(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ディスクに対してデータの書き込み及び読み出しを行うために使用される受光素子において、
少なくとも最表面に第１の第１導電型半導体層を有する半導体構造と、
該第１の第１導電型半導体層上に形成された、該第１の第１導電型半導体層より不純物濃度の低い第１の第２導電型半導体層と、
該第１の第２導電型半導体層上に形成された、該第１の第２導電型半導体層より不純物濃度の低い第２の第２導電型半導体層と、
該第２の第２導電型半導体層上に設けられた第２の第１導電型半導体層、または、該第２の第２導電型半導体層内に設けられた第２の第１導電型半導体層と、
を具備し、
該第１の第１導電型半導体層および該第１の第２導電型半導体層は、該第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域にＰＮ接合領域を形成し、該ＰＮ接合領域にて該第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域に発生した光キャリアを取り込む空乏層が形成されている受光素子。
【請求項２】
前記半導体構造は、第１導電型半導体基板である請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記半導体構造は、第２導電型半導体基板上に前記第１の第１導電型半導体層が形成されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項４】
前記半導体構造は、第１導電型半導体基板上に前記第１の第１導電型半導体層が形成されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項５】
前記第１導電型半導体基板に含まれる不純物元素がアンチモン（Ｓｂ）である請求項２または４に記載の受光素子。
【請求項６】
前記第１の第１導電型半導体層に含まれる不純物元素がアンチモン（Ｓｂ）である請求項１または３に記載の受光素子。
【請求項７】
前記第１の第２導電型半導体層に含まれる不純物元素がボロン（Ｂ）である請求項１〜６のいずれかに記載の受光素子。
【請求項８】
前記第１の第２導電型半導体層に含まれる不純物濃度が１×１０１６〜２×１０１８／ｃｍ３である請求項１に記載の受光素子。
【請求項９】
前記第１の第１導電型半導体層の厚さが７μｍ以下である請求項３または４に記載の受光素子。
【請求項１０】
前記第２の第１導電型半導体層および前記第２の第２導電型半導体層の厚さの合計ｄが、入射光の吸収係数Ｇに対して、
ＥＸＰ（−Ｇｄ）＜０．０２
の関係を満足するように設定されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項１１】
前記第２の第２導電型半導体層の厚さは、該第２の第２導電型半導体層と前記第２の第１導電型半導体層との界面のＰＮ接合領域に、逆バイアス電圧を印加した際に生じる空乏層の電界強度が０．３Ｖ／μｍ以上となるように設定されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項１２】
前記第１導電型半導体層が、エピタキシャル成長層で形成されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項１３】
前記第２の第１導電型半導体層が、エピタキシャル成長層で形成されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項１４】
前記第２の第１導電型半導体層が、熱拡散法によって形成されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項１５】
前記第１の第２導電型半導体層が、エピタキシャル成長層で形成されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項１６】
前記第１導電型半導体基板の比抵抗が０．５Ωｃｍ以下である請求項４に記載の受光素子。
【請求項１７】
前記第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域の内蔵電界強度が増加している請求項１〜４のいずれかに記載の受光素子。
【請求項１８】
前記第１の第２導電型半導体層と前記半導体構造の第１導電型半導体層との界面のＰＮ接合領域の接合面積が０．２５ｍｍ２以上である請求項１〜１７のいずれかに記載の受光素子。
【請求項１９】
前記第１の第２導電型半導体層または前記第２の第２導電型半導体層と、前記半導体構造の第１導電型半導体層とが外部配線にて短絡されている請求項１、２、４〜１７のいずれかに記載の受光素子。
【請求項２０】
前記半導体構造の第１導電型半導体基板が外部配線によって高電位に接続されている請求項１、２、４のいずれかに記載の受光素子。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれかに記載の受光素子と、その受光素子にて検出された信号を処理する信号処理回路とが同一基板上に設けられていることを特徴とする回路内蔵受光素子。
【請求項２２】
請求項３または４に記載の受光素子に形成されている前記半導体構造の第１導電型半導体層は、少なくとも前記信号処理回路が設けられている領域に形成されていない請求項２１に記載の回路内蔵受光素子。
【請求項２３】
請求項１〜２０のいずれかに記載の受光素子、または、請求項２１または２２に記載の回路内蔵受光素子を搭載した光ピックアップ。
【請求項２４】
前記受光素子を搭載するフレームがグランド（ＧＮＤ）に接続されている請求項２３に記載の光ピックアップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ等の光ディスクに対してデータの書き込みおよび読み出しを行うために使用される受光素子、受光素子を内蔵した回路内蔵受光素子およびそれらを搭載した光ピックアップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）は、受光面に入射した光を電気信号に変換する半導体素子であり、例えば、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ等に代表される光ディスクのデータの書き込み等を行う光ディスク装置の光ピックアップに使用されている。
【０００３】
図１２は、フォトダイオードを用いた光ピックアップの概略構成を示す図である。図に示す光ピックアップは、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ等の光ディスク３４の情報記録面の所定の位置にデータを書き込むための光を照射する半導体レーザ（レーザダイオード）ＬＤ、および、光ディスク３４の情報記録面の所定の位置からの反射光を電気信号に変換するフォトダイオードＰＤを有している。また、フォトダイオードＰＤは、５つの分割された光検出部Ｄ１〜Ｄ５を有する。
【０００４】
半導体レーザＬＤから出射されたレーザ光は、半導体レーザＬＤとホログラム素子３１との間に配置されたトラッキングビーム生成用回折格子３０によって、２つのトラッキング用副ビームと情報信号読み出し用主ビームとの３つのレーザビームに分けられる。そして、これらのレーザビームは、ホログラム素子３１を０次光として透過し、コリメートレンズ３２により平行にされ、対物レンズ３３によって、光ディスク３４の情報記録面上に集光されビームスポットが形成される。光ディスク３４の情報記録面のトラック上には、凹凸、磁気変調、屈折率変調等の手段によりビット情報が書きこまれている。
【０００５】
光ディスク３４の情報記録面のトラック上に集光されたレーザビームは、情報記録面のトラック上に記録された情報に応じてピットにて変調され、光ディスク３４の情報記録面から反射される。光ディスク３４の情報記録面からの反射光は、対物レンズ３３およびコリメートレンズ３２を透過し、ホログラム素子３１によって回折され、一次回折光としてフォトダイオードＰＤの各光検出部Ｄ１〜Ｄ５に導かれる。
【０００６】
前述のホログラム素子３１は、回折周期の異なる２つの領域３１ａおよび３１ｂを有しており、ホログラム素子３１の一方の領域に入射した情報信号読み出し用主ビームの反射光の一方が、フォトダイオードＰＤの光検出部Ｄ２およびＤ３を分割する分割線上に集光され、ホログラム素子３１の他方の領域に入射した他方の反射光が、フォトダイオードＰＤの光検出部Ｄ４の上に集光される。また、トラッキング用副ビームの反射光は、ホログラム素子３１によって、フォトダイオードＰＤの光検出部Ｄ１およびＤ５の上にそれぞれ集光される。
【０００７】
図１２に示す光ピックアップは、ホログラム素子３１と光ディスク３４との距離の変化に応じて、フォトダイオードＰＤ上における情報信号読み出し用主ビームの反射光の集光される位置が、フォトダイオードＰＤの一対の光検出部Ｄ２およびＤ３が並んだ方向に沿って変化する。そして、情報信号読み出し用主ビームの焦点が光ディスク３４の情報記録面上に合っているときには、情報信号読み出し用主ビームの反射光が、前述のフォトダイオードＰＤの一対の光検出部Ｄ２およびＤ３の間の分割線上に入射する。
【０００８】
これにより、フォトダイオードＰＤにおける各光検出器Ｄ１〜Ｄ５に対応する出力をＳ１〜Ｓ５とすると、フォーカス誤差信号ＦＥＳは、
ＦＥＳ＝Ｓ２−Ｓ３
によって与えられる。
【０００９】
一方、トラッキング誤差は、２つのトラッキング用副ビームを、フォトダイオードＰＤの光検出部Ｄ１およびＤ５の上に集光させ、トラッキング誤差信号ＴＥＳを求めることによって検出される。トラッキング誤差信号ＴＥＳは、
ＴＥＳ＝Ｓ１−Ｓ５
によって与えられ、トラッキング誤差信号ＴＥＳが０である場合、情報信号読み出し用主ビームは、光ディスク３４の情報記録面上の照射すべきトラック上に集光されている。
【００１０】
また、光ディスク３４の情報記録面のデータを読み出す再生（読み出し）信号ＲＦは、情報信号読み出し用主ビームの反射光を受光するフォトダイオードＰＤの光検出部Ｄ２〜Ｄ４の出力の総和として、
ＲＦ＝Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４
によって与えられる。
【００１１】
このように、光ピックアップにおいて、フォトダイオードＰＤは、光ディスク３４の情報記録面からの反射光である情報記録面に書き込まれたデータ信号の再生信号ＲＦを検出するとともに、半導体レーザＬＤからのレーザ光の焦点調整を行うためのフォーカス信号であるフォーカス誤差信号ＦＥＳおよび光ディスク３４の情報記録面上のレーザ光の照射位置を確認するためのアドレス信号であるトラッキング誤差信号ＴＥＳを検出する。これにより、光ピックアップは、フォトダイオードにて検出されるフォーカス誤差信号ＦＥＳおよびトラッキング誤差信号ＴＥＳによって、データが書き込まれている光ディスク３４に対して、半導体レーザＬＤから出射されるレーザ光が、光ディスク３４の情報記録面上の所定の位置に正確に照射されるように制御している。
【００１２】
近年、このような光ピックアップを使用した光ディスク装置によってデータの書き込み等が行われる光ディスクは、映像データ等の多量のデータを取り扱うようになってきており、光ディスクに対するデータ量の増加に伴い、光ディスクの情報記録面へのデータの書き込み（記録）速度および読み出し（再生）速度を高速化（１６倍速、３２倍速等）することによって、光ディスクに対するデータの書き込み時間および読み出し時間を短縮する要望が非常に強くなっている。
【００１３】
光ディスク装置の光ピックアップには、図１２に示す受光素子であるフォトダイードＰＤを信号処理回路とともに同一素子内に形成した回路内蔵受光素子が用いられている。光ディスクの情報記録面へのデータの書き込み速度および読み出し速度を高速化するためには、フォトダイオードが高速動作する必要があり、このために、フォトダイオードの入射光に対する応答速度を向上させることが重要になる。
【００１４】
フォトダイオードの応答速度は、主に、ＰＮ接合領域の空乏層における接合容量（Ｃ）およびカソード領域、アノード領域等における直列抵抗（Ｒ）により決定されるＣＲ時定数と、空乏層より深い半導体層内で発生した光キャリアが光キャリアの濃度差に基づく拡散により発生領域から空乏層の端部まで移動する移動時間とによって決定される。フォトダイオードの応答速度は、ＣＲ時定数が小さく、光キャリアの移動時間が短くなると速くなる。
【００１５】
光ディスク装置において、光ディスクの情報記録面へのデータの書き込みは、半導体レーザＬＤからのレーザ光の熱により光ディスクの情報記録面上の色素の形状もしくは色素を相変化させること等により行われる。このため、光ディスクの情報記録面へのデータの書き込み時間を短縮するためには、半導体レーザＬＤから光ディスクの情報記録面に照射するレーザ光の光出力を大きくし、光量を多くする必要がある。この場合、光ディスクの情報記録面から反射して、フォトダイオードＰＤに入射する光（反射光）の光量も多くなる。フォトダイオードに入射する反射光の光量が多くなると、フォトダイオードを形成する半導体層の内部にて発生した光キャリアが、ＰＮ接合領域の付近に蓄積するため、この光キャリアの蓄積によって空乏層の間隔が狭くなり、接合容量が増加する現象が生じる。その結果、フォトダイオードの遮断（カットオフ）周波数が低下し、フォトダイオードの応答速度が遅くなるおそれがある。
【００１６】
このような光キャリアの蓄積によるフォトダイオードの応答速度の低下に対して、フォトダイオードのＰＮ接合領域の空乏層の幅を制限し、空乏層内の電界強度を上げることによって、半導体層の内部にて発生した光キャリアがＰＮ接合領域の近傍へ蓄積することによる空乏層の幅が狭くなることを防止できる。
【００１７】
ところが、フォトダイオードのＰＮ接合領域の空乏層の幅を制限する場合、フォトダイオードの受光面に入射した光によって、空乏層より深い半導体層内部にて発生する光キャリアは、光キャリアの濃度差に基づいた拡散によって空乏層よりも深い半導体層内部から空乏層の端部までゆっくりと移動するために、光キャリアの移動時間が長くなる。この結果、光キャリアの移動時間が増加し、フォトダイオードの応答速度が低下するおそれがある。
【００１８】
このような問題を改善するフォトダイオードの構成が、特開２００１−７７４０１号公報（特許文献１）に開示されている。
【００１９】
図１３（ａ）は、前述の公報に開示されているフォトダイオードの断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＷ−Ｗ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度分布を表すグラフである。
【００２０】
図１３（ａ）に示すフォトダイオードは、低比抵抗Ｐ型半導体基板７上に、この低比抵抗Ｐ型半導体基板７よりも不純物濃度の高いＰ＋型埋め込み拡散層２と、低比抵抗Ｐ型半導体基板７よりも不純物濃度の低い高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３と、Ｎ型エピタキシャル層４とが順番に形成された積層構造を有している。高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面には、複数のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２が所定の領域に形成されており、Ｎ型エピタキシャル層４内のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２上には、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１が形成されている。Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１の表面は、Ｎ型エピタキシャル層４の表面に露出している。このように、図１３（ａ）に示すフォトダイオードは、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２およびＰ＋分離埋め込み拡散層１１によって囲まれた領域に形成されている。
【００２１】
図１３（ａ）に示すフォトダイオードの表面から内部への不純物濃度分布は、図１３（ｂ）に示すような分布である。
【００２２】
Ｎ型エピタキシャル層４の不純物濃度は、フォトダイオードの表面からＮ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面のＰＮ接合領域まで均一に分布するように設定されている。
【００２３】
Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面のＰＮ接合領域では、Ｎ型エピタキシャル層４および高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の不純物濃度が、相互に補償されて、急激に低下している。このため、ＰＮ接合領域では、接合面に向かってＮ型エピタキシャル層４および高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３から強い電界が生じている。
【００２４】
高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の不純物濃度は、ＰＮ接合領域を除いて、Ｎ型エピタキシャル層４の不純物濃度よりも低く、均一に分布するように設定されている。
【００２５】
Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度は、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の不純物濃度より高く設定されており、さらに、不純物濃度のピーク値を持つ曲線状のプロファイルになるように設定されている。このため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２は、不純物濃度のピーク値を持つ領域から高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の領域が高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３に対してポテンシャル（電位）が高くなっている。この結果、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値を持つ領域から高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３に向かって内蔵電界が生じている。
【００２６】
低比抵抗Ｐ型半導体基板７の不純物濃度は、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値よりも低く、均一に分布するように設定されている。このため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値を持つ領域のポテンシャルは、低比抵抗Ｐ型半導体基板７の電子に対してポテンシャルバリア（電位障壁）として作用する。
【００２７】
このような構成のフォトダイオードでは、フォトダイオードの受光面であるＮ型エピタキシャル層４の表面から入射した光によって、Ｐ＋型埋め込み拡散層２より内部の低比抵抗Ｐ型半導体基板７で発生した光キャリアは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の低比抵抗Ｐ型半導体基板７側の領域のポテンシャルが、低比抵抗Ｐ型半導体基板７のポテンシャルに対して、ポテンシャルバリアとして作用するため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２を越えて高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面に形成されるＰＮ接合領域まで到達する比率が低下する。このため、低比抵抗Ｐ型半導体基板７で発生した多数の光キャリアは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２のポテンシャルバリアによって、ＰＮ接合領域まで到達できず、低比抵抗Ｐ型半導体基板７内で再結合して消滅する。
【００２８】
これにより、図１３（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードは、フォトダイオードの内部の深い位置にて発生して、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面に形成されるＰＮ接合領域である空乏層の端部までの長い距離を光キャリアの濃度差に基づく拡散によって移動する光キャリアの数を低減させることが可能となる。この結果、フォトダイオードの応答速度が低下することを防止できる。
【００２９】
また、図１３（ｂ）に示すように高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＰ＋型埋め込み拡散層２との不純物濃度の濃度差を大きくすると、Ｐ＋型埋め込み拡散層２から高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の方向に生じる内蔵電界の電界強度が強くなる。このため、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面の空乏層よりも下方の領域と、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値の領域よりフォトダイオードの表面側の領域との間にて発生した光キャリアの移動速度が速くなる。これにより、光ディスクの情報記録面へのデータの書き込み時において、書き込み時間を短縮するために、大光量のレーザ光が光ディスクの情報記録面に照射され、情報記録面からの大光量の反射光がフォトダイオードに入射する場合でも、フォトダイオードの応答速度を向上させることができる。
【００３０】
また、データ書き込み時間を短縮するために、大光量のレーザ光が光ディスクの情報記録面に照射され、情報記録面からの大光量の反射光がフォトダイオードに入射する場合でも、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面の空乏層近傍における電荷の蓄積によるフォトダイオードの応答速度の低下を抑制するために、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の厚みを所定値だけ薄くし、空乏層の間隔を制限することによって空乏層内の電界強度を強めても良い。これにより、フォトダイオードの応答速度を向上させることができる。
【００３１】
通常、光ディスクの情報記録面へのデータの書き込みを行う書き込みモードでは、データの書き込みと、書き込まれたデータが情報記録面上の所定の位置に正確に書き込まれたかどうかを確認するために、アドレス信号の読み出しとを交互に行っている。
【００３２】
光ディスク装置の書き込みモードでは、データの書き込みには光出力の大きいレーザ光が光ディスクの情報記録面上に照射され、アドレス信号の読み出しモードでは、データの書き込み時のレーザ光の光出力よりも非常に低い一定のレーザ光が光ディスクの情報記録面上に照射される。そして、そのレーザ光が光ディスクによって反射されて、データの書き込み時の反射光の２／１００以下の光がフォトダイオードにて検出される。
【００３３】
フォトダイオードは、書き込みモードにおけるアドレス信号を読み出す際には、微弱なレーザ光の反射光によって生じる光キャリアを確実に検出する必要があり、そのために、データの書き込み時において、光出力の大きいレーザ光の反射光によって発生した光キャリアを高速にて光電流として取り出し、一部の余分な光キャリア（移動時間の長いキャリア）を再結合させることで、信号となる光電流に寄与させないことにより、その後のアドレス信号の読み出しを迅速に行うことができる。
【００３４】
【特許文献１】
特開２００１−７７４０１号公報（第７―８頁、第３図）
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ディスク装置による光ディスクへのデータの書き込み速度が、さらに、高速化され、データの書き込み時におけるレーザ光の光出力が一層大きくなる傾向にある。このように、レーザ光の光量が増加すると、書き込みモードでは、光ディスクへのデータの書き込みを行った直後には、フォトダイオードによって、アドレス信号を読み出せないおそれがある。
【００３６】
この現象について、シミュレーションを使用して分析した結果、光ディスクへのデータ書き込み時に、フォトダイオードの半導体層のＰＮ接合領域よりも深い領域にて発生した光キャリアにおいて、一部の光キャリアは、ＰＮ接合領域まで移動して光電流として検出されるまでに、移動時間が長くなることが確認された。そして、移動時間の長い光キャリアによる信号（光電流）のレベルが、アドレス信号のレベルと比較して所定のレベル以上になると、移動時間の長い光キャリアによる信号とアドレス信号とが重畳された信号（光電流）として検出され、アドレス信号としての光電流が読み出せなくなるおそれがある。
【００３７】
以下に、図１３（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードにおいて、書き込みモードにおいて、アドレス信号としての光電流が読み出せなくなるメカニズムについて説明する。
【００３８】
図１４は、図１３（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードのパルスレーザ光（波長λ＝７８０ｎｍ）に対する応答特性を示すグラフである。このグラフは、光ディスク装置の書き込みモードにおけるデータの書き込み時の高光出力のパルスレーザ光よる反射光によって、フォトダイオードの内部の各領域に発生した光キャリアが外部回路に取り出されることによって発生する光電流（出力電流）の時間変化を示している。
【００３９】
図１４のグラフ内の上部には、図１３（ｂ）に示す各半導体層が示されており、Ｎ型エピタキシャル層４はＢ領域、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３はＣ領域、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の傾斜領域はＤ領域、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の不純物濃度のピーク値近傍の領域はＥ領域、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域から低比抵抗Ｐ型半導体基板１側の領域はＦ領域になっている。
【００４０】
図１４にＡで示す実線は、光キャリア全体としての応答速度を表し、高光出力のレーザ光よる反射光によって発生した光キャリアが光電流として外部回路に取り出され、発生した光キャリアによる光電流が、アドレス信号の読み出し可能な２／１００以下に減少するまでに、約１４ｎｓｅｃ程度の時間がかかることを表している。
【００４１】
フォトダイオードに入射された高光出力のパルスレーザ光よる反射光によって、フォトダイオード内部の各領域に発生した光キャリアは、以下の４つの成分に分類できる。
【００４２】
▲１▼Ｎ型エピタキシャル層４および高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の界面に形成される空乏層内にて発生し空乏層内の電界によって高速に移動する光キャ
リア成分（Ｂ領域およびＣ領域に発生する光キャリア）
▲２▼Ｎ型エピタキシャル層４および高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の界面に形成される空乏層の外側にて発生しＰ＋型埋め込み拡散層２の内蔵電界によっ
て移動する光キャリア成分（Ｄ領域に発生する光キャリア）
▲３▼Ｐ＋型埋め込み層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域にて発生し光キャリアの濃度差に基づく拡散によって移動する光キャリアの成分（Ｅ領域に発生
する光キャリア）
▲４▼Ｐ＋型埋め込み層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域より低比抵抗Ｐ型半導体基板７側の深い領域にて発生し、再結合によって殆ど消滅し僅かに光電
流として寄与する成分（Ｆ領域に発生する光キャリア）
▲１▼〜▲４▼の各成分の光キャリアの応答速度は、▲１▼の成分の光キャリアが最も速く、
▲２▼の成分の光キャリア、▲３▼の成分の光キャリアの順で遅くなり、▲４▼の成分の光キャリアは、再結合によってほとんど消滅し、わずかしか光電流に寄与しなくて、応答速度が最も遅い。
【００４３】
▲１▼の成分の光キャリアは、５ｎｓｅｃ以内で、殆ど光電流として外部回路に取り出される。▲２▼の成分の光キャリアは、２６ｎｓｅｃ以内で、殆ど光電流として外部回路に取り出される。▲３▼の成分の光キャリアは、約２８ｎｓｅｃで、殆ど光電流として外部回路に取り出される。▲４▼の成分の光キャリアは、３０ｎｓｅｃ経過後も、光電流として外部回路に取り出されない光キャリアが存在する。
【００４４】
次に、図１５は、図１３（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードに、高光出力のパルスレーザ光（波長λ＝７８０ｎｍ）による反射光が入射した場合のフォトダイオードの表面から深さ方向への光強度の変化を示すグラフである。光強度は、フォトダイオードの表面から深さ方向へ指数関数的に減少している。例えば、フォトダイオードの表面からＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値までの距離が１７μｍの場合、フォトダイオードの表面の光強度に対して、前述のＰ＋型埋め込み拡散層２の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の不純物濃度のピーク値近傍の領域であるＥ領域と、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域から低比抵抗Ｐ型半導体基板１側の領域であるＦ領域との境界近傍では、フォトダイオードの表面の光強度の１３％まで減少している。
【００４５】
フォトダイオードの表面から内部の各領域にて発生する光キャリアの絶対数は、それぞれの領域における光強度に比例するため、Ｎ型エピタキシャル層４のＢ領域、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３のＣ領域およびＰ＋型埋め込み拡散層２の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の傾斜領域のＤ領域において、全体の光キャリアの８０％以上が発生している。
【００４６】
▲３▼の成分の光キャリアおよび▲４▼の成分の光キャリアは、それぞれＥ領域およびＦ領域で発生しており、どちらの領域もフォトダイオードの表面から空乏層より深い領域であるため、発生する光キャリアの絶対数は少なく、通常の光ディスク装置によるデータの読み出しモードでは、アドレス信号の読み出し時に、アドレス信号のレベルに対して全く影響がない。
【００４７】
これに対して、光ディスク装置によるデータの書き込みモードでは、データの書き込み時に、フォトダイオードに入射する光ディスクからの反射光の光量が多くなり、これに伴いＥ領域で発生する▲３▼の成分の光キャリアおよびＦ領域で発生する▲４▼の成分の光キャリアの絶対数も増加する。
【００４８】
データの書き込み直後に実施されるアドレス信号の読み出し時には、フォトダイオードによって検出される光信号は、データの書き込み時に光ディスクによる反射光の２／１００以下の光出力の微小な一定の信号である。このため、データ書き込み直後に、アドレス信号を読み出す場合、データ書き込み時にフォトダイオードの内部の前述の▲３▼の成分の光キャリアおよびＦ領域で発生する▲４▼の成分の光キャリアが増加するために、これらの応答速度の遅い光キャリアによる光電流のレベルがデータ書き込み直後にはアドレス信号により発生する光キャリアに基づく光電流のレベルと比較して所定のレベル以上となり、応答速度の遅い光キャリアによる光電流がアドレス信号に基づく光電流に重畳されて、アドレス信号としての光電流を検出できないおそれがある。
【００４９】
このような現象は、光ディスク装置によるデータの書き込みモードにおいて、高速にてデータの書き込みが行われる場合、高出力であって光量の多いパルスレーザ光が使用されると起こりやすくなり、データの書き込み時の高速化を図る場合の大きな問題となる。
【００５０】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、空乏層より深い領域で発生し、空乏層近傍まで移動するのに時間のかかる応答速度の遅い光キャリアを低減することによって、光ディスク装置によるデータの書き込みモードにおいて光ディスクに対してデータを高速にて書き込むことができる受光素子、受光素子を用いた回路内蔵受光素子およびそれらを搭載した光ピックアップを提供することにある。
【００５１】
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子は、光ディスクに対してデータの書き込み及び読み出しを行うために使用される受光素子において、少なくとも最表面に第１の第１導電型半導体層を有する半導体構造と、該第１の第１導電型半導体層上に形成された、該第１の第１導電型半導体層より不純物濃度の低い第１の第２導電型半導体層と、該第１の第２導電型半導体層上に形成された、該第１の第２導電型半導体層より不純物濃度の低い第２の第２導電型半導体層と、該第２の第２導電型半導体層上に設けられた第２の第１導電型半導体層、または、該第２の第２導電型半導体層内に設けられた第２の第１導電型半導体層と、を具備し、該第１の第１導電型半導体層および該第１の第２導電型半導体層は、該第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域にＰＮ接合領域を形成し、該ＰＮ接合領域にて該第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域に発生した光キャリアを取り込む空乏層が形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５２】
また、好ましくは、本発明の受光素子において、半導体構造は、第１導電型半導体基板である。
【００５３】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子において、半導体構造は、第１導電型半導体基板上に第１の第１導電型半導体層が形成されている。
【００５４】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子において、半導体構造は、第１導電型半導体基板上に第１の第１導電型半導体層が形成されている。
【００５５】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１導電型半導体基板に含まれる不純物元素がアンチモン（Ｓｂ）である。
【００５６】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第１導電型半導体層に含まれる不純物元素がアンチモン（Ｓｂ）である。
【００５７】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第２導電型半導体層に含まれる不純物元素がボロン（Ｂ）である。
【００５８】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第２導電型半導体層に含まれる不純物濃度が１×１０１６〜２×１０１８／ｃｍ３である。
【００５９】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第１導電型半導体層の厚さが７μｍ以下である。
【００６０】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第２の第１導電型半導体層および第２の第２導電型半導体層の厚さの合計ｄが、入射光の吸収係数Ｇに対して、
ＥＸＰ（−Ｇｄ）＜０．０２
の関係を満足するように設定されている。
【００６１】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子において、第２の第２導電型半導体層の厚さは、第２の第２導電型半導体層と第２の第１導電型半導体層との界面のＰＮ接合領域に、逆バイアス電圧を印加した際に生じる空乏層の電界強度が０．３Ｖ／μｍ以上となるように設定されている。
【００６２】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１導電型半導体層が、エピタキシャル成長層で形成されている。
【００６３】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第２の第１導電型半導体層が、エピタキシャル成長層で形成されている。
【００６４】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第２の第１導電型半導体層が、熱拡散法によって形成されている。
【００６５】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第２導電型半導体層が、エピタキシャル成長層で形成されている。
【００６７】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、前記第１導電型半導体基板の比抵抗が０．５Ωｃｍ以下である請求項４に記載の受光素子。
【００６９】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域の内蔵電界強度が増加している。
【００７１】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第２導電型半導体層と前記半導体構造の第１導電型半導体層との界面のＰＮ接合領域の接合面積が０．２５ｍｍ２以上である請求項１〜１９のいずれかに記載の受光素子。
【００７２】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、第１の第２導電型半導体層または第２の第２導電型半導体層と、半導体構造の第１導電型半導体層とが外部配線にて短絡されている。
【００７３】
さらに、好ましくは、本発明の受光素子は、半導体構造の第１導電型半導体基板が外部配線によって高電位に接続されている。
【００７４】
本発明の回路内蔵受光素子は、請求項１〜２３のいずれかに記載の受光素子と、その受光素子にて検出された信号を処理する信号処理回路とが同一基板上に設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００７５】
また、好ましくは、本発明の回路内蔵受光素子において、請求項３または４に記載の受光素子に形成されている半導体構造の第１導電型半導体層は、少なくとも前記信号処理回路が設けられている領域に形成されていない。
【００７６】
本発明の光ピックアップは、請求項１〜２３のいずれかに記載の受光素子、または、請求項２４または２５に記載の回路内蔵受光素子を搭載したものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００７７】
また、好ましくは、本発明の光ピックアップは、前記受光素子を搭載するフレームがグランド（ＧＮＤ）に接続されている。
【００７８】
上記構成により、以下、その作用を説明する。
【００７９】
本発明の受光素子は、受光素子の受光面である第２の第１導電型半導体層の表面から入射した光によって、第１の第２導電型半導体層より内部の深い位置ある第１導電型半導体層を有する半導体構造である第１導電型半導体基板で発生した光キャリアが、第１の第２導電型半導体層と第１導電型半導体基板との界面のＰＮ接合領域まで移動すると、強い電界によってほとんどそのＰＮ接合領域の空乏層内に取り込まれ再結合して消滅する。したがって、第１導電型半導体基板で発生した光キャリアは、第２の第１導電型半導体層と第２の第２導電型半導体層とのＰＮ接合領域までは移動せず、光電流として寄与しない。また、第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の狭い領域に発生した光キャリアは、第１の第２導電型半導体層と第１導電型半導体基板との界面のＰＮ接合領域側に向かう光キャリアαと、第２の第２導電型半導体層側に向かう光キャリアβの２つに分かれる。
【００８０】
光キャリアα（電子）は、第１導電型半導体基板の方向へ移動し、光電流に寄与せず、光キャリアβは、第１の第２導電型半導体層の第２の第２導電型半導体層側の強い内蔵電界によって、第２の第１導電型半導体層と第２の第２導電型半導体層３との界面の空乏層まで高速にて移動する。
【００８１】
これにより、受光素子の内部の第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の狭い領域より深い位置にて発生して、第２の第２導電型半導体層と第２の第１導電型半導体層との界面に形成されるＰＮ接合領域である空乏層の端部までの長い距離を移動する応答速度の遅い光キャリアの数を著しく低減させることが可能となる。また、第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域が狭くなっており、この領域おける内蔵電界の電界強度が増加している。このため、第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の狭い領域の第２の第２導電型半導体層側に発生した光キャリアを、確実に、第２の第１導電型半導体層と第２の第２導電型半導体層との界面の空乏層まで高速にて移動させ光電流として取り出せる。この結果、移動時間の長い応答速度の遅い光キャリアによる遅れて取り出される光電流を殆ど低減でき、入射光に対して、応答速度が非常に向上した受光素子が得られる。
【００８２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
（本発明の第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度を表すグラフである。尚、図１（ａ）では、アノード電極、カソード電極、信号配線および表面保護膜を省略している。
【００８３】
図１（ａ）に示すフォトダイオードは、不純物濃度の高いＮ＋型半導体基板１（第１導電型半導体基板）上に、この不純物濃度の高いＮ＋型半導体基板１よりも不純物濃度の低いＰ＋型埋め込み拡散層２（第１の第２導電型半導体層）と、Ｐ＋型埋め込み拡散層２よりも不純物濃度の低い高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３（第２の第２導電型半導体層）と、Ｎ型エピタキシャル層４（第２の第１導電型半導体層）とが順番に形成された積層構造を有している。高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面には、複数のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２が所定の領域に形成されており、Ｎ型エピタキシャル層４内のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２上には、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１が形成されている。Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１の表面は、Ｎ型エピタキシャル層４の表面に露出している。このように、図１（ａ）に示すフォトダイオードは、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２およびＰ＋型分離埋め込み拡散層１１によって囲まれた領域に形成されている。そして、図１（ａ）に示すフォトダイオードは、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面、および、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面にＰＮ接合領域が形成されている。
【００８４】
ここで、上記Ｎ型エピタキシャル層４に相当するＮ型半導体層は、熱拡散法によって高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３内に、Ｎ型半導体層の表面が高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の表面から露出するように形成されるＮ型拡散層であっても良い。
【００８５】
図１（ａ）に示すフォトダイオードの表面から内部への不純物濃度分布は、図１（ｂ）に示すような分布である。
【００８６】
Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面のＰＮ接合領域では、ＰＮ接合に印加されている逆バイアス電圧により、強い電界が存在している。
【００８７】
高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の不純物濃度は、ＰＮ接合領域を除いて、Ｎ型エピタキシャル層４の不純物濃度より低く設定されている。
【００８８】
Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度は、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の不純物濃度より高く設定されており、さらに、不純物濃度のピーク値を持つ曲線状のプロファイルになるように設定されている。このため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２は、不純物濃度のピーク値を持つ領域から高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の領域が高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３に対してポテンシャル（電位）が高くなっている。この結果、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値を持つ領域から高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３に向かって内蔵電界が生じている。
【００８９】
Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面のＰＮ接合領域では、Ｐ＋型埋め込み拡散層２およびＮ＋型半導体基板１の不純物濃度が、相互に補償されて、急激に低下している。このため、ＰＮ接合領域では、接合面に向かってＰ＋型埋め込み拡散層２およびＮ＋型半導体基板１から強い電界が生じている。また、ＰＮ接合領域の接合面が、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域に形成されているために、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域が狭くなり、この領域おける内蔵電界の電界強度が増加している。
【００９０】
Ｎ＋型半導体基板１の不純物濃度は、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値よりも高く、均一平坦に分布するように設定されている。Ｎ＋型半導体基板１の不純物濃度がＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値より高く設定されているため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面のＰＮ接合領域をＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値の領域近傍に形成できる。
【００９１】
このような構成の本発明のフォトダイオードは、フォトダイオードの受光面であるＮ型エピタキシャル層４の表面から入射した光によって、Ｐ＋型埋め込み拡散層２より内部の深い位置あるＮ＋型半導体基板１で発生した光キャリアは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面のＰＮ接合領域まで移動すると、強い電界によってほとんどそのＰＮ接合領域の空乏層内に取り込まれ再結合して消滅する。したがって、Ｎ＋型半導体基板１で発生した光キャリアは、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とのＰＮ接合領域までは移動せず、光電流として寄与しない。また、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の狭い領域に発生した光キャリアは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面のＰＮ接合領域側に向かう光キャリアαと、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側に向かう光キャリアβの２つに分かれる。
【００９２】
光キャリアα（電子）は、Ｎ＋型半導体基板１の方向へ移動し、光電流に寄与しない。
【００９３】
光キャリアβは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の強い内蔵電界によって、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面の空乏層まで高速にて移動する。
【００９４】
これにより、図１（ａ）および（ｂ）に示す本発明の第１の実施形態であるフォトダイオードは、フォトダイオードの内部のＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の狭い領域より深い位置にて発生して、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面に形成されるＰＮ接合領域である空乏層の端部までの長い距離を移動する応答速度の遅い光キャリアの数を著しく低減させることが可能となる。また、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域が狭くなっており、この領域おける内蔵電界の電界強度が増加している。このため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の狭い領域の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側に発生した光キャリアを、確実に、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面の空乏層まで高速にて移動させ光電流として取り出せる。この結果、移動時間の長い応答速度の遅い光キャリアによる遅れて取り出される光電流を殆ど低減でき、入射光に対して、応答速度が非常に向上したフォトダイオードが得られる。
【００９５】
図１（ａ）に示すフォトダイオードの作製方法を簡単に説明する。
【００９６】
まず、Ｎ型不純物濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上の不純物濃度の高いＮ＋型半導体基板１上に、例えば、１×１０１７／ｃｍ３程度の高濃度のＰ型不純物の拡散によって、Ｐ＋型埋め込み拡散層２を形成する。その後、Ｐ＋型埋め込み拡散層２上に、エピタキシャル成長法によって、不純物濃度の低い高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３を形成する。その後、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上に、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１２を形成し、エピタキシャル成長法によってＮ型エピタキシャル層４を形成するとともに、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１を形成する。Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１は、Ｎ型エピタキシャル層４の表面からＰ＋型分離埋め込み拡散層１２と接するように形成される。
【００９７】
これにより、Ｎ＋型半導体基板１上に、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１および１２によって、周辺回路部から電気的に分離された図１（ａ）に示すフォトダイオードが形成される。また、Ｎ＋型半導体基板１上の周辺回路部には、図１（ａ）に示すフォトダイオードで検出された信号を処理する信号処理回路を設けても良い。さらに、特開平１０―１０７２４３号公報に開示されている高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の上部に、Ｎ型不純物の拡散によって、Ｎ型拡散層を形成した構造のフォトダイオードでも良い。
【００９８】
ここで、Ｎ＋型半導体基板１の不純物濃度は、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度よりも高く設定することがより好ましい。図９は、本発明の第１の実施形態のフォトダイオードの断面構造におけるＮ＋型半導体基板１およびＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度分布の関係を表すグラフである。このような構造にすることよって、本発明のフォトダイオードは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値のより近傍の領域にＰＮ接合領域が形成でき、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域を一層狭くできる。このため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域で発生していた光キャリアを、前述の光キャリアαと光キャリアβとに容易に分離でき、光キャリアβのみを高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側のＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度分布による内蔵電界によって高速移動させることが可能となる。
【００９９】
また、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０１８／ｃｍ３程度にするのが好ましい。図１０は、図９におけるＮ＋型半導体基板１の不純物濃度が、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度に対して、十分に高くない場合の不純物濃度分布の関係を表すグラフである。Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度が２×１０１８／ｃｍ３より高い場合は、図１０に示すように、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面に生じるＰＮ接合領域の空乏層がＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍より遠くなる。このため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域に発生した一部の光キャリアは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面に生じるＰＮ接合領域の空乏層に取り込まれて再結合せずに、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面のＰＮ接合領域の空乏層まで移動しその空乏層内に取り込まれ、応答速度を改善する効果が減少する。これにより、光キャリアを高速移動させ、光キャリアの応答速度の改善効果を十分達成するには、Ｎ＋型半導体基板１の不純物濃度がＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度よりも１〜２桁高い方が好ましい。反対に、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度が１×１０１６／ｃｍ３より低い場合は、フォトダイオードのアノード抵抗が高くなり、データ読み出し速度が低下する。
【０１００】
また、Ｎ＋型半導体基板１のＮ型不純物は、アンチモン（Ｓｂ）であることが好ましい。Ｎ型不純物を拡散係数の小さいアンチモン（Ｓｂ）にすることによって、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面のＰＮ接合領域のＮ＋型半導体基板１側の不純物濃度分布のプロファイルを急峻とすることができる。これにより、Ｎ＋型半導体基板１側の不純物濃度分布に基づく内蔵電界の電界強度は非常に高くなり、Ｎ＋型半導体基板１側の深い領域にて発生した光キャリアを、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面に、ＰＮ接合によるポテンシャルバリアが存在することにより、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアがフォトダイオードを形成する接合に到達しない。
【０１０１】
また、Ｐ＋型埋め込み拡散層２のＰ型不純物はボロン（Ｂ）であることが望ましい。Ｐ型不純物を拡散係数の比較的大きいボロン（Ｂ）にすることによって、Ｎ＋型半導体基板１上の所定の領域に、所定量のボロン（Ｂ）を添加できる。その後、エピタキシャル成長法により高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３を形成した際に、ボロン（Ｂ）がＮ型不純物のアンチモン（Ｓｂ）より多くエピタキシャル成長層に拡散され、所定の構造が得られる。
【０１０２】
また、Ｐ＋型埋め込み拡散層２は、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側の不純物濃度分布のプロファイルの傾きが急峻である方が良いため、エピタキシャル成長法によって形成されることが、より好ましい。
【０１０３】
また、フォトダイオードへの入射光量が比較的低い（例えば数百μＷ程度）場合は、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３およびＮ型エピタキシャル層４の厚さの合計ｄは、以下の（１）式を満足するように設定することが好ましい。
【０１０４】
ＥＸＰ（−Ｇｄ）＜０．０２        （１）
ここで、Ｇは入射光の吸収係数である。
【０１０５】
この理由は、以下の通りである。一般的に、半導体に入射した光の任意の深さｘでの強度は、次式で表される。
【０１０６】
Ｉ（ｘ）＝Ｉ０ＥＸＰ（−Ｇｘ）    ｘ：位置（深さ）
フォトダイオード表面から距離ｄの位置は、ほぼＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値付近となるため、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３およびＮ型エピタキシャル層４の厚さの合計ｄが上記（１）式を満足するように設定されていれば、入射光の光強度がＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値付近で２／１００まで減衰している。これにより、仮にＮ＋型半導体基板１とＰ＋型埋込拡散層２の界面のＰＮ接合領域の空乏層より光キャリアが、漏れて高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４の界面のＰＮ接合領域の空乏層に到達したとしても、アドレス信号のレベルには影響を与えないほど十分に少ない光電流であり、応答に寄与する光キャリアは、すべて高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側のＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度分布による内蔵電界の大きい領域で発生するため、本発明のフォトダイオードはさらに高速な動作が可能となる。
【０１０７】
また、フォトダイオードへの入射光量が比較的高い（例えば数ｍＷ程度）場合、および、フォトダイオードへの入射光の波長が６５０ｎｍおよび４００ｎｍの短波長では、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の厚さは、Ｎ型エピタキシャル層４とのＰＮ接合領域の空乏層内の電界強度が０．３Ｖ／μｍ以上となるように設定することが好ましい。特開２００１―７７４０１号公報（特許文献１）に開示されているように、空乏層内の電界強度が弱いとデータ書き込み時にフォトダイオードへの入射光量が大きくなった場合に発生した光キャリアの蓄積によりポテンシャルのフラット化が起こり、フォトダイオードの応答性能が低下するからである。
【０１０８】
尚、図１（ａ）に示す本発明の第１の実施形態のフォトダイオードでは、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上にＮ型エピタキシャル層４が形成されている場合を示したが、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３内に前述したＮ型拡散層等が埋め込まれている場合でも、同様の効果が得られる。
【０１０９】
図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のフォトダイードと従来のフォトダイオードとの光キャリアの動作を比較した図である。
【０１１０】
図２（ａ）は、本発明のフォトダイードの内部に発生した光キャリアの動作を表している。本発明のフォトダイオードは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域にＰＮ接合領域が形成され、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域が狭くなっており、この領域の内蔵電界の電界強度が増加している。このため、フォトダイオードの表面から深い、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域よりＮ＋型半導体基板１側で発生した光キャリアは、Ｐ＋型埋め込み拡散層２とＮ＋型半導体基板１との界面のＰＮ接合領域に存在するポテンシャルバリアによって、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面に形成されるＰＮ接合領域に到達できず、光電流に寄与できない。Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域より高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側に発生した光キャリアは、内蔵電界によって、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面の空乏層まで高速にて移動し、光電流として外部回路に取り出される。これにより、本発明のフォトダイオードには、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアが殆ど存在していない。
【０１１１】
図２（ｂ）は、従来のフォトダイードの内部に発生した光キャリアの動作を表している。低比抵抗Ｐ型半導体基板７のポテンシャルに対して、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域のポテンシャルは、ポテンシャルバリアとなるが、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域は、図２（ａ）のＰ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域と比較すると、相当広くなっている。このため、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域より高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３側に発生した光キャリアは、内蔵電界によって、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面の空乏層まで高速にて移動し、光電流として外部回路に取り出されるが、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域に発生した一部の光キャリアは、内部電界が殆ど作用せず、拡散によって移動する領域を経て、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面の空乏層まで移動し、また、その近傍の一部の光キャリアは小さい濃度勾配による弱い内臓電界により移動する領域を経て、Ｎ型エピタキシャル層４と高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３との界面の空乏層まで移動しており、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアが存在している。
【０１１２】
したがって、図２（ａ）に示す本発明のフォトダイオードのように、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域にＰＮ接合領域を形成し、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値近傍の領域を狭くすることによって、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアが殆ど低減できることが確認できる。
【０１１３】
図３は、本発明のフォトダイオードおよび従来のフォトダイオードに対して、パルスレーザ光（波長λ＝７８０ｎｍ、光出力Ｐｏｐｔ＝１．２ｍＷ）に対する応答特性を示すグラフである。
【０１１４】
このグラフは、光ディスク装置の書き込みモードにおける書き込み時における高光出力のパルスレーザ光の反射光によって、フォトダイオードの内部に発生した光キャリアの外部回路に取り出される光電流（出力電流）の時間変化を示している。
【０１１５】
従来のフォトダイオードでは、高光出力のレーザ光の反射光によって発生した光キャリアが光電流として外部回路に取り出され、発生した光キャリアによる光電流が、アドレス信号の読み出し可能な２／１００以下に減少するまでに、１４ｎｓｅｃ程度の時間がかかることを表している。
【０１１６】
これに対して、本発明のフォトダイオードでは、６ｎｓｅｃ程度の時間しかかからないことを表している。
【０１１７】
光ディスク装置の書き込みモードにおける書き込み速度を、例えば、４０倍速とした場合、高光出力のレーザ光の反射光によって発生した光キャリアが光電流として外部回路に取り出され、発生した光キャリアによる光電流が、アドレス信号の読み出し可能な２／１００以下に減少するまでの時間は、１０ｎｓｅｃ以下でなければならない。
【０１１８】
したがって、図３の結果より、本発明のフォトダイオードでは、４０倍速の書き込み速度に対応した、非常に速い応答速度が得られた。
（本発明の第２の実施形態）
図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＹ−Ｙ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度を表すグラフである。尚、図４（ａ）では、アノード電極、カソード電極、信号配線および表面保護膜を省略している。
【０１１９】
図４（ａ）に示すフォトダイオードは、低比抵抗Ｐ型半導体基板７（第２導電型半導体基板）上に、低比抵抗Ｐ型半導体基板７より不純物濃度の高いＮ＋＋型埋め込み拡散層６（第１導電型半導体層）が形成された半導体構造を有する。Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６上には、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６よりも不純物濃度の低いＰ＋型埋め込み拡散層２と、Ｐ＋型埋め込み拡散層２よりも不純物濃度の低い高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３と、Ｎ型エピタキシャル層４とが順番に形成されている。その他は、図１（ａ）のフォトダイオードと同様の構成である。
【０１２０】
ここで、上記Ｎ型エピタキシャル層４に相当するＮ型半導体層は、熱拡散法によって高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３内に、Ｎ型半導体層の表面が高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の表面から露出するように形成されるＮ型拡散層であっても良い。
【０１２１】
図４（ａ）に示すフォトダイオードの表面から内部への不純物濃度分布は、図４（ｂ）に示すような分布である。
【０１２２】
低比抵抗Ｐ型半導体基板７およびＮ＋＋型埋め込み拡散層６の領域の不純物濃度分布が、図１（ｂ）のＮ＋型半導体基板１の不純物濃度分布と異なるが、その他の領域では、図１（ａ）のフォトダイオードと同様の不純物濃度分布となっている。
【０１２３】
これにより、図４（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードは、図１（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードと同様の効果が得られる。
【０１２４】
図４（ａ）に示すフォトダイオードは、通常の不純物濃度の低比抵抗Ｐ型半導体基板７上に、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上の高濃度のＮ型不純物の拡散によって、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６を形成する。その後、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６上に、１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型不純物の拡散によって、Ｐ＋型埋め込み拡散層２を形成する。その後、Ｐ＋型埋め込み拡散層２上に、エピタキシャル成長法によって、不純物濃度が１×１０１４／ｃｍ３以下の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３を形成する。その後、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上に、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１２を形成した後に、エピタキシャル成長法によってＮ型エピタキシャル層４を形成するとともに、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１を形成する。Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１は、Ｎ型エピタキシャル層４の表面からＰ＋型分離埋め込み拡散層１２と接するように形成される。
【０１２５】
これにより、低比抵抗Ｐ型半導体基板７上に、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６を形成し、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１および１２によって、周辺回路から電気的に分離された図４（ａ）に示すフォトダイオードが形成される。
【０１２６】
図４（ａ）に示すフォトダイオードは、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６とＰ＋型埋め込み拡散層２との界面にＰＮ接合領域が形成されるため、図１（ａ）に示すフォトダイオードと同様に、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアの著しい低減が図れる。
【０１２７】
また、図４（ａ）に示すフォトダイオードは、低比抵抗Ｐ型半導体基板７とＮ＋＋型埋め込み拡散層６との界面にも、ＰＮ接合領域が形成されているために、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６より深い領域に発生した光キャリアを、ポテンシャルバリアにより、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６に閉じ込めることで、光電流として寄与させず、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアを一層低減できる。
【０１２８】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の不純物濃度は、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度よりも高く設定することがより好ましい。
【０１２９】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６のＮ型不純物は、アンチモン（Ｓｂ）であることが好ましい。
【０１３０】
また、Ｐ＋型埋め込み拡散層２のＰ型不純物は、ボロン（Ｂ）であることが好ましい。
【０１３１】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６またはＰ＋型埋め込み拡散層２は、不純物濃度分布のプロファイルの傾きが急峻である方が良いため、エピタキシャル成長法によって形成されことがより好ましい。
【０１３２】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の厚さ（拡散幅）は、７μｍ以下であることが望ましい。Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の厚さがブロードに広がっていると、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値付近が急峻にならず、応答速度の遅い光キャリアの低減が図れない。また、例えばＮ＋＋型埋め込み拡散層６の不純物の総量が同じであると、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の厚さ（拡散深さ）が薄い（浅い）方が、不純物濃度分布における不純物濃度のピーク値を高くできるという製造上の利点もある。
【０１３３】
また、図４（ａ）に示すフォトダイオードは、Ｎ＋型半導体基板１より不純物濃度の低い低比抵抗Ｐ型半導体基板７を使用するために、低比抵抗Ｐ型半導体基板７からフォトダイオードの表面方向へのオートドーピングを防止する必要がなく容易に製造できる。
【０１３４】
尚、図４（ａ）に示す本発明の第２の実施形態のフォトダイオードでは、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上にＮ型エピタキシャル層４が形成されている場合を示したが特開平１０―１０７２４３号公報に開示されているような高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３内にＮ型拡散層等が埋め込まれている場合でも、同様の効果が得られる。
【０１３５】
ところで、図４（ａ）および（ｂ）に示す本発明の第２の実施形態であるフォトダイオードの構造では、低比抵抗Ｐ型半導体基板７を使用しているため次の点に注意しなければならない。すなわち、Ｐ＋型埋め込み拡散層２と低比抵抗Ｐ型半導体基板７との間に形成されるＮ＋＋型埋め込み拡散層６の電位が浮いてしまうため、図１１に示すＮ型エピタキシャル層４をエミッタ領域、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＰ＋型埋め込み拡散層２とをベース領域およびＮ＋＋型埋め込み拡散層６をコレクタ領域とする寄生ＮＰＮトランジスタが動作状態となり、キャリアがベース領域となるＰ型エピタキシャル層３に注入される。このため、フォトダイオードの光電流レベルが、いつまでもアドレス信号のデータ読み出し可能な２／１００以下に減少しないことである。この現象は、コレクタ領域となるＮ＋＋型埋込拡散層６内で発生した光キャリアのキャリア密度が異常に高くなった場合に発生し、通常では発生しない。例えば、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６とＰ＋型埋込拡散層２とのＰＮ接合領域の接合面積が０．２５ｍｍ２以上であれば、Ｎ＋＋型埋込拡散層６内で発生した光キャリアは横方向へ拡散し、Ｎ＋＋型埋込拡散層６内の光キャリアのキャリア密度は低下し、上記現象によるフォトダイオードの応答速度の低下は生じない。
【０１３６】
また、素子を搭載する光ピックアップのフレームの電位をグランド（ＧＮＤ：アース接地）に固定する方が望ましい。光ピックアップのフレームの電位をグランドに固定することにより、低比抵抗Ｐ型半導体基板７の電位が変動し、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の電位が不安定になり、上記寄生ＮＰＮトランジスタが動作することを防止できる。
（本発明の第３の実施形態）
図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＺ−Ｚ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度を表すグラフである。尚、図５（ａ）では、アノード電極、カソード電極、信号配線および表面保護膜を省略している。
【０１３７】
図５（ａ）に示すフォトダイオードは、低比抵抗Ｎ型半導体基板５（第１導電型半導体基板）上に、低比抵抗Ｎ型半導体基板５より不純物濃度の高いＮ＋＋型埋め込み拡散層６（第１導電型半導体層）が形成された半導体構造を有する。Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６上には、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６よりも不純物濃度の低いＰ＋型埋め込み拡散層２と、Ｐ＋型埋め込み拡散層２よりも不純物濃度の低い高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３と、Ｎ型エピタキシャル層４とが順番に形成されている。その他は、図１（ａ）のフォトダイオードと同様の構成である。
【０１３８】
ここで、上記Ｎ型エピタキシャル層４に相当するＮ型半導体層は、熱拡散法によって高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３内に、Ｎ型半導体層の表面が高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の表面から露出するように形成されるＮ型拡散層であっても良い。
【０１３９】
図５（ａ）に示すフォトダイオードの表面から内部への不純物濃度分布は、図５（ｂ）に示すような分布である。
【０１４０】
低比抵抗Ｎ型半導体基板５およびＮ＋＋型埋め込み拡散層６の領域の不純物濃度分布が、図１（ｂ）のＮ＋型半導体基板１の不純物濃度分布と異なるが、その他の領域では、図１（ａ）のフォトダイオードと同様の不純物濃度分布となっている。
【０１４１】
これにより、図５（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードは、図１（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオードと同様の効果が得られる。
【０１４２】
図５（ａ）に示すフォトダイオードは、Ｎ型不純物（リン：Ｐ）を添加し、比抵抗が０．１Ωｃｍの低比抵抗Ｎ型半導体基板５上に、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上の高濃度のＮ型不純物の拡散によって、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６を形成する。その後、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６上に、１×１０１７／ｃｍ３以上のＰ型不純物の拡散によって、Ｐ＋型埋め込み拡散層２を形成する。その後、Ｐ＋型埋め込み拡散層２上に、エピタキシャル成長法によって、不純物濃度が１×１０１４／ｃｍ３以下の高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３を形成する。その後、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上に、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１２を形成し、エピタキシャル成長法によって、Ｎ型エピタキシャル層４を形成するとともに、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１を形成する。Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１は、Ｎ型エピタキシャル層４の表面からＰ＋型分離埋め込み拡散層１２と接するように形成される。
【０１４３】
これにより、低比抵抗Ｎ型半導体基板５上に、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６を形成し、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１および１２によって、周辺回路から電気的に分離された図５（ａ）に示すフォトダイオードが形成される。
【０１４４】
図５（ａ）に示すフォトダイオードも、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６とＰ＋型埋め込み拡散層２との界面にＰＮ接合領域が形成されるため、図１（ａ）に示すフォトダイオードと同様に、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアの著しい低減が図れる。
【０１４５】
また、図５（ａ）に示すフォトダイオードは、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６が低比抵抗Ｎ型半導体基板５にて発生するキャリア（ホール）に対して、ポテンシャルバリアとなるために、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６より深い領域に発生した光キャリアが、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面の空乏層まで移動することを確実に防止し、移動時間が長く応答速度の遅い光キャリアを一層低減できる。
【０１４６】
また、低比抵抗Ｎ型半導体基板５の不純物濃度は、低比抵抗Ｎ型半導体基板５の上方のＰ＋型埋め込み拡散層２のＰ型不純物が、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６を超えて、低比抵抗Ｎ型半導体基板５の領域に拡散するＰ型不純物の濃度より高くなるように設定されているほうが望ましい。低比抵抗Ｎ型半導体基板５の領域に拡散するＰ型不純物の濃度が、低比抵抗Ｎ型半導体基板５の不純物濃度より高いと、図６の低比抵抗Ｎ型半導体基板５の領域にて点線で示すように、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６と低比抵抗Ｎ型半導体基板５との間に、Ｐ型拡散層領域５ａが形成され、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６と低比抵抗Ｎ型半導体基板５との間が電気的に分離される。このため、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６と低比抵抗Ｎ型半導体基板５との間の電気的分離が生じないように、低比抵抗Ｎ型半導体基板５の不純物濃度は、低比抵抗Ｎ型半導体基板５の領域に拡散するＰ型不純物の濃度より高く設定されている。
【０１４７】
例えば、低比抵抗Ｎ型半導体基板５の比抵抗は、０．５Ωｃｍ以下とするのが好ましい。
【０１４８】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の不純物濃度は、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度よりも高く設定することがより好ましい。
【０１４９】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６のＮ型不純物は、アンチモン（Ｓｂ）であることが好ましい。
【０１５０】
また、Ｐ＋型埋め込み拡散層２のＰ型不純物は、ボロン（Ｂ）であることが好ましい。
【０１５１】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６またはＰ＋型埋め込み拡散層２は、不純物濃度分布のプロファイルの傾きが急峻である方が良いため、エピタキシャル成長法によって形成されことがより好ましい。
【０１５２】
また、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の厚さ（拡散幅）は、７μｍ以下であることが望ましい。Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の厚さがブロードに広がっていると、Ｐ＋型埋め込み拡散層２の不純物濃度のピーク値付近が急峻にならず、応答速度の遅い光キャリアの低減が図れない。また、例えばＮ＋＋型埋め込み拡散層６の不純物の総量が同じであると、Ｎ＋＋型埋め込み拡散層６の厚さ（拡散深さ）が薄い（浅い）方が、不純物濃度分布における不純物濃度のピーク値を高くできるという製造上の利点もある。
【０１５３】
また、図５（ａ）に示すフォトダイオードは、Ｎ＋型半導体基板１より不純物濃度の低い低比抵抗Ｎ型半導体基板５を使用するために、低比抵抗Ｎ型半導体基板５からフォトダイオードの表面方向へのオートドーピングを防止する必要がなく容易に製造できる。
【０１５４】
尚、図５（ａ）に示す本発明の第３の実施形態のフォトダイオードでは、高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３上にＮ型エピタキシャル層４が形成されている場合を示したが、特開平１０―１０７２４３号公報に開示されているような高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３内にＮ型拡散層等が埋め込まれている場合でも、同様の効果が得られる。
（本発明の第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図である。
【０１５５】
図７に示すフォトダイオードは、不純物濃度の高いＮ＋型半導体基板１上に、不純物濃度の高いＮ＋型半導体基板１より不純物濃度の低いＰ＋型埋め込み拡散層２、Ｐ＋型埋め込み拡散層２より不純物濃度の低い高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３、Ｎ型エピタキシャル層４が順番に形成された積層構造を有している。高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面には、複数のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２が所定の領域に形成されており、Ｎ型エピタキシャル層４内のＰ＋型分離埋め込み拡散層１２上には、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１が形成されている。Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１の表面は、Ｎ型エピタキシャル層４の表面に露出している。
【０１５６】
Ｎ型エピタキシャル層４およびＰ＋型分離埋め込み拡散層１１の表面には、絶縁性保護膜１０が形成されている。一方のＰ＋型分離埋め込み拡散層１１上の絶縁性保護膜１０には、コンタクトホールが形成され、そこにアノード電極２１が形成され、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１に接続されている。Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１間のＮ型エピタキシャル層４上の所定の領域にも、コンタクトホールが形成され、そこにカソード電極２２が形成されている。カソード電極２２の下方のＮ型エピタキシャル層４には、Ｎ＋型拡散層４ａが形成されカソード電極２２に接続されている。Ｎ＋型半導体基板１の裏面には、Ｎ型電極２３が形成されている。Ｎ型電極２３とアノード電極２１とは、外部配線によって接続されている。
【０１５７】
ここで、上記Ｎ型エピタキシャル層４に相当するＮ型半導体層は、熱拡散法によって高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３内に、Ｎ型半導体層の表面が高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３の表面から露出するように形成されるＮ型拡散層であっても良い。
【０１５８】
図７のフォトダイオードに、光ディスクから入射する反射光の光出力が大きくなると、フォトダイオードの内部のＮ＋型半導体基板１内にて発生する光キャリアが増加する。このような光キャリアが増加すると、Ｎ＋型半導体基板１とＰ＋型埋め込み拡散層２との界面に形成されたＰＮ接合領域によるポテンシャルバリアおよび不純物濃度分布による電界を越えて、光キャリアが高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層３とＮ型エピタキシャル層４との界面の空乏層まで移動するようになる。
【０１５９】
この光キャリアの移動を防止するには、Ｎ＋型半導体基板１の電位を、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１の電位と短絡するか、または、高電位に接続し安定化する必要がある。このため、図７に示したように、Ｎ＋型半導体基板１の裏面にＮ型電極２３を形成し、Ｎ型電極２３とＰ＋型分離埋め込み拡散層１１上のアノード電極２１とを外部配線にて接続すればよい。通常、Ｐ＋型分離埋め込み拡散層１１は、アノード電極２１として、接地されているので、Ｎ＋型半導体基板１の裏面のＮ型電極２３も接地されるか、または、Ｎ＋型半導体基板１の裏面にＮ型電極２３を高電位に接続すれば良い。
【０１６０】
また、図８に示すように、ウェハに形成されたフォトダイオードを製造工程にて、ダイシング等によって各チップに切断される時に、切断されるチップの端面に短絡したいＰＮ接合領域の接合面（ダイシングによる短絡箇所）を出すことで、短絡と同様の効果が得られる。
【０１６１】
また、以上のいずれの実施形態においても、本発明のフォトダイオードが形成された周囲に、通常のプロセスを使用して、フォトダイオードで検出された信号を処理する信号処理回路（図示せず）を形成することができ、回路内蔵受光素子が通常のプロセスで容易に製造できる。このため、本発明のフォトダイオードまたは上記回路内蔵受光素子が搭載された光ピックアップも通常のプロセスで容易に製造できる。
【０１６２】
また、本発明の第３および第４の実施形態においては、それぞれＮ型半導体基板を使用しており、Ｎ＋＋型埋込拡散層６の電位が固定できる。このため、Ｎ＋＋型埋込拡散層６を必ずしもウェハ全面に形成する必要はなく、少なくともフォトダイオード領域内に形成すればよい。本発明の第２の実施形態においても、何らかの方法でＮ＋＋型埋込拡散層６の電位を安定化し、寄生ＮＰＮトランジスタの動作が防止できればＮ＋＋型埋込拡散層６を必ずしもウェハ全面に形成する必要はなく、少なくともフォトダイオード領域内に形成すればよい。
【０１６３】
【発明の効果】
本発明の受光素子は、少なくとも第１導電型半導体層を有する半導体構造と、第１の第２導電型半導体層との界面にＰＮ接合領域を形成することによって、第１の第２導電型半導体層の不純物濃度のピーク値近傍の領域を狭くして、この領域の内蔵電界の電界強度を強くしている。これにより、この領域にて発生する移動時間の長い光キャリアおよび半導体構造内の深い領域に発生する光キャリアを、前述のＰＮ接合領域に存在するポテンシャルバリアによって、第２の第１導電型半導体層と第２の第２導電型半導体層との界面に形成されるＰＮ接合領域に到達させず、光電流に寄与させない。そして、受光素子の空乏層よりより深い領域で発生し、空乏層近傍まで移動するのに時間のかかる応答速度のおそい遅い光キャリアを確実に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度を表すグラフである。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のフォトダイードと従来のフォトダイオードとの光キャリアの動作を比較した図である。
【図３】本発明のフォトダイオードおよび従来のフォトダイオードに対して、パルスレーザ光に対する応答特性を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、本発明の第２実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図、図（ｂ）は、（ａ）のＹ−Ｙ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度を表すグラフである。
【図５】（ａ）は、本発明の第３実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）のＺ−Ｚ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度を表すグラフである。
【図６】図５（ａ）に示すフォトダイオードの低抵抗Ｎ型半導体基板の不純物濃度分布を説明するグラフである。
【図７】本発明の第４実施形態の受光素子であるフォトダイオードの構造を示す断面図である。
【図８】図７に示すフォトダイオードのＰＮ接合領域の接合面を短絡状態を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態のフォトダイオードの断面構造におけるＮ＋型半導体基板およびＰ＋型埋め込み拡散層の不純物濃度分布の関係を表すグラフである。
【図１０】図９におけるＮ＋型半導体基板の不純物濃度が、Ｐ＋型埋め込み拡散層の不純物濃度に対して、十分に高くない場合の不純物濃度分布の関係を表すグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施形態のフォトダイオードの断面構造における寄生トランジスタのエミッタ領域、ベース領域およびコレクタ領域の不純物濃度分布の関係を表すグラフである。
【図１２】フォトダイオードを用いた光ピックアップの概略構成を示す図である。
【図１３】（ａ）は、従来のフォトダイオードの断面図、（ｂ）は、（ａ）のＷ−Ｗ’線に対応するフォトダイオードの断面構造の不純物濃度分布を表すグラフである。
【図１４】従来のフォトダイオードのパルスレーザ光に対する応答特性を示すグラフである。
【図１５】従来のフォトダイオードに、高光出力のパルスレーザ光による反射光が入射した場合のフォトダイオードの表面から深さ方向への光強度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１    Ｎ＋型半導体基板
２    Ｐ＋型埋め込み拡散層
３    高比抵抗Ｐ型エピタキシャル層
４    Ｎ型エピタキシャル層
４ａ  Ｎ＋型拡散層
５    低比抵抗Ｎ型半導体基板
５ａ  Ｐ型拡散層領域
６    Ｎ＋＋型埋め込み拡散層
７    低比抵抗Ｐ型半導体基板
１０  絶縁保護膜
１１  Ｐ＋型分離埋め込み拡散層
１２  Ｐ＋型分離埋め込み拡散層
２１  アノード電極
２２  カソード電極
２３  Ｎ型電極
【図１】
0003976185.tif 000002
【図２】
0003976185.tif 000003
【図３】
0003976185.tif 000004
【図４】
0003976185.tif 000005
【図５】
0003976185.tif 000006
【図６】
0003976185.tif 000007
【図７】
0003976185.tif 000008
【図８】
0003976185.tif 000009
【図９】
0003976185.tif 000010
【図１０】
0003976185.tif 000011
【図１１】
0003976185.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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