JP3691176B2

JP3691176B2 - 半導体エネルギー検出器

Info

Publication number: JP3691176B2
Application number: JP28079396A
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: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2016-10-23
Also published as: JPH10125888A

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号の発明が知られていた。ここでは、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。
【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。
【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２次元に配列された光電変換部及びこの電荷を読み出す複数の列からなる第１の転送チャネルとこれら第１の転送チャネルの各列の電荷を読み出す第２の転送チャネルからなる電荷読み出し部が形成され、半導体薄板の他方の面から、第１の転送チャネルの配列方向に波長分布を有するエネルギー線を入射させ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、エネルギー線を透過する窓を有する導電性遮光膜が形成されるとともに接地されており、窓の第１の転送チャネルの配列方向と直交する方向の幅が、入射するエネルギー線の第１の転送チャネルの配列方向に沿った波長分布に応じて異なることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、遮光膜の窓の形状を変えることで、半導体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、導電性遮光膜をグランド電位に接続されているため、入射面の電位が安定し、雑音が減少する。
【００１２】
上記の一方の面に、補強板が設けられていることが好ましく、このようにすれば、半導体薄板の強度が保たれ、取り扱いが容易になる。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
【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正面図、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。図３は製造工程の概略図である。
【００１７】
最初に、図３により、本実施形態の製造工程を簡単に説明する。
【００１８】
厚さ約３００μｍのＰ型シリコン基板４１の一方の面に、約１０〜３０μｍのシリコンエピタキシャル層（以下エピ層という）１を形成する。このエピ層上に、後に詳述する構成のＣＣＤ５を形成する（図３（ａ）参照）。次に、ＣＣＤ５の上に、接着層４２を介して、補強用の厚さ約５００μｍのパイレックス基板３５を静電接合する（図３（ｂ）参照）。その後で、シリコン基板４１のＣＣＤ５と反対の面から、ＫＯＨからなるエッチング液で、エピ層１上のシリコン基板４１をエッチングして除去する（図３（ｃ）参照）。その後、エピ層１側の表面を加工する。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４１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。シリコン基板４１をエッチングする前に、パイレックス基板３５を固着しているため、エッチング以降の加工工程で検出器が破損しにくく、製品の歩留まりが向上するほか、使用時の取り扱いも簡単になる。
【００１９】
次に、図１及び２に基づき、本実施形態の構成を説明する。
【００２０】
図示の通り、厚さ約１０〜３０μｍのエピ層１の一方の面上に、埋め込みチャネル５Ａが設けられている。エピ層１の抵抗率は１０〜１００Ω・ｃｍで面方位は（１００）である。この上には、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。
【００２１】
次に、ＣＣＤ５の回路構成を説明する。
【００２２】
エピ層１上の埋め込みチャネル５Ａ内には、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。
【００２３】
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。
【００２４】
ゲート酸化膜１Ｂの外側には、さらに厚さ約２μｍの絶縁用シリコン酸化膜３３が堆積され、その上に厚さ約１μｍの接合用アルミ膜３４が蒸着されている。この接合用アルミ膜３４を介して、検出器補強用の厚さ約５００μｍのパイレックス基板３５が静電接合されている。
【００２５】
次に、エピ層１の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。
【００２６】
エピ層１の受光面上には、厚さ約１μｍの裏面電位用アルミ膜３２が蒸着されている。アルミ膜３２の受光面側中央には、入射光を透過する入射窓３１が形成されている。入射窓３１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、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。
【００２７】
上記のアルミ膜３２は、シリコン酸化膜３の入射窓３１の外側に対応する部分をいわゆるホトリソグラフィー工程とエッチング工程により除去した後、全面にアルミ膜を蒸着し、さらに、いわゆるホトリソグラフィー工程とエッチング工程により入射窓３１に対応する部分を除去することによって形成される。ホトリソグラフィー工程及びエッチング工程は、裏面入射型のＣＣＤでは、必須の工程であり、本発明を実施する場合の工程の変更点は、従来矩形に形成していた入射窓３１を台形にするのみで新たな機材等の導入を必要とするものではなく、導入は容易である。
【００２８】
エピ層１の受光面側には、厚さ約０．２μｍのＰ⁺高濃度層４（濃度約５×１０¹⁸／ｃｍ³）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。その外側の入射窓３１に対応する部分には、受光面を保護する厚さ約０．１μｍのシリコン酸化膜３が蒸着されている。
【００２９】
次に、本実施形態の動作を説明する。
【００３０】
受光面から光が入射すると、入射窓３１の外側の領域では、入射した光は、大部分がアルミ膜３２によって反射されるため、その奥にあるＰ⁺高濃度層４から埋め込みチャネル５Ａまでの領域からなる光電変換部まで到達できない。入射窓３１の内側の領域では、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、入射した光はほとんど吸収されることなく、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が可能である。
【００３１】
一般的には、ＣＣＤの分光感度特性は、紫外域では感度が低く、長波長域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入射窓３１の開口幅が広く、長波長域側ほど開口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。入射窓３１の形状を図４（ａ）のようにすると、分光感度特性が平坦になる。しかし、このように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、一定の補正効果が得られる。この場合は、パターン形状が簡略化されるため、加工がさらに容易になるという利点がある。
【００３２】
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。さらに、アルミ膜３２をグランド電位に接続することにより、受光面の電位がグランド電位に安定する。このため、この逆行は起こりにくくなり、光電変換により発生した電荷は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。
【００３３】
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て、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。
【００３４】
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。このため、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。
【００３５】
受光面にアルミ等の導電性遮光膜を蒸着等で形成する方法として、特開昭６１−８８１１４号の発明が知られている。しかし、この方法は、表面入射型のＣＣＤに関する発明であり、導電性遮光膜がＣＣＤが形成された面と同じ面にある。このため、ゲート酸化膜が薄いと導電性遮光膜とＣＣＤの各チャネルとの間に電気容量が生じ、高速応答性が低下する。これを防ぐためにゲート酸化膜を厚くすると、入射光がゲート酸化膜に吸収されやすく、感度が劣化して好ましくない。一方、本発明では、裏面入射型ＣＣＤを対象としており、遮光膜は受光面上で、ＣＣＤとは反対側にあたる。したがって、これらの現象は起こりにくく、上述したように、受光面表面の電位を安定させて、雑音の少ない高Ｓ／Ｎ比での測定を可能とするという格別の効果がある。
【００３６】
次に、本実施形態の応用例について説明する。
【００３７】
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３１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入射窓３１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、入射窓３１の形状は図４（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。
【００３８】
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、入射窓３１の形状は図４（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波形の形状とすることが好ましい。入射窓３１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。
【００３９】
また、分光感度特性を平坦化するだけでなく、図４（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４（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。
【００４０】
入射窓３１の形状は、本実施形態のような対称形でなく、図４（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等を考慮して形状を定めることが望ましいからである。
【００４１】
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。
【００４２】
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について説明したが、これに限定するものではなく、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。
【００４３】
【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入射窓を有する導電性遮光膜が蒸着等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、この遮光膜にグランド電位を接続すれば、受光面の電位が安定し、雑音の少ない高Ｓ／Ｎ比での測定が可能となる。導電性遮光膜の製作工程は、裏面入射型半導体エネルギー検出器に特有の工程を流用するものであり、工程の変更点は少なく、導入が容易である。
【００４４】
裏面入射型ＣＣＤでは、検出器が薄いため、裏側に補強板を取り付ければ、検出器の強度が保たれ、取り扱いが容易になる。
【００４５】
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。
【００４６】
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、入射窓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。
【００４７】
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】図１の半導体エネルギー検出器の製作工程を示す概略図である。
【図４】凹部形状の応用例を示す図である。
【符号の説明】
１…シリコンエピタキシャル層、１Ｂ…ゲート酸化膜、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、３１…入射窓、３２…裏面電位用アルミ膜、３３…絶縁用シリコン酸化膜、３４…接合用アルミ膜、３５…パイレックス基板、４１…シリコン基板、４２…接着層。

Claims

半導体薄板の一方の面に２次元に配列された光電変換部及びこの電荷を読み出す複数の列からなる第１の転送チャネルと前記第１の転送チャネルの各列の電荷を読み出す第２の転送チャネルからなる電荷読み出し部が形成され、前記半導体薄板の他方の面から、前記第１の転送チャネルの配列方向に波長分布を有するエネルギー線を入射させ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、前記エネルギー線を透過する窓を有する導電性遮光膜が形成されるとともに接地されており、前記窓の前記第１の転送チャネルの配列方向と直交する方向の幅が、入射するエネルギー線の前記第１の転送チャネルの配列方向に沿った波長分布に応じて異なることを特徴とする半導体エネルギー検出器。
前記半導体薄板の前記一方の面に、補強板が固着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窓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または２のいずれかに記載の半導体エネルギー検出器。