专利名称：光接收元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路型光接收元件，其中处理光电转换信号的电路是集成电路。具体而言，本发明涉及改善光接收元件(例如用于光头等的区域划分光电二极管元件)响应速度的结构。
光头已经被用于各种光盘设备上，包括CD-ROM、数字视盘(DVD)等。近年来CD-ROM设备发展极为迅猛，已经具有较高的响应速度。当前已有4X-6X(即响应速度4-6倍于一般的响应速度)的CD-ROM设备投放市场。而且在不远的将来会出现市售的8X-12X的CD-ROM。另一方面，DVD的发展也很引人注目。在DVD中，可以在6X CD-ROM的响应速度下访问其存储的数据。在不久极有可能出现响应速度是现在的两倍的DVD。
而且，这种光盘设备要求能处理运动图像等存贮所需的大量数据。由此看来，迫切需要提高光头的响应速度。
区域划分光电二极管的光接收区域被划分为若干光检测区域，一般用作光头的信号检测器元件。
随着近年来研制出尺寸较小的高性能光盘设备，减少光头的尺寸和重量就显得愈发重要。为了制造出这种光头，提出了一种光学模块，其中跟踪光束产生功能、光束分叉功能和误差信号产生功能被集成在一个全息图元件中，而且在封装内配备了激光二极管和区域划分光电二极管元件。
图7示出了这种用于光头的光学系统1000的典型布局。以下简单描述光学系统1000检测信号的原理。
激光二极管110发射的光线入射至全息图元件(该元件的外部结构没有在图7中示出)上，它包括分别形成于其上下表面的全息
图130和衍射光栅120。激光二极管110发射的光线由形成于全息图元件下表面的衍射光栅120分光以产生跟踪光束。跟踪光束被一分为三，其中的两束为跟踪用的分光束而另一束为读取信息信号的主光束。随后，光束作为零级光束透射过形成于全息图元件的上表面的全息图130，由准直透镜140变换为平行光束并由物镜150聚焦在盘160上。
聚焦的光线受到盘160上凹坑的调制和反射；透射过物镜150和准直透镜140；随后经全息图130的衍射从而作为第一级衍射光束导入区域划分光电二极管元件170上，该元件上形成有5个区域划分光检测光电二极管部分D1-D5(以下简称为“光检测部分”)。在这种情况下，划分区域光电二极管元件170在光头的光学系统1000中起着光接收元件的作用。
全息图130包括衍射周期不同的两块区域。当主光束的反射光束入射到其中一块区域时，光束被聚焦至光检测部分D2和D3之间的线性隔离部分。另一方面，当主光束的反射光束入射到全息图130的另一块区域时，光束被聚焦至光检测部分D4。两束分光束的反射光束被分别聚焦至光检测部分D1和D5上。
在光学系统1000中，主光束在区域划分光电二极管元件170上的入射位置根据全息图130与盘160之间距离的变化沿着垂直于光检测部分D2和D3纵向的方向移动。当主光束聚焦至盘160上时，其反射光束入射至光检测部分D2和D3之间的隔离部分。因此，假设区域划分光电二极管元件170的光检测部分D1-D5的输出分别为S1-S5，则聚焦误差信号FES由下式给出FES＝S2－S3另一方面，采用所谓的三光束方法来检测跟踪误差。由于跟踪用的两束分光束分别聚焦在光检测部分D1和D5上，所以跟踪误差信号TES由下式给出TES＝S1－S5。因此，当跟踪误差信号TES为零时，主光束正好位于被主光束照射的目标光道上。
而且，根据下式，再生信号RF作为接收主光束的反射光束的光检测部分D2-D4的输出之和给出RF＝S2＋S3＋S4。
图8示出了光学系统1000的区域划分光电二极管元件170的平面图。
在区域划分光电二极管元件170中，如上所述，在狭长的区域内形成了5块光检测部分D1-D5。此外，如图8所示，设置了一对为所有光检测部分D1-D5公用的阳极电极172a和172b和对应5块光检测部分D1-D5的5个阴极电极174a-174e，从而将提供有光检测部分D1-D5的区域围住。
区域划分光电二极管元件170的形状由光学系统1000确定。如图8所示，所有的光检测部分D1-D5都呈狭长形。理由如下。
在装配光学系统1000过程中，先将激光二极管110和区域划分光电二极管元件170封装在封装盒内，随后在盒的上表面粘附包含全息图130和衍射光栅120的全息图元件。在此期间很容易引起激光二极管110与区域划分光电二极管元件170位置对准的偏差。此外，激光二极管110的振荡波长不仅因产品个体差异而不同，而且还随温度变化。因此，衍射光线的衍射角是变化的，所以在一些情况下衍射光线入射位置将发生偏离。为了解决这个问题，区域划分光电二极管元件170的光接收面需要采用如图8所示的形状，沿Y方向(即沿着衍射光线的入射位置因衍射角变化而移动的方向)具有较长的边。
另一方面，在图8所示的X方向上，衍射光线的衍射角并不受振荡波长变化的影响，产品个体差异和温度变化是激光二极管110振荡波长发生变化的原因。此外，通过转动粘结在封装盒上表面的全息图元件可以补偿激光二极管110与区域划分光电二极管元件170之间的对准位置偏差。因此，区域划分光电二极管元件170的光接收面在X方向上无需采用较长的边。相反，如果沿X方向平行入射的三条相邻光束之间的间距较大，则难以在光盘设备内调整光头位置。因此，考虑到X方向，光检测部分D1-D5的宽度以及它们之间的隔离部分宽度应窄一些。
由上可见，区域划分光电二极管元件170的形状就有必要是狭长的。
图9示出了普通的光检测区域划分光电二极管元件170沿图8中直线IX-IX的剖面图。图9中未将各种部件全部画出，包括在金属引线处理步骤之后各步骤中形成的多层引线、保护膜等。
以下将借助剖面图10A-10D描述区域划分光电二极管元件170的制造方法。在图9和图10A-10D中，同一部件用相同的标号表示。
首先在P型半导体衬底1的表面附近形成p型掩埋扩散区2，用作将光检测部分D1-D5互相隔开的隔离部分(图10A)。
接着，如图10B所示，在整个P型半导体衬底1的表面形成N型外延生长层4(以下简称为N型外延层)。接着在N型外延层内部的各区域形成P型隔离扩散区域5以对应P型掩埋扩散区域2。P型隔离扩散区域5的形成使其从N型外延层4的表面垂直延伸到达P型半导体衬底1(或者P型掩埋扩散区域2的表面)的上表面。因此，N型外延层4被划分为若干电学隔离的N型半导体区域，从而形成如图10C所示的各个光检测部分D1-D5(在图10C中未画出光接收部分D4)。
此后，如图10C所示，在N型外延层4介于P型隔离扩散层5左右两端之间的表面区域上形成P型扩散层6，从而覆盖住作为光检测部分D1-D5的隔离部分的P型隔离扩散层5的至少一部分上表面。
接着如图10D所示，当形成P型扩散层6时在P型扩散层6和N型外延层4表面形成并对应于P型扩散层6表面上的光接收区域的氧化膜7部分被去除掉，并在半导体衬底1上形成氮化物膜8。氮化物膜8的厚度根据激光二极管的波长设定以使氮化物膜起抗反射膜的作用。
随后在氧化物膜7和氮化物膜8上开电极窗口。接着形成电极引线9a，与此同时在未受到信号光照射的氮化物膜8表面上形成金属膜9，由此获得图9所示划分区域光电二极管元件170的结构。另一方面，利用普通的双极IC工艺在半导体衬底1上形成信号处理器部分(未画出)。
当在各光检测部分D1-D5上施加反向偏压时，如图9所示，在衬底1的表面附近形成了耗尽层11。
在划分区域光电二极管元件170中，在相邻光检测部分D1-D5之间的每个隔离部分内，P-N结上覆盖了P型扩散层6。因此，即使在划分区域光电二极管元件170的表面直接形成氮化物膜8，也不会产生结的漏电流增加的问题。这样，即使是聚焦束实际入射的光检测部分D2和D3之间隔离部分内的光接收平面，对光盘160反射的聚焦光束(以下把这类反射光线称为“衍射光线”，因为该反射光线还由全息图130衍射)的反射量也不是很大。因此可以提高划分区域光电二极管元件170的灵敏度。
此外，由于金属膜9形成于衍射光线未入射的部分(在这种情况下，即是光检测部分D1和D2之间的隔离部分与光检测部分D3和D5之间的隔离部分)，所以划分区域光电二极管元件170受杂散光线等影响的可能性较小，从而提高了划分区域光电二极管元件170的S/N比值。
对于处理再生信号RF的光检测部分D2、D3和D4，高速操作尤为需要。与光束照射到各光检测部分中央的情况相比，当光束照射到光检测部分D2和D3之间的隔离部分上时，划分区域光电二极管元件170的截止频率的降低尤其突出。
图11A和11B示出了划分区域光电二极管元件170的截止频率下降的实验结果。图11A是表示图9所示划分区域光电二极管元件170的光检测部分D2和D3附近状况的剖面图。另一方面，图11B为表示划分区域光电二极管元件170的截止频率相对光束位置关系的曲线图。在图11B中，横坐标代表光检测部分D2和D3附近衍射光束的位置，而纵坐标表示各个位置的截止频率fc(MHz)。如图11B所示，当光束位于光检测部分D2和D3之间的隔离部分附近时，截止频率fc下降。
在这种情况下，P型半导体衬底1的电阻率设定为15Ωcm，并且在施加于光电二极管元件170上的反向偏压为1.5V而负载电阻设定为380Ω的条件下测量截止频率。另一方面，由于CD-ROM所用光束的波长为780nm而DVD所用光束的波长为635nm，所以测量了相应于这两种波长的光电二极管元件的截止频率作为实验结果。
如图11B所示，由于元件的响应速度在照射到隔离部分上的光束波长为780nm时对应的是几个MHz的截止频率，所以元件的性能可以满足4X CD-ROM光盘设备的要求。但是，对于6X或更高响应速度的CD-ROM，就无法再采用该元件。
另一方面，由于元件的响应速度在照射到隔离部分上的光束波长为635nm时对应的是20MHz以上的截止频率，所以元件只能在一般响应速度的DVD中使用。但是，由于2X DVD要求光电二极管元件的截止频率为30MHz以上，所以具有图9所示元件结构的区域划分光电二极管元件不能满足2X DVD的要求。
利用器件模拟的方法分析了光束照射到光检测部分D2和D3之间的隔离部分时的状态。因此可以确定的是，光学载流子绕过隔离部分内的P型掩埋扩散区域2从而到达N型外延层4与P型半导体衬底1之间的结区。当光学载流子绕道而行时，其扩散运动距离增加，因此如上所述引起截止频率下降。
此外，由于光束的深入深度(即光束进入衬底的深度)随着波长的不同而不同，所以如图11B所示，波长为780nm情况下的响应速度与波长为635nm情况下的响应速度是不同的。由于波长为635nm的光束具有较短的深入深度，并且光学载流子的扩散运动距离也较小，所以其响应特性更符合要求。
图12示出了对应于光检测部分D2和D3之间隔离部分和隔离部分附近的P型掩埋扩散区域2内获取电流通路的模拟结果，其中电流的方向用箭头标记。相当于光学载流子的电子沿着与图12箭头所示相反的方向运动。
另一方面，图13是表示相邻光检测部分之间的隔离部分上的P型隔离扩散区域5内电势沿深度方向分布的曲线图。如图13所示，对于衬底1内向表面区域运动的电子或者光学载流子来说，该电势分布起着势垒的作用。因此如图12所示，光学载流子绕过P型掩埋扩散区域2而行。
如上所述，P型半导体衬底1的电阻率一般为15Ωcm。因此，当构成光检测各个部分的光检测光电二极管部分上施加的反向电压为1.5V时，如图9所示，P型掩埋扩散区域2的深度(或者对p型半导体衬底1的扩散深度)Xj大约为2.5微米，而耗尽层11的深度Xd不超过1.7微米。因此如图12所示，光学载流子的绕行距离约为10微米左右。
本发明的光接收元件包括第一导电类型的半导体衬底；形成于第一导电类型半导体衬底表面的预先确定区域的第二导电类型的第一半导体层；以及至少一块其形成方式是从第二导电类型的第一半导体层的上表面延伸至第一导电类型的半导体衬底表面从而将第二导电类型的第一半导体层划分为若干第二导电类型的半导体区域的第一导电类型半导体区域。在光接收元件中，第一导电类型的半导体衬底的电阻率设定在预先确定的范围内，从而在施加反向偏压时形成于第一导电类型半导体衬底的耗尽层深度Xd与第一导电类型的半导体区域对第一导电类型半导体衬底的扩散深度Xj之间满足Xd≥Xj的关系。
在一个实施例中，在第一导电类型的半导体衬底内埋入若干第二导电类型的第二半导体区域，从而分别与第二导电类型的若干分割的半导体区域对应。
在另一个实施例中，在第一导电类型的半导体衬底表面预先确定区域以外的区域形成预先确定的电路元件。
在另外一个实施例中，利用每块分割的第二导电类型半导体区域和对应于并位于第二导电类型半导体区域下面的第一导电类型的半导体衬底区域形成用于检测信号光的光检测光电二极管部分。
在另外一个实施例中，第一导电类型的半导体衬底的电阻率介于30Ωcm-1000Ωcm。
在另外一个实施例中，光接收元件的响应速度为14MHz以上。
在另外一个实施例中，光接收元件的响应速度为30MHz以上。
以下描述本发明的作用或者效果。
当光线照射到区域划分光电二极管元件的隔离区域上时，通过提高第一导电类型的半导体衬底的电阻率，可以增加所形成的耗尽层的宽度(和/或深度)。由此可以使耗尽层的下端与P型半导体掩埋扩散区域的下端相比，位置更深。这样，按照本发明，虽然光学载流子仍然绕过具有普通结构的区域划分光电二极管器件的P型半导体掩埋扩散层区域而行，但是可以抑制光学载流子的这种绕行并缩短扩散运动距离。因此，可以改善区域划分光电二极管元件的响应速度和截止频率特性。
因此，当光束照射于相邻光检测部分之间的隔离部分时，这里所述的本发明可以提高光接收元件(例如区域划分光电二极管元件，特别是用于包括全息图元件的光头的光学系统)的响应速度。
对于本领域内的技术人员来说，通过下面结合附图的详细描述，可以理解本发明的各种优点。
图1为表示本发明第一实施例的光接收元件结构的剖面图。
图2为表示本发明第二实施例的光接收元件结构的剖面图。
图3A-3D为制造图2所示光接收元件的各过程的剖面图。
图4A为表示图2所示光接收元件一部分的剖面图，而图4B为表示图2所示光接收元件的截止频率相对光束位置的曲线图。
图5为表示器件模拟结果的示意图，模拟时光束照射在图2所示光接收元件的光检测部分之间的隔离部分附近。
图6为表示本发明第二实施例的光接收元件结构的剖面图。
图7为表示采用全息图元件的光头的光学系统布局的透视图。
图8为用于图7所示光头的光学系统的普通光接收元件的平面图。
图9为沿直线IX-IX剖取的图8所示光接收元件的剖面图。
图10A-10D为制造图9所示普通光接收元件的各过程的剖面图。
图11A为表示图9所示普通光接收元件一部分的剖面图，而图11B为表示图9所示普通光接收元件的截止频率相对光束位置的曲线图。
图12为表示器件模拟结果的示意图，模拟时光束照射在图9所示普通光接收元件的相邻光检测部分之间的隔离部分附近。
图13为表示图9所示普通光接收元件中光检测部分之间隔离部分附近的电势分布图。
图14A和14B表示第一实施例中P型半导体衬底的电阻率率为50Ωcm时的光电二极管的响应速度图14A为图1所示区域划分光电二极管元件100的光检测部分D2和D3附近的剖面结构图；而图14B为表示划分区域光电二极管元件100的截止频率相对光束位置的曲线图。
图15A和15B表示第二实施例中P型半导体衬底的电阻率为50Ωcm时光电二极管的响应速度图15A为图6所示区域划分光电二极管元件250的光检测部分D2和D3附近的剖面结构图；而图15B为表示划分区域光电二极管元件250的截止频率相对光束位置的曲线图。
图16为表示作为本发明第三实施例的光接收元件的集成电路型光接收元件300的剖面图，其中在同一衬底上不仅包括划分区域的光电二极管元件，而且也包含信号处理器。
图17为表示作为本发明第四实施例的光接收元件的集成电路型光接收元件400的剖面图，其中在同一衬底上不仅包括划分区域的光电二极管元件，而且也包含信号处理器。
实例1
以下将参照附图描述本发明第一个实例的一种区域划分光电二极管元件100，即一种光接收元件。
图1是该区域划分光电二极管元件100的剖面图。注意，图1中省略了在各个步骤紧接着金属布线处理步骤期间所形成的包括多层布线、保护膜等各种元件。
在区域划分光电二极管元件100中，在P型半导体衬底1，即硅衬底上形成一个N型外延层4。在N型外延层4中，形成多个P型隔离扩散区域5，从N型外延层4的表面垂直延伸。在半导体衬底1的表面区域，在各个位置形成多个P型掩埋扩散区域2，使之与P型隔离扩散区域5相对。N型外延层4由这些扩散区域2和5划分为多个区域。通过按此种方法划分N型外延层4所获得的各个N型半导体区域以及底下衬底1的相应部分，形成用以检测信号光的多个光检测部分(或称光检测光电二极管部分)D1至D5(尽管D4在图1中未图示)。
在每个光检测部分D1至D5中，当将一个反向配置施加其上时，在衬底1表面附近形成一个耗尽层21。其中，根据本发明的区域划分光电二极管元件100与传统的区域划分光电二极管元件170的不同之处在于，该元件100结构成使耗尽层21的底端在衬底1内比相应的P型掩埋扩散区域2的底端位于更深的位置。
由于制造区域划分光电二极管元件100的方法，基本上与前面参照图10A和图10D制造传统的区域划分光电二极管元件170的方法相同，故在此省略其详细描述。
根据本发明的区域划分光电二极管元件100与传统的区域划分光电二极管元件170的重大区别在于P型半导体衬底1的电阻率。尤其是，在根据本发明的区域划分光电二极管元件100中，P型半导体衬底1的电阻率设置成满足以下关系Xd≥Xj其中，Xd表示当一个反向偏置加到区域划分光电二极管元件100的光检测部分D1至D5时，耗尽层21在衬底1表面区域内的扩展深度，Xj表示P型掩埋扩散区域2扩散到P型半导体衬底1的扩散深度(见图1)。
通过设置扩展到衬底1表面区域内的耗尽层21的深度Xd，使其当反向偏置加到光检测部分D1至D5时，等于或深于按该方法的P型掩埋扩散区域21的扩散深度，可以缩短迂回光载流子的扩散运动距离。结果，当光束已经照射到邻近光检测部分之间的隔离部分时，可以改善截止频率性能。
P型半导体衬底1的电阻率较佳的设置为大约30Ωcm至大约1000Ωcm，更佳的设置为大约50Ωcm至大约500Ωcm。
例如，通过将P型半导体衬底1的电阻率设置成大约50Ωcm，在P型掩埋扩散区域2的扩散深度Xj约为2.5微米，以及当一个加到光检测部分的反向偏置约为1.5V时，耗尽层21的深度Xd可以为大约3.2微米，并可以较深于P型掩埋扩散区域2的扩散深度Xj(＝2.5微米)。采用如图1所示的这种方法，可以显著增加耗尽层21的深度，故可以缩短光检测部分D2和D3之间一个隔离部分内的光载流子的扩散运动距离，并可提高隔离部分的截止频率。
图14A和14B表示当P型半导体衬底1的电阻率约为50Ωcm时，该第一个实例中光电二极管元件100的响应速度。图14A是表示图1所示区域划分光电二极管元件100的光检测部分D2和D3附近的剖面结构图。另一方面，图14B是表示区域划分光电二极管元件100的截止频率与光束位置的曲线图。在图14B中，横坐标表示光检测部分D2和D3附近衍射光的光束位置，而纵坐标表示对应于各个光束位置的截止频率fc(兆赫)。这里采用与前面参照图11A和11B所述传统的区域划分光电二极管元件170所用相同的测量方法和条件。
如图14B所示，由于区域划分光电二极管元件100隔离区域相对于波长为780毫微米的光，其响应速度约为14兆赫，故可以获得高性能的光电二极管元件，使该元件可以与用作一个6x至8xCD-ROM的光盘器件一起工作。
另一方面，由于该元件的隔离部分的响应速度相对波长为635毫微米的光可以达到约30兆赫那样高，故光电二极管元件可以满足2x DVD所需的性能。
因此，通过将衬底的电阻率设置成满足Xd＞＝Xj之关系的范围，可以提供可用于一个6x至8x CD-ROM和一个2x DVD的光电二极管元件。
如上所述，由于衬底的电阻率变高，耗尽层21可以扩展到更大的程度，光载流子的运动距离可以进一步缩短，故光电二极管元件实现了更高的响应速度。该耗尽层21的深度可以为大约3微米至大约40微米的范围。
在将半导体衬底1的电阻率设置为大约30Ωcm至大约1000Ωcm的范围时，根据该电阻率的目标值，采用以下的晶体生长方法。例如，当该电阻率的目标值等于或小于100Ωcm时，采用诸如Czochralski(CZ)方法的一种晶体生长方法；当电阻率的目标值大于100Ωcm而小于1000Ωcm时，采用诸如施加磁场的Czochralski(MCZ)方法的一种晶体生长方法；当电阻率的目标值等于或大于1000Ωcm时，采用诸如浮区纯化(FZ)方法的一种晶体生长方法。
实例2
图2表示根据本发明第二个实例的一个区域划分光电二极管元件200的剖面图。注意，图2中省略了在各个步骤紧接着金属布线处理步骤期间所形成的包括多层布线、保护膜等各种元件。
区域划分光电二极管元件200的基本结构同参照图1所述的第一个实例的区域划分光电二极管元件100的结构相同。区域划分光电二极管元件200与区域划分光电二极管元件100的不同之处在于，其N型掩埋扩散区域3设置成埋入半导体衬底1的部分内，以对应于光检测部分D1至D5(见第6-162412号日本专利申请)。该例中，这样形成每个N型掩埋扩散区域3，使N型掩埋扩散区域3远离邻近的P型掩埋扩散区域2，其距离比从P型掩埋扩散区域2外周上的每点至N型外延层4的迂回距离L为短。
以下，将参照如图3A至3D所示的剖面图描述制造该区域划分光电二极管元件200的方法。
首先，如图3A所示，在P型半导体衬底(例如硅衬底)1的表面区域一个部分中形成多个具有高杂质浓度(杂质浓度1×1019原子/cm3)的N型掩埋扩散区域3作为光检测部分。N型掩埋扩散区域3的厚度为大约3微米至大约6微米。此外，在该区域形成多个P型掩埋扩散区域2，它作为隔离部分用以相互隔离光检测部分。
接下来，如图3B所示，在P型半导体衬底1的整个表面上形成N型外延层4。然后，在N型外延层4内部的各个区域内形成P型隔离扩散区域5，对应于P型掩埋扩散区域2。形成P型隔离扩散区域5，使之从N型外延层4的表面垂直延伸。结果，如图3C所示形成多个电隔离的光检测部分D1至D5(尽管图3C中未示出光检测部分D4)。
然后，如图3C所示，在位于右端的P型隔离扩散区域5与左端的P型隔离扩散区域5之间的N型外延层4的表面区域内，形成P型扩散层6，由此覆盖P型隔离扩散区域5的上表面，作为光检测部分D1至D5的隔离部分。
接下来，如图3D所示，除去氧化膜7，该氧化膜7是在形成P型扩散层6时在N型外延层4和P型扩散层6的表面上形成的，它对应于P型扩散层6表面上的光接收区域，同时在其上而不是上述的半导体衬底1上形成氮化膜8。该氮化膜8的膜厚根据激光二极管的波长设置，由此作为减反射膜。
之后，通过氧化膜7和氮化膜8开电极窗。然后，形成电极引线9a，同时，在氮化膜8的表面上形成金属膜9，信号光不照到其上，由此获得如图2所示用作区域划分光电二极管元件200的结构。另一方面，通过进行普通的双极集成电路工艺，在半导体衬底1上形成一个信号处理器部分(未图示)。
通过按上述方式在区域划分光电二极管元件200内形成多个具有高杂质浓度的N型掩埋扩散区域3，减少了阴极侧上的串联电阻。这样就减小了由光电二极管元件的串联电阻和电容所组成的CR时间常数，改善了截止频率特性。
图4A是一个剖面图，它表示图2所示区域划分光电二极管元件200的光检测部分D2和D3的邻接。另一方面，图4B是一个曲线图，它表示区域划分光电二极管元件200的截止频率与光束位置的依赖关系。图4B中，横坐标表示光检测部分D2和D3附近衍射光光束的位置，而纵坐标表示各个位置上的截止频率fc(兆赫)。如图4B所示，当光束位于光检测部分D2和D3之间的隔离部分附近时，截止频率fc明显减低到某一程度。然而，同前面参照图11B所述的传统的情况相比，其减低量是极小的。
在此情况下，P型半导体衬底1的电阻率约为15Ωcm，测量条件与图11A和11B中所用的相同。
图2所示的区域划分光电二极管元件200，其响应速度相应于其隔离部分约为20兆赫的截止频率，并可工作于具有8x或更低响应速度的CD-ROM。
图5表示模拟图2所示区域划分光电二极管元件200中光载流子之运动的模拟结果。图5中，由箭头表示流动电流的方向。作为光载流子的电子按与图5中箭头所示的反方向运动。
如上所述，在每个区域划分光电二极管元件200内，形成每个N型掩埋扩散区域3，使N型掩埋扩散区域3远离邻近的P型掩埋扩散区域2，其距离比从P型掩埋扩散区域2外周上的每点至N型外延层4的迂回距离L为短。这样，当施加一个反向偏置时，按与衬底1相对的N型掩埋扩散区域3的底端相垂直的方向(见图2)，形成一个耗尽层31(其深度假定用Xd表示)。结果，当光束照射到相邻光检测部分之间的隔离部分时，光载流子的扩散运动距离可以从十多个微米缩短到几微米，由此提高了截止频率。该截止频率因CR时间常数的减小而进一步提高。
然而，从图5所示的模拟结果可见，在图2所示的结构中，围绕P型掩埋扩散区域2的光载流子的迂回距离仍为几微米。因此，当光束照射到光检测部分之间的某个隔离部分时，其响应频率仍有改善。
这样，通过按与第一个实例相同的方法设置P型半导体衬底1的电阻率，使之满足以下的关系，当构造区域划分光电二极管元件200使之具有图2所示的结构时，即可获得具有图6所示结构的区域划分光电二极管元件250。
Xd≥Xj其中，Xd表示当一个反向偏置加到区域划分光电二极管元件250的光检测部分D1至D5时，耗尽层41在衬底1表面区域内的扩展深度，Xj表示P型掩埋扩散区域2扩散到P型半导体衬底1的扩散深度(见图6)。图2所示结构与图6所示结构的不同之处在于，在图6所示的结构中，上述关系(Xd≥Xj)被满足。
通过设置扩展到衬底1表面区域内的耗尽层41的深度Xd，使其当反向偏置加到光检测部分时，等于或深于按该方法的P型掩埋扩散区域2的扩散深度Xj，可以缩短迂回光载流子的扩散运动距离。这样，当光束已经照射到光检测部分之间的某个隔离部分时，可以改善截止频率性能。
P型半导体衬底1的电阻率较佳的设置为大约30Ωcm至大约1000Ωcm范围，更佳的设置为大约50Ωcm至大约500Ωcm范围。
例如，通过将P型半导体衬底1的电阻率设置成大约50Ωcm，在P型掩埋扩散区域2的扩散深度Xj约为2.5微米，以及当一个加到光检测部分的反向偏置约为1.5V时，耗尽层41的深度Xd可以为大约3.2微米，并可以深于P型掩埋扩散区域2的扩散深度Xj(＝2.5微米)。采用如图6所示的这种方法，可以显著增加耗尽层41的深度，故可以缩短光检测部分D2和D3之间一个隔离部分内的光载流子的扩散运动距离，并可提高隔离部分的截止频率。
图15A和15B表示当P型半导体衬底1的电阻率约为50Ωcm时，该第二个实例中区域划分光电二极管元件250的响应速度(见图6)。图15A是表示图6所示区域划分光电二极管元件250的光检测部分D2和D3附近的剖面结构图。而图15B是表示区域划分光电二极管元件250的截止频率与光束位置的曲线图。在图15B中，横坐标表示光检测部分D2和D3附近衍射光的光束位置，而纵坐标表示对应于各个光束位置的截止频率fc(兆赫)。这里采用与前面参照图11A和11B所述传统的光电二极管元件所用相同的测量方法和条件。
相对波长为780毫微米的光，在元件的隔离部分内实现相应于大约30兆赫截止频率的响应速度，如此，该光电元件就可以满足作为一个12x CD-ROM的光电元件所需的响应特性。
采用该方法，通过构造一个光电二极管元件，使之在各光检测部分之间的隔离部分附近形成一个N型掩埋扩散区域，并使衬底的电阻率设置在按本发明满足Xd＞＝Xj之关系的范围，可以提供可用于一个12x CD-ROM的光电二极管元件。
在将半导体衬底1的电阻率设置为大约30Ωm至大约1000Ωcm的范围时，根据该电阻率的目标值，可以采用与第一个实例所述相同的晶体生长方法。例如，当该电阻率的目标值等于或小于100Ωcm时，采用诸如Czochralski(CZ)方法的一种晶体生长方法；当电阻率的目标值大于100Ωcm且小于1000Ωcm时，采用诸如施加磁场的Czochralski(MCZ)方法的一种晶体生长方法；当电阻率的目标值等于或大于1000Ωcm时，采用诸如浮区纯化(FZ)方法的一种晶体生长方法。
实例3图16是表示本发明第三个实例的一个光接收元件的剖面图，这是一个集成电路型的光接收元件300，其中，不仅区域划分光电二极管元件，而且信号处理器也安装在相同的衬底上。图16中省略了在各个步骤紧接着金属布线处理步骤期间所形成的包括多层布线、保护膜等各种元件。
该集成电路型光接收元件300中区域划分光电二极管元件300a的基本结构同参照图1所述的第一个实例的区域划分光电二极管元件100的结构相同。第三个实例与第一个实例的不同之处在于，在N型外延层4的一个区域内而不是在形成区域划分光电二极管元件300a的区域内形成信号处理器300b。
以下，将参照如图16描述制造该集成电路型光接收元件300的方法。此时，形成一个n-p-n晶体管作为信号处理器300b。
首先，在P型半导体衬底1上形成一个n-p-n晶体管的一部分区域内，形成用以减小集电极电阻的N型掩埋扩散区域3’。此外，在成为隔离部分的区域形成多个P型掩埋扩散区域2，它作为隔离部分用以相互隔离光检测部分，并用以隔离信号处理器的各个元件。
接下来，在P型半导体衬底1的整个表面上形成N型外延层4。然后，在N型外延层4内部的各个区域内形成P型隔离扩散区域5，对应于P型掩埋扩散区域2。形成P型隔离扩散区域5，使之从N型外延层4的表面垂直延伸。
结果，各个光检测部分D1至D5(尽管图16中未示出光检测部分D4)以及信号处理器300b的各个元件在电气上相互隔离。
然后，在位于右端的P型隔离扩散区域5与左端的P型隔离扩散区域5之间的N型外延层4的表面区域内，形成P型扩散层6，由此覆盖P型隔离扩散区域5的上表面，作为光检测部分D1至D5的隔离部分，并在该区域形成信号处理器300b的基极。
接下来，在信号处理器300b中，在形成n-p-n晶体管发射极的区域，以及在形成集电极的区域形成N型扩散区域10。
之后，除去氧化膜部分7，该氧化膜7是在形成P型扩散层6时在N型外延层4和P型扩散层6的表面上形成的，它对应于P型扩散层6表面上的光接收区域，同时在其上代之以形成氮化膜8。
该氮化膜8的膜厚根据激光二极管的波长设置，由此作为减反射膜。接下来，通过氧化膜7和氮化膜8开电极窗。
然后，形成电极引线9a，同时，在氮化膜8的表面上形成金属膜9，信号光不照到其上。进而，在信号处理器300b中相应的P型扩散层6和N型扩散区域10内同时形成基极9b、发射极9c和集电极9d。
通过这种方法，获得图16所示用作集成电路型光接收元件300的结构，其中，区域划分光电二极管元件300a和信号处理器300b安装在同一块衬底上。
由于第三个实例的区域划分光电二极管元件与第一个实例的相同，故有关区域划分光电二极管元件的详细性能描述将在此省略。
在该第三个实例中，可以获得一种集成电路型光接收元件，其中，按与第一个实例相同的方式改进了区域划分光电二极管元件中隔离部分的响应特性。
实例4图17是表示本发明第四个实例的一个光接收元件的剖面图，这是一个集成电路型的光接收元件400，其中，不仅区域划分光电二极管元件，而且信号处理器也安装在同一块衬底上。图17中省略了在各个步骤紧接着金属布线处理步骤期间所形成的包括多层布线、保护膜等各种元件。
该集成电路型光接收元件400中区域划分光电二极管元件300a的基本结构同参照图1所述的第一个实例的区域划分光电二极管元件100的结构相同。第四个实例与第一个实例的不同之处在于，在N型外延层4的一个区域内而不是在形成区域划分光电二极管元件300a的区域内形成信号处理器400b。
象第三个实例的信号处理器300b的各个元件那样，一个P型掩埋扩散区域1a供作信号处理器400b。P型掩埋扩散区域1a在对应于信号处理器400b的P型半导体衬底1的一部分表面区域内形成。该P型掩埋扩散区域1a的厚度为大约5微米至大约10微米的范围。
P型掩埋扩散区域1a用以防止在信号处理器400b内产生闭锁，它有选择地形成，例如，必须提高衬底的电阻率时。
在第三和第四个实例中，采用同第一个实例中的区域划分光电二极管元件具有相同结构的区域划分光电二极管元件。换一种方法，与参照图6所述第二个实例的光电二极管元件250具有相同结构的一个区域划分光电二极管元件，可以同信号处理器一起安装在同一衬底上。
在前面的描述中，本发明已经应用于区域划分光电二极管元件，作为一种光接收元件，用以接收由光头光学系统中的盘片所反射的光。换一种方法，本发明还应用于任何其它光学系统中的光电二极管元件或具有不同形状的光电二极管元件。
注意，本发明适用于与前面描述中采用的各种导电类型(即P型和N型)反向的构造。在此情况下，可以保持与上述效果相同的效果。
从前面所述并根据本发明可见，通过提高第一种导电类型(例如P型)的半导体衬底的电阻率，将向衬底扩展的光检测部分内的耗尽层的宽度(或深度)设置成等于或大于半导体衬底内光检测部分的隔离部分的扩散深度。结果，可以缩短光载流子围绕第一种导电类型之半导体区域(即P型掩埋扩散区域)迂回的扩散运动距离，由此提高区域划分光电二极管元件的响应速度，并改善其频率特性。根据本发明，相对波长为780毫微米的光，能实现响应速度约为14兆赫或更高的光电二极管元件，而相对波长为635毫微米的光，能实现响应速度约为30兆赫或更高的光电二极管元件。
此外，本发明还适用于这样一种结构，其中，形成第二种导电类型(例如N型掩埋扩散区域)的掩埋扩散区域，掩埋入对应于光检测部分的半导体衬底的表面区域。在此情况下，可以进一步缩短光载流子围绕第一种导电类型(即P型掩埋扩散区域)之半导体层迂回的扩散运动距离，从而可以显著地改善区域划分光电二极管元件的响应速度和频率特性。
显然，在不脱离本发明范围和精神的情况下，本领域的熟练人员还可以作出其它各种变换。因此，所附权利要求书的范围并不局限于说明书中的描述，而应对权利要求书作更广范的理解。
权利要求
1.一种光接收元件，其特征在于包括第一导电类型的半导体衬底；形成于第一导电类型半导体衬底表面的预先确定区域的第二导电类型的第一半导体层；以及至少一块其形成方式是从第二导电类型的第一半导体层的上表面延伸至第一导电类型的半导体衬底表面从而将第二导电类型的第一半导体层划分为若干第二导电类型的半导体区域的第一导电类型半导体区域，其中，第一导电类型的半导体衬底的电阻率设定在预先确定的范围内，从而在施加反向偏压时形成于第一导电类型半导体衬底的耗尽层的深度Xd与第一导电类型的半导体区域对第一导电类型半导体衬底的扩散深度Xj之间满足Xd≥Xj的关系。
2.如权利要求1所述的光接收元件，其特征在于在第一导电类型的半导体衬底内埋入若干第二导电类型的第二半导体区域，从而分别与第二导电类型的若干分割的半导体区域对应。
3.如权利要求1所述的光接收元件，其特征在于在第一导电类型的半导体衬底表面预先确定区域以外的区域形成预先确定的电路元件。
4.如权利要求2所述的光接收元件，其特征在于在第一导电类型的半导体衬底表面预先确定区域以外的区域形成预先确定的电路元件。
5.如权利要求3所述的光接收元件，其特征在于利用每块分割的第二导电类型半导体区域和对应于并位于第二导电类型半导体区域下面的第一导电类型的半导体衬底区域形成用于检测信号光的光检测光电二极管部分。
6.如权利要求1所述的光接收元件，其特征在于第一导电类型的半导体衬底的电阻率介于30Ωcm-1000Ωcm。
7.如权利要求1所述的光接收元件，其特征在于光接收元件的响应速度为14MHz以上。
8.如权利要求1所述的光接收元件，其特征在于光接收元件的响应速度为30MHz以上。
全文摘要
一种光接收元件，包括第一导电类型的半导体衬底；形成于第一导电类型半导体衬底表面预定区域的第二导电类型的第一半导体层；以及至少一块其形成方式是从第二导电类型的第一半导体层的上表面延伸至第一导电类型的半导体衬底表面的第一导电类型半导体区域，其中第一导电类型半导体衬底的电阻率设定为在施加反向偏压时形成于第一导电类型半导体衬底的耗尽层深度Xd与第一导电类型的半导体区域的扩散深度Xj之间满足Xd≥Xj的关系。
文档编号H01L31/0352GK1151614SQ9612019
公开日1997年6月11日 申请日期1996年9月26日 优先权日1995年9月26日
发明者福永直树, 久保胜 申请人:夏普株式会社