(57)【要約】【課題】応答速度の速いフォトダイオードを提供する。【解決手段】フォトダイオード１０は、第１不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体層１２と、第１半導体層１２の上面から内側に設けられ、第１不純物濃度より高い第２不純物濃度を有する第２導電型の第２半導体層１３と、第２半導体層１３を囲むように第１半導体層１２の上面から内側に設けられ、第１不純物濃度より高い第３の不純物濃度を有する第１導電型の第３半導体層１４と、第３半導体層１４の上方に設けられ、上方から第３半導体層１４の近傍１８に入射する光１９ｂを遮る遮光膜１６と、を具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上面から内側に設けられ、前記第１不純物濃度より高い第２不純物濃度を有する第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層を囲むように前記第１半導体層の上面から内側に設けられ、前記第１不純物濃度より高い第３不純物濃度を有する第１導電型の第３半導体層と、
前記第３半導体層の上方に設けられ、上方から前記第３半導体層の近傍に入射する光を遮る遮光膜と、
を具備することを特徴とするフォトダイオード。
【請求項２】
前記遮光膜の幅は、前記第３半導体層の幅よりも大きく、前記第１半導体層と前記第２半導体層のｐｎ接合面から前記第３半導体層側に伸びる空乏層までの幅より小さいことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
前記第３半導体層は、前記第２半導体層を多角形状、または環状に取り囲んでいることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記第１半導体層の上面から内側に設けられ、前記第３半導体層より幅が広く、前記第１不純物濃度より高い第４不純物濃度を有する第１導電型の第４半導体層を具備し、前記第３半導体層は前記第４半導体層の下面から内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項５】
前記第４半導体層は、共通電位線に電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、フォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトダイオードには、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層が基板表面と平行に配置され、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間にｉ型半導体層を挟みこんだ横型ｐｉｎフォトダイオードが知られている。横型ｐｉｎフォトダイオードは、基板の上方からｉ型半導体層に入射する光を検出する。
【０００３】
ｉ型半導体層が不純物濃度の十分に低いｐ型半導体層の場合、ｎ型半導体層とｉ型半導体層がｐｎ接合になる。空乏層はｎ型半導体層側よりｐ型半導体層側に多く延在する。ｉ型半導体層に光が入射すると、光はｉ型半導体層に吸収され、キャリアが発生する。
【０００４】
空乏層内で発生したキャリアはドリフト電流として流れ、空乏層外で発生したキャリアは拡散電流として流れる。その結果、横型ｐｉｎフォトダイオードでは、十分な応答速度が得られないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２３９０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
応答速度の速いフォトダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの実施形態によれば、フォトダイオードは、第１不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上面から内側に設けられ、前記第１不純物濃度より高い第２不純物濃度を有する第２導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層を囲むように前記第１半導体層の上面から内側に設けられ、前記第１不純物濃度より高い第３不純物濃度を有する第１導電型の第３半導体層と、前記第３半導体層の上方に設けられ、上方から前記第３半導体層の近傍に入射する光を遮る遮光膜と、を具備している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るフォトダイオードを示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図２】実施形態に係るフォトダイオードの応答特性を比較例と対比して示す図。
【図３】実施形態に係る比較例のフォトダイオードを示す図で、図３（ａ）はその平面図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図４】実施形態に係るフォトダイオードの製造工程を順に示す断面図。
【図５】実施形態に係るフォトダイオードの製造工程を順に示す断面図。
【図６】実施形態に係るフォトダイオードの製造工程を順に示す断面図。
【図７】実施形態に係る別のフォトダイオードを示す断面図。
【図８】実施形態に係る別のフォトダイオードを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
（実施形態）
本実施形態に係るフォトダイオードについて図１を用いて説明する。図１は本実施形態のフォトダイオードを示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
【００１１】
本実施形態のフォトダイオードは、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層が基板表面と平行に配置され、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間にｉ型半導体層を挟みこんだ横型のｐｉｎフォトダイオードである。横型のｐｉｎフォトダイオードでは、基板の上方からｉ型半導体層に入射する光を検出する。以後、ｐｉｎフォトダイオードを単にフォトダイオードと称する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態のフォトダイオード１０は、半導体基板１１上に設けられている。半導体基板１１は、例えばｐ型（第１導電型）のシリコン基板である。ｐ型の第１半導体層１２が、基板１１上に設けられている。第１半導体層１２は、例えば第１不純物濃度が１Ｅ１３乃至１Ｅ１５ｃｍ−３程度、厚さが１０μｍ程度である。第１半導体層１２は、不純物濃度が十分に低いので、ｉ型半導体層とみなせる。
【００１３】
ｎ型（第２導電型）の第２半導体層１３が、第１半導体層１２の上面１２ａから内側に設けられている。第２半導体層１３は、例えば円柱状で、第２不純物濃度が１Ｅ１８乃至１Ｅ１９ｃｍ−３程度、厚さが３乃至４μｍ程度である。第２不純物濃度は第１不純物濃度より高い。
【００１４】
ｐ型の第３半導体層１４が第２半導体層１３を囲むように第１半導体層１２の上面１２ａから内側に設けられている。第３半導体層１４は、例えば第３不純物濃度が１Ｅ１８乃至１Ｅ１９ｃｍ−３程度、厚さが３乃至４μｍ程度である。第３不純物濃度は第１不純物濃度より高い。
【００１５】
第２半導体層１３間の距離は、１０乃至２０μｍ程度である。第３半導体層１４の幅は、１乃至２μｍ程度である。
【００１６】
第３半導体層１４は、例えば第２半導体層１３を中心とする六角形状である。第２半導体層１３および第３半導体層１４は、それぞれ複数設けられており、ハニカム状に配列されている。
【００１７】
第３半導体層１４、第１半導体層１２および第２半導体層１３により、横型ｐｉｎフォトダイオードが構成されている。第３半導体層１４はフォトダイオード１０のアノードであり、第２半導体層１３はフォトダイオード１０のカソードである。
【００１８】
透光性を有する絶縁膜１５が第１半導体層１２、第２半導体層１３および第３半導体層１４上に設けられている。絶縁膜１５は、例えばシリコン酸化膜である。
【００１９】
遮光膜１６が第３半導体層１４の上方に設けられている。遮光膜１６は絶縁膜１５を介して第３半導体層１４上に設けられている。遮光膜１６は、例えば金属膜である。
【００２０】
遮光膜１６のエッジは、平面視で第３半導体層１４のエッジより外側で、第１半導体層１２と第２半導体層１３のｐｎ接合面から第３半導体層１４側に伸びる空乏層のエッジより内側に設けられている。空乏層の幅は、第１半導体層１２と第２半導体層１３の不純物濃度に依存し、例えば３乃至５μｍ程度である。
【００２１】
即ち、遮光膜１６の幅は、第３半導体層１４の幅よりも大きく、第１半導体層１２と第２半導体層１３のｐｎ接合面から第３半導体層１３側に伸びる空乏層までの幅より小さい。
【００２２】
遮光膜１６のエッジが空乏層のエッジより外側にあると、第１半導体層１２に入射する光１９ａの一部が遮られ受光感度の低下を招くので、好ましくない。
【００２３】
電極１７（第１電極）が絶縁膜１５上に設けられている。電極１７は絶縁膜１５を貫通するビアを介して第２半導体層１３に電気的に接続されている。電極１７はカソード電極である。図示されない電極が第３半導体層１４に電気的に接続されている。第２電極はアノード電極である。なお、図１（ａ）においては、絶縁膜１５および電極１７は図示されていない。
【００２４】
上方から第１半導体層１２に入射する光１９は、第１半導体層１２に吸収されてキャリア（電子正孔対）を発生させる。フォトダイオード１０は、発生したキャリアを光電流として出力する。出力された光電流は信号処理回路（図示せず）に取り込まれる。光電流は第２半導体層１３から電極１７を経て、信号処理回路を経由し、図示されない電極（第２電極）を経て第３半導体層１４に至る。
【００２５】
光１９のうち多くの光１９ａは、第１半導体層１２に入射する。一方、第３半導体層１４の近傍１８に入射する光１９ｂは、遮光膜１６により遮られ、第１半導体層１２に入射できない。
【００２６】
第１半導体層１２に入射した光１９ａは、第１半導体層１２に吸収されてキャリアを発生させる。発生したキャリアは、第２半導体層１３と第１半導体層１２のｐｎ接合の空乏層の電界で加速され、速度の速いドリフト電流として流れる。
【００２７】
ｐ型半導体層とｎ型半導体層を接合すると、ｐｎ接合部では伝導電子と正孔が結合して、これら多数キャリアの不足した空乏層が形成される。この空乏層内は、ｎ型側は正に帯電し、ｐ型側は負に帯電している。このため内部に電子と正孔をそれぞれｎ型半導体層、ｐ型半導体層へ引き戻そうとする電界が発生し、空乏層の両端では電位差（拡散電位）が生じる。空乏層内にキャリアが注入されると、注入されたキャリアは電界に従って動くドリフト電流となる。拡散電位は不純物濃度が高いほど大きくなる。
【００２８】
ｐｎ接合が階段接合の場合、拡散電位は、ＶＤ＝（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（ＮＡ×ＮＤ／ｎｉ２）で表される。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷、ＮＡはアクセプタ密度、ＮＤはドナー密度、ｎｉは真性キャリア密度である。
【００２９】
図２はフォトダイオード１０の応答特性を比較例と対比して示す図である。図３は比較例のフォトダイオードを示す図で、図３（ａ）はその平面図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。始に比較例について説明する。
【００３０】
図３に示すように、比較例のフォトダイオード３０は、基本的な構造は図１に示すフォトダイオード１０と同じである。異なるのは、フォトダイオード３０は遮光膜１６を有していないことである。
【００３１】
フォトダイオード３０は遮光膜１６を有していないので、上方から入射する光１９のうち光１９ｂは第３半導体層１４の近傍１８の第１半導体層１２に到達する。到達した光１９ｂは第１半導体層１２で吸収され、キャリアを発生させる。
【００３２】
第３半導体層１４の近傍１８は、第１半導体層１２と第２半導体層１３のｐｎ接合の空乏（遷移領域）のエッジから離れており、十分に空乏化していない領域である。したがって、第３半導体層１４の近傍１８で発生したキャリアは電界の影響を受けず、拡散電流として流れることとなる。
【００３３】
第２半導体層１３と第３半導体層１４との距離は５乃至１０μｍ程度であり、空乏層の幅３乃至５μｍ程度より大きい。ｐｎ接合が階段接合の場合、空乏層の幅は、Ｗ＝√（（２ε／ｑ）（１／ＮＡ＋１／ＮＤ）ＶＤ）で表される。ここで、εは半導体層の誘電率である。
【００３４】
図２において、破線２１はフォトダイオードに入射する光信号を示している。実線２２は本実施形態のフォトダイオード１０の応答特性を示している。一点鎖線２３は比較例のフォトダイオード３０の応答特性を示している。
【００３５】
図２に示すように、時間ｔ１で光１９がステップ状に入射したとする。本実施形態のフォトダイオード１０および比較例のフォトダイオード３０は、立ち上がり時間は略同様である。
【００３６】
時間ｔ２で光１９がステップ状に遮断されたとする。本実施形態のフォトダイオード１０は時間ｔ３で立下がる。比較例のフォトダイオード３０は、時間ｔ３より長い時間ｔ４で立下がる。本実施形態のフォトダイオード１０の立下がり時間は、比較例のフォトダイオード３０の立下がり時間より短い。
【００３７】
比較例のフォトダイオード３０では、遮光膜１６を有しないので、光１９が無くなっても第３半導体層１４の近傍１８にキャリアが残留している。残留キャリアは速度の遅い拡散電流として流れるので、必然的に立下り時間が長くなる。
【００３８】
一方、本実施形態のフォトダイオード１０では、遮光膜１６を有するので、光１９が無くなっても、第３半導体層１４の近傍１８に残留するキャリアは存在しない。従って速度の遅い拡散電流は流れない。その結果、立ち下がり時間を短くすることが可能である。
【００３９】
フォトダイオード１０の製造方法について説明する。図４乃至図６はフォトダイオード１０の製造工程を順に示す断面図である。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、例えば気相成長法によりシリコン基板１１に第１半導体層１２をエピタキシャル成長させる。プロセスガスとして、例えばジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、ドーパントガスとして、例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いる。
【００４１】
図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法により第２半導体層１３が設けられる予定の第１半導体層１２を露出する開口４１ａを有するレジスト膜４１を形成する。レジスト膜４１をマスクとしてイオン注入法により、第１半導体層１２に燐イオン（Ｐ＋）を注入し、第２半導体層１３を形成する。
【００４２】
図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー法により第３半導体層１４が設けられる予定の第１半導体層１２を露出し、第２半導体層１３を囲むようにハニカム状の開口４２ａを有するレジスト膜４２を形成する。レジスト膜４２をマスクとしてイオン注入法により、第２半導体層１２にホウ素イオン（Ｂ＋）を注入し、第３半導体層１４を形成する。
【００４３】
図５（ｂ）に示すように、第１半導体層１２、第２半導体層１３および第４半導体層１５上に絶縁膜１５として、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりシリコン酸化膜を形成する。フォトリソグラフィー法により絶縁膜１５に第３半導体層１４の一部を露出する開口４４を形成する。
【００４４】
図６に示すように、例えばスパッタリング法により開口４４を満たし絶縁膜１５を覆うように金属膜４５、例えばアルミニウム膜を形成する。フォトリソグラフィー法により金属膜４５上に遮光膜１６および電極１７が形成される予定の領域を除いて金属膜４５を露出する開口４６ａを有するレジスト膜４６を形成する。
【００４５】
レジスト膜４６をマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により金属膜４５を除去する。これにより、図１に示す第２半導体層１３に電気的に接続された電極１７および第３半導体層１４の近傍１８に上方から入射する光１９ｂを遮る遮光膜１６が同時に形成される。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態のフォトダイオード１０は、第３半導体層１４の近傍１８に上方から入射する光１９ｂを遮る遮光膜１６を有しているので、第３半導体層１４の近傍１８にはキャリアが発生しない。その結果、光１９が遮断されたとき第３半導体層１４の近傍１８に残留するキャリアは存在しないので、フォトダイオード１０の立ち下がり時間を短くすることができる。従って、応答速度の速いフォトダイオードが得られる。
【００４７】
ここでは、第３半導体層１４がハニカム状である場合について説明したが、第３半導体層１４は第２半導体層を囲んでいればよく、その他の形状、例えばリング状、枡目状でも構わない。第３半導体層１４がリング状の場合、平面視で第２半導体層１３と第３半導体層１４の距離が一定になるので、第３半導体層１４と空乏層のエッジとの距離も一定になる。遮光膜１６のマージンが増加する利点がある。
【００４８】
フォトダイオード１０に逆バイアス電圧を印加していない場合について説明したが、逆バイアス電圧を印加しても構わない。逆バイアス電圧を印加すると、空乏層が更に第３半導体層１４側に拡がるので、遮光膜１６のマージンが増加する利点がある。
【００４９】
第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型である場合について説明したが、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型でも同様の効果が得られる。図７は第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型であるフォトダイオード５０を示す断面図である。
【００５０】
フォトダイオード５０は、導電型以外は図１に示すフォトダイオード１０と同じであり、その説明は省略する。
【００５１】
フォトダイオードに電磁ノイズを遮るシールド層を設けることもできる。図８はシールド層が設けられたフォトダイオードを示す図である。
【００５２】
図８に示すように、フォトダイオード６０では、ｐ型の第４半導体層（シールド層）６１が第１半導体層１２の上面１２ａから内側に設けられ、第３半導体層１４は第４半導体層６１の下面から内側に設けられている。
【００５３】
第４半導体層６１は第３半導体層１４より幅が広く、第４不純物濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３程度、厚さは０．２μｍ程度である。第４不純物濃度は第１不純物濃度より高い。第４半導体層６１の幅は特に限定されず、第２半導体層１３と接触しなければ良い。
【００５４】
第４半導体層６１および基板１１は接地されている。第１半導体層１２は接地された第４半導体層６１および基板１１に挟まれているので、電磁ノイズの混入が防止される。第４半導体層６１は電磁ノイズを遮るシールド層として機能する。
【００５５】
第４半導体層６１は、上方から入射する光１９の吸収が無視できる程度の厚さなので、フォトダイオード６０の受光感度に影響を及ぼさない。
【００５６】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００５７】
なお、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。  
（付記１）  前記第１半導体層は、第１導電型の半導体基板上に設けられている請求項１に記載のフォトダイオード。
【００５８】
（付記２）  前記第２半導体層に電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層に電気的に接続された第２電極とを具備する請求項１に記載のフォトダイオード。
【００５９】
（付記３）  前記第３半導体層は、前記第１半導体層と厚さが等しい請求項１に記載のフォトダイオード。
【符号の説明】
【００６０】
１０、３０、５０、６０  フォトダイオード
１１  半導体基板
１２  第１半導体層
１３  第２半導体層
１４  第３半導体層
１５  絶縁膜
１６  遮光膜
１７  電極
１８  近傍
１９  光
２１  光信号
２２、２３  応答特性
４１、４２、４３、４６  レジスト膜
４１ａ、４２ａ、４４、４６ａ  開口
４５  金属膜
６１  第４半導体層
【図１】
2015053415.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015053415.tif 000009
【図８】
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