域5分別形成於N型磊晶層4對應於P型 嵌竿擴散區域2之内側區域。所製成之P型隔離擴散區域5 係垂直延伸自N型磊晶層4之表面達到P)型半導體基質1之上 ( 表面（或P型嵌埋擴散區域2之表'^ )。結果，N型磊晶層4 被分割成多個電氣隔離之N型半導體區域，以致個別光檢 (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印繁 A7 B7 五、發明説明（<) 6 測區D 1至D 5被形成如圖〗〇 c所示（雖然第丨〇 c圖並未繪示 光檢測區D4)。 然後，如圖10C所示，p型擴散層6係形成磊晶層4 之介於在右端之P型隔離擴散區域5與在左端之？型隔離擴 散區域5間表面區域，如此以致於覆蓋至少一部份p型隔離 擴散區域5之上表面作爲個別之光檢測區D }至D5之隔離 區。 接著如圖10D所示，當p型擴散層6形成時形成於p型擴 散層6與N型磊晶層4之表面上之氧化膜7之部份其所相對在 P型擴散層6表面上之受光區域被移除，且氮化物膜8被形 成於其上以取代上述之半導體基質丨。氮化物膜8之厚度被 设足爲與雷射二極體之波長匹配以使其具有抗反射膜之功 能。 接著，電極窗經由氧化膜7與氮化物膜8而設置。然後電 極線路9a被製成，同時地，金屬膜9被形成於氮化物膜8之 部价表面，在其上不會照射到光信號，因此獲得如圖9所示 之刀割型光一極體元件1 7 0之結構。另一方面，信號處理 區（未示出）藉實施一般之雙極1C製程被形成於半導體基 質1之上。
於個別之光檢測區D1至D5中，當一反向偏壓被施加於其 上日,，一空乏層（DEPLETION LAYER) 11如圖9所示係形成 於基質1之表面附近。 I 於分割型光二極體元件1 7 0中/在光檢測區D 1至D 5相互 間所鄰接之每一隔離區中之P - N連接係以P型擴散層6所覆 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (諳先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 7 7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 圖 置 五、發明説明（ 果，縱使氮化物膜8直接形成於分割型光二極體元件 ^面上，諸如連择漏損之增加等問題並不會發生。所 以，由光碟⑽所反射光之聚光束（纟以下本文中，此類反 射純參照爲"繞射光"·，因爲反射光亦被全像片13〇所繞 射）即使是在介於光檢測區加及加間之隔離區中也不會有 太多之受光平面之反射，其中聚光束實際上爲入射光。結 果，分割型光二極體170之敏，感性可獲改善。 此外，因爲金屬膜9被形成於繞射光束不會入射到之區域 (在此情沉下即，介於光檢測區〇1與〇2間之隔離區盥介 於光檢測區D3與D5間之隔離區），分割型光二極體元件 17〇更少有可能被迷走光或類似光線等所影響，因此分割型 光二極體元件Π0之S / N比率可被改善。 同速操作爲必要t需求，特別是在供處理複製信號之 光檢測區D2，D3與D4。於光束被照射在介於此等光檢測 區D 2與D 3間之隔離區之場合，特別是分割型光二極體元 件之截止頻率比較於光束被照射在個別光檢測區中心 之場合呈現降低。 實驗結果證明分割型光二極體元件17〇之截止頻率降低如 圖11A與11B所示。圖11A係顯示圖9中所示之分割型光二極 體元件170之光檢測區D2與D3附近之剖視圖。另—方面， 11B係代表分割型光二極體元件Π〇之截止頻率與光束位& 之依存性之圖示。於圖1丨3中，橫座標知表繞射光束於光檢 測區D2與D3附近之位置，而縱座）票代表在個別位置之截止 頻率fc ( MHz )。如圖11B所示，當光束被定位於介於光檢 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再，填寫本頁)
、1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（8) 測區D2與D3間之隔離區附近時截止頻率fc會降低。 於此情況下，P型半事體基質1之比阻抗被設定爲1 5歐姆 公分且在反向偏壓被施加於光二極體元件170之條件下截止 頻率被設定爲1.5V且負載阻抗被設定爲3 80歐姆。另一方 面，因爲使用於CD-ROM之光之波長λ爲780毫微米而使用 於DVD之光之波長λ爲635毫微米，相當於此等兩波長之光 二極體元件之截止頻率被測量得如實驗之結果。 如圖11Β所示，因爲在具有780毫微米波長之光照射在隔 離區之時，元件之應答速度相當於爲數MHz等級之截止頻 率，因特性之故元件可在4x之CD-ROM光碟裝置之中操作。 然而，元件無法在與具有6x或更高應答速度之CD-ROM匹 配操作。 另外，因爲在具有635毫微米波長之光照射在隔離區之 時，元件之應答速度相當於截止頻率20-奇MHz被照射在隔 離部分，元件可在具有正常應答速度之DVD中操作。然 而，因爲2x DVD需要具有30 MHz或更高之截止頻率之光二 極體元件，具有如圖9所示元件結構之分割型光二極體元件 不能與2x DVD匹配操作。 在光束照射在介於光檢測區D2與D3間之隔離區之狀態係 藉利用一裝置予以模擬分析。結果，其被獲得光學載子造 成在隔離區中P型嵌埋擴散區域2附近之繞行路徑以使到達 介於N型磊晶層4與P型半導體基質1間~連接區。當光學載 子依循此繞行路徑時，光學載子：之擴散移動距離變成較 長，因此引起上述截止頻率降低。 ---------------訂 (請先聞讀背面之注意事項再.填寫本頁) -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印裳 A7 B7五、發明説明（9) 此外，如圖11B所示差異存在於相當於具有780毫微米波 長之光之應答速度與相當於具有635毫微米波長之光之應答 速度間，因爲光之穿透深度（即光進入基質之穿透深度） 係隨其中之波長而改變。具有635毫微米波長之光具有更令 人滿意之應答特性，因爲光具有較短穿透深度與較短擴散 移動距離之光學載子。 ·· 圖12顯示在相當於介於光檢測區D2與D3間之隔離區之P型 嵌埋擴散區域2内及在隔離區附近所獲得電流路徑之模擬結 果，其中電流方向以箭頭表示。作爲光學載子子以相反方 向朝圖1 2箭頭所示之方向移動。 另外，圖1 3係顯示在介於鄰接之光檢測區間之隔離區内 之P型隔離擴散區域5於深度方向之位能分佈之圖示。如圖 1 3所示，位能分佈之功能係作爲電子或在基質1中朝向其 表面區域移動光學載子之位能障礙。所以，如圖1 2所示光 學載子移動同時造成繞行P型嵌埋擴散區域2之路徑。 如以上所述，一般使用於P型半導體基質1之比阻抗約1 5 歐姆公分。因此，如圖9所示在反向偏壓被施加於光檢測光 二極體區而構成個別之檢測區係1.5V之場合中，P型嵌埋擴 散區域2之深度Xj係約2.5微米，反之空乏層11之深度Xd不 大於約1.7微米。結果，光學載子運行約10-奇微米之距離同 時造成一繞行路徑，如圖1 2所示。 發明概述 I 本發明之受光元件包含：第一 #電型半導體基質；在第 一導電型半導體基質之表面上之特定區域所形成之第二導 I...... mu Ϊ. - 1- - - ill nn i 1— Hi! n^i —-I m nn \^ (請先閱讀背面之注意事項再.填寫本頁) -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 B7五、發明説明（1Λ) 1U 電型之第一半導體層；及至少一種第一導電型之半導體區 域以使其自第二導電型之第一半導體層之上表面延伸至第 一導電型之半導體基質表面，因而將第二導電型之第一半 導體層分割成爲多個第二導電型之半導體區域。於受光元 件中，第一導電型之半導體基質之比阻抗被設定在特定之 範圍内以使其在施加反向偏壓下第一導電型之半導體基質 中所形成之空乏層之深度Xd與自第一導電型之半導體區域 擴散進入第一導電型之半導體基質中之擴散深度X j之間 滿足X d S X j之條件式。 於一具體實例中，第二導電型之多個第二半導體區域被 嵌埋在第一導電型之半導體基質内以使其相當於多個各自 分割之第二導電型半導體區域。 於另一具體實例中，一特定之電路元件被形成於異於第 一導電型之半導體基質之表面上特定區域之區域。 於另一具體實例中，供檢測信號光之光檢測光二極體區 係由每一個第二導電型之多個分割之半導體區域與相當於 在第二導電型之半導體區域下之第一導電型之半導體基質 區域所製成。 於另一具體實例中，第一導電型之半導體基質之比阻抗 係介於約30歐姆公分至約1000歐姆公分。 於另一具體實例中，受光元件具有約.14 MHz或更高之應 答速度。 ί 於另一具體實例中，受光元件真有約30 MHz或更高之應 答速度。 -13- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ 297公釐） 五、發明説明（ 11 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印褽 以下茲説明本發明所可達到之功能或效果。 藉增加第一導電型半導體基質之比阻抗其中光係照射在 分割型光二極體元件之隔離區上，所欲製作之空乏層之寬 度（及或深度）可予增加。結果，空乏層之下端可被定位 於比P型嵌埋擴散區域之下端更深之位置。結果，雖然光學 載子移動同時造成繞行具有習知結構乏分割型光二極體裝 置之P型嵌埋擴散區域之路徑，根據本發明此類光學載子之 繞行路徑可被壓制因而擴散移動距離可被縮短。因此，分 割型光—極體元件之應答速度與截止頻率特性可被改善。 因此’本發明在本文中所述者可使在諸如分割型光二極 體兄件’特別是使用於供光學資訊存取之包含全像元件之 光學系統中將光束照射在介於鄰接之光檢測區間之隔離 區’以增加受光元件之應答速度之優點變爲可能。 本發明之此項與其它優點將在彼等熟練此方面技藝者參 考附圖而閲讀和了解以下詳細敘述後變得清楚明白。 圖示之簡單説明 圖1係顯π本發明之第一實例中之受光元件之結構剖視 圖。 圖2係顯示本發明之第二實例中之受光元件之結構剖視 圖。 岡3 Α至3D係列於圖2中之受光元件之個別攀造步驟之剖 視圖。 / / 圖4 A係列於圖2中之受光元件芝部份剖視圖，而圖4B係 列於圖2中之受光元件之截止頻率與光束位置之依存性。 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 旁 訂 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4^ ( 210χΤ97^~ A7 B7 經濟中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 圖5係顯示.裝置實施將光束照射在列於圖2中之受光元件 介於光檢測區間之隔離區之附近上之狀態模擬結果之圖 示 圖6係顯不本發明之第二實例中之受光元件之結構剖視 圖。 圖7係顯示使用全像元件之光學資料拾取裝置之光學系統 之投影圖示。 圖8係如圖7所示光學資料拾取裝置之光學系統所使用之 習知受光元件之平面圖。 圖9係圖8中所示之受光元件沿著IX-IX線觀察之剖視 圖。 圖10A至10D係列於圖9中之習知受光元件之個別製造步 驟之剖视圖。
圖UA係列於圖9中之習知受光元件之剖視圖，而圖nB 係列於圖9中習知受光元件之截止頻率與光束位置之依存性 圖示。 圖1 2係顯示裝置實施將光束照射在列於圖9中之受光元 件介於光檢測區間之隔離區之附近上之狀態模擬結果之圖 7F 0 、圖1 3係顯示於圖9所示之f知受光元件介於光檢測區間 之降離區附近之位能分佈。 圖14A與14B舉例説明於第—實例中/當卩型半導體基質之 比阻抗爲約50歐姆公分時光二福體元件之應答速度·圖 14A係顯示於圖所示之分割型光二極體元件1〇〇之光檢 -15- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) >11 本紙張度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210χ 297公瘦 A7 B7 13 五、發明説明（ 4區D 2及D 3附近之結構剖視圖；而圖i 4 b係表示分割型 光二極體元件100之截止頻率與光束位置依存性之圖示。 圖15A與15B舉例説明於第二實例中當p型半導體基質之 比阻抗爲約50歐姆公分時光二極體元件之應答速度：圖 15A係顯示於圖6中所示之分割型光二極體元件25Q之光檢 測區D2及D3附近之結構剖視圖；而圖15B係表示分割型 光二極體元件250之截止頻率與光束位置依存性之圖示。 圖16係顯示本發明之第三實例之受光元件之剖視圖，其 中電路整合型受光元件300不僅是分割型光二極體元件且信 5虎處理器被配置在相同之基質上。 圖17係顯示本發明之第三實例之受光元件之剖視圖，其 中電路整合型受光元件400不僅是分割型光二極體元件且信 號處理器被配置在相同之基質上。 較佳具體實例之叙述 實例1 在以下本文中，分割型光二極體元件1〇〇，即本發明之 第一實例之受光元件將參考圖示而予以描述。 圖1係分割型光二極體元件丨0 〇之剖视圖。可注意到於連 接金屬線路之處理步驟之諸個別步驟中所形成包含之多層 線路，保護膜及類似物件之各種组件於圖J中均予省略。 衿分割型光二極體元件100中，N型磊晶層4被形成於p型 半導體基質1之上，例如矽基質。於磊晶層4中，多個p 型隔離擴散區域5被形成以使其自'N型磊晶層4之表面垂亩延 伸。於半導體基質1之表面區域中，多個p型嵌埋擴散=域 -16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公疫） (請先閲讀背面之注意事項再'填寫本頁)
、1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 A7 _ I 一 — - _ B7 五、發明説明（14) ' ~ '~~~ -- 2在個別位置被形成以使其面對卩型隔離擴散區域$。n型磊 晶層4藉此等擴散區域2與5被分割成多個區域。供檢測光訊 號t多個光檢測區（或光檢測光二極體區）D丄至〇 5 (雖 然未列於圖丨中）在藉此方法及在基質i下之相當部份分 割N型磊晶層4所獲個別之半導體區域被製得。 於每一光檢測部分01至1)5中，當反向偏壓被施加於其上 時，空之層21被形成於基質！之表面之附近。在本文中， 根據本發明之分割型光二極體元件丨〇 〇係不同於習知之分 割型光二極體元件丨7 0，其中元件丨〇 〇之結構係空乏層2 1 之下端位於比相當於P型嵌埋擴散區域2之下端更深之基質 1之位置。 因爲製造分割型光二極體元件1〇〇之方法基本上相同於 參考圖1 Ο A至1 0 D所描述之習知分割型光二極體元件丨7 〇 根據本發明之分割型光二極體元件100與習知分割型光 二極體元件170之最大不同在於p型半導體基質i之比阻 抗。更特別地，於根據本發明之分割型光二極體元件丨〇 〇 中’ P型半導體基質1之比阻抗被設定以使其滿足以下之關 係： .X d ^ X j 其中Xd代表在施加反向偏壓至分割型,乂二極體元件i 〇 〇之 光檢測區D 1至D5時空乏層2 1擴充至基質1之表面區域之 深度而Xj代表自P型嵌埋擴散區域2擴散進入P型半導體基 -17- 本紙張尺度適用中國ij家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}
15 A7 B7 五、發明説明（ 質1中之擴散.深度（參考圖1 )。 m. I I ... . I I - - - - 1-- -i I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 藉設定在施加反向偏壓至光檢測區]31至1)5時空乏層幻 擴充至基質1之表面區域之深度Xd等於或較]?型嵌埋擴散區 域2 I擴散深度Xj爲深，繞行之光學載子之擴散移動距離 可被縮短。結果，將光束照射在介於鄰接之光檢測區間之 隔離區上時截止頻率之特性可被改善。.. P型半導體基質1之比阻抗較佳設定於自約3 〇歐姆公分至 約1000歐姆公分之範圍内，而更佳爲自約5〇歐姆公分至約 500歐姆公分之範圍内。 例如，藉設定P型半導體基質！之比阻抗爲约5〇歐姆公 分，於此情沉下，P型嵌埋擴散區域2之擴散深度Xj係約 2 · 5微米而施加於光檢測區之反向偏壓係約1 · 5 v，空乏層 2 1之深度變成約3.2微米且可比p型嵌埋擴散區域2之擴散 深度Xj (二2.5微米）更深。空乏層2 1之深度可藉如圖1所 不之此方式顯著增加，因此在介於光檢測區D 2與D 3間之 隔離區内之光學載子之擴散移動距離可被縮短且在隔離區 内之截止頻率可被增加。 經濟部中央榇準局員工消費合作社印製 圖1 4A及1 4B舉例説明當P型半導體基質1之比阻抗係约 50歐姆公分時於第1實例中之光二極體元件1〇〇之應答速 度。圖14A係顯示如圖1所示之分割型光二極體元件之光 檢嘲區D2至D3附近之結構。另外圖14B係代奉分割型光二 極體元件100之截止頻率與光束位置表依存性。於圖丨4 B 中，橫座標代表繞射光之光束於^檢測區D2及D3附近之位 置，而縱座標代表相對於個別光束位置之截止頻率fc -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裂 A7 B7五、發明説明（、） 16 (MHz )。與彼等使用於習知分割型光二極體元件170參考圖 11A與11B所描述之相同測量方法與條件被使用於本文中。 如圖14B所示，因爲對應於具有780毫微米波長之光，分 割型光二極體元件100之隔離區之應答速度爲約14 MHz，其 可能可確保光二極體元件之高性能而使得元件可與6x或8x 之CD-ROM匹配操作。 另外，因爲對應於具有635毫微米波長之光，元件之隔離 區之應答速度高達約30 MHz，光二極體元件可滿足2x DVD 之性能需求。 所以，藉設定基質之比阻抗於滿足Xd δ Xj關係式之範圍 内，可提供可應用於6x至8x CD-ROM及2x DVD之光二極體 元件。 如以上所述者，基質之比阻抗如變成較高，空乏層2 1可 被擴展至更太之程度且光學載子之移動距離可進一步被縮 短，因此可實現光二極體元件具較高應答速度。空乏層2 1 之深度範園可自約3微米至約4 0微米。 於將半導體基質1之比阻抗設定在範圍自約3 0歐姆公分 至約1 0 0 0歐姆公分之場合，以下之晶體成長方法可被利用 以符合比阻抗之目標値。例如，當比阻抗之目標値等於或 低於1 0 0歐姆公分時，利用諸如Czochralski (CZ)法之晶體成 長方法；當比阻抗之目標値高於100歐姆公分;且低於1000 歐姆公分時，利用諸如施加磁場-Czoc片ralski (MCZ)法之晶 體成長方法；而當比阻抗之目標値等於或高於1000歐姆公 分時，利用諸如浮動區段純化（FZ)法之晶體成長方法。 ----------------訂 (請先閏讀背面之注意事項再.填寫本頁) -19 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 經·濟部中央標準局員工消費合作社印袈 Μ _____'_Β7_ 五4明説明i 1?7 — 實例2 圖2顯示本發明之第二實例中分割型光二極體元件2〇〇之 剖視圖。可注意到於連接金屬線路之處理步碟之諸個別步 驟中所形成包含之多層線路，保護膜及類似物件之各種^ 件於圖2中均予省略。 分割型光一極體元件2〇〇之基礎結構’係相同於來考圖}之 第一實例疋分割型光二極體元件100 ^分割型光二極體元件 200係不同於其Ν型嵌埋擴散區域3被形成嵌埋於半導體基質 1之部份以使其相當於光檢測區D1至D5之分割型光二極體 元件1〇〇 (參考日本應用專利編號6_162412 )。於此實例 中，母一N型敗埋擴散區域3被形成以使ν型嵌埋擴散區域 3與鄰接之P型肷埋擴散區域2相距之距離較短於自p型後埋 擴散區域2之外圓周上每一點至N型磊晶層4之繞行距離乙。 在本文件内，分割型光二極體元件1〇〇之製法將參考圖 3 A至3 D之實例剖視圖説明予以描述。 首先’如圖3A所示，具有高濃度不純物（不純物濃度： 1 X 1〇19原子/立方米）之多個N型嵌埋擴散區域3被形成於 P型半導體基質i (例如矽基質）之表面區域以作爲光檢測 區。N型嵌埋擴散區域3之厚度係介於範園約3微米至約6微 米。此外’多個P型嵌埋擴散區域2被形成於供作使光檢測 區像此隔離之隔離區之區域。 接著如圖3B所示，_N型磊晶層4形/成覆蓋於p型半導體 基》1疋全部表面。然後，P型隔離擴散區域5分別形成於N 型磊晶層4對應於P型嵌埋擴散區域2之内側區域。所製成之 ___ -20- 張尺度適(_CNS) A4 規· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) i'衣· 訂
五、發明説明（） 18; P型隔離擴散區域5係自N型磊晶層4之表面垂直延伸。結 果’ N型磊晶層4被分割成多個電氣隔離之光檢測區di至 D 5如圖3 C所示被製成（雖然光檢測區d 4未列於圖3 C )。 然後，如圖3 C所示，P型擴散層6係形成於n型磊晶層4 之介於在右端之P型隔離擴散區域5與在左端之p型隔離擴 欢區域5間表面區域，如此以致於覆蓋p型隔離擴散區域5 <上表面作爲個別之光檢測區D 1至d 5之隔離區。 接著如圖3D所示，當P型擴散層6形成時形成於p型擴散 層6與N型磊晶層4之表面上之氧化膜7之部份其所相對在p 型擴散層6表面上之受光區域被移除，且氮化物膜8被形成 h其上以取代上述之半導體基。氮化物膜8之厚度被設 足爲與雷射二極體之波長匹配以使其具有抗反射膜之功 厶匕 Λ 月匕^ 接著，私極窗經由氧化膜7與氮化物膜8而設置。然後電 極線路9a被製成，同時地，金屬膜9被形成於氮化物膜8之 表面，在其上不會照射到光信號，因此獲得如圖2所示之分 割型光二極體元件200之結構。另—方面，信號處理區 (未示出）藉實施一般之雙極IC製程被形成於半導體基質 1之上。 精依上述方法於分割型光二極體元件2〇〇中形成具有高 濃度不純物之多個N型嵌埋擴散區域3，陰極側之_聯阻抗 被降低。因此，自串聯阻抗與光二極會元件之電容所計算 得之CR時間常數被降低，因此截止頻率特性被獲得改善。 圖4八係顯示圖2中所示之分割型光二接體細之 I i------、1T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 21
Ns C /IV 一準 標 |家 一國 國 I中 用 適 度 尺 張 紙 A7 B7 五、發明説明（19) 測區D2與D3之附近之剖視圖。另一方面，圖4B係代表分割 型光二極體元件200之截止頻率與光束位置之依存性之圖 示。於圖4B中，橫座標代表繞射光束於光檢測區D2與D3附 近之位置，而縱座標代表在個別位置之截止頻率fc (MHz)。 如圖4B所示，當光束被定位於介於光檢測區D2與D3間之隔 離區附近時，截止頻率fc會明顯降低達某種程度。然而， 降低之量係遠小於如參考圖11B所述之習知事例。 於此情況下，P型半導體基質1之比阻抗係約15歐姆公分且 量測條件與彼等於圖11A與11B中所利用者相同。 如圖2所示之分割型光二極體元件200實現了於其中之隔 離區相當於應答速度約20 MHz之截止頻率且其可與具有8x 或更低應答速度之CD-ROM匹配操作。 圖5顯示如圖2所示之分割型光二極體元件2 0 0中模擬光 學載子移動之模擬結果。於圖5中流動電流之方向如箭頭所 示。作爲光學載子之電子以相反方向朝圖5箭頭所示之方向 移動。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如以上所述，於分割型光二極體元件2 0 0中，每一N型嵌 埋擴散區域3被形成以使N型嵌埋擴散區域3與鄰接之P型嵌 埋擴散區域2相距之距離較短於自P型嵌埋擴散區域2之外 圓周上每一點至N型暴晶層4之繞行距離。因此，當施加反 向傳壓時，空乏層3 1 (其中之深度假設以X d表示之）被形 成於N型嵌埋擴散區域3下端朝向基質之垂直方向（參考 圖2 )。結果；當將光束照射在介於相鄰接之光檢測區隔離 區上時光學載子之擴散運行距離可被縮短自1 0 -奇微米至數 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2!0乂 297公釐） 20- 五、發明説明（ 此截止頻率可增加。截止頻率因⑶時間常數減而 另外被増加。 、：而，就如《圖5所7^(模擬結果，繞行P型盛埋擴教區 戍2<光學載子之距離如圖2所示在結構上仍爲數微米。所 以，當將光束照射在介於光檢測區間之隔離區上時應答頻 率仍然有所改善。 〃 因此，藉設定P型半導體基質i之比阻抗以使其以實施例 1相同（方式滿足以下之關係式，而當分割型光二極體元件 200如圖2所示之結構組成時獲得具有如圖⑽示結構之分割 型光二極體元件250。
Xd ^ Xj 其中xd代表在施加反向偏壓至分割型光二極體元件25 〇之 光檢測區D1至D5時空乏層41擴充至基質！之表面區域之深 度而Xj代表自P型後埋擴教區域2擴散進入p型半導體基質 1中之擴散深度（參考圖6)。介於圖2所示結構與圖6所 示結構間之差異係於圖6所示結構滿足（X d含χ j )之上述 關係。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再，填寫本頁) 藉設定在施加反向偏壓至光檢測區時空乏層41擴充至其 質1，之表面區域之Xd等於或較p型嵌埋擴散區域2之擴散深 度Xj爲深，繞行之光學載子之擴散移參距離可被縮短。以 致於將光束照射在介於鄰接之光耠測區間之隔離區上時截 止頻率之特性可被改善。 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（91) Z1 P型半導體.基質1之比阻抗較佳設定於自約30歐姆公分至 約1000歐姆公分之範圍内，而更佳爲自約50歐姆公分至約 500歐姆公分之範園内。 例如，藉設定P型半導體基質1之比阻抗爲約5 0歐姆公 分，於此情沉下，P型嵌埋擴散區域2之擴散架度Xj係約2.5 微米而施加於光檢測區之反向偏壓係約1.5V，空乏層41之 深度變成約3.2微米且可比P型嵌埋擴散區域2之擴散深度Xj (=2.5微米）更深。空乏層41之深度可藉如圖6所示之此方式 顯著增加，因此在介於光檢測區D2與D3間之隔離區内之光 學載子之擴散移動距離可被縮短且在隔離區内之截止頻率 可被增加。 圖15A及14B舉例説明當P型半導體基質1之比阻抗係約50 歐姆公分時於第2實例中.之光二極體元件250 (參考圖6 )之 應答速度：圖15 A係顯示如圖6所示之分割型光二極體元件 250之光檢測區D2至D3附近之結構。而圖15B係代表分割型 光二極體元件250之截止頻率與光束位置之依存性。於圖 15B中，橫座標代表繞射光之光束於檢測區D2及D3附近之 位置，而縱座標代表相對於個別光束位置之截止頻率fc (MHz)。於此情況下，測量方法與條件與彼等使用於習知分 割型光二極體元件參考圖11A與11B所描述者相同。 對應於具有78〇毫微米波長之光，元件之隔離區之截止頻 率可獲得爲約30 MHz，故此光二極體秦件之應答特性可滿 足應用於12x DVD之光二極體元件需求。 依此方式，藉组構具有在介於光檢測區間之隔離區内形 (請先閱讀背面之注意事項再.填寫本頁) 訂 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0’乂297公釐） A7 B7 五、發明説明（22) 成N型嵌埋擴散區域之光二極體元件與基質之比阻抗設定 在滿足根據本發明之XdSXj關係式之範圍内，可提供使用 於12x CD-ROM之光二極體元件。 於將半導體基質1之比阻抗設定在範圍自約30歐姆公分至 約1000歐姆公分之場合，如第一實例中所述及之相同晶體 成長方法可被利用以符合比阻抗之目檩値。例如，當比阻 抗之目標値等於或低於1 0 0歐姆公分時，利用諸如 Czochralski (CZ)法之晶體成長方法；當比阻抗之目標値高於 1 0 0歐姆公分且低於1 0 0 0歐姆公分時，利用諸如施加磁場-Czochralski (MCZ)法之晶體成長方法；而當比阻抗之目標値 等於或高於1000歐姆公分時，利用諸如浮動區段純化〇FZ) 法之晶體成長方法。 實例3 圖16顯示本發明之第三實例中之受光元件之剖視圖，電 路整合型受光元件300不僅是分割型光二極體元件且亦爲一 訊號處理器配置在相同基質上。在圖16中於連接金屬線路 之處理步驟之諸個別步驟中所形成包含之多層線路，保護 膜及類似物件之各種組件中均予省略。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再·填寫本頁) 在此電路整合型受光元件300中之分割型光二極體元件 300a之基礎結構係相同於參考圖1之第一實例之分割型光二 極體元件100。第三實例所不同於第一實例者#除分割型光 二極體元件300a於區域中形成外，信！^處理器300b形成於N 型磊晶層4之區域中。 在以下本文中，電路整合型受光元件300之製法將隨參考 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 五、發明説明（ 23 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印衆 圖16予以描述。於此情況下，11叩_11電晶體被製成以作爲信 號處理器300b。 首先，供減少集極阻抗之N型嵌埋擴散區域3被形成於在p 型半導體基質1上製成n-p-n電晶體之區域。此外，多個p型 敗埋擴散區域2被形成於供作使光檢測區彼此隔離之隔離區 之區域與隔離信號處理器之個別元件乏區域。 接著’一 N型磊晶層4形成覆蓋於p型半導體基質1之全部表 面。然後’ P型隔離擴散區域5分別形成於N型磊晶層4對應於 P型嵌埋擴散區域2之内側區域。所製成之P型隔離擴散區域 5係自N型悬晶層4之表面垂直延伸。 結果，個別光檢測區01至D5 (雖然光檢測區D4未列於圖 16中）與信號處理器之個別元件3〇〇b彼此被電氣隔離。 然後’ P型擴散層6係形成於N型epi層4之介於光二極體元 件300a之在右端之p型隔離擴散區域5與在左端之p型隔離擴 散區域5間表面區域，如此以致於覆蓋p型隔離擴散區域5之 上表面作爲個別之光檢測區D1至〇5之隔離區且在該區域之 某基質係供作形成訊號處理器3〇〇b。 接著，N型擴散區域1 〇被形成於n _ p _ n電晶體之欲製成射 極（emitter )之區域中及形成於信號處理器3〇〇b之欲製成集 極之區域中。 . ，_ 終後’當P型擴散層6形成時形成於p型擴散層6與n型悬 晶層4之表面上之氧化膜7之部份其所冷對在p型擴散層6表 面上之受光區域被移除，且氮化砝膜8被形成於其上以取代 之0 26 本紙張尺度適用中國囷家德進f ΓΝΚ、ΔΑ4Θ故/At - 7 si (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（24) 氮化物膜8之厚度被設定爲與雷射二極體之波長匹配以使 其具有抗反射膜之功能.。接著，電極窗經由氧化膜7與氮化 物膜8而設置。 然後電極線路9 a被製成，同時地，金屬膜9被形成於氮化 物膜8之表面上，在其上不會照射到光信號’。另外，基極 9b，射極極9c與集極9d同時在P型擴散層6之相當部份及 於信號處理器300b中之N型擴散區域10區域被製成。 依此方式，可獲得如圖16所示結構之電路整合型受光元 件300，其中分割型光二極體元件300a與信號處理器300b被 配置在相同之基質上。 因爲第三實例之分割型光二極體无件係與第一實例之元 件相同，關於分割型光二極體元件特性之詳細敘述將在本 文中省略。 於此第三實例中，可獲得其中依與第一實例相同之方法 改善之在分割型光二極體元件隔離區中之應答特性之電路 整合型受光元件。 實例4 圖1 7顯示本發明之第四實例中之受光元件之剖視圖，電 路整合型受光元件4 0 0不僅是分割型光二極體元件且亦爲 一訊號處理器配置在相同基質上。在圖1 7中於連接金屬線 路冬處理步驟之諸個別步驟中所形成包含之多.層線路，保 護膜及類似物件之各種組件中均予省^。 在此電路整合型受光元件400中之分割型光二極體元件 300a之基礎結構係相同於參考圖1之第一實例之分割型光二 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ------ 1 —I— In. ί— - - . - —1 - H. ,·^-i: - : m illi --1 \OJ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（25) 極體元件100。第四實例所不同於第一實例者係除分割型光 二極體元件300a於區域.中形成外，信號處理器400b形成於N 型磊晶層4之區域中。 一 P型嵌埋擴散區域la，及第三實例之信號處理器300b之 個別组件，被提供作爲信號處理器400b。卩型·嵌埋擴散區域 la在P型半導體基質1相當於信號處理器'·區400b之表面區域被 製成。P型嵌埋擴散區域la之厚度範圍介於約5微米至約10微 米。 P型嵌埋擴散區域1 a被提供以防止因信號處理器400b所引 起之閉鎖現象且若增加基質之比阻抗爲必要之時視情況被 製得。 於第三與第四實例中，應用到與第一實例之分割型光二 極體元件具有相同結構之分割型光二極體元件。另外，具 有與第二實例所述參考圖6之光二極體元件250相同結構之 分割型光二極體元件可與信號處理器被配置在相同之基質 上。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於前面之敘述中，本發明已被應用於分割型光二極體元 件中，其係被使用作爲接受光學資訊存取光學系統中之光 碟所反射之光之受光元件。另外，本發明係適用於任何其 他之光學系統或具有不同外形之光二極體元件。 痒意到本發明係適用於前述使用所有導電型_ (即，P型與 N型）型態相反之组態結構中。於此場>，亦可達到與上述 效應相同之效應。 由先前描述與根據本發明所明瞭可知，藉增加第一導電 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _^__B7_^_ 五、發明説明（％) 26 型（例如，P型）之半導體基質之比阻抗，在光檢測區中朝向 基質擴展之空乏層之寬度（或深度）被設定成等於或大於在 半導體基質中光檢測區之隔離區域之擴散深度。結果；光 .學載子沿著第一導電型（例如，P型嵌埋擴散區域）半導體區 域之繞行路徑之擴散移動距離可被縮短，因此分割型光二 極體元件之應答速度被增加而其中之頻率特性可被改善。 根據本發明，對應於具有780毫微米波長之光，可獲得光二 極體元件之應答速度爲約14 MHz，而對應於具有635毫微米 波長之光，可獲得光二極體元件之應答速度爲約30 MHz或 更高。 另外，本發明亦係適用於製成第二導電型（例如，N型嵌 埋擴散區域）之嵌埋擴散區域以嵌埋於相當於光檢測區之半 導體基質之表面區域之結構。於此場合，光學載子沿著第 一導電型（例如，P型嵌埋擴散區域）半導體區域之繞行路徑 之擴散移動距離可被進一步縮短，因此分割型光二極體元 件之應答速度及頻率特性可被改善。 對彼等熟練此方面技藝者而言各種其他修正在不脱離本 發明之範園與樣態下將清晰明白且易於實施。因此，本文 並不嚐試將本文中所提列之申請專利範圍限制於本文先前 之説明中，反之諸申請專利範園係可予廣泛'地解釋。 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） --I H- - - 1 - I- --- - II I- I I \~'-^- - .....ml ....... ....... —II (請先閱讀背面之注意事項再.填寫本頁)

Claims (1)

  1. ABCD 六、申請專利範圍 1. 一種受光元件包含： 第一導電型半導體基質； 在第一導電型半導體基質之表面上之特定區域所形成 之第二導電型之第一半導體層；及 至少一種第一導電型之半導體區域以使+其自第二導電 型之第一半導體層之上表面延伸至第一導電型之半導體 基質表面，因而將第二導電型之第一半導體層分割成爲 多個第二導電型之半導體區域， 其中第一導電型之半導體基質之比阻抗被設定在.特定 之範圍内以使其在施加反向偏壓下第一導電型之半導體 基質中所形成之空乏層之深度Xd與自第一導電型之半導 體區域擴散進入第一導電型之半導體基質中之擴散深度 X j之間滿足X d δ X j之條件式。 2 .根據申請專利範圍第1項之受光元件，其中第二導電型 之多個第二半導體區域被嵌埋在第一導電型之半導體基 質内以使其相當於多個各自分離之第二導電型半導體區 域。 、 3 ·根據申請專利範圍第1項之受光元件，其中一特定之電 路元件被形成於異於第一導電型之半導體基質之表面上 特定區域之區域。 4 ·槔.據申請專利範圍第2項之受光元件，其中一特定之電 路元件被形成於異於第一導電型之> 導體基質之表面上 特定區域之區域。 5 .根據申請專利範圍第3項之受光元件，其中供檢測信號 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 請 先 閲.. 讀 背 之 注 意 事 項 再 寫 本 頁 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ABCD 六、申請專利範圍 光之光檢測光二極體區係由每一個第二導電型之多個分 割之半導體區域與相當於在第二導電型之半導體區域下 之第一導電型_之半導體基質區域所製成。 6 .根據申請專利範圍第1項之受光元件，其中第一導電型 之半導體基質之比阻抗係介於約30歐姆公分至約1000歐 姆公分。 7. 根據申請專利範圍第1項之受光元件，具有約14 MHz或. 更高之應答速度。 8 .根據申請專利範圍第1項之受光元件，具有約30 MHz或 更高之應答速度。 ---------1 裝 --------訂-------k (請先閱讀背面之注意事項再球寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）
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