JPH03296280A - Infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は赤外線領域の光信号を電気信号に変換する赤外
線センサに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an infrared sensor that converts optical signals in the infrared region into electrical signals.
従来の技術として、特開昭63−237583号で提唱
した赤外線センサについて述べる。As a conventional technique, an infrared sensor proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-237583 will be described.
この赤外線センサは、第1導電型の縮退半導体からなる
光電変換領域と、第1導電型の非縮退半導体からなるキ
ャリア注入領域と、これら光電変換領域とキャリア注入
領域との間に存在し、不純物濃度がキャリア注入領域よ
り低い第1導電型半導体か、真性半導体か、あるいは少
なくとも動作条件下で完全空乏化状態となる第2導電型
半導体からなるポテンシャル障壁領域とから構成される
ホモ接合構造のデバイスである。This infrared sensor includes a photoelectric conversion region made of a degenerate semiconductor of the first conductivity type, a carrier injection region made of a non-degenerate semiconductor of the first conductivity type, and a carrier injection region that exists between the photoelectric conversion region and the carrier injection region. A device with a homojunction structure consisting of a potential barrier region made of a first conductivity type semiconductor whose concentration is lower than that of the carrier injection region, an intrinsic semiconductor, or a second conductivity type semiconductor that is fully depleted at least under operating conditions. It is.
このセンサにおける光電変換の動作原理について、第3
図(a)、(b)を用いて説明する。The third section explains the operating principle of photoelectric conversion in this sensor.
This will be explained using Figures (a) and (b).
第3図(a>は第1導電型がp型で第2導電型がn型の
場合、同図(b)は逆に第1導電型かn型で第2導電型
がp型の場合におけるエネルキー帯構造及び光電変換機
構を示している。赤外光がキャリア注入領域側から入射
しているが、これは絶縁物48.60側からの入射でも
かまわない。Figure 3 (a) shows the case where the first conductivity type is p type and the second conductivity type is n type, and the same figure (b) conversely shows the case where the first conductivity type is n type and the second conductivity type is p type. The energy band structure and photoelectric conversion mechanism are shown in FIG. 3. Although infrared light is incident from the carrier injection region side, it may also be incident from the insulator 48, 60 side.
ます、第3図(a)の第1導電型がp型で第2導電型が
n型の場合について述べる。First, a case will be described in which the first conductivity type in FIG. 3(a) is p type and the second conductivity type is n type.
光電変換領域45はp型縮退半導体から成り立っている
ので、非縮退状態では価電子帯端Ev近傍に局在してい
たアクセプタ不純物準位が局在性を失って広がりを持ち
、価電子帯4つと重なりを生している。この状態ではフ
ェルミ準位Erが価電子帯4つ内部に入り込んでくるた
め、この領域ではフェルミ準位Etと価電子帯端Evと
の間に空準位53が存在している。キャリア注入領域4
7はp型非縮退半導体からなり、光電変換領域45とキ
ャリア注入領域47との間に存在するポテンシャル障壁
領域46は、アクセプタ不純物濃度がキャリア注入領域
47より低いp型半導体か、真性半導体か、あるいは少
なくとも動作条件下で光電変換領域45との接合界面か
ら伸びる空乏層とキャリア注入領域47との接合界面か
ら伸びる空乏層とによって完全空乏化状態となるドナ不
純物濃度及び厚さを有するn型半導体ら成り立っている
ので、フェルミ準位Efはキャリア注入領域47におい
ては価電子帯端Ev近傍に存在し、ポテンシャル障壁領
域46においては半導体からなる三領域の中で最も伝導
帯端E。の近くに存在する。従って、ポテンシャル障壁
領域46及び他の一領域45.47のポテンシャル障壁
領域46との接合界面近傍には価電子帯4つ中のホール
に対して障害となるポテンシャル障壁か形成される。Since the photoelectric conversion region 45 is made of a p-type degenerate semiconductor, the acceptor impurity level, which was localized near the valence band edge Ev in the non-degenerate state, loses its locality and spreads, and the valence band 4 There is some overlap. In this state, the Fermi level Er enters into the four valence bands, so in this region, a vacant level 53 exists between the Fermi level Et and the valence band edge Ev. Carrier injection region 4
Reference numeral 7 is made of a p-type non-degenerate semiconductor, and the potential barrier region 46 existing between the photoelectric conversion region 45 and the carrier injection region 47 is a p-type semiconductor whose acceptor impurity concentration is lower than that of the carrier injection region 47, or an intrinsic semiconductor. Alternatively, at least under operating conditions, an n-type semiconductor having a donor impurity concentration and thickness that is completely depleted by a depletion layer extending from the junction interface with the photoelectric conversion region 45 and a depletion layer extending from the junction interface with the carrier injection region 47. Therefore, in the carrier injection region 47, the Fermi level Ef exists near the valence band edge Ev, and in the potential barrier region 46, the Fermi level Ef exists near the conduction band edge Ev among the three regions made of semiconductor. exists near. Therefore, a potential barrier is formed in the vicinity of the junction interface between the potential barrier region 46 and the other region 45, 47 with the potential barrier region 46, which becomes an obstacle to the holes in the four valence bands.
特に、光電変換領域45における価電子帯4つ中のホー
ルに対するポテンシャル障壁はφ茅(である。In particular, the potential barrier for holes in the four valence bands in the photoelectric conversion region 45 is φ().
キャリア注入領域47側からの光入射では、禁制帯幅E
g以上のエネルギーを持つ光は、半導体内の入射面近傍
において、はとんど吸収されてしまうが、禁制帯幅Eg
より小さいエネルギーの光(このような光な通常赤外光
)は、キャリア注入領域47及びポテンシャル障壁領域
46において、はとんど吸収されずに透過し、光電変換
領域45に入射する。When light enters from the carrier injection region 47 side, the forbidden band width E
Light with energy greater than g is mostly absorbed near the incident surface in the semiconductor, but the forbidden band width Eg
Light with lower energy (such light is usually infrared light) is transmitted through the carrier injection region 47 and the potential barrier region 46 without being absorbed, and enters the photoelectric conversion region 45 .
光電変換領域45では、価電子帯49中のフェルミ準位
下の電子が入射した赤外光52のエネルギーhνを吸収
し、フェルミ準位下からフェルミ準位Efと価電子帯端
Evとの間の空準位53へ遷移して、ホット電子54と
ホットホール55を形成する。これらホット電子54と
ホットホール55は、光電変換領域45内において、再
結合するまで、どの方向へも発生確率がほぼ等しい運動
をするか、ホットホール55が運動中にポテンシャル障
壁領域46に達し、それがポテンシャル障壁φHより大
きいエネルギーを持っている場合には、ポテンシャル障
壁領域46を通過して、キャリア注入領域47へ注入さ
れる確率がある。ホットホール55がキャリア注入領域
47へ注入されると、光電変換領域45に取り残された
ホット電子54とキャリア注入領域47へ注入されたホ
ットホール・55とが信号電荷となる。In the photoelectric conversion region 45, the electrons below the Fermi level in the valence band 49 absorb the energy hv of the incident infrared light 52, and the energy hν of the incident infrared light 52 is absorbed from below the Fermi level to between the Fermi level Ef and the valence band edge Ev. transitions to a vacant level 53, forming hot electrons 54 and hot holes 55. These hot electrons 54 and hot holes 55 move in any direction with almost equal probability of occurrence until recombining within the photoelectric conversion region 45, or the hot holes 55 reach the potential barrier region 46 while in motion. If it has a larger energy than the potential barrier φH, there is a probability that it will pass through the potential barrier region 46 and be injected into the carrier injection region 47. When the hot holes 55 are injected into the carrier injection region 47, the hot electrons 54 left behind in the photoelectric conversion region 45 and the hot holes 55 injected into the carrier injection region 47 become signal charges.
第3図(b)の第1導電型がn型で第2導電型がp型の
場合も、以下のように、光電変換の動作原理は、第1導
電型がp型で第2導電型がn型の場合とほぼ同様となる
。Even when the first conductivity type is n type and the second conductivity type is p type in FIG. 3(b), the operating principle of photoelectric conversion is as follows: the first conductivity type is p type and the second conductivity type is p type. is almost the same as in the case of n-type.
光電変換領域57はn型縮退半導体から成り立っている
ので、非縮退状態では伝導帯端E。に局在していたドナ
不純物準位が局在性を失って広がりを持ち、伝導帯63
と重なりを生じている。この状態ではフェルミ準位Er
が伝導帯63内部に入り込んでくるため、この領域では
フェルミ準位Erと伝導帯端E0との間が電子65が占
められている。キャリア注入領域5つはn型非縮退半導
体からなり、光電変換領域57とキャリア注入領域59
との間の存在するポテンシャル障壁領域58は、ドナ不
純物濃度がキャリア注入領域59より低いn型半導体か
、真性半導体か、あるいは少なくとも動作条件下て光電
変換領域57との接合界面から伸びる空乏層とキャリア
注入領域5つとの接合界面から伸びる空乏層とによって
完全空乏化状態となるアクセプタ不純物濃度及び厚さを
有するp型半導体から成り立っているので、フェルミ準
位E、はキャリア注入領域5つにおいては伝導帯端E。Since the photoelectric conversion region 57 is made of an n-type degenerate semiconductor, it is at the conduction band edge E in a non-degenerate state. The donor impurity level, which was localized in
There is an overlap. In this state, the Fermi level Er
enters the inside of the conduction band 63, so in this region, the space between the Fermi level Er and the conduction band edge E0 is occupied by electrons 65. The five carrier injection regions are made of an n-type non-degenerate semiconductor, and include a photoelectric conversion region 57 and a carrier injection region 59.
The potential barrier region 58 existing between the two is either an n-type semiconductor whose donor impurity concentration is lower than that of the carrier injection region 59, an intrinsic semiconductor, or at least a depletion layer extending from the junction interface with the photoelectric conversion region 57 under operating conditions. Since it is composed of a p-type semiconductor having an acceptor impurity concentration and thickness that is fully depleted by the depletion layer extending from the junction interface with the five carrier injection regions, the Fermi level E is Conduction band edge E.
近傍に存在し、ポテンシャル障壁領域58においては半
導体からなる三領域の中で最も価電子帯端Evの近くに
存在する。従って、ポテンシャル障壁領域58及び他の
三領域57.59のポテンシャル障壁領域58との接合
界面近傍には伝導帯63中の電子に対して障害となるポ
テンシャル障壁か形成される。特に、光電変換領域57
における伝導帯63中の電子に対するポテンシャル障壁
はφ。である。In the potential barrier region 58, it exists closest to the valence band edge Ev among the three regions made of semiconductor. Therefore, a potential barrier that becomes an obstacle to electrons in the conduction band 63 is formed near the junction interface between the potential barrier region 58 and the other three regions 57 and 59 with the potential barrier region 58. In particular, the photoelectric conversion region 57
The potential barrier for electrons in the conduction band 63 at is φ. It is.
キャリア注入領域59側から入射した赤外光64(1〕
νくE8)は、前述の場合と同様、キャリア注入領域5
つ及びポテンシャル障壁領域58においてはとんと吸収
されずに透過し、光電変換領域57に入射する。Infrared light 64 (1) incident from the carrier injection region 59 side
ν E8) is the carrier injection region 5 as in the above case.
The light is transmitted through the potential barrier region 58 without being absorbed, and enters the photoelectric conversion region 57 .
光電変換領域57ては、伝導帯63中のフェルミ準位E
rと伝導帯端E。との間の電子65力釈入射した赤外光
64のエネルギーl〕νを吸収し、フェルミ準位下から
フェルミ準位上の空準位へ遷移して、ホット電子66と
ホットホール67を形成する。これらホット電位66と
ホットホール67は、前述の場合と同様、光電変換領域
57内において、再結合するまて、との方向へも発生確
率かほぼ等しい運動をするか、ホット電子66が運動中
にポテンシャル障壁領域58に達し、それかポテンシャ
ル障壁φ。より大きいエネルギーを持っている場合には
、ポテンシャル障壁領域58を通過して、キャリア注入
領域59へ注入される確率がある。ホット電子66かキ
ャリア注入領域5つへ注入されると、光電変換領域57
に取り残されたホットホール67とキャリア注入領域5
9へ注入されたホット電子66とが信号電荷となる。The photoelectric conversion region 57 has a Fermi level E in the conduction band 63.
r and the conduction band edge E. The electron 65 absorbs the energy l]v of the incident infrared light 64 and transits from below the Fermi level to an empty level above the Fermi level, forming hot electrons 66 and hot holes 67. As in the case described above, these hot potentials 66 and hot holes 67 move in the direction of recombination within the photoelectric conversion region 57 with almost equal probability of occurrence, or the hot electrons 66 are in motion. reaches the potential barrier region 58, or the potential barrier φ. If the carrier has a larger energy, there is a probability that the carrier passes through the potential barrier region 58 and is injected into the carrier injection region 59. When hot electrons 66 are injected into the five carrier injection regions, the photoelectric conversion region 57
Hot hole 67 and carrier injection region 5 left behind
The hot electrons 66 injected into the cell 9 become signal charges.
以上述べた動作原理であるため、該赤外線センサの遮断
波長は、ポテンシャル障壁φ1.あるいはφ。によって
決定付けられるか、これらのポテンシャル障壁は、ポテ
ンシャル障壁領域の導電型。Because of the operating principle described above, the cutoff wavelength of the infrared sensor is the potential barrier φ1. Or φ. These potential barriers are determined by the conductivity type of the potential barrier region.
ポテンシャル障壁領域の厚さ、半導体からなる三領域の
不純物濃度のバランス及びバイアス条件を制御すること
によって、零〜pn接合の拡散電位に相当するエネルギ
ー程度の間の任意の大きさに設定することができる。従
って、該赤外線センサは、遮断波長の設定自由度か極め
て大きいという特徴を有するものである。By controlling the thickness of the potential barrier region, the balance of impurity concentrations in the three semiconductor regions, and the bias conditions, it is possible to set the potential barrier to any value between zero and the energy equivalent to the diffusion potential of the pn junction. can. Therefore, the infrared sensor has an extremely large degree of freedom in setting the cutoff wavelength.
なお、ポテンシャル障壁か低いために、室温において、
熱励起によりポテンシャル障壁領域を横切ることのでき
るキャリアが多く、それに伴って暗電流が大きい場合に
は、該赤外線センサは冷却して使用される。Furthermore, due to the low potential barrier, at room temperature,
When there are many carriers that can cross the potential barrier region due to thermal excitation and the dark current is accordingly large, the infrared sensor is used while being cooled.
上述した赤外線センサに限らす、センサにおいては、一
般に、高感度化が一つの大きな課題となっている。In general, one of the major challenges for sensors, including the above-mentioned infrared sensors, is to increase their sensitivity.
また、光センサでは、駆動上高感度化が可能な蓄積モー
ド動作をさせることがしばしばある。このモードは、光
センサをあるバイアス状態にセットした後フロート状態
とし、一定期間発生した光信号電荷を蓄えてから出力す
るものである。電荷の蓄積中には、光センサのバイアス
状態が刻々と変化する、。前述した従来の赤外線センサ
には、遮断波長にバイアス電圧依存性があるため、この
蓄積モード動作をさせた場合に、電荷蓄積中に遮断波長
か変化してしまうという欠点かある。Furthermore, optical sensors are often driven in an accumulation mode that allows for high sensitivity. In this mode, the optical sensor is set to a certain bias state and then floated, and the optical signal charge generated for a certain period of time is stored and then output. During charge accumulation, the bias state of the optical sensor changes moment by moment. The conventional infrared sensor described above has a bias voltage dependence on the cutoff wavelength, so when operated in this accumulation mode, the cutoff wavelength changes during charge accumulation, which is a drawback.
本発明の目的は、上述した赤外線センサ同様、遮断波長
を任意に設定でき、しかもより高感度であるとともに、
遮断波長にバイアス電圧依存性があるにもかかわらず、
前述した蓄積モート動作をさせても、電荷蓄積中に遮断
波長が変化しない赤外°線センサを提供することにある
。Similar to the infrared sensor described above, the purpose of the present invention is to be able to set the cutoff wavelength arbitrarily, and to have higher sensitivity.
Despite the bias voltage dependence of the cutoff wavelength,
The object of the present invention is to provide an infrared ray sensor whose cutoff wavelength does not change during charge accumulation even when the storage mode operation described above is performed.
前述の問題点を解決するために本発明の赤外線センサは
、金属からなる第1光電変換領域と、第1導電型の縮退
半導体からなり第1光電変換領域とオーミック接触する
第2光電変換領域と、第2光電変換領域より不純物濃度
か低い第1導電型半導体からなるキャリア注入領域と、
キャリア注入0
領域より不純物濃度が低い第1導電型半導体か、真性半
導体か、あるいは少□なくとも動作条件下で完全空乏化
状態となる第2導電型半導体からなり第2光電変換領域
とキャリア注入領域との間に存在するポテンシャル障壁
領域とを有し、第1光電変換領域/第2光電変換領域/
ポテンシャル障壁領域/キャリア注入領域の積層構造で
、しかも第2光電変換領域とポテンシャル障壁領域とキ
ャリア注入領域とかホモ接合構造を構成する受光素子と
、この受光素子において発生した光信号電荷を蓄える電
荷蓄積素子とを具備している。In order to solve the above-mentioned problems, the infrared sensor of the present invention includes a first photoelectric conversion region made of metal, and a second photoelectric conversion region made of a degenerate semiconductor of a first conductivity type and in ohmic contact with the first photoelectric conversion region. , a carrier injection region made of a first conductivity type semiconductor having a lower impurity concentration than the second photoelectric conversion region;
Carrier injection 0 The second photoelectric conversion region and carrier injection are made of a first conductivity type semiconductor with a lower impurity concentration than the region, an intrinsic semiconductor, or a second conductivity type semiconductor that is fully depleted under at least operating conditions. and a potential barrier region existing between the first photoelectric conversion region/second photoelectric conversion region/
A light-receiving element that has a stacked structure of a potential barrier region/carrier injection region, and also constitutes a homojunction structure such as a second photoelectric conversion region, a potential barrier region, and a carrier injection region, and a charge storage that stores optical signal charges generated in this light-receiving element. It is equipped with an element.
本発明の赤外線センサか具備する受光素子における光電
変換の動作原理を第2図(a>、(b)を用いて説明す
る。The operating principle of photoelectric conversion in the light receiving element included in the infrared sensor of the present invention will be explained using FIGS. 2(a> and 2(b)).
第2図(a)は第1導電型がp型で第2導電型かn型の
場合、同図(1))は逆に第1導電型がn型で第2導電
型がp型の場合におけるエネルギー帯構造及び光電変換
機構を示している。赤外光が半導体側から入射している
が、これは絶縁物23.36側からの入射てもかまわな
い。Figure 2 (a) shows a case where the first conductivity type is p type and the second conductivity type or n type, and conversely, in figure (1)), the first conductivity type is n type and the second conductivity type is p type. The energy band structure and photoelectric conversion mechanism in this case are shown. Although infrared light is incident from the semiconductor side, it may also be incident from the insulator 23, 36 side.
ます、第2図(a、 )の第1導電型がp型で第2導電
型がn型の場合について述べる。First, a case will be described in which the first conductivity type is p type and the second conductivity type is n type in FIG. 2(a, ).
第2光電変換領域20は、第3図(a)における光電変
換領域45同様、p型縮退半導体から成り立っているの
で、非縮退状態ては価電子帯端EV近傍に局在していた
アクセプタ不純物準位が局在性を失って広がりを持ち、
価電子帯24と重なりを生じている。この状態ではフェ
ルミ準位Erが価電子帯24内部に入り込んでくるため
、領域20においては、フェルミ準位Efと価電子帯端
EVとの間に空準位28が存在している。金属からなる
第1光電変換領域]9との接触界面には、金属の仕事関
数と半導体の仕事関数との差異に起因するエネルギー帯
の曲がりが生じるが、第2光電変換領域20は縮退して
いるため、たとえ金属と半導体とがポテンシャル防壁を
形成する組み合わせであっても、エネルギー帯の曲がっ
た領域が極めて薄く、かつ、障壁の丁点か低下するので
、多数キャリアであるボールにとって、実質的に無視し
得る存在となる。従って、第1光電変換領域1つと第2
光電変換領域20とは、常にオーミック接触を形成する
。なお、第1光電変換領域1つと第2光電変換領域20
との接触界面におけるエネルギー帯の曲がりは、ポテン
シャルの高い側への曲がりか、低い側への曲がりかにか
かわらす、無視し得るので、第2図(a、 )では、該
エネルギー帯の曲がりを省略しである。Like the photoelectric conversion region 45 in FIG. 3(a), the second photoelectric conversion region 20 is made of a p-type degenerate semiconductor, so that in a non-degenerate state, acceptor impurities localized near the valence band edge EV The level loses its locality and spreads out,
It overlaps with the valence band 24. In this state, the Fermi level Er enters the valence band 24, so in the region 20, an empty level 28 exists between the Fermi level Ef and the valence band edge EV. At the contact interface with the first photoelectric conversion region made of metal] 9, bending of the energy band occurs due to the difference between the work function of the metal and the work function of the semiconductor, but the second photoelectric conversion region 20 degenerates. Therefore, even if a metal and a semiconductor are combined to form a potential barrier, the curved region of the energy band is extremely thin and the barrier's center point is lowered, making it virtually impossible for the ball, which is the majority carrier, to It becomes an existence that can be ignored. Therefore, there is one first photoelectric conversion area and one second photoelectric conversion area.
Ohmic contact is always formed with the photoelectric conversion region 20. Note that one first photoelectric conversion area and one second photoelectric conversion area 20
The bending of the energy band at the contact interface can be ignored, regardless of whether the bending is toward the higher potential side or the lower potential side. It is omitted.
キャリア注入領域22、及び第2光電変換領域20とキ
ャリア注入領域22との間に存在するポテンシャル障壁
領域21も、それぞれ第3図(a)におけるキャリア注
入領域47及びポテンシャル障壁領域46と同様なので
、ポテンシャル障壁領域21及び半導体からなる他の三
領域20;22のポテンシャル障壁領域21との接合界
面近傍には、価電子帯24中のホールに対して障害とな
るポテンシャル障壁が形成される。特に、第2光電変換
領域20における価電子帯24中のホールに対するポテ
ンシャル障壁はφ□である。The carrier injection region 22 and the potential barrier region 21 existing between the second photoelectric conversion region 20 and the carrier injection region 22 are also similar to the carrier injection region 47 and the potential barrier region 46 in FIG. 3(a), respectively. A potential barrier that becomes an obstacle to holes in the valence band 24 is formed near the junction interface between the potential barrier region 21 and the other three regions 20 and 22 made of semiconductor. In particular, the potential barrier for holes in the valence band 24 in the second photoelectric conversion region 20 is φ□.
キャリア注入領域22側からの光入射では、従来の赤外
線センサの場合と同様、禁制帯幅Eg以上のエネルギー
を持つ光は、半導体内の入射面近傍におい゛て、はとん
ど吸収されてしまうが、禁制帯幅Egより小さいエネル
ギーの光(このような光は通常赤外光)は、キャリア注
入領域22及びポテンシャル障壁領域21において、は
とんど吸収されずに透過し、第2光電変換領域20に入
射する。When light is incident from the carrier injection region 22 side, as in the case of conventional infrared sensors, light with energy greater than the forbidden band width Eg is mostly absorbed near the incident surface within the semiconductor. However, light with an energy smaller than the forbidden band width Eg (such light is usually infrared light) is transmitted through the carrier injection region 22 and the potential barrier region 21 without being absorbed, and is not absorbed in the second photoelectric conversion. The light is incident on the region 20.
第2光電変換領域20では、価電子帯24中のフェルミ
準位下の電子が入射した赤外光27のエネルギーhνを
吸収し、フェルミ準位下からフェルミ準位Erと価電子
帯端Evとの間の空準位28へ遷移して、ホット電子2
9aとホットポール30aを形成する。また、第2光電
変換領域20において、吸収しきれなかった赤外光27
は、第1光電変換領域19へ入射する。In the second photoelectric conversion region 20, the electrons below the Fermi level in the valence band 24 absorb the energy hv of the incident infrared light 27, and from below the Fermi level to the Fermi level Er and the valence band edge Ev. The hot electron 2 transitions to the vacant level 28 between
9a and hot pole 30a are formed. In addition, in the second photoelectric conversion region 20, the infrared light 27 that could not be completely absorbed is
is incident on the first photoelectric conversion region 19.
第1光電変換領域1つでは、フェルミ準位Ef下を満た
す電子が、入射した赤外光27のエネルq−hνを吸収
し、フェルミ準位下からフェルミ3
4
準位上の空準位へ遷移してホット電子29bとホットホ
ール30 bを形成する。In one first photoelectric conversion region, electrons filling below the Fermi level Ef absorb the energy q-hν of the incident infrared light 27 and transition from below the Fermi level to an empty level above the Fermi 3 4 level. hot electrons 29b and hot holes 30b are formed.
第1光電変換領域1つと第2光電変換領域20との接触
界面にはホットホールに対する障害がないので、第1光
電変換領域]9及び第2光電変換領域20に発生したホ
ットホールは、これら領域19.20間を自由に行き来
てき、ホラ1〜電子と再結合するまでこれら領域1.9
.20中の運動するか、第1光電変換領域1つの電子の
遷移確率は第2光電変換領域20のそれより高いのて、
第1光電変換領域1つのほうかホットポール濃度が高く
、第1光電変換領域]9及び第2光電変換領域20のホ
ットポール濃度が同程度になるように、第1光電変換領
域19から第2光電変換領域20へ移動する傾向が強い
。一方、ホット電子については、第2光電変換領域20
に発生したものは、第2光電変換領域20の空準位28
と第1光電変換領域19との間を行き来できるが、第1
光電変換領域1つに発生したものでは事情が異なる。第
1光電変換領域]9において、第2光電変換領域20に
おける価電子帯端Evよりも励起しな準位か低いホット
電子は、第2光電変換領域20に発生したものと同様、
第1光電変換領域]つと第2光電変換領域20の空準位
28との間を行き来できるか、価電子帯端Evよりも励
起した準位が高いホット電子に関しては、禁制帯25か
障害となるため、第2光電変換領域20へ移動すること
がてきない。従って、第2光電変換領域20より第1光
電変換領域19のほうがホラ1へ電子濃度か高いにもか
かわらず、ボッ1へ電子は第1光電変換領域19に閉じ
込゛うられる傾向にある。すなわち、金属からなる第1
光電変換領域1つは、n型縮退半導体からなる第2光電
変換領域20との接合を形成することにより、ホットホ
ールの良好な供給源となる。Since there is no obstacle to hot holes at the contact interface between one first photoelectric conversion region and the second photoelectric conversion region 20, the hot holes generated in the first photoelectric conversion region ]9 and the second photoelectric conversion region 20 are 19.20, and these regions 1.9 until recombined with Hola 1 and electrons.
.. Since the transition probability of one electron in the first photoelectric conversion region 20 is higher than that in the second photoelectric conversion region 20,
From the first photoelectric conversion region 19 to the second There is a strong tendency to move to the photoelectric conversion region 20. On the other hand, regarding hot electrons, the second photoelectric conversion region 20
What occurs in the empty level 28 of the second photoelectric conversion region 20
and the first photoelectric conversion region 19, but the first
The situation is different if the problem occurs in one photoelectric conversion region. In the first photoelectric conversion region] 9, hot electrons at a level less excited than the valence band edge Ev in the second photoelectric conversion region 20 or at a lower level are similar to those generated in the second photoelectric conversion region 20,
Regarding hot electrons whose excited level is higher than the valence band edge Ev, whether they can go back and forth between the first photoelectric conversion region] and the vacant level 28 of the second photoelectric conversion region 20, the forbidden band 25 or an obstacle. Therefore, it is impossible to move to the second photoelectric conversion area 20. Therefore, even though the first photoelectric conversion region 19 has a higher electron concentration in the hole 1 than the second photoelectric conversion region 20, the electrons in the hole 1 tend to be trapped in the first photoelectric conversion region 19. That is, the first
One photoelectric conversion region becomes a good source of hot holes by forming a junction with the second photoelectric conversion region 20 made of an n-type degenerate semiconductor.
第1光電変換領域]9及び第2光電変換領域20に発生
したホットポールか、運動中にポテンシャル障壁領域2
1に達し、それがポテンシャル障壁φ11より大きいエ
ネルギーを持っている場合には、ポテンシャル障壁領域
21を通過して、キャリア注入領域22へ注入される確
率がある。ホットホールかキャリア注入領域22へ注入
されると・、第1光電変換領域19及び第2光電変換領
域20に取り残されたホット電子とキャリア注入領域2
2へ注入されたホットポールとが信号電荷となる。The hot pole generated in the first photoelectric conversion region] 9 and the second photoelectric conversion region 20, or the potential barrier region 2 during movement.
1 and has a larger energy than the potential barrier φ11, there is a probability that the carrier will pass through the potential barrier region 21 and be injected into the carrier injection region 22. When hot holes are injected into the carrier injection region 22, the hot electrons left behind in the first photoelectric conversion region 19 and the second photoelectric conversion region 20 and the carrier injection region 2
The hot poles injected into 2 become signal charges.
第2図(b)の第1導電型がn型で第2導電型かp型の
場合も、以下のように、光電変換の動作原理は、第1導
電型がp型で第2導電型がn型の場合とほぼ同様となる
。Even in the case where the first conductivity type is n type and the second conductivity type or p type in Figure 2(b), the operating principle of photoelectric conversion is as follows: the first conductivity type is p type and the second conductivity type is p type. is almost the same as in the case of n-type.
第2光電変換領域33は、第3図(1〕)における光電
変換領域57同様、n型縮退半導体から成り立っている
ので、非縮退状態ては伝導帯端E。Like the photoelectric conversion region 57 in FIG. 3(1), the second photoelectric conversion region 33 is made of an n-type degenerate semiconductor, so it is at the conduction band edge E in a non-degenerate state.
近傍に局在していたドナ不純物準位が局在性を失って広
がりを持ち、伝導帯3つと重なりを生している。この状
態てはフェルミ準位E、が伝導帯39内部に入り込んで
くるため、領域33においては、フェルミ準位Erと伝
導帯端Ecとの間が電子41て占められている。金属の
仕事関数と半導体の仕事関数との差異に起因して、金属
からなる第1光電変換領域32との接触界面に生じるエ
ネルギー帯の曲がった領域は、第1導電型がp型で第2
導電型がn型の場合と同様の理由から、多数キャリア・
である電子にとって実質的に無視し得る存在となる。従
って、第1光電変換領域]2と第2光電変換頒域33と
はオーミック接触を形成する。なお、第2図(a)同様
、同図(l〕)でも、第1光電変換領域32と第2光電
変換領域33との接触界面におけるエネルギー帯の曲が
りを省略しである。The donor impurity level, which was localized nearby, loses its locality and spreads out, overlapping with the three conduction bands. In this state, the Fermi level E enters into the conduction band 39, so in the region 33, the space between the Fermi level Er and the conduction band edge Ec is occupied by electrons 41. Due to the difference between the work function of a metal and the work function of a semiconductor, a region with a curved energy band that occurs at the contact interface with the first photoelectric conversion region 32 made of metal has a first conductivity type of p type and a second conductivity type.
For the same reason as when the conductivity type is n-type, the majority carrier
It becomes a virtually negligible existence for electrons. Therefore, the first photoelectric conversion region 2 and the second photoelectric conversion region 33 form ohmic contact. Note that, similar to FIG. 2(a), also in FIG. 2(l), the bending of the energy band at the contact interface between the first photoelectric conversion region 32 and the second photoelectric conversion region 33 is omitted.
キャリア注入領域35、及び第2光電変換領域33とキ
ャリア注入領域35との間に存在するポテンシャル障壁
領域34も、それぞれ第3図(b)におけるキャリア注
入領域59及びポテンシャル障壁領域58と同様なので
、ポテンシャル障壁領域34及び半導体からなる他の三
領域33.35のポテンシャル障壁領域34との接合界
面近傍には伝導帯3つ中の電子に対して障害となるポテ
ンシャル障壁か形成される。特に、第2光電変換領域3
3における伝導帯39中の電子に7
8
対するポテンシャル障壁はφしである。The carrier injection region 35 and the potential barrier region 34 existing between the second photoelectric conversion region 33 and the carrier injection region 35 are also similar to the carrier injection region 59 and the potential barrier region 58 in FIG. 3(b), respectively. In the vicinity of the junction interface between the potential barrier region 34 and the other three regions 33 and 35 made of semiconductor, a potential barrier is formed that becomes an obstacle to electrons in the three conduction bands. In particular, the second photoelectric conversion region 3
The potential barrier for electrons in the conduction band 39 at 7 8 at 3 is φ.
キャリア注入領域35側から入射した赤外光40(hν
<Eg)は、前述の場合と同様、キャリア注入領域35
及びポテンシャル障壁領域34においてほとんど吸収さ
れずに透過し、第2光電変換領域33に入射する。Infrared light 40 (hν
<Eg) is the carrier injection region 35 as in the above case.
The light is transmitted through the potential barrier region 34 with almost no absorption, and enters the second photoelectric conversion region 33 .
第2光電変換領域33ては、伝導帯3つ中のフェルミ準
位Efと伝導帯端E。との間の電子41か、入射した赤
外光40のエネルギーhνを吸収し、フェルミ準位下か
らフェルミ準位上の空準位へ遷移して、ホット電子42
aとホットホール43aを形成する。また、第2光電変
換領域33において、吸収しきれなかった赤外光40は
、第1光電変換領域32へ入射する。The second photoelectric conversion region 33 includes the Fermi level Ef and the conduction band edge E among the three conduction bands. The electron 41 between the
a and a hot hole 43a is formed. Further, the infrared light 40 that has not been completely absorbed in the second photoelectric conversion region 33 enters the first photoelectric conversion region 32 .
第1光電変換領域32ては、前述と同様、フェルミ準位
Erを満たす電子か入射した赤外光40のエネルギ−1
〕νを吸収し、フェルミ準位下からフェルミ準位上の空
準位へ遷移してホット電子42bとポットホール43b
を形成する。As described above, in the first photoelectric conversion region 32, electrons satisfying the Fermi level Er or the energy 1 of the incident infrared light 40
] ν and transitions from below the Fermi level to an empty level above the Fermi level, forming a hot electron 42b and a pothole 43b.
form.
第1光電変換領域32と第2光電変換領域33との接触
界面にはホット電子に対する障害かないので、第1光電
変換領域32及び第2光電変換領域33に発生したホッ
ト電子はこれら領域3233間を自由に行き来でき、ホ
ットホールと再結合するまでこれら領域32.33中を
運動するが、第1光電変換領域32の電子の遷移確率は
第2光電変換領域33のそれより高いので、第]光電変
換領域32のほうかホット電子濃度が高く、第1光電変
換領域32及び第2光電変換領域33のホット電子濃度
が同程度になるように、第1光電変換領域32から第2
光電変換領域33へ移動する傾向が強い。一方、ポット
ポールについては、第2光電変換領域33に発生したも
のは、第2光電変換領域33において電子41に占めら
れたフェルミ準位Ef〜伝導帯端E。間の領域と第1光
電変換領域32との間を行き来てきるが、第1光電変換
領域32に発生したものでは事情が異なる。第]光電変
換領域32において、第2光電変換領域33における伝
導帯端E。よりも高い準位にあった電子が励起して発生
したホットホールは、第2光電変換領域33に発生した
ものと同様、第1光電変換領域32と第2光電変換領域
33において電子41に占められたフェルミ準位Ef〜
伝導帯端E。間の領域との間を行き来できるが、伝導帯
端Ecよりも低い準位にあった電子か励起して発生した
ホットポールに関しては、禁制帯38が障害となるため
、第2光電変換領域33へ移動することができない。従
って、第2光電変換領域33より第1光電変換領域32
のほうがホットホール濃度か高いにもかかわらず、ホッ
トホールは第1光電変換領域32に閉じ込められる傾向
にある。すなわち、金属からなる第1光電変換領域32
は、n型縮退半導体からなる第2゛光電変換領域33と
の接合を形成することにより、ホット電子の良好な供給
源となる。Since there is no obstacle to hot electrons at the contact interface between the first photoelectric conversion region 32 and the second photoelectric conversion region 33, the hot electrons generated in the first photoelectric conversion region 32 and the second photoelectric conversion region 33 pass between these regions 3233. They can freely come and go and move in these regions 32 and 33 until recombining with hot holes, but since the transition probability of electrons in the first photoelectric conversion region 32 is higher than that in the second photoelectric conversion region 33, From the first photoelectric conversion region 32 to the second photoelectric conversion region 32, the hot electron concentration is higher in the conversion region 32, and the hot electron concentrations in the first photoelectric conversion region 32 and the second photoelectric conversion region 33 are approximately the same.
There is a strong tendency to move to the photoelectric conversion region 33. On the other hand, regarding the pot poles, those generated in the second photoelectric conversion region 33 are located between the Fermi level Ef and the conduction band edge E occupied by the electrons 41 in the second photoelectric conversion region 33. Although the particles go back and forth between the area between them and the first photoelectric conversion area 32, the situation is different for those generated in the first photoelectric conversion area 32. ] conduction band edge E in the second photoelectric conversion region 33 in the photoelectric conversion region 32; Hot holes generated by the excitation of electrons at a higher level occupy the electrons 41 in the first photoelectric conversion region 32 and the second photoelectric conversion region 33, similar to those generated in the second photoelectric conversion region 33. The Fermi level Ef~
Conduction band edge E. However, since the forbidden band 38 becomes an obstacle for hot poles generated by excitation of electrons at a level lower than the conduction band edge Ec, the second photoelectric conversion region 33 cannot move to. Therefore, the first photoelectric conversion area 32 is smaller than the second photoelectric conversion area 33.
Even though the hot hole concentration is higher in the first photoelectric conversion region 32, the hot holes tend to be confined in the first photoelectric conversion region 32. That is, the first photoelectric conversion region 32 made of metal
forms a junction with the second photoelectric conversion region 33 made of an n-type degenerate semiconductor, thereby becoming a good source of hot electrons.
第1光電変換領域32及び第2光電変換領域33に発生
したホット電子か、運動中にポテンシャル障壁領域34
に達し、それがポテンシャル障壁φ6より大きいエネル
ギーを持っている場合には、ポテンシャル障壁領域34
を通過して、キャリア注入領域35へ注入される確率が
ある。ポット電子がキャリア注入領域35へ注入される
と、第1光電変換領域32及び第2光電変換領域33に
取り残1、されたホットホールとキャリア注入領域35
へ注入されたボッI〜電子とか信号電荷となる。The hot electrons generated in the first photoelectric conversion region 32 and the second photoelectric conversion region 33 or the potential barrier region 34 during movement
reaches and has an energy greater than the potential barrier φ6, the potential barrier region 34
There is a probability that the carrier will pass through the carrier injection region 35 and be injected into the carrier injection region 35. When the pot electrons are injected into the carrier injection region 35, the hot holes left behind in the first photoelectric conversion region 32 and the second photoelectric conversion region 33 and the carrier injection region 35
The injected electrons become signal charges.
以上のように、本券外線センサの受光素子ては、従来例
のセンサ同様、ポテンシャル障壁領域の導電型、ポテン
シャル障壁領域の厚さ、半導体からなる三領域の不純物
濃度のバランス及びバイアス条件を制御することで、零
〜pn接合の拡散電位に相当するエネルギー程度の間の
任意の大きさに設定できるポテンシャル障壁φ□あるい
はφ0によって、遮断波長が決定付けられ、その設定自
由度か極めて大きいという特徴を有すると同時に、赤外
線吸収率か高い金属とp型あるいはn型の縮退半導体と
の接触で形成されるエネルギー帯構造を利用した、効率
の良いホットホールあるいはホット電子の供給機構を具
備するので、従来例のセンサより高い赤外線検出感度を
備えること1
2
ができる。As described above, the light-receiving element of this external wire sensor, like the conventional sensor, controls the conductivity type of the potential barrier region, the thickness of the potential barrier region, the balance of impurity concentration in the three regions made of semiconductor, and the bias conditions. As a result, the cutoff wavelength is determined by the potential barrier φ□ or φ0, which can be set to any size between zero and the energy equivalent to the diffusion potential of the pn junction, and the degree of freedom in setting it is extremely large. At the same time, it is equipped with an efficient hot hole or hot electron supply mechanism that utilizes the energy band structure formed by contact between a metal with high infrared absorption rate and a p-type or n-type degenerate semiconductor. It is possible to provide higher infrared detection sensitivity than conventional sensors.
さらに、本発明の赤外線センサでは、前述した受光素子
と発生した光信号電荷を蓄える電荷蓄積素子とか独立し
ているため、高感度化を図る蓄積モードで動作させても
、電荷蓄積中に受光素子のバイアス状態を一定に保ち、
遮断波長を不変にすることかできる。Furthermore, in the infrared sensor of the present invention, the above-mentioned light receiving element and the charge storage element that stores the generated optical signal charge are independent, so even if it is operated in the accumulation mode for high sensitivity, the light receiving element is Keep the bias state constant,
It is possible to make the cutoff wavelength unchanged.
なお、本発明の赤外線センサも、従来例の赤外線センサ
の場合と同様に、ポテンシャル障壁が小さいことか原因
で、常温において暗電流が大きい場合には、冷却して使
用する。Note that, like the conventional infrared sensor, the infrared sensor of the present invention is used after being cooled if the dark current is large at room temperature, perhaps due to the small potential barrier.
次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1図は本発明の一実施例であって、(a)はその縦断
面構造図、(b)は(a)の縦断面構造図に対応させた
ポテンシャル分布図である。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, in which (a) is a vertical cross-sectional structural diagram thereof, and (b) is a potential distribution diagram corresponding to the vertical cross-sectional structural diagram in (a).
ます、(a)を用いて説明する。この実施例はSiを半
導体材料とし、第1導電型をp型、第2導電型のn型と
するもので、キャリア注入領域側から赤外光を入射させ
る裏面照射型である。This will be explained using (a). In this embodiment, Si is used as a semiconductor material, the first conductivity type is p type, the second conductivity type is n type, and it is a back-illuminated type in which infrared light is incident from the carrier injection region side.
受光素子1の構造は次のようになっている。n型単結晶
Si基板3の受光素子1部分において、基板作製時のま
まの状態の領域がキャリア注入領域7である。基板表面
には、金属材料としてシリサイドを用いた、薄膜状の第
1光電変換領域4が設けである。シリサイドとしては、
例えは、白金 パラジウム ニッケル、コバル1−.モ
リブデン、タンクステン、チタン、クロム、鉄、マクネ
シウム、イツトリウム、ニオブ、リチウムの各シリサイ
ド等を用いることができる。このシリサイドの直下に、
オーミック接触する縮退n型の第2光電変換領域5、さ
らにキャリア注入領域7との間にポテンシャル障壁領域
6を形成しである。第1光電変換領域4にシリサイドを
用いているのは、特性の安定性に優れているという利点
があるからであり、絶対にこれを用いなけれはならない
わけてはない。他の金属で置き換えても、−向に差し支
えない。他の金属としては、例えば、Mo。The structure of the light receiving element 1 is as follows. In the light receiving element 1 portion of the n-type single-crystal Si substrate 3, a region that remains in the same state as when the substrate was manufactured is the carrier injection region 7. A first photoelectric conversion region 4 in the form of a thin film using silicide as a metal material is provided on the surface of the substrate. As a silicide,
Examples are platinum, palladium, nickel, and cobal. Each silicide of molybdenum, tanksten, titanium, chromium, iron, magnesium, yttrium, niobium, lithium, etc. can be used. Directly below this silicide,
A potential barrier region 6 is formed between the degenerate n-type second photoelectric conversion region 5 and the carrier injection region 7 in ohmic contact. The reason why silicide is used for the first photoelectric conversion region 4 is that it has the advantage of excellent stability of characteristics, but it is not absolutely necessary to use silicide. Even if it is replaced with another metal, there is no problem in the negative direction. Examples of other metals include Mo.
W、Ti、Pt、Cr、AI、Cu、Ni、Ag、Au
等の単体金属や、Al−8i、Al−3i−Cu、
Ti−Pt−Au Au−Ge −Ni等の合金
などを用いることかできる。また、ポテンシャルltl
壁領域6は、キャリア注入領域7より不純物濃度か低い
p型か、真性か、あるいは少なくとも動作条件下で完全
空乏化状態となるn型である。W, Ti, Pt, Cr, AI, Cu, Ni, Ag, Au
Single metals such as Al-8i, Al-3i-Cu,
An alloy such as Ti-Pt-Au Au-Ge-Ni can be used. Also, the potential ltl
Wall region 6 is p-type, which has a lower impurity concentration than carrier injection region 7, or is intrinsic, or at least n-type, which is fully depleted under operating conditions.
第2光電変換領域5及びポテンシャル障壁領域6の周囲
には電界集中を緩和するためn+型ガートリンク8を備
えている。第2光電変換領域5とn+型ガードリンク8
との両者とオーミック接触するように、アルミニウム等
からなる金属配線9か第2光電変換領域5を取り囲む形
て形成しである。この金属配線9とn+型ガードリンク
8とによって、第1光電変換領域4及び第2光電変換領
域5とポテンシャル障壁領域6とを電気的に接続する短
絡機構か成立している。この短絡機構には次のような効
果がある。An n+ type guard link 8 is provided around the second photoelectric conversion region 5 and the potential barrier region 6 to alleviate electric field concentration. Second photoelectric conversion region 5 and n+ type guard link 8
A metal wiring 9 made of aluminum or the like is formed to surround the second photoelectric conversion region 5 so as to make ohmic contact with both. The metal wiring 9 and the n+ type guard link 8 form a short circuit mechanism that electrically connects the first photoelectric conversion region 4, the second photoelectric conversion region 5, and the potential barrier region 6. This short circuit mechanism has the following effects.
受光素子において、半導体からなる三領域のポテンシャ
ル障壁発生部分及びその近傍で、電子・ホール対が発生
すると、本実施例のように、第1導電型がp型の場合(
エネルギー帯構造は第2図(a))には、伝導帯に遷移
した電子がポテンシャル障壁領域における伝導帯のポテ
ンシャル極小部分に集まり、それと対をなして発生した
価電子帯のホールが第2光電変換領域あるいはキャリア
注入領域に捕らえられる。一方、第1導電型かn型の場
合(エネルギー帯構造は第2図(b))には、逆に、電
子が遷移して価電子帯に発生したポールがポテンシャル
障壁領域のポテンシャル極大部分(ホールに対してはポ
テンシャル極小部分)に集まり、伝導帯に遷移した電子
が第2光電変換領域あるいはキャリア注入領域に捕らえ
られる。In the photodetector, when electron-hole pairs are generated in the potential barrier generating portion of the three semiconductor regions and in the vicinity thereof, as in this example, when the first conductivity type is p type (
The energy band structure is shown in Figure 2 (a). Electrons that have transitioned to the conduction band gather at the minimum potential part of the conduction band in the potential barrier region, and holes in the valence band that are generated in pairs with them form a second photoelectron. captured in the conversion region or carrier injection region. On the other hand, in the case of the first conductivity type or n-type (the energy band structure is shown in Figure 2(b)), conversely, the pole generated in the valence band due to electron transition is the maximum potential part of the potential barrier region ( For holes, electrons are collected at the minimum potential portion) and transferred to the conduction band, where they are captured in the second photoelectric conversion region or carrier injection region.
電子・ホール対の発生原因としては、半導体材料の禁制
帯幅以上のエネルギーを持つ光が該領域に達するとか、
該領域において価電子帯の電子の熱励起が生じるなどが
ある。ポテンシャル障壁領域に自由キャリアが溜るとポ
テンシャル障壁領域の電位変化、すわわち、ポテンシャ
ル障壁高さの変動が起こる。第1光電変換領域及び第2
光電変換5
6
領域とポテンシャル障壁領域とを電気的に接続する短絡
機構は、ポテンシャル障壁領域に集まる自由キャリアを
即座に収り除き、受光素子の動作をより安定にする働き
をする。なお、短絡機構を本受光素子が備えていなくて
も、本質的に赤外線検出動作不能とはならないので、該
機構無しのものも構成できる。たたし、性能が劣ること
になる。The cause of the generation of electron-hole pairs is that light with energy greater than the forbidden band width of the semiconductor material reaches the region.
In this region, thermal excitation of electrons in the valence band occurs. When free carriers accumulate in the potential barrier region, a potential change in the potential barrier region, that is, a fluctuation in the potential barrier height occurs. The first photoelectric conversion region and the second
The short circuit mechanism that electrically connects the photoelectric conversion 5 6 region and the potential barrier region serves to immediately remove free carriers that collect in the potential barrier region, thereby making the operation of the light receiving element more stable. Note that even if the present light-receiving element is not equipped with a short-circuiting mechanism, it does not essentially become inoperable for infrared detection, so it is also possible to construct one without such a mechanism. However, the performance will be degraded.
素子表面は5i02膜]0で覆われており、そのS i
02膜10上の第1光電変換領域4と対向する部分に
アルミニウム等からなる金属反射膜11が設けらられて
いる。金属反射膜11の存在により、第1光電変換領域
4さえもを透過した赤外光が再利用される。The element surface is covered with a 5i02 film]0, and its Si
A metal reflective film 11 made of aluminum or the like is provided on a portion of the 02 film 10 facing the first photoelectric conversion region 4 . Due to the presence of the metal reflective film 11, infrared light that has passed through even the first photoelectric conversion region 4 is reused.
この受光素子1における赤外光]7の入射面、すなわち
裏面に反射防止膜を設ければ、該受光素子1はさらに高
感度となる。また、該受光素子1が金属反射膜11を持
たない表面照射型でも、本発明は差し支えない。If an anti-reflection film is provided on the incident surface of the infrared light [7] in the light-receiving element 1, that is, on the back surface, the light-receiving element 1 will have even higher sensitivity. Further, the present invention may be applied even if the light-receiving element 1 is a front-illuminated type that does not have the metal reflective film 11.
電荷蓄積素子2は、n+型カードリンク8と相対してn
型単結晶Si基板3の基板作製時のままの部分を隔てて
形成されたn型の蓄積ウェル12と、Si02M10を
挟んで13型単結晶Si基板3の基板作製時のままの部
分から蓄積ウェル12を覆う形で形成されたN積電径1
3とから成り立っている。The charge storage element 2 is located opposite to the n+ type card link 8.
An n-type storage well 12 is formed across the part of the type single crystal Si substrate 3 that is the same as when the substrate was manufactured, and an accumulation well is formed from the part of the 13 type single crystal Si substrate 3 that is the same as when the substrate is manufactured, with Si02M10 in between. N stacking diameter 1 formed to cover 12
It is made up of 3.
さらに、最終的に信号電荷を取り出すためのn+型のト
レイン領域]4がp型屯結晶S1基板3の基板作製時の
ままの部分を隔てて設けられており、蓄積ウェル12と
ドレイン領域14との間をスイッチングするための移送
電極15を備えている。トレイン領域14には金属配線
]6が接続されている。Furthermore, an n+ type train region 4 for finally extracting signal charges is provided separating the part of the p-type tunic crystal S1 substrate 3 which is the same as when the substrate was fabricated, and connects the storage well 12 and the drain region 14. A transfer electrode 15 is provided for switching between the two. A metal wiring ] 6 is connected to the train region 14 .
本券外線センザは次のように動作する。水界外線センサ
において、蓄積電極13は、受光素子1の第1光電変換
領域4及び第2光電変換領域5とキャリア注入領域7と
の間に適当なバイアスが印加されるように、一定の正電
位VBにセットされる。これて、受光素子1は第2図(
a)のように設定される。移送電極15には、蓄積モー
ドで光電変換を行う段階では、蓄積ウェル12−ドレイ
ン領域14間がOFF状態となり、信号電荷を読み出す
段階ではON状態となるようなパルス信号Φ1を印加す
る。蓄積モードて光電変換を行なう段階での本赤外線セ
ンザ内のポテンシャル分布は、第1図(b)の実線のよ
うになっている。光電変換によって、受光素子1の第1
光電変換領域4及び第2光電変換領域5に信号電荷であ
るキャリア(電子)18か発生ずると、その結果として
第1光電変換領域4及び第2光電変換領域5のポテンシ
ャルが上昇する。すると、キャリア18は、よりポテン
シャルの低い金属配線9、n4型ガードリンク8、さら
に、蓄積電極13下をn型単結晶Si基板3の反転領域
を経て、蓄積ウェル]2に流れ込む。このため、受光素
子1部分には、キャリア18が蓄積されず、バイアス電
位の変動か避けられる。一定期間、この動作を続けた後
、移送電極]5には、蓄積ウェル12−ドレイン領域1
4間がON状態となる電圧が印加される。すると、移送
電極15下のn型単結晶Si基板3のポテンシャルは破
線で示すようになり、蓄積ウェル12に蓄えられた信号
電荷か外部に読み出される。The ticket outside line sensor operates as follows. In the water field external radiation sensor, the storage electrode 13 has a certain positive bias so that an appropriate bias is applied between the first photoelectric conversion region 4 and the second photoelectric conversion region 5 of the light receiving element 1 and the carrier injection region 7. It is set to potential VB. With this, the light receiving element 1 is as shown in Fig. 2 (
It is set as in a). A pulse signal Φ1 is applied to the transfer electrode 15 so that the area between the storage well 12 and the drain region 14 is in the OFF state when photoelectric conversion is performed in the storage mode, and the pulse signal Φ1 is in the ON state when the signal charge is read out. The potential distribution within the present infrared sensor at the stage of photoelectric conversion in the accumulation mode is as shown by the solid line in FIG. 1(b). By photoelectric conversion, the first
When carriers (electrons) 18, which are signal charges, are generated in the photoelectric conversion region 4 and the second photoelectric conversion region 5, the potentials of the first photoelectric conversion region 4 and the second photoelectric conversion region 5 increase as a result. Then, the carriers 18 flow into the storage well 2 through the metal wiring 9 with a lower potential, the n4 type guard link 8, and the inversion region of the n type single crystal Si substrate 3 under the storage electrode 13. Therefore, carriers 18 are not accumulated in the light receiving element 1 portion, and fluctuations in the bias potential can be avoided. After continuing this operation for a certain period of time, the storage well 12-drain region 1 is transferred to the transfer electrode]5.
A voltage is applied that turns on the voltage between 4 and 4. Then, the potential of the n-type single crystal Si substrate 3 under the transfer electrode 15 becomes as shown by the broken line, and the signal charges stored in the storage well 12 are read out to the outside.
以上の構造及び動作によって、本発明の赤外線センサで
は、蓄積モードでも、電荷蓄積中に受光素子のバイアス
状態が一定となり、遮断波長が不変となる。With the above structure and operation, in the infrared sensor of the present invention, even in the accumulation mode, the bias state of the light receiving element is constant during charge accumulation, and the cutoff wavelength remains unchanged.
なお、本発明の赤外線センサは、上述の実施例の第1導
電型と第2導電型のpとnとか入れ替わったものも成り
立つことはもちろんであり、原理的にSi以外の半導体
材料を用いることも可能である。さらに、本発明の赤外
線セン→フ゛のアレイと電子走査回路とを組み合わせた
モノリシックあるいはハイブリッドのイメージセンサも
実現できる。It should be noted that the infrared sensor of the present invention can of course be constructed by replacing p and n of the first conductivity type and second conductivity type in the above-mentioned embodiments, and in principle, it is possible to use a semiconductor material other than Si. is also possible. Furthermore, a monolithic or hybrid image sensor that combines the infrared sensor array of the present invention with an electronic scanning circuit can also be realized.
以上説明したように、本発明によれば、赤外線吸収率が
高い金属とn型あるいはn型の縮退半導体との接触で形
成されるエネルギー帯構造を利用した、効率の良いホッ
トホールあるいはホ・ント電2つ
0
子の供給機構により、従来例の赤外線センサより赤外線
検出感度を高くできるとともに、従来例の赤外線センサ
に見られた、蓄積モード動作をさせた場合に、電荷蓄積
中に遮断波長が変化してしまうという問題点が除去され
た、半導体材料の禁制帯幅に相当する波長より長い任意
の遮断波長を具備した赤外線センサを提供できる効果が
ある。As explained above, according to the present invention, efficient hot hole or The two-power supply mechanism allows for higher infrared detection sensitivity than conventional infrared sensors, and also reduces the cutoff wavelength during charge accumulation when operating in the accumulation mode, which was the case with conventional infrared sensors. It is possible to provide an infrared sensor having an arbitrary cut-off wavelength longer than the wavelength corresponding to the forbidden band width of the semiconductor material, which eliminates the problem of change in the bandgap.
第1図(a)は、本発明の一実施例の縦断面構造図、第
1図(1〕)は、同図(a)の縦断面構造図に対応さぜ
なポテンシャル分布図である。第2図(a)、(b)は
、本発明の赤外線センサにおける受光素子のエネルギー
帯構造及び光電変換機構の説明図で、(a)は第1導電
型がp型て第2導電型がn型の場合の図、(b)は第1
導電型がn型で第2導電型がp型の場合の図である。第
3図は従来の赤外線センサにおけるエネルギー構造及び
光電変換機構の説明図て、(a)は第1導電型がp型で
第2導電型かn型の場合の図、(b)は第1導電型がn
型で第2導電型がp型の場合の図である。
]・・・受光素子、2・・電荷蓄積素子、3・・・p型
車結晶Si基板、4,19.32・・・第1光電変換領
域、5,20.33・・第2光電変換領域、621.3
4,46.58・ポテンシャル障壁領域、7・・・キャ
リア注入領域(p型車結晶Si基板)、8・・カードリ
ンク(n+型)、91.6・・金属配線、10・・5i
02膜、11・・・金属反射膜、12・・・蓄積ウェル
(n型)、]3・・・蓄積電極、14・・トレイン領域
(n+型)、]5・・移送電極、1.7,27.40,
52.64・・・赤外光、18・・・キャリア(電子)
、22.:35 4.759・・・キャリア注入領域、
2B、36,4.860・・・絶縁物、24./1.9
・・・価電子帯、2538・・禁制帯、26,39.6
3・伝導帯、28.53−空準位、29a、29b、4
2a。
4、2 b 、 54 、 66・ホット電子、30
a、30b 、 43 a 、 43 b 、 55
、67−ホットボール、4.]、、65・・・電子、
45.57・・・光電変換領域。
3FIG. 1(a) is a longitudinal cross-sectional structure diagram of an embodiment of the present invention, and FIG. 1(1) is a potential distribution diagram corresponding to the longitudinal cross-sectional structure diagram of FIG. 1(a). FIGS. 2(a) and 2(b) are explanatory diagrams of the energy band structure and photoelectric conversion mechanism of the light receiving element in the infrared sensor of the present invention, in which (a) the first conductivity type is p type and the second conductivity type is Diagram for n-type, (b) is the first
It is a figure when a conductivity type is an n type and a 2nd conductivity type is a p type. Figure 3 is an explanatory diagram of the energy structure and photoelectric conversion mechanism in a conventional infrared sensor. conductivity type is n
FIG. ]... Light receiving element, 2... Charge storage element, 3... P-type wheel crystal Si substrate, 4, 19.32... First photoelectric conversion region, 5, 20.33... Second photoelectric conversion Area, 621.3
4, 46.58 Potential barrier region, 7... Carrier injection region (p-type wheel crystal Si substrate), 8... Card link (n+ type), 91.6... Metal wiring, 10... 5i
02 film, 11...Metal reflective film, 12...Storage well (n type), ]3...Storage electrode, 14...Train region (n+ type), ]5...Transfer electrode, 1.7 ,27.40,
52.64...Infrared light, 18...Carrier (electron)
, 22. :35 4.759...Carrier injection region,
2B, 36, 4.860...Insulator, 24. /1.9
...Valence band, 2538...Forbidden band, 26,39.6
3. Conduction band, 28.53-empty level, 29a, 29b, 4
2a. 4, 2 b, 54, 66・Hot electron, 30
a, 30b, 43a, 43b, 55
, 67-Hot Ball, 4. ],,65...electron,
45.57...Photoelectric conversion area. 3
Claims (1)
半導体からなり第1光電変換領域とオーミック接触する
第2光電変換領域と、第2光電変換領域より不純物濃度
が低い第1導電型半導体からなるキャリア注入領域と、
キャリア注入領域より不純物濃度が低い第1導電型半導
体か、真性半導体か、あるいは少なくとも動作条件下で
完全空乏化状態となる第2導電型半導体からなり第2光
電変換領域とキャリア注入領域との間に存在するポテン
シャル障壁領域とを有し、第1光電変換領域/第2光電
変換領域/ポテンシャル障壁領域/キャリア注入領域の
積層構造で、しかも第2光電変換領域とポテンシャル障
壁領域とキャリア注入領域とがホモ接合構造を構成する
受光素子と、この受光素子において発生した光信号電荷
を蓄える電荷蓄積素子とを具備することを特徴とする赤
外線センサ。A first photoelectric conversion region made of a metal, a second photoelectric conversion region made of a degenerate semiconductor of a first conductivity type and in ohmic contact with the first photoelectric conversion region, and a first conductivity type semiconductor having a lower impurity concentration than the second photoelectric conversion region. a carrier injection region consisting of;
Between the second photoelectric conversion region and the carrier injection region, it is made of a first conductivity type semiconductor having a lower impurity concentration than the carrier injection region, an intrinsic semiconductor, or a second conductivity type semiconductor that is fully depleted under at least operating conditions. It has a layered structure of a first photoelectric conversion region/second photoelectric conversion region/potential barrier region/carrier injection region, and further includes a potential barrier region existing in the second photoelectric conversion region, a potential barrier region, and a carrier injection region. 1. An infrared sensor comprising: a light receiving element having a homojunction structure; and a charge storage element storing optical signal charges generated in the light receiving element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2099677A JP2841688B2 (en) | 1990-04-16 | 1990-04-16 | Infrared sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2099677A JP2841688B2 (en) | 1990-04-16 | 1990-04-16 | Infrared sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03296280A true JPH03296280A (en) | 1991-12-26 |
JP2841688B2 JP2841688B2 (en) | 1998-12-24 |
Family
ID=14253665
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2099677A Expired - Lifetime JP2841688B2 (en) | 1990-04-16 | 1990-04-16 | Infrared sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2841688B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6504195B2 (en) * | 2000-12-29 | 2003-01-07 | Eastman Kodak Company | Alternate method for photodiode formation in CMOS image sensors |
JP2007173267A (en) * | 2005-12-19 | 2007-07-05 | Nec Electronics Corp | Solid-state image pickup device |
-
1990
- 1990-04-16 JP JP2099677A patent/JP2841688B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007173267A (en) * | 2005-12-19 | 2007-07-05 | Nec Electronics Corp | Solid-state image pickup device |
US7800668B2 (en) | 2005-12-19 | 2010-09-21 | Nec Electronics Corporation | Solid state imaging device including a light receiving portion with a silicided surface |
US8130297B2 (en) | 2005-12-19 | 2012-03-06 | Renesas Electronics Corporation | Solid state imaging device including a light receiving portion with a silicided surface |
US8810699B2 (en) | 2005-12-19 | 2014-08-19 | Renesas Electronics Corporation | Solid state imaging device including a light receiving portion with a silicided surface |
Also Published As
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JP2841688B2 (en) | 1998-12-24 |
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