WO1983002038A1 - Semiconductor photoelectric converter - Google Patents

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WO1983002038A1
WO1983002038A1 PCT/JP1982/000458 JP8200458W WO8302038A1 WO 1983002038 A1 WO1983002038 A1 WO 1983002038A1 JP 8200458 W JP8200458 W JP 8200458W WO 8302038 A1 WO8302038 A1 WO 8302038A1
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Nishizawa, Jun-Ichi
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    • H01L31/1126—Devices with PN homojunction gate the device being a field-effect phototransistor

Definitions

  • the present invention relates to a high-sensitivity and high-speed semiconductor photoelectric conversion device exhibiting its characteristics in the far-infrared region from the infrared region.
  • thermocouples and photoconductive cells Conventionally, there are infrared and far-infrared detectors using thermocouples and photoconductive cells, but they all have disadvantages such as poor sensitivity and low operating speed.
  • An object of the present invention is to improve such conventional drawbacks, and an object of the present invention is to provide a semiconductor photoelectric conversion device capable of operating at high speed in a range from infrared to far infrared with high sensitivity. To do that.
  • the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention comprises a channel region of one conductivity type having a low impurity density or an intrinsic semiconductor and a channel for flowing a main current provided in contact with the channel.
  • Part of the channel area is made to receive light, and the channel area is
  • the depletion layer near the gate inside is controlled by the amount of light incident on the channel and the voltage applied to at least one of the two main poles and the gate. It is the one that was decided.
  • the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention has the following advantages, which are not found in conventional pyro-transistors and photo-transistors. That is,
  • the gate region has a high impurity density? Since it is a + (or ⁇ +) layer, the gate resistance is small and the speed is high. In addition, the speed can be arbitrarily adjusted by the external gate resistor connected to the gate.
  • Fig. 1 ⁇ 0, ( ⁇ ) is a new view of the photodetector of the present invention
  • Figs. 2) to (C) are explanatory diagrams of the operation of the semiconductor light-to-beam converter of the present invention and infrared rays
  • the electric current when exposed to far-infrared light, the pressure characteristics, Fig. 3 C4), (B) to Fig. 5 are cross-sectional views of another embodiment of the present invention, Fig. 6) to 0). »Is electrostatic among the photodetectors of the present invention.
  • Sectional view of the inductive thyristor, Figs. 7 to (D) are illustrations of the killing of the semiconductor optical turtle converter of the embodiment of Fig.
  • FIG. 8 U) and (B) are current and voltage characteristic diagrams, and Fig. 8 is an embodiment in which the envelope of the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention is irradiated with infrared light or far infrared light. 9) or a cross-sectional view of an embodiment of the present invention in which a capacitor is connected to the gate, and FIG. 10 (4 to 0?) Shows a book in which a capacitor is connected to the drain or source.
  • FIG. 11) Cross-sectional view of an embodiment of the invention.
  • FIG. 11) (D) is a cross-sectional view of an embodiment in which a resistor and a capacitor are connected to a gate.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the embodiment in which the gate is a shot key-paria
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the embodiment in which the gate is a shot key.
  • FIGS. 1) and 1 (B) are cross-sectional views of an example of a semiconductor device used for the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention.
  • the main current path (hereinafter referred to as “channel”) formed by the high-resistance layer 2 of the mold has a shape that does not block the layer 5.
  • the layer 5 may have any shape such as a mesh or a line.
  • the impurity density is high in the I-type high resistance layer. The same as the resistance layer 2 may be used.
  • 5 is a + layer with high impurity density of the mold, ⁇ is a source electrode, 7 is a gate electrode, and 8 is a drain electrode.
  • the source electrode ⁇ is set so that the channel is irradiated with infrared light or far-infrared light ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ so that the entire surface of the source is not blocked.
  • dope impurity atoms that are excited by infrared light or far-infrared light In the regions that are to be the channels of regions 2, 4, dope impurity atoms that are excited by infrared light or far-infrared light.
  • the hatched area 9 in the figure indicates that area.
  • the doping region of impurity atoms excited by the infrared light or far-infrared light is selected according to the wavelength region to be detected, and the doping region is infrared light or far-infrared light. About the penetration depth. In some cases, the entire region of the channel may be doped. As such impurity atoms,-is good for Att, if, etc., and Si is good for Att, etc.
  • the present invention is particularly directed to doping impurity atoms excited by infrared light or far-infrared light in a channel.
  • the high resistance layers 2 and 4 are formed by an epitaxial growth method, and the p + region of the gate is formed by a selective diffusion and a selective ion implantation method.
  • region 9 after + region 5 is formed by diffusion, appropriate atoms are attached by a method such as vacuum evaporation or direct-current sputtering, followed by heat treatment. It is formed by diffusing to a desired depth.
  • Electrodes 0, 7, and 8 are formed by selective etching after vacuum deposition of ⁇ . In order to protect the semiconductor device shown in Fig. 1, it is inevitable to provide a protective film with a thickness that does not hinder the irradiation of i-infrared light and far-infrared light.
  • the source electrode may be a transparent electrode instead of a metal electrode as in 4.
  • Impurity concentration of the high resistance layer 2, 4 is 1 0 1 beta cm '5 below, the impurity density of gate one DOO region S 1 0 18 c TO - 5 ⁇ above, "+ impurity density 1 0 region 1,5 "c one S on J3 ⁇ 4 is favored arbitrary.
  • Ru conditions der an electrostatic induction preparative run-g is te. ya down, channel normally the higher the impurity density of the field effect preparative run-g is te And
  • an electrostatic induction type transistor is good, but a normal electric field effect transistor is also effective.
  • the first (S) shows another embodiment of the present invention, which shows a semiconductor photoelectric conversion device having a buried gate structure as in FIG.
  • 2 is a high-resistance layer (or an i-layer of an intrinsic semiconductor), and 3 is a high-impurity-density layer that does not block the channel and has a striped or meshed shape.
  • the region 4 of the structure is the _ layer with the same high resistance as the ⁇ layer 2.
  • the channels formed by ⁇ _2 and 4 are doped with impurity atoms that are excited by far-infrared light and infrared light.
  • the shaded area 9 in the figure is that area, and it is not necessary to cover the entire area of "" layers 2 and 4. 1 and 5 are
  • ⁇ ⁇ These are high-impurity-density + layers to be drained and sourced, respectively. 8, 0, and 7 are the drain electrode, source electrode, and gate region, respectively. Infrared light or far-infrared light is drained as shown in the figure.
  • Fig. 2>, (s), (c) are explanatory diagrams of the operation of the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention.
  • Fig. 2 shows CO as a floating gate with no bias power supply between gate and source.
  • the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention r DS is de Tray down, source - scan electrostatic E source, ⁇ is the load resistance.
  • the semiconductor photoelectric conversion device ⁇ is irradiated with infrared light or far-infrared light. As shown in the figure, when the light intensity is 0, no current flows, and when the light intensity is,, s , and 4, a drain current flows, and the output corresponding to the load resistance Voltage is generated. This operation is excited by infrared and far-infrared light, generating an electron-hole pair. ) It collects in the + region and becomes positively charged, a forward voltage is generated between the gate and the source, and the m-flow flows between the source and the drain.
  • Each of the first 2 (B) t (C) is gate - DOO 'source - scan forward voltage source between, gate reverse voltage source -? Sheet resistance i of the feeder and connected & the via semiconductor of the present invention It is operation
  • G S is gate - - DOO 'source -? 3 ⁇ 4 £ source between scan, J & is provided for selecting an arbitrary resistance value from 0 in gate resistance.
  • the second ( ⁇ ) gate-source voltage is in the forward direction: in the case where the channel near the gate is irradiated with infrared light, electrons excited by far-infrared light, As the hole pairs flow between the gate and source, the potential at the intrinsic gate point, which has the highest potential barrier to the electrons in the channel, decreases, and the source Electrons flow rapidly to the i-drain region from the region. As the light intensity increases from 0 to -94, the drain current increases, and amplification is performed for infrared light or far-infrared light. At this time, the sensitivity can be adjusted by changing the gate resistance.
  • Fig. 2 fc shows a semiconductor photoelectric conversion device for infrared and far-infrared light according to the present invention, in which the gate force source is reverse biased.
  • the channel was excited by infrared light or far-infrared light while keeping the gate bias deep and preventing the drain current from flowing.
  • the gate current is generated in the gate resistance? A by the gate current.
  • the voltage drop is caused by suddenly increasing the drain current when the voltage between the gate and the source is applied in the positive direction, and the drain current increases with respect to infrared light or far-infrared light. Amplify. I- V characteristics are shows the state of the gas and the amount of light is increased 0 by J? G t ⁇ g 6 or in.
  • a depletion layer is formed from the gate to the channel, and depending on how the depletion layer is generated, a normal-off type and a normal-ion type. IV characteristics can be obtained. This achieves the desired IV characteristics by controlling the gate spacing, gate thickness, and channel impurity density. 2) to (C) can be selected according to the intended use of the infrared or far-infrared semiconductor photoelectric conversion device of the present invention.
  • FIG. 2 (The operations of ⁇ to ⁇ have been described assuming that the semiconductor photoelectric conversion devices i to Q 3 are separate channels, but the same semiconductor photoelectric conversion device can be realized with the p channel.
  • FIGS. 5) and (B) show still another embodiment of the present invention.
  • a photoelectric conversion semiconductor device for infrared and far-infrared light with a planar gate structure where the gate is installed on the same plane as the source. is there.
  • 20 is a ⁇ + substrate serving as a drain
  • 21 is a high-resistance 3 ⁇ 4 layer (may be a .Li layer or an intrinsic semiconductor i-layer)
  • 25 is a ⁇ + layer having a high impurity density to be sourced.
  • 22 are high impurity density 3> + layer gate regions which have a linear or mesh structure, and have a linear or mesh-like structure that blocks the channel of layer 21;
  • 27 is an impurity atom excited by infrared light or far infrared light of the present invention. In the region where infrared light or infrared light is irradiated, it is formed in the added region.
  • Fig. 5 (B) is a top view of Fig. 5W.
  • the gate and source electrodes have a comb-like tooth-like drive structure.
  • Reference numeral 30 denotes a bonding region (pad) of the gate electrode 24, and reference numeral 31 denotes a bonding region (pad) of the source electrode 25.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the present invention.
  • the gate electrode 25 and the gate electrode must be connected to the gate electrode.
  • + Region 22 is a source.
  • It has a digging gate structure with a shape dug down at the bottom.
  • the buried gate structure can be easily formed by a method such as chemical etching or plasma etching.
  • the stray capacity between the gate and source is smaller than in the embodiments of Figs.
  • FIG. 5 shows still another embodiment of the present invention.
  • the semiconductor device shown in FIG. 4 also has a reduced floating capacitance between the gate and the drain. A cut is made to the area, an insulator 33 is provided, and a gate electrode 25 is provided on the upper surface.
  • the stray capacitance between the gate and the source and between the gate and the drain is small, and infrared light or far-infrared light is received by the channel.
  • This is a semiconductor light-to-light converter that converts infrared light or far-infrared light with high speed and high sensitivity.
  • the electrostatic induction thyristor can be turned on and off at a high speed by a gate voltage, which cannot be performed by a conventional thyristor, and is used in the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention. be able to.
  • FIGS. 6) to (D) show an embodiment in which an electrostatic induction thyristor (hereinafter, referred to as a thyristor) is used as a semiconductor device of a semiconductor photoelectric conversion device.
  • a thyristor an electrostatic induction thyristor
  • Fig. C4 shows a 5 / thyristor with a buried gate structure.
  • the drain region of the static induction transistor shown in Fig. 1 (4) is replaced with the anode region. ) + Area.
  • 45 is a ⁇ -type high impurity density region of a force source
  • 41 is a high-resistance ⁇ layer serving as a channel
  • an intrinsic semiconductor region 45 is a gate ⁇ -type impurity density region
  • 42 is provided in a channel.
  • the impurity density of the gate region, the width and thickness of the gate, and the gate interval By changing the impurity density of the gate region, the width and thickness of the gate, and the gate interval, the anode current of both the normal and normal-off transistors is changed.
  • An electrostatic induction thyristor with voltage characteristics can be manufactured.
  • the blocking voltage in the forward direction is determined by the shape of the gate, the thickness of the channel layer, and the impurity density. When conducting, it operates as a -7t + diode
  • the degree should be high to increase the injection efficiency. If the gate resistance is reduced, the interrupting capability of the main current increases, the switching speed becomes faster, and break-over becomes difficult. Therefore, the impurity density in the gate region is reduced. The higher the better. Gate, anode over de force source - de impurity concentration of each region Oyo its 1 X 10 "- 3 or more, the impurity concentration of Chiya down, channel about 1 X10" and cm one 3 below.
  • the blocking voltage in the forward direction is approximately as follows: high resistance ⁇ If the substrate is a channel with an approximate thickness, it is approximately
  • ⁇ Roh? - as a de-area 40 3 + substrate with a vapor-phase length on it using the ⁇ - to layer may be formed, in by that diffusion in rags down of the high-resistance substrate to ⁇ -type impurity , Gate, and anode regions may be formed.
  • Fig. I shows a planar gate structure
  • Fig. 6 shows an electrostatic induction thyristor with a notched gate structure.
  • Fig. This also has the advantage that the stray capacitance between the gate and the power source and between the gate and the node is reduced, and the switching speed is increased.
  • 49 2 For instance Si0 in absolute ⁇ , 5 * 3 ⁇ 4. by the CVD method at a film]? is formed.
  • Figure 7 is Bruno -. Gate using an electrostatic induction reused scan data Q 10 of the Mali off type is the full B over Te I ring, A node mosquitoes Seo
  • ⁇ ' Connects the diode voltage K and the negative resistance. Infrared light with energy of “ 10” is irradiated with far-infrared light to Q10 , current flows between the anode and cathode , and an output v otLt is generated. It is.
  • Fig. 7 (B) shows the IV characteristics during the operation of Fig. 7 (4). If the light intensity is increased to ffi-g ⁇ when v AK is blocked in the forward direction, the anode current increases. When far-infrared light is no longer irradiated, infrared light returns to its original blocking state.
  • Fig. 7 shows a NORMALION type electrostatic induction thyristor that reverses the gate power source voltage E and blocks the node voltage up to ⁇ 1.
  • This is the IV characteristic when the far-infrared light intensity is increased from 0 to 0.
  • the voltage is made negative to increase the forward blocking voltage.
  • the anode-cathode flow of the electrostatic induction thyristor Q readilyflows to output. A voltage Vou.t is generated, and photoelectric conversion is performed.
  • FIG. 8 () shows another embodiment of the present invention.
  • the semiconductor photoelectric conversion device 53 of the present invention is incorporated in an envelope formed by a cap 51 having a window 52 and a stem 50.
  • the gate bin 55 is the gate bin
  • 56 is the source or power source bin
  • the stem 50 is the drain or anode.
  • the window 55 and 56 are insulated from the stem 50, respectively, and the gate electrode and the source electrode of the semiconductor optical torch converter are connected by gold or aluminum wires 54 to the gate bins 55 and 56, respectively. Connected to bin 50 of the source.
  • the window is made of glass, quartz glass, transparent resin, sapphire, etc., and is selected according to the incident light.
  • the window may have a lens structure, as shown in Fig. 8 (B).
  • Reference numeral 57 denotes a lens-shaped window member, which has a function of condensing incident infrared or far-infrared light on the operating layer of the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention as shown in the figure.
  • the enclosure is not made of metal as described above, if it has a window, it can be made of ordinary photo diodes or phototransformers, such as resin sealing. What is used for a register etc. is good.
  • FIG. Fig. 9 is a principle diagram when the semiconductor device of the present invention is used as an infrared or far-infrared light storage cell.
  • a capacitor is connected to the gate of the electrostatic induction transistor. It is.
  • the semiconductor devices described in FIGS. 1 to 8 can be used. Infrared or far infrared rays irradiate the channel and generate it in the channel. As the carrier gathers near the gate and charges the capacitance, infrared or far-infrared light signals are accumulated.
  • FIG. 14 (5) shows an embodiment. For example a high resistance (or an intrinsic semiconductor) layer 01 J3 formed by the vapor deposition on Si for "+ substrate 00, by performing by]?
  • a gate 05 of a region having a pure material density and a region 62 to be a source having a high impurity density are formed.
  • the entire region of the channel layer is the region 69 to which impurity atoms excited by infrared or far infrared are added.
  • 65 gate - substances Si0 2 to form a capacitor on the bets, Si 3 I like dielectric Karadadea, Oo is a metal electrode of ⁇ the like.
  • Reference numerals 07 and 8 denote the source and drain metal electrodes, respectively.
  • 67 and 08 may be drains and sources as shown in Fig. 9.
  • 64 is a sw 2 film as a surface protective film.
  • FIG. 9 (C) shows an embodiment in which a gate 63 to which a capacitor is connected and a gate 70 to which the capacitor is connected (hereinafter referred to as an opening-to-ging-gate).
  • 05 and 70 can be formed by the same diffusion process.
  • the floating gate may be metal-wired and a suitable bias may be added, or it may be at the same potential as the source. The above is the case where the source or drain is a w + substrate.
  • Figure 9 in (D) 71 is Boron de -? To 1 X 1 Q "cm '5 about the flop> substrate, de Tray down the diffusion
  • a layer 61 having a high resistance (may be an intrinsic semiconductor layer) is formed thereon by a vapor deposition method.
  • a + layer 75 is formed by a selective diffusion method. Gates and sources can be formed by the same process as in Fig. 9).
  • the drain electrode 68, the gate electrode ⁇ , the source electrode 07, and the substrate electrode 74 are formed by JK.
  • Fig. 9 ( ⁇ is an embodiment for separating one cell from the embodiment of Fig. 9 (D), and diffusion separation is performed.
  • 85 P layers or layers are separated regions.
  • a part of the channel layer is provided with a region 62 doped with an impurity atom excited by infrared light or far-infrared light.
  • the far-infrared light signal can be stored in the capacitor in the gate region, and the source and the drain may be reversed as described in the embodiment. Is o
  • FIGS. 10 to ⁇ show another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a capacitor for storing infrared or far-infrared light signals in the source, and FIG. Infrared or infrared light is connected to a capacitor that stores a far-infrared light signal.
  • FIG. Fig. 10 (C) shows that a capacitor is connected to the source region 62 of 75+, where 75 is a polycrystalline silicon, 76 is an oxide film, and 07 is the negative electrode of j? , (Ten)
  • Capacitors are formed by 75,76,67.
  • a metal electrode 66 is formed on the 3> + layer 62 of the gate.
  • FIG. 10 (D) shows an embodiment in which a capacitor connected to the drain shown in FIG. 10 (B) is provided on a P substrate.
  • 77 is a polycrystalline silicon
  • 70 is an oxide film
  • 08 is a drain electrode
  • a capacitor is formed.
  • FIG. 10 (C), (in are in Z3 ⁇ 4, source over scan and de Tray down reverse to 3 ⁇ 4 connection may.
  • Co emissions de capacitors material forming the sheet re co down 4 film be limited to the oxide film, it may be in the AO s film, or the like.
  • W is a capacitor with a capacitor and a resistor connected in parallel to the gate of the static induction transistor
  • Fig. 11 (S) is the same with a capacitor and a resistor in series with the gate.
  • the infrared light and the infrared light signal respectively accumulate for a time determined by the time constant of the capacitor and the resistance. If the resistance value is large, the capacitor may be omitted. Also, a capacitor in which a resistor is connected in series or parallel to the source or drain may be connected.
  • Fig. 11 (C) shows an embodiment in which a capacitor and a resistor are connected in parallel to the gate.
  • ⁇ is a metal electrode.
  • Capacitors and resistors are in the gate region according to 77, 78, 60
  • FIG. 11 (D) is another embodiment of the present invention corresponding to FIG. 11 (B), in which 80 is a polycrystalline silicon crystal which has been worked as a resistor and 81 is a resistor.
  • the dielectric thin film such as SiO, is a metal electrode.
  • 80, 81, 66) A resistor and a capacitor connected in series to the gate region 02 are formed.
  • Resistors and co emissions Devon Sa is not limited to be the above, Li down de - Bed polycrystalline, Pn junction, Si s N4 film, Ru can be formed I jK 2 0 3 film or the like Nyo.
  • FIG. 12 shows another embodiment of the present invention, in which the gate is closed.
  • Fig. 12 (04) shows the embodiment of Fig. 9 (B) without the metal wiring on the gate.
  • FIG. 12 (B) shows the embodiment of FIG. 9 ⁇ without the metal wiring or the like on the gate.
  • the semiconductor photoelectric conversion device shown in FIGS. 9 to 12 can use not only an electrostatic induction transistor but also an electrostatic induction thyristor.
  • FIG. 15 shows another embodiment of the present invention, in which the gate is not a layer but a shot key barrier.
  • 90 is a 71+ substrate of Si
  • 91 is a high resistance ⁇ layer (may be an intrinsic semiconductor)
  • 5 is a + layer with a high impurity density to be a source
  • 94 is a surface protective film
  • 95 is a ⁇ , ⁇ .
  • Metals that form a short-cut area for Si such as 96, 97 and 96 are source and drain metals Electrodes.
  • the shot gates are not limited to plane gates, but can be used for the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 12.
  • FIG. 14 shows another embodiment of the present invention.
  • the .14 Figure ( ⁇ is a real ⁇ showing a connection method of a photoelectric conversion device of the present invention in the embodiment of FIG. 9 Q 20 is gate -.
  • Semiconductor photoelectric the present invention bets the capacitor is connected converted
  • the gates of the two-dimensionally arranged semiconductor photoelectric conversion devices are ⁇ 2 , — ”, no source 2 .. ..., and the drains are Cl , C 2 ,. . " ⁇ .
  • the drain or source may be a common line. If the substrate side is a drain, the source and gate wiring may be performed on the front side of the substrate.
  • Fig. 14 is an embodiment in which the source and drain in Fig. 14 are reversed.
  • FIG. 15 shows another embodiment of the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention in which a capacitor is connected to the source, and FIG. 15 (B) is a capacitor connected to the drain.
  • Q 21 is a semiconductor body apparatus of the embodiment shown in FIG. 10.
  • the semiconductor device can use the elements shown in FIGS.
  • two-dimensional wiring two-layer wiring through insulators, one of the poles is made of polysilicon, and the other is metal wiring of ⁇ 3 ⁇ 4.
  • FIGS. 14 and 15 show the semiconductor photoelectric conversion device of the present invention in which a capacitor is connected to a gate, a source, or a drain.
  • a photoelectric conversion device or a combination of the components shown in FIGS. 9 to 11 may be used as one cell.
  • the infrared light having energy when the infrared light having energy is irradiated with far-infrared light, the infrared light is irradiated by the two-dimensionally arranged cells. In this case, far-infrared light tortoise conversion is performed.
  • the cell is composed of one electrostatic induction transistor, and the light amplification factor is large, so that the diode and CCD or the diode are used. Compared to an optical sensor using a MOS transistor, it has excellent features such as high sensitivity to infrared and far-infrared light and a simple structure. .
  • a conductive path may be connected between the gate region and the source region.
  • Connect a resistor In this case, the response speed is determined by the values of the capacitance and resistance in the gate region.
  • This resistor can be formed in the same semiconductor chip by diffusion or the like.
  • the switch means may be formed by a transistor or the like, and may be integrated on the same semiconductor chip, or may be formed by a mecha-cultivator or the like and externally attached.
  • the channel has been described as a high-resistance ⁇ -region >> channel, but it is needless to say that the channel may be j> channel. is there.
  • the structure of the light receiving section is not limited to the structure of the above embodiment.
  • the light-receiving surface may be formed on the drain side, the source side, or any other place. It is sufficient if light can be sufficiently introduced into the active region in the operating state.
  • the electrode structure when the electrodes are arranged on the light receiving surface side is not limited to the one shown in the figure.
  • the electrodes may be striped or mesh-shaped, or transparent electrodes may be provided on the entire light-receiving surface.
  • Semiconductor material is not limited to Si, Gt, Pir ⁇ Sn ⁇ T, PS nx S, Pb ⁇ - ⁇ S ⁇ Se, Hg ⁇ Cd ⁇ Te, IrSb, ⁇ such as GaAs V I ⁇ thereof semiconductors
  • the body or its mixed crystal, such as ⁇ J ⁇ -*, can be used.
  • the devices are manufactured by ion implantation instead of diffusion, cz) method for forming insulating film, plasma etching method, anodic oxidation method, and film formation by sputtering method.
  • a well-known semiconductor manufacturing method can be used.

Description

. - — 明 細 書
半導体 光 電変 換装 置
技 術 分 ¾Γ
本発明ほ ， 特に赤外よ り 遠赤外の領域でその特徵を発 揮する ， 高感度で高速な半導体光電変換装置に関する。
背 景 技 術
従来 ， 熱電対 ， 光導電セ ルを用いた赤外線 ， 遠赤外線 の検出器はあるが， ：：れらは全て感度が悪く ， 動作速度が 遅い等の欠点を有している。
発 明 の 開 示
本発明の 目的は ， この よ う な従来の欠点を改善 したも のであり ， その目的は ， 赤外から遠赤外の領域において 高感度であ り且つ高速に動作し得る半導体光電変換装置 を提供する こ と にある。
本発明の半導体光電変換装置は ， 一方の導電型の低不 純物密度ない しは真性半導体のチ ャ ン ネ ル領垵と ， チヤ ン ネ ル に接して設けられる 主電流を流すための 2 つの主 電極と ， 前記チ ャ ン ネ ル領域に.主電流通路を塞がないよ I う に設け ら れる ゲー ト 領域と を含み ， 前記チ ャ ン ネ ル頜
. 域の半導体に前記チ ャ ン ネ ル領域の禁制帯幅のエ ネ ル ギ に相当する光の波長よ り も 長い光によって 励起さ れる不 純物準位を形成する原子を添加 し、 前記チ ャ ン ネ ル領域 の一部を光を受け られる よ う に し ， 前記チ ャ ン ネ ル領域 内のグ - ト近傍の空乏層が， 前記チャ ン ネ ル に入射する 光の光量及び前記 2 つの主亀極及びゲ - ト の少 く と も 1 つに印加する電圧によって制御される よ う に した もので ある。
本発明の半導体光電変換装置は， 従来のパイ ボ - ラ ト ラ ンジ ス タ ， フ ォ ト ト ラ ン ジス タ にはない， 次のよ う 優れた点を有 している。 即ち，
(1) 高感度である。
(2) ザ一 ト領域が高不純物密度 ？+ (あるいは《+ )層で あるために， ゲ - ト 抵抗が小さ く 高速である。 更にゲ - 卜 に接続される外部のゲー ト 抵抗 によ ]?， 任意に 速度の調整ができ る。
(3) 低雑音であ J9 , 常温動作だけでは く， 低温動作で も良い。 '
等の利点を有 している こと に よ ， 従来， 高速， 高感度 三端子装置の かった赤外 · 遠赤外光の半導体光電変 換装置であ ， 工業的価値の高いものである。 図 面の 簡単 ： ¾ 説 明
第 1 図 Ο≤0，(β)は本発明の光検出素子の新面図， 第 2 図 04) 乃至 (C)は本発明の半導体光亀変換装置の動作説明図及び 赤外ない しは遠赤外光が照射されたと き の電流， ¾圧特 性図， 第 3 図 C4)，(B)乃至第 5 図は本発明の別の実施例の断 面図， 第 6 図 )乃至 0»は本発明の光検出素子の う ち静電 誘導サイ リ ス タ の断面図， 第 7 図 乃至 (D)は第 ό 図の実 施例の半導体光亀変換装置の勦作説明図， 乃び赤外 い しは遠赤外光が照射された と き の電流， 電圧特性図， 第 8図 U),(B)は本発明の半導体光電変換素子の外囲器に赤外 光 い しは遠赤外光を照射させた実施例， 第 9 図 )乃至 はゲ ー ト に コ ン デ ンサを接続 した本発明の実施例の断 面図， 第 10 図（4乃至 0?)は ドレイ ンあるいは ソ ー ス にコ ン デンサを接続 した本発明の実施例の断面図， 第 11 図 )乃 至 (D)はゲ - ト に抵抗 と コ ンデ ンサを接続 した実施例の断 面図， 第 12図 )及び（S)はゲー ト をフ ロ - ティ ン グ した 実施例の断面図， 第 15図は ゲ - ト をシ ョ ッ ト キ - パ リ ア と した実施例の断面図， 第 14図 )M及び第 15 図 ,(B)は 第 9 図及び第 10図に示される本発明の半導体光電変換装 置の構成を示す実施例である。 発明 実施するための最良の形態
第 1 図 ),(B)は本発明の半導体光電変換装置に用 る半 導体装置の一例の断面図である。
1 は S£ の + 基板， 2 は れ 型の高抵抗層 （ " 層 あるい は真性半導体の i 層で も良い ） ， 5 はゲ - ト と なる べき P型の高不純物密度な ？ J+層で， 型の高抵抗層 2 で形成 される主電流通路 （ 以下チャ ンネル と称す ） を塞が い 形状になっている。 層 5 は網 目状， 線状 ど任意の形 状で良い。 4 は同 じ く ？ I 型の高抵抗層で不純物密度は高 - 抵抗層 2 と 同 じでも良い。 5 は 型の高不純物密度の + 層 ， ό はソ ー ス電極 ， 7 はゲー ト 電極 ， 8 は ド レ イ ン電 極であ る。
ソー ス電極 ό は赤外光あ るいは遠赤外光 Α ί を チ ャ ン ネルに照射する よ う に， ソー ス全面を塞がないよ うに設 ける。
領域 2 , , 4 の チャ ンネ ルと なるべき領域には ， 赤外光 や遠赤外光に励起される不純物原子を ドー ビングしてお く 。 図中の斜線領域 9 はその領域を示す。 こ の赤外光や 遠赤外光に励起される不純物原子の ドー ピ ン グ領域は ， 検出しょ う とする波長領域によって選び ， ドー ビ ン グす る領域は赤外光や遠赤外光の侵入深さ程度で良い。 場合 によって は チャ ンネ ルの全領域に ドー ピ ン グ して も良い。 こ のよ う な不純物原子と して ， - では Att , if ， 等 が ， S i では Att等が良い。
本発明は、 特にチャ ンネ ル中に赤外光や遠赤外光によ つて励起される不純物原子を ドー プするこ とを特徵と し て ゝる。
第 1 図（4)の半導体装置は ， 例えば高抵抗層 2 ， 4はェピ タキシャル成長法に よって 又ゲー ト の p + 領域は選択拡散， 選択イ オ ン注入法によって形成さ れる。領域 9 は +領域 5 を拡散によって形成後 ， 適当な原子を真空蒸着あるい は直流ス パ ッ タ のよ う な方法でつけた後に熱処理をして 所望の深さ まで拡散さ せる こ と に よって形成する 。 各電 極 0 , 7 , 8 は ^ を真空蒸着した後に，選択エ ッ チ ン グを して形成する。 第 1 図 の半導体装置を保護するために i 赤外光 ， 遠赤外光の照射の為に支障にな らない薄さで保 護膜をつける こ とは差しつかえない。 又ソ ー ス の電極は 4 の よ うな金属電極でな く ， 透明電極でも良い。
高抵抗層 2 , 4 の不純物密度は 1 01 β cm'5 以下 , ゲ 一 ト領域 S の不純物密度は 1 018 cTO-5 ^上 ， 》+領域 1，5の 不純物密度は 1 0" c 一 S J¾上が好ま しい。 これは静電誘導 型 ト ラ ン ジ ス タ と なる条件であ る 。 ヤ ン ネ ルの不純物 密度を高く する と通常の電界効果 ト ラ ン ジ ス タ と なる。
本発明は ， 静電誘導型 ト ラ ン ジスタが良いが通常の電 界効果 ト ラ ン ジス タ ίこ も有効である。
第 1 (S)は本発明の別の実施例で ， 第 1 図 と 同様に 埋込み型のゲ— ト 構造を有する半導体光電変換装置を示 す。
図中 2 は高抵抗の 層 （ 層ある いは真性半導体の i 層でも よい ） ， 3 は ヤ ンネルを塞がない形状にされた高 不純物密度な 層でス ト ラ イ プ状あるいは網目状の構造 の領域 ， 4 は Λ—層 2 と 同 じ高抵抗の _層である。 η_雇 2， 4で形成 される チヤ ン ネ ルは遠赤外光 ， 赤外光ふ 二励起 される不純物原子が添加されている。図中の斜線部 9がそ の領域で ， "" 層 2 ， 4 の全領域である必要はない。1 , 5は
Ο ΡΙ それぞれ ド レイ ン， ソ - ス と るべき 高不純物密度の + 層である。 8，0， 7 はそれぞれ ド レ イ ン電極， ソ -ス電極， ゲ - ト領域である。 赤外光あるいは遠赤外光は図に示す よ う に ド レ イ ン ょ 照射される。
第 2 図 >，(s)，(c)は， 本発明の半導体光電変換装置の動作 説明図である。
第 2図 COは， ゲー ト ， ソ - ス間にバ イ ア ス電源がない フ ロ - ティ ングゲ一 ト と した場合である。
• ^は本発明の半導体光電変換装置， rDS は ド レ イ ン， ソ - ス電 E源， ^は負荷抵抗である。 半導体光電変換装 置 < には とい う赤外光あるいは遠赤外光が照射され ている。 I-V特性は図示 したよ う に光量が 0 のと き に電 流が流れず， 光量が ， ， s , 4 と增すと ド レ イ ン電流 が流れ， 負荷抵抗に とい う 光に対応した出力電圧が 生じる。 この動作は赤外， 遠赤外光に励起され， 電子 ， 正孔対が生じ， 正孔はゲ - ト の？) +領域に集ま 正に帯電 し， ゲー ト · ソ - ス間に順方向電圧が生じ， ソ - ス · ド レイ ン間 m流が流れる こ とに よっている。
第 2 (B)t(C)はそれぞれ， ゲ - ト ' ソ - ス間に順方向電圧 源， 逆方向電圧源をゲ - ト 抵抗 i?&を介して接続した と き の本発明の半導体光電変換装置の動作説明図である。
GS はゲ- - ト ' ソ - ス間の ¾ £源， J?&はゲー ト抵抗で 0から任意の抵抗値を選定するために設けられている。 第 2· (Β)のゲ ト · ソ - ス電圧が順方向の: ¾合には, ゲ - ト 近傍のチャ ン ネ ル に照射された赤外 · 遠赤外光 によって励起された電子 · 正孔対がゲ - ト · ソ - ス間に 流れる こ と によって， チ ャ ン ネ ル中の最 も電子に対して 電位障壁の高い真性ゲ - ト 点の電位が低下して， ソ - ス 領域よ i? ド レ イ ン領域へ電子が急激に流れる。 光量が 0 から -94,へと増大する こ とに よって ド レ イ ン電流は増 して， 赤外光あるいは遠赤外光に対 しての増幅が行な わ れる。 この と き にゲ ー ト 抵抗 を変化させる こ と によつ て感度の調節をする こ とができ る。
第 2 図 fc は， ゲー ト ' 力 ソ - ドを逆方向バ イ ア ス に し た本発明の赤外， 遠赤外光の半導体光電変換装置である。
ゲー ト バ イ ア スを深 く ， ド レ イ ン電流が流れない よ う にしておいて， 赤外光ある いは遠赤外光 が照射 される こと によってチ ャ ン ネ ル に励起された電子 · 正孔対の う ち， 正孔は直 ちにゲ - ト 電極へ引 き寄せられてゲ - ト 電 流が流れ， そのゲ - ト 電流に よってゲ - ト 抵抗 ?aに生ず る電圧降下はグ - 卜 · ソ - ス間の電圧を正方向に振 ]?込 むこと によって急激に ド レ イ ン電流は増大 して， 赤外光 ない しは遠赤外光に対 して増幅をする。 I- V特性は光量 が 0 よ J? gt~g6 ま で増大する と き の様子を示 している。 ド レ イ ン電圧を rD1， D2 , D3 と変化させる こ と によ って， 光感度特性を変化させる こ と も 可能であ る。 静電誘導 ト ラ ン ジス タ.では， ゲ -.ト からチャ ン ネ ルへ 空乏層ができ， その空乏層の生 じさせ方に よって， ノ - マ リ オフ， ノ ー マ リ オ ン型の I-V特性を得るこ とができ る。 これはゲー ト の間隔， ゲー ト の厚さ， チャ ンネ ルの 不純物密度を制御する こ と に よって所望の I-V特性を実 現でき る。 第 2 図 )乃至 (C)の動作特性は本発明の赤外あ る は遠赤外光の半導体光電変換装置の使用目的に応じ て， 選定でき る。
第 2図（^乃至^の動作は半導体光電変換装置 i 乃至 Q3 が れ チャ ン ネ ルと して説明 してきたが, p チャ ン ネ ル で も同様の半導体光電変換装置が実現で き るのは勿論であ 第 5 図 )，(B)は更に本発明の別の実施例である。
ゲ - ト · ソ -ス間の浮遊容量を滅少させるためにゲ - ト をソ - スと 同一平面上に設置した平面ゲ - ト 構造の赤 外 · 遠赤外光の光電変換半導体装置である。 20 は ドレイ ンとなる Λ+の基板， 21 は高抵抗 ¾ ?Τ層（： .リ 層あるいは 真性半導体 i 層でも良い ） ， 25 はソ - スと るべき高不 純物密度の Λ+層 , 22は れ-層 21 のチャンネルを塞がるい 形状であって線状あるいは網 目状の構造を有 している高 不純物密度の 3>+層ゲ - ト 領域， .24,25,26 はそれぞれゲ - ト ， ソ ー ス， ド レ イ ン 極である。 27 は本発明の赤外光 あるいは遠赤外光んリによって励起される不純物原子を添 加した領域であって， 赤外光な いしは遠赤外光^の照射 される領域に形成されている。
第 5 図（B)は第 5 図 Wの上面図で， ゲ - ト ， ソ -ス電極 がく しの齒状のス ト ラ イ ブ構造を有 している。 30はゲ- ト 電極 24 の ボンディ ン グ領域 （ パ ッ ド ） ， 31 はソ ー ス電 極 25 のボ ンディ ン グ領域 （パ ッ ド） で あ る。
第 4図は本発明の別の実施例である。
'赤外光 ' 遠赤外光に照射される チ ャ ン ネ ル の受光面積 を増加させる為に， ゲ - ト 電極 25， ゲ ト の ？) + 領域 22 をソ - ス よ ) 下部に堀下げた形状に した， 掘込ゲ - ト 構 造を有 している。 掘込ゲ - ト構造は， 化学エ ッ チ ン グ， プラズマエ ツ チ ン グ等の方法に よ 容易に形成でき る。
第 1 図， 第 3 図の実施例よ も ゲ - ト · ソ - ス間の浮 遊容量は滅少する。
第 5 図は， 本発明の更に別の実施例で， 第 4 図の半導 体装置よ ]? も ゲ - ト · ド レ イ ン間の浮遊容量を減少させ たもので， ド レ イ ン領域ま で切 1?込みを し， 絶緣物 33 を設け， その上面にゲ - ト 電極 25 を設けた ものである。
この実施例のものは， ゲ - ト ' ソ - ス間及びゲ - ト · ド レイ ン間の浮遊容量が小さ く ， チ ャ ン ネ ル への赤外光 い しは遠赤外光の受光面積が増すので， よ ]) 高速， 高 感度る， 赤外光 い しは遠赤外光の半導体光 ¾変換装置 と ¾る。
'BURiZ 静電誘導サイ リ ス タは， 従来の 樁造のサイ リ ス タではできなかった， ゲ - ト 電圧に よ る高速 ¾オ ン オフがで きるので， 本発明の半導体光電変換装置に用い る ことがで き る。
第 6 図 )乃至（D)は静電誘導サイ リ ス タ （ 以下 サイ リ ス タ と称す） を半導体光電変換装置の半導体装置と した 実施例である。
第 ό 図 C4)は埋込みゲ ー ト構造の 5/ サイ リ スタで， 第 1 図（4)の静電誘導 ト ラ ンジス タ の ド レ イ ン領域をァノ - ド 領域の ？)+領域と したものである。
40 はァノ - ド領域と るべき 3>型の高不純物密度領域
45 は力ソ - ドの π 型の高不純物密度領域， 41はチャンネ ルと る高抵抗 τΤ層るいしは真性半導体領域， 45 は ゲ - ト の ρ型不純物密度領域， 42 はチャンネル中に設け た遠赤外， 赤外光^に励起される不純物原子の添加され た領域， 48 はア ノ - ド電極， 46 はゲ ー ト 電極， 47は力 ソ - ド電極である。 ザ - ト の 領域の不純物密度， ゲ一 ト の幅と厚さ， ゲ ー ト 間隔を変化させるこ とに よってノ - マ リ オ ン， ノ — マ リ オ フ両方のア ノ ー ド電流 · 電圧特 性を も つ静電誘導サイ リ ス タ を製作でき る。 順方向の阻 止電圧は， ゲ - ト の形状とチ ャ ン ネ ル層 の厚さ と不純物 密度で決ま る。 導通時には - 7t+ダイォ - ドと して 動作するの で， ァノ - ド領域と 力 ソ - ド領域の不純物密
¾υ:、：人 cr m ν· -' ~" 度は， 注入効率を高めるために高いこ とが望ま しい。 ゲ - ト抵抗を小さ く すれば主電流の遮断能力は増 し， ス ィ ツチン グ速度が早 く る る しまたブ レ - クオ - バ しに く く るるので， ゲ - ト 領域の不純物密度は高いほど良い。 ゲ ー ト， アノ ー ド， 力 ソ ― ド各領域の不純物密度はおおよ そ 1 X 10" -3以上， チヤ ン ネ ルの不純物密度は約 1 X10" cm一3以下とする。 順方向の阻止電圧は の高抵抗 《一 基 板で厚さがおおよそ の ものをチャ ン ネ ルとすれば, 約 となる。
ァノ - ド領域 40 と して 3?+基板を 用いその上に気相成 長で Λ— 層を形成して も良い し， の高抵抗基板に Ρ 型 不純物のボロ ンに よ る拡散で， ゲ - ト ， ア ノ - ド各領域 を形成 して も良い。
第 ό 図（Β)は平面ゲ - 卜 構造， 第 6 図 ，( は切込ゲ - ト 構造の静電誘導サイ リ ス タ である。 第 ό 図（β) ~ 0¾は第 6 図 W よ もゲ ー ト · 力 ソ ー ド間及びゲー ト · ア ノ ー ド間 の浮遊容量が減少 し， ス イ ッ チ ング速度が早 く な る とい う利点を有する。 第 ό 図（D)において 49 は絶緣物で例え ぱ Si02， 5*3 ^4. 膜で CVD 法によ ]? 形成される。
第 7 図 )乃至（D)は第 ό 図に示された静電誘導サイ リ ス タの動作説明図である。
第 7 図 はノ - マ リ オ フ型の静電誘導サイ リ ス タ Q10 を用いてゲ ー ト は フ ロ ー テ ィ ングに し， ア ノ ー ド . カ ソ
■ ' - ド間 圧 K と負効抵抗 を接続 している。 " とい う エネルギを もった赤外るい しは遠赤外光が Q10 に照射 し ァノ - ド * カ ソ - ド間に電流が流れ， 出力 votLtが生 じる これで光電変換が行なわれる。
第 7 図（B)は第 7 図（4の動作のと き の I-V特性を示す。 で vAK、 まで順方向阻止されている状態のと き に 光量を ffi-g^ まで増加させる と， アノ - ド電流は増加す る。 赤外光 ¾い しは遠赤外光が照射され く る と， 又 元の阻止状態へ移行する。
第 7 図 はノ - マ リ オ ン型の静電誘導サイ リ ス タ でゲー ト 力 ソ ー ド電 Eを逆バイ アスにして ΑΚ1 までァ ノ - ド電圧を阻止 して き， 赤外ない しは遠赤外光量を 0から まで増 したと きの I-V特性である。 電圧を 負に して順方向阻止電圧を高 く しておく 。 " とい う エネ ルギを もった赤外 い しは遠赤外光がチ ャ ン ネ ルへ照射 されたと きに， ゲ - ト ， 力 ソ - ド間に ¾流が流れ， 抵抗 &に電圧降下が生じ， ゲ - ト · 力 ソ - ド間電圧が小さ く なる こ と によ ]3， 静電誘導サイ リ ス タ Q„ の ア ノ ー ド · カ ソ - ド間竃流が流れて出力電圧 Vou.tが生じ， 光電変換 が行 われる。 赤外光 い しは遠赤外光が照射され く なると， 抵抗 の ¾圧降下はだんだん少な く つていつ て元の逆方向電 に戾 ]?主電流は遮断される。- 第 8図（ ）は本発明の別の実施例である。 窓部 52 を有するキャ ッ プ 51 と ス テ ム 50 よ i) る外囲 器に， 本発明の半導体光電変換装置 53 を組み込んでいる。
55はゲ ー ト の ビ ン， 56 は ソ ― スない しは 力 ソ ー ドの ビ ンで， ス テム 50 が ドレイ ンない しはァノ ー ドと な る。
55, 56 はそれぞれス テ ム 50 とは絶縁されていて， 半導体 光亀変換装置のゲ - ト 電極と ソ - ス電極は金線あるいは アル ミ ニ ウ ム線 54 でゲー ト の ビ ン 55 , ソ ー スの ビン 50 と接続されている 。 窓部はガ ラ ス， 石英ガ ラ ス， 透明な 樹脂， サ フ ァイ ア等を用 ， 入射光によって選択される ものである。 窓部は第 8 図（B)の よ う に， レ ン ズ構造と し ても良い。 57 は レンズ状の窓材で， 図示する よ う 入射す る赤外 い しは遠赤外光を本発明の半導体光電変換装置 の動作層に集光させる働き を している。
外囲器は， 上述のよ う な金属製の ものでな く て も， 窓 部を有 していれば， 樹脂封 じ等， 通常の フ ォ ト ダイ ォ - ド， フ ォ ト ト ラ ン ジス タ等に用いられてい る も ので も良 い。
本発明の別の実施例を第 9 図に示す。 第 9 図 04)は本発 明の半導体装置を赤外ない しは遠赤外光蓄積セル とする 場合の原理図で， 静電誘導 ト ラ ン ジス タ の ゲ - ト に コ ン デンサを接続 した も のであ る 。 こ この半導体装置は第 1 図乃至第 8 図に説明 して き た半導体装置が使える。 赤外 ない しは遠赤外光が照射されてチャ ン ネ ル中に生成 した ベ— -一 ' -- - - , キャ リ アがゲ - ト 近傍に集ま j?， 静電容量を充電する こ とによって， 赤外るい しは遠赤外光信号の蓄積がされる。 第 14図（5)は実施例である。 たとえば Si の 《+ 基板 00 上 に高抵抗な (真性半導体で も良い）層 01 を気相成長法 によ J3形成し， <S£02膜によ ]? 選択拡散を行なって， 高不 純物密度の 領域のゲ- ト 05, 及び高不純物密度の ソ - ス と る べき領域 62 を形成する。 チャ ンネ ルの 層の —部 い し全域は， 赤外ない しは遠赤外によって励起さ れる不純物原子を添加した領域 69 とする。 65はゲ - ト 上のコ ンデンサを形成する物質で Si02 , Si3 I 等の誘電 体であ ， όό は ^ 等の金属電極である。 07,る 8 はそれ ぞれソ - ス， 及び ド レイ ン の金属電極である。 67,08 は 第 9 図 のよ う に ドレイ ン， ソ ー ス と しても良い。 64 は表面保護膜と しての sw2膜である。
第 9 図（C)はコ ン デ ンサを接続 したゲー ト 63 とコンデ ン サを接続 し ¾ぃゲ - ト （ 以下フ 口 - ティ ングゲ - ト と呼 ぶ） 70 を有する実施例である。 05, 70 は同一の拡散工程 で形成する こ とができ る。 フ ロ - テ ィ ン グゲ - ト は， 金 属配線を して適当 バ イ ア スを加えて も よいし， ソ - ス と 同電位に して も よ い。 以上は ソ - ス ， 又は ド レ イ ンを w+ 基板と した場合であるが， 次に P 基板を用いての実施 例を第 9 図（D),®に示す。 第 9 図（D)において， 71 はボロ ン ド - プの 1 X 1 Q" cm'5程度の ？>基板に， 拡散で ド レ イ ン
― GA'Pi 、 ' · 領域 72 を形成する。 その上に高抵抗な ( 真性半導体 層で も よい ） 層 61 を気相成長法に よ 形成する。 埋込 み ド レ イ ン領域 72 を表面に配線するために， +層 75 を 選択拡散法に よって形成する。 以下第 9 図 ）と 同一工程 によってゲー ト ， ソ ー スは形成でき る。
ド レイ ン電極 68, ザ 一 ト 電極 όό, ソ - ス電極 07， 基板 電極 74は JK によって形成する。
第 9 図（^は第 9 図（D)の実施例の 1 つのセ ルを分離する ための一実施例で， 拡散分離を行 つた も のである。 85 の P層ない し 層は分離領域である。 上記の実施例にお いてチヤ ンネ ル の 層の一部を赤外 い しは遠赤外光に よって励起される不純物原子を添加 した領域 62 を設け ているために， 赤外 ¾い しは遠赤外光信号をゲ - ト 領域 のコ ンデンサに蓄積する こ とができ る。 ソ - ス と ド レ イ ンは実施例に述べた も と逆に して も良いこ とは勿論で ある o
第 10図 乃至^は本発明の別の実施例で， 第 10図 )は ソ - スに赤外 い しは遠赤外光信号を蓄積する コ ン デン サ， 第 10図 (s)は ド レ イ ン に赤外ない しは遠赤外光信号を 蓄積する コ ンデ ンサを接続 した ものである。
実施例の符号は第 9 図と対応 している。 第 10 図 (C) は ίΐ+ の ソ - ス領域 62 に コ ンデ ンサを接続 した も の で， 75 はシ リ コ ン多結晶， 76は酸化膜， 07 は の ¾極であ j?， (10)
75,76, 67 に よ コンデンサが形成されてい る。 グ ー ト の 3>+層 62 には金属電極 66 を形成している。
第 10 図（D)は P基板上に第 10 図（B)に示す ド レ イ ンに接 続されるコ ン デンサを設けた一実施例である。 77はシリ コ ン多結晶， 70 は酸化膜， 08 は ド レ イ ン電極であ ，
77, 76, 68 に よ ]? コ ンデ ンサが形成されている。
第 10図（C),(Z¾に いて， ソ ー ス と ド レ イ ンは逆に ¾つて も良い。 コ ンデ ンサを形成する物質はシ リ コ ンの酸化膜 に限らす 4 膜， A Os 膜等でも良い。
本発明の別の実施例を第 11図 W乃至 G))に示す。 第 11図
Wは静電誘導 ト ラ ン ジス タ の ゲ - ト にコ ンデ ンサ と抵抗 を並列に接続 した も の， 第 11図（S)は同 じ く ゲ - ト にコ ン デンサ と抵抗を直列に接続 した も ので， それぞれ赤外 ¾ いしは遠赤外光信号を， コ ンデ ンサ と抵抗の時定数で決 まる時間だけ蓄積 しょ う とする ものである。 お， 抵抗 値が大き ければコ ン デンサを省略 しても良い。 ま た， ソ - ス或は ド レ イ ンに抵抗を直列若 し く は並列に接続 した コ ンデン サを接続 して も良い。
第 11図（C)はゲ - 卜 にコ ンデンサと抵抗を並列に した実 施例である。
77 は例えばボロ ンをド - ブ したシ リ コ ン多 晶に よる 抵抗， 78 は Si02 等の誘電体薄膜で， όό は金属電極 で ある。 77， 78, 60 によ コ ンデンサと抵抗がゲ ー ト 領域
' 、 62 に接続される。
第 11 図（D)は第 11 図（B)に対応する本発明の別の実施例 で， 80 はホ'ロン ド- ブされた シ リ コ ン多結晶で抵抗と し て働き， 81 は SiO, 等の誘電体薄膜， は金属電極であ る。 80 , 81 , 66 によ ) ゲー ト 領域 02 に直列に接続され る抵抗 と コ ン デンサが形成される。
抵抗と コ ン デ ン サは上記の も のに限らず， リ ン ド - ブ の多結晶， P-n接合, SisN4 膜， jK203 膜等にょって も 形成でき る。
第 12図は本発明の別の実施例で， ゲ - ト を フ 口 - ティ ング した ものである。 第 12図 04)は第 9 図（B)の実施例にお いて， ゲ - ト に金属配線等を していない も のである。 第 12図 (B)は第 9 図^の実施例 においてゲ - ト に金属配線等 をしていない も のである。
第 9 図乃至第 12図の半導体光電変換装箧は静電誘導 ト ランジス タ だけで く， 静電誘導サイ リ ス タ も用いるこ とができ る。
第 15図は本発明の別の実施例で， ゲ - ト を 層では く ショ ッ ト キ - バ リ ア と した ものである。 90は Siの 71+ 基板， 91 は高抵抗 《+層 （真性半導体で も 良い ） ， 5 はソ - ス とな るべき 高不純物密度の +層， 94は表面 保 護膜, 95は Ρί, Μ。の よ う な Si に対してシ ョ ッ ト キ ーパ リ アを形成する金属， 96 ,97 は ソ - ス ， ド レ イ ン の金属 電極である。 シ ョ ッ ト キ — パ リ アゲー ト は平面ゲ ー ト の 構造だけで く， 第 1 図乃至第 12図で説明 した実施例の
P+ゲー ト のかわ に使 う こ と ができ る。
第 14図は本発明の別の実施例である。 第.14図（^は第 9 図の実施例の本発明の光電変換装置の接続方法を示す実 旎例である。 Q20 はゲ - ト にコ ンデンサが接続された本 発明の半導体光電変換装置である。 二次元に配列された 半導体光電変換装置のゲ - ト を ， δ2 , —"， ソ - スを ない な 2 ..··..， ド レ イ ンを Cl , C2 ··."· と接続 している 実施例であ る。 例えば第 9 図（B)の静電誘導 ト ラ ンジス タ の場合には
Λ+基板を ドレイ ンあるいは ソ ー ス と しているから, ド レ イ ンあるいはソ - スは共通線と して よい。 基板側が ド レ イ ンとすればソ -ス とゲ - ト の配線を基板の表面側で行 えば良い。 第 14図 ）は， 第 14図（^においての ソ -ス と ド レ イ ン を逆にした も のの実施例である。
第 15図 は ソ - ス に コ ンデ ンサ， 第 15図（B)は ド レ イ ン にコ ンデ ン サを接続 した本発明の半導体光電変換装置の 別の実施例である。 Q21 は第 10 図に示した実施例の半導 体装置である。
第 14 図， 第 15 図共に半導体装置は第 2 図乃至第 ό 図 に示された素子を使用する こ とができる。
二次元の配線には， 絶緣物を介した二層配線， 片方の 亀極はポ リ シ リ コ ン， 他方は ^ ¾ による金属配線 ど， 従 ij E
_ OMPI 来のラ ンダム ア ク セ ス メ モ リ セルな どで知られてい る技 術によ って行 う こ とができ る。
第 1 4 図及び第 1 5 図にはゲ ー ト， ソ ー ス， あるいは ド レ イ ンに コ ンデン サを接続 した本発明の半導体光電変換 装置を示 したが， 第 11図に示 した半導体光電変換装置， あるいは第 9 図乃至第 11 図に示されたも のを組み合せて ひとつのセル と しても良い。
第 14図及び第 15図の実施例においては, とい う エ ネ ルギ を有する赤外 ¾い しは遠赤外光が照射される と， 二 次元に配置されたセル に よって， 赤外 い しは遠赤外光 光亀変換が行なわれる こ と にな る。 この半導体光電変換 装置はセルが 1 個の静電誘導 ト ラ ン ジス タ で構成されて いる こ と と， 光増幅率が大 き いので， ダイ ォ — ドと CCD , あるいはダイ 才 - ドと MOS ト ラ ン ジス タ に よ る光セ ンサ に比較して赤外， 遠赤外光への感度が良 く ， 構造が簡単 である とい う 非常に優れた特徵を有する。 .
以上に述べた実施例の う ち， ゲ - ト を ： ロ - テ イ ン グ にする と光照射に よってチ ャ ン ネ ル中に生 じた少数キ ヤ リ アは逆導電型のケ' - ト 領域に蓄積されてい る。 ゲ - ト 領域を浮遊構造に しておく と， 蓄積 レた電荷は リ - ク抵 抗を介 して消去する だけな ので， 応答速度が遅 く な る。
蓄積 した電荷を積極的に逃がすには， ゲ - ト 領域 と ン - ス領域との間に導電路を接続すれば よ い。 抵抗を接続 した場合は， ゲ - ト 領域の容量と抵抗との値によって応 答速度が決ま る。 この抵抗は同一半導体チッ プ内に拡散 等によって形成する こ とができ る。
導電路と してス ィ ッ チ手段を接続する と， ス ィ ッ チ ン グの断続周波数で応答速度が決ま る。 この場合， スイ ツ チ手段がオ フ の期間は電荷が蓄積 し続けるので， 応答速 度が遅 く て も感度を上げたい場合は, ス ィ ッ チ手段のォ 7の期間 を長 く すればよい。 スィ ッ チ手段を ト ラ ン ジス タ等で形成し， 同一半導体チッ プに集積化しても よい し メ カ - カルチ ヨ ツバ等で形成し外付け して も よい。
実施例では， チャ ンネ ルは高抵抗な 《ー領域と して， 》 チャ ン ネ ル の も のを説明 して き たが， j> チャ ン ネ ルに し ても良いこ とは勿論であ る。
受光部の構造は， 上記実施例の構造に限らない。 たと えば受光面を形成する場所は， ド レ イ ン側でも ソ - ス側 でも， それ以外の場所でも構わ い。 動作状態において 活性領域に十分光を導入でき ればよ い。
上記実施例の よ う に， 受光面側に電極が配置される時 の電極構造 も， 図示の如き も のに限 らない。 電極をス ト ライ プあるいはメ ッ シュ形状に して も よい し， 受光面全 面に透明電極を設けて も よい。
半導体材料は Si に限らず， Gt， Pir^Sn^T , P SnxS， Pb^-^S^Se , Hg^Cd^Te, IrSb, GaAs 等の ~V ί匕合物半導 体， い しその混晶である ^J^ - * 等を用いるこ とが でき る。
素子の製造方法と しては， 拡散のかわ にイ オ ン注入 法， 絶縁膜を作るための c z)法， プラズマ エ ッ チ ン グ法 陽極酸化法， ス パ ッ タ法によ る膜形成等， 周知の半導体 製造方法を使 う こ とができ る。
OMPI I
。 , sy. — ： ン

Claims

請 求 の 範 囲
(1) 一方の導電型の低不純物密度ない しは真性半導体の チャ ン ネ ル領域と， チャ ン ネ ルに接して設けられる主 電流を流すための 2つの主電極と， 前記チャ ン ネ ル領 域に主電流通路を塞がるい よ う に設け られる ゲ - ト領 域とを含み， 前記チャ ン ネ ル領域の半導体に前記チ ヤ ン ネ ル領域の禁制帯蟢のエネルギに相当する光の波長 よ も長い波長の光によって励起される不純物準位を 形成する原子を添加し， 前記チャ ン ネ ル領域の一部を 光を受け られる よ う に し， 前記チャ ン ネ ル領域内のゲ - ト近傍の空乏層が， 前記チャ ン ネ ル に入射する光の 光量及び前記 2 つの主電極及びゲ - ト の少 く と も 1 つ に印加する電圧に よって制御される こ とを特徵とする 半導体光亀変換装置。
(2) ゲ - ト も し く は 2 つの主電極領域の少な く と も一つ にコ ンデンサが接続されている こ とを特徵とする特許 請求の範囲第 1 項記載の半導体光電変換装置。
(3) ゲー ト も し く は 2 つの主 ¾極領域の少 く と も一つ に抵抗を直列も し く は並列に接続 したコ ンデ ンサが接 続されている こ と を特徵とする特許請求の範囲第 1 項 記載の半導体光電変換装置。
(4) ザ - ト に抵抗が接続されているこ と を特徵とする特 許請求の範囲第 1 項記載の半導体光電変換装置。
Ο ΡΓ
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