JPH02294079A - 光センサ - Google Patents
光センサInfo
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- JPH02294079A JPH02294079A JP1114812A JP11481289A JPH02294079A JP H02294079 A JPH02294079 A JP H02294079A JP 1114812 A JP1114812 A JP 1114812A JP 11481289 A JP11481289 A JP 11481289A JP H02294079 A JPH02294079 A JP H02294079A
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Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、ＰＮ接合を備えたフォトダイオードを用いた
光センサに関する。
光センサに関する。
ＰＮＩ合に対する逆バイアスが印加されたフォトダイオ
ードに光が入射すると、その時流れる逆方向電流は照射
された光量に応じて増減する．光センサはこの性質を利
用している．第２図は従来の光センサを示し、各フォト
ダイオードは、Ｎ型シリコン基板１とその表面層に形成
されたＰ型碩＠２とからなる．他の従来例として、Ｐ型
領域２がＮ型基Ｆｉ１の中に埋め込まれたものもある．
このようなダイオードにおいて、Ｐ型碩域２とＮ型基板
１本来の領域の間のＰＮ接合に逆バイアスの電圧が印加
されたとき、ＰＮ接合面の周りに点線で示す空乏層領域
３が形成される。基仮１内に入射した光は、領域１、２
の中で電子・正孔対（キャリア）を発生させる。そのう
ち、空乏層領域３の中で発生したキャリアは、空乏層内
の電界によりほぼ１００％電流として流れるが、空乏Ｎ
３のそとの領域１あるいは２の中で発生したキャリアは
、キャリアのライフタイムの間に拡散によって空乏層領
域３までたどり着いたもののみ電流とし，て流れ、その
他は再結合し、熱となる。
ードに光が入射すると、その時流れる逆方向電流は照射
された光量に応じて増減する．光センサはこの性質を利
用している．第２図は従来の光センサを示し、各フォト
ダイオードは、Ｎ型シリコン基板１とその表面層に形成
されたＰ型碩＠２とからなる．他の従来例として、Ｐ型
領域２がＮ型基Ｆｉ１の中に埋め込まれたものもある．
このようなダイオードにおいて、Ｐ型碩域２とＮ型基板
１本来の領域の間のＰＮ接合に逆バイアスの電圧が印加
されたとき、ＰＮ接合面の周りに点線で示す空乏層領域
３が形成される。基仮１内に入射した光は、領域１、２
の中で電子・正孔対（キャリア）を発生させる。そのう
ち、空乏層領域３の中で発生したキャリアは、空乏層内
の電界によりほぼ１００％電流として流れるが、空乏Ｎ
３のそとの領域１あるいは２の中で発生したキャリアは
、キャリアのライフタイムの間に拡散によって空乏層領
域３までたどり着いたもののみ電流とし，て流れ、その
他は再結合し、熱となる。
しかしながら，，従来の光センサ構造においては、空乏
層領域３内で発生したキャリアはそのまま電流になり、
また領域１，２内の空乏層に近い部分で発生し，たキャ
リアも拡散により空乏Ｉｌ！ 領域３まで到達するため
ｔ流となる確率が高いが、基板１の深部で発生したキャ
リアは再結合する確率が高くなるために電流に寄与する
割合が小さくなる．それ故感度が十分高くできない．ま
た、基板１の表面から入射した光は、キャリアを発生さ
せることにより基板にエネルギを吸収されるので、基板
内では光強度■は一触的に第３図に示すように指数関数
的に減衰する．すなわち、入射表面での光強度をＩＯ＋
入射表面からの距離をＸとした場合、光強度■は次式で
表わされる． Ｉ一■。８｛８ ここでαは光吸収係数である．故に、表面からの距離が
ｌ／αとなると光強度は初期の光強度の１／ｅとなる．
つまり実質的には、表面から１７α程度まで光は浸透し
、キャリアを発生させていることになる。また、半導体
におけるαは波長依存性があり、第４図に示すようにＳ
ｌ基板においては、例えば波長０．８−ではα−１０”
３−’であるから、ｌ／α−１０−３ｃ＊＝１０−まで
光は浸透し、０．８一以上の波長の光はさらに深く浸透
することがわかる．従来の光センサのフォトダイオード
の構造では、ＰＮ接合は基板表面より１ｎ程度以下の所
で形成されるので、１０１Ｍ以上深い部分で発生したキ
ャリアは十分′ｖＸ流に寄与できない．基板の不純物濃
度を下げ、空乏層幅を広げる方法も考えられるが、通常
１ｔｎａ程度の空乏層幅を１０一程度に広げるには、基
板の不純物濃度を１／１００にしなければならず、実際
上濃度制御が非常に困難となり、特性の不安定性を招く
．また、感度向上のために受光面積を大きくすることも
考えられるが、これはセンサの分解能を下げるために実
用的ではない．本発明の目的は、フォトダイオードの受
光面積の増大や基板不純物濃度の制御を行うことなしに
光電流変換効率を高めたフォトダイオードを用いた光セ
ンサを提供することにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために、本発明の光センサは、第
一導電型の半導体基板内の一面からの深さが異なる上，
下の個所にそれぞれ第二導電型の領域が設けられ、それ
らの第二導電型の領域のそれぞれの一部分の間が基板面
に垂直方向に延びる第二導電型の領域で連結されたもの
とする．〔作用〕 第一導電型の半導体基板中の表面から浅い個所のほかに
その下の深い個所にも第二導電型の領域が形成されるの
で、基板深部まで到達した光により発生したキャリアは
、下段の第二導電型の領域と周りの第一導電型の領域と
が形成するＰＮ接合ダイオードにより吸収される．さら
に、このダイオードの第二導電型の領域とその上の浅い
個所にあるＰＮ接合ダイオードの第二導電型の領域が第
二導電型の領域で連結され、電気的に接続され−でいる
ので、双方のフォトダイオードで生ずる光電流が合計さ
れて出力電流となり、光電流変換効率が高くなるため、
感度が向上する．特に基板深くへ浸透する０．８一以上
の長波長領域での効率の向上が期待される． 〔実施例〕 第１図ｆａｌ，（ｂ）は本発明の一実施例の光センサを
示し、（４）は横断面図、（ｂｌは縦断面図であり、第
２図と共通の部分には同一の符号が付されている．図に
おいて、Ｎ型シリコン基板１の表面層には第２図の場合
と同様にＰ型頷域２が形成され、さらにその直下に平面
的寸法をＰ型領域２と同じにしたもう一つのＰ型領域４
が形成され、Ｐ型領域２，４はそれらのそれぞれの一部
分を上下に連結するＰ型領域５により電気的に接続され
ている。従って、Ｐ型領域２に接触する図示しない電極
を介してＰ型領域２．４とＮ型基Ｆｉ１の間に逆バイア
スを印加することができ、基板とＰ型領域２および４と
の間の接合面近傍に空乏層碩域３が形成される。
層領域３内で発生したキャリアはそのまま電流になり、
また領域１，２内の空乏層に近い部分で発生し，たキャ
リアも拡散により空乏Ｉｌ！ 領域３まで到達するため
ｔ流となる確率が高いが、基板１の深部で発生したキャ
リアは再結合する確率が高くなるために電流に寄与する
割合が小さくなる．それ故感度が十分高くできない．ま
た、基板１の表面から入射した光は、キャリアを発生さ
せることにより基板にエネルギを吸収されるので、基板
内では光強度■は一触的に第３図に示すように指数関数
的に減衰する．すなわち、入射表面での光強度をＩＯ＋
入射表面からの距離をＸとした場合、光強度■は次式で
表わされる． Ｉ一■。８｛８ ここでαは光吸収係数である．故に、表面からの距離が
ｌ／αとなると光強度は初期の光強度の１／ｅとなる．
つまり実質的には、表面から１７α程度まで光は浸透し
、キャリアを発生させていることになる。また、半導体
におけるαは波長依存性があり、第４図に示すようにＳ
ｌ基板においては、例えば波長０．８−ではα−１０”
３−’であるから、ｌ／α−１０−３ｃ＊＝１０−まで
光は浸透し、０．８一以上の波長の光はさらに深く浸透
することがわかる．従来の光センサのフォトダイオード
の構造では、ＰＮ接合は基板表面より１ｎ程度以下の所
で形成されるので、１０１Ｍ以上深い部分で発生したキ
ャリアは十分′ｖＸ流に寄与できない．基板の不純物濃
度を下げ、空乏層幅を広げる方法も考えられるが、通常
１ｔｎａ程度の空乏層幅を１０一程度に広げるには、基
板の不純物濃度を１／１００にしなければならず、実際
上濃度制御が非常に困難となり、特性の不安定性を招く
．また、感度向上のために受光面積を大きくすることも
考えられるが、これはセンサの分解能を下げるために実
用的ではない．本発明の目的は、フォトダイオードの受
光面積の増大や基板不純物濃度の制御を行うことなしに
光電流変換効率を高めたフォトダイオードを用いた光セ
ンサを提供することにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために、本発明の光センサは、第
一導電型の半導体基板内の一面からの深さが異なる上，
下の個所にそれぞれ第二導電型の領域が設けられ、それ
らの第二導電型の領域のそれぞれの一部分の間が基板面
に垂直方向に延びる第二導電型の領域で連結されたもの
とする．〔作用〕 第一導電型の半導体基板中の表面から浅い個所のほかに
その下の深い個所にも第二導電型の領域が形成されるの
で、基板深部まで到達した光により発生したキャリアは
、下段の第二導電型の領域と周りの第一導電型の領域と
が形成するＰＮ接合ダイオードにより吸収される．さら
に、このダイオードの第二導電型の領域とその上の浅い
個所にあるＰＮ接合ダイオードの第二導電型の領域が第
二導電型の領域で連結され、電気的に接続され−でいる
ので、双方のフォトダイオードで生ずる光電流が合計さ
れて出力電流となり、光電流変換効率が高くなるため、
感度が向上する．特に基板深くへ浸透する０．８一以上
の長波長領域での効率の向上が期待される． 〔実施例〕 第１図ｆａｌ，（ｂ）は本発明の一実施例の光センサを
示し、（４）は横断面図、（ｂｌは縦断面図であり、第
２図と共通の部分には同一の符号が付されている．図に
おいて、Ｎ型シリコン基板１の表面層には第２図の場合
と同様にＰ型頷域２が形成され、さらにその直下に平面
的寸法をＰ型領域２と同じにしたもう一つのＰ型領域４
が形成され、Ｐ型領域２，４はそれらのそれぞれの一部
分を上下に連結するＰ型領域５により電気的に接続され
ている。従って、Ｐ型領域２に接触する図示しない電極
を介してＰ型領域２．４とＮ型基Ｆｉ１の間に逆バイア
スを印加することができ、基板とＰ型領域２および４と
の間の接合面近傍に空乏層碩域３が形成される。
シリコン基板ｌの上面から入射した光は、上段のＰ型領
域２およびその周りの空乏層領域３でキャリアを発生さ
せ、これらは光電流にほとんど寄与する．しかしながら
、入射した光はすべて上記領域内でキャリアを発生させ
る訳でなく、さらに深部に到達してキャリアを発生させ
る．これらは、下段のＰ型領域４およびその周りの空乏
層領域３にて光電流に変換され、光センサの出力ｔ２ｉ
ｔとして寄与することができる。
域２およびその周りの空乏層領域３でキャリアを発生さ
せ、これらは光電流にほとんど寄与する．しかしながら
、入射した光はすべて上記領域内でキャリアを発生させ
る訳でなく、さらに深部に到達してキャリアを発生させ
る．これらは、下段のＰ型領域４およびその周りの空乏
層領域３にて光電流に変換され、光センサの出力ｔ２ｉ
ｔとして寄与することができる。
第５図ｆａｌ〜（ｄ）はこのような光センサの製造工程
を第１図（ｂｌに対応する断面で示す．先ずＮ型シコン
板１１にイオン注入あるいは不純物拡散によりＰ型領域
４を形成する （図ａ）。次に、このシリコンＦｉｌｌ
の上に同じ不純物濃度のＮ型エピタキシャルｊｉｌ２を
１〜２ｎの厚さに堆積する （図ｂ）。シリコン板１１
とエビタキシャル層１２で第１図に示したＮ型シリコン
基板ｌが形成される．次いで、エビタキシャル層１２の
表面にＳｉｎｇ膜６でマスクを設け、加速電圧５００ｋ
ｅＶでほう素イオンを注入，アニールして表面よりＰ型
領域４に達するＰ型領域５を形成する （図ｃＬ最後に
、やはりＳｉｎ．膜６で前より広い開口部をもつマスク
を設け、ＢＦアイオンを加速電圧５０ｋｅＶで注入．ア
ニールし、深さ０．５一のＰ型頭域２を形成する （図
ｄ）．この結果、第ｌ図ｆｂｌに示したのと同じ断面を
もつ光センサができ上がる． 〔発明の効果〕 本発明によれば、第一導電型の半導体基板の表面に近い
個所に設けられ第二導電型の頭域の下に別の第二導電型
の領域を設け、上下の第二導電型の領域を電気的に接続
することにより、従来十分に出力電流に寄与できなかっ
た基板深部からのキャリアを出力電流に寄与させること
が可能となるため、受光面積を増大させて分解能を低下
させることなしに光センサの光ｔ流変換効率が増し、感
度の向上した光センサを得ることができた。
を第１図（ｂｌに対応する断面で示す．先ずＮ型シコン
板１１にイオン注入あるいは不純物拡散によりＰ型領域
４を形成する （図ａ）。次に、このシリコンＦｉｌｌ
の上に同じ不純物濃度のＮ型エピタキシャルｊｉｌ２を
１〜２ｎの厚さに堆積する （図ｂ）。シリコン板１１
とエビタキシャル層１２で第１図に示したＮ型シリコン
基板ｌが形成される．次いで、エビタキシャル層１２の
表面にＳｉｎｇ膜６でマスクを設け、加速電圧５００ｋ
ｅＶでほう素イオンを注入，アニールして表面よりＰ型
領域４に達するＰ型領域５を形成する （図ｃＬ最後に
、やはりＳｉｎ．膜６で前より広い開口部をもつマスク
を設け、ＢＦアイオンを加速電圧５０ｋｅＶで注入．ア
ニールし、深さ０．５一のＰ型頭域２を形成する （図
ｄ）．この結果、第ｌ図ｆｂｌに示したのと同じ断面を
もつ光センサができ上がる． 〔発明の効果〕 本発明によれば、第一導電型の半導体基板の表面に近い
個所に設けられ第二導電型の頭域の下に別の第二導電型
の領域を設け、上下の第二導電型の領域を電気的に接続
することにより、従来十分に出力電流に寄与できなかっ
た基板深部からのキャリアを出力電流に寄与させること
が可能となるため、受光面積を増大させて分解能を低下
させることなしに光センサの光ｔ流変換効率が増し、感
度の向上した光センサを得ることができた。
第１図（ａｌ，（ｂｌは本発明の一実施例の光センサの
構造を示し、ｆｍ＋は横断面図，（ｂ）は縦断面図、第
２図は従来の光センサの断面図、第３図は基板に入射し
た光の基板表面からの距離と光強度の関係を示す線図、
第４図はシリコンおよびゲルマニウムの光吸収係数と光
の波長の関係を示す線図、第５図［８３〜（ｄｌは第１
図に示した光センサの製造工程を順次示す断面図である
。 １二Ｎ型シリコン基板、２．４：Ｐ型令頁域、３：空乏
層、５：Ｐ型連結領域． ／′
構造を示し、ｆｍ＋は横断面図，（ｂ）は縦断面図、第
２図は従来の光センサの断面図、第３図は基板に入射し
た光の基板表面からの距離と光強度の関係を示す線図、
第４図はシリコンおよびゲルマニウムの光吸収係数と光
の波長の関係を示す線図、第５図［８３〜（ｄｌは第１
図に示した光センサの製造工程を順次示す断面図である
。 １二Ｎ型シリコン基板、２．４：Ｐ型令頁域、３：空乏
層、５：Ｐ型連結領域． ／′
Claims (1)
- １）第一導電型の半導体基板内の一面からの深さが異な
る上下の個所に第二導電型の領域が設けられ、それらの
第二導電型の領域のそれぞれの一部分の間が基板面に垂
直方向に延びる第二導電型の領域で連結されたことを特
徴とする光センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1114812A JPH02294079A (ja) | 1989-05-08 | 1989-05-08 | 光センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1114812A JPH02294079A (ja) | 1989-05-08 | 1989-05-08 | 光センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02294079A true JPH02294079A (ja) | 1990-12-05 |
Family
ID=14647301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1114812A Pending JPH02294079A (ja) | 1989-05-08 | 1989-05-08 | 光センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02294079A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5162887A (en) * | 1988-10-31 | 1992-11-10 | Texas Instruments Incorporated | Buried junction photodiode |
| JP2009522821A (ja) * | 2006-01-05 | 2009-06-11 | アウロラ、アルット | 可視光を検出するために最適化された半導体放射線検出器 |
| US7829368B2 (en) | 2003-03-28 | 2010-11-09 | Aptina Imaging Corporation | Methods of forming double pinned photodiodes |
-
1989
- 1989-05-08 JP JP1114812A patent/JPH02294079A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5162887A (en) * | 1988-10-31 | 1992-11-10 | Texas Instruments Incorporated | Buried junction photodiode |
| US7829368B2 (en) | 2003-03-28 | 2010-11-09 | Aptina Imaging Corporation | Methods of forming double pinned photodiodes |
| JP2009522821A (ja) * | 2006-01-05 | 2009-06-11 | アウロラ、アルット | 可視光を検出するために最適化された半導体放射線検出器 |
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