JP2010283223A - 半導体光検出素子及び半導体光検出素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子及び半導体光検出素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】フォトダイオードＰＤ１は、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１には、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層７が形成されていると共に、第１主面１ａ及び第２主面１ｂにおける少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂにおけるｐｎ接合に対向する領域は、光学的に露出している。
【選択図】図１１
【解決手段】フォトダイオードＰＤ１は、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１には、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層７が形成されていると共に、第１主面１ａ及び第２主面１ｂにおける少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂにおけるｐｎ接合に対向する領域は、光学的に露出している。
【選択図】図１１
Description
本発明は、半導体光検出素子及び半導体光検出素子の製造方法に関する。
近赤外の波長帯域に高い分光感度特性を有する半導体光検出素子として、化合物半導体を用いたフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、及びＩｎＧａＡｓＮＰのいずれかからなる第１受光層と、第１受光層の吸収端より長波長の吸収端を有し、量子井戸構造からなる第２受光層と、を備えている。
しかしながら、このような化合物半導体を用いたフォトダイオードは、未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。このため、安価で且つ製造が容易なシリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度を有しているものの実用化が求められている。シリコンフォトダイオードは、一般に、分光感度特性の長波長側での限界は１１００ｎｍ程度ではあるものの、１０００ｎｍ以上の波長帯域における分光感度特性は十分なものではなかった。
本発明は、シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子及び半導体光検出素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体光検出素子は、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するシリコン基板を備え、シリコン基板には、該シリコン基板の一の主面側に第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、一の主面及び一の主面に対向する主面における少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の一の主面及び一の主面に対向する主面におけるｐｎ接合に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
本発明に係る半導体光検出素子では、一の主面及び一の主面に対向する主面における少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸が形成されているために、半導体光検出素子に入射した光は当該領域にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、半導体光検出素子に入射した光は、その大部分が半導体光検出素子（シリコン基板）を透過することなく、シリコン基板で吸収されることとなる。したがって、本発明によれば、半導体光検出素子に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
本発明に係る半導体光検出素子では、シリコン基板の一の主面側に第１導電型のアキュムレーション層が形成されている。このため、一の主面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層は、シリコン基板の一の主面付近で光により発生したキャリアが該一の主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合へ効率的に移動し、半導体光検出素子の光検出感度を向上することができる。
本発明に係る半導体光検出素子は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、シリコン基板には、第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第１主面及び第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第１主面及び第２主面における第２導電型の半導体領域に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
本発明に係る半導体光検出素子では、第１主面及び第２主面における少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸が形成されているために、半導体光検出素子に入射した光は当該領域にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、半導体光検出素子に入射した光は、その大部分が半導体光検出素子（シリコン基板）を透過することなく、シリコン基板で吸収されることとなる。したがって、本発明によれば、半導体光検出素子に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
本発明に係る半導体光検出素子では、シリコン基板の第２主面側に第１導電型のアキュムレーション層が形成されている。このため、第２主面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層は、シリコン基板の第２主面付近で光により発生したキャリアが第２主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、第２導電型の半導体領域とシリコン基板とのｐｎ接合へ効率的に移動し、半導体光検出素子の光検出感度を向上することができる。
好ましくは、アキュムレーション層の厚みが、不規則な凹凸の高低差よりも大きい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
本発明に係る半導体光検出素子の製造方法は、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するシリコン基板を準備する工程と、シリコン基板の一の主面側に、第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、シリコン基板の一の主面及び一の主面に対向する主面における少なくともｐｎ接合に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、不規則な凹凸が形成されたシリコン基板を熱処理する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る半導体光検出素子の製造方法によれば、一の主面及び一の主面に対向する主面における少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸が形成されている半導体光検出素子を得ることができる。この半導体光検出素子では、上述したように、半導体光検出素子に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の一の主面側に形成されるアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、半導体光検出素子の光検出感度を向上することができる。
ところで、パルスレーザ光の照射により、シリコン基板に結晶欠陥などのダメージを及ぼす懼れがあるが、本発明では、不規則な凹凸を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理しているので、シリコン基板の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
好ましくは、シリコン基板を準備する工程では、シリコン基板として、一の主面に対向する主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域が更に形成されたシリコン基板を準備し、シリコン基板を熱処理する工程の後に、第１導電型の半導体領域に電気的に接続される電極及びｐｎ接合に電気的に接続される電極を形成する工程を更に備える。この場合、電極に比較的融点の低い材料を用いる場合でも、熱処理の工程により電極が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極を適切に形成することができる。
本発明に係る半導体光検出素子の製造方法は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を準備する工程と、シリコン基板の第２主面側に、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、シリコン基板の第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、不規則な凹凸を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る半導体光検出素子の製造方法によれば、第１主面及び第２主面における少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸が形成されている半導体光検出素子を得ることができる。この半導体光検出素子では、上述したように、半導体光検出素子に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成されるアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、半導体光検出素子の光検出感度を向上することができる。更に、本発明では、不規則な凹凸を形成する工程の後に、シリコン基板を熱処理しているので、シリコン基板の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
好ましくは、シリコン基板を準備する工程では、シリコン基板として、第１主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域が更に形成されたシリコン基板を準備し、シリコン基板を熱処理する工程の後に、第１導電型の半導体領域に電気的に接続される電極及び第２導電型の半導体領域に電気的に接続される電極を形成する工程を更に備える。この場合、電極に比較的融点の低い材料を用いる場合でも、熱処理の工程により電極が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極を適切に形成することができる。
好ましくは、不規則な凹凸を形成する工程を、アキュムレーション層を形成する工程の後に行う。この場合、アキュムレーション層の深さを略均一に形成することができる。また、不規則な凹凸を形成する工程で生じた結晶損傷の回復と再結晶化のための熱処理と、結晶内に導入された不純物の活性化と結晶性の回復のためにアキュムレーション層を形成する工程の後に行う熱処理と、を一度で行うことができる。
好ましくは、アキュムレーション層の厚みを、不規則な凹凸の高低差よりも大きくする。この場合、アキュムレーション層を形成する工程の後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な上記凹凸を形成しても、アキュムレーション層が残ることとなり、上述したアキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
好ましくは、不規則な凹凸を形成する工程では、パルスレーザ光としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射する。この場合、不規則な凹凸を適切で且つ容易に形成することができる。
本発明によれば、シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子及び半導体光検出素子の製造方法を提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
まず、図１〜図１０を参照して、本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１〜図１０は、本実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
まず、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有するｎ−型半導体基板１を準備する（図１参照）。ｎ−型半導体基板１の厚みは３００μｍ程度であり、比抵抗は１ｋΩ・ｃｍ程度である。本実施形態では、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側に絶縁層ＩＬ１，ＩＬ２を形成する（図２参照）。絶縁層ＩＬ１，ＩＬ２は、ＳｉＯ２からなり、ｎ−型半導体基板１を熱酸化することによって形成される。絶縁層ＩＬ１，ＩＬ２の厚みは、例えば０．１μｍ程度である。
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｎ＋型半導体領域３を形成する（図２参照）。ｎ＋型半導体領域３は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高濃度に拡散させることにより形成する。ｎ＋型半導体領域３の厚みは、例えば１．５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば１２Ω／ｓｑ．である。
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｐ＋型半導体領域５を形成する（図３参照）。ｐ＋型半導体領域５は、中央部が開口したマスクなどを用い、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。ｐ＋型半導体領域５は、ｎ＋型半導体領域３に囲まれるように形成する。ｐ＋型半導体領域５は、その中央部に位置し且つ第１の厚みを有する第１部分５ａと、中央部の周囲に位置し且つ第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する第２部分５ｂと、を有するように形成される。ｐ＋型半導体領域５の第１部分５ａの厚みは、例えば２〜３μｍ程度であり、ｐ＋型半導体領域５の第２部分５ｂの厚みは、例えば３μｍ程度である。ｐ＋型半導体領域５のシート抵抗は、例えば４４Ω／ｓｑ．である。
次に、ｎ−型半導体基板１の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１全体を第２主面１ｂ側から薄化する（図４参照）。これにより、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上に形成された絶縁層ＩＬ２は除去され、ｎ−型半導体基板１が露出することとなる。ここでは、薄化により露出した面も、第２主面１ｂとする。所望の厚みは、例えば１００μｍ程度である。ｎ−型半導体基板１の薄化は、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側を研磨することにより行なうことができる。ｎ−型半導体基板１の薄化は、ｎ−型半導体基板１全体を薄化することに限られず、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域５に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側から薄化してもよい。部分的な薄化は、例えば水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）などを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層７を形成する（図５参照）。ここでは、ｎ−型半導体基板１内において第２主面１ｂ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、アキュムレーション層７を形成する。アキュムレーション層７の厚みは、例えば１μｍ程度である。そして、ｎ−型半導体基板１を、熱処理して、アキュムレーション層７を活性化させる。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、９００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜３時間程度にわたって行なう。
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図６参照）。ここでは、図７に示されるように、ｎ−型半導体基板１をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬをｎ−型半導体基板１に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、ｎ−型半導体基板１への加工屑や塵などの付着を防いでいる。
本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図８に示されるように、不規則な凹凸１０が第２主面１ｂの全面に形成される。不規則な凹凸１０は、第１主面１ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図８は、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０を観察したＳＥＭ画像である。
次に、ｐ＋型半導体領域５の第１主面１ａにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図９参照）。ここでは、絶縁層７におけるｐ＋型半導体領域５の第１部分５ａに対応する領域にパルスレーザ光を照射する。これにより、ｐ＋型半導体領域５の第１部分５ａに対応する領域の絶縁層７が除去され、露出したｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ（ｐ＋型半導体領域５の第１部分５ａ）に不規則な凹凸１０が形成されることとなる。第１主面１ａ（絶縁層７）へのパルスレーザ光の照射は、上述した第２主面１ｂへのパルスレーザ光ＰＬの照射と同様にして行なう。ｐ＋型半導体領域５の第２部分５ｂには、規則な凹凸１０を形成していない。
次に、ｎ−型半導体基板１を熱処理（アニール）する。ここでは、ｎ−型半導体基板１を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１時間程度にわたって加熱する。
次に、ｐ＋型半導体領域３の第２部分５ｂ上に位置する絶縁層７にコンタクトホールＨ１を形成し、ｎ＋型半導体領域５上に位置する絶縁層７にコンタクトホールＨ２を形成する（図１０参照）。そして、電極１３，１５を形成する（図１１参照）。電極１３は、コンタクトホールＨ１内に形成され、電極１５は、コンタクトホールＨ２内に形成される。電極１３，１５は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、厚みは例えば１μｍ程度である。これにより、フォトダイオードＰＤ１が完成する。
フォトダイオードＰＤ１は、図１１に示されるように、ｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側には、ｐ＋型半導体領域５（第１部分５ａ及び第２部分５ｂ）及びｎ＋型半導体領域３が形成されており、ｎ−型半導体基板１とｐ＋型半導体領域５との間にはｐｎ接合が形成されている。すなわち、ｎ−型半導体基板１は、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有する。ｎ＋型半導体領域３は、ガードリングとして機能する。
電極１３は、コンタクトホールＨ１を通して、ｐ＋型半導体領域５（第２部分５ｂ）に電気的に接触且つ接続されている。電極１５は、コンタクトホールＨ２を通して、ｎ＋型半導体領域３に電気的に接触且つ接続されている。
ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側には、アキュムレーション層７が形成されており、第２主面１ｂは光学的に露出している。第２主面１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側には、ｐ＋型半導体領域５の第１部分５ａの露出面に不規則な凹凸１０が形成されている。したがって、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂにおけるｐｎ接合に対応する領域には、不規則な凹凸１０が形成されることとなる。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａにおける不規則な凹凸１０が形成されている領域は、光学的に露出している。第１主面１ａが光学的に露出しているとは、第１主面１ａが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第１主面１ａ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
フォトダイオードＰＤ１では、第１主面１ａ及び第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、図１２に示されるように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、ｎ−型半導体基板１内を長い距離進む。
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。フォトダイオードでは、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、フォトダイオード（シリコン基板）内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とフォトダイオードを透過する光成分に分かれる。フォトダイオードを透過した光は、フォトダイオードの感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、フォトダイオード内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
フォトダイオードＰＤ１では、光入射面（第１主面１ａ）に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、ｎ−型半導体基板１内部で吸収される光成分もあれば、第１主面１ａや側面に到達する光成分もある。
第１主面１ａにおける不規則な凹凸１０が形成された領域に到達する光成分は、第２主面１ｂに形成された凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、全反射する可能性は極めて高い。第１主面１ａに形成された凹凸１０も、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に再び拡散する。また、第１主面１ａにおける不規則な凹凸１０が形成されていない領域や側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性も高い。第１主面１ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、ｎ−型半導体基板１の内部を長い距離進むうちに、ｎ−型半導体基板１で吸収され、光電流として検出されることとなる。
このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ１を透過することなく、走行距離が長くされて、ｎ−型半導体基板１で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
第２主面１ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は低くなる。このため、第１主面１ａや側面、更には第２主面１ｂにて透過する光成分が増加し、フォトダイオードに入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。同様に、第１主面１ａに規則的な凹凸を形成した場合でも、同様に、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
フォトダイオードＰＤ１では、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層７が形成されている。これにより、第２主面１ｂ側で発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層７は、第２主面１ｂ付近で発生したキャリアが当該第２主面１ｂでトラップされるのを抑制する。このため、発生したキャリアは、ｐｎ接合部へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ１の光検出感度を更に向上することができる。
本実施形態では、アキュムレーション層７を形成した後に、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、アキュムレーション層７の深さを略均一に形成することができる。また、不規則な凹凸１０を形成する工程で生じた結晶損傷の回復と再結晶化のための熱処理と、イオン注入又は拡散により結晶内に導入された不純物の活性化と結晶性の回復のためにアキュムレーション層１０を形成する工程の後に行う熱処理と、を一度で行うことができる。
本実施形態では、不規則な凹凸１０を形成した後に、ｎ−型半導体基板１を熱処理している。これにより、ｎ−型半導体基板１の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
本実施形態では、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後に、電極１３，１５を形成している。これにより、電極１３，１５に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理により電極１３，１５が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極１３，１５を適切に形成することができる。
本実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
本実施形態では、ｎ−型半導体基板１が第２主面１ｂ側より薄化されている。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。すなわち、フォトダイオードＰＤ１は、表面入射型フォトダイオードだけでなく、裏面入射型フォトダイオードとして用いることができる。
ところで、フォトダイオードにおいて、シリコンからなる半導体基板を厚く設定することにより（例えば、数ｍｍ程度）、近赤外の波長帯域に分光感度特性を有する半導体光検出素子を実現することは可能である。しかしながら、フォトダイオードでは、空乏化のためにバイアス電圧を印加することが必要となるが、上記半導体基板の厚みを大きくした場合、極めて高いバイアス電圧を印加する必要がある。また、半導体基板が厚いと、暗電流も増加する。
しかしながら、本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１では、上述したように、第１主面１ａ及び第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、フォトダイオードＰＤ１に入射した光の走行距離が長くされる。このため、半導体基板（ｎ−型半導体基板１）を厚くすることなく、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有するフォトダイオードを実現することができる。したがって、半導体基板を厚くすることにより近赤外の波長帯域に分光感度特性を有するフォトダイオードよりも、上記フォトダイオードＰＤ１は、低いバイアス電圧の印加で、良好な分光感度特性を得ることができる。また、暗電流の増加が抑制され、フォトダイオードＰＤ１の検出精度が向上する。更に、ｎ−型半導体基板１の厚みが薄いことから、フォトダイオードＰＤ１の応答速度が向上する。
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
本実施形態では、第２主面１ｂの全面にわたって、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しているが、これに限られない。例えば、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域５に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。
本実施形態では、電極１５をｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に形成されたｎ＋型半導体領域３に電気的に接触且つ接続しているが、これに限られない。例えば、電極１５をｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に形成されたアキュムレーション層７に電気的に接触且つ接続してもよい。この場合、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域５に対向する領域外に、電極１５を形成することが好ましい。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域５に対向する領域に電極１５を形成すると、第２主面１ｂに形成されている不規則な凹凸１０が電極１５により塞がれ、近赤外の波長帯域における分光感度が低下するという事象が生じるためである。
本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１におけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
本実施形態では、アキュムレーション層７を形成した後に不規則な凹凸１０を形成しているが、これに限られることなく、不規則な凹凸１０を形成する工程を、アキュムレーション層７を不規則な凹凸１０を形成した後に形成してもよい。
本発明は、上記実施形態として例示したフォトダイオードに限られることなく、フォトダイオードアレイ、アバランシェフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードアレイ、バイポーラやＣＭＯＳといったフォトＩＣ（受光部と受光部用信号処理回路を集積化したもの）などの、ｐｎ接合を有するシリコン基板を備えた半導体光検出素子に適用することができる。
本発明は、フォトダイオードなどの半導体光検出素子に利用できる。
１…ｎ−型半導体基板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、３…ｎ＋型半導体領域、５…Ｐ＋型半導体領域、７…アキュムレーション層、１０…不規則な凹凸、１３，１５…電極、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１…フォトダイオード。
Claims (10)
- 第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するシリコン基板を備え、
前記シリコン基板には、該シリコン基板の一の主面側に第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、前記一の主面及び前記一の主面に対向する主面における少なくとも前記ｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記一の主面及び前記一の主面に対向する前記主面における前記ｐｎ接合に対向する前記領域は、光学的に露出していることを特徴とする半導体光検出素子。 - 第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に前記第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、
前記シリコン基板には、前記第２主面側に前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、前記第１主面及び前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記第１主面及び前記第２主面における第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域は、光学的に露出していることを特徴とする半導体光検出素子。 - 前記アキュムレーション層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光検出素子。
- 第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の一の主面側に、第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、
前記シリコン基板の前記一の主面及び前記一の主面に対向する主面における少なくとも前記ｐｎ接合に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、
不規則な前記凹凸が形成された前記シリコン基板を熱処理する工程と、を備えることを特徴とする半導体光検出素子の製造方法。 - 前記シリコン基板を準備する前記工程では、前記シリコン基板として、前記一の主面に対向する前記主面側に前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域が更に形成されたシリコン基板を準備し、
前記シリコン基板を熱処理する工程の後に、前記第１導電型の半導体領域に電気的に接続される電極及び前記ｐｎ接合に電気的に接続される電極を形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の半導体光検出素子の製造方法。 - 第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に前記第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の前記第２主面側に、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層を形成する工程と、
前記シリコン基板の前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸を形成する工程と、
不規則な前記凹凸を形成する前記工程の後に、前記シリコン基板を熱処理する工程と、を備えることを特徴とする半導体光検出素子の製造方法。 - 前記シリコン基板を準備する前記工程では、前記シリコン基板として、前記第１主面側に前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域が更に形成されたシリコン基板を準備し、
前記シリコン基板を熱処理する工程の後に、前記第１導電型の半導体領域に電気的に接続される電極及び前記第２導電型の半導体領域に電気的に接続される電極を形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体光検出素子の製造方法。 - 不規則な前記凹凸を形成する前記工程を、前記アキュムレーション層を形成する前記工程の後に行うことを特徴とする請求項４又は６に記載の半導体光検出素子の製造方法。
- 前記アキュムレーション層の厚みを、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きくすることを特徴とする請求項８に記載の半導体光検出素子の製造方法。
- 不規則な前記凹凸を形成する前記工程では、パルスレーザ光としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射することを特徴とする請求項４〜９のいずれか一項に記載の半導体光検出素子の製造方法。
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