JP2011082513A - シリコン光検出モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットがＣＭＯＳプロセスによって同時に形成され得るシリコン光検出モジュールを提供する。
【解決手段】シリコン基板と、正の部分および負の部分を含むシリコンフォトダイオード検出ユニットと、コレクタ、ベース、およびエミッタを含む寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットと、を含み、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットは、ＣＭＯＳプロセスによってシリコン基板上に形成され、シリコンフォトダイオード検出ユニットの正の部分は第１伝導部分によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットのベースと電気的に接続し、そしてシリコンフォトダイオード検出ユニットの負の部分は第２伝導部分によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットのコレクタと電気的に接続する。
【選択図】図３
【解決手段】シリコン基板と、正の部分および負の部分を含むシリコンフォトダイオード検出ユニットと、コレクタ、ベース、およびエミッタを含む寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットと、を含み、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットは、ＣＭＯＳプロセスによってシリコン基板上に形成され、シリコンフォトダイオード検出ユニットの正の部分は第１伝導部分によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットのベースと電気的に接続し、そしてシリコンフォトダイオード検出ユニットの負の部分は第２伝導部分によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットのコレクタと電気的に接続する。
【選択図】図３
Description
本発明は、シリコン光検出モジュール、より詳細には、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットがＣＭＯＳプロセスによって同時に形成され得るシリコン光検出モジュールに関する。
短波長光通信の技術分野において、シリコン光検出器は光検出素子として一般に使用されている。
しかしながら、シリコン光検出器から光電的に変換される光電流が非常にわずかであるので、この種の光電流は直接適用されることができず、増強されることを必要とする。
従って、上述の問題のいくつかの解決策が報告された。これらの解決策のうちの１つは、図１に示すようにシリコン光検出器アレイを形成するように複数のシリコン光検出器を構成することである。シリコン光検出器アレイは、以下の手順により製造される。第１に、ＣＭＯＳプロセスを使用して複数の負のウェル１１および正のウェル１２は正のシリコン基板１３上に配置される。第２に、隣接する負のウェル１１および正のウェル１２は、複数のシリコン光検出器１４を形成するように、すなわちシリコン光検出器アレイを正のシリコン基板１３上に形成するようにシリコン光検出器１４中に構成される。加えて、誘起された光電流を増大させるために、これらのシリコン光検出器１４は電気的に並列に接続されなければならない。しかしながら、これは、これらのシリコン光検出器１４の対応する配線パターンが非常に複雑になるというという結果を生じる。さらにまた、これらのシリコン光検出器１４は正のシリコン基板１３の表面領域の特定部分をカバーし、そしてこれは、図１に示すようにシリコン光検出器アレイを有する光検出素子を縮小することの困難を増大させるという結果を生じる。
このために、ベース・コレクタ接合ダイオードが光検出領域として役立つバイポーラ接合フォトトランジスタ・ユニットが考え出された。にもかかわらず、この種のバイポーラ接合フォトトランジスタ・ユニットおよびシリコンフォトダイオード検出ユニットのバイポーラ接合フォトトランジスタへの統合は、複雑なバイポーラ相補型金属酸化物半導体（ＢｉＣＭＯＳ）プロセスにより達成されなければならず、製造コストの低減において著しい困難をもたらす。
それ故、ＣＭＯＳプロセスによってシリコン光検出モジュールを製造することが望ましく、そしてシリコン光検出モジュールは光電流を直接増幅できる寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットを備えている。
本発明の目的は、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットがＣＭＯＳプロセスによって同時に形成され得るシリコン光検出モジュールを提供することである。
本発明の別の目的は、シリコン光検出モジュールを提供することであり、それは低コストで複雑でない方法によって製造可能であり、そして同時に製作されるシリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットを有する。
前述の目的を達成するために、本発明の光検出用のシリコン光検出モジュールは、シリコン基板、正の部分、および負の部分を含むシリコンフォトダイオード検出ユニット、ならびにコレクタ、ベース、およびエミッタを含む寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットを含む。シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスによってシリコン基板上に形成される。また、シリコンフォトダイオード検出ユニットの正の部分は第１伝導部分によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットのベースと電気的に接続し、そしてシリコンフォトダイオード検出ユニットの負の部分は第２伝導部分によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットのコレクタと電気的に接続している。
従って、本発明のシリコン光検出モジュールに含まれる寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットがＣＭＯＳプロセスによってシリコン基板上に形成されるので、ＣＭＯＳプロセスは本発明のシリコン光検出モジュールに含まれるシリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットを同時に形成できる。従って、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの形成は、本発明のシリコン光検出モジュールで同時に達成され得る。バイポーラ相補型金属酸化物半導体（ＢｉＣＭＯＳ）プロセスにより製造される従来のバイポーラ・フォトトランジスタと比較して、本発明のシリコン光検出モジュールは比較的簡単なプロセスにより製造され、低コストである。加えて、複数のシリコンフォトダイオード検出ユニットをアレイに組み立てる必要がないので、本発明のシリコン光検出モジュールによって占められるシリコン基板の表面積はかなり小さい部分に限られ、従ってそれは本発明のシリコン光検出モジュールを有する光検出器の容積を縮小するために有利である。本発明において、シリコン基板のタイプは制限されず、そしてそれは正または負のシリコン基板でありえる。本発明において、第１伝導部分の種類は制限されず、そしてそれはいかなる種類の金属ワイヤでもありえるが、好ましくは金のワイヤである。本発明において、第２伝導部分の種類は制限されず、そしてそれはいかなる種類の金属ワイヤでもありえるが、好ましくは金のワイヤである。本発明において、シリコン光検出モジュールにより検出される光の波長は制限されない。例えば、波長は３５０ｎｍ〜１，０００ｎｍであり得る。
本発明の他の目的、利点、および新しい特徴は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明からより明らかになる。
図２および３を参照すると、本発明の実施例のシリコン光検出モジュールの等価回路および略図がそれぞれ示されている。図３に示すように、本発明の実施例で、シリコン光検出モジュールは、シリコン基板３１、シリコンフォトダイオード検出ユニット３２、および寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３を含む。シリコンフォトダイオード検出ユニット３２および寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３はＣＭＯＳプロセスによってシリコン基板３１上に形成される。加えて、シリコンフォトダイオード検出ユニット３２は正の部分３２１および負の部分３２２を含み、そして寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３はコレクタ３３１、ベース３３２、およびエミッタ３３３を含む。また、シリコンフォトダイオード検出ユニット３２の正の部分３２１は、第１伝導部分３４１によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のベース３３２と電気的に接続している。シリコンフォトダイオード検出ユニット３２の負の部分３２２は、第２伝導部分３４２によって寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のコレクタ３３１と電気的に接続している。
シリコン光検出モジュールが光照射を受けるとき、シリコンフォトダイオード検出ユニット３２は対応する光電流（図に示されない）を生じる。光電流が寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３を通過するとき、光電流はそれにより増幅され（すなわち電流増幅の手順）、そして次に寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のコレクタ３３１３により出力されて、次の手順、例えば、ＣＭＯＳ回路（図示されない）による電圧増幅およびノイズ信号除去を受ける。さらにまた、図２および３に示すように、本実施例では、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のエミッタ３３３は接地点（アース）に接続している。このようにして、シリコン光検出モジュールの動作中、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３は「エミッタ接地（common emitter）」のモードで動作する。
また、本発明の実施例のシリコン光検出モジュールで、シリコン基板３１は正のシリコン基板（ｐ型シリコン基板）である。シリコンフォトダイオード検出ユニット３２の正の部分３２１は、正のウェル（ｐウェル）３２１１および正のインプラント領域（ｐインプラント）３２１２を含み、そしてシリコンフォトダイオード検出ユニット３２の負の部分３２２は負のウェル（ｎウェル）３２２１および負のインプラント領域（ｎインプラント）３２２２を含む。具体的には、正のインプラント領域３２１２のキャリア濃度は正のウェル３２１１のそれより高く、そして負のインプラント領域３２２２のキャリア濃度は負のウェル３２２１のそれより高い。
さらにまた、本発明の実施例のシリコン光検出モジュールで、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のコレクタ３３１は、深い負のウェル（深いｎウェル）３３１１および負のインプラント領域３３１２を含む。寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のベース３３２は正のウェル（ｐウェル）である。寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のエミッタ３３３は負のインプラント領域である。加えて、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のコレクタ３３１は、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３により増幅される出力電流に対する負の出力インプラント領域３３１３を更に含む。負の出力インプラント領域３３１３は、増幅された電流が次の手順を受けるために、ＣＭＯＳ回路（図に示されない）と電気的に接続している。
本実施例では、上述した第１伝導部分３４１および第２伝導部分３４２はそれぞれ金のワイヤである。図３に示すように、第１伝導部分３４１は、シリコンフォトダイオード検出ユニット３２の正の部分３２１の正のインプラント領域３２１２と寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のベース３３２を電気的に接続する。第２伝導部分３４２は、シリコンフォトダイオード検出ユニット３２の負の部分３２２の負のインプラント領域３２２２と寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット３３のコレクタ３３１の負のインプラント領域３３１２を電気的に接続する。さらに、本実施例では、本発明のシリコン光検出モジュールにより検出される光の波長は３５０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、すなわち短波長光通信システムで適用される光波長である。
図４は、本発明の実施例のシリコン光検出モジュール中の寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの電流電圧曲線である。図４において、ｘ軸はコレクタ電圧(Ｖc)を示し、そしてｙ軸はコレクタ電流(Ｉc)を示す。図４から、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットが比較的高いアーリー(Early)電圧を有することが分かる。
図５は、本発明の実施例のシリコン光検出モジュールの寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの利得図である。図５において、ｘ軸はコレクタ電流(Ｉc)を示し、そしてｙ軸は利得（β）を示す。図５から、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットは小さいコレクタ電流（Ｉｃ＝１０-9Ａ〜１０-8Ａ）の下で相当な利得（βは約１０である）を示すことが分かり、このようにしてわずかな光電流を効率的に増幅できる。コレクタ電流が１０-5Ａ〜１０-3Ａであるとき、寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットは最大利得（βは約２０である）を示す。
図６は本発明の実施例のシリコン光検出モジュールの暗電流の結果として生じた曲線である。図６において、ｘ軸はコレクタ電圧(Ｖc)であり、そしてｙ軸は暗電流である。曲線Ａは従来のシリコン光検出モジュール（すなわち、シリコンフォトダイオード検出ユニットを含むだけ）の測定結果であり、そして曲線Ｂは本発明のシリコン光検出モジュール（すなわち、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの両方とも含む）の測定結果である。図６から、本発明のシリコン光検出モジュールがシリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットにより構成される場合であっても、本発明のシリコン光検出モジュールは受け入れられる範囲（１０-6Ａよりかなり小さい）の暗電流をまだ示すということが分かる。
図７は、本発明の実施例のシリコン光検出モジュールのレスポンシビリティの結果として生じた曲線である。図７において、ｘ軸はコレクタ電圧(Ｖc)であり、そしてｙ軸はレスポンシビリティである。曲線Ｃは従来のシリコン光検出モジュール（すなわち、シリコンフォトダイオード検出ユニット置を含むだけ）の測定結果であり、そして曲線Ｄは本発明のシリコン光検出モジュール（すなわち、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの両方とも含む）の測定結果である。図７から、従来のシリコン光検出モジュール（すなわち、シリコンフォトダイオード検出ユニットを含むだけ）のレスポンシビリティが、いかなるコレクタ電圧（Ｖｃ）の下でも０．１Ａ／Ｗ未満であるということが分かる。コレクタ電圧（Ｖｃ）がほぼ１４Ｖへ増大する場合にだけ、レスポンシビリティはまさに０．４Ａ／Ｗまで急激に増大する。しかしながら、コレクタ電圧（Ｖｃ）が０Ｖよりわずかに大きいときに、本発明のシリコン光検出モジュールのレスポンシビリティ（すなわち、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの両方とも含む）は急速に約１．５Ａ／Ｗへ増大して、増大し続ける。最後に、コレクタ電圧（Ｖｃ）が６Ｖに近づくときに、シリコン光検出モジュールのレスポンシビリティは４Ａ／Ｗまで急激に上昇する。
従って、図６および７から、本発明のシリコン光検出モジュールはその暗電流を従来のシリコン光検出モジュールのそれに近く保つことができて、更に従来のシリコン光検出モジュールのそれより非常に大きいレスポンシビリティを示すということが分かる。本発明のシリコン光検出モジュールのレスポンシビリティは従来のシリコン光検出モジュールのそれの１０回以上でありえる。
結論として、本発明のシリコン光検出モジュールに含む寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットがＣＭＯＳプロセスによってシリコン基板上に形成されるので、ＣＭＯＳプロセスは、本発明のシリコン光検出モジュールに含まれるシリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットを同時に形成できる。従って、シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの形成は、本発明のシリコン光検出モジュールで同時に達成され得る。バイポーラ相補型金属酸化物半導体（ＢｉＣＭＯＳ）プロセスにより製造される従来のバイポーラ・フォトトランジスタと比較して、本発明のシリコン光検出モジュールは比較的簡単な方法により製造され、低コストである。加えて、複数のシリコンフォトダイオード検出ユニットをアレイに組み立てる必要がないので、本発明のシリコン光検出モジュールによって占められるシリコン基板の表面積は小さい部分にかなり限られ、従ってそれは本発明のシリコン光検出モジュールを有する光検出器の容積を縮小するために有利である。
本発明がその好ましい実施形態に関して説明されたけれども、以下に請求されるように、多くの他の可能な修正変更が本発明の範囲を逸脱せずに行われ得ることを理解すべきである。
１１ 負のウェル
１２ 正のウェル
１３ 正のシリコン基板
１４ シリコン光検出器
３１ シリコン基板
３２ シリコンフォトダイオード検出ユニット
３３ 寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット
３２１ 正の部分
３２２ 負の部分
３３１ コレクタ
３３２ ベース
３３３ エミッタ
３４１ 第１伝導部分
３４２ 第２伝導部分
３２１１ 正のウェル
３２１２ 正のインプラント領域
３２２１ 負のウェル
３２２２ 負のインプラント領域
３３１１ 深い負のウェル
３３１２ 負のインプラント領域
３３１３ 負の出力インプラント領域
１２ 正のウェル
１３ 正のシリコン基板
１４ シリコン光検出器
３１ シリコン基板
３２ シリコンフォトダイオード検出ユニット
３３ 寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニット
３２１ 正の部分
３２２ 負の部分
３３１ コレクタ
３３２ ベース
３３３ エミッタ
３４１ 第１伝導部分
３４２ 第２伝導部分
３２１１ 正のウェル
３２１２ 正のインプラント領域
３２２１ 負のウェル
３２２２ 負のインプラント領域
３３１１ 深い負のウェル
３３１２ 負のインプラント領域
３３１３ 負の出力インプラント領域
Claims (9)
- 光検出のためのシリコン光検出モジュールであり、
シリコン基板と、
正の部分および負の部分を含むシリコンフォトダイオード検出ユニットと、
コレクタ、ベース、およびエミッタを含む寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットと、
を含むシリコン光検出モジュールであって、
前記シリコンフォトダイオード検出ユニットおよび前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスによって前記シリコン基板上に形成され、前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記正の部分は第１伝導部分によって前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記ベースと電気的に接続し、そして前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記負の部分は第２伝導部分によって前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記コレクタと電気的に接続しているシリコン光検出モジュール。 - 前記シリコン基板が正のシリコン基板である請求項１に記載のシリコン光検出モジュール。
- 前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記エミッタが接地点と接続している請求項１に記載のシリコン光検出モジュール。
- 前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記正の部分が正のインプラント領域を含み、そして前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記負の部分が負のインプラント領域を含む請求項１に記載のシリコン光検出モジュール。
- 前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記正の部分が正のウェルおよび正のインプラント領域から成り、そして前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記負の部分が負のウェルおよび負のインプラント領域を含む請求項１に記載のシリコン光検出モジュール。
- 前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記コレクタが深い負のウェルおよび負のインプラント領域から成り、前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記ベースが正のウェルであり、そして前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記エミッタが負のインプラント領域である請求項４に記載のシリコン光検出モジュール。
- 前記第１伝導部分が前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記正の部分の前記正のインプラント領域と前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記ベースを電気的に接続し、そして前記第２伝導部分が前記シリコンフォトダイオード検出ユニットの前記負の部分の前記負のインプラント領域と前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記コレクタの前記負のインプラント領域を電気的に接続する請求項６に記載のシリコン光検出モジュール。
- 前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットの前記コレクタが、前記寄生垂直バイポーラ接合トランジスタ増幅ユニットにより増幅される電流を出力するために負の出力インプラント領域をさらに含む請求項６に記載のシリコン光検出モジュール。
- 前記光の前記波長が３５０ｎｍ〜１０００ｎｍである請求項１に記載のシリコン光検出モジュール。
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