JP2017092054A - 光電変換素子およびそれを用いた光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコンを含む基板の使用を可能としつつも紫外線領域、特に２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域において高い光感度を有する光電変換素子およびそれを用いた紫外線センサ等の光電変換装置を提供する。【解決手段】光電変換素子１０は、Ｐ型またはＮ型の半導体基板１１と、半導体基板１１内に形成され、半導体基板１１とＰＮ接合を形成するＮ型またはＰ型の半導体層１２と、半導体層１２の上に形成された反射防止膜とを備える。反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光の反射を抑制すべく、この波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低い。また、反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光吸収を抑制すべく、この波長領域に対する消衰係数が０．０１以下である第１の絶縁膜１４を含んでいる。【選択図】図１
Description
この発明は、光電変換素子及びそれを用いた光電変換装置に関し、より詳しくは、紫外線センサに用いるのに適した光電変換素子及び光電変換装置に関する。
近年、冷蔵庫、クーラーなどで使用されてきたフロンや塩素を含む化学物質が大気中に排出されたことによるオゾン層の破壊が進み、地上に降り注ぐ紫外線量が増加している。紫外線は波長が短いが故に、エネルギーが高く、肌等に対してダメージを与える。
紫外線は波長によって、ＵＶＡ（３１５〜４００ｎｍ）、ＵＶＢ（２８０〜３１５ｎｍ）、ＵＶＣ（１００〜２８０ｎｍ）に分類される。紫外線の中で最も波長が短いＵＶＣは、様々な物質による吸収が著しく、地上まで到達することは殆どない。しかし、次に波長の短いＵＶＢは、人間の肌の表皮層に作用して色素細胞によるメラニン色素の生成を促進するため、日焼けの原因になり、程度が酷いと色素細胞がガン化する恐れがある。また、波長が最も長いＵＶＡは上記ＵＶＢで生成されたメラニン色素を酸化して褐色に変色させる。
このように、紫外線は人間の健康や環境への影響が大きく、さらに、上述の通りオゾン層の破壊によって地上に降り注ぐ紫外線量が増加しているため、日常生活においてスマートフォンや簡易測量計等で紫外線量を検知する要望が高まっている。いずれの方式で検知する場合でも、紫外線に対して高感度な光電変換素子が必要となる。
従来の紫外線検出方式としては、ＧａＮやＺｎＯなどのワイドバンドギャップ半導体を紫外線センサの材料として用い、紫外線よりも長波長の光ではそれら半導体材料の光キャリアのエネルギーが低いことを利用して光電流を発生させないようにして、紫外線を検出するものが知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。しかし、これらの材料を用いた基板は非常に高価であるため、紫外線検出用の装置を安価に提供できない。
一方、光ディスク装置の光ピックアップ用などでは、一般的なシリコン基板やＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板を用いたフォトダイオードが光電変換素子として使用されている。図１０は、その種の光電変換素子の一例として、本願と同じ出願人による出願に係る特許文献３に開示されたシリコン系の基板を用いたフォトダイオード１０１を示したものである。
このフォトダイオード１０１では、Ｎ型シリコン基板１と、その内に形成されたＰ型半導体層（Ｐ型拡散層）２とでＰＮ接合が形成され、光感度をより高めるために、Ｐ型半導体層２の表面（及びＮ型シリコン基板１の表面）に、シリコン酸化膜１１１とシリコン窒化膜１１２とからなる反射防止膜１１０が設けられている。
この特許文献３に記載のフォトダイオードは、広く使用されている一般的な半導体基板を用いているので、安価に製造することが可能である。したがって、この基板材料を紫外線領域に対して高い光感度を有する光電変換素子に利用できれば、紫外線検出に適した装置を安価に提供することが可能となる。しかし、後述するように、特許文献３に開示されたフォトダイオードは、そのままの構造では紫外線検出用として用いることができない。また、特許文献３には、シリコン基板やＳＯＩ基板を用いたフォトダイオードを紫外線検出用に利用するためのヒントは何ら示されていない。
そこで、本発明の課題は、一般的な半導体材料であるシリコンを含む基板の使用を可能としつつも紫外線領域、特に２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域において高い光感度を有する光電変換素子およびそれを用いた紫外線センサ等の光電変換装置を提供することである。
前記課題を解決するに当たり、本願の発明者は、シリコン系フォトダイオードについて、以下の検討を行った。
一般的に、絶縁膜等の薄膜は、屈折率ｎと消衰係数ｋとで定義される複素屈折率ｎ−ｉｋを持つ（ｉは虚数単位）。ｎ、ｋ値は、それぞれ波長依存性を持ち、ｋ値が大きいほど光の吸収量が大きいことを意味する。一方、反射率は、当該技術分野ではよく知られているように、主に屈折率ｎと膜厚とで決まり、これらの値を最適に選択することにより反射率を抑制して、光電変換できるフォトダイオードのシリコン部への入射光量を増やすことができるため、単位照射光量あたりの出力電流、つまり光感度を向上させることができる。
シリコン系フォトダイオードで一般的に使用されるシリコン窒化（ＳＩＮ）膜は屈折率ｎが約２であり、屈折率が約１．４５のシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜と組合せて反射防止膜を形成できる。例えば、シリコン酸化膜８ｎｍ、シリコン窒化膜４０ｎｍとすることにより、紫外線領域での反射率を約１０％程度に抑制できる。
一方で、シリコン窒化膜は、図１１に示す通り、特に紫外線領域である２００〜４００ｎｍの波長領域で消衰係数ｋの値が大きく、膜厚４０ｎｍのシリコン窒化膜で０．１２５７〜０．７２０１もあった。これは、反射防止膜全体で反射率を抑制してフォトダイオードのシリコン部へ多くの光量が入射できるようしているものの、フォトダイオード表面にあるシリコン窒化膜によって紫外線が１０％程度吸収され、その分フォトダイオードのシリコン部へ入射される光量が減ってしまうことを意味する。そして、シリコン窒化膜の膜厚が厚くなるほど、シリコン窒化膜での紫外線吸収量は増加した。なお、シリコン酸化膜においても、シリコン窒化膜ほどではないものの、光吸収が発生している。
反射防止膜による紫外線の吸収を防ぐための一方法として、図１２に示すように、シリコン窒化膜を表面に形成しない構造の光電変換素子（フォトダイオード）１００を試作した。そして、この光電変換素子１００を図１０に示すようなシリコン窒化膜が表面に形成された構造の光電変換素子と比較検討した。図１２において、１０４はＰ型シリコン半導体基板、１０２はＮ型半導体層（拡散層）、１０３はシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜、１０５は電極、１０６はパッシベーション膜としてのシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜である。
比較結果を図１３に示す。図１３において、実線による曲線が反射防止膜にシリコン窒化（ＳＩＮ）膜が含まれる場合の光電変換素子の反射率を示し、点線による曲線が反射防止膜がシリコン酸化膜のみで形成され、シリコン窒化（ＳＩＮ）膜は含まれない場合の光電変換素子１００の反射率を示している。光電変換素子１００の場合、シリコン酸化膜１０６，１０３のみで素子表面の絶縁膜が構成されているため、シリコン窒化膜による紫外線領域での光吸収はない。しかし、この光電変換素子の反射率を、シリコン窒化膜が表面に形成された光電変換素子の反射率と比べると、図１３に示すように、反射率が約３０％と高くなってしまうことがわかった。
このような検討結果に基づき、前記課題を解決するためには、紫外線領域、特に、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して、反射防止膜を構成する絶縁膜の反射率はもちろんのこと、光吸収に大きく関係する消衰係数にも着目する必要があることがわかった。本願の発明者の知る限り、紫外線領域の光検出において、反射防止膜を構成する絶縁膜の消衰係数に着目した技術を開示した文献はこれまで存在しない。
具体的には、本願発明の一側面に係る光電変換素子は、
Ｐ型またはＮ型の半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、前記半導体基板とＰＮ接合を形成するＮ型またはＰ型の半導体層と、
前記半導体層の上に形成された反射防止膜と
を備え、
前記反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低く、かつ、前記反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する消衰係数が０．０１以下、より望ましくは０．００３以下である第１の絶縁膜を含んでいる。なお、消衰係数は、小さければ小さい程望ましいことは上述の説明から明らかであろう。
Ｐ型またはＮ型の半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、前記半導体基板とＰＮ接合を形成するＮ型またはＰ型の半導体層と、
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前記反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低く、かつ、前記反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する消衰係数が０．０１以下、より望ましくは０．００３以下である第１の絶縁膜を含んでいる。なお、消衰係数は、小さければ小さい程望ましいことは上述の説明から明らかであろう。
この明細書では、「〜の上」とは、接触、非接触を問わず、半導体基板の裏面とは反対の方向にあることを意味する。
本発明の前記構成によれば、反射防止膜によって、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光の反射を低く抑えると同時に、入射光の吸収も低く抑えることができるため、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して光電変換素子の光感度を向上させることができる。しかも、反射率及び消衰係数についての前記条件を満たすように反射防止膜を製造すればよく、光電変換素子の半導体材料としてシリコンの使用も可能とするものである。
例えば、前記半導体基板および前記半導体層は、少なくともシリコンを含むことができ、また、前記反射防止膜は、前記第１の絶縁膜としてのシリコン窒化膜と、第２の絶縁膜としてのシリコン酸化膜を含むことができる。
このような構成とすることで、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して高い光感度を有する光電変換素子を、特殊な技術を必要とすることなく、安価に得ることできる。
また、前記シリコン酸化膜および前記シリコン窒化膜は、前記シリコン窒化膜が前記シリコン酸化膜の上に位置するように順次前記半導体層および半導体基板の表面上に形成されてもよい。そして、この場合、反射抑制と光吸収抑制の両方の観点から、前記シリコン酸化膜の膜厚は望ましくは３〜２５ｎｍ、より望ましくは３〜１５ｎｍ、さらに望ましくは３〜１０ｎｍであり、前記シリコン酸化膜のそれぞれの膜厚範囲に対して、シリコン窒化膜の膜厚は望ましくは１０〜６０ｎｍ、より望ましくは２５〜４５ｎｍ、さらに望ましくは３０〜４０ｎｍである。
また、前記半導体層の表面濃度を、１．０Ｅ＋１９ｃｍ−３以下とすることにより、前記半導体層で発生した光キャリアがライフタイムにより再結合することを抑制でき、光キャリアの再結合に起因する光感度の低下を防止することができる。その結果、より高感度の光電変換素子が得られる。
前記いずれかの構成を有する光電変換素子は、前記反射防止膜の上に形成され、前記２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域内にある特定の波長領域の光を透過もしくは前記特定の波長領域以外の領域の光を遮断するフィルタをさらに備えていてもよい。この特定の波長領域とは、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域全体であってもよいし、その一部の領域であってもよい。
光電変換素子がこのようなフィルタを備えることで、前記２００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内にある特定の波長領域の光（例えば、ＵＶＡのみ、又はＵＶＢのみ）のみを選択的に感知することができる。
本発明の第２の側面に係る光電変換装置は、前記いずれかの構成を備えた光電変換素子と、前記光電変換素子からの出力を信号処理する信号処理回路とを備える。
この光電変換装置では、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して高い光感度を有する光電変換素子から出力される信号に対して、信号処理回路で適切な信号増幅や演算処理を施すことができる。したがって、この光電変換装置を用いれば、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光を良好に検出できる紫外線センサを安価に実現することが可能となる。
前記光電変換装置は、前記光電変換素子と前記信号処理回路とが同一半導体基板上に形成された回路内蔵光電変換装置であってもよい。
本発明によれば、反射防止膜の２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低く、かつ、前記反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する消衰係数が０．０１未満である第１の絶縁膜を含んでいることにより、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光（つまり紫外線）に対して良好な反射抑制効果と良好な光吸収抑制効果が得られる。したがって、紫外線に対する光感度が高い光電変換素子及び紫外線検出に適した光電変換装置を実現できる。また、本発明は、半導体材料としてシリコンの使用を可能とするので、紫外線に対する光感度が高い光電変換素子及び紫外線センサ等の光電変換装置を安価に提供することが可能となる。
（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態による光電変換素子１０について図１を用いて具体的に説明する。
本発明の第一の実施形態による光電変換素子１０について図１を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態による光電変換素子１０の断面図を示している。この光電変換素子１０は、抵抗率が１０Ωｃｍ程度のＰ型（１００）シリコンからなるＰ型半導体基板１１と、そのＰ型半導体基板１１内に形成されたＮ型半導体層１２とを備える。これらＰ型半導体基板１１とＮ型半導体層１２とのＰＮ接合により、シリコンフォトダイオードが形成されている。
また、この光電変換素子１０は、Ｎ型半導体層１２の表面（及びＮ型半導体層１２を含まない領域におけるＰ型半導体基板１１の表面）の上に順次形成されたシリコン酸化膜１３、シリコン窒化膜１４、そして、パッシベーション膜としてのシリコン酸化膜１６を備える。シリコン酸化膜１３とシリコン窒化膜１４が入射光の反射を抑制するための反射防止膜として作用する。光電変換素子１０は、さらに、シリコン窒化膜１４とシリコン酸化膜１３とを貫通してＮ型半導体層１２の表面に達する電極１５を有する。
この光電変換素子１０は次のようにして製造される。
まずＰ型（１００）シリコンからなるＰ型半導体基板１１を用意する。次に、Ｐ型半導体基板１１に３１Ｐ＋をイオン注入し、１０００℃程度のアニール等の熱処理をすることにより注入イオンを拡散して、Ｎ型半導体層１２を形成する。その上に、熱酸化等の方法でシリコン酸化膜１３を形成し、その上にシリコン窒化膜１４を蒸着法により形成する。その後、電極１５を形成し、パッシベーション膜としてシリコン酸化膜１６を形成することにより、本発明の第一の実施形態である光電変換素子１０を得ることができる。なお、図１の断面図においては、Ｎ型半導体層１２は１つしか示されていないが、図１０と同様に、複数のＮ型半導体層１２を形成して、複数のフォトダイオードを形成してもよい。
この光電変換素子１０は、紫外線領域、特に、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域（以下、単に紫外線領域ともいう）において高い光感度を持つように構成される。紫外線領域において高い光感度を持つためには、まず、紫外線領域での反射を抑制する必要がある。上述の通り、反射率は、主に屈折率ｎと膜厚で決まる。このため、例えば、シリコン酸化膜１３の屈折率ｎが約１．４５の場合、その膜厚は８ｎｍ程度とし、シリコン窒化膜１４の屈折率ｎが約２の場合、その膜厚は４０ｎｍ程度に設定すれば、反射率を約１０％に低減でき、シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成しない場合の反射率３０％に比べて、約２０％光感度を向上させることができる。また、図２からわかるように、シリコン窒化膜１４の膜厚を４０ｎｍ、パッシベーション膜としてのシリコン酸化膜１６の膜厚を４０００ｎｍとした場合、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長領域の光及び３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光について、シリコン酸化膜１３の膜厚を３〜２５ｎｍの範囲で設定すれば、シリコン窒化膜を形成しない場合に比べて同等以下の反射率にすることができる。一方、シリコン窒化膜１４については、シリコン酸化膜１３の膜厚を８ｎｍ、パッシベーション膜としてのシリコン酸化膜１６の膜厚を４０００ｎｍとした場合、図３からわかるように、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長領域の光及び３００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光について、シリコン窒化膜１４の膜厚を１０〜６０ｎｍの範囲で設定することにより、シリコン窒化膜を形成しない場合に比べて同等以下の反射率にすることができる。シリコン酸化膜１３の膜厚範囲は、より望ましくは、３〜１５ｎｍ、さらに望ましくは、３〜１０ｎｍであり、それに対するシリコン窒化膜１４の膜厚範囲は、より望ましくは、２５〜４５ｎｍ、さらに望ましくは、３０〜４０ｎｍである。なお、上記反射率はシリコン酸化膜１３、１６やシリコン窒化膜１４の屈折率により変わるため、上記の屈折率ｎの値と異なる場合は適切な膜厚は変わる。
さらに、上述の通り、光電変換素子１０が紫外線領域において高い光感度を持つためには、紫外線領域でのシリコン窒化膜１４の消衰係数ｋを小さくする必要がある。従来、反射防止膜として使用されていたシリコン窒化膜の紫外線領域での消衰係数ｋは大きく、そのために反射防止膜による紫外線吸収が生じるため、反射は抑制できるがフォトダイオードに入射される光量が減少してしまい、紫外線領域の光に対して十分な感度をもつことができていなかった。従って本発明では、シリコン窒化膜１４の成膜条件を最適化することにより、図４に示すようにシリコン窒化膜１４が２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域においても、０．０１以下、より望ましくは０．００３以下の消衰係数ｋを有するようにしている。より具体的には、シリコン窒化膜１４の成膜時のＲＦパワーを４００〜５００Ｗ、ＳｉＨ４（シラン）／ＮＨ３の流量比率を０．１〜０．２５、チャンバー圧力を２〜３Ｔｏｒｒ、チャンバー温度４００℃とすることにより上記シリコン窒化膜１４の消衰係数ｋの低減を達成している。そして、シリコン酸化膜１３、１６についても、シリコン酸化膜１３、１６を成膜する際のＲＦパワーを２０００Ｗ、ＳｉＨ４（シラン）／Ｏ２の流量比率を０．５〜０．７、チャンバー温度４００℃とすることによって上記シリコン酸化膜１３、１６の消衰係数ｋが０．０１以下となるように形成し、光電変換素子における紫外線の吸収を１％以下に低減することができる。
これにより反射防止膜各膜による紫外線反射を抑制しつつ、各膜の消衰係数ｋを０．０１以下とすることにより反射防止膜での紫外線吸収も抑制できるため、紫外線領域に対して高感度の光電変換素子を得ることができる。
この第一の実施形態では、半導体基板としてシリコン基板を使用し、反射防止膜に関してはシリコン系で一般的に使用されるシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を使用するものについて記述したが、チタン酸化膜（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の別の膜を使用しても屈折率ｎ及び膜厚を適切に選択して同様の反射抑制効果を得ながら、その膜の消衰係数ｋを０．０１以下とすることにより反射防止膜による光吸収を抑制することで、同様に高感度の光電変換素子を得ることができる。
また、第一の実施形態では、シリコン基板を用いたが、ＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板等の他のシリコン系基板を用いてもよい。また、シリコン系以外の基板であっても適切なものがあれば、それを使用してもよい。
また、第一の実施形態では、半導体基板１１の導電体をＰ型とし、半導体層１２をＮ型としたが、逆であってもよい。
（第二の実施形態）
上述の本発明の第一の実施形態では、紫外線吸収を問題のないレベルにまで抑えることができるシリコン酸化膜１３及びシリコン窒化膜１４から構成される反射防止膜を備えた光電変換素子１０について説明した。光電変換素子の紫外領域に対する光感度を向上させるためには、半導体基板とＰＮ接合を形成する半導体層の表面濃度についても考慮する必要がある。
上述の本発明の第一の実施形態では、紫外線吸収を問題のないレベルにまで抑えることができるシリコン酸化膜１３及びシリコン窒化膜１４から構成される反射防止膜を備えた光電変換素子１０について説明した。光電変換素子の紫外領域に対する光感度を向上させるためには、半導体基板とＰＮ接合を形成する半導体層の表面濃度についても考慮する必要がある。
そこで、ここでは、半導体層の表面濃度にも特徴を有する本発明の第二の実施形態による光電変換素子について図５を用いて具体的に説明する。
この光電変換素子２０は、第一の実施形態と同様、抵抗率が１０Ωｃｍ程度のＰ型（１００）シリコンからなるＰ型半導体基板２１と、そのＰ型半導体基板２１内に形成されたＮ型半導体層２２とを備える。これらＰ型半導体基板２１とＮ型半導体層２２とのＰＮ接合により、シリコンフォトダイオードが形成されている。
また、この光電変換素子２０は、Ｎ型半導体層２２の表面（及びＮ型半導体層２２を含まない領域におけるＰ型半導体基板２１の表面）の上に順次形成されたシリコン酸化膜２３、シリコン窒化膜２４、そして、パッシベーション膜としてのシリコン酸化膜２６とを備える。シリコン酸化膜２３とシリコン窒化膜２４が入射光の反射を抑制するための反射防止膜として作用する。光電変換素子２０は、さらに、シリコン窒化膜２４とシリコン酸化膜２３とを貫通してＮ型半導体層２２の表面に達する電極２５を有する。
上記説明から明らかなように、図５の光電変換素子２０の基本的構成は、図１の光電変換素子１０の基本的構成と同じであり、前記第一の実施形態に係る光電変換素子１０と基本的に同じ方法で形成されるが、そのＮ型半導体拡散層２２を形成する際の表面濃度を最適化することで、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して更に高感度化されている。これについて、以下説明する。
紫外線はその波長が短いため、シリコン内で光キャリアが発生する侵入長が短い。これは、ほとんど最表面で光キャリアが発生することを意味する。具体的には、表面から０．１ｕｍ以内で９０％以上の光キャリアが発生する。また一般的に、半導体層の不純物の濃度が高いほどその半導体層内での光キャリアのライフタイム（発生した光キャリアが再結合するまでの時間）が短くなる。従って、図５のＮ型半導体層２２の表面濃度が高い場合には、紫外線照射された場合にＮ型半導体層２２の最表面で発生する光キャリアは、ライフタイムが短くなり、Ｎ型半導体層２２とＰ型半導体基板２１とのＰＮ接合で光電流に変換される前に再結合し、光感度に寄与できない現象が発生する。上記の現象が生じないようにするためには、この表面濃度は１．０Ｅ＋１９ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
しかし、いくら表面濃度が低くても不純物濃度プロファイルにも注意が必要である。不純物濃度プロファイルによっては、最表面で発生した光キャリアがＰＮ接合に到達できない場合があるからである。最表面で発生した光キャリアがＰＮ接合に到達しなければ、光電流とならない。これについて図６及び図７を用いて説明する。図６に好ましい不純物濃度プロファイルを示し、図７に好ましくない不純物濃度プロファイルを示す。最表面の濃度が低くても、図７に示すように、最表面から少し深いところに最も高い濃度がある場合、ポテンシャルバリアができるため、最表面で発生した光キャリアが矢印で示す方向に移動してこのポテンシャルバリアを乗り越える前に再結合してしまい、光感度が低下してしまう現象が生じる。一方、図６に示すように、Ｎ型半導体層２２の深さ方向の不純物濃度の中で最表面の不純物濃度を最も高くし、かつ１．０Ｅ＋１９ｃｍ−３以下とすれば、最表面で発生した光キャリアは再結合前にＰＮ接合に到達することができる。したがって、この第二の実施形態においては、Ｎ型半導体層２２の深さ方向の不純物濃度プロファイルを、図６に示すように、最表面で最も高く、深くなるにつれて不純物濃度が減少するものとしている。
図５ではＰ型半導体基板内に形成されたＮ型半導体層で説明しているが、その不純物はＮ型半導体基板内に形成されたＰ型半導体層でも同様の効果が得られる。その他、第一の実施形態において説明した変更・変形は、この第二の実施形態においても同様に適用できる。
（第三の実施形態）
本発明の第三の実施形態に係る光電変換素子３０を図８に示す。
本発明の第三の実施形態に係る光電変換素子３０を図８に示す。
本発明の第一及び第二の実施形態との違いは、この第三の実施形態では、干渉膜フィルタ３７をシリコン酸化膜３６の上に形成していることであり、図８における参照番号３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６によって示される構成部分はそれぞれ、図１／図５における参照番号１０／２０、１１／２１、１２／２２、１３／２３、１４／２４、１５／２５、１６／２６によって示される構成部分と同じである。
光電変換素子３０の形成方法は、シリコン酸化膜３６までは本発明の第一又は第二の実施形態と同じであり、シリコン酸化膜３６を形成した後、スパッタ等で干渉膜フィルタ３７を形成する。上記干渉膜フィルタ３７を形成しているのは、紫外線領域、特に２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域におけるフォトダイオードの光感度を向上させるために紫外線領域に対する反射率を小さく抑えつつその領域の光吸収が生じないように反射防止膜を形成した上で、更に上記紫外線領域のうち特定の波長領域（紫外線領域全体あるいは一部の波長領域）を検知するためのフィルタを形成することで、目的とする波長領域（例えば、ＵＶＡまたはＵＶＢの領域のみ）のみに感度を持つ光電変換素子を得ることができるようにするためである。このフィルタは上記特定の波長領域の光を透過もしくは上記特定の波長領域以外の光を遮断するようなものであればよく、エタロン（ファブリペロー）でも表面プラズモン効果を利用したフィルタでもよい。
なお、第一の実施形態において説明した変更・変形はすべて、この第二の実施形態においても同様に適用できる。
（第四の実施形態）
本発明の第四の実施形態に係る光電変換装置の模式図を図９に示す。
本発明の第四の実施形態に係る光電変換装置の模式図を図９に示す。
この光電変換装置は、光電変換素子Ａ及びＢと、その出力を増幅等の信号処理する信号処理回路とを同一半導体基板上に形成した回路内蔵光電変換装置であり、製造が容易であり、コンパクトに形成できるが、信号処理回路は別の基板に設けてもよい。光電変換素子Ａ及びＢは、前記第一〜第三の実施形態で説明した光電変換装置のいずれかであってよい。例えば、光電変換素子Ａは、フィルタ３７を有する光電変換素子３０であり、光電変換素子Ｂはフィルタ３７を有さない光電変換素子１０又は２０であってもよい。また、信号処理回路には、各光電変換素子Ａ，Ｂからの信号を演算する機能を持たせてもよい。
この光電変換装置は、紫外線センサとして用いれば好適なものである。
オゾン層の破壊が益々進んで、より短波長の紫外線が地球上に到達することになったとしても本発明を応用することでそのような紫外線も安価な半導体材料を用いて良好に検出することができると考えられる。
最後に、本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。
この発明の一側面に係る光電変換素子１０，２０，３０は、
Ｐ型またはＮ型の半導体基板１１，２１，３１と、
前記半導体基板１１，２１，３１内に形成され、前記半導体基板１１，２１，３１とＰＮ接合を形成するＮ型またはＰ型の半導体層１２，２２，３２と、
前記半導体層の上に形成された反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４と
を備え、
前記反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低く、かつ、前記反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する消衰係数が０．０１以下である第１の絶縁膜１４，２４，３４を含んでいることを特徴としている。
Ｐ型またはＮ型の半導体基板１１，２１，３１と、
前記半導体基板１１，２１，３１内に形成され、前記半導体基板１１，２１，３１とＰＮ接合を形成するＮ型またはＰ型の半導体層１２，２２，３２と、
前記半導体層の上に形成された反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４と
を備え、
前記反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低く、かつ、前記反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する消衰係数が０．０１以下である第１の絶縁膜１４，２４，３４を含んでいることを特徴としている。
この光電変換素子１０，２０，３０によれば、反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４によって、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光の反射を低く抑えると同時に、入射光の吸収も低く抑えることができるため、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して光電変換素子の光感度を向上させることができる。しかも、反射率及び消衰係数についての前記条件を満たすように反射防止膜１３，１４，２３，２４，３３，３４を製造すればよく、光電変換素子の半導体材料としてシリコンの使用も可能とするものである。
一実施形態では、
前記半導体基板１１，２１，３１および前記半導体層１２，２２，３２は、少なくともシリコンを含み、
前記反射防止膜は、前記第１の絶縁膜１４，２４，３４としてのシリコン窒化膜と、第２の絶縁膜１３，２３，３３としてのシリコン酸化膜を含む。
前記半導体基板１１，２１，３１および前記半導体層１２，２２，３２は、少なくともシリコンを含み、
前記反射防止膜は、前記第１の絶縁膜１４，２４，３４としてのシリコン窒化膜と、第２の絶縁膜１３，２３，３３としてのシリコン酸化膜を含む。
上記実施形態によれば、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して高い光感度を有する光電変換素子を、特殊な技術を必要とすることなく、安価に得ることできる。
一実施形態では、前記シリコン酸化膜１３，２３，３３および前記シリコン窒化膜１４，２４，３４は、前記シリコン窒化膜１４，２４，３４が前記シリコン酸化膜１３，２３，３３の上に位置するように順次前記半導体層１２，２２，３２の表面上に形成されており、
前記シリコン酸化膜１３，２３，３３の膜厚は、３〜２５ｎｍであり、前記シリコン窒化膜１４，２４，３４の膜厚は、１０〜６０ｎｍである。
前記シリコン酸化膜１３，２３，３３の膜厚は、３〜２５ｎｍであり、前記シリコン窒化膜１４，２４，３４の膜厚は、１０〜６０ｎｍである。
上記実施形態によれば、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して高い光感度を有する光電変換素子を、特殊な技術を必要とすることなく、安価に得ることできる。また、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して、反射抑制を良好に行うことができる。
一実施形態では、前記半導体層２２，３２の表面濃度は、１．０Ｅ＋１９ｃｍ−３以下である。
上記実施形態によれば、前記半導体層２２，３２で発生した光キャリアがライフタイムにより再結合することを抑制でき、光キャリアの再結合に起因する光感度の低下を防止することができる。その結果、より高感度の光電変換素子２０が得られる。
一実施形態では、前記光電変換素子３０は、前記反射防止膜３３，３４の上に形成され、前記２００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内にある特定の波長領域の光を透過もしくは前記特定の波長領域以外の領域の光を遮断するフィルタ３７をさらに備えている。
上記実施形態によれば、前記２００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内にある特定の波長領域の光（例えば、ＵＶＡのみ、又はＵＶＢのみ）のみを選択的に感知することができる。
本発明の光電変換装置は、前記いずれかの構成を有する光電変換素子１０，２０，３０と、この光電変換素子１０，２０，３０からの出力を信号処理する信号処理回路とを備えている。
この光電変換装置では、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対して高い光感度を有する光電変換素子１０，２０，３０から出力される信号に対して、信号処理回路で適切な信号増幅や演算処理を施すことができる。したがって、この光電変換装置を用いれば、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域の光を良好に検出できる紫外線センサを安価に実現することが可能となる。
一実施形態では、前記光電変換装置は、前記光電変換素子１０，２０，３０と前記信号処理回路とが同一半導体基板上に形成された回路内蔵光電変換装置である。
この実施形態によれば、光電変換装置を容易に製造でき、コンパクトに形成できる。
１０，２０，３０ 光電変換素子
１１，２１，３１ Ｐ型半導体基板
１２，２２，３２ Ｎ型半導体層
１３，２３，３３ シリコン酸化膜
１４，２４，３４ シリコン窒化膜
１５，２５，３５ 電極
１６，２６，３６ シリコン酸化膜（パッシベーション膜）
３７ フィルタ
１１，２１，３１ Ｐ型半導体基板
１２，２２，３２ Ｎ型半導体層
１３，２３，３３ シリコン酸化膜
１４，２４，３４ シリコン窒化膜
１５，２５，３５ 電極
１６，２６，３６ シリコン酸化膜（パッシベーション膜）
３７ フィルタ
Claims (5)
- Ｐ型またはＮ型の半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、前記半導体基板とＰＮ接合を形成するＮ型またはＰ型の半導体層と、
前記半導体層の上に形成された反射防止膜と
を備え、
前記反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低く、かつ、前記反射防止膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域に対する消衰係数が０．０１以下である第１の絶縁膜を含んでい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において、
前記半導体基板および前記半導体層は、少なくともシリコンを含み、
前記反射防止膜は、前記第１の絶縁膜としてのシリコン窒化膜と、第２の絶縁膜としてのシリコン酸化膜を含むことを特徴とする光電変換素子。 - 請求項２に記載の光電変換素子において、
前記シリコン酸化膜および前記シリコン窒化膜は、前記シリコン窒化膜が前記シリコン酸化膜の上に位置するように順次前記半導体層の表面上に形成されており、
前記シリコン酸化膜の膜厚は、３〜２５ｎｍであり、シリコン窒化膜の膜厚は、１０〜６０ｎｍであることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記半導体層の表面濃度は、１．０Ｅ＋１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載の光電変換素子と、この光電変換素子からの出力を信号処理する信号処理回路とを備えたことを特徴とする光電変換装置。
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