JP2006165487A - 受光素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】４０５ｎｍの短波長光線に対して高い光効率および高い周波数特性を有する受光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】上部に形成される層を支持する基板と、前記基板上に位置するエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーと、前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーと、前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの外部に位置するエピタキシャル層に形成された第１タイプウェルと、前記第１タイプウェルに小さい深さに形成された高濃度ドーピング第１タイプ電極と、前記高濃度ドーピング第１タイプ電極の上部に形成された回路部とを含み、前記第１タイプと前記第２タイプはドーピング状態が相反のタイプである。
【選択図】図４ｂ

Description

本発明は受光素子およびその製造方法にかかわり、より詳しくはＢＤ（Blue-ray Disc）のような記憶媒体を使用する高容量光再生装置の光ピックアップに適合するように、短波長光線（例えば、およそ４０５ｎｍ波長の光線）を高効率および高速で検出することが可能な受光素子およびその製造方法に関するものである。
最近の光記憶技術は、メモリ、ハードディスクおよび磁気ディスクとの技術的競争で高密度化、高速化および小型化に発展しており、ほかの記憶媒体との相違点を利点としてその重要性を増大させている。
このような光記憶技術は、ディスクドライブと記憶媒体（つまり、光ディスク）間の着脱方式を使用し、ほかの記憶媒体に比べて低廉な価格を有し、データを永久に記憶することができるという利点を有する。特に、光記憶媒体は、温度および衝撃に対する耐久性がほかの記憶媒体に比べ卓越したものと知られている。
しかし、光記憶技術は、遅い伝送速度および小さい記憶容量が欠点として認められているが、最近の飛躍的な技術発展により、磁気ディスクに匹敵する高容量および高速の光記憶技術が開発されている。現在、光記憶技術の一つとして、光線を受光して電気信号に変換させる光電集積回路（photodetector integrated circuit）が研究されている。
図１は通常の光電集積回路の概略図である。
同図に示すように、通常の光電集積回路は、受光素子１が光線３を吸収して電流ＩPはＴＩＡ（Trans-Impedance Amplifier）のような増幅器２により電圧に変換されて増幅される。例えば、図１に示すＴＩＡに電流ＩPが入力されると、ＴＩＡを介して出力される出力電圧ＶOUTはつぎのような数式（１）で算出することができる。
Figure 2006165487
ここで、ＲVはＩ−Ｖ増幅器（Ｉ−Ｖ ＡＭＰ）の可変抵抗、Ｒ1およびＲ2は駆動素子（ＤＲＶ）の抵抗、ＶCは駆動電圧である。
特に、高容量および高速の光記憶技術のなかで、およそ４０５ｎｍ波長の光線を吸収して電気信号に変換させる光電集積回路の受光素子に対する活発な研究が進んでいる。
図２は従来の受光素子の断面図である（例えば、特許文献１参照）。また、図３は従来の受光素子に対し、フィンガー間隔（finger space）による光効率および周波数特性を示すグラフであって、周波数特性は周波数の変化による利得値（gain）が１／２となる３ｄＢ周波数を測定した。
図２に示すように、特許文献１に開示された受光素子は、Ｎ型不純物を低濃度に含有しているＮ-型半導体層１０と、Ｎ-型半導体層１０の表面領域に形成され、ホウ素などのＰ型不純物を高濃度に含有しているＰ+型半導体層１１と、Ｐ+型半導体層１１の前面に形成された保護膜２０とからなる。ここで、Ｐ+型半導体層１１は幅Ｌａを有し、Ｐ+型半導体層１１間に幅Ｌｂを有する。特許文献１に開示された受光素子は７８０ｎｍまたは６５０ｎｍの波長に対して効果的に検出した。
しかし、図３に示すように、特許文献１に開示された受光素子は、フィンガー間隔（すなわち、Ｐ+型半導体層１１間の幅Ｌｂ）が広いほど光線を吸収し得る領域が増加するので、およそ４５０ｎｍ波長の光線に対する光効率（参照符号３１によって示されたグラフ参照）が増加する。しかし、フィンガー間隔が大きいほど、光線を吸収して発生した電子−正孔対の移動距離が増加し、フィンガー（すなわち、Ｐ+型半導体層１１間に形成される電場が減少する。このため、電子または正孔の移動時間が増加するため、高周波数に対応し難かった。したがって、フィンガー間隔が広いほど周波数特性（参照符号３２によって示されたグラフ参照）が低下する問題点があった。
一方、特許文献１に開示された受光素子は、フィンガー間隔が小さいほど、フィンガー１０４、１０５間に形成される電子または正孔の移動距離が小さくなり、電場が増加するので、周波数特性３２が向上する。しかし、フィンガー間隔が小さいほど光線を吸収し得る領域が減少するため、およそ４０５ｎｍ波長の光線に対する光効率が大きく減少する問題点があった。
したがって、前述したようなフィンガー間隔による光効率（参照符号３１によって示されたグラフ参照）および周波数特性（参照符号３２によって示されたグラフ参照）のため、特許文献１に開示された受光素子は低倍速（例えば、１倍速）のＢＤ光再生装置に使用可能であるが、高い光効率および高い周波数特性が要求される高倍速（例えば、２倍速以上）のＢＤ光再生装置に適用することができない問題点があった。
特開２００１−３２００７５号公報
したがって、本発明の前記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の技術的課題はおよそ４０５ｎｍの短波長光線に対して高い光効率および高い周波数特性を有する受光素子およびその製造方法を提供することにある。
前記技術的課題を解決するため、本発明は、上部に形成される層を支持する基板と、前記基板上に位置するエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーと、前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーと、前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの外部に位置するエピタキシャル層に形成された第１タイプウェルと、前記第１タイプウェルに小さい深さに形成された高濃度ドーピング第１タイプ電極と、前記高濃度ドーピング第１タイプ電極の上部に形成された回路部とを含み、前記第１タイプと前記第２タイプはドーピング状態が相反のタイプである受光素子を提供する。
前記受光素子は、前記エピタキシャル層、前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガー上に位置するエピタキシャル層をさらに含むことができる。
前記受光素子の少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーと前記少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーは交番に前記エピタキシャル層に小さい深さに形成されることがよい。
また、前記課題を解決するため、本発明は、上部に形成される層を支持する基板と、前記基板上に位置するエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層に小さい深さに形成されたＮ個の高濃度ドーピング第１タイプフィンガーと、前記Ｎ個の高濃度ドーピング第１フィンガーと交番に前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された（Ｎ＋１）個の高濃度ドーピング第２タイプフィンガーとを含み、前記Ｎは自然数であり、前記第１タイプと前記第２タイプはドーピング状態が相反のタイプである受光素子を提供する。
また、前記課題を解決するため、本発明は、（Ａ）基板上にエピタキシャル層を形成する段階と、（Ｂ）前記エピタキシャル層に小さい深さに、少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーを形成する段階とを含み、前記第１タイプと前記第２タイプはドーピング状態が相反のタイプであることを特徴とする受光素子の製造方法を提供する。
前記方法は、（Ｃ）前記エピタキシャル層、前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガー上に再成長エピタキシャル層を形成する段階をさらに含むことができる。
以上のような本発明による受光素子およびその製造方法は、２種のフィンガーによりエピタキシャル層または再成長エピタキシャル層に高い電場が形成されるので、小さいフィンガー間隔だけでなく大きなフィンガー間隔でも周波数特性が非常に向上する効果がある。
また、本発明による受光素子およびその製造方法は、２種のフィンガー上におよそ４０５ｎｍの短波長光線を吸収するための再成長エピタキシャル層が形成されているので、大きなフィンガー間隔だけでなく小さいフィンガー間隔でも光効率が非常に向上する効果もある。
また、本発明による受光素子およびその製造方法は、２種のフィンガーにより形成される高い電場がエピタキシャル層または再成長エピタキシャル層に一層広い空乏領域を形成するので、フィンガー間隔にかかわらず光効率が向上する効果もある。
また、本発明による受光素子およびその製造方法は、およそ４０５ｎｍ波長の光線とすべてのフィンガー間隔に対して高い光効率および高い周波数特性を表すので、高倍速のＢＤ光再生装置に適用することが可能な効果もある。
以下、添付図面に基づいて本発明による受光素子およびその製造方法を詳細に説明する。
図４ａは本発明の一実施例による受光素子の平面図、図４ｂは図４ａのＡ−Ａ’線断面図であって、本発明の一実施例による受光素子の断面図である。
図４ａおよび図４ｂに示すように、本発明による受光素子１００は、基板１０１と、前記基板１０１上に位置する高濃度ドーピング第１タイプ埋込層（heavily-doped first-type buried-layer）１０２と、前記高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２上に位置するエピタキシャル層１０３と、前記エピタキシャル層１０３に小さい深さに形成された少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガー（heavily-doped first-type finger）１０４と、少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガー（heavily-doped second-type finger）１０５と、前記エピタキシャル層１０３、効能度第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５上に位置する再成長エピタキシャル層（regrown epitaxial layer）１０６と、前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５の外部に位置するエピタキシャル層１０３および再成長エピタキシャル層１０６に形成され、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２に連結されるように形成された第１タイプウェル（first-type well）１０７と、前記第１タイプウェル１０７に小さい深さに形成された高濃度ドーピング第１タイプ電極（heavily-doped first-type electrode）１０８と、前記高濃度ドーピング第１タイプ電極１０８に連結され、外部へ電気信号を伝送する回路部１０９とを含む。ここで、第１タイプおよび第２タイプは、ドーピングされた状態が互いに反対のタイプである（例えば、第１タイプがＰ型であれば、第２タイプはＮ型である）。また、本発明による受光素子１００は、光線を表面で反射するように、再成長エピタキシャル層１０６上に位置する無反射コーティング層（anti-reflection coating layer）１１０をさらに含むことが好ましい。
基板１０１は上部に形成される層を支持する役目をする。この基板１０１としては、シリコン系の基板を使用することが好ましく、上部に形成される高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２と同一タイプの基板１０１を使用することが好ましい。
高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２は、III族またはＶ族の元素を基板１０１の上部にイオン注入して形成することが好ましい。
また、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２にドーピングされた不純物の濃度はおよそ１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることが好ましく、およそ１０16ｃｍ-3〜１０17ｃｍ-3であることがより好ましい。仮に、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２にドーピングされた不純物の濃度が１０15ｃｍ-3より低いと、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２の抵抗増加により、受光素子１００の周波数特性が低下する問題点が発生する。一方、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２にドーピングされた不純物の濃度が１０21ｃｍ-3より高いと、エネルギー準位の不純物レベルが帯状に変形するため、エネルギー準位の構造変形などの問題が発生する。
ほかの好ましい実施例において、基板１０１が高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２と同一タイプであり、基板１０１の不純物の濃度が充分に高い場合（例えば、およそ１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3である場合）、基板１０１が高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２の役割を果たし得るので、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２を形成しないことも可能である。
エピタキシャル層１０３は、ＣＶＤ法により高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２上に積層成長（epitaxial growth）させることで形成させることが好ましい。
この際、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２とエピタキシャル層１０３の格子整合のため、エピタキシャル層１０３は、シリコン結晶と格子定数の類似したシリコン、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはダイアモンドから形成できる。
また、エピタキシャル層１０３は、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５、または高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２と高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４とともにフィンガードフォトダイオード（fingered photodiode）を形成し、およそ４０５ｎｍ波長の光線を吸収して電気信号に変換させる役割りを果たす。通常、およそ４０５ｎｍ波長の光線はシリコン表面からおよそ０．１μｍ以下の深さで大部分が吸収される。したがって、エピタキシャル層１０３は、およそ４０５ｎｍ波長の光線を充分に吸収するために、およそ０．２μｍ〜５μｍの厚さを有することが好ましく、およそ１μｍ〜３μｍの厚さを有することがより好ましい。エピタキシャル層１０３の厚さが５μｍ以上の場合、電気信号を外部へ伝送するためのＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）を製作し難くなる。また、エピタキシャル層１０３の厚さが０．２μｍ以下の場合は、光吸収領域の減少により光効率が低下する問題も発生する。
また、充分な抵抗を有するなら、エピタキシャル層１０３は積層成長過程で僅かの不純物が注入されて成長することもできる。この際、エピタキシャル層１０３にドーピングされた不純物の濃度はおよそ５×１０15ｃｍ-3以下が好ましく、１０12ｃｍ-3〜１０15ｃｍ-3がより好ましい。エピタキシャル層１０３にドーピングされた不純物の濃度が５×１０15ｃｍ-3より高い場合、受光素子１００の光効率が低下する問題が発生する。
高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４は、III族またはＶ族の元素をエピタキシャル層１０３に小さい深さにイオン注入して形成することが好ましい。
また、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４の幅（Ｗ1）はおよそ０．０９μｍ〜５μｍであることが好ましく、およそ０．０９μｍ〜０．６μｍであることがより好ましい。ここで、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４の幅（Ｗ1）は０．０９μｍより小さく製作しても本発明による受光素子１００の特性を有するのに特別な制限はないが、現在半導体製造工程の最少設計大きさより小さいため、製作し難い問題が発生する。一方、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４の幅（Ｗ1）が５μｍより大きいと、全体受光素子１００の大きさに比べてフィンガーの大きさが余り大きいため、光吸収領域の減少によりフィンガードフォトダイオードの特性を失う問題が発生する。
また、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４にドーピングされた不純物の濃度はおよそ１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることが好ましく、およそ１０20ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることがより好ましい。高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４にドーピングされた不純物の濃度が１０18ｃｍ-3より低いと、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４の抵抗増加により受光素子１００の性能が低下する問題が発生する。一方、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４にドーピングされた不純物の濃度が１０21ｃｍ-3より高いと、エネルギー準位の不純物レベルが帯状に変形されるため、エネルギー準位の構造変形などの問題が発生する。
高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５は高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と反対タイプの元素をエピタキシャル層１０３に小さい深さにイオン注入して形成することが好ましい。
また、高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５の幅（Ｗ2）は、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と同様に、およそ０．０９μｍ〜５μｍであることが好ましく、およそ０．０９μｍ〜０．６μｍであることがより好ましい。ここで、高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５の幅（Ｗ2）は０．０９μｍより小さく製作しても本発明による受光素子１００の特性を有するのに特別な制限はないが、現在半導体製造工程の最少設計大きさより小さいため、製作し難い問題が発生する。一方、高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５の幅（Ｗ2）が５μｍより大きいと、全体受光素子１００の大きさに比べてフィンガーの大きさが余り大きいため、光吸収領域の減少によりフィンガードフォトダイオードの特性を失う問題が発生する。
また、高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５にドーピングされた不純物の濃度はおよそ１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることが好ましく、およそ１０20ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることがより好ましい。高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５にドーピングされた不純物の濃度が１０18ｃｍ-3より低いと、高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５の抵抗増加により受光素子１００の性能が低下する問題が発生する。一方、高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５にドーピングされた不純物の濃度が１０21ｃｍ-3より高いと、エネルギー準位の不純物レベルが帯状に変形されるため、エネルギー準位の構造変形などの問題が発生する。
好ましい実施例において、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５間の間隔（Ｓ）はおよそ１μｍ〜２０μｍであることが好ましく、およそ１．４μｍ〜９．４μｍであることがより好ましい。ここで、フィンガー１０４、１０５間の間隔（Ｓ）を１μｍより小さく製作しても本発明による受光素子１００の特性を有するのに特別な制限はないが、現在の半導体製造工程で製作し難い問題が発生する。一方、フィンガー１０４、１０５間の間隔（Ｓ）が２０μｍより大きいと、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５間の電場が減少するため、受光素子１００の周波数特性が低下する問題が発生する。
より好ましい実施例において、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５は交互にエピタキシャル層１０３に小さい深さに形成されることが好ましい。これは、本発明による受光素子１００の周波数特性がフィンガー１０４、１０５間の間隔（Ｓ）およびフィンガー１０４、１０５間に形成される電場に対してつぎの数式（２）に示すような関係を有するからである。
Figure 2006165487
したがって、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５を交番に形成する場合、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５間に位置するエピタキシャル層１０３および再成長エピタキシャル層１０６に形成される電場が増加するので、受光素子１００の周波数特性が向上する利点がある。
より好ましい実施例において、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４の数がＮ個（Ｎは自然数）である場合、（Ｎ＋１）個の高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５がＮ個の高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と交番にエピタキシャル層１０３に小さい深さに形成されることが好ましい。これにより、最外側に形成される一対の高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５と第１タイプウェル１０７間に位置するエピタキシャル層１０３および再成長エピタキシャル１０６に形成される電場が増加することにより、受光素子１００の周波数特性をより向上させることができる。
再成長エピタキシャル層１０６は、ＣＶＤ法により、エピタキシャル層１０３、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５上に積層成長させることで形成させることが好ましい。この際、エピタキシャル層１０３、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５と再成長エピタキシャル層１０６の格子整合のため、エピタキシャル層１０３は、シリコン結晶と格子定数の類似したシリコン、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはダイアモンドから形成できる。
また、エピタキシャル層１０６は、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５とともにフィンガードフォトダイオードを形成し、およそ４０５ｎｍ波長の光線を吸収して電気信号に変換させる役目をする。通常、およそ４０５ｎｍ波長の光線はシリコン表面からおよそ０．１μｍ以下の深さで大部分吸収されるので、再成長エピタキシャル層１０６は、およそ０．０１μｍ〜０．５μｍの厚さを有することが好ましく、およそ０．０５μｍ〜０．２μｍの厚さを有することがより好ましい。ここで、再成長エピタキシャル層１０６の厚さが０．０１μｍ以下より小さく製作しても本発明による受光素子１００の特性を有するのに特別な制限はないが、現在、半導体製造工程で製作し難い問題が発生する。一方、再成長エピタキシャル層１０６の厚さが０．５μｍより厚いと、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５により再成長エピタキシャル層１０６に形成される空乏領域の範囲を外れるため、再成長エピタキシャル１０６で発生した電子−正孔対が表面再結合（例えば、キャリアがダングリングボンドと結合）のような現象により消滅する問題が発生する。
また、充分な抵抗を有するなら、再成長エピタキシャル層１０６は積層成長過程で僅かの不純物が注入されて成長することもできる。この際、再成長エピタキシャル層１０６にドーピングされた不純物の濃度はおよそ５×１０15ｃｍ-3以下が好ましく、１０12ｃｍ-3〜１０15ｃｍ-3がより好ましい。再成長エピタキシャル層１０６にドーピングされた不純物の濃度が１０15ｃｍ-3より高い場合、受光素子１００の光効率が低下する問題が発生する。
本発明のほかの実施例において、フィンガー１０４、１０５間の間隔（Ｓ）が充分に大きいと、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５間に光線を吸収し得る空乏領域が比較的に大きい面積を有する。この場合、およそ４０５ｎｍ波長の光線に対する光効率に優れているので、本発明による受光素子１００は再成長エピタキシャル層１０６が形成されないこともできる。
第１タイプウェル１０７は、III族またはＶ族の元素を高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５の外部に位置するエピタキシャル層１０３および再成長エピタキシャル層１０６（再成長エピタキシャル層１０６がない場合、エピタキシャル層１０３）にイオン注入して形成することが好ましく、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２（基板１０１にドーピングされた第１タイプ不純物の濃度が充分に高い場合、第１タイプにドーピングされた基板１０１）に連結されるように形成することがより好ましい。
高濃度ドーピング第１タイプ電極１０８は、III族またはＶ族の元素を第１タイプウェル１０７に小さい深さにイオン注入して形成することが好ましい。
回路部１０９は高濃度ドーピング第１タイプ電極１０８の上部に形成され、第１タイプウェル１０７および高濃度ドーピング第１タイプ電極１０８とともに、エピタキシャル層１０３または再成長エピタキシャル層１０６が光線を吸収して生成された電子−正孔対（すなわち、電気信号）を外部へ伝送する役目をする。
無反射コーティング層１１０は、およそ４０５ｎｍ波長の光線が表面で反射しないようにするため、窒化シリコンのような物質を適切な厚さに、再成長エピタキシャル１０６（再成長エピタキシャル層１０６がない場合、エピタキシャル層１０３、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５）上に形成する。
好ましい実施例において、本発明による受光素子１００の第１タイプはＰ型、第２タイプはＮ型であることが好ましい。その理由は、第１タイプがＰ型、第２タイプがＮ型である場合の多数キャリアである電子が、第１タイプがＮ型、第２タイプがＰ型である場合の多数キャリアである正孔よりキャリア移動が高くて、周波数特性がより優れているからである。
図５は本発明による受光素子および従来の受光素子のフィンガー間隔に対する周波数特性を示すグラフである。ここで、従来の受光素子としては図２に示す特許文献１に開示された受光素子を使用し、周波数特性は周波数の変化による利得値（gain）が１／２となる３ｄＢ周波数を測定した。
図５に示すように、およそ４０５ｎｍ波長の光線に対し、本発明による受光素子１００の周波数特性(参照符号２００によって示されたグラフ参照)が特許文献１に開示された受光素子の周波数特性（参照符号３２によって示されたグラフ参照）よりすべてのフィンガー間隔（Ｓ）で優れていることが分かる。
特に、電子または正孔の移動距離が大きくて周波数特性が良くなかった広いフィンガー間隔（Ｓ）において、本発明による受光素子１００の周波数特性(参照符号２００によって示されたグラフ参照)が特許文献１に開示された受光素子周波数特性（参照符号３２によって示されたグラフ参照）より非常に優れていることが分かる。
これは、数式（２）から分かるように、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５が互いに反対タイプにドーピングされているので、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４（または第１タイプウェル１０７）と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５間に位置するエピタキシャル層１０３および再成長エピタキシャル層１０６に電場が形成されるからである。
図６は本発明による受光素子および従来の受光素子に対し、フィンガー間隔による光効率を示すグラフ、図７は本発明による受光素子の表面からの深さによるエネルギー準位を示すエネルギーダイアグラムである。ここで、従来の受光素子としては、図２に示す特許文献１に開示された受光素子を使用した。
図６に示すように、およそ４０５ｎｍ波長の光線に対し、本発明による受光素子１００の光効率（参照符号３００によって示されたグラフ参照）が特許文献１に開示された受光素子の光効率よりすべてのフィンガー間隔（Ｓ）で優れていることが分かる。
特に、光線の吸収が可能な領域が小さくて光効率が良くなかった小さいフィンガー間隔（Ｓ）において、本発明による受光素子１００の光効率（参照符号３００によって示されたグラフ参照）が特許文献１に開示された受光素子１００の光効率（参照符号３１によって示されたグラフ参照）より非常に優れていることが分かる。
これは、エピタキシャル層１０３、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー上に再成長エピタキシャル層１０６を形成することにより、およそ４０５ｎｍ波長の光線に対する光吸収領域を増加させたからである。
また、図７から分かるように、本発明による受光素子１００は高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５を使用するため、本発明による受光素子１００の表面付近で伝導バンド（参照符号４１０によって示されたグラフ参照）および原子価バンド（参照符号４２０によって示されたグラフ参照）のエネルギー準位が特許文献１に開示された受光素子１００の伝導バンド（参照符号４１によって示されたグラフ参照）および原子価バンド（参照符号４２によって示されたグラフ参照）のエネルギー準位より高く、エピタキシャル層１０３または再成長エピタキシャル層１０６に高い電場が形成される。これにより、エピタキシャル層１０３または再成長エピタキシャル層１０６に形成される空乏領域が増加するため、光吸収領域が増加しておよそ４０５ｎｍ波長に対する光効率が向上する。
図８ａないし図８ｉは本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。
図８ａに示すように、シリコン系の基板１０１を用意する。
図８ｂに示すように、基板１０１の上部にイオン注入法でIII族またはＶ族の元素を注入することにより、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２を形成する。
ここで、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２の不純物の濃度が１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3となるように、III族またはＶ族の元素を注入することが好ましい。
ほかの好ましい実施例において、基板１０１が高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２と同一タイプであり、基板１０１の不純物の濃度が充分に高い場合（例えば、およそ１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3の場合）、基板１０１が高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２の役割をすることができるので、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２を形成させないこともできる。
図８ｃに示すように、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２（基板１０１の不純物の濃度が高い場合、第１タイプにドーピングされた基板１０１）上にＣＶＤ法でエピタキシャル層１０３を積層成長させる。
ここで、エピタキシャル層１０３は、およそ５×１０15ｃｍ-3以下の不純物を含有して充分な抵抗を有するように、積層成長させることが好ましい。また、エピタキシャル層１０３はおよそ０．２μｍ〜５μｍの厚さに形成することが好ましい。
図８ｄに示すように、エピタキシャル層１０３に、イオン注入法で小さい深さにIII族またはＶ族の元素を注入することにより、少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４を形成する。
ここで、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４は、濃度がおよそ１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3となるように、III族またはＶ族の元素を注入することが好ましい。また、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４はおよそ０．０９μｍ〜５μｍの幅（Ｗ1）を有するように形成することが好ましい。
図８ｅに示すように、エピタキシャル層１０３に、イオン注入法で小さい深さに高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と反対タイプの元素を注入することにより、少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５を形成する。
高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と同様に、高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５は、およそ１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3となるように、III族またはＶ族の元素を注入することが好ましい。
好ましい実施例において、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５間の間隔（Ｓ）はおよそ１μｍ〜２０μｍとなるように形成することが好ましい。
より好ましい実施例において、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５は交番にエピタキシャル層１０３に小さい深さに形成されることが好ましい。
さらに好ましい実施例において、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４の数がＮ個（Ｎは自然数）の場合、（Ｎ＋１）個の高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５がＮ個の高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と交番にエピタキシャル層１０３に小さい深さに形成されることが好ましい。
図８ｆに示すように、エピタキシャル層１０３、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５上にＣＶＤ法で再成長エピタキシャル層１０６を積層成長させる。
ここで、再成長エピタキシャル層１０６は、およそ５×１０15ｃｍ-3以下の不純物を含有して充分な抵抗を有するように積層成長させることが好ましい。また、再成長エピタキシャル層１０６はおよそ０．０１μｍ〜０．５μｍの厚さに形成することが好ましい。
ほかの実施例において、フィンガー１０４、１０５間の間隔（Ｓ）が充分に大きい場合、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４と高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５間に光線を吸収し得る空乏領域が比較的広いので、再成長エピタキシャル層１０６を形成しないこともできる。
図８ｇに示すように、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５の外部に位置するエピタキシャル層１０３および再成長エピタキシャル層１０６（再成長エピタキシャル層１０６がない場合、エピタキシャル層１０３）にイオン注入法でIII族またはＶ族の元素を注入することにより、第１タイプウェル１０７を形成する。
ここで、第１タイプウェル１０７は、高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２（基板１０１の不純物の濃度が高い場合、第１タイプにドーピングされた基板１０１）に連結されるように形成することがより好ましい。
図８ｈに示すように、第１タイプウェル１０７にイオン注入法で小さい深さにIII族またはＶ族の元素を注入することにより、高濃度ドーピング第１タイプ電極１０８を形成する。
図８ｉに示すように、高濃度ドーピング第１タイプ電極１０８の上部に、電気信号を外部へ伝送するための回路部１０９を形成し、およそ４０５ｎｍ波長の光線が表面で反射されないように、窒化シリコンのような物質で再成長エピタキシャル層１０６（再成長エピタキシャル層１０６がない場合、エピタキシャル層１０３）、高濃度ドーピング第１タイプフィンガー１０４および高濃度ドーピング第２タイプフィンガー１０５上に無反射コーティング層１１０を形成する。
本発明のほかの実施例において、第１タイプウェル１０７、高濃度ドーピング第１タイプ電極１０８および回路部１０９は形成しないこともできる。例えば、受光素子１００の高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２（基板１０１にドーピングされた第１タイプ不純物の濃度が充分に高い場合、第１タイプにドーピングされた基板１０１）の側面または下部を通して、電気信号を伝送するための回路を形成することができる。この場合、エピタキシャル層１０３または再成長エピタキシャル層１０６でおよそ４０５ｎｍ波長の光線が吸収されて生成された電気信号は高濃度ドーピング第１タイプ埋込層１０２または基板１０１を介して外部へ伝送される。
以上本発明の好適な実施例を説明したが、これは一例に過ぎないもので、当業者であれば、本発明の範囲内で多様な変形および修正が可能であろう。このような変形および修正も本発明の範囲に属するものである。
通常の光電集積回路の概略図である。 従来の受光素子の断面図である。 従来の受光素子に対するフィンガー間隔による光効率および周波数特性を示すグラフである。 本発明の一実施例による受光素子の平面図である。 図４ａのＡ−Ａ’線についての本発明の一実施例による受光素子の断面図である。 本発明による受光素子および従来の受光素子に対するフィンガー間隔による周波数特性を示すグラフである。 本発明による受光素子および従来の受光素子に対するフィンガー間隔による光効率を示すグラフである。 本発明による受光素子の表面からの深さによるエネルギー準位を示すエネルギーダイアグラムである。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。 本発明の一実施例による受光素子の製造方法の流れを示す断面図である。
符号の説明
１００ 受光素子
１０１ 基板
１０２ 高濃度ドーピング第１タイプ埋込層
１０３ エピタキシャル層
１０４ 高濃度ドーピング第１タイプフィンガー
１０５ 高濃度ドーピング第２タイプフィンガー
１０６ 再成長エピタキシャル層
１０７ 第１タイプウェル
１０８ 高濃度ドーピング第１タイプ電極
１０９ 回路部
１１０ 無反射コーティング層

Claims (22)

  1. 上部に形成される層を支持する基板と、
    前記基板上に位置するエピタキシャル層と、
    前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーと、
    前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーと、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの外部に位置するエピタキシャル層に形成された第１タイプウェルと、
    前記第１タイプウェルに小さい深さに形成された高濃度ドーピング第１タイプ電極と、
    前記高濃度ドーピング第１タイプ電極の上部に形成された回路部とを含み、
    前記第１タイプと前記第２タイプはドーピング状態が相反のタイプであることを特徴とする受光素子。
  2. 前記少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーと前記少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーが交番に前記エピタキシャル層に小さい深さに形成されることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  3. 前記エピタキシャル層の厚さが０．２〜５μｍであり、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーの幅が０．０９〜５μｍであり、
    前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの幅が０．０９〜５μｍであり、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガー間の間隔が１〜２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  4. 前記基板の不純物の濃度が１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であり、
    前記エピタキシャル層の不純物の濃度が５×１０15ｃｍ-3以下であり、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーの不純物の濃度が１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であり、
    前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの不純物の濃度が１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  5. 前記エピタキシャル層、前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガー上に位置するエピタキシャル層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  6. 前記再成長エピタキシャルの厚さが０．０１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項５記載の受光素子。
  7. 前記再成長エピタキシャル層の不純物の濃度が５×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項５記載の受光素子。
  8. 前記基板と前記エピタキシャル層間に位置する高濃度ドーピング第１タイプ埋込層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  9. 前記高濃度ドーピング第１タイプ埋込層の不純物の濃度が１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることを特徴とする請求項８記載の受光素子。
  10. 上部に形成される層を支持する基板と、
    前記基板上に位置するエピタキシャル層と、
    前記エピタキシャル層に小さい深さに形成されたＮ個の高濃度ドーピング第１タイプフィンガーと、
    前記Ｎ個の高濃度ドーピング第１フィンガーと交番に前記エピタキシャル層に小さい深さに形成された（Ｎ＋１）個の高濃度ドーピング第２タイプフィンガーとを含み、
    前記Ｎは自然数であり、前記第１タイプと前記第２タイプはドーピング状態が相反のタイプであることを特徴とする受光素子。
  11. 前記エピタキシャル層の厚さが０．２〜５μｍであり、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーの幅が０．０９〜５μｍであり、
    前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの幅が０．０９〜５μｍであり、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガー間の間隔が１〜２０μｍであることを特徴とする請求項１０記載の受光素子。
  12. 前記基板の不純物の濃度が１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であり、
    前記エピタキシャル層の不純物の濃度が５×１０15ｃｍ-3以下であり、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーの不純物の濃度が１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であり、
    前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの不純物の濃度が１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１０記載の受光素子。
  13. 前記Ｎ個の高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記（Ｎ＋１）個の高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの外部に位置するエピタキシャル層に形成された第１タイプウェルと、
    前記第１タイプウェルに小さい深さに形成された高濃度ドーピング第１タイプ電極と、
    前記高濃度ドーピング第１タイプ電極の上部に形成された回路部とをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の受光素子。
  14. 前記エピタキシャル層、前記Ｎ個の高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記（Ｎ＋１）個の高濃度ドーピング第２タイプフィンガー上に位置する再成長エピタキシャル層をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の受光素子。
  15. 前記再成長エピタキシャルの厚さが０．０１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項１４記載の受光素子。
  16. 前記再成長エピタキシャル層の不純物の濃度が５×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１４記載の受光素子。
  17. （Ａ）基板上にエピタキシャル層を形成する段階と、
    （Ｂ）前記エピタキシャル層に小さい深さに、少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーを形成する段階とを含み、
    前記第１タイプと前記第２タイプはドーピング状態が相反のタイプであることを特徴とする受光素子の製造方法。
  18. 前記（Ｂ）段階は、前記エピタキシャル層に小さい深さに、少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーを交番に形成することを特徴とする請求項１７記載の受光素子の製造方法。
  19. （Ｃ）前記エピタキシャル層、前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガー上に再成長エピタキシャル層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の受光素子の製造方法。
  20. （Ｃ）前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの外部に位置するエピタキシャル層に第１タイプウェルを形成する段階と、
    （Ｄ）前記第１タイプウェルに小さい深さに高濃度ドーピング第１タイプ電極を形成する段階と、
    （Ｅ）前記高濃度ドーピング第１タイプ電極の上部に回路部を形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の受光素子の製造方法。
  21. 前記（Ａ）段階で形成された前記エピタキシャル層の厚さが０．２〜５μｍであり、
    前記（Ｂ）段階で形成された前記少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーの幅および少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの幅が０．０９〜５μｍであり、
    前記（Ｂ）段階で形成された前記少なくとも一つの高濃度ドーピング第１タイプフィンガーおよび前記少なくとも一つの高濃度ドーピング第２タイプフィンガー間の間隔が１〜２０μｍであることを特徴とする請求項１７記載の受光素子。
  22. 前記基板の不純物の濃度が１０15ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であり、
    前記エピタキシャル層の不純物の濃度が５×１０15ｃｍ-3以下であり、
    前記高濃度ドーピング第１タイプフィンガーの不純物の濃度が１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であり、
    前記高濃度ドーピング第２タイプフィンガーの不純物の濃度が１０18ｃｍ-3〜１０21ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１７記載の受光素子の製造方法。
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