JP2011171546A

JP2011171546A - 受光素子

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Publication number: JP2011171546A
Application number: JP2010034519A
Authority: JP
Inventors: Jun Higuchi; 潤樋口
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP5488030B2

Abstract

【課題】従来よりも受光感度を向上させることが可能な受光素子を提供する。
【解決手段】受光素子３０は、第１導電型の半導体基板１と、半導体基板１上に形成された第１導電型の半導体層２と、半導体層２における表面を含む所定の領域に形成され、外部から前記半導体層との間に電位差を生じさせたときに前記半導体層との界面及びその近傍の領域に第１の空乏層Ｐ２を発生する第２導電型の拡散層３と、拡散層３の上方に形成され、外部から拡散層３との間に電位差を生じさせたときに拡散層３の表面及びその近傍の領域に第２の空乏層Ｐ１を発生する電極６と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、集積化受光素子（ＰＤＩＣ）等の受光素子に係り、特に短波長の光、例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対しても高感度を有する受光素子に関する。

現在、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の光ディスクにレーザ光を照射し、その反射光を受光して光電変換することによって、光ディスクに記録されている情報を電気信号に変換して再生する光ディスク再生装置が普及している。
光ディスクに照射されるレーザ光の発振波長は再生される光ディスクによって異なる。例えば、ＣＤに用いられるレーザ光の発振波長は７８０ｎｍ帯の近赤外波長であり、ＤＶＤに用いられるレーザ光の発振波長は６３５ｎｍ帯または６５０ｎｍ帯の赤色波長である。
通常、光ディスク再生装置は、これら各種光ディスクに対応できるように、上記各発振波長のレーザ光をそれぞれ照射する複数の半導体レーザ素子と、上記各発振波長に対して高感度を有する受光素子とを備えている。
このような受光素子の一例が特許文献１に開示されている。

特開平９−２３７９１２号公報

ところで、近年、ＣＤやＤＶＤよりもさらに情報記録容量の大きい次世代光ディスクとしてBlu-ray Disc（以下、ＢＤと称す）が着目されている。
ＢＤに用いられるレーザ光の発振波長は、ＣＤやＤＶＤに用いられるレーザ光の発振波長よりもさらに短い４０５ｎｍ帯の青色波長である。
しかしながら、発明者が鋭意実験した結果、特許文献１に記載されているような受光素子では、４０５ｎｍ帯の青色波長における受光感度が、上述の７８０ｎｍ帯の近赤外波長や６３５ｎｍ帯または６５０ｎｍ帯の赤色波長における受光感度と比較して低いことが確認されており、４０５ｎｍ帯の青色波長における受光感度の向上が望まれている。

４０５ｎｍ帯の青色波長における受光感度が低い原因について説明する。
受光素子に照射されるレーザ光の発振波長が短いほど、その光電変換領域は受光素子の表面を含むより浅い領域となる。この表面を含むより浅い領域に高ドーパント濃度の拡散層が存在すると、拡散層中での少数キャリアの再結合が発生する。少数キャリアの再結合は光電変換効率を悪化させる要因の１つであり、このため受光素子の受光感度が悪化する。

そこで、本発明は、従来よりも特に短波長の光、例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対しても高感度を有する受光素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次の受光素子を提供する。
１）第１導電型の半導体基板（１）と、前記半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層（２）と、前記半導体層における表面を含む所定の領域に形成され、外部から前記半導体層との間に電位差を生じさせたときに前記半導体層との界面及びその近傍の領域に第１の空乏層（Ｐ２）を発生する第２導電型の拡散層（３）と、前記拡散層の上方に形成され、外部から前記拡散層との間に電位差を生じさせたときに前記拡散層の表面及びその近傍の領域に第２の空乏層（Ｐ１）を発生する電極（６）と、を備えていることを特徴とする受光素子（３０）。
２）前記拡散層の表面及びその近傍の領域に外部から所定の波長を有する第１の光（ＬＢ）が入射したときに、前記第１の光は前記拡散層で光電変換されて第１の電荷（ｅ１）となり、前記第１の電荷は前記第２の空乏層によって形成された電位勾配により、前記拡散層における前記第２の空乏層よりも深い領域に移動し、前記半導体層に外部から前記所定の波長よりも長い波長を有する第２の光（ＬＲ）が入射したときに、前記第２の光は前記半導体層で光電変換されて第２の電荷（ｅ２）となり、前記第２の電荷は前記第１の空乏層によって形成された電位勾配により、前記拡散層の前記深い領域に移動することを特徴とする１）記載の受光素子。
３）前記第１の電荷及び前記第２の電荷を増幅させて電気信号に変換するアンプ部（２０，２１）をさらに備えていることを特徴とする２）記載の受光素子。

本発明によれば、従来よりも特に短波長の光、例えば４０５ｎｍ帯の青色波長の光に対しても高感度を有するという効果を奏する。

本発明の受光素子の実施例を説明するための回路構成図である。本発明の受光素子の実施例を説明するための模式的断面図である。実施例の受光素子における拡散層の深さ方向におけるドーパント濃度分布を示す図である。シリコン（Ｓｉ）における入射光の波長と光吸収係数との関係を示す図である。実施例の受光素子における空乏層が形成されたときのポテンシャル状態を説明するための模式図である。実施例の受光素子を製造するための製造方法を説明するための模式的断面図である。実施例の受光素子を製造するための製造方法を説明するための模式的断面図である。実施例の受光素子を製造するための製造方法を説明するための模式的断面図である。実施例の受光素子を製造するための製造方法を説明するための模式的断面図である。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図９を用いて説明する。
なお、図１〜図９では説明をわかりやすくするために同じ構成部には同じを符号を付している。

＜実施例＞
本発明の受光素子の実施例として集積化受光素子（ＰＤＩＣ）を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、入射光を電荷に光電変換する受光部を備えた受光素子全般に対して本発明を適用できる。

まず、図１及び図２を用いて、実施例の受光素子３０について説明する。

図１に示すように、受光素子３０は、入射光、例えば４０５ｎｍ帯の波長帯域を有する青色光ＬＢ、及び６５０ｎｍ帯の波長帯域を有する赤色光ＬＲをそれぞれ受光して電荷に光電変換する受光部１０と、光電変換された電荷を増幅して電気信号に変換するＩＶ変換アンプ部２０と、を備えている。
また、受光素子３０は、帰還抵抗Ｒａをさらに備えた構成としてもよい。

次に、受光素子３０における受光部１０及びＣＭＯＳトランジスタ２１について図２及び図３を用いて説明する。

まず、受光部１０について図２及び図３を用いて説明する。

図２に示すように、ｎ＋型のシリコン基板１上にｎ型のシリコンエピタキシャル層２が形成されている。
なお、ｎ＋型とはｎ型よりもｎ型ドーパント濃度が高いことを示すものである。即ち、シリコン基板１のｎ型ドーパント濃度がシリコンエピタキシャル層２のｎ型ドーパント濃度よりも高いことを示している。
実施例では、ｎ型のシリコンエピタキシャル層２の比抵抗を１０Ω・cmとし、厚さを１０μｍとした。

受光部１０は、ｎ型のシリコンエピタキシャル層２の表面及びその近傍の領域に形成されたｐ型の拡散層３と、拡散層３に接続するｐ＋型の拡散層４と、拡散層３上に形成された酸化膜５と、酸化膜５上に形成された電極６と、電極６上に拡散層３を覆うように形成された反射防止膜７と、を有して構成されている。

なお、ｐ＋型とはｐ型よりもｐ型ドーパント濃度が高いことを示すものである。即ち、拡散層４のｐ型ドーパント濃度が拡散層３のｐ型ドーパント濃度よりも高いことを示している。
実施例では、拡散層３の表面から深さ方向の厚さｔ３を１μｍとした。

電極６の内部でも光電変換が起こるが、電極６内部での光電変換は受光感度に寄与しないので、電極６は内部抵抗が大きくならない範囲において薄くすることが望ましい。
実施例では、電極６としてリンがドープされた導電性のポリシリコン膜を形成し、その厚さを５０ｎｍとした。

また、実施例では、酸化膜５としてＳｉＯ₂膜を形成した。

また、実施例では、反射防止膜７としてＳｉＮ膜を形成した。反射防止膜７としてＳｉＮ膜の他に、ＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜とが交互に積層された多層膜を用いることもできる。

ここで、実施例における、拡散層３の表面から深さ方向のｐ型ドーパントの濃度分布について、図３を用いて説明する。
図３において、横軸は拡散層３の表面からの距離を示す。即ち、横軸における“０．０”は拡散層３の表面の位置を示し、“１”は拡散層３の表面から１μｍの深さの位置を示し、“２”は拡散層３の表面から２μｍの深さの位置を示す。
また、図３において、縦軸は拡散層３のｐ型ドーパント濃度を示す。図３の縦軸における“１．０ｅ＋１４”は“１．０×１０¹⁴”を示し、“１．０ｅ＋１５”は“１．０×１０¹⁵”を示し、“１．０ｅ＋１６”は“１．０×１０¹⁶”を示し、“１．０ｅ＋１７”は“１．０×１０¹⁷”を示す。
図３に示すように、拡散層３のｐ型ドーパント濃度は、表面近傍で最も高く、深くなるに従って低くなる濃度分布を有する。

次に、ＣＭＯＳトランジスタ２１について図２に戻って説明する。
図２のＣＭＯＳトランジスタ２１は、図１のＩＶ変換アンプ部２０に含まれる主要構成部である。

図２に示すように、ＣＭＯＳトランジスタ２１は、ｎ型のシリコンエピタキシャル層２の表面及びその近傍の領域に形成されたｐ＋型の拡散層であるソース２２及びドレイン２３と、ソース２２及びドレイン２３上に形成された酸化膜２４と、酸化膜２４上に形成されたゲート電極２５と、を有するp型トランジスタを備えている。
また、図２では図示されていないが、ＣＭＯＳトランジスタ２１は、ｎ＋型の拡散層であるソース及びドレインと、酸化膜上に形成されたゲート電極と、を有するn型トランジスタを備えている。
実施例では、ゲート電極２５としてリンがドープされた導電性のポリシリコン膜を形成した。

受光部１０とＣＭＯＳトランジスタ２１とはフィールド酸化膜２６によって分離されている。

次に、上述した受光素子３０の受光部１０に４０５ｎｍ帯の波長帯域を有する青色光ＬＢ、及び６５０ｎｍ帯の波長帯域を有する赤色光ＬＲがそれぞれ入射したときに発生する電荷の取出し方法について図１〜図３と共に図４及び図５を用いて説明する。

図５は、実施例の受光素子３０の受光部１０（図２参照）において、電極６及びシリコン基板１（シリコンエピタキシャル層２）にそれぞれ５Ｖの電圧を印加し、拡散層３に２．５Ｖの電圧を印加したときのポテンシャル状態を模式的に示した図である。受光素子３０の受光部１０において、図５の左側は図２の上側に対応し、図５の右側は図２の下側に対応する。

まず、受光部１０に４０５ｎｍ帯の波長帯域を有する青色光ＬＢが入射した場合について説明する。青色光ＬＢは、例えばＢＤに情報を記録したりＢＤに記録されている情報を再生する際に用いられるレーザ光である。

電極６に所定の電圧（例えば５Ｖ）を印加し、フォトダイオードのアノードである拡散層３に所定の電圧よりも低い電圧（例えば２．５Ｖ）を印加する（図１及び図２参照）。
これにより、電極６と拡散層３との間に電位差が生じるため、拡散層３の表面及びその近傍の領域に空乏層Ｐ１が電位差に応じた厚さで形成される（図５参照）。
即ち、空乏層Ｐ１は上記電位差が大きいほど厚く形成され、小さいほど薄く形成される。
例えば、電極６に５Ｖの電圧を印加し、拡散層３に２．５Ｖの電圧を印加したときの空乏層Ｐ１は、拡散層３の表面から０．３５μｍの深さまでの範囲に形成される。

ところで、図４に示すように、入射光の波長が４０５ｎｍのときのシリコンの光吸収係数は４×１０⁴ｃｍ^-1である。入射光に対するシリコンの吸収深さは光吸収係数の逆数で表すことができるので、青色光ＬＢは拡散層３の表面から深さ０．２５μｍの位置及びその近傍の領域を中心にして吸収される。

図５に示すように、拡散層３には、青色光ＬＢが吸収される領域に空乏層Ｐ１が形成されており、青色光ＬＢが拡散層３で光電変換されることによって生成される電荷ｅ１は、空乏層Ｐ１の電位勾配によって拡散層３における空乏層Ｐ１よりも深い領域に速やかに移動する。

前述したように、拡散層３のｐ型ドーパント濃度は表面近傍で最も高く、深くなるに従って低くなる濃度分布を有する（図３参照）。
少数キャリアの再結合はｐ型ドーパント濃度に依存するため、拡散層３の表面及びその近傍で発生した電荷ｅ１を拡散層３の深さ方向に速やかに移動させることにより、少数キャリアの再結合を抑制することができる。

拡散層３の内部に移動した電荷ｅ１は拡散層４を通ってＩＶ変換アンプ部２０（ＣＭＯＳトランジスタ２１）で増幅され、電気信号に変換されて出力される（図１及び図２参照）。

次に、受光部１０に６５０ｎｍ帯の波長帯域を有する赤色光ＬＲが入射した場合について説明する。赤色光ＬＲは、例えばＤＶＤに情報を記録したりＤＶＤに記録されている情報を再生する際に用いられるレーザ光である。

フォトダイオードのカソードであるｎ＋型のシリコン基板１（ｎ型のシリコンエピタキシャル層２）に所定の電圧（例えば５Ｖ）を印加し、フォトダイオードのアノードであるｐ型の拡散層３に所定の電圧よりも低い電圧（例えば２．５Ｖ）を印加する（図１及び図２参照）。
これにより、シリコンエピタキシャル層２と拡散層３との間に電位差が生じるため、シリコンエピタキシャル層２における拡散層３との界面及びその近傍の領域に空乏層Ｐ２が電位差に応じた厚さで形成される（図５参照）。
即ち、空乏層Ｐ２は電位差が大きいほど厚く形成され、電位差が小さいほど薄く形成される。
例えば、シリコン基板１（シリコンエピタキシャル層２）に５Ｖの電圧を印加し、拡散層３に２．５Ｖの電圧を印加したときの空乏層Ｐ２は、拡散層３の表面に対して深さ１μｍから深さ５μｍまでの範囲に形成される。

ところで、図４に示すように、入射光の波長が６５０ｎｍのときのシリコンの光吸収係数は３×１０³ｃｍ^-1である。入射光の吸収深さは光吸収係数の逆数で表すことができるので、波長６５０ｎｍの入射光は拡散層３から深さ３．３μｍの位置で吸収される。

図５に示すように、シリコンエピタキシャル層２には、赤色光ＬＲが吸収される領域に空乏層Ｐ２が形成されており、赤色光ＬＲがシリコンエピタキシャル層２で光電変換されることによって生成される電荷ｅ２は、空乏層Ｐ２の電位勾配によって拡散層３の深い領域に速やかに移動する。

拡散層３に移動した電荷ｅ２は拡散層４を通ってＩＶ変換アンプ部２０（ＣＭＯＳトランジスタ２１）で増幅され、電気信号に変換されて出力される（図１及び図２参照）。

次に、上述した受光素子３０の製造方法について、図２と共に図６〜図９を用いて説明する。
なお、図６〜図９では、説明をわかりやすくするために、図２と同じ構成部には同じ符号を付している。

［酸化膜形成工程］（図６参照）
ｎ＋型のシリコン基板１上に形成されたｎ型のシリコンエピタキシャル層２の表面及びその近傍の領域を選択酸化法を用いて酸化させ、酸化膜５，酸化膜２４，及びフィールド酸化膜２６を形成する。

［拡散層及び電極形成工程］（図７参照）
シリコンエピタキシャル層２の酸化膜５が形成されている領域に対応する領域に、ｐ型ドーパントを例えばイオン注入法を用いて注入し、さらに所定の温度で所定の時間、熱拡散処理を行って、ｐ型の拡散層３を形成する。
実施例では、ｐ型ドーパントとしてボロン（Ｂ）を用いた。

次に、酸化膜５上に、リン（Ｐ）がドープされた導電性のポリシリコン膜を、例えばＣＶＤ法を用いて形成し、さらにポリシリコン膜をフォトリソグラフィ法を用いてパターン化することによって電極６を形成する。

［ゲート電極形成工程］（図８参照）
酸化膜２４上に、リン（Ｐ）がドープされた導電性のポリシリコン膜を、例えばＣＶＤ法を用いて形成し、さらにポリシリコン膜をフォトリソグラフィ法を用いてパターン化することによってゲート電極２５を形成する。

［拡散層、ソース及びドレイン形成工程］（図９参照）
酸化膜５，電極６，酸化膜２４，及びフィールド酸化膜２６上における所定の領域にパターン化されたレジスト膜４０を形成する。
次にレジスト膜４０をマスクとしてｐ型ドーパントを例えばイオン注入法を用いて注入し、さらに所定の温度で所定の時間、熱拡散処理を行って、ｐ＋型の拡散層４，ソース２２，及びドレイン２３を形成する。
実施例では、ｐ型ドーパントとしてボロン（Ｂ）を用いた。
また、実施例では、ｐ＋型の拡散層４の表面から深さ方向の厚さを０．３μｍとした。

［反射防止膜形成工程］（図２参照）
レジスト膜４０を除去した後、酸化膜５，電極６，酸化膜２４，ゲート電極２５，及びフィールド酸化膜２６上に例えばＳｉＮ膜をＣＶＤ法を用いて形成し、さらにＳｉＮ膜をフォトリソグラフィ法を用いてパターン化することにより、反射防止膜７を形成する。
上述した工程により、受光素子３０が形成される。

本発明に係る受光素子によれば、短波長（例えば４０５ｎｍ）の入射光を受光部で受光したときに、受光部で光電変換されて生成された電荷が受光部の内部に速やかに移動するため、少数キャリアの再結合が抑制されるので、光電変換効率が従来よりも改善する。そのため、受光素子の受光感度を従来よりも向上させることができる。

また、本発明に係る受光素子によれば、１つの受光素子で短波長（例えば４０５ｎｍ）の光（例えば青色光）にも長波長（例えば６５０ｎｍ）の光（例えば赤色光）にも対応できるので、本発明に係る受光素子を例えば光ピックアップに用いた場合、１つの受光素子でＢＤ及びＤＶＤの２種類の光ディスクに対応することができる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。

例えば、実施例ではカソードコモン型としたが、これに限定されるものではなく、各ｐ型及びｎ型がそれぞれ逆になるアノードコモン型の構成としてもよい。
アノードコモン型の場合、シリコン基板（シリコンエピタキシャル層）及び電極（６）への印加電圧は例えば０Ｖであり、拡散層（３）への印加電圧は例えば２．５Ｖである。

１＿ｎ＋型のシリコン基板、２＿ｎ型のシリコンエピタキシャル層、３＿ｐ型の拡散層、４＿ｐ＋型の拡散層、５，２４＿酸化膜、６＿電極、７＿反射防止膜、１０＿受光部、２０＿ＩＶ変換アンプ部、２１＿ＣＭＯＳトランジスタ、２２＿ソース、２３＿ドレイン、２５＿ゲート電極、２６＿フィールド酸化膜、３０＿受光素子、４０＿レジスト膜、ＬＢ＿青色光、ＬＲ＿赤色光、ｔ３＿厚さ

Claims

第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層と、
前記半導体層における表面を含む所定の領域に形成され、外部から前記半導体層との間に電位差を生じさせたときに前記半導体層との界面及びその近傍の領域に第１の空乏層を発生する第２導電型の拡散層と、
前記拡散層の上方に形成され、外部から前記拡散層との間に電位差を生じさせたときに前記拡散層の表面及びその近傍の領域に第２の空乏層を発生する電極と、
を備えていることを特徴とする受光素子。
前記拡散層の表面及びその近傍の領域に外部から所定の波長を有する第１の光が入射したときに、前記第１の光は前記拡散層で光電変換されて第１の電荷となり、前記第１の電荷は前記第２の空乏層によって形成された電位勾配により、前記拡散層における前記第２の空乏層よりも深い領域に移動し、
前記半導体層に外部から前記所定の波長よりも長い波長を有する第２の光が入射したときに、前記第２の光は前記半導体層で光電変換されて第２の電荷となり、前記第２の電荷は前記第１の空乏層によって形成された電位勾配により、前記拡散層の前記深い領域に移動することを特徴とする請求項１記載の受光素子。
前記第１の電荷及び前記第２の電荷を増幅させて電気信号に変換するアンプ部をさらに備えていることを特徴とする請求項２記載の受光素子。