CN104064621A - 半导体光检测元件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体光检测元件(SP)，包括：硅基板(21)，其由第1导电类型的半导体构成，具有彼此相对的第1主面(21a)及第2主面(21b)，并且在第1主面(21a)侧形成有第2导电类型的半导体层(23)；以及电荷传输电极(25)，其设置于第1主面(21a)上，且传输所产生的电荷。在硅基板(21)上，在第2主面(21b)侧形成有具有比硅基板(21)更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层(31)，并且在第2主面(21b)上的至少与半导体区域(23)相对的区域形成有不规则的凹凸(10)。硅基板(21)的第2主面(21b)的形成有不规则的凹凸(10)的区域光学性地露出。

Description

半导体光检测元件
本申请是申请日为2010年2月9日、申请号为201080008816.9、发明名称为半导体光检测元件的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种半导体光检测元件。
背景技术
作为在近红外的频带中具有高光谱灵敏度特性的光电二极管，已知有使用化合物半导体的光电二极管(例如参照专利文献1)。在专利文献1所记载的光电二极管中包括：第1受光层，其由InGaAsN、InGaAsNSb、及InGaAsNP中的任一者构成；以及第2受光层，其具有波长比第1受光层的吸收端更长的吸收端，且由量子阱的构造构成。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-153311号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，如上所述的使用化合物半导体的光电二极管仍然很昂贵，制造步骤也复杂。因此，谋求廉价、易于制造且在近红外的频带中具有充分的光谱灵敏度的硅光电二极管的实用化。对于硅光电二极管而言，一般其光谱灵敏度特性在长波长侧的极限为1100nm左右，但1000nm以上的波长带中的光谱灵敏度特性不充分。
本发明的目的在于提供一种半导体光检测元件，其使用硅且在近红外的频带中具有充分的光谱灵敏度特性。
解决问题的技术手段
本发明的半导体光检测元件包括：硅基板，其由第1导电类型的半导体构成，具有彼此相对的第1主面及第2主面，并且在第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域；以及传输电极部，设置于硅基板的第1主面上，且传输所产生的电荷；在硅基板上，在第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在第2主面上的至少与第2导电类型的半导体区域相对的区域形成有不规则的凹凸，硅基板的第2主面上的形成有不规则的凹凸的区域光学性地露出。
在本发明的半导体光检测元件中，由于在第2主面的至少与第2导电类型的半导体区域相对的区域中形成有不规则的凹凸，故入射至半导体光检测元件的光在该区域中经反射、散射、或扩散，在硅基板内前进较长的距离。由此，入射至半导体光检测元件的光的大部分并不透过半导体光检测元件(硅基板)，而是被硅基板所吸收。因此，在上述半导体光检测元件中，入射至半导体光检测元件的光的行进距离变长，光的吸收距离也变长，因此，近红外的频带中的光谱灵敏度特性提高。
另外，由于在硅基板的第2主面侧形成有具有比硅基板高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，故在第2主面侧并非由光产生的多余的载流子再次结合，从而可减小暗电流。另外，第1导电类型的上述累积层抑制在硅基板的第2主面附近由光产生的载流子被该第2主面捕获。因此，由光产生的载流子有效率地朝第2导电类型的半导体区域与硅基板的pn接合部移动，从而可提高半导体光检测元件的光检测灵敏度。
在本发明的半导体光检测元件中，也可在与第2导电类型的半导体区域相对的区域中的一部分的区域中，形成不规则的凹凸。在该情况下，在半导体光检测元件中的与形成有不规则的凹凸的区域相对应的部分中，如上所述，近红外的频带中的光谱灵敏度特性提高。
在本发明的半导体光检测元件中，也可保留硅基板的对应于第2导电类型的半导体区域的部分的周边部分而从第2主面侧起使该部分变薄。在该情况下，可获得分别将硅基板的第1主面及第2主面侧设为光入射面的半导体光检测元件。
在本发明的半导体光检测元件中，优选为第1导电类型的累积层的厚度大于不规则的凹凸的高低差。在该情况下，如上所述，可确保累积层的作用效果。
在本发明的半导体光检测元件中，优选为硅基板的厚度设定为像素间距以下。在该情况下，可抑制像素间的串扰的产生。
本发明的光电二极管包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，具有彼此相对的第1主面及第2主面，并且在第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域，在硅基板上，在第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在第2主面上的至少与第2导电类型的半导体区域相对的区域形成有不规则的凹凸，硅基板的第2主面上的与第2导电类型的半导体区域相对的区域光学性地露出。
在本发明的光电二极管中，由于在第2主面上的至少与第2导电类型的半导体区域相对的区域中形成有不规则的凹凸，故入射至光电二极管的光在该区域中经反射、散射、或扩散，在硅基板内前进较长的距离。由此，入射至光电二极管的光的大部分并不透光过光电二极管(硅基板)，而是被硅基板所吸收。因此，在上述光电二极管中，由于入射至光电二极管的光的行进距离变长，且光的吸收距离也变长，故而近红外的频带中的光谱灵敏度特性提高。
另外，由于在硅基板的第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，故在第2主面侧并非由光产生的多余的载流子再次结合，从而可减小暗电流。另外，第1导电类型的上述累积层抑制在硅基板的第2主面附近由光产生的载流子被该第2主面捕获。因此，由光产生的载流子有效率地朝第2导电类型的半导体区域与硅基板的pn接合部移动，从而可提高光电二极管的光检测灵敏度。
优选为，保留硅基板中的对应于第2导电类型的半导体区域的部分的周边部分而从第2主面侧起使该部分变薄。在该情况下，可获得分别将硅基板的第1主面及第2主面侧设为光入射面的光电二极管。
优选为第1导电类型的累积层的厚度大于不规则的上述凹凸的高低差。在该情况下，如上所述，可确保累积层的作用效果。
发明的效果
根据本发明，可提供一种使用硅且在近红外的频带中具有充分的光谱灵敏度特性的半导体光检测元件。
附图说明
图1为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图2为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图3为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图4为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图5为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图6为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图7为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图8为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图9为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图10为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图11为表示第1实施方式的光电二极管的结构的图。
图12为表示实施例1及比较例1中的相对于波长的光谱灵敏度的变化的图表。
图13为表示实施例1及比较例1中的相对于波长的温度系数的变化的图表。
图14为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图15为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图16为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图17为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图18为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图19为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图20为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图21为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图22为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图23为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图24为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图25为表示第5实施方式的半导体光检测元件的立体图。
图26为用于说明第5实施方式的半导体光检测元件的剖面构成的图。
图27为表示第5实施方式的变形例的半导体光检测元件的立体图。
图28为用于说明第5实施方式的变形例的半导体光检测元件的剖面结构的图。
图29为用于说明分光器的构成的模式图。
图30为表示第5实施方式的变形例的半导体光检测元件的立体图。
具体实施方式
以下参照随附图式，详细地说明本发明的优选实施方式。再者，在说明中，对于相同要素或具有相同功能的要素使用相同符号，且省略重复的说明。
(第1实施方式)
参照图1～图10，对第1实施方式的光电二极管的制造方法进行说明。图1～图10为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
首先，准备由硅(Si)结晶构成且具有彼此相对的第1主面1a及第2主面1b的n-型半导体基板1(参照图1)。n-型半导体基板1的厚度为300μm左右，比电阻为1kΩ·cm左右。在本实施方式中，所谓「高杂质浓度」例如是指杂质浓度为1×1017cm-3以上，对导电类型标记「+」而予以表示；所谓「低杂质浓度」是指杂质浓度为1×1015cm-3以下，对导电类型标记「-」而予以表示。作为n型杂质有锑(Sb)或砷(As)等，作为p型杂质有硼(B)等。
其次，在n-型半导体基板1的第1主面1a侧，形成p+型半导体区域3及n+型半导体区域5(参照图2)。p+型半导体区域3通过使用中央部形成有开口的掩模等，且在n-型半导体基板1内使p型杂质从第1主面1a侧起高浓度地扩散而形成。n+型半导体区域5通过使用周边部区域形成有开口的其它掩模等，且以包围p+型半导体区域3的方式，在n-型半导体基板1内使n型杂质从第1主面1a侧起，以比n-型半导体基板1更高的浓度进行扩散而形成。p+型半导体区域3的厚度例如为0.55μm左右，薄片电阻例如为44Ω/sq.。n+型半导体区域5的厚度例如为1.5μm左右，薄片电阻例如为12Ω/sq.。
其次，在n-型半导体基板1的第1主面1a侧形成绝缘层7(参照图3)。绝缘层7由SiO2构成，且通过对n-型半导体基板1进行热氧化而形成。绝缘层7的厚度例如为0.1μm左右。继而，在p+型半导体区域3上的绝缘层7形成接触孔H1，在n+型半导体区域5上的绝缘层7形成接触孔H2。也可代替绝缘层7而形成由SiN构成的抗反射(AntiReflection，AR)层。
其次，在n-型半导体基板1的第2主面1b上及绝缘层7上形成钝化层9(参照图4)。钝化层9由SiN构成，且例如由等离子体CVD法而形成。钝化层9的厚度例如为0.1μm。继而，以n-型半导体基板1的厚度成为所期望的厚度的方式，从第2主面1b侧起对n-型半导体基板1进行研磨(参照图5)。由此，除去形成于n-型半导体基板1的第2主面1b上的钝化层9，n-型半导体基板1露出。此处，由研磨而露出的面也设为第2主面1b。所期望的厚度例如为270μm。
继而，将脉冲激光PL照射至n-型半导体基板1的第2主面1b而形成不规则的凹凸10(参照图6)。此处，如图7所示，将n-型半导体基板1配置于腔室C内，从配置于腔室C的外侧的脉冲激光产生装置PLD将脉冲激光PL照射至n-型半导体基板1。腔室C具有气体导入部GIN及气体排出部GOUT，将惰性气体(例如，氮气或氩气等)从气体导入部GIN导入而从气体排出部GOUT排出，由此在腔室C内形成惰性气体流Gf。照射脉冲激光PL时产生的灰尘等通过惰性气体流Gf而排出至腔室C外，防止加工屑或灰尘等附着于n-型半导体基板1。
在本实施方式中，使用皮秒～飞秒脉冲激光产生装置作为脉冲激光产生装置PLD，遍及第2主面1b的整个面而照射皮秒～飞秒脉冲激光。第2主面1b暴露于皮秒～飞秒脉冲激光，如图8所示，不规则的凹凸10形成于第2主面1b的整个面。不规则的凹凸10具有与正交于第1主面1a的方向相交叉的面。凹凸10的高低差例如为0.5～10μm左右，凹凸10中的凸部的间隔为0.5～10μm左右。皮秒～飞秒脉冲激光的脉冲持续时间例如为50fs～2ps左右，强度例如为4～16GW左右，脉冲能量例如为200～800μJ/pulse左右。更一般而言，峰值强度为3×1011～2.5×1013(W/cm2)，通量(fluence)为0.1～1.3(J/cm2)左右。图8是观察形成于第2主面1b的不规则的凹凸10所得的SEM(ScanningElectron Microscope，扫描电子显微镜)图像。
其次，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成累积层11(参照图9)。此处，在n-型半导体基板1内使n型杂质从第2主面1b侧起，以成为比n-型半导体基板1更高的杂质浓度的方式进行离子植入或扩散，由此形成累积层11。累积层11的厚度例如为1μm左右。
继而，对n-型半导体基板1进行热处理(退火)。此处，在N2气体的气氛下，在800～1000℃左右的范围，将n-型半导体基板1加热0.5～1小时左右。
其次，除去形成于绝缘层7上的钝化层9之后，形成电极13、15(参照图10)。电极13形成于接触孔H1内，电极15形成于接触孔H2内。电极13、15分别由铝(Al)构成等，且厚度例如为1μm左右。由此，完成光电二极管PD1。
如图10所示，光电二极管PD1具备n-型半导体基板1。在n-型半导体基板1的第1主面1a侧形成有p+型半导体区域3及n+型半导体区域5，在n-型半导体基板1与p+型半导体区域3之间形成有pn结。电极13穿过接触孔H1而电性接触且连接于p+型半导体区域3。电极15穿过接触孔H2而电性接触且连接于n+型半导体区域5。
在n-型半导体基板1的第2主面1b形成有不规则的凹凸10。在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成有累积层11，第2主面1b光学性地露出。所谓第2主面1b光学性地露出，不仅包括第2主面1b与空气等的环境气体相接触的情形，而且包括在第2主面1b上光学性地形成有透明的膜的情形。
在光电二极管PD1中，由于在第2主面1b上形成有不规则的凹凸10，故如图11所示，入射至光电二极管PD1的光L由凹凸10而反射、散射或扩散，在n-型半导体基板1内前进较长的距离。
通常，Si的折射率n＝3.5，相对于此，空气的折射率n＝1.0。在光电二极管中，当光从垂直于光入射面的方向入射时，光电二极管(硅基板)内未吸收的光分为由光入射面的背面所反射的光成分、及透过光电二极管的光成分。透过光电二极管的光无助于光电二极管的灵敏度。光入射面的背面所反射的光成分若在光电二极管内被吸收，则成为光电流，未吸收的光成分与到达光入射面的背面的光成分同样地，透过光入射面或被其反射。
在光电二极管PD1中，当光L从垂直于光入射面(第1主面1a)的方向入射时，一旦到达形成于第2主面1b的不规则的凹凸10，则以相对于从凹凸10出射的方向成16.6°以上的角度而到达的光成分被凹凸10全反射。由于凹凸10不规则地形成，故而其相对于出射方向具有各种角度，全反射的光成分朝各个方向扩散。因此，全反射的光成分既有在n-型半导体基板1内部被吸收的光成分，也有到达第1主面1a或侧面的光成分。
到达第1主面1a或侧面的光成分由于在凹凸10上扩散而朝各个方向前进，因此，到达第1主面1a或侧面的光成分被第1主面1a或侧面全反射的可能性极高。被第1主面1a或侧面全反射的光成分于不同的面上重复地被全反射，从而其行进距离变得更长。如此，入射至光电二极管PD1的光L在n-型半导体基板1的内部前进较长距离的过程中，由n-型半导体基板1所吸收，且检测为光电流。
如此，入射至光电二极管PD1的光L的大部分并不透过光电二极管PD1，其行进距离长而由n-型半导体基板1所吸收。因此，在光电二极管PD1中，近红外的频带中的光谱灵敏度特性提高。
当在第2主面1b形成规则的凹凸时，到达第1主面1a或侧面的光成分虽由于凹凸而扩散，但朝同样的方向前进，因此，到达第1主面1a或侧面的光成分被第1主面1a或侧面全反射的可能性降低。透过第1主面1a或侧面，进而透过第2主面1b的光成分增加，入射至光电二极管的光的行进距离变短。因此，难以提高近红外的频带中的光谱灵敏度特性。
此处，进行用以确认第1实施方式的近红外的频带中的光谱灵敏度特性的提高效果的实验。
制作具有上述构成的光电二极管(称为实施例1)、及在n-型半导体基板的第2主面未形成有不规则的凹凸的光电二极管(称为比较例1)，且调查各个光电二极管的光谱灵敏度特性。实施例1与比较例1除了由照射脉冲激光而形成不规则的凹凸的方面以外，两者的结构相同。n-型半导体基板1的尺寸设定为6.5mm×6.5mm。p+型半导体区域3即光感应区域的尺寸设定为5.8mm×5.8mm。施加于光电二极管的偏压电压VR设定为0V。
将结果表示于图12。在图12中，实施例1的光谱灵敏度特性由T1所表示，比较例1的光谱灵敏度特性由特性T2所表示。在图12中，纵轴表示光谱灵敏度(mA/W)，横轴表示光的波长(nm)。点划线所示的特性表示量子效率(Quantum Efficiency，QE)为100％的光谱灵敏度特性，虚线所示的特性表示量子效率为50％的光谱灵敏度特性。
根据图12可知，例如在1064nm处，比较例1中的光谱灵敏度为0.2A/W(QE＝25％)，相对于此，实施例1中的光谱灵敏度为0.6A/W(QE＝72％)，近红外的频带中的光谱灵敏度大幅度地提高。
也已确认了实施例1及比较例1中的光谱灵敏度的温度特性。此处，使环境温度从25℃上升至60℃并调查光谱灵敏度特性，求出60℃时的光谱灵敏度相对于25℃时的光谱灵敏度的比例(温度系数)。将结果表示于图13。在图13中，实施例1的温度系数的特性由T3所表示，比较例1的温度系数的特性由特性T4所表示。在图13中，纵轴表示温度系数(％/℃)，横轴表示光的波长(nm)。
根据图13可知，例如在1064nm处，比较例1中的温度系数为0.7％/℃，相对于此，实施例1中的温度系数为0.2％/℃，温度依赖性低。一般而言，若温度上升，则由吸收系数的增大与带隙能量的减少，光谱灵敏度变高。在实施例1中，即使在室温状态下，光谱灵敏度也足够高，因此，与比较例1相比，温度上升所引起的光谱灵敏度的变化变小。
在光电二极管PD1中，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成有累积层11。由此，在第2主面1b侧并非由光产生的多余的载流子再次结合，从而可减小暗电流。另外，累积层11抑制在第2主面1b附近由光产生的载流子被该第2主面1b捕获。因此，由光产生的载流子有效率地朝pn接合部移动，从而可进一步提高光电二极管PD1的光检测灵敏度。
在第1实施方式中，形成累积层11之后，对n-型半导体基板1进行热处理。由此，n-型半导体基板1的结晶性恢复，可防止暗电流的增加等的不良。
在第1实施方式中，对n-型半导体基板1进行热处理之后，形成电极13、15。由此，即使在将熔点较低的金属用作电极13、15的情况下，也不会因热处理而使电极13、15熔融，可不受热处理的影响而适当地形成电极13、15。
在第1实施方式中，照射皮秒～飞秒脉冲激光而形成不规则的凹凸10。由此，可适当且容易地形成不规则的凹凸10。
(第2实施方式)
参照图14～图16，说明第2实施方式的光电二极管的制造方法。图14～图16为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
对于第2实施方式的制造方法而言，直至从第2主面1b侧起对n-型半导体基板1进行研磨为止与第1实施方式的制造方法相同，故省略至此为止的工序的说明。从第2主面1b侧起对n-型半导体基板1进行研磨，使n-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成累积层11(参照图14)。与第1实施方式同样地形成累积层11。累积层11的厚度例如为1μm左右。
其次，将脉冲激光PL照射至n-型半导体基板1的第2主面1b而形成不规则的凹凸10(参照图15)。与第1实施方式同样地形成不规则的凹凸10。
其次，与第1实施方式同样地对n-型半导体基板1进行热处理。继而，除去形成于绝缘层7上的钝化层9之后，形成电极13、15(参照图16)。由此，完成光电二极管PD2。
在第2实施方式中，也与第1实施方式同样地，入射至光电二极管PD2的光的行进距离变长，光的吸收距离也变长，因此，可提高近红外的频带中的光谱灵敏度特性。
在第2实施方式中，使累积层11的厚度大于不规则的凹凸10的高低差。因此，在形成累积层11之后，即使照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层11也会确实地保留。因此，可确保累积层11的作用效果。
(第3实施方式)
参照图17～图21，说明第3实施方式的光电二极管的制造方法。图17～图21为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
对于第3实施方式的制造方法而言，直至形成钝化层9为止与第1实施方式的制造方法相同，故省略至此为止的工序的说明。形成钝化层9之后，保留n-型半导体基板1中的对应于p+型半导体区域3的部分的周边部分，而从第2主面1b侧起使该部分变薄(参照图17)。例如通过使用氢氧化钾溶液或TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide，四甲基氢氧化铵溶液)等的碱性蚀刻的各向异性蚀刻而使n-型半导体基板1变薄。n-型半导体基板1的变薄的部分的厚度例如为100μm左右，周边部分的厚度例如为300μm左右。
其次，以n-型半导体基板1的周边部分的厚度成为所期望的厚度的方式，从第2主面1b侧起对n-型半导体基板1进行研磨(参照图18)。所期望的厚度例如为270μm。
其次，将脉冲激光PL照射至n-型半导体基板1的第2主面1b而形成不规则的凹凸10(参照图19)。与第1实施方式同样地形成不规则的凹凸10。
其次，在n-型半导体基板1的变薄的部分的第2主面1b侧形成累积层11(参照图20)。与第1实施方式同样地形成累积层11。累积层11的厚度例如为3μm左右。
其次，与第1实施方式同样地，对n-型半导体基板1进行热处理之后，除去形成于绝缘层7上的钝化层9，形成电极13、15(参照图21)。由此，完成光电二极管PD3。
在第3实施方式中，也与第1及第2实施方式同样地，入射至光电二极管PD3的光的行进距离变长，光的吸收距离也变长，因此，可提高近红外的频带中的光谱灵敏度特性。
在第3实施方式中，在形成不规则的凹凸10之前，保留n-型半导体基板1中的对应于p+型半导体区域3的部分的周边部分，而从第2主面1b侧起使该部分变薄。由此，可获得分别将n-型半导体基板1的第1主面1a及第2主面1b侧设为光入射面的光电二极管PD3。
(第4实施方式)
参照图22～图24，说明第4实施方式的光电二极管的制造方法。图22～图24为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
对于第4实施方式的制造方法而言，直至使n-型半导体基板1变薄为止与第3实施方式的制造方法相同，故省略至此为止的工序的说明。从第2主面1b侧起对n-型半导体基板1进行研磨，使n-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在n-型半导体基板1的变薄的部分的第2主面1b侧形成累积层11(参照图22)。与第1实施方式同样地形成累积层11。累积层11的厚度例如为3μm左右。
其次，将脉冲激光PL照射至n-型半导体基板1的第2主面1b而形成不规则的凹凸10(参照图23)。与第1实施方式同样地形成不规则的凹凸10。
其次，与第1实施方式同样地对n-型半导体基板1进行热处理。继而，除去形成于绝缘层7上的钝化层9之后，形成电极13、15(参照图24)。由此，完成光电二极管PD4。
在第4实施方式中，也与第1～第3实施方式同样地，入射至光电二极管PD4的光的行进距离变长，光的吸收距离也变长，因此，可提高近红外的频带中的光谱灵敏度特性。
在第4实施方式中，在形成累积层11之前，保留n-型半导体基板1中的对应于p+型半导体区域3的部分的周边部分，而从第2主面1b侧起使该部分变薄。由此，可获得分别将n-型半导体基板1的第1主面1a及第2主面1b侧设为光入射面的光电二极管PD4。
(第5实施方式)
参照图25～图26，说明第5实施方式的半导体光检测元件SP1。图25表示第5实施方式的半导体光检测元件的立体图。图26为用于说明第5实施方式的半导体光检测元件的剖面结构的图。
如图25所示，半导体光检测元件SP1背面入射型固体摄像元件，并且是以KOH水溶液等对半导体基板SS的背面侧进行蚀刻而使之变薄的BT(Back Thinned，薄型背照式)-CCD(Charge Couple Device，电荷耦合元件)。在经蚀刻的半导体基板SS的中央区域形成凹部TD，在凹部TD的周围存在有较厚的框部。凹部TD的侧面相对于底面BF成钝角地倾斜。半导体基板SS的变薄的中央区域为光感应区域(摄影区域)，光L沿Z轴的负方向入射至该光感应区域。半导体基板SS的凹部TD的底面BF构成光入射面。该框部也可设为由蚀刻而被除去且整个区域变薄的背面入射型固体摄像元件。
半导体光检测元件SP1包括作为上述半导体基板SS的p型半导体基板21。p型半导体基板21由硅(Si)结晶构成，且具有彼此相对的第1主面21a及第2主面21b。将p型半导体基板21的厚度设定为像素间距P以下。在本实施方式中，像素间距P为10～48μm左右，p型半导体基板21的厚度为10～30μm左右。在本实施方式中表示双相时钟驱动的例子，为确实地使电荷朝一个方向传输，在各传输电极的下方存在杂质浓度不同的区域(未图标)。
在p型半导体基板21的第1主面21a侧形成有作为电荷传输部的n型半导体层23，在p型半导体基板21与n型半导体层23之间形成有pn结。在p型半导体基板21的第1主面21a上，经由绝缘层27而设置有作为传输电极部的多个电荷传输电极25。在p型半导体基板21的第1主面21a侧，虽省略图示，但也形成有以每个垂直CCD为单位而将n型半导体层23电性分离的隔离区域。n型半导体层23的厚度为0.5μm左右。
在p型半导体基板21的第2主面21b的整个光感应区域29中形成有不规则的凹凸10。在p型半导体基板21的第2主面21b侧形成有累积层31，第2主面21b光学性地露出。所谓第2主面21b光学性地露出，不仅包括第2主面21b与空气等的环境气体相接触的情形，而且包括在第2主面21b上光学性地形成有透明的膜的情形。在半导体光检测元件SP1为整体变薄的背面入射型固体摄像元件的情形时，也可遍及p型半导体基板21的整个第2主面21b而形成不规则的凹凸10。在半导体光检测元件SP1为仅光感应区域29附近变薄的背面入射型固体摄像元件的情形时，也可遍及包含p型半导体基板21的未变薄的周边的框部和到达框部的倾斜面的第2主面21b的整体而形成不规则的凹凸10。
不设置框部而将其它基板贴附于半导体基板SS的表面之后，对半导体基板SS的背面侧进行研磨，藉此，可获得整体变薄的背面入射型固体摄像元件。如图30所示，对于半导体光检测元件SP11而言，半导体基板SS的背面侧整体变薄。对于半导体光检测元件SP11而言，在半导体基板SS的背面(第2主面)，在至少对应于光感应区域的区域形成有不规则的凹凸10，另外，在半导体基板SS的背面侧形成有上述累积层(未图示)。
继而，说明本实施方式的半导体光检测元件SP1的制造方法。
首先，准备p型半导体基板21，在p型半导体基板21的第1主面21a侧形成n型半导体层23。n型半导体层23通过在p型半导体基板21内，使n型杂质从第1主面21a侧起扩散而形成。
其次，在p型半导体基板21的第2主面21b侧形成累积层31。累积层31与上述实施方式同样地，通过在p型半导体基板21内使p型杂质从第2主面21b侧起，以成为比p型半导体基板21更高的杂质浓度的方式进行离子植入或扩散而形成。累积层31的厚度例如为0.5μm左右。累积层31可在形成不规则的凹凸10之前形成，又，也可在形成不规则的凹凸10之后形成。
其次，以上述方式使p型半导体基板21变薄。在形成不规则的凹凸10之后形成累积层31的情况下，形成不规则的凹凸10之后，使p型半导体基板21变薄，然后形成累积层31。
其次，对p型半导体基板21进行热处理而使累积层31活化。例如在N2气体的气氛下，在800～1000℃左右的范围，进行0.5～1.0小时左右的热处理。此时，p型半导体基板21的结晶性也恢复。
其次，在p型半导体基板21的第2主面21b侧形成不规则的凹凸10。不规则的凹凸10与上述实施方式同样地，通过将脉冲激光照射至p型半导体基板21的第2主面21b而形成。照射脉冲激光的脉冲激光产生装置可使用皮秒～飞秒脉冲激光产生装置。不规则的凹凸10具有与正交于第1主面21a的方向相交叉的面。凹凸10的高低差例如为0.5～10μm左右，凹凸10中的凸部的间隔为0.5～10μm左右。皮秒～飞秒脉冲激光的脉冲持续时间例如为50fs～2ps左右，强度例如为4～16GW左右，脉冲能量例如为200～800μJ/pulse左右。更一般而言，峰值强度为3×1011～2.5×1013(W/cm2)，通量为0.1～1.3(J/cm2)左右。
其次，对p型半导体基板21进行热处理。例如，在N2气体的气氛下，在800～1000℃左右的范围，进行0.5～1.0小时左右的热处理。通过热处理而实现p型半导体基板21中的结晶损伤的恢复及再结晶化，从而可防止暗电流的增加等的不良。再者，也可省略形成累积层31之后的热处理而仅在形成不规则的凹凸10之后进行热处理。
其次，形成绝缘层27及电荷传输电极25。形成绝缘层27及电荷传输电极25的工序已知，故省略说明。电荷传输电极25例如包含多晶硅或金属。绝缘层27例如包含SiO2。也可以以覆盖绝缘层27及电荷传输电极25的方式而进一步形成保护膜。保护膜例如包含BPSG(Boron Phosphor Silicate Glass，硼磷硅玻璃)。由此，完成半导体光检测元件SP1。
在半导体光检测元件SP1中，若光从光入射面(第2主面21b)入射，则由于在第2主面21b上形成有不规则的凹凸10，故入射的光通过凹凸10散射，且在p型半导体基板21内朝各个方向前进。到达第1主面21a等的光成分由于在凹凸10上扩散而朝各个方向前进，因此，到达第1主面21a等的光成分被第1主面21a全反射的可能性极高。被第1主面21a等全反射的光成分在不同的面重复地被全反射或在第2主面21b上重复地反射、散射、或扩散，其行进距离变得更长。如此，入射至半导体光检测元件SP1的光由于凹凸10而经反射、散射、或扩散，在p型半导体基板21内前进较长的距离。继而，入射至半导体光检测元件SP1的光在p型半导体基板21的内部前进较长的距离之后，被p型半导体基板21吸收，由光产生的载流子成为n型半导体层23的每个像素的电荷，经传输且被检测。因此，在半导体光检测元件SP1中，近红外的频带中的光谱灵敏度特性提高。
在半导体光检测元件SP1中，由于凹凸10的反射、散射、或扩散而在像素间产生串扰，存在解像度降低的可能。然而，由于将p型半导体基板21的厚度设定为像素间距P以下，故在半导体光检测元件SP1中，可抑制像素间的串扰的产生。
在半导体光检测元件SP1中，在p型半导体基板21的第2主面21b侧形成有累积层31。由此，在第2主面21b侧并非由光产生的多余的载流子再次结合，从而可减小暗电流。累积层31抑制在第2主面21b附近由光产生的载流子被该第2主面21b捕获。因此，由光产生的载流子有效率地朝pn结移动，从而可进一步提高半导体光检测元件SP1的光检测灵敏度。
在第5实施方式中，在形成累积层31之后，对p型半导体基板21进行热处理。由此，p型半导体基板21的结晶性恢复，可防止暗电流的增加等的不良。
在第5实施方式中，对p型半导体基板21进行热处理之后，形成电荷传输电极25。由此，即使在将熔点较低的材料用作电荷传输电极25的情况下，也不会因热处理而使电荷传输电极25熔融，可不受热处理的影响而适当地形成电荷传输电极25。
在第5实施方式中，照射皮秒～飞秒脉冲激光而形成不规则的凹凸10。由此，可适当且容易地形成不规则的凹凸10。
然而，对于固体摄像元件等的半导体光检测元件而言，通过将由硅构成的半导体基板设定得较厚(例如200μm左右)，可实现在近红外的频带中具有光谱灵敏度特性的半导体光检测元件。然而，在增大上述半导体基板的厚度的情形时，为获得良好的解像度，必需施加数十伏特左右的高偏压电压，使半导体基板完全耗尽。其原因在于若未完全耗尽，且在半导体基板上部分地保留有中性区域，则中性区域中产生的载流子会扩散，从而防止解像度的劣化。
另外，若半导体基板较厚，则暗电流也会增加。因此，也必需冷却半导体基板(例如，-70～-100℃)，抑制暗电流的增加。
然而，在第5实施方式的半导体光检测元件SP1中，如上所述，由于在第2主面21b上形成有不规则的凹凸10，故入射至半导体光检测元件SP1的光的行进距离变长。因此，不使半导体基板(p型半导体基板21)尤其是对应于光感应区域29的部分变厚，便可实现在近红外的频带中具有充分的光谱灵敏度特性的半导体光检测元件。因此，与通过使半导体基板变厚而在近红外的频带中具有光谱灵敏度特性的半导体光检测元件相比较，上述半导体光检测元件SP1通过施加极低的偏压电压或不施加偏压电压，便可获得良好的解像度。另外，根据用途的不同，也无需对半导体基板进行冷却。
当使半导体基板尤其是对应于光感应区域的部分变薄时，存在产生ETALON现象的可能。ETALON现象是从背面入射的被检测光与已入射的被检测光经表面反射而成的光之间产生干涉的现象，其会对近红外的波长带中的检测特性造成影响。然而，在半导体光检测元件SP1中，由于在第2主面21b上形成有不规则的凹凸10，故相对于入射光的相位，由凹凸10所反射的光具有分散的相位差，因此这些光彼此抵消，ETALON现象受到抑制。
在第5实施方式中，从第2主面21b侧起使p型半导体基板21变薄。由此，可获得分别将p型半导体基板21的第1主面21a及第2主面21b侧设为光入射面的半导体光检测元件。即，半导体光检测元件SP1不仅可用作背面入射型固体摄像元件，而且也可用作表面入射型固体摄像元件。
在形成累积层31之后，照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10的情形时，优选为将累积层31的厚度设定得大于不规则的凹凸10的高低差。在该情况下，即使照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层31也会确实地保留。因此，可确保累积层31的作用效果。
继而，参照图27～图28，说明第5实施方式的变形例的半导体光检测元件SP2。图27是表示第5实施方式的变形例的半导体光检测元件的立体图。图28为用于说明第5实施方式的变形例的半导体光检测元件的剖面构成的图。
在变形例的半导体光检测元件SP2中，p型半导体基板21的第2主面21b中的光感应区域29包括第1区域29a与第2区域29b，在第2区域29b中形成有不规则的凹凸10。即，在p型半导体基板21的第2主面21b中的光感应区域29的第1区域29a中未形成有不规则的凹凸10。
在变形例的半导体光检测元件SP2中，在p型半导体基板21的第2主面21b中的光感应区域29的第2区域29b中，如上所述，近红外的频带中的光谱灵敏度特性提高。
进一步的变形例的半导体光检测元件SP21如图29所示，可用作分光器40的检测元件。分光器40包括准直透镜41、衍射光栅43、及半导体光检测元件SP21。在分光器40中，由衍射光栅43所分离的波长成分入射至半导体光检测元件SP21。半导体光检测元件SP21以光感应区域29的第2区域29b处于长波长侧，第1区域29a处于短波长侧的方式而配置。使用在分光器40中的半导体光检测元件SP21是整个区域已变薄的背面入射型固体摄像元件。
如此，当半导体光检测元件必需确保蓝色等的短波长带的光的灵敏度时，优选为在检测蓝色等的短波长带的光的区域中未形成有不规则的凹凸10。对于蓝色等的短波长带的光而言，由于直至吸收为止的行进距离短，故易于在第2主面21b的附近产生载流子。因此，若在第2主面21b形成有不规则的凹凸10，则所产生的载流子在形成有不规则的凹凸10的第2主面21b的附近被捕获，从而有难以有助于检测灵敏度的担忧。
因此，以未形成有不规则的凹凸10的第1区域29a处于短波长侧的方式而配置半导体光检测元件SP21，由此，不使蓝色等的短波长带的光的检测灵敏度降低，便可使近红外的频带中的检测灵敏度提高。对于近红外的频带的光而言，由于直至吸收为止的行进距离较长，故在第2主面21b的附近产生载流子的可能性极低。因此，由近红外的频带的光的入射而产生的载流子，在形成有不规则的凹凸10的第2主面21b的附近难以被捕获，从而十分有助于检测灵敏度。
在半导体光检测元件SP21为所谓的表面入射型固体摄像元件的情形时，由于传输电极部等的影响，而有蓝色等的短波长带的光的检测灵敏度降低的可能。因此，为检测蓝色等的短波长带的光，优选为半导体光检测元件SP21为所谓的背面入射型固体摄像元件。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明不一定限定于上述实施方式，可在不脱离其宗旨的范围内进行各种变更。
在本实施方式中，遍及第2主面1b的整个面而照射脉冲激光，形成不规则的凹凸10，但不限于此。例如，也可将脉冲激光仅照射至n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域而形成不规则的凹凸10。
在本实施方式中，使电极15电性接触且连接于在n-型半导体基板1的第1主面1a侧形成的n+型半导体区域5，但不限于此。例如，也可使电极15电性接触且连接于在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成的累积层11。在该情况下，优选为在n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域外形成电极15。其原因在于若在n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域中形成电极15，则电极15会堵塞形成于第2主面1b的不规则的凹凸10，从而产生近红外的频带中的光谱灵敏度降低的现象。
也可将本实施方式的光电二极管PD1～PD4及半导体光检测元件SP1、SP11、SP2、SP21中的p型及n型的各导电类型替换为与上述元件相反。
产业上的可利用性
本发明可利用于半导体光检测元件及光检测装置中。
符号说明
1 n-型半导体基板
1a 第1主面
1b 第2主面
3 p+型半导体区域
5 n+型半导体区域
10 不规则的凹凸
11 累积层
13、15 电极
21 p型半导体基板
21a 第1主面
21b 第2主面
23 n型半导体层
25 电荷传输电极
27 绝缘层
31 累积层
PL 脉冲激光
PD1～PD4 光电二极管
SP1、SP11、SP2、SP21 半导体光检测元件

Claims (10)

1.一种半导体光检测元件，其特征在于，
包括：
硅基板，其由第1导电类型的半导体构成，具有彼此相对的第1主面及第2主面，并且在所述第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域；以及
传输电极部，设置于所述硅基板的所述第1主面上，且传输所产生的电荷；
在所述硅基板上，在所述第2主面侧形成有具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在所述第2主面上的至少与第2导电类型的所述半导体区域相对的区域形成有不规则的凹凸，
所述硅基板的所述第2主面上的形成有不规则的所述凹凸的区域光学性地露出，
所述半导体光检测元件是表面入射型，所述第1主面被作为光入射面，从所述第1主面入射的光在所述硅基板内行进，所述第1主面与在至少与第2导电类型的所述半导体区域相对的所述区域形成有不规则的所述凹凸的所述第2主面相对。
2.如权利要求1所述的半导体光检测元件，其特征在于，
在与第2导电类型的所述半导体区域相对的所述区域中的一部分的区域中，形成有不规则的所述凹凸。
3.如权利要求1或2所述的半导体光检测元件，其特征在于，
保留所述硅基板中的对应于第2导电类型的所述半导体区域的部分的周边部分而从所述第2主面侧起使该部分变薄。
4.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光检测元件，其特征在于，
第1导电类型的所述累积层的厚度大于不规则的所述凹凸的高低差。
5.如权利要求1～4中任一项所述的半导体光检测元件，其特征在于，
所述硅基板的厚度设定为像素间距以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的半导体光检测元件，其特征在于，
从所述第1主面入射并在所述硅基板内行进的光被不规则的所述凹凸反射、散射或者扩散。
7.一种光电二极管，其特征在于，
包括：
硅基板，其由第1导电类型的半导体构成，具有彼此相对的第1主面及第2主面，并且在所述第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域，
在所述硅基板上，在所述第2主面侧形成有具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在所述第2主面上的至少与第2导电类型的所述半导体区域相对的区域形成有不规则的凹凸，
所述硅基板的所述第2主面上的与第2导电类型的所述半导体区域相对的所述区域光学性地露出，
所述光电二极管是表面入射型，所述第1主面被作为光入射面，从所述第1主面入射的光在所述硅基板内行进，所述第1主面与在至少与第2导电类型的所述半导体区域相对的所述区域形成有不规则的所述凹凸的所述第2主面相对。
8.如权利要求7所述的光电二极管，其特征在于，
保留所述硅基板中的对应于第2导电类型的所述半导体区域的部分的周边部分而从所述第2主面侧起使该部分变薄。
9.如权利要求7或8所述的光电二极管，其特征在于，
第1导电类型的所述累积层的厚度大于不规则的所述凹凸的高低差。
10.如权利要求7～9中任一项所述的光电二极管，其特征在于，
从所述第1主面入射并在所述硅基板内行进的光被不规则的所述凹凸反射、散射或者扩散。
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