半導体光検出素子
【課題】シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子を提供すること。
【解決手段】半導体光検出素子ＳＰ１は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１及び第２主面２１ａ，２１ｂを有すると共に第１主面２１ａ側に第２導電型の半導体層２３が形成されたシリコン基板２１と、第１主面２１ａ上に設けられ、発生した電荷を転送する電荷転送電極２５と、を備え、表面入射型である。シリコン基板２１には、第２主面２１ｂ側にシリコン基板２１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３１が形成され、第２主面２１ｂにおける少なくとも半導体領域２３に対向する領域に不規則な凹凸１０が形成されている。シリコン基板２１の第２主面２１ｂにおける不規則な凹凸１０が形成された領域は、光学的に露出している。
【解決手段】半導体光検出素子ＳＰ１は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１及び第２主面２１ａ，２１ｂを有すると共に第１主面２１ａ側に第２導電型の半導体層２３が形成されたシリコン基板２１と、第１主面２１ａ上に設けられ、発生した電荷を転送する電荷転送電極２５と、を備え、表面入射型である。シリコン基板２１には、第２主面２１ｂ側にシリコン基板２１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３１が形成され、第２主面２１ｂにおける少なくとも半導体領域２３に対向する領域に不規則な凹凸１０が形成されている。シリコン基板２１の第２主面２１ｂにおける不規則な凹凸１０が形成された領域は、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、半導体光検出素子に関する。
【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、シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子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】
本発明に係る半導体光検出素子は、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と、シリコン基板の第１主面上に設けられ、発生した電荷を転送する転送電極部と、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主面における不規則な凹凸が形成された領域は、光学的に露出していることを特徴とする半導体光検出素子。
【０００７】
本発明に係る半導体光検出素子では、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いるために、半導体光検出素子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、半導体光検出素子に入射した光は、その大部分が半導体光検出素子（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、上記半導体光検出素子では、半導体光検出素子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】
また、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接合部へ効率的に移動し、半導体光検出素子の光検出感度を向上することができる。
【０００９】
本発明に係る半導体光検出素子において、第２導電型の半導体領域に対向する領域のうち一部の領域に、不規則な凹凸が形成されていてもよい。この場合、半導体光検出素子において不規則な凹凸が形成された領域に対応する部分では、上述したように、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００１０】
本発明に係る半導体光検出素子において、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半導体光検出素子を得ることができる。
【００１１】
本発明に係る半導体光検出素子において、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。
【００１２】
本発明に係る半導体光検出素子において、シリコン基板は、その厚みが画素ピッチ以下に設定されていることが好ましい。この場合、画素間でのクロストークの発生を抑制することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
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、フォトダイオードに入射した光は、その大部分がフォトダイオード（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。
【００１５】
また、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接合部へ効率的に移動し、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。
【００１６】
好ましくは、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る。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。
【００１７】
好ましくは、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】
【００１８】
本発明によれば、シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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実施形態に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。
【図２６】第５実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【図２７】第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。
【図２８】第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【図２９】分光器の構成を説明するための模式図である。
【図３０】第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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接合部へ効率的に移動し、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
（第５実施形態）
図２５〜図２６を参照して、第５実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ１について説明する。図２５は、第５実施形態に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。図２６は、第５実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【００７０】
半導体光検出素子ＳＰ１は、図２５に示されるように、裏面入射型固体撮像素子であって、半導体基板ＳＳの裏面側をＫＯＨ水溶液などでエッチングして薄化したＢＴ−ＣＣＤ（電荷結合素子）である。エッチングされた半導体基板ＳＳの中央領域には凹部ＴＤが形成され、凹部ＴＤの周囲には厚い枠部が存在している。凹部ＴＤの側面は、底面ＢＦに対して鈍角を成して傾斜している。半導体基板ＳＳの薄化された中央領域は光感応領域（撮像領域）であり、この光感応領域に光Ｌが、Ｚ軸の負方向に沿って入射する。半導体基板ＳＳの凹部ＴＤの底面ＢＦは、光入射面を構成している。なお、この枠部は、エッチングによって除去し、全領域が薄化された裏面入射型固体撮像素子とすることも可能である。
【００７１】
半導体光検出素子ＳＰ１は、上記半導体基板ＳＳとしてのｐ型半導体基板２１を備えている。ｐ型半導体基板２１は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面２１ａ及び第２主面２１ｂを有している。ｐ型半導体基板２１は、その厚みが画素ピッチＰ以下に設定されている。本実施形態では、画素ピッチＰは１０〜４８μｍ程度であり、ｐ型半導体基板２１の厚みは１０〜３０μｍ程度である。本実施形態では、２相クロック駆動の例を示しており、各転送電極の下には、電荷の一方向転送を確実にするために不純物濃度を異ならせた領域（不図示）が存在している。
【００７２】
ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ側には、電荷転送部としてのｎ型半導体層２３が形成されており、ｐ型半導体基板２１とｎ型半導体層２３との間にはｐｎ接合が形成されている。ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ上には、絶縁層２７を介して、転送電極部としての複数の電荷転送電極２５が設けられている。ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ側には、図示は省略するが、ｎ型半導体層２３を垂直ＣＣＤ毎に電気的に分離するアイソレーション領域も形成されている。ｎ型半導体層２３の厚みは、０．５μｍ程度である。
【００７３】
ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９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２１の第２主面２１ｂ側には、アキュムレーション層３１が形成されており、第２主面２１ｂは光学的に露出している。第２主面２１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面２１ｂ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２１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。半導体光検出素子ＳＰ１が、全体が薄化された裏面入射型固体撮像素子である場合には、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されていてもよい。半導体光検出素子ＳＰ１が、光感応領域２９付近だけ薄化された裏面入射型固体撮像素子である場合には、ｐ型半導体基板２１の薄化されていない周辺の枠部や、枠部にいたる傾斜面も含んだ第２主面２１ｂ全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されていてもよい。
【００７４】
全体が薄化された裏面入射型固体撮像素子は、枠部を設けることなく、半導体基板ＳＳの表面に別の基板を貼り付けた後に、半導体基板ＳＳの裏面側を研磨することにより得ることができる。図３０に示されるように、半導体光検出素子ＳＰ１１は、半導体基板ＳＳの裏面側全体が薄化されている。半導体光検出素子ＳＰ１１において、半導体基板ＳＳの裏面（第２主面）には、少なくとも光感応領域に対応する領域に不規則な凹凸１０が形成されており、また、半導体基板ＳＳの裏面側には、上述したアキュムレーション層（不図示）が形成されている。
【００７５】
続いて、本実施形態の半導体光検出素子ＳＰ１の製造方法について説明する。
【００７６】
まず、ｐ型半導体基板２１を用意し、ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ側に、ｎ型半導体層２３を形成する。ｎ型半導体層２３は、ｐ型半導体基板２１内において第１主面２１ａ側からｎ型不純物を拡散させることにより形成する。
【００７７】
次に、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ側に、アキュムレーション層３１を形成する。アキュムレーション層３１は、上述した実施形態と同様に、ｐ型半導体基板２１内において第２主面２１ｂ側からｐ型不純物をｐ型半導体基板２１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、形成される。アキュムレーション層３１の厚みは、例えば０．５μｍ程度である。アキュムレーション層３１は、不規則な凹凸１０を形成する前に形成してもよく、また、不規則な凹凸１０を形成した後に形成してもよい。
【００７８】
次に、ｐ型半導体基板２１を、上述したように薄化する。不規則な凹凸１０を形成した後にアキュムレーション層３１を形成する場合には、不規則な凹凸１０を形成した後に、ｐ型半導体基板２１を薄化し、その後、アキュムレーション層３１を形成する。
【００７９】
次に、ｐ型半導体基板２１を、熱処理して、アキュムレーション層３１を活性化させる。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。このとき、ｐ型半導体基板２１の結晶性も回復することとなる。
【００８０】
次に、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ側に、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２１の第２主面２１ｂ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２１ａ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。
【００８１】
次に、ｐ型半導体基板２１を、熱処理する。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。熱処理により、ｐ型半導体基板２１における結晶損傷の回復及び再結晶化が図れ、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。なお、アキュムレーション層３１の形成後の熱処理を省略し、不規則な凹凸１０の形成後の熱処理のみとしてもよい。
【００８２】
次に、絶縁層２７及び電荷転送電極２５を形成する。絶縁層２７及び電荷転送電極２５を形成する工程は既知であり、説明を省略する。電荷転送電極２５は、例えばポリシリコン又は金属からなる。絶縁層２７は、例えばＳｉＯ２からなる。絶縁層２７及び電荷転送電極２５を覆うように、更に、保護膜を形成してもよい。保護膜は、例えば、ＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）からなる。これにより、半導体光検出素子ＳＰ１が完成する。
【００８３】
半導体光検出素子ＳＰ１では、光入射面（第２主面２１ｂ）から光が入射すると、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、入射した光は、凹凸１０により散乱され、ｐ型半導体基板２１内を様々な方向に進む。第１主面２１ａ等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２１ａ等に到達した光成分が第１主面２１ａにて全反射する可能性は極めて高い。第１主面２１ａ等にて全反射した光成分は、異なる面での全反射や第２主面２１ｂでの反射、散乱、又は拡散を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、半導体光検出素子ＳＰ１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２１内を長い距離進む。そして、半導体光検出素子ＳＰ１に入射した光は、ｐ型半導体基板２１の内部を長い距離進むうちに、ｐ型半導体基板２１で吸収され、光により生じたキャリアがｎ型半導体層２３の画素ごとの電荷となり、転送されて検出されることとなる。したがって、半導体光検出素子ＳＰ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００８４】
半導体光検出素子ＳＰ１では、凹凸１０による反射、散乱、又は拡散により、画素間でのクロストークが発生し、解像度が低下する懼れがある。しかしながら、ｐ型半導体基板２１の厚みが画素ピッチＰ以下に設定されているので、半導体光検出素子ＳＰ１では、画素間でのクロストークの発生を抑制することができる。
【００８５】
半導体光検出素子ＳＰ１では、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ側にアキュムレーション層３１が形成されている。これにより、第２主面２１ｂ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。アキュムレーション層３１は、第２主面２１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面２１ｂ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、半導体光検出素子ＳＰ１の光検出感度を更に向上することができる。
【００８６】
第５実施形態では、アキュムレーション層３１を形成した後に、ｐ型半導体基板２１を熱処理している。これにより、ｐ型半導体基板２１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。
【００８７】
第５実施形態では、ｐ型半導体基板２１を熱処理した後に、電荷転送電極２５を形成している。これにより、電荷転送電極２５に比較的融点の低い材料を用いる場合でも、熱処理により電荷転送電極２５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荷転送電極２５を適切に形成することができる。
【００８８】
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。
【００８９】
ところで、固体撮像素子といった半導体光検出素子において、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、２００μｍ程度）、近赤外の波長帯域に分光感度特性を有する半導体光検出素子を実現することは可能である。しかしながら、上記半導体基板の厚みを大きくした場合、良好な解像度を得るためには、数十ボルト程度の高いバイアス電圧を印加し、半導体基板を完全空乏化する必要がある。完全空乏化されることなく、半導体基板に中性領域が部分的に残っていると、中性領域にて発生したキャリアが拡散して、解像度が劣化するのを防ぐためである。
【００９０】
また、半導体基板が厚いと、暗電流も増加する。このため、半導体基板を冷却し（例えば、−７０〜−１００℃）、暗電流の増加を抑制する必要もある。
【００９１】
しかしながら、第５実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ１では、上述したように、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、半導体光検出素子ＳＰ１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２１）、特に光感応領域２９に対応する部分を厚くすることなく、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有する半導体光検出素子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半導体光検出素子よりも、上記半導体光検出素子ＳＰ１は、極めて低いバイアス電圧の印加又はバイアス電圧の無印加で、良好な解像度を得ることができる。また、用途によっては、半導体基板の冷却も不要となる。
【００９２】
半導体基板、特に光感応領域に対応する部分が薄化されている場合、エタロン現象が生じる懼れがある。エタロン現象は、裏面から入射した披検出光と、入射した被検出光が表面で反射した光との間で干渉する現象であり、近赤外の波長帯域での検出特性に影響を及ぼす。しかしながら、半導体光検出素子ＳＰ１では、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、入射光の位相に対して、凹凸１０で反射される光が、分散した位相差を有するので、これらの光同士が相殺され、エタロン現象が抑制される。
【００９３】
第５実施形態では、ｐ型半導体基板２１が第２主面２１ｂ側より薄化されている。これにより、ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ及び第２主面２１ｂ側をそれぞれ光入射面とした半導体光検出素子を得ることができる。すなわち、半導体光検出素子ＳＰ１は、裏面入射型固体撮像素子だけでなく、表面入射型固体撮像素子としても用いることができる。
【００９４】
アキュムレーション層３１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３１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３１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３１による作用効果を確保することができる。
【００９５】
続いて、図２７〜図２８を参照して、第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２について説明する。図２７は、第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。図２８は、第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【００９６】
変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２では、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９は、第１領域２９ａと第２領域２９ｂとを含み、第２領域２９ｂに不規則な凹凸１０が形成されている。すなわち、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９の第１領域２９ａには、不規則な凹凸１０が形成されていない。
【００９７】
変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２では、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９の第２領域２９ｂにおいて、上述したように、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００９８】
更なる変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２１は、図２９に示されるように、分光器４０の検出素子として用いることができる。分光器４０は、コリメートレンズ４１、回折格子４３、及び半導体光検出素子ＳＰ２１を備えている。分光器４０では、回折格子４３により分離された波長成分が半導体光検出素子ＳＰ２１に入射する。半導体光検出素子ＳＰ２１は、光感応領域２９の第２領域２９ｂが長波長側となり、第１領域２９ａが短波長側となるように配置される。分光器４０に用いられた半導体光検出素子ＳＰ２１は、全領域が薄化された裏面入射型固体撮像素子である。
【００９９】
このように、半導体光検出素子が青色等の短波長帯域の光の感度を確保する必要がある場合、青色等の短波長帯域の光を検出する領域には、不規則な凹凸１０が形成されていないことが好ましい。青色等の短波長帯域の光は、吸収されるまでの走行距離が短いために、第２主面２１ｂの近傍でキャリアを発生させ易い。このため、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていると、発生したキャリアが、不規則な凹凸１０が形成された第２主面２１ｂの近傍においてトラップされて、検出感度に寄与し難くなる懼れがある。
【０１００】
したがって、半導体光検出素子ＳＰ２１が、不規則な凹凸１０が形成されていない第１領域２９ａが短波長側となるように配置されることにより、青色等の短波長帯域の光の検出感度を低下させることなく、近赤外の波長帯域での検出感度を向上させることができる。近赤外の波長帯域の光は、吸収されるまでの走行距離が長いため、第２主面２１ｂの近傍でキャリアを発生させる可能性は極めて低い。したがって、近赤外の波長帯域の光の入射により発生したキャリアは、不規則な凹凸１０が形成された第２主面２１ｂの近傍においてトラップされ難く、検出感度に十分寄与する。
【０１０１】
半導体光検出素子ＳＰ２１が、いわゆる表面入射型固体撮像素子である場合、転送電極部等の影響により、青色等の短波長帯域の光の検出感度が低下する懼れがある。したがって、青色等の短波長帯域の光を検出するためには、半導体光検出素子ＳＰ２１は、いわゆる裏面入射型固体撮像素子であることが好ましい。
【０１０２】
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。
【０１０３】
本実施形態では、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。
【０１０４】
本実施形態では、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。
【０１０５】
本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４及び半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ１１，ＳＰ２，ＳＰ２１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】
【０１０６】
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】
【０１０７】
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、２１…ｐ型半導体基板、２１ａ…第１主面、２１ｂ…第２主面、２３…ｎ型半導体層、２５…電荷転送電極、２７…絶縁層、３１…アキュムレーション層、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ４…フォトダイオード、ＳＰ１，ＳＰ１１，ＳＰ２，ＳＰ２１…半導体光検出素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光検出素子に関する。
【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、シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子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】
本発明に係る半導体光検出素子は、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と、シリコン基板の第１主面上に設けられ、発生した電荷を転送する転送電極部と、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主面における不規則な凹凸が形成された領域は、光学的に露出していることを特徴とする半導体光検出素子。
【０００７】
本発明に係る半導体光検出素子では、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いるために、半導体光検出素子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、半導体光検出素子に入射した光は、その大部分が半導体光検出素子（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、上記半導体光検出素子では、半導体光検出素子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】
また、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接合部へ効率的に移動し、半導体光検出素子の光検出感度を向上することができる。
【０００９】
本発明に係る半導体光検出素子において、第２導電型の半導体領域に対向する領域のうち一部の領域に、不規則な凹凸が形成されていてもよい。この場合、半導体光検出素子において不規則な凹凸が形成された領域に対応する部分では、上述したように、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００１０】
本発明に係る半導体光検出素子において、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半導体光検出素子を得ることができる。
【００１１】
本発明に係る半導体光検出素子において、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。
【００１２】
本発明に係る半導体光検出素子において、シリコン基板は、その厚みが画素ピッチ以下に設定されていることが好ましい。この場合、画素間でのクロストークの発生を抑制することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
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、フォトダイオードに入射した光は、その大部分がフォトダイオード（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。
【００１５】
また、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接合部へ効率的に移動し、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。
【００１６】
好ましくは、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る。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。
【００１７】
好ましくは、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】
【００１８】
本発明によれば、シリコンを用いた半導体光検出素子であって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有している半導体光検出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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実施形態に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。
【図２６】第５実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【図２７】第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。
【図２８】第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【図２９】分光器の構成を説明するための模式図である。
【図３０】第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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接合部へ効率的に移動し、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
（第５実施形態）
図２５〜図２６を参照して、第５実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ１について説明する。図２５は、第５実施形態に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。図２６は、第５実施形態に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【００７０】
半導体光検出素子ＳＰ１は、図２５に示されるように、裏面入射型固体撮像素子であって、半導体基板ＳＳの裏面側をＫＯＨ水溶液などでエッチングして薄化したＢＴ−ＣＣＤ（電荷結合素子）である。エッチングされた半導体基板ＳＳの中央領域には凹部ＴＤが形成され、凹部ＴＤの周囲には厚い枠部が存在している。凹部ＴＤの側面は、底面ＢＦに対して鈍角を成して傾斜している。半導体基板ＳＳの薄化された中央領域は光感応領域（撮像領域）であり、この光感応領域に光Ｌが、Ｚ軸の負方向に沿って入射する。半導体基板ＳＳの凹部ＴＤの底面ＢＦは、光入射面を構成している。なお、この枠部は、エッチングによって除去し、全領域が薄化された裏面入射型固体撮像素子とすることも可能である。
【００７１】
半導体光検出素子ＳＰ１は、上記半導体基板ＳＳとしてのｐ型半導体基板２１を備えている。ｐ型半導体基板２１は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面２１ａ及び第２主面２１ｂを有している。ｐ型半導体基板２１は、その厚みが画素ピッチＰ以下に設定されている。本実施形態では、画素ピッチＰは１０〜４８μｍ程度であり、ｐ型半導体基板２１の厚みは１０〜３０μｍ程度である。本実施形態では、２相クロック駆動の例を示しており、各転送電極の下には、電荷の一方向転送を確実にするために不純物濃度を異ならせた領域（不図示）が存在している。
【００７２】
ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ側には、電荷転送部としてのｎ型半導体層２３が形成されており、ｐ型半導体基板２１とｎ型半導体層２３との間にはｐｎ接合が形成されている。ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ上には、絶縁層２７を介して、転送電極部としての複数の電荷転送電極２５が設けられている。ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ側には、図示は省略するが、ｎ型半導体層２３を垂直ＣＣＤ毎に電気的に分離するアイソレーション領域も形成されている。ｎ型半導体層２３の厚みは、０．５μｍ程度である。
【００７３】
ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９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２１の第２主面２１ｂ側には、アキュムレーション層３１が形成されており、第２主面２１ｂは光学的に露出している。第２主面２１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面２１ｂ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２１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。半導体光検出素子ＳＰ１が、全体が薄化された裏面入射型固体撮像素子である場合には、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されていてもよい。半導体光検出素子ＳＰ１が、光感応領域２９付近だけ薄化された裏面入射型固体撮像素子である場合には、ｐ型半導体基板２１の薄化されていない周辺の枠部や、枠部にいたる傾斜面も含んだ第２主面２１ｂ全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されていてもよい。
【００７４】
全体が薄化された裏面入射型固体撮像素子は、枠部を設けることなく、半導体基板ＳＳの表面に別の基板を貼り付けた後に、半導体基板ＳＳの裏面側を研磨することにより得ることができる。図３０に示されるように、半導体光検出素子ＳＰ１１は、半導体基板ＳＳの裏面側全体が薄化されている。半導体光検出素子ＳＰ１１において、半導体基板ＳＳの裏面（第２主面）には、少なくとも光感応領域に対応する領域に不規則な凹凸１０が形成されており、また、半導体基板ＳＳの裏面側には、上述したアキュムレーション層（不図示）が形成されている。
【００７５】
続いて、本実施形態の半導体光検出素子ＳＰ１の製造方法について説明する。
【００７６】
まず、ｐ型半導体基板２１を用意し、ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ側に、ｎ型半導体層２３を形成する。ｎ型半導体層２３は、ｐ型半導体基板２１内において第１主面２１ａ側からｎ型不純物を拡散させることにより形成する。
【００７７】
次に、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ側に、アキュムレーション層３１を形成する。アキュムレーション層３１は、上述した実施形態と同様に、ｐ型半導体基板２１内において第２主面２１ｂ側からｐ型不純物をｐ型半導体基板２１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、形成される。アキュムレーション層３１の厚みは、例えば０．５μｍ程度である。アキュムレーション層３１は、不規則な凹凸１０を形成する前に形成してもよく、また、不規則な凹凸１０を形成した後に形成してもよい。
【００７８】
次に、ｐ型半導体基板２１を、上述したように薄化する。不規則な凹凸１０を形成した後にアキュムレーション層３１を形成する場合には、不規則な凹凸１０を形成した後に、ｐ型半導体基板２１を薄化し、その後、アキュムレーション層３１を形成する。
【００７９】
次に、ｐ型半導体基板２１を、熱処理して、アキュムレーション層３１を活性化させる。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。このとき、ｐ型半導体基板２１の結晶性も回復することとなる。
【００８０】
次に、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ側に、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２１の第２主面２１ｂ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２１ａ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。
【００８１】
次に、ｐ型半導体基板２１を、熱処理する。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。熱処理により、ｐ型半導体基板２１における結晶損傷の回復及び再結晶化が図れ、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。なお、アキュムレーション層３１の形成後の熱処理を省略し、不規則な凹凸１０の形成後の熱処理のみとしてもよい。
【００８２】
次に、絶縁層２７及び電荷転送電極２５を形成する。絶縁層２７及び電荷転送電極２５を形成する工程は既知であり、説明を省略する。電荷転送電極２５は、例えばポリシリコン又は金属からなる。絶縁層２７は、例えばＳｉＯ２からなる。絶縁層２７及び電荷転送電極２５を覆うように、更に、保護膜を形成してもよい。保護膜は、例えば、ＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）からなる。これにより、半導体光検出素子ＳＰ１が完成する。
【００８３】
半導体光検出素子ＳＰ１では、光入射面（第２主面２１ｂ）から光が入射すると、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、入射した光は、凹凸１０により散乱され、ｐ型半導体基板２１内を様々な方向に進む。第１主面２１ａ等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２１ａ等に到達した光成分が第１主面２１ａにて全反射する可能性は極めて高い。第１主面２１ａ等にて全反射した光成分は、異なる面での全反射や第２主面２１ｂでの反射、散乱、又は拡散を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、半導体光検出素子ＳＰ１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２１内を長い距離進む。そして、半導体光検出素子ＳＰ１に入射した光は、ｐ型半導体基板２１の内部を長い距離進むうちに、ｐ型半導体基板２１で吸収され、光により生じたキャリアがｎ型半導体層２３の画素ごとの電荷となり、転送されて検出されることとなる。したがって、半導体光検出素子ＳＰ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００８４】
半導体光検出素子ＳＰ１では、凹凸１０による反射、散乱、又は拡散により、画素間でのクロストークが発生し、解像度が低下する懼れがある。しかしながら、ｐ型半導体基板２１の厚みが画素ピッチＰ以下に設定されているので、半導体光検出素子ＳＰ１では、画素間でのクロストークの発生を抑制することができる。
【００８５】
半導体光検出素子ＳＰ１では、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂ側にアキュムレーション層３１が形成されている。これにより、第２主面２１ｂ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。アキュムレーション層３１は、第２主面２１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面２１ｂ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、半導体光検出素子ＳＰ１の光検出感度を更に向上することができる。
【００８６】
第５実施形態では、アキュムレーション層３１を形成した後に、ｐ型半導体基板２１を熱処理している。これにより、ｐ型半導体基板２１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。
【００８７】
第５実施形態では、ｐ型半導体基板２１を熱処理した後に、電荷転送電極２５を形成している。これにより、電荷転送電極２５に比較的融点の低い材料を用いる場合でも、熱処理により電荷転送電極２５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荷転送電極２５を適切に形成することができる。
【００８８】
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。
【００８９】
ところで、固体撮像素子といった半導体光検出素子において、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、２００μｍ程度）、近赤外の波長帯域に分光感度特性を有する半導体光検出素子を実現することは可能である。しかしながら、上記半導体基板の厚みを大きくした場合、良好な解像度を得るためには、数十ボルト程度の高いバイアス電圧を印加し、半導体基板を完全空乏化する必要がある。完全空乏化されることなく、半導体基板に中性領域が部分的に残っていると、中性領域にて発生したキャリアが拡散して、解像度が劣化するのを防ぐためである。
【００９０】
また、半導体基板が厚いと、暗電流も増加する。このため、半導体基板を冷却し（例えば、−７０〜−１００℃）、暗電流の増加を抑制する必要もある。
【００９１】
しかしながら、第５実施形態に係る半導体光検出素子ＳＰ１では、上述したように、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、半導体光検出素子ＳＰ１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２１）、特に光感応領域２９に対応する部分を厚くすることなく、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有する半導体光検出素子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半導体光検出素子よりも、上記半導体光検出素子ＳＰ１は、極めて低いバイアス電圧の印加又はバイアス電圧の無印加で、良好な解像度を得ることができる。また、用途によっては、半導体基板の冷却も不要となる。
【００９２】
半導体基板、特に光感応領域に対応する部分が薄化されている場合、エタロン現象が生じる懼れがある。エタロン現象は、裏面から入射した披検出光と、入射した被検出光が表面で反射した光との間で干渉する現象であり、近赤外の波長帯域での検出特性に影響を及ぼす。しかしながら、半導体光検出素子ＳＰ１では、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、入射光の位相に対して、凹凸１０で反射される光が、分散した位相差を有するので、これらの光同士が相殺され、エタロン現象が抑制される。
【００９３】
第５実施形態では、ｐ型半導体基板２１が第２主面２１ｂ側より薄化されている。これにより、ｐ型半導体基板２１の第１主面２１ａ及び第２主面２１ｂ側をそれぞれ光入射面とした半導体光検出素子を得ることができる。すなわち、半導体光検出素子ＳＰ１は、裏面入射型固体撮像素子だけでなく、表面入射型固体撮像素子としても用いることができる。
【００９４】
アキュムレーション層３１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３１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３１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３１による作用効果を確保することができる。
【００９５】
続いて、図２７〜図２８を参照して、第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２について説明する。図２７は、第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。図２８は、第５実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【００９６】
変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２では、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９は、第１領域２９ａと第２領域２９ｂとを含み、第２領域２９ｂに不規則な凹凸１０が形成されている。すなわち、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９の第１領域２９ａには、不規則な凹凸１０が形成されていない。
【００９７】
変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２では、ｐ型半導体基板２１の第２主面２１ｂにおける光感応領域２９の第２領域２９ｂにおいて、上述したように、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００９８】
更なる変形例に係る半導体光検出素子ＳＰ２１は、図２９に示されるように、分光器４０の検出素子として用いることができる。分光器４０は、コリメートレンズ４１、回折格子４３、及び半導体光検出素子ＳＰ２１を備えている。分光器４０では、回折格子４３により分離された波長成分が半導体光検出素子ＳＰ２１に入射する。半導体光検出素子ＳＰ２１は、光感応領域２９の第２領域２９ｂが長波長側となり、第１領域２９ａが短波長側となるように配置される。分光器４０に用いられた半導体光検出素子ＳＰ２１は、全領域が薄化された裏面入射型固体撮像素子である。
【００９９】
このように、半導体光検出素子が青色等の短波長帯域の光の感度を確保する必要がある場合、青色等の短波長帯域の光を検出する領域には、不規則な凹凸１０が形成されていないことが好ましい。青色等の短波長帯域の光は、吸収されるまでの走行距離が短いために、第２主面２１ｂの近傍でキャリアを発生させ易い。このため、第２主面２１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていると、発生したキャリアが、不規則な凹凸１０が形成された第２主面２１ｂの近傍においてトラップされて、検出感度に寄与し難くなる懼れがある。
【０１００】
したがって、半導体光検出素子ＳＰ２１が、不規則な凹凸１０が形成されていない第１領域２９ａが短波長側となるように配置されることにより、青色等の短波長帯域の光の検出感度を低下させることなく、近赤外の波長帯域での検出感度を向上させることができる。近赤外の波長帯域の光は、吸収されるまでの走行距離が長いため、第２主面２１ｂの近傍でキャリアを発生させる可能性は極めて低い。したがって、近赤外の波長帯域の光の入射により発生したキャリアは、不規則な凹凸１０が形成された第２主面２１ｂの近傍においてトラップされ難く、検出感度に十分寄与する。
【０１０１】
半導体光検出素子ＳＰ２１が、いわゆる表面入射型固体撮像素子である場合、転送電極部等の影響により、青色等の短波長帯域の光の検出感度が低下する懼れがある。したがって、青色等の短波長帯域の光を検出するためには、半導体光検出素子ＳＰ２１は、いわゆる裏面入射型固体撮像素子であることが好ましい。
【０１０２】
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。
【０１０３】
本実施形態では、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。
【０１０４】
本実施形態では、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。
【０１０５】
本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４及び半導体光検出素子ＳＰ１，ＳＰ１１，ＳＰ２，ＳＰ２１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】
【０１０６】
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】
【０１０７】
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、２１…ｐ型半導体基板、２１ａ…第１主面、２１ｂ…第２主面、２３…ｎ型半導体層、２５…電荷転送電極、２７…絶縁層、３１…アキュムレーション層、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ４…フォトダイオード、ＳＰ１，ＳＰ１１，ＳＰ２，ＳＰ２１…半導体光検出素子。
【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主面を有すると共に前記第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と、
前記シリコン基板の前記第１主面上に設けられ、発生した電荷を転送する転送電極部と、を備え、
前記シリコン基板には、前記第２主面側に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、前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記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、
前記シリコン基板の前記第２主面における不規則な前記凹凸が形成された領域は、光学的に露出し、
少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域に不規則な前記凹凸が形成された前記第２主面に対向する前記第１主面が光入射面とされて、前記第１主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、表面入射型であることを特徴とする半導体光検出素子。
【請求項２】
第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域のうち一部の領域に、不規則な前記凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光検出素子。
【請求項３】
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又は２に記載の半導体光検出素子。
【請求項４】
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１〜３のいずれか一項に記載の半導体光検出素子。
【請求項５】
前記シリコン基板は、その厚みが画素ピッチ以下に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光検出素子。
【請求項６】
前記第１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１〜５のいずれか一項に記載の半導体光検出素子。
【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主面を有すると共に前記第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と、
前記シリコン基板の前記第１主面上に設けられ、発生した電荷を転送する転送電極部と、を備え、
前記シリコン基板には、前記第２主面側に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、前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記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、
前記シリコン基板の前記第２主面における不規則な前記凹凸が形成された領域は、光学的に露出し、
少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域に不規則な前記凹凸が形成された前記第２主面に対向する前記第１主面が光入射面とされて、前記第１主面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、表面入射型であることを特徴とする半導体光検出素子。
【請求項２】
第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域のうち一部の領域に、不規則な前記凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光検出素子。
【請求項３】
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又は２に記載の半導体光検出素子。
【請求項４】
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１〜３のいずれか一項に記載の半導体光検出素子。
【請求項５】
前記シリコン基板は、その厚みが画素ピッチ以下に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光検出素子。
【請求項６】
前記第１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１〜５のいずれか一項に記載の半導体光検出素子。
【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２０１３−６５９０９（Ｐ２０１３−６５９０９Ａ）
【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２０１３−６０６２（Ｐ２０１３−６０６２）
【出願日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【分割の表示】特願２００９−１３６４０８（Ｐ２００９−１３６４０８）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２００９−１３６４０８（Ｐ２００９−１３６４０８）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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