JP2020096119A

JP2020096119A - Light receiving element

Info

Publication number: JP2020096119A
Application number: JP2018234214A
Authority: JP
Inventors: 樹神　雅人; Masahito Kigami; 雅人樹神
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-18

Abstract

To provide a technology capable of detecting a small amount of light in a Schottky type light receiving element.SOLUTION: A light receiving element includes an emitter region which is an n-type or i-type semiconductor, a base region which is a p-type semiconductor, a collect region which is an n-type semiconductor, an emitter electrode, a base electrode, and a collector electrode, and the emitter region, the base region, and the collector region have portions arranged in this order along the direction from the emitter electrode to the collector electrode, and the emitter electrode is in Schottky contact with the emitter region. The base electrode is in ohmic contact with the base region, and the collector electrode is in ohmic contact with the collector region.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書が開示する技術は、ショットキー型の受光素子に関する。 The technique disclosed in the present specification relates to a Schottky type light receiving element.

特許文献１及び特許文献２は、半導体と金属のショットキー接触を利用したショットキー型の受光素子を開示する。 Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a Schottky type light receiving element using a Schottky contact between a semiconductor and a metal.

特開２０００−１６４９１８号公報JP, 2000-164918, A 特開２０１１−１７１５１９号公報JP, 2011-171519, A

このようなショットキー型の受光素子では、微小光を検知可能な技術が必要とされている。 In such a Schottky type light receiving element, there is a need for a technique capable of detecting a minute amount of light.

本明細書が開示する受光素子は、ｎ型又はｉ型の半導体であるエミッタ領域と、ｐ型の半導体であるベース領域と、ｎ型の半導体であるコレク領域と、エミッタ電極と、ベース電極と、コレクタ電極と、を備えることができる。これら領域を構成する前記半導体がシリコンであってもよい。前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、前記エミッタ電極から前記コレクタ電極に向かう方向に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。必要に応じて、前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域の各々の間に他の半導体領域が介在してもよい。前記エミッタ電極は、前記エミッタ領域にショットキー接触している。前記エミッタ電極の材料は、前記エミッタ領域にショットキー接触可能な材料であれば特に限定されるものではない。例えば、前記エミッタ電極がＡｕであってもよい。前記ベース電極は、前記ベース領域にオーミック接触している。前記コレクタ電極は、前記コレクタ領域にオーミック接触している。この実施形態の受光素子では、入射光が前記エミッタ電極で自由電子吸収されると、前記エミッタ領域に電子キャリアが注入される。また、この実施形態の受光素子では、前記ベース領域と前記コレクタ領域の間のｐｎ接合が高電界領域として機能する。このため、注入された電子キャリアは、前記高電界領域で加速される。これにより、上記実施形態の受光素子では、アバランシェ増幅を生じさせることができる。このように、上記実施形態の受光素子は、増幅機能を有しているので、微小光を検知することができる。 A light receiving element disclosed in the present specification includes an emitter region which is an n-type or i-type semiconductor, a base region which is a p-type semiconductor, a collect region which is an n-type semiconductor, an emitter electrode, and a base electrode. , And a collector electrode. The semiconductor forming these regions may be silicon. The emitter region, the base region, and the collector region have portions arranged in this order along the direction from the emitter electrode to the collector electrode. If necessary, another semiconductor region may be interposed between each of the emitter region, the base region and the collector region. The emitter electrode is in Schottky contact with the emitter region. The material of the emitter electrode is not particularly limited as long as it is a material capable of making a Schottky contact with the emitter region. For example, the emitter electrode may be Au. The base electrode is in ohmic contact with the base region. The collector electrode is in ohmic contact with the collector region. In the light receiving element of this embodiment, when incident light absorbs free electrons in the emitter electrode, electron carriers are injected into the emitter region. Further, in the light receiving element of this embodiment, the pn junction between the base region and the collector region functions as a high electric field region. Therefore, the injected electron carriers are accelerated in the high electric field region. As a result, in the light receiving element of the above embodiment, avalanche amplification can be generated. As described above, since the light receiving element of the above embodiment has the amplifying function, it is possible to detect a minute amount of light.

上記受光素子の一実施形態は、横型デバイスとして構成されてもよい。この場合、前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、半導体基板の表層部において、前記半導体基板の横方向に沿って並んでいる。前記エミッタ領域は、前記半導体基板の一方の主面に露出している。前記ベース領域は、前記エミッタ領域に隣接するとともに、前記半導体基板の前記一方の主面に露出している。前記コレクタ領域は、前記ベース領域によって前記エミッタ領域から隔てられているとともに、前記半導体基板の前記一方の主面に露出している。 One embodiment of the light receiving element may be configured as a lateral device. In this case, the emitter region, the base region, and the collector region are arranged side by side in the lateral direction of the semiconductor substrate in the surface layer portion of the semiconductor substrate. The emitter region is exposed on one main surface of the semiconductor substrate. The base region is adjacent to the emitter region and is exposed on the one main surface of the semiconductor substrate. The collector region is separated from the emitter region by the base region and is exposed on the one main surface of the semiconductor substrate.

前記コレクタ領域は、前記半導体基板の横方向において、前記エミッタ領域に向けて突出する突出部を有していてもよい。このような突出部が設けられていると、その突出部のエミッタ領域側の先端において電界を集中させることができる。これにより、アバランシェ増幅を効果的に生じさせることができる。 The collector region may have a protrusion that protrudes toward the emitter region in the lateral direction of the semiconductor substrate. When such a protrusion is provided, the electric field can be concentrated at the tip of the protrusion on the emitter region side. Thereby, avalanche amplification can be effectively generated.

上記受光素子の他の一実施形態は、縦型デバイスとして構成されてもよい。この場合、前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、半導体基板の厚み方向に沿って並んでいる。前記エミッタ領域は、前記半導体基板の一方の主面に露出している。前記コレクタ領域は、前記半導体基板の他方の主面に露出している。前記ベース領域は、前記エミッタ領域と前記コレクタ領域を隔てている。この実施形態の受光素子では、前記エミッタ領域が配置されている前記半導体基板の一方の主面側から光を受光するように構成されていてもよく、前記コレクタ領域が配置されている前記半導体基板の他方の主面側から光を受光するように構成されていてもよい。 Another embodiment of the light receiving element may be configured as a vertical device. In this case, the emitter region, the base region, and the collector region are arranged along the thickness direction of the semiconductor substrate. The emitter region is exposed on one main surface of the semiconductor substrate. The collector region is exposed on the other main surface of the semiconductor substrate. The base region separates the emitter region and the collector region. The light receiving element of this embodiment may be configured to receive light from one main surface side of the semiconductor substrate on which the emitter region is arranged, and the semiconductor substrate on which the collector region is arranged. May be configured to receive light from the other main surface side.

上記受光素子はさらに、前記ベース電極が前記エミッタ電極に対して正となる第１電圧を前記ベース電極と前記エミッタ電極の間に印加可能に構成されている第１電源と、前記コレクタ電極が前記ベース電極に対して正となる第２電圧を前記コレクタ電極と前記ベース電極の間に印加可能に構成されている第２電源と、をさらに備えていてもよい。前記第１電源が接続されていると、前記エミッタ領域に注入された電子キャリアが、前記エミッタ領域から前記ベース領域に向けて走行することができる。前記第２電源が接続されていると、前記ベース領域と前記コレクタ領域の間のｐｎ接合に逆バイアスが印加され、そのｐｎ接合が高電界領域として機能することができる。 The light-receiving element further includes a first power supply configured to apply a first voltage whose base electrode is positive with respect to the emitter electrode between the base electrode and the emitter electrode, and the collector electrode. A second power source configured to be able to apply a second voltage that is positive with respect to the base electrode between the collector electrode and the base electrode may be further provided. When the first power supply is connected, the electron carriers injected into the emitter region can travel from the emitter region toward the base region. When the second power supply is connected, a reverse bias is applied to the pn junction between the base region and the collector region, and the pn junction can function as a high electric field region.

第１実施形態に係る受光素子の断面図および平面図を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional view and top view of the light receiving element which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態に係る受光素子の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation|movement of the light receiving element which concerns on 1st Embodiment. 第２実施形態に係る受光素子の断面図および平面図を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross section and top view of the light receiving element which concerns on 2nd Embodiment. 第２実施形態に係る受光素子の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation|movement of the light receiving element which concerns on 2nd Embodiment. 第３実施形態に係る受光素子の断面図および平面図（ただし、絶縁膜を取り除いた平面図）を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross section of a light receiving element and the top view (however, the top view which removed the insulating film) concerning a 3rd embodiment. 第３実施形態に係る受光素子の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation|movement of the light receiving element which concerns on 3rd Embodiment.

（第１実施形態）
図１（Ａ）に、受光素子１の要部断面図を模式的に示す。図１（Ｂ）に、受光素子１の要部平面図を模式的に示す。なお、図１（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した断面が、図１（Ａ）の要部断面図である。 (First embodiment)
FIG. 1A schematically shows a cross-sectional view of a main part of the light receiving element 1. FIG. 1B schematically shows a plan view of a main part of the light receiving element 1. Note that the cross section corresponding to the line AA in FIG. 1B is a cross-sectional view of the main part of FIG.

受光素子１は、半導体基板１０、エミッタ電極２２、コレクタ電極２４及びベース電極２６を備えている。半導体基板１０は、シリコン単結晶の基板であり、Ｎ型のエミッタ領域１１、Ｐ型のベース領域１２及びＮ型のコレクタ領域１３を有している。 The light receiving element 1 includes a semiconductor substrate 10, an emitter electrode 22, a collector electrode 24, and a base electrode 26. The semiconductor substrate 10 is a silicon single crystal substrate and has an N-type emitter region 11, a P-type base region 12, and an N-type collector region 13.

受光素子１では、半導体基板１０の表面上にエミッタ電極２２とコレクタ電極２４とベース電極２６が設けられている。さらに、受光素子１では、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１とベース領域１２とコレクタ領域１３がエミッタ電極２２からコレクタ電極２４に向かう方向（ｘ軸方向）に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。このため、受光素子１は、光電流がエミッタ領域１１とベース領域１２とコレクタ領域１３を介して半導体基板１０の表層部を横方向に流れるように構成された横型デバイスである。 In the light receiving element 1, the emitter electrode 22, the collector electrode 24, and the base electrode 26 are provided on the surface of the semiconductor substrate 10. Further, in the light-receiving element 1, a portion where the emitter region 11, the base region 12, and the collector region 13 are arranged in this order along the direction from the emitter electrode 22 to the collector electrode 24 (x-axis direction) in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10. have. Therefore, the light receiving element 1 is a lateral device configured such that the photocurrent flows laterally in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 via the emitter region 11, the base region 12, and the collector region 13.

エミッタ領域１１は、半導体基板１０にベース領域１２とコレクタ領域１３を形成した残部であり、半導体基板１０の表面に露出する部分を有している。エミッタ領域１１は、半導体基板１０の表面に露出する部分で、半導体基板１０の表面上に設けられているエミッタ電極２２にショットキー接触している。エミッタ領域１１は、ｎ型不純物を低濃度に含む領域である。一例ではあるが、エミッタ領域１１は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０¹³ｃｍ^-3以下である。なお、エミッタ領域１１は、ノンドープであってもよい。 The emitter region 11 is a remaining portion of the semiconductor substrate 10 on which the base region 12 and the collector region 13 are formed, and has a portion exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. The emitter region 11 is a portion exposed on the surface of the semiconductor substrate 10 and is in Schottky contact with the emitter electrode 22 provided on the surface of the semiconductor substrate 10. The emitter region 11 is a region containing a low concentration of n-type impurities. As an example, the emitter region 11 contains phosphorus or arsenic as an n-type impurity, and its concentration is 1×10 ¹³ cm ⁻³ or less. The emitter region 11 may be non-doped.

ベース領域１２は、半導体基板１０の表層部に設けられており、エミッタ領域１１に隣接しており、半導体基板１０の表面に露出している。ベース領域１２は、ウェル状の形態を有しており、コレクタ領域１３を取り囲んでいる。このように、ベース領域１２は、エミッタ領域１１とコレクタ領域１３を隔てている。ベース領域１２は、ｐ型不純物を含む領域である。一例ではあるが、ベース領域１２は、ｐ型不純物としてボロンを含んでいる。また、一例ではあるが、ベース領域１２のうちのエミッタ領域１１とコレクタ領域１３の間に位置する部分の濃度が、１×１０¹³ｃｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲である。また、ベース領域１２は、半導体基板１０の表面に露出する部分にベースコンタクト領域１２ａを有している。ベースコンタクト領域１２ａは、ｐ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、ベースコンタクト領域１２ａは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であり、その厚みが０．５μｍ以下である。ベース領域１２は、ベースコンタクト領域１２ａを介して半導体基板１０の表面上に設けられているベース電極２６にオーミック接触している。 The base region 12 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10, is adjacent to the emitter region 11, and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. The base region 12 has a well shape and surrounds the collector region 13. In this way, the base region 12 separates the emitter region 11 and the collector region 13. The base region 12 is a region containing p-type impurities. As an example, the base region 12 contains boron as a p-type impurity. Also, as an example, the concentration of the portion of the base region 12 located between the emitter region 11 and the collector region 13 is in the range of 1×10 ¹³ cm ⁻³ to 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ . Further, the base region 12 has a base contact region 12a in a portion exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. The base contact region 12a is a region containing a high concentration of p-type impurities. As an example, the base contact region 12a contains boron as a p-type impurity, has a concentration of 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ or more and a thickness of 0.5 μm or less. The base region 12 is in ohmic contact with the base electrode 26 provided on the surface of the semiconductor substrate 10 via the base contact region 12a.

コレクタ領域１３は、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面に露出している。コレクタ領域１３は、ｎ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、コレクタ領域１３は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であり、その厚みが０．５μｍ以下である。コレクタ領域１３は、半導体基板１０の表面に設けられているコレクタ電極２４にオーミック接触している。 The collector region 13 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. The collector region 13 is a region containing a high concentration of n-type impurities. As an example, the collector region 13 contains phosphorus or arsenic as an n-type impurity, has a concentration of 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ or more and a thickness of 0.5 μm or less. The collector region 13 is in ohmic contact with the collector electrode 24 provided on the surface of the semiconductor substrate 10.

コレクタ領域１３は、メイン部１３ａと突出部１３ｂを有している。メイン部１３ａは、コレクタ電極２４が接触する部分であり、比較的に大面積で形成されている。図１（Ｂ）に示されるように、この例のメイン部１３ａは、平面視したときに、ｘ軸方向に伸びる一対の辺とｙ軸方向に伸びる一対の辺で構成される平面矩形状の形態を有している。突出部１３ｂは、平面視したときに、半導体基板１０の面方向（ｘｙ面方向）において、メイン部１３ａからエミッタ領域１１に向けて突出している。この例の突出部１３ｂは、ｘ軸方向に沿ってメイン部１３ａからエミッタ領域１１に向けて突出している。ただし、突出部１３ｂの先端は、ベース領域１２内に配置されている。換言すれば、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１と突出部１３ｂの先端の間には、ベース領域１２が介在している。 The collector region 13 has a main portion 13a and a protruding portion 13b. The main portion 13a is a portion with which the collector electrode 24 is in contact, and has a relatively large area. As shown in FIG. 1B, the main portion 13a of this example has a planar rectangular shape including a pair of sides extending in the x-axis direction and a pair of sides extending in the y-axis direction when seen in a plan view. Has a morphology. The projecting portion 13b projects from the main portion 13a toward the emitter region 11 in the plane direction (xy plane direction) of the semiconductor substrate 10 when seen in a plan view. The projecting portion 13b in this example projects from the main portion 13a toward the emitter region 11 along the x-axis direction. However, the tip of the protruding portion 13 b is arranged in the base region 12. In other words, in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10, the base region 12 is interposed between the emitter region 11 and the tip of the protrusion 13b.

エミッタ電極２２は、半導体基板１０の表面上において、エミッタ領域１１のうちの半導体基板１０の表面に露出する範囲に設けられており、エミッタ領域１１にショットキー接触している。エミッタ電極２２は、金（Ａｕ）である。エミッタ電極２２の厚さは、光がエミッタ電極２２で自由電子吸収された際に、電子がエミッタ領域１１に注入される程度に薄膜であればよい。エミッタ電極２２の厚さは２００ｎｍ以下である。より好適には、５０ｎｍ〜１００ｎｍである。 The emitter electrode 22 is provided on the surface of the semiconductor substrate 10 in a region of the emitter region 11 exposed to the surface of the semiconductor substrate 10, and is in Schottky contact with the emitter region 11. The emitter electrode 22 is gold (Au). The thickness of the emitter electrode 22 may be a thin film so that electrons are injected into the emitter region 11 when light is absorbed by free electrons in the emitter electrode 22. The thickness of the emitter electrode 22 is 200 nm or less. More preferably, it is 50 nm to 100 nm.

コレクタ電極２４は、半導体基板１０の表面上において、エミッタ電極２２とベース電極２６の間に配置されており、コレクタ領域１３のうちの半導体基板１０の表面に露出する範囲に設けられており、コレクタ領域１３にオーミック接触している。コレクタ電極２４は、アルミニウム（Ａｌ）である。 The collector electrode 24 is arranged on the surface of the semiconductor substrate 10 between the emitter electrode 22 and the base electrode 26, and is provided in the collector region 13 in a range exposed to the surface of the semiconductor substrate 10. It makes ohmic contact with the region 13. The collector electrode 24 is aluminum (Al).

ベース電極２６は、半導体基板１０の表面上において、ベース領域１２のうちの半導体基板１０の表面に露出する範囲に設けられており、ベース領域１２にベースコンタクト領域１２ａを介してオーミック接触している。ベース電極２６は、アルミニウム（Ａｌ）である。 The base electrode 26 is provided on the surface of the semiconductor substrate 10 in a range of the base region 12 exposed to the surface of the semiconductor substrate 10, and is in ohmic contact with the base region 12 via the base contact region 12a. .. The base electrode 26 is aluminum (Al).

（受光素子１の動作）
図２に示されるように、受光素子１はさらに、第１電源３２と第２電源３４とセンス抵抗３６を備えている。第１電源３２は、ベース電極２６がエミッタ電極２２に対して正となる電圧をベース電極２６とエミッタ電極２２の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第１電源３２の電圧は、約１Ｖの弱電圧である。第２電源３４は、コレクタ電極２４がベース電極２６に対して正となる電圧をコレクタ電極２４とベース電極２６の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第２電源３４の電圧は、約２０Ｖの強電圧である。センス抵抗３６は、コレクタ電極２４とベース電極２６の間の配線に接続されている。このように、受光素子１は、受光動作において、ベース接地して用いられる。 (Operation of light receiving element 1)
As shown in FIG. 2, the light receiving element 1 further includes a first power supply 32, a second power supply 34, and a sense resistor 36. The first power supply 32 is configured so that a voltage at which the base electrode 26 is positive with respect to the emitter electrode 22 can be applied between the base electrode 26 and the emitter electrode 22. As an example, the voltage of the first power supply 32 is a weak voltage of about 1V. The second power supply 34 is configured so that a voltage at which the collector electrode 24 is positive with respect to the base electrode 26 can be applied between the collector electrode 24 and the base electrode 26. As an example, the voltage of the second power supply 34 is a strong voltage of about 20V. The sense resistor 36 is connected to the wiring between the collector electrode 24 and the base electrode 26. Thus, the light receiving element 1 is used with the base grounded in the light receiving operation.

図２の矢印に示されるように、受光素子１は、半導体基板１０の表面側から光を受光するタイプである。受光素子１のエミッタ電極２２にアイセーフ帯光（例：１５５０ｎｍ、エネルギー：０．８ｅＶ）が入射し、光がエミッタ電極２２で自由電子吸収されると、エミッタ領域１１に電子が注入される。エミッタ電極２２とベース電極２６の間に第１電源３２によって弱電圧が印加されているので、エミッタ領域１１に注入された電子は、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１からベース領域１２に向けて走行する。上記したように、コレクタ電極２４とベース電極２６の間には第２電源３４によって強電圧が印加されているので、ベース領域１２とコレクタ領域１３のｐｎ接合には逆バイアスが印加されている。特に、破線で示されるように、コレクタ領域１３の突出部１３ｂの先端近傍は、電位分布が湾曲しており、高電界領域１５である。このため、エミッタ領域１１からベース領域１２に向けて走行してきた電子は、この高電界領域１５で加速され、アバランシェ増幅を生じさせる。これにより、受光素子１には、増幅したコレクタ電流が流れる。コレクタ電流が流れると、出力端子３８の出力電圧は、ベース電圧に対して低下する。出力端子３８の出力電圧の低下幅は、エミッタ電極２２に入射した光量に依存する。このようにして、受光素子１は、エミッタ電極２２に入射する光を検出することができる。 As shown by the arrow in FIG. 2, the light receiving element 1 is of a type that receives light from the front surface side of the semiconductor substrate 10. When the eye-safe band light (eg, 1550 nm, energy: 0.8 eV) is incident on the emitter electrode 22 of the light receiving element 1 and the light is absorbed by the free electrons in the emitter electrode 22, electrons are injected into the emitter region 11. Since the weak voltage is applied between the emitter electrode 22 and the base electrode 26 by the first power supply 32, the electrons injected into the emitter region 11 are transferred from the emitter region 11 to the base region 12 in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10. Drive toward. As described above, since the strong voltage is applied between the collector electrode 24 and the base electrode 26 by the second power supply 34, the reverse bias is applied to the pn junction between the base region 12 and the collector region 13. In particular, as indicated by the broken line, the potential distribution is curved near the tip of the protruding portion 13b of the collector region 13, and is the high electric field region 15. Therefore, the electrons traveling from the emitter region 11 toward the base region 12 are accelerated in the high electric field region 15 and cause avalanche amplification. As a result, the amplified collector current flows through the light receiving element 1. When the collector current flows, the output voltage of the output terminal 38 drops with respect to the base voltage. The width of decrease in the output voltage of the output terminal 38 depends on the amount of light incident on the emitter electrode 22. In this way, the light receiving element 1 can detect the light incident on the emitter electrode 22.

上記したように、受光素子１は、高電界領域１５でアバランシェ増幅を起こすことができるため、微小光に対する感度が高いという特徴を有することができる。自律走行車やＡＤＡＳ（Advanced driver-assistance systems）システムでは、周辺環境認識のために、赤外線カメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ光）を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、Ｓｉ以外の基板等を用いて受光素子を作成する必要があった。この場合、受光素子はＧｅ基板等を用いて作成し、信号処理回路はＳｉ基板を用いて作成することになる。受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。受光素子１は、アバランシェ増幅機能を有するため、Ｓｉ基板を用いてアイセーフ帯光を検出可能になる。受光素子と信号処理回路を、Ｓｉ基板にモノリシックに集積化することができる。受光システムの製造コストを削減することが可能となる。 As described above, the light-receiving element 1 can have avalanche amplification in the high electric field region 15, and thus can be characterized by high sensitivity to weak light. An autonomous vehicle or an ADAS (Advanced driver-assistance systems) system uses an infrared camera or a LiDAR (Light Detection and Ranging) system for recognizing the surrounding environment. In these systems, it is preferable to use eye-safe band light (1300 nm to 1600 nm light) for safety. However, since the eye-safe band light has a lower energy than the band gap energy of Si, it is necessary to form the light receiving element using a substrate other than Si. In this case, the light receiving element is made using a Ge substrate and the signal processing circuit is made using a Si substrate. Since it is necessary to mount multiple chips on the light receiving system, this leads to an increase in cost. Since the light receiving element 1 has an avalanche amplification function, it becomes possible to detect the eye-safe band light using the Si substrate. The light receiving element and the signal processing circuit can be monolithically integrated on the Si substrate. It is possible to reduce the manufacturing cost of the light receiving system.

また、受光素子１は、第１電源３２と第２電源３４を備えていることを特徴とする。第１電源３２を比較的に小さい弱電圧に設定することで、暗電流を抑えることができる。一方、第２電源３４を比較的に大きい強電圧に設定することで、アバランシェ増幅率を大きくすることができる。このように、受光素子１は、独立制御可能な２つの電源を備えていることで、暗電流を抑えながら、受光感度を向上させることができる。 Further, the light receiving element 1 is characterized by including a first power source 32 and a second power source 34. Dark current can be suppressed by setting the first power supply 32 to a relatively small weak voltage. On the other hand, the avalanche amplification factor can be increased by setting the second power supply 34 to a relatively large strong voltage. As described above, since the light receiving element 1 includes the two power sources that can be independently controlled, it is possible to improve the light receiving sensitivity while suppressing the dark current.

上記受光素子１では、突出部１３ｂを有するコレクタ領域１３を例示した。ベース領域１２とコレクタ領域１３のｐｎ接合においてアバランシェ増幅が生じる限り、突出部１３ｂは設けられていなくてもよい。コレクタ領域１３の位置及び不純物濃度等を調整することにより、突出部１３ｂが設けられていなくても、ベース領域１２とコレクタ領域１３のｐｎ接合に高電界領域を形成することができ、アバランシェ増幅を生じさせることができる。 In the above light receiving element 1, the collector region 13 having the protruding portion 13b has been illustrated. As long as avalanche amplification occurs at the pn junction between the base region 12 and the collector region 13, the protrusion 13b may not be provided. By adjusting the position of the collector region 13, the impurity concentration, and the like, a high electric field region can be formed at the pn junction between the base region 12 and the collector region 13 even if the protrusion 13b is not provided, and avalanche amplification can be achieved. Can be generated.

上記受光素子１では、半導体基板１０の表層部において、ベース領域１２及びコレクタ領域１３がエミッタ領域１１に対してｘ軸方向のうちの一方側にのみ隣接して配置されていた。例えば、ベース領域１２及びコレクタ領域１３は、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１を一巡するように、例えば円状に配置されいてもよい。 In the light-receiving element 1, the base region 12 and the collector region 13 are arranged adjacent to the emitter region 11 only on one side in the x-axis direction in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10. For example, the base region 12 and the collector region 13 may be arranged, for example, in a circular shape so as to go around the emitter region 11 in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10.

（第２実施形態）
図３（Ａ）に、受光素子２の要部断面図を模式的に示す。図３（Ｂ）に、受光素子２の要部平面図を模式的に示す。なお、図３（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した断面が、図３（Ａ）の要部断面図である。 (Second embodiment)
FIG. 3A schematically shows a cross-sectional view of a main part of the light receiving element 2. FIG. 3B schematically shows a plan view of a main part of the light receiving element 2. Note that the cross section corresponding to the line AA in FIG. 3B is a cross-sectional view of the main part of FIG.

受光素子２は、半導体基板１００、エミッタ電極１２２、コレクタ電極１２４及びベース電極１２６を備えている。半導体基板１００は、シリコン単結晶の基板であり、Ｎ型のエミッタ領域１１１、Ｐ型のベース領域１１２及びＮ型のコレクタ領域１１３を有している。 The light receiving element 2 includes a semiconductor substrate 100, an emitter electrode 122, a collector electrode 124, and a base electrode 126. The semiconductor substrate 100 is a silicon single crystal substrate and has an N-type emitter region 111, a P-type base region 112, and an N-type collector region 113.

受光素子２では、半導体基板１００の表面上にエミッタ電極１２２とベース電極１２６が設けられており、半導体基板１００の裏面上にコレクタ電極１２４が設けられている。さらに、受光素子２では、エミッタ領域１１１とベース領域１１２とコレクタ領域１１３がエミッタ電極１２２からコレクタ電極１２４に向かう方向（ｚ軸方向）に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。このため、受光素子２は、光電流がエミッタ領域１１１とベース領域１１２とコレクタ領域１１３を介して半導体基板１００の内部を縦方向に流れるように構成された縦型デバイスである。 In the light receiving element 2, the emitter electrode 122 and the base electrode 126 are provided on the front surface of the semiconductor substrate 100, and the collector electrode 124 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 100. Further, the light receiving element 2 has a portion in which the emitter region 111, the base region 112, and the collector region 113 are arranged in this order along the direction from the emitter electrode 122 toward the collector electrode 124 (z-axis direction). Therefore, the light receiving element 2 is a vertical device configured such that a photocurrent flows vertically in the semiconductor substrate 100 via the emitter region 111, the base region 112, and the collector region 113.

エミッタ領域１１１は、半導体基板１００の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面に露出している。エミッタ領域１１１は、半導体基板１００の表面に露出する部分で、半導体基板１００の表面上に設けられているエミッタ電極１２２にショットキー接触している。エミッタ領域１１１は、ｎ型不純物を低濃度に含む領域である。一例ではあるが、エミッタ領域１１１は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０¹³ｃｍ^-3以下である。なお、エミッタ領域１１は、ノンドープであってもよい。 The emitter region 111 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 100 and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. The emitter region 111 is a portion exposed on the surface of the semiconductor substrate 100, and is in Schottky contact with the emitter electrode 122 provided on the surface of the semiconductor substrate 100. The emitter region 111 is a region containing a low concentration of n-type impurities. As an example, the emitter region 111 contains phosphorus or arsenic as an n-type impurity, and its concentration is 1×10 ¹³ cm ⁻³ or less. The emitter region 11 may be non-doped.

ベース領域１１２は、エミッタ領域１１１とコレクタ領域１１３の間に配置されており、エミッタ領域１１１とコレクタ領域１１３を隔てている。ベース領域１１２は、ｐ型不純物を含む領域である。一例ではあるが、ベース領域１１２は、ｐ型不純物としてボロンを含んでいる。また、一例ではあるが、ベース領域１１２のうちのエミッタ領域１１１とコレクタ領域１１３の間に位置する部分の濃度が、１×１０¹³ｃｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲である。また、ベース領域１１２は、半導体基板１００の表面に露出する部分にベースコンタクト領域１１２ａを有している。ベースコンタクト領域１１２ａは、ｐ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、ベースコンタクト領域１１２ａは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。ベース領域１１２は、ベースコンタクト領域１１２ａを介して半導体基板１００の表面上に設けられているベース電極１２６にオーミック接触している。 The base region 112 is arranged between the emitter region 111 and the collector region 113, and separates the emitter region 111 and the collector region 113. The base region 112 is a region containing p-type impurities. As an example, the base region 112 contains boron as a p-type impurity. Also, as an example, the concentration of the portion of the base region 112 located between the emitter region 111 and the collector region 113 is in the range of 1×10 ¹³ cm ⁻³ to 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ . Further, the base region 112 has a base contact region 112a in a portion exposed on the surface of the semiconductor substrate 100. The base contact region 112a is a region containing a high concentration of p-type impurities. As an example, the base contact region 112a contains boron as a p-type impurity and its concentration is 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ or more. The base region 112 is in ohmic contact with the base electrode 126 provided on the surface of the semiconductor substrate 100 via the base contact region 112a.

コレクタ領域１１３は、半導体基板１００の裏層部に設けられており、半導体基板１００の裏面に露出している。コレクタ領域１１３は、ｎ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、コレクタ領域１１３は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。コレクタ領域１１３は、半導体基板１００の裏面に設けられているコレクタ電極１２４にオーミック接触している。 The collector region 113 is provided in the back layer portion of the semiconductor substrate 100 and is exposed on the back surface of the semiconductor substrate 100. The collector region 113 is a region containing a high concentration of n-type impurities. As an example, the collector region 113 contains phosphorus or arsenic as an n-type impurity and has a concentration of 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ or more. The collector region 113 is in ohmic contact with the collector electrode 124 provided on the back surface of the semiconductor substrate 100.

エミッタ電極１２２は、半導体基板１００の表面上において、エミッタ領域１１１のうちの半導体基板１００の表面に露出する範囲に設けられており、エミッタ領域１１１にショットキー接触している。エミッタ電極１２２は、金（Ａｕ）である。エミッタ電極１２２の厚さは、光がエミッタ電極１２２で自由電子吸収された際に、電子がエミッタ領域１１１に注入される程度に薄膜であればよい。エミッタ電極１２２の厚さは２００ｎｍ以下である。より好適には、５０ｎｍ〜１００ｎｍである。 The emitter electrode 122 is provided on the surface of the semiconductor substrate 100 in a range of the emitter region 111 exposed to the surface of the semiconductor substrate 100, and is in Schottky contact with the emitter region 111. The emitter electrode 122 is gold (Au). The thickness of the emitter electrode 122 may be a thin film so that electrons are injected into the emitter region 111 when free electrons are absorbed by the emitter electrode 122. The thickness of the emitter electrode 122 is 200 nm or less. More preferably, it is 50 nm to 100 nm.

コレクタ電極１２４は、半導体基板１００の裏面上において、コレクタ領域１１３のうちの半導体基板１００の裏面に露出する範囲に設けられており、コレクタ領域１１３にオーミック接触している。コレクタ電極１２４は、アルミニウム（Ａｌ）である。 The collector electrode 124 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 100 in a range of the collector region 113 exposed to the back surface of the semiconductor substrate 100, and is in ohmic contact with the collector region 113. The collector electrode 124 is aluminum (Al).

ベース電極１２６は、半導体基板１００の表面上において、ベース領域１１２のうちの半導体基板１００の表面に露出する範囲に設けられており、ベース領域１１２にベースコンタクト領域１１２ａを介してオーミック接触している。ベース電極１２６は、アルミニウム（Ａｌ）である。 The base electrode 126 is provided on the surface of the semiconductor substrate 100 in a range of the base region 112 exposed to the surface of the semiconductor substrate 100, and is in ohmic contact with the base region 112 via the base contact region 112a. .. The base electrode 126 is aluminum (Al).

（受光素子２の動作）
図４に示されるように、受光素子２はさらに、第１電源１３２と第２電源１３４とセンス抵抗１３６を備えている。第１電源１３２は、ベース電極１２６がエミッタ電極１２２に対して正となる電圧をベース電極１２６とエミッタ電極１２２の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第１電源１３２の電圧は、約１Ｖの弱電圧である。第２電源１３４は、コレクタ電極１２４がベース電極１２６に対して正となる電圧をコレクタ電極１２４とベース電極１２６の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第２電源１３４の電圧は、約２０Ｖの強電圧である。センス抵抗１３６は、コレクタ電極１２４とベース電極１２６の間の配線に接続されている。このように、受光素子２は、受光動作において、ベース接地して用いられる。 (Operation of light receiving element 2)
As shown in FIG. 4, the light receiving element 2 further includes a first power supply 132, a second power supply 134, and a sense resistor 136. The first power supply 132 is configured so that a voltage at which the base electrode 126 is positive with respect to the emitter electrode 122 can be applied between the base electrode 126 and the emitter electrode 122. As an example, the voltage of the first power supply 132 is a weak voltage of about 1V. The second power supply 134 is configured so that a voltage at which the collector electrode 124 is positive with respect to the base electrode 126 can be applied between the collector electrode 124 and the base electrode 126. As an example, the voltage of the second power supply 134 is a strong voltage of about 20V. The sense resistor 136 is connected to the wiring between the collector electrode 124 and the base electrode 126. Thus, the light receiving element 2 is used with the base grounded in the light receiving operation.

図４の矢印に示されるように、受光素子２は、半導体基板１００の表面側から光を受光するタイプである。受光素子２のエミッタ電極１２２にアイセーフ帯光（例：１５５０ｎｍ、エネルギー：０．８ｅＶ）が入射し、光がエミッタ電極１２２で自由電子吸収されると、エミッタ領域１１１に電子が注入される。エミッタ電極１２２とベース電極１２６の間に第１電源１３２によって弱電圧が印加されているので、エミッタ領域１１１に注入された電子は、半導体基板１００の厚み方向（ｚ軸方向）において、エミッタ領域１１１からベース領域１１２に向けて走行する。上記したように、コレクタ電極１２４とベース電極１２６の間には第２電源１３４によって強電圧が印加されているので、ベース領域１１２とコレクタ領域１１３のｐｎ接合には逆バイアスが印加されており、このｐｎ接合が高電界領域として機能する。このため、エミッタ領域１１１からベース領域１１２に向けて走行してきた電子は、この高電界領域で加速され、アバランシェ増幅を生じさせる。これにより、受光素子２には、増幅したコレクタ電流が流れる。コレクタ電流が流れると、出力端子１３８の出力電圧は、ベース電圧に対して低下する。出力端子１３８の出力電圧の低下幅は、エミッタ電極１２２に入射した光量に依存する。このようにして、受光素子２は、エミッタ電極１２２に入射する光を検出することができる。 As shown by the arrow in FIG. 4, the light receiving element 2 is of a type that receives light from the front surface side of the semiconductor substrate 100. When the eye-safe band light (eg, 1550 nm, energy: 0.8 eV) enters the emitter electrode 122 of the light receiving element 2 and the light is absorbed by the free electrons in the emitter electrode 122, electrons are injected into the emitter region 111. Since a weak voltage is applied between the emitter electrode 122 and the base electrode 126 by the first power supply 132, the electrons injected into the emitter region 111 are emitted in the emitter region 111 in the thickness direction (z-axis direction) of the semiconductor substrate 100. Drive toward the base region 112. As described above, since the strong voltage is applied between the collector electrode 124 and the base electrode 126 by the second power supply 134, the reverse bias is applied to the pn junction between the base region 112 and the collector region 113, This pn junction functions as a high electric field region. Therefore, the electrons traveling from the emitter region 111 toward the base region 112 are accelerated in this high electric field region and cause avalanche amplification. As a result, the amplified collector current flows through the light receiving element 2. When the collector current flows, the output voltage of the output terminal 138 decreases with respect to the base voltage. The width of decrease in the output voltage of the output terminal 138 depends on the amount of light incident on the emitter electrode 122. In this way, the light receiving element 2 can detect the light incident on the emitter electrode 122.

上記したように、受光素子２は、高電界領域でアバランシェ増幅を起こすことができるため、微小光に対する感度が高いという特徴を有することができる。自律走行車やＡＤＡＳ（Advanced driver-assistance systems）システムでは、周辺環境認識のために、赤外線カメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ光）を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、Ｓｉ以外の基板等を用いて受光素子を作成する必要があった。この場合、受光素子はＧｅ基板等を用いて作成し、信号処理回路はＳｉ基板を用いて作成することになる。受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。受光素子２は、アバランシェ増幅機能を有するため、Ｓｉ基板を用いてアイセーフ帯光を検出可能になる。受光素子と信号処理回路を、Ｓｉ基板にモノリシックに集積化することができる。受光システムの製造コストを削減することが可能となる。 As described above, since the light receiving element 2 can cause avalanche amplification in the high electric field region, it can have a characteristic that it has high sensitivity to weak light. An autonomous vehicle or an ADAS (Advanced driver-assistance systems) system uses an infrared camera or a LiDAR (Light Detection and Ranging) system for recognizing the surrounding environment. In these systems, it is preferable to use eye-safe band light (1300 nm to 1600 nm light) for safety. However, since the eye-safe band light has a lower energy than the band gap energy of Si, it is necessary to form the light receiving element using a substrate other than Si. In this case, the light receiving element is made using a Ge substrate and the signal processing circuit is made using a Si substrate. Since it is necessary to mount multiple chips on the light receiving system, this leads to an increase in cost. Since the light receiving element 2 has an avalanche amplification function, it becomes possible to detect eye-safe band light using the Si substrate. The light receiving element and the signal processing circuit can be monolithically integrated on the Si substrate. It is possible to reduce the manufacturing cost of the light receiving system.

また、受光素子２は、第１電源１３２と第２電源１３４を備えていることを特徴とする。第１電源１３２を比較的に小さい弱電圧に設定することで、暗電流を抑えることができる。一方、第２電源１３４を比較的に大きい強電圧に設定することで、アバランシェ増幅率を大きくすることができる。このように、受光素子２は、独立制御可能な２つの電源を備えていることで、暗電流を抑えながら、受光感度を向上させることができる。 Further, the light receiving element 2 is characterized by including a first power source 132 and a second power source 134. Dark current can be suppressed by setting the first power supply 132 to a relatively low voltage. On the other hand, by setting the second power supply 134 to a relatively large high voltage, the avalanche amplification factor can be increased. As described above, since the light receiving element 2 includes the two power sources that can be independently controlled, it is possible to improve the light receiving sensitivity while suppressing the dark current.

（第３実施形態）
図５（Ａ）に、受光素子３の要部断面図を模式的に示す。図５（Ｂ）に、受光素子３の要部平面図を模式的に示す。ただし、図５（Ｂ）は、半導体基板１００の表面上に設けられている絶縁膜２３０及び電極２２４，２２６を取り除いた要部平面図である。なお、図５（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した断面が、図５（Ａ）の要部断面図に相当する。 (Third Embodiment)
FIG. 5A schematically shows a cross-sectional view of a main part of the light receiving element 3. FIG. 5B schematically shows a plan view of a main part of the light receiving element 3. However, FIG. 5B is a plan view of an essential part with the insulating film 230 and the electrodes 224 and 226 provided on the surface of the semiconductor substrate 100 removed. The cross section corresponding to the line AA of FIG. 5B corresponds to the cross-sectional view of the main part of FIG. 5A.

受光素子３は、半導体基板２００、エミッタ電極２２２、コレクタ電極２２４及びベース電極２２６を備えている。半導体基板２００は、シリコン単結晶の基板であり、i型のエミッタ領域２１１、Ｐ型のベース領域２１２及びＮ型のコレクタ領域２１３を有している。また、半導体基板２００の表面には、酸化シリコンの絶縁膜２３０が被膜している。 The light receiving element 3 includes a semiconductor substrate 200, an emitter electrode 222, a collector electrode 224, and a base electrode 226. The semiconductor substrate 200 is a silicon single crystal substrate and has an i-type emitter region 211, a P-type base region 212, and an N-type collector region 213. Further, the surface of the semiconductor substrate 200 is coated with a silicon oxide insulating film 230.

受光素子３では、半導体基板２００の裏面上にエミッタ電極２２２が設けられており、半導体基板２００の表面上にコレクタ電極２２４とベース電極２２６が設けられている。さらに、受光素子３では、エミッタ領域２１１とベース領域２１２とコレクタ領域２１３がエミッタ電極２２２からコレクタ電極２２４に向かう方向（ｚ軸方向）に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。このため、受光素子３は、光電流がエミッタ領域２１１とベース領域２１２とコレクタ領域２１３を介して半導体基板２００の内部を縦方向に流れるように構成された縦型デバイスである。 In the light receiving element 3, the emitter electrode 222 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 200, and the collector electrode 224 and the base electrode 226 are provided on the front surface of the semiconductor substrate 200. Further, the light receiving element 3 has a portion where the emitter region 211, the base region 212, and the collector region 213 are arranged in this order along the direction from the emitter electrode 222 to the collector electrode 224 (z-axis direction). Therefore, the light receiving element 3 is a vertical device configured such that a photocurrent flows vertically in the semiconductor substrate 200 via the emitter region 211, the base region 212, and the collector region 213.

エミッタ領域２１１は、半導体基板２００にベース領域２１２とコレクタ領域２１３を形成した残部であり、半導体基板２００の裏面に露出する部分を有している。エミッタ領域２１１は、半導体基板２００の裏面に露出する部分で、半導体基板２００の裏面上に設けられているエミッタ電極２２２にショットキー接触している。エミッタ領域２１１は、ノンドープの領域である。なお、エミッタ領域２１１は、ｎ型不純物を低濃度に含む領域であってもよい。一例ではあるが、エミッタ領域２１１は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０¹²ｃｍ^-3以下であってもよい。 The emitter region 211 is the rest of the base region 212 and the collector region 213 formed on the semiconductor substrate 200, and has a portion exposed on the back surface of the semiconductor substrate 200. The emitter region 211 is a portion exposed on the back surface of the semiconductor substrate 200 and is in Schottky contact with the emitter electrode 222 provided on the back surface of the semiconductor substrate 200. The emitter region 211 is a non-doped region. The emitter region 211 may be a region containing a low concentration of n-type impurities. As an example, the emitter region 211 may contain phosphorus or arsenic as an n-type impurity and its concentration may be 1×10 ¹² cm ⁻³ or less.

ベース領域２１２は、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に配置されており、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３を隔てている。ベース領域２１２は、ｐ型不純物を含む領域である。一例ではあるが、ベース領域２１２は、ｐ型不純物としてボロンを含んでいる。また、一例ではあるが、ベース領域２１２のうちのエミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分の濃度が、５×１０¹⁶ｃｍ^-3〜２×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲でる。また、ベース領域２１２は、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分から側方に向けて伸びる接続領域２１２ｂと、半導体基板２００の表面に露出するベースコンタクト領域２１２ａと、を有している。接続領域２１２ｂは、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分とベースコンタクト領域１１２ａを接続している。この例では、接続領域２１２ｂは、ｘ軸方向に沿って伸びている。この例に限らず、接続領域２１２ｂの伸長方向は、好適なレイアウトとなるように適宜に設計される。接続領域２１２ｂは、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分よりもｐ型不純物を低濃度に含む領域である。一例ではあるが、接続領域２１２ｂは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０¹³ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲である。ベースコンタクト領域２１２ａは、ｐ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、ベースコンタクト領域２１２ａは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。ベース領域２１２は、ベースコンタクト領域２１２ａを介して半導体基板２００の表面上に設けられているベース電極２２６にオーミック接触している。 The base region 212 is disposed between the emitter region 211 and the collector region 213 and separates the emitter region 211 and the collector region 213. The base region 212 is a region containing p-type impurities. As an example, the base region 212 contains boron as a p-type impurity. Further, as an example, the concentration of the portion of the base region 212 located between the emitter region 211 and the collector region 213 is in the range of 5×10 ¹⁶ cm ⁻³ to 2×10 ¹⁷ cm ⁻³ . Further, the base region 212 has a connection region 212b extending laterally from a portion located between the emitter region 211 and the collector region 213, and a base contact region 212a exposed on the surface of the semiconductor substrate 200. There is. The connection region 212b connects the portion located between the emitter region 211 and the collector region 213 to the base contact region 112a. In this example, the connection region 212b extends along the x-axis direction. Not limited to this example, the extension direction of the connection region 212b is appropriately designed so as to have a suitable layout. The connection region 212b is a region containing a p-type impurity at a lower concentration than the portion located between the emitter region 211 and the collector region 213. As an example, the connection region 212b contains boron as a p-type impurity and its concentration is in the range of 1×10 ¹³ cm ⁻³ to 1×10 ¹⁶ cm ⁻³ . The base contact region 212a is a region containing a high concentration of p-type impurities. As an example, the base contact region 212a contains boron as a p-type impurity and its concentration is 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ or more. The base region 212 is in ohmic contact with the base electrode 226 provided on the surface of the semiconductor substrate 200 via the base contact region 212a.

コレクタ領域２１３は、半導体基板２００の表層部に設けられており、半導体基板２００の表面に露出している。コレクタ領域２１３は、ｎ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、コレクタ領域２１３は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０^１8ｃｍ⁻³以上である。コレクタ領域２１３は、半導体基板２００の表面上に設けられているコレクタ電極２２４にオーミック接触している。 The collector region 213 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 200 and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 200. The collector region 213 is a region containing a high concentration of n-type impurities. As one example, the collector region 213 contains phosphorus or arsenic as an n-type impurity, and its concentration is 1×10 ¹⁸ cm ⁻³ or more. The collector region 213 is in ohmic contact with the collector electrode 224 provided on the surface of the semiconductor substrate 200.

エミッタ電極２２２は、半導体基板２００の裏面上において、エミッタ領域２１１のうちの半導体基板２００の裏面に露出する範囲に設けられており、エミッタ領域２１１にショットキー接触している。エミッタ電極２２２は、金（Ａｕ）である。エミッタ電極２２２の厚さは、特に制限はない。 The emitter electrode 222 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 200 in a region of the emitter region 211 exposed on the back surface of the semiconductor substrate 200, and is in Schottky contact with the emitter region 211. The emitter electrode 222 is gold (Au). The thickness of the emitter electrode 222 is not particularly limited.

コレクタ電極２２４は、半導体基板２００の表面を被覆する絶縁膜２３０上に設けられており、その絶縁膜２３０に形成されたコンタクトホールを介してコレクタ領域２１３にオーミック接触している。図示省略しているが、コレクタ電極２２４は、絶縁膜２３０上において、平面視したときにコレクタ領域２１３が存在する範囲から外れた位置に形成されたコンタクトパッドに接続されるように配設されている。コレクタ電極２２４は、アルミニウム（Ａｌ）である。 The collector electrode 224 is provided on the insulating film 230 that covers the surface of the semiconductor substrate 200, and is in ohmic contact with the collector region 213 via the contact hole formed in the insulating film 230. Although not shown, the collector electrode 224 is arranged so as to be connected to a contact pad formed on the insulating film 230 at a position outside the range where the collector region 213 exists in plan view. There is. The collector electrode 224 is aluminum (Al).

ベース電極２２６は、半導体基板２００の表面を被覆する絶縁膜２３０上に設けられており、その絶縁膜２３０に形成されたコンタクトホールを介してベースコンタクト領域２１２ａにオーミック接触している。図示省略しているが、ベース電極２２６は、絶縁膜２３０上において、平面視したときにコレクタ領域２１３が存在する範囲から外れた位置に形成されたコンタクトパッドに接続されるように配設されている。ベース電極２２６は、アルミニウム（Ａｌ）である。 The base electrode 226 is provided on the insulating film 230 that covers the surface of the semiconductor substrate 200, and is in ohmic contact with the base contact region 212a through the contact hole formed in the insulating film 230. Although illustration is omitted, the base electrode 226 is disposed on the insulating film 230 so as to be connected to a contact pad formed at a position outside the range where the collector region 213 exists in plan view. There is. The base electrode 226 is aluminum (Al).

（受光素子３の動作）
図６に示されるように、受光素子３はさらに、第１電源２３２と第２電源２３４とセンス抵抗２３６を備えている。第１電源２３２は、ベース電極２２６がエミッタ電極２２２に対して正となる電圧をベース電極２２６とエミッタ電極２２２の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第１電源２３２の電圧は、約１Ｖの弱電圧である。第２電源２３４は、コレクタ電極２２４がベース電極２２６に対して正となる電圧をコレクタ電極２２４とベース電極２２６の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第２電源２３４の電圧は、約２０Ｖの強電圧である。センス抵抗２３６は、コレクタ電極２２４とベース電極２２６の間の配線に接続されている。このように、受光素子３は、受光動作において、ベース接地して用いられる。 (Operation of light receiving element 3)
As shown in FIG. 6, the light receiving element 3 further includes a first power supply 232, a second power supply 234, and a sense resistor 236. The first power supply 232 is configured so that a voltage at which the base electrode 226 is positive with respect to the emitter electrode 222 can be applied between the base electrode 226 and the emitter electrode 222. As an example, the voltage of the first power supply 232 is a weak voltage of about 1V. The second power supply 234 is configured so that a voltage at which the collector electrode 224 is positive with respect to the base electrode 226 can be applied between the collector electrode 224 and the base electrode 226. As an example, the voltage of the second power supply 234 is a strong voltage of about 20V. The sense resistor 236 is connected to the wiring between the collector electrode 224 and the base electrode 226. Thus, the light receiving element 3 is used with the base grounded in the light receiving operation.

図６に示されるように、受光素子３は、半導体基板２００の表面側から光を受光するタイプである。受光素子３では、絶縁膜２３０と半導体基板２００を透過してエミッタ電極２２２にアイセーフ帯光（例：１５５０ｎｍ、エネルギー：０．８ｅＶ）が入射し、光がエミッタ電極２２２で自由電子吸収されると、エミッタ領域２１１に電子が注入される。このように、受光素子３では、半導体基板２００を透過した光がエミッタ電極２２２に入射するように構成されているので、エミッタ電極２２２の厚みに制限がない。エミッタ電極２２２とベース電極２２６の間に第１電源２３２によって弱電圧が印加されているので、エミッタ領域２１１に注入された電子は、半導体基板２００の厚み方向（ｚ軸方向）において、エミッタ領域２１１からベース領域２１２に向けて走行する。上記したように、コレクタ電極２２４とベース電極２２６の間には第２電源２３４によって強電圧が印加されているので、ベース領域２１２とコレクタ領域２１３のｐｎ接合には逆バイアスが印加されており、このｐｎ接合が高電界領域として機能する。特に、ベース領域２１２のうちのエミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分のｐ型不純物の濃度が接続領域２１２ｂのｐ型不純物の濃度よりも濃く調整されているので、ベース領域２１２とコレクタ領域２１３のｐｎ接合が高電界領域として効果的に機能する。このため、エミッタ領域２１１からベース領域２１２に向けて走行してきた電子は、この高電界領域で加速され、アバランシェ増幅を生じさせる。これにより、受光素子３には、増幅したコレクタ電流が流れる。コレクタ電流が流れると、出力端子２３８の出力電圧は、ベース電圧に対して低下する。出力端子２３８の出力電圧の低下幅は、エミッタ電極２２２に入射した光量に依存する。このようにして、受光素子３は、エミッタ電極２２２に入射する光を検出することができる。 As shown in FIG. 6, the light receiving element 3 is of a type that receives light from the front surface side of the semiconductor substrate 200. In the light receiving element 3, when the eye-safe band light (eg, 1550 nm, energy: 0.8 eV) is incident on the emitter electrode 222 after passing through the insulating film 230 and the semiconductor substrate 200, the light is absorbed by the emitter electrode 222 as free electrons. , Electrons are injected into the emitter region 211. As described above, in the light receiving element 3, the light transmitted through the semiconductor substrate 200 is configured to be incident on the emitter electrode 222, so that the thickness of the emitter electrode 222 is not limited. Since the weak voltage is applied between the emitter electrode 222 and the base electrode 226 by the first power source 232, the electrons injected into the emitter region 211 are emitted from the emitter region 211 in the thickness direction (z-axis direction) of the semiconductor substrate 200. Drive toward the base region 212. As described above, since the strong voltage is applied between the collector electrode 224 and the base electrode 226 by the second power supply 234, the reverse bias is applied to the pn junction between the base region 212 and the collector region 213. This pn junction functions as a high electric field region. In particular, the concentration of the p-type impurity in the portion of the base region 212 located between the emitter region 211 and the collector region 213 is adjusted to be higher than the concentration of the p-type impurity in the connection region 212b. The pn junction of the collector region 213 effectively functions as a high electric field region. Therefore, the electrons traveling from the emitter region 211 toward the base region 212 are accelerated in this high electric field region and cause avalanche amplification. As a result, the amplified collector current flows through the light receiving element 3. When the collector current flows, the output voltage of the output terminal 238 decreases with respect to the base voltage. The amount of decrease in the output voltage of the output terminal 238 depends on the amount of light incident on the emitter electrode 222. In this way, the light receiving element 3 can detect the light incident on the emitter electrode 222.

上記したように、受光素子３は、高電界領域でアバランシェ増幅を起こすことができるため、微小光に対する感度が高いという特徴を有することができる。自律走行車やＡＤＡＳ（Advanced driver-assistance systems）システムでは、周辺環境認識のために、赤外線カメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ光）を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、Ｓｉ以外の基板等を用いて受光素子を作成する必要があった。この場合、受光素子はＧｅ基板等を用いて作成し、信号処理回路はＳｉ基板を用いて作成することになる。受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。受光素子３は、アバランシェ増幅機能を有するため、Ｓｉ基板を用いてアイセーフ帯光を検出可能になる。受光素子と信号処理回路を、Ｓｉ基板にモノリシックに集積化することができる。受光システムの製造コストを削減することが可能となる。 As described above, since the light receiving element 3 can cause avalanche amplification in the high electric field region, it can have a feature that it has high sensitivity to a weak light. An autonomous vehicle or an ADAS (Advanced driver-assistance systems) system uses an infrared camera or a LiDAR (Light Detection and Ranging) system for recognizing the surrounding environment. In these systems, it is preferable to use eye-safe band light (1300 nm to 1600 nm light) for safety. However, since the eye-safe band light has a lower energy than the band gap energy of Si, it is necessary to form the light receiving element using a substrate other than Si. In this case, the light receiving element is made using a Ge substrate and the signal processing circuit is made using a Si substrate. Since it is necessary to mount multiple chips on the light receiving system, this leads to an increase in cost. Since the light receiving element 3 has an avalanche amplification function, it becomes possible to detect the eye-safe band light by using the Si substrate. The light receiving element and the signal processing circuit can be monolithically integrated on the Si substrate. It is possible to reduce the manufacturing cost of the light receiving system.

また、受光素子３は、第１電源２３２と第２電源２３４を備えていることを特徴とする。第１電源２３２を比較的に小さい弱電圧に設定することで、暗電流を抑えることができる。一方、第２電源２３４を比較的に大きい強電圧に設定することで、アバランシェ増幅率を大きくすることができる。このように、受光素子３は、独立制御可能な２つの電源を備えていることで、暗電流を抑えながら、受光感度を向上させることができる。 The light receiving element 3 is characterized by including a first power supply 232 and a second power supply 234. Dark current can be suppressed by setting the first power supply 232 to a relatively low voltage. On the other hand, by setting the second power supply 234 to a relatively large strong voltage, the avalanche amplification factor can be increased. As described above, since the light receiving element 3 includes the two power sources that can be independently controlled, it is possible to improve the light receiving sensitivity while suppressing the dark current.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. Further, the technical elements described in the present specification or the drawings exert technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technique illustrated in the present specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes has technical utility.

１：受光素子
１０：半導体基板
１１：エミッタ領域
１２：ベース領域
１２ａ：ベースコンタクト領域
１３：コレクタ領域
１４：ベースコンタクト領域
１５：高電界領域
２２：エミッタ電極
２４：コレクタ電極
２６：ベース電極 1: light receiving element 10: semiconductor substrate 11: emitter region 12: base region 12a: base contact region 13: collector region 14: base contact region 15: high electric field region 22: emitter electrode 24: collector electrode 26: base electrode

Claims

A light receiving element,
an emitter region that is an n-type or i-type semiconductor, a base region that is a p-type semiconductor, a collect region that is an n-type semiconductor, an emitter electrode, a base electrode, and a collector electrode,
The emitter region, the base region, and the collector region have a portion arranged in this order along the direction from the emitter electrode to the collector electrode,
The emitter electrode is in Schottky contact with the emitter region,
The base electrode is in ohmic contact with the base region,
The light receiving element, wherein the collector electrode is in ohmic contact with the collector region.

The emitter region, the base region, and the collector region are arranged along the lateral direction of the semiconductor substrate in the surface layer portion of the semiconductor substrate,
The emitter region is exposed on one main surface of the semiconductor substrate,
The base region is adjacent to the emitter region and is exposed at the one main surface of the semiconductor substrate,
The light-receiving element according to claim 1, wherein the collector region is separated from the emitter region by the base region and is exposed at the one main surface of the semiconductor substrate.

The light-receiving element according to claim 2, wherein the collector region has a protrusion that protrudes toward the emitter region in the lateral direction of the semiconductor substrate.

The emitter region, the base region, and the collector region are arranged along the thickness direction of the semiconductor substrate,
The emitter region is exposed on one main surface of the semiconductor substrate,
The collector region is exposed on the other main surface of the semiconductor substrate,
The light receiving element according to claim 1, wherein the base region separates the emitter region and the collector region.

A first power supply configured such that a first voltage whose base electrode is positive with respect to the emitter electrode can be applied between the base electrode and the emitter electrode;
5. A second power supply configured to apply a second voltage, which is positive with respect to the base electrode to the collector electrode, between the collector electrode and the base electrode. The light-receiving element according to any one of 1.

The light-receiving element according to claim 1, wherein the semiconductor is silicon.

The light receiving element according to claim 1, wherein the emitter electrode is Au.