JP3427125B2 - Semiconductor device with optical lens function - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】 本発明は、光学レンズ機能
付き半導体デバイスに関し、特に受光部や発光部を透過
する光の光路を設けてその光路にレンズ機能を付与した
もの、レンズ機能を有し２種類の光を受光可能なもの、
レンズ機能を有し２種類の光を発光可能なもの、レンズ
機能を有し発光と受光の両機能を有するものに関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device with an optical lens function, and more particularly to a semiconductor device provided with an optical path of light passing through a light receiving section and a light emitting section and having a lens function in the optical path, and having a lens function. Those that can receive various types of light,
The present invention relates to one having a lens function and capable of emitting two kinds of light, and one having a lens function and having both light emitting and light receiving functions.

【０００２】[0002]

【従来の技術】 従来、受光デバイスあるいは発光デバ
イスのごとき光半導体デバイスは、光通信、光センサ
ー、分光分析、光計測など広範囲に利用されている。光
通信や光センサーなどの用途によっては入射光や出射光
を集光したり平行光化する光学レンズを半導体デバイス
の光路に設けることが多い。また、この光学レンズを光
半導体デバイスに直接取りつける例も多い。例えば、細
い光ファイバのコアと光半導体デバイスとの光結合性を
良くする為に両者の間に光を集光する光学レンズが設け
られる。2. Description of the Related Art Conventionally, optical semiconductor devices such as light receiving devices or light emitting devices have been widely used for optical communication, optical sensors, spectroscopic analysis, optical measurement and the like. Depending on applications such as optical communication and optical sensors, an optical lens that collects incident light or emitted light or collimates it is often provided in the optical path of a semiconductor device. In many cases, this optical lens is directly attached to an optical semiconductor device. For example, an optical lens for condensing light is provided between the core of the thin optical fiber and the optical semiconductor device in order to improve the optical coupling between them.

【０００３】一方、２種類の光のピーク波長を検出する
為、シリコンに受光表面から深さの異なるｐｎ接合を形
成し、入射光に対する波長感度が深さによって変わる原
理を利用したフォトダイオードを２個積層した半導体カ
ラーセンサーが公知である。また、透過型シリコンフォ
トダイオードと赤外線検出素子をサンドウイッチ構造に
した複合光デバイスが公知である。他方、ドーム形チッ
プを用いた発光ダイオードも公知である。このドーム形
チップは、半球状の半導体チップの中心部に点光源とな
るｐｎ接合を設け、そこから出射する光はどの角度でも
チップと空気界面に対して垂直に当たることができるの
で、屈折率の違いによる内部への反射が少なくなり、光
の取り出し効率が改善されるという特長がある。On the other hand, in order to detect the peak wavelengths of two types of light, pn junctions having different depths are formed in silicon from the light receiving surface, and a photodiode utilizing the principle that the wavelength sensitivity to incident light changes depending on the depth is used. A semiconductor color sensor in which individual layers are stacked is known. A composite optical device in which a transmissive silicon photodiode and an infrared detection element have a sandwich structure is known. On the other hand, a light emitting diode using a dome-shaped chip is also known. In this dome-shaped chip, a pn junction, which serves as a point light source, is provided in the center of a hemispherical semiconductor chip, and light emitted from the pn junction can strike the interface between the chip and the air at any angle. There is a feature that internal reflection due to the difference is reduced and light extraction efficiency is improved.

【０００４】[0004]

【発明が解決しようとする課題】 前記のように、細い
光ファイバのコアとの間に光を集光する光学レンズが設
ける場合、光学レンズは光を屈折により曲げる光学的機
能しかなく、受光機能や発光機能を備えていない。この
ため、光のピーク波長を２種類にした多重通信や計測や
センサー類では、光学レンズとは別に各波長に対応する
２種類の光半導体デバイスを用いなければならない。As described above, when an optical lens that collects light is provided between the optical lens and the core of the thin optical fiber, the optical lens has only an optical function of bending light by refraction, and has a light receiving function. And does not have a light emitting function. Therefore, in multiplex communication, measurement, and sensors in which the peak wavelength of light is two types, two types of optical semiconductor devices corresponding to each wavelength must be used in addition to the optical lens.

【０００５】前記のように、フォトダイオードを２個積
層した半導体カラーセンサーでは、両方のスペクトルに
対して光感度があるため、各フォトダイオードの光出力
電流比を測定し分離して色を識別する必要があり、その
為の特殊な回路が必要である。また、透過型シリコンフ
ォトダイオードと赤外線検出素子をサンドウイッチ構造
にした複合光デバイスでは、透過型シリコンフォトダイ
オードにレンズとしての機能を付加していないので、入
射光は集光されず赤外線検出素子表面の入射エネルギー
密度は低く、光電変換効率を高めるのに限界がある。前
記ドーム形チップを用いた発光ダイオードには、他の入
射光を透過させる光路が設けられていないので、発光ダ
イオードとしての機能しかない。As described above, since the semiconductor color sensor in which two photodiodes are stacked has photosensitivity to both spectra, the light output current ratio of each photodiode is measured and separated to identify the color. It is necessary, and a special circuit for that is necessary. In addition, in a composite optical device that has a sandwich structure of a transmissive silicon photodiode and an infrared detection element, since the function as a lens is not added to the transmissive silicon photodiode, incident light is not collected and the infrared detection element surface The incident energy density is low, and there is a limit to increase the photoelectric conversion efficiency. The light emitting diode using the dome-shaped chip does not have an optical path for transmitting other incident light, and therefore only functions as a light emitting diode.

【０００６】本発明の目的は、光学系と電子系とが融合
した新規な応用領域を可能にする半導体デバイス、受光
や発光の機能と外来光に対するレンズ機能を有する半導
体デバイス、２種類の光を受光する機能又は発光する機
能とレンズ機能を有する複合化した半導体デバイス、受
光機能と発光機能とレンズ機能を有する複合化した半導
体デバイス等の半導体デバイスを提供すること、光通
信、光情報処理、分光分析、光センサーなどに有用の半
導体デバイスを提供すること、分光感度波長範囲や発光
スペクトルを拡大可能な半導体デバイスを提供するこ
と、等である。An object of the present invention is to provide a semiconductor device which enables a new application area in which an optical system and an electronic system are fused, a semiconductor device having a function of receiving and emitting light and a lens function for external light, and two kinds of light. Providing a semiconductor device such as a compound semiconductor device having a light receiving function or a light emitting function and a lens function, a compound semiconductor device having a light receiving function, a light emitting function, and a lens function, optical communication, optical information processing, and spectroscopy To provide a semiconductor device useful for analysis, an optical sensor, etc., to provide a semiconductor device capable of expanding a spectral sensitivity wavelength range and an emission spectrum, and the like.

【０００７】[0007]

【課題を解決するための手段】 請求項１のレンズ機能
付き半導体デバイスは、入射光を光電変換する受光部を
備えた半導体デバイスにおいて、受光部を光透過可能な
半導体の一部で構成し、この光透過可能な半導体に受光
部を透過した光又は受光部に向かう光を透過させる光路
を形成し、この光路の一部にレンズ機能を付与したもの
である。前記受光部としては種々のフォトダイオードの
構成を適宜採用できる。前記レンズ機能を得るレンズと
しては、球状、半球、ロッド形、シリンダ形、丸ドラム
形、凸形等、屈折作用で光の進行方向を目的とする方向
へ変換するものであればよい。Means for Solving the Problems A semiconductor device with lens function according to claim 1, Oite a semiconductor device with a light receiving unit for photoelectrically converting incident light, composed of a part of a light transmissive semiconductor light receiving portions Light is received by this light-permeable semiconductor.
An optical path is formed for transmitting light that has passed through the optical path or light that is directed toward the light receiving section, and a lens function is added to a part of this optical path. As the light receiving section, various photodiode configurations can be appropriately adopted. The lens that obtains the lens function may be spherical, hemispherical, rod-shaped, cylinder-shaped, round-drum-shaped, convex, or the like, as long as it can convert the traveling direction of light into a desired direction by refraction.

【０００８】この光透過可能な半導体に、受光部を透過
した光又は受光部に向かう光を透過させる光路を形成
し、この光路の一部にレンズ機能を付与したので、入射
光のうちの一部の光を受光部で光電変換し、入射光のう
ちの別の一部の光は受光部と光路を透過させ、レンズ機
能により集光したり平行光化したりして外部へ出射させ
ることができる。そして、その透過光を別の受光デバイ
スで高感度に効率的に検出するように構成することが可
能になる。また、入射光のうちの一部の光を受光部で光
電変換する一方、別の発光デバイスで発光させた光を光
路を透過させ、レンズ機能により集光したり平行光化し
て外部へ出射することができる。[0008] In this light permeable semiconductor, transmitted through the light-receiving unit
Since an optical path for transmitting the incident light or the light directed to the light receiving portion is formed and a lens function is added to a part of this optical path, a part of the incident light is photoelectrically converted by the light receiving portion and Another part of the light can be transmitted through the light receiving portion and the optical path, and can be condensed or collimated by the lens function and emitted to the outside. Then, the transmitted light can be efficiently detected by another light receiving device with high sensitivity. Also, while a part of the incident light is photoelectrically converted by the light receiving part, the light emitted by another light emitting device is transmitted through the optical path and is condensed by the lens function or collimated and emitted to the outside. be able to.

【０００９】このように、光透過可能な半導体によって
形成された光路の一部を有効活用してレンズ機能を得る
ので、小型化でき、構成を簡単化でき、半導体材料を節
減でき、製作コストを低減できる。しかも、外部の受光
デバイスと複合化することで、２種類の入射光を夫々独
立に光電変換可能になり、エネルギー密度を高めた光を
受光デバイスにより効率良く高感度で光電変換できる。
また外部の発光デバイスと複合化することで、入射光の
一部を受光して光電変換し且つ発光させた光を出射可能
になる。As described above, by the light transmissive semiconductor
Since a lens function is obtained by effectively utilizing a part of the formed optical path , the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced. Moreover, by combining with an external light receiving device, two types of incident light can be independently photoelectrically converted, and light having an increased energy density can be efficiently and highly photoelectrically converted by the light receiving device.
Further, by combining with an external light emitting device, it becomes possible to receive part of the incident light, perform photoelectric conversion, and emit the emitted light.

【００１０】請求項２のレンズ機能付き半導体デバイス
は、 電気エネルギーを光に電光変換する発光部を備え
た半導体デバイスにおいて、発光部を光透過可能な半導
体の一部で構成し、この光透過可能な半導体に発光部か
ら発した光を透過させる光路を形成し、この光路の一部
にレンズ機能を付与したものである。前記発光部として
は種々の発光ダイオードの構成を適宜採用でき、レンズ
機能を得るレンズについては請求項１と同様である。発
光部を設けたので発光させた光を出射することができ
る。光透過可能な半導体に発光部から発した光を透過さ
せる光路を形成し、この光路の一部にレンズ機能を持た
せたので、外部の発光デバイスで発光させた光を光路を
透過させレンズ機能で集光したり平行光化したりして外
部へ出射することが可能になる。また入射光のうち発光
部と光路を透過させた透過光を外部の受光デバイスで受
光して光電変換することも可能になる。According to another aspect of the semiconductor device with a lens function of the present invention, in the semiconductor device having a light emitting portion for converting electric energy into light, the light emitting portion is made of a part of a light transmissive semiconductor , and the light transmissive is possible. Is it a light emitting part in a semiconductor
An optical path for transmitting the light emitted from the optical path is formed, and a lens function is added to a part of the optical path. As the light emitting portion, various light emitting diode configurations can be appropriately adopted, and the lens having the lens function is the same as that of the first aspect. Since the light emitting portion is provided, the emitted light can be emitted. An optical path for transmitting the light emitted from the light emitting part is formed in a light transmissive semiconductor, and a lens function is provided in a part of this optical path. Therefore, the light emitted by an external light emitting device is transmitted through the optical path and has a lens function. It is possible to condense light into parallel light and emit it to the outside. Further, it becomes possible to receive the transmitted light of the incident light transmitted through the light emitting portion and the optical path by an external light receiving device and perform photoelectric conversion.

【００１１】このように、光透過可能な半導体によって
形成された光路の一部を有効活用してレンズ機能を得る
ので、小型化でき、構成を簡単化でき、半導体材料を節
減でき、製作コストを低減できる。しかも、別の発光デ
バイスと複合化することで、２種類の光を夫々独立に発
生させて出射するように構成することが可能になる。ま
た、別の受光デバイスと複合化することで、レンズ機能
によりエネルギー密度を高めた光を受光デバイスに供給
して高感度で光電変換できるように構成することが可能
になる。As described above, the light transmissive semiconductor is used.
Since a lens function is obtained by effectively utilizing a part of the formed optical path , the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced. Moreover, by combining with another light emitting device, it becomes possible to independently generate and emit two types of light. Further, by combining with another light receiving device, it becomes possible to supply light having an increased energy density by the lens function to the light receiving device and perform photoelectric conversion with high sensitivity.

【００１２】請求項３のレンズ機能付き半導体デバイス
は、請求項１の発明において、入射光を光電変換する第
２受光部を一体的に組み込み、前記光路を透過した入射
光を第２受光部で受光するように構成したことを特徴と
するものである。この第２受光部としては、前記受光部
と同様に、種々のフォトダイオードの構成を適宜採用で
きる。レンズ機能については請求項１と同様である。但
し、波長が短かい光は半導体中に吸収され易いので、前
記受光部で受光する光の波長よりも、第２受光部で受光
する光の波長の方が大きく設定される。前記受光部と第
２受光部とで、波長の異なる２種類の入射光を独立に受
光して光電変換できるので、光通信、光情報処理、分光
分析、光センサー等の分野で有用な半導体デバイスを提
供でき、またレンズ機能により第２受光部での受光感度
を高めることができる。According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device with a lens function according to the first aspect of the invention, a second light receiving portion for photoelectrically converting incident light is integrally incorporated, and the incident light transmitted through the optical path is transmitted through the second light receiving portion. It is characterized in that it is configured to receive light. As the second light receiving section, various photodiode configurations can be appropriately adopted as in the case of the light receiving section. The lens function is the same as in claim 1. However, since light having a short wavelength is easily absorbed in the semiconductor, the wavelength of light received by the second light receiving unit is set to be larger than the wavelength of light received by the light receiving unit. Since the light receiving section and the second light receiving section can independently receive two types of incident light having different wavelengths and perform photoelectric conversion, a semiconductor device useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensor, and the like. In addition, the lens function can enhance the light receiving sensitivity of the second light receiving unit.

【００１３】請求項４のレンズ機能付き半導体デバイス
は、請求項１の発明において、電気エネルギーを光に電
光変換する発光部を一体的に組み込み、この発光部から
出る光が前記光路を透過して出射されるように構成した
ことを特徴とするものである。この発光部としては、種
々の発光ダイオードの構成を適宜採用できる。レンズ機
能については請求項１と同様である。但し、発光部から
出る光は、前記光路を透過可能な波長の光である。前記
受光部で入射光を光電変換でき、また発光部から出る光
を前記光路を透過させて集光したり平行光化したりして
外部へ出射することができる。この場合、受光部で受光
する光の波長よりも長い波長の光を発光部から発生させ
ればよいので、例えば、異なる波長の光を受発光するこ
とも可能で、その場合双方向光通信に適用可能な発光デ
バイスを提供することができ、また受光機能と発光機能
を兼備した光センサー用の半導体デバイスを提供でき
る。According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device with a lens function according to the first aspect of the invention, a light emitting portion for converting electric energy into light is integrated, and light emitted from the light emitting portion passes through the optical path. It is characterized in that the light is emitted. As the light emitting portion, various light emitting diode configurations can be appropriately adopted. The lens function is the same as in claim 1. However, the light emitted from the light emitting portion is light having a wavelength that can be transmitted through the optical path. Incident light can be photoelectrically converted by the light receiving unit, and light emitted from the light emitting unit can be transmitted through the optical path to be condensed or collimated and emitted to the outside. In this case, since light having a wavelength longer than the wavelength of light received by the light receiving section may be generated from the light emitting section, for example, it is possible to receive and emit light having different wavelengths. An applicable light emitting device can be provided, and a semiconductor device for an optical sensor having both a light receiving function and a light emitting function can be provided.

【００１４】請求項５のレンズ機能付き半導体デバイス
は、請求項２の発明において、電気エネルギーを光に電
光変換する第２発光部を一体的に組み込み、この第２発
光部から出る光が前記光路を透過して出射されるように
構成したことを特徴とするものである。第２発光部とし
ては、種々の発光ダイオードの構成を適宜採用できる。
レンズ機能については請求項１と同様である。但し、第
２発光部から出る光は、前記光路を透過可能な波長の光
である。前記発光部で１種類の光を発光して出射でき、
第２発光部で異なる種類の光を発光して出射できる。発
光部と第２発光部とで、波長の異なる２種類の光を独立
に発光できるので、光通信、光情報処理、分光分析、光
センサー等の分野で有用な半導体デバイスを提供でき
る。According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor device with a lens function according to the second aspect of the present invention, a second light emitting portion for converting electric energy into light is integrated, and the light emitted from the second light emitting portion is in the optical path. It is characterized in that it is configured to be transmitted through and emitted. As the second light emitting portion, various light emitting diode configurations can be appropriately adopted.
The lens function is the same as in claim 1. However, the light emitted from the second light emitting portion is light having a wavelength that can be transmitted through the optical path. The light emitting unit can emit and emit one kind of light,
The second light emitting unit can emit and emit different kinds of light. Since the light emitting section and the second light emitting section can independently emit two types of light having different wavelengths, it is possible to provide a semiconductor device useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensors, and the like.

【００１５】請求項６のレンズ機能付き半導体デバイス
は、請求項２の発明において、入射光を光電変換する受
光部を一体的に組み込み、前記光路を透過した入射光を
受光部で受光するように構成したことを特徴とするもの
である。前記受光部としては、種々のフォトダイオード
の構成を適宜採用できる。レンズ機能については請求項
１と同様である。発光部で発光させた光を外部へ出射で
き、入射光のうち前記光路を透過した入射光を受光部で
受光して光電変換できる。請求項３と同様に、双方向光
通信適用可能な発光デバイスを提供できる。また受光機
能と発光機能を兼備した光センサー用の半導体デバイス
を提供できる。According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor device with a lens function according to the second aspect of the invention, a light receiving section for photoelectrically converting incident light is integrally incorporated, and the incident light transmitted through the optical path is received by the light receiving section. It is characterized by being configured. As the light receiving section, various photodiode configurations can be appropriately adopted. The lens function is the same as in claim 1. The light emitted by the light emitting unit can be emitted to the outside, and the incident light that has passed through the optical path of the incident light can be received by the light receiving unit and photoelectrically converted. Similarly to the third aspect, it is possible to provide a light emitting device to which bidirectional optical communication can be applied. Further, it is possible to provide a semiconductor device for an optical sensor having both a light receiving function and a light emitting function.

【００１６】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の種々の実施の形態
について図面を参照して説明する。 実施形態１：「半球状レンズ付きシリコンフォトダイオ
ード」 本実施形態に係る光学レンズ機能付き半導体デバイス
は、図１、図２に示す構造の半球状レンズ付きシリコン
フォトダイオードPD1 であり、このシリコンフォトダイ
オードPD1 の構造とその製作方法について説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Various embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Embodiment 1: "Silicon photodiode with hemispherical lens" The semiconductor device with an optical lens function according to this embodiment is a silicon photodiode PD1 with a hemispherical lens having the structure shown in FIGS. The structure of PD1 and its manufacturing method are explained.

【００１７】この半球状レンズ付きシリコンフォトダイ
オードPD1 においては、厚さ約2.0〜4.0 ｍｍ程度の光
透過可能なｐ形シリコン結晶からなるシリコン基板１の
表面側の中央部に半径が0.2 〜2.0 ｍｍ程度の半球状レ
ンズ２が形成され、この半球状レンズ２の表面部にリン
などのｎ形不純物を拡散させたｎ⁺ 拡散層３が形成され
て半球面状のｎ⁺ ｐ接合４（このｎ⁺ ｐ接合４とその近
傍部が、入射光を受光して光電変換する受光部PAに相当
する）が形成され、SiO₂の絶縁膜５を介してシリコン基
板１に絶縁され且つｎ⁺ 拡散層３に電気的に接続された
陰極６が形成され、半球状レンズ２の表面には、適当な
厚みのSiO₂の反射防止膜７が形成されている。In this silicon photodiode PD1 with a hemispherical lens, the radius is 0.2 to 2.0 mm in the central portion on the surface side of the silicon substrate 1 made of p-type silicon crystal having a thickness of about 2.0 to 4.0 mm and capable of transmitting light. A hemispherical lens 2 of a certain degree is formed, and an n ⁺ diffusion layer 3 in which an n-type impurity such as phosphorus is diffused is formed on the surface of the hemispherical lens 2 to form a hemispherical n ⁺ p junction 4 (this n ⁺ p-junction 4 and its vicinity correspond to a light receiving portion PA that receives and photoelectrically converts incident light), is insulated from the silicon substrate 1 via the insulating film 5 of SiO ₂ , and is an n ⁺ diffusion layer. A cathode 6 electrically connected to 3 is formed, and a SiO ₂ antireflection film 7 having an appropriate thickness is formed on the surface of the hemispherical lens 2.

【００１８】シリコン基板１には、ｎ⁺ ｐ接合４を貫い
て入射光を上方から下方へ又はその反対向きに透過させ
る光路８が形成され、この光路８に半球状レンズ２が形
成され、シリコン基板１の裏面側には、光路８を透過す
る光を上方から下方へ又はその反対向きに透過させる光
透過窓９であって半球状レンズ２の光軸と同心の円形の
光透過窓９が形成され、この光透過窓９にはSiO₂の反射
防止膜１０が形成され、シリコン基板１に電気的に接続
された陽極１１が形成されている。The silicon substrate 1 is formed with an optical path 8 which penetrates the n ⁺ p junction 4 and transmits incident light from the upper side to the lower side or in the opposite direction, and the hemispherical lens 2 is formed in the optical path 8. On the back surface side of the substrate 1, there is a light transmission window 9 for transmitting the light passing through the optical path 8 from the upper side to the lower side or in the opposite direction, which is a circular light transmission window 9 concentric with the optical axis of the hemispherical lens 2. An antireflection film 10 of SiO ₂ is formed on the light transmitting window 9 and an anode 11 electrically connected to the silicon substrate 1 is formed.

【００１９】この半球状レンズ付きシリコンフォトダイ
オードPD1 を製作する際には、ｐ形シリコン結晶のシリ
コン基板１の表面と裏面とをシリコン酸化膜で被覆した
後、表面をエッチング処理して上方に凸の半球状レンズ
２を形成する。レンズ２のある側の表面をシリコン酸化
膜で被覆した後、半球面とその周囲の一部のシリコン酸
化膜をエッチング処理で除去して、半球面とその周囲近
傍部に公知の技法によりリンなどのｎ形不純物を拡散し
てｎ⁺ 拡散層３を形成しドーム状のｎ⁺ ｐ接合４を形成
する。When manufacturing this silicon photodiode PD1 with a hemispherical lens, the front surface and the back surface of the p-type silicon crystal silicon substrate 1 are covered with a silicon oxide film, and then the front surface is subjected to an etching treatment so as to be projected upward. To form the hemispherical lens 2. After the surface on the side where the lens 2 is present is covered with a silicon oxide film, the hemispherical surface and a part of the silicon oxide film around it are removed by etching treatment, and the hemispherical surface and its surroundings are exposed to phosphorus by a known technique. The n-type impurity is diffused to form an n ⁺ diffusion layer 3 to form a dome-shaped n ⁺ p junction 4.

【００２０】一旦シリコン酸化膜を全部エッチングで除
去した後、シリコン基板１の表面とレンズ２の全表面お
よびシリコン基板１の裏面に、再度ＣＶＤなどの方法で
シリコン酸化膜を被覆する。公知のフォトエッチングの
技法によりｎ⁺ 拡散層３の端部表面とその周囲にシリコ
ン酸化膜５を残し、シリコン基板１の裏面にレンズ２の
光軸と同心の円形のシリコン酸化膜１０を残し、蒸着法
により陰極６と陽極１１とを夫々図示のごとくｎ形面、
ｐ形面にオーミック接触するように設ける。半球状レン
ズ２の表面には適当な膜厚のSiO₂の反射防止膜７を公知
のＣＶＤなどの方法で形成する。光透過窓９においては
円形のシリコン酸化膜１０が反射防止膜となる。尚、こ
れら反射防止膜は、透過する光に応じてSiO₂以外の適当
な材質で適当な膜厚に形成してもよい。こうして作った
シリコンフォトダイオードPD1 のチップは、適当な支持
部材に取付けられ、陽極１１と陰極６とはワイヤボンデ
ィング等により夫々外部の電気回路に接続される。After the silicon oxide film is completely removed by etching, the surface of the silicon substrate 1, the entire surface of the lens 2 and the back surface of the silicon substrate 1 are again coated with the silicon oxide film by a method such as CVD. By a known photo-etching technique, the silicon oxide film 5 is left on the end surface of the n ⁺ diffusion layer 3 and its periphery, and the circular silicon oxide film 10 concentric with the optical axis of the lens 2 is left on the back surface of the silicon substrate 1, The cathode 6 and the anode 11 are each formed by an evaporation method as shown in FIG.
It is provided so as to make ohmic contact with the p-type surface. On the surface of the hemispherical lens 2, an antireflection film 7 of SiO _{2 having} an appropriate film thickness is formed by a known method such as CVD. In the light transmission window 9, the circular silicon oxide film 10 serves as an antireflection film. Incidentally, these antireflection films may be formed to have an appropriate film thickness by using an appropriate material other than SiO ₂ depending on the transmitted light. The silicon photodiode PD1 chip thus manufactured is attached to an appropriate supporting member, and the anode 11 and the cathode 6 are connected to an external electric circuit by wire bonding or the like.

【００２１】シリコンは常温では、約1.1 μｍ以下の波
長の光を吸収するが、それ以上の波長の光は吸収せず透
過する特性を有する。このため、半球状レンズ２の表面
側から入射した1.1 μｍ以上の波長の入射光は半球状レ
ンズ２で屈折を受けて光透過窓９を通って下方へ進み光
軸上に集光する。この位置に、この波長の光を吸収でき
る他のフォトダイオードを設ければ、入射光のエネルギ
ー密度が高まり、高効率に光電変換が可能になり、光フ
ァイバーを設ければ少ない光結合損失で光ファイバーの
先端に光を導入することも可能となる。フィルターされ
る1.1 μｍ以下の波長の光でシリコンフォトダイオード
PD1 のｎ⁺ ｐ接合４とその近傍で吸収される光は光電変
換され、陽極１１と陰極６から電気信号あるいは電気エ
ネルギーとして外部に取り出すことができる。Silicon has a characteristic that it absorbs light having a wavelength of about 1.1 μm or less at room temperature, but does not absorb light having a wavelength of more than that and transmits it. Therefore, the incident light having a wavelength of 1.1 μm or more that is incident from the surface side of the hemispherical lens 2 is refracted by the hemispherical lens 2, passes through the light transmitting window 9 and travels downward to be condensed on the optical axis. If another photodiode that can absorb the light of this wavelength is provided at this position, the energy density of the incident light is increased, and photoelectric conversion can be performed with high efficiency. It is also possible to introduce light at the tip. Silicon photodiode with filtered light of wavelength less than 1.1 μm
The light absorbed in the n ⁺ p junction 4 of PD1 and its vicinity is photoelectrically converted, and can be taken out as an electric signal or electric energy from the anode 11 and the cathode 6.

【００２２】一方、シリコン基板１の裏面の光透過窓９
に下方から入射した1.1 μｍ以上の波長の光は半球状レ
ンズ２で屈折を受けてレンズ表面から広がって出射され
る。このように、光透過窓９を備えているため、光の波
長に応じて光電変換するフォトダイオードの機能と光路
２６を上方から下方へ又は下方から上方へ通る光を集光
したり拡散したりする光学レンズの両機能を得ることが
できる。しかも、受光部の少なくとも一部を構成する半
導体を有効活用してレンズ機能を得るので、小型化で
き、構成を簡単化でき、半導体材料を節減でき、製作コ
ストを低減できる。しかも、光通信、光情報処理、分光
分析、光センサー等の分野において有用な半導体デバイ
スを実現することができる。On the other hand, the light transmission window 9 on the back surface of the silicon substrate 1
Light having a wavelength of 1.1 μm or more, which is incident from below, is refracted by the hemispherical lens 2, spreads out from the lens surface, and is emitted. As described above, since the light transmission window 9 is provided, the function of a photodiode that performs photoelectric conversion according to the wavelength of light and the light passing through the optical path 26 from above to below or from below to above can be collected or diffused. Both functions of the optical lens can be obtained. Moreover, since the lens function is obtained by effectively utilizing the semiconductor that constitutes at least a part of the light receiving portion, the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced. Moreover, it is possible to realize a semiconductor device useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensors, and the like.

【００２３】以上の実施形態において、半球状レンズ２
の表面部にｎ⁺ ｐ接合４を形成する代わりに、ｎ⁺ ｐ接
合を下面の光透過窓９の上側近傍位置に円形に平面状に
形成し、ｎ⁺ 拡散層、ｐ形シリコン基板とオーミック接
触するように夫々リング状の陰極と陽極を設けてもよ
い。この場合、受光する入射光が集まる焦点の位置にｎ
⁺ ｐ接合を設ければ入射光のエネルギー密度を大きくで
き、小さいｎ⁺ ｐ接合に形成しても確実に光電変換する
ことができる。尚、ｎ⁺ 形半導体をｐ⁺ 形半導体に置換
したり、ｐ形シリコン結晶のシリコン基板１をｎ形半導
体結晶基板に置換したり、シリコン半導体結晶を他の半
導体結晶に置換したりして、同様の構造のフォトダイオ
ードとしてもよいことは勿論である。尚、前記半球状レ
ンズの形状は一例を示すものに過ぎず、レンズとして
は、球状、半球、ロッド形、シリンダ形、丸ドラム形、
凸形等、屈折作用で光の進行方向を目的とする方向へ変
換するものであればよい。In the above embodiment, the hemispherical lens 2
Instead of forming the n ⁺ p junction 4 in the surface portion of the form in a planar shape to a circle the n ⁺ p junction in the upper vicinity of the lower surface of the light transmission window 9, n ⁺ diffusion layer, p-type silicon substrate and the ohmic A ring-shaped cathode and an anode may be provided so as to be in contact with each other. In this case, n is set at the focus position where the received incident light is collected.
^{If the +} p junction is provided, the energy density of incident light can be increased, and photoelectric conversion can be surely performed even if the n ⁺ p junction is formed to be small. In addition, by replacing the n ^{+ -type} semiconductor with a p ^{+ -type} semiconductor, replacing the silicon substrate 1 of p-type silicon crystal with an n-type semiconductor crystal substrate, or replacing the silicon semiconductor crystal with another semiconductor crystal, Of course, a photodiode having a similar structure may be used. The shape of the hemispherical lens is merely an example, and the lens may be spherical, hemispherical, rod-shaped, cylinder-shaped, round drum-shaped,
It may be a convex shape or the like as long as it can convert the traveling direction of light into a target direction by refraction.

【００２４】実施形態２：「半球状レンズ付きシリコン
フォトダイオード」 この実施形態に係る光学レンズ機能付き半導体デバイス
は、図３、図４に示す半球状レンズ付きシリコンフォト
ダイオードPD2 であり、このシリコンフォトダイオード
PD2 は、実施形態１のシリコンフォトダイオードPD1 と
ほぼ同様のものであるので、簡単に説明すると、ｐ形シ
リコン結晶からなるシリコン基板２１の表面には、上方
へ凸の半球状レンズ２２が形成され、シリコン基板２１
とレンズ２２の表面にはSiO₂の反射防止膜２３が形成さ
れている。シリコン基板２１の裏面の中央部にリンなど
のｎ形不純物を拡散したｎ⁺ 拡散層２４とｎ⁺ ｐ接合２
５（このｎ⁺ ｐ接合２５とその近傍部が入射光を光電変
換する受光部PAに相当する）とが平面状に形成されてい
る。Embodiment 2: "Silicon photodiode with hemispherical lens" A semiconductor device with an optical lens function according to this embodiment is a silicon photodiode PD2 with a hemispherical lens shown in FIGS. diode
PD2 is almost the same as the silicon photodiode PD1 of the first embodiment. Therefore, in brief description, a hemispherical lens 22 convex upward is formed on the surface of a silicon substrate 21 made of p-type silicon crystal. , Silicon substrate 21
An antireflection film 23 of SiO ₂ is formed on the surface of the lens 22. An n ⁺ diffusion layer 24 and an n ⁺ p junction 2 in which an n-type impurity such as phosphorus is diffused in the center of the back surface of the silicon substrate 21.
5 (this n ⁺ p junction 25 and its vicinity correspond to the light receiving portion PA that photoelectrically converts incident light) are formed in a planar shape.

【００２５】シリコン基板２１には、ｎ⁺ ｐ接合２４を
貫いて入射光を上方から下方へ又はその反対向きに透過
させる光路２６が形成され、この光路２６に半球状レン
ズ２２が形成され、シリコン基板２１の裏面側には、光
路２６を透過する光を上方から下方へ又はその反対向き
に透過させる光透過窓２７であって半球状レンズ２２の
光軸と同心の円形の光透過窓２７が形成され、この光透
過窓２７にはSiO₂の反射防止膜２８が形成されている。
シリコン基板２１の裏面のうち光透過窓２７の周囲の部
分には、SiO₂の絶縁膜２８が形成され、シリコン基板２
１の裏面側に形成された陽極２９と陰極３０は図示のよ
うに同一平面において夫々ｐ形シリコン基板２１、ｎ⁺
拡散層２４に電気的に接続されている。An optical path 26 is formed in the silicon substrate 21 to penetrate the n ⁺ p junction 24 and transmit incident light from the upper side to the lower side or in the opposite direction, and the hemispherical lens 22 is formed in the optical path 26. On the rear surface side of the substrate 21, there is provided a light transmission window 27 for transmitting the light transmitted through the optical path 26 from the upper side to the lower side or in the opposite direction, which is a circular light transmission window 27 concentric with the optical axis of the hemispherical lens 22. An antireflection film 28 of SiO ₂ is formed on the light transmitting window 27.
An insulating film 28 of SiO ₂ is formed on a portion of the back surface of the silicon substrate 21 around the light transmission window 27.
The anode 29 and the cathode 30 formed on the back surface side of 1 are respectively p-type silicon substrate 21 and n ⁺ on the same plane as shown in the figure.
It is electrically connected to the diffusion layer 24.

【００２６】半球状レンズ２２側から入射した光は光路
２６を透過しｎ⁺ ｐ接合２４側のレンズ焦点に向かって
集光される。それ故、ｎ⁺ ｐ接合２４で受ける光は集光
されエネルギー密度が増すことになり、光電変換効率を
高める作用が得られる。フォトダイオードPD2 の製作方
法およびその他の作用・効果については、実施形態１の
ものとほぼ同様である。尚、レンズとしては、球状、半
球、ロッド形、シリンダ形、丸ドラム形、凸形等、屈折
作用で光の進行方向を目的とする方向へ変換するもので
あればよい。Light incident from the hemispherical lens 22 side passes through the optical path 26 and is condensed toward the lens focus on the n ⁺ p junction 24 side. Therefore, the light received by the n ⁺ p junction 24 is condensed and the energy density is increased, and the effect of increasing the photoelectric conversion efficiency is obtained. The manufacturing method of the photodiode PD2 and other functions and effects are almost the same as those of the first embodiment. The lens may be spherical, hemispherical, rod-shaped, cylinder-shaped, round-drum-shaped, convex-shaped or the like as long as it can convert the traveling direction of light into a desired direction by refraction.

【００２７】実施形態３：「半球状レンズ付き発光ダイ
オード」（図５、図６参照） 本実施形態に係る光学レンズ機能付き半導体デバイス
は、図５、図６に示す半球状レンズ付き発光ダイオード
LED1であり、この発光ダイオードLED1は、実施形態２の
シリコンフォトダイオードPD2 と同様に半球状レンズ４
２を有するものであり、この発光ダイオードLED1の製作
方法とその構造について説明する。Ａｌ（アルミニウ
ム）の混晶比が0.10〜0.15であるｎ形のGaAlAsの厚さ約
0.5ｍｍの単結晶基板４１を準備し、結晶基板４１の裏
面に約0.01ｍｍのｎ形のGaAs結晶からなるGaAs層４３と
Ａｌの混晶比が0.10〜0.15である厚さ約0.1 ｍｍのｎ形
のGaAlAs結晶からなるGaAlAs層４４とを公知の液相エピ
タキシャル成長方法で順次成長させる。Embodiment 3: “Light emitting diode with hemispherical lens” (see FIGS. 5 and 6) The semiconductor device with an optical lens function according to the present embodiment is a light emitting diode with a hemispherical lens shown in FIGS. 5 and 6.
The light emitting diode LED1 is the LED 1 and the hemispherical lens 4 is the same as the silicon photodiode PD2 of the second embodiment.
The method for manufacturing the light emitting diode LED1 and the structure thereof will be described. Thickness of n-type GaAlAs with Al (aluminum) mixed crystal ratio of 0.10 to 0.15
A 0.5 mm single crystal substrate 41 is prepared, and a mixed crystal ratio of the GaAs layer 43 made of an n-type GaAs crystal of about 0.01 mm and Al is 0.10 to 0.15 on the back surface of the crystal substrate 41. And a GaAlAs layer 44 made of GaAlAs crystals of the same shape are sequentially grown by a known liquid phase epitaxial growth method.

【００２８】次に、シリコン窒化膜（図示略）を被着
し、そのシリコン窒化膜に円形の光透過窓４５（この光
透過窓４５の中心は半球状レンズ４２の光軸とほぼ一致
している）に対応する円形穴を開け、シリコン窒化膜を
マスクとして図示のようにｎ形のGaAlAs層４４を貫通し
てｎ形のGaAs層４３までＺｎを熱拡散して円形のｐ形拡
散層４６を形成する。これにより、GaAsの円形のｐｎ接
合４７（このｐｎ接合４７とその近傍部とが、電気エネ
ルギーを光に電光変換する発光部PBに相当する）を形成
する。エピタキシャル成長面上の酸化膜を除去して反射
防止膜を兼ねるシリコン窒化絶縁膜４８を被着した後、
ｐ形拡散層４６の表面をリング状にエッチングで除去し
てGaAlAs層４４の表面を露出させ、Au-Zn の合金膜を蒸
着し陽極４９とする。また、ｎ形のGaAlAs層４４上のシ
リコン窒化絶縁膜とAu-Zn の合金膜をエッチング除去
し、Au-Ge-Niの合金膜を蒸着し陰極５０とする。陽極４
９と陰極５０と共にリング状に形成される。Next, a silicon nitride film (not shown) is deposited, and a circular light transmission window 45 (the center of the light transmission window 45 is substantially aligned with the optical axis of the hemispherical lens 42) is deposited on the silicon nitride film. A circular p-type diffusion layer 46 by penetrating the n-type GaAlAs layer 44 and thermally diffusing Zn to the n-type GaAs layer 43 using the silicon nitride film as a mask. To form. As a result, a circular pn junction 47 of GaAs (this pn junction 47 and its vicinity correspond to the light emitting portion PB for converting electric energy into light) is formed. After removing the oxide film on the epitaxial growth surface and depositing a silicon nitride insulating film 48 which also functions as an antireflection film,
The surface of the p-type diffusion layer 46 is removed in a ring shape by etching to expose the surface of the GaAlAs layer 44, and an Au-Zn alloy film is vapor-deposited to form an anode 49. Further, the silicon nitride insulating film on the n-type GaAlAs layer 44 and the Au—Zn alloy film are removed by etching, and the Au—Ge—Ni alloy film is vapor-deposited to form the cathode 50. Anode 4
9 and the cathode 50 are formed in a ring shape.

【００２９】次に、全外面をマスクして結晶基板４１の
表面側をエッチング加工して円形の且つｐ形拡散層４６
と同心の半径0.10〜0.25ｍｍ程度のドーム形の半球状レ
ンズ４２を図示のように形成し、半球状レンズ４２の表
面とその周囲の表面とを適当な材料（例えば、SiO₂）か
らな反射防止膜５７を形成する。結晶基板４１内には、
円形のｐｎ接合４７を貫いて光を透過させる光路５１が
形成され、この光路５１に半球状レンズ４２が形成され
ている。以上のようにして製作したＬＥＤチップ４０
を、円形の貫通穴５３を有するシリコンサブマウント５
２上に固着する。正方形のシリコンサブマウント５２
は、シリコン酸化絶縁膜５４で全外面が覆われ、その表
面にはリング状でかつ貫通穴５３から裏面に連なるNi-A
u からなる陽極接続膜５５およびシリコンサブマウント
５２の表面側にリングの周囲を一定間隔を開けて取り巻
く同様の陰極接続膜５６が設けられている。Next, the entire outer surface is masked and the surface side of the crystal substrate 41 is etched to form a circular and p-type diffusion layer 46.
A dome-shaped hemispherical lens 42 having a radius of about 0.10 to 0.25 mm and concentric with is formed as shown in the drawing, and the surface of the hemispherical lens 42 and the surrounding surface are reflected from an appropriate material (for example, SiO ₂ ). The prevention film 57 is formed. In the crystal substrate 41,
An optical path 51 for transmitting light is formed through the circular pn junction 47, and a hemispherical lens 42 is formed in the optical path 51. LED chip 40 manufactured as described above
A silicon submount 5 having a circular through hole 53.
2. Stick on 2. Square silicon submount 52
Is entirely covered with a silicon oxide insulating film 54, and the surface of the Ni-A is ring-shaped and extends from the through hole 53 to the rear surface.
On the front surface side of the anode connection film 55 made of u and the silicon submount 52, a similar cathode connection film 56 surrounding the circumference of the ring is formed at regular intervals.

【００３０】ＬＥＤチップ４０は、図示のように半球状
レンズ４２と貫通穴５３の中心を揃えてシリコンサブマ
ウント５２上に固着し、陽極４９と陽極接続膜５５、陰
極５０と陰極接続膜５６が夫々適当なハンダ材でもって
電気的に接続し固着される。このシリコンサブマウント
５２付きの半球状レンズ付き発光ダイオードLED1のチッ
プを図示外の支持部材に取付け、両電極４９，５０間に
順電流を流すと、ｐｎ接合４７から上下方向に光を放射
するが、光路５１を透過し半球状レンズ４２を透過する
光は、内部反射が少なく広がって放射する。As shown in the figure, the LED chip 40 is fixed on the silicon submount 52 with the centers of the hemispherical lens 42 and the through hole 53 aligned, and the anode 49 and the anode connecting film 55, and the cathode 50 and the cathode connecting film 56. Each is electrically connected and fixed with a suitable solder material. When the chip of the light emitting diode LED1 with a hemispherical lens with the silicon submount 52 is attached to a supporting member (not shown) and a forward current is passed between the electrodes 49 and 50, light is emitted vertically from the pn junction 47. The light that passes through the optical path 51 and the hemispherical lens 42 has little internal reflection and spreads and is emitted.

【００３１】この発光波長のピークは約0.8 μｍであ
り、GaAlAsの結晶基板４１はこの波長の光を殆ど吸収す
ることなく透過させる。GaAsの基礎吸収端（常温で波長
0.9 μｍ）より長い波長の外部からの入射光が半球状レ
ンズ４２側から入射すると、光はＬＥＤチップ４０の中
央部の光路５１を透過し集光され光透過窓４５を通って
下方に焦点を結ぶ。従って、この位置にこの光を受ける
光ファイバーあるいは受光素子を設けることにより光信
号を高いエネルギー密度で受け取ることが可能になる。
また、光透過窓４５と貫通穴５３とを設けてあるので、
上方からの入射光の一部を貫通穴５３の方へ透過させた
り、下方からの入射光を半球状レンズ４２の方へ透過さ
せたりすることが可能になる。実施形態１で説明したの
と同様に、小型化でき、構成を簡単化でき、半導体材料
を節減でき、製作コストを低減でき、光通信、光情報処
理、分光分析、光センサー等の分野において有用な半導
体デバイスを実現することができる。The peak of this emission wavelength is about 0.8 μm, and the GaAlAs crystal substrate 41 allows light of this wavelength to pass through with almost no absorption. Basic absorption edge of GaAs (wavelength at room temperature
When incident light from the outside having a wavelength longer than 0.9 μm enters from the hemispherical lens 42 side, the light is transmitted through the optical path 51 in the central portion of the LED chip 40, is condensed, passes through the light transmission window 45, and is focused downward. tie. Therefore, by providing an optical fiber or a light receiving element for receiving this light at this position, it becomes possible to receive an optical signal with high energy density.
Further, since the light transmission window 45 and the through hole 53 are provided,
A part of the incident light from above can be transmitted to the through hole 53, and the incident light from below can be transmitted to the hemispherical lens 42. Similar to the first embodiment, the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, the manufacturing cost can be reduced, and it is useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensor, and the like. It is possible to realize various semiconductor devices.

【００３２】この実施形態において、結晶基板４１の代
わりにGaP など発光ダイオードとして利用する他の半導
体結晶を用いて図５、図６と同様のレンズ形状を持つ発
光ダイオードを製作することも可能である。更に、ｐｎ
接合４７を半球状レンズ４２の表面に沿ってドーム状に
形成してもよい。尚、図５、図６と同様の構造で設計パ
ラメータを適宜変更してフォトダイオードを作り、レン
ズ機能とフィルター機能を有する受光デバイスとするこ
とも可能である。尚、レンズとしては、球状、半球、ロ
ッド形、シリンダ形、丸ドラム形、凸形等、屈折作用で
光の進行方向を目的とする方向へ変換するものであれば
よい。In this embodiment, it is possible to manufacture a light emitting diode having a lens shape similar to that shown in FIGS. 5 and 6 by using another semiconductor crystal used as a light emitting diode such as GaP instead of the crystal substrate 41. . Furthermore, pn
The joint 47 may be formed in a dome shape along the surface of the hemispherical lens 42. In addition, it is also possible to make a photodiode by appropriately changing design parameters with the same structure as in FIGS. 5 and 6 to obtain a light receiving device having a lens function and a filter function. The lens may be spherical, hemispherical, rod-shaped, cylinder-shaped, round-drum-shaped, convex-shaped or the like as long as it can convert the traveling direction of light into a desired direction by refraction.

【００３３】実施形態４：「球状発光ダイオード」（図
７〜図９参照） 本実施形態に係る光学レンズ機能付き半導体デバイス
は、図７〜図９に示す球状発光ダイオードLED2であり、
この発光ダイオードLED2においては、光透過可能な半導
体であるｐ形GaP 結晶６１の片面側に形成したｎ形GaP
結晶層６２（これも、光透過可能な半導体である）とが
全体として球状レンズ６０に形成され、ｐ形GaP 結晶６
１とｎ形GaP 結晶層６２との境界部に球状レンズ６０の
中心から偏って位置するｐｎ接合６３（このｐｎ接合６
３とその近傍部が電気エネルギーを光に電光変換する発
光部PBに相当する）が形成され、このｐｎ接合６３を挟
んで両側に位置する球状レンズ６０の両側頂部に陽極６
４と陰極６５が形成され、陽極６４と陰極６５を結ぶ球
状レンズ６０の軸線はｐｎ接合６３と直交している。こ
の球状レンズ６０は、種々の方向の入射光B1,B2,B3,B4
に対して光学レンズ機能のある光路６６であってｐｎ接
合６３とその近傍部からなる発光部を貫いて透過する光
を透過させる光路６６を形成している。Embodiment 4: "Spherical light emitting diode" (see FIGS. 7 to 9) A semiconductor device with an optical lens function according to this embodiment is a spherical light emitting diode LED2 shown in FIGS.
In this light emitting diode LED2, an n-type GaP formed on one side of a p-type GaP crystal 61, which is a light-transmittable semiconductor, is used.
A crystal layer 62 (which is also a light transmissive semiconductor) and a p-type GaP crystal 6 are formed on the spherical lens 60 as a whole.
1 and the n-type GaP crystal layer 62, a pn junction 63 (this pn junction 6
3 and its vicinity correspond to a light emitting portion PB for converting electric energy into light, and the anode 6 is provided on both apexes of the spherical lens 60 located on both sides of the pn junction 63.
4 and the cathode 65 are formed, and the axis of the spherical lens 60 connecting the anode 64 and the cathode 65 is orthogonal to the pn junction 63. This spherical lens 60 is used for incident light B1, B2, B3, B4 in various directions.
On the other hand, there is formed an optical path 66 having an optical lens function, which is an optical path 66 for transmitting light which passes through the light emitting portion including the pn junction 63 and its vicinity.

【００３４】この球状発光ダイオードLED2を製作する場
合、ｐ形のGaP 結晶基板６１に液相エピタキシャル成長
方法などによりＮ（窒素）をドープしたｎ形のGaP 結晶
層６２を形成した後、両面に夫々オーミック接触するＡ
ｕを主成分とする陽極６４と陰極６５を複数組設け、こ
れを直方体状にカットし、ボールミルなどにより直径が
0.3 〜0.6 ｍｍ程度の球形に荒加工する。さらに球表面
を化学的機械的研磨法により鏡面に仕上げる。When the spherical light emitting diode LED2 is manufactured, an n-type GaP crystal layer 62 doped with N (nitrogen) is formed on a p-type GaP crystal substrate 61 by a liquid phase epitaxial growth method or the like, and then ohmic contacts are formed on both sides. Contact A
A plurality of sets of anodes 64 and cathodes 65 containing u as a main component are provided, and these are cut into a rectangular parallelepiped shape.
Roughly process to a spherical shape of 0.3 to 0.6 mm. Further, the spherical surface is mirror-finished by a chemical mechanical polishing method.

【００３５】陽極６４と陰極６５を図示しない適当な支
持部材に固定し、陽極６４と陰極６５を夫々外部の電気
回路に接続し、ｐｎ接合６３に順方向電流を流すとｐｎ
接合６３を含むその近傍からピーク波長0.56μｍの黄緑
色の光が外部の全方向に放射される。これ自体は発光ダ
イオード（ＬＥＤ）としての機能であるが、球状レンズ
６０を構成するGaP 結晶で吸収されない波長の光に対し
ては、光学的球状レンズとして機能させることができ
る。即ち、入射光B1,B2,B3,B4 の何れかのように、光を
入射させると球状レンズ６０により光が屈折を受け、入
射する平行光は球状レンズ６０の光軸上の焦点に集光す
る。また、球状レンズ６０を透過可能な波長の光を発生
させる光源を焦点の位置に置けば発光ダイオードLED2を
通過した光は平行光となって進行する。また、実施形態
１で説明したのと同様に、小型化でき、構成を簡単化で
き、半導体材料を節減でき、製作コストを低減でき、光
通信、光情報処理、分光分析、光センサー等の分野にお
いて有用な半導体デバイスを実現することができる。When the anode 64 and the cathode 65 are fixed to an appropriate supporting member (not shown), the anode 64 and the cathode 65 are connected to external electric circuits, respectively, and a forward current is applied to the pn junction 63, a pn junction is formed.
Yellow-green light having a peak wavelength of 0.56 μm is radiated in all directions from the vicinity including the junction 63. Although this itself has a function as a light emitting diode (LED), it can function as an optical spherical lens for light having a wavelength that is not absorbed by the GaP crystal forming the spherical lens 60. That is, like any one of the incident lights B1, B2, B3, B4, when the light is made incident, the light is refracted by the spherical lens 60, and the incident parallel light is condensed at the focal point on the optical axis of the spherical lens 60. To do. If a light source that generates light having a wavelength that can pass through the spherical lens 60 is placed at the focal point, the light that has passed through the light emitting diode LED2 travels as parallel light. Further, as in the case of the first embodiment, it can be downsized, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, the manufacturing cost can be reduced, and the fields such as optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, and optical sensor can be achieved. In this way, a useful semiconductor device can be realized.

【００３６】尚、GaP 結晶の代わりに発光ダイオードに
利用できる他の半導体結晶を用いて球状レンズ６０を作
り、発光機能と、その波長よりも長い波長の光に対する
レンズ機能とを兼備させることが可能である。尚、図７
〜図９の球状のGaP 発光ダイオードLED2は、0.19〜0.55
μｍの波長の光を吸収するフォトダイオードとして利用
することもできる。この場合には、0.55μｍ以下のスペ
クトルがカットされ、それ以上のスペクトルの光は球状
レンズ６０により集光される。尚、レンズとしては、球
状、半球、ロッド形、シリンダ形、丸ドラム形、凸形
等、屈折作用で光の進行方向を目的とする方向へ変換す
るものであればよい。It is possible to make a spherical lens 60 by using another semiconductor crystal that can be used for a light emitting diode instead of the GaP crystal, and have a light emitting function and a lens function for light of a wavelength longer than that wavelength. Is. Incidentally, FIG.
~ The spherical GaP light emitting diode LED2 in Fig. 9 is 0.19 ~ 0.55
It can also be used as a photodiode that absorbs light with a wavelength of μm. In this case, the spectrum of 0.55 μm or less is cut, and the light of the spectrum of more than 0.55 μm is condensed by the spherical lens 60. The lens may be spherical, hemispherical, rod-shaped, cylinder-shaped, round-drum-shaped, convex-shaped or the like as long as it can convert the traveling direction of light into a desired direction by refraction.

【００３７】実施形態５：「複合形フォトダイオード」
（図１０、図１１参照） 本実施形態に係る光学レンズ機能付き半導体デバイス
は、図１０、図１１に示す複合形フォトダイオードPD3
であり、この複合形フォトダイオードPD3 は、実施形態
１（図１、図２）のシリコンフォトダイオードPD1 を、
InGaAs／InP フォトダイオードPD4 のチップの上に重ね
合わせて一体的に複合化したものである。シリコンフォ
トダイオードPD1 の構造と製作方法については実施形態
１において説明したとおりであるので、同一の要素に同
一符号を付して説明を省略し、InGaAs／InP フォトダイ
オードPD4 の製作方法と構造について説明する。Embodiment 5: "Composite Photodiode"
(See FIGS. 10 and 11) A semiconductor device with an optical lens function according to the present embodiment is a composite photodiode PD3 shown in FIGS.
In this composite photodiode PD3, the silicon photodiode PD1 of the first embodiment (FIGS. 1 and 2) is
It is a composite of the InGaAs / InP photodiode PD4, which is superposed on the chip. Since the structure and manufacturing method of the silicon photodiode PD1 are the same as those described in the first embodiment, the same elements are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted, and the manufacturing method and the structure of the InGaAs / InP photodiode PD4 will be described. To do.

【００３８】ｎ⁺ -InPの結晶からなる結晶基板７１上に
ｎ−InP 結晶からなるバッファ層７２、Inの混晶比が0.
58であるｎ−InGaAs結晶からなる光吸収層７３、ｎ⁺ -I
nP結晶からなる窓層７４を図示のように順次公知の技法
であるＭＯＣＶＤ法で成長させる。窓層７４の表面にシ
リコン窒化膜７５を被着した後、後の工程でチップ状に
カットされる結晶基板７１の中心部に対応するシリコン
窒化膜（図示略）（シリコン窒化膜７５と同様の膜）の
部分にフォトエッチングによって直径が0.08〜0.30ｍｍ
程度の円形の窓を開け、その窓の周囲のシリコン窒化膜
７５をマスクとしてｐ形不純物であるＺｎを熱拡散して
ｎ⁺ -InPの窓層７４とｎ−InGaAsの光吸収層７３とにｐ
形拡散層７６を形成し光吸収層７３にｐｎ接合７７を形
成する。On the crystal substrate 71 made of n ⁺ -InP crystal, the buffer layer 72 made of n-InP crystal and the mixed crystal ratio of In are 0.
The light absorption layer 73 made of n-InGaAs crystal 58, n ⁺ -I
The window layer 74 made of nP crystal is sequentially grown by the well-known MOCVD method as shown in the figure. After depositing the silicon nitride film 75 on the surface of the window layer 74, a silicon nitride film (not shown) corresponding to the central portion of the crystal substrate 71 to be cut into chips in a later step (similar to the silicon nitride film 75) The diameter of film is 0.08 to 0.30mm by photo etching.
A circular window is opened, and Zn, which is a p-type impurity, is thermally diffused by using the silicon nitride film 75 around the window as a mask to form an n ⁺ -InP window layer 74 and an n-InGaAs light absorption layer 73. p
The diffusion layer 76 is formed, and the pn junction 77 is formed in the light absorption layer 73.

【００３９】シリコン窒化膜のマスクを除去後、ｐ形拡
散層７６と窓層７４の表面に再度所定の厚さのシリコン
窒化膜７５をＣＶＤより被着し、光透過窓９の外面を覆
う光反射防止膜７５ａおよびｐｎ接合７７を保護する保
護膜７５ｂを形成する。そして、ｐ形拡散層７６にオー
ミック接触する陽極７８を設ける為、フォトエッチング
によって円形のｐ形拡散層７６上のシリコン窒化膜７５
にリング状の窓を開け、Au-Zn 合金膜を蒸着して陽極７
８を形成する。さらに、ｐ形拡散層７６と接する反射防
止膜７５ａ上のAu-Zn 合金の蒸着膜を除去し、受光面を
露出させる。尚、このAu-Zn 合金の蒸着膜を除去するに
当たっては公知のリフトオフ法を適用できる。結晶基板
７１の裏面には、これとオーミック接触する陰極７９を
設ける為、Au-Ge-Ni合金膜を蒸着により全面に蒸着し陰
極７９を形成する。このInGaAs／InP フォトダイオード
PD4 は、常温において0.90〜1.65μｍの波長の光を吸収
し光電変換する。After removing the mask of the silicon nitride film, a silicon nitride film 75 having a predetermined thickness is again deposited on the surfaces of the p-type diffusion layer 76 and the window layer 74 by CVD to cover the outer surface of the light transmitting window 9. A protective film 75b that protects the antireflection film 75a and the pn junction 77 is formed. Then, in order to provide the anode 78 which makes ohmic contact with the p-type diffusion layer 76, the silicon nitride film 75 on the circular p-type diffusion layer 76 is photo-etched.
Open a ring-shaped window on the anode and deposit an Au-Zn alloy film on the anode 7.
8 is formed. Further, the vapor deposition film of Au—Zn alloy on the antireflection film 75a in contact with the p-type diffusion layer 76 is removed to expose the light receiving surface. A known lift-off method can be applied to remove the vapor-deposited film of the Au-Zn alloy. On the back surface of the crystal substrate 71, an Au-Ge-Ni alloy film is vapor-deposited on the entire surface to form a cathode 79 in order to provide a cathode 79 in ohmic contact therewith. This InGaAs / InP photodiode
PD4 absorbs and photoelectrically converts light having a wavelength of 0.90 to 1.65 μm at room temperature.

【００４０】こうして作ったInGaAs／InP フォトダイオ
ードPD4 の上面に、実施形態１で説明したシリコンフォ
トダイオードPD1 のチップを図示のように半球状レンズ
２の光軸がｐ形拡散層７６の中心に一致するように積み
重ね、シリコンフォトダイオードPD1 の陽極１１とInGa
As／InP フォトダイオードPD4 の陽極７８とを図示して
ないハンダ材等により固着して電気的に接続すると、複
合形フォトダイオードPD3 のチップができる。図示して
ないが、この複合形フォトダイオードPD3 のチップを適
当なケースなどの支持部材に取付け、共通の陽極１１，
７８と、両フォトダイオードPD1 ，PD4 の陰極６，７９
とを有する３端子の複合形フォトダイオードPD3 ができ
上がる。On the upper surface of the InGaAs / InP photodiode PD4 thus formed, the chip of the silicon photodiode PD1 described in the first embodiment is aligned with the optical axis of the hemispherical lens 2 at the center of the p-type diffusion layer 76 as shown in the figure. Stack as shown in FIG.
When the anode 78 of the As / InP photodiode PD4 is fixed and electrically connected by a solder material (not shown) or the like, a chip of the composite photodiode PD3 is formed. Although not shown, the chip of the composite photodiode PD3 is mounted on a supporting member such as a suitable case, and the common anode 11,
78, the cathodes of both photodiodes PD1 and PD4 6,79
A 3-terminal composite photodiode PD3 having and is completed.

【００４１】この複合形フォトダイオードPD3 のうちの
シリコンフォトダイオードPD1 は、ｐｎ接合４の表面か
ら、位置により短波長側の感度は変わるが、常温で約0.
32〜1.10μｍの波長の光を吸収し、InGaAs／InP フォト
ダイオードPD4 は0.90〜1.65μｍの波長の光を吸収する
ので、複合形フォトダイオードPD3 は、約0.32〜1.65μ
ｍの波長の光を検出することができる。このように、１
つのデバイスで光感度が高く、検出波長範囲が広い特性
が得られる。但し、陽極７８の表面に絶縁膜を介して陽
極１１を固着することもでき、この場合、フォトダイオ
ードPD1 ，PD4は相互に独立の受光機能を奏するものと
なり、２種類の入射光を独立に光電変換できるものとな
る。尚、レンズとしては、球状、半球、ロッド形、シリ
ンダ形、丸ドラム形、凸形等、屈折作用で光の進行方向
を目的とする方向へ変換するものであればよい。その他
実施形態１で説明したのと同様に、小型化でき、構成を
簡単化でき、半導体材料を節減でき、製作コストを低減
でき、光通信、光情報処理、分光分析、光センサー等の
分野において有用な半導体デバイスを実現できる。The silicon photodiode PD1 of the composite photodiode PD3 has a sensitivity on the short wavelength side which varies depending on the position from the surface of the pn junction 4, but is about 0.
The InGaAs / InP photodiode PD4 absorbs light of wavelengths of 32 to 1.10 μm, and the InGaAs / InP photodiode PD4 absorbs light of wavelengths of 0.90 to 1.65 μm.
It is possible to detect light having a wavelength of m. Like this one
With one device, high photosensitivity and wide detection wavelength range can be obtained. However, the anode 11 can be fixed to the surface of the anode 78 via an insulating film. In this case, the photodiodes PD1 and PD4 have independent light receiving functions, and two types of incident light are independently photoelectrically converted. It can be converted. The lens may be spherical, hemispherical, rod-shaped, cylinder-shaped, round-drum-shaped, convex-shaped, or the like as long as it can convert the traveling direction of light into a desired direction by refraction. Others As in the first embodiment, the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, the manufacturing cost can be reduced, and in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensor, etc. A useful semiconductor device can be realized.

【００４２】ここで、実施形態１のシリコンフォトダイ
オードPD1 の代わりに、実施形態２のシリコンフォトダ
イオードPD2 を用いて複合形フォトダイオードを構成し
てもよい。この場合、InGaAs／InP フォトダイオードPD
4 の陽極７８がシリコンフォトダイオードPD2 の陽極２
９とだけ接するように構成し、同一平面上でシリコンフ
ォトダイオードPD2 の陰極３０と接する引出し電極を独
立に設ける。Here, instead of the silicon photodiode PD1 of the first embodiment, the silicon photodiode PD2 of the second embodiment may be used to form a composite photodiode. In this case, InGaAs / InP photodiode PD
The anode 78 of 4 is the anode 2 of the silicon photodiode PD2.
9 is provided so as to be in contact with the cathode 9 of the silicon photodiode PD2 independently on the same plane.

【００４３】また、InGaAs／InP フォトダイオードPD4
の代わりに、シリコンフォトダイオードPD1 を透過する
波長の光を吸収できる他の半導体からなる受光デバイス
を組み合わせてもよい。例えばゲルマニウムフォトダイ
オード、Ga-In-As-Sb ／Ga-Al-As-Sb ヘテロ構造フォト
ダイオード、In-As-Sb-P／InAsヘテロ構造フォトダイオ
ードなどのフォトダイオードをシリコンフォトダイオー
ドに複合化してもよい。これらのフォトダイオードは、
感度カットオフ１０％として、夫々1.55μｍ、2.4 μ
ｍ、3.8 μｍまで受光感度があり、シリコンフォトダイ
オードと組み合わせて広範囲な光感度特性が得られる。Also, InGaAs / InP photodiode PD4
Instead of the above, a light receiving device made of another semiconductor capable of absorbing light having a wavelength transmitted through the silicon photodiode PD1 may be combined. For example, combine a photodiode such as a germanium photodiode, Ga-In-As-Sb / Ga-Al-As-Sb heterostructure photodiode, or In-As-Sb-P / InAs heterostructure photodiode with a silicon photodiode. Good. These photodiodes are
Sensitivity cutoff of 10%, 1.55μm and 2.4μ, respectively
It has a photosensitivity up to m and 3.8 μm, and a wide range of photosensitivity characteristics can be obtained by combining it with a silicon photodiode.

【００４４】実施形態６：「複合形発光ダイオード」
（図１２、図１３参照） 本実施形態に係る光学レンズ機能付き半導体デバイス
は、図１２、図１３に示す複合形発光ダイオードLED3で
あり、この複合形発光ダイオードLED3は、実施形態４
（図７〜図９）で説明したGaP の発光ダイオードLED2
を、GaAlAsの赤外発光ダイオードLED4に複合化したもの
であるので、発光ダイオードLED2については実施形態４
のものと同一要素に同一符号を付して説明を省略する。Embodiment 6: "Composite light emitting diode"
(See FIGS. 12 and 13) The semiconductor device with an optical lens function according to the present embodiment is the composite light emitting diode LED3 shown in FIGS. 12 and 13, and the composite light emitting diode LED3 is the same as that of the fourth embodiment.
GaP light emitting diode LED2 explained in (Figs. 7-9)
Is combined with the GaAlAs infrared light-emitting diode LED4.
The same elements as those in FIG.

【００４５】GaAlAsの赤外発光ダイオードLED4の製作方
法と構造について説明すると、この赤外発光ダイオード
LED4は、ｎ形GaAsの結晶基板８１を用いて公知の技法に
より製作することができる。最初にｎ⁺ -GaAs 結晶から
なる結晶基板８１上に液相エピタキシャル法によってｎ
形でＡｌの混晶比が0.3 のGaAlAs結晶からなるクラッド
層８２、ｐ形でＡｌの混晶比が0.03のGaAlAs結晶からな
る活性層８３、ｎ形でＡｌの混晶比が0.15のGaAlAs結晶
からなるキャップ層８４を順次エピタキシャル成長によ
り図示のように積層する。The manufacturing method and structure of the GaAlAs infrared light emitting diode LED4 will be described.
The LED 4 can be manufactured by a known technique using the n-type GaAs crystal substrate 81. First, n was formed on a crystal substrate 81 made of n ⁺ -GaAs crystal by a liquid phase epitaxial method.
-Type cladding layer 82 made of GaAlAs crystals with an Al mixed crystal ratio of 0.3, p-type active layer 83 made of GaAlAs crystals with an Al mixed crystal ratio of 0.03, n-type GaAlAs crystals having an Al mixed crystal ratio of 0.15 A cap layer 84 made of is sequentially laminated as shown by epitaxial growth.

【００４６】実施形態５で説明したのと同様にキャップ
層８４の表面に形成したシリコン窒化膜（図示略）（シ
リコン窒化膜８７にほぼ対応する膜）の中央部に円形の
窓を開け、この窓の周囲のシリコン窒化膜をマスクにし
てＺｎを中心部に拡散させることにより、直径約0.20ｍ
ｍの円形のｐ形拡散層８５をキャップ層８４を貫通して
活性層８３と接するように形成し、円形のｐｎ接合８６
（このｐｎ接合８６とその近傍部とが電気エネルギーを
光に電光変換する発光部に相当する）を形成する。次
に、シリコン窒化膜を除去後、ｐ形拡散層８５とキャッ
プ層８４の表面全面に再度シリコン窒化膜８７を形成
し、ｐ形拡散層８５の表面上にリング状に接触する陽極
８８を設ける為にシリコン窒化膜８７をリング状に除去
し、Au-Zn-Auを蒸着し、ｐ形拡散層８５の表面側の蒸着
層及びシリコン窒化膜８７をエッチングで除去して光透
過窓８９と陽極８８を形成する。As described in the fifth embodiment, a circular window is opened in the center of a silicon nitride film (not shown) (a film substantially corresponding to the silicon nitride film 87) formed on the surface of the cap layer 84. By using the silicon nitride film around the window as a mask to diffuse Zn into the center, a diameter of about 0.20 m
A circular p-type diffusion layer 85 of m is formed so as to penetrate the cap layer 84 and contact the active layer 83, and a circular pn junction 86 is formed.
(This pn junction 86 and its vicinity correspond to a light emitting portion that electro-electrically converts electric energy into light). Next, after removing the silicon nitride film, a silicon nitride film 87 is formed again on the entire surfaces of the p-type diffusion layer 85 and the cap layer 84, and an anode 88 that makes a ring-like contact is provided on the surface of the p-type diffusion layer 85. Therefore, the silicon nitride film 87 is removed in a ring shape, Au-Zn-Au is vapor-deposited, the vapor deposition layer on the surface side of the p-type diffusion layer 85 and the silicon nitride film 87 are removed by etching, and the light transmission window 89 and the anode are formed. 88 is formed.

【００４７】次に、光透過窓８９と陽極８８の表面に所
定の厚さのポリイミド樹脂製の絶縁層９０を形成し、そ
の絶縁層９０の表面にAu-Ge-Niを蒸着し、その蒸着層を
所定のパターンにマスクした状態でフォトエッチングす
ることで、発光ダイオードLED2の下端部を収容する為の
開口窓９１（これは光透過窓８９の上側に対応する）を
絶縁層９０に形成するとともに、図１３に示すような陽
極引出し電極９２及び陰極引出し電極９３を形成する。
次に、結晶基板８１の裏面側にAu-Ge-Niを蒸着して陰極
９４を形成する。Next, an insulating layer 90 made of polyimide resin having a predetermined thickness is formed on the surfaces of the light transmitting window 89 and the anode 88, Au-Ge-Ni is vapor-deposited on the surface of the insulating layer 90, and the vapor deposition is performed. By photo-etching with the layer masked in a predetermined pattern, an opening window 91 (which corresponds to the upper side of the light transmission window 89) for housing the lower end of the light emitting diode LED2 is formed in the insulating layer 90. At the same time, an anode extraction electrode 92 and a cathode extraction electrode 93 as shown in FIG. 13 are formed.
Next, Au-Ge-Ni is vapor-deposited on the back surface side of the crystal substrate 81 to form the cathode 94.

【００４８】この赤外発光ダイオードLED4の開口窓９１
に実施形態４で説明した発光ダイオードLED2の下端部を
嵌め、透明な合成樹脂９５で固着する。その後、発光ダ
イオードLED2の陽極６４と陰極６５を銀ペースト９６，
９７により夫々陽極引出し電極９２と陰極引出し電極９
３に電気的に接着し接続する。前記赤外発光ダイオード
LED4の陽極８８と陰極９４は夫々外部の電気回路に接続
され、発光ダイオードLED2の陽極引出し電極９２と陰極
引出し電極９３も同様に夫々外部の電気回路に接続され
る。この複合形発光ダイオードLED3は、例えば陰極９４
を適当なケースまたは支持部材に固定した状態で使用さ
れる。尚、両発光ダイオードLED2，LED4を同時作動させ
て使用する場合は、陽極８８を陽極引出し電極９２に接
続して共通の陽極に構成してもよい。Opening window 91 of this infrared light emitting diode LED4
Then, the lower end of the light emitting diode LED2 described in the fourth embodiment is fitted and fixed with the transparent synthetic resin 95. Then, the anode 64 and the cathode 65 of the light emitting diode LED2 are connected to the silver paste 96,
97, an anode extraction electrode 92 and a cathode extraction electrode 9 respectively.
3 is electrically glued and connected. The infrared light emitting diode
The anode 88 and the cathode 94 of the LED 4 are respectively connected to an external electric circuit, and the anode extraction electrode 92 and the cathode extraction electrode 93 of the light emitting diode LED2 are similarly connected to the external electric circuit. The composite light emitting diode LED3 has, for example, a cathode 94
Is fixed to an appropriate case or a supporting member. When both the light emitting diodes LED2 and LED4 are simultaneously operated and used, the anode 88 may be connected to the anode extraction electrode 92 to form a common anode.

【００４９】赤外発光ダイオードLED4の陽極８８と陰極
９４間に順方向電流を流すとｐｎ接合８６のある活性層
８３よりピーク波長が約0.85μｍの赤外光が発生し、光
透過窓８９と発光ダイオードLED2の球状レンズ６０内の
光路６６とを透過して外部へ出射する。赤外発光ダイオ
ードLED4の光透過窓８９を小さくして点状光源に近づ
け、GaP 発光ダイオードLED2の球状レンズ６０の焦点の
位置に配置すれば、赤外光はGaP 発光ダイオードLED2の
上方に平行光線となって放射する。一方、GaP 発光ダイ
オードLED2に順電流を流すと、ｐｎ接合６３の部分から
ピーク波長が約0.56μｍの黄緑色光を放射する。つま
り、両発光ダイオードLED2，LED4に夫々順電流を流すと
同じ光軸で波長の異なる２種類の光が出射することにな
る。２種類の波長の光を同一光軸で夫々独立して放射す
ることが可能であり、２種類の波長の光通信、光計測、
光分光に利用できる。また、目に見えない赤外光のガイ
ドとしてGaP 発光ダイオードLED2から放射する光を利用
できる。その他、実施形態１で説明したのと同様に、小
型化でき、構成を簡単化でき、半導体材料を節減でき、
製作コストを低減でき、光通信、光情報処理、分光分
析、光センサー等の分野において有用な半導体デバイス
を実現できる。When a forward current is passed between the anode 88 and the cathode 94 of the infrared light emitting diode LED4, infrared light having a peak wavelength of about 0.85 μm is generated from the active layer 83 having the pn junction 86, and the infrared light is transmitted through the light transmitting window 89. The light passes through the optical path 66 in the spherical lens 60 of the light emitting diode LED2 and is emitted to the outside. If the light transmitting window 89 of the infrared light emitting diode LED4 is made small and brought close to the point light source and is arranged at the focus position of the spherical lens 60 of the GaP light emitting diode LED2, the infrared light is a parallel light beam above the GaP light emitting diode LED2. And radiate. On the other hand, when a forward current is passed through the GaP light emitting diode LED2, yellow-green light having a peak wavelength of about 0.56 μm is emitted from the pn junction 63. That is, when a forward current is applied to each of the light emitting diodes LED2 and LED4, two types of light with different wavelengths are emitted along the same optical axis. It is possible to independently emit light of two types of wavelengths on the same optical axis, and to perform optical communication of two types of wavelengths, optical measurement,
It can be used for optical spectroscopy. Also, the light emitted from the GaP light emitting diode LED2 can be used as a guide for invisible infrared light. In addition, like the first embodiment, the size can be reduced, the configuration can be simplified, and the semiconductor material can be reduced.
The manufacturing cost can be reduced, and a semiconductor device useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensor, etc. can be realized.

【００５０】図１２、図１３のGaAlAsの赤外発光ダイオ
ードLED4の代わりにInGaAsP ／InPを用いた１μｍ帯の
赤外発光ダイオードを用いたり、また、GaP 発光ダイオ
ードLED2の代わりに球状のGaAlAs赤外発光ダイオードと
InGaAsP ／InP を用いた１μｍ帯の赤外発光ダイオード
を組み合わせた複合発光ダイオードを作り、２種類の波
長の複合形発光ダイオードを作ることも可能である。An infrared light emitting diode of 1 μm band using InGaAsP / InP is used in place of the infrared light emitting diode LED4 of GaAlAs shown in FIGS. 12 and 13, and a spherical GaAlAs infrared light is used in place of the GaP light emitting diode LED2. With light emitting diode
It is also possible to make a composite light emitting diode that combines infrared light emitting diodes in the 1 μm band using InGaAsP / InP to make a composite light emitting diode of two types of wavelengths.

【００５１】実施形態７：「受発光複合ダイオード」 実施形態５のInGaAs／InP フォトダイオードPD4 の代わ
りにInGaAsP ／InP を用いたピーク波長1.55μｍの赤外
発光ダイオードを適用した受発光複合形ダイオードを作
る。この受発光複合形ダイオードによれば、約1.1 μｍ
以下の外部光信号をシリコンフォトダイオードPD1 で検
出し、反対にピーク波長1.55μｍの赤外光信号を外部に
出射することができる。それ故、この受発光複合形ダイ
オードは、波長の異なる２種類の光を用いる双方向光通
信に利用することができる。尚、レンズとしては、球
状、半球、ロッド形、シリンダ形、丸ドラム形、凸形
等、屈折作用で光の進行方向を目的とする方向へ変換す
るものであればよい。Embodiment 7: "Light-Emitting and Emitting Compound Diode" A light-receiving and emitting compound diode in which an InGaAsP / InP photodiode PD4 of the fifth embodiment is replaced by an InGaAsP / InP infrared light emitting diode having a peak wavelength of 1.55 μm is used. create. With this combined light emitting and receiving diode, about 1.1 μm
The following external optical signal can be detected by the silicon photodiode PD1, and conversely, an infrared optical signal with a peak wavelength of 1.55 μm can be emitted to the outside. Therefore, this composite light emitting and receiving diode can be used for bidirectional optical communication using two types of light having different wavelengths. The lens may be spherical, hemispherical, rod-shaped, cylinder-shaped, round-drum-shaped, convex-shaped or the like as long as it can convert the traveling direction of light into a desired direction by refraction.

【００５２】実施形態８：「受発光複合ダイオード」 実施形態６のGaAlAs赤外発光ダイオードLED4の代わりに
InGaAs／InP フォトダイオードを組み込んだ受発光複合
ダイオードを作ることもできる。GaP 発光ダイオードの
ような相対的に波長が短い光を吸収すると相対的に波長
の長い赤外光に波長変換して反射してくる物質をマーク
としておき、これを受発光複合形ダイオードで光照射す
れば、その反射光がInGaAs／InP フォトダイオードによ
って検出できマークセンサーとして利用できる。Embodiment 8: "Receiving and Emitting Compound Diode" Instead of the GaAlAs infrared light emitting diode LED4 of Embodiment 6.
It is also possible to make a light emitting / receiving composite diode that incorporates an InGaAs / InP photodiode. When a material such as a GaP light emitting diode that absorbs light with a relatively short wavelength is converted into infrared light with a relatively long wavelength and reflected, it is used as a mark, and this is illuminated by a light emitting and receiving complex diode. If so, the reflected light can be detected by the InGaAs / InP photodiode and can be used as a mark sensor.

【００５３】以上説明した本発明の実施形態を参考とし
て、既存の技術に基づいて、受発光光デバイスを種々組
み合わせて本発明と同様の機能を奏する受発光複合ダイ
オードを製作できることは勿論である。尚、前記実施形
態において、レンズ機能の有無によらずに受光デバイス
としては、フォトダイオード以外に、フォトトランジス
タやPbS 、PbSe、CdS のごとき光導電特性を有するバル
ク構造光導電素子を含めて本発明を実施可能である。Needless to say, referring to the embodiments of the present invention described above, it is possible to fabricate a light emitting and receiving composite diode having the same function as the present invention by combining various light receiving and emitting light devices based on the existing technology. In addition, in the above-described embodiment, the present invention includes a bulk structure photoconductive element having photoconductive characteristics such as a phototransistor and PbS, PbSe, and CdS as the light receiving device regardless of the presence or absence of the lens function, in addition to the photodiode. Can be implemented.

【００５４】[0054]

【発明の効果】 請求項１の発明によれば、前述のよう
に、光透過可能な半導体によって形成された光路の一部
を有効活用してレンズ機能を得るので、小型化でき、構
成を簡単化でき、半導体材料を節減でき、製作コストを
低減できる。しかも、外部の受光デバイスと複合化する
ことで、２種類の入射光を夫々独立に光電変換可能にな
り、エネルギー密度を高めた光を受光デバイスにより高
感度に光電変換可能になる。また、外部の発光デバイス
と複合化することで、入射光を受光して光電変換可能に
なり、発光させた光を出射可能になる。According to the invention of claim 1, as described above, since a lens function is obtained by effectively utilizing a part of the optical path formed by the light-transmittable semiconductor , the size can be reduced. The structure can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced. Moreover, by combining with an external light receiving device, two types of incident light can be independently photoelectrically converted, and light having an increased energy density can be photoelectrically converted by the light receiving device with high sensitivity. In addition, by combining with an external light emitting device, incident light can be received and photoelectrically converted, and emitted light can be emitted.

【００５５】請求項２の発明によれば、前述のように、
光透過可能な半導体によって形成された光路の一部を有
効活用してレンズ機能を得るので、小型化でき、構成を
簡単化でき、半導体材料を節減でき、製作コストを低減
できる。しかも、外部の発光デバイスと複合化すること
で、２種類の光を夫々独立に発生させて出射可能にな
る。また、外部の受光デバイスと複合化することで、レ
ンズ機能によりエネルギー密度を高めた光を受光デバイ
スに受光させて高感度に光電変換可能になる。According to the invention of claim 2, as described above,
A lens function is obtained by effectively utilizing a part of an optical path formed by a light-transmittable semiconductor, so that the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced. . Moreover, by combining with an external light emitting device, two types of light can be independently generated and emitted. Also, by combining with an external light receiving device, it becomes possible to perform high-sensitivity photoelectric conversion by allowing the light receiving device to receive the light whose energy density is increased by the lens function.

【００５６】請求項３の発明によれば、前述のように、
前記受光部と第２受光部とで、波長の異なる２種類の入
射光を独立に受光して光電変換できるので、光通信、光
情報処理、分光分析、光センサー等の分野で有用な半導
体デバイスを提供することができる。その他、請求項１
と同様に、小型化でき、構成を簡単化でき、半導体材料
を節減でき、製作コストを低減できる。According to the invention of claim 3, as described above,
Since the light receiving section and the second light receiving section can independently receive two types of incident light having different wavelengths and perform photoelectric conversion, a semiconductor device useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensor, and the like. Can be provided. Others, claim 1
Similarly, the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced.

【００５７】請求項４の発明によれば、前述のように、
例えば、波長の異なる２種類の光のうちの短い波長の光
を受光し長い波長の光を発光するように構成する場合に
は双方向光通信に適用可能な発光デバイスを提供できる
し、受光と発光の両機能を兼備した光センサー用の半導
体デバイスを提供することもできる。その他、請求項１
と同様に、小型化でき、構成を簡単化でき、半導体材料
を節減でき、製作コストを低減できる。請求項３と同様
に、光通信、光情報処理、分光分析、光センサー等の分
野で有用な半導体デバイスを提供することができる。According to the invention of claim 4, as described above,
For example, in the case of being configured to receive light of a short wavelength and emit light of a long wavelength of two types of light having different wavelengths, it is possible to provide a light emitting device applicable to bidirectional optical communication, and It is also possible to provide a semiconductor device for an optical sensor having both functions of light emission. Others, claim 1
Similarly, the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced. Similarly to the third aspect, it is possible to provide a semiconductor device useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensor and the like.

【００５８】請求項５の発明によれば、前述のように、
前記発光部と第２発光部とで、波長の異なる２種類の光
を独立に発光できるので、光通信、光情報処理、分光分
析、光センサー等の分野で有用な半導体デバイスを提供
することができる。その他、請求項１と同様に、小型化
でき、構成を簡単化でき、半導体材料を節減でき、製作
コストを低減できる。According to the invention of claim 5, as described above,
Since the light emitting unit and the second light emitting unit can independently emit two types of light having different wavelengths, it is possible to provide a semiconductor device useful in the fields of optical communication, optical information processing, spectroscopic analysis, optical sensors, and the like. it can. Besides, as in the first aspect, the size can be reduced, the configuration can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced.

【００５９】請求項６の発明によれば、前述のように、
請求項３と同様に、双方向光通信適用可能な発光デバイ
スを提供することができる。また、受光機能と発光機能
を兼備した光センサー用の半導体デバイスを提供するこ
ともできる。その他、請求項１と同様に、小型化でき、
構成を簡単化でき、半導体材料を節減でき、製作コスト
を低減できる。According to the invention of claim 6, as described above,
Similarly to the third aspect, it is possible to provide a light emitting device to which bidirectional optical communication can be applied. It is also possible to provide a semiconductor device for an optical sensor having both a light receiving function and a light emitting function. Others, like the first aspect, can be downsized,
The structure can be simplified, the semiconductor material can be saved, and the manufacturing cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の実施形態１のシリコンフォトダイオー
ドの断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a silicon photodiode according to a first embodiment of the present invention.

【図２】図１のシリコンフォトダイオードの底面図であ
る。FIG. 2 is a bottom view of the silicon photodiode of FIG.

【図３】実施形態２のシリコンフォトダイオードの断面
図である。FIG. 3 is a sectional view of a silicon photodiode according to a second embodiment.

【図４】図３のシリコンフォトダイオードの底面図であ
る。FIG. 4 is a bottom view of the silicon photodiode of FIG.

【図５】実施形態３の発光ダイオードの断面図である。FIG. 5 is a sectional view of a light emitting diode according to a third embodiment.

【図６】図５の発光ダイオードの平面図である。FIG. 6 is a plan view of the light emitting diode of FIG.

【図７】実施形態４の発光ダイオードの断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a light emitting diode according to a fourth embodiment.

【図８】図７の発光ダイオードの平面図である。FIG. 8 is a plan view of the light emitting diode of FIG.

【図９】図７の発光ダイオードの側面図である。9 is a side view of the light emitting diode of FIG. 7. FIG.

【図１０】実施形態５の複合形フォトダイオードの断面
図である。FIG. 10 is a sectional view of a composite photodiode according to a fifth embodiment.

【図１１】図１０の複合形フォトダイオードの平面図で
ある。11 is a plan view of the composite photodiode of FIG.

【図１２】実施形態６の複合形フォトダイオードの断面
図である。FIG. 12 is a sectional view of a composite photodiode according to a sixth embodiment.

【図１３】図１２の複合形フォトダイオードの平面図で
ある。13 is a plan view of the composite photodiode of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

PD1 半球状レンズ付きシリコンフォトダイオー
ド １ シリコン基板 ２ 半球状レンズ ４ ｎ⁺ ｐ接合（受光部） ８ 光路 PD2 半球状レンズ付きシリコンフォトダイオー
ド ２１ シリコン基板 ２２ 半球状レンズ ２５ ｎ⁺ ｐ接合（受光部） ２６ 光路 LED1 半球状レンズ付き発光ダイオード ４１ 結晶基板 ４２ 半球状レンズ ４７ ｐｎ接合（発光部） ５１ 光路 LED2 球状発光ダイオード ６１ ｐ形GaP 結晶 ６３ ｐｎ接合（発光部） ６６ 光路 PD3 複合形フォトダイオード PD4 InGaAs／InP フォトダイオード ７１ 結晶基板 ７７ ｐｎ接合（受光部） LED3 複合形発光ダイオード LED4 赤外発光ダイオード ８１ 結晶基板 ８６ ｐｎ接合（発光部）PD1 Silicon photodiode with hemispherical lens 1 Silicon substrate 2 Hemispherical lens 4 n ⁺ p junction (light receiving part) 8 Optical path PD2 Silicon photodiode with hemispherical lens 21 Silicon substrate 22 Hemispherical lens 25 n ⁺ p junction (light receiving part) 26 Optical path LED1 Light emitting diode with hemispherical lens 41 Crystal substrate 42 Hemispherical lens 47 pn junction (light emitting part) 51 Optical path LED2 Spherical light emitting diode 61 p-type GaP crystal 63 pn junction (light emitting part) 66 Optical path PD3 Composite photodiode PD4 InGaAs / InP photodiode 71 crystal substrate 77 pn junction (light receiving portion) LED3 composite type light emitting diode LED4 infrared light emitting diode 81 crystal substrate 86 pn junction (light emitting portion)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−110454（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30126（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30127（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30128（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−92509（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−363072（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−30828（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−135588（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/00 - 31/12 H01L 33/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-7-110454 (JP, A) JP-A-4-30126 (JP, A) JP-A-4-30127 (JP, A) JP-A-4-30127 30128 (JP, A) JP-A-7-92509 (JP, A) JP-A-4-363072 (JP, A) JP-A-55-30828 (JP, A) JP-A-53-135588 (JP, A) (58) Fields surveyed (Int.Cl. ⁷ , DB name) H01L 31/00-31/12 H01L 33/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 入射光を光電変換する受光部を備えた半
導体デバイスにおいて、受光部を光透過可能な半導体の
一部で構成し、この光透過可能な半導体に受光部を透過
した光又は受光部に向かう光を透過させる光路を形成
し、この光路の一部にレンズ機能を付与したことを特徴
とする光学レンズ機能付き半導体デバイス。1. A Oite a semiconductor device having a light receiving section that photoelectrically converts incident light, the light receiving portion of the light transmissive semiconductor
It constitutes a part, transmitted through the light receiving portion in the light transmissive semiconductor
A semiconductor device with an optical lens function, characterized in that an optical path for transmitting the above-mentioned light or light directed to a light receiving portion is formed, and a lens function is added to a part of this optical path. 【請求項２】 電気エネルギーを光に電光変換する発光
部を備えた半導体デバイスにおいて、発光部を光透過可
能な半導体の一部で構成し、この光透過可能な半導体に
発光部から発した光を透過させる光路を形成し、この光
路の一部にレンズ機能を付与したことを特徴とする光学
レンズ機能付き半導体デバイス。2. A semiconductor device having a light emitting portion for converting electric energy into light, which comprises a part of a light transmitting semiconductor and the light transmitting semiconductor.
A semiconductor device with an optical lens function, characterized in that an optical path for transmitting light emitted from a light emitting portion is formed, and a lens function is added to a part of this optical path. 【請求項３】 入射光を光電変換する第２受光部を一体
的に組み込み、前記光路を透過した入射光を第２受光部
で受光するように構成したことを特徴とする請求項１に
記載の光学レンズ機能付き半導体デバイス。3. The second light receiving section for photoelectrically converting incident light is integrally incorporated, and the second light receiving section receives the incident light transmitted through the optical path. Semiconductor device with optical lens function. 【請求項４】 電気エネルギーを光に電光変換する発光
部を一体的に組み込み、この発光部から出る光が前記光
路を透過して出射されるように構成したことを特徴とす
る請求項１に記載の光学レンズ機能付き半導体デバイ
ス。4. A light emitting section for converting electric energy into light, which is integrated with the light emitting section, is constructed such that light emitted from the light emitting section is transmitted through the optical path and emitted. A semiconductor device with an optical lens function as described above. 【請求項５】 電気エネルギーを光に電光変換する第２
発光部を一体的に組み込み、この第２発光部から出る光
が前記光路を透過して出射されるように構成したことを
特徴とする請求項２に記載の光学レンズ機能付き半導体
デバイス。5. A second method for converting electric energy into light
The semiconductor device with an optical lens function according to claim 2, wherein the light emitting portion is integrally incorporated, and the light emitted from the second light emitting portion is configured to be emitted through the optical path. 【請求項６】 入射光を光電変換する受光部を一体的に
組み込み、前記光路を透過した入射光を受光部で受光す
るように構成したことを特徴とする請求項２に記載の光
学レンズ機能付き半導体デバイス。6. The optical lens function according to claim 2, wherein a light receiving section for photoelectrically converting the incident light is integrally incorporated, and the incident light transmitted through the optical path is received by the light receiving section. Semiconductor device.