JPH03185878A - 光電変換装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、光電変換装置に関する。

［従来の技術］ 従来の充電変換装置として、例えばバイポーラトランジ
スタ型の光電変換装置が知られている。

第９図は、従来のバイポーラ型光電変換装置の一例を示
す概略的断面図である。図において、１はリン（Ｐ）、
アンチモン（ｓｂ）、ひ素（Ａｓ）等の不純物をドープ
してｎ型またはｎ３型とされたシリコン基板、２はエピ
タキシャル法等で形成されるｎ−領域、３は光キャリア
を蓄積するｐ領域、５はエミッタあるいは出力を取り出
すｎ″″″領域はチャネル・ストップあるいはコレクタ
とつながるｎ＋領領域１００は素子分離等になる絶縁膜
、２００はポリシリコン、金属等よりなる電極である。

このような光電変換装置においては、当該光電変換装置
を用いた固体撮像装置等の小型化の要請に応えるため、
従来より、微細化、高集積化の検討がなされていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上述のような従来の光電変換装置を微細化する
と、開口率が下がるため光照射による発生電荷量が少な
くなり、従って感度が下がるという課題があった。

従来のバイポーラ型の光電変換装置においては、感度は
、近似的に次式で表される。

ここで、ｉ　、は単位面積当りの光誘起電流密度、Ａ８
は開口面積、ｔ、は蓄積時間、Ｃｂｃはペース・コレク
タ間容量である。

上記（１）式から明らかなように、開口面積Ａ、の低下
にしたがい、感度Ｓ１の低下がおこる。

本発明は、感度Ｓ８を向上させた光電変換装置を提供す
ることを特徴とする。

［課題を解決するための手段コ 本発明の第１の充電変換装置は、第１導電型を有する第
１半導体領域と、第２導電型を有する第２半導体領域と
、第１導電型を有する第３半導体領域とを少なくとも有
し、当該第２半導体領域に照射された光により発生した
電荷を当該第１半導体領域から取り出す光電変換装置で
あって、前記第２半導体領域に接して形成された、当該
第２半導体領域よりも不純物濃度の高い、第２導電型を
有する第４半導体領域と：当該第４半導体領域に接して
形成された、当該第４半導体領域とほぼ同じ不純物濃度
の、第１導電型を有する第５半導体領域と：をさらに有
し、 且つ、 前記第４半導体領域および前記第５半導体領域において
、電子電離係数α□、電子走行速度ｖｎ、空乏層幅Ｗが
、αｎ・ｖｎ−Ｗ＞１あるいはα、・Ｖ、・Ｗ＞ｔの関
係を有することを特徴とする。

本発明の第２の充電変換装置は、第１導電型を有する第
１半導体領域と、第２導電型を有する第２半導体領域と
、第１導電型を有する第３半導体領域とを少なくとも有
し、当該第２半導体領域に照射された光により発生した
電荷を当該第１半導体領域から取り出す光電変換装置で
あって、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との
間に形成された、当該第２半導体領域よりも不純物濃度
の高い、第２導電型を有する第６半導体領域を、さらに
有し、 １つ、 前記第６半導体領域において、電子電離係数αｎ、電子
走行速度ｖｎ、空乏層幅Ｗが、αｎｖｎ−Ｗ＞１あるい
はα、・ｖｎ・Ｗ＞１の関係を有することを特徴とする
。

上記特徴においては、前記第１半導体領域と前記第２半
導体領域との間に形成された、当該第２半導体領域より
も不純物濃度の高い、第２導電型を有する第７半導体領
域を、さらに有し、且つ、 前記第前記第７半導体領域において、電子電離係数αｎ
、電子走行速度ｖｎ、空乏層幅Ｗが、α、・ｖｎ・Ｗ＞
１の関係を有することが望ましい。

［作用］ 本発明においては、センサセルのベース・コレクタ間に
おける電子、正孔の衝突電離を用いて光励起電流ｉｐを
増幅させるので、充電変換装置の発生電荷量を向上させ
ることができ、従って、感度を向上させることができる
。

以下、衝突電離について説明する。

半導体中の強電界中における、衝突電離による電子−正
孔対生成率Ｇは、次式で与えられる。

Ｇ　”　ｆｆｎ−ｎ−Ｖｎ　＋　ｌＺｐ’ｐ”　ｐ　（
Ｃ１”ＳｅＣ’″１）・・・（２） ここに、αｎは電子の電離率（ｃｍ−’）、Ｃ２は正孔
の電離率（ｃ１’）、ｎは電子密度（ｃｍ−３）、ｐは
正孔密度（ｃｍ−’）、ｖｎは電子の走行速度（ｃｍ／
５ｅｃ）、ｖｐは正孔の走行速度（ｃｍ／５ｅｃ）であ
る。

上式において、ｎおよびｐは、光による発生キャリアの
密度である。

第７図は、電界（Ｖ／ｃｍ）とキャリアの走行速度ｖ　
ｎ、　　ｖ　、　（ｃｍ／５ｅｃ）との関係を示すグラ
フである。

第８図は、電界（Ｖ／ｃｍ）と電離率αｎ、Ｃ２（ｃｍ
−’）との関係を示すグラフである。

第７図および第８図より、所定の電界に対するαｎ、α
、、Ｖｐ、Ｖ、の値が求まり、従って、Ｇは容易に求ま
る。

例えば、電界Ｅ＝３ｘｆ　０１ｓＶ／Ｃｍとすると（ｐ
ｎ接合とする）　、Ｃ１ｎ　Ｖ　ｎ”　１０　”　５Ｉ
ＢＣ−’　となり、単位面積でのｐｎ接合の空乏中を０
．　１μｍとすると、衝突電離による増幅率は、１秒間
当り１０６倍となる。

［実施例］ （実施例１） 本発明の１実施例について、図を用いて説明する。

第１図（ａ）は、本実施例に係る充電変換装置を示す模
式的断面図である。図において、第９図と同じ符号を付
したものは、それぞれ第９図の場合と同じものを示す。

また、４はベース中のＰ＋領域、６は急峻な電位勾配を
つけるためのｎ０領域である。

第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のＡ−Ａ’の断面におけ
る電位図であり、横軸は距離を示し、縦軸は電位の高さ
を示す。

また、第１図（Ｃ）は、第１図（ａ）のＢ−Ｂ゛の断面
における電位図であり、上記第１図（ｂ）同様、横軸は
距離を示し、縦軸は電位の高さを示す。

本発明で重要な点は、第１図（ｂ）に示した、ｐ０ｎ＋
接合における急峻な電位落差であり、これにより発生し
たキャリアの増幅がなされるのである。第１図（Ｃ）に
示した電位図は、従来のバイポーラトランジスタ構造と
なんら変わるところはない。

第１図（ｂ）について、さらに詳しく説明する。

本実施例では、センサセルに、上述のようなｎ＋　／　
ｐ／　Ｐ＋　／　ｎ＊構造を設けたことにより、ｐ”領
域とｎ０領域との間に急峻な電位落差をつくり、かつ、
Ｐ＋領域を薄くすることによりｐ領域まで空乏領域を広
げた。半導体中で光の吸収によって発生した電子−正孔
のうち、ｐ／ｐ“領域およびｐ＊　／　ｎ＋接合空乏領
域の電子の大部分は、拡散あるいはドリフトによりｎ０
領域５に移動するため、光キャリアの増幅に寄与する。

一方正孔は、ｐ　＋　／　ｎ“接合の空乏領域中で発生
したものがキャリア増幅に寄与する。二次元的に述べる
と、領域６で示したｎ＋領領域空乏領域に流れ込まない
キャリアは増幅に寄与しない。

第２図は、第１図（ａ）の一部を拡大した断面図である
。図において、破線で示した線は、空乏領域の広がりを
示す。ｐ領域３とｎ−領域２とのｐｎ−接合では、ｐ領
域３の不純物濃度を多くしてＮｐ＞Ｎｎとしであるので
、空乏領域はほとんどｎ−領域２側に広がる。一方、ｎ
０領域６とｐ３領域４およびｐ領域３との接合において
は、ｎ１領域６の不純物濃度とｐ“領域４の不純物濃度
が同程度で、かつ、ｐ領域３の不純物濃度をそれより低
くしたが、ｐ″″領域４を薄くしたため、空乏領域は領
域３にまで広がる。

そのため、第２図（ａ）のＣ−Ｃ’断面の電位図は、近
似的に第２図（ｂ）のようになり、これにより、第２図
（ａ）に矢印で示したように、ｐ領域３の中で発生した
電子をｎ１領域６に集める嘩ことができ、従って、有効
にキャリア増幅を行うことができる。

さらに、第２図（ａ）に示したように、領域６から延び
る空乏領域と領域２から延びる空乏領域がつながると、
ベース・コレクタ間の容量は激減する。このため、式（
１）で示したＣｂｃが激減し、感度はさらに増加する。

半導体ｐｎ接合の空乏領域幅は、次式で示される。

Ｗ　＝（””　・””’（Ｖｂ＋”ＶＲ）　）”’　　
−（３）Ｑ　　　ＮＡ’ＮＤ 但し、ε、は半導体の誘電率、ｑは電荷、ＮＡはρ型不
純物の濃度、Ｎｏはｎ型不純物の濃度、■、はビルトイ
ン電圧、■３は逆方向印加電圧である。なお、（３）式
において、■、＋ｖＲは全電位■である。

第３図は、Ｎｏ＞ＮＡの場合の、全電位Ｖをパラメータ
とした、ＮＡと空乏領域幅および容量との関係を示すグ
ラフである。第３図中に、アバランシェ限界を示しであ
る。

第４図は同様にＮ。＞ＮＡの場合の、ＮＡとアバランシ
ェ降伏時の最大空乏幅および最大電界との関係を示すグ
ラフである。この限界に達すると、光信号の増幅はなさ
れるが、雑音も増加するので、好ましくない。

本発明では強電界でキャリアを増幅を行うが、７バラン
シエ降伏のおこる電圧よりも低い電圧領域で使用するこ
とが望ましい。例えばＳｔの場合、第４図より、ＮＡ　
＝　１０　”ｃ　ｍ−’ではε１＝５ｘ　１０’　Ｖ／
ｃｍである。すなわち、この電位以下で使用すればよい
。空乏領域幅は、Ｗ＝０．４μｍである。

本発明の実施例では、ｐ“領域４の不純物濃度とれ＋領
域６の不純物濃度はほぼ同じであるため、最大空乏領域
幅は、第４図に示した場合の１２倍になる。

次に、本実施例における電ｍ衝突増幅について説明する
。

半導体中での強電界中での電離係数は次式で表わせる。

ａ　＝　　Ａｌｅｘｐ［−ｂ／ｅ　］　　　　　　　　
　　　　・＝　（４）ここで、半導体がシリコンの場合
には、電子については’Ａｎ＝３．８Ｘ　１０１１ＳＣ
ｍ−’　　ｂｎ＝１．７５×１０６　（ｖ／Ｃ１ＴＩ）
、正孔ニツイてはＡＰ　＝２．　２５Ｘ１０’　　ｃｍ
−’　　　ｂ、＝３．　２６ＸＩＯ６（Ｖ／ｃｍ）（３
００’　ｋ）が与えられている。また、εは電界（Ｖ　
／　ｃ　ｍ　）である。

ｐｎ接合中での電界には分布があるが、平均電界Ｅは最
大電界Ｅ、。と Ｅ□、！＝２２　　　　　　　　　　　　・・・（５）
の関係がある。故に、ｐｎ接合のＥ　ｗａｘが第４図の
Ｅ　ｗａｘを越えないようにＥを設定し、その空乏幅Ｗ
で平均的に電界Ｅでキャリアが加速すると近似とすると
、ｐｎ接合のキャリアの増幅率が明らかとなる。すなわ
ち、（３）式でＮＡ＝ＮＯ（本実施例では１ｐ“　１＝
Ｉｎ”ｌと近似）としてＷを求め、Ｅ　＝（Ｖ　６１　
＋　Ｖ　Ｒ）　／　Ｗとし、（４）式からα値を求め、
さらに第７図より■。を求めた後、ｐｎ接合単位面積当
りのキャリアの増幅率（αｎ・ｖｎ・Ｗ）が求められる
（但し、電子の場合）。

電流増幅率の計算例を、第１表に示す。第１表に示した
ように、不純物密度が低く且つ電圧の低い場合には増幅
は無い（すなわち、αｎ・ｖｎ−Ｗ≦１となる）。従っ
て、不純物密度は高い方が望ましい（但し、ｐｎ接合の
耐圧で限定される）。なお、上述のように、不純物密度
が高く且つ電圧が高い場合には雑音が多くなる。従って
、ベース・コレクタ濃度の一部とコレクタ電位に限定が
生じる。

増幅により生じた光電流は、以下のように表される。

１ｐ＝ｑ−Ｇ−Ｗ ＝ｑ　（ｎ−ａ、・ｖｏ＋ｐ・　ａ、・ｖ、）Ｗ（＾／
ｃｍ２）・・・（６） 本実施例に係る光電変換装置は、以下のような製造工程
により作製した。

■ｎ１基板１上に、エピタキシャル成長法により、ｎ−
領域２を形成した。

■選択酸化法等により、素子分離１００を形成し、同時
に００領域７を作成した。

■光感度領域（ベース）となるｐ領域３を、イオン注入
、熱拡散等により作成した。

■ニジツタコンタクトを開口した後、ポリシリコン２０
０を堆積して不純物ドープし、パターニングした。

また、同時に熱拡散を行ない、ｎ＋領域５を作成した。

■レジストをバターニングした後、ボロン、ヒ素をそれ
ぞれ同じ領域にイオン注入し、これを熱処理してｎ＋領
域６およびｐ０領域４を作成した。

なお、ｐ１領域４をｎ＋領領域り深くする方法としては
、不純物の拡散速度の差を利用してもよいし、イオン注
入の各不純物の侵入深さの違いを用いてもよい。

このようにして作製した光電変換装置について、動作試
験を行なったところ、優れた光感度を得ることができた
。

（実施例２） 本発明の第２の実施例に係る充電変換装置の模式的断面
図を、第５図に示す。

本実施例に係る光電変換装置は、ベース領域３の下部に
ｐ３領域４゛を有する点が従来の光電変換装置と異なる
。このような構造（すなわち、ｎ”／ｐ−／ｐ”／ｎ構
造）によっても、本発明の効果を得ることができた。

（実施例３） 本発明の第３の実施例に係る光電変換装置の模式的断面
図を、第６図に示す。

本実施例では、上記実施例２に示した光電変換装置に、
さらに、エミッタ５の下にｐゝ領域１゜を形成した。

本実施例に係る充電変換装置では、ｐ−領１ｌｃ３の空
乏領域をｐ゛領域１０でストップすることができる。こ
の場合は、ｐ−領域３は極めて濃度の低いｉ層であって
もよい。すなわち、ｎ＊　／　ｐｆ″／　ｐ　−／　ｐ
　”　／　ｎ構造あるいはｎ′″／ｐ”　／ｉ／ｐ”　
／ｎ構造を有する。

このような光電変換装置においても、優れた光感度を得
ることができた。

本発明の実施例ではｎｐｎ型ＢＰＴを用いて説明したが
、ｐｎｐ型ＢＰＴをセンサセルとして用いても同様に高
感度の光電変換装置かえられる。

ｐｎｐ型の場合は、αｎＶｐ・Ｗ＞１の条件をベース・
コレクタ間の空乏層で有れば、高感度にすることができ
る。

第１表 ［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、光入射に
より生成されたキャリアを増幅することができるので、
光電変換装置の光感度を格段に向上させることが可能で
ある。

特に、光電変換装置を微細化した場合、開口率が低下し
ても、従来またはそれ以上の光感度を得ることができる
ので、本発明の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本実施例に係る光電変換装置を示す模式
的断面図、 第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ−Ａ’の断面における
電位図、 第１図（Ｃ）は、第１図（ａ）のＢ−Ｂ’の断面におけ
る電位図、 第２図は第１図（ａ）の一部を拡大した断面図、 第２図（ｂ）は第２図（ａ）のｃ−ｃ’断面の電位図、 第３図はＮｏ　＞ＮＡの場合のＮＡと空乏領域幅および
容量との関係を示すグラフ、 第４図はＮＯ＞ＮＡの場合のＮＡとアバランシェ降伏時
の最大空乏幅および最大電界との関係を示すグラフ、 第５図は本発明の第２の実施例に係る光電変換装置の模
式的断面図、 第６図は本発明の第３の実施例に係る光電変換装置の模
式的断面図、 第７図は電界（Ｖ／ｃＩ１１）とキャリアの走行速度ｖ
ｎ、　ｖ　、　（ｃｍ／５ｅｃ）との関係を示すグラフ
、第８図は電界（Ｖ／ｃｍ）と電離率αｎ、ａｐ（ｃｌ
’）との関係を示すグラフ、 第９図は従来のバイポーラ型充電変換装置の一例を示す
概略的断面図である。 （符号の説明） １・・・シリコン基板、２・・・ｎ−領域、３・・・光
キャリアを蓄積するｐ領域、４・・・ベース中のＰ０領
域、５・・・エミッタあるいは出力を取り出すｎ４領域
、６・・・急峻な電位勾配をつけるためのｎ３領域、７
・・・チャネル・ストップあるいはコレクタとつながる
ｎ０領域、１００・・・素子分離等になる絶縁膜、２０
０・・・電極。 第 図 （ａ） 第 図 （ｂ） ｎ＋−＋−ｐ二ｐ”Ｌ　ｎ”− １ −ｎ〜吠−−ｐ−−→−ｎ−一に←ｎ九申第 図 Ｉ （ｂ） 第 ４ 図 ＤＯＰＩＮＧ　。 ＮＡ（ｃｍ−３） 第 図 第 図 第 図 第 ８ 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型を有する第１半導体領域と、第２導電
   型を有する第２半導体領域と、第１導電型を有する第３
   半導体領域とを少なくとも有し、当該第２半導体領域に
   照射された光により発生した電荷を当該第１半導体領域
   から取り出す光電変換装置であって、 前記第２半導体領域に接して形成された、当該第２半導
   体領域よりも不純物濃度の高い、第２導電型を有する第
   ４半導体領域と；当該第４半導体領域に接して形成され
   た、当該第４半導体領域とほぼ同じ不純物濃度の、第１
   導電型を有する第５半導体領域と；をさらに有し、 且つ、 前記第４半導体領域および前記第５半導体領域において
   、電子電離係数α＿ｎ、電子走行速度ｖ＿ｎ、空乏層幅
   Ｗが、α＿ｎ・ｖ＿ｎ・Ｗ＞１あるいは正孔の電離係数
   α＿ｐ、正孔走行速度ｖ＿ｐがα＿ｐ・ｖ＿ｐ・Ｗ＞１
   の関係を有することを特徴とする光電変換装置。
2. （２）第１導電型を有する第１半導体領域と、第２導電
   型を有する第２半導体領域と、第１導電型を有する第３
   半導体領域とを少なくとも有し、当該第２半導体領域に
   照射された光により発生した電荷を当該第１半導体領域
   から取り出す光電変換装置であつて、 前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間に形成
   された、当該第２半導体領域よりも不純物濃度の高い、
   第２導電型を有する第６半導体領域を、さらに有し、 且つ、 前記第６半導体領域において、電子電離係数α＿ｎ、電
   子走行速度ｖ＿ｎ、空乏層幅Ｗが、α＿ｎ・ｖ＿ｎ・Ｗ
   ＞１あるいは正孔の電離係数α＿ｐ、正孔走行速度ｖ＿
   ｐがα＿ｐ・ｖ＿ｐ・Ｗ＞１の関係を有することを特徴
   とする光電変換装置。
3. （３）前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間
   に形成された、当該第２半導体領域よりも不純物濃度の
   高い、第２導電型を有する第７半導体領域を、さらに有
   し、 且つ、 前記第前記第７半導体領域において、電子電離係数α＿
   ｎ、電子走行速度ｖ＿ｎ、空乏層幅Ｗが、α＿ｎ・ｖ＿
   ｎ・Ｗ＞１あるいは正孔の電離係数α＿ｐ、正孔走行速
   度ｖ＿ｐがα＿ｐ・ｖ＿ｐ・Ｗ＞１の関係を有すること
   を特徴とする請求項１または２記載の光電変換装置。