特開 2024-94247 光検出素子及びその製造方法

(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】P2024094247

(43)【公開日】2024-07-09

(54)【発明の名称】光検出素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20240702BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20240702BHJP

   H01L 31/18 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 A

H01L31/02 D

H01L31/18

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023194814

(22)【出願日】2023-11-16

(31)【優先権主張番号】111150240

(32)【優先日】2022-12-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】523433790

【氏名又は名称】台亞半導體股▲フン▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】Ｔａｉｗａｎ－Ａｓｉａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ． １， Ｌｉ－Ｈｓｉｎ ５ｔｈ Ｒｄ．， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｃｉｔｙ ３００７８， Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100167689

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 征二

(72)【発明者】

【氏名】劉▲彦▼廷

(72)【発明者】

【氏名】▲廖▼▲耕▼瑩

(72)【発明者】

【氏名】張祐銜

【テーマコード（参考）】

5F149

【Ｆターム（参考）】

5F149AA04

5F149AB07

5F149BA17

5F149CB17

5F149CB18

5F149GA06

5F149HA03

5F149HA07

5F149HA10

5F149HA12

5F149XB05

5F149XB37

5F149XB51

(57)【要約】      （修正有）

【課題】光検出素子の製造方法を提供する。
【解決手段】製造方法は、半導体構造と、半導体構造上に積層されたバンドパスフィルタ層とを含む形成対象の構造体を用意するステップと、バンドパスフィルタ層の表面に垂直な方向に沿って形成対象の構造体にレーザー切断プロセスを実行し、形成対象の構造体を複数の光検出素子に切断するステップと、を含む。各光検出素子は、それぞれ複数の側壁を有する。各側壁には、レーザー切断プロセスにより外光の侵入を遮断する焦げ面が形成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光検出素子の製造方法であって、
半導体構造と、前記半導体構造上に積層されたバンドパスフィルタ層とを含む形成対象の構造体を用意するステップと、
前記バンドパスフィルタ層の表面に垂直な方向に沿って前記形成対象の構造体に少なくとも１つのレーザー切断プロセスを実行し、前記形成対象の構造体を複数の光検出素子に切断するステップと、を含む製造方法であって、
各前記光検出素子は、それぞれ複数の側壁を有し、各前記側壁には、前記少なくとも１つのレーザー切断プロセスにより外光の侵入を遮断する焦げ面が形成される、光検出素子の製造方法。

【請求項2】

前記焦げ面は、炭化物で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項3】

前記焦げ面の炭素含有量は５％以上であり、前記焦げ面の酸素含有量は５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項4】

前記焦げ面は、前記半導体構造の少なくとも側面位置を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項5】

前記半導体構造は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項6】

前記半導体構造は、リン化インジウムとヒ化インジウムガリウムの化合物半導体で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項7】

前記少なくとも１つのレーザー切断プロセスは、第１レーザー切断プロセス、第２レーザー切断プロセス、及び第３レーザー切断プロセスを含み、前記第１レーザー切断プロセスで使用されるレーザーの出力は０．２～１Ｗ、基準周波数は１０～１８ｋＨｚ、移動速度は３０～７０ｍｍ／ｓであることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項8】

前記第２レーザー切断プロセスと前記第３レーザー切断プロセスで使用されるレーザーの出力は１～５Ｗ、基準周波数は８～１３ｋＨｚ、移動速度は１００～１８０ｍｍ／ｓであることを特徴とする請求項７に記載の光検出素子の製造方法。

【請求項9】

外光の侵入を遮断する焦げ面が形成された複数の側壁と、
光吸収層を有する半導体構造と、
前記半導体構造上に積層されているバンドパスフィルタ層と、を備える光検出素子。

【請求項10】

前記バンドパスフィルタ層は、ケイ化水素層と二酸化ケイ素層を１５～２０群積層して形成されることを特徴とする請求項９に記載の光検出素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光検出素子及びその製造方法に関し、特に、ノイズを効果的に低減できる光検出素子及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の光検出素子は、受光面にバンドパスフィルタ（ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、ＢＰＦ）層を配置することにより、特定の波長帯域の光を通過させ、特定の光に対する検出機能を果たす。同時に、バンドパスフィルタ層は、特定の波長帯域以外の光を反射して、光検出素子の光吸収層への入射を制限することで、不要なノイズの発生を抑える。

【0003】

従来の光検出素子の形成では、形成対象の光検出素子の構造体に対して切断加工を行うことで、所望のサイズの光検出素子を作製する。しかし、現在の切断加工の多くはダイヤモンドカッターを使用しているため、切断後に形成された光検出素子の側壁は光透過面となる。これらの側壁の表面にはＢＰＦ層がないため、光が側壁の表面から素子内部に入射すると、特定の波長帯域以外の光が光吸収層に吸収され、ノイズが発生することになる。その結果、従来の光検出素子の検出精度や性能に影響が出ることになる。

【0004】

従って、どのように前述の問題を改善し、ノイズの発生を抑えることができる光検出素子及びその製造方法を設計するかは、研究に値する課題である。

【発明の概要】

【0005】

本発明の目的は、ノイズを効果的に低減できる光検出素子の製造方法を提供することにある。

【0006】

本発明の他の目的は、前記の製造方法により製造された光検出素子を提供することにある。

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る光検出素子の製造方法は、半導体構造と、半導体構造上に積層されたバンドパスフィルタ層とを含む形成対象の構造体を用意するステップと、バンドパスフィルタ層の表面に垂直な方向に沿って形成対象の構造体に少なくとも１つのレーザー切断プロセスを実行し、形成対象の構造体を複数の光検出素子に切断するステップと、を含み、各光検出素子は、それぞれ複数の側壁を有する。各側壁には、少なくとも１つのレーザー切断プロセスにより外光の侵入を遮断する焦げ面が形成される。

【0008】

本発明の実施例において、焦げ面は、炭化物で構成されている。

【0009】

本発明の実施例において、焦げ面の炭素含有量は５％以上であり、焦げ面の酸素含有量は５％以上である。

【0010】

本発明の実施例において、焦げ面は、半導体構造の少なくとも側面位置を覆っている。

【0011】

本発明の実施例において、半導体構造は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料で作られている。

【0012】

本発明の実施例において、半導体構造は、リン化インジウムとヒ化インジウムガリウムの化合物半導体で構成されている。

【0013】

本発明の実施例において、少なくとも１つのレーザー切断プロセスは、第１レーザー切断プロセス、第２レーザー切断プロセス、及び第３レーザー切断プロセスを含み、第１レーザー切断プロセスで使用されるレーザーの出力は０．２～１Ｗ、基準周波数は１０～１８ｋＨｚ、移動速度は３０～７０ｍｍ／ｓである。

【0014】

本発明の実施例において、第２レーザー切断プロセスと第３レーザー切断プロセスで使用されるレーザーの出力は１～５Ｗ、基準周波数は８～１３ｋＨｚ、移動速度は１００～１８０ｍｍ／ｓである。

【0015】

本発明は、前記の製造方法により製造された光検出素子をさらに提供する。前記光検出素子は、複数の側壁、半導体構造、及びバンドパスフィルタ層を備える。各前記側壁には、外光の侵入を遮断する焦げ面が形成されている。半導体構造は、光吸収層を有する。バンドパスフィルタ層は、半導体構造上に積層されている。

【0016】

本発明の実施例において、バンドパスフィルタ層は、ケイ化水素層と二酸化ケイ素層を１５～２０群積層して形成される。

【0017】

それによって、本発明は、レーザー切断プロセスによって光検出素子に切断して成形し、光検出素子の各側壁に焦げ面を形成することで、側壁から光検出素子の光吸収層への外光を遮断し、ノイズを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る光検出素子の製造方法を示すフローチャート

【図2】図１に従った構造の製造プロセスを示す模式図

【図3】本発明の実施例に係る光検出素子を示す模式図

【図4】従来の光検出素子と本発明の光検出素子における実際の分光特性を示す図

【発明を実施するための形態】

【0019】

各態様および実施形態は単なる例示であり、限定的なものではないため、本明細書を参照した後、通常の知識を有する者により、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様および実施形態がなされ得る。以下の詳細な説明及び特許請求の範囲によれば、これらの実施形態の特徴及び利点がより明らかになるであろう。

【0020】

本明細書では、「１つ」または「１個」という用語は、本明細書に記載される要素および構成要素を記述するために使用される。これは便宜上であり、本発明の範囲に一般的な意味を持たせるためである。従って、別の意味を指すものでない限り、そのような説明は、1つまたは少なくとも1つを含むものと理解され、単数形には複数形も含まれる。

【0021】

本明細書では、「第１」や「第２」という序数詞の用語は、主に同一または類似の構成要素や構造を区別または参照するために使用されるものであり、必ずしもこれらの構成要素や構造の空間的または時間的な順序付けを意味するものではない。特定の状況や構成では、本発明の実施に影響を与えることなく、序数詞を互換的に使用できることに留意されたい。

【0022】

本明細書では、「備える」、「有する」、またはその他の類似の用語は、非排他的な包含を対象とする。例えば、複数の要素を含む構成要素または構造は、本明細書に列挙された要素だけに限定されるものではなく、明示的に列挙されていないが、構成要素や構造に固有の他の要素を含んでいてもよい。

【0023】

図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明に係る光検出素子の製造方法を示すフローチャートである。図２は、図１に従った構造の製造プロセスを示す模式図である。図１及び図２に示すように、本発明に係る光検出素子の製造方法は、以下のステップを含む：

【0024】

ステップＳ１：形成対象の構造体を用意する。形成対象の構造体は、半導体構造と、半導体構造上に積層されたバンドパスフィルタ層とを含む。

【0025】

まず、本発明は、半導体プロセスによって光検出素子の形成対象の構造体２００を形成し、後続の処理ステップに形成対象の構造体２００を用意する。形成対象の構造体２００は、半導体構造２１０と、半導体構造２１０上に積層されたバンドパスフィルタ層２２０とを含む。半導体構造２１０は、主に、半導体材料をエピタキシャル成長によって積層した多層構造である。本発明の実施例において、半導体構造２１０は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料で作られている。各層構造は、異なるＩＩＩ－Ｖ族半導体材料の組み合わせで構成し、設計要件に応じて特定の元素を選択的にドープし、異なる特性を有する半導体材料の層を形成することができるが、本発明はこれに限定されない。半導体構造２１０は、構造に入射する光を吸収するための光吸収層２１１を有する。また、半導体構造２１０は、電極、絶縁層、反射防止層など、対応するプロセスによって他の材料から形成された層を含む層状構造であってもよい。

【0026】

バンドパスフィルタ層２２０は、実質的に半導体構造２１０上に積層されている。バンドパスフィルタ層２２０は、単一または複数の特定の波長帯域の光を通過させ、前記特定の波長帯域以外の光（例えば、カットオフ帯域の光）の通過を遮断するように構成されている。バンドパスフィルタ層２２０は、塗布プロセスにより光透過性材料を積層して形成された多層構造である。バンドパスフィルタ層２２０は、各層構造に異なる材料の組み合わせを使用することができるので、設計要件に応じて異なる範囲の特定の波長帯域の光を通過させ、それ以外の光の通過を遮断することができる。例えば、本発明の実施例において、バンドパスフィルタ層２２０は、複数の層を含む層状構造である。前記層状構造は、ケイ化水素層と二酸化ケイ素層を１５～２０群積層して形成される。即ち、バンドパスフィルタ層２２０は、１層のケイ化水素層と１層の二酸化ケイ素層を１群として、１５～２０群積層して形成される。ただし、バンドパスフィルタ層２２０の層数および材料の選択は、上記に限定されない。

【0027】

ステップＳ２：バンドパスフィルタ層の表面に垂直な方向に沿って形成対象の構造体に少なくとも１つのレーザー切断プロセスを実行し、形成対象の構造体を複数の光検出素子に切断する。各光検出素子は、それぞれ複数の側壁を有する。各側壁には、レーザー切断プロセスにより外光の侵入を遮断する焦げ面が形成される。

【0028】

前記のステップＳ１で形成対象の構造体２００を用意した後、続いて、本発明は、形成対象の構造体２００に対し、バンドパスフィルタ層２２０の表面２２１に垂直な方向に沿って少なくとも１つのレーザー切断プロセスを実行し、形成対象の構造体２００を複数の光検出素子１に切断する。それによって、各光検出素子１は、半導体構造２１０の一部とバンドパスフィルタ層２２０の一部を含む。切断して成形された各光検出素子１は、それぞれ複数の側壁を有する。例えば、一般に、切断して成形された各光検出素子１は長方形であるため、各光検出素子１はそれぞれ４つの側壁を有することになる。各光検出素子１のサイズは、設計要件に応じて変えることができる。

【0029】

レーザー切断プロセスは、高エネルギー集光レーザーを用いて形成対象の構造体２００に対して切断作業を行うため、複数の光検出素子１の切断および成形の工程中に、高エネルギーレーザーによって光検出素子１の側壁で材料の焼結が起こり、焦げ面が形成される。前記焦げ面は、粗い表面である。焦げ面は、主に炭化物で構成されている。即ち、光検出素子１の各側壁には炭化物層が形成され、この炭化物層は、側壁に照射される光を吸収することで、外光の入射を遮断する効果が得られる。

【0030】

本発明の実施例において、少なくとも１つのレーザー切断プロセスは、順番に実行される第１レーザー切断プロセス、第２レーザー切断プロセス、及び第３レーザー切断プロセスを含む。第１レーザー切断プロセスで使用されるレーザーの出力は０．２～１Ｗ、基準周波数は１０～１８ｋＨｚ、移動速度は３０～７０ｍｍ／ｓである。第２レーザー切断プロセスと第３レーザー切断プロセスで使用されるレーザーの出力は１～５Ｗ、基準周波数は８～１３ｋＨｚ、移動速度は１００～１８０ｍｍ／ｓである。それらのレーザー切断プロセスで使用されるレーザーは、切断プロセスの移動速度に適合する十分な出力と基準周波数で、切断して成形された各光検出素子１の各側壁に焦げ面を形成することができる。ただし、使用されるレーザーのパラメータ及びレーザー切断プロセスの実行回数は、これらに限定されない。

【0031】

図３は、本発明の実施例に係る光検出素子を示す模式図である。本発明に係る光検出素子は、前記光検出素子の製造方法により製造されたものである。以下、本発明に係る光検出素子の構造について、詳しく説明する。図３に示すように、本実施例において、本発明に係る光検出素子１は、複数の側壁Ａ、半導体構造１０、及びバンドパスフィルタ層２０を備える。半導体構造１０は、本発明に係る光検出素子１のベース構造である。半導体構造１０は、基板１１、第１半導体層１２、光吸収層１３、及び第２半導体層１４に分けられる。基板１１は、主にリン化インジウム（ＩｎＰ）材料で作られている。第１半導体層１２は、主にシリコンをドープしたリン化インジウム（ＩｎＰ）材料で作られている。光吸収層１３は、主にアンドープのヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）で作られている。第２半導体層１４は、主にシリコンをドープしたリン化インジウムで作られている。半導体構造１０は、基板１１の反対側に第1電極３０が形成されている。第1電極３０は、主に金（Ａｕ）を含む合金材料で作られている。

【0032】

半導体構造１０とバンドパスフィルタ層２０との間には、保護層４０、反射防止層５０、および第２電極６０が設置されている。保護層４０は、半導体構造１０の第２半導体層１４の他方の側の表面に形成されている。保護層４０は、主に酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）材料で作られている。反射防止層５０は、保護層４０と半導体構造１０の第２半導体層１４の他方の側の表面とに形成されている。反射防止層５０は、主に窒化ケイ素（ＳｉＮ）材料で作られている。第２電極６０は、半導体構造１０の第２半導体層１４とオーミック接触している。第２電極６０は、主に金（Ａｕ）を含む材料で作られている。バンドパスフィルタ層２０は、反射防止層５０と第２電極６０上に形成されている。

【0033】

レーザー切断プロセスによって本発明の光検出素子１に切断して成形した後、複数の側壁Ａが形成され、高エネルギー集光レーザーによって各側壁Ａに焦げ面Ａ１が形成される。本実施例において、焦げ面Ａ１は、半導体構造１０の少なくとも側面位置を覆っている。つまり、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料からなる構造体の側面には、焦げ面Ａ１が形成される。本発明の実施例において、前記焦げ面Ａ１の炭素含有量は５％以上であり、焦げ面Ａ１の酸素含有量は５％以上である。それによって、焦げ面Ａ１は、光透過不能な状態になる。

【0034】

そのため、本発明の光検出素子１に照射される光は、バンドパスフィルタ層２０を介してのみ半導体構造１０の光吸収層１３に入射することができるので、光吸収層１３で受光される光は、実質的に特定の波長帯域の光のみとなる。本発明に係る光検出素子１は、焦げ面Ａ１の形成により、側壁Ａから他の波長帯域の光が光吸収層１３に入射する可能性を効果的に低減することができ、ノイズの発生を低減することが可能である。

【0035】

図４は、従来の光検出素子と本発明の光検出素子におけるノイズレート試験結果を示す図である。以下の試験では、バンドパスフィルタを備えた光センサーを光検出素子の例として使用する。従来のブレード切断プロセスによって形成された光センサーを対照群Ｒ１として使用し、本発明のレーザー切断プロセスによって形成された光センサーを実験群Ｒ２として使用し、両者の試験でのノイズレートを比較する。図４の上部は、バンドパスフィルタの持つ分光特性を示す図である。光センサーのバンドパスフィルタは、１０００～１１５０ｎｍの第１通過帯域と１３５０～１６００ｎｍの第２通過帯域の光を通過させるように構成されている。バンドパスフィルタのカットオフ帯域は、１１８０～１３５０ｎｍである。図４の下部は、対照群Ｒ１と実験群Ｒ２での実際の分光特性を示す図である。対照群Ｒ１では、前記カットオフ帯域における平均ノイズレートは、１０％を超えている。実験群Ｒ２では、前記カットオフ帯域における平均ノイズレートは、５％未満である。従来のブレード切断プロセスによって形成された光センサーに比べて、本発明のレーザー切断プロセスによって形成された光センサーは、平均ノイズレートが明らかに低く、ノイズの発生を効果的に低減できることが分かる。

【0036】

上述した実施形態はあくまでも例示であり、本願の実施形態やその用途を限定することを意図するものではない。さらに、前述の実施形態において少なくとも1つの例示的な実施例を示したが、本発明に多数の変形例が存在し得ることを理解されたい。また、本明細書に記載される実施例は、請求の範囲、用途、または構成をいかなる形で限定することを意図するものではない。むしろ、前述の実施形態は、当該技術分野における通常の知識を有する者に、実施形態の１つまたは複数を実施するためのガイドを提供する。さらに、請求の範囲を逸脱することなく、要素の機能および配置に変更を加えることができ、請求の範囲には、本特許出願の出願時における既知の均等物および予見可能なすべての均等物が含まれる。

【符号の説明】

【0037】

１ 光検出素子
１０ 半導体構造
１１ 基板
１２ 第１半導体層
１３ 光吸収層
１４ 第２半導体層
２０ バンドパスフィルタ層
３０ 第１電極
４０ 保護層
５０ 反射防止層
６０ 第２電極
２００ 形成対象の構造体
２１０ 半導体構造
２１１ 光吸収層
２２０ バンドパスフィルタ層
２２１ 表面
Ａ 側壁
Ａ１ 焦げ面
Ｒ１ 対照群
Ｒ２ 実験群
Ｓ１～Ｓ２ ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】