JPS61141177A - 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）　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　ｌ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５図を参照
して説明する。

第５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６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ＮＪｉＪｌ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７図はそのようなイメージセンサの１素子分を示す断
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８図に示す。

Ｎ基板１を用いたＰチャンネルＭＯ３ＦＥＴ構造では、
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電極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に対しては第９図に示すように
、拡散により形成されたＰ十層５でホトダイオード間を
分離する構成が考えられる。

この方法では、素子間は一応は分離されるものの、分離
領域５付近に入射した光により発生したキャリアは、す
べてこのＰ＋型の分離領域５に吸収され、信号量の低下
が起こる。また分離領域Ｐ＋層５をホトダイオードと近
接して設けた場合には、分離領域Ｐ＋層５とホトダイオ
ードの１層１５間での相互作用が強くなるため、蓄積さ
れた信号電荷が分離領域Ｐ＋層５に流れ易くなり、電気
的なりロストークは増加する。分離領域の深さは最低で
も５μｍは必要であるが、拡散で形成した場合は、深さ
方向の拡散だけでなく同程度の横方向への拡散も同時に
起こる。このため、分離領域Ｐ＋層５の幅を１０μｍ以
下に制御することは困難である。さらに、受光面のＰ層
１５より広がった空乏層が、分離領域Ｐ＋層５に到達す
ると、耐圧が著しく低下するため、受光面と分離領域の
距離は少なくとも２０βｍ程度は必要である。この結果
、隣接するホトダイオード間の間隔は５０μｍ以上にな
り、これはホトダイオードアレーの解像度や、分解能の
性能限界の低下をもたらす。

以上のように、隣接するホトダイオード間にＰ＋の分離
領域を形成した場合、クロストークの防止には効果はあ
るが、リーク電流の増加、耐圧力の低下、信号の漏洩が
起きるなど、かえって信号の不明確さが増し装置の特性
は低下する。

さらに第１０図および第１１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１０図中左側のホトダイオード内で発生したキャリア
は、ＰＮＮ接合部子７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、引上法（ＣＺ法）により製作されたＮ−のシリ
コン基板上１で１００ｃｍの高抵抗のものを用いる。Ｃ
Ｚ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ｌ
ｌ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
１０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、これらの方法ではクロストークの除去に対して
は有効であるが、暗電流や逆耐圧に対して問題がある。

ホトダイオードで蓄積できる最大電荷量は接合容量とバ
イアス電圧の積で決まる。　・接合容量は基板の種類に
より一定の値を示すため、バイアス電圧の大きさが最大
電荷量を決着している。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１０図に示す構成では空乏層を通して、受光
面の２層１７と基板のＰ！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起こす
。また、第１１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６さらに、空乏層が横方向に広がり、分
離領域１４に達する場合がある。

分離領域は形成時のダメージにより結晶性が悪く、空乏
層が到達すると、リーク電流が激しく流れる。

このため、バイアス電圧は制限され、結果としてホトダ
イオードの最大検出電荷量の限界につながる。さらに、
暗電流の増加蓄積時間を決め、Ｓ／Ｎ（信号雑音比）の
劣化の原因となる。

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１２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、赤外感度の小さい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１０図や第１１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ＮＦｆｔ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
。

このように、従来の装置または考えられる装置は、クロ
ストークの防止と電気的特性や分光感度特性等を同時に
満足させるものではない。

（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、検出荷電量の増加を達成
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
れた第１の導電型を有する多結晶半導体からなる隔離領
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の導電型の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間に多結晶半導体からなる分離
領域２１を形成することにより、クロストークを除去す
るものである。

基板１０とホトダイオード領域との間に薄い高濃度の不
純物層９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。

第１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２１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に混合することはない。

Ｐ型基ｉ１０とＮ型領域１２間は逆バイアスをかけて使
用するため、Ｐ型基板ｌＯ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。このようにして光学的クロストークはすべて除去
できる。

分離領域２１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同様に防
止される。

高濃度のＮ＋層９には空乏層は広がらず、Ｎ＋層９に達
したところで空乏層の広がりは停止する。

分離領域２１の周辺はリンドープの多結晶シリコンが、
拡散源として働くため、高濃度のＮ＋になっている。

ホトダイオードに、空乏層が分離領域２１に到達する程
度の、バイアス電圧をかけても、高濃度のＮ＋層に空乏
層は広がらず、第１０図、第１１図の構成のような、分
離領域形成時のダメージによるリーク電流は問題になら
ない。

このようにＮ＋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Ｎｉ１１２の厚
さも可能な限り薄くできる。

第３図に前記装置の分光感度特性を示す。

このグラフから明らかなように、短波長と長波長での出
力差が従来の装置（第１２図参照）に比較して少なくな
っている。

これにより、外部回路との接続は容易になり、検出電荷
量も増加できる。

また、分離領域はプラズマエツチングにより形成される
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＋Ｎ９を挿入することにより、感度の均一性、
応答速度の向上などが計られる。

すなわち、分離領域のＮ＋層２１とＮ＋領域９は短絡し
ているため、第１図（Ａ）に示すように分離領域２１上
の二酸化珪素膜を除去し、電極配線２０を行うことによ
り、ホトダイオード内の各素子にかかる印加電圧はどの
位置でもすべて等しくなるため、感度の均一性や応答速
度の向上を計ることができる。

次に前記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、エピタキシャル成長法によりＮ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Ｎ＋層９に達するまで除去す
る。

（Ｃ）ＣＶＤ法により全面に、例えば高濃度にリンまた
は砒素をドープした多結晶シリコン２１を堆積し、不要
の部分を除去する。

（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型頭域１５を
形成した後、熱酸化により二酸化珪素膜を、約０．２μ
ｍ成長させる。

（Ｅ）アルミニウム等の金属膜で所定の電極配線２０を
行い、工程は終了する。

第４図は本発明による第２の半導体光検出装置の実施例
を示す断面図および平面図である。□第１図に示した構
造は、Ｐ型基板を用いたものであるが、この実施例は高
抵抗のＮ″″基板１１を用いて構成したものである。

この場合、基板１１として、引上法（ＣＺ法）により作
成された、１００ｃｍの高抵抗でかつ酸素濃度１６〜ｌ
１３ｐｐｍのシリコン基板を用いる。

この基板ｌｌ上に、エピタキシャル法によりＮ＋型領域
９とＮ型領域１２を形成後、８００℃の窒素（Ｎ２）ガ
ス中で１〜１６時間、１０５０℃の乾燥酸素中で１８時
間の熱処理を行う。

この工程によりＮ−基板１１中に、凝結に起因した微小
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。

この微小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、
光学的クロストークはすべて除去できる。

以上詳しく説明した実施例について本発明の範囲内で種
々の変形を施すことができる。

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期待できる。

（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
置はホトダイオード間に、多結晶シリコンからなる分離
領域を設けているので、光学的、物理的、電気的等の各
種のクロストークを著しく除去できる。

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躍り大き
くでき、ホトダイオードの感度を向上させることができ
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を減少させ、外部
回路との接続が容易になる。また、分離領域と高濃度の
不純物層は短絡しているため、分離領域を通して各ホト
ダイオードに電圧を印加することができる。このため、
電圧の均一性が増　　１し、結果として感度の均一性や
応答速度の向上が計られる。

本発明による光検出装置は、単体として位置検出や分光
光度測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み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１葬ることができる。

【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他の実施例を
示す断面図である。 第５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６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７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８図は第７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ＭＯ３ＦＥＴ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９図は、クロストーク防止のため、ホトダイオード間
にＰ＋層からなる分離領域を形成した構成を示す断面図
である。 第１０図は、クロストーク防止のために考えられるホト
ダイオード間に絶縁層からなる分離領域を形成し′た装
置の断面図である。 第１１図は、クロストーク防止のために考えられるホト
ダイオード間に絶縁層からなる分離領域を形成した他の
装置の断面図である。 第１２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・
・・多結晶シリコン ２２・・・表面電極 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　４　図 （Ａ） （ら） ：Σ瞥Ｌ　長（ルｈレノ 跪４図 （Ａ） （δ）

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第１
   の導電型を有する多結晶半導体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第１の導電型を有する多結
   晶半導体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。