JP5917233B2

JP5917233B2 - 受光強度演算デバイス及び位置検出デバイス

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Publication number: JP5917233B2
Application number: JP2012080573A
Authority: JP
Inventors: エジソンゴメスカマルゴ
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013210277A

Description

本発明は、人体の指・手・顔からの位置及び動きを検出するデバイスに関する。

人体の体温は３６度付近であり、皮膚から放射される輻射が２〜３０μｍという広い範囲のスペクトラムの赤外線を人体は放出する。この光を検出することによって、人体の位置若しくは動きを検出することができる。

上記の２〜３０μｍの波長帯で動作するセンサとしては、焦電センサやサーモパイルが挙げられる。これらのセンサの高感度化を実現するために、受光部と光の入射窓部との間に中空領域を設ける必要があり、そのためセンサの小型化は制限されている。

サーモパイルや焦電センサの中空構造による制限を解決するため、量子型（光起電力型）赤外線センサが期待されている。量子型赤外線センサは、多数キャリアが電子であるｎ型半導体と多数キャリアがホールであるｐ型半導体とが接合されて構成されるＰＮ接合又はｐ型半導体とｎ型半導体との間に真正半導体を有するＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有している。量子型赤外線センサでは、赤外線の光子によりＰＮ接合又はＰＩＮ接合に存在する空乏層内で発生した電子ホール対が価電子帯及び導電帯の傾斜に従って空間的に分離蓄積された結果、ｐ型半導体はプラス側に帯電し、ｎ型半導体はマイナス側に帯電して、その間に起電力が生ずる。この起電力は開放電圧と呼ばれ、ＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合部の抵抗より大きな外部抵抗（高入力インピーダンスの回路やアンプでもよい）を使用することにより電圧として読み出すことも、また量子型赤外線センサ外部で短絡することにより電流として読み出すことも可能である。

このような量子型赤外線センサを室温で人感センサとして用いる場合に問題となるのが、人間が活動する環境温度と人間の体温との差が小さいため、出力信号が小さく、また、環境から輻射される揺らいだ赤外線がセンサに検出されてノイズとなるため、十分なＳ／Ｎ比を確保することが困難であるという点である。そのため、通常の量子型赤外線センサの場合、受光部を外界の温度に対して冷却することにより出力信号が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。この量子型赤外線センサの代表的なものとして、ＩｎＳｂを半導体積層部として用いたセンサやＭＣＴ（ＭｅｒｃｕｒｙＣａｄｍｉｕｍＴｅｌｕｒｉｄｅ）などが挙げられる。

上記化合物半導体を用いる量子型赤外線センサにおいては、特許文献１に示されるように、非冷却で小型化を行いながら、人感センサとしてのＳ／Ｎ比を向上させるために、平面状に半導体センサを配置し、各センサの出力電圧を多段直列接続して取り出す方式が提案されている。

限られた面積内に多素子センサを配列する方法としては、ビデオカメラやデジタルスチルカメラに採用されている、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像素子に関する技術が挙げられる。この多素子センサでは、高画素化を進める目的で限られた面積の中により多くの素子を配列する様々な試みがなされている。

例えば、特許文献２では、固体撮像素子の小型化及び高画素化を図りながら、感度低下及び垂直転送レジスタの取り扱い電荷量の減少がないように、隣接する受光素子垂直列の受光素子の位置を垂直方向に配置の２分の１ピッチでずらし、各受光素子の形状を垂直方向に対し略４５度傾斜した４辺を含む多角形とすることにより、解像度向上及び実質的開口率の向上させる方法が提示されている。

また、特許文献３には、限られたチップサイズ内に熱型赤外線センサの感熱部形状を略正六角形とし、それをハニカム状二次元配列することにより開口率を向上させる方法が開示されている。

さらに、特許文献４には、画素を構成するフォトダイオードを略正八角形状とし、それを千鳥配置とすることにより、解像度の向上とともにモアレ干渉を抑制する方法も開示されている。

国際公開第２００５−２７２２８号パンフレット特開平６−７７４５０号公報特開平１１−１１１９５８号公報特公平４−３１２３１号公報

しかしながら、特許文献２〜４に記載のような従来の手法は、可視光を対象としており、可視光の光量は遠赤外線領域に比べて非常に大きいため、可視光領域では画素を構成するフォトダイオードは単一で十分な出力を取り出すことができるのに対し、遠赤外線領域では、光量が小さくまた背景となる環境からの輻射との光量の差も小さいため、単一フォトダイオードでは十分な信号強度でかつノイズの少ない出力を得ることが困難である。

また、特許文献２〜４に記載のような手法を用いて赤外線光源の位置及び動きを検出しようとした場合、十分なＳ／Ｎは得られず、各画素から得られた信号を用いて高性能の信号処理を行っても、人体の指、手、顔の位置若しくは移動を検出するのは極めて困難である。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、微弱の赤外線の光を受光部で検出し、加算・減算回路を用いることなく、各受光部の出力を用いた演算結果（差分演算および／または加算演算等）を出力し、高感度・高Ｓ／Ｎ比で微弱の赤外線の光源の位置・動きを検出可能とする受光強度演算デバイスを実現することである。

本発明の請求項１に記載の受光強度演算デバイスは、同一の基板上に形成され、２つ以上の受光素子をそれぞれ含む複数の受光部であって、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子は、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子同士を接続する配線層を介して直列接続され、前記受光素子は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部と、前記半導体積層部上に形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、を備える、複数の受光部と、前記基板上に形成された複数の接続パッドと、前記複数の受光部同士を接続する共通の配線層と、を備えた受光強度演算デバイスであって、前記複数の受光部の一端にある前記受光素子の各々は、各々異なる１つの前記接続パッドに接続され、前記複数の受光部の各々の他端にある前記受光素子の電極同士は、前記共通の配線層を介して共通に接続され、前記共通の配線層によって接続される電極は、少なくとも２つが前記ｐ型電極であり、少なくとも２つが前記ｎ型電極であり、各接続パッド間に生じた電流を得ることにより、各受光部で生じた電流の総和又は差分演算の結果を得ることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の受光強度演算デバイスは、本発明の請求項１に記載の受光強度演算デバイスであって、前記受光部の数は、前記接続パッドの数と同じであることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の受光強度演算デバイスは、同一の基板上に形成され、２つ以上の受光素子をそれぞれ含む４つ以上の受光部であって、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子は、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子同士を接続する第１の配線層を介して直列接続され、前記受光素子は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える、複数の受光部と、前記基板上に形成された複数の接続パッドと、前記受光部同士を接続し、前記受光部と前記接続パッドとを接続する第２の配線層と、を備えた受光強度演算デバイスであって、前記半導体積層部上には、ｎ型電極及びｐ型電極が形成され、前記複数の受光部の各々の一端にある前記受光素子の前記ｎ型電極は、前記複数の受光部のうちの他の１つの受光部の他端にある前記受光素子の前記ｐ型電極に前記第２の配線層を介して直列接続されることで、該複数の受光部は前記複数の受光部全体で環状に直列接続され、前記複数の受光部の各々の間に、各々異なる前記接続パッドが前記第２の配線層を介してそれぞれ接続されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の受光強度演算デバイスは、本発明の請求項１から３の何れか一項に記載の受光強度演算デバイスであって、前記受光素子がインジウムおよび／又はアンチモンを含むことを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の位置検出デバイスは、請求項１から４の何れか一項に記載の受光強度演算デバイスと、前記受光強度演算デバイスの前記受光部に入射する光の入射方向を制御する視野角制限体とを備え、各受光部で生じた電流の総和又は差分演算の結果に基づいて光源の位置を検出することを特徴とする。

本発明によれば、同一基板上に多数の赤外線の受光部を設け、各受光部が受ける入射赤外線を同一基板上で演算をすることによって、微弱の赤外線（例えば、数μＷ／ｃｍ²〜ｍＷ／ｃｍ²）の光源（例えば、人体の指、手、顔、など）の位置若しくは移動を、高いＳ／Ｎ比で検出を可能にする受光強度演算デバイス及び位置検出デバイスを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る受光強度演算デバイスを示す図である。本発明に係る受光素子の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る受光強度演算デバイスのＡ−Ａ´の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る受光強度演算デバイスの他の例を示す図である。本発明に係る受光素子の等価回路を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る受光強度演算デバイスを示す図である。本発明の第３の実施形態に係る受光強度演算デバイスを示す図である。第２及び第３の実施形態に係る受光強度演算デバイスの等価回路を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る受光強度演算デバイスの他の例を示す図である。第４の実施形態に係る受光強度演算デバイスの等価回路を示す図である。本発明の第５の実施形態に係る受光強度演算デバイスを示す図である。本発明の第５の実施形態に係る受光強度演算デバイスの等価回路を示す図である。本発明の第６の実施形態に係る位置検出デバイスを示す図である。実施例１に係る位置検出デバイスの出力波形を示す図である。

[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る受光強度演算デバイス１００の構成を示す。図１に示される受光強度演算デバイス１００は、基板１０上に、４つの受光素子１が配線層６０を介して直列接続されて構成された受光部２ａ〜２ｄと、受光部２ａ〜２ｄの一端が配線層６０を介してそれぞれ接続されたパッド部３ａ〜３ｄと、受光部２ａ〜２ｄの他端が配線層６０を介してそれぞれ接続された共通パッド部３ｅとを備える。

図２は、受光強度演算デバイス１００で用いられる受光素子１の断面図を示す。図２には、基板１０上に、ｎ型化合物半導体層２０（ｎ層）で構成された第１のメサ部１１１と、ｎ型化合物半導体層２０（ｎ層）の一部と、ノンドープの化合物半導体層（π層）３０とｐ型の不純物が高濃度にドーピングされたｐ型化合物半導体層４０（ｐ層）とで構成された第２のメサ部１１２とが順次積層された半導体積層部１１０が示されている。この半導体積層部１１０は、ＰＩＮ接合が形成されたフォトダイオード構造を有する。ｎ層２０上にはｎ層電極６１が形成されており、ｐ層４０上にはｐ層電極６２が形成されている。

パッシベーション層５０は、基板１０上及び半導体積層部１１０上に形成され、基板１０及び半導体積層部１１０の表面を保護する。配線層６０は、一層の金属等で構成され、π層３０で生成された光起電力をｎ層電極６１又はｐ層電極６２を介して取り出すための層であり、パッシベーション層５０上に形成されている。保護層７０は、パッシベーション層５０及び配線層６０が形成された基板１０及び半導体積層部１１０を覆うように、パッシベーション層５０及び配線層６０上に形成されている。保護層７０の上部空間は、樹脂モールド（図示せず）されていてもよい。パッシベーション層５０及び保護層７０の材料としては、例えば樹脂、酸化シリコン、窒化シリコンなどが挙げられるが、絶縁性の材料であればいずれの材料であってもよい。

検出対象の赤外線が、基板１０において半導体積層部１１０が積層されている面と対抗する面（以下、裏面とする）から入射してπ層３０に侵入すると（図２においては、基板１０から半導体積層部１００に向かう方向に光が進行する）、電子・ホール対が発生し、外部からのバイアスが印可されていない場合、電子がｎ層２０側へ拡散し、ホールがｐ層４０側へ拡散してｎ層２０とｐ層４０との間に光起電力が生成される。

図３は、図１で示されるＡ−Ａ´断面の模式図である。図３に示されるように、受光素子１同士はｎ層電極６１又はｐ層電極６２を介して配線層６０で直列接続され、共通パッド部３ｅは配線層６０を利用して形成される。このような構造を利用すると、製造プロセスの工程数が減るというメリットがある。

パッド部３ａ〜３ｄにそれぞれ接続された受光素子１を受光部２ａ〜２ｄの一端にある受光素子１とし、パッド部３ｅにそれぞれ接続された受光素子１を受光部２ａ〜２ｄの他端にある受光素子１とすると、図１〜３に示した第１の実施形態に係る受光強度演算デバイス１００においては、各受光部２ａ〜２ｄの一端にある受光素子１のｐ層電極６２は配線層６０を介してそれぞれパッド部３ａ〜３ｄに接続され、各受光部２ａ〜２ｄの他端にある受光素子１のｎ層電極６１は配線層６０を介して共通パッド部３ｅに接続される。

以下、第１の実施形態に係る受光強度演算デバイス１００を例にして受光強度演算の方法を説明する。第１の実施形態に係る受光強度演算デバイス１００においては、パッド部３ａ及びパッド部３ｂ同士が受光部２ａ、共通パッド部３ｅ及び受光部２ｂを介して接続されていることにより、下記式（１）で表される信号を得ることができる。
ｉｐ_AB＝（ｉｐ_A−ｉｐ_B）／２（１）

ここで、ｉｐ_ABはパッド部３ａとパッド部３ｂとの間から取り出せる短絡光電流を示し、ｉｐ_Aはパッド部３ａに接続された受光部２ａで生じる短絡光電流を示し、ｉｐ_Bはパッド部３ｂに接続された受光部２ｂで生じる短絡光電流を示す。ここでは、受光部２ａ及び受光部２ｂの内部抵抗は全く同じである場合の出力信号を示したが、必要に応じて、各受光部の内部抵抗が互いに異なってもよい。受光部２ａ及び受光部２ｂの内部抵抗をそれぞれｒ_A及びｒ_Bとすると、この場合、ｉｐ_AB’は式（１．１）で表される。

ｉｐ_AB’＝ｉｐ_Aｒ_A／（ｒ_A＋ｒ_B）−ｉｐ_Bｒ_B／（ｒ_A＋ｒ_B）（１．１）
式（１）及び式（１．１）では、パッド部３ａとパッド部３ｂとの間に生じる短絡光電流を得るための式を例示したが、各受光部で生じた短絡光電流を共通パッド部３ｅとパッド部３ａ〜３ｄ間から取り出し、式（１）及び式（１．１）に示されるような差分演算を外部で行うことにより、差分値も得ることができる。

各受光部２ａ〜２ｄの短絡光電流は、各受光部２ａ〜２ｄに入射する赤外線の強度に応じて発生する。このようにして得られた電流ｉｐ_ABは、受光部２ａ及び２ｂ同士の電気的接続によって生じた演算結果であり、他の手段（アンプや他の演算素子）を介せずに、且つ、外部ノイズの影響を受けずに、高いＳ／Ｎ比で実現することができるので、微弱の輻射光源の位置・移動を検出するのに好適に用いることができる。

上記式（１）では差分演算を示したが、受光部２ａ〜２ｄのｎ層電極６１及びｐ層電極６２とパッド部３ａ〜３ｅとの接続関係や、どのパッド部間の信号を出力するかに基づいて、各受光部２ａ〜２ｄに入射する光の光強度の加減算演算を実行することができる。なお、受光強度演算デバイス１００から得られる差分信号又は加算信号を増幅するために、ＯＰアンプのような増幅手段を利用してもよい。

一般的には、従来の受光強度演算デバイスは、各受光部からの出力信号を取り出し、外部で増幅や演算で処理を行うため、外部雑音（電磁誘導雑音等）の影響を受けやすいが、本発明に係る受光強度演算デバイス１００は、基板１０上の各受光部で発生した電流信号を、基板１０内で処理（差分若しくは加算演算）を行うことができる。つまり、前記全受光部が同じ基板上に形成されていて、互いに直列（若しくは並列）に接続されているため、その接続によって各受光部が出力した信号の和もしくは差が結果として取り出せる。そのため、加算回路や減算回路等の外部演算回路を用いることなくその演算結果が得られる。従って、特に受光部２ａ〜２ｄからの信号は、外部雑音の影響を受けにくいため、微弱な人体からの輻射の検知の場合に好ましく適用することができる。

また、光源（人体の指、手、顔、など）が移動したときに、各受光部２ａ〜２ｄに入射する赤外線の強度が変化するため、その差分を読み取ることによって、高Ｓ／Ｎ比の検出を実現することができる。

本発明は、特に受光強度演算デバイス１００を小型化にした場合、効果が著しくなる。基板１０の寸法の具体的なサイズとしては、４ｍｍ²以下、２ｍｍ²以下が望ましく、更に望ましいのは０．５ｍｍ²以下、０．２ｍｍ²以下である。基板１０のサイズが小さいほど、製造効率が高まるだけではなく、受光強度演算デバイス１００のパッケージや実装された周囲の不均一な温度変化による受光強度演算デバイス１００の出力信号への影響が小さくなるので、基板１０のサイズは小さい方が好ましい。

第１の実施形態では、受光部を４つ、各受光部内に４つの受光素子、５つのパッド部を用いたデバイス構造を例示したが、必要に応じて、製造ルールが許す限り、それぞれの部分を増やしても、減らしてもよい。

また、同一の基板１０上に受光部２ａ〜２ｄ及びパッド部３ａ〜３ｅが配置されているため、受光部２ａ〜２ｄの形状は図１で示されるような四角い形状でなくてもよい。その一例は図４に示す。図４のように配置することにより、受光部２ａ〜２ｄの面積を広くとることができ、受光部２ａ〜２ｄのＳ／Ｎ比を高めることができる。

一般的な増幅器を利用して信号の増幅を行う場合、信号源の内部抵抗が大きいほど、高Ｓ／Ｎ比で信号を増幅できる。図５は、受光素子１の等価回路を示す。図５に示されるように、単一の受光素子１毎に内部抵抗ｒ₀を有している。従って、受光部２ａ〜２ｄに多数の受光素子１を設けることにより、受光部２ａ〜２ｄ全体の抵抗を拡大することができ、信号取り出しが容易になり高Ｓ／Ｎが実現できる。

ｎ層２０、π層３０及びｐ層４０を構成する材料としては、ＩｎＳｂ系材料、ＩｎＧａＳｂ系材料、ＩｎＡｌＳｂ系材料、ＩｎＡｓＳｂ系材料、又はＩｎ、Ｓｂ、Ｇａ若しくはＡｌを含む材料を使用することができるが、用途に応じて、デバイスの検知波長帯を変える必要がある。ＩｎＳｂ系材料で構成された受光素子の場合、１〜７μｍの波長を検知することができる。ＩｎＧａＳｂ又はＩｎＡｌＳｂ系材料で構成された受光素子の場合、１〜５μｍの波長帯に絞ることができる。また、ＩｎＡｓＳｂ系材料で構成された受光素子の場合、１〜１２μｍの波長帯を検知することができる。同様の波長を検知するには、ＨｇやＣｄを用いたＭＣＴを用いたフォトダイオード構造も研究されているが、環境負荷軽減の観点から、ｎ層２０、π層３０及びｐ層４０で構成されるフォトダイオード構造部がＩｎ、Ｓｂ、Ｇａ、又はＡｌを含む材料で構成されることが好ましい。

上記の材料から選択することによって、単一の受光素子１の内部抵抗ｒ₀が変化する。これは主に、光を吸収し、起電力を発生するπ層３０のバンドギャップによって、室温での真性キャリア数が変わるためである。具体的には、バンド材料のバンドギャップが小さいほど、真性キャリア数が増え、受光素子１の内部抵抗ｒ₀が低下する。

ここで、図２には、基板１０上に、ｎ層２０、π層３０、ｐ層４０の順に積層した層構造を有する受光素子１を示したが、ｐ層４０、π層３０、ｎ層２０の順に積層した構造としてもよい。また、図１には、ＰＩＮ接合の半導体積層部１１０を有する受光素子１を示したが、ＰＮ接合のフォトダイオード構造として構成してもよい。さらに、上記説明では、例示として、基板１０の裏面から光が入射するものとしたが、本発明においては基板１０において半導体積層部１１０が積層されている面側から光が入射するように構成してもよい。

[第２の実施形態]
図６は、本発明の第２の実施形態に係る受光強度演算デバイス２００を示す。図６に示される受光強度演算デバイス２００は、基板１０上に、受光部２ａに接続されたパッド部３ａと、受光部２ａに接続されたパッド部３ａと、受光部２ｂに接続されたパッド部３ｂと、受光部２ｃに接続されたパッド部３ｃと、受光部２ｄに接続されたパッド部３ｄとを備える。受光部２ａ〜２ｄは配線層６０を介して直列接続された４つの受光素子１を備え、受光部２ａ〜２ｄの各々は、受光素子１の配線層６０をそれぞれ結合することによって形成された共通配線部６３を介して互いに接続されている。

図６に示されるように、第２の実施形態に係る受光強度演算デバイス２００は、４つの受光部２ａ〜２ｄ及び４つのパッド部３ａ〜３ｄを備えており、パッド部３ａ〜３ｄの数と受光部２ａ〜２ｄの数とが等しくなるように構成されている。受光部２ａ〜２ｄの数とパッド部３ａ〜３ｄの数とを等しくすることによって、デバイスのサイズを更に縮小することができ、上記で述べたようにデバイスのパッケージや実装された周囲の不均一な温度変化がデバイスの出力信号への影響が小さくなる効果をより顕著に得ることが可能となる。

[第３の実施形態]
受光部の数とパッド部の数とが等しい受光強度演算デバイスの他の例として、図７に本発明の第３の実施形態に係る受光強度演算デバイス３００を示す。図７に示される受光強度演算デバイス３００は、基板１０上に、受光部２ａに接続されたパッド部３ａと、受光部２ａに接続されたパッド部３ａと、受光部２ｂに接続されたパッド部３ｂと、受光部２ｃに接続されたパッド部３ｃと、受光部２ｄに接続されたパッド部３ｄとを備える。受光部２ａ〜２ｄの各々は、共通配線部６３を介して互いに接続されている。受光部２ａ〜２ｄは、パッド部３ａ〜３ｄを囲むようにＬ字型に構成されている。

第３の実施形態に係る受光強度演算デバイス３００では、受光部２ａ〜２ｄは受光強度演算デバイス３００の周囲に配置され、パッド部３ａ〜３ｄは受光強度演算デバイス３００の中央に配置されている。本実施形態では、受光部２ａ〜２ｄがそれぞれ離れて配置されているため、光源の動きに対して、より高感度が得られる。

図８は、第２及び第３の実施形態に係る受光強度演算デバイス２００及び３００の等価回路図である。図８は、第２及び第３の実施形態に係る受光強度演算デバイス２００及び３００において、共通配線部６３にそれぞれの受光部２ａ〜２ｄのｎ層電極６１を接続し、パッド部３ａ〜３ｄにそれぞれの受光部２ａ〜２ｄのｐ層電極６２を接続した場合を示している。

例えば、パッド３ａとパッド３ｂとの間で得られる出力電流は、共通配線部６３に受光部２ａ及び２ｂのｎ層電極６１が接続され、パッド部３ａ及び３ｂに受光部２ａ及び２ｂのｐ層電極６２が接続されているため、受光部２ａと受光部２ｂとのそれぞれの出力電流の差分信号により得られる。このように、第２及び第３の実施形態に係る受光強度演算デバイス２００及び３００においては、任意の２つのパッド間で得られる電流値はそれぞれのパッド部に接続されている受光部のそれぞれの出力電流値の差分値となる。上記第３の実施形態では、受光強度演算デバイス３００の構成として、図７で示したような受光部２ａ〜２ｄ及びパッド部３ａ〜３ｄの形状及び配置を示したが、図９で示すような受光部２ａ〜２ｄ及びパッド部３ａ〜３ｄの形状及び配置を有するように受光強度演算デバイス３０１を構成してもよい。この場合、製造（特に基板１０にワイヤーボンディングを行う工程）の観点から好ましい場合もある。

[第４の実施形態]
図１０は、第４の実施形態に係る受光強度演算デバイス４００の等価回路図である。本実施形態の受光部２ａ〜２ｄ及びパッド部３ａ〜３ｄの形状及び配置の例としては、図６、図７、図９で示したような形状であってもよいし、本発明の趣旨から逸脱しない範囲でいずれの形でもよい。図１０は、第４の実施形態に係る受光強度演算デバイス４００において、共通配線部６３に受光部２ａ及び２ｃのｎ層電極６１と受光部２ｂ及び２ｄのｐ層電極６２とを接続し、パッド部３ａ〜３ｄに受光部２ａ及び２ｃのｐ層電極６２と受光部２ｂ及び２ｄのｎ層電極６１とを接続した場合の等価回路図を示している。

第４の実施形態に係る受光強度演算デバイス４００では、対角配置にあるパッド間の信号は、下記式（２）及び（３）で得ることができ、左右配置及び上下配置にあるパッド間の信号は、下記式（４）及び（５）で得ることができる。ここで、ｉｐ_BDは接続端子３ｂと接続端子３ｄとの間から取り出せる短絡光電流を示し、ｉｐ_ADは接続端子３ａと接続端子３ｄとの間から取り出せる短絡光電流を示し、ｉｐ_BCは接続端子３ｂと接続端子３ｃとの間から取り出せる短絡光電流を示し、ｉｐ_Cはパッド部３ｃに接続された受光部２ｃで生じる短絡光電流を示し、ｉｐ_Dはパッド部３ｄに接続された受光部２ｄで生じる短絡光電流を示す。
ｉｐ_AC＝（ｉｐ_A−ｉｐ_C）／２（２）
ｉｐ_BD＝（ｉｐ_B−ｉｐ_D）／２（３）
ｉｐ_AD＝（ｉｐ_A＋ｉｐ_D）／２（４）
ｉｐ_BC＝（ｉｐ_B＋ｉｐ_C）／２（５）

パッド部３ａとパッド部３ｃを短絡（短絡点１）し、パッド部３ｂとパッド部３ｄを短絡（短絡点２）し、短絡点１と短絡点２との間の短絡電流ｉ₁₂を測定すると、下記式（６）に示すように全受光部２ａ〜２ｄの総和の出力短絡電流が得られる。
ｉ₁₂＝１／２（ｉｐ_A＋ｉｐ_B＋ｉｐ_C＋ｉｐ_D）（６）

上記の通り、第４の実施形態に係る受光強度演算デバイス４００では、受光部２ａと受光部２ｃのエリアに入射する輻射に関する差分信号（式（２））、及び受光部２ｄと受光部２ｂのエリアに入射する輻射に関する差分信号（式（３））を得ることができ、加えて全受光部２ａ〜２ｄからの総和の信号（式６）も得ることができる。また、パッドの数が少なく、基板１０の利用効率が高いため、望ましい場合がある。

ここで、第４の実施形態に係る受光強度演算デバイス４００においては、４つの受光部２ａ〜２ｄを使用した場合を例に説明したが、４つの受光部に限らず、複数個の受光部を使用することができる。この場合、得られる出力信号は、各受光部の接続方法及び信号取り出しに選択したパッドによって異なる。例えば、任意の２つの受光部の差分の信号を取り出すには、片方の受光部のｎ層電極６１と他方の受光部のｐ層電極６２を共通配線部６３に接続する必要がある。

[第５の実施形態]
受光部の数とパッド部の数とが等しい受光強度演算デバイスのまたさらに他の例として、図１１に本発明の第５の実施形態に係る受光強度演算デバイス５００を示す。図１１に示される受光強度演算デバイス５００は、基板１０上に、受光部２ａに接続されたパッド部３ａと、受光部２ａに接続されたパッド部３ａと、受光部２ｂに接続されたパッド部３ｂと、受光部２ｃに接続されたパッド部３ｃと、受光部２ｄに接続されたパッド部３ｄとを備える。受光部２ａ〜２ｄは、パッド部３ａ〜３ｄを囲むようにＬ字型に構成されている。

図１２は、第５の実施形態に係る受光強度演算デバイス５００の等価回路図である。ここまで説明した第１〜第４の実施形態に係る受光強度演算デバイスでは、それぞれの受光部２ａ〜２ｄが共通配線層６３などの共通配線によって接続されているが、図１２に示されるように、第５の実施形態に係る受光強度演算デバイス５００は、受光部２ａ〜２ｄが共通配線による共通の接続点を有さず、受光部２ａ〜２ｄが配線層６０によって互いに直列接続されている。

図１２には、第５の実施形態に係る受光強度演算デバイス５００において、パッド部３ａは配線層６０を介して受光部２ａのｐ層電極６２及び受光部２ｂのｎ層電極６１とに接続され、パッド部３ｂは配線層６０を介して受光部２ｂのｐ層電極６２及び受光部２ｃのｎ層電極６１とに接続され、パッド部３ｃは配線層６０を介して受光部２ｃのｐ層電極６２及び受光部２ｄのｎ層電極６１とに接続され、パッド部３ｄは配線層６０を介して受光部２ｄのｐ層電極６２及び受光部２ａのｎ層電極６１とに接続された場合を示している。

図１２に示されるように、受光部２ａ〜２ｄの各々の一端にある受光素子のｎ型電極６１は、受光部２ａ〜２ｄの各々の他端にある受光素子のｐ型電極６２に配線層６０を介して直列接続され、受光部２ａ〜２ｄの各々の間には、パッド部３ａ〜３ｄがそれぞれ接続されている。

このような配線はパッドの数を減らすと同時に、図７と図９で示したようなパッド部３ａとパッド部３ｄ及びパッド部３ｂとパッド部３ｃの間を共通の配線を通さなくてもよくなるため、各パッド部と共通配線の接近に伴う耐圧の低下を防ぎながら、４つのパッド部３ａ〜３ｄを接近させることができる。このレイアウトは、特にワイヤーボンディング工程を実施する場合に、パッド部がチップの中央にあると、ボンディング時の強度と信頼性が高められるため、望ましい場合もある。第５の実施形態に係る受光強度演算デバイス５００に示されるようなリング状の接続では、ダイオードの向きは演算によって決定されるため、一部の受光部（ダイオード）の向きを変えたほうが望ましい場合がある。例えば図１２に示される受光部２ａ及び２ｃを逆の向きにしてもよい。一方、図７で示したレイアウトの場合、受光部を直列に接続することによって、差分の信号を取り出すときに、アンプ側からみた場合、受光部一つの抵抗に対して２倍の抵抗を実現することができるため、Ｓ／Ｎの面では望ましい場合もある。

[第６の実施形態]
次に、本発明の第６の実施形態に係る位置検出デバイスを説明する。図１３は、本発明の第６の実施形態に係る位置検出デバイス６００の断面図である。図１３には、実施形態１に係る受光強度演算デバイス１００と、受光強度演算デバイス１００に入射する光の波長を制限する光学フィルタ６０１と、受光強度演算デバイス１００の受光部の視野を制御する視野角制限体６０２と、受光強度演算デバイス１００及び光学フィルタ６０１をモールディングする樹脂モールド６０４とを供えた位置検出デバイス６００が示されている。受光強度演算デバイス１００は受光部２ａ及び２ｃの他にさらに受光部を備えていてもよいが、ここでは説明を簡略化するため２つの受光部を用いる場合を例に説明する。

光源６０３から輻射された赤外線は、位置検出デバイス６００に入射する際に、視野角制限体６０２によって入射角が制限されながら位置検出デバイス６００の光学フィルタ６０１を介して基板１０の裏面から入射し、受光部２ａ及び２ｃに入射する。図１３で示すような光源６０３の位置の場合、受光部２ａに入射する光束が受光部２ｃに入射する光束より大きいため、ｉｐ_Aはｉｐ_Cより大きくなる。このことを利用して、ｉｐ_Aとｉｐ_Cの差分を求めることにより、光源６０３が視野角内のどの位置に存在するかの一次元的な位置検出をすることができる。また、受光強度演算デバイス１００が受光部２ａ及び２ｃの他にさらに受光部を備える場合は、それらを用いることにより二次元的な位置検出も可能になる。さらに、受光部の出力の和を求めることにより受光部２ａ及び２ｃと光源６０３との距離も検出することができるため、３次元的な位置検出も可能になる。

光学フィルタ６０１は、一部の波長範囲のみ検知したい場合には、基板１０と視野角制限体６０２との間に必要に応じて設けることができる。光学フィルタ６０１の一例としては、Ｓｉ基板上に異なった屈折率の２種類の材料を多層に積層することによって得られる波長選択効果の干渉フィルタが挙げられる。このようなフィルタであれば、大気に対して屈折率が高い（ｎ＝３以上）ため、入射光は光学フィルタ６０１の表面に対してほぼ垂直となり、受光部２ａ及び２ｃまで進行する。

図１３に示される位置検出デバイス６００では、視野角制限体６０２として穴の開いた板を用いた場合を図示したが、光学レンズを利用又は組み合わせてもよい。視野角制限体６０２の直径φ及びその開口部の厚みｔに基づいて、デバイスの光学特性が決定される。検出対象となる光源６０３としては、受光強度演算デバイス１００の受光素子の感度波長内の赤外線を発する物質であれば特に制限されない。

図１３に示される位置検出デバイス６００では、視野角制限体６０２／光学フィルタ６０１／基板１０という構造を示したが、パッケージの構造の制限に応じて、光学フィルタ６０１／視野角制限体６０２／基板１０という構造でもよい。または、蓋／視野角制限体６０２／光学フィルタ６０１／基板１０でもよい。但し、ここで言う「蓋」とは光源が放射する光の波長に対して十分な透過率を持つことが望ましい。また、この蓋の形状によって、光の屈折効果を利用して、視野角を広げたり、狭めたりさせてもよい。この場合、各用途に応じて適した形状を利用すると良い。

ここでは、図１３に示される位置検出デバイス６００において、実施形態１に係る受光強度演算デバイス１００を使用した場合を例に説明したが、他の実施形態２〜５に係る受光強度演算デバイス２００〜５００を位置検出デバイス６００において使用することができる。

図１３で示したような第６の実施形態に係る位置検出デバイス６００を作製し、直径１５ｍｍの光源をセンサ表面から２０ｍｍの距離に設定した。位置検出デバイス６００で使用される受光強度演算デバイス１００として、基板１０は０．４５ｍｍ角のＧａＡｓ基板を使用し、２４個のＩｎＳｂのフォトダイオードからなる受光素子１を直列接続した各受光部２ａ〜２ｄを使用した。視野角制限体６０２の開口部の厚みｔを０．５ｍｍとし、穴の直径φを０．５ｍｍとした。

上記のようにして作製された位置検出デバイス６００に対して光源６０３を移動させた場合における、光源６０３の位置（開口部の中心軸を０ｍｍとする）に対するｉｐ_Aとｉｐ_Cの差分の関係を図１４に示す。図１４に示される波形から、光源６０３の位置と、ｉｐ_Aとｉｐ_Cとの差分とが相関を持つことが理解できる。この相関を用いることにより、光源６０３が視野角内のどの位置に存在するかを検出することが可能になる。また、図１４に示される波形から、ノイズが少なく高Ｓ／Ｎが得られることも理解される。

１受光素子
２ａ〜２ｄ受光部
３ａ〜３ｄパッド部
３ｅ共通パッド部
１０基板
２０ｎ層
３０ π層
４０ｐ層
５０パッシベーション層
６０配線層
６１ｎ層電極
６２ｐ層電極
６３共通配線部
７０保護層
１００、２００、３００、３０１、４００、５００受光強度演算デバイス
１１０半導体積層部
１１１第１のメサ部
１１２第２のメサ部
６００位置検出デバイス
６０１光学フィルタ
６０２視野角制限体
６０３光源
６０４樹脂モールド

Claims

同一の基板上に形成され、２つ以上の受光素子をそれぞれ含む複数の受光部であって、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子は、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子同士を接続する配線層を介して直列接続され、前記受光素子は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部と、前記半導体積層部上に形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、を備える、複数の受光部と、
前記基板上に形成された複数の接続パッドと、
前記複数の受光部同士を接続する共通の配線層と、
を備えた受光強度演算デバイスであって、
前記複数の受光部の一端にある前記受光素子の各々は、各々異なる１つの前記接続パッドに接続され、
前記複数の受光部の各々の他端にある前記受光素子の電極同士は、前記共通の配線層を介して共通に接続され、
前記共通の配線層によって接続される電極は、少なくとも２つが前記ｐ型電極であり、少なくとも２つが前記ｎ型電極であり、
各接続パッド間に生じた電流を得ることにより、各受光部で生じた電流の総和又は差分演算の結果を得ることを特徴とする受光強度演算デバイス。
前記受光部の数は、前記接続パッドの数と同じであることを特徴とする請求項１に記載の受光強度演算デバイス。
同一の基板上に形成され、２つ以上の受光素子をそれぞれ含む４つ以上の受光部であって、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子は、前記受光部中の前記２つ以上の受光素子同士を接続する第１の配線層を介して直列接続され、前記受光素子は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える、複数の受光部と、
前記基板上に形成された複数の接続パッドと、
前記受光部同士を接続し、前記受光部と前記接続パッドとを接続する第２の配線層と、
を備えた受光強度演算デバイスであって、
前記半導体積層部上には、ｎ型電極及びｐ型電極が形成され、
前記複数の受光部の各々の一端にある前記受光素子の前記ｎ型電極は、前記複数の受光部のうちの他の１つの受光部の他端にある前記受光素子の前記ｐ型電極に前記第２の配線層を介して直列接続されることで、該複数の受光部は前記複数の受光部全体で環状に直列接続され、
前記複数の受光部の各々の間に、各々異なる前記接続パッドが前記第２の配線層を介してそれぞれ接続されていることを特徴とする受光強度演算デバイス。
前記受光素子がインジウムおよび／又はアンチモンを含むことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の受光強度演算デバイス。
請求項１から４の何れか一項に記載の受光強度演算デバイスと、
前記受光強度演算デバイスの前記受光部に入射する光の入射方向を制御する視野角制限体と
を備え、
各受光部で生じた電流の総和又は差分演算の結果に基づいて光源の位置を検出することを特徴とする位置検出デバイス。