JPH05145051A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２段エピタキシャル層と高濃度埋め込み層を
具備することにより、高感度のカソードコモン型のホト
ダイオード群をＩＣ化する。 【構成】 基板（１３）上に第１と第２のエピタキシャ
ル層（１４）（１５）を形成し、周辺回路は第２のエピ
タキシャル層（１５）を利用して構成する。ホトダイオ
ード部（１１）は、第２のエピタキシャル層（１５）の
表面に複数個のＰ型アノード領域（２１）を形成し、第
１と第２のエピタキシャル層（１４）（１５）を共通カ
ソードとして構成する。そして、個々のアノード領域
（２１）に各々が対応するように、基板（１３）表面に
Ｎ⁺型の第１の埋め込み層（２３）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数個のカソードコモ
ン型ホトダイオードと周辺回路とを一体化した光半導体
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】受光素子と周辺回路とを一体化してモノ
リシックに形成した光半導体装置は、受光素子と回路素
子とを別個に作ってハイブリッドＩＣ化したものと異な
り、コストダウンが期待でき、また、外部電磁界による
雑音に対して強いというメリットを持つ。そのため、こ
のような装置は電気信号を光信号に変換して伝送する光
通信用としての用途のみならず、ＣＤやＬＤ等の光学的
記憶装置のピックアップ用としての用途にまで拡大する
動きがある。

【０００３】従来の光ピックアップ用の光半導体装置
（ディスクリート）は、Ｎ型基板の表面にＰ型領域を形
成してＰＮ接合ホトダイオードとし、６個のホトダイオ
ードＰＤ１〜ＰＤ６を図３に示すように配置したもので
ある。ＰＤ１とＰＤ６はトラッキング用のホトダイオー
ドであり、信号検出用のビームがトラックからずれない
よう制御するために設けられている。ＰＤ２〜ＰＤ４は
フォーカス用のホトダイオードであり、盤に記録された
信号を電気信号に変換すると同時に、ＰＤ２〜ＰＤ４の
各々の光電流を比較して光ビームのフォーカスが合致し
ているか否かを判定するために設けられている。

【０００４】このような光ピックアップ用ホトダイオー
ド群をＩＣ化する場合、Ｐ型基板がＧＮＤ（接地電位）
となることから、Ｎ型エピタキシャル層をＰ⁺分離領域
で分離し、基板とエピとのＰＮ接合をホトダイオードと
したアノードコモン型の方が製造上のメリットがある。
しかしながら、従来のディスクリート製品が全てカソー
ドコモンで製作され、回路技術もカソードコモンに対応
して開発されてきた経緯から、上記ホトダイオードをＩ
Ｃ化する場合もカソードコモン型にする要求が強い。

【０００５】そこで、上記要求に対応すべくカソードコ
モン型のホトダイオード群を形成した例を図４に示す。
即ち、Ｐ型基板（１）上に形成したＮ型エピタキシャル
層（２）をＰ⁺型分離領域（３）で分離して共通のカソ
ード領域とし、エピタキシャル層（２）の表面に６個の
Ｐ⁺型アノード領域（４）を形成したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＣＤピ
ックアップ用等に利用される波長７８０ｎｍの光はシリ
コン表面から１５〜２０μ位の深さまで十分に到達でき
るので、深く侵入した光をどの程度光電流として回収で
きるかがホトダイオードの感度を左右することになる。
そのため、Ｐ型基板を共通アノードとしたアノードコモ
ン型は基板深部で発生した光生成キャリアを光電流に寄
与できるので感度が高いのに対し、図４のカソードコモ
ン型は基板（１）深部で発生した光生成キャリアが無効
電流となってしまうので感度が低いという欠点があっ
た。

【０００７】尚、エピタキシャル層（２）の厚みを厚く
すれば変換効率が向上するが、エピタキシャル層（２）
の厚みは共存する他の素子（ＮＰＮトランジスタ等）の
特性に大きく関係し、また微細加工の点からも単純に厚
くすることはできない。さらに、エピタキシャル層
（２）で発生した少数キャリア（ホール）が全てアノー
ド領域（４）に流れるとは限らず、一部は基板（１）に
流れて無効電流になってしまう。そのため、ホトダイオ
ードの感度を一層悪くする欠点があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した欠点に
鑑み成されたもので、基板（１３）上に第１と第２のエ
ピタキシャル層（１４）（１５）を形成し、第２のエピ
タキシャル層（１５）の表面にホトダイオード群を構成
する複数個のアノード領域（２１）を形成し、アノード
領域（２１）下の基板（１３）表面に、各々が個々のア
ノード領域（２１）に対応する複数個のＮ⁺型埋め込み
層（２３）を形成することにより、入射光に対する感度
が高く且つ各ダイオード間のクロストークを向上したカ
ソードコモン型のホトダイオードを提供するものであ
る。

【０００９】

【作用】本発明によれば、２段エピタキシャル構造とす
ることにより、ホトダイオード部（１１）と周辺回路部
とで各々に適切な膜厚に設定できるので、アノードとな
るＮ型領域の厚みを厚くできる。また、Ｎ⁺型埋め込み
層（２３）とＮ型第１のエピタキシャル層（１４）との
Ｎ／Ｎ⁺障壁により、カソードとなるＮ型領域で発生し
た少数キャリア（ホール）が基板（１３）に流出しにく
い構造となるので、光入射で発生した少数キャリアの殆
どをアノード電流として回収できる。

【００１０】

【実施例】図１に本発明のホトダイオード内蔵ＩＣの断
面構造を示す。同図は、図２のＰＤ１〜ＰＤ６を形成し
たホトダイオード部（１１）と同辺回路の一部としての
ＮＰＮトランジスタ部（１２）を示している。図１にお
いて、（１３）はＰ型シリコン半導体基板、（１４）は
基板（１３）の上に気相成長法にて形成したＮ型の第１
のエピタキシャル層、（１５）は第１のエピタキシャル
層（１４）の上に同じく気相成長法にて形成したＮ型の
第２のエピタキシャル層、（１６）は第１と第２のエピ
タキシャル層（１４）（１５）を接合分離するＰ⁺型分
離領域である。第１と第２のエピタキシャル層（１４）
（１５）は共に１．０〜２．０Ω・ｃｍ程度の不純物濃
度を有し、第１のエピタキシャル層（１４）は膜厚が１
５μ程度、第２のエピタキシャル層（１５）は周辺回路
の構成に合致させて５〜７程度の膜厚とする。

【００１１】分離領域（１６）で囲まれた第２のエピタ
キシャル層（１５）の表面には図３に示すパターンで複
数個のアノード領域（２１）を形成し、第１と第２のエ
ピタキシャル層（１４）（１５）を共通カソードとして
両者のＰＮ接合によりトラッキング用ホトダイオードＰ
Ｄ１，ＰＤ６とフォーカス用ホトダイオードＰＤ２〜Ｐ
Ｄ４を形成する。トラッキング用ホトダイオードＰＤ
１，ＰＤ６とフォーカス用ホトダイオードＰＤ２〜ＰＤ
４の間の第２のエピタキシャル層（１５）表面、および
ホトダイオード群ＰＤ１〜ＰＤ６を囲む第２のエピタキ
シャル層（１５）の表面には、両ダイオードを分離し共
通カソードの取出しとなるＮ⁺型カソードコンタクト領
域（２２）を形成する。

【００１２】ホトダイオード部（１１）下の基板（１
３）表面には、夫々がＰ⁺型アノード領域（２１）と対
応するようにＮ⁺型の第１の埋め込み層（２３）を形成
する。第１の埋め込み層（２３）は、基板（１３）表面
から上下方向に各々６〜７μ程度拡散され、高濃度とす
ることにより第１のエピタキシャル層（１４）との間に
障壁を形成する。

【００１３】ＮＰＮトランジスタ部（１２）は、分離領
域（１６）で囲まれた第２のエピタキシャル層（１５）
の表面にＰ型ベース領域（１７）、Ｎ⁺型エミッタ領域
（１８）およびＮ⁺型コレクタコンタクト領域（１９）
を形成してＮＰＮトランジスタとする。ＮＰＮトランジ
スタ部（１２）下の第１と第２のエピタキシャル層（１
４）（１５）の境界部には、Ｎ⁺型の第２の埋め込み層
（２０）を形成する。第２の埋め込み層（２０）のさら
に下の基板（１３）表面に、ホトダイオード部（１１）
と同様の第１の埋め込み層（２３）を形成しても良い。
尚、Ｐ型ベース領域（１７）とアノード領域（２１）
を、Ｎ⁺型エミッタ領域（１８）とカソードコンタクト
領域（２２）を夫々同時工程で形成すると簡便である。

【００１４】第２のエピタキシャル層（１５）の表面は
酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等の絶縁膜（２４）で被覆さ
れ、Ａｌ電極（２５）を配設することで各素子の素子間
接続を行っている。ホトダイオード部（１１）上の絶縁
膜（２４）は反射防止膜としての適切な膜厚に選択さ
れ、ホトダイオード部（１１）以外の領域は余分な光入
射がないように図示せぬ遮光膜で被覆されている。そし
て、例えば波長７８０ｎｍの信号光がホトダイオード部
（１１）に到達できるよう、窓付きのパッケージ又は前
記波長の光が透過可能な樹脂モールドパッケージに収納
されて光半導体装置となる。

【００１５】以上の本発明による光半導体装置は、４つ
の特徴を有する。先ず第１に、エピタキシャル層を２段
構造にしたので、周辺回路の回路素子では第２のエピタ
キシャル層（１４）を用いることにより微細化、高密度
化が可能となり、ホトダイオード部（１１）では第１と
第２のエピタキシャル層（１４）（１５）を利用するこ
とによりカソードとなるＮ型領域の厚みを厚くできる。
ＣＤピックアップ用として利用される波長７８０ｎｍの
光はシリコン内部の１５〜２０μの深さまで到達できる
ので、第２のエピタキシャル層（１５）が５μであると
すると、第２のエピタキシャル層（１４）の膜厚を１５
μ程度にしておけば、入射光の９０％以上を回収するこ
とができる。従って、微細化したＮＰＮトランジスタ
（１２）と高感度のホトダイオード部（１１）を共存で
きる。

【００１６】第２に、ホトダイオード部（１１）の下に
基板（１３）側にも拡散された第１の埋め込み層（２
３）を有するので、拡散された分だけカソードとなるＮ
型領域の厚みを増大できる。従って、２段エピタキシャ
ル構造とした以上に入射光の回収率を増大できる。第３
に、第１の埋め込み層（２３）を高濃度埋め込み層とし
たことにより、光入射によって発生した少数キャリア
（ホール）の基板（１３）への流出を防止する。ホトダ
イオード内蔵ＩＣは、基板（１３）に接地電位（ＧＮ
Ｄ）を印加すると共に、カソードとなる第１と第２のエ
ピタキシャル層（１４）（１５）に＋５Ｖ程度、アノー
ド領域（２１）に＋３Ｖ程度の電位を印加してホトダイ
オードのＰＮ接合を逆バイアス状態で動作させる。アノ
ード又はカソード領域に光入射があると電子正孔対が発
生し、そのうちの少数キャリアがカソード又はアノード
領域に達することで光電流になる。この少数キャリアの
移動は、前記ＰＮ接合に発生する空乏層以外の領域では
拡散電流による。従って、カソードとなる第１と第２の
エピタキシャル層（１４）（１５）で発生した少数キャ
リアは、電位の関係から、アノード領域（２１）に流れ
て光電流になるか、又は基板（１３）に流れて無効電流
となる。本願構造によれば、図２のエネルギーバンド図
に示す如く、第１のエピタキシャル層（１４）と第１の
埋め込み層（２３）とでＮ／Ｎ⁺型の障壁を形成してい
るので、発生したホールがこの障壁によって基板（１
３）に流出しにくくなる。そのため、発生したホールの
大多数を光電流に変換できるので、ホトダイオードの感
度を一層向上できる。

【００１７】第４に、ホトダイオード部（１１）下の第
１の埋め込み層（２３）を個々のアノード領域（２１）
に対応して設けたので、隣接するホトダイオード間の分
解能を表すクロストーク特性を改善できる。クロストー
ク特性は、図３の拡大断面図で示すようにアノード領域
（２１）とアノード領域（２１）の間の領域で発生した
光生成キャリア（２６）が拡散によってどちらか一方の
アノード領域（２１）に達しアノード電流として検出さ
れることに起因する。従って、このような領域で発生す
る光生成キャリア（２６）の量が少なければ、そして発
生した光生成キャリア（２６）がアノード領域（２１）
に達しなければ、クロストーク特性を改善できる。本発
明の構造によれば、先ず第１の埋め込み層（２３）が部
分的に除去されていることによって、アノード領域（２
１）とアノード領域（２１）の間の領域はカソードとな
るＮ型領域の厚みが第１の埋め込み層（２３）を設けた
部分の厚みより小さくなる。そのため、光生成キャリア
（２６）の発生量が少ない。まして、基板（１３）から
のはい上り拡散の分（２７）によってその厚みは一層小
さくなる。また、アノード領域（２１）とアノード領域
（２１）の間の領域で発生した光生成キャリア（２６）
は、先に述べたＮ／Ｎ⁺障壁が存在しないので、Ｐ型基
板（１３）へ流出する確率が高い。これら２つの理由に
よって、クロストーク特性が改善される。尚、第１の埋
め込み層（２３）間の基板（１３）においても光入射に
よって光生成キャリア（２８）が発生するが、ここで発
生した光生成キャリア（２８）は基板（１３）と第１の
エピタキシャル層（１４）間のダイオード電流となり、
ホトダイオードの電流には関与しない。よってクロスト
ーク特性にも関与しない。従って、第１の埋め込み層
（２３）を全面に設けるよりは、クロストーク特性を改
善できる。

【００１８】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明は２段エピ
タキシャル構造とすることにより、ホトダイオード部
（１１）のカソードとなるＮ型領域の膜厚を大幅に増大
できるので、入射光の大部分を光電流に利用できる利点
を有する。また、第１の埋め込み層（２３）が発生した
光生成キャリアの基板（１３）への流出を防止するの
で、光生成キャリアの殆どを光電流として回収できる利
点をも有する。さらに、アノード領域（２１）の個々に
対して第１の埋め込み層（２３）を形成したので、隣接
するホトダイオード間のクロストーク特性を改善でき
る。従って、光入射に対する感度が高く、クロストーク
を低減した、カソードコモン型のホトダイオード群をＩ
Ｃ化できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための断面図。

【図２】本発明を説明するためのエネルギーバンド図。

【図３】本発明を説明するための拡大断面図。

【図４】ホトダイオード群を示す平面図。

【図５】従来例を説明するための断面図。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受光用ホトダイオードと周辺回路とを一
   体化した光半導体装置であって、 一導電型の半導体基板の上に順次形成した逆導電型の第
   １と第２のエピタキシャル層と、 前記第１と第２のエピタキシャル層を分離する一導電型
   の分離領域と、 前記分離領域で囲まれた第２のエピタキシャル層の表面
   に形成した複数個のアノード領域と、 前記アノード領域下の基板表面に、個々のアノード領域
   と対応するように形成した複数個の逆導電型高濃度埋め
   込み層と、 前記第２のエピタキシャル層の表面に形成した前記周辺
   回路を構成する回路素子と、を具備することを特徴とす
   る光半導体装置。
2. 【請求項２】 前記回路素子下の第１と第２のエピタキ
   シャル層の境界部に第２の逆導電型高濃度埋め込み層を
   具備することを特徴とする請求項１記載の光半導体装
   置。
3. 【請求項３】 前記回路素子がバイポーラ型素子である
   ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。