JPS6218075A

JPS6218075A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPS6218075A
Application number: JP60156064A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hayashi; 豊林; Hiroaki Yoshihara; 吉原　弘章; Haruyuki Kawachi; 河内　治之
Original assignee: MITAKA DENSHI KAGAKU KENKYUSHO KK; Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: MITAKA DENSHI KAGAKU KENKYUSHO KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1985-07-17
Filing date: 1985-07-17
Publication date: 1987-01-27

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〉本発明は光電変換装置に関し、特に、機械的支持部分と
しては厚い半導体基板をそのまま使用しながらも、半導
体基板が厚いことによる光電変換機能の電気的緒特性の
低下を防止できるようにし〈従来の技術〉光電変換装置には、太陽電池等のように、電力デバイス
として捕えるものや、光情報受信素子等のように、電圧
ないし電流デバイスとして取扱えるものなどがあり、そ
れぞれに向上の対象とすべき電気的特性要素も若干、異
なってくるが、基本的な構造を一括して考えると、いづ
れも適当な機械的支持基板上に整流性接合による光電変
換機能部を形成して成るものと言うことができる。ただ
し整流性接合とは、代表的にはｐｎ接合であるが、これ
に限らず、エネルギ・バンド構造上１等価的に整流性特
性を示し得るものを総称して言う。

このような各種光電変換装置は、上記のように大概すれ
ば基本構造は同一であるが、それぞれの光電変換機能部
が形成されている半導体薄層部が何によって構成されて
いるか、あるいはどのようにして構成されているかによ
り、分類付けることができる。

もっとも古典的なものは、相対的に見るとかなとしてそ
のまま用いながら、その表面の極めて薄い表層領域部分
を光電変換機能部の構成部分とするものである。

こうした場合、機械的支持基板と光電変換機能部との厚
さ比は極めて大きなものとなる。具体的な数値の上から
は、通常提供される半導体基板の厚味が一般に百脚から
数百脚程度のオーダにあるのに対し、光電変換機能部が
形成される表層領域の厚味は、たかだか数陣から厚くて
も数十層程度となる。

これに対して、光電変換機能部を構成する半導体薄層部
は、機械的な支持基板としての別途な絶縁性基板の上に
構成するようにしたものがある。

これは一般に、電界効果トランジスタ等の集積用として
開発されたＳＯ８構造とかＥＳＦＩ構造とか呼ばれる構
造を応用したものである。

前者はもともと、シリコン・オン・サファイアまたはシ
リコン・オン・スピネルの略であり、字義通り、サファ
イア基板またはスピネル基板上に、能動素子構成用のシ
リコン層をエピタキシャル成長させたものである。

一方、後者は、絶縁性基板には材料の特定を生じないよ
うに、エピタキシャル・シリコン・フィルム・オン・イ
ンシュレータの略として考えられたものであるが、実質
的にはＳＯ３と同一である。

これらＳＯ３構造ないしＥＳＦＩ構造は、結局はセミコ
ンダクタ・オン・インシュレータ、すなわちＳＯＩ構造
と総括できるが、特にこのＳＯＩ構造に対して対比的な
議論をするときには、先に述べたような半導体基板はバ
ルク半導体基板と呼ばれる。例えばそれがシリコンであ
る場合には、バルク・シリコン基板、ないし単にバルク
・シリコンと呼ばれる。

また、ＳＯＩ構造ではあっても、ＳＯ５構造やＥＳＦＩ
構造と若干異なり、絶縁性基板に石英またはアルミナを
選び、その上に成長させた半導体薄層部をレーザとか電
子ビームでアニールし、溶融後、再結晶化させて、光電
変換機能部形成用の半導体薄層部を得る構造もある。

〈発明が解決しようとする問題点〉」二足のように、バルク半導体基板をそのまま用いた古
典的な光電変換装置は、複数の光電変換機能部を同一基
板上の表層領域に集積した場合、機能部間の絶縁分離を
施したにしても、当該分離層の深さをそれ程深くは取れ
ないことから、厚い半導体基板の深さ方向に分離層を越
えて回り込むリーケージ等により、完全な分離が果たさ
れず、寄生効果が生じて出力電流が大きく取れなかった
り、高出力電圧を得られなかったり等の欠点があった。

これに対して、ＳＯＩ構造は、例えば素子間の分離等に
は有利である。従って、寄生ダイオードや寄生トランジ
スタの生成のおそれは少ない。しかし、もっとも問題と
なるのは、異種基板の上に成長させた半導体薄層部の電
気的ないし物理的特性である。

例えばＳＯ５構造の場合、サファイア基板上にエピタキ
シャル成長させたシリコン薄層部は、層基板との熱膨張
係数の違いにより、高温でエピタキシャル成長を受けた
ことによる応力歪を蓄積し、そのため、エネルギ・バン
ド構造が変化して、電子移動度が低下する欠点を持つ、
キャリア寿命も短かい。

また、既述の他のＳＯＩ構造として、アニール工程を経
たシリコン薄層においては、単結晶とはならず、多結晶
状態であり、結晶粒界のデバイス特性に与える影響は決
して好ましいものではない。

本発明はこうした従来例の欠点を是正するべく成された
もので、特に装置の機械的な支持部と、実際に光電変換
機能を営む機能部との間にあって、合理的な構造関係を
得ようとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉既述した従来例における欠点は、まとめれば次の事実を
教えている。

■装置の機械的な支持を考えた場合、当該支持部当程度
の厚味を必要とする。

■一方、光電変換機能を営む部分は、望ましくは薄い半
導体層であってほしい。

■そうかと言って、異種絶縁性基板上に半導体薄層を形
成することは、必ずしも、得られた光電変換装置におけ
る電気的特性を向上し得るとは限らず、むしろ、望まし
い結果とはならない方が多い。

本発明は以上のような知見に基づき、上記■。

（りの要件を矛盾なく満たし、上記■の問題を回避する
ため、次の構成の光電変換装置を提供する。

相対的に厚い機械的支持基板と、相対的に薄い半導体薄
層部とを要し、該半導体薄層部に光電変換機能部を形成
する光電変換装置であって；」二足機械的支持基板は半
導体基板であり；上記光電変換機能部形成用の半導体薄
層部は、上記半導体基板の平面的な一面積部分を厚味方
向にエンチングすることにより、該半導体基板の厚味を
低減して得られていること；を特徴とする光電変換装置。

〈作　川〉上記本発明の構成によった光電変換装置では、通常市阪
されている半導体基板ないし半導体ウェハをそのまま、
厚くて物理的強度が十分な支持基板として用いることに
なる。

一方で、光電変換機能部を形成しようとする半導体薄層
部は、当該半導体基板の所要の面積部分をエツチングす
ることにより、必要な薄さにした領域となる。

そのため、光電変換＊　７８部形成用の半導体薄層部は
、当然のことながら、同一材質の支持基板との間で熱膨
張係数に差を持つようなことがなく、各種の熱処理工程
を経ても、それらの間に応力歪を発生するような余地は
ない。

また、半導体基板に単結晶材料を選んだ場合、光電変換
機能部の単結晶性も構造上の理由に起因しては損うこと
がない。

そして、複数の光電変換機能部を同−半導体薄層部中に
集積する場合にも、隣接する光電変換機能部間の絶縁分
離は簡単かつ確実に行なうことができる。半導体薄層部
が十分に薄くなっているため、この半導体薄層部を完全
に上下に貫く分離層も容易に形成できるからである。

このようなことが相剰して、本発明構造によった光電変
換装置では、活性部ないし能動部としての半導体薄層部
において良好なキャリア移動度を確保することができ、
キャリア寿命も長く取ることができる外、寄生トランジ
スタや寄生ダイオードの生成を阻止することが容易であ
る。

これは結局、最終的に得られた製品としての光電変換装
置の諸性性の向上を生む。例えばその光電変換装置が太
陽電池を指向するものであるならば、その出力電圧、出
力電流、ひいては変換効率を向上させることができ、光
センサ等の情報処理素子として利用されるものである場
合には、さらに暗電流の減少とか高速スイッチング等の
効果等も期待することができる。

上記のエツチングはもちろん、半導体基板の片面側から
のみ、なしても良いし、両面側からそれぞれ所要の傑さ
ないし厚味に亘り、行なうようにしても良い。

その結果は一般に、少なくとも半導体基板の表面側また
は裏面側から見ると、半導体基板の所々が光電変換機俺
部形成のために陥没したような形態となる。

しかし、既述したように、光電変換機滝部形成のために
必要となる厚味に対し、通常用いられる半導体基板の厚
味は相当に厚いから、このように−・部が陥没しても、
全体として見ると、用いた半導体基板は、なお十分な物
理的強度を有するものとすることができる。

さらに、本発明の構造は、上記のような作用により本発
明の目的を達成するのみならず、各種の付帯的作用を営
むことができる。

例えばエツチングにより削った陥没部の側面は、一般に
斜面となるので、当該陥没部の底に形成されている光電
変換機能部に対して光ファイバを介した光照射を行なう
場合、陥没部両側に形成されている一対のこうした斜面
は、用いる光フアイバ端面の物理的な支持手段とか位置
決め手段として使うことができる。

従って、エツチングを基板両側から行なった場合には、
半導体薄層部の上下両側でそれぞれ一木の光ファイバを
位置決め固定できるので、それらの各々からの出射光を
半導体薄層部にて吸収させるだけでなく、間に半導体薄
層部を挟んでそれら一対の光フアイバ間で光信号のやり
とりをさせることもできる。

また、光電変換機能部形成用の半導体薄層部は、その厚
味をエツチングの際に適当に規定することにより、意図
的に入射光に関する分光感度を変化させることができる
。換言すれば、ある波長領域についてはその感度を高め
、別な波長領域、一般に長波長側領域に関しては感度を
低下させる等することができる。

加えて、従来のＳＯＩ構造のように、半導体薄層部の裏
面には必ず基板部材があるのと異なり、原則的には当該
半導体薄層部の両面とも、空間に露出させることができ
るので、その表裏面側にそれぞれ種々の意図的な処理を
することも可能かっ容易である。

例えば半導体薄層部の表面側に光電変換機能部を形成し
、裏面側には効率を高めるため、保護膜とか反射膜等々
を形成することができる。

そうしたことによる効果は多岐に及び、それら付帯的な
効果は、後述の本発明実施例中にて幾つかの例が示され
ている。

なお、半導体基板の非エッチ・ング部は、主として機械
的支持部として機能させるだけではなく、その表面部分
を光電変換機能部を電気的に接続した素子構造の形成部
として流用しても良い、換言すれば、特に薄層部である
ことが有利な光電変換機能部についてのみ、当該半導体
薄層部中に形成するようにして、これに関連した動作を
行なう電界効果トランジスタ等は厚味のある機械的支持
部表面上に形成するようにしても良い。

このようにすれば、半導体基板部分をエツチングすべき
面積部分を全面積に比し、小さく抑え込むことができ、
半導体基板の強度低下を最少限に抑えることもできるよ
うになる。

〈実　施　例〉第１図には本発明によって構成された光電変換装置の基
本的な一実施例が示されている。

装置の大略的な面積部分を規定する厚味ｔｏの半導体基
板１０は、この場合、その片面側からエツチングされ、
陥没した部分の底に、厚味ｔｆの半導体薄層部１０−ｆ
が形成されている。実際的な数値に即して言えば、基板
厚ｔｏは、一般に２００〜２５０　ｐｍ程度であり、対
して光電変換機能部１１が形成される半導体薄層部１０
−ｆの厚味ｔｒは４０陣程度以下とされる。

このようなエツチングは、公知既存の各種のエツチング
法を利用することにより、現在の技術をしても制御性良
くなすことができる。

例えば半導体基板１０が最も一般的にシリコン基板であ
る場合には、（１００）面となっている基板裏面に形成
したエツチング・マスク（図示せず）に開口を開け、ヒ
ドラジンまたはＫＯＨ等のアルカリ液に浸漬することに
より、一様な膜厚ｔｆを有する薄層部１０−ｆを得るこ
とができる。

こうした場合、マスク開口の辺部が（１１０）面と（１
００）面の接線に沿っていると、半導体基板裏面と薄層
部１０−ｆとを結ぶ開口斜面部１２は、なだらかな直線
状となる。これは後述の理由により望ましい。

図示の場合、光電変換機能部１１には、光電変換メカニ
ズムを生ずる整流性接合の一例として、最も一般的なｐ
ｎ接合構造が形成されている。

すなわち、薄層部１０−４には、この薄層部１０−ｆに
対し、例えば逆導電型で整流性接合を形成する半導体か
ら成る接合形成領域１４が設けられ、該接合形成領域１
４及び基板ｌＯの表面全面に形成された絶縁膜１５の上
には、それぞれ適当な個所に形成したコンタクトを介し
て、基板用引き出し配線層ＩＢ−２と半導体領域用引き
出し配線層ｔｅ−ｔとが形成されている。

このような構造の光電変換装置では、半導体薄層部１０
−ｆの厚味ｔｆや後述するその他の要因を調整すること
により、入射光に対するスペクトル応答感度を調整でき
る。

例えば、第２図に示されるように、基板厚ｔｏを２５０
剛として、この半導体基板をそのまま用いてその表面に
光電変換機能部１１を形成した場合の光吸収曲線ａに対
し、薄層部１０−ｆの厚味ｔｆを１２１１ｍとして、こ
の薄層部１０−ｆに光電変換機能部１１を形成した本発
明の光電変換装置の場合、その波長感度は、曲線ｆｌや
ｆ２に示されるように、大幅に変化させることができる
。

単に厚味ｔｆの調整によっても波長感度を変化させるこ
とは可能であるが、それのみによらず、より積極的に長
波長側のカットを行なうには、例えば第２図中にあって
光反射層１９を省略し、薄層部１０−ｆの裏面側に仮想
線で示されている薄層部領域１７を薄層部１０−ｆとは
逆導電型の高濃度不純物領域とするか、薄層部１０−ｆ
と整流性接合を形成する層とし、あるいはまた、そこに
おける再結合速度を著しく大きくするべく処理された層
とすれば、薄層部１０−「の厚味方向中央部分から裏面
側部分で吸収された光に対応する電流は、配線層１Ｂ−
１、１８−２間には殆ど取出すことがないようにできる
。

このような処置は、来光電変換装置を光センサ等として
用いる場合に有利に機能させることができる。必要な波
長帯域のみの光を検出の対象とし得るからである。場合
によっては、この種の目的のためには従来必要であった
波長カット・フィルタを省略できることも考えられる。

例えば第２図中の曲線ｆ１にあっては、光吸収曲線は短
波長側に吸収率の高い部分がずれており、波長約７００
ｎｍの赤色から波長約４００ｎｍの素側に掛けては、比
較的、人の視感度に近い特性となっている。

換言すれば、それより長波長側の領域、特に波長９００
〜１１００Ｏｎ程度からの中赤外光領域以上に対しての
感度は、これを意図的に十分、落とすことに成功してい
る。

詳しい解析は省略するが、上記から推して一般的に言え
ば、吸収上限として予定する波長における光吸収係数の
逆数の二倍程度以下の厚味ｔｆであれば、当該波長以上
の感度を意図的に低下させることが可能である。

逆に、例えば太陽電池等として使用する場合には、曲線
ｆ２で示される場合等のように、波長選択性は少ない方
が望ましい。

従ってそうした用途には、薄層部１０−ｆの膜厚ｔｆや
薄層部１０−ｆの裏面側構成に次のような配慮をすれば
良い。

まず第一の方策では、薄層部１０−ｆの膜厚ｔｒを、当
該薄層部１０−ｆ内における少数キャリアの拡散長Ｌ＝
（Ｄτ声以下とする。但し、Ｄはキャリア拡散定数、で
はキャリア寿命である０通常は、薄層部１０−ｆがシリ
コンである場合、デバイス製造工程を経ると、キャリア
拡散長しは１０〜１００ｇ１程度となる。従って、従来
の最も古典的な手法に見られるように、バルク・シリコ
ンをそのまま用いただけの光電変換装置は、この点のみ
からしても望ましくないことが分かる。

第二の方策としては、先の場合では薄層部１０−ｆとは
逆導電型であった薄層側裏面側の薄層部領域１７を、薄
層部１０−ｆと同一導電型とし、かつその不と、光照射
時の出力電圧Ｖｏｃを大きくすることができる。

同時にまた、この方策は、光の照射されていないときの
暗電流を低減する効果もあるので、その意味からすれば
、特に太陽電池に限ることなく、波長選択性を問題とし
ないような光スイツチ素子等にあってはこの方策を同様
に採用することができる。信号対雑音比を向上できるか
らである。

この暗電流の減少ということに関しては、薄層部表面に
おける再結合速度を遅めるため、例えば５ｉ０２等によ
る保３！膜１８を形成する等してもその目的は達成する
ことができる。

そしてまた、さらに一層、長波長側の光をも効率良く吸
収させようとするには、上記保護膜１８の上に金属薄膜
等の光反射層１９を形成し、薄層部表面の反射率を改善
することにより、表面側からの入射光を裏面で反射させ
て、再び光電変換機能部１１内に戻し込むようにすれば
良い。

このようにして構成された光電変換装置は、薄曲線ｆ１
で示される場合と異なり、曲線ｆ２で示されるように、
その波長感度が、曲線ａで示されるバルク基板を用いた
光電変換装置の長波長側の感度と殆ど変わらない程度に
まで改善されている。

しかも良いことに、暗電流は約−桁、少なく、光照射時
の出力電圧も３０〜６０層Ｖ程度、大きいものが得られ
ている。

既述した所では、薄層部表面に形成される接合形成領域
１４は、薄層部１０−ｆとは逆導電型の半導体領域とし
たが、薄層部１０−ｆの導電型に応じて整流性接合を形
成し得るような膜、例えば酸化錫膜、酸化インジウム膜
、酸化亜鉛膜等であっても本発明を適用することができ
る。

ところで、薄層部１０−ｆをエツチングにより形成した
結果として形成される斜面部１２は、要すれば比較的な
だらかな直線状のものにし得るということを先に述べた
。

しかるにこれは、上記のように当該薄層部の裏面側に各
層１７〜１３を選択的に形成する際、段切れを起こさな
いで済むことにつながるだけでなく、第３図に示すよう
な積極的な応用を展開できるものとなる。

すなわち、将来的なオプト・エレクトロニクスの実践過
程においては、光電変換機能部に対し、光ファイバで導
いてきた光を入用させるという構造が必すにして必要と
される。そうした場合、当該光ファイバの出射端面を対
象とする光電変換機能部に正しく臨ませねばならないが
、本発明の構造においては、第３図（Ａ）に示すように
、半径方向に対向する一対の斜面部１２．１２を光ファ
イバ２０の端面の機械的な位置決め固定手段として利用
することができる。

その場合、既存のＶ溝型位置決め装置を縦に使ったかの
ようになり、両側面部１２．１２間の中心線に光ファイ
バ２０の軸心は自動整合する。

また、こうした構造上、光ファイバ２０の端面と陥没部
の底に位置する薄層部１０−ｆとの間には空間余裕ない
しクリアランス１３が生ずるので、特には保護策を講じ
なくとも、光ファイバ２０の端面が薄層部１０−Ｆに機
械的に衝接してこれを傷付けたり、破ったりしてしまう
ことがない。

さらにこのクリアランス１３を積極的に使って、この中
に光ファイバ２０のコアや半導体基板または薄層部１０
−ｆに対し、屈折率的に整合性の良い屈折率整合媒体を
充填し、光反射損失を低減させることもできる。もちろ
ん、これら王者の屈折率が全て同じであることが最も望
ましいが、これは実際上、実現不能に近いので１次善の
策として、屈折率整合媒体には、光ファイバのコアの屈
折率と半導体基板または薄層部の屈折率の中間の屈折率
を示すものを用いる。

この第３図（Ａ）においては、光ファイバ２０は薄層部
の裏面側に配されているが、これは当該裏面側からの光
照射でも光電変換機能部１１は有効に機能することを間
接的に示したものである。そのため、逆に、光電変換機
能部１１をこの光ファイバ２０が直接に臨む面側に形成
するように変えても良いことは自明である。

イして、こうした考察は第３図（Ｂ）に示されるこの構
造においては、既述した細かな構成要素１４〜１８は省
かれているが、光電変換機能部１１を形成すべき厚味ｔ
ｒの薄層部１０−ｆを、半導体基板１ｏの両面側から望
ましくは等しい深さに亘ってエツチングして得たものと
している。

従って、この場合、薄層部１０−ｆは半導体基板１０の
どちらの面側から見ても、陥没した底にある。

そのため、嘉該薄層部１０−ｆの表面側と裏面側とで、
それぞれ一対の半径方向に対向する斜面部対１２−１　
、１２−１　；　１２−２　、１２−２が形成され、従
って、それぞれに一本あたりの光ファイバ２０−１　、
２０−２をあてがうことができる。

この場合、エツチング時のマスク開口位置及び大きさが
薄層部の表裏で同じであれば、両側面部対１２−１　、
１２−１　；　１２−２　、１２−２間に挿入された両
光ファイバ２０−１　、２０−２は互いにも軸心整合す
る。

このようになっていると、単に双方の光ファイバ２０−
１　、２０−２からの光を選択的に光電変換機能部１１
に入射させることができるだけでなく、双方向薄層部１
０−ｆ内の光電変換機能部１１にて一部、光を吸収処理
させながら、余剰の光をロスなく相手方の光ファイバに
入射させることができるようになる。換言すれば、光フ
ァイバによる光信号経路中に、当該光信号を電気信号に
変換しながらモニタするモニタ装置を挿入した構成を得
ることができる。

もちろん逆に、意図的に光ファイバ２０−１　、２０−
２の軸心を比較的大きく外すような開口配置とし、両方
の光ファイバから同時に光信号が入射されても、光電変
換機能部１１にはそれら光を同時に処理させるものの、
対向した相手方の光ファイバにはできるだけ自身の光信
号を伝達させないようにすることもできる。

なお、図中において、第一、第二の引き出し配線層１８
−１　、１８−２が薄層部１０−ｆから出て基板１０の
厚い部分の上にまで伸びていることは、それなりにσ、
味がある。この部分には結局、ポンディング・バンド等
、外部回路系への接続端子面が形成されるからであり、
それには機械的な強度が要求されるからである。

換言すれば１本発明の構造においては、単に厚い半導体
基板からのみとか薄い薄層部のみから構成されているの
ではなく、光電変換機能部を載せる薄層部と、そうでな
い厚い部分とを結果として混在させて成るため、上記し
たような各種の強度的要求に沿う目的に応じてそれらの
領域を使い分けることができるのである。

これらのことについては、以下述べる他の実施例におい
ても同様である。

本発明の構成による光電変換装置は、ある面積を占める
薄層部１０−ｆ中に形成する光電変換機能部１１を、複
数の接合の集合から構成する場合、すなわち単位の光電
変換素子を複数、集積する場合にも極めて有効である。

第４図にそうした実施例が示されている。

第３図までにおけると同一符号は同一ないし機能的に対
応する構成子を示すものと約束すると、まず第４図（Ａ
）の平面図、及び第４図（Ａ）中にあって４Ｂ−４Ｂ線
に沿う断面である断面図に示されるように、この光電変
換装置では、全体としての光電変換機能部ｌｌ内に、薄
層部１０−ｆの一方向に沿って各列あたり三個で二列、
計六個の接合形成領域１４が集積されている。

この接合形成領域１４の一つあたりに構成される光電変
換部分は、単位の光電変換素子（実質的にはダイオード
）２２となる。

それぞれの単位光電変換素子２２を形成するための接合
形成領域１４は、先の単独の場合と同様、半導体基板ｌ
Ｏと整流性接合を形成し得る材料製であれば良いが、こ
の場合、半導体基板１０はｐ型、整流性接合形成領域１
４はｎ十型となっている。

特徴のあるのは、単位光電変換素子２２の隣接するもの
同志の間に設けられた分離部２１である。平面的にはこ
の分離部２１は第４図（Ａ）に示されるように、枠型に
配置され、各単位光電変換素子２２を取囲んでおり、断
面的には薄層部１０−ｆの上から下まで完全に抜は切っ
て設けられている。

この分離部ないし貫通部２１は、図示の場合、半ん、半
導体基板の導電型が逆になれば、この分離部の導電型も
逆になる。また、シリコン中に浸透させたアルミニウム
は、金属シリサイドを構成でき、ｎ型シリコンに対して
は整流性を有するので、半導体基板１０がｎ型である場
合には、分離層２１をこのシリサイド製としても良く、
このことから逆に、整流性接合形成領域１４としてもこ
のシリサイドは使うことができる。

木実施例では、一方の引き出し配線層１６−１から第一
列に属する三個の単位光電変換素子２２を順に接続配線
層１Ｂ−３で直列にした後、第４図（Ａ）中で右端に示
されている連絡配線層１６−４を経由し、第二列の単位
光電変換素子２２の群に移り、同様に素子間接続配線層
１６−３を介して第二列中の三個の単位光電変換素子２
２を直列にし、最後に他方の引き出し配線層１６−２に
至るような経路に組まれていて、その等価回路は、第４
図（Ａ）に対応させた平面形状的な情報も取り入れると
、第４図（Ｃ）に示されるようなものとなる。

Ｍ千ｍ、６プＰ刑ｉハｌ五Ｌ＝　　弧　−イｌ斗　　　
埴−万一小晶）ｎ箇単位光電変換素子２２としてのダイ
オードのアノードが最も正方向高電位となるが、分離層
２１は、当・鎖酸も正方向に高電位となるアノード引き
出し配線層１６−１に電気的に接続を取っである。この
ようにすると１分離層２１を基板１０ないし薄層部１０
−ｆに対してセルフ・バイアス的に逆バイアス状態にし
得、分離能を高め得るからである。

また、図示の場合は、表面寄生チャネルを防止するため
と薄層部１０−ｆとのコンタクトを良好にするため、薄
層部１０−ｆの表面にあって分離層２１と接合形成領域
１４との間に適当な深さのＰ中型領域２３を形成しであ
る。

このような第４図示構成では、個別素子を単に並設して
構成したものに比し、単位光電変換素子群の集積密度を
極めて高く取ることができる。

また、従来から、底面にも分離接合を設けることにより
、複数の単位光電変換素子２２を同−半導体基板部分に
集積した構造が仮にあったとしても、それと比較してみ
ると、当該分離接合底面における光電流の損失がないこ
と、寄生トランジスタ効果がないこと等の理由により、
第４図に示される構造の光電変換装置の方が、遥かに高
い出力電圧と出力電流を示すはずである。

この実施例においても、先の実施例において述べた他の
構成は、要すればそのまま援用することができる０例え
ば光反射膜１８を薄層部１０−ｆの裏面に形成する等す
れば、さらに高い出力電流、出力電圧を得ることができ
るし、薄層部１０−ｆと同一導電型の高不純物濃度領域
１７や保護膜１８を形成すれば、暗電流を低減し、出力
電圧を高めることができる。もちろん、スペクトル依存
性を発揮させることや、逆に依存性の少ないものとする
ことも可能である。

そして、７ノード側引き出し配線層１６−１やカソード
側引き出し配線層１８−２、場合によっては連絡配線層
ｔｏ−ｉもが強度の高い基板ｌＯの厚い部分にまで伸び
ていると良いことも同様である。

この実施例をさらに発展させると、第５図に示すような
構成例が考えられる。

これは、第５図（Ａ）に示されるように、単位光電変換
素子２２を複数、同心円状に形成したもので、全体とし
ての光電変換機能部１１に要する面積あたりの当該単位
光電変換素子の群が占める割合いは極めて高い、それだ
け集積度が良いことを意味している。

この実施例では、第５図（Ｂ）に示される薄層部１０−
ｆを上下に貫通する分離層２１は、やはり同心円状に配
された個別ものとなっているが、それぞれは、隣接する
一方の側の接合形成領域１４と接するように形成されて
いる。

そのため、各単位光電変換素子２２を隣接するもの同志
、直列に接続していく配線層ＩＢ−３も、この分離層２
１の表面部分と隣の薄層部表面部分とに共通したコンタ
クトを有する小さな面積のもので済んでいる。

この第５図に示される実施例においても、高出力電圧、
高出力電流が得られる理由、スペクトルに関する依存性
、非依存性、そのようにするための付帯的手段、ポンデ
ィング・パッドの半導体系実施例に関しての説明を略Ｃ
そのまま適当することができる。

また、第４図及び第５図の実施例においても、薄層部１
０−ｆを作っている斜面部１２．１２は、その薄層部１
０−ｆの面積の如何によっては、同様に光フアイバ端面
の支持、位置決め手段として使うことができる。一般に
光ファイバのコア径は、細くとも１５０ｍ程度はあり、
クラッド層や保護層を含めたファイバ径としては、最大
、ミリ・オーダにまでなるから、それより若干、幅の狭
い薄層部１０−ｆとしても、結構多くの単位光電変換素
子をその輻寸法内に集積することができる。

先に少し述べたように、本発明の構造の場合、厚いまま
に残した半導体基板部分があるので、ここを既述のよう
に単にポンディング・パッドとして使うだけではなく、
より積極的に、単一または複数の単位光電変換素子２２
から成る光電変換機能部１１に対して、その出力信号を
利用するか処理する回路部分を形成することもできる。

した場合が示されている。

この実施例では、半導体基板ｌＯをエツチングした薄層
部１０−ｆの部分には、第４図または第５図に関して説
明した構成の光電変換機能部１１が形成されており、そ
の等価回路は第６図（Ａ）中の右手部分に示されている
。

厚いまま残っている半導体基板１０の非エツチング部表
面上には、第６図（Ｂ）に示されるような等価回路を満
たす電界効果トランジスタＱｌ　、　Ｇ２が形成されて
いる。

すなわち、この場合、六個の単位光電変換素子２２の群
から成る光電変換機能部１１の正側引き出し端子１６−
２は１図示の導電型関係ではｎチャネル型となっている
電界効果トランジスタＱｌ　、　Ｇ２の各ゲートＧｌ　
、　Ｇ２に接続され、負側引き出し端子１６−１は、両
トランジスタの共通ソースＳに接続されている。

そのため、薄層部１０−ｆ上に形成されている光電変換
機筒部１１に光を照射すると、光電変換機能部１１の両
端には電圧が発生するので、電界効果トランジスタ部分
にあってはチャネルが誘起され、両トランジスタＱ１．
Ｑ２のドレイン［１１、０２間の電流線路が閉じてター
ン・オン状態となり、端子Ｔｌ　、　７２間にその状態
を得ることができる。

入射光がオフとなると、単位光電変換素子２２を集積し
て成る光電変換機能部１１の両端電位は零に近付くので
、端子ＴＩ、丁２間はドレインＤＩ　、　０２間のリー
ク′ＦＬ流程度の電流を残して遮断状態となる。

しかし、この遮断時の時定数は、実用下にあって端子１
Ｂ−１、１６−２間に電界効果トランジスタＱｌ　、　
Ｇ２のゲート容量が接続されている状態を考えると、そ
の容量のために、ターン・オン時よりも大きくなること
が予想される。これは、光電変換機能部１１の両端に、
第６図（Ｂ）に模式的に示されるように、シャント抵抗
Ｒｓｈを接続することで改善することもできるが、次の
第７図に示す実施例におけるような回路構成の固体リレ
ーとすると、より一層、効果的である。

なお、７１！界効果トランジスタＱｌ　、　Ｇ２にそれ
ぞれｐチャネル型を用いた場合、光電変換機能部１１の
極性に関する接続関係は、上記とは逆になること、当然
である。

第７図では、同図（Ａ）の断面構成中に良く示されてい
るように、能動スイッチング素子として、接合型の電界
効果トランジスタＱが使われている。そのため、ゲート
は上側ゲートＧｕと下側ゲートＧｌとから成っている。

本発明により形成される薄層部１０−ｆ上の光電変換機
筒部１１内には、二組の光電変換機能部１１−１゜１１
・２を形成して置く、この場合、第一の光電変換機能部
１１−１は、六個の単位光電変換素子２２から形成され
、第二の光電変換機筒部１１−２は、三個の単位光電変
換素子２２から構成されているが、これらの個数は、電
界効果トランジスタの閾値電圧やオン抵抗の如何等のパ
ラメータによって定まってくる。

第一の光電変換機能部１１−１は、電界効果トランジス
タＱのソースＳとドレインＤとの間に接続され、第二の
光電変換機能部１１−２はゲートとソース間に接続され
ている。

図示の場合、ｐチャネルを想定してい゛るので、第一組
の光電変換機能部１１−１のカソードはドレインＤに、
第二組の光電変換機能部１１−２のカソードはソースＳ
に、各接続されるようになる。

このような回路では、第一、第二の光電変換機能部１１
−１　、１１−２に同時に光が入射すると、第二組の光
電変換機能部１１−２により、ゲート−ソース間にあっ
てゲート側に正電位が印加されるため、チャネルＣが遮
断されてトランジスタＱがオフになり、第一組の光電変
換機筒部１１−１の両端電位が端子Ｔｌ　、　７２間に
得られる。

この後、光が遮断された場合には、第二組の光電変換機
筒部１１−２の両端電位が零に近くなり、電界効果トラ
ンジスタのソース−ドレイン間が導通し始め、ために第
一組の光電変換機能部１１−１の両端電位は強制的に、
かつ急速に零に落とされ始める。

これは換言すれば、例え各組の単位光電変換素子２２が
同様な設計をなされていても、第二組の光電変換機能部
１１−２の負荷としてのトランジスタＱは、一般に極め
て小寸法に作成されるので、負荷としては軽く、これに
対し、第一組の光電変換機能部１１−１に付される負荷
は重いことが普通であるので、本来ならば外部負荷によ
り遮断時の実効的な時定数が規定されてしまう所、こう
した回路によれば、第二組の光電変換機能部１１−２の
回りの小さな時定数に従って、短時間でのターン・オフ
動作を可能にし得るのである。

こうした機能は、図示の接合型に代えて、ディプレッシ
ョン型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタでも達成す
ることができる。しかし、図示のような接合型であると
、回路作成上、便利なこともある。

というのも、このトランジスタＱの下側ゲートＧｌは、
本発明による薄層部１０−ｆ上への光電変換機能部１１
の作成工程中において分離層２１の形成と同時に形成す
ることができるし、チャネル領域Ｃは高濃度領域２３と
、上側ゲー）Ｇｕは接合形成領域１４と、それぞれ同時
に形成できるからである。

同様に、このような作成過程上の便利さについてまで考
察すると、固体リレーの能動素子として、拡散自己整合
型（いわゆるＤＳＡ型）の絶縁ゲート電界効果トランジ
スタを用いても、第８図に示すような構成により、同様
の利点を追求することができる。

この場合、第６図に示される実施例と等価回路的な対応
を取れば、第一、第二の電界効果トランジスタＱｌ　、
　Ｑ２はそれぞれ二つの電界効果トランジスタＱｌ−１
、Ｑｌ−２；　Ｑ２−１　、　Ｑ２−２から構成されて
いるが、動作的には一つと考えて良い、従って各電極へ
の光電変換機能部（本図では示さず）の接続関係も同様
である。

各電界効果トランジスタに関しては、この種のＤＳＡ型
に見られるように、実効チャネル領域を規定するベース
領域Ｂがあるが、こうしたものでは、ｎ型ドレイン領域
ＤＩ　、　Ｄ２は光電変換機能部１１の分離層２１の形
成と同時に、ｐ型ベース領域Ｂは高濠度領域２３の形成
と同時に、そしてｎ中型ソース領域Ｓは接合形成領域１
４の形成と同時に、各々形成することができる。

以上、各種の実施例につき述べてきたが、本発明はなお
、これら実施例にのみ限定されるものではない、半導体
基板の厚味を残した部分に形成される回路素子は上記以
外にも様々なものが考えられるし、場合によっては薄層
部ｔｏ−ｒ中に光電変換機能部に隣接して備えても良い
。

また、上記においては、薄層部１０−ｆの厚味ｔｆに関
しても種々の観点から述べ、一般には１０ｍ程度以下と
なることが多いとしたが、例えば分離層２１の形成に関
してのみ考えれば、通常の不純物拡散技術でこの分離層
を形成できる深さ限度は合理的な範囲では４０ｍ程度で
ある。従って、設計事項とは言え、薄層部１０−４の厚
味ｔｆは、この観点のみからしても４０ｊＪｎ以下に抑
えるのが実際的である。

〈発明の効果〉上記本発明の構成によった光電変換装置では、通常市販
されている半導体基板ないし半導体ウェハをそのまま、
厚くて物理的強度が十分な支持基板として用いながら、
光電変換機能部は所定の薄さの半導体薄層部に形成する
ことがでまる。

そしてまた、光電変換機能部形成用の半導体薄層部と機
械的支持部としての半導体基板部とは、当然のことなが
ら、同一材質であるため、それらの間に熱膨張係数の差
を持つようなことがなく、各種の熱処理工程を経ても、
応力歪を蓄積するおそれがなく、半導体薄層部の層質を
良好に保つことができる。

そして、複数の光電変換ｊａ衡部を同−半導体薄層部中
に集積する場合にも、隣接する光電変換機能部間の分離
は、薄層部を上下に貫通する分離層の形成が可能なため
、簡単かつ確実に行なうことかで−きる。

これは結局、最終的に得られた製品としての光電変換装
置の緒特性の向上を生み、少なくとも光電変換効率の向
上、または出力電圧及びあるいは出力電流の向上を図る
ことができる。

これに加えて、暗電流の減少とか高速スイッチング性等
も期待することができ、要すれば入射光に対する波長選
択性を生じさせることもできる。

その外、厚いままに残して機械的支持部として機能させ
る非エツチング領域の表面をも利用し、他の素子を形成
すれば、物理的な強度の低下を伴わずに無駄のない集積
回路構成とすることができるし、薄層部形成のために適
用したエツチングの結果、生成した斜面部を、光ファイ
バの位置決め支持のために利用すること等もできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明光電変換装置の基本的な一実施例の断面
構成図、第２図は本発明によった光電変換装置の分光感
度の変化を説明する特性図、第３図は第１図示実施例の
光電変換装置を光ファイバと組合せて使用する場合の説
明図、第４図及び第５図は本発明の第二、第三の実施例
の概略構成図、第６図、第７図、＄８図は、さらに電界
効果トランジスタと組合せて有機的な回路を組んだ場合
の実施例の概略構成図、である。図中、１０は半導体基板、１０−ｆは半導体基板をエツ
チングして得られた薄層部、１１は光電変換機能部、Ｉ
２は斜面部、１４は接合形成領域、Ｉ７は高１度不純物
領域等の薄層領域、Ｉ８は保護膜、１９は光反射層、２
０は光ファイバ、２１は分離層、２２は単位充電変換素
子、２３は高１度不純物領域、である。

Claims

【特許請求の範囲】　相対的に厚い機械的支持基板と、相対的に薄い半導体
薄層部とを要し、該半導体薄層部に光電変換機能部を形
成する光電変換装置であって；上記機械的支持基板は半
導体基板であり；上記光電変換機能部形成用の半導体薄層部は、上記半導
体基板の平面的な一面積部分を厚味方向にエッチングす
ることにより、該半導体基板の厚味を低減して得られて
いること；を特徴とする光電変換装置。