JP2009188316A

JP2009188316A - 受光素子

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Publication number: JP2009188316A
Application number: JP2008028859A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yamada; 仁山田; Nobuyuki Otake; 伸幸大竹; Katsunori Abe; 克則安部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】隣接する受光部７の間で光学的クロストークを生じることなく、また、受光部７を構成する材料の光の吸収係数および受光部７の長さに関わらず高感度な受光部７を備えた受光素子を提供する。
【解決手段】受光部７の底面に第１の反射膜３を配置し、表面に第２の反射膜８を配置し、側面に第３の反射膜１１を配置する。そして、第２の反射膜８に受光部７の表面を露出させる貫通孔１０を形成し、受光部７の表面側に受光部７の表面のうち露出されている部分に光を集めるように構成されたマイクロレンズ１３を配置する。このような受光素子によれば、マイクロレンズ１３により集められた光が受光部７の内部に入射されると第１の反射膜３、第２の反射膜８および第３の反射膜１１により反射されることで光を受光部７の内部に閉じ込めることができるので、受光部７を構成する材料や受光部７の長さに関わらず高感度な受光部７を備えた受光素子とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光部間の光学的クロストークを防止することができると共に、受光部の感度を高くすることができる受光素子に関する。

従来より、半導体基板に高速応答性に優れるＰＩＮフォトダイオードを形成して受光部を構成し、この受光部を二次元に配列して受光素子を形成することが知られている。このような受光素子においては、半導体基板上に形成された受光部に光が斜め方向から入射されると、例えば、受光部の表面から入射された光が受光部の側面を透過して隣接する受光部にも入射される場合があり、受光部間で光学的クロストークが生じる可能性がある。

そこで、例えば、特許文献１において、隣接する受光部の間にエッチング等により溝を形成し、溝の表面に遮光膜を配置することで光学的クロストークを防止する受光素子が開示されている。

このような受光素子においては、受光部の表面から光が入射されると受光部の内部で光エネルギーが電気的なエネルギーに変換されることで受光部に光が入射されたことが検出される。例えば、受光部をＰＩＮフォトダイオードで構成した場合には、光がＩ層を通過する間に、Ｉ層内に電子―正孔対による光電流が発生することで受光部に光が入射されたことが検出される。この際に、受光部の感度は、光の変換効率、つまり受光部に使用される材料の光の吸収係数または光が受光部を通過する距離に依存しており、光が受光部の内部を通過する間に変換された光電流が大きくなるほど受光部の感度は高くなる。

しかしながら、上記特許文献１の受光素子では、受光部の表面から入射された光が受光部の底面から抜け出す前に受光部内に光電流を発生させることになるため、受光部の感度を向上させるためには、光が受光部の内部を通過する間に変換される光電流を大きくしなければならず、受光部に光の吸収係数が高い材料を用いるか、受光部の長さ（光が受光部の内部を通過する距離）を長くする必要がある。このため、受光部を構成する材料が限定されたり、受光部が大型化するという問題がある。

また、受光部の感度を向上させる方法として、受光部の底面および側面に反射膜を配置し、光を受光部の内部で反射させることで光が受光部の内部を通過する距離を長くする受光素子が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−１００７９６号公報特開平７−３０２８９０号公報

しかしながら、上記特許文献２の受光素子においても、反射した光が受光部の表面から抜け出してしまうため有効に光を受光部の内部に閉じ込めることができないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、隣接する受光部の間で光学的クロストークを生じることなく、また、受光部を構成する材料の光の吸収係数および受光部の長さに関わらず高感度な受光部を備えた受光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（２）上に隣接するように形成された複数の受光部（７）を備えた受光素子であって、受光部（７）の底面に配置された第１の反射膜（３）と、受光部（７）の表面において、第１の反射膜（３）と対向するように配置され、受光部（７）の表面の一部を露出させる貫通孔（１０）が形成された第２の反射膜（８）と、受光部（７）の側面に配置された第３の反射膜（１１）と、受光部（７）の表面側に配置されていると共に、受光部（７）の表面のうち露出されている部分に光を集めるように構成され、集めた光を受光部（７）に入射するマイクロレンズ（１３）と、を備え、マイクロレンズ（１３）で集められた光が受光部（７）の表面のうち露出している部分から受光部（７）の内部に入射されると、入射された光のうち受光部（７）の表面に対して斜め方向から入射された光が第１の反射膜（３）、第２の反射膜（８）および第３の反射膜（１１）にて反射されることで受光部（７）の内部に閉じ込められる構成とされていることを特徴としている。

このような受光素子によれば、受光部（７）の内部に入射された光が第１の反射膜（３）、第２の反射膜（８）および第３の反射膜（１１）により反射されることで入射された光を受光部（７）の内部に閉じ込めることができる。このため、光が受光部（７）の内部を通過する距離が長くなるので、受光部（７）を構成する材料の光の吸収係数および受光部の長さに関わらず受光部（７）の感度を向上させることができる。また、受光部（７）の側面が第３の反射膜（１１）で覆われているため、隣接する受光部間において光学的クロストークを防止することができる。

例えば、請求項２に記載の発明のように、第１の反射膜（３）および第２の反射膜（８）を半導体多層膜で構成することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、第３の反射膜（１１）を金属で構成することができる。

この場合は、請求項４に記載の発明のように、第３の反射膜（１１）を電極として構成してもよい。このような受光素子によれば、電極の配線を受光素子の表面から取り出すことができるので、配線を容易に行うことができる。

また、請求項５に記載の発明のように、第１の反射膜（３）を半導体多層膜で構成し、第２の反射膜（８）を金属で構成することができ、請求項６に記載の発明のように、第１の反射膜（３）および第２の反射膜（８）を金属で構成することができる。

さらに、請求項７に記載の発明のように、受光部（７）間に溝（１４）を形成し、溝（１４）を第３の反射膜（１１）で埋め込む構成としてもよい。このような受光素子によれば、受光部（７）の集積度を大きくすることができる。

また、請求項８に記載の発明のように、受光部（７）をＰＩＮフォトダイオードで構成することができる。

また、請求項９に記載の発明のように、受光部（７）をシリコンゲルマニウムで構成することができる。

また、請求項１０に記載の発明のように、受光部（７）をマトリックス状に配置して受光素子を構成することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した受光素子について説明する。図１は、本実施形態の受光素子の断面図である。図１に基づいて本実施形態の受光素子について説明する。

図１に示されるように、半導体基板１の裏面には裏面電極２が配置されている。また、半導体基板１の表面には複数の第１の反射膜３が配置されており、半導体基板１の表面を上面方向から見ると複数の第１の反射膜３がマトリックス状に配置されている。本実施形態では、この第１の反射膜３が半導体多層膜で構成されている。半導体基板１としては、例えば、Ｓｉを用いることができ、第１の反射膜３としては、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ系の半導体多層膜を用いることができる。この半導体多層膜はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰの組成比Ｘを適宜変更して構成されており、低屈折率の半導体膜と高屈折率の半導体膜とが交互に積層されることで構成されている。

なお、この第１の反射膜３は検出したい光が９９パーセント以上の高い反射率で反射されるように構成されている。具体的には、次のように構成されている。半導体多層膜は、光が直交方向から入射されると半導体多層膜の反射波長帯域に存在する波長の光を反射するが、光が斜め方向から入射されると半導体多層膜の反射波長帯域が短波長側にシフトして、シフトした反射波長帯域に存在する波長の光を反射する（例えば、「光技術総合辞典」、オプトロニクス社、２００４年、４１１−４１２頁参照）。このため、本実施形態の半導体多層膜は反射波長帯域が短波長側にシフトしても検出したい光の十分な反射が得られるように膜厚が調整されている。つまり、半導体多層膜の反射波長帯域のうち検出したい光の波長が短波長側になるように半導体多層膜の膜厚が調整されており、半導体多層膜に対して光が斜め方向から入射されても高い反射率で光を反射させることができる構成とされている。

また、各第１の反射膜３の表面にはＮ型不純物を高濃度に添加したＮ層４、不純物濃度が低いＩ層５およびＰ型不純物を高濃度に添加したＰ層６が順次積層され、ＰＩＮフォトダイオード７が形成されている。本実施形態では、このＰＩＮフォトダイオード７が受光部に相当している。また、ＰＩＮフォトダイオード７の構成材料にはさまざまな材料を用いることができるが、例えば、波長１．５μｍの赤外光の受光部として一般的に用いられているＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓより光の吸収係数が低いＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘを用いることができる。例えば、ＰＩＮフォトダイオード７にＳｉＧｅを用いると、１．５μｍの波長を有する光がＳｉＧｅに入射された場合にはＳｉＧｅの吸収長は約２００μｍとなるが、本実施形態では光を吸収するＩ層の厚さを２００μｍより大幅に薄くしても光の強度を１／ｅに減衰させることができる。なお、ここで吸収長とは光の強度が１／ｅに減衰する長さである。

また、Ｐ層６の表面には、第１の反射膜３と対抗するように半導体多層膜で構成された第２の反射膜８が配置されている。この第２の反射膜８も第１の反射膜３と同様にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ系の半導体多層膜を用いることができ、検出したい光が９９パーセント以上の高い反射率で反射されるように構成されている。

そして、第１の反射膜３と第２の反射膜８とを備えたＰＩＮフォトダイオード７および半導体基板１のうち第１の反射膜３が配置されていない部分が覆われるように第１の絶縁膜９が配置されている。この第１の絶縁膜９には、例えば、Ｓｉ_ｘＮ_１−ｘを用いることができる。そして、第２の反射膜８および第２の反射膜８の表面に配置された第１の絶縁膜９にはＰ層６の表面の一部を露出させる貫通孔１０が形成されている。

また、ＰＩＮフォトダイオード７の側面には第１の絶縁膜９を介して、Ａｌ等の金属で構成された第３の反射膜１１が配置されている。そして、第１の反射膜３、第２の反射膜８および第３の反射膜１１を備えたＰＩＮフォトダイオード７および第１の絶縁膜９を覆うように第２の絶縁膜１２が配置されている。さらに、この第２の絶縁膜１２の表面には、ＰＩＮフォトダイオード７の中心軸と同一の中心軸を有するマイクロレンズ１３が配置されている。このマイクロレンズ１３は、例えば、ＳｉＯ_２で構成することができ、Ｐ層６の表面のうち露出している部分に光を集めるように構成されている。

次に本実施形態の受光素子の製造方法について説明する。

図２および図３は、本実施形態の製造工程を示す断面図である。まず、図２（ａ）に示されるように、半導体基板１の表面に第１の反射膜３を成膜する。続いて図２（ｂ）に示されるように、Ｎ層４、Ｉ層５およびＰ層６を順次積層し、さらに図２（ｃ）に示されるようにＰ層６の表面に第１の反射膜３と対向するように第２の反射膜８を成膜する。

そして、図２（ｄ）に示されるように、フォトリソグラフィとエッチングにより、第１の反射膜３および第２の反射膜８を備えた複数のＰＩＮフォトダイオード７をマトリックス状に形成する。続いて、図２（ｅ）に示されるように、第１の反射膜３と第２の反射膜８とを備えたＰＩＮフォトダイオード７および半導体基板１の表面のうち第１の反射膜３が配置されていない部分が覆われるように第１の絶縁膜９を配置する。

その後、図３（ａ）に示されるように、第２の反射膜８および第２の反射膜８の表面に配置された第１の絶縁膜９にフォトリソグラフィとエッチングによりＰ層６の表面の一部が露出されるようにする貫通孔１０を形成する。

そして、図３（ｂ）に示されるように、第２の絶縁膜１２を各ＰＩＮフォトダイオード７間が埋め込まれるように成膜する。その後、図３（ｃ）に示されるように、第２の絶縁膜１２のうちＰＩＮフォトダイオード７の表面に配置された第１の絶縁膜９の表面に堆積した部分をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等により除去して、各ＰＩＮフォトダイオード７間および貫通孔１０に配置された第２の絶縁膜１２を残すことにより半導体基板１の表面側を平坦化する。

次に、図３（ｄ）に示されるように、成膜した第２の絶縁膜１２のうちＰＩＮフォトダイオード７の側面に配置された第１の絶縁膜９を囲むように溝１４を形成し、溝１４に第３の反射膜１１を成膜すると共に、ＣＭＰ法またはフォトリソグラフィとエッチングによりＰＩＮフォトダイオード７の側面に第１の絶縁膜９を介して第３の反射膜１１が配置された構成とする。

最後に、図３（ｅ）に示されるように、再び第２の絶縁膜１２を半導体基板１の表面側に配置し、第２の絶縁膜１２の表面にマイクロレンズ１３を構成する材料を成膜すると共に、フォトリソグラフィとエッチングによりマイクロレンズ１３を構成する。そして、半導体基板１の裏面に裏面電極２を配置する。

このような受光素子の基本的な作動について説明する。

まず、マイクロレンズ１３にてＰＩＮフォトダイオード７の表面のうち露出している部分に光が集められる。そして、ＰＩＮフォトダイオード７の内部に光が入射されると、入射された光のうちＰＩＮフォトダイオード７の表面に対して斜め方向から入射された光が第１の反射膜３、第２の反射膜８および第３の反射膜１１により反射されることでＰＩＮフォトダイオード７の内部に閉じ込められる。この際に、ＰＩＮフォトダイオード７の内部では、光エネルギーが電気的なエネルギーに変換されて電子―正孔対による光電流が発生することで光がＰＩＮフォトダイオード７に入射されたことが検出される。

このような受光素子によれば、ＰＩＮフォトダイオード７が第１の反射膜３、第２の反射膜８および第３の反射膜１１により囲まれた構成とされているので、ＰＩＮフォトダイオード７に光が入射されると、第１の反射膜３、第２の反射膜８および第３の反射膜１１により光が反射されることで入射された光をＰＩＮフォトダイオード７の内部に閉じ込めることができる。このため、入射された光がＰＩＮフォトダイオード７の内部を通過する距離を長くすることができ、光電流を大きくすることができるのでＰＩＮフォトダイオード７の感度を向上させることができる。

つまり、本実施形態の受光素子によれば、ＰＩＮフォトダイオード７に用いられる材料を光の吸収係数が高い材料にしなくてもＰＩＮフォトダイオード７の感度を向上させることができ、光がＰＩＮフォトダイオード７の内部を通過する距離を長くするためにＰＩＮフォトダイオード７の長さを長くしなくてもＰＩＮフォトダイオード７の感度を向上させることができる。

さらに、ＰＩＮフォトダイオード７の側面が第３の反射膜１１で覆われているため、入射された光がＰＩＮフォトダイオード７の側面から抜け出すこともなく、隣接するＰＩＮフォトダイオード７間において光学的クロストークが発生することもない。

また、本実施形態ではＰＩＮフォトダイオード７の材料として、例えば、ＳｉＧｅを用いることができ、１．５μｍの波長を有する光がＳｉＧｅに入射された場合にはＳｉＧｅの吸収長は約２００μｍとなるが、入射された光がＰＩＮフォトダイオード７の内部に閉じ込められるので本実施形態では光を吸収するＩ層の厚さを２００μｍより大幅に薄くしても光の強度を１／ｅに減衰させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の受光素子は第１実施形態に対して裏面電極２の変わりに第３の反射膜１１を電極として用いたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるためここでは説明を省略する。

図４は本実施形態にかかる受光素子の断面図である。図４に示されるように、本実施形態の受光素子では、第３の反射膜１１と半導体基板１との間に配置されていた第１の絶縁膜９が除去されており、ＰＩＮフォトダイオード７と第３の反射膜１１とが電気的に接続された構成とされている。このため、第３の反射膜１１を電極として用いることができる。

このような受光素子によれば、上記第１実施形態の効果に加えて、裏面電極２を用いずに受光素子を形成することができ、電極の配線を表面から取り出すことができるため配線を容易に行うことができる。

なお、本実施形態の受光素子は、上記図３（ｄ）の工程において、溝１４を半導体基板１の表面が露出するまで形成することで製造される。

（第３実施形態）
本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の受光素子は第１実施形態に対して第２の反射膜８の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるためここでは説明を省略する。

図５は本実施形態の受光素子の断面図である。図５に示されるように、本実施形態の受光素子はＰ層６の表面に第１の絶縁膜９が配置され、第１の絶縁膜９の表面にＡｌ等の金属で構成された第２の反射膜８が配置されている。そして、Ｐ層６の表面に配置された第１の絶縁膜９およびこの第１の絶縁膜９に配置された第２の反射膜８にはＰ層６の表面の一部が露出されるように貫通孔１０が形成されている。

このような受光素子によれば、上記第１実施形態と同様の効果に加えて、第２の反射膜８および第３の反射膜１１が共に金属で構成されているので、上記図３（ｄ）の製造工程において第２の反射膜８および第３の反射膜１１を同時に製造することができ、上記図２（ｂ）の工程において第２の反射膜８を成膜する製造工程を削減することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態の受光素子は第３実施形態に対して第１の反射膜３の構成を変更したものであり、その他に関しては第３実施形態と同様であるためここでは説明を省略する。

図６は本実施形態の受光素子の断面図である。図６に示されるように、本実施形態の受光素子は、第１の反射膜３がＡｌ等の金属で構成されている。このような受光素子としても上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態の受光素子は第１実施形態に対して第３の反射膜１１を隣接する受光部間で共有する構成としたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるためここでは説明を省略する。

図７は本実施形態にかかる受光素子の断面図である。図７に示されるように、本実施形態の受光素子では、隣接するＰＩＮフォトダイオード７間が第３の反射膜１１で埋め込まれた構成とされている。

このような受光素子によれば、ＰＩＮフォトダイオード７の集積度を大きくすることができると共に、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態の受光素子は第１実施形態に対してマイクロレンズ１３を配置する場所が異なっており、その他に関しては第１実施形態と同様であるためここでは説明を省略する。

図８は本実施形態にかかる受光素子の断面図である。図８に示されるように、本実施形態の受光素子ではマイクロレンズ１３の中心軸をＰＩＮフォトダイオード７の中心軸からずらしてある。このような受光素子としてもマイクロレンズ１３をＰ層６の表面のうち露出されている部分に光を集めるような構成とすれば、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、半導体基板１としてＳｉ、第１の反射膜３および第２の反射膜８としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ、ＰＩＮフォトダイオード７として、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘを使用する例を挙げて説明したが、もちろんこれに限定されるものではない。例えば、半導体基板１としてＧａＡｓやＩｎＰ等を用いてもよく、第１の反射膜３および第２の反射膜８としては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ系やＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ系を用いた半導体多層膜を用いてもよく、また、ＰＩＮフォトダイオード８としてＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用いて構成してもよい。

また、上記第３実施形態、上記第４実施形態および上記第６実施形態において、上記第２実施形態と同様に、第３の反射膜１１と半導体基板１との間に配置されている第１の絶縁膜９を除去して第３の反射膜１１とＰＩＮフォトダイオード７とを電気的に接続して、第３の反射膜１１を電極として用いてもよい。

また、上記各実施形態では第３の反射膜１１でＰＩＮフォトダイオード７の側面の全面が覆われる構成とされているが、側面の全面が覆われていない構成としてもよい。この場合は、ＰＩＮフォトダイオード７の側面のうち第３の反射膜１１で覆われていない部分からＰＩＮフォトダイオード７の内部で反射された光が出てゆく可能性があるため、この光が隣接するＰＩＮフォトダイオード７の側面のうち第３の反射膜１１で覆われていない部分から入射されないように第３の反射膜１１の配置の仕方を考慮する必要がある。

さらに、受光部としてはもちろんＰＩＮフォトダイオード７に限定されるものではなく、例えば、ＰＮフォトダイオードであってもよい。

本発明の第１実施形態における受光素子の断面図を示す図である。図１に示す受光素子の製造工程を示す図である。図１に示す受光素子の製造工程を示す図である。本発明の第２実施形態における受光素子の断面図を示す図である。本発明の第３実施形態における受光素子の断面図を示す図である。本発明の第４実施形態における受光素子の断面図を示す図である。本発明の第５実施形態における受光素子の断面図を示す図である。本発明の第６実施形態における受光素子の断面図を示す図である。

符号の説明

１半導体基板
３第１の反射膜
７ＰＩＮフォトダイオード
８第２の反射膜
１０貫通孔
１１第３の反射膜
１３マイクロレンズ
１４溝

Claims

半導体基板（２）上に隣接するように形成された複数の受光部（７）を備えた受光素子であって、
前記受光部（７）の底面に配置された第１の反射膜（３）と、
前記受光部（７）の表面において、前記第１の反射膜（３）と対向するように配置され、前記受光部（７）の表面の一部を露出させる貫通孔（１０）が形成された第２の反射膜（８）と、
前記受光部（７）の側面に配置された第３の反射膜（１１）と、
前記受光部（７）の表面側に配置されていると共に、前記受光部（７）の表面のうち露出されている部分に光を集めるように構成され、集めた前記光を前記受光部（７）に入射するマイクロレンズ（１３）と、を備え、
前記マイクロレンズ（１３）で集められた前記光が前記受光部（７）の表面のうち露出している部分から前記受光部（７）の内部に入射されると、入射された前記光のうち前記受光部（７）の表面に対して斜め方向から入射された前記光が前記第１の反射膜（３）、前記第２の反射膜（８）および前記第３の反射膜（１１）にて反射されることで前記受光部（７）の内部に閉じ込められる構成とされていることを特徴とする受光素子。
前記第１の反射膜（３）および前記第２の反射膜（８）が半導体多層膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
前記第３の反射膜（１１）が金属で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。
前記第３の反射膜（１１）が電極となることを特徴とする請求項３に記載の受光素子。
前記第１の反射膜（３）が半導体多層膜で構成されており、前記第２の反射膜（８）が金属で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
前記第１の反射膜（３）および前記第２の反射膜（８）が金属で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
隣接する前記受光部間には溝（１４）が形成されており、前記溝（１４）が前記第３の反射膜（１１）で埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の受光素子。
前記受光部（７）がピンフォトダイオードで構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の受光素子。
前記受光部（７）がシリコンゲルマニウムで構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の受光素子。
前記半導体基板（２）上に前記受光部（７）をマトリックス状に配置したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の受光素子。