JPS60183767A - 光検出半導体装置 - 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】 〔発りＪの技術分野〕 この発明は光が照射されると、電荷を発生し、この電荷
を一旦半専体層因に蓄積できる全く新規な構造を有した
光検出半辱体装Ｉ）ｆＶＣ関するものである。

〔従来技術〕

光学情報を電気１言号Ｖｃ斐換する光検出装置としては
、例えばインターライントランスファ方式を使用したシ
ョットキー形のＯＣＤ光検出半導体装置が知られている
。第１図はこの光検出装置における一つの画素部分を構
成する光検出部の断面図であり、図において、（１１Ｈ
ｐ形シリコン基板（３〕と白金シリサイド（４）のシリ
コンショットキー構造７：ｌ）らなる光検出部で、赤外
線が照射されることにより白金シリサイド（４）内に光
電荷が発生されるものである。＋２１ｆｌ配線用Ａｔ（
Ｊに接続されたポリシリコン電極＋６１及びこのポリシ
リコン電極（６）直下に位置するＰ形シリコン基板（３
）か４構成される電荷蓄積部で、ポリシリコ／電極（６
）にクロック電圧が与えられることにより、ポリシリコ
ン電極（６）＠下のＰ形シリコン基板（３ｒ　Ｋ　ｕ積
された′電荷が隣接する同様構成の電荷蓄積部（図示せ
ず）ＶＣ転送されるものである。（７）は上記光検出部
ｉｌｌ　Ｋ発生した光′電荷を上記４荷蓄積部（２）へ
電荷転送するためのゲートとなるホトゲートである。

しかるに、このように構成された画素部分をヤトリクス
状に複数配設された光検出半導体装置においては、照射
される赤外線を検知できない電荷蓄積部（２）が一つの
画素内に一つ必ず必要となり、光照射される部分、つま
り上記したものにおいては光検知部（１）、電荷蓄積部
（２）及びホトゲート（７）の全面に対して、光を実際
に検知し光電荷を発生させる部分、つ１り上記したもの
においては光検知部＋１１におけるショットキ構造の部
分（以下開口率と称す）　ｔｒｙ　２５％程度と低いも
のであった。

一方、開口率の高い、光学情報を゛電気１言号に変換す
る光検出半導体装置としては、フレームトランスファ方
式を使用したＣＯＤが知られている。

第２図は、この光恢出半醇体装１ｉ１Ｖｃおける複数の
画素部分を構成する光検出部の断面構造の一例を示すも
のであり、５ｃａＤ（表面００Ｄ）の断面図である。

このＣＣｊｒｊ　ｌｄ　Ｐ形シリコン基板（８）の−主
面に薄いゲート酸化膜（９１を形成し、その上に絶縁１
換を介して互いに重なる部分をＭする複数のポリシリコ
ン電極１１０１を配列してなり、これら電極（１０）上
方、あるいけ下方から照射される光の量に応じて、誘起
される光電荷をポリシリコン電極（１０１Ｋ順次クロッ
ク電圧を与えることによって、ポリシリコ／電極（１０
ｊ下でとらえ、そして転送し、アナログ店号として収り
出すものである。

しかるに、このように構成されたものにおいてけ、光検
出部に照射される光をほとんど全面で検出できるため、
開口率は高いものの、赤外線等の長波長の光検出がほと
んどできないという欠点を有しているものであった。つ
まり、光のエネルギーＨ波長の長いものほど小さいため
、赤外線等の長波長の元エネルギーではシリコン層１８
）中で電荷を発生ずるためには不充分だからである。

このような状況ｖｃおいて、近年、長波長の光、特に浮
作＃！に対しても充分に検知でき、開口率の高い光検出
半導体装置の出現が要望されているものである。

〔発明のｊａ費〕

この発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、半
導体層と金属層とをショットキー接触させるとともに、
この半導体層の、金属層が位置する逆側上Ｖｃ這極を備
えたものとするとともに、半導体層に電荷を蓄積するよ
うにし、第１図に示したもののように、光検知部とけ別
に電荷蓄積部を設ける必要をなくして開口率が高められ
、しかも光検知をショットキ構造の部分で行なうため、
赤外線等の長波長の光に対しても行なえる全く新規な構
造を有する光検出半導体装置全提案するものである。

〔発明の笑織例〕

第３図及び第４図はこの発明の一実施例であるフレーム
トランスファ方式の光検出半導体装ｆｔｋ示し、第３図
は画素部分、つまり光検出ｓ”ｉ裡故有した狭部断面図
、第４図は平面図である。なお、この光検出半導体装１
１は、６５〜８５に程度の極低温で使用するものである
。

第３図において、（１１）は結晶面＜１１１＞　、比抵
抗１０〔Ω・ａｍ）のｎ形シリコンからなる半ノ＃体基
板、（１２１はこの半導体基板の結晶面４１１＞刀）ら
なる−主面上面に形成され光が照射されると光を発生す
る単結晶の白金シリサイドからなる金属層で、上記半導
体基板（１１）を６００〔℃〕程度に熱した状態で分子
線エピタキシー法（ＭＢＥ）　ＶＣより半導体基板ｆｉ
＋の一主面に白金を蒸着して形成されたものである。

（１３１はこの金属層の上面にショットキー接触して形
成されたｎ形のシリコン単結晶からなる−４電形の半導
体層で、上記半ノ４体基板（１１）を５００［℃）程度
Ｋ　熱した状態で分子線エピタキシー法により上記全１
国層α２１上面にシリコンを１〜２μｍ程度にエピタキ
シャル成長させ、その後イオン注入とアニールによって
ｎ形のシリコン単結晶を形成したものでアル。＋１４１
１’ｔこの半ノ（１体層上面に形成されたシリコン酸化
膜からなる絶縁層で、半導体層（１３）上ＶＣプラズマ
ＯＶＤ法により半、祁体基板（１１）温就５００’Ｃ程
夏で１０００〜２００ＯＡ程Ｉ（の膜厚になるよりに形
成したものである。（１５ａ）、　（１５ｂ）　ｔｒｉ
所定のパターンに基づいて上記絶縁膜（１４）上に形成
されたポリシリコンからなる１極で、絶縁層（１４）が
形成された状態のものを５０σＣの酸素雰囲気中、続い
て水素雰囲気中でアニールした後、プラズマＣＶＤ法に
より、半導体基板（■ｌｌ温度４５寛 シリコンを蒸着し、その後通包のシリコンＬＳＩウェハ
プロセス技術を使用してパターンを形成したものである
。

そして、第４図に示すように、電ｉ＆（１主）又は（１
５ｂ）、この電極直下の半部体層０３ｉ，金Ｉ萬層（１
２１及び半導体基板（１１）からなる一つの画素部分、
つまり光検出部がｍ行ｎ列のマトリクス状にｍＸｎ個配
設されて光検出手段ｏ７１；ｒ：構成するとともに、同
様に光検出部がｍ行ｎ列のマトリクス状にｍ　Ｘ　ｎ個
配設され、光シールドされた′電荷蓄積手段（１８）が
促成されているものである。なお、奇行にｉ設さｔｌ．
た各光検出部の′電極（１５ａ．）又は（１５ｂ）に連
続的に構成されており、光検出手段＋１７１の°光検出
部における重接（１５ａ．）　Ｖｃｎクロック屯圧φｌ
が、′重積０ｂｂ）にはクロック亀圧φｌと真補の関係
にあり、一部重復するタロツク亀圧φ２がそれぞれ印加
され５，ｄ荷蓄債手段（１８）の光検出部における′電
極（１５ａ）にはクロック亀圧φ３が、電極（１５ｂ）
　Ｋけクロック′闇圧φ３と真補の関係にあり、一部Ｍ
複するクロツタ電圧φ４がそれぞね、印加されるもので
ある。光検出部の各行間にけ分離１偵Ｍ．に１が半尋体
偵［１３ｉ内に形成されているものである。なお、第４
図において、（＋９１はレジスタ、φ５及びφ６にこの
レジスタを駆動するためのクロツタ電圧、（１）は読み
出し部である。

次に、この様に構成されたフレームトランスファ方式の
光検出半ノ（１体装置の動作について説１１する。捷ず
、一つの画素お１５分を構成する光検出部における光検
出及び電荷布積の機溝について述べると、ｔｍ　（１５
ａ）又１−１　（１５ｂ）に金１ｔル層（１２１と半）
さ体ｒｒｙｎ　（＋３＋との界面まで半）１１体層（１
３１内において空乏層が拡がるマイナス１圧ｖＧである
第１の電圧が印加されると、金ルｕｌ茜１１２１　、半
）＋λ体層０３ノ，絶縁層（１４）及び′電体（１塊）
において、第５図しζ示すようなバンド状態となる。こ
のような状態において、［ｉｔ極（］５ａ）　、Ｌ方か
ら赤外線が照射さハると、ポリシリコン及びシリコンは
赤外線も透過するものであるとともＶＣ絶１縁層（１４
）に［非常に薄く形成されているため、電極（］加）。

絶ｆＹり層（１４）及び半ノ稈体層（１３）を透過して
金１ｉＪ也！＋Ｎ　ｆ＋２・に赤外線が到達することに
なる。すると、この赤外壱ハ金属層（１２１に吸収さね
、光ｒＫ荷すなわちホットホールを発生すること［ｉる
。このホラ！・ホールのうぢ半）ｒｚ体ｉｉ４　１１３
ｊと金＋１１ｉ層（１２）のショットキーバリアの篩さ
ｆｒ１１日を越えるエネルギーをもつものけ半ノ座体層
（１３１中に注入さｉｌ、ｉ％　＋ｆｉＴの絶縁１模（
１４）直下π′延萄として蓄積されるととＫｆｒる。

そして、この光検出部全方したフレームトランスファ方
式の光検出半導体装置のｌの作に次のようになるもので
ある。まず、第１の光検出状ｆｄにおいて、クロック亀
圧φ１により、１匡極（３２うａ）［＋ｉｑ記Ｖ．）の
低圧が印加され、クロツタ電圧φ２により′電極（ｘ５
ｂ）に汀Ｏ′低圧が印加されて第６図（ａ）に点線にて
示すような空乏層の広がりが生じる。このような状態を
所定時１１ｆ継続すると、赤外，７４−の１）α射Ｊ７
ｉに応じて金属層（１２）に発生したポットホールが、
半導体層（１３）と金属７１畳（］２１との界Ｌｈｊま
で料理した空乏層により重接（１５Ｉ３．）直下の半Ｊ
１メ体層（１３１茂而にｋ　４’ｉ（されろ。

このようにして４Ｌ荷蓄積が終ると、第６図（ｂ）に示
すようにクロツタ電圧φｌによりｉａ極（ユ５ａ　）に
Ｏ　（％圧を印加し、クロック亀圧φ２しこより１区Ｉ
勇（１５ｂ）　ＶＣ空乏層の広がりが半ノ（４体層（＋
３１と金属層（１２１の界１１ｉ１ｔで届かない程度の
電圧、すなわちＪ二ｉＳ＋２第１の１（＋；圧より絶対
植の低い第２の′電圧を印加すると、空乏層の拡がりは
第６図（ｂｌに点線にて示す，！：う匠なりＩＩＬ極（
肪ａ）の直下の半，ｉμ体層（１３）表１ｉｊに蓄漬さ
ｒｌていたル荷が矢印（Ｉ６）方向に転送さね、ｉｔ　
称（１５ｂ）　＋ｔＭ．　’１’の　“□半導体＋１４
（１３）表面ＶＣｌ２送される。次に、タロツク゛屯圧
φＩＶＣより電極（１塊）に前記第２の電圧を印ＩＡＪ
　Ｌ、、クロック−４Ｌ圧φ２ＶＣよりｊＦｉ　ｌ感（
１５ｂ）の印加重圧を〇にすると、第０凶（Ｃ）に点柳
にて示すように望乏層／バ拡がり、電荷に再び矢印（１
６１刀同ＶＣ転送され、電極（ｂｂ）直下の半ＪｔＶ体
＋（”Ｊ　（１３］茂曲がら１■画（１５ａ）直下の半
得体層表面Ｖｃ１版送されるのである。ここで、光市旬
が矢印（１６１方向に１版送されるのけ、蓄積されてい
る１１ｉ倚に対し、矢印（１１；・側の化１歩によって
形成さハる空乏層が、＋ｆｉＪ記矢印（１６）の方向と
は反対側の１１ｊ徐により形成さねる空乏層よりも近い
部分に拡かるため矢印（１６１方向ＶＣ’ｔ（３荷が引
かれるものである。

このように、タロツク′出圧φ１とφ２の印加’ｉＩよ
圧により、車前転送け・１３４図に示す光検出手段１１
７Ｎｃおいて行なわね、るとともに、タロツク″市圧φ
ｌとφ２Ｖｃ向期したクロック＋１■圧φ３とφ４Ｖｃ
より第４図に示す？ＩＬ萄蓄積蓄積手段８１においても
光検出手段（１７）における７１４’ａｆ　ｉ送と同様
に重両転送され、光検出手段（１７１における全ての光
検）、ＩＪ部［蓄積されに′電荷は、クロック電圧（φ
ｌ〜φ４）により、光シールドされた゛亀前布積手段（
１８）における光検出手段（１７）の光検知６１督て対
応しノこ光快知部にケ１１時間で一旦蓄積七ｆＬωより
１行ずつレジスタ（１！Ｊ）ＶＣ送らｒｌ、ると七もｒ
１クロック′Ｉ杭圧φ５．φａＶＣ上ってｒｉｌ、　ｉ
奇はり読み出しあい刀に＋ｙｌ　を欠送らノア、続み出
されることになるもので矛）る。この′亀１ヒ〕盲；−
ｆｊ′ｃ＋段（１８１のすべでの行／バ１ヨ、ｃ÷出き
れる間、光・険出手板（１７１でに１クロツク箪圧φ１
により”＋ｊ；極（１５ａ）　ｖｃＯ’電圧か）４」加
されるとともにり；１ツク戚圧φ２によｔ）　’、４７
７　（ｌｊｂ）　ＩＦ　Ｖａ　ｉｉ圧が印：ｒ）ｕさＪ
ｌ、−Ｃ次の一区荷蓄積ンバ開始され、；載荷蓄積手段
（１８１全てのｈが読み出さｔ’した後、再び上昌己で
述べたとｈｉｌ　４＞Ｊ（Ｖｒ　１で光検出手段（１７
；から屯１’Ｊ　Ｓ　４＠＋段（１８＋　”−一υ、電
荷カニ転送され、その後レジスタｊ＋：＋）を介して′
重荷１ｉＴと読み出し都いλにより読み出さ力ることに
なる。

このようなりジノ作全１１ｉｆｊ仄Ａ軌り返すことによ
り、う′Ｃ４検知手段（１７＋に照射さγ１７ζ光を順
次＾売み川すこと番′（なるものである。

このよう［構成さｉ゛＋た光検出半導体装置において、
その光検出手段０ηにおいては、光が照射されて有効に
利用できない部分は分離領域ンＤのみであり、分離唄域
シυの幅四金３％ｍとし、一画素の幅脅を３０／１ｍと
した場合に開口率が約９０％となり、開口率を非常に４
＋めることができるものである。しかも、光検出手段（
＋７１から重両布積手段１１８１に厄前を転送するＶＣ
要する時間は、光検出手段（１１に電荷を蓄積するため
の時間に比し非常に短かく、しかも光検出手段０７］か
ら１「前布積手段１１８）Ｖｃ屯電荷転送する瓦 隙のクロック電圧ψ１とφ２の第２の電位は光検出手段
１１７１　ｖｃ　（荷を蓄積する際のクロック電圧φｌ
と比 φ２の第１の電位より低く、空乏層が半）１′一体ｌｌ
４（＋３＋と金属層（１２１との界面オで拡がらないよ
うにしであるため、光検出手段０７１の光検出部に蓄積
された重荷は隣接する光検出部に蓄積された電荷等によ
り干渉を受けることがなく、光検出手段Ｑ７１ＶＣ蓄積
された１゛コ荷は正価に読み出される・ものである。

だが、光検出手段Ｕηから直前蓄積手段（＋８１に１荷
を転送する時間が光検出手段０７１に電荷を蓄積する１
時位にしても良いものである。

また、上記実施例で汀、光を「＋１．極（１５）の上方
から照射したが、半導体基板（Ｉｌ＋下方から照射して
も艮く、その際、半専体范板圓の厚さをｆｉｌ！１節す
わば、半導体基板（１■）部分で短波長の光を吸収し、
長波後の光（例えは赤外線）たけ全金＋（ｒ４層＋１２
１　Ｋ到すさせ　□るようにでき、短波長の元金さえぎ
るためのフィルターはほとんど不必女となる、という効
果を有するものである。

才だ、上記実施例では半）Ｑ体基板（１１）の」二に金
１１＋４層（１２１を形成し、半μネ体基板［１１）と
してｎ形シリコン基板としたが、これに限られるもので
はなく、要は、光検出半導体装置の機械的な力による破
損防止のため剛質の基板であり、かつその基板の−Ｉ−
，ＶＣ光が照射されると光電荷を発生されることがでさ
　□る金属Ｊｆ４（１２１を形成でき、史に光′電荷の
蓄積あるい　゛げ転送を妨げない物質であれば良いもの
である。

また、上記Ｊ６飽例では、ｎ形シリコンからなる半導体
Ｉｒ４　ｔ＋３１を分子ａエピタキシー法によって形成
したが、その方法に限るものではなく、史にげ空乏層の
拡がりが金属層１１２・との界面に１で届く程鼓のノ早
さにイｌＩｔ　助したｎ形シリコン半碑体基板金使用し
、金属層０２１となる白金シリサイド、ｐｊ　ｌｌ−ｔ
このｎ形シリコン半Ｂ％体、！４￥板と山雀の化合によ
って形成すれは１μく、この場合には半導体力９似（１
１）全用いなくても１ｑいものである◇ 史に」二記実施例では、金１７４　＋（６１２１を白金
シリサイドとしたが、ｐｄｓ土、　ＭｏＳｉ　、　Ｔｉ
Ｓｉ　、　ＴｒＳｉ等のシリザイド捷たけ他の金属でも
良く、要に光が照射さ′１１ると、）Ｙ：、車前を発生
する金属であわば艮いものである。

ところで、Ｌ１尼太にハクｌで（ｄ、光検出半導体袋は
としてフレームトランスファ方式の２相０（！Ｄ　［つ
いて悦Ｉノシたが、これに限らね、るものでないことは
言うまでも斤いことである。νｌえは、上記バ殉例にお
ける光検出手段の一つの光検出部、つまり半導体基根１
１１１　、金ｌＡｌ１／１（１２喝、半導体層（１３）
及び電極（１５ａ）又ｌ−１１（１５ｂ）から１７僅成
されるものを、光イφ出半、゛）ス体装置としたもので
あっても良いものである。このものにおいても、電極（
１５ａ）又は（ｘ５ｂ）に照射さね−る光のＭ無及び強
さにより−Ｆ：れに応じた光４４’ｎ（が発生され、こ
の発生された光１Ｌ前が半導体１１４に蓄積されるため
、照射される光を検出できるものであり、しかも開口率
を大きくとれる効果を有するものである。

〔発ｌ：Ｉｌｊの効果〕

この発明は以上に述べたとおり、光が照射されると、九
′電荷を発生する金ｋｉ４ノｂ’ｔと、この金属Ｉ脅の
上面にショットキー接触して形成された一醇篭型の半１
４４体層と、この半ノ１コ体層土に絶縁層全弁して設け
られ、全１Ｆ為層に発生された九電倚を半導体層に蓄積
するために少なくとも金属層と半゛α体層との界面１で
半導体層全空乏化する渠ｌの′低位が与えられる電極と
を備えたものとしたので、照射される光として光エネル
ギーが小さい長−波長である赤外線ケも検知できるとと
もに、検知した光に応じた光′電荷を半ノ嵐体層に蓄積
できるものであり、その結果、元検知部とは別に′電荷
蓄積部を設ける必要が１＜、開口率ｔ−１められるとい
う効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

ｌ麻１図は従来のインターライントランスファ方式を使
用したショットキー形ＣＯＤの光検出半導体装置（・て
：Ａ；ける一つの光検出部忙示す１０「面図、第２−図
は従来のフレームトランスファ方式ヶ便１月したＣＯＤ
の光検出半導体装置乞示すに部１指面図、第３図及び第
４図はこの＠すＪの一実施１クリであるフレームトラン
スファ方式の光検出半導体装置を２ドし、第３図は要部
断面図、第４図は平面１・凶、第５図に第４図における
一画素部分のバンド図、４↓＼図（ａ）〜（Ｃ１は１区
荷転送ｆ：説岬１するための第３図ａ当の１折面図であ
る。 図ｖＣＪ　ｌ／１−Ｃ１＋１２’ｌｊ：金属層、（１３
１ｒｊ：半導体層、（１４１ｔｌ絶縁層、（１５ａ）、
　（１５ｂ）　ｆｄ電極である。 外お、各図中、同−符りは同一または相当部分を示す。 代理人　大岩増雄 第２図 第：３図 第４図 ２θ １／　Ｚ／ 第５図 ／Ｊ／４　／Ｊ　／２ ２Ｏ２ 〔０） ） ト − −テー◇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｆｉｌ　光が照射されると光電荷を発生する釡属層、こ
   の金属層の上面にショットキー接触して形成された一′
   導電形の半導体Ｗｔ、この半専体層上Ｉ／ＣＭ５縁層を
   介して設けられ、上記金属層に発生された光゛重荷を１
   肥土襲体１曽に蓄積するために少なくとも上記全１成層
   と半導体層との界面まで上記半導体層を空乏化する第１
   の電圧が与えられる電極を備えた光検出半導体装置。 （２）電極は複数個からなり、１つあるいに複数比 個置きに真補の関係となるｆＪｌの屯倣からなるクロッ
   ク電圧が印加されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光検出部４．４体装置。 （３）　各電倦Ｔ／′ｉ重荷を蓄積する際ｖｃ第１の電
   圧が与えられると゛ともに、半導体層に蓄積された重荷
   を各電極間に移送する際に上記第１の電圧より絶対値の
   低い第２の電圧が与えられることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の光検出半導体装置０ （４）　金属層は半導体層が形成された逆の而に設けら
   れたシリコン基板との化合によって形成されるシリサイ
   ド金属であることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第３項のいずれかに記載の光検出半導体装置。