CN101414612B - 半导体受光元件和照度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供半导体受光元件和照度传感器，不仅抑制所照射的光的长波长分量而且抑制短波长分量的灵敏度、并具有与人的可见度特性大致一致的光谱灵敏度特性。半导体受光元件具有：P型阱区域和N型阱区域，该两者沿着P型半导体基板的表面并排设置；高浓度N型区域，其形成在P型阱区域的表面附近；以及高浓度P型区域，其形成在N型阱区域的表面附近。提取第1光电流和第2光电流，并对第1和第2光电流实施规定的运算处理来得到输出电流，该第1光电流流经由P型阱区域和高浓度N型区域形成的PN结，该第2光电流是将流经由N型阱区域和高浓度P型区域形成的PN结的光电流与流经由N型阱区域和P型半导体基板形成的PN结的光电流相加而得到的光电流。
Description
技术领域
本发明涉及用于可见度照度测定等的半导体受光元件和照度传感器。
背景技术
近年来，对具有接近人的可见度特性的光谱灵敏度特性的照度传感器的需要正在提高。这种照度传感器通过例如安装在便携电话机上，可用于这样的控制，即：在如白天或明亮的室内那样照射到照度传感器上的光量多时，熄灭小键盘的背光并将液晶面板的背光提高到最大亮度，另一方面，在如夜间的室外那样照射到照度传感器上的光量少的情况下，点亮小键盘的背光并减少液晶面板的背光。这样，通过使用照度传感器来根据周围亮度进行背光的点亮控制或亮度控制，可减少电池消耗，延长连续通话时间或等待时间。
这种照度传感器的光谱灵敏度特性的峰值为550nm～600nm左右，相当接近于人的可见度的峰值即555nm。然而，在光源例如是荧光灯的情况下和是太阳光的情况下，有时产生即使照度相同，输出电流也不同的问题。这是由于：发光光谱因光源而存在差异，以及照度传感器对人眼感知不到的红外光和紫外光也具有灵敏度。即，为了使照度传感器的灵敏度与人的可见度特性一致，有必要不仅使光谱灵敏度特性的峰值波长与人的可见度一致，而且使从峰值起的长波长侧和短波长侧的各自的光谱灵敏度特性与人的可见度一致。
在专利文献1(图5)中示出了一种受光元件的例子，该受光元件为了解决上述问题，消除对基于红外光的输出电流的影响，并具有与可见度对应的光谱灵敏度特性。具体记载如下：在n型半导体层2上分别以1.5μm和3μm的深度形成2个p型区域34、35，由此形成2个二极管D4、D5，通过运算电路将二极管D5的输出设定为1.05倍，通过将该值从二极管D4的输出中减去，可使红外区域的灵敏度大致为零，可实现与可见度对应的光谱灵敏度特性。
【专利文献1】日本特开2006-245264号公报
在上述专利文献1记载的受光元件中，记载了通过对光谱灵敏度不同的2个二极管的输出进行运算处理，使红外区域的灵敏度大致为零，该文献的图6示出表示输出电流的波长依赖性的曲线图。根据该曲线图，尽管针对红外区域看出改善效果，然而针对短波长侧仍然有灵敏度，难以说与人的可见度特性对应，有改善的余地。
发明内容
本发明是鉴于上述方面而作成的，本发明的目的是提供一种不仅抑制所照射的光的长波长分量而且抑制短波长分量的灵敏度、并具有与人的可见度特性大致一致的光谱灵敏度特性的半导体受光元件和照度传感器。
本发明的半导体受光元件形成在P型半导体基板内，其特征在于，该半导体受光元件具有：P型阱区域和N型阱区域，该两者沿着所述P型半导体基板的表面并排设置；高浓度N型区域，其形成在所述P型阱区域的表面附近；以及高浓度P型区域，其形成在所述N型阱区域的表面附近。
并且，本发明的照度传感器包含上述半导体受光元件，其特征在于，该照度传感器具有运算电路，该运算电路提取第1光电流和第2光电流，并将对所述第1和第2光电流实施规定的运算处理而得到的电流作为检测输出，该第1光电流流经由所述P型阱区域和所述高浓度N型区域形成的PN结，该第2光电流是将流经由所述N型阱区域和所述高浓度P型区域形成的PN结的光电流与流经由所述N型阱区域和所述P型半导体基板形成的PN结的光电流相加而得到的光电流。
根据本发明的半导体受光元件和照度传感器，可实现与人的可见度特性大致一致的光谱灵敏度特性。
附图说明
图1是本发明的实施例的半导体受光元件的截面结构图。
图2是本发明的实施例的运算电路的等效电路图。
图3(a)～(g)是示出本发明的实施例的半导体受光元件的制造工序的截面图。
图4是示出本发明的实施例的半导体受光元件的动作的截面图。
图5(a)和(b)是示出由本发明的实施例的半导体受光元件所生成的光电流的波长依赖性的曲线图，图5(c)是示出通过由本发明的实施例的半导体受光元件所生成的光电流的运算处理而得到的输出电流的波长依赖性的曲线图。
图6是为了与本发明的实施例的半导体受光元件进行特性比较而制造的半导体受光元件的截面结构图。
图7是将输出电流的波长依赖性作了比较的曲线图。
标号说明
1：半导体受光元件；10：P型半导体基板；11：P型阱区域；12：高浓度N型区域；13：高浓度P型区域；21：N型阱区域；22：高浓度P型区域；23：高浓度N型区域。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施例。另外，在以下所示的图中，对实质上相同或等效的构成要素、部分附上相同的参照标号。
图1是作为本发明的实施例的半导体受光元件1的剖面结构图。半导体受光元件1由在P型半导体基板10内形成为沿着其表面并排设置的2个光电二极管PD1、PD2构成。
光电二极管PD1由形成在P型半导体基板10内的P型阱区域11、以及形成为并排设置在P型阱区域11内的表面附近的高浓度的N型区域12和P型区域13构成。由P型阱区域11和N型区域12形成的第1PN结设置在距半导体受光元件1的表面0.7μm左右的深度。P型阱区域11的杂质浓度比P型半导体基板10的杂质浓度高出1位数以上，例如在P型半导体基板10的杂质浓度是1E15cm-3的情况下，期望的是，P型阱区域11的杂质浓度是1E16cm-3以上。并且期望的是，N型区域12和P型区域13的杂质浓度是1E20cm-3以上。在P型半导体基板10的表面设置有由例如SiN等构成的透光性的绝缘膜30，在N型区域12和P型区域13的上部，经由绝缘膜30的开口部在电连接的状态下形成有铝电极14和15。P型区域13是为了使铝电极15和P型阱区域11欧姆接触而设置的。
另一方面，光电二极管PD2由形成为在P型半导体基板10内与P型阱区域并排设置的N型阱区域21、以及形成为并排设置在N型阱区域21内的表面附近的高浓度的P型区域22和N型区域23构成。即，光电二极管PD2具有由N型阱区域21和P型区域22形成的第2PN结、以及由P型半导体基板10和N型阱区域21形成的第3PN结。上述第2PN结设置在比光电二极管PD1的由P型阱区域11和N型区域12形成的第1PN结浅的位置，例如距基板表面0.4μm左右的深度。N型阱区域21的杂质浓度例如是1E17cm-3左右，期望的是，P型区域22和N型区域23的杂质浓度是1E20cm-3以上。在P型区域22和N型区域23的上部，经由绝缘膜30的开口部在电连接的状态下形成有铝电极24和25。N型区域23是为了使铝电极25和N型阱区域21欧姆接触而设置的。
另外，在P型半导体基板10内还设置有未作图示的扩散区域等，对通过光照射而从光电二极管PD1和PD2生成的光电流进行规定的运算处理的运算电路例如由图2所示的电路结构形成。
以下，参照图3(a)～(g)所示的制造工序图说明上述结构的半导体受光元件1的制造方法。首先，准备P型半导体基板10。在本实施例中，使用一般的杂质浓度是1E15cm-3左右的P型半导体基板(图3(a))。
然后，在P型半导体基板10上实施了热氧化处理的表面形成由SiO2等构成的厚度
左右的绝缘膜40(图3(b))。绝缘膜40是以减少在此后的离子注入工序中对基板表面的损坏为目的而被导入的。
然后，在形成有绝缘膜40的P型半导体基板10上涂布光致抗蚀剂50之后，对与P型阱区域11的形成位置对应的部分进行蚀刻来形成抗蚀剂开口。然后，将例如11B或49BF等P型杂质进行离子注入，形成P型阱区域11(图3(c))。该离子注入工序将相同的P型杂质改变注入能量进行2次。即，第1次的离子注入是为了在P型半导体基板10与P型阱区域11之间形成能量势垒而实施的，将注入能量设定为1400～1500KeV，进行离子注入，使得基于该离子注入的杂质的浓度峰值分布在距基板表面2.2～2.4μm附近。P型阱区域11和P型半导体基板10是相同导电型的结，然而由于在P型半导体基板10与P型阱区域11之间形成有能量势垒，因而可抑制基于在杂质浓度低的一侧(基板侧)所产生的入射光的长波长分量的载流子流入杂质浓度高的一侧(P型阱区域侧)。即，光电二极管PD1具有难以受到基于因入射光的长波长分量而在P型半导体基板10内产生的载流子的光电流的影响的结构。另一方面，第2次离子注入是为了这样的目的而实施的，即：使如上所述由P型阱区域11和N型区域12构成的第1PN结位于0.7μm附近，并将形成在第1PN结附近的耗尽层D1的宽度设定为0.9～1.0μm。将注入能量设定为1000～1100KeV，进行离子注入，使得基于该离子注入的杂质的浓度峰值分布在距基板表面1.8～2.0μm附近。期望的是，通过2次离子注入而形成的P型阱区域11的杂质浓度比P型半导体基板10的杂质浓度高出1位数以上，为1E16cm-3以上。
然后，在P型半导体基板10上涂布新的光致抗蚀剂50之后，对与N型阱区域21的形成位置对应的部分进行蚀刻来形成抗蚀剂开口。然后，将例如31P等N型杂质进行离子注入，形成N型阱区域21(图3(d))。在该离子注入工序中，将注入能量设定为例如500KeV来进行离子注入，将N型阱区域21的杂质浓度设定为1E17cm-3。N型阱区域21形成为比P型阱区域11浅。
然后，在P型半导体基板10上涂布新的光致抗蚀剂50之后，对与N型区域12和23的形成位置对应的部分进行蚀刻来形成抗蚀剂开口。然后，将例如31P等N型杂质进行离子注入，形成高浓度的N型区域12和23(图3(e))。在该离子注入工序中，将注入能量设定为例如60KeV来进行离子注入，将第1PN结形成在距基板表面0.7μm左右的深度位置，将N型区域12和23的杂质浓度设定为1E20cm-3以上。
然后，在P型半导体基板10上涂布新的光致抗蚀剂50之后，对与P型区域13和22的形成位置对应的部分进行蚀刻来形成抗蚀剂开口。然后，将例如11B或49BF2等P型杂质进行离子注入，形成高浓度的P型区域13和22(图3(f))。在该离子注入工序中，将注入能量设定为例如40KeV来进行离子注入，将第2PN结形成在距基板表面0.4μm左右的深度位置，将P型区域13和22的杂质浓度设定为1E20cm-3以上。
然后，在去除形成于P型半导体基板10上的绝缘膜40之后，采用CVD法等在基板上形成由SiN等构成的膜厚左右的具有透光性的绝缘膜30，之后在N型区域12、23以及P型区域13、22的上部形成接触开口。之后，采用溅射法形成铝膜，并通过光刻和蚀刻处理形成铝电极(图3(g))。经过以上工序，从而完成本发明的半导体受光元件1。
下面，参照图4所示的剖面图和图5(a)～(c)所示的测定数据来说明本发明的半导体受光元件1的动作。在使用本发明的半导体受光元件1进行照度测定时，将光电二极管PD1和PD2分别以1V左右进行反向偏置。在将光电二极管PD1进行反向偏置的情况下，如图4所示，使偏置电源的正侧端子与电极14连接，并使偏置电源的负侧端子与电极15连接。在将光电二极管PD2进行反向偏置的情况下，使偏置电源的正侧端子与电极25连接，并使偏置电源的负侧端子与电极24连接。由于该反向偏置电压而在光电二极管PD1的由P型阱区域11和N型区域12形成的第1PN结附近形成耗尽层D1，并在光电二极管PD2的由N型阱区域21和P型区域22形成的第2PN结附近形成耗尽层D2。当在该状态下向半导体受光元件1照射了包含300～1100nm的波长分量的光时，在半导体受光元件1的各区域内生成电子空穴对。在耗尽层D1和D2中，由于在其内部产生的电场作用而使电子向N型区域12或N型阱区域21加速，并使空穴向P型阱区域11或P型区域22加速。
在光电二极管PD1中，在P型区域13和P型阱区域11内所产生的电子空穴对中的空穴与经由耗尽层D1从N型区域12流来的空穴一起被蓄积在P型区域13内，另一方面，在N型区域12内所产生的电子空穴对中的电子与经由耗尽层D1从P型阱区域11流来的电子一起被蓄积在N型区域12内。图5(a)是示出由光电二极管PD1所生成的光电流的波长依赖性的曲线图。这里，光电流In1是由插入在偏置电源的正侧端子与电极14之间的电流计J2所测定的电流，是通过引出蓄积在N型区域12内的电子而产生的光电流。另一方面，光电流Ipw1是由插入在偏置电源的负侧端子与电极15之间的电流计J1所测定的电流，是通过引出蓄积在P型区域13内的空穴而产生的光电流。另外，在图5(a)中，将电流流入半导体受光元件1内的方向显示为正。光电流In1和Ipw1表示相同的波长依赖性，在500nm～900nm的波长区域中取大致均匀的值。即，光电二极管PD1在该波长区域中具有大致均匀的光谱灵敏度特性。获得这种特性是由于以下原因，即：将PN结的形成位置设定为距基板表面0.7μm左右，将各区域的杂质浓度控制成使耗尽层D1的宽度为0.9～1.0μm，以及在P型半导体基板10与P型阱区域11之间形成能量势垒，抑制了由于入射光的长波长分量而在P型半导体基板10内生成的载流子的流入。在光电二极管PD1中生成的上述2个光电流中的In1成为运算电路的运算处理对象。
在光电二极管PD2中，在P型区域22内所产生的电子空穴对中的空穴与经由耗尽层D2从N型阱区域21流来的空穴一起被蓄积在P型区域22内，另一方面，在N型区域23和N型阱区域21内所产生的电子空穴对中的电子与从P型区域22和P型半导体基板10流来的电子一起被蓄积在N型区域23内。图5(b)是示出由光电二极管PD2所生成的光电流的波长依赖性的曲线图。这里，光电流Ip2是由插入在偏置电源的负侧端子与电极24之间的电流计J3所测定的电流，是通过引出蓄积在P型区域22内的电子而产生的光电流。该光电流Ip2在450nm附近的短波长区域中具有峰值。这是因为，由P型区域22和N型阱区域21形成的第2PN结的深度形成在较浅的位置。另一方面，光电流Inw2是由插入在偏置电源的正侧端子与电极25之间的电流计J4所测定的电流，是通过引出蓄积在N型区域23内的电子而产生的光电流。即，光电流Inw2是基于通过由P型区域22和N型阱区域21形成在较浅位置的第2PN结而提供的电子的光电流与基于通过由N型阱区域21和P型半导体基板10形成在较深位置的第3PN结而提供的电子的光电流相加而得到的光电流。基于通过上述第2PN结而提供的电子的光电流表示与光电流Ip2相同的波长依赖性，并在450nm附近具有峰值。另一方面，基于通过上述第3PN结而提供的电子的光电流在与红外光相当的长波长区域内具有峰值。因此，这些电流相加而得到的Inw2，如图5(b)所示，在从短波长区域到长波长区域的宽范围内具有灵敏度，特别是在与红外光相当的波长区域内具有峰值。在光电二极管PD2中生成的上述2个光电流中的Inw2成为运算电路的运算处理对象。
通过光电二极管PD1所取出的光电流In1和通过光电二极管PD2所取出的光电流Inw2由具有图2所示的电路结构的运算电路进行Iout＝K1(In1-K2·Inw2)的运算处理，作为输出电流Iout被取出。图5(c)示出通过该运算处理而得到的输出电流Iout的波长依赖性。如该图所示，输出电流Iout在人的可见度的峰值即555nm附近具有灵敏度的峰值，而且在人眼感知不到的400nm以下的短波长区域和800nm以上的长波长区域中几乎不具有灵敏度。即，通过对由采用2个光电二极管构成的本发明的半导体受光元件所生成的光电流进行规定的运算处理，可构成具有与人的可见度大致一致的光谱灵敏度特性的照度传感器。
图6是为了与本发明的半导体受光元件1的光谱灵敏度特性进行比较而制造的半导体受光元件2的结构的剖面图。半导体受光元件2与本发明的半导体受光元件1一样由2个光电二极管PD1和PD2构成。在半导体受光元件2中，光电二极管PD1的结构与本发明的半导体受光元件1不同，光电二极管PD2具有与本发明的半导体受光元件1相同的结构。半导体受光元件2的光电二极管PD1具有与光电二极管PD2相同的结构，在P型阱区域内构成为形成有N型区域和P型区域。即，半导体受光元件2具有将相同结构的光电二极管并排设置的结构。图7是将对由具有该结构的半导体受光元件2所生成的光电流实施如上所述的运算处理而得到的输出电流Iout的波长依赖性与在使用本发明的半导体受光元件1的情况下的输出电流Iout的波长依赖性作了比较的曲线图。如该图所示，本发明的半导体受光元件1在400nm以下的短波长区域和800nm以上的长波长区域的双方中抑制了输出电流，因而可以说具有更接近人的可见度特性的光谱灵敏度特性。即，半导体受光元件1可以说具有适合用于获得与人的可见度特性一致的光谱灵敏度特性的结构。
Claims (5)
1.一种半导体受光元件，其形成在P型半导体基板内，其特征在于，该半导体受光元件具有：
P型阱区域和N型阱区域，该两者沿着所述P型半导体基板的表面并排设置；
高浓度N型区域，其形成在所述P型阱区域的表面附近；
高浓度P型区域，其形成在所述N型阱区域的表面附近；以及
与所述高浓度N型区域并排设置在所述P型阱区域的表面附近的P型区域、和与所述高浓度P型区域并排设置在所述N型阱区域的表面附近的N型区域，
由所述N型阱区域和所述高浓度P型区域形成的PN结比由所述P型阱区域和所述高浓度N型区域形成的PN结形成在距所述P型半导体基板表面更浅的位置。
2.根据权利要求1所述的半导体受光元件，其特征在于，该半导体受光元件具有设置在所述P型半导体基板的表面的透光性的绝缘膜，
该半导体受光元件具有多个金属电极，该多个金属电极贯通所述绝缘膜，并与所述P型阱区域、所述N型阱区域、所述高浓度N型区域以及所述高浓度P型区域分别电连接。
3.根据权利要求1或2所述的半导体受光元件，其特征在于，所述P型阱区域是通过注入能量相互不同的2次离子注入来形成的。
4.根据权利要求1或2所述的半导体受光元件，其特征在于，所述P型阱区域的杂质浓度高于所述P型半导体基板的杂质浓度。
5.根据权利要求4所述的半导体受光元件，其特征在于，所述P型阱区域是通过注入能量相互不同的2次离子注入来形成的。
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