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JP-2026077564-A - フォトダイオード及びその製造方法

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Abstract

【課題】外部光が素子内部に入った後の集中を効果的に減少させることができ、応答線形性を向上させるだけでなく、線形性不足によって派生する誤った信号などの問題も減少させることができるフォトダイオード及びその製造方法を提供する。 【解決手段】第１導電型半導体層１１０と、第１導電型半導体層１１０上に設置される真性層１２０と、真性層１２０の中央領域上に設置され、中央領域の外を囲む真性層１２０の周辺領域が露出している、第２導電型半導体層１３０と、真性層１２０の前記周辺領域のエッジに形成される上縁角１５０と、を含み、上縁角１５０を通過して真性層１２０に入る第１外部光と水平線との間の第１角度は、上縁角１５０を通過せずに真性層１２０に入る第２外部光と前記水平線との間の第２角度より大きい。 【選択図】図４Ｂ

Inventors

  • 林駿杰
  • 楊志偉
  • 郭元焜
  • ▲曾▼寶儀

Assignees

  • 台亞半導體股▲フン▼有限公司

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20250815
Priority Date
20241025

Claims (13)

  1. フォトダイオードであって、 第１導電型半導体層と、 前記第１導電型半導体層上に設置される真性層と、 前記真性層の中央領域上に設置され、前記中央領域の外を囲む前記真性層の周辺領域が露出している、第２導電型半導体層と、 前記真性層の前記周辺領域のエッジに形成される上縁角と、を含み、 前記上縁角を通過して前記真性層に入る第１外部光と水平線との間の第１角度は、前記上縁角を通過せずに前記真性層に入る第２外部光と前記水平線との間の第２角度より大きい、フォトダイオード。
  2. 前記上縁角は、凹角、斜角、または凸角であ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。
  3. 前記上縁角は、前記真性層の上面からの深さが５～１５マイクロメートル（μｍ）であ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。
  4. 前記上縁角及び前記真性層の周辺領域を覆う金属層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
  5. 前記金属層の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる群から選択される１つであ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。
  6. 前記真性層の厚さは５０～７０マイクロメートル（μｍ）であ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。
  7. 前記真性層は、Ｎ型軽ドープシリコン層であり、ドーパントはリン（Ｐ）、ドーピング濃度は１０ １２～１３ ｃｍ －３ であ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。
  8. フォトダイオードの製造方法であって、 第１導電型半導体層を形成するステップと、 前記第１導電型半導体層上に設置される真性層を形成するステップと、 前記真性層の中央領域上に設置され、前記中央領域の外を囲む前記真性層の周辺領域が露出している、第２導電型半導体層を形成するステップと、 前記真性層の前記周辺領域のエッジに上縁角を形成するステップと、を含み、 前記上縁角を通過して前記真性層に入る第１外部光と水平線との間の第１角度は、前記上縁角を通過せずに前記真性層に入る第２外部光と前記水平線との間の第２角度より大きい、フォトダイオードの製造方法。
  9. 前記上縁角を形成するステップは、凹角、斜角、または凸角を形成するステップであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  10. 前記上縁角を形成するステップは、等方性エッチングで前記真性層の前記エッジをエッチングし、前記真性層の上面から５～１５マイクロメートル（μｍ）の深さの上縁角を形成するステップであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  11. 前記上縁角及び前記真性層の前記周辺領域を覆う金属層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  12. 前記金属層を形成するステップは、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる群から選択される１つの材料で前記金属層を形成するステップであることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
  13. 前記真性層を形成するステップは、厚さが５０～７０マイクロメートル（μｍ）、ドーパントがリン（Ｐ）、ドーピング濃度が１０ １２～１３ ｃｍ －３ のＮ型軽ドープシリコン層を形成するステップであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。

Description

本発明は、フォトダイオード及びその製造方法に関し、特に高い応答線形性を持つフォトダイオード及びその製造方法に関する。 フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）は、外部光信号を電気信号に変換する電子デバイスである。その核心機能は、外部光を吸収し、検出した光信号を測定可能な電流に変換することである。この変換機能は、光通信、光学測定、イメージングなど様々な応用において非常に重要である。 フォトダイオードは、その内部の半導体材料（例えばシリコン基板）を利用して外部光を吸収する。光子がフォトダイオードに入って吸収されると、光子のエネルギーが価電子帯の電子を伝導帯へ遷移させ、電子と正孔のペアを生成する。ダイオード内部の電場の作用により、これらの光生成キャリアが分離され電流が発生する。 しかし、従来のフォトダイオードは実際の応用において以下の問題が存在する。外部光が素子側壁を通して容易に素子内部に入り、内部動作を妨害し、さらに光センサーの応答線形性および後続の素子応用時の演算に悪影響を与える。図１に示すように、外部光が従来のフォトダイオードの露出した素子側壁を透過した後、シリコン基板の屈折率（３．４）が空気の屈折率（１）より大きいため、光は素子のエッジに集中し、そのためフォトダイオードの応答線形性に悪影響を与える。 図２に示すように、線分Ｉ１はフォトダイオードが理想状態での線形性を表す。外部光の入射パワーの増加とフォトダイオードが生成する電流強度には線形関係がある。線分Ｉ２は、フォトダイオードが実際の操作時に、外部光の入射パワーと対応して生成される電流強度の線形度を表す。図から明らかに見られるように、入射パワーの増加に伴い、フォトダイオードが生成する電気信号強度は線形的な増加関係を保つことができず、ある程度の減衰が存在する。さらに、図３に示すように、フォトダイオード本体の各位置での応答線形性を分析すると、フォトダイオードの中央領域では、その応答線形性が一貫性を保っているが、素子のエッジ領域では、その応答線形性が急激に低下することがわかる。上記の問題を克服するために、業界は外部光が素子側壁を透過した後に生じる応答線形性の不足の問題を改善する革新的なフォトダイオードを必要としている。 本発明の主な目的は、革新的なフォトダイオード及びその製造方法を提供することである。従来の光電素子と比較して、本発明のフォトダイオードは、側壁の上縁に上縁角がある。この設計により、外部光が素子内部に入った後の集中を効果的に減少させることができる。このような改良により、フォトダイオードの応答線形性を向上させるだけでなく、線形性不足によって派生する誤った信号などの問題も減少させることができる。 上記目的を達成するために、本発明は、第１導電型半導体層、真性層、第２導電型半導体層、および上縁角を含むフォトダイオードを提供する。真性層は、第１導電型半導体層上に設置される。第２導電型半導体層は、真性層の中央領域上に設置される。中央領域の外を囲む真性層の周辺領域が露出している。上縁角は、真性層の周辺領域のエッジに形成される。これにより、上縁角を通過して真性層に入る第１外部光と水平線との間の第１角度は、上縁角を通過せずに真性層に入る第２外部光と水平線との間の第２角度より大きい。 本発明の実施例のフォトダイオードにおいて、上縁角は、凹角、斜角、または凸角である。 本発明の実施例のフォトダイオードにおいて、上縁角は、真性層の上面からの深さが約５～１５マイクロメートル（μｍ）である。 本発明の実施例のフォトダイオードにおいて、フォトダイオードはさらに上縁角及び真性層の周辺領域を覆う金属層を含む。 本発明の実施例のフォトダイオードにおいて、金属層の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる群から選択される１つである。 本発明の実施例のフォトダイオードにおいて、真性層の厚さは約５０～７０マイクロメートル（μｍ）である。 本発明の実施例のフォトダイオードにおいて、真性層は、Ｎ型軽ドープシリコン層であり、ドーパントはリン（Ｐ）、ドーピング濃度は１０１２～１３ｃｍ－３である。 上記目的を達成するために、本発明は、 第１導電型半導体層を形成するステップと、 第１導電型半導体層上に設置される真性層を形成するステップと、 真性層の中央領域上に設置され、中央領域の外を囲む真性層の周辺領域が露出している、第２導電型半導体層を形成するステップと、 真性層の周辺領域のエッジに上縁角を形成するステップと、 を含むフォトダイオードの製造方法を提供する。 これにより、上縁角を通過して真性層に入る第１外部光と水平線との間の第１角度は、上縁角を通過せずに真性層に入る第２外部光と水平線との間の第２角度より大きい。 本発明の実施例の製造方法において、上縁角を形成するステップは、凹角、斜角、または凸角を形成するステップである。 本発明の実施例の製造方法において、上縁角を形成するステップは、等方性エッチングで真性層のエッジをエッチングし、真性層の上面から約５～１５マイクロメートル（μｍ）の深さの上縁角を形成するステップである。 本発明の実施例の製造方法において、さらに上縁角及び真性層の周辺領域を覆う金属層を形成するステップを含む。 本発明の実施例の製造方法において、金属層を形成するステップは、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる群から選択される１つの材料で金属層を形成するステップである。 本発明の実施例の製造方法において、真性層を形成するステップは、厚さが約５０～７０マイクロメートル（μｍ）、ドーパントがリン（Ｐ）、ドーピング濃度が１０１２～１３ｃｍ－３のＮ型軽ドープシリコン層を形成するステップである。 当業者は、図面及び後述する実施態様を参照すれば、本発明の他の目的、及び本発明の技術的手段と実施態様を理解することができる。 外部光が従来のフォトダイオード構造に入射した後の光集中の概略図従来のフォトダイオードの理想状態及び実際の操作時の応答線形性の概略図従来のフォトダイオードの内部の各位置での応答線形性の概略図本発明の実施例のフォトダイオードの概略図本発明の実施例における外部光がフォトダイオードの内部に入射した後の光進行の概略図同一の外部光が本発明の実施例のフォトダイオード内と従来のフォトダイオード内にそれぞれ入射した場合の比較概略図本発明の別の実施例のフォトダイオードの概略図本発明の実施例のフォトダイオードの製造工程の概略図 以下、本発明の内容を実施例を通じて説明する。なお、本発明の実施例は、実施形態の例を示すものであり、実施例で説明したような環境、用途、または特定の態様に限定することを意図するものではない。従って、実施例の説明は、本発明を説明するためのものであるが、本発明を限定するものではない。なお、実施形態及び図面において、本発明と直接関係のない構成要素は省略され、図示されていない。図面における各構成要素の寸法の関係は、理解を容易にするためのものであり、実際の寸法を限定するものではない。 図４Ａは、本発明の実施例のフォトダイオードの概略図である。この実施例において、フォトダイオード１００は、第１導電型半導体層１１０、真性層１２０、第２導電型半導体層１３０、保護層１４０、上縁角１５０、上部電極１６０、及び下部電極１７０を含む。第１導電型半導体層１１０は、Ｎ型高ドープ半導体層であり、例えばアンチモン（Ｓｂ）ドープのシリコンウェハであるが、これに限定されず、ドーピング濃度は約１０１８～１９ｃｍ－３である。真性層１２０は、第１導電型半導体層１１０上に設置された軽ドープ半導体層であり、例えばＮ型軽ドープエピタキシャルシリコン層であるが、これに限定されない。真性層１２０のドーパントはリン（Ｐ）、ドーピング濃度は１０１２～１３ｃｍ－３である。真性層１２０は、特定波長の光を受けた後に電気信号を生成する。真性層１２０の厚さは通常、光の波長と応用ニーズに基づいて正確に設計される。真性層１２０の厚さの制御は光電変換効率にとって重要である。本発明の例では、真性層１２０の厚さは約５０～７０マイクロメートル（μｍ）であるが、これに限定されない。 また、図４Ａに示すように、第２導電型半導体層１３０は、真性層１２０の中央領域上に設置される。中央領域の外を囲む真性層１２０の周辺領域が露出している。第２導電型半導体層１３０は、Ｐ型ドープ半導体層であり、例えばドーパントがホウ素（Ｂ）のシリコン層であるが、これに限定されない。ドーピング濃度は１０１９～２０ ｃｍ－３である。保護層１４０は通常、第２導電型半導体層１３０を覆うバンドパスフィルター（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）層である。保護層１４０は、特定の波長の光のみを選択的に通過させ、真性層１２０に受光されるようにし、他の波長の光の通過を遮断する。例えば、可視光や赤外光を遮断する。保護層１４０は通常、複数層の誘電体材料の積層で形成される。通常は高屈折率と低屈折率の材料を交互に積層した構造である。前記材料は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、または窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）などである。より好ましい実施例では、保護層１４０は、さらにバンドパスフィルター層上に形成された反射防止層を含む。反射防止層は、特定帯域の光の透過率を高め、光子の利用率を向上させ、入射光の反射損失を最小限に抑え、素子の光電変換効率を向上させることができる。なお、上部電極１６０はアノード電極であり、第２導電型半導体層１３０上に設置され、これと電気的に接続されている。下部電極１７０は、カソード電極であり、第１導電型半導体層１１０の裏側に設置され、これと電気的に接続されている。上部電極１６０及び下部電極１７０はアルミニウムであるが、これに限定されない。 従来のフォトダイオードにおける応答線形性の不良という問題を克服するために、本発明のフォトダイオード１００は構造の本体上縁に上縁角１５０を形成している。図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。詳しくは、上縁角１５０は、真性層１２０の周辺領域のエッジに形成されている。上縁角１５０は、凹角、斜角、または凸角であってもよい。具体的には、等方性エッチングで真性層１２０の周辺領域のエッジをエッチングし、真性層の上面からの深さが約５～１５マイクロメートル（μｍ）の斜角や凹角などの凹構造である上縁角１５０を形成する。本発明のフォトダイオードに上縁角を形成する目的は、外部光が側壁から真性層に入った後に分散し、集中を減少させ、それにより素子の応答線形性を向上させることである。図１に示されるものと比較して、図４Ｂに示すように、外部光は本発明のフォトダイオード１００の上縁角１５０によってその入射角が変更される。素子内部に入る光の進行経路が大きく分散し、すなわち、垂直方向に偏向する。これにより、フォトダイオードの応答線形性を向上させる目的を達成することができる。 以下、図５を参照して、実施例により本発明のフォトダイオードの上縁角がどのように外部光が素子内部に入った後の光集中を減少させるかを具体的に説明する。まず、図５の番号１２０は、上縁角を形成していない真性層１２０のエッジ部分の垂直側壁を表す。これに対して、番号１５０は、真性層１２０の周辺領域のエッジに形成された上縁角１５０の斜角側壁の一部を表す。図５に示すように、第１外部光Ｌ１が法線Ｎと入射角１５°（すなわち、第１外部光Ｌ１と上縁角１５０の斜角側壁間の角度は７５°）の角度で上縁角１５０の斜角側壁に入射すると、スネルの法則（Ｓｎｅｌｌ’ｓ ｌａｗ）により、外部空気の屈折率が１、真性層１２０のシリコン材質の屈折率が３．４であるため、真性層１２０内部に入った後の第１外部光Ｌ１の屈折角θ１は約４．４°であることが