TWI481052B - Photodiode and photodiode array - Google Patents

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TWI481052B
TWI481052B TW099105363A TW99105363A TWI481052B TW I481052 B TWI481052 B TW I481052B TW 099105363 A TW099105363 A TW 099105363A TW 99105363 A TW99105363 A TW 99105363A TW I481052 B TWI481052 B TW I481052B
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Akira Sakamoto
Terumasa Nagano
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

光二極體及光二極體陣列
本發明係關於一種光二極體及光二極體陣列。
作為於近紅外光之波段具有較高之光譜靈敏度特性之光二極體，已知有使用化合物半導體之光二極體(例如參照專利文獻1)。專利文獻1中所記載之光二極體包括：第1受光層，其包含InGaAsN、InGaAsNSb及InGaAsNP之任一者；及第2受光層，其具有較第1受光層之吸收端更長波長之吸收端，且包含量子井構造。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-153311號公報
然而，此種使用化合物半導體之光二極體仍為高價，製造步驟亦複雜。因此，需要一種矽光二極體之實用化，該矽光二極體廉價且容易製造，並且於近紅外光之波段具有充分之光譜靈敏度。通常，矽光二極體於光譜靈敏度特性之長波長側之極限為1100nm左右，但於1000nm以上之波段中之光譜靈敏度特性並不充分。
本發明之目的在於提供一種光二極體及光二極體陣列，其等係矽光二極體及矽光二極體陣列，且於近紅外光之波段具有充分之光譜靈敏度特性。
本發明之光二極體包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且具有相互對向之第1主面及第2主面，於矽基板之第1主面側配置雪崩光二極體，該雪崩光二極體係由具有較矽基板更高之雜質濃度的第1導電型之半導體區域與第2導電型之半導體區域之間的pn接合所構成，於矽基板之第2主面側形成有具有較矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於至少與雪崩光二極體對向之區域形成有不規則之凹凸，矽基板之第2主面中之與雪崩光二極體對向之區域係光學性地露出。
本發明之光二極體中，於第2主面中之至少與雪崩光二極體對向之區域形成有不規則之凹凸，因此入射至光二極體之光由該區域反射、散射或擴散，而於矽基板內行進較長之距離。藉此，入射至光二極體(矽基板)之光之大部分由矽基板吸收，而不會穿透矽基板。因此，上述光二極體中，入射至光二極體之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長，因此於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性提高。
本發明中，於矽基板之第2主面側形成有具有較矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層。因此，於第2主面側不藉由光而產生之多餘載子進行再結合，可減少暗電流。又，第1導電型之上述累積層係抑制於矽基板之第2主面附近藉由光而產生之載子由該第2主面捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效地朝向第2導電型之半導體區域與矽基板之pn接合移動，從而可提高光二極體之光檢測靈敏 度。
本發明之光二極體包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且具有相互對向之第1主面及第2主面，並且於第1主面側形成有第2導電型之半導體區域，矽基板中，於第2主面側形成有具有較矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於第2主面中之至少與第2導電型之半導體區域對向的區域形成有不規則之凹凸，矽基板之第2主面中之與第2導電型之半導體區域對向的區域係光學性地露出。
本發明之光二極體中，如上所述，入射至光二極體之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長，因此於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性提高。藉由形成於矽基板之第2主面側之第1導電型之累積層，可減少暗電流，並且可提高光二極體之光檢測靈敏度。
本發明之光二極體中，亦可將矽基板之與第2導電型之半導體區域對應之部分自第2主面側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。於該情形時，可獲得分別將矽基板之第1主面及第2主面側作為光入射面之光二極體。
於本發明之光二極體中，較佳為第1導電型之累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。於該情形時，如上所述，可確保累積層之作用效果。
本發明之光二極體陣列包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且具有相互對向之第1主面及第2主面，於矽基板之第1主面側配置複數個雪崩光二極體，該等雪 崩光二極體係由具有較矽基板更高之雜質濃度的第1導電型之半導體區域與第2導電型之半導體區域之間的pn接合所構成，於矽基板之第2主面側形成有具有較矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於至少與雪崩光二極體對向之區域形成有不規則之凹凸，矽基板之第2主面中之與雪崩光二極體對向之區域係光學性地露出。
本發明之光二極體陣列中，如上所述，入射至光二極體陣列之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長，因此於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性提高。藉由形成於矽基板之第2主面側之第1導電型之累積層，可減少暗電流，並且可提高光二極體陣列之光檢測靈敏度。
於本發明之光二極體陣列中，亦可將矽基板之配置有複數個雪崩光二極體之部分自第2主面側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。於該情形時，可獲得分別將矽基板之第1主面及第2主面側作為光入射面之光二極體。
於本發明之光二極體陣列中，較佳為第1導電型之累積層之厚度大於不規則之凹凸之高低差。於該情形時，如上所述，可確保累積層之作用效果。
根據本發明，可提供一種光二極體及光二極體陣列，其等係矽光二極體及矽光二極體陣列，且於近紅外光之波段具有充分之光譜靈敏度特性。
以下，參照隨附圖式，對本發明之較佳實施形態加以詳 細說明。再者，於說明中，對於相同要素或具有相同功能之要素使用相同符號，省略重複之說明。
(第1實施形態)
參照圖1~圖10，對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明。圖1~圖10係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
首先，準備包含矽(Si)結晶且具有相互對向之第1主面1a及第2主面1b之n-型半導體基板1(參照圖1)。n-型半導體基板1之厚度為300μm左右，比電阻為1kΩ．cm左右。本實施形態中，所謂「高雜質濃度」，例如係指雜質濃度為1×1017cm-3左右以上，且係對導電型附加「+」來表示。所謂「低雜質濃度」，例如係指雜質濃度為1×1015cm-3左右以下，且係對導電型附加「-」來表示。作為n型雜質，存在銻(Sb)或砷(As)等，作為p型雜質，存在硼(B)等。
其次，於n-型半導體基板1之第1主面1a側形成p+型半導體區域3及n+型半導體區域5(參照圖2)。p+型半導體區域3係藉由使用中央部開口之掩模等，使高濃度之p型雜質於n-型半導體基板1內自第1主面1a側擴散而形成。n+型半導體區域5係藉由使用周邊部區域開口之其他掩模等，以包圍p+型半導體區域3之方式使較n-型半導體基板1更高濃度之n型雜質，於n-型半導體基板1內自第1主面1a側擴散而形成。p+型半導體區域3之厚度例如為0.55μm左右，薄片電阻例如為44Ω/sq.。n+型半導體區域5之厚度例如為1.5μm左右，薄片電阻例如12Ω/sq.。
之後，於n-型半導體基板1之第1主面1a側形成絕緣層7(參照圖3)。絕緣層7包含SiO2，且係藉由將n-型半導體基板1熱氧化而形成。絕緣層7之厚度例如為0.1μm左右。繼而，於p+型半導體區域3上之絕緣層7中形成接觸孔H1，於n+型半導體區域5上之絕緣層7中形成接觸孔H2。亦可形成包含SiN之抗反射(AR，anti-reflective)層來代替絕緣層7。
其次，於n-型半導體基板1之第2主面1b上及絕緣層7上形成鈍化層9(參照圖4)。鈍化層9包含SiN，且係藉由例如電漿CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沈積)法而形成。鈍化層9之厚度例如為0.1μm。繼而，自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨，以使n-型半導體基板1之厚度成為所需厚度(參照圖5)。藉此，將形成於n-型半導體基板1之第2主面1b上之鈍化層9除去，而n-型半導體基板1露出。此處，亦將藉由研磨而露出之表面設為第2主面1b。所需厚度例如為270μm。
繼而，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖6)。此處，如圖7所示，將n-型半導體基板1配置於腔室C內，自配置於腔室C之外側之脈衝雷射產生裝置PLD對n-型半導體基板1照射脈衝雷射光PL。腔室C包括氣體導入部GIN及氣體排出部GOUT，將惰性氣體(例如氮氣或氬氣等)自氣體導入部GIN導入後自氣體排出部GOUT排出。藉此，於腔室C內形成有惰性氣體流Gf。藉由惰性氣體流Gf，將照射脈衝雷射光PL時所產生之塵埃等排出至腔室C外，而防止加工屑或塵埃等 附著於n-型半導體基板1上。
本實施形態中，使用皮秒~飛秒脈衝雷射產生裝置作為脈衝雷射產生裝置PLD，且遍及第2主面1b之整個表面而照射皮秒~飛秒脈衝雷射光。第2主面1b受到皮秒~飛秒脈衝雷射光破壞，而如圖8所示，於第2主面1b之整個表面形成不規則之凹凸10。不規則之凹凸10具有相對於與第1主面1a正交之方向而交差之表面。凹凸10之高低差例如為0.5~10μm左右，凹凸10中之凸部之間隔為0.5~10μm左右。皮秒~飛秒脈衝雷射光之脈衝時間寬度(time width)例如為50fs~2ps左右，強度例如為4~16GW左右，脈衝能量例如為200~800μJ/pulse左右。更通常的是，峰值強度為3×1011~2.5×1013(W/cm2)，通量為0.1~1.3(J/cm2)左右。圖8係對形成於第2主面1b上之不規則之凹凸10進行觀察之SEM(scanning electron microscope，掃描式電子顯微鏡)圖像。
其次，於n-型半導體基板1之第2主面1b側形成累積層11(參照圖9)。此處，以成為較n-型半導體基板1更高之雜質濃度之方式，將n型雜質於n-型半導體基板1內自第2主面1b側離子植入或擴散，藉此形成累積層11。累積層11之厚度例如為1μm左右。
繼而，對n-型半導體基板1進行熱處理(退火)。此處，於N2氣體之環境下以800~1000℃左右之範圍，將n-型半導體基板1加熱0.5~1小時左右。
其次，將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去之後，形成電 極13、15(參照圖10)。電極13形成於接觸孔H1內，電極15形成於接觸孔H2內。電極13、15分別包含鋁(Al)等，且厚度例如為1μm左右。藉此，完成光二極體PD1。
如圖10所示，光二極體PD1包括n-型半導體基板1。於n-型半導體基板1之第1主面1a側形成有p+型半導體區域3及n+型半導體區域5，於n-型半導體基板1與p+型半導體區域3之間形成有pn接合。電極13通過接觸孔H1而與p+型半導體區域3電性接觸且連接。電極15通過接觸孔H2而與n+型半導體區域5電性接觸且連接。
於n-型半導體基板1之第2主面1b形成有不規則之凹凸10。於n-型半導體基板1之第2主面1b側形成有累積層11，且第2主面1b係光學性地露出。所謂第2主面1b光學性地露出，不僅指第2主面1b與空氣等環境氣體接觸，而且亦包括於第2主面1b上形成有光學上透明之膜之情形。
光二極體PD1中，於第2主面1b形成有不規則之凹凸10。因此，如圖11所示，入射至光二極體PD1之光L由凹凸10反射、散射或擴散，而於n-型半導體基板1內行進較長之距離。
通常，相對於Si之折射率n=3.5，而空氣之折射率n=1.0。光二極體中，於光自與光入射面垂直之方向入射之情形時，未於光二極體(矽基板)內被吸收之光分為由光入射面之背面反射之光成分、與穿透光二極體之光成分。穿透光二極體之光不利於光二極體之靈敏度。由光入射面之背面所反射之光成分若在光二極體內被吸收，則成為光 電流。未被吸收之光成分係於光入射面，與到達光入射面之背面之光成分同樣地反射或穿透。
光二極體PD1中，於光L自與光入射面(第1主面1a)垂直之方向入射之情形時，若到達形成於第2主面1b之不規則之凹凸10，則以與來自凹凸10之出射方向成16.6°以上之角度到達之光成分係由凹凸10全反射。因凹凸10不規則地形成，故相對於出射方向具有各種角度，全反射之光成分朝各個方向擴散。因此，全反射之光成分中存在由n-型半導體基板1內部吸收之光成分，且存在到達第1主面1a及側面之光成分。
會到達第1主面1a及側面之光成分由於凹凸10上之擴散而朝各個方向行進。因此，到達第1主面1a及側面之光成分由第1主面1a及側面全反射之可能性極高。由第1主面1a及側面全反射之光成分反覆進行於不同表面之全反射，其行進距離變得更長。如上所述，入射至光二極體PD1之光L於n-型半導體基板1之內部行進較長之距離之期間，由n-型半導體基板1吸收，而檢測為光電流。
如上所述，入射至光二極體PD1之光L之大部分不會穿透光二極體PD1，而是行進距離變長，由n-型半導體基板1吸收。因此，光二極體PD1中，於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性提高。
當於第2主面1b形成有規則之凹凸之情形時，會到達第1主面1a及側面之光成分雖由凹凸擴散，但朝相同方向行進。因此，到達第1主面1a及側面之光成分由第1主面1a及 側面全反射之可能性較低。因此，於第1主面1a及側面、進而於第2主面1b中穿透之光成分增加，入射至光二極體之光之行進距離較短。其結果為，難以提高於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性。
此處，為了對第1實施形態之於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性之提高效果進行確認，而進行實驗。
製作包括上述構成之光二極體(稱作實施例1)、與未於n-型半導體基板之第2主面形成不規則之凹凸之光二極體(稱作比較例1)，研究各光譜靈敏度特性。實施例1與比較例1除藉由脈衝雷射光之照射而形成不規則之凹凸方面以外，為相同構成。將n-型半導體基板1之尺寸設定為6.5mm×6.5mm。將p+型半導體區域3即光感應區域之尺寸設定為5.8mm×5.8mm。將對光二極體施加之偏壓電壓VR設定為0V。
將結果示於圖12中。於圖12中，實施例1之光譜靈敏度特性係由T1所表示，比較例1之光譜靈敏度特性係由特性T2所表示。於圖12中，縱軸表示光譜靈敏度(mA/W)，橫軸表示光之波長(nm)。以一點劃線所表示之特性表示量子效率(QE，quantum efficiency)為100%之光譜靈敏度特性，以虛線所表示之特性表示量子效率為50%之光譜靈敏度特性。
根據圖12可知，例如於1064nm下，比較例1中光譜靈敏度為0.2A/W(QE=25%)，相對於此而實施例1中光譜靈敏度為0.6A/W(QE=72%)，於近紅外光之波段之光譜靈敏度大 幅提高。
亦對實施例1及比較例1中之光譜靈敏度之溫度特性進行了確認。此處，使環境溫度自25℃上升至60℃而研究光譜靈敏度特性，求出60℃下之光譜靈敏度相對於25℃下之光譜靈敏度之比例(溫度係數)。將結果示於圖13中。於圖13中，實施例1之溫度係數之特性係由T3所表示，比較例1之溫度係數之特性係由特性T4所表示。於圖13中，縱軸表示溫度係數(%/℃)，橫軸表示光之波長(nm)。
根據圖13可知，例如於1064nm下，比較例1中溫度係數為0.7%/℃，相對於此而實施例1中溫度係數為0.2%/℃，溫度依存性較低。通常，若溫度上升，則吸收係數增大且帶隙能量減少，藉此光譜靈敏度變高。實施例1中，於室溫之狀態下光譜靈敏度充分高，因此與比較例1相比較，溫度上升所引起之光譜靈敏度之變化變小。
光二極體PD1中，於n-型半導體基板1之第2主面1b側形成有累積層11。藉此，於第2主面1b側不藉由光而產生之多餘載子進行再結合，可減少暗電流。累積層11係抑制於第2主面1b附近藉由光而產生之載子由該第2主面1b捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效地朝向pn接合移動，從而可進一步提高光二極體PD1之光檢測靈敏度。
第1實施形態中，於形成累積層11之後，對n-型半導體基板1進行熱處理。藉此，n-型半導體基板1之結晶性恢復，可防止暗電流之增加等不良。
第1實施形態中，於對n-型半導體基板1進行熱處理之 後，形成電極13、15。藉此，於電極13、15使用熔點相對較低之金屬之情形時，電極13、15亦不會由於熱處理而熔融。其結果為，可不受熱處理之影響而適當地形成電極13、15。
第1實施形態中，照射皮秒~飛秒脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10。藉此，可適當且容易地形成不規則之凹凸10。
(第2實施形態)
參照圖14~圖16，對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明。圖14~圖16係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
第2實施形態之製造方法中，直至自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨為止，與第1實施形態之製造方法相同，而省略至此為止之步驟之說明。自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨，使n-型半導體基板1成為所需厚度之後，於n-型半導體基板1之第2主面1b側形成累積層11(參照圖14)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為1μm左右。
其次，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖15)。不規則之凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
繼而，與第1實施形態同樣地對n-型半導體基板1進行熱處理。之後，於將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去之後，形成電極13、15(參照圖16)。藉此，完成光二極體PD2。
於第2實施形態中，亦與第1實施形態同樣地，入射至光二極體PD2之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，於光二極體PD2中，亦可提高於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性。
第2實施形態中，累積層11之厚度大於不規則之凹凸10之高低差。因此，即便於形成累積層11之後，照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸10，累積層11仍確實地殘留。因此，可確保累積層11之作用效果。
(第3實施形態)
參照圖17~圖21，對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明。圖17~圖21係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
第3實施形態之製造方法中，直至形成鈍化層9為止，與第1實施形態之製造方法相同，而省略至此為止之步驟之說明。於形成鈍化層9之後，將n-型半導體基板1中之與p+型半導體區域3對應之部分自第2主面1b側起薄化，而殘留該部分之周邊部分(參照圖17)。n-型半導體基板1之薄化例如係藉由使用氫氧化鉀溶液或TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide，氫氧化四甲基銨溶液)等之鹼性蝕刻之各向異性蝕刻而進行。n-型半導體基板1之已薄化之部分之厚度例如為100μm左右，周邊部分之厚度例如為300μm左右。
其次，自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨，以使n-型半導體基板1之周邊部分之厚度成為所需厚度(參照 圖18)。所需厚度例如為270μm。
繼而，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖19)。不規則之凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
繼而，於n-型半導體基板1之已薄化之部分之第2主面1b側形成累積層11(參照圖20)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為3μm左右。
其次，與第1實施形態同樣地，於對n-型半導體基板1進行熱處理之後，將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去，形成電極13、15(參照圖21)。藉此，完成光二極體PD3。
於第3實施形態中，亦與第1及第2實施形態同樣地，入射至光二極體PD3之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體PD3中，亦可提高於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性。
第3實施形態中，於形成不規則之凹凸10之前，將n-型半導體基板1中之與p+型半導體區域3對應之部分自第2主面1b側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。藉此，可獲得分別將n-型半導體基板1之第1主面1a及第2主面1b側作為光入射面之光二極體PD3。
(第4實施形態)
參照圖22~圖24，對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明。圖22~圖24係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
第4實施形態之製造方法中，直至將n-型半導體基板1薄 化為止，與第3實施形態之製造方法相同，而省略至此為止之步驟之說明。自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨，使n-型半導體基板1成為所需厚度之後，於n-型半導體基板1之已薄化之部分之第2主面1b側形成累積層11(參照圖22)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為3μm左右。
繼而，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，而形成不規則之凹凸10(參照圖23)。不規則之凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
其次，與第1實施形態同樣地，對n-型半導體基板1進行熱處理。繼而，將形成於絕緣層7上之鈍化層9除去之後，形成電極13、15(參照圖24)。藉此，完成光二極體PD4。
於第4實施形態中，亦與第1~第3實施形態同樣地，入射至光二極體PD4之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體PD4中，亦可提高於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性。
第4實施形態中，於形成累積層11之前，將n-型半導體基板1中之與p+型半導體區域3對應之部分自第2主面1b側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。藉此，可獲得分別將n-型半導體基板1之第1主面1a及第2主面1b側作為光入射面之光二極體PD4。
(第5實施形態)
參照圖25，對第5實施形態之光二極體PD5進行說明。圖25係用以對第5實施形態之光二極體之構成進行說明之 圖。
光二極體PD5係用以對波長區域處於可見光~近紅外光區域之低能量光進行檢測之雪崩光二極體。光二極體PD5包括p-型半導體基板20。p-型半導體基板20包含矽(Si)結晶，且具有相互對向之第1主面20a及第2主面20b。p-型半導體基板20包含光感應區域21。
俯視時，光感應區域21設置於第1主面20a之中央部。光感應區域21係自第1主面20a起朝向內側具有厚度。光感應區域21包括n+型雜質區域23、p+型雜質區域25、及對p-型半導體基板20施加偏壓電壓時空乏化之區域。n+型雜質區域23係自第1主面20a起朝向p-型半導體基板20之內側具有厚度。n+型雜質區域23具有n+型保護環23a。n+型保護環23a設置於n+型雜質區域23之周端。p+型雜質區域25係自n+型雜質區域23起進一步朝向p-型半導體基板20之內側具有厚度。p-型半導體基板20具有p+型擴散遮斷區域27。俯視時，p+型擴散遮斷區域27處於第1主面20a之周端，且自第1主面20a起朝向內側具有厚度。p+型擴散遮斷區域27係以包圍光感應區域21之方式而設置。
p-型半導體基板20係添加有例如硼(B)等p型雜質之矽基板。p+型雜質區域25係添加有較p-型半導體基板20更高濃度之p型雜質之區域。p+型擴散遮斷區域27係以較p+型雜質區域25更高濃度添加有p型雜質之區域。n+型雜質區域23係添加有例如銻(Sb)等n型雜質之區域。n+型雜質區域23(包括n+型保護環23a)及p+型雜質區域25係於p-型半導體 基板20內構成pn接合。
光二極體PD5具有積層於第1主面20a上之鈍化膜24。光二極體PD5具有設置於鈍化膜24上之電極31及電極33。鈍化膜24中，於n+型雜質區域23上設置有接觸孔H11，並且於p+型擴散遮斷區域27上設置有接觸孔H12。電極31經由接觸孔H11而與n+型雜質區域23電性接觸且連接。電極33經由接觸孔H12而與p+型擴散遮斷區域27電性接觸且連接。鈍化膜24之材料例如為氧化矽等。
光二極體PD5具有形成於第2主面20b側之凹部35。凹部35係藉由自第2主面20b側起將p-型半導體基板20薄化而形成，於凹部35之周圍存在較厚之框部。凹部35之側面係與凹部35之底面成鈍角而傾斜。俯視時，凹部35係以與光感應區域21重疊之方式而形成。凹部35之底面與第1主面20a之間之厚度相對較小，例如為100~200μm左右，較佳為150μm左右。如上所述，因第1主面20a與凹部35之底面之間的厚度相對較小，故使響應速度高速化，並且降低對光二極體PD5施加之偏壓電壓。
於p-型半導體基板20之第2主面20b之整體形成有不規則之凹凸10。於p-型半導體基板20之第2主面20b側形成有累積層37。累積層37中之與凹部35之底面對應之區域、即與構成雪崩光二極體之光感應區域21對向之區域係光學性地露出。所謂第2主面20b光學性地露出，不僅指第2主面20b與空氣等環境氣體接觸，而且亦包括於第2主面20b上形成有光學上透明之膜之情形。不規則之凹凸10亦可僅形成於 凹部35之底面、即與作為雪崩光二極體來發揮功能之光感應區域21對向之區域。
光二極體PD5具有電極39。電極39設置於累積層37上，且與累積層37電性接觸且連接。累積層37中之形成有電極39之區域係不光學性地露出。
具有上述構成之光二極體PD5中，於對電極31與電極39施加逆向偏壓電壓(崩潰電壓)之情形時，於光感應區域21產生與入射至光感應區域21之光量對應之載子。於p+型擴散遮斷區域27之附近所產生之載子流入至p+型擴散遮斷區域27。因此，藉由p+型擴散遮斷區域27，而將來自電極31之輸出信號中產生之裙邊降低。
繼而，對第5實施形態之光二極體PD5之製造方法加以說明。
首先，準備p-型半導體基板20。p-型半導體基板20之厚度為300μm左右。
其次，於p-型半導體基板20之第1主面20a側形成p+型雜質區域25及p+型擴散遮斷區域27。p+型雜質區域25係藉由使用中央部開口之掩模等，將高濃度之p型雜質於p-型半導體基板20內自第1主面20a側離子植入而形成。p+型擴散遮斷區域27係藉由使用周邊部區域開口之其他掩模等，使高濃度之p型雜質於p-型半導體基板20內自第1主面20a側擴散而形成。
繼而，於p-型半導體基板20之第1主面20a側形成n+型保護環23a及n+型雜質區域23。n+型保護環23a係藉由使用開 口成環狀之掩模等，使高濃度之n型雜質於p-型半導體基板20內自第1主面20a側擴散而形成。n+型雜質區域23係藉由使用中央部開口之其他掩模等，將高濃度之n型雜質於p-型半導體基板20內自第1主面20a側離子植入而形成。
其次，藉由對p-型半導體基板20之第2主面20b之表面進行研磨而使其平坦化。之後，將p-型半導體基板20中之與p+型雜質區域25對應之部分自第2主面20b側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。p-型半導體基板20之薄化例如係藉由使用KOH水溶液或TMAH等之鹼性蝕刻之各向異性蝕刻而進行。p-型半導體基板20之已薄化之部分之厚度例如為150μm左右，周邊部分之厚度例如為200μm左右。
繼而，於p-型半導體基板20之第2主面20b側形成累積層37。此處，以成為較p-型半導體基板20更高之雜質濃度之方式，將p型雜質於p-型半導體基板20內自第2主面20b側離子植入，藉此形成累積層37。累積層37之厚度例如為1.5μm左右。
其次，對p-型半導體基板20進行熱處理(退火)。此處，於N2氣體之環境下以900~1100℃左右之範圍、更佳為以1000℃左右，將p-型半導體基板20加熱0.5~1.0小時左右、更佳為0.5小時左右。藉由熱處理，而p型半導體基板20之結晶性恢復，可防止暗電流之增加等不良。
繼而，對p-型半導體基板20之第2主面20b照射脈衝雷射光PL，形成不規則之凹凸10。不規則之凹凸10係與上述實施形態同樣地，藉由對p-型半導體基板20之第2主面20b照 射脈衝雷射光而形成。照射脈衝雷射光之脈衝雷射產生裝置可使用皮秒~飛秒脈衝雷射產生裝置。不規則之凹凸10具有相對於與第1主面20a正交之方向交差之表面。凹凸10之高低差例如為0.5~10μm左右，凹凸10中之凸部之間隔為0.5~10μm左右。皮秒~飛秒脈衝雷射光之脈衝時間寬度例如為50fs~2ps左右，強度例如為4~16GW左右，脈衝能量例如為200~800μJ/pulse左右。更通常的是，峰值強度為3×1011~2.5×1013(W/cm2)，通量為0.1~1.3(J/cm2)左右。
其次，對p-型半導體基板20進行熱處理(退火)。此處，於N2氣體之環境下以900~1100℃左右之範圍、更佳為以1000℃左右，將p-型半導體基板20加熱0.5~1.0小時左右、更佳為0.5小時左右。藉由熱處理，可進行混亂之結晶損傷之恢復及再結晶化。
繼而，於p-型半導體基板20之第1主面20a側形成鈍化膜24。然後，於鈍化膜24中形成接觸孔H11、H12後，形成電極31、33。電極31形成於接觸孔H11內，電極33形成於接觸孔H12內。又，於p-型半導體基板20之已薄化之部分之周邊部分的累積層37上形成電極39。電極31、33分別包含鋁(Al)等，電極39包含金(Au)等。藉此，完成光二極體PD5。
光二極體PD5中，於第2主面20b形成有不規則之凹凸10。因此，入射至光二極體PD5之光由凹凸10反射、散射或擴散，而於p-型半導體基板20內行進較長之距離。
光二極體PD5中，於光自與光入射面(第1主面20a)垂直 之方向入射之情形時，若到達形成於第2主面20b之不規則之凹凸10，則以與來自凹凸10之出射方向成16.6°以上之角度到達之光成分由凹凸10全反射。因凹凸10不規則地形成，故相對於出射方向具有各種角度，全反射之光成分朝各個方向擴散。因此，全反射之光成分中，存在由p-型半導體基板20內部吸收之光成分，且存在到達第1主面20a及側面之光成分。
到達第1主面20a及側面之光成分藉由凹凸10上之擴散而朝各個方向行進。因此，到達第1主面20a及側面之光成分由第1主面20a及側面全反射之可能性極高。由第1主面20a及側面全反射之光成分反覆進行於不同表面之全反射，而其行進距離變得更長。因此，入射至光二極體PD5之光係於p-型半導體基板20之內部行進較長之距離的期間，由p-型半導體基板20吸收，而檢測為光電流。
入射至光二極體PD5之光L之大部分不會穿透光二極體PD5，而是行進距離變長，由p-型半導體基板20吸收。因此，光二極體PD5中，於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性提高。
此處，為了對第5實施形態之於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性之提高效果進行確認，而進行實驗。
製作具有上述構成之光二極體(稱作實施例2)、與未於p-型半導體基板之第2主面形成不規則之凹凸之光二極體(稱作比較例2)，研究各光譜靈敏度特性。實施例2與比較例2除藉由照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸方面以外，為 相同構成。將p-型半導體基板20之尺寸設定為4.24mm×4.24mm。將p+型雜質區域25即光感應區域之尺寸設定為3mmΦ。將對光二極體施加之偏壓電壓VR設定為約300V。
將結果示於圖26中。於圖26中，實施例2之光譜靈敏度特性係由T51來表示，比較例2之光譜靈敏度特性係由特性T52來表示。於圖26中，縱軸表示光譜靈敏度(mA/W)，橫軸表示光之波長(nm)。根據圖26可知，例如於1064nm下，比較例2中光譜靈敏度為4.1A/W，相對於此而實施例2中光譜靈敏度為7.6A/W，於近紅外光之波段之光譜靈敏度大幅提高。
光二極體PD5中，於p-型半導體基板20之第2主面20b側形成有累積層37。藉此，於第2主面20b側不藉由光而產生之多餘載子進行再結合，可減少暗電流。累積層37係抑制於第2主面20b附近藉由光而產生之載子由該第2主面20b捕獲。因此，藉由光而產生之載子有效地朝pn接合移動，可進一步提高光二極體PD5之光檢測靈敏度。
第5實施形態中，於形成累積層37之後，對p-型半導體基板20進行熱處理。藉此，p-型半導體基板20之結晶性恢復，可防止暗電流之增加等不良。
累積層37亦可於形成不規則之凹凸10之後形成。於形成累積層37之後，照射脈衝雷射光而形成不規則之凹凸10之情形時，較佳為將累積層37之厚度設定為大於不規則之凹凸10之高低差。於該情形時，即便照射脈衝雷射光而形成 不規則之凹凸10，累積層37仍確實地殘留。因此，可確保累積層37之作用效果。
第5實施形態中，於對p-型半導體基板20進行熱處理之後，形成電極31、33、39。藉此，於電極31、33、39使用熔點相對較低之材料之情形時，電極31、33、39亦不會由於熱處理而熔融。因此，可不受熱處理之影響而適當地形成電極31、33、39。
第5實施形態中，照射皮秒~飛秒脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10。藉此，適當且容易地形成不規則之凹凸10。
第5實施形態中，自第2主面20b側將p-型半導體基板20薄化。藉此，可獲得分別將p-型半導體基板20之第1主面20a及第2主面20b側作為光入射面之光二極體。即，光二極體PD5不僅可用作表面入射型光二極體，而且可用作背面入射型光二極體。
此處，為了確認將第5實施形態之光二極體PD5用作背面入射型光二極體之情形時的於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性之提高效果，而進行實驗。
使用上述實施例2及比較例2之光二極體，分別對自背面入射光時之光譜靈敏度特性進行研究。將結果示於圖27中。於圖27中，實施例2之光譜靈敏度特性係由T53來表不，比較例2之光譜靈敏度特性係由特性T54來表示。於圖27中，縱軸表示光譜靈敏度(mA/W)，橫軸表示光之波長(nm)。根據圖27可知，例如於1064nm下，比較例2中光譜 靈敏度為1.9A/W，相對於此而實施例2中光譜靈敏度為5.7A/W，於近紅外光之波段之光譜靈敏度大幅提高。
如上所述，無論第5實施形態之光二極體PD5為表面入射型及背面入射型，於1064nm下均具有充分之光譜靈敏度。因此，光二極體PD5可用作YAG(yttrium aluminum garnet，釔鋁石榴石)雷射光之檢測元件。
另外，於雪崩光二極體中，藉由將包含矽之半導體基板設定為較厚(例如數百μm~2mm左右)，可實現於近紅外光之波段具有實用上充分之光譜靈敏度特性之雪崩光二極體。然而，雪崩光二極體中，需要用以空乏化之偏壓電壓與用以雪崩倍增之偏壓電壓，因此於使上述半導體基板之厚度增大之情形時，需要施加極高之偏壓電壓。又，若半導體基板較厚，則暗電流亦增加。
然而，第5實施形態之光二極體PD5中，如上所述，藉由於第2主面20b形成不規則之凹凸10，而入射至光二極體PD5之光之行進距離變長。因此，可實現一種不使半導體基板(p-型半導體基板20)、特別是與光感應區域21對應之部分變厚，而於近紅外光之波段具有實用上充分之光譜靈敏度特性之光二極體。因此，與藉由使半導體基板變厚而於近紅外光之波段具有光譜靈敏度特性之光二極體相比較，上述光二極體PD5可藉由施加較低之偏壓電壓而獲得良好之光譜靈敏度特性。又，暗電流之增加得以抑制，光二極體PD5之檢測精度提高。進而，因p-型半導體基板20之厚度較薄，故光二極體PD5之響應速度提高。
第5實施形態之光二極體PD5中，亦可如圖28所示，將第2主面20b側之整個區域薄化。
(第6實施形態)
參照圖29，對第6實施形態之光二極體陣列PDA進行說明。圖29係用以對第6實施形態之變形例之光二極體陣列之剖面構成進行說明之圖。
光二極體陣列PDA包括p-型半導體基板20，於p-型半導體基板20上配置有複數個作為雪崩光二極體來發揮功能之光感應區域21。
於p-型半導體基板20之第2主面20b整體形成有不規則之凹凸10。即，光二極體陣列PDA中，不僅於與作為雪崩光二極體來發揮功能之光感應區域21對向之區域，亦於與光感應區域21間對向之區域形成有不規則之凹凸10。
於第6實施形態中，亦與第5實施形態同樣地，入射至光二極體陣列PDA之光之行進距離變長，吸收光之距離亦變長。藉此，光二極體陣列PDA中，亦可提高於近紅外光之波段之光譜靈敏度特性。
第6實施形態之光二極體陣列PDA係與第5實施形態同樣地，與藉由使半導體基板變厚而於近紅外光之波段具有實用上充分之光譜靈敏度特性之光二極體陣列相比較，可藉由施加較低之偏壓電壓而獲得良好之光譜靈敏度特性。又，暗電流之增加得以抑制，光二極體陣列PDA之檢測精度提高。進而，因p-型半導體基板20之厚度較薄，故光二極體陣列PDA之響應速度提高。
光二極體陣列PDA中，亦於p-型半導體基板20之第2主面20b中之與光感應區域21間對向之區域，形成有不規則之凹凸10。因此，入射至光感應區域21間之光L係如圖30所示，藉由形成於第2主面20b中之與光感應區域21間對向之區域的不規則之凹凸10而反射、散射或擴散，由任一光感應區域21吸收。因此，光二極體陣列PDA中，於光感應區域21間檢測靈敏度不會下降，而是檢測靈敏度提高。
光二極體陣列PDA亦與第5實施形態之光二極體PD5同樣地，可用作YAG雷射光之檢測元件。
光二極體陣列PDA係與第5實施形態之光二極體PD5同樣地，亦可將第2主面20b側之整個區域薄化。光二極體陣列PDA可用作表面入射型及背面入射型之任一種光二極體陣列。
以上，對本發明之較佳實施形態進行了說明，但本發明並不限定於上述實施形態，於不脫離其主旨之範圍內可進行各種變更。
第1~第4實施形態中，遍及第2主面1b之整個表面照射脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10，但並不限定於此。例如，亦可僅對n-型半導體基板1之第2主面1b中之與p+型半導體區域3對向之區域照射脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10。第5~第6實施形態中，亦可僅對與光感應區域21對向之區域照射脈衝雷射光，而形成不規則之凹凸10。
第1~第4實施形態中，將電極15與形成於n-型半導體基板1之第1主面1a側之n+型半導體區域5電性接觸且連接， 但並不限定於此。例如，亦可將電極15與形成於n-型半導體基板1之第2主面1b側之累積層11電性接觸且連接。於該情形時，較佳為於n-型半導體基板1之第2主面1b中之與p+型半導體區域3對向之區域以外，形成電極15。其原因在於，若於n-型半導體基板1之第2主面1b中之與p+型半導體區域3對向之區域形成電極15，則形成於第2主面1b之不規則之凹凸10由電極15堵塞，而產生近紅外光之波段中之光譜靈敏度下降之現象。可以說第5~第6實施形態中亦與上述情形相同。
亦可將本實施形態之光二極體PD1~PD5及光二極體陣列PDA中之p型及n型之各導電型替換為與上述相反。
產業上之可利用性
本發明可用於半導體光檢測元件及光檢測裝置。
1‧‧‧n-型半導體基板
1a‧‧‧第1主面
1b‧‧‧第2主面
3‧‧‧p+型半導體區域
5‧‧‧n+型半導體區域
10‧‧‧不規則之凹凸
11‧‧‧累積層
13、15‧‧‧電極
20‧‧‧p-型半導體基板
20a‧‧‧第1主面
20b‧‧‧第2主面
21‧‧‧光感應區域
23‧‧‧n+型雜質區域
25‧‧‧p+型雜質區域
37‧‧‧累積層
PD1~PD5‧‧‧光二極體
PDA‧‧‧光二極體陣列
PL‧‧‧脈衝雷射光
圖1係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖2係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖3係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖4係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖5係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖6係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖7係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖8係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖9係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖10係用以對第1實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖11係表示第1實施形態之光二極體之構成之圖。
圖12係表示實施例1及比較例1中之光譜靈敏度相對於波長之變化之線圖。
圖13係表示實施例1及比較例1中之溫度係數相對於波長之變化之線圖。
圖14係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖15係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖16係用以對第2實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖17係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖18係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行 說明之圖。
圖19係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖20係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖21係用以對第3實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖22係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖23係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖24係用以對第4實施形態之光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖25係用以對第5實施形態之光二極體之構成進行說明之圖。
圖26係表示實施例2及比較例2中之光譜靈敏度相對於波長之變化之線圖。
圖27係表示實施例2及比較例2中之光譜靈敏度相對於波長之變化之線圖。
圖28係用以對第5實施形態之變形例之光二極體之構成進行說明之圖。
圖29係用以對第6實施形態之光二極體陣列之構成進行說明之圖。
圖30係用以對第6實施形態之光二極體陣列之構成進行 說明之圖。
10‧‧‧不規則之凹凸
20‧‧‧p-型半導體基板
20a‧‧‧第1主面
20b‧‧‧第2主面
21‧‧‧光感應區域
23‧‧‧n+型雜質區域
23a‧‧‧n+型保護環
24‧‧‧鈍化膜
25‧‧‧p+型雜質區域
27‧‧‧p+型擴散遮斷區域
31、33、39‧‧‧電極
35‧‧‧凹部
37‧‧‧累積層
H11、H12‧‧‧接觸孔
PD5‧‧‧光二極體

Claims (8)

  1. 一種光二極體，其特徵在於：其包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且具有相互對向之第1主面及第2主面，於上述矽基板之上述第1主面側配置雪崩光二極體，該雪崩光二極體係由具有較上述矽基板更高之雜質濃度的第1導電型之半導體區域與第2導電型之半導體區域之間的pn接合所構成，於上述矽基板之上述第2主面側形成有具有較上述矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於至少與上述雪崩光二極體對向之區域形成有不規則之凹凸，上述矽基板之上述第2主面中之與上述雪崩光二極體對向之上述區域係光學性地露出。
  2. 一種光二極體，其特徵在於：其包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且具有相互對向之第1主面及第2主面，並且於上述第1主面側形成有第2導電型之半導體區域，上述矽基板中，於上述第2主面側形成有具有較上述矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於上述第2主面中之至少與第2導電型之上述半導體區域對向的區域形成有不規則之凹凸，上述矽基板之上述第2主面中之與第2導電型之上述半導體區域對向的上述區域係光學性地露出。
  3. 如請求項1或2之光二極體，其中將上述矽基板之與第2導電型之上述半導體區域對應之部分自上述第2主面側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。
  4. 如請求項1或2之光二極體，其中第1導電型之上述累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
  5. 如請求項3之光二極體，其中第1導電型之上述累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
  6. 一種光二極體陣列，其特徵在於：其包括矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且具有相互對向之第1主面及第2主面，於上述矽基板之上述第1主面側配置複數個雪崩光二極體，該等雪崩光二極體係由具有較上述矽基板更高之雜質濃度的第1導電型之半導體區域與第2導電型之半導體區域之間的pn接合所構成，於上述矽基板之上述第2主面側形成有具有較上述矽基板更高之雜質濃度之第1導電型之累積層，並且於至少與上述雪崩光二極體對向之區域形成有不規則之凹凸，上述矽基板之上述第2主面中之與上述雪崩光二極體對向之上述區域係光學性地露出。
  7. 如請求項6之光二極體陣列，其中將上述矽基板之配置有複數個上述雪崩光二極體之部分自上述第2主面側起薄化，而殘留該部分之周邊部分。
  8. 如請求項6或7之光二極體陣列，其中第1導電型之上述累積層之厚度大於不規則之上述凹凸之高低差。
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