(57)【要約】【課題】重金属を使用せず、また、赤外フィルターを用いることなく、人間の視感度曲線に類似した感度を有する安価な受光素子を提供する。【解決手段】（ａ）比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の高不純物濃度を有するシリコン基板層、（ｂ）該シリコン基板層の上に形成された、厚さ０．１μｍ以上１０μｍ以下の、比抵抗が１Ω・ｃｍ以上の低不純物濃度を有するエピタキシャル層、及び（ｃ）該エピタキシャル層の上に形成されたＰＮ接合を有する視感度補正された受光素子。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の高不純物濃度を有するシリコン基板層と、
（ｂ）上記シリコン基板層の上に形成された比抵抗が１Ω・ｃｍ以上の低不純物濃度を有する厚さ０．１μｍ以上１０μｍ以下のエピタキシャル層と、
（ｃ）該エピタキシャル層の上に形成されたＰＮ接合と
を有することを特徴とする視感度補正された受光素子。
【請求項２】
前記シリコン基板層の比抵抗が０．０００１〜０．１Ω・ｃｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の視感度補正された受光素子。
【請求項３】
前記エピタキシャル層の比抵抗が１〜１０００Ω・ｃｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の視感度補正された受光素子。
【請求項４】
前記エピタキシャル層の厚さが０．１〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の視感度補正された受光素子。
【請求項５】
視感度波長領域の光の反射を抑え、赤外波長領域の光の反射を促進する保護膜を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の視感度補正された受光素子。
【請求項６】
前記保護膜がシリコンの熱酸化膜からなることを特徴とする請求項５に記載の視感度補正された受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラの露出計、街路灯の自動点滅器及び濃度計などに用いられる視感度補正された受光素子（フォトダイオード）に関する。
【背景技術】
【０００２】
視感度補正された受光センサを作製するには、人間の視感度に類似した感度を有する物質を用いた手段が広く採用されている。例えば、光導電セルを構成する半導体として硫化カドミウムを用いることで、受光センサに視感度に類似した感度を持たせることができる。硫化カドミウムを用いた光導電セル（ＣＤＳセル）は、照射された光のエネルギーで励起されたキャリアによって光導電性を有するようになり、電気抵抗が変化する。照射光のエネルギーが強い（波長が短い）と抵抗が低くなり、逆に照射光のエネルギーが弱い（波長が長い）と抵抗が高くなる傾向を利用して、人間の視感度に類似した分光曲線を与えるものである。
【０００３】
しかしながら、硫化カドミウムは、人間及び生態系にとって有害な重金属であり、環境に悪影響を及ぼすという問題がある。特に最近の地球環境に対する世論を考えても、受光素子の製造工程からカドミウムの使用を縮小する流れが目立つ。従って、カドミウムを用いず、環境に悪影響を与えない、ＣＤＳセルに代わる視感度補正された受光素子が求められている。
【０００４】
一方、環境に悪影響を与えないシリコンを利用した受光素子（フォトダイオード）が広く実用化されている。しかしながら、シリコンは、硫化カドミウムと比較して幅広い感度領域を有しており、人間の視感度曲線に近似させるためには、赤外領域の感度をカットするフィルターを、受光素子表面に被せる必要が有る。すなわち、シリコンを利用した受光素子に視感度補正機能を持たせるためには、赤外領域の光に対する感度をカットするためのフィルターが必要となり、このフィルター分のコストが発生することとなり、受光素子が高額になってしまうという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記現状に鑑み、本発明は、地球の環境に対し悪影響を及ぼすとされるカドミウム等の重金属を使用せず、また、赤外フィルターを用いることなく、人間の視感度曲線に類似した感度を有する安価な受光素子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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、受光素子の基板に、比抵抗の小さい、すなわち不純物を高濃度に含有するシリコンを用い、その上に比抵抗が大きい、すなわち不純物濃度の低い厚さ１μｍ程度のエピタキシャル層を作製し、その上にＰＮ接合を形成すれば、人間の視感度曲線に近似した感度を有する受光素子が得られることを見出し本発明に到達した。
【０００７】
すなわち、本発明は、（ａ）高不純物濃度（比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下）を有するシリコン基板層、（ｂ）該シリコン基板層の上に形成された厚さ０．１μｍ以上１０μｍ以下のの低不純物濃度（比抵抗が１Ω・ｃｍ以上）を有するエピタキシャル層、及び（ｃ）該エピタキシャル層の上に形成されたＰＮ接合を有する視感度補正された受光素子（フォトダイオード）を提供する。
【０００８】
本発明の視感度補正された受光素子において、シリコン基板層の比抵抗は好ましくは０．０００１〜０．１Ω・ｃｍの範囲であり、より好ましくは０．０５〜０．１Ω・ｃｍの範囲であり、エピタキシャル層の比抵抗は好ましくは１〜１０００Ω・ｃｍの範囲であり、より好ましくは１〜５Ω・ｃｍの範囲である。エピタキシャル層の膜厚は好ましくは０．１〜１０μｍの範囲であり、より好ましくは０．１〜１μｍの範囲である。
【０００９】
本発明の視感度補正された受光素子には、視感度波長領域の光の反射を抑え、赤外波長領域の光の反射を促進する保護膜をさらに備えることが好ましい。保護膜は、シリコンの熱酸化膜であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、有害な重金属を使用することなく、環境に悪影響を及ぼさない材料を用いて、ヒトの視感度曲線に近似した感度を有する受光素子（フォトダイオード）が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、従来の視感度補正された受光素子のように赤外カットフィルターを使用することなく、安価に視感度補正された受光素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明の視感度補正された受光素子（以下、本発明の受光素子という）は、（ａ）比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の高不純物濃度を有するシリコン基板層、（ｂ）該シリコン基板層の上に形成された、厚さ０．１μｍ以上１０μｍ以下の、比抵抗が１Ω・ｃｍ以上の低不純物濃度を有するエピタキシャル層、及び（ｃ）該エピタキシャル層の上に形成されたＰＮ接合を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の受光素子は、例えば、図１に示すように構成したものである。本発明の受光素子においては、基板に高不純物濃度を有するシリコン（１）を用いる。高不純物濃度を有するシリコンは、例えば、ＣＺ法（Czochralski Method）などの当業界で公知の手法によってシリコン単結晶を作製する際に、所望の比抵抗値となるように、高濃度のアンチモン等の不純物を添加することによって得られる。得られたシリコンインゴットを、所望の厚さ（３８０〜４００μｍ）にスライスし、片面に鏡面研磨を施して、シリコン基板（１）とする。
次に、シリコン基板（１）の上に、低不純物濃度を有するエピタキシャル層（２）を、気相エピタキシー技術などの当業界で公知の手法によって所望の厚さ（０．１μｍ以上１０μｍ以下）まで成長させた後、エピタキシャル層（２）の上にＰＮ接合を作製するため、シリコン表面に、常圧化学的気相成長法（ＣＶＤ法）などの当業界で公知の手法を用い、ボロンなどの不純物拡散源を堆積させ、８００〜９００℃、好ましくは約９００℃の電気炉中で加熱して不純物をシリコン中に拡散させる。不純物の拡散はエピタキシャル層（２）表面から０．５μｍ程度〜１μｍ未満の深さまで進み、エピタキシャル層（２）とは反対のＰ型の導電性を有する半導体層（空乏層）（３）を形成する。
本発明の受光素子は、視感度波長領域の光の反射を抑え、赤外波長領域の光の反射を促進する保護膜をさらに備えていることが好ましい。このような機能を有する保護膜（４）は、例えば、９００〜１１００℃、好ましくは約１０００℃の電気炉中に酸素ガスを流し、上記の半導体層（３）の上に熱酸化膜として形成する。保護膜（４）は、後述する式１に従って最適な膜厚を適宜選択する。
【００１５】
最後に、アルミニウムからなる表電極（５）及び金からなる裏電極（６）をそれぞれ蒸着法によって形成することにより本発明の受光素子が得られる。
【００１６】
上記のように構成された本発明の受光素子が人間の視感度曲線に近似した視感度を有することができる原理は次の通りである。シリコン基板内に入射した光は、その波長が長くなるにつれてシリコン基板のより深部まで達する。ところが、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の上記高不純物濃度を有するシリコン基板（１）中では、光エネルギーの入射によって発生したキャリアは不純物イオンと再結合され、電気伝導に寄与することができなくなる。つまり、シリコン基板の深部まで進入する波長の長い赤外領域の光は電気エネルギーに変換されず、信号として感知されない。これに対し、比抵抗が１Ω・ｃｍ以上の上記低不純物濃度を有するエピタキシャル層（２）では、発生したキャリアが再結合されず、電気伝導に寄与することができるため信号として感知されることとなる。さらに、上記エピタキシャル層（２）の厚さを０．１μｍ以上１０μｍとすると、波長の短い光のみを電気伝導に寄与させることができる。これにより、波長の短い可視領域の光のみを感知させることができ、受光素子の感度をヒトの視感度曲線に近似させることができるのである。
【００１７】
さらに、本発明の受光素子に任意に設けることができる、可視光波長領域の光の反射を抑え（可視光波長領域の光を透過させ）、赤外波長領域の光の反射を促進する保護膜（４）は、受光素子の一般的なパッシベーション膜（不活性化層）であり、この保護膜の厚さを最適化することによっても、受光素子の感度をヒトの視感度にさらに近づけることができる。
【００１８】
空気相の屈折率をｎ０、保護膜（４）の屈折率をｎ１、保護膜（４）の厚さをｄ、シリコン基板（１）の屈折率をｎ２、入射光波長をλとしたときの保護膜（４）の反射率Ｒは、下記式１で表される。
【００１９】
【数１】
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上記式１から、保護膜（４）の厚さｄを最適化することで、入射してくる可視光波長領域の光を透過し、赤外光波長領域の光を反射する機能を保護膜（４）に持たせることが可能なことがわかる。
【００２０】
保護膜（４）は、１層の酸化膜からなっていてもよいし、酸化膜や窒化膜等の屈折率の高い膜を組み合わせて同様の機能を持たせることもできる。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例を挙げ、図面を参照しながら本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例になんら限定されるものではない。
【００２２】
まずＣＺ法を用いてシリコン単結晶を作製し、その際、高濃度のアンチモンを添加した。シリコンの比抵抗は０．０２Ω・ｃｍ程度であった。
【００２３】
次に、このシリコンインゴットを３８０μｍの厚さにスライスし、片面鏡面研磨を施し、高不純物濃度を有するシリコン基板（１）とした。シリコン基板（１）の上に、比抵抗２０００Ω・ｃｍの層を１μｍ積層させることにより低不純物濃度のエピタキシャル層（２）を形成した。
【００２４】
さらにその上にＰＮ接合を作製するため、シリコン表面に常厚ＣＶＤ法を用いてボロン不純物拡散源を堆積させ、約９００℃の電気炉中で不純物を拡散させた。不純物の拡散はエピタキシャル層（２）の表面から０．５μｍ程度の深さまで進み、エピタキシャル層（２）とは反対のＰ片の導電性を有する半導体層（３）を形成した。
【００２５】
続いてシリコン表面に、可視光波長領域の光を透過し、赤外波長領域の光を反射する機能を有する酸化膜（４）を成膜するため、約１０００℃の電気炉中に酸素ガスを流し、熱酸化膜層を形成した。熱酸化膜層の膜厚は約３１０ｎｍ、屈折率は１．４６であった。
【００２６】
表電極（５）としてアルミニウムを、裏電極（６）として金をそれぞれ蒸着法により形成して受光素子を得た。
【００２７】
得られた受光素子の分光感度曲線を図２に示す。図２から、視感度補正されていないシリコン受光素子（８）では赤外波長領域に感度のピークが現れるが、実施例のシリコン受光素子（７）では可視光波長領域に感度のピークが現れており、且つ赤外波長領域の光に対する感度がカットされていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の視感度補正された受光素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の視感度補正された受光素子と従来のシリコン受光素子の分光感度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１…高不純物濃度のシリコン基板層、２…低不純物濃度のエピタキシャル層、３…半導体層（空乏層）、４…保護膜、５…表電極、６…裏電極、７…本発明の視感度補正された受光素子の分光感度曲線、８…視感度補正されていないシリコン受光素子の分光感度曲線。
【図１】
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【図２】
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