JPH1065203A

JPH1065203A - 半導体受光素子の製造方法

Info

Publication number: JPH1065203A
Application number: JP8219677A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 毅中村; Shinya Kyozuka; 信也経塚; Takayuki Yamada; 高幸山田; Yasumasa Miyamoto; 育昌宮本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】井戸層と障壁層から成る増幅層を有してアバラ
ンシャ増倍を引き起こさせる半導体受光素子において、
工程の複雑化を招くことなく簡便且つ低温な処理工程で
増幅層を結晶化させる方法を得る。【解決手段】絶縁性基板１上に、下部電極２、井戸層４
（poly−Ｓｉ）と障壁層５（ＳｉＣ）とから成りＣの含
有量を調整することにより光吸収層６に対してバンドギ
ャップが連続的に変化する増幅層３、光吸収層６、上部
電極７を順次積層して形成する半導体受光素子の製造方
法において、前記増幅層を構成する障壁層及び井戸層に
ついて、高エネルギーのイオンビームを照射することに
より多結晶化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複写機、ファク
シミリの読み取り素子やビデオカメラの読み取り素子等
に応用される可視光領域の光を受光する半導体受光素子
に関し、この半導体受光素子において、可視光の受光に
際して外部からの電界の補助なしにアバランシェ増倍を
起こさせるため、多結晶もしくは単結晶半導体で増幅層
を構成するに際しての製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、可視光領域の光を読み取るための
素子としては広くＣＣＤが用いられており、また半導体
薄膜を用いた薄膜型イメージセンサも提案され一部で実
用化されている。これらの受光素子は、いずれも光セン
シング部としてフォトダイオードを用いており、原理的
に光子一個に対して生成される電子は一個以下であり増
幅作用のないものである。一般的には受光素子の外部に
増幅回路を持たせ、これにより電子の増幅を行って感度
を向上させることが行われているが、この構造では、受
光素子部分におけるノイズ成分も同時に増幅してしまう
ためＳＮ比の低下を伴うという欠点がある。従って、こ
れらの素子を用いて鮮明な画像を得るためには、読み取
り対象に強い光を当てて十分な反射光を得られる状態に
して撮像を行わなければならないという問題点があっ
た。

【０００３】一方、上記問題点を解消することを目的と
して、近年結晶ＳｉやＳｅ系半導体膜を用いて受光部分
に増幅作用を持たせることにより、高感度な撮像を行う
ことが可能な半導体受光素子が実用化されている。これ
は結晶ＳｉやＳｅ等の半導体膜に高電界を印加し、これ
による雪崩増幅（アバランシェ効果）を行わせるもので
ある。単結晶ＳｉｐｉｎやＧａＡｓによりアバランシ
ェ増倍効果を利用したフォトダイオード（ＡＰＤ）は主
に近赤外領域で、Ｓｅ系ＡＰＤは主に可視光領域での実
用化が始まっている。さらに、可視光領域での高感度か
つ高いＳＮ比を得るための技術として、非晶質および多
結晶から構成される障壁層及び井戸層を複数層に積層し
た多層薄膜系ＡＰＤが本発明者らにより提案されている
（特願平８−７５９３３）。

【０００４】上記多層薄膜系ＡＰＤについて、図７及び
図８を参照しながら説明する。多層薄膜系ＡＰＤは、例
えば図７（ａ）に示すように、ガラス基板４１上にＡｌ
から成る下部電極４２、ｎ⁺ ａ−Ｓｉ：Ｈ層４３、光吸
収層とキャリア増倍層を兼ねた超格子層４４、ｐ⁺ ａ−
Ｓｉ：Ｈ層４５、ＩＴＯからなる透明電極４６を積層し
て構成されている。前記超格子層４４は、井戸層４７と
なるpoly−Ｓｉ層と、障壁層４８となるａ−ＳｉＣ：Ｈ
層とを交互に積み重ねて井戸層４７が５層、障壁層４８
が４層となる積層構造で構成されている。また、ｎ⁺ ａ
−Ｓｉ：Ｈ層４３と下部電極４２、ｐ⁺ ａ−Ｓｉ：Ｈ層
４５と透明電極４６は、それぞれオーミック接触して構
成されている。

【０００５】図７（ｂ）は、多層薄膜系ＡＰＤの電圧無
印加時のバンド構造を模式的に示した図であり、井戸層
４７と障壁層４８（poly−Ｓｉ層とａ−ＳｉＣ：Ｈ層）
のヘテロ接合における伝導帯及び価電子帯のエネルギー
バンドの不連続量をΔＥc、ΔＥvで示してある。poly−
Ｓｉ／ａ−ＳｉＣ：Ｈのヘテロ接合におけるバンド不連
続量は伝導帯のほうが大きく、ΔＥc≧１．１ｅＶ、Δ
Ｅv＝０．１０ｅＶである。

【０００６】上記多層薄膜系ＡＰＤの特徴的な構成は、
障壁層４８においてＣの含有量を変化させることによ
り、ａ−Ｓｉ_xＣ_y：Ｈ（x,yは任意の整数）の組成比を
連続的に変化させてバンド構造を鋸歯状としたことと、
及び、伝導帯のエネルギーバンドの不連続量ΔＥcをΔ
Ｅc≧１．１ｅＶとし、井戸層（poly−Ｓｉ）４７の禁
制帯エネルギーＥg1より大きくすることにより、障壁層
４８と井戸層４７との界面部分でフォトキャリア（電
子）を高い確率でイオン化させるようにしたことであ
る。

【０００７】図８は、多層薄膜系ＡＰＤの逆バイアス印
加時のバンド構造を模式的に示した図である。ｐ⁺ ａ−
Ｓｉ：Ｈ層４５側より可視光が入射すると、超格子層に
より吸収され光電変換が行われる。生成された電子／正
孔対はおのおのｎ⁺ ａ−Ｓｉ：Ｈ層４３およびｐ⁺ ａ−
Ｓｉ：Ｈ層４５に向かって走行する。電界により加速さ
れた電子（フォトキャリア）が超格子層の障壁層４８か
ら井戸層４７に入る時、電子は伝導帯のバンド不連続量
ΔＥcだけ高いエネルギー状態となるために、それだけ
電子によるイオン化率αは大きくなる。井戸層（poly−
Ｓｉ層）４７でイオン化が起こるのは、電子の持ってい
るエネルギーがpoly−Ｓｉの禁制帯エネルギーＥg1より
大きい場合であるが、上記多層薄膜系ＡＰＤの構造によ
れば、ΔＥc≧１．１ｅＶ（poly−Ｓｉの禁制帯エネル
ギーＥg1）であるため、電子はこの界面部分で高い確率
でイオン化を起こすことができる。

【０００８】したがって、電子は障壁層４８と井戸層４
７との複数の界面部分でのイオン化の繰り返しによりキ
ャリアの数を増加させていく。一方、正孔は価電子帯の
バンド不連続量ΔＥvが小さいため電子のようなことが
起こらない。アバランシェ増倍方式においては、電子の
イオン化率αと正孔のイオン化率βの比が大きいほどノ
イズの発生が少ないことが知られており、この方式にお
いては電子のイオン化率αのみを大きくすることができ
るため、高感度、低過剰雑音特性得られる。また、電子
はヘテロ構造のバンドオフセットによりエネルギーを受
けるため、電子のイオン化に必要な電界強度を小さくす
ること、すなわち低電圧駆動が可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記構造のＡＰＤは、
非晶質あるいは多結晶質の薄膜を積層して構成すること
を特徴としているが、このような構造のＡＰＤを得る場
合、多結晶膜を作製するため高温の炉でのアニールやレ
ーザービームの照射などの高エネルギーが必要とされる
工程を含む必然性を有している。炉でのアニールの場合
は、６００℃を越える高温で数十時間の加熱を必要とす
るため、下地となる基板材料やＡＰＤの下層に形成され
たデバイスに対して大きな制約が発生する上、工程とし
てもスループットの低下が避けられないという問題点が
あった。

【００１０】また、レーザーを用いる場合においても、
赤外線による熱アニールの場合は炉アニールと同様に下
地に対する制約が大きく、エキシマレーザーなどの短波
長レーザーを用いる場合は下地に対する制約はないもの
の、結晶化可能な膜厚が数１００ｎｍ程度と薄いため、
上記構造のように多層膜から成る増幅層４４を結晶化す
る場合には、結晶化工程を複数回繰り返すことが必要と
なり、工程が複雑化するだけでなく結晶化に際して多数
の界面準位が発生し、暗電流の増大やゲインの低下、駆
動電圧の増大という現象が発生するという問題点があっ
た。

【００１１】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、高エネルギーのイオンビームを照射させて増幅層を
微結晶化，多結晶化または単結晶化させることにより、
工程の複雑化を招くことなく簡便且つ低温な処理工程で
良好な半導体膜と界面特性が得られる半導体受光素子の
製造方法を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、アバランシェ効果を利用して電子を増幅する
井戸層および障壁層とからなる増幅層（半導体層）に対
して、高エネルギーのイオンビームを照射することによ
り微結晶化，多結晶化または単結晶化させることによ
り、良好な半導体膜と界面特性を得るようにしたもので
ある。

【００１３】すなわち、請求項１の半導体受光素子の製
造方法は、受光によりフォトキャリアを生じる光吸収層
と、前記光吸収層で発生したフォトキャリアを増幅する
増幅層とを一対の電極間で挟持させて絶縁性基板上に配
置した半導体受光素子に関するものである。この半導体
受光素子における前記電極の少なくとも一方は透光性を
有している。また、前記増幅層は、前記光吸収層に対し
てバンドギャップが連続的に変化する非晶質材料の半導
体膜から成る障壁層と、この障壁層に隣接し非結晶材料
の半導体膜から成る井戸層とを組み合わせて形成し、そ
して、前記増幅層を構成する障壁層及び井戸層につい
て、高エネルギーのイオンビームを照射することにより
微結晶化又は多結晶化させる。

【００１４】請求項２の半導体受光素子の製造方法は、
単結晶体から成る半導体基板上の一方面に第一の電極が
形成され、前記半導体基板の他方面に、光吸収層で発生
したフォトキャリアを増幅する増幅層、受光によりフォ
トキャリアを生じる光吸収層、透光性を有する第二の電
極が順次積層されて成る半導体受光素子に関するもので
ある。この半導体受光素子の前記増幅層は、前記光吸収
層に対してバンドギャップが連続的に変化する非晶質材
料の半導体膜から成る障壁層と、この障壁層に隣接し非
結晶材料の半導体膜から成る井戸層とを組み合わせて形
成し、そして、前記増幅層を構成する障壁層及び井戸層
について、高エネルギーのイオンビームを照射すること
によりエピタキシャル成長を起こさせて単結晶化させ
る。

【００１５】上記方法によれば、また、高エネルギーの
イオンビームを照射することにより増幅層を結晶化させ
るので、レーザーによる結晶化の場合と異なり、増幅層
として積層された膜種により、使用するレーザーの波長
を限定するなどのプロセスに対する制約が全くなくな
り、増幅層の半導体膜としてＳｉ系以外の薄膜を用いる
場合においても適用可能であり、材料選択の自由度を大
きく広げることができる。

【００１６】また、増幅層を構成する井戸層及び障壁層
を多層化し、半導体薄膜を多層積層構造とした場合にお
いても、上記方法によれば高エネルギーのイオンビーム
を照射することにより結晶化を行うので、結晶化可能な
膜厚を厚くでき、積層構造のままの状態で結晶化が可能
となり、結晶化工程を複数回行うことを必要とせず工程
の複雑化を防止することができる。

【００１７】また、本発明方法によれば、高エネルギー
のイオンビームを照射して増幅層を微結晶化，多結晶化
または単結晶化させることにより低温での処理工程とす
ることができ、界面準位の発生を大幅に抑え増幅率の向
上を達成するとともに、増幅層を構成する半導体膜ある
いは界面準位からの電子／ホール対の発生を大幅に抑え
ることができる。その結果、外部増幅回路による増幅手
段に比べ格段に低ノイズで信号電荷を増幅することが可
能となり、例えば高速で高解像度の画像入力システムを
小型、低コストで実現することが可能となる。

【００１８】また、請求項３の発明は、請求項１又は請
求項２に記載の半導体受光素子の製造方法において、増
幅層を構成する障壁層及び井戸層を微結晶化，多結晶化
又は単結晶化させた後に、光吸収層を形成することを特
徴としている。

【００１９】増幅層の結晶化の後に光吸収層を形成する
ことにより、光吸収層を結晶化させることがないので、
光吸収層について、可視光の受光によりフォトキャリア
を発生させるのに適した膜質とすることができる。

【００２０】請求項４の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の半導体受光素子の製造方法において、前記イオ
ンビームのイオン元素は、水素，ヘリウム，ネオン，ア
ルゴン，弗素，塩素の単体あるいはこれらの混合からな
ることを特徴としている。

【００２１】請求項５の発明は、請求項１に記載の半導
体受光素子の製造方法において、前記イオンビームを照
射する際の被照射物である絶縁性基板の温度を、１５０
℃以上にすることを特徴としている。

【００２２】請求項６の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の半導体装置の製造方法において、前記イオンビ
ーム照射において、イオンの加速エネルギーは該イオン
が被照射物である半導体膜を透過するのに十分なエネル
ギーであることを特徴としている。

【００２３】請求項７の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の半導体装置の製造方法において、前記イオンビ
ームのイオンは、照射後にも被照射物である半導体膜中
に残留し、半導体膜中のダングリングボンドの終端を行
うことを特徴としている。

【００２４】すなわち、イオンビーム照射においてイオ
ンが打ち込まれる深さには、加速エネルギーに対応した
ある深さ（ピーク値）を中心としてバラツキが生じる
が、打ち込み深さについて、そのピ−ク値が半導体膜中
の反照射側に位置するように前記加速エネルギーを設定
することにより、照射後のイオンを半導体膜中に残留さ
せることができるとともに、イオンの一部が半導体膜を
透過させることができ、半導体膜の反照射側端部につい
ても確実に結晶化させることができる。

【００２５】また、上記結晶化手段において水素イオン
ビームを用いることにより、増幅層（アバランシェ層）
の結晶化工程において井戸層及び障壁層に打ち込まれた
水素原子が増幅層を構成する半導体膜中あるいは界面の
ダングリングボンドを終端するため、結晶膜およびその
グレインバウンダリー部分の膜質を大幅に改善すること
ができ、ゲインの向上，暗電流の低減，駆動電圧の低下
などを図ることが可能となる。

【００２６】また、請求項８の発明は、請求項１に記載
の半導体装置の製造方法において、前記イオンビームを
照射する際の絶縁性基板の基板温度を適宜調整すること
により、被照射物である半導体膜の結晶構造を微結晶か
ら多結晶までの任意に変化させることを特徴としてい
る。

【００２７】請求項９の発明は、請求項１に記載の半導
体装置の製造方法において、前記イオンビームを照射す
る際のイオン加速エネルギーを適宜調整することによ
り、被照射物である半導体膜の結晶構造を微結晶から多
結晶までの任意に変化させることを特徴としている。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について、図
面を参照しながら説明する。（実施例１）実施例１で
は、結晶化手段として水素イオンビームを用いた場合に
ついて説明する。実施例１の製造方法により得られた半
導体受光素子の断面構造を図１に示す。この半導体受光
素子は、絶縁性基板１上に、下部電極２、増幅層３、光
吸収層６（ａ−Ｓｉ）、上部電極７を積層して成り、増
幅層３は、井戸層４（poly−Ｓｉ）と障壁層５（Ｓｉ
Ｃ）から成る多層膜が複数（５層）重ねて積層されてい
る。

【００２９】図２は上記半導体受光素子の増幅層３及び
光吸収層６部分の電圧無印加時におけるバンド構造を模
式的に示したエネルギー帯図である。すなわち、光吸収
層６と障壁層５の界面はエネルギー準位の変化が連続す
るように構成するとともに、障壁層５と井戸層４との界
面部分における伝導帯エネルギーのバンドオフセットΔ
Εcが井戸層４の禁制帯エネルギー（バンドギャップ）
Ｅg1より大きく設定されている。従って、光の受光によ
り光吸収層６で生成された電子の障壁層５への移動をス
ムーズに行わせるとともに、増幅層３中を移動する電子
が障壁層５と井戸層４との界面部分でΔΕcに相当する
エネルギーを受け、アバランシェ増倍現象を引き起こ
す。

【００３０】以下、上記構造の半導体受光素子を得るた
めの製造方法について説明する。先ず、ガラスあるいは
セラミック等から成る絶縁性基板１の上に、Ｃｒ，Ａ
ｌ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｉ等の金属を着膜及びパター
ニングし、所望のパターンの下部電極２を形成する。使
用する金属はここに例示した金属の合金でも構わず、も
ちろん他の材料を用いても構わない。

【００３１】この下部電極２上に、プラズマＣＶＤ法あ
るいはＬＰＣＶＤ法を用いてａ−Ｓｉを１００〜１００
０ｎｍの膜厚に着膜して井戸層４′を形成する（図
３）。ＬＰＣＶＤ方を用いた場合の一般的な着膜条件を
下記に示す。使用ガスと流量：Ｓｉ₂Ｈ₆ （１００％）１００ｓ
ｃｃｍ圧力：０．３Ｔorr 基板温度：４５０°Ｃ着膜方法としては上記方法以外にもＥＣＲ法や光ＣＶＤ
等の方法、またはスパッタ法や蒸着法を用いてもよい。
また、この例では井戸層４′としてＳｉを用いている
が、必要なバンドギャップ値を得るためにＳｉＧｅある
いはＳｉＣを用いることも可能である。

【００３２】次に、井戸層４′上に非晶質ＳｉＣをプラ
ズマＣＶＤ法を用いて着膜して障壁層５′を形成する。
材料としてはこれに限らず、ＳｉＯやＳｉＮ等を用いる
ことも可能である。また、作成方法として他の方法、例
えばＥＣＲＣＶＤ、光ＣＶＤ、スパッタあるいは蒸着法
等を利用することも可能である。

【００３３】上記障壁層５′（ａ−ＳｉＣ）の作製にお
いては、障壁層５′のバンドギャップが井戸層側界面部
より徐々に減少するようにＳｉとＣの組成比を変化させ
る。そして、後の結晶化工程で結晶化された場合におい
て、井戸層４（poly−Ｓｉ）側の界面部での障壁層５
（ＳｉＣ）のバンドギャップの値は、この部分での障壁
層５と井戸層４との電子伝導帯の差異の値（ΔΕc）が
井戸層４の材料のバンドギャップ値（Ｅg1）よりも大き
くなるように作製する。このように構成することによ
り、障壁層５から井戸層４へと移動してきた電子が界面
部で伝導帯の差異に相当するエネルギーを受けて、井戸
層４中でアバランシェ増倍を引き起こし、センサとして
の高感度増幅動作を起こすことが可能になる。また、井
戸層４と障壁層５から成る多層膜を複数積層して増幅層
３とすることにより、増幅率を向上させることができ
る。

【００３４】本実施例の場合、井戸層４としてはpoly−
Ｓｉを用いているためバンドギャップＥg1の値は約１．
１ｅＶであり、電子伝導帯の差異の値（ΔΕc）がこれ
以上になることが重要である。従って、障壁層５の井戸
層４側の材料として結晶化された場合のバンドギャプ値
が約３．５ｅＶとなる非晶質ＳｉＣを用い、伝導帯の差
異の値が約１．６ｅＶになるように設計した。

【００３５】さらに、障壁層５の光吸収層６側界面での
バンドギャップ値は、光吸収層６のバンドギャップの値
と同一あるいは小さいことが望ましい（本実施例では同
一値としている）。これは、光吸収層６から障壁層５に
電子が移動する際に、この部分でのエネルギーバリヤに
よる電子の損失を防ぐためである。本実施例では、後述
するように、光吸収層６として非晶質Ｓｉを用いるの
で、界面部分での障壁層５（ＳｉＣ）のバンドギャップ
の値を約１．７ｅＶにすれば光吸収層６と同じ値とする
ことができる。したがって、障壁層５のバンドギャップ
値は、３．５ｅＶ（井戸層４側）から１．７ｅＶ（光吸
収層６側）まで連続的に変化させるようにする。

【００３６】以下に、障壁層５′の作製における具体的
な条件の例を示す。使用ガスおよび流量：ＳｉＨ₄ １００ｓｃｃｍＣ₂Ｈ₆ ０〜２００ｓｃｃｍ圧力：０．５Ｔorr 基板温度：２５０ °ＣＲＦＰower ：５０Ｗ膜厚：１０〜１０００ｎｍこのとき、Ｃ₂Ｈ₆ガスの流量を適宜変更することにより
Ｃ含有率を調整しており、着膜中に際して連続的にガス
流量を変化させている。

【００３７】本実施例では増幅率を得るために、井戸層
４′と障壁層５′の対（多層膜）を複数回（５回）連続
して形成して増幅層３を形成した。次に、井戸層４′
（ａ−Ｓｉ）と障壁層５′（ａ−ＳｉＣ）から成る増幅
層３の結晶化を行い、井戸層４（poly−Ｓｉ）と障壁層
５（ＳｉＣ）から成る増幅層３を得る。結晶化工程は、
図３に示すように反絶縁性基板１側から、水素イオンビ
ームの打ち込みを行う。

【００３８】水素ビームの打ち込みによる効果について
は、エピタキシャル成長に関して例えばＢ．Ｓvenson e
t al, Ｎucl. Ｉnstrum. Ｍethods, ２０９／２１０
（１９８３）, pp７５５などに示されている。また、
ａ−Ｓｉの結晶化に関しては、そのメカニズムは必ずし
も明確にはなっていないが、イオンエネルギーの結晶格
子に対する授与およびイオンの弾性散乱により発生した
空孔への構成原子の移動などにより結晶化が進むと考え
られている。

【００３９】また、ａ−Ｓｉを結晶化させるためには、
イオンビームを打ち込むに際しての絶縁性基板１の基板
温度は、１５０℃以上、望ましくは２５０℃程度に維持
することが必要である。水素イオンビームの打ち込み
は、ＬＳＩのドーピング工程で通常利用されるイオンイ
ンプランテーション装置を用いても良いが、より簡便な
方法として最近ＴＦＴの作製に用いられているイオンド
ーピング装置を用いることにより、さらに広い面積にわ
たって結晶化が可能となる。イオンドーピング装置は、
ＲＦプラズマにより発生させたイオンを、複数の加速電
極を用いて約１００ｋｅＶ程度まで加速して基板に打ち
込む装置である。イオンインプランテーション装置と異
なり、イオン種の分離を行わないため質量分離装置が不
要であり、構造が単純なことが特徴である。

【００４０】イオンドーピング装置を用いて水素ビーム
を行う場合の具体的な条件例を示す。使用ガス：水素１００％１０ｓｃｃｍ圧力：１０ｍＴｏｒｒ基板温度：２５０℃ ＲＦＰower ：１００Ｗ加速エネルギー：１００ｋｅＶドーズ量：１Ｅ１６

【００４１】この方法では、イオン種の分離を行ってい
ないため、Ｈ⁺だけではなくＨ²⁺やＨ³⁺などのイオンも
同時に加速されてサンプル（増幅層３）に照射されるた
め、イオンインプランテーション装置の場合と異なりサ
ンプル中に導入される水素原子濃度の膜厚方向の分布は
非常になだらかになり、本発明で対象としている数１０
０ｎｍの薄膜（半導体受光素子の増幅層３）の場合に
は、半導体膜全体に対してほぼ均一に水素原子を打ち込
むことが可能となる。

【００４２】Ｈ⁺イオンの大部分は多層膜から構成され
る増幅層３を透過し、その過程で各多層膜を結晶化させ
る。さらに、打ち込み深さにおけるバラツキのピ−ク値
が増幅層３中の反照射側に位置するように加速エネルギ
ーを設定することにより、照射後のイオンを半導体膜中
に残留させることができ、この残留している水素が半導
体膜中あるいは界面部分に存在するダングリングボンド
と結合してギャップ準位および界面準位を大幅に低減さ
せる効果も有している。

【００４３】本実施例においては、１００ｎｍの膜厚の
ａ−Ｓｉ膜から成る井戸層４′及び５０ｎｍの膜厚のａ
−ＳｉＣ膜から成る障壁層５′との多層膜を５層積層し
た増幅層３の構造に対し、上記条件で水素ビームを照射
して全層（増幅層３全体）の結晶化を行うことができ
た。用いるイオン種としては、ここで述べた水素以外に
も、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒなどの不活性ガスでもよく、ま
た、Ｆ，Ｃｌなどのハロゲン系のイオンを用いることも
可能である。結晶化の効果としては、イオン種の質量が
大きいほうが結晶化率が高いことが知られているが、質
量数の大きな不活性ガスを用いた場合には、膜中のダン
グリングボンドの終端効果が期待できないため、望まし
くはＨ，Ｆを用いることにより、結晶化とともにダング
リングボンドの終端を同時に行うことが好ましい。ダン
グリングボンドの終端は、一部のイオンが膜中に残留す
ることにより行われるものである。

【００４４】加速エネルギーは用いるイオン種による
が、いずれのイオンを用いる場合にもそのイオンが結晶
化対象の膜（増幅層３）を完全に透過できるだけのエネ
ルギーが必要となる。これは、結晶化対象の膜（増幅層
３）全体を確実に結晶化させるためである。水素の場合
には膜厚５００ｎｍに対して５０〜１００ｋｅＶが適当
である。

【００４５】参考例として、１００ｎｍの膜厚のａ−Ｓ
ｉ膜から成る井戸層と５０ｎｍの膜厚のａ−ＳｉＣ膜か
ら成る障壁層との多層膜を５層積層した増幅層（上記実
施例と同じ構造）をエキシマレーザーを用いて結晶化す
る場合、５回の着膜工程と５回のレーザー結晶化工程が
必要となり工程が非常に複雑となるだけでなく、各着膜
の工程では多量の界面準位が導入されてしまい、フォト
ダイオード特性の大幅な劣化を引き起こす原因となって
しまう。

【００４６】また、レーザー溶融により障壁層と井戸層
のミキシングが起こり急峻な界面形成ができないため、
界面部における電子に対するエネルギー供給効率が低く
なって増幅率の低下につながっていた。水素ビームによ
る結晶化においては、このような問題は全くなく、必要
な層全体に対して同時に結晶化を進行させることが可能
となり、工程の単純化と界面準位低減の両方の効果を実
現することができる。各層の結晶のグレインサイズは、
poly−Ｓｉで約５から５０ｎｍ、ＳｉＣで約１から１０
ｎｍである。

【００４７】結晶化された増幅層３の形成後に、光吸収
材料としてａ−Ｓｉを着膜して光吸収層６を形成する。
増幅層３の結晶化の後に光吸収層６を形成することによ
り、光吸収層６が結晶化されることがないので、光吸収
層６について、可視光の受光によりフォトキャリアを発
生させるのに適した膜質とし（ａ−Ｓｉのバンドギャッ
プは１．７ｅＶ、結晶化してしまうと１．１ｅＶとな
る）、高感度とすることができる。本実施例では光吸収
層６としてａ−Ｓｉを用いているが、検知したい光の波
長によりＳｉに対して適当な添加物を入れることも可能
である。例えば短波長領域の感度を上げたい場合には
Ｃ、Ｎ、Ｏ等を所望の量添加し、長波長領域の感度を上
げたければＧｅ等の元素を添加することが可能である。
母材としては可視光領域を検知する場合にはＳｉが望ま
しいが、他の薄膜材料、例えばＧｅ、Ｓｅ、ＣｄＳ、Ｃ
ｄＳｅ、ＰｂＳ等を用いることも可能である。

【００４８】最後に、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂等の透明電極材
料を着膜及びパターニングして上部電極７を形成する。
電極材料としては、光に対して十分な透過率を持ち、か
つ抵抗値の小さな材料であればよい。

【００４９】また、適宜必要に応じて電子および正孔の
ブロッキング層として非晶質あるいは多結晶Ｓｉのｐ層
およびｎ層を、それぞれ光吸収層６側の上部電極７およ
び増幅層３側の下部電極２部分に挿入することにより、
暗電流の低減効果を得ることが可能となる。これらｐ層
およびｎ層の代わりに１〜１００ｎｍの薄い絶縁膜を挿
入しても同様の効果が期待できる。

【００５０】本実施例では可視光をデバイス上部より入
射させる例を示しているが、もちろん絶縁性基板１を透
光性材料としてデバイス下部から光を入射させることも
可能である。この場合、上部電極７が透明である必要は
なく、抵抗値の小さい材料、例えば、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔ
ａ，Ｔｉ，Ｎｉ及びこれらの合金の金属の極薄膜（１〜
１０ｎｍ）や、これらによるシリサイドが用いられる。

【００５１】上記製造方法で作製した半導体受光素子の
特性の一例を図４に示す。この半導体受光素子は、光吸
収層６のａ−Ｓｉの膜厚が５００ｎｍ，井戸層４の膜厚
および障壁層５の膜厚がともに２００ｎｍである多層膜
の５層積層構造で増幅層３を作製した。図４より、印加
電圧１０Ｖで約５０のゲインを有しており、これまでの
結晶化工程にイオンビームを用いない従来例と比較して
１桁以上の増幅率向上が達成された。もちろん、膜厚お
よび印加電圧の増加により、さらに増幅率の向上を図る
ことができる。

【００５２】また、印加電圧１０Ｖでの暗電流は１ｎＡ
／ｃｍ²以下であり、２桁以上低減することができた。
これは水素イオンビームによりａ−Ｓｉ膜（井戸層４）
だけでなくａ−ＳｉＣ膜（障壁層５）も結晶化されたこ
と、積層構造界面の界面準位が大幅に低減できたことな
どに起因する。

【００５３】（実施例２）上述した実施例１において
は、水素イオンビームを増幅層３に照射することにより
増幅層３の多結晶化を行ったが、同様の方法を用いて増
幅層３の微結晶化を行うことも可能である。すなわち、
上記実施例１と同様の方法を使用し、水素イオンビーム
による結晶化工程での加速エネルギーを変化させたり、
基板温度を調整することにより、増幅層３の微結晶化
（微結晶〜多結晶）を行うことができる。

【００５４】増幅層３が微結晶化する結晶化のメカニズ
ムの詳細はまだ明らかではないが、イオンビームのエネ
ルギーを被照射物である半導体膜の格子に与え、そのエ
ネルギーにより半導体を構成する原子の再配列が起こっ
ているものと考えられる。したがって、イオンビームの
加速エネルギーを適宜調整することで、結晶化の進行レ
ベルの制御を行うことが可能となる。

【００５５】ａ−Ｓｉ膜に対して、水素イオンビームの
加速エネルギーを１０〜１００ｋｅＶに変化させて照射
して結晶化した場合、半導体膜の抵抗値の照射エネルギ
ー依存性を図４に示す。図より、エネルギーが上昇する
にしたがって抵抗値が急激に低下する傾向を示している
が、これはエネルギー上昇に伴う結晶グレインサイズの
増加に対応するものである。ここにおけるａ−Ｓｉ膜の
作製は実施例１において示した方法と全く同じであり、
膜厚は１００ｎｍとした。

【００５６】エネルギー５０ｋｅＶで作製した微結晶体
は、膜中に多量の結晶核を有しており、これをもとにさ
らに他の結晶化方法を用いてグレインサイズの大きな結
晶体を作製することが可能である。例えば、実施例２の
方法により作製した微結晶体に対して、６００℃，４０
時間の大気中アニールを施すことにより、グレインサイ
ズとして膜厚と同等の約１００ｎｍの膜を作製すること
ができる。これは高エネルギーの水素イオンビームを照
射して得られる膜のグレインサイズよりも十分大きな値
であり、デバイス特性のさらなる向上を図ることが可能
となる。この方法で作製した実施例１と同様構造の受光
素子の特性を図４に示す。実施例１の製造方法によるも
のと比較して、さらなるゲインの向上と暗電流の低減が
可能なことが確認できた。

【００５７】また同様に得られた微結晶体に対してレー
ザーを照射して結晶化を行った場合にも前述した炉アニ
ールとほとんど同様の結果を得ることができる。用いた
レーザーは波長２４８ｎｍのエキシマレーザーであり、
レーザーの照射エネルギーは２００から４００ｍＪ／ｃ
ｍ²とした。この場合のグレインサイズも５０から１０
０ｎｍであり、高エネルギーの水素ビームを直接照射す
る場合に比べて良好な結晶体を得ることが可能である。

【００５８】（実施例３）次に、被照射物である半導体
膜を単結晶体、例えばＳｉウエハ（半導体基板）上に形
成し、それに対して高エネルギーの水素ビームを照射す
ることにより、増幅層の単結晶化を行う実施例３につい
て図６を参照しながら説明する。ｎ型Ｓｉウエハー１１
上に、実施例１と同様の工程でａ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣを
順次積層して井戸層１４及び障壁層１５を形成し、さら
に井戸層１４及び障壁層１５から成る多層膜を５層重ね
て増幅層１３を形成する。

【００５９】次に、実施例１と同様のイオンドーピング
装置を用いて以下の条件で水素ビームを行う。使用ガス：水素１００％１０ｓｃｃｍ圧力：１０ｍＴｏｒｒ基板温度：２５０℃ ＲＦＰower ：１００Ｗ加速エネルギー：１００ｋｅＶ〜１ＭｅＶドーズ量：１Ｅ１６

【００６０】この水素イオンビームの照射により、単結
晶体であるＳｉウエハ１１上に形成された増幅層１３を
構成する半導体膜にエピタキシャル成長が起こり、井戸
層１４及び障壁層１５が単結晶化される。

【００６１】次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ₄を
原料ガスとしｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１６を
５００ｎｍの膜厚に形成する。また、必要に応じて、光
吸収層１６上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ
₆を原料ガスとし、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる電子注入
阻止層（図示せず）を５０ｎｍの膜厚に形成する。スパ
ッタ法によりＩＴＯからなる透明電極１７を６０ｎｍの
膜厚に形成した。次に、透明電極１７上に表面保護膜と
してレジスト膜を形成した後、ｎ型Ｓｉウエハー１１の
裏面をＨＦ処理し、ｎ型Ｓｉウエハー１１の裏面（透明
電極１７と反対側）にスパッタ法によりＡｌを着膜して
金属電極１２を形成し、レジスト膜を除去した。

【００６２】上記実施例によれば、Ｓｉウエハ１１上に
半導体膜（増幅層１３）を形成することにより、イオン
ビーム照射時においてこの半導体膜にエピタキシャル成
長を起こすことができ、低温かつ簡単なプロセスで単結
晶膜が作製可能となる。

【００６３】上記各実施例で説明したように、本発明方
法によれば、低温簡便な方法で微結晶から単結晶までの
広い範囲で半導体膜の作製を制御することが可能であ
り、良好な半導体膜特性と界面特性を有する半導体受光
素子を作製することができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明方法によれば、井戸層と障壁層か
ら成る増幅層を有し、井戸層と障壁層との界面部分でア
バランシェ増倍を起こさせる構造の半導体受光素子の製
造方法において、工程の複雑化を招くことなく簡便且つ
低温な処理工程で増幅層を結晶化させることができる。
すなわち、増幅層を構成する井戸層及び障壁層を多層化
し、増幅層を多層積層構造とした場合においても、上記
方法によれば高エネルギーのイオンビームを照射するこ
とにより結晶化を行うので、結晶化可能な膜厚を厚くで
き、積層構造のままの状態で結晶化が可能となり、結晶
化工程を複数回行うことを必要とせず工程の複雑化を防
止することができる。

【００６５】また、水素イオンビームを用いることによ
り、増幅層（アバランシェ層）の結晶化工程において井
戸層及び障壁層に打ち込まれた水素原子が増幅層を構成
する半導体膜中あるいは界面のダングリングボンドを終
端するため、結晶膜およびそのグレインバウンダリー部
分の膜質を大幅に改善することができ、ゲインの向上，
暗電流の低減，駆動電圧の低下などを図ることができ
る。従って、良好な特性の半導体膜と界面特性を得るこ
とができ、低電圧駆動、高感度、高ＳＮ比の半導体受光
素子を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法により作製された半導体受光素子の
構造の一例を示す断面説明図である。

【図２】図１の半導体受光素子の増幅層と光吸収層部分
の電圧無印加時におけるバンド構造を模式的に示したエ
ネルギー帯図である。

【図３】イオンビーム照射を説明するための半導体受光
素子の製造課程における断面説明図である。

【図４】実施例の半導体受光素子における印加電圧に対
する暗電流と増幅率を示す特性図である。

【図５】ａ−Ｓｉ膜の抵抗値について、イオンビーム照
射によるエネルギー依存性を示すグラフ図である。

【図６】本発明方法により作製された半導体受光素子の
構造の他の例を示す断面説明図である。

【図７】本発明者らが既に提案した外部電界のアシスト
を必要とせずにアバランシェ現象を起こさせる構造の半
導体受光素子（多層薄膜系ＡＰＤ）についての説明図で
あり、（ａ）は構造を示す断面説明図、（ｂ）はバイア
ス電圧無印加時のエネルギーバンド図である。

【図８】図７の半導体受光素子（多層薄膜系ＡＰＤ）に
おけるデバイス電圧印加時のエネルギーバンド図であ
る。

【符号の説明】

１…絶縁性基板、２…下部電極（Ａｌ）、３…増幅
層、４…井戸層（poly−Ｓｉ）、４′…井戸層（ａ
−Ｓｉ）、５…障壁層（ＳｉＣ）、５′…障壁層
（ａ−ＳｉＣ）、６…光吸収層（ａ−Ｓｉ）、７…
上部電極（ＩＴＯ）、１１…ｎ型Ｓｉウエハー、
１２…金属電極（Ａｌ）、１３…増幅層、１４…井
戸層（poly−Ｓｉ）、１５…障壁層（ＳｉＣ）、１
６…光吸収層（ａ−Ｓｉ）、１７…透明電極（ＩＴ
Ｏ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本育昌神奈川県足柄上郡中井町境430グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板上に、受光によりフォトキャリ
アを生じる光吸収層と、前記光吸収層で発生したフォト
キャリアを増幅する増幅層とを一対の電極間で挟持させ
て配置し、前記電極の少なくとも一方が透光性を有して
成る半導体受光素子の製造方法であって、前記増幅層は、前記光吸収層に対してバンドギャップが
連続的に変化する非晶質材料の半導体膜から成る障壁層
と、この障壁層に隣接し非結晶材料の半導体膜から成る
井戸層とを組み合わせて形成し、前記増幅層を構成する障壁層及び井戸層について、高エ
ネルギーのイオンビームを照射することにより微結晶化
又は多結晶化させることを特徴とする半導体受光素子の
製造方法。
【請求項２】単結晶体から成る半導体基板上の一方面に
第一の電極が形成され、前記半導体基板の他方面に、光
吸収層で発生したフォトキャリアを増幅する増幅層、受
光によりフォトキャリアを生じる光吸収層、透光性を有
する第二の電極が順次積層されて成る半導体受光素子の
製造方法であって、前記増幅層は、前記光吸収層に対してバンドギャップが
連続的に変化する非晶質材料の半導体膜から成る障壁層
と、この障壁層に隣接し非結晶材料の半導体膜から成る
井戸層とを組み合わせて形成し、前記増幅層を構成する障壁層及び井戸層について、高エ
ネルギーのイオンビームを照射することによりエピタキ
シャル成長を起こさせて単結晶化させることを特徴とす
る半導体受光素子の製造方法。
【請求項３】増幅層を構成する障壁層及び井戸層を微結
晶化，多結晶化又は単結晶化させた後に、光吸収層を形
成する請求項１又は請求項２に記載の半導体受光素子の
製造方法。
【請求項４】前記イオンビームのイオン元素は、水素，
ヘリウム，ネオン，アルゴン，弗素，塩素の単体あるい
はこれらの混合からなる請求項１又は請求項２に記載の
半導体受光素子の製造方法。
【請求項５】前記イオンビームを照射する際の被照射物
である絶縁性基板の温度を、１５０℃以上にする請求項
１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記イオンビーム照射において、イオンの
加速エネルギーは該イオンが被照射物である半導体膜を
透過するのに十分なエネルギーである請求項１又は請求
項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記イオンビームのイオンは、照射後にも
被照射物である半導体膜中に残留し、半導体膜中のダン
グリングボンドの終端を行う請求項１又は請求項２に記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記イオンビームを照射する際の絶縁性基
板の基板温度を適宜調整することにより、被照射物であ
る半導体膜の結晶構造を微結晶から多結晶までの任意に
変化させる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記イオンビームを照射する際のイオン加
速エネルギーを適宜調整することにより、被照射物であ
る半導体膜の結晶構造を微結晶から多結晶までの任意に
変化させる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。