JPWO2017150616A1 - 半導体光検出素子 - Google Patents

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Abstract

半導体光検出素子ＳＰ１は、シリコン基板である半導体基板１を備えている。半導体基板１は、光入射面である第二主面１ｂと、第二主面１ｂに対向する第一主面１ａと、を有している。半導体基板１では、入射光に応じてキャリアが発生する。第二主面１ｂには、複数の凸部１０が形成されている。凸部１０は、半導体基板１の厚み方向に対して傾斜した斜面１０ａを有している。凸部１０では、斜面１０ａとして、半導体基板１の（１１１）面が露出している。凸部１０の高さは、２００ｎｍ以上である。

Description

本発明は、半導体光検出素子に関する。
光入射面と光入射面に対向する裏面とを有していると共に、入射光に応じてキャリアが発生するシリコン基板を備えている半導体光検出素子が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
浜松ホトニクス株式会社「光半導体素子ハンドブック」２０１３年１１月６日改訂版発行 ５章 １．ＣＣＤイメージセンサ １−１構造、動作原理 ｐ．１０７−１０８
非特許文献１に記載された半導体光検出素子では、紫外の波長帯域での分光感度特性に改善の余地がある。
本発明の一態様は、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている半導体光検出素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、半導体光検出素子であって、光入射面と前記光入射面に対向する裏面とを有していると共に、入射光に応じてキャリアが発生するシリコン基板を備えている。光入射面には、シリコン基板の厚み方向に対して傾斜した斜面を有する複数の凸部が形成されている。凸部では、斜面として、シリコン基板の（１１１）面が露出している。凸部の高さが、２００ｎｍ以上である。
本一態様に係る半導体光検出素子では、光入射面に形成されている複数の凸部が、シリコン基板の厚み方向に対して傾斜した斜面を有している。光が光入射面からシリコン基板に入射する場合、一部の光は、半導体光検出素子の光入射面側で反射する。斜面が、シリコン基板の厚み方向に対して傾斜している。このため、たとえば、一つの凸部の斜面側で反射した光は、当該一つの凸部に近接する凸部の斜面側に向けられ、近接する凸部の斜面からシリコン基板に入射する。
凸部では、斜面として、シリコン基板の（１１１）面が露出しているので、斜面からシリコン基板に入射する光は、シリコン基板に取り込まれ易い。凸部の高さが２００ｎｍ以上であるので、斜面の表面積が大きい。このため、斜面に入射する光がシリコン基板に多く取り込まれる。
紫外の波長領域の光は、シリコンによる吸収係数が大きいため、シリコン基板における光入射面に近い領域で吸収される。本一態様に係る半導体光検出素子では、シリコン基板に形成されている凸部において、シリコン基板の（１１１）面が露出しているので、光入射面に近い領域での光の吸収が阻害されることはない。
以上の理由により、本一態様に係る半導体光検出素子では、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られる。
シリコン基板の裏面側には、シリコン基板と異なる導電型を有する半導体領域が設けられていてもよく、シリコン基板の光入射面側には、アキュムレーション層が設けられていてもよい。この場合、凸部の斜面は、アキュムレーション層の表面に含まれている。本形態では、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている、裏面入射型の半導体光検出素子が実現される。アキュムレーション層によって、光入射面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流が低減される。アキュムレーション層は、シリコン基板の光入射面付近で光により発生したキャリアが該光入射面でトラップされるのを抑制するので、光により発生したキャリアは、シリコン基板と半導体領域とで形成されるｐｎ接合へ効率的に移動する。この結果、本形態によれば、光検出感度の向上が図られる。
シリコン基板の光入射面側には、シリコン基板と異なる導電型を有する半導体領域が設けられていてもよい。この場合、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている、表面入射型の半導体光検出素子が実現される。
本一態様に係る半導体光検出素子は、光入射面上に配置されており、入射光を透過させる酸化物膜と、酸化物膜上に配置されており、入射光を透過させると共に所定の電位に接続される電極膜と、を更に備えていてもよい。酸化物膜に紫外光が入射すると、酸化物膜が帯電する現象（チャージアップ現象）が生じるおそれがある。チャージアップ現象が発生すると、紫外の波長帯域での分光感度特性が劣化する。本形態では、所定の電位に接続される電極膜が酸化物膜上に配置されているので、酸化物膜の帯電が抑制される。したがって、本形態では、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
電極膜が、グラフェンからなる膜であってもよい。この場合、紫外の波長帯域での透過特性の低下が抑制される。この結果、紫外の波長帯域での分光感度特性が、電極膜によって低下するのが抑制されている。
酸化物膜が、酸化シリコン膜であってもよい。この場合、酸化物膜が反射防止膜として機能する。したがって、光がシリコン基板により一層取り込まれ易く、紫外の波長帯域での分光感度特性がより一層向上する。
酸化物膜が、酸化アルミニウム膜であってもよい。この場合、酸化アルミニウム膜によって、所定の極性の固定電荷がシリコン基板の光入射面側に存在する。所定の極性の固定電荷が存在しているシリコン基板の光入射面側の領域は、アキュムレーション層として機能する。
本一態様に係る半導体光検出素子は、光入射面上に配置されており、入射光を透過させると共にホウ素を含む膜を更に備えていてもよい。この場合、半導体光検出素子では、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制される。
本発明の一態様によれば、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている半導体光検出素子を提供することができる。
図１は、第１実施形態に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図３は、第１実施形態に係る半導体光検出素子での光の走行を説明するための模式図である。 図４は、実施例１に係る半導体光検出素子を観察したＳＥＭ画像である。 図５は、実施例２に係る半導体光検出素子を観察したＳＥＭ画像である。 図６は、実施例１及び２並びに比較例１における、波長に対する量子効率の変化を示す線図である。 図７は、実施例１及び２並びに比較例１における、波長に対する量子効率の変化を示す線図である。 図８は、第２実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図９は、第３実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図１０は、第４実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図１１は、第５実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図１２は、第６実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図１３は、第７実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図１４は、第８実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図１５は、第９実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。 図１６は、第１０実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の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実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ１の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。図２は、第１実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ１は、図１に示されるように、裏面入射型の固体撮像素子である。半導体光検出素子ＳＰ１は、半導体基板ＳＳの裏面側が薄化されたＢＴ−ＣＣＤ（電荷結合素子）である。半導体基板ＳＳの薄化は、たとえば、エッチングにより実現される。エッチング液には、たとえば、水酸化カリウム溶液又はＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）が用いられる。
薄化された半導体基板ＳＳの中央領域には、凹部ＴＤが形成されている。凹部ＴＤの周囲には、厚い枠部が存在している。凹部ＴＤの側面は、底面ＢＦに対して鈍角を成して傾斜している。半導体基板ＳＳの薄化された中央領域は、光感応領域（撮像領域）である。この光感応領域に光Ｌが、たとえば、Ｚ軸の負方向に沿って入射する。半導体基板ＳＳの凹部ＴＤの底面ＢＦは、光入射面を構成している。枠部は、エッチングによって除去されていてもよい。この場合、全領域が薄化された裏面入射型の固体撮像素子が得られる。
半導体光検出素子ＳＰ１は、図２に示されるように、半導体基板ＳＳとしてのｐ型（第一導電型）の半導体基板１を備えている。半導体基板１は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第一主面１ａ及び第二主面１ｂを有している。半導体基板１は、面方位（１００）のシリコン基板である。半導体基板１では、入射光に応じてキャリアが発生する。第二主面１ｂが光入射面であり、第一主面１ａが光入射面の裏面である。半導体基板１の厚み方向は、Ｚ軸と平行な方向である。半導体基板１の中央領域における厚みは、たとえば、５〜３０μｍである。
半導体基板１の厚みは、画素ピッチＰ以下に設定されている。本実施形態では、画素ピッチＰは、たとえば、５〜４８μｍである。半導体基板１の厚みは、たとえば、５〜３０μｍである。本実施形態では、半導体光検出素子ＳＰ１として、２相クロック駆動される固体撮像素子が示されている。各転送電極の下には、電荷が一方向に確実に転送されるために、不純物濃度を異ならせた領域（不図示）が存在している。
Ｓｉを用いた場合、ｐ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、ｎ型不純物としてはＮ、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体の導電型であるｎ型とｐ型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。
半導体基板１の第一主面１ａ側には、電荷転送部としてのｎ型の半導体層（半導体領域）３が設けられている。半導体基板１と半導体層３との間にはｐｎ接合が形成されている。半導体基板１の第一主面１ａ上には、絶縁層７を介して、転送電極部としての複数の電荷転送電極５が配置されている。半導体基板１の第一主面１ａ側には、半導体層３を垂直ＣＣＤ毎に電気的に分離するアイソレーション領域（不図示）が形成されている。半導体層３の厚みは、たとえば、０．１〜１μｍである。
半導体基板１の第二主面１ｂには、複数の凸部１０が形成されている。本実施形態では、複数の凸部１０が、第二主面１ｂにおける光感応領域９に対応する領域全体に形成されている。各凸部１０は、略錐体形状を呈しており、半導体基板１の厚み方向に対して傾斜した斜面１０ａを有している。凸部１０は、たとえば、略四角錐形状を呈する。凸部１０の高さは、２００ｎｍ以上である。隣り合う二つの凸部１０の頂点の間隔は、たとえば、５００〜３０００ｎｍである。
凸部１０では、斜面１０ａとして、半導体基板１の（１１１）面が露出している。斜面１０ａは、光学的に露出している。斜面１０ａが光学的に露出しているとは、斜面１０ａが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、斜面１０ａ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
半導体光検出素子ＳＰ１では、半導体基板１の第二主面１ｂ側には、アキュムレーション層１１が設けられている。凸部１０の斜面１０ａは、アキュムレーション層１１の表面に含まれている。アキュムレーション層１１は、半導体基板１と同じ導電型（ｐ型）を有している。アキュムレーション層１１の不純物濃度は、半導体基板１の不純物濃度よりも大きい。
本実施形態では、アキュムレーション層１１は、半導体基板１内において第二主面１ｂ側からｐ型不純物をイオン注入又は拡散させることによって形成されている。アキュムレーション層１１は、ｐ型不純物をイオン注入又は拡散させた後に熱処理（アニール）することにより、活性化されている。アキュムレーション層１１の厚みは、たとえば、０．１〜１μｍである。
半導体光検出素子ＳＰ１は、第二主面１ｂ上に配置されている反射防止膜ＡＲ１を備えている。本実施形態では、反射防止膜ＡＲ１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。反射防止膜ＡＲ１は、入射光を透過させる酸化物膜である。反射防止膜ＡＲ１は、凸部１０の斜面１０ａを覆うように、斜面１０ａと接している。反射防止膜ＡＲ１の表面には、複数の凸部１０に対応する凹凸が形成されている。反射防止膜ＡＲ１の厚みは、たとえば、１〜２００ｎｍである。反射防止膜ＡＲ１は、たとえば、複数の凸部１０が形成されている領域全体を覆っている。
以上のように、本実施形態では、第二主面１ｂに形成されている複数の凸部１０が、斜面１０ａを有している。光Ｌが第二主面１ｂから半導体基板１に入射する場合、図３に示されるように、一部の光は、第二主面１ｂ側で反射する。斜面１０ａが半導体基板１の厚み方向に対して傾斜しているので、たとえば、一つの凸部１０の斜面１０ａ側で反射した光は、当該一つの凸部１０に近接する凸部１０の斜面１０ａ側に向けられ、近接する凸部１０の斜面１０ａから半導体基板１に入射する。第二主面１ｂ（斜面１０ａ）側で反射した光が、半導体基板１に再入射する。
凸部１０では、斜面１０ａとして、半導体基板１の（１１１）面が露出しているので、斜面１０ａから半導体基板１に入射する光は、半導体基板１に取り込まれ易い。凸部１０の高さが２００ｎｍ以上であるので、斜面１０ａの表面積が大きい。このため、斜面１０ａに入射する光が半導体基板１に多く取り込まれる。
紫外の波長領域の光は、シリコンによる吸収係数が大きいため、半導体基板１における第二主面１ｂ（斜面１０ａ）に近い領域で吸収される。半導体光検出素子ＳＰ１では、半導体基板１に形成されている凸部１０において、半導体基板１の（１１１）面が露出しているので、第二主面１ｂに近い領域での光の吸収が阻害されることはない。
これらの結果、半導体光検出素子ＳＰ１では、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。以下の理由により、半導体光検出素子ＳＰ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上も図られている。
斜面１０ａから半導体基板１内に入射した光Ｌ１は、図３にも示されるように、半導体基板１の厚み方向と交差する方向に進み、第一主面１ａに到達することがある。このとき、第一主面１ａに到達する光Ｌ１は、第一主面１ａに到達する角度によっては、第一主面１ａで全反射する。このため、半導体光検出素子ＳＰ１（半導体基板１）に入射した光の走行距離が長くなる。
半導体基板１に再入射した光Ｌ２は、半導体基板１の厚み方向と交差する方向に半導体基板１内を進む。このため、半導体光検出素子ＳＰ１（半導体基板１）に再入射した光Ｌ２の走行距離も長くなる。
半導体基板１内を進む光の走行距離が長くなると、光が吸収される距離も長くなる。このため、シリコンによる吸収係数が小さい近赤外の波長帯域の光であっても、半導体基板１で吸収されるので、半導体光検出素子ＳＰ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られる。
半導体光検出素子ＳＰ１では、半導体基板１の第二主面１ｂに、アキュムレーション層１１が設けられている。凸部１０の斜面１０ａは、アキュムレーション層１１の表面に含まれている。アキュムレーション層１１によって、第二主面１ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流が低減される。アキュムレーション層１１は、半導体基板１の第二主面１ｂ付近で光により発生したキャリアが第二主面１ｂでトラップされるのを抑制するので、光により発生したキャリアは、半導体基板１と半導体層３とで形成されるｐｎ接合へ効率的に移動する。この結果、半導体光検出素子ＳＰ１では、光検出感度の向上が図られている。
半導体光検出素子ＳＰ１は、酸化シリコン膜である反射防止膜ＡＲ１を備えている。このため、光が半導体基板１により一層取り込まれ易く、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性がより一層向上する。
本発明者らは、第１実施形態による分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
本発明者らは、上述した構成を備えた半導体光検出素子（実施例１及び２と称する）と、半導体基板の光入射面に凸部が形成されていない半導体光検出素子（比較例１と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例１及び２並びに比較例１は、凸部の形成の点を除いて、同じ構成を備えている。光感応領域のサイズは、０．５ｍｍφに設定されている。
実施例１（図４参照）では、凸部１０の高さは、１５７０ｎｍである。この値は、反射防止膜ＡＲ１の厚みを含んでいる。実施例２（図５参照）では、凸部１０の高さは、１１８０ｎｍである。この値も、反射防止膜ＡＲ１の厚みを含んでいる。図４及び図５の（ａ）は、半導体光検出素子の光入射面側の表面（反射防止膜ＡＲ１の表面）を、斜め４５°から観察したＳＥＭ画像である。図４及び図５の（ｂ）は、半導体光検出素子の端面を観察したＳＥＭ画像である。
実験結果が図６及び図７に示されている。図６及び図７において、実施例１の分光感度特性はＴ１で示され、実施例１の分光感度特性はＴ２で示され、比較例１の分光感度特性はＴ３で示されている。図６において、縦軸は量子効率（Ｑ．Ｅ．）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。図７では、真空紫外の波長帯域での分光感度特性が示されている。
図６及び図７から分かるように、実施例１及び２では、比較例１に比して、紫外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。実施例１及び２では、比較例１に比して、近赤外の波長帯域での分光感度も向上している。実施例１は、実施例２に比して、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性が向上している。
（第２実施形態）
図８を参照して、第２実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ２の構成を説明する。図８は、第２実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ２は、半導体基板１、複数の電荷転送電極５、及び電極膜ＥＬを備えている。半導体光検出素子ＳＰ２は、反射防止膜ＡＲ１の代わりに、電極膜ＥＬを備えている点で、半導体光検出素子ＳＰ１と相違する。
電極膜ＥＬは、半導体基板１上に配置されている。本実施形態では、電極膜ＥＬは、半導体基板１と接している。電極膜ＥＬは、半導体光検出素子ＳＰ２に入射する光を透過させると共に、所定の電位（たとえば、グラウンド電位又は負の電位）に接続される。電極膜ＥＬは、たとえば、被測定光に対して透明な電極膜（以下、単に「透明電極膜」と称する場合がある）である。透明電極膜の材料としては、たとえば、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、グラフェン、及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が挙げられる。透明電極膜は、極めて薄い金属膜であってもよい。この金属膜の材料としては、たとえば、ＴｉＰｔが挙げられる。電極膜ＥＬの表面には、半導体基板１と同様に、複数の凸部１０に対応する凹凸が形成されている。電極膜ＥＬの厚みは、たとえば、０．０００３〜３μｍである。電極膜ＥＬは、たとえば、複数の凸部１０が形成されている領域全体を覆っている。
半導体光検出素子ＳＰ２では、半導体光検出素子ＳＰ１と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。
反射防止膜ＡＲ１に紫外光が入射すると、反射防止膜ＡＲ１が酸化シリコン膜、すなわち酸化物膜であるため、反射防止膜ＡＲ１が帯電する現象（チャージアップ現象）が生じるおそれがある。反射防止膜ＡＲ１にチャージアップ現象が発生すると、以下の理由により、紫外の波長帯域での分光感度特性が劣化する。
酸化シリコン膜などの酸化物膜には、一般に、正極性の電荷が帯電している。紫外光が酸化物膜に照射されると、酸化物膜の電荷量が増加する。アキュムレーション層１１がｐ型の半導体層である場合、正極性に帯電された不純物原子であるアクセプタが、アキュムレーション層１１に存在している。酸化物膜に帯電された正極性の電荷により、アキュムレーション層１１内に存在する、正極性に荷電された正孔が斥けられる。このため、アキュムレーション層１１によって半導体基板１内に形成されるポテンシャルスロープは、第二主面１ｂ近傍で紫外光の入射面側に曲げられる。入射した紫外光は、半導体基板１の表面近傍で光電反応を発生する。光電反応により生じた電子は、電荷転送が行われる第一主面１ａ側に導かれず、第二主面１ｂ側に導かれる。第二主面１ｂ側に導かれた電子は、再結合により消滅するので、信号出力としては取り出されない。この結果、紫外の波長帯域での感度が低下する。
これに対し、半導体光検出素子ＳＰ２では、反射防止膜ＡＲ１が存在しないので、反射防止膜ＡＲ１の帯電により発生する、紫外の波長帯域での感度の低下が抑制される。また、半導体基板１の表面に位置する電極膜ＥＬにより、半導体基板１の表面の電位は常に一定に保たれる。したがって、半導体光検出素子ＳＰ２では、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。電極膜ＥＬによる上記作用・効果は、凸部１０が形成されていない半導体光検出素子であっても得られる。
（第３実施形態）
図９を参照して、第３実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ３の構成を説明する。図９は、第３実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ３は、半導体基板１、複数の電荷転送電極５、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜１３、及び電極膜ＥＬを備えている。半導体光検出素子ＳＰ２は、酸化アルミニウム膜１３を備えている点で、半導体光検出素子ＳＰ２と相違する。
酸化アルミニウム膜１３は、第二主面１ｂ上に配置されている。酸化アルミニウム膜１３は、入射光を透過させる酸化物膜である。酸化アルミニウム膜１３の厚みは、たとえば、０．０００３〜３μｍである。酸化アルミニウム膜１３の表面には、複数の凸部１０に対応する凹凸が形成されている。酸化アルミニウム膜１３は、たとえば、複数の凸部１０が形成されている領域全体を覆っている。
酸化アルミニウム膜１３は、負極性に帯電している。半導体基板１の導電型がｐ型であるため、酸化アルミニウム膜１３によって、所定の固定電荷（正極性の固定電荷）が半導体基板１の第二主面１ｂ側に存在する。正極性の固定電荷が存在している半導体基板１の第二主面１ｂ側の領域は、アキュムレーション層として機能する。したがって、半導体光検出素子ＳＰ３では、半導体基板１にアキュムレーション層１１は設けられていない。
酸化アルミニウム膜１３は、酸化シリコン膜を介して第二主面１ｂ上に配置されていてもよい。この場合でも、酸化アルミニウム膜１３によって、正極性の固定電荷が半導体基板１の第二主面１ｂ側に存在する。
電極膜ＥＬは、酸化アルミニウム膜１３上に配置されている。電極膜ＥＬは、酸化アルミニウム膜１３と接している。本実施形態でも、電極膜ＥＬは、たとえば、被測定光に対して透明な電極膜である。透明電極膜の材料としては、たとえば、ＩＴＯ、グラフェン、及びＣＮＴが挙げられる。透明電極膜は、極めて薄い金属膜であってもよい。この金属膜の材料としては、たとえば、ＴｉＰｔが挙げられる。電極膜ＥＬは、所定の電位（たとえば、グラウンド電位又は負の電位）に接続される。電極膜ＥＬの厚みは、たとえば、０．０００３〜３μｍである。電極膜ＥＬは、たとえば、酸化アルミニウム膜１３全体を覆っている。
半導体光検出素子ＳＰ３でも、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。半導体光検出素子ＳＰ３では、半導体基板１にアキュムレーション層１１が設けられる必要がないので、半導体光検出素子ＳＰ３の製造過程の簡素化が図られる。
酸化アルミニウム膜１３に紫外光が入射すると、反射防止膜ＡＲ１と同様に、酸化アルミニウム膜１３が帯電する。この場合、酸化アルミニウム膜１３の帯電状態は、負極性から電気的に中和な状態へと移行する。半導体光検出素子ＳＰ３では、所定の電位に接続される電極膜ＥＬが酸化アルミニウム膜１３上に配置されているので、酸化アルミニウム膜１３の帯電が抑制される。したがって、半導体光検出素子ＳＰ３でも、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。電極膜ＥＬによる上記作用・効果は、凸部１０が形成されていない半導体光検出素子であっても得られる。
電極膜ＥＬが、グラフェン又はＣＮＴからなる膜である場合、たとえばＩＴＯ膜に比して、紫外の波長帯域の光の透過率が高い、すなわち、紫外の波長帯域での透過特性の低下が抑制される。この結果、紫外の波長帯域での分光感度特性が、電極膜ＥＬによって低下することが抑制されている。
（第４実施形態）
図１０を参照して、第４実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ４の構成を説明する。図１０は、第４実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ４は、半導体基板１、複数の電荷転送電極５、反射防止膜ＡＲ１、及び電極膜ＥＬを備えている。半導体光検出素子ＳＰ４は、半導体基板１にアキュムレーション層１１が設けられていない点で、半導体光検出素子ＳＰ２と相違する。
本実施形態でも、電極膜ＥＬは、たとえば、被測定光に対して透明な電極膜である。透明電極膜の材料としては、たとえば、ＩＴＯ、グラフェン、及びＣＮＴが挙げられる。透明電極膜は、極めて薄い金属膜であってもよい。この金属膜の材料としては、たとえば、ＴｉＰｔが挙げられる。電極膜ＥＬは、所定の電位（たとえば、負の電位）に接続される。電極膜ＥＬは、反射防止膜ＡＲ１（酸化シリコン膜）を介して、第二主面１ｂ上に配置されている。電極膜ＥＬは、反射防止膜ＡＲ１と接している。電極膜ＥＬの厚みは、たとえば、０．０００３〜３μｍである。電極膜ＥＬは、たとえば、反射防止膜ＡＲ１全体を覆っている。
電極膜ＥＬは、負の電位に接続される。半導体基板１の導電型がｐ型であるため、電極膜ＥＬによって、所定の固定電荷（正極性の固定電荷）が半導体基板１の第二主面１ｂ側に存在する。正極性の固定電荷が存在している半導体基板１の第二主面１ｂ側の領域は、アキュムレーション層として機能する。
半導体光検出素子ＳＰ４でも、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。半導体光検出素子ＳＰ４でも、半導体基板１にアキュムレーション層１１が設けられる必要がないので、半導体光検出素子ＳＰ４の製造過程の簡素化が図られる。
半導体光検出素子ＳＰ４では、負の電位に接続される電極膜ＥＬが反射防止膜ＡＲ１上に配置されているので、反射防止膜ＡＲ１の帯電の有無に関わらず、半導体基板１内にはポテンシャルスロープが一定に形成される。したがって、半導体光検出素子ＳＰ４では、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
（第５実施形態）
図１１を参照して、第５実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ５の構成を説明する。図１１は、第５実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ５は、図１１に示されるように、表面入射型のフォトダイオードである。半導体光検出素子ＳＰ５は、ｎ−型の半導体基板２１を備えている。半導体基板２１は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第一主面２１ａ及び第二主面２１ｂを有している。半導体基板２１は、面方位（１００）のシリコン基板である。第一主面２１ａが光入射面であり、第二主面２１ｂが光入射面の裏面である。半導体基板２１の厚みは、たとえば、２００〜５００μｍである。半導体基板２１の厚み方向は、Ｚ軸と平行な方向である。
半導体基板２１の第一主面２１ａ側には、ｐ＋型の半導体領域２３とｎ＋型の半導体領域２５が設けられている。半導体基板２１と半導体領域２３との間にはｐｎ接合が形成されている。半導体領域２３の厚みは、たとえば、１．５〜３．０μｍである。本実施形態では、半導体領域２３は、半導体基板２１内において第一主面２１ａ側からｐ型不純物をイオン注入又は拡散させることによって形成されている。半導体領域２５は、半導体基板２１内において第一主面２１ａ側からｎ型不純物をイオン注入又は拡散させることによって形成されている。
導電型に付された「＋」は、高不純物濃度であることを示し、たとえば、不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上であることを示す。導電型に付された「−」は、低不純物濃度であることを示し、たとえば、不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であることを示す。
半導体基板２１の第一主面２１ａには、複数の凸部１０が形成されている。本実施形態では、複数の凸部１０が、第一主面２１ａにおける半導体領域２３に対応する領域全体に形成されている。凸部１０の斜面１０ａは、半導体領域２３の表面に含まれている。各凸部１０は、第１実施形態と同じく、略錐体形状を呈しており、半導体基板２１の厚み方向に対して傾斜した斜面１０ａを有している。凸部１０では、斜面１０ａとして、半導体基板２１の（１１１）面が露出している。凸部１０は、第一主面２１ａにおける半導体領域２３に対応する領域以外にも形成されていてもよい。すなわち、凸部１０は、第一主面２１ａ全体に形成されていてもよい。
半導体基板２１の第一主面２１ａ上には、絶縁層２７が配置されている。絶縁層２７は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。すなわち、絶縁層２７は、入射光を透過させる酸化物膜である。絶縁層２７は、凸部１０の斜面１０ａを覆うように、斜面１０ａと接している。絶縁層２７の表面には、複数の凸部１０に対応する凹凸が形成されている。絶縁層２７の厚みは、たとえば、１〜２００ｎｍである。絶縁層２７は、反射防止膜として機能させてもよい。
半導体光検出素子ＳＰ５は、電極膜ＥＬを備えている。電極膜ＥＬは、絶縁層２７上に配置されている。電極膜ＥＬは、絶縁層２７と接している。本実施形態でも、電極膜ＥＬは、たとえば、被測定光に対して透明な電極膜である。透明電極膜の材料としては、たとえば、ＩＴＯ、グラフェン、及びＣＮＴが挙げられる。透明電極膜は、極めて薄い金属膜であってもよい。この金属膜の材料としては、たとえば、ＴｉＰｔが挙げられる。電極膜ＥＬは、電極３１を通して、所定の電位（たとえば、グラウンド電位又は負の電位）に接続される。電極３１は、電極膜ＥＬに電気的に接触かつ接続されている。電極膜ＥＬの厚みは、たとえば、０．０００３〜３μｍである。
半導体光検出素子ＳＰ５は、電極３３，３５を備えている。電極３３は、絶縁層２７に形成されたコンタクトホールＨ１を通して、半導体領域２３に電気的に接触且つ接続されている。電極３５は、絶縁層２７に形成されたコンタクトホールＨ２を通して、半導体領域２５に電気的に接触且つ接続されている。
半導体光検出素子ＳＰ５でも、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。
半導体光検出素子ＳＰ５では、グラウンド電位又は負の電位に接続される電極膜ＥＬ（透明電極膜）が絶縁層２７上に配置されているので、絶縁層２７の帯電が抑制される。したがって、半導体光検出素子ＳＰ５では、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
電極膜ＥＬが、グラフェン又はＣＮＴからなる膜である場合、上述したように、紫外の波長帯域での透過特性の低下が抑制される。この結果、紫外の波長帯域での分光感度特性が、電極膜ＥＬによって低下することが抑制されている。
（第６実施形態）
図１２を参照して、第６実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ６の構成を説明する。図１２は、第６実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ６は、図１２に示されるように、裏面入射型のフォトダイオードである。半導体光検出素子ＳＰ６は、半導体基板２１、反射防止膜ＡＲ１（酸化シリコン膜）、及び電極膜ＥＬを備えている。第６実施形態でも、電極膜ＥＬは、たとえば、被測定光に対して透明な電極膜である。透明電極膜の材料としては、たとえば、ＩＴＯ、グラフェン、及びＣＮＴが挙げられる。透明電極膜は、極めて薄い金属膜であってもよい。この金属膜の材料としては、たとえば、ＴｉＰｔが挙げられる。第二主面２１ｂが光入射面であり、第一主面２１ａが光入射面の裏面である。半導体基板２１の厚みは、たとえば、１００〜２００μｍである。
半導体基板２１の第二主面２１ｂには、複数の凸部１０が形成されている。本実施形態では、複数の凸部１０が、第二主面２１ｂ全体に形成されている。各凸部１０は、第１実施形態と同じく、略錐体形状を呈しており、半導体基板２１の厚み方向に対して傾斜した斜面１０ａを有している。凸部１０では、斜面１０ａとして、半導体基板２１の（１１１）面が露出している。凸部１０は、第二主面２１ｂにおける半導体領域２３に対応する領域のみに形成されていてもよい。
反射防止膜ＡＲ１は、第二主面２１ｂ上に配置されている。本実施形態でも、反射防止膜ＡＲ１は、凸部１０の斜面１０ａを覆うように、斜面１０ａと接している。反射防止膜ＡＲ１の厚みは、たとえば、１〜２００μｍである。
電極膜ＥＬ（透明電極膜）は、所定の電位（たとえば、グラウンド電位又は負の電位）に接続される。電極膜ＥＬは、反射防止膜ＡＲ１（酸化シリコン膜）を介して、第二主面１ｂ上に配置されている。電極膜ＥＬの厚みは、たとえば、０．０００３〜３μｍである。
半導体光検出素子ＳＰ６でも、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。
半導体光検出素子ＳＰ６では、グラウンド電位又は負の電位に接続される電極膜ＥＬ（透明電極膜）が反射防止膜ＡＲ１上に配置されているので、反射防止膜ＡＲ１の帯電が抑制される。したがって、半導体光検出素子ＳＰ６では、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
電極膜ＥＬが、グラフェン又はＣＮＴからなる膜である場合、上述したように、紫外の波長帯域での透過特性の低下が抑制される。この結果、紫外の波長帯域での分光感度特性が、電極膜ＥＬによって低下することが抑制されている。
（第７実施形態）
図１３を参照して、第７実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ７の構成を説明する。図１３は、第７実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ７は、半導体基板１、複数の電荷転送電極５、及びホウ素を含む膜４０を備えている。半導体光検出素子ＳＰ７は、反射防止膜ＡＲ１の代わりに、膜４０を備えている点で、半導体光検出素子ＳＰ１と相違する。
膜４０は、第二主面１ｂ上に配置されており、入射光を透過させる。膜４０は、第二主面１ｂと接している。本実施形態では、膜４０は、ホウ素からなる膜である。膜４０は、凸部１０の斜面１０ａを覆うように、斜面１０ａと接している。膜４０の表面には、複数の凸部１０に対応する凹凸が形成されている。膜４０の厚みは、たとえば、１〜３０ｎｍである。膜４０は、たとえば、複数の凸部１０が形成されている領域全体を覆っている。
半導体光検出素子ＳＰ７では、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。
半導体光検出素子ＳＰ７では、第二主面１ｂ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
（第８実施形態）
図１４を参照して、第８実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ８の構成を説明する。図１４は、第８実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ８は、半導体基板１、複数の電荷転送電極５、ホウ素を含む膜４０、及び反射防止膜ＡＲ２を備えている。半導体光検出素子ＳＰ８は、反射防止膜ＡＲ２を備えている点で、半導体光検出素子ＳＰ７と相違する。
反射防止膜ＡＲ２は、膜４０上に配置されている。反射防止膜ＡＲ２は、膜４０と接している。本実施形態では、反射防止膜ＡＲ２は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜である。反射防止膜ＡＲ２は、入射光を透過させる酸化物膜である。反射防止膜ＡＲ２は、たとえば、膜４０全体を覆っている。本実施形態でも、膜４０は、ホウ素からなる膜である。反射防止膜ＡＲ２の厚みは、たとえば、０．０１〜１μｍである。
半導体光検出素子ＳＰ８では、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６，ＳＰ７と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。半導体光検出素子ＳＰ８は、反射防止膜ＡＲ２を備えているので、光が半導体基板１により一層取り込まれ易い。この結果、半導体光検出素子ＳＰ８では、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性がより一層向上する。
半導体光検出素子ＳＰ８では、半導体光検出素子ＳＰ７と同様に、第二主面１ｂ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
（第９実施形態）
図１５を参照して、第９実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ９の構成を説明する。図１５は、第９実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ９は、半導体光検出素子ＳＰ６と同様に、裏面入射型のフォトダイオードである。半導体光検出素子ＳＰ９は、半導体基板２１、ホウ素を含む膜４０、及び反射防止膜ＡＲ２（酸化アルミニウム膜）を備えている。半導体光検出素子ＳＰ９は、膜４０及び反射防止膜ＡＲ２を備えている点で、半導体光検出素子ＳＰ６と相違する。
膜４０は、第二主面２１ｂ上に配置されている。膜４０は、凸部１０の斜面１０ａを覆うように、斜面１０ａと接している。膜４０は、第二主面２１ｂと接している。膜４０の厚みは、たとえば、１〜３０ｎｍである。本実施形態でも、膜４０は、ホウ素からなる膜である。膜４０は、たとえば、複数の凸部１０が形成されている領域全体を覆っている。
反射防止膜ＡＲ２は、膜４０を介して、第二主面１ｂ上に配置されている。反射防止膜ＡＲ２は、膜４０と接している。反射防止膜ＡＲ２の厚みは、たとえば、０．０１〜１μｍである。
半導体光検出素子ＳＰ９でも、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６，ＳＰ７，ＳＰ８と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。半導体光検出素子ＳＰ８は、反射防止膜ＡＲ２を備えているので、上述したように、半導体光検出素子ＳＰ８では、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性がより一層向上する。
半導体光検出素子ＳＰ９でも、半導体光検出素子ＳＰ７，ＳＰ８と同様に、第二主面２１ｂ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
（第１０実施形態）
図１６を参照して、第１０実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ１０の構成を説明する。図１６は、第１０実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
半導体光検出素子ＳＰ１０は、半導体光検出素子ＳＰ５と同様に、表面入射型のフォトダイオードである。半導体光検出素子ＳＰ１０は、半導体基板２１、ホウ素を含む膜４０、及び反射防止膜ＡＲ２（酸化アルミニウム膜）を備えている。半導体光検出素子ＳＰ９は、膜４０及び反射防止膜ＡＲ２を備えている点で、半導体光検出素子ＳＰ５と相違する。
膜４０は、第二主面２１ｂ上に配置されている。膜４０は、半導体光検出素子ＳＰ９と同様に、凸部１０の斜面１０ａを覆うように、斜面１０ａと接している。膜４０の厚みは、たとえば、１〜３０ｎｍである。本実施形態でも、膜４０は、ホウ素からなる膜である。
反射防止膜ＡＲ２は、半導体光検出素子ＳＰ９と同様に、膜４０を介して、第二主面１ｂ上に配置されている。反射防止膜ＡＲ２の厚みは、たとえば、０．０１〜１μｍである。本実施形態では、半導体光検出素子ＳＰ５と異なり、複数の凸部１０が形成されている領域は、絶縁層２７から露出している。すなわち、絶縁層２７は、複数の凸部１０が形成されている領域を覆っていない。絶縁層２７は、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。
半導体光検出素子ＳＰ１０でも、半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６，ＳＰ７，ＳＰ８，ＳＰ９と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。半導体光検出素子ＳＰ１０は、反射防止膜ＡＲ２を備えているので、上述したように、半導体光検出素子ＳＰ１０では、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性がより一層向上する。
半導体光検出素子ＳＰ１０でも、半導体光検出素子ＳＰ７，ＳＰ８，ＳＰ９と同様に、第二主面２１ｂ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
以上、本発明の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。
本発明は、シリコン基板を備える半導体光検出素子に利用することができる。
１，２１…半導体基板、１ａ，２１ａ…第一主面、１ｂ，２１ｂ…第二主面、３…半導体層、１０…凸部、１０ａ…斜面、１１…アキュムレーション層、１３…酸化アルミニウム膜、２３…半導体領域、２７…絶縁層（酸化シリコン膜）、４０…ホウ素を含む膜、ＡＲ１…反射防止膜（酸化シリコン膜）、ＥＬ…電極膜、Ｌ…光、ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ６，ＳＰ７，ＳＰ８，ＳＰ９，ＳＰ１０…半導体光検出素子。

Claims (8)

  1. 半導体光検出素子であって、
    光入射面と前記光入射面に対向する裏面とを有していると共に、入射光に応じてキャリアが発生するシリコン基板を備え、
    前記光入射面には、前記シリコン基板の厚み方向に対して傾斜した斜面を有する複数の凸部が形成されており、
    前記凸部では、前記斜面として、前記シリコン基板の（１１１）面が露出し、
    前記凸部の高さが、２００ｎｍ以上である。
  2. 請求項１に記載の半導体光検出素子であって、
    前記シリコン基板の前記裏面側には、前記シリコン基板と異なる導電型を有する半導体領域が設けられ、
    前記シリコン基板の前記光入射面側には、アキュムレーション層が設けられており、
    前記凸部の斜面が、前記アキュムレーション層の表面に含まれている。
  3. 請求項１に記載の半導体光検出素子であって、
    前記シリコン基板の前記光入射面側には、前記シリコン基板と異なる導電型を有する半導体領域が設けられている。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体光検出素子であって、
    前記光入射面上に配置されており、前記入射光を透過させる酸化物膜と、
    前記酸化物膜上に配置されており、前記入射光を透過させると共に所定の電位に接続される電極膜と、を更に備えている。
  5. 請求項４に記載の半導体光検出素子であって、
    前記電極膜が、グラフェンからなる膜である。
  6. 請求項４又は５に記載の半導体光検出素子であって、
    前記酸化物膜が、酸化シリコン膜である。
  7. 請求項４又は５に記載の半導体光検出素子であって、
    前記酸化物膜が、酸化アルミニウム膜である。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体光検出素子であって、
    前記光入射面上に配置されており、前記入射光を透過させると共にホウ素を含む膜を更に備えている。
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