TWI476906B - Photodiode and photodiode array - Google Patents

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TWI476906B
TWI476906B TW099105362A TW99105362A TWI476906B TW I476906 B TWI476906 B TW I476906B TW 099105362 A TW099105362 A TW 099105362A TW 99105362 A TW99105362 A TW 99105362A TW I476906 B TWI476906 B TW I476906B
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light
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photodiode array
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Kazuhisa Yamamura
Akira Sakamoto
Terumasa Nagano
Yoshitaka Ishikawa
Satoshi Kawai
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

光二極體及光二極體陣列
本發明係關於一種光二極體及光二極體陣列。
作為於近紅外光之波長帶域具有較高之光譜靈敏度特性之光二極體，已知有使用化合物半導體之光二極體(例如參照專利文獻1)。專利文獻1中所記載之光二極體包括：第1受光層，其包含InGaAsN、InGaAsNSb及InGaAsNP之任一者；及第2受光層，其具有較第1受光層之吸收端更長波長之吸收端，且包含量子井構造。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-153311號公報
然而，此種使用化合物半導體之光二極體仍為高價，製造步驟亦複雜。因此，需要一種矽光二極體之實用化，該矽光二極體廉價且容易製造，並且於近紅外光之波長帶域具有充分之光譜靈敏度。通常，矽光二極體於光譜靈敏度特性之長波長側之極限為1100 nm左右，但於1000 nm以上之波長帶域中之光譜靈敏度特性並不充分。
本發明之目的在於提供一種光二極體及光二極體陣列，其等係矽光二極體及矽光二極體陣列，且於近紅外光之波長帶域具有充分之光譜靈敏度特性。
本發明之光二極體陣列係將入射被檢測光之複數個光檢測通道形成於具有第1導電型之半導體層之矽基板上而成者，且包括：第2導電型之磊晶半導體層，其形成於第1導電型之半導體層上，由其與該半導體層之界面構成pn接合，並且以下述各倍增區域與各光檢測通道相互對應之方式，具有使藉由被檢測光之入射而產生之載子進行雪崩倍增的複數個倍增區域；及複數個電阻，其具有兩個端部，且對於各光檢測通道而設置，經由其中一端部而與磊晶半導體層電性連接，並且經由另一端部而與信號導線連接；於第1導電型之半導體層中之至少與各光檢測通道對應之表面形成有不規則之凹凸，第1導電型之半導體層中之至少與各光檢測通道對應之表面係光學性地露出。
本發明之光二極體陣列中，pn接合係由第1導電型之半導體層與形成於該半導體層上之磊晶半導體層所構成。倍增區域形成於實現pn接合之磊晶半導體層中，與各光檢測通道對應之倍增區域處於該磊晶半導體層中。因此，上述光二極體陣列不具有於以蓋革模式(Geiger mode)進行動作時發生邊緣崩潰之pn接合之端部(邊緣)，而無需設置保護環。因此，可提高上述光二極體陣列之開口率。
而且，本發明中，於第1導電型之半導體層中之至少與各光檢測通道對應之表面形成有不規則之凹凸。因此，入射至光二極體陣列之光由形成有不規則之凹凸之表面反射、散射或擴散，而於矽基板內行進較長之距離。藉此，入射至光二極體陣列之光之大部分由光檢測通道吸收，而不會穿透光二極體陣列(矽基板)。因此，上述光二極體陣列中，入射至光二極體陣列之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長，因此於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性提高。
又，本發明中，於第1導電型之半導體層之上述表面形成有不規則之凹凸。因此，於形成有不規則之凹凸之上述表面側不藉由光而產生之多餘載子進行再結合，可減少暗電流。第1導電型之上述半導體層作為累積層來發揮功能，係抑制於第1導電型之半導體層之上述表面附近藉由光而產生之載子由該表面捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效地朝上述倍增區域移動，可提高光二極體陣列之光檢測靈敏度。
本發明之光二極體陣列係將入射被檢測光之複數個光檢測通道形成於具有第1導電型之半導體層之矽基板上而成者，且包括：第1導電型之磊晶半導體層，其形成於第1導電型之半導體層上，且以下述各倍增區域與各光檢測通道相互對應之方式，具有使藉由被檢測光之入射而產生之載子進行雪崩倍增的複數個倍增區域；第2導電型之半導體區域，其形成於第1導電型之磊晶半導體層中，且由其與該磊晶半導體層之界面構成pn接合；及複數個電阻，其具有兩個端部，且對於各光檢測通道而設置，經由其中一端部而與磊晶半導體層中之第2導電型之半導體區域電性連接，並且經由另一端部而與信號導線連接；於第1導電型之半導體層中之至少與各光檢測通道對應之表面形成有不規則之凹凸，第1導電型之半導體層中之至少與各光檢測通道對應之表面係光學性地露出。
本發明之光二極體陣列中，pn接合係由第1導電型之磊晶半導體層與形成於該半導體層中之第2導電型之半導體區域所構成。倍增區域形成於實現pn接合之磊晶半導體層中，與各光檢測通道對應之倍增區域處於該磊晶半導體層中。因此，上述光二極體陣列不具有於以蓋革模式進行動作時發生邊緣崩潰之pn接合之端部(邊緣)，而無需設置保護環。因此，可提高上述光二極體陣列之開口率。
而且，根據本發明，如上所述般，入射至光二極體陣列之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長，因此於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性提高。又，第1導電型之上述半導體層作為累積層來發揮功能，於本發明中，可減少暗電流，並且可提高光二極體之光檢測靈敏度。
較佳為，進而於第1導電型之半導體層中之與複數個光檢測通道之間對應之表面形成有不規則之凹凸，並且該表面光學性地露出。於該情形時，入射至複數個光檢測通道之間的光亦由形成有不規則之凹凸之表面反射、散射或擴散，且由任一光檢測通道吸收。因此，於光檢測通道之間，檢測靈敏度不會下降，而是光檢測靈敏度進一步提高。
於本發明之光二極體陣列中，亦可將矽基板之形成有複數個光檢測通道之部分薄化，而殘留該部分之周邊部分。於該情形時，可獲得表面入射型及背面入射型之光二極體陣列。
本發明之光二極體陣列中，較佳為第1導電型之半導體層之厚度大於不規則之凹凸之高低差。於該情形時，如上所述般，可確保第1導電型之半導體層之作為累積層之作用效果。
本發明之光二極體包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，具有相互對向之第1主面及第2主面，並且於第1主面側形成有第2導電型之半導體區域，於矽基板之第2主面側形成有具有較矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於第2主面中之至少與第2導電型之半導體區域對向之區域形成有不規則之凹凸，矽基板之第2主面中之與第2導電型之半導體區域對向的區域係光學性地露出。
本發明之光二極體中，如上所述，入射至光二極體之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長，因此於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性提高。又，利用形成於矽基板之第2主面側之第1導電型之累積層，可減少暗電流，並且可提高光二極體之光檢測靈敏度。
較佳為，將矽基板之與第2導電型之半導體區域對應之部分自第2主面側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。於該情形時，可獲得分別將矽基板之第1主面及第2主面側作為光入射面之光二極體。
較佳為，第1導電型之累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。於該情形時，如上所述般，可確保累積層之作用效果。
根據本發明，可提供一種光二極體及光二極體陣列，其等係矽光二極體及矽光二極體陣列，且於近紅外光之波長帶域具有充分之光譜靈敏度特性。
以下，參照隨附圖式，對本發明之較佳實施形態加以詳細說明。再者，於說明中，對於相同要素或具有相同功能之要素使用相同符號，省略重複之說明。
(第1實施形態)
參照圖1~圖10，對第1實施形態之光二極體之製造方法加以說明。圖1~圖10係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
首先，準備包含矽(Si)結晶且具有相互對向之第1主面1a及第2主面1b之n- 型半導體基板1(參照圖1)。n- 型半導體基板1之厚度為300 μm左右，比電阻為1 kΩ‧cm左右。本實施形態中，所謂「高雜質濃度」，例如係指雜質濃度為1×1017 cm-3 左右以上，且係對導電型附加「+」來表示。所謂「低雜質濃度」，例如係指雜質濃度為1×1015 cm-3 左右以下，且係對導電型附加「-」來表示。作為n型雜質存在銻(Sb)或砷(As)等，作為P型雜質存在硼(B)等。
其次，於n- 型半導體基板1之第1主面1a側形成p+ 型半導體區域3及n+ 型半導體區域5(參照圖2)。p+ 型半導體區域3係藉由使用中央部開口之掩模等，使高濃度之p型雜質於n- 型半導體基板1內自第1主面1a側擴散而形成。n+ 型半導體區域5係藉由使用周邊部區域開口之其他掩模等，以包圍p+ 型半導體區域3之方式，使較n- 型半導體基板1更高濃度之n型雜質於n- 型半導體基板1內自第1主面1a側擴散而形成。p+ 型半導體區域3之厚度例如為0.55 μm左右，薄片電阻例如為44 Ω/sq.。n+ 型半導體區域5之厚度例如為1.5 μm左右，薄片電阻例如為12 Ω/sq.。
繼而，於n- 型半導體基板1之第1主面1a側形成絕緣層7(參照圖3)。絕緣層7包含SiO2 ，且係藉由將n- 型半導體基板1熱氧化而形成。絕緣層7之厚度例如為0.1 μm左右。之後，於p+ 型半導體區域3上之絕緣層7中形成接觸孔H1，於n+ 型半導體區域5上之絕緣層7中形成接觸孔H2。亦可形成包含SiN之抗反射(AR，anti-reflective)層來代替絕緣層7。
其次，於n- 型半導體基板1之第2主面1b上及絕緣層7上形成鈍化層9(參照圖4)。鈍化層9包含SiN，且係藉由例如電漿CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沈積)法而形成。鈍化層9之厚度例如為0.1 μm。繼而，自第2主面1b側對n- 型半導體基板1進行研磨，以使n- 型半導體基板1之厚度成為所需厚度(參照圖5)。藉此，將形成於n- 型半導體基板1之第2主面1b上之鈍化層9除去，而n- 型半導體基板1露出。此處，亦將藉由研磨而露出之表面作為第2主面1b。所需厚度例如為270 μm。
繼而，對n- 型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖6)。此處，如圖7所示，將n- 型半導體基板1配置於腔室C內，自配置於腔室C之外側之脈衝雷射產生裝置PLD對n- 型半導體基板1照射脈衝雷射光PL。腔室C包括氣體導入部GIN 及氣體排出部GOUT 。將惰性氣體(例如氮氣或氬氣等)自氣體導入部GIN 導入後自氣體排出部GOUT 排出，藉此於腔室C內形成有惰性氣體流Gf 。藉由惰性氣體流Gf ，將照射脈衝雷射光PL時所產生之塵埃等排出至腔室C外，而防止加工屑或塵埃等附著於n- 型半導體基板1上。
本實施形態中，使用皮秒~飛秒脈衝雷射產生裝置作為脈衝雷射產生裝置PLD，且遍及第2主面1b之整個表面而照射皮秒~飛秒脈衝雷射光。第2主面1b受到皮秒~飛秒脈衝雷射光破壞，而如圖8所示，於第2主面1b之整個表面形成不規則之凹凸10。不規則之凹凸10具有相對於與第1主面1a正交之方向而交差之表面。凹凸10之高低差例如為0.5~10 μm左右，凹凸10中之凸部之間隔為0.5~10 μm左右。皮秒~飛秒脈衝雷射光之脈衝時間寬度(time width)例如為50 fs~2 ps左右，強度例如為4~16 GW左右，脈衝能量例如為200~800 μJ/pulse左右。更通常的是，峰值強度為3×1011 ~2.5×1013 (W/cm2 )，通量為0.1~1.3(J/cm2 )左右。圖8係觀察形成於第2主面1b上之不規則之凹凸10之SEM(scanning electron microscope，掃描式電子顯微鏡)圖像。
其次，於n- 型半導體基板1之第2主面1b側形成累積層11(參照圖9)。此處，以成為較n- 型半導體基板1更高之雜質濃度之方式，將n型雜質於n- 型半導體基板1內自第2主面1b側離子植入或擴散，藉此形成累積層11。累積層11之厚度例如為1 μm左右。
繼而，對n- 型半導體基板1進行熱處理(退火)。此處，於N2 氣體之環境下以800~1000℃左右之範圍，將n- 型半導體基板1加熱0.5~1小時左右。
其次，將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去後，形成電極13、15(參照圖10)。電極13形成於接觸孔H1內，電極15形成於接觸孔H2內。電極13、15分別包含鋁(Al)等，且厚度例如為1 μm左右。藉此，完成光二極體PD1。
如圖10所示，光二極體PD1包括n- 型半導體基板1。於n- 型半導體基板1之第1主面1a側形成有p+ 型半導體區域3及n+ 型半導體區域5，於n- 型半導體基板1與p+ 型半導體區域3之間形成有pn接合。電極13通過接觸孔H1而與p+ 型半導體區域3電性接觸且連接。電極15通過接觸孔H2而與n+ 型半導體區域5電性接觸且連接。
於n- 型半導體基板1之第2主面1b形成有不規則之凹凸10。於n- 型半導體基板1之第2主面1b側形成有累積層11，且第2主面1b係光學性地露出。所謂第2主面1b光學性地露出，不僅指第2主面1b與空氣等環境氣體接觸，而且亦包括於第2主面1b上形成有光學上透明之膜之情形。
光二極體PD1中，於第2主面1b形成有不規則之凹凸10。因此，如圖11所示，入射至光二極體PD1之光L由凹凸10反射、散射或擴散，而於n- 型半導體基板1內行進較長之距離。
通常，相對於Si之折射率n=3.5，空氣之折射率n=1.0。光二極體中，於光自與光入射面垂直之方向入射之情形時，未於光二極體(矽基板)內被吸收之光分為由光入射面之背面反射之光成分、與穿透光二極體之光成分。穿透光二極體之光不利於光二極體之靈敏度。由光入射面之背面反射之光成分若在光二極體內被吸收，則成為光電流。未被吸收之光成分係於光入射面，與到達光入射面之背面之光成分同樣地反射或穿透。
光二極體PD1中，於光L自與光入射面(第1主面1a)垂直之方向入射之情形時，若到達形成於第2主面1b之不規則之凹凸10，則以相對來自凹凸10之出射方向成16.6°以上之角度到達之光成分係由凹凸10全反射。因凹凸10不規則地形成，故相對於出射方向具有各種角度，全反射之光成分朝各個方向擴散。因此，全反射之光成分中存在由n- 型半導體基板1內部吸收之光成分，且存在到達第1主面1a及側面之光成分。
由於到達第1主面1a及側面之光成分因凹凸10之擴散而朝各個方向行進，故到達第1主面1a及側面之光成分由第1主面1a及側面全反射之可能性極高。由第1主面1a及側面全反射之光成分反覆進行於不同表面之全反射，其行進距離變得更長。入射至光二極體PD1之光L於n- 型半導體基板1之內部行進較長之距離之期間，由n- 型半導體基板1吸收，而檢測為光電流。
入射至光二極體PD1之光L之大部分不會穿透光二極體PD1，而是行進距離變長，由n- 型半導體基板1吸收。因此，光二極體PD1中，於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性提高。
當於第2主面1b形成有規則之凹凸時，會到達第1主面1a及側面之光成分雖由凹凸擴散，但朝相同方向行進。因此，到達第1主面1a及側面之光成分由第1主面1a及側面全反射之可能性較低。因此，於第1主面1a及側面、進而於第2主面1b穿透之光成分增加，入射至光二極體之光之行進距離較短。其結果為，難以提高於近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性。
此處，為了對第1實施形態之於近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性之提高效果進行確認，而進行實驗。
製作包括上述構成之光二極體(稱作實施例1)、與未於n- 型半導體基板之第2主面形成不規則之凹凸之光二極體(稱作比較例1)，研究各光譜靈敏度特性。實施例1與比較例1除藉由脈衝雷射光之照射而形成不規則之凹凸方面以外，為相同構成。將n- 型半導體基板1之尺寸設定為6.5 mm×6.5 mm。將p+ 型半導體區域3即光感應區域之尺寸設定為5.8 mm×5.8 mm。將對光二極體施加之偏壓電壓VR設定為0 V。
將結果示於圖12中。於圖12中，實施例1之光譜靈敏度特性係由T1所表示，比較例1之光譜靈敏度特性係由特性T2所表示。於圖12中，縱軸表示光譜靈敏度(mA/W)，橫軸表示光之波長(nm)。以一點劃線所表示之特性表示量子效率(QE，quantum efficiency)為100%之光譜靈敏度特性，以虛線所表示之特性表示量子效率為50%之光譜靈敏度特性。
根據圖12可知，例如於1064 nm下，比較例1中光譜靈敏度為0.2 A/W(QE=25%)，相對於此而實施例1中光譜靈敏度為0.6 A/W(QE=72%)，於近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度大幅提高。
亦對實施例1及比較例1中之光譜靈敏度之溫度特性進行了確認。此處，使環境溫度自25℃上升至60℃而研究光譜靈敏度特性，求出60℃下之光譜靈敏度相對於25℃下之光譜靈敏度之比例(溫度係數)。將結果示於圖13中。於圖13中，實施例1之溫度係數之特性係由T3所表示，比較例1之溫度係數之特性係由特性T4所表示。於圖13中，縱軸表示溫度係數(%/℃)，橫軸表示光之波長(nm)。
根據圖13可知，例如於1064 nm下，比較例1中溫度係數為0.7%/℃，相對於此而實施例1中溫度係數為0.2%/℃，溫度依存性較低。通常，若溫度上升，則吸收係數增大且帶隙能量減少，藉此光譜靈敏度變高。實施例1中，於室溫之狀態下光譜靈敏度充分高，因此與比較例1相比較，溫度上升所引起之光譜靈敏度之變化變小。
光二極體PD1中，於n- 型半導體基板1之第2主面1b側形成有累積層11。藉此，於第2主面1b側不藉由光而產生之多餘載子進行再結合，可減少暗電流。累積層11係抑制於第2主面1b附近藉由光而產生之載子由該第2主面1b捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效地朝pn接合部移動，從而可進一步提高光二極體PD1之光檢測靈敏度。
第1實施形態中，於形成累積層11之後，對n- 型半導體基板1進行熱處理。藉此，n- 型半導體基板1之結晶性恢復，可防止暗電流之增加等不良。
第1實施形態中，於對n- 型半導體基板1進行熱處理之後，形成電極13、15。藉此，於電極13、15使用熔點相對較低之金屬之情形時，電極13、15亦不會由於熱處理而熔融。因此，可不受熱處理之影響而適當地形成電極13、15。
第1實施形態中，照射皮秒~飛秒脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10。藉此，可適當且容易地形成不規則之凹凸10。
(第2實施形態)
參照圖14~圖16，對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明。圖14~圖16係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
第2實施形態之製造方法中，直至自第2主面1b側對n- 型半導體基板1進行研磨為止，與第1實施形態之製造方法相同，而省略至此為止之步驟之說明。自第2主面1b側對n- 型半導體基板1進行研磨，使n- 型半導體基板1成為所需厚度之後，於n- 型半導體基板1之第2主面1b側形成累積層11(參照圖14)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為1 μm左右。
其次，對n- 型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖15)。不規則之凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
繼而，與第1實施形態同樣地對n- 型半導體基板1進行熱處理。之後，將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去後，形成電極13、15(參照圖16)。藉此，完成光二極體PD2。
於第2實施形態中，亦與第1實施形態同樣地，入射至光二極體PD2之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體PD2中，亦可提高於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性。
第2實施形態中，累積層11之厚度大於不規則之凹凸10之高低差。因此，即便於形成累積層11後，照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸10，累積層11仍確實地殘留。因此，可確保累積層11之作用效果。
(第3實施形態)
參照圖17~圖21，對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明。圖17~圖21係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
第3實施形態之製造方法中，直至形成鈍化層9為止，與第1實施形態之製造方法相同，而省略至此為止之步驟之說明。於形成鈍化層9之後，將n- 型半導體基板1中之與p+ 型半導體區域3對應之部分自第2主面1b側起薄化，而殘留該部分之周邊部分(參照圖17)。n- 型半導體基板1之薄化例如係藉由使用氫氧化鉀溶液或TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide，氫氧化四甲基銨溶液)等之鹼性蝕刻之各向異性蝕刻而進行。n- 型半導體基板1之已薄化之部分之厚度例如為100 μm左右，周邊部分之厚度例如為300 μm左右。
其次，自第2主面1b側對n- 型半導體基板1進行研磨，以使n- 型半導體基板1之周邊部分之厚度成為所需厚度(參照圖18)。所需厚度例如為270 μm。
繼而，對n- 型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖19)。不規則之凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
繼而，於n- 型半導體基板1之已薄化之部分之第2主面1b側形成累積層11(參照圖20)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為3 μm左右。
其次，與第1實施形態同樣地，於對n- 型半導體基板1進行熱處理之後，將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去，形成電極13、15(參照圖21)。藉此，完成光二極體PD3。
於第3實施形態中，亦與第1及第2實施形態同樣地，入射至光二極體PD3之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體PD3中，亦可提高於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性。
第3實施形態中，於形成不規則之凹凸10之前，將n- 型半導體基板1中之與p+ 型半導體區域3對應之部分自第2主面1b側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。藉此，可獲得分別將n- 型半導體基板1之第1主面1a及第2主面1b側作為光入射面之光二極體PD3。
(第4實施形態)
參照圖22~圖24，對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明。圖22~圖24係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
第4實施形態之製造方法中，直至將n- 型半導體基板1薄化為止，與第3實施形態之製造方法相同，而省略至此為止之步驟之說明。自第2主面1b側對n- 型半導體基板1進行研磨，使n- 型半導體基板1成為所需厚度之後，於n- 型半導體基板1之已薄化之部分之第2主面1b側形成累積層11(參照圖22)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為3 μm左右。
繼而，對n- 型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖23)。不規則之凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
其次，與第1實施形態同樣地，對n- 型半導體基板1進行熱處理。繼而，將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去之後，形成電極13、15(參照圖24)。藉此，完成光二極體PD4。
於第4實施形態中，亦與第1~第3實施形態同樣地，入射至光二極體PD4之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體PD4中，亦可提高於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性。
第4實施形態中，於形成累積層11之前，將n- 型半導體基板1中之與p+ 型半導體區域3對應之部分自第2主面1b側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。藉此，可獲得分別將n- 型半導體基板1之第1主面1a及第2主面1b側作為光入射面之光二極體PD4。
(第5實施形態)
參照圖25及圖26，對第5實施形態之光二極體陣列PDA1之構成加以說明。圖25係概略地表示第5實施形態之光二極體陣列PDA1之平面圖。圖26係表示沿著圖25所示之光二極體陣列PDA1之XXVI-XXVI線之剖面構成之圖。
光二極體陣列PDA1係於基板22上積層複數層半導體層及絕緣層而形成。如圖25所示，光二極體陣列PDA1係將入射被檢測光之複數個光檢測通道CH形成為矩陣狀(本實施形態中為4×4)而成之光子計數用多通道雪崩光二極體。於光二極體陣列PDA1之上表面側設置有信號導線23、電阻24及電極墊25。基板22例如係一邊為1 mm左右之正方形狀。各光檢測通道CH例如為正方形狀。
信號導線23包括讀出部23a、連接部23b及通道外周部23c。讀出部23a傳輸自各光檢測通道CH輸出之信號。連接部23b將各電阻24與讀出部23a連接。各通道外周部23c係以包圍光檢測通道CH之外周之方式而配線。讀出部23a係與夾持該讀出部23a而配置成鄰接之兩行之各光檢測通道CH連接，且其一端與電極墊25連接。本實施形態中，光二極體配置成4×4之矩陣狀，因此於光二極體陣列PDA1上配線有兩根讀出部23a，該兩者均與電極墊25連接。信號導線23例如包含鋁(Al)。
電阻24係經由其中一端部24a及通道外周部23c，對於各光檢測通道CH而設置，且經由另一端部24b及連接部23b而與讀出部23a連接。與相同之讀出部23a連接之複數個(本實施形態中為8個)電阻24係相對於該讀出部23a而連接。電阻24例如包含多晶矽(Poly-Si)。
其次，參照圖26對光二極體陣列PDA1之剖面構成加以說明。如圖26所示，光二極體陣列PDA1包括：具有導電型為n型(第1導電型)之半導體層之基板22、形成於基板22上之導電型為P型(第2導電型)之p- 型半導體層33、形成於p- 型半導體層33上之導電型為p型之p+ 型半導體區域34、保護膜36、形成於p- 型半導體層33中之導電型為n型(第1導電型)之分離部40、以及形成於保護膜36上之上述信號導線23及電阻24。被檢測光係自圖26之上表面側或下表面側入射。
基板22包括基板構件S、形成於基板構件S上之絕緣膜31、及形成於絕緣膜31上之n+ 型半導體層32。基板構件S包含Si(矽)。絕緣膜31例如包含SiO2 (氧化矽)。n+ 型半導體層32包含Si、且係雜質濃度較高之導電型為n型之半導體層。n+ 型半導體層32之厚度例如為1 μm~12 μm。
p- 型半導體層33係雜質濃度較低之導電型為p型之磊晶半導體層。由p- 型半導體層33與基板22之界面構成pn接合。p- 型半導體層33係與各光檢測通道CH對應地具有複數個使藉由被檢測光之入射而產生之載子進行雪崩倍增的倍增區域AM。p- 型半導體層33之厚度例如為3 μm~5 μm。p- 型半導體層33包含Si。因此，n+ 型半導體層32與p- 型半導體層33構成了矽基板。
p+ 型半導體區域34係與各光檢測通道CH之倍增區域AM對應地，形成於p- 型半導體層33上。即，於半導體層之積層方向(以下僅稱作積層方向)上，位於p+ 型半導體區域34下方之p- 型半導體層33之與基板22之界面附近的區域係倍增區域AM。p+ 型半導體區域34包含Si。
分離部40形成於複數個光檢測通道CH之間，將各光檢測通道CH分離。即，分離部40以與各光檢測通道CH一對一地對應，於p- 型半導體層33中形成倍增區域AM之方式而形成。分離部40係以完全包圍各倍增區域AM之周圍之方式而於基板22上形成為二維格子狀。分離部40係於積層方向上自p- 型半導體層33之上表面側貫通至下表面側為止而形成。分離部40之雜質例如包含P，且該分離部40為雜質濃度較高之導電型為n型之半導體層。若藉由擴散而形成分離部40，則需要較長之熱處理時間。因此，考慮有使n+ 型半導體層32之雜質朝向磊晶半導體層擴散，而pn接合之界面上升。為了防止該上升，亦可於對相當於分離部40之區域之中央附近進行溝槽蝕刻之後，進行雜質之擴散而形成分離部40。詳細內容於其他實施形態中加以說明，亦可於溝槽中形成遮光部，該遮光部係利用吸收或反射光檢測通道所吸收之波長帶域之光之物質進行填埋而形成。於該情形時，可防止由雪崩倍增所引起之發光對鄰接之光檢測通道造成影響而發生之串擾。
p- 型半導體層33、p+ 型半導體區域34及分離部40係於光二極體陣列PDA1之上表面側形成平面，且於該等之上形成有保護膜36。保護膜36例如係由包含SiO2 之絕緣層所形成。
於保護膜36上形成有信號導線23及電阻24。信號導線23之讀出部23a及電阻24形成於分離部40之上方。
信號導線23作為陽極來發揮功能，亦可於基板22之下表面側(不含絕緣膜31之側)之整個表面包括省略圖示之透明電極層(例如包含ITO(Indium Tin Oxide)之層)作為陰極。或者，亦能夠以伸出表面側之方式形成電極部來作為陰極。
此處，參照圖27，對各光檢測通道CH與信號導線23及電阻24之連接關係進行說明。圖27係用以對各光檢測通道CH與信號導線23及電阻24之連接關係進行概略說明之圖。如圖27所示，各光檢測通道CH之p+ 型半導體區域34與信號導線23(通道外周部23c)係直接連接。藉此，信號導線23(通道外周部23c)與p- 型半導體層33電性連接。p- 型半導體層33與電阻24之一端部24a係經由信號導線23(通道外周部23c)而連接，電阻24之另一端部24b分別經由連接部23b而與讀出部23a連接。
將基板22之形成有複數個光檢測通道CH之區域自基板構件S側起薄化，將基板構件S中之與形成有複數個光檢測通道CH之區域對應之部分除去。於已薄化之區域之周圍，基板構件S作為框部而存在。亦可具有如下構成：亦將上述框部除去而將基板22之整個區域薄化、即將基板構件S整體除去。基板構件S之除去可藉由蝕刻(例如乾式蝕刻等)或研磨等而進行。於藉由乾式蝕刻而將基板構件S除去之情形時，絕緣膜31亦作為蝕刻終止層來發揮功能。藉由除去基板構件S而露出之絕緣膜31係以下述方式除去。
於n+ 型半導體層32之表面，遍及形成有複數個光檢測通道CH之區域整體而形成有不規則之凹凸10。n+ 型半導體層32之表面中之形成有不規則之凹凸10之區域係光學性地露出。所謂n+ 型半導體層32之表面光學性地露出，不僅指n+ 型半導體層32之表面與空氣等環境氣體接觸，而且亦包括於n+ 型半導體層32之表面上形成有光學上透明之膜之情形。不規則之凹凸10亦可僅形成於與各光檢測通道CH對向之區域。
不規則之凹凸10係以下述方式而形成：對藉由除去基板構件S而露出之絕緣膜31，與上述實施形態同樣地照射脈衝雷射光。即，若對露出之絕緣膜31照射脈衝雷射光，則將絕緣膜31除去，並且n+ 型半導體層32之表面受到脈衝雷射光破壞，而形成不規則之凹凸10。照射脈衝雷射光之脈衝雷射產生裝置可使用皮秒~飛秒脈衝雷射產生裝置。不規則之凹凸10具有相對於與n+ 型半導體層32之表面正交之方向而交差之表面。凹凸10之高低差例如為0.5~10 μm左右，凹凸10中之凸部之間隔為0.5~10 μm左右。皮秒~飛秒脈衝雷射光之脈衝時間寬度例如為50 fs~2 ps左右，強度例如為4~16 GW左右，脈衝能量例如為200~800 μJ/pulse左右。更通常的是，峰值強度為3×1011 ~2.5×1013 (W/cm2 )，通量為0.1~0.3(J/cm2 )左右。
較佳為，於照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸10之後，對基板22進行熱處理(退火)。例如，於N2 氣體之環境下以800~1000℃左右之範圍，將基板22加熱0.5~1.0小時左右。藉由上述熱處理，而n+ 型半導體層32之結晶性恢復，可防止暗電流之增加等不良。
於將以上述方式構成之光二極體陣列PDA1用於光子計數之情形時，於稱作蓋革模式之動作條件下進行動作。於進行該蓋革模式動作時，對各光檢測通道CH施加較雪崩電壓更高之逆向電壓(例如50 V以上)。若於該狀態下被檢測光自上表面側入射至各光檢測通道CH，則被檢測光於各光檢測通道CH內被吸收而產生載子。所產生之載子沿著各光檢測通道CH內之電場一面加速一面移動，於各倍增區域AM進行倍增。繼而，經倍增之載子經由電阻24，藉由信號導線23而擷取至外部，根據該輸出信號之峰值進行檢測。自檢測出光子之通道均可獲得等量之輸出，因此藉由檢測來自所有通道之總輸出，而對自光二極體陣列PDA1中之幾個光檢測通道CH存在輸出進行計數。因此，光二極體陣列PDA1中，藉由被檢測光之一次照射，可實現光子計數。
然而，光二極體陣列PDA1中，於n+ 型半導體層32之表面形成有不規則之凹凸10。因此，入射至光二極體陣列PDA1之光由凹凸10反射、散射或擴散，而於光二極體陣列PDA1內行進較長之距離。
例如，於將光二極體陣列PDA1用作表面入射型光二極體陣列，且光自保護膜36側入射至光二極體陣列PDA1之情形時，若會到達形成於n+ 型半導體層32之表面上之不規則之凹凸10，則以與來自凹凸10之出射方向成16.6°以上之角度到達之光成分由凹凸10全反射。因凹凸10不規則地形成，故相對於出射方向具有各種角度，全反射之光成分朝各個方向擴散。因此，全反射之光成分中，存在由各光檢測通道CH吸收之光成分，且存在到達保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面之光成分。
會到達保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面之光成分係藉由在凹凸10上之擴散而朝各個方向行進。因此，到達保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面的光成分由保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面全反射之可能性極高。由保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面全反射的光成分係反覆進行於不同表面之全反射，而其行進距離變得更長。入射至光二極體陣列PDA1之光於光二極體陣列PDA1之內部行進較長之距離之期間，由各光檢測通道CH吸收，而檢測為光電流。
於將光二極體陣列PDA1用作背面入射型光二極體陣列，且光自n+ 型半導體層32之表面側入射至光二極體陣列PDA1之情形時，入射之光由凹凸10散射，而於光二極體陣列PDA1內朝各個方向行進。會到達保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面之光成分係藉由凹凸10之擴散而朝各個方向行進。因此，到達保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面的光成分由各表面全反射之可能性極高。由保護膜36側之表面及n+ 型半導體層32之側面全反射的光成分係反覆進行於不同表面之全反射及於凹凸10之反射、散射或擴散，而其行進距離變得更長。入射至光二極體陣列PDA1之光由凹凸10反射、散射或擴散，而於光二極體陣列PDA1內行進較長之距離，由各光檢測通道CH吸收，而檢測為光電流。
入射至光二極體陣列PDA1之光L之大部分不會穿透光二極體陣列PDA1，而是行進距離變長，由各光檢測通道CH吸收。因此，光二極體陣列PDA1中，於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性提高。
第5實施形態中，於n+ 型半導體層32之表面形成有不規則之凹凸10。因此，於形成有不規則之凹凸10之上述表面側不藉由光而產生之多餘載子進行再結合，可減少暗電流。n+ 型半導體層32作為累積層來發揮功能，係抑制於n+ 型半導體層32之上述表面附近藉由光而產生之載子由該表面所捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效地朝倍增區域AM移動，從而可提高光二極體陣列PDA1之光檢測靈敏度。
第5實施形態中，亦於n+ 型半導體層32中之與複數個光檢測通道CH之間對應之表面形成有不規則之凹凸10，並且該表面係光學性地露出。因此，入射至複數個光檢測通道CH之間之光亦由不規則之凹凸10反射、散射或擴散，由任一光檢測通道CH吸收。因此，於光檢測通道CH之間，檢測靈敏度不會下降，而是光二極體陣列PDA1之光檢測靈敏度進一步提高。另外，第5實施形態中，形成有複數個光檢測通道CH，各光檢測通道CH並不檢測光之入射位置，而取各光檢測通道CH之輸出之和作為輸出。因此，各光檢測通道CH間之串擾不會成為問題，藉由任一光檢測通道CH來檢測入射之光即可。
第5實施形態中，n+ 型半導體層32之厚度大於不規則之凹凸10之高低差。因此，可確實地確保n+ 型半導體層32之作為累積層之作用效果。
光二極體陣列PDA1中，pn接合係由基板22之n+ 型半導體層32、與形成於該基板22之n+ 型半導體層32上之作為磊晶半導體層之p- 型半導體層33所構成。倍增區域AM形成於實現pn接合之p- 型半導體層33中，各倍增區域AM之與各光檢測通道CH之對應係藉由形成於光檢測通道CH間之分離部40而實現。pn接合面係由n+ 型半導體層32與p- 型半導體層33之界面、及分離部40與p- 型半導體層33之界面所構成。因此，不存在高濃度雜質區域成為凸起，而電場變高之區域。由此，光二極體陣列PDA1不具有於以蓋革模式進行動作時發生邊緣崩潰之pn接合之端部(邊緣)。因此，光二極體陣列PDA1中無需相對於各光檢測通道CH之pn接合而設置保護環。藉此，可顯著提高光二極體陣列PDA1之開口率。
藉由提高開口率，而光二極體陣列PDA1中亦可增大檢測效率。
因各光檢測通道CH間藉由分離部40而分離，故可良好地抑制串擾。
於以蓋革模式進行動作，且在入射有光子之光檢測通道與不入射光子之通道之間電壓差變大的情形時，亦因於光檢測通道CH間形成有分離部40，故可充分地將通道間分離。
光二極體陣列PDA1中，信號導線23之讀出部23a形成於分離部40之上方，因此抑制信號導線23橫穿倍增區域AM上方即光檢測面上。因此，開口率進一步提高。進而，認為對抑制暗電流亦有效。光二極體陣列PDA1中，電阻24亦形成於分離部40之上方，因此開口率進一步提高。
於使用n型之半導體基板，且在其上形成有p型之磊晶半導體層之情形時，會發生於n型之半導體基板上產生之電洞之一部分延遲進入倍增區域而成為剩餘脈衝之問題，上述情形係本申請案發明者根據剩餘脈衝之波長依存性而發現。對於上述問題，於光二極體陣列PDA1中，因在形成有複數個光檢測通道CH之區域，將基板構件S除去，故可抑制剩餘脈衝。
第5實施形態中之分離部40可應用各種變形。圖28係概略地表示第5實施形態之光二極體陣列PDA1之第1變形例之剖面構成的圖。第1變形例之光二極體陣列中，複數個(本變形例中為兩個)分離部40形成於光檢測通道CH之間。
圖29係概略地表示本實施形態之光二極體陣列PDA1之第2變形例之剖面構成的圖。第2變形例之光二極體陣列中，分離部40係僅形成於上表面(被檢測光入射面)附近，而不於積層方向上自p- 型半導體層33之上表面側貫通至下表面側為止。
上述實施形態中，將磊晶半導體層設為第2導電型，但亦可將磊晶半導體層設為第1導電型，於該半導體層中設置第2導電型之半導體區域，由第1導電型之磊晶半導體層與第2導電型之半導體區域構成pn接合。
如圖39及圖40所示，光二極體陣列PDA1安裝於基板WB上。圖39中，藉由接著等而將光二極體陣列PDA1固定於基板WB上，並藉由打線接合而與形成於基板WB上之配線電性連接。圖40中，藉由凸塊將光二極體陣列PDA1固定於基板WB上，並且與形成於基板WB上之配線電性連接。於藉由凸塊而將光二極體陣列PDA1與基板WB連接之情形時，較佳為於光二極體陣列PDA1與基板WB之間填充底部填充樹脂。於該情形時，可確保光二極體陣列PDA1與基板WB之連接強度。
於圖39中，於將光二極體陣列PDA1用作背面入射型光二極體陣列之情形時，較佳為基板WB為光學上透明。同樣，於圖40中，於將光二極體陣列PDA1用作表面入射型光二極體陣列之情形時，亦較佳為基板WB為光學上透明。此時，較佳為所填充之底部填充樹脂亦為光學上透明。
(第6實施形態)
參照圖30，對第6實施形態之光二極體陣列PDA2之構成加以說明。圖30係概略地表示第6實施形態之光二極體陣列PDA2之剖面構成之圖。第6實施形態之光二極體陣列PDA2係於分離部40包括遮光部之方面與第5實施形態之光二極體陣列PDA1不同。
如圖30所示，分離部40包括遮光部42，該遮光部42包含吸收由光檢測通道CH所檢測之被檢測光之波長帶域(可見光至近紅外光)之光的物質。遮光部42係埋入至分離部40內而形成為自p- 型半導體層33之上表面側朝向下表面側延伸之芯。遮光部42例如包含於光阻材料內混入有黑色之染料或經絕緣處理之碳黑等顏料之黑色光阻材料、或鎢等金屬。其中，於構成遮光部42之物質不為絕緣物質(例如鎢等金屬)之情形時，需要利用SiO2 等之絕緣膜對該遮光部42進行覆膜。第5實施形態中亦已敍述，若藉由擴散而形成分離部40，則需要較長之熱處理時間，因此考慮有將n+ 型半導體層32之雜質朝向磊晶半導體層擴散，而pn接合之界面上升。為了防止該上升，亦可於對相當於分離部40之區域之中央附近進行溝槽蝕刻之後，進行雜質之擴散而形成分離部40。如圖30所示，進行雜質擴散之後，成為n+ 型半導體層32與分離部40相連之形狀。如上所述，亦可於剩餘之溝槽中形成遮光部，該遮光部係利用吸收光檢測通道所吸收之波長帶域之光之物質(如下所述，亦可為反射光檢測通道所吸收之波長帶域之光之物質)進行填埋而形成。藉此，可防止由雪崩倍增所引起之發光對鄰接之光檢測通道造成影響而發生之串擾。
於第6實施形態中，亦與第5實施形態同樣地，入射至光二極體陣列PDA2之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體陣列PDA2中，亦可提高於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性。又，可減少暗電流，並且可提高光二極體陣列PDA2之光檢測靈敏度。
光二極體陣列PDA2中，亦與光二極體陣列PDA1同樣地，不具有於以蓋革模式進行動作時發生邊緣崩潰之pn接合之端部(邊緣)。因此，光二極體陣列PDA2中亦無需相對於各光檢測通道CH之pn接合而設置保護環。藉此，可提高光二極體陣列PDA2之開口率。
藉由提高開口率，而於光二極體陣列PDA2中亦可增大檢測效率。
因利用分離部40將各光檢測通道CH間分離，故可良好地抑制串擾。
光二極體陣列PDA2中，信號導線23之讀出部23a亦形成於分離部40之上方，因此開口率進一步提高。進而，認為對抑制暗電流亦有效。
各分離部40包括遮光部42，該遮光部42包含吸收由光檢測通道CH所檢測之被檢測光之波長帶域之光的物質。因此，被檢測光由遮光部吸收，故而可良好地抑制串擾之發生。遮光部42包含吸收由光檢測通道CH所檢測之被檢測光之波長帶域、特別是藉由雪崩倍增而產生之可見光~近紅外光之波長帶域之光的物質，以使藉由雪崩倍增而產生之光不會對鄰接之光檢測通道CH造成影響。因此，可良好地抑制串擾之發生。
遮光部42並不限定於吸收可見光至近紅外光之光之物質，亦可為反射可見光至近紅外光之光之物質。於該情形時，亦因被檢測光由遮光部反射，故可良好地抑制串擾之發生。遮光部42包含反射由光檢測通道CH所檢測之被檢測光之波長帶域、特別是藉由雪崩倍增而產生之可見光~近紅外光之波長帶域之光的物質，以使藉由雪崩倍增而產生之光不會對鄰接之光檢測通道CH造成影響。因此，可良好地抑制串擾之發生。
遮光部42並不限定於吸收或反射可見光至近紅外光之光之物質，只要為吸收或反射由光檢測通道CH所檢測之被檢測光之波長帶域之光的物質即可。其中，較佳為，遮光部42包含吸收或反射由光檢測通道CH所檢測之被檢測光之波長帶域、特別是藉由雪崩倍增而產生之可見光~近紅外光之波長帶域之光的物質，以使藉由雪崩倍增而產生之光不會對鄰接之光檢測通道CH造成影響。
遮光部42亦可包含折射率較分離部40更低之物質。於該情形時，亦因光由遮光部反射，故可良好地抑制串擾之發生。
(第7實施形態)
參照圖31，對第7實施形態之光二極體陣列PDA3之構成加以說明。圖31係用以對第7實施形態之光二極體陣列PDA3之剖面構成進行概略說明之圖。第7實施形態之光二極體陣列PDA3係於信號導線23形成在氮化矽膜上之方面與第5實施形態之光二極體陣列PDA1不同。
如圖31所示，光二極體陣列PDA3包括：具有導電型為n型(第1導電型)之半導體層之基板22、形成於基板22上之導電型為p型(第2導電型)之p型半導體層35、形成於p型半導體層35上之導電型為p型之p+ 型半導體區域34、保護膜36a、36b、形成於p型半導體層35上之導電型為n型(第1導電型)之分離部40、包含鋁之信號導線23、以及例如包含Poly-Si之電阻24。
基板22包括n+ 型之基板構件(未圖示)、與形成於該基板構件上之n型半導體層32。
p型半導體層35係雜質濃度較p+ 型半導體區域34更低之導電型為p型之磊晶半導體層。由p型半導體層35與基板22之n型半導體層32之界面構成pn接合。p型半導體層35係與各光檢測通道CH對應地具有複數個使藉由被檢測光之入射而產生之載子進行雪崩倍增之倍增區域AM。p型半導體層35包含Si。
p型半導體層35、p+ 型半導體區域34及分離部40係於光二極體陣列PDA3之上表面側形成平面，且於該等之上形成有保護膜36a、36b。保護膜36a係藉由包含氧化矽膜(SiO2 膜)之絕緣膜所形成，保護膜36b係藉由包含氮化矽(SiN膜或Si3 N4 膜)之絕緣膜所形成。
如圖31所示，於分離部40上依序積層有保護膜36a、電阻24、保護膜36b及信號導線23。具體而言，於分離部40上積層有保護膜36a。於保護膜36a上積層有電阻24。於保護膜36a及電阻24上，除各電阻24之一部分外均積層有保護膜36b。於保護膜36b及其上未積層保護膜36b之電阻24之一部分上，積層有信號導線23以進行電性連接。具體而言，於電阻24間積層有信號導線23之讀出部23a，於電阻24上積層有作為與連接部23b或通道外周部23c之電性連接之信號導線23以進行電性連接。
如圖31所示，於p+ 型半導體區域34上除一部分外均積層有保護膜36b。於未積層保護膜36b之p+ 型半導體區域34之該一部分上、及積層於p+ 型半導體區域34上之保護膜36b之一部分上，積層有信號導線23之通道外周部23c以進行電性連接。
於第7實施形態中，亦與第5及第6實施形態同樣地，入射至光二極體陣列PDA3之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，於光二極體陣列PDA3中，亦可提高於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性。又，可減少暗電流，並且可提高光二極體陣列PDA3之光檢測靈敏度。
光二極體陣列PDA3中，亦與光二極體陣列PDA1同樣地，不具有於以蓋革模式進行動作時發生邊緣崩潰之pn接合之端部(邊緣)。因此，光二極體陣列PDA3中亦無需相對於各光檢測通道CH之pn接合而設置保護環。藉此，可提高光二極體陣列PDA3之開口率。
藉由提高開口率，而光二極體陣列PDA3中亦可增大檢測效率。
因利用分離部40將光檢測通道CH間分離，故可良好地抑制串擾。
光二極體陣列PDA3中，信號導線23之讀出部23a亦形成於分離部40之上方，因此開口率進一步提高。進而，認為對抑制暗電流亦有效。
信號導線23包含鋁，因此例如於形成在氧化膜上之情形時，會發生由於施加高電壓而鋁滲入至其下之膜之問題。應對上述問題，於光二極體陣列PDA3中，將信號導線23形成於包含氮化矽膜之保護膜36b上。因此，即便對光二極體陣列PDA3施加高電壓，仍可抑制鋁滲入至其下之膜(保護膜36b)。
於信號導線23之讀出部23a之下，積層有保護膜36b與保護膜36a或電阻24。因此，可良好地抑制由於施加高電壓而鋁滲入至分離部40及p型半導體層35。
光二極體陣列PDA3中，即便於施加高電壓之情形時，仍可較佳抑制鋁侵入至光檢測通道CH及分離部40。
包含例如多晶矽(Poly-Si)之電阻24形成於保護膜36a上，並且於該電阻24上形成有保護膜36b及信號導線23。
亦可使用p型之半導體層代替n型半導體層32。於該情形時，由該p型之半導體層與n+ 型之基板構件S(基板22)之間構成pn接合，且於該p型之半導體層中形成倍增部AM。
(第8實施形態)
參照圖32，對第8實施形態之光二極體陣列PDA4之構成加以說明。圖32係概略地表示第8實施形態之光二極體陣列PDA4之剖面構成之圖。第8實施形態之光二極體陣列PDA4係於不包括分離部40之方面與第5實施形態之光二極體陣列PDA1不同。
如圖32所示，p- 型半導體層33係以各倍增區域AM與各光檢測通道CH相互對應之方式具有複數個倍增區域AM。於各光檢測通道CH間形成有信號導線23及電阻24。
於第8實施形態中，亦與第5~第7實施形態同樣地，入射至光二極體陣列PDA4之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體陣列PDA4中，亦可提高於紅光~近紅外光之波長帶域之光譜靈敏度特性。又，可減少暗電流，並且可提高光二極體陣列PDA4之光檢測靈敏度。
光二極體陣列PDA4中，亦與光二極體陣列PDA1同樣地，不具有於以蓋革模式進行動作時發生邊緣崩潰之pn接合之端部(邊緣)。因此，光二極體陣列PDA4中亦無需相對於各光檢測通道CH之pn接合而設置保護環。藉此，可提高光二極體陣列PDA4之開口率。進而，由於光二極體陣列PDA4不包括分離部，從而可表現出更高之開口率。
藉由提高開口率，而於光二極體陣列PDA4中亦可增大檢測效率。
光二極體陣列PDA4中，信號導線23之讀出部23a形成於各光檢測通道CH間，因此開口率進一步提高。進而，認為對抑制暗電流亦有效。
以上，對本發明之較佳實施形態進行了說明，但本發明並不限定於上述實施形態，於不脫離其主旨之範圍內可進行各種變更。
第1~第4實施形態中，遍及第2主面1b之整個表面照射脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10，但並不限定於此。例如，亦可僅對n- 型半導體基板1之第2主面1b中之與p+ 型半導體區域3對向之區域照射脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10。
第1~第4實施形態中，將電極15與形成於n- 型半導體基板1之第1主面1a側之n+ 型半導體區域5電性接觸且連接，但並不限定於此。例如，亦可將電極15與形成於n- 型半導體基板1之第2主面1b側之累積層11電性接觸且連接。於該情形時，較佳為，於n- 型半導體基板1之第2主面1b中之與p+ 型半導體區域3對向之區域以外，形成電極15。其原因在於，若於n- 型半導體基板1之第2主面1b中之與p+ 型半導體區域3對向之區域形成電極15，則形成於第2主面1b之不規則之凹凸10由電極15堵塞，而發生近紅外光之波長帶域中之光譜靈敏度下降之現象。
亦可將第1~第4實施形態之光二極體PD1~PD4中之p型及n型之各導電型替換為與上述相反。
於第5~第8實施形態中，形成於光二極體陣列中之光檢測通道之數量並不限定於上述實施形態中之數量(4×4)。形成於光檢測通道CH間之分離部40之數量亦不限定於上述實施形態及變形例中所示之數量，例如亦可為3個以上。信號導線23亦可不形成於分離部40之上方。電阻24亦可不形成於分離部40之上方。各層等並不限定於上述實施形態及變形例中所例示者。亦可將上述光二極體陣列PDA1~PDA4中之p型及n型之各導電型替換為與上述相反。
圖33係概略地表示圖26所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。圖34係概略地表示圖28所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。圖35係概略地表示圖29所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。圖36係概略地表示圖30所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。圖37係概略地表示圖31所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。圖38係概略地表示圖32所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。該等之基本之平面構成與連接關係係與圖25所示者相同。
如上所述，圖33至圖38所示之構造中，使用n型半導體層R33或R35來代替圖26、圖28、圖29、圖30、圖31、圖32之p型半導體層33或p型半導體層35。於該情形時，pn接合形成於低濃度之n型半導體層R33(或R35)與p型半導體區域34之界面，空乏層自pn接合朝向n型半導體層R33(或R35)擴展，倍增區域AM係與空乏層對應地自pn接合界面朝向n型半導體層R33(或R35)而形成。其他構造與作用係與上述者相同。
該等光二極體陣列PDA1~PDA4係將入射被檢測光之複數個光檢測通道CH形成於具有n型半導體層32之n型之基板22上而成。且係將入射被檢測光之複數個光檢測通道CH形成於具有作為第1導電型之n+ 型之半導體層32(S)的基板上而成之光二極體陣列。複數個光檢測通道CH包括：基板22、作為第1導電型之n- 型之磊晶半導體層R33(或R35)、作為第2導電型之p+ 型之半導體區域34、以及複數個電阻24。磊晶半導體層R33(或R35)形成於基板22之第1導電型之半導體層32上。磊晶半導體層R33(或R35)係以下述各倍增區域AM與各光檢測通道相互對應之方式，而具有使藉由被檢測光之入射而產生之載子進行雪崩倍增的複數個倍增區域AM。半導體區域34形成於磊晶半導體層R33(或R35)中，且由其與該磊晶半導體層R33(或R35)之界面構成pn接合。複數個電阻24具有兩個端部，且對於各光檢測通道CH而設置。複數個電阻24經由其中一端部24a而與磊晶半導體層R33(或R35)中之第2導電型之半導體區域34電性連接，並且經由另一端部24b而與信號導線23連接。
如圖25所示，電阻24係經由其中一端部24a及通道外周部23c，對於各光檢測通道CH而設置，且經由另一端部24b及連接部23b而與讀出部23a連接。與相同之讀出部23a連接之複數個電阻24係相對於該讀出部23a而連接。
該等光二極體陣列中，pn接合係由基板上之第1導電型之磊晶半導體層R33(或R35)、與形成於該磊晶半導體層R33(或R35)中之第2導電型之半導體區域34所構成。倍增區域AM形成於實現pn接合之磊晶半導體層R33(或R35)中，與各光檢測通道對應之倍增區域AM處於該磊晶半導體層R33(或R35)內。
產業上之可利用性
本發明可用於半導體光檢測元件及光檢測裝置。
1．．．n- 型半導體基板
1a．．．第1主面
1b．．．第2主面
3．．．p+ 型半導體區域
5．．．n+ 型半導體區域
10．．．不規則之凹凸
11．．．累積層
13、15．．．電極
22．．．基板
23．．．信號導線
24．．．電阻
25．．．電極墊
31．．．絕緣膜
32．．．n+ 型半導體層
33．．．p- 型半導體層
34．．．p+ 型半導體區域
35．．．p型半導體層
36．．．保護膜
40．．．分離部
42．．．遮光部
AM．．．倍增區域
CH．．．光檢測通道
PD1~PD4．．．光二極體
PDA1~PDA4．．．光二極體陣列
PL．．．脈衝雷射光
S．．．基板構件
圖1係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖2係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖3係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖4係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖5係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖6係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖7係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖8係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖9係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖10係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖11係表示第1實施形態之光二極體之構成之圖。
圖12係表示實施例1及比較例1中之光譜靈敏度相對於波長之變化之線圖。
圖13係表示實施例1及比較例1中之溫度係數相對於波長之變化之線圖。
圖14係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖15係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖16係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖17係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖18係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖19係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖20係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖21係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖22係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖23係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖24係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖25係概略地表示第5實施形態之光二極體陣列之平面圖。
圖26係概略地表示沿著圖25中之XXVI-XXVI之剖面構成之圖。
圖27係用以對各光檢測通道與信號導線及電阻之連接關係進行概略說明之圖。
圖28係概略地表示第5實施形態之光二極體陣列之第1變形例之剖面構成的圖。
圖29係概略地表示第5實施形態之光二極體陣列之第2變形例之剖面構成的圖。
圖30係概略地表示第6實施形態之光二極體陣列之剖面構成的圖。
圖31係概略地表示第7實施形態之光二極體陣列之剖面構成的圖。
圖32係概略地表示第8實施形態之光二極體陣列之剖面構成的圖。
圖33係概略地表示圖26所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。
圖34係概略地表示圖28所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。
圖35係概略地表示圖29所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。
圖36係概略地表示圖30所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。
圖37係概略地表示圖31所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。
圖38係概略地表示圖32所示之實施形態之層構造之變形例的光二極體陣列之剖面構成之圖。
圖39係概略地表示光二極體陣列之安裝構造之一例之圖。
圖40係概略地表示光二極體陣列之安裝構造之一例之圖。
10．．．不規則之凹凸
22．．．基板
23a．．．讀出部
23c．．．通道外周部
24．．．電阻
31．．．絕緣膜
32．．．n+ 型半導體層
33．．．p- 型半導體層
34．．．p+ 型半導體區域
36．．．保護膜
40．．．分離部
AM．．．倍增區域
CH．．．光檢測通道
PDA1．．．光二極體陣列
S．．．基板構件

Claims (8)

  1. 一種光二極體陣列，其特徵在於：其係將入射被檢測光之複數個光檢測通道形成於具有第1導電型之半導體層之矽基板上而成者，且包括：第2導電型之磊晶半導體層，其形成於第1導電型之上述半導體層上，由其與該半導體層之界面構成pn接合，並且以各倍增區域與上述各光檢測通道相互對應之方式，而具有使藉由上述被檢測光之入射而產生之載子進行雪崩倍增的複數個倍增區域；及複數個電阻，其具有兩個端部，且對於上述各光檢測通道而設置，經由其中一上述端部而與上述磊晶半導體層電性連接，並且經由另一上述端部而與信號導線連接；於第1導電型之上述半導體層中之至少與上述各光檢測通道對應之表面形成有不規則之凹凸，第1導電型之上述半導體層中之至少與上述各光檢測通道對應之上述表面係光學性地露出。
  2. 一種光二極體陣列，其特徵在於：其係將入射被檢測光之複數個光檢測通道形成於具有第1導電型之半導體層之矽基板上而成者，且包括：第1導電型之磊晶半導體層，其形成於第1導電型之上述半導體層上，且以各倍增區域與上述各光檢測通道相互對應之方式，而具有使藉由上述被檢測光之入射而產生之載子進行雪崩倍增的複數個倍增區域； 第2導電型之半導體區域，其形成於上述第1導電型之磊晶半導體層中，且由其與該磊晶半導體層之界面構成pn接合；及複數個電阻，其具有兩個端部，且對於上述各光檢測通道而設置，經由其中一上述端部而與上述磊晶半導體層中之上述第2導電型之半導體區域電性連接，並且經由另一上述端部而與信號導線連接；於第1導電型之上述半導體層中之至少與上述各光檢測通道對應之表面形成有不規則之凹凸，第1導電型之上述半導體層中之至少與上述各光檢測通道對應之上述表面係光學性地露出。
  3. 如請求項1或2之光二極體陣列，其中進而於第1導電型之上述半導體層中之與上述複數個光檢測通道之間對應的表面形成有不規則之凹凸，並且該表面光學性地露出。
  4. 如請求項1或2之光二極體陣列，其中將上述矽基板之形成有複數個光檢測通道之部分薄化，而殘留該部分之周邊部分。
  5. 如請求項3之光二極體陣列，其中將上述矽基板之形成有複數個光檢測通道之部分薄化，而殘留該部分之周邊部分。
  6. 如請求項1或2之光二極體陣列，其中第1導電型之上述半導體層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
  7. 如請求項3之光二極體陣列，其中第1導電型之上述半導 體層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
  8. 如請求項4之光二極體陣列，其中第1導電型之上述半導體層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
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