JP2007150261A - フォトダイオード素子及びフォトダイオードアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】短波長及び長波長の可視光線をそれぞれ高い効率で検出することのできるフォトダイオード素子及びこれを用いたフォトダイオードアレイを提供する。
【解決手段】本発明のフォトダイオード素子１００は、ｐ型シリコン半導体基板１０１上にｎ型埋込層１０６、真性型半導体層１０２、ｐ型半導体層１０３及びｎ型ウェル層１０４を順次形成し、ｎ型埋込層１０６と真性型半導体層１０２とｐ型半導体層１０３が長波長受光用のｐｉｎ接合ダイオードとして機能し、ｐ型半導体層１０３とｎ型ウェル層１０４が短波長受光用のｐｎ接合ダイオードとして機能することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明はフォトダイオード素子に関し、特に短波長及び長波長の可視光線を高い効率で検出することのできる高品質の二重接合フォトダイオード素子及びこれを用いたフォトダイオードアレイに関する。

有無線超高速通信網による画像通信技術とデジタルカメラなどの画像入力及び認識器機の発達につれ、イメージ、カラーまたは照度（ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ）センサーなどの光センサーに対する需要が増えている。光センサーは、光信号を検出して電気信号に変換するためにフォトダイオードを具備する。このような光センサー用フォトダイオードは、通常ｐｎ接合ダイオードまたはｐｉｎ接合ダイオード構造を使用している。

ｐｎ接合ダイオードは、一般的なＣＭＯＳ半導体工程で容易に製造でき、簡単な構造を有しているため広く使用されている。しかし、画素の高密度化により画像の大きさが減少するにつれて、ｐｎ接合構造を有するフォトダイオード素子の光感度は徐々に低下している。これにフォトダイオードの光感度向上のために受光領域（特に、受光深さ）を拡大させたｐｉｎ接合ダイオードが使用されるに至った。一般的にフォトダイオードの光感度は水平的な受光面積と垂直的な受光深さに比例する。

近年では、より高い受光効率を得るために、諸波長に対する選別的な感応機能を有する光センサー用フォトダイオード素子が要求されている。このような選別的な感応機能を有する光センサー用フォトダイオードを使用することによって、多重波長の同時検出が可能となり、受光面積対比光感度が高くなる。

図１はｐｎ接合ダイオードの構造を有する従来のフォトダイオード素子の一例を概略的に示す断面図である。図１を参照すると、フォトダイオード素子１０は、ｐ型シリコン半導体基板１１に形成されたｎ−ウェル層１３を含んでいる。ｐ型シリコン半導体基板１１の一部とｎ−ウェル層１３はｐｎ接合ダイオード１４を形成する。ｐｎ接合ダイオード１４の近辺には金属ライン１７を含む回路部１９が形成されている。ｐ型シリコン半導体基板１１の上には透明な誘電体層１５が配置されており、その誘電体層１５内には特定波長の光のみを通過させるカラーフィルター２１が形成されている。

フォトダイオード素子１０が光を受けると、カラーフィルター２１を通過した光はｐｎ接合ダイオード１４で過剰キャリアを生成する。その生成された過剰キャリアによって電流または電圧が変化し、それによりフォトダイオード素子１０から電気信号が出力される。しかし、ｐｎ接合ダイオード１４は比較的低い光感度を有しているため、光を高効率で検出することは難しい。特にｐｎ接合ダイオード１４は通常１乃至３μｍの深さで空乏層が形成されるので、６μｍ以上の吸収深さを有する長波長可視光（赤色及び緑色可視光）に対する光効率が低いという問題点を有している。

図２は、ｐｉｎ接合ダイオード構造を有する従来のフォトダイオード素子の他の例を示す断面図である。図２を参照すると、フォトダイオード素子２０はｐ型シリコン半導体基板１１の上に形成された真性型エピタキシャル層２２とｎ−ウェル層２３とを含んでいる。真性型エピタキシャル層２２の上には誘電体層２５が形成されている。ｐ型シリコン半導体基板１１の一部と、真性型エピタキシャル層２２と、ｎ−ウェル層２３とは、ｐｉｎ接合ダイオード２４を形成する。このようにｉ領域、即ち真性型エピタキシャル層２２を配置させることによって、フォトダイオードの空乏領域の厚さが増加し、これにより光感度を高めることが可能となる。しかしながら、このようなフォトダイオード素子２０一つだけでは短波長と長波長の光を分けて同時に検出することはできない。

図３は、従来の光センサー用フォトダイオードアレイを示すブロック図である。図３を参照すると、光センサー５０は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を検出するためのフォトダイオードアレイ３０と、電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器（Ｔｒａｎｓ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＴＩＡ））４０とを備えている。従来のフォトダイオードアレイ３０を使用して赤、緑、青の光を各々検出するためには、少なくとも３つのフォトダイオード素子が必要である。即ち、赤色光フィルターを有するフォトダイオード素子３１と、緑色光フィルターを有するフォトダイオード素子３２及び青色光フィルターを有するフォトダイオード素子３３とが要求される。このような要求はフォトダイオードアレイ３０の占有面積を増加させ、画素の高密度化または光センサー器機の小型化を制限してしまう。

本発明は、上述した問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は短波長及び長波長の可視光をそれぞれ高い効率で検出することのできるフォトダイオード素子を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、各波長帯の可視光をより高い効率で検出することが可能であり、占有面積を減少させることのできるフォトダイオードアレイを提供することである。

上述した技術的課題を達成するために、本発明に係るフォトダイオード素子は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第２導電型埋込層と、前記第２導電型埋込層上に形成された真性型半導体層と、前記真性型半導体層上に形成された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に形成された第２導電型ウェル層とを備え、前記第２導電型埋込層、前記真性型半導体層及び前記第１導電型半導体層は長波長受光用のｐｉｎ接合ダイオードとして機能し、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型ウェル層は短波長受光用のｐｎ接合ダイオードとして機能することを特徴とする。ただし、上記長波長の光は緑色乃至赤色の可視光に該当し、上記短波長の光は青色の可視光に該当する。

ここで、好ましくは上記第１導電型はｐ型であり、上記第２導電型はｎ型である。また、好ましくは上記真性型半導体層と上記第１導電型半導体層はエピタキシャル層である。さらに、好ましくは上記半導体基板はシリコン基板であり、上記第２導電型埋込層、上記真性型半導体層、上記第１導電型半導体層及び上記第２導電型ウェル層はシリコン半導体で形成される。

本発明の実施形態によると、上記フォトダイオード素子は、上記第１導電型半導体層から上記真性型半導体層を介して上記第２導電型埋込層へ接続され、上記第２導電型埋込層へのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）を提供する第２導電型の垂直拡散領域（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｆｆｕｓｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）をさらに含むことを特徴とする。

また、好ましくは上記第２導電型ウェル層の接合深さは０．１乃至０．２μｍである。さらに、好ましくは上記第１導電型半導体層と真性型半導体層との間の境界の深さは１乃至１．５μｍである。また、好ましくは上記真性型半導体層と第２導電型埋込層との間の境界の深さは５乃至７μｍである。さらに、好ましくは上記第２導電型埋込層と上記半導体基板との間の境界の深さは８乃至１０μｍである。

また、好ましくは上記第２導電型ウェル層のドーピング濃度は１×１０^１９乃至３×１０^１９ｃｍ^−３である。さらに、好ましくは上記第１導電型半導体層のドーピング濃度は５×１０^１６乃至５×１０^１７ｃｍ^−３である。また、好ましくは上記真性型半導体層のドーピング濃度は１×１０^１３乃至１×１０^１４ｃｍ^−３である。さらに、好ましくは上記第２導電型埋込層のドーピング濃度は１×１０^１８乃至３×１０^１８ｃｍ^−３である。また、好ましくは上記半導体基板のドーピング濃度は１×１０^１５乃至１×１０^１６ｃｍ^−３である。

本発明の他の目的を達成するために、本発明に係るフォトダイオードアレイは、少なくとも一つのカラーフィルターと、少なくとも２つの上記した本発明によるフォトダイオード素子を具備する。このようなフォトダイオードアレイを使用すると、赤色、緑色、青色波長別により向上した光感度と光効率が得られる。

本発明の一実施形態によると、フォトダイオードアレイは、赤色光フィルターと第１フォトダイオード素子を備えた第１受光素子と、緑色光フィルターと第２フォトダイオード素子を備えた第２受光素子と、青色光フィルターと第３フォトダイオード素子を備えた第３受光素子とを備えている。ここで、第１乃至第３フォトダイオード素子は上記した本発明のフォトダイオード素子である。

本発明の他の実施形態によると、フォトダイオードアレイは、緑色光フィルターと第１フォトダイオード素子とを備えた緑色光検出用の第１受光素子と、カラーフィルターなしで第２フォトダイオード素子のみを備えた赤色光及び青色光検出用の第２受光素子とを含んでいる。ここで、第１及び第２フォトダイオード素子は上記した本発明のフォトダイオード素子である。

本発明によると、短波長検出用のｐｎ接合ダイオードと長波長検出用のｐｉｎ接合ダイオードを一つのフォトダイオード素子に集積させることによって、短波長の可視光と長波長の可視光を高い効率で同時に検出することが可能となる。このようなフォトダイオード素子を使用することによって、より小さな面積を有する高効率のフォトダイオードアレイを実現することができる。これにより、カラーセンサー、イメージセンサー又は照度センサーなどの光センサーをより容易に小型化させることができ、画像を高密度化させることが可能となる。

本発明によれば、浅いｐｎ接合ダイオードと深いｐｉｎ接合ダイオードを一つの半導体基板に集積することによって、短波長可視光と長波長可視光を選別的に高い光効率で検出することが可能である。

さらに、本発明によるフォトダイオード素子をフォトダイオードアレイに応用することで、光センサー用フォトダイオードアレイの光感度及び光出力を向上させることができる。また、アレイの占有面積を減少させることによって、画素の高密度化及び光センサー器機の小型化に貢献できる。

以下、添付した図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な異なる形態に変形することができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者にとって本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

図４は本発明の一実施形態に係るフォトダイオード素子の構造を示す断面図である。このフォトダイオード素子１００はシリコン基板の半導体素子に該当する。図４を参照すると、フォトダイオード素子１００は、ｐ型シリコン半導体基板１０１と、その上に形成されている真性型（即ち、ｉ型）エピタキシャル層１０２及びｐ型エピタキシャル層１０３とを備えている。ここで 、真性型エピタキシャル層１０２は必ずしも厳密な意味、すなわちドーピングされなかった真性半導体（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）である必要はなく、通常１０^１５ｃｍ^−３以下のドーピング濃度を有する半導体がこれに該当する。

ｐ型シリコン半導体基板１０１と真性型エピタキシャル層１０２の間にはｎ型埋込層（ｎ−ｔｙｐｅ ｂｕｒｉｅｄ ｌａｙｅｒ）１０６が形成されており、ｐ型エピタキシャル層１０３内の上部にはｎ型ウェル層１０４が形成されている。また、ｎ型の垂直拡散領域（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｆｆｕｓｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）１１６がｐ型エピタキシャル層１０３から真性型エピタキシャル層１０２を介してｎ型埋込層１０６に延長して接続されている。このｎ型垂直拡散領域１１６はｎ型埋込層１０６へのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）を提供する。

上記ｎ型埋込層１０６、真性型（ｉ型）エピタキシャル層１０２及びｐ型エピタキシャル層１０３はｐｉｎ接合ダイオードを形成する。後述するように、このｐｉｎ接合ダイオードは半導体基板の深い領域に配置されて緑色光及び赤色光の長波長可視光線を検出する。また、上記ｐ型エピタキシャル層１０３及びｎ型ウェル層１０４はｐｎ接合ダイオードを形成する。このｐｎ接合ダイオードは半導体基板の浅い領域に配置されて青色光の短波長可視光線を検出する。

ｐ型エピタキシャル層１０３とｎ型ウェル層１０４から成るｐｎ接合ダイオードは、接合界面付近で一定の厚さの空乏領域（図４でのＩ領域）を形成する。ｐｎ接合ダイオードに入射した光のうちの短波長可視光は、主に上記Ｉ領域で吸収され電子正孔対（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ ｐａｉｒｓ）を生成する。このようにＩ領域に入射した短波長可視光によって生成された電子と正孔は、外部印加電圧による電場によって移動して短波長可視光に対応するフォト生成電流（ｐｈｏｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）を出力する。このフォト生成の電流は端子Ｖ_１を通して電気的信号として検出される。

一方、ｎ型埋込層１０６と、真性型エピタキシャル層１０２及びｐ型エピタキシャル層１０３とを含むｐｉｎ接合ダイオードは、真性型エピタキシャル層１０２の近辺で厚い空乏領域（図４でのＩＩ領域）を形成する。ｐｉｎ接合ダイオードに入射した光（特に、緑色及び赤色波長帯の長波長可視光）は主に上記ＩＩ領域で吸収されて電子正孔対を生成する。このようにＩＩ領域に入射した長波長可視光によって生成された電子と正孔は、外部印加電圧による電場によって移動して長波長可視光によるフォト生成電流を生成する。このフォト生成電流は、垂直拡散領域１１６及び端子Ｖ_２を通して電気的信号として検出される。

このように、シリコン基板の浅い領域と深い領域にそれぞれｐｎ接合ダイオードとｐｉｎ接合ダイオードとを形成することによって、フォトダイオード素子１００は二重接合（ｄｏｕｂｌｅ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造を有することになる。後述するように、このような二重接合構造中、浅いｐｎ接合ダイオードは短波長受光領域を形成し、深いｐｉｎ接合ダイオードは長波長受光領域を形成する。

一般的にシリコン半導体に入射した光は、波長によって異なる吸収深さの特性を現す。即ち、青色波長帯（４６０ｎｍ付近）の短波長可視光線はシリコン基板の浅い領域（約１μｍ程度の深さ）で吸収され、緑色波長帯（５４０ｎｍ付近）の長波長可視光線は深い領域（約３μｍ程度の深さ）で吸収され、赤色波長帯（６５０ｎｍ付近）の長波長可視光線はシリコン基板のさらに深い領域（約６μｍまたはその以上の深さ）で吸収される。

このような吸収深さの特性を利用することによって、上記フォトダイオード１００は、浅いＩ領域（ｐｎ接合ダイオードの空乏領域）において短波長可視光に対する高い感度を現し、深いＩＩ領域（ｐｉｎ接合ダイオードの空乏領域）において長波長可視光に対する高い感度を現す。即ち、浅いＩ領域は短波長可視光（青色）に敏感な受光領域として作用し、深いＩＩ領域は長波長可視光（赤色及び緑色）に敏感な受光領域として作用する。これにより上記フォトダイオード素子１００は、短波長と長波長の可視光線を別々に同時に高効率で検出することが可能となる。

図４に示しているように、ｎ型ウェル層１０４の上には透明な誘電体層１０５が形成され得る。この誘電体層１０５の上には必要に応じて有機物質から成るカラーフィルター（図示せず）を塗布することもできる。このカラーフィルターは特定波長帯の光のみを透過させ、特定波長帯の光（または光信号）に対する選択的検出を可能にする。例えば、緑色光フィルターは緑色の光信号のみを透過させ、そのフィルターの下のフォトダイオードで緑色の光信号のみを検出できるようにする。

図５は、本発明の実施形態に係るフォトダイオード素子の深さによるドーピング濃度プロファイルを示すグラフである。図４乃至図５を参照すると、ｎ型ウェル層１０４はｐ型エピタキシャル層１０３の上部に約０．１乃至０．２μｍの浅い接合（ｓｈａｌｌｏｗ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）で形成されている。好ましくは、ｎ型ウェル層１０４は電極形成のための抵抗減少のために約１×１０^１９乃至３×１０^１９ｃｍ^−３のドーピング濃度を有する。ｐ型エピタキシャル層１０３は約１乃至１．５μｍの深さで形成され（即ち、ｐ型エピタキシャル層１０３と真性型エピタキシャル層１０２との間の境界の深さが１乃至１．５μｍである）、好ましくは、５×１０^１６乃至５×１０^１７ｃｍ^−３のドーピング濃度を有する。

上記浅いｎ型ウェル層１０４とｐ型エピタキシャル層１０３によって形成されるｐｎ接合ダイオードの空乏領域（Ｉ領域）の殆どは深さ１．２μｍ以下のｐ型エピタキシャル層１０３の部分内に形成される。前述したように短波長可視光（青色）の吸収深さが約１μｍ程度であるので、Ｉ領域は短波長可視光に対する効果的な受光領域として作用する。

図４及び図５を参照すると、真性型エピタキシャル層１０２は約５乃至７μｍの深さで形成され（即ち、真性型エピタキシャル層１０２とｎ型埋込層１０６との間の境界の深さは５乃至７μｍである）、好ましくは１×１０^１３乃至１×１０^１４ｃｍ^−３のドーピング濃度を有する。真性型エピタキシャル層１０２はｎ型及びｐ型不純物のいずれからドーピングされても構わない。また、ｎ型埋込層１０６は約８乃至１０μｍの深さで形成され（即ち、ｎ型埋込層１０６とｐ型半導体基板１０１との間の境界の深さは８乃至１０μｍである）、好ましくは１×１０^１８乃至３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度を有する。また、好ましくは、上記ｐ型シリコン半導体基板１０１のドーピング濃度は１×１０^１５乃至１×１０^１６ｃｍ^−３である。

上記ｐ型エピタキシャル層１０３と、真性型エピタキシャル層１０２と、ｎ型埋込層１０６によって形成されるｐｉｎ接合ダイオードの空乏領域（ＩＩ領域）の殆どは深さ１乃至７μｍ範囲内の真性型エピタキシャル層１０２の領域内に形成される。前述したように長波長可視光（赤色及び緑色）の吸収深さが約３〜６μｍ程度であるため上記ＩＩ領域は長波長可視光に対する効果的な受光領域として作用する。

次に、図６を参照して本発明のフォトダイオード素子による電子及び正孔の生成及びキャリア流れの原理を説明する。図６は本発明の一実施形態に係るフォトダイオード素子のエネルギーバンドギャップ構造を示す図である。特に、図６は動作時のフォトダイオード素子のエネルギーバンドギャップ構造とキャリア（電子及び正孔）の流れを示している。図６のエネルギーバンドダイヤグラムにおいて、Ｅ_Ｃは伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）のエッジを示し、Ｅ_Ｖは価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）のエッジを示す。実際動作時、フォトダイオード素子内のｐｎまたはｐｉｎ接合ダイオードは、通常のフォトダイオードと同様に、逆方向にバイアスされる。

図６に示しているように、ｎ型ウェル層１０４とｐ型エピタキシャル層１０３で構成されたｐｎ接合ダイオードは空乏領域（領域）を形成する。逆方向電圧印加時（フォトダイオード素子動作時）、Ｉ領域の殆どは深さ１．２μｍ以内のｐ型エピタキシャル層１０３の部分に形成され、青色光の短波長可視光を吸収する。Ｉ領域で吸収された短波長可視光は電子正孔対を生成し、その生成された電子（ｅ−）は接合を超えてｎ型ウェル層１０４の電極に移動する。また、生成された正孔（ｈ＋）は接合を超えてｐ型エピタキシャル層１０３に移動する。このようなキャリア流れは下記の式（１）に示すような短波長フォト電流（Ｉ_{ｐｈ_ｓｈｏｒｔ}）を生成するようになる。

（数１）
Ｉ_{ｐｈ_ｓｈｏｒｔ} ＝ ｑ・Ａ(Ｌ_ｎ ＋ Ｗ_{ｓｈｏｒｔ} ＋ Ｌ_ｐ)Ｇ_{Ｌｓｈｏｒｔ} （１）
ここで、ｑは電子の電荷の大きさで、Ａはｐｎ接合ダイオードの断面積で、Ｗ_{ｓｈｏｒｔ}は空乏領域（Ｉ領域）の厚さである。また、Ｌ_ｎ及びＬ_ｐは各々電子と正孔の拡散距離を表し、Ｇ_{Ｌｓｈｏｒｔ}は短波長可視光に対する電子正孔の生成率を表す。

上記式（１）において、Ｇ_{Ｌｓｈｏｒｔ}は深さ１μｍ以上では非常に小さな値を有するので、空乏領域（Ｉ領域）の厚さであるＷ_{ｓｈｏｒｔ}は１μｍ以内の値を有することが好ましい。従って、ｐ型エピタキシャル層１０３の厚さは約１μｍ程度に限定されて約５×１０^１６乃至５×１０^１７ｃｍ^−３のドーピング濃度を有することが好ましい。また、Ｗ_{ｓｈｏｒｔ}はｎ型ウェル層１０４の接合深さによって減少され得るので、ｎ型ウェル層１０４の接合深さを最小となるように浅い接合（ｓｈａｌｌｏｗ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）でｎ型ウェル層１０４を形成することが好ましい。

また、図６に示しているように、ｐ型エピタキシャル層１０３、真性型エピタキシャル層１０２及びｎ型埋込層１０６で構成されたｐｉｎ 接合ダイオードは、空乏領域（ＩＩ領域）を形成する。逆方向電圧印加時（フォトダイオード素子動作時）、ＩＩ領域の殆どは深さ１乃至７μｍ範囲内の真性型エピタキシャル層１０２の領域内に形成され、緑色光及び赤色光の長波長可視光を吸収する。ＩＩ領域で吸収された長波長可視光は電子正孔対を生成し、その生成された電子（ｅ−）は接合（ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を超えてｎ型埋込層１０６の電極に移動する。また、生成された正孔（ｈ＋）は接合を超えてｐ型エピタキシャル層１０３に移動する。このようなキャリアの流れは下記の式（２）のような長波長フォト電流（Ｉ_{ｐｈ_ｌｏｎｇ}）を生成するようになる。

（数２）
Ｉ_{ｐｈ_ｌｏｎｇ} ＝ ｑ・Ａ'(Ｌ_ｎ ＋ Ｗ_ｌｏｎｇ ＋ Ｌ_ｐ)Ｇ_{Ｌｌｏｎｇ} （２）
ここで、ｑは電子の電荷の大きさで、Ａ'はｐｉｎ接合ダイオードの断面積で、Ｗ_ｌｏｎｇは空乏領域（ＩＩ領域）の厚さである。また、Ｌ_ｎ及びＬ_ｐはそれぞれ電子と正孔の拡散距離を示し、Ｇ_{Ｌｌｏｎｇ}は長波長可視光に対する電子正孔の生成率を示す。上記式（２）において、Ｗ_ｌｏｎｇはＬ_ｎとＬ_ｐに比して非常に大きいためにＬ_ｎとＬ_ｐは無視することができる。したがって、式（２）は下記の式（３）のように簡略化して表すことができる。

（数３）
Ｉ_{ｐｈ_ｌｏｎｇ} ＝ ｑ・Ａ'×Ｗ_ｌｏｎｇ×Ｇ_{Ｌｌｏｎｇ} （３）
この式（３）において、Ｗ_ｌｏｎｇは真性型エピタキシャル層１０２の厚さとほぼ同じであると考えられる。従って、長波長可視光に対するフォト電流（Ｉ_{ｐｈ_ｌｏｎｇ}）は真性型エピタキシャル層１０２の厚さに比例して増加する。また、真性型エピタキシャル層１０２のドーピング濃度が１×１０^１３ｃｍ^−３のように非常に低い場合、高い電子正孔の生成率（Ｇ_{Ｌｌｏｎｇ}）を得ることができる。

以上説明したように本実施形態によると、ｐｎ接合ダイオードとその下部のｐｉｎ接合ダイオードが結合されることで、ｎ−ｐ−ｉ−ｎ形態の新たなフォトダイオード素子構造が形成される。この新たな形態のフォトダイオード素子構造は、従来のフォトダイオード素子と異なって、短波長と長波長可視光をそれぞれ効果的に同時に検出することができる。また、本実施形態によるフォトダイオード素子では、ｐｎ接合ダイオードとｐｉｎ接合ダイオードを最適化することによって、短波長可視光に対する光効率と長波長可視光に対する光効率を非依存的に（相互独立的に）適切に制御することができる。

第一に、短波長可視光に対する光効率は上部のｐｎ接合ダイオード構造の最適化により好適な値を有することができる。短波長の可視光（青色）は殆ど１μｍ深さ以内の領域で吸収されるので、ｐｎ接合ダイオードの空乏領域をこの領域内に形成させることが好ましい。より高い濃度と、より浅い深さを有するｎ型ウェル層１０４は短波長可視光に対する光効率を増大させる。

ｐ型エピタキシャル層１０３は、上部のｐｎ接合ダイオードと下部のｐｉｎ接合ダイオードの共通アノード（ｃｏｍｍｏｎ ａｎｏｄｅ）の役目を果たす。したがって、アノード電極の抵抗特性を考慮して、ｐ型エピタキシャル層１０３は １０^１７ｃｍ^−３程度のドーピング濃度を有することが好ましい。また、ｐ型エピタキシャル層１０３の厚さは、短波長可視光と長波長可視光を選別的に検出するために、約１μｍ程度であることが好ましい。仮にｎ型ウェル層１０４の下のｐ型エピタキシャル層１０３の部分の厚さが２μｍ以上であると、上部のｐｎ接合ダイオードは短波長の可視光だけでなく長波長の可視光も吸収するようになるので、光の選別検出特性が低下する恐れがある。

第２に、長波長可視光に対する光効率は下部のｐｉｎ接合ダイオード構造の最適化により好適な値を有することができる。長波長の可視光（緑色及び赤色）は殆ど６μｍ深さ以内の領域で吸収されるので、ｐｉｎ接合ダイオードの光吸収領域を形成する真性型エピタキシャル層１０２を深さ１乃至７μｍの領域に配置することが好ましい。このように真性型エピタキシャル層１０２の位置と厚さを適切に選択することによって、長波長可視光に対する光効率を最適化させることができる。結局、短波長可視光と長波長可視光に対して相互干渉現象なしに光効率の最適化が可能となる。

本発明によるフォトダイオード素子は、イメージまたはカラーセンサーなどの光センサーで赤色、緑色及び青色光検出のためのフォトダイオードアレイに効果的に使用することができる。光センサー用フォトダイオードアレイへの応用例等が図７及び図８に示す。

図７は、本発明の一実施形態に係る光センサー用フォトダイオードアレイを示すブロック図であり、赤色、緑色及び青色光フィルターを使用したフォトダイオードアレイの一例を示す。図７を参照すると、イメージまたはカラーセンサーなどの光センサー５００は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を検出するためのフォトダイオードアレイ３００と、電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器（ＴＩＡ）４００とを備えている。フォトダイオードアレイ３００は、少なくとも３つのフォトダイオード素子（第１乃至第３フォトダイオード素子）を具備する。この第１乃至第３ フォトダイオード素子は、前述した実施形態によるｎ−ｐ−ｉ−ｎ構造のフォトダイオード素子である。

フォトダイオードアレイ３００は、赤色光フィルター及び第１フォトダイオード素子を具備した第１受光素子３１０と、緑色光フィルター及び第２フォトダイオード素子を具備した第２受光素子３２０と、青色光フィルター及び第３フォトダイオード素子を具備した第３受光素子３３０とを含んでいる。一つの受光素子（３１０、３２０または３３０）内に一つのフォトダイオード素子のみを使用する必要はなく、より大きい出力を得るために一つの受光素子内に複数個のフォトダイオード素子を使用することができる。

各受光素子３１０、３２０、３３０のカラーフィルターを透過した特定波長帯の光は、そのフィルターの下のフォトダイオード素子によって検出される。即ち、赤色光フィルター及び緑色光フィルターを通過した赤色光及び緑色光は、各々第１受光素子３１０及び第２受光素子３２０内にあるフォトダイオード素子（ｎ−ｐ−ｉ−ｎ構造を有する）の深いｐｉｎ接合ダイオードによって高い光効率で検出される。また、青色光フィルターを通過した青色光は第３受光素子３３０の中にあるフォトダイオード素子の浅いｐｎ接合ダイオードによって高い光効率で検出される。

このようにアレイ３００内の各フォトダイオード素子は前述したｎ−ｐ−ｉ−ｎ構造を有するので、各波長別に高い光感度と光効率を現す。従って、フォトダイオードアレイ３００の全体的な光効率と検出感度が高くなる。フォトダイオードアレイ３００の全体的な検出感度が高いので、各受光素子が複数個のフォトダイオード素子を具備する場合、各受光素子はより少ない個数のフォトダイオード素子を使用すればよい。これにより、フォトダイオードアレイ全体の占有面積が減少し、光センサー器機の小型化に寄与できる。

図８は、本発明の他の実施形態に係る光センサー用フォトダイオードアレイを示すブロック図であり、緑色光フィルターのみを使用したフォトダイオードアレイの一例を示す。図８を参照すると、光センサー５０００はフォトダイオードアレイ３０００と前置増幅器（ＴＩＡ）４０００とを備えている。フォトダイオードアレイ３０００は、少なくとも２つのフォトダイオード素子（第１及び第２フォトダイオード素子）を具備する。第１及び第２フォトダイオード素子は、前述した実施形態によるｎ−ｐ−ｉ−ｎ構造のフォトダイオード素子である。

フォトダイオードアレイ３０００は、緑色光フィルター及び第１フォトダイオード素子を具備した第１受光素子３１００と、フィルターなしに第２フォトダイオード素子を具備した第２受光素子３２００とを含む。より大きな出力を得るために一つの受光素子（３１００または３２００）内に複数個のフォトダイオード素子を使用することもできる。第１受光素子３１００の緑色光フィルターを透過した緑色光は、そのフィルターの下の第１フォトダイオード素子によって高い光効率で検出される。

第２受光素子３２００は、特定波長帯の可視光のみを透過させるカラーフィルターを含まない。その代わりに第２受光素子３２００内のフォトダイオード素子は、本発明によるｎ−ｐ−ｉ−ｎの二重接合構造を有しているので、長波長及び短波長をそれぞれ選別的に光検出することが可能である。即ち、第２受光素子３２００に入射した光中の青色光の短波長可視光（青色光）は、第２フォトダイオード素子の浅いｐｎ接合ダイオードによって検出される。また、第２受光素子３２００に入射した光中の長波長可視光（赤色光及び緑色光）は、第２フォトダイオード素子の深いｐｉｎ接合ダイオードによって上記短波長とは別に検出される。

しかも、緑色光フィルターを有する第１受光素子３１００によって緑色光のみを選別して検出することができるので、長波長領域にある緑色光と赤色光もそれぞれ区別して検出することができる。即ち、第２受光素子３２００のｐｉｎ接合ダイオードによって検出された長波長可視光（緑色乃至赤色の可視光）の光量から第１受光素子３１００によって検出された緑色光の光量を差引くことで、第２受光素子３２００によって検出された長波長可視光中の赤色光の光量のみを別に得ることが可能となる。

つまり、赤色光及び青色光は第２受光素子３２００内の第２フォトダイオード素子のｐｉｎ接合ダイオードとｐｎ接合ダイオードによってそれぞれ高い光効率で検出される。また、緑色光は第１受光素子３１００の第１フォトダイオード素子（特に、第１フォトダイオード素子のｐｉｎ接合ダイオード）によって高い光効率で検出される。本実施形態によると、赤、緑及び青色光の各々の検出のために少なくとも２つのフォトダイオード素子だけが必要であるため、フォトダイオードアレイ３０００の占有面積を著しく減少することができる。これにより、画素の高密度化及び光センサー器機の小型化に大きく貢献できる。

前述した実施形態での半導体基板及び半導体層（または領域）の導電型を逆にすることで、ｐ−ｎ−ｉ−ｐ構造の二重接合フォトダイオード構造を形成することもできる。即ち、ｐ型半導体基板１０１の代りにｎ型半導体基板を用いて各エピタキシャル層１０２、１０３と、ウェル層１０４と、拡散領域１１６及び埋込層１０６の導電型を逆にすることで、上述したフォトダイオード素子と同様に選別的な高効率光検出の特性を有するフォトダイオード素子を実現することができる。

本発明は上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求範囲によって限定し、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当該技術分野の通常の知識を有する者にとって自明である。

従来のフォトダイオード素子の構造を示す断面図である。 従来の他の例によるフォトダイオード素子の構造を示す断面図である。 従来の光センサー用フォトダイオードアレイの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るフォトダイオード素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るフォトダイオード素子の深さによるドーピング濃度のプロファイルを示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るフォトダイオード素子のエネルギーバンドギャップ構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光センサー用フォトダイオードアレイの構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る光センサー用フォトダイオードアレイの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０、２０、３１、３２、３３、１００、３１０、３２０、３３０、３１００、３２００ フォトダイオード素子
１１、１０１ ｐ型シリコン半導体基板
１３、２３、１０４ ｎ型ウェル層
１４ ｐｎ接合ダイオード
１５、２５、１０５ 誘電体層
１７ 金属ライン
１９ 回路部
２１ カラーフィルター
２２、１０２ 真性型エピタキシャル層
２４ ｐｉｎ接合ダイオード
５０、５００、５０００ 光センサー
３０、３００、３０００ フォトダイオードアレイ
４０、４００、４０００ 前置増幅器
１０３ ｐ型エピタキシャル層
１０６ ｎ型埋込層
１１６ 垂直拡散領域

Claims (17)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された第２導電型埋込層と、
   前記第２導電型埋込層上に形成された真性型半導体層と、
   前記真性型半導体層上に形成された第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に形成された第２導電型ウェル層とを備え、
   前記第２導電型埋込層、前記真性型半導体層及び前記第１導電型半導体層は長波長受光用のｐｉｎ接合ダイオードとして機能し、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型ウェル層は短波長受光用のｐｎ接合ダイオードとして機能することを特徴とするフォトダイオード素子。
2. 前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード素子。
3. 前記真性型半導体層と前記第１導電型半導体層は、エピタキシャル層であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
4. 前記半導体基板はシリコン基板であり、前記第２導電型埋込層、前記真性型半導体層、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型ウェル層をシリコン半導体で形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
5. 前記第１導電型半導体層から前記真性型半導体層を介して前記第２導電型埋込層へ接続され、前記第２導電型埋込層へのコンタクトを提供する第２導電型の垂直拡散領域をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
6. 前記第２導電型ウェル層の接合深さは、０．１乃至０．２μｍであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
7. 前記第１導電型半導体層と前記真性型半導体層との間の境界の深さは、１乃至１．５μｍであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
8. 前記真性型半導体層と前記第２導電型埋込層との間の境界の深さは、５乃至７μｍであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
9. 前記第２導電型埋込層と前記半導体基板との間の境界の深さは、８乃至１０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
10. 前記第２導電型ウェル層のドーピング濃度は、１×１０^１９乃至３×１０^１９ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
11. 前記第１導電型半導体層のドーピング濃度は、５×１０^１６乃至５×１０^１７ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
12. 前記真性型半導体層のドーピング濃度は、１×１０^１３乃至１×１０^１４ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
13. 前記第２導電型埋込層のドーピング濃度は、１×１０^１８乃至３×１０^１８ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
14. 前記半導体基板のドーピング濃度は、１×１０^１５乃至１×１０^１６ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のフォトダイオード素子。
15. 一つ以上のカラーフィルターと、
    ２つ以上のフォトダイオード素子を含み、
    前記フォトダイオード素子の各々は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第２導電型埋込層と、前記第２導電型埋込層上に形成された真性型半導体層と、前記真性型半導体層上に形成された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に形成された第２導電型ウェル層とを備え、
    前記第２導電型埋込層、前記真性型半導体層及び前記第１導電型半導体層は長波長受光用のｐｉｎ接合ダイオードとして機能し、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型ウェル層は短波長受光用のｐｎ接合ダイオードとして機能することを特徴とするフォトダイオードアレイ。
16. 前記一つ以上のカラーフィルターは赤色光フィルター、緑色光フィルター及び青色光フィルターであり、
    前記２つ以上のフォトダイオード素子は第１乃至第３フォトダイオード素子であり、
    前記赤色光フィルターと前記第１フォトダイオード素子は赤色光検出用の第１受光素子を形成し、
    前記緑色光フィルターと前記第２フォトダイオード素子は緑色光検出用の第２受光素子を形成し、
    前記青色光フィルターと前記第３フォトダイオード素子は青色光検出用の第３受光素子を形成することを特徴とする請求項１５に記載のフォトダイオードアレイ。
17. 前記一つ以上のカラーフィルターは緑色光フィルターであり、
    前記２つ以上のフォトダイオード素子は第１及び第２フォトダイオード素子であり、
    前記緑色光フィルターと前記第１フォトダイオード素子は緑色光検出用の第１受光素子を形成し、
    前記第２フォトダイオード素子はカラーフィルターを備えずに赤色光及び青色光検出用の第２受光素子を形成することを特徴とする請求項１５に記載のフォトダイオードアレイ。

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