JP2017228750A - フォトダイオード並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度特性を改善し、コストを低減させたフォトダイオードを提供する。【解決手段】第一極性の単結晶シリコン基板１に基板と異なる極性を有する第一の半導体層２Ａと第二の半導体層２Ｂを設けて、それぞれの半導体層が基板との間で形成される接合を有する。それらの接合で得られる出力電流もしくは出力電圧（幾何平均化出力電圧）との差を検出する。それによって、温度依存性が少ない光量に対応する出力が得られるフォトダイオードを実現できる。当該フォトダイオードは三端子である。【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換装置、それを備えたフォトダイオードに関し、特に、単結晶シリコン及びもしくは多結晶シリコン等の結晶系半導体を用いた、フォトダイオード並びにその製造方法に関する。
前記フォトダイオードは、他にＰＩＮフォトダイオード、放射線センサ、紫外線フォトダイオード（センサ）、半導体イメージセンサ、光検知器の装置全般を指す。

フォトダイオードは、例えば、単結晶シリコンのような半導体材料内に構成された接合近辺で
外部から入射する光源（例えば、ランプや太陽光）からの光（光子）から変換される、電子・正孔対（キャリア）を電気的な手段で検出する、装置である。フォトダイオードは、大別して、▲１▼接合に逆バイアスを印加して空乏層を広げておいて、外部から入射する光が前記空乏層内でキャリアを発生させて、そのキャリアの値を信号電流として検出する方式、と▲２▼接合素子自身の起電力に基づく光・電気変換で生ずる電圧を信号電圧として利用する方式、もある。
従来のフォトダイオードとしては、特許文献１には単結晶シリコン基板に設けたＰＩＮ型フォトダイオードを用いた上記▲１▼の方式に基づくフォトダイオードに関る記載がある。
その特許文献１によれば、単結晶シリコンで且つその不純物濃度が非常に低い（例えば、１０^１２ｃｍ^−３〜１０^１３ｃｍ^−３の結晶を用いる。そして、その半導体基板の表面に０．１μｍ以下の深さでピーク濃度１ｘ１０^２０ｃｍ^−３のＰ＋＋型不純物濃度を形成したＰＩＮフォトダイオードを製作して１００ｎｍの波長の光で量子効率５０％以上を得ている。
特許文献１：特開 平７−２４０５３４号

しかしながら、この構造は、前記▲１▼の方式に基づくものであって、空乏層が広がり易いＰＩＮ構造を利用している。従って、ＰＩＮ接合間には高い逆バイアスを印加する必要がある。その結果、前記のように不純物濃度が非常に低い結晶（特にＦＺ結晶）が不可欠である。更に、逆バイアスの為には相対的に高い電圧源も必要である。
一方、▲２▼の方式を利用したフォトダイオードは、ＰＩＮ用の基板よりも不純物濃度が相対的に高い不純物濃度１０^１７ｃｍ^−３〜５ｘ１０^１４ｃｍ^−３の基板を用いる。光量の検出原理は、太陽電池における開放電圧のように、光によって発生する電流値が、接合を逆方向に流れるリーク電流（暗電流）と相殺されて全体の電流値がゼロとなる時に接合にかかる電圧値が、光の強度と下記（１）式の関係で信号電圧が得られること、を利用した方式である。
Ｖｏｃ＝２．２ｘｋＴ／ｑ ｘ ｌｏｇ（Ｉ ｓｃ／Ｉｏ）……………………（１）
ここに、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：電荷量、Ｔ：絶対温度、Ｉｓｃ：短絡電流、Ｉｏ：飽和電流（暗電流） Ｖｏｃ：開放電圧

従来技術のフォトダイオードは特許文献１を含めて、外部に信号を取り出す電極は二端子である。
即ち、特許文献１の実施例２で示されるように外部電極へ光電変換された信号を取り出すために、導体表面（受光面）に前記Ｐ＋＋型不純物濃度層（以下、Ｐ＋＋第二半導体層と称する）と隣接して、且つ深さが０．５μｍと厚い第一のＰ＋型半導体層を設けて、その上部に形成した絶縁膜にコンタクト穴を設けて、アルミニウムなどの金属電極（アノード）を設けた構造である。
そして、その金属電極（アノード）は、当該文献には明記されていないが、当該第一、第二の半導体層０２Ａ．０２Ｂを設けた表面側に別途ボンデングパッド部を設けてそこへ金属細線（ワイヤー）を経由して外部に取り出される端子４２Ａ，４２Ｂに接続している、と推定される。裏面のカソード電極も同様な手段を講じて端子４４に接続しており、それらの端子と共に、例えば、当該フォトダイオードを搭載したプリント基板上で更なる配線などを施している。

発明が解決しようとする課題

しかし、前記▲１▼，▲２▼のいずれの方式を用いても、フォトダイオードには接合自体に温度依存性があるので飽和電流（暗電流）が周囲温度の増大と共に増大する。この結果、低い光量に対応する信号（信号電流もしくは信号電圧）と前記飽和電流（暗電流））の増大に起因する雑音とを峻別する、のが困難であった。

前記のように、従来のフォトダイオードは二端子構造であるので、検出する信号が微小な場合、信号とは無関係に変化する温度依存性の要因を分離するのが極めて困難である、課題があった。

特許文献１は、前記▲１▼の方式のフォトダイオードではＰＩＮ構造を実現する為に非常に低濃度の不純物基板を使っている。その結果、コスト面での課題もあった。

▲２▼の方式は、測定すべき光量に比例する短絡電流Ｉｓｃを飽和電流Ｉｏで除してそれらの比を対数値で得られる開放電圧の値を用いる方式である。▲２▼の方式は、通常の不純物濃度のＮ‐−基板を用いたＰＮ構造でも実現できる。その利点としては、対数化した値を計測するのでダイナミックレンジがを大幅に拡大できること、とフォトダイ―オード自体の起電力を利用するので、外部からのバイアス電源を必要としないこと、がある。その反面で、（１）式から明らかなように、開放電圧で測定することは、特に温度依存性が大きいこと、が従来の課題であった。

そこで、本発明は温度特性を改善してしかもコストを低減させたフォトダイオードを提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

上記課題を解決するために、本発明のフォトダイオードは、
第一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の光透過面に形成されていて中長波長（赤外を含む）のランプ、太陽光線などに基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基板の光入射面に形成されていて短波長（紫外を含む）光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長（赤外を含む）の光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層、とにそれぞれの電極並びに接地電極を通じて外部と接続される三つの端子を備える。

また、本発明のフォトダイオードの製造方法は、
第一導電型で且つ不純物濃度が１００Ω‐ｃｍ以下の半導体基板の光透過面に中長波長のランプ、太陽光線などに基づいて発生するキャリアを収集する第二導電型の第一半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の光入射面に短波長（紫外）の光線に基づいて発生するキャリアを収集するとともに前記中長波長（赤外を含む）の光線に基づいて発生するキャリアのうち第一半導体層に到達しないキャリアを収集する第二導電型の第二半導体層を形成するステップと、
外部へ信号を取り出す為の三端子を形成するステップ、
を含む。

前記、まず▲１▼の方式でダイナミックレンジを広げて（対数化して）アナログ計測してその後で▲２▼の方式でデジタル計測する手段、を提供する。

光量データの記録（積算記録、分光記録など）を計測する手段、を提供する。

レーザドーピングで後記の第一半導体層と第二半導体層とを接続する手段、を提供する。

得られる効果

本発明によれば、前記、第一半導体層と第二第一半導体層との出力信号（出力電流もしくは出力電圧）の差分も検出できるので、当該フォトダイオードの温度依存性を大幅に低減できる。

ＰＮ型でＰＩＮ型よりも相対的に高い不純物濃度の結晶基板を利用できるので、コストが安価である。

本発明の実施形態１のフォトダイオード１００の光透過面側から見た模式的な斜視図である。 図１及び図２の破線Ａに沿った断面図である。 図３に示すフォトダイオード１００の製造工程図である。 本発明のフォトダイオード１００の製造工程図である。

００１ フォトダイオード
０１ Ｎ−半導体基板
１３０ ランプもしくは太陽光の光源
０２Ａ 第一Ｐ＋型半導体層
０２Ｂ 第二Ｐ＋＋型半導体層
０４ Ｎ＋半導体層
０５Ａ，０５Ｂ 絶縁膜
１２Ａ 電極（第一Ｐ＋半導体層用）
１２Ｂ 電極（第二Ｐ＋＋半導体層用）
１４ 電極（Ｎ＋半導体層用）
２２Ａ コンタクト（第一Ｐ＋半導体層用）
２２Ｂ コンタクト（第二Ｐ＋＋半導体層用）
２４ コンタクト（Ｎ＋半導体層用）
３２Ａ 細金属線
３２Ｂ 細金属線
３４ 細金属線
４２Ａ 端子
４２Ｂ 端子
４４ 端子
４５ 半導体基板抵抗
４６ オペアンプ
４７ オペアンプ出力端子
４８，４９ オペアンプ入力端子
５１，５２ 出力電圧（オペアンプ入力電圧）
６１，６２ 出力電流
７１，７２ オペアンプ 入力調整素子
８１，８２ オペアンプ 出力調整素子（帰還素子）
９１，９２ 接合１、接合２

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）

図１は、本発明の実施形態１において当該フォトダイオード１００を光透過面側から見た模式的な斜視図である。図１には、当該フォトダイオード１００から信号を取り出す為の細金属線３２Ａ，３２Ｂ，３４並びに端子４２Ａ，４２Ｂ，４４，並びに光源、例えば、ランプ、太陽光など１３０、も示されている。図２には、図１にも示す当該フォトダイオードの断面図である。図１，２において、０１はＮ−型半導体基板、０２Ａは第一Ｐ＋型半導体層、０２Ｂは第二Ｐ＋＋型半導体層、０４はＮ＋型半導体層、１２Ａは電極（第一Ｐ＋半導体層用）、１２Ｂは電極（第二Ｐ＋＋半導体層用）、１４ は電極（Ｎ＋半導体層用）、２２Ａはコンタクト（第一Ｐ＋半導体層用）、２２Ｂはコンタクト（第二Ｐ＋＋半導体層用）、２４はコンタクト（Ｎ＋半導体層用）である。
また、０５Ａ、０５Ｂは酸化膜のような絶縁膜である。

当該フォトダイオードのサイズはＸ方向、Ｙ方向の長さともに２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度、厚さは２００μｍ〜３００μｍ程度とすればよい。

単結晶Ｎ−型半導体基板０１は、その比抵抗が例えば０．１Ω・ｃｍ〜１Ω・ｃｍであり、その厚さが例えば２００μｍ〜３００μｍである。その不純物濃度が１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１４ｃｍ^−３である。もっとも、単結晶Ｎ−型半導体基板０１に代えて、多結晶のＮ−型半導体基板を用いてもよく、以後、説明する半導体の導電型を逆型にすることで、単結晶又は多結晶のＰ型半導体基板を
用いても良い。

図１，２に示すように、光透過面（裏面）沿いには第一Ｐ＋型半導体層０２Ａ、光受光面（表面）沿いには第二Ｐ＋＋型半導体層０２Ｂ、が形成される。ここで、０２Ａは厚さが約０．５μｍで不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３、０２Ｂは厚さが約０．１μｍで不純物濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３である。
０２Ａは、Ｎ−型半導体基板０１において、主に中長波長領域の光線に基づく生成キャリア（正孔）を、一方０２Ｂは、主に短波長領域の光線に基づく生成キャリア（正孔）を集める。
そしてフォトダイオードの端子４２Ａ，４２Ｂ，４４から外部へ信号を取り出す。
即ち、当該フォトダイオードは三つの端子で構成されたフォトダイオードである。

なお、電極１２Ａ，１２Ｂ，１４の材料としては、例えば、アルミニウム、銀又は銅を用いることができる。これらの材料は、例えば、これらをペースト状にして用いてもよいし、単独で用いるだけでなく混合させて用いてもよい。

次に、図３を説明する。図３において、９１，９２は、夫々が第一Ｐ＋半導体層０２Ａ，第二Ｐ＋＋半導体層０２ＢとＮ−型基板０１との間で構成される接合の等価的な表示である。図３で４５はＮ−型基板０１の基板抵抗である。

図３において、５１，５２は、接合９１と９２のアノード端子４２Ａ，４２Ｂと接地端子４４との間の端子電圧である。６１、６２は、接合９１，９２を流れる電流である。これらの電流は、照射された光の量に対応する生成電流と周囲温度と接合端子電圧に起因する飽和電流（暗電流）とからなる。

前記の出力電流６１，６２およびもしくは出力電圧５１，５２とは、それぞれが、オペアンプ４６の入力端子４８，４９と接地４４間を流れる、もしくは印加される。
図３に示すように、オペアンプ４６と、入力調整素子７１，７２並びに帰還調整素子８１，８２とでオペアンプ・システムを構成する。４７はオペアンプの出力端子、４８，４９はオペアンプの入力端子である。
周知のように、オペアンプ４７は、基本的には差動アンプであって、入力端子４８と４９との入力信号の差を増幅する。そして、また、入力調整素子７２を短絡すると、帰還調整素子８２によって、出力電流６２が検知できる。出力電流６１と６２との和である全出力電流もしくは出力電圧８１と８２との幾何平均和の信号は、図３において、入力調整素子７１を経て７２と同じオペアンプの入力端子４９に接続すると得られる。また、端子電圧８１と８２もしくは信号電流６１と６２のいずれかに重み係数を乗じる必要があるときには、その係数を入力調整素子７１と７２に反映して調整すれば良い。
従って、接合９１，９２の飽和電流（暗電流）に起因して、不可避的に出力電流６１と６２に混入さる電流成分もしくは出力電圧５１，５２に同相的に不可避的に加算されている電圧成分は、上記で説明した入力調整素子を調整して出力電流６１と６２との差分をとれば打ち消すことが出来る。
そして、前記説明のように出力電流の和も得ることが出来るので、飽和電流（暗電流）に依存しない、全体の光量に比例した出力電流（つまり、６１と６２の光に比例する成分の和である全体の生成電流）もしくは、５１と５２とが幾何平均された出力電圧を求めることが出来る。

次に、当該フォトダイオードの製造方法について図４を用いて説明する。

まず、比抵抗が１〜１０Ω−ｃｍであって、厚さが２００μｍ〜３００μｍ、ウエハー径が６０ｍｍ、の単結晶シリコンＮ−型ＦＺ半導体基板０１を準備する。そして、そのウエハーの欠陥層を除去するための化学エッチングでその両面を約１０μｍを除去する。
（ステップ１）

その後、単結晶シリコンＮ−型ＦＺ半導体基板０１の両面にボロンガラスもしくボロシリケートガラスを塗布して、ホトエッチングにて所定の個所が０１に接するように加工する。
（ステップ２）

続いて、前記の単結晶シリコンＮ−型ＦＺ半導体基板０１の光透過面（裏面）にリンガラスを塗布して、ホトエッチングにて所定の個所が０１に接するように加工する。
（ステップ３）

続いて、前記のボロンとリンとをＮ−型ＦＺ半導体基板０１中に拡散させる。その条件は不純物濃度が、１０^１８ｃｍ^−３で拡散深さが約０．５μｍとなるように炉の温度と時間を設定する（第一Ｐ＋半導体層０２ＡとＮ＋半導体層０４の形成）。
（ステップ４）

続いて、単結晶シリコンＮ−型ＦＺ半導体基板０１の受光面（表面）沿いにボロンを打ち込み濃度が１０^２０ｃｍ^−３のドーズ量の条件でイオン打ち込みする。そして、７５０℃から８５０℃で３０分程度アニールを行う。もしくは、ＲＴＡにて１０５０℃から１１００℃で５秒から１０秒アニールを行う、その池、ＢＦ２もしくはＢＦ３をイオン源に用いて同量のドーズ量でイオン打ち込みをして、前記と同じ条件でアニール処理をしても良い。更に、化学的に活性な表面を露出させて、ガス状のボロン元素を含む化合物を固相もしくは液相拡散法を用いる（第二Ｐ＋＋半導体層０２Ｂの形成）。
（ステップ５）

単結晶シリコンＮ−型ＦＺ半導体基板０１の両面に電極１２Ａ， １２Ｂ，４２と第一、第二半導体層０２Ａ、０２Ｂを接続するためのコンタクト穴をホトエッチング法などで設ける。
（ステップ６）

アルミニウムもしくはシリコン含有アルミニウムを蒸着、スパッタで基板の両面に成膜する。
ホトエッチングで所定の電極部分以外は除去する。もしくはアルミニウムもしくは銀を含有するペーストを印刷法で所定部分（電極部分）に塗布して形成する。
（ステップ７）

完成したウエハーでのペレット検査を行い、組み立て工程においてパッケージに実装する。
（ステップ８）

以上の工程を経て当該フォトダイオードは完成する。図４において、ステップ２，３、７におけるホトエッチング工程の代わりに印刷法を用いることも出来る。更に、図４においてステップ７とステップ８との間に、レーザドーピングを利用して第一と第二半導体層を接続することも出来る。

Claims (2)

1. 単結晶もしくは多結晶シリコンを用いたフォトダイオードにおいて、
   第一導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板の光透過面に形成されていて中長波長（赤外線を含む）のランプ、太陽光線などに基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層と、
   前記半導体基板の光入射面に形成されていて短波長（紫外線を含む）の光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長（赤外線を含む）の光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層と
   前記それぞれの電極と接地電極を通じて外部と接続される三つの端子を備える、フォトダイオード。
2. 単結晶もしくは多結晶シリコンを用いたフォトダイオードの製造方法において、
   第一導電型で半導体基板の光透過面に中長波長（赤外線を含む）のランプ、太陽光線などに基づいて発生するキャリアを収集する第二導電型の第一半導体層を形成するステップと、
   前記半導体基板の光入射面に短波長（紫外線を含む）の光線に基づいて発生するキャリアを収集するとともに前記中長波長（赤外線を含む）の光線に基づいて発生するキャリアのうち第一半導体層に到達しないキャリアを収集する第二導電型の第二半導体層を形成するステップと、
   外部へ信号を外部へ取り出す為の前記第一半導体層の電極、第二半導体層の電極、電極の三端子を形成するステップ、
   を含む、フォトダイオードの製造方法。