(57)【要約】【課題】短波長の光に感度があるフォトダイオード１と感度のないフォトダイオード２を半導体基板上に作製し、両者を直列に接続して、その接続点から光電流の差分を検出する半導体光検出装置において、長波長の光に対する感度を抑え、短波長の光に対する感度を高くする。【解決手段】短波長の光に感度があるフォトダイオード１、４と感度のないフォトダイオード２、３を半導体基板上に作製し、フォトダイオード１の陰極とフォトダイオード２の陽極を接続した点から光電流の差分をIout1として取り出し、フォトダイオード３の陰極とフォトダイオード４の陽極を接続した点から光電流の差分をIout2として取り出し、Iout1とIout2の差分をとる。【選択図】図１
2019102748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードを有する半導体光検出装置において、
第１のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオートと分光感度特性の異なる第２のフォトダイオートと、前記第２のフォトダイオードと分光感度特性の等しい第３のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードと分光感度特性の等しい第４のフォトダイオードと、差分電流を検出する回路を備え、
前記第１のフォトダイオードの陽極と前記第３のフォトダイオードの陽極が接続され、
前記第２のフォトダイオードの陰極と前記第４のフォトダイオードの陰極が接続され、
前記第１のフォトダイオードの陰極と前記第２のフォトダイオードの陽極が第１の接続点において接続され、前記第１の接続点から第１の光電流を出力し、
前記第３のフォトダイオードの陰極と前記第４のフォトダイオードの陽極が第２の接続点において接続され、前記第２の接続点から第２の光電流を出力し、
前記差分電流を検出する回路は、前記第１の光電流と前記第２の光電流の差分電流を検出することを特徴とする半導体光検出装置。
【請求項２】
前記第１及び前記第４のフォトダイオードの受光部における半導体の最表面側にあるｐｎ接合の深さと、前記第２及び前記第３のフォトダイオードの受光部における半導体の最表面側にあるｐｎ接合の深さが異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体光検出装置。
【請求項３】
前記第１乃至前記第４のフォトダイオードの受光部が、複数のｐｎ接合が積層された構造からなり、
前記第２及び前記第３のフォトダイオードは、半導体の最表面側にあるｐｎ接合を電気的に短絡することで、その分光感度特性が、前記第１及び前記第４のフォトダイオードの分光感度特性と異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体光検出装置。
【請求項４】
前記第１乃至前記第４のフォトダイオードの受光部が、複数のｐｎ接合が積層された構造からなり、
前記第２及び前記第３のフォトダイオードのｐｎ接合の接合数は、前記第１及び前記第４のフォトダイオードのｐｎ接合の接合数より一つ多く、
前記第２及び前記第３のフォトダイオードの半導体の最表面側にあるｐｎ接合は電気的に短絡されていて、その分光感度特性が、前記第１及び前記第４のフォトダイオードの分光感度特性と異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体光検出装置。
【請求項５】
前記第１のフォトダイオードは、前記第１の接続点と接地電圧端子の間に配置された第１の光電流および第１の暗電流を流す第１のｐｎ接合と、前記第１のｐｎ接合に並列に配置された光電流を含む第１の電流を流す第１の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第２のフォトダイオードは、印加電圧端子と前記第１の接続点の間に配置された第２の光電流および前記第１の暗電流に等しい第２の暗電流を流す第２のｐｎ接合と、前記印加電圧端子と前記接地電圧端子の間に配置された前記第１の電流に等しい第２の電流を流す第２の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第３のフォトダイオードは、前記第２の接続点と前記接地電圧端子の間に配置された前記第２の光電流に等しい第３の光電流および前記第１の暗電流に等しい第３の暗電流を流す第３のｐｎ接合と、前記第３のｐｎ接合に並列に配置された前記第１の電流に等しい第３の電流を流す第３の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第４のフォトダイオードは、前記印加電圧端子と前記第２の接続点の間に配置された前記第１の光電流に等しい第４の光電流および前記第１の暗電流に等しい第４の暗電流を流す第４のｐｎ接合と、前記印加電圧端子と前記接地電圧端子の間に配置された前記第1の電流に等しい第４の電流を流す第４の寄生ｐｎ接合とからなる、請求項１に記載の半導体光検出装置。
【請求項６】
前記第１のフォトダイオードは、
前記第１の接続点と接地電圧端子の間に配置された第１の光電流および第１の暗電流を流す第１のｐｎ接合と、
前記第１のｐｎ接合に並列に配置された第２の光電流および第２の暗電流を流す第２のｐｎ接合と、
印加電圧端子と前記接地電圧端子の間に配置された光電流を含む第１の電流を流す第１の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第２のフォトダイオードは、
前記印加電圧端子と前記第１の接続点の間に配置された前記第２の光電流に等しい第３の光電流および前記第２の暗電流に等しい第３の暗電流を流す第３のｐｎ接合と、
前記第３のｐｎ接合に並列に配置された前記第１の電流に等しい第２の電流を流す第２の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第３のフォトダイオードは、
前記第２の接続点と前記接地電圧端子の間に配置された前記第２の光電流に等しい第４の光電流および前記第２の暗電流に等しい第４の暗電流を流す第４のｐｎ接合と、
前記印加電圧端子と前記接地電圧端子の間に配置された前記第１の電流に等しい第３の電流を流す第３の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第４のフォトダイオードは、
前記印加電圧端子と前記第２の接続点の間に配置された前記第１の光電流に等しい第５の光電流および前記第１の暗電流に等しい第５の暗電流を流す第５のｐｎ接合と、
前記第５のｐｎ接合に並列に配置された前記第２の光電流に等しい第６の光電流および前記第２の暗電流に等しい第６の暗電流を流す第６のｐｎ接合と、
前記第５のｐｎ接合に並列に配置された前記第１の電流に等しい第４の電流を流す第４の寄生ｐｎ接合とからなる、請求項１に記載の半導体光検出装置。
【請求項７】
前記第１のフォトダイオードは、
前記第１の接続点と接地電圧端子の間に並列に配置された、流す電流の和が第１の光電流および第１の暗電流の和となる第１および第２のｐｎ接合と、
印加電圧端子と前記接地電圧端子の間に配置された光電流を含む第１の電流を流す第１の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第２のフォトダイオードは、
前記印加電圧端子と前記第１の接続点の間に並列に配置された、流す電流の和が第２の光電流および前記第１の暗電流に等しい第２の暗電流の和となる第３および第４のｐｎ接合と、
前記第３のｐｎ接合に並列に配置された前記第１の電流に等しい第２の電流を流す第２の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第３のフォトダイオードは、
前記第２の接続点と接地電圧端子の間に配置された、流す電流の和が前記第２の光電流に等しい第３の光電流および前記第１の暗電流に等しい第３の暗電流の和となる第５および第６のｐｎ接合と、
前記印加電圧端子と前記接地電圧端子の間に配置された前記第１の電流に等しい第３の電流を流す第３の寄生ｐｎ接合とからなり、
前記第４のフォトダイオードは、
前記印加電圧端子と前記第２の接続点の間に配置された、流す電流の和が前記第１の光電流に等しい第４の光電流および前記第１の暗電流に等しい第４の暗電流の和となる第７および第８のｐｎ接合と、
前記第７のｐｎ接合に並列に配置された前記第１の電流に等しい第４の電流を流す第４の寄生ｐｎ接合とからなる、請求項１に記載の半導体光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体を用いた光検出装置に関する。特に複数のシリコンフォトダイオードを用いて紫外線などの波長の短い光を検出する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光検出装置には様々な種類があるが、シリコンを用いた光検出装置は、集積回路を同一基板上に作りこんで、受光から信号処理までを一つのチップ上で行うことができるため、多くの用途で使用されている。シリコンにおける光の浸入深さ（光の吸収係数αの逆数で、シリコンに入射した光の強度が吸収により1/eに減衰する深さ)は図１３のような波長依存性をもっており、波長が短い光ほどシリコン表面の近くで吸収される傾向がある。
【０００３】
このような特徴をもつシリコンにおいて、フィルターを使わずに紫外線（波長400nm以下）などの短波長の光を検出する手法として、ｐｎ接合の深さが異なる二つのフォトダイオードを用意し、それらの光電流の差分を取る方法（特許文献１、２）が知られている。またフォトダイオードの短波長側の光検出感度を低下させるために、ｐｎ接合を積層した構造において、最も表面側のｐｎ接合を電気的に短絡させ、表面近傍で発生した光電流を無効化してしまうという方法（特許文献３）があり、これを利用して短波長の光に対して感度が異なる二種類のフォトダイオードを用意し、それらの光電流の差分を取って短波長の光を検出することも可能である。
【０００４】
二種類のフォトダイオードにおける光電流の差分を得る方法としては、図１４に示すように、二種類のフォトダイオード１，２から得られる光電流Iout1、Iout2を電流電圧変換回路１１によって電圧Vout1、Vout2に変換し、差動増幅回路１２によって電圧差分を増幅させるというのが一般的である。他には、図１５に示すように二種類のフォトダイオード１，２を直列に接続して、その接続点から光電流の差分Ioutを取り出し、電流電圧変換回路１１により電圧を出力させるという方法もある（特許文献１、特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６７３３１号公報
【特許文献２】国際公開番号ＷＯ２０１５／１５１１９８Ａ１
【特許文献３】特開昭５５−１９８３３号公報
【特許文献４】特開２００９−７４８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１４の方法は、それぞれの電流を一度電圧に変換してから、差動増幅するため、ダイナミックレンジが小さくなってしまう。また、二つの電流電圧変換回路に特性差があると、打ち消されない成分が残ってしまう。一方、図１５の方法は二つのフォトダイオードの暗電流および長波長の光により生成される光電流を直接打ち消すことができ、かつ電流電圧変換回路を一つで済ませることができるという利点がある。しかし図１５の方法では、寄生フォトダイオードが発生する打ち消すことのできない光電流が含まれてしまう。以下、それについて説明する。
【０００７】
図１６は、図１５において二種類のフォトダイオードが直列に接続されている様子をデバイス構造として表したものであり、特許文献１に記載されている構造と同等なものである。ｐ型基板３１上に埋め込みｎ層４１、４２とｐ型表面層５１、５２が形成されており、埋め込みｎ層４１とｐ型表面層５１から成るダイオード１を構成するｐｎ接合Ｄ１ａの深さは、埋め込みｎ層４２とｐ型表面層５２から成るダイオード２を構成するｐｎ接合Ｄ２ａの深さより相対的に浅くなっている。このため、フォトダオード２はフォトダイオード１に比べ、短波長の光に対しては光電流が発生しにくいが、長波長の光に対してはほぼ同等の光電流が発生する。そこでフォトダオード１、２を図１６のように直列に接続し、接続点から光電流の差分Ioutを取り出すと、短波長の光を検出することができる。
【０００８】
しかしフォトダオード１、２において利用したいｐｎ接合はＤ１ａ、Ｄ２ａだけであるのに、それ以外にもｐ型基板３１と埋め込みｎ層４１からなるダイオードＤ１ｐ、ｐ型基板３１と埋め込みｎ層４２からなるダイオードＤ２ｐという本来ならば不用なｐｎ接合が存在し、これらは寄生フォトダイオードと呼べるものである。寄生フォトダイオードは比較的長波長の光に対して感度が高く、Ｄ１ｐで発生した光電流はIoutに含まれるが、Ｄ２ｐで発生した光電流はIoutに含まれない。したがって寄生フォトダイオードＤ１ｐ、Ｄ２ｐの光電流はIoutでは打ち消されず、短波長の光を検出するために図１６の構造にしたにもかかわらず、長波長の光も検出されてしまう。
【０００９】
なお、ＳＯＩ基板を用いてフォトダイオードを作成すれば寄生フォトダイオードはなくすことができるので、長波長の光の検出は抑制されるが、ＳＯＩ基板はコストが高くなり、且つ、集積回路を搭載するためにはプロセス技術・デバイス技術両面で大幅な見直しが必要になる。
【００１０】
そこで本発明は、バルクＳｉ基板を用いた、フォトダイオードを直列に接続する方式で、短い波長の光に高い感度を有する半導体光検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では上記課題を解決するため、フォトダイオードを有する半導体光検出装置において、
第１のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオートと分光感度特性の異なる第２のフォトダイオートと、前記第２のフォトダイオードと分光感度特性の等しい第３のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードと分光感度特性の等しい第４のフォトダイオードと、差分電流を検出する回路を備え、
前記第１のフォトダイオードの陽極と前記第３のフォトダイオードの陽極が接続され、
前記第２のフォトダイオードの陰極と前記第４のフォトダイオードの陰極が接続され、
前記第１のフォトダイオードの陰極と前記第２のフォトダイオードの陽極が接続されると共にその接続点から第１の光電流を出力し、
前記第３のフォトダイオードの陰極と前記第４のフォトダイオードの陽極が接続されると共にその接続点から第２の光電流を出力し、
前記差分電流を検出する回路は、前記第１の光電流と前記第２の光電流の差分電流を検出することを特徴とする半導体光検出装置とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、短波長の光に感度の高いフォトダイオードと短波長の光に感度の低いフォトダイオードが直列に接続され、その接続点から光電流の差分を取り出しているため、暗電流および長波長の光により生成される光電流は打ち消し合い、第１の光電流および第２の光電流には含まれない。また、寄生フォトダイオードから生じる光電流は第１の光電流および第２の光電流に等しく含まれているため、第１の光電流と第２の光電流の差分を取ることにより取り除くことができる。したがって、バルクＳｉ基板においても、フォトダイオードを直列に接続する方式で、短い波長の光に対して高い感度を有する半導体光検出装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の基本構成を示す回路図である。
【図２】第１の実施例におけるデバイス構造を示す断面図である。
【図３】第１の実施例の効果を説明する図である。
【図４】第１の実施例における分光感度特性を示す図である。
【図５】第１の実施例における回路構成を示す図である。
【図６】第２の実施例における回路構成を示す図である。
【図７】第３の実施例におけるデバイス構造を示す断面図である。
【図８】第３の実施例の効果を説明する図である。
【図９】第３の実施例における分光感度特性を示す図である。
【図１０】第４の実施例におけるデバイス構造を示す断面図である。
【図１１】第４の実施例の効果を説明する図である。
【図１２】第４の実施例における分光感度特性を示す図である。
【図１３】シリコンにおける光の浸入深さ（光の吸収係数αの逆数）を示す図である。
【図１４】光電流の差分を検出する従来例である第１の回路構成を示す図である。
【図１５】光電流の差分を検出する従来例である第２の回路構成を示す図である。
【図１６】第２の従来例をデバイス構造として表した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
最初に図１を用いて本発明の基本構成を説明する。図１は本発明の基本構成を示す回路図である。
【００１５】
本発明では、フォトダイオードを有する半導体光検出装置において、短波長の光に感度の高いフォトダイオード１、４と短波長の光に感度の低いフォトダイオード２、３をそれぞれ２個ずつ半導体基板上に作り込む。フォトダイオード１と４は同じ分光感度特性を有しており、フォトダイオード２と３は同じ分光感度特性を有している。図１に示したように接地電圧端子ＧＮＤと印加電圧端子Ｖｄｄの間に４つのフォトダイオードを接続する。即ち、フォトダイオード１の陽極とフォトダイオード３の陽極が接続され接地電圧が与えられ、フォトダイオード２の陰極とフォトダイオード４の陰極が接続され印加電圧が与えられ、フォトダイオード１の陰極とフォトダイオード２の陽極が接続され、フォトダイオード３の陰極とフォトダイオード４の陽極が接続される。フォトダイオード１の陰極とフォトダイオード２の陽極を接続した点から光電流の差分をIout1として取り出し、フォトダイオード３の陰極とフォトダイオード４の陽極を接続した点から光電流の差分をIout2として取り出し、回路１０を介してIout1とIout2の差分を検出し電圧に変換してから信号Voutとして出力する。こうすることで、短波長の光に対し感度の高い光半導体検出器が実現できる。
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施例＞
図２は第１の実施例におけるデバイス構造を示す断面図で、フォトダイオード１は短波長の光に対して感度が高く、フォトダイオード２は短波長の光に対して感度が低くなっている。これらのフォトダイオードを用いて図１のように構成することにより、長波長の光に対しては、ほとんど感度を有さず、短波長の光に対して感度の高い光半導体検出器が実現できる。例えば、フォトダイオード３はフォトダイオード２と同じ構造を有し、同じ特性とし、フォトダイオード４はフォトダイオード１と同じ構造を有し、同じ特性とすることで、フォトダイオード１と４の分光感度特性を同じにし、フォトダイオード２と３の分光感度特性を同じにすることができる。
【００１７】
フォトダイオード１、２は次のような工程により作製される。まず、ｐ型シリコン基板３１の上に素子分離領域３５としてＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）を形成する。これはシリコン基板上に形成された溝にシリコン酸化膜を埋め込んだものである。次に、フォトダイオード領域全体にｐウェルのイオン注入をB+、150keV、1.0×1013cm-2の条件で行い、窒素雰囲気中で900℃、30分の熱処理を実施してｐウェルを形成する（図２には図示せず）。
【００１８】
その後、シリコン基板表面に熱酸化膜を10nm形成し（図２には図示せず）、埋め込みｎ層４１、４２のイオン注入をP+、120keV、1.5×1013cm-2の条件で行なう。窒素雰囲気中で1000℃の短時間熱処理を実施した後、ｐ型表面層５１、５２のイオン注入を、それぞれBF2、15keV、5.0×1013cm-2とBF2、45keV、5.0×1013cm-2の条件で行い、ｐ+拡散領域６１とｎ+拡散領域６２のイオン注入をそれぞれBF2、40keV、5.0×1015cm-2とAs+、40keV、5.0×1015cm-2の条件で行って、もう一度窒素雰囲気中で1000℃の短時間熱処理を実施する。引き続き、シリコン基板表面にシリコン酸化膜３６をプラズマＣＶＤ法により堆積し、コンタクトホールを形成したあと、コンタクト及び配線７１、７２を形成する。シリコン酸化膜３６の最終的な膜厚は140nmである。
【００１９】
フォトダイオード１は、ｐ型表面層５１と埋め込みｎ層４１から成るｐｎ接合Ｄ１ａと、ｐ型基板３１と埋め込みｎ層４１から成るｐｎ接合Ｄ１ｐで構成される。フォトダイオード２は、ｐ型表面層５２と埋め込みｎ層４２から成るｐｎ接合Ｄ２ａと、ｐ型基板３１と埋め込みｎ層４２から成るｐｎ接合Ｄ２ｐで構成される。即ち、ｐｎ接合がシリコン基板の表面近傍とシリコン基板の内部に形成されているので、それぞれのフォトダイオードはｐｎ接合を２つずつ有している。ｐ型表面層５１はｐ型表面層５２に比べ浅くイオン注入されているため、ｐｎ接合Ｄ１ａは短波長の光に対して感度が高いフォトダイオードとなるのに対して、ｐｎ接合Ｄ２ａは短波長の光に対して感度が低いフォトダイオードとなる。一方、ｐｎ接合Ｄ１ｐとＤ２ｐは長波長の光に感度をもつ寄生フォトダイオードとなる。したがって、フォトダイオード１は短波長の光に対して感度が高いが、長波長の光に感度をもつ寄生フォトダイオードも備えている。フォトダイオード２は短波長の光に対して感度が低く、且つ長波長の光に感度をもつ寄生フォトダイオードも備えている。
【００２０】
図３は、上記の特徴をもつフォトダイオード１、２を２つずつ用いて図１のように構成したとき、４つのフォトダイオードが配置された部分を、ｐｎ接合Ｄ１ａ、Ｄ２ａ、Ｄ１ｐ、Ｄ２ｐをそれぞれ２つ用いて回路図としたものである。ここで、図１に示したフォトダイオード１と４、フォトダイオード２と３はそれぞれ同じ特性を有するダイオードおよび寄生ダイオードから構成されているので、図３においては同じ符号を用いて表している。図３では、Ｄ１ａ、Ｄ２ａにおける光電流をそれぞれＩ1、Ｉ2、暗電流をＩD（Ｄ１ａとＤ２ａで等しい）、Ｄ１ｐ、Ｄ２ｐにおける光電流を含む総電流をＩP（Ｄ１ｐとＤ２ｐで等しい）で表している。フォトダイオード１、２を直列接続することにより、ＩDは相殺されIout1、Iout2に含まれなくなるが、Iout1にはＤ１ｐに流れるＩPが、Iout2にはＤ２ｐに流れるＩPが含まれてしまう。しかし、Iout1とIout2の差分を取ることによりＩPを相殺することができ、Ｄ１ａとＤ２ａの差分電流Ｉ1−Ｉ2を取り出すことができる。
【００２１】
図４は第１の実施例により得られた光電流Iout1、Iout2およびこれらの光電流の差分ΔIoutを示すものである。Iout1、Iout2は、その電流成分にＩPが含まれているため、500nm以上の長波長の光に対しても感度があるが、差分電流ΔIout（=Iout1-Iout2）では長波長の光に対する感度は抑えられ、400nm以下の短波長の光に対して高い感度が得られている。
【００２２】
図５は第１の実施例における信号処理部を示したものである。Iout1、Iout2はそれぞれ電流電圧変換回路１１を介して電圧信号に変換され、さらに差動増幅回路１２を介して、電圧信号Voutが出力される。電流電圧変換回路１１は、演算増幅器、帰還抵抗、リミッタ用ダイオードから成る一般的なものである。
【００２３】
＜第２の実施例＞
図６は第２の実施例を示す回路図である。第２の実施例は、第１の実施例と同様に、図２のデバイス構造のフォトダイオードを図１の基本構成となるように配置したものである。信号処理部が第１の実施例と異なっている。電流の差分を検出し電圧に変換する回路１０にIout1とIout2が入力され、電圧信号Voutが出力される。回路１０は演算増幅器、帰還抵抗、リミッタ用ダイオードから成る一般的なものであり、電流の差分を検出する機能と電流を電圧に変換する機能を同じ演算増幅器が担っているので、図５の回路に比べ簡易化できるというメリットを有している。ただし、フォトダイオード３、４の接続点である演算増幅器の非反転入力端子に印加される電圧は、図５の第１の実施例の回路では参照電圧Vdd/2に固定されるのに対して、図６の第２の実施例ではIout2の値によって参照電圧Vdd/2から若干の変動がある。
【００２４】
＜第３の実施例＞
図７は第３の実施例におけるデバイス構造の断面図を示す断面図で、フォトダイオード１は短波長の光に対して感度が高く、フォトダイオード２は短波長の光に対して感度が低くなっている。これらのフォトダイオードを図１の回路のように構成にすることにより、短波長の光にだけ感度の高い光半導体検出器が実現できる。なお、フォトダイオード３はフォトダイオード２と同じ構成とし、フォトダイオード４はフォトダイオード１と同じ構成とすることで、フォトダイオード１と４の分光感度特性を同じにし、フォトダイオード２と３の分光感度特性を同じにすることができる。
【００２５】
フォトダイオード１、２は次のような工程により作製される。まずｎ型シリコン基板３２の上に第１の実施例と同様に素子分離領域３５を形成する。次にｐウェルのイオン注入をB+、150keV、1.0×1013cm-2の条件で行い、窒素雰囲気中で900℃、30分の熱処理を実施してｐウェル５３、５４を形成する。その後、シリコン基板表面に熱酸化膜を10nm形成し（図７には図示せず）、埋め込みｎ層４３、４４のイオン注入をP+、120keV、1.5×1013cm-2の条件で行なう。窒素雰囲気中で1000℃の短時間熱処理を実施した後、ｐ型表面層５５、５６のイオン注入をBF2、10keV、5.0×1013cm-2の条件で行い、ｐ+拡散領域７１とｎ+拡散領域７２のイオン注入を第１の実施例と同じ条件で行って、もう一度窒素雰囲気中で1000℃の短時間熱処理を実施する。引き続き第１の実施例と同様にシリコン酸化膜３６、コンタクト及び配線７１、７２を形成して、デバイス構造は完成する。
【００２６】
フォトダイオード１は、ｐ型表面層５５と埋め込みｎ層４３から成るｐｎ接合Ｄ３ａと、埋め込みｎ層４３とｐウェル５３から成るｐｎ接合Ｄ３ｂと、ｐウェル５３とｎ型基板３２から成るｐｎ接合Ｄ３ｐで構成される。フォトダイオード２は、ｐ型表面層５６と埋め込みｎ層４４から成るｐｎ接合Ｄ４ａと、埋め込みｎ層４４とｐウェル５４から成るｐｎ接合Ｄ４ｂと、ｐウェル５４とｎ型基板３２から成るｐｎ接合Ｄ４ｐで構成される。Ｄ３ａとＤ４ａ、Ｄ３ｂとＤ４ｂ、Ｄ３ｐとＤ４ｐは、それぞれ等価なｐｎ接合である。またＤ３ａの陽極はフォトダイオード１の陽極に接続され、Ｄ４ａの陽極はフォトダイオード２の陰極に接続されている。したがってフォトダイオード１の陰極の電流はＤ３ａとＤ３ｂの電流の和であり短波長の光にも高い感度をもっているのに対し、接合Ｄ４aは短絡されているので、フォトダイオード２の陰極の電流はＤ４ｂの電流に等しく短波長の光には低い感度しかもたない。一方、フォトダイオード１の陽極の電流は、フォトダイオード１の陰極の電流にＤ３ｐの電流が加わったものであり、フォトダイオード２の陽極の電流は、フォトダイオード２の陰極の電流にＤ４ｐの電流が加わったものとなっている。
【００２７】
図８は、上記の特徴をもつフォトダイオード１、２を図１のように構成したとき、４つのフォトダイオードが配置された部分を、ｐｎ接合Ｄ３ａ、Ｄ３ｂ，Ｄ４ｂ、Ｄ３ｐ、Ｄ４ｐを２つずつ用いて回路図としたものである。ここで、図１に示したフォトダイオード１と４、フォトダイオード２と３はそれぞれ同じ特性を有するダイオードおよび寄生ダイオードから構成されているので、図８においては同じ符号を用いて表している。Ｄ４ａは、陽極と陰極を短絡することにより無効化されているので、図８には描かれていない。
【００２８】
図８では、Ｄ３ａにおける光電流をＩ1、暗電流をＩD1、Ｄ３ｂとＤ４ｂにおける光電流をＩ2、暗電流をＩD2（Ｉ2、ＩD2ともＤ３ｂ、Ｄ４ｂで等しい）、Ｄ３ｐ、Ｄ４ｐにおける光電流を含む総電流をＩP（Ｄ３ｐとＤ４ｐで等しい）で表してしている。フォトダイオード１、２を直列接続することにより、Ｉ2、ＩD2は相殺されIout1、Iout2に含まれなくなるが、Iout1にはＩ1、ＩD1の他にＤ４ｐに流れるＩPが、Iout2にはＩ1、ＩD1の他にＤ３ｐに流れるＩPが含まれる。しかしIout1とIout2の差分を取ることによりＩPを相殺することができ、Ｉ1＋ＩD1のみ取り出すことができる。第３の実施例ではＩD1まで相殺することは出来ないがフォトダイオード１、２の注入工程は全く共通であり、工程を削減できるというメリットがある。
【００２９】
図９は第３の実施例の分光感度特性である。Iout1、Iout2は、その電流成分にＩPが含まれているため、長波長の光に対しても感度があるが、差分電流ΔIout（=Iout1-Iout2）では長波長の光に対する感度が抑えられ、500nm以下の短波長の光に対して高い感度が得られている。
【００３０】
＜第４の実施例＞
図１０は第４の実施例におけるデバイス構造の断面図を示しており、フォトダイオード１は短波長の光に対して感度が高く、フォトダイオード２は短波長の光に対して感度が低くなっている。これらのフォトダイオードを図１の回路図のように構成にすることにより、短波長の光にだけ感度の高い光半導体検出器が実現できる。なお、フォトダイオード３はフォトダイオード２と同じ構成とし、フォトダイオード４はフォトダイオード１と同じ構成とすることで、フォトダイオード１と４の分光感度特性を同じにし、フォトダイオード２と３の分光感度特性を同じにすることができる。
【００３１】
フォトダイオード１、２は次のような工程により作製される。まずｎ型シリコン基板３２の上に第３の実施例と同様に素子分離領域３５、ｐウェル５７、５８、埋め込みｎ層４５、４６を形成する。次にｐ型表面層５９、６０のイオン注入をそれぞれBF2、10keV、5.0×1013cm-2とBF2、45keV、5.0×1013cm-2の条件で行い、さらにｎ型表面層４７のイオン注入をAs、10keV、2.5×1013cm-2の条件で行い、ｐ+拡散領域７１とｎ+拡散領域７２のイオン注入を第１の実施例と同じ条件で行って、窒素雰囲気中で1000℃の短時間熱処理を実施する。引き続き第１の実施例と同様にシリコン酸化膜３６、コンタクト及び配線７１、７２を形成して、デバイス構造は完成する。
【００３２】
フォトダイオード１は、ｐ型表面層５９と埋め込みｎ層４５から成るｐｎ接合Ｄ５ａと、埋め込みｎ層４５とｐウェル５７から成るｐｎ接合Ｄ５ｂと、ｐウェル５７とｎ型基板３２から成るｐｎ接合Ｄ５ｐで構成される。フォトダイオード２は、ｐ型表面層６０と埋め込みｎ層４６から成るｐｎ接合Ｄ６ａと、埋め込みｎ層４６とｐウェル５８から成るｐｎ接合Ｄ６ｂと、ｐウェル５８とｎ型基板３２から成るｐｎ接合Ｄ６ｐで構成される。Ｄ６ａにはｎ型表面層４７があり、ｐ型表面層６０と電気的に短絡されているため、ｎ型表面層４７とｐ型表面層６０から成るｐｎ接合はフォトダイオードとしての役割は果たさない。したがってｐｎ接合Ｄ５ａ、Ｄ６ａを比較すると、短波長の光に対してＤ５ａは感度が高くＤ６ａは感度が低いフォトダイオードとなる。Ｄ５ｂとＤ６ｂ、Ｄ５ｐとＤ６ｐは、それぞれ等価なｐｎ接合である。
【００３３】
フォトダイオード１の陰極の電流はＤ５ａとＤ５ｂの電流の和であり短波長の光にも高い感度をもっているのに対し、フォトダイオード２の陰極の電流はＤ６ａとＤ６ｂの電流の和であり短波長の光には低い感度しかもたない。一方、フォトダイオード１の陽極の電流は、フォトダイオード１の陰極の電流にＤ５ｐの電流が加わったものであり、フォトダイオード２の陽極の電流は、フォトダイオード２の陰極の電流にＤ６ｐの電流が加わったものとなっている。
【００３４】
図１１は、上記の特徴をもつフォトダイオード１、２を図１のように構成したとき、4つのフォトダイオードが配置された部分を、ｐｎ接合Ｄ５ａ、Ｄ６ａ，Ｄ５ｂ，Ｄ６ｂ、Ｄ５ｐ、Ｄ６ｐを２つずつ用いて回路図としたものである。ここで、図１に示したフォトダイオード１と４、フォトダイオード２と３はそれぞれ同じ特性を有するダイオードおよび寄生ダイオードから構成されているので、図１１においては同じ符号を用いて表している。
【００３５】
図１１では、Ｄ５ａとＤ５ｂの光電流の和をＩ1、暗電流の和をＩD、Ｄ６ａとＤ６ｂの光電流の和をＩ2、暗電流の和をＩD（Ｄ５ａとＤ５ｂの暗電流の和に等しい）、Ｄ５ｐ、Ｄ６ｐにおける光電流を含む総電流をＩP（Ｄ５ｐとＤ６ｐで等しい）で表している。フォトダイオード１、２を直列接続することによりＩDは相殺されIout1、Iout2に含まれなくなるが、Iout1にはＤ６ｐに流れるＩPが、Iout2にはＤ５ｐに流れるＩPが含まれる。しかしIout1とIout2の差分を取ることによりＩPを相殺することができ、Ｉ1−Ｉ2を取り出すことができる。
【００３６】
図１２は第４の実施例の分光感度特性を示す図である。Iout1、Iout2は、その電流成分にＩPが含まれているため、長波長の光に対しても感度があるが、差分電流ΔIout（=Iout1-Iout2）では長波長の光に対する感度が抑えられ、400nm以下の短波長の光に対して高い感度が得られている。
【符号の説明】
【００３７】
１、４…短波長の光に感度の高いフォトダイオード
２、３…短波長の光に感度の低いフォトダイオード
Ｄ１ａ、Ｄ２ａ、Ｄ３ａ、Ｄ４ａ、Ｄ５ａ、Ｄ６ａ…最表面のｐｎ接合
Ｄ３ｂ、Ｄ４ｂ、Ｄ５ｂ、Ｄ６ｂ…中間に位置するｐｎ接合
Ｄ１ｐ、Ｄ２ｐ、Ｄ３ｐ、Ｄ４ｐ、Ｄ５ｐ、Ｄ６ｐ…基板側のｐｎ接合
Iout1、Iout2…フォトダイオードから得られる光電流
１０…電流の差分を検出し電圧に変換する回路
１１…電流電圧変換回路
１２…差動増幅回路
３１…ｐ型基板
３２…ｎ型基板
３５…素子分離領域
３６…シリコン酸化膜
４１、４２、４３、４４、４５、４６…埋め込みｎ層
５１、５２、５５、５６、５９、６０…ｐ型表面層
４７…ｎ型表面層
５３、５４、５７、５８、…ｐウェル
６１…ｐ+拡散領域
６２…ｎ+拡散領域
７１…ｐ+拡散領域へのコンタクト及び配線
７２…ｎ+拡散領域へのコンタクト及び配線
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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