JPH0832100A - 受光素子 - Google Patents
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Abstract
用される、受光領域が複数の光検出フォトダイオード部
に分割された分割フォトダイオードにおいて、主ビーム
の反射光が、フォーカス誤差測定のための光検出フォト
ダイオード部の分割部に照射された状態での応答速度の
劣化を改善すること。 【構成】 P型半導体基板1上の、P型分離拡散層5に
より分離されたN型エピタキシャル領域と、その下側の
基板部分とにより光検出フォトダイオード部D1,D
2,D3,D5を構成し、該基板の,該光検出フォトダ
イオード部を構成する部分にN型埋め込み拡散層3を形
成した。
Description
る回路を内蔵した回路内蔵受光素子に関し、特に、受光
領域が複数の光検出部に分割された分割フォトダイオー
ドにおいて、その応答速度の改善を図り、光検出部の光
学的な分割位置とその構造的な分割位置とのズレによる
特性劣化を低減するための構造に関する。
とえば光ピックアップの信号検出用素子として従来から
用いられている。
い、光ピックアップの小型軽量化が重要となっている。
これを実現するために、トラッキングビームを生成する
ための機能、光分岐を行うための機能、誤差信号を生成
するための機能を1つのホログラム素子に集積化し、レ
ーザダイオード及びフォトダイオード等を1つのパッケ
ージ(図示せず)内に収容し、上記ホログラム素子をパ
ッケージ上面に配した構造の光モジュールが提案されて
いる。
成を示す。この光学系における信号検出原理を簡単に説
明すると、レーザダイオードLDから出射された光は、
ホログラム素子31の裏面側に配置されたトラッキング
ビーム生成用回折格子30により、二つのトラッキング
用副ビームと情報信号読みだし用主ビームの三つの光ビ
ームに分けられる。
子31を0次光として透過したこれらの光は、コリメー
トレンズ32で平行光に変換された後、対物レンズ33
によってディスク34上に集光される。このディスク3
4上のピットによる変調を受けた反射光は、対物レンズ
33、コリメートレンズ32を透過した後、ホログラム
素子31によって回折され、1次回折光として、分割さ
れた5つの光検出部(以下、光検出フォトダイオード部
ともいう。)D1〜D5を有する5分割フォトダイオー
ドPD上に導かれる。
期の異なる二つの領域からなり、主ビームの反射光のう
ち、その一方の領域に入射したものが、上記光検出部D
2及びD3を分割する分割線上に、上記主ビームの反射
光のうち、他方の領域に入射したものが光検出部D4上
に集光されるようになっている。また、副ビームの反射
光は上記ホログラム素子31によりそれぞれ光検出部D
1,D5上に集光される。また上記光学系は、ホログラ
ム素子31とディスク34との距離の変化に応じて、主
ビームの反射光のフォトダイオードPD上での位置が光
検出フォトダイオード部D2,D3の並ぶ方向に変化す
るようになっており、主ビームの焦点がディスク上で合
っている時は、その反射光が上記光検出フォトダイオー
ド部D2とD3の間の分割部分に入射するようになって
いる。
上記各光検出部D1〜D5に対応する出力をS1〜S5
とすると、フォーカス誤差信号FESは、 FES=S2−S3 で与えられる。一方、トラッキング誤差はいわゆる3ビ
ーム法で検出される。2つのトラッキング用副ビームは
それぞれ光検出部D1,D5上に集光されるので、トラ
ッキング誤差信号TESは、 TES=S1−S5 で与えられる。この誤差信号TESが0であるとき、主
ビームが照射すべきトラック上に位置していることにな
る。また、再生信号RFは、主ビームの反射光を受光す
る光検出部D2〜D4の出力の総和として RF=S2+S3+S4 で与えられる。
分割フォトダイオードPDの構造を示す平面図である。
この5分割フォトダイオードの形状は上記光学系により
決まり、ここではフォトダイオードの光検出部は縦長の
形状となる。この形状は以下の理由により決まる。
DとフォトダイオードPDは、1つのパッケージに組み
込まれ、ホログラム素子31はこのパッケージ上面に接
着されている。このレーザダイオードとフォトダイオー
ドはその位置合わせの際バラツキが生ずる。上記レーザ
ダイオードLDの発振波長は個体間でバラツキがあり、
温度変動に起因して変化する。上記レーザダイオード
と、フォトダイオードとの位置合わせにおけるバラツキ
や発振波長のバラツキによって回折光の回折角が変化す
るため、フォトダイオードPDの受光面は、図4に示す
ようにY方向,つまり回折角の変化により回折光のフォ
トダイオードへの入射位置が変わる方向の寸法を広くと
る必要がある。
いては、レーザダイオードの発振波長の個体間バラツキ
と温度変動に起因する発振波長変化とによる回折光の回
折角の変化の影響は受けない。また、レーザダイオード
とフォトダイオードの位置合わせにおけるバラツキは、
パッケージ上面にホログラム31を接着する際、これを
回転させることで調整できるため、X方向の受光面の寸
法を広くとる必要がない。逆に、受光面のX方向につい
ては、このX方向にならぶ3ビームが離れていると光ピ
ックアップを光ディスク装置に組み込む際に調整が難し
くなるため、フォトダイオードの各光検出部D1〜D5
の幅および光検出部間の分割部の幅は狭くする必要があ
る。
各光検出部の形状は図4に示すように必然的に縦長とな
ってしまう。
−a’線部分の断面構造を示す図である。図4中、20
1は、従来から用いられていた光検出用の5分割フォト
ダイオードであり、202は各光検出フォトダイオード
部D1〜D5に共通のアノード電極、203a〜203
eは上記各光検出フォトダイオード部D1〜D5に対応
するカソード電極である。この図では、メタル処理工程
以後の工程により形成される構造、例えば多層配線、保
護膜等は省略している。
とおりである。まず、P型半導体基板1上の、光検出部
を分割する分割部となる領域に、P型埋め込み拡散層2
を形成する(図6(a))。
体基板1の表面全面にN型エピタキシャル層4を形成す
る。ついでN型エピタキシャル層4の表面からP型埋め
込み拡散層2に対応する部分にP型分離拡散層5を形成
する。これにより、電気的に分離された光検出部D1〜
D5が形成される。
よび光検出部D1〜D5の分割部となるP型分離拡散層
5の表面にP型拡散層6を形成する(図6(c))。
層6の形成時に表面に形成された酸化膜7のうち、P型
拡散層6の表面の受光領域に対応する部分を除去して、
全面に窒化膜8を形成する。この際、該窒化膜8の膜厚
は、これが反射防止膜となるよう、レーザダイオードの
波長に合ったものとする。
窓を開口して、電極配線9aを形成すると同時に窒化膜
8の表面の信号光があたらない部分に金属膜9を形成し
て、図5に示す構造の5分割フォトダイオードを得る。
また信号処理回路部分(図示せず)は通常のバイポーラ
ICプロセスにより上記半導体基板1上に作製される。
PDでは、光検出部D1〜D5の分割部のPN接合はP
型拡散層6によって覆われているため、窒化膜8をフォ
トダイオード表面に直接形成しても接合リークの増大等
の問題は起こらない。したがって、実際に集光ビームが
当たるフォトダイオードの光検出部D2及びD3間の分
割部では、集光ビームの受光面での反射は、窒化膜8に
より低反射に抑えられるため、フォトダイオードの高感
度化が実現できる。
は光検出部D1とD2の間、及び光検出部D3とD5の
間に金属膜9が形成されているため、迷光などの影響を
受けにくくなり、フォトダイオードのS/Nを向上する
ことができる。
Fを処理する光検出部D2,D3,D4は特に高速動作
が必要とされる。その内、光検出部D2及びD3では、
光ビームがこれらの分割部に照射された場合、各光検出
部の中央に光ビームが照射された時に比べて遮断周波数
が低下してしまうことがわかった。その実験結果を図7
に示す。
隣接する光検出部の分割部に光ビームが照射された状態
を解析した結果、この状態では光キャリアが該分割部の
P型埋め込み拡散層2を迂回して、N型エピタキシャル
層4とP型半導体基板1の接合に到達することから、光
キャリアが拡散で移動する距離が長くなってしまってい
ることが上記遮断周波数の低下の原因であることがわか
った。
及びその近傍部分での電流の向きを矢印で示しており、
光キャリアである電子は上記矢印とは逆向きに移動して
いる。
向のポテンシャル分布を示しており、この図からわかる
ようにこのポテンシャル分布は、基板表面側に向う基板
中の光キャリアである電子に対してポテンシャルバリア
となるものである。そのため、光キャリアがP型埋め込
み拡散層2を迂回していることがわかった。この迂回に
よって増大する電子の移動距離は十数μmに及んでい
る。
ためになされたものであり、光ビームが隣接する光検出
部を分割する分割部に照射された状態での応答速度の劣
化を改善できる受光素子を得ることが本発明の目的であ
る。
は、第1導電型半導体基板上に形成された第1の第2導
電型半導体層と、該第1の第2導電型半導体層の表面か
ら該基板の表面に達するように形成され、該第1の第2
導電型半導体層を複数の第2導電型半導体領域に分割す
る第1導電型半導体層とを備え、該基板表面の、該第1
導電型半導体層と重なる部分が高不純物濃度の第1導電
型半導体領域となっており、該分割された個々の第2導
電型半導体領域とその下側の基板とにより光検出フォト
ダイオード部が複数構成され、該基板の,該光検出フォ
トダイオード部を構成する部分に第2の第2導電型半導
体層が埋め込まれており、そのことにより上記目的が達
成される。
に第2の第2導電型半導体層を埋め込んだことに伴い、
信号光受光用のフォトダイオード部(光検出フォトダイ
オード部)におけるクロストーク増大が懸念されるた
め、クロストークが低減するよう、隣接する光検出フォ
トダイオード部の間にダミーフォトダイオード部を設
け、基板の、該ダミーフォトダイオードを構成する部分
に高濃度の第2導電型半導体層を埋め込んだ構造として
もよい。このダミーフォトダイオード部の第2導電型半
導体層と分離用の第1導電型半導体層の間の間隔は、信
号光受光用のフォトダイオード部におけるそれらの間隔
よりも狭くし、ダミーフォトダイオード部のアノードと
カソードは短絡してもよい。
表面から高濃度の第2導電型半導体層を形成してもよ
い。このときダミーフォトダイオード部のアノードとカ
ソードは短絡し、シリコン窒化膜からなる表面反射防止
膜をダミーフォトダイオード部全面に形成してもよい。
の、分割された光検出フォトダイオード部を構成する部
分に、第2導電型半導体層を埋め込んだから、該光検出
フォトダイオード部の分離部である、光キャリアが迂回
する第1導電型半導体層の近傍に第2導電型半導体層が
位置することとなる。このため光キャリアが上記分離部
周辺の各位置からこの分離部を迂回してPN接合面まで
移動する経路において空乏領域が広がることとなって光
キャリアが拡散により移動する距離が短くなる。これに
より隣接する2つの光検出フォトダイオード部の分離部
に光が照射された時の応答速度を改善し、遮断周波数を
向上することができる。また、ダミーフォトダイオード
部分に高濃度の第2導電型半導体層を埋め込んだので、
ダミーフォトダイオードの内部直列抵抗が低減でき、信
号光受光用フォトダイオード間のクロストークを低減す
ることができる。
接合深さも信号光受光用フォトダイオード部と同等に深
くすることができるため、ダミーフォトダイオード部に
収集される光キャリアが増加し、クロストーク低減に有
効である。このとき、ダミーフォトダイオード部のアノ
ードとカソードを短絡することで、ダミーフォトダイオ
ード部の幅を狭くすることが可能となり、ホログラム素
子を用いた光ピックアップ用フォトダイオードにおい
て、その幅、つまりその長手方向に対する垂直方向の寸
法を大きくすることなく、クロストークを低減すること
ができる。
の第2導電型半導体層を表面からの拡散により形成する
ことにより、ダミーフォトダイオード部の内部直列抵抗
を低減することができ、クロストークを低減することが
できる。この場合にも、ダミーフォトダイオード部のア
ノードとカソードを短絡しておくことで、ダミーフォト
ダイオード部の幅を狭くすることが可能となり、ホログ
ラム素子を用いた光ピックアップ用フォトダイオードに
おいて、その幅を大きくせずにクロストークを低減する
ことができる。
とカソードを短絡した構造においては、信号光受光用フ
ォトダイオード部全面にシリコン窒化膜による表面反射
防止膜を形成することが可能であるため、反射防止膜
の、隣接するフォトダイオード部間でのマスク合わせマ
ージンが不要である。このためフォトダイオードの幅を
狭く保持しつつ、信号光受光用フォトダイオードの周辺
部における表面反射率を増加させることなく、クロスト
ークを低減することができる。
による受光素子である分割フォトダイオードの断面構造
を示す。この図ではメタル配線の処理工程以降に形成さ
れる構造、例えば多層配線、保護膜等は省略している。
図において、1はP型半導体基板で、その上にはN型エ
ピタキシャル層4が形成されている。このN型エピタキ
シャル層4内には、P型分離拡散層5が、上記エピタキ
シャル層4の表面から形成され、上記基板1表面の、該
拡散層5と対向する部分にはP型埋め込み拡散層2が形
成されて、この層4を複数の領域に分割している。ここ
で該分割された個々のN型半導体領域とその下側の基板
部分とにより、信号光を検出する光検出フォトダイオー
ド部D1〜D5が構成され、該基板1の、該光検出フォ
トダイオード部を構成する部分にN型埋め込み拡散層3
が形成されている。ここで該N型埋め込み拡散層3は、
P型埋め込み分離拡散層2の外周の各点から該拡散層を
迂回してN型エピタキシャル層4に到達する距離よりも
分離拡散層2に近いところに形成すればよい。
2を用いて工程順に説明する。
型シリコン基板1上の、光検出フォトダイオード部を形
成すべき部分(フォトダイオード形成予定領域)の一部
にN型埋め込み拡散層3を形成し、また上記基板1上の
光検出フォトダイオード部の分割部となるべき領域にP
型埋め込み拡散層2を形成する。
ようにP型シリコン基板1の上全面にN型エピタキシャ
ル層4を成長させる。続いて、N型エピタキシャル層4
の表面から前記P型埋め込み分離拡散層2に対応する領
域にP型分離拡散層5を形成し、ついで、分割フォトダ
イオードD1,D2,D3,D5を構成するN型エピタ
キシャル層4の表面、分割フォトダイオードの分割部と
なるP型拡散層5の表面にP型拡散層6を形成する(図
2(c))。
層6およびN型エピタキシャル層4の表面に形成された
シリコン酸化膜7の、P型拡散層6の表面の受光領域に
対応する部分を除去して、シリコン窒化膜8を全面に形
成する。このシリコン窒化膜8は反射防止膜となるよう
にレーザダイオードの波長にあわせて膜厚が設定される
(図2(d))。
窓を開口して、電極配線9aを形成すると同時に、光検
出フォトダイオード部の分割部のうち、信号光を照射し
ないものの上にシリコン窒化膜8を介して金属膜9を形
成して、図1の構造の受光素子を得る。また信号処理回
路部分(図示せず)は通常のバイポーラICプロセスで
上記半導体基板1上に形成される。
おける遮断周波数の光ビーム位置依存性を図10に示
す。また、上記構造のフォトダイオードにおける光キャ
リアの動きをシミュレーションした結果を図11に示
す。図11の矢印は電流の向きを示しており、光キャリ
アである電子の移動方向は該矢印と逆向きである。
光検出フォトダイオード部の分離部である、光キャリア
が迂回するP型埋め込み分離拡散層2の近傍にN型埋め
込み拡散層3が位置することとなる。このため光検出フ
ォトダイオード部の分割部に光ビームを照射した際、光
キャリアが上記分離部周辺の各位置からこの分離部を迂
回してPN接合面まで移動する経路において、空乏領域
が広がることとなって、光キャリアが拡散により移動す
る距離が短くなる。具体的にはその距離が十数μmから
数μmとなって、遮断周波数が向上した。
置が従来に比べて深くなるため、光キャリアが深さ方向
に拡散により移動する距離が短くなり、分割部以外に光
ビームを照射した時の遮断周波数も向上する。
み分離拡散層2よりも深く形成したほうが、迂回する光
キャリアが拡散で移動する距離を短くできるため、効果
が大きい。また、N型埋め込み拡散層3は、信号処理回
路部のN型埋め込み拡散層と同時に形成してもよいし、
別途形成してもよい。
込み分離拡散層2の距離を規定することでフォトダイオ
ードの光学的な分割位置,つまり光検出フォトダイオー
ド部D2での光感度と光検出フォトダイオード部D3で
の光感度とが等しくなる光ビームの位置のばらつきによ
る特性劣化を抑えることができる。以下詳しく説明す
る。
分離拡散層2の距離は、信号処理回路部分では通常電源
電圧印加時にN型埋め込み拡散層3からの空乏層がP型
埋め込み分離拡散層2に接触しないように設定されてお
り、広くなっている。これはPN接合耐圧を維持するた
めおよび接合容量が増大しないようにするためである。
5Ωm、N型埋め込み拡散層3の最終的な横方向の拡散
拡がり(以下、横方向の拡散拡がりとは、拡散窓からの
はみ出し部分の寸法をいう。)を3μm、P型埋め込み
分離拡散層2の横方向の拡散拡がりを1μm、N型埋め
込み拡散層3とP型埋め込み分離拡散層2のアライメン
トばらつきを1μmとした場合、N型埋め込み拡散層3
とP型埋め込み分離拡散層2のマスクの開口パターン間
隔は、電源電圧が5VであるときN型埋め込み拡散層2
からP型シリコン基板1に広がる空乏層厚3.4μm
と、上記拡散拡がり及びアライメントばらつきを合計し
た8.4μm以上に設定されている。
部D2及びD3の要部の断面構造をを示す。これは信号
処理回路部におけるN型埋め込み拡散層3とP型埋め込
み分離拡散層2のパターン間隔と同じパターン間隔を受
光部に採用した場合のものである。破線10は空乏層の
広がりを示す。この構造における上記各光検出フォトダ
イオード部での光感度プロファイルを図12(b)に示
す。この図に示すようにP型埋め込み拡散層2とN型埋
め込み拡散層3のアライメントばらつきがない場合は光
学的な分割位置がP型埋め込み分離拡散層2の位置と一
致している。
面構造を図13(a)に、この構造における上記各光検
出フォトダイオード部での光感度プロファイルを図13
(b)に示す。空乏層端の位置が分離拡散層2に対して
左右非対象となるため、光学的な分割位置がP型埋め込
み分離拡散層2の位置と一致しなくなってしまう。そう
すると、光ビームが光検出フォトダイオード部D2,D
3の中央のP型埋め込み分離拡散層2の位置に当たって
いても光学的な位置がずれているため、光検出フォトダ
イオード部D2,D3の光電流が異なり、この光電流の
差に基づくフォーカス誤差信号が正確に得られないとい
う問題を生じる。
み分離拡散層2のパターン間隔をアライメントばらつき
より狭くすると、N型埋め込み拡散層3がP型埋め込み
拡散層2に重なる場合があり、その場合、大幅な容量の
増加、耐圧の低下という問題が生じる。
分離拡散層2との最終的なでき上がり間隔dを、△≦d
≦△+dx(△:アライメントバラツキ、dx:N型埋
め込み拡散層3からP型シリコン基板1側に拡がる空乏
層幅)の条件を満たすようにすれば、前記のような問題
は生じない。
5Ωcm、N型埋め込み拡散層3の最終的な横方向の拡
散拡がりを3μm、P型埋め込み分離拡散層2の横方向
の拡散拡がりを1μm、N型埋め込み拡散層3とP型シ
リコン基板1との間に逆バイアス1.0Vを印加した状
態でN型埋め込み拡散層3とP型シリコン基板1との間
で拡がる空乏層幅を1.8μmとし、N型埋め込み拡散
層3とP型埋め込み分離拡散層2のアライメントばらつ
きを1μmとした場合、1.0≦d≦1.0+1.8
(μm)とすれば良い。
≦△+dxで良い。
込み分離拡散層のパターン間隔を5.0〜6.8μmに
すれば良い。この構造でアライメントばらつきのない場
合の光検出フォトダイオード部D2,D3の要部の断面
構造を図14(a)に示す。この構造における上記各光
検出フォトダイオード部での光感度プロファイルを図1
4(b)に示す。またこの構造でアライメントばらつき
が生じた場合の光検出フォトダイオード部D2,D3の
要部の断面構造を図15(a)に示す。この構造におけ
る上記各光検出フォトダイオード部での光感度プロファ
イルを図15(b)に示す。
め込み拡散層3から広がる空乏層が左右ともにP型埋め
込み分離拡散層2まで到達しているため光学的な分割位
置がP型埋め込み分離拡散層2とほぼ一致し、フォーカ
ス誤差信号は正確に得られる。
み分離拡散層3に接触することがないため、容量増大、
耐圧低下は起こらない。
ド部の分割部にP型埋め込み分離拡散層2を使用した場
合について説明したが、上記分離部は表面からの拡散に
より形成した分離拡散層だけで構成してもよく、また他
の半導体層による分離構造を用いてもよい。
来の分割フォトダイオードにおいては重要な特性として
クロストーク特性がある。これは隣接する光検出フォト
ダイオード部の間で光信号が混信する程度をあらわすも
のであり、なるだけ小さいほうが望ましい。このクロス
トークは、光キャリアが発生した位置からそれぞれの分
割フォトダイオードのPN接合までの距離が近いほど大
きなものとなる。このため、クロストークを小さくする
ためには、隣接する光検出フォトダイオード部の接合間
の距離をできるだけ離すことが効果的である。
出フォトダイオード部にN型埋め込み拡散層3を設ける
と、隣接する光検出フォトダイオード部のPN接合間の
距離が近くなってしまうため、クロストークが増大して
しまうという問題が発生する。この問題点を解決するた
めには、隣接する光検出フォトダイオード部間にダミー
フォトダイオードと呼ばれるフォトダイオードを形成
し、光検出フォトダイオード部の端部で発生し、その隣
りの光検出フォトダイオード部に向かう光キャリアをこ
のダミーフォトダイオード部で収集することで、隣りの
光検出フォトダイオード部の光電流には寄与しないよう
にすることが有効である。
構造を示す。図において、101aは分割フォトダイオ
ードで、これは図4の構造の分割フォトダイオードにお
いてダミーフォトダイオード部を備えたものである。こ
の受光素子101aでは、ダミーフォトダイオードDD
1及びDD2を、フォトダイオードD1とD2との間、
及びフォトダイオードD3とD5の間に配置している。
ード部の構造では、ダミーフォトダイオード部の内部直
列抵抗が大きく、動作速度が低いため、高周波変調の加
わった光信号に対しては、ダミーフォトダイオードとし
ての動作を果たさなくなる。例えば、ダミーフォトダイ
オード部の幅を10μm、長さを700μm、エピタキ
シャル層の比抵抗を1Ωcm、実効厚さを2μmとする
と、ダミーフォトダイオード部のカソード側の直列抵抗
は以下のように計算される。
{10E−4(cm)×2E−4(cm)}=350
(kΩ) また、ダミーフォトダイオード部のアノード側の直列抵
抗は、基板深さ方向の20μmが抵抗に寄与し、ダミー
フォトダイオード部からアノード電極までの距離が10
0μm、ダミーフォトダイオード部の長さを700μ
m、基板比抵抗を10Ωcmとすると、以下のように計
算される。
{700E−4(cm)×20E−4(cm)}≒71
4(Ω) これらの結果より、ダミーフォトダイオード部の内部直
列抵抗は主にカソード側の直列抵抗であり、非常に大き
な値であることがわかる。また、ダミーフォトダイオー
ド部の接合容量は、0.25(pF)と見積もられる。
すなわち、ダミーフォトダイオード部のCR時定数でき
まる遮断周波数は、 1/{2×π×0.25E−12(F)×350E3
(Ω)}≒1.8(MHz) と求められる。
より信号光の変調周波数が高くなると、ダミーフォトダ
イオード部の動作が追随せず、ダミーフォトダイオード
としての役割を果たさなくなる。
実施例による受光素子である分割フォトダイオードの構
造を示す平面図、図17はそのb−b’線の断面図であ
る。図において、102は本実施例の分割フォトダイオ
ードで、これは、図16に示す分割フォトダイオードの
ダミーフォトダイオード部に、N型埋め込み拡散層3a
を設けたものである。この構造を採用することにより、
ダミーフォトダイオード部の内部直列抵抗を低減するこ
とが可能となり、高周波変調の加わった光信号に対して
も、ダミーフォトダイオードとしての動作が可能になる
このN型埋め込み拡散層3aを設けた構造において同じ
ようにカソード側の直列抵抗を計算してみると、以下の
ようになる。ここではN型埋め込み拡散層3のシート抵
抗を20Ω/□、拡散幅を5μmとした。
m)=2.8(kΩ) この結果からわかるように、N型埋め込み拡散層3aを
設けることにより、カソード側の直列抵抗は約1/10
0に低減できることがわかる。このときのダミーフォト
ダイオード部のCR時定数できまる遮断周波数は、 1/{2×π×0.25E−12(pF)×(2.8+
0.7)(kΩ)}≒182(MHz) となり、通常使用される周波数領域(〜30MHz)で
は問題なくダミーフォトダイオードが動作する。
型埋め込み拡散層3aを設けると、ダミーフォトダイオ
ードの幅が図16に示す構造よりも広がってしまい、分
割フォトダイオードのそれぞれのセグメント(光検出フ
ォトダイオード部)の幅方向(X方向)のピッチが広が
ってしまうという問題が生じる。
ピッチは、前述のように、X方向に並ぶ3つのレーザー
ビームの間隔が離れていると、光ピックアップを光ディ
スク装置に組み込む際の調整が難しくなるため、なるだ
け狭くする必要がある。信号光受光用のフォトダイオー
ド部と同じデザインルールでダミーフォトダイオード部
にN型埋め込み拡散層3aを設けると、ホログラム素子
を用いた光ピックアップにおけるX方向のフォトダイオ
ードセグメントピッチを狭くする要請と相反する結果と
なってしまう。
は、前述のように、N型埋め込み拡散層3とP型埋め込
み分離拡散層2との距離を、拡散窓間隔にて5.0〜
6.8μm離しておく必要がある。このため、ダミーフ
ォトダイオード部において信号光受光用フォトダイオー
ド部におけるデザインルールを用い、N型埋め込み拡散
層3の幅を5μmとすると、ダミーフォトダイオードの
幅(P型埋め込み分離拡散間の距離)は15〜18.6
μmとなってしまう。
トダイオード部DD1,DD2においては、カソードと
アノードを短絡電極204a,204bを用いて短絡
し、N型埋め込み拡散層3aとP型埋め込み分離拡散層
2との距離を、信号光受光用フォトダイオード部よりも
狭く設定した。ここでN型埋め込み拡散層3aとP型埋
め込み分離拡散層2との距離は、耐圧を維持する必要が
なければマスクアライメントズレが発生したときに接触
しても問題はなく、N型埋め込み拡散層3aがP型埋め
込み分散拡散層2よりはみ出して信号光受光用フォトダ
イオードの領域まで到達しなければよい。また、P型埋
め込み分離拡散層2の拡散窓幅を4μm、N型埋め込み
拡散層3aの横方向への広がりを3μm、P型埋め込み
分離拡散層2とN型埋め込み拡散層3aとのマスクアラ
イメントズレを1μmとすると、N型埋め込み拡散層3
aがP型埋め込み分離拡散層2の高濃度領域(拡散窓部
分)よりもはみ出さないためのこれらの拡散窓間の距離
の設計最小値は、 3(μm)+1(μm)−4(μm)=0(μm) となる。すなわち、N型埋め込み拡散層3の幅(拡散窓
部の幅)を5μmとするとダミーフォトダイオード部の
幅は5μmとすることができる。
ード部の直列抵抗を低減するための別の構成例として、
本発明の第3の実施例による分割フォトダイオードを示
す。図において、103は本発明の第3の実施例による
分割フォトダイオードであり、これは図16に示す分割
フォトダイオードの構成においてダミーフォトダイオー
ド部DD1,DD2の表面にN型の高濃度拡散層11を
設けたものである。これにより、光検出フォトダイオー
ド部のカソード側の内部直列抵抗を低減している。この
構造においても、N型拡散層11とP型分散拡散層5と
の間隔は、ダミーフォトダイオード部での接合耐圧を維
持する必要がないため、N型拡散層11がP型分離拡散
層5よりはみ出さない範囲で両拡散層の間隔を狭めるこ
とができ、ダミーフォトダイオード部の幅を狭くするこ
とができる。
型高濃度拡散層11の横方向への広がりを1μm、P型
分離拡散層5とN型高濃度拡散層11とのマスクアライ
メントズレを2μmとすると、N型高濃度拡散層11が
P型分離拡散層5よりはみ出さないためのこれらの拡散
窓間の距離の設計最小値は、 1(μm)+2(μm)−4(μm)=−1(μm) となる。すなわち、N型高濃度拡散層11の拡散窓幅を
5μmとすると、ダミーフォトダイオード部の幅は3μ
mとすることができる。
ップ用フォトダイオードにおいては、光感度向上のた
め、シリコン窒化膜による表面反射防止膜を受光領域の
表面に設ける必要があるが、ダミーフォトダイオード部
を設けてその表面にN型高濃度拡散層11を設けた構
造、すなわちP型拡散層6がダミーフォトダイオード部
の表面に存在しない構造においては、ダミーフォトダイ
オード部表面にPN接合が存在する。このためシリコン
窒化膜である表面反射防止膜がこのPN接合上を覆う
と、界面準位の増大によりPN接合のリーク電流が増大
してしまうという問題が発生する。
ード部にはシリコン酸化膜を残してシリコン窒化膜を半
導体層に直接つけない構造とすることが考えられる。こ
の場合には図20に示すように、信号光受光用フォトダ
イオード部の両側端にはシリコン窒化膜による表面反射
防止膜が形成できない部分が存在することになり、その
部分を受光領域から除くとフォトダイオードセグメント
のx方向のピッチを大きくする必要が生じ、好ましくな
い。
8が信号光受光用フォトダイオード部の表面に直接付い
ている部分とダミーフォトダイオード部の表面PN接合
との距離は、マスクアライメントズレが生じても、シリ
コン窒化膜8がPN接合上にかからないようにするため
には、6μm以上にしておく必要がある。
4μmであることから、2μmの幅で信号光受光用フォ
トダイオード部の上にシリコン酸化膜が残ってしまうこ
とになり、その部分は表面反射率が増大してしまうた
め、その部分を受光領域から除くと、フォトダイオード
セグメント(光検出フォトダイオード部)のX方向のピ
ッチを大きくする必要が生じ、好ましくない。
ーフォトダイオードセグメント(ダミーフォトダイオー
ド部)を、そのアソード,カソード間を短絡した構造に
したため、ダミーフォトダイオード部のPN接合上にシ
リコン窒化膜を直接付けても、リーク電流は発生しな
い。
ードとカソードとを短絡した図19の構造を採用するこ
とで、フォトダイオードセグメントピッチを増大させる
ことなく、ダミーフォトダイオード部の内部直列抵抗を
低減することができ、フォトダイオードクロストークの
低減が可能になる。
他の光学系のピックアップを構成するフォトダイオード
や、図4に示す分割フォトダイオードとは形状の異なる
フォトダイオードにも適用可能である。
よれば、第1導電型半導体基板の、分割された光検出フ
ォトダイオード部を構成する部分に、第2導電型半導体
層を埋め込んだので、光検出フォトダイオード部の分離
部である、光キャリアが迂回する第1導電型半導体層の
近傍に第2導電型半導体層が位置することとなる。この
ため光キャリアが上記分離部周辺の各位置からこの分離
部を迂回してPN接合面まで移動する経路において、光
キャリアが拡散により移動する距離が短くなり、これに
より隣接する2つの光検出フォトダイオード部の分離部
に光が照射された時の応答速度を改善し、遮断周波数を
向上することができる。
型半導体層の間隔を規定することにより、これらの半導
体層の多少の位置ずれに拘らず、光ピックアップのフォ
ーカシングを正確に行うことができる。
電型埋め込み半導体層を設けることで悪影響が懸念され
るクロストークの増大の問題は、隣接する光検出フォト
ダイオード部の間にダミーフォトダイオード部を設ける
ことにより解決できる。この際、ダミーフォトダイオー
ド部に第2導電型半導体層を、第1導電型半導体層との
間隔が光検出フォトダイオード部におけるこれらの間隔
よりも狭くなるように形成し、ダミーフォトダイオード
部のアソード,カソード間を短絡することにより、分割
フォトダイオードの幅方向(X方向)のセグメントピッ
チの増大を回避できる。
ード(受光素子)の断面構造を示す図である。
のプロセスを工程順に示す断面図である。
の構成を示す図である。
が複数の領域に分割された従来の分割フォトダイオード
を示す平面図である。
a’線部分の断面図である。
ためのプロセスを各工程順に示す断面図である。
周波数の光ビーム位置依存性を示す図である。
ームが光検出部の分割部に照射された状態をデバイスシ
ミュレーションした結果を示す図である。
布を示す図である。
おける遮断周波数の光ビーム位置依存性を示す図であ
る。
おいて光ビームが光検出部の分割部に照射された状態を
デバイスシミュレーションした結果を示す図である。
層3とP型埋め込み分離拡散層2の間隔を信号処理回路
部におけるものと同じにした場合の光検出フォトダイオ
ード部D2及びD3の断面構造、及び該両フォトダイオ
ード部の光感度プロファイルを示す図である。
層3とP型埋め込み分離拡散層2のアライメントズレが
生じた場合の光検出フォトダイオード部D2及びD3の
断面構造、及び該両フォトダイオード部の光感度プロフ
ァイルを示す図である。
層2とP型埋め込み分離拡散層3の間隔dを規定した場
合の光検出フォトダイオード部D2及びD3の断面構
造、及び該両フォトダイオード部の光感度プロファイル
を示す図である。
層3とP型埋め込み分離拡散層2のアライメントズレが
生じた場合の光検出フォトダイオード部D2及びD3の
断面構造、及び該両フォトダイオード部の光感度プロフ
ァイルを示す図である。
ための断面図である。
オード(受光素子)を示す断面図である。
(受光素子)を示す平面図である。
オード(受光素子)を示す断面図である。
ォトダイオードの構造と比較して説明するための素子構
造の断面図である。
素子) D1,D2,D3,D4,D5 光検出フォトダイオー
ド部 DD1,DD2 ダミーフォトダイオード部
Claims (10)
- 【請求項1】 第1導電型半導体基板と、 該第1導電型半導体基板上に形成された第1の第2導電
型半導体層と、 該第1の第2導電型半導体層の表面から該第1導電型半
導体基板の表面に達するように形成され、該第1の第2
導電型半導体層を複数の第2導電型半導体領域に分割す
る第1導電型半導体層とを備え、 該第1導電型半導体層の、該第1導電型半導体基板と重
なる部分が高不純物濃度の第1導電型半導体領域となっ
ており、 該分割された個々の第2導電型半導体領域とその下側の
第1導電型半導体基板とにより、信号光を検出する光検
出フォトダイオード部が複数構成され、 該第1導電型半導体基板の、該光検出フォトダイオード
部を構成する部分に第2の第2導電型半導体層が埋め込
まれている受光素子。 - 【請求項2】 請求項1記載の受光素子において、 前記第1の第2導電型半導体層を分割する第1導電型半
導体層は、前記第1導電型半導体基板に埋め込んだ第1
の拡散層と、該第1の第2導電型半導体層の表面から形
成した第2の拡散層とから構成されている受光素子。 - 【請求項3】 請求項1記載の受光素子において、 前記第1導電型半導体基板に埋め込んだ第2の第2導電
型半導体層は、前記第1の第2導電型半導体層を分割す
る第1導電型半導体層よりもその深さが深いものである
受光素子。 - 【請求項4】 請求項1記載の受光素子において、 前記第1導電型半導体基板に埋め込んだ第2の第2導電
型半導体層から広がる空乏層が、少なくとも1箇所以上
で前記第1導電型半導体層に接触している受光素子。 - 【請求項5】 請求項1記載の受光素子において、 隣接する光検出フォトダイオード部の間に、前記第1導
電型半導体基板と第1の第2導電型半導体層よりなるダ
ミーフォトダイオードを備え、 該ダミーフォトダイオード部は、該第1導電型半導体基
板の,該ダミーフォトダイオード部を構成する部分に埋
め込んだ高濃度の第2の第2導電型半導体層を有する受
光素子。 - 【請求項6】 請求項5記載の受光素子において、 前記ダミーフォトダイオード部はアノードとカソードを
短絡したものである受光素子。 - 【請求項7】 請求項6記載の受光素子において、 前記ダミーフォトダイオード部における、前記第1導電
型半導体層と前記高濃度の第2の第2導電型半導体層と
の距離が、光検出フォトダイオード部におけるものより
も小さい受光素子。 - 【請求項8】 請求項1記載の受光素子において、 隣接する光検出フォトダイオード部の間に、前記第1導
電型半導体基板と第1の第2導電型半導体層よりなるダ
ミーフォトダイオード部を備え、 該ダミーフォトダイオード部は、該第2導電型半導体層
の表面から形成した高濃度の第3の第2導電型半導体層
を有する受光素子。 - 【請求項9】 請求項8記載の受光素子において、 前記ダミーフォトダイオード部は、そのアノードとカソ
ードを短絡したものである受光素子。 - 【請求項10】 請求項6または9記載の受光素子にお
いて、 前記光検出フォトダイオード部を構成する第2導電型半
導体領域の表面には、シリコン窒化膜からなる表面反射
防止膜が形成されている受光素子。
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