JPH0278278A - 赤外線センサ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、赤外線領域の光信号を電気信号に変換する赤
外線センサに関する。

（従来の技術） 従来の技術としてショットキ障壁型赤外線センサについ
て説明する。

第７図はショットキ障壁型赤外線センサの一例の縦断面
図であり、金属・ｐ型半導体ショットキ接触構造を有す
る裏面照射型のものである。この赤外線センサは、両面
とも鏡面に磨がれたｐ型車結晶Ｓｉ基板５４に形成され
ている。該基板５４の赤外光６１の入射面すなわち裏面
には反射防止膜６０が施されており、表面には充電変換
領域となる白金モノシリサイド（ＰｔＳｉ）膜５１が設
けられている。このＰｔＳｉ膜５１膜層１には、電界集
中を緩和するためｎ型ガードリング５２が施されている
。ＰｔＳｉ膜５１膜層１の基板表面は熱酸化膜（ＳｉＯ
□）５５で覆われ、さらにＰｔＳｉ膜５１上ｌ及び熱酸
化膜５５上がＣＶＤ法等で形成されたシリコン酸化物（
Ｓｉ○、５１０２）あるいはシリコン窒化物（ＳＩＮ、
８１３Ｎ４など）等から成る絶縁膜５６で覆われている
。また、ＰｔＳｉ膜５１全５１した赤外光を再利用する
ため、絶縁膜上のＰｔＳｉ膜と対向する部分にアルミニ
ウム等から成る金属反射膜５８が設けられている。

ここに構成されるｐ型車結晶Ｓｉ基板５４／ＰｔＳｉ膜
５１／絶縁膜５６／金属反射膜５８の多層構造で光学的
共振状態を生み出し、センサの使用波長帯域における中
心波長の赤外光で生ずる定在波の腹がＰｔＳｉ膜５１全
５１に来るように、絶縁膜５６の厚さが最適設計されて
いる。このＰｔＳｉ膜５１全５１て、光電変換によって
発生した光信号電荷をセンサ外部に取り出すため、Ｐｔ
Ｓｉ膜５１全５１とオーミック接触するｎ型の高濃度不
純物領域５３が設けられ、ここからアルミニウム等から
成る金属配線５７が引き出されている。センサの表面側
最外部は保護膜５９で覆われている。

なお、金属・ｎ型半導体ショットキ接触構造の場合には
、半導体の導電型がｐ型→ｎ型、ｎ型→ｐ型のように入
れ替わる。また、表面照射型のセンサでは基板裏面の反
射防止膜６０及び表面側の金属反射膜５８が無く、表面
の絶縁膜５６及び保護膜５９が反射防止膜の役割も果た
すようになる。

この従来例の赤外線センサは、シリコン集積回路製造プ
ロセスを利用でき、アレイ化が容易なので、固体の赤外
線イメージセンサの受光部に応用される。この受光部は
光信号電荷を金属配、ｆ！５７で直接読み出す構造では
なく、電荷転送機構あるいはＭＯ８型走査・読み出し機
構によって、光信号電荷が読み出される構造になってい
る。

なお、Ｐｔ５ｉ−ｐ型車結晶Ｓｉ構造によって形成され
るショットキ障壁は、０．２〜０．２５ｅＶ程度と低く
、室温では熱励起によりショットキ障壁を横切ることの
できるキャリアが多く、それに伴って暗電流が大きいの
で、Ｐｔ５ｉ−ｐ型車結晶Ｓｉ・ショットキ障壁型赤外
線センサは液体窒素温度付近に冷却して使用される。こ
のショットキ障壁型赤外線センサの金属材料や半導体材
料が異なることにより、ショットキ障壁がさらに小さい
場合には、暗電流が増加するので、より低温で動作させ
る必要があり、逆にショットキ障壁がもっと大きい場合
には、暗電流が減少するので、さほど冷却しなくてよい
。すなわち、各場合のショットキ障壁に対応する冷却温
度で使用される。

次に、ショットキ障壁型赤外線センサの動作原理につい
て、第８図（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。第８図（
ａ）、（ｂ）ハショットキ障壁型赤外線センサのエネル
ギー帯構造及び光電変換機構を示しており、（ａ）は金
属・ｐ型半導体ショットキ接触の場合、（ｂ）は金属・
ｎ型半導体ショットキ接触の場合である。第８図におい
ては、赤外光７ｏ及び７９の入射方向は裏面照射型の場
合に対応している。表面照射型の場合には金属側から入
射する。半導体の禁制帯幅８８以上のエネルギーを持つ
光は、半導体内の入射面近傍においてほとんど吸収され
てしまうが、禁制帯幅Ｅｇより小さいエネルギーの光（
このような光は通常赤外光）では、その光エネルギーを
吸収して半導体の価電子帯中の電子が伝導帯へエネルギ
ー帯間遷移する確率が無いので、ｐ型半導体６４あるい
はｎ型半導体７３（第７図のｐ型Ｓｉ基板５４に相当）
中をほとんど損失なく透過し、金属６３あるいは７２（
第７図のＰｔＳｉ膜５１全５１）に入射する。金属内で
はフェルミ準位Ｅｆ下が電子で満たされており、ここへ
赤外光７０あるいは７９が入射すると電子はその光エネ
ルギーｈｖ（ｈニブランク定数、■＝光の振動数）を吸
収し、フェルミ準位下からフェルミ準位上の空準位へ遷
移してホット電子６９あるいは７８とホットホール６８
あるいは７７を形成する。これらホット電子とホットホ
ールは再結合するまで金属中を運動する。この運動の発
生確率は、あらゆる方向においてほぼ等しい。

第８図（ａ）の構造では、ホットホール６８が運動中に
金属：ｐ型半導体界面に達し、ショットキ障壁φ８Ｂを
越えてｐ型半導体６４中へ注入されると、金属６３中に
取り残され々ホット電子６９とｐ型半導体６４中へ注入
されたホットホールとが信号電荷となる。

一方、第８図（ｂ）の構造では、ホット電子７８が運動
中に金属・ｎ型半導体界面に達し、ショットキ障壁ΦＳ
Ｂを越えてｎ型半導体７３中へ注入きれると、金属７２
中に取り残されたホットホール７７とｎ型半導体７３中
へ注入されたホット電子とが信号電荷となる。

表面照射型の場合や禁制帯幅Ｅｇ以上のエネルギーを持
つ光を透過する程度に半導体を薄膜化あるいは薄板化し
た裏面照射型の場合、利用可能な光エネルギーの上限は
禁制帯幅Ｅｇより大きくなる。このとき、半導体におい
て、価電子帯から伝導帯への電子の光励起によって生成
される自由電子・ホーノいすも信号電荷に寄与する。

第８図（ａ）の構造におけるホットホールならびに同図
（ｂ）の構造におけるホット電子が寿命の尽きるまでに
移動する距離と比べて金属が薄くなると、半導体基板と
逆方向に運動する該ホットホールならびに該ホット電子
のうちにも金属・絶縁物界面によって反射され、半導体
基板方向へ移動して金属・半導体界面に達し、半導体中
へ注入されるものも現れてくる。また、金属・半導体界
面に達した該ホットホールならびに該ホット電子のうち
、ショットキ障壁Φ８Ｂより大きいエネルギーを持った
ものでも、量子力学的効果により、ある確率で反射され
るのであるが、これらのうちにも、金属、半導体界面と
金属・絶縁物界面とで反射を繰り返すうちに、ショット
キ障壁Φ８Ｂを越えて半導体中へ注入されるものも現れ
てくる。

これらの現象は、第８図（ａ）の構造におけるホットホ
ールならびに同図（ｂ）の構造におけるホット電子の半
導体への注入確率を向上させる効果を持ち、金属が薄い
程顕著となる。ただし、金属が薄くなると、赤外光の吸
収の確率が低下するので、金属の厚さには量子効率に対
して最適値が存在する。

このため、ショットキ障壁型赤外線センサにおいて、シ
ョットキ接触を成す金属電極は、通常最適値程度に薄膜
化されている。

（発明が解決しようとする課題） このようなショットキ障壁型赤外線センサには、次のよ
うな欠点がある。

（１）充電変換領域である金属膜は、通常多結晶である
ため、ホットホールやホット電子の散乱中心となる結晶
粒界や格子欠陥が高密度で存在している。なお、半導体
材料が単結晶シリコンの場合によく利用される金属膜と
して、ＰｔＳｉのようにエピタキシャルシリサイドと呼
ばれる配向性の強いものもあるが、このエピタキシャル
シリサイドにも基板との間に格子不整合があり、それに
起因する応力を緩和するため、結晶粒界や格子欠陥が発
生しているので、状況は通常の金属膜の場合とたいして
異ならない。ホットホールやホット電子は散乱によって
持っているエネルギーの一部を失うので、結晶粒界や格
子欠陥が高密度で存在することは、ホットホールやホッ
ト電子の寿命を縮める要因となる。

（２）金属と半導体とのショットキ接触は一種のへテロ
接合であり、その界面にホットホールやホット電子の捕
獲中心となる界面準位が高密度で存在する。これにより
、金属・ｐ型半導体ショットキ接触においてはホントホ
ールの半導体への注入効率を、また、金属・ｎ型半導体
ショットキ接触においてはホット電子の半導体への注入
効率をそれぞれ低下させる。

（３）このセンサが利用できるのは、裏面照射型の場合
、半導体の禁制帯幅をＥ、とすると、Φｓｎ＜ｈＶ＜Ｅ
ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　−（１）の範囲の
エネルギーｈｖを持つ光であるが、金属においては、フ
ェルミ準位下には電子が、また、フェルミ準位上には空
準位が各々広いエネルギー範囲に渡って存在しているの
で、このエネルギー範囲にある光を吸収しても、金属・
ｐ型半導体ショットキ接触においては、一部の光エネル
ギーがショットキ障壁Φｓｎ以下のエネルギーしか持た
ないホットホールを励起するのに費やされ、また、金属
・ｎ型半導体ショットキ接触においては、一部の光エネ
ルギーがショットキ障壁Φ８Ｂ以下のエネルギーしか持
たないホット電子を励起するのに費やされる。

この現象は、金属・ｐ型半導体ショットキ接触において
は、 Ｅ、−Φ３Ｂ≦Ｅｅ≦Ｅｒ−（２） の範囲のエネルギー準位Ｅｅにある電子が光エネルギー
ｈｖを吸収して遷移した場合に生じ、また、金属、ｎ型
半導体ショットキ接触においては、Ｅ（ｈｖ　＜　Ｅｅ
’≦Ｅ（ｈｖ＋φｓＢ・・・（３）の範囲のエネルギー
準位Ｅｅ＋にある電子が光エネルギーｈｖを吸収して遷
移した場合に生じる。これらの状況は第８図（ａ）、（
ｂ）にも示されている。

ショットキ障壁Φ８Ｂ以下のエネルギーしか持たない上
記のホットホールならびにホット電子においても、トン
ネル効果により半導体中へ注入される確率が完全に零と
はならない。しかし、この注入過程による効率は極めて
悪く、注入される上記のホットホールならびにホット電
子は微々たるものであるので、（２）、（３）式の条件
に該当する電子の励起によって吸収される光エネルギー
はほとんど無駄になる。このような光エネルギーの損失
は、第７図のように裏面照射型において半導体基板／金
属電極ｌ絶縁膜／金属反射膜の多層構造を備え、光学的
共振状態にさせたとき特に顕著となる。

なお、（１）式から明らかなように、禁制帯幅Ｅｇが大
きい半導体材料から成るセンサでは、検出可能な波長域
が可視領域に及ぶものもある。また、表面照射型の場合
や禁制帯幅８８以上のエネルギーを持つ光を透過する程
度に半導体を薄膜化あるいは薄板化した裏面照射型の場
合、利用可能な光エネルギーの上限は禁制帯幅Ｅｇより
大きくなる。

（４）センサの遮断波長を決定付けるショットキ障壁は
、金属と半導体の組合わせでほとんど決定してしまうの
で、センサの遮断波長を任意の値に設定できない。例え
ばＰｔＳｉとｐ型車結晶Ｓｉとのショットキ接触では遮
断波長は約５．６ｐｍであり、大幅に変えることはでき
ない。

本発明の目的はホットホールやホット電子の寿命を長く
て今、ホットホールやホット電子が通過する接合界面の
特性が良好で、吸収した赤外光の利用効率が高く、しか
もセンサの遮断波長を任意に設定できる赤外線センサを
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の赤外線センサは、第１導電型の非縮退半導体か
ら成る光電変換領域と、この光電変換領域より不純物濃
度が低い第１導電型半導体から成り、光電変換領域から
ホットホールあるいはホット電子が注入されるキャリア
注入領域と、これら光電変換領域とキャリア注入領域と
の間に存在し、不純物濃度がこのキャリア注入領域より
低い第１導電型半導体か、真性半導体か、あるいは少な
くとも動作条件下で前記光電変換領域との接合界面から
伸びる空乏層と、前記キャリア注入領域との接合界面か
ら伸びる空乏層とによって完全空乏化状態となる第２導
電型半導体から成るポテンシャル障壁領域と、これら光
電変換領域とポテンシャル障壁領域とを電気的に接続す
る短絡機構とを有し、これら光電変換領域とポテンシャ
ル障壁領域とキャリア注入領域とがホモ接合構造を構成
することを特徴とする。

（作用） 本発明の赤外線センサにおける光電変換の動作原理を第
５図（ａ）、（ｂ）及び第６図（ａ）、（ｂ）を用いて
説明する。

第５図は第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とする場
合、第６図は逆に第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型
とする場合のエネルギー帯構造及び光電変換機構を示し
ている。両図とも、（ａ）は零バイアス時、（ｂ）はバ
イアス印加時であり、赤外線の入射方向は裏面照射型に
対応している。

まず、第５図の第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型の
場合について述べる。光電変換領域３２及びキャリア注
入領域３４は共にｐ型非縮退半導体から成り立っている
ので、フェルミ準位Ｅｆはどちらの領域においても価電
子帯端Ｅｖ近傍に存在している。しかし、キャリア注入
領域３４の不純物濃度は光電変換領域３２より低いので
、光電変換領域３２よりキャリア注入領域３４の方がフ
ェルミ準位Ｅ［は禁制帯３６の中央に近いところに位置
する。光電変換領域３２とキャリア注入領域３４との間
に存在するポテンシャル障壁領域３３は、アクセプタ不
純物濃度がキャリア注大領域３４より低いｐ型半導体か
、真性半導体か、あるいは少なくとも動作条件下で、光
電変換領域３２との接合界面から伸びる空乏層とキャリ
ア注入領域３４との接合界面から伸びる空乏層とによっ
て完全空乏化状態となるドナ不純物濃度及び厚さを有す
るｎ型半導体から成り立っているので、フェルミ準位Ｅ
ｆはポテンシャル障壁領域３３においては三領域の中で
最も伝導帯端Ｅ０の近くに存在する。従って、ポテンシ
ャル障壁領域３３及び他の三領域３２．３４のポテンシ
ャル障壁領域３３との接合界面近傍には価電子帯３５中
のホールに対して障害となるポテンシャル障壁が形成さ
れる。特に、充電変換領域３２における価電子帯中のホ
ールに対するポテンシャル障壁はΦ□である。

次に、第６図の第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の
場合について述べる。光電変換領域４２及びキャリア注
入領域４４は共にｎ型非縮退半導体から成り立っている
ので、フェルミ準位Ｅｆはどちらの領域においても伝導
帯端Ｅｃ近傍に存在している。しかし、キャリア注入領
域４４の不純物濃度は光電変換領域４２より低いので、
光電変換領域４２よりキャリア注入領域４４の方がフェ
ルミ準位Ｅｆ・は禁制’Ｍ￥４６の中央に近いところに
位置する。光電変換領域４２とキャリア注入領域４４と
の間に存在するポテンシャル障壁領域４３は、ドナ不純
物濃度がキャリア注入領域４４より低いｎ型半導体か、
真性半導体か、あるいは少なくとも動作条件下で、光電
変換領域４２との接合界面から伸びる空乏層とキャリア
注入領域４４との接合赤面から伸びる空乏層とによって
完全空乏化状態となるアクセプタ不純物濃度及び厚さを
有するｐ型半導体から成り立っているので、フェルミ準
位Ｅ［はポテンシャル障壁領域４３においては三領域の
中で最も価電子帯端Ｅｖの近くに存在する。従って、ポ
テンシャル障壁領域４３及び他の三領域４２．４４のポ
テンシャル障壁領域４３との接合界面近傍には伝導帯４
７中の電子に対して障害となるポテンシャル障壁が形成
される。特に、光電変換領域４２における伝導帯中の電
子に対するポテンシャル障壁はΦ。である。

入射した光のエネルギーが禁制帯幅Ｅｇより小さい場合
、通常このような光は赤外光であるが、これは半導体中
における電子のエネルギー帯間遷移を利用して吸収させ
ることはできない。しがしながら、自由キャリア吸収を
利用すれば、吸収させることが可能となる。

この吸収は自由キャリア濃度が低い場合には、はとんど
無視し得るものなので、キャリア注入領域の不純物濃度
を低濃度にし、それに比べて光電変換領域の不純物濃度
を充分に高濃度にしておけば、吸収はほとんど光電変換
領域のみで起こる。

第５図（ａ）、（ｂ）の構造の場合には、光電変換領域
３２において赤外光４０の吸収によって価電子帯３５の
ホール３８が励起され、ホットホール３９となる。この
ホットホール３９がポテンシャル障壁領域３３を通過し
て、キャリア注入領域３４に注入されると、光信号出力
が得られる。

一方、第６図（ａ）、（ｂ）の構造の場合には、光電変
換領域４２において赤外光５０の吸収によって伝導帯４
７の自由電子４８が励起され、ホット電子４９となる。

このホット電子４９がポテンシャル障壁領域４３を通過
して、キャリア注入領域４４に注入されると、光信号出
力が得られる。

本発明の赤外線センサにおいて、三領域の接合部近傍に
半導体材料の禁制帯幅以上のエネルギーを持つ光が達し
た場合、前述のエネルギー帯内遷移に基づく光電変換の
他に、価電子帯から伝導帯への電子のエネルギー帯間遷
移に基づく光電変換も起こる。これは、本発明が主眼を
置いているところではないか、表面照射型の場合や禁制
帯幅以上のエネルギーを持つ光を透過する程度に薄膜化
、あるいは薄板化した裏面照射型の場合に後者の光電変
換が起こる割合が非常に高くなるので、充分に利用可能
な効果である。

三領域の接合部近傍で電子がエネルギー帯間遷移すると
、第１導電型がｐ型の場合（第５図）には伝導帯に遷移
した電子がポテンシャル障壁領域における伝導帯のポテ
ンシャル極小部分に集まり、第１導電型がｎ型の場合（
第６図）には電子が遷移して価電子帯に発生したホール
がポテンシャル障壁領域のボテンシャル極太部分（ホー
ルに対してポテンシャル極小部分）に集まる。

このポテンシャル障壁領域に集まった自由キャリアの除
去あるいは信号電荷として取り出すため、本発明の赤外
線センサは充電変換領域とポテンシャル障壁領域とを電
気的に接続する短絡機構を有している。

第１導電型がｐ型の場合、エネルギー帯間遷移によって
伝導帯の自由電子と対を成して生成された価電子帯のホ
ールは、光電変換領域とキャリア注入領域とに振り分け
られる。一方、第１導電型がｎ型の場合は、逆にエネル
ギー帯間遷移によって生成された伝導帯の自由電子が、
光電変換領域とキャリア注入領域とに振り分けられる。

どちらの場合も、エネルギー帯間遷移によって生成され
た自由電子・ホール対が、充電変換領域とポテンシャル
障壁領域とに分離されたときは、前記短絡機構を介して
相殺（対消滅）され、自由電子、ホール対が、ポテンシ
ャル障壁領域とキャリア注入領域とに分離されたときは
、各々を独立に外部へ抽圧することができ、信号電荷と
して利用可能となる。

なお、本赤外線センサも、ショットキ障壁型赤外線セン
サの場合と同様に、ポテンシャル障壁が小さいことが原
因で、室温において暗電流が大きい場合には、冷却して
使用しなければならない。

以上述べた構造及び動作原理を有する本発明の赤外線セ
ンサにおいては、次のようにショットキ障壁型赤外線セ
ンサの持つ問題点が解決される。

（１）本赤外線センサの光電変換領域は、他の領域と同
種の非縮退半導体から成り立っているので、原理的には
バルク状態と差の無い完全度の高い結晶性を持たせるこ
とができる。従って、ホットホールやホット電子を長寿
命をすることができる。

（２）本赤外線センサにおいては、三領域が非縮退半導
体から成るホモ接合構造なので、三領域の接合部にホッ
トホールやホット電子の再結合中心となる界面準位が存
在しない。従って、各領域界面からは、ショットキ接触
界面に見られるようなホットホールやホット電子の注入
効率を低下させる要因が排除される。

（３）本赤外線センサでは、検出可能なエネルギー範囲
の光を吸収したにもかかわらず、ｐ型の光電変換領域の
場合におけるポテンシャル障壁Φ１□以下のエネルギー
を持つホットホールの励起や、ｎ型の光電変換領域の場
合におけるポテンシャル障壁φ８以下のエネルギーを持
つホット電子の励起に、その光エネルギーが費やされる
現象は、各々の構造に対応するショットキ障壁型赤外線
センサに見られた類似の現象に比べて大幅に抑制される
。これは、本赤外線センサの光電変換領域において、自
由キャリアの存在するエネルギー準位範囲がショットキ
障壁型に比べて極めて限られていることに起因している
。

（４）本赤外線センサでは、ポテンシャル障壁領域の導
電型、ポテンシャル障壁領域の厚さ、三領域の不純物濃
度のバランス、及びバイアス条件を制御することによっ
て、遮断波長を決定付けるポテンシャル障壁Φ１（ある
いはφ。を、零〜ｐｎ接合の拡散電位に相当するエネル
ギー程度の間の任意の大きさに設定できる。

（実施例） （実施例１） 第１図は本発明の第１の実施例の縦断面図である。この
実施例は、従来の裏面照射型のＰｔ５ｉ−ｐ型車結晶Ｓ
ｉ・ショットキ障壁型赤外線センサと類似した構造の裏
面照射型赤外線センサである。本実施例では、両面とも
鏡面に磨かれた単結晶Ｓｉ基板を素材としたが、他の半
導体材料、例えばＧｅ、ＧａＡｓなどを素材としても、
製造することができる。ただし、その場合、以下に出て
くる熱酸化膜を利用できないことが多く、通常化わりに
ＣＶＤ法等で形成した絶縁膜を用いる。

まず、ｐ型、単結晶Ｓｉ基板８内においてバルク状態の
領域がキャリア注入領域３であり、赤外光１５の入射面
すなわち裏面には反射防止膜１４が施しである。基板表
面には非縮退状態ではあるが、基板より高濃度に不純物
を含有したｐ型光電変換領域１を設けてあり、この光電
変換領域１とキャリア注入領域３との間にポテンシャル
障壁領域２を形成しである。ポテンシャル障壁領域２は
キャリア注入領域３より不純物濃度が低いｐ型か、真性
か、あるいは少なくとも動作条件下で完全空乏化状態と
なるｎ型である。ｐ型光電変換領域１は非縮退なので、
縮退している場合より半導体の結晶性は良好である。

光電変換領域１及びポテンシャル障壁領域２の周囲には
電界集中を緩和するため、ｎ型ガードリング５を設けて
いる。光電変換領域１とキャリア注入領域３とが直接接
する部分が生じると、センサとして働かくなるので、ボ
テンヤル障壁領域２とｎ型ガードリング５とは充分な重
なりを持たせて形成しである。光電変換領域１周辺の基
板表面は熱酸化膜（８１０２）９で覆ってあり、さらに
、光電変換領域１上及び熱酸化膜９上をＣＶＤ法等で形
成したシリコン酸化物（８１０，８１０２）あるいはシ
リコン窒化物（ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４など）等から成る絶
縁膜１０で覆っである。ただし、シリコン窒化物を絶縁
膜１０に用いる場合には、熱膨張係数の差を緩和するた
め、光電変換領域１上に前もってＣＶＤ法等で薄いシリ
コン酸化膜を形成する必要がある。

充電変換領域１を透過した赤外光１５を再利用するため
、絶縁膜１０上の光電変換領域１と対向する部分に、ア
ルミニウム等の金属反射膜１２を備えている。キャリア
注入領域３とポテンシャル障壁領域２の部分の単結晶Ｓ
ｉ基板８１光電変換領域１１絶縁膜１０／金属反射膜１
２の多層構造で光学的共振状態を生み出し、センサの使
用波長帯域における中心波長の赤外光で生じる定在波の
腹がちょうど光電変換領域１の部分に来るように、絶縁
膜１０の厚さを最適設計しである。

光電変換領域１とアルミニウム等の金属配線１１とをオ
ーミック接続させるためのｐ壁高濃度不純物領域６がｎ
型ガードリング５内部に形成しである。また、ｎ型ガー
ドリング５内部には、ｎ型ガードリング５と金属配線１
１とをオーミック接続させるためのｎ型高濃度不純物領
域７が前記ｐ壁高濃度不純物領域６と隣接するように形
成しである。金属配線１１は前記ｐ壁高濃度不純物領域
６及びｎ型高濃度不純物領域７の両者と接触・合金化し
、そこから外部に引き出している。

この実施例においては、光電変換領域１とポテンシャル
障壁領域２とを電気的に接続する短絡機構４は、ｎ型ガ
ードリンク５．ｎ型高濃度不純物領域７．金属配線１１
．及びｐ壁高濃度不純物領域６から成り立っている。セ
ンサの表面側最外部は保護膜１３で覆っである。

次に本実施例の動作について簡単に述べる。ｐ型車結晶
Ｓｉ基板８裏面から入射した赤外光１５は、キャリア注
入領域３及びポテンシャル障壁領域２を透過し、充電変
換領域１において吸収され、電気信号に変換される。本
実施例においては、充電変換領域１はホットホールの放
出によって電子が増加し、キャリア注入領域３はホット
ホールの注入によってホールが増加する。キャリア注入
領域３の信号電荷はアースに流れ、光電変換領域１の信
号電荷はｐ壁高濃度不純物領域６及び金属配線１１を経
て外部に取り出される。

（実施例２） 第２図、第３図は本発明の第２の実施例の２次元赤外線
ＣＯＤイメージセンサの単位画素の縦断面図及び全体構
成図である。アレイ化したシリコン・ショットキ障壁を
赤外線センサをシリコンから成る本発明の赤外線センサ
に置き換えたインターライン転送ＣＣＤ方式の赤外線イ
メージセンサが本が第２図に示すように、赤外線センサ
１８．トランスファゲート１９．及び垂直Ｃ０Ｄ２０か
ら成り立っている。

この赤外線センサ１８の構造は、光電変換領域１がらの
信号電荷読み出し部分及び短絡機構が若干具なる以外は
第１実施例と同様である。赤外線センサ１８の短絡機構
４は、ｎ型ガードリング５．ｎを高濃度不純物領域７．
シリサイド膜１６．及びｐ壁高濃度不純物領域６から成
り立っている。シリサイド膜１６はｎ型高濃度不純物領
域７ともｐ壁高濃度不純物領域６ともオーミック接触と
なる。シリサイド膜１６の代わりに単なる金属膜を用い
ても同様の機能を持たせられるが、特性の安定性や信頼
性を考慮すると、この部分はシリサイド膜が適している
。また、ｎ型高濃度不純物領域７はｎ型ガードリング５
の外部まで飛び出しており、トランスファゲート１９部
分のソース領域の機能も兼ねている。

垂直Ｃ０Ｄ２０の構造は、埋込みチャネル型であり、電
荷の転送方向に対して横方向のチャネル幅を限定するた
め、垂直Ｃ０Ｄ２０の両側端部で熱酸化膜９を厚くし、
不純物を高濃度添加したｐ型のチャネル阻止領域１７を
形成している。第２図にはトランスファゲート１９を含
む部分の断面を示しているので、赤外線センサ１８側の
垂直Ｃ０Ｄ２０端部には厚い熱酸化膜及びチャネル阻止
領域１７が存在しないか、トランスファゲート１９が占
めている領域は僅かで、その他の部分では垂直Ｃ０Ｄ２
０両端部に厚い熱酸化膜及びチャネル阻止領域１７を備
えている。

この全体構成は第３図に示すようにインターライン転送
方式であり、単位画素を２次元に配列し、垂直・水平走
査はそれぞれ垂直Ｃ０Ｄ２０と水平Ｃ０Ｄ２３とで行う
ようになっている。垂直ＣＣＤ２０は４相駆動、水平Ｃ
ＣＤ２３は２相駆動であり、水平Ｃ０Ｄ２３からは出力
部２４を経て信号を外部に出力する構造になっている。

この２次元赤外線ＣＯＤイメージセンサの動作はショッ
トキ障壁型赤外線ＣＣＤイメージセンサの場合と同様で
ある。光電変換は赤外線センサ１８を蓄積モードにして
行うが、蓄積モードではトランスファゲート１９がＯＦ
Ｆ状態であり、赤外線センサ１８は第５図（ｂ）に示す
ようにバイアスされた状態となっている。

赤外線センサ１８裏面から入射した赤外光１５が光電変
換領域１に達し、光電変換されると、発生した信号電荷
である電子が、光電変換領域１．ｐ壁高濃度不純物領域
６．シリサイド膜１６．ｎ型高濃度不純物領域７、及び
ｎ型ガードリンク５に蓄積される（光電変換領域１及び
ｐ壁高濃度不純物領域６における電子の蓄積は、多数キ
ャリアであるホールの減少というかたちで生じる）。光
電変換領域１他前記四部分に信号電荷が蓄積されている
期間に、垂直Ｃ０Ｄ２０は信号の読み出しを行っている
。一定の蓄積時間に信号電荷を蓄積した後、トランスフ
ァゲート１９がＯＮ状態になり、光電変換領域１他前記
四部分に蓄積された信号電荷が垂直Ｃ０Ｄ２０に読み出
される。その後、トランスファゲート１９はＯＦＦ状態
になり、光電変換領域１他前記四部分は信号電荷の蓄積
を再び開始する。

垂直ＣＣＤ２０に読み出された信号電荷は一水平期間の
うちに一水平うイン分が水平Ｃ０Ｄ２３へ転送され、水
平Ｃ０Ｄ２３から順次出力部２４を経て外部へ読み出さ
れる。出力部２４はキャパシタとソース・ホロワ・アン
プから成り立っており、信号電荷に電荷−電位変換及び
インピーダンス変換を施して、電圧変化の形態で信号を
出力する。この−水平ライン分の信号の読み出しを一水
平期間毎に繰り返し、全画素の信号を、光電変換領域１
他前記四部分の信号電荷蓄積期間に読み出す。

固体のイメージセンサには、インターライン転送ＣＣＤ
方式の他にＭＯ８Ｏ８方式等信号読み出し方式や１次元
アレイのものがあるが、これらの受光部として、本発明
の赤外線センサを用いることば可能である。また、Ｓｉ
以外の半導体材料、例えばＧｅ、ＧａＡｓとなどを素材
として本発明の赤外線センサをアレイ状に形成し、単結
晶Ｓｉ基板上に形成した走査回路とハイブリッドにする
ことによって、イメージセンサを構成することもできる
。

（実施例３） 第４図は本発明の第３の実施例の縦断面図である。

本実施例は、第１実施例の赤外線センサの光電変換領域
１上に第２ポテンシヤル障壁領域２５と第２キヤリア注
入領域２６（低濃度ｐ型）を設け、ホットホールが光電
変換領域１の二面から放出されるようになっている。こ
の効果によってセンサの量子効率が高められている。第
２ポテンシヤル障壁領域２５と第２キヤリア注入領域２
６とは、充電変換領域１形成後、その上に成長させたエ
ピタキシャルＳｉ層２７に形成している。

第２ポテンシヤル障壁領域２５と第２キヤリア注入領域
２６の周囲にも、第２ｎ型ガードリング２８を設けてい
る。エピタキシャルＳｉ層２７表面には、第２キャリア
注入領域２６と金属配線とをオーミック接続するための
第２ｐ型高濃度不純物領域２９を形成しである。エピタ
キシャルＳｉ層２７上及びその周辺上をＣＶＤ法等で形
成した絶縁膜１０で覆い、その上の光電変換領域１と対
向する部分にアルミニウム等の金属反射膜１２を設けて
いる。

キャリア注入領域３とポテンシャル障壁領域２の部分の
単結晶Ｓｉ基板ｌ光電変換領域１１エピタキシヤルＳｉ
層２７１絶縁膜１０／金属反射膜１２の多層構造で光学
的共振状態を生み出し、センサの使用波長帯域における
中心波長の赤外光で生じる定在波の腹がちょうど充電変
換領域１の部分に来るように、エピタキシャルＳｉ層２
７と絶縁膜１０の厚さを最適設計している。

金属反射膜１２の形成と同時に金属配線１１及び第２金
属配線３０も形成する。金属配線１１は絶縁膜１０に開
けた穴を通してｐ壁高濃度不純物領域６及びｎ型高濃度
不純物領域７と接触・合金化しており、第２金属配線３
０は絶縁膜１０に開けた穴を通して第２ｐ型高濃度不純
物領域２９と接触・合金化している。この実施例では、
金属反射膜１２と第２金属配線３ｏとが分離されていな
いが、これは金属反射膜１２の端と絶縁膜１０の穴とが
近接しているためであり、それらの間の距離を拡げて金
属反射膜１２と第２金属配線３ｏとを分離しても差し支
えない。センサの表面側最外部はＣＶＤ法等で形成した
保護膜１３で覆っである。

本実施例においては、キャリア注入領域３と第２キヤリ
ア注入領域２６（第２金属配線３０）を接地し、光電変
換領域１の信号電荷を検出している。この例では、第２
ｐ型高濃度不純物領域２９と第２金属配線３ｏを設けて
第２キヤリア注入領域２６のアースを取っているが、第
２ｐ型高濃度不純物領域２９と第２金属配線３０とが無
く、キャリア注入領域３と第２キヤリア注入領域２６と
が直接繋がっている構造のものも製造可能である。

本実施例の赤外線センサも、別の半導体材料を素材とし
て製造可能であるが、その場合熱酸化膜を利用できない
ことが多く、通常化わりにＣＶＤ法等で形成した絶縁膜
を用いる点は、他の実施例の場合と同様である。また、
固体イメージセンサの受光部に第３実施例あるいは他の
半導体材料から成る同構造の赤外線センサを用いること
も可能である。

なお、実施例１〜３は全て第１導電型をｐ型、第２導電
型をｎ型として述べてきたが、逆に第１導電型をｎ型、
第２導電型をｐ型とするものも容易に実現でき、前記実
施例においてｐ型→ｎ型、ｎ型→ｐ型と入れ替えれば得
ることができる。これは、他の半導体材料を素材とする
場合も同様である。また、これら３つの実施例は全て裏
面照射型であったが、これらを表面照射型の構造に替え
るには、基板裏面の反射防止膜及び表面側の金属反射膜
を除去すればよく、この場合、表面の絶縁膜及び保護膜
が反射防止膜の役割も果たす。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の赤外線センサは、ショッ
トキ障壁型赤外線センサと光電変換機構が類似し、その
応用分野に互換性があると共に、ショットキ障壁型赤外
線センサと比較して、次のような利点がある。

（１）光電変換領域を原理的にはバルク状態と同様にで
き、ホットポールやホット電子の寿命を長くできる。

（２）ホットホールあるいはホット電子が通過すべき接
合界面の特性を良好にできる。

（３）赤外光の有効利用ができる。

（４）センサの遮断波長を任意に設定することができる
。

従って、ショットキ障壁型赤外線センサを用いた装置等
において、ショットキ障壁型赤外線センサを本発明の赤
外線センサに置換することにより、その装置等を高性能
化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の赤外線センサの第１の実施例の縦断面
図である。第２図及び第３図は本発明の第２の実施例で
ある２次元赤外線ＣＯＤイメージセンサの単位画素の縦
断面図及びその全体構成図である。第４図は本発明の第
３の実施例の縦断面図である。第５図（ａ）、（ｂ）は
本発明で第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とする場
合のエネルギー帯構造及び光電変換機構の説明図で、（
ａ）は零バイアス時、（ｂ）はバイアス印加時である。 第６図（ａ）、（ｂ）は本発明で第１導電型をｎ型、第
２導電型をｐ型とする場合のエネルギー帯構造及び充電
変換機構の説明図で、（ａ）は零バイアス時、（ｂ）は
バイアス印加時である。第７図は従来のショットキ障壁
型赤外線センサの一例の縦断面図である。第８図（ａ）
、（ｂ）はショットキ障壁型赤外線センサのエネルギー
帯構造及び充電変換機構の説明図で、（ａ）は金属・ｎ
型半導体ショットキ接触の場合、（ｂ）は金属・ｎ型半
導体シヨｙトキ接触の場合である。 １．３２・・・光電変換領域（非縮退ｐ型）、２，３３
．４３・・・ポテンシャル障壁領域、３，３４．４４・
・・キャリア注入領域、４・・・短絡機構、５，５２・
・・ｎ型ガードリング、６・・・ｐ型高濃度不純物領域
、７，５３・・・ｎ型高濃度不純物領域、８．５４・・
・ｐ型車結晶Ｓｉ基板、９，５５・・・熱酸化膜（Ｓｉ
Ｏ３）、１０．５６・・・絶縁膜、１１．５７・・・金
属配線、１２．５８・・・金属反射膜、１３．５９・・
・保護膜、１４．６０・・・反射防止膜、１５．４０，
５０，６１，７０．７９・・・赤外光、１６・・・シリ
サイド膜、１７・・・チャネル阻止領域（ｐ型）、１８
・・・赤外線センサ、１９・・・トランスファゲート、
２０・・・垂直ＣＣＤ、２１・・・ｎ”Ｊチャネル領域
、２２・・・ポリＳｉ電極、２３・・・水平ＣＣＤ、２
４・・・出力部、２５・・・第２ポテンシヤル障壁領域
、２６・・・第２キヤリア注入領域、２７・・・エピタ
キシャルＳｉ層、２８・・・第２ｎ型ガードリング、２
９・・・第２ｐ型高濃度不純物領域、３０・・・第２金
属配線、３１，４１，６２，７１・・・絶縁物、３５，
４５，６５．７４・・・価電子帯、３６，４６，６６．
７５・・・禁制帯、３７，４７，６７．７６・・・伝導
帯、３８・・・ホール、３９．６８，７７・・・ホット
ホール、４２・・・光電変換領域（非縮退ｎ型）、４８
・・・自由電子、４９，６９，７８・・・ホット電子、
５１・・・ＰｔＳｉ膜、６３．７２・・・金属、６４・
・・ｎ型半導体、７３・・・ｎ型半導体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１導電型の非縮退半導体から成る光電変換領域と、こ
   の光電変換領域より不純物濃度が低い第１導電型半導体
   から成り、光電変換領域からホットホールあるいはホッ
   ト電子が注入されるキャリア注入領域と、これら光電変
   換領域とキャリア注入領域との間に存在し、不純物濃度
   がこのキャリア注入領域より低い第１導電型半導体か、
   真性半導体か、あるいは少なくとも動作条件下で前記光
   電変換領域との接合界面から伸びる空乏層と、前記キャ
   リア注入領域との接合界面から伸びる空乏層とによって
   完全空乏化状態となる第２導電型半導体から成るポテン
   シャル障壁領域と、これら光電変換領域とポテンシャル
   障壁領域とを電気的に接続する短絡機構とを有し、これ
   ら光電変換領域とポテンシャル障壁領域とキャリア注入
   領域とがホモ接合構造を構成することを特徴とする赤外
   線センサ。