(57)【要約】【課題】一般的な半導体製造プロセスのみを用いて、低価格で素子サイズが小さく、特定波長域の光に感度を有する光電変換素子を提供する。【解決手段】光電変換素子は、第１の導電型を有する第１半導体層(４１)と、上記第１半導体層(４１)の表面に形成されると共に、第２の導電型を有する第２半導体層(４２)とを備え、上記第２半導体層(４２)における受光領域は、最表面から裏面側に向かう深さ方向において、上記最表面から裏面に向かって不純物濃度が上昇する領域を含んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型を有する第１半導体層と、
上記第１半導体層の表面に形成されると共に、第２の導電型を有する第２半導体層と
を備え、
上記第２半導体層における受光領域は、最表面から裏面に向かう深さ方向において、上記最表面から裏面に向かって不純物濃度が上昇する領域を含んでいる
ことを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換素子において、
上記第２半導体層の上記受光領域内には、上記不純物濃度が最も高い領域が含まれており、
上記第２半導体層の上記受光領域内における上記不純物濃度が最も高い領域での上記不純物濃度は、上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上である
ことを特徴とする光電変換素子。
【請求項３】
第１の導電型を有する第１半導体層と、
上記第１半導体層の表面に形成されると共に、第２の導電型を有する第２半導体層と
を備え、
上記第１半導体層における上記第２半導体層に隣接した受光領域は、最表面から裏面に向かう深さ方向において、上記最表面から裏面に向かって順次、不純物濃度が上記最表面の濃度から上昇して第１ピークに至るまでの第１領域と、不純物濃度が上記第１ピークから下降して谷部に至るまでの第２領域と、不純物濃度が上記谷部から上昇して第２ピークに至るまでの第３領域と、不純物濃度が上記第２ピークから下降する第４領域とを含んでいる
ことを特徴とする光電変換素子。
【請求項４】
請求項３に記載の光電変換素子において、
上記第１半導体層の上記受光領域内における上記第１ピークでの上記不純物濃度は、上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上であり、上記第２ピークでの上記不純物濃度は、上記第４領域における上記不純物濃度が最も低い箇所での上記不純物濃度の３倍以上である
ことを特徴とする光電変換素子。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の光電変換素子において、
上記第２半導体層における不純物の拡散深さは、上記第１半導体層の上記受光領域における上記第１ピークを呈する深さと上記第２ピークを呈する深さとの間である
ことを特徴とする光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体の光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板上に形成する光電変換素子としては、第１導電型半導体層と、その第１導電型半導体層の表面に形成された第２導電型半導体層とを備え、第１導電型半導体層における第２導電型半導体層とｐｎ接合を形成する部分を受光領域とするものがある(例えば、特開２０１１‐２３８７５７号公報：特許文献１、特開２００３‐３４７３０９号公報：特許文献２)。
【０００３】
上述のような構成を有する一般的な光電変換素子の断面を、図１０に示す。図１０に示す光電変換素子においては、Ｐ型シリコン基板１の表面に、Ｎ型拡散層２が形成されている。そして、Ｐ型シリコン基板１およびＮ型拡散層２の表面には表面絶縁膜３が形成されており、表面絶縁膜３を貫通してＰ型シリコン基板１に至る電極４と表面絶縁膜３を貫通してＮ型拡散層２に至る電極５とが形成されている。
【０００４】
上記構成を有する光電変換素子に光が照射されると、Ｐ型シリコン基板１およびＮ型拡散層２にキャリア(電子や正孔)が励起され、ｐ型領域の電子およびｎ型領域の正孔が夫々他方の導電型領域に移動する。その結果、ｐｎ接合を介して光電流が流れ、この光電流によって光の有無や強度を検知することができる。
【０００５】
但し、上記構成の光電変換素子で検知できる光の波長域は、使用している基板における物性(エネルギーバンド)に依存する。例えば、Ｐ型シリコン基板１としてシリコンを用いた場合、製造プロセスの条件によって若干の差はあるが、おおよそ波長が３００ｎｍ〜１２００ｎｍの領域の光に対して感度を有している。
【０００６】
したがって、可視光や赤外光、赤色光、緑色光、青色光のように、特定の波長域の光のみを検知する必要がある場合には、図１１に示すように、受光領域の上部に特定の波長のみを選択的に透過する波長選択フィルタ１６,１７を形成する必要がある。但し、１１はＰ型シリコン基板、１２a,１２bはＮ型拡散層、１３は表面絶縁膜、１４,１５a,１５bは電極である。
【０００７】
しかしながら、上記波長選択フィルタ１６,１７を樹脂フィルタや多層膜フィルタで形成する場合には通常の半導体製造プロセスとは異なるため、製造フローが複雑になって製造コストが高くなってしまう。
【０００８】
通常の半導体製造プロセスを用いて形成された特定波長域の光に感度を有する光電変換素子の断面を、図１２および図１３に示す。
【０００９】
図１２に示す光電変換素子は、長波長側の光に対して選択的に感度を有している。その構造は、Ｐ型シリコン基板２１の表面に、Ｎ型拡散層２２と、このＮ型拡散層２２の中であって表面側に形成されたＰ型拡散層２３とで、２重拡散構造を成している。そして、表面全体には表面絶縁膜２４が形成されており、この表面絶縁膜２４を貫通してＰ型シリコン基板２１に至る第１電極２５と、表面絶縁膜２４を貫通してＮ型拡散層２２およびＰ型拡散層２３に至る第２電極２６とが形成されている。つまり、第２電極２６を介してＮ型拡散層２２とＰ型拡散層２３とは短絡されているのである。
【００１０】
図１２に示す構成を有する光電変換素子に光が照射されると、Ｐ型拡散層２３内およびＮ型拡散層２２内の表面側で発生したキャリアは、Ｎ型拡散層２２とＰ型拡散層２３との間のｐｎ接合を介して光電流を発生するが、Ｎ型拡散層２２とＰ型拡散層２３とは第２電極２６を介して短絡されているので外部への信号としては寄与しない。一方において、シリコンへの光の侵入長は波長が短いほど短くなる。以上のことから、短波長側の光感度だけが大きく低下することになる。結果として、長波長側の感度のみを選択的に取り出すことができるようになる。さらに、Ｎ型拡散層２２とＰ型拡散層２３の間のｐｎ接合の深さを変えることにより、短波長側の光感度の立ち上がり波長を変化させることができる。
【００１１】
図１３に示す光電変換素子は、特定の波長域の光に対して選択的に感度を有している。その構造は、Ｐ型シリコン基板３１の表面に、第１Ｎ型拡散層３２と、この第１Ｎ型拡散層３２の中であって表面側に形成されたＰ型拡散層３３と、このＰ型拡散層３３の中であって表面側に形成された第２Ｎ型拡散層３４とで、３重拡散構造を形成したものである。そして、表面全体には表面絶縁膜３５が形成されており、この表面絶縁膜３５を貫通してＰ型シリコン基板３１および第１Ｎ型拡散層３２に至る第１電極３６と、表面絶縁膜３５を貫通してＰ型拡散層３３および第２Ｎ型拡散層３４に至る第２電極３７とが形成されている。つまり、第１電極３６を介してＰ型シリコン基板３１と第１Ｎ型拡散層３２とは短絡されており、第２電極３７を介してＰ型拡散層３３と第２Ｎ型拡散層３４とは短絡されているのである。
【００１２】
図１３に示す構成を有する光電変換素子に光が照射されると、第２Ｎ型拡散層３４内およびＰ型拡散層３３内の表面側で発生したキャリアは、第２電極３７を介して消失する。さらに、第１Ｎ型拡散層３２内の裏面側およびＰ型シリコン基板３１で発生したキャリアは、第１電極３６を介して消失する。したがって、第１Ｎ型拡散層３２とＰ型拡散層３３との間のｐｎ接合近辺で発生したキャリアのみが、光電流として取り出される。つまり、上記ｐｎ接合の近辺まで侵入できる特定の波長域の光に対して選択的に感度を有するようになる。さらに、夫々のｐｎ接合の深さを変えることによって、選択的に取り出せる波長域を変化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１‐２３８７５７号公報
【特許文献２】特開２００３‐３４７３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の光電変換素子においては、以下のような問題がある。
【００１５】
すなわち、図１１に示すような光電変換素子においては、上記波長選択フィルタ１６,１７を樹脂フィルタや多層膜フィルタで形成する場合に、フィルタ製造プロセスが通常の半導体製造プロセスとは異なるため、製造フローが複雑で製造コストが高くなるという問題がある。
【００１６】
また、図１２や図１３に示すような光電変換素子においては、半導体基板と２層目の第２拡散層、または、１層目の第１拡散層と３層目の第３拡散層が、横方向で電気的に短絡しないように、取り囲んでいる外側の拡散層との間に１μｍ程度かそれ以上のスペースを確保する必要がある。さらに、各拡散層および半導体基板を短絡するために電極領域を広くする必要がある。以上のことより、多重拡散構造を有しない光電変換素子の場合に比して、同じ受光面積を確保するために必要な素子面積が大きくなるという問題がある。
【００１７】
さらに、図１３に示すような光電変換素子においては、例えば７００μｍ以下の波長の可視光に対して選択的に感度を持たせるためには、最も深い第１Ｎ型拡散層３２の深さは４μｍかそれ以上の深さが必要となる。そのために、第１Ｎ型拡散層３２の形成にはイオン注入と１０００℃以上の熱拡散工程が必要となり、製造コストが高く、製造期間も長くなるという問題がある。
【００１８】
そこで、この発明の課題は、一般的な半導体製造プロセスのみを用いて、低価格で素子サイズが小さく、特定波長域の光に感度を有する光電変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、この発明の光電変換素子は、
第１の導電型を有する第１半導体層と、
上記第１半導体層の表面に形成されると共に、第２の導電型を有する第２半導体層と
を備え、
上記第２半導体層における受光領域は、最表面から裏面に向かう深さ方向において、上記最表面から裏面に向かって不純物濃度が上昇する領域を含んでいる
ことを特徴としている。
【００２０】
また、一実施の形態の光電変換素子では、
上記第２半導体層の上記受光領域内には、上記不純物濃度が最も高い領域が含まれており、
上記第２半導体層の上記受光領域内における上記不純物濃度が最も高い領域での上記不純物濃度は、上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上である。
【００２１】
また、この発明の光電変換素子は、
第１の導電型を有する第１半導体層と、
上記第１半導体層の表面に形成されると共に、第２の導電型を有する第２半導体層と
を備え、
上記第１半導体層における上記第２半導体層に隣接した受光領域は、最表面から裏面に向かう深さ方向において、上記最表面から裏面に向かって順次、不純物濃度が上記最表面の濃度から上昇して第１ピークに至るまでの第１領域と、不純物濃度が上記第１ピークから下降して谷部に至るまでの第２領域と、不純物濃度が上記谷部から上昇して第２ピークに至るまでの第３領域と、不純物濃度が上記第２ピークから下降する第４領域とを含んでいる
ことを特徴としている。
【００２２】
また、一実施の形態の光電変換素子では、
上記第１半導体層の上記受光領域内における上記第１ピークでの上記不純物濃度は、上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上であり、上記第２ピークでの上記不純物濃度は、上記第４領域における上記不純物濃度が最も低い箇所での上記不純物濃度の３倍以上である。
【００２３】
また、一実施の形態の光電変換素子では、
上記第２半導体層における不純物の拡散深さは、上記第１半導体層の上記受光領域における上記第１ピークを呈する深さと上記第２ピークを呈する深さとの間である。
【発明の効果】
【００２４】
以上より明らかなように、第１の発明の光電変換素子は、上記第２半導体層における受光領域に、最表面から裏面に向かって不純物濃度が上昇する領域を設けている。つまり、波長の短い光が侵入する最表面側の不純物濃度が裏面側よりも低く設定されている。したがって、短波長側での分光感度を低下させることができ、例えば主に赤外光領域等に選択的に感度を有することができる。
【００２５】
また、第２の発明の光電変換素子は、上記第１半導体層における受光領域に、最表面から裏面に向かって順次、不純物濃度が上昇する第１領域と、不純物濃度が下降する第２領域と、不純物濃度が再度上昇する第３領域と、不純物濃度が下降する第４領域とを形成している。したがって、上記受光領域における上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さとの間で励起された電子を、上記不純物濃度の谷部によってできる電位の谷に閉じ込めた状態で横方向に移動させて、上記第２半導体層との接合部を介して光電流として外部へ取り出すことができる。
【００２６】
すなわち、短波長側および長波長側での分光感度を低下させることができ、例えば主に可視光領域等に選択的に感度を有することができる。
【００２７】
そして、上記何れの発明の光電変換素子も、波長選択フィルタや多重拡散構造を必要としない一般的な半導体製造プロセスのみを用い、且つ各拡散層や半導体基板を短絡する電極領域を用いることなく作成することができる。したがって、安価で素子面積が小さい光電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の光電変換素子における概略断面図である。
【図２】図１のＡ‐Ａ’矢視断面における不純物濃度分布を示す図である。
【図３】図１に示す光電変換素子の分光感度(光電流)特性を示す図である。
【図４】図１とは異なる光電変換素子における概略断面図である。
【図５】図４のＢ‐Ｂ’矢視断面における不純物濃度分布を示す図である。
【図６】図４のＣ‐Ｃ’矢視断面における不純物濃度分布を示す図である。
【図７】図４に示す光電変換素子の分光感度(光電流)特性を示す図である。
【図８】図１および図４とは異なる光電変換素子における概略断面図である。
【図９】図８のＤ‐Ｄ’矢視断面における不純物濃度分布を示す図である。
【図１０】一般的な１重拡散構造の光電変換素子の断面を示す図である。
【図１１】特定の波長に感度を有する従来の光電変換素子の断面を示す図である。
【図１２】特定の波長に感度を有する従来の２重拡散構造の光電変換素子の断面を示す図である。
【図１３】特定の波長に感度を有する従来の３重拡散構造の光電変換素子の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３０】
・第１実施の形態
図１は、本第１実施の形態の光電変換素子における概略断面図である。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、上記第１半導体層の一例であるＰ型シリコン基板４１内の表面にＮ型拡散層４２が形成されており、Ｐ型シリコン基板４１およびＮ型拡散層４２の表面には表面絶縁膜４３が形成されている。また、表面絶縁膜４３を貫通してＰ型シリコン基板４１に至る第１電極４４と、表面絶縁膜４３を貫通してＮ型拡散層４２に至る第２電極４５とが形成されている。
【００３２】
図１に示す構成においては、上記Ｎ型拡散層４２における第１電極４４と第２電極４５との間の領域が受光領域として機能し、第１電極４４と第２電極４５とを介して光電流を外部に取り出すことができる。
【００３３】
図２は、図１におけるＡ‐Ａ’矢視断面における不純物濃度分布を示す。図２に示すように、Ｎ型拡散層４２の不純物分布は、最表面から裏面側に向かって進むにつれて濃度が濃度ｎ1から上昇している領域があり、深さ０.１μｍ程度でピークとなる。さらに、裏面側に向かって進むにつれて濃度は下降する。そして、最裏面で濃度がｎ3になってＰ型シリコン基板４１の領域となる。
【００３４】
また、特定の波長域の光に対して選択的に感度を有するようにするためには、上記Ｎ型拡散層４２のピークでの不純物濃度ｎ2は最表面での不純物濃度ｎ1の３倍以上であることが望ましい。
【００３５】
上述のような不純物濃度分布を有するＮ型拡散層４２は、Ｐ＋イオンをイオン注入することによって容易に実現可能である。例えば、厚さ１０ｎｍ程度の表面酸化膜越しに、８０ＫeＶでイオン注入すればよい。イオン注入後には、不純物活性化のためのアニールとして、１０００℃程度のＲＴＡ(Rapid Thermal Anealing)を行って、Ｎ型拡散層４２が形成される。
【００３６】
上記構成を有する光電変換素子は、光が照射されると、上記Ｎ型拡散層４２における不純物濃度ピークを呈する深さよりも表面側(電極４４,４５側)での光吸収によって励起された正孔が、Ｎ型不純物の濃度勾配によってできる電位勾配によって、上記表面側へ流れる。しかしながら、Ｐ型シリコン基板４１の表面には多数の欠陥準位が存在するため、その欠陥準位が再結合の中心となって多数キャリアである電子との再結合によって、上記励起された正孔は消滅してしまう。
【００３７】
これに対し、上記Ｎ型拡散層４２における不純物濃度ピークを呈する深さよりも裏面側(Ｐ型シリコン基板４１側)での光吸収によって励起された正孔は、Ｎ型不純物の濃度勾配によってできる電位勾配により、上記裏面側へ流れる。そして、Ｎ型拡散層４２とＰ型シリコン基板４１とのｐｎ接合を介して光電流として外部へ取り出される。
【００３８】
また、上記Ｐ型シリコン基板４１での光吸収によって励起された電子は、Ｎ型拡散層４２とＰ型シリコン基板４１とのｐｎ接合を介して光電流として外部へ取り出される。
【００３９】
すなわち、本光電変換素子は、Ｎ型拡散層４２におけるＮ型不純物の濃度ピークよりも上記表面側で吸収された光は光電流には寄与せず、Ｎ型拡散層４２における上記濃度ピークよりも上記裏面側で吸収された光のみが、光電流に寄与するのである。
【００４０】
図３に、シリコンを用いた通常の構成を有する従来の光電変換素子と本第１実施の形態における光電変換素子との、分光感度(光電流)特性を比較したグラフを示す。シリコンへの光の侵入深さは波長が短いほど浅くなるため、Ｎ型拡散層４２の不純物分布が深さ０.１μｍ程度のピークから最表面に向かって下降している第１実施の形態の光電変換素子においては、通常の構成を有するシリコンの光電変換素子に比べて、短波長側での分光感度が低下している。
【００４１】
したがって、本第１実施の形態における光電変換素子を用いることによって、主に赤外光領域に選択的に感度を有する光センサーを実現できる。
【００４２】
以上のごとく、本実施の形態によれば、上記Ｐ型シリコン基板４１内にＮ型拡散層４２を形成し、Ｐ型シリコン基板４１およびＮ型拡散層４２の表面に形成された表面絶縁膜４３を貫通して、Ｐ型シリコン基板４１に至る第１電極４４およびＮ型拡散層４２に至る第２電極４５を形成している。そして、Ｎ型拡散層４２の不純物分布を、深さ０.１μｍ程度でピークの濃度ｎ2となり、上記ピークの深さから最表面に向かって濃度ｎ1まで低下する一方、裏面側に向かって濃度がｎ3まで低下するように設定している。その際に、上記ピークでの不純物濃度ｎ2を最表面での不純物濃度ｎ1の３倍以上に設定している。
【００４３】
したがって、波長選択フィルタや多重拡散構造を必要としない一般的な半導体製造プロセスのみを用い、且つ各拡散層および半導体基板を短絡するための電極領域の必要性を無くすことによって、安価に素子面積を小さくすることができる。さらに、主に赤外光領域に選択的に感度を有する光電変換素子を提供することができる。
【００４４】
・第２実施の形態
図４は、本第２実施の形態の光電変換素子における概略断面図である。
【００４５】
図４に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、上記第１半導体層の一例であるＰ型シリコン基板５１内の表面に第１Ｎ型拡散層５２と第２Ｎ型拡散層５３との２つのＮ型拡散層が形成されおり、Ｐ型シリコン基板５１,第１Ｎ型拡散層５２および第２Ｎ型拡散層５３の表面には表面絶縁膜５４が形成されている。また、表面絶縁膜５４を貫通してＰ型シリコン基板５１に至る第１電極５５と、表面絶縁膜５４を貫通して第１Ｎ型拡散層５２に至る第２電極５６と、表面絶縁膜５４を貫通して第２Ｎ型拡散層５３に至る第３電極５７とが形成されている。
【００４６】
上記Ｐ型シリコン基板５１における２つのＮ型拡散層５２,５３に挟まれた領域が受光領域として機能し、第１電極５５,第２電極５６および第３電極５７を介して光電流を外部に取り出すことができる。
【００４７】
図５は、図４における２つのＮ型拡散層５２,５３に挟まれたＰ型シリコン基板５１のＢ‐Ｂ’矢視断面における不純物濃度分布を示す。図５に示すように、Ｐ型シリコン基板５１の不純物分布は、最表面から裏面側に向かって進むにつれて濃度が濃度ｎ11から上昇し、深さ０.０５μｍ程度で第１ピークとなる領域がある。さらに、裏面側に向かって進むにつれて濃度は下降して濃度の谷となる。そして、濃度の谷から裏面側に向かって進むにつれて濃度が上昇し、深さ２μｍ程度で第２ピークとなる領域がある。さらに、裏面側に向かって進むにつれて濃度は下降する。そして、Ｎ型拡散層５２,５３よりも深い深層部(以下、基板本体部と言う)の不純物濃度ｎ14となる。
【００４８】
ここで、図４に示す断面図においては、上記Ｐ型シリコン基板５１が２つのＮ型拡散層５２,５３に挟まれているが、表面側から平面的に見た場合には２つのＮ型拡散層５２,５３および２つの電極５６,５７は繋がっており、平面的にはＰ型シリコン基板５１の一部はＮ型拡散層５２,５３によって完全に囲まれている。
【００４９】
また、特定の波長域の光に対して選択的に感度を有するようにするためには、図５において、２つのＮ型拡散層５２,５３で挟まれたＰ型シリコン基板５１における不純物濃度の上記第１ピークの濃度ｎ12は最表面での濃度ｎ11の３倍以上であることが望ましい。さらに、上記第２ピークの不純物濃度ｎ13は上記基板本体部での不純物濃度ｎ14の３倍以上であることが望ましい。
【００５０】
上述のような不純物濃度分布を有するＰ型シリコン基板５１は、Ｂ＋イオンをイオン注入することによって容易に実現可能である。例えば、厚さ１０ｎｍ程度の表面酸化膜越しに、２０ＫeＶと２０００ＫeＶとで２回イオン注入すればよい。その場合、上記Ｂ＋イオン注入は、フォトレジストでパターニングを行ってＮ型拡散層５２,５３で囲まれた領域内にのみ行うのであるが、平面的にはＰ型領域がＮ型拡散層５２,５３と一部重なるように形成することが望ましい。イオン注入後には、不純物活性化のためのアニールとして、１０００℃程度の上記ＲＴＡを行って、Ｐ型シリコン基板５１が形成される。
【００５１】
上記構成を有する光電変換素子は、光が照射されると、上記Ｐ型シリコン基板５１の２つのＮ型拡散層５２,５３に挟まれた領域における上記第１ピークの濃度を呈する深さよりも表面側(電極５６,５７側)での光吸収によって励起された電子が、Ｐ型不純物の濃度勾配によってできる電位勾配により、上記表面側へ流れる。しかしながら、Ｐ型シリコン基板５１の表面には多数の欠陥準位が存在するため、その欠陥準位が再結合の中心となって多数キャリアである正孔との再結合によって、上記励起された電子は消滅してしまう。
【００５２】
また、上記Ｎ型拡散層５２,５３に挟まれた領域における上記第２ピークの濃度を呈する深さよりも裏面側(上記基板本体部側)での光吸収によって励起された電子は、Ｐ型不純物の濃度勾配によってできる電位勾配により、上記裏面側へ流れる。ところが、通常、Ｐ型シリコン基板５１内には重金属汚染を捕獲(ゲッタリング)するためのＢＭＤ(酸素析出欠陥)が存在するため、そのＢＭＤが再結合中心となって多数キャリアである正孔との再結合によって、上記励起された電子が消滅してしまう。
【００５３】
これに対し、上記Ｐ型シリコン基板５１における上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さとの間での光吸収によって励起された電子は、Ｐ型不純物濃度の谷によってできる電位の谷に閉じ込められた状態で、横方向に移動する。そして、Ｎ型拡散層５２,５３とＰ型シリコン基板５１とのｐｎ接合を介して光電流として外部へ取り出される。
【００５４】
すなわち、本光電変換素子は、上記Ｐ型シリコン基板５１における２つのＮ型拡散層５２,５３で挟まれた領域の上記第１ピークの濃度を呈する深さより表面側、および、上記第２ピークの濃度を呈する深さよりも上記裏面側で吸収された光は光電流には寄与せず、上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さとの間で吸収された光のみが、光電流に寄与するのである。
【００５５】
図７に、シリコンを用いた通常の構成を有する従来の光電変換素子と本第２実施の形態における光電変換素子との、分光感度(光電流)特性を比較したグラフを示す。シリコンへの光の侵入深さは波長が短いほど短くなるため、Ｐ型シリコン基板５１の不純物分布が深さ０.０５μｍ程度の上記第１ピークから最表面に向かって下降すると共に、深さ２μｍ程度の上記第２ピークから裏面に向かって下降している第２実施の形態の光電変換素子においては、通常の構成を有するシリコンの光電変換素子に比べて、短波長側および長波長側での分光感度が低下している。
【００５６】
また、図６は、図４におけるＣ‐Ｃ’矢視断面における不純物濃度分布を示す。図６に示すように、第１Ｎ型拡散層５２の不純物分布は、最表面から裏面側に向かって進むにつれて濃度が徐々に下降する。そして、Ｐ型シリコン基板５１の近傍では急激に下降し、濃度がｎ14になってＰ型シリコン基板５１の領域となる。このような不純物濃度分布は、第２Ｎ型拡散層５３の場合も同様である。
【００５７】
その場合、上記第１Ｎ型拡散層５２および第２Ｎ型拡散層５３とＰ型シリコン基板５１とのｐｎ接合の深さは、２つのＮ型拡散層５２,５３に挟まれたＰ型シリコン基板５１の領域における上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さの間にあることが望ましい。
【００５８】
その理由は、上記両Ｎ型拡散層５２,５３の最深端が、２つのＮ型拡散層５２,５３で挟まれたＰ型シリコン基板５１の領域における上記第２ピークの濃度を呈する深さよりも深い位置にあると、上記第２ピークの濃度を呈する深さよりも裏面側での光吸収によって励起された電子が、両Ｎ型拡散層５２,５３の最深端側のｐｎ接合を介して光電流として取り出されてしまうためである。
【００５９】
また、上記両Ｎ型拡散層５２,５３の最深端が、２つのＮ型拡散層５２,５３で挟まれたＰ型シリコン基板５１の領域における上記第１ピークの濃度を呈する深さよりも浅い位置にあると、Ｎ型拡散層５２,５３で挟まれたＰ型シリコン基板５１の領域における上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さとの間での光吸収によって励起された電子が、両Ｎ型拡散層５２,５３の最深端側のｐｎ接合に到達できなくなり、光電流として取り出せなくなるためである。
【００６０】
したがって、本第２実施の形態における光電変換素子を用いることによって、主に可視光領域に選択的に感度を有する光センサーを実現できる。
【００６１】
以上のごとく、本実施の形態によれば、上記Ｐ型シリコン基板５１内に第１Ｎ型拡散層５２と第２Ｎ型拡散層５３とを形成すると共に、２つのＮ型拡散層５２,５３を繋いで、平面的にはＰ型シリコン基板５１の一部をＮ型拡散層５２,５３で完全に囲んでいる。そして、Ｐ型シリコン基板５１,第１Ｎ型拡散層５２および第２Ｎ型拡散層５３の表面に形成されたは表面絶縁膜５４を貫通して、Ｐ型シリコン基板５１に至る第１電極５５、および、第１,第２Ｎ型拡散層５２,５３に至ると共に互いに繋がっている第１,第２電極５６,５７を形成している。
【００６２】
そして、上記Ｎ型拡散層５２,５３で囲まれているＰ型シリコン基板５１の領域の不純物分布を、深さ０.０５μｍ程度で濃度ｎ12の第１ピークとなり、深さ２μｍ程度で濃度ｎ13の第２ピークとなり、上記第１ピークの深さから最表面に向かって濃度ｎ11まで低下する一方、上記第２ピークの深さから裏面側に向かって濃度がｎ14まで低下するように設定している。さらに、上記第１ピークと上記第２ピークとの間に濃度の谷を設けている。そして、その際に、上記第１ピークの濃度ｎ12を最表面での濃度ｎ11の３倍以上設定し、上記第２ピークの不純物濃度ｎ13を上記基板本体部での不純物濃度ｎ14の３倍以上に設定している。
【００６３】
また、上記両Ｎ型拡散層５２,５３とＰ型シリコン基板５１とのｐｎ接合の深さを、２つのＮ型拡散層５２,５３で囲まれたＰ型シリコン基板５１の領域における上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さの間に設定している。
【００６４】
したがって、波長選択フィルタや多重拡散構造を必要としない一般的な半導体製造プロセスのみを用い、且つ各拡散層および半導体基板を短絡するための電極領域の必要性を無くすことによって、安価に素子面積を小さくすることができる。さらに、主に可視光領域に選択的に感度を有する光電変換素子を提供することができる。
【００６５】
尚、本実施の形態においては、上記Ｎ型拡散層を平面的にはＰ型シリコン基板５１の一部を囲むように環状に形成している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、例えば、Ｐ型シリコン基板５１内に第１Ｎ型拡散層５２のみを形成し、Ｐ型シリコン基板５１における第１Ｎ型拡散層５２に隣接した領域の不純物濃度分布を、図５に示すように設定してもよい。その場合には、Ｐ型シリコン基板５１の第１Ｎ型拡散層５２に隣接した領域において、上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さとの間で励起された電子は、上記電位の谷に閉じ込められた状態で、第１Ｎ型拡散層５２に向かって横方向に移動し、第１Ｎ型拡散層５２とＰ型シリコン基板５１とのｐｎ接合を介して光電流として外部へ取り出される。
【００６６】
・第３実施の形態
図８は、本第３実施の形態の光電変換素子における概略断面図である。
【００６７】
図８に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、上記第１半導体層の一例であるＰ型シリコン基板６１内の表面にＮ型拡散層６２が形成されおり、このＮ型拡散層６２内の表面にＰ型拡散層６３が形成されており、Ｐ型シリコン基板６１,Ｎ型拡散層６２およびＰ型拡散層６３の表面には表面絶縁膜６４が形成されている。また、表面絶縁膜６４を貫通してＰ型シリコン基板６１およびＮ型拡散層６２に至る第１電極６５と、表面絶縁膜６４を貫通してＰ型拡散層６３に至る第２電極６６とが形成されている。つまり、第１電極６５を介してＰ型シリコン基板６１とＮ型拡散層６２とは短絡している。
【００６８】
また、上記第１電極６５および第２電極６６を介して光電流を外部に取り出すことができるのである。
【００６９】
図９は、図８におけるＤ‐Ｄ’矢視断面における不純物濃度分布を示す。図９に示すように、Ｐ型拡散層６３の不純物分布は、最表面から裏面側に向かって進むにつれて濃度が濃度ｎ21から上昇している領域があり、深さ０.０５μｍ程度でピークとなる。さらに、裏面側に向かって進むにつれて濃度は下降する。また、Ｎ型拡散層６２は表面側から裏面側に向けて略単調に不純物濃度が低下している。
【００７０】
上述した不純物分布によって、断面Ｄ‐Ｄ’部においては、表面から０.３μｍ程度の深さに、Ｐ型拡散層６３とＮ拡散層６２との間でなる第１ｐｎ接合が形成されている。また、表面から６μｍ程度の深さに、Ｎ型拡散層６２とＰ型シリコン基板６１との間でなる第２ｐｎ接合が形成されている。
【００７１】
また、特定の波長域の光に対して選択的に感度を有するようにするためには、図９において、Ｐ型拡散層６３における不純物濃度の上記ピークの濃度ｎ22は最表面での濃度ｎ21の３倍以上であることが望ましい。
【００７２】
上述のような不純物濃度分布を有するＮ型拡散層６２は、イオン注入と熱拡散工程との組合せによって実現可能である。例えば、Ｐ＋イオンを３０００ＫeＶのエネルギーで注入した後、１１５０℃の熱拡散を行えばよい。また、上述のような不純物濃度分布を有するＰ型拡散層６３は、Ｂ＋イオンをイオン注入することによって容易に実現可能である。例えば、厚さ１０ｎｍ程度の表面酸化膜越しに、２０ＫeＶでイオン注入すればよい。イオン注入後には、不純物活性化のためのアニールとして、１０００℃程度の上記ＲＴＡを行って、Ｐ型拡散層６３が形成される。
【００７３】
上記構成を有する光電変換素子は、光が照射されると、上記Ｐ型拡散層６３における上記ピークの濃度を呈する深さより表面側(電極６５,６６側)での光吸収によって励起された電子が、Ｐ型不純物の濃度勾配によってできる電位勾配により、上記表面側へ流れる。しかしながら、Ｐ型シリコン基板６１の表面には多数の欠陥準位が存在するため、その欠陥準位が再結合の中心となって多数キャリアである正孔との再結合によって、上記励起された電子は消滅してしまう。
【００７４】
これに対し、上記Ｐ型拡散層６３における不純物濃度ピークを呈する深さよりも裏面側(Ｐ型シリコン基板６１側)での光吸収によって励起された電子は、Ｐ型不純物の濃度勾配によってできる電位勾配により、上記裏面側へ流れる。そして、Ｐ型拡散層６３とＮ型拡散層６２との第１ｐｎ接合を介して光電流として外部へ取り出される。
【００７５】
また、上記Ｎ型拡散層６２における上記表面側での光吸収によって励起された正孔は、Ｎ型拡散層６２とＰ型拡散層６３との第１ｐｎ接合を介して、光電流として外部へ取り出される。
【００７６】
これに対し、上記Ｎ型拡散層６２における上記裏面側での光吸収によって励起された正孔、および、Ｐ型シリコン基板６１内での光吸収によって励起された電子は、Ｎ型拡散層６２とＰ型シリコン基板６１の間の第２ｐｎ接合を介して光電流となるが、Ｎ型拡散層６２とＰ型シリコン基板６１とは第１電極６５を介して短絡されているため、外部へは出力されない。
【００７７】
すなわち、本光電変換素子は、上記Ｐ型拡散層６３におけるＰ型不純物の濃度ピークを呈する深さよりも上記裏面側、および、Ｎ型拡散層６２における上記表面側で、吸収された光のみが光電流に寄与し、外部に取り出されるのである。
【００７８】
以上のことより、本第３実施の形態においては、外部に取り出される光電流へ寄与する光の吸収が発生する深さは、上記第２実施の形態の場合と略同じ深さになるように、Ｎ型拡散層６２とＰ型拡散層６３とが形成されていることがわかる。したがって、本実施の形態の光電変換素子によって得られる分光感度特性は、図７に示す上記第２実施の形態の場合の分光感度特性と略一致する。
【００７９】
以上のごとく、本実施の形態によれば、上記Ｐ型シリコン基板６１内にＮ型拡散層６２を形成し、このＮ型拡散層６２内にＰ型拡散層６３を形成し、Ｐ型シリコン基板６１,Ｎ型拡散層６２およびＰ型拡散層６３の表面に形成された表面絶縁膜６４を貫通して、Ｐ型シリコン基板６１およびＮ型拡散層６２に至る第１電極６５とＰ型拡散層６３に至る第２電極６６とを形成している。そして、Ｐ型拡散層６３の不純物分布を、深さ０.０５μｍ程度でピークの濃度ｎ22となるように設定し、Ｎ型拡散層６２の不純物濃度を、表面側から裏面側に向けて略単調にが低下するように設定している。その際に、上記ピークでの不純物濃度ｎ22を最表面での不純物濃度ｎ21の３倍以上に設定している。
【００８０】
このように、この発明の拡散構造に、２重拡散構造を組み合わせることによっても、特定の波長域の光に選択的に感度を有する光電変換素子を作成することができるのである。
【００８１】
以上、この発明を第１〜第３実施の形態に基づいて説明したが、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能であることはいうまでもない。
【００８２】
例えば、上記各実施の形態においては、上記各Ｎ型拡散層４２,５２,５３,６２を各Ｐ型シリコン基板４１,５１,６１内に形成しているが、これに限定されるものではなく、Ｎ型シリコン基板内に形成されたＰ型ウェル内に形成しても構わない。この場合には、上記Ｐ型ウェルが上記第１半導体層となる。
【００８３】
また、上記各実施の形態における各シリコン基板,拡散層の導電型は、反対の導電型であっても一向に差し支えない。
【００８４】
以上纏めると、この発明の光電変換素子は、
第１の導電型を有する第１半導体層４１と、
上記第１半導体層４１の表面に形成されると共に、第２の導電型を有する第２半導体層４２と
を備え、
上記第２半導体層４２における受光領域は、最表面から裏面側に向かう深さ方向において、上記最表面から裏面に向かって不純物濃度が上昇する領域を含んでいる
ことを特徴としている。
【００８５】
シリコン等の半導体への光の侵入深さは、波長が短いほど浅くなる。
【００８６】
上記構成によれば、上記第２半導体層４２における受光領域に、最表面から裏面に向かって不純物濃度が上昇する領域を設けている。つまり、波長の短い光が侵入する最表面側の不純物濃度が裏面側よりも低く設定されている。したがって、短波長側での分光感度を低下させることができ、例えば主に赤外光領域等に選択的に感度を有する光電変換素子を得ることができる。
【００８７】
その場合に、この光電変換素子は、波長選択フィルタや多重拡散構造を必要としない一般的な半導体製造プロセスのみを用い、且つ各拡散層や半導体基板を短絡する電極領域を用いることなく作成することができる。したがって、安価で素子面積が小さい光電変換素子を提供することができる。
【００８８】
また、一実施の形態の光電変換素子では、
上記第２半導体層４２の上記受光領域内には、上記不純物濃度が最も高い領域が含まれており、
上記第２半導体層４２の上記受光領域内における上記不純物濃度が最も高い領域での上記不純物濃度は、上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上である。
【００８９】
この実施の形態によれば、上記受光領域内での上記不純物濃度において、ピークでの上記不純物濃度を上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上に設定している。したがって、主に特定波長域の光に対して選択的により高い感度を呈するようにできる。
【００９０】
また、この発明の光電変換素子は、
第１の導電型を有する第１半導体層５１と、
上記第１半導体層５１の表面に形成されると共に、第２の導電型を有する第２半導体層５２と
を備え、
上記第１半導体層５１における上記第２半導体層５２に隣接した受光領域は、最表面から裏面に向かう深さ方向において、上記最表面から裏面に向かって順次、不純物濃度が上記最表面の濃度から上昇して第１ピークに至るまでの第１領域と、不純物濃度が上記第１ピークから下降して谷部に至るまでの第２領域と、不純物濃度が上記谷部から上昇して第２ピークに至るまでの第３領域と、不純物濃度が上記第２ピークから下降する第４領域とを含んでいる
ことを特徴としている。
【００９１】
シリコン等の半導体への光の侵入深さは、波長が短いほど浅くなる。
【００９２】
上記構成によれば、上記第１半導体層５１における受光領域に、最表面から裏面に向かって順次、不純物濃度が上昇する第１領域と、不純物濃度が下降する第２領域と、不純物濃度が再度上昇する第３領域と、不純物濃度が下降する第４領域とを形成している。したがって、上記受光領域における上記第１ピークの濃度を呈する深さと上記第２ピークの濃度を呈する深さとの間で励起された電子を、上記不純物濃度の谷部によってできる電位の谷に閉じ込めた状態で横方向に移動させて、上記第２半導体層５２との接合部を介して光電流として外部へ取り出すことができる。
【００９３】
すなわち、短波長側および長波長側での分光感度を低下させることができ、例えば主に可視光領域等に選択的に感度を有する光電変換素子を得ることができる。
【００９４】
その場合に、この光電変換素子は、波長選択フィルタや多重拡散構造を必要としない一般的な半導体製造プロセスのみを用い、且つ各拡散層や半導体基板を短絡する電極領域を用いることなく作成することができる。したがって、安価で素子面積が小さくすることができる。
【００９５】
また、一実施の形態の光電変換素子では、
上記第１半導体層５１の上記受光領域内における上記第１ピークでの不純物濃度は、上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上であり、上記第２ピークでの不純物濃度は、上記第４領域における上記不純物濃度が最も低い箇所での上記不純物濃度の３倍以上である。
【００９６】
この実施の形態によれば、上記受光領域内での上記不純物濃度において、上記第１ピークでの上記不純物濃度を上記最表面での上記不純物濃度の３倍以上に設定している。さらに、上記第２ピークでの上記不純物濃度を裏面側の上記不純物濃度が最も低い箇所での上記不純物濃度の３倍以上に設定している。したがって、特定波長域の光に対して選択的により高い感度を呈するようにできる。
【００９７】
また、一実施の形態の光電変換素子では、
上記第２半導体層５２における不純物の拡散深さは、上記第１半導体層５１の上記受光領域における上記第１ピークを呈する深さと上記第２ピークを呈する深さとの間である。
【００９８】
この実施の形態によれば、上記第２半導体層５２における不純物の拡散深さを、上記第１半導体層５１における上記第１ピークを呈する深さと上記第２ピークを呈する深さとの間に設定している。したがって、上記第１半導体層５１における上記第１ピークと上記第２ピークとの間での光吸収によって励起された電子のみを、上記第２半導体層５２と上記第１半導体層５１との接合を介して光電流として効率よく外部へ取り出すことができる。したがって、特定波長域の光に対して選択的にさらに高い感度を呈するようにできる。
【符号の説明】
【００９９】
４１,５１,６１…Ｐ型シリコン基板
４２,５２,５３,６２…Ｎ型拡散層
４３,５４,６４…表面絶縁膜
４４,４５,５５,５６,５７,６５,６６…電極
６３…Ｐ型拡散層
【図１】
2016100583.tif 000003
【図２】
2016100583.tif 000004
【図３】
2016100583.tif 000005
【図４】
2016100583.tif 000006
【図５】
2016100583.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016100583.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016100583.tif 000012
【図１１】
2016100583.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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