JP6466668B2 - 赤外線センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサ装置に関し、特に視野の異なる複数の受光部を備えた赤外線センサ装置に関する。

一般に、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２μｍ以上３０μｍ以下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、人体の位置又は動きを検出することができる。
上記の２μｍ以上３０μｍ以下の波長帯で動作するセンサの一例として、焦電センサやサーモパイルが挙げられる。これらのセンサを高感度化するためには、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、そのためこれらセンサの小型化が困難となっている。

２μｍ以上３０μｍ以下の波長帯で動作する他のセンサとして、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（ｉ型半導体、π型半導体、あるいはν型半導体とも称される）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（例えば、特許文献１参照）。
この起電力は開放電圧と呼ばれ、ＰＮ接合又は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。

ところで、このような赤外線センサを人感センサとして用いる際には、異なる複数の視野からの光を分離して検出するため、例えば特許文献２に示されるような複雑なレンズを用いた光学系を設けた装置となってしまう。

国際公開第２００５−２７２２８号パンフレット 特開２０１３−２３１６６７号公報

このような複雑な光学系を設けた赤外線センサ装置では、赤外線センサ装置に対する外付けの部品数が増えるため、装置全体が大型化してしまうという問題がある。
また、外付けする分、組み立て工程における製造バラツキが大きくなってしまうという問題もある。
本発明はこの点に着目してなされたものであって、製造バラツキの増加を伴うことなく、小型化を図ることのできる、異なる複数の視野からの光を分離して検出することの可能な赤外線センサ装置を提供することを目的としている。

本願発明の一態様による赤外線センサ装置は、フォトダイオード構造を含む多面体形状の化合物半導体積層部を有する受光素子と前記化合物半導体積層部の一部を覆う赤外線遮蔽部とを備えた受光部を複数有し、当該受光部それぞれに含まれる前記受光素子は同一基板上に形成されており、前記受光部それぞれにおいて、前記化合物半導体積層部の各平面のうち、少なくとも一部が前記赤外線遮蔽部により覆われていない平面のうちの一面が当該受光部の主入射面であり、前記主入射面が、複数の前記受光部間で非平行であることを特徴とする。

本願発明の赤外線センサ装置によれば、外付けの部品等を用いることなく、異なる複数の視野からの光を分離し検出することができ、すなわち赤外線センサ装置の小型化を図ることができる。

本発明の赤外線センサ装置における受光部の一例を示す模式図の断面図である。 本発明の第１実施形態における赤外線センサの一例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における赤外線センサの一例を示す模式図である。 第２実施形態における赤外線センサの動作説明に供する等価回路である。 本発明の第３実施形態における赤外線センサの一例を示す模式図である。 本発明の第４実施形態における赤外線センサの一例を示す模式図である。 本発明の赤外線センサ装置における受光部の出力特性の一例を示す特性図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態と称する）を説明する。
本実施形態に係る赤外線センサ装置は、ＰＮ接合部又はＰＩＮ接合部等を有するフォトダイオード構造を含む、メサ形状（錐台形状）等の多面体形状の化合物半導体積層部を有する受光素子と化合物半導体積層部の一部を覆う赤外線遮蔽部とを備えた受光部を、同一基板上に複数有し、受光部の主入射面が、複数の受光部間で非平行である赤外線センサ装置である。

主入射面が複数の受光部間で非平行であることにより、主入射面の向きにより決定される視野が複数の受光部間で異なるため、各受光部がそれぞれ異なる視野からの光を分離し検出することと同等となる。その結果、外付け部品等を設けることなく各受光部が異なる視野からの光を分離し検出することができる。
ここで、受光部が受光素子を１つ備える場合には、この受光素子が含む化合物半導体積層部の各平面のうち、赤外線遮蔽部により覆われていない領域が最大となる一の平面が「主入射面」となる。

また、受光部が直列接続された複数の受光素子を有し、一の受光素子が含む化合物半導体積層部の各平面のうち、赤外線遮蔽部により覆われていない領域が最大となる一の平面が受光素子全ての間で平行である場合には、複数の受光素子のうちのいずれかの受光素子の一の平面が「主入射面」となる。
また、受光部が直列接続された複数の前記受光素子を有し、一の受光素子が含む化合物半導体積層部の各平面のうち、赤外線遮蔽部により覆われていない領域が最大となる一の平面が受光素子いずれかの間で非平行である場合、すなわち受光素子間で平行でない場合には、受光部の中心から等距離の球面上で強度一定の光源を移動させたときに受光部の出力が最大となるときの光源の中心位置と受光部の中心とを結ぶ直線に垂直な面を「主入射面」とする。

なお、受光部の中心とは、外部からの光がある一点に収束する場合を考えたとき、受光部の出力信号が最大となるその一点の位置を表す。
図１は、本発明を適用した赤外線センサ装置に用いられる受光部５０の一例を示す模式図の断面図である。
図１に示すように、受光部５０は、基板１０上に形成されたｎ型化合物半導体層２１と光吸収層（ｉ型半導体層）２２とバリア層２４とｐ型化合物半導体層２３とがこの順に積層された化合物半導体積層部２０と、赤外線遮蔽部３０と、絶縁層６０と、を備えている。

受光素子としての化合物半導体積層部２０はメサ形状に形成され、化合物半導体積層部２０に含まれるＰＩＮ接合部を含む第１のメサ部２０１と、第１のメサ部２０１の下層に形成され化合物半導体積層部２０に含まれるｎ型化合物半導体層２１を含む第２のメサ部２０２とを備える。
赤外線遮蔽部３０は金属材料からなり、化合物半導体積層部２０の側面４０は覆わずに、上面及び他の３つの側面を覆うように配置される。図１の場合には、赤外線遮蔽部３０は、第１のメサ部２０１において、上面及び側面４０を除く３つの側面を覆うように絶縁層６０を介して配置される。また、側面４０側を含む第２のメサ部２０２にも赤外線遮蔽部３０が絶縁層６０を介して配置される。この側面４０側の第２のメサ部２０２に形成される赤外線遮蔽部３０は電極、つまり出力端子３１としても機能する。基板１０が半絶縁性基板である場合、図１中に示される２箇所の赤外線遮蔽部３０は化合物半導体積層部２０の内部領域により電気的に接続される。すなわち、第２のメサ部２０２が素子分離の機能を果たしている。
次に本実施形態における赤外線センサ装置の各構成要件について説明する。各々の説明は本実施形態（後述のより具体的な実施形態を含む）においてそれぞれ独立または組み合わせて適用が可能である。

＜基板＞
本実施形態の赤外線センサ装置において、基板１０は受光素子を形成するための土台となる。各々の受光素子を電気的に独立させる観点から、基板１０は絶縁性または半絶縁性の基板であることが好ましい。基板１０の具体的な材料の例としてはＳｉ、ＧａＡｓ、サファイヤ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、Ｇｅ等が挙げられるがこの限りではない。

半絶縁性基板が作成可能であり、大口径化が可能である観点から、好ましい基板の材料としてＧａＡｓが挙げられる。
また、基板上に形成される化合物半導体積層部２０を高品質に形成する観点から、基板１０の格子定数は化合物半導体積層部２０、特に直接基板と接する層の格子定数と近いことが好ましい。赤外線検知が可能な化合物半導体積層部２０の材料であるインジウム（Ｉｎ）とアンチモン（Ｓｂ）を含む層を高品質に形成しやすい観点から、好ましい基板の材料としてＧａＡｓが挙げられる。

本実施形態の赤外線センサ装置は、基板１０の、化合物半導体積層部２０が形成された第１の主面１０ａ側から赤外線を受光素子に取り込む形態となるため、基板１０の第１の主面１０ａと逆側の面である第２の主面１０ｂ側には赤外線を吸収する部材や、反射する部材を有していることが好ましい。赤外線透過性の低い基板材料を用いる場合は、第２の主面１０ｂ側には赤外線を吸収する部材や、赤外線を反射する部材を設けなくてもよい。

赤外線を反射する部材に利用される材料は、光を効率よく反射する材料であれば、なんでも良いが、製造プロセスのし易さの観点と反射率が良いという観点から、ＡｌやＡｕやＣｒを含む合金や積層膜が挙げられる。また、この赤外線を反射する部材は金属材料でなくても良く、基板よりも屈折率の低い材料でもよい。例えば、ＧａＡｓやＳｉ基板を用いた場合、Ｓｉ_３Ｎ_４やＳｉＯ_２やＴｉＯ_２などが挙げられる。これらの非金属層の屈折率が基板より小さいため、反射効果は発揮されながら、基板の裏面の電気的絶縁も実現できるため、導電性の基板を利用される場合好ましい場合がある。

また、本実施形態の赤外線センサは、検出対象物の出力する赤外線の波長および外乱要因となる赤外線の波長に応じて、特定の波長帯域を選択的に透過することが可能な光学フィルタを更に有してもよい。例えば検出対象物が人体の場合、外乱光との識別性を高めるために、波長５μm以上の波長の赤外線を選択的に透過するフィルタを用いることが好ましい。

＜受光部＞
本実施形態の赤外線センサ装置において、受光部５０は受光素子としての化合物半導体積層部２０と赤外線遮蔽部３０とを有する。
受光素子は単独であってもよいし、複数の受光素子を直列または並列に接続した形態であってもよい。すなわち、各受光部５０は、単独の受光素子を用いてもよいし、複数の受光素子を接続したものを用いてもよい。各受光部５０が２つ以上の受光素子で構成される場合において、光起電力を電流として読み出す場合は直列接続されていることが好ましい。電圧出力の場合、電圧を大きくする必要があるため、同様に直列に接続すると良い。

電流出力の場合、信号源の抵抗値及び電流値を高くするとＳ／Ｎ比が向上し、また、電圧出力の場合、信号源の抵抗値を低く、電圧値を大きくするとＳ／Ｎ比が向上する。接続される受光素子の大きさおよび個数は、ＰＮ接合の面積当たりの縦方向（基板表面に垂直方向）の抵抗値、アンプの電圧入力換算ノイズ及び製造上の制限（プロセスルールなど）を考慮して、最適なＳ／Ｎ比を実現するために最適化すると良い。無論、受光部５０の全体のサイズを大きくすればするほど、信号源の抵抗値及び電流値又は電圧値を調整することにより、最適化されたＳ／Ｎ比が大きくなるので良い。受光部（画素）数や各受光部のサイズは、システムの光学系と合わせて最適化な形状に設計すると良い。

＜受光素子＞
受光素子は、ＰＮ接合部またはＰＩＮ接合部を有するメサ形状の化合物半導体積層部２０を含む。化合物半導体積層部２０の材料としては、測定対象物の赤外線を検知することが可能な材料から選択して用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体が好ましく、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）からなる群より選択される少なくとも１つのＩＩＩ族原子と、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）からなる群より選択される少なくとも１つのＶ族原子と、の化合物半導体であることがより好ましい。具体的には、ＩｎＳｂ系材料、ＩｎＧａＳｂ系材料、ＩｎＡｌＳｂ系材料、ＩｎＡｓＳｂ系材料等が挙げられ、測定対象物の赤外線を検知することが可能な材料から選択して用いることができる。

ＩｎＳｂ系材料で構成された受光素子の場合、１μｍ以上７μｍ以下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、検知範囲を、１μｍ以上５μｍ以下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、１μｍ以上１２μｍ以下の波長帯を検知することができる。
メサ形状の化合物半導体積層部２０を形成する方法としては公知の方法を採用することができる。例えば基板上に化合物半導体積層部を構成する各層を形成し、次いでマスクパターン越しに所望の領域をエッチングすることでメサ形状の化合物半導体積層部２０を形成することができる。

本実施形態の赤外線センサ装置の化合物半導体積層部２０は、少なくとも１つのメサ形状が形成されていれば良いが、必要に応じて複数のメサ形状、すなわち多段的なメサ形状であってもよい。例えば、図１に示すように、基板上にｎ型半導体層／ｉ型半導体層／ｐ型半導体層の順で化合物半導体を積層した後に、ｎ型化合物半導体層に接続される出力端子や電極（配線用のものも含む）を形成するための化合物半導体積層部の一部をｎ型化合物半導体層が表面に露出するまでエッチングし、第１のメサ部２０１を形成した後にさらに第１のメサ部２０１を囲む領域を基板が表面に露出するまでエッチングして第２のメサ部２０２を形成してもよい。この場合、赤外線遮蔽部３０は少なくとも第１のメサ部２０１の一部を覆っていればよい。図１の場合、メサ形状（錐台形状）の化合物半導体積層部２０の第１のメサ部（ＰＮ接合部またはＰＩＮ接合部を含むメサ部）２０１の側面のうち、赤外線遮蔽部３０で覆われていない比率が最も大きい側面を意味する。

本実施形態の赤外線センサ装置の各受光部５０の視野は、化合物半導体積層部２０の側面の角度に影響を受けるため、エッチング条件等により所望の視野となるメサ角度を適宜形成すればよい。
以下、基板上にｎ型半導体層／光吸収層（ｉ型半導体層）／ｐ型半導体層が順に積層されたＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の受光素子を例に、説明する。

被検出光としての赤外線が、フォトダイオード構造部に入射すると、フォトダイオード構造部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と導電帯との電界傾斜に従って空間的に分離蓄積される。その結果、ｎ型化合物半導体層はマイナス側に帯電し、ｐ型化合物半導体層はプラス側に帯電することにより、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、高入力インピーダンスの信号処理回路（アンプなど）に接続した場合、電圧として読み出すことができ、また赤外線センサ外部で短絡して電流として読み出すことも可能である。

ｎ型化合物半導体層は、高濃度のｎ型ドーピングを行うことで、バーシュタインモスシフトと呼ばれる効果により、ｎ型化合物半導体層の赤外線吸収波長がより短波長側にシフトする。そのため、長波長の赤外線が吸収されなくなり、赤外線を効率よく透過させることができるようになる。
光吸収層は、赤外線を吸収して光電流Ｉｐを発生させるための光吸収層である。従って、ｎ型化合物半導体層と光吸収層とが接する面積が赤外線の入射される受光面積となる。一般的に、受光素子の光電流Ｉｐは、受光面積に比例して大きくなるため、ｎ型化合物半導体層と光吸収層とが接する面積は大きい方が好ましい。また、光吸収層の体積が大きいほど吸収できる赤外線量は大きくなるので、光吸収層の体積は大きい方が好ましい。光吸収層の膜厚は、赤外線の吸収により発生した電子及び正孔のキャリアが拡散できる程度の膜厚に設定することが好ましい。

一方、光吸収層で使用されるような、赤外線を吸収する半導体は、一般にバンドギャップの小さい半導体であり、このような半導体は、電子の移動度が正孔の移動度よりも非常に大きい。例えばＩｎＳｂの場合、電子の移動度が約８０，０００ｃｍ^２／Ｖｓであるのに対して、正孔の移動度は数百ｃｍ^２／Ｖｓである。従って、素子抵抗は電子の流れ易さによる影響が大きい。

光吸収層で赤外線吸収によって発生した電子は、ＰＮ又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の部分で形成された電位差によって、光吸収層からｎ型化合物半導体層側へと拡散し、光電流として取り出される。上述のように、バンドギャップの小さい半導体では正孔の移動度が非常に小さいことから、通常、ｎ型ドーピング層よりもｐ型ドーピング層の電気抵抗が高くなる。また、電気抵抗は、電流が流れる部分の面積に反比例する。従って、光吸収層とｐ型化合物半導体層とが接する面積の大きさによって素子抵抗が決まり、素子抵抗が大きくなるためには面積が小さい方が好ましい。

また、波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは０．２５ｅＶ以下と小さい。このようなバンドギャップの小さな半導体（光吸収層の材料のバンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下の半導体）では、ｐ型化合物半導体層側に、電子による拡散電流を抑制するため、バンドギャップが光吸収層よりも大きなバリア層を形成すると、暗電流のような素子の漏れ電流が小さくなり、素子抵抗を大きくすることができるため好ましい。
バリア層は、光吸収層及びｐ型化合物半導体層よりもバンドギャップが大きくなるように構成される。バリア層を構成する材料としては、例えば、ＡｌＩｎＳｂが挙げられる。このバリア層を設けることによって、受光部の抵抗は大きくなるため、電流−電圧変換アンプで信号の増幅をすると、高いＳ／Ｎ比が実現できるので、望ましい。

＜赤外線遮蔽部＞
赤外線遮蔽部３０は、各々の受光素子の化合物半導体積層部２０の一部を覆い、メサ形状の化合物半導体積層部２０のいずれかの側面に赤外線遮蔽部３０で覆われていない側面４０を形成する。この側面４０が主入射面となる。
赤外線遮蔽部３０は、赤外線透過率の低い材料で構成されていれば特に制限されない。具体的には、赤外線センサ装置の感度が最も高くなる波長の赤外線の透過率が５０％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましい。
具体的な材料としては、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉなどの材料やそれらの積層物や、それらの合金が挙げられる。
製造容易性の観点から、受光素子からの信号を取り出すための出力端子や電極（各受光素子を電気的に接続するための配線を含む）を赤外線遮蔽部３０として用いることが好ましい。

＜その他の構成＞
受光部５０は、図１に示すように、化合物半導体積層部２０以外に、配線部や出力端子、電極部を備えていてもよい。複数の受光素子を直列または並列に接続するための配線部を設ける場合、配線部と化合物半導体積層部２０の側面に絶縁層６０を備えていていることが好ましい。絶縁層６０の材料としては酸化シリコンや窒化シリコン等が挙げられるが、絶縁性の材料であれば何れの材料であってもよい。また、接続端子やパッド以外に受光部全体を覆うように保護層を設けてもよい。保護層を設ける場合、赤外線透過率の高い材料を用いることが好ましく例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタンや窒化チタン等が挙げられる。

＜赤外線センサ装置の実施形態＞
次に、図１で説明した受光部５０を用いた赤外線センサ装置の具体的な実施形態を、図面を参酌しながら説明する。なお、受光部５０ａ、５０ｂの具体的な構成は図１を用いて説明した通りであり、受光部５０ａ、５０ｂの詳細な説明（例えば化合物半導体積層部２０の詳細構造、絶縁層６０、第２のメサ部２０２等）は省略する。

＜第１実施形態＞
図２は本発明の第１実施形態にかかる赤外線センサ装置の模式図である。
図２（ａ）は平面模式図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。図２（ａ）中、赤外線遮蔽部３０ａ、３０ｂ、および出力端子３１ａ、３１ｂはエッジ部のみを点線で示している。
第１実施形態における赤外線センサ装置は、同一基板１０上に形成された、２つの受光部５０ａ及び５０ｂを備える。

受光部５０ａは、例えば、ＰＮ接合部またはＰＩＮ接合部を有するメサ形状の化合物半導体積層部２０ａを備えた受光素子と、化合物半導体積層部２０ａの一部を覆う赤外線遮蔽部３０ａと、出力端子３１ａと、を有する。同様に、受光部５０ｂは、ＰＮ接合部またはＰＩＮ接合部を有するメサ形状の化合物半導体積層部２０ｂを含む受光素子と、化合物半導体積層部２０ｂの一部を覆う赤外線遮蔽部３０ｂと、出力端子３１ｂと、を有する。そして、これら各部は、図２に示すように、出力端子３１ａ、化合物半導体積層部２０ａ、化合物半導体積層部２０ｂ、出力端子３１ｂの順に基板１０上に、直線上に並べて配置される。

受光部５０ａ、５０ｂの化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂは、略同一のメサ形状に形成され、メサ形状を形成する４つの側面は、化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂにおいてそれぞれ対応する側面どうしが平行となるように形成される。
赤外線遮蔽部３０ａは、受光部５０ａの化合物半導体積層部２０ａの一部を覆い、化合物半導体積層部２０ａの側面に赤外線遮蔽部３０ａで覆われていない側面を形成する。図２の場合には、赤外線遮蔽部３０ａは、メサ形状の化合物半導体積層部２０ａの上面全面と、化合物半導体積層部２０ａの、化合物半導体積層部２０ｂ側の面全体を含む３つの側面を覆うように配置される。

これにより、赤外線遮蔽部３０ａは、化合物半導体積層部２０ａの４つの側面のうち、化合物半導体積層部２０ｂとは逆側の側面である図２において右側の側面４０ａは覆わず、上面全面と、４つの側面のうち化合物半導体積層部２０ｂ側の側面全面とを覆い、且つ側面４０ａの左右に隣接する２つの側面の、側面４０ａと逆側の部分のみを覆うように配
置される。受光部５０ａにおいて受光素子に含まれる化合物半導体積層部２０ａの４つの側面のうち、赤外線遮蔽部３０ａにより覆われていない領域の比率が最大となる面は、側面４０ａであることから、この側面４０ａが主入射面となる。

同様に、赤外線遮蔽部３０ｂは、受光部５０ｂの化合物半導体積層部２０ｂの一部を覆い、化合物半導体積層部２０ｂの側面に赤外線遮蔽部３０ｂで覆われていない側面を形成する。図２の場合には、赤外線遮蔽部３０ｂは、メサ形状の化合物半導体積層部２０ｂの上面全面と、化合物半導体積層部２０ｂの、化合物半導体積層部２０ａ側の面全体を含む３つの側面を覆うように配置される。

これにより、赤外線遮蔽部３０ｂは、４つの側面のうち、化合物半導体積層部２０ａとは逆側の側面である図２において左側の側面４０ｂは覆わず、上面全面と４つの側面のうち側面４０ｂと向かい合う側面全面とを覆い、且つ側面４０ｂの左右に隣接する２つの側面の側面４０ｂと逆側の部分のみを覆う。受光部５０ｂにおいて受光素子に含まれる化合物半導体積層部２０ｂの４つの側面のうち、赤外線遮蔽部３０ｂにより覆われていない領域の比率が最大となる面は、側面４０ｂであることから、この側面４０ｂが主入射面となる。

つまり、図２（ａ）に示すように、２つの受光部５０ａ、５０ｂのうち、一方の受光部５０ａの受光素子の化合物半導体積層部２０ａの赤外線遮蔽部３０ａで覆われていない主入射面としての側面４０ａと、他方の受光部５０ｂの受光素子の主入射面としての側面４０ｂとが平行とならないように、メサ形状に形成された化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂの４つの側面の中から主入射面となる側面４０ａ、４０ｂが選定される。

メサ形状の化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂにおいて互いに平行とならない側面４０ａ、４０ｂを主入射面とすることによって、図２に示すように、一方の受光部５０ａの視野ＦＯＶａと、他方の受光部５０ｂの視野ＦＯＶｂとは異なる。つまり、化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂにおいて互いに平行となる側面を主入射面とした場合、受光部５０ａ、５０ｂの視野は同一方向となる。受光部５０ａ、５０ｂの視野が異なる方向となるようにするため、化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂにおいて互いに平行とならない側面、例えば側面４０ａ、４０ｂが主入射面となるようにしている。

赤外線遮蔽部３０ａ、３０ｂを金属材料で形成することにより、赤外線遮蔽部３０ａおよび出力端子３１ａからの出力と、赤外線遮蔽部３０ｂおよび出力端子３１ｂからの出力とに基づいて、検出対象物が各視野内に存在するか否か、或いは、検出対象物の動作を検知することが可能になる。
例えば、この赤外線センサ装置を利用者の在席検知装置として用いた場合、一方の受光部５０ａの視野ＦＯＶａを人体が存在する可能性の低い領域（例えば天井等）に設定し、他方の受光部５０ｂの視野ＦＯＶｂを人体が存在する可能性の高い領域（例えばモニタの正面等）に設定した場合、両受光部５０ａ、５０ｂの出力の差分が閾値よりも小さければ離席中と検知でき、両受光部５０ａ、５０ｂの出力の差分が閾値よりも大きければ在席中であることを検知できる。例えば、図２に示すように、受光部５０ａ、５０ｂの出力端子３１ａ、３１ｂの出力を演算回路８０に入力し、演算回路８０において、受光部５０ａと受光部５０ｂとで出力の差分を演算し、この差分と予め設定した差分の閾値とを比較することにより、座席中であるか否かを判定し、その結果を例えば表示装置などに表示することにより、在席検知結果を通知するようにすればよい。

＜第２実施形態＞
図３は本発明の第２実施形態にかかる赤外線センサ装置の模式図である。
図３（ａ）は平面模式図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。図３（ａ）中、赤外線遮蔽部３０および出力端子としての電極３１ａ、３１ｂはエッジ部のみを点線で示した。
第２実施形態にかかる赤外線センサ装置は、第１実施形態にかかる赤外線センサ装置と比較して、一体の赤外線遮蔽部３０によって、両受光部５０ａ、５０ｂの化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂの一部を覆っている点、つまり、赤外線遮蔽部３０が共通している点で異なる。

図３に示すように、赤外線遮蔽部３０は、受光部５０ａの化合物半導体積層部２０ａの上面から受光部５０ｂの化合物半導体積層部２０部の上面にかけて配置される。その結果、赤外線遮蔽部３０により、受光部５０ａの、図３において右側の側面４０ａは覆われず、上面全面と側面４０ａと向かい合う側面全面と側面４０ａの左右に隣接する２つの側面の、側面４０ａと逆側の部分のみとが覆われ、受光部５０ｂの、図３において左側の側面４０ｂは覆わず、上面全面と側面４０ｂと向かい合う側面全面と側面４０ｂの左右に隣接する２つの側面の側面４０ｂと逆側の部分のみとが覆われ、さらに、受光部５０ａと受光部５０ｂとの間が覆われる。

つまり、第２実施形態においても、受光部５０ａ、５０ｂのメサ形状の化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂの４つの側面のうち、互いに平行とならない側面４０ａと４０ｂとが主入射面となる。
次に、第２実施形態の赤外線センサ装置の動作について図４を用いて説明する。図４（ａ）は図３において２つの受光素子つまり化合物半導体積層部２０ａ及び２０ｂが直列接続されてなる受光部５０ａ及び５０ｂそれぞれを一つのダイオードとしてみたときの等価回路図であり、図４（ｂ）は該ダイオードを回路で示した等価回路図である。

受光部５０ａ及び５０ｂのそれぞれでは、検出対象の光が化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂの光吸収層に侵入すると、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層側へ拡散し、ホールがｐ層側へ拡散してｎ層とｐ層との間に光起電力ＩｐＡ及びＩｐＢが生成される。
図４（ｂ）において出力端子３１ａ，３１ｂ間で生じた信号について説明する。

受光部５０ａ及び５０ｂはそれぞれ内部抵抗としてＲ_０Ａ及びＲ_０Ｂを有しているため、出力端子３１ａ及び３１ｂ間に流れる電流Ｉｐは次式（１）で表される。
Ｉｐ＝（ＩｐＡ×Ｒ_０Ａ−ＩｐＢ×Ｒ_０Ｂ）／（Ｒ_０Ａ＋Ｒ_０Ｂ） ……（１）
また、内部抵抗Ｒ_０Ａ及びＲ_０Ｂが同一であれば、Ｉｐは次式（２）で表される。
Ｉｐ＝（１／２）×（ＩｐＡ−ＩｐＢ） ……（２）
つまり、出力端子３１ａ、３１ｂ間の信号によって、受光部５０ａ、５０ｂで生じた信号の差分を出力可能であることがわかる。つまり、第２実施形態の場合、受光部５０ａ、５０ｂで生じた信号の差分を演算しなくてすむため、その分、演算回路８０での処理負荷を軽減することができる。

以上説明したように、第１及び第２実施形態の受光デバイス、すなわち赤外線センサ装置は、アンプや演算素子等といった他の手段を介さずに、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、微弱の輻射光源の位置・移動を検出するのに好適である。
また、出力端子３１ａ及び３１ｂが接続される演算回路８０をさらに備えることにより、第１および第２の受光部５０ａ、５０ｂで生じた信号の差分、また、差分と閾値との比較結果を容易に得ることが可能になる。演算回路８０の具体的な様態については特に制限されないが、例えばオペアンプと抵抗を用いた演算回路８０等を用いることができる。このオペアンプの具体的な例としては、トランスインピーダンスアンプ（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅアンプ）が挙げられる。トランスインピーダンスアンプは、出力端子の出力電流を電圧信号に変換する。このようなオペアンプを２つの受光部５０ａ、５０ｂの出力端子３１ａ、３１ｂに接続すると、出力端子３１ａ、３１ｂが低いインピーダンスによって短絡（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｓｈｏｒｔ）され、差分の短絡電流が出力される（式（２））。また、オペアンプの出力にはこの差分電流に比例した電圧信号が得られる。

なお、ここでは、出力端子から得られる電流を示したが、高入力インピーダンスのアンプを利用すると開放電圧の取り出しが可能となる。従って、受光部５０ａと受光部５０ｂのそれぞれの開放電圧の差が得られる。用途によって開放電圧を出力しても良いが、多くの場合、特にナローギャップの半導体（ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、等）で形成された受光部の場合、受光部の内部抵抗の温度特性の影響を受けにくくするには、上記の説明のように、短絡電流を出力した方が好ましい。

＜第３実施形態＞
図５は本発明の第３実施形態にかかる赤外線センサ装置の模式図である。
図５（ａ）は平面模式図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。図５（ａ）中、赤外線遮蔽部３０ａ、３０ｂおよび出力端子としての電極３１ａ、３１ｂはエッジ部のみを点線で示した。
第３実施形態の赤外線センサ装置は、受光部５０ａ、５０ｂが、それぞれ複数の受光素子が直列接続されている点で、第１実施形態と異なる。図５では受光部５０ａ、５０ｂともそれぞれ３個の受光素子が直列接続されている。

なお、受光部５０ａの受光素子の化合物半導体積層部２０ａの赤外線遮蔽部３０ａで覆われていない側面４０ａは、直列接続された受光素子全ての間で平行であり、受光部５０ｂの受光素子の化合物半導体積層部２０ｂの赤外線遮蔽部３０ｂで覆われていない側面４０ｂも直列接続された受光素子全ての間で平行である。
複数の受光素子が直列接続されていることにより、第１実施形態の赤外線センサ装置よりもより高感度な赤外線センサ装置となる点で好ましい。

図５に示した第３実施形態の赤外線センサ装置は、各受光部５０ａ、５０ｂのそれぞれにおいて、受光素子としての化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂの赤外線遮蔽部３０ａ、３０ｂで覆われていない側面４０ａどうし、４０ｂどうしが平行である。つまり、各受光素子において化合物半導体積層部の、赤外線遮蔽部により覆われていない領域の比率が最大となる側面、つまり４０ａ、４０ｂがそれぞれ直列に接続された受光素子全ての間で平行であるため、いずれかの受光素子の側面４０ａ、４０ｂが主入射面となる。
図５の場合、受光部５０ａにおける主側面である４０ａと、受光部５０ｂにおける主側面である４０ｂとは平行ではないため、側面４０ａ、４０ｂを主側面とすることによって、視野の異なる２つの受光部５０ａ、５０ｂを備えた赤外線センサ装置を実現することができる。

なお、図５において、例えば、受光部５０ａの各受光素子の化合物半導体積層部の、赤外線遮蔽部により覆われていない領域の比率が最大となる側面４０ａがそれぞれ直列に接続されたいずれかの受光素子間で非平行である場合には、受光部５０ａの中心から等距離の球面上で同じ強度の光源を移動させたとき受光部５０ａの出力が最も大きくなるときの光源中心位置と受光部５０ａの中心とを結んだ直線に垂直な面を主入射面とする。そして、このようにして設定される受光部５０ａの主入射面と、受光部５０ｂの主入射面とが平行とならないように、受光部５０ａ、５０ｂの各受光素子において、赤外線遮蔽部３０ａ、３０ｂにより覆う化合物半導体積層部２０ａ、２０ｂの面を決定すればよい。
そして、図５に示すように、複数の受光素子を有する受光部を用いた場合も、出力端子３１ａ、３１ｂの出力の差分を、演算回路８０により演算し、閾値と比較することにより、検出対象物が各視野内に存在するか否か、或いは、検出対象物の動作を容易に検知することができる。

＜第４実施形態＞
図６は本発明の第４実施形態にかかる赤外線センサ装置の模式図である。
図６に示すように、第２実施形態における赤外線センサ装置１００を、光学窓５０１が設置されたパッケージケース５００内に配置し、赤外線センサ装置１００の２つの出力端子（図示せず）とパッケージケース５００内の配線（図示せず）とをワイヤ５０２で接続している。パッケージケース５００内の配線を介して、赤外線センサ装置１００の出力信号を外部に取り出して、第２実施形態における赤外線センサと同様に演算回路８０で演算してもよい。或いは、パッケージケース５００内に信号処理部を設置し、パッケージケース５００内の配線からの出力信号を該信号処理部に入力し、信号処理部での演算処理により得た所望の出力信号を外部に取り出すようにしてもよい。
第４実施形態の赤外線センサ装置において、パッケージケース５００を、実質的に赤外線を遮蔽する部材で構成すれば、赤外線センサ装置１００の基板の第２の主面側、すなわち化合物半導体積層部が形成されない側に赤外線遮蔽部を更に備える必要はなく、所望の異なる視野を複数有する赤外線センサ装置を実現できる。

＜実施形態の効果＞
このように、本実施形態では、２つの受光部それぞれのメサ形状の化合物半導体積層部の側面のうち、互いに平行とならない側面を赤外線遮蔽部で覆われていない主入射面とするため、主入射面の向きに応じて決定される視野が、２つの受光部において異なることになる。したがって、外付けの部品等を設けることなく、視野の異なる２つの受光部を有する赤外線センサ装置を実現することができ、赤外線センサ装置の小型化を図ることができる。

以下、本実施形態の赤外線センサ装置に用いる受光部５０の一例を説明する。
ＧａＡｓ基板上に、厚さ１μｍのｎ型ＩｎＳｂ層、厚さ２μｍのπ型ＩｎＳｂ層、厚さ０．０２μｍのＡｌＩｎＳｂのバリア層、及び厚さ０．５μｍのｐ型のＩｎＳｂ層をこの順に積層し、ＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を形成した。
その後、フォトレジストマスクを利用して、２段階のウェットエッチングを施し、図１に示した様な第１のメサ部２０１と第２のメサ部２０２とを有する受光素子を形成した。第１のメサ部２０１の高さは２．８２μｍ、第２のメサ部２０２の高さは０．７μｍであった。第１のメサ部２０１の底面つまり第２のメサ部２０２と接している面は９０μｍ×９０μｍの正方形状とした。第１のメサ部２０１の斜面と基板１０の表面とのなす角度は４５度であった。

第１および第２のメサ部２０１、２０２を形成後、窒化シリコンからなる絶縁層６０を形成し、第１のメサ部２０１の頂部（ｐコンタクト部）２０１ａと第２のメサ部２０２の頂部（ｎコンタクト部）２０２ａの一部の窒化シリコンを除去し、コンタクトホールを形成した。
次いで、フォトレジストマスクを利用してＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉの積層配線構造からなる赤外線遮蔽部３０をリフトオフ法により形成し、第１のメサ部２０１の一の側面を除く第１のメサ部２０１及び第２のメサ部２０２、基板１０を含む部分に、赤外線遮蔽部３０を形成した。これにより、第１のメサ部２０１の一部の側面に、赤外線遮蔽部３０で覆われていない側面４０を形成し、受光部５０を作製した。

この受光部５０を用いて、温度５００Ｋの黒体炉輻射に対する出力信号を測定した。
測定方法として、黒体炉の出射口（径φ２２ｍｍ）から１０ｃｍの距離に受光部５０を置き、受光部５０の側面４０への水平面を基準とする入射角度を変化させながら、受光部５０の出力信号を測定した。外乱の影響を除去できるように、黒体炉輻射のチョッピングによる変調及びロックインアンプを利用した復調を利用した。

図７はその測定結果を示したものであり、横軸は入射角度、縦軸は受光部５０の出力信号である。
その結果、図１において、受光部５０の中心部Ｍを通る水平面を零度として右周りに角度が大きくなるものとすると、図１に破線で示すように、受光部５０への入射角が１３５度（基板垂直に対して４５度）付近で最も高い出力が得られることが分かる。受光部５０への入射角が０〜４５度の場合、つまり、図１において、化合物半導体積層部２０の主入射面である側面４０に向かい合う側面に赤外線が入射される場合には、幾何学的には黒体炉から出力された赤外線が直接光吸収層２２に入射されることはないが、受光部５０の出力として、入射角１３５度の場合の半分程度の出力が確認された。これは第２のメサ部２０２の赤外線遮蔽部３０で覆われていない領域から赤外線が基板１０内に入射し、基板１０の第２の主面１０ｂで反射し、間接的に光吸収層２２に赤外線が入射したためと考えられる。いずれにせよ、本実施例より、本実施形態の赤外線センサ装置によれば、受光部の受光素子の化合物半導体積層部に赤外線遮蔽部で覆われていない主入射面としての側面を設け、このような受光部５０を同一基板１０上に複数設け且つ受光部５０間で主入射面が非平行となるように受光部５０を形成し、対象の赤外線を、いずれかの主入射面から入射させることにより、レンズや複雑な光学系、視野制限部などの外付け部品を用いることなく、異なる視野からの光を分離・選択して検出することが可能な赤外線センサ装置を実現できることが確認できた。

＜その他＞
なお、上記実施形態においては、化合物半導体積層部２０をメサ形状に形成した場合について説明したがこれに限るものではなく、多面体形状であってもよい。
また、面の面積は化合物半導体積層部２０内において同一でなくてもよい。同様に、複数の受光素子を備えた受光部の場合、複数の受光素子間で、化合物半導体積層部２０の各面の面積が異なっていてもよい。

また、上記実施形態においては、メサ形状の化合物半導体積層部２０の４つの側面のうちの一の側面を、赤外線遮蔽部３０で覆わないようにした場合について説明したが、一の側面全面を赤外線遮蔽部３０で覆わないようにしてもよく、入射される赤外線に応じた出力特性を発揮できる程度の赤外線遮蔽部３０で覆われていない領域が残っていればよい。
また、上記実施形態においては、複数の受光部が共に、受光素子を１つのみ有する場合、或いは複数の受光素子を有する場合について説明したがこれに限るものではない。各々の受光部を構成する受光素子の数が異なっても良く、また、一の受光部は主入射面が平行な複数の受光素子を有し、他の受光部は主入射面が非平行な複数の受光素子を有する構成であってもよい。

また、各受光部の共通接続点に接続される出力端子を設けても良い。
また、上記実施形態においては、赤外線センサ装置が２つの受光部を備える場合について説明したがこれに限るものではなく、３つ以上の受光部を備える場合であっても適用することができ、３つ以上の受光部を設けることによって、異なる３方向以上の方向からの赤外線を分離し、検出することができる。

また、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態や実施例に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態や実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、各実施形態や実施例を任意に組み合わせてもよく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす、すべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

本発明は、人感センサ等に応用される、複数の受光部を備えた赤外線センサ装置として好適である。

１０ 基板
２０、２０ａ、２０ｂ 化合物半導体積層部
２１ ｎ型化合物半導体層
２２ 光吸収層（ｉ型化合物半導体層）
２３ ｐ型化合物半導体層
２４ バリア層
２０１ 第１のメサ部
２０２ 第２のメサ部
３０、３０ａ、３０ｂ 赤外線遮蔽部
３１ａ、３１ｂ 出力端子
４０、４０ａ、４０ｂ 赤外線遮蔽部で覆われていない側面
５０、５０ａ、５０ｂ 受光部
６０ 絶縁層
１００ 赤外線センサ装置
５００ パッケージケース
５０１ 光学窓
５０２ ワイヤ

Claims (6)

1. フォトダイオード構造を含む多面体形状の化合物半導体積層部を有する受光素子と前記化合物半導体積層部の一部を覆う赤外線遮蔽部とを備えた受光部を複数有し、当該受光部それぞれに含まれる前記受光素子は同一基板上に形成されており、
   前記受光部それぞれにおいて、前記化合物半導体積層部の各平面のうち、少なくとも一部が前記赤外線遮蔽部により覆われていない平面のうちの一面が当該受光部の主入射面であり、
   前記主入射面が、複数の前記受光部間で非平行である赤外線センサ装置。
2. 複数の前記受光部は、前記受光素子を１つのみ備える第１の受光部を含み、
   当該第１の受光部の前記受光素子が含む前記化合物半導体積層部の各平面のうち、前記赤外線遮蔽部により覆われていない領域が最大となる一の平面を、前記主入射面とする請求項１に記載の赤外線センサ装置。
3. 複数の前記受光部は、直列接続された複数の前記受光素子を有する第２の受光部を含み、
   前記第２の受光部において、一の前記受光素子が含む前記化合物半導体積層部の各平面のうち、前記赤外線遮蔽部により覆われていない領域が最大となる一の平面が前記受光素子全ての間で平行であり、
   複数の前記受光素子のうちのいずれかの受光素子の前記一の平面を、前記主入射面とする請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ装置。
4. 複数の前記受光部は、直列接続された複数の前記受光素子を有する第３の受光部を含み、
   前記第３の受光部において、一の前記受光素子が含む前記化合物半導体積層部の各平面のうち、前記赤外線遮蔽部により覆われていない領域が最大となる一の平面が前記受光素子いずれかの間で非平行であり、
   前記受光部の中心から等距離の球面上で強度一定の光源を移動させたときに前記受光部の出力が最大となるときの前記光源の中心位置と前記受光部の中心とを結ぶ直線に垂直な平面を前記主入射面とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の赤外線センサ装置。
5. 前記フォトダイオード構造は、ＰＮ接合部又はＰＩＮ接合部を含む請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線センサ装置。
6. 前記化合物半導体積層部は４つの側面を有するメサ形状である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の赤外線センサ装置。

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