(57)【要約】【課題】入射光が短波長光及び中波長光のいずれであっても、所望の光学特性を満たすことができる半導体光学素子を提供する。【解決手段】本発明に係る半導体光学素子は、第１導電型の半導体基板２０と、半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層２３と、第１半導体層の表面部に互いに分離した状態で形成され、半導体基板との組み合わせで複数のフォトダイオードを構成する第２導電型の複数の第２半導体層２５，２６と、複数の第２半導体層のうち、所定の方向で隣り合う２つの第２半導体層の間に位置して、第１半導体層の内部に形成された第２導電型の第３半導体層２７と有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の表面部に互いに分離した状態で形成され、前記半導体基板との組み合わせで複数のフォトダイオードを構成する第２導電型の複数の第２半導体層と、
前記複数の第２半導体層のうち、前記半導体基板の基板面方向で隣り合う２つの第２半導体層の間に位置して、前記第１半導体層の内部に形成された第２導電型の第３半導体層と
有する半導体光学素子。
【請求項２】
前記第２半導体層が隣り合う方向で前記第３半導体層を複数の半導体層に分離してなる
請求項１記載の半導体光学素子。
【請求項３】
前記隣り合う第２半導体層の間でかつ前記第３半導体層の上方に位置して、前記第１半導体層の表面部に前記第１半導体層よりも高い不純物濃度で形成された第１導電型の第４半導体層を備える
請求項１記載の半導体光学素子。
【請求項４】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の表面部に互いに分離した状態で形成され、前記半導体基板との組み合わせで複数のフォトダイオードを構成する第２導電型の複数の第２半導体層と、
前記複数の第２半導体層のうち、前記半導体基板の基板面方向で隣り合う２つの第２半導体層の間に位置して、前記第１半導体層の内部に形成された第２導電型の第３半導体層と
有する半導体光学素子を備える
光ピックアップ。
【請求項５】
光学ディスクへの情報の記録及び／又は再生を行なう光ピックアップを備え、
前記光ピックアップは、
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の表面部に互いに分離した状態で形成され、前記半導体基板との組み合わせで複数のフォトダイオードを構成する第２導電型の複数の第２半導体層と、
前記複数の第２半導体層のうち、前記半導体基板の基板面方向で隣り合う２つの第２半導体層の間に位置して、前記第１半導体層の内部に形成された第２導電型の第３半導体層と
有する半導体光学素子を備える
光ディスク記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光学素子、光ピックアップ及び光ディスク記録再生装置に関する。詳しくは、光学素子として受光素子を有する半導体光学素子と、これを用いた光ピックアップ及び光ディスク記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスク記録再生装置は、ＣＤ（コンパクト・ディスク：ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷを含む）やＤＶＤ（デジタル・ヴァーサタイル・ディスク）、ＢＤ（ブルーレイ・ディスク）などの光ディスクを記録媒体として、データの記録・再生を行なう装置である。光ディスク記録再生装置は、光ピックアップを備えている。光ピックアップは、ピックアップ内部に発光素子及び受光素子を有するものである。光ピックアップの受光素子には、ＰＮ接合やＰＩＮ接合のフォトダイオードが用いられている。
【０００３】
フォトダイオードは、用途によって、主にＲＦフォトダイオードとＦＲＯＮＴフォトダイオードに分けられる。ＲＦフォトダイオードは、主にＲＦ信号のモニタ、及び、トラッキング・フォーカスサーボの役割があり、フロントフォトダイオードは、レーザーパワーをモニタし、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｏｒｏｌ）を行なう役割がある。通常、ＲＦフォトダイオードには、複数の領域に分割されたフォトダイオードが用いられている。
【０００４】
前述のように、光ピックアップに使用されるフォトダイオードは、複数の領域に分離されている。通常のフォトダイオードを並べて配置する方法では、複数のフォトダイオードを互いに離して形成する必要がある。このため、フォトダイオードの分離幅が広くなったり、フォトダイオード間に入射した光が無駄になったりする。そこで現状では、フォトダイオード間の分離幅を狭くするために、拡散層による分離構造が採用されている。
【０００５】
図９は光ピックアップ用の半導体光学素子に採用されているフォトダイオードの分離構造の一例を説明するもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示している。図９においては、Ｐ型の半導体基板４０上にＰ型の低濃度層４１が形成されている。半導体基板４０はＰ型のシリコン基板を用いて構成されている。素子分離部４２は、ＬＯＣＳ(local oxidation of silicon)構造を有するもので、半導体基板４０上で、後述するフォトダイオードを含む受光素子領域を、他の素子領域から分離するように区画している。こうした分離構造は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
【０００６】
素子分離部４２で区画された受光素子領域内には、ＰＮ接合の第１フォトダイオード（ＰＤ）４３と、ＰＮ接合の第２フォトダイオード（ＰＤ）４４が設けられている。第１フォトダイオード４３は、低濃度層４１の表面部に形成されたＮ型の半導体層４５をカソードとし、第２フォトダイオード４４は、低濃度層４１の表面部に形成されたＮ型の半導体層４６をカソードとしている。２つのＮ型の半導体層４５，４６の間にはＰ型の半導体層４７が形成されている。Ｐ型の半導体層４７は、Ｎ型の半導体層４５，４６の間に介在する状態で低濃度層４１の表面部に形成されている。このため、第１フォトダイオード４３と第２フォトダイオード４４は、Ｐ型の半導体層４７を分離部として分離されている。
【０００７】
上記構成からなる半導体光学素子においては、Ｐ型の半導体層４７を形成する条件（濃度、幅、深さなど）により、分離部での感度特性や、カソード間リーク、ＰＮ接合リーク・容量などの特性が変化する。このため、各特性について要求仕様を満たすように、Ｐ型の半導体層４７の形成条件が決定される。
【０００８】
図１０は光ピックアップ用の半導体光学素子に採用されているフォトダイオードの分離構造の他の例を説明するもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示している。図１０においては、Ｐ型の半導体基板５０上にＰ型の低濃度層５１が形成されている。半導体基板５０は、Ｐ型のシリコン基板を用いて構成されている。素子分離部５２は、ＬＯＣＳ構造を有するもので、半導体基板５０上で、後述するフォトダイオードを含む受光素子領域を、他の素子領域から分離するように区画している。
【０００９】
素子分離部５２で区画された受光素子領域内には、ＰＮ接合の第１フォトダイオード５３と、ＰＮ接合の第２フォトダイオード５４と、ＰＮ接合のダミーフォトダイオード５５が設けられている。第１フォトダイオード５３は、低濃度層５１の表面部に形成されたＮ型の半導体層５６をカソードとし、第２フォトダイオード５４は、低濃度層５１の表面部に形成されたＮ型の半導体層５７をカソードとしている。また、ダミーフォトダイオード５５は、低濃度層５１の表面部に形成されたＮ型の半導体層５８をカソードとしている。
【００１０】
第１フォトダイオード５３の半導体層５６とダミーフォトダイオード５５の半導体層５８の間には、Ｐ型の半導体層５９が形成されている。半導体層５９は、ｎ型の半導体層５６，５８の間に介在する状態で低濃度層５１の表面部に形成されている。一方、第２フォトダイオード５４の半導体層５７とダミーフォトダイオード５５の半導体層５８の間には、Ｐ型の半導体装置６０が形成されている。半導体層６０は、Ｎ型の半導体層５７，５８の間に介在する状態で低濃度層５１の表面部に形成されている。このため、第１フォトダイオード５３と第２フォトダイオード５４は、Ｎ型の半導体層５８とその両側に位置するＰ型の半導体層５９，６０を分離部として分離されている。こうした分離構造は、例えば特許文献３に開示されている。
【００１１】
通常、トラッキング・フォーカス等の最隣接フォトダイオード間の出力を演算して用いる場合は、フォトダイオード間が狭くできる上記図９の構造を用いる。また、フォトダイオード間でのクロストークの低減が要求される場合は、上記図１０の構造を用いる。
【００１２】
ところで、光学ディスクの記録・再生には、光学ディスクの種類によって、異なる波長の光を利用する。具体的には、ＢＤの場合は４０５ｎｍの短波長光を利用し、ＤＶＤの場合は６５０ｎｍの中波長光、ＣＤの場合は７８０ｎｍの中波長光を利用している。こうした光ディスク用途の短波長光及び中波長光に対して、例えば図１１に示すような光学特性が要求されている。この光学特性の特徴は主に二つある。
【００１３】
第１の要求特性は、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間に光を照射した場合に、加算出力（２つのフォトダイオードの出力の合計）が１より小さいこと。１より小さい感度とは、通常のフォトダイオード領域に光を入射したときの感度を１と定義したとき、０．１以上、０．９５以下の範囲の感度を想定している。さらに、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間の分離領域でいずれの位置に光を照射しても加算出力がほぼフラット（感度変動曲線がなだらか）であること。この光学特性は、フォトダイオード間に光を照射したときに、一部のキャリアが再結合するか、電源などに流れ込んで除去されることにより得られる。
【００１４】
第２の要求特性は、二つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間で光の照射位置を一方のフォトダイオード端から他方のフォトダイオード端に向けて直線的に変化させた場合に、光の照射位置に応じて、各々のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力が直線的に変化すること。この光学特性は、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間の距離が比較的広く（１０〜５０μｍ）、フォトダイオード間の領域に光が入射した場合に、実際に光が照射した部分からフォトダイオードまでの距離に応じた比率で、それぞれのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２にキャリアが流れることにより得られる。
【００１５】
上記図９に示す構造を採用した場合は、フォトダイオード４３，４４間に介在するＰ型の半導体層４７の濃度を高く（例えば、１Ｅ＋１９[1/cm3]）し、深さを浅く（例えば、０．２μｍ）する。これにより、短波長光が入射したときに、上記図１１のような目標特性を実現することができる。その理由を述べると、短波長光は中波長光よりも吸収係数が大きく、シリコン表面から０．２μｍの領域で７５％のキャリアが発生する。このため、濃度の高いＰ型の半導体層４７の内部で一部のキャリアが再結合する。残りのキャリアは、Ｎ型の半導体層４５，４６までの距離に応じて、それぞれフォトダイオード４３，４４に流れ込む。また、Ｐ型の半導体層４７の濃度が高いと、キャリアのライフタイムが短くなり、再結合が起こりやすくなる。このため、上記図１１のような光学特性を奏するものとなる。
【００１６】
一方、上記図１０に示す構造を採用した場合は、中波長光が入射したときに、上記図１１のような目標特性を実現することができる。その理由を述べると、中波長光は短波長光よりも吸収係数が小さい。このため、例えばシリコン表面より１μｍ以内の領域に発生したキャリアがダミーフォトダイオード５５に流れ込むと仮定すると、シリコン表面付近で発生した２４％のキャリアはダミーフォトダイオード５５に吸引されることになる（６５０ｎｍの中波長光を想定した場合）。また、それよりも深い領域で発生した残りの７６％のキャリアは、Ｎ型の半導体層５６，５７，５８までの距離に応じて、それぞれフォトダイオード５３，５４，５５に流れ込む。このため、上記図１１のような光学特性を奏するものとなる。
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−１４８５０３号公報
【特許文献２】特開２００７−３２９５１２号公報
【特許文献３】特開平７−１８３５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記図９に示す構造を採用した場合は、例えば、６５０ｎｍの中波長光が入射したとき、シリコン表面から０．２μｍの領域で発生するキャリアの割合が５％と少なくなる。このため、濃度の高いＰ型の半導体層４７の内部で再結合するキャリアも割合が５％以下と非常に少なくなる。したがって、光学特性としては、図１２のようにフォトダイオード４３，４４間の加算出力≒１となり、上記第１の要求特性を満たすことができない。
【００１９】
また、上記図１０に示す構造を採用した場合は、短波長光が入射したとき、例えば上記のようにシリコン表面より１μｍ以内の領域に発生したキャリアがダミーフォトダイオード５５に流れ込むと仮定すると、光の入射によって発生したキャリアの９９．９％がダミーフォトダイオード５５に吸引されて除去される。このため、光学特性としては、図１３のように加算出力≒０となり、上記第１の要求特性及び上記第２の要求特性を満たすことができない。
【００２０】
本発明の目的は、入射光が短波長光及び中波長光のいずれであっても、所望の光学特性（図１１に示すような光学特性）を満たすことができる半導体光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の表面部に互いに分離した状態で形成され、前記半導体基板との組み合わせで複数のフォトダイオードを構成する第２導電型の複数の第２半導体層と、前記複数の第２半導体層のうち、前記半導体基板の基板面方向で隣り合う２つの第２半導体層の間に位置して、前記第１半導体層の内部に形成された第２導電型の第３半導体層と有する半導体光学素子に係るものである。
【００２２】
本発明に係る半導体光学素子においては、半導体基板との組み合わせで複数のフォトダイオードを構成する第２導電型の複数の第２半導体層のうち、基板面方向で隣り合う２つの第２半導体層の間で且つ第１半導体層の内部に、第２導電型の第３半導体層を設けることにより、入射光が短波長光であっても中波長光であっても、光エネルギーによって発生したキャリアの一部が第３半導体層に吸引され、残りのキャリアは、各々の第２半導体層までの距離に応じて、それぞれフォトダイオードに流れ込むようになる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、入射光が短波長光及び中波長光のいずれであっても、所望の光学特性を満たすことができる半導体光学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲は以下に記述する実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。
【００２５】
図１は本発明が適用される光ディスク記録再生装置の構成例を示す概略図である。光学ディスク記録再生装置１は、例えば、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤなどの光学ディスクを記録媒体として取り扱うものである。
【００２６】
光学ディスク記録再生装置１は、光ピックアップ３と、ディスク回転駆動機構４と、送り機構５と、制御部６とを備えている。光ピックアップ３は、光学ディスク２への情報（データ）の記録及び／又は再生を行なうものである。ディスク回転駆動機構４は、光学ディスク２を回転駆動するものである。送り機構５は、光ピックアップ３を光学ディスク２の径方向に移動させるものである。送り機構５は、図示しないが、光ピックアップ３を支持する支持ベースと、この支持ベースを移動可能に支持する主軸及び副軸と、支持ベースを移動させるスレッドモータとを有している。制御部６は、光ピックアップ３、ディスク回転駆動機構４及び送り機構５を制御するものである。
【００２７】
ディスク回転駆動機構４は、ディスクテーブル７と、スピンドルモータ８とを有している。ディスクテーブル７には光学ディスク２が載置されるようになっている。スピンドルモータ８は、ディスクテーブル７を回転駆動する駆動源となるものである。
【００２８】
制御部６は、アクセス制御回路９と、サーボ回路１０と、ドライブコントローラ１１と、信号復調器１２と、誤り訂正回路１３と、インターフェース１４とを有している。アクセス制御回路９は、送り機構５を駆動制御して光学ディスク２の径方向に対する光ピックアップ３の位置を制御するものである。サーボ回路１０は、光ピックアップ３の二軸アクチュエータを駆動制御するものである。ドライブコントローラ１１は、これらアクセス制御回路９、サーボ回路１０を制御するものである。信号復調器１２は、光ピックアップ３からの信号を復調処理するものである。誤り訂正回路１３は、信号復調器１２で復調処理された信号を誤り訂正するものである。インターフェース１４は、誤り訂正回路１３で誤り訂正された信号を外部コンピュータ等の電子機器に出力するためのものである。
【００２９】
上記構成からなる光学ディスク記録再生装置１においては、ディスク回転駆動機構４のスピンドルモータ８によって、光学ディスク２が載置されたディスクテーブル７を回転駆動する。その際、制御部６のアクセス制御回路９からの制御信号に応じて送り機構５を駆動制御することにより、光ピックアップ３を光学ディスク２の所望の記録トラックに対応する位置に移動させて、光学ディスク２に対する情報の記録再生を行なう。
【００３０】
光ピックアップ３は、図示はしないが、光学ディスク２から情報を再生する光学系と、この光学系が有する対物レンズを駆動して変位させるレンズ駆動機構とを有している。このうち、光ピックアップ３は、少なくとも、発光素子と受光素子を用いて構成されるものである。発光素子は、光学ディスク２に向けて所定波長のレーザー光を出射するものである。受光素子は、光学ディスク２からの戻り光を受光するものである。本発明に係る半導体光学素子は、受光素子のみを有するものであってもよいし、発光素子と受光素子を一体に有するものであってもよい。
【００３１】
発光素子は、例えば、光学ディスク２がＣＤであれば波長７８０ｎｍのレーザー光を出射し、光学ディスク２がＤＶＤであれば波長６５０ｎｍのレーザー光を出射し、光学ディスク２がＢＤであれば波長４０５ｎｍのレーザー光を出射する。
【００３２】
ちなみに、ＢＤに適用される４０５ｎｍの短波長光の吸収長は、０．１４ｎｍであり、ＤＶＤに適用される６５０ｎｍの中波長光の吸収長は３．７μｍであり、ＣＤに適用される７８０ｎｍの中波長光の吸収長は８．７μｍである。短波長光及び中波長光は、それぞれに対応する吸収長よりも上部の浅い領域で、光の６３％が吸収され、それに応じた割合でキャリアの生成が行なわれる。
【００３３】
続いて、本発明の実施の形態に係る半導体光学素子の構造について説明する。本発明の実施の形態においては、一例として、第１導電型がＰ型で、第２導電型がＮ型である場合について説明する。
【００３４】
＜第１の実施の形態＞
図２は本発明の第１の実施の形態に係る半導体光学素子の構造を説明するもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示している。図２においては、Ｐ型の半導体基板２０を用いて２つのフォトダイオード（ＰＤ）２１，２２が形成されている。２つのフォトダイオード２１，２２は、半導体基板２０の基板面方向で隣り合う状態に配置されている。Ｐ型の半導体基板２０は、２つのフォトダイオード２１，２２の共通のアノードとなるもので、例えばＰ型のシリコン基板を用いて構成されている。半導体基板２０上には、Ｐ型で低不純物濃度のエピタキシャル層２３が形成されている。Ｐ型のエピタキシャル層２３は、第１導電型の第１半導体層に相当するものである。素子分離部２４は、ＬＯＣＳ構造を有するもので、半導体基板２０上で、上記フォトダイオード２１，２２を含む受光素子領域を、他の素子領域から分離するように区画している。
【００３５】
前述した２つのフォトダイオード２１，２２は、素子分離部２４で区画された受光素子領域内に設けられている。各々のフォトダイオード２１，２２は、平面視矩形状に形成されている。ここで記述する「矩形状」とは、長方形と正方形の両方の意味を併せ持つ用語である。ただし、フォトダイオード２１，２２の平面形状は矩形に限らず、例えば、ひし形であってもよい。一方のフォトダイオード（以下、「第１フォトダイオード」とも記す）２１は、ＰＮ接合のフォトダイオードであり、他方のフォトダイオード（以下、「第２フォトダイオード」とも記す）２２も、ＰＮ接合のフォトダイオードである。
【００３６】
第１フォトダイオード２１は、エピタキシャル層２３の表面部に形成されたＮ型の半導体層２５をカソードとし、第２フォトダイオード２２は、エピタキシャル層２３の表面部に形成されたＮ型の半導体層２６をカソードとしている。Ｎ型の半導体層２５，２６は、それぞれ第２導電型の第２半導体層に相当するものである。なお、ここで記述する「表面部に形成」とは、エピタキシャル層２３の上面から、エピタキシャル層２３の深さ方向（半導体基板２０の厚み方向）に所定の厚みで形成することを意味する。このため、エピタキシャル層２３の表面部に形成される層の上面は、エピタキシャル層２３の上面と面一に配置されるものとなる。換言すると、エピタキシャル層２３の上面と面一な上面を有する層は、いずれもエピタキシャル層２３の表面部に形成されたものとなる。
【００３７】
エピタキシャル層２３の内部には、Ｎ型の半導体層２７が埋め込まれている。Ｎ型の半導体層２７は、第２導電型の第３半導体層に相当するものである。半導体層２７は、エピタキシャル層２３の内部に平面視矩形状をなして島状に形成されている。半導体層２７は、平面的に見ると、２つの半導体層２５，２６の間に介在する状態で配置されている。２つの半導体層２５，２６の並び方向（図の左右方向）において、一方の半導体層２５と半導体層２７の間にはエピタキシャル層２３がスリット状に介在し、他方の半導体層２６と半導体層２７の間にもエピタキシャル層２３がスリット状に介在している。
【００３８】
また、半導体層２７は、断面的に見ると、２つの半導体層２５，２６よりも深い位置（下方）に配置されている。半導体層２７は、光の照射によって発生したキャリアを吸収できるように、例えば図示しない電源等に電気的に接続されるものである。エピタキシャル層２３の表面から半導体層２７までの深さ寸法Ｄは、半導体光学素子に要求される光学特性に応じて設定される。
【００３９】
上記構成からなる半導体光学素子を製造する場合は、まず、Ｐ型の半導体基板２０の表面（上面）に、シリコンの結晶成長により、不純物濃度の低いＰ型のエピタキシャル層２３を形成する。
【００４０】
次に、２つのフォトダイオード２１，２２間に相当する領域に、イオン注入法によってＮ型の半導体層２７を形成する。Ｎ型の半導体層２７をエピタキシャル層２３の内部に形成する場合は、高エネルギーでのイオン注入、例えば、不純物となるリン（Ｐ）イオンを、３[MeV]のエネルギー、５Ｅ＋１２[1/cm2]のドーズ量の条件でイオン注入を行なう。
【００４１】
なお、Ｎ型の半導体層２７を形成する工程は、基板分離型ＭＯＳトランジスタ用ディープＮウエル層の形成工程や、ＶＰＮＰトランジスタのＮ型の島形成工程などと兼用することが可能である。
【００４２】
また、Ｎ型の半導体層２７は、例えば図３（Ａ）の平面図及び（Ｂ）の断面図に示すように、素子分離部２４で区画された受光素子領域を取り囲むようにＮ型のウエル層２８を形成し、このウエル層２８に半導体層２７の両端部を接続するように形成する。ウエル層２８からは電極２９を取り出し、この電極２９を電源等に接続する。
【００４３】
次に、フォトダイオード２１，２２となる部分に不純物を導入することにより、Ｎ型の半導体層２５，２６を形成する。これにより、Ｐ型の半導体基板２０を共通のアノードとし、Ｎ型の半導体層２５，２６を個別のカソードとして、２つのフォトダイオード２１，２２が受光素子領域に形成されることになる。
【００４４】
このようにして得られる半導体光学素子を動作させる場合は、各々のフォトダイオード２１，２２のアノード−カソード間に逆バイアス電圧を印加する。この動作時にフォトダイオード２１，２２間の領域に短波長光を照射した場合の光学特性と中波長光を照射した場合の光学特性は、次のようになる。
【００４５】
まず、フォトダイオード２１，２２間の領域に短波長光を照射した場合は、前述したようにシリコン表面から０．２μｍの領域で７５％のキャリアが発生する。また、フォトダイオード２１，２２間の領域に例えば６５０ｎｍの中波長光を照射した場合は、前述したようにシリコン表面から０．２μｍの領域で発生するキャリアの割合が５％となる。つまり、入射光が短波長光の場合は、シリコン表面の浅い領域で相対的に多くのキャリアが発生し、入射光が中波長光の場合は、シリコン内部の深い領域で相対的に多くのキャリアが発生する。
【００４６】
このため、短波長光と中波長光の吸収長の違いを考慮して、シリコン表面となるエピタキシャル層２３の上面を基準としたＮ型の半導体層２７の埋め込み深さや、当該半導体層２７の平面的な大きさ（矩形のサイズ）、厚み等を設定する。例えば、短波長光としてＢＤに対応する４０５ｎｍのレーザー光を利用し、中波長光としてＤＶＤに対応する６５０ｎｍのレーザー光を利用する場合は、それらのレーザー光の吸収長（０．１４μｍ、３．７μｍ）の違いを考慮して、Ｎ型の半導体層２７をシリコン表面から１〜２μｍの深さの範囲に形成する。
【００４７】
これにより、フォトダイオード２１，２２間の領域に照射するレーザー光が短波長光である場合は、シリコン表面の浅い領域で多くのキャリアが発生する。そうした場合、フォトダイオード２１，２２のカソードとなるＮ型の半導体層２５，２６の位置と、その間に介在するＮ型の半導体層２７との位置と、キャリアが発生する位置の関係から、一部のキャリアは、Ｎ型の半導体層２７に吸収されて電源に流れ込む。また、残りのキャリアは、Ｎ型の半導体層２５，２６までの距離に応じて、それぞれフォトダイオード２１，２２に流れ込む。
【００４８】
一方、フォトダイオード２１，２２間の領域に照射するレーザー光が中波長光である場合も、上記の位置関係から、一部のキャリアは、Ｎ型の半導体層２７に吸収されて電源に流れ込む。また、残りのキャリアは、Ｎ型の半導体層２５，２６までの距離に応じて、それぞれフォトダイオード２１，２２に流れ込む。Ｎ型の半導体層２７に吸収されたキャリアは、電源に流し込むことで除去される。このため、加算出力に反映されない。したがって、フォトダイオード２１，２２間の領域に照射するレーザー光の波長が短波長であっても中波長であっても、上記図１１のような光学特性を満たすことができる。
【００４９】
なお、ここではＮ型の半導体層２７を単個の島状に形成するとしたが、これに限らず、例えば図４に示すように、２つのフォトダイオード２１，２２の並び方向でＮ型の半導体層２７を複数（図例では４つ）の半導体層２７ａ〜２７ｄに分離したスリット状の構造を採用してもよい。かかる素子構造を採用した場合は、Ｎ型の半導体層２７を複数の半導体層２７ａ〜２７ｄに分離することにより、シリコン表面やシリコン内部で発生したキャリアが半導体層２７に吸収される割合が変わる。このため、分離部でのクロストーク特性を変えることができる。
【００５０】
＜第２の実施の形態＞
図５は本発明の第２の実施の形態に係る半導体光学素子の構造を説明するもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示している。この第２の実施の形態に係る半導体光学素子は、上記第１の実施の形態の素子構造と比較して、Ｐ型の半導体層３０を追加した点が異なる。Ｐ型の半導体層３０は、第１導電型の第４半導体層に相当するものである。半導体層３０は、エピタキシャル層２３よりも不純物濃度が高い層となっている。
【００５１】
Ｐ型の半導体層３０は、平面的に見ると、２つのＮ型の半導体層２５，２６の間に介在する状態で配置されている。半導体層３０は、エピタキシャル層２３の表面部に平面視矩形状に形成されている。２つの半導体層２５，２６の並び方向（図の左右方向）において、一方の半導体層２５と半導体層３０の間にはエピタキシャル層２３がスリット状に介在し、他方の半導体層２６と半導体層３０の間にもエピタキシャル層２３がスリット状に介在している。ただし、半導体層２５と半導体層３０の間、及び、半導体層２６と半導体層３０の間には、それぞれスペースがなくてもかまわない。
【００５２】
また、Ｐ型の半導体層３０は、断面的に見ると、２つの半導体層２５，２６よりも薄く形成されている。ただし、半導体層３０の厚みは、半導体層２５，２６より厚くてもかまわない。Ｐ型の半導体層３０は、前述したＮ型の半導体層２７とエピタキシャル層２３を介して対向する状態（平面的に見ると、重なり合った状態）に配置されている。
【００５３】
上記構成からなる半導体光学素子を製造する場合は、まず、Ｐ型の半導体基板２０の表面（上面）に、シリコンの結晶成長により、不純物濃度の低いＰ型のエピタキシャル層２３を形成する。
【００５４】
次に、２つのフォトダイオード２１，２２間に相当する領域に、イオン注入法によってＮ型の半導体層２７を形成する。Ｎ型の半導体層２７をエピタキシャル層２３の内部に形成する場合は、高エネルギーでのイオン注入、例えば、不純物となるリン（Ｐ）イオンを、３[MeV]のエネルギー、５Ｅ＋１２[1/cm2]のドーズ量の条件でイオン注入を行なう。
【００５５】
なお、Ｎ型の半導体層２７を形成する工程は、基板分離型ＭＯＳトランジスタ用ディープＮウエル層の形成工程や、ＶＰＮＰトランジスタのＮ型の島形成工程などと兼用することが可能である。
【００５６】
また、Ｎ型の半導体層２７は、例えば上記図３（Ａ）の平面図及び（Ｂ）の断面図に示すように、素子分離部２４で区画された受光素子領域を取り囲むようにＮ型のウエル層２８を形成し、このウエル層２８に半導体層２７の両端部を接続するように形成する。ウエル層２８からは電極２９を取り出し、この電極２９を電源等に接続する。
【００５７】
次に、Ｎ型の半導体層２７の上方にＰ型の半導体層３０を形成する。Ｐ型の半導体層３０をエピタキシャル層２３の表面部に形成する場合は、当該形成位置が半導体層２７よりも上方となるように、例えば、不純物となるボロン（Ｂ）イオンを、５０[keV]のエネルギー、７Ｅ＋１２[1/cm2]のドーズ量の条件でイオン注入を行なう。
【００５８】
次に、フォトダイオード２１，２２となる部分に不純物を導入することにより、Ｎ型の半導体層２５，２６を形成する。これにより、上記第１の実施の形態と同様に、Ｐ型の半導体基板２０を共通のアノードとし、Ｎ型の半導体層２５，２６を個別のカソードとして、２つのフォトダイオード２１，２２が受光素子領域に形成されることになる。
【００５９】
このようにして得られる半導体光学素子においては、動作時にフォトダイオード２１，２２間の領域に短波長光を照射した場合の光学特性と中波長光を照射した場合の光学特性が、次のようになる。
【００６０】
まず、フォトダイオード２１，２２間の領域に短波長光を照射した場合は、前述したようにシリコン表面から０．２μｍの領域で７５％のキャリアが発生する。このため、濃度の高いＰ型の半導体層３０の内部で一部のキャリアが再結合し、残りのキャリアは、Ｎ型の半導体層２７や半導体層２５，２６までの距離に応じて、それぞれ電源やフォトダイオード２１，２２に流れ込む。
【００６１】
一方、フォトダイオード２１，２２間の領域に中波長光を照射した場合は、前述したようにシリコン表面から０．２μｍの領域で発生するキャリアの割合が５％となり、キャリアの大半はそれよりも深い領域で発生する。そうした場合、一部のキャリアは、Ｎ型の半導体層２７に吸収されて電源に流れ込み、残りのキャリアは、Ｎ型の半導体層２５，２６までの距離に応じて、それぞれフォトダイオード２１，２２に流れ込む。
【００６２】
その結果、フォトダイオード２１，２２間の領域に照射するレーザー光の波長が短波長であっても中波長であっても、上記図１１のような光学特性を満たすことができる。また、上記第１の実施の形態と比較すると、短波長光の入射したときに発生するキャリアがＰ型の半導体層３０で再結合することで、短波長光を入射したときの加算出力が低下する。このため、クロストーク特性（フォトダイオード端における加算出力の変化）を相対的に急峻にすることが可能となる。また、Ｐ型の半導体層３０の有無、及び、Ｎ型の半導体層２７の幅・厚さ・シリコン表面からの深さを変えることで、フォトダイオード２１，２２間の領域に光を照射したときの加算出力の大きさを変動させることが可能である。また、Ｐ型の半導体層３０を形成することで、２つのフォトダイオード２１，２２間に発生するリーク電流が低減するという効果も得られる。
【００６３】
なお、第２の実施の形態においても、Ｎ型の半導体層２７に関して、上記図４に示すように、２つのフォトダイオード２１，２２の並び方向でＮ型の半導体層２７を複数の半導体層２７ａ〜２７ｄに分離した構造を採用してもよい。また、Ｎ型の半導体層２７に関しては、クロストーク特性を変動させるために、例えばフォトダイオード２１，２２のカソードとなるＮ型の半導体層２５，２６よりも幅狭に形成してもよい。
【００６４】
＜第３の実施の形態＞
図６は本発明の第３の実施の形態に係る半導体光学素子の構造を説明するもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示している。この第３の実施の形態に係る半導体光学素子は、上記第２の実施の形態の素子構造と比較して、各々のフォトダイオード２１，２２のカソードが、それぞれＮ型のエピタキシャル層３１，３２によって構成されている点と、Ｐ型の半導体層３３を追加した点が異なる。Ｎ型のエピタキシャル層３１，３２は、それぞれ第２導電型の第２半導体層に相当するものである。Ｐ型の半導体層３３は、エピタキシャル層２３よりも不純物濃度が高い層となっている。Ｐ型の半導体層３０は、半導体層３３よりも不純物濃度が高い層となっている。
【００６５】
Ｐ型の半導体層３３は、平面的に見ると、Ｐ型の半導体層３０とともに、２つのＮ型のエピタキシャル層３１，３２の間に介在する状態で配置されている。半導体層３３は、Ｐ型の半導体層３０やＮ型のエピタキシャル層３１，３２とともに、エピタキシャル層２３の表面部に平面視矩形状に形成されている。また、半導体層３３は、半導体層３０よりも一回り大きな矩形状に形成されている。このため、平面的に見ると、半導体層３０は、半導体層３３の形成領域内に配置されている。ただし、半導体層３０の方が半導体層３３より大きくてもよい。半導体層３３の一辺は、第１フォトダイオード２１の端辺となるエピタキシャル層３１の一辺に隣接して配置され、半導体層３３の他辺は、第２フォトダイオード２２の端辺となるエピタキシャル層３２の一辺に隣接して配置されている。（
【００６６】
また、半導体光学素子の構造を断面的に見ると、半導体層３０は、Ｎ型のエピタキシャル層３１，３２よりも薄く形成され、半導体層３３は、Ｎ型のエピタキシャル層３１，３２よりも厚く形成されている。半導体層３３の上面は、エピタキシャル層２３の上面と面一に配置されている。半導体層３３の最下部は、Ｎ型の半導体層２７に接する状態で配置されている。ただし、半導体層３３と半導体層２７は、位置関係が上下であれば、接していなくてもよい。半導体層２７は、半導体層３０と同じ大きさで矩形状に形成されるとともに、当該半導体層３０と対向する状態に配置されている。
【００６７】
上記構成からなる半導体光学素子を製造する場合は、まず、Ｐ型の半導体基板２０の表面（上面）に、シリコンの結晶成長により、不純物濃度の低いＰ型のエピタキシャル層２３を形成する。
【００６８】
次に、２つのフォトダイオード２１，２２間に相当する領域に、イオン注入法によってＮ型の半導体層２７を形成する。Ｎ型の半導体層２７をエピタキシャル層２３の内部に形成する場合は、高エネルギーでのイオン注入、例えば、不純物となるリン（Ｐ）イオンを、３[MeV]のエネルギー、５Ｅ＋１２[1/cm2]のドーズ量の条件でイオン注入を行なう。
【００６９】
なお、Ｎ型の半導体層２７を形成する工程は、基板分離型ＭＯＳトランジスタ用ディープＮウエル層の形成工程や、ＶＰＮＰトランジスタのＮ型の島形成工程などと兼用することが可能である。
【００７０】
また、Ｎ型の半導体層２７は、例えば上記図３（Ａ）の平面図及び（Ｂ）の断面図に示すように、素子分離部２４で区画された受光素子領域を取り囲むようにＮ型のウエル層２８を形成し、このウエル層２８に半導体層２７の両端部を接続するように形成する。ウエル層２８からは電極２９を取り出し、この電極２９を電源等に接続する。
【００７１】
次に、フォトダイオード２１，２２となる部分を含めて基板全面に結晶成長によってＮ型のエピタキシャル層（３１，３２）を形成する。
【００７２】
次に、２つのフォトダイオード２１，２２間に相当する領域に、イオン注入法によってＰ型の半導体層３３を形成する。半導体層３３の不純物濃度は、Ｎ型のエピタキシャル層３１，３２の不純物濃度よりも高くする必要がある。このため、Ｎ型のエピタキシャル層３１，３２の不純物濃度が５Ｅ＋１５[1/cm3]で、厚さが１μｍであると仮定すると、Ｐ型の半導体層３３を形成する場合は、例えば、不純物となるボロン（Ｂ）イオンを、４５０[keV]のエネルギー、３Ｅ＋１３[1/cm2]のドーズ量の条件でイオン注入を行なう。
【００７３】
次に、Ｐ型の半導体層３３の表面部に、当該半導体層３３よりも不純物濃度が高いＰ型の半導体層３０を形成する。Ｐ型の半導体層３０を形成する場合は、例えば、不純物となるボロン（Ｂ）イオンを、５０[keV]のエネルギー、７Ｅ＋１２[1/cm2]のドーズ量の条件でイオン注入を行なう。
【００７４】
このようにして得られる半導体光学素子を動作させる場合は、各々のフォトダイオード２１，２２のアノード−カソード間に逆バイアス電圧を印加する。この動作時にフォトダイオード２１，２２間の領域に短波長光を照射した場合の光学特性と中波長光を照射した場合の光学特性は、次のようになる。
【００７５】
まず、フォトダイオード２１，２２間の領域に短波長光を照射した場合は、前述したようにシリコン表面から０．２μｍの領域で７５％のキャリアが発生する。このため、濃度の高いＰ型の半導体層３０の内部で一部のキャリアが再結合し、残りのキャリアは、Ｎ型の半導体層２７やエピタキシャル層３１，３２までの距離に応じて、それぞれ電源やフォトダイオード２１，２２に流れ込む。
【００７６】
一方、フォトダイオード２１，２２間の領域に中波長光を照射した場合は、前述したようにシリコン表面から０．２μｍの領域で発生するキャリアの割合が５％となり、キャリアの大半はそれよりも深い領域で発生する。そうした場合、一部のキャリアは、Ｎ型の半導体層２７に吸収されて電源に流れ込み、残りのキャリアは、Ｎ型のエピタキシャル層３１，３２までの距離に応じて、それぞれフォトダイオード２１，２２に流れ込む。
【００７７】
その結果、フォトダイオード２１，２２間の領域に照射するレーザー光の波長が短波長であっても中波長であっても、上記図１１のような光学特性を満たすことができる。また、上記第１の実施の形態と比較すると、短波長光の入射したときに発生するキャリアがＰ型の半導体層３０で再結合することで、短波長光を入射したときの加算出力が低下する。このため、クロストーク特性（フォトダイオード端における加算出力の変化）を相対的に急峻にすることが可能となる。
【００７８】
なお、第３の実施の形態においても、Ｎ型の半導体層２７に関して、上記図４に示すように、２つのフォトダイオード２１，２２の並び方向でＮ型の半導体層２７を複数の半導体層２７ａ〜２７ｄに分離した構造を採用してもよい。また、Ｎ型の半導体層２７に関しては、クロストーク特性を変動させるために、例えばＰ型の半導体層３０よりも幅狭に形成してもよい。
【００７９】
また、上記各実施の形態においては、半導体基板２０の受光素子領域に２つのフォトダイオードを並べて形成した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば半導体基板２０の受光素子領域に４つのフォトダイオードを並べて形成した場合は、互いに隣り合う２つのフォトダイオードを対象に、上記同様の構成を採用してもよい。
【００８０】
また、上記図１１のような光学特性を満たす半導体光学素子では、次のような効果も得られる。すなわち、図９に示す半導体光学素子の場合は、中波長光を入射したときに、Ｐ型の半導体層４７による分離部中心での加算出力の低下は見られない。それに対して、本発明に係る半導体発光素子の構造では、入射光が短波長光でも中波長光でも、フォトダイオード間の領域の、ある一定の距離（「Ｌ」とする）で、加算出力の低下が起こる。この特性を利用して、フォーカスサーボとトラッキングサーボを同時に行なうことが可能となる。
【００８１】
すなわち、ピントが合っているときは図７（Ａ）に示すように、スポット径が距離Ｌよりも小さくなり、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の加算出力の低い領域のみに光が照射される。一方、ピントがずれていると図７（Ｂ）に示すようにスポット径が距離Ｌよりも大きくなり、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の加算出力の高い領域にも光が照射されるようになる。このため、図７（Ａ）の状態よりも、図７（Ｂ）の状態の方が、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力の合計が高くなる。したがって、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力の合計をモニタすることで、フォーカスサーボを行なうことができる。
【００８２】
また、図８（Ａ）に示すように、光の照射位置がフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間の中央であれば、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力は同じなる。一方、図８（Ｂ）に示すように、光の照射位置が中央から一方のフォトダイオードＰＤ１寄りにずれている場合は、当該一方のフォトダイオードＰＤ１の出力が高くなる。また、図８（Ｃ）に示すように、光の照射位置が中央から他方のフォトダイオードＰＤ２寄りにずれている場合は、当該他方のフォトダイオードＰＤ２の出力が高くなる。このため、それぞれのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力をモニタすることで、トラッキングサーボを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明が適用される光ディスク記録再生装置の構成例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る半導体光学素子の構造を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体光学素子の電極取り出し構造を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る半導体光学素子の変形例を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る半導体光学素子の構造を説明する図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る半導体光学素子の構造を説明する図である。
【図７】本発明に係る半導体光学素子によって得られる効果を説明する図（その１）である。
【図８】本発明に係る半導体光学素子によって得られる効果を説明する図（その２）である。
【図９】光ピックアップ用の半導体光学素子に採用されているフォトダイオードの分離構造の一例を説明する図である。
【図１０】光ピックアップ用の半導体光学素子に採用されているフォトダイオードの分離構造の他の例を説明する図である。
【図１１】光ピックアップ用の半導体光学素子に要求される光学特性の一例を示す図である。
【図１２】図９の素子構造に対応する光学特性を示す図である。
【図１３】図１０の素子構造に対応する光学特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…光学ディスク記録再生装置、２…光学ディスク、３…光ピックアップ、２０…半導体基板、２１，２２…フォトダイオード、２３，３１，３２…エピタキシャル層、２４…素子分離部、２５，２６，２７，３０，３３…半導体層
【図１】
2010067655.tif 000003
【図２】
2010067655.tif 000004
【図３】
2010067655.tif 000005
【図４】
2010067655.tif 000006
【図５】
2010067655.tif 000007
【図６】
2010067655.tif 000008
【図７】
2010067655.tif 000009
【図８】
2010067655.tif 000010
【図９】
2010067655.tif 000011
【図１０】
2010067655.tif 000012
【図１１】
2010067655.tif 000013
【図１２】
2010067655.tif 000014
【図１３】
2010067655.tif 000015