JPS63200577A - シヨツトキ障壁型赤外線センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は赤外光の信号を電気信号に変換する赤外線セン
サに関し、特にショットキ障壁型赤外線センサに関する
。

〔従来の技術〕

従来、この種のショットキ障壁型赤外線センサにおいて
は、金属／半導体ショットキ接触構造を構成する金属電
極（単元素金属と半導体との化合物金属も含む）がほぼ
均一の厚さでかつ平坦な形状を有していた。

ショットキ障壁型赤外線センサの光電変換機構について
第２図を用いて説明する。第２図＋ａｌは金属／ｐ形半
導体ショットキ接触の場合、第２図（ｂｌは金属／ｎ形
半導体ショットキ接触の場合のエネルギー帯構造及び光
電変換機構である。赤外光１１の入射方向は裏面照射型
の場合が描かれている。

表面照射型の場合には金属側から入射する。半導体の禁
制帯幅Ｅ９以上のエネルギーを持つ光は半導体内の入射
面近傍においてほとんど吸収されてしまうが、禁制帯幅
Ｅ９より小さいエネルギーの光（このような光は通常赤
外光である）ではその光エネルギーを吸収して半導体の
価電子帯２１中の電子２６が伝導帯２３へ帯間遷移する
確率が無いので半導体中をほとんど損失なく透過し金属
１４に入射する。金属１４内ではフェルミ準位Ｅ、下が
電子２６で満たされており、ここへ赤外光１１が入射す
ると電子２６はその光エネルギーｈν２５（ｈニブラン
ク定数、シ：光の振動数）を吸収し、フェルミ準位下か
らフェルミ単位上の空単位へ遷移してホット電子１３と
ホットホール１２を形成する。ホット電子１３とホント
ホール１２は再結合するまで金属１４中を運動するが、
この運動はどの方向へもほぼ等確率で発生する。第２図
ｆａｔの構造では運動中金属／ｐ形半導体界面に達した
ホントホール１２のうちショットキ障壁φ、Ｂより大き
いエネルギーを持ち、その運動量の界面に対する垂直成
分に相当するエネルギーがショットキ障壁φ、Ｅより大
きいものが金属１４からｐ形半導体１５中へ注入され、
金属１４中に取り残されたホット電子１３とｐ形半導体
１５中へ注入されたホントボール１２とが信号電荷とな
る。なお、ホットホールの持つエネルギーとは、フェル
ミ準位を基準（零）とし、原子核に近づく方向（第２図
（ａｌ及び（ｂｌにおいて下向き）を正として測られた
ホットホールのエネルギーを指す。一方、第２図（ｂ）
の構造では金属１４中におけるホット電子１３とホット
ホール１２の運動中金属／ｎ形半導体界面に達したホッ
ト電子１３のうちショットキ障壁φ、８より大きいエネ
ルギーを持ち、その運動量の界面に対する垂直成分に相
当するエネルギーがショットキ障壁ψｓｌｌより大きい
ものが金属１４からｎ形半導体１６中へ注入され、金属
１４中に取り残されたホットホール１２とｎ形半導体Ｉ
６中へ注入されたホット電子とが信号電荷となる。なお
、ホット電子の持つエネルギーというのもホットホール
の持つエネルギーの場合と同様にフェルミ準位を基準（
零）として測られるものであるが、エネルギーの正負の
向きはホットホールの場合と逆で、こちらは原子核から
遠ざかる方向（第２図（ａ）及び（ｂｌにおいて上向き
）を正として測られたホット電子のエネルギーを指す。

表面照射型の場合や禁制帯幅Ｅ９以上のエネルギーを持
つ光を透過する程度に半導体を薄膜化あるいは薄板化し
た裏面照射型の場合、利用可能な光エネルギーの上限は
禁制帯幅Ｅ９より大きくなる。このとき半導体において
価電子帯から伝導帯への電子の光励起によって生成され
る自由電子・ホール対も信号電荷に寄与する。

第２図（ａｌの構造におけるホットホールあるいは第２
図（ｂｌにおけるホット電子（以後両者を合わせてホン
トキャリアと記す）が寿命の尽きるまでに移動する距離
と比べ金属が薄くなると半導体と逆方向に運動するホッ
トキャリアのうちにも金属／絶縁物界面（図中、絶縁体
を１７で示す）によって反射され、半導体方向へ移動し
て金属／半導体界面に達し、半導体中へ注入されるもの
も現れてくる。また、金属／半導体界面に達したホット
キャリアのうち、ショットキ障壁φ、８より大きいエネ
ルギーを持っていても、界面に対する運動量の垂直成分
に相当するエネルギーがショットキ障壁φ。

より小さいものは、金属／半導体界面に反射されるが、
金属／半導体界面と金属／絶縁物界面とで反射を繰り返
すうちに金属／半導体界面への入射角が変化し、運動量
の垂直成分に相当するエネルギーがショットキ障壁φＳ
Ｒより大きくなるものも現れ、半導体中へ注入される現
象が生しるようになる。これらの現象はホットキャリア
の半導体への注入確率を向上させる効果を持ち、金属が
薄い程顕著となる。ただし、金属が薄くなると赤外光の
吸収確率が低下するので、金属の厚さには量子効率に対
して最適値が存在する。このためショットキ障壁型赤外
線センサにおいてショットキ接触を成す金属は通常最適
値程度に薄膜化されている。

ショットキ障壁型赤外線センサの暗電流はショットキ障
壁φ、Ｂの大きさに依存し、温度一定ならばショットキ
障壁φＳ６が小さい程暗電流が大きくなる。そのためシ
ョットキ障壁φ、Ｂが小さいものには冷却を必要とする
ものもある。代表的なショットキ障壁型赤外線センサで
ある白金モノシリサイド（ｐｔｓｉ）／ｐ形単結晶シリ
コン（Ｓｉ）・ショットキ障壁型赤外線センサは、形成
されるショットキ障壁φＳＢが０．２〜０．２５ｅＶ程
度で通常液体窒素温度付近まで冷却して使用される。

なお第２図中、１８は禁制帯を示している。

以上ショットキ障壁型赤外線センサについて説明してき
た。この項で述べた光電変換機構は厳密には量子力学的
に取り扱う事象であるが、古典的な剛体球モデルでも充
分に現象や動作を説明できるため、ここでは古典的な剛
体球モデルを用いている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ショットキ障壁型赤外線センサの大きな利点として、前
項において重点的に述べた“半導体の禁制帯幅よりエネ
ルギーが小さい光（通常赤外光）の光電変換機能”を挙
げることができる。しかし、この動作をさせた場合には
光によって金属中に生成されたホントキャリアすなわち
ホット電子とホントホールを別々の領域に分離させる原
動力が、前述のように光を吸収して獲得したエネルギー
によってホットキャリアが起こすところの発生確率があ
らゆる方向について等確率の運動であるため、ショット
キ接触によって生ずる半導体中の空乏層及びその端から
少数キャリアの拡散距離以内で禁制帯幅以上のエネルギ
ーを持つ光によって生成された自由電子・ホール対に見
られるところの空乏層に存在する内部電場による分離と
比較して効率がかなり悪い。そのためショットキ障壁型
赤外線センサの使用波長帯の光が半導体の禁制帯幅より
小さいエネルギー領域内にある場合、量子効率が小さい
という欠点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、金属電極と半導体とから成る金属／半導体シ
ョットキ接触構造を有し、ショットキ障壁高さより大き
く前記半導体の禁制帯幅より小さいエネルギーを持つ光
に関しては前記金属電極内で吸収し、光電変換する機能
を有するショットキ障壁型赤外線センサにおいて、前記
金属電極がほぼ均一の厚さでかつ使用波長帯の赤外光に
関して無視し得る程度のピッチ及び高低差から成る凹凸
形状を有することを特徴とする。

〔作用〕

本発明のショットキ障壁型赤外線センサでは、使用波長
帯の赤外光に対する金属電極の表面形状の効果が平坦な
形状の場合と同様なので、入射断面積が等しく光源が同
一ならばどちらの形状でも金属内部に入射する光量は等
しい。しかし、凹凸形状の場合金属電極の厚さが変わら
ずともその体積が増大するため赤外光の吸収確率が改善
される。

さらに、金属と半導体との接触面積も拡大するので、金
属／ｐ形半導体ショットキ接触におけるホットホール及
び金属／ｎ形半導体ショットキ接触におけるホット電子
の金属から半導体への注入効率が改善される。以上の理
由により、本発明のショットキ障壁型赤外線センサでは
使用波長帯の赤外光に対して量子効率が改善される。そ
してこの赤外光がショットキ障壁高さから半導体の禁制
帯幅までのエネルギー範囲内にある場合に特に改善度合
が大きい。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例の縦断面構造図で、（ａｌは
金属／半導体ショットキ接触部分拡大図、ｆｂｌは全体
概要図である。

第１図の実施例は代表的なショットキ障壁型赤外線セン
サである裏面照射型のｐ　ｔ　Ｓ　ｉ／ｐ形単結晶Ｓｉ
ショットキ障壁型赤外線センサを想定している。Ｐｔ５
ｉｌとｐ形単結晶Ｓｉ基板２との接触界面に角張った部
分があると暗電流の増加や耐逆電圧の低下の原因となる
ので接触面は曲面であり、第１図（ａｌに示すようにＰ
ｔＳｉ　１の断面は波状となっている。ｐｔｓｉｌがこ
の形状のまま紙面に垂直な方向に伸びているとすると、
各種の回折格子と類似しており大体格子定数に相当する
凹凸のピッチより波長の長い赤外光に対してほぼ鏡面と
して作用する。このセンサでは遮断波長が５〜６μｍで
あり４μｍ付近の赤外光検出に用いられることが多い。

この波長に対して凹凸のピッチはＳｔの屈折率約３．４
を考慮すると大きくとも１μｍ程度である。ｐｔｓｚの
膜厚は第１図＋ａｌ及び（１））ではかなり誇張されて
いるが、高い量子効率を得るためには数ｎｍにする必要
がある。従って、Ｐｔ５ｉｌの膜厚は凹凸のピッチや高
低差と比較すると桁違いに小さく、この場合同一の膜厚
ならばＰｔ５ｉｌにおける赤外光の吸収確率の改善度合
もホントキャリアの注入効率同様Ｐｔ５ｉｌとｐ形単結
晶Ｓｉ基板２との接触面積増大分にほぼ比例する。−例
としてＰｔＳｉ　１の断面形状が半円の組合せから成る
波状とし、前述のようにこの形状のまま紙面に垂直な方
向に伸びているとすると、接触面積は平坦な形状の場合
に比べ（π／２）倍となる。

第１図（ｂｌにより全体構成の概要について述べる。

両面とも鏡面に磨かれたｐ形単結晶Ｓｉ基板２において
赤外光１１の入射面すなわち裏面には反射防止膜１０を
施しである。基板表面にはショットキ接触形成部分に凹
凸形状を付けた後にｐｔ３ｉ１を薄膜状に設けである。

ＰｔＳｉ　１の周囲には電界集中を緩和するため、ｎ形
のガードリング３が施しである。ｐｔ３ｉ１周辺の基板
表面は熱酸化膜（ＳｉＯ□）５で覆ってあり、さらにＰ
ｔ５ｉｌ上及び熱酸化膜５上をＣＶＤ法等で形成したシ
リコン酸化物（Ｓ　ｉＯ，Ｓ　ｉｏｚ　）あるいはシリ
コン窒化物（Ｓ　ｉ　Ｎ、　　Ｓ　ｉ　３　Ｎａなど）
等から成る絶縁膜６で覆っである。ＰｔＳｉ　１を透過
した赤外光を再利用するため、絶縁膜６上のＰｔＳｉ１
冊 と対向する部分にアルミニウム等の金属反射膜８を設け
である。ｐｔ３ｉ１において光電変換によって発生した
光信号電荷をセンサ外部に取り出すため、ｐｔ３ｉ１の
一部とオーミック接触するｎ形の高濃度不純物領域４が
設けてあり、そこからアルミニウム等の金属配線７を引
き出しである。

センサ゛の表面側最外部は保護膜９で覆っている。

なお、本発明のショットキ障壁型赤外線センサは他の金
属材料や半導体材料でも実現することができる。また、
実施例で取り上げたようなＳｔショットキ障壁型赤外線
センサには、重要な応用分野として電子走査の赤外縞線
固体イメージセンサの受光部があるが、本発明のセンサ
をそれに用いて高感度化することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明のショットキ障壁型赤外線セ
ンサは、金属／半導体ショットキ接触構造の構成要素で
ある金属電極がほぼ均一の厚さで、かつ使用波長帯の赤
外光に関して無視し得る程度のピッチ及び高低差から成
る凹凸形状を有することで従来のものより金属における
その赤外光の吸収確率及びホットキャリアの注入効率の
点で優れている。この結果従来より高い量子効率を示し
、より微弱な赤外光の検知やわずかな温度差の検出がで
きる効果がある。なお改善効果は使用波長帯の赤外光が
ショットキ障壁高さから半導体の禁制帯幅までのエネル
ギー範囲内にある場合、特に顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面構造図で、（ａ）は
金属／半導体ショットキ接触部分拡大図、（ｂ）は全体
概略図である。 第２図はショットキ障壁型赤外線センサのエネルギー帯
構造及び光電変換機構の説明図で、＋ａ）が金属／ｐ形
半導体ショットキ接触の場合、（ｂｌが金属／ｎ形半導
体ショットキ接触の場合である。 １・・・金属（Ｐ　ｔ　Ｓ　ｉ） ２・・・半導体（ｐ形Ｓｉ基板） ３・・・ｎ形ガードリング ４・・・ｎ形高濃度不純物領域 ｚ ５・・・熱酸化膜（Ｓ　ｉ　Ｏ□） ６・・・絶縁膜 ７・・・金属配線 ８・・・金属反射膜 ９・・・保護膜 １０・・・反射防止膜 １１・・・赤外光 １２・・・ホントホール １３・・・ホット電子 １４・・・金属 １５・・・ｐ形半導体 １６・・・ｎ形半導体 １７・・・絶縁体 １８・・・禁制体 ２１・・・価電子帯 ２３・・・伝導帯 ２６・・・電子 ２８・・・バイアス 代理人弁理士　　　岩　　佐　　義　　幸（ａ） （ｂ） 第１図 絶縁体　金属　　　　ｒ１形半導体 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属電極と半導体とから成る金属／半導体ショッ
   トキ接触構造を有し、ショットキ障壁高さより大きく前
   記半導体の禁制帯幅より小さいエネルギーを持つ光に関
   しては前記金属電極内で吸収し、光電変換する機能を有
   するショットキ障壁型赤外線センサにおいて、前記金属
   電極がほぼ均一の厚さでかつ使用波長帯の赤外光に関し
   て無視し得る程度のピッチ及び高低差から成る凹凸形状
   を有することを特徴とするショットキ障壁型赤外線セン
   サ。