CN104247018A - 受光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种抑制输出端子的数量、不使用开关元件能够同时且以高S/N比对来自各受光部的输出的差值进行运算的受光器件。本发明的受光器件具备由形成在同一衬底上的第一和第二受光部和第一和第二输出端子构成的电路图案，第一和第二受光部具有：半导体层叠部，其形成具有第一导电型半导体层和第二导电型半导体层的光电二极管结构；以及第一电极和第二电极，其分别与第一导电型半导体层和第二导电型半导体层相连接，第一受光部和第二受光部的第一电极彼此连接，第一受光部的第二电极与第一输出端子相连接，第二受光部的第二电极与第二输出端子相连接，在第一和第二输出端子之间输出由第一受光部和第二受光部产生的信号的差。
Description
技术领域
本发明涉及一种受光器件。更详细地说，涉及一种具备多个受光部的受光器件。
背景技术
人体的体温为36度左右，人体放出红外线，该红外线是从皮肤放射的辐射为2μm～30μm这种频谱范围大的红外线。通过检测该光，能够检测人体的位置或者动作。
作为以上述的2μm～30μm的波段进行动作的传感器，可举出热电传感器、热电堆。为了实现这些传感器的高灵敏度化，需要在受光部与光的入射窗部之间设置中空区域，因此，传感器的小型化受到限制。
为了解决由热电堆、热电传感器的中空结构导致的限制，期待量子型(光电动势型)红外线传感器。量子型红外线传感器具有PN结或者PIN结的光电二极管结构，该PN结是多个载流子为电子的n型半导体与多个载流子为空穴的p型半导体相接合而构成的，该PIN结是在p型半导体与n型半导体之间具有本征半导体。在量子型红外线传感器中，由于红外线光子而在存在于PN结或者PIN结的耗尽层内产生的电子空穴对随着价带和导带的倾斜在空间上分离累积，结果是p型半导体在正侧带电、n型半导体在负侧带电而在其间产生电动势。该电动势被称为开路电压，通过使用比PN结或者PIN结部的电阻大的外部电阻(也可以是高输入阻抗的电路、放大器)能够以电压读出，并且通过在量子型红外线传感器外部短路，能够以电流读出。
如果在室温的条件下使用这种量子型红外线传感器作为人感传感器会产生以下问题：由于人所活动的环境温度与人的体温之差小，因此输出信号小并且从环境辐射的不稳定的红外线被传感器检测到而成为噪声，因此难以确保充分的S/N比。因此，在通常的量子型红外线传感器的情况下，相对于外界温度对受光部进行冷却，由此输出信号变大，S/N比变大。作为这种量子型红外线传感器代表，可举出将InSb用作半导体层叠部的传感器、MCT(Mercury Cadmium Teluride：碲化汞-碲化镉复合半导体)等。
在使用上述化合物半导体的量子型红外线传感器中，如专利文献1所示，提出了以下方式：一边以非冷却的方式进行小型化，一边为了提高作为人感传感器的S/N比，平面状地配置半导体传感器，将各传感器的输出电压进行多级串联连接而取出。
作为上述光传感器的应用例，期望一种对从被检测体辐射出的光的受光强度进行运算、对被检测体的动作、到传感器的距离进行运算的受光器件。为了实现这种受光器件，考虑使用来自多个光传感器的输出的差值、加法值的方法。
如果使用来自多个输出的输出的差值，则能够对从被检测体辐射出的光的受光强度、被检测体的动作进行检测，如果使用加法值，则还能够检测人体的接近。另外，通过将光传感器配置成阵列状，使用后级的运算电路对基于入射到各传感器的光的受光强度的信号进行运算，能够得到各传感器的输出信号的和、差(参照专利文献2)。
图13示出根据来自光传感器的输出对输出的差值、和进行运算的以往的受光器件的结构。在图13中示出以往的受光器件1300，该以往的受光器件1300具备：包含受光部dA～dD的光传感器部1310；电流-电压变换单元1320，其与光传感器1310相连接，包含电流/电压(电流-电压)变换放大器4a～4d；差运算单元1330，其与电流-电压变换单元1320相连接，包含第一减法电路5和第二减法电路6；以及加法运算单元1340，其与电流-电压变换单元1320相连接，包含对来自电流-电压变换放大器4a～4d的输出信号进行加法运算的加法电路9。
在光传感器部1310中，受光部dA～dD的一端经由各输出端子3a1～3d1与各电流-电压变换放大器4a～4d的一个输入端子相连接，受光部dA～dD的另一端经由各输出端子3a2～3d2而接地。在电流-电压变换单元1320中，电流-电压变换放大器4a～4d的另一个输入端子接地，电流-电压变换放大器4a的输出端子与第一减法单元5和加法运算单元1340相连接，电流-电压变换放大器4b的输出端子与第二减法单元6和加法运算单元1340相连接，电流-电压变换放大器4c的输出端子与第一减法单元5和加法运算单元1340相连接，电流-电压变换放大器4d的输出端子与第二减法单元6和加法运算单元1340相连接。加法运算单元1340通过加法电路9对四个信号(电流-电压变换放大器4a～4d的各输出)进行加法运算。
在光传感器部1310中，使从被检测体辐射出的光入射到受光部dA～dD，受光部dA～dD将与所入射的光的光强度相应的电流经由各输出端子3a1～3d1输出到各电流-电压变换放大器4a～4d。在电流-电压变换单元1320中，电流-电压变换放大器4a～4d将分别输入的电流变换为电压后分别输出到差运算单元1330和加法运算单元1340。在差运算单元1330中，第一减法电路5对来自电流-电压变换放大器4a和4c的各输出的差进行运算而输出减法信号，第二减法电路6对来自电流-电压变换放大器4b和4d的各输出的差进行运算而输出减法信号。加法运算单元1340输出四个信号(电流-电压变换放大器4a～4d的各输出)的加法运算结果。
专利文献1：国际公开第2005-27228号小册子
专利文献2：日本特开2004-364241号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在图13示出的结构中，为了得到来自各受光部dA～dD的输出，输出端子(焊盘)需要受光部的个数的两倍，导致装置大型化。另外，从电流-电压变换放大器观察到的信号源(一个受光部量)的阻抗低，因此在受光部的内部电阻小的情况下，存在电流-电压变换放大器的输入换算噪声被放大而电流-电压变换放大器输出的噪声水平增加这种问题。
另外，在图13示出的电路中，为了抑制噪声水平并且求出来自多个受光部的输出的差值和加法值，需要使用开关元件，但是在使用开关元件的情况下，还需要用于控制该开关元件的装置，招致装置大型化、消耗电力增加。
本发明是鉴于这些问题点而完成的，其目的在于提供一种抑制输出端子的数量并且不使用开关元件而能够同时且以高S/N比对来自各受光部的输出的差值进行运算的受光器件。
用于解决问题的方案
第一发明所记载的受光器件具备由形成在同一衬底上的第一受光部和第二受光部以及第一输出端子和第二输出端子构成的电路图案，该受光器件的特征在于，上述第一受光部和上述第二受光部分别具有：半导体层叠部，其形成具有第一导电型半导体层和第二导电型半导体层的PN结或者PIN结的光电二极管结构；第一电极，其与上述第一导电型半导体层相连接；以及第二电极，其与上述第二导电型半导体层相连接，其中，上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极相连接，上述第一受光部的第二电极与上述第一输出端子相连接，上述第二受光部的第二电极与上述第二输出端子相连接，在上述第一输出端子与上述第二输出端子之间输出在上述第一受光部和上述第二受光部中产生的信号的差。
第二发明所记载的受光器件的特征在于，在第一发明所记载的受光器件中，还具备形成在上述同一衬底上的第三受光部和第四受光部以及第三输出端子和第四输出端子，上述第三受光部和上述第四受光部分别具有：半导体层叠部，其形成具有第一导电型半导体层和第二导电型半导体层的PN结或者PIN结的光电二极管结构；第一电极，其与上述第一导电型半导体层相连接；以及第二电极，其与上述第二导电型半导体层相连接，其中，上述第三受光部的第二电极和上述第四受光部的第二电极与上述第一受光部和上述第二受光部的第一电极相连接，上述第三受光部的第一电极与上述第三输出端子相连接，上述第四受光部的第一电极与上述第四输出端子相连接。
第三发明所记载的受光器件的特征在于，在第一或第二发明所记载的受光器件中，还具备电流-电压变换放大器，该电流-电压变换放大器与上述第一输出端子和上述第二输出端子相连接。
第四发明所记载的受光器件的特征在于，在第二发明所记载的受光器件中，还具备：第一减法电路，其与上述第一输出端子和上述第二输出端子相连接；第二减法电路，其与上述第三输出端子和上述第四输出端子相连接；第三减法电路，其与上述第一输出端子和上述第三输出端子相连接；第四减法电路，其与上述第二输出端子和上述第四输出端子相连接；以及加法电路，其与上述第三减法电路和上述第四减法电路的输出端子相连接。
第五发明所记载的受光器件的特征在于，在第三或第四发明所记载的受光器件中，上述输出端子与上述减法电路分别经由电流-电压变换放大器相连接。
第六发明所记载的受光器件的特征在于，在第三至第五发明中的任一发明所记载的受光器件中，上述输出端子与上述减法电路不经由开关元件进行连接。
第七发明所记载的受光器件的特征在于，在第一发明所记载的受光器件中，受光器件在同一衬底上具备两个上述电路图案，该受光器件还具备：第一布线层，其对一个上述电路图案中的上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极进行连接；以及第二布线层，其对另一个上述电路图案中的上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极进行连接，其中，上述第一布线层和上述第二布线层形成为在交叉部处相互交叉，在上述交叉部处的上述衬底上形成有第一导电型半导体层，在上述交叉部处，上述第一布线层隔着绝缘层形成在上述交叉部的上述第一导电型半导体层上，上述第二布线层经由形成在上述绝缘层的一部分的接触孔与上述交叉部的上述第一导电型半导体层电连接。
第八发明所记载的受光器件的特征在于，在第一至第七发明中的任一发明所记载的受光器件中，上述半导体层叠部由含有铟和/或锑的材料构成。
第九发明所记载的位置检测器件的特征在于，具备：第一至第八发明中的任一发明所记载的受光器件；以及视场角限制体，其对入射到上述受光器件的上述受光部的光的入射方向进行控制。
发明的效果
根据本发明，能够实现一种抑制与受光部相连接的输出端子的数量并且不使用开关元件而能够同时且以高S/N比对来自各受光部的输出的差值进行运算的受光器件。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的受光器件的结构的图。
图2是表示在本发明所涉及的第一和第二受光部中使用的受光元件的结构的一例的截面示意图。
图3示出图1示出的受光器件中的III-III截面线上的截面示意图。
图4A是将在图1中四个受光元件串联连接而成的第一和第二受光部看作一个二极管时的等效电路图。
图4B是用电路表示图4A示出的二极管的等效电路图。
图5示出本发明的第二实施方式所涉及的受光器件的等效电路。
图6示出本发明所涉及的第三实施方式的受光器件。
图7示出图6示出的受光器件中的电流-电压变换单元、减法电路以及加法电路的更具体的电路图。
图8A是本发明的第四实施方式所涉及的受光器件的结构示意图。
图8B是图8A示出的结构的等效电路图。
图9A是图8A示出的受光器件中的IXA-IXA截面线上的截面示意图。
图9B是图8A示出的受光器件中的IXB-IXB截面线上的截面示意图。
图10示出本发明的第五实施方式所涉及的、使用了第一实施方式所涉及的受光器件的位置检测器件。
图11示出本发明的第五实施方式所涉及的、使用了第一实施方式所涉及的受光器件的位置检测器件的其它例。
图12示出使光源相对于第五实施方式所涉及的位置检测器件移动的情况下的、针对光源位置的IpA和IpB的差的关系和IpA～IpD的总和的关系。
图13示出根据来自光传感器的输出对输出的差值、和进行运算的以往的受光器件的结构。
具体实施方式
下面，说明用于实施本发明的方式(本实施方式)。本实施方式的受光器件器件具备由形成在同一衬底上的第一受光部和第二受光部以及第一输出端子和第二输出端子构成的电路图案，该受光器件的上述第一受光部和上述第二受光部分别具有：半导体层叠部，其形成具有第一导电型半导体层和第二导电型半导体层的PN结或者PIN结的光电二极管结构；第一电极，其与上述第一导电型半导体层相连接；以及第二电极，其与上述第二导电型半导体层相连接，其中，上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极相连接，上述第一受光部的第二电极与上述第一输出端子相连接，上述第二受光部的第二电极与上述第二输出端子相连接，在上述第一输出端子与上述第二输出端子之间输出在上述第一受光部和上述第二受光部中产生的信号的差。
[第一实施方式]
图1示出本发明的第一实施方式所涉及的受光器件100的结构。图1示出的受光器件100在衬底10上具备第一和第二受光部dA、dB以及第一和第二输出端子3a、3b。第一和第二受光部dA、dB分别由四个受光元件1经由布线层60进行串联连接而成的结构构成。第一受光部dA、第二受光部dB、第一输出端子3a以及第二输出端子3b经由布线层60进行串联连接。
图2是表示在本实施方式所涉及的第一和第二受光部dA、dB中使用的受光元件1的结构的一例的截面示意图。如图2所示，受光元件1具备：衬底10；形成在衬底10上的半导体层叠部80；绝缘层50，其形成于衬底10和半导体层叠部80上以覆盖半导体层叠部80；布线层60，其形成在绝缘层50和半导体层叠部80上；以及保护层70，其覆盖表面整体。半导体层叠部80包含在衬底10上依次层叠n型掺杂的n型半导体层20、非掺杂或者p型掺杂的光吸收层30、势垒层31以及p型掺杂的p型半导体层40而构成的PIN结的光电二极管结构部。在n型半导体层20上形成有阴极(n层电极)61，在p型半导体层40上形成有阳极(p层电极)62。
在此，n型半导体层20对应于本发明中的第一导电型半导体层，p型半导体层对应于第二导电型半导体层。此外，本发明并不限定于此，也可以将第一导电型半导体设为p型半导体层，将第二导电型半导体层设为n型半导体层。以下相同。
另外，在本发明中，也可以设为从图2示出的结构中去除了光吸收层30的PN结的光电二极管结构。另外，在本发明中，势垒层31、保护层70、绝缘层50并非是必须的结构要素，能够根据要求来适当地附加。
作为构成n型半导体层20、光吸收层30以及p型半导体层40的材料，如果是能够与所入射的光相应地生成光电动势的材料，则不特别地进行限制。在被检测光为红外线的情况下，作为构成光吸收层30和p型半导体层40的材料能够使用InSb系材料、InGaSb系材料、InAlSb系材料、InAsSb系材料或者包含In、Sb、Ga或者Al的材料，但是根据用途需要改变器件的检测波段。在由InSb系材料构成的受光元件的情况下，能够检测1μm～7μm的波长。在由InGaSb或者InAlSb系材料构成的受光元件的情况下，能够缩小到1μm～5μm的波段。另外，在由InAsSb系材料构成的受光元件的情况下，能够检测1μm～12μm的波段。在检测相同波长时，还研究了使用包含Hg、Cd的MCT的光电二极管结构，但是从减轻环境负荷的观点出发，由n型半导体层20、光吸收层30以及p型半导体层40构成的光电二极管结构部优选由包含In、Sb、Ga或者Al的材料构成。
在图2中示出光从衬底10的背面入射的受光元件1，但是在本发明中也可以构成为光从衬底10中层叠半导体层叠部80的面侧入射。
在图2示出的受光元件1中，当作为被检测光的红外线从衬底10上与层叠有半导体层叠部80一面相反的面入射(在图2中，光沿从衬底10朝向半导体层叠部80的方向前进)而入射到光电二极管结构部时，在存在于光电二极管结构部的耗尽层内产生的电子空穴对随着价带与导带的电场倾斜在空间上分离累积。其结果，n型半导体层20在负侧带电，p型半导体层40在正侧带电，由此在其间产生电动势。该电动势被称为开路电压，在与高输入阻抗的信号处理电路(放大器等)连接的情况下，能够以电压读出，并且在红外线传感器外部短路而能够以电流读出。
在n型半导体层20中，通过进行高浓度的n型掺杂，通过被称为柏斯坦-摩斯偏移的效应，n型半导体层20的红外线吸收波长偏移至更短波长侧。因此，长波长的红外线不被吸收而能够使红外线高效率地透过。
光吸收层30为用于吸收红外线而产生光电流Ip的光吸收层。因而，n型半导体层20与光吸收层30相接触的面积S1成为被入射红外线的受光面积。通常，受光元件1的光电流Ip与受光面积成比例地变大，因此优选n型半导体层20与光吸收层30相接触的面积S1大。另外，光吸收层30的体积越大则能够吸收的红外线量越大，因此优选光吸收层30的体积大。优选将光吸收层30的膜厚设定为由于吸收红外线而产生的电子以及空穴的载流子能够扩散程度的膜厚。
另一方面，使用于光吸收层30的、用于吸收红外线的半导体通常是带隙小的半导体，这种半导体的电子的迁移率与空穴的迁移率相比非常大。例如在InSb的情况下，电子的迁移率为大约80,000cm2/Vs，与此相对，空穴的迁移率为几百cm2/Vs。因而，对于元件电阻，电子流动难易度的影响大。
在光吸收层30中由于红外线吸收而产生的电子由于在PN或者PIN结的光电二极管结构的部分中形成的电位差而从光吸收层30向n型半导体层20侧扩散，以光电流取出。如上所述，在带隙小的半导体中空穴的迁移率非常小，因此，通常，p型掺杂层的电阻比n型掺杂层的电阻高。另外，电阻与电流流过的部分的面积成反比。因而，由光吸收层30与p型半导体层40相接触的面积S3的大小来决定元件电阻，为了使元件电阻变大，优选面积S3小。
另外，能够吸收波长为5μm以上的红外线的半导体的带隙小到0.25eV以下。在这种带隙小的半导体(光吸收层30的材料的带隙为0.1～0.25eV的半导体)中，当在p型半导体层40侧形成带隙大于光吸收层30的带隙的势垒层31以抑制由电子引起的扩散电流时，暗电流那样的元件的漏电流变小，能够增加元件电阻，因此，优选使用。
势垒层31构成为带隙大于光吸收层30和p型半导体层40的带隙。作为构成势垒层31的材料，例如可举出AlInSb。通过设置该势垒层，受光部的电阻变大，因此当使用电流-电压变换放大器来进行信号放大时，能够实现高S/N比，因此期望使用。
绝缘层50形成在衬底10上和半导体层叠部80上，对衬底10和半导体层叠部80的表面进行绝缘和保护。布线层60由一层或者多层的金属等构成，是用于将由光吸收层30生成的光电动势经由阴极61和阳极62取出的层，形成在绝缘层50上。也可以对保护层70的上部空间进行树脂模制(未图示)。作为绝缘层50和保护层70的材料，例如可举出树脂、氧化硅、氮化硅等，如果是绝缘性的材料则可以是任意的材料。
可以使用单独的受光元件1作为受光部，也可以将串联连接多个受光元件1得到的元件用作受光部。在各受光部dA、dB由两个以上的受光元件1构成的情况下，在以电流读出光电动势时，优选进行串联连接。在电压输出的情况下，需要增加电压，因此同样地优选进行串联连接。在电流输出的情况下，当提高信号源的电阻值和电流值时S/N比提高，并且在电压输出的情况下，当减小信号源的电阻值、增加电压值时S/N比提高。优选考虑PN结的每面积的纵方向(与衬底表面垂直方向)的电阻值、放大器的电压输入换算噪声和制造上的限制(工艺规则等)，对将受光部分割为几个并进行串联来进行优化以实现最佳S/N比。当然，将受光部整体的尺寸设为越大则通过上述方法优化得到的S/N比越大，因此优选使用。但是，对于像素数、各像素的尺寸，优选与系统的光学系统相匹配地设计为最佳形状。
图3示出图1示出的受光器件中的III-III截面线上的截面示意图。第一受光部dA的左端的p层电极62相当于第一受光部dA的第一电极，与图1中的第一输出端子3a相连接(在图3中未图示)。另外，第二受光部dB的右端的p层电极62相当于第二受光部dB的第一电极，与图1中的第二输出端子3b相连接(在图3中未图示)。另外，第一受光部dA的右端的n层电极61相当于第一受光部dA的第二电极，第二受光部dB的左端的n层电极61相当于第二受光部dB的第二电极，两者通过布线层60相连接。
此外，本发明并不限定于此，也可以将n层电极设为第一电极，将p层电极设为第二电极。下面设为相同。
图4A和图4B示出图1示出的受光器件100的等效电路。图4A是将图1中四个受光元件1串联连接而成的第一和第二受光部dA、dB看做一个二极管时的等效电路图，图4B是使用电路表示该二极管的等效电路图。
如上所述，在各第一和第二受光部dA、dB中，当检测对象的光侵入到光吸收层30时，产生电子、空穴对，在没有从外部施加偏压的情况下，电子向n型半导体层20侧扩散，空穴向p型半导体层40侧扩散，在n型半导体层20与p型半导体层40之间生成由光电动势引起的电流IpA、IpB。
在图4B中说明在第一和第二输出端子3a、3b之间产生的信号。第一和第二受光部dA、dB分别具有内部电阻R0A、R0B，因此在第一和第二输出端子3a、3b之间流过的电流Ip用以下式(1)表现。在此，IpA表示在与第一输出端子3a相连接的第一受光部dA中产生的短路光电流，IpB表示在与第二输出端子3b相连接的第二受光部dB中产生的短路光电流。
Ip＝(IpA×R0A-IpB×R0B)/(R0A+R0B) 式(1)
另外，如果内部电阻R0A、R0B相同，则用以下式(2)表示Ip。
Ip＝(IpA-IpB)/2 式(2)
也就是说，可理解为根据第一和第二输出端子3a、3b之间的信号能够输出在第一和第二受光部dA、dB中产生的信号的差。如上所述，可理解为在本实施方式的受光器件100中，不经由其它单元(放大器、其它运算元件)并且不受外部噪声的影响而能够以高S/N比来实现，能够适用于检测微弱的辐射光源的位置、移动。
另外，在第一实施方式的受光器件100的第一和第二输出端子3a、3b上进一步连接电流-电压变换部，由此能够容易地得到在第一和第二受光部dA、dB中产生的信号的差。不特别限定电流-电压变换部的具体方式，例如能够使用利用了运算放大器的电流-电压变换放大器等。
作为放大器的具体的例子，可举出跨阻(Transimpedance)放大器。跨阻放大器将输出端子的输出电流变换为电压信号。当将这种放大器与两侧的输出端子连接时，输出端子由于放大器的低阻抗而短路(Virtual Short)，输出式(2)示出的差的短路电流。另外，在放大器的输出中得到与该差电流成比例的电压信号。
在此，示出了从输出端子得到的电流，但是当利用高输入阻抗的放大器时能够取出开路电压。因而，得到第一受光部dA与第二受光部dB的各开路电压的差。也可以根据用途而输出开路电压，但是在很多情况下，特别是在由窄带隙的半导体(InSb、InAsSb等)形成的受光部的情况下，为了不容易受到受光部的内部电阻的温度特性的影响，如上所述，优选输出短路电流。
[第二实施方式]
本实施方式的其它方式的受光器件是在第一实施方式所涉及的受光器件中，还具备形成在上述同一衬底上的第三受光部和第四受光部以及第三输出端子和第四输出端子，上述第三受光部和上述第四受光部分别具有：半导体层叠部，其形成具有第一导电型半导体层和第二导电型半导体层的PN结或者PIN结的光电二极管结构；第一电极，其与上述第一导电型半导体层相连接；以及第二电极，其与上述第二导电型半导体层相连接，其中，上述第三受光部的第二电极和上述第四受光部的第二电极与上述第一受光部和上述第二受光部的第一电极相连接，上述第三受光部的第一电极与上述第三输出端子相连接，上述第四受光部的第一电极与上述第四输出端子相连接。
图5示出本发明的第二实施方式所涉及的受光器件200的等效电路。图5示出的受光器件200除了第一和第二受光部dA、dB以及第一和第二输出端子3a、3b以外，还在同一衬底(未图示)上设置第三和第四受光部dC、dD以及第三和第四输出端子3c、3d。第一至第四受光部dA至dD分别具备作为第一电极的n层电极和作为第二电极的p层电极。
在图5示出的受光器件200中，第一和第二受光部dA、dB的n层电极(阴极)彼此连接，第一和第二受光部dA、dB的p层电极(阳极)分别与第一和第二输出端子3a、3b相连接，第三和第四受光部dC、dD的p层电极(阳极)彼此连接，第三和第四受光部dC、dD的n层电极(阴极)分别与第三和第四输出端子3c、3d相连接。另外，第一和第二受光部dA、dB的n层电极以及第三和第四受光部dC、dD的p层电极经由共通布线部2彼此连接。
在第二实施方式所涉及的受光器件200中，能够通过以下式(3)和(4)得到处于对角配置的输出端子之间(3a与3b、3c与3d)的信号。能够通过以下式(5)和(6)得到处于上下配置的输出端子之间(3a与3d、3b与3c)的信号，省略以公式说明，但是处于左右配置的输出端子之间(3a与3c、3b与3d)的信号也能够与式(5)和(6)同样地得到。
IpAB＝(IpA-IpB)/2 式(3)
IpCD＝(IpC-IpD)/2 式(4)
IpAD＝(IpA+IpD)/2 式(5)
IpBC＝(IpC+IpB)/2 式(6)
在此，IpC表示在与第三输出端子3c相连接的第三受光部dC中产生的短路光电流，IpD表示在与第四输出端子3d相连接的第四受光部dD中产生的短路光电流。IpAB表示从第一输出端子3a与第二输出端子3b之间取出的短路光电流，IpCD表示从第三输出端子3c与第四输出端子3d之间取出的短路光电流，IpAD表示从第一输出端子3a与第四输出端子3d之间取出的短路光电流，IpCB表示从第三输出端子3c与第二输出端子3b之间取出的短路光电流。
能够通过使用了OP放大器的跨阻放大器的虚短路来取出这些短路电流。另外，当使用开关等使第一输出端子3a与第二输出端子3b短路(短路点1)、使第三输出端子3c与第四输出端子3d短路(短路点2)而测量短路点1与短路点2之间的短路电流i12时，如以下式(7)所示，得到全部受光部dA～dD的输出短路电流的总和。
I12＝(IpA+IpB+IpC+IpD)/2 式(7)
如上所述，在第二实施方式所涉及的受光器件200中，能够得到与入射到第一受光部dA和第二受光部dB的区域的辐射有关的差信号(式(3))以及与入射到第三受光部dC和第四受光部dD的区域的辐射有关的差信号(式(4))，除此以外，还能够得到来自全部受光部dA～dD的信号的总和(式(7))。另外，第二实施方式所涉及的受光器件200的输出端子的数量少，衬底的利用效率高，因此有时期望使用。
此外，在图5所记载的第二实施方式所涉及的受光器件200中，使用了四个受光部dA～dD和四个输出端子3a～3d，但是本发明并不限定于此，也可以是例如连接四个受光部的共通布线部2具备输出端子的方式。
[第三实施方式]
作为第二实施方式所涉及的受光器件200的应用例，图6示出本发明所涉及的第三实施方式的受光器件300。在图6中示出受光器件300，该受光器件300具备：包含第一至第四受光部dA～dD的光传感器部310；电流-电压变换单元320，其与光传感器310相连接，包含第一至第四电流-电压变换放大器4a至4d；差运算单元330。其与电流-电压变换单元320相连接，包含第一减法电路5和第二减法电路6；以及加法运算单元340，其与电流-电压变换单元320相连接，包含第三减法电路7、第四减法电路8以及加法电路9。
在光传感器部310中，第三受光部dC和第四受光部dD的第二电极与第一受光部dA和第二受光部dB的第一电极相连接，第一受光部dA的p层电极与第一输出端子3a相连接，第二受光部dB的p层电极与第一输出端子3b相连接，第三受光部dC的第一电极与第三输出端子3c相连接，第四受光部的第一电极与第四输出端子3d相连接。在电流-电压变换单元320中，第一至第四电流-电压变换放大器4a至4d分别与第一至第四输出端子4a至4d相连接。另外，第三实施方式所涉及的受光器件300具备与第一和第二输出端子3a和3b相连接的第一减法电路5、与第三和第四输出端子3c和3d相连接的第二减法电路6、与第一和第三输出端子3a和3c相连接的第三减法电路7、与第二和第四输出端子3b和3d相连接的第四减法电路8以及与上述第三和第四减法电路的输出端子相连接的加法电路9。并且，第一至第四输出端子3a至3d与第一至第四减法电路5至8分别经由第一至第四电流-电压变换放大器4a～4d相连接。
在差运算单元330中，第一减法电路5对来自第一电流-电压变换放大器4a和第二电流-电压变换放大器4b的各输出的差进行运算而输出第一减法信号，第二减法电路6对来自第三电流-电压变换放大器4c和第四电流-电压变换放大器4d的各输出的差进行运算而输出第二减法信号。在加法运算单元340中，第三减法电路7对来自第一电流-电压变换放大器4a和第三电流-电压变换放大器4c的各输出的差进行运算而输出第三减法信号，第四减法电路8对来自第二电流-电压变换放大器4b和第四电流-电压变换放大器4d的各输出的差进行运算而输出第四减法信号，加法电路9对从第三减法电路7和第四减法电路8分别输出的第三减法信号和第四减法信号之和进行运算而输出加法信号。
图7示出图6示出的受光器件300中的、电流-电压变换单元320、减法电路330以及加法电路340的更具体的电路图。本发明的第三实施方式所涉及的受光器件300能够同时输出被设置成对角配置的第一受光部dA和第二受光部dB以及第三受光部dC和第四受光部dD这两组各自的输出的差信号以及全部受光部dA～dD的信号的总和，因此适合于高速的信号处理的用途。
下面，说明第三实施方式所涉及的受光器件300中的运算方法。在将第一至第四电流-电压变换放大器4a～4d的变换电阻设为Rc的情况下，用以下式(8)～式(11)表示各第一至第四电流-电压变换放大器4a～4d的输出信号V1～V4。
V1＝-Rc[3IpA/4-(-IpC+IpB-IpD)/4] 式(8)
V2＝-Rc[-3IpC/4-(IpB-IpD+IpA)/4] 式(9)
V3＝-Rc[3IpB/4-(-IpD+IpA-IpC)/4] 式(10)
V4＝-Rc[-3IpD/4-(IpA-IpC+IpB)/4] 式(11)
并且，如图7所示，这些输出信号V1～V4被输入到与第一至第四电流-电压变换放大器4a～4d的输出端子相连接的差运算单元330和加法运算单元340。在差运算单元330中，进行以下式(12)和式(13)的运算，由此从第一减法电路5和第二减法电路6输出第一减法信号VΔ1和第二减法信号VΔ2。在此，k1～k3表示由Rc、利用于第一至第四减法电路5～8和加法电路9的电阻器的电阻值来决定的系数。
VΔ1＝-k1[V1-V3]
＝-k1[3(IpB-IpA)/4-(IpA-IpB)/4] 式(12)
＝k1(IpA-IpB)
VΔ2＝-k2[V2-V4]
＝-k2[3(-IpD+IpC)/4-(-IpC+IpD)/4]
＝k2(IpD-IpC) 式(13)
在加法运算单元340中，使用从第三减法电路7和第四减法电路8输出的第三减法信号VΔ3＝(V1-V2)和第四减法信号VΔ4＝(V3-V4)，进行以下式(14)的运算，由此从加法电路9输出加法信号VΣ。
VΣ＝-k3[(V1-V2)+(V3-V4)]
＝k3[IpA+IpC+IpB+IpD] 式(14)
如上所述，根据式(12)～式(14)，可理解为能够实现以下受光器件：通过使用了受光部的数量与输出端子的数量相同的光传感器部310的小型受光器件300，不使用开关元件而能够对来自第一至第四受光部dA～dD的输出电流的差信号和加法信号进行运算。
低噪声的放大器适合于初级的第一至第四电流-电压变换放大器4a～4d。具体地说，优选利用抑制输入的偏移不稳定的自动归零放大器。在本发明中，如果在初级的第一至第四电流-电压变换放大器4a～4d中能够实现高S/N比，则在后级的运算器5～9中不需要使用自动归零放大器，也可以使用通常的OP放大器。通过设为这种结构，能够实现小型的集成电路。
[第四实施方式]
本实施方式的其它方式的受光器件是在同一衬底上具备两个第一实施方式所涉及的受光器件中的电路图案，该受光器件还具备：第一布线层，其对一个上述电路图案中的上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极进行连接；以及第二布线层，其对另一个上述电路图案中的上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极进行连接，其中，上述第一布线层和上述第二布线层形成为在交叉部处相互交叉，在上述交叉部处的上述衬底上形成有第一导电型半导体层，在上述交叉部处，上述第一布线层隔着绝缘层形成在上述交叉部的上述第一导电型半导体层上，上述第二布线层经由形成在上述绝缘层的一部分的接触孔与上述交叉部的上述第一导电型半导体层电连接。
图8A是本发明的第四实施方式所涉及的受光器件400的结构示意图，图8B是其等效电路图。图8A和图8B示出的受光器件400在衬底10上具备第一电路图案和第二电路图案，该第一电路图案由第一和第二受光部dA、dB以及第一和第二输出端子3a、3b构成，该第二电路图案由第一和第二受光部dA’、dB’以及第一和第二输出端子3a’，3b’构成。第一和第二电路图案为相同电路图案。
如图8A和图8B所示，将第一电路图案中的第一受光部dA与第二受光部dB的电极彼此连接的第一布线层63以及将第二电路图案中的第一受光部dA’与第二受光部dB’的电极彼此连接的第二布线层64以电绝缘的状态形成交叉部XY。
使用图9A和图9B来说明交叉部XY的结构。图9A是图8A示出的受光器件400中的IXA-IXA截面线上的截面示意图，图9B是图8A示出的受光器件400中的IXB-IXB截面线上的截面示意图。在图9A中示出在衬底10上局部形成的第一导电型的半导体层21、在衬底10和第一导电型的半导体层21上形成的绝缘层51、以及在绝缘层51上形成的第一布线层63。如图9A所示，在交叉部XY处，第一布线层63隔着绝缘层51形成在第一导电型的半导体层21上。
在图9B中示出在衬底10上局部形成的第一导电型的半导体层21、在第一导电型的半导体层21上局部形成且在衬底10上形成的绝缘层51、在绝缘层51上形成的第一布线层63、以及在第一导电型的半导体层21和绝缘层上51上形成的第二布线层64。如图9B所示，在交叉部XY处，第二布线层64经由形成于绝缘层51的一部分的接触孔52与第一导电型的半导体层21相连接。
第一布线层63和第二布线层64的交叉部XY采用图9示出的结构，由此第一布线层63和第二布线层64存在于同一层，因此与第一和第二布线层经由绝缘层形成于不同层的以往的层叠结构的交叉部相比，能够通过一次的工艺形成第一布线层63和第二布线层64，能够降低由断线等引起的问题，能够得到高可靠性的红外线传感器阵列。
从制造工艺容易性的观点出发，优选交叉部XY处的第一导电型的半导体层21由与受光部的第一导电型的半导体层20相同的材料构成。交叉部XY处的第一导电型的半导体层21由与受光部中的第一导电型的半导体层20相同的材料构成，由此带隙结构简并而电阻低，因此优选使用。
作为第一布线层63和第二布线层64的材料，从低电阻化的观点出发，优选为金属层。作为具体的一例，第一布线层63和第二布线层64优选包含Au或者电阻率小的以Pt、Al为代表的材料。另外，从提高与第一导电型的半导体层21之间的紧密接合性以及降低接触电阻的观点出发，第一布线层63和第二布线层64优选设为以Ti为最下层(与半导体接触的层)的多层结构。
作为交叉部XY的第一导电型的半导体层21的材料，在使用n型层的情况下，交叉部XY的第一导电型的半导体层21的薄层电阻优选为100Ω/□以下，更优选为50Ω/□以下，进一步优选为10Ω/□以下，最优选为5Ω/□以下。作为第一导电型半导体层21的n型层越厚则薄层电阻越小，因此在制造器件时不希望使用太厚的n型层(例如1.5μm以上或者2μm以上)。
在从受光部取出光电流时，第一布线层63和第二布线层64的电阻的串联成分越小则电流的取出效率越高，因此优选交叉部XY处的第二布线层64的电阻比受光部的PIN或者PN结部的电阻更小。
说明第四实施方式所涉及的受光器件400的动作。根据图8A和图8B示出的受光器件400，能够分别输出成为来自第一电路图案的输出的第一和第二受光元件dA和dB的差以及成为来自第二电路图案的输出的第一和第二受光元件dA’和dB’的差。在所有受光部的内部电阻相等的情况下，来自第一电路图案的输出成为IpA-IpB，来自第二电路图案的输出Y成为IpA’-IpB’。
在此，当对来自第一电路图案的输出与来自第二电路图案的输出进行加法运算时，成为(IpA+IpA’)-(IpB+IpB’)，得到图8A中的上侧的受光部(dA和dA’)与下侧的受光部(dB和dB’)的输出的差。
另外，当对来自第一电路图案的输出与来自第二电路图案的输出进行减法运算时，成为(IpA+IpB’)-(IpA’+IpB)，得到图8A中的左侧的受光部(dA和dB’)与右侧的受光部(dA’和dB)的输出的差。
即，可理解为仅通过单纯的加法和减法就能够连续地得到各受光部间的差。可理解为能够简单地且连续地得到在以往技术中仅能够通过使用开关电路等离散地运算来自各元件的输出而得到的各受光部间的输出的差。
[第五实施方式]
本发明的第五实施方式所涉及的位置检测器件具备上述受光器件和视场角限制体，该视场角限制体对入射到该受光器件的上述受光部的光的入射方向进行控制。
图10示出本发明的第五实施方式所涉及的使用了受光器件100的位置检测器件500。图10是使用了本发明所涉及的受光器件100的位置检测器件500的截面图。在图10中示出位置检测器件500，其具备：受光器件100；光学滤波器501，其被设置于衬底10的背面，限制入射到受光器件100的光的波长；视场角限制体502，其对受光器件100的受光部的视场进行控制；以及对受光器件100和光学滤波器501进行模制的树脂模制部503。图10示出的受光器件500除了具备第一和第二受光部dA和dB以外还具备第三和第四受光部dC和dD，但是为了简化说明，只要没有特别提及，以使用了第一和第二受光部dA和dB的情况为例进行说明。
从光源505辐射出的红外线在向位置检测器件500入射时，一边被视场角限制体502限制入射角一边经由位置检测器件500的光学滤波器501从衬底10的背面入射，入射到第一和第二受光部dA和dB。通过该视场角限制体502，根据光源505的位置不同而入射到各受光部dA和dB的光的强度不同，因此通过运算其差，能够检测光源505的位置。在图10中示出那样的光源505的位置的情况下，入射到受光部dA的光束大于入射到受光部dB的光束，因此IpA大于IpB。利用该情况，通过求出IpA与IpB的差，能够得到光源505存在于视场角内的哪个位置的一维位置信息。另外，在受光器件100除了具备第一和第二受光部dA和dB以外还具备受光部的情况下，通过使用这些受光部还能够进行二维的位置检测。并且，通过求出受光部的输出之和来还能够检测受光部dA和dB与光源505之间的距离，因此还能够得到三维的位置信息。
在图10示出的位置检测器件500中，图示了作为视场角限制体502而使用了开孔的板的情况，但是也可以利用光学透镜或者组合光学透镜。根据视场角限制体502的直径和其开口部的厚度t来决定器件的光学特性。作为成为检测对象的光源505，只要是发出受光器件100的受光元件的灵敏度波长内的红外线的物质则不特别进行限制。
在要检测一部分波长范围的情况下，能够根据需要在衬底10与视场角限制体502之间设置光学滤波器501。作为光学滤波器501的一例，可举出在Si衬底上多层层叠折射率不同的两种材料而得到的波长选择效应的干涉滤波器。如果是这种光学滤波器501，则折射率相对于大气高(n＝3以上)，因此入射光相对于光学滤波器501的表面大致垂直，行进到第一和第二受光部dA和dB为止。
在图10示出的位置检测器件500中，示出了视场角限制体502/光学滤波器501/衬底10这种结构，但是根据封装结构的限制，也可以是光学滤波器501/视场角限制体502/衬底10这种结构。或者，也可以是盖/视场角限制体502/光学滤波器501/衬底10。其中，在此所指的“盖”期望相对于光源505放射的光的波长具有充分的透过率。另外，也可以根据该盖的形状，利用光的折射效应来扩大或者缩小视场角。在该情况下，优选根据各用途来利用适当的形状。
并且，如图11所示，也可以构成为，在光学滤波器501与衬底10的背面之间设置空洞部510来设置间隙G，使由光学滤波器501和视场角限制体502构成的表面变得平坦。通过设为这种结构，在封装的最表面不形成凹部，因此防止污垢，有时优选使用。在该结构中，间隙G的尺寸与光学滤波器501的宽度L决定感知视场的大小。另外，期望空洞部510的内壁对被检测光的波长具有低反射率。
制作在图10中示出的位置检测器件500，将直径15mm的光源505设定为距离传感器表面20mm。在使用于位置检测器件500的受光器件100中，衬底10使用边长0.45mm的GaAs衬底，使用了将24个由InSb的光电二极管构成的受光元件1串联连接而成的各受光部dA和dB。将视场角限制体502的开口部的厚度t设为0.5mm，将孔的直径设为0.5mm。
图12示出使光源505相对于如上所述那样制作出的位置检测器件500进行移动的情况下的、对于光源505的位置(将开口部的中心轴设为0mm)的IpA与IpB的差关系以及IpA～IpD的总和的关系。根据图12示出的差的波形，能够理解为光源505的位置同IpA与IpB的差具有相关性。通过使用该相关性能够检测光源505存在于视场角内的哪个位置。另外，根据图12示出的差的波形，还可理解为噪声少而得到高S/N。
另外，根据图12示出的IpA～IpD的总和的信号能够辨别光源505是否正在接近位置检测器件500。根据其辨别的结果，在差的信号为零的情况下也可获知光源505是否正在接近位置检测器件500(或者光源505是否进入了位置检测器件500的视场范围)，因此在很多用途中有效。
在此，光源也可以假设人体的手指等。在该情况下，作为检测部的材料，优选使用InSb或者InAsSb。
Claims (9)
1.一种受光器件，具备由形成在同一衬底上的第一受光部和第二受光部以及第一输出端子和第二输出端子构成的电路图案，该受光器件的特征在于，
上述第一受光部和上述第二受光部分别具有：
半导体层叠部，其形成具有第一导电型半导体层和第二导电型半导体层的PN结或者PIN结的光电二极管结构；
第一电极，其与上述第一导电型半导体层相连接；以及
第二电极，其与上述第二导电型半导体层相连接，
其中，上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极相连接，
上述第一受光部的第二电极与上述第一输出端子相连接，
上述第二受光部的第二电极与上述第二输出端子相连接，
在上述第一输出端子与上述第二输出端子之间输出在上述第一受光部和上述第二受光部中产生的信号的差。
2.根据权利要求1所述的受光器件，其特征在于，
还具备形成在上述同一衬底上的第三受光部和第四受光部以及第三输出端子和第四输出端子，
上述第三受光部和上述第四受光部分别具有：
半导体层叠部，其形成具有第一导电型半导体层和第二导电型半导体层的PN结或者PIN结的光电二极管结构；
第一电极，其与上述第一导电型半导体层相连接；以及
第二电极，其与上述第二导电型半导体层相连接，
其中，上述第三受光部的第二电极和上述第四受光部的第二电极与上述第一受光部的第一电极和上述第二受光部的第一电极相连接，
上述第三受光部的第一电极与上述第三输出端子相连接，
上述第四受光部的第一电极与上述第四输出端子相连接。
3.根据权利要求1或者2所述的受光器件，其特征在于，
还具备电流-电压变换放大器，该电流-电压变换放大器与上述第一输出端子和上述第二输出端子相连接。
4.根据权利要求2所述的受光器件，其特征在于，还具备：
第一减法电路，其与上述第一输出端子和上述第二输出端子相连接；
第二减法电路，其与上述第三输出端子和上述第四输出端子相连接；
第三减法电路，其与上述第一输出端子和上述第三输出端子相连接；
第四减法电路，其与上述第二输出端子和上述第四输出端子相连接；以及
加法电路，其与上述第三减法电路和上述第四减法电路的输出端子相连接。
5.根据权利要求3或者4所述的受光器件，其特征在于，
上述输出端子分别经由电流-电压变换放大器与上述减法电路相连接。
6.根据权利要求3～5中的任一项所述的受光器件，其特征在于，
上述输出端子与上述减法电路不经由开关元件进行连接。
7.根据权利要求1所述的受光器件，其特征在于，
受光器件在同一衬底上具备两个上述电路图案，
该受光器件还具备：
第一布线层，其对一个上述电路图案中的上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极进行连接；以及
第二布线层，其对另一个上述电路图案中的上述第一受光部的第一电极与上述第二受光部的第一电极进行连接，
其中，上述第一布线层和上述第二布线层形成为在交叉部处相互交叉，
在上述交叉部处的上述衬底上形成有第一导电型半导体层，
在上述交叉部处，
上述第一布线层隔着绝缘层形成在上述交叉部的上述第一导电型半导体层上，
上述第二布线层经由形成在上述绝缘层的一部分的接触孔与上述交叉部的上述第一导电型半导体层电连接。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的受光器件，其特征在于，
上述半导体层叠部由含有铟和/或锑的材料构成。
9.一种位置检测器件，其特征在于，具备：
根据权利要求1～8中的任一项所述的受光器件；以及
视场角限制体，其对入射到上述受光器件的上述受光部的光的入射方向进行控制。
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