JPS61141176A - 半導体光検出装置 - 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） 本発明は、光の照射を検出する半導体光検出装置に関す
る。

（従来の技術） 位置検出および分光測定等に同一基板上に複数個のホト
ダイオードをアレー状に配列した半導体光検出装置が用
いられている。

このようなホトダイオードアレー形式の半導体光検出装
置において、入射光の入射位置の分解を高めるためにホ
トダイオードの集積度を大きくすると種々の問題が生ず
る。

まず第１に挙げられる問題は、隣接したホトダイオード
間に入射した光が素子間で相互干渉を起こす、光学的ク
ロストークである。

光学的クロストークを第７図を参照して説明する。

第７図はホトダイオードアレー形式の半導体光検出装置
における光学的クロストークを示す装置の断面図である
。

光学的クロストークは、吸収係数の小さい光が半導体装
置のＰＮ接合から離れた深い部分に到達し、内部で電子
・正孔対を発生し、これらのキャリアが拡散によって同
一アレー内の隣接するホトダイオードに到達することに
よって起こる。

例えばＰ＋領域１５の下のＮ層１の深い部分で発生した
キャリアがＰ＋領域１６に到達する場合等がそれである
。

第２にブルーミングと呼ばれる物理的なりロストークが
ある。第８図を参照して、この物理的なりロストークを
説明する。

物理的クロストークは、強い光照射により図中破線で示
す空乏層に蓄積される電荷が飽和し、素子内を拡散する
ことにより隣接するホトダイオードに到達することによ
って起こる。

Ｐ＋領域１５の下のＮ層１に形成された空乏層内で発生
したキャリアがＰ＋領域１６に到達する場合等がそれで
ある。

これらのクロストークは、位置センサにおける位置境界
を不鮮明にし、分析センサにおける隣接する二つの信号
ピークの区別を不明確にする。

また近年、ホトダイオードアレーと信号続出のための自
己走査回路（シフトレジスタ）を組み合わせたイメージ
センサが広く用いられている。

第９図はそのようなイメージセンサの１素子分を　　　
１示す断面図である。

このようなＮ基板１を用いたＰチャンネルＭＯ３ＦＥＴ
構造のイメージセンサの等価回路を第１０図に示す。

Ｎ基板１を用いたＰチャンネルＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ槽構造
は、ソース２の領域のＰＮ接合部を受光面として用いて
いる。

ゲート電極４に負のパルス電圧を加えると、ゲート電極
４の下のシリコン表面にＰチャンネルが生じ、このとき
ドレイン３より電荷が供給され、ソース２の拡散接合を
ドレイン３の電圧と等しくして、このダイオードを充電
する。

ゲート電極４の電圧をオフし、チャンネルが閉じると、
ソース２の電位（蓄積電荷）はそのまま保たれる。

この状態で入射光によりキャリアが励起されると、蓄積
電荷はこのキャリアに放電し、ソース２の電位は低下す
る。次に再び走査パルスがゲート４を介して印加される
と、放電電荷に対する充電電荷がソース２に流れこみ、
外部回路に取り出される。

以下この動作を繰り返す。

このようなホトダイオードアレーにおいては、アレー内
の各素子の電位は常に異なる。シフトレジスタの走査パ
ルスによって、ある点のホトダイオードの電位が高くな
った場合、電位の低い隣接するホトダイオードへ電流が
流れ込む現象が起こる。これは、電気的なりロストーク
でありホトダイオード間の距離が短くなった場合、ある
いは高抵抗の基板を用いた場合、特に起こり易くなる。

、電気的なりロストークは、正確な光信号の測定や微弱
光の測定を困難にする。

これら、光学的、物理的、電気的なりロストークを総合
して、以下単にクロストークと呼ぶこととする。

このようなりロストークを防止するために、第１１図お
よび第１２図に示すように、ホトダイオード間に絶縁物
からなる分離領域を形成する構成が考えられる。

第１１図中左側のホトダイオード内で発生したキャリア
は、ＰＮ接合部１７に集められて光信号として検出され
る。同様に右側のホトダイオード内で発生したキャリア
は、ＰＮ接合部１８に集められて光信号として検出され
る。このとき、両ホトダイオード間は絶縁層からなる分
離領域１４により完全に分離されるため、例えば左側の
ホトダイオード内で発生したキャリアが右側のＰＮ接合
部１８に混入することはない。

さらに分離領域よりも深いところで発生したキャリアは
、逆バイアスされた裏面電極１９に集められるため、Ｎ
層１２に拡散することもない。

このため、光学的および物理的なりロストークは著しく
減少する。

また絶縁層を通して、両ホトダイオード間で電流が流れ
ることは無いため、電気的なりロストークについても著
しい減少が見られる。

第１１図に示す構成は、第１０図に示す構成と基板がＮ
一層である点を除き同様である。

基板は、ＣＺ法により製作されたＮ−のシリコン基板１
１で１００ｃｍの高抵抗のものを用いる。

ＣＺ法で作られたシリコン結晶には通常５〜５０ｐｐｍ
の酸素が溶存している。

この基板上に、エピタキシャル法によりＮ型領域１２を
形成する。

そして、８００℃の窒素（Ｎ２）ガス中で１〜１６時間
、１０５０℃の乾燥酸素中で１８時間熱処理を行う。こ
の工程により、Ｎ−基板１１中に酸素の凝結に起因した
微少欠陥ができる。

この微少欠陥が再結合中心として働くため、Ｎ−基板１
１内で生成したキャリアのライフタイムは極めて短く、
Ｎ領域１２に拡散する前にすべて消滅する。このため第
１１図の装置と同様に光学的゛クロストークをすべて除
去できる。

しかし、これらの構成はクロストークの除去に対しては
有効であるが、バイアス電圧に制限があるため最大検出
電荷量が小さくなり、高感度を期待することができない
。

すなわち、受光面のＰ層に逆バイアスをかけたとき、バ
イアス電圧が大きすぎると、Ｎ層に広がった空乏層が、
シリコン基板に達する場合がある。

このとき、第１１図に示す構成では空乏層を通して、受
光面のＰＩｉｉｆ１７と基板の２層１０が短絡されるた
め、受光面から基板へ電流が流れる。

このため、ホトダイオードの信号電荷量の低下や、耐圧
不良等の欠陥をひきおこす。

また、第１２図の構成でもＮ−領域に空乏層が広がった
場合には、Ｎ一層内の欠陥により耐圧の劣化と暗電流の
増加をまねく。

一般にシリコン半導体材料を基板とするホトダイオード
の分光感度特性は第１３図に示すように、長波長側の光
電変換感度が短波長側のそれよりも高くなっている。

また一般に分光分析において紫外〜赤外の光源として用
いられるものは、赤外域での出力が大きいため、ホトダ
イオードから得られる出力も紫外域よりも赤外域では２
桁程大きい。

さらには赤外光は迷光となりやすく、信号の純度を落と
すため、赤外感度の小さなシリコン光検出器が求められ
ている。

シリコンにおける長波長光の吸収係数は小さいため、比
較的結晶深部で吸収され電子・正孔対を作ることが知ら
れている。

これを有効に除去するために第１１図や第１２図のよう
な構成で、結晶深部で生成したキャリアを他へ吸収させ
るか、あるいは短い時間内に消滅させるようにすること
が有効とされている。

したがって、有効な光吸収層となるＮ層が薄ければ薄い
だけ、この方法は有効となるはずである。

しかし、分光感度特性以外の電気的特性を考慮すると、
従来技術では暗電流、耐圧等の点で問題があった・ さらに薄いＮ層を用いることはＮ層に加えられる電極と
各素子間の抵抗の増加および不均一化をもたらし、応答
速度の劣化、印加電圧の不均一による蓄積モードで使用
した場合の出力の不均一性をもたらすと考えられる。

（発明の目的） 本発明の目的は、ホトダイオードアレー内の各種のクロ
ストークを著しく低下させることにより、高解像性能、
高位置分解性能を達成し、かつ高いバイアス電圧をかけ
たときのリーク電流の減少と、検出電荷量の増加を達成
できる半導体光検出装置を提供することにある。

（発明の構成） 前記目的を達成するために、本発明による第１の半導体
光検出装置は、光検出のための接合部を有する複数のホ
トダイオードを同一の半導体領域内にアレー状に配列し
た半導体光検出装置において、第２の導電型を有する半
導体基板と、前記半導体基板上にエピタキシャル成長に
より形成された第１の導電型を有する第１の半導体領域
と、前記第２の導電型の半導体基板と前記第１の半導体
領域との間に設けられた前記第１の半導体領域に比べて
充分高い不純物濃度でかつ厚みの薄い第１の導電型の薄
い層と、前記第１の半導体領域中に形成された第２の導
電型の複数のホトダイオードと、前記ホトダイオードを
互いに隔離するように前記第１の半導体領域内に形成さ
れた絶縁物からなる隔離領域を設けて構成されている。

本発明による第２の半導体光検出装置は、前記第２の導
電型の半導体基板を第１の導電型を有する半導体基板に
したものである。

（実施例） 以下、図面等を参照して実施例につき本発明の詳細な説
明する。

第１図は、本発明による半導体光検出装置の第１の実施
例を示す図であって、同図（Ａ）は断面図、同図（Ｂ）
は平面図である。

本発明による半導体光検出装置は、隣接するホトダイオ
ードの接合部１７．１８間に絶縁物からなる分離領域１
４を形成することにより、クロストークを除去する。

基板１０とホトダイオード領域との間に薄い高濃度の不
純物ｒｆ１９を形成し、高いバイアス電圧をかけたとき
のリーク電流の減少と、検出電荷量の増加を達成するも
のである。

図中左側のホトダイオード内で発生したキャリアは、Ｐ
Ｎ接合部１７に集められて光信号として検出される。

同様に右側のホトダイオード内で発生したキャリアは、
ＰＮ接合部１８に集められて光信号として検出される。

このとき、両ホトダイオード間は絶縁層からなる分離領
域１４により完全に分離されるため、例えば左側のホト
ダイオード内で発生したキャリアが右側のＰＮ接合部１
８に混合することはない。

Ｐ型基板１０とＮ型領域１２は逆バイアスをかけて使用
するため、Ｐ型基板１０内で発生したキャリアはＮ型領
域１２には拡散せず、すべて裏面の電極１９に集められ
る。

すなわち、光学的クロストークはすべて除去できる。絶
縁Ｎ１４を通して、両ホトダイオード間で電流が流れる
ことは無いため、電気的なりロストークも著しく減少す
る。また、空乏層が基板に到達する程度のバイアス電圧
をかけても、高濃度のＮ＋層９には空乏は広がらず、Ｎ
十層９に達したところで空乏層の広がりは停止する。

このようにＮ層層は不純物によるポテンシャルバリヤー
を形成するとともに、内部電界に対するバリヤーとして
働く。

このためホトダイオードにかけるバイアス電圧は制限さ
れず、またホトダイオード領域のＮＦｉ１２の厚さも可
能な限り薄くできる。

前記実施例装置の分光感度特性を第３図に示す。

分光感度特性は、第３図に示されているように、短波長
と長波長での出力差が減少でき、外部回路との接続は容
易になり、さらに、検出電荷量も増加できる。また、分
離領域はプラズマエ・ノチングにより形成するため、幅
を２μｍ以下に縮小できる。

このため、ホトダイオード間の間隔を縮小することがで
き、ホトダイオードアレーの解像性能および分解性能を
高めることができる。さらにＮ層層を挿入することによ
り、Ｎ層の濃度が高い場合にも基板の抵抗による印加電
圧の不均一、あるいは抵抗そのものの減少により、感度
の均一性、応答速度の向上などが計られる。

次に前記構成の実施例装置の製造工程を第２図を参照し
て説明する。

（Ａ）まず、Ｐ型シリコン基板１０上に、エピタキシャ
ル成長法、イオン注入または拡散法により高濃度のＮ＋
層９を約１μｍ、８層１２を約５μｍ成長させる。

そして、熱酸化により二酸化珪素膜１３を約１μｍ成長
させる。

Ｎ層層の不純物は拡散係数の小さなｓｂが好ましい。

（Ｂ）ホトエツチングにより分離領域となる部分の二酸
化珪素膜を除去し、さらにプラズマエツチング法を用い
て、Ｎ型９９３７層１２を約５μｍ除去する。

（Ｃ）　　再度熱酸化により二酸化珪素膜１３を約０、
５μｍ成長させる。

（Ｄ）次いで、ホトエツチングにより受光面となる部分
の二酸化珪素膜を除去し、拡散法によりＰ型領域１５を
形成した後、熱酸化により二酸化珪素膜を約０．２μｍ
成長させる。

その後、アルミニウム等の金属膜で所定の電極配線を行
い、工程は終了する。

第４図は本発明による半導体光検出装置の第２の実施例
を示す断面図である。

前述した第１の実施例装置はＰ型の基板を用いたが、こ
の実施例は、高抵抗のＮ−基板１１を用いたものである
。

この基板１１は、引上法（ＣＺ法）により製作された１
００ｃｍの高抵抗基板である。

この基板ｌｌ上にイオン注入法または拡散法によりＮ＋
型領領域９エピタキシャル成長法によりＮ型領域１２を
形成する。

そして８００℃の窒素（Ｎ２）ガス中に１〜１６時間、
１０５０℃の乾燥酸素中で１８時間熱処理を行う。

この工程によりＮ−基板１１中に酸素の凝結に起因した
微少欠陥ができる。これは、インターナルゲッタ法と呼
ばれる公知の方法である。

この微少欠陥が再結合中心とし働くため、Ｎ−基板１１
中で生成したキャリアのライフタイムは極めて短く、キ
ャリアはＮ領域１２に拡散する前に総て消滅する。この
ため、光学的クロストークはすべて除去できる。

前述した各実施例の分離領域は、プラズマエツチングし
た領域に二酸化珪素膜を成長させたちのであるが、エツ
チングした領域に二酸化珪素、多結晶シリコン等の半導
体材料を先議することにより形成してもよい。

第５図は二酸化珪素を充填したさらに他の実施例を示す
断面図である。

エツチングした領域にＣＶＤ法等により、二酸化珪素膜
２０を堆積する。

前記分離だけの目的でなくホトダイオードアレーと他の
回路とを同一基板内に同時に形成する場合に基板の表面
が平坦であることが望まれる。

第６図に示した実施例は前記分離用の溝を多結晶シリコ
ン等の半導体材料２１で覆っである。

この場合、半導体材料は、分離領域形成後の熱処理工程
に耐えるものであれば、導電物であっても絶縁物であっ
てもかまわない。

また、前述した各実施例装置においてＰ型とＮ型をそれ
ぞれ換えて構成しても、同様の効果が得られる。

（発明の効果） 以上詳しく述べたように、本発明による半導体光検出装
置は各ホトダイオード間に、絶縁層からなる分離領域を
有しているので、光学的、物理的、　゛電気的等の各種
のクロストークを著しく減少させることができる。

このため、ホトダイオード間の相互干渉がなく、結果と
して、解像性能、分解性能を向上することができる。

また、分離領域の幅は２μｍ以下に縮小することができ
、これによる解像性能の向上も同時に期待できる。

また、本発明による半導体光検出装置は、基板とホトダ
イオード領域の間に高濃度の不純物層を有しているため
、バイアス電圧をかけたとき空乏層が基板に広がらず、
ホトダイオードにかかるバイアス電圧は可能な限り大き
くでき、ホトダイオードの感度を向上することができる
。

さらに、ホトダイオード領域のＮ層は、可能な限り薄く
できるので、長波長光の光電変換感度が減少し、外部回
路との接続が容易になる。

本発明による半導体光検出装置は、単体とじて位置検出
や分光光度ＩＩＩ定に用いることにより、高位置分解性
能や高分解性能を達成できる。

また本発明による半導体光検出装置を、自己走査回路と
組合わせたイメージセンサとして用いることにより、鮮
明な画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明よる半導体光検出装置の第１の実施例を
示す断面図および平面図である。 第２図は前記実施例装置の製造工程を示す断面図である
。 第３図は前記実施例装置の分光感度特性を示すグラフで
ある。 第４図は、本発明よる半導体光検出装置の第２の実施例
を示す断面図である。 第５図は、本発明よる半導体光検出装置の第３の実施例
を示す断面図である。 第６図は、本発明よる半導体光検出装置の第４の実施例
を示す断面図である。 第７図は従来のホトダイオードアレー形式の半導体光検
出装置における光学的クロストークを示す断面図である
。 第８図は従来のホトダイオードアレー形式の半導体光検
出装置における物理的クロストークを示す断面図である
。 第９図は従来のイメージセンサの１素子分を示す断面図
である。 第１０図は第９図に示した従来のイメージセンサをＮ基
板を用いたＰチャンネルＭＯ５ＦＥＴ構造にしたときの
イメージセンサの等価回路図である。 第１１図はクロストークを防止するために素子間に分離
領域を設けた従来装置の断面図および回路図である。 第１２図はクロストークを防止するために考えられる素
子間に分離領域を設けた装置の断面図である。 第１３図は従来の装置の分光感度特性を示すグラフであ
る。 １・・・Ｎ型シリコン基板　　２・・・ソース領域３・
・・ドレイン領域　　　　４・・・ゲー、ト電極９・・
・Ｎ＋層　　　　　１０・・・Ｐ型シリコン基板１１・
・・Ｎ−シリコン基板 １２・・・Ｎ型領域　　　　１３・・・二酸化珪素膜１
４・・・分離領域 １５．１６・・・受光面（Ｐ領域） １７．１８・・・ＰＮ接合部 １９・・・裏面電極　　　　２０・・・表面電極２１・
・・二酸化珪素膜　　２２・・・多結晶シリコン特許出
願人　浜松ホトニクス株式会社 代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽 ）り　図 η１ シ良＆　＜、−リ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光検出のための接合部を有する複数のホトダイオ
   ードを同一の半導体領域内にアレー状に配列した半導体
   光検出装置において、第２の導電型を有する半導体基板
   と、前記半導体基板上にエピタキシャル成長により形成
   された第１の導電型を有する第１の半導体領域と、前記
   第２の導電型の半導体基板と前記第１の半導体領域との
   間に設けられた前記第１の半導体領域に比べて充分高い
   不純物濃度でかつ厚みの薄い第１の導電型の薄い層と、
   前記第１の半導体領域中に形成された第２の導電型の複
   数のホトダイオードと、前記ホトダイオードを互いに隔
   離するように前記第１の半導体領域内に形成された絶縁
   物からなる隔離領域を設けて構成したことを特徴とする
   半導体光検出装置。
2. （２）光検出のための接合部を有する複数のホトダイオ
   ードを同一の半導体領域内にアレー状に配列した半導体
   光検出装置において、第１の導電型を有する半導体基板
   と、前記半導体基板上にエピタキシャル成長により形成
   された第１の導電型を有する第１の半導体領域と、前記
   基板と前記エピタキシャル成長による第１の半導体領域
   との間に設けられた前記第１の半導体領域に比べて充分
   高い不純物濃度でかつ厚みの薄い第１の導電型の薄い層
   と、前記第１の半導体領域中に形成された第２の導電型
   の複数のホトダイオードと、前記ホトダイオードを互い
   に隔離するように前記第１の半導体領域内に形成された
   絶縁物からなる隔離領域を設けて構成したことを特徴と
   する半導体光検出装置。
3. （３）前記基板はＣＺ法により製作されたものである特
   許請求の範囲第２項記載の半導体光検出装置。