JP2503651B2

JP2503651B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2503651B2
Application number: JP1108007A
Authority: JP
Inventors: 茂遠山
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1989-04-26
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JPH02285683A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、赤外線領域の光信号を電気信号に変換する
赤外線センサに関する。

（従来の技術）従来のこの種の赤外線センサとしては、特開昭63−23
7583号公報（昭和62年特許願第73240号）で提示したも
のがある。

この赤外線センサは、第１導電型の縮退半導体からな
る光電変換領域と；第１導電型の非縮退半導体からなる
キャリア注入領域と；これら光電変換領域とキャリア注
入領域との間に存在し、不純物濃度がキャリア注入領域
より低い第１導電型半導体か、真性半導体か、あるいは
少なくとも動作条件下で完全空乏化状態となる第２導電
型半導体からなるポテンシャル障壁領域とから構成され
るホモ接合構造のデバイスである。

このセンサにおける光電変換の動作原理について、第
６図（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

第６図（ａ）は第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型
の場合、同図（ｂ）は逆に第１導電型がｎ型で第２導電
型がｐ型の場合におけるエネルギー帯構造及び光電変換
機構を示している。赤外光がキャリア注入領域側から入
射しているが、これは絶縁物側からの入射でもかまわな
い。

まず、第６図（ａ）の第１導電型がｐ型で第２導電型
がｎ型の場合について述べる。

光電変換領域62はｐ型縮退半導体から成り立っている
ので、非縮退状態では価電子帯端E_v近傍に局在いていた
アクセプタ不純物準位が局在性を失って広がりを持ち、
価電子帯66と重なり生じている。この状態ではフェルミ
準位E_fが価電子帯66内部に入り込んでくるため、この領
域ではフェルミ準位E_fと価電子帯端E_vとの間に空準位70
が存在している。キャリア注入領域64はｐ型非縮退半導
体からなり、光電変換領域62とキャリア注入領域64との
間に存在するポテンシャル障壁領域63は、アクセプタ不
純物濃度がキャリア注入領域64より低いｐ型半導体か、
真性半導体か、あるいは少なくとも動作条件下で光電変
換領域62との接合界面から伸びる空乏層とキャリア注入
領域64との接合界面から伸びる空乏層とによって完全空
乏化状態となるドナ不純物濃度及び厚さを有するｎ型半
導体から成り立っているので、フェルミ準位E_fはキャリ
ア注入領域64においては価電子帯端E_v近傍に存在し、ポ
テンシャル障壁領域63においては半導体からなる三領域
の中で最も伝導帯端E_cの近くに存在する。従って、ポテ
ンシャル障壁領域63及び他の二領域62,64のポテンシャ
ル障壁領域63との接合界面近傍には価電子帯66中のホー
ルに対して障害となるポテンシャル障壁が形成される。
特に、光電変換領域62における価電子帯66中のホールに
対するポテンシャル障壁はΦ_Hである。

キャリア注入領域64側からの光入射では、禁制帯幅E_g
以上のエネルギーを持つ光は、半導体内の入射面近傍に
おいて、ほとんど吸収されてしまうが、禁制帯幅E_gより
小さいエネルギーの光（通常このような光は赤外光）
は、キャリア注入領域64及びポテンシャル障壁領域63に
おいて、ほとんど吸収されずに透過し、光電変換領域62
に入射する。

光電変換領域62では、価電子帯66中のフェルミ準位下
の電子が入射した赤外光69のエネルギーhvを吸収し、フ
ェルミ準位下からフェルミ準位E_fと価電子帯端E_vとの間
の空準位70へ遷移して、ホット電子71とホットホール72
を形成する。これらホット電子71とホットホール72は、
光電変換領域62内において、再結合するまで、どの方向
へも発生確率がほぼ等しい運動をするが、ホットホール
72が運動中にポテンシャル障壁領域63に達し、それがポ
テンシャル障壁Φ_Hより大きいエネルギーを持っている
場合には、ポテンシャル障壁領域63を通過して、キャリ
ア注入領域64へ注入される確率がある。ホットホール72
がキャリア注入領域64へ注入されると、光電変換領域62
に取り残されたホット電子71とキャリア注入領域64へ注
入されたホットホール72とが信号電荷となる。

一方、第６図（ｂ）の第１導電型がｎ型で第２導電型
がｐ型の場合も、以下のように、光電変換の動作原理
は、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合とほぼ
同様となる。

光電変換領域74はｎ型縮退半導体から成り立っている
ので、非縮退状態では伝導帯端E_c近傍に局在していたド
ナ不純物準位が局在性を失って広がりを持ち、伝導帯80
と重なりを生じている。この状態ではフェルミ準位E_fが
伝導帯80内部に入り込んでくるため、この領域ではフェ
ルミ準位E_fと伝導帯端E_cとの間が電子82で占められてい
る。キャリア注入領域76はｎ型非縮退半導体からなり、
光電変換領域74とキャリア注入領域76との間に存在する
ポテンシャル障壁領域75は、ドナ不純物濃度がキャリア
注入領域76より低いｎ型半導体か、真性半導体か、ある
いは少なくとも動作条件下で光電変換領域74との接合界
面から伸びる空乏層とキャリア注入領域76との接合界面
から伸びる空乏層とによって完全空乏状態となるアクセ
プタ不純物濃度及び厚さを有するｐ型半導体から成り立
っているので、フェルミ準位E_fはキャリア注入領域76に
おいては伝導帯端E_c近傍に存在し、ポテンシャル障壁領
域75においては半導体からなる三領域の中で最も価電子
帯端E_vの近くに存在する。従って、ポテンシャル障壁領
域75及び他の二領域74,76のポテンシャル障壁領域75と
の接合界面近傍には伝導帯80中の電子に対して障害とな
るポテンシャル障壁が形成される。特に、光電変換領域
74における伝導帯80中の電子に対するポテンシャル障壁
はΦ_Eである。

キャリア注入領域76側から入射した赤外光81（hv＜
E_g）は、前述んの場合と同様、キャリア注入領域76及び
ポテンシャル障壁領域75においてほとんど吸収されずに
透過し、光電変換領域74に入射する。

光電変換領域74では、伝導帯80中のフェルミ準位E_fと
伝導帯端E_cとの間の電子82が、入射した赤外光81のエネ
ルギーhvを吸収し、フェルミ準位下からフェルミ準位上
の空準位へ遷移して、ホット電子83とホットホール84を
形成する。これらホット電子83とホットホール84は、前
述の場合と同様、光電変換領域74内において、再結合す
るまで、どの方向へも発生確率がほぼ等しい運動をする
が、ホット電子83が運動中にポテンシャル障壁領域75に
達し、それがポテンシャル障壁Φ_Eより大きいエネルギ
ーを持っている場合には、ポテンシャル障壁領域75を通
過して、キャリア注入領域76へ注入される確率がある。
ホット電子83がキャリア注入領域76へ注入されると、光
電変換領域74に取り残されたホットホール84とキャリア
注入領域76へ注入されたホット電子83とが信号電荷とな
る。

以上述べた動作原理であるため、この赤外線センサの
遮断波長は、ポテンシャル障壁Φ_HあるいはΦ_Eによって
決定付けられるが、これらのポテンシャル障壁は、ポテ
ンシャル障壁領域の導電型，ポテンシャル障壁領域の厚
さ，半導体からなる三領域の不純物濃度のバランス及び
バイアス条件を制御することによって、零〜pn接合の拡
散電位に相当するエネルギー程度の間の任意の大きさに
設定することができる。従って、該赤外線センサは、遮
断波長の設定自由度が極めて大きいという特徴を有す
る。

なお、ピポテンシャル障壁が低いために、室温におい
て、熱励起によりポテンシャル障壁領域を横切ることの
できるキャリアが多く、それに伴って暗電流が大きい場
合には、該赤外線センサは冷却して使用される。

（発明が解決しようとする課題）上述した赤外線センサに限らず、センサにおいては、
一般に、高感度化が一つの大きな課題となっている。

本発明の目的は、上述した赤外線センサ同様、遮断波
長を任意に設定でき、しかもより高感度の赤外線センサ
を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の赤外線センサは、金属からなる第１光電変換
領域と、第１導電型の縮退半導体からなり第１光電変換
領域とオーミック接触する第２光電変換領域と、第１導
電型の非縮退半導体からなり第１及び第２光電変換領域
からホットホールあるいはホット電子が注入されるキャ
リア注入領域と、キャリア注入領域より不純物濃度が低
い第１導電型半導体か、真性半導体か、あるいは少なく
とも動作条件下で完全空乏化状態となる第２導電型半導
体からなり第２光電変換領域とキャリア注入領域との間
に存在するポテンシャル障壁領域とを有し、第１光電変
換領域／第２光電変換領域／ポテンシャル障壁領域／キ
ャリア注入領域の積層構造で、しかこ第２光電変換領域
とポテンシャル障壁領域とキャリア注入領域とがホモ接
合構造を構成することを特徴とする。

（作用）本発明の赤外線センサにおける光電変換の動作原理を
第１図（ａ），（ｂ）及び第２図（ａ），（ｂ）を用い
て説明する。

第１図は第１導電型をｐ型，第２導電型をｎ型とする
場合、第２図は逆に第１導電型をｎ型，第２導電型をｐ
型とする場合のエネルギー帯構造及び光電変換機構を示
している。両図とも、（ａ）は無バイアス時、（ｂ）は
バイアス印加時である。赤外光が半導体側から入射して
いるが、これは絶縁物側からの入射でもかまわない。

まず、第１図の場合について述べる。

第２光電変換領域２は、第６図（ａ）における光電変
換領域62同様、ｐ型縮退半導体から成り立っているの
で、非縮退状態では価電子帯端E_v近傍に局在していたア
クセプタ不純物準位が局在性を失って広がりを持ち、価
電子帯６と重なりを生じている。この状態ではフェルミ
準位E_fが価電子帯６内部に入り込んでくるため、領域２
においては、フェルミ準位E_fと価電子帯端E_vとの間に空
準位10が存在している。金属からなる第１光電変換領域
１との接触界面には、金属の仕事関数と半導体の仕事関
数との差異に起因するエネルギー帯の曲がりが生じる
が、第２光電変換領域２は縮退しているため、たとえ金
属と半導体とがポテンシャル障壁を形成する組み合わせ
であっても、エネルギー帯の曲がった領域が極めて薄
く、かつ、障壁の頂点が低下するので、多数キャリアで
あるホールにとって、実質的に無視し得る存在となる。
従って、第１光電変換領域１と第２光電変換領域２と
は、常にオーミック接触を形成する。なお、第１光電変
換領域１と第２光電変換領域２との接触界面におけるエ
ネルギー帯の曲がりは、ポテンシャルの高い側への曲が
りか、低い側への曲がりにかかわらず、無視し得るの
で、第１図では、該エネルギー帯の曲がりを省略してあ
る。

キャリア注入領域４、及び第２光電変換領域２とキャ
リア注入領域４との間に存在するポテンシャル障壁領域
３も、それぞれ第６図（ａ）におけるキャリア注入領域
64及びポテンシャル障壁領域63と同様なので、ポテンシ
ャル障壁領域３及び半導体からなる他の二領域2,4のポ
テンシャル障壁領域３との接合界面近傍には、価電子帯
６中のホールに対して障害となるポテンシャル障壁が形
成される。特に、第２光電変換領域２における価電子帯
６中のホールに対するポテンシャル障壁はΦ_Hである。
このポテンシャル障壁Φ_Hには、第１図（ｂ）に示すよ
うに、バイアス依存性がある。

キャリア注入領域４側からの光入射では、従来の赤外
線センサの場合と同様、禁制帯幅E_g以上のエネルギーを
持つ光は、半導体内の入射面近傍において、ほとんど吸
収されてしまうが、禁制帯幅E_gより小さいエネルギーの
光（通常このような光は赤外光）は、キャリア注入領域
４及びポテンシャル障壁領域３において、ほとんど吸収
されずに透過し、第２光電変換領域２に入射する。

第２光電変換領域２では、価電子帯６中のフェルミ準
位下の電子が入射した赤外光９のエネルギーhvを吸収
し、フェルミ準位下からフェルミ準位E_fと価電子帯端E_v
との間の空準位10へ遷移して、ホット電子11aとホット
ホール12aを形成する。また、第２光電変換領域２にお
いて、吸収しきれなかった赤外光９は、第１光電変換領
域１へ入射する。

第１光電変換領域１では、フェルミ準位E_f下を満たす
電子が、入射した赤外光９のエネルギーhvを吸収し、フ
ェルミ準位下からフェルミ準位上の空準位へ遷移してホ
ット電子11bとホットホール12bを形成する。

第１光電変換領域１と第２光電変換領域２との接触界
面にはホットホールに対する障害がないので、第１光電
変換領域１及び第２光電変換領域２に発生したホットホ
ールは、これら領域1,2間を自由に行き来でき、ホット
電子と再結合するまでこれら領域1,2中を運動するが、
第１光電変換領域１の電子の遷移確率は第２光電変換領
域２のそれより高いので、第１光電変換領域１のほうが
ホットホール濃度が高く、第１光電変換領域１及び第２
光電変換領域２のホットホール濃度が同程度になるよう
に、第１光電変換領域１から第２光電変換領域２へ移動
する傾向が強い。一方、ホット電子については、第２光
電変換領域２で発生したものは、第２光電変換領域２の
空準位10と第１光電変換領域１との間を行き来できる
が、第１光電変換領域１で発生したものでは事情が異な
る。第１光電変換領域１において発生したホット電子の
うち、第２光電変換領域２における価電子帯端E_vよりも
励起した準位が低いホット電子は、第２光電変換領域２
に発生したものと同様、第１光電変換領域１と第２光電
変換領域２の空準位10との間を行き来できるが、価電子
帯端E_vよりも励起した準位が高いホット電子に関して
は、禁制帯７が障害となるため、第２光電変換領域２へ
移動することができない。従って、第２光電変換領域２
より第１光電変換領域１のほうがホット電子濃度が高い
にもかかわらず、ホット電子は第１光電変換領域１に閉
じ込められる傾向にある。すなわち、金属からなる第１
光電変換領域１は、ｐ型縮退半導体からなる第２光電変
換領域２との接合を形成することにより、ホットホール
の良好な供給源となる。

第１光電変換領域１及び第２光電変換領域２に発生し
たホットホールが、運動中にポテンシャル障壁領域３に
達し、それがポテンシャル障壁Φ_Hより大きいエネルギ
ーを持っている場合には、ポテンシャル障壁領域３を通
過して、キャリア４へ注入領域４へ注入される確立があ
る。ホットホールがキャリア注入領域へ注入されると、
第１光電変換領域１及び第２光電変換領域２に取り残さ
れたホット電子とキャリア注入領域４へ注入されたホッ
トホールとが信号電荷となる。

一方、第２図の第１導電型がｎ型で第２導電型がｐ型
の場合も、以下のように、光電変換の動作原理は、第１
導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合とほぼ同様とな
る。

第２光電変換領域15は、第６図（ｂ）における光電変
換領域74同様、ｎ型縮退半導体から成り立っているの
で、非縮退状態では伝導帯端E_c近傍に局在していたドナ
不純物準位が局在性を失って広がりを持ち、伝導帯21と
重なりを生じている。この状態ではフェルミ準位E_fが伝
導帯21内部に入り込んでくるため、領域15においては、
フェルミ準位E_fと伝導帯端E_cとの間が電子23で占められ
ている。金属からなる第１光電変換領域14との接触界面
において、金属の仕事関数と半導体の仕事関数との差異
に起因して生じるエネルギー帯の曲がった領域は、第１
導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合と同様の理由か
ら、多数キャリアである電子にとって、実質的に無視し
得る存在となる。従って、第１光電変換領域14と第２光
電変換領域15とはオーミック接触を形成する。なお、第
１図同様、第２図でも、第１光電変換領域14と第２光電
変換領域15との接触界面におけるエネルギー帯の曲がり
を省略してある。

キャリア注入領域17、及び第２光電変換領域15とキャ
リア注入領域17との間に存在するポテンシャル障壁領域
16も、それぞれ第６図（ｂ）におけるキャリア注入領域
76及びポテンシャル障壁領域75と同様なので、ポテンシ
ャル障壁領域16及び半導体からなる他の二領域15,17の
ポテンシャル障壁領域16との接合界面近傍には伝導帯21
中の電子に対して障害となるポテンシャル障壁が形成さ
れる。特に、第２光電変換領域15における伝導帯21中の
電子に対するポテンシャル障壁はΦ_Eである。このポテ
ンシャル障壁領域Φ_Eにも、Φ_H同様、第２図（ｂ）に示
すように、バイアス依存性がある。

キャリア注入領域17側から入射した赤外光22（hv＜
E_g）は、前述の場合と同様、キャリア注入領域17及びポ
テンシャル障壁領域16において、ほとんど吸収されずに
透過し、第２光電変換領域15に入射する。

第２光電変換領域15では、伝導帯21中のフェルミ準位
E_fと伝導帯端E_cとの間の電子23が、入射した赤外光22の
エネルギーhvを吸収し、フェルミ準位下からフェルミ準
位上の空準位へ遷移して、ホット電子24aとホットホー
ル25aを形成する。また、第２光電変換領域15におい
て、吸収しきれなかった赤外光22は、第１光電変換領域
14へ入射する。

第１光電変換領域14では、前述と同様、フェルミ準位
E_f下を満たす電子が入射した赤外光22のエネルギーhvを
吸収し、フェルミ準位下からフェルミ準位上の空準位へ
遷移してホット電子24bとホットホール25bを形成する。

第１光電変換領域14と第２光電変換領域15との接触界
面にはホット電子に対する障害がないので、第１光電変
換領域14及び第２光電変換領域15に発生したホット電子
はこれら領域14,15間を自由に行き来でき、ホットホー
ルと再結合するまでこれら領域14,15中を運動するが、
第１光電変換領域14の電子の遷移確率は第２光電変換領
域15のそれより高いので、第１光電変換領域14のほうが
ホット電子濃度が高く、第１光電変換領域14及び第２光
電変換領域15のホット電子濃度が同程度になるように、
第１光電変換領域14から第２光電変換領域15へ移動する
傾向が強い。一方、ホットホールについては、第２光電
変換領域15で発生したものは、第２光電変換領域15にお
いて電子23に占められたフェルミ準位E_f〜伝導帯端E_c間
の領域と第１光電変換領域14との間を行き来できるが、
第１光電変換領域14で発生したものでは事情が異なる。
第１光電変換領域14において発生したホットホールのう
ち、第２光電変換領域15における伝導帯端E_cよりも高い
準位にあった電子が励起して発生したホットホールは、
第２光電変換領域15に発生したものと同様、第１光電変
換領域14と第２光電変換領域15において電子23に占めら
れたフェルミ準位E_f〜伝導帯端E_c間の領域との間を行き
来できるが、伝導帯端E_cよりも低い準位にあった電子が
励起して発生したホットホールに関しては、禁制帯20が
障害となるため、第２光電変換領域15へ移動することが
できない。従って、第２光電変換領域15より第１光電変
換領域14のほうがホットホール濃度が高いにもかかわら
ず、ホットホールは第１光電変換領域14に閉じ込められ
る傾向にある。すなわち、金属からなる第１光電変換領
域14は、ｎ型縮退半導体からなる第２光電変換領域15と
の接合を形成することにより、ホット電子の良好な供給
源となる。

第１光電変換領域14及び第２光電変換領域15に発生し
たホット電子が、運動中にポテンシャル障壁領域16に達
し、それがポテンシャル障壁Φ_Eより大きいエネルギー
を持っている場合には、ポテンシャル障壁領域16を通過
して、キャリア注入領域17へ注入される確率がある。ホ
ット電子がキャリア注入領域17へ注入されると、第１光
電変換領域14及び第２光電変換領域15に取り残されたホ
ットホールとキャリア注入領域17へ注入されたホット電
子とが信号電荷となる。

以上のように、本赤外線センサは、従来例のセンサ同
様、ポテンシャル障壁領域の導電型，ポテンシャル障壁
領域の厚さ，半導体からなる三領域の不純物濃度のバラ
ンス及びバイアス条件を制御することで、零〜pn接合の
拡散電位に相当するエネルギー程度の間の任意の大きさ
に設定できるポテンシャル障壁Φ_HあるいはΦ_Eによっ
て、遮断波長が決定付けられ、その設定自由度が極めて
大きいという特徴を有すると同時に、金属とｐ型あるい
はｎ型の縮退半導体との接触で形成されるエネルギー帯
構造を利用した、効率の良いホットホールあるいはホッ
ト電子の供給機構を具備し、かつ、その金属は赤外線吸
収率が極めて高いので、従来例のセンサより高い赤外線
検出感度を実現できる。

なお、本発明の赤外線センサも、従来例の赤外線セン
サの場合と同様に、ポテンシャル障壁が小さいことが原
因で室温において暗電流が大きい場合には、冷却して使
用する。

（実施例）（実施例１）第３図は本発明の第１の実施例の縦断面図である。こ
の実施例は、キャリア注入領域側から赤外光を入射させ
る裏面照射側型外線センサである。本実施例では、両面
とこ鏡面に磨かれた単結晶Si基板を素材としたが、他の
半導体材料、例えばGe,GaAsなどを素材としても、製造
することができる。ただし、その場合、以下に出てくる
熱酸化膜を利用できないことが多く、通常、代わりにCV
D法等で形成した絶縁膜を用いる。

まず、ｐ型単結晶Si基板31内において基板作製時のま
まの状態の領域がキャリア注入領域30であり、赤外光40
の入射面すなわち裏面には反射防止膜39が施してある。
基板表面には、金属材料としてシリサイドを用いた、薄
膜状の第１光電変換領域27が設けてある。シリサイドと
しては例えば白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、
モリブデン、タングステン、チタン、クロム、鉄、マグ
ネシウム、イットリウム、ニオブ、リチウムの各シリサ
イド等を用いることができる。このシリサイドの直下
に、オーミック接触する縮退ｐ型の第２光電変換領域2
8、さらにキャリア注入領域30との間にポテンシャル障
壁領域29を形成してある。第１光電変換領域27に金属シ
リサイドを用いているのは、特性の安定性に優れている
という利点があるからであり、絶対にこれを用いなけれ
ばならないわけではない。他の金属で置き換えても、一
向に差し支えない。他の金属としては例えばMo,W,Ti,P
t,Pd,Cr,Al,Cu,Ni,Ag,Au等の単体金属や、Al−Si,Al−S
i−Cu,Ti−Pt−Au,Au−Ge−Ni等の合金などを用いるこ
とができる。また、ポテンシャル障壁領域29は、キャリ
ア注入領域30より不純物濃度が低いｐ型か、真性か、あ
るいは少なくとも動作条件下で完全空乏化状態となるｎ
型である。

第１光電変換領域27,第２光電変換領域28及びポテン
シャル障壁領域29の周囲には電界集中を緩和するため、
ｎ型ガードリング32を設けている。第１光電変換領域27
周辺の基板表面は熱酸化膜（SiO₂）34で覆ってあり、さ
らに第１光電変換領域27上及び熱酸化膜34上をCVD法等
で形成したシリコン酸化物（SiO,SiO₂）あるいはシリコ
ン窒化物（SiN,Si₃N₄など）等からなる絶縁膜35で覆っ
てある。ただし、シリコン窒化物を絶縁膜35に用いる場
合には、熱膨張係数の差による応力を緩和するため、第
１光電変換領域27上に前もってCVD法等で薄いシリコン
酸化膜を形成する必要がある。

第２光電変換領域28及び第１光電変換領域27を透過し
た赤外光40を再利用するため、絶縁膜35上の第１光電変
換領域17と対向する部分に、アルミニウム等からなる金
属反射膜37を備えている。単結晶Si基板31のキャリア注
入領域30とポテンシャル障壁領域29の部分／第２光電変
換領域28/第１光電変換領域27/絶縁膜35/金属反射膜37
の多層構造で光学的共振状態が生じるので、センサの使
用波長帯における中心波長の赤外光で生じる安在波の腹
が第２光電変換領域28及び第１光電変換領域27の付近に
位置するように、絶縁膜35の厚さを設定すると、高性能
となる。

第１光電変換領域27及び第２光電変換領域28で発生し
た光信号電荷をセンサ外部に取り出すため、第２光電変
換領域28には、ポテンシャル障壁領域29と接している部
分からｎ型ガードリング32の内部に局所的に長く伸びた
信号電荷抽出部がある。また、ｎ型ガードリング32の内
部には、ｎ型ガードリング32とアルミニウム等からなる
金属配線36とをオーミック接続させるためのｎ型高濃度
不純物領域33が、前記の第２光電変換領域28の信号電荷
抽出部と隣接するように形成してある。金属配線36は第
２光電変換領域28の信号電荷抽出部及びｎ型高濃度不純
物領域33の両者と接触・合金化し、そこから外部に引き
出している。ここに述べた、信号電荷抽出部，金属配線
36,n型高濃度不純物領域33,及びｎ型ガードリング32か
ら、第１光電変換領域27及び第２光電変換領域28とポテ
ンシャル障壁領域29とを電気的に接続する経路である短
絡機構が成立している。この短絡機構には、次のような
効果がある。

本発明の赤外線センサにおいて、半導体からなる三領
域のポテンシャル障壁発生部分及びその近傍で、電子・
ホール対が発生すると、本実施例のように、第１導電型
がｐ型の場合（エネルギー帯構造は第１図）には、伝導
帯に遷移した電子がポテンシャル障壁領域における伝導
帯のポテンシャル極小部分に集まり、それと対をなして
発生した価電子帯のホールが第２光電変換領域あるいは
キャリア注入領域に捕らえられる。一方第１導電型がｎ
型の場合（エネルギー帯構造は第２図）には、逆に、電
子が遷移して価電子帯に発生したホールがポテンシャル
障壁領域のポテンシャル極大部分（ホールに対してポテ
ンシャル極小部分）に集まり、伝導帯に遷移した電子が
第２光電変換領域あるいはキャリア注入領域に捕らえら
れる。電子・ホール対の発生原因としては、半導体材料
の禁制帯幅E_g以上のエネルギーを持つ光が該領域に達す
るとか、該領域において価電子帯の電子の熱励起が生じ
るなどがある。ポテンシャル障壁領域に集まった自由キ
ャリアは、速やかに除去しないと、これがポテンシャル
障壁領域に溜り、電位変化、すなわち、ポテンシャル障
壁高さの変動が起こる。第１光電変換領域及び第２光電
変換領域とポテンシャル障壁領域とを電気的に接続する
短絡機構は、本赤外線センサを蓄積モードで使用する場
合も含めて、ポテンシャル障壁領域に集まる自由キャリ
アを即座に取り除き、本赤外線センサの動作をより安定
にする働きをする。短絡機構が無くても、光電変換動作
はするが、性能は劣るということである。

センサの表面側最外部は保護膜38で覆ってある。

次に本実施例の動作について簡単に述べる。ｐ型単結
晶Si基板31裏面から入射した赤外光40は、キャリア注入
領域30及びポテンシャル障壁領域29を透過し、第２光電
変換領域28及び第１光電変換領域27において吸収され、
電気信号に変換される。本実施例においては、第２光電
変換領域28及び第１光電変換領域27はホットホールの放
出によって電子が増加し、キャリア注入領域30はホット
ホールの注入によってホールが増加する。キャリア注入
領域30の信号電荷はアースに流れ、第２光電変換領域28
及び第１光電変換領域27の信号電荷は金属配線36を経て
外部に取り出される。

（実施例２）第４図及び第５図はそれぞれ本発明の第２の実施例で
ある２次元赤外線CCDイメージセンサの単位画素の縦断
面図及び全体構成図である。本実施例は、アレイ化した
本発明の赤外線センサとインターライン転送CCD方式の
電子走査回路とを組み合わせた赤外線イメージセンサで
ある。

本実施例はｐ型単結晶Si基板を素材とし、単位画素が
第４図に示すように、赤外線センサ41,トランスファゲ
ート42,及び垂直CCD43から成り立っている。

この赤外線センサ41の構造は、第１光電変換領域44及
び第２光電変換領域45からの信号電荷読み出し部分及び
短絡機構が若干異なる以外は第１実施例と同様である。
赤外線センサ41の短絡機構は、第１光電変換領域44をな
す金属シリサイド膜が、第２光電変換領域45とｎ型高濃
度不純物領域50との境界を越えるところまで伸び、ｎ型
高濃度不純物領域50ともオーミック接触することによっ
て実現している。第１光電変換領域44に金属シリサイド
を用いている理由は、（実施例１）で述べた通りであ
り、他の金属で置き換えてもよい。また、ｎ型高濃度不
純物領域50はｎ型ガードリング49の外部まで飛び出して
おり、トランスファゲート42部分のソース領域も兼ねて
いる。

垂直CCD43の構造は、埋め込みチャネル型であり、電
荷の転送方向に対して横方向のチャネル幅を限定するた
め、垂直CCD43の両側端部で熱酸化膜54を厚くし、不純
物を高濃度添加したP⁺型チャネル阻止領域52を形成して
いる。第４図にはトランスファゲート42を含む部分の断
面を示しているので、垂直CCD43の赤外線センサ41側端
部には厚い熱酸化膜及びP⁺型チャネル阻止領域52が存在
しないが、トランスファゲート42が占めている領域は僅
かで、それの無い部分では、垂直CCD43両端部に厚い熱
酸化膜及びP⁺型チャネル阻止領域52を備えている。

この全体構成は第５図に示すようにインターライン転
送方式であり、単位画素を２次元に配列し、垂直・水平
走査はそれぞれ垂直CCD43と水平CCD60とで行うようにな
っている。垂直CCD43は４相駆動、水平CCD60は２相駆動
であり、水平CCD60からは出力部61を経て信号を外部に
出力する構造になっている。

次に、この２次元赤外線CCDイメージセンサの動作に
ついて述べる。

光電変換は赤外線センサ41を蓄積モードにして行う
が、蓄積モードではトランスファゲート42がOFF状態で
あり、赤外線センサ41は第１図（ｂ）に示すようにバイ
アスされた状態となっている。

赤外線センサ41裏面から入射した赤外光59が第２光電
変換領域45及び第１光電変換領域44に達し、光電変換さ
れると、発生した信号電荷である電子が、第１光電変換
領域44,第２光電変換領域45,n型高濃度不純物領域50,及
びｎ型ガードリング49に蓄積される。前記四部分に信号
電荷が蓄積されている期間に、垂直CCD43は信号の読み
出しを行っている。一定の蓄積時間だけ信号電荷を蓄積
した後、トランスファゲート42がON状態になり、前記四
部分に蓄積された信号電荷が垂直CCD43に読み出され
る。その後、トランスファゲート42はOFF状態になり、
前記四部分は信号電荷の蓄積を再び開始する。

垂直CCD43に読み出された信号電荷は一水平期間のう
ちに一水平ライン分が水平CCD60へ転送され、水平CCD60
から順次出力部61を経て外部へ読み出される。出力部61
はキャパシタとソース・ホロワ・アンプから成り立って
おり、信号電荷に電荷−電位変換及びインピーダンス変
換を施して、電圧変化の形態で信号を出力する。この一
水平ライン分の信号読み出しを一水平期間毎に繰り返
し、全画素の信号を、赤外線センサ41の信号電荷蓄積期
間に読み出す。

本実施例では、赤外線センサ部は、半導体基板の製造
時のままの領域をキャリア注入領域としているが、半導
体基板内にウェル構造でキャリア注入領域を形成し、信
号電荷をこのウェル状のキャリア注入領域から読み出す
構造の赤外線イメージセンサを製造することもできる。

固体のイメージセンサには、インターライン転送CCD
方式の他にMOS方式等別の信号読み出し方式や１次元ア
レイのものがあるが、これらの受光部として、本発明の
赤外線センサを用いることは可能である。

また、Si以外の半導体材料、例えばGe,GaAsなどを素
材として、本発明の赤外線センサを用いた赤外線イメー
ジセンサを構成することもできる。

なお、実施例１及び２は、第１導電型をｐ型，第２導
電型をｎ型として述べてきたが、逆に第１導電型をｎ
型，第２導電型をｐ型とするものも容易に実現でき、前
記実施例においてｐ型→ｎ型、ｎ型→ｐ型と入れ替えれ
ば得ることができる。これは、他の半導体材料を素材と
する場合も同様である。また、これら２つの実施例は裏
面照射型であったが、これらを表面照射型の構造に替え
るには、基板裏面の反射防止膜及び表面側の金属反射膜
を除去すればよく、この場合表面の絶縁膜及び保護膜が
反射防止膜の役割りも果たす。

（発明の効果）以上説明したように、本赤外線センサにおいては、ポ
テンシャル障壁領域の導電型，ポテンシャル障壁領域の
厚さ，半導体からなる三領域の不純物濃度のバランス及
びバイアス条件を制御することで、零〜pn接合の拡散電
位に相当するエネルギー程度の間の任意の大きさに設定
できるポテンシャル障壁によって、遮断波長が決定付け
られ、その設定自由度が極めて大きいという特徴を有す
ると同時に、金属とｐ型あるいはｎ型の縮退半導体との
接触で形成されるエネルギー帯構造を利用した、効率の
良いホットホールあるいはホット電子の供給機構を具備
し、かつ、その金属は赤外線吸収率が極めて高いので、
従来例の赤外線センサより高い赤外線検出感度を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明で第１導電型をｐ型，第
２導電型をｎ型とする場合の無バイアス時及びバイアス
印加時のエネルギー帯構造図、第２図（ａ），（ｂ）は
本発明で第１導電型をｎ型，第２導電型をｐ型とする場
合の無バイアス時及びバイアス印加時のエネルギー帯構
造図である。第３図は本発明の赤外線センサの第１の実
施例の縦断面図である。第４図及び第５図は本発明の第
２の実施例である２次元赤外線CCDイメージセンサの単
位画素縦断面図及びその全体構成図である。第６図
（ａ），（ｂ）は従来例の赤外線センサの第１導電型を
ｐ型，第２導電型をｎ型とする場合及び第１導電型をｎ
型，第２導電型をｐ型とする場合のエネルギー帯構造図
である。 1,14…第１光電変換領域、2,15…第２光電変換領域、3,
16,29,46,63,75…ポテンシャル障壁領域、4,17,64,76…
キャリア注入領域、5,18,65,77…絶縁物、6,19,66,78…
価電子帯、7,20,67,79…禁制帯、8,21,68,80…伝導帯、
9,22,40,59,69,81…赤外光、10,70…空準位、11a,11b,2
4a,24b,71,83…ホット電子、12a,12b,25a,25b,72,84…
ホットホール、13,26,73,85…バイアス、23,82…電子、
27,44…第１光電変換領域（金属シリサイド）、28,45…
第２光電変換領域（縮退ｐ型）、30,47…キャリア注入
領域（非縮退ｐ型）、31,48…ｐ型単結晶Si基板、32,49
…ｎ型ガードリング、33,50…ｎ型高濃度不純物領域、3
4,54…熱酸化膜（SiO₂）、35,55…絶縁膜、36…金属配
線、37,56…金属反射膜、38,57…保護膜、39,58…反射
防止膜、41…赤外線センサ、42…トランスファゲート、
43…垂直CCD、51…ｎ型チャネル領域、52…p⁺型チャネ
ル阻止領域、53…ポリSi電極、60…水平CCD、61…出力
部、62,74…光電変換領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属からなる第１光電変換領域と、第１導
電型の縮退半導体からなり第１光電変換領域とオーミッ
ク接触する第２光電変換領域と、第１導電型の非縮退半
導体からなり第１及び第２光電変換領域からホットホー
ルあるいはホット電子が注入されるキャリア注入領域
と、キャリア注入領域より不純物濃度が低い第１導電型
半導体か、真性半導体か、あるいは少なくとも動作条件
下で完全空乏化状態となる第２導電型半導体からなり第
２光電変換領域とキャリア注入領域との間に存在するポ
テンシャル障壁領域とを有し、第１光電変換領域／第２
光電変換領域／ポテンシャル障壁領域／キャリア注入領
域の積層構造で、しかも第２光電変換領域とポテンシャ
ル障壁領域とキャリア注入領域とがホモ接合構造を構成
することを特徴とする赤外線センサ。