JP4197775B2 - 半導体位置検出器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体位置検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開昭64−78110号公報に記載の半導体位置検出器は、入射光位置に応じて発生した光電流を抵抗分割し、分割された電流をそれぞれ取り出す一対の信号取出電極の外側にホトダイオード領域を具備しており、超至近距離からの入射光の検出を行っている。しかしながら、その位置を検出する場合には、信号取出電極が入射光を遮光するため、正確な位置検出を行うことはできない。
【0003】
また、図18乃至図20に示される半導体位置検出器も知られている。
【0004】
図18は従来の半導体位置検出器の平面図、図19は図18に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図、図20は図18に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図である。半導体基板1上には半導体導電層(基幹導電層2、分枝導電層3、信号取出用高濃度層4が形成されており、それぞれの機能層を包囲する外枠層6及び外枠電極7、隔離する隔離層(分枝導電層隔離用半導体層)6’が設けられている。裏面電極9を介して高濃度層8と表面層2,3との間に逆バイアス電圧を印加し、この状態で光が入射すると、入射に応じて内部で電荷(正孔/電子対)が発生する。発生した電荷は、半導体導電層2の基線長方向に沿った位置、すなわち抵抗値に逆比例するようにその両端に設けられた電極5を介して外部に出力される。
【0005】
図21は、スポット光が入射した場合の半導体位置検出器の平面図である。半導体位置検出器にスポット光が入射すると、信号取出電極5が受光領域端部の入射光を遮光するため、その位置検出性能を向上させることが困難であり、検出可能範囲を検出希望範囲まで拡大させることができない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、受光領域を基線長方向に延ばして半導体位置検出器自体を大型化すれば、本来であれば信号取出電極に掛かっていた入射光も検出することができる。しかしながら、基線長方向に単に受光領域を延ばした場合、抵抗分割される半導体導電層が長くなることによって、逆に位置分解能は低下する。本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、高性能な半導体位置検出器を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体位置検出器は、n型の半導体基板内に形成されたp型の半導体導電層と、受光面上の基線長方向の入射光位置に応じて半導体導電層の両端部からそれぞれ出力される電流値が可変する半導体位置検出器において、半導体基板上に形成され、該電流がそれぞれ取り出される一対の信号取出電極と、半導体基板内に形成され、両端部の少なくとも一方と信号取出電極との間の電流経路内に介在するp型の外側半導体領域とを備え、外側半導体領域は半導体導電層よりも基線長方向単位長当たりの抵抗値が小さく且つ入射光を受光可能なように両端部の少なくとも一方に連続して設けられており、半導体基板の外周部に形成されたロの字形でn型の外枠半導体層と、外枠半導体層上に設けられた外枠電極とを更に備え、外枠半導体層の長辺の内側からはn型の隔離層が延びており、外側半導体領域は、外枠半導体層と隔離層との間に位置していることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体位置検出器は、n型の半導体基板内に形成されたp型の半導体導電層と、受光面上の半導体基板の長手方向の入射光位置に応じて半導体導電層の両端部からそれぞれ出力される電流値が可変する半導体位置検出器において、半導体基板上に形成され、該電流がそれぞれ取り出される一対の信号取出電極と、半導体基板内に形成され、両端部の少なくとも一方と信号取出電極との間の電流経路内に介在するp型の外側半導体領域とを備え、外側半導体領域は前記半導体導電層よりも半導体基板の長手方向の単位長当たりの抵抗値が小さく且つ入射光を受光可能なように両端部の少なくとも一方に連続して設けられており、半導体基板の外周部に形成されたロの字形でn型の外枠半導体層と、外枠半導体層上に設けられた外枠電極とを更に備え、外枠半導体層の長辺の内側からはn型の隔離層が延びており、外側半導体領域は、外枠半導体層と隔離層との間に位置していることを特徴とする。
この半導体位置出器は、半導体導電層から受光面に沿って延びた複数のp型の分枝導電層を備えることが好ましい。
【0008】
本発明の半導体位置検出器によれば、外側半導体領域が入射光を受光可能なように半導体導電層の外側に連続して設けられているため、本来であれば信号取出電極によって遮光されていた入射光も外側半導体領域によって受光することができ、半導体導電層或いは外側半導体領域に入射した光に応じて発生した電流を信号取出電極から取り出すことによって、入射光位置を検出することができる。また、外側半導体領域は、半導体導電層よりも基線長方向単位長当たりの抵抗値が小さい、すなわち、好ましくはその不純物濃度が高濃度であって位置検出のための抵抗分割への寄与が小さいため、位置分解能の低下を抑制することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る半導体位置検出器について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【0010】
(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係る半導体位置検出器の平面図、図2は図1に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図、図3は図1に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図である。なお、説明に用いる半導体位置検出器の断面図は、その端面を示す。
【0011】
本実施形態に係る半導体位置検出器は、低濃度n型Siからなる半導体基板1と、半導体基板1の裏面に形成された高濃度n型Siからなる裏面側n型半導体層8とを備えている。半導体基板1の表面は長方形である。
【0012】
以下の説明では、裏面側n型半導体層8からn型半導体基板1へ向かう方向を上方向とし、n型半導体基板1の長方形表面の長辺の伸延方向を長さ方向(長手方向)X、短辺の伸延方向を幅方向Y、長さ方向X及び幅方向Y双方に垂直な方向を深さ方向(厚さ方向)Zとする。すなわち、方向X、Y及びZは互いに直交している。
【0013】
本半導体位置検出器は、半導体基板1内に形成され、長さ方向Xに沿って延びた半導体導電層2を備えている。半導体導電層2はp型Siからなり、半導体導電層2の抵抗率は半導体基板1の抵抗率よりも低い。半導体導電層2は、実質的に均一な不純物濃度、すなわち抵抗率ρを有しており、n型半導体基板1の表面から厚さ方向Zに沿って実質的に同一の深さまで延びている。
【0014】
本半導体位置検出器は、半導体導電層2から受光面に沿ってそれぞれ延びた複数のp型半導体の導電層からなる分枝導電層3を備えている。分枝導電層3の不純物濃度は半導体導電層2の不純物濃度と略同一であり、分枝導電層3の幅方向Yに沿った長さは入射光スポットの直径よりも長い。
【0015】
なお、分枝導電層3は、半導体導電層2の不純物濃度よりも高濃度のp型Siからなることとしてもよい。すなわち、分枝導電層3の抵抗率は半導体導電層2の抵抗率よりも低い。この場合、半導体導電層2は、複数のp型の抵抗領域が不純物濃度の異なる分枝導電層の一端部を介在して長さ方向Xに沿って連続してなる。
【0016】
このように、分枝導電層3の検出精度への影響を低減させるために、その不純物濃度を高くし、抵抗率を低下させることが望ましいが、本実施形態においては、分枝導電層3と半導体導電層2の抵抗率は、略同一であることとし、これらを同一工程において製造して、製造時間の短縮を図ることとした。
【0017】
本半導体位置検出器は、半導体導電層2の両端にそれぞれ連続し、半導体基板1内に形成された一対の外側半導体領域11を備えている。外側半導体領域11は、高濃度p型Siからなる。外側半導体領域11は、半導体基板1の表面から厚み方向Zに沿って半導体導電層2の深さよりも深い位置まで延びている。
【0018】
本半導体位置検出器は、半導体基板1の長方形表面の外周部に形成された外枠半導体層6を備える。外枠半導体層6は高濃度n型Siである。外枠半導体層6は、半導体基板1の長方形表面の外縁領域内に形成されてロの字形をなし、半導体導電層2、分枝導電層3、及び外側半導体領域11の形成された基板表面領域を包囲し、n型半導体基板1の表面から厚み方向Zに沿って所定の深さまで延びている。
【0019】
本半導体位置検出器は、半導体基板1内に形成された分枝導電層隔離用半導体層6’を備える。分枝導電層隔離用半導体層6’は、高濃度n型Siである。分枝導電層隔離用半導体層6’は、ロの字形の外枠半導体層6の長辺の内側から幅方向Yに沿って半導体導電層2方向に延びた複数のn型の分枝領域からなる。各分枝領域は、厚み方向Zに沿ってn型半導体基板1の表面から所定深さまで延びている。このn型の分枝領域は、p型の分枝導電層3よりも深く、分枝導電層3間及び分枝導電層3と外側半導体領域11との間に介在し、それらを電気的に隔離している。すなわち、分枝領域は、分枝導電層3の隣接するもの同士間及び分枝導電層3と外側半導体領域11との間を長さ方向Xに沿って流れる電流を阻止している。
【0020】
本半導体位置検出器は、n型半導体基板1の長方形表面を覆うパッシベーション膜(絶縁膜)10を備える。なお、図1及び以下の実施形態に係る半導体位置検出器の平面図においてはパッシベーション膜10の記載を省略する。パッシベーション膜10は、信号取出電極用の1対の長方形開口を長さ方向両端部に有し、外枠電極用のロの字形開口を外周部に有する。
【0021】
信号取出電極5は、パッシベーション膜10の信号取出電極用の1対の開口をそれぞれ介して、対向する外側半導体領域11の内側領域が入射光に対して露出するように外側半導体領域11の外側領域上に形成されており、外側半導体領域11にオーミック接触している。
【0022】
外側半導体領域11は、半導体導電層2よりも基線長方向単位長当たりの抵抗値が小さい、すなわち、好ましくはその不純物濃度が高濃度である。本半導体位置検出器では、外側半導体領域11が入射光を受光可能なように半導体導電層2の外側に連続して設けられているため、従来であれば信号取出電極5によって遮光されていた入射光も外側半導体領域11の入射光に対する内側露出領域によって受光することができる。
【0023】
外側半導体領域11は抵抗値が低いため、半導体導電層2及び分枝導電層3に入射光スポットが照射された時には、これは半導体導電層2の抵抗分割には殆ど寄与せず、正確な入射光位置に応じた信号電流が、半導体導電層2の抵抗分割比に反比例するようにそれぞれの信号取出電極5から出力される。
【0024】
また、外側半導体領域11は抵抗値が低いため、この上に入射光スポットが照射された時には、この光電変換に呼応して発生した電荷は、基線長方向(X)の抵抗分割に影響を与えることなく、最も近接した方の信号取出電極5にその殆どが流れ込み、この場合においても、正確な入射光位置に応じた信号電流が半導体導電層2の抵抗分割比に反比例するようにそれぞれの信号取出電極5から出力されることとなる。
【0025】
本半導体位置検出器は、パッシベーション膜10の外枠電極用の開口を介して、n型の外枠半導体層6上に形成された外枠電極7を備える。外枠電極7は、外枠半導体層6とオーミック接触している。外枠電極7は、半導体基板1外周部への光の入射を阻止する。また、外枠電極7と信号取出電極5との間に所定の電圧を印加することもできる。
【0026】
本半導体位置検出器は、裏面側n型半導体層8の下面に形成された下面電極9を備える。下面電極9は、裏面側n型半導体層8とオーミック接触している。
【0027】
1対の信号取出電極5と下面電極9との間に、p型分枝導電層3及びn型半導体基板1から構成されるpn接合ダイオードに逆バイアス電圧が印加されるような電圧を与えた状態で、半導体導電層2,3,11の形成されたn型半導体基板1の表面領域で規定される受光面に入射光がスポット光として入射すると、この入射光に応じて半導体位置検出器内部で電子正孔対(電荷)が発生し、拡散及び半導体位置検出器内部の電界にしたがってその一方は分枝導電層3内に流れ込む。 この電荷は、分枝導電層3を伝導して半導体導電層2の所定位置に流れ込み、半導体導電層2の長さ方向Xの位置に応じて、半導体導電層2の両端までの抵抗値に反比例するようにその電荷量が分配され、分配された電荷はそれぞれ半導体導電層2の両端及び外側半導体領域11を介してそれぞれの信号取出電極5から取り出される。半導体導電層2或いは外側半導体領域11に入射した光に応じて発生した電流を双方の信号取出電極5から取り出すことによって、入射光位置を検出することができる。
【0028】
すなわち、各信号取出電極5から出力される信号電流の電流値の割合は、入射光位置に応じて変化するため、これから入射光位置を特定することができる。
【0029】
図22は、図21に示した通常の半導体位置検出器(従来例Aとする)の等価回路(図22(a))、及び上記実施形態に係る半導体位置検出器の等価回路(図22(b))を示す。同図中のPは電流源、Dは理想的ダイオード、Cjは接合容量、Rshは並列抵抗、Rpは半導体導電層2による抵抗値を示す。なお、信号取出電極によって入射光が遮られない基線長方向の限界位置をXL、−XLとする。同図に示すように、実施形態に係る半導体位置検出器は、外側半導体領域11に光が入射した場合においても、その位置を検出することができるので、従来に比して入射光の位置検出範囲を拡大することができる。
【0030】
図23は、入射光スポット位置Xに対する電極5から出力される信号電流I1,I2の関係を示すグラフ(図23(a))、及び入射光スポット位置Xに対する位置検出誤差の関係を示すグラフ(図23(b))である。従来例Aにおいては、位置XL又は−XLよりも外側に光が入射した場合には、入射光スポットの欠けによって信号電流が著しく低下する。一方、本実施形態においては、外側半導体領域11が欠けの位置に相当する入射光を収集するように機能するため、このようなことが抑制される。また、本実施形態においては、この領域における位置検出誤差も従来例Aに比較して低減されている。
【0031】
以上、説明したように、本実施の形態に係る半導体位置検出器は、受光面上の基線長方向Xの入射光位置に応じて半導体導電層2の両端部からそれぞれ出力される電流値が可変する半導体位置検出器において、半導体導電層2よりも基線長方向単位長当たりの抵抗値が小さく且つ入射光を受光可能なように前記両端部に連続して設けられた一対の外側半導体領域11と、入射光に応じて発生した電流が外側半導体領域11を介して取り出される位置に配置された一対の信号取出電極5とを備える。なお、外側半導体領域11は、前記両端部の一方のみに設けられることとしてもよく、両端部の少なくとも一方と信号取出電極との間の電流経路内に介在している。
【0032】
なお、従来の半導体位置検出器の受光領域を、基線長方向(X)に沿って単に延ばした場合、抵抗分割される半導体導電層が長くなることによって、逆に位置分解能は低下するが、本実施の形態においては、外側半導体領域11は、半導体導電層2よりも基線長方向単位長当たりの抵抗値が小さい、すなわち、好ましくはその不純物濃度が高濃度であって位置検出のための抵抗分割への寄与が小さいため、位置分解能の低下を抑制することができる。
【0033】
(第2実施形態)
図4は第2実施形態に係る半導体位置検出器の平面図、図5は図4に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図、図6は図4に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図である。
【0034】
本実施形態では、半導体導電層2,3に代えて半導体導電層12を用いた点のみが異なる。半導体導電層12は、受光面内の位置検出方向(X)に対して斜めに交差するようなジグザグ形状を有している。入射光に応じて発生するキャリアは分枝導電層等の間接的な光収集手段を介在することなく半導体導電層12上に収集されるので、直接的な位置検出を行うことができる。
【0035】
(第3実施形態)
図7は第3実施形態に係る半導体位置検出器の平面図、図8は図7に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図、図9は図7に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図である。
【0036】
本形態の半導体位置検出器は、第2実施形態の半導体位置検出器と比較して、その半導体導電層12の形状のみを変えて半導体導電層13としたものである。
【0037】
すなわち、本半導体位置検出器においては、半導体導電層13は、受光面内の位置検出方向(X)に対して直交して延びる複数の直線部分と、この直線部分の隣接するもの同士の片端のみを位置検出方向に沿って交互に接続する接続部分とからなる形状を有している。本実施形態においても、入射光に応じて発生するキャリアは分枝導電層等の間接的な光収集手段を介在することなく半導体導電層13にて収集される。
【0038】
(第4実施形態)
図10は第4実施形態に係る半導体位置検出器の平面図、図11は図10に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図、図12は図10に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図である。
【0039】
本形態の半導体位置検出器は、第2実施形態の半導体位置検出器と比較して、その半導体導電層12の形状のみを変えて半導体導電層14としたものである。
【0040】
すなわち、本半導体位置検出器においては、半導体導電層14は、受光面内の位置検出方向(X)に沿ってストライプ状に延びた複数の直線部分からなる。また、半導体基板1内に形成された半導体導電層隔離用半導体層15を備える。半導体導電層隔離用半導体層15は高濃度n型Siであり、半導体導電層12間に介在し、それらの隣接するもの同士間を流れる電流を阻止している。本実施形態においても、入射光に応じて発生するキャリアは分枝導電層等の間接的な光収集手段を介在することなく半導体導電層14上にて収集される。
【0041】
(第5実施形態)
図13は第5実施形態に係る半導体位置検出器の平面図、図14は図13に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図である。
【0042】
本形態の半導体位置検出器は、第2実施形態の半導体位置検出器と比較して、その半導体導電層12の形状のみを変えて半導体導電層16としたものである。
【0043】
すなわち、本半導体位置検出器においては、半導体導電層16は、受光面内の全面に形成されるような形状を有している。本実施形態においても、入射光に応じて発生するキャリアは分枝導電層等の間接的な光収集手段を介在することなく半導体導電層16上にて収集される。
【0044】
(第6実施形態)
図15は第6実施形態に係る半導体位置検出器の平面図、図16は図15に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図、図17は図15に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図である。
【0045】
本形態の半導体位置検出器は、第1実施形態の半導体位置検出器と比較して、その信号取出電極5の形状のみを変えて信号取出電極17としたものである。信号取出電極17は、それぞれ外側半導体領域11のY方向の端部に設けられている。これにより、半導体位置検出器自体のチップ面積を小さくすることができる。
【0046】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る半導体位置検出器は、半導体導電層端部に抵抗値の小さい外側半導体領域を具備することにより半導体層端部での信号取出電極による入射光欠けを防止し、位置分解能を低下させることなく高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る半導体位置検出器の平面図。
【図2】図1に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図。
【図3】図1に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図。
【図4】第2実施形態に係る半導体位置検出器の平面図。
【図5】図4に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図。
【図6】図4に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図。
【図7】第3実施形態に係る半導体位置検出器の平面図。
【図8】図7に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図。
【図9】図7に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図。
【図10】第4実施形態に係る半導体位置検出器の平面図。
【図11】図10に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図。
【図12】図10に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図。
【図13】第5実施形態に係る半導体位置検出器の平面図。
【図14】図13に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図。
【図15】第6実施形態に係る半導体位置検出器の平面図。
【図16】図15に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図。
【図17】図15に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図。
【図18】通常の半導体位置検出器の平面図。
【図19】図18に示した半導体位置検出器のA−A矢印断面図。
【図20】図18に示した半導体位置検出器のB−B矢印断面図。
【図21】スポット光が入射した場合の半導体位置検出器の平面図。
【図22】図21に示した通常の半導体位置検出器の等価回路図(図22(a))、及び実施形態に係る半導体位置検出器の等価回路図(図22(b))。
【図23】入射光スポット位置Xに対する電極5から出力される信号電流I1,I2の関係を示すグラフ(図23(a))、及び入射光スポット位置Xに対する位置検出誤差の関係を示すグラフ(図23(b))。
【符号の説明】
2…半導体導電層、11…外側半導体領域。

Claims (3)

  1. n型の半導体基板内に形成されたp型の半導体導電層と
    受光面上の基線長方向の入射光位置に応じて前記半導体導電層の両端部からそれぞれ出力される電流値が可変する半導体位置検出器において、
    前記半導体基板上に形成され、該電流がそれぞれ取り出される一対の信号取出電極と、
    前記半導体基板内に形成され、前記両端部の少なくとも一方と前記信号取出電極との間の電流経路内に介在するp型の外側半導体領域とを備え、
    前記外側半導体領域は前記半導体導電層よりも前記基線長方向単位長当たりの抵抗値が小さく且つ入射光を受光可能なように前記両端部の少なくとも一方に連続して設けられており、
    前記半導体基板の外周部に形成されたロの字形でn型の外枠半導体層と、
    前記外枠半導体層上に設けられた外枠電極と、
    を更に備え、
    前記外枠半導体層の長辺の内側からはn型の隔離層が延びており、
    前記外側半導体領域は、前記外枠半導体層と前記隔離層との間に位置している、
    ことを特徴とする半導体位置検出器。
  2. n型の半導体基板内に形成されたp型の半導体導電層と
    受光面上の前記半導体基板の長手方向の入射光位置に応じて前記半導体導電層の両端部からそれぞれ出力される電流値が可変する半導体位置検出器において、
    前記半導体基板上に形成され、該電流がそれぞれ取り出される一対の信号取出電極と、
    前記半導体基板内に形成され、前記両端部の少なくとも一方と前記信号取出電極との間の電流経路内に介在するp型の外側半導体領域とを備え、
    前記外側半導体領域は前記半導体導電層よりも前記半導体基板の長手方向の単位長当たりの抵抗値が小さく且つ入射光を受光可能なように前記両端部の少なくとも一方に連続して設けられており、
    前記半導体基板の外周部に形成されたロの字形でn型の外枠半導体層と、
    前記外枠半導体層上に設けられた外枠電極と、
    を更に備え、
    前記外枠半導体層の長辺の内側からはn型の隔離層が延びており、
    前記外側半導体領域は、前記外枠半導体層と前記隔離層との間に位置している、
    ことを特徴とする半導体位置検出器。
  3. 前記半導体導電層から前記受光面に沿って延びた複数のp型の分枝導電層を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体位置検出器。
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