JP4153355B2 - Photodetector - Google Patents

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JP4153355B2
JP4153355B2 JP2003122498A JP2003122498A JP4153355B2 JP 4153355 B2 JP4153355 B2 JP 4153355B2 JP 2003122498 A JP2003122498 A JP 2003122498A JP 2003122498 A JP2003122498 A JP 2003122498A JP 4153355 B2 JP4153355 B2 JP 4153355B2
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義磨郎 藤井
浩二 岡本
坂本  明
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Hamamatsu Photonics KK
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光検出素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体光検出素子であるフォトダイオードは、現在様々な用途に広く用いられている。また、高出力化や応答速度の高速化などのため、PINフォトダイオード(PIN−PD)やアバランシェフォトダイオード(APD)など様々な構造のフォトダイオードが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
例えば、PINフォトダイオードの構造としては、N型の低比抵抗半導体基板上にN型の高比抵抗半導体層をエピタキシャル成長させ、その高比抵抗エピタキシャル層の表面にP型半導体層を形成する。そして、カソード側のN型半導体基板とアノード側のP型半導体層との間に逆バイアス電圧を印加し、高比抵抗エピタキシャル層を光吸収層とすることにより、高速応答が可能なフォトダイオードが得られる。
【0004】
【特許文献1】
特開平4−242980号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記した構造のPINフォトダイオードでは、カソードとなるN型半導体層の高比抵抗部分としてエピタキシャル層を用いている。しかしながら、このような構造では、高比抵抗半導体層の高比抵抗化に300Ωcm程度の限界がある。このため、PN接合の接合容量を充分に低減することができないという問題がある。このことは、CR時定数を充分に小さくできずに応答速度の高速化が妨げられる要因となる。
【0006】
また、エピタキシャル成長時の高温熱処理等により、不純物濃度が高いN型半導体基板からエピタキシャル層へとN型の不純物が這い上がってしまう。このとき、エピタキシャル層のうちで不純物が這い上がってN型の不純物濃度が上がることにより、逆バイアス印加時に空乏層化しなくなった領域で発生したキャリアが拡散によってゆっくりと空乏層に到達し、応答速度の高速化が妨げられる。
【0007】
これに対して、特許文献1に記載されたフォトダイオードでは、N型低比抵抗半導体基板上に基板接着法によってN型高比抵抗半導体基板を貼り合わせる構造が用いられている。この構造では、N型半導体層の高比抵抗部分として高比抵抗半導体基板を用いることにより、例えば1000Ωcm程度の高比抵抗半導体層が得られる。
【0008】
このような構造では、PN接合の接合容量を低減してCR時定数を小さくできる。また、低比抵抗半導体基板から高比抵抗半導体層への不純物の這い上がりが抑制される。しかしながら、このようなフォトダイオードにおいても、エピタキシャル層を用いた場合と同様に、空乏層を拡大するため印加する逆バイアス電圧を上げていくと暗電流が増大してしまうという問題がある。
【0009】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、応答速度の高速化が可能であるとともに、暗電流の増大が抑制される光検出素子を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光検出素子は、(1)第1導電型の第1半導体基板(低比抵抗半導体基板)と、(2)第1半導体基板とは面方位が異なるとともに第1半導体基板よりも高い比抵抗を有し、一方の面が第1半導体基板に貼り合わされた第2半導体基板(高比抵抗半導体基板)と、(3)第2半導体基板の他方の面側に設けられた第2導電型の不純物半導体層とを備え、第1半導体基板及び第2半導体基板は、その一方がSi(100)基板、他方がSi(111)基板であることを特徴とする。
【0011】
本願発明者は、低比抵抗半導体基板と高比抵抗半導体基板とを貼り合わせた構造のフォトダイオードの特性について検討を行った。その結果、面方位が等しい半導体基板を貼り合わせる従来の構造では、半導体基板の貼り合わせ界面に凹凸が生じており、この界面の凹凸形状が暗電流の増大に影響していることを見出した。
【0012】
これに対して、上記のように互いに面方位が異なる低比抵抗半導体基板と高比抵抗半導体基板とを貼り合わせる構造によれば、貼り合わせ界面の平坦度が良好な貼合基板が得られる。そして、このような貼合基板を用いて光検出素子を構成することにより、応答速度の高速化が可能であり、かつ、逆バイアス電圧を上げたときの暗電流の増大が抑制される半導体光検出素子が実現される。
【0013】
ここで、第2半導体基板の厚さは、不純物半導体層の底面から第2半導体基板の底面までの厚さが逆バイアス電圧印加時に拡がる空乏層の幅と等しくなるように設定されていることが好ましい。これにより、光検出素子における応答速度の高速化を好適に実現することができる。
【0014】
また、第2半導体基板の厚さは、不純物半導体層の底面から第2半導体基板の底面までが逆バイアス電圧印加時に拡がる空乏層により全て空乏化するように設定されていても良い。これによっても、光検出素子における応答速度の高速化を好適に実現することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光検出素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0016】
図1は、本発明による半導体光検出素子の一実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。この光検出素子1は、第1半導体基板10と、第2半導体基板20と、不純物半導体層30とを備えて構成されたPINフォトダイオードである。以下においては、基板10、20の半導体材料としてシリコン(Si)を用いた場合について説明する。
【0017】
第1半導体基板10は、面方位が(100)で導電型(第1導電型)がN型、低比抵抗(高不純物濃度)のN+型Si基板である。一方、第2半導体基板20は、面方位がSi基板10とは異なる(111)で導電型がN型、高比抵抗(低不純物濃度)のN-型Si基板である。このN-型Si基板20は、N+型Si基板10よりも高い比抵抗を有する。また、N-型Si(111)基板20は、その底面20bがN+型Si(100)基板10の表面10aに貼り合わされており、これによってSi基板10、20からなるSi貼合基板が構成されている。
【0018】
また、N-型Si基板20のSi基板10とは反対側の表面20a側の所定領域には、導電型(第2導電型)がP型となるように所定の不純物が添加された半導体層30が設けられている。このような構成において、N-型Si基板20とP型半導体層30とによってPN接合が形成されている。
【0019】
この光検出素子1は、カソード側のN+型Si基板10と、アノード側のP型半導体層30との間に逆バイアス電圧を印加したときに、PN接合界面から低不純物濃度で高比抵抗のN-型Si基板20側に空乏層が拡がることにより、PINフォトダイオードとして機能する。なお、図1においては、アノード及びカソードの電極等については図示を省略している。
【0020】
本実施形態による光検出素子の効果について説明する。
【0021】
図1に示した光検出素子1においては、基板接着法によってSi基板10、20を貼り合わせる構造が用いられている。これにより、N型半導体層の各部分として、例えば、1000Ωcm(=10Ωm)程度の高比抵抗Si基板20と、0.001Ωcm程度の低比抵抗Si基板10を用いることが可能となる。このような構造では、PN接合の接合容量を低減してCR時定数を小さくできる。
【0022】
また、1100℃程度のウエハ貼り合わせ温度では、低比抵抗半導体基板から高比抵抗半導体層への不純物の這い上がりが1μm以下に抑制されるので、不純物濃度プロファイルを急峻に保つことができる。このとき、光検出素子に印加される逆バイアス電圧によって拡がる空乏層以外の領域での不純物濃度プロファイルが急峻となるので、不純物の這い上がりが抑制されることで不純物濃度の低下のない空乏層外で発生したキャリアの寿命が、不純物の這い上がりが起きている場合と比べると短くなり、そのようなキャリアの光電流への寄与が抑制される。したがって、応答速度の高速化の妨げとなる、エピタキシャル層のうちで不純物が這い上がってN型の不純物濃度が上がることにより、逆バイアス印加時に空乏層化しなくなった領域で発生したキャリアのゆっくりと流れる拡散電流成分の寄与が抑制され、時定数の小さい優れた特性の光検出素子が得られる。
【0023】
特に、上記した光検出素子1では、互いに面方位が異なる低比抵抗Si基板10と高比抵抗Si基板20とを貼り合わせたSi貼合基板が用いられている。このような構造によれば、Si基板10、20の貼り合わせ界面S1(図1参照)の平坦度が良好な貼合基板が得られる。
【0024】
図2は、図1に示した光検出素子でのSi基板の貼り合わせ界面S1を示す断面イオンエッチングTEM写真である。また、図3は、従来の光検出素子(特許文献1参照)でのSi基板の貼り合わせ界面S2を示すTEM写真である。具体的には、図2は、上記したように面方位が異なる(111)(100)貼り合わせ界面S1を示している。一方、図3は、面方位が等しい(100)(100)貼り合わせ界面S2を示している。
【0025】
また、図4は、光検出素子に発生する暗電流の逆バイアス電圧依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は光検出素子に印加する逆バイアス電圧を示し、縦軸は発生する暗電流量を示している。また、グラフG1は、図2に対応する本発明による光検出素子の暗電流特性を示し、グラフG2は、図3に対応する従来の光検出素子の暗電流特性を示している。
【0026】
図4に示されている特性は、受光部が1cm角の光検出素子の特性であり、グラフG1は4000Ωcm程度のN-(111)Si基板と0.001Ωcm程度のN+(100)Si基板を貼り合わせて作成した素子の特性である。また、グラフG2は4000Ωcm程度のN-(100)Si基板と0.001Ωcm程度のN+(100)Si基板を貼り合わせて作成した素子の特性である。
【0027】
面方位が等しいSi基板を貼り合わせる従来構造の光検出素子では、図3に示すように、その貼り合わせ界面S2に凹凸が生じる。この界面S2の凹凸形状は光検出素子に発生する暗電流の増大に影響し、図4のグラフG2に示すように、逆バイアス電圧の増加に伴って暗電流が増大する要因となる。
【0028】
これに対して、面方位が異なるSi基板を貼り合わせる図1に示した構造の光検出素子では、図2に示すように、その貼り合わせ界面S1に凹凸を生じることがなく、界面S1の平坦度が大幅に改善される。このとき、図4のグラフG1に示すように、逆バイアス電圧を増加させても、所定の電圧以上では暗電流が増大しなくなる。したがって、上記構成の貼合基板を用いて光検出素子を構成することにより、応答速度の高速化が可能であり、かつ、暗電流の増大が抑制された半導体光検出素子が実現される。
【0029】
図5は、Si(111)(100)貼合基板を用いた、図1に示したPINフォトダイオードでの暗電流の逆バイアス電圧依存性を示すグラフである。また、図6〜図8は、それぞれ従来構造のPINフォトダイオードでの暗電流の逆バイアス電圧依存性を示すグラフである。具体的には、図6は、Si(100)拡散基板を用いた場合の暗電流特性を示し、図7は、Si(111)(111)貼合基板を用いた場合の暗電流特性を示し、図8は、Si(100)(100)貼合基板を用いた場合の暗電流特性を示している。ただし、図6〜図8のグラフにおいては、フォトダイオードの基本構造としては、図5でのPINフォトダイオードと同様の構造を用いているが、受光部の面積、高比抵抗Si基板の厚みや比抵抗は統一されていない。
【0030】
従来構造のPINフォトダイオードでは、図6〜図8に示すグラフのいずれの場合においても、逆バイアス電圧の増加に伴って暗電流が増大している。これに対して、図1に示した構造のPINフォトダイオードの特性を示す図5のグラフでは、逆バイアス電圧が5V以上となると、逆バイアス電圧を増加させても暗電流が増大していないことがわかる。このように、面方位が異なる半導体基板による貼合基板を用いることにより、暗電流の増大を抑制することが可能である。
【0031】
ここで、光検出素子を構成する貼合基板としては、図1においては低比抵抗のN+型Si(100)基板を第1半導体基板10に用い、高比抵抗のN-型Si(111)基板を第2半導体基板20に用いた構成を示したが、これ以外にも様々な構成の貼合基板を用いて良い。例えば、第1半導体基板10の導電型はP型であっても良い。また、第2半導体基板20の導電型は第1半導体基板10とは異なる導電型であっても良い。また、半導体基板10、20のそれぞれの面方位についても、互いに異なる面方位であれば上記した面方位に限られない。
【0032】
なお、図1に示した光検出素子を製造する際のSi基板10、20の貼り合わせにおいては、貼り合わせる両面10a、20bがともに平坦であれば、圧力を加えなくても重ねて加熱するだけで自然に貼り合わせることができる。また、P型半導体層30が形成されるN-型Si基板20については、所望の厚さとするために表面20a側を研磨しても良い。一般に、N型半導体層の高比抵抗部分として高比抵抗半導体基板を用いる構造は、高比抵抗半導体層の厚さを自在に制御できる点で有利である。
【0033】
また、第2半導体基板であるN-型Si基板20の厚さについては、その表面20a側に形成されたP型半導体層30の底面からN-型Si基板20の底面20bまでの厚さが、光検出素子1に印加される逆バイアス電圧によって拡がる空乏層の幅と等しくなるように設定することが好ましい。これにより、光検出素子における応答速度の高速化を好適に実現することができる。
【0034】
あるいは、第2半導体基板であるN-型Si基板20の厚さについては、その表面20a側に形成されたP型半導体層30の底面からN-型Si基板20の底面20bまでが光検出素子1に印加される逆バイアス電圧によって拡がる空乏層により全て空乏化するように設定しても良い。これによっても、光検出素子における応答速度の高速化を好適に実現することができる。
【0035】
図1に示した光検出素子であるフォトダイオードの構成について、具体的な実施例とともにさらに説明する。
【0036】
図9は、フォトダイオードの第1実施例の構成を示す側面断面図である。本実施例によるフォトダイオード1Aは、N/N+貼合基板を用いたPINフォトダイオードである。
【0037】
フォトダイオード1Aは、低比抵抗半導体基板であるN+型Si(100)基板11と、Si基板11上に貼り合わされた高比抵抗半導体基板であるN型Si(111)基板21と、Si基板21の表面側に形成されたP+型半導体層31とを備える。また、N型Si基板21の表面側でP+型半導体層31を囲む周縁部には、Si基板21内の所定の深さまで達するN+型半導体層41が設けられている。このN+型半導体層41は、単一の光検出素子でのガードリング、または光検出素子アレイでのチャンネルストッパとなる不純物半導体層である。
【0038】
N型Si基板21の表面上には、SiO2からなる絶縁層51が形成されている。この絶縁層51には、P+型半導体層31に臨む所定位置に、スルーホール51aが設けられている。また、絶縁層51上には、スルーホール51aを介してP+型半導体層31と電気的に接続されたアノード電極31aが形成されている。また、N+型Si基板11の基板21とは反対側の面上には、N+型Si基板11と電気的に接続されたカソード電極11aが全面に形成されている。これらの電極11a、31aには、例えばAlなどの金属が用いられる。
【0039】
低比抵抗のN+型Si基板11としては、Asドープで比抵抗0.001〜0.004ΩcmのCZ−Si(100)基板を用いることができる。あるいは、Sbドープで比抵抗0.008〜0.018ΩcmのCZ−Si(100)基板を用いることができる。また、N+型Si基板11の厚さtは、任意に設定できる。
【0040】
高比抵抗のN型Si基板21としては、Pドープで比抵抗4000〜8000ΩcmのFZ−Si(111)基板を用いることができる。あるいは、比抵抗を1000Ωcm、500Ωcm等としても良い。また、N型Si基板21の厚さtは、t=10μm、100μm、300μm、500μmなどの所定の厚さに設定される。
【0041】
図10は、フォトダイオードの第2実施例の構成を示す側面断面図である。本実施例によるフォトダイオード1Bは、P/P+貼合基板を用いたPINフォトダイオードである。
【0042】
フォトダイオード1Bは、P+型Si(100)基板12と、Si基板12上に貼り合わされたP型Si(111)基板22と、Si基板22の表面側に形成されたN+型半導体層32とを備える。また、P型Si基板22の表面側でN+型半導体層32を囲む周縁部には、Si基板22内の所定の深さまで達し、ガードリングまたはチャンネルストッパとして機能するP+型半導体層42が設けられている。
【0043】
P型Si基板22の表面上には、絶縁層52が形成されている。この絶縁層52には、N+型半導体層32に臨む所定位置に、スルーホール52aが設けられている。また、絶縁層52上には、スルーホール52aを介してN+型半導体層32と電気的に接続されたカソード電極32aが形成されている。また、P+型Si基板12の基板22とは反対側の面上には、P+型Si基板12と電気的に接続されたアノード電極12aが全面に形成されている。
【0044】
低比抵抗のP+型Si基板12としては、Bドープで比抵抗0.001〜0.006ΩcmのCZ−Si(100)基板を用いることができる。また、P+型Si基板12の厚さtは、例えばt=315μm程度の厚さに設定される。
【0045】
高比抵抗のP型Si基板22としては、Bドープで比抵抗1000〜1500ΩcmのFZ−Si(111)基板を用いることができる。また、P型Si基板22の厚さtは、t=30μm、50μm、80μm、100μmなどの所定の厚さに設定される。
【0046】
図11は、フォトダイオードの第3実施例の構成を示す側面断面図である。本実施例によるフォトダイオード1Cは、P/N+貼合基板を用いたアバランシェフォトダイオードである。
【0047】
フォトダイオード1Cは、N+型Si(100)基板13と、Si基板13上に貼り合わされたP型Si(111)基板23と、Si基板23の表面側に形成されたP+型半導体層33とを備える。また、P型Si基板23の表面側でP+型半導体層33を囲む周縁部には、Si基板23を貫通してSi基板13内の所定の深さまで達し、ガードリングまたはチャンネルストッパとして機能するN+型半導体層43が設けられている。
【0048】
P型Si基板23の表面上には、絶縁層53が形成されている。この絶縁層53には、P+型半導体層33に臨む所定位置に、スルーホール53aが設けられている。また、絶縁層53上には、スルーホール53aを介してP+型半導体層33と電気的に接続されたアノード電極33aが形成されている。また、N+型Si基板13の基板23とは反対側の面上には、N+型Si基板13と電気的に接続されたカソード電極13aが全面に形成されている。
【0049】
図12は、フォトダイオードの第4実施例の構成を示す側面断面図である。本実施例によるフォトダイオード1Dは、P/P+貼合基板を用いたアバランシェフォトダイオードである。
【0050】
フォトダイオード1Dは、P+型Si(100)基板14と、Si基板14上に貼り合わされたP型Si(111)基板24と、Si基板24の表面側に形成されたN+型半導体層34と、N+型半導体層34のさらにSi基板14側に形成されたP+型半導体層35とを備える。また、P型Si基板24の表面側でN+型半導体層34を囲む周縁部には、Si基板24内の所定の深さまで達し、ガードリングまたはチャンネルストッパとして機能するP+型半導体層44が設けられている。
【0051】
P型Si基板24の表面上には、絶縁層54が形成されている。この絶縁層54には、N+型半導体層34に臨む所定位置に、スルーホール54aが設けられている。また、絶縁層54上には、スルーホール54aを介してN+型半導体層34と電気的に接続されたカソード電極34aが形成されている。また、P+型Si基板14の基板24とは反対側の面上には、P+型Si基板14と電気的に接続されたアノード電極14aが全面に形成されている。
【0052】
本発明による半導体光検出素子の具体的な構成としては、例えば、これらの図9〜図12に例示した構成を用いることができる。また、これら以外にも様々な構成とすることが可能である。
【0053】
【発明の効果】
本発明による光検出素子は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、低比抵抗の第1半導体基板と、第1半導体基板とは面方位が異なる高比抵抗の第2半導体基板とを貼り合わせた構造によれば、半導体基板の貼り合わせ界面の平坦度が良好な貼合基板が得られる。そして、このような貼合基板を用いて光検出素子を構成することにより、応答速度の高速化が可能であり、かつ、逆バイアス電圧を上げたときの暗電流の増大が抑制される半導体光検出素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】光検出素子の一実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。
【図2】図1に示した光検出素子でのSi基板の貼り合わせ界面を示すTEM写真である。
【図3】従来の光検出素子でのSi基板の貼り合わせ界面を示すTEM写真である。
【図4】光検出素子に発生する暗電流の逆バイアス電圧依存性を示すグラフである。
【図5】Si(111)(100)貼合基板を用いた光検出素子での暗電流特性を示すグラフである。
【図6】Si(100)拡散基板を用いた光検出素子での暗電流特性を示すグラフである。
【図7】Si(111)(111)貼合基板を用いた光検出素子での暗電流特性を示すグラフである。
【図8】Si(100)(100)貼合基板を用いた光検出素子での暗電流特性を示すグラフである。
【図9】フォトダイオードの第1実施例の構成を示す側面断面図である。
【図10】フォトダイオードの第2実施例の構成を示す側面断面図である。
【図11】フォトダイオードの第3実施例の構成を示す側面断面図である。
【図12】フォトダイオードの第4実施例の構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
10…N+型低比抵抗Si(100)基板、20…N-型高比抵抗Si(111)基板、30…P型半導体層、11…N+型低比抵抗Si(100)基板、11a…カソード電極、21…N型高比抵抗Si(111)基板、31…P+型半導体層、31a…アノード電極、41…N+型半導体層、51…絶縁層、51a…スルーホール、12…P+型低比抵抗Si(100)基板、12a…アノード電極、22…P型高比抵抗Si(111)基板、32…N+型半導体層、32a…カソード電極、42…P+型半導体層、52…絶縁層、52a…スルーホール、13…N+型低比抵抗Si(100)基板、13a…カソード電極、23…P型高比抵抗Si(111)基板、33…P+型半導体層、33a…アノード電極、43…N+型半導体層、53…絶縁層、53a…スルーホール、14…P+型低比抵抗Si(100)基板、14a…アノード電極、24…P型高比抵抗Si(111)基板、34…N+型半導体層、34a…カソード電極、35…P+型半導体層、44…P+型半導体層、54…絶縁層、54a…スルーホール。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor photodetector element.
[0002]
[Prior art]
Photodiodes, which are semiconductor photodetecting elements, are currently widely used in various applications. In order to increase the output and the response speed, photodiodes having various structures such as a PIN photodiode (PIN-PD) and an avalanche photodiode (APD) have been proposed (for example, see Patent Document 1). .
[0003]
For example, as a structure of a PIN photodiode, an N-type high resistivity semiconductor layer is epitaxially grown on an N-type low resistivity semiconductor substrate, and a P-type semiconductor layer is formed on the surface of the high resistivity epitaxial layer. Then, a reverse bias voltage is applied between the N-type semiconductor substrate on the cathode side and the P-type semiconductor layer on the anode side, and the high-resistivity epitaxial layer is used as a light absorption layer. can get.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-4-242980
[Problems to be solved by the invention]
Here, in the PIN photodiode having the above-described structure, an epitaxial layer is used as the high specific resistance portion of the N-type semiconductor layer serving as the cathode. However, in such a structure, there is a limit of about 300 Ωcm for increasing the specific resistance of the high specific resistance semiconductor layer. For this reason, there exists a problem that the junction capacity | capacitance of a PN junction cannot fully be reduced. This is a factor that prevents the CR time constant from being sufficiently small and prevents the response speed from being increased.
[0006]
Further, N-type impurities rise from the N-type semiconductor substrate having a high impurity concentration to the epitaxial layer due to high-temperature heat treatment or the like during epitaxial growth. At this time, impurities rise in the epitaxial layer and the N-type impurity concentration increases, so that carriers generated in a region that is not depleted upon reverse bias application slowly reach the depletion layer by diffusion, and the response speed Is hindered.
[0007]
On the other hand, the photodiode described in Patent Document 1 uses a structure in which an N-type high resistivity semiconductor substrate is bonded onto an N-type low resistivity semiconductor substrate by a substrate bonding method. In this structure, by using a high resistivity semiconductor substrate as the high resistivity portion of the N-type semiconductor layer, for example, a high resistivity semiconductor layer of about 1000 Ωcm can be obtained.
[0008]
Such a structure can reduce the CR time constant by reducing the junction capacitance of the PN junction. Further, the rising of impurities from the low specific resistance semiconductor substrate to the high specific resistance semiconductor layer is suppressed. However, even in such a photodiode, as in the case of using an epitaxial layer, there is a problem that dark current increases when the reverse bias voltage applied to expand the depletion layer is increased.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a photodetector that can increase the response speed and suppress an increase in dark current.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the photodetector according to the present invention includes (1) a first conductivity type first semiconductor substrate (low resistivity semiconductor substrate) and (2) a first semiconductor substrate having a plane orientation. And a second semiconductor substrate (high resistivity semiconductor substrate) having one surface bonded to the first semiconductor substrate, and (3) the other of the second semiconductor substrates. and a doped semiconductor layer of a second conductivity type provided in the surface side, the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate, one of Si (100) substrate, the other is Si (111) substrate der Rukoto It is characterized by.
[0011]
The inventor of the present application has studied the characteristics of a photodiode having a structure in which a low resistivity semiconductor substrate and a high resistivity semiconductor substrate are bonded together. As a result, in a conventional structure in which semiconductor substrates having the same plane orientation are bonded together, it has been found that unevenness occurs at the bonding interface of the semiconductor substrates, and the uneven shape at the interface affects the increase in dark current.
[0012]
On the other hand, according to the structure in which the low specific resistance semiconductor substrate and the high specific resistance semiconductor substrate having different plane orientations are bonded as described above, a bonded substrate having a good flatness at the bonded interface can be obtained. And by constructing a photodetecting element using such a bonded substrate, it is possible to increase the response speed and to suppress the increase in dark current when the reverse bias voltage is increased. A detection element is realized.
[0013]
Here, the thickness of the second semiconductor substrate is set such that the thickness from the bottom surface of the impurity semiconductor layer to the bottom surface of the second semiconductor substrate is equal to the width of the depletion layer that expands when a reverse bias voltage is applied. preferable. As a result, it is possible to suitably realize an increase in response speed in the light detection element.
[0014]
Further, the thickness of the second semiconductor substrate may be set so that the entire surface from the bottom surface of the impurity semiconductor layer to the bottom surface of the second semiconductor substrate is depleted by a depletion layer that expands when a reverse bias voltage is applied. Also by this, it is possible to suitably realize an increase in response speed in the light detection element.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the light detection element according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0016]
FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a configuration of an embodiment of a semiconductor photodetector element according to the present invention. The photodetecting element 1 is a PIN photodiode that includes a first semiconductor substrate 10, a second semiconductor substrate 20, and an impurity semiconductor layer 30. Hereinafter, a case where silicon (Si) is used as the semiconductor material of the substrates 10 and 20 will be described.
[0017]
The first semiconductor substrate 10 is an N + type Si substrate having a plane orientation of (100), a conductivity type (first conductivity type) of N type, and a low specific resistance (high impurity concentration). On the other hand, the second semiconductor substrate 20 is an N type Si substrate having a plane orientation different from that of the Si substrate (111), an N type conductivity type, and a high specific resistance (low impurity concentration). The N type Si substrate 20 has a higher specific resistance than the N + type Si substrate 10. Further, the bottom surface 20b of the N -type Si (111) substrate 20 is bonded to the surface 10a of the N + -type Si (100) substrate 10, thereby forming a Si bonded substrate composed of the Si substrates 10 and 20. Has been.
[0018]
Further, a semiconductor layer to which a predetermined impurity is added so that the conductivity type (second conductivity type) is P-type in a predetermined region on the surface 20a side opposite to the Si substrate 10 of the N type Si substrate 20 30 is provided. In such a configuration, the N type Si substrate 20 and the P type semiconductor layer 30 form a PN junction.
[0019]
This photodetecting element 1 has a high specific resistance at a low impurity concentration from the PN junction interface when a reverse bias voltage is applied between the N + type Si substrate 10 on the cathode side and the P type semiconductor layer 30 on the anode side. The depletion layer expands on the N -type Si substrate 20 side, thereby functioning as a PIN photodiode. In FIG. 1, the anode and cathode electrodes are not shown.
[0020]
The effect of the light detection element according to the present embodiment will be described.
[0021]
In the photodetecting element 1 shown in FIG. 1, a structure in which the Si substrates 10 and 20 are bonded together by a substrate bonding method is used. Thereby, for example, a high specific resistance Si substrate 20 of about 1000 Ωcm (= 10 Ωm) and a low specific resistance Si substrate 10 of about 0.001 Ωcm can be used as each part of the N-type semiconductor layer. Such a structure can reduce the CR time constant by reducing the junction capacitance of the PN junction.
[0022]
Further, at the wafer bonding temperature of about 1100 ° C., the impurity rising from the low specific resistance semiconductor substrate to the high specific resistance semiconductor layer is suppressed to 1 μm or less, so that the impurity concentration profile can be kept steep. At this time, the impurity concentration profile in a region other than the depletion layer that spreads by the reverse bias voltage applied to the photodetection element becomes steep, so that the rising of the impurity is suppressed, so that the impurity concentration does not decrease. The lifetime of the carriers generated in (1) is shorter than that in the case where the impurities are soaring, and the contribution of such carriers to the photocurrent is suppressed. Accordingly, the impurities generated in the epitaxial layer, which hinders the increase in response speed, and the N-type impurity concentration increases, so that carriers generated in a region that is not depleted when reverse bias is applied flow slowly. The contribution of the diffusion current component is suppressed, and a photodetection element having excellent characteristics with a small time constant can be obtained.
[0023]
In particular, in the above-described photodetecting element 1, an Si bonded substrate obtained by bonding a low specific resistance Si substrate 10 and a high specific resistance Si substrate 20 having different plane orientations is used. According to such a structure, a bonded substrate with good flatness of the bonded interface S1 (see FIG. 1) of the Si substrates 10 and 20 can be obtained.
[0024]
FIG. 2 is a cross-sectional ion etching TEM photograph showing the bonding interface S1 of the Si substrate in the photodetecting element shown in FIG. FIG. 3 is a TEM photograph showing the bonding interface S2 of the Si substrate in the conventional photodetecting element (see Patent Document 1). Specifically, FIG. 2 shows the (111) (100) bonding interface S1 having different plane orientations as described above. On the other hand, FIG. 3 shows the (100) (100) bonding interface S2 having the same plane orientation.
[0025]
FIG. 4 is a graph showing the reverse bias voltage dependence of the dark current generated in the photodetecting element. In this graph, the horizontal axis represents the reverse bias voltage applied to the photodetecting element, and the vertical axis represents the amount of dark current generated. Graph G1 shows the dark current characteristics of the light detection element according to the present invention corresponding to FIG. 2, and graph G2 shows the dark current characteristics of the conventional light detection element corresponding to FIG.
[0026]
The characteristics shown in FIG. 4 are the characteristics of a photodetection element having a light receiving portion of 1 cm square, and the graph G1 shows an N (111) Si substrate of about 4000 Ωcm and an N + (100) Si substrate of about 0.001 Ωcm. It is the characteristic of the element produced by bonding together. Graph G2 shows the characteristics of an element formed by bonding an N (100) Si substrate of about 4000 Ωcm and an N + (100) Si substrate of about 0.001 Ωcm.
[0027]
As shown in FIG. 3, the light-detecting element having a conventional structure in which Si substrates having the same plane orientation are bonded has irregularities on the bonding interface S <b> 2. The uneven shape of the interface S2 affects the increase in dark current generated in the photodetecting element, and as shown in the graph G2 in FIG. 4, causes the dark current to increase as the reverse bias voltage increases.
[0028]
On the other hand, in the photodetector having the structure shown in FIG. 1 in which the Si substrates having different plane orientations are bonded, as shown in FIG. 2, the bonding interface S1 is not uneven, and the interface S1 is flat. The degree is greatly improved. At this time, as shown by a graph G1 in FIG. 4, even if the reverse bias voltage is increased, the dark current does not increase above a predetermined voltage. Therefore, by configuring the photodetecting element using the bonded substrate having the above-described configuration, a semiconductor photodetecting element in which the response speed can be increased and the increase in dark current is suppressed is realized.
[0029]
FIG. 5 is a graph showing reverse bias voltage dependence of dark current in the PIN photodiode shown in FIG. 1 using a Si (111) (100) bonded substrate. 6 to 8 are graphs showing the reverse bias voltage dependence of the dark current in the conventional PIN photodiode. Specifically, FIG. 6 shows dark current characteristics when a Si (100) diffusion substrate is used, and FIG. 7 shows dark current characteristics when a Si (111) (111) bonded substrate is used. FIG. 8 shows dark current characteristics when a Si (100) (100) bonded substrate is used. However, in the graphs of FIGS. 6 to 8, the basic structure of the photodiode is the same as that of the PIN photodiode in FIG. 5, but the area of the light receiving portion, the thickness of the high resistivity Si substrate, Specific resistance is not unified.
[0030]
In the PIN photodiode having the conventional structure, the dark current increases as the reverse bias voltage increases in any of the graphs shown in FIGS. On the other hand, in the graph of FIG. 5 showing the characteristics of the PIN photodiode having the structure shown in FIG. 1, when the reverse bias voltage is 5 V or more, the dark current does not increase even if the reverse bias voltage is increased. I understand. Thus, it is possible to suppress an increase in dark current by using a bonded substrate made of semiconductor substrates having different plane orientations.
[0031]
Here, as a bonding substrate constituting the light detecting element, using a low-resistivity N + type Si (100) substrate on the first semiconductor substrate 10 in FIG. 1, the high resistivity N - type Si (111 ) Although the configuration in which the substrate is used for the second semiconductor substrate 20 is shown, bonded substrates having various configurations other than this may be used. For example, the conductivity type of the first semiconductor substrate 10 may be P type. The conductivity type of the second semiconductor substrate 20 may be a conductivity type different from that of the first semiconductor substrate 10. Further, the plane orientations of the semiconductor substrates 10 and 20 are not limited to the above plane orientations as long as they are different from each other.
[0032]
In addition, in the bonding of the Si substrates 10 and 20 when manufacturing the photodetecting element shown in FIG. 1, if both the bonded surfaces 10a and 20b are flat, they are simply heated without applying pressure. Can be pasted together naturally. Further, for the N type Si substrate 20 on which the P type semiconductor layer 30 is formed, the surface 20a side may be polished in order to obtain a desired thickness. In general, the structure using a high resistivity semiconductor substrate as the high resistivity portion of the N-type semiconductor layer is advantageous in that the thickness of the high resistivity semiconductor layer can be freely controlled.
[0033]
Further, the thickness of the N -type Si substrate 20 as the second semiconductor substrate is the thickness from the bottom surface of the P-type semiconductor layer 30 formed on the surface 20a side to the bottom surface 20b of the N -type Si substrate 20. The width is preferably set to be equal to the width of the depletion layer spread by the reverse bias voltage applied to the light detection element 1. As a result, it is possible to suitably realize an increase in response speed in the light detection element.
[0034]
Alternatively, with respect to the thickness of the N type Si substrate 20 as the second semiconductor substrate, the light detecting element extends from the bottom surface of the P type semiconductor layer 30 formed on the surface 20a side to the bottom surface 20b of the N type Si substrate 20. 1 may be set so that all are depleted by the depletion layer spreading by the reverse bias voltage applied to 1. Also by this, it is possible to suitably realize an increase in response speed in the light detection element.
[0035]
The configuration of the photodiode, which is the light detection element shown in FIG. 1, will be further described together with specific examples.
[0036]
FIG. 9 is a side sectional view showing the configuration of the first embodiment of the photodiode. The photodiode 1A according to the present embodiment is a PIN photodiode using an N / N + bonded substrate.
[0037]
The photodiode 1A includes an N + type Si (100) substrate 11 that is a low resistivity semiconductor substrate, an N type Si (111) substrate 21 that is a high resistivity semiconductor substrate bonded to the Si substrate 11, and an Si substrate. And a P + -type semiconductor layer 31 formed on the surface side of 21. Further, an N + type semiconductor layer 41 reaching a predetermined depth in the Si substrate 21 is provided at the peripheral edge surrounding the P + type semiconductor layer 31 on the surface side of the N type Si substrate 21. The N + -type semiconductor layer 41 is an impurity semiconductor layer serving as a guard ring in a single photodetecting element or a channel stopper in the photodetecting element array.
[0038]
An insulating layer 51 made of SiO 2 is formed on the surface of the N-type Si substrate 21. The insulating layer 51 is provided with a through hole 51 a at a predetermined position facing the P + type semiconductor layer 31. On the insulating layer 51, an anode electrode 31a electrically connected to the P + type semiconductor layer 31 through the through hole 51a is formed. A cathode electrode 11 a electrically connected to the N + type Si substrate 11 is formed on the entire surface of the N + type Si substrate 11 opposite to the substrate 21. For these electrodes 11a and 31a, for example, a metal such as Al is used.
[0039]
As the N + -type Si substrate 11 having a low specific resistance, a CZ—Si (100) substrate with an As doping and a specific resistance of 0.001 to 0.004 Ωcm can be used. Alternatively, a CZ—Si (100) substrate having a specific resistance of 0.008 to 0.018 Ωcm by Sb doping can be used. Further, the thickness t of the N + -type Si substrate 11 can be arbitrarily set.
[0040]
As the high specific resistance N-type Si substrate 21, an FZ-Si (111) substrate having a specific resistance of 4000 to 8000 Ωcm by P doping can be used. Alternatively, the specific resistance may be 1000 Ωcm, 500 Ωcm, or the like. The thickness t of the N-type Si substrate 21 is set to a predetermined thickness such as t = 10 μm, 100 μm, 300 μm, 500 μm.
[0041]
FIG. 10 is a side sectional view showing the configuration of the second embodiment of the photodiode. The photodiode 1B according to the present embodiment is a PIN photodiode using a P / P + bonded substrate.
[0042]
The photodiode 1B includes a P + -type Si (100) substrate 12, a P-type Si (111) substrate 22 bonded onto the Si substrate 12, and an N + -type semiconductor layer 32 formed on the surface side of the Si substrate 22. With. In addition, a P + type semiconductor layer 42 that reaches a predetermined depth in the Si substrate 22 and functions as a guard ring or a channel stopper is formed at a peripheral portion surrounding the N + type semiconductor layer 32 on the surface side of the P type Si substrate 22. Is provided.
[0043]
An insulating layer 52 is formed on the surface of the P-type Si substrate 22. The insulating layer 52 is provided with a through hole 52 a at a predetermined position facing the N + type semiconductor layer 32. On the insulating layer 52, a cathode electrode 32a electrically connected to the N + type semiconductor layer 32 through the through hole 52a is formed. An anode electrode 12 a electrically connected to the P + -type Si substrate 12 is formed on the entire surface of the P + -type Si substrate 12 opposite to the substrate 22.
[0044]
As the P + -type Si substrate 12 having a low specific resistance, a CZ—Si (100) substrate having a specific resistance of 0.001 to 0.006 Ωcm by B doping can be used. Further, the thickness t of the P + -type Si substrate 12 is set to a thickness of about t = 315 μm, for example.
[0045]
As the P-type Si substrate 22 having a high specific resistance, an FZ-Si (111) substrate having a specific resistance of 1000 to 1500 Ωcm by B doping can be used. The thickness t of the P-type Si substrate 22 is set to a predetermined thickness such as t = 30 μm, 50 μm, 80 μm, 100 μm.
[0046]
FIG. 11 is a side sectional view showing the configuration of the third embodiment of the photodiode. The photodiode 1C according to the present embodiment is an avalanche photodiode using a P / N + bonded substrate.
[0047]
The photodiode 1 </ b > C includes an N + type Si (100) substrate 13, a P type Si (111) substrate 23 bonded to the Si substrate 13, and a P + type semiconductor layer 33 formed on the surface side of the Si substrate 23. With. Further, the peripheral portion surrounding the P + -type semiconductor layer 33 on the surface side of the P-type Si substrate 23 passes through the Si substrate 23 and reaches a predetermined depth in the Si substrate 13 and functions as a guard ring or a channel stopper. An N + type semiconductor layer 43 is provided.
[0048]
On the surface of the P-type Si substrate 23, an insulating layer 53 is formed. The insulating layer 53 is provided with a through hole 53 a at a predetermined position facing the P + type semiconductor layer 33. On the insulating layer 53, an anode electrode 33a electrically connected to the P + type semiconductor layer 33 through the through hole 53a is formed. A cathode electrode 13 a electrically connected to the N + -type Si substrate 13 is formed on the entire surface of the N + -type Si substrate 13 opposite to the substrate 23.
[0049]
FIG. 12 is a side sectional view showing the configuration of the fourth embodiment of the photodiode. The photodiode 1D according to the present embodiment is an avalanche photodiode using a P / P + bonded substrate.
[0050]
The photodiode 1D includes a P + type Si (100) substrate 14, a P type Si (111) substrate 24 bonded onto the Si substrate 14, and an N + type semiconductor layer 34 formed on the surface side of the Si substrate 24. And a P + type semiconductor layer 35 formed on the Si substrate 14 side of the N + type semiconductor layer 34. In addition, a P + type semiconductor layer 44 that reaches a predetermined depth in the Si substrate 24 and functions as a guard ring or a channel stopper is formed at a peripheral portion surrounding the N + type semiconductor layer 34 on the surface side of the P type Si substrate 24. Is provided.
[0051]
An insulating layer 54 is formed on the surface of the P-type Si substrate 24. The insulating layer 54 is provided with a through hole 54 a at a predetermined position facing the N + type semiconductor layer 34. On the insulating layer 54, a cathode electrode 34a electrically connected to the N + type semiconductor layer 34 through the through hole 54a is formed. An anode electrode 14 a electrically connected to the P + -type Si substrate 14 is formed on the entire surface of the P + -type Si substrate 14 opposite to the substrate 24.
[0052]
As a specific configuration of the semiconductor photodetecting element according to the present invention, for example, the configurations illustrated in FIGS. 9 to 12 can be used. In addition to these, various configurations are possible.
[0053]
【The invention's effect】
As described in detail above, the light detection element according to the present invention has the following effects. That is, according to the structure in which the first semiconductor substrate having a low specific resistance and the second semiconductor substrate having a high specific resistance whose surface orientation is different from that of the first semiconductor substrate are bonded, the flatness of the bonding interface of the semiconductor substrate is increased. A good bonded substrate can be obtained. And by constructing a photodetecting element using such a bonded substrate, it is possible to increase the response speed and to suppress the increase in dark current when the reverse bias voltage is increased. A detection element is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a configuration of an embodiment of a light detection element.
2 is a TEM photograph showing a bonding interface of a Si substrate in the photodetecting element shown in FIG.
FIG. 3 is a TEM photograph showing a bonding interface of a Si substrate in a conventional photodetecting element.
FIG. 4 is a graph showing the reverse bias voltage dependence of dark current generated in a photodetecting element.
FIG. 5 is a graph showing dark current characteristics in a photodetecting element using a Si (111) (100) bonded substrate.
FIG. 6 is a graph showing dark current characteristics in a photodetecting element using a Si (100) diffusion substrate.
FIG. 7 is a graph showing dark current characteristics in a light detection element using a Si (111) (111) bonded substrate.
FIG. 8 is a graph showing dark current characteristics in a photodetecting element using a Si (100) (100) bonded substrate.
FIG. 9 is a side sectional view showing the configuration of the first embodiment of the photodiode;
FIG. 10 is a side sectional view showing a configuration of a second embodiment of the photodiode.
FIG. 11 is a side sectional view showing a configuration of a third embodiment of the photodiode.
FIG. 12 is a side sectional view showing the configuration of a fourth embodiment of the photodiode.
[Explanation of symbols]
10 ... N + type low specific resistance Si (100) substrate, 20 ... N - type high specific resistance Si (111) substrate, 30 ... P type semiconductor layer, 11 ... N + type low specific resistance Si (100) substrate, 11a ... Cathode electrode, 21 ... N-type high resistivity Si (111) substrate, 31 ... P + type semiconductor layer, 31a ... Anode electrode, 41 ... N + type semiconductor layer, 51 ... Insulating layer, 51a ... Through hole, 12 ... P + type low specific resistance Si (100) substrate, 12a ... anode electrode, 22 ... P type high specific resistance Si (111) substrate, 32 ... N + type semiconductor layer, 32a ... cathode electrode, 42 ... P + type semiconductor layer 52 ... Insulating layer, 52a ... Through hole, 13 ... N + type low resistivity Si (100) substrate, 13a ... Cathode electrode, 23 ... P type high resistivity Si (111) substrate, 33 ... P + type semiconductor layer 33a ... anode electrode, 43 ... N + type semiconductor layer, 53 ... Insulating layer, 53a ... Through hole, 14 ... P + type low resistivity Si (100) substrate, 14a ... Anode electrode, 24 ... P type high resistivity Si (111) substrate, 34 ... N + type semiconductor layer, 34a ... Cathode electrode, 35 ... P + type semiconductor layer, 44 ... P + type semiconductor layer, 54 ... insulating layer, 54a ... through hole.

Claims (3)

第1導電型の第1半導体基板と、
前記第1半導体基板とは面方位が異なるとともに前記第1半導体基板よりも高い比抵抗を有し、一方の面が前記第1半導体基板に貼り合わされた第2半導体基板と、
前記第2半導体基板の他方の面側に設けられた第2導電型の不純物半導体層と
を備え
前記第1半導体基板及び前記第2半導体基板は、その一方がSi(100)基板、他方がSi(111)基板であることを特徴とする光検出素子。
A first semiconductor substrate of a first conductivity type;
A second semiconductor substrate having a plane orientation different from that of the first semiconductor substrate and having a specific resistance higher than that of the first semiconductor substrate, wherein one surface is bonded to the first semiconductor substrate;
An impurity semiconductor layer of a second conductivity type provided on the other surface side of the second semiconductor substrate ,
Said first semiconductor substrate and said second semiconductor substrate, the light-detecting element while the the Si (100) substrate, and the other, wherein the Si (111) substrate der Rukoto.
前記第2半導体基板の厚さは、前記不純物半導体層の底面から前記第2半導体基板の底面までが逆バイアス電圧印加時に拡がる空乏層により全て空乏化するように設定されていることを特徴とする請求項1記載の光検出素子。  The thickness of the second semiconductor substrate is set so that the entire surface from the bottom surface of the impurity semiconductor layer to the bottom surface of the second semiconductor substrate is depleted by a depletion layer that expands when a reverse bias voltage is applied. The photodetecting element according to claim 1. 前記第2半導体基板の厚さは、前記不純物半導体層の底面から前記第2半導体基板の底面までの厚さが逆バイアス電圧印加時に拡がる空乏層の幅と等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項1または2記載の光検出素子。  The thickness of the second semiconductor substrate is set so that the thickness from the bottom surface of the impurity semiconductor layer to the bottom surface of the second semiconductor substrate is equal to the width of the depletion layer that expands when a reverse bias voltage is applied. The photodetecting element according to claim 1 or 2, characterized in that
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