JPH08330558A - Semiconductor photodetector - Google Patents
Semiconductor photodetectorInfo
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- JPH08330558A JPH08330558A JP7135222A JP13522295A JPH08330558A JP H08330558 A JPH08330558 A JP H08330558A JP 7135222 A JP7135222 A JP 7135222A JP 13522295 A JP13522295 A JP 13522295A JP H08330558 A JPH08330558 A JP H08330558A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体を用いて光を検
出する半導体光検出装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor photodetection device for detecting light using a semiconductor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光検出装置の一種としてシリコン等の半
導体の量子効果（光励起）を利用した半導体光検出装置
が知られている。しかし、シリコンを用いた場合、約
１．２μｍより長波長の赤外線を検出することはできな
い。これは約１．２μｍより長波長の赤外線はシリコン
のバンドギャップよりエネルギーが小さいため励起され
ないからである。2. Description of the Related Art A semiconductor photodetector utilizing the quantum effect (photoexcitation) of a semiconductor such as silicon is known as a type of photodetector. However, when silicon is used, infrared rays having a wavelength longer than about 1.2 μm cannot be detected. This is because infrared rays having a wavelength longer than about 1.2 μm have smaller energy than the band gap of silicon and are not excited.
【０００３】そこで、光励起ではなく、赤外線の吸収に
より生じる温度変化を利用した常温動作の半導体検出装
置が知られている。具体的には、赤外線の吸収により生
じる温度変化に対する抵抗変化を電圧に変換して検出す
るボロメータ方式の半導体光検出装置が知られている。Therefore, there is known a semiconductor detecting device which operates at room temperature by utilizing a temperature change caused by absorption of infrared rays instead of optical excitation. Specifically, there is known a bolometer-type semiconductor photodetector that converts a resistance change due to a temperature change caused by absorption of infrared rays into a voltage and detects the voltage.
【０００４】しかしながら、この種の半導体光検出装置
には以下のような問題があった。抵抗温度変化係数Ｒは
（１／ρ）・（Δρ／ΔＴ）で表され、シリコンの場
合、比抵抗ρは約１０Ωｃｍ程度の低い値しか得られ
ず、温度変化係数Ｒの値は通常１％と低い。すなわち、
温度が変化しても抵抗はあまり変化しない。このため、
抵抗変化を電圧変化に変えるために用いるバイアス電圧
の印加により発生する熱雑音の影響を受け易く、感度が
低いという問題があった。However, this type of semiconductor photodetector has the following problems. The resistance temperature change coefficient R is represented by (1 / ρ) · (Δρ / ΔT), and in the case of silicon, the specific resistance ρ can only be as low as about 10 Ωcm, and the temperature change coefficient R is usually 1%. And low. That is,
The resistance does not change much even if the temperature changes. For this reason,
There is a problem that the sensitivity is low due to the influence of thermal noise generated by the application of the bias voltage used to change the resistance change into the voltage change.
【０００５】さらに、シリコンの熱伝導率は、約１．７
Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）という高い値なので、赤外線の吸収に
より生じた熱は伝導拡散し易い。このため、大きな温度
変化は得られず、これによっても感度が低くなるという
問題があった。Further, the thermal conductivity of silicon is about 1.7.
Because of the high value of W / (cm · K), heat generated by absorption of infrared rays is easily conducted and diffused. Therefore, there is a problem that a large temperature change cannot be obtained and the sensitivity is lowered due to this.
【０００６】また、従来の他の半導体光検出装置として
は、ゼーベック効果を利用し、赤外線の吸収によるシリ
コンの温度変化に対応する電圧（熱起電力）変化を検出
する熱起電力方式のものがある。Further, as another conventional semiconductor photodetector, there is a thermoelectromotive force type device which utilizes the Seebeck effect and detects a voltage (thermoelectromotive force) change corresponding to a temperature change of silicon due to absorption of infrared rays. is there.
【０００７】熱起電力方式の場合、バイアス電圧は不要
なので、バイアス電圧の印加による熱雑音による感度低
下の問題はない。しかしながら、上述したように、シリ
コンの熱伝導率は、約１．７Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）という高
い値なので、赤外線の吸収により生じた熱は伝導拡散し
易く、大きな温度変化は得られない。したがって、ゼー
ベック効果による熱起電力変化は小さく、感度が低いと
いう問題があった。In the case of the thermoelectromotive force method, no bias voltage is required, so there is no problem of sensitivity deterioration due to thermal noise due to application of bias voltage. However, as described above, since the thermal conductivity of silicon is as high as about 1.7 W / (cm · K), the heat generated by absorption of infrared rays is easily conducted and diffused, and a large temperature change cannot be obtained. Therefore, there is a problem that the change in thermoelectromotive force due to the Seebeck effect is small and the sensitivity is low.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のボ
ロメータ方式の半導体光検出装置にあっては、熱雑音の
影響を受け易く、感度が低いという問題があった。さら
に、シリコンは熱伝導率が高いので、熱の伝導拡散が起
こり易く、大きな温度変化が得られず、これによっても
感度が低くなるという問題があった。As described above, the conventional bolometer type semiconductor photodetector has a problem that it is easily affected by thermal noise and its sensitivity is low. Further, since silicon has a high thermal conductivity, heat conduction and diffusion are likely to occur, and a large temperature change cannot be obtained, which also causes a problem that sensitivity is lowered.
【０００９】また、従来の熱起電力方式の半導体光検出
装置にあっては、熱雑音による感度の低下はなかった
が、ボロメータ方式の場合と同様に、熱の伝導拡散によ
って感度が低下するという問題があった。本発明は、上
記事情を考慮してなされたもので、その目的とするとこ
ろは、従来よりも常温動作で感度が高い半導体光検出装
置を提供することにある。Further, in the conventional thermoelectromotive force type semiconductor photodetector, the sensitivity is not lowered by thermal noise, but the sensitivity is lowered by conduction diffusion of heat as in the case of the bolometer type. There was a problem. The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor photodetector having higher sensitivity at room temperature operation than conventional ones.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体光検出装置（請求項１）は、多
孔質半導体層からなり、空隙部を有する光入力部と、こ
の光入力部に入力される光により生じる前記多孔質半導
体層の温度変化に対応した抵抗変化を検出する検出手段
とを備えたことを特徴とする。In order to achieve the above object, a semiconductor photodetecting device according to the present invention (claim 1) comprises a porous semiconductor layer, a light input part having a void portion, and a light input part. And a detecting unit that detects a resistance change corresponding to a temperature change of the porous semiconductor layer caused by light input to the input unit.
【００１１】本発明に係る半導体光検出装置（請求項
２）は、ｐｎ接合を形成する多孔質半導体層からなり、
空隙部を有する光入力部と、この光入力部に入力される
光により生じる前記多孔質半導体層の温度変化に対応し
たゼーベック効果による熱起電力変化を検出する検出手
段とを備えたことを特徴とする。A semiconductor photodetector according to the present invention (claim 2) comprises a porous semiconductor layer forming a pn junction,
A light input part having a void portion, and a detection unit for detecting a thermoelectromotive force change due to the Seebeck effect corresponding to a temperature change of the porous semiconductor layer caused by light input to the light input part are provided. And
【００１２】[0012]
【作用】本発明（請求項１）によれば、多孔質半導体層
を用いているので、非多孔質半導体層を用いた場合（従
来）に比べて、抵抗温度変化係数は大きくなり、一方、
熱伝導率は小さくなるので、感度は高くなる。According to the present invention (Claim 1), since the porous semiconductor layer is used, the temperature coefficient of resistance change is larger than that in the case where the non-porous semiconductor layer is used (conventional).
Since the thermal conductivity is small, the sensitivity is high.
【００１３】抵抗温度変化係数が大きくなる理由は、多
孔質化により結晶構造の微細化が生じ、これにより生じ
る量子効果によりバンドギャップが広くなって比抵抗が
増大するからである。一方、熱伝導率は多孔質化によっ
て小さくなる。The reason why the resistance temperature change coefficient becomes large is that the crystal structure is made finer due to the porosity and the quantum effect caused thereby widens the band gap to increase the specific resistance. On the other hand, the thermal conductivity decreases due to the porosity.
【００１４】さらに、本発明によれば、光入力部は空隙
部を存在するので、多孔質半導体層から発散する熱は空
隙部に溜まり逃げ難くなり、これによっても熱伝導率は
小さくなる。Further, according to the present invention, since the light input portion has the void portion, the heat radiated from the porous semiconductor layer does not easily accumulate in the void portion and is difficult to escape, which also reduces the thermal conductivity.
【００１５】本発明（請求項２）によれば、ｐｎ接合を
形成する多孔質半導体層を用いているので、ｐｎ接合を
形成する非多孔質半導体層を用いた場合（従来）に比べ
て、熱伝導率が小さくなるので、感度は高くなる。According to the present invention (claim 2), since the porous semiconductor layer forming the pn junction is used, compared with the case (conventional) using the non-porous semiconductor layer forming the pn junction, Since the thermal conductivity is low, the sensitivity is high.
【００１６】さらに、上述したように、多孔質化により
バンドギャップが広くなることにより、ゼーベック係数
Ｓ（＝ΔＶ／ΔＴ）が大きくなり、これによっても感度
は高くなる。Furthermore, as mentioned above, the Seebeck coefficient S (= ΔV / ΔT) becomes large due to the widening of the band gap due to the porosity, which also increases the sensitivity.
【００１７】ゼーベック係数Ｓが大きくなる理由は、ゼ
ーベック係数Ｓは（２＋（Ｗc −Ｗf ）／ｋＴ）・ｋ／
ｅで表せられ、（Ｗc −Ｗf ／ｋＴ）＞＞２で、Ｗc −
Ｗfがバンドギャップにほぼ比例するからである。ここ
で、Ｗc は伝導帯レベル、Ｗf はフェルミレベルを示
し、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｅは電子電荷を示
している。The reason why the Seebeck coefficient S becomes large is that the Seebeck coefficient S is (2+ (W c −W f ) / kT) · k /
is represented by e, and (W c −W f / kT) >> 2, W c −
This is because W f is almost proportional to the band gap. Here, W c is the conduction band level, W f is the Fermi level, k is the Boltzmann constant, T is the temperature, and e is the electronic charge.
【００１８】[0018]
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
半導体赤外線検出装置の概略構成を示す回路図である。Embodiments will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a semiconductor infrared detection device according to the first embodiment of the present invention.
【００１９】この半導体赤外線検出装置は、大きく分け
て、マトリクス配列（二次元配列）された多孔質シリコ
ン層からなる複数の赤外線入力部（画素）１と、上記多
孔質シリコン層の温度変化に対応した抵抗変化を検出す
る差動増幅器２からなる抵抗変化検出部３と、この抵抗
変化検出部３をＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 を介して
複数の赤外線入力部１に順次接続する水平レジスタ５お
よび垂直レジスタ６から構成されている。This semiconductor infrared detection device is roughly divided into a plurality of infrared input portions (pixels) 1 each composed of a porous silicon layer arranged in a matrix (two-dimensional array) and a temperature change of the porous silicon layer. And a horizontal register 5 that sequentially connects the resistance change detection unit 3 to a plurality of infrared input units 1 via MOS transistors 4 1 and 4 2 and a resistance change detection unit 3 including a differential amplifier 2 that detects the resistance change. It is composed of a vertical register 6.
【００２０】差動増幅器２の−端子はＭＯＳトランジス
タ４1 ，４2 を介して赤外線入力部１に接続され、かつ
抵抗７を介してバイアス電圧源８に接続されている。一
方、差動増幅器３の＋端子は抵抗９を介してバイアス電
圧源８に接続され、かつ基準抵抗１０を介して接地され
ている。抵抗９と抵抗１０との値は通常同じである。The negative terminal of the differential amplifier 2 is connected to the infrared input section 1 via the MOS transistors 4 1 and 4 2 and to the bias voltage source 8 via the resistor 7. On the other hand, the + terminal of the differential amplifier 3 is connected to the bias voltage source 8 via the resistor 9 and grounded via the reference resistor 10. The values of the resistors 9 and 10 are usually the same.
【００２１】このように構成された半導体赤外線検出装
置によれば、赤外線入力部１に赤外線が入力されて多孔
質シリコン層の抵抗が変化すると、差動増幅器２の−端
子に接続された赤外線入力部１の出力電圧Ｖ1 が変化す
る。これにより、差動増幅器２の＋端子の入力電圧Ｖ2
と出力電圧Ｖ1 との差に対応した電圧が差動増幅器２に
より増幅される。According to the semiconductor infrared detecting device having such a structure, when infrared rays are inputted to the infrared ray input section 1 and the resistance of the porous silicon layer changes, the infrared ray input connected to the negative terminal of the differential amplifier 2 is made. output voltage V 1 of the section 1 is changed. As a result, the input voltage V 2 at the positive terminal of the differential amplifier 2
The voltage corresponding to the difference between the output voltage V 1 and the output voltage V 1 is amplified by the differential amplifier 2.
【００２２】したがって、赤外線の入力により生じる赤
外線入力部１の多孔質シリコンの温度変化に対応した抵
抗変化を電圧の変化として検出できる。また、各赤外線
入力部１から得られる電圧変化から、赤外線を放射して
いる物体や生体の画像が得られる。Therefore, the resistance change corresponding to the temperature change of the porous silicon of the infrared input section 1 caused by the infrared input can be detected as the voltage change. Further, an image of an object or a living body radiating infrared rays can be obtained from the voltage change obtained from each infrared input section 1.
【００２３】図２は、赤外線入力部１の構造を示す断面
図である。図中、２１はｐ型シリコン基板を示してお
り、このｐ型シリコン基板２１の表面には素子分離絶縁
膜２２が形成されている。この素子分離絶縁膜２２によ
り区分された素子形成領域には赤外線入力部１が形成さ
れている。FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the infrared input section 1. In the figure, reference numeral 21 denotes a p-type silicon substrate, and an element isolation insulating film 22 is formed on the surface of the p-type silicon substrate 21. The infrared input section 1 is formed in the element formation region divided by the element isolation insulating film 22.
【００２４】この赤外線入力部１は、大きく分けて、表
面が粗面化された多孔質シリコン層２３と、この多孔質
シリコン層２３上に設けられ、ショットキー接合を形成
する金などのショットキー電極２４と、一導電型の多結
晶シリコン層２５から構成されている。The infrared input section 1 is roughly divided into a porous silicon layer 23 having a roughened surface, and a Schottky key such as gold which is provided on the porous silicon layer 23 and forms a Schottky junction. It is composed of an electrode 24 and a polycrystalline silicon layer 25 of one conductivity type.
【００２５】多孔質シリコン層２３の下部には空隙部２
６が形成されている。この空隙部２６は多孔質シリコン
層２３と多結晶シリコン層２５とシリコン基板２１上の
層間絶縁膜２７とにより形成されるものである。At the bottom of the porous silicon layer 23, a void 2 is formed.
6 is formed. The void portion 26 is formed by the porous silicon layer 23, the polycrystalline silicon layer 25, and the interlayer insulating film 27 on the silicon substrate 21.
【００２６】赤外線２０はショットキー電極２４に入射
し、ショットキー電極２４は赤外線２０を吸収して温度
上昇する。このとき、ショットキー電極２４を介して多
孔質シリコン層２３の表面に達した赤外線２０は、多孔
質シリコン層２３の表面が粗面化されているため、乱反
射を起こして多孔質シリコン層２３に再入射する。さら
に、ショットキー電極２４はショットキー効果により単
なる光吸収体（赤外線吸収層）として働き、電流は流れ
ない。The infrared ray 20 is incident on the Schottky electrode 24, and the Schottky electrode 24 absorbs the infrared ray 20 and its temperature rises. At this time, the infrared rays 20 that have reached the surface of the porous silicon layer 23 via the Schottky electrode 24 cause diffuse reflection due to the roughened surface of the porous silicon layer 23, and are reflected by the porous silicon layer 23. Re-inject. Further, the Schottky electrode 24 simply functions as a light absorber (infrared absorbing layer) due to the Schottky effect, and no current flows.
【００２７】したがって、赤外線２０はショットキー電
極２４の温度上昇に有効に活用され、これにより、多孔
質シリコン層２３自身は１０μｍ近傍の赤外線は吸収し
ないが、ショットキー電極２４により多孔質シリコン層
２３は効果的に温度上昇し、大きく温度変化する。Therefore, the infrared rays 20 are effectively utilized to raise the temperature of the Schottky electrode 24. As a result, the porous silicon layer 23 itself does not absorb infrared rays in the vicinity of 10 μm, but the Schottky electrodes 24 cause the porous silicon layer 23 to absorb. Effectively raises the temperature and changes greatly.
【００２８】また、多孔質シリコン層２３の下部に存在
する空隙部２６により、多孔質シリコン層２３から発散
する熱は空隙部２６に溜まり逃げ難くなり、熱伝導率を
小さくできる。Further, due to the voids 26 existing under the porous silicon layer 23, the heat radiated from the porous silicon layer 23 does not easily accumulate in the voids 26 and is difficult to escape, so that the thermal conductivity can be reduced.
【００２９】このような機構により、赤外線２０の入射
により生じる多孔質シリコン層２３の温度変化が大きく
なるので、感度は高くなる。さらに、本実施例では以下
の理由によっても感度が高くなる。With such a mechanism, the temperature change of the porous silicon layer 23 caused by the incidence of the infrared rays 20 becomes large, so that the sensitivity becomes high. Further, in this embodiment, the sensitivity is high for the following reason.
【００３０】すなわち、本実施例では、多孔質シリコン
層２３を用いているので、非多孔質シリコン層を用いた
場合（従来）に比べて、抵抗温度変化係数Ｒが大きくな
り、熱伝導率が小さくなるので、感度は高くなる。That is, in this embodiment, since the porous silicon layer 23 is used, the resistance temperature change coefficient R becomes larger and the thermal conductivity becomes larger than that in the case where the non-porous silicon layer is used (conventional). Since it is smaller, the sensitivity is higher.
【００３１】抵抗温度変化係数Ｒが大きくなる理由は、
多孔質化により結晶構造の微細化が生じ、これにより生
じる量子効果によりバンドギャップが広くなって比抵抗
変化が増大するからである。The reason why the resistance temperature change coefficient R becomes large is as follows.
This is because the crystal structure becomes finer due to the porosity, and the quantum effect caused thereby widens the band gap to increase the change in resistivity.
【００３２】具体的には、バンドギャップは１．１ｅＶ
から約２．４ｅＶに増大し、室温では比抵抗ρは約１０
０倍の１ｋΩｃｍとなる。そして、抵抗温度係数Ｒは約
１０％（１０倍）に増大し、熱伝導率は約１／１０に低
減する。Specifically, the band gap is 1.1 eV.
To about 2.4 eV, and the resistivity ρ at room temperature is about 10
It becomes 0 times 1 kΩcm. Then, the temperature coefficient of resistance R increases to about 10% (10 times) and the thermal conductivity decreases to about 1/10.
【００３３】シリコンの比抵抗ρの赤外線感度は、抵抗
温度変化係数Ｒに比例し、熱伝導率に反比例する。した
がって、多孔質シリコン層を用いることにより、感度は
約１００倍高くなり、感度は大幅に向上する。The infrared sensitivity of the specific resistance ρ of silicon is proportional to the resistance temperature change coefficient R and inversely proportional to the thermal conductivity. Therefore, by using the porous silicon layer, the sensitivity is increased about 100 times, and the sensitivity is significantly improved.
【００３４】さらに、比抵抗ρの増大によってバイアス
電圧１Ｖ当たりに流れる電流は従来の２０μＡから０．
２μＡ以下に減少し、これにより、バイアス電圧による
熱雑音は約１／１００になり、これによっても感度は高
くなる。Furthermore, the current flowing per bias voltage of 1 V due to the increase of the specific resistance ρ is 0.
It is reduced to 2 μA or less, which reduces the thermal noise due to the bias voltage to about 1/100, which also increases the sensitivity.
【００３５】これらの効果により従来不可能であった１
０μｍ近傍の赤外線も容易に検出できるようになる。ま
た、発生する熱雑音が減少し、赤外線感度の指標として
の温度分解能は０．０５℃という優れた値となる なお、図２中、１２，１３，１４はＭＯＳトランジスタ
４1 ，４2 のソース・ドレイン領域であるｎ型拡散層を
示しており、ｎ型拡散層１３はＭＯＳトランジスタ４
1 ，４2 で共通に用いられている。また、１５，１６は
それぞれＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 のゲート配線、
１７，１８はそれぞれＭＯＳトランジスタ４1 ，４2 の
ゲート電極、１５，１６を示している。ゲート配線１５
は垂直レジスタ５に接続され、ゲート配線１６は水平レ
ジスタ６に接続されている。また、１１は赤外線入力部
とｎ型拡散層１２とを接続する電極、１９は赤外線入力
部１を型シリコン基板２１に接地する電極を示してい
る。Due to these effects, heretofore impossible 1.
Infrared rays in the vicinity of 0 μm can be easily detected. In addition, the generated thermal noise is reduced, and the temperature resolution as an index of infrared sensitivity becomes an excellent value of 0.05 ° C. In addition, in FIG. 2, 12, 13 and 14 are the sources of the MOS transistors 4 1 and 4 2 . The n-type diffusion layer that is the drain region is shown, and the n-type diffusion layer 13 is the MOS transistor 4
Commonly used for 1 and 4 2 . Further, 15 and 16 are the gate wirings of the MOS transistors 4 1 and 4 2 , respectively,
Each 17, 18 MOS transistors 4 1, 4 2 of the gate electrode shows a 15 and 16. Gate wiring 15
Is connected to the vertical register 5, and the gate wiring 16 is connected to the horizontal register 6. Reference numeral 11 indicates an electrode connecting the infrared input section and the n-type diffusion layer 12, and reference numeral 19 indicates an electrode connecting the infrared input section 1 to the mold silicon substrate 21.
【００３６】図３は、赤外線入力部１の形成方法を示す
工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、層
間絶縁膜２７上に導電性酸化亜鉛からなる厚さ約２μｍ
の半絶縁膜３０を形成した後、全面に厚さ２μｍの多結
晶シリコン層２５を形成する。3A to 3D are process sectional views showing a method of forming the infrared input section 1. First, as shown in FIG. 3A, a thickness of about 2 μm made of conductive zinc oxide is formed on the interlayer insulating film 27.
After the semi-insulating film 30 is formed, a polycrystalline silicon layer 25 having a thickness of 2 μm is formed on the entire surface.
【００３７】次に半絶縁膜３０を一方の電極、白金等の
金属を他方の電極（対向電極）に用い、２０ｍＡ／ｃｍ
2 の条件でフッ酸水溶液中で多結晶シリコン層２５を陽
極エッチングする。この結果、図３（ｂ）に示すよう
に、半絶縁膜３０上の多結晶シリコン層が選択的に多孔
質シリコン層２３に変わる。Next, the semi-insulating film 30 is used for one electrode and a metal such as platinum is used for the other electrode (counter electrode), and 20 mA / cm 2 is applied.
The polycrystalline silicon layer 25 is anodically etched in a hydrofluoric acid aqueous solution under the condition of 2 . As a result, as shown in FIG. 3B, the polycrystalline silicon layer on the semi-insulating film 30 is selectively changed to the porous silicon layer 23.
【００３８】この後、同図（ｂ）に示すように、砒素な
どの不純物のイオン３１を加速電圧３０ｋｅＶ、ドーズ
量１×１０13の条件で多孔質シリコン層２３および多結
晶シリコン層２５の表面にイオン注入してｎ型層（不図
示）を形成する。Thereafter, as shown in FIG. 6B, the surface of the porous silicon layer 23 and the polycrystalline silicon layer 25 is treated with ions 31 of an impurity such as arsenic under the conditions of an acceleration voltage of 30 keV and a dose amount of 1 × 10 13. Is ion-implanted to form an n-type layer (not shown).
【００３９】次に図３（ｃ）に示すように、多結晶シリ
コン層２５をエッチングして、所定のサイズ（例えば２
０×２０μｍ2 ）の画素を形成する。次に図３（ｄ）に
示すように、半絶縁膜３０を選択的にエッチング除去し
て空隙部２６を形成した後、上記ｎ型層を除去して多孔
質シリコン層２３および多結晶シリコン層２５の表面を
粗面化する。Next, as shown in FIG. 3C, the polycrystalline silicon layer 25 is etched to a predetermined size (for example, 2).
0 × 20 μm 2 ) pixels are formed. Next, as shown in FIG. 3D, the semi-insulating film 30 is selectively removed by etching to form the void portion 26, and then the n-type layer is removed to remove the porous silicon layer 23 and the polycrystalline silicon layer. The surface of 25 is roughened.
【００４０】最後に、図３（ｅ）に示すように、多孔質
シリコン層２３上にショットキー電極２４を形成する。 （第２の実施例）図４は、本発明の第２の実施例に係る
半導体赤外線検出装置の概略構成を示す回路図である。
なお、以下の図において、前出した図と同一符号（添字
が異なるものを含む）は同一部分または相当部分を示
し、詳細な説明は省略する。Finally, as shown in FIG. 3E, a Schottky electrode 24 is formed on the porous silicon layer 23. (Second Embodiment) FIG. 4 is a circuit diagram showing a schematic structure of a semiconductor infrared detecting device according to a second embodiment of the present invention.
In the following drawings, the same reference numerals (including those with different subscripts) as in the previous drawings indicate the same or corresponding portions, and detailed description thereof will be omitted.
【００４１】本実施例の半導体赤外線検出装置が第１の
実施例のそれと異なる点は、赤外線入力部（画素）とし
て、ｐｎ接合を形成する多孔質シリコン層の熱電対から
なる赤外線入力部（画素）４１を用いたことにある。The semiconductor infrared detecting device of this embodiment is different from that of the first embodiment in that the infrared input section (pixel) is composed of a thermocouple of a porous silicon layer forming a pn junction. ) 41 is used.
【００４２】また、この熱電対のゼーベック効果により
生じる熱起電力によって流れる各赤外線入力部４１の電
流（信号電荷）は、ＭＯＳトランジスタ４を介して、Ｃ
ＣＤ（垂直ＣＣＤ３２、水平ＣＣＤ３３）により、差動
増幅器２からなる熱起電力変化検出部３ａに転送され
る。なお、水平ＣＣＤ３３と差動増幅器２の＋端子との
間には図示しない抵抗が設けられている。Further, the current (signal charge) of each infrared input section 41 flowing by the thermoelectromotive force generated by the Seebeck effect of this thermocouple, through the MOS transistor 4, C
The data is transferred to the thermoelectromotive force change detection unit 3a including the differential amplifier 2 by the CD (vertical CCD 32, horizontal CCD 33). A resistor (not shown) is provided between the horizontal CCD 33 and the + terminal of the differential amplifier 2.
【００４３】このように構成された半導体赤外線検出装
置によれば、赤外線入力部１ａに赤外線が入力されてゼ
ーベック効果による熱起電力変化が変化すると、信号電
荷が変化し、この信号電荷はＣＣＤにより差動増幅器２
に転送される。そして、差動増幅器２の＋端子に入力さ
れる際に上記図示しない抵抗により電圧に変換され、こ
の電圧と差動増幅器２の−端子の入力電圧Ｖ2 （＝ゼ
ロ）との差に対応した電圧が差動増幅器２により増幅さ
れる。According to the semiconductor infrared detecting device having such a configuration, when infrared rays are input to the infrared input section 1a and a change in thermoelectromotive force due to the Seebeck effect changes, the signal charge changes, and the signal charge is changed by the CCD. Differential amplifier 2
Transferred to. When input to the + terminal of the differential amplifier 2, it is converted into a voltage by the resistor (not shown) and corresponds to the difference between this voltage and the input voltage V 2 (= zero) of the-terminal of the differential amplifier 2. The voltage is amplified by the differential amplifier 2.
【００４４】したがって、赤外線の入力により生じる赤
外線入力部１ａのｐｎ接合を形成する多孔質半導体層の
温度変化に対応したゼーベック効果による熱起電力変化
を電圧の変化として検出できる。Therefore, the change in thermoelectromotive force due to the Seebeck effect corresponding to the temperature change in the porous semiconductor layer forming the pn junction of the infrared input section 1a caused by the input of infrared rays can be detected as the change in voltage.
【００４５】図５は、赤外線入力部１ａの構造を示す断
面図である。この赤外線入力部１ａは、大きく分けて、
ｐｎ接合を形成するｐ型多孔質シリコン層２３ｐおよび
ｎ型多孔質シリコン層２３ｎ（以下、ｐｎ接合多孔質シ
リコン層という）と、これらの上に順次設けられた絶縁
層としての二酸化シリコン層３４、赤外線吸収層として
のニクロム層３５とから構成されている。FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the infrared input section 1a. The infrared input section 1a is roughly divided into
a p-type porous silicon layer 23p and an n-type porous silicon layer 23n that form a pn junction (hereinafter referred to as a pn junction porous silicon layer), and a silicon dioxide layer 34 as an insulating layer that is sequentially provided on these layers. It is composed of a nichrome layer 35 as an infrared absorption layer.
【００４６】赤外線２０はニクロム層３５に入射し、ニ
クロム層３５は赤外線２０を吸収して温度上昇し、これ
により、ｐｎ接合多孔質シリコン層は温度上昇する。こ
のｐｎ接合多孔質シリコン層の下部には空隙部２６が存
在し、これにより、ｐｎ接合多孔質シリコン層から発散
する熱は空隙部２６に溜まり逃げ難くなり、熱伝導率を
小さくできる。The infrared rays 20 enter the nichrome layer 35, the nichrome layers 35 absorb the infrared rays 20 and the temperature thereof rises, whereby the temperature of the pn junction porous silicon layer rises. A void portion 26 exists under the pn-bonded porous silicon layer, and as a result, the heat radiated from the pn-bonded porous silicon layer does not collect in the void portion 26 and is difficult to escape, so that the thermal conductivity can be reduced.
【００４７】このような機構により、赤外線２０の入射
により生じるｐｎ接合多孔質シリコン層の温度変化が大
きくなるので、感度は高くなる。さらに、本実施例の場
合、バイアス電圧が不要なので、これによっても感度は
高くなる。Due to such a mechanism, the temperature change of the pn junction porous silicon layer caused by the incidence of the infrared rays 20 becomes large, so that the sensitivity becomes high. Further, in the case of this embodiment, since the bias voltage is unnecessary, this also increases the sensitivity.
【００４８】さらにまた、本実施例では以下の理由によ
っても感度が高くなる。本実施例では、ｐｎ接合多孔質
シリコン層を用いているので、非多孔質ｐｎ接合半導体
層を用いた場合（従来）に比べて、熱伝導率が小さくな
る。さらに、上述したように、多孔質化によりバンドギ
ャップが広くなることにより、ゼーベック係数Ｓ（＝Δ
Ｖ／ΔＴ＝（２＋（Ｗc −Ｗf ）／ｋＴ）・ｋ／ｅ）が
大きくなる。Furthermore, in this embodiment, the sensitivity is high for the following reason. In this embodiment, since the pn-junction porous silicon layer is used, the thermal conductivity is smaller than that in the case of using the non-porous pn-junction semiconductor layer (conventional). Further, as described above, the Seebeck coefficient S (= Δ
V / ΔT = (2+ (W c −W f ) / kT) · k / e) becomes large.
【００４９】具体的には、バンドギャップは１．１ｅＶ
から約２．４ｅＶに増大し、熱伝導率は約１／１０に低
減する。赤外線感度は、ゼーベック係数Ｓに比例し、熱
伝導率に反比例する。したがって、ｐｎ接合多孔質シリ
コン層を用いることにより、感度は約２０倍高くなる。
これらの効果により従来不可能であった１０μｍ近傍の
赤外線も検出できるようになる。Specifically, the band gap is 1.1 eV.
To about 2.4 eV and the thermal conductivity decreases to about 1/10. The infrared sensitivity is proportional to the Seebeck coefficient S and inversely proportional to the thermal conductivity. Therefore, the sensitivity is increased about 20 times by using the pn-junction porous silicon layer.
Due to these effects, it becomes possible to detect infrared rays in the vicinity of 10 μm, which has been impossible in the past.
【００５０】また、本実施例ではｐｎ接合の数は一つで
あるが、ｐｎ接合を複数直列接続することにより、さら
に高い感度を達成できる。感度はｐｎ接合の接続数に比
例して高くなり、例えば、２５個接続することにより、
赤外線感度の指標としての温度分解能は０．０５℃とい
う優れた値が得られる。Although the number of pn junctions is one in this embodiment, a higher sensitivity can be achieved by connecting a plurality of pn junctions in series. The sensitivity increases in proportion to the number of pn junctions connected. For example, by connecting 25,
An excellent value of 0.05 ° C is obtained as the temperature resolution as an index of infrared sensitivity.
【００５１】また、本実施例の検出方法は光電効果を利
用したものではないので、本実施例の半導体赤外線検出
装置は非冷却で、つまり、室温で使用することができ
る。なお、図５中、３６，３７，３８はそれぞれ垂直Ｃ
ＣＤ３２を構成するＭＯＳトランジスタのソース・ドレ
イン領域（ｎ型拡散層）、ゲート電極、ゲート配線を示
している。Since the detection method of this embodiment does not utilize the photoelectric effect, the semiconductor infrared detection device of this embodiment can be used without cooling, that is, at room temperature. In FIG. 5, 36, 37 and 38 are vertical Cs, respectively.
The source / drain regions (n-type diffusion layers), gate electrodes, and gate wirings of the MOS transistors forming the CD 32 are shown.
【００５２】図６は、赤外線入力部１ａの形成方法を示
す工程断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、
層間絶縁膜２７上に導電性酸化亜鉛からなる厚さ約２μ
ｍの半絶縁膜３０を形成した後、全面に厚さ２μｍのｐ
型多結晶シリコン層２５を形成する。FIGS. 6A to 6C are process sectional views showing a method of forming the infrared input section 1a. First, as shown in FIG.
A thickness of about 2 μm made of conductive zinc oxide on the interlayer insulating film 27.
m semi-insulating film 30 is formed, and then a 2 μm thick p film is formed on the entire surface.
A type polycrystalline silicon layer 25 is formed.
【００５３】次に半絶縁膜３０を一方の電極、白金等の
金属を他方の電極（対向電極）に用い、２０ｍＡ／ｃｍ
2 の条件でフッ酸水溶液中でｐ型多結晶シリコン層２５
を陽極エッチングする。この結果、図６（ｂ）に示すよ
うに、半絶縁膜３０上の多結晶シリコン層が選択的にｐ
型多孔質シリコン層２３ｐに変わる。Next, the semi-insulating film 30 is used for one electrode and a metal such as platinum is used for the other electrode (counter electrode), and 20 mA / cm 2 is used.
P-type polycrystalline silicon layer 25 in hydrofluoric acid aqueous solution under the condition of 2
Is anodically etched. As a result, as shown in FIG. 6B, the polycrystalline silicon layer on the semi-insulating film 30 is selectively p-doped.
It is changed to the type porous silicon layer 23p.
【００５４】次に図６（ｃ）に示すように、リンなどの
不純物のイオンを加速電圧１５０ＫｅＶ、ドーズ量１×
１０13の条件でｐ型多孔質シリコン層２３の右側に選択
的にン注入してｎ型多孔質シリコン層２３ｎを形成す
る。この後、９００℃の熱処理を行なってｐｎ接合多孔
質シリコン層が完成する。Next, as shown in FIG. 6C, ions of impurities such as phosphorus are accelerated at a voltage of 150 KeV and a dose of 1 ×.
The n-type porous silicon layer 23n is formed by selectively injecting into the right side of the p-type porous silicon layer 23 under the condition of 10 13 . Then, heat treatment is performed at 900 ° C. to complete the pn-junction porous silicon layer.
【００５５】次に図６（ｄ）に示すように、全面に二酸
化シリコン層３４、ニクロム層３５を順次形成した後、
ｐ型多結晶シリコン層２５ｐ、二酸化シリコン層３４、
ニクロム層３５をエッチングして、所定のサイズ（例え
ば５×１０μｍ2 ）の画素を形成する。Next, as shown in FIG. 6D, after a silicon dioxide layer 34 and a nichrome layer 35 are sequentially formed on the entire surface,
p-type polycrystalline silicon layer 25p, silicon dioxide layer 34,
The nichrome layer 35 is etched to form pixels having a predetermined size (for example, 5 × 10 μm 2 ).
【００５６】最後に、図６（ｅ）に示すように、半絶縁
膜３０を選択的にエッチング除去して空隙部２６を形成
を形成する。なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、多孔質シリ
コン層は多結晶シリコン層を多孔質化したものだが、ア
モルファスシリコン層を多孔質化したものを用いても良
い。また、上記実施例では、光入力部は二次元的に配列
したが一次元的に配列しても良い。また、上記実施例で
は、赤外線を検出する半導体光検出装置について説明し
たが、本発明は他の波長領域の光を検出する半導体光検
出装置にも適用できる。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施できる。Finally, as shown in FIG. 6E, the semi-insulating film 30 is selectively removed by etching to form the void portion 26. The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the porous silicon layer is a polycrystalline silicon layer made porous, but an amorphous silicon layer made porous may be used. Further, in the above embodiment, the light input sections are arranged two-dimensionally, but they may be arranged one-dimensionally. In addition, although the semiconductor photodetection device for detecting infrared rays has been described in the above embodiment, the present invention can be applied to a semiconductor photodetection device for detecting light in other wavelength regions. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【００５７】[0057]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明（請求項
１、請求項２）によれば、多孔質半導体層からなる光入
力部を用いることにより、従来よりも高い感度の半導体
光検出装置を実現できるようになる。As described above in detail, according to the present invention (Claims 1 and 2), the use of the light input section made of the porous semiconductor layer enables the detection of semiconductor light having a higher sensitivity than ever before. The device can be realized.
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体赤外線検出
装置の概略構成を示す回路図FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a semiconductor infrared detection device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】図１の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
構造を示す断面図FIG. 2 is a sectional view showing the structure of an infrared input section of the semiconductor infrared detection device of FIG.
【図３】図１の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
形成方法を示す工程断面図3A to 3C are process sectional views showing a method for forming an infrared input portion of the semiconductor infrared detection device of FIG.
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体赤外線検出
装置の概略構成を示す回路図FIG. 4 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a semiconductor infrared detection device according to a second embodiment of the present invention.
【図５】図４の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
構造を示す断面図5 is a cross-sectional view showing the structure of an infrared input section of the semiconductor infrared detection device of FIG.
【図６】図４の半導体赤外線検出装置の赤外線入力部の
形成方法を示す工程断面図6A to 6C are process cross-sectional views showing a method for forming an infrared input portion of the semiconductor infrared detection device of FIG.
１，１ａ…赤外線入力部 ２…差動増幅器 ３…抵抗変化検出部 ４1 ，４2 …ＭＯＳトランジスタ ５…水平レジスタ ６…垂直レジスタ ７…抵抗 ８…バイアス電圧源 ９，１０…抵抗 １１…電極 １２，１３，１４…ｎ型拡散層 １５，１６…ゲート配線 １７，１８…ゲート電極 １９…電極 ２０…赤外線 ２１…シリコン基板 ２２…素子分離絶縁膜 ２３…多孔質シリコン層 ２３ｎ…ｎ型多孔質シリコン層 ２３ｐ…ｐ型多孔質シリコン層 ２４…ショットキー電極 ２５…多結晶シリコン層 ２５ｐ…ｐ型多結晶シリコン層 ２６…空隙 ２７…層間絶縁膜 ３０…半絶縁膜 ３１…イオン ３２…垂直ＣＣＤ ３３…水平ＣＣＤ ３４…二酸化シリコン層 ３５…ニクロム層 ３６…ｎ型拡散層 ３７…ゲート電極 ３８…ゲート配線1, 1a ... infrared input unit 2 ... differential amplifier 3 ... resistance change detecting section 4 1, 4 2 ... MOS transistor 5 ... horizontal register 6 ... vertical register 7 ... resistor 8 ... bias voltage source 9 ... resistor 11 ... electrode 12, 13, 14 ... N-type diffusion layer 15, 16 ... Gate wiring 17, 18 ... Gate electrode 19 ... Electrode 20 ... Infrared 21 ... Silicon substrate 22 ... Element isolation insulating film 23 ... Porous silicon layer 23n ... N type porous Silicon layer 23p ... p-type porous silicon layer 24 ... Schottky electrode 25 ... polycrystalline silicon layer 25p ... p-type polycrystalline silicon layer 26 ... void 27 ... interlayer insulating film 30 ... semi-insulating film 31 ... ion 32 ... vertical CCD 33 ... Horizontal CCD 34 ... Silicon dioxide layer 35 ... Nichrome layer 36 ... N-type diffusion layer 37 ... Gate electrode 38 ... Gate wiring
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 忠司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tadashi Sakai 1 Komukai Toshiba-cho, Kouki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Incorporated, Toshiba Research and Development Center
Claims (2)
光入力部と、 この光入力部に入力される光により生じる前記多孔質半
導体層の温度変化に対応した抵抗変化を検出する検出手
段とを具備してなることを特徴とする半導体光検出装
置。1. A light input section made of a porous semiconductor layer having a void portion, and a detection means for detecting a resistance change corresponding to a temperature change of the porous semiconductor layer caused by light input to the light input section. A semiconductor photodetection device comprising:
り、空隙部を有する光入力部と、 この光入力部に入力される光により生じる前記多孔質半
導体層の温度変化に対応したゼーベック効果による熱起
電力変化を検出する検出手段とを具備してなることを特
徴とする半導体光検出装置。2. A light input part comprising a porous semiconductor layer forming a pn junction and having a void, and a Seebeck effect corresponding to a temperature change of the porous semiconductor layer caused by light input to the light input part. And a detecting means for detecting a change in thermoelectromotive force caused by the semiconductor photodetector.
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1995
- 1995-06-01 JP JP13522295A patent/JP3349012B2/en not_active Expired - Fee Related
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