JP5087426B2

JP5087426B2 - フォトダイオードアレイ

Info

Publication number: JP5087426B2
Application number: JP2008044723A
Authority: JP
Inventors: 徳之村松; 智也田口; 義磨郎藤井
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009206171A

Description

本発明は、フォトダイオードアレイに関する。

フォトダイオードアレイとして、半導体基板の光の入射面（表面）側に形成された複数のフォトダイオードと、隣接するフォトダイオード間に形成された改質領域と、を備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードアレイでは、隣接するフォトダイオード間に沿って集光点を合わせてレーザ光を照射することによって改質領域が形成されている。特許文献１に記載されたフォトダイオードアレイでは、入射光によって発生し、隣接するフォトダイオードへ拡散するキャリアを改質領域がトラップすることにより、隣接するフォトダイオード間のクロストークを抑制している。
特開２００５−１９４６５号公報

ところで、近年、フォトダイオードアレイにおける出力信号のノイズを低減するため、隣接するフォトダイオード間のクロストークを更に抑制することが求められている。このため、クロストークノイズを生じるキャリアを除去するための不純物濃度の高い半導体領域を、半導体基板の表面側における隣接するフォトダイオード間に形成することが検討されている。

しかしながら、入射光の長波長成分によって発生するキャリアを除去するためには、当該半導体領域を半導体基板の表面から深い位置に至るまで形成する必要がある。この場合、近接して形成されているフォトダイオード間に当該半導体領域を形成する必要があり、当該半導体領域の形成が困難となることから、当該半導体領域を備えるフォトダイオードアレイの製造を容易化するには限界があった。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、クロストークを効率的に抑制することが可能であると共に、容易に製造することが可能なフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るフォトダイオードアレイは、互いに対向する第１及び第２の主面を有する第１導電型の半導体基板と、半導体基板の第１の主面側に並んで形成されており、半導体基板との接合によりフォトダイオードを構成する複数の第２導電型の半導体領域と、半導体基板の第１の主面側において、隣接する第２導電型の半導体領域間に形成されていると共に、半導体基板よりも不純物濃度が高く設定されている第１導電型の半導体領域と、を備え、半導体基板には、半導体基板の第２の主面と第１導電型の半導体領域との間の所定位置に集光点を合わせてレーザ光を照射することによって改質領域が形成されていることを特徴とする。

本発明に係るフォトダイオードアレイでは、半導体基板の第１の主面側における隣接するフォトダイオード間に第１導電型の半導体領域が形成されていると共に、第１導電型の半導体領域と半導体基板の第２の主面との間において改質領域が形成されている。この場合、入射光の短波長成分によって半導体基板の第１の主面から浅い位置で発生し、隣接するフォトダイオード間へ拡散するキャリアは、第１導電型の半導体領域にトラップされることとなる。また、入射光の長波長成分によって半導体基板の第１の主面から深い位置で発生し、隣接するフォトダイオード間へ拡散するキャリアは、改質領域にトラップされ、再結合することにより消滅する。従って、入射光の短波長成分及び長波長成分のいずれによって発生したキャリアも隣接するフォトダイオード間において除去されるため、クロストークを効率的に抑制することができる。さらに、第１導電型の半導体領域を半導体基板の第１の主面から深い位置に至るまで形成する必要がなくなることとなり、フォトダイオードアレイを容易に製造することができる。

また、改質領域は、フォトダイオードに電圧が印加された場合において、第２導電型の半導体領域と半導体基板との接合から第２の主面と第１導電型の半導体領域との間に広がる空乏層の内部に形成されていることが好ましい。これにより、第１導電型の半導体領域と改質領域との間から、キャリアが隣接するフォトダイオードに拡散することが抑制されることとなり、クロストークを確実に抑制することができる。

本発明によれば、クロストークを効率的に抑制することが可能であると共に、容易に製造することが可能なフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
図１及び図２を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を示す模式図である。図２は、第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの平面図である。

図１及び図２に示すように、フォトダイオードアレイ１は、ｎ型（第１導電型）の半導体基板３と、絶縁層５と、ｐ型（第２導電型）半導体領域７と、ｎ型半導体領域９と、アノード電極１５と、カソード電極１７と、を備えている。以下の説明においては、半導体基板３における光Ｌ１の入射面を表面（第１の主面）３ａとし、その反対側の面を裏面（第２の主面）３ｂとしている。

半導体基板３は、半導体材料（例えば、Ｓｉ（シリコン）等）からなり、厚さが例えば３００μｍである。半導体基板３は、不純物（例えば、リン等）を含み、その濃度は例えば１×１０^１２〜１×１０^１６／ｃｍ^３である。半導体基板３は、内部に後述する改質領域２０を有している。

絶縁層５は、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）又はシリコン窒化物（ＳｉＮ）からなり、半導体基板３の表面３ａ上に形成されている。絶縁層５は、表面３ａを保護するための保護膜として機能する。

ｐ型半導体領域７は、半導体基板３の表面３ａ側において、例えば１次元に複数配列されている。ｐ型半導体領域７は、半導体材料（例えば、Ｓｉ等）によって矩形状に形成されており、厚さが例えば０．５μｍである。ｐ型半導体領域７は、不純物（例えば、ボロン等）を含み、その濃度は例えば１×１０^１５〜１×１０^１８／ｃｍ^３である。ｐ型半導体領域７は、半導体基板３とのｐｎ接合１１によりフォトダイオード１３を構成している。ｐｎ接合１１は、半導体基板３に空乏層１９が広がることによりフォトダイオード１３の光感応領域として機能する。

ｎ型半導体領域９は、半導体材料（例えば、Ｓｉ等）によって矩形状に形成されており、厚さが例えば１μｍである。ｎ型半導体領域９は、不純物（例えば、リン）を含み、その濃度は例えば１×１０^１５〜１×１０^１８／ｃｍ^３である。ｎ型半導体領域９は、半導体基板３の表面３ａ側において、ｐ型半導体領域７と離隔して隣接するフォトダイオード１３間に形成されている。

アノード電極１５及びカソード電極１７は、金属材料（例えば、Ａｌ又はＡｕ等）からなり、例えばスパッタ法又は蒸着法等によって形成されている。アノード電極１５は、絶縁層５上において、各ｐ型半導体領域７におけるフォトダイオード１３の並列方向と垂直な方向の両端に対応する位置に形成されている。カソード電極１７は、隣接するフォトダイオード１３間の略中央における絶縁層５上に形成されている。アノード電極１５及びカソード電極１７は、絶縁層５に設けられたコンタクトホールを介して、それぞれｐ型半導体領域７，ｎ型半導体領域９と電気的に接続されている。

次に、図１を用いて、改質領域２０について説明する。改質領域２０は、半導体基板３の裏面３ｂとｎ型半導体領域９との間における表面３ａから所定の深さ位置（例えば、２０〜５０μｍ）にそれぞれ複数形成されている。複数の改質領域２０は、隣接する二つのｐ型半導体領域７のｐｎ接合１１からそれぞれ広がることにより一体に形成されている空乏層１９の内部に形成されている。

複数の改質領域２０の形状は、例えば長手方向及び当該長手方向に直交する短手方向を有しており、複数の改質領域２０は、隣接する改質領域２０同士が連なって、例えば互いに略平行となるように、連続的な２本の直線状に形成されている。改質領域２０は、隣接するフォトダイオード１３間の中央から、各フォトダイオード１３に向かって、例えば１５０μｍの位置にそれぞれ形成されている。複数の改質領域２０は、長手方向に沿った平面で切断した断面が半導体基板３の深さ方向に長軸を有する楕円状を呈していると共に、短軸方向の幅が例えば３μｍに形成されている。改質領域２０は、後述するように半導体基板３の内部に集光点Ｆを合わせてレーザ光Ｌａを照射することによって、例えば多光子吸収によって形成されている。なお、集光点Ｆとはレーザ光Ｌａが集光した箇所のことである。

以上の構成を有するフォトダイオードアレイ１は、次の動作を行う。フォトダイオードアレイ１の表面３ａ側から各フォトダイオード１３へ光Ｌ１が入射すると、光Ｌ１は絶縁層５を透過し、半導体基板３、ｐ型半導体領域７及びｎ型半導体領域９に達する。そして、光Ｌ１の各波長成分によって発生したキャリアが、半導体基板３、ｐ型半導体領域７及びｎ型半導体領域９の内部における電界に従って拡散する。

光Ｌ１の短波長成分によって半導体基板３の表面３ａから浅い位置で発生したキャリアは、隣接するフォトダイオード１３間に拡散した場合には、ｎ型半導体領域９にトラップされる。また、光Ｌ１の長波長成分によって半導体基板３の表面３ａから深い位置で発生したキャリアは、隣接するフォトダイオード１３間に拡散した場合には、改質領域２０にトラップされ、再結合することにより消滅する。

隣接するフォトダイオード１３間へ拡散せず、ｐｎ接合１１に達したキャリアはアノード電極１５から光電流として外部に取り出される。この光電流により、各フォトダイオード１３は、光Ｌ１の光波長成分に応じた電気信号をそれぞれ出力することとなる。

次に、図３を用いて、多光子吸収により改質領域２０を形成するためのレーザ加工方法について説明する。図３は、第１実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための断面構成を示す模式図である。

まず、多光子吸収について簡単に説明する。光子のエネルギーｈνが、材料の吸収のバンドギャップＥ_Ｇよりも小さい場合、光学的に透明となる。よって、ｈν＞Ｅ_Ｇである場合には、材料に吸収が生じる。しかし、光学的に透明であっても、レーザ光の強度を非常に大きくした場合には、ｎｈν＞Ｅ_Ｇの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）において材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まる。

改質領域２０は、フォトダイオードアレイ１において改質領域２０を除く部分が形成されている構成を有する加工対象物２５に形成された形成予定ライン（図示せず）に沿って、レーザ光Ｌａを相対移動させることにより形成される。形成予定ラインは、直線状に延びた仮想線であり、各改質領域２０の形成位置に対応するように、例えば加工対象物２５の裏面３ｂに形成されている。形成予定ラインは、ｎ型半導体領域９の中央からそれぞれ１５０μｍの位置に、互いに略平行となるように２本形成されている。

レーザ光Ｌａを多光子吸収が生じる条件に設定し、図３に示すように、加工対象物２５における表面３ａから所定の深さ位置に対し、例えば加工対象物２５の裏面３ｂよりレーザ光Ｌａの集光点Ｆを合わせる。改質領域２０は、集光点Ｆより加工対象物２５の裏面３ｂ方向に向かって拡がることにより、断面が深さ方向に長軸を有する楕円状を呈して形成される。

次に、集光点Ｆを隣接するフォトダイオード１３間において、上述の形成予定ラインに沿って直線状に相対移動させ、一方の改質領域２０を形成する。そして、同様に集光点Ｆを形成予定ラインに沿って相対移動させ、もう一方の改質領域２０を形成する。以上により、図１に示されるような改質領域２０が形成される。

第１実施形態に係るレーザ加工では、加工対象物２５がレーザ光Ｌａを吸収することにより、加工対象物２５を発熱させて改質領域２０を形成するのではない。加工対象物２５にレーザ光Ｌａを透過させ加工対象物２５の内部に多光子吸収を発生させて改質領域２０を形成している。よって、加工対象物２５の裏面３ｂではレーザ光Ｌａがほとんど吸収されないので、加工対象物２５の裏面３ｂが溶融することはない。

第１実施形態において多光子吸収により形成される改質領域２０の一つの例として、溶融処理領域がある。

この場合には、レーザ光を加工対象物２５の内部に集光点Ｆを合わせて、集光点Ｆにおける電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上でかつパルス幅が１μｓ以下の条件で照射する。これにより、加工対象物２５の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により、加工対象物２５の内部に溶融処理領域が形成される。

溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくともいずれか一つを意味する。溶融処理領域は、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。溶融処理領域は、単結晶構造、非晶質構造又は多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物２５がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。なお、電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１〜２００ｎｓが好ましい。

以上のレーザ加工により、図１及び図２に示すような構成のフォトダイオードアレイ１が得られる。

以上のように、第１実施形態では、半導体基板３の表面３ａ側における隣接するフォトダイオード１３間にｎ型半導体領域９が形成されていると共に、ｎ型半導体領域９と半導体基板３の裏面３ｂとの間において改質領域２０が形成されている。この場合、光Ｌ１の短波長成分によって半導体基板３の表面３ａから浅い位置で発生し、隣接するフォトダイオード１３間へ拡散するキャリアは、ｎ型半導体領域９にトラップされることとなる。また、光Ｌ１の長波長成分によって半導体基板３の表面３ａから深い位置で発生し、隣接するフォトダイオード１３間へ拡散するキャリアは、改質領域２０にトラップされ、再結合することにより消滅する。従って、光Ｌ１の短波長成分及び長波長成分のいずれによって発生したキャリアも隣接するフォトダイオード１３間において除去されるため、クロストークを効率的に抑制することができる。さらに、ｎ型半導体領域９を半導体基板３の表面３ａから深い位置に至るまで形成する必要がなくなることとなり、フォトダイオードアレイ１を容易に製造することができる。

第１実施形態では、改質領域２０は、半導体基板３の裏面３ｂとｐ型半導体領域７との間において、ｐ型半導体領域７と半導体基板３とのｐｎ接合１１から広がる空乏層１９の内部に形成されている。これにより、ｎ型半導体領域９と改質領域２０との間から、キャリアが隣接するフォトダイオード１３に拡散することが抑制されることとなり、クロストークを確実に抑制することができる。

第１実施形態では、ｎ型半導体領域９が半導体基板３よりも不純物濃度が高く設定されている。これにより、暗電流に対する反転を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、図４に基づいて、第２実施形態に係るフォトダイオードアレイ２について説明する。図４は、第２実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を示す模式図である。フォトダイオードアレイ２は、改質領域２０の構成の点で上述したフォトダイオードアレイ１と異なる。

フォトダイオードアレイ２における改質領域２０は、図４に示すように、半導体基板３の裏面３ｂとｎ型半導体領域９との間における、隣接するフォトダイオード１３間の略中央に、フォトダイオードアレイ１と同様に連続的な直線状を有する改質領域２０が１本形成されている。その他の点については、第１実施形態と同様である。

以上のように、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、半導体基板３の表面３ａ側における隣接するフォトダイオード１３間にｎ型半導体領域９が形成されていると共に、ｎ型半導体領域９と半導体基板３の裏面３ｂとの間において改質領域２０が形成されている。従って、光Ｌ１の短波長成分及び長波長成分のいずれによって発生したキャリアも隣接するフォトダイオード１３間において除去されるため、クロストークを効率的に抑制することができる。さらに、ｎ型半導体領域９を半導体基板３の表面３ａから深い位置に至るまで形成する必要がなくなることとなり、フォトダイオードアレイ１を容易に製造することができる。

図５は、隣接するフォトダイオード間における波長８３０ｎｍの光をスキャンした場合の分光感度の測定結果を示す図である。図５において、横軸は隣接するフォトダイオード１３間の中央を基準としたスキャン位置（μｍ）を示し、縦軸は各位置で得られる分光感度を、最大値を１００％とした場合の相対分光感度（％）として示している。

図５において、Ｇ１〜Ｇ４は、それぞれ（Ｇ１）第１実施形態と同様の構成を有するフォトダイオードアレイ、（Ｇ２）第１実施形態のフォトダイオードアレイにおいて、隣接するフォトダイオード１３間の中央から、各フォトダイオード１３に向かってそれぞれ１００μｍの位置に２つの改質領域２０が形成されているフォトダイオードアレイ、（Ｇ３）第２実施形態と同様の構成を有するフォトダイオードアレイ、（Ｇ４）第１実施形態のフォトダイオードアレイにおいて、改質領域が形成されておらず、ｎ型半導体領域９のみが隣接するフォトダイオード１３間に形成されているフォトダイオードアレイ、について示している。図６は、図５における一方のフォトダイオードにおける測定結果についての要部拡大図である。

図５及び図６より、Ｇ１〜Ｇ３について、それぞれ改質領域が形成されている部分において相対分光感度が低下していることがわかる。従って、半導体基板３の裏面３ｂとｎ型半導体領域９との間に改質領域２０を形成することにより、隣接するフォトダイオード１３間のクロストークを効率的に抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、改質領域２０は、半導体基板３の裏面３ｂよりレーザ光Ｌａを照射することによって形成されていることに限定されるものではなく、表面３ａからレーザ光Ｌａを照射することによって形成されていてもよい。改質領域２０は、多光子吸収以外によって改質されて形成されていてもよい。

複数の改質領域２０は、数、形状、半導体基板３の表面３ａからの深さ位置、断面における短軸方向の幅、隣接するフォトダイオード１３間の中央からの形成されている位置は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、複数の改質領域２０は、互いに略平行に形成された断続的な２本の直線状に形成されていてもよい。複数の改質領域２０は、隣接するフォトダイオード１３間において、１本又は２本の直線状に形成されていることに限らず、３本以上に形成されていてもよい。

半導体基板３、ｐ型半導体領域７及びｎ型半導体領域９の材料、形状、厚さ、不純物濃度及び不純物の種類は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体基板３、ｐ型半導体領域７、及びｎ型半導体領域９は、上述した実施形態とは逆の導電型となる不純物を含んでいてもよい。半導体基板３は、Ｓｉによって形成されていることに限定されるものではなく、例えば半導体基板３とｐ型半導体領域７が同一又は異なる化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ又はＧａＳｂ等）によって形成されていてもよい。

第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を示す模式図である。第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの平面図である。第１実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための断面構成を示す模式図である。第２実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を示す模式図である。本発明に係るフォトダイオードアレイの隣接するフォトダイオード間における分光感度の測定結果を示す図である。図５の要部拡大図である。

符号の説明

１，２…フォトダイオードアレイ、３…ｎ型（第１導電型）の半導体基板、３ａ…半導体基板の表面（第１の主面）、３ｂ…半導体基板の裏面（第２の主面）、７…ｐ型（第２導電型）半導体領域、９…ｎ型半導体領域、１１…ｐｎ接合、１３…フォトダイオード、１９…空乏層、２０…改質領域、Ｆ…集光点、Ｌａ…レーザ光。

Claims

互いに対向する第１及び第２の主面を有する第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１の主面側に並んで形成されており、前記半導体基板との接合によりフォトダイオードを構成する複数の第２導電型の半導体領域と、
前記半導体基板の前記第１の主面側において、隣接する前記第２導電型の半導体領域間に形成されていると共に、前記半導体基板よりも不純物濃度が高く設定されている第１導電型の半導体領域と、を備え、
前記半導体基板には、前記第２の主面と前記第１導電型の半導体領域との間に改質領域が形成されており、
前記改質領域が溶融処理領域であることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
前記改質領域は、前記フォトダイオードに電圧が印加された場合において、前記第２導電型の半導体領域と前記半導体基板との前記接合から前記半導体基板の前記第２の主面と前記第１導電型の半導体領域との間に広がる空乏層の内部に形成されていることを特徴とする請求項１記載のフォトダイオードアレイ。
互いに対向する第１及び第２の主面を有する第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の前記第１の主面側に並んで形成されており、前記半導体基板との接合によりフォトダイオードを構成する複数の第２導電型の半導体領域と、前記半導体基板の前記第１の主面側において、隣接する前記第２導電型の半導体領域間に形成されていると共に、前記半導体基板よりも不純物濃度が高く設定されている第１導電型の半導体領域と、を備え、前記半導体基板には、前記第２の主面と前記第１導電型の半導体領域との間に改質領域が形成されているフォトダイオードアレイの製造方法であって、
前記半導体基板における前記第２の主面と前記第１導電型の半導体領域との間にレーザ光を照射することにより前記改質領域を形成することを特徴とするフォトダイオードアレイの製造方法。