JPH02291182A - 光検出装置 - 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〕 本発明は特定の波長帯域の光を検出する波長選択性を有
する光検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、特定の波長帯域の光を検出するのには、一般的に
光センサの前面に光フィルタを配置し、この光フィルタ
の有する特性を検出する光の波長帯域に応じたものとす
ることにより、被検出光の中から特定の波長帯域の光成
分、例えば赤〜赤外光や紫外光〜青等の特定の波長帯域
を有する光成分を検出していた。または、光センザの前
面にプリズム等の分光器を配置することにより、特定の
波長帯域の光を検出していた。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の構成による特定波長帯域の光
の検出は、光フィルタおよび分光器が高価なものである
ためにコストがかかるという課題があり、また、検出す
る光の波長帯域に応じてその都度高価な光フィルタや分
光器を備えなければならないという課題もあった。また
、光フィルタにあっては特定波長よりも短波長または長
波長の光成分だけを通過させ得る特性を実現するのは大
変に困難であるという課題を有していた。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はこれら課題を解消するためになされたもので、
第１導電型の半導体基板に第２導電型の不純物領域か形
成されこの不純物領域に第１導電型の不純物領域か形成
された第１の受光部と，この第１の受光部の光検出特性
と異なるように半導体基板に第２導電型の不純物領域か
形成された第２の受光部と　第１の受光部の第１導電型
の不純物領域を第２の受光部の第２導電型の不純物領域
に電気的に接続する第１の配線部と，第１の受光部の第
２導電型の不純物領域を半導体基板に電気的に接続する
第２の配線部とを有するセンザ複合体と、第１の配線部
に現れる第１および第２の各受光部に発生する光出力電
流の差を増幅する増幅器とから構成されたものである。

また、第１および第２の各受光部の受光面積比を可変す
ることにより検出する光の波長帯域を可変するものであ
る。

〔作用〕

第１および第２の各受光部に同一の光か照射されると各
受光部には異なる光出力か発生し、これら出力の差は第
１の配線部に現れ、増幅器に入力されて増幅される。増
幅された出力は被検出光のうちの特定波長帯域の光成分
に比例するものになる。また、各受光部の受光面積比を
可変することにより、波長帯域に応じて各受光部に発生
ずる光出力電流の大きさは受光面積に比例して変化し、
検出する光成分の波長帯域は可変される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を表す概念図であり、紫外光
〜青の特定波長帯域の光成分を選択して検出するもので
ある。

光検出装置はセンサ複合体１と電流増幅器２とから構成
される。

センサ複合体１は、半導体基板３に複数形成された第１
の受光部ＰＤＩ，第２の受光部ＰＤ２および第１の配線
部４，第２の配線部５とから構成されている。半導体基
板３はボロン（Ｂ）を含むシリコン（Ｓ　ｉ）を祠料と
してｐ型に形成されている。第１の受光部ＰＤＩは、半
導体基板３にリン（Ｐ）を含んで深く形成されたｎ型の
不純物領域６と、この不純物領域６にボロンを含んで浅
く形成されたｐ型の不純物領域７とから構成されている
。第２の受光部ＰＤ２は半導体基板３に砒素（Ａｓ）を
含んでｎ型に形成された不純物領域８から描成され、こ
の不純物領域８は第１の受光部ＰＤＩの不純物領域７よ
りも浅く形成されている。

また、アルミニウム（ＡΩ）を用いた配線バタンニング
により、第１の配線部４および第２の配線部５か形成さ
れている。第１の配線部４は、第１の受光部ＰＤＩのｐ
型の不純物領域７とうじを電気的に接続し、第２の受光
部ＰＤ２のｎ型の不純物領域８とうじを電気的に接続し
ている。さらに、第１の配線部４は、各不純物領域７と
各不純物領域８とを電気的に接続し、オペアンプ９の反
転入力端子に接続されている。第２の配線部５は、ｎ型
の不純物領域６をｐ型の半導体基板３に電気的に接続し
、この接続はオーミックコンタクトにより行われている
。

電流増幅器２は、正極性の電源電圧ＶＣＣが与えられた
オペアンプつと、この反転入力端子と出力端子との間に
接続された抵抗Ｒｆとから構成されており、オペアンプ
９の非反転入力端子は接地されている。

センサ複合体１の等価回路は第２図に示される。

つまり、ｐ！！の不純物領域７とｎ型の不純物領域６と
は第１の受光部ＰＤＩの第１のｐｎ接合を形成し、ホト
ダイオード１０を構成する。ｎ型の不純物領域６とｐ型
の半導体基板３とは第１の受光部ＰＤＩの第２のｐｎ接
合を形成し、ホトダイオド１１を構成する。しかし、ホ
トダイオード１１は第２の配線部５によりそのｐｎ接合
間が短絡されているためにその機能は果たされず、ホト
ダイオード１０だけがその機能を果たす。また、ｎ型の
不純物領域８とｐ型の半導体基板３とは第２の受光部Ｐ
Ｄ２のｐｎ接合を形成し、ホトダイオード１２を構成す
る。さらに、配線部４により、センサ複合体１はホトダ
イオード１０とホトダイオード１２との逆並列接続に回
路構成されている。

このため、各ホトダイオード１０．１２に生じた光出力
電流Ｉ　　，Ｉ　　の差電流が配線部４に現れＡＢ る。

このような構成において、青〜紫外光を含む被検出光が
センザ複合体１に照射されると、半導体基板３にはキャ
リアが生成される。一般的に、短波長の光成分は基板の
深い位置まで達することがなく、浅い位置でキャリアを
生成し、長波長の光成分は基板の深い位置でキャリアを
生成する。また、第１の受光部ＰＤＩとして機能するホ
トダイオード１０の空乏層は、第２の受光部ＰＤ２とし
て機能するホトダイオード１２の空乏層よりも深い位置
に形成される。このため、空乏層にキャリアが捕えられ
る範囲（キャリアの拡散距離内）は、第１の受光部ＰＤ
Ｉは深い位置にあり、第２の受光部ＰＤ２は浅い位置か
ら深い位置にまである。

従って、第１の受光部ＰＤＩは長波長帯域の光成分によ
って生成されたキャリアを検出し、第２の受光部ＰＤ２
は短波長帯域から長波長帯域の光成分によって生成され
たキャリアを検出する。

この結果、各受光部ＰＤＩ，ＰＤ２の光検出特性は第３
図に示されるものになる。なお、同図の横軸は光の波長
［ｎｍ］，縦軸は分光感度［Ａ／Ｗ］を表す。

つまり、第１の受光部ＰＤＩは同図の特性曲線１３に示
される特性を有し、紫外光〜青の短波長帯域の感度は零
もしくは第２の受光部ＰＤ２の感度よりも相対的に小さ
くなっている。第２の受光部ＰＤ２は同図の特性曲線１
４に示される特性を有し、紫外光の短波長帯域から赤外
先の長波長帯域を含む光成分を検出する。また、各受光
部ＰＤ１，ＰＤ２は、可視光〜赤外光の長波長帯域の光
成分を同様な効率で検出する。これは、この帯域の光成
分に対しては第１の受光部ＰＤＩおよび第２の受光部Ｐ
Ｄ２におけるキャリアの拡散距離内が同様に形成されて
いるからである。

被検出光は各光成分ごとに電流に変換され、第１の受光
部ＰＤＩによって検出された光成分はｎ型の不純物領域
６からｐ型の不純物領域７に流れる電流ＩＡになり，第
２の受光部ＰＤ２によって検出された光成分はｎ型の不
純物領域８からｐ型の半導体括板３に流れる電流■８に
なる。各受光部ＰＤＩ，ＰＤ２に発生した電流１　　，
Ｉ　　はそＡＢ れらの差分が配線部４に現れ、この差分は電流増幅器２
によって増幅される。この結果、次式に示す電圧Ｅ　ｏ
ｕｔがオペアンプ９の出力端子に現れる。

Ｅｏｕｔ　＝ＲｆＸ　（Ｉ　　−Ｉ　　）　　　　［Ｖ
］ＢＡ ここで、（ＩＢ−ＩＡ）は背景光を含む入射光中に含ま
れる紫外光〜青の光量に比例し、紫外帯域てはＩＢ＞Ｉ
Ａになる。さらに、この減算値はオペアンプ９によりＲ
ｒ倍に反転増幅され、電圧Ｅ　ｏｕｔが得られる。電圧
Ｅ　ｏｕｔは第３図の斜線部に示された波長帯域の光成
分に比例するものになり、紫外光〜青の短波長帯域の光
成分のみを検出することが可能になる。

このような本実施例による装置の光検出特性は第４図の
特性曲線１５に示され、短波長帯域の特定波長成分に対
応したものになる。なお、同図のグラフの横軸は波長［
ｎｍｌ，縦軸は分光感度［Ａ／／Ｗコを表す。

特性曲線１５は各受光部ＰＤＩ，ＰＤ２の受光面積比が
１＝１の場合のものであるか、各受光部ＰＤＩ，ＰＤ２
の受光面積比を適宜可変することにより、得られる光検
出特性は可変する。すなわち、受光部ＰＤＩの受光面積
を受光部ＰＤ２の受光面積に比較して大きくすると、上
述した（ＩＢＩＡ）の値は小さくなり、得られる光検出
特性は特性曲線１６に示される特性になる。このように
各受光部ＰＤＩ，ＰＤ２の受光面積比を適宜選択するこ
とにより、検出する光の波長帯域のカットオフは紫外光
〜青の波長の間で自由に可変ずることが可能になり、所
望の光検出特性を持った装置か実現される。

また、オペアンプ９に与えられている電源電圧は正極性
の電圧ＶＣＣであるため、（Ｉ　　−ＩＡ）Ｂ の極性にかかわらす、オペアンプ９から実際に出力され
る電圧Ｅ　ｏｕｔは正極性成分のみになる。このため、
グラフ上に表現される特性曲線は縦軸における正極性成
分のみになり、負極性成分は除去されて光検出特性の把
握が容易になる。

さらに、センサ複合休］の配線部４には各受光部ＰＤＩ
，ＰＤ２に生じる光出力電流の差電流が得られ、この差
電流が電流増幅器２に与えられるため、オペアンプ９で
消費される電流は、オペアンプ９自身で消費される電流
のほか、僅かな差電流を増幅するための僅かな消費電流
たけてある。

従って、装置の消費電力は小さくなって電源回路の負担
は軽減される。このため、たとえ太陽光が直接照射され
て各受光部ＰＤＩ，ＰＤ２に大きな光出力電流が生じて
も、オペアンプ９に与えられる信号電流はこれらの差電
流である小さなものとなり、装置に大容量の電源回路は
必要とされない。

このように本実施例によれば、従来の高価で実現するこ
との困難な光フィルタや分光器を用いることなく特定波
長帯域の紫外光〜青の光成分を検出することが出来、紫
外光にたけ感度を持つソラブライン型光検出装置を提供
することか出来るようになる。また、本装置は半導体素
子である曳合センサ１と簡単な電気回路である電流増幅
器２とによって構成されるため、従来の光フィルタや分
光２κ等と異なり極めて小型化することか出来、ワンチ
ップ化することも可能である。

このため、種々の機器にスペースを要することなく内蔵
することが出来るようになり、光検出機能を用いる機器
の用途を拡大することが可能になる。しかも、本装置は
簡単な製造工程を経るのみで実現することが出来る複合
センザ］と簡単な電気回路である電流増幅器２とによっ
て構成されるため、安価でかつ実現容易に特定波長帯域
の光成分を検出する装置を提供することか可能になる。

なお、上記実施例において、センサ複合体１は、］　２ 第１導電型としてｐ型，第２導電型としてｎ型の場合に
ついて説明したがこれに限定される必要は無く、第１導
電型としてｎ型，第２導電型としてｐ型としても良く、
上記実施例と同様な効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、第１および第２の
各受光部に同一の光が照射されると各受光部には異なる
光出力が発生し、これら出力の差は第１の配線部に現れ
、増幅器に入力されて増幅される。増幅された出力は被
検出光のうちの特定波長帯域の光成分に比例するものに
なる。このため、従来の冨価で実現することが困難な光
フィルタや分光器は必要無くなり、安価でかつ実現の容
易な装置により特定波長の光検出が可能になるという効
果を有する。さらに、装置の電源負担は軽減され、ポー
タブル装置に要求される低消費電力型のセンサが提供さ
れるという効果をも有する。

また、各受光部の受光面積比を可変することにより、波
長帯域に応じて各受光部に発生する先出力電流の大きさ
は受光面積に比例して変化し、検出する光成分の波長帯
域は可変される。このため、所望の光検出特性を持った
装置が提１』（されるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の一実施例を表す概念図、第
２図は第１図に示されたセンサ複合体］の等価回路図、
第３図は第１図に示された各受光部ＰＤＩおよびＰＤ２
の光検出特性を表すグラフ、第４図は第１図に示された
装置の光検出特性を表すグラフである。 ］・・・センサ複合体、２・・電流増幅器、３・・第１
導電型（ｐ型）の半導体基板、４，５・・・配線部、６
　８・・・第２導電型（ｎ型）の不純物領域、７・・・
第１専電型（ｐ型）の不純物領域、９・オペアンプ、Ｒ
　ｒ・・・抵抗、ＶＣＣ・・正極性の電源電圧。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１導電型の半導体基板に第２導電型の不純物領域
   が形成されこの第２導電型の不純物領域に第１導電型の
   不純物領域が形成された第１の受光部と、特定波長帯域
   におけるこの第１の受光部の光検出特性と異なるように
   前記第１導電型の半導体基板に第２導電型の不純物領域
   が形成された第２の受光部と、前記第１の受光部の第１
   導電型の不純物領域を前記第２の受光部の第２導電型の
   不純物領域に電気的に接続する第１の配線部と、前記第
   １の受光部の第２導電型の不純物領域を前記半導体基板
   に電気的に接続する第２の配線部とを有するセンサ複合
   体と、 前記第１の配線部に現れる前記第１および第２の各受光
   部に発生する光出力電流の差を増幅する増幅器とから構
   成される光検出装置。 ２、センサ複合体における第１および第２の各受光部の
   受光面積比を可変することにより検出する光の波長帯域
   を可変することを特徴とする請求項１記載の光検出装置
   。