特許 6381135 光電変換素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6381135

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】光電変換素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20180820BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 A

【請求項の数】13

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2015-86836(P2015-86836)

(22)【出願日】2015年4月21日

(65)【公開番号】特開2016-207807(P2016-207807A)

(43)【公開日】2016年12月8日

【審査請求日】2017年11月29日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】501330503

【氏名又は名称】マイクロシグナル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 國寛

(72)【発明者】

【氏名】濱田 和志

【審査官】 嵯峨根 多美

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１１２００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０４６６２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−３５１７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２０３２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０５６６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１４５０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１１７９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０２９６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１２０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭５９−０１２０３４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平０３−１３６３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０３１８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第８９／００５０４２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ３１／００−３１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

a)半導体基体自体であり、第１の導電型である第１の領域と、
b)一つの受光信号を得るための一つの受光範囲内の前記第１の領域の表面にそれぞれ不純物を拡散することで相互に離間してドット状に形成された、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型である複数の領域であって、それぞれが、前記一つの受光範囲内の前記第１の領域に入射した光により前記第１の領域において発生したキャリアを周囲から収集するための複数の第２の領域と、
c)前記複数の第２の領域の上方に設けられ、それぞれ下方に位置する第２の領域と電気的に接続された複数のコンタクト部と、
d)前記第１の領域に対し前記一つの受光範囲内に存在する複数の第２の領域を並列に接続するように、前記複数のコンタクト部同士を接続する導電体であって、前記受光範囲内において互いに並行に配置された第１の枝及び第２の枝を含む配線部と、
を備え、
前記一つの受光範囲内に配置される前記複数の第２の領域の面積の和は該一つの受光範囲の面積の５％以下であり、
前記配線部は前記複数の第２の領域を前記第１の枝及び前記第２の枝によって接続し、
前記複数の第２の領域に収集された前記キャリアが光電流として外部に取り出され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であって、
前記第２の領域は上面視で４μm□以下のサイズであることを特徴とする光電変換素子。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の光電変換素子であって、
前記一つの受光範囲内の全ての前記第２の領域が前記コンタクト部及び／又は前記配線部の直下に配置され、該コンタクト部及び／又は該配線部によって実質的に遮光されていることを特徴とする光電変換素子。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記第２の領域の周囲の第１の領域に形成される空乏層広がり領域の上に配置される前記配線部は、前記第２の領域の上に配置されるコンタクト部及び配線部よりも線幅が狭いことを特徴とする光電変換素子。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記第２の領域の周囲の第１の領域に形成される空乏層広がり領域の上に配置される前記配線部は光透過性導電体からなることを特徴とする光電変換素子。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記第１の領域と前記複数の第２の領域との接合部の接合容量の和が前記受光範囲の全面に第２の領域を形成したと仮定した場合における第１の領域と第２の領域との接合部の接合容量よりも小さいことを特徴とする光電変換素子。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記複数の第２の領域は１行おき又は１列おきに隣接する第２の領域の間隔の１／２だけその行又は列の延伸方向にずらして配置されてなることを特徴とする光電変換素子。

【請求項8】

請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記複数の第２の領域は、その各第２の領域の周囲の第１の領域に形成される空乏層広がり領域が隙間無く重なるように配置されることを特徴とする光電変換素子。

【請求項9】

請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記複数の第２の領域は、その各第２の領域の周囲の第１の領域に形成される空乏層広がり領域が重ならないように互いに離して配置され、受光面の中で、各第２の領域の周囲の空乏層広がり領域よりも外側の領域の全体又はその一部に光の入射を遮る遮光部を備えることを特徴とする光電変換素子。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記コンタクト部及び前記配線部を被覆するように形成された絶縁膜と、
該絶縁膜の上であって前記コンタクト部及び前記配線部の直上に配設された導電体部と、
をさらに備え、
該導電体部に所定の固定電位を与えることにより該導電体部を電気的なシールドとして機能させるようにしたことを特徴とする光電変換素子。

【請求項11】

請求項１０に記載の光電変換素子であって、
前記配線部の直上に絶縁膜を間に挟んで設けられた前記導電体部から該絶縁膜中に延出して前記配線部の側方を囲むように複数の導電性の柱状部を形成し、前記導電体部と共に前記柱状部を電気的なシールドとして機能させるようにしたことを特徴とする光電変換素子。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
隣接する第２の領域の間隔は40μm以下であることを特徴とする光電変換素子。

【請求項13】

請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光電変換素子であって、
前記第１の領域内に分散配置された前記複数の第２の領域の間に、その周囲の第１の領域よりも第１の導電型の不純物濃度が濃い、上面視でドット状又は線状の高濃度領域が形成されてな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】

本発明は、光を受けて電気信号に変換する光電変換素子に関する。ここでいう光電変換素子は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトダーリントントランジスタ、フォトサイリスタ、フォトトライアックなどを含む。また、この光電変換素子はその形態が素子単体である場合もあるし、他の機能が搭載されたＩＣやＬＳＩの一部である場合もある。

【背景技術】

【0002】

フォトダイオードは一般に、Ｎ型半導体領域と、該Ｎ型半導体領域中にボロン等の不純物を選択拡散することで形成されたＰ型半導体領域とを有し、そのＰ型半導体領域とＮ型半導体領域とによりＰＮ接合が形成される。フォトダイオードに適宜の強度の光が到達すると、Ｐ型半導体領域とＮ型半導体領域との接合部付近の空乏層、Ｐ型半導体領域、及び、Ｎ型半導体領域のいたるところで、電子−正孔対が発生する。通常、空乏層中では電界の作用により、電子はＮ型半導体領域へ、正孔はＰ型半導体領域へと加速される。また、Ｎ型半導体領域中で生じた電子正孔対のうちの電子はＮ型半導体領域から移動して来た電子とともにＮ型半導体領域中に残る一方、正孔はＮ型半導体領域中を空乏層まで拡散し、空乏層に達すると電界により加速されてＰ型半導体領域に集まる。こうして、Ｐ型半導体領域には正孔が、Ｎ型半導体領域には電子がそれぞれ収集され、それらは外部に接続された負荷に光電流として流れる。
なお、半導体の導電型が上述したものと逆である場合もあるが、基本的な構成や動作は同じである。

【0003】

一般的なフォトダイオードでは、Ｐ型半導体領域とＮ型半導体領域との接合部全体に光が到達するように、光が入射する受光領域のほぼ全面に選択拡散によるＰ型半導体領域が形成されている。図１５（ａ）は典型的なフォトダイオードの概略断面図、図１５（ｂ）はその上面視平面図である。この例では、基体１１そのものがＮ型半導体領域となっており、その基体１１表面の受光領域１０とほぼ同じ範囲に、Ｐ型半導体領域１２が選択拡散により形成されている。基体１１に接触するように形成された導電体からなるコンタクト部１３がカソード端子（Ｃ）であり、Ｐ型半導体領域１２に接触するように形成された導電体からなるコンタクト部１４がアノード端子（Ａ）である。

【0004】

こうしたフォトダイオードにおいて高い受光感度を実現するには、受光領域１０が広いことが望ましい。上記理由から、受光領域１０を広くした場合には、それに伴ってＰ型半導体領域１２も広くする。ところが、Ｐ型半導体領域１２の面積を広くすると接合容量も大きくなり、接合容量が大きくなると、フォトダイオードの光電流を電圧に変換するために接続したアンプ等でのノイズが大きくなる。その結果、受光信号のＳＮ比が低下するために、アンプの周波数帯域を狭くするか或いはゲインを小さくする必要がある。
即ち、フォトダイオードにおいて高周波ノイズを低減するためには接合容量を下げる必要がある（特許文献１など参照）ものの、そのために選択拡散によるＰ型半導体領域の面積を小さくすると、受光感度の低下に繋がるおそれがある。

【0005】

ＰＮ接合の接合容量を下げるために、特許文献２に記載の従来のフォトダイオードでは、Ｎ型基板表面に複数の島状のＰ型拡散層を形成し、その島状の拡散層の数だけ電極を設け、その複数の電極を相互に接続した構造が採られている。ここで、島状のＰ型拡散層の相互の間隔は、少数キャリアが拡散する距離（少数キャリア拡散長）以下に定められている。このような構造のフォトダイオードでは、島状のＰ型拡散層から水平方向及び垂直方向に実質的に有効に動作する受光範囲が拡がり、複数のＰ型拡散層の間の部分（拡散層欠落部）においても光入射に対応した光電流が得られるので、島状のＰ型拡散層の間に同じ拡散層が形成されている場合と比べても、受光感度は殆ど低下しないとされている。また、拡散層欠落部の分だけＰＮ接合の面積が小さくなるので、接合容量を小さくすることができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１１−３１２８２３号公報（段落［００２０］）

【特許文献2】特公昭５９−１２０３４号公報

【特許文献3】特開２０１０−１０２３８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献２に記載の素子の構造では、接合容量の減少の程度はそれほど大きくなく、接合容量が低減されたことによる性能の改善もそれほど見込めない。そのため、受光感度の低下を抑えつつ、ＰＮ接合容量をより一段と下げることができる新規の構造の光電変換素子が望まれている。例えば光電スイッチでは外乱光の影響を受けにくくするために変調光が利用されるが、変調周波数を高くした場合には、ＰＮ接合容量を下げることによってＳＮ比をできるだけ高くすることが重要になる。そのため、光電スイッチの光検出器等に利用される光電変換素子では、ＰＮ接合容量を下げることが特に重要である。

【0008】

また、一般的な構造のフォトダイオードでは、拡散層の厚さや不純物濃度などをコントロールすることで波長感度特性を或る程度制御することができるものの、大きな感度調整は難しい。そのため、例えば、紫外光が多い状況の下で光学測定を行うような場合等、短波長の光の影響を小さくしたいような場合には、通常、不要な波長域の光を遮断する光学フィルタが併用される。しかしながら、そうしたフィルタを用いると目的波長域の光も減衰するため、感度の点では不利である。また、フィルタを併用するとコスト的にも不利である。こうしたことから、その構造自体で短波長の光を遮断することが可能なフォトダイオードやそれ以外の光電変換素子が望まれている。

【0009】

本発明はこうした課題に鑑みて成されたものであり、その主たる目的は、受光感度の低下を抑えつつＰＮ接合等における接合容量を従来よりもさらに小さくすることで、接合容量に依存するノイズを低減し受光信号のＳＮ比を改善することができる光電変換素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、実現容易である構造上の工夫によって、その光電変換部で得られる分光感度の中で短波長側の波長域の光を有効に遮断し、それよりも波長が長い波長域の光に対しては高い受光感度を確保することができ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】

【0010】

上記課題を解決するために成された本発明に係る光電変換素子は、
a)半導体基体自体又は該半導体基体内に形成された他の領域であり、第１の導電型である第１の領域と、
b)一つの受光信号を得るための一つの受光範囲内の前記第１の領域の表面にそれぞれ不純物を拡散することで相互に離間してドット状に形成された、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型である複数の領域であって、それぞれが、前記受光範囲に入射した光により前記第１の領域において発生したキャリアを周囲から収集するための複数の第２の領域と、
c)前記複数の第２の領域の上方に設けられ、それぞれ下方に位置する第２の領域と電気的に接続された複数のコンタクト部と、
d)前記第１の領域に対し前記一つの受光範囲内に存在する複数の第２の領域を並列に接続するように、前記複数のコンタクト部同士を接続する導電体である配線部と、
を備えることを特徴としている。

【0011】

本発明に係る光電変換素子は、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトダーリントントランジスタ、フォトサイリスタ、フォトトライアックなどを含むものとする。また、本発明に係る光電変換素子は、その形態が素子単体であっても、他の機能が搭載されたＩＣやＬＳＩの一部であってもよい。

【0012】

また本発明に係る光電変換素子では、第１の導電型がＮ型で第２の導電型がＰ型であるか、逆に、第１の導電型がＰ型で第２の導電型がＮ型であるか、のいずれかである。

【0013】

特許文献２に記載の素子を含め従来の一般的な光電変換素子では、第１の領域のみならず、不純物の拡散によって受光範囲内に形成された第２の領域自体も、光を受けてキャリアを発生する機能を有する。これに対し、本発明に係る光電変換素子では、受光範囲内にドット状に形成された微小である第２の領域は、実質的には光電変換に寄与せず、専らその周囲つまりは第１の領域において光電変換によって生成されたキャリアを収集する作用を果たす。即ち、第１の領域に光が入射してキャリアが生成されると、該キャリアは第２の領域の周りに形成される空乏層ではドリフトによって移動し、またその空乏層よりも外側の第１の領域では拡散によって移動する。ドット状に形成された第２の領域はそれぞれ、その周囲で生成され、上述したように移動して来たキャリアを収集し、それによって、それらキャリアは光電流に反映される。このように、第２の領域は周囲からキャリアを収集できさえすればよいから、その一つ一つの面積はかなり小さくてよく、例えば受光範囲が上面視で30〜40μm□程度以上のサイズである場合に、一つの第２の領域は上面視で４μm□程度以下のサイズ、さらに一層小さい１μm□以下のサイズでもよい。これによって、一つの第２の領域における接合容量はかなり小さくなる。

【0014】

ただし、一つの第２の領域の面積は小さくても、一つの受光範囲当たりの第２の領域の総面積（個々の第２の領域の合計）は第２の領域の数に依存し、その総面積が大きいほど、実質的に光電変換に寄与する領域が狭くなるし、一つの受光範囲における接合容量も大きくなる。

【0015】

そこで、本発明に係る光電変換素子では、一つの目安として、一つの受光範囲内の前記複数の第２の領域の面積の和を該受光範囲の面積の５％程度以下に抑えるようにするとよい。
即ち、本発明に係る光電変換素子の好ましい態様としては、一つの受光範囲内の第１の領域の表面に、上述した程度のサイズの微小な第２の領域を適度な点在密度でドット状に多数配置し、且つ、その多数の第２の領域の面積の和を該受光範囲の面積の５％程度以下に抑えた構成とするとよい、

【0016】

この構成によれば、一つの受光範囲における第１の領域と第２の領域との接合部の接合容量を小さくすることで接合容量に依存するノイズを低減する一方、受光範囲に到達した光によって第１の領域で生成されたキャリアを効率良く収集し、十分な信号強度を得ることができる。それによって、信号のＳＮ比を向上させることができる。

【0017】

また、上述したようなキャリアの移動の態様を考えたとき、拡散によるキャリアの移動の方向は様々であるのに対しドリフトによるキャリアの移動は第２の領域に向かうため、後者のほうがキャリアの収集効率は高い。そこで、受光光量に対応した信号強度をできるだけ大きくするには、第２の領域の周りに形成される空乏層の間隔を狭くすることが望ましく、そのためには、隣接する第２の領域の間隔を広げすぎないようにする必要がある。そこで、それを考慮して、受光面積に対する第２の領域の面積の和の割合のほかに、複数の第２の領域の点在の密度や単位面積当たりの第２の領域の個数を決めるとよい。

【0018】

また上述した特許文献２では、ＰＮ接合の接合容量がＮ型領域内のＰ型拡散領域の面積に依存するとして論じられているが、第１の領域中に島状に形成された第２の領域と該第１の領域との接合部（典型的にはＰＮ接合）の静電容量は、その第２の領域の面積のみならず、第２の領域の周辺長や空乏層の深さなどの関数となる。ただし、空乏層の深さは第１、第２の領域における不純物濃度やそれら領域間に印加されるバイアス電圧に依存するから、不純物濃度やバイアス電圧が同一であるとの条件の下では、接合容量は、第２の領域の面積と第２の領域の周辺長とに依存するものとみなし得る（特許文献３など参照）。

【0019】

そこで、本発明に係る光電変換素子の一態様として、前記第１の領域と前記複数の第２の領域との接合部の接合容量の和が前記受光範囲の全面に第２の領域を形成したと仮定した場合における第１の領域と第２の領域との接合部の接合容量よりも小さくなるように、前記第２の領域の数、並びに、各第２の領域の面積及び周辺長が定められてなる構成とするとよい。特に、第２の領域の数を多くすると、接合容量における第２の領域一つ当たりの周辺長の影響が大きくなるので注意を要する。

【0020】

この構成によれば、ＰＮ接合の接合容量を従来の一般的な光電変換素子の接合容量よりも確実に小さくすることができる。それにより、接合容量に依存するノイズを低減して受光信号のＳＮ比を改善することができる。

【0021】

また、本発明に係る光電変換素子の一態様として、一つの受光範囲内の全ての前記第２の領域が前記コンタクト部及び／又は前記配線部の直下に配置され、該コンタクト部及び／又は該配線部によって実質的に遮光されている構成としてもよい。

【0022】

周知のように、波長の長い光ほど第１の領域内の深い部位まで侵入してキャリアを生成する。一方、波長の短い光は第１の領域内の表面付近でキャリアを生成する。このように表面付近で生成されたキャリアは自己拡散により移動する際に表面まで達すると表面再結合し易く、光電流の損失が大きい。そのため、相対的に長波長の光により生成されたキャリアは第２の領域に到達し易く、相対的に短波長の光により生成されたキャリアは第２の領域に到達しにくい。こうしたことから、第２の領域をコンタクト部や配線部で遮光し、第２の領域中でのキャリアの発生をほぼ無くした上記構成では、比較的長い波長の光に対する受光感度を低下させることなく、短波長の光、具体的には400〜450nm以下の波長の光、に対する受光感度を低くすることができる。

【0023】

なお、一般的な半導体プロセスでは、第２の領域は不純物の拡散によって形成されるため、不純物の打ち込まれた範囲よりも外側に若干拡がる。一方、コンタクト部は第１の領域との短絡を避けるため、接合境界よりも若干内側に形成される。したがって、設計上、第２の領域の直上を被覆するようにコンタクト部や配線部が形成された場合であっても、そのコンタクト部の外縁部よりも第２の領域の外縁部が僅かに外側に位置することになるが、上記態様はこうした状態も包含するものとする。

【0024】

また本発明に係る光電変換素子において、好ましくは、第２の領域の周囲の第１の領域に形成される空乏層広がり領域の上に配置される配線部は、第２の領域の上に配置されるコンタクト部及び配線部よりも線幅が狭い構成とするとよい。又は、第２の領域の周囲の第１の領域に形成される空乏層広がり領域の上に配置される配線部はポリシリコン等の光透過性導電体又は光半透過性導電体からなるものとしてもよい。もちろん、コンタクト部も同様に、光透過性導電体又は光半透過性導電体からなるものとしてもよい。

【0025】

コンタクト部同士を繋ぐ配線部は少なくともその一部が第１の領域の上を通過することは避けられない。それに対し上記いずれかの構成によれば、アルミニウム等の一般的な導電体材料を配線部として用いた場合に比べて、配線部による遮光の度合いが小さい又は殆どないので、得られる光電流を増加させることができる。

【0026】

また基本的には、第２の領域の上面視形状は任意であるものの、同じ面積であれば周辺長が小さいほうが接合容量を小さくするうえで有利である。そのため、第２の領域の上面視形状は長方形よりは正方形に近い矩形状が好ましく、さらには多角形状が好ましく、理想的には円形状とするのがよい。

【0027】

また、上述したようにドット状に複数の第２の領域を配置する場合、十字の格子の交点位置に各第２の領域を配置するようにしてもよいが、１行おき又は１列おきに隣接する第２の領域の間隔の１／２だけ第２の領域の位置をその行又は列の延伸方向にずらした配置としてもよい。

【0028】

この構成によれば、十字の格子の交点位置に第２の領域を配置する場合と比べて、受光領域内の任意の点から直近の第２の領域までの距離が一定以内になるという条件の下で第２の領域を配置したときに、配置すべき第２の領域の数が少なくて済む。その結果、同程度の受光感度を保ちつつ、接合部の接合容量を一層低減することができる。

【0029】

さらにまた、上述したようにドット状に多数の第２の領域を形成する場合に、複数の第２の領域が直線上に位置するようにし、その直線上の複数の第２の領域を直線的な配線部で結線し、その配線部の延伸方向における第２の領域の間隔を該配線部の延伸方向に直行する方向における第２の領域の間隔よりも小さくするとよい。これにより、受光領域内の任意の点から直近の第２の領域までの距離が一定以内になるという条件の下で、配線部の並びの間隔を大きくすることができるので、配線部による遮光の度合いを小さくすることができる。その結果、より多くの光を受光することができ、信号強度を大きくすることができる。

【0030】

また、本発明に係る光電変換素子では、前記第１の領域内に分散配置された前記複数の第２の領域の間の空乏層領域の外側に、その周囲の第１の領域よりも第１の導電型の不純物濃度が濃い、上面視でドット状又は線状の高濃度領域が形成されてなる構成としてもよい。この高濃度領域の拡散は、表面からの拡散のみならず埋め込み型の拡散でもよい。
この構成によれば、第１の領域内において高濃度領域の位置から第２の領域に向かって不純物濃度勾配が形成され、それによってキャリアの移動を促進するポテンシャル勾配が形成されることになる。その結果、第２の領域へのキャリアの移動効率が向上し、受光感度の向上や動作速度の改善を図ることができる。

【0031】

また本発明に係る光電変換素子では、接合容量の観点からみて、上述したように、一つの第２の領域の面積はコンタクト部との電気的接続が確実に確保できる等の条件を満たしたうえで、できるだけ小さいほうが好ましい。一方、隣接する第２の領域の間隔は、光入射によって第１の領域内で生成されたキャリアがドリフト可能であるドリフト領域の幅以内であって且つ第２の領域に到達する効率が十分に高い（つまりは受光感度の低下が十分に小さい）距離以内であることが望ましい。

【0032】

なお、ドリフト領域の幅は不純物濃度勾配等に依存するものの、本発明者の実験の結果等から推測すると、第１の領域の不純物濃度が約１×10¹⁵atoms/cm³で且つ第２の領域の拡散深さが２μm程度である場合に、第２の領域を例えば１辺が１μm以下の上面視矩形状とし、隣接する第２の領域の間隔を40μm程度以下、より好ましくは30μm程度以下とするとよい。

【0033】

ただし、空乏層よりも外側の第１の領域におけるキャリアの拡散による移動速度を空乏層におけるキャリアのドリフトによる移動速度並みに上げることは難しいから、特に高速性を重視する場合には、第２の領域の周囲に形成される空乏層広がり領域の隙間がないように第２の領域を配置することが好ましい。それによって、入射光に応じて生成されたキャリアのほぼ全てがドリフトによって第２の領域に到達するので、応答を高速化することができる。また、キャリアの収集効率も高くなる。もちろん、その場合でも、受光範囲全体の接合容量を低減するには、第２の領域の間隔をできるだけ広くすることが望ましい。そこで、本発明に係る光電変換素子の一態様として、空乏層広がり領域の隙間がないように且つ空乏層広がり領域の重なりができるだけ小さくなるように第２の領域を配置するために、複数の第２の領域が上面視でハニカム形状の交点の位置に配置されるようにするとよい。

【0034】

また、応答の高速化と受光範囲の大面積化とを両立させるには、複数の第２の領域は、その各第２の領域の周囲の第１の領域に形成される空乏層広がり領域が重ならないように互いに離して配置され、受光面の中で、各第２の領域の周囲の空乏層広がり領域よりも外側の領域の全体又はその一部に光の入射を遮る遮光部を備える構成とするとよい。
この構成によれば、受光面の面積を広くした場合でも、入射光に応じたキャリアのほぼ全てが各第２の領域の周囲の空乏量広がり領域で生成されるので、キャリアは迅速に第２の領域に到達し高速応答が実現できる。また、受光面の面積を広くした場合でも第２の領域の総数を抑えることができるので、接合容量も抑えることができる。一方、受光面の面積が大きいことで、広い範囲に到達する入射光を効率良く受けることができるし、また広い範囲内の様々な位置に到達する入射光を確実に受けることができ、入射光の光軸調整の許容度を広げることができる。

【0035】

また、第２の領域をドット状に形成する場合には、第２の領域同士を接続する配線部が受光領域内に配設されることが避けられないが、配線部に電磁ノイズが飛び込むと受光信号のノイズレベルを増加させる大きな要因となる。

【0036】

そこで、本発明に係る光電変換素子において、好ましくは、
前記コンタクト部及び前記配線部を被覆するように形成された絶縁膜と、
該絶縁膜の上であって前記コンタクト部及び前記配線部の直上に配設された導電体部と、をさらに備え、
該導電体部に所定の固定電位を与えることにより該導電体部を電気的なシールドとして機能させるようにした構成とするとよい。

【0037】

この構成によれば、導電体部は、外来ノイズが下層の配線部に飛び込むのを防止する電磁遮蔽効果を有するので、受光信号への外来ノイズの影響を軽減することができる。

【0038】

本発明に係る光電変換素子において、より好ましくは、
前記配線部の直上に絶縁膜を間に挟んで設けられた前記導電体部から該絶縁膜中に延出して前記配線部の側方を囲むように複数の導電性の柱状部を形成し、前記導電体部と共に前記柱状部を電気的なシールドとして機能させるようにした構成とするとよい。

【0039】

この構成によれば、導電体部が電磁遮蔽効果を有するのみならず、配線部の側方に配置された複数の柱状部も電磁遮蔽効果を有するので、斜め方向から配線部に飛び込もうとするノイズも遮蔽することができ、電磁遮蔽性が一層向上する。
また、それぞれ絶縁膜を間に挟んで前記配線部の少なくとも一部の直上と直下とに導電体部を設け、その上側の導電体部と下側の導電体部とを接続するビアを前記柱状部とする構成としてもよい。

【0040】

ところで、用途が決められている光電変換素子では、使用される光の波長帯域が限られるものがある。具体的には、光電スイッチでは、通常、830〜850nmと620〜660nmの波長帯域の光が併用されるし、ファイバ方式の光電スイッチでは、620〜660nmの波長帯域の光が単独で使用される。こうした用途に対応した光電変換素子では、その波長帯域以外の光は考慮する必要がなく、受光感度やＳＮ比などの点や動作速度の点などにおいて、その波長帯域の光を受光するのに最適な構造を提供できることが望ましい。そこで、特定の波長帯域の光に対応する光電変換素子において、応答時間が要求仕様を満たしたうえで、接合容量をできるだけ抑えることで受光信号のＳＮ比を改善することを考える。

【0041】

本発明に係る光電変換素子では、上述したように、接合容量は第２の領域の面積と周辺長とに依存するから、一つの第２の領域の面積が同じであれば、受光領域内に配設される第２の領域の数が少ないほど接合容量は小さくなる。一方、第２の領域の数を減らすには隣接する第２の領域の間隔を広げる必要があるが、これを広げるほどキャリアが第２の領域に到達するまでに要する時間が長くなるため、応答時間が遅くなる。特に空乏層内で発生したキャリアは電界の作用によるドリフトで移動するため移動速度が速いのに対し、空乏層の外側の第１の領域中で発生したキャリアは拡散によって移動するので移動速度が遅い。光は波長が長いほど第１の領域の深い位置まで侵入するため、同じ第１の領域内でもキャリアが多く発生する深さが受光する光の波長帯域によって異なり、深い位置でキャリアが発生するほど第２の領域に到達するまでに時間が掛かることになる。

【0042】

そこで、光の波長帯域が長波長側である場合でも必要な応答速度を達成するためには、光の波長帯域が長波長側であるほど隣接する第２の領域の間隔を狭くすることで、キャリアが第２の領域に到達するまでの最長経路を相対的に短くする必要がある。

【0043】

そこで本発明に係る光電変換素子の一態様として、前記複数の第２の領域の間隔が少なくとも、使用される光の波長、及び、要求される応答時間又は応答速度に応じて定められている構成とするとよい。

【0044】

具体的には、要求される応答時間又は応答速度が同一であれば、使用される光の波長が長波長帯域であるほど、第２の領域の間隔は狭くなる。それによって、使用される光の波長が長波長であっても必要な応答速度を確保することが可能となる。もちろん、第２の領域の間隔を狭めると、受光面積が同じであれば、第２の領域の数は多くなり、その分だけ、接合容量は大きくなる。そのため、受光信号のＳＮ比の点では不利であるものの、受光領域全体に拡散層である第２の領域を形成した従来の一般的な光電変換素子に比べれば、高いＳＮ比を実現することができる。
なお、実際には、第２の領域の間隔はシミュレーション又は実験により求めることができる。

【発明の効果】

【0045】

本発明に係る光電変換素子によれば、光電変換のための接合部の接合容量を低減することができ、それによって、接合容量に依存する高周波ノイズを低減し、受光信号のＳＮ比を改善することができる。また本発明に係る光電変換素子によれば、第２の領域を形成するための選択拡散の面積が従来よりも小さくなるので、例えばＰＮ接合面積が小さくなり、結晶欠陥などによる特性劣化や不良の発生率を低減することができる。

【0046】

また、本発明に係る光電変換素子においてコンタクト部や配線部で第２の領域のほぼ全体を被覆した構成によれば、光電変換のための接合部の接合容量を低減するとともに、短波長の光に対する感度を落とした受光感度特性を簡単な構造で実現することができる。それにより、例えば紫外域の波長光がノイズとして多く存在するような状況下で光電変換素子を利用する場合でも、そうしたノイズの影響を低減して目的とする光信号を高いＳＮ比で得ることが可能となる。

【0047】

さらにまた、本発明に係る光電変換素子において第２の領域の間隔を光の波長、及び、要求される応答時間又は応答速度に応じて定めた構成によれば、使用する光の波長帯域に応じて、受光信号の高いＳＮ比と応答時間の短さ（動作の高速性）とのバランスのとれた光電変換素子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1】本発明に係る光電変換素子の一実施例であるフォトダイオードの概略断面図（ａ）、上面視平面図（ｂ）、及び等価的な回路図（ｃ）。

【図2】本実施例のフォトダイオードにおける一つのＮ型半導体領域付近の拡大断面図。

【図3】本実施例のフォトダイオードにおける一つのＮ型半導体領域付近の拡大上面視平面図。

【図4】一変形例であるフォトダイオードの上面視平面図。

【図5】別の変形例であるフォトダイオードの上面視平面図（ａ）及び概略断面図（ｂ）。

【図6】別の変形例であるフォトダイオードの概略断面図。

【図7】別の変形例であるフォトダイオードの上面視平面図。

【図8】別の変形例であるフォトダイオードの上面視平面図。

【図9】別の変形例であるフォトダイオードの上面視平面図。

【図10】シールド用配線部を追加した一変形例の拡大断面図（ａ）及び概略断面図（ｂ）。

【図11】シールド用配線部を追加した別の変形例の概略断面図。

【図12】従来の一般的なフォトトランジスタの概略断面図（ａ）及び本発明に係る光電変換素子の一実施例であるフォトトランジスタの概略断面図（ｂ）。

【図13】本発明に係る光電変換素子の一実施例である集積回路上のフォトトランジスタの概略断面図。

【図14】本発明に係る光電変換素子の一実施例であるフォトダーリントントランジスタの概略断面図。

【図15】従来の一般的なフォトダイオードの概略断面図（ａ）及び上面視平面図（ｂ）。

【発明を実施するための形態】

【0049】

以下、本発明に係る光電変換素子のいくつかの実施例について、添付図面を参照して説明する。

【0050】

［第１実施例］
図１（ａ）は本発明に係る光電変換素子の一実施例であるフォトダイオードの概略断面図、図１（ｂ）は上面視平面図、図１（ｃ）は等価的な回路図である。また、図２は第１実施例のフォトダイオードにおける一つのＮ型半導体領域付近の拡大断面図、図３は第１実施例のフォトダイオードにおける一つのＮ型半導体領域付近の拡大上面視平面図である。

【0051】

図１（ｂ）に示すように、本実施例のフォトダイオードでは、シリコン（Ｓｉ）のＰ型半導体である基体（本発明における「第１の領域」に相当）１１の表面（図１（ａ）では上面）における一つの受光領域１０の範囲内に、上面視で微小な矩形状のＮ型半導体の拡散層である複数（この例では16個）のＮ型半導体領域１２１が互いに離間してドット状に形成されている。このＮ型半導体領域１２１は例えばリンなどの不純物の選択拡散により形成されたものである。

【0052】

この実施例では、１個のＮ型半導体領域１２１のサイズはｄ×ｄであり、隣接するＮ型半導体領域１２１の間隔はＬである。例えば、Ｎ型半導体領域サイズｄは１[μm]、Ｎ型半導体領域間隔Ｌは上記サイズｄの５〜20倍程度の大きさ、つまりは５〜20[μm]程度である。つまり、受光領域１０内の面積でいうと、25〜400[μm²]の面積の受光面毎に、１[μm²]程度の大きさのＮ型半導体領域１２１が設けられている。即ち、一つの受光領域１０の面積に対して、該受光領域１０内にドット状に配置された全てのＮ型半導体領域１２１の面積を合計した総面積の割合はかなり小さく、５％以下である。

【0053】

Ｎ型半導体領域１２１は上面視で十字状の格子の交点位置に規則的に配置されており、各Ｎ型半導体領域１２１に接触するように、それぞれ金属又はそれ以外の導電体であるコンタクト部１４が形成されている。即ち、図２に示すように、Ｐ型半導体である基体１１及びＮ型半導体領域１２１の表面を覆うようにＳｉＯ₂等である絶縁膜１６が形成され、Ｎ型半導体領域１２１の上の絶縁膜１６の一部はエッチング等により除去されてコンタクトホール（又はビアホール）１７が形成されている。コンタクトホール１７の大きさはＮ型半導体領域１２１の大きさよりも一回り小さく（図２、図３ではｓ×ｓの矩形状）、このコンタクトホール１７を通してＮ型半導体領域１２１と接触するようにコンタクト部１４が形成されている。本実施例では、コンタクト部１４はその直下のＮ型半導体領域１２１の境界線とほぼ同じ大きさであるか又はそれよりも若干大きい矩形状である。つまり、１個のコンタクト部１４のサイズも約ｄ×ｄである。

【0054】

ただし、不純物拡散によってＮ型半導体領域１２１が形成される場合には、製造時に意図した境界線よりも若干外側に拡散領域が広がってしまうことがよくある。図２、図３では、このように拡散が若干広がってしまった場合のＮ型半導体領域を符号１２１ａで示している。このＮ型半導体領域１２１ａの大きさはＤ×Ｄ（ただしＤ＞ｄ）である。このように、Ｎ型半導体領域の境界線の位置には或る程度のばらつきが生じるから、コンタクト部１４を同じ大きさに形成した場合であっても、図３（ｂ）に示すように、コンタクト部１４がＮ型半導体領域１２１全体をカバーする場合もあれば、図３（ａ）に示すように、コンタクト部１４がＮ型半導体領域１２１の周縁部の一部をカバーしない場合もある。

【0055】

受光領域１０内の全てのＮ型半導体領域１２１に対応して設けられたコンタクト部１４は、該コンタクト部１４と同時に形成される、金属又はそれ以外の導電体である配線部１５で互いに接続され、これがフォトダイオードのカソード端子（Ｃ）となっている。一方、基体１１に接触するように形成された共通のコンタクト部１３はフォトダイオードのアノード端子（Ａ）となっている。なお、図３に示すように、本実施例では、配線部１５の幅をコンタクト部１４の１辺のサイズと同じにしてあるが、これは必須ではない。
こうした構成により、本実施例のフォトダイオードは、回路的には、図１（ｃ）に示すように、Ｎ型半導体領域１２１の個数と同数の微小フォトダイオードを並列に接続した構成であるとみることができる。

【0056】

一つのＮ型半導体領域１２１による接合容量は、略扁平矩形状である該Ｎ型半導体領域１２１とそれを囲むＰ型半導体の基体１１との接触面積に依存する。ただし、Ｎ型半導体領域１２１の深さはほぼ一定であるから、周囲温度、バイアス電圧などが一定であるとの条件の下では、接合容量は、そのＮ型半導体領域１２１の面積と周辺長との関数として計算することができる。即ち、この場合、接合容量Ｃは、
Ｃ∝Ａ×［Ｎ型半導体領域１２１の面積］＋Ｂ×［Ｎ型半導体領域１２１の周辺長］ …(1)
である。ここで、Ａ、Ｂは所定の定数である。
この定数Ａ、Ｂ値は拡散層の不純物濃度分布や拡散深さなどにより異なるが、例えばＰ型半導体である基体１１の不純物濃度が１×10¹⁴atoms/cm³程度の一様な濃度であって拡散深さが２μm程度である場合には、ＡとＢの値の比は0.5〜２程度である。周辺長の値が面積の値よりも大きいようなドット状の拡散である場合には、拡散領域を多く形成するほど周辺長に比例する容量成分の割合が接合容量において多くなる。

【0057】

本実施例のフォトダイオードでは、接合容量は並列接続された多数の微小フォトダイオードの接合容量の総和となる。したがって、一つのＮ型半導体領域１２１の１辺のサイズｄを小さくし、隣接するＮ型半導体領域１２１同士の間隔Ｌを大きくして受光領域１０に包含されるＮ型半導体領域１２１の数を少なくすることで、接合容量の総和を従来のフォトダイオードの接合容量よりも小さくすることができる。上述したように、ｄ＝１[μm]、Ｌ＝５〜20[μm]に定めることで、接合容量を従来のフォトダイオードの接合容量よりも小さくする。それによって、本実施例のフォトダイオードの後段に接続したアンプにおける、ゲインの周波数特性上でのピーキングを抑制し、高周波ノイズを低減することができる。

【0058】

一方、本実施例のフォトダイオードでは従来のフォトダイオードと比較して受光領域１０の面積は同じでも、Ｎ型半導体領域１２１の面積が減るために、Ｎ型半導体領域１２１の周囲に形成される空乏層領域の面積は減少する。空乏層領域の外側の基体１１であるＰ型半導体領域中でもキャリアは発生するが、その領域での光電変換効率は空乏層の広がり領域に比べると落ちる。また、Ｐ型半導体領域上に配設される配線部１５によって、ごく一部ではあるものの入射光は遮光されるため、光電変換に寄与し得る光量も少なくなる。そうしたことのため、従来のフォトダイオードと比較すれば受光信号の低下は避けられない。しかしながら、本実施例のフォトダイオードでは、受光信号の低下の度合いに比べて接合容量を抑えることによる高周波ノイズの低減の度合いのほうが大きいため、受光信号のＳＮ比を従来よりも改善することができる。

【0059】

一般的なフォトダイオードでは、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域とが接触するＰＮ接合面が基体内部に略水平に形成され、基体内に侵入した光がそのＰＮ接合面に達してキャリアを生成する。それに対し、本実施例のフォトダイオードでは、図２を見れば明らかなように、基体内部のＰＮ接合面の上部は殆どコンタクト部１４で覆われているために、光は該ＰＮ接合面には殆ど達しない。したがって、本実施例のフォトダイオードでは、光電流に寄与するキャリアの大部分は、Ｎ型半導体領域１２１内部やＰＮ接合面ではなく、Ｐ型半導体である基体１１内で生成されていると推測できる。このことから、本実施例のフォトダイオードでは、受光領域１０内にドット状に分散配置された微小なＮ型半導体領域１２１はキャリアの生成ではなく、その周囲（空乏層の広がり領域やさらにその外側の領域）で生成されたキャリアを収集する機能に特化しているということができる。

【0060】

ただし、Ｎ型半導体領域１２１から離れるほど、生成されたキャリアがＮ型半導体領域１２１にまで到達する確率は下がる。また、生成されたキャリアがＮ型半導体領域１２１に到達するにしても、それに要する時間が長すぎて応答速度が許容できない程度まで下がる場合もある。本発明者による実験の結果等から推定すると、或る程度以上の応答の高速性を確保したうえで受光感度の低下を抑えるには、不純物濃度がおおむね１×10¹⁴〜１×10¹⁵atoms/cm³である場合に、Ｎ型半導体領域１２１の間隔Ｌを40μm程度以下、好ましくは30μm程度以下とするとよい。

【0061】

また、本実施例のフォトダイオードでは、コンタクト部１４によってＮ型半導体領域１２１のほぼ全面の直上を覆っているが、これは次のような作用・効果を有する。即ち、コンタクト部１４は金属又は透明でない他の導電体であり、光を遮蔽する作用を有する。そのため、受光領域１０の中で、Ｎ型半導体領域１２１には殆ど光が入射せず、基体１１に対してのみ光が入射する。そのため、受光領域１０に光が入射したとき、Ｎ型半導体領域１２１ではキャリアは殆ど生成されず、光電流に反映されるキャリアはその殆どが基体１１内部で生成するものである。

【0062】

よく知られているように、光は波長が長いほど基体１１内部の深い位置まで侵入してキャリアを生成するから、例えば紫外光（近紫外光）や紫外域に近い可視光などの短波長の光は基体１１表面付近の浅い位置でキャリアを生成する。こうしたキャリアも自由拡散によってＮ型半導体領域１２１の方向に移動するものの、その多くは、基体１１の表面（絶縁膜１６との界面）に出てしまい消散する。そのため、短波長の光に対して生成されたキャリアがＮ型半導体領域１２１にまで達して光電流に反映される確率は、長波長の光に対して生成されたキャリアがＮ型半導体領域１２１にまで達して光電流に反映される確率に比べて格段に低くなる。その結果、本実施例のフォトダイオードでは、短波長の光に対する受光感度は長波長の光に対する受光感度に比べて格段に低くなり、実質的に短波長の光を光学フィルタで除去したのと同様の効果を得ることができる。不純物濃度や直流バイアス電圧などに依存するものの、おおむね400〜450nm以下の短波長の受光感度を大幅に下げることができる。

【0063】

このようして本実施例のフォトダイオードでは、受光領域１０の全面にＮ型半導体領域が形成されていた従来一般的なフォトダイオードに対して、受光感度をそれほど落とすことなく、接合容量に依存するノイズを低減することができる。また、短波長の光の受光感度を低下させることにより、長波長の光に対する受光感度を相対的に上げることができる。それによって、本実施例のフォトダイオードは、ノイズである紫外光が多い環境下で目的とする可視光や近赤外光による信号を高感度で検出したいような場合に、特に有用である。
［第１実施例の変形例］

【0064】

上記第１実施例のフォトダイオードでは、一つの受光領域１０内に上面視正方形状のＮ型半導体領域１２１を多数設けていたが、各Ｎ型半導体領域１２１の上面視形状はこれに限らず、例えば細長い矩形状としたり円形状や多角形状などとしたりしてもよい。ただし、(1)式から理解できるように、Ｎ型半導体領域の面積を小さくしてもその領域の周辺長が長くなる場合には、必ずしも接合容量は小さくならない。したがって、接合容量が小さくなるように、各Ｎ型半導体領域の面積と周辺長とのバランスをとることが必要である。また、受光領域１０内に配置するＮ型半導体領域の数、つまりは点在密度も同様である。

【0065】

図４は、第１実施例と同様にＮ型半導体領域１２４を略正方形状とし、且つ、Ｎ型半導体領域１２４を配置する位置を一列おきに略Ｌ／２だけずらした変形例である。この図４に示したように、Ｎ型半導体領域１２４の配置をずらすと次のような利点がある。

【0066】

即ち、図１（ｂ）に示したようなＮ型半導体領域１２１の配置の場合、縦方向及び横方向に隣接する４個のＮ型半導体領域１２１のちょうど中間の位置が、それら４個のＮ型半導体領域１２１から最も遠い点となり、その点までの距離は約0.7Ｌである。これに対し、図４に示したようなＮ型半導体領域１２４の配置の場合、隣接する３個のＮ型半導体領域１２４で囲まれる領域の中の任意の点とＮ型半導体領域１２４との距離を0.7Ｌ以下にするという条件の下で、列の間隔（横方向の距離）をＬより大きくすることができる。それにより、図１（ｂ）に示したような配置とした場合に比べて、より少ないＮ型半導体領域の数で受光領域１０全体からキャリアを収集できるように該受光領域１０をカバーすることができる。その結果、接合容量をさらに一層小さくすることができる。また、配線部１５の間隔を広げることができるので、配線部１５による遮光率を下げ、受光信号を増加させることができる。

【0067】

また第１実施例のフォトダイオードでは、複数のＮ型半導体領域１２１間を接続する配線部１５が受光領域１０内に配置されるため、この配線部１５によって遮られる分だけ受光感度は低下することになるが、該配線部１５を光透過性を有する導電材料（例えば導電性を付与されたポリシリコン、導電性ポリマーなど）から形成すれば、受光感度の低下を少なくする又はなくすことができる。その場合でも、コンタクト部１４は透明でない導電体から形成すれば、上述した短波長の光に対する受光感度低下の効果を得ることができる。

【0068】

また、第１実施例のフォトダイオードでは、コンタクト部１４が拡散により形成された微小なＮ型半導体領域１２１の直上のほぼ全体を覆っていたが、短波長の受光感度の低下の効果は薄れるものの、コンタクト部１４や配線部１５の幅を小さくすることで、Ｎ型半導体領域１２１の一部のみを覆うような構造としても構わない。特に、配線部１５の線幅を小さくすることで、配線部１５による遮光を少なくし、透明又は半透明の導電材料を用いた場合に近い効果を得ることができる。

【0069】

また第１実施例のフォトダイオードでは、受光領域１０の大半を占めるＰ型半導体領域における不純物濃度は略一定であるが、Ｐ型半導体領域におけるポテンシャル勾配は不純物濃度勾配に依存するから、該領域内で生成されたキャリアを効率良くＮ型半導体領域１２１まで移動させるには、Ｐ型半導体領域中に不純物濃度勾配を形成するとよい。そのためには、例えば図５に示すように、隣接するＮ型半導体領域１２１の間の空乏層領域よりも外側で、且つ周囲の複数のＮ型半導体領域１２１からほぼ等距離の位置に、ドット状に高濃度のＰ型不純物を拡散することで形成した高濃度Ｐ型拡散領域２０を設けるようにするとよい。これによって、この高濃度Ｐ型拡散領域２０付近からＮ型半導体領域１２１に向かって不純物濃度勾配が形成され、それに伴い、緩やかなポテンシャル勾配も形成される。それによって、Ｐ型である基体１１内で生成されたキャリアの移動を促進し、受光感度や動作速度を向上させることができる。

【0070】

高濃度Ｐ型拡散領域２０はドット状ではなく例えば線状など、他の形状でもよい。図７は、上面視で略六角形線状（ハニカム状）の高濃度Ｐ型拡散領域２０を形成し、それぞれの高濃度Ｐ型拡散領域２０の中心付近にＮ型半導体領域１２１を設けた構成の例である。この構成では、Ｎ型半導体領域１２１を取り囲むように、その周囲から該Ｎ型半導体領域１２１に向かって不純物濃度勾配が形成される。それによって、各Ｎ型半導体領域１２１においてその周囲全体から該領域１２１に向かって緩やかなポテンシャル勾配が形成され、より効率良く且つ迅速にキャリアをＮ型半導体領域１２１に収集することができる。

【0071】

また、図５、図７の例は、キャリアの移動を促すポテンシャル勾配を水平方向（横方向）に形成するものであるが、ポテンシャル勾配を垂直方向（縦方向）に形成することもできる。図６はその一例を示す概略断面図である。この例では、相対的に不純物濃度の高いＰ型半導体である基体１１の上層に同じ導電型（この例ではＰ型）で相対的に不純物濃度の低い低濃度Ｐ型層１１ａを形成し、その低濃度Ｐ型層１１ａの表面付近にＮ型半導体領域１２１を形成している。この構成によれば、基体１１から上方に向かって、つまりＮ型半導体領域１２１に向かって不純物濃度勾配が形成されるから、逆バイアス電圧を基体１１側から印加すると上向きにキャリアの移動を促す緩やかなポテンシャル勾配が形成される。
もちろん、水平方向の不純物濃度勾配と垂直方向の不純物濃度勾配とを併用しても構わない。

【0072】

また、第１実施例及び上記各変形例では、Ｎ型半導体領域１２１の周囲の空乏層領域のみならず、その外側で生成され、拡散によってＮ型半導体領域１２１に移動するキャリアも光電流として利用していたが、特に応答の高速性を必要とする用途に対しては、空乏層領域で生成されたキャリアのみを光電流として利用するようにしてもよい。そのためには、隣接するＮ型半導体領域１２１の空乏層領域の端部同士ができるだけ重なるように、隣接するＮ型半導体領域１２１の間隔を定める。上述したように、接合容量の総和を小さくするには、Ｎ型半導体領域１２１の間隔を広げ、Ｎ型半導体領域１２１の点在密度を下げるほうがよい。そこで、接合容量の総和をできるだけ小さく抑えながら、隣接する空乏層領域の隙間を空けないようにＮ型半導体領域１２１を配置するには、例えば図８に示すように、一つのＮ型半導体領域１２１に対しその周囲に上面視で所定の大きさの略六角形状の領域を与え、これをハニカム状に配置するようにするとよい。図８において、符号１２１ｂで示すのは、Ｎ型半導体領域１２１の周囲に形成される空乏層領域である。このようにＮ型半導体領域１２１を配置することで、空乏層領域１２１ｂの無駄な重なりをできるだけ避けながら、隣接する空乏層領域１２１ｂの間に隙間が生じないようにすることができる。

【0073】

受光領域１０内に配置されるＮ型半導体領域１２１の総数が同じで上述したように空乏層領域１２１ｂに隙間がないようにＮ型半導体領域１２１を配置すると、当然のことながら、受光領域１０の面積は小さくなる。これに対し、例えば入射光が広い領域に到達する場合には、受光領域１０の面積が大きいほうが入射光を効率良く受けることができる。また、逆に入射光が狭い領域にしか到達せず且つその領域が或る範囲内の異なる様々な位置となり得る場合にも、受光領域１０の面積が大きいほうが入射光を確実に受けることができる。そこで、受光領域１０の大面積化しつつ応答の高速化を図るために、図９に示すような構成としてもよい。

【0074】

このフォトダイオードでは、空乏層領域の隙間が生じないようにＮ型半導体領域の間隔を狭めて配置する代わりに、それぞれの空乏層領域が重ならないように或る程度離して配置したＮ型半導体領域１２１の周囲の空乏層領域１２１ｂの外側のほぼ全体に、入射光が基体（Ｐ型半導体領域）１１に到達するのを遮る遮光部５０を設けている。遮光部５０は例えば配線部と同様の金属などにより形成すればよい。受光領域１０は広いものの、各Ｎ型半導体領域１２１の周囲の空乏層領域１２１ｂ以外に到達する光は遮光部５０によって遮られるため、空乏層領域１２１ｂの外側、つまりは拡散によってキャリアが移動する領域ではキャリアは殆ど発生しない。そのため、入射光によって生成されたキャリアはドリフトによって迅速にＮ型半導体領域１２１に到達し光電流に反映されることになり、高速応答が達成される。また、受光領域１０の面積自体は大きい（ただし、遮光部５０の下側の領域は実質的には受光に寄与しない）ため、広い領域に達した入射光を効率良く受けることができるし、また広い受光領域１０内のいずれの部分に当たった入射光も検出することができる。受光領域１０の面積が小さいとその受光領域に確実に入射光が当たるような精度の高い光軸合わせが必要になる場合があるが、このように受光領域１０の面積が大きいと光軸合わせの精度が低くても（場合によっては光軸合わせを行わなくても）確実に入射光を検出することが可能となるという利点がある。

【0075】

また、第１実施例のフォトダイオードでは、従来のフォトダイオードに比べて、受光領域１０内に配設される配線部１５が必然的に多くなるが、外部から配線部１５に飛び込んだノイズは受光信号に現れる。そこで、外部から配線部１５に飛び込むノイズを軽減するために、シールド用配線部を別途設けてもよい。図１０及び図１１はこうしたシールド用配線部を設ける場合の断面構造を示す図である。

【0076】

図１０の例では、複数のＮ型半導体領域１２１を接続する配線部１５は基体１１の表面に形成された絶縁膜（第１絶縁膜）１６の上に形成されるが、この絶縁膜１６及び配線部１５を被覆するようにさらに第２絶縁膜１８を設け、この第２絶縁膜１８の上で且つ配線部１５及びコンタクト部１４の直上のみにシールド用配線部１９を形成する。このシールド用配線部１９は受光領域１０の外側において、例えば接地電位など固定された電位の供給ラインなどに接続される。これによって、シールド用配線部１９がない場合であれば配線部１５へ飛び込んでいた筈のノイズが主としてシールド用配線部１９に飛び込み、下層の配線部１５へのノイズの飛び込みを軽減することができる。

【0077】

図１１の例では、基体１１の表面に形成された絶縁膜（第１絶縁膜）１６の上で且つ後述する配線部１５の直下のみに下層シールド用配線部１９ａが形成され、その下層シールド用配線部１９ａを被覆するように第２絶縁膜１８ａが形成されている。そして、複数のＮ型半導体領域１２１を接続する配線部１５はこの第２絶縁膜１８ａの上に形成されている。また、第２絶縁膜１８ａ及び配線部１５を被覆するように第３絶縁膜１８ｂを設け、この第３絶縁膜１８ｂの上で且つ配線部１５及びコンタクト部１４の直上のみに上層シールド用配線部１９ｂが形成されている。さらに、下層シールド用配線部１９ａと上層シールド用配線部１９ｂとは、第２絶縁膜１８ａと第３絶縁膜１８ｂとを上下方向に貫通し且つ配線部１５の延伸方向に沿ってその両側に複数設けられたビア１９ｃにより接続されている。このビア１９ｃは下層シールド用配線部１９ａと上層シールド用配線部１９ｂとの導通を確保するものであって、配線部１５とは導通しない。下層シールド用配線部１９ａ又は上層シールド用配線部１９ｂは受光領域１０の外側において、例えば接地電位など固定された電位の供給ラインなどに接続されており、ビア１９ｃを介して接続された下層シールド用配線部１９ａと上層シールド用配線部１９ｂ、及びビア１９ｃ自体も同電位である。この構成では、配線部１５は下層シールド用配線部１９ａと上層シールド用配線部１９ｂとでその上下方向にサンドイッチ状に挟まれており、さらにその両側方はビア１９ｃによって囲まれている。これによって、図１０に示した構成に比べて、さらに一層、配線部１５への外来ノイズの飛び込みを軽減することができる。

【0078】

なお、図１１に示した例では、配線部１５の直下に下層シールド用配線部１９ａを設けているが、この下層シールド用配線部１９ａは無くてもシールドの効果はそれほど変わらない。何故なら、多くの場合、基体１１は接地電位になっており、下層シールド用配線部１９ａがなくても、配線部１５の直下の電位は実質的に固定電位となっているからである。下層シールド用配線部１９ａを設けない場合には、ビア１９ｃを上端のみが上層シールド用配線部１９ｂに接続された柱状部とするか、或いは、ビア１９ｃの下端を基体１１に接続し（この場合には、基体１１の接触部位に高濃度Ｐ領域を形成するとよい）、基体１１、ビア１９ｃ及び上層シールド用配線部１９ｂを接地電位とするとよい。

【0079】

上記第１実施例は本発明に係る光電変換素子をＳｉフォトダイオードに適用した例であるが、本発明は光電変換を行う様々な素子に適用することができる。

【0080】

［第２実施例］
図１２（ａ）は従来の一般的なフォトトランジスタの概略断面図、図１２（ｂ）は本発明の一実施例であるフォトトランジスタの概略断面図である。この例では、Ｐ型半導体である基体２１がコレクタ領域、基体２１表面に拡散により形成されたＮ型半導体領域２２（又は２２１）がベース領域、そのＮ型半導体領域２２（又は２２１）中に拡散により形成されたＰ型半導体領域２３がエミッタ領域であり、コレクタ領域とベース領域との接合部が光電変換領域である。基体２１に接触するように形成したコンタクト部２４をコレクタ端子（ＣＬ）、Ｎ型半導体領域２２（又は２２１）に接触するように形成したコンタクト部２６（又は２６１）をベース端子（Ｂ）、Ｐ型半導体領域２３に接触するように形成したコンタクト部２５をエミッタ端子（Ｅ）としている。

【0081】

図１２（ｂ）に示すように、本実施例のフォトトランジスタでは、複数の微小なＮ型半導体領域２２１を設け、各Ｎ型半導体領域２２１に接触するように形成したコンタクト部２６１を配線部２７によって相互に接続している。これにより、図１（ｃ）と同様に、等価的には、コレクタ領域とベース領域との複数の接合部が並列に接続される。これによっても、第１実施例のフォトダイオードと同様に、各Ｎ型半導体領域２２１のサイズと隣接間隔とを適宜に定めることによって、受光感度を実質的に落とすことなく、ＰＮ接合部の接合容量を従来よりも小さくし、ノイズを低減することができる。また、ベース領域であるＮ型半導体領域２２１に接続されたコンタクト部を、該Ｎ型半導体領域２２１全体の直上を覆うように設けることで、短波長の光に対する受光感度を大幅に低下させることができる。

【0082】

また、第２実施例のフォトトランジスタは、基体２１自体がコレクタ領域であるが、集積回路の中の一つの素子としてフォトトランジスタを用いる場合には、図１３に示すように、基体３０上に形成されたＰ型半導体であるウェル３１をコレクタ領域とし、そのウェル３１の中に、図１２（ｂ）と同様に、複数のＮ型半導体領域２２１を設ける構成とすることができる。

【0083】

［第３実施例］
図１４は本発明の一実施例であるフォトダーリントントランジスタの概略断面図である。このフォトダーリントントランジスタでは、１段目のトランジスタのエミッタ領域であるＰ型半導体領域２３に接触するように形成されたコンタクト部２５と２段目のトランジスタのベース領域であるＮ型半導体領域４１に接触するように形成されたコンタクト部４３とは、配線部４５で接続されている。このＮ型半導体領域４１中に２段目のトランジスタのエミッタ領域であるＰ型半導体領域４２が形成され、Ｐ型半導体領域４２に接触するように形成されたコンタクト部４４がエミッタ端子となっている。それ以外の基本的な構造は、図１２（ｂ）に示したフォトトランジスタと違いはない。

【0084】

また、当然のことながら、本発明に係る光電変換素子はフォトカプラに組み込まれるフォトトランジスタなどにも利用可能である。また、フォトカプラには、交流負荷の制御等のためにトライアック出力或いはサイリスタ出力を有するものがあるが、こうした素子に利用されるフォトトライアックやフォトサイリスタにも本発明を適用できることは明らかである。

【0085】

［第４実施例］
次に、本発明に係る光電変換素子のさらに別の実施例（第４実施例）であるフォトダイオードについて説明する。
光電スイッチ用など特定の用途では、決まった波長の光が利用されることがあり、光電スイッチ用では典型的には830〜850nmの波長帯域と620〜660nmの波長帯域との２種類の波長光が併用される。また、ファイバ方式の光電スイッチではファイバを通過する光の透過特性に合わせて、620〜660nmの波長帯域の１種類の波長光が利用される。このように使用される光の波長帯域が特定される場合には、それに応じた構造のフォトダイオードが提供されることが望ましい。光の波長によって異なるのは、主として侵入深さである。いま、フォトダイオードの構成としては図１に示した第１実施例のフォトダイオードを想定する。

【0086】

受光領域１０に到達した光は基体１１中に侵入するが、よく知られているように、光の波長が長いほどその侵入深さは大きい。したがって、長波長の光では短波長の光よりも、基体１１中の深い位置で生成されるキャリアが多くなる。明らかであるように、図１は実際の寸法を反映した図ではなく、実際のＮ型半導体領域１２１は基体１１の表面に薄く存在している。このため、基体１１中の深い位置で生成されたキャリアは表面付近で生成されたキャリアに比べて、Ｎ型半導体領域１２１まで移動するための経路が長くなる。空乏層の広がり領域内であれば、キャリアは電界によってドリフトするため経路長の差は大きな問題とはならない。一方、空乏層の広がり領域の外側では、キャリアは拡散によって移動するので、経路長の差が時間差に大きく影響する。

【0087】

本発明者の実験による検討によれば、同じ長波長の光ではＮ型半導体領域１２１の間隔を広げると応答速度が低下することが明らかである。このため、例えば、応答速度の要求仕様が所定周波数以上であるとするとき、650nmの波長光を用いる場合にはＮ型半導体領域１２１の間隔が25μmでも問題ないとしても、830nmの波長光を用いる場合にはＮ型半導体領域１２１の間隔は25μmでは広すぎ、20μm程度まで狭くする必要があることがあり得る。この間隔Ｌを小さくするほど、同じ受光領域１０中に配設されるＮ型半導体領域１２１の数が増えるため、それだけ接合容量は大きくなり、受光信号のＳＮ比では不利である。したがって、応答速度や応答時間等の要求仕様が与えられたとき、その要求仕様を満たしながらできるだけ高いＳＮ比を確保するには、応答速度の仕様を満たす範囲でできるだけ間隔Ｌを大きくすることが好ましい。

【0088】

応答速度はＰ型半導体領域の不純物濃度によっても異なるし、空乏層の広がり領域に加えられる電界（つまりは逆バイアス電圧）などによっても異なる。そこで、実際に使用される光の波長と応答速度の要求仕様とに基づいて、実験的に、若しくは計算機シミュレーションにより、又はその両方により、適切なＮ型半導体領域１２１の間隔Ｌを算出し、それに従ってフォトダイオードを設計すればよい。それによって、応答速度の要求仕様を満たしながら、受光信号のＳＮ比も高いフォトダイオードを得ることができる。なお、これは、フォトダイオードに限らず、上述した他の光電変換素子でも同様である。

【0089】

また、上記実施例はいずれも本発明の単なる一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、又は追加を行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

【符号の説明】

【0090】

１０…受光領域
１１、２１、３０…基体
１２１、１２１ａ、１２２、１２３、１２４、２２１、４１…Ｎ型半導体領域
１３、１４、２４、２５、２６１、４３、４４…コンタクト部
１５、２７、４５…配線部
１６、１８、１８ａ、１８ｂ…絶縁膜
１７…コンタクトホール
１９、１９ａ、１９ｂ…シールド用配線部
１９ｃ…ビア
２０…高濃度Ｐ型拡散領域
２３、４２…Ｐ型半導体領域
３１…ウェル
５０…遮光部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】