KR20110131171A - 포토 다이오드 및 포토 다이오드 어레이 - Google Patents

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데루마사 나가노
요시타카 이시카와
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

p－형 반도체 기판(20)은 서로 대향하는 제1 주면(20a) 및 제2 주면(20b)을 가지고, 광 감응 영역(21)을 포함하고 있다. 광 감응 영역(21)은 n＋형 불순물 영역(23)과, p＋형 불순물 영역(25)과, p－형 반도체 기판(20)에 있어서 바이어스 전압을 인가했을 때에 공핍화하는 영역으로 이루어진다. p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b)에는 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b) 측에는 어큐뮬레이션층(37)이 형성되어 있고, 어큐뮬레이션층(37)에 있어서 광 감응 영역(21)에 대향하고 있는 영역은 광학적으로 노출되어 있다.

Description

포토 다이오드 및 포토 다이오드 어레이{PHOTODIODE AND PHOTODIODE ARRAY}
본 발명은 포토 다이오드 및 포토 다이오드 어레이에 관한 것이다.
근적외 파장 대역에 높은 분광 감도 특성을 가지는 포토 다이오드로서, 화합물 반도체를 이용한 포토 다이오드가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 기재된 포토 다이오드에서는 InGaAsN, InGaAsNSb, 및 InGaAsNP 중 어느 하나로 이루어진 제1 수광층과, 제1 수광층의 흡수단보다 장파장의 흡수단을 가지고, 양자 우물(quantum well) 구조로 이루어진 제2 수광층을 구비하고 있다.
[특허 문헌 1] 일본국 특개 2008-153311호 공보
그렇지만, 이와 같은 화합물 반도체를 이용한 포토 다이오드는 아직도 고가이고, 제조 공정도 복잡한 것이 되어 버렸다. 이 때문에, 염가이고 또한 제조가 용이한 실리콘 포토 다이오드로서, 근적외 파장 대역에 충분한 분광 감도를 가지고 있는 것의 실용화가 요구되고 있다. 실리콘 포토 다이오드는 일반적으로, 분광 감도 특성인 장파장 측에서의 한계는 1100nm 정도이지만, 1000nm 이상의 파장 대역에서의 분광 감도 특성은 충분한 것은 아니었다.
본 발명은 실리콘 포토 다이오드 및 실리콘 포토 다이오드 어레이로서, 근적외 파장 대역에 충분한 분광 감도 특성을 가지고 있는 포토 다이오드 및 포토 다이오드 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 포토 다이오드는 제1 도전형의 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가지는 실리콘 기판을 구비하고, 실리콘 기판의 제1 주면측에는 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역 간의 pn 접합에 의해서 구성된 애벌런치 포토 다이오드가 배치되고, 실리콘 기판의 제2 주면측에는 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층이 형성되고 있음과 아울러, 적어도 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고, 실리콘 기판의 제2 주면에 있어서 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 영역은 광학적으로 노출되어 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드에서는 제2 주면에 있어서 적어도 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있기 때문에, 포토 다이오드에 입사한 광은 해당 영역에서 반사, 산란, 또는 확산되어, 실리콘 기판 내를 긴 거리 진행한다. 이것에 의해, 포토 다이오드(실리콘 기판)에 입사한 광은 그 대부분이 실리콘 기판을 투과하는 일 없이, 실리콘 기판에서 흡수된다. 따라서 상기 포토 다이오드에서는 포토 다이오드에 입사한 광의 주행거리가 길어지고, 광이 흡수되는 거리도 길어지기 때문에, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다.
본 발명에서는 실리콘 기판의 제2 주면측에 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층이 형성되어 있다. 이 때문에, 제2 주면측에서 광에 의하지 않고 발생하는 불요 캐리어가 재결합되어, 암전류를 저감할 수 있다. 또, 제1 도전형의 상기 어큐뮬레이션층은 실리콘 기판의 제2 주면 부근에서 광에 의해 발생한 캐리어가 그 제 2주면에서 트랩되는 것을 억제한다. 이 때문에, 광에 의해 발생한 캐리어는 제2 도전형의 반도체 영역과 실리콘 기판의 pn 접합에 효율적으로 이동하여, 포토 다이오드의 광 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드는 제1 도전형의 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가짐과 아울러 제1 주면측에 제2 도전형의 반도체 영역이 형성된 실리콘 기판을 구비하고, 실리콘 기판에는 제2 주면측에 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 제2 주면에 있어서 적어도 제2 도전형의 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고, 실리콘 기판의 제2 주면에 있어서 제2 도전형의 반도체 영역에 대향하는 영역은 광학적으로 노출되어 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드에서는 상술한 바와 같이, 포토 다이오드에 입사한 광의 주행거리가 길어지고 광이 흡수되는 거리도 길어지기 때문에, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다. 실리콘 기판의 제2 주면측에 형성되는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층에 의해, 암전류를 저감할 수 있음과 아울러, 포토 다이오드의 광 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드에 있어서, 실리콘 기판은 제2 도전형의 반도체 영역에 대응하는 부분이 그 부분의 주변 부분을 남기고 제2 주면측으로부터 박화(薄化) 되어 있어도 좋다. 이 경우, 실리콘 기판의 제1 주면 및 제2 주면측을 각각 광 입사면으로 한 포토 다이오드를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드에 있어서, 제1 도전형의 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 상기 요철의 고저차(高低差)보다도 큰 것이 바람직하다. 이 경우 상술한 바와 같이, 어큐뮬레이션층에 의한 작용 효과를 확보할 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이는 제1 도전형의 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가지는 실리콘 기판을 구비하고, 실리콘 기판의 제1 주면측에는 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역 간의 pn 접합에 의해서 구성된 애벌런치 포토 다이오드가 복수 배치되고, 실리콘 기판의 제2 주면측에는 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 적어도 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고, 실리콘 기판의 제2 주면에 있어서 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 영역은 광학적으로 노출되어 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이에서는, 상술한 바와 같이, 포토 다이오드 어레이에 입사한 광의 주행거리가 길어지고, 광이 흡수되는 거리도 길어지기 때문에, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다. 실리콘 기판의 제2 주면측에 형성되는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층에 의해, 암전류를 저감할 수 있음과 아울러, 포토 다이오드 어레이의 광 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이에 있어서, 실리콘 기판은 애벌런치 포토 다이오드가 복수 배치되어 있는 부분이 그 부분의 주변 부분을 남기고 제2 주면측으로부터 박화되어 있어도 좋다. 이 경우, 실리콘 기판의 제1 주면 및 제2 주면측을 각각 광 입사면으로 한 포토 다이오드를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이에 있어서, 제1 도전형의 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 요철의 고저차보다도 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 어큐뮬레이션층에 의한 작용 효과를 확보할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실리콘 포토 다이오드 및 실리콘 포토 다이오드 어레이로서, 근적외 파장 대역에 충분한 분광 감도 특성을 가지고 있는 포토 다이오드 및 포토 다이오드 어레이를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의, 파장에 대한 분광 감도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의, 파장에 대한 온도 계수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 제2 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 제2 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 제2 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 제3 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 제3 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 제3 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 제3 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 제3 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 제4 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 제4 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 제4 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 실시예 2 및 비교예 2에 있어서, 파장에 대한 분광 감도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 27은 실시예 2 및 비교예 2에 있어서, 파장에 대한 분광 감도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 28은 제5 실시 형태의 변형예에 관한 포토 다이오드의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 제6 실시 형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 30은 제6 실시 형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 설명에서 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
(제1 실시 형태)
도 1 ~ 도 10을 참조하여, 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 1 ~ 도 10은 제1 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 실리콘(Si) 결정으로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면(1a) 및 제2 주면(1b)를 가지는 n-형 반도체 기판(1)을 준비한다(도 1 참조). n-형 반도체 기판(1)의 두께는 300㎛ 정도이며, 비저항은 1kΩ·cm 정도이다. 본 실시 형태에서는, 「고불순물 농도」란 예를 들면, 불순물 농도가 1×1017cm-3 정도 이상의 것으로서 「＋」를 도전형에 부여하여 나타낸다. 「저불순물 농도」란 예를 들면, 불순물 농도가 1×1015cm-3 정도 이하로서, 「-」를 도전형에 부여하여 나타낸다. n형 불순물로서는 안티몬(Sb)이나 비소(As) 등이 있고, p형 불순물로서는 붕소(B) 등이 있다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a) 측에, p＋형 반도체 영역(3) 및 n＋형 반도체 영역(5)을 형성한다(도 2 참조). p＋형 반도체 영역(3)은 중앙부가 개구된 마스크 등을 이용하여, n-형 반도체 기판(1) 내에서 제1 주면(1a) 측으로부터 p형 불순물을 고농도로 확산시킴으로써 형성한다. n＋형 반도체 영역(5)은 주변부 영역이 개구된 다른 마스크 등을 이용하여, p＋형 반도체 영역(3)을 둘러싸도록, n-형 반도체 기판(1) 내에서 제1 주면(1a) 측으로부터 n형 불순물을 n-형 반도체 기판(1)보다도 고농도로 확산시킴으로써 형성한다. p＋형 반도체 영역(3)의 두께는 예를 들면 0.55㎛ 정도이며, 시트 저항은 예를 들면 44kΩ/sq. 이다. n＋형 반도체 영역(5)의 두께는 예를 들면 1.5㎛정도이며, 시트 저항은 예를 들면 12Ω/sq. 이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a) 측에 절연층(7)을 형성한다(도 3 참조). 절연층(7)은 SiO2로 이루어지고, n-형 반도체 기판(1)를 열산화함으로써 형성된다. 절연층(7)의 두께는 예를 들면 0.1㎛ 정도이다. 그리고 p＋형 반도체 영역(3) 상의 절연층(7)에 컨택트홀(H1)을 형성하고, n＋형 반도체 영역(5) 상의 절연층(7)에 컨택트홀(H2)을 형성한다. 절연층(7) 대신에, SiN으로 이루어진 반사방지(AR)층을 형성할 수도 있다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 상 및 절연층(7) 상에, 패시베이션층(passivation layer; 9)을 형성한다(도 4 참조). 패시베이션층(9)은 SiN로 이루어지고, 예를 들면 플라즈마 CVD법에 의해 형성된다. 패시베이션층(9)의 두께는 예를 들면 0.1㎛이다. 그리고 n-형 반도체 기판(1)의 두께가 소망한 두께가 되도록, n-형 반도체 기판(1)을 제2 주면(1b)측으로부터 연마한다(도 5 참조). 이것에 의해, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 상에 형성된 패시베이션층(9)이 제거되어, n-형 반도체 기판(1)이 노출된다. 여기에서는, 연마에 의해 노출된 면도 제2 주면(1b)으로 한다. 소망한 두께는 예를 들면 270㎛이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에 펄스 레이저 광(PL)을 조사하여, 불규칙한 요철(10)을 형성한다(도 6 참조). 여기에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, n-형 반도체 기판(1)을 챔버(C) 내에 배치하고, 챔버(C)의 외측에 배치된 펄스 레이저 발생 장치(PLD)로부터 펄스 레이저 광(PL)을 n-형 반도체 기판(1)에 조사한다. 챔버(C)는 가스 도입부(GIN) 및 가스 배출부(GOUT)를 가지고 있고, 불활성 가스(예를 들면, 질소 가스나 아르곤 가스 등)를 가스 도입부(GIN)로부터 도입하여 가스 배출부(GOUT)로부터 배출한다. 이것에 의해, 챔버(C) 내에 불활성 가스류(Gf)가 형성되어 있다. 펄스 레이저 광(PL)을 조사한 때에 발생하는 먼지 등이 불활성 가스류(Gf)에 의해 챔버(C) 밖으로 배출되어, n-형 반도체 기판(1)으로의 가공층이나 먼지 등의 부착을 방지하고 있다.
본 실시 형태에서는 펄스 레이저 발생 장치(PLD)로서 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 발생 장치를 이용하여, 제2 주면(1b)의 전면에 걸쳐서 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 광을 조사하고 있다. 제2 주면(1b)은 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 광에 손상되어, 도 8에 도시된 바와 같이, 불규칙한 요철(10)이 제2 주면(1b)의 전면에 형성된다. 불규칙한 요철(10)은 제1 주면(1a)에 직교하는 방향에 대해서 교차하는 면을 가지고 있다. 요철(10)의 고저차는 예를 들면 0.5 ~ 10㎛ 정도이고, 요철(10)에서의 볼록부의 간격은 0.5 ~ 10㎛ 정도이다. 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 광의 펄스 시간폭은 예를 들면 50fs ~ 2ps 정도이며, 강도는 예를 들면 4 ~ 16GW 정도이고, 펄스 에너지는 예를 들면 200 ~ 800μJ／pulse 정도이다. 보다 일반적으로는, 피크 강도는 3×1011 ~ ~ 2.5×1013(W／cm2), 플루엔스(fluence)는 0.1 ~ 1.3(J／cm2) 정도이다. 도 8은 제2 주면(1b)에 형성된 불규칙한 요철(10)을 관찰한 SEM 화상이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 측에, 어큐뮬레이션층(11)을 형성한다(도 9 참조). 여기에서는, n-형 반도체 기판(1) 내에서 제2 주면(1b)측으로부터 n형 불순물을 n-형 반도체 기판(1)보다도 높은 불순물 농도가 되도록 이온 주입 또는 확산시킴으로써, 어큐뮬레이션층(11)을 형성한다. 어큐뮬레이션층(11)의 두께는 예를 들면 1㎛ 정도이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)을 열처리(어닐)한다. 여기에서는, n-형 반도체 기판(1)을, N2가스 분위기 하에서, 800 ~ 1000℃ 정도의 범위에서, 0.5 ~ 1시간 정도에 걸쳐서 가열한다.
다음으로, 절연층(7) 상에 형성된 패시베이션층(9)을 제거한 후, 전극(13, 15)을 형성한다(도 10 참조). 전극(13)은 컨택트홀(H1) 내에 형성되고, 전극(15)은 컨택트홀(H2) 내에 형성된다. 전극(13, 15)은 각각 알루미늄(Al) 등으로 이루어지고, 두께는 예를 들면 1㎛ 정도이다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD1)가 완성된다.
포토 다이오드(PD1)는 도 10에 도시된 바와 같이, n-형 반도체 기판(1)을 구비하고 있다. n-형 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a) 측에는 p＋형 반도체 영역(3) 및 n＋형 반도체 영역(5)이 형성되어 있고, n-형 반도체 기판(1)과 p＋형 반도체 영역(3) 간에는 pn 접합이 형성되어 있다. 전극(13)은 컨택트홀(H1)을 통하여, p＋형 반도체 영역(3)에 전기적으로 접촉 및 접속되어 있다. 전극(15)은 컨택트홀(H2)을 통하여, n＋형 반도체 영역(5)에 전기적으로 접촉 및 접속되고 있다.
n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에는 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 측에는 어큐뮬레이션층(11)이 형성되어 있고, 제2 주면(1b)은 광학적으로 노출되어 있다. 제2 주면(1b)이 광학적으로 노출되어 있다는 것은, 제2 주면(1b)이 공기 등의 분위기 가스와 접하여 있을 뿐만 아니라, 제2 주면(1b) 상에 광학적으로 투명한 막이 형성되어 있는 경우도 포함한다.
포토 다이오드(PD1)에서는 제2 주면(1b)에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. 이 때문에, 포토 다이오드(PD1)에 입사한 광(L)은 도 11에 도시된 바와 같이, 요철(10)에서 반사, 산란, 또는 확산되어, n-형 반도체 기판(1) 내를 장거리 진행한다.
통상, Si의 굴절률 n=3.5에 대해서, 공기의 굴절률 n=1.0이다. 포토 다이오드에서는 광 입사면에 수직인 방향으로부터 광이 입사한 경우, 포토 다이오드(실리콘 기판) 내에서 흡수되지 않은 광은, 광 입사면의 이면에서 반사하는 광 성분과 포토 다이오드를 투과하는 광 성분으로 나누어진다. 포토 다이오드를 투과한 광은 포토 다이오드의 감도에는 기여하지 않는다. 광 입사면의 이면에서 반사한 광 성분은 포토 다이오드 내에서 흡수되면 광 전류가 된다. 흡수되지 않은 광 성분은 광 입사면에서 광 입사면의 이면에 도달한 광 성분과 마찬가지로 반사 또는 투과된다.
포토 다이오드(PD1)에서는 광 입사면(제1 주면(1a))에 수직인 방향으로부터 광(L)이 입사된 경우, 제2 주면(1b)에 형성된 불규칙한 요철(10)에 도달하면, 요철(10)로부터의 출사 방향에 대해서 16.6˚이상의 각도에서 도달한 광 성분은 요철(10)에서 전반사된다. 요철(10)이 불규칙하게 형성되어 있기 때문에, 출사 방향에 대해서 다양한 각도를 가지고 있고, 전반사한 광 성분은 다양한 방향으로 확산한다. 이 때문에, 전반사한 광 성분은 n-형 반도체 기판(1) 내부에서 흡수되는 광 성분이 있으면, 제1 주면(1a)이나 측면에 도달하는 광 성분도 있다.
제1 주면(1a)이나 측면에 도달하는 광 성분은 요철(10)에서의 확산에 의해 다양한 방향으로 나아간다. 이 때문에, 제1 주면(1a)이나 측면에 도달한 광 성분이 제1 주면(1a)이나 측면에서 전반사될 가능성은 지극히 높다. 제1 주면(1a)이나 측면에서 전반사한 광 성분은, 다른 면에서의 전반사를 반복하여 그 주행거리가 더욱 길어진다. 이와 같이, 포토 다이오드(PD1)에 입사한 광(L)은 n-형 반도체 기판(1)의 내부를 장거리 진행하는 도중에, n-형 반도체 기판(1)에서 흡수되어 광 전류로서 검출된다.
이와 같이, 포토 다이오드(PD1)에 입사한 광(L)은 그 대부분이 포토 다이오드(PD1)를 투과하는 일 없이 주행거리가 길어져서, n-형 반도체 기판(1)에서 흡수된다. 따라서 포토 다이오드(PD1)에서는 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다.
제2 주면(1b)에 규칙적인 요철을 형성한 경우, 제1 주면(1a)이나 측면에 도달하는 광 성분은 요철에서 확산되고 있지만, 동일한 방향으로 진행한다. 따라서 제1 주면(1a)이나 측면에 도달한 광 성분이 제1 주면(1a)이나 측면에서 전반사될 가능성은 낮다. 이 때문에, 제1 주면(1a)이나 측면, 또한 제2 주면(1b)에서 투과하는 광 성분이 증가하여, 포토 다이오드에 입사한 광의 주행거리는 짧다. 그 결과, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성을 향상하는 것이 곤란해진다.
여기서, 제1 실시 형태에 의한 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성의 향상 효과를 확인하기 위한 실험을 행하였다.
상술한 구성을 구비한 포토 다이오드(실시예 1로 칭함)와, n-형 반도체 기판의 제2 주면에 불규칙한 요철을 형성하고 있지 않은 포토 다이오드(비교예 1로 칭함)를 제작하여, 각각의 분광 감도 특성을 조사하였다. 실시예 1과 비교예 1은 펄스 레이저 광의 조사에 의한 불규칙한 요철을 형성한 점을 제외하고, 동일한 구성으로 되어 있다. n-형 반도체 기판(1)의 사이즈는 6.5mm×6.5mm로 설정하였다. p＋형 반도체 영역(3), 즉 광 감응 영역의 사이즈는 5.8mm×5.8mm로 설정하였다. 포토 다이오드에 인가하는 바이어스 전압(VR)은 0V로 설정하였다.
결과를 도 12에 나타낸다. 도 12에 있어서, 실시예 1의 분광 감도 특성은 T1으로 나타내고, 비교예 1의 분광 감도 특성은 특성 T2로 나타내고 있다. 도 12에 있어서, 세로축은 분광 감도(mA／W)를 나타내고, 가로축은 광의 파장(nm)을 나타내고 있다. 일점 쇄선으로 나타나고 있는 특성은 양자 효율(QE)이 100％가 되는 분광 감도 특성을 나타내고, 파선으로 나타나고 있는 특성은 양자 효율이 50％가 되는 분광 감도 특성을 나타내고 있다.
도 12로부터 알 수 있듯이, 예를 들면 1064nm에서, 비교예 1에서는 분광 감도가 0.2A／W(QE=25％)인 것에 대하여, 실시예 1에서는 분광 감도가 0.6A／W(QE=72％)로 되어 있어, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도가 큰폭으로 향상되어 있다.
실시예 1 및 비교예 1에 있어서의, 분광 감도의 온도 특성에 대해서도 확인하였다. 여기에서는, 분위기 온도를 25℃에서 60℃로 상승시켜 분광 감도 특성을 조사하고, 25℃에서의 분광 감도에 대한 60℃에서의 분광 감도의 비율(온도 계수)을 구하였다. 결과를 도 13에 나타낸다. 도 13에 있어서, 실시예 1의 온도 계수의 특성은 T3로 도시되고, 비교예 1의 온도 계수의 특성은 특성 T4로 도시되어 있다. 도 13에 있어서, 세로축은 온도 계수(％／℃)를 나타내고, 가로축은 광의 파장(nm)을 나타내고 있다.
도 13으로부터 알 수 있듯이, 예를 들면 1064nm에서, 비교예 1에서는 온도 계수가 0.7％／℃인 것에 대하여, 실시예 1에서는 온도 계수가 0.2％／℃로 되어 있어, 온도 의존성이 낮다. 일반적으로, 온도가 상승하면 흡수 계수의 증대와 밴드 갭 에너지의 감소에 의해, 분광 감도가 높아진다. 실시예 1에서는 실온 상태에서도 분광 감도가 충분히 높기 때문에, 온도 상승에 의한 분광 감도의 변화가 비교예 1에 비하여 적어져 있다.
포토 다이오드(PD1)에서는 n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 측에 어큐뮬레이션층(11)이 형성되어 있다. 이것에 의해, 제2 주면(1b) 측에서 광에 의하지 않고 발생하는 불필요한 캐리어가 재결합되어, 암전류를 저감할 수 있다. 어큐뮬레이션층(11)은 제2 주면(1b) 부근에서 광에 의해 발생한 캐리어가 당해 제2 주면(1b)에서 트랩되는 것을 억제한다. 이 때문에, 광에 의해 발생한 캐리어는 pn 접합부에 효율적으로 이동하여, 포토 다이오드(PD1)의 광검출 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
제1 실시 형태에서는 어큐뮬레이션층(11)을 형성한 후에 n-형 반도체 기판(1)을 열처리하고 있다. 이것에 의해, n-형 반도체 기판(1)의 결정성이 회복되어, 암전류 증가 등의 불편을 방지할 수 있다.
제1 실시 형태에서는, n-형 반도체 기판(1)을 열처리한 후에, 전극(13, 15)을 형성하고 있다. 이것에 의해, 전극(13, 15)에 비교적 융점이 낮은 금속을 이용하는 경우에서도, 열처리에 의해 전극(13, 15)이 용융(溶融)하는 일은 없다. 그 결과, 열처리의 영향을 받지 않고, 전극(13, 15)을 적절히 형성할 수 있다.
제1 실시 형태에서는 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 광을 조사하여, 불규칙한 요철(10)을 형성하고 있다. 이것에 의해, 불규칙한 요철(10)을 적절하고, 또한 용이하게 형성할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 14 ~ 도 16을 참조하여, 제2 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 14 ~ 도 16은 제2 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제2 실시 형태의 제조 방법은 n-형 반도체 기판(1)을 제2 주면(1b) 측으로부터 연마할 때까지는, 제1 실시 형태의 제조 방법과 같으므로, 여기까지의 공정 설명을 생략한다. n-형 반도체 기판(1)을 제2 주면(1b)측으로부터 연마하고, n-형 반도체 기판(1)을 소망한 두께로 한 후, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 측에, 어큐뮬레이션층(11)을 형성한다(도 14 참조). 어큐뮬레이션층(11)의 형성은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 실행한다. 어큐뮬레이션층(11)의 두께는 예를 들면 1㎛정도이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에 펄스 레이저 광(PL)을 조사하여, 불규칙한 요철(10)을 형성한다(도 15 참조). 불규칙한 요철(10)의 형성은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 실행한다.
다음으로, 제1 실시 형태와 마찬가지로 n-형 반도체 기판(1)을 열처리한다. 그리고 절연층(7) 상에 형성된 패시베이션층(9)을 제거한 후, 전극(13, 15)을 형성한다(도 16 참조). 이것에 의해, 포토 다이오드(PD2)가 완성된다.
제2 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로 포토 다이오드(PD2)에 입사한 광의 주행거리가 길어지고, 광이 흡수되는 거리도 길어진다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD2)에서도 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
제2 실시 형태에서는 어큐뮬레이션층(11)의 두께가 불규칙한 요철(10)의 고저차보다도 크다. 이 때문에, 어큐뮬레이션층(11)을 형성한 후에, 펄스 레이저 광을 조사하여, 불규칙한 요철(10)을 형성하더라도, 어큐뮬레이션층(11)이 확실하게 남는다. 따라서 어큐뮬레이션층(11)에 의한 작용 효과를 확보할 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 17 ~ 도 21을 참조하여, 제3 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 17 ~ 도 21은 제3 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제3 실시 형태의 제조 방법은, 패시베이션층(9)을 형성할 때까지는 제1 실시 형태의 제조 방법과 같으므로, 여기까지의 공정 설명을 생략한다. 패시베이션층(9)을 형성한 후, n-형 반도체 기판(1)에서의 p＋형 반도체 영역(3)에 대응하는 부분을 당해 부분의 주변 부분을 남기고 제2 주면(1b) 측으로부터 박화(薄化)한다(도 17 참조). n-형 반도체 기판(1)의 박화는, 예를 들면 수산화 칼륨 용액이나 TMAH(수산화 테트라 메틸 암모늄 용액) 등을 이용한 알칼리 에칭에 의한 이방성 에칭에 의해 행해진다. n-형 반도체 기판(1)의 박화된 부분의 두께는 예를 들면, 100㎛ 정도이고, 주변 부분의 두께는 예를 들면, 300㎛ 정도이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 주변 부분의 두께가 소망한 두께가 되도록, n-형 반도체 기판(1)을 제2 주면(1b) 측으로부터 연마한다(도 18 참조). 소망한 두께는 예를 들면, 270㎛이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에 펄스 레이저 광(PL)을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성한다(도 19 참조). 불규칙한 요철(10)의 형성은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 실행한다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 박화되어 있는 부분인 제2 주면(1b) 측에, 어큐뮬레이션층(11)을 형성한다(도 20 참조). 어큐뮬레이션층(11)의 형성은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 실행한다. 어큐뮬레이션층(11)의 두께는 예를 들면, 3㎛ 정도이다.
다음으로, 제1 실시 형태와 마찬가지로 n-형 반도체 기판(1)을 열처리한 후, 절연층(7) 상에 형성된 패시베이션층(9)을 제거하여 전극(13, 15)을 형성한다(도 21 참조). 이것에 의해, 포토 다이오드(PD3)가 완성된다.
제3 실시 형태에 있어서도, 제1 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 포토 다이오드(PD3)에 입사한 광의 주행거리가 길어지고, 광이 흡수되는 거리도 길어진다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD3)에서도 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
제3 실시 형태에서는, 불규칙한 요철(10)을 형성하기 전에 n-형 반도체 기판(1)에서의 p＋형 반도체 영역(3)에 대응하는 부분을, 당해 부분의 주변 부분을 남기고 제2 주면(1b) 측으로부터 박화하고 있다. 이것에 의해, n-형 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a) 및 제2 주면(1b) 측을 각각 광 입사면으로 한 포토 다이오드(PD3)를 얻을 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 22 ~ 도 24를 참조하여, 제4 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 22 ~ 도 24는 제4 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제4 실시 형태의 제조 방법은, n-형 반도체 기판(1)을 박화할 때까지는 제3 실시 형태의 제조 방법과 같으므로, 여기까지의 공정 설명을 생략한다. n-형 반도체 기판(1)을 제2 주면(1b) 측으로부터 연마하고, n-형 반도체 기판(1)을 소망한 두께로 한 후, n-형 반도체 기판(1)의 박화되어 있는 부분인 제2 주면(1b) 측에, 어큐뮬레이션층(11)을 형성한다(도 22 참조). 어큐뮬레이션층(11)의 형성은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 실행한다. 어큐뮬레이션층(11)의 두께는 예를 들면, 3㎛ 정도이다.
다음으로, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에 펄스 레이저 광(PL)을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성한다(도 23 참조). 불규칙한 요철(10)의 형성은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 실행한다.
다음으로, 제1 실시 형태와 마찬가지로, n-형 반도체 기판(1)을 열처리한다. 그리고 절연층(7) 상에 형성된 패시베이션층(9)을 제거한 후, 전극(13, 15)을 형성한다(도 24 참조). 이것에 의해, 포토 다이오드(PD4)가 완성된다.
제4 실시 형태에 있어서도, 제1 ~ 제3 실시 형태와 마찬가지로, 포토 다이오드(PD4)에 입사한 광의 주행거리가 길어지고, 광이 흡수되는 거리도 길어진다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD4)에서도 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
제4 실시 형태에서는, 어큐뮬레이션층(11)을 형성하기 전에, n-형 반도체 기판(1)에서의 p＋형 반도체 영역(3)에 대응하는 부분을, 당해 부분의 주변 부분을 남기고 제2 주면(1b) 측으로부터 박화하고 있다. 이것에 의해, n-형 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a) 및 제2 주면(1b) 측을 각각 광 입사면으로 한 포토 다이오드(PD4)를 얻을 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 25를 참조하여, 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)에 대해서 설명한다. 도 25는 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
포토 다이오드(PD5)는 파장 영역이 가시 ~ 근적외 영역에 있는 저에너지 광을 검출하기 위한 애벌런치 포토 다이오드이다. 포토 다이오드(PD5)는 p－형 반도체 기판(20)을 구비하고 있다. p－형 반도체 기판(20)은 실리콘(Si) 결정으로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면(20a) 및 제2 주면(20b)을 가지고 있다. p－형 반도체 기판(20)은 광 감응 영역(21)을 포함하고 있다.
광 감응 영역(21)은 평면에서 보아서 제1 주면(20a)의 중앙부에 마련되어 있다. 광 감응 영역(21)은 제1 주면(20a)으로부터 내측으로 두께를 가진다. 광 감응 영역(21)은 n＋형 불순물 영역(23)과, p＋형 불순물 영역(25)과, p－형 반도체 기판(20)에 있어서 바이어스 전압을 인가했을 때 공핍화(空乏化)하는 영역으로 이루어진다. n＋형 불순물 영역(23)은 제1 주면(20a)으로부터 p－형 반도체 기판(20)의 내측으로 두께를 가진다. n＋형 불순물 영역(23)은 n＋형 가이드 링(23a)을 가진다. n＋형 가이드 링(23a)은 n＋형 불순물 영역(23)의 주단(周端)에 마련되어 있다. p＋형 불순물 영역(25)은 n＋형 불순물 영역(23)으로부터 더욱 p－형 반도체 기판(20)의 내측으로 두께를 가진다. p－형 반도체 기판(20)은 p＋형 확산 차폐 영역(27)을 가진다. p＋형 확산 차폐 영역(27)은 평면에서 보아서 제1 주면(20a)의 주단에 있어서 제1 주면(20a)으로부터 내측으로 두께를 가진다. p＋형 확산 차폐 영역(27)은 광 감응 영역(21)을 둘러싸도록 마련되어 있다.
p－형 반도체 기판(20)은 예를 들면, 붕소(B) 등의 p형 불순물이 첨가된 실리콘 기판이다. p＋형 불순물 영역(25)은 p－형 반도체 기판(20)보다도 p형 불순물이 고농도로 첨가된 영역이다. p＋형 확산 차폐 영역(27)은 p＋형 불순물 영역(25)보다도 p형 불순물이 고농도로 첨가된 영역이다. n＋형 불순물 영역(23)은 예를 들면, 안티몬(Sb) 등의 n형 불순물이 첨가된 영역이다. n＋형 불순물 영역(23)(n＋형 가이드 링(23a)을 포함함) 및 p＋형 불순물 영역(25)은 p－형 반도체 기판(20) 내에 있고, pn 접합을 구성하고 있다.
포토 다이오드(PD5)는 제1 주면(20a) 상에 적층된 패시베이션막(29)을 가진다. 포토 다이오드(PD5)는 패시베이션막(29) 상에 마련된 전극(31) 및 전극(33)을 가진다. 패시베이션막(29)에는 n＋형 불순물 영역(23) 상에 컨택트홀(H11)이 마련되어 있음과 아울러, p＋형 확산 차폐 영역(27) 상에 컨택트홀(H12)이 마련되어 있다. 전극(31)은 컨택트홀(H11)을 통하여 n＋형 불순물 영역(23)에 전기적으로 접촉 및 접속되어 있다. 전극(33)은 컨택트홀(H12)을 통하여 p＋형 확산 차폐 영역(27)에 전기적으로 접촉 및 접속되어 있다. 패시베이션막(29)의 소재는 예를 들면, 산화 실리콘 등이다.
포토 다이오드(PD5)는 제2 주면(20b) 측에 형성된 오목부(35)를 가진다. 오목부(35)는 p－형 반도체 기판(20)이 제2 주면(20b) 측으로부터 박화되는 것에 의해 형성되고, 오목부(35)의 주위에는 두꺼운 프레임 부가 존재하고 있다. 오목부(35)의 측면은 오목부(35)의 저면에 대해서 둔각을 이루어 경사져 있다. 오목부(35)는 평면에서 보아서 광 감응 영역(21)과 겹쳐지도록 형성되어 있다. 오목부(35)의 저면과 제1 주면(20a) 간의 두께는 비교적 작고, 예를 들면 100~200㎛ 정도이며, 150㎛ 정도가 바람직하다. 이와 같이, 제1 주면(20a)과 오목부(35) 저면 간의 두께가 비교적 작기 때문에, 응답 속도가 고속화됨과 아울러, 포토 다이오드(PD5)에 인가하는 바이어스 전압이 저감된다.
p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b) 전체에는 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b) 측에는, 어큐뮬레이션층(37)이 형성되어 있다. 어큐뮬레이션층(37)에 있어서, 오목부(35)의 저면에 대응하는 영역, 즉 애벌런치 포토 다이오드를 구성하고 있는 광 감응 영역(21)에 대향하고 있는 영역은 광학적으로 노출되어 있다. 제2 주면(20b)이 광학적으로 노출되어 있다는 것은, 제2 주면(20b)이 공기 등의 분위기 가스와 접하고 있을 뿐만 아니라, 제2 주면(20b) 상에 광학적으로 투명한 막이 형성되어 있는 경우도 포함한다. 불규칙한 요철(10)은 오목부(35)의 저면만, 즉 애벌런치 포토 다이오드로서 기능하는 광 감응 영역(21)에 대향하고 있는 영역에만 형성되어 있어도 좋다.
포토 다이오드(PD5)는 전극(39)을 가진다. 전극(39)은 어큐뮬레이션층(37) 상에 마련되어 있고, 어큐뮬레이션층(37)에 전기적으로 접촉 및 접속되어 있다. 어큐뮬레이션층(37)에 있어서 전극(39)이 형성된 영역은, 광학적으로 노출되어 있지 않다.
상기 구성을 가지는 포토 다이오드(PD5)는 전극(31)과 전극(39)에 대해 역바이어스 전압(브레이크다운 전압)이 인가되고 있는 경우, 광 감응 영역(21)에 입사 하는 광량(光量)에 따른 캐리어가 광 감응 영역(21)에서 생성된다. p＋형 확산 차폐 영역(27)의 근방에서 생성된 캐리어는 p＋형 확산 차폐 영역(27)에 유입된다. 이 때문에, 전극(31)으로부터의 출력 신호에 발생하는 풋팅(footing)은 p＋형 확산 차폐 영역(27)에 의해 저감된다.
계속해서, 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
우선, p－형 반도체 기판(20)을 준비한다. p－형 반도체 기판(20)의 두께는 300㎛ 정도이다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)의 제1 주면(20a) 측에, p＋형 불순물 영역(25) 및 p＋형 확산 차폐 영역(27)을 형성한다. p＋형 불순물 영역(25)은 중앙부가 개구된 마스크 등을 이용하여, p－형 반도체 기판(20) 내에서 제1 주면(20a) 측으로부터 p형 불순물을 고농도로 이온 주입함으로써 형성한다. p＋형 확산 차폐 영역(27)은 주변부 영역이 개구된 다른 마스크 등을 이용하여, p－형 반도체 기판(20) 내에서 제1 주면(20a) 측으로부터 p형 불순물을 고농도로 확산시킴으로써 형성한다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)의 제1 주면(20a) 측에, n＋형 가이드 링(23a) 및 n＋형 불순물 영역(23)을 형성한다. n＋형 가이드 링(23a)은 링 모양으로 개구된 마스크 등을 이용하여, p－형 반도체 기판(20) 내에서 제1 주면(20a) 측으로부터 n형 불순물을 고농도로 확산시킴으로써 형성한다. n＋형 불순물 영역(23)은 중앙부가 개구된 다른 마스크 등을 이용하여, p－형 반도체 기판(20) 내에서 제1 주면(20a) 측으로부터 n형 불순물을 고농도로 이온 주입함으로써 형성한다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b)의 표면을 연마함으로써 평탄화한다. 그 후, p－형 반도체 기판(20)에서 p＋형 불순물 영역(25)에 대응하는 부분을, 당해 부분의 주변 부분을 남기고 제2 주면(1b) 측으로부터 박화한다. p－형 반도체 기판(20)의 박화는 예를 들면, KOH 수용액이나 TMAH 등을 이용한 알칼리 에칭에 의한 이방성(異方性) 에칭에 의해 행해진다. p－형 반도체 기판(20)의 박화된 부분의 두께는 예를 들면, 150㎛ 정도이며, 주변 부분의 두께는 예를 들면, 200㎛ 정도이다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b) 측에 어큐뮬레이션층(37)을 형성한다. 여기에서는, p－형 반도체 기판(20) 내에서 제2 주면(20b) 측으로부터 p형 불순물을 p－형 반도체 기판(20) 보다도 높은 불순물 농도가 되도록 이온 주입함으로써 어큐뮬레이션층(37)을 형성한다. 어큐뮬레이션층(37)의 두께는 예를 들면 1.5㎛ 정도이다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)을 열처리(어닐)한다. 여기에서는, p－형 반도체 기판(20)을 N2가스 분위기하에서, 900 ~ 1100℃ 정도의 범위, 보다 바람직하게는 1000℃ 정도, 0.5 ~ 1.0시간 정도, 보다 바람직하게는 0.5시간 정도에 걸쳐서 가열한다. 열처리에 의해, p형 반도체 기판(20)의 결정성이 회복되어, 암전류의 증가 등의 불편을 방지할 수 있다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b)에 펄스 레이저 광(PL)을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성한다. 불규칙한 요철(10)은 상술한 실시 형태와 마찬가지로, p형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b)에 펄스 레이저 광을 조사함으로써 형성된다. 펄스 레이저 광을 조사하는 펄스 레이저 발생 장치는 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 발생 장치를 이용할 수 있다. 불규칙한 요철(10)은 제1 주면(20a)에 직교하는 방향에 대해서 교차하는 면을 가지고 있다. 요철(10)의 고저차는 예를 들면, 0.5 ~ 10㎛ 정도이고, 요철(10)에서 볼록부의 간격은 0.5~10㎛ 정도이다. 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 광의 펄스 시간폭은 예를 들면 50fs ~ 2ps정도이고, 강도는 예를 들면 4 ~ 16GW 정도이며, 펄스 에너지는 예를 들면 200~800μJ／pulse 정도이다. 보다 일반적으로는, 피크 강도는 3×1011 ~ 2.5×1013(W／cm2), 플루엔스는 0.1 ~ 1.3(J／cm2) 정도이다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)을 열처리(어닐)한다. 여기에서는, p－형 반도체 기판(20)을 N2가스 분위기하에서, 900 ~ 1100℃ 정도의 범위, 보다 바람직하게는 1000℃ 정도에서, 0.5 ~ 1.0시간 정도, 보다 바람직하게는 0.5시간 정도에 걸쳐서 가열한다. 열처리에 의해, 흐트러진 결정 손상의 회복 및 재결정화를 실행할 수 있다.
다음으로, p－형 반도체 기판(20)의 제1 주면(20a) 측에 패시베이션막(29)을 형성한다. 그리고 패시베이션막(29)에 컨택트홀(H11, H12)을 형성하고, 전극(31, 33)을 형성한다. 전극(31)은 컨택트홀(H11) 내에 형성되고, 전극(33)은 컨택트홀(H12) 내에 형성된다. 또, p－형 반도체 기판(20)의 박화된 부분의 주변 부분에서의 어큐뮬레이션층(37) 상에 전극(39)을 형성한다. 전극(31, 33)은 각각 알루미늄(Al) 등으로 이루어지고, 전극(39)은 금(Au) 등으로 이루어진다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD5)가 완성된다.
포토 다이오드(PD5)에서는 제2 주면(20b)에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. 이 때문에, 포토 다이오드(PD5)에 입사한 광은 요철(10)에서 반사, 산란, 또는 확산되어, p－형 반도체 기판(20) 내를 장거리 진행한다.
포토 다이오드(PD5)에서는 광 입사면(제1 주면(20a))에 수직인 방향으로부터 광이 입사한 경우, 제2 주면(20b)에 형성된 불규칙한 요철(10)에 도달하면, 요철(10)로부터의 출사 방향에 대해서 16.6°이상의 각도에서 도달한 광 성분은 요철(10)에서 전반사된다. 요철(10)이 불규칙하게 형성되어 있으므로, 출사 방향에 대해서 다양한 각도를 가지고 있어, 전반사한 광 성분은 다양한 방향으로 확산한다. 이 때문에, 전반사한 광 성분은 p－형 반도체 기판(20) 내부에서 흡수되는 광 성분이 있으면, 제1 주면(20a)이나 측면에 도달하는 광 성분도 있다.
제1 주면(20a)이나 측면에 도달하는 광 성분은, 요철(10)에서의 확산에 의해 다양한 방향으로 나아간다. 이 때문에, 제1 주면(20a)이나 측면에 도달한 광 성분이 제1 주면(20a)이나 측면에서 전반사될 가능성은 매우 높다. 제1 주면(20a)이나 측면에서 전반사한 광 성분은 다른 면에서의 전반사를 반복하여, 그 주행거리가 더욱 길어진다. 따라서 포토 다이오드(PD5)에 입사한 광은 p－형 반도체 기판(20)의 내부를 장거리 진행하는 도중에, p－형 반도체 기판(20)에서 흡수되어 광 전류로서 검출된다.
이와 같이, 포토 다이오드(PD5)에 입사한 광(L)은, 그 대부분이 포토 다이오드(PD5)를 투과하는 일 없이 주행거리가 길어지고, p－형 반도체 기판(20)에서 흡수된다. 따라서 포토 다이오드(PD5)에서는 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다.
여기서, 제5 실시 형태에 의한 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성의 향상 효과를 확인하기 위한 실험을 실행하였다.
상술한 구성을 구비한 포토 다이오드(실시예 2로 칭함)와, p－형 반도체 기판의 제2 주면에 불규칙한 요철을 형성하고 있지 않은 포토 다이오드(비교예 2로 칭함)을 제작하여, 각각의 분광 감도 특성을 조사하였다. 실시예 2와 비교예 2는 펄스 레이저 광의 조사에 의한 불규칙한 요철을 형성한 점을 제외하고, 동일한 구성으로 되어 있다. p－형 반도체 기판(20)의 사이즈는 4.24mm×4.24mm로 설정하였다. p＋형 불순물 영역(25), 즉 광 감응 영역의 사이즈는 3 mmφ로 설정하였다. 포토 다이오드에 인가하는 바이어스 전압(VR)은 약 300V로 설정하였다.
결과를 도 26에 나타낸다. 도 26에 있어서, 실시예 2의 분광 감도 특성은 T51로 나타내고, 비교예 2의 분광 감도 특성은 특성 T52로 나타내고 있다. 도 26에 있어서, 세로축은 분광 감도(mA／W)를 나타내고, 가로축은 광의 파장(nm)을 나타내고 있다. 도 26으로부터 알 수 있듯이, 예를 들면 1064nm에서, 비교예 2에서는 분광 감도가 4.1A／W인 것에 대하여, 실시예 2에서는 분광 감도가 7.6A／W로 되어 있어, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도가 큰폭으로 향상되어 있다.
포토 다이오드(PD5)에서는 p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b) 측에 어큐뮬레이션층(37)이 형성되어 있다. 이것에 의해, 제2 주면(20b) 측에서 발생하는 불요 캐리어가 재결합되어 암전류를 저감할 수 있다. 어큐뮬레이션층(37)은 제2 주면(20b) 부근에서 광에 의해 발생한 캐리어가 당해 제2 주면(20b)에서 트랩되는 것을 억제한다. 이 때문에, 광에 의해 발생한 캐리어는 pn접합에 효율적으로 이동하여, 포토 다이오드(PD5)의 광검출 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
제5 실시 형태에서는, 어큐뮬레이션층(37)을 형성한 후에, p－형 반도체 기판(20)을 열처리하고 있다. 이것에 의해, p－형 반도체 기판(20)의 결정성이 회복되어, 암전류 증가 등의 불편을 막을 수 있다.
어큐뮬레이션층(37)은 불규칙한 요철(10)을 형성한 후에, 형성될 수도 있다. 어큐뮬레이션층(37)을 형성한 후에, 펄스 레이저 광을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성하는 경우, 어큐뮬레이션층(37)의 두께를 불규칙한 요철(10)의 고저차보다도 크게 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 펄스 레이저 광을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성하더라도, 어큐뮬레이션층(37)이 확실하게 남는다. 따라서 어큐뮬레이션층(37)에 의한 작용 효과를 확보할 수 있다.
제5 실시 형태에서는 p－형 반도체 기판(20)을 열처리한 후에, 전극(31, 33, 39)을 형성하고 있다. 이것에 의해, 전극(31, 33, 39)에 비교적 융점이 낮은 재료를 이용하는 경우에도, 열처리에 의해 전극(31, 33, 39)이 용융하는 일은 없다. 따라서 열처리의 영향을 받는 일 없이 전극(31, 33, 39)을 적절하게 형성할 수 있다.
제5 실시 형태에서는, 피코초 ~ 펨토초 펄스 레이저 광을 조사하여, 불규칙한 요철(10)을 형성하고 있다. 이것에 의해, 불규칙한 요철(10)을 적절하고, 또한 용이하게 형성할 수 있다.
제5 실시 형태에서는, p－형 반도체 기판(20)이 제2 주면(20b) 측으로부터 박화되어 있다. 이것에 의해, p－형 반도체 기판(20)의 제1 주면(20a) 및 제2 주면(20b) 측을 각각 광 입사면으로 한 포토 다이오드를 얻을 수 있다. 즉, 포토 다이오드(PD5)는 표면 입사형 포토 다이오드뿐만이 아니라, 이면 입사형 포토 다이오드로서 이용할 수 있다.
여기서, 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)를 이면 입사형 포토 다이오드로서 이용한 경우에 있어서, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성의 향상 효과를 확인하기 위한 실험을 실행하였다.
상술한 실시예 2 및 비교예 2의 포토 다이오드를 이용하여, 이면으로부터 광을 입사했을 때의 분광 감도 특성을 각각 조사하였다. 결과를 도 27에 나타낸다. 도 27에 있어서, 실시예 2의 분광 감도 특성은 T53로 나타내고, 비교예 2의 분광 감도 특성은 특성 T54로 나타내고 있다. 도 27에 있어서, 세로축은 분광 감도(mA／W)를 나타내고, 가로축은 광의 파장(nm)을 나타내고 있다. 도 27로부터 알 수 있듯이 예를 들면 1064 nm에서, 비교예 2에서는 분광 감도가 1.9A／W인 것에 대하여, 실시예 2에서는 분광 감도가 5.7A／W가 되어 있어, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도가 큰폭으로 향상되어 있다.
이상과 같이, 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)는 표면 입사형 및 이면 입사형에 관계없이, 1064nm에서 충분한 분광 감도를 가지고 있다. 따라서 포토 다이오드(PD5)는 YAG 레이저광의 검출 소자로서 이용할 수 있다.
그런데, 애벌런치 포토 다이오드에 있어서, 실리콘으로 이루어진 반도체 기판을 두껍게 설정함으로써(예를 들면, 수백 ㎛ ~ 2mm 정도), 근적외 파장 대역에 실용상 충분한 분광 감도 특성을 가지는 반도체 광검출 소자를 실현하는 것은 가능하다. 그렇지만, 애벌런치 포토 다이오드에서는 공핍화를 위한 바이어스 전압과 애벌런치 증배를 위한 바이어스 전압이 필요해지므로, 상기 반도체 기판의 두께를 크게 한 경우, 매우 높은 바이어스 전압을 인가할 필요가 있다. 반도체 기판이 두꺼우면, 암전류도 증가한다.
그렇지만, 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)에서는, 상술한 바와 같이, 제2 주면(20b)에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있음으로써, 포토 다이오드(PD5)에 입사한 광의 주행거리가 길어진다. 이 때문에, 반도체 기판(p－형 반도체 기판(20)), 특히 광 감응 영역(21)에 대응하는 부분을 두껍게 하는 일 없이, 근적외 파장 대역에서 실용상 충분한 분광 감도 특성을 가지는 포토 다이오드를 실현할 수 있다. 따라서 반도체 기판을 두껍게 함으로써 근적외 파장 대역에서 분광 감도 특성을 가지는 포토 다이오드보다도, 상기 포토 다이오드(PD5)는 낮은 바이어스 전압의 인가로, 양호한 분광 감도 특성을 얻을 수 있다. 또, 암전류 증가가 억제되어 포토 다이오드(PD5)의 검출 정밀도가 향상된다. 또한, p－형 반도체 기판(20)의 두께가 얇으므로, 포토 다이오드(PD5)의 응답 속도가 향상된다.
제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)에서는, 도 28에 도시된 바와 같이 제2 주면(20b) 측의 전영역이 박화되어 있어도 좋다.
(제6 실시 형태)
도 29를 참조하여, 제6 실시 형태에 관한 포토 다이오드 어레이(PDA)에 대해서 설명한다. 도 29는 제6 실시 형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
포토 다이오드 어레이(PDA)는 p－형 반도체 기판(20)을 구비하고, p－형 반도체 기판(20)에는 애벌런치 포토 다이오드로서 기능하는 광 감응 영역(21)이 복수 배치되어 있다.
p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b) 전체에는 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. 즉, 포토 다이오드 어레이(PDA)는 애벌런치 포토 다이오드로서 기능하는 광 감응 영역(21)에 대향하고 있는 영역뿐만이 아니라, 광 감응 영역(21) 사이에 대향하고 있는 영역에도 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다.
제6 실시 형태에 있어서도, 제5 실시 형태와 마찬가지로, 포토 다이오드 어레이(PDA)에 입사한 광의 주행거리가 길어지고, 광이 흡수되는 거리도 길어진다. 이것에 의해, 포토 다이오드 어레이(PDA)에서도 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
제6 실시 형태에 관한 포토 다이오드 어레이(PDA)는 제5 실시 형태와 마찬가지로, 반도체 기판을 두껍게 함으로써 근적외 파장 대역에서 실용상 충분한 분광 감도 특성을 가지는 포토 다이오드 어레이보다도 낮은 바이어스 전압의 인가로, 양호한 분광 감도 특성을 얻을 수 있다. 또, 암전류의 증가가 억제되어 포토 다이오드 어레이(PDA)의 검출 정밀도가 향상된다. 또한, p－형 반도체 기판(20)의 두께가 얇으므로, 포토 다이오드 어레이(PDA)의 응답 속도가 향상된다.
포토 다이오드 어레이(PDA)에서는 p－형 반도체 기판(20)의 제2 주면(20b)에 있어서 광 감응 영역(21) 사이에 대향하고 있는 영역에도, 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. 이 때문에, 광 감응 영역(21) 사이에 입사한 광(L)은, 도 30에 도시된 바와 같이 제2 주면(20b)에 있어서 광 감응 영역(21) 사이에 대향하고 있는 영역에 형성되어 있는 불규칙한 요철(10)에서 반사, 산란, 또는 확산되고, 어느 하나의 광 감응 영역(21)에서 흡수된다. 따라서 포토 다이오드 어레이(PDA)에서는 광 감응 영역(21) 사이에 있어서 검출 감도가 저하하는 일이 없어, 광검출 감도가 향상된다.
포토 다이오드 어레이(PDA)도 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)와 동일하게, YAG 레이저 광의 검출 소자로서 이용할 수 있다.
포토 다이오드 어레이(PDA)는 제5 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD5)와 마찬가지로, 제2 주면(20b) 측의 전영역이 박화되어 있어도 좋다. 포토 다이오드 어레이(PDA)는 표면 입사형 및 이면 입사형 중 어느 포토 다이오드 어레이로서 이용할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 반드시 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
제1 ~ 제4 실시 형태에서는 제2 주면(1b)의 전면에 걸쳐서 펄스 레이저 광을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, n－형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에 있어서 p＋형 반도체 영역(3)에 대향하는 영역에만, 펄스 레이저 광을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성하여도 좋다. 제5 ~ 제6 실시 형태에서도, 광 감응 영역(21)에 대향하는 영역에만, 펄스 레이저 광을 조사하여, 불규칙한 요철(10)을 형성하여도 좋다.
제1 ~ 제4 실시 형태에서는, 전극(15)을 n－형 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a) 측에 형성된 n＋형 반도체 영역(5)에 전기적으로 접촉 및 접속하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전극(15)을 n－형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 측에 형성된 어큐뮬레이션층(11)에 전기적으로 접촉 및 접속하여도 좋다. 이 경우, n－형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에 있어서 p＋형 반도체 영역(3)에 대향하는 영역 외에, 전극(15)을 형성하는 것이 바람직하다. n－형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에 있어서 p＋형 반도체 영역(3)에 대향하는 영역에 전극(15)을 형성하면, 제2 주면(1b)에 형성되어 있는 불규칙한 요철(10)이 전극(15)에 의해 막혀져 근적외 파장 대역에서의 분광 감도가 저하된다고 하는 현상이 생기기 때문이다. 제5 ~ 제6 실시 형태에서도, 상술한 사항과 동일하다고 말할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD1 ~ PD5) 및 포토 다이오드 어레이(PDA)에 있어서의 p형 및 n형의 각 도전형을 상술한 것과는 반대로 되도록 교체하여도 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 반도체 광검출 소자 및 광검출 장치에 이용할 수 있다.
1: n－형 반도체 기판 1a: 제1 주면
1b: 제2 주면 3: p＋형 반도체 영역
5: n＋형 반도체 영역 10: 불규칙한 요철
11: 어큐뮬레이션층 13, 15: 전극
20: p－형 반도체 기판 20a: 제1 주면
20b: 제2 주면 21: 광 감응 영역
23: n＋형 불순물 영역 25: p＋형 불순물 영역
37: 어큐뮬레이션층 PL: 펄스 레이저 광
PD1 ~ PD5: 포토 다이오드 PDA: 포토 다이오드 어레이

Claims (7)

  1. 제1 도전형의 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가지는 실리콘 기판을 구비하고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 주면측에는, 상기 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역 간의 pn 접합에 의해서 구성된 애벌런치 포토 다이오드가 배치되고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 주면측에는, 상기 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 적어도 상기 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 주면에 있어서 상기 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 상기 영역은, 광학적으로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  2. 제1 도전형의 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가짐과 아울러 상기 제1 주면측에 제2 도전형의 반도체 영역이 형성된 실리콘 기판을 구비하고,
    상기 실리콘 기판에는 상기 제2 주면측에 상기 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 상기 제2 주면에 있어서 적어도 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 주면에 있어서 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 상기 영역은, 광학적으로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 실리콘 기판은 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대응하는 부분이 그 부분의 주변 부분을 남기고 상기 제2 주면측으로부터 박화되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 제1 도전형의 상기 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 상기 요철의 고저차보다도 큰 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  5. 제1 도전형의 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가지는 실리콘 기판을 구비하고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 주면측에는, 상기 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역 간의 pn 접합에 의해서 구성된 애벌런치 포토 다이오드가 복수 배치되고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 주면측에는, 상기 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형의 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 적어도 상기 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 주면에 있어서 상기 애벌런치 포토 다이오드에 대향하는 상기 영역은, 광학적으로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 실리콘 기판은 상기 애벌런치 포토 다이오드가 복수 배치되어 있는 부분이, 그 부분의 주변 부분을 남기고 상기 제2 주면측으로부터 박화되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 제1 도전형의 상기 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 상기 요철의 고저차보다도 큰 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
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