JP3349012B2 - 半導体光検出装置 - Google Patents
半導体光検出装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体を用いて光を検
出する半導体光検出装置に関する。
出する半導体光検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光検出装置の一種としてシリコン等の半
導体の量子効果（光励起）を利用した半導体光検出装置
が知られている。しかし、シリコンを用いた場合、約
１．２μｍより長波長の赤外線を検出することはできな
い。これは約１．２μｍより長波長の赤外線はシリコン
のバンドギャップよりエネルギーが小さいため励起され
ないからである。
導体の量子効果（光励起）を利用した半導体光検出装置
が知られている。しかし、シリコンを用いた場合、約
１．２μｍより長波長の赤外線を検出することはできな
い。これは約１．２μｍより長波長の赤外線はシリコン
のバンドギャップよりエネルギーが小さいため励起され
ないからである。
【０００３】そこで、光励起ではなく、赤外線の吸収に
より生じる温度変化を利用した常温動作の半導体検出装
置が知られている。具体的には、赤外線の吸収により生
じる温度変化に対する抵抗変化を電圧に変換して検出す
るボロメータ方式の半導体光検出装置が知られている。
より生じる温度変化を利用した常温動作の半導体検出装
置が知られている。具体的には、赤外線の吸収により生
じる温度変化に対する抵抗変化を電圧に変換して検出す
るボロメータ方式の半導体光検出装置が知られている。
【０００４】しかしながら、この種の半導体光検出装置
には以下のような問題があった。抵抗温度変化係数Ｒは
（１／ρ）・（Δρ／ΔＴ）で表され、シリコンの場
合、比抵抗ρは約１０Ωｃｍ程度の低い値しか得られ
ず、温度変化係数Ｒの値は通常１％と低い。すなわち、
温度が変化しても抵抗はあまり変化しない。このため、
抵抗変化を電圧変化に変えるために用いるバイアス電圧
の印加により発生する熱雑音の影響を受け易く、感度が
低いという問題があった。
には以下のような問題があった。抵抗温度変化係数Ｒは
（１／ρ）・（Δρ／ΔＴ）で表され、シリコンの場
合、比抵抗ρは約１０Ωｃｍ程度の低い値しか得られ
ず、温度変化係数Ｒの値は通常１％と低い。すなわち、
温度が変化しても抵抗はあまり変化しない。このため、
抵抗変化を電圧変化に変えるために用いるバイアス電圧
の印加により発生する熱雑音の影響を受け易く、感度が
低いという問題があった。
【０００５】さらに、シリコンの熱伝導率は、約１．７
Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）という高い値なので、赤外線の吸収に
より生じた熱は伝導拡散し易い。このため、大きな温度
変化は得られず、これによっても感度が低くなるという
問題があった。
Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）という高い値なので、赤外線の吸収に
より生じた熱は伝導拡散し易い。このため、大きな温度
変化は得られず、これによっても感度が低くなるという
問題があった。
【０００６】また、従来の他の半導体光検出装置として
は、ゼーベック効果を利用し、赤外線の吸収によるシリ
コンの温度変化に対応する電圧（熱起電力）変化を検出
する熱起電力方式のものがある。
は、ゼーベック効果を利用し、赤外線の吸収によるシリ
コンの温度変化に対応する電圧（熱起電力）変化を検出
する熱起電力方式のものがある。
【０００７】熱起電力方式の場合、バイアス電圧は不要
なので、バイアス電圧の印加による熱雑音による感度低
下の問題はない。しかしながら、上述したように、シリ
コンの熱伝導率は、約１．７Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）という高
い値なので、赤外線の吸収により生じた熱は伝導拡散し
易く、大きな温度変化は得られない。したがって、ゼー
ベック効果による熱起電力変化は小さく、感度が低いと
いう問題があった。
なので、バイアス電圧の印加による熱雑音による感度低
下の問題はない。しかしながら、上述したように、シリ
コンの熱伝導率は、約１．７Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）という高
い値なので、赤外線の吸収により生じた熱は伝導拡散し
易く、大きな温度変化は得られない。したがって、ゼー
ベック効果による熱起電力変化は小さく、感度が低いと
いう問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のボ
ロメータ方式の半導体光検出装置にあっては、熱雑音の
影響を受け易く、感度が低いという問題があった。さら
に、シリコンは熱伝導率が高いので、熱の伝導拡散が起
こり易く、大きな温度変化が得られず、これによっても
感度が低くなるという問題があった。
ロメータ方式の半導体光検出装置にあっては、熱雑音の
影響を受け易く、感度が低いという問題があった。さら
に、シリコンは熱伝導率が高いので、熱の伝導拡散が起
こり易く、大きな温度変化が得られず、これによっても
感度が低くなるという問題があった。
【０００９】また、従来の熱起電力方式の半導体光検出
装置にあっては、熱雑音による感度の低下はなかった
が、ボロメータ方式の場合と同様に、熱の伝導拡散によ
って感度が低下するという問題があった。本発明は、上
記事情を考慮してなされたもので、その目的とするとこ
ろは、従来よりも常温動作で感度が高い半導体光検出装
置を提供することにある。
装置にあっては、熱雑音による感度の低下はなかった
が、ボロメータ方式の場合と同様に、熱の伝導拡散によ
って感度が低下するという問題があった。本発明は、上
記事情を考慮してなされたもので、その目的とするとこ
ろは、従来よりも常温動作で感度が高い半導体光検出装
置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体光検出装置（請求項１）は、多結晶
半導を陽極エッチングして形成された多孔質半導体層か
らなり、空隙部を有する光入と、この光入力部に入力さ
れる光により生じる前記多孔質半導体層の温度変化に対
応した抵抗変化を検出する検出手段とを備えたことを特
徴とする。
に、本発明の半導体光検出装置（請求項１）は、多結晶
半導を陽極エッチングして形成された多孔質半導体層か
らなり、空隙部を有する光入と、この光入力部に入力さ
れる光により生じる前記多孔質半導体層の温度変化に対
応した抵抗変化を検出する検出手段とを備えたことを特
徴とする。
【００１１】本発明に係る半導体光検出装置（請求項
２）は、ｐｎ接合を形成し、かつ多結晶半導層を陽極エ
ッチングして形成された多孔質半導体層からなり、空隙
部を有する光力部と、この光入力部に入力される光によ
り生じる前記多孔質半導体層の温度変化に対応したゼー
ベック効果による熱起電力変化を検出する検出手段とを
備えたことを特徴とする。
２）は、ｐｎ接合を形成し、かつ多結晶半導層を陽極エ
ッチングして形成された多孔質半導体層からなり、空隙
部を有する光力部と、この光入力部に入力される光によ
り生じる前記多孔質半導体層の温度変化に対応したゼー
ベック効果による熱起電力変化を検出する検出手段とを
備えたことを特徴とする。
【００１２】
【作用】本発明（請求項１）によれば、多孔質半導体層
を用いているので、非多孔質半導体層を用いた場合（従
来）に比べて、抵抗温度変化係数は大きくなり、一方、
熱伝導率は小さくなるので、感度は高くなる。
を用いているので、非多孔質半導体層を用いた場合（従
来）に比べて、抵抗温度変化係数は大きくなり、一方、
熱伝導率は小さくなるので、感度は高くなる。
【００１３】抵抗温度変化係数が大きくなる理由は、多
孔質化により結晶構造の微細化が生じ、これにより生じ
る量子効果によりバンドギャップが広くなって比抵抗が
増大するからである。一方、熱伝導率は多孔質化によっ
て小さくなる。
孔質化により結晶構造の微細化が生じ、これにより生じ
る量子効果によりバンドギャップが広くなって比抵抗が
増大するからである。一方、熱伝導率は多孔質化によっ
て小さくなる。
【００１４】さらに、本発明によれば、光入力部は空隙
部を存在するので、多孔質半導体層から発散する熱は空
隙部に溜まり逃げ難くなり、これによっても熱伝導率は
小さくなる。
部を存在するので、多孔質半導体層から発散する熱は空
隙部に溜まり逃げ難くなり、これによっても熱伝導率は
小さくなる。
【００１５】本発明（請求項２）によれば、ｐｎ接合を
形成する多孔質半導体層を用いているので、ｐｎ接合を
形成する非多孔質半導体層を用いた場合（従来）に比べ
て、熱伝導率が小さくなるので、感度は高くなる。
形成する多孔質半導体層を用いているので、ｐｎ接合を
形成する非多孔質半導体層を用いた場合（従来）に比べ
て、熱伝導率が小さくなるので、感度は高くなる。
【００１６】さらに、上述したように、多孔質化により
バンドギャップが広くなることにより、ゼーベック係数
Ｓ（＝ΔＶ／ΔＴ）が大きくなり、これによっても感度
は高くなる。
バンドギャップが広くなることにより、ゼーベック係数
Ｓ（＝ΔＶ／ΔＴ）が大きくなり、これによっても感度
は高くなる。
【００１７】ゼーベック係数Ｓが大きくなる理由は、ゼ
ーベック係数Ｓは（２＋（Ｗc −Ｗf ）／ｋＴ）・ｋ／
ｅで表せられ、（Ｗc −Ｗf ／ｋＴ）＞＞２で、Ｗc −
Ｗfがバンドギャップにほぼ比例するからである。ここ
で、Ｗc は伝導帯レベル、Ｗf はフェルミレベルを示
し、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｅは電子電荷を示
している。
ーベック係数Ｓは（２＋（Ｗc −Ｗf ）／ｋＴ）・ｋ／
ｅで表せられ、（Ｗc −Ｗf ／ｋＴ）＞＞２で、Ｗc −
Ｗfがバンドギャップにほぼ比例するからである。ここ
で、Ｗc は伝導帯レベル、Ｗf はフェルミレベルを示
し、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｅは電子電荷を示
している。
【００１８】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
半導体赤外線検出装置の概略構成を示す回路図である。
る。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
半導体赤外線検出装置の概略構成を示す回路図である。
【００１９】この半導体赤外線検出装置は、大きく分け
て、マトリクス配列（二次元配列）された多孔質シリコ
ン層からなる複数の赤外線入力部（画素）１と、上記多
孔質シリコン層の温度変化に対応した抵抗変化を検出す
る差動増幅器２からなる抵抗変化検出部３と、この抵抗
変化検出部３をＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 を介して
複数の赤外線入力部１に順次接続する水平レジスタ５お
よび垂直レジスタ６から構成されている。
て、マトリクス配列（二次元配列）された多孔質シリコ
ン層からなる複数の赤外線入力部（画素）１と、上記多
孔質シリコン層の温度変化に対応した抵抗変化を検出す
る差動増幅器２からなる抵抗変化検出部３と、この抵抗
変化検出部３をＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 を介して
複数の赤外線入力部１に順次接続する水平レジスタ５お
よび垂直レジスタ６から構成されている。
【００２０】差動増幅器２の−端子はＭＯＳトランジス
タ４1 ，４2 を介して赤外線入力部１に接続され、かつ
抵抗７を介してバイアス電圧源８に接続されている。一
方、差動増幅器３の＋端子は抵抗９を介してバイアス電
圧源８に接続され、かつ基準抵抗１０を介して接地され
ている。抵抗９と抵抗１０との値は通常同じである。
タ４1 ，４2 を介して赤外線入力部１に接続され、かつ
抵抗７を介してバイアス電圧源８に接続されている。一
方、差動増幅器３の＋端子は抵抗９を介してバイアス電
圧源８に接続され、かつ基準抵抗１０を介して接地され
ている。抵抗９と抵抗１０との値は通常同じである。
【００２１】このように構成された半導体赤外線検出装
置によれば、赤外線入力部１に赤外線が入力されて多孔
質シリコン層の抵抗が変化すると、差動増幅器２の−端
子に接続された赤外線入力部１の出力電圧Ｖ1 が変化す
る。これにより、差動増幅器２の＋端子の入力電圧Ｖ2
と出力電圧Ｖ1 との差に対応した電圧が差動増幅器２に
より増幅される。
置によれば、赤外線入力部１に赤外線が入力されて多孔
質シリコン層の抵抗が変化すると、差動増幅器２の−端
子に接続された赤外線入力部１の出力電圧Ｖ1 が変化す
る。これにより、差動増幅器２の＋端子の入力電圧Ｖ2
と出力電圧Ｖ1 との差に対応した電圧が差動増幅器２に
より増幅される。
【００２２】したがって、赤外線の入力により生じる赤
外線入力部１の多孔質シリコンの温度変化に対応した抵
抗変化を電圧の変化として検出できる。また、各赤外線
入力部１から得られる電圧変化から、赤外線を放射して
いる物体や生体の画像が得られる。
外線入力部１の多孔質シリコンの温度変化に対応した抵
抗変化を電圧の変化として検出できる。また、各赤外線
入力部１から得られる電圧変化から、赤外線を放射して
いる物体や生体の画像が得られる。
【００２３】図２は、赤外線入力部１の構造を示す断面
図である。図中、２１はｐ型シリコン基板を示してお
り、このｐ型シリコン基板２１の表面には素子分離絶縁
膜２２が形成されている。この素子分離絶縁膜２２によ
り区分された素子形成領域には赤外線入力部１が形成さ
れている。
図である。図中、２１はｐ型シリコン基板を示してお
り、このｐ型シリコン基板２１の表面には素子分離絶縁
膜２２が形成されている。この素子分離絶縁膜２２によ
り区分された素子形成領域には赤外線入力部１が形成さ
れている。
【００２４】この赤外線入力部１は、大きく分けて、表
面が粗面化された多孔質シリコン層２３と、この多孔質
シリコン層２３上に設けられ、ショットキー接合を形成
する金などのショットキー電極２４と、一導電型の多結
晶シリコン層２５から構成されている。
面が粗面化された多孔質シリコン層２３と、この多孔質
シリコン層２３上に設けられ、ショットキー接合を形成
する金などのショットキー電極２４と、一導電型の多結
晶シリコン層２５から構成されている。
【００２５】多孔質シリコン層２３の下部には空隙部２
６が形成されている。この空隙部２６は多孔質シリコン
層２３と多結晶シリコン層２５とシリコン基板２１上の
層間絶縁膜２７とにより形成されるものである。
６が形成されている。この空隙部２６は多孔質シリコン
層２３と多結晶シリコン層２５とシリコン基板２１上の
層間絶縁膜２７とにより形成されるものである。
【００２６】赤外線２０はショットキー電極２４に入射
し、ショットキー電極２４は赤外線２０を吸収して温度
上昇する。このとき、ショットキー電極２４を介して多
孔質シリコン層２３の表面に達した赤外線２０は、多孔
質シリコン層２３の表面が粗面化されているため、乱反
射を起こして多孔質シリコン層２３に再入射する。さら
に、ショットキー電極２４はショットキー効果により単
なる光吸収体（赤外線吸収層）として働き、電流は流れ
ない。
し、ショットキー電極２４は赤外線２０を吸収して温度
上昇する。このとき、ショットキー電極２４を介して多
孔質シリコン層２３の表面に達した赤外線２０は、多孔
質シリコン層２３の表面が粗面化されているため、乱反
射を起こして多孔質シリコン層２３に再入射する。さら
に、ショットキー電極２４はショットキー効果により単
なる光吸収体（赤外線吸収層）として働き、電流は流れ
ない。
【００２７】したがって、赤外線２０はショットキー電
極２４の温度上昇に有効に活用され、これにより、多孔
質シリコン層２３自身は１０μｍ近傍の赤外線は吸収し
ないが、ショットキー電極２４により多孔質シリコン層
２３は効果的に温度上昇し、大きく温度変化する。
極２４の温度上昇に有効に活用され、これにより、多孔
質シリコン層２３自身は１０μｍ近傍の赤外線は吸収し
ないが、ショットキー電極２４により多孔質シリコン層
２３は効果的に温度上昇し、大きく温度変化する。
【００２８】また、多孔質シリコン層２３の下部に存在
する空隙部２６により、多孔質シリコン層２３から発散
する熱は空隙部２６に溜まり逃げ難くなり、熱伝導率を
小さくできる。
する空隙部２６により、多孔質シリコン層２３から発散
する熱は空隙部２６に溜まり逃げ難くなり、熱伝導率を
小さくできる。
【００２９】このような機構により、赤外線２０の入射
により生じる多孔質シリコン層２３の温度変化が大きく
なるので、感度は高くなる。さらに、本実施例では以下
の理由によっても感度が高くなる。
により生じる多孔質シリコン層２３の温度変化が大きく
なるので、感度は高くなる。さらに、本実施例では以下
の理由によっても感度が高くなる。
【００３０】すなわち、本実施例では、多孔質シリコン
層２３を用いているので、非多孔質シリコン層を用いた
場合（従来）に比べて、抵抗温度変化係数Ｒが大きくな
り、熱伝導率が小さくなるので、感度は高くなる。
層２３を用いているので、非多孔質シリコン層を用いた
場合（従来）に比べて、抵抗温度変化係数Ｒが大きくな
り、熱伝導率が小さくなるので、感度は高くなる。
【００３１】抵抗温度変化係数Ｒが大きくなる理由は、
多孔質化により結晶構造の微細化が生じ、これにより生
じる量子効果によりバンドギャップが広くなって比抵抗
変化が増大するからである。
多孔質化により結晶構造の微細化が生じ、これにより生
じる量子効果によりバンドギャップが広くなって比抵抗
変化が増大するからである。
【００３２】具体的には、バンドギャップは１．１ｅＶ
から約２．４ｅＶに増大し、室温では比抵抗ρは約１０
０倍の１ｋΩｃｍとなる。そして、抵抗温度係数Ｒは約
１０％（１０倍）に増大し、熱伝導率は約１／１０に低
減する。
から約２．４ｅＶに増大し、室温では比抵抗ρは約１０
０倍の１ｋΩｃｍとなる。そして、抵抗温度係数Ｒは約
１０％（１０倍）に増大し、熱伝導率は約１／１０に低
減する。
【００３３】シリコンの比抵抗ρの赤外線感度は、抵抗
温度変化係数Ｒに比例し、熱伝導率に反比例する。した
がって、多孔質シリコン層を用いることにより、感度は
約１００倍高くなり、感度は大幅に向上する。
温度変化係数Ｒに比例し、熱伝導率に反比例する。した
がって、多孔質シリコン層を用いることにより、感度は
約１００倍高くなり、感度は大幅に向上する。
【００３４】さらに、比抵抗ρの増大によってバイアス
電圧１Ｖ当たりに流れる電流は従来の２０μＡから０．
２μＡ以下に減少し、これにより、バイアス電圧による
熱雑音は約１／１００になり、これによっても感度は高
くなる。
電圧１Ｖ当たりに流れる電流は従来の２０μＡから０．
２μＡ以下に減少し、これにより、バイアス電圧による
熱雑音は約１／１００になり、これによっても感度は高
くなる。
【００３５】これらの効果により従来不可能であった１
０μｍ近傍の赤外線も容易に検出できるようになる。ま
た、発生する熱雑音が減少し、赤外線感度の指標として
の温度分解能は０．０５℃という優れた値となる なお、図２中、１２，１３，１４はＭＯＳトランジスタ
４1 ，４2 のソース・ドレイン領域であるｎ型拡散層を
示しており、ｎ型拡散層１３はＭＯＳトランジスタ４
1 ，４2 で共通に用いられている。また、１５，１６は
それぞれＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 のゲート配線、
１７，１８はそれぞれＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 の
ゲート電極、１５，１６を示している。ゲート配線１５
は垂直レジスタ５に接続され、ゲート配線１６は水平レ
ジスタ６に接続されている。また、１１は赤外線入力部
とｎ型拡散層１２とを接続する電極、１９は赤外線入力
部１を型シリコン基板２１に接地する電極を示してい
る。
０μｍ近傍の赤外線も容易に検出できるようになる。ま
た、発生する熱雑音が減少し、赤外線感度の指標として
の温度分解能は０．０５℃という優れた値となる なお、図２中、１２，１３，１４はＭＯＳトランジスタ
４1 ，４2 のソース・ドレイン領域であるｎ型拡散層を
示しており、ｎ型拡散層１３はＭＯＳトランジスタ４
1 ，４2 で共通に用いられている。また、１５，１６は
それぞれＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 のゲート配線、
１７，１８はそれぞれＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 の
ゲート電極、１５，１６を示している。ゲート配線１５
は垂直レジスタ５に接続され、ゲート配線１６は水平レ
ジスタ６に接続されている。また、１１は赤外線入力部
とｎ型拡散層１２とを接続する電極、１９は赤外線入力
部１を型シリコン基板２１に接地する電極を示してい
る。
【００３６】図３は、赤外線入力部１の形成方法を示す
工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、層
間絶縁膜２７上に導電性酸化亜鉛からなる厚さ約２μｍ
の半絶縁膜３０を形成した後、全面に厚さ２μｍの多結
晶シリコン層２５を形成する。
工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、層
間絶縁膜２７上に導電性酸化亜鉛からなる厚さ約２μｍ
の半絶縁膜３０を形成した後、全面に厚さ２μｍの多結
晶シリコン層２５を形成する。
【００３７】次に半絶縁膜３０を一方の電極、白金等の
金属を他方の電極（対向電極）に用い、２０ｍＡ／ｃｍ
2 の条件でフッ酸水溶液中で多結晶シリコン層２５を陽
極エッチングする。この結果、図３（ｂ）に示すよう
に、半絶縁膜３０上の多結晶シリコン層が選択的に多孔
質シリコン層２３に変わる。
金属を他方の電極（対向電極）に用い、２０ｍＡ／ｃｍ
2 の条件でフッ酸水溶液中で多結晶シリコン層２５を陽
極エッチングする。この結果、図３（ｂ）に示すよう
に、半絶縁膜３０上の多結晶シリコン層が選択的に多孔
質シリコン層２３に変わる。
【００３８】この後、同図（ｂ）に示すように、砒素な
どの不純物のイオン３１を加速電圧３０ｋｅＶ、ドーズ
量１×１０13の条件で多孔質シリコン層２３および多結
晶シリコン層２５の表面にイオン注入してｎ型層（不図
示）を形成する。
どの不純物のイオン３１を加速電圧３０ｋｅＶ、ドーズ
量１×１０13の条件で多孔質シリコン層２３および多結
晶シリコン層２５の表面にイオン注入してｎ型層（不図
示）を形成する。
【００３９】次に図３（ｃ）に示すように、多結晶シリ
コン層２５をエッチングして、所定のサイズ（例えば２
０×２０μｍ2 ）の画素を形成する。次に図３（ｄ）に
示すように、半絶縁膜３０を選択的にエッチング除去し
て空隙部２６を形成した後、上記ｎ型層を除去して多孔
質シリコン層２３および多結晶シリコン層２５の表面を
粗面化する。
コン層２５をエッチングして、所定のサイズ（例えば２
０×２０μｍ2 ）の画素を形成する。次に図３（ｄ）に
示すように、半絶縁膜３０を選択的にエッチング除去し
て空隙部２６を形成した後、上記ｎ型層を除去して多孔
質シリコン層２３および多結晶シリコン層２５の表面を
粗面化する。
【００４０】最後に、図３（ｅ）に示すように、多孔質
シリコン層２３上にショットキー電極２４を形成する。 （第２の実施例）図４は、本発明の第２の実施例に係る
半導体赤外線検出装置の概略構成を示す回路図である。
なお、以下の図において、前出した図と同一符号（添字
が異なるものを含む）は同一部分または相当部分を示
し、詳細な説明は省略する。
シリコン層２３上にショットキー電極２４を形成する。 （第２の実施例）図４は、本発明の第２の実施例に係る
半導体赤外線検出装置の概略構成を示す回路図である。
なお、以下の図において、前出した図と同一符号（添字
が異なるものを含む）は同一部分または相当部分を示
し、詳細な説明は省略する。
【００４１】本実施例の半導体赤外線検出装置が第１の
実施例のそれと異なる点は、赤外線入力部（画素）とし
て、ｐｎ接合を形成する多孔質シリコン層の熱電対から
なる赤外線入力部（画素）４１を用いたことにある。
実施例のそれと異なる点は、赤外線入力部（画素）とし
て、ｐｎ接合を形成する多孔質シリコン層の熱電対から
なる赤外線入力部（画素）４１を用いたことにある。
【００４２】また、この熱電対のゼーベック効果により
生じる熱起電力によって流れる各赤外線入力部４１の電
流（信号電荷）は、ＭＯＳトランジスタ４を介して、Ｃ
ＣＤ（垂直ＣＣＤ３２、水平ＣＣＤ３３）により、差動
増幅器２からなる熱起電力変化検出部３ａに転送され
る。なお、水平ＣＣＤ３３と差動増幅器２の＋端子との
間には図示しない抵抗が設けられている。
生じる熱起電力によって流れる各赤外線入力部４１の電
流（信号電荷）は、ＭＯＳトランジスタ４を介して、Ｃ
ＣＤ（垂直ＣＣＤ３２、水平ＣＣＤ３３）により、差動
増幅器２からなる熱起電力変化検出部３ａに転送され
る。なお、水平ＣＣＤ３３と差動増幅器２の＋端子との
間には図示しない抵抗が設けられている。
【００４３】このように構成された半導体赤外線検出装
置によれば、赤外線入力部１ａに赤外線が入力されてゼ
ーベック効果による熱起電力変化が変化すると、信号電
荷が変化し、この信号電荷はＣＣＤにより差動増幅器２
に転送される。そして、差動増幅器２の＋端子に入力さ
れる際に上記図示しない抵抗により電圧に変換され、こ
の電圧と差動増幅器２の−端子の入力電圧Ｖ2 （＝ゼ
ロ）との差に対応した電圧が差動増幅器２により増幅さ
れる。
置によれば、赤外線入力部１ａに赤外線が入力されてゼ
ーベック効果による熱起電力変化が変化すると、信号電
荷が変化し、この信号電荷はＣＣＤにより差動増幅器２
に転送される。そして、差動増幅器２の＋端子に入力さ
れる際に上記図示しない抵抗により電圧に変換され、こ
の電圧と差動増幅器２の−端子の入力電圧Ｖ2 （＝ゼ
ロ）との差に対応した電圧が差動増幅器２により増幅さ
れる。
【００４４】したがって、赤外線の入力により生じる赤
外線入力部１ａのｐｎ接合を形成する多孔質半導体層の
温度変化に対応したゼーベック効果による熱起電力変化
を電圧の変化として検出できる。
外線入力部１ａのｐｎ接合を形成する多孔質半導体層の
温度変化に対応したゼーベック効果による熱起電力変化
を電圧の変化として検出できる。
【００４５】図５は、赤外線入力部１ａの構造を示す断
面図である。この赤外線入力部１ａは、大きく分けて、
ｐｎ接合を形成するｐ型多孔質シリコン層２３ｐおよび
ｎ型多孔質シリコン層２３ｎ（以下、ｐｎ接合多孔質シ
リコン層という）と、これらの上に順次設けられた絶縁
層としての二酸化シリコン層３４、赤外線吸収層として
のニクロム層３５とから構成されている。
面図である。この赤外線入力部１ａは、大きく分けて、
ｐｎ接合を形成するｐ型多孔質シリコン層２３ｐおよび
ｎ型多孔質シリコン層２３ｎ（以下、ｐｎ接合多孔質シ
リコン層という）と、これらの上に順次設けられた絶縁
層としての二酸化シリコン層３４、赤外線吸収層として
のニクロム層３５とから構成されている。
【００４６】赤外線２０はニクロム層３５に入射し、ニ
クロム層３５は赤外線２０を吸収して温度上昇し、これ
により、ｐｎ接合多孔質シリコン層は温度上昇する。こ
のｐｎ接合多孔質シリコン層の下部には空隙部２６が存
在し、これにより、ｐｎ接合多孔質シリコン層から発散
する熱は空隙部２６に溜まり逃げ難くなり、熱伝導率を
小さくできる。
クロム層３５は赤外線２０を吸収して温度上昇し、これ
により、ｐｎ接合多孔質シリコン層は温度上昇する。こ
のｐｎ接合多孔質シリコン層の下部には空隙部２６が存
在し、これにより、ｐｎ接合多孔質シリコン層から発散
する熱は空隙部２６に溜まり逃げ難くなり、熱伝導率を
小さくできる。
【００４７】このような機構により、赤外線２０の入射
により生じるｐｎ接合多孔質シリコン層の温度変化が大
きくなるので、感度は高くなる。さらに、本実施例の場
合、バイアス電圧が不要なので、これによっても感度は
高くなる。
により生じるｐｎ接合多孔質シリコン層の温度変化が大
きくなるので、感度は高くなる。さらに、本実施例の場
合、バイアス電圧が不要なので、これによっても感度は
高くなる。
【００４８】さらにまた、本実施例では以下の理由によ
っても感度が高くなる。本実施例では、ｐｎ接合多孔質
シリコン層を用いているので、非多孔質ｐｎ接合半導体
層を用いた場合（従来）に比べて、熱伝導率が小さくな
る。さらに、上述したように、多孔質化によりバンドギ
ャップが広くなることにより、ゼーベック係数Ｓ（＝Δ
Ｖ／ΔＴ＝（２＋（Ｗc −Ｗf ）／ｋＴ）・ｋ／ｅ）が
大きくなる。
っても感度が高くなる。本実施例では、ｐｎ接合多孔質
シリコン層を用いているので、非多孔質ｐｎ接合半導体
層を用いた場合（従来）に比べて、熱伝導率が小さくな
る。さらに、上述したように、多孔質化によりバンドギ
ャップが広くなることにより、ゼーベック係数Ｓ（＝Δ
Ｖ／ΔＴ＝（２＋（Ｗc −Ｗf ）／ｋＴ）・ｋ／ｅ）が
大きくなる。
【００４９】具体的には、バンドギャップは１．１ｅＶ
から約２．４ｅＶに増大し、熱伝導率は約１／１０に低
減する。赤外線感度は、ゼーベック係数Ｓに比例し、熱
伝導率に反比例する。したがって、ｐｎ接合多孔質シリ
コン層を用いることにより、感度は約２０倍高くなる。
これらの効果により従来不可能であった１０μｍ近傍の
赤外線も検出できるようになる。
から約２．４ｅＶに増大し、熱伝導率は約１／１０に低
減する。赤外線感度は、ゼーベック係数Ｓに比例し、熱
伝導率に反比例する。したがって、ｐｎ接合多孔質シリ
コン層を用いることにより、感度は約２０倍高くなる。
これらの効果により従来不可能であった１０μｍ近傍の
赤外線も検出できるようになる。
【００５０】また、本実施例ではｐｎ接合の数は一つで
あるが、ｐｎ接合を複数直列接続することにより、さら
に高い感度を達成できる。感度はｐｎ接合の接続数に比
例して高くなり、例えば、２５個接続することにより、
赤外線感度の指標としての温度分解能は０．０５℃とい
う優れた値が得られる。
あるが、ｐｎ接合を複数直列接続することにより、さら
に高い感度を達成できる。感度はｐｎ接合の接続数に比
例して高くなり、例えば、２５個接続することにより、
赤外線感度の指標としての温度分解能は０．０５℃とい
う優れた値が得られる。
【００５１】また、本実施例の検出方法は光電効果を利
用したものではないので、本実施例の半導体赤外線検出
装置は非冷却で、つまり、室温で使用することができ
る。なお、図５中、３６，３７，３８はそれぞれ垂直Ｃ
ＣＤ３２を構成するＭＯＳトランジスタのソース・ドレ
イン領域（ｎ型拡散層）、ゲート電極、ゲート配線を示
している。
用したものではないので、本実施例の半導体赤外線検出
装置は非冷却で、つまり、室温で使用することができ
る。なお、図５中、３６，３７，３８はそれぞれ垂直Ｃ
ＣＤ３２を構成するＭＯＳトランジスタのソース・ドレ
イン領域（ｎ型拡散層）、ゲート電極、ゲート配線を示
している。
【００５２】図６は、赤外線入力部１ａの形成方法を示
す工程断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、
層間絶縁膜２７上に導電性酸化亜鉛からなる厚さ約２μ
ｍの半絶縁膜３０を形成した後、全面に厚さ２μｍのｐ
型多結晶シリコン層２５を形成する。
す工程断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、
層間絶縁膜２７上に導電性酸化亜鉛からなる厚さ約２μ
ｍの半絶縁膜３０を形成した後、全面に厚さ２μｍのｐ
型多結晶シリコン層２５を形成する。
【００５３】次に半絶縁膜３０を一方の電極、白金等の
金属を他方の電極（対向電極）に用い、２０ｍＡ／ｃｍ
2 の条件でフッ酸水溶液中でｐ型多結晶シリコン層２５
を陽極エッチングする。この結果、図６（ｂ）に示すよ
うに、半絶縁膜３０上の多結晶シリコン層が選択的にｐ
型多孔質シリコン層２３ｐに変わる。
金属を他方の電極（対向電極）に用い、２０ｍＡ／ｃｍ
2 の条件でフッ酸水溶液中でｐ型多結晶シリコン層２５
を陽極エッチングする。この結果、図６（ｂ）に示すよ
うに、半絶縁膜３０上の多結晶シリコン層が選択的にｐ
型多孔質シリコン層２３ｐに変わる。
【００５４】次に図６（ｃ）に示すように、リンなどの
不純物のイオンを加速電圧１５０ＫｅＶ、ドーズ量１×
１０13の条件でｐ型多孔質シリコン層２３の右側に選択
的にン注入してｎ型多孔質シリコン層２３ｎを形成す
る。この後、９００℃の熱処理を行なってｐｎ接合多孔
質シリコン層が完成する。
不純物のイオンを加速電圧１５０ＫｅＶ、ドーズ量１×
１０13の条件でｐ型多孔質シリコン層２３の右側に選択
的にン注入してｎ型多孔質シリコン層２３ｎを形成す
る。この後、９００℃の熱処理を行なってｐｎ接合多孔
質シリコン層が完成する。
【００５５】次に図６（ｄ）に示すように、全面に二酸
化シリコン層３４、ニクロム層３５を順次形成した後、
ｐ型多結晶シリコン層２５ｐ、二酸化シリコン層３４、
ニクロム層３５をエッチングして、所定のサイズ（例え
ば５×１０μｍ2 ）の画素を形成する。
化シリコン層３４、ニクロム層３５を順次形成した後、
ｐ型多結晶シリコン層２５ｐ、二酸化シリコン層３４、
ニクロム層３５をエッチングして、所定のサイズ（例え
ば５×１０μｍ2 ）の画素を形成する。
【００５６】最後に、図６（ｅ）に示すように、半絶縁
膜３０を選択的にエッチング除去して空隙部２６を形成
を形成する。なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、多孔質シリ
コン層は多結晶シリコン層を多孔質化したものだが、ア
モルファスシリコン層を多孔質化したものを用いても良
い。また、上記実施例では、光入力部は二次元的に配列
したが一次元的に配列しても良い。また、上記実施例で
は、赤外線を検出する半導体光検出装置について説明し
たが、本発明は他の波長領域の光を検出する半導体光検
出装置にも適用できる。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施できる。
膜３０を選択的にエッチング除去して空隙部２６を形成
を形成する。なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、多孔質シリ
コン層は多結晶シリコン層を多孔質化したものだが、ア
モルファスシリコン層を多孔質化したものを用いても良
い。また、上記実施例では、光入力部は二次元的に配列
したが一次元的に配列しても良い。また、上記実施例で
は、赤外線を検出する半導体光検出装置について説明し
たが、本発明は他の波長領域の光を検出する半導体光検
出装置にも適用できる。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施できる。
【００５７】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明（請求項
１、請求項２）によれば、多孔質半導体層からなる光入
力部を用いることにより、従来よりも高い感度の半導体
光検出装置を実現できるようになる。
１、請求項２）によれば、多孔質半導体層からなる光入
力部を用いることにより、従来よりも高い感度の半導体
光検出装置を実現できるようになる。
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体赤外線検出
装置の概略構成を示す回路図
装置の概略構成を示す回路図
【図２】図１の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
構造を示す断面図
構造を示す断面図
【図３】図１の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
形成方法を示す工程断面図
形成方法を示す工程断面図
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体赤外線検出
装置の概略構成を示す回路図
装置の概略構成を示す回路図
【図５】図４の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
構造を示す断面図
構造を示す断面図
【図６】図４の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
形成方法を示す工程断面図
形成方法を示す工程断面図
１，１ａ…赤外線入力部 ２…差動増幅器 ３…抵抗変化検出部 ４1 ，４2 …ＭＯＳトランジスタ ５…水平レジスタ ６…垂直レジスタ ７…抵抗 ８…バイアス電圧源 ９，１０…抵抗 １１…電極 １２，１３，１４…ｎ型拡散層 １５，１６…ゲート配線 １７，１８…ゲート電極 １９…電極 ２０…赤外線 ２１…シリコン基板 ２２…素子分離絶縁膜 ２３…多孔質シリコン層 ２３ｎ…ｎ型多孔質シリコン層 ２３ｐ…ｐ型多孔質シリコン層 ２４…ショットキー電極 ２５…多結晶シリコン層 ２５ｐ…ｐ型多結晶シリコン層 ２６…空隙 ２７…層間絶縁膜 ３０…半絶縁膜 ３１…イオン ３２…垂直ＣＣＤ ３３…水平ＣＣＤ ３４…二酸化シリコン層 ３５…ニクロム層 ３６…ｎ型拡散層 ３７…ゲート電極 ３８…ゲート配線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 忠司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 昭61−7601（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−132259（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−94787（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−283579（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/14 G01J 1/02 G01J 5/02 H01L 37/02
Claims (2)
- 【請求項１】多結晶半導体層を陽極エッチングして形成
された多孔質半導体層からなり、空隙部を有する光入力
部と、 この光入力部に入力される光により生じる前記多孔質半
導体層の温度変化に対応した抵抗変化を検出する検出手
段とを具備してなることを特徴とする半導体光検出装
置。 - 【請求項２】ｐｎ接合を形成し、かつ多結晶半導体層を
陽極エッチングして形成された多孔質半導体層からな
り、空隙部を有する光入力部と、 この光入力部に入力される光により生じる前記多孔質半
導体層の温度変化に対応したゼーベック効果による熱起
電力変化を検出する検出手段とを具備してなることを特
徴とする半導体光検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13522295A JP3349012B2 (ja) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | 半導体光検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13522295A JP3349012B2 (ja) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | 半導体光検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08330558A JPH08330558A (ja) | 1996-12-13 |
| JP3349012B2 true JP3349012B2 (ja) | 2002-11-20 |
Family
ID=15146680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13522295A Expired - Fee Related JP3349012B2 (ja) | 1995-06-01 | 1995-06-01 | 半導体光検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3349012B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ITUA20162954A1 (it) * | 2016-04-28 | 2017-10-28 | St Microelectronics Srl | Dispositivo a semiconduttore per la rilevazione di radiazione ultravioletta e infrarossa e relativo metodo di fabbricazione |
| US11139411B2 (en) | 2018-04-17 | 2021-10-05 | Stmicroelectronics S.R.L. | High sensitivity semiconductor device for detecting fluid chemical species and related manufacturing method |
| US11171255B2 (en) | 2018-04-17 | 2021-11-09 | Stmicroelectronics S.R.L. | High sensitivity optoelectronic device for detecting chemical species and related manufacturing method |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GR1004106B (el) * | 2002-01-24 | 2003-01-13 | Εκεφε "Δημοκριτος" Ινστιτουτο Μικροηλεκτρονικης | Ολοκληρωμενοι θερμικοι αισθητηρες πυριτιου χαμηλης ισχυος και διαταξεις μικρο-ροης βασισμενοι στην χρηση τεχνολογιας κοιλοτητας αερα σφραγισμενης με μεμβρανη πορωδους πυριτιου ή τεχνολογιας μικρο-καναλιων |
| CN101248337B (zh) * | 2005-08-17 | 2011-06-15 | 松下电工株式会社 | 红外传感器单元及其制造工艺 |
| DE102007008381A1 (de) * | 2007-02-21 | 2008-08-28 | Robert Bosch Gmbh | Strahlungssensorelement, Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensorelements und Sensorfeld |
-
1995
- 1995-06-01 JP JP13522295A patent/JP3349012B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| ITUA20162954A1 (it) * | 2016-04-28 | 2017-10-28 | St Microelectronics Srl | Dispositivo a semiconduttore per la rilevazione di radiazione ultravioletta e infrarossa e relativo metodo di fabbricazione |
| US9952094B2 (en) | 2016-04-28 | 2018-04-24 | Stmicroelectronics S.R.L. | Semiconductor device for detecting ultraviolet and infrared radiation and related manufacturing process |
| US10209125B2 (en) | 2016-04-28 | 2019-02-19 | Stmicroelectronics S.R.L. | Monolithic integration of ultraviolet and infrared radiation detectors and manufacturing process thereof |
| US11139411B2 (en) | 2018-04-17 | 2021-10-05 | Stmicroelectronics S.R.L. | High sensitivity semiconductor device for detecting fluid chemical species and related manufacturing method |
| US11171255B2 (en) | 2018-04-17 | 2021-11-09 | Stmicroelectronics S.R.L. | High sensitivity optoelectronic device for detecting chemical species and related manufacturing method |
| US11670732B2 (en) | 2018-04-17 | 2023-06-06 | Stmicroelectronics S.R.L. | High sensitivity semiconductor device for detecting fluid chemical species and related manufacturing method |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08330558A (ja) | 1996-12-13 |
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