JP3588203B2

JP3588203B2 - 半導体エネルギー検出器

Info

Publication number: JP3588203B2
Application number: JP27625796A
Authority: JP
Inventors: 寛赤堀; 雅治村松; 晃永山本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: JPH10125884A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１次元方向に波長分布のある光の波長による強度分布を測定する半導体エネルギー検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１次元方向に波長分布のある光の波長による強度分布を測定する検出器として、半導体エネルギー検出器が知られている。
【０００３】
特に、複数の光電変換素子を波長の分解方向に沿って並べることで、波長走査のための機構を必要とせず、紫外域から近赤外域までの測定目的波長域の光を同時に取り込むことが可能となる。
【０００４】
しかしながら、分光分析等で用いられる光源は、紫外域より近赤外域の光の出力が強い傾向がある。さらに、入射エネルギーが全て電荷に変換され、出力される理想的な場合でも、画素の出力は入射光の波長に比例するため、同じ入射エネルギーでも波長の短い紫外域のほうが波長の長い近赤外域より出力は小さくなる特徴がある。また、基板表面での反射や基板内での吸収も紫外域の光のほうが近赤外域の光より多い。したがって、紫外域の光に対する画素出力は、近赤外域の光に対する画素出力より小さくなる傾向がある。
【０００５】
出力の小さい紫外域の光を高Ｓ／Ｎ比で検出するには、光量を増やしたり、照射時間を長くすることが考えられる。しかし、光量を増やしすぎたり、照射時間を長くしすぎると、近赤外域の画素出力が飽和してしまうため、光量の増大や照射時間の延長には限界がある。したがって、従来、紫外域の光を高Ｓ／Ｎ比で検出することは難しかった。
【０００６】
半導体エネルギー検出器におけるこのような出力の波長依存性を補正するため、表面入射型の半導体エネルギー検出器では、特開昭５７−１０３０２０号や特開昭６１−８８１１４号の発明が知られていた。前者は、検出器の直前に検出器の分光感度特性線図と略相似形に形成した光量調整用遮蔽体を設置し、近赤外域の波長の光が入射する画素への入射光量を相対的に減少させ、各画素の出力を同じレベルにそろえていた。また、後者は、検出器の受光面上に直接遮光膜を蒸着することにより、同様の効果を得ていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の光量調整用遮蔽体は、遮蔽体の位置合わせが困難であるという問題があった。また、上記の遮光膜は、表面入射型の半導体エネルギー検出器の作成では通常用いられないエッチング・プロセスを作成工程に追加する必要があるため、導入が困難であるという問題があった。
【０００８】
ところで、特開平６−２９５０６号に示されるような裏面入射型の半導体エネルギー検出器は、表面入射型の半導体エネルギー検出器に比べて、特に紫外域の光に対して高い感度を有する特徴がある。しかし、この裏面入射型の半導体エネルギー検出器については、表面入射型半導体エネルギー検出器にみられるような波長依存の出力特性を補正する対策は採られていなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、構成が簡単で歩留まり良く製作することが可能であり、波長依存の出力特性が補正されて、全波長域において高感度の検出が可能な半導体エネルギー検出器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体薄板の一方の面に光電変換部とこの電荷を読み出す電荷読み出し部が配列され、この半導体薄板の他方の面から、前記電荷読み出し部の配列方向に波長分布を有するエネルギー線が入射する半導体エネルギー検出器において、半導体薄板のエネルギー線が入射する面に凹部が形成されており、電荷読み出し部の配列方向と直交方向の凹部の開口幅が、電荷読み出し部の配列方向に沿って入射するエネルギー線の波長分布に応じて異なっている.ことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、凹部の形状を変えることで、半導体エネルギー検出器の有効な受光面面積が調整され、画素出力の分布特性が最適化される。さらに、単純な矩形形状の凹部を設けた場合に比べて周囲のチップ厚が厚い部分が多く残るため、強度の弱い凹部底が補強される。
【００１２】
電荷読み出し部は複数の電荷結合素子（ＣＣＤ）により構成されていてもよい。これにより、雑音が少ない高Ｓ／Ｎ比での測定が可能となる。
【００１３】
上記のエネルギー線は、１次元方向で一方から他方に向かって波長が長くなる波長分布を持つエネルギー線であり、エネルギー線の波長の短い側に半導体エネルギー検出器に設けた凹部の開口幅の大きい側を対応させるのが好ましい。
【００１４】
これにより、検出器の感度が低い短波長領域である紫外域の光を測定する画素の有効受光面積が大きくなり、感度の高い長波長領域である近赤外域の光を測定する画素の有効受光面積が小さくなる。この結果、半導体エネルギー検出器の画素出力の分光感度特性が平坦化する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１、２は本発明の一実施形態を示した図である。図１（ａ）が受光面側から見た平面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図、図２は電荷読み出し部であるフルフレーム転送方式のＣＣＤの構成図である。
【００１６】
図示の通り、厚さ約２７０〜２９０μｍで矩形のＰ型シリコン基板１の一方の面上に、厚さ約１０〜３０μｍのシリコンエピタキシャル層（以下エピ層という）１Ａが形成されている。シリコン基板１及びエピ層１Ａの抵抗率は１０〜１００Ω・ｃｍで面方位は（１００）である。エピ層１Ａのシリコン基板１と反対の面の中央には、埋め込みチャネル５Ａが設けられている。エピ層１Ａ上には、さらに、ゲート酸化膜１Ｂが形成されており、埋め込みチャネル５Ａと対応する位置に、垂直転送電極群７と水平転送電極群９とが形成され、いわゆるフルフレーム転送型のＣＣＤ５を構成している。
【００１７】
次に、ＣＣＤ５の回路構成を説明する。
【００１８】
エピ層１Ａ上の埋め込みチャネル５Ａには、垂直転送チャネル６が５１２ないし１０２４列配置されており、これは約２５μｍ×２５μｍの画素が１２８個ないし２５６個配列されて構成されている。これに直交して垂直転送電極群７が配置されて、垂直シフトレジスタを構成している。垂直転送チャネル６は埋め込みチャネル５Ａ内にある幅２５〜１００μｍの水平転送チャネル８に接続され、これに直交して水平転送電極群９が配置され、水平シフトレジスタを構成している。
【００１９】
水平シフトレジスタには、アウトプットゲート（ＯＧ）１０が接続されており、ＯＧ１０には、リセットゲート（ＲＧ）１１が、フローティングダイオード１２を介して接続されている。また、フローティングダイオード１２には、チップ上にある電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１３が接続されている。ＦＥＴ１３は、出力端子１５とＦＥＴドレイン１７に接続され、出力端子１５はチップ外にある負荷抵抗１４を介して接地され、ソースホロア回路を構成している。また、ＲＧ１１はリセットドレイン１６に接続されている。
【００２０】
次に、ＣＣＤ５が形成されている面と反対の面である受光面側の構造について説明する。
【００２１】
シリコン基板１を凹部２が貫通し、その開口面積は受光面側からエピ層１Ａ側に向かって次第に小さくなっている。凹部２の開口面の形状は、電荷読み出し部である垂直転送チャネル６の配列方向に直交する方向の開口幅が、この配列方向に沿って一方から他方に向かって線形的に縮小する台形になっている。また、検出器に入射する光は１次元方向に波長分布を持ち、その分布方向と上記の配列方向は一致し、凹部２の開口幅の大きい側が入射光の波長の短い側に対応している。この開口形状を調整することにより、半導体エネルギー検出器の分光感度特性を調整することができる。
【００２２】
上記の凹部２は、ＣＣＤのウェファプロセス工程中において、シリコン基板１にシリコン窒化膜を堆積し、ホトリソグラフィー工程により上記の台形にパターニングして、そのパターンをマスクとしてＫＯＨからなるエッチング液で、シリコン基板１をエッチングすることによって形成される。本実施形態のような裏面入射型ＣＣＤでは、受光部の前面にあるシリコン基板１を排除して、受光部を薄くすることで、基板による光の吸収を抑え、高感度としている。したがって、この工程は裏面入射型ＣＣＤ特有の製造工程である。本発明を実施する場合の工程の変更点は、通常は矩形のマスクのパターン形状を所定の形状に変更するだけで可能であり、導入は容易である。
【００２３】
エピ層１Ａの受光面側で凹部２の開口部にあたる部分の表面には、厚さ約０．２μｍのＰ＋高濃度層４（濃度約５×１０^１８／ｃｍ^３）が形成されている。この高濃度層により、感度が高く、安定した測定をすることが可能となる。シリコン基板１とＰ＋高濃度層４の受光面側の表面には、受光面を保護する厚さ約０．１μｍのシリコン酸化膜３が蒸着若しくは成長されている。
【００２４】
次に、本実施形態の動作を説明する。
【００２５】
受光面から光が入射すると、凹部２の外側の領域では、入射した光の大部分がシリコン基板１の内部で吸収されるため、その奥にあるＰ＋高濃度層４から埋め込みチャネル５Ａまでの深さの領域からなる光電変換部まで到達できない。凹部２の内側の領域では、表面のシリコン基板１が除去されており、受光面と光電変換部の間には、薄いシリコン酸化膜３しか存在しないため、入射した光はシリコン酸化膜３ではほとんど吸収されることなく、その大部分が光電変換部まで到達する。したがって、シリコン等に吸収されやすい紫外域の光についても高感度で測定することが可能である。
【００２６】
一般的に、ＣＣＤの分光感度特性は、紫外域で感度が低く、長波長側ほど感度が高くなる。本実施形態では、紫外域を測定する部分の凹部２の幅が広く、長波長側ほど凹部２の幅が狭くなっている。つまり、ＣＣＤの感度の低い側ほど光電変換部に到達する光量が多く、ＣＣＤの感度の高い側ほど光電変換部に到達する光量が少なくなっている。このため、ＣＣＤの分光感度特性が補正される。分光感度特性を平坦にするには、凹部２の形状は、図３（ａ）に示す形状にすることが好ましい。しかし、厳密に設定する必要はなく、本実施形態のように紫外域から近赤外域にかけて線形的に幅を狭くすることでも、一定の補正効果が得られる。この場合、パターン形状が簡略化されるため、作成がさらに容易になるという利点がある。
【００２７】
光電変換により生じた電荷はＣＣＤ５に向かって拡散し、ＣＣＤ５の各画素のポテンシャル井戸に到達して蓄積される。受光面表面の電位が光電変換部よりも高くなると、表面付近で光電変換により生じた電荷は、電位の高い受光面側に逆行する現象が起こり、画素のポテンシャル井戸に到達しないため、感度が低下する。しかし、Ｐ＋高濃度層４には受光面表面付近の電位を低下させる効果があるため、この逆行が起こりにくく、光電変換により発生した電荷が安定して各画素のポテンシャル井戸に転送される。したがって、感度の高い安定した測定が可能となる。
【００２８】
蓄積期間中に各画素のポテンシャル井戸に蓄積された電荷は、垂直シフトレジスタを通じて、その後全て水平シフトレジスタのポテンシャル井戸に転送され、垂直シフトレジスタ一列分の信号がそれぞれの各水平シフトレジスタで加算される。その結果、各垂直転送チャネル６内の画素一列分の信号をそれぞれ１画素の信号として取り扱うことができ、リニアセンサーと同様の取り扱いができる。垂直方向に複数の画素があるため、リニアセンサーに比べて、高Ｓ／Ｎ比で高感度の測定ができる。
【００２９】
水平シフトレジスタへ転送された電荷は、一定電位のＯＧ１０を通過し、ＲＧ１１によって一定電位に保たれたフローティングダイオード１２のポテンシャル井戸に転送される。この結果、フローティングダイオード１２の電位が変化する。この電位の変化をソースホロア回路を通じて、出力端子１５より読み出すことにより、出力信号が得られる。フローティングダイオード１２のポテンシャル井戸に転送された電荷は、ＲＧ１１を通過して、リセットドレイン１６より排出される。
【００３０】
次に、本実施形態の応用例について説明する。
【００３１】
分光分析等で用いられる光源の分光特性は近赤外域に出力ピークを持つことが多い。ピーク波長より長波長の領域では、光源の出力が小さくなるため、この波長領域についても高Ｓ／Ｎ比で測定するためには、入射窓２１の形状を工夫する必要がある。具体的には、このピーク波長を測定する部分で凹部２の開口幅が極小となっていることが好ましい。すなわち、ピーク波長が１ヶ所のみとなる単純な分光特性を持つ光源に対する検出器の出力補正を行う場合には、凹部２の形状は、図３（ｂ）に示すように、紫外域の測定部から開口幅が次第に減少し、上記のピーク波長部分で最小になった後、近赤外域にかけて開口幅が次第に大きくなる形状となる。
【００３２】
このピーク波長が複数ある光源に対して補正する場合は、凹部２の形状は、図３（ｃ）に示すように、基本的に紫外域から近赤外域の測定領域に向かって開口幅が小さくなり、そのうちピーク波長部分の開口幅は他の波長領域より小さく、それぞれのピーク波長の中間の波長領域の開口幅は隣接するピーク波長部分の開口幅より大きくなるような波形の形状とすることが好ましい。凹部２をこのような形状にすることで、光源の分光特性を考慮して分光感度特性を平坦化した半導体エネルギー検出器を提供することができる。
【００３３】
また、分光感度特性を平坦化するだけでなく、図３（ｄ）に示すように、特定の波長領域を測定する部分の開口幅を小さくするか、その部分に開口部を設けないことで、その波長領域の入射エネルギーを遮ることにより、検出器自体にフィルター機能を併せ持つことができる。逆に、図３（ｅ）に示すように、特定の波長領域を測定する部分の開口幅を他の波長領域より大きくした場合は、その波長領域についての感度を他の波長領域より高めることができる。このようにして、所定の分光感度特性を持つ半導体エネルギー検出器を作成することができる。
【００３４】
凹部２の形状は、本実施形態のような対称形でなく、図３（ｆ）に示すような非対称形でもよい。必要とする受光面積から形状が一義的に定まるものではないため、パターン作成の容易さなどを考慮して形状を定めることが望ましいからである。
【００３５】
電荷読み出し部は雑音が少なく、高Ｓ／Ｎ比での測定が可能なＣＣＤが好ましいが、ＢＢＤ（バケットブリゲード素子）等の他の電荷読み出し形式についても応用が可能である。
【００３６】
なお、本実施形態においてはＰ型シリコン基板を用いる場合の例について、説明したが、これに限定されるものではなく、Ｎ型シリコン基板を用いる場合であっても同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、裏面入射型の半導体エネルギー検出器の受光面に、電荷読み出し部の配列方向に沿って、これと直交方向の開口幅が異なる凹部がエッチングにより形成されている。したがって、有効な受光面面積を調整することにより、画素の配列方向の出力分布特性が補正される。さらに、凹部の周囲は、チップ厚が厚いまま残るので、強度の弱い凹部底の部分が補強される。エッチング工程は、裏面入射型半導体エネルギー検出器に特有の工程であり、上記の凹部形成に伴う工程の変更点は少なく、導入が容易である。
【００３８】
また、電荷読み出し部を複数のＣＣＤにより構成すれば、雑音の少ない高Ｓ／Ｎ比での測定が可能となる。
【００３９】
さらに、１次元方向で一方から他方に向かって波長が長くなる波長分布を持つエネルギー線の波長の短い側に入射窓の開口幅の大きい側を対応させれば、感度の低い紫外域を測定する画素の有効受光面積が大きくなり、感度の高い近赤外域を測定する画素の有効受光面積が小さくなる。このため、画素出力が平坦化して、全波長域で高Ｓ／Ｎ比での測定が可能となる。また、凹部の形状を変更することで、所定の分光感度特性を有する半導体エネルギー検出器を作成することもできる。
【００４０】
以上の結果、簡単で歩留まりのよい作成方法により、波長依存の出力特性を補正して全波長域において高感度の半導体エネルギー検出器を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体エネルギー検出器の外観正面図及び縦断面図である。
【図２】図１の半導体エネルギー検出器におけるフルフレーム転送方式のＣＣＤの構成図である。
【図３】凹部形状の応用例を示す図である。
【符号の説明】
１…Ｐ型シリコン基板、１Ａ…シリコンエピタキシャル層、１Ｂ…ゲート酸化膜、２… 凹部、３…シリコン酸化膜、４…Ｐ＋高濃度層、５…ＣＣＤ、５Ａ…埋め込みチャネル、６…垂直転送チャネル、７…垂直転送電極群、８…水平転送チャネル、９…水平転送電極群、１０…アウトプットゲート、１１…リセットゲート、１２…フローティングダイオード、１３…ＦＥＴ、１４…負荷抵抗、１５…出力端子、１６…リセットドレイン、１７…ＦＥＴドレイン。

Claims

半導体薄板の一方の面に光電変換部及びこの電荷を読み出す電荷読み出し部が配列され、前記半導体薄板の他方の面から、前記電荷読み出し部の配列方向に波長分布を有するエネルギー線が入射する半導体エネルギー検出器において、
前記半導体薄板の前記エネルギー線が入射する面に凹部が形成されており、前記電荷読み出し部の配列方向と直交方向の前記凹部の開口幅が、前記電荷読み出し部の配列方向に沿って入射するエネルギー線の波長分布に応じて異なっていることを特徴とする半導体エネルギー検出器。
前記電荷読み出し部が複数の電荷結合素子により構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体エネルギー検出器。
前記エネルギー線は、１次元方向で一方から他方に向かって波長が長くなる波長分布を持つエネルギー線であり、前記エネルギー線の波長の短い側に前記凹部の開口幅の大きい側が対応していることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体エネルギー検出器。