(57)【要約】【課題】ショットキー型の受光素子では、微小光を検知可能な技術が必要とされている。【解決手段】受光素子は、ｎ型又はｉ型の半導体であるエミッタ領域と、ｐ型の半導体であるベース領域と、ｎ型の半導体であるコレク領域と、エミッタ電極と、ベース電極と、コレクタ電極と、を備えており、前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、前記エミッタ電極から前記コレクタ電極に向かう方向に沿ってこの順で並ぶ部分を有しており、前記エミッタ電極は、前記エミッタ領域にショットキー接触しており、前記ベース電極は、前記ベース領域にオーミック接触しており、前記コレクタ電極は、前記コレクタ領域にオーミック接触している。【選択図】図１
2020096119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子であって、
ｎ型又はｉ型の半導体であるエミッタ領域と、ｐ型の半導体であるベース領域と、ｎ型の半導体であるコレク領域と、エミッタ電極と、ベース電極と、コレクタ電極と、を備えており、
前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、前記エミッタ電極から前記コレクタ電極に向かう方向に沿ってこの順で並ぶ部分を有しており、
前記エミッタ電極は、前記エミッタ領域にショットキー接触しており、
前記ベース電極は、前記ベース領域にオーミック接触しており、
前記コレクタ電極は、前記コレクタ領域にオーミック接触している、受光素子。
【請求項２】
前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、半導体基板の表層部において、前記半導体基板の横方向に沿って並んでおり、
前記エミッタ領域は、前記半導体基板の一方の主面に露出しており、
前記ベース領域は、前記エミッタ領域に隣接するとともに、前記半導体基板の前記一方の主面に露出しており、
前記コレクタ領域は、前記ベース領域によって前記エミッタ領域から隔てられているとともに、前記半導体基板の前記一方の主面に露出している、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記コレクタ領域は、前記半導体基板の横方向において、前記エミッタ領域に向けて突出する突出部を有する、請求項２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、半導体基板の厚み方向に沿って並んでおり、
前記エミッタ領域は、前記半導体基板の一方の主面に露出しており、
前記コレクタ領域は、前記半導体基板の他方の主面に露出しており、
前記ベース領域は、前記エミッタ領域と前記コレクタ領域を隔てている、請求項１に記載の受光素子。
【請求項５】
前記ベース電極が前記エミッタ電極に対して正となる第１電圧を前記ベース電極と前記エミッタ電極の間に印加可能に構成されている第１電源と、
前記コレクタ電極が前記ベース電極に対して正となる第２電圧を前記コレクタ電極と前記ベース電極の間に印加可能に構成されている第２電源と、をさらに備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項６】
前記半導体はシリコンである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記エミッタ電極がＡｕである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、ショットキー型の受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２は、半導体と金属のショットキー接触を利用したショットキー型の受光素子を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１６４９１８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７１５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなショットキー型の受光素子では、微小光を検知可能な技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する受光素子は、ｎ型又はｉ型の半導体であるエミッタ領域と、ｐ型の半導体であるベース領域と、ｎ型の半導体であるコレク領域と、エミッタ電極と、ベース電極と、コレクタ電極と、を備えることができる。これら領域を構成する前記半導体がシリコンであってもよい。前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、前記エミッタ電極から前記コレクタ電極に向かう方向に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。必要に応じて、前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域の各々の間に他の半導体領域が介在してもよい。前記エミッタ電極は、前記エミッタ領域にショットキー接触している。前記エミッタ電極の材料は、前記エミッタ領域にショットキー接触可能な材料であれば特に限定されるものではない。例えば、前記エミッタ電極がＡｕであってもよい。前記ベース電極は、前記ベース領域にオーミック接触している。前記コレクタ電極は、前記コレクタ領域にオーミック接触している。この実施形態の受光素子では、入射光が前記エミッタ電極で自由電子吸収されると、前記エミッタ領域に電子キャリアが注入される。また、この実施形態の受光素子では、前記ベース領域と前記コレクタ領域の間のｐｎ接合が高電界領域として機能する。このため、注入された電子キャリアは、前記高電界領域で加速される。これにより、上記実施形態の受光素子では、アバランシェ増幅を生じさせることができる。このように、上記実施形態の受光素子は、増幅機能を有しているので、微小光を検知することができる。
【０００６】
上記受光素子の一実施形態は、横型デバイスとして構成されてもよい。この場合、前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、半導体基板の表層部において、前記半導体基板の横方向に沿って並んでいる。前記エミッタ領域は、前記半導体基板の一方の主面に露出している。前記ベース領域は、前記エミッタ領域に隣接するとともに、前記半導体基板の前記一方の主面に露出している。前記コレクタ領域は、前記ベース領域によって前記エミッタ領域から隔てられているとともに、前記半導体基板の前記一方の主面に露出している。
【０００７】
前記コレクタ領域は、前記半導体基板の横方向において、前記エミッタ領域に向けて突出する突出部を有していてもよい。このような突出部が設けられていると、その突出部のエミッタ領域側の先端において電界を集中させることができる。これにより、アバランシェ増幅を効果的に生じさせることができる。
【０００８】
上記受光素子の他の一実施形態は、縦型デバイスとして構成されてもよい。この場合、前記エミッタ領域と前記ベース領域と前記コレクタ領域は、半導体基板の厚み方向に沿って並んでいる。前記エミッタ領域は、前記半導体基板の一方の主面に露出している。前記コレクタ領域は、前記半導体基板の他方の主面に露出している。前記ベース領域は、前記エミッタ領域と前記コレクタ領域を隔てている。この実施形態の受光素子では、前記エミッタ領域が配置されている前記半導体基板の一方の主面側から光を受光するように構成されていてもよく、前記コレクタ領域が配置されている前記半導体基板の他方の主面側から光を受光するように構成されていてもよい。
【０００９】
上記受光素子はさらに、前記ベース電極が前記エミッタ電極に対して正となる第１電圧を前記ベース電極と前記エミッタ電極の間に印加可能に構成されている第１電源と、前記コレクタ電極が前記ベース電極に対して正となる第２電圧を前記コレクタ電極と前記ベース電極の間に印加可能に構成されている第２電源と、をさらに備えていてもよい。前記第１電源が接続されていると、前記エミッタ領域に注入された電子キャリアが、前記エミッタ領域から前記ベース領域に向けて走行することができる。前記第２電源が接続されていると、前記ベース領域と前記コレクタ領域の間のｐｎ接合に逆バイアスが印加され、そのｐｎ接合が高電界領域として機能することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る受光素子の断面図および平面図を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態に係る受光素子の動作を説明する図である。
【図３】第２実施形態に係る受光素子の断面図および平面図を模式的に示す図である。
【図４】第２実施形態に係る受光素子の動作を説明する図である。
【図５】第３実施形態に係る受光素子の断面図および平面図（ただし、絶縁膜を取り除いた平面図）を模式的に示す図である。
【図６】第３実施形態に係る受光素子の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
図１（Ａ）に、受光素子１の要部断面図を模式的に示す。図１（Ｂ）に、受光素子１の要部平面図を模式的に示す。なお、図１（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した断面が、図１（Ａ）の要部断面図である。
【００１２】
受光素子１は、半導体基板１０、エミッタ電極２２、コレクタ電極２４及びベース電極２６を備えている。半導体基板１０は、シリコン単結晶の基板であり、Ｎ型のエミッタ領域１１、Ｐ型のベース領域１２及びＮ型のコレクタ領域１３を有している。
【００１３】
受光素子１では、半導体基板１０の表面上にエミッタ電極２２とコレクタ電極２４とベース電極２６が設けられている。さらに、受光素子１では、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１とベース領域１２とコレクタ領域１３がエミッタ電極２２からコレクタ電極２４に向かう方向（ｘ軸方向）に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。このため、受光素子１は、光電流がエミッタ領域１１とベース領域１２とコレクタ領域１３を介して半導体基板１０の表層部を横方向に流れるように構成された横型デバイスである。
【００１４】
エミッタ領域１１は、半導体基板１０にベース領域１２とコレクタ領域１３を形成した残部であり、半導体基板１０の表面に露出する部分を有している。エミッタ領域１１は、半導体基板１０の表面に露出する部分で、半導体基板１０の表面上に設けられているエミッタ電極２２にショットキー接触している。エミッタ領域１１は、ｎ型不純物を低濃度に含む領域である。一例ではあるが、エミッタ領域１１は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０13ｃｍ-3以下である。なお、エミッタ領域１１は、ノンドープであってもよい。
【００１５】
ベース領域１２は、半導体基板１０の表層部に設けられており、エミッタ領域１１に隣接しており、半導体基板１０の表面に露出している。ベース領域１２は、ウェル状の形態を有しており、コレクタ領域１３を取り囲んでいる。このように、ベース領域１２は、エミッタ領域１１とコレクタ領域１３を隔てている。ベース領域１２は、ｐ型不純物を含む領域である。一例ではあるが、ベース領域１２は、ｐ型不純物としてボロンを含んでいる。また、一例ではあるが、ベース領域１２のうちのエミッタ領域１１とコレクタ領域１３の間に位置する部分の濃度が、１×１０13ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3の範囲である。また、ベース領域１２は、半導体基板１０の表面に露出する部分にベースコンタクト領域１２ａを有している。ベースコンタクト領域１２ａは、ｐ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、ベースコンタクト領域１２ａは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であり、その厚みが０．５μｍ以下である。ベース領域１２は、ベースコンタクト領域１２ａを介して半導体基板１０の表面上に設けられているベース電極２６にオーミック接触している。
【００１６】
コレクタ領域１３は、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面に露出している。コレクタ領域１３は、ｎ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、コレクタ領域１３は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であり、その厚みが０．５μｍ以下である。コレクタ領域１３は、半導体基板１０の表面に設けられているコレクタ電極２４にオーミック接触している。
【００１７】
コレクタ領域１３は、メイン部１３ａと突出部１３ｂを有している。メイン部１３ａは、コレクタ電極２４が接触する部分であり、比較的に大面積で形成されている。図１（Ｂ）に示されるように、この例のメイン部１３ａは、平面視したときに、ｘ軸方向に伸びる一対の辺とｙ軸方向に伸びる一対の辺で構成される平面矩形状の形態を有している。突出部１３ｂは、平面視したときに、半導体基板１０の面方向（ｘｙ面方向）において、メイン部１３ａからエミッタ領域１１に向けて突出している。この例の突出部１３ｂは、ｘ軸方向に沿ってメイン部１３ａからエミッタ領域１１に向けて突出している。ただし、突出部１３ｂの先端は、ベース領域１２内に配置されている。換言すれば、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１と突出部１３ｂの先端の間には、ベース領域１２が介在している。
【００１８】
エミッタ電極２２は、半導体基板１０の表面上において、エミッタ領域１１のうちの半導体基板１０の表面に露出する範囲に設けられており、エミッタ領域１１にショットキー接触している。エミッタ電極２２は、金（Ａｕ）である。エミッタ電極２２の厚さは、光がエミッタ電極２２で自由電子吸収された際に、電子がエミッタ領域１１に注入される程度に薄膜であればよい。エミッタ電極２２の厚さは２００ｎｍ以下である。より好適には、５０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００１９】
コレクタ電極２４は、半導体基板１０の表面上において、エミッタ電極２２とベース電極２６の間に配置されており、コレクタ領域１３のうちの半導体基板１０の表面に露出する範囲に設けられており、コレクタ領域１３にオーミック接触している。コレクタ電極２４は、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００２０】
ベース電極２６は、半導体基板１０の表面上において、ベース領域１２のうちの半導体基板１０の表面に露出する範囲に設けられており、ベース領域１２にベースコンタクト領域１２ａを介してオーミック接触している。ベース電極２６は、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００２１】
（受光素子１の動作）
図２に示されるように、受光素子１はさらに、第１電源３２と第２電源３４とセンス抵抗３６を備えている。第１電源３２は、ベース電極２６がエミッタ電極２２に対して正となる電圧をベース電極２６とエミッタ電極２２の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第１電源３２の電圧は、約１Ｖの弱電圧である。第２電源３４は、コレクタ電極２４がベース電極２６に対して正となる電圧をコレクタ電極２４とベース電極２６の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第２電源３４の電圧は、約２０Ｖの強電圧である。センス抵抗３６は、コレクタ電極２４とベース電極２６の間の配線に接続されている。このように、受光素子１は、受光動作において、ベース接地して用いられる。
【００２２】
図２の矢印に示されるように、受光素子１は、半導体基板１０の表面側から光を受光するタイプである。受光素子１のエミッタ電極２２にアイセーフ帯光（例：１５５０ｎｍ、エネルギー：０．８ｅＶ）が入射し、光がエミッタ電極２２で自由電子吸収されると、エミッタ領域１１に電子が注入される。エミッタ電極２２とベース電極２６の間に第１電源３２によって弱電圧が印加されているので、エミッタ領域１１に注入された電子は、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１からベース領域１２に向けて走行する。上記したように、コレクタ電極２４とベース電極２６の間には第２電源３４によって強電圧が印加されているので、ベース領域１２とコレクタ領域１３のｐｎ接合には逆バイアスが印加されている。特に、破線で示されるように、コレクタ領域１３の突出部１３ｂの先端近傍は、電位分布が湾曲しており、高電界領域１５である。このため、エミッタ領域１１からベース領域１２に向けて走行してきた電子は、この高電界領域１５で加速され、アバランシェ増幅を生じさせる。これにより、受光素子１には、増幅したコレクタ電流が流れる。コレクタ電流が流れると、出力端子３８の出力電圧は、ベース電圧に対して低下する。出力端子３８の出力電圧の低下幅は、エミッタ電極２２に入射した光量に依存する。このようにして、受光素子１は、エミッタ電極２２に入射する光を検出することができる。
【００２３】
上記したように、受光素子１は、高電界領域１５でアバランシェ増幅を起こすことができるため、微小光に対する感度が高いという特徴を有することができる。自律走行車やＡＤＡＳ（Advanced driver-assistance systems）システムでは、周辺環境認識のために、赤外線カメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ光）を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、Ｓｉ以外の基板等を用いて受光素子を作成する必要があった。この場合、受光素子はＧｅ基板等を用いて作成し、信号処理回路はＳｉ基板を用いて作成することになる。受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。受光素子１は、アバランシェ増幅機能を有するため、Ｓｉ基板を用いてアイセーフ帯光を検出可能になる。受光素子と信号処理回路を、Ｓｉ基板にモノリシックに集積化することができる。受光システムの製造コストを削減することが可能となる。
【００２４】
また、受光素子１は、第１電源３２と第２電源３４を備えていることを特徴とする。第１電源３２を比較的に小さい弱電圧に設定することで、暗電流を抑えることができる。一方、第２電源３４を比較的に大きい強電圧に設定することで、アバランシェ増幅率を大きくすることができる。このように、受光素子１は、独立制御可能な２つの電源を備えていることで、暗電流を抑えながら、受光感度を向上させることができる。
【００２５】
上記受光素子１では、突出部１３ｂを有するコレクタ領域１３を例示した。ベース領域１２とコレクタ領域１３のｐｎ接合においてアバランシェ増幅が生じる限り、突出部１３ｂは設けられていなくてもよい。コレクタ領域１３の位置及び不純物濃度等を調整することにより、突出部１３ｂが設けられていなくても、ベース領域１２とコレクタ領域１３のｐｎ接合に高電界領域を形成することができ、アバランシェ増幅を生じさせることができる。
【００２６】
上記受光素子１では、半導体基板１０の表層部において、ベース領域１２及びコレクタ領域１３がエミッタ領域１１に対してｘ軸方向のうちの一方側にのみ隣接して配置されていた。例えば、ベース領域１２及びコレクタ領域１３は、半導体基板１０の表層部において、エミッタ領域１１を一巡するように、例えば円状に配置されいてもよい。
【００２７】
（第２実施形態）
図３（Ａ）に、受光素子２の要部断面図を模式的に示す。図３（Ｂ）に、受光素子２の要部平面図を模式的に示す。なお、図３（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した断面が、図３（Ａ）の要部断面図である。
【００２８】
受光素子２は、半導体基板１００、エミッタ電極１２２、コレクタ電極１２４及びベース電極１２６を備えている。半導体基板１００は、シリコン単結晶の基板であり、Ｎ型のエミッタ領域１１１、Ｐ型のベース領域１１２及びＮ型のコレクタ領域１１３を有している。
【００２９】
受光素子２では、半導体基板１００の表面上にエミッタ電極１２２とベース電極１２６が設けられており、半導体基板１００の裏面上にコレクタ電極１２４が設けられている。さらに、受光素子２では、エミッタ領域１１１とベース領域１１２とコレクタ領域１１３がエミッタ電極１２２からコレクタ電極１２４に向かう方向（ｚ軸方向）に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。このため、受光素子２は、光電流がエミッタ領域１１１とベース領域１１２とコレクタ領域１１３を介して半導体基板１００の内部を縦方向に流れるように構成された縦型デバイスである。
【００３０】
エミッタ領域１１１は、半導体基板１００の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面に露出している。エミッタ領域１１１は、半導体基板１００の表面に露出する部分で、半導体基板１００の表面上に設けられているエミッタ電極１２２にショットキー接触している。エミッタ領域１１１は、ｎ型不純物を低濃度に含む領域である。一例ではあるが、エミッタ領域１１１は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０13ｃｍ-3以下である。なお、エミッタ領域１１は、ノンドープであってもよい。
【００３１】
ベース領域１１２は、エミッタ領域１１１とコレクタ領域１１３の間に配置されており、エミッタ領域１１１とコレクタ領域１１３を隔てている。ベース領域１１２は、ｐ型不純物を含む領域である。一例ではあるが、ベース領域１１２は、ｐ型不純物としてボロンを含んでいる。また、一例ではあるが、ベース領域１１２のうちのエミッタ領域１１１とコレクタ領域１１３の間に位置する部分の濃度が、１×１０13ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3の範囲である。また、ベース領域１１２は、半導体基板１００の表面に露出する部分にベースコンタクト領域１１２ａを有している。ベースコンタクト領域１１２ａは、ｐ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、ベースコンタクト領域１１２ａは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０18ｃｍ-3以上である。ベース領域１１２は、ベースコンタクト領域１１２ａを介して半導体基板１００の表面上に設けられているベース電極１２６にオーミック接触している。
【００３２】
コレクタ領域１１３は、半導体基板１００の裏層部に設けられており、半導体基板１００の裏面に露出している。コレクタ領域１１３は、ｎ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、コレクタ領域１１３は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０18ｃｍ-3以上である。コレクタ領域１１３は、半導体基板１００の裏面に設けられているコレクタ電極１２４にオーミック接触している。
【００３３】
エミッタ電極１２２は、半導体基板１００の表面上において、エミッタ領域１１１のうちの半導体基板１００の表面に露出する範囲に設けられており、エミッタ領域１１１にショットキー接触している。エミッタ電極１２２は、金（Ａｕ）である。エミッタ電極１２２の厚さは、光がエミッタ電極１２２で自由電子吸収された際に、電子がエミッタ領域１１１に注入される程度に薄膜であればよい。エミッタ電極１２２の厚さは２００ｎｍ以下である。より好適には、５０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００３４】
コレクタ電極１２４は、半導体基板１００の裏面上において、コレクタ領域１１３のうちの半導体基板１００の裏面に露出する範囲に設けられており、コレクタ領域１１３にオーミック接触している。コレクタ電極１２４は、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００３５】
ベース電極１２６は、半導体基板１００の表面上において、ベース領域１１２のうちの半導体基板１００の表面に露出する範囲に設けられており、ベース領域１１２にベースコンタクト領域１１２ａを介してオーミック接触している。ベース電極１２６は、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００３６】
（受光素子２の動作）
図４に示されるように、受光素子２はさらに、第１電源１３２と第２電源１３４とセンス抵抗１３６を備えている。第１電源１３２は、ベース電極１２６がエミッタ電極１２２に対して正となる電圧をベース電極１２６とエミッタ電極１２２の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第１電源１３２の電圧は、約１Ｖの弱電圧である。第２電源１３４は、コレクタ電極１２４がベース電極１２６に対して正となる電圧をコレクタ電極１２４とベース電極１２６の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第２電源１３４の電圧は、約２０Ｖの強電圧である。センス抵抗１３６は、コレクタ電極１２４とベース電極１２６の間の配線に接続されている。このように、受光素子２は、受光動作において、ベース接地して用いられる。
【００３７】
図４の矢印に示されるように、受光素子２は、半導体基板１００の表面側から光を受光するタイプである。受光素子２のエミッタ電極１２２にアイセーフ帯光（例：１５５０ｎｍ、エネルギー：０．８ｅＶ）が入射し、光がエミッタ電極１２２で自由電子吸収されると、エミッタ領域１１１に電子が注入される。エミッタ電極１２２とベース電極１２６の間に第１電源１３２によって弱電圧が印加されているので、エミッタ領域１１１に注入された電子は、半導体基板１００の厚み方向（ｚ軸方向）において、エミッタ領域１１１からベース領域１１２に向けて走行する。上記したように、コレクタ電極１２４とベース電極１２６の間には第２電源１３４によって強電圧が印加されているので、ベース領域１１２とコレクタ領域１１３のｐｎ接合には逆バイアスが印加されており、このｐｎ接合が高電界領域として機能する。このため、エミッタ領域１１１からベース領域１１２に向けて走行してきた電子は、この高電界領域で加速され、アバランシェ増幅を生じさせる。これにより、受光素子２には、増幅したコレクタ電流が流れる。コレクタ電流が流れると、出力端子１３８の出力電圧は、ベース電圧に対して低下する。出力端子１３８の出力電圧の低下幅は、エミッタ電極１２２に入射した光量に依存する。このようにして、受光素子２は、エミッタ電極１２２に入射する光を検出することができる。
【００３８】
上記したように、受光素子２は、高電界領域でアバランシェ増幅を起こすことができるため、微小光に対する感度が高いという特徴を有することができる。自律走行車やＡＤＡＳ（Advanced driver-assistance systems）システムでは、周辺環境認識のために、赤外線カメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ光）を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、Ｓｉ以外の基板等を用いて受光素子を作成する必要があった。この場合、受光素子はＧｅ基板等を用いて作成し、信号処理回路はＳｉ基板を用いて作成することになる。受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。受光素子２は、アバランシェ増幅機能を有するため、Ｓｉ基板を用いてアイセーフ帯光を検出可能になる。受光素子と信号処理回路を、Ｓｉ基板にモノリシックに集積化することができる。受光システムの製造コストを削減することが可能となる。
【００３９】
また、受光素子２は、第１電源１３２と第２電源１３４を備えていることを特徴とする。第１電源１３２を比較的に小さい弱電圧に設定することで、暗電流を抑えることができる。一方、第２電源１３４を比較的に大きい強電圧に設定することで、アバランシェ増幅率を大きくすることができる。このように、受光素子２は、独立制御可能な２つの電源を備えていることで、暗電流を抑えながら、受光感度を向上させることができる。
【００４０】
（第３実施形態）
図５（Ａ）に、受光素子３の要部断面図を模式的に示す。図５（Ｂ）に、受光素子３の要部平面図を模式的に示す。ただし、図５（Ｂ）は、半導体基板１００の表面上に設けられている絶縁膜２３０及び電極２２４，２２６を取り除いた要部平面図である。なお、図５（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した断面が、図５（Ａ）の要部断面図に相当する。
【００４１】
受光素子３は、半導体基板２００、エミッタ電極２２２、コレクタ電極２２４及びベース電極２２６を備えている。半導体基板２００は、シリコン単結晶の基板であり、i型のエミッタ領域２１１、Ｐ型のベース領域２１２及びＮ型のコレクタ領域２１３を有している。また、半導体基板２００の表面には、酸化シリコンの絶縁膜２３０が被膜している。
【００４２】
受光素子３では、半導体基板２００の裏面上にエミッタ電極２２２が設けられており、半導体基板２００の表面上にコレクタ電極２２４とベース電極２２６が設けられている。さらに、受光素子３では、エミッタ領域２１１とベース領域２１２とコレクタ領域２１３がエミッタ電極２２２からコレクタ電極２２４に向かう方向（ｚ軸方向）に沿ってこの順で並ぶ部分を有している。このため、受光素子３は、光電流がエミッタ領域２１１とベース領域２１２とコレクタ領域２１３を介して半導体基板２００の内部を縦方向に流れるように構成された縦型デバイスである。
【００４３】
エミッタ領域２１１は、半導体基板２００にベース領域２１２とコレクタ領域２１３を形成した残部であり、半導体基板２００の裏面に露出する部分を有している。エミッタ領域２１１は、半導体基板２００の裏面に露出する部分で、半導体基板２００の裏面上に設けられているエミッタ電極２２２にショットキー接触している。エミッタ領域２１１は、ノンドープの領域である。なお、エミッタ領域２１１は、ｎ型不純物を低濃度に含む領域であってもよい。一例ではあるが、エミッタ領域２１１は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０12ｃｍ-3以下であってもよい。
【００４４】
ベース領域２１２は、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に配置されており、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３を隔てている。ベース領域２１２は、ｐ型不純物を含む領域である。一例ではあるが、ベース領域２１２は、ｐ型不純物としてボロンを含んでいる。また、一例ではあるが、ベース領域２１２のうちのエミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分の濃度が、５×１０16ｃｍ-3〜２×１０17ｃｍ-3の範囲でる。また、ベース領域２１２は、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分から側方に向けて伸びる接続領域２１２ｂと、半導体基板２００の表面に露出するベースコンタクト領域２１２ａと、を有している。接続領域２１２ｂは、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分とベースコンタクト領域１１２ａを接続している。この例では、接続領域２１２ｂは、ｘ軸方向に沿って伸びている。この例に限らず、接続領域２１２ｂの伸長方向は、好適なレイアウトとなるように適宜に設計される。接続領域２１２ｂは、エミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分よりもｐ型不純物を低濃度に含む領域である。一例ではあるが、接続領域２１２ｂは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０13ｃｍ-3〜１×１０16ｃｍ-3の範囲である。ベースコンタクト領域２１２ａは、ｐ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、ベースコンタクト領域２１２ａは、ｐ型不純物としてボロンを含んでおり、その濃度が１×１０18ｃｍ-3以上である。ベース領域２１２は、ベースコンタクト領域２１２ａを介して半導体基板２００の表面上に設けられているベース電極２２６にオーミック接触している。
【００４５】
コレクタ領域２１３は、半導体基板２００の表層部に設けられており、半導体基板２００の表面に露出している。コレクタ領域２１３は、ｎ型不純物を高濃度に含む領域である。一例ではあるが、コレクタ領域２１３は、ｎ型不純物としてリンまたはヒ素を含んでおり、その濃度が１×１０１8ｃｍ−3以上である。コレクタ領域２１３は、半導体基板２００の表面上に設けられているコレクタ電極２２４にオーミック接触している。
【００４６】
エミッタ電極２２２は、半導体基板２００の裏面上において、エミッタ領域２１１のうちの半導体基板２００の裏面に露出する範囲に設けられており、エミッタ領域２１１にショットキー接触している。エミッタ電極２２２は、金（Ａｕ）である。エミッタ電極２２２の厚さは、特に制限はない。
【００４７】
コレクタ電極２２４は、半導体基板２００の表面を被覆する絶縁膜２３０上に設けられており、その絶縁膜２３０に形成されたコンタクトホールを介してコレクタ領域２１３にオーミック接触している。図示省略しているが、コレクタ電極２２４は、絶縁膜２３０上において、平面視したときにコレクタ領域２１３が存在する範囲から外れた位置に形成されたコンタクトパッドに接続されるように配設されている。コレクタ電極２２４は、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００４８】
ベース電極２２６は、半導体基板２００の表面を被覆する絶縁膜２３０上に設けられており、その絶縁膜２３０に形成されたコンタクトホールを介してベースコンタクト領域２１２ａにオーミック接触している。図示省略しているが、ベース電極２２６は、絶縁膜２３０上において、平面視したときにコレクタ領域２１３が存在する範囲から外れた位置に形成されたコンタクトパッドに接続されるように配設されている。ベース電極２２６は、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００４９】
（受光素子３の動作）
図６に示されるように、受光素子３はさらに、第１電源２３２と第２電源２３４とセンス抵抗２３６を備えている。第１電源２３２は、ベース電極２２６がエミッタ電極２２２に対して正となる電圧をベース電極２２６とエミッタ電極２２２の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第１電源２３２の電圧は、約１Ｖの弱電圧である。第２電源２３４は、コレクタ電極２２４がベース電極２２６に対して正となる電圧をコレクタ電極２２４とベース電極２２６の間に印加可能に構成されている。一例ではあるが、第２電源２３４の電圧は、約２０Ｖの強電圧である。センス抵抗２３６は、コレクタ電極２２４とベース電極２２６の間の配線に接続されている。このように、受光素子３は、受光動作において、ベース接地して用いられる。
【００５０】
図６に示されるように、受光素子３は、半導体基板２００の表面側から光を受光するタイプである。受光素子３では、絶縁膜２３０と半導体基板２００を透過してエミッタ電極２２２にアイセーフ帯光（例：１５５０ｎｍ、エネルギー：０．８ｅＶ）が入射し、光がエミッタ電極２２２で自由電子吸収されると、エミッタ領域２１１に電子が注入される。このように、受光素子３では、半導体基板２００を透過した光がエミッタ電極２２２に入射するように構成されているので、エミッタ電極２２２の厚みに制限がない。エミッタ電極２２２とベース電極２２６の間に第１電源２３２によって弱電圧が印加されているので、エミッタ領域２１１に注入された電子は、半導体基板２００の厚み方向（ｚ軸方向）において、エミッタ領域２１１からベース領域２１２に向けて走行する。上記したように、コレクタ電極２２４とベース電極２２６の間には第２電源２３４によって強電圧が印加されているので、ベース領域２１２とコレクタ領域２１３のｐｎ接合には逆バイアスが印加されており、このｐｎ接合が高電界領域として機能する。特に、ベース領域２１２のうちのエミッタ領域２１１とコレクタ領域２１３の間に位置する部分のｐ型不純物の濃度が接続領域２１２ｂのｐ型不純物の濃度よりも濃く調整されているので、ベース領域２１２とコレクタ領域２１３のｐｎ接合が高電界領域として効果的に機能する。このため、エミッタ領域２１１からベース領域２１２に向けて走行してきた電子は、この高電界領域で加速され、アバランシェ増幅を生じさせる。これにより、受光素子３には、増幅したコレクタ電流が流れる。コレクタ電流が流れると、出力端子２３８の出力電圧は、ベース電圧に対して低下する。出力端子２３８の出力電圧の低下幅は、エミッタ電極２２２に入射した光量に依存する。このようにして、受光素子３は、エミッタ電極２２２に入射する光を検出することができる。
【００５１】
上記したように、受光素子３は、高電界領域でアバランシェ増幅を起こすことができるため、微小光に対する感度が高いという特徴を有することができる。自律走行車やＡＤＡＳ（Advanced driver-assistance systems）システムでは、周辺環境認識のために、赤外線カメラやＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）システムを用いる。これらのシステムでは、安全上、アイセーフ帯光（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ光）を用いることが好ましい。しかしアイセーフ帯光は、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光であるため、Ｓｉ以外の基板等を用いて受光素子を作成する必要があった。この場合、受光素子はＧｅ基板等を用いて作成し、信号処理回路はＳｉ基板を用いて作成することになる。受光システムに複数チップを搭載する必要があるため、コスト増に繋がる。受光素子３は、アバランシェ増幅機能を有するため、Ｓｉ基板を用いてアイセーフ帯光を検出可能になる。受光素子と信号処理回路を、Ｓｉ基板にモノリシックに集積化することができる。受光システムの製造コストを削減することが可能となる。
【００５２】
また、受光素子３は、第１電源２３２と第２電源２３４を備えていることを特徴とする。第１電源２３２を比較的に小さい弱電圧に設定することで、暗電流を抑えることができる。一方、第２電源２３４を比較的に大きい強電圧に設定することで、アバランシェ増幅率を大きくすることができる。このように、受光素子３は、独立制御可能な２つの電源を備えていることで、暗電流を抑えながら、受光感度を向上させることができる。
【００５３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５４】
１        ：受光素子
１０      ：半導体基板
１１      ：エミッタ領域
１２      ：ベース領域
１２ａ    ：ベースコンタクト領域
１３      ：コレクタ領域
１４      ：ベースコンタクト領域
１５      ：高電界領域
２２      ：エミッタ電極
２４      ：コレクタ電極
２６      ：ベース電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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