(57)【要約】【課題】横型フォトダイオードの高速化を実現する。【解決手段】基板１と、その上に形成されて入射光を受光する半導体層２と、さらにその上に形成された櫛形電極５，６とを有する横型のフォトダイオード１０において、櫛形電極５，６どうしの間の半導体層２の表面に、入射光Ｌを集光するマイクロレンズ２ａを形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、その上に形成されて入射光を受光する半導体層と、さらにその上に形成された複数の櫛形電極とを有する横型のフォトダイオードにおいて、
前記櫛形電極どうしの間の半導体層の表面に、入射光を集光するマイクロレンズが形成されていることを特徴とするフォトダイオード。
【請求項２】
基板と、その上に形成されて入射光を受光する半導体層と、さらにその上に形成された絶縁層と、この絶縁層中に形成された複数の電極とを有する横型のフォトダイオードにおいて、
前記電極どうしの間の半導体層の表面に、入射光を集光するマイクロレンズが形成されるとともに、
フォトダイオード一素子の受光領域内で、前記絶縁層の表面に、あるいは該表面上に形成された別の層に、入射光を前記電極から外れるように集光するマイクロレンズが複数形成されていることを特徴とするフォトダイオード。
【請求項３】
前記電極が櫛形電極であることを特徴とする請求項２記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記マイクロレンズが、略半球状または半円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のフォトダイオード。
【請求項５】
請求項１から４いずれか１項記載のフォトダイオードを作製する方法であって、
前記基板にマイクロレンズに対応する形状の凸部を形成しておき、
この基板の上に前記半導体層を積層することにより該半導体層に、前記凸部に対応して盛り上がったマイクロレンズを形成することを特徴とするフォトダイオードの作製方法。
【請求項６】
請求項２から４いずれか１項記載のフォトダイオードを作製する方法であって、
前記基板にマイクロレンズに対応する形状の凸部を形成しておき、
この基板の上に前記半導体層および、絶縁層あるいは別の層を順次積層することにより、該半導体層および、絶縁層あるいは別の層に、前記凸部に対応して盛り上がったマイクロレンズを形成することを特徴とするフォトダイオードの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は横型のフォトダイオードおよび、その作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように横型（ラテラル）フォトダイオード、つまりＰ型領域およびＮ型領域が基板表面と平行に並ぶタイプのフォトダイオードが公知となっている。図１０はこの横型フォトダイオードの基本構造を示すものである。この構造においては、図示の通り基板１の上に入射光Ｌを受ける半導体層２が形成され、この半導体層２内にＰ型領域３およびＮ型領域４が基板表面と平行に並ぶ状態に形成されている。そしてＰ型領域３およびＮ型領域４にそれぞれ電極８、９が接続された上で、半導体層２を上から覆う形に絶縁層７が形成されている。このような構造を有する横型フォトダイオードにおいては、光吸収およびキャリア移動が半導体層のごく表面に近いところで行われるため、高速動作を実現できる。
【０００３】
この横型フォトダイオードの電極構造として、現実には櫛型電極構造が広く用いられている。図１１は、この櫛型電極構造を有するフォトダイオードの側面形状を示すものであり、また図１２はその櫛型電極の平面形状を示すものである。なお図１１において、図１０中の要素と同等の要素には同番号を付してある。ここに示す通り櫛型電極構造は、Ｐ型領域３に接続する細いＰ型電極５と、Ｎ型領域４に接続する細いＮ型電極６とを交互に櫛型に形成してなるものであり、電極間容量を低減できることから横型フォトダイオードの高速化を実現可能となっている。
【特許文献１】特開平０５−１７５５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の横型フォトダイオードには、さらに高速化の余地が残されている。
【０００５】
さらに、横型フォトダイオードに上記櫛型電極構造を採用した場合、電極領域を半導体領域として使用できなくなるので、その分受光効率が低下するという問題もある。一例として、櫛型電極の電極間幅＝２μｍ、電極幅＝１μｍとした場合には、電極が無い場合と比べて受光効率は３分の２に低下する。受光効率が低下すれば、当然フォトダイオードの感度が低くなる。
【０００６】
以上の例は、図１１に示すような構造において、入射光Ｌが半導体層２に垂直入射することを前提として説明したが、例えば図１１に示す入射光Ｌの経路にマルチモード光ファイバーが配設されて、導波光Ｌｇが半導体層２に斜め入射するような場合でも、受光効率の低下は同様に発生する。つまりその場合は、破線で示す導波光Ｌｇが図示のようにＰ型電極５あるいはＮ型電極６の側面部分から該電極に入射して吸収されることもあるし、また勿論、そのような導波光ＬｇがＰ型電極５あるいはＮ型電極６の上端面から入射して吸収されることもある。
【０００７】
以上、横型フォトダイオードに櫛型電極構造が採用された場合を例に挙げて説明したが、その他の電極構造が採用される場合でも、その電極がフォトダイオードの受光領域に配置されていれば、同様の問題が生じることとなる。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、横型フォトダイオードをさらに高速化することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、横型フォトダイオードの感度向上を目的とする。
【００１０】
さらに本発明は、そのように高速化された横型フォトダイオードや、感度の高い横型フォトダイオードを効率良く作製できる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による第１のフォトダイオードは、前述したように、基板と、その上に形成されて入射光を受光する半導体層と、さらにその上に形成された櫛形電極とを有する横型のフォトダイオードにおいて、
前記櫛形電極どうしの間の半導体層の表面に、入射光を集光するマイクロレンズが形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明による第２のフォトダイオードは、
上記と同様に基板と、その上に形成されて入射光を受光する半導体層と、さらにその上に形成された絶縁層と、この絶縁層中に形成された複数の電極とを有する横型のフォトダイオードにおいて、
前記電極どうしの間の半導体層の表面に、入射光を集光するマイクロレンズが形成されるとともに、
フォトダイオード一素子の受光領域内で、前記絶縁層の表面に、あるいは該表面上に形成された別の層に、入射光を前記電極から外れるように集光するマイクロレンズが複数形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
なおこの第２のフォトダイオードは、上記電極として櫛形電極が用いられることを前提に構成されることが特に望ましい。
【００１４】
ここで、上記の「電極から外れるように集光する」とは、電極から外れるような方向に集光することを意味し、したがって、入射光の一部が電極に入射するようなことが有る場合でも、とにかく上述のような方向に集光が行われていれば本発明に含まれるものとする。
【００１５】
また本発明によるフォトダイオードにおいて、半導体層や絶縁層の表面、さらに前記別の層に形成されるマイクロレンズは、略半球状または半円柱状に形成されていることが望ましい。
【００１６】
他方、本発明による第１のフォトダイオードの作製方法は、上述した通りの本発明による第１のフォトダイオードを作製する方法であって、
前記基板にマイクロレンズに対応する形状の凸部を形成しておき、
この基板の上に前記半導体層を積層することにより該半導体層に、前記凸部に対応して盛り上がったマイクロレンズを形成することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明による第２のフォトダイオードの作製方法は、上述した通りの本発明による第２のフォトダイオードを作製する方法であって、
前記基板にマイクロレンズに対応する形状の凸部を形成しておき、
この基板の上に前記半導体層および、絶縁層あるいは別の層を順次積層することにより、該半導体層および、絶縁層あるいは別の層に、前記凸部に対応して盛り上がったマイクロレンズを形成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による第１および第２のフォトダイオードにおいては、電極どうしの間の半導体層の表面に、入射光を集光するマイクロレンズが形成されているので、入射光（検出対象の光）が集光される結果、半導体層の表面により近い位置において高パワーで存在するようになる。そこで、半導体層の表面に近い位置で多くのキャリアが形成され、よってそれらがより短時間で電極まで移動するようになるので、高速化が実現される。
【００１９】
本発明による第２のフォトダイオードにおいてはそれに加えて、感度向上の効果も得られる。以下、その点について詳しく説明する。前述したように、一素子の受光領域内に複数の電極が形成される横型フォトダイオードにおいては、それらの電極に検出対象の光が入射して、そこで吸収されるために受光効率が低下し、それが感度低下につながっていた。それに対して本発明による第２のフォトダイオードにおいては、フォトダイオード一素子の受光領域内で、絶縁層の表面に、あるいは該表面上に形成された別の層に、入射光を電極から外れるように集光するマイクロレンズが複数形成されているので、入射光が電極に吸収されることが防止される。そこで、受光効率を高く確保して、フォトダイオードの感度を向上させることが可能になる。
【００２０】
なお、櫛形電極が適用された横型フォトダイオードにおいては、一素子の受光領域が櫛形電極によって細かく分断されるので、入射光が電極に吸収される現象が起きやすくなっている。そこで、櫛形電極を有するフォトダイオードに対して本発明を適用する場合は、上述した感度向上の効果が特に顕著に得られることとなる。
【００２１】
また本発明は、横型構造のフォトダイオードに対して広く適用可能であるが、特に横型pin構造、金属半導体金属(MSM)構造、横型トレンチ構造に対して有効である。
【００２２】
一方、本発明による第１のフォトダイオードの作製方法は、基板にマイクロレンズに対応する形状の凸部を形成しておき、この基板の上に半導体層を積層することにより該半導体層に、前記凸部に対応して盛り上がったマイクロレンズを形成するようにしたので、容易にマイクロレンズを形成して、高速応答可能な横型フォトダイオードを効率良く作製可能となる。
【００２３】
また、本発明による第２のフォトダイオードの作製方法は、基板にマイクロレンズに対応する形状の凸部を形成しておき、この基板の上に半導体層および、絶縁層あるいは別の層を順次積層することにより、該半導体層および、絶縁層あるいは別の層に、前記凸部に対応して盛り上がったマイクロレンズを形成するようにしたので、この場合も容易にマイクロレンズを形成して、高速応答可能でかつ高感度の横型フォトダイオードを効率良く作製可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態による横型フォトダイオード１０を示す概略側面図である。図示の通りこのフォトダイオード１０は、基板１と、その上に形成されて入射光Ｌ（検出対象の光）を受ける半導体層２と、この半導体層２内に基板表面と平行に並ぶ状態に形成されたＰ型領域３およびＮ型領域４と、Ｐ型領域３に接続する細いＰ型電極５と、Ｎ型領域４に接続する細いＮ型電極６と、半導体層２を上から覆う形に形成された透明絶縁層７と、複数本のＰ型電極５を結ぶ電極８と、同じく複数本のＮ型電極６を結ぶ電極９とを備えてなるものである。
【００２６】
そしてＰ型電極５およびＮ型電極６の間の部分において、半導体層２の表面部分にはマイクロレンズ２ａが形成されている。このマイクロレンズ２ａは図２に斜視形状を示すように、一例として略半円柱状のシリンドリカルレンズである。
【００２７】
また透明絶縁層７の表面部分には、複数のマイクロレンズ７ａが形成されている。これらのマイクロレンズ７ａも例えば略半円柱状としてＰ型電極５およびＮ型電極６の間の部分に形成され、半導体層２に向かう入射光Ｌを、Ｐ型電極５あるいはＮ型電極６から外れるように集光する。
【００２８】
以下、本実施形態のフォトダイオード１０の作用について説明する。図３の（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ、上記マイクロレンズ２ａが無い場合と有る場合について、Ｐ型領域３とＮ型領域４との間のキャリア移動経路を概略的に示すものである。キャリア移動経路の概略を図中太線の矢印で示してあるが、マイクロレンズ２ａが無い場合は同図（Ａ）に示す通りであるのに対し、マイクロレンズ２ａが設けられた場合は入射光Ｌが集光されて、半導体層２の表面により近い位置において高パワーで存在するようになる。そこで、半導体層２の表面に近い位置でより多くのキャリアが形成され、よってそれらがより短時間で電極５、６まで移動するようになるので、高速応答が可能になる。
【００２９】
さらに本実施形態のフォトダイオード１０においては、半導体層２に向かう入射光Ｌを、Ｐ型電極５あるいはＮ型電極６から外れるように集光するマイクロレンズ７ａが形成されているので、入射光Ｌがそれらの電極５あるいは６に吸収されることが防止されて受光効率が高められ、フォトダイオード１０の高感度化が実現される。
【００３０】
より詳しく説明すると、本実施形態の場合、Ｐ型電極５およびＮ型電極６の上端面部分に向かって垂直入射する入射光Ｌについては、その電極への吸収を防止することはできない。しかし、図１１に示した導波光Ｌｇ等のように、Ｐ型電極５あるいはＮ型電極６の側面部分から該電極に入射しようとする光を集光して、電極への吸収を防止することができる。さらには、そのような導波光Ｌｇに限らず、入射光Ｌの中に斜め進行する成分が含まれている場合は、そのような成分がＰ型電極５あるいはＮ型電極６の側面部分から該電極に吸収されることを防止可能である。
【００３１】
次に図４を参照して、このフォトダイオード１０の作製方法について説明する。なお、以下の説明で挙げる工程（Ａ）〜（Ｈ）は、同図中の記号と対応している。まず（Ａ）基板１を用意し、（Ｂ）その上に例えばＣＶＤ法により複数の凸部４０を積層し、（Ｃ）その上に半導体層２を積層し、（Ｄ）さらにその上に透明絶縁層７を積層する。こうすることにより、半導体層２の表面および透明絶縁層７の表面にそれぞれ、凸部４０に対応して盛り上がったマイクロレンズ２ａ、７ａが形成される。なお凸部４０の形状は、所望のマイクロレンズ形状に合わせて矩形状や錘状を採用することができる。
【００３２】
（Ｅ）続いて透明絶縁層７において、マイクロレンズ２ａ、７ａを挟む位置に例えばフォトリソおよびエッチングプロセスにより複数の孔部４１を形成した後、その透明絶縁層７の上にポリシリコン層４２を積層する。次に（Ｆ）イオン打込みにより上記孔部４１にＰ型電極５およびＮ型電極６を順次形成する。このとき、半導体層２にＰ型領域３およびＰ型電極が形成される。（Ｇ）次にポリシリコン層４２を除去し、次いで（Ｈ）電極８，９を形成すると、前述した通りのフォトダイオード１０が完成する。
【００３３】
以上説明した方法では、複数の凸部４０を設け、それらに対応して盛り上がったマイクロレンズ２ａ、７ａを形成するようにしたので、容易に複数のマイクロレンズ２ａ、７ａを形成して、高感度で高速応答可能な横型フォトダイオード１０を効率良く作製可能となる。ここで材料の一例として、基板１はシリコン、半導体層２はゲルマニウム、透明絶縁層７は酸化シリコン、電極８，９はアルミニウムが挙げられる。
【００３４】
なお、上述した略半円柱状のマイクロレンズ２ａに代えて、図５に示すような例えば略円柱状のマイクロレンズ２ｂを半導体層２の表面に形成してもよい。その場合も同様に、マイクロレンズ２ｂの集光作用により、フォトダイオード１０の高速化が実現される。
【００３５】
一方Ｐ型電極５およびＮ型電極６は、Ｐ型領域３およびＮ型領域４の配置状態に対応させて適宜形状に形成することができる。また、それらのＰ型電極５およびＮ型電極６は、図１２に示したような櫛形電極構造を構成するものであってもよい。その場合、感度向上の効果が特に顕著に得られることは、先に述べた通りである。
【００３６】
次に図６を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図６において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００３７】
この第２の実施形態のフォトダイオード２０においては、図１のフォトダイオード１０で設けられていた透明絶縁層７上のマイクロレンズ７ａが省かれている。その場合、マイクロレンズ７ａの集光作用による高感度化の効果は得られないが、マイクロレンズ２ａの集光作用による高速化の効果は当然得られるものである。
【００３８】
次に図７を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態のフォトダイオード３０においては、図１のフォトダイオード１０で設けられていた透明絶縁層７上のマイクロレンズ７ａが省かれ、それに代わるものとして別体のマイクロレンズアレイ１１が取り付けられている。
【００３９】
このマイクロレンズアレイ１１は同図では側断面形状を示しているが、平面形状、側面形状はそれぞれ図８の（Ａ）、（Ｂ）に示すようなものである。すなわちマイクロレンズアレイ１１は、透明な平板１１ｂの上に、略半円柱状のマイクロレンズ１１ａがその長軸と直角な方向に複数並設されてなるもので、光学ガラスあるいはプラスチック等の透明材料から形成されている。
【００４０】
そして該マイクロレンズアレイ１１は、マイクロレンズ１１ａどうしの境界部分がＰ型電極５またはＮ型電極６の直上部分に位置し、そして左右両側端部にある２つのマイクロレンズ１１ａの縁部がＰ型電極５の上に位置しないように配設されている。なお、この横型フォトダイオード３０一素子の受光領域は、マイクロレンズアレイ１１全体が広がっている領域と略一致する。
【００４１】
以上の構成を有する通り本実施形態の横型フォトダイオード３０において、半導体層２に向かう入射光Ｌはマイクロレンズアレイ１１の各マイクロレンズ１１ａにより、同図中にＬ１で示す通り、Ｐ型電極５およびＮ型電極６から外れるように集光される。なお本実施形態におけるマイクロレンズ１１ａはいわゆるシリンドリカルレンズであるので、入射光Ｌは図７に示される面内のみで集光され、この面に対して垂直な方向には集光されない。このように入射光Ｌが集光されると、該入射光ＬがＰ型電極５あるいはＮ型電極６に吸収されることが防止されて受光効率が高くなるので、横型フォトダイオード３０の高感度化が実現される。
【００４２】
本実施形態の場合は、上述の通りのマイクロレンズアレイ１１が適用されているので、Ｐ型電極５あるいはＮ型電極６の上端面に垂直入射しようとする入射光Ｌも集光される。その結果、入射光Ｌが該電極５あるいは６に上端面から入射して吸収されることも防止される。
【００４３】
なお、シリンドリカルレンズである複数のマイクロレンズ１１ａからなるマイクロレンズアレイ１１に代えて、図９に示すように、透明な平板１２ｂの上に、略半球状のマイクロレンズ１２ａが複数並設されてなるマイクロレンズアレイ１２を用いることも可能である。上記マイクロレンズアレイ１１を用いる場合はマイクロレンズアレイ１２を用いる場合と比べて、集光が１次元方向のみになされる分、集光された光のパワー密度は低くなる。そこで、マイクロレンズアレイ１１を用いる場合の方が、より高パワーの入射光Ｌを受光可能となる。
【００４４】
なお、透明絶縁層７の上にマイクロレンズを有する別の層を設ける場合は、第３の実施形態におけるように別途作製したマイクロレンズアレイ等を透明絶縁層７の上に取り付ける他、該別の層を一連の積層プロセスによって透明絶縁層７の上に形成することもできる。後者のようにして上記別の層を形成する場合は、図４に示した凸部４０を利用する方法により、該別の層にマイクロレンズを形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態によるフォトダイオードを示す概略側面図
【図２】図１のフォトダイオードに形成されたマイクロレンズを示す斜視図
【図３】図１のフォトダイオードの作用を説明する図
【図４】図１のフォトダイオードの作製方法を説明する図
【図５】マイクロレンズの別の例を示す斜視図
【図６】本発明の第２の実施形態によるフォトダイオードを示す概略側面図
【図７】本発明の第３の実施形態によるフォトダイオードを示す概略側面図
【図８】図７のフォトダイオードに用いられたマイクロレンズアレイの平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）
【図９】マイクロレンズアレイの別の例を示す平面図（Ａ）と側面図（Ｂ）
【図１０】横型フォトダイオードの基本構造を示す概略図
【図１１】従来の横型フォトダイオードの一例を示す概略側面図
【図１２】櫛形電極構造を示す平面図
【符号の説明】
【００４６】
１    基板
２    半導体層
２ａ  マイクロレンズ
３    Ｐ型領域
４    Ｎ型領域
５    Ｐ型電極
６    Ｎ型電極
７    透明絶縁層
７ａ  マイクロレンズ
８，９    電極
１０，２０，３０    横型フォトダイオード
１１，１２    マイクロレンズアレイ
１１ａ，１２ｂ    マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008034628.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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