JP2006093442A - Photodiode, photodiode array, method for manufacturing the same and spectroscope - Google Patents

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貞治 滝本
Tomohiro Moriya
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To have a fast optical responsive speed in low noises, and to provide a photodiode having a high light sensitivity, a photodiode array provided with a plurality of photodiodes, a spectroscope which uses this photodiode array as a light detecting means, and a method for manufacturing the photodiode array. <P>SOLUTION: In the photodiode 10, a low density buried layer 2 containing second conductive impurities of a low density is formed inside a substrate 1 containing first conductive impurities, a high density layer 3 containing the second conductive impurities of a high density is formed inside the low density buried layer 2, and a drawing part 4 exposed to the surface of the substrate 1 is formed in the high density layer 3 so as to contain the second conductive impurities of the high density. The high density layer 3 is electrically connected to an electrode 6. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ホトダイオードと、ホトダイオードを複数備えるホトダイオードアレイと、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、ホトダイオードの製造方法と、に関する。   The present invention relates to a photodiode, a photodiode array including a plurality of photodiodes, a spectroscope using the photodiode array as a light detection means, and a method for manufacturing the photodiode.

分光器などに広く利用されているホトダイオードは、例えばPN接合部が形成されたSi層と、このSi層の表面に絶縁層として形成されたSiO層と、を有する。このSi層は、光が入射する光感応領域としてのN型(或いはP型)半導体層(Si層)が、基体としてのP型(或いはN型)半導体層(Si層)の表面に埋め込まれるように形成される。これにより、Si層内にPN接合部が形成される。このPN接合の界面周辺に生じる空乏層またはその周辺とに光が入射すると、この空乏層内にキャリア電荷が発生する。このキャリア電荷を抽出することによって入射光が検出される。このような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1,2に開示されたものなどが知られている。
特開2000−232233号公報 特開2001−237452号公報
A photodiode widely used in a spectroscope or the like has, for example, a Si layer in which a PN junction is formed, and a SiO 2 layer formed as an insulating layer on the surface of the Si layer. In this Si layer, an N-type (or P-type) semiconductor layer (Si layer) as a light-sensitive region where light enters is embedded in the surface of a P-type (or N-type) semiconductor layer (Si layer) as a substrate. Formed as follows. Thereby, a PN junction is formed in the Si layer. When light is incident on the depletion layer generated around the interface of the PN junction or the periphery thereof, carrier charges are generated in the depletion layer. Incident light is detected by extracting the carrier charge. As a technique related to such a photodiode, for example, those disclosed in Patent Documents 1 and 2 below are known.
JP 2000-232233 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-237452

ところで、Si層とSiO層との界面には、分子結合の電子対欠陥に起因する暗電流がノイズとして発生する。特に、光感応領域が含有する不純物濃度が低いと、PN接合部の界面に形成される空乏層が光感応領域内に広がる。そして、この光感応領域内に広がった空乏層が、さらに、Si層とSiO層との界面にまで広がると、ここで、入射光に応じてSiO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なノイズとなる。したがって、例えば、高い光感度が要求される分光器にホトダイオードを適用する場合などには、ホトダイオードの光感度を上げるため、光感応領域の不純物濃度を低く設定しなければならず、このため、上記暗電流の増大が大きなノイズとなる。さらに、光感応領域の不純物濃度が低いと、それに応じて電気抵抗も大きくなるため、光応答速度も低下することとなる。このため、低ノイズで速い光応答速度を有するとともに、さらに、分光器(および分光器に用いられるホトダイオードアレイ)に利用可能な高い光感度を有するようなホトダイオードを実現するのは困難となる。 By the way, dark current caused by electron-pair defects of molecular bonds is generated as noise at the interface between the Si layer and the SiO 2 layer. In particular, when the concentration of impurities contained in the photosensitive region is low, a depletion layer formed at the interface of the PN junction spreads in the photosensitive region. Then, when the depletion layer spreading in the photosensitive region further spreads to the interface between the Si layer and the SiO 2 layer, a charge is generated in the SiO 2 layer 48 according to the incident light, and the above-mentioned Dark current due to electron-pair defects in molecular bonds is further increased, resulting in large noise. Therefore, for example, when applying a photodiode to a spectroscope that requires high photosensitivity, the impurity concentration of the photosensitive region must be set low in order to increase the photosensitivity of the photodiode. The increase in dark current becomes a large noise. Furthermore, if the impurity concentration in the photosensitive region is low, the electrical resistance increases accordingly, and the optical response speed also decreases. For this reason, it is difficult to realize a photodiode that has a high light sensitivity that can be used for a spectroscope (and a photodiode array used in the spectroscope), while having a low noise and a high light response speed.

そこで、本発明の課題は、低ノイズで速い光応答速度を有するとともに、さらに、高い光感度を有す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、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、このホトダイオードの製造方法と、を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a photodiode having low noise and high optical response speed, and having high photosensitivity, a photodiode array including a plurality of the photodiodes, and a spectrometer using the photodiode array as a light detection means. And a method of manufacturing the photodiode.

本発明によるホトダイオードは、第1導電型の不純物を含有する半導体によって成る基体と、上記基体の内部に形成されるとともに、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半導体によって成る低濃度埋込層と、上記低濃度埋込層に連続した領域に形成されるとともに、上記第2導電型の不純物を上記低濃度埋込層よりも高濃度に含有する半導体によって成る高濃度層と、上記基体の表面から上記高濃度層に至る領域であってこの高濃度層に接合するように形成されるとともに、上記第2導電型の不純物を上記低濃度埋込層よりも高濃度に含有する半導体によって成る引き出し部と、を有することを特徴とする。   The photodiode according to the present invention includes a base made of a semiconductor containing a first conductivity type impurity, and a semiconductor formed inside the base and containing a second conductivity type impurity different from the first conductivity type. And a high concentration formed of a semiconductor formed in a region continuous to the low concentration buried layer and containing the second conductivity type impurity in a higher concentration than the low concentration buried layer. And a region extending from the surface of the substrate to the high-concentration layer and bonded to the high-concentration layer, and the second conductivity type impurity is formed in a higher concentration than the low-concentration buried layer. And a lead portion made of a semiconductor contained in the substrate.

さらに、本発明のホトダイオードの製造方法は、第1導電型の不純物を含有する半導体によって構成される基体の内部に、この第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を含有する領域が埋め込まれて成るホトダイオードの製造方法であって、上記第2導電型の不純物イオンを、上記基体内部の第1の領域と、この第1の領域に連続して成る第2の領域と、にイオン注入するイオン注入工程を有し、このイオン注入工程では、上記第2の領域のほうが上記第1の領域よりも不純物濃度が高くなるようにイオン注入することを特徴とする。この場合、上記イオン注入工程は、上記第2導電型の不純物イオンを上記第1の領域内部にイオン注入する工程と、上記第2導電型の不純物イオンを、不純物濃度が上記第1の領域よりも高濃度になるように、上記第2の領域にイオン注入する工程と、上記第2導電型の不純物イオンを、不純物濃度が上記第2の領域と略同一となるように、上記基体表面から上記第2の領域に連通する第3の領域にイオン注入する工程と、をさらに有するのが好ましい。   Further, according to the method of manufacturing a photodiode of the present invention, a region containing a second conductivity type impurity different from the first conductivity type is embedded in a substrate constituted by a semiconductor containing the first conductivity type impurity. A method of manufacturing a photodiode, comprising: implanting the second conductivity type impurity ions into a first region inside the substrate and a second region continuous with the first region. In this ion implantation step, the second region is ion-implanted so that the impurity concentration is higher than that of the first region. In this case, the ion implantation step includes the step of ion-implanting the second conductivity type impurity ions into the first region and the second conductivity type impurity ions from the first region. And the step of implanting ions into the second region so that the impurity concentration of the second conductivity type is substantially the same as that of the second region. It is preferable that the method further includes a step of ion-implanting into a third region communicating with the second region.

本発明のホトダイオードと、ホトダイオードの製造方法とによれば、第2導電型(N型またはP型)の不純物を低濃度に含有する低濃度埋込層(第1の領域)が、第1導電型(P型またはN型)の不純物を含有する基体の内部に形成されるため、この基体と低濃度埋込層との界面に形成される空乏層の広がりが、基体の表面にまで至らないように形成可能となる。このため、Si層としての基体の表面にSiO層が形成されるような場合には、Si層とSiO層との界面に暗電流が発生するが、空乏層がこの界面にまで至らないので、暗電流の増大化が抑制可能となる。そして、低濃度埋込層と連続する領域に、この低濃度埋込層よりも高濃度(低抵抗)の不純物を含有する高濃度層(第2の領域)を設けたので、低濃度埋込層の不純物濃度が低濃度であっても、速い光応答速度が実現できる。そして、低濃度埋込層の不純物濃度が低濃度であるために、この低濃度埋込層の周囲だけでなく低濃度埋込層が占める領域全体にわたって広く空乏層が形成されることとなる。このため、広い波長領域に対して高い光感度が実現できる。 According to the photodiode of the present invention and the method for manufacturing the photodiode, the low-concentration buried layer (first region) containing the second conductive type (N-type or P-type) impurity at a low concentration is used as the first conductive type. Since it is formed inside a substrate containing a type (P-type or N-type) impurity, the depletion layer formed at the interface between the substrate and the low-concentration buried layer does not reach the surface of the substrate. Can be formed. For this reason, when the SiO 2 layer is formed on the surface of the substrate as the Si layer, a dark current is generated at the interface between the Si layer and the SiO 2 layer, but the depletion layer does not reach this interface. Therefore, increase in dark current can be suppressed. Since the high-concentration layer (second region) containing impurities higher in concentration (low resistance) than the low-concentration buried layer is provided in a region continuous with the low-concentration buried layer, the low-concentration buried layer is provided. Even if the impurity concentration of the layer is low, a high light response speed can be realized. Since the impurity concentration of the low-concentration buried layer is low, a depletion layer is formed not only around the low-concentration buried layer but also over the entire region occupied by the low-concentration buried layer. For this reason, high photosensitivity is realizable over a wide wavelength region.

また、本発明では、上記低濃度埋込層は、平面視で、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のが好ましい。これにより、分光器に適用した場合には、複数のホトダイオードが基板表面に長辺を相互に隣接させる状態で高密度に配置可能となるため、高い波長分解能が実現できる。   In the present invention, the low concentration buried layer preferably has a substantially rectangular shape formed by two long sides and two short sides in a plan view. Thereby, when applied to a spectroscope, a plurality of photodiodes can be arranged with high density in a state where long sides are adjacent to each other on the substrate surface, so that high wavelength resolution can be realized.

また、本発明では、上記高濃度層は、平面視で、上記低濃度埋込層の長辺方向に沿って伸びる領域が一または複数含まれる形状に形成されているのが好ましい。これにより、長辺方向に長尺な低濃度埋込層周辺の空乏層の何れの箇所で生成されたキャリア電荷であっても、高い不純物濃度(低い電気抵抗)を有する高濃度層が、そのキャリア生成箇所の近傍に形成されていることになるため、このキャリア電荷が高濃度層を介して高速移動可能となる。したがって、光応答速度の向上がより一層図られる。   In the present invention, it is preferable that the high concentration layer is formed in a shape including one or a plurality of regions extending along the long side direction of the low concentration buried layer in a plan view. As a result, even if the carrier charge is generated in any part of the depletion layer around the low-concentration buried layer that is long in the long side direction, the high-concentration layer having a high impurity concentration (low electrical resistance) Since it is formed in the vicinity of the carrier generation site, this carrier charge can be moved at high speed via the high concentration layer. Therefore, the optical response speed can be further improved.

また、本発明では、上記高濃度層は、平面視で、上記低濃度埋込層の長辺方向に沿って伸びる領域が上記基体表面に略平行な平面状に形成されていても良いし、また、上記高濃度層は、平面視で、上記低濃度埋込層の長辺方向に沿って伸びる領域が線状に形成されていても良い。これにより、低濃度埋込層が占める領域が拡大され、さらに、これに伴って空乏層の形成領域も拡大化されるため、光感度の向上がより一層図られる。   In the present invention, the high-concentration layer may be formed in a planar shape in which a region extending along the long side direction of the low-concentration buried layer is substantially parallel to the surface of the substrate in plan view. Further, the high concentration layer may be formed in a linear shape with a region extending along the long side direction of the low concentration buried layer in plan view. As a result, the region occupied by the low-concentration buried layer is expanded, and the region where the depletion layer is formed is expanded accordingly, thereby further improving the photosensitivity.

さらに、本発明のホトダイオードアレイは、上記ホトダイオードが基板表面に複数配置されていることを特徴とする。したがって、本発明のホトダイオードアレイによれば、上記した低ノイズで、高い光感度と速い光応答速度とを有するホトダイオードが用いられているため、高機能なホトダイオードアレイが実現できる。特に、ホトダイオードが平面視で二つの長辺と二つの短辺とによって形作られるような細長い略矩形状を成す場合には、ホトダイオードアレイの基板表面に複数のホトダイオードを長辺を相互に隣接させる状態で高密度に設けることができるため、高い波長分解能が実現できる。   Furthermore, the photodiode array of the present invention is characterized in that a plurality of the photodiodes are arranged on the substrate surface. Therefore, according to the photodiode array of the present invention, since the photodiode having the above-described low noise, high photosensitivity and fast optical response speed is used, a highly functional photodiode array can be realized. In particular, when the photodiode has a long and narrow rectangular shape formed by two long sides and two short sides in plan view, a plurality of photodiodes are adjacent to each other on the substrate surface of the photodiode array. Therefore, high wavelength resolution can be realized.

さらに、本発明の分光器は、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上記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。   Furthermore, the spectroscope of the present invention is characterized by comprising spectroscopic means for splitting incident light and the photodiode array for converting the amount of incident light after splitting into an electric signal. According to the spectrometer of the present invention, the photodiode array as the light detection means has a high wavelength resolution and a fast optical response speed while maintaining high photosensitivity, so that a highly accurate spectrometer can be realized.

本発明によれば、低ノイズで速い光応答速度を有するとともに、さらに、高い光感度を有す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、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、このホトダイオードの製造方法と、が提供できる。   According to the present invention, a photodiode having low noise and high optical response speed, and further having high photosensitivity, a photodiode array including a plurality of the photodiodes, a spectroscope using the photodiode array as a light detection means, And a method for manufacturing a photodiode.

以下、図面を参照して、本実施形態に係るホトダイオード、ホトダイオードアレイ、分光器およびホトダイオードの製造方法について説明する。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。   Hereinafter, with reference to the drawings, a photodiode, a photodiode array, a spectrometer, and a method for manufacturing the photodiode according to the present embodiment will be described. In the following description of the drawings, the same reference numerals are given to the same elements, and duplicate descriptions are omitted.

まず、図1、図2に基づいて本実施形態に係るホトダイオードの構成について説明する。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り、同図(c)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。そして、図2は、本実施形態に係るホトダイオードに形成される空乏層の態様を説明するための図である。ここで、図2は、図1(a)に示すI−I矢印方向の断面を表している。   First, the configuration of the photodiode according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1A is a plan view of the photodiode according to the present embodiment, and FIG. 1B is a diagram showing a cross-sectional structure in the direction of the arrow I-I shown in FIG. These are figures which show the cross-section of the II-II arrow direction shown to the figure (a). And FIG. 2 is a figure for demonstrating the aspect of the depletion layer formed in the photodiode which concerns on this embodiment. Here, FIG. 2 represents a cross-section in the direction of the arrow I-I shown in FIG.

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、基体1と、この基体1の内部に埋め込まれた低濃度埋込層2(第1の領域)と、この低濃度埋込層2の内部にさらに埋め込まれた高濃度層3(第2の領域)と、この高濃度層3に接合するとともに、基体1の表面に露出する引き出し部4(第3の領域)と、を備える。そしてこのホトダイオード10には、さらに、この引き出し部4が露出する側の基体1の表面に形成されたシリコン熱酸化膜層(SiO)5と、このシリコン熱酸化膜5の表面に形成されるととともに、シリコン熱酸化膜5を貫通して引き出し部4に接合する電極6と、上記シリコン熱酸化膜5が形成された表面とは反対側の表面に形成された電極7と、が形成されている。 First, the configuration of the photodiode 10 will be described with reference to FIG. The photodiode 10 includes a base 1, a low-concentration buried layer 2 (first region) embedded in the base 1, and a high-concentration layer 3 (embedded further in the low-concentration buried layer 2 ( 2nd area | region) and the drawer | drawing-out part 4 (3rd area | region) exposed to the surface of the base | substrate 1 while being joined to this high concentration layer 3. The photodiode 10 is further formed on a surface of the silicon thermal oxide film 5 and a silicon thermal oxide film layer (SiO 2 ) 5 formed on the surface of the substrate 1 on the side where the lead portion 4 is exposed. And an electrode 6 that penetrates through the silicon thermal oxide film 5 and is joined to the lead portion 4, and an electrode 7 that is formed on the surface opposite to the surface on which the silicon thermal oxide film 5 is formed. ing.

基体1は、シリコン(Si)層に第1導電型不純物(ここで、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)が含有された半導体層である。基体1が含有する不純物濃度は1013〜1015cm−3程度となっている。 The substrate 1 has a first conductivity type impurity in the silicon (Si) layer (here, arsenic or the like when the first conductivity type is N type, boron or the like when the first conductivity type is P type, and so on). It is a contained semiconductor layer. The impurity concentration contained in the substrate 1 is about 10 13 to 10 15 cm −3 .

低濃度埋込層2は、シリコン(Si)層に第1導電型とは異なる第2導電型の不純物が低濃度に含有された半導体層であり、この低濃度埋込層2が含有する不純物濃度は1014〜1016cm−3程度となっている。 The low concentration buried layer 2 is a semiconductor layer in which a second conductivity type impurity different from the first conductivity type is contained in a silicon (Si) layer at a low concentration. The impurity contained in the low concentration buried layer 2 The concentration is about 10 14 to 10 16 cm −3 .

ここで、上記した「第1導電型」、「第2導電型」とは、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。   Here, the above-mentioned “first conductivity type” and “second conductivity type” mean different conductivity types (N type, P type). That is, when the first conductivity type is P type, the second conductivity type is N type, and when the first conductivity type is N type, the second conductivity type is P type.

低濃度埋込層2は、平面視で、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を成す。そして低濃度埋込層2は、基体1の表面に略平行で、かつ、この表面から1.5μm程度の深度で1.0μm程度の厚みを伴って基体1の内部に埋め込まれた状態で形成されている。   The low-concentration buried layer 2 has an elongated, substantially rectangular shape formed by two long sides and two short sides in plan view. The low-concentration buried layer 2 is formed so as to be substantially parallel to the surface of the substrate 1 and embedded in the substrate 1 with a thickness of about 1.0 μm at a depth of about 1.5 μm from the surface. Has been.

高濃度層3は、シリコン(Si)層に第2導電型の不純物が高濃度に含有された半導体層であり、この高濃度層3が含有する不純物濃度は1018〜1019cm−3程度となっている。そして、高濃度層3は、平面視で、基体1の表面に略平行で、かつ、低濃度埋込層2の一方の短辺側から他方の短辺側にわたって伸びている略矩形状に形成されている。 The high concentration layer 3 is a semiconductor layer in which a second conductivity type impurity is contained at a high concentration in a silicon (Si) layer, and the impurity concentration contained in the high concentration layer 3 is about 10 18 to 10 19 cm −3. It has become. The high-concentration layer 3 is formed in a substantially rectangular shape that is substantially parallel to the surface of the substrate 1 and extends from one short side of the low-concentration buried layer 2 to the other short side in plan view. Has been.

引き出し部4は、第2導電型の不純物が高濃度に含有された半導体層であり、この引き出し部4が含有する不純物濃度は1019cm−3程度となっている。この引き出し部4は、電極6とともに、平面視で、低濃度埋込層2の一方の短辺側に形成されている。そして、引き出し部4は、高濃度層3に接合し、高濃度層3と、基体1の表面とを連通するように形成されている。 The lead portion 4 is a semiconductor layer containing a high concentration of the second conductivity type impurity, and the impurity concentration contained in the lead portion 4 is about 10 19 cm −3 . The lead portion 4 is formed along with the electrode 6 on one short side of the low-concentration buried layer 2 in plan view. The lead portion 4 is joined to the high concentration layer 3 so as to communicate the high concentration layer 3 with the surface of the substrate 1.

ここで、上記した基体1、低濃度埋込層2、高濃度層3および引き出し部4の各不純物濃度と、低濃度埋込層2の埋め込み位置および厚さと、高濃度層3の埋め込み位置および厚さとは、基体1と低濃度埋込層2との界面(PN接合面)周辺に形成される空乏層が所望の形状となるよう詳細設定される。具体的には、図2に示すように、暗電流の低減化を図るため、基体1と低濃度埋込層2との界面周辺に形成される空乏層Aが、基体1とシリコン熱酸化膜5との界面には達しない程度に低濃度埋込層2を広く包含する領域に形成されるように詳細設定される。さらに、低濃度埋込層2の周囲だけでなく、低濃度埋込層2の内部にも空乏層Aが形成されるような設定が、光感度の向上を図るうえで好ましい。ここで、実際には、空乏層Aには高濃度層3の占める領域は含まれない。   Here, the impurity concentration of the substrate 1, the low concentration buried layer 2, the high concentration layer 3 and the lead portion 4, the buried position and thickness of the low concentration buried layer 2, the buried position of the high concentration layer 3, and The thickness is set in detail so that the depletion layer formed around the interface (PN junction surface) between the substrate 1 and the low-concentration buried layer 2 has a desired shape. Specifically, as shown in FIG. 2, in order to reduce the dark current, the depletion layer A formed around the interface between the substrate 1 and the low concentration buried layer 2 is formed of the substrate 1 and the silicon thermal oxide film. 5 is set in detail so as to be formed in a region widely including the low-concentration buried layer 2 so as not to reach the interface with 5. Furthermore, it is preferable to improve the photosensitivity so that the depletion layer A is formed not only around the low concentration buried layer 2 but also inside the low concentration buried layer 2. In practice, the depletion layer A does not include the region occupied by the high concentration layer 3.

上記構成のホトダイオード10では、電極6,7間に電圧が印加された状態で空乏層A内に光が入射すると、この空乏層A内において入射光に応じたキャリアが発生する。このキャリアは、高濃度層3および引き出し部4を移動して電極6に到達し、この電極6によって電荷が抽出される。   In the photodiode 10 configured as described above, when light is incident on the depletion layer A with a voltage applied between the electrodes 6 and 7, carriers corresponding to the incident light are generated in the depletion layer A. The carriers move through the high concentration layer 3 and the lead portion 4 to reach the electrode 6, and charges are extracted by the electrode 6.

以上説明したように、本実施形態に係るホトダイオードによれば、空乏層Aが、基体1とシリコン熱酸化膜5との界面には達しないので、この界面近傍に生じる暗電流(ノイズ)の増大化が抑制可能となる。そして、低濃度埋込層2の内部には、低濃度埋込層2と同じ導電型の不純物を高濃度(低電気抵抗)に含む高濃度層3が形成されている。このため、本実施形態のように低濃度埋込層2を細長い略矩形状に設けた場合であっても、入射光に応じて発生したキャリアが、電気抵抗の低い高濃度層3および引き出し部4を移動して電極6に到達できるので、電気抵抗の高い低濃度埋込層2の内部を長い距離(例えば長辺の長さに相当する距離)を移動する、という現象が生じにくくなる。このため、光応答速度の向上が図られる。しかも、低濃度埋込層2が含有する不純物濃度が低濃度であるため、空乏層Aが、低濃度埋込層2の周囲だけでなく、低濃度埋込層2の内部(低濃度埋込層2の内部に高濃度層3が含まれている場合には、高濃度層3の占める領域は除かれる)を含む広い領域にわたって形成されることとなる。このため、広い波長領域にわたって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、低ノイズで速い光応答速度を有するとともに、さらに、高い光感度を有するホトダイオードが実現できる。   As described above, according to the photodiode according to the present embodiment, the depletion layer A does not reach the interface between the substrate 1 and the silicon thermal oxide film 5, and therefore an increase in dark current (noise) generated in the vicinity of this interface. Can be suppressed. A high concentration layer 3 containing impurities of the same conductivity type as the low concentration buried layer 2 at a high concentration (low electric resistance) is formed inside the low concentration buried layer 2. For this reason, even when the low-concentration buried layer 2 is provided in an elongated and substantially rectangular shape as in the present embodiment, carriers generated according to incident light are generated by the high-concentration layer 3 and the lead-out portion having a low electrical resistance. 4 can be moved to reach the electrode 6, the phenomenon of moving a long distance (for example, a distance corresponding to the length of the long side) inside the low-concentration buried layer 2 having a high electrical resistance is less likely to occur. For this reason, improvement in the optical response speed is achieved. Moreover, since the impurity concentration contained in the low-concentration buried layer 2 is low, the depletion layer A is not only around the low-concentration buried layer 2 but also inside the low-concentration buried layer 2 (low-concentration buried layer). When the high-concentration layer 3 is included in the layer 2, the region occupied by the high-concentration layer 3 is excluded). For this reason, high photosensitivity can be realized over a wide wavelength region. That is, according to the photodiode 10 according to the present embodiment, it is possible to realize a photodiode having low noise and high optical response speed and further having high photosensitivity.

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が低濃度埋込層2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6は、低濃度埋込層2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ため、多数のホトダイオード10が高密度に配置されている。   Next, the photodiode array according to the present embodiment will be described. The basic configuration of the photodiode array according to the present embodiment includes a plurality of the photodiodes 10 described above, and the photodiodes 10 are arranged on the substrate surface so that the long sides forming the planar shape of the low concentration buried layer 2 are adjacent to each other. It is arranged in parallel with the density. In this case, since the electrodes 6 for extracting the carrier charges generated in the photodiode 10 are provided on one short side in the planar shape of the low concentration buried layer 2, a large number of photodiodes 10 have a high density. Is arranged.

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3に示す。図3(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。   FIG. 3 shows four types of photodiode arrays having the above basic configuration. 3A to 3D are all plan views showing the photodiode array according to the present embodiment.

図3(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が低濃度埋込層2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3(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が低濃度埋込層2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3に示す例では二列)設けたものである。   The photodiode array 21 shown in FIG. 3A is a monolithic type, and a plurality of photodiodes 10 connected to the shift register 20b are arranged so that the long sides forming the planar shape of the low concentration buried layer 2 are adjacent to each other. Are arranged in parallel on the surface of the substrate 20a. The photodiode array 22 shown in FIG. 3B is also of a monolithic type, and a plurality of photodiodes 10 connected to the shift register 20b are adjacent to each other in the long side forming the planar shape of the low concentration buried layer 2. In this way, a plurality of rows (two rows in the example shown in FIG. 3) arranged in parallel on the surface of the substrate 20a are provided.

また、図3(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が低濃度埋込層2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3(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3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が低濃度埋込層2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。   The photodiode array 23 shown in FIG. 3C has a separate chip structure, and a plurality of photodiodes 10 connected to the readout circuit 20c have long sides forming the planar shape of the low concentration buried layer 2 mutually. These are arranged in parallel on the surface of the substrate 20a so as to be adjacent to each other. The photodiode array 24 shown in FIG. 3 (d) has a separate chip structure, but has a plurality of substrates 20a (two in the example shown in FIG. 3). A plurality of photodiodes 10 connected to the circuit 20c are arranged in parallel in a row so that the long sides forming the planar shape of the low concentration buried layer 2 are adjacent to each other.

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。   Here, the monolithic type includes a shift register 20b on a substrate 20a, and the shift register 20b can output the amount of light received by the photodiode 10 as digital data. On the other hand, the chip-separated structure is a photodiode array having a configuration in which a semiconductor chip (in this case, a read circuit 20c including the shift register 20b) is provided separately from the substrate 20a. The circuit 20c and each photodiode 10 provided on the substrate 20a are electrically connected by a wire 20d.

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。   According to the photodiode arrays 21 to 24, the photodiodes 10 can be arranged on the substrate 20a with high density, so that high wavelength resolution can be realized.

次に、図4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4は、本実施形態に係る分光器を示す斜視図である。   Next, the spectrometer 30 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a perspective view showing the spectrometer according to the present embodiment.

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。   As shown in the figure, the spectroscope 30 includes an optical fiber 31, an incident part 32, a diffraction grating part 33, a mirror 34, a base 35, a light detection means 36, and the like. The incident part 32 fixes the end of the optical fiber 31, the diffraction grating part 33 as a spectroscopic means diffracts the light incident through the optical fiber 31, and the mirror 34 causes the light incident from the optical fiber 31 to enter the diffraction grating part 33. The light reflected by the diffraction grating portion 33 is reflected toward the light detection means 36. The light detection means 36 is for converting the amount of light diffracted by the diffraction grating section 33 into an electrical signal for each wavelength, and any one of the photodiode arrays 21 to 24 according to the present embodiment is used. . The incident portion 32, the diffraction grating portion 33, the mirror 34, and the light detection means 36 are installed on the base 35.

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)が、複数のホトダイオード10を高密度に配置した形で有し、さらに、このホトダイオード10が、低暗電流(低ノイズ)、高い光感度および速い光応答速度を有するので、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。   As described above, in the spectroscope 30 using the photodiode arrays 21 to 24 according to the present embodiment as the light detection means, the light detection means 36 (that is, any one of the photodiode arrays 21 to 24) has the plurality of photodiodes 10 high. Further, the photodiode 10 has a low dark current (low noise), high photosensitivity, and fast photoresponse speed, so that it becomes a highly accurate spectroscope having high wavelength resolution.

次に、図5を参照して、本実施形態に係るホトダイオード10の製造方法について説明する。図5は、本実施形態に係るホトダイオードの製造方法を説明するための図であり、同図(a)〜(c)は平面視で長辺方向のホトダイオードの断面図であり、同図(d)〜(f)の各々は、それぞれ、同図(a)〜(c)に示す各製造工程における不純物濃度プロファイルを示す図であり、何れも、横軸は不純物濃度の対数値を示し、縦軸は表面からの深さを示す。   Next, a method for manufacturing the photodiode 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a view for explaining the photodiode manufacturing method according to this embodiment. FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views of the photodiode in the long side direction in plan view. ) To (f) are diagrams showing impurity concentration profiles in the respective manufacturing steps shown in FIGS. (A) to (c), in which the horizontal axis indicates the logarithmic value of the impurity concentration, The axis indicates the depth from the surface.

まず、図5(a)に示すように、基体1の表面に形成されたシリコン熱酸化膜5aに対し、エッチング等の方法によって低濃度埋込層2の形成予定領域に対応する開口部8aを形成する。そして、低濃度埋込層2の形状、形成位置および不純物濃度を特定するための、不純物の注入エネルギーと、不純物のビーム電流と、このビーム電流の照射時間と、を含む第1の不純物注入条件を用いて、第2導電型の不純物を上記開口部8aからイオン注入法を用いて注入する。その後、アニール処理して低濃度埋込層2を形成し、シリコン熱酸化膜5aを除去する。   First, as shown in FIG. 5A, an opening 8a corresponding to a region where the low-concentration buried layer 2 is to be formed is formed on the silicon thermal oxide film 5a formed on the surface of the substrate 1 by a method such as etching. Form. Then, a first impurity implantation condition including an impurity implantation energy, an impurity beam current, and an irradiation time of the beam current for specifying the shape, formation position, and impurity concentration of the low concentration buried layer 2 Then, the second conductivity type impurity is implanted from the opening 8a using the ion implantation method. Thereafter, annealing is performed to form the low concentration buried layer 2, and the silicon thermal oxide film 5a is removed.

ここで、第1の不純物注入条件を用いて注入する第1の不純物濃度プロファイルを図5(d)に示す。図5(d)に示す不純物濃度プロファイルは、基体1の表面に垂直な低濃度埋込層2を含む断面に対する不純物濃度プロファイルである。図5(d)に示すように、第1の不純物注入条件を用いて注入される不純物濃度は、基体1の内部における低濃度埋込層2の形成領域に対応した範囲内(それぞれ例えば0.5〜1.5μm程度の深さA11,A12の間)で例えば1014〜1016cm−3程度の略一定値B1をとる。 Here, FIG. 5D shows a first impurity concentration profile implanted using the first impurity implantation condition. The impurity concentration profile shown in FIG. 5D is an impurity concentration profile for a cross section including the low concentration buried layer 2 perpendicular to the surface of the substrate 1. As shown in FIG. 5D, the impurity concentration implanted using the first impurity implantation condition is within the range corresponding to the formation region of the low-concentration buried layer 2 inside the substrate 1 (for example, 0. For example, a substantially constant value B1 of about 10 14 to 10 16 cm −3 is obtained at a depth of about 5 to 1.5 μm (between depths A11 and A12).

次に、図5(b)に示すように、基体1の表面に新たに形成されたシリコン熱酸化膜5bに対し、エッチング等の方法によって高濃度層3の形成予定領域に対応する開口部8bを形成する。そして、高濃度層3の形状、形成位置および不純物濃度を特定するための、不純物の注入エネルギーと、不純物のビーム電流と、このビーム電流の照射時間と、を含む第2の不純物注入条件のもとで、第2導電型の不純物を上記開口部8bからイオン注入法を用いて注入し、その後、アニール処理して高濃度層3を形成する。そして、シリコン熱酸化膜5bを除去する。   Next, as shown in FIG. 5B, an opening 8b corresponding to a region where the high-concentration layer 3 is to be formed by etching or the like with respect to the silicon thermal oxide film 5b newly formed on the surface of the substrate 1. Form. The second impurity implantation conditions including the impurity implantation energy, the impurity beam current, and the irradiation time of the beam current for specifying the shape, formation position and impurity concentration of the high concentration layer 3 are also obtained. Then, a second conductivity type impurity is implanted from the opening 8b by using an ion implantation method, and then annealed to form the high concentration layer 3. Then, the silicon thermal oxide film 5b is removed.

ここで、第2の不純物注入条件を用いて注入する第2の不純物濃度プロファイルを図5(e)に示す。図5(e)に示すプロファイルは、基体1の表面に垂直な高濃度層3を含む断面に対する不純物濃度プロファイルである。図5(e)に示すように、第2の不純物注入条件を用いて注入される不純物濃度は、低濃度埋込層2内における高濃度層3の形成領域に対応した範囲内(それぞれ例えば0.7〜1.2μm程度の深さA21,A22の間)で例えば1018〜1019cm−3程度の略一定値B2をとる。この値B2は、上記した値B1よりも大きい。この第2の不純物濃度プロファイルによれば、高濃度層3は、低濃度埋込層2よりも高い不純物濃度で低濃度埋込層2の内部に形成される。 Here, FIG. 5E shows a second impurity concentration profile implanted using the second impurity implantation condition. The profile shown in FIG. 5E is an impurity concentration profile for a cross section including the high concentration layer 3 perpendicular to the surface of the substrate 1. As shown in FIG. 5E, the impurity concentration implanted using the second impurity implantation condition is in a range corresponding to the formation region of the high-concentration layer 3 in the low-concentration buried layer 2 (for example, 0 for each). A substantially constant value B2 of about 10 18 to 10 19 cm −3 , for example, between depths A 21 and A 22 of about 7 to 1.2 μm. This value B2 is larger than the above-described value B1. According to the second impurity concentration profile, the high concentration layer 3 is formed inside the low concentration buried layer 2 with a higher impurity concentration than the low concentration buried layer 2.

次に、図5(c)に示すように、基体1の表面に新たに形成されたシリコン熱酸化膜5cに対し、エッチング等の方法によって引き出し部4の形成予定領域に対応する開口部8cを形成する。そして、引き出し部4の形状、形成位置および不純物濃度を特定するための、不純物の注入エネルギーと、不純物のビーム電流と、このビーム電流の照射時間と、を含む第3の不純物注入条件のもとで、第2導電型の不純物を上記開口部8cからイオン注入法を用いて注入し、その後、アニール処理して引き出し部4を形成する。そしてこの後、シリコン熱酸化膜5cの表面であって開口部8cを含む領域に電極6を形成する。この場合、電極6は、開口部8cを介して引き出し部4と電気的に接続するように形成される。さらに、基体1の他の表面に電極7を形成する。以上によりホトダイオード10が形成される。   Next, as shown in FIG. 5C, an opening 8c corresponding to a region where the extraction portion 4 is to be formed is formed on the silicon thermal oxide film 5c newly formed on the surface of the substrate 1 by a method such as etching. Form. Then, under the third impurity implantation conditions including the impurity implantation energy, the impurity beam current, and the irradiation time of the beam current for specifying the shape, formation position, and impurity concentration of the lead portion 4. Then, impurities of the second conductivity type are implanted from the opening 8c using an ion implantation method, and then annealed to form the lead portion 4. Thereafter, the electrode 6 is formed on the surface of the silicon thermal oxide film 5c and in the region including the opening 8c. In this case, the electrode 6 is formed so as to be electrically connected to the lead portion 4 through the opening 8c. Further, the electrode 7 is formed on the other surface of the base 1. Thus, the photodiode 10 is formed.

ここで、第3の不純物注入条件を用いて注入する第3の不純物濃度プロファイルを図5(f)に示す。図5(f)に示すプロファイルは、基体1の表面に垂直な引き出し部4を含む断面に対する不純物濃度プロファイルである。図5(f)に示すように、第3の不純物注入条件を用いて注入される不純物濃度は、基体1内における引き出し部4の形成領域に対応した範囲内(基体1の表面から図中符号A3に示す例えば0.7〜1.2μm程度の深さに至るまでの範囲内)で例えば1019cm−3程度の略一定値B3をとる。値B3は、上記した値B2と略同一である。この第3の不純物濃度プロファイルによれば、引き出し部4は、高濃度層3と略同一であって低濃度埋込層2よりも高い不純物濃度で、基体1の表面から高濃度層3に至るまでの領域に形成される。 Here, FIG. 5F shows a third impurity concentration profile implanted using the third impurity implantation condition. The profile shown in FIG. 5F is an impurity concentration profile for a cross section including the lead portion 4 perpendicular to the surface of the substrate 1. As shown in FIG. 5F, the impurity concentration implanted using the third impurity implantation condition is within a range corresponding to the region where the lead portion 4 is formed in the substrate 1 (from the surface of the substrate 1 in the figure). A substantially constant value B3 of, for example, about 10 19 cm −3 is taken within a range of, for example, a depth of about 0.7 to 1.2 μm shown in A3. The value B3 is substantially the same as the value B2 described above. According to the third impurity concentration profile, the lead portion 4 reaches the high concentration layer 3 from the surface of the substrate 1 at substantially the same concentration as the high concentration layer 3 and at a higher impurity concentration than the low concentration buried layer 2. It is formed in the area up to.

なお、本発明は、上記した本実施形態に係るホトダイオード10、ホトダイオードアレイ21〜24および分光器30や、ホトダイオード10の製造方法に限らず、その詳細構成や詳細動作、そして詳細な製造工程については変更可能である。例えば、低濃度埋込層2は、平面状の複数の高濃度層が互いに略平行となって低濃度埋込層2の内部に埋め込まれたものであっても良い。また、低濃度埋込層2の平面形状については、上記した矩形状に限らず、例えば、細長い楕円形など、他の形状であっても良い。   The present invention is not limited to the manufacturing method of the photodiode 10, the photodiode arrays 21 to 24 and the spectroscope 30 and the photodiode 10 according to the above-described embodiment, and the detailed configuration, detailed operation, and detailed manufacturing process are not limited. It can be changed. For example, the low-concentration buried layer 2 may be a plurality of planar high-concentration layers embedded in the low-concentration buried layer 2 so as to be substantially parallel to each other. Further, the planar shape of the low-concentration buried layer 2 is not limited to the above-described rectangular shape, and may be another shape such as an elongated ellipse.

<ホトダイオードに係る変形例>
また、ホトダイオード10に替えて、図6〜図8に示すホトダイオード10a〜10cを用いてもよい。ここで、図6(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III−III矢印方向の断面構造を示す図であり、同図(c)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。
<Modifications related to photodiodes>
Further, photodiodes 10a to 10c shown in FIGS. 6 to 8 may be used in place of the photodiode 10. Here, FIG. 6A is a plan view showing a photodiode as a first modification according to the present embodiment, and FIG. 6B is a cross section taken along the direction of the arrow III-III shown in FIG. It is a figure which shows a structure, The figure (c) is a figure which shows the cross-section of the IV-IV arrow direction shown to the figure (a).

そして、図7(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V−V矢印方向の断面構造を示す図であり、同図(c)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。そして、図8(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VII−VII矢印方向の断面構造を示す図であり、同図(c)は同図(a)に示すVIII−VIII矢印方向の断面構造を示す図である。   FIG. 7A is a plan view showing a photodiode as a second modification according to the present embodiment, and FIG. 7B is a cross-sectional structure in the direction of arrows V-V shown in FIG. FIG. 10C is a diagram showing a cross-sectional structure in the direction of the arrow VI-VI shown in FIG. FIG. 8A is a plan view showing a photodiode as a third modification according to the present embodiment, and FIG. 8B is a cross-sectional structure in the direction of arrow VII-VII shown in FIG. (C) is a figure which shows the cross-section of the VIII-VIII arrow direction shown to the same figure (a).

まず、図6に示すホトダイオード10aは、平面視で、低濃度埋込層2の略中央において長辺方向に伸びる一本の線状領域を有する形に高濃度層3aが形成されたものであり、この点を除けば、本実施形態に係るホトダイオード10と同様の構成となっている。また、図7に示すホトダイオード10bは、平面視で、低濃度埋込層2の二つの長辺の各々に沿って伸びる二本の線状領域を有する形に高濃度層3bが形成されたものであり、この点を除けば、本実施形態に係るホトダイオード10と同様の構成となっている。また、図8に示すホトダイオード10cは、平面視で、低濃度埋込層2の二つの長辺の各々に沿って伸びる二本の線状領域と、低濃度埋込層2の略中央において長辺方向に伸びる一本の線状領域と、を含む形に高濃度層3cが形成されたものであり、この点を除けば、本実施形態に係るホトダイオード10と同様の構成となっている。   First, the photodiode 10a shown in FIG. 6 has a high-concentration layer 3a formed in a shape having one linear region extending in the long-side direction at the approximate center of the low-concentration buried layer 2 in plan view. Except for this point, the configuration is the same as that of the photodiode 10 according to the present embodiment. Further, the photodiode 10b shown in FIG. 7 has a high concentration layer 3b formed in a shape having two linear regions extending along two long sides of the low concentration buried layer 2 in a plan view. Except for this point, the configuration is the same as that of the photodiode 10 according to the present embodiment. Further, the photodiode 10c shown in FIG. 8 has two linear regions extending along each of the two long sides of the low-concentration buried layer 2 and a long portion substantially at the center of the low-concentration buried layer 2 in plan view. The high-concentration layer 3c is formed so as to include one linear region extending in the side direction. Except for this point, the configuration is the same as that of the photodiode 10 according to the present embodiment.

したがって、上記ホトダイオード10a〜10cによれば、高濃度層3a〜3cが一〜三本の長辺方向に伸びる線状領域を有する形に形成されるため、低濃度埋込層2の内部において高濃度層3aが占める領域が、上記したホトダイオード10の高濃度層3が占める領域に比較して縮小化される。このため、低濃度埋込層2の内部における空乏層が占める領域がホトダイオード10の場合に比較して拡大化されるので、広い波長領域にわたってより高い光感度が実現できる。さらに、ホトダイオード10b,10cについては、高濃度層3b、3cがそれぞれ二本、三本の線状領域を有する形に各々形成されるため、ホトダイオード10aの場合に比較して、高濃度層3aを介して移動するキャリアが多くなる。これにより、広い波長領域に対して高い光感度を保持しつつ、より速い光応答速度が実現できる。   Therefore, according to the photodiodes 10a to 10c, the high concentration layers 3a to 3c are formed in a shape having one to three linear regions extending in the long side direction. The region occupied by the concentration layer 3a is reduced as compared with the region occupied by the high concentration layer 3 of the photodiode 10 described above. For this reason, since the region occupied by the depletion layer in the low concentration buried layer 2 is enlarged as compared with the case of the photodiode 10, higher photosensitivity can be realized over a wide wavelength region. Further, for the photodiodes 10b and 10c, the high-concentration layers 3b and 3c are respectively formed in a shape having two or three linear regions, so that the high-concentration layer 3a is formed in comparison with the photodiode 10a. The number of carriers that move through the network increases. As a result, a higher light response speed can be realized while maintaining high light sensitivity over a wide wavelength region.

なお、上記した線状領域の数は、一〜三本に限らず、四本以上であってもよい。特に、この線状領域の断面径を小さく設定すれば、低濃度埋込層2内における全線状領域の占める容積、すなわち高濃度層の占める容積を増加させることなく、より多数の線状領域を設けることも可能である。このような多数の線状領域を低濃度埋込層2の内部に均等に設けることにより、低濃度埋込層2内の空乏層で発生するキャリア電荷が、高濃度層3にさらに到達し易くなる。このため、より速い光応答速度が実現できる。   Note that the number of the linear regions described above is not limited to one to three, and may be four or more. In particular, if the cross-sectional diameter of the linear region is set small, a larger number of linear regions can be formed without increasing the volume occupied by the entire linear region in the low concentration buried layer 2, that is, the volume occupied by the high concentration layer. It is also possible to provide it. By providing such a large number of linear regions evenly in the low concentration buried layer 2, carrier charges generated in the depletion layer in the low concentration buried layer 2 can more easily reach the high concentration layer 3. Become. For this reason, a faster optical response speed can be realized.

また、図11に示すように、本発明に係るホトダイオードは、基体1の表面(基体1とシリコン熱酸化膜5との界面近傍)に高濃度層3が形成され、さらに、この高濃度層3の下層側であって、この高濃度層3に接合した状態で低濃度埋込層2が形成された構成であっても良い。ここで、図11は、ホトダイオードの断面を表している。このような構成であっても、基体1の表面には高濃度不純物を含有する高濃度層3が形成されているため、基体1の表面近傍における暗電流発生領域に空乏層Aが形成されず、このため、暗電流の増大化が抑制可能となる。この場合、広い波長領域の入射光に対する感度向上を図るため、高濃度層3の厚みをできるだけ薄くして、空乏層(この場合、低濃度埋込層2の内部に形成される空乏層)を、シリコン熱酸化膜5との界面にできるだけ近づけるように形成するのが好ましい。   As shown in FIG. 11, in the photodiode according to the present invention, a high concentration layer 3 is formed on the surface of the substrate 1 (near the interface between the substrate 1 and the silicon thermal oxide film 5). Alternatively, the low-concentration buried layer 2 may be formed in a state of being bonded to the high-concentration layer 3. Here, FIG. 11 shows a cross section of the photodiode. Even in such a configuration, the depletion layer A is not formed in the dark current generation region in the vicinity of the surface of the substrate 1 because the high concentration layer 3 containing high concentration impurities is formed on the surface of the substrate 1. For this reason, an increase in dark current can be suppressed. In this case, in order to improve the sensitivity to incident light in a wide wavelength region, the thickness of the high concentration layer 3 is made as thin as possible, and a depletion layer (in this case, a depletion layer formed inside the low concentration buried layer 2) is formed. It is preferable to form it as close as possible to the interface with the silicon thermal oxide film 5.

<製造方法に係る第1の変形例>
また、上記したホトダイオード10の製造方法に替えて、図9、図10に示す他の二つの製造方法の何れかを用いても良い。図9(a)〜(f)は、ホトダイオードの製造方法に係る第1の変形例を説明するための図であり、図10(a)〜(d)は、第2の変形例を説明するための図である。なお、図9(a)〜(d)と、図10(a)〜(d)とは、何れも、ホトダイオードの断面を表している。
<First Modification Related to Manufacturing Method>
Further, any one of the other two manufacturing methods shown in FIGS. 9 and 10 may be used instead of the manufacturing method of the photodiode 10 described above. FIGS. 9A to 9F are views for explaining a first modification example relating to a method for manufacturing a photodiode, and FIGS. 10A to 10D explain a second modification example. FIG. 9A to 9D and FIGS. 10A to 10D each represent a cross section of a photodiode.

まず、図9(a)〜(f)に基づいて、ホトダイオードの製造方法に係る第1の変形例について説明する。図9(a)に示すように、基板層1aの表面にシリコン熱酸化膜5aを形成し、このシリコン熱酸化膜5aに対し、エッチング等の方法によって低濃度埋込層2a(形成途中の低濃度埋込層2を表している)の形成予定領域に対応する開口部8aを形成し、そして、熱拡散法またはイオン注入法を用いて、低濃度埋込層2aを基板層1aの表面に形成する。ここで基板層1aは、基体1を構成するものであって、基体1と同じ導電型で同濃度の不純物を含有するシリコン層である。低濃度埋込層2をイオン注入法によって形成する場合には、低濃度埋込層2aの形状、形成位置および不純物濃度を特定するための、不純物の注入エネルギーと、不純物のビーム電流と、このビーム電流の照射時間と、を含む第4の不純物注入条件のもとで、第2導電型の不純物を上記開口部8aからイオン注入法を用いて注入し、その後、アニール処理して低濃度埋込層2aを形成する。その後、シリコン熱酸化膜5aを除去する。   First, based on FIGS. 9A to 9F, a first modification example relating to a method for manufacturing a photodiode will be described. As shown in FIG. 9A, a silicon thermal oxide film 5a is formed on the surface of the substrate layer 1a, and the silicon thermal oxide film 5a is formed on the low-concentration buried layer 2a (low in the formation process) by a method such as etching. Opening 8a corresponding to the formation planned region (representing concentration buried layer 2) is formed, and low concentration buried layer 2a is formed on the surface of substrate layer 1a using thermal diffusion or ion implantation. Form. Here, the substrate layer 1 a is a silicon layer that constitutes the base 1 and contains impurities of the same conductivity type and the same concentration as the base 1. When the low-concentration buried layer 2 is formed by an ion implantation method, the impurity implantation energy, the impurity beam current, and the impurity current for specifying the shape, formation position, and impurity concentration of the low-concentration buried layer 2a, Under the fourth impurity implantation conditions including the irradiation time of the beam current, the second conductivity type impurity is implanted from the opening 8a using the ion implantation method, and then annealed to fill the low concentration. The embedded layer 2a is formed. Thereafter, the silicon thermal oxide film 5a is removed.

ここで、第4の不純物注入条件を用いて注入する第4の不純物濃度プロファイルを図9(e)に示す。図9(e)に示す不純物濃度プロファイルは、基体1の表面に垂直な低濃度埋込層2aを含む断面に対する不純物濃度プロファイルである。図9(e)に示すように、第4の不純物注入条件を用いて注入される不純物濃度は、基板層1a内における低濃度埋込層2aの形成領域に対応した範囲内(基板層1aの表面から例えば0.5μm程度の深さA4に至るまでの範囲内)で上記した略一定値B1をとる。この第4の不純物濃度プロファイルによれば、低濃度埋込層2aは、基板層1aの表面から深さA4に至るまでの領域に形成される。   Here, FIG. 9E shows a fourth impurity concentration profile implanted using the fourth impurity implantation condition. The impurity concentration profile shown in FIG. 9E is an impurity concentration profile for a cross section including the low-concentration buried layer 2 a perpendicular to the surface of the substrate 1. As shown in FIG. 9E, the impurity concentration implanted using the fourth impurity implantation condition is within a range corresponding to the formation region of the low-concentration buried layer 2a in the substrate layer 1a (the substrate layer 1a The above-mentioned substantially constant value B1 is taken in the range from the surface to a depth A4 of about 0.5 μm, for example. According to the fourth impurity concentration profile, the low concentration buried layer 2a is formed in a region from the surface of the substrate layer 1a to the depth A4.

次に、図9(b)に示すように、基板層1aの表面にシリコン熱酸化膜5bを新たに形成し、このシリコン熱酸化膜5bに対し、エッチング等の方法によって高濃度層3d(形成途中の高濃度層3を表している)の形成予定領域に対応する開口部8bを形成し、そして、熱拡散法またはイオン注入法を用いて、低濃度埋込層2aの表面に高濃度層3dを形成する。高濃度層3dをイオン注入法によって形成する場合には、上記したホトダイオード10の製造工程の場合と同様に、高濃度層3dの形状、形成位置および不純物濃度を特定するための、不純物の注入エネルギーと、不純物のビーム電流と、このビーム電流の照射時間と、を含む第5の不純物注入条件のもとで、第2導電型の不純物を上記開口部8bからイオン注入法を用いて注入し、その後、アニール処理して高濃度層3dを形成する。その後、シリコン熱酸化膜5bを除去する。   Next, as shown in FIG. 9B, a silicon thermal oxide film 5b is newly formed on the surface of the substrate layer 1a, and the high concentration layer 3d (formation) is formed on the silicon thermal oxide film 5b by a method such as etching. The opening 8b corresponding to the formation planned region of the high-concentration layer 3 in the middle) is formed, and the high-concentration layer is formed on the surface of the low-concentration buried layer 2a using the thermal diffusion method or the ion implantation method 3d is formed. When the high concentration layer 3d is formed by the ion implantation method, the impurity implantation energy for specifying the shape, formation position and impurity concentration of the high concentration layer 3d is the same as in the manufacturing process of the photodiode 10 described above. Then, a second conductivity type impurity is implanted from the opening 8b using an ion implantation method under a fifth impurity implantation condition including an impurity beam current and an irradiation time of the beam current. Thereafter, annealing is performed to form the high concentration layer 3d. Thereafter, the silicon thermal oxide film 5b is removed.

ここで、第5の不純物注入条件を用いて注入する第5の不純物濃度プロファイルを図9(f)に示す。図9(f)に示すプロファイルは、基体1の表面に垂直な高濃度層3dを含む断面に対する不純物濃度プロファイルである。図9(f)に示すように、第5の不純物注入条件を用いて注入される不純物濃度は、低濃度埋込層2a内における高濃度層3dの形成領域に対応した範囲内(低濃度埋込層2aの表面から例えば0.2μm程度の深さA5に至るまでの範囲内)で上記した略一定値B2をとる。この第5の不純物濃度プロファイルによれば、高濃度層3dは、低濃度埋込層2aよりも高い不純物濃度で低濃度埋込層2aの内部に形成される。   Here, FIG. 9F shows a fifth impurity concentration profile implanted using the fifth impurity implantation condition. The profile shown in FIG. 9F is an impurity concentration profile for a cross section including the high concentration layer 3 d perpendicular to the surface of the substrate 1. As shown in FIG. 9 (f), the impurity concentration implanted using the fifth impurity implantation condition is within the range corresponding to the formation region of the high concentration layer 3d in the low concentration buried layer 2a (low concentration implantation). The above-mentioned substantially constant value B2 is taken in the range from the surface of the buried layer 2a to the depth A5 of about 0.2 μm, for example. According to the fifth impurity concentration profile, the high concentration layer 3d is formed inside the low concentration buried layer 2a with a higher impurity concentration than the low concentration buried layer 2a.

次に、図9(c)に示すように、基板層1aの表面にエピタキシャル成長させて、基板層1aと同じ導電型で同濃度の不純物を含有するエピタキシャル層1bを形成するとともに、このエピタキシャル層の形成過程において、上記図9(a),(b)を用いて説明したイオン注入法を繰り返し用いることにより、低濃度埋込層2と、その内部に埋め込まれる高濃度層3とを形成する。そして、基板層1aと、このエピタキシャル層1bとによって基体1が構成される。その後、上記した本実施形態に係るホトダイオード10の製造方法と同様にして(図5(c),(f)を参照)、図9(d)に示すように引き出し部4を形成し、さらに、電極6,7を形成する。以上によりホトダイオード10が形成される。   Next, as shown in FIG. 9C, epitaxial growth is performed on the surface of the substrate layer 1a to form an epitaxial layer 1b having the same conductivity type and containing the same concentration of impurities as the substrate layer 1a. In the formation process, the ion implantation method described with reference to FIGS. 9A and 9B is repeatedly used to form the low concentration buried layer 2 and the high concentration layer 3 buried therein. The substrate 1 is composed of the substrate layer 1a and the epitaxial layer 1b. Thereafter, in the same manner as in the method of manufacturing the photodiode 10 according to the above-described embodiment (see FIGS. 5C and 5F), the lead portion 4 is formed as shown in FIG. Electrodes 6 and 7 are formed. Thus, the photodiode 10 is formed.

<製造方法に係る第2の変形例>
次に、図10(a)〜(d)に基づいて、ホトダイオードの製造方法に係る第2の変形例について説明する。まず、上記した第1の変形例の場合と同様にして(図9(a),(e)を参照)、図10(a)に示すように、基板層1aの表面に低濃度埋込層2aを形成する。次に、基板層1aの表面にエピタキシャル成長させて、基板層1aと同じ導電型で同濃度の不純物を含有するエピタキシャル層1bを形成するとともに、このエピタキシャル層の形成過程において、上記図9(a)を用いて説明したイオン注入法を繰り返し用いることにより低濃度埋込層2を形成する。そして、基板層1aとエピタキシャル層1bとによって基体1が構成される。
<Second Modification Related to Manufacturing Method>
Next, based on FIGS. 10A to 10D, a second modification example relating to a method for manufacturing a photodiode will be described. First, as in the case of the first modification described above (see FIGS. 9A and 9E), as shown in FIG. 10A, a low concentration buried layer is formed on the surface of the substrate layer 1a. 2a is formed. Next, epitaxial growth is performed on the surface of the substrate layer 1a to form an epitaxial layer 1b having the same conductivity type and the same concentration of impurities as the substrate layer 1a. The low concentration buried layer 2 is formed by repeatedly using the ion implantation method described with reference to FIG. The substrate 1 is composed of the substrate layer 1a and the epitaxial layer 1b.

次に、上記したホトダイオード10の製造方法と同様にして(図5(b),(e)を参照)、図10(c)に示すように低濃度埋込層2の内部に高濃度層3を形成し、その後、シリコン熱酸化膜5bを除去する。そして、上記したホトダイオード10の製造方法と同様にして(図5(c),(f)を参照)、図10(d)に示すように引き出し部4を形成し、さらに、電極6,7を形成する。以上によりホトダイオード10が形成される。   Next, in the same manner as the manufacturing method of the photodiode 10 described above (see FIGS. 5B and 5E), the high concentration layer 3 is formed inside the low concentration buried layer 2 as shown in FIG. 10C. After that, the silicon thermal oxide film 5b is removed. Then, in the same manner as the manufacturing method of the photodiode 10 described above (see FIGS. 5C and 5F), the lead portion 4 is formed as shown in FIG. Form. Thus, the photodiode 10 is formed.

本実施形態に係るホトダイオードを示す図である。It is a figure which shows the photodiode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードに形成される空乏層の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the depletion layer formed in the photodiode which concerns on this embodiment. 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。It is a top view which shows the photodiode array which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る分光器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the spectrometer which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the photodiode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the photodiode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the photodiode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the photodiode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードの製造方法の変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of the manufacturing method of the photodiode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードの製造方法の変形例を説明するための図であるIt is a figure for demonstrating the modification of the manufacturing method of the photodiode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るホトダイオードの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the photodiode which concerns on this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…基体、1a…基板層、1b…エピタキシャル層、2,2a…低濃度埋込層、3,3a,3b,3c,3d…高濃度層、4…引き出し部、5,5a〜5c…シリコン熱酸化膜、6,7…電極、10,10a〜10c…ホトダイオード、20a…基板、20b…シフトレジスタ、20c…読出し回路、20d…ワイヤ、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。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base | substrate, 1a ... Substrate layer, 1b ... Epitaxial layer, 2, 2a ... Low concentration buried layer, 3, 3a, 3b, 3c, 3d ... High concentration layer, 4 ... Lead-out part, 5, 5a-5c ... Silicon Thermal oxide film, 6, 7 ... Electrode, 10, 10a-10c ... Photodiode, 20a ... Substrate, 20b ... Shift register, 20c ... Read circuit, 20d ... Wire, 21-24 ... Photodiode array, 30 ... Spectroscope, 31 ... Optical fiber, 32... Incident part, 33... Diffraction grating part, 34... Mirror, 35.

Claims (9)

第1導電型の不純物を含有する半導体によって成る基体と、
前記基体の内部に形成されるとともに、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半導体によって成る低濃度埋込層と、
前記低濃度埋込層に連続した領域に形成されるとともに、前記第2導電型の不純物を前記低濃度埋込層よりも高濃度に含有する半導体によって成る高濃度層と、
前記基体の表面から前記高濃度層に至る領域であって該高濃度層に接合するように形成されるとともに、前記第2導電型の不純物を前記低濃度埋込層よりも高濃度に含有する半導体によって成る引き出し部と、を有することを特徴とするホトダイオード。
A substrate made of a semiconductor containing an impurity of the first conductivity type;
A low-concentration buried layer made of a semiconductor formed inside the substrate and containing an impurity of a second conductivity type different from the first conductivity type;
A high-concentration layer formed of a semiconductor formed in a region continuous with the low-concentration buried layer and containing the second conductivity type impurity in a higher concentration than the low-concentration buried layer;
The region extending from the surface of the substrate to the high concentration layer and formed so as to be bonded to the high concentration layer, and containing the second conductivity type impurity in a higher concentration than the low concentration buried layer. A photodiode having a lead portion made of a semiconductor.
前記低濃度埋込層は、平面視で、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ことを特徴とする請求項1に記載のホトダイオード。   2. The photodiode according to claim 1, wherein the low concentration buried layer has a substantially rectangular shape formed by two long sides and two short sides in a plan view. 前記高濃度層は、平面視で、前記低濃度埋込層の長辺方向に沿って伸びる領域が一または複数含まれる形状に形成されていることを特徴とする請求項2に記載のホトダイオード。   3. The photodiode according to claim 2, wherein the high concentration layer is formed in a shape including one or a plurality of regions extending along a long side direction of the low concentration buried layer in a plan view. 前記高濃度層は、平面視で、前記低濃度埋込層の長辺方向に沿って伸びる領域が前記基体表面に略平行な平面状に形成されていることを特徴とする請求項3に記載のホトダイオード。   The high-concentration layer is formed in a planar shape in which a region extending along a long side direction of the low-concentration buried layer is substantially parallel to the substrate surface in plan view. Photodiodes. 前記高濃度層は、平面視で、前記低濃度埋込層の長辺方向に沿って伸びる領域が線状に形成されていることを特徴とする請求項3に記載のホトダイオード。   4. The photodiode according to claim 3, wherein the high-concentration layer has a linear region extending in a long side direction of the low-concentration buried layer in a plan view. 請求項1〜5のうち何れか一項に記載のホトダイオードが基板表面に複数配置されていることを特徴とするホトダイオードアレイ。   6. A photodiode array, wherein a plurality of the photodiodes according to claim 1 are arranged on a substrate surface. 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6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。   A spectroscope comprising: a spectroscopic unit that splits incident light; and the photodiode array according to claim 6 that converts an amount of incident light after the splitting into an electric signal. 第1導電型の不純物を含有する半導体によって構成される基体の内部に、該第1導電型とは異なる第2導電型の不純物を含有する領域が埋め込まれて成るホトダイオードの製造方法であって、
前記第2導電型の不純物イオンを、前記基体内部の第1の領域と、該第1の領域に連続して成る第2の領域と、にイオン注入するイオン注入工程を有し、このイオン注入工程では、前記第2の領域のほうが前記第1の領域よりも不純物濃度が高くなるようにイオン注入することを特徴とするホトダイオードの製造方法。
A method of manufacturing a photodiode, wherein a region containing a second conductivity type impurity different from the first conductivity type is embedded in a substrate composed of a semiconductor containing a first conductivity type impurity,
An ion implantation step of ion-implanting the second conductivity type impurity ions into a first region inside the substrate and a second region formed continuously with the first region; In the process, a method of manufacturing a photodiode, wherein the second region is ion-implanted so that the impurity concentration is higher than that of the first region.
前記イオン注入工程は、
前記第2導電型の不純物イオンを前記第1の領域内部にイオン注入する工程と、
前記第2導電型の不純物イオンを、不純物濃度が前記第1の領域よりも高濃度になるように、前記第2の領域にイオン注入する工程と、
前記第2導電型の不純物イオンを、不純物濃度が前記第2の領域と略同一となるように、前記基体表面から前記第2の領域に連通する第3の領域にイオン注入する工程と、
をさらに有することを特徴とするホトダイオードの製造方法。

The ion implantation step includes
Ion-implanting impurity ions of the second conductivity type into the first region;
Ion-implanting the second conductivity type impurity ions into the second region such that the impurity concentration is higher than that of the first region;
Ion-implanting the second conductivity type impurity ions into the third region communicating with the second region from the surface of the base so that the impurity concentration is substantially the same as that of the second region;
A method for producing a photodiode, further comprising:

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