KR102020821B1 - 자외광용 고체 수광 디바이스 - Google Patents

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고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
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Abstract

간단한 구조로 인체에 유해한 자외광의 조사량을 정밀도 좋게 적정하게 측정할 수 있고, 주변회로의 센서와의 일체로 형성하기도 용이하게 할 수 있고, 소형·경량으로 저비용이며 휴대(mobile) 또는 착용(wearable)에 적합한 자외광용 고체 수광 디바이스를 제공한다. 해결 수단의 하나는, 제1의 포토다이오드(1)과 제2의 포토다이오드(2), 이것들의 포토다이오드로부터의 출력에 근거하는 신호의 각각이 입력되는 차동회로를 구비하고, 상기 포토다이오드(1), (2)내, 및 각 포토다이오드 위에 설치한 반도체층 영역에, 반도체 불순물의 최대 농도위치를 각각 설치하고, 각 포토다이오드의 수광면 위에 파장선택성이 다른 광투과층이 설치되어 있다.

Description

자외광용 고체 수광 디바이스{SOLID-STATE LIGHT-RECEIVING DEVICE FOR ULTRAVIOLET LIGHT}
본 발명은, 자외광용 고체 수광 디바이스에 관한 것이다.
최근에 있어서는, 자외광용 고체 수광 디바이스의 이용 분야는 여러 가지에 미치고, 금후 점점 확대되는 경향에 있다.
그 중에서, 피부에 대한 태양광의 자외선 대책은, 미용에 한정되지 않고 피부암 방지의 점에서도 인류에 있어서의 큰 과제다. 이 때문에, 자외선 대책용의 자외광용 고체 수광 디바이스의 시장은 앞으로도 확대 경향에 있다.
또한, 오존 홀의 형성과 확대에 따르는 자외광(UV-rays:Ultraviolet rays)에의 위협, 특히 UV-ray조사에 기인하는 피부암에의 공포는, 오존 홀의 확대가 현저한 남반구의 사람들에게 한정되지 않고, 전체 인류에 있어서의 위협·공포이며, 그 대책은 큰 과제다.
한편, 여전히 소밀색의 피부가 햇빛에 탐은 건강과 매력의 원인으로 되어 있고, 젊은이의 사이에서는, 적극적으로 햇빛을 흠뻑 쬐는 일이 많다. 게다가, 건강의 유지라고 하는 점에서는 햇빛을 받아서 비타민 D를 획득할 필요도 있다. 이것들의 점에서, 인체에 유해한 자외광(UV－A:파장 315∼380nm, UV－B:파장 280∼315nm, UV－C:파장 280∼200nm이하)은 피해서 햇빛을 흠뻑 쬐는 것이 강하게 요망된다.
이들의 피부 등에 유해한 자외선 대책으로서는, 일상적으로는, 모자, 긴 장갑, 양산 등의 물품을 사용하는, 긴 소매 셔츠 등을 착용하는 것이나, 햇빛에 탐 방지용 화장품이나 의약품을 노출하는 피부(스킨)에 바르는 것으로 햇빛에 탐 방지 대책(자외선 대책)을 꾀하는 것이 현실이다. 그러나, 햇빛의 자외선 양은, 한여름의 염천하에 한정되지 않고 운천하에 있어도 많지만, 운천의 경우는 때때로 자외선 대책을 소홀히 하는 경향이 있다. 또한, 외출 도중에 자외선 양이 많은 날씨에 급변하거나 했을 경우에는, 만전의 자외선 대책을 세울 수 없는 경우가 적지 않다. 그래서, 최근은, 자외선을 측정해 적절한 자외선 대책을 세울 수 있도록 휴대형의 자외광 센서(자외광용 고체 수광 디바이스)가 제안되거나 상품화되거나 하기 시작하고 있다.
상기의 태양광의 자외선 대책분야 이외에, 자외광용 고체 수광 디바이스의 큰 시장으로서는, 이하의 분야가 있다.
즉, 계측장치, 원자흡광분석, 고속액체 크로마토그래피(HPLC), 배기가스 분석등의 분석장치 분야, 살균, 식품가공, 용제 없는 유기·무기재료의 표면세정·가공, 유리·플라스틱의 기판재료의 접합, 정전기 제거, 등의 화학분석 분야·공업적 용도 분야, DNA절단이나 안과치료 등의 의료 용도 분야, 반도체 노광 장치 분야다. 이것들의 분야는, 앞으로, 점점 중요성이 증대하여 시장확대가 기대되고 있고, 나라 단위로의 국제경쟁의 격화가 예상되고 있다.
이것들의 분야에서는, 400nm이하의 파장영역의 자외선이 사용되고 있다.
자외선은, 분류의 방식에 따라 파장영역은 다소 다른 것이 있지만, 분류되는 각 파장영역의 자외선에는 각각 명칭이 아래와 같이 부여되어 있다.
·근자외선(파장380∼200nm)
UV－A(파장380∼315nm)
UV－B(파장315∼280nm)
UV－C(파장280∼200nm)
·원자외선(farUV: FUV) 또는, 진공 자외선(vacuum UV:VUV)(이후, 통일하여 원자외선이라고 하는 것)(파장200∼10nm)
·극자외선 또는 극단자외선(extreme UV, EUV 또는 XUV)(파장10∼1nm)
단, 포토리소그래피나 레이저 기술에 있어서는, 원자외선(deep UV: DUV)은 상기의 FUV와는 달리 파장300nm이하의 자외선을 가리킨다.
파장영역별의 자외선 용도의 대표적, 혹은 금후의 시장 확대가 예상되는 분야의 예를 들면, 예를 들면, 이하의 분야가 있다.
(1) 파장13.5nm의 극단자외선(EUV: Extreme Ultra-Violet)
·반도체 리소그래피, 액침 리소그래피
·빔 라인: 레지스트, 마스크의 평가
·극단자외선 영역에 있어서, 분광 관측을 행하고, 태양대기의 진단을 행하는 극단자외선 촬상 분광 장치(EIS)
·마이크로일렉트로닉스, 초미세가공
·생체세포의 홀로그래피
·고온 고밀도 플라즈마의 진단
·X선 현미경
(2) 심자외(Deep Ultraviolet) 발광 다이오드(LED)(파장200∼350nm)
이 영역은, 정보·전자 디바이스로부터 안전위생, 환경, 의료응용까지, 폭넓은 분야에서 그 중요성이 증대하고 있다.
·고밀도 광 정보기록,
·균이나 바이러스의 살균, 음료수·공기의 정화,
·바이오 센싱,
·생체·재료분석,
·광 리소그래피,
·원내감염 방지, 광선 외과치료,
·자외선 조사장치(엑시머 조사 장치, LED조사 장치)
·산화막 제거, 표면개질, 드라이 세정, UV경화, 접착, 건조.
이것들의 분야에 있어서는, 광파장200nm정도의 원자외광 대역이나 파장200nm정도이하의 진공 자외광 대역에 발광 강도를 갖는 중수소 램프(D2L)이나, Xe엑시머 광원, 진공 자외광원의 이용이 증가되고 있고, 그 경향은 앞으로도 계속된다고 예측되고 있다.
이것들의 용도에 사용되는 광원의 광량 모니터 수단으로서, 자외광용 고체 수광 디바이스가 필요하게 되어 있다.
그런데, 자외선 대책에 사용하는 휴대형의 자외광 센서나 광량 모니터용의 자외광용 고체 수광 디바이스에 있어서는, 많은 경우, 환경광이 배경에 존재하는 중에서 자외광 대역의 광의 광량을 정확하게 측정하는 것이 요구된다.
예를 들면, 태양광은, 자외광의 타 가시광, 적외광도 포함하므로, 자외광의 조사량을 측정할 때는, 이 자외광 이외의 광선에 의한 측정값에의 영향을 피하지 않으면, 자외광의 조사량을 정확하게 측정할 수 없다.
자외선 대책에 사용하는 휴대형의 자외광 센서나 광량 모니터용의 자외광용 고체 수광 디바이스로서는, 그 광범위한 분광 감도특성을 가지고 있다고 하는 것으로, 벌크의 실리콘(Si)을 반도체 기체로서 이용하는 자외광용 고체 수광 디바이스(이후, 「벌크Si형 자외광용 고체 수광 디바이스」라고 적는 경우도 있다)가 대표적이다.
벌크Si형 자외광용 고체 수광 디바이스의 경우는, 실리콘(Si)층이 자외광의 타 가시광·적외광에도 감응하므로, 예를 들면, 가시광·적외광 커트 광학 필터가 필수이어서, 비용을 향상시키는 요인이 되고 있다. 이 과제 해결의 하나로 박막S0I(Silicon On Insulator) 기체를 사용하는 예가 있다 (비특허문헌1, 2).
비특허문헌1, 2에 기재된 UV센서에는, S0I층의 두께가 얇게 비교적 가시광·적외광을 투과하기 쉬운 것을 이용하고, 주로 파장400nm이하의 광에 선택적으로 높은 감도를 갖게 하고 있다.
이 밖에, 예를 들면, 특허문헌1에 기재되어 있는 자외광 검출용의 광검출장치(자외광용 고체 수광 디바이스)가 있다.
특허문헌1에 기재된 광 검출장치는, MgxZn1-xO(0≤X<1)로 이루어지고, 파장범위λ의 광을 흡수하는 광흡수 반도체층을 광전 변환 영역보다도 수광면측에 갖는 제1의 광검출부와, 광의 흡수 영역이 없는 투과막을 광전 변환 영역보다도 수광면측에 갖는 제2의 광검출부를 구비하고, 상기 제1의 광검출부의 신호와 상기 제2의 광검출부의 신호를 연산하여서 파장범위λ의 광량을 계측하는 장치다.
일본 특허공개2012-216756호 공보
비특허문헌1: 「S0I UV센서 IC의 개발」미우라 기타, OKI 테크니컬 리뷰2007년 10월/제211호 Vol.74 N0.3, pp38-39 비특허문헌2: 「A UV Sensor IC based on SOI Technology for UV care application」 SICE Annual conference 2008, August 20-22, 2008, The University Electoro-Communications, Japan, pp317-320
그러나, 광범위한 분광 감도특성을 가지고 있다고 하는 것으로 벌크Si형 자외광용 고체 수광 디바이스는 뛰어나지만, 본원의 발명자들이 전술한 여러 가지 용도에 적합하는 광범용성의 자외광용 고체 수광 디바이스를 예의 연구 검토해 온 결과에서는, 전술한 선행 예의 자외광용 고체 수광 디바이스는 반드시 만족되는 것이 아닌 것이 판명되고 있다.
특히, 근자외선 영역의 자외선에 대해서는 적합하지만 원자외선 영역이하의 단파장의 자외선용의 고체 수광 디바이스로서는 부적합하였다.
그 이유는, 원자외선 영역의 자외선의 광자 에너지가 6eV이상으로 큰 것이, 고체 수광 디바이스의 감도나 암전류 특성이라고 한 주요 특성의 열화에 크게 영향을 주고 있는 것이라고 생각된다. 이 열화는, 특히, 고광 에너지의 자외선에 장시간 노출되면 극단적으로 커진다.
따라서, 10∼400nm의 광범위한 자외영역의 파장의 어느 것의 자외선에 장시간 노출되어도 상기 주 특성에 열화가 일어나지 않는지 열화가 일어난다고 하여도 실용적으로는 실질적으로 문제없을 정도로 머무를 수 있는 자외선용의 고체 수광 디바이스의 제공이 요구된다.
한편, 비특허문헌1, 2의 UV센서에서는, 파장380nm이상의 광에 대해서도 아직 감도를 갖고 있어(비특허문헌1의 도 1, 비특허문헌2의 Fig.5 참조), 상기 과제의 충분한 해결에는 도달하지는 않는다.
다른 해결로서, S0I층을 더욱 얇게 하는 것이 생각되지만, 그렇게 하면, 특징의 하나로 하고 있는 주변회로와의 일체화 형성이 어려워져, S0I층의 박층화는 바람직하지 못하다.
또한, 비특허문헌1, 2의 UV센서에서는, S0I층이 얇기 때문에 종형의 pn접합을 형성할 수 없고, 횡형의 pn접합으로 되어 있다. 그 결과, pn접합의 공핍층이 S0I층과 S0I층의 상하에 접하는 절연체층과의 계면에 접하기 위해서, 계면 준위의 영향으로 감도가 낮고, 암전류 밀도가 크다고 하는 해결해야 할 점이 남아 있다. 또한, 장시간의 자외광 조사에 의해, 감도, 암전류 특성의 열화가 일어날 경우가 적지 않다고 하는 과제도 있다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 예의 검토·연구해서 이루어진 것으로, 간단한 구조로, 10∼400nm의 광범한 자외영역의 자외선에 장시간 연속해서 계속 조사되어도 감도열화·암전류 특성의 저하를 적어도 실질적으로 초래하지 않는 자외광용 고체 수광 디바이스를 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 간단한 구조로 인체에 유해한 자외광의 조사량을 정밀도 좋게 적정하게 측정할 수 있고, 주변회로의 센서와의 일체 형성도 용이하게 할 수 있다, 광범한 자외파장 영역의 자외선의 장시간 조사에 대해서도 초기 특성이 안정한 자외광용 고체 수광 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은, 소형·경량으로 저비용이며 휴대(mobile) 또는 착용(wearable)에 적합한, 광범한 파장영역의 자외선의 장시간 조사에 대하여도 주 특성이 안정한 자외광용 고체 수광 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1의 관점은,
실리콘(Si)을 주성분으로 하는 반도체 기체와, 해당 반도체 기체내에 형성된 포토다이오드(1)를 갖고,
해당 포토다이오드(1)는, 상기 기체의 이면측으로부터, 제1의 도전형의 반도체영역(1)과 해당 반도체영역(1)과 반도체 결합을 형성하고 있는 제1의 도전형과 다른 제2의 도전형의 반도체영역(2)을 구비한 층구성을 갖고,
상기 반도체영역(2)에는, 제2의 도전형의 반도체 불순물(2)이 함유되어 있고,
상기 반도체영역(2)의 광의 입사측 표면으로부터의 깊이 방향에 있어서의 상기 불순물(2)의 함유 농도 분포는, 적어도 1nm이내의 층영역(2)에 적어도 1×1O19개/cm3의 최대 농도위치(2)를 갖는 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스(D1)에 있다.
본 발명의 제2의 관점은,
실리콘(Si)을 주성분으로 하는 반도체 기체와, 해당 반도체 기체내에 형성된 포토다이오드(1)를 갖고,
해당 포토다이오드(1)는, 상기 기체의 이면측으로부터, 제1의 도전형의 반도체영역(1)과 해당 반도체영역(1)과 반도체 결합을 형성하고 있는 제1의 도전형과 다른 제2의 도전형의 반도체영역(2)을 구비한 층구성을 갖고,
상기 반도체영역(2)에는, 제2의 도전형의 반도체 불순물(2)이 함유되어 있고,
상기 반도체영역(2)의 광의 입사측 표면으로부터의 깊이 방향에 있어서의 상기 불순물(2)의 함유 농도분포는, 적어도 1nm이내의 층영역(2)에 최대 농도위치(2)를 갖고, 해당 최대 농도위치(2)에 있어서의 상기 불순물(2)의 농도가 원자외광의 조사에 의해 발생하는 고정 전하에 의해 생기는 전기력선의 모두 또는 실질적으로 모두가 종단하는 이상의 농도인 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스(D2)에 있다.
본 발명의 제3의 관점은,
실리콘(Si)을 주성분으로 하는 반도체 기체를 갖고, 해당 반도체 기체내에는, 실효상 입체적으로 겹치지 않도록 배치되어 있는 제1의 포토다이오드(PD1)와 제2의 포토다이오드(PD2)가 설치되어 있고, 포토다이오드(PD1)의 출력(1)에 근거하는 신호(1)과 포토다이오드(PD2)의 출력(2)에 근거하는 신호(2)가 입력되는 차동신호 처리 수단을 구비하는 자외광용 고체 수광 디바이스에 있어서,
(A) 포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)는 상기 반도체 기체내에 동일한 반도체 제조 프로세스 조건으로 형성된 이력을 갖고,
(B) 각 포토다이오드(PD)는,
(a)제1의 도전형 (1)의 반도체층 영역(1)과 해당 반도체층 영역(1) 위에 설치되어 있는, 상기 제1의 도전형(1)과 극성이 다른 제2의 도전형(2)의 반도체층 영역(2)과 해당 반도체층 영역(2) 위에 설치되어 있는, 제1의 도전형(1)의 반도체층 영역(3)을 갖고,
(b)상기 반도체층 영역(2)와 상기 반도체층 영역(3)에서 반도체 접합이 형성되어 있고,
(c)상기 반도체층 영역(1)에는, 농도가 층두께 방향으로 분포되고 또한 해당 분포에 최대 농도(1)의 위치(1)이 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물(1)이 함유되어 있고,
(d)상기 반도체층 영역(3)에는, 농도가 층두께 방향으로 분포되고 또한 해당 분포에 최대 농도(3)의 위치(3)이 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물(1)이 함유되어 있고,
(e)해당 위치(3)은, 적어도 상기 반도체영역(3)의 광의 입사측 표면으로부터의 깊이 방향 1nm이내의 층영역(II)에 설치되어 있고,
(f) 해당 최대 농도(3)은, 적어도 1×1O19개/cm3이상이며;
(C) 상기 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면을 공간적으로 덮는 제1의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층(A1)과, 상기 제2의 포토다이오드(PD2)의 수광면을 공간적으로 덮는 상기 제1의 파장영역과는 다른 제2의 파장영역의 광을 투과하는 제2의 층(A2)을 수광측에 구비하는 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스(D3)에 있다.
본 발명의 제4의 관점은, 실리콘(Si)을 주성분으로 하는 반도체 기체를 갖고, 해당 반도체 기체내에는, 실효상 입체적으로 겹치지 않도록 배치되어 있는 제1의 포토다이오드(PD1)와 제2의 포토다이오드(PD2)가 설치되어 있고, 포토다이오드(PD1)의 출력(1)에 근거하는 신호(1)과 포토다이오드(PD2)의 출력(2)에 근거하는 신호(2)가 입력되는 차동신호 처리 수단을 구비하는 자외광용 고체 수광 디바이스에 있어서,
(A)포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)는 상기 반도체 기체내에 동일한 반도체 제조 프로세스 조건으로 형성된 이력을 갖고,
(B)각 포토다이오드(PD)는,
(a)제1의 도전형(1)의 반도체층 영역(1)과 해당 반도체층 영역(1) 위에 설치되어 있는, 상기 제1의 도전형(1)과 극성이 다른 제2의 도전형(2)의 반도체층 영역(2)과 해당 반도체층 영역(2) 위에 설치되어 있는, 제1의 도전형(1)의 반도체층 영역(3)을 갖고,
(b)상기 반도체층 영역(2)과 상기 반도체층 영역(3)에서 반도체 접합이 형성되어 있고,
(c)상기 반도체층 영역(1)에는, 농도가 층두께 방향으로 분포되고 또한 해당 분포에 최대 농도(1)의 위치(1)이 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물(1)이 함유되어 있고,
(d)상기 반도체층 영역(3)에는, 농도가 층두께 방향으로 분포되고 또한 해당 분포에 최대 농도(3)의 위치(3)이 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물(1)이 함유되어 있고,
(e)해당 위치(3)은, 적어도 상기 반도체영역(3)의 광의 입사측 표면으로부터의 깊이 방향 1nm이내의 층영역(II)에 설치되어 있고,
(f)해당 최대 농도(3)은, 원자외광의 조사에 의해 발생하는 고정 전하에 의해 생기는 전기력선의 모두 또는 실질적으로 모두가 종단하는 이상의 농도이며,
(C)상기 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면을 공간적으로 덮는 제1의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층(A1)과, 상기 제2의 포토다이오드(PD2)의 수광면을 공간적으로 덮는 상기 제1의 파장영역과는 다른 제2의 파장영역의 광을 투과하는 제2의 층(A2)을 수광측에 구비하는 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스(D4)에 있다.
본 발명의 제5의 관점은,
(1)상기 자외광용 고체 수광 디바이스(D3)을 준비하고,
(2)포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)에 자외광을 조사해서 각 포토다이오드(PD)로부터의 출력을 얻고,
(3)포토다이오드(PD1)의 출력(1)에 근거하는 신호(1)과 포토다이오드(PD2)의 출력(2)에 근거하는 신호(2)를 차동신호 처리 수단에 입력해서 차동신호(DS)를 형성하고,
(4)해당 차동신호(DS)에 근거해서 자외광의 조사 광량을 계측하는 것을 특징으로 하는 자외광의 계측방법(P1)에 있다.
본 발명의 제6의 관점은,
(1)상기 자외광용 고체 수광 디바이스(D4)를 준비하고,
(2)포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)에 자외광을 조사해서 각 포토다이오드(PD)로부터의 출력을 얻고,
(3)포토다이오드(PD1)의 출력(1)에 근거하는 신호(1)과 포토다이오드(PD2)의 출력(2)에 근거하는 신호(2)를 차동신호 처리 수단에 입력해서 차동신호(DS)를 형성하고,
(4)해당 차동신호(DS)에 근거해서 자외광의 조사 광량을 계측하는 것을 특징으로 하는 자외광의 계측방법(P2)에 있다.
본 발명의 상기 이외의 관점의 하나는, 전술한 자외광용 고체 수광 디바이스D1∼D4중 어느 하나를 구비한 전자기기에 있다.
본 발명에 의하면, 간단한 구조로 인체에 유해한 원자외광이나 진공 자외광의 조사량을 정밀도 좋게 적정하게 측정할 수 있다. 또한, 본 발명 에 의하면, 소형·경량으로 저비용이며, 여러 가지 기기에 장착할 수 있고, 휴대(mobile) 또는 착용(wearable)에도 적합한 자외광용 고체 수광 디바이스를 제공할 수 있다. 게다가, 주변회로와 센서를 일체적으로 반도체 기체에 형성하는 것도 용이하게 할 수 있다.
[도 1a] 본 발명에 따른 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부의 구성의 적합 예의 하나를 설명하기 위한 모식적으로 나타낸 설명도다.
[도 1b] 도 1a의 디바이스의 반도체 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프다.
[도 2a] 본 발명에 따른 자외광용 고체 수광 디바이스의 구성의 다른 적합 예를 설명하기 위한 모식적 설명도다.
[도 2b] 포토다이오드(PD1) 및 포토다이오드(PD2)에 따른 반도체 불순물 농도의 프로파일을 나타내는 그래프다.
[도 3] 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스의 기본구조를 설명하기 위해서 모식적으로 나타낸 설명도다.
[도 4] 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부의 광입사면의 배치의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도다.
[도 5] 8쌍의 포토다이오드(PD1) 및 포토다이오드(PD2)를 체크 무늬로 배치한 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부의 광입사면의 배치의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도다.
[도 6] 포토다이오드(PD1), 및 포토다이오드(PD2)에 입사하는 광의 투과율을 나타내는 그래프다.
[도 7] 포토다이오드(PD1), 포토다이오드(PD2), 및 이것들의 포토다이오드가 형성된 본 발명에 따른 수광 디바이스의 상대 수광 감도를 나타내는 그래프다.
[도 8] 지표에 내리쬐는 태양광의 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
[도 9] 도 8을 고려한 본 발명에 따른 수광 디바이스의 상대 분광 출력을 나타내는 그래프다.
[도 10] 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스의 구조의 다른 예를 설명하기 위해서 모식적으로 나타낸 설명도다.
[도 11] 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부의 제1∼3의 각 포토다이오드(PD)를 소정의 패턴으로 배치한 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부의 광입사면의 배치의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도다.
[도 12] 제1의 포토다이오드(PD1), 제2의 포토다이오드(PD2), 제3의 포토다이오드(PD3)에 입사하는 광의 투과 특성을 나타내는 그래프다.
[도 13] 도 8에 나타내는 지표에 내리쬐는 태양광의 스펙트럼을 고려한 제3의 포토다이오드(PD3)의 출력에 근거하는 신호(3)과, 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와의 차이의 출력의 상대 수광감도를 나타내는 그래프다.
[도 14] 도 8에 나타내는 지표에 내리쬐는 태양광의 스펙트럼을 고려한 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와, 제3의 포토다이오드(PD3)의 출력에 근거하는 신호(3)과의 차이의 출력의 상대 수광감도를 나타내는 그래프다.
[도 15a] 본 발명을 휴대형 단말장치에 적용했을 경우의 일 실시예를 나타내는 개략 외관도다.
[도 15b] 도 15a에 나타낸 휴대 단말장치의 내부구성을 나타내는 블록도다.
도 1은, 본 발명에 따른 자외광용 고체 수광 디바이스의 구성의 적합한 예의 하나를 설명하기 위한 모식적 설명도의 일례다.
도 1에 나타내는 자외광용 고체 수광 디바이스의 주요부100은, 실리콘(Si)을 주성분으로 하는 반도체 기체101내에, 포토다이오드(PD)100a를 갖고 있다.
포토다이오드(PD)100a는, 층영역102a, 110a, 111a로 구성되어 있다.
층영역102a는, 제1의 도전형의 반도체층 영역103a, 해당 반도체층 영역103a의 상부에 매설되어 있는, 반도체층 영역104a로 구성되어 있다.
반도체층 영역103a와 반도체층 영역104a는, 도시하고 있는 것처럼 그 상부 표면이 가지런히 정돈되어 있다.
반도체층 영역104a는, 상기 제1의 도전형과는 극성이 다른 제2의 도전형으로 되어 있다. 즉, 예를 들면, 상기 제1의 도전형이 P형이면, 상기 제2의 도전형은 N형이다.
반도체층 영역103a와 반도체층 영역104a로 반도체 접합105a(1)을 형성하고 있다.
반도체층 영역104a 위에는, 반도체층 영역103a와 극성이 동일한 반도체층 영역109a가 설치되어 있다.
반도체층 영역103a와 반도체층 영역109a로 반도체접합105a(2)을 형성하고 있다.
반도체층 영역103a와 반도체층 영역109a는, 제1의 반도체 불순물(1)이 함유되므로 제1의 도전형으로 된다. 한편, 「반도체 불순물」을, 이후, 「불순물 원자」라고 적을 수도 있다.
다음에, 도 1a에 더하여 도 1b도 참조하면서 설명한다.
반도체층 영역103a중의 반도체 불순물(1)은, 반도체층 영역103a의 층두께 방향으로 분포된 상태로 반도체층 영역103a중에 함유되어 있다.
반도체 불순물(1)의 반도체층 영역103a의 층두께 방향의 분포에는, 반도체 접합105a(1)의 하방위치에, 반도체 불순물(1)의 최대 함유 농도위치(D1)106a가 설치되어 있다. 한편, 「최대 함유 농도위치」를 이후, 「최대 농도위치」라고 적을 수도 있다.
반도체층 영역109a도 반도체층 영역103a와 마찬가지로, 반도체 불순물(1)이 층두께 방향으로 분포된 상태로 반도체층 영역109a중에 함유되어 있고, 반도체 불순물(1)의 최대 함유 농도위치108a가 설치되어 있다.
반도체층 영역109a는, 그 상방부에, 최대 농도위치108a를 포함하고, UV－A, UV－B의 광의 흡수가 없거나 또는 실효적으로 없다고 간주되는 두께d1(반도체 기체의 표면(107)의 위치부터 깊이 방향으로 위치A1까지의 두께)의 층영역111a를 갖는다.
본 발명에 있어서는, 위치A1은, 최대 농도위치108a와 같은 위치이여도 설계상 지장은 없다. 그렇지만, 위치A1은, UV－A,UV－B의 광의 흡수가 없거나 또는 실효적으로 없다고 간주할 수 있는 두께d1이 확보되는 것이라면, 제조 허용으로서 최대 농도위치108a의 하방에 위치하는 것이 바람직하다.
위치A1과 위치B1의 사이의 층영역110a에 대해서는, 최대 농도위치108a를 적정한 위치에 설치할 수 있는 것을 조건으로, 그 층두께는 적절히 원하는 설계에 따라서 결정할 수 있다.
본원의 발명자들은, 그 주요부100을 상술한 구성의 자외광용 고체 수광 디바이스를 작성하고, 반도체층 영역103a, 104a, 109a에 함유하는 반도체 불순물의 함유량, 함유 분포를 다종다양하게 변화시키면서 예의 연구·검토를 거듭하는 것으로 원자외광이나 진공 자외광의 장시간 연속 조사에 의해서도 감도, 암전류의 열화가 생기지 않거나 혹은 실질적으로는 생기지 않는 자외광용 고체 수광 디바이스를 찾아낼 수 있었다.
본원의 발명자들의 연구·검토의 결과에 의하면, 최대 농도위치108a에 있어서의 불순물원자의 농도는, 1×1019cm-3이상이면, 감도열화, 암전류 증가가 발생하지 않거나 혹은 실질적으로 발생하지 않는 것이 확인되고 있다.
이 농도이면, 원자외광이나 진공 자외광의 조사에 의해서 발생하는 고정 전하에 의해 생기는 전기력선의 모두 또는 실질적으로 모두를 종단시킬 수 있고, 그 결과, 원자외광이나 진공 자외광의 장시간 연속 조사에 의해서도 감도, 암전류의 열화가 생기지 않거나 혹은 실질적으로는 생기지 않는 자외광용 고체 수광 디바이스가 얻어지는 것이 밝혀졌다.
본원의 발명자들의 연구·검토의 결과에 의하면, 상기의 최대 농도위치108을, 반도체 기체101의 표면107로부터 깊이 수nm이내의 범위에 설치함으로써, 상기 특성을 보다 강고하게 할 수 있는 것도 밝혀지고 있다.
본 발명은, 이것들의 점에 근거하는 것이다.
반도체 접합108a의 위치는, 자외광의 감도를 높게 하기 위해서, 예를 들면 50nm∼80nm정도의 위치에 형성하는 것이 바람직하다.
그러나, 반도체 접합108a의 전계강도를 될 수 있는 한 작게 해서 반도체 접합으로 발생하는 암전류를 작게 하기 위해서는, 반도체 접합105a(2)부근의 반도체층 영역109a의 반도체 불순물의 농도를 낮게 하는 것이 바람직하다. 제조의 곤란함을 피하기 위해서는, 반도체 접합105a(2)부근의 반도체층 영역109a의 반도체 불순물의 농도는, 1×1O17cm-3이하, 1×1O15cm-3이상으로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 1×1O16cm-3정도로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성한 본 발명의 수광 디바이스와 종래의 수광 디바이스에 대해서 광파장 204nm에 있어서의 광강도가 120μW/cm2인 중수소 램프를 광원으로서, 1500분 연속 조사했을 경우, 이하의 것이 확인되어 있다.
즉, 본 발명의 수광 디바이스에서는, 광 감도 저하도 암전류 특성의 저하도 생기지 않는다. 이것에 대하여, 특허문헌1에 기재된 수광 디바이스에서는, 자외광 대역(파장:200∼380nm)의 광 감도가 50％이상 열화하고, 암전류는 초기값에 대하여 10배이상 증가한다.
본 발명의 경우는, 조사 시간을 12000분으로 연장시켜도, 광 감도의 열화도 암전류의 증가도 수%이내이며, 실용적으로 문제 없는 것이 확인되어 있다.
본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스는, 원자외광이나 진공 자외광의 조사를 받지 않는 제품으로서 제조된 것이어도, 불가항력으로 원자외광이나 진공 자외광의 조사를 받아도 감도나 암전류의 특성열화를 일으키지 않으므로, 용도적으로는, 원자외광이나 진공 자외광의 조사 광량을 계측하는 제품에 한정되는 것이 아니다.
이하에서는, UV－A, UV－B의 광량측정용의 자외광용 고체 수광 디바이스의 일례에 대해서 설명한다.
도 2a는, 본 발명에 따른 자외광용 고체 수광 디바이스의 구성의 적합한 예의 또 하나를 설명하기 위한 모식적 설명도다.
도 2a에 있어서는, 도 1a의 경우와 같은 것을 나타낼 경우는, 도 1a와 같은 부호를 사용하고 있다.
도 2a에 나타내는 자외광용 고체 수광 디바이스의 주요부200은, 실리콘(Si)을 주성분으로 하는 반도체 기체101내에, 제1의 포토다이오드(PD1)200a와, 제2의 포토다이오드(PD2)200b를 갖고 있다.
제1의 포토다이오드(PD1)200a 위에는, 제1의 층(A1)112a가 설치되어 있고, 제2의 포토다이오드(PD2)200b 위에는, 제2의 층(A2)112b가 설치되어 있다.
도 2a에 나타내는 제1의 포토다이오드(PD1)200a와 제2의 포토다이오드(PD2)200b는, 도 1a에 나타내는 포토다이오드(PD)100a와 같은 구성·구조·반도체 불순물의 농도 프로파일을 구비하고 있다.
층 구성적으로는, 포토다이오드(PD1)200a는, 층영역102a, 110a, 111a로 구성되어 있다. 포토다이오드(PD1)200b는, 층영역102b, 110b, 111b로 구성되어 있다.
도 2a에 나타내는 자외광용 고체 수광 디바이스의 반도체 불순물의 농도 프로파일은, 도 2b에 나타내어져 있다.
도 2b에 있어서는, 2개의 포토다이오드에 관한 설명인 이외는, 도 1a의 설명과 기본적으로는 동일하다.
제1의 층(A1)112a는, 제1의 파장영역의 광(L1)을 선택적으로 투과하는 기능과, 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면(R1)을 공간적으로 덮는 것에 의해, 수광면(R1)에 제1의 파장영역의 광(L1)을 선택적으로 입사시키는 기능을 갖는다.
제2의 층(A2)112b는, 제1의 파장영역의 광(L1)과는 다른 제2의 파장영역의 광(L2)을 선택적으로 투과하는 기능과, 포토다이오드(PD2)의 수광면 (R2)을 공간적으로 덮는 것에 의해, 수광면(R2)에 제2의 파장영역의 광(L2)을 선택적으로 입사시키는 기능을 갖는다.
도 2a에 나타내는 자외광용 고체 수광 디바이스에 있어서는, 제1의 파장영역과 제2의 파장영역 중 어느 한쪽은, UV－A, 및 UV－B의 파장영역 중 어느 한쪽 또는 양자를 포함하지 않고, 다른 쪽은, 한쪽이 포함하지 않는 UV－A,및 UV－B의 파장영역, 또는 쌍방을 포함하는 것으로서 정의된다. 여기에서, 「포함한다」 「포함하지 않는다」는, UV－A, UV－B의 파장영역의 단부의 약간의 파장영역이면, 포함해도 포함하지 않아도 지장이 없다는 것을 의미한다.
제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b는, 예를 들면, 질소(N), 산소(0), 및 탄소(C)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 원소와, 실리콘(Si)을 포함하는 재료(이후, 「Si(N, 0, C)」이라고 적는 경우가 있다)로 구성된다.
제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b를, 「Si(N, 0, C)」을 포함하는 재료로 구성할 경우는, 아래와 같이 하는 것이 바람직하다. 즉, 제1의 층(A1)112a에는, 제1의 파장영역의 광(L1)을 선택적으로 투과하는 기능을 효과적으로 발휘시키기 위해서 소정량(V1)의 수소(H)가 더욱 함유된다. 제2의 층(A2)112b에는, 제2의 파장영역의 광(L2)을 선택적으로 투과하는 기능을 충분히 발휘할 수 있는 것이라면, 수소(H)는 함유되어 있지 않아도 되고, 함유되어 있어도 된다. 제2의 층(A2)112b에 수소(H)가 함유되어 있을 경우는, 그 함유량은 일반적으로 소정량(V1) 이하로 된다.
제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b가 함유하는 수소(H)의 양은, 제1의 층(A1)과 제2의 층(A2)을 구성하는 그 밖의 원소의 종류와, 그 조성비에 따라서 각 층에 있어서 각각 최적인 값이 선택된다. 본 발명에 있어서는, 제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b가 함유하는 수소(H)이외의 원소의 종류와 그 조성비 중 적어도 한쪽은, 동일해도 좋고, 달라도 좋다. 그렇지만, 제조상의 편의와 제조 비용의 퍼포먼스의 점에서, 제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b가 함유하는 원소는, 각각 원소의 종류는 같고 그 조성비를 다르게 하는 것이 바람직하다. 제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b가 함유하는 수소(H)는, 각 층에 있어서의 파장 선택성을 설계대로 정확하게 실현하기 위한 역할을 짊어지는 것이라고 추측되는 영역을 넘지 않지만, 그 효과는 실험적으로 확인되어 있다. 특히, 제1의 층(A1)112a와, 제2의 층(A2)112b가, 산소(0) 또는/및 질소(N)를 포함할 경우에, 층중에의 수소(H)함유의 효과는 단적이다.
제1의 포토다이오드(PD1)200a와 제2의 포토다이오드(PD2)200b는, 실효상 입체적으로 겹치지 않도록 반도체 기체101내에 배치되어 있다.
여기서, 「실효상 입체적으로 겹치지 않도록」이란, 제1의 포토다이오드(PD1)200a의 입사면(수광면)과, 제2의 포토다이오드(PD2)200b의 입사면(수광면)이 수직한 방향에 있어서 겹치지 않거나 실질적으로 겹치지 않는 것을 말한다. 바꾸어 말하면, 광조사시의 각 포토다이오드로부터의 출력의 각각이 차동회로에 입력되어, 차동회로로부터 차동신호로서 출력되는 신호가 원하는 자외광만에 의한 것이라고 간주할 수 있는 허용 범위내에 있는 것을 말한다.
구체적으로 설명하면, 도 2a, 도 2b에 나타내는 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부200에 있어서는, 제1의 포토다이오드(PD1)200a는, 수광 디바이스 주요부200의 구성의 일부로서 제1의 층(A1)112a를 설치하는 것에 의해, 그 출력 신호에의 UV－A, UV－B등의 자외광에 근거하는 팩터의 값의 기여를 영(「0」) 또는 끝없이 「0」으로 한다. 즉, 태양광의 조사를 받을 때의 제1의 포토다이오드(PD1)200a의 출력 신호는, UV－A보다 긴 파장의 광에 근거하는 것으로 된다.
한편, 제2의 포토다이오드(PD2)200b는, 수광 디바이스 주요부200의 구성의 일부로서 제2의 층(A2)112b를 설치하는 것에 의해, UV－A, UV－B등의 자외광의 기타, 가시광 영역과 그것보다 긴 파장의 영역의 광도 그 출력 신호에 기여시킨다.
이렇게, 도 2a의 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부200에 있어서는, 제1의 포토다이오드(PD1)200a와 제2의 포토다이오드(PD2)200b와의 광입사측에 각각 제1의 층(A1)112a, 제2의 층(A2)112b를 설치하는 구성으로 한다. 이러한 구성의 자외광용 고체 수광 디바이스는, 제1의 포토다이오드(PD1)200a의 출력 신호와, 제2의 포토다이오드(PD2)200b의 출력 신호와의 차이를 취함으로써, UV－A, UV－B등의 자외광에 의한 출력 신호를 적정하게 또한 효율적으로 추출할 수 있다.
제1의 포토다이오드(PD1)200a는, 제1의 도전형(1)의 반도체층 영역(1-1)103a와, 반도체층 영역(1-1)103a 위에 설치한 제1의 도전형(1)과는 다른 극성의 제2의 도전형(2)의 반도체층 영역(1-2)104a로 형성된 반도체 접합105a(1)을 갖는다.
제2의 포토다이오드(PD2)200b는, 제1의 도전형(1)의 반도체층 영역(2-1)103b 위에 설치한 제1의 도전형(1)과 다른 극성의 제2의 도전형(2)의 반도체층 영역(2-2)104b로 형성된 반도체 접합105b(1)을 갖는다.
본 발명에 있어서의 포토다이오드는, 이렇게 극성이 다른 2개의 반도체층 영역을 직접 접촉하도록 해서 형성한 반도체 접합을 갖는다. 극성이 다른 2개의 반도체 접합의 어떤 층영역에 있어서는, 충분한 광전류가 발생하는 공핍층의 확대가 형성된다. 여기에서, 반도체 접합은 1개에 한정되는 것이 아니고, 복수의 반도체 접합의 층영역을 갖고 있어도 좋다.
반도체층 영역(1-1)103a에는, 제1의 도전형(1)을 부여하는 반도체 불순물(1)이 함유되어 있다. 반도체 불순물(1)의 농도는, 반도체층 영역(1-1)103a의 층두께 방향으로 분포되어 있다. 반도체 불순물(1)의 농도의 분포에 관해서는, 층두께 방향에 있어서, 최대 농도위치(1-1)106a가 설치되어 있다.
반도체층 영역(2-1)103b에는, 제2의 도전형(2)을 부여하는 반도체 불순물(2)이 함유되어 있다. 반도체 불순물(2)의 농도는, 반도체층 영역(2-1)103b의 층두께 방향으로 분포되어 있다. 반도체 불순물(2)의 농도의 분포에 관해서는, 층두께 방향에 있어서, 최대 농도위치(2-1)106b가 설치되어 있다.
도 2a에 있어서는, 최대 농도위치(1-1)106a와 최대 농도위치(2-1)106b는 반도체 기체101의 표면107의 위치부터의 깊이 방향(D)에 있어서 같거나 또는 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 최대 농도위치를 맞추어서 포토다이오드(PD1)200a와 포토다이오드(PD2)200b와의 감도특성을 동등 또는 대략 동등하게 맞출 수 있다. 최대 농도위치(1-1)106a와 최대 농도위치(2-1)106b를 의도적으로 다른 위치가 되도록 설계하는 것도, 포토다이오드(PD1)200a와 포토다이오드(PD2)200b와의 설계의 자유도가 얻어진다고 하는 점에서 바람직하다. 그렇지만, 보다 바람직한 것은, 최대 농도위치(1-1)106a와 최대 농도위치(2-1)106b가 동등 혹은 대략 동등위치이며, 또한 최대 농도위치(1-1)106a에 있어서의 불순물의 농도(1)과 최대 농도위치(2-1)106b에 있어서의 불순물의 농도(2)가 동등하거나 또는 대략 동등할 경우다. 여기에, 「실질적으로 같은」이란, 최대 농도위치(1-1)106a와 최대 농도위치(2-1)103b가 반도체 기체101의 표면107로부터의 깊이 방향(D)에 있어서 같은 경우에 얻어지는 효과와 실질적으로 같은 효과가 얻어지는 것을 말한다.
반도체층 영역(1-2)104a 위에는, 도전형(1)의 반도체층 영역(1-3)109a가 설치되고, 반도체층 영역(1-3)109a에서는, 반도체 불순물의 농도가 층두께 방향으로 분포되고, 또한 반도체 불순물의 농도분포에 있어서의 최대 농도위치(1-2)108a가 설치되어 있다.
반도체층 영역(2-2)104b 위에는, 도전형(1)의 반도체층 영역(2-3)109b가 설치되고, 반도체층 영역(2-3)109b에서는, 반도체 불순물의 농도가 층두께 방향으로 분포되고, 또한 반도체 불순물의 농도분포에 있어서의 최대 농도위치(2-2)108b가 설치되어 있다.
최대 농도위치(1-2)108a와 최대 농도위치(2-2)108b는 반도체 기체101의 표면107의 위치부터의 깊이 방향(D)에 있어서, 동일 또는 실질적으로 같은 위치로 하는 것이 바람직하다. 여기에 있어서의 「실질적으로 같은」이란, 제조 정밀도의 오차범위내인 것도 포함시킨 기술상의 의미의 범위인 것을 말한다.
도 2a에 나타내는 수광 디바이스 주요부200에 있어서는, 최대 농도위치(1-2)108a는, 최대 농도위치(2-2)108b와 같은 깊이 위치에 있다.
반도체층 영역(1-3)109a는, 그 상방부에, 최대 농도위치(1-2)108a를 포함하고, UV－A, UV－B의 광의 흡수가 없거나 또는 실효적으로 없다고 간주되는 두께d1(반도체 기체의 표면107의 위치부터 깊이 방향으로 위치A1까지의 두께)의 층영역111a를 갖는다.
도 2a에 있어서는, 위치A1은, 최대 농도위치(1-2)108a와 같은 위치이여도 설계상 지장은 없다. 그렇지만, 위치A1은, UV－A, UV－B의 광의 흡수가 없거나 또는 실효적으로 없다고 간주할 수 있는 두께d1이 확보되는 것이라면, 제조 허용으로서 최대 농도위치(1-2)108a의 하방에 위치하는 것이 바람직하다.
위치A1과 위치B1의 사이의 층영역(B1)110a에 대해서는, 최대 농도위치(1-2)108a를 적정한 위치에 설치할 수 있는 것을 조건으로, 그 층두께는 적절하게 원하는 설계에 따라서 결정할 수 있다.
반도체층 영역(2-3)109b는, 그 상부에, UV－A, UV－B의 광의 흡수가 없거나 또는 실효적으로 없다고 간주되는 두께d2(반도체 기체101의 표면107의 위치부터 깊이 방향으로서 위치A2까지의 두께)의 층영역(A2)111b내에 최대 농도위치(2-2)108b를 갖는다.
두께d2를, 최대 농도위치(2-2)108b를 설치할 수 있는 범위에 있어서 가능한 한 얇게 하여서, 두께d2의 층영역(A2)111b내에 있어서의 UV－A, UV－B의 광의 흡수를 실질적으로 없앨 수 있다. 즉, 층영역(A2)111b내에 있어서의 UV－A, UV－B의 조사 영향이 없거나 무시할 수 있는 정도로 억제할 수 있다.
위치A1과 위치B1의 사이의 층영역110b에 대해서는, 최대 농도위치(2-2)108b를 적정한 위치에 설치할 수 있는 것을 조건으로, 그 층두께는 적절한 원하는 설계에 따라서 결정할 수 있다. 본 발명의 적합한 실시예에 있어서는, 위치A1과 위치A2가, 위치B1과 위치B2가, 각각 같은 위치나 또는 실질적으로 같은 위치인 것이 바람직하다.
층영역110a의 층두께와 층영역110b의 층두께는, 상기한 조건을 충족시키도록 설계상의 소망에 따라서 적절하게 결정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 층영역110a의 층두께와 층영역110b의 층두께는, 6nm이하인 것이 바람직하고, 2nm 이하인 것이 보다 바람직하다.
반도체 기체의 표면107 위에는, 중간층(113)을 통해 제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b가 병렬로 배설되어 있다.
반도체 기체의 표면107 위에, 제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b를 직접 설치하면, 많은 경우, 그 계면(표면107과 「제1의 층(A1)112a 및 제2의 층(A2)112b」의 접촉면)에 계면 준위가 많이 형성되어버리기 때문에 암전류 발생의 원인이 된다. 또한, 계면에 있어서의 광 전하의 재결합의 원인도 되기 때문에 광 감도의 저하를 초래한다. 이것들을 피하기 위해서, 반도체 기체의 표면107 위에 중간층113을 설치하고, 그 위에 층(A1)112a와 층(A2)112b를 설치한다. 중간층113은, 적어도 UV－A, UV－B의 광에 대하여 충분한 투과성을 갖는 재료로 구성된다. 그와 같은 재료로서는, 예를 들면, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘이 사용된다. 바람직하게는, 예를 들면, 이산화실리콘(Si02), 질소(N)함유 이산화실리콘(「Si02(N)」)으로 중간층(113)을 구성한다.
제1의 층(A1)112a는, 제1의 포토다이오드(PD1)200a의 수광면(입사면)을 공간적으로 완전히 덮고, 제1의 층(A1)을 투과하는 광만이 제1의 포토다이오드(PD1)200a의 수광면위 입사하도록 설치된다. 마찬가지로, 제2의 층(A2)112b는, 제2의 포토다이오드(PD2)200b의 수광면(입사면)을 공간적으로 완전히 덮고, 제2의 층(A2)을 투과하는 광만이 제2의 포토다이오드(PD2)200b의 수광면위 입사하도록 설치된다. 제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b는, 각각, 광을 선택적으로 투과시키는 기능을 갖는다. 본 발명에 있어서는, 제1의 층(A1)112a는, UV－A, UV－B의 광을 흡수함으로써, 제1의 포토다이오드(PD1)200a에의 UV－A, UV－B의 광의 입사를 차단 또는 실질적으로 차단하는 기능을 갖는다. 한편, 제2의 층(A2)112a는, UV－A, UV－B의 광을 충분히 투과함으로써, 제2의 포토다이오드(PD2)200b에의 UV－A, UV－B의 광의 입사를 저해하지 않거나 또는 실질적으로 저해하지 않는 기능을 갖는다. 제1의 층(A1)112a와 제2의 층(A2)112b는, 제1의 포토다이오드(PD1)200a와 제2의 포토다이오드(PD2)200b와의 선대칭축의 좌우에 접촉한 상태에 각각을 설치해서 좋고, 도 2a에 도시한 바와 같이, 층영역114a, 114b, 및 114c를 설치하고 구획해서 설치해도 좋다. 층영역114a, 114b, 및 114c는, 중간층113과 같은 프로세스로 형성될 수 있도록 중간층113과 같은 재료로 구성하는 것이 바람직하다.
도 2a에 있어서는, 최대 농도위치(2-2)108b는, 층영역(A2)111b 내부에 설치한 예가 나타내어져 있지만, 최대 농도위치(2-2)108b는, 표면107과 동등한 위치이여도 좋다. 본 발명에 있어서는, 위치A2와 위치B2의 사이의 층영역(B2)110b는, 반드시 설치되는 것이 아니고, 수광 디바이스의 특성·성능에 따라서는 설계상 생략할 수도 있다.
반도체층 영역(2-3)109b를 이상과 같은 구성으로 함으로써, 태양광의 조사를 받았을 때의 포토다이오드(PD2)102b의 출력으로의 UV－A, UV－B의 광의 조사의 영향을 효과적으로 할 수 있다.
포토다이오드(PD1)200a와 포토다이오드(PD2)200b에 대해서는, 위치C1과 위치C2, 위치D1과 위치D2, 위치E1과 위치E2가, 바람직하게는, 각각 마찬가지이거나 실질적으로 마찬가지의 위치에 있는 것이 바람직하다.
각 위치를 이러한 위치 관계로 함으로써, UV－A, UV－B의 광량이나 강도를 보다 적정하게 측정할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 수광 디바이스 주요부100, 200의 광입사측의 최표면에, 기계적 보호의 목적으로, Si02, SiN, SiCN등의 절연 재료로 패시베이션막(또는 보호막)을 소정 두께로 설치해도 좋다.
본 발명의 경우, 수광 디바이스 주요부100, 200을 전술한 것처럼 구성하므로, 막 두께에 의한 간섭의 영향을 고려하지 않고 패시베이션막의 막 두께를 임의로 선택할 수 있다.
한편, 반도체 불순물 농도값(A)은, 제1의 도전형(1)과 제2의 도전형(2)용의 반도체 불순물이 혼재하고 있는 층영역에 있어서는, 제1의 도전형(1)의 반도체 불순물 농도값과 제2의 도전형(2) 반도체 불순물 농도값과의 차이의 절대치로 나타낸다. 이후, 이 점은, 같은 프로파일의 설명에 있어서도 동일하다.
도 3에는, 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스의 기본구조가 모식적으로 나타내어져 있다.
도 3을 참조하면, 자외광용 고체 수광 디바이스400은, 실리콘(Si)을 주성분으로 하는 반도체 기체401중에 형성된 포토다이오드(1)402a와, 포토다이오드(2)402b와, 차동회로403을 구비하고 있다.
도 3에 있어서는, 포토다이오드(1)402a의 출력에 근거하는 신호(1)은, 라인404a를 통해 차동회로403의 마이너스 단자에 입력된다. 포토다이오드(2)402b의 출력에 근거하는 신호(2)는, 라인404b를 통해 차동회로403의 플러스 단자에 입력된다.
신호(1), 신호(2)가 차동회로403에 입력되면, 출력 단자405로부터 차동신호(3)가 출력된다.
차동회로403은, 차동기능이 있으면, 앰프 기능을 구비하고 있어도 구비하지 않아도 되지만, 앰프 기능을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 차동회로403은, 반도체 기체401에 포토다이오드와 함께 일체화 형성해도 좋다. 게다가, 차동회로403은, 다른 반도체 기체에 형성해 포토다이오드가 형성된 반도체 기체401과 함께 제3의 기체에 탑재되어도 좋다.
도 4에는, 도 2a와 같은 구조를 갖는 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부500의 광입사면의 배치의 일례가 모식적 평면도로서 나타내어져 있다.
도 4의 예에서는, 제1의 포토다이오드(PD1)501a와 제2의 포토다이오드(PD2)501b를 각각 한 개씩 평면적으로 병설한 one-pair 포토다이오드 타입의 가장 단순한 구성이 나타내어져 있다. 각 포토다이오드의 수광면은, 직사각형의 형상을 하고 있다.
도 5는, 8개의 제1의 포토다이오드(PD1)601a와, 8개의 제2의 포토다이오드(PD2)601b와의 광입사면을 체크 무늬로 배설한 예가 나타내어져 있다. 이렇게 본 발명에서 말하는 제1의 포토다이오드(PD1)601a와 제2의 포토다이오드(PD2)601b의 각각을 복수 또한 동수로 배설함으로써 포토다이오드의 제조상의 개체차를 작게 할 수 있다.
「자외광용 고체 수광 디바이스 주요부의 제조의 실시예」
다음에, p+np형 소자구조를 갖는 수광 디바이스 주요부의 적합한 제조 예의 하나를 설명한다. 또한, 본 발명의 소자구조는, p+np형 소자에 한정되지 않고, 소자구조의 극성이 반대극성이여도 본 발명의 범주에 속하는 것은, 해당 기술분야에 있어서는 당연한 것이다.
본 발명의 수광 디바이스는, 통상의 반도체 제조 기술로 형성할 수 있다. 따라서, 이하의 공정에서의 설명에서는 해당 분야의 기술자에 있어서 자명한 것은 생략해 요점을 간략하게 기재하기로 한다.
(Step1): Si웨이퍼(반도체 기체)를 준비한다. 여기에서는, p형의 불순물 농도가 1×1016cm-3의 p형Si웨이퍼를 준비한다. 단, n형의 불순물 농도가 1×1016cm-3의 n형Si웨이퍼를 사용해도 되는 것은 미리 알릴 것까지도 없다.
(Step2): 반도체 기체(p형Si웨이퍼)표면에 7nm의 Si02막을 형성한다. 여기에서는 750℃의 수분산화를 행한다.
(Step3): 반도체층 영역(1-1) 및 (2-1)이 되는 p형 웰을 형성하기 위한 이온 주입을 동일한 프로세스 조건으로 행한다. 최대 농도위치(1-1) 및 (1-2)이 500nm가 되도록, p형 웰 형성을 위한 이온 주입 조건은, 이온종을 B+로 하고, 주입 에너지를 150keV, 도즈를 1.0×1013cm-2로 한다.
(Step4): (Step3)에서 주입한 불순물원자를 활성화하기 위해서, 열처리를 행한다. 여기에서는, 질소분위기에 있어서 900℃의 열처리를 30분간 행한다.
(Step5): 반도체층 영역(12) 및 (2-2)을 형성하기 위한 이온 주입을 동일한 프로세스 조건으로 행한다. 반도체 접합 위치가 300nm정도가 되도록, 이온 주입 조건은, 이온종을 P+로 하고, 주입 에너지를 120keV, 도즈량 1.5×1013cm-2로 한다.
(Step6): 제1의 포토다이오드(1)의 반도체층 영역(1-3) 및 제2의 포토다이오드(2)의 반도체층 영역(2-3)을 형성하기 위한 이온 주입을 동일한 프로세스 조건으로 행한다. 여기에서는, 최대 농도위치(1-2) 및 (2-2)이 1nm가 됨과 아울러, 불순물 농도가 Si반도체 기체의 표면으로부터 약 5nm까지의 범위에 있어서, 1×1019cm-3이상이 되도록, 이온종을 BF2+로 하고, 주입 에너지를 9keV, 도즈량을 1.0×1014cm-2로 한다.
(Step7): 반도체층 영역(1-2) 및 (2-2)로부터 광 전하를 뽑기 위해서, 반도체층 영역(1-2) 및 반도체층 영역(2-2)의 각각 일부의 영역에 고농도 n형 불순물층을 형성하기 위한 이온 주입을 행한다.
이온종을 As+로 하고, 주입 에너지를 40keV, 도즈량을 5×1015cm-2로 한다.
(Step8): 반도체층 영역(1-1) 및 (2-1)로부터 광 전하를 뽑기 위해서, 반도체층 영역(1-1) 및 반도체층 영역(2-1)의 각각 일부의 영역에 고농도 p형 불순물층을 형성하기 위한 이온 주입을 행한다. 이온종을 BF2+로 하고, 주입 에너지 40keV, 도즈량 5×1015cm-2로 한다.
(Step9): 주입한 불순물 원자를 활성화하기 위해서, 열처리를 행한다. 여기에서는, 질소분위기에 있어서 1000℃의 열처리를 5초간 행한다.
(Step1O): 배선 층간 절연막을 형성한다. 여기에서는, 화학기상성장법을 사용해서 1300nm의 막 두께의 Si02막을 형성한다.
(Step11): 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면을 공간적으로 덮는 제1의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층(A1)을 형성한다. 이 때문에, 플라즈마 화학기상성장법을 사용해서 SiN막을 막 두께 400nm로 성막한다. 여기에서는, 마이크로파 여기 플라즈마를 사용한 성막에 대해서 설명한다. 성막중의 압력을 12.7mTorr로 하고, 플라즈마 여기용의 마이크로파 파워는 2000W로 하고, 스테이지 온도는 400℃로 한다. 성막용의 프로세스 가스는 Ar, N2, SiH4, H2를 사용하고 있고, 가스 유량은 SiN막에 함유되는 H양을 많게 하기 위해서 각각 20sccm, 75sccm, 3.Osccm, 30sccm로 한다.
(Step12): 제2의 포토다이오드(PD2)의 수광면을 공간적으로 덮는 제2의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제2의 층(A2)을 형성한다. 그 때문에, 화학기상성장법을 사용해서 SiN막을 막 두께400nm로 성막한다. 여기에서는, 마이크로파 여기 플라즈마를 사용한 성막에 대해서 설명한다. 성막중의 압력을 12.7mTorr로 하고, 플라즈마 여기용의 마이크로파 파워는 2000W로 하고, 스테이지 온도는 400℃로 한다. 성막용의 프로세스 가스는 Ar, N2, SiH4, H2를 사용하고 있고, 가스 유량은 SiN막에 함유되는 H양을 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면을 공간적으로 덮는 제1의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층(A1)에 포함되는 양과 비교해서 적게 하기 위해서, 각각 20sccm, 75sccm, 0.5sccm, 15sccm로 한다. 여기에서, 제1의 층(A1)과 제2의 층(A2)의 성막에서는, 광의 흡수단 파장을 제1의 층(A1)에서는 380nm정도로 하고, 제2의 층(A2)에서는 200nm정도로 하기 위해서 성막용의 프로세스 가스의 구성 원소의 비율을 변화시키고 있다. 단, 굴절률과 막 두께는 동일하기 때문에, 광의 간섭에 기인하는 입사광의 투과 특성의 파장의존성은 같다. 이것에 의해, 제1의 포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호(1)과 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와의 차이를 얻었을 때의 오차가 작아진다.
(Step13): 고농도 n형 불순물층 및 고농도 p형 불순물층과 배선을 접속하기 위해서, 콘택 홀을 개구한다. 여기에서는, 드라이에칭에 의해 배선 층간 절연막을 에칭한다.
(Step14): A1배선을 형성하기 위해서, 스퍼터법을 사용해서 막 두께700nm의 A1막을 성막한다.
(Step15): A1배선을 형성하기 위해서, 드라이에칭에 의해 A1의 일부의 영역을 에칭해 패터닝 한다.
(Step16): 수소 소결을 행하기 위해서, 수소를 10％ 함유하는 질소분위기에서 400℃에서의 열처리를 행한다.
상기와 같이 해서 작성한 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스의 일례는, 380nm 이상의 파장의 광의 상대 광 감도의 누적을, 전체 파장광의 누적에 대하여 수%이내로 억제함과 아울러, 유해한 자외광을 정밀도 좋게 측정할 수 있는 것이 밝혀졌다. 결과를 도 6 내지 도 10에서 설명한다.
도 6은, 제1의 포토다이오드(PD1), 제2의 포토다이오드(PD2)에 입사하는 광의 투과 특성을 나타내는 그래프다.
G1은 제1의 포토다이오드에 입사하는 광의 투과율을, G2는 제2의 포토다이오드에 입사하는 광의 투과율을 나타낸다.
도 7은, 제1의 포토다이오드(PD1), 제2의 포토다이오드(PD2) 및 이것들의 포토다이오드가 형성된 본 발명에 따른 수광 디바이스의 상대 수광 감도를 나타내는 그래프다.
G1은 제1의 포토다이오드, G2는 제2의 포토다이오드, G3은 자외광용 고체 수광 디바이스의 그래프를 나타낸다.
도 8은, 지표에 내리쬐는 태양광의 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도 9는, 도 8을 고려한 본 발명에 따른 수광 디바이스의 상대 분광 출력을 나타내는 그래프다.
도 9로부터도 명확하듯이, 출력의 전체 광 파장분의 적분 값에 대한 광파장280-380nm의 출력의 비율은, 96％다. 이상의 실시예에서는, 포토다이오드(PD)가 2개의 예로 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니다. 본 발명은, 유해한 자외광 영역을 3개 이상으로 구분해서 포토다이오드(PD)를 구분한 수만큼 사용함으로써, 보다 정밀도 좋게 자외광의 광량과 세기를 측정할 수 있다.
다음에, 포토다이오드(PD)를 3개 사용하는 실시예의 하나를 설명한다. 도 10은 수광 디바이스의 주요부1000을 나타내고 있다.
수광 디바이스의 주요부1000은, 반도체 기체1001내에, 제1의 포토다이오드(PD1)1002a, 제2의 포토다이오드(PD2)1002b, 제3의 포토다이오드(PD3)1002c의 3개의 포토다이오드(PD)를 구비하고 있다. 또한, 수광 디바이스의 주요부(1000)는, 3개의 차동회로1003a, 1003b 및 1003c를 구비하고 있다.
차동회로1003a, 1003b 및 1003c는, 차동기능이 있으면, 앰프 기능을 갖추고 있어도 구비하지 않아도 좋지만, 앰프 기능을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 차동회로1003a, 1003b 및 1003c는, 반도체 기체1001에 포토다이오드(PD)와 함께 일체화 형성해도 좋다. 게다가, 다른 반도체 기체에 형성하고, 포토다이오드(PD)의 형성된 반도체 기체1001과 함께 제3의 기체에 탑재되어도 좋다.
이하, 도 10에 나타내는 수광 디바이스에서,「(UV－A)＋(UV－B)」의 정보,「(UV－A)」의 정보,「(UV－B)」의 정보를 얻는 예를 설명한다.
도 10에 있어서는, 제1의 포토다이오드(PD1)1002a의 출력에 근거하는 신호(1)은, 라인(1004a)을 통해 차동회로1003c의 마이너스 단자, 및 차동회로1003b의 마이너스 단자에 입력된다. 포토다이오도(PD2)1002b의 출력에 근거하는 신호(2)는, 라인(1004b)을 통해 차동회로1003a의 플러스 단자 및 1003c의 플러스 단자에 입력된다. 포토다이오드(PD3)1002c 출력에 근거하는 신호(3)은, 라인1004c를 통해 차동회로1003b의 플러스 단자 및 차동회로1003c의 마이너스 단자에 입력된다.
신호(1), 신호(2)가 차동회로1003c에 입력되면, 출력 단자1005c로부터 차동신호(1)이 출력된다. 이 차동신호(1)에는,「(UV－A)＋(UVB)」의 정보가 포함되어 있다. 신호(1), 신호(3)이 차동회로1003b에 입력되면, 출력 단자1005b로부터 차동신호(2)가 출력된다. 이 차동신호(2)에는,「(UV－A)」의 정보가 포함되어 있다. 신호(2), 신호(3)이 차동회로1003a에 입력되면, 출력 단자1005a로부터 차동신호(3)이 출력된다. 이 차동신호(3)에는,「(UV－B)」의 정보가 포함되어 있다.
도 11은, 도 10의 경우와 마찬가지로 3개의 포토다이오드(PD) 구조를 갖는 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부를 1단위로서, 12쌍 배치한 구조의 자외광용 고체 수광 디바이스 주요부1100의 광입사면의 배치의 일례의 평면도를 모식적으로 나타내고 있다.
제1의 포토다이오드(PD1)1101a, 제2의 포토다이오드(PD2)1101b, 제3의 포토다이오드(PD3)1101c의 각각은, 동종의 포토다이오드(PD)가 행렬중에서 인접하지 않도록 배치되어 있다.
다음에, 도 10에 나타내는 수광 디바이스 주요부의 제조 예의 하나를 설명한다. 또한, 본 발명의 소자구조는, p+np형 소자에 한정되지 않고, 소자구조의 극성이 반대극성이여도 본 발명의 범주에 속하는 것은, 해당 기술분야에 있어서는 당연한 것이다.
도 10에 나타내는 수광 디바이스도 도 3의 수광 디바이스와 마찬가지로 통상의 반도체 제조 기술로 형성할 수 있다. 따라서, 이하의 공정에서의 설명에서는 해당 분야의 기술자에 있어서 자명한 것은 생략하여 요점을 간략하게 기재하기로 한다.
여기에서는, 포토다이오드의 PN접합부나 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층(A1), 제2의 층(A2)의 형성 방법은 상기와 같다고 하였기 때문에 생략하고, 제3의 포토다이오드(PD3)1002c의 수광부를 공간적으로 덮는 제3의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제3의 층(A3)의 형성 방법만 기술한다.
이하에, 제3의 포토다이오드(PD3)1002c의 수광면을 공간적으로 덮는 제3의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제3의 층(A3)을 형성하는 순서와 조건을 간단히 기술한다.
우선, Si02에서 중간층을 설치한 위에, 화학기상성장법을 사용해서 막 두께400nm의 SiN막을 성막한다. 여기에서는, 성막하는 방법의 일례로서, 마이크로파 여기 플라즈마를 사용한 성막에 대해서 설명한다.
본 발명에 있어서의, 마이크로파 여기 플라즈마를 사용한 성막의 조건은, 예를 들면, 성막중의 압력을 12.7mTorr로 하고, 플라즈마 여기용의 마이크로파 파워는 2000W로 하고, 스테이지 온도는 400℃로 한다. 성막용의 프로세스 가스는 Ar, N2, SiH4, H2를 사용하고 있고, 가스 유량은 SiN막에 함유되는 H양을 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면을 공간적으로 덮는 제1의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층(A1)에 포함되는 양과 비교해서 적고, 또 제2의 포토다이오드(PD2)의 수광면을 공간적으로 덮는 제2의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제2의 층(A2)에 포함되는 양과 비교해서 많게 하기 위해서, 각각 20sccm, 75sccm, 1.Osccm, 30sccm로 한다.
여기에서, 제1의 층(A1)과 제2의 층(A2)의 성막에서는, 광의 흡수단 파장을 제1의 층(A1)에서는 380nm정도로 하고, 제2의 층(A2)에서는 200nm정도로 하며, 제3의 층(A3)에서는 315nm정도로 하기 위해서, 성막용의 프로세스 가스의 구성 원소의 비율을 변화시키고 있다. 단, 굴절률과 막 두께는 동일하기 때문에, 광의 간섭에 기인하는 입사광의 투과 특성의 파장의존성은 동일하다. 이것에 의해, 제1의 포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호(1)과 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와 제3의 포토다이오드(PD3)의 출력에 근거하는 신호(3)의 각각의 차이를 얻었을 때의 오차가 작아진다.
제1의 포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호(1)과 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와의 차이를 사용하면 200-380nm의 광파장 대역의 광의 신호가 얻어진다. 제3의 포토다이오드(PD3)의 출력에 근거하는 신호(3)과 제1의 포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호(1)과의 차이를 사용하면 315-380nm의 광파장 대역의 광의 신호가 얻어진다. 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와 제3의 포토다이오드(PD3)의 출력에 근거하는 신호(3)과의 차이를 사용하면 200-315nm의 광파장 대역의 광의 신호가 얻어진다.
상기와 같이 하여서 작성한 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스의 일례로서, UV－A와 UV－B의 광파장 대역의 광강도, UV－A, UV－B 각각의 광강도를 검출할 수 있고, 인체에 악영향을 주는 지표가 되는 UV인덱스를 정밀도 좋게 측정할 수 있는 것이 밝혀졌다. 결과를 도 12 내지 도 14에서 설명한다.
도 12는, 제1의 포토다이오드(PD1), 제2의 포토다이오드(PD2), 제3의 포토다이오드(PD3)에 입사하는 광의 투과 특성을 나타내는 그래프다.
G1은, 제1의 포토다이오드에 입사하는 광의 투과율을, G2는 제2의 포토다이오드에 입사하는 광의 투과율을, G3은 제3의 포토다이오드에 입사하는 광의 투과율을 각기 나타낸다.
도 13은, 도 8에 나타내는 지표에 내리쬐는 태양광의 스펙트럼을 고려한 제3의 포토다이오드(PD31)의 출력에 근거하는 신호(3)과, 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와의 차이의 출력의 상대 수광 감도를 나타내는 그래프다. UV－A의 광파장 대역에 대한 상대 출력이 얻어지고 있다.
도 14는, 도 8에 나타내는 지표에 내리쬐는 태양광의 스펙트럼을 고려한 제2의 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호(2)와, 제3의 포토 다이오드(PD3)의 출력에 근거하는 신호(3)과의 차이의 출력의 상대 수광 감도를 나타내는 그래프다. UV－B의 광파장 대역에 대한 상대 출력이 얻어지고 있다.
상기와 같이 하여서 작성한 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스의 일례로서, 380nm이상의 파장의 광의 상대 광 감도의 누적은, 전체 파장광의 누적에 대하여, 수% 이내로 억제할 수 있고, 유해한 자외광을 정밀도 좋게 측정할 수 있는 것이 밝혀졌다. 결과를 도 8 내지 도 10에서 설명한다.
도 8은, 제1의 포토다이오드(1), 제2의 포토다이오드(2) 및 이것들의 포토다이오드가 형성된 본 발명에 따른 수광 디바이스의 상대 수광 감도를 나타내는 그래프다.
도 9는, 지표에 내리쬐는 태양광의 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도 10은, 도 9를 고려한 본 발명에 따른 수광 디바이스의 상대 분광 출력을 나타내는 그래프다.
(A) 제1의 포토다이오드(1)
최대 농도위치(1-1)=565nm
최대 농도위치(1-2)=30nm
(B) 제2의 포토다이오드(2)
최대 농도위치(2-1)=500nm
최대 농도위치(2-2)=1nm
도 10으로부터도 명확한 것처럼, 출력의 전체 광 파장분의 적분 값에 대한 광파장280-380nm의 출력(사선부분)의 비율은 96％이었다.
지금까지에 있어서는, UV－A, UV－B의 예로 본 발명을 설명해 왔지만, 본 발명은 이것 등에 한정될 이유는 없고, 또한, UV－B보다 단파장의 자외선, 예를 들면 UV－C도 대상으로 해서 본 발명을 구체화화 할 수 있는 것은 다시 미리 알릴 것까지도 없다.
이하, 본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스의 적합한 적용 예의 일 실시예를 설명한다.
도 15a, 도 15b는, 본 발명을 휴대형 단말장치에 적용했을 경우의 일 실시예를 나타내는 개략 구성도다. 도 15a는 개략 외관도이며, 도 15b는 내부구성의 블록도다.
도 15a, 도 15b에 나타내는 휴대 단말장치701은, GPS(Global Positioning System)측위부703, 연산 처리부704, 기억장치705, 표시부706으로 구성되어 있다.
휴대 단말장치701의 예로서는, 네비게이션 기능을 갖는 휴대전화기기, PDA(Personal Digital Assistants), 타블렛, 모바일PC등의 모바일 전자기기나 손목시계, 전자기기 기능을 갖춘 스카우터·목걸이·반지, 선바이저 등의 착용품을 들 수 있다. 게다가, 본 발명의 자외선용 수광 디바이스의 초소형·염가의 이점을 살려서 화장용 콤팩트, 손 거울 등에도 내장하여 상품화할 수 있다.
GPS측위부703은, 위성702로부터 송신되는 위치 정보신호를 수신해서 현재 위치를 측위하는 제1의 현재 위치 연산부로서 기능한다.
연산 처리부704는, 걸음 수를 검출하는 상하 가속도 센서708 및 방위를 검출하는 각속도 센서709의 검출 신호가 입력되어서, 이것들에 근거하여 현재 위치를 자율 측위함과 아울러, 네비게이션 처리를 실행한다.
연산 처리부704는, 마이크로컴퓨터, CPU(Central Processing Unit)등으로 구성된다.
기억장치705는, 연산 처리부704에서 실행하는 처리 프로그램을 격납함과 아울러, 연산 처리에서 필요로 하는 기억 테이블을 기억하는 ROM705a, 연산 처리 과정에서 필요로 하는 연산 결과 등을 기억하는 RAM705b 및 네비게이션 처리 종료시의 현재 위치 정보를 기억하는 불휘발성 메모리705c로 구성된다.
표시부706은, 연산 처리부704로부터 출력되는 네비게이션 화상정보를 표시하는 것으로, 액정표시기, 유기EL 표시기등으로 구성된다.
시계부707은, GPS측위부703의 작동시에 GPS측위부703으로부터 출력되는 년/월/일/시각을 나타내는 현재 시각 정보로 보정되는 년/월/일/시각을 표시한다.
연산 처리부704에는, GPS측위부703으로부터 출력되는 현재 위치 정보와, 시계부707으로부터 출력되는 년/월/일/시각을 나타내는 현재 시각 정보와, 휴대 단말장치701을 보유하는 유저의 허리위치에 장착한 가속도 센서708로부터 출력되는 가속도 정보와, 휴대 단말장치701에 장착된 자이로제 등의 각속도 센서709로부터 출력되는 유저의 보행 방향의 방위에 따른 각속도 정보와, 휴대 단말장치701에 조사되는 자외선의 강도를 측정하는 자외선검출수단으로서의 자외선 센서(자외광용 고체 수광 디바이스)710으로부터 출력되는 자외선 강도 정보가 입력된다.
연산 처리부704에는, 외부의 무선통신 기기와 무선통신하는 통신부711이 접속되어 있다.
ROM705a에는, 지역별 위치 정보 기억 테이블 및 지역마다 1년의 월에 대응시켜서 자외선 강도를 나타내는 UV인덱스의 역치를 설치한 UV인덱스 역치 기억 테이블이 격납되어 있다.
기타, ROM705a에는, 자외선 센서710으로 검출한 자외선 강도가 유효한 것인가 아닌가를 판정하는 기준이 되는 밤낮의 경계가 되는 일출 및 일몰 시각을 연산하는 밤낮 판정용 처리 프로그램과, 마찬가지로 자외선 강도가 유효한 것인가 아닌가를 판정하는 기준이 되는 UV인덱스 역치THuv를 산출하는 UV인덱스 역치 산출 프로그램과, 자율 측위 연산을 행하는 자율측위연산용 프로그램과, GPS측위부703에서 연산한 현재 위치 정보 및 자율측위용 프로그램에 의한 자율측위연산 처리로 연산한 현재 위치 정보 중 어느 하나를 선택하는 연산부 선택 처리 프로그램이, 격납되어 있다.
지역별 위치 정보 기억 테이블에는, 전국의 도도부현 이름과, 각 도도부현의 청 소재 지명과, 청 소재지의 위도(N) 및 경도(E)가 기재되어 있다.
UV인덱스 역치 기억 테이블에는, 일본 열도를 4분할한 지역, 즉 삿포로, 쯔쿠바, 카고시마, 나하의 각각에 대해서 1∼4월, 5∼8월 및 9∼12월의 3분할된 월마다 UV인덱스의 역치THuv가 설정되어 있다.
5∼8월에서는 위도에 관계없이 UV인덱스의 역치THuv가 일정 값이지만, 1∼4월 및 9∼12월에서는, 위도가 높아짐에 따라서 UV인덱스의 역치THuv가 작아지도록 설정되어 있다.
또, 연산 처리부704는, 주야로 판정용 처리 프로그램에 따라서 자외선 강도가 유효한 것인가 아닌가를 판별하는 기준이 되는 밤낮 판정용 처리 및 UV인덱스 역치 산출 처리를 실행한다.
이 UV인덱스 역치 산출 처리는, 우선, GPS측위부703에서 현재 위치 정보를 생성하고 있는 것인가 아닌가를 판정한다. GPS측위부703에서 현재 위치 정보를 생성하고 있을 때에는, GPS측위부703에서 연산된 현재 위치 정보를 읽어들이고, 현재 위치가 속하는 지역이 삿포로, 쯔쿠바, 카고시마 및 나하의 4분할 영역의 어느 하나에 속하는지를 결정한다.
다음에, 시계부707로부터 월정보를 읽어들이고, 결정한 4분할 영역의 어느 하나와 월정보를 바탕으로 UV인덱스 역치 기억 테이블을 참조하여 UV인덱스 역치THuv를 산출하고 나서 UV인덱스 역치 산출 처리를 종료한다.
또한, 연산 처리부704는, 자율측위연산을 행하는 자율측위연산용 프로그램에 따라서 자율측위연산 처리를 실행한다.
이 자율측위연산 처리는, 연산부 선택 처리에 의해 자율 연산 처리가 선택되었을 때에 기동되어, 초기 상태에서, 전회의 GPS측위부703에서 측위한 현재 위치를 초기 위치로서 설정하고 나서, 소정의 메인 프로그램에 대한 소정시간(예를 들면 10msec)마다의 타이머 분할 처리로서 실행된다. 즉, 우선, 각속도 센서709에서 검출한 각속도θv를 읽어들이고, 이어서, 각속도θv를 적분해서 방위θ를 산출하고 나서 다음 단계로 이행한다.
이어서, 가속도 센서708에서 검출한 상하 가속도G을 읽어들이고, 상하 가속도G의 변화 패턴으로부터 걸음 수P를 산출하고, 산출한 걸음 수P에 미리 설정한 보폭W를 승산해서 이동 거리L을 산출하고, 산출한 방위θ 및 이동 거리L에 근거해서 현재 위치 정보를 갱신하고, 갱신한 현재 위치 정보를 지도정보에 포개서 표시부706에 표시하고 나서 타이머 분할 처리를 종료해서 소정의 메인 프로그램에 복귀한다.
게다가, 또, 연산 처리부704는, 연산부 선택 처리 프로그램에 따라서 GPS측위부703에서 측위한 현재 위치 정보 및 자율측위연산 처리에서 측위한 현재 위치 정보 중 어느 하나를 선택하는 연산부 선택 처리를 실행한다.
이 연산부 선택 처리에서는, 휴대 단말장치701에 전원이 투입되어서 네비게이션 처리가 선택되었을 때에 실행 개시됨을 선택하는 연산부 선택 처리를 실행한다.
본 발명의 자외광용 고체 수광 디바이스는, 그 소형·경량의 특성을 살리고, 상기에 열거한 정보단말장치의 기타, 화장을 위한 툴인 콤팩트, 휴대 네비게이션 기기, 드라이브 레코더, 등산용의 휴대 기압계·고저차형, 스톱 워치등에도 용이하게 내장할 수 있다.
100, 500, 600, 1100 ...자외광용 개체 수광 디바이스 주요부
100, 200, 400, 500, 600, 1000, 1100 ...자외광용 개체 수광 디바이스
100a ...포토다이오드(PD)
101, 401, 1001 ...반도체 기체
200a, 400a, 501a, 601a, 1002a, 1101a ...제1의 포토다이오드(PD1)
200b, 400b, 501b, 601b, 1002b, 1101b ...제2의 포토다이오드(PD2)
1101c ...제3의 포토다이오드(PD3)
103a ...반도체층 영역(1-1)
103b ...반도체층 영역(2-1)
104a ...반도체층 영역(1-2)
104b ...반도체층 영역(2-2)
105a(1), 105b(1) ...반도체 접합(1)
lO5a(2), 105b(2) ...반도체 접합(2)
106a ...최대 농도위치(1-1)
106b ...최대 농도위치(2-1)
107 ... 표면
108a ...최대 농도위치(1-2)
108b ...최대 농도위치(2-2)
109a ...반도체층 영역(1-3)
109b ...반도체층 영역(2-3)
110a ...층 영역(A1)
110b ...층 영역(A2)
111a ...층 영역(B1)
111b ...층 영역(B2)
403, 1003a, 1003b, 1003c ...차동회로
404a, 404b, 1004a, 1004b, 1004c ...라인
405, 1005a, 1005b, 1005c ...출력단자
701 ...휴대 단말장치
702 ...위성
703 ...GPS측위부
704 ...연산 처리부
705 ...기억장치
705a ...ROM
705b ...RAM
705c ...불휘발성 메모리
706 ...표시부
707 ...시계부
708 ...가속도 센서
709 ...각속도 센서
710 ...자외선 센서(자외광용 고체 수광 디바이스)
711 ...통신부
1002c ...제3의 포토다이오드(PD3)

Claims (10)

  1. 실리콘(Si)을 포함하는 반도체 기체와, 상기 반도체 기체내에 형성된 포토다이오드를 갖고,
    상기 포토다이오드는,
    상기 기체의 이면측으로부터 제1의 도전형의 제1반도체층영역과, 상기 제1반도체층영역과 반도체 결합을 형성하고 있는 제1의 도전형과 다른 제2의 도전형의 제2반도체층영역과, 상기 제2반도체층영역 위에 설치되어 있는 제1의 도전형의 제3반도체층영역을 구비한 층구성을 갖고,
    상기 제2반도체층영역에는, 제2의 도전형의 반도체 불순물이 함유되고,
    상기 제2반도체층영역과 상기 제3반도체층영역에서 반도체 접합이 형성되고,
    상기 제3반도체층영역의 광의 입사측 표면으로부터의 깊이 방향에서의 상기 불순물의 함유 농도분포는, 상기 입사측 표면과 UV-A, UV-B의 광의 흡수가 없다고 간주되는 깊이 위치(A1)와의 사이의 층영역(111a)내에 최대 농도위치(108a)를 갖고, 상기 최대 농도위치(108a)에서의 상기 불순물의 농도는 원자외광의 조사에 의해 발생하는 고정전하에 의해 생기는 전기력선의 모두를 종단시킬 수 있도록 적어도 1×1O19개/㎤ 이상이고,
    상기 포토다이오드의 수광면을 공간적으로 덮는 특정의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 투과층, 및 상기 투과층과 상기 수광면과의 사이에 개재하는 중간층을 수광측에 구비하고,
    상기 중간층은 산화 실리콘 또는 산화 질화 실리콘으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2반도체층영역과 상기 제3반도체층영역 사이의 상기 반도체 결합의 접합 위치는, 자외광의 감도를 높게 하기 위해 상기 입사측 표면 50nm ∼ 80nm 정도의 위치에 형성되고,
    상기 반도체 결합의 접합 위치 부근의 반도체층영역의 불순물의 농도는, 발생하는 암전류를 작게 하기 위해 1×1O17cm-3이하인 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스.
  3. 실리콘(Si)을 포함하는 반도체 기체를 갖고, 상기 반도체 기체내에는 실효상 입체적으로 겹치지 않도록 배치되어 있는 제1의 포토다이오드(PD1)와 제2의 포토다이오드(PD2)가 설치되고, 포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호와 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호가 입력되는 차동신호 처리 수단을 구비하는 자외광용 고체 수광 디바이스에 있어서,
    (A)포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)는 상기 반도체 기체내에 동일한 반도체 제조 프로세스 조건으로 형성된 이력을 갖고,
    (B)각 포토다이오드(PD)는,
    (a)제1의 도전형의 제1반도체층영역과, 상기 제1반도체층영역 위에 설치되어 있는 상기 제1의 도전형과 극성이 다른 제2의 도전형의 제2반도체층영역과, 상기 제2반도체층영역 위에 설치되어 있는 제1의 도전형의 제3반도체층영역을 갖고,
    (b)상기 제2반도체층영역과 상기 제3반도체층영역에서 반도체 접합이 형성되고,
    (c)상기 제1반도체층영역에는, 농도가 층두께 방향으로 분포하고 또한 상기 분포에 최대 농도의 위치가 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물이 함유되고,
    (d)상기 제3반도체층영역에는, 농도가 층두께 방향으로 분포하고 또한 상기 분포에 최대 농도의 위치가 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물이 함유되고,
    (e)상기 제3반도체층영역의 최대 농도의 위치는, 입사측 표면과 UV-A, UV-B의 광의 흡수가 없다고 간주되는 깊이 위치(A1)와의 사이의 층영역(111a)내에 설치되고,
    (f)상기 제3반도체층영역의 최대 농도는, 적어도 1×1O19개/㎤ 이상이고,
    (C)상기 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면을 공간적으로 덮는 제1의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층과, 상기 제2의 포토다이오드(PD2)의 수광면을 공간적으로 덮는 상기 제1의 파장영역과는 다른 제2의 파장영역의 광을 투과하는 제2의 층, 및 상기 제1의 층 및 제2의 층과 상기 수광면과의 사이에 개재하는 중간층을 수광측에 구비하고,
    상기 중간층은 산화 실리콘 또는 산화 질화 실리콘으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1의 층과 상기 제2의 층은, 질소(N), 산소(O) 및 탄소(C)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 원소와, 실리콘(Si)을 포함하고, 또한 상기 제1의 층에는 수소(H)가 함유되어 있고, 상기 제2의 층 중의 수소(H)의 존재량은 상기 제1의 층 중의 수소(H)의 존재량보다도 적은, 자외광용 고체 수광 디바이스.
  5. 실리콘(Si)을 포함하는 반도체 기체를 갖고, 상기 반도체 기체내에는 실효상 입체적으로 겹치지 않도록 배치되어 있는 제1의 포토다이오드(PD1)와 제2의 포토다이오드(PD2)가 설치되어 있고, 포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호와 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호가 입력되는 차동신호 처리 수단을 구비하는 자외광용 고체 수광 디바이스에 있어서,
    (A)포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)는 상기 반도체 기체내에 동일한 반도체 제조 프로세스 조건으로 형성된 이력을 갖고,
    (B)각 포토다이오드(PD)는,
    (a)제1의 도전형의 제1반도체층영역과, 상기 제1반도체층영역 위에 설치되어 있는 상기 제1의 도전형과 극성이 다른 제2의 도전형의 제2반도체층영역과, 상기 제2반도체층영역 위에 설치되어 있는 제1의 도전형의 제3반도체층 영역을 갖고,
    (b)상기 제2반도체층영역과 상기 제3반도체층영역에서 반도체 접합이 형성되고,
    (c)상기 제1반도체층영역에는, 농도가 층두께 방향으로 분포되고 또한 상기 분포에 최대 농도의 위치가 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물이 함유되고,
    (d)상기 제3반도체층영역에는, 농도가 층두께 방향으로 분포되고 또한 상기 분포에 최대 농도의 위치가 설치되어 있는 상태로 반도체 불순물이 함유되고,
    (e)상기 제3반도체층영역의 최대 농도의 위치는, 입사측 표면과 UV-A, UV-B의 광의 흡수가 없다고 간주되는 깊이 위치(A1)와의 사이의 층영역(111a) 내에 설치되고,
    (f)상기 최대 농도위치(108a)에서의 상기 불순물의 농도는, 원자외광의 조사에 의해 발생하는 고정전하에 의해 생기는 전기력선의 모두를 종단시킬 수 있도록 적어도 1×1O19개/㎤ 이상이고,
    (C)상기 제1의 포토다이오드(PD1)의 수광면을 공간적으로 덮는 제1의 파장영역의 광을 선택적으로 투과하는 제1의 층과, 상기 제2의 포토다이오드(PD2)의 수광면을 공간적으로 덮는 상기 제1의 파장영역과는 다른 제2의 파장영역의 광을 투과하는 제2의 층, 및 상기 제1의 층 및 제2의 층과 상기 수광면과의 사이에 개재하는 중간층을 수광측에 구비하고,
    상기 중간층은 산화 실리콘 또는 산화 질화 실리콘으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자외광용 고체 수광 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1의 층과 상기 제2의 층은, 질소(N), 산소(O) 및 탄소(C)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 원소와, 실리콘(Si)을 포함하고, 또한 상기 제1의 층에는 수소(H)가 함유되어 있고, 상기 제2의 층 중의 수소(H)의 존재량은 상기 제1의 층 중의 수소(H)의 존재량보다도 적은, 자외광용 고체 수광 디바이스.
  7. (1)청구항 3에 기재된 자외광용 고체 수광 디바이스를 준비하고,
    (2)포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)에 자외광을 조사해서 각 포토다이오드(PD)로부터의 출력을 얻고,
    (3)포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호와 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호를 차동신호 처리 수단에 입력해서 차동신호(DS)를 형성하고,
    (4)상기 차동신호(DS)에 근거해서 자외광의 조사 광량을 계측하는 것을 특징으로 하는 자외광의 계측방법.
  8. (1)청구항 5에 기재된 자외광용 고체 수광 디바이스를 준비하고,
    (2)포토다이오드(PD1)와 포토다이오드(PD2)에 자외광을 조사해서 각 포토다이오드(PD)로부터의 출력을 얻고,
    (3)포토다이오드(PD1)의 출력에 근거하는 신호와 포토다이오드(PD2)의 출력에 근거하는 신호를 차동신호 처리 수단에 입력해서 차동신호(DS)를 형성하고,
    (4)상기 차동신호(DS)에 근거해서 자외광의 조사 광량을 계측하는 것을 특징으로 하는 자외광의 계측방법.
  9. 청구항 1 내지 6중 어느 한 항에 기재된 자외광용 고체 수광 디바이스를 구비한 전자기기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전자기기는, 통신 기능을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기기.
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