JPH077845B2 - 赤外線検出素子及び同赤外線検出素子を含む赤外線検出装置 - Google Patents
赤外線検出素子及び同赤外線検出素子を含む赤外線検出装置Info
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- JPH077845B2 JPH077845B2 JP63068981A JP6898188A JPH077845B2 JP H077845 B2 JPH077845 B2 JP H077845B2 JP 63068981 A JP63068981 A JP 63068981A JP 6898188 A JP6898188 A JP 6898188A JP H077845 B2 JPH077845 B2 JP H077845B2
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
- H10F30/222—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a PN heterojunction
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- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/15—Charge-coupled device [CCD] image sensors
- H10F39/157—CCD or CID infrared image sensors
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- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、改良された赤外線検出素子及び同素子を用い
た赤外線検出装置に関する。
た赤外線検出装置に関する。
（従来の技術） 数μｍより長波長の赤外線を検出する光量子型検出素子
のうち、Si結晶を使用するものには、（Ａ）不純物をド
ープした素子を用いるものと、（Ｂ）ヘテロ接合障壁を
利用したものとの２つの形式がある。上記の（Ａ）の形
式の赤外線検出素子に関する技術文献としては、例え
ば、P.R.Bratt:Infrared Detectors II,Chapter 2,Semi
conductors and Semimetals,Academic Press（1977）が
ある。他方、上記の（Ｂ）の形式の赤外線検出素子に関
する技術文献としては、本願発明者による特開昭61-241
985号と第33回応用物理学会春期講演会資料3P79（198
6）とがある。
のうち、Si結晶を使用するものには、（Ａ）不純物をド
ープした素子を用いるものと、（Ｂ）ヘテロ接合障壁を
利用したものとの２つの形式がある。上記の（Ａ）の形
式の赤外線検出素子に関する技術文献としては、例え
ば、P.R.Bratt:Infrared Detectors II,Chapter 2,Semi
conductors and Semimetals,Academic Press（1977）が
ある。他方、上記の（Ｂ）の形式の赤外線検出素子に関
する技術文献としては、本願発明者による特開昭61-241
985号と第33回応用物理学会春期講演会資料3P79（198
6）とがある。
上記の２つの形式の赤外線検出素子は、いづれもモノリ
シツク形の赤外線画像生成用の２次元撮像デバイス用と
して重要なものである。その中で、前者の不純物ドープ
形はドープ量に制限があるため、感度が低く、またそれ
ぞれの不純物による検出波長の限界があり、任意波長に
対して感度を最大にすることはできないという不利があ
る。他方、後者にはそのような不利がない。
シツク形の赤外線画像生成用の２次元撮像デバイス用と
して重要なものである。その中で、前者の不純物ドープ
形はドープ量に制限があるため、感度が低く、またそれ
ぞれの不純物による検出波長の限界があり、任意波長に
対して感度を最大にすることはできないという不利があ
る。他方、後者にはそのような不利がない。
上記の後者のヘテロ接合障壁による電荷セルを利用した
赤外線検出素子の原理を、第１図にそのエネルギ帯構造
図を示したｎ形Si基板/n形Ge層/n形Si層の積層構成を有
する赤外線検出素子の例について以下に説明する。
赤外線検出素子の原理を、第１図にそのエネルギ帯構造
図を示したｎ形Si基板/n形Ge層/n形Si層の積層構成を有
する赤外線検出素子の例について以下に説明する。
この例の場合には、左右のSi層と中間のGe層との間のヘ
テロ接合において、伝導帯の底と価電子帯の頂とにそれ
ぞれΔEC、ΔEVのポテンシヤル障壁が生じるので、第１
図の構成では、中間のｎ形Ge層の伝導帯には、ΔECによ
るポテンシヤル井戸が生じる。従つて、このポテンシヤ
ル井戸の中に予め電荷（この場合には電子）をためてお
くと、入力赤外光を照射したとき、この電荷が入力赤外
光の光量子を吸収して、ポテンシヤル井戸内で励起エネ
ルギ状態になり、ｎ形Si基板又はｎ形Si層に移つて光キ
ヤリアとなる。従つて、この構成は、限界波長をλＣと
すると、λＣ＝ｈ・c/ΔEC（ここで、ｈはプランク定
数、ｃは真空中の光速）であらわされる限界波長より短
い波長λの赤外光を検出する赤外線検出素子として利用
できる。ここで、一例として、ΔEC＝0.2eVとすると、
λＣ＝6.2μｍとなる。
テロ接合において、伝導帯の底と価電子帯の頂とにそれ
ぞれΔEC、ΔEVのポテンシヤル障壁が生じるので、第１
図の構成では、中間のｎ形Ge層の伝導帯には、ΔECによ
るポテンシヤル井戸が生じる。従つて、このポテンシヤ
ル井戸の中に予め電荷（この場合には電子）をためてお
くと、入力赤外光を照射したとき、この電荷が入力赤外
光の光量子を吸収して、ポテンシヤル井戸内で励起エネ
ルギ状態になり、ｎ形Si基板又はｎ形Si層に移つて光キ
ヤリアとなる。従つて、この構成は、限界波長をλＣと
すると、λＣ＝ｈ・c/ΔEC（ここで、ｈはプランク定
数、ｃは真空中の光速）であらわされる限界波長より短
い波長λの赤外光を検出する赤外線検出素子として利用
できる。ここで、一例として、ΔEC＝0.2eVとすると、
λＣ＝6.2μｍとなる。
更に、中間のｎ形Ge層の代りに一般的な表現のｎ形Si
1-xGex層を用いると、ｘ＝１からｘ＝０への変化に対応
してΔEC＝0.2eVからΔEC＝OeVへと変化するので、この
赤外線検出素子の限界波長λＣは、6.2μｍから理論的
には∞へと変化する。前記のヘテロ接合障壁によるポテ
ンシヤル井戸の形成は、第１図のｎ形の代わりに第２図
に示すｐ形によるエネルギ帯構造も可能であり、この場
合は、中間のｐ形Ge層と両側のｐ形Si層との間のポテン
シヤル障壁ΔEVにより、中間のｐ形Ge層の価電子帯にポ
テンシヤル井戸が形成される。
1-xGex層を用いると、ｘ＝１からｘ＝０への変化に対応
してΔEC＝0.2eVからΔEC＝OeVへと変化するので、この
赤外線検出素子の限界波長λＣは、6.2μｍから理論的
には∞へと変化する。前記のヘテロ接合障壁によるポテ
ンシヤル井戸の形成は、第１図のｎ形の代わりに第２図
に示すｐ形によるエネルギ帯構造も可能であり、この場
合は、中間のｐ形Ge層と両側のｐ形Si層との間のポテン
シヤル障壁ΔEVにより、中間のｐ形Ge層の価電子帯にポ
テンシヤル井戸が形成される。
（発明が解決しようとする問題点） 前記のヘテロ接合障壁により形成されたポテンシヤル井
戸の中の電荷を入力赤外光の照射により光キヤリアに変
える形式の赤外線検出素子においては、照射された波長
λの入力赤外光の吸収によりポテンシヤル井戸の中の電
荷は、ｈ・c/λだけエネルギ・レベルの高い励起状態に
移るが、更にこの電荷が、両側の電極であるSi基板又は
Si層に移つて光キヤリアとなるためには、第３図に示し
たような励起状態にある電荷 の運動ベクトルの電極面に対し垂直方向の成分 が、 の関係を満たす必要がある。ここで、 の間には、これらのベクトルのなす角度をθとすると、 の関係がある。
戸の中の電荷を入力赤外光の照射により光キヤリアに変
える形式の赤外線検出素子においては、照射された波長
λの入力赤外光の吸収によりポテンシヤル井戸の中の電
荷は、ｈ・c/λだけエネルギ・レベルの高い励起状態に
移るが、更にこの電荷が、両側の電極であるSi基板又は
Si層に移つて光キヤリアとなるためには、第３図に示し
たような励起状態にある電荷 の運動ベクトルの電極面に対し垂直方向の成分 が、 の関係を満たす必要がある。ここで、 の間には、これらのベクトルのなす角度をθとすると、 の関係がある。
したがつて、入力赤外光の波長λが、 λ≦ｈ・c/ΔEC（又はλ≦ｈ・c/ΔEV）の範囲内にあ
り、かつ、励起状態の電荷のうち、 の関係を満たす角度θ０より小さい入射角度θの電子だ
けが、電極へ移つて光キヤリアとなる。
り、かつ、励起状態の電荷のうち、 の関係を満たす角度θ０より小さい入射角度θの電子だ
けが、電極へ移つて光キヤリアとなる。
このため前記の赤外線検出素子の感度は、限界波長λＣ
の値、すなわちλＣ＝ｈ・c/ΔEC（又はλＣ＝ｈ・c/Δ
EV）の値から遠ざかるにつれて、（λ−λＣ）２／λＣ
に比例した割合で低下し、特にλＣ近傍で急激に減少と
するという不利がある。
の値、すなわちλＣ＝ｈ・c/ΔEC（又はλＣ＝ｈ・c/Δ
EV）の値から遠ざかるにつれて、（λ−λＣ）２／λＣ
に比例した割合で低下し、特にλＣ近傍で急激に減少と
するという不利がある。
この不利を除いて感度を上昇させるためには、ポテンシ
ヤル井戸の両側の電極の間に外部から電圧を印加して、
励起状態の電荷が片方の電極へ移動する確率を大きくす
る方法が考えられる。しかしこの方法は、前記の赤外線
検出素子には一般的には適用できない。その理由は、ヘ
テロ接合障壁セルであるSi1-xGex層は、両側の電極であ
るSi基板とSi層とよりも高い不純物濃度を持つようにさ
れるので、印加される電場はSi1-xGex層の中では小さ
く、従つて、励起電荷に働く有効電場が小さいからであ
る。また、前記赤外線検出素子を赤外線撮像デバイスで
あるIRCCD（赤外線電荷結合装置）の中で使用する場合
には、前記の電極は赤外線撮像デバイスの各画素の電荷
集積電極となるため、外部電圧を印加できる構成にする
ことは複雑で実用的でないからである。
ヤル井戸の両側の電極の間に外部から電圧を印加して、
励起状態の電荷が片方の電極へ移動する確率を大きくす
る方法が考えられる。しかしこの方法は、前記の赤外線
検出素子には一般的には適用できない。その理由は、ヘ
テロ接合障壁セルであるSi1-xGex層は、両側の電極であ
るSi基板とSi層とよりも高い不純物濃度を持つようにさ
れるので、印加される電場はSi1-xGex層の中では小さ
く、従つて、励起電荷に働く有効電場が小さいからであ
る。また、前記赤外線検出素子を赤外線撮像デバイスで
あるIRCCD（赤外線電荷結合装置）の中で使用する場合
には、前記の電極は赤外線撮像デバイスの各画素の電荷
集積電極となるため、外部電圧を印加できる構成にする
ことは複雑で実用的でないからである。
（問題を解決するための手段） 本発明は、上記の従来の装置の不利を克服することを目
的とするものであり、赤外線検出素子の中に形成された
ポテンシヤル井戸の中の励起電荷を効率よく片方の電極
に移して光キヤリアとすることにより赤外線検出感度を
増大させるために、赤外線検出素子の中のヘテロ接合障
壁セルを形成する中間層中の不純物のドープ量を赤外線
検出素子を構成する積層の積み重ねの厚さ方向に変化さ
せることにより、上記中間層内に好適な内部電場を形成
し、これにより励起電荷の所要の電極側への移動確率を
大きくした赤外線検出素子を提供する。
的とするものであり、赤外線検出素子の中に形成された
ポテンシヤル井戸の中の励起電荷を効率よく片方の電極
に移して光キヤリアとすることにより赤外線検出感度を
増大させるために、赤外線検出素子の中のヘテロ接合障
壁セルを形成する中間層中の不純物のドープ量を赤外線
検出素子を構成する積層の積み重ねの厚さ方向に変化さ
せることにより、上記中間層内に好適な内部電場を形成
し、これにより励起電荷の所要の電極側への移動確率を
大きくした赤外線検出素子を提供する。
（実施例） 本発明の実施例を添附図面を参照しつつ以下に説明す
る。
る。
本発明の赤外線検出素子は、Si結晶基板上に一般的にSi
1-xGexで表わされるエピタキシャル結晶膜より成る中間
層を形成し、さらにその上にSi結晶膜を形成した構成を
有する。ただし最上層のSi結晶膜は金属膜で代替するこ
ともできる。
1-xGexで表わされるエピタキシャル結晶膜より成る中間
層を形成し、さらにその上にSi結晶膜を形成した構成を
有する。ただし最上層のSi結晶膜は金属膜で代替するこ
ともできる。
第４図には、本発明の第１の実施例として、ｎ形Si結晶
基板１の上に中間層であるｎ形Ge結晶膜２を、さらにそ
の上にｎ形Si結晶膜３を形成した積層構成の赤外線検出
素子のエネルギ帯構造が示されている。既に述べたよう
に、中間層のｎ形Ge結晶膜２と、ｎ形Si結晶基板１及び
最上層のｎ形Si結晶膜３との間のそれぞれの境界には、
中間層２の伝導帯側にはΔEC、価電子帯側にはΔEVで示
したポテンシヤル障壁がそれぞれ生じる。
基板１の上に中間層であるｎ形Ge結晶膜２を、さらにそ
の上にｎ形Si結晶膜３を形成した積層構成の赤外線検出
素子のエネルギ帯構造が示されている。既に述べたよう
に、中間層のｎ形Ge結晶膜２と、ｎ形Si結晶基板１及び
最上層のｎ形Si結晶膜３との間のそれぞれの境界には、
中間層２の伝導帯側にはΔEC、価電子帯側にはΔEVで示
したポテンシヤル障壁がそれぞれ生じる。
本発明による素子においては、上記の構成の赤外線検出
素子の製作過程において、中間層のｎ形Ge結晶膜２の中
のP,As及びSbの中のいずれか１つのｎ形（導入）不純物
のドープ量の分布を一様にしないで、積層構成の積み重
ねの方向、すなわちｎ形Si結晶基板１の側よりｎ形Si結
晶膜３の側に向かつて、不純物のドープ量を増加させて
ある。そのため、第４図に示したように、中間層２の伝
導帯の底と価電子帯の頂とには、右下りの斜線で示され
るようなエネルギ・レベルの変化を生じる。そのため本
発明の赤外線検出素子の使用開始に際し、予め電荷を蓄
積しておくためのポテンシヤル井戸として作用させるた
めの中間層２の伝導帯には内部電場が生じる。
素子の製作過程において、中間層のｎ形Ge結晶膜２の中
のP,As及びSbの中のいずれか１つのｎ形（導入）不純物
のドープ量の分布を一様にしないで、積層構成の積み重
ねの方向、すなわちｎ形Si結晶基板１の側よりｎ形Si結
晶膜３の側に向かつて、不純物のドープ量を増加させて
ある。そのため、第４図に示したように、中間層２の伝
導帯の底と価電子帯の頂とには、右下りの斜線で示され
るようなエネルギ・レベルの変化を生じる。そのため本
発明の赤外線検出素子の使用開始に際し、予め電荷を蓄
積しておくためのポテンシヤル井戸として作用させるた
めの中間層２の伝導帯には内部電場が生じる。
上記の場合、中間層２の伝導帯の底のエネルギ・レベル
の変化は、上記の積層構成の積み重ねの方向に変化させ
る不純物ドナーのドープ密度をNDで表わしたとき、その
変化に起因する下記の公知の式で表わされるフエルミ準
位EFの変位によつて生じる。
の変化は、上記の積層構成の積み重ねの方向に変化させ
る不純物ドナーのドープ密度をNDで表わしたとき、その
変化に起因する下記の公知の式で表わされるフエルミ準
位EFの変位によつて生じる。
ここで、ECとEDとは、それぞれ中間層の伝導帯の底とド
ナー準位とのエネルギ・レベルを示しており、NCは中間
層の伝導帯の底の状態密度である。
ナー準位とのエネルギ・レベルを示しており、NCは中間
層の伝導帯の底の状態密度である。
なお、中間層の組成が、一般的にｐ形Si1-xGexで表わさ
れるようなｐ形エピタキシャル結晶膜であるときも、同
様に、不純物アクセプタのドープ量としてNAを用いてフ
エルミ準位EFの変位を表わすことができる。
れるようなｐ形エピタキシャル結晶膜であるときも、同
様に、不純物アクセプタのドープ量としてNAを用いてフ
エルミ準位EFの変位を表わすことができる。
本発明の赤外線検出素子の使用に際して、入力赤外光の
照射により、中間層２のポテンシヤル井戸中内に貯えら
れた電荷である電子 は励起状態となるが、このとき上記の内部電場の作用に
より、励起状態の電子 がｎ形Si結晶膜３に向かつて移動しｎ形Si結晶膜３の中
へ移つて光キヤリアとなる動作を促進することにより、
光キヤリアの発生の確率を増加させる。
照射により、中間層２のポテンシヤル井戸中内に貯えら
れた電荷である電子 は励起状態となるが、このとき上記の内部電場の作用に
より、励起状態の電子 がｎ形Si結晶膜３に向かつて移動しｎ形Si結晶膜３の中
へ移つて光キヤリアとなる動作を促進することにより、
光キヤリアの発生の確率を増加させる。
第５図には、本発明の第２の実施例として、ｐ形Si結晶
基板１′を用い、その上に中間層としてｎ形Ge結晶膜２
を、さらにその上にｎ形Si結晶膜３を形成した内部電場
形積層構成の赤外線検出素子のエネルギ帯構造が示され
ている。この構成の赤外線検出素子は、後述するモノリ
シツク形赤外線撮像デバイスであるIRCCDの構成に用い
るときには有用なものである。
基板１′を用い、その上に中間層としてｎ形Ge結晶膜２
を、さらにその上にｎ形Si結晶膜３を形成した内部電場
形積層構成の赤外線検出素子のエネルギ帯構造が示され
ている。この構成の赤外線検出素子は、後述するモノリ
シツク形赤外線撮像デバイスであるIRCCDの構成に用い
るときには有用なものである。
第５図の赤外線検出素子の製作時にも、第１の実施例と
同様に中間層のｎ形Ge結晶膜２の中にドープされるP,As
及びSbの中のいずれか１つのｎ形（導入）不純物ドナー
の濃度を一様な分布としないで、積層構成の積み重ねの
方向、すなわちｐ形Si結晶基板１′の側よりｎ形Si結晶
膜３の側に向かつて、不純物のドープ量を増加させてあ
る。この不純物濃度の分布の変化により、第１の実施例
の場合と同様に、中間層２の伝導帯の底と価電子帯の頂
とには第５図に示したようなエネルギ・レベルの変化が
生じ、それにより中間層２の伝導帯には内部電場が生じ
る。
同様に中間層のｎ形Ge結晶膜２の中にドープされるP,As
及びSbの中のいずれか１つのｎ形（導入）不純物ドナー
の濃度を一様な分布としないで、積層構成の積み重ねの
方向、すなわちｐ形Si結晶基板１′の側よりｎ形Si結晶
膜３の側に向かつて、不純物のドープ量を増加させてあ
る。この不純物濃度の分布の変化により、第１の実施例
の場合と同様に、中間層２の伝導帯の底と価電子帯の頂
とには第５図に示したようなエネルギ・レベルの変化が
生じ、それにより中間層２の伝導帯には内部電場が生じ
る。
第５図には、また、この実施例の赤外線検出素子の検出
操作のはじめにおいて、ｐ形Si結晶基板１に対しバイア
ス可視光を照射してその伝導帯と価電子帯とにそれぞれ
電子及びホールを発生させ、その中の電子 を中間層２の中のポテンシヤル井戸の中に注入してそこ
にたくわえさせる段階と、次に、この赤外線検出素子に
入力赤外光IRを照射して、上記のポテンシヤル井戸の中
の蓄積電荷の電子を励起し、それは同時に上記の内部電
場により駆動されてｎ形Si結晶膜３の側に向かつて移動
し、次に中間層２とｎ形Si結晶膜３との間のポテンシヤ
ル障壁を越えてｎ形Si結晶膜３の中へ移動して光キヤリ
アとなる段階とを図解している。
操作のはじめにおいて、ｐ形Si結晶基板１に対しバイア
ス可視光を照射してその伝導帯と価電子帯とにそれぞれ
電子及びホールを発生させ、その中の電子 を中間層２の中のポテンシヤル井戸の中に注入してそこ
にたくわえさせる段階と、次に、この赤外線検出素子に
入力赤外光IRを照射して、上記のポテンシヤル井戸の中
の蓄積電荷の電子を励起し、それは同時に上記の内部電
場により駆動されてｎ形Si結晶膜３の側に向かつて移動
し、次に中間層２とｎ形Si結晶膜３との間のポテンシヤ
ル障壁を越えてｎ形Si結晶膜３の中へ移動して光キヤリ
アとなる段階とを図解している。
次に、第６図は、第５図の第２の実施例の赤外線検出素
子を電荷結合素子（以下CCDと略称する）と結合させる
ことにより、モノリシツク形赤外線撮像デバイスである
IRCCDを形成した第３の実施例を示している。
子を電荷結合素子（以下CCDと略称する）と結合させる
ことにより、モノリシツク形赤外線撮像デバイスである
IRCCDを形成した第３の実施例を示している。
第６図の中で、ｐ形Si結晶基板１′,n形Ge結晶膜２及び
ｎ形Si結晶膜３は、第５図に示された本発明の第２実施
例の赤外線検出素子の構成部分を示している。また、左
右の矢印は、それぞれ、第５図について説明したよう
に、照射されるバイアス可視光及び入力赤外光IRを示
す。４は、ｎ形分離領域（注入阻止領域）として設けら
れたガード・リングと呼ばれる領域であつて、バイアス
可視光の照射時に、ｐ形Si結晶基板１′とｎ形Ge結晶膜
２との間のヘテロ接合の反転層に向かう周辺からのホー
ルの注入を防止するためのものである。５はSiO2などよ
り成る絶縁膜である。６は、トランスフア・ゲートであ
り、入力赤外光IRの照射によりｎ形Si結晶膜３の中に移
動した光キヤリヤの電子を、次段の光キヤリヤ転送用の
CCDの入力部に向けて移送するための制御ゲートであ
る。７は、CCDのゲートを示し、トランスフア・ゲート
６より移送された光キヤリヤの電子を受け取り、CCDの
内部を通り、モノリシツク形赤外線撮像デバイスの出力
へ進む光キヤリヤの電子の転送を制御するためのゲート
である。
ｎ形Si結晶膜３は、第５図に示された本発明の第２実施
例の赤外線検出素子の構成部分を示している。また、左
右の矢印は、それぞれ、第５図について説明したよう
に、照射されるバイアス可視光及び入力赤外光IRを示
す。４は、ｎ形分離領域（注入阻止領域）として設けら
れたガード・リングと呼ばれる領域であつて、バイアス
可視光の照射時に、ｐ形Si結晶基板１′とｎ形Ge結晶膜
２との間のヘテロ接合の反転層に向かう周辺からのホー
ルの注入を防止するためのものである。５はSiO2などよ
り成る絶縁膜である。６は、トランスフア・ゲートであ
り、入力赤外光IRの照射によりｎ形Si結晶膜３の中に移
動した光キヤリヤの電子を、次段の光キヤリヤ転送用の
CCDの入力部に向けて移送するための制御ゲートであ
る。７は、CCDのゲートを示し、トランスフア・ゲート
６より移送された光キヤリヤの電子を受け取り、CCDの
内部を通り、モノリシツク形赤外線撮像デバイスの出力
へ進む光キヤリヤの電子の転送を制御するためのゲート
である。
本発明においては、赤外線検出素子の構成材料として、
結晶成長技術により良質のものが得られるSi結晶基板を
使用しているので、上記のCCDを含む他の半導体諸装置
と組合せることにより、すぐれた赤外線検出感度を有す
るモノリシツク形赤外線撮像デバイスを構成するための
集積化を好都合に行うことができる。
結晶成長技術により良質のものが得られるSi結晶基板を
使用しているので、上記のCCDを含む他の半導体諸装置
と組合せることにより、すぐれた赤外線検出感度を有す
るモノリシツク形赤外線撮像デバイスを構成するための
集積化を好都合に行うことができる。
（発明の効果） 本発明の赤外線検出素子においては、Si結晶基板上に、
一般的Si1-xGexで表わされるエピタキシャル結晶膜より
成る中間層を、さらにその上にSi結晶膜を形成した積層
構成を備え、上記中間層中の不純物のドープ量を、両側
のSi結晶基板とSi結晶膜との間で、上記の積層構成の積
み重ね方向に変化させることにより、外部の電界を必要
とすることなく、上記中間層の内部構成のみにより、中
間層内に電荷の一方向駆動用の内部電場を生成すること
ができるため、簡単な構成により良好な赤外線検出感度
を有する赤外線検出素子を得ることができる。
一般的Si1-xGexで表わされるエピタキシャル結晶膜より
成る中間層を、さらにその上にSi結晶膜を形成した積層
構成を備え、上記中間層中の不純物のドープ量を、両側
のSi結晶基板とSi結晶膜との間で、上記の積層構成の積
み重ね方向に変化させることにより、外部の電界を必要
とすることなく、上記中間層の内部構成のみにより、中
間層内に電荷の一方向駆動用の内部電場を生成すること
ができるため、簡単な構成により良好な赤外線検出感度
を有する赤外線検出素子を得ることができる。
また、本発明の赤外線検出素子は、良質の結晶が得易い
Si結晶基板を使用しているため、CCDその他の半導体装
置と組合せて集積化を行うことにより、すぐれた赤外線
検出感度を有するモノリシツク形赤外線撮像デバイスを
得ることができる。このように、本発明により得られる
産業上の効果は顕著である。
Si結晶基板を使用しているため、CCDその他の半導体装
置と組合せて集積化を行うことにより、すぐれた赤外線
検出感度を有するモノリシツク形赤外線撮像デバイスを
得ることができる。このように、本発明により得られる
産業上の効果は顕著である。
第１図は、従来のヘテロ接合障壁を利用したｎ形Si基板
/n形Ge層/n形Si層の積層構成の赤外線検出素子のエネル
ギ帯構造図である。 第２図は、第１図の従来の赤外線検出素子の各層のｎ形
をｐ形に変えた構成を有する赤外線検出素子のエネルギ
帯構造図である。 第３図は、積層構成のヘテロ接合障壁利用形赤外線検出
素子の中間層内のポテンシヤル井戸の中の電荷が、電極
として作用する両側の層のいずれかに向かつて移動する
状態を図解した説明図である。 第４図は、ヘテロ接合障壁を利用するｎ形Si結晶基板/n
形Ge結晶膜/n形Si結晶膜の積層構成を有し、かつ、中間
層のｎ形Ge結晶膜の中のｎ形（導入）不純物のドープ量
をｎ形Si結晶基板の側よりｎ形Si結晶膜の側に向かって
増加させた本発明の第１の実施例の赤外線検出素子のエ
ネルギ帯構造図である。 第５図は、第４図の赤外線検出素子のｎ形Si結晶基板を
ｐ形Si結晶基板に変えた、IRCCDを形成するための集積
化に適した内部電場形積層構成を有する本発明の第２の
実施例の赤外線検出素子のエネルギ帯構造図である。 第６図は、第５図の赤外線検出素子をCCDと結合させる
ことにより形成した赤外線検出装置の構成を示す要部切
断側面図である。 （符号の説明） １……ｎ形Si結晶基板、２……ｎ形Ge結晶膜、３……ｎ
形Si結晶膜、１′……ｐ形Si結晶基板、２′……ｐ形Ge
結晶膜、３′……ｐ形Si結晶膜、４……ガード・リン
グ、５……絶縁膜、６……トランスフア・ゲート、７…
…CCDのゲート、EF……フエルミ・レベル、EC……伝導
帯の底のエネルギ・レベル、EV……価電子帯の頂のエネ
ルギ・レベル、ΔEC……伝導帯のポテンシヤル障壁、Δ
EV……価電子帯のポテンシヤル障壁。
/n形Ge層/n形Si層の積層構成の赤外線検出素子のエネル
ギ帯構造図である。 第２図は、第１図の従来の赤外線検出素子の各層のｎ形
をｐ形に変えた構成を有する赤外線検出素子のエネルギ
帯構造図である。 第３図は、積層構成のヘテロ接合障壁利用形赤外線検出
素子の中間層内のポテンシヤル井戸の中の電荷が、電極
として作用する両側の層のいずれかに向かつて移動する
状態を図解した説明図である。 第４図は、ヘテロ接合障壁を利用するｎ形Si結晶基板/n
形Ge結晶膜/n形Si結晶膜の積層構成を有し、かつ、中間
層のｎ形Ge結晶膜の中のｎ形（導入）不純物のドープ量
をｎ形Si結晶基板の側よりｎ形Si結晶膜の側に向かって
増加させた本発明の第１の実施例の赤外線検出素子のエ
ネルギ帯構造図である。 第５図は、第４図の赤外線検出素子のｎ形Si結晶基板を
ｐ形Si結晶基板に変えた、IRCCDを形成するための集積
化に適した内部電場形積層構成を有する本発明の第２の
実施例の赤外線検出素子のエネルギ帯構造図である。 第６図は、第５図の赤外線検出素子をCCDと結合させる
ことにより形成した赤外線検出装置の構成を示す要部切
断側面図である。 （符号の説明） １……ｎ形Si結晶基板、２……ｎ形Ge結晶膜、３……ｎ
形Si結晶膜、１′……ｐ形Si結晶基板、２′……ｐ形Ge
結晶膜、３′……ｐ形Si結晶膜、４……ガード・リン
グ、５……絶縁膜、６……トランスフア・ゲート、７…
…CCDのゲート、EF……フエルミ・レベル、EC……伝導
帯の底のエネルギ・レベル、EV……価電子帯の頂のエネ
ルギ・レベル、ΔEC……伝導帯のポテンシヤル障壁、Δ
EV……価電子帯のポテンシヤル障壁。
Claims (2)
- 【請求項１】Si結晶基板上にSi1-xGexエピタキシャル結
晶膜より成る中間層（０＜Ｘ≦１）を、さらにその上に
Si結晶層を形成させた積層構成を有し、前記Si結晶基板
と前記Si1-xGex中間層との間、および前記Si1-xGex中間
層と前記Si結晶層との間に生ずるヘテロ接合障壁を用い
て、前記Si1-xGex中間層の伝導帯または価電子帯に形成
した電荷蓄積用ヘテロ接合障壁セルを利用した赤外線検
出素子において、前記Si1-xGex中間層中の不純物ドープ
量を前記Si結晶基板の側より前記Si結晶層の側に向かっ
て増加させることにより、前記Si1-xGex中間層の伝導帯
または価電子帯に内部電場を形成し、入力赤外線を吸収
することによって生じた前記ヘテロ接合障壁セル内の励
起エネルギ準位の電荷が、前記Si1-xGex中間層から前記
Si結晶基板又は前記Si結晶層に移動する確立を増加させ
ることによって赤外線検出感度を増大させることを特徴
とする赤外線検出素子。 - 【請求項２】請求項１に記載の赤外線検出素子と電荷結
合素子とを結合させることにより形成され、赤外線電荷
結合装置としての機能を備えた赤外線検出装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63068981A JPH077845B2 (ja) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | 赤外線検出素子及び同赤外線検出素子を含む赤外線検出装置 |
| GB8906524A GB2217106B (en) | 1988-03-23 | 1989-03-21 | Infrared detecting element |
| FR898903781A FR2629273B1 (fr) | 1988-03-23 | 1989-03-22 | Element de detection d'infrarouge a heterojonction et dispositif de formation d'image par infrarouge comportant un tel element |
| US07/327,464 US4972245A (en) | 1988-03-23 | 1989-03-22 | Infrared detecting element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63068981A JPH077845B2 (ja) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | 赤外線検出素子及び同赤外線検出素子を含む赤外線検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01240826A JPH01240826A (ja) | 1989-09-26 |
| JPH077845B2 true JPH077845B2 (ja) | 1995-01-30 |
Family
ID=13389351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63068981A Expired - Lifetime JPH077845B2 (ja) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | 赤外線検出素子及び同赤外線検出素子を含む赤外線検出装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4972245A (ja) |
| JP (1) | JPH077845B2 (ja) |
| FR (1) | FR2629273B1 (ja) |
| GB (1) | GB2217106B (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5345093A (en) * | 1991-04-15 | 1994-09-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Graded bandgap semiconductor device for real-time imaging |
| US5241199A (en) * | 1992-01-10 | 1993-08-31 | Eastman Kodak Company | Charge coupled device (CCD) having high transfer efficiency at low temperature operation |
| DE4220620C1 (de) * | 1992-06-24 | 1994-01-20 | Fraunhofer Ges Forschung | Quantentopf-Intersubband-Infrarot-Photodetektor |
| JP4517144B2 (ja) * | 2004-07-14 | 2010-08-04 | 国立大学法人広島大学 | Ｍｏｓ電界効果トランジスタ型量子ドット発光素子の製造方法 |
| US7821807B2 (en) * | 2008-04-17 | 2010-10-26 | Epir Technologies, Inc. | Nonequilibrium photodetectors with single carrier species barriers |
| CN114217200B (zh) * | 2021-12-10 | 2024-01-30 | 西安电子科技大学芜湖研究院 | 一种n极性iii族氮化物半导体器件的性能预测方法及装置 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4316103A (en) * | 1979-05-15 | 1982-02-16 | Westinghouse Electric Corp. | Circuit for coupling signals from a sensor |
| DE3237338A1 (de) * | 1982-10-08 | 1984-04-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München | Ausgangsmaterial fuer epitaxiale silizium-solarzellen |
| US4514748A (en) * | 1983-11-21 | 1985-04-30 | At&T Bell Laboratories | Germanium p-i-n photodetector on silicon substrate |
| JPS61241985A (ja) * | 1985-04-19 | 1986-10-28 | Eizo Yamaga | 赤外線検知装置 |
| US4725870A (en) * | 1985-11-18 | 1988-02-16 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Silicon germanium photodetector |
| DE3622879C2 (de) * | 1986-07-08 | 1997-04-10 | Licentia Gmbh | Detektoranordnung |
-
1988
- 1988-03-23 JP JP63068981A patent/JPH077845B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-03-21 GB GB8906524A patent/GB2217106B/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-03-22 FR FR898903781A patent/FR2629273B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1989-03-22 US US07/327,464 patent/US4972245A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2629273B1 (fr) | 1992-02-28 |
| JPH01240826A (ja) | 1989-09-26 |
| US4972245A (en) | 1990-11-20 |
| FR2629273A1 (fr) | 1989-09-29 |
| GB2217106B (en) | 1992-01-15 |
| GB2217106A (en) | 1989-10-18 |
| GB8906524D0 (en) | 1989-05-04 |
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