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TW202201767A - 半導體光檢測元件 - Google Patents

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TW202201767A
TW202201767A TW110119001A TW110119001A TW202201767A TW 202201767 A TW202201767 A TW 202201767A TW 110119001 A TW110119001 A TW 110119001A TW 110119001 A TW110119001 A TW 110119001A TW 202201767 A TW202201767 A TW 202201767A
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TW
Taiwan
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light
layer
semiconductor substrate
semiconductor
photodetection
Prior art date
Application number
TW110119001A
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English (en)
Inventor
塚田祥賀
笠森浩平
廣瀬真樹
藁科禎久
Original Assignee
日商濱松赫德尼古斯股份有限公司
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Filing date
Publication date
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Abstract

本發明之光檢測元件10具備：半導體基板16，其具有被檢測光入射之主面16a、及背對主面16a之背面16b，於主面16a側具有產生與被檢測光之光強度相應之量之電荷之一個或複數個光檢測區域11；及光吸收膜13，其設置於半導體基板16之背面16b上。光吸收膜13包含：金屬層即反射層133、設置於反射層133與半導體基板16之間之諧振層132、及設置於諧振層132與半導體基板16之間之光吸收層131。被檢測光之波長、及光檢測區域11中所產生之自發光之波長中之至少一者，諧振層132之內部之透光率大於光吸收層131之內部之透光率，反射層133之表面之光反射率大於諧振層132之表面之光反射率。藉此，實現一種可減少半導體基板之背面之光之反射之半導體光檢測元件。

Description

半導體光檢測元件
本揭示係關於一種半導體光檢測元件。
於專利文獻1中，揭示一種與固體攝像元件相關之技術。該固體攝像元件具備感測部，其形成於半導體基板之表面側，進行光電轉換。於半導體基板之背面側，形成有對紅外光之反射率低之低反射膜。於專利文獻2中，揭示一種與矽光電倍增管(SiPM) 相關之技術。該SiPM具備各自包含突崩光電二極體之複數個單元。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2007-305675號公報 [專利文獻2]美國專利申請公開第2013/0099100號
[發明所欲解決之課題]
作為半導體光檢測元件，有光電二極體等之光檢測區域形成於半導體基板之表面而成者。於如此之半導體光檢測元件中，在自半導體基板之表面側入射有被檢測光時，其一部分於光檢測區域中不被吸收，而通過光檢測區域。然後，於半導體基板之背面反射，再次到達光檢測區域而被光檢測區域吸收。
如此之被檢測光之行為引起如下之問題。亦即，與在入射至光檢測區域後立即被吸收之被檢測光相比，於在半導體基板之背面經反射之後被光檢測區域吸收之被檢測光中，於其吸收時序上產生延遲。因此，將自光檢測區域輸出之電荷放大而獲得之檢測信號之波形時間性地擴展，而導致時間解析度之降低。
又，於半導體光檢測元件具備分別具有光檢測區域之複數個像素(或單元)之情形下，當被檢測光在某像素(或單元)之半導體基板之背面反射之後，若該被檢測光被相鄰之別的像素(或單元)之光檢測區域吸收，則在相鄰像素間(相鄰單元間)產生串擾。如此之串擾並不限於被檢測光，於在光檢測區域中產生之光(自發光)中亦會產生。因此，為了提高半導體光檢測元件之空間解析度及時間解析度，較理想為減少半導體基板之背面之光之反射。
本發明之目的在於提供一種可減少半導體基板之背面之光之反射之半導體光檢測元件。 [解決課題之技術手段]
本發明之實施形態係半導體光檢測元件。半導體光檢測元件具備：半導體基板，其具有入射有被檢測光之主面、及背對主面之背面，於主面側具有產生與被檢測光之光強度相應之量之電荷之一個或複數個光檢測區域；及光吸收膜，其設置於半導體基板之背面上；且光吸收膜具有包含金屬層即反射層、設置於反射層與半導體基板之間之諧振層、設置於諧振層與半導體基板之間之光吸收層之多層結構，被檢測光之波長、及光檢測區域中所產生之自發光之波長中之至少一者，諧振層之內部之透光率大於光吸收層之內部之透光率，反射層之表面之光反射率大於諧振層之表面之光反射率。
於該半導體光檢測元件中，於光檢測區域中產生與自半導體基板之主面入射之被檢測光之光強度相應之量之電荷。藉此，可電性地檢測被檢測光之入射光量。於光檢測區域未被吸收之被檢測光到達設置於半導體基板之背面上之光吸收膜。當於光檢測區域內產生自發光之情形下，該自發光亦同樣地到達光吸收膜。
該半導體光檢測元件之光吸收膜具有包含反射層、諧振層、及光吸收層之多層結構。入射至光吸收膜之光之一部分於光吸收層中被立即吸收。未被光吸收層吸收之光透過光吸收層，進入諧振層。然後，進入諧振層之光一面在光吸收層及諧振層之界面與諧振層及反射層之界面之間多重反射，一面於光吸收層內被逐漸吸收。
因此，根據該光吸收膜，與包含單層之光吸收膜相比，可實現極高之吸收效率。因此，根據上述之半導體光檢測元件，可有效地減少半導體基板之背面之光之反射，因此可抑制時間解析度之降低，且減少相鄰像素間(相鄰單元間)之串擾。 [發明之效果]
根據本發明之實施形態之半導體光檢測元件，可減少半導體基板之背面之光之反射。
以下，參照附圖，對於半導體光檢測元件之實施形態詳細地進行說明。並且，在圖式之說明中對相同之要素標註相同之符號，並省略重複之說明。本發明並不限定於該等之例示。
圖1係本實施形態之光檢測裝置1A之部分剖視圖。圖2係光檢測裝置1A所具備之半導體光檢測元件(以下簡稱為光檢測元件)10之概略平面圖。圖3係光檢測裝置1A之電路圖。
光檢測裝置1A如圖1所示般，具備：光檢測元件10、玻璃基板31、及搭載基板35。搭載基板35與光檢測元件10對向配置。玻璃基板31與光檢測元件10對向配置。光檢測元件10配置於搭載基板35與玻璃基板31之間。
本實施形態之光檢測元件10係光電二極體陣列。光檢測元件10具有在俯視下呈矩形之半導體基板16。半導體基板16包含彼此背對之主面16a及背面16b。於主面16a入射有被檢測光。於一例中，半導體基板16係Si基板或InP基板。半導體基板16之厚度(主面16a與背面16b之距離)例如為1 μm以上1000 μm以下。
光檢測元件10包含形成於半導體基板16之複數個光檢測區域11。該等光檢測區域11產生與被檢測光之光強度相應之量之電荷。於各個光檢測區域11串聯地連接有淬滅電阻21。一個光檢測區域11構成光檢測元件10中之一個單元。
各光檢測區域11以分別與淬滅電阻21串聯地連接之形式，全部並聯連接，自電源被施加逆向偏壓。來自光檢測區域11之輸出電流係由後述之信號處理部36檢測。於圖2中，為了結構之明確化，而省略圖1所示之絕緣膜41之記載。
各個光檢測區域11具有第二導電型(例如p型)之半導體區域14。半導體區域14形成於半導體基板16之主面16a側。半導體區域14之平面形狀例如係多角形(本實施形態中為八角形)。又，半導體基板16具有第一導電型(例如n型)之半導體區域12。半導體區域12於半導體基板16中佔據除了半導體區域14以外之區域。
光檢測區域11如圖2所示般，具有分別配置於半導體基板16之主面16a側之電極22及電極23。電極22電性連接於半導體區域14。電極23自主面16a側觀察在半導體區域14之外側之半導體基板16上經由絕緣膜41而形成。又，光檢測區域11具有分別配置於半導體基板16之背面16b側之電性連接於半導體基板16之電極(省略圖示)、及電極24。電極24於半導體基板16之背面16b上經由絕緣膜42而形成。
光檢測元件10針對各個光檢測區域11每一者具有在半導體區域14之外側之半導體基板16上隔著絕緣膜41形成之淬滅電阻21。亦即，淬滅電阻21配置於半導體基板16之主面16a側。淬滅電阻21之一端連接於電極22，其另一端連接於電極23。淬滅電阻21與跟其連接之電極22相比電阻率更高。淬滅電阻21例如包含多晶矽。作為淬滅電阻21之形成方法，可使用CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法。
光檢測元件10包含複數個貫通電極26。貫通電極26針對各個光檢測區域11之每一者設置。貫通電極26將主面16a與背面16b之間貫通而形成。亦即，貫通電極26配置於將半導體基板16貫通之貫通孔15內。貫通孔15之內側面於半導體基板16之厚度方向(亦即與主面16a及背面16b垂直之方向)上延伸。
絕緣膜42亦形成於貫通孔15內。貫通電極26隔著絕緣膜42配置於貫通孔15之內側面上及底面上。貫通電極26之一端連接於電極23，經由電極23、淬滅電阻21、及電極22與光檢測區域11之半導體區域14電性連接。貫通電極26之另一端連接於電極24。
貫通電極26於俯視下配置於光檢測區域11間之區域。於本實施形態中，光檢測區域11於第一方向上二維排列M列，於與第一方向正交之第二方向上二維排列N行(M、N為自然數)。貫通電極26形成於由4個光檢測區域11包圍之區域。因貫通電極26針對每一光檢測區域11設置，故於第一方向上二維排列M列，於第二方向上二維排列N行。
電極22、23、24及貫通電極26包含金屬。作為用於電極22、23、24及貫通電極26之金屬，例如可舉出Al、Ti、Cu、Ni、AlCu等之單層膜、或Al/Ni、Al/Ti/Cu、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、Ti/Cu/Ti等之積層膜。再者，A/B/C之表述意指自半導體基板16側起依序積層A層、B層及C層。
於半導體基板16為InP基板之情形下，作為電極材料亦常用AuGe/Ni等。根據製程設計而不同，電極24及貫通電極26可一體地形成。作為電極22、23、24及貫通電極26之形成方法，可使用濺射​法。
作為使用Si時之p型雜質係使用B等3族元素，作為n型雜質係使用N、P或As等5族元素。半導體之導電型即n型與p型即便互相置換地構成元件，仍可使該元件發揮機能。作為該等之雜質之添加方法，可使用擴散法或離子注入法。
作為絕緣膜41、42之材料，可使用SiO2 、SiN或SiO等絕緣性矽化合物、Al2 O3 或TiO2 等絕緣性金屬氧化物、或者絕緣性樹脂。作為絕緣膜41、42之形成方法，於絕緣膜41、42包含SiO2 之情形下，可使用熱氧化法或CVD法。
於上述之結構之情形下，藉由在n型之半導體區域12與p型之半導體區域14之間構成pn接合，而形成作為光檢測區域11之光電二極體(例如突崩光電二極體)。半導體區域12與形成於背面16b側之電極(省略圖示)電性連接，半導體區域14與電極22電性連接。淬滅電阻21相對於光檢測區域11串聯地連接(參照圖3)。
於各光檢測區域11為突崩光電二極體之情形下，使各個光檢測區域11以蓋革模式動作。於蓋革模式下，將較光檢測區域11之崩潰電壓大之反向電壓(逆向偏壓)施加於光檢測區域11之陽極/陰極間。亦即，對陽極施加負電位V1，對陰極施加正電位V2。該等電位之極性係相對性者，亦可將一個電位設為接地電位。陽極係p型之半導體區域14，陰極係n型之半導體區域12。
當被檢測光之光子入射至光檢測區域11時，於半導體基板16之內部進行光電轉換，而產生光電子。於半導體區域14之pn接合界面之附近區域，進行突崩倍增，經放大之載子向形成於半導體基板16之主面16a之電極22流動。亦即，在光子入射至光檢測元件10之任一單元(光檢測區域11)時，在光電轉換後進行電子倍增，而電流信號自電極24被取出。
光檢測元件10具備光吸收膜13。光吸收膜13設置於半導體基板16之背面16b上，配置於半導體基板16之背面16b與絕緣膜42之間。光吸收膜13係為了吸收未被光檢測區域11吸收而透過之被檢測光、及/或在光檢測區域11內產生之自發光而設置。光吸收膜13具有包含光吸收層131、諧振層132及反射層133之多層結構。
光吸收層131設置於諧振層132與半導體基板16之間。光吸收層131之厚度為數nm至數μm之範圍內。諧振層132設置於反射層133與半導體基板16之間，具體而言設置於反射層133與光吸收層131之間。諧振層132之厚度為數nm至數百μm之範圍內。
於一例中，諧振層132之光學厚度，係被檢測光之波長λ1 或光檢測區域11中產生之自發光之波長λ2 之4分之1之整數倍。或者，諧振層132之光學厚度，可為以λ1 /4或λ2 /4之整數倍為中心之±20%之範圍內。被檢測光之波長λ1 係可見頻帶至近紅外頻帶之範圍內，例如為350 nm以上1200 nm以下。於光檢測區域11為突崩光電二極體之情形下，在光檢測區域11中產生之自發光之波長λ2 例如為700 nm以上1100 nm以下。反射層133之厚度為數十nm至數mm之範圍內。
又，波長λ1 及λ2 中之至少一者，諧振層132之內部之透光率大於光吸收層131之內部之透光率。換言之，諧振層132之消光係數小於光吸收層131之消光係數。光吸收層131例如藉由金屬構成。構成光吸收層131之金屬可包含選自由矽化鎢(WSix )、Ti、TiN、及Cr組成之群中之一種以上之材料。於一例中，光吸收層131主要包含矽化鎢，於一實施例中由矽化鎢構成。
諧振層132主要包含例如SiO2 、SiN、SiON等矽化合物，於一實施例中由SiO2 、SiN、或SiON構成。關於波長λ1 、λ2 中之至少一者，諧振層132可具有透光性。再者，所謂具有透光性，係指相對於對象波長為透明、亦即具有70%以上之透光率。
又，關於波長λ1 、λ2 中之至少一者，反射層133之表面之光反射率大於諧振層132之表面之光反射率。再者，於本實施形態中，所謂「反射層之表面之光反射率」係指反射層之諧振層側之表面之光反射率，所謂「諧振層之表面之光反射率」係指諧振層之光吸收層側之表面之光反射率。
反射層133係金屬層。構成反射層133之金屬可包含選自由Al、Al系合金(AlCu、AlSi等)、Cu、Ag、及Au組成之群中之一種以上之材料。於一例中，反射層133主要包含Al，於一實施例中由Al構成。
如圖1所示般，搭載基板35具有平坦之主面35a。搭載基板35於俯視下呈矩形形狀。主面35a與半導體基板16之背面16b對向。搭載基板35包含配置於主面35a上之複數個電極27。電極27與貫通電極26對應地配置。具體而言，電極27形成於主面35a處之與電極24對向之各區域上。
電極24與電極27係由凸塊電極25連接。藉此，貫通電極26經由電極24及凸塊電極25電性連接於電極27。而且，淬滅電阻21經由電極23、貫通電極26、電極24、及凸塊電極25電性連接於電極27。電極27包含與電極22、23、24及貫通電極26同樣之金屬。凸塊電極25例如主要包含焊料。
搭載基板35包含圖3所示之信號處理部36。亦即，搭載基板35構成ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特殊應用積體電路)。各電極27經由形成於搭載基板35內之配線(省略圖示)與信號處理部36電性連接。於信號處理部36輸入有來自各光檢測區域11之輸出信號，信號處理部36對來自各光檢測區域11之輸出信號進行處理。
信號處理部36包含將來自各光檢測區域11之輸出信號轉換為數位脈衝之CMOS電路。又，搭載基板35以與各單元(光檢測區域11)對應地包含記錄時間資訊之電路之方式構成。作為記錄時間資訊之電路，使用時間數位轉換器(TDC：Time to Digital Convertor)、或時間電壓轉換器(TAC：Time to Amplitude Convertor)等。藉此，搭載基板35內之配線距離之差不對時間解析度帶來影響。
於半導體基板16之背面16b上配置有鈍化膜43，該鈍化膜43在與凸塊電極25對應之位置形成有開口43a。於搭載基板35之主面35a上配置有鈍化膜44，該鈍化膜44在與凸塊電極25對應之位置形成有開口44a。
鈍化膜43、44例如包含聚醯亞胺系、酚系、環氧系等樹脂絕緣膜、SiO2 /樹脂絕緣膜、SiN/樹脂絕緣膜、SiON/樹脂絕緣膜、SiO2 膜、SiN膜、或SiON膜。作為鈍化膜43、44之形成方法，在為樹脂絕緣膜之情形下可使用旋轉塗佈法，在為SiO2 膜之情形下可使用CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法。
玻璃基板31具有相互背對之主面31a及背面31b。玻璃基板31於俯視下呈矩形形狀。背面31b與半導體基板16之主面16a對向。主面31a及背面31b為平坦。玻璃基板31與光檢測元件10藉由光學接著劑32接著、且光學性連接。玻璃基板31亦可直接形成於光檢測元件10上。
於玻璃基板31之主面31a上，可經由另外之光學接著劑光學性地連接有閃爍器(未圖示)。來自閃爍器之閃爍光作為被檢測光透過玻璃基板31，入射至光檢測元件10。
接著，參照圖4～圖7，對於上述之光檢測裝置1A之製造方法進行說明。圖4～圖7係用於說明本實施形態之光檢測裝置1A之製造過程之圖。
首先，如圖4(a)所示般，製作具有半導體區域12及14之半導體基板16。於該步驟中，例如準備第一導電型之半導體基板，藉由自該半導體基板之主面側進行離子注入，而形成複數個第二導電型之半導體區域14。此時，除半導體區域14以外之其他區域成為半導體區域12。
接著，如圖4(b)所示般，於半導體基板16之主面16a上形成淬滅電阻21、電極22及23、以及絕緣膜41。於該步驟中，首先，形成絕緣膜41之下層部分。其後，在絕緣膜41之下層部分中位於半導體區域14上之部分形成開口之後，於絕緣膜41之下層部分上形成淬滅電阻21、電極22及23。此時，電極22經由開口與半導體區域14連接。然後，形成絕緣膜41之上層部分，藉由該上層部分覆蓋淬滅電阻21、電極22及23。
接著，如圖4(c)所示般，將光學接著劑32夾於其間而將玻璃基板31與絕緣膜41相互接著。藉此，玻璃基板31與光檢測元件10光學性地連接。接著，對半導體基板16之背面16b進行研磨而將半導體基板16薄化。於該步驟中，例如使用機械研磨法或化學研磨法將半導體基板16薄化。
然後，如圖5(a)所示般，於半導體基板16之背面16b上形成光吸收膜13。於一例中，藉由濺射​形成光吸收層131(例如WSix )，藉由CVD形成諧振層132(例如SiO2 )，藉由濺射形成反射層133(例如AlCu)。
接著，如圖5(b)所示般，於光吸收膜13及半導體基板16形成貫通孔15。於該步驟中，例如適當選擇乾式蝕刻法與濕式蝕刻法形成貫通孔15，在電極23露出之時點停止蝕刻。再者，亦可在形成貫通孔15之後，形成光吸收膜13。
接著，如圖5(c)所示般，於半導體基板16之背面16b上(光吸收膜13上)、以及貫通孔15之內側面上及底面上(電極23上)形成絕緣膜42。然後，如圖6(a)所示般，在絕緣膜42中位於貫通孔15之底面上(電極23上)之部分，形成開口42a。於該步驟中，例如藉由將絕緣膜42進行蝕刻直至電極23露出為止而形成開口42a。
接著，如圖6(b)所示般，於貫通孔15之內側面上及底面上、以及背面16b中位於貫通孔15之周圍之區域上，形成金屬膜。藉此，於貫通孔15之內側面上及底面上形成貫通電極26，且於背面16b上形成電極24。
接著，如圖7(a)所示般，於半導體基板16之背面16b上及貫通孔15內形成鈍化膜43，藉由鈍化膜43覆蓋電極24及貫通電極26。然後，如圖7(b)所示般，於鈍化膜43中之位於電極24上之部分，藉由蝕刻而形成開口43a。其後，形成覆蓋開口43a之凸塊電極25。
再者，於凸塊電極25之形成之前，於電極24之自鈍化膜43露出之區域形成UBM(Under Bump Metal，凸塊下金屬)。UBM包含與凸塊電極25在電性及實體性上連接優異之材料。作為UBM之形成方法，可使用無電解鍍敷法。作為凸塊電極25之形成方法，可使用搭載銲球之手法或印刷法。
接著，將光檢測元件10與另外準備之搭載基板35相互凸塊連接(參照圖1)。然後，藉由切割而將包含玻璃基板31、光檢測元件10、及搭載基板35之積層體切斷，而單片化。經由以上之步驟，製作本實施形態之光檢測裝置1A。再者，亦可在將包含玻璃基板31與光檢測元件10之積層體藉由切割而單片化之後，將該積層體之光檢測元件10與搭載基板35相互凸塊連接。
對於藉由以上所說明之本實施形態之光檢測元件10所獲得之作用效果進行說明。於本實施形態之光檢測元件10中，在光檢測區域11中產生與自半導體基板16之主面16a入射之被檢測光之光強度相應之量之電荷。藉此，可電性地檢測被檢測光之入射光量。於光檢測區域11中未被吸收之被檢測光到達設置於半導體基板16之背面16b上之光吸收膜13。於在光檢測區域11中產生有自發光之情形下，該自發光亦同樣地到達光吸收膜13。
光吸收膜13具有包含光吸收層131、諧振層132、及反射層133之多層結構。入射至光吸收膜13之光之一部分於光吸收層131中被立即吸收。未被光吸收層131吸收之光通過光吸收層131，進入諧振層132。然後，進入諧振層132之光一面在光吸收層131及諧振層132之界面與諧振層132及反射層133之界面之間多重反射，一面於光吸收層131內被逐漸吸收。
因此，根據該光吸收膜13，與單層之光吸收膜相比，可實現極高之吸收效率。因此，根據本實施形態之光檢測元件10，可有效地減少半導體基板16之背面16b處之光之反射，因此可抑制時間解析度之降低，且可減少相鄰單元間之串擾。
如前述般，諧振層132之光學厚度可為以被檢測光之波長λ1 或在光檢測區域11中產生之自發光之波長λ2 之4分之1(亦即λ1 /4或λ2 /4)之整數倍為中心之±20%之範圍內。
該情形下，在光吸收層131及諧振層132之界面處所反射之光之相位與在諧振層132及反射層133之界面處所反射之光之相位相互偏移接近π(rad)，因此相互抵消。因此，可進一步提高光吸收膜13之吸收效率(消光效率)。
如前述般，光檢測區域11可為突崩光電二極體或pn接合型光電二極體。例如於此種情形下，可於光檢測區域11產生與被檢測光之光強度相應之量之電荷。
又，特別是於光檢測區域11為突崩光電二極體之情形下，於光檢測區域11產生自發光(二次光子)。本實施形態之光檢測元件10藉由適當設計光吸收膜13，而亦可減少因在光檢測區域11中產生之自發光所致之串擾。因此，本實施形態之光檢測元件10於光檢測區域11為突崩光電二極體之情形下尤為有效。
如本實施形態般，光檢測元件10可具備貫通電極26，其將主面16a與背面16b之間貫通，主面16a側之一端與光檢測區域11電性連接。該情形下，可於與被檢測光入射之主面16a為相反側之背面16b配置搭載基板35，即便多數個光檢測區域11於主面16a排列為二維狀之情形下，仍可容易地取出來自各光檢測區域11之電荷(輸出電流)。
又，因無須在主面16a側設置用於與搭載基板35電性連接之接合線等配線，故可增大光檢測元件10之填充因數。換言之，可將光檢測元件10之尺寸小型化，而可收容於小型之封裝體內。
又，為了提高貫通電極26之易於形成性，可減薄半導體基板16(參照圖5(a))。然而，若如此操作，則半導體基板16之光入射面(主面16a)與背面16b之距離變短，因此易於產生時間解析度之降低及相鄰單元間之串擾。根據本實施形態之光檢測元件10，可抑制時間解析度之降低，且可減少相鄰單元間之串擾，因此於將貫通電極26設置於半導體基板16之情形下尤為有效。
如本實施形態般，光檢測元件10可接合於玻璃基板31。該情形下，容許進一步降低半導體基板16之機械強度，因此可進一步減薄半導體基板16。因此，貫通孔15之形成變得容易，且光檢測元件10之響應特性提高。
對於實施例進行說明，該實施例對本實施形態之減少串擾效果進行了驗證。圖8及圖9係示意性地顯示為了驗證而製作之積層體100A及100B之剖面結構之圖。
如圖8所示般，積層體100A具有在支持玻璃101上依序將接合樹脂102、Al與Cu之合金層103、藉由CVD法成膜之SiO2 層104、WSi層105、Si層106、及SiO2 層107積層而成之結構。WSi層105、SiO2 層104、及合金層103分別相當於本實施形態之光吸收層131、諧振層132、及反射層133。Si層106相當於本實施形態之半導體基板16。如圖9所示般，積層體100B具有在支持玻璃101上依序將接合樹脂102、Al與Cu之合金層103、樹脂絕緣層108(酚系樹脂)、Si層106、及SiO2 層107積層而成之結構。
於該等之積層體100A及100B中，將支持玻璃101之厚度設為300 μm，將接合樹脂102之厚度設為10 μm，將合金層103之厚度設為1000 nm，將SiO2 層104之厚度設為100 nm，將WSi層105之厚度設為23 nm，將樹脂絕緣層108之厚度設為5000 nm。然後，使Si層106之厚度在20 μm～70 μm之範圍內變化，對於積層體100A及100B分別製作複數個樣品。
又，於各積層體之Si層106，形成26列26行二維排列之作為複數個單元(光檢測區域)之半導體區域110及配線(未圖示)。半導體區域110相當於本實施形態之半導體區域14。將各單元之尺寸設為一邊50 μm。然後，於各個單元形成淬滅電阻，而設為將電荷集中輸出之構成。將所輸出之電荷藉由寬頻放大器轉換成電壓信號，藉由比較器提取臨限值以上之高度之脈衝，藉由計數器電路對脈衝之數目進行了計數。
圖10係示意性地顯示包含串擾之電壓信號波形之圖形。當於上述之各樣品中檢測到1個光子時，輸出具有1光子份額之高度之脈衝信號G12。此處，將1光子份額之脈衝高度定義為1光子當量( photon equivalent，p.e.)。若在相鄰單元間產生串擾，則於電壓信號波形中，除了具有1光子份額之高度之脈衝信號G12以外，亦顯現有具有2光子份額(或其以上)之高度之脈衝信號G11。
若將相對於電壓信號之比較器之臨限值例如設為0.5 p.e.(圖中之直線D1)，則該等脈衝信號G11、G12無需相互區別，而分別作為1個脈衝被計數。又，若將相對於電壓信號之比較器之臨限值例如設為1.5 p.e.(圖中之直線D2)，則脈衝信號G12不被檢測，而僅計數脈衝信號G11。
圖11係顯示將樣品配置於暗箱之中、使比較器之臨限值變化而測定自發光之計數率(以下稱為暗計數率)之例之圖形。於圖11中，縱軸表示暗計數率(單位：cps(counts per second))，橫軸表示臨限值(單位：V)。
於臨限值未達1.0(p.e.)之範圍A1內，所有脈衝高度之脈衝信號被計數，暗計數率成為較高之值。而且，於臨限值大於1.0(p.e.)且未達2.0(p.e.)之範圍A2內，由於1.0(p.e.)之高度之脈衝信號未被計數，而暗計數率自範圍A1降低一階段。如此，相應於臨限值之增大而暗計數率階段性地減小。
於將範圍A1之暗計數率設為N0.5p.e. ，將範圍A2之暗計數率設為N1.5p.e. 時，表示串擾之程度之串擾概率，藉由N0.5p.e. 與N1.5p.e. 之比(N1.5p.e. /N0.5p.e. )而算出。可謂該串擾概率愈大，則串擾之程度愈大。
圖12係顯示實施例之各樣品之逆向偏壓與串擾概率之關係之圖形。於圖12中，縱軸表示串擾概率(單位：%)，橫軸表示與動作電壓相對之過電壓(單位：V)。圖中之圖形G21～G23表示上述積層體100B(亦即無光吸收膜)之情形，圖中之圖形G24～G26表示上述積層體100A(亦即有光吸收膜)之情形。又，圖形G21、G24表示將Si層106之厚度設為20 μm之情形，圖形G22、G25表示將Si層106之厚度設為45 μm之情形，圖形G23、G26表示將Si層106之厚度設為70 μm之情形。
參照圖12可知，Si層106愈薄則串擾概率愈大。此種情況意指半導體基板16愈薄則愈容易產生串擾。又，參照圖12可知，於積層體100A(有光吸收膜)中，與積層體100B(無光吸收膜)相比，串擾概率格外小。此種情況意指在本實施形態中，藉由光檢測元件10具備光吸收膜13，而可格外降低串擾。再者，雖然該結果係與自發光相關者，但認為對於被檢測光亦為同樣。
圖13係顯示實施例之各樣品之由自發光引起之暗電流特性之圖形。於圖13中，縱軸表示暗電流之大小(單位：A)，橫軸表示逆向偏壓(單位：V)。圖中之圖形G31～G33表示上述積層體100B(無光吸收膜)之情形，圖中之圖形G34～G36表示上述積層體100A(有光吸收膜)之情形。又，圖形G31、G34表示將Si層106之厚度設為20 μm之情形，圖形G32、G35表示將Si層106之厚度設為45 μm之情形，圖形G33、G36表示將Si層106之厚度設為70 μm之情形。
若參照圖13可知，Si層106愈薄，則可使用之逆向偏壓之範圍愈窄(在暗電流急劇增大時之逆向偏壓小)。此種情況意指半導體基板16愈薄則可使用之逆向偏壓之範圍愈窄。又，若參照圖13可知，於積層體100A(有光吸收膜)中，與積層體100B(無光吸收膜)相比，可使用之逆向偏壓之範圍大(在暗電流急劇增大時之逆向偏壓大)。
例如，在對圖形G31與圖形G34進行比較時，即便Si層106之厚度相同，但在圖形G31中，在57.5 V附近暗電流增大，在圖形G34中，在61 V附近暗電流增大。因此，於圖形G34中，與圖形G31相比，可使用之逆向偏壓之範圍寬+3.5 V左右。此種情況意指在本實施形態中，藉由光檢測元件10具備光吸收膜13，而可有效地吸收自發光從而擴大可使用之逆向偏壓之範圍。
對於本實施形態之光吸收膜13之作用詳細地進行說明。圖14係示意性地顯示光吸收膜13之剖面結構之圖。
如前述般，光吸收膜13具有包含光吸收層131、諧振層132、及反射層133之多層結構。到達光吸收膜13之光L之一部分於光吸收層131之表面處反射，其餘部分進入光吸收層131之內部。此時，若使光吸收層131之薄片電阻與相鄰之半導體基板16之空間阻抗一致，則表面反射率為零，而所有之光L進入光吸收層131之內部。
進入光吸收層131之內部之光L以基於光吸收層131之消光係數而計算之比率逐漸被吸收，因此若光吸收層131充分厚，則幾乎所有之光L被光吸收層131吸收。然而，將光吸收層131增厚，亦即會導致減小薄片電阻，而光吸收層131之表面反射率增大。因此，於本實施形態中，限制光吸收層131之厚度，而容許一部分之光L穿過光吸收層131。
該穿過之光L之一部分在諧振層132與光吸收層131之界面處反射，返回光吸收層131。以下，將該反射光稱為第一反射光。於光吸收層131包含金屬，諧振層132包含介電體之情形下，諧振層132之阻抗大於光吸收層131之阻抗(換言之，諧振層132之折射率小於光吸收層131之折射率)，因此第一反射光不伴有π(rad)之相位偏移。
又，光L之其餘部分通過該界面進入諧振層132之內部。進入諧振層132之內部之光L在幾乎不衰減下到達諧振層132與反射層133之界面，並於該界面處全反射。以下，將該反射光稱為第二反射光。第二反射光再次進入諧振層132內部並往向光吸收層131。由於反射層133之阻抗接近0 Ω(換言之，折射率接近無限大)，因此第二反射光伴有π(rad)之相位偏移。
於第二反射光到達光吸收層131時，若第二反射光與第一反射光之相位差為π(rad)，則相互抵消。因此，諧振層132之光學厚度(換言之，光吸收層131與反射層133之光學性間隔)只要為光L之波長之1/4即可。然而，因第一反射光之電場幅值與第二反射光之電場幅值不是完全相同，因此不是完全相互抵消，而反射光之一部分入射至光吸收層131。入射至光吸收層131之反射光於光吸收層131中被吸收。又，第二反射光之一部分殘留於諧振層132之內部，重複多重反射，但逐漸被光吸收層131吸收。如此般，光L之幾乎全部被光吸收層131吸收。
對於光吸收膜13之設計例進行說明。圖15係示意性地顯示將光吸收膜13配置於半導體基板16之背面16b上之構成之圖。
於本實施形態中，如圖15所示般，光吸收膜13之光吸收層131與半導體基板16相接。此處，半導體基板16設為包含Si或InP。光L之波長設為1.55 μm。光吸收層131設為包含WSi，諧振層132設為包含SiO2 ，反射層133設為包含Al。
空氣之特性阻抗為377 Ω，Si及InP之折射率約為3.5，因此半導體基板16之特性阻抗為377 Ω/3.5=108 Ω。又，矽化鎢(WSi2 )之比電阻為2.48×10-4 Ω・cm。因此，光吸收層131之較佳之厚度t以 [數1]
Figure 02_image001
算出。
又，SiO2 之比折射率為1.48，因此諧振層132之較佳之厚度以1.55 μm/1.48/4=262 nm而算出。又，Al之比電阻為2.65×10-6 Ω・cm，因此藉由將反射層133設為例如1 μm之充分至厚度，而薄片電阻成為0.0265 Ω。SiO2 之阻抗為 [數2]
Figure 02_image003
因此諧振層132與反射層133之界面處之反射係數為0.998。
依照上述之思路，與被檢測光之波長λ1 、或自發光之波長λ2 相應之光吸收膜13之設計亦變得容易。下述之表1係表示被檢測光之波長λ1 為600 nm、800 nm、及1000 nm時之光吸收膜13之設計例之表。又，下述之表2係表示自發光之波長λ2 為700 nm～1100 nm之範圍內時之光吸收膜13之設計例之表。 [表1]
被檢測光波長(nm) 光吸收層 諧振層 反射層
材質 厚度（nm) 材質 厚度(nm) 材質 厚度（nm)
600 WSi2 23 SiO2 207 Al 1000
800 WSi2 23 SiO2 292 Al 1000
1000 WSi2 23 Si02 380 Al 1000
[表2]
自發光波長（nm) 光吸收層 諧振層 反射層
材質 厚度(nm) 材質 厚度(nm) 材質 厚度（nm)
700～1100 WSi2 23 SiO2 60 Al 1000
再者，於上述之設計例中，設想光L自相對於光吸收膜13之表面垂直之方向(換言之，光吸收膜13之厚度方向)入射，但於光L自相對於光吸收膜13之表面傾斜之方向入射之情形下，可於上述之設計中加入光L之入射角。亦即，只要根據各層131～133之折射率計算各層131～133內之光之傳播角度，並將各層131～133之厚度設為考量了該傳播角度之厚度即可。
(變化例)
圖16係顯示上述實施形態之第1變化例之光檢測元件10A之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10A在不具備玻璃基板31及光學接著劑32之點上與上述之光檢測元件10不同，在其他點上與光檢測元件10一致。於如此之結構中，亦可發揮與上述實施形態同樣之作用效果。
又，於如本變化例般未設置玻璃基板31之情形下，可避免因玻璃基板31及光學接著劑32所致之光損失(吸收及反射)，而可提高光檢測效率。此外，可避免來自光學接著劑32之排氣之產生。進而，可將閃爍器或微透鏡等追加之光學零件直接搭載於光檢測元件之光入射面。
圖17係顯示上述實施形態之第2變化例之光檢測元件10B之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10B在光吸收膜13除了形成於背面16b上以外亦形成於貫通孔15之內側面上及底面上之點上與上述之光檢測元件10不同，於其他之點上與光檢測元件10一致。該情形下，絕緣膜42及貫通電極26經由光吸收膜13配置於貫通孔15內。
若為如此之結構，則除了背面16b以外亦可抑制貫通孔15之內側面處之光之反射，因此進一步抑制時間解析度之降低，且可進一步減少相鄰單元間之串擾。於製作本變化例之光檢測元件10B時，可在形成貫通孔15之後形成光吸收膜13。再者，如上述實施形態般，於光吸收膜13僅形成於背面16b，而不形成於貫通孔15之內側面上及底面上之情形下，具有製造步驟變得容易、削減工時而可低成本化等優點。
圖18係顯示上述實施形態之第3變化例之光檢測元件10C之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10C在不具備玻璃基板31及光學接著劑32之點上與上述之光檢測元件10B不同，在其他點上與光檢測元件10B一致。根據如此之結構，亦可發揮與第1變化例及第2變化例同樣之作用效果。
圖19係顯示上述實施形態之第4變化例之光檢測元件10D之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10D在貫通孔15之內側面相對於半導體基板16之厚度方向(亦即與主面16a及背面16b垂直之方向)而傾斜之點上與上述之光檢測元件10不同，於其他之點上與光檢測元件10一致。該情形下，貫通孔15之內徑自主面16a隨著靠近背面16b而擴大。於如此之結構中，亦可發揮與上述實施形態同樣之作用效果。
圖20係顯示上述實施形態之第5變化例之光檢測元件10E之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10E在不具備玻璃基板31及光學接著劑32之點上與上述之光檢測元件10D不同，在其他點上與光檢測元件10D一致。於如此之結構中，亦可發揮與上述實施形態同樣之作用效果。又，藉由不設置玻璃基板31，而可發揮與第1變化例同樣之作用效果。
圖21係顯示上述實施形態之第6變化例之光檢測元件10F之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10F在光吸收膜13除了形成於背面16b上以外亦形成於貫通孔15之內側面上及底面上之點與上述之光檢測元件10D不同，於其他之點上與光檢測元件10D一致。該情形下，可發揮與第2變化例同樣之作用效果。
圖22係顯示上述實施形態之第7變化例之光檢測元件10G之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10G在不具備玻璃基板31及光學接著劑32之點上與上述之光檢測元件10F不同，在其他點上與光檢測元件10F一致。根據如此之結構，可發揮與第5變化例及第6變化例同樣之作用效果。
圖23係顯示上述實施形態之第8變化例之光檢測元件10H之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10H具備接合線28取代上述實施形態之凸塊電極25及貫通電極26，且具備玻璃基板33及光學接著劑34取代上述實施形態之玻璃基板31及光學接著劑32。
具體而言，於半導體基板16不形成貫通孔15，電極23經由形成於絕緣膜41之上表面之開口41a露出。接合線28設置於複數個單元各者。而且，接合線28之一端與在開口41a處露出之電極23之部分連接。再者，接合線28之另一端與具有與上述實施形態之搭載基板35同樣之電路之未圖示之電路基板連接。
光吸收膜13遍及半導體基板16之背面16b之全面而形成，於與半導體基板16為相反側之光吸收膜13之面(亦即，反射層133之表面)，經由光學接著劑34接著有玻璃基板33。於如此之結構中，亦可發揮與上述實施形態同樣之作用效果。又，由於無須形成貫通電極26，因此製造步驟變得容易，削減工時而可低成本化。
圖24係顯示上述實施形態之第9變化例之光檢測元件10J之結構之部分剖視圖。該光檢測元件10J在不具備玻璃基板33及光學接著劑34之點上與上述之光檢測元件10H不同，在其他點上與光檢測元件10H一致。於如此之結構中，亦可發揮與第8變化例同樣之作用效果。又，藉由不設置玻璃基板33，而可發揮與第1變化例同樣之作用效果。
半導體光檢測元件並不限定於上述實施形態及構成例，而可進行各種變化。
於一個貫通電極26電性連接有一個淬滅電阻21，但並不限於此。可於一個貫通電極26電性連接有複數個淬滅電阻(例如4個淬滅電阻)21。該情形下，在單元間謀求貫通電極26之共通化，而可減少形成於半導體基板16之貫通電極26之數目。藉此，可抑制半導體基板16之機械性強度之降低。電性連接於一個貫通電極26之淬滅電阻之數目並不限於「4」，亦可為「3」以下，且亦可為「5」以上。
於複數個淬滅電阻21電性連接於一個貫通電極26之情形下，較佳的是自各光檢測區域11經由對應之淬滅電阻21至貫通電極26之配線距離為同等。該情形下，於在單元間謀求貫通電極26之共通化之構成中，亦可防止時間解析度降低。
半導體區域14之形狀並不限於上述之形狀，亦可為其他形狀(例如圓形等)。又，光檢測區域11之數目(列數及行數)或排列並不限於上述者。
光檢測元件10具備複數個光檢測區域11，但並不限於此。光檢測元件亦可具備單一之光檢測區域11。於該情形下亦然，可發揮抑制時間解析度之降低之效果。
光檢測裝置1A具備將來自複數個光檢測區域11之輸出電流集中(批量)輸出之構成，但並不限於此。光檢測元件亦可適用於將來自複數個光檢測區域11(像素)之輸出電流針對每一光檢測區域11個別地輸出之光檢測裝置。如此之光檢測裝置例如可用作CCD等攝像裝置。該情形下，上述實施形態之「單元」改換為「像素」，光檢測元件可減少相鄰像素間之串擾。
上述實施形態之半導體光檢測元件構成為具備：半導體基板，其具有被檢測光入射之主面、及背對主面之背面，於主面側具有產生與被檢測光之光強度相應之量之電荷之一個或複數個光檢測區域；及光吸收膜，其設置於半導體基板之背面上；且光吸收膜具有包含金屬層即反射層、設置於反射層與半導體基板之間之諧振層、設置於諧振層與半導體基板之間之光吸收層之多層結構，被檢測光之波長、及光檢測區域中所產生之自發光之波長中之至少一者，諧振層之內部之透光率大於光吸收層之內部之透光率，反射層之表面之光反射率大於諧振層之表面之光反射率。
於上述之半導體光檢測元件中，可採用如下之構成，即：諧振層之光學厚度為以被檢測光之波長之4分之1及自發光之波長之4分之1中任一者之整數倍為中心之±20%之範圍內。
該情形下，在光吸收層及諧振層之界面處所反射之光之相位與在諧振層及反射層之界面處所反射之光之相位相互偏移接近π(rad)，因此相互抵消。因此，可進一步提高光吸收膜之吸收效率(消光效率)。
於上述之半導體光檢測元件中，可採用如下之構成，即：一個或複數個光檢測區域係突崩光電二極體或pn接合型光電二極體。例如於此種情形下，可於光檢測區域產生與被檢測光之光強度相應之量之電荷。
又，特別是於光檢測區域為突崩光電二極體之情形下，於光檢測區域產生自發光。於上述之半導體光檢測元件中，亦可減少因在光檢測區域中產生之自發光所致之串擾。因此，上述之半導體光檢測元件於光檢測區域為突崩光電二極體之情形下尤為有效。
上述之半導體光檢測元件可採用如下之構成，即進而具備貫通電極，其將主面與背面之間貫通，主面側之一端與光檢測區域電性連接。該情形下，可於與光入射之主面為相反側之背面配置配線基板等，即便在主面排列有多數個光檢測區域之情形下，仍可容易地取出來自各光檢測區域之電荷(輸出電流)。
又，為了提高貫通電極之易於形成性，可減薄半導體基板。然而，若如此操作，則半導體基板之光入射面(主面)與背面之距離變短，因此易於產生時間解析度之降低及相鄰像素間(相鄰單元間)之串擾。根據上述之半導體光檢測元件，可抑制時間解析度之降低，且可減少相鄰像素間(相鄰單元間)之串擾，因此於將貫通電極設置於半導體基板之情形下尤為有效。
於上述之半導體光檢測元件中，可採用如下之構成，即：光吸收層主要包含矽化鎢，諧振層主要包含SiO2 。該情形下，可實現吸收效率高之光吸收膜。 [產業上之可利用性]
本發明能夠用作可減少半導體基板之背面之光之反射之半導體光檢測元件。
1A:光檢測裝置 10,10A~10H,10J:光檢測元件 11:光檢測區域 12:半導體區域 13:光吸收膜 14:半導體區域 15:貫通孔 16:半導體基板 16a:主面 16b:背面 21:淬滅電阻 22,23,24,27:電極 25:凸塊電極 26:貫通電極 28:接合線 31:玻璃基板 31a:主面 31b:背面 32:光學接著劑 33:玻璃基板 34:光學接著劑 35:搭載基板 35a:主面 36:信號處理部 41,42:絕緣膜 41a,42a:開口 43,44:鈍化膜 43a,44a:開口 100A,100B:積層體 101:支持玻璃 102:接合樹脂 103:合金層 104:SiO2 層 105:WSi層 106:Si層 107:SiO2 層 108:樹脂絕緣層 110:半導體區域 131:光吸收層 132:諧振層 133:反射層 A1,A2:範圍 D1,D2:直線 G11,G12:脈衝信號 G21~G26,G31~G36:圖形 L:光 V1:負電位 V2:正電位
圖1係一實施形態之光檢測裝置之部分剖視圖。 圖2係光檢測裝置所具備之半導體光檢測元件之概略平面圖。 圖3係光檢測裝置之電路圖。 圖4(a)～(c)係用於說明一實施形態之光檢測裝置之製造過程之圖。 圖5(a)～(c)係用於說明一實施形態之光檢測裝置之製造過程之圖。 圖6(a)、(b)係用於說明一實施形態之光檢測裝置之製造過程之圖。 圖7(a)、(b)係用於說明一實施形態之光檢測裝置之製造過程之圖。 圖8係示意性地顯示為了驗證而製作之積層體之剖面結構之圖。 圖9係示意性地顯示為了驗證而製作之積層體之剖面結構之圖。 圖10示意性地顯示包含串擾之電壓信號波形之圖形。 圖11係顯示將樣品配置於暗箱之中，使比較器之臨限值變化而測定暗計數率之例之圖形。 圖12係顯示實施例之各樣品之逆向偏壓與串擾概率之關係之圖形。 圖13係顯示實施例之各樣品之由自發光引起之暗電流特性之圖形。 圖14係示意性地顯示光吸收膜之剖面結構之圖。 圖15係示意性地顯示將光吸收膜配置於半導體基板之背面上之構成之圖。 圖16係顯示第1變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖17係顯示第2變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖18係顯示第3變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖19係顯示第4變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖20係顯示第5變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖21係顯示第6變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖22係顯示第7變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖23係顯示第8變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。 圖24係顯示第9變化例之光檢測元件之結構之部分剖視圖。
1A:光檢測裝置
10:光檢測元件
11:光檢測區域
12:半導體區域
13:光吸收膜
14:半導體區域
15:貫通孔
16:半導體基板
16a:主面
16b:背面
21:淬滅電阻
22,23,24,27:電極
25:凸塊電極
26:貫通電極
31:玻璃基板
31a:主面
31b:背面
32:光學接著劑
35:搭載基板
35a:主面
41,42:絕緣膜
42a:開口
43,44:鈍化膜
43a,44a:開口
131:光吸收層
132:諧振層
133:反射層

Claims (5)

  1. 一種半導體光檢測元件，其包含： 半導體基板，其具有被檢測光入射之主面、及背對前述主面之背面，於前述主面側具有產生與前述被檢測光之光強度相應之量之電荷之一個或複數個光檢測區域；及 光吸收膜，其設置於前述半導體基板之前述背面上；且 前述光吸收膜具有包含金屬層即反射層、設置於前述反射層與前述半導體基板之間之諧振層、設置於前述諧振層與前述半導體基板之間之光吸收層之多層結構， 關於前述被檢測光之波長、及前述光檢測區域中所產生之自發光之波長中之至少一者，前述諧振層之內部之透光率大於前述光吸收層之內部之透光率，前述反射層之表面之光反射率大於前述諧振層之表面之光反射率。
  2. 如請求項1之半導體光檢測元件，其中前述諧振層之光學厚度，係以前述被檢測光之波長之4分之1及前述自發光之波長之4分之1中任一者之整數倍為中心之±20%之範圍內。
  3. 如請求項1或2之半導體光檢測元件，其中前述一個或複數個光檢測區域，係突崩光電二極體或pn接合型光電二極體。
  4. 如請求項1至3中任一項之半導體光檢測元件，其進而包含貫通電極，其將前述主面與前述背面之間貫通，前述主面側之一端與前述光檢測區域電性連接。
  5. 如請求項1至4中任一項之半導體光檢測元件，其中前述光吸收層主要包含矽化鎢，前述諧振層主要包含SiO2 。
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