JP4338542B2 - 受光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、赤外から可視光の光を受光することができる受光素子にかかわり、特に、短波長の光をモニターする用途に好適な受光素子に関する。
赤外から赤色の波長を持つレーザ光の出力をモニターする受光素子は、シリコンからなる半導体基板に、Ｐ，Ｎ型の不純物を拡散させてＰＩＮ構造の受光素子として利用している（例えば特許文献１参照）。このような受光素子は、図１０に示すように、低濃度のＮ型不純物を含んだシリコン製の半導体基板１００の表面に、Ｂ（ボロン）等のＰ型不純物を高濃度に拡散させてＰ型高濃度不純物層１０１とそれらを覆う絶縁膜１０２を形成し、絶縁膜１０２の一部にコンタクトホール１０３を形成し、これを介してＰ型電極１０４を接続することによって一定面積の受光領域を形成する。半導体基板１００の裏側にＰ（燐）等のＮ型不純物を高濃度に拡散させてＮ型高濃度不純物層１０５を形成し、これにＮ型電極１０６を接続して受光素子を構成している。
このような受光素子を波長が短い青、青紫のＬＥＤやレーザダイオードのモニター用に用いると、受光素子表面、特に高濃度不純物層１０１での光吸収が大きいため、赤や赤外の波長における感度に比べて１／５程度の感度しか得られない。
特開平４−７６９６４号公報
そこで本発明は、受光素子の感度を高め、青や青紫の短波長の光を効率的に受光して感度を高めること、並びにそれに適した構造を提供することを課題とする。
本発明の受光素子は請求項１に記載の様に、低不純物濃度の半導体基板に高濃度の一導電型不純物層と逆導電型不純物層を形成し、電極に接続した一導電型の高濃度不純物層を基板表面に配置して一定面積の受光領域を形成したＰＮ型あるいはＰＩＮ型の受光素子において、前記受光領域の中に前記半導体基板の低濃度不純物層が基板表面に露出する低濃度層露出領域を複数形成し、これらの低濃度層露出領域を前記受光領域に分散して配置するとともに、前記電極に接続した高濃度不純物層を前記電極を中心として前記受光領域の全体に亘って放射状に延びるように配置し、前記電極を前記受光領域の中央に配置し、この電極を囲むように前記低濃度層露出領域を分散して配置したことを特徴とする。
本発明によれば、短波長の光であっても受光素子表面での光吸収が抑制されるので、感度を高めることができる。電極を受光領域の中央に配置し、この電極を囲むように前記低濃度層露出領域を分散して配置し、露出領域と高濃度層の配置を適正化することによって、感度を高めるに適した構造を提供することができる。特に、高濃度不純物層を電極を中心として受光領域の全体に亘って放射状に延びるように配置したので、光電流を高濃度不純物層によって効率よく電極に集めることができる。
以下本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態を示す平面図、図2は図1のＡ−Ａに沿った断面図、図3は図1のＢ−Ｂに沿った断面図である。これらの図において、受光素子1は、低濃度の不純物を含んだシリコン製の半導体基板２にＰ型とＮ型の不純物を拡散させてＰＮ型あるいはＰＩＮ型の受光素子としている。
半導体基板２は、Ｉ層として機能するに必要な低濃度の不純物を含む単結晶シリコンによって構成している。半導体基板２はＮ型とされ、その不純物濃度は例えば４×１０12ｃｍ-3以下としている。
半導体基板２の表面の大部分に、所定形状の拡散マスクを用いてＢ（ボロン）等のＰ型不純物を高濃度に拡散させることによってＰ型高濃度不純物層３を形成している。Ｐ型高濃度不純物層３の厚さは１〜２μｍとされ、不純物濃度は例えば約１×１０20ｃｍ-3としている。このＰ型高濃度不純物層３が半導体基板２の表面に一定面積の受光領域４を形成する。Ｐ型高濃度不純物層３が形成された半導体基板２の表面を覆うように、窒化シリコンや酸化シリコン等からなる絶縁膜５を形成している。受光領域４上の絶縁膜５の一部にコンタクトホール６を形成し、これを介してＰ型電極７をＰ型高濃度不純物層３にオーミック接続している。半導体基板２の裏側にＰ（リン）等のＮ型不純物を高濃度に拡散させてＮ型高濃度不純物層８を形成し、これにＮ型電極９をオーミック接続している。Ｎ型高濃度不純物層８の厚さは２０〜５０μｍとされ、不純物濃度は例えば約１×１０20ｃｍ-3としている。
通常の場合、受光領域４は一導電型（この例ではＰ型）の不純物層で埋め尽くされるが、この不純物層が光（特に青色〜青紫の波長付近の短波長）の吸収層として作用するので、本発明ではその光吸収を抑制するための低濃度層露出領域１０を受光領域４に複数形成している。この低濃度層露出領域１０は、前記半導体基板２を構成する低濃度不純物層が基板表面に露出することによって構成される。低濃度層露出領域１０は、高濃度不純物層３を選択拡散によって形成する際のマスクパターンの形状を変更することによって形成される。この実施形態は、低濃度層露出領域１０を微小な正方形状あるいは長方形状とし、それらを受光領域４の略全体にわたって２次元のマトリックス状に分散して配列している。よって、受光領域に入射する光の一部は、この低濃度層露出領域１０を通って入射するので、高濃度不純物層３における光吸収が抑制される。
前記電極間に一定の逆バイアスを印加させると、半導体基板のＩ層として機能する低濃層部分において、入射した光のエネルギーによって正負のキャリアが発生し、前記逆バイアスによって正負キャリアが各々Ｐ、Ｎ高濃度不純物層の一方に移動することによって光電流が発生する。このような光電変換によって入射した光が電気に変換される。
図４、５は、低濃度層露出領域１０の形状を変更した別の実施形態を示す。他の構成は先の実施形態と同じであるので、相違点を中心に説明する。図４に示す実施形態は、低濃度層露出領域１０の形状を帯状として前記受光領域４に一定の方向に分散して配置したことを特徴とする。低濃度層露出領域１０を受光領域４に分散して配置することによって、受光領域の全体に亘って光の変換効率を高めることができる。
図５に示す実施形態は、低濃度層露出領域１０を帯状として前記受光領域に複数の方向に分散して配置したことを特徴とする。すなわち、縦長と横長の低濃度層露出領域１０を受光領域４の対角線の一方を境界に区分けして配置したことを特徴とする。低濃度層露出領域１０を受光領域４に分散して配置することによって、受光領域４の全体に亘って光の変換効率を高めることができる。
図１、図５に示す実施形態は、電極７を中心として高濃度不純物層３（低濃度層露出領域１０と１０の間に位置する）が放射状に延びている点で共通している。このように高濃度不純物層３が電極７を中心として受光領域４の全体に亘って放射状に延びているので、光電流を高濃度不純物層３によって効率よく電極７に集めることができる。
図６、７は、低濃度層露出領域１０の形状と電極７の配置を変更したさらに別の実施形態を示す。ここで、図７は、図６のＣ−Ｃに沿った断面図である。他の構成は先の実施形態と同じであるので、相違点を中心に説明する。図６、７に示す実施形態は、電極７を受光領域４の中央部に配置し、この電極７を囲むように低濃度層露出領域１０を環状に分散配置したことを特徴とする。低濃度層露出領域１０を受光領域４に分散して配置することによって、受光領域の全体に亘って光の変換効率を高めることができる。電極７を囲むように配置した低濃度層露出領域１０を完全な環ではなく、その一部が高濃度不純物層３によって分断された形状とすることによって、図１，５に示す形態と同様に、高濃度不純物層３が電極７を中心として受光領域４の全体に亘って放射状に延びた形態とすることができるので、光電流を高濃度不純物層３によって効率よく電極７に集めることができる。
図８、９は高濃度不純物層８と電極９の形状と配置を変更したさらに別の実施形態を示す。ここで、図９は、図８のＤ−Ｄに沿った断面図である。他の構成は先の実施形態と同じであるので、相違点を中心に説明する。図８，９に示す実施形態は、半導体基板２の裏側に配置していた高濃度不純物層８と電極９を電極７とともに半導体基板２の表側に配置したことを特徴とする。高濃度不純物層８は、受光領域４の外側に一定の間隔を持って環状に配置している。電極９は、絶縁膜に形成したコンタクトホールを介して高濃度不純物層８にオーミック接続している。電極７，９を同一面に配置することによって、電極配置の自由度を高めることができる。また、ＰＮ層の配置が、図１から７に示す実施形態では基板の厚さ方向であるのに対して、図８，９に示す実施形態では基板の表面と同方向であるので、ＰＮ接合の配置自由度を高めることができる。
上記実施形態においては、低濃度層露出領域１０を拡散マスクの変更によって選択的に形成したので、半導体基板２の表面が平坦となる。
低濃度層露出領域１０は、受光領域４の前面に高濃度不純物層を形成後に、この層を選択的に除去して基板表面に凹凸を形成することによって形成することも可能である。上記実施形態はシリコン半導体を用いる場合を例示したが、それ以外の半導体を用いて受光素子を形成する場合にも本発明を適用することができる。また、上記の不純物のＰ、Ｎの極性を反対の極性に変更することもできる。
低濃度層露出領域１０は、受光領域４の前面に高濃度不純物層を形成後に、この層を選択的に除去して基板表面に凹凸を形成することによって形成することも可能である。上記実施形態はシリコン半導体を用いる場合を例示したが、それ以外の半導体を用いて受光素子を形成する場合にも本発明を適用することができる。また、上記の不純物のＰ、Ｎの極性を反対の極性に変更することもできる。
赤外から可視光に受光感度を持つ受光素子に利用することができる。青色から青紫に波長を有するＬＥＤやレーザダイオードのモニター用の受光素子として利用することができる。
１ 受光素子
２ 半導体基板
３ 一導電型高濃度不純物層
４ 受光領域
５ 絶縁膜
６ コンタクトホール
７ 電極
８ 逆導電型高濃度不純物層
９ 電極
１０ 低濃度層露出領域
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Claims (1)
- 低不純物濃度の半導体基板に高濃度の一導電型不純物層と逆導電型不純物層を形成し、電極に接続した一導電型の高濃度不純物層を基板表面に配置して一定面積の受光領域を形成したＰＮ型あるいはＰＩＮ型の受光素子において、前記受光領域の中に前記半導体基板の低濃度不純物層が基板表面に露出する低濃度層露出領域を複数形成し、これらの低濃度層露出領域を前記受光領域に分散して配置するとともに、前記電極に接続した高濃度不純物層を前記電極を中心として前記受光領域の全体に亘って放射状に延びるように配置し、前記電極を前記受光領域の中央に配置し、この電極を囲むように前記低濃度層露出領域を分散して配置したことを特徴とする受光素子。
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Applications Claiming Priority (1)
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