JP2662061B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光電変換装置に関する。

［従来の技術］ 従来の光電変換装置として、例えばバイポーラトラン
ジスタ型の光電変換装置が知られている。

第９図は、従来のバイポーラ型光電変換装置の一例を
示す概略的断面図である。図において、１はリン
（Ｐ）、アンチモン（Sb）、ひ素（As）等の不純物をド
ープしてｎ型またはn⁺型とされたシリコン基板、２はエ
ピタキシャル法等で形成されるn^-領域、３は光キャリア
を蓄積するｐ領域、５はエミッタあるいは出力を取り出
すn⁺領域、７はチャネル・ストップあるいはコレクタと
つながるn⁺領域、100は素子分離等になる絶縁膜、200は
ポリシリコン、金属等よりなる電極である。

このような光電変換装置においては、当該光電変換装
置を用いた固体撮像装置等の小型化の要請に応えるた
め、従来より、微細化、高集積化の検討がなされてい
た。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上述のような従来の光電変換装置を微細化す
ると、開口率が下がるため光照射による発生電荷量が少
なくなり、従って感度が下がるという課題があった。

従来のバイポーラ型の光電変換装置においては、感度
は、近似的に次式で表される。

ここで、i_pは単位面積当りの光誘起電流密度、Asは開
口面積、t_sは蓄積時間、C_bcはベース・コレクタ間容量
である。

上記（１）式から明らかなように、開口面積Asの低下
にしたがい、感度S_eの低下がおこる。

本発明は、感度S_eを向上させた光電変換装置を提供す
ることを特徴とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の第１の光電変換装置は、 第１導電型の第１半導体領域と、 第２導電型の第２半導体領域と、 前記第１半導体領域から前記第２半導体領域を光照射
することによって発生された電荷を取り出すために設け
られた該第１導電型の第３半導体領域と、 前記第２半導体領域より高い不純物濃度を有し前記第
２半導体領域と接して配された該第２導電型の第４半導
体領域と、 前記第４半導体領域内とほぼ同様な不純物濃度を有し
前記第４半導体領域に接して配された該第１導電型の第
５半導体領域とを有し、 前記第２、４、５の半導体領域内において、電子イオ
ン化率α_ｎ、電子速度v_n、空乏領域幅Ｗがα_ｎ・v_n・Ｗ
＞１の関係を満足し或は正孔イオン化率α_ｐ、正孔速度
v_p、空乏領域幅Ｗがα_ｐ・v_p・Ｗ＞１を満足してなるこ
とを特徴とする。

本発明の第２の光電変換装置は、 第１導電型の第１半導体領域と、 第２導電型の第２半導体領域と、 前記第１半導体領域から前記第２半導体領域を光照射
することによって発生された電荷を取り出すために設け
られた該第１導電型の第３半導体領域と、 前記第２半導体領域内より高い不純物濃度を有し前記
第２半導体領域と前記第３半導体領域の間に配された該
第２導電型の第４半導体領域と、 前記第２、４の半導体領域内において、電子イオン化
率α_ｎ、電子速度v_n、空乏領域幅Ｗがα_ｎ・v_n・Ｗ＞１
の関係を満足し或は正孔イオン化率α_ｐ、正孔速度v_p、
空乏領域幅Ｗがα_ｐ・v_p・Ｗ＞１を満足してなることを
特徴とする。

本発明の第３の光電変換装置は、 エミッタとしての第１導電型の第１半導体領域と、 ベースとしての第２導電型の第２半導体領域と、 コレクタとしての第３半導体領域と、 そして、前記第２半導体領域を横切る前記第１半導体
領域から分離され、前記第２半導体領域に隣接して配さ
れた該第２導電型の第４半導体領域であって、前記第４
半導体領域中の不純物濃度は前記第２半導体領域より高
いことを特徴とする。

［作用］ 本発明においては、センサセルのベース・コレクタ間
における電子、正孔の衝突電離を用いて光励起電流i_pを
増幅させるので、光電変換装置の発生電荷量を向上させ
ることができ、従って、感度を向上させることができ
る。

以下、衝突電離について説明する。

半導体中の強電界中における、衝突電離による電子−
正孔対生成率Ｇは、次式で与えられる。

Ｇ＝α_ｎ・ｎ・v_n＋α_ｐ・ｐ・v_p（cm^-3・sec^-1） ……
（２） ここに、α_ｎは電子の電離率（cm^-1）、α_ｐは正孔の
電離率（cm^-1）、ｎは電子密度（cm^-3）、ｐは正孔密度
（cm^-3）、v_nは電子の走行速度（cm/sec）、v_pは正孔の
走行速度（cm/sec）である。

上式において、ｎおよびｐは、光による発生キャリア
の密度である。

第７図は、電界（V/cm）とキャリアの走行速度v_n,v_p
（cm/sec）との関係を示すグラフである。

第８図は、電界（V/cm）と電離率α_n,α_ｐ（cm^-1）と
の関係を示すグラフである。

第７図および第８図より、所定の電界に対するα_n,α
_p,v_p,v_pの値が求まり、従って、Ｇは容易に求まる。

例えば、電界Ｅ＝３×10¹⁵V/cmとすると（pn接合とす
る）、α_nv_n＝10¹¹sec^-1となり、単位面積でのpn接合の
空乏中を0.1μｍとすると、衝突電離による増幅率は、
１秒間当り10⁶倍となる。

［実施例］ （実施例１） 本発明の１実施例について、図を用いて説明する。

第１図（ａ）は、本実施例に係る光電変換装置を示す
模式的断面図である。図において、第９図と同じ符号を
付したものは、それぞれ第９図の場合と同じものを示
す。また、４はベース中のP⁺領域、６は急峻な電位勾配
をつけるためのn⁺領域である。

第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のＡ−Ａ′の断面にお
ける電位図であり、横軸は距離を示し、縦軸は電位の高
さを示す。

また、第１図（ｃ）は、第１図（ａ）のＢ−Ｂ′の断
面における電位図であり、上記第１図（ｂ）同様、横軸
は距離を示し、縦軸は電位の高さを示す。

本発明で重要な点は、第１図（ｂ）に示した、p⁺n⁺接
合における急峻な電位落差であり、これにより発生した
キャリアの増幅がなされるのである。第１図（ｃ）に示
した電位図は、従来のバイポーラトランジスタ構造とな
んら変わるところはない。

第１図（ｂ）について、さらに詳しく説明する。

本実施例では、センサセルに、上述のようなn⁺/p/p⁺/
n⁺構造を設けたことにより、p⁺領域とn⁺領域との間に急
峻な電位落差をつくり、かつ、p⁺領域を薄くすることに
よりｐ領域まで空乏領域を広げた。半導体中で光の吸収
によって発生した電子−正孔のうち、p/p⁺領域およびp⁺
/n⁺接合空乏領域の電子の大部分は、拡散あるいはドリ
フトによりn⁺領域５に移動するため、光キャリアの増幅
に寄与する。一方正孔は、p⁺/n⁺接合の空乏領域中で発
生したものがキャリア増幅に寄与する。二次元的に述べ
ると、領域６で示したn⁺領域の空乏領域に流れ込まない
キャリアは増幅に寄与しない。

第２図は、第１図（ａ）の一部を拡大した断面図であ
る。図において、破線で示した線は、空乏領域の広がり
を示す。ｐ領域３とn^-領域２とのpn^-接合では、ｐ領域
３の不純物濃度を多くしてN_p》N_nとしてあるので、空乏
領域はほとんどn^-領域２側に広がる。一方、n⁺領域６と
p⁺領域４およびｐ領域３との接合においては、n⁺領域６
の不純物濃度とp⁺領域４の不純物濃度が同程度で、か
つ、ｐ領域３の不純物濃度をそれより低くしたが、p⁺領
域４を薄くしたため、空乏領域は領域３にまで広がる。

そのため、第２図（ａ）のＣ−Ｃ′断面の電位図は、
近似的に第２図（ｂ）のようになり、これにより、第２
図（ａ）に矢印で示したように、ｐ領域３の中で発生し
た電子をn⁺領域６に集めることができ、従って、有効に
キャリア増幅を行うことができる。

さらに、第２図（ａ）に示したように、領域６から延
びる空乏領域と領域２から延びる空乏領域がつながる
と、ベース・コレクタ間の容量は激減する。このため、
式（１）で示したC_bcが激減し、感度はさらに増加す
る。

半導体pn接合の空乏領域幅は、次式で示される。

但し、ξ_ｓは半導体の誘電率、ｑは電荷、N_Aはｐ型不
純物の濃度、N_Dはｎ型不純物の濃度、V_biはビルトイン
電圧、V_Rは逆方向印加電圧である。なお、（３）式にお
いて、V_bi＋V_Rは全電位Ｖである。

第３図は、N_D》N_Aの場合の、全電位Ｖをパラメータと
した、N_Aと空乏領域幅および容量との関係を示すグラフ
である。第３図中に、アバランシェ限界を示してある。

第４図は同様にN_D》N_Aの場合の、N_Aとアバランシェ降
伏時の最大空乏幅および最大電界との関係を示すグラフ
である。この限界に達すると、光信号の増幅はなされる
が、雑音も増加するので、好ましくない。

本発明では強電界でキャリアを増幅を行うが、アバラ
ンシェ降伏のおこる電圧よりも低い電圧領域で使用する
ことが望ましい。例えばSiの場合、第４図より、N_A＝10
¹⁷cm^-3ではξ_ｍ＝６×10⁵V/cmである。すなわち、この
電位以下で使用すればよい。空乏領域幅は、Ｗ≒0.4μ
ｍである。

本発明の実施例では、p⁺領域４の不純物濃度とn⁺領域
６の不純物濃度はほぼ同じであるため、最大空乏領域幅
は、第４図に示した場合の になる。

次に、本実施例における電離衝突増幅について説明す
る。

半導体中での強電界中での電離係数は次式で表わせ
る。

α＝Ａ・exp［−b/ξ］ ……（４） ここで、半導体がシリコンの場合には、電子について
はA_n＝3.8×10¹⁶cm^-1、b_n＝1.75×10⁶（V/cm）、正孔に
ついてはA_p2.25×10⁷cm^-1、b_p＝3.26×10⁶（V/cm）（30
0゜k）が与えられている。また、ξは電界（V/cm）であ
る。

pn接合中での電界には分布があるが、平均電界Ｅは最
大電界E_maxと E_max＝2E ……（５） の関係がある。故に、pn接合のE_maxが第４図のE_maxを越
えないようにＥを設定し、その空乏幅Ｗで平均的に電界
Ｅでキャリアが加速すると近似とすると、pn接合のキャ
リアの増幅率が明らかとする。すなわち、（３）式でN_A
＝N_D（本実施例では|p⁺|＝|n⁺|と近似）としてＷを求
め、Ｅ＝（V_bi＋V_R）/wとし、（４）式からα値を求
め、さらに第７図よりV_nを求めた後、pn接合単位面積当
りのキャリアの増幅率（α_ｎ・v_n・Ｗ）が求められる
（但し、電子の場合）。

電流増幅率の計算例を、第１表に示す。第１表に示し
たように、不純物密度が低く且つ電圧の低い場合には増
幅は無い（すなわち、α_ｎ・v_n・Ｗ≦１となる）。従っ
て、不純物密度は高い方が望ましい（但し、pn接合の耐
圧で限定される）。なお、上述のように、不純物密度が
高く且つ電圧が高い場合には雑音が多くなる。従って、
ベース・コレクタ濃度の一部とコレクタ電位に限定が生
じる。

増幅により生じた光電流は、以下のように表される。

i_p＝ｑ・Ｇ・Ｗ ＝ｑ（ｎ・α_ｎ・v_n＋ｐ・α_ｐ・v_p）Ｗ （A/cm²）……
（６） 本実施例に係る光電変換装置は、以下のような製造工
程により作製した。

n⁺基板１上に、エピタキシャル成長法により、n^-領域
２を形成した。

選択酸化法等により、素子分離100を形成し、同時にn
⁺領域７を作成した。

光感度領域（ベース）となるｐ領域３を、イオン注
入、熱拡散等により作成した。

エミッタコンタクトを開口した後、ポリシリコン200
を堆積して不純物ドープし、パターニングした。

また、同時に熱拡散を行ない、n⁺領域５を作成した。

レジストをパターニングした後、ボロン、ヒ素をそれ
ぞれ同じ領域にイオン注入し、これを熱処理してn⁺領域
６およびp⁺領域４を作成した。

なお、p⁺領域４をn⁺領域より深くする方法としては、
不純物の拡散速度の差を利用してもよいし、イオン注入
の各不純物の浸入深さの違いを用いてもよい。

このようにして作製した光電変換装置について、動作
試験を行なったところ、優れた光感度を得ることができ
た。

（実施例２） 本発明の第２の実施例に係る光電変換装置の模式的断
面図を、第５図に示す。

本実施例に係る光電変換装置は、ベース領域３の下部
にp⁺領域４′を有する点が従来の光電変換装置と異な
る。このような構造（すなわち、n⁺/p^-/p⁺/n構造）によ
っても、本発明の効果を得ることができた。

（実施例３） 本発明の第３の実施例に係る光電変換装置の模式的断
面図を、第６図に示す。

本実施例では、上記実施例２に示した光電変換装置
に、さらに、エミッタ５の下にp⁺領域10を形成した。

本実施例に係る光電変換装置では、p^-領域３の空乏領
域をp⁺領域10でストップすることができる。この場合
は、p^-領域３は極めて濃度の低いｉ層であってもよい。
すなわち、n⁺/p⁺/p^-/p⁺/n構造あるいはn⁺/p⁺/i/p⁺/n構
造を有する。

このような光電変換装置においても、優れた光感度を
得ることができた。

本発明の実施例ではnpn型BPTを用いて説明したが、pn
p型BPTをセンサセルとして用いても同様に高感度の光電
変換装置がえられる。

pnp型の場合は、α_ｐ・v_p・Ｗ＞１の条件をベース・
コレクタ間の空乏層で有れば、高感度にすることができ
る。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、光入射
により生成されたキャリアを増幅することができるの
で、光電変換装置の光感度を格段に向上させることが可
能である。

特に、光電変換装置を微細化した場合、開口率が低下
しても、従来またはそれ以上の光感度を得ることができ
るので、本発明の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本実施例に係る光電変換装置を示す模式
的断面図、 第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ−Ａ′の断面における
電位図、 第１図（ｃ）は、第１図（ａ）のＢ−Ｂ′の断面におけ
る電位図、 第２図は第１図（ａ）の一部を拡大した断面図、 第２図（ｂ）は第２図（ａ）のＣ−Ｃ′断面の電位図、 第３図はN_D》N_Aの場合のN_Aと空乏領域幅および容量との
関係を示すグラフ、 第４図はN_D》N_Aの場合のN_Aとアバランシェ降伏時の最大
空乏幅および最大電界との関係を示すグラフ、 第５図は本発明の第２の実施例に係る光電変換装置の模
式的断面図、 第６図は本発明の第３の実施例に係る光電変換装置の模
式的断面図、 第７図は電界（V/cm）とキャリアの走行速度v_n,v_p（cm/
sec）との関係を示すグラフ、 第８図は電界（V/cm）と電離率α_n,α_ｐ（cm^-1）との関
係を示すグラフ、 第９図は従来のバイポーラ型光電変換装置の一例を示す
概略的断面図である。 （符号の説明） １……シリコン基板、２……n^-領域、３……光キャリア
を蓄積するｐ領域、４……ベース中のP⁺領域、５……エ
ミッタあるいは出力を取り出すn⁺領域、６……急峻な電
位勾配をつけるためのn⁺領域、７……チャネル・ストッ
プあるいはコレクタとつながるn⁺領域、100……素子分
離等になる絶縁膜、200……電極。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型の第１半導体領域と、 第２導電型の第２半導体領域と、 前記第１半導体領域から前記第２半導体領域を光照射す
   ることによって発生された電荷を取り出すために設けら
   れた該第１導電型の第３半導体領域と、 前記第２半導体領域より高い不純物濃度を有し前記第２
   半導体領域と接して配された該第２導電型の第４半導体
   領域と、 前記第４半導体領域内とほぼ同様な不純物濃度を有し前
   記第４半導体領域に接して配された該第１導電型の第５
   半導体領域とを有し、 前記第２、４、５の半導体領域内において、電子イオン
   化率α_ｎ、電子速度v_n、空乏領域幅Ｗがα_ｎ・v_n・Ｗ＞
   １の関係を満足し或は正孔イオン化率α_ｐ、正孔速度
   v_p、空乏領域幅Ｗがα_ｐ・v_p・Ｗ＞１を満足してなるこ
   とを特徴とする光電変換装置。
2. 【請求項２】第１導電型の第１半導体領域と、 第２導電型の第２半導体領域と、 前記第１半導体領域から前記第２半導体領域を光照射す
   ることによって発生された電荷を取り出すために設けら
   れた該第１導電型の第３半導体領域と、 前記第２半導体領域内より高い不純物濃度を有し前記第
   ２半導体領域と前記第３半導体領域の間に配された該第
   ２導電型の第４半導体領域と、 前記第２、４の半導体領域内において、電子イオン化率
   α_ｎ、電子速度v_n、空乏領域幅Ｗがα_ｎ・v_n・Ｗ＞１の
   関係を満足し或は正孔イオン化率α_ｐ、正孔速度v_p、空
   乏領域幅Ｗがα_ｐ・v_p・Ｗ＞１を満足してなることを特
   徴とする光電変換装置。
3. 【請求項３】更に前記第２半導体領域より高い不純物濃
   度を有し、前記第１と第２半導体領域の間に配された該
   第２導電型の第５半導体領域を有し、 前記第２と第５半導体領域において、電子イオン化率α
   _ｎ、電子速度v_n、空乏領域幅Ｗがα_ｎ・v_n・Ｗ＞１の関
   係を満足し或は正孔イオン化率α_ｐ、正孔速度v_p、空乏
   領域幅Ｗがα_ｐ・v_p・Ｗ＞１を満足してなることを特徴
   とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 【請求項４】エミッタとしての第１導電型の第１半導体
   領域と、 ベースとしての第２導電型の第２半導体領域と、 コレクタとしての第３半導体領域と、 前記第２半導体領域を横切る前記第１半導体領域から分
   離され、前記第２半導体領域に隣接して配された該第２
   導電型の第４半導体領域、 そして、前記第４半導体領域と接し、前記第２半導体領
   域と接しない第１導電型の第５半導体領域、を有し、 前記第４半導体領域中の不純物濃度は前記第２半導体領
   域より高いことを特徴とする光電変換装置。
5. 【請求項５】前記第４半導体領域の不純物濃度と前記第
   ５半導体領域の不純物濃度は等しいことを特徴とする請
   求項４に記載の光電変換装置。