JP2000252512A - Pinフォトダイオード - Google Patents

Pinフォトダイオード

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JP2000252512A
JP2000252512A JP11048920A JP4892099A JP2000252512A JP 2000252512 A JP2000252512 A JP 2000252512A JP 11048920 A JP11048920 A JP 11048920A JP 4892099 A JP4892099 A JP 4892099A JP 2000252512 A JP2000252512 A JP 2000252512A
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resistance
region
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恵二 佐藤
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SII R&D Center Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 青色から真空紫外の短波長域に十分の感度を
もつように浅いP+型不純物領域を形成する。 【解決手段】 青色から真空紫外の短波長域に高感度の
PINフォトダイオードを得るためにN+型半導体基板
にN−型半導体基板を貼り合わせた半導体基板を使用す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はPINフォトダイオ
ードとその製造方法、特に青色から真空紫外の短波長域
の検出用のPINフォトダイオードとその製造方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の半導体装置とし
ては、図7に断面図として図示するごとく、第1導電型
半導体基板たるN+型半導体基板1に第2導電型半導体
不純物領域たるP−型不純物領域2を持つものが知られ
ている。今、図示するごとくP+型不純物領域2の存在
する側(面)を表面と称するなら裏面には基板より高い
濃度のN型である裏面のN+型不純物領域3がありP+
N−N+よりなるPN接合を形成しPINダイオードと
称される。
【0003】ここでN−、N+、P+などはそれぞれの
導電型不純物においてNあるいはPより−は不純物濃度
が低いことを、+は高いことを意味している。P+型不
純物領域2にはアノード電極5が形成され、P+型不純
物領域2の反対側の面に形成されたN+型不純物領域3
にはカソード電極6が形成される。P+型不純物領域2
のアノード電極5を形成する部分は他の部分より深く形
成されP+型不純物領域2のアノード電極5を形成しな
い部分はできるだけ浅く形成する必要がある。
【0004】カソード電極としてはP+型不純物領域2
と同一の面に形成されたN+型不純物領域4で取っても
かまわない。フォトダイオードとして利用する場合はカ
ソード電極7で覆われた部分を除くP+型不純物領域が
ほぼ受光面となる。i層は不純物濃度が低く、PN接合
に逆バイアスを加えた時の空乏層の伸びが大きく、検出
する光や放射線のエネルギーの範囲が大きく取れること
や、比較的大きなバイアスを加えることができ、その時
の接合容量が少ないという点から高速応答に適しており
広く使われている。
【0005】このPINダイオードを光検出に利用する
場合、すなわち、PINフォトダイオードは入射してく
る光や放射線により空乏層で生成した電子正孔対が主に
信号電流として検出されこととなる。P+型不純物領域
側から入射させた場合、例えば波長400nm以下のよ
うな短波長光はシリコンによる吸収が大きく1μm前後
でほとんど吸収されるため、P+型不純物領域によって
大部分入射線が吸収され信号電流の生成には寄与せず感
度を下げるため、この厚みは大きな問題とる。
【0006】このため青色から真空紫外の短波長域用の
PINフォトダイオードではアノード電極6を形成する
以外のP+型不純物領域をできるだけ浅く形成するよう
にしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら青色から
真空紫外の短波長域に十分の感度をもつように浅いP+
型不純物領域を形成することは簡単ではない。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明では青色から真空
紫外の短波長域に高感度のPINフォトダイオードを得
るためにN+型半導体基板にN−型半導体基板を貼り合
わせた半導体基板を使用する。このような半導体基板で
は1kΩ以上の高抵抗の半導体基板を数μmの厚さにし
てN−型半導体領域として使用でき、P+型不純物領域
2を格子状に形成することにより、半導体基板表面領域
でP+型不純物領域2の形成されていない領域で、面方
向すなわち入射光と直交する方向に形成される空乏層を
光の検出に利用でき、従って不感層となるP+型不純物
領域がないため青色から真空紫外の短波長域たいして高
感度のPINフォトダイオードを得ることができる。
【0009】このように格子状にP+型不純物領域を形
成するとPN接合界面の面積が大きくなり、さらに高抵
抗の半導体基板を使用するため基板の厚み方向への空乏
層の延びが大きくなるため暗電流が大きくなるが本発明
では高抵抗半導体層を必要最低限に、数μm以下に薄く
できるため暗電流を低減できる。更に高抵抗の半導体基
板としてFZ(フローティングゾーン)法によって合成
されたシリコン単結晶を使用する。これにより、50k
Ω・cm程度の高抵抗の半導体基板が利用でき、従って
低逆電圧で空乏層が大きく伸び、P+型不純物領域の面
積を小さくでき、高感度化と暗電流の低減が可能とな
る。
【0010】更にP+型不純物領域をとりまくN+領域
を反対側のN−領域まで貫通した構造をとる。本発明で
は高抵抗半導体層が薄いため容易にP+型不純物領域を
とりまくN+領域を反対側のN−領域まで貫通させるこ
とができ切断面の影響による暗電流を低減できる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図1は本発明のPINフォトダイオー
ドの実施例を示す断面図である。厚い低抵抗のN+型不
純物領域2の上に薄い高抵抗のN−型半導体基板1があ
り、N−型半導体基板1のN+型不純物領域2のある面
と反対側の面にはP+型不純物領域2が形成され周辺に
はN+型不純物領域3が形成されている。
【0012】N+型不純物領域2にはカソード電極6が
形成され、N+型不純物領域3にもカソード電極7が形
成されている。カソード電極はN+型不純物領域2とN
+型不純物領域3の両方に形成される必要性はなく、少
なくとも1方にあればよい。図2と図3は本発明のPI
Nフォトダイオードの実施例の平面図である。P+型不
純物領域2は格子状に形成されその一部分にアノード電
極5が形成されている。アノード電極5が形成されてい
るP+型不純物領域部分はあまり浅くはできないが、ア
ノード電極5のないP+型不純物領域は浅いにこしたこ
とはない。
【0013】なおP+型不純物領域の構造は以上の例以
外にも種々考えられる。図5は本発明のPINフォトダ
イオードの断面図で空乏層の状態を示すものである。空
乏層7は厚み方向ではP+型不純物領域2から延びてN
+型不純物領域2に達すると飽和し、面方向では隣のか
らのびてきた空乏層とつながり、従って受光面には原理
的に全く不惑層がない空乏層が形成され、つまりP+型
不純物領域が表面に形成されていない空乏層が光の検出
に寄与することになり短波長の感度が飛躍的に向上す
る。
【0014】このような厚い低抵抗のN+型不純物領域
2の上に薄い高抵抗のN−型半導体基板1を形成するに
は低抵抗のN+型半導体基板と高抵抗のN−型半導体基
板を表面を研磨し貼り合わせ加熱して接合し、高抵抗の
N一型半導体基板側を研磨して所定の厚みにした貼り合
わせ半導体基板を使用する。このような貼り合わせ半導
体基板でも界面の影響はほとんど無視できる。
【0015】またこのような貼り合わせ半導体基板では
エビタキシャル成長などでは実現できない高抵抗のN一
型半導体基板を使用でき、特にフローティングゾーン法
によれば50kΩ・cm程度の高抵抗のシリコン半導体
基板まで利用でき、従って低逆電圧で空乏層が大きく伸
び、P+型不純物領域2の面積を小さくでき、高感度化
と暗電流の低減が可能となる。
【0016】このようなPINフォトダイオードの端面
は切断の影響で欠陥を多く含むため暗電流が大きくなる
が高抵抗のシリコン半導体基板を薄くできるため図4に
示すようにP+型不純物領域2をとりまくN+型不純物
領域4を反対側のN−型不純物領域3まで貫通できした
がって端面で暗電流を生ずるN−型半導体領域1をなく
すことができ切断面の影響による暗電流を低減できる。
【0017】図6はPINフォトダイオードの短波長領
域の分光特性図であり、曲線9は図1に示す本発明のP
INフォトダイオードの分光特性曲線であり、曲線10
は受光面が同面積の図7に示す構造の従来の短波長用P
INフォトダイオードの分光特性曲線である。本発明の
PINフォトダイオードの短波長感度がすぐれているこ
とがわかる。
【0018】またP+型不純物領域形成において、半導
体基板表面の自然酸化膜を除去し化学的に活性な表面を
露出させこの活性な表面にガス状のポロン元素を含む化
合物を供給し、ポロン元素あるいはポロン化合物層を形
成し、この層を不純物拡散源とした固相拡散及び不純物
の活性化を行う製造方法をとると比抵抗の大きいN+型
半導体基板を使用してもプロセスの影響による比抵抗の
低下が避けられ空乏層が延びやすくなり、なおかつ浅く
てダメージの少ないP+型不純物領域が形成でき良い結
果が得られる。
【0019】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の方法
によれば、短波長感度の優れた、暗電流の小さいPIN
フォトダイオードを容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のPINフォトダイオードの断面図であ
る。
【図2】本発明のPINフォトダイオードの平面図であ
る。
【図3】本発明のPINフォトダイオードの平面図であ
る。
【図4】本発明のPINフォトダイオードの断面図であ
る。
【図5】本発明のPINフォトダイオードの空乏層の伸
びかたを示す断面図である。
【図6】PINフォトダイオードの分光特性図である。
【図7】従来の短波長用PINフォトダイオードの断面
図である。
【符号の説明】
1・・・N一型半導体基板 2 ・・・P+型不純物領域 3、4 ・・・N+型不純物領域 5 ・・・アノード電極 6、7 ・・・カソード電極 8 ・・・空乏層 9 ・・・本発明のPINフォトダイオードの分光特性
曲線 10 ・・・従来のPINフォトダイオードの分光特
性曲線

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコンの第1導電型半導体領域(1)
    の第1の面側にある第2導電型不純物領域(2)と、 前記第1導電型半導体領域(1)の第2の面に接続する
    前記第1導電型半導体領域(1)より高濃度の第1導電
    型不純物領域(3)と、 前記第2導電型不純物領域(2)を囲む、前記第1導電
    型半導体領域(1)より高濃度の第2の第1導電型不純
    物領域(4)と、 前記第2導電型不純物領域(2)に接続したアノード電
    極(5)と、前記第1導電型不純物領域(3、4)の少
    なくともひとつに接続したカソード電極(6、7)より
    なるPINフォトダイオードにおいて、 前記第1導電型半導体領域(1)と前記第1導電型不純
    物領域(3)が低不純物濃度の第1導電型半導体基板と
    高不純物濃度の第1導電型半導体基板の貼り合わせ半導
    体基板であることを特傲とするPINフォトダイオー
    ド。
  2. 【請求項2】 前記低不純物濃度の第1導電型半導体基
    板(1)がFZ(フローティングゾーン)法によって合
    成されたシリコン単結晶であることを特徴とする請求項
    1記載のPINフォトダイオード。
  3. 【請求項3】 前記第2の第1導電型不純物領域(4)
    が前記第1導電型不純物領域(3)まで貫通しているこ
    とを特徴とする請求項1記載のPINフォトダイオー
    ド。
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