JP2008311562A - Light receiving element - Google Patents
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Abstract
【課題】短波長の光に対応する受光素子において、高感度と高速応答とを両立する。
【解決手段】受光素子20は、半導体基板1と、半導体基板1上に形成され、低濃度不純物層を含み且つ所定の波長帯の光を吸収する光吸収層と、光吸収層上に形成され且つ低濃度不純物層よりも不純物濃度が高い高濃度不純物層4とを備える。少なくとも高濃度不純物層中に、高濃度不純物層よりも光に関する屈折率が小さい複数の低屈折率領域6が一定の間隔をもって配列され、半導体基板1の主面方向に周期的な屈折率分布を有することにより所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部21が構成されている。
【選択図】図1In a light receiving element corresponding to light of a short wavelength, both high sensitivity and high speed response are achieved.
A light receiving element is formed on a semiconductor substrate, a light absorption layer that includes a low-concentration impurity layer and absorbs light of a predetermined wavelength band, and the light absorption layer. And a high concentration impurity layer 4 having an impurity concentration higher than that of the low concentration impurity layer. At least in the high-concentration impurity layer, a plurality of low-refractive index regions 6 having a light-related refractive index smaller than that of the high-concentration impurity layer are arranged at regular intervals, and a periodic refractive index distribution is formed in the main surface direction of the semiconductor substrate 1. By having it, the photonic crystal part 21 which transmits the light of a predetermined | prescribed wavelength band is comprised.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光ピックアップ装置等に用いられる受光素子に関する。 The present invention relates to a light receiving element used in an optical pickup device or the like.
現在、CD−R(Compact Disk-Recordable)ドライブ、DVD(Digital Versatile Disk )ドライブ等に代表される光ディスク装置において用いられる光ピックアップ用受光素子は、主に、光ディスクにより反射されて戻って来たレーザ光を受光するためのフォトダイオードと、受光したレーザ光に基づいてフォトダイオード等の受光素子によって生成された電気信号を処理するための信号処理回路領域とから構成されている。 At present, a light receiving element for an optical pickup used in an optical disk apparatus represented by a CD-R (Compact Disk-Recordable) drive, a DVD (Digital Versatile Disk) drive, or the like is mainly a laser that is reflected by an optical disk and returned. A photodiode for receiving light and a signal processing circuit region for processing an electric signal generated by a light receiving element such as a photodiode based on the received laser light are configured.
近年では、光ディスク装置の高速動作化、記憶容量の大容量化の要望がある。このため、DVDの光ピックアップシステムにおいても、光ディスクの記憶容量の大容量化を目的として、光源となる半導体レーザの短波長化が進んでいる。つまり、従来は650nmの波長の光を放出する赤色半導体レーザが用いられていたのに対し、405nmの波長を放出する青色半導体レーザを使用したシステムへと変わりつつある。 In recent years, there has been a demand for high-speed operation of optical disk devices and an increase in storage capacity. For this reason, also in the optical pickup system for DVDs, the wavelength of the semiconductor laser serving as the light source has been shortened for the purpose of increasing the storage capacity of the optical disk. In other words, a red semiconductor laser that emits light having a wavelength of 650 nm is conventionally used, but a system using a blue semiconductor laser that emits light having a wavelength of 405 nm is changing.
光源の短波長化に伴い、受光素子についても青色の波長に合った特性が必要となる。受光する光の波長が短波長であるほど、シリコンによる光の吸収係数は大きくなる。このため、フォトダイオードに照射された光が短波長であるほど、半導体層の表面近傍において吸収されて光キャリアが発生するようになる。 Along with the shortening of the wavelength of the light source, the light receiving element is required to have characteristics matching the blue wavelength. The shorter the wavelength of light to be received, the greater the light absorption coefficient by silicon. For this reason, the shorter the wavelength of light applied to the photodiode, the more light is absorbed in the vicinity of the surface of the semiconductor layer and light carriers are generated.
半導体層への光の侵入長、例えば半導体表面からレーザ光の光強度が光吸収によって60%減衰する位置までの距離は、従来の赤色光(波長650nm)の場合に約4.0μmであるのに対し、青色光(波長405nm)の場合には約0.3μmである。つまり、青色光の大部分は、半導体のより浅い領域において吸収される。 The penetration depth of light into the semiconductor layer, for example, the distance from the semiconductor surface to the position where the light intensity of the laser light is attenuated by 60% by light absorption is about 4.0 μm in the case of conventional red light (wavelength 650 nm). On the other hand, in the case of blue light (wavelength 405 nm), it is about 0.3 μm. That is, most of the blue light is absorbed in shallower regions of the semiconductor.
ここで、半導体層の不純物領域では、不純物濃度が高いほど光キャリアのライフタイムが短くなる。つまり、光吸収によって光キャリアが生じたとしても、再結合によって消滅し、外部電流として取り出される光電流には寄与しにくくなる。よって、入射光に対する感度が低下する。前記の通り、入射光の波長が短いほど半導体基板の表面近傍において吸収されるため、表面近傍における不純物濃度が高いことによる感度の低下は入射光が短波長であるほど顕著になる。 Here, in the impurity region of the semiconductor layer, the higher the impurity concentration, the shorter the lifetime of the photocarrier. That is, even if optical carriers are generated due to light absorption, they disappear due to recombination and are unlikely to contribute to the photocurrent extracted as an external current. Therefore, the sensitivity to incident light is reduced. As described above, the shorter the wavelength of incident light is, the more near the surface of the semiconductor substrate is absorbed, the lower the sensitivity due to the high impurity concentration in the vicinity of the surface.
これに対し、半導体基板表面近傍における不純物濃度が低いほど寄生抵抗が大きくなる。このことは、受光素子の応答速度が低下する原因となることが知られている。 On the other hand, the parasitic resistance increases as the impurity concentration in the vicinity of the semiconductor substrate surface decreases. This is known to cause a decrease in the response speed of the light receiving element.
このように、感度の向上及び応答速度の向上は、受光素子の半導体層における不純物濃度に関して実現のための要求が相反するものになっている。 As described above, the improvement in sensitivity and the response speed are contradictory to the requirements for realizing the impurity concentration in the semiconductor layer of the light receiving element.
これに対応する技術の例として、低濃度領域と高濃度領域とが格子状に一定間隔をおいて周期的に形成された受光素子等が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1の受光素子において、一部の光は高濃度領域に入射し、そのような光は受光感度の低い領域に吸収されることになる。このため、受光素子全体として考えると、依然として感度の低下が発生している。逆に、低濃度領域に照射される光は受光感度の高い領域に吸収されることになるが、基板表面に低濃度領域が存在するのであるから、基板表面において寄生抵抗が増大し、これによる応答速度の遅延が発生している。このように、高感度化と高速応答との両立は十分には実現されていない。
However, in the light receiving element of
従って、本発明は、このような課題を解決しようとなされたものであって、特に青色レーザに対して高感度且つ高速応答の両特性を満足させる受光素子を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a light receiving element that satisfies both the characteristics of high sensitivity and high speed response particularly to a blue laser.
前記の目的を達成するため、本願発明者らは、再結合による光キャリアの消滅を防ぐために不純物濃度を低くした光吸収層の上に、寄生抵抗を低減するために不純物濃度を高くした高濃度不純物層を形成し、更に、該高濃度不純物層中に入射光を透過するフォトニック結晶を構成することにより高濃度不純物層における入射光の吸収を抑えることを着想した。 In order to achieve the above object, the inventors of the present application have a high concentration in which the impurity concentration is increased in order to reduce the parasitic resistance on the light absorption layer in which the impurity concentration is decreased in order to prevent the disappearance of the optical carriers due to recombination. The idea was to suppress the absorption of incident light in the high-concentration impurity layer by forming an impurity layer and forming a photonic crystal that transmits the incident light in the high-concentration impurity layer.
具体的には、本発明の受光素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、低濃度不純物層を含み且つ所定の波長帯の光を吸収する光吸収層と、光吸収層上に形成され且つ低濃度不純物層よりも不純物濃度が高い高濃度不純物層とを備え、少なくとも高濃度不純物層中に、高濃度不純物層よりも所定の波長帯の光に関する屈折率が小さい複数の低屈折率領域が一定の間隔をもって配列され、それによって、半導体基板の主面方向に周期的な屈折率分布を有することにより所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部が構成されている。 Specifically, the light receiving element of the present invention is formed on a semiconductor substrate, a light absorption layer formed on the semiconductor substrate, including a low-concentration impurity layer and absorbing light in a predetermined wavelength band, and the light absorption layer. A plurality of low-refractive indexes having a lower refractive index for light in a predetermined wavelength band than that of the high-concentration impurity layer, at least in the high-concentration impurity layer. The regions are arranged at regular intervals, thereby forming a photonic crystal portion that transmits light of a predetermined wavelength band by having a periodic refractive index distribution in the main surface direction of the semiconductor substrate.
本発明の受光素子によると、光吸収層の上に形成された高濃度不純物層に、所定の波長帯の光を透過するフォトニック結晶が構成されている。このため、受光素子に入射した所定の波長の光は、高濃度不純物層のフォトニック結晶部において周期的な屈折率分布によりブラッグ反射を受け、吸収されない。つまり、入射光はフォトニック結晶部において減衰することなく透過し、その結果として、より多く光吸収層に達する。 According to the light receiving element of the present invention, the photonic crystal that transmits light of a predetermined wavelength band is formed in the high concentration impurity layer formed on the light absorption layer. For this reason, light of a predetermined wavelength incident on the light receiving element is subjected to Bragg reflection by the periodic refractive index distribution in the photonic crystal portion of the high concentration impurity layer and is not absorbed. That is, incident light is transmitted without being attenuated in the photonic crystal part, and as a result, more incident light reaches the light absorption layer.
光吸収層に達した光は吸収され、光キャリア(電子及び正孔)を生じる。このとき、低濃度不純物層においては不純物濃度が低いために再結合による光キャリアの消滅は少なく、高感度である(これを実現するように低濃度不純物層の不純物濃度を設定する)。更に、受光素子の表面近傍には不純物濃度が高いことから寄生抵抗の小さい高濃度不純物層が設けられているため、高速応答である(これを実現するように、低濃度不純物層に比べて高い不純物濃度として高濃度不純物層の不純物濃度を設定する)。このように、本発明の受光素子は高感度と高速応答との両立を実現している。 The light reaching the light absorption layer is absorbed and generates photocarriers (electrons and holes). At this time, since the impurity concentration in the low-concentration impurity layer is low, the disappearance of photocarriers due to recombination is small and the sensitivity is high (the impurity concentration of the low-concentration impurity layer is set so as to realize this). In addition, since the impurity concentration is high near the surface of the light receiving element, a high concentration impurity layer having a low parasitic resistance is provided, so that the response is fast (higher than the low concentration impurity layer to realize this). The impurity concentration of the high concentration impurity layer is set as the impurity concentration). Thus, the light receiving element of the present invention achieves both high sensitivity and high speed response.
尚、複数の低屈折率領域が高濃度不純物層を貫通して光吸収層に達するように形成されていることにより、フォトニック結晶部が光吸収層に達していることが好ましい。 In addition, it is preferable that the photonic crystal part reaches the light absorption layer by forming the plurality of low refractive index regions so as to penetrate the high concentration impurity layer and reach the light absorption layer.
このようにすると、受光素子に入射した光は、フォトニック結晶部が構成されていない部分の高濃度不純物層を通ることなく光吸収層に達することができる。これにより、応答速度及び光感度の更なる向上が実現する。 If it does in this way, the light which injected into the light receiving element can reach | attain a light absorption layer, without passing through the high concentration impurity layer of the part in which the photonic crystal part is not comprised. Thereby, further improvement in response speed and light sensitivity is realized.
まず、応答速度の更なる向上について説明する。 First, further improvement in response speed will be described.
光の入射によって光キャリアである電子及び正孔が生じると、電子はカソードに、正孔はアノードに移動し、光電流に寄与する。光吸収層において電子及び正孔が生じた場合、これら電子及び正孔は電界ドリフトによって速やかに光吸収層外まで運ばれ、その後、それぞれカソード及びアノードまで移動する。 When electrons and holes, which are photocarriers, are generated by the incidence of light, the electrons move to the cathode and the holes move to the anode, contributing to the photocurrent. When electrons and holes are generated in the light absorption layer, these electrons and holes are quickly carried out of the light absorption layer by electric field drift, and then move to the cathode and anode, respectively.
これに対し、光吸収層の上に設けられている高濃度不純物層において光キャリアが生じた場合、電子、正孔のいずれか一方は拡散によって光吸収層まで移動した後に前記と同様にしてカソード又はアノードに運ばれる。ことのき、高濃度不純物層における拡散による光キャリアの移動は、光吸収層における電界ドリフトによる移動に比べて大幅に遅い。この結果、高濃度不純物層において対として発生した光キャリアである電子・正孔の両方がカソード・アノードに到達するまでの時間は、光吸収層において発生した光キャリアの場合に比べて長くなる。つまり、高濃度不純物層において生じる光キャリアは、応答速度が低下する原因となる。 On the other hand, when photocarriers are generated in the high-concentration impurity layer provided on the light absorption layer, either one of electrons and holes moves to the light absorption layer by diffusion, and then the cathode is formed in the same manner as described above. Or it is carried to the anode. In particular, the movement of optical carriers due to diffusion in the high-concentration impurity layer is significantly slower than the movement due to electric field drift in the light absorption layer. As a result, the time until both electrons and holes, which are photocarriers generated in pairs in the high-concentration impurity layer, reach the cathode and anode, is longer than that in the case of photocarriers generated in the light absorption layer. That is, the photocarrier generated in the high concentration impurity layer causes the response speed to decrease.
そこで、前記の通り光吸収層に達するようにフォトニック結晶部を設けることにより、高濃度不純物層における光キャリアの発生を防ぎ、応答速度を向上することができる。 Therefore, by providing the photonic crystal portion so as to reach the light absorption layer as described above, generation of photocarriers in the high concentration impurity layer can be prevented and the response speed can be improved.
次に、光感度の更なる向上は、光キャリアが再結合により消滅しやすい高濃度不純物層における吸収を避けることができるため、感度の低下を防ぐことができることによる。このようにして、応答速度及び光感度の更なる向上が実現する。 Next, the further improvement in photosensitivity is due to the fact that absorption in a high-concentration impurity layer, in which photocarriers tend to disappear due to recombination, can be avoided, thereby preventing a decrease in sensitivity. In this way, further improvement in response speed and photosensitivity is realized.
また、本発明の受光素子において、複数の低屈折率領域は、少なくとも高濃度不純物層に設けられた複数の空洞部であることが好ましい。 In the light receiving element of the present invention, the plurality of low refractive index regions are preferably a plurality of cavities provided at least in the high concentration impurity layer.
シリコン等により形成された高濃度不純物層に比べ、空洞部の屈折率は小さい。そのため、高濃度不純物層に複数の空洞部を配置することにより周期的な屈折率分布を実現し、フォトニック結晶部とすることができる。 The refractive index of the cavity is smaller than that of the high concentration impurity layer formed of silicon or the like. Therefore, by arranging a plurality of cavities in the high concentration impurity layer, a periodic refractive index distribution can be realized and a photonic crystal part can be obtained.
また、複数の低屈折率領域は、少なくとも高濃度不純物層に設けられた複数の凹部が高濃度不純物層よりも所定の波長帯の光に関する屈折率の低い材料によって埋め込まれた構造を有することが好ましい。 Further, the plurality of low refractive index regions may have a structure in which at least a plurality of concave portions provided in the high concentration impurity layer are embedded with a material having a lower refractive index with respect to light in a predetermined wavelength band than the high concentration impurity layer. preferable.
このようにすると、高濃度不純物層を構成する材料とそれよりも屈折率の低い材料との屈折率の違いにより周期的な屈折率分布を実現し、フォトニック結晶部とすることができる。このとき、望みの屈折率を有する材料を選択して凹部を埋め込むことにより任意の屈折率差を発生させることができるため、より容易に所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部を得ることができる。 In this way, a periodic refractive index distribution can be realized by the difference in refractive index between the material constituting the high concentration impurity layer and the material having a lower refractive index, and a photonic crystal portion can be obtained. At this time, an arbitrary refractive index difference can be generated by selecting a material having a desired refractive index and embedding the recess, thereby obtaining a photonic crystal portion that easily transmits light of a predetermined wavelength band. be able to.
また、このような構造において、高濃度不純物層上に、複数の凹部を埋め込む材料から成る反射防止膜が形成されていることが好ましい。 In such a structure, it is preferable that an antireflection film made of a material for embedding a plurality of recesses is formed on the high concentration impurity layer.
このようにすると、凹部を低屈折率の材料により埋め込んだ構造の低屈折率領域を設ける前記の効果に加え、反射防止膜より受光素子の表面における光の反射を抑制し、入射する光を増加することにより受光素子の感度を向上することができる。特に、長波長の光に対する反射防止性と、短波長の光に対するフォトニック結晶部の光透過性とを同時に実現し、広範囲の波長域に対して高感度と高速応答とを両立することができる。 In this way, in addition to the above-described effect of providing a low refractive index region having a structure in which the concave portion is embedded with a low refractive index material, reflection of light on the surface of the light receiving element is suppressed from the antireflection film, and incident light is increased. By doing so, the sensitivity of the light receiving element can be improved. In particular, it is possible to achieve both anti-reflection for long-wavelength light and light transmittance of the photonic crystal part for short-wavelength light at the same time, achieving both high sensitivity and high-speed response over a wide wavelength range. .
また、複数の低屈折率領域は、高濃度領域と同じ導電型であり且つ高濃度領域よりも不純物濃度が低い領域であることが好ましい。 The plurality of low refractive index regions are preferably regions having the same conductivity type as the high concentration region and having a lower impurity concentration than the high concentration region.
つまり、同一導電型の不純物の濃度差によって屈折率に差が生まれることを利用して周期的な屈折率分布を実現し、フォトニック結晶部とすることが好ましい。ここで、不純物濃度の差を設定することにより屈折率の差を設定することができ、望みの波長帯の光を透過するフォトニック結晶部とすることができる。 That is, it is preferable to realize a periodic refractive index distribution by utilizing a difference in refractive index due to a difference in concentration of impurities of the same conductivity type, thereby forming a photonic crystal portion. Here, a difference in refractive index can be set by setting a difference in impurity concentration, and a photonic crystal part that transmits light in a desired wavelength band can be obtained.
複数の低屈折率領域は、それぞれ円状の平面形状を有することが好ましい。 Each of the plurality of low refractive index regions preferably has a circular planar shape.
円状の低屈折率領域とすると、均一なパターン成形の再現性が高く、また、対称性も高い。このことが、望みの波長帯の光を透過するフォトニック結晶部を実現するために望ましい。 When a circular low refractive index region is used, the reproducibility of uniform pattern formation is high and the symmetry is also high. This is desirable for realizing a photonic crystal part that transmits light in a desired wavelength band.
また、光吸収層は、低濃度不純物層として第1導電型低濃度不純物層及びその上に形成された第2導電型低濃度不純物層を含み、高濃度不純物層は、第2導電型であることが好ましい。 The light absorption layer includes a first conductivity type low concentration impurity layer as a low concentration impurity layer and a second conductivity type low concentration impurity layer formed thereon, and the high concentration impurity layer is of the second conductivity type. It is preferable.
このようにすると、第1導電型低濃度不純物層と第2導電型低濃度不純物層との界面に構成される空乏層において光吸収を行うことができる。 Thus, light absorption can be performed in the depletion layer formed at the interface between the first conductivity type low concentration impurity layer and the second conductivity type low concentration impurity layer.
また、複数の低屈折率領域は、所定の波長帯の光の波長に相当する寸法の平面形状を有することが好ましい。更に、高濃度不純物層の所定の波長帯の光に対する屈折率をn1 、複数の低屈折率領域の所定の波長帯の光に対する屈折率をn2 、所定の波長帯の中心波長をλ、複数の低屈折率領域同士の間隔をDとするとき、次式D=(λ/2n1 )+(λ/2n2 )が成立することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the plurality of low refractive index regions have a planar shape having a dimension corresponding to the wavelength of light in a predetermined wavelength band. Further, the refractive index for light in a predetermined wavelength band of the high-concentration impurity layer is n 1 , the refractive index for light in a predetermined wavelength band of a plurality of low refractive index regions is n 2 , and the center wavelength of the predetermined wavelength band is λ, When the interval between the plurality of low refractive index regions is D, it is preferable that the following formula D = (λ / 2n 1 ) + (λ / 2n 2 ) holds.
このようにすると、高濃度不純物層と低屈折率領域とによって、所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部が確実に構成される。 In this way, the photonic crystal part that transmits light of a predetermined wavelength band is reliably constituted by the high concentration impurity layer and the low refractive index region.
以上説明したように、本発明に係る受光素子によると、受光素子の表面近傍に形成された高濃度不純物層中に所定の波長帯の光を透過するフォトニック結晶部が構成されていることにより、入射光は高濃度不純物層において吸収されることなくその下の低濃度不純物層を含む光吸収層に達する。これにより、高濃度不純物層におけるキャリアの再結合及び受光素子の表面近傍における寄生抵抗をいずれも抑制し、高感度と高速応答とを両立した受光素子となっている。特に、素子の表面近傍にて吸収されやすい短波長の光、例えば青色レーザに適した高性能な受光素子を提供することができる。 As described above, according to the light receiving element of the present invention, the photonic crystal part that transmits light of a predetermined wavelength band is configured in the high concentration impurity layer formed in the vicinity of the surface of the light receiving element. The incident light reaches the light absorbing layer including the low concentration impurity layer thereunder without being absorbed in the high concentration impurity layer. Thereby, both the recombination of carriers in the high concentration impurity layer and the parasitic resistance in the vicinity of the surface of the light receiving element are suppressed, and the light receiving element achieves both high sensitivity and high speed response. In particular, it is possible to provide a high-performance light-receiving element suitable for short-wavelength light that is easily absorbed near the surface of the element, for example, a blue laser.
以下に、本発明の各実施形態に係る受光素子について図面を参照しながら説明する。尚、複数の図面に渡って現れる同様の構成要素には同じ符号を付し、それによって詳しい説明を省略する場合もある。 Hereinafter, light receiving elements according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component which appears over several drawings, and detailed description may be abbreviate | omitted by it.
(第1の実施形態)
図1(a)及び(b)は、第1の実施形態に係る受光素子の要部を模式的に示す図であり、順に平面及び断面図である。尚、図1(a)は、図1(b)におけるIa-Ia'線による断面である。
(First embodiment)
FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically illustrating a main part of the light receiving element according to the first embodiment, which are a plan view and a cross-sectional view in order. 1A is a cross section taken along line Ia-Ia ′ in FIG.
図1(a)に示す通り、本実施形態の受光素子20はPINフォトダイオードとして構成されている。具体的に述べると、受光素子20は高濃度P+型シリコン基板1を用いて形成されており、高濃度P+型シリコン基板1上に、低濃度P型シリコン層2(膜厚15μm)、低濃度N型シリコン層3(膜厚5μm)、高濃度N+型シリコン層4及びシリコン酸化膜5が下からこの順に積層されている。また、シリコン酸化膜5を貫通して高濃度N+型シリコン層4に達するようにカソード電極配線7が設けられると共に、高濃度P+型シリコン基板1の裏面(低濃度P型シリコン層2等が形成されている面の反対側の面)にはアノード電極配線8が設けられている。
As shown in FIG. 1A, the
N型である層とP型である層の界面、つまり、低濃度P型シリコン層2と低濃度N型シリコン層3との界面はPN接合を構成するから、この部分に空乏層が形成される。主に該空乏層が光吸収層として機能する。
Since the interface between the N-type layer and the P-type layer, that is, the interface between the low-concentration P-
また、高濃度N+型シリコン層4(及びシリコン酸化膜5)をそれぞれ貫通して低濃度N型シリコン層3に達する複数の空洞部6が形成されている。空洞部6は高濃度N+型シリコン層の下面よりも深く形成されていても良い。図1(a)の受光素子20はそのような例であり、シリコン酸化膜5の膜厚が100nm程度であるのに対して空洞部6の深さは500nm程度である。
In addition, a plurality of
図1(b)に示す通り、空洞部6は円状の平面形状を有すると共に、等間隔に規則的に設けられている。尚、図1(b)においてシリコン酸化膜5の図示は省略している。
As shown in FIG. 1B, the
空洞部6の屈折率(1.0)は高濃度N+型シリコン層4の屈折率(5.6)よりも低く、また、それぞれ同じ直径A1を有する複数の空洞部6は等間隔に設けられている。このため、高濃度N+型シリコン層4と複数の空洞部6とにより、高濃度P+型シリコン基板1の主面方向に周期的な屈折率分布が生じてフォトニック結晶部21を構成している。
The refractive index (1.0) of the
本実施形態の受光素子20は、青色レーザ(波長405nm)を受光するためのものである。そこで、空洞部6の直径A1は入射光(レーザ光)の波長とほぼ同じ400nmとしている。また、空洞部6同士の間隔D1は240nmであり、それぞれ独立して配列されている。このように、フォトニック結晶として機能させるためには、入射光の波長と同等サイズのパターンとして複数の低屈折率の空洞部6を配置する。
The
このような構成の本実施形態の受光素子20において、例えば光ディスクにより反射されたレーザ光が受光素子20の表面に照射されると、フォトニック結晶部21において、主面方向(入射方向に交差する方向)の周期的な屈折率分布のためにブラッグ反射を受ける。この結果、レーザ光の光波長域に光学的バンドギャップをもつフォトニック結晶部21中では吸収されず、レーザ光はフォトニック結晶を構成する空洞部6又はN+型シリコン層4を透過する。この結果、高濃度N+型シリコン層4よりも深い領域に形成された、不純物濃度の低い低濃度N型シリコン層3までレーザ光が減衰することなく到達する。
In the
その後、光吸収係数の大きい青色光は低濃度N型シリコン層3及び低濃度P型シリコン層2において吸収され、これらの界面における空乏層内にて光キャリア(電子及び正孔)に変換される。発生した光キャリアのうちの電子は、電界ドリフトによって速やかに受光素子表面側の高濃度N+型シリコン層4へと吸い上げられる。図1(b)に示す通り、複数の空洞部6が互いに独立している(接続されていない)ため、高濃度N+型シリコン層4は受光素子20の主面方向について連続しており、吸い上げられた電子は高濃度N+型シリコン層4内を通って容易にカソード電極配線7に到達することができる。尚、発生した光キャリアのうちの正孔は、アノード電極配線8の側に移動して光電流に寄与する。
Thereafter, blue light having a large light absorption coefficient is absorbed in the low-concentration N-
このように、本実施形態の受光素子20によると、フォトニック結晶部21が構成されていることにより、その光学的バンドギャップに相当する波長の光は高濃度N+型シリコン層4においては吸収されず、その下方の低濃度N型シリコン層3及び低濃度P型シリコン層2に到達する。つまり、再結合が顕著であって感度低下の原因となる高濃度の不純物層における光の吸収を避け、低濃度の不純物層において光を吸収させることができる。
Thus, according to the
更に、受光素子20表面近傍には寄生抵抗の小さい高濃度N+型シリコン層4が設けられており、発生した光キャリアは該高濃度N+型シリコン層4を通して拡散するため、応答速度は向上している。
Further, a high-concentration N +
よって、本実施形態の受光素子20は高感度と高速応答との両立を実現し、シリコンに関する吸収係数が大きくなる短波長の光である青色レーザ(波長405nm)に適した受光素子となっている。
Therefore, the
具体例として、受光素子20では入射光の波長λ=405nmに対して感度が0.3A/W、周波数が−1dBにおいて220MHzの特性を示す受光素子20が得られた。従来の受光素子の場合、同じ入射光の波長λ=405nmに対し、例えば感度が0.26A/W、周波数特性が−1dBにおいて200MHzであった。このように、本実施形態の受光素子20は確かに高感度と高速応答とを両立している。
As a specific example, the
尚、低屈折率領域のパターンサイズとして、空洞部6の直径A1を入射光の波長(レーザ光の波長、405nm)と同等の400nmとした本実施形態の例は望ましい構成である。しかし、レーザ光に波長分布が存在することを考慮すると、入射光の中心波長に対して±50nm程度の寸法に空洞部6の直径を設定するのがよい。このように、波長405nm等の単一波長の入射光の場合に限るわけではなく、入射光の波長分布を考慮して、ばらつきを考慮した様々な波長の光に適する構成とすることもできる。
In addition, as an example of the pattern size of the low refractive index region, an example of this embodiment in which the diameter A1 of the
また、本実施形態では、高濃度P+型シリコン基板1を用いる例を説明しているが、これには限らず、各構成要素についていずれも逆の導電型を有する構成とすることもできる。更に、アノード電極配線8を高濃度P+型シリコン基板1の裏面に形成する例を説明しているが、これには限らない。例えば、アノード・カソード間に絶縁分離層を設け、高濃度P+型シリコン基板1に接続するコンタクト層を表面(受光素子20のシリコン酸化膜5の形成されている側)の側から形成し、表面にアノード電極を引き出す構成とすることも可能である。
In the present embodiment, an example in which the high-concentration P +
次に、本実施形態の受光素子20の製造方法について図面を参照して説明する。図2(a)〜(f)は、受光素子20の製造方法、中でも受光領域を形成する工程を説明するための断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図2(a)に示す通り、不純物濃度が1×1019/cm3 程度の高濃度P+型シリコン基板1上に、エピタキシャル成長法により、比抵抗100Ωcm程度で且つ厚みが20μm程度の低濃度P型シリコン層2を形成する。続いて、低濃度P型シリコン層2上に、同じくエピタキシャル成長法を用い、比抵抗が100Ωcm程度で且つ膜厚が10μm程度の低濃度N型シリコン層3を形成する。尚、低濃度P型シリコン層2及び低濃度N型シリコン層3の不純物濃度は、両者が空乏化することにより発生した光キャリアが再結合によって消失するのを避けられるように設定する。
First, as shown in FIG. 2A, a low concentration having a specific resistance of about 100 Ωcm and a thickness of about 20 μm is formed on a high concentration P +
次に、図2(b)に示す通り、低濃度N型シリコン層3上にシリコン酸化膜5(例えば熱酸化膜)を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film 5 (for example, a thermal oxide film) is formed on the low concentration N-
この後、図2(c)に示す通り、マスキング処理を用いて必要な範囲の低濃度N型シリコン層3に対して不純物注入を行う。これにより、低濃度N型シリコン層3の上部に高濃度N+型シリコン層4を形成する。この際、例えば、不純物としてAs(ヒ素)を用い、イオン注入エネルギー20keVで且つイオン注入量5×1014/cm2 のドーピング条件とする。このようなドーピング条件(高濃度N+型シリコン層4の不純物濃度)は、受光素子の高速応答を実現するため、高濃度N+型シリコン層4の寄生抵抗が十分小さくなるように設定する。
Thereafter, as shown in FIG. 2C, impurity implantation is performed on the low-concentration N-
次に、図2(d)に示す通り、高濃度N+型シリコン層4上に形成したシリコン酸化膜5にコンタクトホールを設ける。該コンタクトホールを介して高濃度N+型シリコン層4に接続するように、カソード電極配線7を形成する。
Next, as shown in FIG. 2D, contact holes are provided in the
また、図2(e)に示す通り、高濃度P+型シリコン基板1の裏面にアノード電極配線8を形成する。
Further, as shown in FIG. 2E, the
次に、図2(f)に示す工程を行う。つまり、アノード電極配線8及びカソード電極配線7の形成の後、リソグラフィ技術を用いて所定のパターンのマスクを形成し、異方性のドライエッチングにより、高濃度N+型シリコン層4を貫通するように複数の空洞部6を形成する。
Next, the process shown in FIG. That is, after the
ここで、複数の空洞部6は、図1(b)に示すように、互いに接することなく高濃度N+型シリコン層4中に配列して形成する。また、空洞部6はそれぞれ入射光の波長とほぼ同じ400nmの直径A1を有する円形の平面形状とする。空洞部6同士の間隔D1は240nmである。
Here, as shown in FIG. 1B, the plurality of
また、空洞部6の深さはシリコン酸化膜5の表面から500nm程度としている。これは、高濃度N+型シリコン層4の深さは400nm程度であるから、図2(f)の通り、空洞部6はこれよりも深く形成されている。後に説明する通り、フォトニック結晶部21は低濃度N型シリコン層3に達していることが望ましく、また、空洞部6が低濃度N型シリコン層3の上面よりも深く形成されていることに大きな問題は無い。このため、加工精度等の観点から、空洞部6は低濃度N型シリコン層3の上面よりも深く形成するのがよい。
The depth of the
空洞部6を形成することにより、相対的に屈折率の高い高濃度N+型シリコン層4中に相対的に屈折率の低い空洞部6が入射光の波長と同等サイズのパターンをもって規則配列されることになる。これによりフォトニック結晶部21が構成され、先に説明したように、レーザ光はフォトニック結晶部21部分を吸収されずに通過し、不純物濃度の低い低濃度N型シリコン層3に到達した後に吸収される。このように、青色レーザの受光に関して高感度と高速応答とを両立させた受光素子20を製造することができる。
By forming the
尚、ここでは高濃度N+型シリコン層4上にシリコン酸化膜5が形成されている状態において空洞部6を形成した。しかし、シリコン酸化膜5上に積層する別の膜、例えばSiN膜等が形成されていても良いし、更に別の膜が形成されていても構わない。
Here, the
また、本実施形態において、空洞部6はいずれも高濃度N+型シリコン層4を貫通して低濃度N型シリコン層3に達しており、これによってフォトニック結晶部21も低濃度N型シリコン層3に達している。これは、受光素子の感度向上及び応答速度向上のためには望ましい構成である。しかし、空洞部6が高濃度N+型シリコン層4を貫通しておらず、つまり、高濃度N+型シリコン層4内に納まるように形成されている構成とすることも可能である。
Further, in this embodiment, all the
この場合、空洞部6が形成されている範囲にフォトニック結晶部が構成され、当該フォトニック結晶部の範囲において入射光の吸収が防がれる。フォトニック結晶部の範囲外の部分の高濃度N+型シリコン層4においては、再結合によって光キャリアが減少する。また、再結合によって消滅せず光電流に寄与する光キャリアについても、応答速度を低下させる原因となる。
In this case, the photonic crystal part is formed in the range where the
先に述べた通り、低濃度N型シリコン層3と低濃度P型シリコン層2との界面に生じる空乏層において生じた光キャリアは、電界ドリフトによって速やかに移動する。この際、光キャリアのうちの正孔はアノード電極配線8の側に移動する。これに対し、フォトニック結晶部21の範囲外の部分の高濃度N+型シリコン層4において光キャリアが生じた場合、そのうちの正孔は、拡散によって前記の空乏層まで移動する必要がある。この際の移動速度は、電界ドリフトによる移動に比べて大幅に遅い。そのため、空乏層内において生じた正孔に比べてアノード電極配線8に到達するまでの時間が遅く、このことは、応答速度を低下させる原因となる。
As described above, the optical carriers generated in the depletion layer generated at the interface between the low concentration N-
このようなことから、空洞部6が低濃度N型シリコン層3に達していない構造であっても感度向上の効果は発揮されるが、より望ましくは、図1(a)に示したように空洞部6が低濃度N型シリコン層3に達している構造とするのがよい。
For this reason, even if the
(第2の実施形態)
続いて、本発明の第2の実施形態に係る受光素子20aについて、図面を参照しながら説明する。図3(a)〜(f)は、受光素子20a、特にその受光領域を製造する工程を示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a
本実施形態の受光素子20aの断面は、図3(f)に示されている。これは、図1(a)に示す第1実施形態の受光素子20において、空洞部6がSOG(Spin on Glass)等の低屈折率材料によって埋め込まれた複数の低屈折率部9aとなっている構成と考えれば良い。よって、低屈折率部9aは、図1(b)に示すのと同様に円形の平面形状を有し且つ互いに独立して等間隔に配列されている。尚、低屈折率材料とは、高濃度N+型シリコン層4に比べて入射光に対する屈折率が低い材料であることを言う。
A cross section of the
但し、低屈折率部9aのパターンの直径A2は受光素子20の空洞部6と同じ400nm(想定する入射光の波長405nmと同等)であるが、受光素子20の空洞部6の間隔D1は240nmであるのに対し、低屈折率部9aの間隔D2は180nmとなっている。
However, the diameter A2 of the pattern of the low
受光素子20aにおいても、高濃度N+型シリコン層4とそこに規則配置された低屈折率部9aとによって、レーザ光の入射方向に交差する方向に周期的な屈折率分布が生じ、フォトニック結晶部21が構成されている。このため、第1の実施形態の場合と同様に、入射光の光波長域に光学的バンドギャップを持つフォトニック結晶部21において入射光はブラッグ反射を受け、吸収されることなく透過されて低濃度N型シリコン層3に到達する。この後、低濃度N型シリコン層3と低濃度P型シリコン層2との界面から構成される空乏層において入射光が吸収されて光キャリアが生じる。
Also in the
このことから受光素子20aの感度向上が実現すると共に、低濃度N型シリコン層3上に形成されている高濃度N+型シリコン層4のために寄生抵抗が小さくなっている結果として応答速度が向上している点については、第1の実施形態の場合と同様である。
As a result, the sensitivity of the
尚、空洞部6に充填する低屈折率材料は、SOGには限定されず、入射光の波長及び周期パターンの間隔に応じて選択すればよい。逆に、屈折率の決まった材料を用いることにより、フォトニック結晶部21のパターン間隔を設定することができる。例えば、波長405nmの光に対して高濃度N+型シリコン層4の屈折率n=5.42よりも小さい屈折率を有すると共に、波長405nmの光を透過する材料であれば良い。このような材料を用いると、フォトニック結晶部21を構成して光学的バンドギャップを発生させることができる。
The low refractive index material filled in the
フォトニック結晶において、材料の屈折率とパターン間隔とは次のような関係を有する。つまり、入射光の波長(入射光の波長分布を考えるのであれば、中心波長)をλ、該入射光に対する高屈折率材料及び低屈折率材料の屈折率を順にn1 及びn2 、周期間隔(ここでは、低屈折率部9a同士の間隔)をDとするとき、次式(1)
D=(λ/2n1 )+(λ/2n2 ) (n1 > n2 ) ……(1)
の関係を満たすのであれば、フォトニック結晶を実現し、光学的バンドギャップを発生させることができる。本実施形態の場合、SOGの屈折率は1.42程度であり、式(1)から、先に示した通り間隔D2を180nmとしている。
In the photonic crystal, the refractive index of the material and the pattern interval have the following relationship. That is, the wavelength of the incident light (center wavelength if the wavelength distribution of the incident light is considered) is λ, the refractive indexes of the high refractive index material and the low refractive index material for the incident light are sequentially n 1 and n 2 , and the periodic interval. When (here, the interval between the low
D = (λ / 2n 1 ) + (λ / 2n 2 ) (n 1 > n 2 ) (1)
If the above relationship is satisfied, a photonic crystal can be realized and an optical band gap can be generated. In the case of this embodiment, the refractive index of SOG is about 1.42, and the distance D2 is set to 180 nm as shown above from the equation (1).
尚、この式(1)の関係から、低屈折率の材料を用いるほど周期間隔Dを大きくすることができる。周期間隔Dが大きい方がパターン形成は容易であるから、より低屈折率の材料を用いることが望ましい。 From the relationship of the formula (1), the periodic interval D can be increased as the material having a lower refractive index is used. Since the pattern formation is easier when the period interval D is larger, it is desirable to use a material having a lower refractive index.
本実施形態の受光素子20aは、例えば次のようにして製造することができる。まず、図3(a)に示す構造は、第1の実施形態において図2(c)に示した構造と同様であり、図2(a)及び(b)に示す工程によって形成される。
The
次に、図3(b)に示すように、低濃度N型シリコン層3を貫通する複数の空洞部6を形成する。このためには、リソグラフィによってマスキング処理し、異方性ドライエッチング処理を行った。平面形状及び配置は図1(b)と同様であり、但し前記の通り空洞部6の直径A2が400nmで且つその間隔D2は180nmである。
Next, as shown in FIG. 3B, a plurality of
次に、図3(c)に示す通り、空洞部6を充填し且つシリコン酸化膜5上を覆うSOG層9をスピンコート法によって形成する。
Next, as shown in FIG. 3C, an
次に、図3(d)に示す通り、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、空洞部6からはみ出している部分のSOGを除去する。これにより、空洞部6がSOGによって充填された低屈折率部9aを形成する。
Next, as shown in FIG. 3D, the SOG in the portion protruding from the
次に、図3(e)に示すように、シリコン酸化膜5を貫通するコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールを介して高濃度N+型シリコン層4に接続するカソード電極配線7を形成する。その後、図3(f)に示すように、高濃度P+型シリコン基板1の裏面にアノード電極配線8を形成する。
Next, as shown in FIG. 3E, a contact hole penetrating the
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る受光素子20bについて、図面を参照しながら説明する。図4(a)〜(f)は、受光素子20b、特にその受光領域を製造する工程を示す断面図である。
(Third embodiment)
The
本実施形態の受光素子20bの断面は、図4(f)に示されている。これは、図1(a)に示す第1実施形態の受光素子20において、空洞部6がSiNによって埋め込まれて低屈折率部10aとなっていると共に、同じSiNによってSiN膜10bが形成されている構造と考えることができる。但し、ここでも波長405nmの光を受光することを想定し、低屈折率部10aのパターンの直径A3は受光素子20と同じ400nmであるが、低屈折率部10a同士の間隔D3は140nmとしている。このような間隔D3の値は、SiNの屈折率が2.00であることから、前記の式(1)を用いて決定される。
The cross section of the
SiNは高濃度N+型シリコン層4に比べて低屈折率であるから、空洞部6をSiNによって充填した構成の低屈折率部10aが入射光の波長と同等サイズのパターンに規則的に配置されることにより、入射光と交差する方向に周期的な屈折率分布が生じている。これにより、入射光の光波長域に光学的バンドギャップを有するフォトニック結晶部21が構成され、入射光はブラッグ反射を受けるために吸収されることなく透過して低濃度N型シリコン層3に到達する。この後は、先の実施形態においても説明した通りに光キャリアの発生と移動が起こり、感度向上及び応答速度向上が共に実現した受光素子20bとなっている。
Since SiN has a lower refractive index than that of the high-concentration N +
更に、本実施形態の受光素子20bにおいて、シリコン酸化膜5及び低屈折率部10aを覆うように、低屈折率部10aと同じSiNによってSiN膜10bが形成されている。SiN膜10bとシリコン酸化膜5との積層膜は、赤色〜赤外光に対する反射防止膜として機能する。このため、受光素子20bは、フォトニック結晶部21のために短波長光に対して透過性に優れると共に、長波長光に対して反射防止性に優れる。
Further, in the
従って、受光素子20bは、青色光等の短波長から赤外光等の長波長までに亘る広範囲の波長を効率良く受光することができると共に、高感度と高速応答とを両立する高性能な特性を示すものとなっている。
Therefore, the
尚、高濃度N+型シリコン層4内に形成されている低屈折率部10a同士は互いに独立しているため、高濃度N+型シリコン層4は受光素子の主面方向に連続している。よって、低屈折率部10a同士が同じ材料により形成されたSiN膜10bを介して繋がっていると考えることはできるが、このことに関わりなく、キャリアが高濃度N+型シリコン層4内を主面方向に移動する経路は確保されている。
Since the low
本実施形態の受光素子20aは、例えば次のようにして製造することができる。まず、図4(a)に示す構造は、第1の実施形態において図2(c)に示した構造と同様であり、図2(a)及び(b)に示す工程によって形成される。
The
次に、図4(b)に示すように、低濃度N型シリコン層3を貫通する複数の空洞部6を形成する。このためには、リソグラフィによってマスキング処理し、異方性ドライエッチング処理を行った。平面形状及び配置は図1(b)と同様であり、但し前記の通り空洞部6の直径A3が400nmで且つその間隔D3は140nmである。
Next, as shown in FIG. 4B, a plurality of
次に、図4(c)に示すように、空洞部6を充填し且つシリコン酸化膜5上を覆うSiN膜10をプラズマCVD法等により形成する。これにより、空洞部6がSiNによって充填された低屈折率部10aが形成される。この後、図4(d)に示すように、CMP法によりSiN膜10を研磨して望みの厚さにSiN膜10bを残す。これにより、SiN膜10bとシリコン酸化膜5との積層膜が反射防止膜として機能する。
Next, as shown in FIG. 4C, a
このように、低屈折率部10aと反射防止膜を得るためのSiN膜10bとを同じ材料によって形成することにより、受光素子20bの製造工程を簡略化することができる。
Thus, the manufacturing process of the
この後、図4(e)に示すようにSiN膜10b及びシリコン酸化膜5を貫通して高濃度N+型シリコン層4に接続するカソード電極配線7を形成する。更に、図4(f)に示すように、高濃度P+型シリコン基板1の裏面にアノード電極配線8を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4E, a
以上により、本実施形態の受光素子20bが製造される。尚、SiNを材料として低屈折率部10aを構成すると共に反射防止膜の一部となるSiN膜10bを形成したが、これに限定するわけではない。
Thus, the
(第4の実施形態)
続いて、本発明の第4の実施形態に係る受光素子20cについて、図面を参照しながら説明する。図5(a)及び(b)は、受光素子20c、特にその受光領域を製造する工程を示す断面図である。また、図5(c)には、受光素子20cの平面図が示されている。
(Fourth embodiment)
Next, a
本実施形態の受光素子20cの断面は、図5(b)に示されている。ここで、高濃度P+型シリコン基板1、低濃度P型シリコン層2、低濃度N型シリコン層3、シリコン酸化膜5、カソード電極配線7及びアノード電極配線8については、第1の実施形態の受光素子20と同様である。低濃度N型シリコン層3中に、より不純物濃度の高い高濃度N+型シリコン層4aが図5(c)に示すパターンとして形成されている。
A cross section of the
受光素子20cにおいて、フォトニック結晶部21は、低濃度N型シリコン層3と、高濃度N+型シリコン層4aとは不純物濃度に違いにより屈折率が異なることを利用して構成されている。つまり、図4(b)及び(c)に示す通り、円形の平面形状を有し且つ規則的に配列するパターンとして低濃度N型シリコン層3を残すように高濃度N+型シリコン層4aが形成され、高濃度N+型シリコン層4aの間に残された部分の低濃度N型シリコン層3が低屈折率部3aとなっている。これにより、光の入射方向に対して交差する方向に、周期的な屈折率分布が生じており、フォトニック結晶として機能する。尚、屈折率の具体例を挙げると、高濃度N+型シリコン層4aは5.6、低濃度N型シリコン層3(低屈折率部3a)は5.42である。
In the
また、低屈折率部3aの直径A4は、本実施形態においても入射光として波長405nmの光を想定していることからそれと同等の400nmである。また、低屈折率部3a同士の間隔D4は、前記の屈折率と式(1)とから、73.5nmとしている。
In addition, the diameter A4 of the low
受光素子20cにおいても、入射した光は、ブラッグ反射を受けるためにフォトニック結晶部21を吸収されることなく透過する。つまり、受光素子20cの表面近傍(シリコン酸化膜5に接する部分)において、高濃度N+型シリコン層4aと低濃度N型シリコン層3の一部である低屈折率部3aとが配置されているが、この部分において入射光は吸収されず、そのため光キャリアも生じない。
Also in the
吸収されないため減衰することなくフォトニック結晶部21を透過した光は、その後、フォトニック結晶部21の下方に構成されている光吸収層において吸収され、光キャリアを生じる。光吸収層として機能するのは、主に、低濃度N型シリコン層3と低濃度P型シリコン層2との界面に構成される空乏層である。
The light that has passed through the
以上から、本発明の第1〜第3の実施形態において説明したのと同様に、高感度と高速応答とを両立した受光素子20cとなっている。特に、青色レーザーに適した受光素子となっている。
From the above, as described in the first to third embodiments of the present invention, the
受光素子20cは、例えば次のようにして製造することができる。
The
まず、第1の実施形態において説明した図2(a)及び(b)の工程を行う。これにより、高濃度P+型シリコン基板1、低濃度P型シリコン層2、低濃度N型シリコン層3及びシリコン酸化膜5が積層された構造が得られる。
First, the steps of FIGS. 2A and 2B described in the first embodiment are performed. Thereby, a structure in which the high concentration P +
次に、図5(a)に示すように、フォトレジスト11をマスクとして設けた後に不純物の注入を行い、高濃度N+型シリコン層4aを形成する。この際、低屈折率部3aとして低濃度N型シリコン層3のままに残す部分を覆うようにフォトレジスト11を形成しておく。また、不純物としては例えばAs(ヒ素)を用い、イオン注入エネルギーを20keV、イオン注入量を5×1014/cm2 とする。これにより、図5(b)に示すように、低濃度N型シリコン層3よりも屈折率の高い高濃度N+型シリコン層4aが形成される。
Next, as shown in FIG. 5A, after the photoresist 11 is provided as a mask, impurities are implanted to form a high-concentration N +
この後、他の実施形態と同様にしてカソード電極配線7及びアノード電極配線8を形成すると、本実施形態の受光素子20cが形成される。
Thereafter, when the
(第5の実施形態)
以下に、本発明の第5の実施形態に係る受光素子20dについて図面を参照しながら説明する。図6(a)及び(b)は、第1の実施形態に係る受光素子の要部を模式的に示す図であり、順に平面を及び断面図である。尚、図6(a)は、図6(b)におけるVIa-VIa'線による断面である。
(Fifth embodiment)
The
受光素子20dは、第1の実施形態に係る受光素子20の空洞部6が円形の平面形状を有するのに対し、正方形状の平面形状を有する空洞部6bとした構造である。正方形の辺の寸法A5は、ここでも想定している入射光の波長405nmと同等の400nmであり、また、空洞部6b同士の間隔D5は前記の式(1)を用いて240nmとしている。
The
本実施形態の受光素子20dも、第1の実施形態の受光素子20と同様に、高感度と高速応答とを両立する受光素子となっている。つまり、空洞部6bと高濃度N+型シリコン層4とによって周期的な屈折率分布が生じ、入射光の光波長域に相当する光学的バンドギャップを有するフォトニック結晶部21が構成され、入射光はフォトニック結晶部21部分を吸収されることなく透過する。光吸収はフォトニック結晶部21の下方の不純物濃度の低い層によって行われるために光感度が高く、また、受光素子20dの表面近傍には高濃度N+型シリコン層4が配置されているために高速応答が実現している。
Similarly to the
尚、本実施形態では円状に代える空洞部6bの平面形状として正方形状を例としたが、これに限定されることもない。円状の他の例としては、多角形状であることがフォトニック結晶としての機能をえるために望ましい。但し、均一なパターン形成及び加工の際の再現性、対称性等の観点からは、円状であることが望ましい。
In the present embodiment, a square shape is used as an example of the planar shape of the
また、第1の実施形態に限らず、第2〜第4の実施形態に係るそれぞれの受光素子についても、低屈折率部の平面形状を円状以外の形状とすることは当然可能である。 Further, not only in the first embodiment, but also in each of the light receiving elements according to the second to fourth embodiments, it is naturally possible to make the planar shape of the low refractive index portion other than a circular shape.
また、以上に説明した第1〜第5の実施形態について、受光素子の部分だけを説明してきたが、これに加えてトランジスタ等をモノシリックに同一基板上に集積した光電子集積回路、いわゆるOEICに適用することもできる。 In the first to fifth embodiments described above, only the light receiving element has been described. In addition to this, it is applied to an optoelectronic integrated circuit in which transistors and the like are monolithically integrated on the same substrate, so-called OEIC. You can also
また、シリコン系のフォトダイオードについて説明してきたが、その他、化合物半導体材料に適用することも可能である。更に、PIN型の受光素子には限らず、アバランシェフォトダイオード等のその他の受光素子に用いることも可能である。 Further, although a silicon-based photodiode has been described, it can also be applied to a compound semiconductor material. Further, the present invention is not limited to the PIN type light receiving element, and can be used for other light receiving elements such as an avalanche photodiode.
本発明の受光素子は、高感度と高速応答とを両立すると共に、短波長の入射光にも対応し、光ピックアップ装置に用いられる受光素子、光通信素子に用いる受光素子等として有用である。 The light-receiving element of the present invention has both high sensitivity and high-speed response and is compatible with incident light having a short wavelength, and is useful as a light-receiving element used in an optical pickup device, a light-receiving element used in an optical communication element, and the like.
1 高濃度P+型シリコン基板
2 低濃度P型シリコン層
3 低濃度N型シリコン層
3a 低屈折率部
4 高濃度N+型シリコン層
4a 型シリコン層
5 シリコン酸化膜
6、6a 空洞部
7 カソード電極配線
8 アノード電極配線
9 SOG層
9a 低屈折率部
10 SiN膜
10a 低屈折率部
10b SiN膜
11 フォトレジスト
20 受光素子
20a 受光素子
20b 受光素子
20c 受光素子
20d 受光素子
21 フォトニック結晶部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体基板上に形成され、低濃度不純物層を含み且つ所定の波長帯の光を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層上に形成され且つ前記低濃度不純物層よりも不純物濃度が高い高濃度不純物層とを備え、
少なくとも前記高濃度不純物層中に、前記高濃度不純物層よりも前記所定の波長帯の光に関する屈折率が小さい複数の低屈折率領域が一定の間隔をもって配列され、それによって、前記半導体基板の主面方向に周期的な屈折率分布を有することにより前記所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部が構成されていることを特徴とする受光素子。 A semiconductor substrate;
A light absorption layer formed on the semiconductor substrate and including a low-concentration impurity layer and absorbing light of a predetermined wavelength band;
A high concentration impurity layer formed on the light absorption layer and having an impurity concentration higher than that of the low concentration impurity layer;
At least in the high concentration impurity layer, a plurality of low refractive index regions having a smaller refractive index with respect to light in the predetermined wavelength band than the high concentration impurity layer are arranged at regular intervals, whereby the main substrate of the semiconductor substrate is arranged. A light-receiving element comprising a photonic crystal portion that transmits light of the predetermined wavelength band by having a periodic refractive index distribution in a plane direction.
前記複数の低屈折率領域が前記高濃度不純物層を貫通して前記光吸収層に達するように形成されていることにより、前記フォトニック結晶部が前記光吸収層に達していることを特徴とする受光素子。 In claim 1,
The plurality of low refractive index regions are formed so as to penetrate the high-concentration impurity layer and reach the light absorption layer, so that the photonic crystal portion reaches the light absorption layer. Light receiving element.
前記複数の低屈折率領域は、少なくとも前記高濃度不純物層に設けられた複数の空洞部であることを特徴とする受光素子。 In claim 1 or 2,
The plurality of low refractive index regions are a plurality of cavities provided in at least the high concentration impurity layer.
前記複数の低屈折率領域は、少なくとも前記高濃度不純物層に設けられた複数の凹部が前記高濃度不純物層よりも前記所定の波長帯の光に関する屈折率の低い材料によって埋め込まれた構造を有することを特徴とする受光素子。 In claim 1 or 2,
The plurality of low-refractive index regions have a structure in which at least a plurality of recesses provided in the high-concentration impurity layer are embedded with a material having a lower refractive index with respect to light in the predetermined wavelength band than the high-concentration impurity layer. A light receiving element characterized by that.
前記高濃度不純物層上に、前記複数の凹部を埋め込む前記材料から成る反射防止膜が形成されていることを特徴とする受光素子。 In claim 4,
An antireflection film made of the material for embedding the plurality of recesses is formed on the high concentration impurity layer.
前記複数の低屈折率領域は、前記高濃度領域と同じ導電型であり且つ前記高濃度領域よりも不純物濃度が低い領域であることを特徴とする受光素子 In claim 1 or 2,
The plurality of low refractive index regions are regions having the same conductivity type as the high concentration region and having a lower impurity concentration than the high concentration region.
前記複数の低屈折率領域は、それぞれ円状の平面形状を有することを特徴とする受光素子。 In any one of Claims 1-6,
Each of the plurality of low refractive index regions has a circular planar shape.
前記光吸収層は、前記低濃度不純物層として第1導電型低濃度不純物層及びその上に形成された第2導電型低濃度不純物層を含み、
前記高濃度不純物層は、第2導電型であることを特徴とする受光素子。 In any one of Claims 1-7,
The light absorption layer includes a first conductivity type low concentration impurity layer as the low concentration impurity layer and a second conductivity type low concentration impurity layer formed thereon,
The light-receiving element, wherein the high-concentration impurity layer is of a second conductivity type.
前記複数の低屈折率領域は、前記所定の波長帯の光の波長に相当する寸法の平面形状を有することを特徴とする受光素子。 In any one of Claims 1-8,
The plurality of low refractive index regions have a planar shape having a dimension corresponding to the wavelength of light in the predetermined wavelength band.
前記高濃度不純物層の前記所定の波長帯の光に対する屈折率をn1 、
前記複数の低屈折率領域の前記所定の波長帯の光に対する屈折率をn2 、
前記所定の波長帯の中心波長をλ、
前記複数の低屈折率領域同士の間隔をDとするとき、次式
D=(λ/2n1 )+(λ/2n2 )
が成立することを特徴とする受光素子。 In any one of Claims 1-9,
A refractive index of the high-concentration impurity layer with respect to light in the predetermined wavelength band is n 1 ,
N 2 , a refractive index of the plurality of low refractive index regions with respect to light in the predetermined wavelength band,
A center wavelength of the predetermined wavelength band is λ,
When the interval between the plurality of low refractive index regions is D, the following formula D = (λ / 2n 1 ) + (λ / 2n 2 )
The light receiving element characterized by that.
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- 2007-06-18 JP JP2007160000A patent/JP2008311562A/en active Pending
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