(57)【要約】【課題】装置構成を複雑にすることなく比較的長い波長の光の検出が可能な光検出素子および光検出装置を提供する。【解決手段】半導体部６は、半導体部６の第１の面６ａから内側に形成された第１の不純物拡散層６ｅと、第１の面６ａから第２の面６ｂに延びており光の入射する光入射面６ｇと、光入射面６ｇから内側に拡がる可視光吸収領域６ｈとを有し、可視光吸収領域６ｈは、光入射面６ｇと第１の不純物拡散層６ｅの周囲に形成される空乏層６ｆとの間に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板を備えた光検出素子であって、
前記半導体基板は、
当該半導体基板の主面から内側に形成された第２導電型の不純物拡散層と、
前記主面から該主面の反対側の裏面に延びており光の入射する光入射面と、
前記光入射面から内側に拡がる可視光吸収領域と
を有し、
前記可視光吸収領域は、
前記光入射面と前記不純物拡散層の周囲に形成される空乏層との間に設けられている、ことを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
前記不純物拡散層を前記主面の上方から覆うように該主面上に形成された遮光膜を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記光入射面は粗面である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出素子。
【請求項４】
支持基板と該支持基板上に積層されており請求項１〜３の何れか一項に記載の複数の光検出素子とを備え、
前記複数の光検出素子は、隣り合う二つの光検出素子の半導体基板の主面と裏面とが向き合うように、順次積層されている、ことを特徴とする光検出装置。
【請求項５】
支持基板と該支持基板上に積層されており請求項１〜３の何れか一項に記載の複数の光検出素子とを備え、
前記複数の光検出素子は、隣り合う二つの光検出素子の半導体基板の主面同士または裏面同士が向き合うように、順次積層されている、ことを特徴とする光検出装置。
【請求項６】
前記複数の光検出素子の複数の光入射面は、同一面内に揃って配置されている、ことを特徴とする請求項４または５に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子および光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、入射光の複数の波長（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応した複数のホトダイオードを備えたイメージセンサが開示されている。これら複数の波長のうち比較的長い波長の光（Ｒ）を検出するホトダイオードは、この波長より短い波長（Ｇ，Ｂ）の光を検出する他のホトダイオードに比較して、イメージセンサの入射面からより離隔した位置に配置される。
【特許文献１】特開平２００２−７７５２４号公報
【特許文献２】特開平８−１８１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１の技術からわかるように、赤外線等の比較的長い波長の光をホトダイオードにより検出するためには、このホトダイオードの前方に、この波長よりも短い波長の光を吸収するための他のホトダイオード等の部材を配置する必要がある。このため、装置構成が複雑になり、コスト高となる。そこで本発明の目的は、装置構成を複雑にすることなく比較的長い波長の光の検出が可能な光検出素子および光検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の光検出素子は、第１導電型の半導体基板を備えた光検出素子であって、半導体基板は、当該半導体基板の主面から当該半導体基板の内側に形成された第２導電型の不純物拡散層と、主面から該主面の反対側の裏面に延びており光の入射する光入射面と、光入射面から内側に拡がる可視光吸収領域とを有し、可視光吸収領域は、光入射面と不純物拡散層の周囲に形成される空乏層との間に設けられている、ことを特徴とする。本発明の光検出素子によれば、半導体基板の側面にある光入射面から入射する入射光の可視光成分は、半導体基板内において光入射面と空乏層との間に設けられた可視光吸収領域によって吸収され、入射光の比較的長い波長成分である赤外成分は、可視光吸収領域を透過して空乏層に至る。従って、本発明の光検出素子は、光入射面に入射する入射光の赤外成分が検出可能となる。
【０００５】
更に、本発明では、不純物拡散層を主面の上方から覆うように該主面上に形成された遮光膜を更に備えるのが好ましく、光入射面は粗面であるのが好ましい。このような遮光膜により、光検出素子内に入射した光が外部に漏れることが抑制されるので効率の良い検出が可能となり、また、光入射面が粗面であるので、入射光に含まれる比較的短い波長成分（赤外成分より短波長）が、光入射面の凹凸によりトラップされて出力に寄与しなくなり、長い波長の光に特化した検出が容易となる。
【０００６】
本発明の光検出装置は、支持基板と該支持基板上に積層されており上記の複数の光検出素子とを備え、複数の光検出素子は、隣り合う二つの光検出素子の半導体基板の主面と裏面とが向き合うように、順次積層されている、ことを特徴とする。また、本発明の光検出装置は、支持基板と該支持基板上に積層されており上記の複数の光検出素子とを備え、複数の光検出素子は、隣り合う二つの光検出素子の半導体基板の主面同士または裏面同士が向き合うように、順次積層されている、ことを特徴とする。更に、本発明では、複数の光検出素子の複数の光入射面は、同一面内に揃って配置されているのが好ましい。本発明の光検出装置によれば、複数の光検出素子を積層したものを用いるので十分な光量が確保できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、装置構成を複雑にすることなく比較的長い波長の光の検出が可能な光検出素子および光検出装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施形態に係る光検出素子２の構成を示す図であり、図１（Ａ）は、光検出素子２の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿ってとられた光検出素子２の断面を示す図である。図１に示すように、光検出素子２は、カソード電極４、半導体部６、絶縁膜８、アノード電極１０および遮光膜１２を備えたフォトダイオードである。半導体部６の裏面にカソード電極４が設けられ、半導体部６上に絶縁膜８が設けられている。遮光膜１２は、絶縁膜８上に設けられており、絶縁膜８を介して半導体部６上に形成されている。
【０００９】
半導体部６は、シリコンを含み、互に平行な第１の面６ａ（主面）と第１の面６ａの反対側の第２の面６ｂ（裏面）とを有する半導体基板である。半導体部６は、第２の不純物拡散層６ｃ、半導体領域６ｄ、第１の不純物拡散層６ｅおよび光入射面６ｇを有する。第１の面６ａに絶縁膜８が設けられ、第２の面６ｂにカソード電極４が設けられ、半導体部６の内側であって第２の不純物拡散層６ｃ上に半導体領域６ｄが設けられている。第１の面６ａは、半導体領域６ｄの表面と第１の不純物拡散層６ｅの表面とを含む。第１の不純物拡散層６ｅは、第１の面６ａから半導体部６の内側に形成されている。第２の不純物拡散層６ｃはｎ＋型であり、半導体領域６ｄはｎ型であり、第１の不純物拡散層６ｅはｐ＋型である。なお、導電型はこれに限らない。
【００１０】
空乏層６ｆは、カソード電極４とアノード電極１０との間に電圧が印可されると、第１の不純物拡散層６ｅのエッジ近傍に生じる。光入射面６ｇは、光Ｌの入射する光入射面であって、第１の面６ａから第２の面６ｂに延びている半導体部６の側面の一部である。また、光入射面６ｇは、粗面とされ、複数の凹凸を有する。このため、光Ｌに含まれる比較的短い波長成分（赤外成分より短波長）の入射により生じたキャリアが凹凸によりトラップされて出力に寄与しなくなり、長い波長の光に特化した検出が容易となる。なお、光入射面６ｇを除く半導体部６の他の側面には遮光膜が形成されていてもよい。また、半導体部６の側面全体が光入射面６ｇであってもよい。
【００１１】
可視光吸収領域６ｈは、光入射面６ｇから半導体領域６ｄの内側に拡がる領域であり、光入射面６ｇと空乏層６ｆとの間に設けられている。可視光吸収領域６ｈは、光入射面６ｇに入射する光Ｌに含まれる赤外成分よりも短波長成分を吸収する（以下、可視光成分と総称する）。この可視光吸収領域６ｈの深さＨ、すなわち、光入射面６ｇから空乏層６ｆまでの距離（光入射面６ｇに入射した光Ｌが光入射面６ｇから空乏層６ｆに至るまでの距離）は、１ｍｍ程度である。なお、この程度の深さＨの可視光吸収領域６ｈは、半導体領域６ｄの不純物については、例えばリン（Ｐ）で、その濃度は１×１０１２〜１×１０１６ｃｍ−３であり、第１の不純物拡散層６ｅの不純物については、例えば、ボロン（Ｂ）で、その濃度は１×１０１５〜１×１０１８ｃｍ−３であり、カソード電極４とアノード電極１０との間の印可バイアスについては、例えば３０Ｖ程度であり、また、光入射面６ｇから第１の不純物拡散層６ｅのエッジまでの距離は１ｍｍ程度の場合に実現される。ここで、光検出素子２のサイズは、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ角程度である。
【００１２】
図２に、可視光吸収領域６ｈの深さＨと、可視光吸収領域６ｈの光透過率（光Ｌが深さＨの可視光吸収領域６ｈを通過する場合の光透過率）との相関を示す。横軸は、深さＨを示し、縦軸は、光透過率を示す。図中符号Ｇ１は、光Ｌが波長４００ｎｍの場合の相関を示し、図中符号Ｇ２は、光Ｌが波長５５０ｎｍの場合の相関を示し、図中符号Ｇ３は、光Ｌが波長６５０ｎｍの場合の相関を示し、図中符号Ｇ４は、光Ｌが波長８５０ｎｍの場合の相関を示す。図２を参照すれば、同一の深さＨの場合、光Ｌの波長が長いほど、光透過率は高く、光Ｌの波長が同一の場合、深さＨが深いほど、光透過率は低いことがわかる。実施形態に係る可視光吸収領域６ｈの深さＨ（１ｍｍ程度）は、光Ｌの可視光成分を十分に低減し、かつ、可視光よりも長波長の光Ｌの赤外成分を透過するに必要な長さとなっている。従って、光検出素子２は、光Ｌの赤外成分の検出が行える赤外線検出素子としての機能を有する。
【００１３】
図１に戻って説明する。絶縁膜８は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮからなり、コンタクトホール８ａを含む。コンタクトホール８ａは、第１の不純物拡散層６ｅ上に設けられている。アノード電極１０は、コンタクトホール８ａを介して半導体部６に接続している。アノード電極１０は、第１の面６ａの上方から見て、光検出素子２の端に沿って延びる閉じたリング形状を成す。図１の場合、このリング形状の外端及び内端は何れも矩形となっている。ここで、第１の不純物拡散層６ｅ、及び光検出素子２（半導体領域６ｄ）の形状を、第１の面６ａの上方から見て、中心の重なる相似な矩形状とし、それらの外縁を構成する各辺が平行となるような配置とすることで、第１の不純物拡散層６ｅと光検出素子２の各側面との距離がどの側面においても同一となり、どの側面を光入射面としても同一の感度を得ることができる。遮光膜１２は、可視光と赤外光を遮る樹脂からなり、絶縁膜８およびアノード電極１０上に設けられている。遮光膜１２は、アノード電極１０を絶縁膜で覆った上で、第１の面６ａ上全体にＡｌ等の金属膜を形成することでも実現できる。遮光膜１２は、第１の面６ａの上方から見て少なくとも第１の不純物拡散層６ｅを覆う。
【００１４】
遮光膜１２の表面には、電極パッド１４および電極パッド１６が設けられている。電極パッド１４は、遮光膜１２を貫通するコンタクトホールを介してアノード電極１０に接続されている。電極パッド１６は、遮光膜１２、絶縁膜８および半導体部６を貫通するコンタクトホールを介してカソード電極４に接続されている。カソード電極４への電気的接続は、電極パッド１６によらずとも、例えば、配線基板に形成された配線パターン上に、光検出素子２を導電性樹脂により固定する（光検出素子２の裏面に形成したカソード電極４と、配線基板上の配線パターンとを、導電性樹脂により電気的に接続する）ことにより行ってもよい。
【００１５】
以上説明したように、半導体部６の側面にある光入射面６ｇから入射する光Ｌの可視光成分は、半導体領域６ｄ内において光入射面６ｇと空乏層６ｆとの間に設けられた可視光吸収領域６ｈによって吸収され、光Ｌの赤外成分は、可視光吸収領域６ｈを透過して空乏層６ｆに至る。従って、光検出素子２は、光入射面６ｇに入射する光Ｌの赤外成分を検出できる。
【００１６】
また、特許文献２には、半導体レーザチップと、この半導体レーザチップから出射されるモニタ光を受光する受光素子とを備え、半導体レーザチップからのモニタ光が、受光素子のキャリア拡散面に直交する方向の側面部に入射する半導体レーザ装置が開示されている。この受光素子は、光出力の向上のため、受光素子の側面と拡散層との間の距離を５０マイクロメートル程度としている。これに対し、実施形態に係る光検出素子２は、光Ｌの赤外成分の検出を行うため、可視光吸収領域６ｈの深さＨを１ｍｍ程度としている。このため、光検出素子２は、特許文献２の受光素子では困難な赤外成分の検出が可能となる。
【００１７】
図３に、光検出装置３０の構成を示す。光検出装置３０は、図１に示す光検出素子２と同様の構成の複数の光検出素子が積層された構成を有する。図３（Ａ）は、光検出装置３０の平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた光検出装置３０の断面を示す図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた光検出装置３０の断面を示す図である。光検出装置３０は、支持基板２０と、支持基板２０上に順次積層された４個の光検出素子（光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄ）とを備える。なお、支持基板２０上に設ける光検出素子は４個に限らない。
【００１８】
光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、寸法形状を除き、何れも光検出素子２と同様の構成を有している。特に、光検出素子２ａのカソード電極４ａ、光検出素子２ｂのカソード電極４ｂ、光検出素子２ｃのカソード電極４ｃおよび光検出素子２ｄのカソード電極４ｄは、何れも、光検出素子２のカソード電極４に対応し、光検出素子２ａの遮光膜１２ａ、光検出素子２ｂの遮光膜１２ｂ、光検出素子２ｃの遮光膜１２ｃおよび光検出素子２ｄの遮光膜１２ｄは、何れも、光検出素子２の遮光膜１２に対応している。また、光検出素子２ａの電極パッド１４ａ、光検出素子２ｂの電極パッド１４ｂ、光検出素子２ｃの電極パッド１４ｃおよび光検出素子２ｄの電極パッド１４ｄは、何れも、光検出素子２の電極パッド１４に対応し、光検出素子２ａの電極パッド１６ａ、光検出素子２ｂの電極パッド１６ｂ、光検出素子２ｃの電極パッド１６ｃおよび光検出素子２ｄの電極パッド１６ｄは、何れも、光検出素子２の電極パッド１６に対応している。
【００１９】
また、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、半導体部６１〜半導体部６４をそれぞれ有している。半導体部６１〜半導体部６４は、何れも、光検出素子２の半導体部６に対応している。半導体部６の第１の面６ａ（主面）および第２の面６ｂ（裏面）には、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄのそれぞれの半導体部６１〜半導体部６４の主面および裏面が対応している。半導体部６１の主面上には遮光膜１２ａが形成され、半導体部６１の裏面上にはカソード電極４ａが形成されており、半導体部６２の主面上には遮光膜１２ｂが形成され、半導体部６２の裏面上にはカソード電極４ｂが形成されており、半導体部６３の主面上には遮光膜１２ｃが形成され、半導体部６３の裏面上にはカソード電極４ｃが形成されており、半導体部６４の主面上には遮光膜１２ｄが形成され、半導体部６４の裏面上にはカソード電極４ｄが形成されている。
【００２０】
支持基板２０の表面には、光検出素子２ａのカソード電極４ａが樹脂層２４ａを介して設けられ、光検出素子２ａの遮光膜１２ａ上には、光検出素子２ｂのカソード電極４ｂが樹脂層２４ｂを介して設けられている。そして、光検出素子２ｂの遮光膜１２ｂ上には、光検出素子２ｃのカソード電極４ｃが樹脂層２４ｃを介して設けられており、光検出素子２ｃの遮光膜１２ｃ上には、光検出素子２ｄのカソード電極４ｄが樹脂層２４ｄを介して設けられている。このように、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、隣り合う二つの光検出素子の半導体基板の主面と裏面とが向き合うように、支持基板２０上に順次積層されている。この場合、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、隣り合う二つの光検出素子の遮光膜とカソード電極とが樹脂層を介して向き合うように積層されている。
【００２１】
また、電極パッド１４ａ〜電極パッド１４ｄにワイヤを介して電気的に接続された第１の電極が支持基板２０の表面上に設けられており、電極パッド１６ａ〜電極パッド１６ｄにワイヤを介して電気的に接続された第２の電極も支持基板２０の表面上に設けられている。また、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、光検出素子２の光入射面６ｇに対応する側面（光入射面）をそれぞれ有しており、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄのこれらの複数の光入射面は、面Ｓ内に揃って配置されている。
【００２２】
光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、面Ｓから延びる方向において寸法が異なっており、この寸法は、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄの順に長くなっている。従って、図３（Ｂ）に示すように、積層された光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、階段形状を成す。光検出素子２ａの遮光膜１２ａの表面は、光検出素子２ｂにより覆われている第１の領域と、光検出素子２ｂにより覆われていない第２の領域とを有する。電極パッド１４ａと電極パッド１６ａとは、この第２の領域に設けられている。また、光検出素子２ｂの遮光膜１２ｂの表面は、光検出素子２ｃにより覆われている第３の領域と、光検出素子２ｃにより覆われていない第４の領域とを有する。電極パッド１４ｂと電極パッド１６ｂとは、この第４の領域に設けられている。また、光検出素子２ｃの遮光膜１２ｃの表面は、光検出素子２ｄにより覆われている第５の領域と、光検出素子２ｄにより覆われていない第６の領域とを有する。電極パッド１４ｃと電極パッド１６ｃとは、この第６の領域に設けられている。
【００２３】
以上説明したように、光検出素子２においては、光検出素子２の側面の光入射面６ｇが光Ｌの入射面となっているので、光検出素子２単体では光Ｌの光量が比較的少ないが、光検出装置３０のように複数の光検出素子（光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄ）を積層したものを用いれば、十分な光量が確保できる。
【００２４】
なお、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄの積層の態様は、上記に限らない。例えば、支持基板２０の表面に、光検出素子２ａのカソード電極４ａが樹脂層２４ａを介して設けられ、光検出素子２ａの遮光膜１２ａ上に、光検出素子２ｂの遮光膜１２ｂが樹脂層２４ｂを介して設けられ、光検出素子２ｂのカソード電極４ｂ上に、光検出素子２ｃのカソード電極４ｃが樹脂層２４ｃを介して設けられ、光検出素子２ｃの遮光膜１２ｃ上に、光検出素子２ｄの遮光膜１２ｄが樹脂層２４ｄを介して設けられた構成であってもよい。この場合、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄは、隣り合う二つの光検出素子の遮光膜同士またはカソード電極同士が樹脂層を介して向き合うように積層される。このように、光検出素子２ａ〜光検出素子２ｄが、隣り合う二つの光検出素子の半導体基板の主面同士または裏面同士が向き合うように、支持基板２０上に順次積層されていてもよい。なお、この場合の光検出素子の遮光膜上に設けられる電極パッドは、アノード電極に電気的に接続された電極パッドのみであり、カソード電極に電気的に接続された電極パッドはこの遮光膜上には設けられていない。カソード電極は、他のカソード電極に向き合っている場合、この向き合っているカソード電極に電気的に接続され、これらの二つのカソード電極のうちの一方が配線基板上の配線パターンにワイヤ等を介して電気的に接続される。アノード電極は、他のアノード電極に向き合っている場合（遮光膜同士が向き合っている部分）、この向き合っているアノード電極に電気的に接続され（具体的には、遮光膜上に設けられアノード電極に電気的に接続された電極パッド同士が電気的に接続されることにより、両アノード電極が電気的に接続される）、これらの二つの電気パッドのうちの一方が配線基板上の配線パターンにワイヤ等を介して電気的に接続される。このようにアノード電極同士、カソード電極同士がそれぞれ向き合うことにより、隣り合う２つの光検出素子において、一方の光検出素子のカソード電極と、他方の光検出素子のアノード電極とが短絡する虞れが低減する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態に係る光検出素子の構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る光検出素子の効果を説明するためのグラフである。
【図３】実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…アノード電極、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…遮光膜、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ…電極パッド、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…光検出素子、２０…支持基板、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…樹脂層、３０…光検出装置、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…カソード電極、６，６１，６２，６３，６４，…半導体部、６ａ…第１の面、６ｂ…第２の面、６ｃ…第２の不純物拡散層、６ｄ…半導体領域、６ｅ…第１の不純物拡散層、６ｆ…空乏層、６ｇ…光入射面、６ｈ…可視光吸収領域、８…絶縁膜、８ａ…コンタクトホール
【図１】
2009212109.tif 000003
【図２】
2009212109.tif 000004
【図３】
2009212109.tif 000005