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JP2010226071A - 半導体光検出素子 - Google Patents

半導体光検出素子 Download PDF

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JP2010226071A JP2009136389A JP2009136389A JP2010226071A JP 2010226071 A JP2010226071 A JP 2010226071A JP 2009136389 A JP2009136389 A JP 2009136389A JP 2009136389 A JP2009136389 A JP 2009136389A JP 2010226071 A JP2010226071 A JP 2010226071A
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Abstract

【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】互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有すると共に第１主面１ａ側にＰ＋型半導体領域３が形成されたｎ−型半導体基板１を準備する。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ａにおける少なくともＰ＋型半導体領域３に対向する領域に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成する。不規則な凹凸１０を形成した後に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ａ側に、ｎ−型半導体基板１よりも高い不純物濃度を有する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を形成した後に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、半導体光検出素子に関する。
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。
特開２００８−１５３３１１号公報
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。
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。
本発明に係る半導体光検出素子は、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するシリコン基板を備え、シリコン基板には、該シリコン基板の一の主面側に第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、一の主面における少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の一の主面におけるｐｎ接合に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
本発明に係る半導体光検出素子では、シリコン基板の一の主面における少なくともｐｎ接合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。
本発明に係る半導体光検出素子では、シリコン基板の一の主面側に第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、一の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、シリコン基板の一の主面付近で光により発生したキャリアが該一の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、ｐｎ接合へ効率的に移動し、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 第５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。 第６実施形態に係る半導体光検出素子を示す斜視図である。 第６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。 第７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。 第８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。 第９実施形態に係るフォトダイオードアレイを概略的に示す平面図である。 図３０におけるXXXI−XXXI線に沿った断面構成を示す図である。 各光検出チャンネルと信号導線及び抵抗との接続関係を概略的に説明するための図である。 第１０実施形態に係るＭＯＳイメージセンサを概略的に示す平面図である。 図３３におけるXXXIV−XXXIV線に沿った断面構成を示す図である。 第１０実施形態に係るＭＯＳイメージセンサにおける一つの画素を拡大して示す平面図である。 図３５におけるXXXVI−XXXVI線に沿った断面構成を示す図である。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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アレイＰＤＡ１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アレイの構成を説明するための図である。
フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、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、複数のｐ＋型半導体領域３が形成されており、ｎ−型半導体基板１と各ｐ＋型半導体領域３との間にはｐｎ接合が形成されている。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。フォトダイオードアレイＰＤＡ１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、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光は凹凸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。
第５実施形態においても、第１〜第４実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ１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。
フォトダイオードアレイＰＤＡ１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、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の光検出感度を更に向上することができる。
フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３（ｐｎ接合）の間の領域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、ｐ＋型半導体領域３の間の領域に入射した光は、第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３の間の領域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、ｎ−型半導体基板１で確実に吸収される。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、ｐ＋型半導体領域３の間の領域において検出感度が低下することはなく、光検出感度が向上する。
（第６実施形態）
図２６〜図２７を参照して、第６実施形態に係る固体撮像素子ＳＩ１について説明する。図２６は、第６実施形態に係る固体撮像素子を示す斜視図である。図２７は、第６実施形態に係る固体撮像素子の断面構成を説明するための図である。
固体撮像素子ＳＩ１は、図２６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。
固体撮像素子ＳＩ１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。
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。
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。固体撮像素子ＳＩ１が、全領域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。固体撮像素子ＳＩ１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。
続いて、本実施形態の固体撮像素子ＳＩ１の製造方法について説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、固体撮像素子ＳＩ１が完成する。
固体撮像素子ＳＩ１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、固体撮像素子ＳＩ１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、固体撮像素子ＳＩ１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。検出されることとなる。したがって、固体撮像素子ＳＩ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
固体撮像素子ＳＩ１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、固体撮像素子ＳＩ１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。
固体撮像素子ＳＩ１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、固体撮像素子ＳＩ１の光検出感度を更に向上することができる。
第６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。
第６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。
第６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。
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。
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。
しかしながら、第６実施形態に係る固体撮像素子ＳＩ１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、固体撮像素子ＳＩ１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、上記固体撮像素子ＳＩ１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。
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、固体撮像素子ＳＩ１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。
第６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、固体撮像素子ＳＩ１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。
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。
（第７実施形態）
図２８を参照して、第７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２８は、第７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。
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４０を備えている。ｐ−型半導体基板４０は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面４０ａ及び第２主面４０ｂを有している。ｐ−型半導体基板４０は、光感応領域４１を含んでいる。
光感応領域４１は、平面視で第１主面４０ａの中央部に設けられている。光感応領域４１は、第１主面４０ａから内側に厚みを有する。光感応領域４１は、ｎ＋型不純物領域４３と、ｐ＋型不純物領域４５と、ｐ−型半導体基板４０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４３は、第１主面４０ａからｐ−型半導体基板４０の内側に厚みを有する。ｎ＋型不純物領域４３は、ｎ＋型ガードリング４３ａを有する。ｎ＋型ガードリング４３ａは、ｎ＋型不純物領域４３の周端に設けられている。ｐ＋型不純物領域４５は、ｎ＋型不純物領域４３から更にｐ−型半導体基板４０の内側に厚みを有する。ｐ−型半導体基板４０は、ｐ＋型拡散遮蔽領域４７を有する。ｐ＋型拡散遮蔽領域４７は、平面視で第１主面４０ａの周端にあって第１主面４０ａから内側に厚みを有する。ｐ＋型拡散遮蔽領域４７は、光感応領域４１を囲むように設けられている。
ｐ−型半導体基板４０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４５は、ｐ−型半導体基板４０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４７は、ｐ＋型不純物領域４５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４３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４３（ｎ＋型ガードリング４３ａを含む）及びｐ＋型不純物領域４５は、ｐ−型半導体基板４０内においてｐｎ接合を構成している。
フォトダイオードＰＤ５は、第１主面４０ａ上に積層されたパッシベーション膜４９を有する。フォトダイオードＰＤ５は、パッシベーション膜４９上に設けられた電極５１及び電極５３を有する。パッシベーション膜４９には、ｎ＋型不純物領域４３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４７上にコンタクトホールＨ１２が設けられている。電極５１は、コンタクトホールＨ１１を介してｎ＋型不純物領域４３に電気的に接触且つ接続されている。電極５３は、コンタクトホールＨ１２を介してｐ＋型拡散遮蔽領域４７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４９の素材は、例えば酸化シリコン等である。
フォトダイオードＰＤ５は、第２主面４０ｂ側に形成された凹部５５を有する。凹部５５は、ｐ−型半導体基板４０が第２主面４０ｂ側から薄化されることにより形成され、凹部５５の周囲には厚い枠部が存在している。凹部５５の側面は、凹部５５の底面に対して鈍角を成して傾斜している。凹部５５は、平面視で光感応領域４１に重なるように形成されている。凹部５５の底面と第１主面４０ａ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４０ａと凹部５５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。
ｐ−型半導体基板４０の第２主面４０ｂ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４０の第２主面４０ｂ側には、アキュムレーション層５７が形成されており、アキュムレーション層５７における、凹部５５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４１に対向している領域は光学的に露出している。第２主面４０ｂが光学的に露出しているとは、第２主面４０ｂ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４０ｂ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５５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４１に対向している領域のみに形成されていてもよい。
フォトダイオードＰＤ５は、電極５９を有する。電極５９は、アキュムレーション層５７上に設けられており、アキュムレーション層５７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５７における電極５９が形成された領域は、光学的に露出していない。
上記構成を有するフォトダイオードＰＤ５は、電極５１と電極５９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４１に入射する光量に応じたキャリアが光感応領域４１で生成される。ｐ＋型拡散遮蔽領域４７の近傍で生成されたキャリアはｐ＋型拡散遮蔽領域４７に流れ込む。このため、電極５１からの出力信号に生じる裾引きは、ｐ＋型拡散遮蔽領域４７により低減される。
続いて、第７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。
まず、ｐ−型半導体基板４０を準備する。ｐ−型半導体基板４０の厚みは３００μｍ程度である。
次に、ｐ−型半導体基板４０の第１主面４０ａ側に、ｐ＋型不純物領域４５及びｐ＋型拡散遮蔽領域４７を形成する。ｐ＋型不純物領域４５は、中央部が開口したマスクなどを用い、ｐ−型半導体基板４０内において第１主面４０ａ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４７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４０内において第１主面４０ａ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。
次に、ｐ−型半導体基板４０の第１主面４０ａ側に、ｎ＋型ガードリング４３ａ及びｎ＋型不純物領域４３を形成する。ｎ＋型ガードリング４３ａ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４０内において第１主面４０ａ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４３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４０内において第１主面４０ａ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。
次に、ｐ−型半導体基板４０の第２主面４０ｂ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４０におけるｐ＋型不純物領域４５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４０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４０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。
次に、ｐ−型半導体基板４０の第２主面４０ｂ側に、アキュムレーション層５７を形成する。ここでは、ｐ−型半導体基板４０内において第２主面４０ｂ側からｐ型不純物をｐ−型半導体基板４０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５７を形成する。アキュムレーション層５７の厚みは、例えば１．５μｍ程度である。
次に、ｐ−型半導体基板４０を熱処理（アニール）して、アキュムレーション層５７を活性化させる。ここでは、ｐ−型半導体基板４０を、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加熱する。
次に、ｐ−型半導体基板４０の第２主面４０ｂ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４０の第２主面４０ｂにパルスレーザ光を照射することにより、形成される。
次に、ｐ−型半導体基板４０を熱処理（アニール）する。ここでは、ｐ−型半導体基板４０を、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加熱する。熱処理により、ｐ型半導体基板４０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。
次に、ｐ−型半導体基板４０の第１主面４０ａ側にパッシベーション膜４９を形成する。そして、パッシベーション膜４９にコンタクトホールＨ１１，Ｈ１２を形成し、電極５１，５３を形成する。電極５１は、コンタクトホールＨ１１内に形成され、電極５３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４０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５７上に電極５９を形成する。電極５１，５３は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、電極５９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。
フォトダイオードＰＤ５では、第２主面４０ｂ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４０内を長い距離進む。
フォトダイオードＰＤ５では、光入射面（第１主面４０ａ）に垂直な方向から光が入射した場合、第２主面４０ｂ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４０内部で吸収される光成分もあれば、第１主面４０ａや側面に到達する光成分もある。
第１主面４０ａ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４０ａや側面に到達した光成分が第１主面４０ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面４０ａ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４０の内部を長い距離進むうちに、ｐ−型半導体基板４０で吸収され、光電流として検出されることとなる。
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４０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。
フォトダイオードＰＤ５では、ｐ−型半導体基板４０の第２主面４０ｂ側にアキュムレーション層５７が形成されている。これにより、第２主面４０ｂ側で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５７は、第２主面４０ｂ付近で発生したキャリアが当該第２主面４０ｂでトラップされるのを抑制する。このため、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。
第７実施形態では、アキュムレーション層５７を形成した後に、ｐ−型半導体基板４０を熱処理している。これにより、ｐ−型半導体基板４０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。
アキュムレーション層５７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５７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５７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５７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５７による作用効果を確保することができる。
第７実施形態では、ｐ−型半導体基板４０を熱処理した後に、電極５１，５３，５９を形成している。これにより、電極５１，５３，５９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５１，５３，５９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５１，５３，５９を適切に形成することができる。
第７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。
第７実施形態では、ｐ−型半導体基板４０が第２主面４０ｂ側より薄化されている。これにより、ｐ−型半導体基板４０の第１主面４０ａ及び第２主面４０ｂ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。
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）、近赤外の波長帯域に実用上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。
しかしながら、第７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４０ｂ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４０）、特に光感応領域４１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４０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。
第７実施形態に係るフォトダイオードＰＤ５では、第２主面４０ｂ側の全領域が薄化されていてもよい。
（第８実施形態）
図２９を参照して、第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２について説明する。図２９は、第８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。
フォトダイオードアレイＰＤＡ２は、ｐ−型半導体基板４０を備え、ｐ−型半導体基板４０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４１が複数配置されている。
ｐ−型半導体基板４０の第２主面４０ｂ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ＰＤＡ２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４１に対向している領域だけでなく、光感応領域４１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。
第８実施形態においても、第７実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ２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。
第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２は、第７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に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ＰＤＡ２の検出精度が向上する。更に、ｐ−型半導体基板４０の厚みが薄いことから、フォトダイオードアレイＰＤＡ２の応答速度が向上する。
フォトダイオードアレイＰＤＡ２では、ｐ−型半導体基板４０の第２主面４０ｂにおける光感応領域４１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４１間に入射した光は、第２主面４０ｂにおける光感応領域４１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４１で吸収される。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ２では、光感応領域４１間において検出感度が低下することはなく、光検出感度が向上する。
フォトダイオードアレイＰＤＡ２も、第７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。
フォトダイオードアレイＰＤＡ２は、第２主面４０ｂ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ＰＤＡ２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。
（第９実施形態）
図３０及び図３１を参照して、第９実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３の構成について説明する。図３０は、第９実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３を概略的に示す平面図である。図３１は、図３０に示したフォトダイオードアレイＰＤＡ３のXXXI−XXXI線に沿った断面構成を示す図である。
フォトダイオードアレイＰＤＡ３は、基板６２上に複数の半導体層及び絶縁層が積層されてなる。図３０に示すようにフォトダイオードアレイＰＤＡ３は、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルＣＨがマトリクス状（本実施形態では４×４）に形成されてなるフォトンカウンティング用マルチチャンネルアバランシェフォトダイオードである。フォトダイオードアレイＰＤＡ３の上面側には、信号導線６３、抵抗６４、及び電極パッド６５が設けられている。基板６２は、例えば一辺が１ｍｍ程度の正方形状である。各光検出チャンネルＣＨは、例えば、正方形状である。
信号導線６３は、各光検出チャンネルＣＨから出力された信号を運ぶ読み出し部６３ａと、各抵抗６４と読み出し部６３ａとを接続する接続部６３ｂと、各光検出チャンネルＣＨの外周を囲むように配線されるチャンネル外周部６３ｃとからなる。読み出し部６３ａは、当該読み出し部６３ａを挟んで隣接する２つの列に配置された光検出チャンネルＣＨそれぞれと接続されており、その一端において電極パッド６５と接続されている。また、本実施形態ではフォトダイオードが４×４のマトリクス状に配置されているため、フォトダイオードアレイＰＤＡ３上には２本の読み出し部６３ａが配線されており、これらは電極パッド６５に対して双方とも接続される。信号導線６３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる。
抵抗６４は、一方の端部６４ａ及びチャンネル外周部６３ｃを介して光検出チャンネルＣＨごとに設けられており、他方の端部６４ｂ及び接続部６３ｂを介して読み出し部６３ａに接続される。同一の読み出し部６３ａに接続される複数（本実施形態では８つ）の抵抗６４は、当該読み出し部６３ａに対して接続される。抵抗６４は、例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる。
次に、図３１を参照してフォトダイオードアレイＰＤＡ３の断面構成について説明する。図３１に示すように、フォトダイオードアレイＰＤＡ３は、導電型がｎ型（第１導電型）の半導体層を有する基板６２と、基板６２上に形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ−型半導体層７３、とｐ−型半導体層７３上に形成された導電型がｐ型のｐ＋型半導体領域７４と、保護膜７６と、ｐ−型半導体層７３に形成された導電型がｎ型（第１導電型）の分離部８０と、保護膜７６上に形成された上記の信号導線６３及び抵抗６４とを備える。被検出光は、図３１の上面側から又は下面側から入射される。
基板６２は、基板部材ＳＭと、基板部材ＳＭ上に形成された絶縁膜６１と、絶縁膜６１上に形成されたｎ＋型半導体層７２とを有する。基板部材ＳＭは、Ｓｉ（シリコン）からなる。絶縁膜６１は、例えばＳｉＯ２（酸化シリコン）からなる。ｎ＋型半導体層７２は、Ｓｉからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。ｎ＋型半導体層７２の厚さは、例えば１μｍ〜１２μｍである。
ｐ−型半導体層７３は、不純物濃度が低い導電型がｐ型のエピタキシャル半導体層である。ｐ−型半導体層７３は、基板６２との界面でｐｎ接合を構成する。ｐ−型半導体層７３は、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍する増倍領域ＡＭを各光検出チャンネルＣＨに対応して複数有する。ｐ−型半導体層７３の厚さは、例えば３μｍ〜５μｍである。ｐ−型半導体層７３は、Ｓｉからなる。したがって、ｎ＋型半導体層７２とｐ−型半導体層７３とは、シリコン基板を構成している。
ｐ＋型半導体領域７４は、各光検出チャンネルＣＨの増倍領域ＡＭに対応して、ｐ−型半導体層７３上に形成されている。すなわち、半導体層の積層方向（以下、単に積層方向という）でｐ＋型半導体領域７４の下方に位置するｐ−型半導体層７３の基板６２との界面近傍の領域が増倍領域ＡＭである。ｐ＋型半導体領域７４は、Ｓｉからなる。
分離部８０は、複数の光検出チャンネルＣＨの間に形成され、各光検出チャンネルＣＨを分離する。すなわち、分離部８０は、各光検出チャンネルＣＨと１対１に対応してｐ−型半導体層７３に増倍領域ＡＭが形成されるように形成される。分離部８０は、各増倍領域ＡＭの周囲を完全に囲うように基板６２上において２次元格子状に形成される。分離部８０は、積層方向でｐ−型半導体層７３の上面側から下面側まで貫通して形成されている。分離部８０の不純物は例えばＰからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。分離部８０を拡散により形成すると、長い熱処理時間が必要となるため、ｎ＋型半導体層７２の不純物がエピタキシャル半導体層へ拡散して、ｐｎ接合の界面がせり上がることが考えられる。このせり上がり防止のため、分離部８０にあたる領域の中央付近をトレンチエッチングした後、不純物の拡散を行って分離部８０を形成してもよい。トレンチ溝には、光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を吸収、又は反射する物質で埋めることによる遮光部を形成して、なだれ増倍による発光が隣接する光検出チャンネルに影響を及ぼして生じるクロストークを防止することもできる。
ｐ−型半導体層７３、ｐ＋型半導体領域７４、及び分離部８０は、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の上面側において平面を形成し、これらの上には保護膜７６が形成されている。保護膜７６は、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層によって形成される。
保護膜７６上には、信号導線６３及び抵抗６４が形成されている。信号導線６３の読み出し部６３ａ及び抵抗６４は、分離部８０の上方に形成されている。
なお、信号導線６３がアノードとして機能し、カソードとして、図示は省略するが基板６２の下面側（絶縁膜６１を有していない側）の全面に透明電極層（例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる層）を備えていてもよい。あるいは、カソードとして、電極部を表面側に引き出されるように形成してもよい。
ここで、図３２を参照して、各光検出チャンネルＣＨと信号導線６３及び抵抗６４との接続関係を説明する。図３２は、各光検出チャンネルＣＨと信号導線６３及び抵抗６４との接続関係を概略的に説明するための図である。図３２に示されるように、各光検出チャンネルＣＨのｐ＋型半導体領域７４と信号導線６３（チャンネル外周部６３ｃ）とは直接接続されている。これにより、信号導線６３（チャンネル外周部６３ｃ）とｐ−型半導体層７３とは電気的に接続される。また、ｐ−型半導体層７３と抵抗６４の一端部６４ａとは、信号導線６３（チャンネル外周部６３ｃ）を介して接続され、抵抗６４は他の一端部６４ｂがそれぞれ接続部６３ｂを介して読み出し部６３ａに対して接続される。
基板６２は、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域が基板部材ＳＭ側から薄化されて、基板部材ＳＭにおける複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域に対応する部分が除去されている。薄化された領域の周囲には、基板部材ＳＭが枠部として存在している。なお、上記枠部も除去され、基板６２は、全領域が薄化された、すなわち基板部材ＳＭ全体が除去された構成を有していてもよい。基板部材ＳＭの除去は、エッチング（例えば、ドライエッチングなど）や、研磨などにより行うことができる。ドライエッチングにより基板部材ＳＭを除去する場合、絶縁膜６１はエッチングストップ層としても機能する。基板部材ＳＭが除去されることにより露出する絶縁膜６１は、後述するようにして除去される。
ｎ＋型半導体層７２の表面には、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ＋型半導体層７２の表面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。ｎ＋型半導体層７２の表面が光学的に露出しているとは、ｎ＋型半導体層７２の表面が空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、ｎ＋型半導体層７２の表面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、各光検出チャンネルＣＨに対向している領域のみに形成されていてもよい。
不規則な凹凸１０は、基板部材ＳＭが除去されることにより露出している絶縁膜６１に、上述した実施形態と同様に、パルスレーザ光を照射することにより形成される。すなわち、露出している絶縁膜６１にパルスレーザ光が照射されると、絶縁膜６１が除去されると共に、ｎ＋型半導体層７２の表面がパルスレーザ光に荒らされ、不規則な凹凸１０が形成される。
パルスレーザ光を照射して不規則な凹凸１０を形成した後に、基板６２を熱処理（アニール）することが好ましい。例えば、基板６２を、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加熱する。上記熱処理により、ｎ＋型半導体層７２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。
このように構成されたフォトダイオードアレイＰＤＡ３をフォトンカウンティングに用いる場合、ガイガーモードと呼ばれる動作条件下で動作させる。このガイガーモード動作時には、各光検出チャンネルＣＨにブレークダウン電圧よりも高い逆電圧（例えば５０Ｖ以上）が印加される。この状態で上面側から各光検出チャンネルＣＨに被検出光が入射すると、被検出光が各光検出チャンネルＣＨにおいて吸収されてキャリアが発生する。発生したキャリアは各光検出チャンネルＣＨ内の電界に従って加速しながら移動し、各増倍領域ＡＭで増倍される。そして、増倍されたキャリアは抵抗６４を介して信号導線６３により外部へと取り出され、その出力信号の波高値に基づいて検出される。フォトンを検出したチャンネルからは何れも同量の出力が得られるので、全チャンネルからの総出力を検出することでフォトダイオードアレイＰＤＡ３のうちのいくつの光検出チャンネルＣＨから出力があったかがカウントされる。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、被検出光の一回の照射によって、フォトンカウンティングがなされる。
ところで、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、ｎ＋型半導体層７２の表面に不規則な凹凸１０が形成されているために、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、フォトダイオードアレイＰＤＡ３内を長い距離進む。
例えば、フォトダイオードアレイＰＤＡ３を表面入射型フォトダイオードアレイとして用い、保護膜７６側からフォトダイオードアレイＰＤＡ３に光が入射した場合、ｎ＋型半導体層７２の表面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、各光検出チャンネルＣＨで吸収される光成分もあれば、保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の側面に到達する光成分もある。
保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の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、保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の側面に到達した光成分が保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の側面にて全反射する可能性は極めて高い。保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の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、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に入射した光は、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の内部を長い距離進むうちに、各光検出チャンネルＣＨで吸収され、光電流として検出されることとなる。
フォトダイオードアレイＰＤＡ３を裏面入射型フォトダイオードアレイとして用い、ｎ＋型半導体層７２の表面側からフォトダイオードアレイＰＤＡ３に光が入射した場合、入射した光は、凹凸１０により散乱され、フォトダイオードアレイＰＤＡ３内を様々な方向に進む。保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の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、保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の側面に到達した光成分が各面にて全反射する可能性は極めて高い。保護膜７６側の表面やｎ＋型半導体層７２の側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射や凹凸１０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、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、フォトダイオードアレイＰＤＡ３内を長い距離進み、各光検出チャンネルＣＨで吸収され、光電流として検出されることとなる。
このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードアレイＰＤＡ３を透過することなく、走行距離が長くされて、各光検出チャンネルＣＨで吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
第９実施形態では、ｎ＋型半導体層７２の表面に不規則な凹凸１０が形成されている。このため、不規則な凹凸１０が形成された上記表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、ｎ＋型半導体層７２は、アキュムレーション層として機能し、ｎ＋型半導体層７２の上記表面付近で光により発生したキャリアが該表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、増倍領域ＡＭへ効率的に移動し、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の光検出感度を向上することができる。
第９実施形態では、ｎ＋型半導体層７２における複数の光検出チャンネルＣＨの間に対応する表面も、不規則な凹凸１０が形成されていると共に、光学的に露出している。このため、複数の光検出チャンネルＣＨの間に入射した光も、不規則な凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、いずれかの光検出チャンネルＣＨで吸収される。したがって、光検出チャンネルＣＨの間において検出感度が低下することはなく、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の光検出感度がより一層向上する。
第９実施形態では、ｎ＋型半導体層７２の厚みが、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きい。このため、ｎ＋型半導体層７２によるアキュムレーション層としての作用効果を確実に確保することができる。
また、第９実施形態では、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、ｐｎ接合は、基板６２のｎ＋型半導体層７２と当該基板６２のｎ＋型半導体層７２上に形成されたエピタキシャル半導体層であるｐ−型半導体層７３とによって構成されている。また、増倍領域ＡＭはｐｎ接合が実現されているｐ−型半導体層７３に形成され、各増倍領域ＡＭの各光検出チャンネルＣＨへの対応は光検出チャンネルＣＨ間に形成された分離部８０によって実現されている。ｐｎ接合面は、ｎ＋型半導体層７２とｐ−型半導体層７３との界面と、分離部８０とｐ−型半導体層７３との界面とから構成されており、高濃度不純物領域が凸となり電界が高くなる領域が存在しなくなっている。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ３は、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ３はその開口率を格段に高くすることが可能となる。
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では検出効率を大きくすることも可能となる。
また、各光検出チャンネルＣＨ間は分離部８０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
また、ガイガーモードで動作させ、フォトンが入射された光検出チャンネルと入射しないチャンネルとの間で電圧差が大きくなった場合にも、光検出チャンネルＣＨ間には分離部８０が形成されているため、十分にチャンネル間を分離することができる。
フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、信号導線６３の読み出し部６３ａが分離部８０の上方に形成されている。そのため、信号導線６３が増倍領域ＡＭ上方、すなわち光検出面上を横切ることが抑制されるため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。また、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、抵抗６４も分離部８０の上方に形成されているため、開口率はさらにより一層向上される。
また、ｎ型の半導体基板を用い、その上にｐ型のエピタキシャル半導体層を形成した場合、ｎ型の半導体基板で発生したホールの一部が遅れて増倍領域に入りアフターパルスとなってしまうという問題が発生することを本願発明者はアフターパルスの波長依存性から見出した。こうした問題に対し、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域において、基板部材ＳＭが除去されているので、アフターパルスを抑制することが可能となる。
第９実施形態において、フォトダイオードアレイに形成される光検出チャンネルの数は、上記実施形態における数（４×４）に限定されない。光検出チャンネルＣＨ間に形成される分離部８０の数も、上記実施形態及び変形例で示した数に限られず、例えば３つ以上であってもよい。また、信号導線６３は、分離部４０の上方に形成されていなくてもよい。抵抗６４も分離部８０の上方に形成されていなくてもよい。また、各層等は、上記実施形態で例示したものに限られない。
（第１０実施形態）
図３３を参照して、第１０実施形態に係るＭＯＳイメージセンサＭＩ１について説明する。図３３は、第１０実施形態に係るＭＯＳイメージセンサを概略的に示す平面図である。図３４は、図３３に示されたＭＯＳイメージセンサのXXXIV−XXXIV線に沿った断面構成を示す図である。
ＭＯＳイメージセンサＭＩ１は、シリコンからなる第１導電型の半導体基板９０を備えている。半導体基板９０には、受光部９１、行を選択するための垂直シフトレジスタ９２、及び、列を選択するための水平シフトレジスタ９３が形成されている。受光部９１は、図３４（ａ）に示されるように、半導体基板９０の第１主面９０ａ側に配置されている。受光部９１には、複数の画素（不図示）が２次元状に配置されている。垂直シフトレジスタ９２は、受光部９１の側方（図３３中、左側）に配置されている。水平シフトレジスタ９３も受光部９１の側方（図３３中、下側）に配置されている。
半導体基板９０の第２主面９０ｂにおける受光部９１に対応する領域には、図３４（ａ）に示されるように、不規則な凹凸１０が形成されている。半導体基板９０の第２主面９０ｂ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９０ｂは光学的に露出している。不規則な凹凸１０は、図３４（ｂ）に示されるように、半導体基板９０の第２主面９０ｂの全体にわたって形成されていてもよい。
続いて、図３５及び図３６を参照して、ＭＯＳイメージセンサＭＩ１の受光部９１に配置された各画素ＰＸの構成について説明する。図３５は、第１０実施形態に係るＭＯＳイメージセンサにおける一つの画素を拡大して示す平面図である。図３６は、図３５におけるXXXVI−XXXVI線に沿った断面構成を示す図である。
各画素ＰＸは、図３５に示されるように、受光領域１０１と付随回路１０２とで構成される。ＭＯＳイメージセンサＭＩ１がＰＰＳ（Passive Pixel Sensor）である場合、付随回路１０２は、読み出し用ＦＥＴにより構成される。ＭＯＳイメージセンサＭＩ１がＡＰＳ（Active Pixel Sensor）の場合、付随回路１０２は、４つのトランジスタ等を含む増幅回路により構成される。
受光領域１０１は、図３６（ａ）に示されるように、半導体基板９０と第２導電型の半導体領域１１１とで構成されるｐｎ接合からなるフォトダイオードである。付随回路１０２は、第２導電型の半導体領域１１１の側方（図３６（ａ）中、左側）に配置されている。半導体基板９０の第２主面９０ｂには、画素ＰＸ全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されている。不規則な凹凸１０は、図３６（ｂ）に示されるように、半導体基板９０の第２主面９０ｂにおける受光領域１０１（第２導電型の半導体領域１１１）に対応する領域にのみ形成されていてもよい。
第１０実施形態においても、他の実施形態と同じようにＭＯＳイメージセンサＭＩ１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。
第１０実施形態では、半導体基板９０の第１主面９０ａ側の加工プロセスを終了した後、半導体基板９０を薄化してもよい。この場合、半導体基板９０の第１主面９０ａ及び第２主面９０ｂ側をそれぞれ光入射面としたＭＯＳイメージセンサを得ることができる。
第１０実施形態にて示した態様は、ＭＯＳイメージセンサのみに適用されるものではない。第１０実施形態にて示した態様は、近赤外の波長帯域での光を検出する、ＣＭＯＳイメージセンサ、フォトＩＣ、又はＣＭＯＳフォトＩＣ等に適用することができる。
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。
第１〜第５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１〜第５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。
本実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ５、フォトダイオードアレイＰＤＡ１〜３、固体撮像素子ＳＩ１、及びＭＯＳイメージセンサＭＩ１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。
ところで、先行技術の一つに特表２００８−５１５１９６号公報に開示された「硫黄がドープされたレーザーによってミクロ構造化された表面層を有するシリコンベースの検出器製造方法」が存在する。特表２００８−５１５１９６号公報では、シリコン基板の表面の複数の位置の各々を一つ以上のフェムト秒レーザーパルスで照射すると同時に、上記表面を、硫黄を含有する物質に露出して、基板の表面層に複数の硫黄含有物を形成している。このように、特表２００８−５１５１９６号公報では、シリコンのバンドギャップ中に不純物順位を形成することにより、赤外線感度を向上させている。したがって、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本実施形態に係る各半導体光検出素子と、特表２００８−５１５１９６号公報に開示された光検出器と、は相違する。また、特表２００８−５１５１９６号公報に開示された光検出器は、光電効果により光を検出しており、本実施形態に係る各半導体光検出素子と相違する。
従来、波長１０００ｎｍ以上の実用的な分光感度を有する半導体受光素子は、化合物半導体を用いた半導体受光素子しか存在しなかった。しかしながら、本発明によれば、原料も加工コストも安く且つ加工も容易なシリコンを用いて波長１０００ｎｍ以上の近赤外光を検出し得る半導体受光素子を実現できるということは、産業上大きなメリットとなる。
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。
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、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ５…フォトダイオード、ＰＤＡ１〜３…フォトダイオードアレイ、ＳＩ１…固体撮像素子、ＭＩ１…ＭＯＳイメージセンサ。

Claims (4)

  1. 第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域とで形成されたｐｎ接合を有するシリコン基板を備え、
    前記シリコン基板には、該シリコン基板の一の主面側に第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、前記一の主面における少なくとも前記ｐｎ接合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一の主面における前記ｐｎ接合に対向する前記領域は、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。
  2. 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主面における第２導電型の前記半導体領域に対向する前記領域は、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。
  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２に記載の半導体光検出素子。
  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２又は３に記載の半導体光検出素子。
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