特開 2024-47058 光検出素子、及び光検出素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024047058

(43)【公開日】2024-04-05

(54)【発明の名称】光検出素子、及び光検出素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20240329BHJP

   H01L 31/08 20060101ALI20240329BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 A

H01L31/08 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022152473

(22)【出願日】2022-09-26

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 和利

(72)【発明者】

【氏名】藤原 弘康

(72)【発明者】

【氏名】董 偉

【テーマコード（参考）】

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

5F149AA03

5F149AB03

5F149BA28

5F149BA30

5F149CB01

5F149CB11

5F149CB17

5F149CB18

5F149FA05

5F149FA13

5F149GA04

5F149HA03

5F149XB15

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5F849AA03

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5F849BA28

5F849BA30

5F849CB01

5F849CB11

5F849CB17

5F849CB18

5F849FA05

5F849FA13

5F849GA04

5F849HA03

5F849XB15

5F849XB40

5F849XB51

(57)【要約】

【課題】ヘテロＰＮ接合を利用しつつ受光領域の大面積化を図ることができる光検出素子、及び光検出素子の製造方法を提供する。
【解決手段】光検出素子１Ａは、単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層２と、多結晶状に形成されており、シリコン層２との間でヘテロＰＮ接合を成しているＰ型のゲルマニウム含有層３と、シリコン層２に電気的に接続された第１電極４と、ゲルマニウム含有層３に電気的に接続された第２電極５と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層と、
多結晶状に形成されており、前記シリコン層との間でヘテロＰＮ接合を成しているＰ型のゲルマニウム含有層と、
前記シリコン層に電気的に接続された第１電極と、
前記ゲルマニウム含有層に電気的に接続された第２電極と、を備える、光検出素子。

【請求項2】

前記ゲルマニウム含有層の厚さは、１μｍ以上である、請求項１に記載の光検出素子。

【請求項3】

前記シリコン層は、第１表面、及び前記第１表面とは反対側の第２表面を有し、
前記ゲルマニウム含有層は、前記第１表面に配置されており、
前記第１電極は、前記第１表面のうち前記ゲルマニウム含有層が配置されていない領域に配置されており、
前記第２電極は、前記シリコン層とは反対側の前記ゲルマニウム含有層の表面に配置されている、請求項１に記載の光検出素子。

【請求項4】

前記第１電極は、前記ゲルマニウム含有層の外縁に沿って延在している、請求項３に記載の光検出素子。

【請求項5】

前記第２電極は、前記ゲルマニウム含有層の外縁に沿って延在しており、
前記ゲルマニウム含有層の前記表面のうち前記第２電極の内側の領域には、反射防止膜が形成されている、請求項３に記載の光検出素子。

【請求項6】

前記第２表面には、反射防止膜が形成されている、請求項３に記載の光検出素子。

【請求項7】

請求項１に記載の光検出素子の製造方法であって、
前記シリコン層上に、ゲルマニウムを含む層を成膜する第１ステップと、
前記第１ステップの後に、前記ゲルマニウムを含む層を加熱することで、前記ゲルマニウムを含む層を多結晶化し、前記ゲルマニウム含有層を形成する第２ステップと、を備える、光検出素子の製造方法。

【請求項8】

前記第２ステップにおいては、５００℃以上の温度で１時間以上、前記ゲルマニウムを含む層を加熱する、請求項７に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項9】

前記第２ステップにおいては、７００℃以上の温度で、前記ゲルマニウムを含む層を加熱する、請求項８に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項10】

前記第２ステップにおいては、１時間以上、前記ゲルマニウムを含む層を加熱する、請求項８に記載の光検出素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光検出素子、及び光検出素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

短波赤外線領域の光に対して感度を有する光検出素子として、高コストな化合物半導体基板に代えてシリコン基板をベースとした光検出素子の研究が盛んである。このような光検出素子は、バイオ分野における各種分析、自動運転の制御技術等において、有効なデバイスとなり得る。例えば、特許文献１には、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された絶縁層と、絶縁層に形成された開口部内においてシリコン基板とヘテロ接合領域を形成している単結晶のゲルマニウム結晶と、を備える受光素子が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－０２２６１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的には、受光素子の性能を向上させるために、単結晶シリコン基板上に単結晶ゲルマニウム領域をいかに高い品質で形成し得るかに着目して研究が進められている。しかし、単結晶シリコン基板上に単結晶ゲルマニウム領域を大面積で形成すること（すなわち、受光領域の大面積化）は困難であり、特許文献１に記載の受光素子のように、絶縁層に形成された開口部内に単結晶のゲルマニウム結晶を形成するにとどまっている。

【0005】

本発明は、ヘテロＰＮ接合を利用しつつ受光領域の大面積化を図ることができる光検出素子、及び光検出素子の製造方法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】

【0006】

本発明の光検出素子は、［１］「単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層と、多結晶状に形成されており、前記シリコン層との間でヘテロＰＮ接合を成しているＰ型のゲルマニウム含有層と、前記シリコン層に電気的に接続された第１電極と、前記ゲルマニウム含有層に電気的に接続された第２電極と、を備える、光検出素子」である。

【0007】

上記［１］に記載の光検出素子では、単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層との間でヘテロＰＮ接合を成しているＰ型のゲルマニウム含有層が多結晶状に形成されている。これにより、ゲルマニウム含有層を大面積で形成することができ、また、大面積で形成されたゲルマニウム含有層の剥離等を抑制することができる。よって、上記［１］に記載の光検出素子によれば、ヘテロＰＮ接合を利用しつつ受光領域の大面積化を図ることができる。

【0008】

本発明の光検出素子は、［２］「前記ゲルマニウム含有層の厚さは、１μｍ以上である、上記［１］に記載の光検出素子」であってもよい。当該［２］に記載の光検出素子によれば、短波赤外線領域の光に対して高い吸収性を確保することができる。

【0009】

本発明の光検出素子は、［３］「前記シリコン層は、第１表面、及び前記第１表面とは反対側の第２表面を有し、前記ゲルマニウム含有層は、前記第１表面に配置されており、前記第１電極は、前記第１表面のうち前記ゲルマニウム含有層が配置されていない領域に配置されており、前記第２電極は、前記シリコン層とは反対側の前記ゲルマニウム含有層の表面に配置されている、上記［１］又は［２］に記載の光検出素子」であってもよい。当該［３］に記載の光検出素子によれば、第１電極が単結晶のシリコン層上に形成されることになるため、取り出される電流信号に重畳されるノイズを抑制することができる。

【0010】

本発明の光検出素子は、［４］「前記第１電極は、前記ゲルマニウム含有層の外縁に沿って延在している、上記［３］に記載の光検出素子」であってもよい。当該［４］に記載の光検出素子によれば、シリコン層とゲルマニウム含有層との境界領域に形成される空乏層から効率良く電流信号を取り出すことができる。

【0011】

本発明の光検出素子は、［５］「前記第２電極は、前記ゲルマニウム含有層の外縁に沿って延在しており、前記ゲルマニウム含有層の前記表面のうち前記第２電極の内側の領域には、反射防止膜が形成されている、上記［３］又は［４］に記載の光検出素子」であってもよい。当該［５］に記載の光検出素子によれば、シリコン層とは反対側のゲルマニウム含有層の表面から検出対象の光を効率良く入射させることができ、更にその場合に、シリコン層とゲルマニウム含有層との境界領域に形成される空乏層から効率良く電流信号を取り出すことができる。

【0012】

本発明の光検出素子は、［６］「前記第２表面には、反射防止膜が形成されている、上記［３］又は［４］に記載の光検出素子」であってもよい。当該［６］に記載の光検出素子によれば、ゲルマニウム含有層とは反対側のシリコン層の第２表面から検出対象の光を効率良く入射させることができ、更にその場合に、シリコン層とゲルマニウム含有層との境界領域に形成される空乏層から効率良く電流信号を取り出すことができる。

【0013】

本発明の光検出素子の製造方法は、［７］「上記［１］～［６］のいずれか一つに記載の光検出素子の製造方法であって、前記シリコン層上に、ゲルマニウムを含む層を成膜する第１ステップと、前記第１ステップの後に、前記ゲルマニウムを含む層を加熱することで、前記ゲルマニウムを含む層を多結晶化し、前記ゲルマニウム含有層を形成する第２ステップと、を備える、光検出素子の製造方法」である。

【0014】

上記［７］に記載の光検出素子の製造方法によれば、ゲルマニウム含有層を大面積で形成することができる。

【0015】

本発明の光検出素子の製造方法は、［８］「前記第２ステップにおいては、５００℃以上の温度で１時間以上、前記ゲルマニウムを含む層を加熱する、上記［７］に記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［８］に記載の光検出素子の製造方法によれば、ゲルマニウムを含む層を確実に多結晶化することができる。

【0016】

本発明の光検出素子の製造方法は、［９］「前記第２ステップにおいては、７００℃以上の温度で、前記ゲルマニウムを含む層を加熱する、上記［８］に記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［９］に記載の光検出素子の製造方法によれば、ゲルマニウムを含む層をより確実に多結晶化することができ、短波赤外線領域の光に対して高い吸収性を有するゲルマニウム含有層を得ることができる。

【0017】

本発明の光検出素子の製造方法は、［１０］「前記第２ステップにおいては、１時間以上、前記ゲルマニウムを含む層を加熱する、上記［８］又は［９］に記載の光検出素子の製造方法」であってもよい。当該［１０］に記載の光検出素子の製造方法によれば、ゲルマニウムを含む層を多結晶化することができ、短波赤外線領域の光に対して高い吸収性を有するゲルマニウム含有層を得ることができる。。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、ヘテロＰＮ接合を利用しつつ受光領域の大面積化を図ることができる光検出素子、及び光検出素子の製造方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態の光検出素子の断面図である。

【図2】図１に示される光検出素子の平面図である。

【図3】図１に示される光検出素子の製造方法を示す図である。

【図4】図１に示される光検出素子の製造方法を示す図である。

【図5】Ｘ線回折による結晶性の評価結果を示す図である。

【図6】Ｘ線回折による結晶性の評価結果を示す図である。

【図7】透過率の評価結果を示す図である。

【図8】第２実施形態の光検出素子の断面図である。

【図9】図８に示される光検出素子の底面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］

【0021】

図１は、第１実施形態の光検出素子１Ａの断面図であり、図２は、図１に示される光検出素子１Ａの平面図である。図１及び図２に示されるように、光検出素子１Ａは、シリコン層２と、ゲルマニウム含有層３と、第１電極４と、第２電極５と、反射防止膜６と、を備えている。なお、図２では、反射防止膜６の図示が省略されている。

【0022】

シリコン層２は、単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層である。シリコン層２は、第１表面２ａ、及び第１表面２ａとは反対側の第２表面２ｂを有している。一例として、シリコン層２は、矩形板状の単結晶シリコン基板である。シリコン層２の厚さは、例えば数百μｍ程度であり、シリコン層２の厚さ方向から見た場合におけるシリコン層２の一辺の長さは、例えば数ｍｍ程度である。

【0023】

ゲルマニウム含有層３は、多結晶状に形成されており、シリコン層２との間でヘテロＰＮ接合を成しているＰ型のゲルマニウム含有層である。ゲルマニウム含有層３は、シリコン層２の第１表面２ａに配置されている。シリコン層２とゲルマニウム含有層３との境界領域には、空乏層Ｄが形成されている。なお、シリコン層２のキャリヤ濃度（Ｎ型の不純物の濃度）は、空乏層Ｄがシリコン層２側よりもゲルマニウム含有層３側に優先的に形成されるように（すなわち、空乏層Ｄのうちゲルマニウム含有層３側に形成される領域の厚さが、空乏層Ｄのうちシリコン層２側に形成される領域の厚さよりも大きくなるように）調整されている。

【0024】

シリコン層２の厚さ方向（すなわち、第１表面２ａに垂直な方向）から見た場合に、ゲルマニウム含有層３の外縁は、シリコン層２の外縁の内側に位置している。換言すれば、シリコン層２の厚さ方向から見た場合に、ゲルマニウム含有層３は、第１表面２ａのうちゲルマニウム含有層３が配置されていない領域に包囲されている。ゲルマニウム含有層３は、例えば、円形膜状に形成されている。シリコン層２の厚さ方向から見た場合におけるゲルマニウム含有層３の直径は、例えば、数μｍ～数ｍｍ程度である。

【0025】

ゲルマニウム含有層３は、「ゲルマニウムによって形成された層」、「ゲルマニウム及びスズの混晶物によって形成された層」又は「ゲルマニウム及びシリコンの混晶物によって形成された層」である。つまり、ゲルマニウム含有層３は、「ゲルマニウム単体からなる層」又は「ゲルマニウムを主体とし、周期律表においてIV族のスズ若しくはシリコンを含む混晶物の層」である。ゲルマニウム含有層３のキャリヤ濃度は、ゲルマニウム含有層３内に空乏層Ｄが拡がるように、成膜条件等によって最適化されている。ゲルマニウム含有層３の厚さは、１μｍ以上２μｍ以下である。なお、ゲルマニウム含有層３が「ゲルマニウムによって形成された層」である場合よりも、ゲルマニウム含有層３が「ゲルマニウム及びスズの混晶物によって形成された層」である場合のほうが、エネルギーバンドギャップが狭くなるため、より長波長側の光感度を増強することが可能となる。

【0026】

第１電極４は、シリコン層２に電気的に接続されている。第１電極４は、シリコン層２の第１表面２ａのうちゲルマニウム含有層３が配置されていない領域に配置されている。第１電極４は、シリコン層２の厚さ方向から見た場合に、ゲルマニウム含有層３の外縁の外側において、ゲルマニウム含有層３の外縁に沿って延在している。第１電極４は、例えば円環状に延在している。第１電極４は、例えば、チタン、又は、チタン及び金の積層体によって形成されている。

【0027】

第２電極５は、ゲルマニウム含有層３に電気的に接続されている。第２電極５は、シリコン層２とは反対側のゲルマニウム含有層３の表面３ａに配置されている。第２電極５は、シリコン層２の厚さ方向から見た場合に、ゲルマニウム含有層３の外縁の内側において、ゲルマニウム含有層３の外縁に沿って延在している。第２電極５は、例えば円環状に延在している。第２電極５は、例えば、金、白金、又は、白金と金との積層体によって形成されている。

【0028】

反射防止膜６は、ゲルマニウム含有層３の表面３ａのうち第２電極５の内側の領域に形成されている。本実施形態では、ゲルマニウム含有層３の表面３ａのうち第２電極５の外側の領域、ゲルマニウム含有層３の側面、シリコン層２の第１表面２ａのうちゲルマニウム含有層３と第１電極４との間の領域、及びシリコン層２の第１表面２ａのうち第１電極４の外側の領域にも、反射防止膜６が形成されており、これらの領域に形成された反射防止膜６は、保護膜として機能する。反射防止膜６は、例えば、酸化シリコン又は窒化シリコンによって形成されている。

【0029】

以上のように構成された光検出素子１Ａでは、ゲルマニウム含有層３の表面３ａに形成された反射防止膜６を介してゲルマニウム含有層３に検出対象の光ｈνが入射すると、光ｈνがゲルマニウム含有層３において吸収され、ゲルマニウム含有層３において光電変換が起こる。これにより発生したキャリヤが、空乏層Ｄから第１電極４及び第２電極５を介して、電流信号として取り出される。なお、検出対象の光ｈνは、短波赤外線領域の光である。

【0030】

次に、光検出素子１Ａの製造方法について説明する。図３及び図４は、図１に示される光検出素子１Ａの製造方法を示す図である。なお、図３及び図４には、一つの光検出素子１Ａに相当する部分が図示されているが、実際には、複数の光検出素子１Ａに相当する複数の部分を含むウェハのレベルで各ステップが実施され、最後に、ウェハがダイシングされることで複数の光検出素子１Ａが得られる。

【0031】

まず、図３の（ａ）に示されるように、シリコン層２上に、ゲルマニウムを含む層３０が成膜される（第１ステップ）。一例として、第１ステップは、１００℃以上１５０℃以下（例えば、１２５℃）に加熱された成膜装置（例えば、ＲＦスパッタリング装置）内において実施される。

【0032】

続いて、図３の（ｂ）に示されるように、ゲルマニウムを含む層３０が加熱されることで、ゲルマニウムを含む層３０が多結晶化され、ゲルマニウム含有層３が形成される（第２ステップ）。一例として、第２ステップは、不活性ガス（例えば、窒素）が満たされた熱処理装置（例えば、電気炉）内において実施される。第２ステップにおいては、ゲルマニウムを含む層３０が５００℃以上の温度で加熱されることが好ましく、ゲルマニウムを含む層３０が７００℃以上の温度で加熱されることがより好ましい。第２ステップにおいては、ゲルマニウムを含む層３０が１時間以上加熱されることが好ましい。

【0033】

続いて、図３の（ｃ）に示されるように、ゲルマニウム含有層３の表面３ａ、ゲルマニウム含有層３の側面、及びシリコン層２の第１表面２ａのうちゲルマニウム含有層３が配置されていない領域に、反射防止膜６が形成される。続いて、図４の（ａ）に示されるように、反射防止膜６がパターニングされ、図４の（ｂ）に示されるように、反射防止膜６が除去された領域に第１電極４及び第２電極５が形成される。

【0034】

図５及び図６は、Ｘ線回折による結晶性の評価結果（具体的には、２θ－ωスキャン結果）を示す図である。図５の（ａ）における評価対象は、通常仕様のシリコンウェハ上に所定条件でゲルマニウムを成膜し、窒素で満たされた電気炉内において「４００℃で５時間」加熱することで、得られたものである。図５の（ｂ）における評価対象は、通常仕様のシリコンウェハ上に所定条件でゲルマニウムを成膜し、窒素で満たされた電気炉内において「５００℃で５時間」加熱することで、得られたものである。図６の（ａ）における評価対象は、通常仕様のシリコンウェハ上に所定条件でゲルマニウムを成膜し、窒素で満たされた電気炉内において「６００℃で５時間」加熱することで、得られたものである。図６の（ｂ）における評価対象は、通常仕様のシリコンウェハ上に所定条件でゲルマニウムを成膜し、窒素で満たされた電気炉内において「７００℃で５時間」加熱することで、得られたものである。

【0035】

図５の（ａ）に示されるように、「４００℃で５時間」加熱されたものについては、ゲルマニウムの結晶性を示す回折ピークが現れていない。図５の（ｂ）並びに図６の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、「５００℃で５時間」加熱されたもの、「６００℃で５時間」加熱されたもの、及び「７００℃で５時間」加熱されたものについては、ゲルマニウムの結晶性を示す複数の回折ピークが現れており、温度が高いほど、ゲルマニウムの結晶性を示す回折ピークの数及び強度が増えている。このことから、ゲルマニウムの多結晶化には、５００℃以上の温度での加熱が好ましいことが分かる。ただし、例えば加熱時間を長くすれば、５００℃未満の温度での加熱でも、ゲルマニウムの多結晶化を実現し得る。なお、図６の（ｂ）に示されるように、「７００℃で５時間」加熱されたものについても、シリコンの面方位（００１）に沿った（００４）の回折ピーク（６６．０°）が現れていないから、ゲルマニウムの多結晶化は、支持基板であるシリコンウェハの結晶方位とは無関係に進行したことが分かる。

【0036】

図７は、透過率の評価結果を示す図である。図７における評価対象は、上述した図５及び図６に示される評価結果と同様に、通常仕様のシリコンウェハ上に上記所定条件でゲルマニウムを成膜し、異なる条件で加熱することで、得られたものである。図７の（ａ）に示されるように、７００℃、８００℃で加熱されたものでは、５００℃、６００℃で加熱されたものに比べ、短波赤外線領域の光に対する透過率が大きく低下している。このことから、短波赤外線領域の光に対する高い吸収性の確保には、７００℃以上の温度での加熱が好ましいことが分かる。また、図７の（ｂ）に示されるように、７００℃で加熱した場合には、１時間以上加熱したすべてのものにおいて短波赤外線領域の光に対する透過率が十分低く、このことから、少なくとも１時間加熱すればよいことが分かる。

【0037】

以上説明したように、光検出素子１Ａでは、単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層２との間でヘテロＰＮ接合を成しているＰ型のゲルマニウム含有層３が多結晶状に形成されている。これにより、ゲルマニウム含有層３を大面積で形成することができ、また、大面積で形成されたゲルマニウム含有層３の剥離等を抑制することができる。よって、光検出素子１Ａによれば、ヘテロＰＮ接合を利用しつつ受光領域の大面積化を図ることができる。

【0038】

光検出素子１Ａでは、ゲルマニウム含有層３の厚さが１μｍ以上である。これにより、短波赤外線領域の光ｈνに対して高い吸収性を確保することができる。なお、波長１．０～１．６μｍの光に対するゲルマニウムの吸収係数α（αは「Ｉ（ｘ）＝Ｉ_０exp（－αｘ）」から導出される）は約１０^６ｍ^－１であり、１μｍ（αの逆数）の深さで強度が１／ｅ（＝０．３７）になるとされることから、ゲルマニウム含有層３の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。また、ゲルマニウム含有層３の厚さが２μｍを超えると、ゲルマニウム含有層３の剥離等が生じやすくなったり、或いは、光検出素子１Ａの製造時に、ゲルマニウムを含む層３０の全体が多結晶化されにくくなったりする。したがって、ゲルマニウム含有層３の厚さは２μｍ以下であることが好ましい。

【0039】

光検出素子１Ａでは、ゲルマニウム含有層３がシリコン層２の第１表面２ａに配置されており、第１電極４が、シリコン層２の第１表面２ａのうちゲルマニウム含有層３が配置されていない領域に配置されており、第２電極５が、シリコン層２とは反対側のゲルマニウム含有層３の表面３ａに配置されている。これにより、第１電極４が単結晶のシリコン層２上に形成されることになるため、取り出される電流信号に重畳されるノイズを抑制することができる。

【0040】

なお、Ｐ型のゲルマニウム含有層３内にＮ型の不純物領域を形成することで、ゲルマニウム含有層３内にＰＮ接合を形成する構成も考えられる。しかし、その場合、第１電極４及び第２電極５の両方を多結晶状のゲルマニウム含有層３上に設ける必要が生じるため、取り出される電流信号に重畳されるノイズが増大するおそれがある。それに対し、Ｎ型のシリコン層２とＰ型のゲルマニウム含有層３との間でヘテロＰＮ接合を成している光検出素子１Ａでは、第１電極４及び第２電極５の両方を多結晶状のゲルマニウム含有層３上に設ける必要がないため、光検出素子１Ａは、取り出される電流信号に重畳されるノイズを抑制し得る点で有利である。

【0041】

光検出素子１Ａでは、第１電極４がゲルマニウム含有層３の外縁に沿って延在している。これにより、シリコン層２とゲルマニウム含有層３との境界領域に形成される空乏層Ｄから効率良く電流信号を取り出すことができる。

【0042】

光検出素子１Ａでは、第２電極５がゲルマニウム含有層３の外縁に沿って延在しており、ゲルマニウム含有層３の表面３ａのうち第２電極５の内側の領域に反射防止膜６が形成されている。これにより、シリコン層２とは反対側のゲルマニウム含有層３の表面３ａから検出対象の光ｈνを効率良く入射させることができ、更にその場合に、シリコン層２とゲルマニウム含有層３との境界領域に形成される空乏層Ｄから効率良く電流信号を取り出すことができる。

【0043】

光検出素子１Ａの製造方法は、シリコン層２上に、ゲルマニウムを含む層３０を成膜する第１ステップと、第１ステップの後に、ゲルマニウムを含む層３０を加熱することで、ゲルマニウムを含む層３０を多結晶化し、ゲルマニウム含有層３を形成する第２ステップと、を備える。これにより、ゲルマニウム含有層３を大面積で形成することができる。

【0044】

光検出素子１Ａの製造方法では、第２ステップにおいて、５００℃以上の温度で１時間以上、ゲルマニウムを含む層３０を加熱する。これにより、ゲルマニウムを含む層３０を確実に多結晶化することができる。

【0045】

光検出素子１Ａの製造方法では、第２ステップにおいて、７００℃以上の温度で、ゲルマニウムを含む層３０を加熱する。これにより、ゲルマニウムを含む層３０をより確実に多結晶化することができ、短波赤外線領域の光ｈνに対して高い吸収性を有するゲルマニウム含有層３を得ることができる。

【0046】

光検出素子１Ａの製造方法では、第２ステップにおいて、１時間以上、ゲルマニウムを含む層３０を加熱する。これにより、短波赤外線領域の光ｈνに対して高い吸収性を有するゲルマニウム含有層３を得ることができる。
［第２実施形態］

【0047】

図８は、第２実施形態の光検出素子１Ｂの断面図であり、図９は、図８に示される光検出素子１Ｂの底面図である。図８及び図９に示されるように、光検出素子１Ｂは、シリコン層２と、ゲルマニウム含有層３と、第１電極４と、第２電極５と、反射防止膜６と、保護膜７と、を備えている。なお、図９では、保護膜７の図示が省略されている。

【0048】

光検出素子１Ｂにおいて、シリコン層２、ゲルマニウム含有層３及び第１電極４の構成は、上述した光検出素子１Ａと同一である。光検出素子１Ｂでは、第２電極５がゲルマニウム含有層３の表面３ａの略全体に形成されており、反射防止膜６がシリコン層２の第２表面２ｂに形成されている。保護膜７は、ゲルマニウム含有層３の表面３ａのうち第２電極５の外側の領域、ゲルマニウム含有層３の側面、シリコン層２の第１表面２ａのうちゲルマニウム含有層３と第１電極４との間の領域、及びシリコン層２の第１表面２ａのうち第１電極４の外側の領域に形成されている。保護膜７は、例えば、酸化シリコン又は窒化シリコンによって形成されている。光検出素子１Ｂでは、第１電極４及び第２電極５が検出対象の光ｈνの入射側とは反対側に配置されているため、集積回路等に第１電極４及び第２電極５をバンプ等によって接続することができる。

【0049】

以上のように構成された光検出素子１Ｂでは、シリコン層２の第２表面２ｂに形成された反射防止膜６を介してシリコン層２に検出対象の光ｈνが入射すると、光ｈνがシリコン層２を透過してゲルマニウム含有層３において吸収され、ゲルマニウム含有層３において光電変換が起こる。これにより発生したキャリヤが、空乏層Ｄから第１電極４及び第２電極５を介して、電流信号として取り出される。なお、検出対象の光ｈνは、短波赤外線領域の光である。

【0050】

なお、光検出素子１Ｂの製造方法は、上述した光検出素子１Ａの製造方法と同様に、シリコン層２上に、ゲルマニウムを含む層３０を成膜する第１ステップと、第１ステップの後に、シリコン層２を加熱することで、ゲルマニウムを含む層３０を多結晶化し、ゲルマニウム含有層３を形成する第２ステップと、を備える。

【0051】

以上説明したように、光検出素子１Ｂでは、単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層２との間でヘテロＰＮ接合を成しているＰ型のゲルマニウム含有層３が多結晶状に形成されている。これにより、ゲルマニウム含有層３を大面積で形成することができ、また、大面積で形成されたゲルマニウム含有層３の剥離等を抑制することができる。よって、光検出素子１Ｂによれば、ヘテロＰＮ接合を利用しつつ受光領域の大面積化を図ることができる。

【0052】

光検出素子１Ｂでは、ゲルマニウム含有層３の厚さが１μｍ以上である。これにより、短波赤外線領域の光ｈνに対して高い吸収性を確保することができる。

【0053】

光検出素子１Ｂでは、ゲルマニウム含有層３がシリコン層２の第１表面２ａに配置されており、第１電極４が、シリコン層２の第１表面２ａのうちゲルマニウム含有層３が配置されていない領域に配置されており、第２電極５が、シリコン層２とは反対側のゲルマニウム含有層３の表面３ａに配置されている。これにより、第１電極４が単結晶のシリコン層２上に形成されることになるため、取り出される電流信号に重畳されるノイズを抑制することができる。

【0054】

光検出素子１Ｂでは、第１電極４がゲルマニウム含有層３の外縁に沿って延在している。これにより、シリコン層２とゲルマニウム含有層３との境界領域に形成される空乏層Ｄから効率良く電流信号を取り出すことができる。

【0055】

光検出素子１Ｂでは、シリコン層２の第２表面２ｂに反射防止膜６が形成されている。これにより、ゲルマニウム含有層３とは反対側のシリコン層２の第２表面２ｂから検出対象の光ｈνを効率良く入射させることができ、更にその場合に、シリコン層２とゲルマニウム含有層３との境界領域に形成される空乏層Ｄから効率良く電流信号を取り出すことができる。

【0056】

なお、Ｐ型のゲルマニウム含有層３内にＮ型の不純物領域を形成することで、ゲルマニウム含有層３内にＰＮ接合を形成する構成では、ゲルマニウム含有層３内の空乏層に光ｈνが到達する前に、ゲルマニウム含有層３において光ｈνの一部が吸収されるおそれがある。それに対し、光検出素子１Ｂでは、シリコン層２を透過してゲルマニウム含有層３に到達した光ｈνが、ゲルマニウム含有層３の空乏層Ｄにおいて吸収されることになるため（つまり、光ｈνがシリコン層２を透過して、ゲルマニウム含有層３の空乏層Ｄのうち電界強度が最も高い領域に直接到達するため）、光検出素子１Ｂは、光電変換によって発生したキャリヤを確実に捉え得る点で有利である。

【0057】

光検出素子１Ｂの製造方法は、シリコン層２上に、ゲルマニウムを含む層３０を成膜する第１ステップと、第１ステップの後に、ゲルマニウムを含む層３０を加熱することで、ゲルマニウムを含む層３０を多結晶化し、ゲルマニウム含有層３を形成する第２ステップと、を備える。これにより、ゲルマニウム含有層３を大面積で形成することができる。

【0058】

光検出素子１Ｂの製造方法では、第２ステップにおいて、５００℃以上の温度で１時間以上、ゲルマニウムを含む層３０を加熱する。これにより、ゲルマニウムを含む層３０を確実に多結晶化することができる。

【0059】

光検出素子１Ｂの製造方法では、第２ステップにおいて、７００℃以上の温度で、ゲルマニウムを含む層３０を加熱する。これにより、ゲルマニウムを含む層３０をより確実に多結晶化することができ、短波赤外線領域の光ｈνに対して高い吸収性を有するゲルマニウム含有層３を得ることができる。

【0060】

光検出素子１Ｂの製造方法では、第２ステップにおいて、１時間以上、ゲルマニウムを含む層３０を加熱する。これにより、短波赤外線領域の光ｈνに対して高い吸収性を有するゲルマニウム含有層３を得ることができる。
［変形例］

【0061】

本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、第１電極４及び第２電極５の形状及び位置等は、上述したものに限定されない。第１電極４は、シリコン層２に電気的接続されるものであればよく、第２電極５は、ゲルマニウム含有層３に電気的に接続されるものであればよい。また、ゲルマニウム含有層３の厚さは、１μｍ未満であってもよく、２μｍ以上であってもよい。また、反射防止膜６は、シリコン層２の第２表面２ｂ及びゲルマニウム含有層３の表面３ａの両方に形成されていなくてもよいし、或いは、シリコン層２の第２表面２ｂ及びゲルマニウム含有層３の表面３ａの両方に形成されていてもよい。また、各光検出素子１Ａ，１Ｂは、ゲルマニウム含有層３によって構成される一つの受光部を備えるものに限定されず、ゲルマニウム含有層３によって構成される複数の受光部を備えるものであってもよい。また、シリコン層２は、単結晶状に形成されたＮ型のシリコン層であれば、単結晶シリコン基板に限定されず、例えば、シリコン基板上に形成されたエピタキシャル成長層であってもよい。

【符号の説明】

【0062】

１Ａ，１Ｂ…光検出素子、２…シリコン層、２ａ…第１表面、２ｂ…第２表面、３…ゲルマニウム含有層、３ａ…表面、４…第１電極、５…第２電極、６…反射防止膜、７…保護膜、３０…ゲルマニウムを含む層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】