JPH0191476A - フォトダイオードアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 この発明は、同一基板上に複数のフォトダイオードが接
続されてなるフォトダイオードプレイに関するものであ
る。

〔背景技術〕

フォトダイオード等の光起電力素子を用いて高電圧を発
生させるためには、複数の素子を直列に接続して素子ア
レイを構成する必要がある。たとえば、フォトダイオー
ドの場合、一つのセルにより発生できる電圧は、せいぜ
い０．５〜０．７■であるから、実用レベルの電圧を得
ようとすると、少なくとも数個以上のフォトダイオード
を直列に接続してフォトダイオードアレイを構成しなけ
ればならないのである。

このようなフォトダイオードアレイとなる複数のフォト
ダイオードは、取り扱いや製造上の観点から、一つの基
板上に形成される（ワンチップ化される）ことが望まし
い。

複数のフォトダイオードを同一基板上に形成して前記フ
ォトダイオードアレイを構成する場合、各フォトダイオ
ードが互いに干渉しあうのを防ぐため、一般に、絶縁層
分離基板（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｉｓ。

Ｉａｔｉｏｎ、以下ｒＤＩ基板」と記す）が用いられて
いる。

ＤＩＩ基板、第３図にみるように、ポリシリコン等から
なる支持体層７上に、絶縁層８で分離された複数の分離
島９・・・が形成されてなるものである。

このようなりＩ基板は、概略下記のようにして製造され
る。

まず、各分離島９・・・となる半導体単結晶基板の表面
に分離のための溝を形成したあと、この溝が形成された
側の基板表面に絶縁層８を形成し、その上に、前記支持
体層７となるポリシリコンを堆積する。そして、前記半
導体単結晶基板を、前記支持体層７が形成された側とは
反対側の表面から、前記溝の底部が露出するまで研匿す
れば、半導体単結晶基板が複数の分離島９・・・に分離
されて、ＤＩＩ基板完成する。

フォトダイオードアレイＤ　Ａ　ｚ　は、上記のような
りＩ基板の各分離島９・・・内に、不純物拡散層１０を
形成する等してフォトダイオードＤ４となるＰＮ接合が
形成され、各ＰＮ接合が、図にのるように、絶縁層１１
を介してＤＩ基板表面に積層された電極層１２・・・に
よって繋がれることで構成されるようになっている。

このような構造によれば、各フォトダイオードＤ４・・
・は、分離島９・・・を分離する前記絶縁層８によって
一つずつが電気的に完全に分離されるため、各フォトダ
イオードＤ４の互いに干渉しあうことが防がれるのであ
る。

ところ力く、このようなり１基１反においては、■　支
持体層たるポリシリコン層の堆積時等の工程において、
基板にそりが発生し゛、その後の研磨工程で分離島を作
る際、各分離島９・・・の容積がばらついて、その中に
形成される各フォトダイオードＤ４の出力、ひいては、
フォトダイオードアレイＤＡ、全体の出力を一定にでき
なくなる、■　溝の形成、研磨等、多くの工程を必要と
するため、コストが高くついてしまう、 等の問題がある。

〔発明の目的〕

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、
上記のような問題を有するＤ１基板を用いることなく、
複数のフォトダイオードをワンチップ化することのでき
るフォトダイオードアレイを提供することを目的として
いる。

〔発明の開示〕

上記目的を達成するため、この発明は、２種の極性を有
する層状半導体領域が交互に複数積層され、基板最上層
の層状半導体領域から下層へ向かって互いに極性の異な
る２層ずつの層状半導体領域が１組となり、それぞれの
組の２層の間の接合によってフォトダイオードが上下方
向に複数構成されるようになっている半導体基板に対し
、この基板面を二つの部分に区切るような形状を有し、
基板最上層の層状半導体領域より下のそれぞれの層状半
導体領域に達する複数の溝が、達する層状半導体領域の
深さの順に形成されていて、前記最上層より一層下の層
状半導体領域に達する溝から順に、交互に、その表面が
絶縁層と導電層とで覆われており、上側のフォトダイオ
ードとなる１組の層状半導体領域のうちの下側の層状半
導体領域が、その直下に形成された別のフォトダイオー
ドとなる１組の層状半導体領域のうちの上側の層状半導
体領域に達する導電層で覆われた溝によって、この下側
のフォトダイオードの上側の層状半導体領域と繋がれ、
かつ、上側のフォトダイオードを構成する１組の層状半
導体領域は、そのうちの下側の層状半導体領域に達する
絶縁層で覆われた溝により、前記導電層で覆われた溝と
の間が遮断されており、複数のフォトダイオードが独立
し、かつ、直列に繋がれてなることを特徴とするフォト
ダイオードアレイを要旨としている。

以下に、この発明を、その一実施例をあられす第１図（
ａ）、（ｂｌを参照しつつ、詳しく説明する。

これらの図にみるように、この実施例のフォトダイオー
ドアレイＤＡ、が形成される半導体基板１は、互いに極
性の異なる層状の半導体領域（Ｐ領域、Ｎ領域）ｌａ〜
１ｆが交互に積層されてなるものである。このような半
導体基板１は、たとえば、Ｐ型である半導体基板ｌａ上
に、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層とを、交互に積層する
等して形成すればよい。上記各層状半導体領域は、最上
層のそれから下層へ向かって互いに極性の異なる２層ず
つの層状半導体領域が１組となり、それぞれの組の２屓
の間のＰＮ接合によって後述するフォトダイオードＤ１
、Ｄ２、・・・が上下方向に複数構成されるようになっ
ている。

上記のような半導体基板１の表面には、基板内部の各層
１ｂ〜１ｅに達する溝２ｂ〜２ｅが形成されている。こ
の溝２ｂ〜２ｅは、第１図（１１）にみるように、それ
ぞれ、環状に閉じられることで基板面を二つの領域、す
なわち、環状の内側と外側に区切るようになっている。

そして、そのような環状に閉じられた溝２ｂ〜２ｅが、
この実施例では同心状に、深いものから浅いものへと中
心へ向かって、順番に並べられている。

谷溝の表面は、最も浅い溝２ｅから順に、絶縁層と導電
層で交互に覆われている。つまり、最も浅い溝２ｅと、
その一つおいて次の溝２０は絶縁層３ｅ、３ｃで覆われ
ており、その間の溝２ｄ。

２ｂは導電層４ｄ、４ｂで覆われている。最も浅い溝２
ｅは、前述したように同心状の最も内側にあり、その溝
２ｅを覆うように形成された絶縁層３ｅは延長され、環
状の内側の基板表面にも形成されている。この基板表面
に形成された絶縁層３８′は、基板表面を安定化させ、
そこに形成されるフォトダイオードの性能が劣化するこ
とを防止するためのものである。

各層状半導体領域２層ずつの組の間の接合によって構成
されるフォトダイオードの数は、特に限定されないが、
この実施例では、最上層のＮ型層状半導体領域１「とＰ
型層状半導体領域１ｅｓＮ型層状半導体領域１ｄとＰ型
層状半導体領域１ｃ、Ｎ型層状半導体領域１ｂとＰ型層
状半導体領域ＩＣ、と云うように、層状半導体領域の組
が３組形成されており、そのそれぞれの間のＰＮ接合に
より三つのフォトダイオードＤ、〜Ｄ、が構成されてい
る。

最下層のフォトダイオードＤ、を構成するＮ型層状半導
体領域１ｂとＰ型層状半導体領域１ａのうち、上側のＮ
型層状半導体領域１ｂには、前述したように、表面が導
電５４ｂで覆われた溝２ｂが到達している。この溝２ｂ
は、上記Ｎ型層状半導体領域１ｂの上に積層された、別
のフォトダイオードＤ２を構成するＰ型層状半導体領域
ＩＣとも接しているため、それによって、両層状半導体
領域ＩＣ１１ｂは短絡される。それとともに、前記Ｐ型
層状半導体領域１ｃには、表面が絶縁層３Ｃで覆われた
溝２０が、このＰ型層状半導体領域ＩＣと、その上のＮ
型層状半導体領域１ｄとによって構成されたフォトダイ
オードＤ２と、前記溝２ｂとの間を遮断するように設け
られており、それによって、両フォトダイオードＤ、　
、Ｄ、は接続されている。

上記のように、フォトダイオードＤ２を前記溝２ｂと遮
断するのは、フォトダイオードＤ２を構成する両層状半
導体領域１ｃ、１ｄの間が導電Ｔヨ４ｂによって短絡し
てしまい、ＰＮ接合としてＨｈかなくなるのを防ぎ、フ
ォトダイオードＤ２の独立を確保するためである。

フォトダイオードＤ２と、その上のフォＩ・ダイオード
Ｄ、との接続も、上記と同様にして行われる。

すなわち、フォトダイオードＤ２の上側の層状半導体領
域１ｄに達する溝２ｄの表面を覆う導電層４ｄによって
、この層状半導体領域１ｄと、その上の層状半導体領域
ｌｅとの短絡がなされる。

それとともに、層状半導体領域１ｅに達する溝２ｅの表
面を覆う絶縁Ｆ３３ｅによって、フォトダイオードＤ、
と導電５４ｄとの間が遮断されることで、フォｌ−ダイ
オードＤ８の独立を確保しつつ、両フォトダイオードＤ
＝、Ｄｓの接続がなされるのである。

上記のようにして、基板内部のフォトダイオードＤ、　
、Ｄ、・・・を直列に接続すれば、フォトダイオードア
レイＤＡ、が完成する。

このような、フォトダイオードアレイＤＡ、は、基板１
表面の絶縁Ｒ３ｅ’上に形成され層状半導体領域１ｆと
接続された電極５と、図示していないが、基板１裏面に
形成され層状半導体領域１ａに接続された電極とによっ
て、外部と接続されるようになっている。

上記のような、この実施例のフォトダイオードアレイに
よれば、ＤＩ基板を用いることなしに、フォトダイオー
ドの独立を保ちつつ、複数のフォトダイオードをワンチ
ップ化することができるようになる。

なお、これらの図にみるように、フォトダイオードＤ、
〜Ｄ、は、谷溝の位置関係上、どうしても、下層のもの
程、上層のものに較べて、その有効面積（光を受けるこ
とのできる面積）が大きくなる。

このような構造は一見不都合に見えるが、直列のフォト
ダイオードアレイの場合、その出力型ｒ’Ａｔが、各フ
ォトダイオードのうち、最も値の小さいフォトダイオー
ドの出力電流によって規定されることを考えると、好ま
しい構造であると云える。

すなわち、このように光の届きにくい下層のフォトダイ
オード程、有効面積が大きくなる構造であれば、光が不
足して下層のフォトダイオードの出力電流が極端に小さ
くなることは防止され、延いては、フォトダイオードア
レイ全体の出力電流が極端に小さくなることも防止され
るのである。

上記のような、この実施例のフォトダイオードアレイを
製造する方法は、特に限定されないが、たとえば、第２
図（ａ）〜ｔｅｌに示した製造方法によれば、より少な
い工程で、効率よく、フォトダイオードアレイを製造す
ることができる。

まず、互いに極性の異なる層状の半導体領域１ａ〜１ｆ
が交互に積層されてなる半導体基板１を、前述したよう
な方法で製造し、その表面を酸化する等して、マスクと
なる酸化膜を形成する。そして、この酸化膜の、前記溝
２ｂ〜２ｅが形成される部分に開口６ｂ〜６ｅを形成し
て、第２図（ａ）にみるように、マスク６を形成する。

つぎに、上記マスク６を介して基板１の表面から、結晶
方向によってエツチング速度の異なる、いわゆる、異方
性エツチングを行い、それぞれの層状半導体領域１ｂ〜
１ｅに達する７字型の溝２ｂ〜２ｅを形成する。そして
、表面のマスク６を除去すれば、第２図（ｂｌにみる状
態となる。

この異方性エツチングによれば、前記マスク６に形成す
る開口６ｂ〜６ｅの幅を調整することにより、谷溝２ｂ
〜２ｅを所定の深さに形成することができる。これは、
異方性エツチングによって形成される７字状の溝が、基
板の結晶方向が同一であれば、大きさは異なるものの、
常に同一形状に形成されることを利用したものである。

すなわち、７字状の溝の幅と深さとの間には一定の比例
関係が存在しており、その幅を規定すれば、自ずとその
深さが決定される。したがって、上記のような異方性エ
ツチングによれば、１回のエツチング速度で、前述した
ように、それぞれ、異なった深さを有する多数の溝を形
成できるようになるのである。

つぎに、上記のようにして溝２ｂ〜２ｅが形成された基
板１の表面を酸化する等して、基板ｌの全面に絶縁層３
を形成しく第２図ｆｃ））、不要部分を除去すれば、第
２図（ｄ）にみるように、各絶縁層３ｃ、３ｅ、３ｅ′
が形成される。

このあと、この絶縁層３Ｃ・・・の上に、基板１の全面
にわたって導電層４を形成しく第２図（ｅ））、絶縁層
と同様に不要部分を除去すれば、第１図（ａｌ、（ｂ）
にみる、この実施例のフォトダイオードアレイＤ　Ａ　
＋が完成する。

なお、これまでは、この発明のフォトダイオードアレイ
について、上記実施例に基づいてのみ、説明してきたが
、この発明は上記実施例に限定されるものではない。た
とえば、上記実施例では、環状に閉じられた溝２ｂ〜２
ｅが、浅いものから順に、内側から外側へ向かって同心
状に並べられていたが、この順序は逆であってもよい。

溝は環状に閉じられた形状でなくてもよい。たとえば、
基板を横断して端から端に達するような形状であっても
、基板面を二つの部分に区切ることは可能である。

フォトダイオードアレイを構成するフォトダイオードの
数は三つには限られず、二つでも、あるいは四つ以上で
もよい。その際には、層状半導体領域の数と、溝の数を
加減すればよい。

製造方法も、上記第２図Ｔａ）〜（ｅ）のものに限定さ
れない。

要するに、２種の極性を有する層状半導体領域が交互に
複数積層され、基板最上層の層状半導体領域から下層へ
向かって互いに極性の異なる２層ずつの層状半導体領域
が１組となり、それぞれの組の２層の間の接合によって
フォトダイオードが上下方向に複数構成されるようにな
っている半導体基板に対し、この基板面を二つの部分に
区切るような形状を有し、基板最上層の層状半導体領域
より下のそれぞれの層状半導体領域に達する複数の溝が
、達する層状半導体領域の深さの順に形成されていて、
前記最上層より一層下の層状半導体領域に達する溝から
順に、交互に、その表面が絶縁層と導電層とで覆われた
形状になっていて、上側のフォトダイオードとなる１組
の層状半導体領域のうちの下側の層状半導体領域が、そ
の直下に形成された別のフォトダイオードとなる１組の
層状半導体領域のうちの上側の層状半導体領域に達する
導電層で覆われた溝によって、この下側のフォトダイオ
ードの上側の層状半導体領域と繋がれ、かつ、上側のフ
ォトダイオードを構成する１組の層状半導体領域は、そ
のうちの下側の層状半導体領域に達する絶縁層で覆われ
た溝により、前記導電層で覆われた溝との間が遮断され
ており、複数のフォトダイオードが独立し、かつ、直列
に繋がれているのであれば、その他の構成は、特に限定
されないのである。

〔発明の効果〕

この発明のフォトダイオードアレイは、上記のようであ
るので、種々の問題を有するＤＩ基板を用いることなく
、複数のフォトダイオードをワンチップ化することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のフォトダイオードアレイの一実施例
をあられす図であって、同Ｉｌｌ　（ａ）はその層構成
図、同図（ｂｌはその平面図、第２図はこの実施例を製
造する工程の一例をあられず図であって、同図（ａｌは
基板上に溝形成のためのマスクを形成した状態をあられ
す層構成図、同図（ｂ）は溝を形成した状態をあられす
層構成図、同図（Ｃ）は溝が形成された側の基板表面全
面に絶縁層を形成した状態をあられす層構成図、同図（
ｄ）は絶縁層の不要部分を除去した状態をあられす層構
成図、同図（ｅ）は絶縁層の上の基板表面全面に導電層
を形成した状態をあられす層構成図、第３図は従来のＤ
Ｉ基板を用いたフォトダイオードアレイの層構成図であ
る。 １・・・半導体基板　１ａ〜１ｆ・・・層状半導体領域
２ｂ〜２ｅ・・・溝　３ｃ、３　ｅ　−・絶縁層　４ｂ
、４ｄ・・・導電層　Ｄ、〜Ｄ８・・・フォトダイオー
ドＤＡ、・・・フォトダイオードアレイ 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 第２図 ζ５３０　ＤＡ２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）２種の極性を有する層状半導体領域が交互に複数
   積層され、基板最上層の層状半導体領域から下層へ向か
   って互いに極性の異なる２層ずつの層状半導体領域が１
   組となり、それぞれの組の２層の間の接合によってフォ
   トダイオードが上下方向に複数構成されるようになって
   いる半導体基板に対し、この基板面を二つの部分に区切
   るような形状を有し、基板最上層の層状半導体領域より
   下のそれぞれの層状半導体領域に達する複数の溝が、達
   する層状半導体領域の深さの順に形成されていて、前記
   最上層より一層下の層状半導体領域に達する溝から順に
   、交互に、その表面が絶縁層と導電層とで覆われており
   、上側のフォトダイオードとなる１組の層状半導体領域
   のうちの下側の層状半導体領域が、その直下に形成され
   た別のフォトダイオードとなる１組の層状半導体領域の
   うちの上側の層状半導体領域に達する導電層で覆われた
   溝によって、この下側のフォトダイオードの上側の層状
   半導体領域と繋がれ、かつ、上側のフォトダイオードを
   構成する１組の層状半導体領域は、そのうちの下側の層
   状半導体領域に達する絶縁層で覆われた溝により、前記
   導電層で覆われた溝との間が遮断されており、複数のフ
   ォトダイオードが独立し、かつ、直列に繋がれてなるこ
   とを特徴とするフォトダイオードアレイ。
2. （２）基板面を二つの部分に区切る溝の形状が環状であ
   るとともに、複数の環状に閉じられた溝の配列は同心状
   であり、各溝の達する層の深さは、同心状の最も内側の
   溝が最も浅く、外側に向かう程深くなっている特許請求
   の範囲第１項記載のフォトダイオードアレイ。