JP3292583B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP3292583B2
JP3292583B2 JP03470394A JP3470394A JP3292583B2 JP 3292583 B2 JP3292583 B2 JP 3292583B2 JP 03470394 A JP03470394 A JP 03470394A JP 3470394 A JP3470394 A JP 3470394A JP 3292583 B2 JP3292583 B2 JP 3292583B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、固体撮像装置に関
し、特に赤外線固体撮像装置(IRCCD)の光学的共
鳴構造の改良に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to an improvement in an optical resonance structure of an infrared solid-state imaging device (IRCCD).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の固体撮像装置の構成について図6
を参照しながら説明する。図6は、従来の裏面光入射型
赤外線固体撮像装置の光学的共鳴構造の断面を示す図で
ある。
2. Description of the Related Art FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram showing a cross section of an optical resonance structure of a conventional back-illuminated infrared solid-state imaging device.

【0003】図6において、1はp型シリコン基板、2
は画素分離のためのシリコン酸化膜である。また、3は
光検出を行うショットキー接合を形成するための、例え
ば、プラチナ(Pt)、イリジウム(Ir)等の金属、
プラチナシリサイド、イリジウムシリサイド等の金属化
合物などの金属薄膜、あるいは、ヘテロ接合を形成する
ための、例えば、p型ドーパントが1×1019〜1×1
21個/cm3の高濃度にp型ドーピングを行なったシ
リコン−ゲルマニウム混晶(Si1−xGex)などの
光検出部である。さらに、5は層間を充填するためのシ
リコン酸化膜、あるいは、シリコン窒化膜などの層間
膜、6は光検出部3を透過した赤外線を再び光検出部3
へ反射させるためのアルミニウム反射膜、9は固体撮像
素子の裏面から入射した赤外線、10は赤外線9の反射
光である。なお、dは層間膜5の膜厚である。
In FIG. 6, reference numeral 1 denotes a p-type silicon substrate;
Is a silicon oxide film for pixel separation. Reference numeral 3 denotes a metal such as platinum (Pt) or iridium (Ir) for forming a Schottky junction for detecting light.
For example, a p-type dopant for forming a metal thin film such as a metal compound such as platinum silicide or iridium silicide or a heterojunction is 1 × 10 19 to 1 × 1.
It is a photodetection unit such as a silicon-germanium mixed crystal (Si 1 -xGex) which is p-doped at a high concentration of 0 21 / cm 3 . Further, reference numeral 5 denotes an interlayer film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film for filling the interlayer, and 6 denotes an infrared ray transmitted through the light detection unit 3 again to the light detection unit 3.
9 is an infrared ray incident from the back surface of the solid-state imaging device, and 10 is a reflected light of the infrared ray 9. Note that d is the thickness of the interlayer film 5.

【0004】つぎに、前述した従来の固体撮像装置の光
学的共鳴構造の作用について説明する。
Next, the operation of the optical resonance structure of the above-mentioned conventional solid-state imaging device will be described.

【0005】図6に示すように、固体撮像素子の裏面よ
り入射した赤外線9は、p型シリコン基板1で殆ど吸収
されることなく光検出部3に入射する。光検出部3によ
り光電変換が行われるが、効率は100%ではないので
一部の赤外線9は光検出部3を透過する。この透過した
赤外線9を再利用するためにアルミニウム反射膜6によ
り赤外線9を反射し、反射光10として光検出部3へ戻
す。
[0005] As shown in FIG. 6, infrared rays 9 incident from the back surface of the solid-state imaging device enter the light detecting section 3 without being absorbed by the p-type silicon substrate 1. Although the photoelectric conversion is performed by the light detection unit 3, the efficiency is not 100%, so that some infrared rays 9 pass through the light detection unit 3. In order to reuse the transmitted infrared light 9, the infrared light 9 is reflected by the aluminum reflective film 6 and returned to the light detection unit 3 as reflected light 10.

【0006】以上の作用において重要な設計パラメータ
は、層間膜5の屈折率「n」と膜厚「d」である。
Important design parameters in the above operation are the refractive index “n” and the film thickness “d” of the interlayer film 5.

【0007】入射光9と反射光10とは、互いに進行方
向が逆であるから定在波を形成するわけであるが、光検
出部3の場所で定在波の腹を形成するように設計パラメ
ータを選択すれば最も効率よく赤外線を光電変換するこ
とができるのである。その条件は、真空中での赤外線の
波長を「λ0」とすれば、以下の式1で表される。
The incident light 9 and the reflected light 10 form a standing wave because the traveling directions thereof are opposite to each other. However, the incident light 9 and the reflected light 10 are designed so as to form antinodes of the standing wave at the location of the photodetector 3. By selecting the parameters, the infrared light can be most efficiently photoelectrically converted. The condition is represented by the following equation 1, assuming that the wavelength of infrared light in a vacuum is “λ 0 ”.

【0008】 d=(1/4)・(λ0/n) ・・・式1D = (1/4) · (λ 0 / n) Equation 1

【0009】現在、実用化されているショットキー接合
型赤外線固体撮像素子では、3〜5μm帯に対して光感
度を有しているが、この場合について層間膜5の膜厚d
を以下のように算出する。
At present, a Schottky junction type infrared solid-state image sensor which has been put to practical use has a photosensitivity in a band of 3 to 5 μm.
Is calculated as follows.

【0010】層間膜5の材料としてシリコン酸化膜を使
用すれば屈折率nは、1.46であるから赤外線の波長
λ0を4μmとすると、以下のようになる。
If a silicon oxide film is used as the material of the interlayer film 5, the refractive index n is 1.46, so that if the wavelength λ 0 of the infrared ray is 4 μm, the following is obtained.

【0011】 d=(1/4)・(4/1.46)≒0.68μmD = (1/4) · (4 / 1.46) ≒ 0.68 μm

【0012】また、層間膜5の材料としてシリコン窒化
膜を用いれば、屈折率nは、2.05であるから、以下
のようになる。
If a silicon nitride film is used as the material of the interlayer film 5, the refractive index n is 2.05, so that the following is obtained.

【0013】 d=(1/4)・(4/2.05)≒0.49μmD = (1 /) · (4 / 2.05) ≒ 0.49 μm

【0014】この程度の膜厚の層間膜5は、各種のシリ
コン半導体素子において使用されており、何ら問題は引
き起こさない。
The interlayer film 5 having such a thickness is used in various silicon semiconductor devices and does not cause any problem.

【0015】つづいて、前述した従来の固体撮像装置の
層間膜5のもう1つの重要な作用について図7を参照し
ながら説明する。図7は、従来の固体撮像装置の光検出
動作状態にある光検出部3近傍のエネルギーポテンシャ
ルを示す図である。
Next, another important function of the interlayer film 5 of the above-mentioned conventional solid-state imaging device will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating the energy potential near the light detection unit 3 in the light detection operation state of the conventional solid-state imaging device.

【0016】図7において、1はp型シリコン基板、3
は光検出部(金属薄膜)、5は層間膜(シリコン酸化
膜、あるいは、シリコン窒化膜)のそれぞれのエネルギ
ーポテンシャルを示す。また、7は赤外線を吸収して生
成された正孔、8は赤外線を吸収して励起された電子で
ある。なお、EFはフェルミレベル、EVは価電子帯上端
のレベルをそれぞれ示す。
In FIG. 7, reference numeral 1 denotes a p-type silicon substrate;
Indicates the respective energy potentials of the photodetector (metal thin film) and 5 indicates the interlayer film (silicon oxide film or silicon nitride film). Reference numeral 7 denotes holes generated by absorbing infrared rays, and 8 denotes electrons excited by absorbing infrared rays. Incidentally, E F represents the Fermi level, E V is the level of the upper end of the valence band, respectively.

【0017】金属薄膜3の内部において赤外線を吸収し
光励起された電子の「空孔」として生成された正孔7
は、運動エネルギーを持つので四方八方へ進行する。こ
のうち、p型シリコン基板1の方向へ進行した正孔7
は、ショットキー障壁を越えて、p型シリコン基板1へ
注入され、光電流として検出される。
The holes 7 generated as "vacancies" of electrons excited by absorption of infrared rays in the metal thin film 3
Has kinetic energy, so it progresses in all directions. Of these, the holes 7 that have advanced in the direction of the p-type silicon substrate 1
Is injected into the p-type silicon substrate 1 over the Schottky barrier and detected as a photocurrent.

【0018】一方、p型シリコン基板1と逆の方向へ進
行した正孔7は本来ならば光電流として検出されない
が、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁物を用
いた層間膜5は、図7に示すように、正孔7に対する高
いポテンシャル障壁となり、量子力学的な反射が起こ
る。このため正孔7の進行方向が逆になりp型シリコン
基板1内へ注入されて光電流として検出される。すなわ
ち、光の検出感度が高くなる。
On the other hand, the holes 7 traveling in the opposite direction to the p-type silicon substrate 1 are not originally detected as a photocurrent, but the interlayer film 5 using an insulator such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is As shown in FIG. 7, it becomes a high potential barrier for the holes 7 and quantum mechanical reflection occurs. Therefore, the traveling direction of the holes 7 is reversed, and the holes 7 are injected into the p-type silicon substrate 1 and detected as photocurrent. That is, the light detection sensitivity is increased.

【0019】この正孔7の反射による注入過程は、正孔
7の平均自由行程以内で行われなければならない。なぜ
ならば、正孔7の運動が平均自由行程を越えると正孔7
は、フォノン等との衝突を経験し、運動エネルギーを失
うため、ショットキー障壁を越えることができなくなる
からである。
The injection process by the reflection of the holes 7 must be performed within the mean free path of the holes 7. This is because if the motion of the hole 7 exceeds the mean free path, the hole 7
This is because they experience collisions with phonons and lose kinetic energy, so that they cannot cross the Schottky barrier.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
裏面光入射型赤外線固体撮像装置では、式1から解るよ
うに検出波長が長波長化されると層間膜5の膜厚dが大
となるため、種々の問題が発生する。その問題点につい
て以下に説明する。
In the conventional back-illuminated infrared solid-state imaging device as described above, when the detection wavelength is increased as shown in Equation 1, the thickness d of the interlayer film 5 increases. Therefore, various problems occur. The problem will be described below.

【0021】検出波長が10μm帯の場合、例えば光学
的共鳴のピークを12μmに設定した場合、式1によれ
ばシリコン酸化膜を層間膜5として使用したときは、層
間膜5の厚さは約2.0μm、シリコン窒化膜を使用し
たときには、約1.5μmとなる。以上のように層間膜
5の膜厚dが大であると以下の問題点が発生する。
When the detection wavelength is in the 10 μm band, for example, when the peak of the optical resonance is set to 12 μm, according to Equation 1, when the silicon oxide film is used as the interlayer film 5, the thickness of the interlayer film 5 is about When the silicon nitride film is used, the thickness is about 1.5 μm. As described above, when the thickness d of the interlayer film 5 is large, the following problems occur.

【0022】通常のシリコン半導体素子製造において使
用する層間膜の材料であるシリコン酸化膜及びシリコン
窒化膜は、シリコン基板と熱膨張係数が異なっている。
これら層間膜の形成は、CVD等の方法によって数百℃
の高温で行われる。したがって、膜形成後室温まで温度
を下げると熱膨張係数の差のためにウエハの反りが生じ
る。この現象は、層間膜が厚くなる程著しくなる。さら
に、ウエハの反りが生じるということは、ウエハ上に形
成した各回路素子に多大なストレスが与えられているこ
とであり、各回路素子の信頼性上の観点からも非常に大
きな問題となる。赤外線検出素子の動作は、通常80K
以下の極低温で行われるために特にこの作用は顕著であ
る。
The silicon oxide film and the silicon nitride film, which are the materials of the interlayer film used in the manufacture of a normal silicon semiconductor device, have different thermal expansion coefficients from the silicon substrate.
These interlayer films are formed at a temperature of several hundred degrees centigrade by a method such as CVD.
Done at high temperatures. Therefore, when the temperature is lowered to room temperature after the film is formed, the wafer is warped due to a difference in thermal expansion coefficient. This phenomenon becomes more significant as the thickness of the interlayer film increases. Further, the occurrence of the warpage of the wafer means that a great deal of stress is applied to each circuit element formed on the wafer, which is a very serious problem from the viewpoint of the reliability of each circuit element. The operation of the infrared detecting element is usually 80K
This effect is particularly remarkable because the operation is performed at the following extremely low temperature.

【0023】次に、層間膜の材料として使用するシリコ
ン酸化物やシリコン窒化物は、赤外線をよく吸収する材
料であるため、その膜厚が大となれば層間膜による赤外
線の吸収が増加し、反射光強度が減少し、赤外線の検出
感度が低下する。
Next, since silicon oxide and silicon nitride used as the material of the interlayer film are materials that absorb infrared rays well, the absorption of infrared rays by the interlayer film increases as the film thickness increases, The intensity of the reflected light decreases, and the detection sensitivity of infrared rays decreases.

【0024】さらに、光信号のクロストークの問題が存
在する。光検出部3を透過した赤外線は、アルミニウム
反射膜6により反射されるわけであるが、全部が垂直に
反射されるわけではなく、一部の赤外線は、散乱や回折
により斜め方向へ反射される。その赤外線は層間膜5中
を数回反射を繰り返して、隣接した画素へ入射し、クロ
ストークの原因となる。この光信号のクロストークは、
層間膜の膜厚が大きくなる程増加する。
Further, there is a problem of optical signal crosstalk. The infrared light transmitted through the light detection unit 3 is reflected by the aluminum reflective film 6, but not all of the infrared light is reflected vertically. Some of the infrared light is reflected obliquely by scattering or diffraction. . The infrared rays are reflected several times in the interlayer film 5 and are incident on adjacent pixels, causing crosstalk. The crosstalk of this optical signal is
It increases as the thickness of the interlayer film increases.

【0025】以上のように層間膜の膜厚dが大となる
と、ウエハの反りが生じ、また赤外線の検出感度が低下
し、さらにクロストークが発生するという問題点があっ
た。
As described above, when the thickness d of the interlayer film is large, there is a problem that the wafer is warped, the detection sensitivity of infrared rays is reduced, and crosstalk occurs.

【0026】この発明は、前述した問題点を解決するた
めになされたもので、層間膜の膜厚を低減でき、かつ、
赤外線によって生成された正孔の収集効率を低下させな
い光学的共鳴構造を備える固体撮像装置を得ることを目
的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and can reduce the thickness of an interlayer film.
An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having an optical resonance structure that does not reduce the collection efficiency of holes generated by infrared rays.

【0027】[0027]

【0028】[0028]

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に係
る固体撮像装置は、半導体基板上に設けられ入射光を光
電変換する光検出部、この光検出部上に設けられ前記入
射光により発生したキャリアを反射する障壁膜、この障
壁膜上に設けられた層間膜、及び前記層間膜上に設けら
れ前記光検出部を透過した入射光を反射する反射膜を備
え、前記障壁膜が、シリコン酸化物、又はシリコン窒化
物により構成され、前記層間膜が、シリコン、ゲルマニ
ウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成され
るものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a solid-state image pickup device provided on a semiconductor substrate for converting incident light into light.
A photodetector for electrical conversion, provided on the photodetector;
A barrier film that reflects carriers generated by the emitted light.
An interlayer film provided on the wall film, and an interlayer film provided on the interlayer film.
A reflecting film for reflecting incident light transmitted through the light detecting section.
The barrier film is made of silicon oxide or silicon nitride, and the interlayer film is made of silicon, germanium, or a silicon-germanium mixed crystal.

【0030】この発明の請求項2に係る固体撮像装置
は、半導体基板上に設けられ入射光を光電変換する光検
出部、この光検出部上に設けられ前記入射光により発生
したキャリアを反射する障壁膜、この障壁膜上に設けら
れた層間膜、及び前記層間膜上に設けられ前記光検出部
を透過した入射光を反射する反射膜を備え、前記障壁膜
がドーピングされた半導体により構成されるものであ
る。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a solid-state image pickup device provided on a semiconductor substrate for photoelectrically converting incident light.
Outgoing part, generated by the incident light provided on this light detecting part
Barrier film that reflects the trapped carriers.
Interlayer film, and the photodetector provided on the interlayer film
And a reflection film for reflecting incident light transmitted through the semiconductor device, and the barrier film is made of a doped semiconductor.

【0031】この発明の請求項3に係る固体撮像装置
は、半導体基板上に設けられ入射光を光電変換する光検
出部、この光検出部上に設けられ前記入射光により発生
したキャリアを反射する障壁膜、この障壁膜上に設けら
れた層間膜、及び前記層間膜上に設けられ前記光検出部
を透過した入射光を反射する反射膜を備え、前記障壁膜
が、ドーピングされたシリコン、ゲルマニウム、又はシ
リコン−ゲルマニウム混晶により構成され、前記層間膜
が、シリコン、ゲルマニウム、又はシリコン−ゲルマニ
ウム混晶により構成されるものである。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a solid-state image pickup device provided on a semiconductor substrate for photoelectrically converting incident light.
Outgoing part, generated by the incident light provided on this light detecting part
Barrier film that reflects the trapped carriers.
Interlayer film, and the photodetector provided on the interlayer film
A reflecting film that reflects incident light transmitted through the barrier film , wherein the barrier film is made of doped silicon, germanium, or silicon-germanium mixed crystal, and the interlayer film is silicon, germanium, or silicon-germanium mixed crystal. It consists of.

【0032】[0032]

【作用】この発明の請求項1に係る固体撮像装置におい
ては、半導体基板上に設けられた光検出部によって、入
射光が光電変換される。また、この光検出部上に設けら
れた障壁膜によって、前記入射光により発生したキャリ
アが反射される。さらに、この障壁膜上に設けられた層
間膜によって、膜厚が低減される。そして、前記層間膜
上に設けられた反射膜によって、前記光検出部を透過し
た入射光が反射される。
In the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention, incident light is photoelectrically converted by a photodetector provided on a semiconductor substrate. Further, the carrier generated by the incident light is reflected by the barrier film provided on the light detecting section. Further, the film thickness is reduced by the interlayer film provided on the barrier film. Then, the incident light transmitted through the photodetector is reflected by the reflective film provided on the interlayer film.

【0033】この発明の請求項2に係る固体撮像装置に
おいては、絶縁物により構成される障壁膜によって、前
記入射光により発生したキャリアが反射される。
In the solid-state imaging device according to a second aspect of the present invention, the carrier generated by the incident light is reflected by the barrier film made of an insulator.

【0034】この発明の請求項3に係る固体撮像装置に
おいては、シリコン酸化物、又はシリコン窒化物により
構成された障壁膜によって、前記入射光により発生した
キャリアが反射される。また、シリコン、ゲルマニウ
ム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成された
層間膜によって、膜厚が低減される。
In the solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention, the carriers generated by the incident light are reflected by the barrier film made of silicon oxide or silicon nitride. Further, the thickness is reduced by an interlayer film formed of silicon, germanium, or a silicon-germanium mixed crystal.

【0035】この発明の請求項4に係る固体撮像装置に
おいては、ドーピングされた半導体により構成される障
壁膜によって、前記入射光により発生したキャリアが反
射される。
In the solid-state imaging device according to a fourth aspect of the present invention, carriers generated by the incident light are reflected by the barrier film made of a doped semiconductor.

【0036】この発明の請求項5に係る固体撮像装置に
おいては、ドーピングされたシリコン、ゲルマニウム、
又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成された障壁
膜によって、前記入射光により発生したキャリアが反射
される。また、シリコン、ゲルマニウム、又はシリコン
−ゲルマニウム混晶により構成された層間膜によって、
膜厚が低減される。
In the solid-state imaging device according to claim 5 of the present invention, doped silicon, germanium,
Alternatively, carriers generated by the incident light are reflected by a barrier film made of a silicon-germanium mixed crystal. In addition, silicon, germanium, or by an interlayer film composed of silicon-germanium mixed crystal,
The film thickness is reduced.

【0037】[0037]

【実施例】【Example】

実施例1.この発明の実施例1の構成について図1を参
照しながら説明する。図1は、この発明の実施例1に係
る赤外線固体撮像装置の光学的共鳴構造の断面を示す図
であり、p型シリコン基板1、シリコン酸化膜2、光検
出部3及びアルミニウム反射膜6は上述した従来装置の
ものと同様である。なお、各図中、同一符号は同一又は
相当部分を示す。
Embodiment 1 FIG. The configuration of Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a cross section of an optical resonance structure of an infrared solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention, wherein a p-type silicon substrate 1, a silicon oxide film 2, a light detection unit 3, and an aluminum reflection film 6 This is the same as that of the above-described conventional device. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

【0038】図1において、4は光検出部3上にシリコ
ン酸化膜又はシリコン窒化膜の絶縁物で形成され、例え
ば、数百Å(0.02〜0.06μm)程度の極めて薄
い第1の層間膜である。5Aは第1の層間膜4上に形成
され、屈折率が大きく、赤外線吸収の小さい材料であ
る、例えば、不純物をドーピングしない、又はp型若し
くはn型ドーパントが1×1017個/cm3以下の低
濃度にドーピングしたシリコン、ゲルマニウム、あるい
はシリコン−ゲルマニウム混晶の第2の層間膜である。
これらの材料の屈折率は、シリコン酸化膜が1.46、
シリコン窒化膜が2.05であるのに対して、シリコン
が3.5、ゲルマニウムが4.1、シリコン−ゲルマニ
ウム混晶が3.5〜4.1である。この第2の層間膜5
Aは光学的共鳴の条件を満たすような膜厚で形成されて
いる。なお、この発明の請求項1に係る光検出部は、こ
の実施例1では光検出部3に相当し、この発明の請求項
に係る障壁膜は、この実施例1では第1の層間膜4に
相当し、この発明の請求項1に係る層間膜は、この実施
例1では第2の層間膜5Aに相当し、この発明の請求項
に係る反射膜は、この実施例1ではアルミニウム反射
膜6に相当する。
In FIG. 1, reference numeral 4 denotes an extremely thin first insulating film of, for example, about several hundreds of degrees (0.02 to 0.06 μm), which is formed on the photodetecting section 3 by a silicon oxide film or a silicon nitride film. It is an interlayer film. 5A is formed on the first interlayer film 4 and is a material having a large refractive index and a small infrared absorption, for example, not doped with impurities, or having a low p-type or n-type dopant of 1 × 10 17 / cm 3 or less. This is a second interlayer film of silicon, germanium, or a silicon-germanium mixed crystal doped at a high concentration.
The refractive index of these materials is 1.46 for the silicon oxide film,
While the silicon nitride film is 2.05, the silicon is 3.5, the germanium is 4.1, and the silicon-germanium mixed crystal is 3.5 to 4.1. This second interlayer film 5
A is formed with a film thickness that satisfies the condition of optical resonance. The light detector according to claim 1 of the present invention corresponds to the light detector 3 In Example 1, claim of the present invention
The barrier film according to the first embodiment corresponds to the first interlayer film 4 in the first embodiment, and the interlayer film according to claim 1 of the present invention corresponds to the second interlayer film 5A in the first embodiment. Claims of the invention
The reflecting film according to No. 1 corresponds to the aluminum reflecting film 6 in the first embodiment.

【0039】つぎに、前述した実施例1の光学的共鳴構
造の作用について説明する。図1に示すように、固体撮
像素子の裏面より入射した赤外線9は、p型シリコン基
板1でほとんど吸収されることなく光検出部3に入射す
る。光検出部3により光電変換が行われるが、効率は1
00%ではないので一部の赤外線は光検出部3を透過す
る。この透過した赤外線を再利用するためにアルミニウ
ム反射膜6により赤外線を反射し、光検出部3へ戻す。
Next, the operation of the optical resonance structure of the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, infrared light 9 incident from the back surface of the solid-state imaging device is incident on the light detection unit 3 without being substantially absorbed by the p-type silicon substrate 1. The photoelectric conversion is performed by the light detection unit 3, but the efficiency is 1
Since it is not 00%, some infrared rays pass through the light detection unit 3. In order to reuse the transmitted infrared light, the infrared light is reflected by the aluminum reflection film 6 and returned to the light detection unit 3.

【0040】以上の作用において重要な設計パラメータ
は、第1の層間膜4及び第2の層間膜5Aの屈折率
「n」と膜厚「d」である。
Important design parameters in the above operation are the refractive index “n” and the film thickness “d” of the first interlayer film 4 and the second interlayer film 5A.

【0041】入射光9と反射光10とは、互いに進行方
向が逆であるから定在波を形成するわけであるが、光検
出部3の場所で定在波の腹を形成するように設計パラメ
ータを選択すれば最も効率よく赤外線を光電変換するこ
とができるのである。
The incident light 9 and the reflected light 10 form a standing wave because the traveling directions thereof are opposite to each other. However, the incident light 9 and the reflected light 10 are designed so as to form antinodes of the standing wave at the location of the photodetector 3. By selecting the parameters, the infrared light can be most efficiently photoelectrically converted.

【0042】この実施例1の構造においては、第1の層
間膜4は、前述したように数百Å(0.02〜0.06
μm)程度と極めて薄いので透過した入射赤外線に対す
る光学的距離に与える寄与分は無視することができる。
また、極めて薄いことから、たとえ第1の層間膜4の材
料が赤外線吸収率の高いものであっても吸収量は無視す
ることができる。さらに、第1の層間膜4と光検出部3
の境界での反射光と、第1の層間膜4と第2の層間膜5
Aの境界での反射光は、第1の層間膜4が薄ければほぼ
逆位相となるので打ち消し合う。
In the structure of the first embodiment, the first interlayer film 4 has a thickness of several hundred Å (0.02 to 0.06
μm), the contribution to the optical distance to transmitted incident infrared radiation can be neglected.
Further, since it is extremely thin, the amount of absorption can be ignored even if the material of the first interlayer film 4 has a high infrared absorptance. Further, the first interlayer film 4 and the photodetector 3
Light reflected at the boundary between the first interlayer film 4 and the second interlayer film 5
The reflected light at the boundary of A cancels out if the first interlayer film 4 is thin, since it has almost the opposite phase.

【0043】すなわち、第1の層間膜4は極めて薄けれ
ば光学的にはその存在を無視してよいわけである。なぜ
ならば、前述したように赤外線の吸収が少なく、また第
1の層間膜4と光検出部3の境界での反射光と、第1の
層間膜4と第2の層間膜5Aの境界での反射光の干渉の
影響が少ないからである。なお、光学的に無視しうる厚
さは、入射赤外線の波長より薄い、例えば1000Å
(0.1μm)以下である。
That is, if the first interlayer film 4 is extremely thin, its existence can be ignored optically. This is because, as described above, the infrared absorption is small, and the reflected light at the boundary between the first interlayer film 4 and the photodetector 3 and the reflected light at the boundary between the first interlayer film 4 and the second interlayer film 5A. This is because the influence of the interference of the reflected light is small. The optically negligible thickness is smaller than the wavelength of incident infrared rays, for example, 1000 °.
(0.1 μm) or less.

【0044】従って、第1の層間膜4の存在を無視し、
第2の層間膜5Aの屈折率を「n2」、その膜厚を
「d2」、真空中での赤外線の波長を「λ0」とすれば、
最も高い光電変換効率を与える条件は、以下の式2で表
される。
Therefore, ignoring the existence of the first interlayer film 4,
If the refractive index of the second interlayer film 5A is “n 2 ”, its thickness is “d 2 ”, and the wavelength of infrared light in vacuum is “λ 0 ”,
The condition giving the highest photoelectric conversion efficiency is expressed by the following equation 2.

【0045】 d2=(1/4)・(λ0/n2) ・・・式2D 2 = (1/4) · (λ 0 / n 2 ) Equation 2

【0046】例えば、光学的共鳴のピークを12μmに
設定した場合、第2の層間膜5Aの材料としてシリコン
を使用すれば、屈折率n2は3.5であるからその膜厚
2は次のようになる。つまり、d2=(1/4)・(1
2/3.5)≒0.86μmとなる。また、第2の層間
膜5Aの材料としてゲルマニウムを使用すれば、屈折率
2は4.1であるからその膜厚d2は次のようになる。
つまり、d2=(1/4)・(12/4.1)≒0.7
3μmとなる。さらに、第2の層間膜5Aの材料として
シリコン−ゲルマニウム混晶を使用すれば、屈折率n2
は3.5〜4.1であるからその膜厚d2は上記の二値
の中間的な値をとる。従って、従来の構造よりも層間膜
厚が小さく、かつ層間膜での赤外線吸収量の小さい光学
的共鳴構造が得られる。また、厚い第2の層間膜5Aの
材料としてシリコン基板と熱膨張係数の同じ、あるいは
近い材料を使用するのでストレス及び歪は無くなる、又
は著しく低減されることとなる。
For example, when the peak of the optical resonance is set to 12 μm, if silicon is used as the material of the second interlayer film 5A, the refractive index n 2 is 3.5, so that the film thickness d 2 is become that way. That is, d 2 = (1 /) · (1
2 / 3.5) ≒ 0.86 μm. Further, the use of germanium as the material of the second interlayer film 5A, the thickness thereof d 2 the refractive index n 2 is 4.1 as follows.
That is, d 2 = (1/4) · (12 / 4.1) ≒ 0.7
3 μm. Furthermore, if a silicon-germanium mixed crystal is used as the material of the second interlayer film 5A, the refractive index n 2
Its thickness d 2 because it is from 3.5 to 4.1 takes an intermediate value of the binary. Accordingly, an optical resonance structure having a smaller interlayer thickness and a smaller infrared absorption amount in the interlayer film than the conventional structure can be obtained. Further, since a material having the same or similar thermal expansion coefficient as that of the silicon substrate is used as the material of the thick second interlayer film 5A, stress and strain are eliminated or significantly reduced.

【0047】前述したように、この実施例1の第1の層
間膜4は極めて薄いので光学的にはほとんど無視するこ
とができるが、重要な働きをする。そこで、その重要な
働きを説明するために第1の層間膜4がない場合につい
て図5を参照しながら説明する。図5は、第1の層間膜
4がない場合の光検出部3近傍のエネルギーポテンシャ
ルを示す図である。同図において、1はp型シリコン基
板、3は光検出部(シリコン−ゲルマニウム混晶)、5
Aは第2の層間膜(シリコン)のそれぞれのエネルギー
ポテンシャルを示し、7は赤外線を吸収して生成された
正孔、8は赤外線を吸収して励起された電子であり、E
Fはフェルミレベル、EVは価電子帯上端のレベルをそれ
ぞれ示す。例えば、光検出部3としてシリコン−ゲルマ
ニウム混晶を使用した場合、このシリコン−ゲルマニウ
ム混晶3は、高濃度にp型ドーピングされているので空
乏層はほとんど延びない。一方、第2の層間膜5Aは、
不純物ドーピングされていない(あるいは、低濃度にド
ーピングを行っている)ので厚い空乏層が延びている。
このことは、空乏層中のポテンシャルがゆるやかに傾斜
していることを意味している。入射光により生成された
正孔7が第2の層間膜5A側(X)へ進行した場合、界
面部にポテンシャル障壁が存在しないのでそのまま第2
の層間膜5A中へ侵入する。侵入した正孔7は、衝突に
よる散乱がなければ、第2の層間膜5A内部に形成され
たポテンシャル障壁に衝突し、反射される。しかし、正
孔7の平均自由行程は、シリコン中で高々100Å程度
であるからポテンシャル障壁に衝突する前にフォノン等
により散乱されて運動エネルギーを失ってしまう。この
不都合を解消するためには、界面部に正孔7に対する高
いポテンシャル障壁を設ければよい。
As described above, the first interlayer film 4 of the first embodiment can be almost ignored optically because it is extremely thin, but plays an important role. Therefore, in order to explain the important function, a case where the first interlayer film 4 is not provided will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing the energy potential in the vicinity of the light detection unit 3 when the first interlayer film 4 is not provided. In the figure, 1 is a p-type silicon substrate, 3 is a photodetector (silicon-germanium mixed crystal), 5
A indicates the energy potential of each of the second interlayer film (silicon), 7 indicates holes generated by absorbing infrared rays, 8 indicates electrons excited by absorbing infrared rays, and E
F represents the Fermi level, E V is the level of the upper end of the valence band, respectively. For example, when a silicon-germanium mixed crystal is used as the light detection unit 3, the depletion layer hardly extends because the silicon-germanium mixed crystal 3 is heavily p-doped. On the other hand, the second interlayer film 5A
Since the impurity is not doped (or is doped at a low concentration), a thick depletion layer extends.
This means that the potential in the depletion layer is gently inclined. When the holes 7 generated by the incident light proceed to the second interlayer film 5A side (X), the potential barrier does not exist at the interface, so that the second layer 7A does not exist.
Into the interlayer film 5A. The holes 7 that have penetrated collide with a potential barrier formed inside the second interlayer film 5A and are reflected if there is no scattering due to collision. However, since the mean free path of the holes 7 is at most about 100 ° in silicon, the holes 7 are scattered by phonons or the like before colliding with the potential barrier and lose kinetic energy. In order to eliminate this inconvenience, a high potential barrier for the holes 7 may be provided at the interface.

【0048】この実施例1の第1の層間膜4の重要な働
きについて図2を参照しながら説明する。図2は、この
発明の実施例1の光検出動作状態にある光検出部3近傍
のエネルギーポテンシャルを示す図である。同図におい
て、1はp型シリコン基板、3は光検出部(シリコン−
ゲルマニウム混晶)、4は第1の層間膜、5Aは第2の
層間膜のそれぞれのエネルギーポテンシャルを示し、7
は赤外線を吸収して生成された正孔、8は赤外線を吸収
して励起された電子であり、EFはフェルミレベル、EV
は価電子帯上端のレベルをそれぞれ示す。
An important function of the first interlayer film 4 of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an energy potential near the light detection unit 3 in the light detection operation state according to the first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a p-type silicon substrate, 3 is a photodetector (silicon-
Germanium mixed crystal), 4 denotes the first interlayer film, 5A denotes the energy potential of the second interlayer film, and 7 denotes the energy potential of the second interlayer film.
Holes generated by absorbing infrared rays, 8 is an electron excited by absorbing infrared, E F is the Fermi level, E V
Indicates the level at the upper end of the valence band.

【0049】シリコン−ゲルマニウム混晶3の内部にお
いて赤外線を吸収し光励起された電子の「空孔」として
生成された正孔7は、運動エネルギーを持つので四方八
方へ進行する。このうち、p型シリコン基板1の方向へ
進行した正孔7は、ヘテロ障壁を越えて、p型シリコン
基板1へ注入され、光電流として検出される。
The holes 7 generated as “vacancies” of electrons excited by absorbing infrared rays and being photoexcited inside the silicon-germanium mixed crystal 3 have kinetic energy and thus travel in all directions. Of these, the holes 7 traveling in the direction of the p-type silicon substrate 1 are injected into the p-type silicon substrate 1 across the hetero barrier and detected as photocurrent.

【0050】p型シリコン基板1と逆の方向へ進行した
正孔7は、本来ならば光電流として検出されないのであ
るが、第1の層間膜4は絶縁物を用いているので正孔7
に対して高いポテンシャル障壁となり、図2に矢印で示
したように量子力学的な反射が起こる。このため、正孔
7の進行方向は逆になり、p型シリコン基板1内へ注入
されて光電流として検出される。
The holes 7 traveling in the direction opposite to that of the p-type silicon substrate 1 are not normally detected as a photocurrent. However, since the first interlayer film 4 uses an insulator, the holes 7
, And a quantum mechanical reflection occurs as shown by the arrow in FIG. Therefore, the traveling direction of the holes 7 is reversed, is injected into the p-type silicon substrate 1, and is detected as a photocurrent.

【0051】もし、第1の層間膜4が存在しなければ、
正孔7は反射されることなく第2の層間膜5A中へ注入
され、光電流として検出されないことは言うまでもな
い。すなわち、この実施例1においても従来構造の持つ
正孔の反射による光検出感度向上の作用は、全く失われ
ることはない。
If the first interlayer film 4 does not exist,
It goes without saying that the holes 7 are injected into the second interlayer film 5A without being reflected, and are not detected as a photocurrent. That is, even in the first embodiment, the effect of improving the light detection sensitivity due to the reflection of the holes of the conventional structure is not lost at all.

【0052】前述したように、光学的共鳴のピークを1
2μmに設定した場合、従来の光学的共鳴構造では、式
1によればシリコン酸化膜を層間膜5として使用したと
きは、層間膜5の膜厚dは2.0μm、シリコン窒化膜
を使用したときには、1.5μmとなる。それに対して
この実施例1の光学的共鳴構造では、第2の層間膜5A
として、シリコンを使用すれば、式2に従って第2の層
間膜5Aの膜厚d2は、0.86μm、ゲルマニウムを
使用すれば0.73μm、シリコン−ゲルマニウム混晶
を使用すれば上記の二値の中間的な値をとる。つまり、
従来の構造に比べれば半分以下となる。
As described above, the peak of the optical resonance is 1
When the thickness is set to 2 μm, in the conventional optical resonance structure, according to Equation 1, when a silicon oxide film is used as the interlayer film 5, the thickness d of the interlayer film 5 is 2.0 μm and a silicon nitride film is used. Sometimes it is 1.5 μm. On the other hand, in the optical resonance structure of the first embodiment, the second interlayer film 5A
When silicon is used, the thickness d 2 of the second interlayer film 5A is 0.86 μm according to Equation 2, when germanium is used, 0.73 μm, and when silicon-germanium mixed crystal is used, the above two values are obtained. Take an intermediate value of. That is,
It is less than half compared to the conventional structure.

【0053】従って、層間膜の膜厚が減少すれば、シリ
コン基板と層間膜との熱膨張係数の差に起因する機械的
ストレス及び歪の問題が低減され、また層間膜内での散
乱・回折・多重反射による光信号のクロストークは低減
される。さらに、層間膜の材料として赤外線吸収率の小
さいものを使用するので層間膜での赤外線強度の損失を
抑えることができる。
Therefore, when the thickness of the interlayer film is reduced, the problem of mechanical stress and distortion caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the silicon substrate and the interlayer film is reduced, and the scattering and diffraction in the interlayer film is reduced. Crosstalk of optical signals due to multiple reflection is reduced. Further, since a material having a small infrared absorptivity is used as the material of the interlayer film, the loss of the infrared intensity in the interlayer film can be suppressed.

【0054】この発明の実施例1は、前述したように、
入射赤外線の光電変換を行う光検出部3と、この光検出
部3の表面上に前記入射赤外線の波長よりも薄く絶縁物
で形成された第1の層間膜4と、前記第1の層間膜4の
表面上に光学的共鳴条件を満足する厚さで形成され、屈
折率が高く赤外線吸収率の低い第2の層間膜5Aと、前
記第2の層間膜5Aの表面上に形成され、赤外線反射率
の高いアルミニウム反射膜6とを備えたものである。
Embodiment 1 of the present invention, as described above,
A light detection unit 3 for performing photoelectric conversion of incident infrared light; a first interlayer film 4 formed on the surface of the light detection unit 3 with an insulator thinner than the wavelength of the incident infrared light; and a first interlayer film 4, a second interlayer film 5A having a thickness satisfying the optical resonance condition and having a high refractive index and a low infrared absorptivity, and a second interlayer film 5A And an aluminum reflective film 6 having high reflectivity.

【0055】すなわち、上記光検出部3として、ショッ
トキー接合を形成するための、例えば、プラチナ(P
t)、イリジウム(Ir)等の金属、プラチナシリサイ
ド、イリジウムシリサイド等の金属化合物などの金属薄
膜、あるいは、ヘテロ接合を形成するための、例えば、
p型ドーパントが1×1019〜1×1021個/cm3
高濃度にp型ドーピングを行なったシリコン−ゲルマニ
ウム混晶(Si1−xGex)を用い、上記第1の層間
膜4として、シリコン酸化物又はシリコン窒化物を用
い、上記第2の層間膜5Aとして、不純物をドーピング
しない、又はp型若しくはn型ドーパントが1×1017
個/cm3以下の低濃度にp型若しくはn型ドーピング
したシリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコン−ゲル
マニウム混晶を用いたものである。
That is, as the photodetecting section 3, for example, platinum (P) for forming a Schottky junction is used.
t), a metal thin film such as a metal such as iridium (Ir), a metal compound such as platinum silicide or iridium silicide, or a heterojunction for forming a heterojunction.
As the first interlayer film 4, a silicon-germanium mixed crystal (Si 1 -xGex) in which a p-type dopant is p-doped at a high concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 / cm 3 is used. Using silicon oxide or silicon nitride, the second interlayer film 5A is not doped with impurities, or contains 1 × 10 17 p-type or n-type dopants.
It uses silicon, germanium, or a silicon-germanium mixed crystal doped with p-type or n-type at a low concentration of not more than the number of pieces / cm 3 .

【0056】つまり、この実施例1は、赤外線固体撮像
装置において素子のストレス・歪の低減及び光信号クロ
ストークの低減、光検出感度の向上を可能とする光学的
共鳴構造を与えることを目的としている。そのために、
光検出部3の表面上に入射赤外線の波長より薄い数百Å
(0.02〜0.06μm)程度の薄い絶縁膜で第1の
層間膜4を形成し、この第1の層間膜4の表面上に光学
的共鳴条件を満足する厚さを持ち、屈折率が高く、赤外
線吸収率の低い第2の層間膜5Aを形成し、第2の層間
膜5Aの表面上に赤外線反射率の高いアルミニウム反射
膜6を形成するようにしたものである。その結果、第1
の層間膜4は、光検出部3で生成された光キャリアを反
射し、半導体への光キャリア注入効率を高めて、高い光
感度を維持する。また、第2の層間膜5Aは、屈折率が
大きく、赤外線吸収率が小さいため、層間膜の膜厚の低
減と赤外線吸収量の低減が可能となり、素子のストレス
・歪の低減及び光信号のクロストークの低減及び光検出
感度の向上が可能となる。
That is, the first embodiment aims at providing an optical resonance structure capable of reducing stress / distortion of an element, reducing optical signal crosstalk, and improving photodetection sensitivity in an infrared solid-state imaging device. I have. for that reason,
Hundreds of よ り thinner than the wavelength of the incident infrared light
The first interlayer film 4 is formed of a thin insulating film (about 0.02 to 0.06 μm), has a thickness on the surface of the first interlayer film 4 that satisfies the optical resonance condition, and has a refractive index. The second interlayer film 5A having a high infrared absorption rate is low, and the aluminum reflection film 6 having a high infrared reflectance is formed on the surface of the second interlayer film 5A. As a result, the first
The interlayer film 4 reflects the photocarriers generated by the photodetecting unit 3, increases the efficiency of photocarrier injection into the semiconductor, and maintains high photosensitivity. In addition, since the second interlayer film 5A has a large refractive index and a small infrared absorptance, it is possible to reduce the thickness of the interlayer film and the amount of infrared absorption, thereby reducing stress / strain of the element and reducing the optical signal. Crosstalk can be reduced and photodetection sensitivity can be improved.

【0057】実施例2.上記実施例1では、光検出部3
上に一旦、絶縁物による第1の層間膜4を形成した後
に、屈折率が大きく、赤外線吸収の小さい第2の層間膜
5Aを形成していた。この実施例2は、実施例1の製造
プロセス工程を減らし、素子製造工程を簡単化する光学
的共鳴構造を提供するものである。
Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, the light detection unit 3
After the first interlayer film 4 made of an insulator is once formed thereon, the second interlayer film 5A having a large refractive index and a small infrared absorption is formed. The second embodiment provides an optical resonance structure that reduces the number of manufacturing process steps of the first embodiment and simplifies the element manufacturing process.

【0058】この発明の実施例2の構成について図3を
参照しながら説明する。図3は、この発明の実施例2の
構造断面を示す図であり、p型シリコン基板1、シリコ
ン酸化膜2、光検出部3、第2の層間膜5A及びアルミ
ニウム反射膜6は上述した実施例1のものと同様であ
る。
The configuration of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a view showing a cross section of the structure of the second embodiment of the present invention. The p-type silicon substrate 1, the silicon oxide film 2, the photodetector 3, the second interlayer film 5A and the aluminum reflection film 6 are the same as those described above. Same as in Example 1.

【0059】図3において、4Aは光検出部3上に形成
され、n型ドーパントが1×1019〜1×1021個
/cm3の高濃度にn型ドーピングを行なったシリコ
ン、ゲルマニウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶で
形成され、例えば、数百Å(0.02〜0.06μ)程
度の極めて薄い第1の層間膜である。なお、この発明の
請求項2及び3に係る光検出部は、この実施例2では光
検出部3に相当し、この発明の請求項2及び3に係る障
壁膜は、この実施例2では第1の層間膜4Aに相当し、
この発明の請求項2及び3に係る層間膜は、この実施例
2では第2の層間膜5Aに相当し、この発明の請求項2
及び3に係る反射膜は、この実施例2ではアルミニウム
反射膜6に相当する。
In FIG. 3, reference numeral 4A denotes a silicon, germanium, or silicon-germanium layer formed on the photodetecting section 3 and having an n-type dopant doped at a high concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 21 / cm 3. The first interlayer film is formed of a mixed crystal and has an extremely small thickness of, for example, about several hundreds of Å (0.02 to 0.06 μ). It should be noted that the present invention
The light detector according to the second and third aspects corresponds to the light detector 3 in the second embodiment, and the barrier film according to the second and third aspects of the present invention is the first interlayer film 4A in the second embodiment. Is equivalent to
The interlayer film according to claim 2 and 3 of the invention corresponds to In the second embodiment the second interlayer film 5A, a second aspect of the present invention
The reflecting films according to the first and second embodiments correspond to the aluminum reflecting film 6 in the second embodiment.

【0060】この実施例2の光学的共鳴構造の製造工程
では、光検出部3上の第1の層間膜4Aは、シリコンや
ゲルマニウムを使用したので上記実施例1のように絶縁
膜と半導体膜という具合に二種類の堆積装置及びエッチ
ング装置を備える必要はなく、製造工程の簡単化、装置
の節約を行うことができる。
In the manufacturing process of the optical resonance structure according to the second embodiment, since the first interlayer film 4A on the photodetecting section 3 uses silicon or germanium, the insulating film and the semiconductor film as in the first embodiment are used. Thus, it is not necessary to provide two types of deposition apparatus and etching apparatus, so that the manufacturing process can be simplified and the apparatus can be saved.

【0061】つぎに、前述したこの実施例2の光学的共
鳴構造の作用について説明する。光学的な作用について
は、前述した実施例1と殆んど変わることはない。第1
の層間膜4Aの材料として、絶縁物に代わり、前述した
ようにn型ドーパントが1×1019〜1×1021個/c
3の高濃度にn型ドーピングしたシリコン、ゲルマニ
ウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶を使用してい
る。これらの高濃度にドーピングした半導体材料は赤外
線を良く吸収するが、膜厚を数百Å(0.02〜0.0
6μ)程度に極めて薄く作ることによって吸収量を低く
抑えている。
Next, the operation of the optical resonance structure of the second embodiment will be described. The optical function is almost the same as that of the first embodiment. First
As a material of the interlayer film 4A, the n-type dopant is 1 × 10 19 to 1 × 10 21 / c instead of the insulator as described above.
Silicon, germanium, or a silicon-germanium mixed crystal with n-type doping at a high concentration of m 3 is used. These highly doped semiconductor materials absorb infrared light well, but have a thickness of several hundred Å (0.02 to 0.0
The absorption amount is kept low by making it as thin as about 6 μ).

【0062】つづいて、この実施例2の光学的共鳴構造
以外のもう1つの作用である光キャリア収集効率の向上
の作用について図4を参照しながら説明する。図4は、
この発明の実施例2の光検出動作状態にある光検出部3
近傍のエネルギーポテンシャルを示す図である。
Next, another operation other than the optical resonance structure of the second embodiment, that is, the operation of improving the optical carrier collection efficiency, will be described with reference to FIG. FIG.
Light detection unit 3 in the light detection operation state according to the second embodiment of the present invention
It is a figure which shows the energy potential of the vicinity.

【0063】図4において、1はp型シリコン基板、3
は光検出部(シリコン−ゲルマニウム混晶)、4Aは第
1の層間膜、5Aは第2の層間膜のそれぞれのエネルギ
ーポテンシャルを示し、7は赤外線を吸収して生成され
た正孔、8は赤外線を吸収して励起された電子であり、
Fはフェルミレベル、EVは価電子帯上端のレベルをそ
れぞれ示す。
In FIG. 4, 1 is a p-type silicon substrate, 3
Indicates a photodetector (silicon-germanium mixed crystal), 4A indicates the energy potential of the first interlayer film, 5A indicates the energy potential of the second interlayer film, 7 indicates holes generated by absorbing infrared rays, and 8 indicates holes. Electrons excited by absorbing infrared light,
E F represents the Fermi level, E V is the level of the upper end of the valence band, respectively.

【0064】まず、光検出器部3、第1の層間膜4A及
び第2の層間膜5Aが作り出すポテンシャル形状につい
て説明する。
First, the potential shape created by the photodetector section 3, the first interlayer film 4A and the second interlayer film 5A will be described.

【0065】第1の層間膜4Aは、n型ドーピングして
いるので電荷中性状態においてフェルミレベルEFは、
バンドギャップ内の上端近傍にある。第2の層間膜5A
は、不純物ドーピングを行っていない(あるいは、低濃
度にドーピングを行っている)ので電荷中性状態におい
てフェルミレベルEFは、バンドギャップ内の中間付近
にある。シリコン−ゲルマニウム混晶(光検出部)3
は、高濃度にp型ドーピングを行っているので不純物レ
ベルが縮退し、フェルミレベルEFは価電子帯中にあ
る。第1の層間膜4Aと第2の層間膜5Aとシリコン−
ゲルマニウム混晶3を接触させるとそれぞれの半導体に
よって異なっているフェルミレベルを一致させるように
キャリアの移動が起こる。
[0065] The first interlayer film 4A is the Fermi level E F is the charge neutral condition since the n-type doping,
It is near the upper end in the band gap. Second interlayer film 5A
It is not subjected to impurity doping (or low concentration is performed doped) Fermi level E F in the charge neutrality condition is near the middle of the band gap. Silicon-germanium mixed crystal (photodetector) 3
Since doing a p-type doped at a high concentration impurity levels are degenerate, the Fermi level E F is in a valence band. The first interlayer film 4A, the second interlayer film 5A and the silicon
When the germanium mixed crystal 3 is brought into contact, carriers move so as to match the Fermi level which differs depending on each semiconductor.

【0066】その結果、平衡状態においてフェルミレベ
ルは、一定値を持つようになる。このポテンシャル形成
に関しては、n型ドーピングされた第1の層間膜4Aが
重要な働きをする。その働きを説明するために第1の層
間膜4Aがない場合について説明する。
As a result, the Fermi level has a constant value in the equilibrium state. With respect to this potential formation, the n-type doped first interlayer film 4A plays an important role. In order to explain the function, a case where the first interlayer film 4A is not provided will be described.

【0067】図5は、第1の層間膜4Aがない場合のエ
ネルギーポテンシャルを示す図である。シリコン−ゲル
マニウム混晶3は、高濃度にp型ドーピングされている
ので空乏層はほとんど延びない。一方、第2の層間膜5
Aは、不純物ドーピングされていない(あるいは、低濃
度にドーピングを行っている)ので厚い空乏層が延びて
いる。このことは、空乏層中のポテンシャルがゆるやか
に傾斜していることを意味している。
FIG. 5 is a diagram showing the energy potential when the first interlayer film 4A is not provided. Since the silicon-germanium mixed crystal 3 is highly p-doped, the depletion layer hardly extends. On the other hand, the second interlayer film 5
Since A is not doped with an impurity (or is doped at a low concentration), a thick depletion layer extends. This means that the potential in the depletion layer is gently inclined.

【0068】入射光により生成された正孔7が第2の層
間膜5A側へ進行した場合、界面にポテンシャル障壁が
存在しないのでそのまま第2の層間膜5A中へ侵入す
る。侵入した正孔7は、衝突による散乱がなければ、第
2の層間膜5A内部に形成されたポテンシャル障壁に衝
突し、反射される。しかし、正孔7の平均自由行程は、
シリコン中で高々100Å程度であるからポテンシャル
障壁に衝突する前にフォノン等により散乱されて運動エ
ネルギーを失ってしまう。
When the holes 7 generated by the incident light travel toward the second interlayer film 5A, they penetrate into the second interlayer film 5A as they are because there is no potential barrier at the interface. The holes 7 that have penetrated collide with a potential barrier formed inside the second interlayer film 5A and are reflected if there is no scattering due to collision. However, the mean free path of the holes 7 is
Since it is at most about 100 ° in silicon, it is scattered by phonons or the like before colliding with a potential barrier and loses kinetic energy.

【0069】この不都合を解消するためには、第2の層
間膜5Aのポテンシャルを正孔7の平均自由行程より短
い距離で急激に立上げればよい。ポテンシャルを急にす
るためには、密度の高い正の空間電荷が必要であり、高
密度の正の空間電荷を形成するためには、高濃度にn型
ドーピングした半導体層を界面部に設ければよい。
In order to solve this inconvenience, the potential of the second interlayer film 5A may be rapidly raised at a distance shorter than the mean free path of the holes 7. In order to increase the potential, a high density of positive space charges is required. To form a high density of positive space charges, a semiconductor layer heavily doped with n-type is provided at the interface. I just need.

【0070】したがって、第1の層間膜4Aとして高濃
度にドーピングしたn型半導体層を設けると図4に示し
たような界面で急峻に立上るポテンシャルが形成され
る。このようなポテンシャル形状では、入射光により生
成され、第1の層間膜4A側へ進行した正孔7は、第1
の層間膜4Aに侵入した後、平行自由行程を経ることな
くすぐにポテンシャル障壁に衝突し、反射されるわけで
ある。ただし、第1の層間膜4Aは、高濃度に不純物が
ドーピングされているため赤外線吸収率が高いので、で
きるだけ薄く作らなければならない。
Therefore, when a heavily doped n-type semiconductor layer is provided as the first interlayer film 4A, a potential which rises sharply at the interface as shown in FIG. 4 is formed. In such a potential shape, the holes 7 generated by the incident light and traveling to the first interlayer film 4A side
After invading the interlayer film 4A, it immediately collides with the potential barrier without passing through the parallel free path and is reflected. However, since the first interlayer film 4A is highly doped with impurities and has a high infrared absorptance, it must be made as thin as possible.

【0071】さらに、この実施例2の構造では、以上述
べた効果の他に、次のように優れた効果も合わせ持って
いる。
Further, the structure of the second embodiment has the following excellent effects in addition to the effects described above.

【0072】光検出部3が、シリコン−ゲルマニウム混
晶により形成された場合、p型シリコン基板1とシリコ
ン−ゲルマニウム混晶3との格子定数の差により、シリ
コン−ゲルマニウム混晶3の内部には、強いストレスが
生じている。このストレスは、光検出カットオフ波長に
影響しているのでストレスが安定していることが必要で
あるが、熱処理等の工程を経るとストレスが緩和してし
まい、光検出カットオフ波長が変化してしまう。
When the photodetecting section 3 is formed of a silicon-germanium mixed crystal, the difference in lattice constant between the p-type silicon substrate 1 and the silicon-germanium mixed crystal 3 causes the inside of the silicon-germanium mixed crystal 3 to be inside. , Strong stress is occurring. Since this stress affects the photodetection cutoff wavelength, it is necessary that the stress be stable.However, the stress is alleviated after a process such as heat treatment, and the photodetection cutoff wavelength changes. Would.

【0073】第1の層間膜4A及び第2の層間膜5Aを
シリコンにより形成した場合は、p型シリコン基板1、
シリコン−ゲルマニウム混晶3、シリコンの第1及び第
2の層間膜4A及び5Aというように、真中にシリコン
−ゲルマニウム混晶を挟み、両側にシリコン層を設けた
サンドウィッチ構造となるので機械的に安定し熱処理等
のストレス緩和に対して、極めて強くなる。したがっ
て、光検出特性が安定するという優れた効果も有してい
る。
When the first interlayer film 4A and the second interlayer film 5A are formed of silicon, the p-type silicon substrate 1,
Mechanically stable because it has a sandwich structure with a silicon-germanium mixed crystal in the middle and a silicon layer on both sides, such as silicon-germanium mixed crystal 3, silicon first and second interlayer films 4A and 5A. It becomes extremely strong against stress relaxation such as heat treatment. Therefore, it also has an excellent effect of stabilizing the light detection characteristics.

【0074】この発明の実施例2は、前述したように、
入射赤外線の光電変換を行う光検出部3と、前記光検出
部3の表面上に前記入射赤外線の波長よりも薄く形成さ
れた第1の層間膜4Aと、前記第1の層間膜4Aの表面
上に光学的共鳴条件を満足する厚さで形成され、屈折率
が高く赤外線吸収率の低い第2の層間膜5Aと、前記第
2の層間膜5Aの表面上に形成され、赤外線反射率の高
いアルミニウム反射膜6とを備えたものである。
The second embodiment of the present invention, as described above,
A photodetector 3 for performing photoelectric conversion of incident infrared light; a first interlayer film 4A formed on the surface of the photodetector 3 so as to be thinner than the wavelength of the incident infrared light; and a surface of the first interlayer film 4A. A second interlayer film 5A having a thickness satisfying the optical resonance condition and having a high refractive index and a low infrared absorptivity; and a second interlayer film 5A formed on the surface of the second interlayer film 5A and having a high infrared reflectance. And a high aluminum reflective film 6.

【0075】つまり、上記光検出部3として、例えば、
プラチナ(Pt)、イリジウム(Ir)等の金属、プラ
チナシリサイド、イリジウムシリサイド等の金属化合物
などの金属薄膜、あるいは、ヘテロ接合を形成するため
の、例えば、p型ドーパントが1×1019〜1×1021
個/cm3の高濃度にp型ドーピングを行なったシリコ
ン−ゲルマニウム混晶(Si1−xGex)を用い、上
記第1の層間膜4Aとして、n型ドーパントが1×10
19〜1×1021個/cm3の高濃度にn型ドーピングを
行なったシリコン、ゲルマニウム、又はシリコン−ゲル
マニウム混晶を用い、上記第2の層間膜5Aとして、不
純物をドーピングしない、又はp型若しくはn型ドーパ
ントが1×1017個/cm3以下の低濃度にp型若しく
はn型ドーピングしたシリコン、ゲルマニウム、あるい
はシリコン−ゲルマニウム混晶を用いたものである。
That is, as the light detecting section 3, for example,
A metal thin film such as a metal such as platinum (Pt) or iridium (Ir), a metal compound such as platinum silicide or iridium silicide, or a p-type dopant for forming a heterojunction is 1 × 10 19 to 1 ×. 10 21
A silicon-germanium mixed crystal (Si 1 -xGex) which has been p-doped at a high concentration of 1 / cm 3 is used, and an n-type dopant of 1 × 10
Using silicon, germanium, or a silicon-germanium mixed crystal which is n-doped at a high concentration of 19 to 1 × 10 21 / cm 3 , the second interlayer film 5A is not doped with impurities or is p-type. Alternatively, silicon, germanium, or a silicon-germanium mixed crystal doped with an n-type dopant at a low concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or less at a low concentration is used.

【0076】[0076]

【0077】[0077]

【0078】[0078]

【発明の効果】この発明の請求項1に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、半導体基板上に設けられ入射
光を光電変換する光検出部、この光検出部上に設けられ
前記入射光により発生したキャリアを反射する障壁膜、
この障壁膜上に設けられた層間膜、及び前記層間膜上に
設けられ前記光検出部を透過した入射光を反射する反射
膜を備え、前記障壁膜が、シリコン酸化物、又はシリコ
ン窒化物により構成され、前記層間膜が、シリコン、ゲ
ルマニウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構
成されるので、キャリアの収集効率を減ずることなく、
同じ波長の光の検出に対して層間膜の膜厚を低減するこ
とができるという効果を奏する。
As described above, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention is provided on a semiconductor substrate and is provided with an incident light.
A photodetector for photoelectrically converting light, provided on the photodetector
A barrier film that reflects carriers generated by the incident light;
An interlayer film provided on the barrier film, and
A reflection provided to reflect incident light transmitted through the photodetector;
Comprising a film , the barrier film is made of silicon oxide or silicon nitride, and the interlayer film is made of silicon, germanium, or silicon-germanium mixed crystal, without reducing the carrier collection efficiency ,
There is an effect that the thickness of the interlayer film can be reduced for detecting light of the same wavelength.

【0079】この発明の請求項2に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、半導体基板上に設けられ入射
光を光電変換する光検出部、この光検出部上に設けられ
前記入射光により発生したキャリアを反射する障壁膜、
この障壁膜上に設けられた層間膜、及び前記層間膜上に
設けられ前記光検出部を透過した入射光を反射する反射
膜を備え、前記障壁膜がドーピングされた半導体により
構成されるので、キャリアの収集効率を減ずることな
く、同じ波長の光の検出に対して簡単な製造プロセスに
より層間膜の膜厚を低減することができるという効果を
奏する。
The solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention is provided on a semiconductor substrate and
A photodetector for photoelectrically converting light, provided on the photodetector
A barrier film that reflects carriers generated by the incident light;
An interlayer film provided on the barrier film, and
A reflection provided to reflect incident light transmitted through the photodetector;
Since the barrier film is made of a doped semiconductor, the thickness of the interlayer film can be reduced by a simple manufacturing process for detecting light of the same wavelength without reducing the carrier collection efficiency. This has the effect that it can be performed.

【0080】この発明の請求項3に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、半導体基板上に設けられ入射
光を光電変換する光検出部、この光検出部上に設けられ
前記入射光により発生したキャリアを反射する障壁膜、
この障壁膜上に設けられた層間膜、及び前記層間膜上に
設けられ前記光検出部を透過した入射光を反射する反射
膜を備え、前記障壁膜が、ドーピングされたシリコン、
ゲルマニウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により
構成され、前記層間膜が、シリコン、ゲルマニウム、又
はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成されるので、
キャリアの収集効率を減ずることなく、同じ波長の光の
検出に対して簡単な製造プロセスにより層間膜の膜厚を
低減することができるという効果を奏する。
As described above, the solid-state image pickup device according to the third aspect of the present invention is provided on
A photodetector for photoelectrically converting light, provided on the photodetector
A barrier film that reflects carriers generated by the incident light;
An interlayer film provided on the barrier film, and
A reflection provided to reflect incident light transmitted through the photodetector;
Comprising a film , wherein the barrier film is doped silicon,
Germanium, or silicon-germanium mixed crystal, and the interlayer film is silicon, germanium, or silicon-germanium mixed crystal,
There is an effect that the thickness of the interlayer film can be reduced by a simple manufacturing process for detecting light of the same wavelength without reducing the carrier collection efficiency.

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

【図1】この発明の実施例1の光学的共鳴構造の断面を
示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of an optical resonance structure according to a first embodiment of the present invention.

【図2】この発明の実施例1の光検出部近傍のエネルギ
ーポテンシャルを示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an energy potential in the vicinity of a light detection unit according to the first embodiment of the present invention.

【図3】この発明の実施例2の光学的共鳴構造の断面を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a cross section of an optical resonance structure according to a second embodiment of the present invention.

【図4】この発明の実施例2の光検出部近傍のエネルギ
ーポテンシャルを示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an energy potential in the vicinity of a light detection unit according to a second embodiment of the present invention.

【図5】この発明の実施例2の第1の層間膜がない場合
の光検出部近傍のエネルギーポテンシャルを説明するた
めの図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining an energy potential in the vicinity of a light detection unit when there is no first interlayer film according to a second embodiment of the present invention.

【図6】従来の固体撮像装置の光学的共鳴構造の断面を
示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a cross section of an optical resonance structure of a conventional solid-state imaging device.

【図7】従来の固体撮像装置の光検出部近傍のエネルギ
ーポテンシャルを示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an energy potential in the vicinity of a light detection unit of a conventional solid-state imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 P型シリコン基板 2 シリコン酸化膜 3 光検出部 4 第1の層間膜 4A 第1の層間膜 5A 第2の層間膜 6 アルミニウム反射膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 P-type silicon substrate 2 Silicon oxide film 3 Photodetection part 4 1st interlayer film 4A 1st interlayer film 5A 2nd interlayer film 6 Aluminum reflective film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−260468(JP,A) 特開 平3−156969(JP,A) 特開 平2−268465(JP,A) 特開 平4−111467(JP,A) 特開 平3−296280(JP,A) 宇宙線シンポジウム,Vol.1989 (1990),pp.118−126 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/14 H01L 31/00 H01L 31/10 JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-2-260468 (JP, A) JP-A-3-156969 (JP, A) JP-A-2-268465 (JP, A) JP-A-4- 111467 (JP, A) JP-A-3-296280 (JP, A) Cosmic ray symposium, Vol. 1989 (1990), p. 118-126 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 27/14 H01L 31/00 H01L 31/10 JICST file (JOIS)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板上に設けられ入射光を光電変
換する光検出部、 この光検出部上に設けられ前記入射光により発生したキ
ャリアを反射する障壁膜、 この障壁膜上に設けられた層間膜、 及び前記層間膜上に設けられ前記光検出部を透過した入
射光を反射する反射膜を備え 前記障壁膜は、シリコン酸化物、又はシリコン窒化物に
より構成され、 前記層間膜は、シリコン、ゲルマニウム、又はシリコン
−ゲルマニウム混晶により構成される ことを特徴とする
固体撮像装置。
1. A photoelectric conversion device provided on a semiconductor substrate for photoelectrically converting incident light.
A light detection unit which is provided on the light detection unit and which is generated by the incident light.
A barrier film that reflects the carrier, an interlayer film provided on the barrier film, and an input film that is provided on the interlayer film and that has passed through the photodetector.
Equipped with a reflective film that reflects light, The barrier film is made of silicon oxide or silicon nitride.
Composed of The interlayer film is made of silicon, germanium, or silicon
-Composed of germanium mixed crystals Characterized by
Solid-state imaging device.
【請求項2】 半導体基板上に設けられ入射光を光電変
換する光検出部、 この光検出部上に設けられ前記入射光により発生したキ
ャリアを反射する障壁膜、 この障壁膜上に設けられた層間膜、 及び 前記層間膜上に設けられ前記光検出部を透過した入
射光を反射する反射膜 を備え、 前記障壁膜はドーピングされた半導体により構成される
ことを特徴とする 固体撮像装置。
(2)Photoelectric conversion of incident light provided on a semiconductor substrate
Replacing light detector, A key provided on the light detection unit and generated by the incident light.
Barrier film that reflects the carrier An interlayer film provided on the barrier film, as well as The light transmitted through the photodetector provided on the interlayer film
Reflective film that reflects light With The barrier film is composed of a doped semiconductor
Characterized by Solid-state imaging device.
【請求項3】 半導体基板上に設けられ入射光を光電変
換する光検出部、 この光検出部上に設けられ前記入射光により発生したキ
ャリアを反射する障壁膜、 この障壁膜上に設けられた層間膜、 及び 前記層間膜上に設けられ前記光検出部を透過した入
射光を反射する反射膜 を備え、 前記障壁膜は、ドーピングされたシリコン、ゲルマニウ
ム、又はシリコン−ゲ ルマニウム混晶により構成され、 前記層間膜は、シリコン、ゲルマニウム、又はシリコン
−ゲルマニウム混晶により構成される ことを特徴とする
固体撮像装置。
(3)Photoelectric conversion of incident light provided on a semiconductor substrate
Replacing light detector, A key provided on the light detection unit and generated by the incident light.
Barrier film that reflects the carrier An interlayer film provided on the barrier film, as well as The light transmitted through the photodetector provided on the interlayer film
Reflective film that reflects light With The barrier film is made of doped silicon or germanium.
Or silicon It is composed of rumanium mixed crystal, The interlayer film is made of silicon, germanium, or silicon
-Composed of germanium mixed crystals Characterized by
 Solid-state imaging device.
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