JP2676814B2 - Multi-type light receiving element - Google Patents

Multi-type light receiving element

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JP2676814B2 JP63222394A JP22239488A JP2676814B2 JP 2676814 B2 JP2676814 B2 JP 2676814B2 JP 63222394 A JP63222394 A JP 63222394A JP 22239488 A JP22239488 A JP 22239488A JP 2676814 B2 JP2676814 B2 JP 2676814B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、非常に弱い光まで検出できるラインセン
サ、分割センサ等のマルチ型受光素子に関するものであ
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a multi-type light receiving element such as a line sensor or a split sensor that can detect even extremely weak light.

[従来の技術] 第3図および第4図は、数来の微弱光用のラインセン
サの受光部の構造を説明するための模式的な部分平面図
および部分断面図(第3図B−B部)である。
[Prior Art] FIGS. 3 and 4 are schematic partial plan views and partial cross-sectional views (FIG. 3B-B) for explaining a structure of a light receiving portion of a line sensor for weak light which has been used in the past. Section).

図において、p型又はn型のシリコン等の半導体基板
104には、不純物を拡散することにより半導体基板104と
反対導電型(基板がn型ならp型)の半導体領域101a,1
01b,101cが所定の間隔で形成されており、半導体基板10
4と半導体領域101a,101b,101cでそれぞれフォトダイオ
ードを構成している。(以下、本明細書においてフォト
ダイオードの長さ,幅とは上記の半導体領域の長さ,幅
のことを指す。) 図では半導体領域は101a,101b,101cの3個しか示され
ていないが、通常のラインセンサでは数百〜数千個のフ
ォトダイオードが形成される。フォトダイオードの長さ
は光に対する感度を向上させる(受光量を多くする)た
めにかなり長くなっており、長さを画素ピッチ(フォト
ダイオードの幅+フォトダイオードの間隔)で割ったア
スペクト比は10〜100程度である。
In the figure, a semiconductor substrate such as p-type or n-type silicon
The semiconductor region 101a, 1 of the opposite conductivity type (p-type if the substrate is n-type) to the semiconductor substrate 104 is formed by diffusing impurities.
01b, 101c are formed at a predetermined interval, the semiconductor substrate 10
A photodiode is constituted by 4 and the semiconductor regions 101a, 101b, 101c, respectively. (Hereinafter, the length and width of the photodiode in this specification refer to the length and width of the above semiconductor region.) Although only three semiconductor regions 101a, 101b, and 101c are shown in the figure, In a normal line sensor, hundreds to thousands of photodiodes are formed. The length of the photodiode is considerably long to improve the sensitivity to light (increasing the amount of received light), and the aspect ratio obtained by dividing the length by the pixel pitch (photodiode width + photodiode spacing) is 10 It is about 100.

また、フォトダイオードが形成された半導体基板104
の表面には透明の絶縁膜103が積層され、さらに受光部
以外の部分はアルミニウム等からなる遮光膜105で覆わ
れている。
In addition, the semiconductor substrate 104 on which the photodiode is formed
A transparent insulating film 103 is laminated on the surface of the, and a portion other than the light receiving portion is covered with a light shielding film 105 made of aluminum or the like.

上記のように構成されたラインセンサでは、半導体基
板と半導体領域に対して逆方向電圧を印加しておき、受
光によって生じた光電流をCCDやMOSスイッチ等(図示せ
ず)を使って外部に出力している。
In the line sensor configured as described above, the reverse voltage is applied to the semiconductor substrate and the semiconductor region, and the photocurrent generated by the light reception is externally output by using a CCD or a MOS switch (not shown). It is outputting.

[発明が解決しようとする課題] 上記のような従来の微弱光用のラインセンサでは、画
素ピッチを大きくすると分解能が低下してしまうので、
前述したようにフォトダイオードの長さを長くすること
によりフォトダイオードの面積を増やして感度を上げて
いる。
[Problems to be Solved by the Invention] In the conventional line sensor for weak light as described above, if the pixel pitch is increased, the resolution is lowered.
As described above, by increasing the length of the photodiode, the area of the photodiode is increased and the sensitivity is increased.

しかし、フォトダイオードの長さを長くしただけで
は、光が照射されることによって発生する光電流が大き
くなるものの、光の照射に関係なく発生する暗電流も大
きくなってしまという問題点があった。
However, only increasing the length of the photodiode increases the photocurrent generated by light irradiation, but also increases the dark current generated regardless of light irradiation. .

即ち、ラインセンサからの出力信号は光電流と暗電流
の和に比例するから、従来のラインセンサでは、光が微
弱になると出力信号の暗電流成分の比率が高くなってし
まい、微弱光の正確な検出が困難であった。
That is, since the output signal from the line sensor is proportional to the sum of the photocurrent and the dark current, in the conventional line sensor, when the light becomes weak, the ratio of the dark current component of the output signal becomes high, and the accuracy of the weak light becomes high. Was difficult to detect.

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、
暗電流を低減することにより微弱光の検出能力の高いマ
ルチ型受光素子を提供することを目的とするものであ
る。
The present invention has been made in view of such a point,
It is an object of the present invention to provide a multi-type light receiving element having a high capability of detecting weak light by reducing dark current.

[課題を解決するための手段] この発明では、p型又はn型シリコン基板に、該基板
とは反対導電型の半導体領域を所定間隔で複数個形成す
ることにより複数のフォトダイオードを形成し、それら
の上の透明絶縁膜を積層してなるマルチ型受光素子にお
いて、前記フォトダイオードは、アスペクト比が10以上
に形成されており、前記絶縁膜は、均一の膜厚を有し、
前記絶縁膜上の前記間隔に相当する区域に導電膜を形成
し、該導電膜に電圧を印加することによって、上記の課
題を達成している。
[Means for Solving the Problems] In the present invention, a plurality of photodiodes are formed on a p-type or n-type silicon substrate by forming a plurality of semiconductor regions of a conductivity type opposite to that of the substrate at predetermined intervals, In the multi-type light receiving element formed by stacking transparent insulating films on them, the photodiode is formed to have an aspect ratio of 10 or more, the insulating film has a uniform film thickness,
The above problem is achieved by forming a conductive film in a region corresponding to the interval on the insulating film and applying a voltage to the conductive film.

[作用] 暗電流は、半導体半導体基板の内部で発生するもの
と、半導体基板と透明絶縁膜の界面で発生するものがあ
り、基板の内部で発生する暗電流成分はフォトダイオー
ドの面積に比例し、基板と絶縁膜の界面で発生する成分
はフォトダイオードの周辺長に比例する。ラインセンサ
の様に細長いフォトダイオードを形成する場合は、周辺
長が長くなるため界面で発生する暗電流成分が多くな
り、例えば、幅10μm,長さ2500μmのフォトダイオード
では界面で発生する成分が暗電流の90%以上となる。
[Operation] There are dark currents that occur inside the semiconductor substrate and those that occur at the interface between the semiconductor substrate and the transparent insulating film. The dark current component generated inside the substrate is proportional to the area of the photodiode. The component generated at the interface between the substrate and the insulating film is proportional to the peripheral length of the photodiode. When forming a long and narrow photodiode like a line sensor, the peripheral length becomes long, so that the dark current component generated at the interface increases. For example, in a photodiode with a width of 10 μm and a length of 2500 μm, the component generated at the interface is dark. 90% or more of the current.

本発明では、シリコン基板に形成した複数のフォトダ
イオードが、アスペクト比が10以上に形成されており、
前記絶縁膜は、均一の膜厚を有し、絶縁膜上のフォトダ
イオードの間隔に相当する区域に導電膜を形成し、該導
電膜に電圧を印加することとしている。このため、シリ
コン基板と透明絶縁膜との海面に空乏層及び反転層を発
生させず、これにより界面で発生する暗電流を低減する
ことができる。
In the present invention, the plurality of photodiodes formed on the silicon substrate, the aspect ratio is formed to 10 or more,
The insulating film has a uniform film thickness, a conductive film is formed in a region corresponding to the interval between photodiodes on the insulating film, and a voltage is applied to the conductive film. Therefore, the depletion layer and the inversion layer are not generated on the sea surface between the silicon substrate and the transparent insulating film, and thus the dark current generated at the interface can be reduced.

即ち、半導体基板と透明絶縁膜の界面において、光に
よらないで電子および正孔が発生したとしても、界面に
空乏層,反転層が存在しないので電荷は界面を通って基
板と反対導電型の半導体領域に到達することができず、
出力信号として検出されない。
That is, even if electrons and holes are generated at the interface between the semiconductor substrate and the transparent insulating film without relying on light, there is no depletion layer or inversion layer at the interface, so that the charge passes through the interface and has the opposite conductivity type to the substrate. Unable to reach the semiconductor area,
Not detected as an output signal.

導電性膜に印加する具体的な電圧は、受光素子の製造
条件によって異なり、透明絶縁膜の膜厚,膜質,半導体
基板の不純物濃度等によって設定される。
The specific voltage applied to the conductive film differs depending on the manufacturing conditions of the light receiving element, and is set by the film thickness of the transparent insulating film, the film quality, the impurity concentration of the semiconductor substrate, and the like.

なお、本発明における導電膜は、導電性があれば良い
ので、ポリシリコン等の遮光性のないものも使用するこ
とができるが、従来、受光部周辺部の遮光膜として用い
られているアルミニウム膜を用いて、周辺部と同時に形
成すれば、製造工程が簡略化できる。
Since the conductive film in the present invention only needs to have conductivity, it is possible to use a material that does not have a light-shielding property such as polysilicon, but an aluminum film that has been conventionally used as a light-shielding film in the peripheral portion of the light-receiving portion. If it is formed simultaneously with the peripheral portion by using, the manufacturing process can be simplified.

また、導電膜と半導体基板の間に積層される透明絶縁
膜としては、SiO2やナイトライドを用いることができ
る。
Further, as the transparent insulating film laminated between the conductive film and the semiconductor substrate, SiO 2 or nitride can be used.

[実施例] 第1図は本発明実施例を示す模式的な部分平面図、第
2図は第1図A−A部の断面図である。
[Embodiment] FIG. 1 is a schematic partial plan view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of an AA portion in FIG.

半導体基板としてのシリコン基板4(この実施例では
n型)には、不純物を拡散することにより基板4と反対
導電型の半導体領域1a,1b,1c(この実施例ではp型,幅
35μm,長さ2500μm)を15μm間隔で形成した。シリコ
ン基板4と半導体領域1a,1b,1cで、それぞれフォトダイ
オードを構成している。なお、図では3個の半導体領域
しか示していないが、実際には512個のフォトダイオー
ドを形成した。
In the silicon substrate 4 (n-type in this embodiment) as a semiconductor substrate, semiconductor regions 1a, 1b, 1c (p-type, width in this embodiment) of opposite conductivity type to the substrate 4 are formed by diffusing impurities.
35 μm, length 2500 μm) were formed at 15 μm intervals. The silicon substrate 4 and the semiconductor regions 1a, 1b, 1c form photodiodes, respectively. Although only three semiconductor regions are shown in the figure, 512 photodiodes are actually formed.

次に、シリコン基板4と半導体領域1a,1b,1cの上に、
透明絶縁膜としてSiO2膜3を形成し、さらにSiO2膜3上
のフォトダイオードの間隔に相当する区域(半導体領域
1a,1b,1cが形成されていない部分)に導電膜としてのア
ルミニウム膜2を形成した。
Next, on the silicon substrate 4 and the semiconductor regions 1a, 1b, 1c,
Transparent insulating film as to form a SiO 2 film 3, zone further corresponding to the spacing of the photo diode on the SiO 2 film 3 (semiconductor region
An aluminum film 2 as a conductive film was formed on the portions (1a, 1b, 1c are not formed).

上記のようにして得たラインセンサにおいて、n型の
シリコン基板4を正電圧VDDにバイアスし、p型の半導
体領域1a,1b,1cはグランドレベルにプリチャージした。
また、アルミニウム膜2をシリコン基板4と同じ正電圧
VDDにバイアスした。(基板をp型,半導体領域をn型
とした場合は、基板およびアルミニウム膜をグランドレ
ベルとし、半導体領域を正電圧に印加すれば良い。) そして、第2図の上方から光を照射し、フォトダイオ
ードに発生した光電流をCCDやMOSスイッチ等(図示せ
ず)を用いて検出した。
In the line sensor obtained as described above, the n-type silicon substrate 4 was biased to the positive voltage V DD , and the p-type semiconductor regions 1a, 1b and 1c were precharged to the ground level.
In addition, the aluminum film 2 has the same positive voltage as the silicon substrate 4.
Biased to V DD . (When the substrate is p-type and the semiconductor region is n-type, the substrate and the aluminum film may be at the ground level and the semiconductor region may be applied with a positive voltage.) Then, light is irradiated from above in FIG. The photocurrent generated in the photodiode was detected by using a CCD, a MOS switch or the like (not shown).

この際、暗電流も光電流とともに検出されるわけであ
るが、この実施例ではアルミニウム膜2をシリコン基板
4と同じ電位にしてシリコン基板4とSiO2膜3の界面付
近の空乏層を消失させているので、暗電流は大幅に低減
される。
At this time, the dark current is also detected together with the photocurrent, but in this embodiment, the aluminum film 2 is set to the same potential as the silicon substrate 4 to eliminate the depletion layer near the interface between the silicon substrate 4 and the SiO 2 film 3. Therefore, the dark current is significantly reduced.

受光部を遮光した状態で、本実施例のラインセンサと
従来のラインセンサ(各フォトダイオード間に導電膜を
配置しない以外は実施例の構成と同じ)について暗電流
を比較したところ、本実施例のラインセンサの暗電流は
従来のものに比較して、約1/10程度であった。即ち、本
実施例のラインセンサを用いれば、従来の1/10程度の強
さの微弱光まで検出することができる。
When the dark current was compared between the line sensor of this embodiment and the conventional line sensor (the same as the structure of the embodiment except that the conductive film is not arranged between the photodiodes) in the state where the light receiving portion is shielded from light, the present embodiment shows that The line sensor's dark current was about 1/10 of that of the conventional one. That is, by using the line sensor of the present embodiment, it is possible to detect even weak light having an intensity that is about 1/10 of that of the conventional one.

[発明の効果] 以上のように本発明は、マルチ型受光素子の複数のフ
ォトダイオードの間隔に相当する区域に導電膜を形成し
たことにより、暗電流を大幅に低減して、従来よりもず
っと弱い光まで検出できるという次れた効果を有してい
る。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, by forming the conductive film in the area corresponding to the interval between the plurality of photodiodes of the multi-type light receiving element, the dark current is significantly reduced, and the dark current is much longer than the conventional one. It has the secondary effect that even weak light can be detected.

本発明は、細長いフォトダイオードを多数形成するラ
インセンサの検出能力を向上させるのに特に有効であ
り、出力方式に無関係に各種のラインセンサに適用する
ことができる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is particularly effective for improving the detection capability of a line sensor having a large number of elongated photodiodes, and can be applied to various line sensors regardless of the output method.

また、本発明の技術思想はラインセンサだけでなく、
フォトダイオードアレーや単体のフォトダイオードにも
同様に適用することができ、暗電流を従来より低減する
ことができる。
Further, the technical idea of the present invention is not limited to the line sensor,
The same can be applied to a photodiode array or a single photodiode, and the dark current can be reduced as compared with the conventional one.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の実施例を示す部分平面図、第2図は第
1図A−A部断面図、第3図は従来例を示す部分平面
図、第4図は第3図B−B部断面図である。 [主要部分の符号の説明] 1a,1b,1c……半導体領域 2……アルミニウム膜(導電膜) 3……SiO2膜(透明絶縁膜) 4……シリコン基板(半導体基板)
FIG. 1 is a partial plan view showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a partial plan view showing a conventional example, and FIG. It is a B section sectional view. [Explanation of symbols for main parts] 1a, 1b, 1c ... semiconductor region 2 ... aluminum film (conductive film) 3 ... SiO 2 film (transparent insulating film) 4 ... silicon substrate (semiconductor substrate)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】p型又はn型シリコン基板に、該基板とは
反対導電型の半導体領域を所定間隔で複数個形成するこ
とにより複数のフォトダイオードを形成し、それらの上
に透明絶縁膜を積層してなるマルチ型受光素子におい
て、 前記フォトダイオードは、アスペクト比が10以上に形成
されており、 前記絶縁膜は、均一の膜厚を有し、 前記絶縁膜上の前記間隔に相当する区域に導電膜を形成
し、該導電膜に電圧を印加することを特徴とするマルチ
型受光素子。
1. A plurality of photodiodes are formed on a p-type or n-type silicon substrate by forming a plurality of semiconductor regions of a conductivity type opposite to that of the substrate at predetermined intervals, and a transparent insulating film is formed on them. In the multi-type light receiving element formed by stacking, the photodiode is formed with an aspect ratio of 10 or more, the insulating film has a uniform film thickness, and a region corresponding to the interval on the insulating film. A multi-type light receiving element, wherein a conductive film is formed on the conductive film, and a voltage is applied to the conductive film.
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