DE102016120032A1

DE102016120032A1 - Fotoelektrisches umwandlungselement

Info

Publication number: DE102016120032A1
Application number: DE102016120032.8A
Authority: DE
Inventors: Kunihiro Watanabe; Masaya Okada; Kazunori Nohara
Original assignee: Microsignal Co Ltd
Current assignee: Microsignal Co Ltd
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US9960308B2; US20170338366A1; JP2017208501A

Abstract

Eine Reihe von kleinsten rechteckigen punktförmigen n-Typ-Halbleiterzonen 121 ist in einer p-Typ-Halbleiterzone, die ein Grundkörper 11 ist, geschaffen. Die Kontaktteile 14, von denen jedes in Kontakt mit einer n-Typ-Halbleiterzone 121 steht und fast komplett die gleiche Zone abdeckt, sind untereinander durch ein Verdrahtungsteil 15 als einem gemeinsamen Kathodenanschluss verbunden. Die n-Typ-Halbleiterzonen 121 empfangen kein Licht; ihre Funktion ist es, Ladungsträger zu sammeln, die innerhalb und außerhalb der umgebenden Verarmungsschichten generiert werden. Die geeignete Einstellung des Zwischenraums der n-Typ-Halbleiterzonen 121 ermöglicht ein effizientes Sammeln der Ladungsträger, die in der p-Typ-Halbleiterzone generiert werden, während sie das SN-Verhältnis des Fotodetektionssignals durch eine Rauschreduktionswirkung aufgrund einer Verringerung der pn-Sperrschichtkapazität verbessert. Ladungsträger, die von Licht kürzerer Wellenlängen stammen, spiegeln sich kaum im Fotodetektionssignal wider. Somit werden unvorteilhafte Einflüsse der kürzeren Lichtwellenlängen beseitigt.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung JP 2016-101452 vom 20. Mai 2016, deren Inhalt hiermit durch Verweis und vollumfänglich in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein fotoelektrisches Umwandlungselement zum Empfangen von Licht und zu seiner Umwandlung in elektrische Signale. Der Begriff „fotoelektrisches Umwandlungselement“ umfasst in der vorliegenden Beschreibung Fotodioden, Fototransistoren, Darlington-Fototransistoren, Fotothyristoren, Foto-Triacs und andere ähnliche Elemente. Das fotoelektrische Umwandlungselement kann in der Form eines unabhängigen Elements aufgebaut sein, oder es kann ein Abschnitt einer integrierten Schaltung (IC, Integrated Circuit) oder einer hochintegrierten Schaltung (LSI, Large Scale Integrated) sein, in der verschiedene andere Funktionen bereitgestellt werden.
STAND DER TECHNIK
Eine Fotodiode umfasst normalerweise eine n-Typ-Halbleiterzone und eine p-Typ-Halbleiterzone, die durch selektives Eindiffundieren einer Störstelle (z. B. Bor) in die n-Typ-Halbleiterzone gebildet wird. Die p-Typ-Halbleiterzone und die n-Typ-Halbleiterzone bilden einen pn-Übergang. Wenn Licht einer geeigneten Intensität an der Fotodiode eintrifft, werden Elektronen-Loch-Paare im ganzen Körper der Fotodiode generiert, d. h. in der Verarmungsschicht in der Nähe des Übergangs der p-Typ- und der n-Typ-Halbleiterzonen, in der p-Typ-Halbleiterzone und in der n-Typ-Halbleiterzone. Normalerweise werden Elektronen und Löcher aufgrund der Wirkung eines elektrischen Feldes in der Verarmungsschicht zur n-Typ-Halbleiterzone bzw. zur p-Typ-Halbleiterzone beschleunigt. Unter den Elektron-Loch-Paaren, die in der n-Typ-Halbleiterzone generiert werden, bleiben die Elektronen in der n-Typ-Halbleiterzone zusammen mit den Elektronen, die aus der n-Typ-Halbleiterzone transferiert worden sind, während die Löcher in der n-Typ-Halbleiterzone zur Verarmungsschicht diffundieren. Bei Erreichen der Verarmungsschicht werden die Löcher durch das elektrische Feld beschleunigt und in der p-Typ-Halbleiterzone gesammelt. Auf diese Art und Weise werden Löcher und Elektronen in der p-Typ- bzw. der n-Typ-Halbleiterzone gesammelt und fließen durch eine extern verbundene Last als ein Fotostrom.
Auch wenn die Leitungstypen der Halbleiter zu den vorher beschriebenen entgegengesetzt sind, sind der Aufbau und der Betrieb der Vorrichtung grundsätzlich die gleichen.
In üblicherweise verwendeten Fotodioden bedeckt die p-Typ-Halbleiterzone, die durch die selektive Diffusion gebildet ist, fast komplett die Lichtempfangsfläche, die einfallendes Licht empfängt, um so zuzulassen, dass das Licht den gesamten Übergang zwischen den p-Typ- und den n-Typ-Halbleiterzonen erreicht. 15A ist eine schematische Schnittansicht einer typischen Fotodiode, und 15B ist ihre Draufsicht von oben. Im vorliegenden Beispiel dient der Grundkörper 11 selbst als die n-Typ-Halbleiterzone, wobei die p-Typ-Halbleiterzone 12 durch selektive Diffusion über fast den gesamten Bereich wie die Lichtempfangsfläche 10 auf der Oberfläche des Grundkörpers 11 gebildet ist. Das Kontaktteil 13, das aus einem Leiter besteht, der in Kontakt mit dem Grundkörper 11 gebildet ist, ist der Kathodenanschluss (C), während das Kontaktteil 14, das aus einem Leiter besteht, der in Kontakt mit der p-Typ-Halbleiterzone 12 gebildet ist, der Anodenanschluss (A) ist.
Um ein hohes Niveau an Fotodetektionsempfindlichkeit in einer derartigen Fotodiode zu erreichen, sollte die Lichtempfangsfläche 10 vorzugsweise eine große Fläche aufweisen. Falls die Lichtempfangsfläche 10 vergrößert wird, muss die p-Typ-Halbleiterzone 12 aus dem vorher beschriebenen Grund ebenfalls vergrößert werden. Allerdings bewirkt das Vergrößern der Fläche der p-Typ-Halbleiterzone 12 eine Erhöhung der Sperrschichtkapazität, was wiederum den Rauschpegel in derartigen Elementen wie dem Verstärker erhöht, der verbunden ist, um den von der Fotodiode erzeugten Fotostrom in Spannung umzuwandeln. Folglich wird das Signal-Rausch-(SN-, Signal-Noise-)Verhältnis des Fotodetektionssignals geringer, was es erforderlich macht, die Frequenzbandbreite des Verstärkers zu reduzieren oder seine Verstärkung zu verringern.
Mit anderen Worten muss, um ein hochfrequentes Rauschen in einer Fotodiode zu reduzieren, die Sperrschichtkapazität gesenkt werden (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1). Falls allerdings die Fläche der p-Typ-Halbleiterzone, die durch selektive Diffusion gebildet ist, verringert wird, um die Sperrschichtkapazität zu senken, kann die Fotodetektionsempfindlichkeit möglicherweise gesenkt werden.
Um die Sperrschichtkapazität des pn-Übergangs zu senken, wird in einer herkömmlichen Fotodiode, die in der Patentliteratur 2 beschrieben wird, eine Struktur angewendet, in der mehrere inselähnliche p-Typ-Diffusionsschichten auf der Oberfläche eines n-Typ-Substrats gebildet werden, und die gleiche Anzahl von Elektroden wie die inselähnlichen Diffusionsschichten werden in einer untereinander verbundenen Form bereitgestellt. Der Zwischenraum der inselähnlichen p-Typ-Diffusionsschichten wird so ausgeführt, dass er gleich oder kleiner als der Abstand ist, über den die Minoritätsladungsträger diffundieren („Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge“). In der Patentliteratur 2 wird beansprucht, dass eine derartige Struktur die Fotodiode mit einem größeren Lichtempfangsbereich bereitstellt, was effektiv sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung von jeder inselähnlichen p-Typ-Diffusionsschicht aus funktioniert, und der dem einfallenden Licht entsprechende Fotostrom kann auch in den Zonen zwischen den p-Typ-Diffusionsschichten („Nicht-Diffusionsschicht-Zonen“) gewonnen werden, so dass die Fotodetektionsempfindlichkeit sich im Vergleich zu dem Fall kaum verschlechtert, in dem die gleiche Diffusionsschicht über den Zonen zwischen den inselähnlichen p-Typ-Diffusionsschichten gebildet ist. Es wird auch beansprucht, dass die Sperrschichtkapazität niedriger wird, da die Fläche des pn-Übergangs um eine Größe verringert wird, die den Nicht-Diffusionsschicht-Zonen entspricht.
ZITIERUNGSLISTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: JP 11-312823 A (Absatz [0020])
Patentliteratur 2: JP 59-12034 B
Patentliteratur 3: JP 2010-102387 A

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Tatsächlich verringert die Struktur des in der Patentliteratur 2 beschriebenen Elements, zum Teil wegen des großen Gebietes der Diffusionszone, die Sperrschichtkapazität nicht signifikant. Die Verbesserung der Leistung aufgrund der gesenkten Sperrschichtkapazität ist ebenfalls geringer als erwartet. Dementsprechend ist ein fotoelektrisches Umwandlungselement mit einer neuartigen Struktur, die in der Lage ist, eine noch größere Verringerung der Sperrschichtkapazität zu erreichen, während sie die Verschlechterung der Fotodetektionsempfindlichkeit verhindert, gefordert worden. Zum Beispiel ist es bei einem fotoelektrischen Schalter, der moduliertes Licht verwendet, um die Störempfindlichkeit gegenüber dem Umgebungslicht zu senken, wenn die Modulationsfrequenz auf einen hohen Wert gesetzt wird, wichtig, die pn-Sperrschichtkapazität zu senken und dadurch das größtmögliche SN-Verhältnis zu erreichen. Dementsprechend ist es für ein fotoelektrisches Umwandlungselement, das als ein Fotodetektor oder ein ähnliches Element in einem fotoelektrischen Schalter verwendet wird, besonders wichtig, die pn-Sperrschichtkapazität zu senken.
In einer Fotodiode mit einer üblicherweise verwendeten Struktur können die Wellenlängenempfindlichkeits-Charakteristika in gewissem Umfang durch die Dicke der Diffusionsschicht, die Konzentration der Störstellen oder andere Parameter gesteuert werden. Allerdings ist eine signifikante Einstellung der Empfindlichkeit schwierig. Daher wird, wenn es erforderlich ist, den Einfluss von Licht mit kurzen Wellenlängen zu reduzieren, wie zum Beispiel für den Fall einer optischen Messung bei einem großen Anteil von ultraviolettem Licht, normalerweise mit der Fotodiode ein optischer Filter verwendet, um Licht in einem unerwünschten Wellenlängenbereich zu blockieren. Allerdings erfordert die Integration eines derartigen optischen Filters mit der Fotodiode zu einer Einheit einen zusätzlichen Herstellungsprozess, wohingegen das Verwenden eines separaten optischen Filters zusammen mit der Fotodiode die Anzahl von Teilen erhöht. In jedem Fall erhöhen sich die Herstellungskosten dramatisch. Dementsprechend ist eine Fotodiode oder sind andere Arten von fotoelektrischen Umwandlungselementen gefordert worden, die Licht mit kurzen Wellenlängen blockieren können, ohne eine zusätzliche strukturelle Komponente zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung ist mit Blick auf derartige Probleme entwickelt worden. Ihr primäres Ziel ist es, ein fotoelektrisches Umwandlungselement bereitzustellen, bei dem die Sperrschichtkapazität eines pn-Übergangs (oder anderer Arten von Übergängen) kleiner als das herkömmliche Niveau sein kann, während eine Verringerung der Fotodetektionsempfindlichkeit verhindert wird, um so den Rauschpegel zu reduzieren, der von der Sperrschichtkapazität abhängig ist, und dadurch ein SN-Verhältnis des Fotodetektionssignals zu verbessern.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein fotoelektrisches Umwandlungselement mit einer einfach umzusetzenden strukturellen Vorrichtung bereitzustellen, das Licht bei kürzeren Wellenlängen innerhalb des Wellenlängenbereichs der spektralen Empfindlichkeit, die durch den fotoelektrischen Umwandlungselementabschnitt gewonnen wird, effektiv blockieren kann, während ein hohes Niveau an Fotodetektionsempfindlichkeit bei längeren Lichtwellenlängen gesichert wird.
PROBLEMLÖSUNG
Das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung, das entwickelt worden ist, um das vorher beschriebene Problem zu lösen, umfasst:

a) eine erste Zone eines ersten Leitungstyps, wobei die erste Zone entweder ein Halbleitergrundkörper selbst oder eine Zone ist, die im Halbleitergrundkörper gebildet ist und die sich vom Halbleitergrundkörper unterscheidet;
b) eine punktförmige zweite Zone eines zweiten Leitungstyps, der sich vom ersten Leitungstyp unterscheidet, wobei die zweite Zone durch Diffundieren einer Störstelle oder durch Aufwachsen einer epitaktischen Schicht auf einer Oberfläche der ersten Zone innerhalb eines Lichtempfangsbereichs gebildet ist; und
c) ein lichtblockierendes Teil zum Blockieren von auf die zweite Zone einfallendem Licht unter Licht, das auf den Lichtempfangsbereich auf einer Licht von außen empfangenden Eintrittsoberfläche einfällt,

Das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise mehrere der zweiten Zonen umfassen, die in einer voneinander getrennten Form innerhalb des Lichtempfangsbereichs angeordnet sind, um ein einzelnes Fotodetektionssignal zu gewinnen, wobei die mehreren zweiten Zonen untereinander verbunden sind, um so Fotodetektionssignale zu summieren, die von den einzelnen zweiten Zonen erzeugt werden.
Zu Beispielen für das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung zählen Fotodioden, Fototransistoren, Darlington-Fototransistoren, Fotothyristoren, Foto-Triacs und andere ähnliche Elemente. Das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung kann in der Form eines unabhängigen Elements aufgebaut sein, oder es kann eine Komponente in einer größeren Vorrichtung sein (wie zum Beispiel einem Fotodioden-Array, in dem mehrere Fotodioden angeordnet sind) oder ein Abschnitt eines IC oder LSI, in dem verschiedene andere Funktionen bereitgestellt werden.
In dem fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung ist entweder die Kombination aus n-Typ als dem ersten Leitungstyp und p-Typ als dem zweiten Leitungstyp oder umgekehrt p-Typ als dem ersten Leitungstyp und n-Typ als dem zweiten Leitungstyp möglich.
Bei herkömmlichen und üblicherweise verwendeten fotoelektrischen Umwandlungselementen, einschließlich dem in der Patentliteratur 2 beschriebenen, weist nicht nur die erste Zone, sondern auch die zweite Zone, die innerhalb des Lichtempfangsbereichs durch das Diffundieren einer Störstelle gebildet ist, die Funktion auf, als Reaktion auf den Einfall von Licht Ladungsträger zu erzeugen. Im Vergleich dazu sind beim fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung die sehr kleinen zweiten Zonen gegenüber dem Licht durch das lichtblockierende Teil abgeschirmt und tragen nicht wesentlich zur fotoelektrischen Umwandlung bei. Ihre primäre Funktion ist es, die durch die fotoelektrische Umwandlung in dem umgebenden Gebiet, d. h. in der ersten Zone, generierten Ladungsträger zu sammeln. Das heißt, wenn Ladungsträger durch einen Einfall von Licht auf die erste Zone generiert werden, bewegen sich die Ladungsträger durch Drift in die um die zweite Zone gebildete Verarmungsschicht oder durch Diffusion in die erste Zone außerhalb der Verarmungsschicht. Die zweite Zone sammelt die Ladungsträger, die in dieser Zone eintreffen, nachdem sie in den umgebenden Gebieten generiert worden sind. Somit werden die Ladungsträger im Fotostrom widergespiegelt. Da die zweite Zone nur in der Lage sein muss, die aus den umgebenden Gebieten kommenden Ladungsträger zu sammeln, kann ihre Fläche erheblich verkleinert werden, wodurch die Sperrschichtkapazität an einer zweiten Zone sehr klein sein wird.
Licht einer längeren Wellenlänge dringt in einen tieferen Abschnitt in der ersten Zone ein und generiert Ladungsträger in dieser Zone. Umgekehrt generiert Licht einer kürzeren Wellenlänge Ladungsträger in einem oberflächennahen Gebiet der ersten Zone. Die in dem oberflächennahen Gebiet generierten Ladungsträger erreichen leicht die Oberfläche während ihrer Eigendiffusionsbewegung und erfahren Oberflächenrekombination, was einen erheblichen Verlust des Fotostroms bewirkt. Daher ist es wahrscheinlicher für Ladungsträger, die durch das Licht mit längeren Wellenlängen generiert werden, die zweite Zone zu erreichen, während die durch das Licht mit kürzeren Wellenlängen generierten die zweite Zone mit geringerer Wahrscheinlichkeit erreichen. Im fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung wird die Generierung der Ladungsträger in der zweiten Zone fast vollständig durch das Abschirmen der zweiten Zone gegenüber Licht durch das lichtblockierende Teil verhindert. Daher sind die Ladungsträger, die gewöhnlich aufgrund der kürzeren Lichtwellenlängen in der zweiten Zone generiert werden würden, praktisch vernachlässigbar. Folglich wird die Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber Licht kürzerer Wellenlängen oder insbesondere gegenüber Licht mit Wellenlängen von 400–450 nm oder mit kürzeren Wellenlängen gesenkt, ohne die Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber Licht längerer Wellenlängen zu verringern. Mit anderen Worten wird der Einfluss des ultravioletten Lichts, das kürzere Wellenlängen aufweist, reduziert, so dass das interessierende Licht genau detektiert werden kann.
Die punktförmige zweite Zone im fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung weist eine angemessen geringere Größe auf als die Diffusionszone im herkömmlichen fotoelektrischen Umwandlungselement dieser Art. Zum Beispiel ist dies eine Zone, deren Fläche gleich oder kleiner als 1 % des gesamten Lichtempfangsbereichs ist und als ein Punkt im Vergleich zum gesamten Lichtempfangsbereich angesehen werden kann. Insbesondere für den Fall einer in einem fotoelektrischen Schalter verwendeten Fotodiode (die normalerweise eine Lichtempfangsfläche von ungefähr 10.000² μm bis 1.000.000 μm² aufweist) sollte die Fläche der zweiten Zone vorzugsweise gleich oder kleiner als 100 μm² sein (gleich oder kleiner als das 10-μm-Quadrat, falls die Zone eine quadratische Form aufweist) oder, bevorzugter gleich oder kleiner als 25 μm² (gleich oder kleiner als das 5-μm-Quadrat, falls die Zone eine quadratische Form aufweist).
Für den Fall, dass mehrere zweite Zonen innerhalb des Lichtempfangsbereichs angeordnet sind, vergrößert sich allerdings, auch wenn die Fläche jeder Zone klein ist, die Gesamtfläche der zweiten Zonen (die Summe der Flächen der einzelnen zweiten Zonen) je Lichtempfangsbereich mit der Anzahl der zweiten Zonen. Je größer ihre Gesamtfläche ist, desto kleiner wird die Fläche, die effektiv zur fotoelektrischen Umwandlung beiträgt, und desto größer wird die Sperrschichtkapazität im Lichtempfangsbereich.
Dementsprechend sollte als ein Ziel in dem fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung die Gesamtfläche der mehreren zweiten Zonen innerhalb des Lichtempfangsbereichs vorzugsweise gleich oder kleiner als 5 % der Fläche des Lichtempfangsbereichs sein.
Das heißt, als ein bevorzugter Modus des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung kann die zweite Zone mit einer geringen Größe, wie dies eben erwähnt worden ist, vorzugsweise zum Beispiel in der Form einer großen Anzahl von Punkten in einer geeigneten Verteilungsdichte auf der Oberfläche der ersten Zone innerhalb des Lichtempfangsbereichs angeordnet werden, wobei die Gesamtfläche der großen Anzahl zweiter Zonen gleich oder kleiner als etwa 5 % der Fläche des Lichtempfangsbereichs ist oder, bevorzugter, gleich oder kleiner als ungefähr 1 %. Das heißt, für den Fall der oben erwähnten Fotodiode, die in einem fotoelektrischen Schalter verwendet wird, sollte die Gesamtfläche der zweiten Zonen vorzugsweise gleich oder kleiner als ungefähr 500 μm² bis 50.000 μm² sein.
Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Sperrschichtkapazität des Übergangs zwischen der ersten und zweiten Zone im Lichtempfangsbereich zu senken, um so den Rauschpegel, der von der Sperrschichtkapazität abhängt, zu reduzieren, während die in der ersten Zone durch das Licht, das im Lichtempfangsbereich eintrifft, generierten Ladungsträger effizient gesammelt werden, um einen angemessenen Signalstärkepegel zu gewinnen. Folglich wird das SN-Verhältnis des Signals verbessert.
Unter den vorher beschriebenen Übertragungsmodi der Ladungsträger findet der Transfer von Ladungsträgern durch Diffusion in verschiedenen Richtungen statt, während der der Ladungsträger durch Drift hin zur zweiten Zone gerichtet ist. Daher stellt der letztere Modus einen höheren Wirkungsgrad von Ladungsträger-Sammlung bereit. Um dementsprechend die der Menge des empfangenen Lichts entsprechende Signalstärke zu maximieren, sollte vorzugsweise der Zwischenraum zwischen den um die zweiten Zonen gebildeten Verarmungsschichten reduziert werden. Zu diesem Zweck darf der Zwischenraum der benachbarten zweiten Zonen nicht zu groß sein. Dies in Betracht gezogen, kann die Verteilungsdichte der mehreren zweiten Zonen oder die Anzahl der zweiten Zonen pro Flächeneinheit vorzugsweise zusätzlich zum Prozentsatz der Gesamtfläche der zweiten Zonen in der Lichtempfangsfläche bestimmt werden.
In der oben erwähnten Patentliteratur 2 wird argumentiert, dass die Sperrschichtkapazität des pn-Übergangs von der Fläche der p-Typ-Diffusionszone in der n-Typ-Zone abhängig ist. Tatsächlich wird die elektrostatische Kapazität eines Übergangs (der typischerweise ein pn-Übergang ist) zwischen einer ersten Zone und einer in der ersten Zone gebildeten, inselähnlichen zweiten Zone als eine Funktion nicht nur der Fläche der zweiten Zone, sondern auch der Umfangslänge der zweiten Zone, der Tiefe der Verarmungsschicht und anderer Parameter ausgedrückt. Die Tiefe der Verarmungsschicht hängt von der Störstellenkonzentration in der ersten und zweiten Zone sowie von der zwischen den beiden Zonen angelegten (Sperr-)Vorspannung ab. Daher ist es möglich, die Sperrschichtkapazität als von der Fläche der zweiten Zone und der Umfangslänge der zweiten Zone unter der Bedingung abhängig anzusehen, dass die Störstellenkonzentration und die Sperrvorspannung gleich sind (siehe zum Beispiel Patentliteratur 3).
Dementsprechend sollte als ein Modus des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung die Anzahl der zweiten Zonen sowie die Fläche und Umfangslänge jeder zweiten Zone vorzugsweise so bestimmt werden, dass die Summe der Sperrschichtkapazitäten der Übergänge zwischen der ersten Zone und den mehreren zweiten Zonen kleiner als eine Sperrschichtkapazität ist, die am Übergang zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone zu beobachten ist, wenn die zweite Zone über dem kompletten Lichtempfangsbereich gebildet ist. Besondere Aufmerksamkeit sollte der Tatsache gelten, dass das Bereitstellen einer großen Anzahl zweiter Zonen dafür sorgt, dass die Sperrschichtkapazität signifikant von der Umfangslänge je einzelner zweiter Zone beeinflusst wird.
Diese Ausgestaltung macht es möglich, die Sperrschichtkapazität des pn-Übergangs mit Sicherheit niedriger als die Sperrschichtkapazität der herkömmlichen und üblichen fotoelektrischen Umwandlungselemente zu machen. Folglich wird der Rauschpegel, der von der Sperrschichtkapazität abhängig ist, reduziert, und das SN-Verhältnis des Fotodetektionssignals wird verbessert.
Das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung kann ferner umfassen:
mehrere Kontaktteile, die entsprechend über den mehreren zweiten Zonen bereitgestellt sind, wobei jedes Kontaktteil elektrisch mit der zweiten Zone verbunden ist, die sich darunter befindet; und
ein Verdrahtungsteil, das ein elektrischer Leiter ist, zum Verbinden der mehreren Kontaktteile miteinander, um so die mehreren zweiten Zonen innerhalb des Lichtempfangsbereichs parallel zu verbinden,
wobei alle zweiten Zonen innerhalb des Lichtempfangsbereichs sich entweder direkt unter den Kontaktteilen und/oder dem Verdrahtungsteil befinden, um die Kontaktteile und/oder das Verdrahtungsteil so auszuführen, dass sie als das lichtblockierende Teil funktionieren.
In einem üblichen Halbleiterprozess wird die zweite Zone durch das Eindiffundieren einer Störstelle gebildet, und sie ist daher ein wenig über den Bereich hinaus ausgedehnt, in den die Störstelle injiziert wird. Auf der anderen Seite wird das Kontaktteil ein wenig auf der Innenseite der Übergangsgrenze gebildet, um einen Kurzschluss mit der ersten Zone zu vermeiden. Aufgrund derartiger Design-Faktoren liegt der äußere Rand der zweiten Zone ein wenig außerhalb des äußeren Rands des Kontaktteils, auch wenn das Kontaktteil und das Verdrahtungsteil so gebildet sind, dass sie die zweite Zone von oben abdecken. Auch in diesem Fall kann das Kontaktteil zufriedenstellend als das lichtblockierende Teil funktionieren.
Nach dieser Ausgestaltung kann das Kontaktteil und/oder das Verdrahtungsteil zum Verbinden der mehreren zweiten Zonen miteinander als das lichtblockierende Teil verwendet werden. Daher ist kein spezieller Herstellungsprozess zum Bereitstellen des lichtblockierenden Teils erforderlich.
In dem fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung sollte das Verdrahtungsteil, das sich über einer Verarmungsschichtausbreitungszone befindet, die in der die zweite Zone umgebenden ersten Zone gebildet ist, vorzugsweise eine geringere Leitungsbreite als das Kontaktteil und das Verdrahtungsteil aufweisen, die sich über der zweiten Zone befinden.
Es ist unumgänglich, dass wenigstens ein Abschnitt des Verdrahtungsteils, der die Kontaktteile verbindet, den ersten Bereich überquert. In der oben genannten Ausgestaltung ist allerdings der Prozentsatz des Lichts, das vom Verdrahtungsteil blockiert wird, sehr gering oder fast vernachlässigbar, so dass eine größere Menge an Fotostrom gewonnen werden kann.
Im Grunde kann die zweite Zone von oben betrachtet irgendeine Form aufweisen, zum Beispiel eine quadratische Form, eine rechteckige Form, eine Polygonform, eine elliptische Form und eine Kreisform. Vorausgesetzt, dass die Zone die gleiche Fläche aufweist, ist allerdings eine Form mit einer geringeren Umfangslänge für das Verringern der Sperrschichtkapazität vorteilhafter. Daher sollte die zweite Zone von oben betrachtet vorzugsweise eine ungefähr quadratische Form eher als eine rechteckige Form, noch bevorzugter eine Polygonform und idealerweise eine Kreisform aufweisen.
Für den Fall, dass die mehreren zweiten Zonen in der Form von Punkten auf die vorher beschriebene Art und Weise angeordnet sind, können die zweiten Zonen an den Kreuzungspunkten eines rechteckigen Gitters angeordnet sein, oder diese Anordnung kann so modifiziert sein, dass die Position der zweiten Zonen in jeder zweiten Zeile oder Spalte um eine Hälfte des Zwischenraums der zweiten Zonen entlang der Erstreckungsrichtung der Zeile oder Spalte verschoben ist.
Im Vergleich zu der Anordnung, bei der die zweiten Zonen sich an den Kreuzungspunkten eines rechteckigen Gitters befinden, erfordert die letztere Ausgestaltung, dass eine geringere Anzahl von zweiten Zonen unter der Bedingung angeordnet ist, dass jeder Punkt innerhalb der Lichtempfangsfläche die nächste zweiten Zone innerhalb eines spezifischen Abstands aufweist. Im Ergebnis wird die Sperrschichtkapazität des Übergangs noch mehr reduziert, während die Fotodetektionsempfindlichkeit auf ungefähr dem gleichen Niveau aufrechterhalten wird.
Für den Fall, dass eine große Anzahl zweiter Zonen in der Form von Punkten auf die vorher beschriebene Art und Weise geschaffen wird, sollten ferner bevorzugt mehrere zweite Zonen in geraden Linien angeordnet sein und die mehreren zweiten Zonen in jeder geraden Linie durch das Verdrahtungsteil verbunden sein, das eine lineare Form aufweist, wobei der Zwischenraum der mehreren zweiten Zonen in der Erstreckungsrichtung des Verdrahtungsteils kleiner als der Zwischenraum der mehreren zweiten Zonen in der zur Erstreckungsrichtung des Verdrahtungsteils rechtwinkligen Richtung ist. Diese Ausgestaltung gestattet es, dass die Verdrahtungsteile mit einem größeren Zwischenraum unter der Bedingung angeordnet werden, dass jeder Punkt innerhalb der Lichtempfangsfläche die nächste zweite Zone innerhalb eines spezifischen Abstands aufweist, so dass der Prozentsatz des durch die Verdrahtungsteile blockierten Lichts gering sein wird. Folglich wird eine größere Menge an Licht empfangen, und die Signalstärke wird erhöht.
In dem fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung kann eine hochkonzentrierte Zone, die von oben betrachtet eine vorbestimmte Form aufweist, zum Beispiel eine punktförmige Form oder eine lineare Form, außerhalb der Verarmungsschichtzone gebildet sein, die sich zwischen den mehreren zweiten Zonen befindet, die diskret in der ersten Zone angeordnet sind, wobei die hochkonzentrierte Zone eine höhere Konzentration von Störstellen des ersten Leitungstyps als die umgebende erste Zone aufweist. Die Diffusion dieser hochkonzentrierten Zone kann nicht nur durch Diffusion von der Oberfläche, sondern auch durch implantatartige Diffusion erreicht werden.
Diese Ausgestaltung erzeugt einen Störstellenkonzentrationsgradienten innerhalb der ersten Zone von der Position der hochkonzentrierten Zone hin zur zweiten Zone, wodurch ein Potentialgradient zur Förderung des Ladungsträgertransfers gebildet wird. Folglich werden die Ladungsträger effizienter in die zweite Zone transferiert, so dass eine höhere Fotodetektionsempfindlichkeit sowie eine höhere Operationsgeschwindigkeit erreicht werden.
In dem fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung sollte, wie dies schon erklärt worden ist, die Fläche der zweiten Zone in Hinsicht auf die Sperrschichtkapazität so klein wie möglich sein, unter der Bedingung, dass einige spezifische Anforderungen, wie zum Beispiel die sichere und zuverlässige elektrische Verbindung mit dem Kontaktteil, erfüllt werden. Auf der anderen Seite sollte der Zwischenraum zwischen den benachbarten zweiten Zonen vorzugsweise gleich oder kleiner als die Breite der Driftzone sein, in der sich die durch einen Lichteinfall in der ersten Zone generierten Ladungsträger durch Drift bewegen können, und ebenso gleich oder kleiner als der Abstand, in dem die Ladungsträger die zweiten Zonen mit einem angemessen hohen Wirkungsgradniveau erreichen können (d. h. in dem die Abnahme der Fotodetektionsempfindlichkeit hinreichend klein ist).
Es ist allerdings schwierig, die Bewegungsgeschwindigkeit der Ladungsträger durch Diffusion in der ersten Zone außerhalb der Verarmungsschicht auf ein Niveau zu erhöhen, das mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Ladungsträger durch Drift innerhalb der Verarmungsschicht vergleichbar ist. Wenn Hochgeschwindigkeitsoperation besonders wichtig ist, sollten die zweiten Zonen dementsprechend vorzugsweise so angeordnet sein, dass keine Lücke zwischen den um die zweiten Zonen gebildeten Verarmungsschichtausbreitungszonen gelassen wird. Durch diese Ausgestaltung können fast alle Ladungsträger, die als Reaktion auf das einfallende Licht generiert werden, die zweiten Zonen durch Drift erreichen, so dass eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Der Wirkungsgrad der Ladungsträgersammlung wird ebenfalls verbessert werden. Natürlich sollte auch in diesem Fall der Zwischenraum zwischen den zweiten Zonen vorzugsweise so groß wie möglich sein, um die Sperrschichtkapazität des gesamten Lichtempfangsbereichs zu reduzieren. Als ein Modus des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung sollten dementsprechend die mehreren zweiten Zonen von oben betrachtet möglichst an den Kreuzungspunkten eines Wabenmusters angeordnet sein, damit die zweiten Zonen angeordnet sind, ohne irgendeine Lücke zwischen den Verarmungsschichtausbreitungszonen zu lassen, während die überlappende Fläche der Verarmungsschichtausbreitungszonen minimiert ist.
Um gleichzeitig sowohl eine Hochgeschwindigkeitsreaktion als auch eine große Fläche des Lichtempfangsbereichs umzusetzen, können die mehreren zweiten Zonen vorzugsweise getrennt voneinander angeordnet sein, um so ein Überlappen der in der ersten Zone um die jeweiligen zweiten Zonen gebildeten Verarmungsschichtausbreitungszonen zu vermeiden, und ein lichtblockierendes Teil zum Blockieren eines Lichteinfalls kann über einem Abschnitt oder der Gesamtheit der Fläche außerhalb der Verarmungsschichtausbreitungszone um jede zweite Zone innerhalb eines Lichtempfangsbereichs bereitgestellt sein.
Durch diese Ausgestaltung werden, auch wenn der Lichtempfangsbereich eine große Fläche aufweist, fast alle Ladungsträger, die auf das einfallende Licht reagieren, innerhalb der Verarmungsschichtausbreitungszone um jede zweite Zone generiert. Daher erreichen die Ladungsträger schnell die zweiten Zonen, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsreaktion erreicht wird. Auch wenn der Lichtempfangsbereich eine große Fläche aufweist, kann zusätzlich die Gesamtzahl der zweiten Zonen vergleichsweise gering sein, so dass die Sperrschichtkapazität ebenfalls vergleichsweise niedrig sein kann. Auf der anderen Seite ermöglicht die große Fläche des Lichtempfangsbereichs einen effizienten Empfang des einfallenden Lichts, das in einem weiten Bereich einfällt, sowie einen sicheren Empfang des einfallenden Lichts, das an verschiedenen Positionen innerhalb eines weiten Bereichs einfällt. Dies erhöht den zulässigen Bereich für die Einstellung der optischen Achse des einfallenden Lichts.
Für den Fall, dass die zweiten Zonen in Form von Punkten geschaffen sind, ist das Verdrahtungsteil, das die zweiten Zonen miteinander verbindet, unumgänglich innerhalb der Lichtempfangsfläche bereitgestellt. Falls elektromagnetisches Rauschen in dieses Verdrahtungsteil eintritt, wird der Rauschpegel des Fotodetektionssignals erheblich erhöht.
Dementsprechend kann das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung ferner umfassen:
einen Isolierfilm, der so gebildet ist, dass er das Kontaktteil und das Verdrahtungsteil abdeckt; und
ein Leiterteil, das auf dem Isolierfilm über dem Kontaktteil und dem Verdrahtungsteil bereitgestellt ist,
wobei ein vorbestimmtes festes elektrisches Potential an das Leiterteil angelegt ist, um das Leiterteil so auszuführen, dass es als eine elektrische Abschirmung funktioniert.
Durch diese Ausgestaltung erzeugt das Leiterteil die elektromagnetische Abschirmungswirkung, um zu verhindern, dass externes Rauschen in das Verdrahtungsteil in der unteren Schicht eintritt, wodurch der Einfluss des externen Rauschens auf das Fotodetektionssignal reduziert wird.
Im fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung wird es noch weiter bevorzugt, dass mehrere leitfähige säulenförmige Teile, die sich vom Leiterteil, das sich über dem Verdrahtungsteil befindet, in den Isolierfilm, der zwischen dem Leiterteil und dem Verdrahtungsteil positioniert ist, erstrecken, auf eine derartige Art und Weise gebildet sind, dass sie die lateralen Seiten des Verdrahtungsteils umgeben oder dass sie leitfähige lineare Teile, die sich im Wesentlichen parallel zum Verdrahtungsteil erstrecken, auf eine derartige Art und Weise bilden, dass sie auf beiden Seiten des Verdrahtungsteils platziert sind, und wobei die säulenförmigen Teile oder die linearen Teile so ausgeführt sind, dass sie zusammen mit dem Leiterteil als eine elektrische Abschirmung funktionieren.
Gemäß dieser Ausgestaltung weist nicht nur das Leiterteil eine elektromagnetische Abschirmungswirkung auf; auch die mehreren säulenförmigen Teile oder die linearen Teile, die sich auf den lateralen Seiten des Verdrahtungsteils befinden, weisen eine elektromagnetische Abschirmungswirkung auf. Daher können Rauschsignale, die schräg auf die Verdrahtungsteile einfallen, ebenfalls blockiert werden, wodurch ein noch höheres Niveau der elektromagnetischen Abschirmungswirkung erreicht wird.
Es ist auch möglich, Leiterteile über und unter wenigstens einem Abschnitt des Verdrahtungsteils mit einem Isolierfilm zwischen dem Verdrahtungsteil und jedem der oberen und unteren Leiterteile bereitzustellen und als die säulenförmigen Teile mehrere Durchkontaktierungen zu bilden, die das obere und das untere Leiterteil verbinden.
Wie bereits erklärt, kann, falls die Gesamtfläche der zweiten Zonen ausreichend kleiner als die Fläche der Lichtempfangszone ist, die primäre Wirkung, dass der von der Sperrschichtkapazität abhängige Rauschpegel reduziert wird, ohne das lichtblockierende Teil erreicht werden.
Dementsprechend umfasst das fotoelektrische Umwandlungselement nach der zweiten vorliegenden Erfindung, das entwickelt worden ist, um das vorher beschriebene Problem zu lösen:

a) eine erste Zone eines ersten Leitungstyps, wobei die erste Zone entweder ein Halbleitergrundkörper selbst oder eine Zone ist, die im Halbleitergrundkörper gebildet ist und die sich vom Halbleitergrundkörper unterscheidet; und
b) mehrere der punktförmigen zweiten Zonen eines zweiten Leitungstyps, der sich vom ersten Leitungstyp unterscheidet, die in einer voneinander getrennten Form innerhalb des Lichtempfangsbereichs angeordnet sind, um ein einzelnes Fotodetektionssignal zu gewinnen, wobei die mehreren zweiten Zonen untereinander verbunden sind, um von den einzelnen zweiten Zonen erzeugte Fotodetektionssignale zu summieren, wobei die zweiten Zonen durch Diffundieren einer Störstelle oder durch Aufwachsen einer epitaktischen Schicht auf einer Oberfläche der ersten Zone innerhalb eines Lichtempfangsbereichs gebildet sind,

VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Beim fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung ist die Sperrschichtkapazität des Übergangs für die fotoelektrische Umwandlung verringert, wodurch das hochfrequente Rauschen, das von der Sperrschichtkapazität abhängig ist, reduziert wird und das SN-Verhältnis des Fotodetektionssignals verbessert wird. Ferner ist in dem fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung die Fläche der selektiven Diffusion zum Bilden der zweiten Zonen kleiner als in den herkömmlichen Vorrichtungen. Daher ist zum Beispiel auch die pn-Übergangsfläche kleiner, so dass eine Verschlechterung von Eigenschaften oder Ausfall aufgrund von Kristalldefekten oder anderen Faktoren mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftritt.
Im fotoelektrischen Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung sind die zweiten Zonen gegenüber Licht durch das lichtblockierende Teil abgeschirmt, wie zum Beispiel das Kontaktteil oder das Verdrahtungsteil. Daher ist es möglich, sowohl eine Verringerung der Sperrschichtkapazität des Übergangs für die fotoelektrische Umwandlung als auch eine einfache Struktur zum Umsetzen einer Fotodetektionsempfindlichkeits-Charakteristik mit einer gesenkten Empfindlichkeit gegenüber Licht mit kurzen Wellenlängen zu erreichen. Auch wenn das fotoelektrische Umwandlungselement zum Beispiel unter der Bedingung verwendet wird, dass eine erhebliche Menge an ultraviolettem Licht als Rauschkomponente vorhanden ist, wird daher der Einfluss dieses Rauschens reduziert, und das Fotodetektionssignal wird mit hohen SN-Verhältnissen gewonnen werden. Da das lichtblockierende Teil durch einen normalen Herstellungsprozess für fotoelektrische Umwandlungselemente gebildet ist, können die oben erwähnten Wirkungen ohne besondere Steigerung der Vorrichtungskosten gewonnen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A, 1B und 1C sind eine schematische Schnittansicht, eine Draufsicht von oben bzw. ein Ersatzschaltbild einer Fotodiode als eine Ausführungsform des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Gebiets um eine n-Typ-Halbleiterzone in der Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform.
3A und 3B sind vergrößerte Draufsichten von oben auf ein Gebiet um eine n-Typ-Halbleiterzone in der Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform.
4 ist eine Draufsicht von oben auf eine Fotodiode bei einer Variante.
5A und 5B sind eine Draufsicht von oben bzw. eine schematische Schnittansicht einer Fotodiode bei einer anderen Variante.
6 ist eine schematische Schnittansicht einer Fotodiode bei noch einer anderen Variante.
7 ist eine Draufsicht von oben auf eine Fotodiode bei noch einer anderen Variante.
8 ist eine Draufsicht von oben auf eine Fotodiode bei noch einer anderen Variante.
9 ist eine Draufsicht von oben auf eine Fotodiode bei noch einer anderen Variante.
10A und 10B sind eine vergrößerte Schnittansicht bzw. eine schematische Schnittansicht einer Variante, bei der ein abschirmendes Verdrahtungsteil hinzugefügt ist.
11 ist eine schematische Schnittansicht einer anderen Variante, bei der ein abschirmendes Verdrahtungsteil hinzugefügt ist.
12A ist eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen und üblicherweise verwendeten Fototransistors, und 12B ist eine schematische Schnittansicht eines Fototransistors als eine Ausführungsform des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine schematische Schnittansicht eines Fototransistors auf einer integrierten Schaltung als eine Ausführungsform des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine schematische Schnittansicht eines Darlington-Fototransistors als eine Ausführungsform des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung.
15A und 15B sind eine schematische Schnittansicht bzw. eine Draufsicht von oben auf einen herkömmlichen und üblicherweise verwendeten Fototransistor.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen des fotoelektrischen Umwandlungselements gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
1A ist eine schematische Schnittansicht einer Fotodiode als eine Ausführungsform des fotoelektrischen Umwandlungselements nach der vorliegenden Erfindung, 1B ist eine Draufsicht von oben, und 1C ist ein Ersatzschaltbild. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Gebiets um eine n-Typ-Halbleiterzone in der Fotodiode der ersten Ausführungsform. Die 3A und 3B sind vergrößerte Draufsichten von oben auf ein Gebiet um eine n-Typ-Halbleiterzone in der Fotodiode der ersten Ausführungsform.
Wie dies in 1B gezeigt wird, umfasst die Fotodiode in der vorliegenden Ausführungsform einen Grundkörper 11 (der in der vorliegenden Erfindung der „ersten Zone“ entspricht), der aus einem p-Typ-Silicium-(Si-)Halbleiter und mehreren (im vorliegenden Beispiel 16) n-Typ-Halbleiterzonen 121 realisiert ist, die in der Form voneinander getrennter Punkte innerhalb einer Lichtempfangsfläche 10 auf der Oberfläche (in 1A auf der oberen Oberfläche) des Grundkörpers 11 geschaffen worden sind. Jede n-Typ-Halbleiterzone 121 ist eine sehr kleine n-Typ-Halbleiterdiffusionsschicht mit einer von oben betrachtet rechteckigen Form. Die n-Typ-Halbleiterzonen 121 werden durch selektive Diffusion einer Störstelle, wie zum Beispiel Phosphor, oder durch epitaktisches Aufwachsen gebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform hat eine n-Typ-Halbleiterfläche 121 von oben betrachtet eine quadratische Form mit einer Größe d × d. Der Zwischenraum zwischen den benachbarten n-Typ-Halbleiterzonen 121 ist L. Zum Beispiel ist die Länge d einer Seite der n-Typ-Halbleiterzonen 121 1 μm, und der Zwischenraum L der n-Typ-Halbleiterzonen 121 ist 5–20 Mal so groß wie d, d. h. ungefähr 5–20 μm. Bezüglich der Fläche innerhalb der Lichtempfangsfläche 10 wird eine n-Typ-Halbleiterzone 121 mit einer Fläche von ungefähr 1 μm² je 25–400 μm² der Lichtempfangsoberfläche bereitgestellt. Das heißt, der Prozentsatz der Summe der Flächen aller n-Typ-Halbleiterzonen 121, die in Form von Punkten innerhalb der Lichtempfangsfläche 10 angeordnet sind, ist sehr gering, der nicht mehr als 5 % der Fläche der Lichtempfangsfläche 10 beträgt.
Die n-Typ-Halbleiterzonen 121 sind von oben betrachtet regelmäßig an den Kreuzungspunkten eines rechteckigen Gitters angeordnet. Für jede n-Typ-Leiterzone 121 ist ein Kontaktteil 14, das aus Metall oder einer anderen Art von Leiter realisiert ist, in Kontakt mit der n-Typ-Leiterzone gebildet. Wie dies in 2 gezeigt wird, ist insbesondere ein aus SiO₂ (oder anderen Materialien) hergestellter Isolierfilm 16 gebildet, um so die Oberfläche des Grundkörpers 11 (der der p-Typ-Halbleiter ist) und die n-Typ-Halbleiterfläche 121 abzudecken. Ein Abschnitt des Isolierfilms 16 über der n-Typ-Halbleiterzone 121 wird durch Ätzen (oder andere Verfahren) entfernt, um ein Kontaktloch (oder Durchkontaktierungsloch) 17 zu bilden. Das Kontaktloch 17 (das in den 2 und 3 eine quadratische Form s×s aufweist) ist in der Größe ein wenig kleiner als die n-Typ-Halbleiterzone 121. Durch dieses Kontaktloch 17 hindurch ist das Kontaktteil 14 in Kontakt mit der n-Typ-Halbleiterzone 121 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform weist das Kontaktteil 14 eine rechteckige Form auf, deren Größe ungefähr die gleiche oder ein wenig größer als die Grenzlinie der sich darunter befindenden n-Typ-Halbleiterzone 121 ist. Mit anderen Worten ist die Größe eines Kontaktteils 14 ebenfalls ungefähr d × d.
Wenn die n-Typ-Halbleiterzone 121 durch Störstellendiffusion gebildet ist, wird die Diffusionszone im Herstellungsprozess häufig ein wenig über die beabsichtigte Grenzlinie hinaus ausgedehnt. In 2 wird eine derartige n-Typ-Halbleiterzone, die durch eine ein wenig ausgedehnte Diffusion gebildet ist, mit dem Bezugszeichen 121a bezeichnet. Diese n-Typ-Halbleiterzone 121a weist eine Größe von D × D auf (wobei D > d). Auf diese Weise variiert die Position der Grenzlinie der n-Typ-Halbleiterzone in gewissem Maße. Falls alle Kontaktteile 14 in der gleichen Größe gebildet werden, kann daher die Situation auftreten, dass ein Kontaktteil 14 die gesamte n-Typ-Halbleiterzone 121 abdeckt, wie dies in 3B gezeigt wird, während ein anderes Kontaktteil 14 den Umfangsrand der n-Typ-Halbleiterzone 121 teilweise unabgedeckt lässt, wie dies in 3A gezeigt wird.
Die Kontaktteile 14, die für alle n-Typ-Halbleiterzonen 121 innerhalb der Lichtempfangsfläche 10 geschaffen sind, sind miteinander durch einen aus einem Metall oder einer anderen Art Leiter hergestellten Verdrahtungsteil 15 verbunden, der gleichzeitig mit den Kontaktteilen 14 gebildet wird. Dieses Verdrahtungsteil 15 dient als der Kathodenanschluss (C) der Fotodiode. Auf der anderen Seite dient das gemeinsame Kontaktteil 13, das in Kontakt mit dem Grundkörper 11 gebildet ist, als der Anodenanschluss (A) der Fotodiode. Wie dies in den 3A und 3B gezeigt wird, weist das Verdrahtungsteil 15 in der vorliegenden Ausführungsform eine Breite auf, die gleich der Länge einer Seite des Kontaktteils 14 ist, obwohl dies nicht wesentlich ist.
Die Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform mit einer derartigen Ausgestaltung kann als äquivalent mit einer Schaltung angesehen werden, in der die gleiche Anzahl von kleinsten Fotodioden als die n-Typ-Halbleiterzonen 121 parallel verbunden sind, wie dies in 1C gezeigt wird.
Die Sperrschichtkapazität aufgrund der n-Typ-Halbleiterzone 121 hängt von der Kontaktfläche zwischen der n-Typ-Halbleiterzone 121 (die annähernd eine flache rechteckige Form aufweist) und dem umgebenden p-Typ-Halbleitergrundkörper 11 ab. Da die Tiefe der n-Typ-Halbleiterzone 121 fast einheitlich ist, kann die Sperrschichtkapazität als eine Funktion der Fläche und der Umfangslänge der n-Typ-Halbleiterzone 121 berechnet werden, unter der Bedingung, dass die Umgebungstemperatur, die Sperrvorspannung und andere relevante Bedingungen gleich sind. Somit wird die Sperrschichtkapazität C im vorliegenden Fall ausgedrückt als:
C ∝ A × [Fläche der n-Typ-Halbleiterzone 121] + B × [Umfangslänge der n-Typ-Halbleiterzone 121] (1) wobei A und B spezifische Konstanten sind.
Die Werte der Konstanten A und B variieren abhängig von der Störstellenkonzentrationsverteilung, der Diffusionstiefe und anderen mit der Diffusionsschicht in Beziehung stehenden Werten. Für den Fall des Grundkörpers 11, der aus einem p-Typ-Halbleiter hergestellt ist, bei dem die Störstellen mit einer einheitlichen Konzentration von ungefähr 1 × 10¹⁴ Atomen/cm³ in eine Tiefe von ungefähr 2 μm diffundiert werden, beträgt zum Beispiel das Verhältnis von A zu B ungefähr 0,5 bis 2. Für den Fall einer punktähnlichen Diffusionszone, deren Umfangslängenwert größer als ihr Flächenwert ist, erhöht sich der Prozentsatz der Komponentenkapazität proportional zur Umfangslänge in der Sperrschichtkapazität mit einer Erhöhung der Anzahl der Diffusionszonen.
Die Sperrschichtkapazität der Fotodiode in der vorliegenden Ausführungsform ist gleich der Summe der Sperrschichtkapazitäten der großen Anzahl von sehr kleinen, parallel verbundenen Fotodioden. Durch Vergrößern des Zwischenraums L zwischen den benachbarten n-Typ-Halbleiterzonen 121, um so die Anzahl der n-Typ-Halbleiterzonen 121 zu verringern, die in der Lichtempfangsfläche 10 enthalten sind, während die Länge d einer Seite jeder n-Typ-Halbleiterzone 121 verringert wird, ist es dementsprechend möglich, die Summe der Sperrschichtkapazitäten kleiner als die Sperrschichtkapazität der herkömmlichen Fotodiode werden zu lassen. Daher wird im vorliegenden Beispiel die Länge d einer Seite der n-Typ-Halbleiterzone 121 auf 1 μm gesetzt, und der Zwischenraum wird auf 5–20 μm gesetzt. Diese Werte ergeben eine kleinere Sperrschichtkapazität als die der herkömmlichen Fotodiode. Im Ergebnis wird Spitzenwertbildung der Verstärkung auf den Frequenzcharakteristika eines Verstärkers verhindert, der mit der Ausgangsseite der Fotodiode nach der vorliegenden Ausführungsform verbunden ist, und das hochfrequente Rauschen im Verstärker wird dadurch reduziert, so dass die Bandbreite erweitert werden kann.
Im Vergleich zur herkömmlichen Fotodiode weist die Fotodiode in der vorliegenden Ausführungsform eine kleinere Fläche der n-Typ-Halbleiterzonen 121 für die gleiche Fläche der Lichtempfangsfläche 10 auf, was zu einer kleineren Fläche der um die n-Typ-Halbleiterzonen 121 gebildeten Verarmungsschichtzonen führt. Obwohl Ladungsträger auch innerhalb der p-Typ-Halbleiterzonen, die den Grundkörper 11 bilden, außerhalb der Verarmungsschichtzonen generiert werden können, ist der Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung in dieser Zone geringer als in der Verarmungsschichtausbreitungszone. Ferner blockiert das Verdrahtungsteil 15, das auf der p-Typ-Halbleiterzone gebildet ist, eine kleine doch gewisse Menge an einfallendem Licht und verringert dadurch die Menge an Licht, die zur fotoelektrischen Umwandlung beitragen kann. Aufgrund dieser Faktoren wird das Fotodetektionssignal unumgänglich kleiner als bei der herkömmlichen Fotodiode sein. Bei der Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform wird allerdings, da der Grad der Reduzierung des hochfrequenten Rauschens, der durch Verringern der Sperrschichtkapazität erreicht wird, größer als der Grad der Verringerung des Fotodetektionssignals ist, das SN-Verhältnis des Fotodetektionssignals größer als im herkömmlichen Fall sein.
In üblicherweise verwendeten Fotodioden ist die pn-Übergangsebene, wo die n-Typ-Halbleiterzone in Kontakt mit der p-Typ-Halbleiterzone steht, fast horizontal innerhalb des Grundkörpers gebildet. Das Licht, das in den Grundkörper eintritt, erreicht diese pn-Übergangsebene und generiert Ladungsträger. Im Vergleich dazu erreicht das Licht in der Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform, wie dies aus 2 zu erkennen ist, kaum die pn-Übergangsebene, da die Fläche über der pn-Übergangsebene innerhalb des Grundkörpers 11 fast komplett mit dem Kontaktteil 14 abgedeckt ist. Daher kann abgeleitet werden, dass die Ladungsträger, die zum Fotostrom in der Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform beitragen, zumeist innerhalb des Grundkörpers 11 generiert werden, der aus dem p-Typ-Halbleiter hergestellt ist, und kaum innerhalb der n-Typ-Halbleiterzone 121 oder an der pn-Übergangsebene. Anhand dieser Tatsache ist es möglich, in Betracht zu ziehen, dass die sehr kleinen n-Typ-Halbleiterzonen 121, die diskret in der Form von Punkten innerhalb der Lichtempfangsfläche 10 in der Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform angeordnet sind, insbesondere als ein Kollektor der in den umgebenden Gebieten (der Verarmungsschichtausbreitungszone und ihrer umgebenden Gebieten) generierten Ladungsträger eher als ein Ladungsträgergenerator funktionieren.
In der Fotodiode der vorliegenden Ausführungsform ist die Fläche über der n-Typ-Halbleiterzone 121 fast komplett mit dem Kontaktteil 14 abgedeckt. Dies hat die folgende Auswirkung: Das Kontaktteil 14, das aus einem Metall oder einer anderen Art von nicht transparentem Leiter hergestellt ist, hat die Funktion, Licht zu blockieren. Innerhalb der Lichtempfangsfläche 10 fällt das Licht daher kaum auf die n-Typ-Halbleiterzonen 121, lediglich der Grundkörper 11 empfängt Licht. Wenn daher Licht auf die Lichtempfangsfläche 10 einfällt, werden die Ladungsträger kaum in den n-Typ-Halbleiterzonen 121 generiert; die meisten der Ladungsträger, die sich im Fotostrom widerspiegeln, werden innerhalb des Grundkörpers 11 generiert.
Wie dies allgemein bekannt ist, dringt Licht einer längeren Wellenlänge in eine tiefere Zone des Grundkörpers 11 ein und generiert Ladungsträger in dieser Zone. Daher generiert zum Beispiel Licht einer kürzeren Wellenlänge, wie zum Beispiel ultraviolettes (nahe-ultraviolettes) Licht oder sichtbares Licht in der Nähe des ultravioletten Bereichs, Ladungsträger innerhalb einer flachen Zone in der Nähe der Oberfläche des Grundkörpers 11. Obwohl einige dieser Ladungsträger sich aufgrund von freier Diffusion zu den n-Typ-Halbleiterzonen 121 bewegen, werden die meisten von ihnen schließlich die Oberfläche des Grundkörpers 11 erreichen (die Grenzfläche zum Isolierfilm 16) und verloren gehen. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass die als Reaktion auf das Licht kürzerer Wellenlängen generierten Ladungsträger die n-Typ-Halbleiterzonen 121 erreichen und im Fotostrom widergespiegelt werden, drastisch geringer als die Wahrscheinlichkeit, dass die als Reaktion auf das Licht längerer Wellenlängen generierten Ladungsträger die n-Typ-Halbleiterzonen 121 erreichen und im Fotostrom widergespiegelt werden. Im Ergebnis ist die Fotodetektionsempfindlichkeit des Fotodetektors der vorliegenden Ausführungsform gegenüber dem Licht kürzerer Wellenlängen drastisch geringer als seine Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber Licht längerer Wellenlängen. Somit kann eine Wirkung erreicht werden, die praktisch die gleiche ist wie das Entfernen von Licht kürzerer Wellenlängen durch einen optischen Filter. Im Allgemeinen kann die Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber dem Licht mit Wellenlängen von 400–450 nm oder kürzer abhängig von der Störstellenkonzentration, der DC-Sperrvorspannung und anderen Faktoren drastisch gesenkt werden. Die Fotodiodenstruktur der vorliegenden Ausführungsform reduziert auch die Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtkapazität.
Somit kann in der Fotodiode in der vorliegenden Ausführungsform der von der Sperrschichtkapazität abhängige Rauschpegel reduziert werden, ohne die Fotodetektionsempfindlichkeit im Vergleich zur herkömmlichen und üblicherweise verwendeten Fotodiode wesentlich zu senken, in der die n-Typ-Halbleiterzone über der gesamten Lichtempfangsfläche 10 gebildet ist. Die Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber längeren Wellenlängen des Lichts kann durch Senken der Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber kürzeren Wellenlängen des Lichts relativ verbessert werden. Diese Merkmale machen die Fotodiode in der vorliegenden Ausführungsform besonders in dem Fall nützlich, in dem das durch sichtbares Licht oder nahe-infrarotes Licht generierte Zielsignal mit hoher Empfindlichkeit bei einer großen Menge an ultraviolettem Licht, das als eine Rauschkomponente vorhanden ist, detektiert werden muss.
[Variante der ersten Ausführungsform]
In der Fotodiode der ersten Ausführungsform ist eine Anzahl von n-Typ-Halbleiterzonen 121 mit einer von oben betrachtet quadratischen Form innerhalb einer Lichtempfangsfläche 10 bereitgestellt. Die Form der einzelnen n-Typ-Halbleiterzonen 121 ist von oben betrachtet nicht auf das Quadrat beschränkt. Zum Beispiel kann sie eine längliche rechteckige Form, eine Kreisform oder eine Polygonform sein. Wie sich dies aus der Gleichung (1) ergibt, senkt allerdings das Verringern der Fläche der n-Typ-Halbleiterzone nicht immer die Sperrschichtkapazität, falls sich die Umfangslänge der Zone erhöht. Daher ist es wesentlich, das Gleichgewicht zwischen der Fläche und der Umfangslänge der einzelnen n-Typ-Halbleiterzonen zu finden, so dass die Sperrschichtkapazität gesenkt wird. Die Anzahl der n-Typ-Halbleiterzonen, die innerhalb der Lichtempfangsfläche 10 angeordnet sind, d. h. die Verteilungsdichte, muss ebenfalls in gleicher Weise gesteuert werden.
4 ist eine Variante, bei der die n-Typ-Halbleiterzonen 124 mit einer im Wesentlichen quadratischen Form, ähnlich der ersten Ausführungsform, auf eine derartige Art und Weise angeordnet sind, dass die Anordnungsposition der n-Typ-Halbleiterzonen 124 in jeder zweiten Spalte um ungefähr L/2 verschoben ist. Das Verschieben der Anordnung der n-Typ-Halbleiterzonen 124, wie dies in 4 gezeigt wird, hat den folgenden Vorteil.
Für den Fall der n-Typ-Halbleiterzonen 121, die, wie dies in 1B gezeigt wird, angeordnet sind, ist der Punkt, der sich in der Mitte der vier n-Typ-Halbleiterzonen 121 befindet, die zueinander in der Längs- und der lateralen Richtung benachbart sind, der von den vier n-Typ-Halbleiterzonen 121 am weitesten entfernte Punkt. Der Abstand zu diesem Punkt beträgt ungefähr 0,7 L. Im Vergleich dazu kann für den Fall der n-Typ-Halbleiterzonen 124, die, wie dies in 4 gezeigt wird, angeordnet sind, der Zwischenraum (lateraler Abstand) der Spalten größer als L unter der Bedingung sein, dass sich eine n-Typ-Halbleiterzone 124 in einem Abstand von jedem Punkt innerhalb der von den drei benachbarten n-Typ-Halbleiterzonen 124 umgebenen Fläche befindet, der gleich oder kleiner als 0,7 L ist. Verglichen mit der in 1B gezeigten Anordnung erfordert daher die vorliegende Anordnung eine geringere Anzahl von n-Typ-Halbleiterzonen, um die Lichtempfangsfläche 10 so abzudecken, dass Ladungsträger aus der gesamten Lichtempfangsfläche 10 gesammelt werden können. Folglich wird die Sperrschichtkapazität noch weiter gesenkt. Die vorliegende Anordnung gestattet auch, dass der Zwischenraum der Verdrahtungsteile 15 erhöht wird, um so den Prozentsatz von durch das Verdrahtungsteil 15 blockiertem Licht zu verringern und dadurch das Fotodetektionssignal zu erhöhen.
In der Fotodiode der ersten Ausführungsform bedeckt das Kontaktteil 14 fast die gesamte Fläche über der sehr kleinen n-Typ-Halbleiterzone 121, die durch Diffusion geschaffen ist. Es ist ebenfalls möglich, die Breite des Verdrahtungsteils 15 zu reduzieren, um so nur einen Abschnitt der n-Typ-Halbleiterzone 121 abzudecken, obwohl diese Struktur die Wirkung reduziert, die Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber kürzeren Wellenlängen des Lichts zu senken.
In der Fotodiode der ersten Ausführungsform weist die p-Typ-Halbleiterzone, die den größten Abschnitt der Lichtempfangsfläche 10 belegt, eine im Wesentlichen einheitliche Störstellenkonzentration auf. Auf Basis der Tatsache, dass der Potentialgradient in der p-Typ-Halbleiterzone vom Störstellenkonzentrationsgradienten abhängig ist, kann allerdings ein Störstellenkonzentrationsgradient innerhalb der p-Typ-Halbleiterzone geschaffen werden, um die in der p-Typ-Halbleiterzone generierten Ladungsträger effizient zur n-Typ-Halbleiterzone 121 zu transferieren. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel, wie dies in 5 gezeigt wird, eine hochkonzentrierte p-Typ-Diffusionszone 20 in der Form eines Punktes, die durch Diffundieren einer hochkonzentrierten p-Typ-Störstelle geschaffen ist, innerhalb eines Gebiets außerhalb der Verarmungsschichtzonen zwischen den benachbarten n-Typ-Halbleiterzonen 121 und mit ungefähr gleichen Abständen von den umgebenden n-Typ-Halbleiterzonen 121 bereitgestellt sein. Dies schafft einen Störstellenkonzentrationsgradienten von einem Gebiet in der Nähe dieser hochkonzentrierten p-Typ-Diffusionszone 20 zur n-Typ-Halbleiterzone 121, wobei ein leichter Potentialgradient gebildet ist. Dies fördert den Transfer der im p-Typ-Grundkörper 11 generierten Ladungsträger und verbessert dadurch die Fotoempfindlichkeit und die Operationsgeschwindigkeit.
Die hochkonzentrierten p-Typ-Diffusionszonen 20 müssen nicht wie Punkte geformt sein, sondern können irgendeine andere Form aufweisen, wie zum Beispiel eine lineare Form. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem die hochkonzentrierten p-Typ-Diffusionszonen 20 von oben betrachtet wie ein im Wesentlichen sechseckiger Draht (Wabenform) geformt sind, wobei die n-Typ-Halbleiterzonen 121 sich in der Nähe des Zentrums jeder hochkonzentrierten p-Typ-Diffusionszone 20 befinden. Diese Ausgestaltung schafft einen Störstellenkonzentrationsgradienten, der jede n-Typ-Halbleiterzone 121 umgibt, und fällt von allen Richtungen zur n-Typ-Halbleiterzone 121 ab. Folglich ist ein leichter Potentialgradient für jede n-Typ-Halbleiterzone 121 von der gesamten Fläche um diese Zone 121 hin zur gleichen Zone gebildet, so dass die Ladungsträger effizienter und schneller in der n-Typ-Halbleiterzone 121 gesammelt werden.
In den Beispielen in den 5 und 7 ist der Potentialgradient zur Förderung des Ladungsträgertransfers in der horizontalen (lateralen) Richtung gebildet. Es ist auch möglich, einen Potentialgradienten in der vertikalen (Tiefen-)Richtung zu bilden. 6 ist eine schematische Schnittansicht, die ein derartiges Beispiel zeigt. In diesem Beispiel ist die obere Oberfläche des Grundkörpers 11, der aus einem p-Typ-Halbleiter mit einer relativ hohen Störstellenkonzentration realisiert ist, mit einer gering konzentrierten p-Typ-Schicht 11a abgedeckt, die den gleichen Leitungstyp (im vorliegenden Fall p-Typ), jedoch eine relativ geringe Störstellenkonzentration aufweist. Die n-Typ-Halbleiterzonen 121 sind im oberflächennahen Gebiet dieser niedrig konzentrierten p-Typ-Schicht 11a geschaffen. In dieser Ausgestaltung ist der Störstellenkonzentrationsgradient vom Grundkörper 11 aufwärts gebildet, d. h. zu den n-Typ-Halbleiterzonen 121 hin. Wenn dementsprechend eine Sperrvorspannung vom Grundkörper 11 angelegt wird, wird ein leichter Potentialgradient zur Förderung des Aufwärtstransfers der Ladungsträger gebildet.
Natürlich ist es möglich, den horizontalen Störstellenkonzentrationsgradienten und den vertikalen Störstellenkonzentrationsgradienten gemeinsam zu verwenden.
In der ersten Ausführungsform und ihren bisher beschriebenen Varianten werden nicht nur die innerhalb der Verarmungsschichtzonen um die n-Typ-Halbleiterzonen 121 generierten Ladungsträger, sondern auch die außerhalb dieser Gebiete generierten und zu den n-Typ-Halbleiterzonen 121 durch Diffusion transferierten Ladungsträger als der Fotostrom verwendet. Allerdings kann es für eine Anwendung, die insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsreaktion erfordert, bevorzugt werden, nur die innerhalb der Verarmungsschichtzonen generierten Ladungsträger als den Fotostrom zu verwenden. Zu diesem Zweck sollte der Zwischenraum der benachbarten n-Typ-Halbleiterzonen 121 so bestimmt sein, dass die Verarmungsschichtzonen um die benachbarten n-Typ-Halbleiterzonen 121 einander mit ihren Randabschnitten maximal überlappen. Wie dies oben erklärt worden ist, sollte allerdings, um die Summe der Sperrschichtkapazitäten zu verringern, der Zwischenraum der n-Typ-Halbleiterzonen 121 vorzugsweise erweitert werden, um die Verteilungsdichte der n-Typ-Halbleiterzonen 121 zu verringern. Um die n-Typ-Halbleiterzonen 121 ohne Lücke zwischen den benachbarten Verarmungsschichtzonen anzuordnen, während die Summe der Sperrschichtkapazitäten auf das geringstmögliche Niveau gedrückt ist, kann eine Anordnung, wie diese in 8 gezeigt wird, angewendet werden, bei der die n-Typ-Halbleiterzonen 121 in einem Wabenmuster angeordnet sind, wobei jeder Zone eine Randzone mit einer von oben betrachtet annähernd sechseckigen Form einer vorbestimmten Größe gegeben ist. Die durch die Bezugszeichen 121b in 8 bezeichneten Gebiete sind Verarmungsschichtzonen, die um die n-Typ-Halbleiterzonen 121 gebildet sind. Eine derartige Anordnung der n-Typ-Halbleiterzonen 121 ermöglicht es, die Lücke zwischen den benachbarten Verarmungsschichtzonen 121b zu beseitigen, während ein unnötiges Überlappen der Verarmungsschichtzonen 121b maximal vermieden wird.
Unter der Bedingung, dass die Gesamtanzahl der n-Typ-Halbleiterzonen 121, die in der Lichtempfangsfläche 10 angeordnet sind, gleich ist, falls die n-Typ-Halbleiterzonen 121 auf die vorher beschriebene Art und Weise angeordnet sind, um die Lücke zwischen den Verarmungsschichtzonen 121b zu beseitigen, wird die Lichtempfangsfläche 10 natürlich relativ klein. Für den Fall allerdings zum Beispiel, dass das einfallende Licht eine große Fläche erreicht, sollte die Lichtempfangsfläche 10 vorzugsweise eine große Fläche aufweisen, um das einfallende Licht effizient zu empfangen. Auch für den Fall, dass das einfallende Licht nur ein kleines Gebiet erreicht, sollte, falls die Position dieser Fläche sich innerhalb eines gewissen Bereichs stark ändern kann, die Lichtempfangsfläche 10 vorzugsweise ebenfalls eine große Fläche aufweisen, um das einfallende Licht sicher zu empfangen. Dementsprechend kann eine Ausgestaltung, wie diese in 9 gezeigt wird, angewendet werden, um sowohl eine große Größe der Lichtempfangsfläche 10 als auch eine Hochgeschwindigkeitsreaktion zu erreichen.
Anstatt den Zwischenraum der n-Typ-Halbleiterzonen zu verringern, um die Lücke zwischen den Verarmungsschichtzonen zu beseitigen, ist in dieser Fotodiode ein lichtblockierendes Teil 50 bereitgestellt zum Verhindern, dass einfallendes Licht den Grundkörper (p-Typ-Halbleiterzone) 11 erreicht, über fast das gesamte Gebiet außerhalb der Verarmungsschichtzonen 121b, welche die n-Typ-Halbleiterzonen 121 umgeben, die in gewissem Maße beabstandet sind, um so das Überlappen ihrer Verarmungsschichtzonen zu verhindern. Zum Beispiel kann das lichtblockierende Teil 50 unter Verwendung eines Metalls (oder eines ähnlichen Materials) geschaffen sein, das für das Verdrahtungsteil verwendet wird. Obwohl die Lichtempfangsfläche 10 groß ist, werden Ladungsträger kaum außerhalb der Verarmungsschichtzonen 121b generiert, d. h. innerhalb der Zone, in der Ladungsträger durch Diffusion transferiert werden, da das Licht, das die Fläche mit Ausnahme der Verarmungsschichtzone 121b um jede n-Typ-Halbleiterzone 121 erreicht, durch das lichtblockierende Teil 50 blockiert wird. Daher werden die meisten der durch das einfallende Licht generierten Ladungsträger schnell durch Drift zu den n-Typ-Halbleiterzonen 121 transferiert und im Fotostrom widergespiegelt. Somit wird die Hochgeschwindigkeitsreaktion erreicht. Da die Fläche der Lichtempfangsfläche 10 selbst groß ist (obwohl die Zonen unter dem lichtblockierenden Teil 50 nicht wirksam zur Detektion von Licht beitragen), kann sie indessen einfallendes Licht effizient empfangen, das eine große Fläche erreicht, sowie einfallendes Licht detektieren, das irgendeinen Abschnitt der großen Lichtempfangsfläche 10 trifft. Falls die Lichtempfangsfläche 10 eine kleine Fläche aufweist, kann es nötig sein, die optische Achse genau einzustellen, so dass das einfallende Licht sicher auf die Lichtempfangsfläche treffen wird. Die Verwendung einer Lichtempfangsfläche 10 mit einer großen Fläche, wie in dem vorliegenden Beispiel, ist insofern vorteilhaft, als einfallendes Licht sicher detektiert werden kann, auch wenn die optische Achse nicht mit hoher Genauigkeit eingestellt worden ist (in einigen Fällen auch, wenn keine Einstellung der optischen Achse durchgeführt wird).
Im Vergleich zur herkömmlichen Fotodiode erfordert die Fotodiode der ersten Ausführungsform unumgänglich eine größere Anzahl von Verdrahtungsteilen 15, die innerhalb der Lichtempfangsfläche 10 bereitzustellen sind. Falls externes Rauschen in die Verdrahtungsteile 15 eintritt, wird das Rauschen im Fotostrom auftauchen. Um die Menge an externem Rauschen, das in die Verdrahtungsteile 15 eintritt, zu reduzieren, kann zusätzlich ein abschirmendes Verdrahtungsteil bereitgestellt sein. Die 10A, 10B und 11 sind Schnittansichten, die Beispiele für die mit einem derartigen abschirmenden Verdrahtungsteil bereitgestellte Struktur zeigen.
In dem Beispiel aus den 10A und 10B ist das Verdrahtungsteil 15, das mehrere n-Typ-Halbleiterzonen 121 verbindet, auf einem Isolierfilm (erster Isolierfilm) 16 gebildet, der auf der Oberfläche des Grundkörpers 11 gebildet ist. Zusätzlich ist ein zweiter Isolierfilm 18 gebildet, um so den Isolierfilm 16 und das Verdrahtungsteil 15 abzudecken. Ein abschirmendes Verdrahtungsteil 19 ist auf diesem zweiten Isolierfilm 18 und nur innerhalb der Fläche über dem Verdrahtungsteil 15 und dem Kontaktteil 14 gebildet. Das abschirmende Verdrahtungsteil 19 erstreckt sich zur Außenseite der Lichtempfangsfläche 10 und ist zum Beispiel mit einer Zubringerleitung mit einem festen elektrischen Potential (z. B. Massepotential) verbunden. Dieses abschirmende Verdrahtungsteil 19 fängt das meiste Rauschen ab, das in das Verdrahtungsteil 15 eintreten würde, wenn das abschirmende Verdrahtungsteil 19 nicht vorhanden wäre. Folglich wird die Menge an Rauschen, die in das Verdrahtungsteil 15 in der unteren Schicht eintritt, reduziert.
Im Beispiel in 11 ist ein die untere Schicht abschirmendes Verdrahtungsteil 19a auf einem Isolierfilm (erster Isolierfilm) 16, der auf der Oberfläche des Grundkörpers 11 gebildet ist, und nur innerhalb der Fläche unter dem Verdrahtungsteil 15 (das später beschrieben wird) gebildet. Ein zweiter Isolierfilm 18a ist so gebildet, dass er das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a abdeckt. Das Verdrahtungsteil 15, das mehrere n-Typ-Halbleiterzonen 121 verbindet, ist auf diesem zweiten Isolierfilm 18a gebildet. Ein dritter Isolierfilm 18b ist bereitgestellt, um den zweiten Isolierfilm 18a und das Verdrahtungsteil 15 abzudecken. Ein die obere Schicht abschirmendes Verdrahtungsteil 19b ist auf diesem dritten Isolierfilm 18b und nur innerhalb der Fläche über dem Verdrahtungsteil 15 und dem Kontaktteil 14 gebildet. Das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a und das die obere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19b sind miteinander durch mehrere Durchkontaktierungen 19c verbunden, die den zweiten und dritten Isolierfilm 18a und 18b vertikal durchdringen und die entlang der Erstreckungsrichtung des Verdrahtungsteils 15 auf beiden Seiten dieses Teils regelmäßig angeordnet sind.
Die Durchkontaktierungen 19c dienen zur Sicherung der elektrischen Leitung zwischen dem die untere Schicht abschirmenden Verdrahtungsteil 19a und dem die obere Schicht abschirmenden Verdrahtungsteil 19b; sie sind nicht elektrisch mit dem Verdrahtungsteil 15 verbunden. Entweder das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a oder das die obere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19b erstrecken sich zur Außenseite der Lichtempfangsfläche 10 und sind zum Beispiel mit einer Zubringerleitung mit einem festen elektrischen Potential (z. B. Massepotential) verbunden. Dementsprechend liegen sowohl das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a als auch das die obere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19b, die durch die Durchkontaktierungen 19c verbunden sind, sowie die Durchkontaktierungen 19 selbst auf dem gleichen elektrischen Potential. In der vorliegenden Ausgestaltung ist das Verdrahtungsteil 15 vertikal zwischen dem die untere Schicht abschirmenden Verdrahtungsteil 19a und dem die obere Schicht abschirmenden Verdrahtungsteil 19b positioniert und auf seinen lateralen Seiten auch von den Durchkontaktierungen 19c umgeben. Eine derartige Ausgestaltung reduziert noch weiter die Menge an externem Rauschen, die in das Verdrahtungsteil 15 eintritt, im Vergleich zu der in den 10A und 10B gezeigten Ausgestaltung.
In dem in 11 gezeigten Beispiel ist das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a unter dem Verdrahtungsteil 15 bereitgestellt. Allerdings ändert sich die abschirmende Wirkung kaum, falls dieses die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a nicht vorhanden ist, da der Grundkörper 11 in vielen Fällen auf dem Massepotential liegt und daher das elektrische Potential in dem Gebiet unter dem Verdrahtungsteil 15 praktisch auf einem festen Potential liegt, auch wenn das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a nicht vorhanden ist. Für den Fall, dass das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a weggelassen wird, können die Durchkontaktierungen 19c in Form von säulenförmigen Teile geschaffen sein, wobei nur ihre oberen Enden mit dem die obere Schicht abschirmenden Verdrahtungsteil 19b verbunden sind, oder die unteren Enden der Durchkontaktierungen 19c können mit dem Grundkörper 11 verbunden sein (in diesem Fall sollte vorzugsweise eine hochkonzentrierte p-Zone an den Kontaktabschnitten auf dem Grundkörper 11 gebildet sein), so dass der Grundkörper 11, die Durchkontaktierungen 19c und das die obere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19b auf dem Massepotential liegen werden.
Anstelle der säulenförmigen Durchkontaktierungen 19c, die das Verdrahtungsteil 15 auf beiden Seiten umgeben, können die Seiten abschirmende Verdrahtungsteile bereitgestellt sein, die sich im Wesentlichen parallel zum Verdrahtungsteil 15 erstrecken, um so das gleiche Verdrahtungsteil 15 von beiden Seiten zu schützen, wobei die die Seiten abschirmenden Verdrahtungsteile auf das gleiche elektrische Potential wie das die untere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19a und das die obere Schicht abschirmende Verdrahtungsteil 19b gelegt werden.
Die erste Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung in einer Silicium-Fotodiode angewendet wird. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Elementen angewendet werden, die fotoelektrische Umwandlung durchführen.
[Zweite Ausführungsform]
12A ist eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen und üblicherweise verwendeten Fototransistors, und 12B ist eine schematische Schnittansicht eines Fototransistors als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im vorliegenden Beispiel ist der Grundkörper 21, der aus einem p-Typ-Halbleiter realisiert ist, die Kollektorzone, die durch Diffusion auf der Oberfläche des Grundkörpers 11 geschaffene n-Typ-Halbleiterzone 22 (oder 221) ist die Basiszone, die durch Diffusion in der n-Typ-Halbleiterzone 22 (oder 221) geschaffene p-Typ-Halbleiterzone 23 ist die Emitterzone, und der Übergang zwischen der Kollektorzone und der Basiszone ist die fotoelektrische Umwandlungszone. Das Kontaktteil 24, das in Kontakt mit dem Grundkörper 21 gebildet ist, dient als der Kollektoranschluss (C), das Kontaktteil 26 (oder 261), das in Kontakt mit der n-Typ-Halbleiterzone 22 (oder 221) gebildet ist, dient als der Basisanschluss (B), und das Kontaktteil 25, das in Kontakt mit der p-Typ-Halbleiterzone 23 gebildet ist, dient als der Emitteranschluss (E).
Wie dies in 12B gezeigt ist, weist der Fototransistor der vorliegenden Ausführungsform mehrere sehr kleine n-Typ-Halbleiterzonen 221 auf, wobei die Kontaktteile 261 in Kontakt mit den jeweiligen n-Typ-Halbleiterzonen 221 gebildet und miteinander durch das Verdrahtungsteil 27 verbunden sind. Diese Struktur ist, ähnlich wie 1C, äquivalent zu einer Schaltung mit mehreren Übergängen der parallel verbundenen Kollektor- und Basiszonen. Ähnlich wie die Fotodiode in der ersten Ausführungsform gestattet die vorliegende Struktur, dass die Größe und der Zwischenraum der n-Typ-Halbleiterzonen 221 geeignet bestimmt werden, um so die Sperrschichtkapazität der pn-Übergänge auf ein niedrigeres Niveau als im herkömmlichen Fall zu verringern und dadurch den Rauschpegel zu reduzieren, ohne die Fotodetektionsempfindlichkeit wesentlich zu verschlechtern. Ferner kann die Fotodetektionsempfindlichkeit gegenüber kürzeren Wellenlängen des Lichts drastisch gesenkt werden, indem das Kontaktteil, das mit der n-Typ-Halbleiterzone 221 verbunden ist, die als die Basiszone dient, auf eine derartige Art und Weise bereitgestellt ist, dass das gesamte Gebiet über der n-Typ-Halbleiterzone 221 durch das Kontaktteil abgedeckt ist.
Im Fototransistor der zweiten Ausführungsform dient der Grundkörper 21 selbst als die Kollektorzone. Für den Fall, dass der Fototransistor als eines der Elemente in einer integrierten Schaltung verwendet ist, kann die Ausgestaltung, wie diese in 13 gezeigt wird, modifiziert werden, wo eine Wanne 31, die aus einem im Grundkörper 30 geschaffenen p-Typ-Halbleiter realisiert ist, als die Kollektorzone dient und mehrere n-Typ-Halbleiterzonen 221 innerhalb dieser Wanne 31 auf eine ähnliche Art wie in 12B bereitgestellt sind.
[Dritte Ausführungsform]
14 ist eine schematische Schnittansicht eines Darlington-Fototransistors als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im vorliegenden Darlington-Fototransistor ist das Kontaktteil 25, das in Kontakt mit der p-Typ-Halbleiterzone 23 gebildet ist, die als die Emitterzone des ersten Transistors dient, durch ein Verdrahtungsteil 45 mit dem Kontaktteil 43 verbunden, das in Kontakt mit der n-Typ-Halbleiterzone 41 gebildet ist, die als die Basiszone des zweiten Transistors dient. Eine p-Typ-Halbleiterzone 42, die als die Emitterzone des zweiten Transistors dient, ist in dieser n-Typ-Halbleiterzone 41 geschaffen. Das Kontaktteil 44, das in Kontakt mit dieser p-Typ-Halbleiterzone 42 gebildet ist, dient als der Emitteranschluss. Die anderen Grundstrukturen sind im Wesentlichen die gleichen wie bei dem in 12B gezeigten Fototransistor.
Selbstverständlich kann das fotoelektrische Umwandlungselement nach der vorliegenden Erfindung auch in derartigen Vorrichtungen, wie zum Beispiel einem in einen Optokoppler integrierten Fototransistor, verwendet werden. Einige Optokoppler weisen einen Triac-Ausgang oder einen Thyristor-Ausgang für das Steuern einer AC-Last oder für andere Zwecke auf. Es ist zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung auch in einem Foto-Triac oder einem Fotothyristor, die in einem derartigen Element verwendet werden, angewendet werden kann.
Es sei angemerkt, dass jede der vorher beschriebenen Ausführungsformen lediglich ein Beispiel für die vorliegende Erfindung ist und dass jede Änderung, Modifikation oder Hinzufügung, die im Gedanken der vorliegenden Erfindung geeignet vorgenommen werden, unumgänglich in den Schutzbereich der Ansprüche der vorliegenden Anmeldung fallen.
Bezugszeichenliste

10: Lichtempfangsfläche
11, 21, 30: Grundkörper
121, 121a, 122, 123, 124, 221, 41: n-Typ-Halbleiterzone
13, 14, 24, 25, 261, 43, 44,: Kontaktteil
15, 27, 45: Verdrahtungsteil
16, 18, 18a, 18b: Isolierfilm
17: Kontaktloch
19, 19a, 19b: abschirmendes Verdrahtungsteil
19c: Durchkontaktierung
20: hochkonzentrierte p-Typ-Diffusionszone
23, 42: p-Typ-Halbleiterzone
31: Wanne
50: lichtblockierendes Teil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016-101452 [0001]

Claims

Fotoelektrisches Umwandlungselement, umfassend: a) eine erste Zone eines ersten Leitungstyps, wobei die erste Zone entweder ein Halbleitergrundkörper selbst oder eine Zone ist, die im Halbleitergrundkörper gebildet ist und die sich vom Halbleitergrundkörper unterscheidet; b) eine punktförmige zweite Zone eines zweiten Leitungstyps, der sich vom ersten Leitungstyp unterscheidet, wobei die zweite Zone durch Diffundieren einer Störstelle oder durch Aufwachsen einer epitaktischen Schicht auf einer Oberfläche der ersten Zone innerhalb eines Lichtempfangsbereichs gebildet ist; und c) ein lichtblockierendes Teil zum Blockieren von auf die zweite Zone einfallendem Licht unter Licht, das auf den Lichtempfangsbereich auf einer Licht von außen empfangenden Eintrittsoberfläche einfällt, wobei die zweite Zone ein Fotodetektionssignal durch Sammeln von Ladungsträgern aus einem umgebenden Gebiet erzeugt, die in der ersten Zone durch das auf den Lichtempfangsbereich einfallende Licht generiert werden.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 1, wobei mehrere der zweiten Zonen in einer voneinander getrennten Form innerhalb des Lichtempfangsbereichs angeordnet sind, um ein einzelnes Fotodetektionssignal zu gewinnen, wobei die mehreren zweiten Zonen untereinander verbunden sind, um so von den einzelnen zweiten Zonen erzeugte Fotodetektionssignale zu summieren.
Fotoelektrisches Umwandlungselement, umfassend: a) eine erste Zone eines ersten Leitungstyps, wobei die erste Zone entweder ein Halbleitergrundkörper selbst oder eine Zone ist, die im Halbleitergrundkörper gebildet ist und die sich vom Halbleitergrundkörper unterscheidet; und b) mehrere der punktförmigen zweiten Zonen eines zweiten Leitungstyps, der sich vom ersten Leitungstyp unterscheidet, die in einer voneinander getrennten Form innerhalb des Lichtempfangsbereichs angeordnet sind, um ein einzelnes Fotodetektionssignal zu gewinnen, wobei die mehreren zweiten Zonen untereinander verbunden sind, um so von den einzelnen zweiten Zonen erzeugte Fotodetektionssignale zu summieren, wobei die zweiten Zonen durch Diffundieren einer Störstelle oder durch Aufwachsen einer epitaktischen Schicht auf einer Oberfläche der ersten Zone innerhalb eines Lichtempfangsbereichs gebildet sind, wobei die zweite Zone ein Fotodetektionssignal durch Sammeln von Ladungsträgern aus einem umgebenden Gebiet erzeugt, die in der ersten Zone durch das auf den Lichtempfangsbereich einfallende Licht generiert werden.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Gesamtfläche der mehreren innerhalb des Lichtempfangsbereichs angeordneten zweiten Zonen gleich oder kleiner als 5 % einer Fläche des Lichtempfangsbereichs ist.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 2, weiter umfassend: mehrere Kontaktteile, die entsprechend über den mehreren zweiten Zonen bereitgestellt sind, wobei jedes Kontaktteil elektrisch mit der sich darunter befindenden zweiten Zone verbunden ist; und ein Verdrahtungsteil, das ein elektrischer Leiter ist, zum Verbinden der mehreren Kontaktteile miteinander, um so die mehreren zweiten Zonen innerhalb des Lichtempfangsbereichs parallel zu verbinden, wobei alle zweiten Zonen innerhalb des Lichtempfangsbereichs sich entweder direkt unter den Kontaktteilen und/oder dem Verdrahtungsteil befinden, so dass die Kontaktteile und/oder das Verdrahtungsteil als das lichtblockierende Teil funktionieren.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 5, wobei das Verdrahtungsteil, das sich über einer Verarmungsschichtausbreitungszone befindet, die in der die zweite Zone umgebenden ersten Zone gebildet wird, eine geringere Leitungsbreite als das Kontaktteil und das Verdrahtungsteil aufweist, die sich über der zweiten Zone befinden.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Anzahl der zweiten Zonen sowie eine Fläche und eine Umfangslänge jeder zweiten Zone so bestimmt ist, dass eine Summe von Sperrschichtkapazitäten von Übergängen zwischen der ersten Zone und den mehreren zweiten Zonen kleiner als eine Sperrschichtkapazität ist, die am Übergang zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone zu beobachten ist, falls die zweite Zone über einem kompletten Lichtempfangsbereich gebildet ist.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mehreren zweiten Zonen in Form von Punkten gebildet werden, die von oben betrachtet in Zeilen oder Spalten angeordnet sind, und wobei eine Position der zweiten Zonen in jeder zweiten Zeile oder Spalte um eine Hälfte eines Zwischenraums der zweiten Zonen entlang einer Erstreckungsrichtung der Zeile oder Spalte verschoben ist.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mehreren zweiten Zonen so angeordnet sind, dass um die jeweiligen zweiten Zonen gebildete Verarmungsschichtausbreitungszonen einander überlappen, ohne irgendeine Lücke zu lassen.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mehreren zweiten Zonen getrennt voneinander angeordnet sind, um so ein Überlappen von in der ersten Zone um die jeweiligen zweiten Zonen gebildeten Verarmungsschichtausbreitungszonen zu vermeiden, und wobei ein lichtblockierendes Teil zum Blockieren eines Lichteinfalls über einem Abschnitt oder einer Gesamtheit einer Fläche außerhalb der Verarmungsschichtausbreitungszone um jede zweite Zone innerhalb eines Lichtempfangsbereichs bereitgestellt wird.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine hochkonzentrierte Zone, die von oben betrachtet eine vorbestimmte Form aufweist, zwischen den mehreren zweiten Zonen gebildet ist, die diskret in der ersten Zone angeordnet sind, wobei die hochkonzentrierte Zone eine höhere Konzentration der Störstellen des ersten Leitungstyps aufweist als die umgebende erste Zone.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 5, weiter umfassend: einen Isolierfilm, der so gebildet ist, dass er das Kontaktteil und das Verdrahtungsteil abdeckt; und ein Leiterteil, das auf dem Isolierfilm über dem Kontaktteil und dem Verdrahtungsteil bereitgestellt ist, wobei ein vorbestimmtes festes elektrisches Potential an das Leiterteil angelegt ist, um das Leiterteil so auszuführen, dass es als eine elektrische Abschirmung funktioniert.
Fotoelektrisches Umwandlungselement nach Anspruch 12, wobei mehrere leitfähige säulenförmige Teile, die sich vom über dem Verdrahtungsteil sich befindenden Leiterteil in den Isolierfilm erstrecken, der zwischen dem Leiterteil und dem Verdrahtungsteil positioniert ist, auf eine derartige Art und Weise gebildet sind, dass sie laterale Seiten des Verdrahtungsteils umgeben, oder wobei leitfähige lineare Teile, die sich im Wesentlichen parallel zum Verdrahtungsteil erstrecken, auf eine derartige Art und Weise gebildet sind, dass sie das Verdrahtungsteil von beiden Seiten schützen, und wobei die säulenförmigen Teile oder die linearen Teile so ausgeführt sind, dass sie zusammen mit dem Leiterteil als eine elektrische Abschirmung funktionieren.