JP2020053470A - 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】受光素子は、第１導電型の第１領域１１の表層部に、不純物濃度が第１領域１１よりも高い第１導電型の第２領域１２を備える。第２領域１２と第１領域１１によって隔てられている第２導電型の第３領域１３を、第１領域１１の表層部に備える。第３領域１３は、第２領域１２と対向する辺の一部が第２領域１２から遠ざかる方向へ窪んでいる窪み領域を備える。窪み領域内における第１領域１１と第３領域１３との境界の一部をまたぐように配置されている金属層１４を備える。第１導電型の特定領域１６が、第２領域１２と第３領域１３との間の窪み領域に対向する位置であって、金属層１４と重ならない位置に配置されている。特定領域１６の不純物濃度は第１領域１６の不純物濃度よりも高い。【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領域を備える。受光素子は、第１領域の表層部に設けられており、不純物濃度が第１領域よりも高い第１導電型の半導体である第２領域を備える。受光素子は、第１領域の表層部に設けられており、第２領域と第１領域によって隔てられている第２導電型の半導体である第３領域を備える。第３領域は、第１領域の表面の垂直上方からみたときに第２領域と対向する辺の一部が第２領域から遠ざかる方向へ窪んでいる窪み領域を備える。受光素子は、窪み領域内における第１領域と第３領域との境界の一部をまたぐように、第１領域および第３領域の表面に配置されている金属層を備える。受光素子は、第１領域の表面の垂直上方からみたときに、第２領域と第３領域との間の位置であって、窪み領域に対向する位置であって、金属層と重ならない位置に配置されている、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１領域の不純物濃度よりも高い。特定領域は第１領域によって第３領域から隔てられている。窪み領域と特定領域とを結んだ第１の仮想線に対して略垂直な幅方向において、特定領域の幅は窪み領域の開口部の幅よりも小さい。

第１領域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領域から第１導電型の第１領域へ空乏層が伸びるため、第１領域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。このため高電界領域は、特定領域において、第３領域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１領域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。

特定領域の第３領域側の先端部の位置は、窪み領域の開口部の端部を通って幅方向に伸びる第２の仮想線上の位置、または、第２の仮想線よりも第３領域側の位置であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第３領域の底面の第１領域の表面からの深さは、第２領域の底面の第１領域の表面からの深さよりも深くてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第３領域の底面の第１領域の表面からの深さは、窪み領域の開口部の幅の２倍以上であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

第３領域の底面の第１領域の表面からの深さは、１〜３マイクロメートルであってもよい。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に係る受光素子の上面図、断面図および電位勾配を示す図である。 比較例の受光素子の上面図である。 実施例１の受光素子の上面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 実施例２に係る受光素子の上面図および断面図である。 実施例３に係る受光素子の上面図である。 変形例に係る受光素子の上面図である。 変形例に係る受光素子の上面図である。

図１（Ａ）に、受光素子１の上面図を示す。図１（Ｂ）に、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図を示す。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、カソード電極１０、高濃度ｎ型領域１２、低濃度ｎ型層１１、高濃度ｐ型領域１３、ショットキー電極１４、アノード電極１５、特定領域１６、を備える。

低濃度ｎ型層１１は、ｎ型のシリコン基板である。低濃度ｎ型層１１の不純物はリンであり、その濃度は１×１０^１６ｃｍ^−２以下である。高濃度ｎ型領域１２は、低濃度ｎ型層１１の表層部に設けられている。高濃度ｎ型領域１２は、不純物濃度が低濃度ｎ型層１１よりも高い。高濃度ｎ型領域１２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ｐ型領域１３は、低濃度ｎ型層１１の表層部に設けられている。高濃度ｐ型領域１３と高濃度ｎ型領域１２とは、低濃度ｎ型層１１によって隔てられている。高濃度ｐ型領域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。高濃度ｐ型領域１３は、窪み領域１３ａを備えている。窪み領域１３ａは、低濃度ｎ型層１１の表面の垂直上方（Ｚ軸正方向）からみたときに、高濃度ｎ型領域１２と対向する辺１３ｂの一部が、高濃度ｎ型領域１２から遠ざかる方向（Ｘ軸負方向）へ窪んでいる領域である。実施例１の高濃度ｐ型領域１３は、窪み領域１３ａを備えることで、「コの字」型の形状を備えている（図１（Ａ）参照）。窪み領域１３ａ内には、低濃度ｎ型層１１が配置されている。

ショットキー電極１４は、低濃度ｎ型層１１および高濃度ｐ型領域１３の表面に配置されている。窪み領域１３ａには、低濃度ｎ型層１１と高濃度ｐ型領域１３との境界ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３が存在する。図１（Ａ）では、境界ＢＬ１〜ＢＬ３のうち、ショットキー電極１４で隠されている部分を点線で示している。そしてショットキー電極１４は、境界ＢＬ１〜ＢＬ３の一部をまたぐように配置されている。これにより、ショットキー電極１４は、低濃度ｎ型層１１および高濃度ｐ型領域１３の両方に接触する。ショットキー電極１４と低濃度ｎ型層１１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。またショットキー電極１４の電位が、高濃度ｐ型領域１３の電位に固定される。

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、光がショットキー電極１４で自由電子吸収された際に、電子が低濃度ｎ型層１１側に放出される程度に薄膜であればよい。具体的には、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。

特定領域１６は、ｎ型半導体である。特定領域１６の不純物濃度は、低濃度ｎ型層１１の不純物濃度よりも高い。特定領域１６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。特定領域１６は、低濃度ｎ型層１１の表面の垂直上方（Ｚ軸正方向）からみたときに、高濃度ｎ型領域１２と高濃度ｐ型領域１３との間の位置であって、窪み領域１３ａに対向する位置に配置されている。特定領域１６は、低濃度ｎ型層１１によって高濃度ｐ型領域１３から隔てられている。また特定領域１６は、ショットキー電極１４と重ならない位置に配置されている。ここで、窪み領域１３ａと特定領域１６とを結んだ第１の仮想線であるＣ−Ｃ線に対して略垂直な方向である、幅方向（Ｙ方向）を規定する。この幅方向において、特定領域１６の幅Ｗ１は、窪み領域１３ａの開口部の幅Ｗ２よりも小さい。また、窪み領域１３ａの開口部の端部を通って幅方向（Ｙ方向）に伸びる第２の仮想線ＩＬを規定する。特定領域１６の高濃度ｐ型領域１３側の先端部１６ａの位置は、第２の仮想線ＩＬ上の位置、または、第２の仮想線ＩＬよりも高濃度ｐ型領域１３側（Ｘ軸負方向側）の位置である。また特定領域１６の後端部１６ｂは、高濃度ｎ型領域１２に接続している。

図１（Ｂ）に示すように、高濃度ｐ型領域１３の底面の、低濃度ｎ型層１１の表面１１ａからの深さをＤ１とする。また、高濃度ｎ型領域１２の底面の、低濃度ｎ型層１１の表面１１ａからの深さをＤ２とする。深さＤ１は深さＤ２よりも深い。深さＤ１は、窪み領域１３ａの開口部の幅Ｗ２の２倍以上である。本実施例では、深さＤ１の値は、１〜３マイクロメートルである。

高濃度ｎ型領域１２の上面には、カソード電極１０が配置されている。カソード電極１０は、アルミニウム（Ａｌ）である。カソード電極１０は、高濃度ｎ型領域１２とオーミック接触している。

高濃度ｐ型領域１３の表層部の一部に、アノード電極１５が配置されている。アノード電極１５は、窪み領域１３ａが形成されている領域には配置されない。アノード電極１５は、アルミニウム（Ａｌ）である。アノード電極１５は、高濃度ｐ型領域１３とオーミック接触している。

（受光素子１内の電位勾配）
受光素子１の動作時には、カソード電極１０に、アノード電極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型領域１２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１１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（Ｃ）および（Ｄ）に、高電圧ＶＨを印加した場合の、受光素子１の横方向（Ｘ軸正方向）の電位勾配を示す。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、窪み領域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（Ｄ）は、図１（Ａ）のＤ−Ｄ線における電位勾配である。すなわち、窪み領域１３ａおよび特定領域１６が形成されていない領域の電位勾配を示している。図１（Ｃ）および（Ｄ）において、縦軸は電位を示している。また横軸は、Ｘ方向位置を示している。図１（Ｃ）および（Ｄ）のＸ方向位置は、図１（Ａ）の上面図および図１（Ｂ）の断面図と対応している。

図１（Ｂ）に示すように、ショットキー接合面ＳＪが形成されているＸ方向の範囲を、ショットキー接合範囲Ａ１とする。Ｃ−Ｃ線に対応する領域（窪み領域１３ａおよび特定領域１６が形成されている領域）では、図１（Ｃ）に示すように、電界緩和領域Ｒ２が形成される。これは、窪み領域１３ａ内の低濃度ｎ型層１１の電界が、周囲に配置されている高濃度ｐ型領域１３から伸びている空乏層によって緩和されるためである。そしてショットキー接合範囲Ａ１が電界緩和領域Ｒ２内に含まれていることで、ショットキー接合面ＳＪに高電界が印加されない。

また特定領域１６の先端部１６ａは、窪み領域１３ａに対向する位置に配置されている。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１１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。

一方、Ｄ−Ｄ線に対応する領域（窪み領域１３ａおよび特定領域１６が形成されていない領域）では、図１（Ｄ）に示すように、高濃度ｐ型領域１３の右端部の位置Ｐ１がショットキー電極１４と同電位となる。そして空乏層の広がりに応じて、図１（Ｃ）に示す電位勾配よりも緩やかな電位勾配となる。

（受光素子１の受光時の動作）
まず、比較例の受光素子１０１の動作を説明する。図２に、比較例の受光素子１０１の上面図を示す。比較例の受光素子１０１は、実施例１の受光素子１に比して、窪み領域が形成されていない高濃度ｐ型領域１１３を備えている点のみが異なる。ショットキー電極１４の上面にアイセーフ帯光（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１１に電子が放出される。図２では、電子が放出される領域を斜線で示している。放出された電子は高濃度ｎ型領域１２へ流れるが、受光素子１０１では、電子の経路として迂回路ＤＲが形成されてしまう。すなわち、先端部１６ａの近傍に形成された高電界領域ＨＦを通ることなく、電子が高濃度ｎ型領域１２へ移動する。高電界領域ＨＦで電子を加速することができない。

次に、実施例１の受光素子１の動作を説明する。図３に、実施例１の受光素子１の上面図を示す。図４に、図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図を示す。ショットキー電極１４の上面にアイセーフ帯光が入射されると、窪み領域１３ａ内の低濃度ｎ型層１１に電子が放出される。図３では、電子が放出される領域を斜線で示している。実施例１の受光素子１では、窪み領域１３ａが形成されている。また、先端部１６ａの位置は、窪み領域１３ａの開口部の端部を通って幅方向（Ｙ方向）に伸びる第２の仮想線ＩＬ上、または、第２の仮想線ＩＬよりも高濃度ｐ型領域１３側（Ｘ軸負方向側）とされている。これにより、ショットキー電極１４から先端部１６ａへ向かう方向（Ｘ軸正方向）以外の３方向（Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向、Ｘ軸負方向）に、高濃度ｐ型領域１３が配置された構造が実現されている。換言すると、電子の移動経路が、窪み領域１３ａから先端部１６ａへ向かう方向のみに制限されている。従って、図２に示すような迂回路ＤＲが形成されてしまうことがない。

また図４に示すように、高濃度ｐ型領域１３は、深さ方向（Ｚ軸負方向）にも伸びている。高濃度ｐ型領域１３の深さＤ１は、高濃度ｎ型領域１２の深さＤ２（図１（Ｂ）参照）よりも深い。また深さＤ１は、窪み領域１３ａの開口部の幅Ｗ２の２倍以上である。このような深さＤ１を有することで、図４に示すような深さ方向への迂回路ＤＲが形成されてしまうことがない。

以上により図３の経路ＥＰに示すように、ショットキー電極１４放出された電子を、先端部１６ａ近傍に形成された高電界領域ＨＦに誘導することができる電子を高電界領域ＨＦで加速すること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。

（効果）
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（Ａ）に、実施例２に係る受光素子１ａの上面図を示す。図５（Ｂ）に、図５（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図を示す。実施例２の受光素子１ａは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板を用いて作成した素子である。実施例１の受光素子１と実施例２の受光素子１ａとで、同一の構造には同一の符号を付すことで、説明を省略する。

ＳＯＩ基板３０は、シリコン基板３１に積層された酸化シリコン層３２を備えている。図５（Ａ）に示すように、酸化シリコン層３２上には、高濃度ｐ型領域１３Ｍ、低濃度ｎ型層１１Ｍ、特定領域１６、高濃度ｎ型領域１２が配置されている。これらの領域が配置されていない領域では、酸化シリコン層３２が露出している。高濃度ｎ型領域１２と低濃度ｎ型層１１Ｍとは、特定領域１６によって接続されている。

高濃度ｐ型領域１３Ｍの下面１３Ｍｕは、酸化シリコン層３２の表面まで到達していることが好ましい。理由を説明する。下面１３Ｍｕが酸化シリコン層３２の表面に到達していない場合には、先端部１６ａの下部領域Ｒ３の近傍まで空乏層を十分に伸ばすことができない場合がある。その結果、下部領域Ｒ３に高電界領域ＨＦを形成できず、下部領域Ｒ３でアバランシェ増幅ができなくなる場合がある。このような事態の発生を抑制することが可能となる。

（効果）
ＳＯＩ基板３０を用いているため、高濃度ｎ型領域１２と低濃度ｎ型層１１Ｍを接続する低濃度ｎ型層１１が存在しない。高濃度ｎ型領域１２と低濃度ｎ型層１１Ｍとは、特定領域１６によってのみ接続されている。よって低濃度ｎ型層１１に形成される、平面方向の迂回路ＤＲ（図２参照）や深さ方向の迂回路ＤＲ（図４参照）が形成されない。ショットキー電極１４から放出された電子を、特定領域１６の先端部１６ａ近傍に形成された高電界領域ＨＦに誘導することができるため、アバランシェ増幅を確実に行うことが可能となる。

図６に、実施例３に係る受光素子１ｂの上面図を示す。受光素子１ｂでは、特定領域１６Ｍと高濃度ｎ型領域１２とは、低濃度ｎ型層１１によって物理的に隔てられているが、低濃度ｎ型層１１によって電気的に接続されている。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。実施例３の受光素子１ｂでは、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。アバランシェ増幅により、受光素子１ｂの受光感度を向上させることが可能である。

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）
ショットキー電極１４の配置位置および形状は、図１（Ａ）の形態に限られない。窪み領域内の低濃度ｎ型層１１と高濃度ｐ型領域１３との境界をまたぐ形態であれば、何れの形態であってもよい。例えば、図７の受光素子１ｃに示すように、境界ＢＬ１〜ＢＬ３のうちの境界ＢＬ２のみにまたがるように、ショットキー電極１４Ｍを配置してもよい。

高濃度ｐ型領域１３の形状は、図１（Ａ）に示す「コの字」型に限られない。ショットキー電極１４から先端部１６ａへ向かう方向（Ｘ軸正方向）以外の３方向（Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向、Ｘ軸負方向）に高濃度ｐ型領域１３が配置されていれば、どのような形状であってもよい。またショットキー電極１４の形状も、矩形形状に限られない。例えば図８の受光素子１ｄに示すように、「Ｃの字」形の高濃度ｐ型領域１３Ｒを備えていてもよい。また、略円形のショットキー電極１４Ｒを備えていてもよい。

アノード電極１５は、高濃度ｐ型領域１３と接触していれば、どのような配置形態であってもよい。例えばアノード電極１５は、ショットキー電極１４と接触していてもよい。

実施例２の受光素子１ａ（図５）において、特定領域１６および高濃度ｎ型領域１２の下面は、酸化シリコン層３２表面まで到達していなくてもよい。特定領域１６および高濃度ｎ型領域１２は、酸化シリコン層３２上に低濃度ｎ型層を介して配置されていてもよい。

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、カソード電極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。

低濃度ｎ型層１１は、第１領域の一例である。高濃度ｎ型領域１２は、第２領域の一例である。高濃度ｐ型領域１３は、第３領域の一例である。ショットキー電極１４は、金属層の一例である。

１：受光素子 １０：カソード電極 １１：低濃度ｎ型層 １２：高濃度ｎ型領域 １３：高濃度ｐ型領域 １４：ショットキー電極 １５：アノード電極 １６：特定領域 ＩＬ：第２の仮想線

Claims (9)

1. 受光素子であって、
   第１導電型の半導体である第１領域と、
   前記第１領域の表層部に設けられており、不純物濃度が前記第１領域よりも高い第１導電型の半導体である第２領域と、
   前記第１領域の表層部に設けられており、前記第２領域と前記第１領域によって隔てられている第２導電型の半導体である第３領域であって、前記第１領域の表面の垂直上方からみたときに前記第２領域と対向する辺の一部が前記第２領域から遠ざかる方向へ窪んでいる窪み領域を備える第３領域と、
   前記窪み領域内における前記第１領域と前記第３領域との境界の一部をまたぐように、前記第１領域および前記第３領域の表面に配置されている金属層と、
   前記第１領域の表面の垂直上方からみたときに、前記第２領域と前記第３領域との間の位置であって、前記窪み領域に対向する位置であって、前記金属層と重ならない位置に配置されている、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１領域の不純物濃度よりも高く、
   前記特定領域は前記第１領域によって前記第３領域から隔てられており、
   前記窪み領域と前記特定領域とを結んだ第１の仮想線に対して略垂直な幅方向において、前記特定領域の幅は前記窪み領域の開口部の幅よりも小さい、受光素子。
2. 前記特定領域の前記第３領域側の先端部の位置は、前記窪み領域の開口部の端部を通って前記幅方向に伸びる第２の仮想線上の位置、または、前記第２の仮想線よりも前記第３領域側の位置である、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記第３領域の底面の前記第１領域の表面からの深さは、前記第２領域の底面の前記第１領域の表面からの深さよりも深い、請求項１または２に記載の受光素子。
4. 前記第３領域の底面の前記第１領域の表面からの深さは、前記窪み領域の開口部の幅の２倍以上である、請求項１〜３の何れか１項に記載の受光素子。
5. 前記第３領域の底面の前記第１領域の表面からの深さは、１〜３マイクロメートルである、請求項４に記載の受光素子。
6. 前記第２領域と前記特定領域とが接続している、請求項１〜５の何れか１項に記載の受光素子。
7. 前記金属層と前記第２領域との間には、前記金属層と前記第１領域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１〜６の何れか１項に記載の受光素子。
8. 前記半導体はシリコンである、請求項１〜７の何れか１項に記載の受光素子。
9. 前記金属層はＡｕである、請求項１〜８の何れか１項に記載の受光素子。

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