TWI617013B - 半導體光檢知元件及光電二極體 - Google Patents

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Kazuhisa Yamamura
Akira Sakamoto
Terumasa Nagano
Yasuhito Miyazaki
Yasuhito Yoneta
Hisanori Suzuki
Masaharu Muramatsu
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Hamamatsu Photonics Kk
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Abstract

一種半導體光檢知元件SP，包括：矽基板21，其包含第1導電型之半導體，具有彼此相對向之第1主面21a及第2主面21b，並且於第1主面21a側形成有第2導電型之半導體層23；以及電荷轉移電極25，其設置於第1主面21a上，且轉移所產生之電荷。於矽基板21上，於第2主面21b側形成有具有較矽基板21更高之雜質濃度之第1導電型之累積層31，並且於第2主面21b之與至少半導體區域23相對向之區域形成有不規則之凹凸10。矽基板21之第2主面21b之形成有不規則之凹凸10的區域光學性地露出。

Description

半導體光檢知元件及光電二極體
本發明係關於一種半導體光檢知元件。
作為於近紅外之波長帶中具有高分光感度特性之光電二極體，使用有化合物半導體之光電二極體已為人所知(例如參照專利文獻1)。於專利文獻1所揭示之光電二極體中包括：第1受光層，其包含InGaAsN、InGaAsNSb、及InGaAsNP之任一者；以及第2受光層，其具有波長較第1受光層之吸收端更長之吸收端，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2008-153317號公報
然而，如上所述之使用有化合物半導體之光電二極體仍然昂貴，製造步驟亦複雜。因此，業者渴望廉價、易於製造且於近紅外之波長帶中具有充分之分光感度之矽光電二極體之實用化。對於矽光電二極體而言，一般其分光感度特性於長波長側之極限為1100nm左右，但1000nm以上之波長帶中之分光感度特性不充分。
本發明之目的在於提供一種半導體光檢知元件，其使用有矽且於近紅外之波長帶中具有充分之分光感度特性。
本發明之半導體光檢知元件包括：矽基板，其包含第1導電型之半導體，具有彼此相對向之第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；以及轉移電極部，其設置於矽基板之第1主面上，且轉移所產生之電荷；於矽基板上，於第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主面之與至少第2導電型之半導體區域相對向之區域形成有不規則之凹凸，矽基板之第2主面之形成有不規則之凹凸之區域光學性地露出。
於本發明之半導體光檢知元件中，由於在第2主面之與至少第2導電型之半導體區域相對向之區域中形成有不規則之凹凸，故而入射至半導體光檢知元件之光於該區域中經反射、散射、或擴散，於矽基板內前進較長之距離。藉此，入射至半導體光檢知元件之光之大部分並不透過半導體光檢知元件(矽基板)，而是被矽基板所吸收。因此，於上述半導體光檢知元件中，入射至半導體光檢知元件之光之走行距離變長，光之吸收距離亦變長，因此，近紅外之波長帶中之分光感度特性提高。
又，由於在矽基板之第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，故而於第2主面側並非由光產生之多餘之載子再次結合，從而可減小暗電流。又，第1導電型之上述累積層抑制於矽基板之第2主面附近藉由光而產生之載子被該第2主面捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效率地朝第2導電型之半導體區域與矽基板之pn接面部移動，從而可提高半導體光檢知元件之光檢知感度。
於本發明之半導體光檢知元件中，亦可於與第2導電型之半導體區域相對向之區域中之一部分的區域中，形成不規則之凹凸。於該情形時，於半導體光檢知元件中之與形成有不規則之凹凸之區域相對應的部分，如上所述，近紅外之波長帶中之分光感度特性提高。
於本發明之半導體光檢知元件中，亦可保留矽基板之對應於第2 導電型之半導體區域之部分的周邊部分而自第2主面側起使該部分變薄。於該情形時，可獲得分別將矽基板之第1主面及第2主面側設為光入射面之半導體光檢知元件。
於本發明之半導體光檢知元件中，較好的是第1導電型之累積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，可確保累積層之作用效果。
於本發明之半導體光檢知元件中，較好的是矽基板之厚度設定為像素間距以下。於該情形時，可抑制像素間之串擾之產生。
本發明之光電二極體包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，具有彼此相對向之第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，於矽基板上，於第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主面之與至少第2導電型之半導體區域相對向之區域形成有不規則之凹凸，矽基板之第2主面之與第2導電型之半導體區域相對向之區域光學性地露出。
於本發明之光電二極體中，由於在第2主面之與至少第2導電型之半導體區域相對向之區域中形成有不規則之凹凸，故而入射至光電二極體之光於該區域中經反射、散射、或擴散，於矽基板內前進較長之距離。藉此，入射至光電二極體之光之大部分並不透光過光電二極體(矽基板)，而是被矽基板所吸收。因此，於上述光電二極體中，由於入射至光電二極體之光之走行距離變長，且光之吸收距離亦變長，故而近紅外之波長帶中之分光感度特性提高。
又，由於在矽基板之第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，故而於第2主面側並非由光產生之多餘之載子再次結合，從而可減小暗電流。又，第1導電型之上述累積層抑制於矽基板之第2主面附近藉由光而產生之載子被該第2主面捕獲。因 此，藉由光而產生之載子有效率地朝第2導電型之半導體區域與矽基板之pn接面部移動，從而可提高光電二極體之光檢知感度。
較好的是，保留矽基板之對應於第2導電型之半導體區域之部分的周邊部分而自第2主面側起使該部分變薄。於該情形時，可獲得分別將矽基板之第1主面及第2主面側設為光入射面之光電二極體。
較好的是第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，可確保累積層之作用效果。
根據本發明，可提供一種使用有矽且於近紅外之波長帶中具有充分之分光感度特性之半導體光檢知元件。
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
21‧‧‧p型半導體基板
21a‧‧‧第1主面
21b‧‧‧第2主面
23‧‧‧n型半導體層
25‧‧‧電荷轉移電極
27‧‧‧絕緣層
31‧‧‧累積層
PL‧‧‧脈衝雷射光
PD1~PD4‧‧‧光電二極體
SP1、SP11、SP2、SP21‧‧‧半導體光檢知元件
圖1係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖2係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖3係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖4係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖5係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖6係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖7係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖8係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖9係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖10係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖11係表示第1實施形態之光電二極體之構成之圖。
圖12係表示實施例1及比較例1中之相對於波長之分光感度之變化的線圖。
圖13係表示實施例1及比較例1中之相對於波長之溫度係數之變化的線圖。
圖14係用以說明第2實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖15係用以說明第2實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖16係用以說明第2實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖17係用以說明第3實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖18係用以說明第3實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖19係用以說明第3實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖20係用以說明第3實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖21係用以說明第3實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖22係用以說明第4實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖23係用以說明第4實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖24係用以說明第4實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
圖25係表示第5實施形態之半導體光檢知元件之立體圖。
圖26係用以說明第5實施形態之半導體光檢知元件之剖面構成之圖。
圖27係表示第5實施形態之變形例之半導體光檢知元件之立體圖。
圖28係用以說明第5實施形態之變形例之半導體光檢知元件之剖面構成的圖。
圖29係用以說明分光器之構成之模式圖。
圖30係表示第5實施形態之變形例之半導體光檢知元件之立體圖。
以下參照隨附圖式，詳細地說明本發明之較佳實施形態。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，且省略重複之說明。
(第1實施形態)
參照圖1~圖10，對第1實施形態之光電二極體之製造方法進行說明。圖1~圖10係用以說明第1實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
首先，準備包含矽(Si)結晶且具有彼此相對向之第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300μm左右，比電阻為1kΩ‧cm左右。於本實施形態中，所謂「高雜質濃度」例如係指雜質濃度為1×1017cm-3以上，對導電型標記「+」而予以表示；所謂「低雜質濃度」係指雜質濃度為1×1015cm-3以下，對導電型標記「-」而予以表示。作為n型雜質有銻(Sb)或砷(As)等，作為p型雜質有硼(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係藉由使用中央部形成有開口之掩模等，且於n-型半導體基板1內使p型雜質自第1主面1a側起高濃度地擴散而形成。n+型半導體區域5係藉由使用周邊部區域形成有開口之其他掩模等，且以包圍p+型半導體區域3之方式，於n-型半導體基板1內使n型雜質自第1主面1a側起，以較n-型半導體基板1更高之濃度進行擴散而形成。p+型半導體區域3之厚度例如為0.55μm左右，薄片電阻例如為44Ω/sq.。n+型半導體區域5之厚度例如為1.5μm左右，薄片電阻例如為12Ω/sq.。
其次，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，且係藉由對n-型半導體基板1進行熱氧化而形成。絕緣層7之厚度例如為0.7μm左右。繼而，於p+型半導體區域3上之絕緣層7形成接觸孔H1，於n+型半導體區域5上之絕緣層7形成接觸孔H2。亦可代替絕緣層7而形成包含SiN之抗反射(Anti Reflection，AR)層。
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，且例如係藉由電漿CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法而形成。鈍化層9之厚度例如為0.1μm。繼而，以n-型半導體基板1之厚度成為所期望之厚度之方式，自第2主面1b側起對n-型半導體基板1進行研磨(參照圖5)。藉此，除去形成於n-型半導體基板1之第2主面1b上之鈍化層9，n-型半導體基板1露出。此處，藉由研磨而露出之面亦設為第2主面1b。所期望之厚度例如為270μm。
繼而，將脈衝雷射光PL照射至n-型半導體基板1之第2主面1b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將脈衝雷射光PL照射至n-型半導體基板1。腔室C具有氣體導入部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導入而自氣體排出部GOUT排出，藉此於腔室C內形成惰性氣體流Gf。照射脈衝雷射光PL時產生之灰塵等藉由惰性氣體流Gf而排出至腔室C外，防止加工屑或灰塵等附著於n-型半導體基板1。
於本實施形態中，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，遍及第2主面1b之整個面而照射皮秒~飛秒脈衝雷射光。第2主面1b暴露於皮秒~飛秒脈衝雷射光，如圖8所示，不規則之凹凸10形成於第2主面1b之整個面。不規則之凹凸10具有與正交於第1主面1a之方向相交叉之面。凹凸10之高低差例如為0.5~10μm左右，凹凸10中之凸部之間隔為0.5~10μm左右。皮秒~飛秒脈衝雷射光之脈衝持續時間例如為50fs~2ps左右，強度例如為4~16GW左右，脈衝能量例如為200~800μJ/pulse左右。更一般而言，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之不規則之凹凸10所得之SEM(Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡)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，於n-型半導體基板1內使n型雜質自第2主面1b側起，以成為較n-型半導體基板1更高之雜質濃度之方式進行離子植入或擴散，藉此形成累積層11。累積層11之厚度例如為1μm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，於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，除去形成於絕緣層7上之鈍化層9之後，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1μm左右。藉此，完成光電二極體PD1。
如圖10所示，光電二極體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接面。電極13穿過接觸孔H1而電性接觸且連接於p+型半導體區域3。電極15穿過接觸孔H2而電性接觸且連接於n+型半導體區域5。
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，第2主面1b光學性地露出。所謂第2主面1b光學性地露出，不僅包括第2主面1b與空氣等之環境氣體相接觸之情形，而且包括於第2主面1b上光學性地形成有透明之膜之情形。
於光電二極體PD1中，由於在第2主面1b上形成有不規則之凹凸10，故而如圖11所示，入射至光電二極體PD1之光L藉由凹凸10而反射、散射或擴散，於n-型半導體基板1內前進較長之距離。
通常，Si之折射率n=3.5，相對於此，空氣之折射率n=1.0。於光電二極體中，當光自垂直於光入射面之方向入射時，光電二極體(矽 基板)內未吸收之光分為由光入射面之背面所反射之光成分、及透過光電二極體之光成分。透過光電二極體之光無助於光電二極體之感度。光入射面之背面所反射之光成分若於光電二極體內被吸收，則成為光電流，未吸收之光成分與到達光入射面之背面之光成分同樣地，透過光入射面或被其反射。
於光電二極體PD1中，當光L自垂直於光入射面(第1主面1a)之方向入射時，一旦到達形成於第2主面1b之不規則之凹凸10，則以相對於自凹凸10出射之方向成16.6°以上之角度而到達之光成分被凹凸10全反射。由於凹凸10不規則地形成，故而其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，全反射之光成分既有於n-型半導體基板1內部被吸收之光成分，亦有到達第1主面1a或側面之光成分。
到達第1主面1a或側面之光成分由於在凹凸10上擴散而朝各個方向前進，因此，到達第1主面1a或側面之光成分被第1主面1a或側面全反射之可能性極高。被第1主面1a或側面全反射之光成分於不同之面上重複地被全反射，從而其走行距離變得更長。如此，入射至光電二極體PD1之光L於在n-型半導體基板1之內部前進較長距離之過程中，由n-型半導體基板1所吸收，且檢知為光電流。
如此，入射至光電二極體PD1之光L之大部分並不透過光電二極體PD1，其走行距離長而由n-型半導體基板1所吸收。因此，於光電二極體PD1中，近紅外之波長帶中之分光感度特性提高。
當於第2主面1b形成規則之凹凸時，到達第1主面1a或側面之光成分雖由於凹凸而擴散，但朝同樣之方向前進，因此，到達第1主面1a或側面之光成分被第1主面1a或側面全反射之可能性降低。透過第1主面1a或側面，進而透過第2主面1b之光成分增加，入射至光電二極體之光之走行距離變短。因此，難以提高近紅外之波長帶中之分光感度 特性。
此處，進行用以確認第1實施形態之近紅外之波長帶中之分光感度特性的提高效果之實驗。
製作具有上述構成之光電二極體(稱為實施例1)、及於n-型半導體基板之第2主面未形成有不規則之凹凸之光電二極體(稱為比較例1)，且調查各個光電二極體之分光感度特性。實施例1與比較例1除了藉由照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸之方面以外，兩者之構成相同。n-型半導體基板1之尺寸設定為6.5mm×6.5mm。p+型半導體區域3即光感應區域之尺寸設定為5.8mm×5.8mm。施加於光電二極體之偏壓電壓VR設定為0V。
將結果表示於圖12。於圖12中，實施例1之分光感度特性由T1所表示，比較例1之分光感度特性由特性T2所表示。於圖12中，縱軸表示分光感度(mA/W)，橫軸表示光之波長(nm)。一點鎖線所示之特性表示量子效率(Quantum Efficiency，QE)為100%之分光感度特性，虛線所示之特性表示量子效率為50%之分光感度特性。
根據圖12可知，例如於1064nm處，比較例1中之分光感度為0.2A/W(QE=25%)，相對於此，實施例1中之分光感度為0.6A/W(QE=72%)，近紅外之波長帶中之分光感度大幅度地提高。
亦已確認實施例1及比較例1中之分光感度之溫度特性。此處，使環境溫度自25℃上升至60℃並調查分光感度特性，求出60℃時之分光感度相對於25℃時之分光感度之比例(溫度係數)。將結果表示於圖13。於圖13中，實施例1之溫度係數之特性由T3所表示，比較例1之溫度係數之特性由特性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1064nm處，比較例1中之溫度係數為0.7%/℃，相對於此，實施例1中之溫度係數為0.2%/℃，溫度依賴性 低。一般而言，若溫度上升，則藉由吸收係數之增大與帶隙能量之減少，分光感度變高。於實施例1中，即使於室溫狀態下，分光感度亦足夠高，因此，與比較例1相比，溫度上升所引起之分光感度之變化變小。
於光電二極體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側並非由光產生之多餘之載子再次結合，從而可減小暗電流。又，累積層11抑制於第2主面1b附近藉由光而產生之載子被該第2主面1b捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效率地朝pn接面部移動，從而可進一步提高光電二極體PD1之光檢知感度。
於第1實施形態中，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之疵點。
於第1實施形態中，對n-型半導體基板1進行熱處理之後，形成電極13、15。藉此，即使於將熔點較低之金屬用作電極13、15之情形時，亦不會因熱處理而使電極13、15熔融，可不受熱處理之影響而適當地形成電極13、15。
於第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，說明第2實施形態之光電二極體之製造方法。圖14~圖16係用以說明第2實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
對於第2實施形態之製造方法而言，直至自第2主面1b側起對n-型半導體基板1進行研磨為止係與第1實施形態之製造方法相同，故而省略至此為止之步驟之說明。自第2主面1b側起對n-型半導體基板1進行研磨，使n-型半導體基板1成為所期望之厚度之後，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)。與第1實施形態同樣地形成累積層11。累積層11之厚度例如為1μm左右。
其次，將脈衝雷射光PL照射至n-型半導體基板1之第2主面1b而形成不規則之凹凸10(參照圖15)。與第1實施形態同樣地形成不規則之凹凸10。
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，除去形成於絕緣層7上之鈍化層9之後，形成電極13、15(參照圖16)。藉此，完成光電二極體PD2。
於第2實施形態中，亦與第1實施形態同樣地，入射至光電二極體PD2之光之走行距離變長，光之吸收距離亦變長，因此，可提高近紅外之波長帶中之分光感度特性。
於第2實施形態中，使累積層11之厚度大於不規則之凹凸10之高低差。因此，即使於形成累積層11之後，照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸10，累積層11亦會確實地保留。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，說明第3實施形態之光電二極體之製造方法。圖17~圖21係用以說明第3實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
對於第3實施形態之製造方法而言，直至形成鈍化層9為止係與第1實施形態之製造方法相同，故而省略至此為止之步驟之說明。形成鈍化層9之後，保留n-型半導體基板1中之對應於p+型半導體區域3之部分的周邊部分，而自第2主面1b側起使該部分變薄(參照圖17)。例如藉由使用有氫氧化鉀溶液或TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide，四甲基氫氧化銨溶液)等之鹼性蝕刻之異向性蝕刻而使n-型半導體基板1變薄。n-型半導體基板1之變薄之部分之厚度例如為100μm左右，周邊部分之厚度例如為300μm左右。
其次，以n-型半導體基板1之周邊部分之厚度成為所期望之厚度之方式，自第2主面1b側起對n-型半導體基板1進行研磨(參照圖18)。所期望之厚度例如為270μm。
繼而，將脈衝雷射光PL照射至n-型半導體基板1之第2主面1b而形成不規則之凹凸10(參照圖19)。與第1實施形態同樣地形成不規則之凹凸10。
其次，於n-型半導體基板1之變薄之部分之第2主面1b側形成累積層11(參照圖20)。與第1實施形態同樣地形成累積層11。累積層11之厚度例如為3μm左右。
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，除去形成於絕緣層7上之鈍化層9，形成電極13、15(參照圖21)。藉此，完成光電二極體PD3。
於第3實施形態中，亦與第1及第2實施形態同樣地，入射至光電二極體PD3之光之走行距離變長，光之吸收距離亦變長，因此，可提高近紅外之波長帶中之分光感度特性。
於第3實施形態中，於形成不規則之凹凸10之前，保留n-型半導體基板1中之對應於p+型半導體區域3之部分的周邊部分，而自第2主面1b側起使該部分變薄。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側設為光入射面之光電二極體PD3。
(第4實施形態)
參照圖22~圖24，說明第4實施形態之光電二極體之製造方法。圖22~圖24係用以說明第4實施形態之光電二極體之製造方法之圖。
對於第4實施形態之製造方法而言，直至使n-型半導體基板1變薄為止係與第3實施形態之製造方法相同，故而省略至此為止之步驟之說明。自第2主面1b側起對n-型半導體基板1進行研磨，使n-型半導體基板1成為所期望之厚度之後，於n-型半導體基板1之變薄之部分之第 2主面1b側形成累積層11(參照圖22)。與第1實施形態同樣地形成累積層11。累積層11之厚度例如為3μm左右。
其次，將脈衝雷射光PL照射至n-型半導體基板1之第2主面1b而形成不規則之凹凸10(參照圖23)。與第1實施形態同樣地形成不規則之凹凸10。
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，除去形成於絕緣層7上之鈍化層9之後，形成電極13、15(參照圖24)。藉此，完成光電二極體PD4。
於第4實施形態中，亦與第1~第3實施形態同樣地，入射至光電二極體PD4之光之走行距離變長，光之吸收距離亦變長，因此，可提高近紅外之波長帶中之分光感度特性。
於第4實施形態中，於形成累積層11之前，保留n-型半導體基板1中之對應於p+型半導體區域3之部分的周邊部分，而自第2主面1b側起使該部分變薄。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側設為光入射面之光電二極體PD4。
(第5實施形態)
參照圖25~圖26，說明第5實施形態之半導體光檢知元件SP1。圖25係表示第5實施形態之半導體光檢知元件之立體圖。圖26係用以說明第5實施形態之半導體光檢知元件之剖面構成之圖。
如圖25所示，半導體光檢知元件SP1係背面入射型固態攝影元件，且係以KOH水溶液等對半導體基板SS之背面側進行蝕刻而使之變薄之BT(Back Thinned，薄型背照式)-CCD(Charge Couple Device，電荷耦合元件)。於經蝕刻之半導體基板SS之中央區域形成凹部TD，於凹部TD之周圍存在有較厚之框部。凹部TD之側面相對於底面BF成鈍角地傾斜。半導體基板SS之變薄之中央區域為光感應區域(攝影區域)，光L沿Z軸之負方向入射至該光感應區域。半導體基板SS之凹部 TD之底面BF構成光入射面。該框部亦可設為藉由蝕刻而被除去且整個區域變薄之背面入射型固態攝影元件。
半導體光檢知元件SP1包括作為上述半導體基板SS之p型半導體基板21。p型半導體基板21包含矽(Si)結晶且具有彼此相對向之第1主面21a及第2主面21b。將p型半導體基板21之厚度設定為像素間距P以下。於本實施形態中，像素間距P為10~48μm左右，p型半導體基板21之厚度為10~30μm左右。於本實施形態中表示雙相位時脈驅動之例，為確實地使電荷朝一個方向轉移，於各轉移電極之下方存在雜質濃度不同之區域(未圖示)。
於p型半導體基板21之第1主面21a側形成有作為電荷轉移部之n型半導體層23，於p型半導體基板21與n型半導體層23之間形成有pn接面。於p型半導體基板21之第1主面21a上，經由絕緣層27而設置有作為轉移電極部之複數個電荷轉移電極25。於p型半導體基板21之第1主面21a側，雖省略圖示，但亦形成有以每個垂直CCD為單位而將n型半導體層23電性分離之隔離區域。n型半導體層23之厚度為0.5μm左右。
於p型半導體基板21之第2主面21b之整個光感應區域29中形成有不規則之凹凸10。於p型半導體基板21之第2主面21b側形成有累積層31，第2主面21b光學性地露出。所謂第2主面21b光學性地露出，不僅包括第2主面21b與空氣等之環境氣體相接觸之情形，而且包括於第2主面21b上光學性地形成有透明之膜之情形。於半導體光檢知元件SP1為整體變薄之背面入射型固態攝影元件之情形時，亦可遍及p型半導體基板21之整個第2主面21b而形成不規則之凹凸10。於半導體光檢知元件SP1為僅光感應區域29附近變薄之背面入射型固態攝影元件之情形時，亦可遍及p型半導體基板21之未變薄之周邊之框部或包含到達框部之傾斜面之第2主面21b之整體而形成不規則之凹凸10。
不設置框部而將其他基板貼附於半導體基板SS之表面之後，對半導體基板SS之背面側進行研磨，藉此，可獲得整體變薄之背面入射型固態攝影元件。如圖30所示，對於半導體光檢知元件SP11而言，半導體基板SS之背面側整體變薄。對於半導體光檢知元件SP11而言，於半導體基板SS之背面(第2主面)，於至少對應於光感應區域之區域形成有不規則之凹凸10，又，於半導體基板SS之背面側形成有上述累積層(未圖示)。
繼而，說明本實施形態之半導體光檢知元件SP1之製造方法。
首先，準備p型半導體基板21，於p型半導體基板21之第1主面21a側形成n型半導體層23。n型半導體層23係藉由於p型半導體基板21內，使n型雜質自第1主面21a側起擴散而形成。
其次，於p型半導體基板21之第2主面21b側形成累積層31。累積層31與上述實施形態同樣地，係藉由於p型半導體基板21內使p型雜質自第2主面21b側起，以成為較p型半導體基板21更高之雜質濃度之方式進行離子植入或擴散而形成。累積層31之厚度例如為0.5μm左右。累積層31可於形成不規則之凹凸10之前形成，又，亦可於形成不規則之凹凸10之後形成。
其次，以上述方式使p型半導體基板21變薄。於在形成不規則之凹凸10之後形成累積層31之情形時，形成不規則之凹凸10之後，使p型半導體基板21變薄，然後形成累積層31。
其次，對p型半導體基板21進行熱處理而使累積層31活化。例如於N2氣體之環境下，於800~1000℃左右之範圍，進行0.5~1.0小時左右之熱處理。此時，p型半導體基板21之結晶性亦恢復。
繼而，於p型半導體基板21之第2主面21b側形成不規則之凹凸10。不規則之凹凸10係與上述實施形態同樣地，藉由將脈衝雷射光照射至p型半導體基板21之第2主面21b而形成。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具有與正交於第1主面21a之方向相交叉之面。凹凸10之高低差例如為0.5~10μm左右，凹凸10中之凸部之間隔為0.5~10μm左右。皮秒~飛秒脈衝雷射光之脈衝持續時間例如為50fs~2ps左右，強度例如為4~16GW左右，脈衝能量例如為200~800μJ/pulse左右。更一般而言，峰值強度為3×1011~2.5×1013(W/cm2)，通量為0.1~1.3(J/cm2)左右。
其次，對p型半導體基板21進行熱處理。例如，於N2氣體之環境下，於800~1000℃左右之範圍，進行0.5~1.0小時左右之熱處理。藉由熱處理而實現p型半導體基板21中之結晶損傷之恢復及再結晶化，從而可防止暗電流之增加等之疵點。再者，亦可省略形成累積層31之後之熱處理而僅於形成不規則之凹凸10之後進行熱處理。
其次，形成絕緣層27及電荷轉移電極25。形成絕緣層27及電荷轉移電極25之步驟已知，故而省略說明。電荷轉移電極25例如包含聚矽或金屬。絕緣層27例如包含SiO2。亦可以覆蓋絕緣層27及電荷轉移電極25之方式而進一步形成保護膜。保護膜例如包含BPSG(Boron Phosphor Silicate Glass，硼磷矽玻璃)。藉此，完成半導體光檢知元件SP1。
於半導體光檢知元件SP1中，若光自光入射面(第2主面21b)入射，則由於在第2主面21b上形成有不規則之凹凸10，故而入射之光藉由凹凸10而散射，且於p型半導體基板21內朝各個方向前進。到達第1主面21a等之光成分由於在凹凸10上擴散而朝各個方向前進，因此，到達第1主面21a等之光成分被第1主面21a全反射之可能性極高。被第1主面21a等全反射之光成分於不同之面重複地被全反射或於第2主面21b上重複地反射、散射、或擴散，其走行距離變得更長。如此，入射至半導體光檢知元件SP1之光由於凹凸10而經反射、散射、或擴散，於p型半導體基板21內前進較長之距離。繼而，入射至半導體光 檢知元件SP1之光於p型半導體基板21之內部前進較長之距離之後，被p型半導體基板21吸收，藉由光而產生之載子成為針對n型半導體層23之每個像素之電荷，經轉移且被檢知。因此，於半導體光檢知元件SP1中，近紅外之波長帶中之分光感度特性提高。
於半導體光檢知元件SP1中，由於凹凸10之反射、散射、或擴散而於像素間產生串擾，存在解像度降低之虞。然而，由於將p型半導體基板21之厚度設定為像素間距P以下，故而於半導體光檢知元件SP1中，可抑制像素間之串擾之產生。
於半導體光檢知元件SP1中，於p型半導體基板21之第2主面21b側形成有累積層31。藉此，於第2主面21b側並非由光產生之多餘之載子再次結合，從而可減小暗電流。累積層31抑制於第2主面21b附近藉由光而產生之載子被該第2主面21b捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效率地朝pn接面移動，從而可進一步提高半導體光檢知元件SP1之光檢知感度。
於第5實施形態中，於形成累積層31之後，對p型半導體基板21進行熱處理。藉此，p型半導體基板21之結晶性恢復，可防止暗電流之增加等之疵點。
於第5實施形態中，於對p型半導體基板21進行熱處理之後，形成電荷轉移電極25。藉此，即使於將熔點較低之材料用作電荷轉移電極25之情形時，亦不會因熱處理而使電荷轉移電極25熔融，可不受熱處理之影響而適當地形成電荷轉移電極25。
於第5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。
且說，對於固態攝影元件等之半導體光檢知元件而言，藉由將包含矽之半導體基板設定得較厚(例如200μm左右)，可實現於近紅外之波長帶中具有分光感度特性之半導體光檢知元件。然而，於增大上 述半導體基板之厚度之情形時，為獲得良好之解像度，必需施加數十伏特左右之高偏壓電壓，使半導體基板完全空乏化。其原因在於若未完全空乏化，且於半導體基板上部分地保留有中性區域，則中性區域中產生之載子會擴散，從而防止解像度之劣化。
又，若半導體基板較厚，則暗電流亦會增加。因此，亦必需冷卻半導體基板(例如，-70~-100℃)，抑制暗電流之增加。
然而，於第5實施形態之半導體光檢知元件SP1中，如上所述，由於在第2主面21b上形成有不規則之凹凸10，故而入射至半導體光檢知元件SP1之光之走行距離變長。因此，不使半導體基板(p型半導體基板21)尤其是對應於光感應區域29之部分變厚，便可實現於近紅外之波長帶中具有充分之分光感度特性之半導體光檢知元件。因此，與藉由使半導體基板變厚而於近紅外之波長帶中具有分光感度特性之半導體光檢知元件相比較，上述半導體光檢知元件SP1藉由施加極低之偏壓電壓或不施加偏壓電壓，便可獲得良好之解像度。又，根據用途之不同，亦無需對半導體基板進行冷卻。
當使半導體基板尤其是對應於光感應區域之部分變薄時，存在產生ETALON現象之虞。ETALON現象係自背面入射之被檢知光與入射之被檢知光經表面反射而成之光之間產生干涉的現象，其會對近紅外之波長帶中之檢知特性造成影響。然而，於半導體光檢知元件SP1中，由於在第2主面21b上形成有不規則之凹凸10，故而相對於入射光之相位，由凹凸10所反射之光具有分散之相位差，因此該等之光彼此抵消，ETALON現象受到抑制。
於第5實施形態中，自第2主面21b側起使p型半導體基板21變薄。藉此，可獲得分別將p型半導體基板21之第1主面21a及第2主面21b側設為光入射面之半導體光檢知元件。亦即，半導體光檢知元件SP1不僅可用作背面入射型固態攝影元件，而且亦可用作表面入射型 固態攝影元件。
於形成累積層31之後，照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸10之情形時，較好的是將累積層31之厚度設定得大於不規則之凹凸10之高低差。於該情形時，即使照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸10，累積層31亦會確實地保留。因此，可確保累積層31之作用效果。
繼而，參照圖27~圖28，說明第5實施形態之變形例之半導體光檢知元件SP2。圖27係表示第5實施形態之變形例之半導體光檢知元件之立體圖。圖28係用以說明第5實施形態之變形例之半導體光檢知元件之剖面構成的圖。
於變形例之半導體光檢知元件SP2中，p型半導體基板21之第2主面21b中之光感應區域29包括第1區域29a與第2區域29b，於第2區域29b中形成有不規則之凹凸10。亦即，於p型半導體基板21之第2主面21b中之光感應區域29之第1區域29a中未形成有不規則之凹凸10。
於變形例之半導體光檢知元件SP2中，在p型半導體基板21之第2主面21b中之光感應區域29之第2區域29b中，如上所述，近紅外之波長帶中之分光感度特性提高。
進一步之變形例之半導體光檢知元件SP21如圖29所示，可用作分光器40之檢知元件。分光器40包括準直透鏡41、繞射光柵43、及半導體光檢知元件SP21。於分光器40中，由繞射光柵43所分離之波長成分入射至半導體光檢知元件SP21。半導體光檢知元件SP21係以光感應區域29之第2區域29b處於長波長側，第1區域29a處於短波長側之方式而配置。使用於分光器40中之半導體光檢知元件SP21係整個區域已變薄之背面入射型固態攝影元件。
如此，當半導體光檢知元件必需確保藍色等之短波長帶之光之感度時，較好的是於檢知藍色等之短波長帶之光之區域中未形成有不規則之凹凸10。對於藍色等之短波長帶之光而言，由於直至吸收為止 之走行距離短，故而易於第2主面21b之附近產生載子。因此，若於第2主面21b形成有不規則之凹凸10，則所產生之載子於形成有不規則之凹凸10之第2主面21b之附近被捕獲，從而有難以有助於檢知感度之虞。
因此，以未形成有不規則之凹凸10之第1區域29a處於短波長側之方式而配置半導體光檢知元件SP21，藉此，不使藍色等之短波長帶之光之檢知感度降低，便可使近紅外之波長帶中之檢知感度提高。對於近紅外之波長帶之光而言，由於直至吸收為止之走行距離較長，故而於第2主面21b之附近產生載子之可能性極低。因此，藉由近紅外之波長帶之光之入射而產生之載子，於形成有不規則之凹凸10之第2主面21b之附近難以被捕獲，從而十分有助於檢知感度。
於半導體光檢知元件SP21為所謂之表面入射型固態攝影元件之情形時，由於轉移電極部等之影響，而有藍色等之短波長帶之光之檢知感度降低之虞。因此，為檢知藍色等之短波長帶之光，較好的是半導體光檢知元件SP21為所謂之背面入射型固態攝影元件。
以上，對本發明之較佳實施形態進行了說明，但本發明不一定限定於上述實施形態，可於不脫離其宗旨之範圍內進行各種變更。
於本實施形態中，遍及第2主面1b之整個面而照射脈衝雷射光，形成不規則之凹凸10，但不限於此。例如，亦可將脈衝雷射光僅照射至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相對向之區域而形成不規則之凹凸10。
於本實施形態中，使電極15電性接觸且連接於形成於n-型半導體基板1之第1主面1a側之n+型半導體區域5，但不限於此。例如，亦可使電極15電性接觸且連接於形成於n-型半導體基板1之第2主面1b側之累積層11。於該情形時，較好的是於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相對向之區域外形成電極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相對向之區域中形成電極15，則電極15會堵塞形成於第2主面1b之不規則之凹凸10，從而產生近紅外之波長帶中之分光感度降低之現象。
亦可將本實施形態之光電二極體PD1~PD4及半導體光檢知元件SP1、SP11、SP2、SP21中之p型及n型之各導電型替換為與上述相反者。
產業上之可利用性
本發明可利用於半導體光檢知元件及光檢知裝置中。
10‧‧‧不規則之凹凸
21‧‧‧p型半導體基板
21a‧‧‧第1主面
21b‧‧‧第2主面
23‧‧‧n型半導體層
25‧‧‧電荷轉移電極
27‧‧‧絕緣層
29‧‧‧光感應區域
31‧‧‧累積層
P‧‧‧像素間距
SP1‧‧‧半導體光檢知元件

Claims (16)

  1. 一種半導體光檢知元件，其為表面入射型，特徵在於包括：矽基板，其包含第1導電型之半導體，具有彼此相對向之第1主面及第2主面，並且於上述第1主面側形成有第2導電型之半導體區域；及轉移電極部，其設置於上述矽基板之上述第1主面上，且轉移所產生之電荷；於上述矽基板上，於上述第2主面側形成有具有較上述矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於上述第2主面之與至少第2導電型之上述半導體區域相對向之區域形成有不規則之凹凸；上述矽基板之上述第2主面之形成有不規則之上述凹凸的區域光學性地露出；且將與上述第2主面相對向之上述第1主面作為光入射面，自上述第1主面入射之光朝上述矽基板內前進，其中上述第2主面係於與至少第2導電型之上述半導體區域相對向之上述區域形成有不規則之上述凹凸者。
  2. 如請求項1之半導體光檢知元件，其中於與第2導電型之上述半導體區域相對向之上述區域中之一部分的區域中，形成有不規則之上述凹凸。
  3. 如請求項1之半導體光檢知元件，其中保留上述矽基板之對應於第2導電型之上述半導體區域之部分的周邊部分而自上述第2主面側起使該部分變薄。
  4. 如請求項2之半導體光檢知元件，其中保留上述矽基板之對應於第2導電型之上述半導體區域之部分的周邊部分而自上述第2主 面側起使該部分變薄。
  5. 如請求項1至4任一項之半導體光檢知元件，其中第1導電型之上述累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
  6. 如請求項1至4任一項之半導體光檢知元件，其中上述矽基板之厚度設定為像素間距以下。
  7. 如請求項5之半導體光檢知元件，其中上述矽基板之厚度設定為像素間距以下。
  8. 如請求項1至4任一項之半導體光檢知元件，其中自上述第1主面入射並朝上述矽基板內前進之光係藉由不規則之上述凹凸而反射、散射或擴散。
  9. 如請求項5之半導體光檢知元件，其中自上述第1主面入射並朝上述矽基板內前進之光係藉由不規則之上述凹凸而反射、散射或擴散。
  10. 如請求項6之半導體光檢知元件，其中自上述第1主面入射並朝上述矽基板內前進之光係藉由不規則之上述凹凸而反射、散射或擴散。
  11. 如請求項7之半導體光檢知元件，其中自上述第1主面入射並朝上述矽基板內前進之光係藉由不規則之上述凹凸而反射、散射或擴散。
  12. 一種光電二極體，其為表面入射型，特徵在於：包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，具有彼此相對向之第1主面及第2主面，並且於上述第1主面側形成有第2導電型之半導體區域；於上述矽基板上，於上述第2主面側形成有具有較上述矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於上述第2主面之 與至少第2導電型之上述半導體區域相對向之區域形成有不規則之凹凸；上述矽基板之上述第2主面之與第2導電型之上述半導體區域相對向的上述區域光學性地露出；且將與上述第2主面相對向上述第1主面作為光入射面，自上述第1主面入射之光朝上述矽基板內前進，其中上述第2主面係於與至少第2導電型之上述半導體區域相對向之上述區域形成有不規則之上述凹凸者。
  13. 如請求項12之光電二極體，其中保留上述矽基板之對應於第2導電型之上述半導體區域之部分的周邊部分而自上述第2主面側起使該部分變薄。
  14. 如請求項12之光電二極體，其中第1導電型之上述累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
  15. 如請求項13之光電二極體，其中第1導電型之上述累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
  16. 如請求項12至15任一項之光電二極體，其中自上述第1主面入射並朝上述矽基板內前進之光係藉由不規則之上述凹凸而反射、散射或擴散。
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