JPH08153887A - フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ - Google Patents

フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ

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JPH08153887A
JPH08153887A JP6296333A JP29633394A JPH08153887A JP H08153887 A JPH08153887 A JP H08153887A JP 6296333 A JP6296333 A JP 6296333A JP 29633394 A JP29633394 A JP 29633394A JP H08153887 A JPH08153887 A JP H08153887A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photodiode
junction
impurity concentration
depletion layer
type diffusion
Prior art date
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Pending
Application number
JP6296333A
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English (en)
Inventor
Satoshi Tokuda
敏 徳田
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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Publication of JPH08153887A publication Critical patent/JPH08153887A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 S/N比がよく、しかもダイナミックレンジ
が広いフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを
提供する。 【構成】 不純物濃度が低いn- 基板と不純物濃度が非
常に高いp型拡散層の接合面付近で、大きい空乏層VL
が発生し、不純物濃度が高いn+ 領域とこのp型拡散層
の接合面付近では、小さい空乏層VS が発生する。この
ため、かかる大きい空乏層VL によって光の受感領域が
増大し受光素子機能が向上すると共に、かかる小さい空
乏層VS によって、静電容量が増大し電荷蓄積機能も向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、分光分析装置等の各種
分析装置において、光センサとして用いられるフォトダ
イオード及びフォトダイオードアレイに関する。
【0002】
【従来技術】所定のエネルギーを与えられた試料から発
生した光を分析することで、その試料の定量、定性分析
等を行う分光分析装置等の各種分析装置において、光を
検出するためのセンサとして、フォトダイオードやそれ
を複数個集積したフォトダイオードアレイが広く用いら
れている。
【0003】図5は、従来の電荷蓄積モードで動作する
フォトダイオード12の概略図であり、図6は、このフ
ォトダイオード12のPN接合部を示す図である。図6
に示される従来のフォトダイオードは、n型シリコン基
板の一部にp型拡散層が形成されてなり、かかるn型シ
リコン基板とp型拡散層とで形成されるPN接合部付近
に電子及び正孔の拡散で空乏層Vが生じ、この空乏層V
に入射した光によって励起された電子が電荷としてPN
接合部が有する静電容量によって蓄積される。そして、
このフォトダイオード12に接続した図5の読出スイッ
チ13をオンにすることで、入射した光に応じた電気信
号がビデオアウトV0 に出力される。
【0004】このように電荷蓄積モードでフォトダイオ
ードを動作させる場合、フォトダイオードはPN接合障
壁の内部光電効果による受光素子機能と接合容量による
電荷蓄積機能とを兼ね備えることとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
フォトダイオード12では、n型シリコン基板とp型拡
散層の不純物濃度を比較的低くして両者の接合部付近に
生じる空乏層を広げると、光の受感領域が増加し受光素
子機能を向上するが、空乏層を広げた分だけ静電容量が
減少するため電荷蓄積機能が低下する。一方、n型シリ
コン基板とp型拡散層の不純物濃度を高くすることによ
って空乏層を狭めると、静電容量が増加して電荷蓄積機
能が向上するが、空乏層を狭まった分だけ受感領域が減
少するため受光素子機能が低下する。
【0006】このため、従来のフォトダイオードでは、
受光素子機能と電荷蓄積機能の双方の機能を同時に高め
ることができないため、S/N比が良く、しかもダイナ
ミックレンジが広い、という分析装置の光センサに要求
される機能を同時に満足させることができなかった。
【0007】そこで、本発明はかかる課題を解消するた
め、S/N比がよく、しかもダイナミックレンジが広い
フォトダイオード及びフォトダイオードアレイの提供を
目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1の発明は、PN接合部に入射した光を電気
信号として出力するフォトダイオードであって、前記P
N接合部は、P型領域又はN型領域の少なくとも一方の
不純物濃度が低い接合部と、P型領域及びN型領域の両
者の不純物濃度が高い接合部とを有することを特徴とす
る。
【0009】また、請求項2の発明は、PN接合部に入
射した光を電気信号として出力するフォトダイオードで
あって、前記PN接合部の接合断面を櫛形状に形成した
ことを特徴とする。
【0010】さらに、請求項3の発明は、複数のフォト
ダイオードをアレイ状に形成し、それぞれのフォトダイ
オードからの信号を読み出すスイッチと、このスイッチ
に信号読み出し指示を与えるシフトレジスターとを備え
たフォトダイオードアレイであって、前記フォトダイオ
ードが、請求項1または請求項2の構成を備えたことを
特徴とする。
【0011】
【作用】請求項1の発明の作用を図2に基づいて説明す
ると、不純物濃度が低いn- 基板と不純物濃度が非常に
高いp+ 型拡散層の接合面付近で、大きい空乏層VL が
発生し、不純物濃度が高いn+ 領域とこのp+ 型拡散層
の接合面付近では、小さい空乏層VS が発生する。この
ため、かかる大きい空乏層VL によって光の受感領域が
増大し受光素子機能が向上すると共に、かかる小さい空
乏層VS によって、静電容量が増大し電荷蓄積機能も向
上する。
【0012】次に、請求項2の発明の作用を図4に基づ
いて説明すると、不純物濃度が低いn- 基板と不純物濃
度が高いp+ 型拡散層の接合面付近で、大きい空乏層V
L が発生して光の受感領域が増大し、受光素子機能が向
上すると共に、これらの接合断面が櫛形状に形成されて
いるため、かかるn- 基板とp+ 型拡散層の接合面積が
増大し、それにより静電容量が増大して電荷蓄積機能も
向上する。
【0013】請求項3の発明の作用を図1に基づいて説
明すると、シフトレジスタ4は所定時間毎にスイッチン
グ素子であるMOSFET3に読み出し指示を与え、か
かる指示を受けたMOSFET3は、それに接続した上
記請求項1又は請求項2の構成を備えたフォトダイオー
ド2とビデオラインVO を導通させる。これにより、フ
ォトダイオード2から検出信号が順次ビデオラインVO
に出力される。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1〜図4に基づ
いて説明する。
【0015】図1は請求項3の本発明にかかるフォトダ
イオードアレイの概略図であり、このフォトダイオード
アレイは、シリコン基板1上に多数集積されたフォトダ
イオード2と、それぞれのフォトダイオード2に接続さ
れ、そのフォトダイオード2の検出信号をビデオライン
VO に出力するMOSFET3、及びそれぞれのMOS
FET3に信号読み出し指示を与えるシフトレジスタ4
とを有する。そして、シフトレジスタ4は所定時間毎に
スイッチング素子であるMOSFET3に読み出し指示
を与え、それぞれのフォトダイオード2の検出信号が順
次ビデオラインVO に出力される。以下、図2〜図4に
より、かかるフォトダイオード2の構成を説明する。
【0016】図2は、請求項1の発明にかかるフォトダ
イオードのPN接合部の一実施例を示す概略図であり、
比較的不純物濃度が低いnー 基板の一部分に不純物濃度
が高いn+ 領域がイオン注入法により形成され、さら
に、このn+ 領域より幅が広く深さが薄くなるように、
イオン注入法又は拡散法により不純物濃度が非常に高い
P+ 型拡散層が形成される。
【0017】ここで、それぞれの不純物濃度は、例え
ば、 nー 基板 :1×1015cm-3 P+ 型拡散層:5×1017cm-3 n+ 領域 :1×1017cm-3 程度にすればよく、この場合P+ 型拡散層とn+ 領域と
が重なる複合領域P+では、P+ 型拡散層とn+ 領域の
それぞれのキャリアが対消滅し、不純物濃度が4×10
17cm-3のP+ 型拡散層となる。
【0018】かかる場合、PN接合部には、図2の2点
鎖線で示されるような空乏層が発生するが、P+ 型拡散
層とnー 基板との境界部付近ではnー 基板の不純物濃度
が低いため、大きな空乏層VL が発生し、複合領域P+
とn+ 領域との境界部付近では両者の不純物濃度が高い
ため、小さな空乏層VS が発生する。
【0019】したがって、請求項1の発明にかかるフォ
トダイオードでは、大きい空乏層VL によって、光の受
感領域が増大し、受光素子機能が向上すると共に、小さ
い空乏層VS によって、静電容量が増大し、電荷蓄積機
能も向上する。このため、請求項1の発明によれば、S
/N比がよく、しかもダイナミックレンジが広いフォト
ダイオードを提供できる。
【0020】図3は、請求項1の発明にかかるフォトダ
イオードのPN接合部の他の実施例を示す概略図であ
り、不純物濃度が高いn+ 基板の一部分にイオン注入法
又は拡散法により不純物濃度が高いP+ 型拡散層が形成
され、その上にエピタキシャル法によって不純物濃度が
低いnー 層が形成され、さらに、このnー 層からこのP
+ 型拡散層にかけてイオン注入法により、不純物濃度が
高いp+ 領域が形成されている。ここで、n+ 基板、n
ー 層、P+ 型拡散層の不純物濃度は、例えば、上述した
図2の場合と同様でよく、p+ 領域の不純物濃度は、P
+ 型拡散層と同じでよい。これにより、断面が逆T字形
で横棒部がn+ 基板にあり縦棒部がn- 層にある不純物
濃度が高いP型領域が形成される。
【0021】かかる場合、PN接合部には、図3の2点
鎖線で示されるような空乏層が生じるが、P+ 領域とn
ー 層との境界部付近ではnー 層の不純物濃度が低いた
め、大きな空乏層VL が発生し、P+ 型拡散層とn+ 基
板との境界部付近では両者の不純物濃度が高いため、小
さな空乏層VS が発生する。
【0022】したがって、図2の場合と同様に、図3に
示したフォトダイオードによれば、大きい空乏層VL に
よって、光の受感領域が増大し、受光素子機能が向上す
ると共に、小さい空乏層VS によって、静電容量が増大
し、電荷蓄積機能も向上する。このため、図3に示した
請求項1の発明の他の実施例によれば、S/N比がよ
く、しかもダイナミックレンジが広いフォトダイオード
を提供できる。
【0023】図4は、請求項2の発明にかかるフォトダ
イオードのPN接合部の一実施例を示す概略図であり、
比較的不純物濃度が低いnー 基板の一部分に不純物濃度
が高いP+ 型拡散層が櫛形状に形成されている。かかる
櫛形状のP+ 型拡散層は、例えば、高エネルギーイオン
注入装置を用いて変化させながら不純物イオンを注入す
ることにより容易に形成できる。
【0024】ここで、それぞれの不純物濃度は、例え
ば、 nー 基板 :1×1015cm-3 P+ 型拡散層:5×1017cm-3 程度にすればよい。
【0025】かかる場合、PN接合部には、図4の2点
鎖線で示されるような比較的大きい空乏層VL が生じ、
光の受感領域が増大し、受光素子機能が向上すると共
に、これらの接合断面が櫛形状に形成されているため、
n- 基板とp型拡散層の接合面積が増大し、それにより
静電容量が増大して電荷蓄積機能も向上する。このた
め、請求項2の発明によれば、請求項1の発明と同様
に、S/N比がよく、しかもダイナミックレンジが広い
フォトダイオードを提供できる。
【0026】なお、上述した実施例では、n型領域の不
純物濃度が異なるよう構成したが、n型とp型領域を入
れ換えて、p型領域の不純物濃度が異なるように構成し
てもよい。また、n型領域或いはp型領域の不純物濃度
は、受光素子機能と電荷蓄積機能の両機能を十分満足さ
せるよう適宜設定すればよい。
【0027】以上の通り、本発明によれば、S/N比が
よく、しかもダイナミックレンジが広いフォトダイオー
ド又はフォトダイオードアレイを提供できるため、これ
を分光分析装置の光センサとして用いれば、非常に精度
の高い定性、定量分析等を行うことができる。
【0028】
【発明の効果】本発明にかかるフォトダイオードまたは
フィトダイオードアレイによれば、PN接合部をP型領
域又はN型領域の少なくとも一方の不純物濃度が低い接
合部と、P型領域及びN型領域の両者の不純物濃度が高
い接合部とにより形成し、或いは、このPN接合部の接
合断面を櫛形状に形成したため、受光素子機能と電荷蓄
積機能の双方を同時に高めることができ、光センサとし
てS/N比を良くし、しかもダイナミックレンジを広げ
ることがきる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるフォトダイオードアレイの一実
施例の概略図である。
【図2】本発明にかかるフォトダイオードの概略図であ
る。
【図3】本発明にかかるフォトダイオードの概略図であ
る。
【図4】本発明にかかるフォトダイオードの概略図であ
る。
【図5】従来のフォトダイオードを電荷蓄積モードで動
作せる場合の構成を示す図である。
【図6】従来のフォトダイオードのPN接合面の概略図
である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 PN接合部に入射した光を電気信号とし
    て出力するフォトダイオードにおいて、 前記PN接合部は、P型領域又はN型領域の少なくとも
    一方の不純物濃度が低い接合部と、P型領域及びN型領
    域の両者の不純物濃度が高い接合部とを有することを特
    徴とするフォトダイオード。
  2. 【請求項2】 PN接合部に入射した光を電気信号とし
    て出力するフォトダイオードにおいて、 前記PN接合部の接合断面を櫛形状に形成したことを特
    徴とするフォトダイオード。
  3. 【請求項3】 複数のフォトダイオードをアレイ状に形
    成し、それぞれのフォトダイオードからの信号を読み出
    すスイッチと、このスイッチに信号読み出し指示を与え
    るシフトレジスターとを備えたフォトダイオードアレイ
    において、 前記フォトダイオードが、請求項1または請求項2の構
    成を備えたことを特徴とするフォトダイオードアレイ。
JP6296333A 1994-11-30 1994-11-30 フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ Pending JPH08153887A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1164643A2 (en) * 2000-06-07 2001-12-19 Nec Corporation Diode having breakdown voltage adjustable to arbitrary value without increase of parasitic capacitance and process for fabrication thereof
JP2008014766A (ja) * 2006-07-05 2008-01-24 Mitsubishi Electric Corp 温度センサおよび赤外線固体撮像装置

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