JPH01276778A - 位置検出用半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は半導体素子の表面に照射された入射光ビーム
によって、被検物等の位置検出を行う位置検出用半導体
装置及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術〕 半導体ビーム位置検出用素子（以下Ｐ、Ｓ、Ｄ。

：　Ｐｏ５ｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅ
ｃｔｏｒという）は、半導体素子表面に照射された入射
ビームの位置検出を主たる機能とする半導体センサの一
種である。

Ｐ、Ｓ、Ｄ、による光ビーム位置検出の原理は半導体表
面における“Ｌａｔｅｒａｌ　Ｐｈｏｔ：ｏ　Ｅｆｆｅ
ｃｔ”を利用したもので、その概略は以下の通りである
。

即ち、この素子に入射してくる光のエネルギーによって
半導体素子の中に電流が生成され、この電流か、素子端
部に同一極性の部分に少なくとも２つ以上設けられた電
極へ向かって流れる際に、その電流の大きさか電極まで
の距離に反比例して決まるため、発生する光電流の大き
さを各電極において別々に測り、簡単な演算を行えば、
入射光ビームの位置を知ることができる。

入射光ビームの位置を知る目的に従来から使用されてき
たのは、ビデオカメラ等でおなじみのＣＣＤやＭＯＳ型
イメージセンサなどの固体撮像素子である。しかし、こ
れらのものは数十刃側から数百刃側の検出素子（画素）
を持ち、それを順次走査して信号を取出すため、■信号
読出し回路が複雑、■検出速度が走査速度（フレーム時
間）により決定されそれ以上の時間分解能が得られない
、■画素間に不感領域かある、■位置分解能か画素の大
きさで決定される、などの問題がある。

また、通常、複雑な信号処理回路と数十刃、数百万の画
素を同一チップ上に形成するので製造も難しく、また、
チップ間の素子特性のバラツキか製品要求仕様の条件の
厳しい応用分野ての予備部品安定供給などを難しくして
いる。

これに対し、Ｐ、Ｓ、Ｄ、は走査を行わずに１個の検出
素子により、照射された光の位置を検出する方法であっ
て、近年多く用いられるようになった。

第３図（ａ）は従来のＰ、Ｓ、Ｄ、を説Ｅ１１するため
の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図であ
る。第３図において、低濃度のｎ−型半導体ウェハ１の
第１面にＰ型層２の正方形３の部分を形成し、この正方
形３を受光面とし、このｐ型の正方形３の端部の対向す
る２辺に沿って高濃度のｐゝ領域４．５を形成し、ｐ＋
領域４．５の表面に金属電極７，８を設けて出力電極と
し、この電極以外の正方形３からなる第１面の少なくと
もｐ−ｎ接合部に透明な絶縁層６が形成されている。そ
して、ｎ−型半導体ウェハ１の第１面の裏側にｎ０層９
を形成し、このｎ４層９の一部に電極１０か設けである
。

したかって、ｐ型の正方形３の電極のない２辺１１．１
２はｐ−ｎ接合面が形成されているから、正方形３の外
側の比抵抗が実質的に無限と考えて、受光した光による
光電流は１１．１２を越えて外側のｎ領域へ電流が流れ
ることはない。そして、第１面に表れるｐ−ｎ接合は透
明な絶縁層６によって保護されているので、リーク電流
は生じない。

この結果、第３図（ａ）、（ｂ）のＰ、Ｓ、Ｄ。

は受光面の中心を原点０とし、電極のない２辺１１．１
２に平行にＸ軸を、電極７．８に平行にＹ軸をとり、電
極７と８の間隔を２Ｌとすると、受光面の点Ｑ（ｘ、ｙ
）に点状の光か入射したとき、各電極７，８に流れる電
流Ｉｔ、Ｉ（１は１、＋１．＝Ｉ。

とすると、 Ｉ　７＝　Ｉ　ｏ　　（１ｘ／　Ｌ）　／　２Ｉ　ａ　
＝　Ｉ　ｏ　　（１＋　ｘ　／　Ｌ　）　／　２となり
、 Ｉａ−１？　＝ＩＯ”Ｘ／Ｌ ｘ＝Ｌ　（Ｉａ　　　１７　）　／　１０から、位置座
標Ｘは ｘ＝Ｌ　（Ｉａ　　１７　）／　（Ｉｌｌ　＋Ｉ７　）
から求められる。

また、第３図のＰ、Ｓ、Ｄ、はｎ−型半導体ウェハｌの
ｎ゛層９電極７，８の辺とは異なる対向する２辺に電極
を設けて、ｙ座標を求めることにより、２次元光位置検
出器として機能する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記Ｐ、Ｓ、Ｄ、のような従来の位置検出用半導体装置
は、半導体結晶の欠陥、製造工程中の熱サイクルによる
損傷及び不純物（汚染物）の存在に起因する結晶欠陥等
が原因でリーク電流等が発生したり、また、結晶に欠陥
部分があると均一な抵抗層か形成できないので光ビーム
位置の充分に高精度な検出ができないという問題があっ
た。

この発明はかかる課題を解決するためになされたものて
、良質な半導体結晶を積層して高精度の光ビーム位置検
出を行うことのできる位置検出用半導体装置及びその製
造方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために　この発明の位置検出用半
導体装置は接地用の電極を有する第一導電型半導体基板
２１と、この第一導電型半導体基板２１の面（第１面）
に形成された第二導電型層２２と、この第二導電型層２
２の上面（第２面）の中心領域に形成された長方形の第
一導電型層２３と、前記第二導電型層２２の周辺端部の
前記第１面から前記第２面に達する領域に設けられた少
なくとも１回りの領域の第一導電型領域２４と、前記長
方形の第一導電型層２３の前記第２面上における端部の
対向する２辺に設けられ、この長方形の第一導電型層２
３上に接触する１対の電極２５．２６と、前記第二導電
型層２２における前記第２面上の端部の対向する２辺て
あって、前記第一導電型層２３上の１対の電極２５．２
６を結ぶ線に対して直交する方向に、第二導電型層２２
に接触する１対の電極２７、２６とをそれぞれ具備した
もの、あるいは前記半導体基板２１に替えて絶縁性基板
を用いたものであり、その製造方法は第一導電型半導体
基板２１の前記第１面に第二導電型層２２をエピタキシ
ャル法により結晶成長させて形成し、この第二導電型層
２２の一部を、熱拡散法により前記第一導電型半導体基
板２１の前記第１面に達する少なくとも１回りの枠形状
の第一導電型領域２４を複数個設けて分割し、この第一
導電型領域２４に分割された複数領域の第二導電型層２
２の前記第２面の各領域にイオン注入法または熱拡散法
によって長方形の第一導電型層２３を各々に形成し、こ
れら長方形の各第一導電型層２３、の前記第２面上にお
ける各端部の対向する２辺に前記長方形の第一導電型層
２３に接触するｌ対の電極２５．２６を形成し、この１
対の電極２５．２６を結ぶ線に対して直交する方向の前
記第二導７１ｉ型層２２の各領域上の第２面上における
対向する２辺に前記第二導電型層２２に接触する電極２
７、２６を形成する方法もしくは前記半導体基板に替え
て絶縁性基板を用いて製造する方法である。

［作用］ 上記の構成及び製造方法により、この発明の位置検出用
半導体装置の性能評価因子である位置検出性能について
、ｘ、Ｙ方向ともに９９．９％の高い直線性を得ること
かでき、位置検出分解能（検出可能な光ビームの最小変
位量）も１／１０００＋ｓｍのレベルを実現することか
てき、応答速度も１０〜１５μｓｅｃになる。

［実施例コ 第１図（ａ）はこの発明の位置検出用半導体装置の一実
施例を示す斜視図で、同図（ｂ）は同図（ａ）の一つの
装置を構成する区分の断面図である。

第１図（ａ）、（ｂ）において、２１はｐ型の半導体基
板、２２はこのｐ型の半導体基板２１に積層されたｎ型
層、２３はこのｎ型層２２内に形成されたｐ！Ｓ、層、
２４はｎ型層２２の周辺に設けられた高濃度のｐ１領域
、２５．２６はｐ型層２３の表面（第２面）端部に設け
られたｐ型層２３と接触する１対の電極、２７、２６は
この電極２５．２６を結ぶ線と直交する位置であって、
ｎ型層２２の表面（第２面）端部に設けられ、ｎ型層２
２と接触する１対の電極である。

次に、この第１図（ａ）、（ｂ）に示した位置検出用半
導体装置の製造方法について述べる。

まず、Ｓ、からなるｐ型の半導体基板２１の第１面（表
面）に例えば、厚さ１０μ履のｎ型層２２をエピタキシ
ャル法により結晶成長させて形成し、このｎ型層２２に
対して、熱拡散法により前記ｐ型の半導体基板２１の第
１面に達する少なくとも１回りの枠形状のｐ＋領域２４
を複数個設けて分割し、このｐ＋望域２４に分割された
複数領域のｎ型層２２の第２面である表面の各領域にイ
オン注入法または熱拡散法によって正方形のｐ型層２３
を各々形成する。次に、これら正方形の各ｐ型層２３の
第２面上における各端部の対向する２辺に前記正方形の
ｐ型層２３に接触する１対の電極２５．２６を形成し、
この１対の電極２５゜２６を結ぶ線に対して直交する方
向の前記ｎ型層２２の各領域上の第２面上における対向
する２辺にｎ型層２２に接触する電極２７、２６を形成
する。その後、ｐ＋領域２４の部分で鋸等による機械的
加工もしくはエツチング等による化学的処理により各装
置に分割する。

次に第１図の位置検出用半導体装置によって被検物の位
置を検出する方法を第２図を用いて説明する。

第２図（ａ）はこの発明における被検物からの入射光に
よって被検物の位置を検出する際の位置検出用半導体装
置の概略説明図で、同図（ｂ）は同図（ａ）の位置検出
用半導体装δの断面図である。

第２図において、ｐ型層２３とｎ型層２２に逆バイアス
の電圧、即ちｐ型層２３に負電圧を、ｎ型層２２に正電
圧を印加してｐ型層２３の表面（第２面）に被検物から
の光を照射すると、ｐ−ｎ接合の空乏層の中を光電流が
流れる。

今、電極２７、２６に平行にＸ軸、電極２５゜２６に平
行にＹ軸をとり、電極２５．２６間の間隔を２Ｌとする
と、受光面の点Ｑ’（ｘａ。

ｙ、）に点状の光が入射したとき、ｐ−ｎ接合の空乏層
の中を流れる光電流はｐ型層２３の各電極２５．２６に
達する。電極２５．２６に流れる電流をＩ２５＋１２６
として、 Ｉｏ　＝　１２９＋　Ｉ　２６ とすると。

Ｉｚｓ＝　Ｋｏ　　（Ｌ　　Ｘ、）／２Ｌ。

Ｉ　２６＝　Ｉ　ｌ、（Ｌ＋　Ｘａ　）　／　２　Ｌと
なるから Ｘａ＝Ｌ（Ｉ２５　　Ｉ２６）／　（Ｉ２５＋Ｉｚｒ、
）から座標ｘ８か求められる。

同様にＹ軸方向の座標は、逆バイアスされたｐ−ｎ接合
を流れる電流を測定することになり、電極２７、２６間
の間隔を２Ｍとし、 Ｉ　’　ｏ　＝１２７＋　１２８ とすると、 １２７＝Ｉ　’　０　　（Ｍ　　３’ａ　’）　／２Ｍ
。

Ｉ２＋１＝Ｉ　’　Ｏ（Ｍ＋ｙａ　）／２Ｍとなるから Ｙａ　＝Ｍ　（１２８Ｉ２７）　／　（Ｉ２７＋　Ｉ２
８）が得られる。

以上のようにして、受光面の点Ｑ’（ｘ、。

ｙａ）か求められ、それにより被検物の位置が検出でき
る。

尚、この際、アース電極２９をｐ型の半導体基板２１の
裏面から引出したが、高濃度のｐ３領域２４の第２面（
表面）から引出すことにすれば、同一の方向から各電極
の引出線を取出すことかてきる。また、上記各電極から
得られた信号電流を処理する信号処理回路は図示してい
ないが、各電極から得られる出力電流を電圧に変換し、
その出力を演算して検出する等の公知の処理方法によっ
て行うことかてきる。

第４図は第１図、第２図に示すこの実施例の位置検出装
置と第３図に示す従来のＰ、Ｓ、Ｄ、どの位置検出性能
についての比較を行った特性図で、横軸、縦軸は受光面
の座標をそれぞれ５００μｍずつの間隔でとり、各点の
検出位置の直線性をこの座標上に示したもので、（１）
〜（１３）の曲線はこの実施例における位置検出性能を
示す特性曲線であり、それ以外の（ａ）〜（ｍ）の曲線
は従来の位置検出性能を示す特性曲線である。

第４図から明らかなように、この実施例によると、受光
面の中心位置では精度の高い直線状態を示し、端部に行
くに従ってやや精度が下る程度て、誤差の範囲は０．１
％以内であるのに対し、従来のＰ、Ｓ、Ｄ、は受光面の
中心位置から遠ざかるに従って精度は大きく低下して、
誤差の範囲は数％〜１０％程度になる。

以上のことから、この実施例の位置検出用半導体装置は
従来のものに比して２桁精度の高いものであることかわ
かる。

また、前記実施例では基板としてＳ、からなる半導体基
板２１を用いたが、Ｇｅ、Ｇ、Ａ、。

ＩｎＰ、ＣＭＴ　（Ｃｄ、Ｈｇ、Ｔ、）もしくはアモル
ファスシリコン等を用いてよく、特にＧａＡ、を用いた
場合は基板へのリーク電流か少ないという利点かある。

また、ｐ型の半導体基板に替えてｎ型の半導体基板にす
ることも可能で、ｎ型の半導体基板を用いる場合は位置
検出用半導体装置としては前記実施例のようにｐｎｐの
装置ではなく、ｎｐｎの装置になり、周辺の分離領域を
ｐ′領域２４に替えてｎ＋領領域形成すればよい。

さらに、半導体基板２１に替えてサファイアのような絶
縁性基板を用いることが可能である。ただ、絶縁性基板
を用いる際は、その絶縁性基板の上に良質な半導体結晶
をエピタキシャル成長により積層することがてきるもの
てなければならない。そして、絶縁性基板を用いた場合
は基板自体が導電層ではないので、基板へのリーク電流
かなくなるという利点もある。

その他、前記実施例ては分蕩領域であるｐ゛領域２４を
１回り設けたか、受光面（実施例てはｐ型層２３）か狭
くならない程度に２回り以上設けることによって、各装
置をエツチングもしくは機械加工によって切り離す際の
クラックやひび割れ等の影響から免れることかてきる。

また、この高濃度のｐ゛領域しくはｎゝ領領域基板と同
じ導電型であるので、この高濃度の領域の上面（第２面
）から第３の電極を取出すことかできるために基板の裏
側に電極を設ける必要はない。

さらにまた、第１図、第２図の実施例ではｐ型層２３を
正方形にしたが、正方形に限らず長方形てあっても入射
光に対する位置検出は支障なく行うことかできる。

尚、半導体基板の軸方位は無指定てＣＺ（チョクラルス
キ）法によって種結晶棒て引き上げるのか、ＦＺ（フロ
ーティング・ゾーン）法て不純物を結晶中に均一に添加
して形成してもよい。

また、この発明のエピタキシャル成長は分子線エピタキ
シャル成長によるか、ＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅ＋ａｉｃａｌ
Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、高品
位の結晶層を形成している。その結果、アモルファスシ
リコンを用いたＰ、Ｓ、Ｄ、のような抵抗膜によるもの
と異なって、高品質の半導体結晶を抵抗層として、それ
によって入射光を光電流に変換し、抵抗分割しているの
て、高精度の位置検出を行うことができる。

［発明の効果］ 以上説明したとおりの構成を有することにより、この発
明の位置検出用半導体装置は、素子表面て直接光を検知
するので連続した位置信号か得られ、位置分解能か高く
、応答速度は速い。また、構造は簡単なので製造方法も
簡単であり、周辺の信号処理回路も簡単で、光量の変化
によって位置検出精度が影響を受けることもなく、Ｘ線
から近赤外線の広い波長範囲の光ビームの位置検出か回
部であり、光スポットの精密な焦点合わせも不要である
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の位置検出用半導体装置の一実
施例を示す斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の一つの装
置を構成する区分の断面図、第２図（ａ）はこの発明に
おける被検物からの入射光によって被検物の位置を検出
する際の位置検出用半導体装置の概略説明図、同図（ｂ
）は同図（ａ）の位置検出用半導体装置の断面図、第３
図（ａ）は従来のＰ、Ｓ、Ｄ、を説明するための平面図
、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図、第４図は第
１図、第２図に示すこの実施例の位置検出装置と第３図
に示す従来のＰ、Ｓ、Ｄ、どの位置検出性能についての
比較を行った特性図である。　図中。 ２に半導体基板 ２２：ｎ型層 ２３：ｐ型層 ２４：ｐゝ領領 域５．２６，２７，２８：電極 ２９：アース電極 代理人　弁理士　１）北　嵩　晴 （Ｇ）　　　　　　　　　　　（ｂ） 第１１１ 第Ｚｒ−１ 区 Ｃつ １　　　　　　　派

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）接地用の電極を有する第一導電型半導体基板２１
   と、この第一導電型半導体基板２１の面（第１面）に形
   成された第二導電型層２２と、この第二導電型層２２の
   上面（第２面）の中心領域に形成された長方形の第一導
   電型層２３と、前記第二導電型層２２の周辺端部の前記
   第１面から前記第２面に達する領域に設けられた少なく
   とも１回りの領域の第一導電型領域２４と、前記長方形
   の第一導電型層２３の前記第２面上における端部の対向
   する２辺に設けられ、この長方形の第一導電型層上に接
   触する１対の電極２５、２６と、前記第二導電型層２２
   における前記第２面上の端部の対向する２辺であって、
   前記第一導電型層２３上の１対の電極２５、２６を結ぶ
   線に対して直交する方向に、第二導電型層２２上に接触
   する１対の電極２７、２８とをそれぞれ具備したことを
   特徴とする位置検出用半導体装置。
2. （２）絶縁性基板と、この絶縁性基板の面（第１面）に
   形成された半導体の第二導電型層２２と、この第二導電
   型層２２の上面（第２面）の中心領域に形成された長方
   形の第一導電型層２３と、前記第二導電型層２２の周辺
   端部の前記第１面から前記第２面に達する領域に設けら
   れた少なくとも１回りの領域の第一導電型領域２４と、
   前記長方形の第一導電型層２３の前記第２面上における
   端部の対向する２辺に設けられ、この長方形の第一導電
   型層２３に接触する１対の電極２５、２６と、前記第二
   導電型層２２における前記第２面上の端部の対向する２
   辺てあって、前記第一導電型層２３上の１対の電極２５
   、２６を結ぶ線に対して直交する方向に、第二導電型層
   ２２に接触する１対の電極２７、２８とをそれぞれ具備
   したことを特徴とする位置検出用半導体装置。
3. （３）第一導電型半導体基板２１の面（第１面）に第二
   導電型層２２をエピタキシャル法により結晶成長させて
   形成し、この第二導電型層２２の一部を、熱拡散法によ
   り前記第一導電型半導体基板２１の前記第１面に達する
   少なくとも１回りの枠形状の第一導電型領域２４を複数
   個設けて分割し、この第一導電型領域２４に分割された
   複数領域の第二導電型層２２の上面（第２面）の各領域
   にイオン注入または熱拡散法よって長方形の第一導電型
   層２３を各々に形成し、これら長方形の各第一導電型層
   ２３の前記第２面上における各端部の対向する２辺に前
   記長方形の第一導電型層２３に接触する１対の電極２５
   、２６を形成し、この１対の電極２５、２６を結ぶ線に
   対して直交する方向の前記第二導電型層２２の各領域上
   の前記第２面上における対向する２辺に前記第二導電型
   層２２に接触する１対の電極２７、２８を形成すること
   を特徴とする位置検出用半導体装置の製造方法。
4. （４）絶縁性基板の面（第１面）に半導体の第二導電型
   層２２をエピタキシャル法により結晶成長させて形成し
   、この第二導電型層２２の一部を、熱拡散法により前記
   絶縁性基板の前記第１面に達する少なくとも１回りの枠
   形状の第一導電型領域２４を複数個設けて分割し、この
   第一導電型領域２４に分割された複数領域の第二導電型
   層２２の上面（第２面）の各領域にイオン注入または熱
   拡散法によって長方形の第一導電型層２３を各々に形成
   し、これら長方形の各第一導電型層２３の前記第２面上
   における各端部の対向する２辺に前記長方形の第一導電
   型層２３に接触する１対の電極２５、２６を形成し、こ
   の１対の電極２５、２６を結ぶ線に対して直交する方向
   の前記第二導電型層２２の各領域上の前記第２面上にお
   ける対向する２辺に前記第二導電型層２２に接触する１
   対の電極２７、２８を形成することを特徴とする位置検
   出用半導体装置の製造方法。