(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性の支持膜と、
前記支持膜の一方面側の周縁部に設けられ、前記支持膜を物理的に補強する補強枠体と、
前記支持膜の他方面側の前記周縁部に囲まれた領域に設けられ、複数の箇所で前記支持膜が露出するように貫通部が形成された半導体層と、
を備え、
前記半導体層は、前記支持膜側とその反対面側とが互いに反対導電型とされて光電変換部が形成されている
ことを特徴とする透過型フォトダイオード装置。
【請求項２】
前記支持膜は、前記補強枠体となる基板に形成された光透過性の薄膜であり、
前記補強枠体は、前記基板をその周縁部を残してエッチングすることにより形成されたものである
ことを特徴とする請求項１記載の透過型フォトダイオード装置。
【請求項３】
前記半導体層の前記貫通部は、前記支持膜が同一形状で規則的に繰り返して露出するように形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の透過型フォトダイオード装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光入射面に入射した光の一部のみを検出し、残りの光を透過させる透過型フォトダイオード装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
透過型フォトダイオード装置としては、例えば応用物理第６９巻第６号６８２頁の図４に示されるように、フォトダイオードの受光面を格子状に加工し、格子の隙間において光入射面に入射した光を通過させるものが考案されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の透過型フォトダイオード装置には、格子の隙間が装置の表裏を貫く貫通部となっているため、構造的に弱く、外力が加えられたときに壊れやすいという問題点があった。他方、構造を堅固にするために装置を厚くすると、すなわちフォトダイオードを形成する半導体基板を厚くすると、エッチングにより所望の形状の貫通部を形成するのが困難になるという問題点があった。より具体的には、エッチング深度の大きいエッチングにより貫通部を形成することになるため、貫通部の断面の大きさが受光面側とその反対面側とで不均一になるという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、堅固な構造であり、かつ貫通部の形成が容易な透過型フォトダイオード装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の透過型フォトダイオード装置は、光透過性の支持膜と、支持膜の一方面側の周縁部に設けられ、支持膜を物理的に補強する補強枠体と、支持膜の他方面側の周縁部に囲まれた領域に設けられ、複数の箇所で支持膜が露出するように貫通部が形成された半導体層とを備え、半導体層は、支持膜側とその反対面側とが互いに反対導電型とされて光電変換部が形成されていることを特徴とする。
【０００６】
支持膜がフォトダイオードを支え、さらに補強枠体が物理的に支持膜を補強するので、フォトダイオードを形成する半導体基板を厚くしなくても、構造が堅固になる。また、構造を堅固にするために半導体基板を厚くする必要がないので、貫通部の形成が容易になる。
【０００７】
本発明の透過型フォトダイオード装置において、支持膜は、補強枠体となる基板に形成された光透過性の薄膜であり、補強枠体は、基板をその周縁部を残してエッチングすることにより形成されたものであることが好適である。
【０００８】
支持膜及び補強枠体が上記のように形成されたものであることにより、支持膜と補強枠体とが強固に一体化される。
【０００９】
本発明の透過型フォトダイオード装置において、半導体層の貫通部は、支持膜が同一形状で規則的に繰り返して露出するように形成されていることが好適である。
【００１０】
かかる構成をとることにより、透過型フォトダイオード装置の用途が広がる。例えば、被測定光を均一に透過することが要求される測定システムや、透過した光の干渉像を得ることが必要な測定システムに適用することができるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の透過型フォトダイオード装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。
【００１２】
まず、本実施形態の透過型フォトダイオード装置１の構造を説明する。図１は、透過型フォトダイオード装置１の正面図である。図２は、図１に示す透過型フォトダイオード装置１のII−II線断面図である。図１に示すとおり、透過型フォトダイオード装置１は受光面側が正方面状になっており、その中心部に正方形の光入射領域１１を備える。光入射領域１１は、格子形に成形されたフォトダイオード１２の受光面と、格子の隙間に位置する貫通部の端面とにより構成される。すなわち、光入射領域１１においては、帯状の受光面が縦横に等間隔で配列されることにより格子形の受光面が形成され、帯状の受光面に囲まれた正方形の領域である貫通部の端面がマトリックス状に配列されている。
【００１３】
以下では、図２を参照して説明する。図２ないし５に示すＸ方向は、透過型フォトダイオード装置１が検出できる光の入射方向を示し、Ｘ方向を下方向とする。透過型フォトダイオード装置１は、ＳｉＯ2により構成される光透過性の支持膜１４を備える。支持膜１４は、平面部が正方形である薄板の形状をなす。
【００１４】
支持膜１４の上面には、格子形フォトダイオード１２が形成されている。格子形フォトダイオード１２は、平面部の形状が支持膜１４と同一である板体（基板）が、平面中央部（光入射領域１１）において、上述のように格子形に成形された形状をなす。この板体（基板）は、検出対象となる入射光の波長に対して受光感度が適切に得られるような厚みにする必要がある。例えば検出対象となる入射光が可視領域であれば、１０μｍ程度の薄い膜厚で十分である。格子の隙間に位置する貫通部において、支持膜１４が露出している。
【００１５】
格子形フォトダイオード１２では、ｎ形不純物を含むＳｉ単結晶により構成されるｎ基板層１２４の上部に、高濃度のｐ形不純物がドーピングされて正孔が多数キャリアとなったｐ+不純物層１２２が形成されることにより、光電変換部として機能するｐｎ接合面が形成されている。ｐｎ接合面は、上側が受光面となるように、ｎ基板層１２４の上部に位置する。ｐ+不純物層１２２は、光入射領域１１及びその外縁部を含む領域に形成されている。
【００１６】
ｎ基板層１２４の上部周縁部であって、ｐ+不純物層１２２が形成された領域の更に外側の領域に、高濃度のｎ形不純物を含むｎ+不純物層１２５が形成されている。ｎ+不純物層１２５は、カソードコンタクトとして機能する。
【００１７】
格子形フォトダイオード１２の側壁露出部分は、ＳｉＯ2により構成される透明絶縁体の表面酸化膜１２６に覆われている。
【００１８】
表面酸化膜１２６には、ｎ+不純物層１２５の上部において、ｎ+不純物層１２５に到達するコンタクトホールが形成されている。表面酸化膜１２６の上にはカソード電極１２８ｃ（Ａｌ）が形成されている。カソード電極１２８ｃは、コンタクトホールを介してｎ+不純物層１２５と電気的に接続されている。
【００１９】
表面酸化膜１２６の上には、ｐ+不純物層１２２のうち光入射領域１１の外部に位置する部分を覆うようにアノード電極１２８ａ（Ａｌ）が形成されている。表面酸化膜１２６にはｐ+不純物層１２２の当該部分に到達するコンタクトホールが形成されており、コンタクトホールを介して、アノード電極１２８ａとｐ+不純物層１２２とが電気的に接続されている。
【００２０】
支持膜１４の下面の周縁部に、ｎ形不純物を含むＳｉ単結晶により構成される補強枠体１６が形成されている。補強枠体１６は、平面部の形状が支持膜１４と同一である板体の中央部を削り取って中空にした形状をしている。補強枠体１６の中空部分は、補強枠体１６の下面から上面に向かって狭くなるテーパー形状をなす。補強枠体１６の中空部分において、支持膜１４下面の光入射領域１１に相当する領域が露出している。
【００２１】
次に、上記に説明した構造による透過型フォトダイオード装置１の効果を説明する。フォトダイオード１２が形成される基板としては薄いものが用いられるが、支持膜１４がフォトダイオード１２を支え、さらに補強枠体１６が物理的に支持膜１４を補強するので、透過型フォトダイオード装置１は機械的に強固である。
【００２２】
また後述するように、フォトダイオード１２が形成される基板が薄く、かつフォトダイオード１２と補強枠体１６との間に支持膜１４が介在することにより、透過型フォトダイオード装置１は所望の形状の貫通部の形成が容易な製造方法で製造することができる。
【００２３】
透過型フォトダイオード装置１では、光入射領域１１における支持膜１４の露出部が同一形状（正方形）で規則的に繰り返してあらわれるので、光入射領域１１に入射した光が均一に透過する。
【００２４】
次に、透過型フォトダイオード装置１の製造方法を説明する。図３及び４は、それぞれ、透過型フォトダイオード装置１の製造工程を説明する図である。図３（ａ）に示すｎ基板１０ａ（ｎ形不純物を含むＳｉ単結晶；厚さ約３００μｍ）の上部に熱酸化により支持膜１４（ＳｉＯ2薄膜；厚さ約１μｍ）が形成される。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、支持膜１４が形成されたｎ基板１０ａの上面と、ｎ基板１０ｂ（ｎ形不純物を含むＳｉ単結晶；厚さ約３００μｍ）の下面とがはり合わされる。
【００２６】
図３（ｃ）に示すように、ｎ基板１０ａとはり合わされたｎ基板１０ｂは、上面を研磨することにより、薄いＳｉ単結晶層（厚さ約１０μｍ）に成形される。
【００２７】
図３（ｄ）に示すように、薄いＳｉ単結晶層に成形されたｎ基板１０ｂの上面に熱酸化により酸化膜２０（ＳｉＯ2薄膜）が形成される。また、ｎ基板１０ｂの上側周縁部に、高濃度のｎ形不純物がドーピングされることにより、ｎ+不純物層１２５が形成される。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、ｎ基板１０ｂの上側中央部に、高濃度のｐ形不純物がドーピングされることにより、正孔が多数キャリアとなったｐ+不純物層が形成される。
【００２９】
図４（ｂ）に示すように、ｎ基板１０ｂが、中央部においてエッチングされることにより、格子形に成形される。このエッチングの手順は次に述べるとおりである。酸化膜２０の中央部に、正方形がマトリックス状に配列された格子形のレジストパターンが描かれ、酸化膜２０からこのパターン開口部分が除去される。すなわち、このパターン開口部分が除去された酸化膜２０は、中央部において帯状体が縦横に等間隔で配列された格子形になる。かかる酸化膜２０をマスクとしてｎ基板１０ｂをドライエッチング（ＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)エッチング）する。このドライエッチングは、選択比（Ｓｉのエッチング速度／ＳｉＯ2のエッチング速度）が高いものが好適である。このドライエッチングにおいては、ＳｉＯ2の支持膜１４がエッチングストッパーとなる。エッチング後、酸化膜２０は除去される。このエッチング工程において形成されるエッチングホール（貫通部）は、上側と下側とで断面の大きさが均一であるのが望ましいが、上述したようにｎ基板１０ｂは薄いＳｉ単結晶層に成形されるので、容易にかかる所望の形状のエッチングホールを形成することができる。
【００３０】
図４（ｃ）に示すように、酸化膜２０が除去された後、ｎ基板１０ｂの露出面部分に熱酸化により表面酸化膜１２６（ＳｉＯ2薄膜）が形成される。
【００３１】
図４（ｄ）に示すように、ｎ基板１０ａは、中央部においてエッチングされることにより、テーパー形状の中空部分が形成される。このエッチングの手順は次に述べるとおりである。ｎ基板１０ａの下面にレジスト窒化膜が形成される。レジスト窒化膜は、中央部に正方形のレジストパターンが描かれ、レジスト窒化膜からこのパターン開口部分が除去される。かかるレジスト窒化膜をマスクとして、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液により、ｎ基板１０ａをウエットエッチングする。このウエットエッチングにおいては、支持膜１４がエッチングストッパーとなる。エッチング後、レジスト窒化膜は除去される。
【００３２】
次に、透過型フォトダイオード装置１の作用を使用例と併せて説明する。図５は、透過型フォトダイオード装置１を適用したストークスパラメータ偏光計２の構成図である。図５に示すように、ストークスパラメータ偏光計２では、レーザ光源２２、サンプル３、第１ないし４の部分偏光子２４及び第１ないし４の透過型フォトダイオード装置１が同一光軸上に配置される。ここで、第１ないし４の部分偏光子２４は、それぞれ異なる角度の偏光成分を検出できるように調整して配置される。
【００３３】
光源２２から出射したレーザ光はサンプル３を透過する。サンプル３から出射した被測定光は、第１の部分偏光子２４を透過した後、一部が第１の透過型フォトダイオード装置１により検出され、残りは後方に透過する。第１の透過型フォトダイオード装置１から出射した光は、同様にして、第２ないし４の透過型フォトダイオード装置１及び部分偏光子２４の組を透過し、検出される。
【００３４】
第１ないし４の透過型フォトダイオード装置１の出力は、それぞれ、増幅器２６により増幅され、さらにアナログ‐デジタル信号変換機２７によりデジタル信号に変換された上コンピュータ２８に入力される。コンピュータ２８は、第１ないし４の透過型フォトダイオード装置１の出力に基づいて、被測定光の偏光状態を表すストークスパラメータを算出する。
【００３５】
ストークスパラメータ偏光計２では、入射光の一部のみを検出し、残りを透過させる透過型フォトダイオード装置１を適用することにより、被測定光の異なる４つの角度の偏光成分の光強度を同時に検出することができる。すなわち、透過型フォトダイオード装置１の作用により、回転検光子法により得られるのと同じデータを一回の測定で得ることができる。
【００３６】
次に、透過型フォトダイオード装置１が上記のとおり製造されることによる効果を説明する。フォトダイオード１２が形成される基板は薄いＳｉ単結晶層であるので、容易に、エッチングにより所望の形状の貫通部（受光面側とその反対側とで断面の大きさが均一なエッチングホール）を形成することができる。
【００３７】
フォトダイオード１２が形成される基板と、補強枠体１６が形成される基板とを、それぞれエッチングするにあたって、支持膜１４がエッチングストッパーになる。そのため、フォトダイオード１２が形成される基板と、補強枠体１６が形成される基板とで異なるパターンのエッチングをすることができる。
【００３８】
支持膜１４はｎ基板１０ａの上部に形成された熱酸化膜なので、支持膜１４と、ｎ基板１０ａをエッチングすることにより形成された補強枠体１６とは強固に一体化されている。
【００３９】
本発明の透過型フォトダイオード装置における受光面のパターンに制限はなく、ストライプ形、ハニカム形などが考えられる。応用物理第６９巻第６号６８１頁「３．透過格子型フォトダイオードを用いた投影型エンコーダ」には、インコヒーレント光源を利用した光学式エンコーダにおいて、透過格子型フォトダイオードの受光面のパターンを回折格子として機能させる例が挙げられている。本発明の透過型フォトダイオード装置も、受光面を回折格子のパターンに成形すればこの例に適用することができる。
【００４０】
本発明の透過型フォトダイオード装置における支持膜の材質としては、ＳｉＯ2の他にＳｉＮなどの光透過性の物質が考えられる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の透過型フォトダイオード装置によれば、堅固な構造であり、かつ貫通部の形成が容易な透過型フォトダイオード装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】透過型フォトダイオード装置１の正面図である。
【図２】図１に示す透過型フォトダイオード装置１のII−II線断面図である。
【図３】透過型フォトダイオード装置１の製造工程を説明する第１の図である。
【図４】透過型フォトダイオード装置１の製造工程を説明する第２の図である。
【図５】透過型フォトダイオード装置１を適用したストークスパラメータ偏光計２の構成図である。
【符号の説明】
１…透過型フォトダイオード装置、１１…光入射領域、１２…格子形フォトダイオード、１２２…ｐ+不純物層、１２４…ｎ基板層、１２５…ｎ+不純物層、１２６…表面酸化膜、１２８ａ…アノード電極、１２８ｃ…カソード電極、１４…支持膜、１６…補強枠体、１０ａ、１０ｂ…ｎ基板、２０…酸化膜、２…ストークスパラメータ偏光計、２２…レーザ光源、２４…部分偏光子、２６…増幅器、２７…アナログ‐デジタル信号変換機、２８…コンピュータ。
【図１】
0004077225.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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