JP2019067893A - 半導体光検出装置および特定波長の光検出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、半導体基板表面に設けられた第1導電型の第1導電層と、前記第1導電層の下に設けられた第2導電型の第2導電層と、前記第2導電層の下に設けられた第1導電型の第3導電層とを有し、前記第1導電層に第1の入力電圧を印加した状態で前記第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第1の光電流を前記第3導電層から出力し、前記第1導電層に第2の入力電圧を印加した状態で前記第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第2の光電流を前記第3導電層から出力する半導体受光素子と、前記第1の光電流と前記第2の光電流との間の差電流に基づく出力電圧を出力する半導体光検出回路とを備えることを特徴とする半導体光検出装置とする。
はじめに、本発明の実施形態に用いられる半導体受光素子及び、その半導体受光素子を用いて特定波長を検出するための検出方法について説明する。
まず、図1の半導体受光素子1の上方から太陽光が入射している状態で、第2導電層端子P1に0Vを印加する。また、第3導電層端子N2に、第2導電層端子P1の電圧に対してPN接合の逆方向電圧となるように0.3Vを印加する。そして、第1導電層端子N1に印加する第1の電圧(以下、第1導電層端子N1に印加する電圧をVsnと称する)が第2導電層端子P1の電圧に対してPN接合の逆方向電圧となるように0.8Vを印加し、第3導電層14に流れる第1の光電流Iphrを第3導電層端子N2より検出する。この第1の光電流Iphrは、p型の第2導電層15とn型の第3導電層14との間のPN接合領域及びn型の第3導電層14とp型シリコン基板11との間のPN接合領域において生成されるものであり、太陽光の光成分において、主として波長の長い光成分から生成される光電流である。
図1の半導体受光素子1の上方から紫外光が入射すると、その紫外光はシリコン表面から深さ10nm程度の浅い領域で吸収されるので、第1導電層16内に電子・正孔対が形成される。そして、その光電流は第2導電層15と第1導電層16に流れ込むため、第3導電層14には紫外光に基づく光電流は生じないと一般的には考えられている。しかし本発明者は、電圧状態によっては紫外光吸収により第1導電層16で発生したキャリアの一部が第3導電層14まで到達し、光電流として検出されることを見出した。
電流電圧変換回路141、142から出力された電圧は、差動増幅回路145で比較され、それらの電圧差に基づく出力電圧がOut端子から出力される。
電圧保持回路243は、容量C201、C202とスイッチS202、S203、S204、S205を備え、任意の期間に入力される異なる電圧を容量C201、C202に別々に保持し、その後それらの電圧を出力する。
電圧保持回路243から出力された2つの電圧は、差動増幅回路244で比較され、それらの電圧差に基づく出力電圧がOut端子から出力される。
VC302=Iphf2×Rf302+Vref301
VC303=Iphr×Rf301+Vref301
VC304=Iphr×Rf302+Vref301
第5の期間T5では、電圧保持回路352のスイッチS331、S332、S333、S334がオンし、スイッチS321、S322、S323、S324がオフすることで、容量C301、C302、C303、C304の電圧が、差動増幅回路353に出力される。このとき、容量C301と容量C304が並列接続され、以下の式に基づく合成電圧Vaが差動増幅回路353の非反転入力端子に入力される。ここで容量C301、C302、C303、C304の容量値は全て同一の値Cとしている。
また、容量C302と容量C303が並列接続され、以下の式に基づく合成電圧Vbが差動増幅回路353の反転入力端子に入力される。
差動増幅回路353は、非反転入力端子に入力された電圧と、反転入力端子に入力された電圧との差分を増幅し、出力する回路である。すなわち、図8のOut端子から以下の出力電圧Voutが出力される。
=Rf301・(Iphf1−Iphr)−Rf302・(Iphf2−Iphr)
上式のIphf1−Iphrは、図3におけるVsn=−0.2Vの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流から、Vsn=0.8Vの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流を引いたものである。すなわち、これは、図4におけるVsn=−0.2Vの電圧条件の差分感度特性に基づく光電流を表している。同様に、上式のIphf2−Iphrは、図3におけるVsn=0Vの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流から、Vsn=0.8Vの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流を引いたもので、図4におけるVsn=0Vの電圧条件の差分感度特性に基づく光電流を表している。
11 p型シリコン基板
12 素子分離領域
14 第3導電層
15 第2導電層
16 第1導電層
17 絶縁層
21 n+型拡散層
22 p+型拡散層
23 n+型拡散層
24 コンタクトホール
31 金属配線
141、142、241、351 電流電圧変換回路
143、144、242、341 差動増幅器
145、244、353 差動増幅回路
110、210、310 半導体光検出回路
243、352 電圧保持回路
N1、N11、N12、N13、N14 第1導電層端子
P1、P11、P12、P13、P14 第2導電層端子
N2、N21、N22、N23、N24 第3導電層端子
S201、S202、S203、S204、S205、S301、S311、S321、S322、S323、S324、S331、S332、S333、S334 スイッチ
C201、C202、C301、C302、C303、C304 容量
Claims (10)
- 半導体基板表面に設けられた第1導電型の第1導電層と、前記第1導電層の下に設けられた第2導電型の第2導電層と、前記第2導電層の下に設けられた第1導電型の第3導電層とを有し、前記第1導電層に第1の入力電圧が印加された状態で前記第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第1の光電流を前記第3導電層から出力し、前記第1導電層に第2の入力電圧が印加された状態で前記第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第2の光電流を前記第3導電層から出力する半導体受光素子と、
前記第1の光電流と前記第2の光電流との間の差の電流に基づく出力電圧を出力する半導体光検出回路とを備えることを特徴とする半導体光検出装置。 - 半導体基板表面に設けられた第1導電型の第1の第1導電層と、前記第1の第1導電層の下に設けられた第2導電型の第1の第2導電層と、前記第1の第2導電層の下に設けられた第1導電型の第1の第3導電層とを有し、前記第1の第1導電層に第1の入力電圧が印加された状態で前記第1の第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第1の光電流を前記第1の第3導電層から出力する第1の半導体受光素子と、
前記半導体基板表面に設けられた第1導電型の第2の第1導電層と、前記第2の第1導電層の下に設けられた第2導電型の第2の第2導電層と、前記第2の第2導電層の下に設けられた第1導電型の第2の第3導電層とを有し、前記第2の第1導電層に第2の入力電圧が印加された状態で前記第2の第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第2の光電流を前記第2の第3導電層から出力する第2の半導体受光素子と、
前記第1の光電流を前記第1の光電流に基づく第1の変換電圧として出力する第1の電流電圧変換回路と、前記第2の光電流を前記第2の光電流に基づく第2の変換電圧として出力する第2の電流電圧変換回路と、前記第1の変換電圧と前記第2の変換電圧の差に基づく電圧を出力する差動増幅回路とを有する半導体光検出回路と、
を備えることを特徴とする半導体光検出装置。 - 前記半導体光検出回路は、
前記半導体受光素子の前記第1導電層に印加される前記第1および前記第2の入力電圧のいずれか1つの入力電圧を選択するスイッチと、
前記半導体受光素子が出力する前記第1または第2の光電流を前記第1または第2の光電流に基づく第1または第2の変換電圧に変換して出力する電流電圧変換回路と、
前記電流電圧変換回路が出力する前記第1の変換電圧を第1の容量に第1の保持電圧として保持し、前記第2の変換電圧を第2の容量に第2の保持電圧として保持し、前記第1および第2の保持電圧を出力する電圧保持回路と、
前記電圧保持回路が出力する前記第1および第2の保持電圧の差に基づく電圧を出力する差動増幅回路と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体光検出装置。 - 前記半導体受光素子は、
さらに前記第1導電層に第3の入力電圧を印加された状態で前記第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第3の光電流を前記第3導電層から出力し、
前記半導体光検出回路は、
前記半導体受光素子の前記第1導電層に印加される前記第1および前記第2の入力電圧とさらに前記第3の入力電圧のいずれか1つの入力電圧を選択するスイッチと、
第1および第2の電流電圧変換率を有し前記第1および第2の電流電圧変換率のいずれか1つの電流電圧変換率を選択するスイッチを含み、前記第1の光電流を前記第1の電流電圧変換率で第1の変換電圧に変換し、前記第2の光電流を前記第2の電流電圧変換率で第2の変換電圧に変換し、前記第3の光電流を前記第1の電流電圧変換率で第3の変換電圧に変換し、前記第3の光電流を前記第2の電流電圧変換率で第4の変換電圧に変換して出力する電流電圧変換回路と、
前記電流電圧変換回路が出力する前記第1の変換電圧を第1の容量に第1の保持電圧として保持し、前記第2の変換電圧を第2の容量に第2の保持電圧として保持し、前記第3の変換電圧を第3の容量に第3の保持電圧として保持し、前記第4の変換電圧を第4の容量に第4の保持電圧として保持し、前記第1および第4の保持電圧の平均電圧と、前記第2および第3の保持電圧の平均電圧とを出力する電圧保持回路と、
前記電圧保持回路が出力する2つの前記平均電圧の差に基づく電圧を出力する差動増幅回路と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体光検出装置。 - 前記第1および前記第2の入力電圧が、前記第1導電層と前記第2導電層との間のPN接合において逆方向電圧もしくは0.4V以下の順方向電圧であることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体光検出装置。
- 前記半導体基板の材料がシリコンであることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体光検出装置。
- 半導体基板表面に設けられた第1導電型の第1導電層と、前記第1導電層の下に設けられた第2導電型の第2導電層と、前記第2導電層の下に設けられた第1導電型の第3導電層とを有する半導体受光素子の前記第1導電層に第1の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力される、前記第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第1の光電流を検出し、
前記第1導電層に第2の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力される、入射光の強度に基づく第2の光電流を検出し、
前記第1の光電流と前記第2の光電流との間の差の電流に基づく出力電圧を出力することを特徴とする特定波長の光検出方法。 - 半導体基板表面に設けられた第1導電型の第1の第1導電層と、前記第1の第1導電層の下に設けられた第2導電型の第1の第2導電層と、前記第1の第2導電層の下に設けられた第1導電型の第1の第3導電層とを有する第1の半導体受光素子の、前記第1の第1導電層に第1の入力電圧が印加された状態で前記第1の第3導電層から出力される、前記第1の第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第1の光電流を検出し、
前記半導体基板表面に設けられた第1導電型の第2の第1導電層と、前記第2の第1導電層の下に設けられた第2導電型の第2の第2導電層と、前記第2の第2導電層の下に設けられた第1導電型の第2の第3導電層とを有する第2の半導体受光素子の、前記第2の第1導電層に第2の入力電圧が印加された状態で前記第2の第3導電層から出力される、前記第2の第1導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第2の光電流を検出し、
前記第1の光電流を第1の電流電圧変換回路によって前記第1の光電流に基づく第1の変換電圧に変換し、
前記第2の光電流を第2の電流電圧変換回路によって前記第2の光電流に基づく第2の変換電圧に変換し、
前記第1の変換電圧と前記第2の変換電圧の差に基づく電圧を差動増幅回路より出力することを特徴とする特定波長の光検出方法。 - 前記第1導電層に前記第1の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力される前記第1の光電流を検出し、前記第1の光電流を電流電圧変換回路によって前記第1の光電流に基づく第1の変換電圧に変換し、前記第1の変換電圧を電圧保持回路の第1の容量に保持し、
前記第1導電層に前記第2の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力される前記第2の光電流を検出し、前記第2の光電流を前記電流電圧変換回路によって前記第2の光電流に基づく第2の変換電圧に変換し、前記第2の変換電圧を前記電圧保持回路の第2の容量に保持し、
前記第1の容量に保持された前記第1の変換電圧と前記第2の容量に保持された前記第2の変換電圧の差に基づく電圧を差動増幅回路より出力することを特徴とする請求項7に記載の特定波長の光検出方法。 - 前記第1導電層に前記第1の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力する前記第1の光電流を検出し、前記第1の光電流を電流電圧変換回路によって第1の電流電圧変換率で変換した前記第1の光電流に基づく第1の変換電圧に変換し、前記第1の変換電圧を電圧保持回路の第1の容量に保持し、
前記第1導電層に前記第2の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力する前記第2の光電流を検出し、前記第2の光電流を前記電流電圧変換回路によって第2の電流電圧変換率で変換した前記第2の光電流に基づく第2の変換電圧に変換し、前記第2の変換電圧を前記電圧保持回路の第2の容量に保持し、
さらに前記第1導電層に第3の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力する第3の光電流を検出し、前記第3の光電流を前記電流電圧変換回路によって第1の電流電圧変換率で変換した前記第3の光電流に基づく第3の変換電圧に変換し、前記第3の変換電圧を前記電圧保持回路の第3の容量に保持し、
前記第1導電層に前記第3の入力電圧が印加された状態で前記第3導電層から出力する前記第3の光電流を検出し、前記第3の光電流を前記電流電圧変換回路によって第2の電流電圧変換率で変換した前記第3の光電流に基づく第4の変換電圧に変換し、前記第4の変換電圧を前記電圧保持回路の第4の容量に保持し、
前記第1の容量に保持された前記第1の変換電圧および前記第4の容量に保持された前記第4の変換電圧の平均電圧に基づく電圧と、前記第2の容量に保持された前記第2の変換電圧および前記第3の容量に保持された前記第3の変換電圧の平均電圧に基づく電圧との差に基づく電圧を差動増幅回路より出力することを特徴とする請求項7に記載の特定波長の光検出方法。
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