(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＩＮ構造のｉ層とｐ層およびｎ層との界面が半導体基板面に対して垂直に形成され、ｉ層に入射された光を電流に変換して検出するラテラル型半導体受光素子において、
光電変換機能を有する色素層を、受光領域をなすｉ層の上面および／または内部に設けたことを特徴とするＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子。
【請求項２】
電極と、
前記電極と電気的に接続された半導体基板と、
前記半導体基板の上方に配置され、ＰＩＮ構造のｉ層とｐ層およびｎ層との界面が半導体基板面に対して垂直に形成されたラテラル型フォトダイオードと、
前記ｐ層の上面に設けられたｐ電極と、
前記ｎ層の上面に設けられたｎ電極と、
前記ｉ層の上面に設けられ、光電変換機能を有する色素層と、
前記ｐ電極及び前記ｎ電極と前記色素層とを絶縁する絶縁層と、
を備えたことを特徴とするＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記色素層は、少なくともポルフィリン類、フタロシアニン類、ロドプシン類のいずれか１つを含むことを特徴とするＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記ｐ電極及び前記ｎ電極は、平面形状が櫛形である、ＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ｐｎ接合面が半導体基板面に対して平行に形成されている縦型フォトダイオードでは、ｐ層またはｎ層を通して空乏層に光が入射されるのに対して、ｐｎ接合面が半導体基板面に対して垂直に形成されているラテラル型フォトダイオードでは、空乏層に直接（ｐ層やｎ層を介さずに）光が入射される。そのため、ラテラル型フォトダイオードは縦型フォトダイオードよりも、受光効率の点で有利である。
【０００３】
従来より、フォトダイオードにおいては、ｐ層とｎ層との間にｉ層（真性層）を設けて、空乏層を厚くすることが行われている。このようなＰＩＮ構造を有する縦型フォトダイオードでは、受光感度を高くするために、ｉ層を吸収長以上の厚さに形成することが行われている。これにより、波長７００ｎｍ〜８７０ｎｍ前後において、７０％以上の量子効率が得られるようになる。
【０００４】
ＰＩＮ構造のラテラル型フォトダイオード（ＰＩＮ構造のｉ層とｐ層およびｎ層との界面が半導体基板面に対して垂直に形成されたフォトダイオード）は、例えば、ｉ層をなす不純物濃度の極めて薄い領域を半導体基板の表層部に設けた後、この領域の所定間隔を開けた各位置に、上面からｐ型不純物及びｎ型不純物をそれぞれ添加して拡散させることによりｐ層及びｎ層を形成し、両層の間をｉ層として残すことによって作製される。
【０００５】
そのため、ＰＩＮ構造のラテラル型フォトダイオードの場合にｉ層の厚さ（光入射面からの深さ）を大きくしようとすると、ｐ層及びｎ層を深く形成する必要がある。基板の厚さ方向でｉ層の幅（ｐ層とｎ層との距離）を均一に保持しながら、ｐ層及びｎ層を深く形成するためには、基板表面でのｐ層とｎ層との距離を大きくとる必要がある。基板表面でのｐ層とｎ層との距離を大きくとるとｉ層の幅が大きくなる。ｉ層の幅が大きいと、ｉ層のｐ層側で生じた電子がｎ層の電極に達するまでの移動距離が長くなって、応答速度が遅くなる。
【０００６】
したがって、ＰＩＮ構造のラテラル型フォトダイオードでは、受光感度をより高くする方法として、ｉ層の厚さ（光入射面からの深さ）を大きくすることを単純に採用することができない。そのため、ＰＩＮ構造のラテラル型フォトダイオードの受光感度をより高くする方法としては、ｉ層の上面に反射防止膜を設けてｉ層への入射効率を高くすることが有効である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ｉ層の上面に反射防止膜を有するＰＩＮ構造のラテラル型フォトダイオードには、高速の信号を受光する素子とした場合に応答速度が低くなるという問題点がある。
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものであり、ＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子において、応答速度を低下させることなく受光感度を向上させることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、ＰＩＮ構造のｉ層とｐ層およびｎ層との界面が半導体基板面に対して垂直に形成され、ｉ層に入射された光を電流に変換して検出するラテラル型半導体受光素子において、光電変換機能を有する色素層を、受光領域をなすｉ層の上面および／または内部に設けたことを特徴とするＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に相当するフォトダイオードを示す断面図である。図２は、この実施形態のフォトダイオードがアレイ状に形成されている場合の平面形状の一例を示す図である。図１は図２のＡ−Ａ線断面図に相当する。
【００１０】
このフォトダイオードは、ＰＩＮ構造がシリコン基板（半導体基板）１の基板面に対して垂直に形成されたラテラル型フォトダイオード（半導体受光素子）であり、ｉ層１５の受光領域２をなす部分（ｐ層５とｎ層７とで挟まれた部分）の上面に、光電変換機能を有する色素層４が設けてある。
ｐ層５およびｎ層７の上面には、ｐ電極６およびｎ電極８がそれぞれ形成されている。両電極６，８の間の面が受光面３となっており、色素層４は両電極６，８の間に、絶縁層９１を介して形成されている。なお、絶縁層９１は、色素層４の光電変換で生じた電子によって両電極６，８間を導通させないために必要である。
【００１１】
シリコン基板１の上面の両電極６，８、色素層４、および絶縁層９１の位置を除いた部分に、シリコン酸化膜等からなる素子保護層９が所定の厚さで形成されている。また、シリコン基板１の下面にはｐ電極１１が形成されている。
このフォトダイオードは、例えば以下の方法で作製できる。
先ず、ｐ型のシリコン基板１の表層部にｎウエル（不純物濃度の極めて薄い領域）１０を設ける。次に、ｎウエル１０の所定間隔を開けた２つの領域の一方にｐ型不純物を、他方にｎ型不純物をそれぞれ添加して拡散させる。これにより、ｎウエル１０にｐ層５及びｎ層７が形成され、ｎウエル１０のｐ層５とｎ層７との間の部分がｉ層１５として残る。次に、ｐ層５及びｎ層７の上に電極６，８を形成した後、素子保護層９を形成する。
【００１２】
次に、電極６，８間の素子保護層９を除去した後、電極６，８に接触する幅の狭い絶縁層９１を形成する。或いは素子保護層９を除去する際に、電極６，８側の素子保護層９を絶縁層９１として少し残す。次に、ｉ層１５の上面の絶縁層９１で囲われた部分に、光電変換機能を有する色素層４を形成する。
光電変換機能を有する色素としては、例えば、ポルフィリン類（ヘム等）、フタロシアニン類、ロドプシン類（バクテリオロドプシン等）が挙げられ、応答速度と感度が高いものを使用することが好ましい。色素層４の形成方法としては、ラングミュア・ブロジェット法（ＬＢ法）、スピンコート法、或いはインクジェット法が挙げられる。
【００１３】
このフォトダイオードは、ｎ層７の上面に接触するｎ電極８と基板１の下面のｐ電極１１との間に、ｎ層７側を正として電源を接続して逆バイアス電圧を付与し、ｐ層５の上面に接触するｐ電極６を出力回路に接続することにより、受光面３からｉ層１５に入射された光を電流に変換して検出することができる。
受光面３に入射された光のうち色素層４で吸収された光は、色素層４の光電変換機能により光電変換されて、生じた電子がｉ層１５およびｎ層７を通ってｎ電極８に至る。色素層４を透過した光はｉ層１５に入射され、ｉ層１５で光電変換されて、生じた電子がｎ層７を通ってｎ電極８に至る。
【００１４】
したがって、このフォトダイオードによれば、ｉ層１５の上に色素層４が形成されていないものと比較して、受光効率を高くすることができる。また、ｉ層１５の上に色素層４の代わりに反射防止膜が形成されているものと比較して、応答速度が速くなる。
また、このフォトダイオードによれば、色素層４をインクジェット法等で形成することにより、反射防止膜を形成する場合と比較して、容易に製造できるようになるという効果も得られる。さらに、色素層４をなす材料の波長選択性を利用して、所定波長の光のみを検出できるようにすることも可能になる。また、使用する色素の吸収係数や色素層４の膜厚の設定によって、受光感度を容易に向上させることができる。
【００１５】
なお、色素層４は、受光領域２をなすｉ層１５の上面および／または内部に設けてあればよい。例えば、図３に示すように、ｐ層５およびｎ層７を形成した後に、ｉ層１５の表層部に凹部４１を形成し、この凹部４１内と絶縁層９１で囲われた領域内に、或いはこの凹部４１内にのみ色素層４を設けてもよい。また、図３に２点鎖線で示すように、ｉ層１５の内部に色素層４０を設けて、色素層４０の上面にもｉ層１５を有する構造であってもよい。ただし、色素層４をｉ層１５内に設ける場合には、色素層４とｐ層５およびｎ層７との間にｉ層１５を存在させて、ｐ層５とｎ層７との間に逆バイアス電圧が付与されるようにする必要がある。
【００１６】
また、この実施形態では、ＰＩＮ構造のラテラル型フォトダイオードについて説明しているが、本発明のＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子はこれに限定されず、ベースとコレクタの部分がＰＩＮ構造になっているラテラル型フォトトランジスタ等にも適用される。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＰＩＮ構造のラテラル型半導体受光素子によれば、応答速度を低下させることなく受光感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に相当するフォトダイオードを示す断面図であって、図２のＡ−Ａ線断面図に相当する図である。
【図２】図１のフォトダイオードがアレイ状に形成されている場合の平面形状の一例を示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態に相当するフォトダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板（半導体基板）
１０  ｎウエル
１１  ｐ電極
１５  ｉ層
２  受光領域
３  受光面
４  光電変換機能を有する色素層
４０  光電変換機能を有する色素層
５  ｐ層
６  ｐ電極
７  ｎ層
８  ｎ電極
９  素子保護層
９１  絶縁層
【図１】
0003912024.tif 000002
【図２】
0003912024.tif 000003
【図３】
0003912024.tif 000004