JP2020027829A - 受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】微少光の検知が可能なショットキー型受光素子を提供する。【解決手段】受光素子１は、シリコン基板を用いて作成されたデバイスであって、下部電極１０、高濃度ｎ型層１１、低濃度ｎ型層１２、高濃度ｐ型層１３、ショットキー電極１４、上部電極１５、特定領域１６、を備える。受光素子１の窓部１５ａから光が入射され、光がショットキー電極１４で自由電子吸収されると、低濃度ｎ型層１２側に電子が放出される。この放出された電子を、特定領域１６の先端部１６ａ近傍の高電界領域ＨＦで加速することができる。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、受光素子に関する。

特許文献１に開示されているような、半導体と金属からなるショットキー型受光素子が知られている。

特開２０１１−１７１５１９号公報

特許文献１のショットキー型受光素子は、増幅機能を有していない。よって、微少光の検知が困難である。

本明細書が開示する受光素子は、第１導電型の半導体である第１層を備える。受光素子は、第１層の表層部に設けられており、第１の厚みを有する第１導電型の半導体である第２層であって、不純物濃度が第１層よりも低い第２層を備える。受光素子は、第２層の表層部の一部に、第１の厚みよりも薄い第２の厚みを有して形成されている第２導電型の半導体である第３層を備える。受光素子は、第２層の表面および第３層の表面にまたがって配置されている金属層を備える。受光素子は、第２層および第３層の表面に対する垂直上方からみたときに、第３層が形成されていない領域内であって、第２層の領域内に配置されている、第１導電型の半導体である特定領域を備える。特定領域の不純物濃度は第２層の不純物濃度よりも高い。特定領域は第２層によって第３層から隔てられている。特定領域と第３層との距離は、第１層と第３層との距離よりも近い。

第２層と金属層とでショットキー接合が形成される。第２導電型の第３層から第１導電型の第２層へ空乏層が伸びるため、第２層と金属層との接合部にかかる電界を緩和することができる。また特定領域と第３層との距離は、第１層と第３層との距離よりも近い。このため高電界領域は、特定領域において、第３層に近接している領域の近傍に発生する。光が金属層で自由電子吸収され、第２層側に電子が放出されると、特定領域近傍の高電界領域で加速されアバランシェ増幅が生じる。これにより、増幅機能が実現できるため、微小光の検知が可能となる。

第２層および第３層の表面に対する垂直上方からみたときに、第２層が第３層によって囲まれていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第２層を囲んでいる第３層の開口部の幅は、第３層の表面よりも、第３層の内部の方が大きくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

特定領域と第１層とは、第２層によって隔てられていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

特定領域と第１層とが接続していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

金属層と第１層との間には、金属層と第２層とによって形成されるショットキー接合に対する逆バイアス電圧が印加されてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

実施例１に係る受光素子の断面図および深さ方向の電位勾配を示す図である。 受光素子の上面図である。 図１（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 フォトダイオードの上面概略図である。 実施例２に係る受光素子の断面図である。 実施例３に係る受光素子の断面図である。

図１（Ａ）に、受光素子１の断面概略図を示す。受光素子１は、シリコン基板を用いて作成されたデバイスである。受光素子１は、下部電極１０、高濃度ｎ型層１１、低濃度ｎ型層１２、高濃度ｐ型層１３、ショットキー電極１４、上部電極１５、特定領域１６、を備える。

下部電極１０は、アルミニウム（Ａｌ）である。下部電極１０の上面には、高濃度ｎ型層１１が配置されている。高濃度ｎ型層１１は下部電極１０とオーミック接触している。高濃度ｎ型層１１の不純物はリンまたはヒ素であり、その濃度は１×１０^１８ｃｍ^−２以上である。高濃度ｎ型層１１の表層部には、低濃度ｎ型層１２が配置されている。低濃度ｎ型層１２は、第１の厚みＴ１を有している。第１の厚みＴ１は、１〜１０００μｍの範囲である。低濃度ｎ型層１２の不純物濃度は、高濃度ｎ型層１１の不純物濃度よりも低い。

低濃度ｎ型層１２の表層部の一部に、高濃度ｐ型層１３が配置されている。高濃度ｐ型層１３は、開口部１３ａを備えている。開口部１３ａには、低濃度ｎ型層１２が配置されている。開口部１３ａのＸ方向の幅Ｗ１は２μｍ以下である。高濃度ｐ型層１３の第２の厚みＴ２は、第１の厚みＴ１よりも薄い。第２の厚みＴ２は、１〜３μｍの範囲である。高濃度ｐ型層１３の不純物はボロンであり、その濃度は１×１０^１８ｃｍ^−２以上である。

ショットキー電極１４は、低濃度ｎ型層１２および高濃度ｐ型層１３の表面にまたがって配置されている。ショットキー電極１４は、金（Ａｕ）である。ショットキー電極１４の厚さは２００ｎｍ以下である。より好適には、５０ｎｍ〜１００ｎｍである。ショットキー電極１４と、低濃度ｎ型層１２および高濃度ｐ型層１３との界面に、ＡｕとＳｉのショットキー接合面ＳＪが形成される。

ショットキー電極１４の表層部の一部に、上部電極１５が配置されている。上部電極１５は、開口部１３ａが形成されている領域には配置されない。上部電極１５は、アルミニウム（Ａｌ）である。図２に、受光素子１を矢印Ｙ１方向から見た上面図を示す。上部電極１５は、略円形の窓部１５ａを備えている。窓部１５ａの内部には、ショットキー電極１４が露出している。

図１に説明を戻す。特定領域１６は、高濃度ｎ型領域である。特定領域１６の不純物濃度は、低濃度ｎ型層１２の不純物濃度よりも高い。特定領域１６の下端部１６ｂは、高濃度ｎ型層１１に接続している。特定領域１６の先端部１６ａは、ショットキー電極１４に向けてＺ軸の正方向（図１（Ａ）の上方向）へ突出している。先端部１６ａは、高濃度ｐ型層１３に近接している領域である。特定領域１６の先端部１６ａは、低濃度ｎ型層１２によって高濃度ｐ型層１３から隔てられている。

図３に、図１（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図を示す。図３は、低濃度ｎ型層１２と高濃度ｐ型層１３の界面における断面図である。すなわち図３は、低濃度ｎ型層１２および高濃度ｐ型層１３の表面に対する垂直上方（Ｚ軸正方向）からみたときの図である。高濃度ｐ型層１３が形成されていない開口部の領域内に、低濃度ｎ型層１２が配置されている。すなわち、低濃度ｎ型層１２が高濃度ｐ型層１３によって囲まれている。この低濃度ｎ型層１２は、縦方向電流経路として機能する。そしてこの低濃度ｎ型層１２内に、特定領域１６が配置されている。

図４に、受光素子１を複数備えたフォトダイオード２の上面概略図を示す。フォトダイオード２は、チップ形状を有している。チップの周囲が低濃度ｎ型層１２で囲まれており、その内部に高濃度ｐ型層１３が配置されている。高濃度ｐ型層１３の上面には、ショットキー電極１４および上部電極１５が積層されている。上部電極１５には、複数の窓部１５ａが形成されている。窓部１５ａが形成されている部分が、受光素子１として機能する。すなわち、図４のフォトダイオード２では、１５個の受光素子１が配置されている。なお、前述した図１の要部断面図は、図４におけるＩ−Ｉ部分の断面に対応している。また上部電極１５には、ワイヤーボンディングをするための領域が配置されている。

（受光素子１の動作）
下部電極１０に、上部電極１５に対して正の高電圧ＶＨを印加する。これにより高電圧ＶＨが、ショットキー電極１４と高濃度ｎ型層１１との間に印加される。高電圧ＶＨは、ショットキー電極１４と低濃度ｎ型層１２とによって形成されるショットキー接合面ＳＪに対する逆バイアス電圧である。図１（Ｂ）および（Ｃ）に、高電圧ＶＨを印加した場合の、受光素子１の深さ方向（Ｚ軸負方向）の電位勾配を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線における電位勾配である。すなわち、高濃度ｐ型層１３が形成されている領域の電位勾配を示している。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＣ−Ｃ線における電位勾配である。すなわち、開口部１３ａおよび特定領域１６が形成されている領域の電位勾配を示している。図１（Ｂ）および（Ｃ）の深さ位置は、隣接する図１（Ａ）の断面図と対応している。図１（Ｂ）および（Ｃ）において、横軸は電位を示している。また縦軸は、ショットキー電極１４を基準とした場合の、下部電極１０までの深さ位置を示している。

図１（Ｂ）に示すように、高濃度ｐ型層１３が形成されている領域では、高濃度ｐ型層１３の下端部の位置Ｐ１が、ショットキー電極１４と同電位となる。従って高濃度ｐ型層１３が緩衝領域の機能を果たすため、ショットキー接合面ＳＪに高電界が印加されない。

一方、図１（Ｃ）に示すように、開口部１３ａおよび特定領域１６が形成されている領域では、開口部１３ａ内の低濃度ｎ型層１２の電界は、周囲に配置されている高濃度ｐ型層１３から伸びている空乏層によって緩和される（領域Ｒ２）。よってショットキー接合面ＳＪに高電界が印加されない。

特定領域１６の先端部１６ａと高濃度ｐ型層１３との距離Ｄ１は、高濃度ｎ型層１１と高濃度ｐ型層１３との距離Ｄ２よりも近い。また特定領域１６は高濃度なｎ型領域であるため、低濃度ｎ型層１２よりも空乏層が伸びにくい。そのため図１（Ｃ）に示すように、特定領域１６の先端部１６ａ近傍に高電界領域ＨＦを形成することができる。

（効果）
受光素子１の窓部１５ａからアイセーフ帯光（例：１５５０ｎｍ、エネルギー：０．８ｅＶ）が入射され、光がショットキー電極１４で自由電子吸収されると、低濃度ｎ型層１２側に電子が放出される。この放出された電子を、特定領域１６の先端部１６ａ近傍の高電界領域ＨＦで加速することができる。高電界領域ＨＦでアバランシェ増幅を起こすことができるため、受光素子１の受光感度を大きく上昇させることが可能になる。

自律走行車やＡＤＡＳ（Advanced driver-assistance systems）システムでは、周辺環境認識のために、赤外線カメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ光）を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、Ｓｉ以外の基板等を用いて受光素子を作成する必要があった。この場合、受光素子はＧｅ基板等を用いて作成し、信号処理回路はＳｉ基板を用いて作成することになる。受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。本明細書に記載の受光素子１は、アバランシェ増幅機能を有するため、Ｓｉ基板を用いてアイセーフ帯光を検出可能になる。受光素子と信号処理回路を、Ｓｉ基板にモノリシックに集積化することができる。受光システムの製造コストを削減することが可能となる。

図５に、実施例２に係る受光素子１ａの断面図を示す。実施例２の受光素子１ａの高濃度ｐ型層１３Ｍは、実施例１の受光素子１の高濃度ｐ型層１３に対して、断面形状が異なっている。実施例２の受光素子１ａのその他の構造は、実施例１の受光素子１と同様であるため、説明を省略する。

高濃度ｐ型層１３Ｍは、上層Ｌ１および下層Ｌ２を備えている。上層Ｌ１の開口部の幅Ｗ１１よりも、下層Ｌ２の開口部の幅Ｗ１２の方が大きい。また、特定領域１６の先端部１６ａは、下層Ｌ２の下面Ｂ２を超えて上方側（Ｚ軸の正方向側）へ到達しているとともに、上層Ｌ１の下面Ｂ１よりも下方側に位置している。幅Ｗ１１は２μｍ以下である。

（効果）
受光素子１ａのリーク電流は、ショットキー電極１４と接している低濃度ｎ型層１２の幅が狭くなるほど小さくなる。すなわち、高濃度ｐ型層１３Ｍの開口幅を狭くするほど、リーク電流を小さくすることができる。一方、開口幅が狭くなるほど、特定領域１６と高濃度ｐ型層１３とのＸ方向距離が近くなるため製造が困難となる。実施例２に係る受光素子１ａでは、高濃度ｐ型層１３Ｍを上層と下層に分けている。そして、上層Ｌ１の開口部の幅Ｗ１１を狭くすることで、リーク電流を低減することができる。また、下層Ｌ２の開口部の幅Ｗ１２を広くすることで、特定領域１６と高濃度ｐ型層１３ＭとのＸ方向距離を大きくすることができる。リーク電流を低減することと、製造を容易にすることとを両立することができる。

図６に、実施例３に係る受光素子１ｂの断面図を示す。実施例３の受光素子１ｂの特定領域１６Ｍは、実施例１の受光素子１の特定領域１６に対して、断面形状が異なっている。実施例３の受光素子１ｂのその他の構造は、実施例１の受光素子１と同様であるため、説明を省略する。

（効果）
特定領域１６Ｍと高濃度ｎ型層１１とは、低濃度ｎ型層１２によって隔てられているが、低濃度ｎ型層１２によって電気的に接続されている。そのため、実施例１と同様にして、特定領域１６Ｍの先端部１６Ｍａ近傍に高電界領域を形成することができる。そして実施例３の特定領域１６Ｍは、実施例１の特定領域１６（図１）に比して、深さが浅いため製造が容易である、という利点がある。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
本明細書では、ｎ型層に対してＡｕを用いてショットキー電極を形成する例について説明したが、この形態に限られず、他の金属を用いてもよい。例えば、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｒｅ、Ｔｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｅなどの金属を用いることができる。

本明細書で説明した受光素子の構造において、ｐ型とｎ型を入れ替えてもよい。この場合、下部電極１０には負の高電圧を印加すればよい。ｐ型層に対してショットキー電極を形成する金属としては、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｔｉ等が挙げられる。

実施例２において、上層Ｌ１と下層Ｌ２の２層構造の高濃度ｐ型層１３Ｍを説明したが、この形態に限られない。高濃度ｐ型層１３の表面よりも高濃度ｐ型層１３の内部の方が、開口部の幅が大きい構造であれば、どのような構造でもよい。例えば、下側（Ｚ軸負側）へ行くほど連続的に開口部の幅が大きくなるような、テーパ形状の断面を備えていてもよい。

実施例２に示す高濃度ｐ型層１３Ｍと、実施例３に示す特定領域１６Ｍとを組み合わせてもよい。

ｎ型は第１導電型の一例である。ｐ型は第２導電型の一例である。高濃度ｎ型層１１は第１層の一例である。低濃度ｎ型層１２は第２層の一例である。高濃度ｐ型層１３は第３層の一例である。ショットキー電極１４は金属層の一例である。

１：受光素子 ２：フォトダイオード １０：下部電極 １１：高濃度ｎ型層 １２：低濃度ｎ型層 １３：高濃度ｐ型層 １４：ショットキー電極 １５：上部電極 １６：特定領域 Ｔ１：第１の厚み Ｔ２：第２の厚み

Claims (8)

1. 受光素子であって、
   第１導電型の半導体である第１層と、
   前記第１層の表層部に設けられており、第１の厚みを有する第１導電型の半導体である第２層であって、不純物濃度が前記第１層よりも低い前記第２層と、
   前記第２層の表層部の一部に、第１の厚みよりも薄い第２の厚みを有して形成されている第２導電型の半導体である第３層と、
   前記第２層の表面および前記第３層の表面にまたがって配置されている金属層と、
   前記第２層および前記第３層の表面に対する垂直上方からみたときに、前記第３層が形成されていない領域内であって、前記第２層の領域内に配置されている、第１導電型の半導体である特定領域と、
   を備えており、
   前記特定領域の不純物濃度は前記第２層の不純物濃度よりも高く、
   前記特定領域は前記第２層によって前記第３層から隔てられており、
   前記特定領域と前記第３層との距離は、前記第１層と前記第３層との距離よりも近い、受光素子。
2. 前記第２層および前記第３層の表面に対する垂直上方からみたときに、前記第２層が前記第３層によって囲まれている、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記第２層を囲んでいる前記第３層の開口部の幅は、前記第３層の表面よりも、前記第３層の内部の方が大きい、請求項２に記載の受光素子。
4. 前記特定領域と前記第１層とは、前記第２層によって隔てられている、請求項１〜３の何れか１項に記載の受光素子。
5. 前記特定領域と前記第１層とが接続している、請求項１〜３の何れか１項に記載の受光素子。
6. 前記金属層と前記第１層との間には、前記金属層と前記第２層とによって形成されるショットキー接合に対する逆バイアス電圧が印加される、請求項１〜５の何れか１項に記載の受光素子。
7. 前記半導体はシリコンである、請求項１〜６の何れか１項に記載の受光素子。
8. 前記金属層はＡｕである、請求項１〜７の何れか１項に記載の受光素子。

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