JPH0750431A - 赤外線受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】オプチカルキャビティ構造を有し、分光感度に
谷を有しないショットキー型赤外線受講素子を提供す
る。 【構成】赤外線入射面は梨地状に凹凸を備え、光電変換
部と、絶縁膜を介した反射防止膜から構成する。赤外線
は、入射面が梨地状であるため僅かに散乱し、干渉を生
じない。よって、分光感度に谷を有しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線受光素子に関
し、特に、分光感度特性の優れたショットキー型赤外線
受光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、赤外線受光素子が注目されてい
る。この素子は不可視光線である赤外線を感知または映
像化するもので、各種工業計測、監視、医療、宇宙、防
衛など幅広い分野で期待されている。 これまで、Ｈｇ
ＣｄＴｅやＩｎＳｂを用いた量子型、焦電体物質を用い
た焦電体型、ショットキー接合を利用したショットキー
型等の赤外線受光素子が提案されている。 このうち、
シリコンとのショットキー接合を利用した素子は、完成
度の高いシリコンＶＬＳＩ製造技術を使用でき、また、
モノリシック構造を成しうるものとして注目されてい
る。

【０００３】しかし、シリコンとのショットキー接合を
利用した赤外線受光素子は、量子型赤外線受光素子に比
べて感度が２桁程度低い。そこで、感度の改善がなされ
てきた。オプチカルキャビティ構造のショットキー型赤
外線受光素子は、その一例である。例えば、ＳＰＩＥ
７８２巻 １９８７年 Ｐ１１４〜Ｐ１２０、テレビジ
ョン学会技術報告 １９９２年 Ｐ１９〜Ｐ２４ 等を
参照されたい。

【０００４】図４（断面図）を用いて、従来のオプチカ
ルキャビティ構造のショットキー型赤外線受光素子を説
明する。この図の素子は、裏面入射型である。赤外線１
０１は、素子の裏面より素子に入射する。一般的には、
入射する面に反射防止膜１０を設置する。入射した赤外
線は、光電変換部であるシリサイド層２に到達する。シ
リサイドには白金シリサイドが一般に使用される。入射
した赤外線の一部は、吸収され、キャリアであるホール
と電子を発生する。そのうちのホールは、一部がショッ
トキー接合３を乗り越え、シリコン基板１に入る。 そ
れと同数の電子は、光信号としてガードリング４より出
力される。残りのキャリアは、キャリアの拡散長だけ進
み、シリサイド層２で消滅する。しかし、オプチカルキ
ャビティ構造は、シリサイド層が５ｎｍ以下と非常に薄
い。従って、キャリアがショットキー接合を乗り越える
確率は、シリサイド層の厚い場合に比べて高くなり、感
度は向上する。シリサイド層に到達した残りの赤外線
は、吸収されずに透過する。透過した赤外線は、反射膜
８で反射され、再度シリサイド層２に入射しする。更
に、シリサイド層２と、反射膜８との間で反射をくり返
す。それにより赤外線はキャリアを発生しながら、減衰
していく。反射膜８としては、Ａｌ等の金属が一般に使
用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のオプチ
カルキャビティ構造を持ったショットキー型赤外線受光
素子は、分光感度特性に問題があった。 図６は、その
素子の分光感度特性である。感度は、波長の変化に伴っ
てなだらかに変化するのが好ましい。しかし、従来の素
子は、分光感度の中に分光感度の谷とも呼ぶべき急激に
感度の低下する領域を有していた。そこで、反射膜８を
除くなどの改善案も提案された。しかし、逆に感度が低
下してしまい、解決には至ってない。

【０００６】本発明の目的は、オプチカルキャビティ構
造を有し、分光感度に谷を有しないショットキー型赤外
線受光素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意研究の
結果、分光感度の谷は、入射光と反射光との干渉によっ
て生ずることを初めて突き止めた。すなわち、従来のオ
プチカルキャビティ構造では、シリサイド層に入射した
入射光と、シリサイド層を透過して反射膜によって反射
された反射光との間で、或いは、更に、反射した多重反
射光との間で、干渉が生じていたのである。そして、こ
の干渉により特定の波長領域の分光感度に谷が生じたの
である。

【０００８】本発明者は、研究を進めた結果、赤外線の
入射する面が従来平滑であったところを梨地状にするこ
とで赤外線の入射角を僅かにばらつかせることが、前記
問題を解決することに有効であることを見出し、本発明
を成すに至った。即ち、本発明は、オプチカルキャビテ
ィー構造のショットキー型赤外線受光素子において、梨
地状の赤外線入射面を配置したものである。

【０００９】

【作用】本発明は、これまでとは逆の発想に基づいてい
る。赤外線が入射する面を梨地状にすれば、適度に入射
光が散乱され、干渉を低減することができるのである。
梨地状にされた入射面が、分光感度の谷の解消に有効で
ある理由を図と式を用いて説明する。図５は、従来のオ
チプカルキャビティ構造を有する赤外線受光素子（一
例）の光電変換部を拡大した断面図である。光電変換部
には、白金シリサイド層２を配置する。膜厚は、１〜５
ｎｍである。反射用の金属膜８にはＡｌを使用し、その
膜厚は、１μｍである。 白金シリサイド層２とＳｉＯ
₂ 膜７との界面を界面Ａ２１とし、ＳｉＯ₂ 膜７とＡｌ
膜８からなる界面を界面Ｂ２２とする。

【００１０】まず、入射した赤外線の挙動を説明する。
白金シリサイド層２にθ_PtSiの角度で入射した赤外線１
０１の一部は、白金シリサイド層２にて吸収されるが、
残りは界面Ａ２１に到達する。界面Ａ２１に到達した赤
外線は、反射成分１０２と透過成分１０３に分かれる。
透過成分１０３は、スネルの法則により、白金シリサイ
ドとＳｉＯ₂ の屈折率の比で決定される入射角θ_SiO2で
ＳｉＯ₂ 膜７に入射する。透過した赤外線１０３は、界
面Ｂ２２に到達し、反射して赤外線１０４となる。 赤
外線１０３は、Ａｌ膜８が０．１μｍ以上であればほぼ
全部が反射し、Ａｌ膜８に吸収される成分は、反射成分
に比べてごく僅かである。赤外線１０４は、界面Ａ２１
に到達する。そして、白金シリサイド層２へ透過する成
分１０５と界面Ｂ２２に向かって反射する成分１０６に
分かれる。正確には、赤外線の成分１０５は、シリコン
基板１と白金シリサイドとの界面３でも反射される。し
かし、白金シリサイドの膜厚は、１〜５ｎｍである。
この値は、赤外線の波長の１０^-3倍程度である。従っ
て、界面３での反射は、界面Ａ２１での反射に含めて考
えることができる。以下、同様に界面Ａ２１と界面Ｂ２
２の間の反射を繰り返す。 そのたびに、白金シリサイ
ド層に一部が透過して、赤外線は、減衰していく。

【００１１】次に、界面Ａ２１近傍での干渉の影響を考
える。２つの界面の間で発生する光の干渉に関しては、
反射防止膜などの分野で解析されており、例えば、１９
７９年 サイエンス社発行 村田和美著「光学」（Ｐ４
９、Ｐ７０等）に記載されている。赤外線１０２，１０
５，１０８…の合成振幅ａ_r と、そのエネルギー強度Ｉ
_r は、次の式で表される。なお、初期振幅は、１とす
る。

【００１２】

【数１】

【００１３】

【数２】

【００１４】δは、ＳｉＯ₂ 膜７を一往復することによ
って生ずる位相差を示し、次式で示される。

【００１５】

【数３】

【００１６】ｎ_SiO2、ｄ_SiO2は、ＳｉＯ₂ 膜７の屈折率
と膜厚である。この積は、光学的膜厚と称されている。
ｒ_A は、赤外線１０４，１０７，１１０…の界面Ａ２１
での振幅反射率を示す。ｒ_B は、赤外線１０３，１０
６，１０９…の界面Ｂ２２での振幅反射率を示す。振幅
反射率ｒ_A,ｒ_B は、フレネルの公式より、界面を構成す
る２つの物質の屈折率より決定される。ここでは、ｒ_A
は白金シリサイドとＳｉＯ₂ であり、ｒ_BはＳｉＯ₂ と
Ａｌである。屈折率は、波長により異なるが、白金シリ
サイドの屈折率ｎ_A は、およそ３．５であり、Ａｌの屈
折率ｎ_B は、およそ６である。ここで、ｒ_A ＝−ｒ_B と
仮定する。そして、エネルギー強度の式に代入すると、
次の式が得られる。

【００１７】

【数４】

【００１８】エネルギー強度Ｉ_r は、位相差δによって
変化する。そして、−δ＝（２ｍ−１）π（ただし、ｍ
＝１，２，３…）のとき、Ｉ_r は、極大値となり、−δ
＝２ｍπのとき、Ｉ_r は極小値ゼロである。ここで、ｍ
＝１とすると、エネルギー強度Ｉ_r が極大となるのは、
式３より、 ｎ_SiO2ｄ_SiO2COS θ_SiO2＝λ₁ ／４ のときである。また、Ｉ_r が極小値となるのは、 ｎ_SiO2ｄ_SiO2COS θ_SiO2＝λ₂ ／２ のときである。

【００１９】従来の素子では、左辺は共に一定であり、
λ₁ ／４＝λ₂ ／２、従って、λ₂＝λ₁ ／２となる。
すなわち、ある波長に極大値を持つ従来のオプチカルキ
ャビティ構造の素子は、その１／２波長で必ず極小値を
持っていたのである。図２の分光感度特性を持つ赤外線
受光素子は、光学的膜厚ｎ_SiO2ｄ_SiO2を１μｍとして設
計されている。赤外線を垂直入射、すなわち、入射角θ
_SiO2＝０°で固定するなら、エネルギー強度の極大値
は、４μｍの波長で得られ、極小値は、２μｍの波長で
得られることになる。図６は、 正にこの通りの結果を示
している。なお、ここで言うエネルギー強度とは、干渉
の影響による光エネルギー強度である。受光素子には、
固有の感度特性があり、エネルギー強度の極大値に、感
度の極大が生ずるとは限らない。図６で極大が４μｍに
生じないのは、このためである。

【００２０】ある一定の方向より入射した赤外線は、従
来構造では散乱されない。従って、入射角θ_SiO2は、常
に一定である。しかし、本発明では、梨地状の入射面に
より適度に散乱され、入射角θ_SiO2は、一定にはならな
い。 従って、ｎ_SiO2ｄ_SiO2COS θ_SiO2も一定とはなら
ずに入射角θ_SiO2を中心として適度に平均化される。よ
って、干渉は、生じ難くなり、また、エネルギー強度の
極大値、極小値は、適度に緩和されるのである。

【００２１】以上により、梨地状の入射面は、分光感度
の谷の解消に有効なのである。なお、本発明で言う梨地
状とは、細かな凹凸（好ましくは１０〜１００μｍ程
度）状態を言う。従来の素子は、赤外線が散乱せぬよう
に入射面を平滑な面としていた。これは、入射した赤外
線が効率良く光電変換部に届くための処理である。本発
明の素子は、逆の発想により、適度に散乱を生じさせて
いる。しかし、そのために受光効率が低下することはな
い。これは、故意に散乱させるとは言え、その程度は、
受光効率が低下するほどではないからである。また、従
来の素子と同様に、反射防止膜を本発明の素子に配置し
たり、或いは、反射防止膜の表面を梨地状にすることも
本発明の範疇である。後者の場合、反射防止膜の表面が
入射面となる。

【００２２】本発明において、光電変換部としては、白
金シリサイドの他、例えば、パラジウムシリサイド、イ
リジウムシリサイドや、ＰｔＳｉとＳｉＧｅ、Ｐ⁺⁺Ｓｉ
ＧｅとＳｉによるショットキー接合を利用したもの等が
挙げられる。光電変換部は、オプチカルキャビティ構造
とするため非常に薄く（一般に５ｎｍ以下）なければな
らない。光電変換部の上に例えば、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ等
の絶縁膜を介して反射膜を設ける。反射膜としては、Ａ
ｌの他、例えば、ＷやＣｕ等の金属や、光学干渉理論に
基づく誘電体多層膜からなる反射膜が挙げられる。

【００２３】素子は一つでも、或いは、複数をライン状
に並べたラインセンサ、複数を格子状に並べた撮像素子
としてもよい。梨地状の入射面は、荒い研磨（ラッピン
グ）やエッチング等によって得られる。エッチングは、
プラズマ等を利用するドライエッチングや、溶液を利用
するウェットエッチングが挙げられる。

【００２４】

【実施例】以下、図を引用して実施例により本発明をよ
り具体的に説明する。しかし、本発明は、これらの例に
限られるものではない。図１は、本実施例にかかる素子
の断面図である。この素子は、裏面入射型である。１
は、Ｐ型のシリコン基板で厚みが約３５０μｍである。
２は、光電変換部である白金シリサイド層で膜厚は１〜
５ｎｍである。３は、Ｐ型シリコン１と白金シリサイド
層２との界面で、ショットキーバリアが形成されるショ
ットキー接合である。 ４は、ガードリングと呼称され
るｎ型領域で、暗電流の増加を防止し、また、発生した
キャリアである電子を外部に取り出すものである。５
は、高濃度Ｐ型領域で基板に電位を与えるものである。
６は、シリコンの熱酸化膜である。７は、ＳｉＯ₂ から
なる絶縁層で、膜厚０．７７μｍである。膜厚は、屈折
率を１．３として、赤外線のエネルギー強度が４μｍの
波長で極大になるように設定した。８は、Ａｌからなる
赤外線の反射膜で、膜厚は１μｍである。赤外線の入射
面９は、ラッピング処理により梨地状に仕上げた。 ラ
ッピング処理条件は、水と平均粒径２０μの研磨剤を用
いて圧力４００ｇ／cm² で１０分間処理した。

【００２５】赤外線１１は、素子の裏面より入射する。
梨地状の入射面９により適度に散乱される。入射した赤
外線は、白金シリサイド層２に到達する。そして、赤外
線の一部は吸収される。残りの赤外線は、反射膜８で反
射される。その後、ＳｉＯ₂膜７中で反射をくり返す。
しかし、梨地状の入射面の作用により、干渉は生じな
い。発生したキャリアのうち電子は、ガードリング４を
介して外部に取り出される。図２は、本実施例にかかる
素子の分光感度特性を示す。

【００２６】図３は、本発明による別の実施例にかかる
素子の断面図である。なお、同一の符号は、前の実施例
の素子と同一のものを示す。素子は表面入射型であり、
梨地状の面は表面にある。赤外線１１ａは、素子の表面
より入射する。そして、梨地状の入射面９ａにより適度
に散乱される。入射した赤外線は、白金シリサイド層２
に到達する。そして、赤外線の一部は吸収される。 残
りの赤外線は、反射膜８ａで反射される。その後、シリ
コン基板１中で反射をくり返す。しかし、梨地状にされ
た入射面の作用により、干渉は生じない。発生したキャ
リアのうち電子は、ガードリング４を介して外部に取り
出される。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、分光感
度の谷が解消される。また、裏面入射型素子では、従
来、ラッピング、ポリッシング、反射防止膜の形成を行
って、裏面を平滑化していた。これは、入射した赤外線
が効率良く光電変換部に届くための処理である。しか
し、本発明ではラッピング工程だけで良い。従って、製
造時間を大幅に短縮でき、それに伴い製造コストも削減
できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる赤外線受光素子の断
面図。

【図２】図１の赤外線受光素子の分光感度特性図。

【図３】本発明の別の実施例にかかる赤外線受光素子の
断面図。

【図４】従来の赤外線受光素子の断面図。

【図５】図４の受光部領域を拡大した断面図。

【図６】従来の赤外線受光素子の分光感度特性図。

【符号の説明】

１・・・・・Ｐ型シリコン基板 ２・・・・・白金シリサイド層 ３・・・・・ショットキー接合 ４・・・・・ガードリング（ｎ型領域） ５・・・・・高濃度Ｐ型領域 ６・・・・・熱酸化膜 ７・・・・・ＳｉＯ₂ 膜 ７ａ・・・・ＳｉＯ₂ 膜 ８・・・・・反射膜（Ａｌ） ８ａ・・・・反射膜（Ａｌ） ９・・・・・梨地状の入射面（裏面） ９ａ・・・・梨地状の入射面（表面） １０・・・・・反射防止膜 １１・・・・・赤外線 １１ａ・・・・赤外線 １０１〜１１０・赤外線 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射用の金属膜と非常に薄い光電変換部
   を配置したオプチカルキャビティー構造のショットキー
   型赤外線受光素子において、 赤外線入射面を梨地状としたことを特徴とする赤外線受
   光素子。