(57)【要約】【課題】  短波長光においても光電変換効率の高い半導体受光装置および紫外線センサー機器を提供する。【解決手段】  半導体受光装置は、カソード層１と、そのカソード層１の表面に形成されたアノード層２とを備えている。カソード層１とアノード層２とのｐｎ接合間に位置するカソード層１の部分が受光領域３である。【選択図】        図３
2006060103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層の表面に形成された一対の第２導電型半導体層とを備え、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とのｐｎ接合間に位置する前記第１導電型半導体層の部分を受光領域としたことを特徴とする、半導体受光装置。
【請求項２】
前記第１導電型半導体層の表面において前記第２導電型半導体層が前記受光領域を取り囲むように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体受光装置。
【請求項３】
前記第１導電型半導体層の表面において前記第２導電型半導体層が格子状に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の半導体受光装置。
【請求項４】
前記第２導電型半導体層と電気的に接続された配線を、前記第２導電型半導体層表面を覆うように配線したことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体受光装置。
【請求項５】
前記第１導電型半導体層としてシリコン基板を用い、前記シリコン基板の表面に一対の前記第２導電型半導体層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光装置。
【請求項６】
前記受光領域の両側の前記ｐｎ接合の各々から広がる空乏層が前記受光領域内で互いに接触する程度以上に前記ｐｎ接合の各々に逆電圧が印加されることを特徴とする、請求項５に記載の半導体受光装置。
【請求項７】
前記シリコン基板として高比抵抗シリコン基板を用いたことを特徴とする、請求項５に記載の半導体受光装置。
【請求項８】
前記シリコン基板は１０００Ωｃｍ以上の抵抗を有する高比抵抗シリコン基板であり、前記受光領域の幅は１０μｍ以上３００μｍ以下であり、前記ｐｎ接合に１Ｖ以上２０Ｖ以下の逆電圧が印加されることを特徴とする、請求項５に記載の半導体受光装置。
【請求項９】
上記請求項１〜８のいずれかに記載される半導体受光装置を用いたことを特徴とする、紫外線センサー機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光装置および紫外線センサー機器に関するものであり、特に紫外線センサーなどに使用する半導体受光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紫外線等の短波長光は太陽光にも含まれるため、我々は紫外線の多い季節の晴れた日に屋外で過ごすと、多くの紫外線を浴びることになる。またオゾン層の破壊により、北極や南極に近い地域の紫外線量は増加傾向にある。紫外線を過度に浴びると、皮膚癌の原因になる等、健康に悪影響を及ぼすことが知られている。従って最近では、紫外線量を測定し、紫外線を浴びる量を管理していこうとする動きがあり、これに必要な、安価で手軽な紫外線センサーが要望されている。
【０００３】
紫外線等の短波長を受光する半導体受光装置としては、ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体を使用したものもあるが、高価なものとなるため、安価なものとしてはシリコン材料を使用したものが多い。
【０００４】
図５は、一般的なシリコンフォトダイオードの構成を示す概略断面図である。図５を参照して、ｎ型シリコン基板がカソード層１として用いられ、そのカソード層１の表面からボロン等のｐ型不純物が拡散されてアノード層２が形成され、このアノード層２の形成領域が受光領域３とされている。このタイプの半導体受光装置はたとえば特開２０００−２９９４８７号公報に開示されている。
【０００５】
シリコン基板に光が入射された場合、シリコン中に光エネルギーが吸収され、これによりキャリアが生成されて光電流となるが、入射光の波長により光の進入長が異なり、波長の短い光ほどシリコン基板の表面付近で吸収される。上記光キャリアのうち、ｐｎ接合に達するまでに再結合により消滅したキャリアは光電流に寄与しない。従ってこれを防止するため、紫外線等の短波長受光装置の場合、ｐｎ接合はシリコン基板の表面から浅く形成され、通常１μｍ以下の深さ位置に形成される。
【特許文献１】特開２０００−２９９４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
紫外線の波長は、長波長紫外線と呼ばれるもので３２０ｎｍ〜３８０ｎｍ、中波長紫外線と呼ばれるもので２９０ｎｍ〜３２０ｎｍ程度である。健康に特に悪影響を及ぼす紫外線は中波長紫外線である。この中波長紫外線がシリコンに入射された場合、表面から５０ｎｍ程度までの領域で、９０％以上のエネルギ−が吸収されてしまう。通常のシリコンフォトダイオードプロセスにてつくられたフォトダイオードの場合、接合の深さは浅いもので３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。
【０００７】
したがって、図５のフォトダイオードに中波長紫外線が入射された場合、アノード層２にて吸収された光エネルギにより発生した電子・正孔対のうち、電子７が、アノード層２の濃度傾斜により生じる内部電界８により引っ張られてｐｎ接合まで達し、光電流が流れる。
【０００８】
ここでアノード層２の表面は一般にシリコン酸化膜５で被膜されているが、この界面付近には多くの界面準位９が存在し、この界面準位９を介して盛んに再結合が行なわれる。一方シリコン基板の表面から５０ｎｍまでの領域では、アノード層２の濃度勾配は殆どないため、この領域で発生する内部電界８は極僅かである。従って、表面から５０ｎｍまでの領域で発生した光キャリアは、大半が上記界面準位９にて再結合し消滅してしまう。すなわち、非常に小さな光電流しか流れず、光電変換効率が極めて悪い。
【０００９】
それゆえ本発明の目的は、短波長光においても光電変換効率の高い半導体受光装置および紫外線センサー機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体受光装置は、第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層の表面に形成された一対の第２導電型半導体層とを備え、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とのｐｎ接合間に位置する第１導電型半導体層の部分を受光領域としたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の半導体受光装置によれば、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とのｐｎ接合間に受光領域が位置しているため、ｐｎ接合に十分な逆電圧を印加することにより両側のｐｎ接合から広がる空乏層を受光領域内で互いに接触させることができる。この空乏層の内部では、空乏層同士の接触部から各ｐｎ接合に向って大きな電界が生じている。ここで、第１導電型半導体層がｎ型層の場合正の電界となり、ｐ型層の場合負の電界となる。このため、受光領域に短波長光が入射した場合、表面近傍にて電子・正孔対が生じるが、第１導電型半導体層がｎ型層の場合、正孔が空乏層内の大きな正の電界により引っ張られ、第１導電型半導体層がｐ型層の場合、電子が空乏層内の大きな負の電界により引っ張られて、それぞれ、ｐｎ接合まで導かれる。これにより、界面準位にて消滅するキャリアが著しく低減され、変換効率が向上する。
【００１２】
上記の半導体受光装置において好ましくは、第１導電型半導体層の表面において前記第２導電型半導体層が前記受光領域を取り囲むように形成されている。
【００１３】
これにより、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とのｐｎ接合間に受光領域が位置する構成が実現できる。
【００１４】
上記の半導体受光装置において好ましくは、第１導電型半導体層の表面において第２導電型半導体層が格子状に配置されている。
【００１５】
これにより、複数の受光領域を密に配置することができる。
【００１６】
上記の半導体受光装置において好ましくは、第２導電型半導体層と電気的に接続された配線が第２導電型半導体層表面を覆うように配線されている。
【００１７】
これにより、第２導電型半導体層に電流が流れる際のシリ−ズ抵抗を低減することができる。
【００１８】
上記の半導体受光装置において好ましくは、第１導電型半導体層としてシリコン基板を用い、シリコン基板の表面に一対の第２導電型半導体層が形成されている。
【００１９】
シリコン基板を用いることにより、ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体を用いる場合よりも、安価に半導体受光装置を製造することができる。
【００２０】
上記の半導体受光装置において好ましくは、受光領域の両側のｐｎ接合の各々から広がる空乏層が受光領域内で互いに接触する程度以上にｐｎ接合の各々に逆電圧が印加される。
【００２１】
これにより、空乏層内部に上述の大きな電界を生じさせることができるため、受光領域に短波長光が入射した場合、表面近傍にて生じた正孔が空乏層内の大きな電界により引っ張られてｐｎ接合まで導かれ、界面準位て消滅するキャリアが著しく低減され、変換効率が向上する。
【００２２】
上記の半導体受光装置において好ましくは、シリコン基板として高比抵抗シリコン基板が用いられている。
【００２３】
上記の半導体受光装置において好ましくは、シリコン基板は１０００Ωｃｍ以上の抵抗を有する高比抵抗シリコン基板であり、受光領域の幅は１０μｍ以上３００μｍ以下であり、ｐｎ接合に１Ｖ以上２０Ｖ以下の逆電圧が印加される。
【００２４】
これにより、受光領域の両側のｐｎ接合の各々から広がる空乏層を受光領域内で互いに接触させることができる。
【００２５】
本発明の紫外線センサー機器は、上記のいずれかの半導体受光装置を用いたことを特徴とするものである。
【００２６】
これにより、安価で手軽な紫外線センサーを得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、短波長光においても光電変換効率の高い半導体受光装置を得ることができ、その半導体受光装置を用いることで、安価で手軽な紫外線センサーを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施の形態における半導体受光装置の構成を概略的に示す平面図である。また図２は、図１からアノード電極を省略した平面図である。また図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略断面図である。
【００３０】
図１、図２および図３を参照して、本実施の形態の半導体受光装置は、第１導電型半導体層１と、その第１導電型半導体層１の表面に形成された一対の第２導電型半導体層２とを備えており、第１導電型半導体層１と第２導電型半導体層２とのｐｎ接合間に位置する第１導電型半導体層１の部分を受光領域３としたことを特徴とするものである。
【００３１】
第１導電型半導体層１はたとえばカソード層であり、カソ−ド層１としてたとえばｎ型シリコン基板が用いられている。第２導電型半導体層２はたとえばｐ型アノ−ド層であり、ｐ型アノ−ド層２はたとえばカソード層１の表面からボロン等のｐ型不純物を拡散することによりカソード層１の表面に形成されている。受光領域３は、断面において一対のアノード層２の一方とカソード層１とのｐｎ接合および一対のアノード層２の他方とカソード層１とのｐｎ接合の間に位置するカソード層１の領域である。
【００３２】
このアノ−ド層２は、図２に示すようにシリコン基板の表面において受光領域３を取り囲むように形成されていることが好ましい。また、アノ−ド層２は、図２に示すようにシリコン基板の表面において格子状に配置されていることが好ましい。この場合、シリコン基板の表面において、アノ−ド層２の格子内に形成されたカソード層１の領域が受光領域３となる。
【００３３】
シリコン基板の表面上にはシリコン酸化膜５が形成されている。このシリコン酸化膜５を部分的に除去することにより、シリコン酸化膜５にアノ−ド層２の一部表面に達する孔が形成されている。この孔を介してアノード層２と複数箇所で電気的に接続するように、たとえばメタル配線よりなるアノ−ド電極４が形成されている。このアノード電極４は、アノ−ド層２の表面を覆うように格子状に形成されている。これは、アノ−ド層２に電流が流れる際のシリ−ズ抵抗を低減するためである。さらにシリコン基板の裏面にはカソ−ド電極６が形成されている。
【００３４】
これらは、通常のフォトダイオ−ドプロセスにより形成されている。
【００３５】
図４は、図１に示す半導体受光装置のｐｎ接合に逆電圧を印加した様子を示す概略断面図である。図４を参照して、受光領域３の両側のｐｎ接合の各々から広がる空乏層１０が受光領域３内で互いに接触する程度以上にｐｎ接合の各々に逆電圧が印加される。シリコン基板はたとえば１０００Ωｃｍ以上の抵抗を有する高比抵抗シリコン基板であり、受光領域３の幅Ｗ（図３）はたとえば１０μｍ以上３００μｍ以下であり、ｐｎ接合に印加される逆電圧はたとえば１Ｖ以上２０Ｖ以下である。たとえばこのような条件により、受光領域３の両側のｐｎ接合の各々から広がる空乏層１０を受光領域３内で互いに接触させることが可能となる。
【００３６】
本実施の形態によれば、図４を参照して、カソード層１とアノード層２とのｐｎ接合間に受光領域３が位置しているため、ｐｎ接合に十分な逆電圧を印加することにより両側のｐｎ接合から広がる空乏層１０を受光領域３内で互いに接触させることができる。この空乏層１０の内部では、空乏層１０同士の接触部１１から各ｐｎ接合に向って大きな電界１２が生じている。このため、受光領域３に紫外線のような短波長光が入射した場合、表面近傍にて電子・正孔対が生じるが、この正孔１３が空乏層１０内の大きな電界１２により引っ張られてｐｎ接合まで導かれる。これにより、界面準位９にて消滅するキャリアが著しく低減され、変換効率が向上する。
【００３７】
本実施の形態の半導体受光装置は、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長の長波長紫外線や、２９０ｎｍ〜３２０ｎｍの波長の中波長紫外線や、それよりも短波長の光の受光に特に適しており、紫外線センサーなどの短波長光センサーに使用され得る。
【００３８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、紫外線センサーなどに使用する半導体受光装置に特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態における半導体受光装置の構成を概略的に示す平面図である。
【図２】図１からアノード電極を省略した平面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図４】図１に示す半導体受光装置のｐｎ接合に逆電圧を印加した様子を示す概略断面図である。
【図５】従来のフォトダイオ−ドの構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  カソ−ド層、２  アノ−ド層、３  受光領域、４  アノ−ド電極、５  シリコン酸化膜、６  カソ−ド電極、９  界面準位、１０  空乏層、１１  空乏層接触部、１２  空乏層内の電界、１３  光励起により発生した正孔。
【図１】
2006060103.tif 000003
【図２】
2006060103.tif 000004
【図３】
2006060103.tif 000005
【図４】
2006060103.tif 000006
【図５】
2006060103.tif 000007