JP6702288B2

JP6702288B2 - Silicon photodiode

Info

Publication number: JP6702288B2
Application number: JP2017200622A
Authority: JP
Inventors: 高志勝野; 樹神　雅人; 雅人樹神
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: JP2019075463A

Description

本明細書が開示する技術は、シリコンフォトダイオードに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a silicon photodiode.

特許文献１に開示されるように、シリコンフォトダイオードは、ｐ型のアノード領域とｎ型のカソード領域で構成されるｐｎダイオードを有するシリコン基板を備えている。 As disclosed in Patent Document 1, a silicon photodiode includes a silicon substrate having a pn diode composed of a p-type anode region and an n-type cathode region.

特開２０１７−０９２５０２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-092502

このようなシリコンフォトダイオードの感度波長範囲は、シリコンのバンドギャップ（Ｅｇ＝１．１ｅＶ）に依存しており、概ね１１００ｎｍよりも短い波長域に制限される。シリコンのバンドギャップによって制限される感度波長範囲よりも長い波長域に感度波長範囲を有するシリコンフォトダイオードが必要とされている。 The sensitivity wavelength range of such a silicon photodiode depends on the bandgap (Eg=1.1 eV) of silicon and is limited to a wavelength range shorter than about 1100 nm. There is a need for a silicon photodiode having a sensitivity wavelength range longer than the sensitivity wavelength range limited by the band gap of silicon.

本明細書が開示するシリコンフォトダイオードは、シリコン基板及び波長変換層を備えることができる。シリコン基板は、ｐ型のアノード領域とｎ型のカソード領域で構成されるダイオードを有する。波長変換層は、シリコン基板上に設けられており、入射光を高次高調波に波長変換してシリコン基板に出射するように構成されている。このシリコンフォトダイオードでは、波長変換層が、長い波長の入射光をシリコン基板のダイオードが感度を有する波長域の高次高調波に変換する。これにより、このシリコンフォトダイオードは、シリコンのバンドギャップによって制限される感度波長範囲よりも長い波長の入射光を検出することができる。 The silicon photodiode disclosed in this specification may include a silicon substrate and a wavelength conversion layer. The silicon substrate has a diode composed of a p-type anode region and an n-type cathode region. The wavelength conversion layer is provided on the silicon substrate, and is configured to wavelength-convert incident light into high-order harmonics and emit the high-order harmonics to the silicon substrate. In this silicon photodiode, the wavelength conversion layer converts incident light with a long wavelength into high-order higher harmonics in the wavelength range in which the diode on the silicon substrate is sensitive. As a result, this silicon photodiode can detect incident light having a wavelength longer than the sensitivity wavelength range limited by the band gap of silicon.

上記シリコンフォトダイオードでは、波長変換層が、ペンタセン、チオヘン、ルブレン、アントラセン、又は、２−メチル−４−ニトロアニリンであってもよい。これらの有機膜の波長変換層は、入射光を高次高調波に効率的に波長変換することができる。これにより、シリコンフォトダイオードは、高感度に入射光を検出することができる。 In the above silicon photodiode, the wavelength conversion layer may be pentacene, thiophene, rubrene , anthracene, or 2-methyl-4-nitroaniline. The wavelength conversion layer of these organic films can efficiently perform wavelength conversion of incident light into higher harmonics. As a result, the silicon photodiode can detect incident light with high sensitivity.

上記シリコンフォトダイオードは、絶縁分離層及び一対の電極をさらに備えていてもよい。絶縁分離層は、シリコン基板と波長変換層の間に設けられている。一対の電極は、波長変換層を間に置いて配置されている。一対の電極は、波長変換層の表面と裏面にそれぞれ配置されてもよいし、波長変換層の面方向に対向するように配置されてもよい。このシリコンフォトダイオードでは、一対の電極に電圧を印加して波長変換層内に電界を生じさせることで、入射光を高次高調波に効率的に波長変換することができる。これにより、シリコンフォトダイオードは、高感度に入射光を検出することができる。 The silicon photodiode may further include an insulating separation layer and a pair of electrodes. The insulating separation layer is provided between the silicon substrate and the wavelength conversion layer. The pair of electrodes are arranged with the wavelength conversion layer in between. The pair of electrodes may be arranged on the front surface and the back surface of the wavelength conversion layer, respectively, or may be arranged so as to face each other in the surface direction of the wavelength conversion layer. In this silicon photodiode, by applying a voltage to the pair of electrodes to generate an electric field in the wavelength conversion layer, the incident light can be wavelength-converted into high-order harmonics efficiently. As a result, the silicon photodiode can detect incident light with high sensitivity.

上記シリコンフォトダイオードは、入射光が表面プラズモン共鳴することによって波長変換層に電界を作用させるように構成されている周期構造体をさらに備えていてもよい。周期構造体は、波長変換層内に埋設されて設けられていてもよいし、波長変換層の外部に設けられていてもよい。このシリコンフォトダイオードでは、周期構造体に発生する表面プラズモン共鳴によって波長変換層内に電界が生じることにより、入射光を高次高調波に効率的に波長変換することができる。これにより、シリコンフォトダイオードは、高感度に入射光を検出することができる。 The silicon photodiode may further include a periodic structure configured to cause an electric field to act on the wavelength conversion layer by causing incident light to undergo surface plasmon resonance. The periodic structure may be embedded and provided in the wavelength conversion layer, or may be provided outside the wavelength conversion layer. In this silicon photodiode, an electric field is generated in the wavelength conversion layer due to surface plasmon resonance generated in the periodic structure, so that the incident light can be efficiently wavelength-converted into higher harmonics. As a result, the silicon photodiode can detect incident light with high sensitivity.

上記シリコンフォトダイオードでは、周期構造体がブルズアイ構造を有していてもよい。この場合、半導体基板のアノード領域が、ブルズアイ構造の中心部の下方に選択的に配置されている。このシリコンフォトダイオードは、アノード領域とカソード領域の接合容量が低減されているので、高速で動作することができる。 In the above silicon photodiode, the periodic structure may have a bull's eye structure. In this case, the anode region of the semiconductor substrate is selectively arranged below the center of the bull's eye structure. This silicon photodiode can operate at high speed because the junction capacitance between the anode region and the cathode region is reduced.

第１実施形態のシリコンフォトダイオードの要部断面図を模式的に示しており、図２のI-I線に対応した要部断面図を示す。FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view of the main part of the silicon photodiode of the first embodiment, and shows a cross-sectional view of the main part corresponding to line I-I of FIG. 2. 第１実施形態のシリコンフォトダイオードの要部平面図を模式的に示しており、シリコン基板上の周期構造体のレイアウトを示す要部平面図を示す。1 schematically shows a plan view of a main part of a silicon photodiode according to the first embodiment, and shows a plan view of a main part showing a layout of a periodic structure on a silicon substrate. 第１実施形態のシリコンフォトダイオードの変形例の要部断面図を模式的に示す。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part of a modified example of the silicon photodiode of the first embodiment. 第１実施形態のシリコンフォトダイオードの変形例の要部断面図を模式的に示す。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part of a modified example of the silicon photodiode of the first embodiment. 第１実施形態のシリコンフォトダイオードの変形例の要部断面図を模式的に示す。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part of a modified example of the silicon photodiode of the first embodiment. 第２実施形態のシリコンフォトダイオードの要部断面図を模式的に示しており、図８のVI-VI線に対応した要部断面図を示す。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a main part of the silicon photodiode of the second embodiment, showing a cross-sectional view of the main part corresponding to line VI-VI in FIG. 8. 第２実施形態のシリコンフォトダイオードの要部断面図を模式的に示しており、図８のVII-VII線に対応した要部断面図を示す。FIG. 9 schematically shows a cross-sectional view of a main part of the silicon photodiode of the second embodiment, and shows a cross-sectional view of the main part corresponding to the line VII-VII in FIG. 8. 第２実施形態のシリコンフォトダイオードの要部平面図を模式的に示しており、シリコン基板上の周期構造体及びアノード電極のレイアウトを示す要部平面図を示す。FIG. 3 is a schematic plan view of a main part of a silicon photodiode according to a second embodiment, showing a plan view of a main part showing a layout of a periodic structure and an anode electrode on a silicon substrate. 第２実施形態のシリコンフォトダイオードの変形例の要部断面図を模式的に示す。FIG. 9 schematically shows a cross-sectional view of a main part of a modified example of the silicon photodiode of the second embodiment.

以下、図面を参照して各実施形態のシリコンフォトダイオードを説明する。なお、実質的に共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略することがある。 Hereinafter, the silicon photodiode of each embodiment will be described with reference to the drawings. It should be noted that components that are substantially common are given common reference numerals, and description thereof may be omitted.

（第１実施形態）
図１及び図２に示されるように、シリコンフォトダイオード１は、シリコン基板１０、波長変換層２２、周期構造体２４、カソード電極３２及びアノード電極３４を備えている。なお、図２は、シリコン基板１０上に設けられている波長変換層２２及びアノード電極３４を取り除き、周期構造体２４のレイアウトを表すための平面図である。 (First embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the silicon photodiode 1 includes a silicon substrate 10, a wavelength conversion layer 22, a periodic structure 24, a cathode electrode 32, and an anode electrode 34. 2 is a plan view showing the layout of the periodic structure 24 with the wavelength conversion layer 22 and the anode electrode 34 provided on the silicon substrate 10 removed.

シリコン基板１０は、シリコン単結晶の半導体基板であり、ｎ型のカソード領域１２及びｐ型のアノード領域１４を有している。カソード領域１２は、シリコン基板１０の裏面に露出するように配置されており、シリコン基板１０の裏面を被覆するカソード電極３２にオーミック接触している。カソード電極３２の材料は、アルミニウム又はチタンである。アノード領域１４は、カソード領域１２の表面上に設けられており、シリコン基板１０の表面に露出するように配置されている。カソード領域１２とアノード領域１４は、ｐｎダイオードを構成している。なお、カソード領域１２とアノード領域１４の間にｉ型の半導体層が挿入されていてもよい。シリコン基板１０は、カソード領域１２がｎ型の半導体基板として準備され、アノード領域１４がその半導体基板の表面から結晶成長して形成されている。 The silicon substrate 10 is a silicon single crystal semiconductor substrate, and has an n-type cathode region 12 and a p-type anode region 14. The cathode region 12 is arranged so as to be exposed on the back surface of the silicon substrate 10, and is in ohmic contact with the cathode electrode 32 that covers the back surface of the silicon substrate 10. The material of the cathode electrode 32 is aluminum or titanium. The anode region 14 is provided on the surface of the cathode region 12 and is arranged so as to be exposed on the surface of the silicon substrate 10. The cathode region 12 and the anode region 14 form a pn diode. An i-type semiconductor layer may be inserted between the cathode region 12 and the anode region 14. In the silicon substrate 10, the cathode region 12 is prepared as an n-type semiconductor substrate, and the anode region 14 is formed by crystal growth from the surface of the semiconductor substrate.

波長変換層２２は、シリコン基板１０の表面上に設けられており、入射光を第二次高調波（Second Harmonic Generation：SHG）に波長変換可能な材料で形成されている。シリコンフォトダイオード１は、波長が約１．６μｍの赤外線を測定対象としている。したがって、波長変換層２２は、波長が約１．６μｍの赤外線をその半分の波長の約０．８μｍの可視光線（又は、近赤外線）に波長変換可能な材料で形成されている。第二次高調波の光強度は、波長変換層２２の材料の分極が大きいほど大きくなる。このため、波長変換層２２の材料には、大きな分極が生じやすい有機膜が好ましい。この例では、波長変換層２２の材料には、ペンタセンが用いられている。波長変換層２２は、シリコン基板１０の表面上に周期構造体２４を形成した後に、蒸着技術、スパッタ技術、ＣＶＤ技術又はスピンコート技術を利用して成膜される。 The wavelength conversion layer 22 is provided on the surface of the silicon substrate 10 and is made of a material capable of converting the wavelength of incident light into a second harmonic wave (Second Harmonic Generation: SHG). The silicon photodiode 1 measures infrared rays having a wavelength of about 1.6 μm. Therefore, the wavelength conversion layer 22 is formed of a material capable of converting an infrared ray having a wavelength of about 1.6 μm into a visible ray (or a near infrared ray) having a wavelength half that of about 0.8 μm. The light intensity of the second harmonic increases as the polarization of the material of the wavelength conversion layer 22 increases. For this reason, the material of the wavelength conversion layer 22 is preferably an organic film that easily causes large polarization. In this example, pentacene is used as the material of the wavelength conversion layer 22. The wavelength conversion layer 22 is formed by using a vapor deposition technique, a sputtering technique, a CVD technique or a spin coating technique after forming the periodic structure 24 on the surface of the silicon substrate 10.

周期構造体２４は、シリコン基板１０の表面上に設けられており、波長変換層２２に埋設して設けられている。周期構造体２４は、シリコン基板１０の表面に対して直交する方向から観測したときに（以下、「平面視したときに」という）、等間隔に整列してアレイ状に配置された複数の金属粒子２４ａを有している（図２参照）。これら金属粒子２４ａは、縦方向及び横方向に沿って周期的に現れるパターンを有している。なお、周期構造体２４は、このようなアレイ状配置に限られず、他の様々な周期的なパターンで構成され得る。また、周期構造体２４は、複数の金属粒子２４ａの他に、複数の金属柱、金属配線、又は、金属層の表面に形成された凸部として構成されていてもよい。周期構造体２４の金属粒子２４ａの材料は、例えばアルミニウム、銀又は金である。周期構造体２４の金属粒子２４ａの直径２４Ｗａ及び隣り合う金属粒子２４ａの間隔２４Ｗｂは、測定対象の入射光に合わせて適宜調整される。この例では、シリコンフォトダイオード１は、波長が約１．６μｍの赤外線を測定対象としており、金属粒子２４ａの幅２４Ｗａは約０．８〜１．６μｍであり、間隔２４Ｗｂは約０．８〜１．６μｍである。周期構造体２４は、フォトリソグラフィー又は電子線描写等の微細加工技術、又は、金属ナノ粒子を分散させた溶液を塗布する方法を利用して形成される。 The periodic structure 24 is provided on the surface of the silicon substrate 10 and embedded in the wavelength conversion layer 22. The periodic structure 24 includes a plurality of metals arranged in an array at equal intervals when observed from a direction orthogonal to the surface of the silicon substrate 10 (hereinafter, referred to as “when viewed in plan”). It has particles 24a (see FIG. 2). These metal particles 24a have a pattern that appears periodically in the vertical and horizontal directions. Note that the periodic structure 24 is not limited to such an array-like arrangement, and may be configured with various other periodic patterns. Further, the periodic structure 24 may be configured as a plurality of metal pillars, metal wirings, or convex portions formed on the surface of the metal layer, in addition to the plurality of metal particles 24a. The material of the metal particles 24a of the periodic structure 24 is, for example, aluminum, silver or gold. The diameter 24Wa of the metal particles 24a of the periodic structure 24 and the interval 24Wb between the adjacent metal particles 24a are appropriately adjusted according to the incident light of the measurement target. In this example, the silicon photodiode 1 measures infrared rays having a wavelength of about 1.6 μm, the width 24 Wa of the metal particles 24 a is about 0.8 to 1.6 μm, and the interval 24 Wb is about 0.8 to. It is 1.6 μm. The periodic structure 24 is formed using a microfabrication technique such as photolithography or electron beam drawing, or a method of applying a solution in which metal nanoparticles are dispersed.

アノード電極３４は、波長変換層２２の表面上に設けられている。アノード電極３４の材料は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜である。 The anode electrode 34 is provided on the surface of the wavelength conversion layer 22. The material of the anode electrode 34 is a transparent conductive film of ITO (Indium Tin Oxide).

次に、シリコンフォトダイオード１の動作を説明する。シリコンフォトダイオード１は、図示省略の制御回路からの制御信号に基づいて、カソード電極３２に正電圧（＋１０Ｖ）が印加され、アノード電極３４に接地電圧が印加されて用いられる。この状態では、シリコン基板１０内のカソード領域１２とアノード領域１４で構成されるｐｎダイオードが逆バイアスされており、カソード電極３２とアノード電極３４の間に電流は流れない。アノード電極３４を透過して波長変換層２２に波長が約１．６μｍの赤外線が入射すると、波長変換層２２はその赤外線を波長が約０．８μｍの可視光線（又は、近赤外線）に波長変換してシリコン基板１０に出射する。可視光線（又は、近赤外線）の光強度は、波長変換層２２に入射する赤外線の光強度に依存する。シリコン基板１０内のｐｎダイオードは、波長が約０．８μｍの光に感度を有する。このように、シリコンフォトダイオード１は、赤外線を波長変換層２２で第二次高調波に波長変換し、その第二次高調波をシリコン基板１０内のｐｎダイオードで吸収するように構成されている。シリコンフォトダイオード１は、カソード電極３２とアノード電極３４の間を流れる電流値から直接的には第二次高調波の光強度を検出し、間接的には赤外線の光強度を検出することができる。このように、シリコンフォトダイオード１は、波長変換層２２の波長変換を利用することにより、シリコンのバンドギャップ（Ｅｇ＝１．１ｅＶ）によって制限される感度波長範囲（概ね１１００ｎｍよりも短い波長域）よりも長い波長の赤外線を検出することができる。 Next, the operation of the silicon photodiode 1 will be described. The silicon photodiode 1 is used with a positive voltage (+10 V) applied to the cathode electrode 32 and a ground voltage applied to the anode electrode 34 based on a control signal from a control circuit (not shown). In this state, the pn diode formed of the cathode region 12 and the anode region 14 in the silicon substrate 10 is reverse-biased, and no current flows between the cathode electrode 32 and the anode electrode 34. When infrared rays having a wavelength of about 1.6 μm enter the wavelength conversion layer 22 through the anode electrode 34, the wavelength conversion layer 22 converts the infrared rays into visible light (or near infrared rays) having a wavelength of about 0.8 μm. Then, the light is emitted to the silicon substrate 10. The light intensity of visible light (or near infrared light) depends on the light intensity of infrared light incident on the wavelength conversion layer 22. The pn diode in the silicon substrate 10 is sensitive to light having a wavelength of about 0.8 μm. As described above, the silicon photodiode 1 is configured to perform wavelength conversion of infrared rays into the second harmonic by the wavelength conversion layer 22 and absorb the second harmonic by the pn diode in the silicon substrate 10. .. The silicon photodiode 1 can directly detect the light intensity of the second harmonic wave from the value of the current flowing between the cathode electrode 32 and the anode electrode 34, and can indirectly detect the light intensity of infrared rays. .. As described above, the silicon photodiode 1 utilizes the wavelength conversion of the wavelength conversion layer 22, and thereby the sensitivity wavelength range (wavelength range shorter than about 1100 nm) limited by the band gap (Eg=1.1 eV) of silicon. Infrared rays with longer wavelengths can be detected.

シリコンフォトダイオード１は、周期構造体２４を備えていることを１つの特徴とする。波長変換層２２に赤外線が入射すると、周期構造体２４は、入射してきた赤外線の一部と表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモン共鳴により、金属粒子２４ａは共鳴するため、金属表面近傍にある波長変換層２２内で強い電場増強効果を生じさせることができる。ここで、波長変換層２２において、第二次高調波の光強度は、電界強度の２乗に概ね比例することが知られている。このように、シリコンフォトダイオード１では、周期構造体２４が波長変換層２２に強電界を生じさせることにより、波長変換層２２が赤外線を第二次高調波に効率的に波長変換することができる。このため、シリコンフォトダイオード１は、高感度に赤外線を検出することができる。 One feature of the silicon photodiode 1 is that it is provided with the periodic structure 24. When infrared rays enter the wavelength conversion layer 22, the periodic structure 24 causes surface plasmon resonance with a part of the incoming infrared rays. Since the metal particles 24a resonate by the surface plasmon resonance, a strong electric field enhancing effect can be generated in the wavelength conversion layer 22 near the metal surface. Here, in the wavelength conversion layer 22, it is known that the light intensity of the second harmonic is approximately proportional to the square of the electric field intensity. As described above, in the silicon photodiode 1, the periodic structure 24 causes the wavelength conversion layer 22 to generate a strong electric field, so that the wavelength conversion layer 22 can efficiently perform wavelength conversion of infrared rays into second harmonics. .. Therefore, the silicon photodiode 1 can detect infrared rays with high sensitivity.

図３に示すシリコンフォトダイオード２は、シリコンフォトダイオード１の変形例であり、周期構造体２６がアノード電極３４の表面上に設けられていることを特徴とする。また、周期構造体２６は、複数の金属柱２６ａを有していることを特徴とする。複数の金属柱２６ａは、シリコンフォトダイオード１の複数の金属粒子２４ａと同様に（図２参照）、アノード電極３４の表面上においてアレイ状に配置されている。なお、周期構造体２６は、このようなアレイ状配置に限られず、他の様々な周期的なパターンで構成され得る。また、周期構造体２６は、複数の金属柱２６ａの他に、複数の金属粒子、金属配線、又は、金属層の表面に形成された凸部として構成されていてもよい。このシリコンフォトダイオード２も、赤外線を波長変換層２２で第二次高調波に波長変換し、その第二次高調波をシリコン基板１０内のｐｎダイオードで吸収することができる。シリコンフォトダイオード２も、カソード電極３２とアノード電極３４の間を流れる電流値から直接的には第二次高調波の光強度を検出し、間接的には赤外線の光強度を検出することができる。さらに、周期構造体２６が波長変換層２２に強電界を生じさせることにより、波長変換層２２が赤外線を第二次高調波に効率的に波長変換することができる。このため、シリコンフォトダイオード２は、高感度に赤外線を検出することができる。 The silicon photodiode 2 shown in FIG. 3 is a modified example of the silicon photodiode 1, and is characterized in that the periodic structure 26 is provided on the surface of the anode electrode 34. Further, the periodic structure 26 is characterized by having a plurality of metal columns 26a. The plurality of metal pillars 26a are arranged in an array on the surface of the anode electrode 34, similarly to the plurality of metal particles 24a of the silicon photodiode 1 (see FIG. 2). Note that the periodic structure 26 is not limited to such an array-like arrangement, and may be configured with various other periodic patterns. Further, the periodic structure 26 may be configured as a plurality of metal particles, metal wiring, or a convex portion formed on the surface of the metal layer, in addition to the plurality of metal columns 26a. This silicon photodiode 2 is also capable of wavelength-converting infrared rays into a second harmonic by the wavelength conversion layer 22, and absorbing the second harmonic by the pn diode in the silicon substrate 10. The silicon photodiode 2 can also directly detect the light intensity of the second harmonic from the value of the current flowing between the cathode electrode 32 and the anode electrode 34, and can indirectly detect the light intensity of infrared rays. .. Further, since the periodic structure 26 generates a strong electric field in the wavelength conversion layer 22, the wavelength conversion layer 22 can efficiently convert the infrared rays into the second harmonic. Therefore, the silicon photodiode 2 can detect infrared rays with high sensitivity.

図４に示すシリコンフォトダイオード３は、シリコンフォトダイオード２の変形例であり、シリコン基板１０と波長変換層２２の間に設けられている絶縁分離層４２を備えていることを特徴とする。絶縁分離層４２は、シリコン基板１０と波長変換層２２を絶縁分離する。絶縁分離層４２は、波長変換層２２が出射する第二次高調波に対して透明な材料であり、この例では酸化シリコンである。さらに、シリコンフォトダイオード３は、波長変換層２２の裏面を被覆する第１制御電極５２及び波長変換層２２の表面を被覆する第２制御電極５４を備えていることを特徴とする。換言すると、カソード電極３２、シリコン基板１０、アノード電極３４、絶縁分離層４２、第１制御電極５２、波長変換層２２及び第２制御電極５４がこの順で積層されている。第１制御電極５２及び第２制御電極５４の材料はいずれも、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜である。周期構造体２６が、第２制御電極５４の表面上に設けられている。 The silicon photodiode 3 shown in FIG. 4 is a modified example of the silicon photodiode 2, and is characterized by including an insulating separation layer 42 provided between the silicon substrate 10 and the wavelength conversion layer 22. The insulation separation layer 42 insulation-separates the silicon substrate 10 and the wavelength conversion layer 22. The insulating separation layer 42 is a material transparent to the second harmonic emitted from the wavelength conversion layer 22, and is silicon oxide in this example. Furthermore, the silicon photodiode 3 is characterized by including a first control electrode 52 that covers the back surface of the wavelength conversion layer 22 and a second control electrode 54 that covers the front surface of the wavelength conversion layer 22. In other words, the cathode electrode 32, the silicon substrate 10, the anode electrode 34, the insulating separation layer 42, the first control electrode 52, the wavelength conversion layer 22, and the second control electrode 54 are laminated in this order. The materials of the first control electrode 52 and the second control electrode 54 are both transparent conductive films of ITO (Indium Tin Oxide). The periodic structure 26 is provided on the surface of the second control electrode 54.

シリコンフォトダイオード３では、赤外線の光強度が小さい場合に、第１制御電極５２と第２制御電極５４の間に電圧を印加し、波長変換層２２内の電界を強くする。これにより、波長変換層２２が赤外線を第二次高調波に効率的に変換することができ、シリコンフォトダイオード３は、光強度が弱い赤外線を高感度に検出することができる。なお、赤外線の光強度が十分に強いときは、第１制御電極５２と第２制御電極５４の間に印加する電圧を弱くし、消費電力を抑えることができる。このように、シリコンフォトダイオード３は、感度と消費電力の間のトレードオフを改善することができる。なお、波長変換層２２内の電界方向は特に制限されないことから、第１制御電極５２に第２制御電極５４よりも高い電圧が印加されてもよく、第２制御電極５４に第１制御電極５２よりも高い電圧が印加されてもよい。また、図５に示すシリコンフォトダイオード４のように、第１制御電極５２及び第２制御電極５４が、波長変換層２２を貫通するトレンチに充填されており、波長変換層２２の面方向に対応するように形成されていてもよい。この場合、波長変換層２２の電界方向は、波長変換層２２の面方向となる。 In the silicon photodiode 3, when the infrared light intensity is low, a voltage is applied between the first control electrode 52 and the second control electrode 54 to strengthen the electric field in the wavelength conversion layer 22. As a result, the wavelength conversion layer 22 can efficiently convert infrared rays into second harmonics, and the silicon photodiode 3 can detect infrared rays having low light intensity with high sensitivity. When the infrared light intensity is sufficiently high, the voltage applied between the first control electrode 52 and the second control electrode 54 can be weakened to reduce power consumption. Thus, the silicon photodiode 3 can improve the trade-off between sensitivity and power consumption. Since the electric field direction in the wavelength conversion layer 22 is not particularly limited, a voltage higher than that of the second control electrode 54 may be applied to the first control electrode 52 and the first control electrode 52 may be applied to the second control electrode 54. A higher voltage may be applied. Further, like the silicon photodiode 4 shown in FIG. 5, the first control electrode 52 and the second control electrode 54 are filled in the trench penetrating the wavelength conversion layer 22, and correspond to the surface direction of the wavelength conversion layer 22. It may be formed so that. In this case, the electric field direction of the wavelength conversion layer 22 is the surface direction of the wavelength conversion layer 22.

（第２実施形態）
図６〜図８に示されるように、シリコンフォトダイオード５は、シリコン基板１００、波長変換層１２２、周期構造体１２４、カソード電極１３２、アノード電極１３４、絶縁層１４２及び層間絶縁膜１４４を備えている。なお、図８は、シリコン基板１００上に設けられている層間絶縁膜１４４を取り除き、周期構造体１２４及びアノード電極１３４のレイアウトを表すための平面図である。 (Second embodiment)
As shown in FIGS. 6 to 8, the silicon photodiode 5 includes a silicon substrate 100, a wavelength conversion layer 122, a periodic structure 124, a cathode electrode 132, an anode electrode 134, an insulating layer 142, and an interlayer insulating film 144. There is. Note that FIG. 8 is a plan view showing the layout of the periodic structure 124 and the anode electrode 134 with the interlayer insulating film 144 provided on the silicon substrate 100 removed.

図６及び図７に示されるように、シリコン基板１００は、シリコン単結晶の半導体基板であり、ｎ型のカソード領域１１２及びｐ型のアノード領域１１４を有している。ｎ型のカソード領域１１２は、アノード領域１１４を取り囲むように設けられている。カソード領域１１２は、シリコン基板１００の裏面に露出するように配置されており、シリコン基板１００の裏面を被覆するカソード電極１３２にオーミック接触している。カソード電極１３２の材料は、アルミニウム又はチタンである。アノード領域１１４は、カソード領域１１２の表面上に設けられており、シリコン基板１００の表面の一部に露出するように配置されている。カソード領域１１２とアノード領域１１４は、ｐｎダイオードを構成している。なお、カソード領域１１２とアノード領域１１４の間にｉ型の半導体層が挿入されていてもよい。シリコン基板１００は、カソード領域１１２がｎ型の半導体基板として準備され、アノード領域１１４がその半導体基板の表面にｐ型不純物をイオン注入して形成されている。 As shown in FIGS. 6 and 7, the silicon substrate 100 is a silicon single crystal semiconductor substrate and has an n-type cathode region 112 and a p-type anode region 114. The n-type cathode region 112 is provided so as to surround the anode region 114. The cathode region 112 is arranged so as to be exposed on the back surface of the silicon substrate 100, and is in ohmic contact with the cathode electrode 132 that covers the back surface of the silicon substrate 100. The material of the cathode electrode 132 is aluminum or titanium. The anode region 114 is provided on the surface of the cathode region 112, and is arranged so as to be exposed at a part of the surface of the silicon substrate 100. The cathode region 112 and the anode region 114 form a pn diode. An i-type semiconductor layer may be inserted between the cathode region 112 and the anode region 114. In the silicon substrate 100, the cathode region 112 is prepared as an n-type semiconductor substrate, and the anode region 114 is formed by ion-implanting p-type impurities into the surface of the semiconductor substrate.

波長変換層１２２は、シリコン基板１００の表面上に設けられており、周期構造体１２４の中心部に配置されている。波長変換層１２２は、アノード領域１１４に接触している。換言すると、アノード領域１１４は、平面視したときに、波長変換層１２２の存在範囲を含むように、波長変換層１２２の下方に選択的に配置されている。波長変換層１２２は、入射光を第二次高調波に波長変換可能な材料で形成されている。シリコンフォトダイオード５は、波長が約１．６μｍの赤外線を測定対象としている。したがって、波長変換層１２２は、波長が約１．６μｍの赤外線をその半分の波長の約０．８μｍの可視光線（又は、近接外線）に波長変換可能な材料で形成されている。第二次高調波の光強度は、波長変換層１２２の材料の分極が大きいほど大きくなる。このため、波長変換層１２２の材料には、大きな分極が生じやすい有機膜が好ましい。この例では、波長変換層１２２の材料は、ペンタセンである。波長変換層１２２は、蒸着技術、スパッタ技術、ＣＶＤ技術又はスピンコート技術を利用して、シリコン基板１００の表面上に成膜される。 The wavelength conversion layer 122 is provided on the surface of the silicon substrate 100 and is arranged at the center of the periodic structure 124. The wavelength conversion layer 122 is in contact with the anode region 114. In other words, the anode region 114 is selectively arranged below the wavelength conversion layer 122 so as to include the existing range of the wavelength conversion layer 122 when seen in a plan view. The wavelength conversion layer 122 is formed of a material capable of converting incident light into a second harmonic wave. The silicon photodiode 5 targets infrared rays having a wavelength of about 1.6 μm. Therefore, the wavelength conversion layer 122 is formed of a material capable of wavelength conversion of infrared rays having a wavelength of about 1.6 μm into visible light rays (or near external rays) having a wavelength half that of about 0.8 μm. The light intensity of the second harmonic increases as the polarization of the material of the wavelength conversion layer 122 increases. For this reason, the material of the wavelength conversion layer 122 is preferably an organic film that easily causes large polarization. In this example, the material of the wavelength conversion layer 122 is pentacene. The wavelength conversion layer 122 is formed on the surface of the silicon substrate 100 using a vapor deposition technique, a sputtering technique, a CVD technique, or a spin coating technique.

周期構造体１２４は、シリコン基板１００の表面上に設けられている絶縁層１４２を介してシリコン基板１００上に配設されており、平面視したときに、同心円状に形成された複数の金属配線１２４ａを有している（図８参照）。これら金属配線１２４ａは、径方向に沿って周期的に現れるパターンを有している。このような金属配線パターンは、ブルズアイ構造とも称される。なお、周期構造体１２４は、ブルズアイ構造に限られず、他の様々な周期的なパターンで構成され得る。また、周期構造体１２４は、複数の金属配線１２４ａの他に、複数の金属粒子、金属柱、又は、金属層の表面に形成された凸部として構成されていてもよい。周期構造体１２４の金属配線１２４ａの材料は、例えばアルミニウム、銀又は金である。周期構造体１２４の金属配線１２４ａの幅１２４Ｗａ及び径方向のピッチ幅１２４Ｗｂは、測定対象の入射光に合わせて適宜調整される。この例では、シリコンフォトダイオード５は、波長が約１．６μｍの赤外線を測定対象としており、金属配線１２４ａの幅１２４Ｗａは約０．８〜１．６μｍであり、ピッチ幅１２４Ｗｂは約０．８〜１．６μｍである。周期構造体１２４の金属配線１２４ａの各々は、周期パッド部１２４ｂに電気的に接続されている。 The periodic structure 124 is disposed on the silicon substrate 100 via the insulating layer 142 provided on the surface of the silicon substrate 100, and has a plurality of concentric metal wirings when viewed in a plan view. 124a (see FIG. 8). These metal wirings 124a have a pattern that appears periodically along the radial direction. Such a metal wiring pattern is also called a bull's eye structure. Note that the periodic structure 124 is not limited to the bull's eye structure, and may have various other periodic patterns. Further, the periodic structure 124 may be configured as a plurality of metal particles, metal columns, or a convex portion formed on the surface of the metal layer, in addition to the plurality of metal wirings 124a. The material of the metal wiring 124a of the periodic structure 124 is, for example, aluminum, silver or gold. The width 124 Wa of the metal wiring 124 a and the radial pitch width 124 Wb of the periodic structure 124 are appropriately adjusted according to the incident light of the measurement target. In this example, the silicon photodiode 5 measures infrared rays having a wavelength of about 1.6 μm, the width 124 Wa of the metal wiring 124 a is about 0.8 to 1.6 μm, and the pitch width 124 Wb is about 0.8. Is about 1.6 μm. Each of the metal wirings 124a of the periodic structure 124 is electrically connected to the periodic pad portion 124b.

アノード電極１３４は、波長変換層１２２の表面上に設けられており、周期構造体１２４の中心部に配置されている。アノード電極１３４は、層間絶縁膜１４４の表面上を伸びてアノードパッド部１３４ａに電気的に接続されている（図７及び図８参照）。アノード電極１３４と周期構造体１２４の金属配線１２４ａは、層間絶縁膜１４４によって絶縁されている。アノード電極１３４の材料は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜である。 The anode electrode 134 is provided on the surface of the wavelength conversion layer 122, and is arranged at the center of the periodic structure 124. The anode electrode 134 extends on the surface of the interlayer insulating film 144 and is electrically connected to the anode pad portion 134a (see FIGS. 7 and 8). The anode electrode 134 and the metal wiring 124 a of the periodic structure 124 are insulated by the interlayer insulating film 144. The material of the anode electrode 134 is a transparent conductive film of ITO (Indium Tin Oxide).

次に、シリコンフォトダイオード５の動作を説明する。シリコンフォトダイオード５は、図示省略の制御回路からの制御信号に基づいて、カソード電極１３２に正電圧（＋１０Ｖ）が印加され、アノード電極１３４に接地電圧が印加され、周期パッド部１２４ｂに−５〜＋５Ｖが印加されて用いられる。この状態では、シリコン基板１００内のカソード領域１１２とアノード領域１１４で構成されるｐｎダイオードが逆バイアスされており、カソード電極１３２とアノード電極１３４の間に電流は流れない。アノード電極１３４を透過して波長変換層１２２に波長が約１．６μｍの赤外線が入射すると、波長変換層１２２はその赤外線を波長が約０．８μｍの可視光線（又は、近赤外線）に波長変換してシリコン基板１００に出射する。可視光線（又は、近赤外線）の光強度は、波長変換層１２２に入射する赤外線の光強度に依存する。シリコン基板１００内のｐｎダイオードは、波長が約０．８μｍの光に感度を有する。このように、シリコンフォトダイオード５は、赤外線を波長変換層１２２で第二次高調波に波長変換し、その第二次高調波をシリコン基板１００内のｐｎダイオードで吸収するように構成されている。シリコンフォトダイオード５は、カソード電極１３２とアノード電極１３４の間を流れる電流値から直接的には第二次高調波の光強度を検出し、間接的には赤外線の光強度を検出することができる。このように、シリコンフォトダイオード５は、波長変換層１２２の波長変換を利用することにより、シリコンのバンドギャップ（Ｅｇ＝１．１ｅＶ）によって制限される感度波長範囲（概ね１１００ｎｍよりも短い波長域）よりも長い波長の赤外線を検出することができる。 Next, the operation of the silicon photodiode 5 will be described. In the silicon photodiode 5, a positive voltage (+10V) is applied to the cathode electrode 132, a ground voltage is applied to the anode electrode 134, and −5 to −5 is applied to the periodic pad portion 124b based on a control signal from a control circuit (not shown). +5V is applied and used. In this state, the pn diode composed of the cathode region 112 and the anode region 114 in the silicon substrate 100 is reverse-biased, and no current flows between the cathode electrode 132 and the anode electrode 134. When infrared light having a wavelength of about 1.6 μm is incident on the wavelength conversion layer 122 through the anode electrode 134, the wavelength conversion layer 122 converts the infrared light into visible light (or near infrared light) having a wavelength of about 0.8 μm. Then, the light is emitted to the silicon substrate 100. The light intensity of visible light (or near infrared light) depends on the light intensity of infrared light incident on the wavelength conversion layer 122. The pn diode in the silicon substrate 100 is sensitive to light having a wavelength of about 0.8 μm. As described above, the silicon photodiode 5 is configured so that the wavelength conversion layer 122 converts the wavelength of infrared light into the second harmonic wave, and the second harmonic wave is absorbed by the pn diode in the silicon substrate 100. .. The silicon photodiode 5 can directly detect the light intensity of the second harmonic wave from the value of the current flowing between the cathode electrode 132 and the anode electrode 134, and can indirectly detect the light intensity of the infrared light. .. As described above, the silicon photodiode 5 utilizes the wavelength conversion of the wavelength conversion layer 122, and thus the sensitivity wavelength range (wavelength range shorter than about 1100 nm) limited by the band gap (Eg=1.1 eV) of silicon. Infrared rays with longer wavelengths can be detected.

シリコンフォトダイオード５は、周期構造体１２４を備えていることを１つの特徴とする。赤外光が入射すると、周期構造体１２４は、入射してきた赤外線の一部と表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモンは、電場増強効果により周期構造体１２４の中心側に向けて伝播する。そのため、波長変換層１２２内に強い電場が形成される。このように、シリコンフォトダイオード５では、周期構造体１２４が波長変換層１２２に強電界を生じさせることにより、波長変換層１２２が赤外線を第二次高調波に効率的に変換することができる。このため、シリコンフォトダイオード５は、高感度に赤外線を検出することができる。 One feature of the silicon photodiode 5 is that it is provided with the periodic structure 124. When infrared light is incident, the periodic structure 124 causes surface plasmon resonance with part of the incident infrared light. The surface plasmons propagate toward the center of the periodic structure 124 due to the electric field enhancement effect. Therefore, a strong electric field is formed in the wavelength conversion layer 122. As described above, in the silicon photodiode 5, the periodic structure 124 generates a strong electric field in the wavelength conversion layer 122, so that the wavelength conversion layer 122 can efficiently convert infrared rays into second harmonics. Therefore, the silicon photodiode 5 can detect infrared rays with high sensitivity.

また、シリコンフォトダイオード５では、周期構造体１２４の中心部に波長変換層１２２を配置し、その下方にアノード領域１１４が選択的に配置されている。ブルズアイ構造の周期構造体１２４により、周期構造体１２４の中心部に電界が集中するため、その直下の波長変換層１２２の電界も増強され、波長変換層１２２が赤外線を第二次高調波に効率的に変換することができる。さらに、周期パッド部１２４ｂに電圧が印加されることにより、ブルズアイ構造の中心における電界集中が促進され、その結果、波長変換層１２２は、赤外線を第二次高調波に極めて効率的に変換することができる。さらに、カソード領域１１２とアノード領域１１４の接合容量が小さくなり、シリコンフォトダイオード５は高速に動作することができる。 Further, in the silicon photodiode 5, the wavelength conversion layer 122 is arranged at the center of the periodic structure 124, and the anode region 114 is selectively arranged below the wavelength conversion layer 122. Since the electric field is concentrated on the central portion of the periodic structure 124 by the periodic structure 124 having the bullseye structure, the electric field of the wavelength conversion layer 122 immediately below the electric field is also enhanced, and the wavelength conversion layer 122 efficiently converts infrared rays into second harmonics. Can be converted to Further, by applying a voltage to the periodic pad portion 124b, electric field concentration in the center of the bull's eye structure is promoted, and as a result, the wavelength conversion layer 122 converts the infrared rays into the second harmonic wave extremely efficiently. You can Further, the junction capacitance between the cathode region 112 and the anode region 114 becomes small, and the silicon photodiode 5 can operate at high speed.

図９に示すシリコンフォトダイオード６は、シリコンフォトダイオード５の変形例であり、シリコン基板１００と波長変換層１２２の間に設けられている絶縁分離層２４２を備えていることを特徴とする。絶縁分離層２４２は、シリコン基板１００と波長変換層１２２を絶縁分離する。絶縁分離層２４２は、波長変換層１２２が出射する第二次高調波に対して透明な材料であり、この例では酸化シリコンである。さらに、シリコンフォトダイオード６は、波長変換層１２２の裏面を被覆する第１制御電極１５２及び波長変換層１２２の表面を被覆する第２制御電極１５４を備えていることを特徴とする。換言すると、カソード電極１３２、シリコン基板１００、アノード電極１３４、絶縁分離層２４２、第１制御電極１５２、波長変換層１２２及び第２制御電極１５４がこの順で積層されている。第１制御電極１５２及び第２制御電極１５４の材料はいずれも、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜である。周期構造体１２４が、絶縁層１４２の表面上に設けられている。 The silicon photodiode 6 shown in FIG. 9 is a modified example of the silicon photodiode 5, and is characterized by including an insulating separation layer 242 provided between the silicon substrate 100 and the wavelength conversion layer 122. The insulation separation layer 242 insulation-separates the silicon substrate 100 and the wavelength conversion layer 122. The insulating separation layer 242 is a material transparent to the second harmonic emitted from the wavelength conversion layer 122, and is silicon oxide in this example. Furthermore, the silicon photodiode 6 is characterized by including a first control electrode 152 that covers the back surface of the wavelength conversion layer 122 and a second control electrode 154 that covers the front surface of the wavelength conversion layer 122. In other words, the cathode electrode 132, the silicon substrate 100, the anode electrode 134, the insulating separation layer 242, the first control electrode 152, the wavelength conversion layer 122, and the second control electrode 154 are laminated in this order. The materials of the first control electrode 152 and the second control electrode 154 are both transparent conductive films of ITO (Indium Tin Oxide). The periodic structure 124 is provided on the surface of the insulating layer 142.

シリコンフォトダイオード６では、赤外線の光強度が小さい場合に、第１制御電極１５２と第２制御電極１５４の間に電圧を印加し、波長変換層１２２内の電界を強くする。これにより、波長変換層１２２が赤外線を第二次高調波に効率的に変換することができ、シリコンフォトダイオード６は、光強度が弱い赤外線を高感度に検出することができる。なお、赤外線の光強度が十分に強いときは、第１制御電極１５２と第２制御電極１５４の間に印加する電圧を弱くし、消費電力を抑えることができる。このように、シリコンフォトダイオード６は、感度と消費電力の間のトレードオフを改善することができる。なお、波長変換層１２２内の電界方向は特に制限されないことから、第１制御電極１５２に第２制御電極１５４よりも高い電圧が印加されてもよく、第２制御電極１５４に第１制御電極１５２よりも高い電圧が印加されてもよい。 In the silicon photodiode 6, when the infrared light intensity is low, a voltage is applied between the first control electrode 152 and the second control electrode 154 to strengthen the electric field in the wavelength conversion layer 122. As a result, the wavelength conversion layer 122 can efficiently convert infrared rays into second harmonics, and the silicon photodiode 6 can detect infrared rays with low light intensity with high sensitivity. Note that when the infrared light intensity is sufficiently high, the voltage applied between the first control electrode 152 and the second control electrode 154 can be weakened and power consumption can be suppressed. Thus, the silicon photodiode 6 can improve the trade-off between sensitivity and power consumption. Since the electric field direction in the wavelength conversion layer 122 is not particularly limited, a voltage higher than that of the second control electrode 154 may be applied to the first control electrode 152, and the first control electrode 152 may be applied to the second control electrode 154. A higher voltage may be applied.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. Further, the technical elements described in the present specification or the drawings exert technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technique illustrated in the present specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes has technical utility.

１：シリコンフォトダイオード
１０：シリコン基板
１２：カソード領域
１４：アノード領域
２２：波長変換層
２４：周期構造体
２４ａ：金属粒子
３２：カソード電極
３４：アノード電極 1: Silicon photodiode 10: Silicon substrate 12: Cathode region 14: Anode region 22: Wavelength conversion layer 24: Periodic structure 24a: Metal particles 32: Cathode electrode 34: Anode electrode

Claims

A silicon photodiode,
a silicon substrate having a diode composed of a p-type anode region and an n-type cathode region;
A wavelength conversion layer that is provided on the silicon substrate and is configured to convert the wavelength of incident light into higher harmonics and emit the wavelength to the silicon substrate.
An insulating separation layer provided between the silicon substrate and the wavelength conversion layer,
A pair of electrodes arranged with the wavelength conversion layer interposed therebetween , a silicon photodiode.

The silicon photodiode according to claim 1, wherein the wavelength conversion layer is pentacene, thiophene, rubrene , anthracene, or 2-methyl-4-nitroaniline.

The silicon photodiode according to claim 1 or 2 , further comprising: a periodic structure configured to generate an electric field in the wavelength conversion layer by surface plasmon resonance of the incident light.

The silicon photodiode according to claim 3 , wherein the periodic structure is embedded in the wavelength conversion layer.

The periodic structure has a bullseye structure,
The silicon photodiode according to claim 3 or 4 , wherein the anode region of the silicon substrate is selectively disposed below a central portion of the bull's eye structure.

A silicon photodiode,
a silicon substrate having a diode composed of a p-type anode region and an n-type cathode region;
A wavelength conversion layer that is provided on the silicon substrate and is configured to convert the wavelength of incident light into higher harmonics and emit the wavelength to the silicon substrate.
And a periodic structure configured to generate an electric field in the wavelength conversion layer by surface plasmon resonance of the incident light.

The silicon photodiode according to claim 6, wherein the periodic structure is embedded in the wavelength conversion layer.

The periodic structure has a bullseye structure,
The silicon photodiode according to claim 6 or 7, wherein the anode region of the silicon substrate is selectively disposed below a central portion of the bull's eye structure.