JP2006080306A - ホトダイオードアレイおよび分光器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い波長分解能、速い光応答速度および高い光感度を有するホトダイオードアレイを提供すること。
【解決手段】光感応領域９の平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成すホトダイオード１０と、光感応領域９の平面形状内における一方の短辺側に設けられた電極４と、電極４に電気的に接続される導線部７と、導線部７をホトダイオード１０に電気的に接続するための複数のコンタクト部６とを備え、ホトダイオード１０は、第１導電型不純物層１が第２導電型不純物層２内に形成されるとともに、コンタクト部６が第１導電型不純物層１に電気的に接続され、コンタクト部６と導線部７とは、第１導電型不純物層１よりも電気抵抗が小さい物質によって成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホトダイオードアレイと分光器とに関する。

受光素子であるホトダイオードに係る技術としては、例えば、下記特許文献１などに開示されたようなオーバーフロードレイン部を備えたものが知られている。このようなホトダイオードは、従来より様々な用途に用いられているが、特に、分光器の光検出手段として広く用いられている。
特開平７−５０４０２号公報

ところで、分光器の光検出手段としては、高い波長分解能を高感度で実現するため、光が入射する光感応領域の平面形状が極端に細長い略矩形状（例えば、短辺の長さが２５〜５０μｍで、長辺の長さが略２．５ｍｍの細長い略矩形状）を成す複数のフォトダイオードを長辺を相互に隣接させて並列且つ高密度で配置したものが知られている。この場合、光感応領域に発生するキャリアの電荷（以下、キャリア電荷という）を抽出するための電極が光感応領域の平面形状内における短辺側に設けられる。

ここで、上述した分光器の光検出手段の一例を図を参照して説明する。図１０は分光器の光検出手段の構成を示す平面図であり、図１１はこの光検出手段に用いられるホトダイオードの構成を示す平面図である。この光検出手段は、ホトダイオード４０が一列に並列配置されたホトダイオードアレイ４１であり、このホトダイオードアレイ４１はそれぞれ光感応領域４２を有する複数のホトダイオード４０と、各ホトダイオード４０に設けられた電極４３と、この電極４３により抽出されたキャリア電荷を収集する読出部４４とが基板４５の表面に配置されている。特に、各ホトダイオード４０は、高い波長分解能を実現するため、光感応領域４２の平面形状を成す長辺を相互に隣接させるようにして並列配置され、さらに、この光感応領域４２の平面形状内における一方の短辺側には電極４３が配置されている。そして、光感応領域４２には、例えば、Ｐ型（またはＮ型）不純物を含有する半導体層４６が、Ｎ型（またはＰ型）不純物を含有する半導体層４７の表面に埋め込まれるように形成される。

ところで、分光器の光検出手段は、一般に、高い波長分解能が要求されるとともに、微弱な入射光でも高感度で検出できるような高い光感度も要求される。このため、この光検出手段として用いられるホトダイオード４０に高い光感度を実現させるためには、光感応領域４２を構成する不純物半導体層（以下、単に不純物層という）の不純物濃度を低くすればよい。このことは、不純物層の不純物濃度が高いと光応答速度は速くなるが光感度は低くなり、逆に、この不純物層の不純物濃度が低いと光応答速度は遅くなるが光感度は高くなる、というホトダイオードの一特性に由来している。ここで、光応答速度とは、光が照射されることにより不純物層内に生じたキャリアが、発生してから電極４３により抽出されるまでの時間間隔を意味する。この光応答速度は、不純物層内の電気抵抗値が高い（不純物濃度が低い）と遅く、不純物層内の電気抵抗値が低い（不純物濃度が高い）と速い。また、同じ電気抵抗値（不純物濃度）であっても、キャリアの発生地点と、このキャリア電荷を抽出する電極との距離に応じて光応答速度は異なったものとなる。

しかし、光感度を高くしようとして不純物層の不純物濃度を低くすると、電気抵抗値が高くなって逆に光応答速度が低下する、という問題が生じる。さらに、光感応領域４２のうち電極４３から遠い箇所にキャリアが発生した場合、すなわち、光感応領域４２の平面形状を成す二つの短辺のうち電極４３が配置された側とは反対側に位置する短辺側にキャリアが発生した場合には、このキャリアは光感応領域４２の平面形状を成す長辺の長さに相当する距離を移動しなければ電極４３に到達できず、このため、光応答速度がさらに低下することとなる。

そこで、本発明の課題は、高い光感度を維持しつつ、高い波長分解能と速い光応答速度とを有するホトダイオードアレイと、このホトダイオードアレイを光検出手段として用いる分光器と、を提供することである。

本発明によるホトダイオードアレイは、光が入射する光感応領域の平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成すとともに、上記光感応領域の平面形状を形作る長辺を互いに隣接させるように並列配置した複数のホトダイオードと、上記光感応領域の平面形状内における一方の短辺側に設けられるとともに、この光感応領域に光が入射することによって発生する電荷を抽出するための電極と、この電極に電気的に接続される導線部と、この導線部と上記電極とを上記ホトダイオードに電気的に接続するためのコンタクト部と、を備え、上記ホトダイオードは、第１導電型不純物を含有して上記光感応領域を構成する第１の半導体層が上記第１導電型とは異なる第２導電型の不純物を含有する第２の半導体層内に形成されるとともに、上記コンタクト部が上記第１の半導体層に電気的に接続され、上記コンタクト部と上記導線部とは、上記第１の半導体層よりも電気抵抗が小さい物質によって成る、ことを特徴とする。

本発明のホトダイオードアレイによれば、ホトダイオードが、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる細長い略矩形状の光感応領域を有し、長辺を互いに隣接させるように並列配置され、入射光に応じて発生するキャリア電荷を抽出するための電極が、光感応領域の平面形状内における二つの短辺側のうちの一方の短辺側に設けられる。これにより、ホトダイオードが高密度に配置可能となり、ホトダイオードアレイを例えば分光器などに適用した場合に非常に高い波長分解能が実現できる。そして、電極が、光感応領域を構成する第１の半導体層よりも電気抵抗値が低く、キャリアを高速伝送するコンタクト部と導線部とを介して第１の半導体層に電気的に接続される。このため、高い光感度を得ようとして第１の半導体層の不純物濃度を低く、例えば１０^１８ｃｍ^−３程度以下に設定した場合であっても、入射光に応じて生じるキャリア電荷が、電気抵抗値の高い第１の半導体層だけでなく、電気抵抗値の低いコンタクト部と導線部とを介して電極まで移動可能となるので、高い光感度を維持しつつ光応答速度の向上が図れる。

また、本発明では、上記導線部は、入射光を遮光可能な物質によって成るとともに、この入射光に対して上記光感応領域の平面形状内における外周近傍の一部または全部を覆う形状に形成されているのが好ましい。この場合には、導線部が、上述したような光感応領域内で発生するキャリアを電極まで高速伝送する機能だけでなくさらに遮光膜としての機能も併せ持つため、導線部の外に遮光膜を新たに設ける必要がなくなる。このため、ホトダイオードアレイに対する製造コストや製造工程の低減化が可能となる。さらに、導線部は、上記のように遮光膜としての機能を持つとともに、入射光から光感応領域の平面形状内における外周近傍を覆う形状を有する。このため、ＳｉＯ_２層が光感応領域（第１の半導体層）の表面に形成されている場合に当該外周近傍であってこのＳｉＯ_２層に接する領域に対する入射光が遮光可能となるため、後述するように、光が入った場合ＳｉＯ_２層に発生する電荷のために当該領域に生じる暗電流の増大化が抑制可能となり、これにより低ノイズ化が実現できる。

また、本発明では、上記コンタクト部と、上記導線部とは同一の物質によって一体形成されて成るのが好ましい。これによって、ホトダイオードアレイに対する製造コストや製造工程の低減化が図られる。

また、本発明では、上記電極と、上記導線部と、上記コンタクト部とは同一の物質によって一体形成されて成るのが好ましい。これによって、より効果的に、ホトダイオードアレイに対する製造コストや製造工程の低減化が図られる。

また、本発明では、上記コンタクト部は、少なくとも、上記光感応領域の平面形状内における二つの短辺側にそれぞれ設けられているのが好ましい。これにより、光感応領域の細長い平面形状内における二つの短辺側の何れで発生したキャリアであっても、発生地点からすぐにコンタクト部に到達可能となるため、より速い光応答速度が実現できる。

また、本発明では、コンタクト部は、前記光感応領域の平面形状内における二つの長辺側のうちの、一方または両方の長辺側に対し、それぞれ一または複数設けられているのが好ましい。このため、光感応領域の細長い平面形状の長辺に沿ったより広い範囲内で発生したキャリアであっても、その発生地点からすぐにコンタクト部に到達可能となるため、さらに速い光応答速度が実現できる。

また、本発明による分光器は、入射光を分光する分光手段と、分光後の入射光の光量を電気信号に変換するための上記したホトダイオードアレイとを備えることを特徴とする。本発明の分光器によれば、光検出手段としてのホトダイオードアレイが、高い光感度を維持しつつ、高い波長分解能と速い光応答速度とを有するため、高精度な分光器が実現できる。

本発明によれば、高い光感度を維持しつつ、高い波長分解能と速い光応答速度とを有するホトダイオードアレイと、このホトダイオードアレイを光検出手段として用いる分光器とが提供できる。

以下、図面を参照して、本実施形態に係るホトダイオードと、このホトダイオードを複数備えるホトダイオードアレイとについて説明する。なお、以下の図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。

まず、図１に基づいて本実施形態に係るホトダイオードについて説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係るホトダイオードの平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示すＩ−Ｉ矢印方向の断面構造を示す図である。

まず、図１に基づいて、ホトダイオード１０の構成について説明する。ホトダイオード１０は、第１の半導体層としての第１導電型不純物層１と、第２の半導体層としての第２導電型不純物層２と、シリコン熱酸化膜（ＳｉＯ_２）３とを有する。このホトダイオード１０には、電極４，５と、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）と、導線部７と、遮光膜８とが設けられる。ここで「第１導電型」、「第２導電型」は、互いに異なる導電型（Ｎ型、Ｐ型）を意味する。すなわち、第１導電型がＰ型の場合には、第２導電型はＮ型であり、第１導電型がＮ型の場合には、第２導電型はＰ型である。

第１導電型不純物層１は、シリコン（Ｓｉ）層に、低濃度、例えば１０^１８ｃｍ^−３程度以下の第１導電型不純物（第１導電型がＮ型の場合には砒素などであり、Ｐ型の場合には硼素などである。以下同様）が含有されたものである。そして第２導電型不純物層２は、シリコン（Ｓｉ）層に第２導電型不純物（第１導電型がＮ型で第２導電型がＰ型の場合には硼素などであり、第１導電型がＰ型で第２導電型がＮ型の場合には砒素などである。以下同様）が含有されたものである。

第１導電型不純物層１は光感応領域９内に形成される。また、第１導電型不純物層１は第２導電型不純物層２の一方の表面に埋め込まれるように形成され、さらに、その表面にはシリコン熱酸化膜３が形成される。ここで、光感応領域９の平面形状は、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成し、この平面形状の短辺側におけるシリコン熱酸化膜３の表面には電極４が形成され、第２導電型不純物層２の当該表面とは反対側の表面には電極５が形成される。電極５は第２導電型不純物層２と電気的に接続されている。そして、この電極４と第１導電型不純物層１との間には、シリコン熱酸化膜３を貫通して電極４と第１導電型不純物層１とを電気的に接続するためのコンタクト部６ａが形成されている。

また、光感応領域９の平面形状を形作る二つの短辺のうち電極４の反対側に位置する短辺側にはシリコン熱酸化膜３を貫通してコンタクト部６ｂが形成され、コンタクト部６ｂは第１導電型不純物層１と電気的に接続される。そして、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）は、導線部７を介して互いに電気的に接続される。

導線部７は、光感応領域９の表面に平行で、この表面の略中央に長辺方向に延びる一本の直線に沿うように形成されている。また、上記したように、導線部７はコンタクト部６（６ａ，６ｂ）を相互に電気的に接続するものであるが、電極４とも直接接続されるような構成であっても良い。

ここで、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）や導線部７は、第１導電型不純物層１に比べて電気抵抗の小さな物質（ポリシリコンや金属など）によって成る。特に、コンタクト部６は、導線部７と同一の物質によって構成されたものであってもよく、この場合、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）は、導線部７と一体形成される。さらに、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）と、導線部７と、電極４とが、同一の物質によって一体的に形成されていても良い。

また、並列配置されたホトダイオード１０の間隔毎に遮光膜８が形成される。この場合、遮光膜８は、並列配置された光感応領域９の間にあって、各光感応領域９の平面形状の外周（本実施形態では長辺）を覆って、この平面形状内における外周近傍に対する入射光を遮光する形状でシリコン熱酸化膜３の表面に形成される。

上記構成を有するホトダイオード１０では、電極４，５間に電圧が印加された状態で光感応領域９に光が入射すると、光感応領域９を構成する第１導電型不純物層１内の空乏層でキャリアが発生する。このキャリアは第１導電型不純物層１や、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）および導線部７を介して電極４に到達し、この電極４によってキャリア電荷が抽出される。

しかし、キャリアの移動速度は、第１導電型不純物層１内よりも、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）および導線部７のほうが速い（第１導電型不純物層１よりも低電気抵抗）ため、第１導電型不純物層１で発生するキャリアは、主にコンタクト部６（６ａ，６ｂ）および導線部７を移動して電極４に到達することとなる。これにより、キャリアの移動速度は、第１導電型不純物層１内のみを移動する場合に比べて速くなり、光応答速度の向上が図られる。

さらに、光感応領域９が低不純物濃度の第１導電型不純物層１により構成されるので、微弱な入射光も検出可能な高い光感度が実現できる。すなわち、本実施形態に係るホトダイオード１０によれば、高い光感度と速い光応答速度とが実現できる。

また、一般に、第１導電型不純物層１が第２導電型不純物層２内に形成されることによって成るホトダイオードでは、図１２に示すように、半導体層４６（光感応領域４２）や半導体層４７を含むＳｉ層と、このＳｉ層の表面に形成されるＳｉＯ_２層４８との界面近傍には、分子結合の電子対欠陥に起因する暗電流（ノイズ）が発生するが、特に、この界面が空乏層に接している場合には入射光に応じてＳｉＯ_２層４８に電荷が発生し、上述の分子結合の電子対欠陥に起因する暗電流がより増大化されて大きくなる。したがって、半導体層４６（光感応領域４２）の不純物濃度を低く設定すると、この半導体層４６内にも空乏層が拡がるため、入射光に応じて半導体層４６内で生じる上記暗電流も増大化されて大きくなり、ノイズが増大する、という問題が生じる。これに対し、本実施形態に係るホトダイオードアレイでは、遮光膜８によって光感応領域９の平面形状内における外周近傍が覆われるため、上記したような入射光に応じた上記暗電流の増大が抑制可能になる。なお、本実施形態では、遮光膜８が、光感応領域９の長辺のみを覆っているが、短辺をも含む外周全体を覆う形状であってもよく、この方が、上記暗電流の増大をより効果的に抑制できることとなって好ましい。

次に、本実施形態に係るホトダイオードアレイについて説明する。本実施形態に係るホトダイオードアレイの基本構成は、上記説明したホトダイオード１０を複数備え、このホトダイオード１０が光感応領域９の平面形状を成す長辺を相互に隣接させるようにして基板表面に高密度に並列配置されていることである。この場合、ホトダイオード１０に発生するキャリア電荷を抽出するための電極４は、できるだけ多くのホトダイオード１０を高密度に配置できるようにするため、光感応領域９の平面形状内における一方の短辺側にそれぞれ設けられている。

上記のような基本構成を有する四タイプのホトダイオードアレイを図２に示す。図２（ａ）〜（ｄ）は、何れも、本実施形態に係るホトダイオードアレイを示す平面図である。

図２（ａ）に示すホトダイオードアレイ２１は、モノリシック型であって、シフトレジスタ２０ｂに接続された複数のホトダイオード１０が光感応領域９の平面形状を成す長辺を相互に隣接させるようにして基板２０ａ表面に一列に並列配置されたものである。そして図２（ｂ）に示すホトダイオードアレイ２２は、同じくモノリシック型であって、シフトレジスタ２０ｂに接続された複数のホトダイオード１０が光感応領域９の平面形状を成す長辺を相互に隣接させるようにして基板２０ａ表面に並列配置されたものを複数列（図２に示す例では二列）設けたものである。また、図２（ｃ）に示すホトダイオードアレイ２３は、チップ別体構造であって、読出し回路２０ｃに接続された複数のホトダイオード１０が光感応領域９の平面形状を成す長辺を相互に隣接させるようにして基板２０ａ表面に一列に並列配置されたものである。そして図２（ｄ）に示すホトダイオードアレイ２４は、チップ別体構造であるが、複数の基板２０ａ（図２に示す例では二枚）を有し、各基板２０ａの表面には、それぞれ、読出し回路２０ｃに接続された複数のホトダイオード１０が光感応領域９の平面形状を成す長辺を相互に隣接させるようにして一列に並列配置されている。

ここで、モノリシック型とは、基板２０ａにシフトレジスタ２０ｂを備え、このシフトレジスタ２０ｂによってホトダイオード１０の受光量がデジタルデータとして出力可能となっている。これに対し、チップ別体構造とは、半導体チップ（この場合、シフトレジスタ２０ｂを含む読出し回路２０ｃ）が基板２０ａとは別体に設けられた構成のホトダイオードアレイであり、外部に設けられた読出し回路２０ｃと、基板２０ａに設けられた各ホトダイオード１０との間がワイヤ２０ｄによって電気的に接続されたものである。

このホトダイオードアレイ２１〜２４によれば、ホトダイオード１０が基板２０ａに高密度で配置可能となるので高い波長分解能が実現できる。

次に、図３を参照して、本実施形態に係る分光器３０について説明する。図３は、本実施形態に係る分光器を示す斜視図である。

図示のように、分光器３０は、光ファイバ３１、入射部３２、回折格子部３３、ミラー３４、基台３５、光検出手段３６などを備える。入射部３２は光ファイバ３１の端部を固定し、分光手段としての回折格子部３３は光ファイバ３１を通じて入射した光を回折させ、ミラー３４は光ファイバ３１から入射した光を回折格子部３３に向けて反射させるとともに回折格子部３３により回折された光を光検出手段３６に向けて反射させる。また、光検出手段３６は、回折格子部３３によって回折された光の光量を波長ごとに電気信号に変換するためのものであり、本実施形態に係るホトダイオードアレイ２１〜２４の何れかが用いられる。そして、入射部３２、回折格子部３３、ミラー３４、光検出手段３６は基台３５に設置される。

このように、本実施形態に係るホトダイオードアレイ２１〜２４を光検出手段として用いた分光器３０は、光検出手段３６（すなわち、ホトダイオードアレイ２１〜２４のいずれか）に用いられるホトダイオード１０が、低暗電流（低ノイズ）であるとともに高い光感度と速い光応答速度とを有するので、高い波長分解能を有する極めて精度の高い分光器となる。

なお、本発明は、本実施形態に係るホトダイオードアレイ２１〜２４やホトダイオード１０に限らず、その詳細構成や詳細動作については変更可能である。

例えば、ホトダイオード１０に替えて、図４〜図９に示すホトダイオード１０ａ〜１０ｆを用いてもよい。図４〜図９は、それぞれ本実施形態に係るホトダイオードの第１〜６の変形例を示す図である。

＜第１の変形例＞ 図４（ａ）は、本実施形態に係る第１の変形例としてのホトダイオードを示す平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＩＩ−ＩＩ矢印方向の断面構造を示す図である。図４に示すホトダイオード１０ａはコンタクト部６ａ，６ｂに加えて他のコンタクト部６がコンタクト部６ａとコンタクト部６ｂとの間に複数（図４に示す例では二つ）設けられており、この点を除けば、ホトダイオード１０ａの構成は、上述した図１に示すホトダイオード１０と同様のものとなっている。

ホトダイオード１０ａは、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）が何れもシリコン熱酸化膜３を貫通して導線部７と第１導電型不純物層１とを電気的に接続し、各コンタクト部６（６ａ、６ｂ）が導線部７を介して電気的に直列接続されている。

ホトダイオード１０ａでは、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）に加えてさらに多くのコンタクト部６が設けられているため、電気抵抗の低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と導線部７とを介して電極４に到達可能なキャリアがさらに増加することとなり、光応答速度の向上が図られる。なお、コンタクト部６ａとコンタクト部６ｂとの間に設けられるコンタクト部６の数は一つ以上であればよく、二つに限らない。

＜第２の変形例＞ 図５（ａ）は、本実施形態に係る第２の変形例としてのホトダイオードを示す平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＩＩＩ−ＩＩＩ矢印方向の断面構造を示す図である。図５に示すホトダイオード１０ｂは、コンタクト部６ａ、６ｂに加えて他のコンタクト部６が光感応領域９の平面形状内における二つの長辺側の各々にそれぞれ複数（図５に示す例では二つ）設けられており、この点を除けば、ホトダイオード１０ｂの構成は、上述した図１に示すホトダイオード１０と同様のものとなっている。

ホトダイオード１０ｂでは、各長辺側において、それぞれ、各コンタクト部６（６ａ、６ｂ）が導線部７を介して電気的に直列接続されているため、コンタクト部６ａ，６ｂに加えてさらに多くのコンタクト部６が二つの長辺側の各々に（すなわち、光感応領域９のより広い範囲にわたって）設けられている。このため、電気抵抗の低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と導線部７とを介して電極４に到達可能なキャリアがさらに増加することとなり、光応答速度の向上が図られる。なお、この各長辺側に形成されるコンタクト部６の数は一つ以上であればよく、二つに限らない。ここで、導線部７は、平面形状内における二つの長辺側の各々において、光感応領域９の表面に平行で、且つ、長辺方向に延びる二本の直線の各々に沿うように形成されている。

＜第３の変形例＞ 図６（ａ）は、本実施形態に係る第３の変形例としてのホトダイオードを示す平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＩＶ−ＩＶ矢印方向の断面構造を示す図である。図６に示すホトダイオード１０ｃは、導線部７に替えて電極４とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）との間を電気的に低抵抗で接続するための機能を遮光膜に実現させたものである。すなわち、ホトダイオード１０ｃは、上述したホトダイオード１０が有する導線部７および遮光膜８に替えて両者が一体化された遮光膜８ａが設けられており、この点を除けば、ホトダイオード１０ｃの構成はホトダイオード１０と同様のものとなっている。

遮光膜８ａは、電気的に低抵抗な金属やポリシリコンなどによって成る。そして遮光膜８ａは、光感応領域９の平面形状内における二つの短辺側の各々に設けられたコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と電極４とにそれぞれ電気的に接続されるとともに、この平面形状を形作る二つの長辺のうちの一方の長辺と、この長辺に隣接する他のホトダイオード１０ｃの長辺とを共に覆い、光感応領域９の平面形状内における当該二つの長辺近傍を同時に遮光するような形状でシリコン熱酸化膜３の表面に形成される。なお、各光感応領域９に複数形成された遮光膜８ａは何れも電気的に接続されてはおらず、互いに電気的に独立したものとなっている。

ホトダイオード１０ｃでは、入射光によって発生したキャリアが、第１導電型不純物層１よりも電気抵抗が低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と遮光膜８ａとを介して電極４に到達できるので、光応答速度の向上が図られる。

そして、ホトダイオード１０ｃでは、遮光膜８ａが、光感応領域９の平面形状内における外周近傍に対する入射光を遮光するための遮光機能と、電極４とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）との間を電気的に低抵抗で接続するための機能と、を併せ持つこととなる。このため、当該各機能が、それぞれ別々の構成要素（例えば、導線部７、遮光膜８）を用いることなく、遮光膜８ａのみで実現可能となる。これにより、製造コストや製造工程の低減化が図られる。

＜第４の変形例＞ 図７（ａ）は、本実施形態に係る第４の変形例としてのホトダイオードを示す平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＶ−Ｖ矢印方向の断面構造を示す図である。図７に示すホトダイオード１０ｄも、ホトダイオード１０ｃと同様に電気的に低抵抗な遮光膜によって電極４とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）との間が電気的に接続される構成となっている。このホトダイオード１０ｄは、図６に示すホトダイオード１０ｃにおいて、コンタクト部６ａ，６ｂに加えてさらに他のコンタクト部６が光感応領域９の平面領域内における一方の長辺側にそれぞれ複数（図７に示す例では三つずつ）設けられており、この点を除けば、ホトダイオード１０ｄの構成はホトダイオード１０ｃと同様のものとなっている。なお、各長辺側に設けられるコンタクト部６の数は一つ以上であればよく、三つに限らない。そして、各光感応領域９に複数形成された遮光膜８ａは何れも電気的に接続されてはおらず、互いに電気的に独立したものとなっている。

ホトダイオード１０ｄでは、入射光によって発生したキャリアが、第１導電型不純物層１よりも電気抵抗が低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と遮光膜８ａとを介して電極４に到達できるので、光応答速度の向上が図られる。そして、ホトダイオード１０ｄでは、コンタクト部６ａ，６ｂに加えてさらに多くのコンタクト部６が設けられているため、電気抵抗が低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と遮光膜８ａとを介してより多くのキャリアが電極４に到達可能となる。このため、光応答速度のさらなる向上が図られる。

そして、ホトダイオード１０ｄでは、遮光膜８ａが、光感応領域９の平面形状内における外周近傍に対する入射光を遮光するための遮光機能と、電極４とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）との間を電気的に低抵抗で接続するための機能と、を併せ持つこととなる。このため、当該各機能が、それぞれ別々の構成要素（例えば、導線部７、遮光膜８）を用いることなく、遮光膜８ａのみで実現可能となる。これにより、製造コストや製造工程の低減化が図られる。

＜第５の変形例＞ 図８（ａ）は、本実施形態に係る第５の変形例としてのホトダイオードを示す平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＶＩ−ＶＩ矢印方向の断面構造を示す図である。図８に示すホトダイオード１０ｅも、ホトダイオード１０ｃと同様に電気的に低抵抗な遮光膜によって電極４とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）との間が電気的に接続される構成となっている。このホトダイオード１０ｅでは、遮光膜８ｂが光感応領域９の平面形状の外周を覆うようにシリコン熱酸化膜３の表面に設けられているとともに、コンタクト部６ａ，６ｂに加えてさらに他のコンタクト部６が、この平面形状内における二つの長辺側にそれぞれ複数（図８に示す例では三つずつ）設けられている。なお、各長辺側に設けられるコンタクト部６の数は一つ以上であればよく、三つに限らない。そして、各光感応領域９毎に複数形成された遮光膜８ｂは何れも電気的に接続されてはおらず、互いに電気的に独立したものとなっている。

ホトダイオード１０ｅでは、入射光によって発生したキャリアが、第１導電型不純物層１よりも電気抵抗が低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と遮光膜８ｂとを介して電極４に到達できるので、光応答速度の向上が図られる。そして、ホトダイオード１０ｅでは、コンタクト部６ａ，６ｂに加えてさらに多くのコンタクト部６が光感応領域９のより広い領域（光感応領域９の平面形状内における二つの長辺側）にわたって設けられているため、電気抵抗が低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）と遮光膜８ｂとを介してより多くのキャリアが電極４に到達可能となる。このため、光応答速度のさらなる向上が図られる。

そして、ホトダイオード１０ｅでは、遮光膜８ｂが、光感応領域９の平面形状内における外周近傍に対する入射光を遮光するための遮光機能と、電極４とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）との間を電気的に低抵抗で接続するための機能と、を併せ持つこととなる。このため、当該各機能が、それぞれ別々の構成要素（例えば、導線部７、遮光膜８）を用いることなく、遮光膜８ｂのみで実現可能となる。これにより、製造コストや製造工程の低減化が図られる。

なお、上記ホトダイオード１０ｃ，１０ｄ，１０ｅでは、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）と、遮光膜８ａ，８ｂとが、電気抵抗の小さな同一物質（例えば、金属やポリシリコンなど）によって構成されていてもよく、この場合、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）は、遮光膜８ａ、８ｂと一体形成される。

＜第６の変形例＞ さらに、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）と遮光膜８ａ，８ｂとが同一の電気伝導体（金属）、特に、電極４と同一物質（例えば、金属やポリシリコンなど）によって構成されていても良く、このような場合を第６の変形例として以下説明する。図９（ａ）は、本実施形態に係る第６の変形例としてのホトダイオードを示す平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）に示すＶＩＩ−ＶＩＩ矢印方向の断面構造を示す図である。図９に示すホトダイオード１０ｆは、キャリア電荷を抽出するための電極と一体形成された遮光膜を設け、この遮光膜とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）とが電気的に接続された構成となっている。すなわち、ホトダイオード１０ｆは、電極４ａが、上述したホトダイオード１０ｃが有する電極４および遮光膜８ａに替えて設けられており、この点を除けば、ホトダイオード１０ｆの構成はホトダイオード１０ｃと同様のものとなっている。

電極４ａは、電気的に低抵抗な金属やポリシリコンなどによって成る。そして電極４ａは、光感応領域９の平面形状内における二つの短辺側の各々に設けられたコンタクト部６（６ａ，６ｂ）にそれぞれ電気的に接続されるとともに、この平面形状を形作る二つの長辺のうちの一方の長辺と、この長辺に隣接する他のホトダイオード１０ｃの長辺とを共に覆い、光感応領域９の平面形状内における当該二つの長辺近傍を同時に遮光するような形状でシリコン熱酸化膜３の表面に形成される。なお、各光感応領域９に複数形成された電極４ａは何れも電気的に接続されてはおらず、互いに電気的に独立したものとなっている。

ホトダイオード１０ｆでは、入射光によって発生したキャリアが、第１導電型不純物層１よりも電気抵抗が低いコンタクト部６（６ａ，６ｂ）を介して電極４aに直接到達できるので、光応答速度の向上が図られる。

そして、ホトダイオード１０ｆでは、電極４ａが、入射光によって発生したキャリア電荷を抽出するための機能と、光感応領域９の平面形状内における外周近傍に対する入射光を遮光するための遮光機能と、電極とコンタクト部６（６ａ，６ｂ）との間を電気的に低抵抗で接続するための機能と、を併せ持つこととなる。このため、当該各機能が、それぞれ別々の構成要素（例えば、電極４、導線部７、遮光膜８）を用いることなく、電極４ａのみで実現可能となる。これにより、製造コストや製造工程の低減化が図られる。

なお、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）は、第１導電型不純物層１よりも電気抵抗が低い物質であれば、電極４ａと同一の物質でなくてもよい。

また、上述したホトダイオード１０ｄでは、電極４ａを、電極４および遮光膜８ａに替えて用いてもよいし、また、上述したホトダイオード１０ｅでは、電極４および遮光膜８ｂに替えて、電極と一体形成され、遮光膜８ｂと同様な、光感応領域９の平面形状の外周を覆う形状の遮光膜（図示略）を用いてもよい。この場合、コンタクト部６（６ａ，６ｂ）に加えてさらに多くのコンタクト部６が光感応領域９の広い領域（光感応領域９の平面形状内における二つの長辺側）にわたって設けられることとなるため、光応答速度のさらなる向上が図られる。

また、上述したホトダイオード１０，１０ａ〜１０ｆでは、光感応領域の表面に形成する膜をシリコン熱酸化膜としているが、これに限るわけではない。例えば、ＣＶＤで形成したシリコン窒化膜でも良いし、シリコン熱酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜でも良い。

本実施形態に係るホトダイオードを示す図である。 本実施形態に係るホトダイオードアレイを示す平面図である。 本実施形態に係る分光器を示す斜視図である。 本実施形態に係るホトダイオードの第１の変形例を示す図である。 本実施形態に係るホトダイオードの第２の変形例を示す図である。 本実施形態に係るホトダイオードの第３の変形例を示す図である。 本実施形態に係るホトダイオードの第４の変形例を示す図である。 本実施形態に係るホトダイオードの第５の変形例を示す図である。 本実施形態に係るホトダイオードの第６の変形例を示す図である。 従来のホトダイオードアレイを示す平面図である。 従来のホトダイオードを示す平面図である。 従来のホトダイオードに生じる空乏層を説明するための図である。

符号の説明

１・・・第１導電型不純物層、２・・・第２導電型不純物層、３・・・シリコン熱酸化膜、４，４ａ，５・・・電極、６，６ａ，６ｂ・・・コンタクト部、７・・・導線部、８，８ａ，８ｂ・・・遮光膜、９・・光感応領域、１０，１０ａ〜１０ｆ・・・ホトダイオード、２０ａ・・・基板、２０ｃ・・・読出し回路、２０ｄ・・・ワイヤ、２０ｂ・・・シフトレジスタ、２１〜２４・・・ホトダイオードアレイ、３０・・・分光器、３１・・・光ファイバ、３２・・・入射部、３３・・・回折格子部、３４・・・ミラー、３５・・・基台、３６・・・光検出手段。

Claims (7)

1. 光が入射する光感応領域の平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成すとともに、前記光感応領域の平面形状を形作る長辺を互いに隣接させるように並列配置した複数のホトダイオードと、前記光感応領域の平面形状内における一方の短辺側に設けられるとともに、この光感応領域に光が入射することによって発生する電荷を抽出するための電極と、該電極に電気的に接続される導線部と、該導線部と前記電極とを前記ホトダイオードに電気的に接続するためのコンタクト部と、を備え、
   前記ホトダイオードは、第１導電型不純物を含有して前記光感応領域を構成する第１の半導体層が前記第１導電型とは異なる第２導電型の不純物を含有する第２の半導体層内に形成されるとともに、前記コンタクト部が前記第１の半導体層に電気的に接続され、
   前記コンタクト部と前記導線部とは、前記第１の半導体層よりも電気抵抗が小さい物質によって成る、ことを特徴とするホトダイオードアレイ。
2. 前記導線部は、入射光を遮光可能な物質によって成るとともに、この入射光に対して前記光感応領域の平面形状内における外周近傍の一部または全部を覆う形状に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のホトダイオードアレイ。
3. 前記コンタクト部と、前記導線部とは同一の物質によって一体形成されて成る、ことを特徴とする請求項１または２に記載のホトダイオードアレイ。
4. 前記電極と、前記導線部と、前記コンタクト部とは同一の物質によって一体形成されて成る、ことを特徴とする請求項１または２に記載のホトダイオードアレイ。
5. 前記コンタクト部は、少なくとも、前記光感応領域の平面形状内における二つの短辺側にそれぞれ設けられている、ことを特徴とする請求項１〜４のうち何れか一項に記載のホトダイオードアレイ。
6. 前記コンタクト部は、前記光感応領域の平面形状内における二つの長辺側のうちの、一方または両方の長辺側に対し、それぞれ一または複数設けられている、ことを特徴とする請求項１〜５に記載のホトダイオードアレイ。
7. 入射光を分光する分光手段と、分光後の入射光の光量を電気信号に変換する請求項１〜６のうち何れか一項に記載のホトダイオードアレイとを備える、ことを特徴とする分光器。
   
   
   
   

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