JP2001236877A

JP2001236877A - 光検出装置

Info

Publication number: JP2001236877A
Application number: JP2000048216A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishida; 誠石田; Kazuaki Sawada; 和明澤田; Yoshitaka Moriyasu; 嘉貴森安; Nagaaki Tei; 永哲鄭
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】電界放射型電子源とフォトダイオードとが組み
合わされた構造の光検出装置において、光強度の２次元
分布を正確に検出できるようにする。【解決手段】サファイア基板１上に電界放射型電子源２
を形成する。電界放射型電子源２を、ｐ型結晶シリコン
層からなる基底部３と、先端部のみがｎ型結晶シリコン
からなるコーン状の突起４と、基底部３と突起４との間
のｉ層（ｐ^-結晶シリコン層）５とで構成する。突起４
の周囲にはゲート電極６が形成され、突起４の先端とゲ
ート電極６との間に所定の隙間が開けてある。この光検
出装置は、サファイア基板１側から入射された光の強度
を、突起４から放出される電子量に変換して検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ｐｎ接合に
よる光電変換を利用した光検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトダイオードは、半導体ｐｎ接合に
よる光電変換を利用した光検出装置として代表的な素子
であり、ｐｎ接合による光吸収で生じた電荷を電流とし
て取り出している。フォトダイオードを画素として２次
元に並べたＣＣＤカメラは、各画素に当たった光の明る
さに応じて生じた電子を、電荷転送部で一行毎に処理す
ることにより、時系列的に２次元の光情報を画像化する
ものである。２次元の光強度分布を直接検出できる光検
出装置については、現時点で未だ実用化されているもの
はない。

【０００３】「ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ４５，ｐ３２１，１９９
８」には、ｎ型単結晶シリコンからなる電界放射型電子
源（冷陰極）とアモルファスシリコンｐｉｎフォトダイ
オードとが結合された構造の光検出装置が記載されてい
る。この光検出装置では、ｎ型単結晶シリコン層の表面
をエッチングしてコーン状の突起を形成した後、このｎ
型単結晶シリコン層の裏面に、アモルファスシリコンか
らなるｉ層（ドーピングされていない層）と水素ドーピ
ングによるｐ型アモルファスシリコンカーバイド層（ｐ
型ａ−ＳｉＣ層）を形成している。また、この光検出装
置では、ｐ型ａ−ＳｉＣ層に電極が設けてあり、電界放
射型電子源の表面側（突起が設けてある側）に、所定の
距離を開けて陽極が対向配置されている。この陽極に所
定の電圧をかけ、ｐ型ａ−ＳｉＣ層の電極をアースに接
続している。

【０００４】したがって、この光検出装置では、ｎ型単
結晶シリコン層の裏面側、すなわちｐ型アモルファスシ
リコンカーバイド層から光を入射すると、アモルファス
シリコンｐｉｎフォトダイオード内での光吸収により生
成した電子−正孔対のうち、電子がドリフトによりｎ型
単結晶シリコン層に流れ込み、この電子が突起から陽極
向けて放出される。これにより、入射光の強度に比例し
た量の電子線強度が得られることが確認されている。

【０００５】また、この光検出装置によれば、突起を２
次元に配列して各突起からの電子線強度を同時に検出す
ることにより、２次元の光強度分布を直接検出すること
が可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記文
献に記載の光検出装置では、ｎ型単結晶シリコン層に流
れ込んだ電子の一部が横方向に拡散して突起に到達しな
いことが予想され、光強度の２次元分布が正確に検出で
きないという問題点がある。本発明は、このような従来
技術の問題点に着目してなされたものであり、２次元の
光強度分布が直接検出可能な、電界放射型電子源とフォ
トダイオードとが組み合わされた構造の光検出装置にお
いて、２次元の光強度分布を正確に検出できるようにす
ることを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、ｐ型半導体からなる基底部とｎ型半導体
からなる突起とを有する電界放射型電子源が、単結晶酸
化物からなる光透過性基板上に形成され、この光透過性
基板側から入射された光の強度を、電界放射型電子源内
のｐｎ接合による光吸収で生じて前記突起から放出され
る電子量に変換して検出する光検出装置を提供する。

【０００８】光透過性基板をなす単結晶酸化物として
は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、マグネシアスピネル
（ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、
チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）、（Ｚｒ
_(1-x)，Ｙ_x）Ｏ_y、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、タンタ
ル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウム（Ｌ
ｉＮｂＯ₃）等が挙げられる。特に、サファイア基板
は、良質なシリコン単結晶を成長させることができるた
め好ましい。さらに、サファイア基板の裏面（光入射
面）が鏡面研磨処理されていることが好ましい。

【０００９】本発明の光検出装置は、電界放射型電子源
は基底部と突起との間にｉ層を有することが好ましい。
このように、電界放射型電子源がｐｉｎフォトダイオー
ドの構成となっている場合には、ｐ型半導体からなる基
底部の不純物濃度が１×１０ ¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０²²ｃ
ｍ^-3以下であることが好ましい。また、この場合の基底
部（高濃度ｐ型半導体層）の厚さが０．０３μｍ以上
０．３μｍ以下であることが好ましい。

【００１０】本発明の光検出装置は、電界放射型電子源
の突起が２次元に配置されていることにより、光強度の
２次元分布が直接検出可能となる。本発明の光検出装置
において、電界放射型電子源は結晶シリコン層からな
り、この結晶シリコン層の突起部での厚さが０．２μｍ
以上１０μｍ以下であることが好ましい。この結晶シリ
コン層の厚さ（突起の先端から基底部の基板との境界面
までの距離）が０．２μｍ未満であると、入射された光
のほとんどが吸収されないため、ｐｎ接合による光電変
換がほとんど生じない。したがって、突起の先端からの
電子の放出がほとんど得られない。

【００１１】この結晶シリコン層の厚さが１０μｍを超
えると、光吸収によって発生した電子のうち、ドリフト
によってゲート電極に引き寄せられる電子よりも拡散に
よって横方向に広がる電子の方が多くなる。そのため、
特に、突起を２次元に配列して光強度の２次元分布を検
出する場合に正確な検出ができない。また、結晶シリコ
ン層を１０μｍを超えた厚さで形成することには、コス
ト的な問題もある。

【００１２】また、この結晶シリコン層は、光透過性基
板側の厚さ０．２μｍの範囲での結晶欠陥密度が１×１
０⁷個／ｃｍ²以下であることが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。［第１実施形態］図１は、本発明の光検出装置の実施形
態を示す構成図である。この光検出装置は、サファイア
基板（光透過性基板）１と、このサファイア基板１の上
に形成された電界放射型電子源２とで構成されている。

【００１４】電界放射型電子源２は、ｐ型結晶シリコン
層からなる基底部３と、先端部のみがｎ型結晶シリコン
からなるコーン状の突起４と、基底部３と突起４との間
のｉ層（ｐ^-結晶シリコン層）５とで構成されている。
すなわち、基底部３と突起４とｉ層５とによりｐｉｎフ
ォトダイオードが形成されている。基底部３は、サファ
イア基板１側の直上に設けられている。コーン状の突起
４は、電界放射型電子源２の表面に複数個配置されてい
る。

【００１５】突起４の周囲にはゲート電極６が形成され
ており、突起４の先端とゲート電極６との間には所定の
隙間が開けてある。突起４の先端以外の部分とゲート電
極６との間には酸化膜７ａが設けてある。ゲート電極６
の表面には酸化膜７ｂが設けてある。ゲート電極６には
端子８が接続されている。ｉ層５の突起４のない位置
に、基底部３のオーミック電極９が形成されている。こ
のオーミック電極９に端子１０が接続されている。そし
て、ゲート電極６の端子８に直流電圧源Ｄ１が接続さ
れ、オーミック電極９の端子１０は接地されている。

【００１６】また、電界放射型電子源２の表面側（突起
４が設けてある側）に、所定の距離を開けて陽極１１が
対向配置されている。この陽極１１は直流電圧源Ｄ２に
接続されている。この陽極１１と直流電圧源Ｄ２との間
に、電流計１２が接続されている。また、この光検出装
置と陽極１１は、真空チャンバ内に配置される。この光
検出装置は、直流電圧源Ｄ１からゲート電極６に所定の
電圧を印加し、直流電圧源Ｄ２から陽極１１に所定の電
位を印加した状態で使用される。この状態で、サファイ
ア基板１の裏面から光を入射すると、電界放射型電子源
２内のｐｎ接合による光吸収で生じた電子が、ゲート電
極６に引きつけられて突起４から真空中に飛び出して陽
極１１に向かう。このようにして突起４から陽極１１に
向けて放出された電子線の強度が、陽極１１に付与され
た電流として電流計１２により検出される。

【００１７】したがって、この光検出装置によれば、入
射された光の強度が、突起４から放出される電子量に変
換して検出される。また、サファイア基板１の表面に電
界放射型電子源２を形成して、サファイア基板１の裏面
から光を入射しているため、ゲート電極６や端子８，９
をＩＴＯ（Ｉｎ₂Ｏ_(3-x)：Ｓｎ）等の透明材料で形成
しなくても、入射光の受光効率を高くすることができ
る。

【００１８】この光検出装置は、例えば以下の方法で製
造することができる。この製造方法について、図２およ
び３を用いて説明する。先ず、結晶の（０１２）面が露
出したサファイア基板上に、減圧化学気相成長法（ＬＰ
−ＣＶＤ法）により５００ｎｍのシリコン薄膜を形成す
る。次に、熱酸化を行って、このシリコン薄膜の上に厚
さ５０ｎｍの保護酸化膜を形成した後、打ち込みエネル
ギー１４０ｋｅＶで打ち込み量が４×１０¹⁵ｉｏｎｓ／
ｃｍ²となるように、ホウ素（Ｂ）をイオン注入する。
このようにして、サファイア基板上のシリコン薄膜にｐ
型ドーパントを高濃度でドーピングすることにより、図
２（ａ）に示すように、サファイア基板１上にｐ型結晶
シリコン層からなる基底部３を形成する。

【００１９】次に、シリコン薄膜（基底部３）上の保護
酸化膜を、希フッ酸（フッ化水素の水溶液）を用いたエ
ッチングにより除去した後、このシリコン薄膜（基底部
３）の上に、さらにＬＰ−ＣＶＤ法によりシリコン結晶
を成長させることにより、シリコン薄膜５０を形成す
る。この結晶成長は、ｐ型結晶シリコン層からなる基底
部３とシリコン薄膜５０との合計膜厚が５．５μｍとな
るまで行う。図２（ａ）はこの状態を示す。

【００２０】次に、このシリコン薄膜５０の上に熱酸化
により酸化膜を形成した後、この酸化膜の上にレジスト
膜を形成する。このレジスト膜に、コーン状突起形成用
のパターンを電子線描画装置を用いて直接描画する。次
に、このレジストパターンをマスクとし、ＣＨＦ₃をエ
ッチングガスとして用いて反応性イオンエッチングを行
い、酸化膜をエッチングする。これにより、シリコン薄
膜５０上の酸化膜に突起形成用のマスクパターンを転写
する。

【００２１】次に、レジストを除去した後、ＳＦ₆をエ
ッチングガスとした反応性イオンエッチング法で、酸化
膜からなるマスクパターンを介して、シリコン薄膜５０
の表面をエッチングすることにより、コーン状の突起４
を形成する。図２（ｂ）はこの状態を示す。なお、ｐ型
結晶シリコン層からなる基底部３の上に形成されたシリ
コン薄膜５０は、不純物のドーピングがなされていない
が、基底部３がｐ型結晶シリコン層であることから、ｐ
^-結晶シリコン層（ｉ層）５になっている。また、上述
のパターニングにより、このｉ層５の表面側部分にコー
ン状の突起４が形成される。

【００２２】次に、突起４が形成されたシリコン薄膜５
０の表面に、図２（ｃ）に示すように、約３００ｎｍの
厚さの酸化膜（下側酸化膜）７ａを形成する。この下側
酸化膜７ａは、酸化炉内の酸素雰囲気中でシリコン薄膜
５０の表面を加熱することにより形成する。次に、この
下側酸化膜７ａの上に、ＬＰ−ＣＶＤ法により約３００
ｎｍのポリシリコン膜６０を形成する。ここで、このポ
リシリコン膜６０をゲート電極とするため、このポリシ
リコン膜６０にリン（Ｐ）をイオン注入することにより
抵抗を低くする。

【００２３】次に、このポリシリコン膜６０に対して、
コンタクトホール６０ａと各突起４毎にゲート電極６を
分離するパターン６２ｂを形成した後、図２（ｄ）に示
すように、ポリシリコン膜６０の上にレジスト膜１５を
形成する。その後、このレジスト膜１５には、ポリシリ
コン膜６０のコンタクトホール６０ａの位置に、開口部
１５ａを設ける。この状態でホウ素（Ｂ）をイオン注入
することにより、レジスト膜１５の開口部１５ａから下
側酸化膜７ａを介して、ｉ層５の所定位置にホウ素
（Ｂ）が打ち込まれる。これにより、基底部３のオーミ
ック電極９として、ｐ型シリコン層が形成される。

【００２４】次に、レジスト膜１５を除去した後、図３
（ａ）に示すように、ポリシリコン膜６０および下側酸
化膜７ａの上に、約２００ｎｍの厚さの酸化膜（上側酸
化膜）７ｂを形成する。この上側酸化膜７ｂは、酸化炉
内で、ポリシリコン膜６０を水蒸気中で加熱することに
より形成する。次に、突起４の先端に形成された上側酸
化膜７ｂが隠れる厚さで、上側酸化膜７ｂ上に保護用の
レジスト膜１６を形成した後、図３（ｂ）に示すよう
に、突起４の先端に形成された上側酸化膜７ｂが露出す
るまで、アッシング装置でレジスト膜１６をエッチバッ
クする。次に、突起４の先端部にある上側酸化膜７ｂ
を、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエ
ッチングで除去する。その後、突起４の先端部にあるポ
リシリコン膜６０を、ＳＦ₆をエッチングガスとして用
いた反応性イオンエッチングで除去する。

【００２５】これにより、突起４の先端部が、下側酸化
膜７ａが付着した状態で露出するとともに、突起４の周
囲にゲート電極６が形成される。図３（ｂ）はこの状態
を示す。次に、図３（ｃ）に示すように、突起４の先端
部に、打ち込みエネルギー６０ｋｅＶで打ち込み量が４
×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ²となるようにリン（Ｐ）をイ
オン注入する。このようにして、突起４の先端部に、ｎ
型ドーパントがドーピングされる。

【００２６】次に、レジスト膜１６を除去した後、突起
４の先端部にある下側酸化膜７ａを、ＢＨＦを用いたウ
エットエッチングで除去する。これにより、図３（ｄ）
に示すように、突起４の先端部を露出させる。次に、オ
ーミック電極９の端子１０とゲート電極６の端子８を、
通常のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程に
より、アルミニウムで形成する。

【００２７】このようにして作製された、本発明の第１
実施形態に相当する光検出装置の光電変換特性を、以下
のようにして調べた。なお、この光検出装置の結晶シリ
コン層の突起部での厚さ（突起４の先端から基底部３の
サファイア基板１との境界面までの距離）は５．５μｍ
であった。先ず、図１に示すように、ゲート電極６の端
子８に直流電圧源Ｄ１を接続し、オーミック電極９の端
子１０を接地した。また、電界放射型電子源２の表面側
に陽極１１を配置して、この陽極１１を電流計１２を介
して直流電圧源Ｄ２に接続した。なお、光検出装置と陽
極１１は真空チャンバ内に設置した。

【００２８】次に、真空チャンバ内を所定の真空度とし
た後、直流電圧源Ｄ１の電圧を変化させることによりゲ
ート電極６の電圧を変化させながら、突起４から放出さ
れて陽極１１に到達した電子線の強度（電界放射電流）
を電流計１２で測定した。ここで、入射光の波長は６０
０ｎｍとし、入射光の強度は１００μＷとした。また、
直流電圧源Ｄ２の電圧を５００Ｖとすることにより、陽
極１１の電位（アノード電位）を５００Ｖとした。

【００２９】この測定で得られた電界放射電流とゲート
電圧との関係を、図４にグラフで示す。このグラフから
分かるように、ゲート電圧が３０Ｖ未満では電界放射電
流は僅かであるが、３０Ｖ以上になると電界放射電流が
急激に増加し、３６〜４５Ｖの範囲で１５０ｎＡ程度の
電界放射電流が得られた。このときの光子−電子一次変
換効率は８０％であった。また、ゲート電圧が４５Ｖを
超えると、ゲート酸化膜（下側酸化膜７ａ）の破壊が生
じて電流がリークするため、電界放射電流は０となっ
た。［第２実施形態］図５は、本発明の光検出装置の別の実
施形態を示す構成図である。この光検出装置は、サファ
イア基板（光透過性基板）１と、このサファイア基板１
の上に形成された電界放射型電子源２とで構成されてい
る。

【００３０】電界放射型電子源２は、ｐ型結晶シリコン
層からなる基底部３と、先端部のみがｎ型結晶シリコン
からなるコーン状の突起４と、基底部３と突起４との間
のｉ層（ｐ^-結晶シリコン層）５とで構成されている。
すなわち、基底部３と突起４とｉ層５とによりｐｉｎフ
ォトダイオードが形成されている。基底部３は、サファ
イア基板１側の直上に設けられている。コーン状の突起
４は、電界放射型電子源２の表面に複数個配置されてい
る。

【００３１】ｉ層５上の突起４間の位置に、突起４の周
囲を取り囲むように、酸化膜７２，７３を介して、ニオ
ブ膜６１とアルミニウム膜６２からなるゲート電極６が
形成されている。また、ｉ層５の突起４のない位置に、
基底部３のオーミック電極９が形成されている。このオ
ーミック電極９に端子１０が接続されている。この光検
出装置においても、図１の光検出装置と同様に、ゲート
電極６の端子に直流電圧源Ｄ１を接続し、オーミック電
極９の端子１０を接地する。また、電界放射型電子源２
の表面側に陽極１１を配置し、この陽極１１を電流計１
２を介して直流電圧源Ｄ２と接続する。そして、この光
検出装置と陽極１１を真空チャンバ内に配置し、直流電
圧源Ｄ１からゲート電極６に所定の電圧を印加し、直流
電圧源Ｄ２から陽極１１に所定の電位を印加した状態で
使用される。

【００３２】この状態で、サファイア基板１の裏面から
光を入射すると、電界放射型電子源２内のｐｎ接合によ
る光吸収で生じた電子が、ゲート電極６に引きつけられ
て突起４から真空中に飛び出して陽極１１に向かう。こ
のようにして突起４から陽極１１に向けて放出された電
子線の強度が、陽極１１に付与された電流として電流計
１２により検出される。

【００３３】したがって、この光検出装置によれば、入
射された光の強度が、突起４から放出される電子量に変
換して検出される。また、サファイア基板１の表面に電
界放射型電子源２を形成して、サファイア基板１の裏面
から光を入射しているため、ゲート電極６や端子１０を
ＩＴＯ（Ｉｎ₂Ｏ_(3-x)：Ｓｎ）等の透明材料で形成し
なくても、入射光の受光効率を高くすることができる。

【００３４】この光検出装置は、例えば以下の方法で製
造することができる。この製造方法について、図６〜８
を用いて説明する。先ず、図６（ａ）に示すように、結
晶の（０１２）面が露出したサファイア基板１上に、モ
ノシラン（ＳｉＨ₄）ガスを原料として用い、減圧化学
気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により２００ｎｍのシリ
コン薄膜３１を形成する。次に、このシリコン薄膜３１
に対して、基板温度を０℃に保持しながら、打ち込みエ
ネルギー１９０ｋｅＶで打ち込み量が１×１０¹⁵ｉｏｎ
ｓ／ｃｍ²となるようにシリコン（Ｓｉ）をイオン注入
する。これにより、シリコン薄膜３１がアモルファス化
される。

【００３５】次に、窒素ガス雰囲気下、温度５５０℃で
１時間保持した後、温度を９００℃に上げて更に１時間
加熱する加熱処理を行うことにより、アモルファス化さ
れたシリコン薄膜３１を再結晶化する。次に、これを酸
化炉内に入れ、炉内の温度を１０００℃にし、炉内に水
素と酸素をそれぞれ１８０リットル／分の速度で導入しなが
ら、３０分間保持することにより水蒸気酸化を行った。
これにより、再結晶化されたシリコン薄膜３１の表面に
シリコン酸化膜３１ａが形成される。図６（ｂ）はこの
状態を示す。

【００３６】次に、図６（ｃ）に示すように、このシリ
コン酸化膜３１ａを、ＢＨＦを用いたウエットエッチン
グで除去することにより、シリコン薄膜３１の表面を露
出する。このように、アモルファス化後に再結晶化され
たシリコン薄膜３１は、結晶欠陥密度が小さくなる。ま
た、シリコン酸化膜３１ａを除去して得られたシリコン
薄膜３１の表面は、結晶性の高い良好な状態となる。

【００３７】次に、シリコン薄膜３１に対して、ジボラ
ン（Ｂ₂Ｈ₆）を原料とした熱拡散を行うことにより、
ｐ型ドーパントを高濃度でドーピングする。これによ
り、図６（ｄ）に示すように、サファイア基板１上にｐ
型結晶シリコン層からなる基底部３が形成される。次
に、モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスを原料として用い、超
高真空化学気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ法）により、成
長温度７５０℃の条件で、ｐ型結晶シリコン層からなる
基底部３上に、シリコン薄膜５０を形成する。この結晶
成長は、ｐ型結晶シリコン層からなる基底部３とシリコ
ン薄膜５０との合計膜厚が５．５μｍとなるまで行う。

【００３８】次に、図７（ａ）に示すように、このシリ
コン薄膜５０の上に、熱酸化により厚さ約３００ｎｍの
酸化膜７０を形成した後、この酸化膜７０の上にレジス
ト膜を形成する。このレジスト膜に、コーン状突起形成
用のパターンを電子線描画装置を用いて直接描画する。
次に、このレジストパターンをマスクとし、ＣＨＦ₃を
エッチングガスとして用いて反応性イオンエッチングを
行い、酸化膜７０をエッチングすることにより、酸化膜
７０に突起形成用のパターンを転写する。その後、レジ
スト膜を除去する。これにより、酸化膜７０にコーン状
突起形成用のマスクパターン７０ａが形成される。

【００３９】次に、ＳＦ₆をエッチングガスとして用い
た反応性イオンエッチング法により、マスクパターン７
０ａを介して、シリコン薄膜５０の表面をエッチングす
ることにより、コーン状の突起４を形成する。図７
（ｂ）はこの状態を示す。次に、突起４の先端部の尖鋭
化とシリコン薄膜５０表面の電気的絶縁を目的として、
シリコン薄膜５０の表面に、熱酸化により厚さ約１００
ｎｍの酸化膜７２を形成する。図７（ｃ）はこの状態を
示す。

【００４０】次に、これを反応性スパッタリング装置内
に入れ、オゾナイザーを通して一部がオゾン化された酸
素を酸素源として供給しながら、厚さ約２μｍの酸化膜
７３を形成する。この酸化膜７３は、突起４の部分では
マスクパターン７０ａの上に、突起４以外の部分では酸
化膜７２の上に形成される。次に、この酸化膜７３の上
に、厚さ３００ｎｍのニオブ（Ｎｂ）薄膜６１をスパッ
タリングにより形成する。図７（ｄ）はこの状態を示
す。

【００４１】次に、これを希フッ酸に浸漬することによ
り、突起４の上の酸化膜７２と、酸化膜からなるマスク
パターン７０ａをエッチングして、突起４の上にある酸
化膜７２とマスクパターン７０ａと酸化膜７３とニオブ
薄膜６１を除去する。なお、ニオブは耐酸化性を有する
ため、突起４間の酸化膜７３上に形成されているニオブ
薄膜６１は、エッチングされないで残る。

【００４２】これにより、突起４が露出し、シリコン薄
膜５０上の突起４間の位置に、酸化膜７２，７３とニオ
ブ薄膜６１が残る。図８（ａ）はこの状態を示す。な
お、ｐ型結晶シリコン層からなる基底部３の上に形成さ
れたシリコン薄膜５０は、不純物のドーピングがなされ
ていないが、基底部３がｐ型結晶シリコン層であること
から、ｐ^-結晶シリコン層（ｉ層）５になっている。

【００４３】次に、突起４の先端部に、打ち込みエネル
ギー６０ｋｅＶで打ち込み量が４×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃ
ｍ²となるようにリン（Ｐ）をイオン注入する。このよ
うにして、突起４の先端部に、ｎ型ドーパントがドーピ
ングされる。次に、ニオブ薄膜６１と酸化膜７２，７３
とを貫通するコンタクトホールを形成し、このコンタク
トホールから、ｉ層５に対してホウ素（Ｂ）をイオン注
入する。これにより、基底部３のオーミック電極９が形
成される。

【００４４】次に、このコンタクトホール内とニオブ薄
膜６１の上に、アルミニウム薄膜６２を堆積する。次
に、このアルミニウム薄膜６２をパターニングすること
により、オーミック電極９の端子１０を形成するととも
に、ニオブ薄膜６１上のアルミニウム薄膜６２を残す。
このようにして作製された、本発明の第２実施形態に相
当する光検出装置の光電変換特性を、以下のようにして
調べた。先ず、図５に示すように、ゲート電極６の端子
に直流電圧源Ｄ１を接続し、オーミック電極９の端子１
０を接地した。また、電界放射型電子源２の表面側に陽
極１１を配置して、この陽極１１を電流計１２を介して
直流電圧源Ｄ２に接続した。なお、光検出装置と陽極１
１は真空チャンバ内に設置した。

【００４５】次に、真空チャンバ内を所定の真空度とし
た後、直流電圧源Ｄ１の電圧を変化させることによりゲ
ート電極６の電圧を変化させながら、突起４から放出さ
れて陽極１１に到達した電子線の強度（電界放射電流）
を電流計１２で測定した。ここで、入射光の波長は６０
０ｎｍとし、入射光の強度は１００μＷとした。また、
直流電圧源Ｄ２の電圧を５００Ｖとすることにより、陽
極１１の電位（アノード電位）を５００Ｖとした。

【００４６】この測定で得られた電界放射電流とゲート
電圧との関係を、図９にグラフで示す。このグラフから
分かるように、ゲート電圧が４５Ｖ未満では電界放射電
流は僅かであるが、４５Ｖ以上になると電界放射電流が
急激に増加し、４５〜９５Ｖの範囲で１５０ｎＡ程度の
電界放射電流が得られた。このときの光子−電子一次変
換効率は８０％であった。

【００４７】また、ゲート電圧が９５Ｖを超えると再び
電界放射電流が急激に増加し、ゲート電圧１１０Ｖで
１．９μＡの電界放射電流が得られた。これは、ｐｎ接
合内でアバランシェ（雪崩れ）現象が生じて、光電流が
増幅されたためである。この実施形態の光検出装置は、
第１実施形態の光検出装置と比較して、ゲート電極６と
突起４との間に大きな空間を有することと、ゲート酸化
膜（酸化膜７２，７３）が厚く形成されていることか
ら、ｐｎ接合に高電圧がかかってもゲート酸化膜の破壊
が生じ難い。その結果、高電圧を印加できるため、アバ
ランシェ現象による増幅作用でより大きな電界放射電流
が得られる。

【００４８】したがって、この第２実施形態の光検出装
置は、第１実施形態の光検出装置よりも高感度で光検出
を行うことができる。また、図６（ｄ）の状態でシリコ
ン薄膜５０を表面側から除去して、サファイア基板１よ
り上側のシリコン層（基底層３とシリコン薄膜５０とを
含む）の厚さを０．２μｍとした。この厚さ０．２μｍ
のシリコン層の結晶欠陥密度を測定したところ、２．０
×１０⁶個／ｃｍ²であった。すなわち、シリコン薄膜
をアモルファス化後に再結晶化することにより、結晶性
が良好なシリコン結晶が得られた。

【００４９】そして、この第２実施形態の光検出装置
は、このような良質のシリコン層をｐ型基底部３および
ｉ層５として有するため、ｐｎ接合による光電変換特性
が良好になる。［第３実施形態］本発明の光検出装置の第３実施形態と
して、図１に示す構造の光検出装置を以下の手順で作製
した。

【００５０】先ず、図１０（ａ）に示すように、結晶の
（０１２）面が露出したサファイア基板１上に、ホウ素
（Ｂ）をドーパントとして含むｐ型シリコン薄膜３２
を、厚さ２００ｎｍで形成した。この成膜は、モノシラ
ン（ＳｉＨ₄）ガスとジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスを原料
として用い、成長温度９５０℃の条件で、ＬＰ−ＣＶＤ
法により行った。

【００５１】次に、これを酸化炉内に入れ、炉内の温度
を１０００℃にし、炉内に水素と酸素をそれぞれ１８０
リットル／分の速度で導入しながら、３０分間保持すること
により水蒸気酸化を行った。これにより、シリコン薄膜
３２の表面にシリコン酸化膜３２ａが形成された。図１
０（ｂ）はこの状態を示す。この酸化後に、シリコン酸
化膜３２ａを剥離してシリコン薄膜３２の膜厚を測定し
たところ、１２０ｎｍであった。

【００５２】次に、図１０（ｃ）に示すように、このシ
リコン酸化膜３２ａを、ＢＨＦを用いたウエットエッチ
ングで除去することにより、シリコン薄膜３２の表面を
露出した。これにより、サファイア基板１上に、ｐ型結
晶シリコン層からなる基底部３が形成された。このよう
に、シリコン酸化膜３２ａを除去して得られたシリコン
薄膜３２の表面は、結晶性の高い良好な状態となる。

【００５３】次に、このシリコン薄膜３２（基底部３）
の上に、モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスを原料として用
い、超高真空化学気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ法）によ
り、成長温度７５０℃の条件でシリコン薄膜５０を形成
した。この結晶成長は、ｐ型結晶シリコン層からなる基
底部３とシリコン薄膜５０との合計膜厚が５．５μｍと
なるまで行った。

【００５４】次に、第１実施形態で説明した図２（ｂ）
から図３（ｄ）に示す工程を行うことにより、図１に示
す光検出装置を作製した。このようにして作製された光
検出装置の光電変換特性を、第１実施形態と同様にして
調べた。その結果、ゲート電圧が４５Ｖ未満では電界放
射電流は僅かであったが、４５Ｖ以上になると電界放射
電流が急激に増加し、３６〜４５Ｖの範囲で１７０ｎＡ
程度の電界放射電流が得られた。このときの光子−電子
一次変換効率は９０％であった。また、ゲート電圧が４
５Ｖを超えると、ゲート酸化膜（下側酸化膜７ａ）の破
壊が生じて電流がリークするため、電界放射電流は０と
なった。

【００５５】この実施形態の光検出装置の光子−電子一
次変換効率が、第１実施形態の光検出装置よりも高かっ
た理由は、シリコン薄膜３２上への酸化膜３２ａの形成
後にこれを除去することによって、基底部３（シリコン
薄膜３２）の表面の結晶性が良好にされたためであると
考えられる。［結晶シリコン層の厚さが好適範囲から外れる形態］図
１の構造を有する光検出装置であって、結晶シリコン層
の突起部での厚さ（突起４の先端から基底部３のサファ
イア基板１との境界面までの距離）が２００ｎｍ未満で
あるものを、以下のようにして作製した。

【００５６】先ず、図１２（ａ）に示すように、結晶の
（０１２）面が露出したサファイア基板１上に、減圧化
学気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により２００ｎｍのシ
リコン薄膜３３を形成した。次に、熱酸化を行って、こ
のシリコン薄膜３３の上に厚さ５０ｎｍの保護酸化膜３
３ａを形成した。この熱酸化によりシリコン薄膜３３の
厚さは約１７５ｎｍとなる。

【００５７】この状態で、図１２（ｂ）に示すように、
打ち込みエネルギー５０ｋｅＶで、打ち込み量が４×１
０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ²となるように、ホウ素（Ｂ）をイ
オン注入した。これにより、シリコン薄膜３３のサファ
イア基板１側の部分に、厚さ約９５ｎｍでｐ型ドーパン
トが高濃度でドーピングされる。この部分がｐ型結晶シ
リコン層からなる基底部３となり、この基底部３の上側
に約８０ｎｍのシリコン層（ｉ層）３５が存在する。図
１２（ｃ）は、ホウ素のイオン注入後に保護酸化膜３３
ａを除去した状態を示す。

【００５８】次に、このシリコン層（ｉ層）３５に対し
てコーン状の突起４を形成する。この突起４の形成方法
は、前述のシリコン薄膜５０に対して突起４を形成した
方法と同じ方法で行った。次に、第１実施形態の図２
（ｃ）から図３（ｄ）に示す工程を行うことにより、図
１に示す光検出装置を作製した。この光検出装置の光電
変換特性を前記と同じ方法で調べたところ、ゲート電圧
０〜５０Ｖの範囲で電界放射電流は見られなかった。な
お、この光検出装置の結晶シリコン層の突起部での厚さ
（突起４の先端から基底部３のサファイア基板１との境
界面までの距離）は０．１７５μｍであった。

【００５９】さらに、図１の構造を有する光検出装置で
あって、結晶シリコン層の突起部での厚さ（突起４の先
端から基底部３のサファイア基板１との境界面までの距
離）が１０μｍを超えるものを、第１実施形態と同じ方
法で作製した。ただし、シリコン薄膜５０を形成する際
の結晶成長は、ｐ型結晶シリコン層からなる基底部３と
シリコン薄膜５０との合計膜厚が１１．０μｍとなるま
で行った。

【００６０】この光検出装置の光電変換特性を前記と同
じ方法で調べたところ、ゲート電圧３０Ｖ以上で電界放
射電流が増加したが、電界放射電流は最大でも９５ｎＡ
であった。また、このときの光子−電子一次変換効率は
５０％であった。なお、この光検出装置の結晶シリコン
層の突起部での厚さ（突起４の先端から基底部３のサフ
ァイア基板１との境界面までの距離）は１１．０μｍで
あった。［比較例］図１の光検出装置において、サファイア基板
１に代えてシリコン基板上に、電界放射型電子源２が形
成されている光検出装置を以下の手順で作製した。

【００６１】先ず、結晶の（１００）面が露出したシリ
コン基板を用い、この基板の上に、熱酸化により厚さ５
０ｎｍの保護酸化膜を形成した。次に、この保護酸化膜
を介して、打ち込みエネルギー１４０ｋｅＶで打ち込み
量が４×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ²となるようにホウ素
（Ｂ）をイオン注入した。これにより、シリコン基板の
表面側に、ｐ型結晶シリコンからなる基底部が形成され
た。

【００６２】次に、このシリコン基板上の保護酸化膜
を、希フッ酸を用いたエッチングにより除去した後、こ
のシリコン基板の上に、さらにモノシランを原料ガスと
して用いたＬＰ−ＣＶＤ法により厚さ５．０μｍのシリ
コン薄膜を形成した。次に、第１実施形態で説明した図
２（ｂ）から図３（ｄ）に示す工程を行った。このよう
にして作製された光検出装置の光電変換特性を、光を突
起４の側から入射した以外は第１実施形態と同様にして
調べた。その結果、ゲート電圧が３０Ｖ未満では電界放
射電流は僅かであったが、３０Ｖ以上になると電界放射
電流が急激に増加し、３６〜４５Ｖの範囲で１５５ｎＡ
程度の電界放射電流が得られた。このときの光子−電子
一次変換効率は７０％であった。また、ゲート電圧が４
５Ｖを超えると、ゲート酸化膜（下側酸化膜７ａ）の破
壊が生じて電流がリークするため、電界放射電流は０と
なった。

【００６３】なお、上記実施形態の光検出装置におい
て、多数の突起４を電界放射型電子源２の表面に２次元
に配置し、陽極１１で各突起４の位置毎に電子線強度を
同時に検出するように構成すれば、光強度の２次元分布
が直接検出可能となる。この場合、光吸収で生じた電子
は、横方向へ拡散することなく、空乏層となるｉ層５を
高速で通過して直ちに突起４の先端部に向かうため、光
強度の２次元分布が正確に検出される。

【００６４】第１実施形態の光検出装置の製造方法で得
られた、突起が２次元に配列された電界放射型電子源の
電子顕微鏡写真を図１１に示す。このように、ｐ型半導
体からなる基底部とｎ型半導体からなる突起とを有し、
基底部と突起との間にｉ層を有し、突起が２次元に配列
された電界放射型電子源が、サファイア基板（光透過性
基板）上に形成された光検出装置によれば、前述の文献
の光検出装置と比較して２次元の光強度分布をより正確
に検出できる。

【００６５】また、本発明の光検出装置によれば、陽極
１１と突起４との間に、少なくとも一つ以上の集束電極
または偏向電極を配置することにより、光検出の感度を
高くすることができる。また、本発明の光検出装置によ
れば、突起４を２次元に配置し、陽極１１の突起４側の
面に蛍光膜を設けることにより、光強度の２次元分布を
観察することができる。

【００６６】また、本発明の光検出装置は、突起４を２
次元に配置し、光強度の２次元分布を電気信号として検
出する構成となっていてもよい。また、本発明の光検出
装置は、突起４から放出された電子を加速して電子を増
幅させる構成となっていてもよい。また、本発明の光検
出装置は、突起４を２次元に配置し、各突起４用の容量
と、各突起からの電子の放出を所定の時間間隔で行う手
段を設けることにより、各容量に所定の時間間隔の電気
信号を蓄積する構成となっていてもよい。さらに、各容
量に蓄積された電気信号を、順次読み出す手段を有する
構成となっていてもよい。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光検出装
置によれば、光透過性基板の裏面から光を入射するた
め、表面側に設ける電極や端子を透明材料で形成しなく
ても、入射光の受光効率を高くすることができる。これ
により、光検出感度が高くなる。また、電界放射型電子
源の突起を２次元に配置することにより、容易に光イメ
ージセンサを作製することができる。

【００６８】特に、請求項２のように、電界放射型電子
源がｐｉｎフォトダイオードの構成となっている場合に
は、電界放射型電子源の突起を２次元に配置することに
より、従来技術で挙げた文献の光検出装置と比較して２
次元の光強度分布をより正確に検出することができる。
したがって、本発明の光検出装置をこのような構成とす
ることにより、解像度の高い光イメージセンサを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光検出装置の実施形態を示す構成図で
ある。

【図２】本発明の第１実施形態に相当する光検出装置の
製造方法を示す工程図である。

【図３】本発明の第１実施形態に相当する光検出装置の
製造方法を示す工程図である。

【図４】本発明の第１実施形態に相当する光検出装置の
電界放射電流とゲート電圧との関係を示すグラフであ
る。

【図５】本発明の光検出装置の別の実施形態を示す構成
図である。

【図６】本発明の第２実施形態に相当する光検出装置の
製造方法を示す工程図である。

【図７】本発明の第２実施形態に相当する光検出装置の
製造方法を示す工程図である。

【図８】本発明の第２実施形態に相当する光検出装置の
製造方法を示す工程図である。

【図９】本発明の第２実施形態に相当する光検出装置の
電界放射電流とゲート電圧との関係を示すグラフであ
る。

【図１０】本発明の第３実施形態に相当する光検出装置
の製造方法を示す工程図である。

【図１１】第１実施形態の光検出装置の製造方法におい
て得られた、突起が２次元に配列された電界放射型電子
源であって、基板上に形成された微細なパターンを示す
図面代用写真である。

【図１２】本発明の実施形態に相当する光検出装置の製
造方法を示す工程図である。

【符号の説明】

１サファイア基板（光透過性基板）２電界放射型電子源３ｐ型結晶シリコン層からなる基底部４ｎ型結晶シリコンからなる突起５ｉ層（ｐ^-結晶シリコン層）６ゲート電極７ａ下側酸化膜７ｂ上側酸化膜８ゲート電極用の端子９基底部のオーミック電極１０オーミック電極用の端子１１陽極１４電流計１５レジスト膜１５ａレジスト膜の開口部１６レジスト膜３１シリコン薄膜３１ａシリコン酸化膜３２シリコン薄膜３２ａシリコン酸化膜３３シリコン薄膜３３ａシリコン酸化膜３５シリコン層（ｉ層）５０シリコン薄膜６０ポリシリコン膜６０ａコンタクトホール６１ニオブ薄膜６２アルミニウム薄膜７０ａ酸化膜からなるマスクパターン７２酸化膜７３酸化膜Ｄ１直流電圧源Ｄ２直流電圧源

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 31/26 Ｈ０１Ｊ 40/06 40/06 Ｈ０１Ｌ 27/15 ＤＨ０１Ｌ 27/15 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｕ 31/10 Ｈ０１Ｊ 1/30 ＦＨ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 31/10 Ｚ (72)発明者森安嘉貴静岡県富士市鮫島２番地の１旭化成工業株式会社内 (72)発明者鄭永哲静岡県富士市鮫島２番地の１旭化成工業株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AA11 AB04 BA09 BA34 BE08 DA18 5C024 AX01 CX37 CX41 CY47 EX02 EX13 EX55 GX03 GX24 GY31 GZ04 GZ16 5C035 CC01 CC09 5C037 AA07 AB08 GH05 GH06 GH18 5F049 MA20 MB03 NA20 NB03 SS03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型半導体からなる基底部とｎ型半導体
からなる突起とを有する電界放射型電子源が、単結晶酸
化物からなる光透過性基板上に形成され、この光透過性
基板側から入射された光の強度を、電界放射型電子源内
のｐｎ接合による光吸収で生じて前記突起から放出され
る電子量に変換して検出する光検出装置。
【請求項２】電界放射型電子源は基底部と突起との間
にｉ層を有する請求項１記載の光検出装置。
【請求項３】電界放射型電子源は結晶シリコン層から
なり、この結晶シリコン層の突起部での厚さが０．２μ
ｍ以上１０μｍ以下である請求項１または２記載の光検
出装置。
【請求項４】前記結晶シリコン層は、光透過性基板側
の厚さ０．２μｍの範囲での結晶欠陥密度が１×１０⁷
個／ｃｍ²以下である請求項３記載の光検出装置。
【請求項５】光透過性基板はサファイア基板である請
求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項６】電界放射型電子源の突起が２次元に配置
されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の光検出
装置。