JP7455407B2 - アバランシェ光検出器（変形形態）およびこれを製造するための方法（変形形態） - Google Patents
アバランシェ光検出器（変形形態）およびこれを製造するための方法（変形形態） Download PDFInfo
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Description
特許請求される発明は、ＬｉＤＡＲ、通信システム、マシンビジョン、ロボット工学、医学、生物学、環境モニタリング、等において広く使用される、高速で動作する高感度の機器であるアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）に関する。
従来のアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）は、半導体ウエハ上に設置されるいくつかの半導体層を備える。
半導体層のグループは光変換部を形成し、そこで信号光子が吸収されて、自由電荷キャリア、すなわち電子および電子正孔が生成される。これら光が生成した電荷キャリアは次いで半導体層の別のグループ、すなわちアバランシェ増幅部（avalanche amplifier）内に入り、その内部で、電界の強度が電荷キャリアのアバランシェ増倍（avalanche multiplication）にとって十分であるエリアが形成される。
閾値感度はＡＰＤの基本的なパラメータであり、光変換部およびアバランシェ増幅部の両方の特性に依存する。
閾値感度はアバランシェ増幅部の暗電流によって大きく制限されるが、このことは主として、光キャリアのアバランシェ増倍に必要な非常に強い場によって引き起こされる。
アバランシェ増幅部の暗電流を減らし、これによりＡＰＤの閾値感度を上げるために、アバランシェ増幅部が占めるエリアを、光変換部が占めるエリアよりも小さくすることができる。
これの例を、例えば米国特許第９，０３５，４１０号およびロシア特許第２，６４１，６２０号によるアバランシェ光検出器に見ることができるが、これらにおいては、２つの層－コンタクト層および増倍層（multiplication layer）－を備えるアバランシェ増幅部、ならびに光変換部の両方が同じウエハ上に位置しており、光変換部のエリアは増幅部のエリアよりも大きい。
ロシア特許第２，６４１，６２０号によるＡＰＤでは、増倍層は、信号光変換部と同じ導電性タイプを有する半導体材料で作製され、ウエハに面し、自律的な光変換部と直接接合しており、このことにより、光変換部からアバランシェ増幅部へ外部電気回路を介して移動中の光キャリアが引き起こす過剰な暗騒音を低減することが可能になる（米国特許第９，０３５，４１０号を参照）。
従来技術の欠点
主要な欠点は、増倍層を光変換部から独立させることによって、光変換部層内で生成される光キャリアの増倍層への到達が妨げられ、この結果、増倍された光信号の損失が生じることである。この結果、光検出器の基本パラメータである閾値感度が低下する。
主要な欠点は、増倍層を光変換部から独立させることによって、光変換部層内で生成される光キャリアの増倍層への到達が妨げられ、この結果、増倍された光信号の損失が生じることである。この結果、光検出器の基本パラメータである閾値感度が低下する。
本開示の目的は、光変換部からアバランシェ増幅部への光キャリアの移動の効率の悪さによって制限されない、高い閾値感度を有するアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）を作り出すことである。更に、提案されるＡＰＤでは、同じＡＰＤにおいて複数のアバランシェ増幅部が使用される場合に、隣接するアバランシェ増幅部からの暗電流および干渉ノイズがいずれもより小さくなる。
これらの問題を全て解決することによって、その基本パラメータであるＡＰＤの閾値感度を改善することが可能になるであろう。
特許請求される発明は、アバランシェ光検出器（ＡＰＤ）およびこれを製造するための方法を含み、これらによって、導電性のウエハの全体にわたって増倍層を設置することで、光変換部からアバランシェ増幅部への光キャリアの移動をより効率的にすることが可能になる。少なくとも１つのアバランシェ増幅部のコンタクト層が、増倍層の特定のエリア内に形成される。このことにより、コンタクト層の外側の増倍層は光変換部として機能する。この結果、光変換部において生じた光キャリアは、妨げられることなくアバランシェ増幅部の増倍領域内に入ることになる。アバランシェ光検出器の第１の電極および第２の電極はそれぞれ、コンタクト層およびウエハ上に置かれる。
隣接するアバランシェ増幅部からの干渉ノイズ（隣接するアバランシェ増幅部内の高温の電荷キャリアからの光子の寄生光電子が増倍領域内に入るときに生じるノイズ）を抑制するために、アバランシェ増幅部のコンタクト層を包囲する、誘電性材料で充填される円形の溝が使用される。
隣接するウエハ領域からのＡＰＤの暗電流を低減するために、増倍層表面上に閉塞した溝がエッチング形成され、その深さは増倍層の厚さ以上であるが、ウエハと増倍層を組み合わせた合計厚さ未満であり、上記溝によって境界付けられている領域の内側に光検出部が形成される。溝には、増倍層と同じ導電性タイプの高濃度ドープされた多結晶シリコンが充填されている。
効率を高めるために、半導体ウエハは低抵抗材料で作製されるべきである。
ウエハおよび増倍層がいずれも同じ半導体材料で作製されているのが望ましい。
ウエハ表面上の増倍層はエピタキシ法を使用して作製することができ、コンタクト層は、反対の導電性を有する層を形成するドーパントで増倍層をドープすることによって作製することができる。
光変換部領域の周縁に沿った追加の溝の幅が２μｍ以下であることもまた望ましい。
アバランシェ増幅部のコンタクト層と第１の電極との間に、高抵抗層を設置することも可能である。
本発明の目的、特徴、および利点を、詳細な説明および付属の図面において更に指摘する。
本開示および添付の図面にわたって使用される参照マーキングは、数字１００（入射光）を除いて、３つの数字から成り、最初の数字は図番であり、最後の２つの数字は設計の特定の要素を標示している。
例えば、図２において、マーキング２０６は要素番号０６（以下のリストを参照）を指している。
設計の特定の要素を指すために、以下のマーキングが使用される：
０１－ ウエハ、
０２－ 増倍層、
０３－ 円形の溝、
０４－ 誘電体層、
０５－ 高濃度ドープされた多結晶シリコン層、
０６－ コンタクト層、
０７－ アバランシェ増幅部、
０８－ 光変換部、
０９－ 第１の電極、
１０－ 第２の電極、
１１－ 追加の閉塞した溝、
１２－ 高抵抗層。
０１－ ウエハ、
０２－ 増倍層、
０３－ 円形の溝、
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０７－ アバランシェ増幅部、
０８－ 光変換部、
０９－ 第１の電極、
１０－ 第２の電極、
１１－ 追加の閉塞した溝、
１２－ 高抵抗層。
図１は、半導体ウエハ１０１と、増倍層１０２であって、増倍層と同じ導電性タイプを有する半導体ウエハの表面全体を覆う、増倍層１０２と、誘電性材料で充填されている円形の溝１０３と、増倍層１０２表面を覆う誘電体層１０４と、増倍層の導電性とは反対の導電性を有する高濃度ドープされた多結晶シリコン層１０５の拡散によって作製されているコンタクト層１０６と、を備え、少なくとも１つのアバランシェ増幅部１０７およびアバランシェ増幅部の外側にある光変換部１０８が形成されており、更に、透明な材料で作製されコンタクト層１０６および誘電体層１０４の両方の表面上に位置している、第１の電極１０９と、半導体ウエハ１０１の底面上に形成されている第２の電極１１０と、を備える、第１の実施形態に係る特許請求されるＡＰＤの概略横方向断面図である。
図１に示すようなＡＰＤを製造するための方法は、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄ、図１Ｅ、図１Ｆによって更に示されており、以下の一連のステップを含む。
シリコンウエハ１０１上に、ウエハと同じ導電性タイプの増倍層１０２を設置するステップ（図１Ａを参照）。
増倍層１０２表面上に、後から誘電性材料で充填される少なくとも１つの円形の溝１０３を形成するステップ（図１Ｂを参照）。
増倍層１０２表面上に誘電体層１０４を設置するステップ（図１Ｃを参照）。
円形の溝１０３によって境界付けられている誘電体層１０４の領域内に、後から増倍層の導電性とは反対の導電性を有する高濃度ドープされた多結晶シリコン１０５で充填される、窓を作り出し、次いで、誘電体層１０４の窓を充填している高濃度ドープされた多結晶シリコン１０５からの拡散によってコンタクト層１０６を作り出し、この結果、少なくとも１つのアバランシェ増倍部１０７、およびアバランシェ増倍部の外側に位置している光変換部１０８を形成することによって、増倍層に１つまたは複数のアバランシェ増倍部１０７領域を形成するステップ（図１Ｄを参照）。
コンタクト層１０６および誘電体層１０４の両方の上に、透明な導電性材料で作製されている第１の電極１０９を形成するステップ（図１Ｅを参照）。
半導体ウエハ１０１上に、第２の電極１１０を形成するステップ（図１Ｆを参照）。
図１に係る例示的なＡＰＤを、１０18ｃｍ-3よりも高いドーパント濃度を有するｐ＋型のシリコンウエハ１０１上に、１０15～１０17ｃｍ-3のドーパント濃度を有するｐ型シリコンで作製されている、５～７μｍの幅を有する増倍層１０２を、エピタキシによって形成することを含む方法を使用して、製造することができる。増倍層の上には、フォトリソグラフィおよびプラズマエッチングの方法を使用して、直径１．０～２．０μｍ、深さ１．５～２．０μｍ、幅０．４～０．５μｍの円形の溝１０３が形成され、その後この溝は誘電性材料によって充填される。増倍層１０２表面上に、熱化学蒸着の方法を使用して約１．０～１．５μｍの厚さを有する誘電体層１０４が設置され、円形の溝１０３が配置されるこの層１０４には、フォトリソグラフィおよびプラズマエッチングの方法を使用して窓が作り出され、その後この窓は、熱化学蒸着の方法を使用して、増倍層の導電性とは反対の導電性および少なくとも１０19ｃｍ-3のドーパント濃度を有する、高濃度ドープされた多結晶シリコン１０５で充填される。増倍層には、高濃度ドープされた多結晶シリコン１０５からのドーパントを円形の溝１０３の侵入深さ未満の侵入深さで拡散させることでコンタクト層１０６を作り出すことによって、１つまたは複数のアバランシェ増幅部１０７領域が形成される。同時に、アバランシェ増幅部の外側に光変換部層１０８が形成される。ＩＴＯまたはＡＺＯタイプの透明な材料で作製されている第１の電極１０９が、コンタクト層１０６および誘電体層１０４の両方の上に形成され、一方で、約０．５～１．０μｍの厚さを有するアルミニウム箔である第２の電極１１０が、半導体ウエハ１０１の底面上に形成される。
図１に示すようなＡＰＤは以下のように動作する。
電極１１０と対照的に、電極１０９には、アバランシェ増幅部１０７の増倍層１０２において衝突電離をトリガして自由電荷キャリアを増倍させるのに十分な正電圧が印加される。
光変換部１０８表面上に差す入射光１００は吸収され、自由電荷キャリア、すなわち電子および電子正孔が生成される。光変換部１０８において光が誘起した自由電子（光電子）は、一方がアバランシェ増幅部１０７から浸出し、他方が光変換部における第１の電極１０９によって誘起される、電界の重ね合わせによって駆動されて、アバランシェ増倍層１０２に向かってドリフトし、そこで増倍され、ＡＰＤの出力信号を生成し、このとき正孔はウエハ１０１内へと進む。光変換部１０４の非空乏化エリア内で光が誘起した光電子は、光変換部内の自由電子の濃度勾配が引き起こす拡散によって、光変換部の空乏エリア内に集められる。
図２は、半導体ウエハ２０１と、増倍層２０２であって、増倍層と同じ導電性タイプを有する半導体ウエハの表面全体を覆う、増倍層２０２と、誘電性材料で充填されている円形の溝２０３と、増倍層２０２表面を覆う誘電体層２０４と、増倍層の導電性とは反対の導電性を有する高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５の拡散によって作製されているコンタクト層２０６と、を備え、少なくとも１つのアバランシェ増幅部２０７およびアバランシェ増幅部の外側にある光変換部２０８が形成されており、更に、幅が１．５μｍから２．０μｍ、深さが増倍層の厚さ以上であるが、ウエハと増倍層を組み合わせた合計厚さ未満であり、増倍層と同じ導電性タイプの高濃度ドープされた多結晶シリコンで充填されている、追加の閉塞した溝２１１であって、上記溝によって境界付けられている領域の内側にはアバランシェ増幅部２０７および光変換部２０８が位置している、追加の閉塞した溝２１１と、アバランシェ増幅部２０７領域内のコンタクト層２０６上に形成されている高抵抗層２１２と、高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５、高抵抗層２１２、および誘電体層２０４の表面上に形成されている、透明電極２０９と、半導体ウエハ２０１の底面上に形成されている第２の電極２１０と、を備える、第２の実施形態に係る特許請求されるＡＰＤの概略横方向断面図である。
図２に示すようなＡＰＤを製造するための方法は、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、図２Ｈによって更に示されており、以下の一連のステップを含む。
シリコンウエハ２０１上に、ウエハと同じ導電性タイプの増倍層２０２を設置するステップ（図２Ａを参照）。
増倍層２０２およびウエハ２０１に、後から増倍層と同じ導電性タイプの高濃度ドープされた多結晶シリコンで充填される、追加の閉塞した溝２１１をエッチング形成し、このことによって上記溝によって境界付けられている領域の内側に光検出部が形成されるステップ（図２Ｂを参照）。
アバランシェ増幅部２０７が配置される増倍層表面上に、後から誘電性材料で充填される少なくとも１つの円形の溝２０３を形成するステップ（図２Ｃを参照）。
増倍層２０２表面上に誘電体層２０４を設置するステップ（図２Ｄを参照）。
誘電体層２０４において、増倍層の上の円形の溝２０３の境界内に、後から増倍層の導電性とは反対の導電性を有する高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５で充填される、窓を作り出し、少なくとも１つのアバランシェ増幅部２０７およびアバランシェ増幅部の外側にある光変換部２０８が形成されるように、高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５からのドーパントを拡散させることでコンタクト層２０６を作り出すことによって、増倍層２０２に、少なくとも１つのアバランシェ増幅部２０７領域を形成するステップ（図２Ｅを参照）。
高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５上に高抵抗層２１２を設置するステップ（図２Ｆを参照）。
高抵抗層２１２および誘電体層２０４の上に、透明な導電性材料で作製されている第１の電極２０９を形成するステップ（図２Ｇを参照）。
半導体ウエハ２０１の底面上に、第２の電極２１０を形成するステップ（図２Ｈを参照）。
図２に係る例示的なＡＰＤを、１０18ｃｍ-3よりも高いドーパント濃度を有するｐ＋型のシリコンウエハ２０１上に、１０15～１０17ｃｍ-3のドーパント濃度を有するｐ型シリコンで作製されている５～７μｍの幅を有する増倍層２０２を、エピタキシによって接合することを含む方法を使用して、製造することができる。次いで、増倍層２０２表面上に、幅が１．５μｍ～２．０μｍ、深さが増倍層の厚さ以上であるが、ウエハと増倍層を組み合わせた合計厚さ未満である、追加の閉塞した溝２１１がエッチング形成され、上記溝によって境界付けられている領域の内側に光検出部を形成できるように、増倍層２０２と同じ導電性タイプの高濃度ドープされた多結晶シリコンで充填される。増倍層の上には、フォトリソグラフィおよびプラズマエッチングの方法を使用して、直径１．０～２．０μｍ、深さ１．５～２．０μｍ、幅０．４～０．５μｍの円形の溝２０３が形成され、その後この溝は誘電性材料によって充填される。増倍層２０２表面上に、熱化学蒸着の方法を使用して約１．０～１．５μｍの厚さを有する誘電体層２０４が設置され、円形の溝２０３が配置されるこの層２０４には、フォトリソグラフィおよびプラズマエッチングの方法を使用して窓が作り出され、その後この窓は、熱化学蒸着の方法を使用して、増倍層の導電性とは反対の導電性および少なくとも１０19ｃｍ-3のドーパント濃度を有する、高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５で充填される。増倍層には、高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５からのドーパントを円形の溝２０３の侵入深さ未満の侵入深さで拡散させることでコンタクト層２０６を作り出すことによって、１つまたは複数のアバランシェ増幅部２０７領域が形成される。同時に、アバランシェ増幅部の外側に光変換部層２０８が形成される。高抵抗多結晶シリコンで作製されている高抵抗層２１２は、高濃度ドープされた多結晶シリコン２０５上に形成されている。ＩＴＯまたはＡＺＯタイプの透明な導電性材料で作製されている第１の電極２０９が、高抵抗層２１２および誘電体層２０４の両方の上に形成され、一方で、約０．５～１．０μｍの厚さを有するアルミニウム箔である第２の電極２１０が、半導体ウエハ２０１の底面上に形成される。
図２に示すような第２の実施形態に係る、すなわち増倍層の縁部に沿って延びる溝を有するＡＰＤは、これにより、隣接する領域からアバランシェ増幅部内に入る寄生電荷キャリアの流入－光の有無に依らず（both dark and light）－を抑制できることを特徴とする。そのような寄生電流を効果的に抑制するために、深さが増倍層の厚さよりも大きいがウエハと増倍層を組み合わせた合計厚さ未満であるこの溝は、増倍層と同じ導電性タイプの高濃度ドープされた多結晶シリコンで充填されることになる。それ以外の点では、このＡＰＤ実施形態は図１が示すものと同じように機能する。
Claims (10)
- アバランシェ光検出器を製造するための方法であって、以下のステップ：
－ 半導体ウエハの頂面全体に、前記半導体ウエハよりも低いドーパント濃度を有するエピタキシャル層を形成するステップと、
－ 前記エピタキシャル層の頂面の一部の領域内に少なくとも１つのアバランシェ増幅部を形成するステップであって、前記エピタキシャル層の前記領域の境界に沿って円形の溝をその深さが前記エピタキシャル層の厚さ未満になるようにエッチング形成し、次いで前記溝を誘電性材料によって充填し、前記少なくとも１つのアバランシェ増幅部のコンタクト層を前記溝によって境界付けられている前記領域の内側に設置し、この結果前記溝によって境界付けられている前記領域の外側に光変換部層を形成することによって達成される、形成するステップと、
－ 前記光変換部の頂面上に誘電体層を設置するステップと、
－ 前記コンタクト層および誘電体層の両方の表面上に、透明な材料で作製されている第１の電極を設置するステップと、
－ 前記半導体ウエハの底面上に第２の電極を形成するステップと、を含む、方法。 - アバランシェ光検出器を製造するための方法であって、以下のステップ：
－ 半導体ウエハの頂面全体に、前記半導体ウエハよりも低いドーパント濃度を有するエピタキシャル層を形成するステップと、
－ 前記エピタキシャル層の頂面上に追加の閉塞した溝をエッチング形成するステップであって、その深さは前記エピタキシャル層の厚さ以上であるが、前記ウエハとエピタキシャル層を組み合わせた合計厚さ未満であり、前記溝によって境界付けられている領域の内側に光検出部が形成される、エッチング形成するステップと、
－ 前記追加の閉塞した溝を前記エピタキシャル層と同じ導電性タイプの高濃度ドープされた多結晶シリコンで充填するステップと、
－ 前記追加の閉塞した溝によって境界付けられている前記エピタキシャル層の前記頂面の一部の領域内に少なくとも１つのアバランシェ増幅部を形成するステップであって、前記エピタキシャル層の前記領域の境界に沿って円形の溝をその深さが前記エピタキシャル層の厚さ未満になるようにエッチング形成し、次いで前記溝を誘電性材料によって充填し、前記少なくとも１つのアバランシェ増幅部のコンタクト層を前記溝によって境界付けられている前記領域の内側に設置し、この結果前記溝によって境界付けられている前記領域の外側に光変換部層を形成することによって達成される、形成するステップと、
－ 前記光変換部の頂面上に誘電体層を設置するステップと、
－ 前記コンタクト層および誘電体層の両方の表面上に、透明な材料で作製されている第１の電極を設置するステップと、
－ 前記半導体ウエハの底面上に第２の電極を形成するステップと、を含む、方法。 - 前記エピタキシャル層は前記ウエハ表面上にエピタキシ法を使用して形成される、請求項１～２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ウエハおよび前記エピタキシャル層はいずれも同じ半導体材料で作製されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記コンタクト層は、反対の導電性を有する層を形成するドーパントで前記エピタキシャル層をドープすることによって作製される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記追加の閉塞した溝は１．５μｍ～２．０μｍの幅を有する、請求項２に記載の方法。
- 前記第１の電極が設置される前に、高抵抗層が前記アバランシェ増幅部の前記コンタクト層上に設置される、請求項２～６のいずれか１項に記載の方法。
- アバランシェ光検出器であって、
－ 半導体ウエハと、
－ 前記半導体ウエハの頂面全体を覆う、前記半導体ウエハよりも低いドーパント濃度を有するエピタキシャル層と、
－ 深さが前記エピタキシャル層の厚さ未満である誘電体を充填した円形の溝によって境界付けられている、前記エピタキシャル層の一部上に設置されているコンタクト層であって、少なくとも１つのアバランシェ増幅部および前記溝の外側の光変換部を形成している、コンタクト層と、
－ 前記光変換部の頂面を覆う誘電体層と、
－ 前記コンタクト層および誘電体層の両方の表面を覆う第１の透明電極と、
－ 前記半導体ウエハの底面上に形成されている第２の電極と、を備える、アバランシェ光検出器。 - アバランシェ光検出器であって、
－ 半導体ウエハと、
－ 前記半導体ウエハの表面全体を覆う、前記半導体ウエハよりも低いドーパント濃度を有するエピタキシャル層と、
－ 深さが前記エピタキシャル層の厚さ未満である誘電体を充填した円形の溝によって境界付けられている、前記エピタキシャル層の一部上に設置されているコンタクト層であって、少なくとも１つのアバランシェ増幅部および前記溝の外側の光変換部を形成している、コンタクト層と、
－ 前記光変換部の頂面を覆う誘電体層と、
－ 前記コンタクト層および誘電体層の両方の表面を覆う第１の透明電極と、
－ 深さが前記エピタキシャル層の厚さ以上であるが、前記ウエハとエピタキシャル層を組み合わせた合計厚さ未満であり、前記エピタキシャル層と同じ導電性タイプの高濃度ドープされた多結晶シリコンで充填されている、追加の閉塞した溝であって、前記溝によって境界付けられている領域の内側にアバランシェ増幅部および光変換部が位置している、追加の閉塞した溝と、
－ 前記コンタクト層と前記第１の電極との間に位置している高抵抗層と、
－ 前記半導体ウエハの底面上に形成されている第２の電極と、を備える、アバランシェ光検出器。 - 前記追加の閉塞した溝は１．５μｍ～２．０μｍの幅を有する、請求項９に記載のアバランシェ光検出器。
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