(57)【要約】【課題】フォトダイオード間のクロストークを低減するとともに、長波長光に対しても感度を高める。【解決手段】第１導電型の第１半導体層２１上に、第１導電型の第２半導体層２２が設けられる。第２半導体層２２における上部に、第２導電型の複数の第１半導体領域２３ａ，２３ｂが設けられる。各第１半導体領域２３ａ，２３ｂを取り囲むように、第２半導体層２２における上部に、第２導電型の第２半導体領域２４が設けられる。不純物濃度が第１半導体層２１及び第２半導体層２２よりも高濃度である第１導電型の複数の第３半導体領域２５ａ，２５ｂが、複数の第１半導体領域２３ａ，２３ｂの下方に間隔をあけて、第２半導体層２２中に設けられる。複数の第３半導体領域２５ａ，２５ｂは、複数の第１半導体領域２３ａ，２３ｂ、第１半導体層２１及び第２半導体層２２と共に複数のフォトダイオードを構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた前記第１導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層における上部に設けられた第２導電型の複数の第１半導体領域と、
前記各第１半導体領域を取り囲むように、前記第２半導体層における上部に設けられた前記第２導電型の第２半導体領域と、
前記複数の第１半導体領域の下方に間隔をあけて前記第２半導体層中に設けられ、不純物濃度が前記第１半導体層及び前記第２半導体層よりも高濃度である前記第１導電型の複数の第３半導体領域と、
を備えたことを特徴とする半導体光検出装置。
【請求項２】
前記複数の第３半導体領域は、前記複数の第１半導体領域、前記第１半導体層及び前記第２半導体層と共に複数のフォトダイオードを構成することを特徴とする請求項１記載の半導体光検出装置。
【請求項３】
前記第３半導体領域の外周部は、平面視において前記第２半導体領域とオーバーラップしたことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体光検出装置。
【請求項４】
前記第２半導体層の不純物濃度が、前記第１半導体層の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体光検出装置。
【請求項５】
前記第２半導体層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光検出装置。
【請求項６】
前記第２半導体領域から延びる空乏層が前記第３半導体領域の上面に達するように、前記第２半導体領域と前記第２半導体層との間に逆バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光検出装置。
【請求項７】
前記第１半導体領域から延びる空乏層が前記第３半導体領域の上面に達するように、前記第１半導体領域と前記第２半導体層との間に逆バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項６記載の半導体光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のフォトダイオードを有する半導体光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１の図６には、複数のフォトダイオードを有する半導体光検出装置が開示されている。以下の説明において、各要素には、特許文献１の図６中の符号と同一の符号を付している。
【０００３】
この従来の半導体光検出装置では、ｐ型半導体基板１上にｎ−型エピタキシャル成長層２が形成されている。このｎ−型エピタキシャル成長層２中にはｐ＋型分離領域３が選択的に設けられていて、これによって、ｎ−型エピタキシャル成長層２は複数のｎ−型エピタキシャル成長層２ａ，２ｂ，２ｃに分割されている。さらに、ｐ＋型分離領域３、ｎ−型エピタキシャル成長層２ａ，２ｂとｐ型半導体基板１との間にｐ＋型埋め込み層１４，１５が形成されている。ｎ−型エピタキシャル成長層２ａ，２ｂとｐ＋型埋め込み層１４，１５及びｐ型半導体基板１とにより、共通アノードの２つのフォトダイオードが構成されている。また、ｎ−型エピタキシャル成長層２ｃは、正電源Ｖｃｃに接続され、ｐ型半導体基板１あるいはｐ＋型埋め込み層１４，１５中で発生したキャリアを吸収する浮遊キャリア吸い込み領域、即ちガードリングとして働く。
【０００４】
このような構成では、高不純物濃度のｐ＋型埋め込み層１４，１５を形成することにより浮遊キャリアの寿命を短くすることができ、したがって拡散長も短くなる。さらに、ｐ型半導体基板１まで透過した入射光により発生したキャリアは、ｎ−型エピタキシャル成長層２ｃにより吸収される。以上によって、フォトダイオード間のクロストークを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１８３５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来の半導体光検出装置では、ｐ＋型分離領域３を深く形成するのは困難であることから、フォトダイオード間の分離を適切に行うためには、ｎ−型エピタキシャル成長層２をさほど厚くすることはできない。このため、前記従来の半導体光検出装置では、感光領域が比較的浅くなってしまい、長波長光に対して感度が低いという問題がある。
【０００７】
具体的に説明すると、感光領域はｎ−型エピタキシャル成長層２の厚さに加え、ｐ＋型埋め込み層１４，１５の厚さの半分程度あるが、比較的簡単に形成し得るｐ＋型分離領域３の深さを２．５μｍ程度とすると感光領域の深さはおおよそ５μｍ程度になる。この場合、波長８５０ｎｍ付近の近赤外光に対するフォトダイオードの量子効率は約６０％程度に留まる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、フォトダイオード間のクロストークを低減することができるとともに、長波長光に対しても感度が高い半導体光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による半導体光検出装置は、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた前記第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層における上部に設けられた第２導電型の複数の第１半導体領域と、前記各第１半導体領域を取り囲むように、前記第２半導体層における上部に設けられた前記第２導電型の第２半導体領域と、前記複数の第１半導体領域の下方に間隔をあけて前記第２半導体層中に設けられ、不純物濃度が前記第１半導体層及び前記第２半導体層よりも高濃度である前記第１導電型の複数の第３半導体領域と、を備えたものである。
【００１０】
第２の態様による半導体光検出装置は、前記第１の態様において、前記複数の第３半導体領域は、前記複数の第１半導体領域、前記第１半導体層及び前記第２半導体層と共に複数のフォトダイオードを構成するものである。
【００１１】
第３の態様による半導体光検出装置は、前記第１又は第２の態様において、前記第３半導体領域の外周部は、平面視において前記第２半導体領域とオーバーラップしたものである。
【００１２】
第４の態様による半導体光検出装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記第２半導体層の不純物濃度が、前記第１半導体層の不純物濃度よりも低いものである。
【００１３】
第５の態様による半導体光検出装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記第２半導体層の厚さが１０μｍ以上であるものである。前記第２半導体層の厚さは、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがより一層好ましい。
【００１４】
第６の態様による半導体光検出装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記第２半導体領域から延びる空乏層が前記第３半導体領域の上面に達するように、前記第２半導体領域と前記第２半導体層との間に逆バイアス電圧が印加されるものである。
【００１５】
第７の態様による半導体光検出装置は、前記第６の態様において、前記第１半導体領域から延びる空乏層が前記第３半導体領域の上面に達するように、前記第１半導体領域と前記第２半導体層との間に逆バイアス電圧が印加されるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、フォトダイオード間のクロストークを低減することができるとともに、長波長光に対しても感度が高い半導体光検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体基板の使用状態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明による半導体光検出装置について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態による半導体光検出装置の使用状態を示す概略断面図である。
【００２０】
本実施の形態による半導体光検出装置は、ｎ型半導体基板（第１半導体層）２１と、その上に設けられたｎ−型エピタキシャル成長層（第２半導体層）２２とを有している。なお、本発明では、第１半導体層は半導体基板に限られず、第２半導体層はエピタキシャル成長層に限られない。
【００２１】
ｎ−型エピタキシャル成長層２２中の上部には、フォトダイオードのアノードとなる複数のｐ＋型拡散領域（第１半導体領域）２３ａ，２３ｂが設けられている。また、ｎ−型エピタキシャル成長層２２中の上部において、各ｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂを取り囲むように、ｐ＋型拡散領域（第２半導体領域）２４が設けられている。
【００２２】
また、複数のｎ＋型埋め込み層（第３半導体領域）２５ａ，２５ｂが、ｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂの下方に間隔をあけて、ｎ−型エピタキシャル成長層２２中に設けられている。ｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの不純物濃度は、ｎ型半導体基板２１及びｎ−型エピタキシャル成長層２２よりも高濃度である。本実施の形態では、ｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの下部は、ｎ型半導体基板２１の上部に及んでいる。また、本実施の形態では、ｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの外周部（図１では、左右端部）は、平面視においてｐ＋型拡散領域２４とオーバーラップしている。
【００２３】
ｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂは、ｎ型半導体基板２１、ｎ−型エピタキシャル成長層２２及びｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂと共に、複数のフォトダイオードを構成している。本実施の形態による半導体光検出装置を使用する場合には、ｐ＋型拡散領域２４は、ｎ−型エピタキシャル成長層２２に対して逆バイアス電圧が印加されて、浮遊キャリアを吸い込むガードリングとなる。この逆バイアス電圧は、ｐ＋型拡散領域２４からｎ−型エピタキシャル成長層２２中に延びる空間電荷領域である空乏層２７が、図１に示すようにｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面及び側面まで達するように、印加される。図中の２７ａは、ｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面及び側面に達する側の空乏層２７の端部を示している。
【００２４】
また、図１に示す使用例では、ｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂからｎ−型エピタキシャル成長層２２中に延びる空乏層２６が、図１に示すようにｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面まで達するように、ｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂとｎ−型エピタキシャル成長層２２の間に逆バイアス電圧が印加されている。
【００２５】
前述した従来の半導体光検出装置に比べて長波長光に対する感度を比較的大きく高めるためには、ｎ−型エピタキシャル成長層２２の厚さは、１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがより一層好ましい。
【００２６】
本実施の形態において、例えば、ｎ−型エピタキシャル成長層２２の厚さを２０μｍに設定すれば、波長８５０ｎｍ付近の近赤外光に対するフォトダイオードの量子効率は８５％程度になり、前述した従来例に比べて感度は約４０％向上する。また、ｎ−型エピタキシャル成長層２２の不純物濃度を５×１０１３ｃｍ−３とし、さらにフォトダイオードのアノードとなるｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂ及びガードリングとなるｐ＋型拡散領域２４に１５Ｖの逆バイアス電圧を印加すれば、空乏層２６，２７は、２０μｍ程度延びて、図１に示すようにｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面及び側面に達する。
【００２７】
本実施の形態によれば、フォトダイオードの入射光により浮遊キャリアがｎ型半導体基板２１中に発生しても、ｎ型半導体基板２１とｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂとの不純物濃度差により浮遊キャリアはブロックされ、その浮遊キャリアがフォトダイオードのアノードとなるｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂに到達することを防止できる。また、ｎ＋型埋め込み層２５ａあるいは２５ｂで発生した浮遊キャリアは、ｎ＋型埋め込み層２５ａあるいは２５ｂで大部分は消滅し、たとえ寿命の長い浮遊キャリアが存在しｎ＋型埋め込み層２５ａあるいは２５ｂ中を拡散しても、ｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂはｐ＋型拡散領域２４の下で分離されているため、その浮遊キャリアは、ガードリングとなるｐ＋型拡散領域２４の空乏層２７に吸収され、フォトダイオードのアノードとなるｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂに到達しない。
【００２８】
このように、本実施の形態によれば、浮遊キャリアがフォトダイオードのアノードとなるｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂに到達することが防止されるので、フォトダイオード間のクロストークを低減することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、空乏層端２７ａはｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面及び側面に達しているが、空乏層端２７ａがｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面まで達していれば、空乏層端２７ａがｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの側面に達していなくても、浮遊キャリアを吸い込む効果が得られる。
【００３０】
また、本実施の形態では、ｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの外周部が平面視においてｐ＋型拡散領域２４とオーバーラップしているので、ｐ＋型拡散領域２４への逆バイアス電圧の印加により、空乏層端２７ａがｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面まで達するようにし易くなっているため、好ましい。しかしながら、必ずしもｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの外周部をｐ＋型拡散領域２４とオーバーラップさせる必要はなく、オーバーラップしていなくても、前記逆バイアス電圧を高めるなどにより、空乏層端２７ａがｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面まで達するようにすればよい。
【００３１】
さらに、図１に示す使用例では、空乏層２６，２７間にｎ−型エピタキシャル成長層２２の中性領域が介在している。しかし、空乏層２６，２７間に前記中性領域が介在することなく空乏層２６と空乏層２７とが連続するようにしてもよい。この場合にも、前述したフォトダイオード間のクロストーク低減効果が得られる。
【００３２】
さらにまた、図１に示す使用例では、フォトダイオードのアノードとなるｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂにも、ガードリングとなるｐ＋型拡散領域２４と同じ逆バイアス電圧を印加している。しかし、フォトダイオードの量子効率はほぼｎ−型エピタキシャル成長層２２の厚さで決まるため、必ずしもｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂにｐ＋型拡散領域２４と同じ逆バイアス電圧を印加する必要はなく、例えば、ｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂをｎ−型エピタキシャル成長層２２と同電位にしてもよい。ただし、フォトダイオードの感度をより高めるためには、空乏層２６がｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂの上面まで達するように、ｐ＋型拡散領域２３ａ，２３ｂに逆バイアス電圧が印加することが好ましい。
【００３３】
また、本実施の形態によれば、ガードリングとなるｐ＋型拡散領域２４に逆バイアス電圧を印加することで、ｐ＋型拡散領域２４からｎ−型エピタキシャル成長層２２中に延びる空乏層２７により、フォトダイオード間が分離される。したがって、ｎ−型エピタキシャル成長層２２を厚くし、ｐ＋型拡散領域２４自体は深く形成せずに比較的浅く形成しておいても、フォトダイオード間を分離することができる。このため、深い拡散領域の形成という制約を受けることなく、ｎ−型エピタキシャル成長層２２を厚くすることで感光領域を深く形成することができるので、長波長光に対してもフォトダイオードの感度を高めることができる。
【００３４】
以上述べたように、本実施の形態によれば、各フォトダイオードは、下部は高不純物濃度領域であるｎ＋型埋め込み層２５ａ，２５ｂ、側面はガードリングとなるｐ＋型拡散領域２４から延びる空乏層２７により取り囲まれるため、フォトダイオード間のクロストークを低減することができるとともに、長波長光に対しても感度を高めることができる。
【００３５】
以上、本発明の一実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、前述した各導電型は逆導電型としてもよい。
【００３６】
なお、本発明は、特許文献１に開示されている半導体光検出装置と同様に複数のフォトダイオードと集積回路とを同一チップ内に作製したフォトＩＣに適用することができる他、複数のフォトダイオードを有する任意の半導体光検出装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
２１  ｎ型半導体基板（第１半導体層）
２２  ｎ−型エピタキシャル成長層（第２半導体層）
２３ａ，２３ｂ  ｐ＋型拡散領域（第１半導体領域）
２４  ガードリングとなるｐ＋型拡散領域（第２半導体領域）
２５ａ，２５ｂ  ｎ＋型埋め込み層（第３半導体領域）
２６，２７  空乏層
２７ａ  空乏層端
【図１】
2011108949.tif 000003