JP2016207807A - 光電変換素子 - Google Patents
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なお、半導体の導電型が上述したものと逆である場合もあるが、基本的な構成や動作は同じである。
即ち、フォトダイオードにおいて高周波ノイズを低減するためには接合容量を下げる必要がある(特許文献1など参照)ものの、そのために選択拡散によるP型半導体領域の面積を小さくすると、受光感度の低下に繋がるおそれがある。
また、本発明の他の目的は、実現容易である構造上の工夫によって、その光電変換部で得られる分光感度の中で短波長側の波長域の光を有効に遮断し、それよりも波長が長い波長域の光に対しては高い受光感度を確保することができる光電変換素子を提供することにある。
a)半導体基体自体又は該半導体基体内に形成された他の領域であり、第1の導電型である第1の領域と、
b)一つの受光信号を得るための一つの受光範囲内の前記第1の領域の表面にそれぞれ不純物を拡散することで相互に離間してドット状に形成された、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型である複数の領域であって、それぞれが、前記受光範囲に入射した光により前記第1の領域において発生したキャリアを周囲から収集するための複数の第2の領域と、
c)前記複数の第2の領域の上方に設けられ、それぞれ下方に位置する第2の領域と電気的に接続された複数のコンタクト部と、
d)前記第1の領域に対し前記一つの受光範囲内に存在する複数の第2の領域を並列に接続するように、前記複数のコンタクト部同士を接続する導電体である配線部と、
を備えることを特徴としている。
即ち、本発明に係る光電変換素子の好ましい態様としては、一つの受光範囲内の第1の領域の表面に、上述した程度のサイズの微小な第2の領域を適度な点在密度でドット状に多数配置し、且つ、その多数の第2の領域の面積の和を該受光範囲の面積の5%程度以下に抑えた構成とするとよい、
この構成によれば、第1の領域内において高濃度領域の位置から第2の領域に向かって不純物濃度勾配が形成され、それによってキャリアの移動を促進するポテンシャル勾配が形成されることになる。その結果、第2の領域へのキャリアの移動効率が向上し、受光感度の向上や動作速度の改善を図ることができる。
この構成によれば、受光面の面積を広くした場合でも、入射光に応じたキャリアのほぼ全てが各第2の領域の周囲の空乏量広がり領域で生成されるので、キャリアは迅速に第2の領域に到達し高速応答が実現できる。また、受光面の面積を広くした場合でも第2の領域の総数を抑えることができるので、接合容量も抑えることができる。一方、受光面の面積が大きいことで、広い範囲に到達する入射光を効率良く受けることができるし、また広い範囲内の様々な位置に到達する入射光を確実に受けることができ、入射光の光軸調整の許容度を広げることができる。
前記コンタクト部及び前記配線部を被覆するように形成された絶縁膜と、
該絶縁膜の上であって前記コンタクト部及び前記配線部の直上に配設された導電体部と、をさらに備え、
該導電体部に所定の固定電位を与えることにより該導電体部を電気的なシールドとして機能させるようにした構成とするとよい。
前記配線部の直上に絶縁膜を間に挟んで設けられた前記導電体部から該絶縁膜中に延出して前記配線部の側方を囲むように複数の導電性の柱状部を形成し、前記導電体部と共に前記柱状部を電気的なシールドとして機能させるようにした構成とするとよい。
また、それぞれ絶縁膜を間に挟んで前記配線部の少なくとも一部の直上と直下とに導電体部を設け、その上側の導電体部と下側の導電体部とを接続するビアを前記柱状部とする構成としてもよい。
なお、実際には、第2の領域の間隔はシミュレーション又は実験により求めることができる。
図1(a)は本発明に係る光電変換素子の一実施例であるフォトダイオードの概略断面図、図1(b)は上面視平面図、図1(c)は等価的な回路図である。また、図2は第1実施例のフォトダイオードにおける一つのN型半導体領域付近の拡大断面図、図3は第1実施例のフォトダイオードにおける一つのN型半導体領域付近の拡大上面視平面図である。
こうした構成により、本実施例のフォトダイオードは、回路的には、図1(c)に示すように、N型半導体領域121の個数と同数の微小フォトダイオードを並列に接続した構成であるとみることができる。
C∝A×[N型半導体領域121の面積]+B×[N型半導体領域121の周辺長] …(1)
である。ここで、A、Bは所定の定数である。
この定数A、B値は拡散層の不純物濃度分布や拡散深さなどにより異なるが、例えばP型半導体である基体11の不純物濃度が1×1014atoms/cm3程度の一様な濃度であって拡散深さが2μm程度である場合には、AとBの値の比は0.5〜2程度である。周辺長の値が面積の値よりも大きいようなドット状の拡散である場合には、拡散領域を多く形成するほど周辺長に比例する容量成分の割合が接合容量において多くなる。
[第1実施例の変形例]
もちろん、水平方向の不純物濃度勾配と垂直方向の不純物濃度勾配とを併用しても構わない。
図12(a)は従来の一般的なフォトトランジスタの概略断面図、図12(b)は本発明の一実施例であるフォトトランジスタの概略断面図である。この例では、P型半導体である基体21がコレクタ領域、基体21表面に拡散により形成されたN型半導体領域22(又は221)がベース領域、そのN型半導体領域22(又は221)中に拡散により形成されたP型半導体領域23がエミッタ領域であり、コレクタ領域とベース領域との接合部が光電変換領域である。基体21に接触するように形成したコンタクト部24をコレクタ端子(CL)、N型半導体領域22(又は221)に接触するように形成したコンタクト部26(又は261)をベース端子(B)、P型半導体領域23に接触するように形成したコンタクト部25をエミッタ端子(E)としている。
図14は本発明の一実施例であるフォトダーリントントランジスタの概略断面図である。このフォトダーリントントランジスタでは、1段目のトランジスタのエミッタ領域であるP型半導体領域23に接触するように形成されたコンタクト部25と2段目のトランジスタのベース領域であるN型半導体領域41に接触するように形成されたコンタクト部43とは、配線部45で接続されている。このN型半導体領域41中に2段目のトランジスタのエミッタ領域であるP型半導体領域42が形成され、P型半導体領域42に接触するように形成されたコンタクト部44がエミッタ端子となっている。それ以外の基本的な構造は、図12(b)に示したフォトトランジスタと違いはない。
次に、本発明に係る光電変換素子のさらに別の実施例(第4実施例)であるフォトダイオードについて説明する。
光電スイッチ用など特定の用途では、決まった波長の光が利用されることがあり、光電スイッチ用では典型的には830〜850nmの波長帯域と620〜660nmの波長帯域との2種類の波長光が併用される。また、ファイバ方式の光電スイッチではファイバを通過する光の透過特性に合わせて、620〜660nmの波長帯域の1種類の波長光が利用される。このように使用される光の波長帯域が特定される場合には、それに応じた構造のフォトダイオードが提供されることが望ましい。光の波長によって異なるのは、主として侵入深さである。いま、フォトダイオードの構成としては図1に示した第1実施例のフォトダイオードを想定する。
11、21、30…基体
121、121a、122、123、124、221、41…N型半導体領域
13、14、24、25、261、43、44…コンタクト部
15、27、45…配線部
16、18、18a、18b…絶縁膜
17…コンタクトホール
19、19a、19b…シールド用配線部
19c…ビア
20…高濃度N型拡散領域
23、42…P型半導体領域
31…ウェル
50…遮光部
Claims (15)
- a)半導体基体自体又は該半導体基体内に形成された他の領域であり、第1の導電型である第1の領域と、
b)一つの受光信号を得るための一つの受光範囲内の前記第1の領域の表面にそれぞれ不純物を拡散することで相互に離間してドット状に形成された、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型である複数の領域であって、それぞれが、前記受光範囲に入射した光により前記第1の領域において発生したキャリアを周囲から収集するための複数の第2の領域と、
c)前記複数の第2の領域の上方に設けられ、それぞれ下方に位置する第2の領域と電気的に接続された複数のコンタクト部と、
d)前記第1の領域に対し前記一つの受光範囲内に存在する複数の第2の領域を並列に接続するように、前記複数のコンタクト部同士を接続する導電体である配線部と、
を備えることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1に記載の光電変換素子であって、
前記一つの受光範囲内に配置される前記複数の第2の領域の面積の和は該一つの受光範囲の面積の5%以下であることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1又は2に記載の光電変換素子であって、
前記第2の領域は上面視で4μm以下のサイズであることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記一つの受光範囲内の全ての前記第2の領域が前記コンタクト部及び/又は前記配線部の直下に配置され、該コンタクト部及び/又は該配線部によって実質的に遮光されていることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記第2の領域の周囲の第1の領域に形成される空乏層広がり領域の上に配置される前記配線部は、前記第2の領域の上に配置されるコンタクト部及び配線部よりも線幅が狭いことを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記第2の領域の周囲の第1の領域に形成される空乏層広がり領域の上に配置される前記配線部は光透過性導電体からなることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記第1の領域と前記複数の第2の領域との接合部の接合容量の和が前記受光範囲の全面に第2の領域を形成したと仮定した場合における第1の領域と第2の領域との接合部の接合容量よりも小さくなるように、前記第2の領域の数、並びに、各第2の領域の面積及び周辺長が定められてなることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記複数の第2の領域は1行おき又は1列おきに隣接する第2の領域の間隔の1/2だけその行又は列の延伸方向にずらして配置されてなることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記複数の第2の領域は、その各第2の領域の周囲の第1の領域に形成される空乏層広がり領域が隙間無く重なるように配置されることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記複数の第2の領域は、その各第2の領域の周囲の第1の領域に形成される空乏層広がり領域が重ならないように互いに離して配置され、受光面の中で、各第2の領域の周囲の空乏層広がり領域よりも外側の領域の全体又はその一部に光の入射を遮る遮光部を備えることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記コンタクト部及び前記配線部を被覆するように形成された絶縁膜と、
該絶縁膜の上であって前記コンタクト部及び前記配線部の直上に配設された導電体部と、
をさらに備え、
該導電体部に所定の固定電位を与えることにより該導電体部を電気的なシールドとして機能させるようにしたことを特徴とする光電変換素子。 - 請求項11に記載の光電変換素子であって、
前記配線部の直上に絶縁膜を間に挟んで設けられた前記導電体部から該絶縁膜中に延出して前記配線部の側方を囲むように複数の導電性の柱状部を形成し、前記導電体部と共に前記柱状部を電気的なシールドとして機能させるようにしたことを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
隣接する第2の領域の間隔は40μm以下であることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記第1の領域内に分散配置された前記複数の第2の領域の間に、その周囲の第1の領域よりも第1の導電型の不純物濃度が濃い、上面視でドット状又は線状の高濃度領域が形成されてなることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1〜14のいずれか1項に記載の光電変換素子であって、
前記複数の第2の領域の間隔は少なくとも、使用される光の波長、及び、要求される応答時間に応じて定められていることを特徴とする光電変換素子。
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