JP4634282B2 - 光検出器 - Google Patents

Description

本発明は、ホトダイオードを備えた光検出器に関する。

従来、特性の異なる２つのホトダイオード出力の差分を求めることにより、赤外波長帯域の光成分を検出する光検出器が知られている（下記特許文献１参照）。この光検出器によれば、従来の高価で信頼性の劣る光フィルタや分光器を用いることなく特定波長帯域の光成分を検出することができるとされている。
特開平２−２４０５３１号公報

しかしながら、従来の光検出器の場合、波長選択性を高めるためには、空乏層の深さを調整しなければならず、ホトダイオードの構造の差異に起因するノイズ信号が短波長側でも生じるため、その波長選択性は十分ではなかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、波長選択性を更に向上可能な光検出器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る光検出器は、第１導電型の半導体領域と、半導体領域内に形成された第１導電型の第１ウェル領域と、第１ウェル領域内に形成された第２導電型の第１半導体層と、半導体領域内に形成された第１導電型の第２ウェル領域と、第２ウェル領域内に形成された第２導電型の第２半導体層と、第１半導体層に電気的に接続された第１電極と、第２半導体層に電気的に接続された第２電極と、第１及び第２電極が接続され入力信号の差分を出力する信号処理回路とを備え、第１及び第２ウェル領域の不純物濃度は異なっており、且つ、半導体領域の不純物濃度は第１及び第２ウェル領域の不純物濃度のいずれよりも低く、前記半導体領域は前記第１ウェル領域とアイソタイプの接合を構成し、前記半導体領域は前記第２ウェル領域とアイソタイプの接合を構成していることを特徴とする。

第１導電型及び第２導電型は、それぞれＰ型及びＮ型、又は、逆にＮ型及びＰ型である。したがって、第１ウェル領域と第１半導体層とはＰＮ接合からなるホトダイオードを構成する。また、第２ウェル領域と第２半導体層もＰＮ接合からなるホトダイオードを構成する。これらのホトダイオードの出力は第１及び第２電極を介して信号処理回路に入力される。

ここで、半導体領域の不純物濃度は第１及び第２ウェル領域の不純物濃度のいずれよりも低い。第１導電型の半導体領域と第１導電型の第１、第２ウェル領域との間には不純物濃度差があるため、これらはそれぞれアイソタイプの接合を構成している。導電型の同じ半導体の接合であるアイソタイプの接合では、不純物濃度の低い方のキャリアが高い方へ流れ難いようにエネルギー障壁が形成される。すなわち、ＰＮ接合を通過した入射光の長波長成分は、半導体領域に入射するが、ここで発生したキャリアは上記エネルギー障壁によってＰＮ接合方向への流入が遮断されることとなる。

第１及び第２ウェル領域には不純物濃度差があるので、上記キャリアのＰＮ接合への流入量が異なる。したがって、これらのホトダイオードの出力を第１及び第２電極を介して差分を出力する信号処理回路に入力すると、入射光の長波長成分がカットされた状態で、キャリア流入量差に依存した比較的長波長の成分が信号処理回路から出力されることとなる。双方のホトダイオードはウェル領域を用いているため、これらの構造の差異に起因する短波長側の信号レベル差（ノイズ信号）は減少し、波長選択性を十分に改善することができる。また、これらのホトダイオードの波長選択性は不純物濃度の調整のみで制御できるため、実際の波長選択性も著しく向上させることができ、歩留まりも改善することができる。

この半導体領域は、半導体基板又は第１導電型の半導体基板内に形成された第１導電型ウェル領域である。いずれの場合も本発明の効果を達成することができるが、半導体領域を第１導電型ウェル領域とした場合には、この不純物濃度を制御しやすいという利点があり、そうでない場合には製法が単純化されるという利点がある。

また、光検出器は、半導体領域の第１及び第２ウェル領域とは反対側に形成された高不純物濃度の第２導電型の半導体層を更に備えることが好ましい。第１及び第２ウェル領域及び半導体領域を介して高不純物濃度の第２導電型の半導体層に光が入射すると、ここに到達した長波長成分によって発生したキャリアは当該半導体層内で吸収され、また、半導体層に設けられた電極を介して外部に排出される。

なお、「高不純物濃度」とは、室温で１×１０^１９ｃｍ^−３以上のキャリア濃度のことを意味することとする。

また、第１及び第２ウェル領域の深さは同一であって、共に、１〜２μｍであることが好ましい。この場合、第１及び第２ウェル領域の深さ方向の構造が同一となるため、第１及び第２ウェル領域に空乏層は均等に広がり、この構造起因の出力差は無くなる。この深さは１〜２μｍであるため、長波長側の赤外線成分は上述のエネルギー障壁によってカットされると共に、短波長側の紫外線成分の出力は同様に相殺される。

本発明の光検出器によれば、波長選択性を従来よりも更に向上させることができる。

以下、実施の形態に係る光検出器について説明する。同一要素には同一符号を有し、重複する説明は省略する。

図１は、第１の実施の形態に係る光検出器を構成する光検出素子の縦断面図である。

この光検出素子は、第１ホトダイオードＰＤ１及び第２ホトダイオードＰＤ２を備えている。

第１ホトダイオードＰＤ１は、第１導電型の半導体領域１０と、半導体領域１０内に形成された第１導電型の第１ウェル領域１ｐと、第１ウェル領域１ｐ内に形成された第２導電型の第１半導体層１ｎとを備えている。

第２ホトダイオードＰＤ２は、半導体領域１０内に形成された第１導電型の第２ウェル領域２ｐと、第２ウェル領域２ｐ内に形成された第２導電型の第２半導体層２ｎとを備えている。

第１半導体層１ｎの表面は絶縁膜１ｉによって被覆されており、第２半導体層２ｎの表面は絶縁膜２ｉによって被覆されている。絶縁膜１ｉの図面左方にはフィールド絶縁膜３ｉが位置し、絶縁膜１ｉ，２ｉ間にはフィールド絶縁膜４ｉが位置し、絶縁膜２ｉの図面右方にはフィールド絶縁膜５ｉが位置している。これらの絶縁膜を介して各半導体領域の不純物が添加される。

第１半導体層１ｎには、絶縁膜１ｉのコンタクトホールを介して第１電極Ｅ１が電気的に接続されており、第２半導体層２ｎには、絶縁膜２ｉのコンタクトホールを介して第２電極Ｅ２が電気的に接続されている。各電極Ｅ１，Ｅ２は、それぞれフィールド絶縁膜３ｉ，５ｉ上に延びている。半導体領域１０の裏面側には、裏面電極Ｅ０が設けられている。本例では、半導体領域１０は半導体基板を構成しており、Ｐ型の半導体領域１０の形成は、Ｐ型の半導体基板を用意すればよいため、製法が単純である。

なお、各半導体の材料はＳｉであり、不純物濃度の好適な範囲は以下の通りである。また、不純物の活性化率は１００％であることとし、不純物濃度はキャリア濃度に一致することとする。
半導体領域１０： １×１０^１３ｃｍ^−３〜１×１０^１５ｃｍ^−３
第１ウェル領域１ｐ： １×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^１７ｃｍ^−３
第１半導体層１ｎ： １×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３
第２ウェル領域２ｐ： １×１０^１５ｃｍ^−３〜１×１０^１６ｃｍ^−３
第２半導体層２ｎ： １×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３

Ｐ型の不純物としてはＢが挙げられ、Ｎ型の不純物としてはＡｓやＰが挙げられる。本例では、第１導電型及び第２導電型は、それぞれＰ型及びＮ型であるが、これらは逆にＮ型及びＰ型であってもよい。この場合においても、第１ウェル領域１ｐと第１半導体層１ｎとはＰＮ接合からなる第１ホトダイオードＰＤ１を構成し、第２ウェル領域２ｐと第２半導体層２ｎもＰＮ接合からなる第２ホトダイオードＰＤ２を構成する。各半導体層は、半導体基板に不純物をイオン注入法又は熱拡散法を用いて添加することで形成する。また、不純物の添加領域はフィールド絶縁膜によるマスクによって制限される。

なお、上述のように、第１及び第２ウェル領域１ｐ，２ｐの不純物濃度は異なっており、半導体領域１０の不純物濃度は第１及び第２ウェル領域１ｐ，２ｐの不純物濃度のいずれよりも小さい。なお、第１及び第２半導体層１ｎ，２ｎのそれぞれの不純物濃度は第１及び第２ウェル領域１ｐ，２ｐのそれぞれの不純物濃度のよりも高い。

図２は、第１及び第２ホトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が接続される信号処理回路２０を備えた光検出器の回路図である。

信号処理回路２０には、第１ホトダイオードＰＤ１の第１電極Ｅ１が接続される第１入力端子Ｖ_ＩＮ１と、第２ホトダイオードＰＤ２の第２電極Ｅ２が接続される第２入力端子Ｖ_ＩＮ２とを備えている。したがって、第１及び第２ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力は第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２を介して信号処理回路２０に入力される。信号処理回路２０は、これらの入力信号の差分を出力端子Ｖ_ＯＵＴから出力する。なお、各ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の共通の裏面電極Ｅ０は接地されている。

図３は、第１ホトダイオードＰＤ１のエネルギーバンド図である。

バイアスを印加していない状態では、フェルミ準位が一致し、第１ウェル領域１ｐの伝導帯の下端Ｅｃのエネルギーは、半導体領域１０の伝導帯の下端Ｅｃのエネルギーよりもφ１だけ高い。すなわち、第１ウェル領域１ｐの方が半導体領域１０の方よりもφ１だけポテンシャルが低い。

図４は、第２ホトダイオードＰＤ２のエネルギーバンド図である。

バイアスを印加していない状態では、フェルミ準位が一致し、第２ウェル領域２ｐの伝導帯の下端Ｅｃのエネルギーは、半導体領域１０の伝導帯の下端Ｅｃのエネルギーよりもφ２だけ高い。すなわち、第２ウェル領域２ｐの方が半導体領域１０の方よりもφ２だけポテンシャルが低い。

このように、半導体領域１０の不純物濃度は、第１及び第２ウェル領域１ｐ，２ｐの不純物濃度のいずれよりも低く、半導体領域１０と第１ウェル領域１ｐとの間、半導体領域１０と第２ウェル領域２ｐとの間にはそれぞれ不純物濃度差があるため、これらはそれぞれアイソタイプの接合を構成している。アイソタイプの接合では、不純物濃度の低い方のキャリアが高い方へ流れ難いようにエネルギー障壁が形成される。各ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２のＰＮ接合を通過した入射光の長波長成分は、半導体領域１０に入射するが、ここで発生したキャリアはエネルギー障壁φ１、φ２によってＰＮ接合方向への流入が遮断される。

また、第１及び第２ウェル領域１ｐ，２ｐには不純物濃度差があるので、上記キャリアのＰＮ接合への流入量が異なる。したがって、第１及び第２ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力を第１及び第２電極Ｅ１，Ｅ２を介して差分を出力する信号処理回路２０（図２参照）に入力すると、入射光の長波長成分がカットされた状態で、キャリア流入量差に依存した比較的長波長の成分が信号処理回路２０から出力されることとなる。

双方のホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２はウェル領域１ｐ、２ｐを用いているため、これらの構造の差異に起因する短波長側の信号レベル差（ノイズ信号）は減少し、波長選択性を十分に改善することができる。

また、ホトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の波長選択性は、各ウェル層１ｐ，２ｐへの不純物濃度の調整のみで制御できるため、実際の波長選択性も著しく向上させることができ、歩留まりも改善することができる。

また、第１ウェル領域１ｐの深さＤ１Ｂ及び第２ウェル領域２ｐの深さＤ２Ｂは同一であって、共に、１〜２μｍである。この場合、第１ウェル領域１ｐ及び第２ウェル領域２ｐの深さ方向の構造が同一となるため、第１ウェル領域１ｐ及び第２ウェル領域２ｐに空乏層は均等に広がり、この構造起因の出力差は無くなる。この深さは１〜２μｍであるため、長波長側の赤外線成分は上述のエネルギー障壁によってカットされると共に、短波長側の紫外線成分の出力は同様に相殺される。可視光から近赤外線は１〜２μｍの深さに入射するため、可視光から近赤外線の検出を行う場合には、ウェル領域の深さＤ１Ｂ，Ｄ２Ｂは共に１〜２μｍが好ましい。

第１ウェル領域１ｐ及び第２ウェル領域２ｐの空乏層の厚みは、それぞれのウェル領域１ｐ、２ｐの深さＤ１Ｂ，Ｄ２Ｂに等しい。また、第２ホトダイオードＰＤ２の方が、第１ホトダイオードＰＤ１よりも近赤外の感度が高くなる。

また、Ｎ型の半導体層１ｎ，２ｎの深さＤ１Ａ、Ｄ２Ａも同一であって、共に０．３μｍ〜０，７μｍ、好適には０．５μｍである。この場合、各ホトダイオードＰＤ１，ＰＤの深さ方向の構造が同一となるため、構造起因の出力差は更に抑制される。

図５は、実際の第１ホトダイオードＰＤ１の出力Ａ１と、第２ホトダイオードＰＤ２の出力Ａ２の波長依存性を示すグラフである。すなわち、このグラフは光検出素子の分光感度測定を行った結果を示す。

本実験に用いたパラメータは以下の通りである。
半導体領域１０： 厚み３００μｍ／不純物濃度１×１０^１３〜１×１０^１５ｃｍ^−３
第１ウェル領域１ｐ： 厚み１〜２μｍ／不純物濃度１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３
第１半導体層１ｎ： 厚み０．５μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１×１０^１５ｃｍ^−３
第２ウェル領域２ｐ： 厚み１〜２μｍ／不純物濃度１×１０^１５〜１×１０^１６ｃｍ^−３
第２半導体層２ｎ： 厚み０．５μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１×１０^１９ｃｍ^−３

出力Ａ２のピーク波長は７００ｎｍであって長波長側は１１００ｎｍで出力は略零（ｍＡ／Ｗ）となり、出力Ａ１のピーク波長は５００ｎｍであって長波長側は１０００ｎｍで出力は略零（ｍＡ／Ｗ）となる。略零とはピーク波長の出力の０．１％以下であることとする。

図６は、信号処理回路２０の出力（Ａ２−Ａ１）の波長依存性を示すグラフである。

図６に示すように、中心波長８００ｎｍをピークとした可視域から赤外域までの出力が得られる。本例では、フィルタを用いることなく、紫外線（ＵＶ−Ａ：３１５ｎｍ〜４００ｎｍ、ＵＶ−Ｂ：２８０〜３１５μｍ、ＵＶ−Ｃ：１４〜２８０ｎｍ）、中赤外線（２〜４μｍ）、遠赤外線（４〜１０００μｍ）の他、近赤外線（０．７〜２μｍ）の長波長側の成分がカットされている。

図７は、第２の実施の形態に係る光検出器を構成する光検出素子の縦断面図である。

第２の実施の形態に係る光検出素子は、第１の実施の形態に係る光検出素子と比較して、基板の裏面側に高不純物濃度の半導体層１１を設けた点のみが異なり、他の構成は同一である。すなわち、半導体領域１０の第１領域１ｐ及び第２ウェル領域２ｐの反対側には、高不純物濃度の第２導電型（Ｎ型）の半導体層１１が形成されている。

第１ウェル領域１ｐ及び第２ウェル領域２ｐ及び半導体領域１０を介して高不純物濃度のＮ型半導体層１１に光が入射すると、ここに到達した長波長成分によって発生したキャリアは、半導体層１１内で吸収され、また、半導体層１１に設けられた電極Ｅ０を介して外部に排出される。電極Ｅ０はグランドに接続されている。なお、「高不純物濃度」とは、室温で１×１０^１９ｃｍ^−３以上のキャリア濃度のことを意味することとする。

図８は、第３の実施の形態に係る光検出器を構成する光検出素子の縦断面図である。

第３の実施の形態に係る光検出素子は、第１の実施の形態に係る光検出素子と比較して、半導体領域１０が、第１導電型（Ｐ型）の半導体基板１２内に形成された第１導電型（Ｐ型）のウェル領域１０である点のみが異なる。ウェル領域１０の不純物濃度は、半導体基板１２の不純物濃度よりも高い。この場合も本発明の効果を達成することができるが、半導体領域１０を第１導電型のウェル領域としているので、不純物濃度を制御しやすいという利点がある。全体のウェル領域１０内に第１ウェル領域１ｐ及び第２ウェル領域２ｐが形成されている。

以上、説明したように、本発明の光検出器によれば、波長選択性を更に向上させることができる。

本発明は、ホトダイオードに利用することができる。

第１の実施の形態に係る光検出器を構成する光検出素子の縦断面図である。 第１及び第２ホトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が接続される信号処理回路２０を備えた光検出器の回路図である。 第１ホトダイオードＰＤ１のエネルギーバンド図である。 第２ホトダイオードＰＤ２のエネルギーバンド図である。 実際の第１ホトダイオードＰＤ１の出力Ａ１と、第２ホトダイオードＰＤ２の出力Ａ２の波長依存性を示すグラフである。 信号処理回路２０の出力（Ａ２−Ａ１）の波長依存性を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る光検出器を構成する光検出素子の縦断面図である。 第３の実施の形態に係る光検出器を構成する光検出素子の縦断面図である。

符号の説明

１ｐ，２ｐ・・・ウェル領域、１ｉ，２ｉ・・・絶縁膜、１ｎ，２ｎ・・・半導体層、３ｉ，４ｉ，５ｉ・・・フィールド絶縁膜、１０・・・・半導体領域（ウェル領域、半導体基板）、１１・・・半導体層、１２・・・半導体基板、２０・・・信号処理回路、Ｅ０・・・裏面電極、Ｅ１，Ｅ２・・・電極、ＰＤ１，ＰＤ２・・・ホトダイオード、Ｖ_ＩＮ１・・・入力端子、Ｖ_ＩＮ２・・・入力端子、Ｖ_ＯＵＴ・・・出力端子。

Claims (5)

1. 光検出器において、
   第１導電型の半導体領域と、
   前記半導体領域内に形成された第１導電型の第１ウェル領域と、
   前記第１ウェル領域内に形成された第２導電型の第１半導体層と、
   前記半導体領域内に形成された第１導電型の第２ウェル領域と、
   前記第２ウェル領域内に形成された第２導電型の第２半導体層と、
   前記第１半導体層に電気的に接続された第１電極と、
   前記第２半導体層に電気的に接続された第２電極と、
   前記第１及び第２電極が接続され入力信号の差分を出力する信号処理回路と、
   を備え、
   前記第１及び第２ウェル領域の不純物濃度は異なっており、且つ、
   前記半導体領域の不純物濃度は前記第１及び第２ウェル領域の不純物濃度のいずれよりも低く、前記半導体領域は前記第１ウェル領域とアイソタイプの接合を構成し、前記半導体領域は前記第２ウェル領域とアイソタイプの接合を構成している、
   ことを特徴とする光検出器。
2. 前記半導体領域は、半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
3. 前記半導体領域は、第１導電型の半導体基板内に形成された第１導電型ウェル領域であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器
4. 前記半導体領域の前記第１及び第２ウェル領域とは反対側に形成された高不純物濃度の第２導電型の半導体層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検出器。
5. 前記第１及び第２ウェル領域の深さは同一であって、共に、１〜２μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光検出器。
   

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