JP2010040733A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光感度を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様に係る半導体装置１は、光が入射する光入射面３０ｂとフォトダイオード部３０ａとを有する半導体薄膜と、光入射面３０ｂの反対側の半導体薄膜の表面の上方に設けられ、凸面６２ａを有する中間層６２と、凸面６２ａの表面に設けられ、光をフォトダイオード部３０ａの方向へ反射する凹面７０ａを有する凹面反射層７０とを備える半導体装置
【選択図】図１
【解決手段】本発明の一態様に係る半導体装置１は、光が入射する光入射面３０ｂとフォトダイオード部３０ａとを有する半導体薄膜と、光入射面３０ｂの反対側の半導体薄膜の表面の上方に設けられ、凸面６２ａを有する中間層６２と、凸面６２ａの表面に設けられ、光をフォトダイオード部３０ａの方向へ反射する凹面７０ａを有する凹面反射層７０とを備える半導体装置
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体装置に関する。
従来、光感度を増加させた裏面照射型の半導体装置として、光入射面を有する半導体層と、半導体層中に形成された光電変換部と、光入射面の反対側の面において、光電変換部を透過した光を光電変換部側に反射する反射層とを備える半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−１４７３３３号公報
しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置は、反射層によって光電変換部に反射された光の一部の光しか光電変換部に到達しない場合があり、半導体装置の光感度の向上には限界がある。
本発明の目的は、光感度を向上させた半導体装置を提供することにある。
本発明の一態様は、光が入射する光入射面とフォトダイオード部とを有する半導体薄膜と、光入射面の反対側の半導体薄膜の表面の上方に設けられ、凸面を有する中間層と、凸面の表面に設けられ、光をフォトダイオード部の方向へ反射する凹面を有する凹面反射層とを備える半導体装置を提供する。
また、本発明の他の一態様は、柔軟性を有する透明基板と、透明基板上に設けられる透明電極と、透明電極の透明基板と接している面の反対側の一部に設けられる有機半導体層と、有機半導体層の透明電極と接している面の反対側の表面の上方に設けられ、凸面を有する中間層と、凸面の表面に設けられ、入射光を有機半導体層の方向へ反射する凹面を有する凹面反射層とを備える半導体装置を提供する。
また、本発明の更に他の一態様は、柔軟性を有し、可視光に対して透明な透明基板と、透明基板上に設けられる透明電極と、透明電極の透明基板と接している面の反対側の一部に設けられる有機半導体層と、有機半導体層の透明電極と接している面の反対側の表面の上方に設けられる反射層とを備える半導体装置を提供する。
本発明によれば、光感度を向上させた半導体装置を提供することができる。
［第１の実施の形態］
（半導体装置１の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
（半導体装置１の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
（半導体装置１の構成の概要）
第１の実施の形態に係る半導体装置１は、光電変換機能を有するフォトダイオード部３０ａを有すると共に、光入射面３０ｂを有する半導体薄膜としてのｐ型Ｓｉ薄膜３０と、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の光入射面３０ｂの反対側の表面の一部の領域に形成されるゲート酸化膜４０と、ゲート酸化膜４０上に形成されるゲート電極４５と、ｐ型Ｓｉ薄膜３０のゲート電極４５が形成されている側の表面、及びゲート酸化膜４０、並びにゲート電極４５を覆う酸化膜５０と、酸化膜５０のｐ型Ｓｉ薄膜３０側の反対側の表面の一部に設けられる中間層６２と、中間層６２の表面を覆う凹面反射層７０と、凹面反射層７０の表面及び酸化膜５０の一部の表面を覆って設けられる層間絶縁膜８０と、層間絶縁膜８０の表面８０ａ上に設けられる配線層（図示しない）とを備える。
第１の実施の形態に係る半導体装置１は、光電変換機能を有するフォトダイオード部３０ａを有すると共に、光入射面３０ｂを有する半導体薄膜としてのｐ型Ｓｉ薄膜３０と、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の光入射面３０ｂの反対側の表面の一部の領域に形成されるゲート酸化膜４０と、ゲート酸化膜４０上に形成されるゲート電極４５と、ｐ型Ｓｉ薄膜３０のゲート電極４５が形成されている側の表面、及びゲート酸化膜４０、並びにゲート電極４５を覆う酸化膜５０と、酸化膜５０のｐ型Ｓｉ薄膜３０側の反対側の表面の一部に設けられる中間層６２と、中間層６２の表面を覆う凹面反射層７０と、凹面反射層７０の表面及び酸化膜５０の一部の表面を覆って設けられる層間絶縁膜８０と、層間絶縁膜８０の表面８０ａ上に設けられる配線層（図示しない）とを備える。
また、ｐ型Ｓｉ薄膜３０は、ｎ＋層３１０及びｐ＋層３１２と、ドレイン領域３２０とを有する。ｎ＋層３１０及びｐ＋層３１２は、光入射面３０ｂ側からｐ型Ｓｉ薄膜３０の他方の面側に向かって、ｎ＋層３１０、ｐ＋層３１２の順でｐ型Ｓｉ薄膜３０中に設けられる。そして、ｎ＋層３１０及びｐ＋層３１２とドレイン領域３２０とにより、ゲート酸化膜４０の直下は挟まれる。更に、ｐ型Ｓｉ薄膜３０は、ｎ＋層３１０の下方のｐ型Ｓｉ薄膜３０中に設けられるｎ＋領域３０２と、ｎ＋領域３０２の下方のｐ型Ｓｉ薄膜３０中に設けられるｐ＋領域３０４とを有する。フォトダイオード部３０ａは、ｎ＋層３１０と、ｐ＋層３１２と、ドレイン領域３２０と、ｎ＋領域３０２と、ｐ＋領域３０４とを含んで構成される。また、ｐ型Ｓｉ薄膜３０は、ｎ＋領域３０２及びｐ＋領域３０４のゲート酸化膜４０とは反対側に、複数のフォトダイオード部３０ａを分離するｎ型分離壁３００を有する。
本実施の形態に係る半導体装置１は、一例として、フォトダイオードとしての機能を有するフォトダイオード部３０ａを用いた光センサである。
ｐ型Ｓｉ薄膜３０は、一例として、比抵抗が１Ω・ｃｍであり、所定の不純物濃度のｐ型の不純物が添加されたＳｉから形成される。ｐ型Ｓｉ薄膜３０は、例えば、１．５μｍ程度の厚さを有して形成される。ｎ型分離壁３００は、複数のフォトダイオード部３０ａを電気的に分離することを目的として、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の光入射面３０ｂ側から、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の光入射面３０ｂの反対側の面に向かって所定の幅及び所定の深さを有して形成される。ｎ型分離壁３００は、所定の不純物濃度のｎ型の不純物、例えば、所定の不純物濃度のリン（Ｐ）等を含んで形成される。
また、第１領域としてのｎ＋領域３０２は、第１導電型としてのｎ型の不純物を、ｐ型Ｓｉ薄膜３０に含まれる不純物濃度より高い濃度で含む。同様に、第２領域としてのｐ＋領域３０４は、第２導電型としてのｐ型の不純物を、ｐ型Ｓｉ薄膜３０に含まれる不純物濃度より高い濃度で含む。ｎ＋層３１０はｎ型の不純物を含んで形成され、ｐ＋層３１２はｐ型の不純物を含んで形成される。そして、ｎ＋層３１０及びｐ＋層３１２とで、フォトダイオード部３０ａの電極としての機能を発揮する。
ゲート電極４５は、一例として、所定の導電型の不純物を含む多結晶シリコン又は多結晶シリコンゲルマニウムから形成される。例えば、ｎ型のゲート電極４５は、不純物としてヒ素（Ａｓ）又はＰ等のｎ型不純物を含む。一方、ｐ型のゲート電極４５は、Ｂ又は二フッ化ホウ素（ＢＦ２）等のｐ型不純物を含む。
また、ゲート電極４５は、Ｗ、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、Ｍｏ、又はＡｌ等の金属材料、若しくはこれら金属材料の化合物等からなるメタルゲート電極から形成することもできる。ゲート絶縁膜４０は、一例として、ＳｉＯ２、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、ＳｉＯＮ、又は高誘電材料（例えば、ＨｆＳｉＯＮ、ＨｆＳｉＯ、ＨｆＯ等のＨｆ系材料、ＺｒＳｉＯＮ、ＺｒＳｉＯ、ＺｒＯ等のＺｒ系材料、Ｙ２Ｏ３等のＹ系材料）等の絶縁性材料から形成される。また、酸化膜５０及び層間絶縁膜８０は、一例として、熱膨張係数が０．５ｐｐｍ／℃であるＳｉＯ２等の絶縁性材料から形成される。
また、中間層６２は、ｐ型Ｓｉ薄膜３０から離れる方向に凸形状を有する凸面６２ａを有して、少なくとも可視光に対して実質的に透明な材料から形成される。そして、凹面反射層７０は、中間層６２の表面に形成され、凸面６２ａに対応した形状の凹面７０ａを有する金属材料から形成される。凹面反射層７０は、凹面７０ａに入射した光を、ｐ型Ｓｉ薄膜３０側、すなわち、フォトダイオード部３０ａ側に反射する。
（半導体装置１の製造方法）
図２Ａ〜図２Ｊは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の概要を示す。
図２Ａ〜図２Ｊは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の概要を示す。
まず、図２Ａに示すように、支持基板１０と、支持基板１０上に設けられた酸化膜２０と、酸化膜２０上に設けられたｐ型Ｓｉ薄膜３０とを有する基板を準備する。支持基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）である。そして、酸化膜２０は、例えば、支持基板１０の一方の面から他方の面に向けて所定の厚さだけ酸化されて形成された絶縁膜としての機能を有する二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる酸化膜２０である。更に、ｐ型Ｓｉ薄膜３０は、例えば、（１００）面を表面に露出して酸化膜２０上に設けられ、所定の不純物濃度のｐ型不純物が添加されたｐ型のＳｉ膜である。
本実施の形態では、一例として、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ウエハを酸化膜２０及びｐ型Ｓｉ薄膜３０を有する支持基板１０として準備する。ここで、準備したＳＯＩウエハのｐ型Ｓｉ薄膜３０の厚さが、所望の厚さに足りない場合、例えば、準備したＳＯＩウエハに対して、更にＳｉ層をエピタキシャル成長させることもできる。なお、ＳＯＩウエハの代わりに、Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ（ＳＩＭＯＸ）ウエハを用いることもできる。
次に、図２Ｂに示すように、ｐ型Ｓｉ薄膜３０中の所定の領域に、ｎ型分離壁３００を形成する。具体的には、まず、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面に酸化物材料からなるマスク層４２を形成する。マスク層４２は、例えば、化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法により形成することができる。マスク層４２は、一例として、５００ｎｍ程度の厚さを有するＳｉＯ２膜である。続いて、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いてマスク層４２に開口４２ａを設ける。
次に、マスク４２を介してｐ型Ｓｉ薄膜３０中に、ｎ型の不純物材料、例えば、リン（Ｐ）を、加速電圧を多段階で変化させつつイオン注入法で打ち込む。これにより、所定の不純物濃度を有するｎ型不純物の層からなるｎ型分離壁３００が、開口４２ａの下方のｐ型Ｓｉ薄膜３０中に形成される。ｎ型分離壁３００を形成した後、フッ酸（ＨＦ）を用いてマスク４２を除去した後、高速昇温アニールを施すことにより、ｎ型分離壁３００を活性化する。高速昇温アニールは、例えば、不活性雰囲気中、１０００℃前後の温度で数秒程度、加熱することにより実施する。
次に、図２Ｃに示すように、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面を酸化することによりゲート酸化膜４０を形成する。ゲート酸化膜４０の厚さは、例えば、１０ｎｍ程度である。次に、ゲート酸化膜４０上に、ゲート電極４５を形成する。ゲート電極４５は、例えば、ポリシリコンから形成することができ、その厚さは１５０ｎｍ程度である。
続いて、図２Ｄに示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、所望形状のゲート電極４５及びゲート酸化膜４０を形成する。この工程を経ることにより、ゲート酸化膜４０及びゲート電極４５が形成されている部分を除き、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面３０ｃが露出する。
次に、図２Ｅに示すように、フォトレジスト９０を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー法を用いて、ゲート酸化膜４０とｎ型分離壁３００との間の所定の領域に、開口９０ａを有するフォトレジスト９０からなるマスクパターンを形成する。開口９０ａの底部において、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面が露出する。
そして、開口９０ａを有するフォトレジスト９０をマスクとして、ｎ型不純物とｐ型不純物とを順次、ｐ型Ｓｉ薄膜３０中にイオン注入法により打ち込む。具体的には、まず、開口９０ａの直下に対応するｐ型Ｓｉ薄膜３０中に、ｎ型の不純物を打ち込んで所定の不純物濃度を有するｎ＋領域３０２を形成する。次に、同様にして、ｐ型の不純物を打ち込んで所定の不純物濃度を有するｐ＋領域３０４を形成する。形成されるｎ＋領域３０２及びｐ＋領域３０４はそれぞれ、断面視において略柱状となる。
本実施の形態において、ｐ＋領域３０４は、例えば、イオン注入法によってホウ素（Ｂ）を打ち込むことにより形成される。また、ｎ＋領域３０２は、例えば、イオン注入法によって加速電圧を多段階に変えつつＰを打ち込むことにより形成される。そして、ｐ＋領域３０４は、ｎ＋領域３０２よりもｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面から深い位置に形成される。ここで、ｐ＋領域３０４及びｎ＋領域３０２が形成されるｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面からの深さは、後述する凹面反射層７０の曲率中心の位置が、ｐ＋領域３０４とｎ＋領域３０２との間に対応する深さに設定される。なお、ｐ＋領域３０４及びｎ＋領域３０２のｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面からの深さは、イオン注入する場合におけるイオン注入条件の加速電圧等を調整することにより、所望の深さに設定できる。
次に、フォトレジスト９０を除去する。そして、図２Ｇに示すように、ゲート電極４５の表面、及びｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面の全面にｎ型の不純物をイオン注入する。これにより、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面から所定の深さにｎ＋層３１０が形成される。更に、フォトリソグラフィー法及びイオン注入法を用いて、ｎ＋層３１０上にｐ＋層３１２を形成する。そして、例えば、不活性雰囲気中、１０００℃前後の温度で数秒程度、高速昇温アニールを実施することにより、ゲート電極４５中の不純物と、読み出しトランジスタの電極機能を兼ねているｎ＋層３１０及びｐ＋層３１２とを活性化する。なお、この高速昇温アニールにより、ｎ＋領域３０２及びｐ＋領域３０４も活性化され、ｎ＋領域３０２とｐ＋領域３０４との間に内部電界の高い空乏層が生じることとなる。すなわち、ｎ＋領域３０２及びｐ＋領域３０４はそれぞれ、急峻な不純物濃度勾配を有するので、ｎ＋領域３０２とｐ＋領域３０４との間にｐｎ接合が形成され、高い内部電界を有する空乏層が生じることとなる。
続いて、図２Ｈに示すように、酸化膜５０及びＢＳＧ膜６０を形成する。具体的には、まず、ＣＶＤ法を用いて、例えば、３００ｎｍ程度の厚さの二酸化シリコンからなる酸化膜層をゲート電極４５及びｐ型Ｓｉ薄膜３０の表面に堆積させる。そして、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法を用いて、堆積した酸化膜層を１００ｎｍ程度まで削り、表面を平坦化させた酸化膜５０を形成する。このＣＭＰ法による研磨工程では、ゲート絶縁膜４０の厚さ及びゲート電極４５の厚さの合計の厚さよりも、酸化膜５０の厚さを厚く形成すべく、研磨量を設定する。
続いて、所定量のホウ素（Ｂ）を含んだＳｉ酸化膜であるホウ素シリケートガラス（ＢＳＧ）膜６０を、酸化膜５０上に堆積する。ＢＳＧ膜６０は、例えば、２００ｎｍ程度の厚さを有する。なお、ＢＳＧ膜６０の代わりに、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）膜、又はホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜等を、酸化膜５０上に堆積することもできる。次に、上面視にてｐ＋層３１２及びｎ＋層３１０を覆う部分を除き、フォトリソグラフィー法及びＲＩＥ法を用いてＢＳＧ膜６０を加工する。これにより、上面視にてｐ＋層３１２及びｎ＋層３１０を覆うＢＳＧ膜６０が形成される。
次に、図２Ｉに示すように、ＢＳＧ膜６０に、所定の雰囲気下、所定の温度、所定の時間の熱処理を施すことにより中間層６２を形成する。この熱処理は、例えば、ＢＳＧ膜６０の軟化温度程度の温度、又は軟化温度より低い温度（例えば、７５０℃程度）で実施する。ＢＳＧ膜６０は熱処理が施されると、表面張力によって、酸化膜５０の反対側に断面において凸形状を有する形状に変形することにより中間層６２となる。ここで、中間層６２の断面における凸形状は、放物線の一部の形状に一致する形状となる。
次に、中間層６２の表面に、ｎ＋領域３０２とｐ＋領域３０４との間に焦点が位置する凹面を有する凹面反射層７０を形成する。凹面反射層７０は、可視光領域の光に対して高い反射率（例えば、９０％程度）を有する金属材料から形成される。凹面反射層７０は、例えば、スパッタ法によって１５０ｎｍ程度の厚さを有して形成される。具体的には、中間層６２の表面及び酸化膜５０の表面にスパッタ法によって所定の膜厚の金属層を形成する。そして、フォトリソグラフィー法及びＲＩＥ法を用いて、中間層６２の表面に凹面反射層７０を形成する。なお、凹面反射層７０は、例えば、アルミニウム、銀等の金属材料から主として形成することができる。続いて、中間層６２の表面に凹面反射層７０を形成した後、４００℃程度のアニール処理を５分間程度、凹面反射層７０に施す。なお、アニール処理の時間は、凹面反射層７０を構成する金属材料が酸化膜５０中を拡散してフォトダイオード部３０ａ側に到達しない範囲で設定される。
そして、酸化膜５０の表面及び凹面反射層７０の表面を覆う所定の膜厚の層間絶縁膜８０を形成する。層間絶縁膜８０は、例えば、二酸化シリコン膜から形成することができる。次に、ＣＭＰ法で層間絶縁膜８０の表面を平坦化した後、層間絶縁膜８０の表面に多層配線（図示しない）を形成する。多層配線は、例えば、銅配線から所定の配線パターンを有して形成できる。次に、支持基板１０及び酸化膜２０を研磨、除去して本実施の形態に係る半導体装置１が形成される。
（半導体装置１の動作）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の動作の概要を示す。
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の動作の概要を示す。
図３を参照すると、半導体装置１の光入射面３０ｂに入射した光４００は、ｐ型Ｓｉ薄膜３０中を伝搬する。本実施の形態において、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の厚さが１．５μｍ程度であり、光４００の一部、特に赤色領域の波長を有する光４００はｐ型Ｓｉ薄膜３０を透過しやすい。ｐ型Ｓｉ薄膜３０を透過した光４００は、凹面反射層７０によって反射される。
ここで、本実施の形態に係る凹面反射層７０は、凹面反射層７０の曲率中心３０８がｎ＋領域３０２とｐ＋領域３０４との間に存在するように形成されているので、凹面反射層７０によって反射された光４００は、ｎ＋領域３０２とｐ＋領域３０４との間に存在する空乏層３０６に集光する。なお、凹面反射層７０の凹面部分の曲線が完全な放物線形状を有していない場合、凹面反射層７０によって反射された光４００は空乏層３０６内において一点に集中することはないものの、空乏層３０６内において所定の広がりを有して集光される。
（曲率中心の詳細）
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の曲率中心の位置の概要を示す。
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の曲率中心の位置の概要を示す。
本実施の形態において、上面視にて中間層６２の幅Ｌ１は、ｎ＋層３１０及びｐ＋層３１２の幅Ｌ２以上の幅に設定される。また、ｎ＋領域３０２とｐ＋領域３０４との間に、凹面反射層７０の曲率中心３０８が位置するように、凹面反射層７０の凹面形状は設定される。この場合に、ｎ＋層３１０とｐ型Ｓｉ薄膜３０との界面から所定の深さＤの位置に凹面反射層７０の曲率中心３０８が位置することとなる。半導体装置１の光感度をより向上させることを目的として、深さＤは、ｎ＋層３１０側により近付けることもできる。すなわち、曲率中心３０８をｎ＋層３１０側により近付けることもできる。なお、深さＤの位置の変更に応じて中間層６２の凸面６２ａ形状を変更することにより、凹面反射層７０の凹面７０ａ形状を変更できる。
（第１の実施の形態の変形例）
本実施の形態では、ｐ型Ｓｉ薄膜３０を用いたが、ｎ型のＳｉ薄膜を用いることもできる。この場合、半導体装置１の各構成部分の導電型は本実施の形態の導電型とは逆にする。例えば、ｎ型分離壁３００はｐ型として構成する。そして、ｎ＋領域３０２及びｎ＋層３１０はｐ型で構成され、ｐ＋領域３０４及びｐ＋層３１２はｎ型で構成されることとなる。
本実施の形態では、ｐ型Ｓｉ薄膜３０を用いたが、ｎ型のＳｉ薄膜を用いることもできる。この場合、半導体装置１の各構成部分の導電型は本実施の形態の導電型とは逆にする。例えば、ｎ型分離壁３００はｐ型として構成する。そして、ｎ＋領域３０２及びｎ＋層３１０はｐ型で構成され、ｐ＋領域３０４及びｐ＋層３１２はｎ型で構成されることとなる。
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る半導体装置１は、フォトダイオード部３０ａを含むｐ型Ｓｉ薄膜３０の光入射面３０ｂの反対側に、凹面反射層７０を備える。光入射面３０ｂに入射した光の一部は、凹面反射層７０によって反射される。そして、反射された光の経路は反射されることにより増大することがフォトダイオード部３０ａを通過する距離の増大に対応するので、フォトダイオード部３０ａにおける光電変換効率が向上する。これにより本実施の形態によれば、光感度が向上した半導体装置１を提供できる。
本実施の形態に係る半導体装置１は、フォトダイオード部３０ａを含むｐ型Ｓｉ薄膜３０の光入射面３０ｂの反対側に、凹面反射層７０を備える。光入射面３０ｂに入射した光の一部は、凹面反射層７０によって反射される。そして、反射された光の経路は反射されることにより増大することがフォトダイオード部３０ａを通過する距離の増大に対応するので、フォトダイオード部３０ａにおける光電変換効率が向上する。これにより本実施の形態によれば、光感度が向上した半導体装置１を提供できる。
また、本実施の形態に係る半導体装置１は、凹面反射層７０によって光入射面３０ｂに入射した光のうち、ｐ型Ｓｉ薄膜３０を透過した赤色領域の光をフォトダイオード部３０ａ側に反射することができる。これにより、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の厚さを厚くすることなく赤色光の光電変換効率を向上させることができるので、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の厚さを凹面反射層７０を設けない半導体装置に比べて薄くでき、半導体装置１の製造コストを低減できる。更に、ｐ型Ｓｉ薄膜３０の厚さは薄いままであるので、複数のフォトダイオード部３０ａ間を分離するｎ型分離壁３００の形成も容易となり、光感度が大幅に向上したＣＭＯＳセンサとしての半導体装置１を低コストで提供できる。
また、本実施の形態に係る半導体装置１は、凹面反射層７０とフォトダイオード部３０ａとの間に酸化膜５０を備えるので、凹面反射層７０を構成する金属材料がフォトダイオード部３０ａ側に拡散して、半導体装置１の特性の劣化を抑制できる。
そして、本実施の形態に係る半導体装置１は、凹面反射層７０によって反射する光を、空乏層３０８に集光することができる。ここで、不純物濃度が高く、急峻な不純物濃度プロファイルを有するｎ＋領域３０２と、不純物濃度が高く、急峻な不純物濃度プロファイルを有するｐ＋領域３０４とに挟まれている領域に空乏層３０８が形成されるので、空乏層３０８内の電界強度は高く、空乏層３０８に入射した光は高い効率で速やかにキャリアに変換される。これにより、本実施の形態に係る半導体装置１によれば、非常に高い光電変換効率を発揮することができる。
更に、ｎ＋領域３０２及びｐ＋領域３０４はそれぞれ、読み出しトランジスタとしてのゲート電極４５から離れているので、パンチスルーが発生する等の読み出しトランジスタの特性の劣化を抑制できる。したがって、本実施の形態に係る半導体装置１は、高感度なＣＭＯＳセンサである半導体装置１として提供することができる。
［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
第２の実施の形態に係る半導体装置１ａは、光入射面１２ａを有する透明基板１２と、透明基板１２上に設けられる透明電極１４と、透明電極１４上の一部に設けられる有機半導体層１６と、有機半導体層１６上の一部に設けられる中間層６３と、中間層６３の表面及び有機半導体層１６の一部の表面に接して設けられる凹面反射層７１とを備える。
透明基板１２は、可視光に対して透明であり、柔軟性を有する材料から形成される。例えば、透明基板１２は、有機高分子材料から形成される透明フィルムから形成できる。また、透明電極１４は、Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ（ＩＴＯ）等の導電性無機材料から形成することができる。透明電極１４の一部の表面１４ａは外部に露出しており、この領域から有機半導体層１６に電力が供給される。
有機半導体層１６は、電子を受容する機能を有する有機材料（以下、「電子受容有機材料」という）、及び／又は電子を供与する機能を有する有機材料（以下、「電子供与有機材料」という）を含んで形成され、光電変換するフォトダイオードとしての機能を発揮する。有機半導体層１６は、電子受容有機材料からなる層、又は電子供与有機材料からなる層、若しくは電子受容有機材料からなる層と電子供与有機材料からなる層との積層を含んで形成することができる。また、有機半導体層１６は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、又はポリアミド樹脂等の有機高分子材料、若しくはこれらの有機高分子材料の共重合体に、電子受容有機材料又は電子供給有機材料を添加した層を含んで形成することもできる。
また、有機半導体層１６は、所定の可視光領域の光を吸収する有機材料を含んで形成することもできる。例えば、有機半導体層１６は、青色領域の光を吸収する有機材料であるクマリン６、緑色領域の光を吸収する有機材料であるローダミン６Ｇ、又は赤色領域の光を吸収する有機材料である亜鉛フタロシアニンを含んで形成することができる。この場合、有機半導体層１６は、例えば、クマリン６を含む第１の有機半導体層と、ローダミン６Ｇを含む第２の有機半導体層と、亜鉛フタロシアニンを含む第３の有機半導体層とが積層された積層構造体を含んで形成することができる。
中間層６３は、例えば、エポキシ樹脂等の有機高分子材料から形成することができる。例えば、中間層６３は、エポキシ樹脂等の有機高分子材料を有機半導体層１６上の一部にポッティングして形成することができる。これにより、凸面６３ａを有する中間層６３を形成できる。また、凹面反射層７１は、凸面６３ａに対応した凹面７１ａを有して形成される。凹面反射層７１を構成する材料は、第１の実施の形態と同様である。また、凹面反射層７１の一部は直接、有機半導体層１６に接触させることができ、この場合、凹面反射層７１は有機半導体層１６に電力を供給する電極としての機能も併せ持つ。例えば、凹面反射層７１の表面７１ｂに、外部から電力が供給される。
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態に係る半導体装置１ａは、高分子材料及び有機半導体から主として形成することができるので、屈曲性及び柔軟性を発揮する。したがって、本実施の形態によれば、凹面反射層７１の存在により高い光感度を有すると共に、半導体装置１ａ自体を自由に曲げることができる光センサとしての半導体装置１ａを提供できる。これにより、本実施の形態によれば、衣服等に貼り付けることのできる半導体装置１ａを提供できる。
第２の実施の形態に係る半導体装置１ａは、高分子材料及び有機半導体から主として形成することができるので、屈曲性及び柔軟性を発揮する。したがって、本実施の形態によれば、凹面反射層７１の存在により高い光感度を有すると共に、半導体装置１ａ自体を自由に曲げることができる光センサとしての半導体装置１ａを提供できる。これにより、本実施の形態によれば、衣服等に貼り付けることのできる半導体装置１ａを提供できる。
［第３の実施の形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の断面の概要を示す。
本実施の形態に係る半導体装置１ｂは、第２の実施の形態に係る半導体装置１ａとは、中間層６３が設けられておらず、凹面反射層７１が存在しない点を除き、第２の実施の形態に係る半導体装置１ａと略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
半導体装置１ｂは、透明基板１２と、透明基板１２上に設けられる透明電極１４と、透明電極１４上の一部に設けられる有機半導体層１６と、有機半導体層１６上に設けられる反射電極７２とを備える。反射電極７２は、その表面７２ａにおいて、光入射面１２ａから入射した光の一部を有機半導体層１６側に反射する。また、反射電極７２は、有機半導体層１６に電力を供給する電極としての機能を有する。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。
１ 半導体装置、３０ ｐ型Ｓｉ薄膜、３０ａ フォトダイオード部、３０ｂ 光入射面、６２ 中間層、７０ 凹面反射層
Claims (5)
- 光が入射する光入射面とフォトダイオード部とを有する半導体薄膜と、
前記光入射面の反対側の前記半導体薄膜の表面の上方に設けられ、凸面を有する中間層と、
前記凸面の表面に設けられ、前記光を前記フォトダイオード部の方向へ反射する凹面を有する凹面反射層と
を備える半導体装置。 - 前記フォトダイオード部は、第１導電型の第１領域と前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２領域とを含み、
前記中間層は、前記第１領域と前記第２領域との間の空乏層中に前記凹面の曲率中心が位置する形状の前記凸面を有する
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記第１領域及び前記第２領域は、前記半導体薄膜中の一部分に形成され、前記第１領域及び前記第２領域を除く前記半導体薄膜よりも高い不純物濃度を有する
請求項２に記載の半導体装置。 - 柔軟性を有する透明基板と、
前記透明基板上に設けられる透明電極と、
前記透明電極の前記透明基板と接している面の反対側の一部に設けられる有機半導体層と、
前記有機半導体層の前記透明電極と接している面の反対側の表面の上方に設けられ、凸面を有する中間層と、
前記凸面の表面に設けられ、入射光を前記有機半導体層の方向へ反射する凹面を有する凹面反射層と
を備える半導体装置。 - 柔軟性を有し、可視光に対して透明な透明基板と、
前記透明基板上に設けられる透明電極と、
前記透明電極の前記透明基板と接している面の反対側の一部に設けられる有機半導体層と、
前記有機半導体層の前記透明電極と接している面の反対側の表面の上方に設けられる反射層と
を備える半導体装置。
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