(57)【要約】【課題】フォトトランジスタの周波数応答性及び感度を向上させる。【解決手段】基板の表面領域に形成されたコレクタ領域（１８）、ベース領域（１２）及びエミッタ領域（１４）を備え、光の入射に伴って発生する電子及び正孔をコレクタ領域（１８）とベース領域（１２）の境界で分離するフォトトランジスタであって、境界の少なくとも一部が凹凸に形成されていることを特徴とするフォトトランジスタ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面領域に形成されたコレクタ領域、ベース領域及びエミッタ領域を備え、
光の入射に伴って発生する電子及び正孔を前記コレクタ領域と前記ベース領域の境界で分離するフォトトランジスタであって、
前記境界の少なくとも一部が凹凸に形成されていることを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトトランジスタであって、
前記基板は、ｐ型の半導体基板であり、
前記コレクタ領域は、ｐ型の不純物がドープされて形成されたｐ型ウェルで構成され、
前記ベース領域は、前記ｐ型ウェルに隣接し、ｎ型の不純物がドープされて形成されたｎ型ウェルで構成されることを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項３】
請求項１に記載のフォトトランジスタであって、
前記ｐ型ウェルは、前記基板の表面側からみて前記ｎ型ウェルの周囲を取り囲むように設けられていることを特徴とするフォトトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数応答を高めたフォトトランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子としてＣＭＯＳプロセスによって形成されたｐｎｐフォトトランジスタが利用されている。図６の断面図及び図７の平面図に、従来のフォトトランジスタの構造を示す。なお、以下の説明を簡単に行うために、図７の平面図にはフォトトランジスタの主要な領域のみを示している。
【０００３】
ｐ型半導体基板１０の表面近傍の領域に、ｎ型の不純物をドープしたｎ型ウェル（ＳＮＷ）及びｐ型の不純物をドープしたｐ型ウェル（ＳＰＷ）が互いに隣接するように形成される。ｎ型ウェル（ＳＮＷ）には、それぞれ順に内包されるようにｐ型の不純物をドープしたｐ型ウェル（ＰＷ）、さらに高濃度にｐ型の不純物をドープした第１コンタクト領域（Ｐ+）が形成される。また、ｐ型ウェル（ＳＰＷ）に内包されるように高濃度にｐ型の不純物をドープした第２コンタクト領域（Ｐ+）が形成される。これにより、ｐ型ウェル（ＰＷ）をエミッタ、ｎ型ウェル（ＳＮＷ）をベース及びｐ型ウェル（ＳＰＷ）をコレクタとするｐｎｐフォトトランジスタが構成される。
【０００４】
第１コンタクト領域（Ｐ+）に正の電圧を印加し、第２コンタクト領域（Ｐ+）を接地すると、ｎ型ウェル（ＳＮＷ）をカソードとし、ｐ型ウェル（ＳＰＷ）をアノードとするダイオードが逆バイアスされた状態となる。このような状態でｎ型ウェル（ＳＮＷ）とｐ型ウェル（ＳＰＷ）とのｐｎ接合領域に光が入射すると、ｐｎ接合領域の空乏層内に電子・正孔対が生成され、空乏層内の電界により電子はｎ型ウェル（ＳＮＷ）へ移動し、正孔はｐ型ウェル（ＳＰＷ）へ移動して、ｐ型ウェル（ＰＷ）からｎ型ウェル（ＳＮＷ）を介してｐ型ウェル（ＳＰＷ）へと電流が流れる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フォトトランジスタは、一般的にフォトダイオードに比べて光感度は高いが、周波数応答性が低い。これは、第１コンタクト領域（Ｐ+）とｎ型ウェル（ＳＮＷ）との間の寄生容量、ｎ型ウェル（ＳＮＷ）と半導体基板１０との間の寄生容量、ｎ型ウェル（ＳＮＷ）とｐ型ウェル（ＳＰＷ）との間の寄生容量、ｎ型ウェル（ＳＮＷ）とｐ型ウェル（ＳＰＷ）との間の抵抗等によりフォトトランジスタ内部に遅延要素が発生するからである。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑み、周波数応答性及び感度を向上させたフォトトランジスタ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】
【０００７】
本発明の１つの態様は、基板の表面領域に形成されたコレクタ領域、ベース領域及びエミッタ領域を備え、光の入射に伴って発生する電子及び正孔を前記コレクタ領域と前記ベース領域の境界で分離するフォトトランジスタであって、前記境界の少なくとも一部が凹凸に形成されていることを特徴とするフォトトランジスタである。
【０００８】
例えば、前記基板は、ｐ型の半導体基板であり、前記コレクタ領域は、ｐ型の不純物がドープされて形成されたｐ型ウェルで構成され、前記ベース領域は、前記ｐ型ウェルに隣接し、ｎ型の不純物がドープされて形成されたｎ型ウェルで構成することができる。
【０００９】
このとき、前記ｐ型ウェルは、前記基板の表面側からみて前記ｎ型ウェルの周囲を取り囲むように設けることが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フォトトランジスタの周波数応答性及び感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態におけるフォトトランジスタは、図１の断面図及び図２の平面図に示すように、半導体基板１０、ｎ型ウェル（ＳＮＷ）１２、ｐ型ウェル（ＰＷ）１４、第１コンタクト領域（Ｐ+）１６、ｐ型ウェル（ＳＰＷ）１８、ｐ型ウェル（ＰＷ）２０及び第２コンタクト領域（Ｐ+）２２を含んで構成される。なお、図を簡潔に示すために、図２の平面図においてｎ型ウェル（ＳＮＷ）１２、ｐ型ウェル（ＰＷ）１４及びｐ型ウェル（ＳＰＷ）１８以外の領域は省略して示している。
【００１２】
以下、本実施の形態におけるフォトトランジスタの構成について説明する。以下の説明において、通常のフォトリソグラフィ技術によってパターンニングされたレジスト層のマスクを用いてイオン注入を行うことで各領域を形成することができる。
【００１３】
半導体基板１０は、ｐ型の不純物であるボロン（Ｂ）等がドープされたシリコン基板を用いることができる。半導体基板１０の不純物濃度は、半導体基板１０の抵抗率が１４−２０Ωｃｍとなるように調整される。
【００１４】
半導体基板１０の表面領域にはｐ型ウェル１８が形成される。このｐ型ウェル１８がフォトトランジスタのコレクタ領域となる。ｐ型ウェル１８は、ｐ型の不純物であるボロン（Ｂ）等をイオン注入でドープすることによって形成することができる。本実施の形態では、ｐ型ウェル１８は、ボロン（Ｂ）を４×１０12／ｃｍ2の濃度で８０ｋｅＶの注入エネルギーによってイオン注入することにより形成した。また、半導体基板１０の表面側からみたｐ型ウェル１８の幅Ｄ１は約１００μｍとした。
【００１５】
ｐ型ウェル１８に隣接するようにｎ型ウェル（ＳＮＷ）１２が形成される。このｎ型ウェル１２がフォトトランジスタのベース領域となる。本実施の形態では、半導体基板１０の表面側からみてｎ型ウェル１２がｐ型ウェル１８の領域に内包されるように、ｎ型の不純物である燐（Ｐ）等をイオン注入でドープすることによって形成した。ｎ型ウェル１２は、燐（Ｐ）を４×１０12／ｃｍ2の濃度で７０ｋｅＶの注入エネルギーによってイオン注入することにより形成した。
【００１６】
このとき、ｎ型ウェル１２とｐ型ウェル１８との境界の少なくとも一部が半導体基板１０の表面側からみて凹凸となるようにｎ型ウェル１２を形成する。本実施の形態では、図２の平面図に示すように、ｎ型ウェル１２の全周に亘って、ｎ型ウェル１２とｐ型ウェル１８との境界が凹凸となるようにｎ型の不純物をイオン注入した。
【００１７】
また、半導体基板１０の表面上でのｎ型ウェル１２の幅Ｄ２は平均で約７４μｍとし、ｎ型ウェル１２とｐ型ウェル１８との境界の凹凸の幅Ｗは３μｍ以上６μｍ以下とした。  
【００１８】
ｐ型ウェル（ＰＷ）１４は、半導体基板１０の表面側からみてｎ型ウェル１２の領域に内包されるように形成される。ｐ型ウェル１４がフォトトランジスタのエミッタ領域となる。ｐ型ウェル１４は、ｐ型の不純物をイオン注入でドープすることによって形成することができる。
【００１９】
また、ｐ型ウェル１８の領域内における最外領域にｐ型ウェル（ＰＷ）２０が形成される。すなわち、ｐ型ウェル２０は、コレクタ領域となるｐ型ウェル１８から外部へ配線を引き出すための第２コンタクト領域２２を形成するための領域となる。
【００２０】
本実施の形態では、ｐ型ウェル１４及びｐ型ウェル２０を２段階のイオン注入で形成した。第１段階ではボロンを１．５×１０13／ｃｍ2の濃度で１８０ｋｅＶの注入エネルギーによって比較的深くイオン注入し、第２段階ではボロンを８．５×１０12／ｃｍ2の濃度で４０ｋｅＶの注入エネルギーによって比較的浅くイオン注入した。
【００２１】
なお、半導体基板１０の表面上でのｐ型ウェル１４の幅Ｄ３は平均で約６０μｍとした。また、ｐ型ウェル２０は、半導体基板１０の表面側からみてｐ型ウェル１８の領域内で、ｐ型ウェル１８の外周とｎ型ウェル１２の間の領域にｎ型ウェル１２の周囲を取り囲むように形成した。
【００２２】
第１コンタクト領域（Ｐ+）１６は、半導体基板１０の表面側からみてｐ型ウェル１４に内包されるように形成される。第１コンタクト領域１６は、エミッタ領域となるｐ型ウェル１４から外部へ配線を引き出すためのコンタクト領域となる。また、第２コンタクト領域（Ｐ+）２２は、半導体基板１０の表面側からみてｐ型ウェル１８に内包されるように形成される。第２コンタクト領域２２は、コレクタ領域となるｐ型ウェル１８から外部へ配線を引き出すためのコンタクト領域となる。
【００２３】
本実施の形態では、第１コンタクト領域１６及び第２コンタクト領域２２をイオン注入で形成した。第１コンタクト領域１６及び第２コンタクト領域２２は、ボロン（ＢＦ2）を１．３×１０13／ｃｍ2の濃度で２０ｋｅＶの注入エネルギーで注入した後、ボロン（ＢＦ2）を２×１０15／ｃｍ2の濃度で４０ｋｅＶの注入エネルギーによってイオン注入して形成した。
【００２４】
図３及び図４に、それぞれ従来のフォトトランジスタの周波数特性及び本実施の形態におけるフォトトランジスタの周波数特性を示す。図３及び図４において、横軸は周波数であり、縦軸はフォトトランジスタの感度である。従来のフォトトランジスタは、ｎ型ウェル１２とｐ型ウェル１８との境界に凹凸を設けない構造とした他は本実施の形態におけるフォトトランジスタと同様に形成した。
【００２５】
本実施の形態におけるフォトトランジスタのカットオフ周波数は９２５ｋＨｚであり、従来のフォトトランジスタのカットオフ周波数は５４５ｋＨｚであった。このように、本実施の形態におけるフォトトランジスタではｎ型ウェル１２とｐ型ウェル１８との境界に凹凸を設けることによって周波数応答性を高めることができる。
【００２６】
また、図５に、従来のフォトトランジスタ及び本実施の形態におけるフォトトランジスタにおける入射光のパワーに対する感度の関係を示す。図５において、横軸は入射光のパワーであり、縦軸はフォトトランジスタの感度である。また、従来のフォトトランジスタの感度は三角印で示し、本実施の形態におけるフォトトランジスタの感度は丸印で示している。入射光のパワーが−１６ｄＢｍ以下の領域では、従来のフォトトランジスタよりも本実施の形態におけるフォトトランジスタの感度が高いことが分かる。このように、本実施の形態におけるフォトトランジスタでは入射光のパワーが低い条件においてフォトトランジスタの感度を従来より向上させることができる。
【００２７】
本実施の形態におけるフォトトランジスタにおける特性の改善は、（１）エミッタ領域−コレクタ領域間の距離を短くしたこと、（２）ベース領域−コレクタ領域の接合の基板面方向の周囲長を長くしたことによるものと推考される。より具体的には、（１）コレクタ領域がベース領域側に突出した部分ではエミッタ領域−コレクタ領域間の距離が短くなり、電子や正孔の移動が容易となって周波数特性が改善されたものと推考される。また、（２）ベース領域−コレクタ領域の接合の基板面方向の周囲長を長くすることで、光が照射されたときにベース領域−コレクタ領域の接合部分で発生する電子及び正孔が増加し、基板表面に水平な方向に流れるベース電流が増加してコレクタ電流も増加した結果、周波数特性が改善されたものと推考される。特に、入射光のパワーが小さい場合には電子及び正孔の発生が基板表面近傍の接合に依存するので感度も高くなると推考される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態におけるフォトトランジスタの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるフォトトランジスタの構造を示す平面図である。
【図３】従来のフォトトランジスタの周波数特性の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるフォトトランジスタの周波数特性の例を示す図である。
【図５】従来及び本発明の実施の形態におけるフォトトランジスタの感度を示す図である。
【図６】従来のフォトトランジスタの構造を示す断面図である。
【図７】従来のフォトトランジスタの構造を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  半導体基板、１２  ｎ型ウェル（ベース領域）、１４  ｐ型ウェル（エミッタ領域）、１６  第１コンタクト領域、１８  ｐ型ウェル（コレクタ領域）、２０  ｐ型ウェル、２２  第２コンタクト領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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