フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ
【課題】シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供すること。
【解決手段】フォトダイオードＰＤ５は、Ｐ−型半導体基板２０を備え、裏面入射型である。Ｐ−型半導体基板２０は、互いに対向する第１及び第２主面０ａ，２０ｂを有し、光感応領域２１を含む。光感応領域２１は、Ｎ＋型不純物領域２３と、Ｐ＋型不純物領域２５と、Ｐ−型半導体基板２０においてバイアス電圧を印加した際に空乏化する領域とからなる。Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側には、アキュムレーション層３７が形成されており、アキュムレーション層３７における、光感応領域２１に対向している領域は光学的に露出している。
【解決手段】フォトダイオードＰＤ５は、Ｐ−型半導体基板２０を備え、裏面入射型である。Ｐ−型半導体基板２０は、互いに対向する第１及び第２主面０ａ，２０ｂを有し、光感応領域２１を含む。光感応領域２１は、Ｎ＋型不純物領域２３と、Ｐ＋型不純物領域２５と、Ｐ−型半導体基板２０においてバイアス電圧を印加した際に空乏化する領域とからなる。Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側には、アキュムレーション層３７が形成されており、アキュムレーション層３７における、光感応領域２１に対向している領域は光学的に露出している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオード及びフォトダイオードアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外の波長帯域に高い分光感度特性を有するフォトダイオードとして、化合物半導体を用いたフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、及びＩｎＧａＡｓＮＰのいずれかからなる第１受光層と、第１受光層の吸収端より長波長の吸収端を有し、量子井戸構造からなる第２受光層と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５３３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような化合物半導体を用いたフォトダイオードは、未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。このため、安価で且つ製造が容易なシリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度を有しているものの実用化が求められている。シリコンフォトダイオードは、一般に、分光感度特性の長波長側での限界は１１００ｎｍ程度ではあるものの、１０００ｎｍ以上の波長帯域における分光感度特性は十分なものではなかった。
【０００５】
本発明は、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、シリコン基板の第１主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが配置され、シリコン基板の第２主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくともアバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面におけるアバランシェフォトダイオードに対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るフォトダイオードでは、第２主面における少なくともアバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されているために、フォトダイオードに入射した光は当該領域にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、フォトダイオード（シリコン基板）に入射した光は、その大部分がシリコン基板を透過することなく、シリコン基板で吸収されることとなる。したがって、上記フォトダイオードでは、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【０００８】
本発明では、シリコン基板の第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されている。このため、第２主面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、第１導電型の上記アキュムレーション層は、シリコン基板の第２主面付近で光により発生したキャリアが該第２主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、第２導電型の半導体領域とシリコン基板とのｐｎ接合へ効率的に移動し、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【０００９】
本発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、シリコン基板には、第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面における第２導電型の半導体領域に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るフォトダイオードでは、上述したように、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【００１１】
本発明に係るフォトダイオードにおいて、シリコン基板は、第２導電型の半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されていてもよい。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
【００１２】
本発明に係るフォトダイオードにおいて、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な上記凹凸の高低差よりも大きいことが好ましい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
【００１３】
本発明に係るフォトダイオードアレイは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、シリコン基板の第１主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが複数配置され、シリコン基板の第２主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくともアバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面におけるアバランシェフォトダイオードに対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、上述したように、フォトダイオードアレイに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイの光検出感度を向上することができる。
【００１５】
本発明に係るフォトダイオードアレイにおいて、シリコン基板は、アバランシェフォトダイオードが複数配置されている部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されていてもよい。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
【００１６】
本発明に係るフォトダイオードアレイにおいて、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な凹凸の高低差よりも大きいことが好ましい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図３】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図４】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図５】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図７】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図８】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図９】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１０】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１１】第１実施形態に係るフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１２】実施例１及び比較例１における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図１３】実施例１及び比較例１における、波長に対する温度係数の変化を示す線図である。
【図１４】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１５】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１６】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１７】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１８】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１９】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２０】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２１】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２２】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２３】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２４】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２５】第５実施形態に係るフォトダイオードの構成を説明するための図である。
【図２６】実施例２及び比較例２における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図２７】実施例２及び比較例２における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図２８】第５実施形態の変形例に係るフォトダイオードの構成を説明するための図である。
【図２９】第６実施形態に係るフォトダイオードアレイの構成を説明するための図である。
【図３０】第６実施形態に係るフォトダイオードアレイの構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１〜図１０を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１〜図１０は、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００２１】
まず、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有するｎ−型半導体基板１を準備する（図１参照）。ｎ−型半導体基板１の厚みは３００μｍ程度であり、比抵抗は１ｋΩ・ｃｍ程度である。本実施形態では、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。
【００２２】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５を形成する（図２参照）。ｐ＋型半導体領域３は、中央部が開口したマスクなどを用い、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。ｎ＋型半導体領域５は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、ｐ＋型半導体領域３を囲むように、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高濃度に拡散させることにより形成する。ｐ＋型半導体領域３の厚みは、例えば０．５５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば４４Ω／ｓｑ．である。ｎ＋型半導体領域５の厚みは、例えば１．５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば１２Ω／ｓｑ．である。
【００２３】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に絶縁層７を形成する（図３参照）。絶縁層７は、ＳｉＯ２からなり、ｎ−型半導体基板１を熱酸化することによって形成される。絶縁層７の厚みは、例えば０．１μｍ程度である。そして、ｐ＋型半導体領域３上の絶縁層７にコンタクトホールＨ１を形成し、ｎ＋型半導体領域５上の絶縁層７にコンタクトホールＨ２を形成する。絶縁層７の代わりに、ＳｉＮからなるアンチリフレクティブ（ＡＲ）層を形成してもよい。
【００２４】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上及び絶縁層７上に、パッシベーション層９を形成する（図４参照）。パッシベーション層９は、ＳｉＮからなり、例えばプラズマＣＶＤ法により形成される。パッシベーション層９の厚みは、例えば０．１μｍである。そして、ｎ−型半導体基板１の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図５参照）。これにより、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上に形成されたパッシベーション層９は除去され、ｎ−型半導体基板１が露出することとなる。ここでは、研摩により露出した面も、第２主面１ｂとする。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００２５】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図６参照）。ここでは、図７に示されるように、ｎ−型半導体基板１をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬをｎ−型半導体基板１に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、ｎ−型半導体基板１への加工屑や塵などの付着を防いでいる。
【００２６】
本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図８に示されるように、不規則な凹凸１０が第２主面１ｂの全面に形成される。不規則な凹凸１０は、第１主面１ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図８は、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０を観察したＳＥＭ画像である。
【００２７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図９参照）。ここでは、ｎ−型半導体基板１内において第２主面１ｂ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、アキュムレーション層１１を形成する。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００２８】
次に、ｎ−型半導体基板１を熱処理（アニール）する。ここでは、ｎ−型半導体基板１を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１時間程度にわたって加熱する。
【００２９】
次に、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１０参照）。電極１３は、コンタクトホールＨ１内に形成され、電極１５は、コンタクトホールＨ２内に形成される。電極１３，１５は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、厚みは例えば１μｍ程度である。これにより、フォトダイオードＰＤ１が完成する。
【００３０】
フォトダイオードＰＤ１は、図１０に示されるように、ｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側には、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５が形成されており、ｎ−型半導体基板１とｐ＋型半導体領域３との間にはｐｎ接合が形成されている。電極１３は、コンタクトホールＨ１を通して、ｐ＋型半導体領域３に電気的に接触且つ接続されている。電極１５は、コンタクトホールＨ２を通して、ｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続されている。
【００３１】
ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側には、アキュムレーション層１１が形成されており、第２主面１ｂは光学的に露出している。第２主面１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
【００３２】
フォトダイオードＰＤ１では、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、図１１に示されるように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、ｎ−型半導体基板１内を長い距離進む。
【００３３】
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。フォトダイオードでは、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、フォトダイオード（シリコン基板）内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とフォトダイオードを透過する光成分に分かれる。フォトダイオードを透過した光は、フォトダイオードの感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、フォトダイオード内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
【００３４】
フォトダイオードＰＤ１では、光入射面（第１主面１ａ）に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、ｎ−型半導体基板１内部で吸収される光成分もあれば、第１主面１ａや側面に到達する光成分もある。
【００３５】
第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面１ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、ｎ−型半導体基板１の内部を長い距離進むうちに、ｎ−型半導体基板１で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００３６】
このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ１を透過することなく、走行距離が長くされて、ｎ−型半導体基板１で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００３７】
第２主面１ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は低くなる。このため、第１主面１ａや側面、更には第２主面１ｂにて透過する光成分が増加し、フォトダイオードに入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
【００３８】
ここで、第１実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００３９】
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例１と称する）と、ｎ−型半導体基板の第２主面に不規則な凹凸を形成していないフォトダイオード（比較例１と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例１と比較例１とは、パルスレーザ光の照射による不規則な凹凸の形成の点を除いて、同じ構成とされている。ｎ−型半導体基板１のサイズは、６．５ｍｍ×６．５ｍｍに設定した。ｐ＋型半導体領域３、すなわち光感応領域のサイズは、５．８ｍｍ×５．８ｍｍに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、０Ｖに設定した。
【００４０】
結果を図１２に示す。図１２において、実施例１の分光感度特性はＴ１で示され、比較例１の分光感度特性は特性Ｔ２で示されている。また、図１２において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。一点鎖線にて示されている特性は、量子効率（ＱＥ）が１００％となる分光感度特性を示し、破線にて示されている特性は、量子効率が５０％となる分光感度特性を示している。
【００４１】
図１２から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では分光感度が０．２Ａ／Ｗ（ＱＥ＝２５％）であるのに対して、実施例１では分光感度が０．６Ａ／Ｗ（ＱＥ＝７２％）となっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【００４２】
また、実施例１及び比較例１における、分光感度の温度特性についても確認した。ここでは、雰囲気温度を２５℃から６０℃に上昇させて分光感度特性を調べ、２５℃での分光感度に対する６０℃での分光感度の割合（温度係数）を求めた。結果を図１３に示す。図１３において、実施例１の温度係数の特性はＴ３で示され、比較例１の温度係数の特性は特性Ｔ４で示されている。また、図１３において、縦軸は温度係数（％／℃）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。
【００４３】
図１３から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では温度係数が０．７％／℃であるのに対して、実施例１では温度係数が０．２％／℃となっており、温度依存性が低い。一般に、温度が上昇すると吸収係数の増大とバンドギャップエネルギーの減少により、分光感度が高くなる。実施例１では、室温の状態でも分光感度が十分に高いことから、温度上昇による分光感度の変化が比較例１に比して小さくなっている。
【００４４】
フォトダイオードＰＤ１では、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層１１が形成されている。これにより、第２主面１ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層１１は、第２主面１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面１ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ１の光検出感度を更に向上することができる。
【００４５】
第１実施形態では、アキュムレーション層１１を形成した後に、ｎ−型半導体基板１を熱処理している。これにより、ｎ−型半導体基板１の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００４６】
第１実施形態では、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後に、電極１３，１５を形成している。これにより、電極１３，１５に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理により電極１３，１５が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極１３，１５を適切に形成することができる。
【００４７】
第１実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
図１４〜図１６を参照して、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１４〜図１６は、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００４９】
第２実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図１４参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００５０】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１５参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００５１】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１６参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ２が完成する。
【００５２】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ２に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００５３】
第２実施形態では、アキュムレーション層１１の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きくしている。このため、アキュムレーション層１１を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層１１が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層１１による作用効果を確保することができる。
【００５４】
（第３実施形態）
図１７〜図２１を参照して、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１７〜図２１は、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００５５】
第３実施形態の製造方法は、パッシベーション層９を形成するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。パッシベーション層９を形成した後、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化する（図１７参照）。ｎ−型半導体基板１の薄化は、例えば水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）などを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。ｎ−型半導体基板１の薄化された部分の厚みは、例えば１００μｍ程度であり、周辺部分の厚みは、例えば３００μｍ程度である。
【００５６】
次に、ｎ−型半導体基板１の周辺部分の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図１８参照）。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００５７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１９参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００５８】
次に、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２０参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００５９】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去して、電極１３，１５を形成する（図２１参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ３が完成する。
【００６０】
第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ３に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００６１】
第３実施形態では、不規則な凹凸１０を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ３を得ることができる。
【００６２】
（第４実施形態）
図２２〜図２４を参照して、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２２〜図２４は、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００６３】
第４実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を薄化するまでは、第３実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２２参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００６４】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図２３参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００６５】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図２４参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ４が完成する。
【００６６】
第４実施形態においても、第１〜第３実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ４に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００６７】
第４実施形態では、アキュムレーション層１１を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ４を得ることができる。
【００６８】
（第５実施形態）
図２５を参照して、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５について説明する。図２５は、第５実施形態に係るフォトダイオードの構成を説明するための図である。
【００６９】
フォトダイオードＰＤ５は、波長領域が可視〜近赤外領域にある低エネルギー光を検出するためのアバランシェフォトダイオードである。フォトダイオードＰＤ５は、Ｐ−型半導体基板２０を備えている。Ｐ−型半導体基板２０は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面２０ａ及び第２主面２０ｂを有している。Ｐ−型半導体基板２０は、光感応領域２１を含んでいる。
【００７０】
光感応領域２１は、平面視で第１主面２０ａの中央部に設けられている。光感応領域２１は、第１主面２０ａから内側に厚みを有する。光感応領域２１は、Ｎ＋型不純物領域２３と、Ｐ＋型不純物領域２５と、Ｐ−型半導体基板２０においてバイアス電圧を印加した際に空乏化する領域と、からなる。Ｎ＋型不純物領域２３は、第１主面２０ａからＰ−型半導体基板２０の内側に厚みを有する。Ｎ＋型不純物領域２３は、Ｎ＋型ガードリング２３ａを有する。Ｎ＋型ガードリング２３ａは、Ｎ＋型不純物領域２３の周端に設けられている。Ｐ＋型不純物領域２５は、Ｎ＋型不純物領域２３から更にＰ−型半導体基板２０の内側に厚みを有する。Ｐ−型半導体基板２０は、Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７を有する。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、平面視で第１主面２０ａの周端にあって第１主面２０ａから内側に厚みを有する。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、光感応領域２１を囲むように設けられている。
【００７１】
Ｐ−型半導体基板２０は、例えば硼素（Ｂ）等のＰ型不純物が添加されたシリコン基板である。Ｐ＋型不純物領域２５は、Ｐ−型半導体基板２０よりもＰ型不純物が高濃度に添加された領域である。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、Ｐ＋型不純物領域２５よりもＰ型不純物が高濃度で添加された領域である。Ｎ＋型不純物領域２３は、例えばアンチモン（Ｓｂ）等のＮ型不純物が添加された領域である。Ｎ＋型不純物領域２３（Ｎ＋型ガードリング２３ａを含む）及びＰ＋型不純物領域２５は、Ｐ−型半導体基板２０内においてｐｎ接合を構成している。
【００７２】
フォトダイオードＰＤ５は、第１主面２０ａ上に積層されたパッシベーション膜２９を有する。フォトダイオードＰＤ５は、パッシベーション膜２９上に設けられた電極３１及び電極３３を有する。パッシベーション膜２９には、Ｎ＋型不純物領域２３上にコンタクトホールＨ１１が設けられていると共に、Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７上にコンタクトホールＨ１２が設けられている。電極３１は、コンタクトホールＨ１１を介してＮ＋型不純物領域２３に電気的に接触且つ接続されている。電極３３は、コンタクトホールＨ１２を介してＰ＋型拡散遮蔽領域２７に電気的に接触且つ接続されている。パッシベーション膜２９の素材は、例えば酸化シリコン等である。
【００７３】
フォトダイオードＰＤ５は、第２主面２０ｂ側に形成された凹部３５を有する。凹部３５は、Ｐ−型半導体基板２０が第２主面２０ｂ側から薄化されることにより形成され、凹部３５の周囲には厚い枠部が存在している。凹部３５の側面は、凹部３５の底面に対して鈍角を成して傾斜している。凹部３５は、平面視で光感応領域２１に重なるように形成されている。凹部３５の底面と第１主面２０ａとの間の厚みは比較的小さく、例えば１００〜２００μｍ程度であり、１５０μｍ程度が好ましい。このように、第１主面２０ａと凹部３５の底面との間の厚みが比較的小さいため、応答速度が高速化されると共に、フォトダイオードＰＤ５に印加するバイアス電圧が低減される。
【００７４】
Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ全体には、不規則な凹凸１０が形成されている。Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側には、アキュムレーション層３７が形成されており、アキュムレーション層３７における、凹部３５の底面に対応する領域、すなわちアバランシェフォトダイオードを構成している光感応領域２１に対向している領域は光学的に露出している。第２主面２０ｂが光学的に露出しているとは、第２主面２０ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面２０ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。不規則な凹凸１０は、凹部３５の底面のみ、すなわちアバランシェフォトダイオードとして機能する光感応領域２１に対向している領域のみに形成されていてもよい。
【００７５】
フォトダイオードＰＤ５は、電極３９を有する。電極３９は、アキュムレーション層３７上に設けられており、アキュムレーション層３７に電気的に接触且つ接続されている。アキュムレーション層３７における電極３９が形成された領域は、光学的に露出していない。
【００７６】
上記構成を有するフォトダイオードＰＤ５は、電極３１と電極３９とに対し逆バイアス電圧（ブレークダウン電圧）が印加されている場合、光感応領域２１に入射する光量に応じたキャリアが光感応領域２１で生成される。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７の近傍で生成されたキャリアはＰ＋型拡散遮蔽領域２７に流れ込む。このため、電極３１からの出力信号に生じる裾引きは、Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７により低減される。
【００７７】
続いて、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５の製造方法について説明する。
【００７８】
まず、Ｐ−型半導体基板２０を準備する。Ｐ−型半導体基板２０の厚みは３００μｍ程度である。
【００７９】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ側に、Ｐ＋型不純物領域２５及びＰ＋型拡散遮蔽領域２７を形成する。Ｐ＋型不純物領域２５は、中央部が開口したマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｐ型不純物を高濃度にイオン注入することにより形成する。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。
【００８０】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ側に、Ｎ＋型ガードリング２３ａ及びＮ＋型不純物領域２３を形成する。Ｎ＋型ガードリング２３ａは、リング状に開口したマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｎ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。Ｎ＋型不純物領域２３は、中央部が開口した別のマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｎ型不純物を高濃度にイオン注入することにより形成する。
【００８１】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂの表面を研磨することにより平坦化する。その後、Ｐ−型半導体基板２０におけるＰ＋型不純物領域２５に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化する。Ｐ−型半導体基板２０の薄化は、例えばＫＯＨ水溶液やＴＭＡＨなどを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。Ｐ−型半導体基板２０の薄化された部分の厚みは、例えば１５０μｍ程度であり、周辺部分の厚みは、例えば２００μｍ程度である。
【００８２】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側に、アキュムレーション層３７を形成する。ここでは、Ｐ−型半導体基板２０内において第２主面２０ｂ側からｐ型不純物をＰ−型半導体基板２０よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入することにより、アキュムレーション層３７を形成する。アキュムレーション層３７の厚みは、例えば１．５μｍ程度である。
【００８３】
次に、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理（アニール）する。ここでは、Ｐ−型半導体基板２０を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、９００〜１１００℃程度の範囲、より好ましくは１０００℃程度、０．５〜１．０時間程度、より好ましくは０．５時間程度にわたって加熱する。熱処理により、ｐ型半導体基板２０の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００８４】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する。不規則な凹凸１０は、上述した実施形態と同様に、ｐ型半導体基板２０の第２主面２０ｂにパルスレーザ光を照射することにより、形成される。パルスレーザ光を照射するパルスレーザ発生装置は、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用いることができる。不規則な凹凸１０は、第１主面２０ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。
【００８５】
次に、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理（アニール）する。ここでは、Ｐ−型半導体基板２０を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、９００〜１１００℃程度の範囲、より好ましくは１０００℃程度で、０．５〜１．０時間程度、より好ましくは０．５時間程度にわたって加熱する。熱処理により、乱れた結晶損傷の回復及び再結晶化を行なうことができる。
【００８６】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ側にパッシベーション膜２９を形成する。そして、パッシベーション膜２９にコンタクトホールＨ１１，Ｈ１２を形成し、電極３１，３３を形成する。電極３１は、コンタクトホールＨ１１内に形成され、電極３３は、コンタクトホールＨ１２内に形成される。また、Ｐ−型半導体基板２０の薄化された部分の周辺部分におけるアキュムレーション層３７上に電極３９を形成する。電極３１，３３は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、電極３９は、金（Ａｕ）などからなる。これにより、フォトダイオードＰＤ５が完成する。
【００８７】
フォトダイオードＰＤ５では、第２主面２０ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、フォトダイオードＰＤ５に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、Ｐ−型半導体基板２０内を長い距離進む。
【００８８】
フォトダイオードＰＤ５では、光入射面（第１主面２０ａ）に垂直な方向から光が入射した場合、第２主面２０ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、Ｐ−型半導体基板２０内部で吸収される光成分もあれば、第１主面２０ａや側面に到達する光成分もある。
【００８９】
第１主面２０ａや側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面２０ａや側面に到達した光成分が第１主面２０ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面２０ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ５に入射した光は、Ｐ−型半導体基板２０の内部を長い距離進むうちに、Ｐ−型半導体基板２０で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００９０】
このように、フォトダイオードＰＤ５に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ５を透過することなく、走行距離が長くされて、Ｐ−型半導体基板２０で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ５では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００９１】
ここで、第５実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００９２】
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例２と称する）と、Ｐ−型半導体基板の第２主面に不規則な凹凸を形成していないフォトダイオード（比較例２と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例２と比較例２とは、パルスレーザ光の照射による不規則な凹凸の形成の点を除いて、同じ構成とされている。Ｐ−型半導体基板２０のサイズは、４．２４ｍｍ×４．２４ｍｍに設定した。Ｐ＋型不純物領域２５、すなわち光感応領域のサイズは、３ｍｍφに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、約３００Ｖに設定した。
【００９３】
結果を図２６に示す。図２６において、実施例２の分光感度特性はＴ５１で示され、比較例２の分光感度特性は特性Ｔ５２で示されている。また、図２６において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。図２６から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例２では分光感度が４．１Ａ／Ｗであるのに対して、実施例２では分光感度が７．６Ａ／Ｗとなっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【００９４】
フォトダイオードＰＤ５では、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側にアキュムレーション層３７が形成されている。これにより、第２主面２０ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層３７は、第２主面２０ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面２０ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ５の光検出感度を更に向上することができる。
【００９５】
第５実施形態では、アキュムレーション層３７を形成した後に、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理している。これにより、Ｐ−型半導体基板２０の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００９６】
アキュムレーション層３７は、不規則な凹凸１０を形成した後に、形成されてもよい。アキュムレーション層３７を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成する場合、アキュムレーション層３７の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きく設定することが好ましい。この場合、パルスレーザ光を照射して不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層３７が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層３７による作用効果を確保することができる。
【００９７】
第５実施形態では、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理した後に、電極３１，３３，３９を形成している。これにより、電極３１，３３，３９に比較的融点の低い材料を用いる場合でも、熱処理により電極３１，３３，３９が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極３１，３３，３９を適切に形成することができる。
【００９８】
第５実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
【００９９】
第５実施形態では、Ｐ−型半導体基板２０が第２主面２０ｂ側より薄化されている。これにより、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ及び第２主面２０ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。すなわち、フォトダイオードＰＤ５は、表面入射型フォトダイオードだけでなく、裏面入射型フォトダイオードとして用いることができる。
【０１００】
ここで、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５を裏面入射型フォトダイオードとして用いた場合における、近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【０１０１】
上述した実施例２及び比較例２のフォトダイオードを用い、裏面から光を入射したときの分光感度特性をそれぞれ調べた。結果を図２７に示す。図２７において、実施例２の分光感度特性はＴ５３で示され、比較例２の分光感度特性は特性Ｔ５４で示されている。また、図２７において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。図２７から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例２では分光感度が１．９Ａ／Ｗであるのに対して、実施例２では分光感度が５．７Ａ／Ｗとなっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【０１０２】
以上のように、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５は、表面入射型及び裏面入射型にかかわらず、１０６４ｎｍにおいて十分な分光感度を有している。したがって、フォトダイオードＰＤ５は、ＹＡＧレーザー光の検出素子として用いることができる。
【０１０３】
ところで、アバランシェフォトダイオードにおいて、シリコンからなる半導体基板を厚く設定することにより（例えば、数百μｍ〜２ｍｍ程度）、近赤外の波長帯域で実用上十分な分光感度特性を有するアバランシェフォトダイオードを実現することは可能である。しかしながら、アバランシェフォトダイオードでは、空乏化のためのバイアス電圧とアバランシェ増倍のためのバイアス電圧が必要となることから、上記半導体基板の厚みを大きくした場合、極めて高いバイアス電圧を印加する必要がある。また、半導体基板が厚いと、暗電流も増加する。
【０１０４】
しかしながら、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５では、上述したように、第２主面２０ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、フォトダイオードＰＤ５に入射した光の走行距離が長くされる。このため、半導体基板（Ｐ−型半導体基板２０）、特に光感応領域２１に対応する部分を厚くすることなく、近赤外の波長帯域で実用上十分な分光感度特性を有するフォトダイオードを実現することができる。したがって、半導体基板を厚くすることにより近赤外の波長帯域に分光感度特性を有するフォトダイオードよりも、上記フォトダイオードＰＤ５は、低いバイアス電圧の印加で、良好な分光感度特性を得ることができる。また、暗電流の増加が抑制され、フォトダイオードＰＤ５の検出精度が向上する。更に、Ｐ−型半導体基板２０の厚みが薄いことから、フォトダイオードＰＤ５の応答速度が向上する。
【０１０５】
第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５では、図２８に示されるように、第２主面２０ｂ側の全領域が薄化されていてもよい。
【０１０６】
（第６実施形態）
図２９を参照して、第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡについて説明する。図２９は、第６実施形態の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を説明するための図である。
【０１０７】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、Ｐ−型半導体基板２０を備え、Ｐ−型半導体基板２０には、アバランシェフォトダイオードとして機能する光感応領域２１が複数配置されている。
【０１０８】
Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ全体には、不規則な凹凸１０が形成されている。すなわち、フォトダイオードアレイＰＤＡは、アバランシェフォトダイオードとして機能する光感応領域２１に対向している領域だけでなく、光感応領域２１間に対向している領域にも、不規則な凹凸１０が形成されている。
【０１０９】
第６実施形態においても、第５実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【０１１０】
第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡは、第５実施形態と同様に、半導体基板を厚くすることにより近赤外の波長帯域で実用上十分な分光感度特性を有するフォトダイオードアレイよりも、低いバイアス電圧の印加で、良好な分光感度特性を得ることができる。また、暗電流の増加が抑制され、フォトダイオードアレイＰＤＡの検出精度が向上する。更に、Ｐ−型半導体基板２０の厚みが薄いことから、フォトダイオードアレイＰＤＡの応答速度が向上する。
【０１１１】
フォトダイオードアレイＰＤＡでは、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂにおける光感応領域２１間に対向している領域にも、不規則な凹凸１０が形成されている。このため、光感応領域２１間に入射した光Ｌは、図３０に示されるように、第２主面２０ｂにおける光感応領域２１間に対向している領域に形成されている不規則な凹凸１０にて、反射、散乱、又は拡散されて、いずれかの光感応領域２１で吸収される。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡでは、光感応領域２１間において検出感度が低下することはなく、検出感度が向上する。
【０１１２】
フォトダイオードアレイＰＤＡも、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５と同じく、ＹＡＧレーザー光の検出素子として用いることができる。
【０１１３】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５と同様に、第２主面２０ｂ側の全領域が薄化されていてもよい。また、フォトダイオードアレイＰＤＡは、表面入射型及び裏面入射型のいずれのフォトダイオードアレイとして用いることができる。
【０１１４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１１５】
第１〜第４実施形態では、第２主面１ｂの全面にわたって、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しているが、これに限られない。例えば、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。第５〜第６実施形態でも、光感応領域２１に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。
【０１１６】
第１〜第４実施形態では、電極１５をｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に形成されたｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続しているが、これに限られない。例えば、電極１５をｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に形成されたアキュムレーション層１１に電気的に接触且つ接続してもよい。この場合、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域外に、電極１５を形成することが好ましい。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域に電極１５を形成すると、第２主面１ｂに形成されている不規則な凹凸１０が電極１５により塞がれ、近赤外の波長帯域における分光感度が低下するという事象が生じるためである。第５〜第６実施形態でも、上述した事項と同じことが言える。
【０１１７】
本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ５及びフォトダイオードアレイＰＤＡにおけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、半導体光検出素子及び光検出装置に利用できる。
【符号の説明】
【０１１９】
１…ｎ−型半導体基板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、３…Ｐ＋型半導体領域、５…ｎ＋型半導体領域、１０…不規則な凹凸、１１…アキュムレーション層、１３，１５…電極、２０…Ｐ−型半導体基板、２０ａ…第１主面、２０ｂ…第２主面、２１…光感応領域、２３…Ｎ＋型不純物領域、２５…Ｐ＋型不純物領域、３７…アキュムレーション層、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ５…フォトダイオード、ＰＤＡ…フォトダイオードアレイ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオード及びフォトダイオードアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外の波長帯域に高い分光感度特性を有するフォトダイオードとして、化合物半導体を用いたフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、及びＩｎＧａＡｓＮＰのいずれかからなる第１受光層と、第１受光層の吸収端より長波長の吸収端を有し、量子井戸構造からなる第２受光層と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５３３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような化合物半導体を用いたフォトダイオードは、未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。このため、安価で且つ製造が容易なシリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度を有しているものの実用化が求められている。シリコンフォトダイオードは、一般に、分光感度特性の長波長側での限界は１１００ｎｍ程度ではあるものの、１０００ｎｍ以上の波長帯域における分光感度特性は十分なものではなかった。
【０００５】
本発明は、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、シリコン基板の第１主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが配置され、シリコン基板の第２主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくともアバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面におけるアバランシェフォトダイオードに対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るフォトダイオードでは、第２主面における少なくともアバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されているために、フォトダイオードに入射した光は当該領域にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、フォトダイオード（シリコン基板）に入射した光は、その大部分がシリコン基板を透過することなく、シリコン基板で吸収されることとなる。したがって、上記フォトダイオードでは、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【０００８】
本発明では、シリコン基板の第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されている。このため、第２主面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、第１導電型の上記アキュムレーション層は、シリコン基板の第２主面付近で光により発生したキャリアが該第２主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、第２導電型の半導体領域とシリコン基板とのｐｎ接合へ効率的に移動し、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【０００９】
本発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、シリコン基板には、第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面における第２導電型の半導体領域に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るフォトダイオードでは、上述したように、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【００１１】
本発明に係るフォトダイオードにおいて、シリコン基板は、第２導電型の半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されていてもよい。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
【００１２】
本発明に係るフォトダイオードにおいて、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な上記凹凸の高低差よりも大きいことが好ましい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
【００１３】
本発明に係るフォトダイオードアレイは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、シリコン基板の第１主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが複数配置され、シリコン基板の第２主面側には、シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくともアバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面におけるアバランシェフォトダイオードに対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、上述したように、フォトダイオードアレイに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイの光検出感度を向上することができる。
【００１５】
本発明に係るフォトダイオードアレイにおいて、シリコン基板は、アバランシェフォトダイオードが複数配置されている部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されていてもよい。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
【００１６】
本発明に係るフォトダイオードアレイにおいて、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な凹凸の高低差よりも大きいことが好ましい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図３】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図４】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図５】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図７】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図８】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図９】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１０】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１１】第１実施形態に係るフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１２】実施例１及び比較例１における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図１３】実施例１及び比較例１における、波長に対する温度係数の変化を示す線図である。
【図１４】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１５】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１６】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１７】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１８】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１９】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２０】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２１】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２２】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２３】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２４】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２５】第５実施形態に係るフォトダイオードの構成を説明するための図である。
【図２６】実施例２及び比較例２における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図２７】実施例２及び比較例２における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図２８】第５実施形態の変形例に係るフォトダイオードの構成を説明するための図である。
【図２９】第６実施形態に係るフォトダイオードアレイの構成を説明するための図である。
【図３０】第６実施形態に係るフォトダイオードアレイの構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１〜図１０を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１〜図１０は、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００２１】
まず、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有するｎ−型半導体基板１を準備する（図１参照）。ｎ−型半導体基板１の厚みは３００μｍ程度であり、比抵抗は１ｋΩ・ｃｍ程度である。本実施形態では、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。
【００２２】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５を形成する（図２参照）。ｐ＋型半導体領域３は、中央部が開口したマスクなどを用い、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。ｎ＋型半導体領域５は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、ｐ＋型半導体領域３を囲むように、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高濃度に拡散させることにより形成する。ｐ＋型半導体領域３の厚みは、例えば０．５５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば４４Ω／ｓｑ．である。ｎ＋型半導体領域５の厚みは、例えば１．５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば１２Ω／ｓｑ．である。
【００２３】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に絶縁層７を形成する（図３参照）。絶縁層７は、ＳｉＯ２からなり、ｎ−型半導体基板１を熱酸化することによって形成される。絶縁層７の厚みは、例えば０．１μｍ程度である。そして、ｐ＋型半導体領域３上の絶縁層７にコンタクトホールＨ１を形成し、ｎ＋型半導体領域５上の絶縁層７にコンタクトホールＨ２を形成する。絶縁層７の代わりに、ＳｉＮからなるアンチリフレクティブ（ＡＲ）層を形成してもよい。
【００２４】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上及び絶縁層７上に、パッシベーション層９を形成する（図４参照）。パッシベーション層９は、ＳｉＮからなり、例えばプラズマＣＶＤ法により形成される。パッシベーション層９の厚みは、例えば０．１μｍである。そして、ｎ−型半導体基板１の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図５参照）。これにより、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上に形成されたパッシベーション層９は除去され、ｎ−型半導体基板１が露出することとなる。ここでは、研摩により露出した面も、第２主面１ｂとする。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００２５】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図６参照）。ここでは、図７に示されるように、ｎ−型半導体基板１をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬをｎ−型半導体基板１に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、ｎ−型半導体基板１への加工屑や塵などの付着を防いでいる。
【００２６】
本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図８に示されるように、不規則な凹凸１０が第２主面１ｂの全面に形成される。不規則な凹凸１０は、第１主面１ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図８は、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０を観察したＳＥＭ画像である。
【００２７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図９参照）。ここでは、ｎ−型半導体基板１内において第２主面１ｂ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、アキュムレーション層１１を形成する。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００２８】
次に、ｎ−型半導体基板１を熱処理（アニール）する。ここでは、ｎ−型半導体基板１を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１時間程度にわたって加熱する。
【００２９】
次に、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１０参照）。電極１３は、コンタクトホールＨ１内に形成され、電極１５は、コンタクトホールＨ２内に形成される。電極１３，１５は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、厚みは例えば１μｍ程度である。これにより、フォトダイオードＰＤ１が完成する。
【００３０】
フォトダイオードＰＤ１は、図１０に示されるように、ｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側には、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５が形成されており、ｎ−型半導体基板１とｐ＋型半導体領域３との間にはｐｎ接合が形成されている。電極１３は、コンタクトホールＨ１を通して、ｐ＋型半導体領域３に電気的に接触且つ接続されている。電極１５は、コンタクトホールＨ２を通して、ｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続されている。
【００３１】
ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側には、アキュムレーション層１１が形成されており、第２主面１ｂは光学的に露出している。第２主面１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
【００３２】
フォトダイオードＰＤ１では、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、図１１に示されるように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、ｎ−型半導体基板１内を長い距離進む。
【００３３】
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。フォトダイオードでは、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、フォトダイオード（シリコン基板）内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とフォトダイオードを透過する光成分に分かれる。フォトダイオードを透過した光は、フォトダイオードの感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、フォトダイオード内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
【００３４】
フォトダイオードＰＤ１では、光入射面（第１主面１ａ）に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、ｎ−型半導体基板１内部で吸収される光成分もあれば、第１主面１ａや側面に到達する光成分もある。
【００３５】
第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面１ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、ｎ−型半導体基板１の内部を長い距離進むうちに、ｎ−型半導体基板１で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００３６】
このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ１を透過することなく、走行距離が長くされて、ｎ−型半導体基板１で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００３７】
第２主面１ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は低くなる。このため、第１主面１ａや側面、更には第２主面１ｂにて透過する光成分が増加し、フォトダイオードに入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
【００３８】
ここで、第１実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００３９】
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例１と称する）と、ｎ−型半導体基板の第２主面に不規則な凹凸を形成していないフォトダイオード（比較例１と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例１と比較例１とは、パルスレーザ光の照射による不規則な凹凸の形成の点を除いて、同じ構成とされている。ｎ−型半導体基板１のサイズは、６．５ｍｍ×６．５ｍｍに設定した。ｐ＋型半導体領域３、すなわち光感応領域のサイズは、５．８ｍｍ×５．８ｍｍに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、０Ｖに設定した。
【００４０】
結果を図１２に示す。図１２において、実施例１の分光感度特性はＴ１で示され、比較例１の分光感度特性は特性Ｔ２で示されている。また、図１２において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。一点鎖線にて示されている特性は、量子効率（ＱＥ）が１００％となる分光感度特性を示し、破線にて示されている特性は、量子効率が５０％となる分光感度特性を示している。
【００４１】
図１２から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では分光感度が０．２Ａ／Ｗ（ＱＥ＝２５％）であるのに対して、実施例１では分光感度が０．６Ａ／Ｗ（ＱＥ＝７２％）となっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【００４２】
また、実施例１及び比較例１における、分光感度の温度特性についても確認した。ここでは、雰囲気温度を２５℃から６０℃に上昇させて分光感度特性を調べ、２５℃での分光感度に対する６０℃での分光感度の割合（温度係数）を求めた。結果を図１３に示す。図１３において、実施例１の温度係数の特性はＴ３で示され、比較例１の温度係数の特性は特性Ｔ４で示されている。また、図１３において、縦軸は温度係数（％／℃）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。
【００４３】
図１３から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では温度係数が０．７％／℃であるのに対して、実施例１では温度係数が０．２％／℃となっており、温度依存性が低い。一般に、温度が上昇すると吸収係数の増大とバンドギャップエネルギーの減少により、分光感度が高くなる。実施例１では、室温の状態でも分光感度が十分に高いことから、温度上昇による分光感度の変化が比較例１に比して小さくなっている。
【００４４】
フォトダイオードＰＤ１では、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層１１が形成されている。これにより、第２主面１ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層１１は、第２主面１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面１ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ１の光検出感度を更に向上することができる。
【００４５】
第１実施形態では、アキュムレーション層１１を形成した後に、ｎ−型半導体基板１を熱処理している。これにより、ｎ−型半導体基板１の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００４６】
第１実施形態では、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後に、電極１３，１５を形成している。これにより、電極１３，１５に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理により電極１３，１５が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極１３，１５を適切に形成することができる。
【００４７】
第１実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
図１４〜図１６を参照して、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１４〜図１６は、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００４９】
第２実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図１４参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００５０】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１５参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００５１】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１６参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ２が完成する。
【００５２】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ２に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００５３】
第２実施形態では、アキュムレーション層１１の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きくしている。このため、アキュムレーション層１１を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層１１が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層１１による作用効果を確保することができる。
【００５４】
（第３実施形態）
図１７〜図２１を参照して、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１７〜図２１は、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００５５】
第３実施形態の製造方法は、パッシベーション層９を形成するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。パッシベーション層９を形成した後、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化する（図１７参照）。ｎ−型半導体基板１の薄化は、例えば水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）などを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。ｎ−型半導体基板１の薄化された部分の厚みは、例えば１００μｍ程度であり、周辺部分の厚みは、例えば３００μｍ程度である。
【００５６】
次に、ｎ−型半導体基板１の周辺部分の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図１８参照）。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００５７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１９参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００５８】
次に、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２０参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００５９】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去して、電極１３，１５を形成する（図２１参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ３が完成する。
【００６０】
第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ３に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００６１】
第３実施形態では、不規則な凹凸１０を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ３を得ることができる。
【００６２】
（第４実施形態）
図２２〜図２４を参照して、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２２〜図２４は、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００６３】
第４実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を薄化するまでは、第３実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２２参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００６４】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図２３参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００６５】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図２４参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ４が完成する。
【００６６】
第４実施形態においても、第１〜第３実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ４に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００６７】
第４実施形態では、アキュムレーション層１１を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ４を得ることができる。
【００６８】
（第５実施形態）
図２５を参照して、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５について説明する。図２５は、第５実施形態に係るフォトダイオードの構成を説明するための図である。
【００６９】
フォトダイオードＰＤ５は、波長領域が可視〜近赤外領域にある低エネルギー光を検出するためのアバランシェフォトダイオードである。フォトダイオードＰＤ５は、Ｐ−型半導体基板２０を備えている。Ｐ−型半導体基板２０は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面２０ａ及び第２主面２０ｂを有している。Ｐ−型半導体基板２０は、光感応領域２１を含んでいる。
【００７０】
光感応領域２１は、平面視で第１主面２０ａの中央部に設けられている。光感応領域２１は、第１主面２０ａから内側に厚みを有する。光感応領域２１は、Ｎ＋型不純物領域２３と、Ｐ＋型不純物領域２５と、Ｐ−型半導体基板２０においてバイアス電圧を印加した際に空乏化する領域と、からなる。Ｎ＋型不純物領域２３は、第１主面２０ａからＰ−型半導体基板２０の内側に厚みを有する。Ｎ＋型不純物領域２３は、Ｎ＋型ガードリング２３ａを有する。Ｎ＋型ガードリング２３ａは、Ｎ＋型不純物領域２３の周端に設けられている。Ｐ＋型不純物領域２５は、Ｎ＋型不純物領域２３から更にＰ−型半導体基板２０の内側に厚みを有する。Ｐ−型半導体基板２０は、Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７を有する。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、平面視で第１主面２０ａの周端にあって第１主面２０ａから内側に厚みを有する。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、光感応領域２１を囲むように設けられている。
【００７１】
Ｐ−型半導体基板２０は、例えば硼素（Ｂ）等のＰ型不純物が添加されたシリコン基板である。Ｐ＋型不純物領域２５は、Ｐ−型半導体基板２０よりもＰ型不純物が高濃度に添加された領域である。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、Ｐ＋型不純物領域２５よりもＰ型不純物が高濃度で添加された領域である。Ｎ＋型不純物領域２３は、例えばアンチモン（Ｓｂ）等のＮ型不純物が添加された領域である。Ｎ＋型不純物領域２３（Ｎ＋型ガードリング２３ａを含む）及びＰ＋型不純物領域２５は、Ｐ−型半導体基板２０内においてｐｎ接合を構成している。
【００７２】
フォトダイオードＰＤ５は、第１主面２０ａ上に積層されたパッシベーション膜２９を有する。フォトダイオードＰＤ５は、パッシベーション膜２９上に設けられた電極３１及び電極３３を有する。パッシベーション膜２９には、Ｎ＋型不純物領域２３上にコンタクトホールＨ１１が設けられていると共に、Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７上にコンタクトホールＨ１２が設けられている。電極３１は、コンタクトホールＨ１１を介してＮ＋型不純物領域２３に電気的に接触且つ接続されている。電極３３は、コンタクトホールＨ１２を介してＰ＋型拡散遮蔽領域２７に電気的に接触且つ接続されている。パッシベーション膜２９の素材は、例えば酸化シリコン等である。
【００７３】
フォトダイオードＰＤ５は、第２主面２０ｂ側に形成された凹部３５を有する。凹部３５は、Ｐ−型半導体基板２０が第２主面２０ｂ側から薄化されることにより形成され、凹部３５の周囲には厚い枠部が存在している。凹部３５の側面は、凹部３５の底面に対して鈍角を成して傾斜している。凹部３５は、平面視で光感応領域２１に重なるように形成されている。凹部３５の底面と第１主面２０ａとの間の厚みは比較的小さく、例えば１００〜２００μｍ程度であり、１５０μｍ程度が好ましい。このように、第１主面２０ａと凹部３５の底面との間の厚みが比較的小さいため、応答速度が高速化されると共に、フォトダイオードＰＤ５に印加するバイアス電圧が低減される。
【００７４】
Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ全体には、不規則な凹凸１０が形成されている。Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側には、アキュムレーション層３７が形成されており、アキュムレーション層３７における、凹部３５の底面に対応する領域、すなわちアバランシェフォトダイオードを構成している光感応領域２１に対向している領域は光学的に露出している。第２主面２０ｂが光学的に露出しているとは、第２主面２０ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面２０ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。不規則な凹凸１０は、凹部３５の底面のみ、すなわちアバランシェフォトダイオードとして機能する光感応領域２１に対向している領域のみに形成されていてもよい。
【００７５】
フォトダイオードＰＤ５は、電極３９を有する。電極３９は、アキュムレーション層３７上に設けられており、アキュムレーション層３７に電気的に接触且つ接続されている。アキュムレーション層３７における電極３９が形成された領域は、光学的に露出していない。
【００７６】
上記構成を有するフォトダイオードＰＤ５は、電極３１と電極３９とに対し逆バイアス電圧（ブレークダウン電圧）が印加されている場合、光感応領域２１に入射する光量に応じたキャリアが光感応領域２１で生成される。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７の近傍で生成されたキャリアはＰ＋型拡散遮蔽領域２７に流れ込む。このため、電極３１からの出力信号に生じる裾引きは、Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７により低減される。
【００７７】
続いて、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５の製造方法について説明する。
【００７８】
まず、Ｐ−型半導体基板２０を準備する。Ｐ−型半導体基板２０の厚みは３００μｍ程度である。
【００７９】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ側に、Ｐ＋型不純物領域２５及びＰ＋型拡散遮蔽領域２７を形成する。Ｐ＋型不純物領域２５は、中央部が開口したマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｐ型不純物を高濃度にイオン注入することにより形成する。Ｐ＋型拡散遮蔽領域２７は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。
【００８０】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ側に、Ｎ＋型ガードリング２３ａ及びＮ＋型不純物領域２３を形成する。Ｎ＋型ガードリング２３ａは、リング状に開口したマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｎ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。Ｎ＋型不純物領域２３は、中央部が開口した別のマスクなどを用い、Ｐ−型半導体基板２０内において第１主面２０ａ側からｎ型不純物を高濃度にイオン注入することにより形成する。
【００８１】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂの表面を研磨することにより平坦化する。その後、Ｐ−型半導体基板２０におけるＰ＋型不純物領域２５に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化する。Ｐ−型半導体基板２０の薄化は、例えばＫＯＨ水溶液やＴＭＡＨなどを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。Ｐ−型半導体基板２０の薄化された部分の厚みは、例えば１５０μｍ程度であり、周辺部分の厚みは、例えば２００μｍ程度である。
【００８２】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側に、アキュムレーション層３７を形成する。ここでは、Ｐ−型半導体基板２０内において第２主面２０ｂ側からｐ型不純物をＰ−型半導体基板２０よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入することにより、アキュムレーション層３７を形成する。アキュムレーション層３７の厚みは、例えば１．５μｍ程度である。
【００８３】
次に、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理（アニール）する。ここでは、Ｐ−型半導体基板２０を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、９００〜１１００℃程度の範囲、より好ましくは１０００℃程度、０．５〜１．０時間程度、より好ましくは０．５時間程度にわたって加熱する。熱処理により、ｐ型半導体基板２０の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００８４】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する。不規則な凹凸１０は、上述した実施形態と同様に、ｐ型半導体基板２０の第２主面２０ｂにパルスレーザ光を照射することにより、形成される。パルスレーザ光を照射するパルスレーザ発生装置は、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用いることができる。不規則な凹凸１０は、第１主面２０ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。
【００８５】
次に、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理（アニール）する。ここでは、Ｐ−型半導体基板２０を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、９００〜１１００℃程度の範囲、より好ましくは１０００℃程度で、０．５〜１．０時間程度、より好ましくは０．５時間程度にわたって加熱する。熱処理により、乱れた結晶損傷の回復及び再結晶化を行なうことができる。
【００８６】
次に、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ側にパッシベーション膜２９を形成する。そして、パッシベーション膜２９にコンタクトホールＨ１１，Ｈ１２を形成し、電極３１，３３を形成する。電極３１は、コンタクトホールＨ１１内に形成され、電極３３は、コンタクトホールＨ１２内に形成される。また、Ｐ−型半導体基板２０の薄化された部分の周辺部分におけるアキュムレーション層３７上に電極３９を形成する。電極３１，３３は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、電極３９は、金（Ａｕ）などからなる。これにより、フォトダイオードＰＤ５が完成する。
【００８７】
フォトダイオードＰＤ５では、第２主面２０ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、フォトダイオードＰＤ５に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、Ｐ−型半導体基板２０内を長い距離進む。
【００８８】
フォトダイオードＰＤ５では、光入射面（第１主面２０ａ）に垂直な方向から光が入射した場合、第２主面２０ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、Ｐ−型半導体基板２０内部で吸収される光成分もあれば、第１主面２０ａや側面に到達する光成分もある。
【００８９】
第１主面２０ａや側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面２０ａや側面に到達した光成分が第１主面２０ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面２０ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ５に入射した光は、Ｐ−型半導体基板２０の内部を長い距離進むうちに、Ｐ−型半導体基板２０で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００９０】
このように、フォトダイオードＰＤ５に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ５を透過することなく、走行距離が長くされて、Ｐ−型半導体基板２０で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ５では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００９１】
ここで、第５実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００９２】
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例２と称する）と、Ｐ−型半導体基板の第２主面に不規則な凹凸を形成していないフォトダイオード（比較例２と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例２と比較例２とは、パルスレーザ光の照射による不規則な凹凸の形成の点を除いて、同じ構成とされている。Ｐ−型半導体基板２０のサイズは、４．２４ｍｍ×４．２４ｍｍに設定した。Ｐ＋型不純物領域２５、すなわち光感応領域のサイズは、３ｍｍφに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、約３００Ｖに設定した。
【００９３】
結果を図２６に示す。図２６において、実施例２の分光感度特性はＴ５１で示され、比較例２の分光感度特性は特性Ｔ５２で示されている。また、図２６において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。図２６から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例２では分光感度が４．１Ａ／Ｗであるのに対して、実施例２では分光感度が７．６Ａ／Ｗとなっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【００９４】
フォトダイオードＰＤ５では、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ側にアキュムレーション層３７が形成されている。これにより、第２主面２０ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層３７は、第２主面２０ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面２０ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ５の光検出感度を更に向上することができる。
【００９５】
第５実施形態では、アキュムレーション層３７を形成した後に、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理している。これにより、Ｐ−型半導体基板２０の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００９６】
アキュムレーション層３７は、不規則な凹凸１０を形成した後に、形成されてもよい。アキュムレーション層３７を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成する場合、アキュムレーション層３７の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きく設定することが好ましい。この場合、パルスレーザ光を照射して不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層３７が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層３７による作用効果を確保することができる。
【００９７】
第５実施形態では、Ｐ−型半導体基板２０を熱処理した後に、電極３１，３３，３９を形成している。これにより、電極３１，３３，３９に比較的融点の低い材料を用いる場合でも、熱処理により電極３１，３３，３９が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極３１，３３，３９を適切に形成することができる。
【００９８】
第５実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
【００９９】
第５実施形態では、Ｐ−型半導体基板２０が第２主面２０ｂ側より薄化されている。これにより、Ｐ−型半導体基板２０の第１主面２０ａ及び第２主面２０ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。すなわち、フォトダイオードＰＤ５は、表面入射型フォトダイオードだけでなく、裏面入射型フォトダイオードとして用いることができる。
【０１００】
ここで、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５を裏面入射型フォトダイオードとして用いた場合における、近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【０１０１】
上述した実施例２及び比較例２のフォトダイオードを用い、裏面から光を入射したときの分光感度特性をそれぞれ調べた。結果を図２７に示す。図２７において、実施例２の分光感度特性はＴ５３で示され、比較例２の分光感度特性は特性Ｔ５４で示されている。また、図２７において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。図２７から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例２では分光感度が１．９Ａ／Ｗであるのに対して、実施例２では分光感度が５．７Ａ／Ｗとなっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【０１０２】
以上のように、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５は、表面入射型及び裏面入射型にかかわらず、１０６４ｎｍにおいて十分な分光感度を有している。したがって、フォトダイオードＰＤ５は、ＹＡＧレーザー光の検出素子として用いることができる。
【０１０３】
ところで、アバランシェフォトダイオードにおいて、シリコンからなる半導体基板を厚く設定することにより（例えば、数百μｍ〜２ｍｍ程度）、近赤外の波長帯域で実用上十分な分光感度特性を有するアバランシェフォトダイオードを実現することは可能である。しかしながら、アバランシェフォトダイオードでは、空乏化のためのバイアス電圧とアバランシェ増倍のためのバイアス電圧が必要となることから、上記半導体基板の厚みを大きくした場合、極めて高いバイアス電圧を印加する必要がある。また、半導体基板が厚いと、暗電流も増加する。
【０１０４】
しかしながら、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５では、上述したように、第２主面２０ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、フォトダイオードＰＤ５に入射した光の走行距離が長くされる。このため、半導体基板（Ｐ−型半導体基板２０）、特に光感応領域２１に対応する部分を厚くすることなく、近赤外の波長帯域で実用上十分な分光感度特性を有するフォトダイオードを実現することができる。したがって、半導体基板を厚くすることにより近赤外の波長帯域に分光感度特性を有するフォトダイオードよりも、上記フォトダイオードＰＤ５は、低いバイアス電圧の印加で、良好な分光感度特性を得ることができる。また、暗電流の増加が抑制され、フォトダイオードＰＤ５の検出精度が向上する。更に、Ｐ−型半導体基板２０の厚みが薄いことから、フォトダイオードＰＤ５の応答速度が向上する。
【０１０５】
第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５では、図２８に示されるように、第２主面２０ｂ側の全領域が薄化されていてもよい。
【０１０６】
（第６実施形態）
図２９を参照して、第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡについて説明する。図２９は、第６実施形態の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を説明するための図である。
【０１０７】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、Ｐ−型半導体基板２０を備え、Ｐ−型半導体基板２０には、アバランシェフォトダイオードとして機能する光感応領域２１が複数配置されている。
【０１０８】
Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂ全体には、不規則な凹凸１０が形成されている。すなわち、フォトダイオードアレイＰＤＡは、アバランシェフォトダイオードとして機能する光感応領域２１に対向している領域だけでなく、光感応領域２１間に対向している領域にも、不規則な凹凸１０が形成されている。
【０１０９】
第６実施形態においても、第５実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【０１１０】
第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡは、第５実施形態と同様に、半導体基板を厚くすることにより近赤外の波長帯域で実用上十分な分光感度特性を有するフォトダイオードアレイよりも、低いバイアス電圧の印加で、良好な分光感度特性を得ることができる。また、暗電流の増加が抑制され、フォトダイオードアレイＰＤＡの検出精度が向上する。更に、Ｐ−型半導体基板２０の厚みが薄いことから、フォトダイオードアレイＰＤＡの応答速度が向上する。
【０１１１】
フォトダイオードアレイＰＤＡでは、Ｐ−型半導体基板２０の第２主面２０ｂにおける光感応領域２１間に対向している領域にも、不規則な凹凸１０が形成されている。このため、光感応領域２１間に入射した光Ｌは、図３０に示されるように、第２主面２０ｂにおける光感応領域２１間に対向している領域に形成されている不規則な凹凸１０にて、反射、散乱、又は拡散されて、いずれかの光感応領域２１で吸収される。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡでは、光感応領域２１間において検出感度が低下することはなく、検出感度が向上する。
【０１１２】
フォトダイオードアレイＰＤＡも、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５と同じく、ＹＡＧレーザー光の検出素子として用いることができる。
【０１１３】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、第５実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５と同様に、第２主面２０ｂ側の全領域が薄化されていてもよい。また、フォトダイオードアレイＰＤＡは、表面入射型及び裏面入射型のいずれのフォトダイオードアレイとして用いることができる。
【０１１４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１１５】
第１〜第４実施形態では、第２主面１ｂの全面にわたって、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しているが、これに限られない。例えば、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。第５〜第６実施形態でも、光感応領域２１に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。
【０１１６】
第１〜第４実施形態では、電極１５をｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に形成されたｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続しているが、これに限られない。例えば、電極１５をｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に形成されたアキュムレーション層１１に電気的に接触且つ接続してもよい。この場合、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域外に、電極１５を形成することが好ましい。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域に電極１５を形成すると、第２主面１ｂに形成されている不規則な凹凸１０が電極１５により塞がれ、近赤外の波長帯域における分光感度が低下するという事象が生じるためである。第５〜第６実施形態でも、上述した事項と同じことが言える。
【０１１７】
本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ５及びフォトダイオードアレイＰＤＡにおけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、半導体光検出素子及び光検出装置に利用できる。
【符号の説明】
【０１１９】
１…ｎ−型半導体基板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、３…Ｐ＋型半導体領域、５…ｎ＋型半導体領域、１０…不規則な凹凸、１１…アキュムレーション層、１３，１５…電極、２０…Ｐ−型半導体基板、２０ａ…第１主面、２０ｂ…第２主面、２１…光感応領域、２３…Ｎ＋型不純物領域、２５…Ｐ＋型不純物領域、３７…アキュムレーション層、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ５…フォトダイオード、ＰＤＡ…フォトダイオードアレイ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、
前記シリコン基板の前記第１主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが配置され、
前記シリコン基板の前記第２主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記第２主面における前記アバランシェフォトダイオードに対向する前記領域は、光学的に露出し、
少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成された前記第２主面が光入射面とされて、前記第２主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオード。
【請求項２】
前記シリコン基板は、第２導電型の前記半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
第１導電型の前記アキュムレーション層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記第２主面から入射し、前記シリコン基板内を進む光が、不規則な前記凹凸により反射、散乱、又は拡散されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項５】
第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、
前記シリコン基板の前記第１主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが複数配置され、
前記シリコン基板の前記第２主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記第２主面における前記アバランシェフォトダイオードに対向する前記領域は、光学的に露出し、
少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成された前記第２主面が光入射面とされて、前記第２主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項６】
前記シリコン基板は、前記アバランシェフォトダイオードが複数配置されている部分が該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化されていることを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項７】
第１導電型の前記アキュムレーション層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項５又は６に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項８】
前記第２主面から入射し、前記シリコン基板内を進む光が、不規則な前記凹凸により反射、散乱、又は拡散されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項１】
第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、
前記シリコン基板の前記第１主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが配置され、
前記シリコン基板の前記第２主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記第２主面における前記アバランシェフォトダイオードに対向する前記領域は、光学的に露出し、
少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成された前記第２主面が光入射面とされて、前記第２主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオード。
【請求項２】
前記シリコン基板は、第２導電型の前記半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
第１導電型の前記アキュムレーション層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記第２主面から入射し、前記シリコン基板内を進む光が、不規則な前記凹凸により反射、散乱、又は拡散されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項５】
第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有するシリコン基板を備え、
前記シリコン基板の前記第１主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との間のｐｎ接合によって構成されたアバランシェフォトダイオードが複数配置され、
前記シリコン基板の前記第２主面側には、前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記第２主面における前記アバランシェフォトダイオードに対向する前記領域は、光学的に露出し、
少なくとも前記アバランシェフォトダイオードに対向する領域に不規則な凹凸が形成された前記第２主面が光入射面とされて、前記第２主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項６】
前記シリコン基板は、前記アバランシェフォトダイオードが複数配置されている部分が該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化されていることを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項７】
第１導電型の前記アキュムレーション層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項５又は６に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項８】
前記第２主面から入射し、前記シリコン基板内を進む光が、不規則な前記凹凸により反射、散乱、又は拡散されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６５９１０（Ｐ２０１３−６５９１０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−６０６５（Ｐ２０１３−６０６５）
【出願日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【分割の表示】特願２００９−１３６４２６（Ｐ２００９−１３６４２６）の分割
【原出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【分割の表示】特願２００９−１３６４２６（Ｐ２００９−１３６４２６）の分割
【原出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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