专利名称：光电二极管以及光电二极管阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电二极管以及光电二极管阵列。
背景技术：
作为在近红外光的波段具有高的分光灵敏度特性的光电二极管，已知有使用化合物半导体的光电二极管(例如参照专利文献1)。专利文献1中所记载的光电二极管包括 第1受光层，其由InGaAsN、InGaAsNSb及InGaAsNP中的任意一者构成；以及第2受光层，其具有比第1受光层的吸收端更长波长的吸收端，且由量子阱构造构成。专利文献专利文献1 日本特开2008-153311号公报
发明内容
发明所要解决的问题然而，这样的使用化合物半导体的光电二极管的价格仍然较高，制造工序也较为复杂。因此，寻求硅光电二极管的实用化，该硅光电二极管廉价且容易制造，并且在近红外光的波段具有充分的分光灵敏度。一般来说，硅光电二极管在分光灵敏度特性的长波长侧的极限为IlOOnm左右，但在IOOOnm以上的波段中的分光灵敏度特性并不充分。本发明的目的在于提供一种光电二极管及光电二极管阵列，其是硅光电二极管及硅光电二极管阵列，且在近红外光的波段具有充分的分光灵敏度特性。解决问题的技术手段本发明所涉及的光电二极管包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有相互相对的第1主面及第2主面，在硅基板的第1主面侧配置有雪崩光电二极管 (avalanche photodiode)，该雪崩光电二极管由具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的半导体区域与第2导电类型的半导体区域之间的pn结所构成，在硅基板的第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且至少在与雪崩光电二极管相对的区域形成有不规则的凹凸，硅基板的第2主面上的与雪崩光电二极管相对的区域光学性地露出。本发明所涉及的光电二极管中，在第2主面上的至少与雪崩光电二极管相对的区域形成有不规则的凹凸，因此，入射至光电二极管的光由该区域反射、散射或扩散，在硅基板内行进较长距离。由此，入射至光电二极管(硅基板)的光，其大部分由硅基板吸收，而不会透过硅基板。因此，上述光电二极管中，入射至光电二极管的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长，因此，在近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。本发明中，在硅基板的第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层。因此，在第2主面侧不通过光而产生的多余载流子进行再结合，可以减少暗电流。另外，第1导电类型的上述累积层抑制在硅基板的第2主面附近通过光而产生的载流子由该第2主面捕获。因此，通过光而产生的载流子有效地朝向第2导电类型的半导体区域与硅基板的pn结移动，从而可提高光电二极管的光检测灵敏度。本发明所涉及的光电二极管包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有相互相对的第1主面及第2主面，并且在第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域，硅基板上，在第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在第2主面上的至少与第2导电类型的半导体区域相对的区域形成有不规则的凹凸，硅基板的第2主面上的与第2导电类型的半导体区域相对的区域光学性地露出。本发明所涉及的光电二极管中，如上所述，入射至光电二极管的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长，因此，在近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。通过形成于硅基板的第2主面侧的第1导电类型的累积层，可减少暗电流，并且可提高光电二极管的光检测灵敏度。本发明所涉及的光电二极管中，也可将硅基板的与第2导电类型的半导体区域对应的部分从第2主面侧起薄化，而残留该部分的周边部分。在该情况下，可获得分别将硅基板的第1主面及第2主面侧作为光入射面的光电二极管。在本发明所涉及的光电二极管中，优选为第1导电类型的累积层的厚度大于不规则的上述凹凸的高低差。在该情况下，如上所述，可确保累积层的作用效果。本发明所涉及的光电二极管阵列包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有相互相对的第1主面及第2主面，在硅基板的第1主面侧配置有多个雪崩光电二极管，该等雪崩光电二极管由具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的半导体区域与第2导电类型的半导体区域之间的pn结所构成，在硅基板的第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且至少在与雪崩光电二极管相对的区域形成有不规则的凹凸，硅基板的第2主面上的与雪崩光电二极管相对的区域光学性地露出ο本发明所涉及的光电二极管阵列中，如上所述，入射至光电二极管阵列的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长，因此，在近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。通过形成于硅基板的第2主面侧的第1导电类型的累积层，可减少暗电流，并且可提高光电二极管阵列的光检测灵敏度。在本发明所涉及的光电二极管阵列中，也可将硅基板的配置有多个雪崩光电二极管的部分自第2主面侧起薄化，而残留该部分的周边部分。在该情况下，可获得分别将硅基板的第1主面及第2主面侧作为光入射面的光电二极管。在本发明所涉及的光电二极管阵列中，优选为第1导电类型的累积层的厚度大于不规则的凹凸的高低差。在该情况下，如上所述，可确保累积层的作用效果。发明的效果 根据本发明，可提供一种光电二极管及光电二极管阵列，其是硅光电二极管及硅光电二极管阵列，且在近红外光的波段具有充分的分光灵敏度特性。
图1是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图2是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图3是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图4是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图5是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图6是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图7是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图8是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图9是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图10是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图11是表示第1实施方式所涉及的光电二极管的构成的图。图12是表示实施例1及比较例1中的分光灵敏度相对于波长的变化的线图。图13是表示实施例1及比较例1中的温度系数相对于波长的变化的线图。图14是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图15是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图16是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图17是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图18是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图19是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图20是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图21是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图22是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图23是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图M是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。图25是用以对第5实施方式所涉及的光电二极管的构成进行说明的图。图沈是表示实施例2及比较例2中的分光灵敏度相对于波长的变化的线图。图27是表示实施例2及比较例2中的分光灵敏度相对于波长的变化的线图。图观是用以对第5实施方式的变形例所涉及的光电二极管的构成进行说明的图。图四是用以对第6实施方式所涉及的光电二极管阵列的构成进行说明的图。图30是用以对第6实施方式所涉及的光电二极管阵列的构成进行说明的图。符号的说明1···η-型半导体基板、la···第1主面、Ib…第2主面、3…ρ+型半导体区域、5…η+ 型半导体区域、10…不规则的凹凸、11···累积层、13、15…电极、20···Ρ-型半导体基板、20a… 第1主面、20b…第2主面、21···光感应区域、23…η+型杂质区域、25…ρ+型杂质区域、37… 累积层、PL···脉冲激光、PDl PD5···光电二极管、PDA…光电二极管阵列。
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。还有，在说明中，对于相同要素或具有相同功能的要素使用相同符号，省略重复的说明。(第1实施方式)参照图1 图10，对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图 1 图10是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
首先，准备由硅(Si)结晶构成且具有相互相对的第1主面Ia及第2主面Ib的 η-型半导体基板1 (参照图1)。η-型半导体基板1的厚度为300 μ m左右，比电阻为IkQ 左右。本实施方式中，所谓“高杂质浓度”，例如是指杂质浓度为IX IO17CnT3左右以上，且对导电类型附加“ + ”表示。所谓“低杂质浓度”，例如是指杂质浓度为IX IO15CnT3左右以下， 且对导电类型附加“_”表示。作为η型杂质，存在锑(Sb)或砷(As)等，作为ρ型杂质，存在硼⑶等。其次，在η-型半导体基板1的第1主面Ia侧形成ρ+型半导体区域3及η+型半导体区域5 (参照图2)。ρ+型半导体区域3通过使用中央部开口的掩模等，使高浓度的ρ 型杂质在η-型半导体基板1内自第1主面Ia侧扩散而形成。η+型半导体区域5通过使用周边部区域开口的其它的掩模等，以包围P+型半导体区域3的方式使比η-型半导体基板 1更高浓度的η型杂质，在η-型半导体基板1内自第1主面Ia侧扩散而形成。ρ+型半导体区域3的厚度例如为0. 55 μ m左右，薄片电阻例如为44 Ω /sq.。η+型半导体区域5的厚度例如为1.5 μ m左右，薄片电阻例如为12Q/Sq.。其次，在η-型半导体基板1的第1主面Ia侧形成绝缘层7 (参照图3)。绝缘层7 由S^2构成，且通过将η-型半导体基板1热氧化而形成。绝缘层7的厚度例如为0. 1 μ m 左右。然后，在P+型半导体区域3上的绝缘层7中形成接触孔Hl，在η+型半导体区域5上的绝缘层7中形成接触孔Η2。也可形成由SiN构成的抗反射(AR，anti-reflective)层来代替绝缘层7。其次，在η-型半导体基板1的第2主面Ib上及绝缘层7上形成钝化层9 (参照图 4)。钝化层9由SiN构成，且通过例如等离子CVD (chemical vapor exposition，化学气相沉积)法而形成。钝化层9的厚度例如为0. 1 μ m。然后，自第2主面Ib侧对η-型半导体基板1进行研磨，以使η-型半导体基板1的厚度成为所期望的厚度(参照图5)。由此，将形成于η-型半导体基板1的第2主面Ib上的钝化层9除去，而露出η-型半导体基板1。 此处，也将通过研磨而露出的面设为第2主面lb。所期望的厚度例如为270 μ m。其次，对η-型半导体基板1的第2主面Ib照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸 10 (参照图6)。此处，如图7所示，将η-型半导体基板1配置于腔室C内，自配置于腔室C 的外侧的脉冲激光产生装置PLD对η-型半导体基板1照射脉冲激光PL。腔室C包括气体导入部及气体排出部Gott，将不活性气体(例如氮气或氩气等)自气体导入部Gin导入后自气体排出部Gott排出。由此，在腔室C内形成有不活性气体流(if。通过不活性气体流 (^，将照射脉冲激光PL时所产生的尘埃等排出至腔室C外，而防止加工屑或尘埃等附着于 η-型半导体基板1上。本实施方式中，使用皮秒 飞秒脉冲激光产生装置作为脉冲激光产生装置PLD，且遍及第2主面Ib的整个面照射皮秒 飞秒脉冲激光。第2主面Ib受到皮秒 飞秒脉冲激光破坏，如图8所示，在第2主面Ib的整个面形成不规则的凹凸10。不规则的凹凸10具有相对于与第1主面Ia正交的方向而交差的面。凹凸10的高低差例如为0. 5 10 μ m左右，凹凸10中的凸部的间隔为0.5 10 μ m左右。皮秒 飞秒脉冲激光的脉冲时间宽度例如为50fs 2ps左右，强度例如为4 16GW左右，脉冲能量例如为200 800μ J/pulse 左右。更通常的是，峰值强度为3 X IO11 2. 5X1013(W/cm2)，通量为0. 1 1. 3(J/cm2)左右。图8是对形成于第2主面Ib上的不规则的凹凸10进行观察的SEM(scanning electronmicroscope，扫描式电子显微镜)图像。其次，在η-型半导体基板1的第2主面Ib侧形成累积层11 (参照图9)。此处，以成为比η-型半导体基板1更高的杂质浓度的方式，将η型杂质在η-型半导体基板1内自第2主面Ib侧离子注入或扩散，从而形成累积层11。累积层11的厚度例如为Iym左右。其次，对η-型半导体基板1进行热处理(退火)。此处，在N2气体的气氛下，以 800 1000°C左右的范围，将η-型半导体基板1加热0. 5 1小时左右。其次，在将形成于绝缘层7上的钝化层9除去之后，形成电极13、15(参照图10)。 电极13形成于接触孔Hl内，电极15形成于接触孔Η2内。电极13、15分别由铝(Al)等构成，且厚度例如为Iym左右。由此，完成光电二极管PDl。如图10所示，光电二极管PDl包括η-型半导体基板1。在η-型半导体基板1的第1主面Ia侧形成有P+型半导体区域3及η+型半导体区域5，在η-型半导体基板1与 P+型半导体区域3之间形成有ρη结。电极13通过接触孔Hl而与ρ+型半导体区域3电性接触且连接。电极15通过接触孔Η2而与η+型半导体区域5电性接触且连接。在η-型半导体基板1的第2主面Ib形成有不规则的凹凸10。在η_型半导体基板1的第2主面Ib侧形成有累积层11，且第2主面Ib光学性地露出。所谓第2主面Ib光学性地露出，不仅指第2主面Ib与空气等的气氛气体接触，而且也包括在第2主面Ib上形成有光学上透明的膜的情况。光电二极管PDl中，在第2主面Ib形成有不规则的凹凸10。因此，如图11所示， 入射至光电二极管PDl的光L由凹凸10反射、散射或扩散，而在η-型半导体基板1内行进较长的距离。通常，相对于Si的折射率η = 3. 5，空气的折射率η = 1.0。光电二极管中，在光自与光入射面垂直的方向入射的情况下，未在光电二极管(硅基板)内被吸收的光分为由光入射面的背面反射的光成分、与透过光电二极管的光成分。透过光电二极管的光无助于光电二极管的灵敏度。由光入射面的背面所反射的光成分若在光电二极管内被吸收，则成为光电流。未被吸收的光成分在光入射面，与到达光入射面的背面的光成分同样地反射或透过。光电二极管PDl中，在光L自与光入射面(第1主面la)垂直的方向入射的情况下，若到达形成于第2主面Ib的不规则的凹凸10，则以与来自凹凸10的出射方向成16. 6° 以上的角度到达的光成分由凹凸10全反射。因为凹凸10不规则地形成，因此，相对于出射方向具有各种角度，全反射的光成分朝各个方向扩散。因此，全反射的光成分中若存在由 η-型半导体基板1内部吸收的光成分，则存在到达第1主面Ia及侧面的光成分。到达第1主面Ia及侧面的光成分由于凹凸10上的扩散而朝各个方向行进。因此， 到达第1主面Ia及侧面的光成分由第1主面Ia及侧面全反射的可能性极高。由第1主面 Ia及侧面全反射的光成分使不同的面上的全反射反复，其行进距离变得更长。如上所述，入射至光电二极管PDl的光L在η-型半导体基板1的内部行进较长的距离的期间，由η-型半导体基板1吸收，而作为光电流被检测。如上所述，入射至光电二极管PDl的光L，其大部分不会透过光电二极管PDl，而是行进距离变长，由η-型半导体基板1吸收。因此，光电二极管PDl中，在近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。
在第2主面Ib形成有规则的凹凸的情况下，到达第1主面Ia及侧面的光成分由凹凸扩散，但朝相同的方向行进。因此，到达第1主面Ia及侧面的光成分由第1主面Ia及侧面全反射的可能性较低。因此，在第1主面Ia及侧面、进而在第2主面Ib中透过的光成分增加，入射至光电二极管的光的行进距离较短。其结果，难以提高在近红外光的波段的分光灵敏度特性。此处，为了对第1实施方式的在近红外光的波段的分光灵敏度特性的提高效果进行确认，而进行了实验。制作包括上述构成的光电二极管(称作实施例1)、与未在η-型半导体基板的第2 主面形成不规则的凹凸的光电二极管(称作比较例1)，分别研究分光灵敏度特性。实施例 1与比较例1除通过脉冲激光的照射而形成不规则的凹凸以外，为相同的构成。将η-型半导体基板1的尺寸设定为6. 5mmX6. 5mm。将ρ+型半导体区域3即光感应区域的尺寸设定为5. 8mmX5. 8mm。将对光电二极管施加的偏压电压VR设定为0V。将结果表示于图12中。在图12中，实施例1的分光灵敏度特性由Tl所表示，比较例1的分光灵敏度特性由特性T2所表示。在图12中，纵轴表示分光灵敏度(mA/W)，横轴表示光的波长(nm)。以一点划线所表示的特性表示量子效率(QE)为100%的分光灵敏度特性，以虚线所表示的特性表示量子效率为50%的分光灵敏度特性。根据图12可知，例如在1064nm下，比较例1中分光灵敏度为0. 2A/ff(QE = 25%), 相对于此，实施例1中分光灵敏度为0. 6A/ff(QE = 72% )，在近红外光的波段的分光灵敏度大幅提高。也对实施例1及比较例1中的分光灵敏度的温度特性进行了确认。此处，使气氛温度自25°C上升至60°C而研究分光灵敏度特性，求出60°C下的分光灵敏度相对于25°C下的分光灵敏度的比例(温度系数)。将结果表示于图13中。在图13中，实施例1的温度系数的特性由T3所表示，比较例1的温度系数的特性由特性T4所表示。在图13中，纵轴表示温度系数(％ /0C )，横轴表示光的波长(nm)。根据图13可知，例如在1064nm下，比较例1中温度系数为0. 7% /°C，相对于此， 实施例1中温度系数为0. 2% /°C，温度依赖性较低。通常，若温度上升，则吸收系数增大且带隙能量减少，由此，分光灵敏度变高。实施例1中，在室温的状态下分光灵敏度充分地高， 因此，与比较例1相比较，温度上升所引起的分光灵敏度的变化变小。光电二极管PDl中，在η-型半导体基板1的第2主面Ib侧形成有累积层11。由此，在第2主面Ib侧不通过光而产生的多余载流子进行再结合，可减少暗电流。累积层11 抑制在第2主面Ib附近通过光而产生的载流子由该第2主面Ib捕获。因此，通过光而产生的载流子有效地朝向Pn结移动，从而可进一步提高光电二极管PDl的光检测灵敏度。第1实施方式中，在形成累积层11之后，对η-型半导体基板1进行热处理。由此， η-型半导体基板1的结晶性恢复，可防止暗电流的增加等的不良情况。第1实施方式中，在对η-型半导体基板1进行热处理之后，形成电极13、15。由此，在电极13、15使用熔点相对较低的金属的情况下，电极13、15也不会由于热处理而熔融。其结果，可不受热处理的影响而适当地形成电极13、15。第1实施方式中，照射皮秒 飞秒脉冲激光，而形成不规则的凹凸10。由此，可适当且容易地形成不规则的凹凸10。
(第2实施方式)参照图14 图16，对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图 14 图16是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。第2实施方式的制造方法中，直至自第2主面Ib侧对η-型半导体基板1进行研磨为止，与第1实施方式的制造方法相同，省略至此为止的工序的说明。自第2主面Ib侧对η-型半导体基板1进行研磨，使η-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在η-型半导体基板1的第2主面Ib侧形成累积层11 (参照图14)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为Iym左右。其次，对η-型半导体基板1的第2主面Ib照射脉冲激光PL，而形成不规则的凹凸 10 (参照图15)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。其次，与第1实施方式同样地对η-型半导体基板1进行热处理。然后，在将形成于绝缘层7上的钝化层9除去之后，形成电极13、15 (参照图16)。由此，完成光电二极管 PD2。在第2实施方式中，也与第1实施方式同样地，入射至光电二极管PD2的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，在光电二极管PD2中，也可提高在近红外光的波段的分光灵敏度特性。第2实施方式中，累积层11的厚度大于不规则的凹凸10的高低差。因此，即使在形成累积层11之后，照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层11仍可靠地残留。因此，可确保累积层11的作用效果。(第3实施方式)参照图17 图21，对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图 17 图21是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。第3实施方式的制造方法中，直至形成钝化层9为止，与第1实施方式的制造方法相同，省略至此为止的工序的说明。在形成钝化层9之后，将η-型半导体基板1中的与ρ+型半导体区域3对应的部分自第2主面Ib侧起薄化，而残留该部分的周边部分(参照图17)。 η-型半导体基板1的薄化例如通过由使用氢氧化钾溶液或TMAH(tetramethylammonium hydroxide，氢氧化四甲基铵溶液)等的碱性蚀刻进行的各向异性蚀刻而进行。n_型半导体基板1的已薄化的部分的厚度例如为100 μ m左右，周边部分的厚度例如为300 μ m左右。其次，自第2主面Ib侧对η-型半导体基板1进行研磨，以使η_型半导体基板1 的周边部分的厚度成为所期望的厚度(参照图18)。所期望的厚度例如为270 μ m。其次，对η-型半导体基板1的第2主面Ib照射脉冲激光PL，而形成不规则的凹凸 10 (参照图19)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。其次，在η-型半导体基板1的已薄化的部分的第2主面Ib侧形成累积层11 (参照图20)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为3μπι左右ο其次，与第1实施方式同样地，在对η-型半导体基板1进行热处理之后，将形成于绝缘层7上的钝化层9除去，形成电极13、15 (参照图21)。由此，完成光电二极管PD3。在第3实施方式中，也与第1及第2实施方式同样地，入射至光电二极管PD3的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，光电二极管PD3中，也可提高在近红外光的波段的分光灵敏度特性。第3实施方式中，在形成不规则的凹凸10之前，将η-型半导体基板1中的与ρ+ 型半导体区域3对应的部分自第2主面Ib侧起薄化，而残留该部分的周边部分。由此，可获得分别将η-型半导体基板1的第1主面Ia及第2主面Ib侧作为光入射面的光电二极管 PD3。(第4实施方式)参照图22 图Μ，对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图 22 图M是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。第4实施方式的制造方法中，直至将η-型半导体基板1薄化为止，与第3实施方式的制造方法相同，省略至此为止的工序的说明。自第2主面Ib侧对η-型半导体基板1 进行研磨，使η-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在η-型半导体基板1的已薄化的部分的第2主面Ib侧形成累积层11 (参照图22)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为3μπι左右。其次，对η-型半导体基板1的第2主面Ib照射脉冲激光PL，而形成不规则的凹凸 10 (参照图23)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。其次，与第1实施方式同样地，对η-型半导体基板1进行热处理。然后，在将形成于绝缘层7上的钝化层9除去之后，形成电极13、15 (参照图24)。由此，完成光电二极管 PD4。在第4实施方式中，也与第1 第3实施方式同样地，入射至光电二极管PD4的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，光电二极管PD4中，也可提高在近红外光的波段的分光灵敏度特性。第4实施方式中，在形成累积层11之前，将η-型半导体基板1中的与ρ+型半导体区域3对应的部分自第2主面Ib侧起薄化，而残留该部分的周边部分。由此，可获得分别将η-型半导体基板1的第1主面Ia及第2主面Ib侧作为光入射面的光电二极管PD4。(第5实施方式)参照图25，对第5实施方式所涉及的光电二极管PD5进行说明。图25是用以对第 5实施方式所涉及的光电二极管的构成进行说明的图。光电二极管PD5是用以对波长区域处于可见光 近红外光区域的低能量光进行检测的雪崩光电二极管。光电二极管PD5包括ρ-型半导体基板20。ρ-型半导体基板20 由硅(Si)结晶构成，且具有相互相对的第1主面20a及第2主面20b。ρ-型半导体基板20 包含光感应区域21。平面视时，光感应区域21设置于第1主面20a的中央部。光感应区域21自第1 主面20a起朝向内侧具有厚度。光感应区域21由η+型杂质区域23、p+型杂质区域25、及对P-型半导体基板20施加偏压电压时空乏化的区域构成。η+型杂质区域23自第1主面 20a起朝向ρ-型半导体基板20的内侧具有厚度。η+型杂质区域23具有η+型保护环23a。 η+型保护环23a设置于η+型杂质区域23的周端。ρ+型杂质区域25自η+型杂质区域23 起进一步朝向P-型半导体基板20的内侧具有厚度。ρ-型半导体基板20具有ρ+型扩散遮断区域27。平面视时，ρ+型扩散遮断区域27处于第1主面20a的周端，且自第1主面20a 起朝向内侧具有厚度。P+型扩散遮断区域27以包围光感应区域21的方式而设置。
P-型半导体基板20是添加有例如硼(B)等的ρ型杂质的硅基板。P+型杂质区域 25是添加有比ρ-型半导体基板20更高浓度的ρ型杂质的区域。ρ+型扩散遮断区域27是以比P+型杂质区域25更高浓度添加有P型杂质的区域。η+型杂质区域23是添加有例如锑(Sb)等η型杂质的区域。η+型杂质区域23 (包括η+型保护环23a)及ρ+型杂质区域 25在ρ-型半导体基板20内构成ρη结。光电二极管PD5具有层叠于第1主面20a上的钝化膜四。光电二极管PD5具有设置于钝化膜四上的电极31及电极33。钝化膜四中，在η+型杂质区域23上设置有接触孔 Η11，并且在ρ+型扩散遮断区域27上设置有接触孔Η12。电极31经由接触孔Hll而与η+ 型杂质区域23电性接触且连接。电极33经由接触孔Η12而与ρ+型扩散遮断区域27电性接触且连接。钝化膜四的材料例如为氧化硅等。光电二极管PD5具有形成于第2主面20b侧的凹部35。凹部35通过自第2主面 20b侧起将ρ-型半导体基板20薄化而形成，在凹部35的周围存在较厚的框部。凹部35的侧面与凹部35的底面成钝角而倾斜。平面视时，凹部35以与光感应区域21重叠的方式而形成。凹部35的底面与第1主面20a之间的厚度相对较小，例如为100 200 μ m左右，优选为150 μ m左右。如上所述，因为第1主面20a与凹部35的底面之间的厚度相对较小，因此，使响应速度高速化，并且降低对光电二极管PD5施加的偏压电压。在ρ-型半导体基板20的第2主面20b的整体形成有不规则的凹凸10。在ρ-型半导体基板20的第2主面20b侧形成有累积层37。累积层37中的与凹部35的底面对应的区域、即与构成雪崩光电二极管的光感应区域21相对的区域光学性地露出。所谓第2主面20b光学性地露出，不仅指第2主面20b与空气等的气氛气体接触，而且也包括在第2主面20b上形成有光学上透明的膜的情况。不规则的凹凸10也可仅形成于凹部35的底面、 即与作为雪崩光电二极管发挥功能的光感应区域21相对的区域。光电二极管PD5具有电极39。电极39设置于累积层37上，且与累积层37电性接触且连接。累积层37中的形成有电极39的区域不光学性地露出。具有上述构成的光电二极管PD5中，在对电极31与电极39施加逆向偏压电压(崩溃电压)的情况下，在光感应区域21产生与入射至光感应区域21的光量对应的载流子。在 P+型扩散遮断区域27的附近所产生的载流子流入至ρ+型扩散遮断区域27。因此，通过ρ+ 型扩散遮断区域27，而将来自电极31的输出信号中产生的裙边降低。其次，对第5实施方式所涉及的光电二极管PD5的制造方法加以说明。首先，准备ρ-型半导体基板20。ρ-型半导体基板20的厚度为300 μ m左右。其次，在P-型半导体基板20的第1主面20a侧形成ρ+型杂质区域25及ρ+型扩散遮断区域27。ρ+型杂质区域25通过使用中央部开口的掩模等，将高浓度的P型杂质在 P-型半导体基板20内自第1主面20a侧离子注入而形成。ρ+型扩散遮断区域27通过使用周边部区域开口的其它的掩模等，使高浓度的P型杂质在P-型半导体基板20内自第1 主面20a侧扩散而形成。其次，在ρ-型半导体基板20的第1主面20a侧形成η+型保护环23a及η+型杂质区域23。η+型保护环23a通过使用开口成环状的掩模等，使高浓度的η型杂质在ρ_型半导体基板20内自第1主面20a侧扩散而形成。η+型杂质区域23通过使用中央部开口的其它的掩模等，将高浓度的η型杂质在ρ-型半导体基板20内自第1主面20a侧离子注入而形成。其次，通过对ρ-型半导体基板20的第2主面20b的表面进行研磨而使其平坦化。 然后，将P-型半导体基板20中的与P+型杂质区域25对应的部分自第2主面Ib侧起薄化， 而残留该部分的周边部分。P-型半导体基板20的薄化例如通过由使用KOH水溶液或TMAH 等的碱性蚀刻进行的各向异性蚀刻而进行。P-型半导体基板20的已薄化的部分的厚度例如为150 μ m左右，周边部分的厚度例如为200 μ m左右。其次，在ρ-型半导体基板20的第2主面20b侧形成累积层37。此处，以成为比 P-型半导体基板20更高的杂质浓度的方式，将P型杂质在P-型半导体基板20内自第2主面20b侧离子注入，从而形成累积层37。累积层37的厚度例如为1. 5 μ m左右。其次，对ρ-型半导体基板20进行热处理(退火)。此处，在队气体的气氛下，以 900 1100°C左右的范围、优选为以1000°C左右，将ρ-型半导体基板20加热0. 5 1. 0小时左右、优选为0. 5小时左右。通过热处理，P型半导体基板20的结晶性恢复，可防止暗电流的增加等的不良情况。其次，对ρ-型半导体基板20的第2主面20b照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸 10。不规则的凹凸10与上述实施方式同样地，通过对P型半导体基板20的第2主面20b 照射脉冲激光而形成。照射脉冲激光的脉冲激光产生装置可使用皮秒 飞秒脉冲激光产生装置。不规则的凹凸10具有相对于与第1主面20a正交的方向交差的面。凹凸10的高低差例如为0. 5 ΙΟμπι左右，凹凸10中的凸部的间隔为0.5 ΙΟμπι左右。皮秒 飞秒脉冲激光的脉冲时间宽度例如为50fs 2ps左右，强度例如为4 16GW左右，脉冲能量例如为200 800μ J/pulse左右。更通常的是，峰值强度为3 X IO11 2. 5 X IO13 (W/cm2)，通量为 0. 1 1. 3(J/cm2)左右。其次，对P-型半导体基板20进行热处理(退火)。此处，在队气体的气氛下，以 900 1100°C左右的范围、优选为以1000V左右，将ρ-型半导体基板20加热0. 5 1. 0小时左右、优选为0. 5小时左右。通过热处理，可进行混乱的结晶损伤的恢复及再结晶化。其次，在ρ-型半导体基板20的第1主面20a侧形成钝化膜四。然后，在钝化膜 29中形成接触孔H11、H12，形成电极31、33。电极31形成于接触孔Hll内，电极33形成于接触孔H12内。另外，在ρ-型半导体基板20的已薄化的部分的周边部分的累积层37上形成电极39。电极31、33分别由铝(Al)等构成，电极39由金(Au)等构成。由此，完成光电二极管PD5。光电二极管PD5中，在第2主面20b形成有不规则的凹凸10。因此，入射至光电二极管PD5的光由凹凸10反射、散射或扩散，而在ρ-型半导体基板20内行进较长的距离。光电二极管PD5中，在光自与光入射面(第1主面20a)垂直的方向入射的情况下， 若到达形成于第2主面20b的不规则的凹凸10，则以与来自凹凸10的出射方向成16. 6° 以上的角度到达的光成分由凹凸10全反射。因为凹凸10不规则地形成，因此，相对于出射方向具有各种角度，全反射的光成分朝各个方向扩散。因此，全反射的光成分中，若存在由 P-型半导体基板20内部吸收的光成分，则存在到达第1主面20a及侧面的光成分。到达第1主面20a及侧面的光成分通过凹凸10上的扩散而朝各个方向行进。因此，到达第1主面20a及侧面的光成分由第1主面20a及侧面全反射的可能性极高。由第1 主面20a及侧面全反射的光成分使不同的面上的全反射反复，其行进距离变得更长。因此，入射至光电二极管PD5的光在ρ-型半导体基板20的内部行进较长的距离的期间，由ρ-型半导体基板20吸收，而作为光电流被检测。入射至光电二极管PD5的光L的大部分不会透过光电二极管PD5，而是行进距离变长，由P-型半导体基板20吸收。因此，光电二极管PD5中，在近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。此处，为了对第5实施方式的在近红外光的波段的分光灵敏度特性的提高效果进行确认，而进行了实验。制作具有上述构成的光电二极管(称作实施例2)、与未在ρ-型半导体基板的第2 主面形成不规则的凹凸的光电二极管(称作比较例幻，分别研究分光灵敏度特性。实施例 2与比较例2除通过照射脉冲激光而形成不规则的凹凸以外，为相同的构成。将ρ-型半导体基板20的尺寸设定为4. 24mmX 4. 24mm。将ρ+型杂质区域25即光感应区域的尺寸设定为3πιπιΦ。将对光电二极管施加的偏压电压VR设定为约300V。将结果表示于图沈中。在图沈中，实施例2的分光灵敏度特性由TS1表示，比较例2的分光灵敏度特性由特性1 表示。在图沈中，纵轴表示分光灵敏度(mA/W)，横轴表示光的波长(nm)。根据图沈可知，例如在1064nm下，比较例2中分光灵敏度为4. 1A/W，相对于此，实施例2中分光灵敏度为7. 6A/W，在近红外光的波段的分光灵敏度大幅提高。光电二极管PD5中，在ρ-型半导体基板20的第2主面20b侧形成有累积层37。 由此，在第2主面20b侧不通过光而产生的多余载流子进行再结合，可减少暗电流。累积层 37抑制在第2主面20b附近通过光而产生的载流子由该第2主面20b捕获。因此，通过光而产生的载流子有效地朝pn结移动，可进一步提高光电二极管PD5的光检测灵敏度。第5实施方式中，在形成累积层37之后，对ρ-型半导体基板20进行热处理。由此，P-型半导体基板20的结晶性恢复，可防止暗电流的增加等的不良情况。累积层37也可在形成不规则的凹凸10之后形成。在形成累积层37之后，照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10的情况下，优选为将累积层37的厚度设定为大于不规则的凹凸10的高低差。在该情况下，即使照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层37仍可靠地残留。因此，可确保累积层37的作用效果。第5实施方式中，在对ρ-型半导体基板20进行热处理之后，形成电极31、33、39。 由此，在电极31、33、39使用熔点相对较低的材料的情况下，电极31、33、39也不会由于热处理而熔融。因此，可不受热处理的影响而适当地形成电极31、33、39。第5实施方式中，照射皮秒 飞秒脉冲激光，而形成不规则的凹凸10。由此，适当且容易地形成不规则的凹凸10。第5实施方式中，自第2主面20b侧将ρ-型半导体基板20薄化。由此，可获得分别将P-型半导体基板20的第1主面20a及第2主面20b侧作为光入射面的光电二极管。 即，光电二极管PD5不仅可用作表面入射型光电二极管，而且可用作背面入射型光电二极管。此处，为了确认将第5实施方式的光电二极管PD5用作背面入射型光电二极管的情况下的在近红外光的波段的分光灵敏度特性的提高效果，而进行了实验。使用上述实施例2及比较例2的光电二极管，分别对自背面入射光时的分光灵敏度特性进行研究。将结果表示于图27中。在图27中，实施例2的分光灵敏度特性由1 来
13表示，比较例2的分光灵敏度特性由特性T54来表示。在图27中，纵轴表示分光灵敏度(mA/ W)，横轴表示光的波长(nm)。根据图27可知，例如在1064nm下，比较例2中分光灵敏度为 1. 9A/W，相对于此，实施例2中分光灵敏度为5. 7A/W，在近红外光的波段的分光灵敏度大幅提尚。如上所述，无论第5实施方式的光电二极管PD5为表面入射型及背面入射型，在 1064nm下均具有充分的分光灵敏度。因此，光电二极管PD5可用作YAG激光的检测元件。但是，在雪崩光电二极管中，通过将由硅构成的半导体基板设定为较厚(例如数百μ m 2mm左右)，可实现在近红外光的波段具有实用上充分的分光灵敏度特性的雪崩光电二极管。然而，雪崩光电二极管中，需要用以空乏化的偏压电压与用以雪崩倍增的偏压电压，因此，在使上述半导体基板的厚度增大的情况下，需要施加极高的偏压电压。另外，若半导体基板较厚，则暗电流也增加。然而，第5实施方式所涉及的光电二极管PD5中，如上所述，通过在第2主面20b 形成不规则的凹凸10，入射至光电二极管PD5的光的行进距离变长。因此，可实现一种不使半导体基板(P-型半导体基板20)、特别是与光感应区域21对应的部分变厚，而在近红外光的波段具有实用上充分的分光灵敏度特性的光电二极管。因此，与通过使半导体基板变厚而在近红外光的波段具有分光灵敏度特性的光电二极管相比较，上述光电二极管PD5可通过施加较低的偏压电压而获得良好的分光灵敏度特性。另外，暗电流的增加被抑制，光电二极管PD5的检测精度提高。进而，因为ρ-型半导体基板20的厚度较薄，因此，光电二极管 PD5的响应速度提高。第5实施方式所涉及的光电二极管PD5中，也可如图观所示，将第2主面20b侧的整个区域薄化。(第6实施方式)参照图四，对第6实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA进行说明。图四是用以对第6实施方式的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成进行说明的图。光电二极管阵列PDA包括ρ-型半导体基板20，在ρ-型半导体基板20上配置有多个作为雪崩光电二极管发挥功能的光感应区域21。在ρ-型半导体基板20的第2主面20b整体形成有不规则的凹凸10。S卩，光电二极管阵列PDA中，不仅在与作为雪崩光电二极管发挥功能的光感应区域21相对的区域，也在与光感应区域21之间相对的区域形成有不规则的凹凸10。在第6实施方式中，也与第5实施方式同样地，入射至光电二极管阵列PDA的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，光电二极管阵列PDA中，也可提高在近红外光的波段的分光灵敏度特性。第6实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA与第5实施方式同样地，与通过使半导体基板变厚而在近红外光的波段具有实用上充分的分光灵敏度特性的光电二极管阵列相比较，可通过施加较低的偏压电压而获得良好的分光灵敏度特性。另外，暗电流的增加被抑制，光电二极管阵列PDA的检测精度提高。进而，因为ρ-型半导体基板20的厚度较薄， 因此，光电二极管阵列PDA的响应速度提高。光电二极管阵列PDA中，也在ρ-型半导体基板20的第2主面20b中的与光感应区域21之间相对的区域，形成有不规则的凹凸10。因此，入射至光感应区域21之间的光L，如图30所示，通过形成于第2主面20b中的与光感应区域21之间相对的区域的不规则的凹凸10而反射、散射或扩散，由任意的光感应区域21吸收。因此，光电二极管阵列PDA中， 在光感应区域21之间检测灵敏度不会下降，检测灵敏度提高。光电二极管阵列PDA也与第5实施方式的光电二极管PD5同样地，可用作YAG激光的检测元件。光电二极管阵列PDA与第5实施方式的光电二极管PD5同样地，也可将第2主面 20b侧的整个区域薄化。光电二极管阵列PDA可用作表面入射型及背面入射型的任意的光电二极管阵列。以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内可进行各种变更。第1 第4实施方式中，遍及第2主面Ib的整个面照射脉冲激光，而形成不规则的凹凸10，但是，并不限定于此。例如，也可仅对Π-型半导体基板1的第2主面Ib中的与 P+型半导体区域3相对的区域照射脉冲激光，而形成不规则的凹凸10。第5 第6实施方式中，也可仅对与光感应区域21相对的区域照射脉冲激光，而形成不规则的凹凸10。第1 第4实施方式中，将电极15与形成于η-型半导体基板1的第1主面Ia侧的η+型半导体区域5电性接触且连接，但是，并不限定于此。例如，也可将电极15与形成于η-型半导体基板1的第2主面Ib侧的累积层11电性接触且连接。在该情况下，优选为在η-型半导体基板1的第2主面Ib中的与ρ+型半导体区域3相对的区域以外，形成电极 15。其原因在于，若在η-型半导体基板1的第2主面Ib中的与ρ+型半导体区域3相对的区域形成电极15，则形成于第2主面Ib的不规则的凹凸10由电极15堵塞，而产生近红外光的波段中的分光灵敏度下降的现象。可以说第5 第6实施方式中也与上述情况相同。也可将本实施方式的光电二极管PDl PD5及光电二极管阵列PDA中的ρ型及η 型的各导电类型替换为与上述相反。产业上的可利用性本发明可用于半导体光检测元件及光检测装置。
权利要求
1.一种光电二极管，其特征在于，包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有相互相对的第1主面及第 2主面，在所述硅基板的所述第1主面侧配置有雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管由具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的半导体区域与第2导电类型的半导体区域之间的pn结所构成，在所述硅基板的所述第2主面侧形成有具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且至少在与所述雪崩光电二极管相对的区域形成有不规则的凹凸，所述硅基板的所述第2主面中的与所述雪崩光电二极管相对的所述区域光学性地露出ο
2.一种光电二极管，其特征在于，包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有相互相对的第1主面及第 2主面，并且在所述第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域，所述硅基板上，在所述第2主面侧形成有具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在所述第2主面上的至少与第2导电类型的所述半导体区域相对的区域形成有不规则的凹凸，所述硅基板的所述第2主面中的与第2导电类型的所述半导体区域相对的所述区域光学性地露出。
3.如权利要求1或2所述的光电二极管，其特征在于，自所述第2主面侧起薄化所述硅基板的与第2导电类型的所述半导体区域对应的部分，并残留该部分的周边部分。
4.如权利要求1 3中的任意一项所述的光电二极管，其特征在于， 第1导电类型的所述累积层的厚度大于不规则的所述凹凸的高低差。
5.一种光电二极管阵列，其特征在于，包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有相互相对的第1主面及第 2主面，在所述硅基板的所述第1主面侧配置有多个雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管由具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的半导体区域与第2导电类型的半导体区域之间的Pn结所构成，在所述硅基板的所述第2主面侧形成有具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且至少在与所述雪崩光电二极管相对的区域形成有不规则的凹凸，所述硅基板的所述第2主面中的与所述雪崩光电二极管相对的所述区域光学性地露出ο
6.如权利要求5所述的光电二极管阵列，其特征在于，自所述第2主面侧起薄化所述硅基板的配置有多个所述雪崩光电二极管的部分，并残留该部分的周边部分。
7.如权利要求5或6所述的光电二极管阵列，其特征在于，第1导电类型的所述累积层的厚度大于不规则的所述凹凸的高低差。
全文摘要
p-型半导体基板(20)具有相互相对的第1主面(20a)及第2主面(20b)，且包含光感应区域(21)。光感应区域(21)由n+型杂质区域(23)、p+型杂质区域(25)、及对p-型半导体基板(20)施加偏压电压时空乏化的区域构成。在p-型半导体基板(20)的第2主面(20b)上形成有不规则的凹凸(10)。在p-型半导体基板(20)的第2主面(20b)侧形成有累积层(37)，累积层(37)中的与光感应区域(21)相对的区域光学性地露出。
文档编号H01L31/107GK102334198SQ201080009098
公开日2012年1月25日 申请日期2010年2月15日 优先权日2009年2月24日
发明者坂本 明, 山村和久, 永野辉昌, 河合哲, 石川嘉隆 申请人:浜松光子学株式会社