JP3186096B2 - 感光素子アレイの製造方法 - Google Patents

感光素子アレイの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の技術分野】本発明は、感光素子アレイにおける
光生成(photogenerated)キャリアの分
離に関している。
【0002】
【従来技術とその問題点】半導体感光素子アレイは(以
下感光アレイ又は感光素子アレイと呼称する)、紫外
線、可視光線および近赤外線のスペクトルを測定するた
めに、分光光度計およびガスクロマトグラフなどの計器
でしばしば使用される。感光素子が密接して配置されて
アレイを形成し、入射光は、回折格子または同様な分散
装置により波長に関して分散される。波長によるこの分
散の結果、異なる波長範囲を有する光が、アレイの異な
る感光素子に入射する。
【0003】例えば、光は、分析すべき試料を通過し、
その後で、回折格子、プリズムまたは他の波長分散装置
に向けられ、異なる波長の光は、異なる空間方向に分散
される。所望の波長範囲の光が感光アレイにより捕捉さ
れる。分析精度は、主として、波長分散装置や感光アレ
イの空間的分解能により決まる。入射光が、直角の入射
角で感光アレイに当り、特定感光素子を通過する光が、
該感光素子だけで検知されることが理想的である。しか
し、実際には、光子は、90°以外の角度で感光アレイ
に達することがある。さらに、感光素子は、一般に、均
一にドープ処理された基板に配置される。光が、特定感
光素子に付随する均一にドープされた収集領域に入る
と、光生成キャリアが形成される。光生成キャリアの一
部は、光の通過した感光素子に達するが、光生成キャリ
アは、無作為運をおこない遠方の感光素子の収集領域
までかなりの距離を拡散することがある。この無作為拡
散により、不要信号を発生してアレイの空間的解像力を
低下させるので、“光学的クロストーク”と呼ばれてい
る。
【0004】1つの収集領域に入る光がキャリヤの光生
成される隣接収集領域に入り込む問題に関して、その発
生する可能性を減らすようにアレイが製造される。例え
ば、感光素子は、制御領域をもたらすために離して配置
され、望ましくない角度で到達する光線が反射され最終
的に吸収されるような導波管として作用する材料によ
り、被われている。
【0005】光学的クロストークの問題に関しては、半
導体基板内の深部で発生する光生成キャリヤには、基板
表面近くに作られるキャリヤの場合よりも、より遠い感
光素子への拡散の可能性があるので、長波長光を貫通さ
せる点における問題が重大である。半導体基板の製造に
一般的に使用する材料、例えば、Si、GaAsおよび
Geなどは低吸収係数であり、光子は、半導体基板の受
光面の下100ミクロン以上のところに貫通してキャリ
ヤを形成することがある。
【0006】感光アレイの空間的分解能を向上させるた
めに、光学的クロストークを減少させるための試みが行
われている。本出願書の譲受人に譲渡されKamins
他に与えられた米国特許第4,160,985号には、
光生成キャリヤを、キャリヤの深さにより、アレイ表面
に向けたりアレイ表面から離れる方向に加速する電界
を、半導体基板内に発生するための埋込層の形成につい
て教示してある。
【0007】
【発明の目的】光線および光生成キャリヤの移動の双方
に関して、収集領域が分離される感光アレイおよびその
製造方法を与えることが本発明の目的である。
【0008】
【発明の概要】前記目的は、空間的および光学的クロス
トークに関して、隣接収集領域を分離させるように作用
するところの再結晶領域と収集領域とを伴う半導体基板
を有する感光アレイにより達成された。さらに、望まし
い実施例では、再結晶領域は、第一収集領域から第二収
集領域に、光線を通過させないように作用する。
【0009】半導体基板の各収集領域は、動作上感光素
子、一般にフォトダイオードに付随している。収集領域
間の再結晶領域は、半導体基板の第一表面上に、適切な
電子受容体(アクセプタ)または電子供与体(ドナー)
材料の予め定められた厚さの層を配置することにより形
成される。収集領域を分離させるパターンに前記材料を
半導体基板に熱移動させるために、熱勾配帯域溶融法を
用いている。半導体基板内でドーピング材料を高濃度で
維持するように、温度が維持される。これにより、半導
体基板の第一収集領域で生成される光生成キャリヤが、
第二収集領域に移動しないようにさせる構造をもたら
す。濃度は、プロセスの行われる温度における、半導体
基板のドーピング材料の可溶性により決まる。例えば、
1200Kの温度でアルミニウムがケイ素に熱的に駆動
されるときには、濃度は1019cm-3に近づく。
【0010】感光アレイは、フォトダイオードの線形ア
レイであることが望ましい。再結晶領域は、一般に半導
体基板全体に及ぶが、光生成キャリヤの分離が目標で電
気的絶縁が目標ではないので、これは高精度の必要はな
い。同様に、半導体基板の収集領域および再結晶領域
は、逆の伝導度タイプである必要はない。というのも、
相対的な伝導度レベルを正しく達成したならば、同じタ
イプの領域で光生成キャリヤ分離をもたらすからであ
る。実際は、異なる伝導度レベルを有する同じタイプの
領域による分離が望ましい。
【0011】望ましい実施例では、紫外線、可視光線お
よび赤外線の範囲に高吸収係数を有するドーピング材料
を選択する。吸収係数は、隣接収集領域間の光子の移動
を妨げる再結晶領域をもたらし、それにより収集領域を
光学的に分離している。適するドーピング材料はアンチ
モンである。
【0012】本発明の利点は、光生成キャリヤの移動を
防止することにより、フォトダイオード・アレイの空間
的分解能を著しく改善することである。さらに、本発明
では、フォトダイオード・アレイの検出可能な波長範囲
を広げている。すでに述べたように、光の波長が増大す
るにつれて光学的クロストークはさらに激しくなる。6
00nmよりも長い波長を有する光では、光子が貫通し
て、半導体表面の受光面の下の数ミクロン以上のところ
にキャリヤを生成する。光生成キャリヤが、上方にある
フォトダイオードではなく、隣接フォトダイオードによ
り収集されるという確率は、キャリヤの生成深さが増え
るにつれて増大する。そのために、分光光度計には、一
般に、高光スペクトル分解能、例えば5nm以下などに
対して、800nmの波長限界がある。本発明の収集領
域間の再結晶領域では、検出可能な高スペクトル分解能
波長範囲を、ケイ素で約1000nmにまで広げる分離
をもたらす。
【0013】別の利点は、このアレイおよび方法によ
り、さらに高密度なフォトダイオード・アレイが得られ
ることである。光学的クロストークを減少させる先行技
術の方法に関してすでに引用したKamins他の特許
には、40ミクロン幅、500ミクロン長および約60
ミクロンの中心間間隔を有するフォトダイオードが記述
してある。本発明では、5ミクロンのフォトダイオード
間隔が得られる。
【0014】
【発明の実施例】図2に示すように、分光光度計などで
使用するための半導体感光素子アレイ10には、入射光
子14を受け入れるために配置されるSi、Geまたは
GaAsなどの適切な半導体材料の薄い層である基板1
2が含まれる。基板12は、抵抗率が約10オーム−c
mになるように、適切なp形またはn形ドーパントによ
り、軽くまたは中程度にドープ処理されることがある。
アレイ10には、感光素子18、20および22として
作用する多数の金属または強くドープ処理される帯域を
有する受光面16がある。基板12の受光面16は、S
iO2 などの絶縁または不動態化材料の薄い絶縁層24
により被覆することができる。
【0015】入射光子14は、薄い絶縁層24を通り、
(このときに多分20などの感光素子の1つを通ること
もあり)基板12に入り込む。光子エネルギーは、26
などにおいて1つ以上のキャリヤを光生成する。入射光
子14が感光素子20またはその非常に近くを通った場
合に、その感光素子により光生成キャリヤ26の検出さ
れることが理想的である。しかし、光生成キャリヤは無
作為に移動し、キャリヤは、基板12のかなりの距離を
拡散して、隣接素子の空間電荷領域においても収集され
るので、感光素子18または22においても検出され
る。光生成キャリヤ26の理想的な経路を破線28で示
し、望ましくない経路を30および32で示す。隣接感
光素子18および22に移動する光生成キャリヤは、偽
信号をもたらし、アレイ10の空間的解像力を低下させ
る。したがって、この光学的クロストークをコントロー
ルすることにより、アレイの空間的分解能が改善され
る。
【0016】図1に示すように、光学的クロストーク
は、各感光素子の間に再結晶領域34を設けて制御する
ことができる。再結晶領域は、基板12を、隔てられた
収集領域36および38に分割しているが、各収集領域
は異なる感光素子と動作可能なように関連している。
【0017】感光アレイの基板12の再結晶領域34
は、熱移動現象により作り出される。熱移動のプロセス
については、米国特許第2,739,088号および第
2,813,048号のなかでPfannにより記述さ
れており、両特許を参照されたい。手短に言えば、液体
小滴が、熱勾配にさらされる固体に埋め込まれている。
図1では、金属小滴40が、基板12の受光面16上に
被着しているように示されているが、一般に小滴は、熱
勾配の開始前に、基板12にエッチングされる。課され
る熱勾配の最高温度は、小滴40の蒸着と反対側の半導
体基板12の表面42にある。それにより、基板と小滴
の下部、または前部との界面の温度を、小滴の後部界面
の温度よりも高くしている。液体中へのケイ素基板12
などの固体の可溶性は温度とともに増大するので、溶解
固体原子の濃度は、冷たい後部界面よりも、小滴の熱い
前部界面の液体中の方が高い。この濃度不均衡により、
液体小滴における溶解固体原子の濃度勾配が生じる。こ
の濃度勾配は、次に、液体小滴の前部から後部界面へ
の、溶解固体原子の流動を引き起こす。拡散流動は、小
滴の熱い界面における基板12の原子の断え間ない溶解
により供給される。溶解固体原子は、後部界面に継続的
に推積して、小滴は、半導体基板12の中を順方向に移
動する。
【0018】温度勾配は、最低温度が、ドーピング材料
の融点よりも上で、基板12の融点よりも下になるよう
でなければならないことは当然である。例えば、500
ミクロンの厚さの基板上に小滴40を形成するときにア
ルミニウムを使用する場合には、半導体基板12の後部
即ち受光面16は、アルミニウムの融解温度以上に加熱
しておかなければならず、前部表面42は、後部表面よ
りも約2または3℃高い温度に加熱することができる。
アルミニウムの小滴40は、溶解して半導体基板12を
通り移動する。小滴が半導体基板を通ったならば、材料
は再結晶して、ドーピング材料の一部は、相対温度にお
けるドーピング材料の可溶性限界にだいたい等しい濃度
で再結晶領域に残存する。
【0019】液体小滴40が半導体基板を完全に通過し
たときに、ドーピング材料の一部は、後部表面42の基
板に存在する。残留材料を、図1の44として示す。ド
ーピング材料が基板12を所望の長さまで通過するよう
に、材料の量が選択される。一般に、所望の長さは、基
板の500ミクロン全体であるが、それは重要なことで
はない。光生成キャリヤ分離は、ドーピング材料をわず
か50−100ミクロンの距離だけ熱的に移動させるこ
とにより可能であり、隣接収集領域36および38を電
気的に絶縁されないが該領域は光生成キャリヤに関して
分離される。
【0020】ドーピング材料にアルミニウムを選択した
場合、図3に示すように、再結晶領域46および48
は、非常に高い濃度の受容体イオンを伴う強くドープ処
理されたp++形領域にすることができる。半導体基板5
0は、軽くドープ処理されたp- 材料にすることができ
る。半導体基板50のp形ドーピング濃度がp=1015
cm-3であり、再結晶領域の濃度がp=1019cm-3
ある場合、室温での再結晶領域と収集領域52、54お
よび56との間の内蔵化学的電位差は、0.24eVで
あることが分かった。この化学的電位差は、収集領域5
2−56を分離するための、光生成キャリヤに対する隔
壁(バリア)を形成するように作用する。このようにし
て、中央収集領域54で生成されるキャリヤは、隣接収
集領域52および56に移動しないので、該領域の感光
素子18および22により検出されない。
【0021】再結晶領域46および48と同じ伝導度タ
イプを有する収集領域52−56の図3の実施例は望ま
しい実施例であるが、逆タイプの領域でも分離をもたら
すことができる。図4の半導体基板58は、3つの感光
素子70、72および74と動作可能なように接続され
た3つの収集領域64、66および68を含む。図3の
望ましい実施例とは対照的に、収集領域64−68で作
り出される光生成キャリヤは、再結晶領域60−62に
より引き付けられる。動作中に、特定再結晶領域にキャ
リヤが溜ると、再結晶領域により与えられるエネルギー
隔壁が変化する。その結果、感光アレイの検出信号は、
時間とともに不安定な状態になる。この不安定状態は、
多くのアプリケーションにおいて望ましくない。しか
し、1つの解法は、外部ソースを用いて再結晶領域にバ
イアスを掛けることである。再結晶領域と収集領域との
間をゼロ・バイアスにすれば、この不安定状態を排除で
きるので、再結晶領域内におけるキャリヤ集積の問題を
克服できる。
【0022】再び図1を参照する。基板12の受光面1
6上に置かれる金属40の小滴は、高吸収係数を有する
金属から成ることが望ましい。アンチモンがその一例で
ある。少なくとも紫外線、可視光線および赤外線の範囲
における高吸収係数は、隣接収集領域36および38の
光学的分離をもたらす。すなわち、再結晶領域34は、
エネルギーが、第一収集領域36の基板12に入り、そ
の後で、隣接収集領域38に移るような角度に向けられ
る光子に対する隔壁として作用する。光学的クロストー
クと同様に、このエネルギーの移行は、不要信号を引き
起こして、感光アレイの空間的分解能を低下させる。再
結晶領域34によりもたらされる光学的分離により、感
光素子はお互いにさらに密着するように移動することが
でき、それによりアレイの空間的分解能がさらに向上す
る。
【0023】これまでに述べてきた実施例の他に、キャ
リヤ移動に対して隔壁として作用する所望の電位差を達
成するために、相対伝導度レベルまたはタイプ対の他の
構成を用いることができる。しかし、図3に示すような
望ましい実施例には、収集および再結晶領域について、
異なる伝導度レベルの、同じ伝導度タイプを用いてい
る。
【0024】
【発明の効果】以上詳述したように、本願発明で用いる
再結晶領域によって、感光素子アレイにおける光生成キ
ャリヤの隣接感光素子への移動が阻止される。また該再
結晶領域は紫外線から赤外線に渉る光の吸収を大きくす
ることもできるので、射光のクロストークも減らされ
る。従って、感光素子アレイの素子間隔を短縮しかつ高
分解能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の一実施例における熱移動を示す側断面図
である。 図2は光学的クロストークを説明するためのフォトダイ
オード・アレイの側面図である。 図3は相異なる電気伝導度レベルの半導体材料のドーピ
ングを説明するための本発明の一実施例の側断面図であ
る。 図4は相異なる伝導度タイプの半導体材料のドーピング
を説明するための本発明の一実施例の側断面図である。
【符号の説明】
10:感光素子アレイ 12,50,58:半導体基板(基板と略称する) 14:入射光子 16:受光面 18,20,22,70,72,74:感光素子 24:絶縁層 26:光生成キャリヤ 28:理想的な経路 30,32:望ましくない経路 34,46,48,60,62:再結晶領域 36,38,52,54,56,64,66,68:収
集領域 40:金属小滴 42:最高温度面 44:残留材料
フロントページの続き (73)特許権者 399117121 395 Page Mill Road Palo Alto,Californ ia U.S.A. (72)発明者 ジョン・モル アメリカ合衆国カリフォルニア州パロ・ アルト,オールド・トレース・ロード 4111 (56)参考文献 特開 昭61−114546(JP,A) 特開 昭61−114572(JP,A) 特開 昭62−232959(JP,A) 特開 平1−273364(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/14 - 27/148 H01L 31/10

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学画像アレーを生成する感光素子アレー
    の製造方法であって、以下(a)及び(b)のステップ
    を含むことを特徴とする方法、 (a)均一な伝導度タイプ及び均一な不純物濃度を有す
    るように不純物をドープした半導体基板であって、第1
    の伝導度タイプ及び第1の伝導度レベルを有する該半導
    体基板の第1の表面上に空間的に分離した感光素子アレ
    ーを形成するステップ、及び (b)前記半導体基板内の前記感光素子下に再結晶領域
    により画定される収集領域を形成するための、以下の
    (イ)及び(ロ)のサブステップを含むステップ: (イ)前記第1の表面上の近接する前記感光素子間に金
    属を堆積するサブステップ、及び (ロ)前記半導体基板内に、熱勾配帯域溶融法によって
    前記金属を堆積した部分の前記第1の表面から前記半導
    体基板の厚さより小さい深さだけ下方に向かって延びる
    浅い再結晶領域を形成し、該深さは、前記再結晶領域が
    1つの前記収集領域から近接する前記収集領域への光生
    成キャリアの移動をほぼ阻止するように選ばれるサブス
    テップ。
  2. 【請求項2】感光素子アレーの製造方法であって、以下
    (a)から(d)のステップを含むことを特徴とする方
    法、 (a)均一な伝導度タイプ及び均一な不純物濃度を有す
    るように不純物をドープすることにより第1の伝導度タ
    プ及び第1の伝導度レベルを有する半導体層を用意す
    るステップ、 (b)前記半導体層の第1の表面上に感光素子アレーを
    形成するステップ、 (c)前記第1の表面上の個々の感光素子間に金属の小
    滴を堆積するステップ、及び (d)前記小滴を、前記半導体層の下方に熱移動するこ
    とによって前記感光素子間に、深さが前記半導体層より
    浅い再結晶領域を形成し前記再結晶領域により前記感光
    素子下に収集領域を画定するステップとを備え、 前記再結晶領域により 1000nmまでの波長を有する
    電磁エネルギーによって形成される光生成キャリアを前
    記光生成キャリアが生成された前記収集領域内に制限す
    ように前記半導体層の厚さと前記再結晶領域の深さと
    を選択したことを特徴とする感光素子アレーの製造方
  3. 【請求項3】光学画像アレーを生成する感光素子アレー
    の製造方法であって、以下(a)及び(b)のステップ
    を含むことを特徴とする方法、 (a)均一な伝導度タイプ及び均一な不純物濃度を有す
    るように不純物をドープした半導体基板であって、第1
    の伝導度タイプ及び第1の伝導度レベルを有する該半導
    体基板の第1の表面上に空間的に分離した感光素子アレ
    ーを形成するステップ、及び (b)前記半導体基板内の前記感光素子下に再結晶領域
    で画定される収集領域を形成するための、以下(イ)
    及び(ロ)のサブステップを含むステップ: (イ)前記第1の表面上の近接する感光素子間に金属を
    堆積するサブステップ、及び (ロ)前記半導体基板内に、熱勾配帯域溶融法によって
    前記第1の表面の前記金属を堆積した部分から下方に向
    かって前記半導体基板の厚さ全体に渡って延びる前記再
    結晶領域を形成し、前記再結晶領域が1つの前記収集領
    域から近接する前記収集領域へ光生成キャリアの移動
    止する深さとするサブステップ
  4. 【請求項4】感光素子アレーの製造方法であって、 (a)均一な伝導度タイプ及び均一な不純物濃度を有す
    るように不純物をドープした半導体層であって、第1の
    伝導度タイプ及び第1の伝導度レベルを有する半導体
    層を用意するステップ、 (b)前記半導体層の第1の表面上に感光素子アレーを
    形成するステップ、 (c)前記第1の表面上の個々の感光素子間に金属の小
    滴を堆積するステップ、及び (d)前記小滴を、前記半導体層の下方に熱移動するこ
    とによって前記感光素子間に再結晶領域を形成し前記
    再結晶領域は前記半導体層の厚さ全体に渡って延びて
    記感光素子下に収集領域を画定するステップとを備え、 前記再結晶領域により 1000nmまでの波長を有する
    電磁エネルギーによって形成される光生成キャリアを前
    記光生成キャリアが生成された領域内に制限するように
    前記半導体層の厚さと前記再結晶領域の深さとを選択し
    たことを特徴とする感光素子アレーの製造方法
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