JPH02177379A - 赤外線受光素子 - 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】 〔産業の利用分野〕 本発明は、可視光カットフィルターを使用せずに従来か
らの拡散技術により、容易に又認可能な赤外線受光素子
に関するものである。

〔従来の技術及びその問題点〕

従来の結晶系シリコン基板を用いた赤外線受光素子の一
般的な構造は、Ｐ−Ｎ接合したシリコン基板（太陽電池
と同一の”構造）の受光面側に可視光カットフィルター
を形成して、シリコンの分光感度の中の可視光領域の波
長をカットして、赤外線の照射に対応する出力を得てい
た。しかし、このように受光面側に可視光カットフィル
ターをもうけると、コスト的に高価となり、さらにこの
可視光カットフィルターを機械的な殺傷などから保護す
るために受光素子全体をケースシングしなくてはならず
、大型化してしまう。

可視光カットフィルターを設けない赤外線の受光を可能
とする素子として、特開昭５５−５２２７７号公報や特
開昭５５−４６５５６号公報などがある。これらは、シ
リコン基板に２つのＰ−Ｎ接合を形成し、受光面側のフ
ォトダイオードで可視光領域の波長光の変換を、下要側
のフォトダイオードで近赤外領域の波長光の変換を夫々
行っているものである。この下層側のフォトダイオード
において、上述の可視光カットフィルターとして作用す
るものは、基板の厚み及び受光面側のフォトダイオード
であり、それ故、可視光カットフィルターを不要とする
ことができるものであった。

この考え方に基づ〈従来の受光素子の構造が第７図の断
面図である。

Ｐ型シリコン基板６１の受光面側にＰ−Ｎ接合６５が、
また所定深さにＰ−Ｐ”接合が夫々形成されるように、
受光面側からＮ層６２．２層６３及びＰ”層６４の構造
となっている。

しかし、上述の赤外線受光素子は、通常逆バイアス電圧
を印加して使用されるものであり、暗状態の電流を充分
に低くしなくてはならい。

このためには、受光面側からＮ層６２の拡散深さを充分
に厚くし、且つＮ層６２のドービントであるリン原子の
濃度を均一にしなくてはならなかった。これにより、拡
散工程での拡散制御が困難となるという問題点を有して
いた。

また、受光素子の信号の取り出しについて、特開昭５８
−５０７８３号のようにメサ型などの受光素子（第８図
）の場合、基板７１にＰ−Ｎ接合を施す拡散層７２を拡
散し、受光面である拡散層７２に　出力端子７４．７５
を設けて、出力信号を導出していた。

しかしながら、上述の受光素子では、出力端子７４．７
５が受光面側に形成されており、有効受光面積以外に出
力端子を形成すべき面積が必要となり、さらに、計測装
置などに実装した場合には、出力端子からのリード線を
実装装置の内部制御回路、即ち受光素子の裏面側に引き
回さなくてはならず、極めて制約の多い受光素子であっ
た。

〔本発明の目的〕

本発明は、上述の問題点に鑑み案出されたものであり、
その目的は可視光カットフィルターを使用することがな
く、容易な拡散工程によって達成できる赤外線受光素子
を提供するものである。

また別の目的は、チップ化が可能な赤外線受光素子を提
供するものである。

Ｃ問題点を解決するための具体的な手段〕本発明によれ
ば、上述の目的を達成するために、Ｐ型又はＮ型のシリ
コン基板の裏面に、Ｐ−Ｎ接合を形成するためのＮ型又
はＰ型ドーパントによる拡散層を形成し、該基板の受光
面に、基板と同一ドーパントが高濃度に拡散されたフィ
ルター層を形成する赤外線受光素子が提供される。

また、Ｐ型又はＮ型のシリコン基板の裏面に、Ｐ−Ｎ接
合を形成し、且つバイアス電圧が印加される２つの電極
が形成されるように互いに分離した複数個のＮ型又はＰ
型ドーパントによる拡散層を形成し、該基板の受光面に
、基板と同一ドーパントが高濃度に拡散されたフィルタ
ー層を形成した赤外線受光素子が提供される。

〔実施例〕

以下、本発明の赤外線受光素子を図面に基づいて詳細に
説明する。

第１図は本発明に係る赤外線受光素子の構造を示す断面
図である。

本発明の赤外線受光素子は、Ｐ型又はＮ型のシリコン基
板１と、該シリコン基板１の受光面に基板１と同一の導
電型で高濃度にドーパントが拡散された可視カットフィ
ルター屡として作用する第１の拡散層２と、該基板１の
裏面側にＰ型又はＮ型の基板１とＰ−Ｎ接合を形成する
ためＮ型又はＰ型にドーパントが拡散された第２の拡散
層３と、両面に形成された電極４．５とから構成されて
いる。

シリコン基板１は、Ｐ型又はＮ型、例えばＰ型のドーパ
ントが予め混合された基板（以下、Ｐバルクともいう）
である。

Ｐバルク１は、所定濃度のボロン原子が含有した溶融し
たシリコン液より、引き上げ法、キャスト法などの公知
手段で形成したシリコンインゴットを厚み２００〜５０
０μ−でスライスし、さらにスライス両面が弗硝酸溶液
などで処理されたものである。

第１の拡散層２は、Ｐバルク１の受光面側に形成された
同一の導電型の高濃度Ｐゝの層（以下Ｐ“層２）であり
、このＰ″層２の膜厚により、シリコンの分光感度の波
長の下限を決定するフィルター層として作用する。この
Ｐ“層２の膜厚としては、１０〜２０μ慣である。

具体的には、拡散炉中において、例えば三臭化硼素（Ｂ
Ｂｒｉ）、ジボラン（ＢＺ　Ｈ＆　）などの拡散ガス雰
囲気中で気相反応により拡散したり、アルミニウムペー
ストを塗布、焼成後、アルミニウムを除去して、アルミ
ニウム原子などのＰ型ドーパントを拡散ｃｉｏ”個以上
）して形成する。

第２の拡散層３は、Ｐバルク１の裏面に形成された異な
る導電型の高濃度Ｎ゛の層（以下、Ｎ゛層３いう）であ
り、これにより、Ｎ１ＭとＰバルク１とでＰ−Ｎ接合が
形成され、受光面側から入射された長波長の光によって
Ｐバルク１で発生したキャーリアに電界を与えるもので
ある。

具体的には、上述のＰバルク１の受光面側にレジストを
形成し、再度、裏面側及び端面をエツチング処理したの
ち、拡散炉中において、例えばオキシ塩化燐（ＰＯＣｌ
２　）とＯｘ、Ｎｚなどのキャリアガスなどの拡散ガス
雰囲気中で気相反応により拡散して形成する。

電極４．５は、Ｐ−Ｎ接合によって発生したキャリアを
捕集するものであり、受光面のＰ″層２及び裏面のＮ＋
層３にそれぞれオーミックに接合し得る全屈材料で形成
される。そして、受光面側の電極４は、表面側から充分
に赤外光が照射されるように受光面の一部又は櫛形上に
形成され、また、裏面側の電極５は、裏面との抵抗成分
を極小化せしめるために、その全面に形成される。

以上の構造の赤外線受光素子において、受光面であるＰ
＋層層側側ら光が入射されると、Ｐバルク１内に電子−
正孔対が生成され、電子は、Ｎ４層３とＰバルク１とで
形成されたＰ−Ｎ接合の電界によってＮ＋層３に捕集さ
れ、正孔は、Ｐ”Ｂ２に捕集される。

一方、結晶系のシリコン基板は、入射波長に対して固有
の吸収係数の関係（第２図）を有し、第２図より短波長
の光はシリコン基板の浅いところで吸収される。即ち、
本発明の赤外線受光素子においては、受光面側の浅い部
分には、高濃度にドープされたＰ″Ｎ２が形成されてい
るため、このＰ”　Ｆ２で吸収された比較的短い波長を
有する光によって生成される電子−正孔対は直ちに消滅
し、Ｐ゛層２吸収領域の波長光に対する光電流は、全光
電流より減衰することになる。即ち、このＰ゛層２厚み
を制御して可視光領域の波長の感度を有効にカットする
ことができる。

第３図は、７００ｎｍの波長光における基板の深さに対
する減衰（吸収）状況を示す特性図である。°入射光の
減衰率ｄ＝ｅ−”で表される。

（α：吸収係数、Ｘ：表面からの距離）図より、波長７
００　ｎｍの光は、表面からＩＯμ階の深さでは、照射
時の１／１０にまで減衰してしまい、殆どが吸収されて
しまう。

このことにより、本発明におけるＰ″層２の厚みは、波
長７００　ｎｍという可視光領域で赤色成分の多い光を
減衰させるに充分な厚みである１０μｍ以上あればよい
。尚、該厚みの上限は、拡散工程における処理時間や拡
散の均一性に鑑みせいぜい５０μｌ未満で充分である。

第４図は、本発明の赤外線受光素子の分光感度を示す。

尚、線ＡはＰ＋層２の厚みを１０μｌに設定し、線Ｂは
２７層２の厚みを３μｍに設定した。また線Ｃは本発明
の赤外線受光素子の裏面（Ｎ’層側）を受光側とした時
の参考例である。

図より、線Ａ及び線Ｂ゛はいづれも１１０００ｎの波長
光に感度ピークを有していおり、赤外光に対して充分な
感度がある。また、線Ａと線Ｂとでは感度波長の下限に
違いがあるが、これは上述のように、Ｐ＋層２の厚みに
よる減衰の差によるものである。

また、この分光感度の違いは、バルク比抵抗及び基板の
厚みのさによってもあられれる。例えばバルク比抵抗が
１０ΩＣＯ＋の場合、少数キャリアの拡散長は２３２μ
ｌであり、Ｐ″ＦＦ２／Ｐバルク１界面近傍で発生した
キャリアは基板の厚みが２００μｍ前後の場合、Ｐ−Ｎ
接合まで到達し、光電流に寄与する。

一方、バルク比抵抗が０．１ΩＣ＠の場合、少数キャリ
アの拡散長は５２μｍであり、２０層２／Ｐバルク１界
面近傍で発生したキャリアはＰ−Ｎ接合まで到達しない
ため、光電流に寄与しない。

従って、バルクの比抵抗、厚み及びＰ″層２の厚みによ
って分光感度が決定されることになり、バルクの比抵抗
によるキャリアの拡散長を考慮して、バルクの厚み及び
２１層２の厚みを所定値に設定すればよい。

尚、本実施例（第３図及び第４図の特性を示す赤外線受
光素子）では、バルクの比抵抗が５ΩＣＩＩＩ。

バルクの厚み４５０μｍのＰ型シリコン単結晶基板を使
用した。

これにより、本発明では、赤外光に充分の感度ピークを
有し、さらにノイズと成り得る可視光領域のカットでき
るので精度の高い赤外線受光素子が達成できる。

本発明によれば、受光面側のＰ゛層２厚み、バルクの比
抵抗、バルクの厚みにより、波長感度を制御して、且つ
裏面表面に拡散形成したＮ０層３により形成されるＰ−
Ｎ接合で生成したキャリアを捕集しているため、製造上
、受光面側及び表面側に夫々公知の拡散又はイオン打ち
込み技術を使って容易に且つ安定して製造することがで
きる。

また、本発明は受光面から有効なキャリアの生成に寄与
するＰＦ部分までの深さ及びキャリアを捕集するための
Ｐ−Ｎ接合部分までの深さが充分にあるため、受光面の
耐衝撃性の保護樹脂などがなくとも、衝撃や外傷による
接合破壊が一切なく、特性的に安定な赤外線受光素子が
達成される。

また、計測装置に実装する際に、表面カバーが不要とな
り、装置への実装が極めて田単になる。

第５図は本発明に係る赤外線受光素子のメサ型構造を示
す断面図である。尚、第１図の赤外線受光素子と同一部
分は同一符号を付す。

本実施例の赤外線受光素子は、Ｐ型又はＮ型のシリコン
基板１と、該シリコン基板１の受光面に基板１と同一の
導電型で高濃度にドーパントが拡散された第１の拡散層
２と、該基板１の表面側にＰ型又はＮ型の基板１とＰ−
Ｎ接合を形成するためＮ型又はＰ型にドーパントが拡散
された少なくとも島状に分離した第２の拡散層（Ｎ″屡
）３ａ、３ｂと、該第２の拡散Ｆ３ａ、３ｂに形成され
、外部電源よりバイアス電圧が印加される電極４ａ、４
ｂとから構成されている。即ち、本実施例は、電極４ａ
、４ｂが裏面側に配置されている赤外線受光素子である
。

Ｎ”Ｂ３ａ、３ｂは、Ｐバルク１の裏面側に１、その間
に漏れ電流が発生しないように互いに分離して形成され
ている。

具体的には、上述のように拡散炉中において、例えばオ
キシ塩化燐（ＰＯＣｈ　）と０□、Ｎ２などのキャリア
ガスなどの拡散ガス雰囲気中で気相反応により拡散して
形成した後、Ｎ＋層３ａ、３ｂが所定形状となるように
、Ｐバルク１の裏面側を弗酸溶液などでエツチング処理
して形成される。

電極−４ａ、４ｂは、該Ｎ”Ｂ３ａ、３ｂ上に夫々形成
されている。具体的には、金属電極４ａ、４ｂはＮ＋層
３ａ、３ｂ上にマスクを装着し、ニッケル、アルミニウ
ム等の金属を装着したり、Ｎ”Ｆｊ３ａ、３ｂ上にニッ
ケル、アルミニウム等の金属膜を被着した後、レジスト
・エツチング処理したりして所定パターンに形成された
り、厚膜手法を利用してニッケル、アルミニウム、銀等
の金属粉末などが含有した導電性ペーストをＮ″層３ａ
、３ｂ上に塗布・乾燥・焼成してされる。

そして、電極４ａ、４ｂ間に外部回路（図示せず）から
一定のパイアズ電圧を印加しておく。

６は、裏面保護樹脂であり、裏面側からの光の入射を阻
止し、表面側からの入射光を正確に検出するためのもの
であり、その材料はアクリル、エポキシなどの樹脂材に
遮光性顔料を混合したものが使用される。

以上のように、本実施例の素子は、Ｐ−Ｎ接合されたダ
イオードａと、ダイオードｂとが互いに抱き合わされた
構造になっている。

次に、本発明の赤外線受光素子の動作について説明する
。

今、ダイオードａの電極４ａに＋、ダイオードｂの電極
４ｂに−でバイアス電圧をかけておくと、ダイオードａ
側には逆バイアスが、ダイオードｂには順バイアスがか
かることになる。

暗状態において、電極４ａ、４ｂ間の抵抗はダイオード
ａの逆方向抵抗Ｒａとダイオードｂの順方向抵抗Ｒｂの
和になり、電極４ａ、４ｂ間に流れる電流は、該抵抗（
Ｒａ＋Ｒｂ）とバイアス電圧によって定まる。

上述の赤外線受光素子のＰ″府２側より光照射される明
状態（Ｐ″層２を透過し得る長波長光が照射された状態
）では、ダイオードａ及びダイオードｂに夫々キャリア
が生成され、光起電力が生じるが、互いに逆電位である
ため相殺され、実際には光起電流は流れない。しかし、
電極４ａ、４ｂ間にバイアス電圧が印加されているので
、ダイオードａに逆方向光電流が発生する。なお、ダイ
オードｂは順方向抵抗から成る抵抗体となる。

そして、２つの電極４ａ、４ｂ間の電流はダイオードａ
の電極４ａ−Ｎ”層３ａ−Ｐ−Ｎ接合−Ｐバルク１−ダ
イオードｂのＰ−Ｎ接合−Ｎ１層３ｂ電極４ｂに流れる
。

第６図は、本発明の他の実施例であるプレーナ型赤外線
受光素子の構造を示す断面図である。

第５図のメサ型赤外線受光素子の構造との相違部分は、
基板１の裏面側にＰ−Ｎ接合を形成するだめの、Ｐ型ド
ーパントの拡散工程及びその後工程である。

２１層２３ａ、２３ｂは、Ｎバルク２１の裏面に、互い
に分離して形成された異なる導電型の高濃度の拡散層で
ある。この２つのＰ″層２３ａ、２３ｂは、その間に漏
れ電流が発生しないように充分に離れて形成されている
。

このＰ＋層２３ａ、２３ｂは次のような工程により形成
される。先ず、Ｎ″層２２を形成したＮバルク２１全体
に酸化シリコン膜２８を形成する。

次に、Ｐ＋層２３ａ、２３ｂ部分の酸化シリコン膜２８
を弗酸等で除去する。さらに、拡散炉中において、例え
ば三臭化硼素（ＢＢｒ：＋）などの拡散ガス雰囲気中で
気相反応により、該酸化シリコン膜２８から露出するＮ
バルク２１表面より拡散し、Ｐ”Ｆｆ２３ａ、２３ｂを
所定深さに拡散する。

以上のように、電極４ａ、４ｂが赤外線受光素子の裏面
側に形成されているため、実装が容易となり、電極表面
を半田層形成により、簡単なチップ部品が可能となる。

尚、第二の実施例（メサ型）では、シリコン基板にＰバ
ルクを用いて、受光側からＰ″層−ＰＦｊ−Ｎ層層の構
造となっているが、シリコン基板にＮバルクを用いて、
受光側からＮ“層−Ｎ層−Ｐ゛厄の構造としてもよい。

また、第三の実施例（プレーナ型）では、酸化シリコン
とシリコン基板の反転層の影響があるため、Ｎバルクを
使用することが望ましい。また、シリコン基板は、単結
晶及び多結晶のいずれにおいても分光感度が可視光領域
により長波長側にも延びているために、両者ともに使用
される。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明はＰ型又はＮ型のシリコン基板の
裏面に、Ｐ−Ｎ接合を形成するためのＮ型又はＰ型ドー
パントによる拡散層を形成し、該基板の受光面に、基板
と同一ドーパントが高濃度に拡散されたフィルター層を
形成したため、基板と同一ドーパントが高濃度に拡散さ
れたフィルター層の厚み制御により、赤外光に対してノ
イズ成分となる可視光領域の光を完全にカットできるの
で高精度の赤外光の検出が可能となる。

また、受光面側の拡散層及び裏面側より、拡散するとい
う極めて簡単な装造により達成できる赤外線受光素子で
ある。

さらに、電極４ａ、４ｂが赤外線受光素子の裏面側に形
成されているため、実装が容易となり、電極表面を半田
層形成により、簡単なチップ部品が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る赤外線受光素子の構造を示す断面
図である。 第２図は結晶系のシリコンの入射波長に対して固有の吸
収係数の関係を示す特性図である。 第３図は本発明の赤外線受光素子における７００ｎｍの
波長における基板の深さに対する減衰状況を示す特性図
である。 第４図は本発明の赤外線受光素子の分光感度を示す特性
図である。 第５図は本発明に係る第二の実施例の赤外線受光素子の
断面図である。 第６図は本発明に係る第三の実施例の赤外線受光素子の
断面図である。 第７図及び第８図は従来の受光素子の構造を示す断面図
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｐ型又はＮ型のシリコン基板の裏面に、Ｐ−Ｎ接
   合を形成するためのＮ型又はＰ型ドーパントによる拡散
   層を形成し、該基板の受光面に、基板と同一ドーパント
   が高濃度に拡散されたフィルター層を形成したことを特
   徴とする赤外線受光素子。
2. （２）Ｐ型又はＮ型のシリコン基板の裏面に、Ｐ−Ｎ接
   合を形成し、且つバイアス電圧が印加される２つの電極
   が形成されるように互いに分離した複数個のＮ型又はＰ
   型ドーパントによる拡散層を形成し、該基板の受光面に
   、基板と同一ドーパントが高濃度に拡散されたフィルタ
   ー層を形成したことを特徴とする赤外線受光素子。