JP2008066583A - 光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外部雑音の影響を受けず、超小型で、高感度、高いＳ／Ｎ比の長波長の赤外線を実現できる光センサを提供すること。
【解決手段】基板１０の、光が入射する面とは反対側の表面に、少なくとも第１の導電型の半導体層２０と第２の導電型の半導体層４０とが順次積層された光吸収部２を複数個有し、センサ部３を構成する複数の光吸収部２の上方であって、光が入射する面とは反対側の面に、所定の膜厚又は誘電率を有する絶縁層７０を介して、導電性の遮蔽部材８０を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｓ／Ｎ比が改善され、外乱ノイズの影響を受けにくい、特に長波長赤外線のセンシングに適した光センサに関する。

近年、光通信技術の発展、省エネルギーや安全性の確保といった観点から、様々な波長に対応した、高感度の光センサの開発が望まれている。とりわけ、中・遠赤外線を検知する光センサは、人体や自動車といった熱源が発する赤外線を高速で検出できるため、省エネルギーの人感センサや衝突防止器具用のセンサとして、その開発に期待が寄せられている。

光センサは、多くの場合、微弱な光を電気信号に変換する。そのため、高感度化によって信号強度を高めることはもとより、発生する微弱な信号を確実に増幅して使用するために、センサ内部や、外部からの電磁波等に起因する雑音を減じ、Ｓ／Ｎ比を高めることが望まれる。

特に、中・遠赤外線の場合には、この波長帯の光は低エネルギーをもつため、光電変換によって得られる電気信号が小さく、センサ内部・外部雑音がセンサのＳ／Ｎ比に悪影響を与える。

半導体材料を用いた光電変換素子の例としては半導体材料を用いたＰＮもしくは、ＰＩＮ接合構造の光センサが挙げられる。これらの光センサは被検出光の束密度に応じて電子とホールが生成され、電流または電圧信号となる。

一般には、ＰＮ若しくはＰＩＮ構造を利用した光センサでは、Ｓ／Ｎを向上するには抵抗と面積との積を大きくする必要がある。とりわけ、中・遠赤外線の光センサの場合には、光の束密度によって発生した電気信号は小さく、高感度を得るには冷却などの方法によって暗電流を抑制し、接合抵抗を大きくしなければならない。このような冷却機構を利用した光センサの場合、冷却する機構の動作に必要な消費電力は大きく、また、システム全体は小型化しにくいといった問題がある。

このような問題を解決するために、例えば特許文献２には、小さな光吸収部を多く直列に接合し、光センサのＳ／Ｎ比を改善する方法が開示されている。しかしながら、このように小さな素子を直列に接合する方法では、センサの高抵抗化に伴い、センサが外部ノイズ、の影響を受けやすくなる場合があった。特に、高抵抗の光センサを交流電源の５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの配線付近に動作させた場合、センサがその配線の電磁ノイズを受けてしまい、より高いＳ／Ｎ比は得られなくなるときがある。

このような外乱の電磁ノイズを遮蔽することを目的として、特許文献１には、透明基板上にセンサとＩＣを形成し、基板ごと全体を金属で覆った後採光部や受光部上の金属を取り除き、残った金属を設置する方法が開示されている。しかし、この方法では、センサ部上に金属皮膜が無く、センサ部は基板を挟んだ対面のみに金属皮膜が設置されているので、センサ部に対する電磁ノイズの遮蔽効果が小さく、センサ部の抵抗が大きくなった場合、十分なノイズ遮蔽効果が得られないという問題を有している。

特開昭６４−８２７７４号公報 特願２００５−２６８７２４号公報 そこで、本発明の目的は、高感度で、外部ノイズの遮蔽性に優れ、高いＳ／Ｎ比を有する、特に長波長赤外線のセンシングに適した光センサを提供することにある。

本発明は、基板に入射する光の強度に応じた信号を出力する光センサであって、記基板の前記光が入射する面とは反対側の表面に、少なくとも第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層とが順次積層された光吸収部を複数個有し、かつ、該複数個の光吸収部が電極配線によって直列に接続されたセンサ部と、前記センサ部を構成する前記複数の光吸収部の上方に形成された絶縁層と、前記複数の光吸収部の直上であって前記絶縁層の上方に形成された、導電性の遮蔽部材とを具えることによって、光センサを構成する。

前記センサ部を構成する前記複数の光吸収部は、ＰＮ型若しくはＰＩＮ型のフォトダイオードにより構成してもよい。

前記基板は、絶縁性基板としてもよい。

前記導電性の遮蔽部材は、金属層により構成してもよい。

本発明によれば、センサ部を構成する複数の光吸収部の上方であって、光が入射する面とは反対側の面に、絶縁層を介して導電性の遮蔽部材を設けたので、高感度で、外部ノイズの遮蔽性に優れ、高いＳ／Ｎ比を有した光センサを構成することができる。

また、本発明によれば、光センサを長波長赤外線のセンシングに用いた場合、冷却機構を用いなくても実用的なＳ／Ｎ比を有し、低消費電力、高Ｓ／Ｎ比な超小型の光センサを構成することができる。

さらに、本発明によれば、入射する光の動作周波数に応じて、電極配線と導電性の遮蔽部材との間に発生する寄生容量が所定の値に設定されるように、絶縁層の膜厚又は誘電率を所定の値に設定したので、光センサで発生する電気信号と共に、導電性の遮蔽部材を設けたことに基づいて発生する寄生容量を意図的に操作して有効に活用することにより、センサ回路の設計の自由度をさらに高めることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［第１の例］
本発明の第１の実施の形態を、図１に基づいて説明する。
＜センサ構造＞
図１は、光センサ１の構成例を示す。

基板１０の光が入射する裏面１０ｂとは反対側の表面１０ａには、少なくとも第１の導電型の半導体層２０と第２の導電型の半導体層４０とが順次積層された光吸収部２が形成されている。基板１０は、絶縁性の基板などからなる。

この光吸収部２は、ＰＩＮ型のフォトダイオードからなっている。ＰＩＮ型のフォトダイオードとして構成する場合には、下部の半導体層２０と上部の半導体層４０との間に、Ｉ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）層３０が形成されている。なお、光吸収部２は、ＰＮ型のフォトダイオードにより構成してもよい。

光吸収部２は、メサ構造をなし、基板１０の表面１０ａ上に多数個配設され、これによりセンサ部３を構成している。各隣接する光吸収部２間は、半導体層２０，４０からそれぞれ引き出された電極配線６０（第１，第２導電体の半導体層の電極と金属配線を含む）によって直列に接続されている。光吸収部２のメサ構造の斜面は、保護層５０により被覆されている。

このように各光吸収部２の上部に設けられた保護層５０と電極配線６０の上面には、基板全面に渡って所定の膜厚からなる絶縁層７０が積層されている。

さらに、この絶縁層７０の上面には、導電性の遮蔽部材としての導電体層８０が積層されている。この導電体層８０としては、金属層などからなる。

この場合、絶縁層７０は、入射する光の動作周波数に応じて、膜厚又は誘電率が所定の値に設定することによって、光吸収部２の上部に位置する電極配線６０と導電体層８０との間に発生する寄生容量を所定の値に調整することが可能となる。

以下、光センサ１を構成する特徴的な構成部分について、さらに詳細に説明する。

（電極配線）
基板１０上にＰＩＮ接合を有するフォトダイオードが、電極配線６０によって直列に接続されている。この直列の接続数に関しては２つ以上であれば特に限定されるものではない。

しかし、導電体層８０による外部ノイズ吸収効果は抵抗が大きいほど顕著になるばかりか、光センサ１の用途に応じこの直列の接続数を増加することによって、Ｓ／Ｎを向上できるので、その数は１００以上が好ましく、より好ましくは、５００以上である。接続数の上限に関しては、特に制約は無く、適宜目的に応じて選択すればよいが、生産性や応答速度の観点から、好ましくは１００００以下、更に好ましくは、５０００以下である。

（導電体層）
導電体層８０は、光吸収部２としてのＰＩＮフォトダイオード上を覆うように配設されている。このように、直列に２つ以上接続されたＰＩＮフォトダイオードが、導電体層８０によって覆われていることにより、外部ノイズの遮蔽効果が発現する。

本発明において、導電体層８０の材料としては、直列に接続されたフォトダイオードの抵抗より低い抵抗を有していれば、特に限定されるものではない。具体的には、金属、カーボンなどの導電性の良い材料を用いることができる。これらの中で、金属の材料は、一般に薄膜で高い電気伝導度を有し好ましい。さらに、金属の材料であれば、例えば、Ａｌをフォトダイオード上にすると、Ａｌ層の表面が酸化され、非常に安定な酸化膜が自然に形成され、フォトダイオードの保護層としての機能を持ち、動作環境によって、金属層を配設することにより、外部ノイズの遮蔽効果と保護層との両方の役割を兼ねられるので好ましい。

このような、導電性の良い材料は、スパッタリング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、熱蒸着、塗布などの方法によって形成することができるが、製造の容易さの観点からも、導電体層８０が金属であることが好ましい。

更に、導電体層が接地されている場合、外部ノイズの遮蔽効果がより顕著になり好ましい。即ち、電磁波等の吸収によって、目的とせず発生する電気信号（ノイズ）が、接地されていることによってより容易に外部へと放出されるためである。接地端子の形成方法は特に限定されず、光センサと共に基板上に設置される電極パッドなどに接続し、その電極パッドを接地端子とすればよい。

（絶縁層）
図１では、導電体層８０と電極配線６０との電気的絶縁をとるために、絶縁層７０を形成している。この絶縁層７０は、直列接続を安定して実現し、かつ、良好な外部ノイズ遮蔽効果を得るために設けることが必要である。この絶縁層７０の具体的な例としては、酸化珪素もしくは窒化珪素が挙げられる。

絶縁層７０の厚みは問わないが、５ｎｍ以下にすると、電極配線６０と導電体層８０との漏れ電流が発生する可能性はあり、逆に１００００ｎｍより大きくすると、フォトダイオードの形状の影響で、絶縁層７０の形成の際に、罅が発生したりするので、厚みを５ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲にするとよい。さらに適切な厚みとしては１００ｎｍ〜５００ｎｍの間にすると、フォトダイオードの保護は十分にでき、かつ、罅が発生せずに、信頼性の高い絶縁層が形成できるので、好ましい。

また、図１には、絶縁層７０とは別に保護層５０を設けている。この保護層５０は、光センサ１の構造により適宜設けられる。

すなわち、保護層５０は、フォトダイオード２を構成する半導体層が劣化するのを保護すると共に、隣接するフォトダイオード２の第１導電型の半導体層２０と第２導電型の半導体層４０とを電極配線６０で接続する際、第1導電型の半導体層２０と第２導電型の半導体層４０とが短絡するのを防止する機能を有し、多くのフォトダイオードを直列に接続する場合においては、短絡防止を容易に実現できるので好ましく用いられる。本発明の光センサ１では、第２導電型の半導体層４０に接続した電極配線６０が同じフォトダイオードのＩ層若しくは第１導電型の半導体層２０から電気的に絶縁する必要があるため、この場合、保護層５０を形成するとよい。

この保護層５０の材質と絶縁層７０の材質は同じであってもよいが、異なってもよい。

また、複数のフォトダイオードを接続する電極配線６０と導電体層８０との間に絶縁層７０が形成されることから、寄生容量が発生するので好ましい。

すなわち、光センサ１では、導電体層８０を設けることによって、電極配線６０と導電体層８０との間に生じる寄生容量が導電体層８０が無い場合よりも大きくなり、熱雑音等によるノイズの影響が減じ、Ｓ／Ｎ比が改善される。さらに、とりわけ高周波数の外部ノイズの影響を遮蔽できる。例えば、多数のフォトダイオードをチップ（ウエハー）面積１ｍｍ^２内に形成し、１０００段のフォトダイオードを直列接続した場合、例えば直流〜数Ｈｚの低周波数の光信号に対して、寄生容量は影響を与えないが、数ＭＨｚもしくは数ＧＨｚの周波数帯では寄生容量は影響を与える。

また、この寄生容量を用いて、光センサ１の最大の動作周波数（カットオフ周波数）を決定するような応用もできる。このような場合は、寄生容量とセンサの抵抗とで決まる時定数を目的に応じて設定するとよい。

すなわち、周波数の高い光信号を検出する場合、この絶縁層７０の厚みを高く、若しくは、誘電率の低い材質を利用するとよい。逆に、光センサ１の動作周波数帯を制限したい場合、この寄生容量を電気信号と並列に有効利用するとよい。

このような調整を行うことによって、光センサ１のカットオフ周波数より高い周波数の光信号（被検出光）によって発生した電気信号の減衰ができる。この寄生容量を意図的に利用することによって、絶縁層７０の誘電率を考慮して、その厚みを設計することができ、これによりセンサ回路の設計の自由度を高めることができる。

（基板）
光センサ１は、同一の基板１０上に形成された多数のフォトダイオードが直列に接続されているから、共通となる基板の導電率が低い方がよく、それぞれフォトダイオード間の電流の漏れが少なくなり、センサの出力信号が減衰されずに高感度が実現できる。

特に、小型化された光センサ１では、面積の小面積化が要求されるから、基板１としては、フォトダイオードとフォトダイオードとの間の漏れ電流が発生しないように、低い導電率をもつ絶縁性基板を利用することが好ましい。また、絶縁性基板の導電率が十分低くなく、フォトダイオードとフォトダイオードとの間の漏れ電流が発生する場合は、基板上に絶縁性の層を設けた後、利用することが好ましい。
更に、基板の導電率が、導電体層８０の導電率より低い場合、基板面での外部ノイズ吸収効果が小さく、導電体層８０の遮蔽効果が顕著になる。そのため、基板の導電率は、導電体層の導電率より低いことが好ましい。前述のように導電体層８０としては、金属材料が好ましく用いられるため、導電体層の導電率は高く、このような効果は、基板の導電率が、１０Ｓ／ｃｍ以下の時顕著になり、更に１Ｓ／ｃｍ以下の時更に顕著になる。
本発明での絶縁性基板とは、伝導率の低い基板もしくは、半絶縁性基板を示す。具体的には、ガラス基板、サファイア基板、ＧａＡｓ基板が例示できる。更に、表面に絶縁層を設置するなどされたＳｉ基板も、前述のように、漏れ電流抑制効果並びに外部ノイズ吸収効果が共に良好となり、本発明の好ましい絶縁性基板として例示することができる。

本発明において、基板１０は、入射される光に対して高い透過率を持つことが好ましい。すなわち、本発明において、フォトダイオードは直列に接続されていることが必要であるが、電極配線６０はその導電性の観点から、金属の材料が用いられることが多い。金属の材料は、一般に光透過性が低いため、光センサ１では、基板１０側から光を入射することが好ましいためである。

本発明の光センサ１が、赤外線の光センサの場合には、基板１０の具体的な例としては、半絶縁性基板であるＧａＡｓ基板若しくはＳｉ基板が用いられる。

また、図１では、順メサ構造に形成したフォトダイオードが示されている。このような順メサ構造は、フォトダイオードを直列に接続する場合に、接続配線の信頼性が高くなりやすく好ましい。

＜センサ動作＞
以上のように構成された光センサ１は、基板１の裏面１０ｂから入射される光を吸収し、電気信号に変換する、いわゆる光電変換を行うために、多層の半導体層２０，４０からなる光吸収部２としてのＰＮ若しくはＰＩＮ接合からなるフォトダイオードを利用し、光強度に応じた信号を出力する。

ここで用いられる半導体材料としては、特に限定されるものではなく、光センサ１の目的とする感度波長によって適宜選択される。本発明の光センサ１が微弱の光に対しても出力信号を得るために、基板１０上に形成したフォトダイオードが直列に接続されている。すなわち、出力信号がフォトダイオードの数に比例することになり、微弱の光信号に対しても、高出力を得ることができる。

各フォトダイオードの抵抗は接合面積に比例するが、微弱の光信号に対して高出力を得たい場合、多数のフォトダイオードを直列することになる。光センサ１の抵抗は直列に接続されたフォトダイオードの数に比例する。そのため、高いＳ／Ｎ比を有する光センサが得られる。

また、本発明の光センサ１では、フォトダイオードの上に（基板１０と反対側）に導電体層８０を配設したことから、光センサ１を外部雑音から遮蔽することができる。

従って、光センサ１は、光を吸収する部分の温度の影響を受けずに、微小の長波長赤外線エネルギーの絶対値を正確に検出する超小型の赤外線センサや、その温度補正方法に適用することができる。

光センサ１は、外部ノイズの影響を受けにくく、パソコンや携帯電子機器といったノイズの影響を受けやすい環境においても好適に用いることができる。

さらに、光センサ１を、赤外線センサに利用した場合、超小型・低消費電力、かつ、高感度、高いＳ／Ｎ比を持ち、人感センサに代表する分野で広範囲に渡って用いることができる。

［第２の例］
次に、本発明の第２の実施の形態を、図２〜図３に基づいて説明する。なお、前述した第１の例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。

＜製造方法＞
図２は、光センサ１の製造方法を示す。

（センサ部）
ステップＳ１では、センサ部３を形成する。

まず、基板１０を用意し、その表面に、少なくとも第1導電型の半導体層と第２導電型の半導体層を含むＰＮまたはＰＩＮ構造を有する積層膜を形成する。この場合、製膜は、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）法やＣｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法などの公知の方法が用いられる。次に、フォトリソグラフィに代表されるパターニングを行って、化学的あるいは物理的エッチング法を用いて基板上に、複数のフォトダイオード２の形状が形成される。

次いで、所望に応じ、保護層５０を形成し、同様にパターニング、エッチングを行い、金属配線６０が半導体層と接合するためのスペースを形成する。保護層５０は、ＣＶＤ法やスパッタリング法などの方法を用いて形成する。

次に、フォトリソグラフィに代表される方法を用いて金属配線の形状にパターニングを行い、電極配線６０を蒸着、スパッタリングやメッキなどの方法で形成する。これにより、フォトダイオードの直列接続が達成される。

（絶縁層）
次に、ステップＳ２では、絶縁層７０を、ＣＶＤ法やスパッタリング法などの方法で形成する。

この場合、前述した第１の例で述べたように、センサ部３を構成する複数の光吸収部２の上方に、所定の膜厚又は誘電率を有する絶縁層７０を形成する場合において、入射する光の動作周波数に応じて、電極配線６０と導電体層８０との間に発生する寄生容量が所定の値に設定されるように、膜厚又は誘電率を所定の値に設定する。

（導電体層）
ステップＳ３では、複数の光吸収部２の直上であって絶縁層７０の上方に、導電体層８０を形成する。

なお、光センサ１の出力信号を外部に取り出すために、しばしば、基板上１０に金属パッド（図示せず）を設け、電極配線６０と接合する。金属パッド表面に絶縁層７０に代表される絶縁体が存在すると接触抵抗が高くなるため、金属パッド上の絶縁体を取り除く必要がある。

この工程は、物理的、化学的エッチング法を用いて行われるが、導電体層８０を形成する前に行っても、導電体層８０を形成した後に行ってもよい。導電体層８０を形成する前に行う場合は、導電体層８０の厚みなどの均一性が高く好ましく、導電体層８０を形成する後に行う場合は、絶縁層７０の厚みや均一性にも因るが、複数のフォトダイオード間の短絡による歩留りも低下を抑制できる場合があり好ましい。

＜比較例＞
次に、本発明に係る導電層８０を有する光センサ１の電気的特性を、従来のセンサと比較した例について説明する。

図２は、光センサ１の電気的特性を測定した比較結果を示す。

ここで使用した光センサ１は、ＧａＡｓ基板上に形成した数１０μｍ^２の面積をもつ１５００段のＩｎＳｂ系のフォトダイオードを用いた赤外線センサである。

この光センサ１の抵抗は実測で約２ＭΩとなるが、電磁雑音の多い暗室で動作させた場合、図２（ａ）に示すような約２５μＶｐ−ｐの雑音信号がセンサの出力に現れる。図２の波形は、センサの出力を１０００ｘ増幅し、オシロスコープで測定した例である。

図２（ａ）は、導電体層８０の持たない従来の光センサの波形を示す。図２（ｂ）は、導電体層８０を有する光センサ１を同一環境下で測定した場合の出力波形を示す。

この測定結果により、導電体層８０を有する光センサ１の出力雑音の方が、約５μＶｐ−ｐと約１／５低くなることがわかる。

このような光センサ１の対象となる入射光の波長は数μｍであり、電気信号に変換すると、数μＶとしかならない場合がある。このような光センサ１を電磁雑音の多い環境で動作させる場合は、導電体層８０による遮断効果はさらに顕著に現われることになる。

以上、光センサ１として赤外線センサを用いて本発明の作用効果を比較説明したが、赤外線センサは、絶縁層７０の配設による電気的特性をも考慮した導電体層８０の配設によって、外部ノイズの遮蔽効果が従来に比べて格段に大きくなることがわかる。

この赤外線センサとして構成する場合は、本発明のフォトダイオードは、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を積層したＰＮ構造体またはＰＩＮ構造体を用いて構成することができる。

本発明の第１の実施の形態である、光センサの基本的な構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態である、光センサの製造方法を示す工程図である。 本発明の導電体層を有する光センサと従来のセンサとの間における電気的特性の比較例を示す説明図である。

符号の説明

１ 光センサ
２ 光吸収部（ＰＮ型若しくはＰＩＮ型のフォトダイオード）
３ センサ部
１０ 基板
１０ａ 基板の表面
１０ｂ 基板の裏面
２０ 第１の導電型の半導体層
３０ Ｉ層
４０ 第２の導電型の半導体層
５０ 保護層
６０ 電極配線（第１，第２導電体の半導体層の電極と金属配線）
７０ 絶縁層
８０ 導電体層

Claims (4)

1. 基板に入射する光の強度に応じた信号を出力する光センサであって、
   前記基板の前記光が入射する面とは反対側の表面に、少なくとも第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層とが順次積層された光吸収部を複数個有し、かつ、該複数個の光吸収部が電極配線によって直列に接続されたセンサ部と、
   前記センサ部を構成する前記複数の光吸収部の上方に形成された絶縁層と、
   前記複数の光吸収部の直上であって前記絶縁層の上方に形成された、導電性の遮蔽部材と
   を具えたことを特徴とする光センサ。
2. 前記センサ部を構成する前記複数の光吸収部は、
   ＰＮ型若しくはＰＩＮ型のフォトダイオードからなることを特徴とする請求項１記載の光センサ。
3. 前記基板は、絶縁性基板であることを特徴とする請求項１又は２記載の光センサ。
4. 前記導電性の遮蔽部材は、金属層であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光センサ。

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