半導體光電探測器和輻射檢測裝置的製作方法

2023-10-09 22:30:19 7

專利名稱：半導體光電探測器和輻射檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電探測器，並且涉及包括半導體光電探測器的輻射檢測裝置。
背景技術：
已知其中多個光電二極體形成在半導體基板的一側表面上，而另一側表面用作光入射面的背面入射型光電二極體陣列為一種半導體光電探測器(見，例如，專利文獻1 日本專利申請特許公開號Hl 1-74553，和專利文獻2 :W02005/038923)。專利文獻1 日本專利申請特許公開號Hl 1-74553專利文獻2 :W02005/03892
發明內容
在背面入射型光電二極體陣列中，通常，在半導體基板中的耗盡層以外的區域中生成的載流子擴散遷移較長的距離(從其生成位置至耗盡層的距離)。因此，在光電二極體之間附近生成的載流子不依賴電場而通過擴散遷移流入鄰近的光電二極體的概率變大。結果，在光電二極體之間很容易發生串擾。同時，在以上文獻1中所公開的背面入射型光電二極體陣列中，在鄰近的光電二極體之間形成用於吸收X射線的薄層。然而，文獻1中的薄層旨在消除散射X射線，而未考慮上述串擾。鑑於前述內容，本發明的目的在於通過提供能夠有利地抑制串擾發生的半導體光電探測器和輻射檢測裝置來解決上述問題。為了實現上述目的，根據本發明的半導體光電探測器包括(1)半導體基板，其一面是被檢測光的入射面；( 在與半導體基板的入射面相反的檢測面側上形成的多個Pn結型光電二極體；C3)以及在半導體基板的檢測面側上，在多個光電二極體中的鄰近的光電二極體之間形成的載流子捕獲部；(4)其中載流子捕獲部具有間隔排列的、分別包括pn結的一個或多個載流子捕獲區域。在具有其中與半導體基板的入射面相反的表面成為檢測面的背面入射型構造的上述半導體光電探測器中，在多個光電二極體中的鄰近的光電二極體之間形成包括pn結的載流子捕獲區域。在這樣的構造中，在鄰近的光電二極體附近生成且即將通過擴散遷移流入鄰近的光電二極體的載流子被從載流子捕獲區域中引出。這消除了將通過擴散遷移流入鄰近的光電二極體的載流子，因此能夠有利地抑制光電二極體之間串擾的發生。在背面入射型光電二極體陣列中，當由於初始連接錯誤、溫度循環等而使一定的連接點損壞時，光電二極體可能陷入電浮動狀態。在這種情況下，溢出光電二極體的載流子
3可能流入周圍的光電二極體，由此阻礙周圍的光電二極體輸出正常信號。當在上述半導體光電探測器中，一定的光電二極體由於連接點的破損而陷入電浮動狀態時，相對照地，將要流入鄰近的光電二極體的載流子被從載流子捕獲區域中引出。這可有利地抑制載流子流入鄰近的光電二極體。在鄰近的光電二極體之間設有包含pn結的載流子捕獲區域的上述構造中，在光電二極體之間或在其附近生成的載流子被從載流子捕獲區域中引出，由此串擾的生成被抑制，而每一通道的光敏度和所獲得的信號量變小。相對照地，在上述半導體光電探測器中， 通過間隔地排列包括各自的pn結的一個或多個載流子捕獲區域形成載流子捕獲部。這允許有利地確保各光電二極體中所需的光敏度，而同時抑制光電二極體之間的串擾。本發明提供了包括具有上述構造的半導體光電探測器的輻射檢測裝置；和置於半導體基板的入射面側、響應於入射在其上的輻射而發光的閃爍體。在這樣的輻射檢測裝置中，用作半導體光電探測器的具有上述構造的光電探測元件允許有利地抑制光電二極體之間串擾的發生，如上所述。並且，即使當一定的光電二極體由於連接點的破損而陷入電浮動狀態時，也可有利地抑制載流子流入鄰近的光電二極體。結果，可獲得高解析度。本發明可提供能夠有利地抑制串擾發生的半導體光電探測器和輻射檢測裝置。本發明還可提供一種半導體光電探測器和輻射檢測裝置，其中，即使當一定的光電二極體由於初始連接錯誤、溫度循環等引起的連接點的破損而陷入電浮動狀態時，也可有利地抑制載流子流入鄰近的光電二極體。


圖1是示意性地顯示出半導體光電探測器的一個實施例的構造的平面圖；圖2是示意性地顯示出半導體光電探測器的一個實施例的構造的平面圖；圖3是顯示出半導體光電探測器的剖面構造的側面剖視圖；圖4是顯示出輻射檢測裝置的一個實施例的剖面構造的側面剖視圖；圖5是顯示出光電二極體和載流子捕獲部的構造實例的示意圖；圖6是顯示出載流子捕獲部中的載流子捕獲區域的區域寬度與光電二極體的光敏度之間的關係的曲線圖；圖7是顯示出載流子捕獲部中的載流子捕獲區域的區域寬度與光電二極體間的串擾之間的關係的曲線圖；圖8是顯示出在光電二極體陣列的各位置獲得的信號量的曲線圖；圖9是顯示出高濃度η型區域的構造實例的示意圖；圖10是顯示出光電二極體和載流子捕獲部的構造實例的示意圖；圖11是顯示出光電二極體和載流子捕獲部的構造實例的示意圖；圖12是顯示出光電二極體和載流子捕獲部的構造實例的示意圖；圖13是示意性地顯示出半導體光電探測器的另一個實施例的構造的平面圖；圖14是示意性地顯示出半導體光電探測器的另一個實施例的構造的平面圖；並且圖15是顯示出半導體光電探測器的剖面構造的側面剖視圖。
具體實施例方式以下參照附圖詳細說明根據本發明的半導體光電探測器和輻射檢測裝置的優選實施例。在附圖的說明中，彼此相同的組件將由彼此相同的附圖標記指示，而不重複其說明。同樣應該注意到，附圖中的尺寸比例不一定與說明書中的一致。首先將說明根據本發明的半導體光電探測器。圖1和2均為示意性地顯示出根據本發明的半導體光電探測器的一個實施例的構造的平面圖。圖3是顯示出沿圖1和2中的線I-I截取的半導體光電探測器的剖面構造的側面剖視圖。在本實施例中，將說明光電二極體陣列PDl的構造，作為根據本發明的半導體光電探測器的構造實例。在以下說明中，基板側的第一導電類型被認為是η型，並且另外的第二導電類型被認為是P型，儘管通常第一導電類型可被認為是P型，並且第二導電類型被認為是η型。這裡，在光電二極體陣列PDl中，光電二極體陣列PDl包括半導體基板5，其一面 (圖3中的上面)為被檢測光L的入射面如，另一面(圖3中的下面)為光電二極體形成於其上的檢測面恥。圖1和2是其中從檢測面恥側觀察光電二極體陣列PDl的平面圖。 圖1顯示出光電二極體陣列PDl的平面構造，其中下述設置在檢測面恥上的電極被省略， 而圖2顯示出具有電極的構造。根據本實施例的光電二極體陣列PDl包括一面為入射面fe的半導體基板5，和在作為基板5的入射面fe的相反側的檢測面恥側上形成的多個pn結型光敏區域3。半導體基板5是由矽(Si)製成的η型(第一導電類型)半導體基板，並且是例如具有30至 300 μ m(優選地為大約100 μ m)的厚度和1 X IO12至1015/cm3的雜質濃度的矽基板。分別包括pn結的多個光敏區域3在半導體基板5的檢測面恥側排列為二維陣列。 在這樣的構造中，每個光敏區域3用作作為構成光電二極體陣列PDl的光敏像素的光電二極體。具體地，在η型半導體基板5中，在檢測面恥側形成多個ρ型(第二導電類型) 雜質半導體區域7並且排列為二維陣列。作為光電二極體的光敏區域3包括由ρ型區域 7形成的pn結和η型半導體基板5。例如具有IX IO13至102°/cm3的雜質濃度和0. 05至 20 μ m(優選地為大約0. 2 μ m)深度的ρ型雜質半導體區域用作P型區域7。在本光電二極體陣列PDl中，在半導體基板5的檢測面恥側上，在多個光敏區域 (光電二極體)3中的鄰近的光敏區域3之間，即在鄰近的ρ型區域7之間，形成載流子捕獲部12。在本實施例中，載流子捕獲部12由包括各pn結的間隔排列的多個載流子捕獲區域 13構成。為了說明的目的，在圖1中由點劃線繪出在鄰近的光敏區域3之間沿光敏區域3 的相應邊延伸的載流子捕獲區域13的排列方向。具體地，在半導體基板5的檢測面恥側上，設置有在鄰近的ρ型區域7之間沿上述排列方向間隔排列的多個P型區域11。由此，由P型區域11和η型半導體基板5所形成的pn結構成包括pn結的載流子捕獲區域(pn結區域)13。例如具有1 X IO13至102°/cm3 的雜質濃度和0. 05至20 μ m(優選地為大約0. 2 μ m)深度的ρ型雜質半導體區域用作P區域11。在圖1中所示的構造中，載流子捕獲部12具有在光敏區域3的一邊和鄰近的光敏區域3的相應的一邊之間間隔排列的兩個載流子捕獲區域13。在本實施例中，如從檢測面 5b側所見，對於多個光敏區域(光電二極體)3，載流子捕獲部12以光敏區域3分別由間隔排列的多個載流子捕獲區域13圍繞的方式形成。具體地，作為光電二極體的一個光敏區域 3由總共八個載流子捕獲區域13圍繞，在圖1中所繪的光敏區域3的左側、右側、下側和上側各有兩個載流子捕獲區域13。而且，在半導體基板5的檢測面恥側上，在上述載流子捕獲部12與作為光電二極體的光敏區域3之間，即在ρ型區域11與ρ型區域7之間，形成作為具有與基板5相同的導電類型的高濃度雜質半導體區域的高濃度η型區域(分離層)9。由此，在鄰近的光敏區域3之間，順序地設置有高濃度η型區域9，包括載流子捕獲區域13的載流子捕獲部12，和高濃度η型區域9，如圖1中所示。這裡，載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13被排列為夾在高濃度η型區域9之間。高濃度η型區域9具有使鄰近的光敏區域3的光電二極體彼此電分離的作用。設置這樣的高濃度η型區域9允許可靠地電分離鄰近的光電二極體，從而降低光電二極體之間的串擾，並且控制擊穿電壓(反向擊穿電壓)。例如具有1乂1013至102°/側3的雜質濃度和0.1至幾十μ m(優選地為大約3 μ m)厚度的η型高濃度雜質半導體區域用作高濃度η 型區域9。高濃度η型區域9的厚度優選地大於構成載流子捕獲區域13的ρ型區域11的深度。在本實施例中，如從檢測面恥側所見，對於各光敏區域(光電二極體)3形成高濃度η型區域9，使得光敏區域3由高濃度η型區域9以連續區域圖案圍繞。這裡，光敏區域 3和相應的高濃度η型區域9兩者由載流子捕獲部12的間隔排列的多個載流子捕獲區域 13圍繞。對於位於半導體基板5的邊緣(晶片邊緣)的光敏區域3，由於在晶片邊緣側沒有鄰近的光敏區域3，所以不必在晶片邊緣側形成高濃度η型區域9和載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13。然而，如果必要，也可在這樣的晶片邊緣側形成高濃度η型區域9和/ 或載流子捕獲區域13。在為半導體基板5的前表面的檢測面恥上進一步形成鈍化膜和作為電絕緣膜的熱氧化膜(未繪出)。在為半導體基板5的背面的入射面如上，形成用於保護入射面如並且抑制光L的反射的AR膜(未繪出)。在本實施例中，如圖3中所示，使光電二極體陣列PDl中的半導體基板5的入射面 5a大致平坦，儘管入射面fe不限於這樣的構造。例如，可在與檢測面恥側上存在的光敏區域3相對應的入射面fe上的區域上形成有凹陷，而在這些凹陷周圍以圍繞與光敏區域3相對應的區域的方式形成突起。在背面入射型的配置中，這樣的構造允許縮短η型半導體基板5的入射面fe與構成光敏區域3的ρ型區域7之間的距離。在η型半導體基板5的檢測面恥上，形成有電連接至光敏區域3的ρ型區域7的電極15，如圖2和3中所示。每個電極15包括電極墊、凸點下金屬層(UBM)和凸點電極17。 在圖中未示出電極墊和UBM。例如，電極墊由鋁膜製成，並且通過形成在熱氧化膜中的接觸孔電連接至ρ型區域7。例如，通過將電極導線順序地鍍Ni和Au而形成UBM。凸點電極17由焊料製成，並且形成在UBM上。在η型半導體基板5的檢測面恥上，形成有電連接至構成載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13的ρ型區域11，並且電連接至高濃度η型區域9的電極19。每個電極19 包括電極導線21、UBM和凸點電極23。在附圖中未示出UBM。
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電極導線21例如由鋁膜製成，並且通過形成在熱氧化膜中的接觸孔電連接至高濃度η型區域9和ρ型區域11。也如圖2和3中所示，從半導體基板5的檢測面恥側所見，電極導線21被形成為完全覆蓋載流子捕獲區域13的ρ型區域11以及夾住ρ型區域11 的兩側的高濃度η型區域9。例如，通過將電極導線21順序地鍍Ni和Au而形成UBM。凸點電極23由焊料製成，並且形成在UBM上。電極19連接於基準電位(例如地電位)。在光電二極體陣列PDl中，各光電二極體的陽極提取由電極15實現，而陰極提取由電極19實現。在光電二極體陣列PDl中，分別在光敏區域3的ρη結的邊界和載流子捕獲區域13的ρη結的邊界中形成耗盡層25。當被檢測光L從入射面fe側入射到光電二極體陣列PDl上時，各光電二極體生成與入射光相對應的載流子。來自如此生成的載流子的光電流從連接至光敏區域3的ρ型區域7的電極15 (凸點電極17)被取出。如圖3中所示，來自電極15的輸出被連接至差分放大器27的反相輸入終端。差分放大器27的非反相輸入終端連接至與電極19相同的基準電位。因此，如上所述，圖1至3中所示的本實施例的光電二極體陣列PDl具有背面入射型的配置，其中，如圖3中所示，半導體基板5具有入射面fe和在其相反側的檢測面恥，使得在η型半導體基板5的檢測面恥側上，在多個作為光電二極體的光敏區域3中的鄰近的光敏區域3 (ρ型區域7)之間，形成包括ρη結的載流子捕獲區域13 (ρ型區域11)。在這樣的構造中，即使當載流子C出現在鄰近的ρ型區域7的附近時，在半導體基板5中的耗盡層25以外的區域中，將要通過擴散遷移流入鄰近的光敏區域3的鄰近的ρ型區域7的載流子C也被從載流子捕獲區域13的ρ型區域11中引出，如圖3中的箭頭A所示。結果，將要通過擴散遷移流入光敏區域3的鄰近的ρ型區域7的載流子C被捕獲並消除，由此可有利地抑制在光敏區域3之間發生串擾。另外，使用凸點電極的凸點連接可被用於將其中光L入射在基板背面的入射面fe 上的背面入射型光電二極體陣列PDl連接至諸如布線基板等的支持部件。在這樣的使用凸點連接的配置中，連接點可能由於初始連接錯誤、溫度循環等而被損壞，由此一定的光敏區域3的ρ型區域7可能陷入電浮動狀態。相對照地，在如上所述配置的光電二極體陣列PDl中，即使當一定的ρ型區域7由於初始連接錯誤、溫度循環等引起的連接點的破損而陷入電浮動狀態時，溢出P型區域7的載流子也被從載流子捕獲區域13的ρ型區域11中引出。這可有利地抑制載流子流入鄰近的P型區域7。這在採用凸點連接以外的連接結構的情況下也是有效的。在鄰近的光電二極體的感光區域3之間設有包括ρη結的載流子捕獲區域13的上述構造中，在光敏區域3之間或在其附近生成的載流子被從載流子捕獲區域13中引出，由此，抑制了串擾生成，而每一通道的光敏度和所獲得的信號量變小。相對照地，在上述光電二極體陣列PDl中，通過間隔地排列包括各自的ρη結的一個或多個載流子捕獲區域13 (優選地多個載流子捕獲區域1 形成載流子捕獲部12。在如此構成的載流子捕獲部12中，適當地選擇和設定對光敏區域3形成的、載流子捕獲區域 13的諸如數目、區域寬度、長度、間隔等的區域圖案，允許有利地確保各光電二極體中所需的光敏度，同時抑制光電二極體之間串擾的生成。而且，在本實施例中，如從檢測面恥側所見，載流子捕獲部12以光電二極體的光敏區域3由間隔排列的載流子捕獲區域13圍繞的方式形成。這裡，將要流入鄰近的光敏區域3的載流子C被可靠地消除，這進一步增強了對串擾生成的抑制。並且，即使當由於連接點的破損而使一定的光電二極體的P型區域7陷入電浮動狀態時，溢出ρ型區域7的載流子也被從圍繞P型區域7的載流子捕獲區域13的ρ型區域11中引出。由此，可更加有效地抑制載流子流入鄰近的光電二極體。而且，在本實施例中，在η型半導體基板5的檢測面恥側上，在ρ型區域7與ρ型區域11之間形成高濃度η型區域9。結果，鄰近的光敏區域3的ρ型區域7彼此電分離，這允許更進一步減少P型區域7之間的串擾。由此，即使當由於連接點的破損而使一定的光電二極體陷入電浮動狀態時，也可更有效地抑制載流子流入鄰近的光電二極體。如圖1中所示，從η型半導體基板5的檢測面恥側所見，這樣的高濃度η型區域 9優選地形成為圍繞光敏區域3的ρ型區域7。這允許使鄰近的ρ型區域7可靠地電分離。而且，在本實施例中，在η型半導體基板5的檢測面恥側上形成電連接至ρ型區域11和高濃度η型區域9的電極19，電極19連接於基準電位。這允許共用用於將載流子捕獲區域13的ρ型區域11連接於基準電位的電極和用於將高濃度η型區域9連接於基準電位的電極，由此可防止電極數目增加。這裡，從P型區域11中引出的載流子C在光電二極體陣列PDl中消失。在根據本實施例的光電二極體陣列PDl的構造中，載流子捕獲區域13的ρ型區域 11可以與光敏區域(光電二極體)3的P型區域7相同的處理形成。在此情況下，製造光電二極體陣列PDl的處理不會被複雜化。對於在半導體基板5的檢測面恥側上設置的電極的構造，可以形成電連接至載流子捕獲部的載流子捕獲區域的第一電極，和電連接至高濃度雜質半導體區域的第二電極， 使得第一電極和第二電極在彼此電絕緣的同時連接於各自的基準電位。在此情況下，載流子捕獲區域的ρ型區域與高濃度η型區域在光電二極體陣列中電分離。這防止載流子捕獲區域側的電位波動，允許抑制由於光電二極體與載流子捕獲區域之間的電位差引起的電流流入。結果，來自光電二極體的輸出信號不容易受到電的影響， 由此可實現穩定的信號輸出。接下來說明根據本發明的輻射檢測裝置。圖4是示意性地顯示出根據本發明的輻射檢測裝置的一個實施例的剖面構造的側面剖視圖。根據本實施例的輻射檢測裝置RD包括響應於入射在其上的輻射而發光的閃爍體61和具有上述構造的光電二極體陣列PD1。閃爍體61布置在作為光電二極體陣列PDl的背面的入射面fe側上。從閃爍體61 發出的光從半導體基板5的入射面fe進入作為半導體光電探測器的光電二極體陣列PDl。 閃爍體61結合於光電二極體陣列PDl的入射面5a。透光樹脂(例如，環氧樹脂或丙烯酸樹脂)可用於將閃爍體61和光電二極體陣列PDl結合在一起。本實施例的輻射檢測裝置RD包括具有圖1至3中所示的構造的光電二極體陣列 PDl,因此允許有利地抑制鄰近的光敏區域3的ρ型區域7之間串擾的發生。而且，即使當一定的光電二極體由於初始連接錯誤、溫度循環等引起的連接點的破損而陷入電浮動狀態時，也可有利地抑制載流子流入鄰近的光電二極體。結果，在使用輻射檢測裝置RD的輻射檢測中可獲得高解析度。以下將利用具體實例和測量數據進一步說明圖1至3中所示的光電二極體陣列。在以下給出的說明中，將集中在對於光敏區域3 (ρ型區域7)的載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13(p型區域11)的構造及其效果上，說明半導體光電探測器的構造，而高濃度η 型區域9等的構造的說明被省略。這裡將研究對於一個光敏區域3由間隔排列的總共八個載流子捕獲區域13構成載流子捕獲部12的效果，其中在光敏區域3的每一側具有兩個載流子捕獲區域13，如繪出與圖1相同的構造的圖5的構造實例(a)中所示。作為比較例，圖5的構造實例(b)顯示出一種假想構造，其中載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13形成為連續區域圖案。在如圖5的構造實例(a)中所示的本發明的載流子捕獲部12的構造中，如上所述，適當地選擇和設定構成載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13的諸如區域數目、區域寬度w、區域長度L、間隔d等的區域圖案的參數，允許有利地確保各光電二極體中所需的光敏度，同時抑制光電二極體之間串擾的生成。優選地考慮正被討論的元件的諸如所需的光敏度、串擾等的元件特性，來設置區域圖案的參數。更具體地，在具有圖5的構造實例(b)中所示的連續圖案的載流子捕獲部12中， 在光敏區域3之間或在其附近生成的載流子被從載流子捕獲區域13中引出，由此抑制了鄰近的光電二極體之間串擾的生成。另外，在這樣的構造中，諸如從其它通道流入的載流子和在光電二極體像素(間隙)之間生成的載流子的載流子通過載流子捕獲區域13被引出，由此，光電二極體的每通道的光敏度和所獲得的信號量變小，這進而可減小半導體光電探測器中光L的檢測靈敏度(輻射檢測裝置中輻射的檢測靈敏度)。因此，在鄰近的光電二極體之間形成載流子捕獲部的構造中，存在串擾降低與檢測靈敏度提高之間的權衡。關於串擾降低與檢測靈敏度提高的平衡，例如在圖5的構造實例(b)中可以考慮構成載流子捕獲區域13的ρ型區域11的更細的區域寬度W。然而，這種更細寬度的P型區域11容易導致諸如元件製造過程中的圖案形成錯誤，或載流子捕獲區域13的飽和的問題。相對照地，在上述實施例的光電二極體陣列PDl中，通過間隔排列分別包括pn結的一個或多個載流子捕獲區域13，對光敏區域3形成載流子捕獲部12，如圖1和圖5的構造實例(a)中所示。這樣的構造允許減弱在載流子捕獲部12中未形成載流子捕獲區域13 的部分中的串擾降低效果，同時增加總信號量。由此可有利地平衡串擾降低和檢測靈敏度提尚。在與光電二極體的像素大小相比光L具有局部入射範圍情況下，在這些未形成載流子捕獲區域13的部分中增加的串擾可能會成問題，然而，例如，在如圖4中所示在輻射檢測裝置RD中結合使用閃爍體61的構造中，從閃爍體61發出的光照亮整個像素大小，使得上述的部分串擾增加不會產生問題。例如，在基板5的晶片厚度為125μπι，鄰近的光敏區域(光電二極體)3之間的距離為g = 0. 2mm,載流子捕獲區域13的區域寬度為w = 15 μ m(0. 015mm)，區域長度為L = 0. 2mm並且區域間隔為d = 0. 24mm的圖5的構造實例(a)中所示的結構中，靈敏度比構造實例(b)的連續結構中高大約3%。這裡，關於載流子捕獲部12中的載流子捕獲區域13的構造，構成載流子捕獲部12 的載流子捕獲區域13的區域寬度w優選為至少1 μ m。載流子捕獲區域13的區域長度L優選為至少1 μ m。包括具有這樣的區域圖案的載流子捕獲區域13的載流子捕獲部12允許有利地確保各光電二極體中所需的光敏度，同時抑制光電二極體之間串擾的生成。構成載流
9子捕獲部12的載流子捕獲區域13的區域寬度w特別優選地為至少5 μ m。載流子捕獲區域 13的區域長度L特別優選地為至少10 μ m。在載流子捕獲部12中，載流子捕獲區域13優選地以間隔d排列，使得在兩個鄰近的載流子捕獲區域13之間耗盡層不產生接觸。在這樣的構造中，間隔排列的載流子捕獲區域13可靠地用作分離區域。這允許可靠地實現在排列方向上的鄰近的載流子捕獲區域13 之間的未形成載流子捕獲區域13的部分中增加信號量的效果。載流子捕獲部12中的載流子捕獲區域13優選地以如下方式形成，即，在光敏區域 3 (ρ型區域7)的外圍的所有點上，從相應的光電二極體的光敏區域3到最近的載流子捕獲區域13 (ρ型區域11)的距離小於到鄰近的光敏區域3的距離。這允許有利地實現在整個間隔排列的載流子捕獲區域13上減小串擾的載流子捕獲部12的功能。圖6是顯示出載流子捕獲部12中的載流子捕獲區域13的區域寬度與光電二極體的光敏度之間的關係的曲線圖。在圖6的曲線圖中，橫軸表示區域寬度w(ym)，縱軸表示光電二極體中獲得的歸一化光敏度，當區域寬度為W = Oym時，光敏度被歸一化為1。區域寬度w = 0 μ m相當於沒有設置載流子捕獲部。圖6中繪出了圖5中所示的構造實例(a)的間隔開的點圖案的、晶片厚度為 125μπι和150μπι的兩種情況的曲線圖。在圖6中還繪出了圖5中所示的構造實例(b)的連續圖案的、晶片厚度為125μπι和150μπι的兩種情況的曲線圖。這些曲線圖顯示出使用構造實例(a)的點圖案結構，在相同的區域寬度下可提供由光電二極體獲得的更高的光敏度和提高的檢測靈敏度。圖7是顯示出載流子捕獲部12中的載流子捕獲區域13的區域寬度與光電二極體之間的串擾之間的關係的曲線圖。在圖7中，橫軸表示區域寬度w(ym)，而縱軸表示光電二極體之間的串擾(％)。在圖7中，如圖6中那樣，繪出了圖5中所示的構造實例(a)的間隔開的點圖案的、 晶片厚度為125 μ m和150 μ m的兩種情況的曲線圖。在圖7中還繪出了圖5中所示的構造實例(b)的連續圖案的、晶片厚度為125μπι和150μπι的兩種情況的曲線圖。如這些曲線圖所示，儘管與連續圖案相比，採用不連續的點圖案的載流子捕獲區域提供了有些減小的串擾降低效果，然而與未設置載流子捕獲部的常規結構相比，它們的確提供了充分的串擾降低效果。圖8是顯示出在光電二極體陣列的各位置獲得的信號量的曲線圖。在圖8中，橫軸表示在光電二極體陣列中沿預定掃描方向的掃描位置(μ m)，而縱軸表示在各位置獲得的歸一化電流，即信號量，電流被歸一化以使下述曲線圖G2的最大值作為1。在圖8中，曲線圖Gl繪出了在圖5的構造實例(a)中，沿掃描方向Sl(包括載流子捕獲區域13)的電流值變化，而曲線圖G2繪出了沿掃描方向S2(不包括載流子捕獲區域13)的電流值變化。其它曲線圖顯示出在相加前在各光電二極體中獲得的電流值。如這些曲線圖所示，儘管與對於形成有載流子捕獲區域13的掃描方向Sl所獲得的曲線圖Gl中相比效果有些減小，然而在對於未形成載流子捕獲區域13的掃描方向S2所獲得的曲線圖G2中也實現了光電二極體之間的串擾捕獲和引出效果。由載流子捕獲部12 產生的抗暈光效果可通過使用以下構造可靠地實現，其中，如上所述，在光敏區域3 (ρ型區域7)的外圍的所有點上，到最近的載流子捕獲區域13(p型區域11)的距離小於到鄰近的光敏區域3的距離。在圖5的構造實例(a)中，在光敏區域3的ρ型區域7與載流子捕獲區域13的ρ 型區域11之間形成的高濃度η型區域9，可根據載流子捕獲部12的構造形成為多種圖案， 例如如圖9的構造實例(a)和(b)中的虛線示意性所示。這裡，圖9的構造實例(a)與圖 1中所示的構造相對應。這裡，除上述構造以外的多種具體構造也可用作載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13的具體區域圖案，例如圖10至12中所示的構造。圖10至12僅繪出光敏區域3 (ρ 型區域7)和載流子捕獲區域13 (ρ型區域11)的構造，而省略了高濃度η型區域9等的構造。在圖10的構造實例(a)中，示出了包括圍繞光敏區域3的四個載流子捕獲區域13 的載流子捕獲部12，其中在光電二極體的光敏區域3的左、右、上、下各側具有一個載流子捕獲區域。在圖10的構造實例(b)中，載流子捕獲區域13的數目與構造實例(a)中相同， 然而，在構造實例(a)中，載流子捕獲區域13設置在光敏區域3的相應邊的中心部分，而在構造實例(b)中，載流子捕獲區域13設置在光敏區域3的整個相應邊上，且未設置載流子捕獲區域的間隔位於光敏區域3的角部分。在圖11的構造實例(a)中，除了圖10的構造實例(a)中的載流子捕獲區域13， 還設置有與光敏區域3的角部分相對應的十字形載流子捕獲區域13。在圖11的構造實例 (b)中，缺少了在光敏區域3的各邊的中心部分設置的載流子捕獲區域，使得載流子捕獲部 12僅包括從光敏區域3的角部分延伸的十字形載流子捕獲區域13。在圖12的構造實例(a)中，載流子捕獲部12中的載流子捕獲區域13的區域圖案是細點圖案。在圖12的構造實例(b)中，載流子捕獲區域13在鄰近的光敏區域3之間延伸的兩個平行的排列方向上交替排列，其中載流子捕獲區域13的排列位置相對於彼此移位。對於在半導體基板5的檢測面恥側上設置的電極的構造，如上所述，可以形成電連接至載流子捕獲部12的載流子捕獲區域13的第一電極，和電連接至高濃度η型區域9 的第二電極，使得第一電極和第二電極在彼此電絕緣的同時分別連接於基準電位。下面將參照圖13至15說明具有上述電極構造的半導體光電探測器。圖13和14 均為示意性地顯示出根據本發明的半導體光電探測器的另一個實施例的構造的平面圖。圖 15是顯示出沿圖13和14中的線II-II截取的半導體光電探測器的剖面構造的側面剖視圖。在本實施例中，將說明光電二極體陣列PD2的構造，作為根據本發明的半導體光電探測器的構造的另一個實例。在本光電二極體陣列PD2的η型半導體基板5的檢測面恥側上，形成有作為電連接至高濃度η型區域9的第二電極的電極31。每個電極31包括電極導線33、UBM和凸點電極35。電極導線33例如由鋁膜製成，並且通過形成在熱氧化膜中的接觸孔電連接至高濃度η型區域9。如圖14和15中所示，從半導體基板5的檢測面恥側所見，電極導線33 形成為覆蓋高濃度η型區域9。例如，通過將電極導線33順序地鍍Ni和Au而形成UBM。凸點電極35由焊料製成，並且形成在UBM上。電極31連接至差分放大器27的非反相輸入終端，而電極31與差分放大器27的非反相輸入終端之間的引線的中部連接於基準電位(例如地電位)。因此，電極31和差分
11放大器27的非反相輸入終端連接於共同的基準電位。在η型半導體基板5的檢測面恥側上，形成有作為電連接至載流子捕獲區域13 的P型區域11的第一電極的電極41。每個電極41包括電極導線43、UBM和凸點電極45。電極導線43例如由鋁膜製成，並且通過形成在熱氧化膜中的接觸孔電連接至載流子捕獲區域13的ρ型區域11。如圖14和15中所示，從半導體基板5的檢測面恥側所見，電極導線43形成為覆蓋排列有ρ型區域11的載流子捕獲部12。例如，通過將電極導線 43順序地鍍Ni和Au而形成UBM。凸點電極45由焊料製成，並且形成在UBM上。電極41與電極31電絕緣。在與電極31電絕緣的同時，電極41連接於光電二極體陣列PD2外部的與電極31不同的基準電位(例如，地電位)。在圖13至15中所示的電極構造中，載流子捕獲區域13的ρ型區域11與高濃度η 型區域9在光電二極體陣列PD2內部電分離。這防止了載流子捕獲區域13側的電位波動， 允許抑制由於光電二極體的光敏區域3與載流子捕獲區域13之間的電位差引起的電流流入。結果，來自光電二極體的輸出信號不容易受到電的影響，由此可實現穩定的信號輸出。 除上述構造以外，多種其它構造可被用作電極構造。根據本發明的半導體光電探測器和輻射檢測裝置不限於上述實施例和構造實例， 而是可進行多種變形。例如，在以上構造實例中，本發明使用在多個ρη結型光電二極體排列在二維陣列中的光電二極體陣列中，然而，本發明不限於此，而是也可適當地使用在例如多個光電二極體排列在一維陣列中的光電二極體陣列中。根據本發明的半導體光電探測器和輻射檢測裝置也可適當地使用在X射線CT裝置中。根據上述實施例的半導體光電探測器包括(1)半導體基板，其一面為被檢測光的入射面；( 在作為半導體基板的入射面的相反面的檢測面側上形成的多個ρη結型光電二極體；以及C3)在半導體基板的檢測面側上，在多個光電二極體中的鄰近的光電二極體之間形成的載流子捕獲部；(4)其中載流子捕獲部具有間隔排列的、分別包括ρη結的一個或多個載流子捕獲區域。如從檢測面側所見，優選地以多個光電二極體中的至少一個光電二極體由間隔排列的多個載流子捕獲區域圍繞的方式形成載流子捕獲部。在此情況下，將要流入鄰近的光電二極體的載流子被可靠地去除，這允許更有利地抑制串擾生成。由此，即使當一定的光電二極體由於連接點的破損而陷入電浮動狀態時，也可更為有效地抑制載流子流入鄰近的光
電二極體。而且，優選地在半導體基板的檢測面側上、在載流子捕獲部與光電二極體之間，形成具有與半導體基板相同的導電類型的高濃度雜質半導體區域。這裡，高濃度雜質半導體區域具有分離鄰近的光電二極體(通道阻擋體)的功能，用於電分離鄰近的光電二極體。結果可進一步減少光電二極體之間的串擾。由此，即使當一定的光電二極體因為連接點的破損而陷入電浮動狀態時，也可更為有效地抑制載流子流入鄰近的光電二極體。如從檢測面側所見，高濃度雜質半導體區域優選地形成為圍繞多個光電二極體中的至少一個光電二極體。於是，鄰近的光電二極體可被可靠地電分離。在用於載流子捕獲部等的電極構造中，電極優選地形成在半導體基板的檢測面側，電極被電連接至載流子捕獲部的載流子捕獲區域和高濃度雜質半導體區域，電極被連接於基準電位。這允許共用用於將載流子捕獲區域連接於基準電位的電極和用於將高濃度雜質半導體區域連接於基準電位的電極，由此可防止電極數目增加。從載流子捕獲區域引出的載流子在半導體光電探測器內部消失。結果可減少光電二極體之間的串擾。由此，即使當一定的光電二極體由於連接點的破損而陷入電浮動狀態時，也可減少流入鄰近的光電二極體的載流子。在電極的構造中，在半導體基板的檢測面側上，可形成電連接至載流子捕獲部的載流子捕獲區域的第一電極，和電連接至高濃度雜質半導體區域的第二電極，使得第一電極和第二電極在彼此電絕緣的同時分別連接於基準電位。在此情況下，載流子捕獲區域和高濃度雜質半導體區域在半導體光電探測器內部電分離。這防止了載流子捕獲區域側的電位波動，允許抑制由於光電二極體與載流子捕獲區域之間的電位差而引起的電流流入。結果，來自光電二極體的輸出信號不容易受到電的影響，由此可實現穩定的信號輸出。優選地，半導體基板為第一導電類型，而多個光電二極體和一個或多個載流子捕獲區域各包括第二導電類型的雜質半導體區域和半導體基板。優選地，高濃度雜質半導體區域為第一導電類型，如半導體基板一樣。在其中排列有分別包括pn結的一個或多個載流子捕獲區域的載流子捕獲部的構造中，構成載流子捕獲部的載流子捕獲區域的區域寬度W優選地不小於1 μ m。載流子捕獲區域的區域長度L優選地不小於1 μ m。如上所述，具有這樣的區域圖案的載流子捕獲部允許有利地確保各光電二極體中所需的光敏度，同時抑制光電二極體之間串擾的生成。在載流子捕獲部中，載流子捕獲區域優選地間隔排列，使得在兩個鄰近的載流子捕獲區域之間耗盡層不產生接觸。另外，在載流子捕獲部中，載流子捕獲區域優選地以以下方式形成，即在光電二極體的外圍的所有點上，從相應的光電二極體到載流子捕獲區域的距離小於到鄰近的光電二極體的距離。如上所述，這樣的構造允許有利地確保各光電二極體中所需的光敏度，同時抑制光電二極體之間串擾的生成。在根據以上實施例的輻射檢測裝置中，可以使用包括具有上述構造的半導體光電探測器和置於半導體基板的入射面側的響應於入射在其上的輻射而發光的閃爍體的構造。 如上所述，在這樣的輻射檢測裝置中，使用具有上述構造的光電檢測元件作為半導體光電探測器允許有利地抑制光電二極體之間串擾的發生。由此，即使當一定的光電二極體由於連接點的破損而陷入電浮動狀態時，也可抑制載流子流入鄰近的光電二極體。結果可獲得高解析度。工業適用性本發明可提供能夠有利地抑制串擾發生的半導體光電探測器和輻射檢測裝置。
權利要求
1.一種半導體光電探測器，包括半導體基板，其一面為被檢測光的入射面；在與所述半導體基板的所述入射面相反的檢測面側形成的多個pn結型光電二極體；以及在所述半導體基板的所述檢測面側，在所述多個光電二極體中的鄰近的光電二極體之間形成的載流子捕獲部，其中所述載流子捕獲部具有間隔排列的、分別包括Pn結的一個或多個載流子捕獲區域。
2.如權利要求1所述的半導體光電探測器，其中在從所述檢測面側觀察時，所述載流子捕獲部形成為使得所述多個光電二極體中的至少一個光電二極體由間隔排列的所述多個載流子捕獲區域圍繞。
3.如權利要求1所述的半導體光電探測器，其中在所述半導體基板的所述檢測面側， 在所述載流子捕獲部與所述光電二極體之間，形成具有與所述半導體基板相同的導電類型的高濃度雜質半導體區域。
4.如權利要求3所述的半導體光電探測器，其中在從所述檢測面側觀察時，所述高濃度雜質半導體區域形成為圍繞所述多個光電二極體中的至少一個光電二極體。
5.如權利要求3所述的半導體光電探測器，其中在所述半導體基板的所述檢測面側形成電極，所述電極電連接至所述載流子捕獲部的所述載流子捕獲區域，並連接至所述高濃度雜質半導體區域，並且其中所述電極連接於基準電位。
6.如權利要求3所述的半導體光電探測器，其中在所述半導體基板的所述檢測面側， 形成電連接至所述載流子捕獲部的所述載流子捕獲區域的第一電極，和電連接至所述高濃度雜質半導體區域的第二電極，並且其中所述第一電極和所述第二電極在彼此電絕緣的同時分別連接於基準電位。
7.如權利要求1所述的半導體光電探測器，其中所述半導體基板為第一導電類型，並且所述多個光電二極體和所述一個或多個載流子捕獲區域各自包括第二導電類型的雜質半導體區域和所述半導體基板。
8.如權利要求3所述的半導體光電探測器，其中所述半導體基板和所述高濃度雜質半導體區域為第一導電類型，並且所述多個光電二極體和所述一個或多個載流子捕獲區域各自包括第二導電類型的雜質半導體區域和所述半導體基板。
9.如權利要求1所述的半導體光電探測器，其中構成所述載流子捕獲部的所述載流子捕獲區域的區域寬度w為至少1 μ m。
10.如權利要求1所述的半導體光電探測器，其中構成所述載流子捕獲部的所述載流子捕獲區域的區域長度L為至少1 μ m。
11.如權利要求1所述的半導體光電探測器，其中所述載流子捕獲部中的所述載流子捕獲區域形成為使得，在所述光電二極體的外圍的所有點上，從相應的光電二極體到載流子捕獲區域的距離小於到鄰近的光電二極體的距離。
12.—種輻射檢測裝置，包括根據權利要求1所述的半導體光電探測器；和置於半導體基板的入射面側的響應於入射在其上的輻射而發光的閃爍體。
全文摘要
一種光電二極體陣列PD1，包括n型半導體基板，其一面為被檢測光的入射面；在與半導體基板的入射面相反的檢測面側形成的作為光電二極體的多個pn結型光敏區域(3)；以及在半導體基板的檢測面側、在多個光敏區域(3)中的鄰近的光敏區域(3)之間形成的載流子捕獲部(12)。載流子捕獲部(12)具有間隔排列的分別包括pn結的一個或多個載流子捕獲區域(13)。由此可實現能夠降低串擾的半導體光電探測器和輻射檢測裝置。
文檔編號H01L27/146GK102446945SQ20111041443
公開日2012年5月9日 申請日期2007年12月4日 優先權日2006年12月21日
發明者佐原正哲, 山中辰己, 藤原秀紀 申請人:浜松光子學株式會社