JP2021077805A - Light receiving element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、受光素子とその製造方法に関する。 The techniques disclosed herein relate to light receiving elements and methods of manufacturing them.
特許文献1は、シリコン基板の表面上に受光層としてゲルマニウム層を結晶成長させたヘテロ接合フォトダイオード型の受光素子を開示する。ゲルマニウム層は、シリコン基板の表面に形成されているN型領域とP型領域の各々に接している。カソード電極がN型領域に電気的に接続しており、アノード電極がP型領域に電気的に接続している。
この受光素子は、カソード電極とアノード電極の間において、N型領域とゲルマニウム層とP型領域が直列に接続された構成を有している。ゲルマニウムは、不純物を添加していなくても格子欠陥がアクセプタとして働くため、P型半導体となる。したがって、この受光素子では、ゲルマニウム層とN型領域によってヘテロPN接合が構成されている。 This light receiving element has a configuration in which an N-type region, a germanium layer, and a P-type region are connected in series between a cathode electrode and an anode electrode. Germanium is a P-type semiconductor because lattice defects act as acceptors even if no impurities are added. Therefore, in this light receiving element, a hetero-PN junction is formed by a germanium layer and an N-type region.
カソード電極とアノード電極の間に逆バイアスを印加すると、ゲルマニウム層とN型領域のヘテロPN接合近傍に空乏層が広がる。この状態でゲルマニウムのバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光が照射されると、空乏層内で電子・正孔対が生成され、電子はN型領域を介してカソード電極に流れ、正孔はゲルマニウム層とP型領域を介してアノード電極に流れ、カソード電極とアノード電極の間に光電流が流れる。 When a reverse bias is applied between the cathode electrode and the anode electrode, the depletion layer spreads in the vicinity of the hetero-PN junction between the germanium layer and the N-type region. When light with an energy larger than the germanium band gap is irradiated in this state, electron-hole pairs are generated in the depleted layer, electrons flow to the cathode electrode via the N-type region, and the holes are germanium. It flows to the anode electrode through the layer and the P-shaped region, and a photocurrent flows between the cathode electrode and the anode electrode.
ゲルマニウムのバンドギャップは約0.67eVと小さい。約0.67eVのバンドギャップは、波長に換算すると約1850nmに相当する。このため、ゲルマニウム層を受光層とする受光素子は、約1850nmの赤外光まで検知することができる。このように、ゲルマニウム層を受光層とする受光素子は、シリコンを受光層とする受光素子に比して、長波長の赤外光を検出することができる。一方、ゲルマニウムのバンドギャップが小さいことから、ゲルマニウム層を受光層とする受光素子では、暗状態のリーク電流が大きいという問題がある。 The germanium bandgap is as small as about 0.67 eV. A bandgap of about 0.67 eV corresponds to about 1850 nm in terms of wavelength. Therefore, the light receiving element having the germanium layer as the light receiving layer can detect infrared light up to about 1850 nm. As described above, the light receiving element having the germanium layer as the light receiving layer can detect infrared light having a longer wavelength than the light receiving element having silicon as the light receiving layer. On the other hand, since the band gap of germanium is small, there is a problem that the leakage current in the dark state is large in the light receiving element having the germanium layer as the light receiving layer.
本明細書が開示する受光素子は、シリコン基板と、ゲルマニウム層と、カソード電極と、アノード電極と、を備えることができる。前記シリコン基板の表面には、N型ジャンクションバリア領域とP型領域が形成されている。前記P型領域は、前記N型ジャンクションバリア領域を間に置いて面内方向の少なくとも一方向に対向するように配置されている。前記ゲルマニウム層は、前記シリコン基板の前記表面上に設けられており、前記N型ジャンクションバリア領域と前記P型領域の各々に接している。前記カソード電極は、前記N型ジャンクションバリア領域に電気的に接続されている。前記アノード電極は、前記P型領域に電気的に接続されている。この受光素子では、前記N型ジャンクションバリア領域が前記P型領域によって挟まれるように構成されている。このため、前記P型領域が対向する前記一方向において、一方の側と他方の側の各々の前記P型領域から前記N型ジャンクションバリア領域に空乏層が伸びてくる。これにより、前記N型ジャンクションバリア領域が良好に空乏化され、暗状態のリーク電流が抑えられる。 The light receiving element disclosed in the present specification can include a silicon substrate, a germanium layer, a cathode electrode, and an anode electrode. An N-type junction barrier region and a P-type region are formed on the surface of the silicon substrate. The P-type region is arranged so as to face at least one direction in the in-plane direction with the N-type junction barrier region in between. The germanium layer is provided on the surface of the silicon substrate and is in contact with each of the N-type junction barrier region and the P-type region. The cathode electrode is electrically connected to the N-type junction barrier region. The anode electrode is electrically connected to the P-shaped region. In this light receiving element, the N-type junction barrier region is configured to be sandwiched by the P-type region. Therefore, in the one direction in which the P-type regions face each other, a depletion layer extends from the P-type regions on one side and the other side to the N-type junction barrier region. As a result, the N-type junction barrier region is satisfactorily depleted, and the leakage current in the dark state is suppressed.
上記受光素子では、前記P型領域が、前記N型ジャンクションバリア領域の周囲を取り囲むように配置されていてもよい。このような形態であると、前記N型ジャンクションバリア領域の周囲の全方向から前記N型ジャンクションバリア領域に空乏層が伸びてくるので、前記N型ジャンクションバリア領域が良好に空乏化され、暗状態のリーク電流が抑えられる。 In the light receiving element, the P-type region may be arranged so as to surround the periphery of the N-type junction barrier region. In such a form, the depletion layer extends from all directions around the N-type junction barrier region to the N-type junction barrier region, so that the N-type junction barrier region is satisfactorily depleted and in a dark state. Leakage current is suppressed.
上記受光素子では、前記N型ジャンクションバリア領域が、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアスを印加したときに、前記P型領域が対向する前記一方向において、一方の側の前記P型領域から伸びてくる空乏層と他方の側の前記P型領域から伸びてくる空乏層が繋がる幅を有していてもよい。この受光素子では、前記N型ジャンクションバリア領域の幅が狭く形成されているので、前記N型ジャンクションバリア領域が良好に空乏化され、暗状態のリーク電流が抑えられる。 In the light receiving element, when the N-type junction barrier region applies a reverse bias between the cathode electrode and the anode electrode, the P-type on one side in the one direction in which the P-type region faces each other. It may have a width in which the depletion layer extending from the region and the depletion layer extending from the P-type region on the other side are connected. In this light receiving element, since the width of the N-type junction barrier region is formed to be narrow, the N-type junction barrier region is satisfactorily depleted and the leakage current in the dark state is suppressed.
上記受光素子では、前記N型ジャンクションバリア領域が、前記カソード電極と前記アノード電極の間にバイアスを印加していないときに、前記P型領域が対向する前記一方向において、一方の側の前記P型領域から伸びてくる空乏層と他方の側の前記P型領域から伸びてくる空乏層が繋がる幅を有していてもよい。この受光素子では、前記N型ジャンクションバリア領域の幅が極めて狭く形成されているので、前記N型領域が良好に空乏化され、暗状態のリーク電流が抑えられる。 In the light receiving element, when the N-type junction barrier region does not apply a bias between the cathode electrode and the anode electrode, the P on one side in the one direction in which the P-type region faces each other. It may have a width in which the depletion layer extending from the mold region and the depletion layer extending from the P-type region on the other side are connected. In this light receiving element, the width of the N-type junction barrier region is formed to be extremely narrow, so that the N-type region is satisfactorily depleted and the leakage current in the dark state is suppressed.
また、本明細書が開示する受光素子の製造方法は、シリコン基板を準備する工程と、第1成膜工程と、第2成膜工程と、単結晶化する工程と、を備えることができる。前記シリコン基板を準備する工程は、N型ジャンクションバリア領域とP型領域が表面に形成されているシリコン基板を準備する工程であって、前記P型領域は前記N型ジャンクションバリア領域を間に置いて面内方向の少なくとも一方向に対向して配置されている。前記第1成膜工程は、前記シリコン基板の表面上に絶縁層を成膜する工程であって、前記絶縁層には前記N型領域と前記P型領域が露出する開口部が形成されている。前記第2成膜工程は、前記開口部を埋め込むように非晶質ゲルマニウム層を成膜する。前記単結晶化する工程は、アニール処理を実施することにより、前記シリコン基板を種結晶とした固相結晶成長により、前記シリコン基板の前記表面に接する部分の前記非晶質ゲルマニウム層を単結晶化する。 Further, the method for manufacturing a light receiving element disclosed in the present specification can include a step of preparing a silicon substrate, a first film forming step, a second film forming step, and a single crystallizing step. The step of preparing the silicon substrate is a step of preparing a silicon substrate having an N-type junction barrier region and a P-type region formed on the surface, and the P-type region has the N-type junction barrier region in between. They are arranged so as to face each other in at least one direction in the in-plane direction. The first film forming step is a step of forming an insulating layer on the surface of the silicon substrate, and the insulating layer is formed with an opening in which the N-shaped region and the P-shaped region are exposed. .. In the second film forming step, an amorphous germanium layer is formed so as to embed the opening. In the single crystallization step, the amorphous germanium layer of the portion in contact with the surface of the silicon substrate is single crystallized by solid-phase crystal growth using the silicon substrate as a seed crystal by carrying out an annealing treatment. To do.
前記アニール処理は、350℃〜450℃の範囲内で実施されてもよい。 The annealing treatment may be carried out in the range of 350 ° C. to 450 ° C.
図1に示されるように、受光素子1は、ヘテロ接合フォトダイオードと称される種類の受光素子であり、シリコン基板10、第1絶縁層20、第2絶縁層25、ゲルマニウム層30、アノード電極40及びカソード電極50を備えている。シリコン基板10は、P型領域11、N型ジャンクションバリア領域12、N型コンタクト領域13及びN型層14を有している。図1(A)の平面図では、P型領域11とN型コンタクト領域13の輪郭を破線で示し、N型ジャンクションバリア領域12の範囲をグレーで示している。
As shown in FIG. 1, the
シリコン基板10は、N型のシリコン単結晶基板である。N型の不純物はリンであり、その濃度は1×1017cm−2以下である。P型領域11とN型ジャンクションバリア領域12とN型コンタクト領域13は、シリコン基板10の表面に露出する位置に配置されている。N型ジャンクションバリア領域12とN型層14は、シリコン基板10の表面にP型領域11とN型コンタクト領域13を形成した残部であり、シリコン基板10と同一の不純物濃度である。なお、N型ジャンクションバリア領域12は、シリコン基板10の面内方向(シリコン基板10の表面に平行な方向であり、この例ではXY平面に平行な方向である)において、P型領域11によって囲まれた範囲として画定される領域である。
The
P型領域11は、N型層14上に設けられており、シリコン基板10を垂直上方(+Z方向)から見たときに、N型ジャンクションバリア領域12の周囲を取り囲むとともに、その取り囲む領域から一方の向き(−X方向)に向けて延びるように配置されている。また、P型領域11は、シリコン基板10の面内方向においてN型ジャンクションバリア領域12隣接している。P型領域11は、イオン注入技術を利用してシリコン基板10の表面にP型不純物(例えはボロン)を導入して形成された領域であり、その濃度は1×1018cm−2以上である。
The P-
N型ジャンクションバリア領域12は、N型層14上に設けられており、垂直上方から見たときに、円形状の形態を有している。この例に代えて、N型ジャンクションバリア領域12は、垂直上方から見たときに、楕円形状、多角形状又は適宜調整された様々な形状であってもよい。また、複数のN型ジャンクションバリア領域12が設けられていてもよい。
The N-type
N型コンタクト領域13は、N型層14上に設けられており、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、P型領域11から一方の向き(+X方向)に離れた位置に設けられている。N型コンタクト領域13は、イオン注入技術を利用してシリコン基板10の表面にN型不純物(例えはリン又はヒ素)を導入して形成された領域であり、その濃度は1×1018cm−2以上である。
The N-
第1絶縁層20は、シリコン基板10の表面上に設けられており、その材料が酸化シリコンである。第2絶縁層25は、第1絶縁層20の表面上に設けられており、その材料が酸化シリコンである。第1絶縁層20には、受光層開口部21が形成されている。第1絶縁層20と第2絶縁層25の各々には、アノード電極開口部22とカソード電極開口部23が形成されている。アノード電極開口部22とカソード電極開口部23の各々は、第1絶縁層20と第2絶縁層25を連通するように形成されている。
The first insulating
第1絶縁層20の受光層開口部21は、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、N型ジャンクションバリア領域12を中心とした円形状であり、P型領域11がN型ジャンクションバリア領域12を取り囲む領域の範囲内に形成されている。これにより、受光層開口部21は、P型領域11の一部を露出させるとともに、N型ジャンクションバリア領域12も露出させるように形成されている。受光層開口部21には、ゲルマニウム層30が埋め込まれている。
The light receiving layer opening 21 of the first insulating
アノード電極開口部22は、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、P型領域11がN型ジャンクションバリア領域12を取り囲む領域から延びるように形成されたP型領域11の範囲内に形成されており、P型領域11の一部を露出させるように形成されている。アノード電極開口部22には、アノード電極40が埋め込まれている。このように、アノード電極40は、第2絶縁層25の表面上にコンタクト部を提供するとともに、アノード電極開口部22を介してP型領域11と電気的に接続している。アノード電極40はアルミニウム(Al)であり、P型領域11とオーミック接触している。アノード電極40は、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、ゲルマニウム層30と重複しないように配置されている。
The
カソード電極開口部23は、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、N型コンタクト領域13が形成されている範囲内に形成されており、N型コンタクト領域13の一部を露出させるように形成されている。カソード電極開口部23には、カソード電極50が埋め込まれている。このように、カソード電極50は、第2絶縁層25の表面上にコンタクト部を提供するとともに、カソード電極開口部23を介してN型コンタクト領域13と電気的に接続している。カソード電極50はアルミニウム(Al)であり、N型コンタクト領域13とオーミック接触している。カソード電極50は、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、ゲルマニウム層30と重複しないように配置されている。
The
ゲルマニウム層30は、受光層開口部21に埋め込まれるように設けられているとともに、その表面が第2絶縁層25によって覆われている。ゲルマニウム層30は、第1絶縁層20及び第2絶縁層25によってアノード電極40とカソード電極50の各々から隔てられている。ゲルマニウム層30は、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、N型ジャンクションバリア領域12を中心とした円形状である。
The
ゲルマニウム層30は、意図的に不純物が導入されていない真性半導体である。しかしながら、ゲルマニウムは、不純物が添加されていなくても格子欠陥がアクセプタとして働く。後述するように、ゲルマニウム層30はシリコン基板10を種結晶とした固相結晶成長により形成されることから、シリコンとゲルマニウムの格子不整合に起因して、ゲルマニウム層30の欠陥密度は高い。このため、ゲルマニウム層30は、ホール密度が1017cm−3後半から1018cm−3台の、高濃度のP型半導体として機能する。
The
ゲルマニウム層30は、受光層開口部21の底部において、P型領域11とN型ジャンクションバリア領域12の双方に接触している。上記したように、ゲルマニウム層30はP型半導体として機能していることから、ゲルマニウム層30とP型領域11はオーミック接触しており、ゲルマニウム層30とN型ジャンクションバリア領域12はヘテロPN接合を構成している。ゲルマニウム層30は、少なくともN型ジャンクションバリア領域12と接する部分において、単結晶である。なお、N型ジャンクションバリア領域12と接する部分から離れた領域のゲルマニウム層30は、多結晶であってもよい。
The
ゲルマニウム層30の膜厚T1は、厚いほど受光効率が高くなるが、素子を作成する際の段差が大きくなり配線の段切れ問題を起こしやすくなる。従って、受光効率と配線の信頼性とのバランスを考慮して、膜厚T1を定めればよい。本実施形態では、膜厚T1は1μm程度である。
The thicker the film thickness T1 of the
このように、受光素子1は、アノード電極40とカソード電極50の間において、P型領域11とゲルマニウム層30とN型ジャンクションバリア領域12とN型層14とN型コンタクト領域13が直列に接続されたヘテロ接合型フォトダイオードとして構成されている。
In this way, in the
(受光素子1の受光時の動作)
受光素子1は、アノード電極40とカソード電極50の間に逆バイアスを印加した状態で使用される。具体的には、受光素子1は、アノード電極40に0〜−50V(例えば−1V)を印加し、カソード電極50に0Vを印加した状態で使用される。アノード電極40とカソード電極50の間に逆バイアスが印加されると、ゲルマニウム層30とN型ジャンクションバリア領域12のヘテロPN接合近傍に空乏層が広がる。この状態でゲルマニウム層30の上面にアイセーフ帯光(例:1550nm、エネルギー:0.8eV)が入射されると、光がゲルマニウム層30で吸収され、空乏層内で電子と正孔が発生する。なお、このようなアイセーフ帯光は、シリコン基板10では吸収されず、ゲルマニウム層30で選択的に吸収される。N型ジャンクションバリア領域12とゲルマニウム層30のヘテロPN接合近傍の空乏層の内部電界により、正孔はゲルマニウム層30とP型領域11を介してアノード電極40に流れ、電子はN型ジャンクションバリア領域12とN型層14とN型コンタクト領域13を介してカソード電極50に流れる。このように、受光素子1では、入射したアイセーフ帯光量に応じた光電流がアノード電極40とカソード電極50の間を流れる。
(Operation when the
The
(受光素子1の製造方法)
次に、図2及び図3を参照し、受光素子1を製造する方法を説明する。まず、図2に示されるように、P型領域11とN型ジャンクションバリア領域12とN型コンタクト領域13とN型層14が形成されたシリコン基板10を準備する。次に、シリコン基板10の表面上に、熱酸化等により、第1絶縁層20を成膜する。次に、受光層開口部21とアノード電極開口部22とカソード電極開口部23に対応する領域が開口しているマスク(不図示)を形成し、異方性エッチングを行う。これにより、図2に示すように、開口部21,22,23が形成された第1絶縁層20がシリコン基板10の表面上に成膜される。
(Manufacturing method of light receiving element 1)
Next, a method of manufacturing the
次に、開口部21,22,23の各々の内部及び第1絶縁層20の表面上に、非晶質ゲルマニウム層30aを成膜する。この成膜工程には、例えば蒸着やスパッタなどを用いることができる。成膜時の基板温度は200℃以下が好ましい。200℃以上では多結晶ゲルマニウム層が成膜されてしまう場合があるためである。これにより、図3に示す構造が形成される。図3では、非晶質ゲルマニウム層30aをグレーで示している。
Next, an
次に、図3の構造に対してアニール処理を実施する。アニール温度は400℃以上が好適であるが、高温であるほど非晶質ゲルマニウム層30a中に微結晶核が発生するため500℃以下が好ましい。本実施形態では、350℃〜450℃の範囲内の温度を用いた。アニール雰囲気は、窒素などの非酸化雰囲気が好ましい。
Next, the structure of FIG. 3 is annealed. The annealing temperature is preferably 400 ° C. or higher, but the higher the temperature, the more microcrystal nuclei are generated in the
アニール処理を実施することにより、単結晶のシリコン基板10を種結晶として、固相結晶成長を行うことができる。固相結晶成長では、ゲルマニウムの結晶構造をシリコン基板10の結晶面にそろえることができるため、非晶質ゲルマニウム層30aを単結晶化することができる。固相結晶成長は、図3の矢印Y1に示すように、非晶質ゲルマニウム層30aとシリコン基板10との界面(開口部21,22,23の各々の底部)を起点として、除々に進んでいく。また、開口部21,22,23の各々の底部から十分に離れている領域R1では、非晶質ゲルマニウム層30aが多結晶化する。これは、単結晶化の固相結晶成長(矢印Y1)が領域R1まで到達する前に、アニール処理中にランダムに発生する微結晶核を種結晶として、領域R1内で固相結晶成長が行われ多結晶化するためである。なお、アニール処理を所定時間以上行うことで、非晶質ゲルマニウム層30aの全体に対して、固相結晶成長を行うことができる。結晶化後のゲルマニウム層30では、開口部21,22,23の各々の底部の近傍領域は単結晶であり、領域R1は多結晶である。単結晶化する領域の広さは、アニール時間やアニール温度などの各種パラメータによって制御することができる。なお、ゲルマニウム層30の全体が単結晶化されてもよい。
By carrying out the annealing treatment, solid-phase crystal growth can be performed using the single
その後、図1に示すように、受光層開口部21を中心とした円形状のマスクを形成し、ドライエッチングにより不要なゲルマニウム層を除去する。また、アノード電極40およびカソード電極50を形成する。これにより、図1に示す受光素子1が完成する。
After that, as shown in FIG. 1, a circular mask centered on the light
(効果)
自律走行車やADAS(Advanced driver-assistance systems)では、周辺環境認識のために、赤外線カメラやLiDAR(Light Detection and Ranging)システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光(1300nm〜1600nm光)を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、シリコンのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、ナローバンドギャップ半導体(例:ゲルマニウム)を用いて受光素子を作成する必要があった。受光素子はゲルマニウム基板等を用いて作成し、信号処理回路はシリコン基板を用いて作成すると、受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。本実施形態の受光素子1は、シリコンプロセスにゲルマニウム膜を堆積する工程やアニールする工程を追加するだけで、ゲルマニウムの受光膜を形成できる。受光膜と信号処理回路を、Si基板にモノリシックに集積化することができる。アイセーフ帯光に対応した受光システムの製造コストを、削減することが可能となる。
(effect)
Autonomous vehicles and ADAS (Advanced driver-assistance systems) use infrared cameras and LiDAR (Light Detection and Ranging) systems to recognize the surrounding environment. In these systems, it is preferable to use eye-safe band light (1300 nm to 1600 nm light) for safety. However, since eye-safe band light has an energy lower than that of silicon, it is necessary to fabricate a light receiving element using a narrow bandgap semiconductor (eg, germanium). If the light receiving element is made of a germanium substrate or the like and the signal processing circuit is made of a silicon substrate, it is necessary to mount a plurality of chips in the light receiving system, which leads to an increase in cost. The
受光層としてゲルマニウム層が用いられる場合、ゲルマニウム結晶のバンドギャップが小さいので、暗状態のリーク電流が多くなってしまう。本実施形態の受光素子1は、垂直上方から見たときに、N型ジャンクションバリア領域12の面積が、ゲルマニウム層30の面積よりも小さい構造を備えている。リーク電流密度はN型ジャンクションバリア領域12とゲルマニウム層30のヘテロPN接合の面積に依存するため、ヘテロPN接合の面積を小さくすることにより、リーク電流を低減することができる。また、ゲルマニウム層30の面積をヘテロPN接合の面積に比して大きくすることで、感度の低下を抑制することができる。なお、ヘテロPN接合の面積の値は、リーク電流の許容値に応じて適宜定めることができる。また、ヘテロPN接合の面積に対するゲルマニウム層30の面積の比を大きくすることに従って感度が上昇するが、ある所定比を超えると感度の上昇は飽和する。従って、感度の飽和点を超えない程度に、面積比を高めればよい。
When a germanium layer is used as the light receiving layer, the band gap of the germanium crystal is small, so that the leakage current in the dark state increases. The
また、本実施形態の受光素子1では、N型ジャンクションバリア領域12を取り囲むようにP型領域11が設けられている。この受光素子1では、アノード電極40とカソード電極50の間に逆バイアスを印加した使用状態において、P型領域11から伸びてくる空乏層によってN型ジャンクションバリア領域12が実質的に空乏化されるように構成されている。換言すると、N型ジャンクションバリア領域12の幅W1(図1参照)が、アノード電極40とカソード電極50の間に逆バイアスを印加した使用状態において、P型領域11から伸びてくる空乏層によってN型ジャンクションバリア領域12が実質的に空乏化される大きさに設定されている。これにより、P型領域11が設けられていない場合に比してヘテロPN接合近傍の空乏層の厚みが大きくなり、この結果、ヘテロPN接合直下のN型ジャンクションバリア領域12の電位が低下し、暗状態のリーク電流が抑えられる。
Further, in the
ここで、N型ジャンクションバリア領域12の幅W1について詳細する。本実施形態では、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、N型ジャンクションバリア領域12が円形状であり、そのN型ジャンクションバリア領域12を取り囲むようにP型領域11が設けられている。このため、本実施形態では、N型ジャンクションバリア領域12の幅W1は、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、円形状のN型ジャンクションバリア領域12の直径となる。N型ジャンクションバリア領域12の形状は、円形状に限られない。N型ジャンクションバリア領域12の広範囲に空乏層が広がるようにP型領域11が配置されていれば、N型ジャンクションバリア領域12に様々な形状を採用することができる。N型ジャンクションバリア領域12の広範囲に空乏層を広げるためには、P型領域11がN型ジャンクションバリア領域12を間に置いて面内方向の少なくとも一方向に対向するように配置されていればよい。これにより、N型ジャンクションバリア領域12の両側から空乏層が伸びてくることができ、N型ジャンクションバリア領域12の広範囲に空乏層が広がることができる。例えば、シリコン基板10を垂直上方から見たときに、長方形状のN型ジャンクションバリア領域の各々の長辺に接するようにP型領域11が配置されていてもよい。この場合、N型ジャンクションバリア領域12の幅は、N型ジャンクションバリア領域12の短手方向の幅、即ち、P型領域11が対向する方向の幅となる。このように、N型ジャンクションバリア領域12の幅W1は、P型領域11が対向する方向の幅として定義される。
Here, the width W1 of the N-type
N型ジャンクションバリア領域12の幅W1は、アノード電極40とカソード電極50の間に逆バイアスを印加していない状態において、P型領域11から伸びてくる空乏層によってN型ジャンクションバリア領域12が実質的に空乏化される大きさに設定されていてもよい。この例では、N型ジャンクションバリア領域12の幅W1が極めて狭く構成されており、N型ジャンクションバリア領域12が良好に空乏化され、暗状態のリーク電流が抑えられる。
The width W1 of the N-type
本明細書に記載の技術では、シリコン基板10を種結晶とした固相結晶成長によりゲルマニウム層30を形成する。これにより、少なくともN型ジャンクションバリア領域12とゲルマニウム層30のヘテロPN接合近傍において、ゲルマニウム層30を単結晶にすることができる。多結晶でヘテロPN接合を形成する場合に比して、リーク電流を抑制できるため、受光素子1の特性を高めることができる。
In the technique described in the present specification, the
ゲルマニウム層30は、P型領域11を介してアノード電極40に電気的に接続されている。これにより、ゲルマニウム層30とアノード電極40とが直接に接触せずに、互いに離れている構造を実現することができる。よって、アノード電極40の製造プロセス中に、ゲルマニウム層30を保護膜等で保護することができる。アノード電極40の形成時に、各種の薬液等によってゲルマニウム層30にダメージが与えられてしまうことが防止できる。また、ゲルマニウム層30の上面がアノード電極40によって覆われてしまうことがない。ゲルマニウム層30の全面を受光層として機能させることができるため、感度を高めることが可能となる。
The
図4に示す構造体を用いて、本明細書が開示する技術の効果を検証した。なお、上記した実施形態と実質的に対応する構成要素に共通の符号を付し、その説明を省略する。構造Iは比較例であり、P型領域11及びN型ジャンクションバリア領域12が形成されていない例である。構造IIIも比較例であり、構造Iに比して、ゲルマニウム層30の幅及びヘテロPN接合の幅を広げた例である。構造IIは本実施形態に対応した実施例であり、P型領域11及びN型ジャンクションバリア領域12が形成されている例である。なお、構造Iと構造IIのヘテロPN接合の幅は1μmであり、構造IIと構造IIIのゲルマニウム層30の幅は12μmである。また、各半導体領域の不純物濃度は、上記した実施形態と同一である。
Using the structure shown in FIG. 4, the effect of the technique disclosed in the present specification was verified. A common reference numeral is given to the components substantially corresponding to the above-described embodiment, and the description thereof will be omitted. Structure I is a comparative example, in which the P-
表1に、各構造の暗状態と明状態のそれぞれで流れる電流、S/N比(暗状態の電流に対する明状態の電流の比)、電流比(構造Iの電流に対する各構造の電流の比)を示す。なお、逆バイアス電圧は−1Vであり、明状態で入射するアイセーフ帯光の波長が1550nmであり、光量が0.01W/cm2である。 Table 1 shows the current flowing in each of the dark and bright states of each structure, the S / N ratio (the ratio of the current in the bright state to the current in the dark state), and the current ratio (the ratio of the current of each structure to the current of structure I). ) Is shown. The reverse bias voltage is -1 V, the wavelength of the eye-safe band light incident in the bright state is 1550 nm, and the amount of light is 0.01 W / cm 2 .
暗状態の電流(リーク電流に相当する)については、構造IIIが最も大きい。ヘテロPN接合の面積が増加することにより、リーク電流が増加したと考えられる。一方、構造IIの暗状態の電流は、構造IIIよりも小さく、構造Iと略等しい。P型領域11及びN型ジャンクションバリア領域12が形成されたことにより、リーク電流が抑えられたと考えられる。
Structure III has the largest current in the dark state (corresponding to the leak current). It is considered that the leakage current increased due to the increase in the area of the hetero-PN junction. On the other hand, the dark state current of structure II is smaller than that of structure III and is substantially equal to that of structure I. It is considered that the leakage current was suppressed by forming the P-
明状態の電流については、構造III>構造II>構造Iの順である。構造IIの電流は、構造IIIよりも小さいものの、構造Iよりも十分に大きい。 For the current in the bright state, the order is structure III> structure II> structure I. The current of structure II is smaller than that of structure III, but sufficiently higher than that of structure I.
S/N比については、構造IIが最も大きくなる。また、電流比については、構造IIが構造Iに対して2.47倍となっており、受光感度が向上している。このように、本実施例の構造IIは、S/N比が高く、高感度な構造であることが確認された。 Regarding the S / N ratio, the structure II has the largest value. In addition, the current ratio of the structure II is 2.47 times that of the structure I, and the light receiving sensitivity is improved. As described above, it was confirmed that the structure II of this example has a high S / N ratio and a highly sensitive structure.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
1:受光素子 10:シリコン基板 11:P型領域 12:N型ジャンクションバリア領域 13:N型コンタクト領域 14:N型層 20、25:絶縁層 21:受光層開口部 30:ゲルマニウム層 40:アノード電極 50:カソード電極
1: Light receiving element 10: Silicon substrate 11: P type region 12: N type junction barrier area 13: N type contact area 14:
Claims (6)
前記シリコン基板の前記表面上に設けられており、前記N型ジャンクションバリア領域と前記P型領域の各々に接しているゲルマニウム層と、
前記N型ジャンクションバリア領域に電気的に接続されているカソード電極と、
前記P型領域に電気的に接続されているアノード電極と、
を備えている、受光素子。 A silicon substrate having an N-type junction barrier region and a P-type region formed on the surface thereof so that the P-type region faces at least one direction in the in-plane direction with the N-type junction barrier region in between. The silicon substrate that is placed and
A germanium layer provided on the surface of the silicon substrate and in contact with each of the N-type junction barrier region and the P-type region.
A cathode electrode electrically connected to the N-type junction barrier region and
With the anode electrode electrically connected to the P-shaped region,
The light receiving element.
前記シリコン基板の表面上に絶縁層を成膜する第1成膜工程であって、前記絶縁層には前記N型領域と前記P型領域が露出する開口部が形成されている、第1成膜工程と、
前記開口部を埋め込むように非晶質ゲルマニウム層を成膜する第2成膜工程と、
アニール処理を実施することにより、前記シリコン基板を種結晶とした固相結晶成長により、前記シリコン基板の前記表面に接する部分の前記非晶質ゲルマニウム層を単結晶化する工程と、
を備えている、受光素子の製造方法。 This is a step of preparing a silicon substrate on which an N-type junction barrier region and a P-type region are formed on the surface, and the P-type region is in at least one direction in the in-plane direction with the N-type junction barrier region in between. The process of preparing silicon substrates, which are arranged facing each other,
In the first film forming step of forming an insulating layer on the surface of the silicon substrate, the insulating layer is formed with an opening in which the N-type region and the P-type region are exposed. Membrane process and
A second film forming step of forming an amorphous germanium layer so as to embed the opening, and
A step of single-crystallizing the amorphous germanium layer in a portion of the silicon substrate in contact with the surface by solid-phase crystal growth using the silicon substrate as a seed crystal by carrying out an annealing treatment.
A method for manufacturing a light receiving element.
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