ホーム > 特許ランキング > 日亜化学工業株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023137909
(43)【公開日】2023-09-29
(54)【発明の名称】センサ素子及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20230922BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022044346
(22)【出願日】2022-03-18
(71)【出願人】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000202
【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー
(72)【発明者】
【氏名】川添 忠
(72)【発明者】
【氏名】門脇 拓也
【テーマコード（参考）】
5F149
5F849
【Ｆターム（参考）】
5F149AA02
5F149AB03
5F149AB17
5F149BA04
5F149BA30
5F149BB03
5F149BB07
5F149BB08
5F149CB01
5F149CB03
5F149CB07
5F149CB09
5F149CB10
5F149CB12
5F149CB15
5F149CB18
5F149FA05
5F149FA12
5F149LA01
5F149XB16
5F149XB36
5F149XB51
5F849AA02
5F849AB03
5F849AB17
5F849BA04
5F849BA30
5F849BB03
5F849BB07
5F849BB08
5F849CB01
5F849CB03
5F849CB07
5F849CB09
5F849CB10
5F849CB12
5F849CB15
5F849CB18
5F849FA05
5F849FA12
5F849LA01
5F849XB16
5F849XB36
5F849XB51
(57)【要約】
【課題】素子そのものの発光が低減されたセンサ素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】
第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、を備え、前記第２シリコン半導体部と前記第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する、センサ素子。
【選択図】図１
【解決手段】
第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、を備え、前記第２シリコン半導体部と前記第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する、センサ素子。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を備え、
前記第２シリコン半導体部と前記第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、
シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する、
センサ素子。
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を備え、
前記第２シリコン半導体部と前記第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、
シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する、
センサ素子。
【請求項2】
前記第１シリコン半導体部は、第１ｐ型不純物を第１濃度で含み、
前記第２シリコン半導体部は、第２ｐ型不純物を第２濃度で含み、
前記第２濃度は、前記第１濃度よりも低い、
請求項１に記載のセンサ素子。
前記第２シリコン半導体部は、第２ｐ型不純物を第２濃度で含み、
前記第２濃度は、前記第１濃度よりも低い、
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項3】
前記第１シリコン半導体部と、前記第２シリコン半導体部と、前記第３シリコン半導体部からなる部分の電気抵抗率は、２５℃において、印加する電圧が１Ｖ以上１００Ｖ以下の範囲において１Ω・ｃｍ以上１０００ＭΩ・ｃｍ以下である、
請求項１または２に記載のセンサ素子。
請求項１または２に記載のセンサ素子。
【請求項4】
２０℃以上４５℃以下の範囲において、１０ｍＡの電流値における１度あたりの電圧値の変化量が１５０ｍＶ／℃以上３００ｍＶ／℃以下である、
請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ素子。
請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ素子。
【請求項5】
前記第１シリコン半導体部は、シリコン基板であり、
前記第２シリコン半導体部は、シリコン半導体層である、
請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ素子。
前記第２シリコン半導体部は、シリコン半導体層である、
請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ素子。
【請求項6】
前記第２ｐ型不純物は、ホウ素またはアルミニウムである、
請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ素子。
請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ素子。
【請求項7】
前記ｎ型不純物は、ヒ素、アンチモン、またはビスマスである、
請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ素子。
請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ素子。
【請求項8】
複数の受光領域を備え、
前記複数の受光領域は、マトリクス状に配置される請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ素子。
前記複数の受光領域は、マトリクス状に配置される請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ素子。
【請求項9】
請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ素子を含む放射温度計。
【請求項10】
第１ｎ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｎ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｐ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を備え、
前記第２シリコン半導体部と前記第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、
前記ｐ型不純物の原子番号はシリコンの原子番号よりも大きく、
シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する、
センサ素子。
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｎ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｐ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を備え、
前記第２シリコン半導体部と前記第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、
前記ｐ型不純物の原子番号はシリコンの原子番号よりも大きく、
シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する、
センサ素子。
【請求項11】
第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を含む積層体を準備することと、
前記積層体に、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、前記ｎ型不純物を拡散させることと、
を含む、センサ素子の製造方法。
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を含む積層体を準備することと、
前記積層体に、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、前記ｎ型不純物を拡散させることと、
を含む、センサ素子の製造方法。
【請求項12】
第１ｎ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｎ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、シリコンの原子番号よりも大きい原子番号のｐ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を含む積層体を準備することと、
前記積層体に、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、前記ｐ型不純物を拡散させることと、
を含む、センサ素子の製造方法。
前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｎ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、
前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、シリコンの原子番号よりも大きい原子番号のｐ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、
を含む積層体を準備することと、
前記積層体に、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、前記ｐ型不純物を拡散させることと、
を含む、センサ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、センサ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
通常、シリコンを用いた受光素子は、シリコンのバンドギャップによる制限から約１．１２ｅＶ以下（波長に換算すると約１．１１μｍ以上）の光を検出することができない。これらに対して、例えば、特許文献１では、ドレスト光子を利用するために、ｐｎ接合部を含む半導体層に順方向バイアス電圧を印加するとともに、ｐｎ接合部における吸収端波長よりも長波長の光で照射することで、特定の波長に対して感度を持たせた受光素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５－１２０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に開示された受光素子は、特定の波長に対して感度をもつだけでなく、受光素子から発光が生じることが予想される。
【0005】
本開示の一実施形態は、素子そのものの発光が低減されたセンサ素子およびその製造方法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】
【0006】
第一態様は、第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、を備え、前記第２シリコン半導体部と前記第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する、センサ素子である。
【0007】
第二態様は、第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、前記第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、前記第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、を含む積層体を準備することと、前記積層体に、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、前記ｎ型不純物を拡散させることと、を含む、センサ素子の製造方法である。
【発明の効果】
【0008】
本開示の一態様によれば、素子そのものの発光が低減されたセンサ素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態におけるセンサ素子の一断面図を示す模式図である。
【図2】実施形態におけるセンサ素子の上面図を示す模式図である。
【図3】実施形態におけるセンサ素子の電流―電圧特性を示す模式図である。
【図4】Ｓ型負性抵抗を示す素子の電流―電圧特性を示す模式図である。
【図5A】実施形態におけるセンサ素子の製造方法を表すフローチャートである。
【図5B】実施形態における積層体を準備する工程の一例を表すフローチャートである。
【図6】第１シリコン半導体部を準備する工程および第２シリコン半導体部を準備する工程を表す模式図である。
【図7】第３シリコン半導体部を準備する工程を表す模式図である。
【図8】第１シリコン半導体部を薄くする工程を表す模式図である。
【図9】第１電極および第２電極を形成する工程を表す模式図である。
【図10】ｎ型不純物を拡散させる工程を表す模式図である。
【図11】第１電極および第２電極を除去する工程を表す模式図である。
【図12】個片化工程を表す模式図である。
【図13】実施形態のセンサ素子を含む放射温度計を示す模式図である。
【図14】実施形態に係るセンサ素子を備える放射温度計を示す模式図である。
【図15】実施形態に係るセンサ素子を備えるイメージセンサを示す模式図である。
【図16A】実施例１に係るセンサ素子の電流―電圧特性を表すグラフである。
【図16B】実施例１および比較例１に係るセンサ素子の電圧勾配を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。さらに本明細書に記載される数値範囲の上限及び下限は、数値範囲として例示された数値をそれぞれ任意に選択して組み合わせることが可能である。以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための、センサ素子及びその製造方法を例示するものであって、本発明は、以下に示すセンサ素子及びその製造方法に限定されない。
【0011】
＜センサ素子１＞
図１は実施形態におけるセンサ素子１の一断面図を示している。センサ素子１は、第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部１０と、第１シリコン半導体部１０の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部２０と、第２シリコン半導体部２０の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部３０と、を備え、第２シリコン半導体部２０と第３シリコン半導体部３０との間に位置するｐｎ接合２６を含み、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する。
図１は実施形態におけるセンサ素子１の一断面図を示している。センサ素子１は、第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部１０と、第１シリコン半導体部１０の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部２０と、第２シリコン半導体部２０の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部３０と、を備え、第２シリコン半導体部２０と第３シリコン半導体部３０との間に位置するｐｎ接合２６を含み、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する。
【0012】
シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して感度を持たせる場合、ドレスト光子を利用すると、センサ素子は受光感度を有すると同時に発光効率が向上する。しかし、センサとして利用する場合、センサ素子そのものが発光すると、その光をセンサ素子が受光する。センサ素子そのものの発光は、センサ素子にとってはノイズとなり得るものであるが、これまでこのような観点では議論がされなかった。すなわち、センサ素子そのものの発光を低減するという新たな課題を上述の構成により解決した。実施形態のセンサ素子１は、第１シリコン半導体部１０および第２シリコン半導体部２０がｐ型不純物を含み、第３シリコン半導体部３０がｎ型不純物を含むことで、センサ素子１そのものの発光を低減させることができる。
【0013】
（第１シリコン半導体部１０）
第１シリコン半導体部１０は、例えば、第１ｐ型不純物を含むシリコン基板または第１ｐ型不純物を含むシリコン半導体層である。第１シリコン半導体部１０は、好ましくは第１ｐ型不純物を含むシリコン基板である。第１ｐ型不純物は、例えば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムが挙げられる。第１シリコン半導体部は第１ｐ型不純物を第１濃度で含む。第１濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下、好ましくは１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下である。シリコン中に含まれる不純物濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により見積もることができる。また、第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率は、例えば、０．００１Ωｃｍ以上１Ωｃｍ以下、好ましくは、０．０１Ωｃｍ以上１Ωｃｍ以下である。第１シリコン半導体部１０の不純物濃度と電気抵抗率との関係は、例えば、Ｉｒｖｉｎ曲線を参照することにより予想することができる。後述する第２シリコン半導体部２０および第３シリコン半導体部３０も同様である。第１シリコン半導体部１０の厚さは、例えば、１００μｍ以上８００μｍ以下であってよい。第１シリコン半導体部１０は単結晶シリコン、多結晶シリコン、またはアモルファスシリコンであってもよく、好ましくは、単結晶シリコンである。第２シリコン半導体部２０としてエピタキシャル成長により成膜したシリコン半導体層を選択することができる。
第１シリコン半導体部１０は、例えば、第１ｐ型不純物を含むシリコン基板または第１ｐ型不純物を含むシリコン半導体層である。第１シリコン半導体部１０は、好ましくは第１ｐ型不純物を含むシリコン基板である。第１ｐ型不純物は、例えば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムが挙げられる。第１シリコン半導体部は第１ｐ型不純物を第１濃度で含む。第１濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下、好ましくは１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下である。シリコン中に含まれる不純物濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により見積もることができる。また、第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率は、例えば、０．００１Ωｃｍ以上１Ωｃｍ以下、好ましくは、０．０１Ωｃｍ以上１Ωｃｍ以下である。第１シリコン半導体部１０の不純物濃度と電気抵抗率との関係は、例えば、Ｉｒｖｉｎ曲線を参照することにより予想することができる。後述する第２シリコン半導体部２０および第３シリコン半導体部３０も同様である。第１シリコン半導体部１０の厚さは、例えば、１００μｍ以上８００μｍ以下であってよい。第１シリコン半導体部１０は単結晶シリコン、多結晶シリコン、またはアモルファスシリコンであってもよく、好ましくは、単結晶シリコンである。第２シリコン半導体部２０としてエピタキシャル成長により成膜したシリコン半導体層を選択することができる。
【0014】
（第２シリコン半導体部２０）
第２シリコン半導体部２０は、例えば、第２ｐ型不純物を含むシリコン基板または第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層である。第２シリコン半導体部２０は、好ましくは第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層である。シリコン半導体層は、例えば、少なくとも一方向において結晶の方位が揃っていることが望ましい。例えば、エピタキシャル成長したシリコン半導体層であってよい。第２ｐ型不純物は、例えば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムが挙げられる。第２ｐ型不純物は、好ましくはホウ素またはアルミニウムであり、特に好ましくはアルミニウムである。ガリウムとインジウムの原子番号と比べて、ホウ素とアルミニウムの原子番号は、シリコンの原子番号に近い。これにより、不純物の原子番号がシリコンの原子番号と近いほどフォノン閉じ込めが起こりにくい。したがって、ドレスト光子およびドレスト光子フォノンを介する発光を低減することができる。不純物の拡散が抑制されるので、センサ素子１の発光効率がさらに低下する。センサ素子１が自ら発する光を受光しにくくなるので、センサ素子１のノイズが低減する。ノイズが低減することで、センサ素子１を広い温度範囲において安定に動作させることができる。第２シリコン半導体部２０は第２ｐ型不純物を第２濃度で含み、第２濃度は第１濃度よりも低い。第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率を第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率よりも高くすることができるので、ｐｎ接合２６が設けられる部分に印加される電圧が上昇する。これにより、素子を流れる電流値が大きくなるので、感度の高いセンサを提供することができる。第２濃度は、例えば、１×１０１４ｃｍ－３以上１×１０１６ｃｍ－３以下、好ましくは５×１０１４ｃｍ－３以上１×１０１６ｃｍ－１以下である。また、第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率は第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率よりも大きく、例えば、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下、好ましくは、１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下である。第２シリコン半導体部２０の厚さは、例えば、２μｍ以上１０μｍ以下である。
第２シリコン半導体部２０は、例えば、第２ｐ型不純物を含むシリコン基板または第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層である。第２シリコン半導体部２０は、好ましくは第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層である。シリコン半導体層は、例えば、少なくとも一方向において結晶の方位が揃っていることが望ましい。例えば、エピタキシャル成長したシリコン半導体層であってよい。第２ｐ型不純物は、例えば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムが挙げられる。第２ｐ型不純物は、好ましくはホウ素またはアルミニウムであり、特に好ましくはアルミニウムである。ガリウムとインジウムの原子番号と比べて、ホウ素とアルミニウムの原子番号は、シリコンの原子番号に近い。これにより、不純物の原子番号がシリコンの原子番号と近いほどフォノン閉じ込めが起こりにくい。したがって、ドレスト光子およびドレスト光子フォノンを介する発光を低減することができる。不純物の拡散が抑制されるので、センサ素子１の発光効率がさらに低下する。センサ素子１が自ら発する光を受光しにくくなるので、センサ素子１のノイズが低減する。ノイズが低減することで、センサ素子１を広い温度範囲において安定に動作させることができる。第２シリコン半導体部２０は第２ｐ型不純物を第２濃度で含み、第２濃度は第１濃度よりも低い。第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率を第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率よりも高くすることができるので、ｐｎ接合２６が設けられる部分に印加される電圧が上昇する。これにより、素子を流れる電流値が大きくなるので、感度の高いセンサを提供することができる。第２濃度は、例えば、１×１０１４ｃｍ－３以上１×１０１６ｃｍ－３以下、好ましくは５×１０１４ｃｍ－３以上１×１０１６ｃｍ－１以下である。また、第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率は第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率よりも大きく、例えば、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下、好ましくは、１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下である。第２シリコン半導体部２０の厚さは、例えば、２μｍ以上１０μｍ以下である。
【0015】
（第３シリコン半導体部３０）
第３シリコン半導体部３０は、例えば、ｎ型不純物を含むシリコン半導体層である。正孔の移動度は電子の移動度よりも小さいので、第２シリコン半導体部２０の正孔分布が第３シリコン半導体部３０側へ広がった状態となる。しかし、正孔の移動度は電子の移動度よりも小さいので、正孔の広がりは電子の広がりよりも小さい。したがって、センサ素子１での発光再結合が生じる確率を低下させることができる。すなわち、センサ素子１そのものの発光を低減することができる。ｎ型不純物は、例えば、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、またはビスマスであってよい。ｎ型不純物は、シリコンの原子番号よりも大きなものが好ましい。ｎ型不純物の原子番号がシリコンの原子番号よりも大きいことで、拡散が生じにくい。これらの原子は、受光感度を向上させる一方で、ドレスト光子およびドレスト光子フォノンを介する発光を得にくくできる。例えば、ｎ型不純物は、好ましくは、リン、ヒ素、アンチモンまたはビスマスであり、より好ましくは、ヒ素、アンチモンまたはビスマスである。第３シリコン半導体部３０はｎ型不純物を第３濃度で含む。第３濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下、好ましくは５×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下である。また、第３濃度は、第３シリコン半導体部３０の全体において一定である必要はなく、例えば、第３シリコン半導体部３０から第１シリコン半導体部１０へ向かうにつれて第３濃度が変化してもよい。また、第３シリコン半導体部３０の電気抵抗率は、例えば、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下、好ましくは、１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下であってよい。第３シリコン半導体部３０の厚さは、例えば、１μｍ以上２μｍ以下であってよい。
第３シリコン半導体部３０は、例えば、ｎ型不純物を含むシリコン半導体層である。正孔の移動度は電子の移動度よりも小さいので、第２シリコン半導体部２０の正孔分布が第３シリコン半導体部３０側へ広がった状態となる。しかし、正孔の移動度は電子の移動度よりも小さいので、正孔の広がりは電子の広がりよりも小さい。したがって、センサ素子１での発光再結合が生じる確率を低下させることができる。すなわち、センサ素子１そのものの発光を低減することができる。ｎ型不純物は、例えば、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、またはビスマスであってよい。ｎ型不純物は、シリコンの原子番号よりも大きなものが好ましい。ｎ型不純物の原子番号がシリコンの原子番号よりも大きいことで、拡散が生じにくい。これらの原子は、受光感度を向上させる一方で、ドレスト光子およびドレスト光子フォノンを介する発光を得にくくできる。例えば、ｎ型不純物は、好ましくは、リン、ヒ素、アンチモンまたはビスマスであり、より好ましくは、ヒ素、アンチモンまたはビスマスである。第３シリコン半導体部３０はｎ型不純物を第３濃度で含む。第３濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下、好ましくは５×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下である。また、第３濃度は、第３シリコン半導体部３０の全体において一定である必要はなく、例えば、第３シリコン半導体部３０から第１シリコン半導体部１０へ向かうにつれて第３濃度が変化してもよい。また、第３シリコン半導体部３０の電気抵抗率は、例えば、０．１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下、好ましくは、１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下であってよい。第３シリコン半導体部３０の厚さは、例えば、１μｍ以上２μｍ以下であってよい。
【0016】
（ｐｎ接合２６）
第２シリコン半導体部２０と第３シリコン半導体部３０との間にｐｎ接合２６が形成される。ｐｎ接合２６が形成される部分において、ｎ型不純物の一部は所定の分布を有してよい。ｎ型不純物は、例えば、（シリコンのバンドギャップ）―（シリコンにおけるフォノンのエネルギー）×（ｎ型不純物の間隔）×（整数）＝（受光可能な波長と対応するエネルギー）を満たすような分布を含んでいてもよい。このような分布は、例えば、３次元アトムプローブ分光により分析がされ得る。
第２シリコン半導体部２０と第３シリコン半導体部３０との間にｐｎ接合２６が形成される。ｐｎ接合２６が形成される部分において、ｎ型不純物の一部は所定の分布を有してよい。ｎ型不純物は、例えば、（シリコンのバンドギャップ）―（シリコンにおけるフォノンのエネルギー）×（ｎ型不純物の間隔）×（整数）＝（受光可能な波長と対応するエネルギー）を満たすような分布を含んでいてもよい。このような分布は、例えば、３次元アトムプローブ分光により分析がされ得る。
【0017】
（正電極４０ａ）
正電極４０ａは第１シリコン半導体部１０と電気的に接続される。正電極４０ａは、例えば、第１シリコン半導体部１０の第１主面１１の全体に設けられる。正電極４０ａの材料は、例えば、クロム、プラチナ、および金からなる群から選択される少なくとも１つの金属から形成され得る。
正電極４０ａは第１シリコン半導体部１０と電気的に接続される。正電極４０ａは、例えば、第１シリコン半導体部１０の第１主面１１の全体に設けられる。正電極４０ａの材料は、例えば、クロム、プラチナ、および金からなる群から選択される少なくとも１つの金属から形成され得る。
【0018】
（負電極４０ｂ）
負電極４０ｂは第３シリコン半導体部３０と電気的に接続される。負電極４０ｂは、例えば、第３シリコン半導体部３０の第２主面３１に設けられる。図２に示すように、負電極４０ｂは第２主面３１の縁に沿う環状の電極として設けてよい。これにより、素子に順方向電流を流しつつ、第２主面３１で効率よく受光することができる。負電極４０ｂの幅は、第２主面３１の１辺の長さに対して０．０１倍以上０．５倍以下であってよい。負電極４０ｂの材料は、例えば、チタン、プラチナ、および金からなる群から選択される少なくとも１つの金属から形成され得る。
負電極４０ｂは第３シリコン半導体部３０と電気的に接続される。負電極４０ｂは、例えば、第３シリコン半導体部３０の第２主面３１に設けられる。図２に示すように、負電極４０ｂは第２主面３１の縁に沿う環状の電極として設けてよい。これにより、素子に順方向電流を流しつつ、第２主面３１で効率よく受光することができる。負電極４０ｂの幅は、第２主面３１の１辺の長さに対して０．０１倍以上０．５倍以下であってよい。負電極４０ｂの材料は、例えば、チタン、プラチナ、および金からなる群から選択される少なくとも１つの金属から形成され得る。
【0019】
（センサ素子１の受光波長）
実施形態におけるセンサ素子１は順方向電流を印加することで駆動し、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する。例えば、１１１０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下、好ましくは、１２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の波長範囲において、受光感度を有する。このような受光波長の範囲は、ｎ型不純物が拡散し、所定の分布となることで生じると考えられる。シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長における受光感度は、例えば、後述するｎ型不純物を拡散させる工程によって、センサ素子１に与えることができる。従来のシリコンからなるセンサ素子は逆方向電流を印加することで駆動し、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも短い波長の光しか受光することができない。なお、実施形態において、ｐｎ接合２６は、シリコン、ｎ型不純物、およびｐ型不純物以外の材料を含まない。したがって、センサ素子１の受光波長は、例えばＩｎＧａＡｓのようなシリコンと比べてバンドギャップが小さい材料に起因するものではない。また、ＩｎＧａＡｓのような材料からなる受光素子は駆動するために冷却することが必要だが、実施形態のセンサ素子１は、冷却することなく駆動することができる。
実施形態におけるセンサ素子１は順方向電流を印加することで駆動し、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有する。例えば、１１１０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下、好ましくは、１２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の波長範囲において、受光感度を有する。このような受光波長の範囲は、ｎ型不純物が拡散し、所定の分布となることで生じると考えられる。シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長における受光感度は、例えば、後述するｎ型不純物を拡散させる工程によって、センサ素子１に与えることができる。従来のシリコンからなるセンサ素子は逆方向電流を印加することで駆動し、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも短い波長の光しか受光することができない。なお、実施形態において、ｐｎ接合２６は、シリコン、ｎ型不純物、およびｐ型不純物以外の材料を含まない。したがって、センサ素子１の受光波長は、例えばＩｎＧａＡｓのようなシリコンと比べてバンドギャップが小さい材料に起因するものではない。また、ＩｎＧａＡｓのような材料からなる受光素子は駆動するために冷却することが必要だが、実施形態のセンサ素子１は、冷却することなく駆動することができる。
【0020】
（電流―電圧特性）
ここで、実施形態におけるセンサ素子１の電流―電圧特性について説明する。実施形態におけるセンサ素子１はＳ型の負性抵抗を示し、その電流―電圧特性の一部は、電圧の２次式、
Ｉ＝ａ（ｔ）＋ｂ（ｔ）Ｖ＋ｃ（ｔ）Ｖ２・・・（１）
で近似することができる。ここで、ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）、およびｃ（ｔ）はそれぞれ温度に依存する係数である。図３は、（１）式が示す電流―電圧特性の一部を表す式図である。破線は、温度がＴ１であるときの電流―電圧特性を表し、実線は温度がＴ２であるときの電流―電圧特性を表す。Ｔ１とＴ２は、Ｔ１＜Ｔ２の関係を有する。
ここで、実施形態におけるセンサ素子１の電流―電圧特性について説明する。実施形態におけるセンサ素子１はＳ型の負性抵抗を示し、その電流―電圧特性の一部は、電圧の２次式、
Ｉ＝ａ（ｔ）＋ｂ（ｔ）Ｖ＋ｃ（ｔ）Ｖ２・・・（１）
で近似することができる。ここで、ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）、およびｃ（ｔ）はそれぞれ温度に依存する係数である。図３は、（１）式が示す電流―電圧特性の一部を表す式図である。破線は、温度がＴ１であるときの電流―電圧特性を表し、実線は温度がＴ２であるときの電流―電圧特性を表す。Ｔ１とＴ２は、Ｔ１＜Ｔ２の関係を有する。
【0021】
実施形態におけるセンサ素子１は、（１）式に示すように電圧の０次の項の係数だけでなく、電圧の１次の項および２次の項の係数も温度依存性を示す。図３に示すように、電流―電圧特性は電圧が大きくなるにしたがって急峻に変化し、非線形な変化をする。よって、実施形態におけるセンサ素子１は、電圧の１次の項および２次の項の係数が温度依存性を示すことで、所定の電圧値においてセンサ素子１を流れる電流値を大きくすることができる。このようなセンサ素子１の電流―電圧特性は、センサ素子１がシリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長の光を受光可能なことに起因すると考えられる。すなわち、ｐｎ接合２６における電気抵抗が、サーミスタの温度特性を示すＳｔｅｉｎｈａｒｔ－Ｈａｒｔ式に依存する成分と、黒体輻射による温度特性を示すＳｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎの法則に依存する成分と、を含むことに起因すると考えられる。
【0022】
（１０ｍＡの電流値における１度あたりの電圧値の変化量）
実施形態に係るセンサ素子１は、電流―電圧特性に大きな温度依存性を示す。したがって、実施形態におけるセンサ素子１は、所定の電流値における１度あたりの電圧値の変化量が大きい。本明細書では、１０ｍＡの電流値における１度あたりの電圧値の変化量を電圧勾配と呼ぶ。２０℃以上４５℃以下の範囲において、電圧勾配は、例えば、１５０ｍＶ／℃以上３００ｍＶ／℃以下であってよい。２０℃以上４５℃以下の範囲において、電圧勾配は、例えば、１６０ｍＶ／℃以上２９０ｍＶ／℃以下、または１７０ｍＶ／℃以上２８０ｍＶ／℃以下であってもよい。実施形態におけるセンサ素子１は、上述した第１シリコン半導体部１０、第２シリコン半導体部２０、および第３シリコン半導体部３０を有することで、センサ素子１の発光効率が低下する。したがって、センサ素子１が自ら発する光を受光することで生じるノイズが抑制され、安定して利用することが可能な温度領域が拡大する。すなわち、センサ素子１は安定して動作する。なお、例えば、既存のシリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長の光を受光することができないシリコン半導体によるセンサ素子１の電圧勾配は、２ｍＶ／℃程度であり、これと比べて実施形態におけるセンサ素子１の電圧勾配は大きい。これは、センサ素子１が高い感度を有することを意味する。
実施形態に係るセンサ素子１は、電流―電圧特性に大きな温度依存性を示す。したがって、実施形態におけるセンサ素子１は、所定の電流値における１度あたりの電圧値の変化量が大きい。本明細書では、１０ｍＡの電流値における１度あたりの電圧値の変化量を電圧勾配と呼ぶ。２０℃以上４５℃以下の範囲において、電圧勾配は、例えば、１５０ｍＶ／℃以上３００ｍＶ／℃以下であってよい。２０℃以上４５℃以下の範囲において、電圧勾配は、例えば、１６０ｍＶ／℃以上２９０ｍＶ／℃以下、または１７０ｍＶ／℃以上２８０ｍＶ／℃以下であってもよい。実施形態におけるセンサ素子１は、上述した第１シリコン半導体部１０、第２シリコン半導体部２０、および第３シリコン半導体部３０を有することで、センサ素子１の発光効率が低下する。したがって、センサ素子１が自ら発する光を受光することで生じるノイズが抑制され、安定して利用することが可能な温度領域が拡大する。すなわち、センサ素子１は安定して動作する。なお、例えば、既存のシリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長の光を受光することができないシリコン半導体によるセンサ素子１の電圧勾配は、２ｍＶ／℃程度であり、これと比べて実施形態におけるセンサ素子１の電圧勾配は大きい。これは、センサ素子１が高い感度を有することを意味する。
【0023】
（電気抵抗率）
第１シリコン半導体部１０と、第２シリコン半導体部２０と、第３シリコン半導体部３０からなる部分電気抵抗率は、例えば、２５℃において、印加する電圧が１Ｖ以上１００Ｖ以下の範囲において、１Ωｃｍ以上１０００ＭΩｃｍ以下、好ましくは１００Ωｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下である。または、第１シリコン半導体部１０と、第２シリコン半導体部２０と、第３シリコン半導体部３０からなる部分電気抵抗率は、例えば、２５℃において、印加する電圧が１０Ｖ以上３０Ｖ以下の範囲において、１ｋΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、好ましくは１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下である。センサ素子１の電気抵抗率が比較的高いので、センサ素子１に大きな電圧を印加しやすい。印加する電圧が大きいほど、式（１）において電圧の１次の項および２次の項の寄与を大きくすることができるので、センサ素子１の感度を高めることができる。また、第１シリコン半導体部は第１ｐ型不純物を第１濃度で含み、第２シリコン半導体部２０は第２ｐ型不純物を第２濃度で含み、第２濃度は第１濃度よりも低い。したがって、センサ素子１のうち、第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率が第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率よりも高くなる。これにより、ｐｎ接合２６が形成される部分においてより大きな電圧をかけることができるので、センサ素子１の感度を高めることができる。
第１シリコン半導体部１０と、第２シリコン半導体部２０と、第３シリコン半導体部３０からなる部分電気抵抗率は、例えば、２５℃において、印加する電圧が１Ｖ以上１００Ｖ以下の範囲において、１Ωｃｍ以上１０００ＭΩｃｍ以下、好ましくは１００Ωｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下である。または、第１シリコン半導体部１０と、第２シリコン半導体部２０と、第３シリコン半導体部３０からなる部分電気抵抗率は、例えば、２５℃において、印加する電圧が１０Ｖ以上３０Ｖ以下の範囲において、１ｋΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、好ましくは１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下である。センサ素子１の電気抵抗率が比較的高いので、センサ素子１に大きな電圧を印加しやすい。印加する電圧が大きいほど、式（１）において電圧の１次の項および２次の項の寄与を大きくすることができるので、センサ素子１の感度を高めることができる。また、第１シリコン半導体部は第１ｐ型不純物を第１濃度で含み、第２シリコン半導体部２０は第２ｐ型不純物を第２濃度で含み、第２濃度は第１濃度よりも低い。したがって、センサ素子１のうち、第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率が第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率よりも高くなる。これにより、ｐｎ接合２６が形成される部分においてより大きな電圧をかけることができるので、センサ素子１の感度を高めることができる。
【0024】
（負性抵抗）
実施形態におけるセンサ素子１は、Ｓ型の負性抵抗を示す。図４にＳ型負性抵抗における電流―電圧特性を示す模式図を示す。ある電圧値Ｖ１からＶ２の間において、２通りの電流値をとることがわかる。２通りの電流値をとる場合、正確な電圧勾配を測定することが困難となる。よって、電圧値Ｖ１よりも小さい電圧の範囲でセンサ素子１を駆動することが好ましい。なお、電圧値Ｖ１は電流―電圧特性において、電圧値の折り返し点を示す電圧値の内、小さい方である。電圧値Ｖ２は電流―電圧特性において、電圧値の折り返し点を示す電圧値の内、大きい方である。
実施形態におけるセンサ素子１は、Ｓ型の負性抵抗を示す。図４にＳ型負性抵抗における電流―電圧特性を示す模式図を示す。ある電圧値Ｖ１からＶ２の間において、２通りの電流値をとることがわかる。２通りの電流値をとる場合、正確な電圧勾配を測定することが困難となる。よって、電圧値Ｖ１よりも小さい電圧の範囲でセンサ素子１を駆動することが好ましい。なお、電圧値Ｖ１は電流―電圧特性において、電圧値の折り返し点を示す電圧値の内、小さい方である。電圧値Ｖ２は電流―電圧特性において、電圧値の折り返し点を示す電圧値の内、大きい方である。
【0025】
以上、実施形態のセンサ素子１は、センサ素子１そのものによる発光を低減することができる。また、実施形態のセンサ素子１は、広い温度範囲において、より安定に動作する。また、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長の光を受光することができない半導体センサ素子と比べて高い感度を有する。特に電圧勾配が大きく、温度変化に対して高い感度を有する。
【0026】
以上、実施形態におけるセンサ素子１について説明したが、センサ素子１はこれに限定はされない。実施形態のセンサ素子１は、第１ｎ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｎ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、第２シリコン半導体部の上に設けられ、ｐ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、を備え、第２シリコン半導体部と第３シリコン半導体部との間に位置するｐｎ接合を含み、ｐ型不純物の原子番号はシリコンの原子番号よりも大きく、シリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光に対して受光感度を有してよい。ｐ型不純物の番号がシリコンの原子番号よりも大きいことで、シリコンよりも重く、拡散が生じにくい。ｐ型不純物は、受光感度を向上させる一方で、ドレスト光子およびドレスト光子フォノンを介する発光を得られにくくできる。ｐ型不純物としては、例えば、ガリウムまたはインジウムが挙げられる。ガリウムまたはインジウムはシリコンよりも原子番号が大きいので、シリコンよりも重く、拡散が生じにくい。なお、ｎ型不純物とｐ型不純物を入れ替えたこと以外は上述の構成と同様な構成を備えることができる。
【0027】
＜センサ素子１の製造方法＞
以下、実施形態におけるセンサ素子１の製造方法について図５Ａ、図５Ｂ、図６から図１２を用いて説明する。実施形態におけるセンサ素子１の製造方法は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部１０と、第１シリコン半導体部１０の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部２０と、第２シリコン半導体部２０の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部３０と、を含む積層体１Ａを準備することと、積層体１Ａに、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、ｎ型不純物を拡散させることと、を含む。
以下、実施形態におけるセンサ素子１の製造方法について図５Ａ、図５Ｂ、図６から図１２を用いて説明する。実施形態におけるセンサ素子１の製造方法は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第１ｐ型不純物を含む第１シリコン半導体部１０と、第１シリコン半導体部１０の上に設けられ、第２ｐ型不純物を含む第２シリコン半導体部２０と、第２シリコン半導体部２０の上に設けられ、ｎ型不純物を含む第３シリコン半導体部３０と、を含む積層体１Ａを準備することと、積層体１Ａに、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、ｎ型不純物を拡散させることと、を含む。
【0028】
第１シリコン半導体部１０および第２シリコン半導体部２０がｐ型不純物を含み、第３シリコン半導体部３０がｎ型不純物を含むことで、センサ素子そのものの発光が低減されたセンサ素子を製造することができる。これにより、自発光によるノイズが低減し、安定に動作するセンサ素子１を製造することができる。
【0029】
図５Ａに示すように、センサ素子１の製造方法は、積層体を準備する工程と、ｎ型不純物を拡散させる工程を含む。また、図５Ｂに示すように、積層体を準備する工程は、第１シリコン半導体部１０を準備する工程と、第２シリコン半導体部２０を準備する工程と、第３シリコン半導体部３０を準備する工程と、を含んでもよい。
【0030】
（第１シリコン半導体部１０を準備する工程）
第１シリコン半導体部１０を準備する工程は、図６に示すように、第１ｐ型不純物を含むシリコン基板または第１ｐ型不純物を含むシリコン半導体層を準備する工程である。第１シリコン半導体部１０は第１ｐ型不純物を含むシリコン基板であることが好ましい。第１シリコン半導体部１０がシリコン基板である場合、引き上げ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法とも呼ばれる）または浮遊帯溶融（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法で製造したインゴットから取り出したシリコンウエハを用いてもよい。第１シリコン半導体部１０に含まれる第１ｐ型不純物は、例えばホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムであってよい。
第１シリコン半導体部１０を準備する工程は、図６に示すように、第１ｐ型不純物を含むシリコン基板または第１ｐ型不純物を含むシリコン半導体層を準備する工程である。第１シリコン半導体部１０は第１ｐ型不純物を含むシリコン基板であることが好ましい。第１シリコン半導体部１０がシリコン基板である場合、引き上げ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法とも呼ばれる）または浮遊帯溶融（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法で製造したインゴットから取り出したシリコンウエハを用いてもよい。第１シリコン半導体部１０に含まれる第１ｐ型不純物は、例えばホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムであってよい。
【0031】
（第２シリコン半導体部２０を準備する工程）
第２シリコン半導体部２０を準備する工程は、図６に示すように、第１シリコン半導体部１０の上に、第２ｐ型不純物を含むシリコン基板または第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層を準備する工程である。第２シリコン半導体部２０は第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層が好ましい。第２シリコン半導体部２０に含まれる第２ｐ型不純物の不純物濃度（第２濃度）は、第１シリコン半導体部１０に含まれる第１ｐ型不純物の不純物濃度（第１濃度）よりも大きい。このような濃度の大小関係は、第２シリコン半導体部２０がシリコン半導体層である方が容易に形成可能である。第２シリコン半導体部２０に含まれる第２ｐ型不純物は、例えばホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムであってよい。センサ素子１の発光効率を低下させるために、第２ｐ型不純物はホウ素またはアルミニウムであることが好ましく、第２ｐ型不純物はアルミニウムであることがより好ましい。第２シリコン半導体部２０がシリコン半導体層である場合、例えば、化学気相体積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、またはプラズマＣＶＤ法などで形成してもよい。第２シリコン半導体部２０は少なくとも一方向において結晶の方位が揃っていることが好ましい。例えば、第１シリコン半導体部１０の上に第２シリコン半導体部をエピタキシャル成長させてよい。したがって、例えば、ＣＶＤ法およびＭＢＥ法で形成することが好ましく、簡易に製造できるＣＶＤ法がより好ましい。ＣＶＤ法は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）や四塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）などの化合物ガスを、熱分解あるいは水素還元を行う方法である。第２ｐ型不純物は、例えば、フォスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）などの不純物化合物ガスを供給ガスに混合することにより、形成することができる。第２シリコン半導体部２０は、例えば、第１シリコン半導体部１０であるシリコン基板の（１００）面、（１１０）面、または（１１１）面上にエピタキシャル成長させたシリコン半導体層であってよい。第２ｐ型不純物は、例えばホウ素、アルミニウムであってよい。
第２シリコン半導体部２０を準備する工程は、図６に示すように、第１シリコン半導体部１０の上に、第２ｐ型不純物を含むシリコン基板または第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層を準備する工程である。第２シリコン半導体部２０は第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層が好ましい。第２シリコン半導体部２０に含まれる第２ｐ型不純物の不純物濃度（第２濃度）は、第１シリコン半導体部１０に含まれる第１ｐ型不純物の不純物濃度（第１濃度）よりも大きい。このような濃度の大小関係は、第２シリコン半導体部２０がシリコン半導体層である方が容易に形成可能である。第２シリコン半導体部２０に含まれる第２ｐ型不純物は、例えばホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムであってよい。センサ素子１の発光効率を低下させるために、第２ｐ型不純物はホウ素またはアルミニウムであることが好ましく、第２ｐ型不純物はアルミニウムであることがより好ましい。第２シリコン半導体部２０がシリコン半導体層である場合、例えば、化学気相体積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、またはプラズマＣＶＤ法などで形成してもよい。第２シリコン半導体部２０は少なくとも一方向において結晶の方位が揃っていることが好ましい。例えば、第１シリコン半導体部１０の上に第２シリコン半導体部をエピタキシャル成長させてよい。したがって、例えば、ＣＶＤ法およびＭＢＥ法で形成することが好ましく、簡易に製造できるＣＶＤ法がより好ましい。ＣＶＤ法は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）や四塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）などの化合物ガスを、熱分解あるいは水素還元を行う方法である。第２ｐ型不純物は、例えば、フォスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）などの不純物化合物ガスを供給ガスに混合することにより、形成することができる。第２シリコン半導体部２０は、例えば、第１シリコン半導体部１０であるシリコン基板の（１００）面、（１１０）面、または（１１１）面上にエピタキシャル成長させたシリコン半導体層であってよい。第２ｐ型不純物は、例えばホウ素、アルミニウムであってよい。
【0032】
（第３シリコン半導体部３０を準備する工程）
第３シリコン半導体部３０を準備する工程は、図７に示すように、第２シリコン半導体部２０にイオン注入（ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を行うことにより、第２シリコン半導体部２０の上に、第３シリコン半導体部３０を準備する工程である。図７中の矢印はイオン注入される様子を表している。この工程において、イオン注入する原子は、ｎ型不純物となる原子であり、例えば、リン、ヒ素、アンチモン、またはビスマスであってよい。ｎ型不純物は、シリコンの原子番号よりも大きなものが好ましい。ｎ型不純物の原子番号をシリコンの原子番号よりも大きくすることで、拡散を生じさせにくくすることができる。これらの原子は、受光感度を向上させる一方で、ドレスト光子およびドレスト光子フォノンを介する発光を得にくくできる。ｎ型不純物は、好ましくは、リン、ヒ素、アンチモンまたはビスマスであり、より好ましくは、ヒ素、アンチモンまたはビスマスである。イオン注入は、例えば、１０ｋｅｖ以上１０００ｋｅｖ以下のエネルギーで加速させた不純物イオンを第２シリコン半導体部２０に打ち込む。不純物を加速するエネルギーは１種類でもよいし、２種類以上であってよもよい。また、エネルギーを変化させながらイオン注入を行ってもよい。注入のドーズ量は、例えば、１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であってよい。また、イオン注入を行ったあとで、図８に示すように、第１シリコン半導体部１０を薄くしてもよい。後述するｎ型不純物を拡散させる工程において、積層体１Ａを効率よく冷却し、所望の分布となるようにｎ型不純物を拡散しやすくなる。第１シリコン半導体部１０は、例えば、化学機械研磨により薄くしてもよい。
第３シリコン半導体部３０を準備する工程は、図７に示すように、第２シリコン半導体部２０にイオン注入（ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を行うことにより、第２シリコン半導体部２０の上に、第３シリコン半導体部３０を準備する工程である。図７中の矢印はイオン注入される様子を表している。この工程において、イオン注入する原子は、ｎ型不純物となる原子であり、例えば、リン、ヒ素、アンチモン、またはビスマスであってよい。ｎ型不純物は、シリコンの原子番号よりも大きなものが好ましい。ｎ型不純物の原子番号をシリコンの原子番号よりも大きくすることで、拡散を生じさせにくくすることができる。これらの原子は、受光感度を向上させる一方で、ドレスト光子およびドレスト光子フォノンを介する発光を得にくくできる。ｎ型不純物は、好ましくは、リン、ヒ素、アンチモンまたはビスマスであり、より好ましくは、ヒ素、アンチモンまたはビスマスである。イオン注入は、例えば、１０ｋｅｖ以上１０００ｋｅｖ以下のエネルギーで加速させた不純物イオンを第２シリコン半導体部２０に打ち込む。不純物を加速するエネルギーは１種類でもよいし、２種類以上であってよもよい。また、エネルギーを変化させながらイオン注入を行ってもよい。注入のドーズ量は、例えば、１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であってよい。また、イオン注入を行ったあとで、図８に示すように、第１シリコン半導体部１０を薄くしてもよい。後述するｎ型不純物を拡散させる工程において、積層体１Ａを効率よく冷却し、所望の分布となるようにｎ型不純物を拡散しやすくなる。第１シリコン半導体部１０は、例えば、化学機械研磨により薄くしてもよい。
【0033】
（第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを形成する工程）
積層体１Ａを形成したあとで、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを形成する。図９は、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを形成する工程を表す。第１電極５０ａは第１シリコン半導体部１０と電気的に接続される。第１電極５０ａは、例えば、スパッタ法などにより第１シリコン半導体部１０の第１主面１１の全体に設けられる。第２電極５０ｂは第３シリコン半導体部３０と電気的に接続される。第２電極５０ｂは、例えば、第３シリコン半導体部３０の第２主面３１に設けられる。第２電極５０ｂは、格子状に形成してよい。これにより、後述するＤＰＰアニールを行う工程において、効率的に積層体１Ａに順方向電流を注入し、誘導放出を行うためのキャリアを与えることができる。
積層体１Ａを形成したあとで、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを形成する。図９は、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを形成する工程を表す。第１電極５０ａは第１シリコン半導体部１０と電気的に接続される。第１電極５０ａは、例えば、スパッタ法などにより第１シリコン半導体部１０の第１主面１１の全体に設けられる。第２電極５０ｂは第３シリコン半導体部３０と電気的に接続される。第２電極５０ｂは、例えば、第３シリコン半導体部３０の第２主面３１に設けられる。第２電極５０ｂは、格子状に形成してよい。これにより、後述するＤＰＰアニールを行う工程において、効率的に積層体１Ａに順方向電流を注入し、誘導放出を行うためのキャリアを与えることができる。
【0034】
（ｎ型不純物を拡散させる工程）
図１０はｎ型不純物を拡散させる工程を示す模式図である。この工程では、積層体１Ａに、電源６０からワイヤ６１ａで接続された第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを介して順方向電流を流しながら、所定の波長の光で照射する。図１０の白抜きの矢印７２は所定の波長の光を表す。所定の波長の光とは、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い光である。この工程により、ｐｎ接合２６が形成され、照射した光の波長と対応する波長に受光感度を持たせることができる。照射する光によって、ｎ型不純物の拡散が制御されるためであると考えられる。これは、ｎ型不純物の近傍に近接場光の一種であるドレスト光子、およびドレスト光子とシリコンのフォノンが相互作用したドレスト光子フォノンが生じるという仮定に基づくと、以下のように説明される。電流注入により拡散される不純物は、照射された光を受けて誘導放出を生じる。この誘導放出は電流注入によって生じるジュール熱の一部を利用するので。素子からエネルギーの一部を排出することを意味している。すなわち、誘導放出が生じる部分において素子を冷却し、アニールの進行が低減される。これは、ドレスト光子フォノン援用アニール（ＤＰＰアニール：Ｄｒｅｓｓｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｐｈｏｎｏｎ Ａｓｓｉｔｅｄ Ａｎｎｅａｌ）と呼ばれている。ＤＰＰアニールを終えた後のｎ型不純物の一部は、照射された光のエネルギーと対応した間隔で自己組織的に分布すると考えられている。例えば、自己組織的に分布するｎ型不純物は、例えば、（シリコンのバンドギャップ）―（シリコンにおけるフォノンのエネルギー）×（ｎ型不純物の間隔）×（整数）＝（受光可能な波長と対応するエネルギー）となるような周期構造であり得る。このようなｎ型不純物の分布によって、センサ素子１において、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長で受光感度を有すると考えられる。ＤＰＰアニールにおいて照射される光の波長は、例えば、１１１０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下である。照射する光は光源７０から照射されるレーザ光であってよい。照射する光は、積層体１Ａの第３半導体部側の第２主面３１側から照射してよい。照射する光は第２主面３１の一部分に照射してもよいし、光源７０を走査して第２主面３１の複数の部分に照射してもよい。誘導放出と自然放出が生じる確率は同程度なので、積層体１Ａ内で誘導放出が生じると自然放出も同程度生じる。したがって、この自然放出光が積層体１Ａ内を伝搬することで、光が照射されていない領域のｎ型不純物近傍でも誘導放出を生じ、ｎ型不純物の拡散を制御することができる。注入する順方向電流の電流密度は、例えば、１Ａ／ｃｍ２以上１００Ａ／ｃｍ２以下であってよい。順方向電流は、例えば、定常電流、三角波電流またはパルス電流であってよい。三角波電流である場合、周期時間は例えば０．５秒以上１０秒以下であり得る。パルス電流である場合、周期時間は例えば１ミリ秒以上１０ミリ秒以下であり、周期時間に対する通電時間のデューティ比は８０％以上９８％以下であり得る。なお、ｎ型不純物を拡散させる工程において、図１０に示すように、積層体１Ａはヒートシンク９０上に設けられたペルチェ素子８０の上に配置されてよい。ペルチェ素子８０によって、素子の温度を調整することができる。ヒートシンク９０は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウムであってよい。また、ｎ型不純物を拡散させる工程において、積層体１Ａに順方向電流を注入するために用いた第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂは実施形態におけるセンサ素子１の正電極４０ａおよび負電極４０ｂとして用いてもよい。センサ素子１のために第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂとは異なる電極を設ける場合は、図１１に示すようにｎ型不純物を拡散させる工程を終えたあとで、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂをエッチングにより除去する。
図１０はｎ型不純物を拡散させる工程を示す模式図である。この工程では、積層体１Ａに、電源６０からワイヤ６１ａで接続された第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを介して順方向電流を流しながら、所定の波長の光で照射する。図１０の白抜きの矢印７２は所定の波長の光を表す。所定の波長の光とは、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い光である。この工程により、ｐｎ接合２６が形成され、照射した光の波長と対応する波長に受光感度を持たせることができる。照射する光によって、ｎ型不純物の拡散が制御されるためであると考えられる。これは、ｎ型不純物の近傍に近接場光の一種であるドレスト光子、およびドレスト光子とシリコンのフォノンが相互作用したドレスト光子フォノンが生じるという仮定に基づくと、以下のように説明される。電流注入により拡散される不純物は、照射された光を受けて誘導放出を生じる。この誘導放出は電流注入によって生じるジュール熱の一部を利用するので。素子からエネルギーの一部を排出することを意味している。すなわち、誘導放出が生じる部分において素子を冷却し、アニールの進行が低減される。これは、ドレスト光子フォノン援用アニール（ＤＰＰアニール：Ｄｒｅｓｓｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｐｈｏｎｏｎ Ａｓｓｉｔｅｄ Ａｎｎｅａｌ）と呼ばれている。ＤＰＰアニールを終えた後のｎ型不純物の一部は、照射された光のエネルギーと対応した間隔で自己組織的に分布すると考えられている。例えば、自己組織的に分布するｎ型不純物は、例えば、（シリコンのバンドギャップ）―（シリコンにおけるフォノンのエネルギー）×（ｎ型不純物の間隔）×（整数）＝（受光可能な波長と対応するエネルギー）となるような周期構造であり得る。このようなｎ型不純物の分布によって、センサ素子１において、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長で受光感度を有すると考えられる。ＤＰＰアニールにおいて照射される光の波長は、例えば、１１１０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下である。照射する光は光源７０から照射されるレーザ光であってよい。照射する光は、積層体１Ａの第３半導体部側の第２主面３１側から照射してよい。照射する光は第２主面３１の一部分に照射してもよいし、光源７０を走査して第２主面３１の複数の部分に照射してもよい。誘導放出と自然放出が生じる確率は同程度なので、積層体１Ａ内で誘導放出が生じると自然放出も同程度生じる。したがって、この自然放出光が積層体１Ａ内を伝搬することで、光が照射されていない領域のｎ型不純物近傍でも誘導放出を生じ、ｎ型不純物の拡散を制御することができる。注入する順方向電流の電流密度は、例えば、１Ａ／ｃｍ２以上１００Ａ／ｃｍ２以下であってよい。順方向電流は、例えば、定常電流、三角波電流またはパルス電流であってよい。三角波電流である場合、周期時間は例えば０．５秒以上１０秒以下であり得る。パルス電流である場合、周期時間は例えば１ミリ秒以上１０ミリ秒以下であり、周期時間に対する通電時間のデューティ比は８０％以上９８％以下であり得る。なお、ｎ型不純物を拡散させる工程において、図１０に示すように、積層体１Ａはヒートシンク９０上に設けられたペルチェ素子８０の上に配置されてよい。ペルチェ素子８０によって、素子の温度を調整することができる。ヒートシンク９０は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウムであってよい。また、ｎ型不純物を拡散させる工程において、積層体１Ａに順方向電流を注入するために用いた第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂは実施形態におけるセンサ素子１の正電極４０ａおよび負電極４０ｂとして用いてもよい。センサ素子１のために第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂとは異なる電極を設ける場合は、図１１に示すようにｎ型不純物を拡散させる工程を終えたあとで、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂをエッチングにより除去する。
【0035】
（個片化する工程）
ｎ型不純物を拡散させる工程の後で、積層体１Ａを個片化してもよい。図１２は、個片化工程を表す。例えば、１辺が１μｍ以上１００００μｍ以下となるように個片化してよい。図１２に示す矢印は個片化位置を表す。破線は、個片化される他のセンサ素子１を示す。個片化は、例えば、レーザスクライブ、ダイシングなどで行うことができる。なお、個片化工程は、例えば、センサ素子１がｎ×ｎのマトリクス状のセルを有するように個片化してもよい。このとき、各セルは絶縁膜などで第３シリコン半導体部３０および第２シリコン半導体部２０が分離されていてもよい。なお、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを除去する場合は、積層体１Ａを個片化する前に正電極４０ａおよび負電極４０ｂをそれぞれ設ける。個片化は、正電極４０ａおよび負電極４０ｂを含む位置で行われてよい。また、個片化工程は、積層体１Ａを準備したあとで、ｎ型不純物を拡散する工程の前に行ってもよい。
ｎ型不純物を拡散させる工程の後で、積層体１Ａを個片化してもよい。図１２は、個片化工程を表す。例えば、１辺が１μｍ以上１００００μｍ以下となるように個片化してよい。図１２に示す矢印は個片化位置を表す。破線は、個片化される他のセンサ素子１を示す。個片化は、例えば、レーザスクライブ、ダイシングなどで行うことができる。なお、個片化工程は、例えば、センサ素子１がｎ×ｎのマトリクス状のセルを有するように個片化してもよい。このとき、各セルは絶縁膜などで第３シリコン半導体部３０および第２シリコン半導体部２０が分離されていてもよい。なお、第１電極５０ａおよび第２電極５０ｂを除去する場合は、積層体１Ａを個片化する前に正電極４０ａおよび負電極４０ｂをそれぞれ設ける。個片化は、正電極４０ａおよび負電極４０ｂを含む位置で行われてよい。また、個片化工程は、積層体１Ａを準備したあとで、ｎ型不純物を拡散する工程の前に行ってもよい。
【0036】
以上、実施形態におけるセンサ素子１の製造方法を説明したが、この方法のみに限定はされない。実施形態のセンサ素子１は、第１ｎ型不純物を含む第１シリコン半導体部と、第１シリコン半導体部の上に設けられ、第２ｎ型不純物を含む第２シリコン半導体部と、第２シリコン半導体部の上に設けられ、シリコンの原子番号よりも大きい原子番号のｐ型不純物を含む第３シリコン半導体部と、を含む積層体を準備することと、積層体に、順方向電流を流しながらシリコンのバンドギャップの大きさに対応する波長よりも長い波長の光で照射して、ｐ型不純物を拡散させることと、を含んでよい。これにより、ｐ型不純物を拡散させる工程において、ｐ型不純物を拡散しにくくし、センサ素子そのものの発光を低減させることができる。ｐ型不純物としては、例えば、ガリウムまたはインジウムが挙げられる。ガリウムまたはインジウムはシリコンよりも原子番号が大きいので、シリコンよりも重く、拡散が生じにくい。なお、ｎ型不純物とｐ型不純物を入れ替えたこと以外は上述の方法と同様な方法で製造することができる。
【0037】
＜応用例１ 放射温度計＞
図１３は、実施形態のセンサ素子１を含む放射温度計を示す模式図である。放射温度計１００は、枠体１１０と、センサ素子１と、レンズ１２０と、を有する。センサ素子１は枠体１１０に収容されている。センサ素子１はサブマウント１３０の上に配置されてもよい。レンズ１２０は、センサ素子１と計測対象との間に配置されている。センサ素子１とレンズ１２０との間には、１以上の絞り１４０が設けれている。センサ素子１は、実施形態に係るセンサ素子１であり、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長において感度を有する。レンズ１２０は、計測対象から発せられる赤外線、あるいは輻射をセンサ素子１に集光する。放射温度計１００は、センサ素子１とレンズ１２０との間に、波長フィルタ１５０を備えてもよい。波長フィルタ１５０は、例えば、１１１０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の波長の光を透過させる。センサ素子１は、物体の輻射を検知することができるので、放射温度計１００として利用することができる。
図１３は、実施形態のセンサ素子１を含む放射温度計を示す模式図である。放射温度計１００は、枠体１１０と、センサ素子１と、レンズ１２０と、を有する。センサ素子１は枠体１１０に収容されている。センサ素子１はサブマウント１３０の上に配置されてもよい。レンズ１２０は、センサ素子１と計測対象との間に配置されている。センサ素子１とレンズ１２０との間には、１以上の絞り１４０が設けれている。センサ素子１は、実施形態に係るセンサ素子１であり、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長において感度を有する。レンズ１２０は、計測対象から発せられる赤外線、あるいは輻射をセンサ素子１に集光する。放射温度計１００は、センサ素子１とレンズ１２０との間に、波長フィルタ１５０を備えてもよい。波長フィルタ１５０は、例えば、１１１０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の波長の光を透過させる。センサ素子１は、物体の輻射を検知することができるので、放射温度計１００として利用することができる。
【0038】
＜応用例２ 温度計＞
【0039】
図１４は、センサ２００を示す模式図である。センサ２００は、発光素子アレイ２１０と受光素子アレイ２２０を備え、発光素子アレイ２１０および受光素子アレイ２２０は配線基板２３０の上に配置される。発光素子アレイ２１０は複数の発光素子２１１を含み、複数の発光素子２１１は所定の間隔で並んでいる。発光素子は、１３００ｎｍ以上の波長の光を発する。受光素子アレイ２２０は、実施形態のセンサ素子１が所定の間隔で並んでいる。受光素子アレイ２２０は、発光素子アレイ２１０から発せられ、対象物で反射された光を受光する。センサ２００は、例えば、手首、足首等の人体に貼り付けることができる。例えば、人体に発光素子アレイからの光を照射して、ヘモグロビンまたは脱酸素ヘモグロビンからの反射光を受光素子アレイで計測し、血管の形状等の情報を得ることができる。また、センサ２００を張り付けた部分の温度を計測してもよい。
＜応用例３ イメージセンサ＞
＜応用例３ イメージセンサ＞
【0040】
図１５は、イメージセンサ３００を示す上面模式図である。イメージセンサ３００は、実施形態に係るセンサ素子１を含むセンサ素子アレイ３２０と、センサ素子アレイ３２０と電気的に接続される回路基板３３０と、を含む。センサ素子１が画素を構成する。各画素は、シリコンのバンドギャップと対応する波長よりも長い波長において感度を有する。各画素が検出する光の強度は、光の入射位置によって異なるので、光の強度分布を得ることができる。センサ素子アレイ３２０は、個片化した複数のセンサ素子１をマトリクス状に並べても形成してもよいし、１つのセンサ素子１をマトリクス状に区画分けして形成してもよい。
【0041】
＜実施例＞
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0042】
＜実施例１＞
まず、第１シリコン半導体部１０である第１ｐ型不純物を含むシリコン基板と、シリコン基板の上に設けられた第２シリコン半導体部２０である第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層と、第２シリコン半導体部２０の上に設けられた第３シリコン半導体部３０であるｎ型不純物を含むシリコン半導体層と、を含む積層体１Ａを準備した。第２シリコン半導体部２０はＣＶＤ法によりエピタキシャル成長されたシリコン半導体層であった。第３シリコン半導体部３０は、第２シリコン半導体部２０にイオン注入することで形成された。第１シリコン半導体部１０に含まれる第１ｐ型不純物は、ホウ素であり、第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率が０．１Ωｃｍとなるように第１濃度を設定した。第２シリコン半導体部２０に含まれる第２ｐ型不純物は、ホウ素であり、第２濃度は１×１０１５ｃｍ－３とした。第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率は、５０Ωｃｍであった。第３シリコン半導体部３０に含まれるｎ型不純物は、ヒ素であり、第３濃度は１×１０１９ｃｍ－３とした。第３シリコン半導体部３０の電気抵抗率は、ＤＰＰアニール前の時点で１０Ωｃｍであった。積層体１Ａを準備したあとで、個片化を行った。次にＤＰＰアニールを行い、センサ素子１を得た。具体的には、積層体１Ａに順方向電流を流しながら、１３１４ｎｍの波長のレーザ光で照射して、ｎ型不純物を拡散させた。印加した電流は定常電流の電流密度は１００Ａ／ｃｍ２とした。レーザ光のパワーは１００ｍＷとした。ＤＰＰアニールは、６０分間行われた。
まず、第１シリコン半導体部１０である第１ｐ型不純物を含むシリコン基板と、シリコン基板の上に設けられた第２シリコン半導体部２０である第２ｐ型不純物を含むシリコン半導体層と、第２シリコン半導体部２０の上に設けられた第３シリコン半導体部３０であるｎ型不純物を含むシリコン半導体層と、を含む積層体１Ａを準備した。第２シリコン半導体部２０はＣＶＤ法によりエピタキシャル成長されたシリコン半導体層であった。第３シリコン半導体部３０は、第２シリコン半導体部２０にイオン注入することで形成された。第１シリコン半導体部１０に含まれる第１ｐ型不純物は、ホウ素であり、第１シリコン半導体部１０の電気抵抗率が０．１Ωｃｍとなるように第１濃度を設定した。第２シリコン半導体部２０に含まれる第２ｐ型不純物は、ホウ素であり、第２濃度は１×１０１５ｃｍ－３とした。第２シリコン半導体部２０の電気抵抗率は、５０Ωｃｍであった。第３シリコン半導体部３０に含まれるｎ型不純物は、ヒ素であり、第３濃度は１×１０１９ｃｍ－３とした。第３シリコン半導体部３０の電気抵抗率は、ＤＰＰアニール前の時点で１０Ωｃｍであった。積層体１Ａを準備したあとで、個片化を行った。次にＤＰＰアニールを行い、センサ素子１を得た。具体的には、積層体１Ａに順方向電流を流しながら、１３１４ｎｍの波長のレーザ光で照射して、ｎ型不純物を拡散させた。印加した電流は定常電流の電流密度は１００Ａ／ｃｍ２とした。レーザ光のパワーは１００ｍＷとした。ＤＰＰアニールは、６０分間行われた。
【0043】
＜比較例１＞
まず、ｎ型不純物を含むシリコン基板と、シリコン基板の上に設けられたｎ型不純物を含むｎ型シリコン半導体層と、シリコン半導体層の上に設けられたｐ型不純物を含むｐ型シリコン半導体層と、を含む積層体１Ａを準備した。ｎ型シリコン半導体層はＣＶＤ法によりエピタキシャル成長された。ｐ型シリコン半導体層は、ｎ型シリコン半導体にイオン注入することで形成された。シリコン基板に含まれるｎ型不純物は、ヒ素であり、電気抵抗率が０．１Ωｃｍとなるようにｎ型不純物濃度を設定した。ｎ型シリコン半導体層に含まれるｎ型不純物は、ヒ素であり、ｎ型不純物濃度は１×１０１９ｃｍ－３とした。ｐ型シリコン半導体層に含まれるｐ型不純物は、ホウ素であり、第３濃度は１×１０１９ｃｍ－３とした。次にＤＰＰアニールを行った。具体的には、積層体１Ａに順方向電流を流しながら、１３１４ｎｍの波長のレーザ光で照射して、ｐ型不純物を拡散させた。注入した電流の電流密度は１００Ａ／ｃｍ２とした。レーザ光のパワーは１００ｍＷとした。ＤＰＰアニールは、６０分間行われた。ＤＰＰアニールを行ったあと、積層体を個片化して、センサ素子を得た。
まず、ｎ型不純物を含むシリコン基板と、シリコン基板の上に設けられたｎ型不純物を含むｎ型シリコン半導体層と、シリコン半導体層の上に設けられたｐ型不純物を含むｐ型シリコン半導体層と、を含む積層体１Ａを準備した。ｎ型シリコン半導体層はＣＶＤ法によりエピタキシャル成長された。ｐ型シリコン半導体層は、ｎ型シリコン半導体にイオン注入することで形成された。シリコン基板に含まれるｎ型不純物は、ヒ素であり、電気抵抗率が０．１Ωｃｍとなるようにｎ型不純物濃度を設定した。ｎ型シリコン半導体層に含まれるｎ型不純物は、ヒ素であり、ｎ型不純物濃度は１×１０１９ｃｍ－３とした。ｐ型シリコン半導体層に含まれるｐ型不純物は、ホウ素であり、第３濃度は１×１０１９ｃｍ－３とした。次にＤＰＰアニールを行った。具体的には、積層体１Ａに順方向電流を流しながら、１３１４ｎｍの波長のレーザ光で照射して、ｐ型不純物を拡散させた。注入した電流の電流密度は１００Ａ／ｃｍ２とした。レーザ光のパワーは１００ｍＷとした。ＤＰＰアニールは、６０分間行われた。ＤＰＰアニールを行ったあと、積層体を個片化して、センサ素子を得た。
【0044】
＜評価＞
（電流―電圧特性）
図１６Ａは実施例１に係るセンサ素子１の電流―電圧特性を表すグラフである。横軸は電圧を表し、縦軸は電流値を表している。センサ素子１はペルチェステージの上に配置して、測定を行った。順方向電流を印加してセンサ素子１を駆動した。図１６Ａは、２３℃の環境の下で、センサ素子を配置したペルチェステージの温度を２０℃、２５℃、および４０℃に設定したときの測定結果を表している。図１６Ａにおいて、点線は２０℃、破線は２５℃、実線は４０℃の結果を示している。この結果から、実施例１に係るセンサ素子１の電流―電圧特性は非線形な温度依存性を示すことが確認できた。
（電流―電圧特性）
図１６Ａは実施例１に係るセンサ素子１の電流―電圧特性を表すグラフである。横軸は電圧を表し、縦軸は電流値を表している。センサ素子１はペルチェステージの上に配置して、測定を行った。順方向電流を印加してセンサ素子１を駆動した。図１６Ａは、２３℃の環境の下で、センサ素子を配置したペルチェステージの温度を２０℃、２５℃、および４０℃に設定したときの測定結果を表している。図１６Ａにおいて、点線は２０℃、破線は２５℃、実線は４０℃の結果を示している。この結果から、実施例１に係るセンサ素子１の電流―電圧特性は非線形な温度依存性を示すことが確認できた。
【0045】
図１６Ｂは基準となる温度として、ペルチェステージの温度を２０℃、２５℃、３０℃、３５℃、および４０℃と設定したときの電流―電圧特性において、１０ｍＡの電流値における電圧勾配を求めたものである。横軸は温度を表し、縦軸は電圧勾配を表している。２０℃における電圧勾配は、ペルチェステージの温度が２０℃と２５℃に設定したときの電流―電圧特性において、１０ｍＡの電流値における電圧値の差から求めた。同様に、２５℃における電圧勾配は、ペルチェステージの温度が２５℃と３０℃に設定したときの電流―電圧特性から求めた。３０℃における電圧勾配は、ペルチェステージの温度が３０℃と３５℃に設定したとき電流―電圧特性から求めた。３５℃における電圧勾配は、ペルチェステージの温度が３５℃と４０℃に設定したときの電流―電圧特性から求めた。４０℃における電圧勾配は、ペルチェステージの温度が４０℃と４５℃に設定したときの電流―電圧特性から求めた。得られた電圧勾配は、２０℃以上４０℃以下の範囲において、１５０ｍＶ／℃以上であった。これは、センサ素子１が周囲からの輻射を吸収することで高い感度を有すると考えられた。また、センサ素子１の発光が抑制されたため、２０℃以上４０℃以下の範囲において電圧勾配が維持されたと考えられた。なお、実施例１のセンサ素子１において、電圧勾配の値が増減しているのは、素子の微分抵抗値の振る舞いを反映したものであると予想される。
【0046】
比較例１に係るセンサ素子において、同様な測定を行った。基準となる温度として、ペルチェステージの温度は、２０℃、２５℃、２９℃、および４０℃に設定した。得られた電圧勾配は、２０℃以上４０℃以下の範囲において、概ね１５０ｍＶ／℃以上であった。しかし、２５℃における電圧勾配は、およそ５０ｍＶ／℃と、急激な電圧勾配の低下を示した。比較例１におけるセンサ素子が２５℃付近において比較的高い発光効率を有するため、センサ素子が自らの発光によるノイズの影響を受けたためと推測される。このような電圧勾配の低下は、比較例１のセンサ素子においては２５℃近傍において生じると予想された。実施例１のセンサ素子１は２５℃において急激な電圧勾配の低下が見られず、より広い温度範囲において安定に動作することが確認できた。これは、実施例１におけるセンサ素子１が比較例１におけるセンサ素子と比べて発光が抑制されることで、センサ素子１自身が発する光によるノイズが低減されたためと予想された。
【符号の説明】
【0047】
１ センサ素子
１Ａ 積層体
１０ 第１シリコン半導体部
１１ 第１主面
２０ 第２シリコン半導体部
２６ ｐｎ接合
３０ 第３シリコン半導体部
３１ 第２主面
４０ａ 正電極
４０ｂ 負電極
５０ａ 第１電極
５０ｂ 第２電極
６０ 電源
６１ａ ワイヤ
７０ 光源
７２ 光
８０ ペルチェ素子
９０ ヒートシンク
１００ 放射温度計
１１０ 枠体
１２０ レンズ
１３０ サブマウント
１４０ 絞り
１５０ 波長フィルタ
２００ センサ
２１０ 発光素子アレイ
２１１ 発光素子
２２０ 受光素子アレイ
２３０ 配線基板
３００ イメージセンサ
３２０ センサ素子アレイ
３３０ 回路基板
１Ａ 積層体
１０ 第１シリコン半導体部
１１ 第１主面
２０ 第２シリコン半導体部
２６ ｐｎ接合
３０ 第３シリコン半導体部
３１ 第２主面
４０ａ 正電極
４０ｂ 負電極
５０ａ 第１電極
５０ｂ 第２電極
６０ 電源
６１ａ ワイヤ
７０ 光源
７２ 光
８０ ペルチェ素子
９０ ヒートシンク
１００ 放射温度計
１１０ 枠体
１２０ レンズ
１３０ サブマウント
１４０ 絞り
１５０ 波長フィルタ
２００ センサ
２１０ 発光素子アレイ
２１１ 発光素子
２２０ 受光素子アレイ
２３０ 配線基板
３００ イメージセンサ
３２０ センサ素子アレイ
３３０ 回路基板
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】