JPS5946111B2 - Photodetection semiconductor device - Google Patents
Photodetection semiconductor deviceInfo
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- JPS5946111B2 JPS5946111B2 JP52014874A JP1487477A JPS5946111B2 JP S5946111 B2 JPS5946111 B2 JP S5946111B2 JP 52014874 A JP52014874 A JP 52014874A JP 1487477 A JP1487477 A JP 1487477A JP S5946111 B2 JPS5946111 B2 JP S5946111B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は光検出半導体装置に関し、特に紫外から近赤外
の広い波長領域において高い光電変換効率を示す高安定
且つ高信頼なシリコンフォトディテクタに関するもので
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a photodetection semiconductor device, and particularly to a highly stable and reliable silicon photodetector that exhibits high photoelectric conversion efficiency in a wide wavelength range from ultraviolet to near infrared.
従来提案されている拡散接合型シリコンフォトディテク
タは、主として可視光を検出するのに適した安定で且つ
信頼性ある素子であるが、紫外領域の光に対して良好な
応答を示さない欠点を有する。Conventionally proposed diffusion bonding type silicon photodetectors are stable and reliable elements suitable for detecting mainly visible light, but have the drawback that they do not respond well to light in the ultraviolet region.
これは、シリコンの紫外波長光に対する吸収係数が極め
て大きいので入射光が受光表面から約1000λ以内で
ほとんど吸収されてしまうことに1つの原因がある。受
光表面近傍で光励起された電子一正孔対は表面再結合速
度が大きいので、そのほとんどのものがpn接合に到達
する前に再結合により消滅してしまう。従つて受光表面
から約1μm以上の深さに拡散pn接合が形成されてい
る通常のシリコンフォトディテクタはその紫外感度が低
下せざるを得なかつた。一方、このような拡散接合型フ
ォトディテクタとは別に高い紫外感度を有するフォトデ
ィテクタとして5102−51界面に生ずる反転層を利
用したものやショットキバリヤを利用したものが提案さ
れているが、この種の素子は、半導体の表面又は界面の
現象を利用しているため安定性、信頼性に欠けるという
問題点をもつている。One reason for this is that silicon has an extremely large absorption coefficient for ultraviolet wavelength light, so that most of the incident light is absorbed within about 1000λ from the light-receiving surface. Since the electron-hole pairs photoexcited near the light-receiving surface have a high surface recombination speed, most of them disappear due to recombination before reaching the pn junction. Therefore, a typical silicon photodetector in which a diffused pn junction is formed at a depth of about 1 μm or more from the light-receiving surface has to suffer from a decrease in its ultraviolet sensitivity. On the other hand, apart from such a diffusion bonding type photodetector, photodetectors with high ultraviolet sensitivity that utilize an inversion layer formed at the 5102-51 interface and a Schottky barrier have been proposed, but these types of devices are , which utilizes phenomena on the surface or interface of a semiconductor, has the problem of lacking stability and reliability.
本発明の目的は、上記した従来技術の利点を維持しつつ
欠点をなくし、紫外領域を含む広い範囲にわたつて高い
光感度を示す高安定且つ高信頼なシリコンフォトディテ
クタを提供することにある。An object of the present invention is to provide a highly stable and highly reliable silicon photodetector that maintains the advantages of the prior art described above while eliminating its disadvantages, and exhibits high photosensitivity over a wide range including the ultraviolet region.
本発明は、拡散接合型シリコンフォトディテクタにおい
てpn接合形成深さと拡散層のシート抵抗とを特定する
ことにより従来の反転層型フォトディテクタの紫外感度
をこえる高い紫外感度を達成しうるという知見に基づく
ものである。発明者等の研究によれば、第1図に示すよ
うに、従来の反転層型フォトディテクタで到達された紫
外感度レベルBをこえるためには、pn接合の深さが、
0.05〜0.2μmの範囲で且つその接合を形成する
拡散層のシート抵抗が500〜5000Ω/口の範囲に
あればよいことが判明した0な訃、第1図において、感
度測定波長は220nmであり、カーブA訃よびCはそ
れぞれ、接合深さが0.05〜0.2μmである拡散接
合型フオトデイテクタに訃ける拡散層のシート抵抗卦よ
びPn接合の深さと紫外感度との関係を示している0拡
散層のシート抵抗ふ一よびPn接合の深さは一般に不純
物濃度に関係しており、上記のシート抵抗500〜50
00Ω/口は約1×1017〜1×1020CTL′″
3の不純物濃度に相当する。The present invention is based on the knowledge that high ultraviolet sensitivity exceeding that of conventional inverted layer photodetectors can be achieved by specifying the pn junction formation depth and the sheet resistance of the diffusion layer in diffusion bonding silicon photodetectors. be. According to the research conducted by the inventors, as shown in Figure 1, in order to exceed the ultraviolet sensitivity level B reached by the conventional inverted layer photodetector, the depth of the p-n junction must be
In Figure 1, the sensitivity measurement wavelength is 220 nm, and curves A and C respectively represent the relationship between the sheet resistance of the diffusion layer in a diffusion bonded photodetector with a junction depth of 0.05 to 0.2 μm, and the relationship between the depth of the Pn junction and the ultraviolet sensitivity. The sheet resistance value of the zero diffusion layer shown and the depth of the Pn junction are generally related to the impurity concentration, and the sheet resistance value is 500 to 50.
00Ω/mouth is approximately 1x1017~1x1020CTL'''
This corresponds to an impurity concentration of 3.
このように、本発明による拡散層は不純物濃度が1×1
017〜1×1020c7n−3の範囲にあり、かつ拡
散深さが0.05〜0,2μmの間にある特性を有し、
シート抵抗が500〜5000Ω/口になるような特徴
を有する。In this way, the diffusion layer according to the present invention has an impurity concentration of 1×1
017 to 1×1020c7n-3, and has a diffusion depth of 0.05 to 0.2 μm,
It has a characteristic that the sheet resistance is 500 to 5000Ω/mouth.
こうした特徴を持つ拡散層が形成される場合には、拡散
層内に発生する欠陥が少なくなるので再結合の割合が低
減し、しかも層抵抗による電流の制限が低減され、その
結果、紫外感度が大幅に向上される。その他、第2図に
示すように厚さtの拡散層内において深さ方向に漸減す
る不純物濃度の分布を形成することにより拡散層内での
静電的ポテンシヤルが位置によつて異なるため、結果的
にはバンドが傾斜し、ドリフト効果が作用するようにな
ること、}よび、接合の拡散電位によつて生じる電界効
果が相乗して、拡散層内でドリフト電界が発生し、光励
起されたキヤリアはドリフトによつてすみやかに移動し
、発生後短時間のうちに接合にとらえられるため、再結
合する割合が極めて小さくなることなども紫外感度の向
上に寄与しているものと考えられる。なお、第2図に卦
いて、CB,EF,VBはそれぞれ伝導帯、フエルミ準
位、価電子帯を示す〇しかし、もし、表面不純物濃度が
上述した値よりも高過ぎると欠隔が発生し、再結合速度
が早くなる欠点が生じる。一方、不純物濃度が低すぎる
と拡散層の抵抗が大きくなるため、光電流は抵抗により
制限される。また、拡散深さが深すぎる場合には、キヤ
リアが接合に到達するまでの距離が長くなること、}よ
びそのために拡散層の表面近くでは電界効果が有効に作
用しなくなり、キヤリアの再結合割合が増大する。一方
、拡散深さが浅すぎる場合には層抵抗が大きくなること
や表面の影響を受け易くなるため、光電流は抵抗によつ
て制限されると共に、受光表面状態によつて変化しフ不
安定となる。When a diffusion layer with these characteristics is formed, fewer defects occur in the diffusion layer, which reduces the recombination rate, and also reduces current limitation due to layer resistance, resulting in improved ultraviolet sensitivity. Significantly improved. In addition, as shown in Figure 2, by forming a distribution of impurity concentration that gradually decreases in the depth direction within the diffusion layer of thickness t, the electrostatic potential within the diffusion layer differs depending on the position. In other words, the band tilts and a drift effect comes into play, and the electric field effect caused by the diffusion potential of the junction combine to generate a drift electric field within the diffusion layer, which increases the optically excited carrier. It is thought that this also contributes to the improvement of ultraviolet sensitivity, such as the fact that the particles move quickly due to drift and are captured by the junction within a short time after generation, so the rate of recombination is extremely small. In addition, in Figure 2, CB, EF, and VB indicate the conduction band, Fermi level, and valence band, respectively. However, if the surface impurity concentration is higher than the above value, a gap will occur. , the disadvantage is that the recombination speed becomes faster. On the other hand, if the impurity concentration is too low, the resistance of the diffusion layer increases, so the photocurrent is limited by the resistance. In addition, if the diffusion depth is too deep, the distance for the carriers to reach the junction becomes long, and as a result, the electric field effect does not work effectively near the surface of the diffusion layer, and the recombination rate of the carriers decreases. increases. On the other hand, if the diffusion depth is too shallow, the layer resistance increases and it becomes susceptible to surface effects, so the photocurrent is limited by the resistance and changes depending on the state of the light-receiving surface, making the photocurrent unstable. becomes.
以下、添付図面に示す実施例について本発明を詳述する
。The invention will now be described in detail with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
第3図は、本発明の一実施例によるシリコンフオトダイ
オードの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a silicon photodiode according to an embodiment of the present invention.
1は102r−3程度の高不純物濃度のn+型シリコン
基枝である。1 is an n+ type silicon base branch with a high impurity concentration of about 102r-3.
2は不純物濃度が1×1014?−3の高比抵抗n型層
で、その厚さは10μmである0これはエピタキシヤル
成長法で形成した。2 has an impurity concentration of 1×1014? -3 high resistivity n-type layer with a thickness of 10 μm.0 This was formed by epitaxial growth.
一般には、n型層2の不純物濃度は1X1016cTr
L−3程度以下であることが望ましく、長波長側感度を
高める必要がある場合には、その厚さを厚くする必要が
ある。次にn+型層3p型層4が公知の拡散方法でいず
れもリング状に形成される。ml型層3はチヤンネルに
よる表面漏洩電流の防止用に形成されるもので、チヤン
ネル発生の心配がない場合には取り除くことが可能であ
る。p型層4は一方の電極を取り出すための領域である
。次に、酸化膜を形成し、公知のホツトエツチング方法
によつて、p型層5を形成する部分の酸化膜を取り除く
。この酸化膜は、その後のボロン拡散のマスタとして作
用する0その後、ウエ一・表面にボロンを含んだ酸化膜
を気相成長法によつて形成した後、短時間熱処理する。
これによつてp型拡散層5が形成される。この実施例で
形成された拡散層は表面濃度が1×1019?−3、拡
散深さ0.15μ亀 シート抵抗2000Ω/?であつ
た。公知の方法により、SiO2からなる表面保護(パ
ツシベーシヨン)膜6を形成した後、反射防止膜7を形
成する。8}よび9は電極層である。Generally, the impurity concentration of the n-type layer 2 is 1X1016cTr
It is desirable that the thickness be about L-3 or less, and if it is necessary to increase the sensitivity on the long wavelength side, it is necessary to increase the thickness. Next, the n+ type layer 3 and the p type layer 4 are formed into a ring shape using a known diffusion method. The ml type layer 3 is formed to prevent surface leakage current due to channels, and can be removed if there is no risk of channel generation. The p-type layer 4 is a region from which one electrode is taken out. Next, an oxide film is formed, and the oxide film in the portion where the p-type layer 5 is to be formed is removed by a known hot etching method. This oxide film acts as a master for subsequent boron diffusion. After that, an oxide film containing boron is formed on the surface of the wafer by vapor phase growth, and then heat treated for a short time.
As a result, a p-type diffusion layer 5 is formed. The diffusion layer formed in this example has a surface concentration of 1×1019? -3, diffusion depth 0.15μ sheet resistance 2000Ω/? It was hot. After a surface protection film 6 made of SiO2 is formed by a known method, an antireflection film 7 is formed. 8} and 9 are electrode layers.
また、Jは領域2と領域5によつて形成される浅いPn
接合を示す。以上の方法で製作されたフオトダイオード
は、前述したような配慮がなされているため、紫外線に
対して高感度(例えば波長250nmの光に対する量子
効率は約40%)である。In addition, J is a shallow Pn formed by region 2 and region 5.
Indicates joining. The photodiode manufactured by the above method has high sensitivity to ultraviolet light (for example, the quantum efficiency for light with a wavelength of 250 nm is about 40%) because of the considerations described above.
また、可視}よび近赤外の波長の光は抵抗が高く、キヤ
リアの寿命が長い領域2で吸収されるため、そこで発生
したキヤリアは再結合により消滅することなしに接合J
にとらえられる。従つて、高感度が実現される。また、
本発明によつて形成される接合では、接合近傍での欠陥
が少なくなるため、そうした欠陥に基因した雑音が減少
し、受光素子のS/N比が改善される〇なお、本発明の
実施実験によればシート抵抗が6000Ω/?あるいは
、200Ω/?の場合、本発明の場合に比べて紫外感度
は約1/2になることを確認した。In addition, light with visible} and near-infrared wavelengths has a high resistance and is absorbed in region 2 where the carrier life is long, so the carriers generated there are not annihilated by recombination and are absorbed by the junction J.
It can be captured by Therefore, high sensitivity is achieved. Also,
In the junction formed according to the present invention, since there are fewer defects near the junction, noise caused by such defects is reduced, and the S/N ratio of the light receiving element is improved. According to the sheet resistance is 6000Ω/? Or 200Ω/? In this case, it was confirmed that the ultraviolet sensitivity was approximately 1/2 that in the case of the present invention.
本発明によるシリコンフオトダイオードに}けるうすい
拡散層5を得るための別の方法としては、次のようなド
ープドシリコン法による拡散法を使用することもできる
。Another method for obtaining the thin diffusion layer 5 in the silicon photodiode according to the present invention is to use the following doped silicon diffusion method.
約8×1018の濃度でボロンがドープされた拡散源と
してのシリコンウエハを、拡散層5を形成すべきシリコ
ンウエハと共に真空石英管中に封じ込んで、例えば約1
000℃で120分間熱処理し、シート抵抗ρsが約1
100Ω/口のうすい拡散層5を形成する。A silicon wafer as a diffusion source doped with boron at a concentration of about 8 x 1018 is sealed in a vacuum quartz tube together with the silicon wafer on which the diffusion layer 5 is to be formed, and
After heat treatment at 000°C for 120 minutes, the sheet resistance ρs was approximately 1.
A thin diffusion layer 5 having a resistance of 100Ω/hole is formed.
このようなドープドシリコン法による拡散法は、再現性
や歩留りが良好であるので、実用化の際には有効である
。また、ボロンナイトライド(BN)を拡散源とした低
温(例えば750〜800℃)での開管拡散法によつて
形成することも可能である。Such a doped silicon diffusion method has good reproducibility and yield, and is therefore effective for practical use. Further, it is also possible to form by an open tube diffusion method at a low temperature (for example, 750 to 800° C.) using boron nitride (BN) as a diffusion source.
以上に詳述したように、本発明を採用することによつて
次のような有利な効果が得られる。As detailed above, by adopting the present invention, the following advantageous effects can be obtained.
(1)紫外波長領域の感度が著しく向上する。(4)紫
外から近赤外の広い波長帯域にわたつて高感度の受光素
子が得られる。(111)接合近傍の欠陥が少なくなる
ため、雑音が少なくなりS/N比が向上する。(1) Sensitivity in the ultraviolet wavelength region is significantly improved. (4) A highly sensitive light receiving element can be obtained over a wide wavelength band from ultraviolet to near infrared. (111) Since there are fewer defects near the junction, noise is reduced and the S/N ratio is improved.
なお、上記した本発明の具体的実施例では、拡散層5の
形成をボロン拡散によつて形成することを述べたが、イ
オンインプランテーシヨン方法、イオンビーム法、イオ
ンプレーテイング方法などを用いて形成しても、本発明
の本質を変えるものではない。In the above-described specific embodiment of the present invention, the diffusion layer 5 is formed by boron diffusion, but it is also possible to use an ion implantation method, an ion beam method, an ion plating method, etc. The essence of the present invention will not be changed even if it is formed as follows.
また、実施例ではn+基板を用いた場合について述べた
が、n+→p+,n−+P,p−+n1に変えたp+基
板を用いた場合においても本発明の本質を変えるもので
はない。Further, in the embodiment, the case where an n+ substrate is used has been described, but the essence of the present invention does not change even when a p+ substrate is used, which is changed from n+ to p+, n-+P, or p-+n1.
第1図は、シリコンフオトデイテクタにおけるシート抵
抗ふ・よびPn接合の深さと紫外線感度との関係を示す
グラフ、第2図は、本発明によるフオトデイテクタのバ
ンド構造を示す図、第3図は、本発明の一実施例による
フオトダイオードの断面図である。
1・・・・・・n+型シリコン層、2・・・・・・n型
シリコン層、3・・・・・・n+型チヤンネル防止層、
4・・・・・・p+型拡散層、5・・・・・・p型拡散
層、6・・・・・・表面保護膜、7・・・・・・反射防
止膜、8,9・・・・・・電極層。FIG. 1 is a graph showing the relationship between sheet resistance and Pn junction depth and ultraviolet sensitivity in a silicon photodetector. FIG. 2 is a graph showing the band structure of a photodetector according to the present invention. FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a photodiode according to an embodiment of the present invention. 1... N+ type silicon layer, 2... N type silicon layer, 3... N+ type channel prevention layer,
4... p+ type diffusion layer, 5... p type diffusion layer, 6... surface protective film, 7... antireflection film, 8, 9. ...Electrode layer.
Claims (1)
導電型とは反対の導電型の半導体領域をその不純物濃度
が深さ方向に漸減するように形成して前記半導体層の受
光表面にほぼ平行な受光用pn接合を前記半導体層と前
記半導体領域との間に規定した光検出半導体装置におい
て、前記受光用pn接合の深さを約0.05〜0.2μ
mの範囲に定めるとともに、前記半導体領域のシート抵
抗を約500〜5000Ω/□の範囲に定めたことを特
徴とする光検出半導体装置。1. A semiconductor region of a conductivity type opposite to the above-mentioned conductivity type is formed in the light-receiving surface region of a silicon semiconductor layer of one conductivity type so that its impurity concentration gradually decreases in the depth direction, and is substantially parallel to the light-receiving surface of the semiconductor layer. In the photodetecting semiconductor device in which a light-receiving pn junction is defined between the semiconductor layer and the semiconductor region, the depth of the light-receiving pn junction is approximately 0.05 to 0.2μ.
m, and the sheet resistance of the semiconductor region is set in a range of about 500 to 5000 Ω/□.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP52014874A JPS5946111B2 (en) | 1977-02-14 | 1977-02-14 | Photodetection semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP52014874A JPS5946111B2 (en) | 1977-02-14 | 1977-02-14 | Photodetection semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5399890A JPS5399890A (en) | 1978-08-31 |
| JPS5946111B2 true JPS5946111B2 (en) | 1984-11-10 |
Family
ID=11873151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP52014874A Expired JPS5946111B2 (en) | 1977-02-14 | 1977-02-14 | Photodetection semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5946111B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7586108B2 (en) * | 2007-06-25 | 2009-09-08 | Asml Netherlands B.V. | Radiation detector, method of manufacturing a radiation detector and lithographic apparatus comprising a radiation detector |
| US11114491B2 (en) * | 2018-12-12 | 2021-09-07 | Kla Corporation | Back-illuminated sensor and a method of manufacturing a sensor |
-
1977
- 1977-02-14 JP JP52014874A patent/JPS5946111B2/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5399890A (en) | 1978-08-31 |
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