(57)【要約】【課題】複数の波長の信号光を共通の受光部で受光する半導体受光素子において、保護膜での透過率を複数の波長で同程度にすることを目的とする。【解決手段】一つの受光部３で波長が違う２種類の信号光８ａと８ｂを受光し、また受光部における互いの信号光の集光位置が異なり、互いの信号光の受光部上におけるレーザビームスポットが互いに重なることがない場合において、信号光８ａ、および８ｂが入射する部分の保護膜として、それぞれの信号光に対し最適化した膜厚、膜質をもった保護膜５ａ、および５ｂを形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に受光素子が形成されており、前記受光素子の上方表面部分を覆うように絶縁膜が形成されており、前記絶縁膜の膜厚または屈折率が前記上方表面部分で均一でないことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
半導体基板に受光素子が形成されており、前記受光素子の上方表面部分を覆うように絶縁膜が形成されており、前記絶縁膜の膜厚および膜質が前記上方表面部分で均一でないことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
異なる波長の光が互いに重なり合わないようにそれぞれ前記上方表面部分に入射し、前記絶縁膜は前記素子上方表面部分のそれぞれの光が入射する領域において、入射した光に対する透過率が最大となる膜厚または屈折率になっていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体受光素子。
【請求項４】
異なる波長の光がそれぞれ前記上方表面部分で重なり合って入射し、前記絶縁膜は前記素子上方表面部分のそれぞれの光が入射する領域において、それぞれの光に対して透過率が最大となる膜厚または屈折率で前記表面と平行な方向に周期構造になっていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体受光素子。
【請求項５】
異なる波長の光がそれぞれ前記上方表面部分で重なり合って入射し、前記絶縁膜は前記素子上方表面部分のそれぞれの光が入射する領域において、一の波長の光に対して透過率が最大となる膜厚または屈折率となる領域と、該領域の周囲に他の波長の光に対して透過率が最大となる膜厚または屈折率となる領域が存在していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報処理、光計測、光通信、光記録ディスク等に使用する半導体受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光情報処理、光計測、光通信等の光デバイス分野では、一般的に信号光を受光素子で検出し、その受光素子から発生する光電流を検出信号として利用している。
【０００３】
図４は、本発明を説明するために、簡略的に従来の信号光検出用受光素子を表した一例である（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
図４において、１は半導体基板（Ｐ型）、２はＮ型拡散領域、３は受光部、４は酸化膜、５は保護膜、６は受光部出力引き出し用アルミ配線、７はコンタクトホール、８は信号光である。
【０００５】
図４においてＰ型半導体基板１とＮ型拡散領域２の境界部にできるＰＮ接合を受光素子の機能として利用している。通常、半導体素子は半導体基板表面に外部からの保護を目的として、酸化膜４（シリコン酸化膜）および保護膜５（例えばシリコン窒化膜）などが積層されている。しかしながら半導体受光素子の場合、光に対する透過率を上げ、受光部感度を向上させる目的のため、通常、図４に示すように受光部３の上方部分に位置する酸化膜４はエッチングにより除去され、保護膜５が半導体基板１の表面に直接積層されているような構造が多い。また、保護膜５としての膜厚、膜質は、受光部３で受光する信号光８に対する保護膜５の透過率が最大になるような膜厚、膜質が選ばれ、かつ受光部３上での保護膜５の膜厚が均一、かつ膜質も均一となっており、いわゆる無反射防止膜（ＡＲコート）としての役割をしている。
【特許文献１】特開平４−２７１１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記の従来構成では、以下に示す課題がある。
【０００７】
近年では一つの受光部で複数の波長の信号光を受光することが多くなってきている。特に光ディスク分野においては、一つの光ディスクピックアップ装置において、ＣＤ、ＤＶＤなど複数の種類のディスクを読み書きするため、信号光としての波長も赤外光、赤色光などディスクの種類に応じた複数の波長のレーザを用いている。
【０００８】
扱う波長の複数化に伴い、光ピックアップ装置の部品点数の削減、小型化などの目的から、これら複数の波長の信号光を個別の受光素子で受光するのではなく、共通の一つの受光素子で受光することも多くなってきている。
【０００９】
しかしながら、図４に示すような半導体受光素子においては、受光部３の上方部分に位置する保護膜５は膜厚、膜質が均一に積層されているため、受光する信号光８の波長が複数となった場合、ある波長の信号光に対する保護膜５の透過率を最大、もしくは最適化させることができるが、その均一な膜質、膜厚では、別の波長の信号光に対する透過率は最大、最適とならない。
【００１０】
このため、最悪の場合、透過率が低くなってしまった波長の信号光は、受光感度が低下し、信号光による光出力信号としてのＳ／Ｎ比が劣化するなどの問題が生じる。このように信号光による光出力信号に問題が発生すると、光出力信号を利用するシステムにおいて誤動作等の悪影響を及ぼす。
【００１１】
また、複数の波長の信号光を共通の受光部で受光し、受光部から発生する光電流を共通のゲインが一つしかもたない増幅回路などで増幅させる場合、波長により受光部感度が異なるため、受光部で発生する光電流量も波長により異なることになるので、増幅回路からの出力信号振幅などが波長により異なることとなる。受光部からの光電流を増幅する後段の増幅回路からの出力信号を制御信号などに用いる場合、波長により出力信号振幅が異なるので、波長によっては、うまく制御が働かないなどの不具合が生じる。これを回避するには光電流を増幅する後段の増幅回路のゲインを波長に応じて変化させる回路機構を設け、信号出力振幅を波長に依存しないで一定となるように出力すれば回避できるが、増幅回路における回路規模の増加、ＩＣチップの面積増加となり、最終的にはコスト増加へ繋がる問題であり好ましくない。
【００１２】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、複数の波長の信号光を共通の受光部で受光する場合、保護膜での透過率を複数の波長で同程度にする、もしくは保護膜の膜厚、膜質が均一であった場合、透過率が低くなる方の波長に対する透過率を少しでも向上させることを目的とした半導体受光素子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】
【００１３】
上記の課題を解決するための本発明の半導体受光素子は、半導体基板に受光素子が形成されており、前記受光素子の上方表面部分を覆うように絶縁膜が形成されており、前記絶縁膜の膜厚または屈折率が前記上方表面部分で均一でないことを特徴とする。
【００１４】
また、前記絶縁膜の膜厚および膜質が前記上方表面部分で均一でなくてもよい。
【００１５】
異なる波長の光が互いに重なり合わないようにそれぞれ前記上方表面部分に入射し、前記絶縁膜は前記素子上方表面部分のそれぞれの光が入射する領域において、入射した光に対する透過率が最大となる膜厚または屈折率になっていることが好ましい。
【００１６】
異なる波長の光がそれぞれ前記上方表面部分で重なり合って入射し、前記絶縁膜は前記素子上方表面部分のそれぞれの光が入射する領域において、それぞれの光に対して透過率が最大となる膜厚または屈折率で前記表面と平行な方向に周期構造になっていてもよい。
【００１７】
異なる波長の光がそれぞれ前記上方表面部分で重なり合って入射し、前記絶縁膜は前記素子上方表面部分のそれぞれの光が入射する領域において、一の波長の光に対して透過率が最大となる膜厚または屈折率となる領域と、該領域の周囲に他の波長の光に対して透過率が最大となる膜厚または屈折率となる領域が存在していてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
通常、半導体受光素子において、受光部上方に位置する保護膜を均一に形成しているが、本発明によれば、この保護膜を不均一に形成させることにより、受光部で受光する複数の波長の信号光に対する透過率を、それぞれの信号光の波長に応じて最適化させる手段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】
【００１９】
以下、本発明による実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２０】
また、本発明は受光素子の保護膜について適切な膜厚、膜質を提案することに関するものであるため、以下の説明における図面は受光素子断面構造のみを用いて説明を実施し、図４にあるような受光部を真上から見た平面図については、同様に適用されるものとし説明を省略する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態による半導体受光素子の断面構成図である。図１において、５は保護膜、５ａは保護膜ａ、５ｂは保護膜ｂ、８ａは波長ａの信号光、８ｂは波長ｂの信号光であり、その他、図４と共通の説明項目については図４と同じ番号を付け、説明を省略する。
【００２２】
また表面保護膜について、本発明についての説明を容易にするため、受光部３の上方部分以外を保護する通常の保護膜５と、受光部３の上方部分に位置し、信号光の透過率に影響を及ぼす部分の保護膜としての保護膜５ａと保護膜５ｂとにあえて区別して記述しているが、保護膜５ａ、もしくは保護膜５ｂが、信号光が当たらない部分の保護膜５と膜質、膜厚などが同じであるか、異なるかは、本発明に対して問題とならない。以降の実施の形態においても同様である。
【００２３】
また、本実施の形態については、説明を簡略化するため、受光素子で受光する波長として２種類に限定して説明を行うが、２種類以上の波長を扱う場合であっても本発明の原理、考え方は、同様に適応される。以降の実施の形態においても同様である。
【００２４】
本実施の形態では、一つの受光部３で波長が違う２種類の信号光８ａと８ｂを受光し、また受光部における互いの信号光の集光位置が異なり、互いの信号光の受光部上におけるレーザビームスポットが互いに重なることがないような場合についての説明である。
【００２５】
本実施の形態では、信号光８ａ、および８ｂが入射する部分の保護膜として、それぞれの信号光に対し最適化した膜厚、膜質をもった保護膜５ａ、および５ｂを形成したことを特徴とする。
【００２６】
保護膜による信号光の透過率は、半導体基板の屈折率、保護膜の膜厚、および保護膜の屈折率により決定されるので、本実施の形態の場合、保護膜５ａおよび５ｂの膜厚、もしくは膜質（屈折率）をそれぞれの信号光８ａ、８ｂに応じて最適化することにより、それぞれの信号光に応じた透過率に調整することができる。
【００２７】
なお受光素子から発生する光電流量は、
光電流量＝入射光量×保護膜透過率×光電変換効率（量子効率）            （式１）
で決まる。
【００２８】
この関係式に基づき、２種類の波長の信号光に応じた適切な透過率となるよう保護膜の膜厚、膜質を選択すれば、それぞれの波長を受光した場合に発生する光電流量を等しくさせるなど容易に調整可能である。
【００２９】
また、それぞれの膜厚をそれぞれの信号光の透過率が最大になるように設定すれば、当然、受光部からの光電流量はそれぞれ最大となる。例えば、信号光による光出力信号をある一定出力となるように信号光の光源の発光パワーを調整するような装置において受光素子が使用される場合、透過率を最大になるよう最適化できるので、最適化できない場合と比較して光源の発光パワーを低く抑えることができ、光源の信頼性向上にもつながる。特に光ピックアップ装置においては、光源として半導体レーザが用いられており、発光パワーを抑えることは、レーザ動作電流の低減による省エネ化、半導体レーザの製品寿命等の信頼性向上につながる。
【００３０】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態による半導体受光素子の断面構成図である。図２において、５は保護膜、５ａは保護膜ａ、５ｂは保護膜ｂ、８ａは波長ａの信号光、８ｂは波長ｂの信号光であり、その他、図４と共通の説明項目については図４と同じ番号を付け、説明を省略する。
【００３１】
本実施の形態では、一つの受光部３で波長が違う２種類の信号光８ａと８ｂを受光し、また互いの信号光の入射位置、レーザスポットサイズがほぼ同じで、互いに信号光の通過位置が重なり合うような場合についての説明である。
【００３２】
本実施の形態においては、信号光のレーザスポットサイズよりも十分に小さい幅を持った保護膜５ａ、および保護膜５ｂを互いに交互に周期的に形成させたことを特徴とする。
【００３３】
またレーザスポットサイズに対し保護膜の幅、周期幅が十分に小さいので、保護膜５ａ、および５ｂの幅を同程度にしておけば、これら保護膜５ａ、および５ｂに対する信号光８ａ、および８ｂの透過率は、それぞれの保護膜に対する透過率の平均として表れる。つまり信号光８ａが感じる保護膜５ａ、および５ｂに対する透過率をそれぞれＴａ(８ａ)、Ｔｂ(８ａ)とし、同様に信号光８ｂが感じる保護膜５ａ、および５ｂに対する透過率をそれぞれＴａ(８ｂ)、Ｔｂ(８ｂ)とすれば、信号光８ａ、および８ｂのこれらの保護膜に対する透過率Ｔ(８ａ)，Ｔ(８ｂ)はそれぞれ、
Ｔ(８ａ)＝｛Ｔａ(８ａ)＋Ｔｂ(８ａ)｝／２                              （式２）
Ｔ(８ｂ)＝｛Ｔａ(８ｂ)＋Ｔｂ(８ｂ)｝／２                              （式３）
と表現される。
【００３４】
ここでＴａ(８ａ)、Ｔｂ(８ａ)、Ｔａ(８ｂ)、Ｔｂ(８ｂ)を適当になるようにそれぞれの保護膜５ａ、および５ｂの膜厚、膜質を設計してやれば、平均的な透過率Ｔ(８ａ)，Ｔ(８ｂ)を調整することが可能である。
【００３５】
（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態による半導体受光素子の断面構成図である。図３において、５は保護膜、５ａは保護膜ａ、５ｂは保護膜ｂ、８ａは波長ａの信号光、８ｂは波長ｂの信号光であり、その他、図４と共通の説明項目については図４と同じ番号を付け、説明を省略する。
【００３６】
本実施の形態では、実施の形態２と類似しており、一つの受光部３で波長が違う２種類の信号光８ａと８ｂを受光し、また互いの信号光の入射位置は同じで、互いに信号光の通過位置が重なり合うが、レーザスポットサイズが異なる場合についての説明である。
【００３７】
本実施の形態においては、例えば信号光８ａだけが当たる部分の保護膜５ａの透過率を信号光８ａに対して最大となるように膜厚、膜質を調整し、信号光８ａが当たる部分以外で信号光８ｂが当たる部分の保護膜５ｂの透過率を信号光８ｂに対して最大となるように膜厚、膜質を調整することを特徴としている。
【００３８】
このようにすれば、例えば従来例のように保護膜５ａだけで均一に保護膜が形成されていた場合、信号光８ａの透過率は最大となるが、信号光８ｂは最大とならない。今回の実施の形態のように信号光８ａが当たる部分以外の保護膜を信号光８ｂに対し最大の透過率となるようにすると、従来のような均一な保護膜５ａだけのときよりも、信号光８ｂにとっての透過率は少なくとも向上する。
【００３９】
また適当な透過率となるよう保護膜５ａ、保護膜５ｂの膜厚、膜質を設計すれば、信号光８ｂに対する平均的な透過率を調整することも可能である（信号光８ａに対する透過率は一義的に保護膜５ａの性質だけで決まる）。例えば、信号光８ｂが感じる保護膜５ａ、および５ｂに対する透過率をそれぞれＴａ(８ｂ)、Ｔｂ(８ｂ)とし、信号光８ｂが保護膜５ａに入射する面積をＳａ（８ｂ）、同様に信号光８ｂが保護膜５ｂに入射する面積をＳｂ（８ｂ）とすれば、信号光８ｂに対する平均的な透過率Ｔ（８ｂ）は、
Ｔ（８ｂ）＝｛Ｔａ(８ｂ)×Ｓａ（８ｂ）＋Ｔｂ(８ｂ)×Ｓｂ（８ｂ）｝
／｛Ｓａ（８ｂ）＋Ｓｂ（８ｂ）｝                  （式４）
で表される。
【００４０】
これまでの本発明に対する説明として、３つの実施の形態を用い、信号光の入射状態が異なる３種類の保護膜の形状についてしか記述していないが、本発明はこの３種類の信号光入射状態、保護膜形状に対してのみ適用されるものでなく、一つの受光部の上方部分に形成する保護膜を均一でなく、不均一になるように形成させるすべての保護膜形状について適用されるものである。
【００４１】
また、これまでの本発明の実施の形態についての説明において、受光部上方位置に形成させる保護膜として２種類の保護膜５ａ、および５ｂしか用いて説明をしていなかったが、本発明は保護膜の種類として特に２種類に限定するものではない。
【００４２】
また、これまでの本発明の実施の形態についての説明において、受光部上方位置に形成させる保護膜として単層の保護膜しか想定していなかったが、複数層からなる積層した保護膜であっても、取り扱うそれぞれの波長の光に対し透過率を最適化した性質の異なる数種の保護膜を用い、受光部表面上に不均一に保護膜を形成させる本発明の原理、考え方は適用されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る半導体受光素子は、異なる波長の光を同一の素子で受光できる受光素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における半導体受光素子の構成図
【図２】本発明の第２の実施の形態における半導体受光素子の構成図
【図３】本発明の第３の実施の形態における半導体受光素子の構成図
【図４】従来の半導体受光素子の構成図
【符号の説明】
【００４５】
１  半導体基板（Ｐ型）
２  Ｎ型拡散領域
３  受光部
４  酸化膜
５  保護膜
５ａ  保護膜ａ
５ｂ  保護膜ｂ
６  受光部出力引き出し用アルミ配線
７  コンタクトホール
８  信号光
８ａ  波長ａの信号光
８ｂ  波長ｂの信号光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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