JP7488782B2 - フォトダイオード - Google Patents

Description

本発明は、放射線耐性に優れたフォトダイオードに関する。

逆バイアスが印加されるフォトダイオードでは、より高い逆バイアス電圧を印加することでｐｎ接合部に形成される空乏層を拡げて検出感度を高くするために、逆方向耐圧の向上が図られる。

特許文献1には、ｐ型高濃度半導体領域を内側に有するp型低濃度半導体領域が表面に設けられるｎ型半導体層と絶縁体層とが積層される半導体装置において、逆方向耐圧を向上させるために、空乏層内の電界集中を緩和する構造が開示される。具体的には、絶縁体層のスルーホールに設けられる第１導体がｐ型高濃度半導体領域に接続され、絶縁体層の上または中に設けられ、第１導体に接続される第２導体が表面の垂直方向から見たときにｐ型高濃度半導体領域よりも外側に配置される。

特許第５８１８２３８号公報

しかしながら、特許文献１では、高放射線場におけるリーク電流の発生に関する配慮がなされていない。入射する放射線によって絶縁体層の中に電子とともに誘起される正孔は、絶縁体層の中に水素ラジカルを発生させる。水素ラジカルは、絶縁体層に形成される電界によって絶縁体層と半導体層との界面に移動して界面欠陥を発生させ、リーク電流を増大させる。

そこで本発明は、高放射線場であってもリーク電流を抑制可能なフォトダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、第一導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である第一導電型高濃度層と、第二導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である第二導電型高濃度層と、第二導電型であって不純物濃度が比較的低い半導体層であり前記第一導電型高濃度層と前記第二導電型高濃度層とを表面に有する第二導電型低濃度層と、前記表面を覆う絶縁体層と、前記絶縁体層を貫き前記第一導電型高濃度層と接続する第一導体と、前記絶縁体層を貫き前記第二導電型高濃度層と接続する第二導体を備えるフォトダイオードであって、前記第二導体と同電位であって前記絶縁体層の中または上に設けられる第三導体をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、高放射線場であってもリーク電流を抑制可能なフォトダイオードを提供することができる。

実施形態１のフォトダイオードの平面図である。 実施形態１のフォトダイオードの断面図である。 実施形態２のフォトダイオードの平面図である。 実施形態２のフォトダイオードの一部が切り出された斜視図である。 実施形態３のフォトダイオードの断面図である。 実施形態４のフォトダイオードの断面図である。

以下、図面を用いて本発明のフォトダイオードの実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施形態１）
図１Ａと図１Ｂを用いて、本発明のフォトダイオードの実施形態１について説明する。なお図１Ａは平面図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ-Ａ断面図である。

フォトダイオードは可視光や放射線を検出する装置であり、基板１と絶縁体層６の間にエピタキシャル層２と第二導電型低濃度層３、第二導電型高濃度層４、第一導電型高濃度層５が設けられる。第一導電型高濃度層５は第一導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である。第二導電型高濃度層４は第一導電型と異なる第二導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である。第二導電型低濃度層３は第二導電型であって不純物濃度が比較的低い半導体層である。すなわち第一導電型がｐ型であれば第二導電型はｎ型であり、高濃度層は低濃度層よりも不純物濃度が高い。

エピタキシャル層２は基板１の上に形成され、第一導電型高濃度層５と第二導電型高濃度層４を表面に有する第二導電型低濃度層３はエピタキシャル層２の上に形成される。また第二導電型低濃度層３の表面は絶縁体層６で覆われる。なお図１Ａでは、位置を明確にするために、第二導電型低濃度層３、第二導電型高濃度層４、第一導電型高濃度層５が点線で示される。

第一導電型高濃度層５には、絶縁体層６を貫くスルーホール７を通じて第一導体９が接続され、第二導電型高濃度層４には第二導体８が接続される。第一導体９と第二導体８は導電体であって外部回路が接続され、第二導体８に接続される第二導電型高濃度層４には、第一導体９に接続される第一導電型高濃度層５よりも高い電位が印加される。第二導電型低濃度層３と第一導電型高濃度層５との接合部に形成される空乏層は、外部回路から電位が印加されることよって拡げられ、フォトダイオードの検出感度が高くなる。

さらに絶縁体層６の上または中には第三導体１０が設けられる。第三導体１０は導電体であって、第一導体９と第二導体８の間に設けられ、第二導体８と電気的に接続される。すなわち、第三導体１０と第二導体８とは同電位であり、第二導体８に接続される第二導電型高濃度層４と第二導電型低濃度層３も同電位である。

実施形態１の構成によれば、同電位である第三導体１０と第二導電型低濃度層３に挟まれる絶縁体層６の領域は無電界となる。その結果、絶縁体層６への放射線の入射によって電子－正孔対が誘起され、正孔が水素ラジカルを発生させたとしても、絶縁体層６と半導体層との界面に移動して界面欠陥を生じさせる水素ラジカルを低減できるので、リーク電流を抑制できる。

なお絶縁体層６において無電界となる領域をより拡げるために、第三導体１０は第一導体９のより近傍に配置されることが望ましい。また界面近傍を無電界となる領域にするために、絶縁体層６の中に第三導体１０が設けられる場合、第二導電型低濃度層３のより近傍に第三導体１０が配置されることが望ましい。

（実施形態２）
図２Ａと図２Ｂを用いて、本発明のフォトダイオードの実施形態２について説明する。なお図２Ｂは、平面図である図２Ａの中の直線ａ、ｂ、ｃによって切り出された部分の斜視図である。

実施形態２が実施形態１と異なる点は、平面図における第三導体１０の形状である。すなわち、表面と垂直な方向から見たときの第三導体１０の形状が、実施形態１では正方形であるのに対し、実施形態２では内側に突出する凸部を有する形状である。第三導体１０が凸部を有する形状であることにより、絶縁体層６において無電界となる領域をより拡げられるので、リーク電流をより抑制できる。なお、第三導体１０の凸部は、表面と垂直な方向から見たときに第一導電型高濃度層５と重なるように設けられることが望ましい。

さらに第三導体１０の凸部が、平面図において絶縁体層６を貫くスルーホール７と重ならないようにするため、第三導体１０の凸部と対応する凹部が第一導体９の外側に設けられることが望ましい。すなわち第三導体１０と第一導体９の凹凸は互いに噛み合うように設けられる。またスルーホール７は第一導体９の凸部に設けられる。

実施形態２の構成によれば、同電位である第三導体１０と第二導電型低濃度層３に挟まれ、絶縁体層６において無電界となる領域がより拡げられるので、リーク電流をより抑制できる。なおスルーホール７は、図２Ａと図２Ｂに例示される形状に限定されず、平面図において第三導体１０の凸部と重ならなければ任意の形状であっても良い。

（実施形態３）
図３を用いて、本発明のフォトダイオードの実施形態３について説明する。実施形態３が実施形態１と異なる点は、第二導体８と第三導体１０の構成である。すなわち実施形態１では第二導体８と第三導体１０は個別に設けられるのに対し、実施形態３では両者が一体化して構成される。

実施形態３の構成によれば、第二導体８と第三導体１０が一体化して構成されるので、両者を配線などで接続せずにすみ、フォトダイオードの構造をより簡略化できる。また第二導体８の一部と第三導体１０とは同じ層として形成されるので、フォトダイオードの製造プロセスをより簡略化できる。

なお第二導体８が多層化される場合は、半導体層により近い層を第三導体１０と同じ層にすることが好ましい。このような構成により、第三導体１０と第二導電型低濃度層３とに挟まれる絶縁体層６が薄くなるので、電子－正孔対が誘起される確率を低減でき、リーク電流をより抑制できる。

（実施形態４）
図４を用いて、本発明のフォトダイオードの実施形態４について説明する。実施形態４では、フォトダイオードから出力される光電流を増幅したり読み出したりするゲート絶縁型トランジスタ１３が、フォトダイオードと同じ製造プロセスにより基板１の上に集積化される。すなわちゲート絶縁型トランジスタ１３においても、基板１の上にエピタキシャル層２や第二導電型低濃度層３、絶縁体層６等が積層され、絶縁体層６の中にゲート電極１１とゲート酸化膜１２が設けられる。なおフォトダイオードに併設されるゲート絶縁型トランジスタ１３は一つでも複数でも良い。

実施形態４では第三導体１０が、ゲート絶縁型トランジスタ１３のゲート電極１１と同じ層として形成される。すなわち第三導体１０はゲート電極１１とともにゲート酸化膜１２の上に積層される。

実施形態４の構成によれば、ゲート電極１１と第三導体１０が同じ層で形成されるので、フォトダイオードの製造プロセスをより簡略化できる。また第三導体１０と第二導電型低濃度層３に挟まれる絶縁体は、膜厚が非常に薄いゲート酸化膜１２だけになるので、電子－正孔対が誘起される確率を低減でき、リーク電流をより抑制できる。さらに製造精度の高いゲート電極１１と同じ層で形成される第三導体１０は、第一導体９のより近傍に高精度に形成されるので、無電界となる領域をより拡げることができ、リーク電流をより抑制できる。

以上、本発明の複数の実施形態について説明した。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形したり、各実施形態を適宜組み合わせたりしても良い。さらに、上記実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１：基板、２：エピタキシャル層、３：第二導電型低濃度層、４：第二導電型高濃度層、５：第一導電型高濃度層、６：絶縁体層、７：スルーホール、８：第二導体、９：第一導体、１０：第三導体、１１：ゲート電極、１２：ゲート酸化膜、１３：ゲート絶縁型トランジスタ

Claims (7)

1. 第一導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である第一導電型高濃度層と、
   第二導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である第二導電型高濃度層と、
   第二導電型であって不純物濃度が比較的低い半導体層であり前記第一導電型高濃度層と前記第二導電型高濃度層とを表面に有する第二導電型低濃度層と、
   前記表面を覆う絶縁体層と、
   前記絶縁体層を貫き前記第一導電型高濃度層と接続する第一導体と、
   前記絶縁体層を貫き前記第二導電型高濃度層と接続する第二導体を備えるフォトダイオードであって、
   前記第二導体と同電位であって前記絶縁体層の中に設けられる第三導体をさらに備えることを特徴とするフォトダイオード。
2. 請求項１に記載のフォトダイオードであって、
   前記第三導体は、前記表面と垂直な方向から見たときに、前記第一導体の側に突出する凸部を有する形状であることを特徴とするフォトダイオード。
3. 請求項２に記載のフォトダイオードであって、
   前記第三導体の前記凸部は、前記表面と垂直な方向から見たときに、前記第一導電型高濃度層と重なるように設けられることを特徴とするフォトダイオード。
4. 請求項２に記載のフォトダイオードであって、
   前記第一導体は、前記表面と垂直な方向から見たときに、前記第三導体の前記凸部と噛み合うように前記第三導体の側に突出する凸部を有する形状であることを特徴とするフォトダイオード。
5. 請求項４に記載のフォトダイオードであって、
   前記第一導体は、前記第一導体の前記凸部において前記絶縁体層を貫き前記第一導電型高濃度層と接続することを特徴とするフォトダイオード。
6. 請求項１に記載のフォトダイオードであって、
   前記第三導体は、前記第二導体の一部と同じ層として形成されることを特徴とするフォトダイオード。
7. 第一導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である第一導電型高濃度層と、
   第二導電型であって不純物濃度が比較的高い半導体層である第二導電型高濃度層と、
   第二導電型であって不純物濃度が比較的低い半導体層であり前記第一導電型高濃度層と前記第二導電型高濃度層とを表面に有する第二導電型低濃度層と、
   前記表面を覆う絶縁体層と、
   前記絶縁体層を貫き前記第一導電型高濃度層と接続する第一導体と、
   前記絶縁体層を貫き前記第二導電型高濃度層と接続する第二導体を備えるフォトダイオードであって、
   前記第二導体と同電位であって前記絶縁体層の中または上に設けられる第三導体をさらに備え、
   前記第二導電型低濃度層と前記絶縁体層とともにゲート電極を備えるゲート絶縁型トランジスタが併設され、
   前記第三導体は、前記ゲート電極と同じ層として形成されることを特徴とするフォトダイオード。

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