特許 6577601 同一面電極のフォトダイオードアレイ及びその製造方法

(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】6577601

(24)【登録日】2019年8月30日

(45)【発行日】2019年9月18日

(54)【発明の名称】同一面電極のフォトダイオードアレイ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20190909BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 A

【請求項の数】15

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2017-562301(P2017-562301)

(86)(22)【出願日】2016年8月31日

(65)【公表番号】特表2018-518838(P2018-518838A)

(43)【公表日】2018年7月12日

(86)【国際出願番号】CN2016097517

(87)【国際公開番号】WO2017113846

(87)【国際公開日】20170706

【審査請求日】2017年12月20日

(31)【優先権主張番号】201511010038.8

(32)【優先日】2015年12月29日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】503414751

【氏名又は名称】同方威視技術股▲分▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】張 嵐

(72)【発明者】

【氏名】李 元 景

(72)【発明者】

【氏名】劉 以 農

(72)【発明者】

【氏名】胡 海 帆

(72)【発明者】

【氏名】李 軍

【審査官】 小林 幹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０６６４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３３９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０８４０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１８４３５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５３−０１０９８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０４５１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３１２０２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０５１８５７９６（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／００１９３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−２５０７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２９１４８１（ＵＳ，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】

複数の同一面電極のフォトダイオードを含む同一面電極のフォトダイオードアレイであって、
各同一面電極のフォトダイオードは、
第１導電型高濃度ドーピングの半導体基材と、
前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体基材上に形成された第１導電型低濃度ドーピングの半導体層と、
前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層の上部に形成された第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域であって、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層とでＰＮ接合のダイオードが形成され、かつ、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域から光線入射側で第２電極が引き出された第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と、
前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を囲む第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域であって、前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域から光線入射側で前記第２電極と同一面に位置する第１電極が引き出された第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域と、
前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域との間に設けられたトレンチ構造と、を備え、
前記トレンチ構造は、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と同一面に位置する第１部分を含み、
前記トレンチ構造の前記第１部分は、前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層を間に挟んで、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を囲んでおり、
前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域は、前記第１部分と同一面に位置する第２部分を含む、
同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項2】

前記トレンチ構造は、一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料によってトレンチが充填されて形成される、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項3】

前記トレンチ構造は、第１導電型の高濃度ドーピングの単結晶半導体または多結晶半導体の材料によってトレンチが充填されて形成される、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項4】

前記トレンチ構造は、前記トレンチの周りに第１導電型の高濃度ドーピング領域が形成されている、
請求項２に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項5】

前記トレンチ構造は、充填されていないトレンチを含み、かつ、トレンチの底部および側壁に単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料が被覆されている、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項6】

トレンチの周りに第１導電型の高濃度ドーピング領域が形成され、トレンチの底部および側壁に単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料が被覆されている、
請求項５に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項7】

前記トレンチ構造は、トレンチを含み、かつ、トレンチの底部および側壁に一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料が被覆された後、トレンチが単結晶半導体材料または多結晶半導体材料によって充填されて構成されている、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項8】

前記トレンチに充填されている単結晶半導体材料または多結晶半導体材料は、前記第２電極に対して、高電位に接続されている、
請求項７に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項9】

前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の上部に、比較的に薄い第１導電型高濃度ドーピング領域または第２導電型低濃度ドーピング領域が形成され、その周りが前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域に囲まれている、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項10】

前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の下部に、連続する第１導電型高濃度ドーピング領域が形成され、または、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の下方のみに第１導電型高濃度ドーピング領域が設けられている、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項11】

前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の下方に、連続する絶縁材料領域が形成され、または、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の下方のみに絶縁材料領域が設けられている、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項12】

前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域は、トレンチ構造として形成され、下方に向かって前記第１導電型高濃度ドーピング領域または絶縁材料領域まで延びてそれと接続されている、
請求項１０に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項13】

前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の下方に、連続する絶縁層付きの伝導構造が形成され、または、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の下方のみに絶縁層付きの伝導構造が設けられており、該伝導構造は絶縁材料または半導体材料から構成されている、
請求項１に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項14】

前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域は、トレンチ構造であり、下方に向かって絶縁層付きの伝導構造における半導体材料の領域まで延びてそれと接続されている、
請求項１３に記載の同一面電極のフォトダイオードアレイ。

【請求項15】

同一面電極のフォトダイオードを製造する方法であって、
第１導電型高濃度ドーピングの半導体基材上に第１導電型低濃度ドーピングの半導体層を形成するステップと、
前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層の上部に、第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を形成し、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層とでＰＮ接合のダイオードを形成し、かつ前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域から光線入射側で第２電極を引き出すステップと、
前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を囲んで第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域を形成し、かつ前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域から光線入射側で前記第２電極と同一面に位置する第１電極を引き出すステップと、
前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域との間にトレンチ構造を設けるステップと、を含み、
前記トレンチ構造は、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と同一面に位置する第１部分を含み、
前記トレンチ構造の前記第１部分は、前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層を間に挟んで、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を囲んでいる、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、フォトダイオードに関し、具体的には、同一面電極のフォトダイオードアレイの構成及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体フォトダイオードアレイは、光線またはＸ線が直接入射されることによりシンチレータで可視光線が発生され、半導体の原子とイオン化反応を起こして、アンバランスのキャリアを生成して、入射光線を検出するものである。フォトダイオードアレイの性能を評価するための重要なパラメータには、分解能や信号対雑音比、読み出し速度、画素間電荷のクロストーク等がある。また、暗電流と単一画素内部の光線収集活性領域における電荷収集の均一性も特に重要である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

従来技術における一つ又は複数の問題に鑑みて、同一面電極のフォトダイオードアレイ及びその製造方法を提供する。

【0004】

本発明の一つ局面では、複数の同一面電極のフォトダイオードを含む同一面電極のフォトダイオードアレイを提供し、各同一面電極のフォトダイオードは、第１導電型高濃度ドーピングの半導体基材と、第１導電型高濃度ドーピングの半導体基材上に形成された第１導電型低濃度ドーピングの半導体層と、前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層の上部に形成された第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域であって、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層とでＰＮ接合のダイオードが形成され、かつ、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体層から光線入射側で第２電極が引き出された第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を囲む第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域であって、前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域から光線入射側で第１電極が引き出された第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域と、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域との間に設けられたトレンチ構造と、を備える。

【0005】

ある実施例によれば、前記トレンチ構造は、一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料によってトレンチが充填されて形成される。

【0006】

ある実施例によれば、前記トレンチ構造は、第１導電型の高濃度ドーピングの単結晶半導体または多結晶半導体の材料によってトレンチが充填されて形成される。

【0007】

ある実施例によれば、前記トレンチ構造は、前記トレンチの周りに第１導電型の高濃度ドーピング領域が形成されている。

【0008】

ある実施例によれば、前記トレンチ構造は、充填されていないトレンチを含み、かつ、トレンチの底部および側壁に単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料が被覆されている。

【0009】

ある実施例によれば、トレンチの周りに第１導電型の高濃度ドーピング領域が形成され、トレンチの底部および側壁に単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料が被覆されている。

【0010】

ある実施例によれば、前記トレンチ構造は、トレンチを含み、かつ、トレンチの底部および側壁に一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料が被覆された後、トレンチが単結晶半導体材料または多結晶半導体材料によって充填されて構成されている。

【0011】

ある実施例によれば、トレンチに充填されている単結晶半導体材料または多結晶半導体材料は、第２電極に対して、高電位に接続されている。

【0012】

ある実施例によれば、第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域の上部に、比較的に薄い第１導電型高濃度ドーピング領域または第２導電型低濃度トーピング領域が形成され、その周りが前記第２導電型高濃度ドーピング領域に囲まれている。

【0013】

ある実施例によれば、前記第２導電型高濃度ドーピング領域の下部に、連続する第１導電型高濃度ドーピング領域が形成され、または、第２導電型高濃度ドーピング領域の下方のみに第１導電型高濃度ドーピング領域が設けられている。

【0014】

ある実施例によれば、前記第２導電型高濃度ドーピング領域の下方に、連続する絶縁材料領域が形成され、または、前記第２導電型高濃度ドーピング領域の下方のみに絶縁材料領域が設けられている。

【0015】

ある実施例によれば、前記第１導電型高濃度ドーピング領域は、トレンチ構造として形成され、下方に向かって前記第１導電型高濃度ドーピング領域または絶縁材料領域まで延びてそれと接続されている。

【0016】

ある実施例によれば、前記第２導電型高濃度ドーピング領域の下方に、連続する絶縁層付きの伝導構造が形成され、または、前記第２導電型高濃度ドーピング領域の下方のみに絶縁層付きの伝導構造が設けられており、該伝導構造は絶縁材料または半導体材料から構成されている。

【0017】

ある実施例によれば、前記第１導電型高濃度ドーピング領域は、トレンチ構造であり、下方に向かって絶縁層付きの伝導構造における半導体材料の領域まで延びてそれと接続されている。

【0018】

本開示のほかの局面では、同一面電極のフォトダイオードを製造する方法を提供し、第１導電型高濃度ドーピングの半導体基材上に第１導電型低濃度ドーピングの半導体層を形成するステップと、前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層の上部に、第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を形成し、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層とでＰＮ接合のダイオードを形成し、かつ前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体層から光線入射側で第２電極を引き出すステップと、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を囲んで第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域を形成し、かつ前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域から光線入射側で第１電極を引き出すステップと、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域との間にトレンチ構造を設けるステップと、を含む。

【0019】

上記した実施例によれば、Ｘ線を検出するとき、正孔キャリアの非活性領域への拡散を効果的に阻止することができ、活性領域のエッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができる。

【0020】

本発明の上記した目的および他の目的、特徴や利点は、図面を参照して行う以下の詳細な説明によって明らになると考える。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1A】本発明の実施例であるフォトダイオードの平面図である。

【図1B】フォトダイオードの断面Ａ−Ａ’の構成を説明するための模式図である。

【図2】第１及び第２実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図3】第３実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図4】第４実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図5】第５実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図6】第６実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図7】フォトダイオードの光線収集活性領域のエッジ部分での光反応を説明するための模式図である。

【図8】フォトダイオードの光線収集活性領域のエッジ部分での収集効率を説明するための模式図である。

【図9】第７実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図10】第８実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図11】第９実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図12】第１０実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【図13】第１１実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照して、本発明の例示的な実施例を説明する。周知の機能や構成についての記述によって本発明の主題が不必要に冗長になると、それを省略する。そして、目的を明確に説明するために、図面において実際な部分が簡略化されたり、拡大されたりする場合がある。ここで、特徴的な層または領域の位置は、相対的な位置を示すが、実際は必ずしも模式図におけるスケールと同じであるとは限らない。図１〜図１３を参照して、実施形態に係るフォトダイオードの構成の特徴を説明する。

【0023】

本発明の実施例のフォトダイオードアレイにおいて、画素に対応する光検出のチャネルは、第１導電型のエピタキシャルシリコンウェーハに形成される。このエピタキシャルシリコンウェーハは、低比抵抗の基材で、高比抵抗のエピタキシャル型のものである。エピタキシャルシリコンウェーハの表面に高濃度ドーピング領域が形成され、被検出光の入射によって生成された多数のキャリアを収集する領域を有する第１導電型のイオン注入領域と、エピタキシャルシリコンウェーハの表面に高濃度ドーピング領域が形成され、第１導電型のエピタキシャルシリコンウェーハとＰＮ接合を形成し、且つ、光検出チャネルの形態でそれに対応する注入位置が設けられ、被検出光の入射によって生成された少量のキャリアを収集する領域を有し、該領域が光線収集活性領域を構成する第２導電型のイオン注入領域と、を含む。この２種類の導電型の高濃度ドーピング領域は、トンネル効果の発生を避けるために、隣接して設置してはいけないが、その間は半導体基板の高抵抗エピタキシャル材料で構成される。このフォトダイオードアレイのＰＮ接合は、逆バイアスモードで動作可能であり、画素における光線収集活性領域の近傍に逆バイアスの状態で比較的に広い空間電荷領域を形成する。フォトダイオードアレイのＰＮ接合は、ゼロバイアスモードで動作することも可能であり、画素における光線収集活性領域の近傍にゼロバイアスの状態で比較的に狭い内部空間の電荷領域を形成する。

【0024】

光線は、入射口からシリコン半導体に入射し、光線収集活性領域においてケイ素原子と衝突イオン化を起こして、電子正孔対を発生する。電子は、内部電界または印加されるバイアス電界の作用で、第１導電型高濃度ドーピング領域へ遷移または拡散し、最終的には収集される。正孔は、内部電界または印加されるバイアス電界の作用で、第２導電型高濃度ドーピング領域へ遷移または拡散し、最終的に収集されることにより、電気信号が読み出される。ＰＮ接合の容量効果を考慮すると、第１導電型と第２導電型のトーピング領域の間隔は大きくなる可能性があり、画素の活性領域のエッジ部位で励起されたキャリアがフォトダイオードアレイにおける隣接する画素によって容易に収集され、また、シリコン体におけるトラップまたは欠陥によって捕獲される可能性もある。

【0025】

例えば、同一面電極のフォトダイオードアレイは、複数の同一面電極のフォトダイオードを含み、それぞれが、第１導電型高濃度ドーピング半導体基材と、第１導電型高濃度ドーピング半導体基材に形成された第１導電型低濃度ドーピングの半導体層と、第１導電型低濃度ドーピングの半導体層の上部に形成され、前記第１導電型低濃度ドーピングの半導体層とＰＮ接合ダイオードを形成する第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域であって、光線入射側でそれから第２電極を引き出した第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域を囲む第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域であって、光線入射側でそれから第１電極を引き出した第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域と、前記第２導電型高濃度ドーピングの半導体領域と前記第１導電型高濃度ドーピングの半導体領域との間に設置されたトレンチ構造と、を含む。

【0026】

図１Ａと図１Ｂは、フォトダイオードアレイの単一セルの構造を示すが、図１Ａは、平面図を示し、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’断面線に沿った断面図を示している。このフォトダイオードの構造は、Ｎ^＋型半導体基材領域１とＮ⁻型エピタキシャル半導体基材領域２とを含むＮ型エピタキシャルウェーハ上に形成される。ここで、Ｎ^＋型半導体基材領域は、厚さの範囲が３００〜５７５μｍ程度であり、比抵抗が０．００２〜０．００５Ω・ｃｍであり、Ｎ⁻型エピタキシャル半導体基材領域は、厚さの範囲が２０〜１００μｍ程度であり、比抵抗が１ＫΩ・ｃｍ程度である。本開示において、「不純物の高濃度（高濃度ドーピング）」とは、例えば、不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度以上であることを意味し、導電型に「＋」を付加して示す。「不純物の低濃度（低濃度ドーピング）」とは、例えば、不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度以下であることを意味し、導電型に「−」を付加して示す。Ｎ型不純物として、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等があり、Ｐ型不純物として、ボロン（Ｂ）等がある。

【0027】

Ｎ⁻型エピタキシャル半導体領域２の上側に、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４が形成される。このように、Ｐ^＋型半導体領域４とＮ⁻型エピタキシャル半導体領域２は、ＰＮ接合を形成している。Ｎ^＋型半導体領域３の厚さの範囲は、０．５〜３μｍ程度であり、Ｐ^＋型半導体領域４の厚さの範囲は、０．２〜１μｍ程度であり、Ｎ^＋型半導体領域とＰ^＋型半導体領域との間隔は１０〜１００μｍ程度である。Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の間に、エッチングと充填によって、トレンチ７が形成され、該トレンチの深さは４〜２０μｍ程度である。フォトダイオードの表面に、外部から異物がシリコン半導体基板に侵入することを防ぐための単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料５が堆積され、その厚さの範囲は５０〜２００ｎｍ程度であり、金属電極絶縁物として用いられることも可能である。また、光学および絶縁物の特性に応じて、光線反射防止膜として設計することもできる。Ｎ^＋型半導体領域３は、金属電極２１によって引き出され、Ｐ^＋型半導体領域４は、金属電極２２によって引き出される。フォトダイオードがゼロバイアスまたは逆バイアスにあるとき、フォトダイオード内部の画素のＰＮ接合の箇所は空間電荷領域６を形成する。Ｐ^＋型半導体領域の不純物濃度がＮ⁻型エピタキシャル半導体領域２よりもはるかに大きいため、空間電荷領域は、主にＮ⁻型エピタキシャル半導体領域２へ広がり、その広がり幅は逆バイアス電圧が大きくなるほど大きくなる。

【0028】

図２は、第１実施形態によるフォトダイオードの構成図を示している。フォトダイオードアレイの光線収集活性領域は、Ｐ^＋型半導体領域４の直下に形成された空間電荷領域６のみで構成される。そして、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間隔の領域は、電荷収集用の活性領域ではなく、電荷収集の過渡領域である。そして、Ｎ^＋型半導体領域３上の金属電極２１の引き出しも、光線の入射を遮断するため、電荷収集用の活性領域ではない。光線が光線収集活性領域であるＰ^＋型半導体領域４に入射すると、Ｎ⁻型エピタキシャル半導体領域２とＰ^＋型半導体領域４においてたくさんの電子正孔対が励起されるが、光線の波長範囲が２００〜６００ｎｍであるため、Ｎ⁻型エピタキシャル半導体領域２における吸収の深さは比較的に浅い。電子キャリアは、内部電界または外部電界の作用で、Ｎ^＋型半導体領域３の方向に遷移し、最終は金属電極２１に収集される。正孔キャリアは、内部電界または外部電界の作用で、Ｐ^＋型半導体領域４の方向に遷移し、最終は金属電極２２に収集され、信号として出力される。しかし、Ｎ⁻型エピタキシャル半導体領域２にはトラップが存在するため、正孔キャリアの寿命は短くて、一部の正孔キャリアはトラップに捕獲されてしまう。活性領域中心の近傍に生成された正孔キャリアは、Ｐ^＋型半導体領域４によって収集されやすく、活性領域のエッジ近傍および非活性領域で生成された正孔キャリアは、隣接する画素または隣接する画素のトラップによって捕獲される可能性もある。

【0029】

第１実施例のフォトダイオードアレイにおいて、２種類の導電型高濃度ドーピング領域の間での高抵抗半導体エピタキシャル材料の上に、トレンチ構造が形成され、それは、酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料によって充填される。光線が活性領域のエッジ部位に入射すると、励起される正孔キャリアの一部は、非活性領域へ拡散して移動し、収集する活性領域からの距離が大きくなって、シリコン体のトラップによって捕獲される確率が増加することになる。物理的隔離によると、非活性領域への正孔キャリアの拡散を効果的に阻止し、活性領域のエッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができ、さらに画素活性領域の異なる位置での電荷収集の一致性をバランス化させることができる。

【0030】

例えば、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の間に、エッチングと充填によってトレンチ７が形成され、それは、酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料によって充填される。光線が活性領域エッジや非活性領域の部位に入射すると、励起される正孔キャリアの一部が非活性領域へ拡散して移動し、Ｐ^＋型半導体領域４からの距離が大きくなり、シリコン体のトラップに捕獲される確率が増加してしまう。しかし、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間にトレンチ構造を形成することによって、正孔キャリアに対する範囲の制御を構成し、一部の正孔キャリア信号の損失を効果的に阻止し、正孔キャリアが活性領域に収集される確率を増大させ、活性領域エッジ部位の光反応および収集効率を向上させ、さらに、画素の活性領域の異なる位置での電荷収集の一致性をバランス化させることができる。

【0031】

第２実施例のフォトダイオードアレイにおいて、２種類の導電型高濃度ドーピング領域の間での高抵抗半導体エピタキシャル材料の上に、トレンチ構造を形成し、第１導電型高濃度ドーピングの単結晶半導体または多結晶半導体によって充填することができる。物理的隔離によると、非活性領域への正孔キャリアの拡散を効果的に阻止することができる。また、第１導電型高濃度ドーピング領域は、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域の方向）への拡散を促進することができ、活性領域のエッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができる。

【0032】

図２に示すように、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間に、エッチングと充填によって、トレンチ７が形成され、Ｎ^＋型単結晶半導体または多結晶半導体によってトレンチ７を充填することができる。ここで、トレンチに充填されたＰ^＋型単結晶半導体または多結晶半導体は電極が引き出されておらず、構造からみると浮遊状態に相当し、正孔キャリアがＰ^＋型半導体構造のエッジへ拡散または遷移すると、物理的隔離およびエネルギーバンドの作用によって、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域の方向）への拡散を促進して、活性領域エッジ部位での光反応および収集効率を向上させる。

【0033】

図３は、第３実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。第３実施例のフォトダイオードアレイにおいて、その２種類の導電型高濃度ドーピング領域の間での高抵抗半導体エピタキシャル材料の上に、トレンチ構造が形成され、該トレンチ構造は、酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料によって充填することができる。そして、トレンチの周りに、エピタキシャルウェーハと同じドーピングタイプの高濃度ドーピング領域が形成される。物理的隔離によると、正孔キャリアの非活性領域への拡散を効果的に阻止することができる。また、第１導電型高濃度ドーピング領域は、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域方向）への拡散を促進することができ、活性領域のエッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができる。

【0034】

図３に示すように、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の間に、エッチングと充填によって、トレンチ７が形成される。そして、Ｎ^＋イオンの注入を行い、トレンチの底部および側壁にＮ^＋型半導体領域３１を形成する。このＮ^＋型半導体領域３１は、厚さが０．１〜１μｍである。その後、酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料によって充填する。正孔キャリアがＮ^＋型半導体領域３１のエッジへ拡散または遷移すると、トレンチの物理的隔離およびエネルギーバンドの作用で、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域方向）への拡散を促進し、活性領域エッジ部位での光反応および収集効率を向上させる。

【0035】

図４は、第４実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。第４実施例のフォトダイオードアレイにおいて、２種類の導電型高濃度ドーピング領域の間での高抵抗半導体エピタキシャル材料の上に、空隙構造から構成可能なトレンチ構造が形成され、空隙の底部および側壁に単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料が被覆される。物理的隔離によると、正孔キャリアの非活性領域への拡散を効果的に阻止することができ、活性領域エッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができる。

【0036】

図４に示すように、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の間に、エッチングと充填によって、トレンチを形成する。その後、トレンチの底部および側壁に、酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料５を成長させる。トレンチは、空隙構造８である。酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料または光線反射材料５は、厚さの範囲が０．１〜１μｍ程度である。トレンチの空隙構造によって、正孔キャリアの半導体基板のエピタキシャル層における可動範囲をよく制限し、一部の正孔キャリア信号の損失を効果的に阻止し、正孔キャリアが活性領域に収集される確率を増大させ、活性領域のエッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができ、さらに画素の活性領域の異なる位置での電荷収集の一致性をバランス化させることができる。

【0037】

図５は、第５実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。第５実施例のフォトダイオードアレイにおいて、２種類の導電型高濃度ドーピング領域の間での高抵抗半導体エピタキシャル材料の上に、空隙構造から構成可能なトレンチ構造が形成され、空隙の底部および側壁に単一絶縁層、多層の複合絶縁層、または光線反射材料が被覆され、トレンチの周りにエピタキシャルウェーハと同じドーピングタイプの高濃度ドーピング領域が形成される。物理的隔離によると、正孔キャリアの非活性領域への拡散を効果的に阻止することができる。また、第２導電型高濃度ドーピング領域は、トレンチ領域の正孔のエネルギーバンドを向上させ、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域方向）への拡散を促進することができる。

【0038】

図５に示すように、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の間に、エッチングと充填によって、トレンチを形成する。その後、Ｎ^＋イオンの注入を行い、トレンチの底部および側壁にＮ^＋型半導体領域３２を形成する。このＮ^＋型半導体領域３２は、厚さが０．１〜１μｍである。その後、トレンチの底部および側壁に、酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料または光線反射材料３２を成長させる。トレンチは、空隙構造８である。正孔キャリアがＮ^＋型半導体構造３２のエッジへ拡散または遷移すると、トレンチの空隙構造による物理的隔離およびエネルギーバンドの作用で、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域方向）への拡散を促進し、さらに活性領域エッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができる。

【0039】

図６は、第６実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。第６実施例のフォトダイオードアレイにおいて、２種類の導電型高濃度ドーピング領域の間での高抵抗半導体エピタキシャル材料の上に、トレンチ構造を形成し、トレンチの底部および側壁には単一絶縁層、多層の複合絶縁層、または光線反射材料を被覆し、その後、単結晶半導体材料または多結晶半導体材料によってトレンチを充填する。物理的隔離によると、正孔キャリアの非活性領域への拡散を効果的に阻止することができる。また、この単結晶半導体材料または多結晶半導体材料は、第２導電電極（光線収集に対応する高濃度ドーピング領域からの引き出し電極）に対して、ゼロ電位、浮遊状態または高電位に接続されることが可能であり、外部電界を印加することによって、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域方向）への拡散を促進し、活性領域エッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができる。

【0040】

図６に示すように、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の間に、エッチングと充填によって、トレンチを形成し、その後、トレンチの底部および側壁に酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料３４を成長させる。トレンチの空隙を、Ｎ^＋またはＰ^＋型単結晶半導体または多結晶半導体１０によって充填することができる。また、このＮ^＋またはＰ^＋型単結晶または多結晶半導体１０は、外部から印加する電位によって、ゼロバイアス、浮遊状態またはフォワードバイアスに制御することができる。Ｎ^＋またはＰ^＋型単結晶半導体または多結晶半導体１０がフォワードバイアスになると、半導体の内部において、Ｎ^＋またはＰ^＋型単結晶半導体または多結晶半導体１０からＰ^＋型半導体領域４への方向に電界を発生する。これにより、正孔キャリアが酸化シリコン、窒化シリコン等のような一種の絶縁材料、複数種の複合絶縁材料、または光線反射材料３４のエッジへ拡散または遷移すると、トレンチの空隙構造による物理的隔離および電界の作用で、そこまで到達する正孔キャリアの逆方向（即ち、活性領域方向）への拡散を促進し、さらに活性領域エッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができる。

【0041】

図７と図８は、トレンチありの構造（第１実施形態）とトレンチなしの構造によるフォトダイオードデバイスにおいて、光線が画像の活性領域エッジの異なる位置に入射する場合の光反応および光電収集効率を示している。比較の結果から分かるように、トレンチによる隔離構造は、画素の活性領域のエッジ部位での正孔キャリアの収集確率を改善しており、活性領域のエッジ部位での光反応および収集効率を向上させることができ、さらに画素の異なる位置での電荷収集の一致性をバランス化させることができる。

【0042】

図９は、第７実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。第７実施例のフォトダイオードアレイにおいて、光線収集の活性領域の最上層に、比較的に薄い第１導電型高濃度ドーピング領域または第２導電型低濃度トーピング領域が形成される。プロセス加工の過程で、デバイスの表面には欠陥やイオン等の不純物が侵入されやすいが、これらの構成の欠点は捕獲の要因になり、電極の電荷に対する収集量を低減させることになる。第２導電型高濃度ドーピング領域の最上層に比較的に薄い第１導電型高濃度ドーピング領域が形成されると、画素がゼロバイアスまたは逆バイアスになる場合の内部空間の電荷領域の境界の上限が半導体の表面までに到達しないように制御し、正孔電荷が構成の欠点によって捕獲される確率を低減することができる。第２導電型高濃度ドーピング領域の最上層に比較的に薄い第２導電型低濃度トーピング領域が形成されると、正孔がデバイスの表面へ拡散または遷移することを抑制することで、正孔電荷が構成の欠点によって捕獲される確率を低減することができる。

【0043】

図９に示すように、Ｐ^＋型半導体領域４の最上層に、イオン注入によって比較的に薄いＮ^＋型半導体領域１１を形成し、この領域はＰ^＋型半導体領域４に囲まれている。このように、Ｎ^＋型半導体１１と、Ｐ^＋型半導体領域４と、Ｎ⁻型半導体基板エピタキシャル層２とで、Ｎ^＋／Ｐ^＋／Ｎ⁻構造を構成し、画素の構造がゼロバイアスになるか逆バイアスになるかにかかわらず、Ｐ^＋半導体領域４の内側に形成される空間電荷領域の上部境界が、デバイスの画素表面以下に制限され、正孔電荷がデバイスの表面に捕獲される確率を低減させることができる。また、イオン注入のエネルギを制御することによって、Ｐ^＋型半導体領域４の最上層に比較的に薄いＰ⁻型半導体領域１１を形成することができるが、この領域はＰ^＋型半導体領域４に囲まれる。このように、画素の構造がゼロバイアスになるか逆バイアスになるかにかかわらず、これらのＰ⁻型半導体領域１１と、Ｐ^＋型半導体領域４と、Ｎ⁻型半導体基板エピタキシャル層２とで、Ｐ⁻／Ｐ^＋／Ｎ⁻構造を構成し、内部電界によって正孔がデバイスの表面へ拡散または遷移することを抑制し、正孔電荷が構成の欠点に捕獲される確率を低減することができる。

【0044】

図１０は、第８実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。第１０実施例のフォトダイオードアレイにおいて、第２導電型高濃度ドーピング領域と第１導電型高濃度ドーピング領域の下方に第１導電型高濃度ドーピング領域が設けられ、または、第２導電型高濃度ドーピング領域の下方のみに第１導電型高濃度ドーピング領域が設けられる。この第１導電型高濃度ドーピング領域は、単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体であっても良い。このような構造は、電荷に敏感な領域を薄くし、正孔電荷が下方の第１導電型低濃度トーピング領域のトラップによって捕獲されることを低減することができる。等電位の第１導電型高濃度ドーピング領域は、正孔電荷が第２導電型高濃度ドーピング領域に向かって遷移するように促進し、電荷の収集時間を短縮させる。また、薄くなった第１導電型低濃度トーピング領域は、２つの電極間の有効抵抗を増大させ、暗電流をより低減させることができる。また、画素における第１導電型高濃度ドーピング領域は、トレンチ構造であってもよく、該当する層の第１導電型高濃度ドーピング領域まで延びて、画素間を完全に隔離し、画素間の電荷クロストークの効果をより抑制することができる。ここで、該当する層の第１導電型高濃度ドーピング領域は、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料によって取り替えてもよい。

【0045】

図１０に示すように、半導体基板の基材１は、Ｎ^＋型領域でもよいし、Ｎ⁻型領域でもよい。この実施形態において、画素のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の下方の５〜２０μｍの位置に、単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料で構成可能なＮ^＋型半導体領域１２が設けられる。このように、画素におけるＮ^＋型半導体領域３とＮ^＋型半導体領域１２の電位は同じである。画素がゼロバイアスまたは逆バイアスになると、Ｎ⁻型半導体領域１３内で光子によって励起される電子正孔対は、内部電界または外部電界の駆動で、それぞれＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４へ遷移する。Ｎ^＋型半導体領域１２と、Ｎ⁻型半導体領域１３と、Ｐ^＋型半導体領域４とで、Ｎ^＋／Ｎ⁻／Ｐ^＋構造が構成され、Ｎ^＋型半導体領域１２は、正孔キャリアが上側のＰ^＋型半導体領域４の方向（即ち、活性領域方向）へ拡散するように促進し、正孔電荷の収集時間をより低減させることができる。また、Ｎ^＋型半導体領域１２は、Ｎ⁻型半導体領域内１３で励起される電荷がＮ⁻型半導体領域２へ拡散することを制限し、電荷がＮ⁻型半導体領域２におけるトラップによって捕獲される確率を低減することができる。また、Ｎ^＋型半導体領域１２は、有効な電荷収集領域をＮ⁻型半導体領域１３までに薄くするが、電極のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４は横構造であるため、この構造は、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間の有効抵抗を大きくしたことに相当する。そのため、画素の暗電流をより低減させることができる。この実施形態において、Ｎ^＋型半導体領域１２は、全体が連続する構成であっても良く、Ｐ^＋型半導体領域４の下方のみに設けられる構成であってもよい。そして、具体的なサイズは、必要に応じて設計し調整することができる。

【0046】

第８実施形態において、半導体基板の基材１は、Ｎ^＋型領域であっても良く、Ｎ⁻型領域であっても良い（即ち、符号１と２の領域が同一タイプの領域である高抵抗半導体ウエハ）。この実施形態では、画素のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の下方の５〜１５μｍの位置に、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２が設けられる。これにより、半導体の全体は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハになることができる。シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２は、Ｎ⁻型半導体領域１３内に励起される電荷がＮ⁻型半導体領域２へ拡散することを制限し、電荷がＮ⁻型半導体領域２におけるトラップによって捕獲される確率を低減することができる。また、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２は、有効な電荷収集領域をＮ⁻型半導体領域１３までに薄くするが、電極のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４は横構造であるため、この構造は、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間の有効抵抗を大きくしたことに相当する。そのため、画素の暗電流をより低減させることができる。この実施形態において、酸化シリコンまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２は、全体が連続する構成であっても良く、Ｐ^＋型半導体領域４の下方のみに設けられる構成であってもよい。そして、具体的なサイズは、必要に応じて設計し調整することができる。

【0047】

図１１は、第９実施形態によるフォトダイオードの構成を説明するための模式図である。第１０実施例のフォトダイオードアレイの上で、第２導電型高濃度ドーピング領域と第１導電型高濃度ドーピング領域の下方に絶縁層付きの伝導構造が設けられ、あるいは第２導電型高濃度ドーピング領域の下方のみに絶縁層付きの伝導構造が設けられる。この絶縁層付きの伝導構造は、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料、高濃度ドーピングの単結晶シリコンや多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料、およびシリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料によって構成することができる。この絶縁層付きの伝導構造の電位は、単独で制御することができる。この絶縁層付きの伝導構造は、電荷に敏感な領域を薄くして、正孔電荷が下方の第１導電型低濃度トーピング領域におけるトラップによって捕獲されることを低減することができる。等電位の第１導電型高濃度ドーピング領域と伝導構造は、正孔電荷が第２導電型高濃度ドーピング領域に向かって遷移するように促進し、電荷の収集時間を短縮させることができる。また、薄くなった第１導電型低濃度トーピング領域は、２つの電極間の有効抵抗を増大させ、暗電流をより低減させる。また、画素における第１導電型高濃度ドーピング領域は、トレンチ構造であってもよいが、絶縁層付きの伝導構造における高濃度ドーピングの単結晶シリコンや多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料まで延びて、画素間を完全に隔離し、画素間の電荷クロストーク効果を抑制することができる。

【0048】

図１１に示すように、半導体基板の基材１は、Ｎ^＋型領域であっても良い。この実施形態は、画素のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の下方の５〜１５μｍの位置に、単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料で構成可能なＮ^＋型半導体領域１２が形成されている。そして、Ｎ^＋型半導体領域３は、トレンチ構造であり、Ｎ^＋型半導体領域１２まで延びている。このように、画素におけるＮ^＋型半導体領域３とＮ^＋型半導体領域１２の電位の分布が同じである。画素がゼロバイアスまたは逆バイアスになると、光子がＮ⁻型半導体領域１３内で励起される電子正孔対は、内部電界または外部電界の駆動で、それぞれＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４へ遷移する。また、Ｎ^＋型半導体領域１２と、Ｎ⁻型半導体領域１３と、Ｐ^＋型半導体領域４で、Ｎ^＋／Ｎ⁻／Ｐ^＋構造が構成される。Ｎ^＋型半導体領域１２は、正孔キャリアが上側のＰ^＋型半導体領域４の方向（即ち、活性領域方向）へ拡散するように促進し、正孔電荷の収集時間をより低減させる。そして、トレンチ構造であるＮ^＋型半導体領域３とシリカや窒化シリコン等の絶縁材料１２は、画素と画素の間を完全に隔離し、画素間の電荷クロストーク効果をさらに抑制することができる。また、Ｎ^＋型半導体領域１２は、Ｎ⁻型半導体領域１３内で励起される電荷がＮ⁻型半導体領域へ拡散することを制限し、電荷がＮ⁻型半導体領域２のトラップによって捕獲される確率が低減されることができる。また、Ｎ^＋型半導体領域１２は、有効な電荷収集領域をＮ⁻型半導体領域１３までに薄くするが、電極のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４は横構造であるため、この構造は、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間の有効抵抗を大きくしたことに相当する。これにより、画素の暗電流を低減させることができる。この実施形態において、Ｎ^＋型半導体領域１２は、全体が連続する構成であっても良く、Ｐ^＋型半導体領域４の下方のみに設けられる構成であってもよい。そして、具体的なサイズは、必要に応じて設計し調整することができる。

【0049】

第９実施形態において、半導体基板の基材１は、Ｎ^＋型領域であっても良く、Ｎ⁻型領域であっても良い（即ち、符号１と２の領域は同一タイプの領域である高抵抗半導体ウエハ）。この実施形態で、画素のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の下方の５〜１５μｍの位置に、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２が設けられており、半導体の全体がＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハとなっている。そして、Ｎ^＋型半導体３は、トレンチ構造であり、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２までに延びており、トレンチ構造のＮ^＋型半導体領域３とシリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２によって、画素と画素の間を完全に隔離し、画素間の電荷クロストーク効果をさらに抑制することができる。シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２は、Ｎ⁻型半導体領域１３内で励起される電荷がＮ⁻型半導体領域へ拡散することを制限し、電荷がＮ⁻型半導体領域２におけるトラップによって捕獲される確率を低減することができる。なお、シリカまたは窒化シリコンなどの絶縁材料１２は、有効な電荷収集領域をＮ⁻型半導体領域１３までに薄くするが、電極のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４は、横構造であるため、この構造は、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間の有効抵抗を大きくしたことに相当する。そのため、画素の暗電流を低減させることができる。この実施形態において、酸化シリコンまたは窒化シリコン等の絶縁材料１２は、全体が連続する構成であっても良く、Ｐ^＋型半導体領域４の下方のみに設けられる構成であってもよい。そして、具体的なサイズは、必要に応じて設計し調整することができる。

【0050】

図１２は、第１０実施形態を示す。第１０実施形態において、半導体基板の基材１は、Ｎ^＋型領域であっても良く、Ｎ⁻型領域であっても良い。この実施形態で、画素のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の下方の５〜１５μｍの位置に、絶縁層付きの伝導構造が設けられているが、それぞれ、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１４、高濃度ドーピングの単結晶シリコンや多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料１５、シリカまたは窒化シリコン等の絶縁材料１６である。このように、全体はＤＳＯＩ（ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ構造である。このように、高濃度ドーピングの単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料１５は、その電位を単独で制御することができ、Ｎ⁻型半導体領域１３内での電界分布を変調することが可能である。画素がゼロバイアスまたは逆バイアスになると、光子によってＮ⁻型半導体領域１３内で励起される電子正孔対が、内部電界または外部電界の駆動で、それぞれＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４へ遷移する。高濃度ドーピングの単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料１５は、正孔キャリアが上側のＰ^＋型半導体領域４の方向（即ち、活性領域方向）へ拡散するように促進することで、正孔電荷の収集時間をさらに低減させることができる。また、絶縁層付きの伝導構造は、Ｎ⁻型半導体領域１３内で励起される電荷がＮ⁻型半導体領域２へ拡散することを制限することで、電荷がＮ⁻型半導体領域２におけるトラップによって捕獲される確率を低減させることができる。また、絶縁層付きの伝導構造は、有効な電荷の収集領域をＮ⁻型半導体領域１３までに薄くするが、電極のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４が横構造であるため、この構造は、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間の有効抵抗を大きくしたことに相当する。そのため、画素の暗電流をより低減させることができる。この実施形態において、絶縁層付きの伝導構造１４，１５及び１６は、全体が連続する構成であっても良く、Ｐ^＋型半導体領域４の下方のみに設けられる構成であってもよい。そして、具体的なサイズは、必要に応じて設計し調整することができる。

【0051】

図１３は、第１１実施形態を示す。第１１実施形態において、半導体基板の基材１は、Ｎ^＋型領域であっても良く、Ｎ⁻型領域であっても良い。この実施形態で、画素のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４の下方の５〜１５μｍの位置に、絶縁層付きの伝導構造が設けられているが、それぞれ、シリカまたは窒化シリコン絶縁層１４、高濃度ドーピングの単結晶シリコンや多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料１５、およびシリカまたは窒化シリコン絶縁層１６である。このように、全体は、ＤＳＯＩ（ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ構造である。そして、Ｎ^＋型半導体領域３は、トレンチ構造であり、高濃度ドーピングの単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料１５までに延びており、トレンチ構造であるＮ^＋型半導体領域３と絶縁層付きの伝導構造は、画素と画素の間を完全に隔離することで、画素間の電荷クロストーク効果をより抑制することができる。このように、高濃度ドーピングの単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料１５とＮ^＋型半導体領域３の電位分布は同じであり、電位によってＮ^＋型半導体領域３を制御することによって、Ｎ⁻型半導体領域１３内の電界分布を変調することができる。画素がゼロバイアスまたは逆バイアスになると、光子によってＮ⁻型半導体領域１３内で励起される電子正孔対が、内部電界または外部電界の駆動で、それぞれＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４へ遷移する。高濃度ドーピングの単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の半導体材料１５は、正孔キャリアが上側のＰ^＋型半導体領域４の方向（即ち、活性領域方向）へ拡散するように促進することで、正孔電荷の収集時間をより低減させる。また、絶縁層付きの伝導構造は、Ｎ⁻型半導体領域１３内で励起される電荷がＮ⁻型半導体領域へ拡散することを制限し、電荷がＮ⁻型半導体領域２におけるトラップによって捕獲される確率を低減することができる。また、絶縁層付きの伝導構造は、有効な電荷の収集領域をＮ⁻型半導体領域１３までに薄くするが、電極のＮ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４は横構造であるため、この構造は、Ｎ^＋型半導体領域３とＰ^＋型半導体領域４との間の有効抵抗を大きくしたことに相当する。そのため、画素の暗電流をさらに低減させることができる。この実施形態において、絶縁層付きの伝導構造１４，１５及び１６は、全体が連続する構成であっても良く、Ｐ^＋型半導体領域４の下方のみに設けられる構成であってもよい。そして、具体的なサイズは、必要に応じて設計し調整することができる。

【0052】

本発明の上記した実施例のフォトダイオードアレイは、主に波長２００〜６００ｎｍのＸ線検出器（ＣｓＩなどのシンチレータにて波長５５０ｎｍ程度の光を放射）に適用され、且つ主にエピタキシャルシリコンウェーハ表面から５μｍの深さの以内で吸収を行うため、トレンチによる隔離構造である。そして、第１導電型高濃度ドーピング層、絶縁材料層と絶縁層付きの伝導構造は、その深さを５〜２０μｍの範囲で制御することが可能である。この場合、上記したように、トレンチ構造の作用と効果を確保することができる。

【0053】

また、本発明の実施例のフォトダイオードアレイは、波長２００〜６００ｎｍの範囲で動作し、画素の活性領域の光線吸収はより良い一致性を有し、画素の暗電流を低減し、画素の電荷収集の速度を速めることができる。

【0054】

説明のために本発明の例示的な実施例を記載したが、添付の特許請求の範囲に開示された本発明の範囲および主旨から逸脱しない限り、いろんな修正、組み合わせ、追加および置換が可能であることは、勿論である。

【符号の説明】

【0055】

１…Ｎ^＋型半導体層、２…Ｎ⁻型半導体層、３…Ｎ^＋型半導体領域、４…Ｐ^＋型半導体領域、５…単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料、６…空間電荷領域、７…単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料、またはＰ^＋型半導体材料、８…空隙領域、１０…Ｎ^＋／Ｐ^＋ドープの単結晶半導体材料または多結晶半導体材料、１１…薄いＮ^＋型半導体領域またはＰ⁻型半導体領域、１２…Ｎ^＋型半導体領域またはシリカ、窒化シリコン等の絶縁材料領域、１３…Ｎ⁻型半導体層、１４…シリカ、窒化シリコン等の絶縁材料、１５…単結晶シリコン、多結晶シリコン又はゲルマニウム等の高濃度ドーピングの半導体材料、１６…シリカ、窒化シリコン等の絶縁材料、２１…Ｎ^＋型半導体領域の引き出し電極、２２…Ｐ^＋型半導体領域の引き出し電極、３１…Ｎ^＋型半導体領域、３２…Ｎ^＋型半導体領域、３４…単一絶縁層、多層の複合絶縁層または光線反射材料。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】