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KR101799249B1 - 반도체 광 검출 소자 - Google Patents

반도체 광 검출 소자 Download PDF

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KR101799249B1
KR101799249B1 KR1020177002558A KR20177002558A KR101799249B1 KR 101799249 B1 KR101799249 B1 KR 101799249B1 KR 1020177002558 A KR1020177002558 A KR 1020177002558A KR 20177002558 A KR20177002558 A KR 20177002558A KR 101799249 B1 KR101799249 B1 KR 101799249B1
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silicon substrate
type semiconductor
conductivity type
semiconductor substrate
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아키라 사카모토
데루마사 나가노
야스히토 미야자키
야스히토 요네타
히사노리 스즈키
마사하루 무라마츠
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 광 검출 소자(SP)는 제1 도전형 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면(21a) 및 제2 주면(21b)를 가짐과 아울러 제1 주면(21a) 측에 제2 도전형 반도체층(23)이 형성된 실리콘 기판(21)과, 제1 주면(21a)상에 마련되어 발생한 전하를 전송하는 전하 전송 전극(25)을 구비하고 있다. 실리콘 기판(21)에는 제2 주면(21b) 측에 실리콘 기판(21)보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형 어큐뮬레이션층(31)이 형성되어 있음과 아울러, 제2 주면(21b)에서 적어도 반도체 영역(23)에 대향하는 영역에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21b)에서 불규칙한 요철(10)이 형성된 영역은, 광학적으로 노출되어 있다.

Description

반도체 광 검출 소자{SEMICONDUCTOR PHOTODETECTION ELEMENT}
본 발명은 반도체 광 검출 소자에 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 1100nm정도이지만, 1000nm이상의 파장 대역에서의 분광 감도 특성은 충분한 것은 아니었다.
본 발명은 실리콘을 이용한 반도체 광 검출 소자로서, 근적외 파장 대역에 충분한 분광 감도 특성을 가지고 있는 반도체 광 검출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 반도체 광 검출 소자는 제1 도전형 반도체로 이루지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가짐과 아울러 제1 주면측에 제2 도전형 반도체 영역이 형성된 실리콘 기판과, 실리콘 기판의 제1 주면 상에 마련되어, 발생한 전하를 전송하는 전송 전극부를 구비하고, 실리콘 기판에는 제2 주면측에 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형 어큐뮬레이션(accumulation)층이 형성되어 있음과 아울러, 제2 주면에서 적어도 제2 도전형 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고, 실리콘 기판의 제2 주면에서 불규칙한 요철이 형성된 영역은 광학적으로 노출되어 있다.
본 발명에 관한 반도체 광 검출 소자에서는 제2 주면에서의 적어도 제2 도전형 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있기 때문에, 반도체 광 검출 소자에 입사한 광은 당해 영역에서 반사, 산란, 또는 확산되고, 실리콘 기판 내를 장거리 진행한다. 이것에 의해, 반도체 광 검출 소자에 입사한 광은 그 대부분이 반도체 광 검출 소자(실리콘 기판)를 투과하는 일 없이, 실리콘 기판에서 흡수된다. 따라서 상기 반도체 광 검출 소자에서는 반도체 광 검출 소자에 입사한 광의 주행거리가 길어져서, 광이 흡수되는 거리도 길어지기 때문에, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다.
또, 실리콘 기판의 제2 주면측에 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형 어큐뮬레이션층이 형성되어 있기 때문에, 제2 주면측에서 광에 의하지 않고 발생하는 불필요한 캐리어가 재결합되어, 암전류(dark current)를 저감할 수 있다. 또, 제1 도전형인 상기 어큐뮬레이션층은 실리콘 기판의 제2 주면부근에서 광에 의해 발생한 캐리어가 이 제2 주면에서 트랩(trap)되는 것을 억제한다. 이 때문에, 광에 의해 발생한 캐리어는 제2 도전형 반도체 영역과 실리콘 기판의 pn접합부에 효율적으로 이동하여, 반도체 광 검출 소자의 광 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 반도체 광 검출 소자에 있어서, 제2 도전형 반도체 영역에 대향하는 영역 중 일부의 영역에, 불규칙한 요철이 형성되어 있을 수도 있다. 이 경우, 반도체 광 검출 소자에서 불규칙한 요철이 형성된 영역에 대응하는 부분에서는, 상술한 바와 같이 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다.
본 발명에 관한 반도체 광 검출 소자에 있어서, 실리콘 기판은 제2 도전형 반도체 영역에 대응하는 부분이, 그 부분의 주변 부분을 남겨 제2 주면측에서부터 박화 되어 있을 수도 있다. 이 경우, 실리콘 기판의 제1 주면 및 제2 주면측을 각각 광 입사면으로 한 반도체 광 검출 소자를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 반도체 광 검출 소자에 있어서, 제1 도전형 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 요철의 고저차(高低差)보다도 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 어큐뮬레이션층에 의한 작용 효과를 확보할 수 있다.
본 발명에 관한 반도체 광 검출 소자에 있어서, 실리콘 기판은 그 두께가 화소 피치 이하로 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 화소간에서의 누화(cross talk)의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드는 제1 도전형 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가짐과 아울러 제1 주면측에 제2 도전형 반도체 영역이 형성된 실리콘 기판을 구비하고, 실리콘 기판에는 제2 주면측에 실리콘 기판보다 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 제2 주면에서 적어도 제2 도전형 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고, 실리콘 기판의 제2 주면에서 제2 도전형 반도체 영역에 대향하는 영역은 광학적으로 노출되어 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드에서는 제2 주면에서의 적어도 제2 도전형 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있기 때문에, 포토 다이오드에 입사한 광은 당해 영역에서 반사, 산란, 또는 확산되어, 실리콘 기판 내를 장거리 진행한다. 이것에 의해, 포토 다이오드에 입사한 광은 그 대부분이 포토 다이오드(실리콘 기판)를 투과하는 일 없이, 실리콘 기판에서 흡수된다. 따라서 상기 포토 다이오드에서는 포토 다이오드에 입사한 광의 주행거리가 길어져서, 광이 흡수되는 거리도 길어지기 때문에, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다.
또, 실리콘 기판의 제2 주면측에 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형 어큐뮬레이션층이 형성되어 있기 때문에, 제2 주면측에서 광에 의하지 않고 발생하는 불필요한 캐리어가 재결합되어, 암전류를 저감할 수 있다. 또, 제1 도전형의 상기 어큐뮬레이션층은 실리콘 기판의 제2 주면 부근에서 광에 의해 발생한 캐리어가 이 제2 주면에서 트랩되는 것을 억제한다. 이 때문에, 광에 의해 발생한 캐리어는 제2 도전형 반도체 영역과 실리콘 기판의 pn접합부에 효율적으로 이동하여, 포토 다이오드의 광 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 실리콘 기판은 제2 도전형 반도체 영역에 대응하는 부분이, 그 부분의 주변 부분을 남겨 제2 주면측에서부터 박화되어 있다. 이 경우, 실리콘 기판의 제1 주면 및 제2 주면측을 각각 광 입사면으로 한 포토 다이오드를 얻을 수 있다.
바람직하게는, 제1 도전형 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 상기 요철의 고저차보다도 크다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 어큐뮬레이션층에 의한 작용 효과를 확보할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실리콘을 이용한 반도체 광 검출 소자로서, 근적외 파장 대역에 충분한 분광 감도 특성을 가지고 있는 반도체 광 검출 소자를 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 그림이다.
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 반도체 광 검출 소자를 나타내는 사시도이다.
도 26은 제5 실시 형태에 관한 반도체 광 검출 소자의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 27은 제5 실시 형태의 변형예에 관한 반도체 광 검출 소자를 나타내는 사시도이다.
도 28은 제5 실시 형태의 변형예에 관한 반도체 광 검출 소자의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 분광기의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 30은 제5 실시 형태의 변형예에 관한 반도체 광 검출 소자를 나타내는 사시도이다.
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 나타내고, 「저불순물 농도」란 불순물 농도가 1×1015cm-3 정도 이하로서, 「-」를 도전형에 부여하여 나타내는 것으로 한다. 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 12kΩ/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)을 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 배출함으로써, 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, N2가스라는 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 pn접합이 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 있기 때문에, 도 11에 도시된 바와 같이 포토 다이오드(PD1)에 입사한 광(L)은 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 되고, 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 나아가기 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 진행하기 때문에, 제1 주면(1a)이나 측면에 도달한 광 성분이 제1 주면(1a)이나 측면에서 전반사될 가능성은 낮아진다. 제1 주면(1a)이나 측면, 또한 제2 주면(1b)에서 투과하는 광 성분이 증가하여, 포토 다이오드에 입사한 광의 주행거리는 짧아져 버린다. 이 때문에, 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 칭한다)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 T3으로 나타내고, 비교예 1의 온도 계수의 특성은 특성 T4로 나타내고 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％／℃가 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 작아져 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. 또, 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 pn접합부에 효율적으로 이동하여, 포토 다이오드(PD1)의 광 검출 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, 암전류의 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 일 없이, 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 행한다. 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 행한다.
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 길어져서, 광이 흡수되는 거리도 길어지므로, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
제2 실시 형태에서는, 어큐뮬레이션층(11)의 두께를 불규칙한 요철(10)의 고저차보다도 크게 하고 있다. 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 행한다.
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 행한다. 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, 제1및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 포토 다이오드(PD3)에 입사한 광의 주행거리가 길어져서, 광이 흡수되는 거리도 길어지므로, 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 행한다. 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 행한다.
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 길어져서, 광이 흡수되는 거리도 길어지므로, 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 25 ~ 도 26을 참조하여, 제5 실시 형태에 관한 반도체 광 검출 소자(SP1) 에 대해서 설명한다. 도 25는 제5 실시 형태에 관한 반도체 광 검출 소자를 나타내는 사시도이다. 도 26은 제5 실시 형태에 관한 반도체 광 검출 소자의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
반도체 광 검출 소자(SP1)는 도 25에 도시된 바와 같이, 이면 입사형 고체(固體) 촬상 소자로서, 반도체 기판(SS)의 이면측을 KOH 수용액 등으로 에칭하여 박화한 BT-CCD(전하결합소자)이다. 에칭된 반도체 기판(SS)의 중앙 영역에는 오목부(TD)가 형성되고, 오목부(TD)의 주위에는 두꺼운 프레임부가 존재하고 있다. 오목부(TD)의 측면은, 저면(BF)에 대해서 둔각을 형성하여 경사져 있다. 반도체 기판(SS)의 박화된 중앙 영역은 광 감응 영역(촬상 영역)이고, 이 광 감응 영역에 광(L)이 Z축의 부(負)방향에 따라서 입사한다. 반도체 기판(SS)의 오목부(TD)의 저면(BF)은 광 입사면을 구성하고 있다. 이 프레임부는 에칭에 의해서 제거되고, 전영역이 박화된 이면 입사형 고체 촬상 소자로 하는 것도 가능하다.
반도체 광 검출 소자(SP1)는 상기 반도체 기판(SS)으로서의 p형 반도체 기판(21)을 구비하고 있다. p형 반도체 기판(21)은 실리콘(Si) 결정으로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면(21a) 및 제2 주면(21b)을 가지고 있다. p형 반도체 기판(21)은 그 두께가 화소 피치(P) 이하로 설정되어 있다. 본 실시 형태에서는, 화소 피치(P)는 10~48㎛ 정도이고, p형 반도체 기판(21)의 두께는 10~30㎛ 정도이다. 본 실시 형태에서는 2상 클럭 구동의 예를 나타내고 있고, 각 전송 전극 아래에는 전하의 일방(一方) 전송을 확실히 하기 위해서 불순물 농도를 다르게 한 영역(도시되지 않음)이 존재하고 있다.
p형 반도체 기판(21)의 제1 주면(21a) 측에는, 전하 전송부로서의 n형 반도체층(23)이 형성되어 있고, p형 반도체 기판(21)과 n형 반도체층(23)의 사이에는 pn접합이 형성되어 있다. p형 반도체 기판(21)의 제1 주면(21a) 상에는, 절연층(27)을 통하여 전송 전극부로서의 복수의 전하 전송 전극(25)이 마련되어 있다. p형 반도체 기판(21)의 제1 주면(21a) 측에는, 도시는 생략하였지만, n형 반도체층(23)을 수직 CCD마다 전기적으로 분리하는 고립 영역도 형성되고 있다. n형 반도체층(23)의 두께는 0.5㎛ 정도이다.
p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b)에서의 광 감응 영역(29) 전체에는 불규칙한 요철(10)이 형성되고 있다. p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b) 측에는, 어큐뮬레이션층(31)이 형성되어 있고, 제2 주면(21b)은 광학적으로 노출되어 있다. 제2 주면(21b)이 광학적으로 노출하고 있다는 것은, 제2 주면(21b)이 공기 등의 분위기 가스와 접하고 있을 뿐만 아니라, 제2 주면(21b) 상에 광학적으로 투명한 막이 형성되어 있는 경우도 포함한다. 반도체 광 검출 소자(SP1)가, 전체가 박화된 이면 입사형 고체 촬상 소자인 경우에는, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b) 전체에 걸쳐서 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있을 수도 있다. 반도체 광 검출 소자(SP1)가 광 감응 영역(29) 부근만 박화된 이면 입사형 고체 촬상 소자인 경우에는, p형 반도체 기판(21)의 박화되어 있지 않은 주변의 프레임부나, 프레임부에 이르는 경사면도 포함한 제2 주면(21b) 전체에 걸쳐서 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있을 수도 있다.
전체가 박화된 이면 입사형 고체 촬상 소자는 프레임부를 마련하는 일 없이, 반도체 기판(SS)의 표면에 다른 기판을 붙인 후에, 반도체 기판(SS)의 이면측을 연마함으로써 얻을 수 있다. 도 30에 도시된 것처럼, 반도체 광 검출 소자(SP11)는 반도체 기판(SS)의 이면측 전체가 박화되어 있다. 반도체 광 검출 소자(SP11)에 있어서, 반도체 기판(SS)의 이면(제2 주면)에는 적어도 광 감응 영역에 대응하는 영역에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있고, 또 반도체 기판(SS)의 이면 측에는 상술한 어큐뮬레이션층(도시되지 않음)이 형성되어 있다.
계속해서, 본 실시 형태의 반도체 광 검출 소자(SP1)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
우선, p형 반도체 기판(21)을 준비하고, p형 반도체 기판(21)의 제1 주면(21a) 측에 n형 반도체층(23)을 형성한다. n형 반도체층(23)은 p형 반도체 기판(21) 내에서 제1 주면(21a) 측으로부터 n형 불순물을 확산시킴으로써 형성한다.
다음으로, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b) 측에 어큐뮬레이션층(31)을 형성한다. 어큐뮬레이션층(31)은 상술한 실시 형태와 마찬가지로, p형 반도체 기판(21) 내에서 제2 주면(21b) 측으로부터 p형 불순물을 p형 반도체 기판(21)보다도 높은 불순물 농도가 되도록 이온 주입 또는 확산시킴으로써 형성된다. 어큐뮬레이션층(31)의 두께는 예를 들면, 0.5㎛ 정도이다. 어큐뮬레이션층(31)은 불규칙한 요철(10)을 형성하기 전에 형성할 수도 있고, 또한 불규칙한 요철(10)을 형성한 후에 형성할 수도 있다.
다음으로, p형 반도체 기판(21)을 상술한 바와 같이 박화한다. 불규칙한 요철(10)을 형성한 후에 어큐뮬레이션층(31)을 형성하는 경우에는, 불규칙한 요철(10)을 형성한 후에 p형 반도체 기판(21)을 박화하고, 그 후 어큐뮬레이션층(31)을 형성한다.
다음으로, p형 반도체 기판(21)을 열처리하고, 어큐뮬레이션층(31)을 활성화 시킨다. 열처리는 예를 들면, N2가스라는 분위기하에서 800 ~ 1000℃ 정도의 범위에서, 0.5 ~ 1.0시간 정도에 걸쳐서 행한다. 이때, p형 반도체 기판(21)의 결정성도 회복된다.
다음으로, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b) 측에 불규칙한 요철(10)을 형성한다. 불규칙한 요철(10)은 상술한 실시 형태와 마찬가지로, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b)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(21a)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 ~ 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, p형 반도체 기판(21)을 열처리한다. 열처리는 예를 들면, N2가스라는 분위기하에서, 800 ~ 1000℃ 정도의 범위에서 0.5 ~ 1. 0시간 정도에 걸쳐서 행한다. 열처리에 의해, p형 반도체 기판(21)에서의 결정 손상의 회복 및 재결정화가 도모되고, 암전류의 증가 등의 불편을 방지할 수 있다. 또한, 어큐뮬레이션층(31)의 형성 후의 열처리를 생략하고, 불규칙한 요철(10)의 형성 후의 열처리만을 할 수도 있다.
다음으로, 절연층(27) 및 전하 전송 전극(25)을 형성한다. 절연층(27) 및 전하 전송 전극(25)을 형성하는 공정은 이미 알고 있으므로, 설명을 생략한다. 전하 전송 전극(25)은 예를 들면, 폴리 실리콘 또는 금속으로 이루어진다. 절연층(27)은 예를 들면, SiO2로 이루어진다. 절연층(27) 및 전하 전송 전극(25)을 덮도록, 추가로 보호막을 형성할 수도 있다. 보호막은 예를 들면, BPSG(Boron Phosphor Silicate Glass)로 이루어진다. 이것에 의해, 반도체 광 검출 소자(SP1)가 완성된다.
반도체 광 검출 소자(SP1)에서는 광 입사면(제2 주면(21b))으로부터 광이 입사하면, 제2 주면(21b)에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있기 때문에, 입사한 광은 요철(10)에 의해 산란되어 p형 반도체 기판(21) 내를 다양한 방향으로 나아간다. 제1 주면(21a) 등에 도달하는 광 성분은 요철(10)에서의 확산에 의해 다양한 방향으로 나아가기 때문에, 제1 주면(21a) 등에 도달한 광 성분이 제1 주면(21a)에서 전반사될 가능성은 매우 높다. 제1 주면(21a) 등에서 전반사한 광 성분은 다른 면에서의 전반사나 제2 주면(21b)에서의 반사, 산란, 또는 확산을 반복하여, 그 주행거리가 더욱 길어진다. 이와 같이, 반도체 광 검출 소자(SP1)에 입사한 광은 요철(10)에서 반사, 산란, 또는 확산되어, p형 반도체 기판(21) 내를 장거리 진행한다. 그리고 반도체 광 검출 소자(SP1)에 입사한 광은 p형 반도체 기판(21)의 내부를 장거리 진행하는 도중에, p형 반도체 기판(21)에서 흡수되고, 광에 의해 생긴 캐리어가 n형 반도체층(23)의 화소마다의 전하가 되어, 전송되고 검출된다. 따라서 반도체 광 검출 소자(SP1)에서는 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상한다.
반도체 광 검출 소자(SP1)에서는 요철(10)에 의한 반사, 산란, 또는 확산에 의해, 화소간에서의 누화(crosstalk)가 발생하여, 해상도가 저하될 우려가 있다. 그렇지만, p형 반도체 기판(21)의 두께가 화소 피치(P) 이하로 설정되어 있으므로, 반도체 광 검출 소자(SP1)에서는 화소간에서 누화의 발생을 억제할 수 있다.
반도체 광 검출 소자(SP1)에서는, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b) 측에 어큐뮬레이션층(31)이 형성되어 있다. 이것에 의해, 제2 주면(21b) 측에서 광에 의하지 않고 발생하는 불필요한 캐리어가 재결합되어, 암전류를 저감할 수 있다. 어큐뮬레이션층(31)은 제2 주면(21b) 부근에서 광에 의해 발생한 캐리어가 당해 제2 주면(21b)에서 트랩되는 것을 억제한다. 이 때문에, 광에 의해 발생한 캐리어는 pn접합에 효율적으로 이동하여, 반도체 광 검출 소자(SP1)의 광 검출 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
제5 실시 형태에서는, 어큐뮬레이션층(31)을 형성한 후에, p형 반도체 기판(21)을 열처리하고 있다. 이것에 의해, p형 반도체 기판(21)의 결정성이 회복되어, 암전류의 증가 등의 불편을 방지할 수 있다.
제5 실시 형태에서는, p형 반도체 기판(21)을 열처리한 후에, 전하 전송 전극(25)을 형성하고 있다. 이것에 의해, 전하 전송 전극(25)에 비교적 융점이 낮은 재료를 이용하는 경우에서도, 열처리에 의해 전하 전송 전극(25)이 용융하는 일 없이, 열처리의 영향을 받지 않고 전하 전송 전극(25)을 적절히 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.
그런데, 고체 촬상 소자라는 반도체 광 검출 소자에 있어서, 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판을 두껍게 설정함으로써(예를 들면, 200㎛정도), 근적외 파장 대역에 분광 감도 특성을 가지는 반도체 광 검출 소자를 실현하는 것은 가능하다. 그렇지만, 상기 반도체 기판의 두께를 크게 한 경우, 양호한 해상도를 얻기 위해서는 수십 볼트 정도의 높은 바이어스 전압을 인가하고, 반도체 기판을 완전 공핍화 (空乏化)할 필요가 있다. 완전 공핍화되지 않고, 반도체 기판에 중성 영역이 부분적으로 남아 있으면, 중성 영역에서 발생한 캐리어가 확산되어 해상도가 열화되는 것을 방지하기 위함이다.
또, 반도체 기판이 두꺼우면, 암전류도 증가한다. 이 때문에, 반도체 기판을 냉각시켜(예를 들면,-70 ~ -100℃), 암전류의 증가를 억제할 필요도 있다.
그렇지만, 제5 실시 형태에 관한 반도체 광 검출 소자(SP1)에서는 상술한 바와 같이, 제2 주면(21b)에 불규칙한 요철(10)이 형성됨으로써, 반도체 광 검출 소자(SP1)에 입사한 광의 주행거리가 길어진다. 이 때문에, 반도체 기판(p형 반도체 기판(21)), 특히 광 감응 영역(29)에 대응하는 부분을 두껍게 하는 일 없이, 근적외 파장 대역에 충분한 분광 감도 특성을 가지는 반도체 광 검출 소자를 실현할 수 있다. 따라서 반도체 기판을 두껍게 함으로써 근적외 파장 대역에 분광 감도 특성을 가지는 반도체 광 검출 소자보다도, 상기 반도체 광 검출 소자(SP1)는 매우 낮은 바이어스 전압의 인가 또는 바이어스 전압의 무(無)인가로, 양호한 해상도를 얻을 수 있다. 또, 용도에 따라서는, 반도체 기판의 냉각도 불필요해진다.
반도체 기판, 특히 광 감응 영역에 대응하는 부분이 박화되어 있는 경우, 에타론 현상이 발생할 우려가 있다. 에타론 현상은 이면으로부터 입사한 피검출광과 입사한 피검출광이 표면에서 반사한 광 간에 간섭하는 현상이며, 근적외 파장 대역에서의 검출 특성에 영향을 미친다. 그렇지만, 반도체 광 검출 소자(SP1)에서는 제2 주면(21b)에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있음으로써, 입사광의 위상에 대해서 요철(10)에서 반사되는 광이 분산한 위상차를 가지므로, 이러한 광끼리가 상쇄되어, 에타론 현상이 억제된다.
제5 실시 형태에서는, p형 반도체 기판(21)이 제2 주면(21b) 측에서부터 박화되어 있다. 이것에 의해, p형 반도체 기판(21)의 제1 주면(21a) 및 제2 주면(21b) 측을 각각 광 입사면으로 한 반도체 광 검출 소자를 얻을 수 있다. 즉, 반도체 광 검출 소자(SP1)는 이면 입사형 고체 촬상 소자뿐만이 아니라, 표면 입사형 고체 촬상 소자로서도 이용할 수 있다.
어큐뮬레이션층(31)을 형성한 후에, 펄스 레이저 광을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성하는 경우, 어큐뮬레이션층(31)의 두께를 불규칙한 요철(10)의 고저차보다도 크게 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 펄스 레이저 광을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성하더라도, 어큐뮬레이션층(31)이 확실하게 남는다. 따라서 어큐뮬레이션층(31)에 의한 작용 효과를 확보할 수 있다.
계속해서, 도 27 ~ 도 28을 참조하여, 제5 실시 형태의 변형예에 관한 반도체 광 검출 소자(SP2)에 대해서 설명한다. 도 27은 제5 실시 형태의 변형예에 관한 반도체 광 검출 소자를 나타내는 사시도이다. 도 28은 제5 실시 형태의 변형예에 관한 반도체 광 검출 소자의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
변형예에 관한 반도체 광 검출 소자(SP2)에서는, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b)에서의 광 감응 영역(29)은 제1 영역(29a)과 제2 영역(29b)을 포함하고, 제2 영역(29b)에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있다. 즉, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b)에 있어서 광 감응 영역(29)의 제1 영역(29a)에는 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있지 않다.
변형예에 관한 반도체 광 검출 소자(SP2)에서는, p형 반도체 기판(21)의 제2 주면(21b)에서의 광 감응 영역(29)의 제2 영역(29b)에 있어서, 상술한 바와 같이, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도 특성이 향상된다.
다양한 변형예에 관한 반도체 광 검출 소자(SP21)는, 도 29에 도시된 바와 같이, 분광기(40)의 검출 소자로서 이용할 수 있다. 분광기(40)는 시준기 렌즈 (collimator lenses, 41), 회절 격자(43), 및 반도체 광 검출 소자(SP21)를 구비하고 있다. 분광기(40)에서는 회절 격자(43)에 의해 분리된 파장 성분이 반도체 광 검출 소자(SP21)에 입사된다. 반도체 광 검출 소자(SP21)는 광 감응 영역(29)의 제2 영역(29b)이 장파장측이 되고, 제1 영역(29a)이 단파장측이 되도록 배치된다. 분광기(40)에 이용된 반도체 광 검출 소자(SP21)는 전영역이 박화된 이면 입사형 고체 촬상 소자이다.
이와 같이, 반도체 광 검출 소자가 청색 등의 단파장 대역의 광 감도를 확보할 필요가 있는 경우, 청색 등의 단파장 대역의 광을 검출하는 영역에는 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있지 않은 것이 바람직하다. 청색 등의 단파장 대역의 광은 흡수될 때까지의 주행거리가 짧기 때문에, 제2 주면(21b)의 근방에서 캐리어를 발생시키기 쉽다. 이 때문에, 제2 주면(21b)에 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있으면, 발생한 캐리어가 불규칙한 요철(10)이 형성된 제2 주면(21b)의 근방에서 트랩 되어, 검출 감도에 기여하기 어려워질 염려가 있다.
따라서 반도체 광 검출 소자(SP21)가 불규칙한 요철(10)이 형성되어 있지 않은 제1 영역(29a)이 단파장측이 되도록 배치됨으로써, 청색 등의 단파장 대역의 광의 검출 감도를 저하시키는 일 없이, 근적외 파장 대역에서의 검출 감도를 향상시킬 수 있다. 근적외 파장 대역의 광은 흡수될 때까지의 주행거리가 길기 때문에, 제2 주면(21b)의 근방에서 캐리어를 발생시킬 가능성은 매우 낮다. 따라서 근적외 파장 대역의 광의 입사에 의해 발생한 캐리어는, 불규칙한 요철(10)이 형성된 제2 주면(21b)의 근방에서 트랩되기 어려워, 검출 감도에 충분히 기여한다.
반도체 광 검출 소자(SP21)가 이른바, 표면 입사형 고체 촬상 소자인 경우, 전송 전극부 등의 영향에 의해, 청색 등의 단파장 대역의 광의 검출 감도가 저하될 염려가 있다. 따라서 청색 등의 단파장 대역의 광을 검출하기 위해서는, 반도체 광 검출 소자(SP21)는 이른바, 이면 입사형 고체 촬상 소자인 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 반드시 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
본 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)에서의 p＋형 반도체 영역(3)에 대향하는 영역에만, 펄스 레이저 광을 조사하여 불규칙한 요철(10)을 형성할 수도 있다.
본 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 접속할 수도 있다. 이 경우, n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에서의 p＋형 반도체 영역(3)에 대향하는 영역 외에, 전극(15)을 형성하는 것이 바람직하다. n-형 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)에서의 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 덮여져서, 근적외 파장 대역에서의 분광 감도가 저하된다고 하는 사상(事象)이 발생하기 때문이다.
본 실시 형태에 관한 포토 다이오드(PD1 ~ PD4) 및 반도체 광 검출 소자(SP1, SP11, SP2, SP21)에서의 p형 및 n형의 각 도전형을 상술한 것과 역순이 되도록 변경할 수도 있다.
본 발명은 반도체 광 검출 소자 및 광 검출 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
21: p형 반도체 기판 21a: 제1 주면
21b: 제2 주면 23: n형 반도체층
25: 전하 전송 전극 27: 절연층
31: 어큐뮬레이션층 PL: 펄스 레이저 광
PD1 ~ PD4: 포토 다이오드
SP1, SP11, SP2, SP21:반도체 광 검출 소자

Claims (13)

  1. 제1 도전형 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가짐과 아울러 상기 제1 주면측에 제2 도전형 반도체 영역이 형성된 실리콘 기판과,
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 주면 상에 마련되어, 발생한 전하를 전송하는 전송 전극부를 구비하고,
    상기 실리콘 기판에는 상기 제2 주면측에 상기 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 상기 제2 주면에서 적어도 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 주면에서 불규칙한 상기 요철이 형성된 영역은, 광학적으로 노출되고,
    적어도 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 상기 영역에 불규칙한 상기 요철이 형성된 상기 제2 주면에 대향하는 상기 제1 주면이 광입사면으로 되어, 상기 제1 주면으로부터 입사한 광이 상기 실리콘 기판 내를 진행하는, 표면 입사형인 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 상기 영역 중 일부 영역에 불규칙한 상기 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대응하는 부분이, 그 부분의 주변 부분을 남기고 상기 제2 주면측에서부터 박화되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    제1 도전형의 상기 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 상기 요철의 고저차보다도 큰 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 그 두께가 화소 피치 이하로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 주면으로부터 입사하여 상기 실리콘 기판 내를 진행하는 광이, 불규칙한 상기 요철에 의해 반사, 산란, 또는 확산되는 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  7. 제1 도전형 반도체로 이루어지고, 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가짐과 아울러 상기 제1 주면측에 제2 도전형 반도체 영역이 형성된 실리콘 기판을 구비하고,
    상기 실리콘 기판에는 상기 제2 주면측에 상기 실리콘 기판보다도 높은 불순물 농도를 가지는 제1 도전형 어큐뮬레이션층이 형성되어 있음과 아울러, 상기 제2 주면에서 적어도 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 영역에 불규칙한 요철이 형성되어 있고,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 주면에서 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 상기 영역은, 광학적으로 노출되고,
    적어도 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대향하는 상기 영역에 불규칙한 상기 요철이 형성된 상기 제2 주면에 대향하는 상기 제1 주면이 광입사면으로 되어 상기 제1 주면으로부터 입사한 광이 상기 실리콘 기판 내를 진행하는, 표면 입사형인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 제2 도전형의 상기 반도체 영역에 대응하는 부분이, 그 부분의 주변 부분을 남기고 상기 제2 주면측에서부터 박화되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    제1 도전형의 상기 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 상기 요철의 고저차보다도 큰 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 주면으로부터 입사하여 상기 실리콘 기판 내를 진행하는 광이, 불규칙한 상기 요철에 의해 반사, 산란, 또는 확산되는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
  11. 청구항 3에 있어서,
    제1 도전형의 상기 어큐뮬레이션층의 두께가 불규칙한 상기 요철의 고저차보다도 큰 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 그 두께가 화소 피치 이하로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 주면으로부터 입사하여 상기 실리콘 기판 내를 진행하는 광이, 불규칙한 상기 요철에 의해 반사, 산란, 또는 확산되는 것을 특징으로 하는 반도체 광 검출 소자.
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