JPH05343728A - 半導体受光素子およびこれを利用した物体検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 物体検知装置に利用される半導体受光素子に
おいて、特定波長帯域の光のみ吸収するための光吸収層
４１を半導体基板４０上に、特定波長帯域外の不要な光
を吸収するためのフィルタ層４３を光吸収層４１の上方
にそれぞれ形成した。 【効果】 特定の狭い波長帯域の光に対してのみ動作す
るようになり、いわゆる「目つぶし」に強くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光を放出し、その光が
反射されて放出点付近に戻ってくるか否かにより光放出
点より距離を隔てた空間に物体が存在するか否かを検知
する装置に関し、特にその装置のための半導体受光素子
の改良に係る。

【０００２】

【従来の技術】発光素子、受光素子を用いた物体検知装
置の一例として、車載用光レーダ装置がある。図５は従
来の車載用光レーダ装置の基本的構成を示す図である。
この光レーダ装置は、図５の如く、発光部２０から前方
に光を投光し、前方を走行する車両があれば、この前方
走行車ＡＭにより反射される。この反射された光を受光
部２１にて受光することによって、前方走行車ＡＭの存
在を検知するものである。

【０００３】発光部２０は、発光素子として、前方走行
車ＡＭに対してある特定の波長域（例えば、０．９ｎ
ｍ）のレーザ光を発するレーザダイオード２２を備えて
いる。受光部２１は、レーザダイオード２２から放出さ
れたレーザ光を受光する受光素子２３と、受光素子２３
の前方に、必要な方向のみから前方走行車ＡＭからの反
射光を受けるためのハニカムフィルタ２４と、必要な波
長帯域以外の光を遮断する赤外フィルタ２５とを備えて
いる。すなわち、受光部２１は、不要な光が受光素子２
３で受光されないように、ハニカムフィルタ２４で光の
侵入方向を制限し、赤外フィルタ２５によって不要な波
長帯域の光を取り除いている。

【０００４】上記車載用光レーダ装置においては、受光
素子として、図６に示すようなＳｉ系ｐｎ形ホトダイオ
ードが使用されている。図６はＳｉ系ｐｎ形ホトダイオ
ードの基本的構成を示す断面図である。Ｓｉ系ｐｎ形ホ
トダイオードは、図６の如く、ｎ形シリコンＳｉ基板１
と、シリコン基板１の表層部に形成されたｐ形不純物拡
散層２と、不純物拡散層２上に設けられたアノード電極
３と、シリコン基板１の裏面上に設けられたカソード電
極４とを備えており、シリコン基板１とアノード電極３
との間には、絶縁膜５が介在されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図７はＳｉ系ｐｎ形ホ
トダイオードを用いた図５に示す受光部５１の感度特性
を示しており、同図（ａ）はＳｉ系ｐｎ形ホトダイオー
ドの受光特性を示す図、同図（ｂ）は赤外フィルタの透
過率特性を示す図、同図（ｃ）は受光部の合成受光感度
特性を示す図である。

【０００６】図７（ａ）に示すように、Ｓｉ系ｐｎ形ホ
トダイオードの検出限界は波長１．１μｍ程度までであ
り、一方図７（ｂ）に示すように、赤外フィルタの透過
率特性は波長０．９μｍ程度以上の光を透過させる。し
たがって、これらの特性を合成した受光部の合成受光特
性は、図７（ｃ）のように、レーザ光に対応する必要部
分Ａと、不必要な部分Ｂとが混在するかたちとなる。す
なわち、受光帯域が広くなっている。

【０００７】上記車載用光レーダ装置の使用環境下にお
いては、図８のように、レーザダイオードから投光され
るレーザ光Ｘ３のみが存在するのではなく、太陽の直射
光Ｘ１や対向車のヘッドライトの直射光Ｘ２等の不要な
光が混在している。したがって、受光部の合成感度特性
は、上記のように、レーザ光に対応する必要部分Ａと、
不必要な部分Ｂとが混在するかたちの広い受光帯域を有
しているため、不要な光Ｘ１，Ｘ２により信号となるレ
ーザ光Ｘ３が隠され信号光Ｘ３を判別できなくなり、い
わゆる「目つぶし」状態を起こし、検知装置としての機
能を果たさなくなることがある。

【０００８】この「目つぶし」状態をなくすためには、
Ｓｉ系ｐｎ形ホトダイオードを使用する場合、図９の如
く、理想的な透過率特性Ｙ１を有する光学フィルタを受
光素子の前方に配置すればよいが、透過率特性Ｙ１を有
する光学フィルタを作成するのは困難となっており、か
えって製造コストが高くつくばかりか、現実には、透過
帯域はＹ２のように広がったり、透過率がＹ３のように
低下したりする。特に、透過率がＹ３のように低下する
と、必要な部分の透過量が落ちる。

【０００９】また、受光素子として、図１０に示すよう
なＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイオードと、１．３５
μｍ帯のレーザとを使用した例もある。図１０はＩｎＧ
ａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイオードの基本的構成を示す断
面図である。ＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイオード
は、図１０の如く、ｎ⁺ 形ＩｎＰ基板１０と、ＩｎＰ基
板１０上に積層され、特定波長帯域の光のみ吸収するｎ
^- （ｉ）形ＩｎＧａＡｓ光吸収層１１と、光吸収層１１
上に積層され、暗電流（雑音）を減少させるＩｎＰウィ
ンドウ層１２と、ウィンドウ層１２から光吸収層１１の
表層部にかけて形成されたｐ⁺ 形不純物拡散層１３と、
不純物拡散層１３上に設けられたアノード電極１４と、
ＩｎＰ基板１０の裏面上に設けられたカソード電極１５
とを備えており、ウィンドウ層１２とアノード電極１４
との間には、絶縁膜１６が介在されている。

【００１０】図１１はＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイ
オードを使用した受光部の感度特性を示しており、同図
（ａ）はＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイオードの光吸
収層の感度特性を示す図、同図（ｂ）は赤外フィルタの
透過率特性を示す図、同図（ｃ）は受光部の合成受光感
度特性を示す図である。図１１（ａ）に示すように、Ｉ
ｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイオードの光吸収層の光吸
収限界は波長１．６５μｍまで程度であり、一方図１１
（ｂ）に示すように、赤外フィルタの透過特性は、レー
ザ光の不要な光をなるべく遮断するために、１．３３μ
ｍ程度に設定する。したがって、受光部の合成受光感度
特性は、Ｓｉ系ｐｎ形ホトダイオードを使用した場合と
同様、図１１（ｃ）のように、レーザ光に対応する必要
部分Ａと、不必要な部分Ｂとが混在するかたちとなり、
本来必要な特性に比べて受光帯域が広くなっている。

【００１１】そのため、例えＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホ
トダイオードの検出限界に合わせてレーザダイオードか
ら１．３５μｍのレーザ光を投光させたとしても、Ｓｉ
系ｐｎ形ホトダイオードを用いた受光部と同様、「目つ
ぶし」現象が発生することは避けられない。なお、レー
ザの波長に１．６２μｍ、光学フィルタに１．６０μｍ
の限界波長をもつものを選べば、不要な光はなくなる
が、実際には、大気の吸収やレーザの性能等の都合によ
り、レーザの波長を決めるのが通例であり、都合よく波
長帯に合わせることができるとは限らない。むしろ、レ
ーザの波長は、受光素子と全く別の制約から決まること
が多い。

【００１２】本発明は、上記に鑑み、いわゆる「目つぶ
し」に強い半導体受光素子およびこれを利用した物体検
知装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するための本発明の半導体受光素子は、半導体基板上
に、特定波長帯域の光のみ吸収するための光吸収層が形
成され、光吸収層の上方に、前記特定波長帯域外の光を
吸収するためのフィルタ層が形成されているものであ
る。上記構成においては、光吸収層の波長帯と、フィル
タ層の波長帯とを合成して、受光帯域を特定波長に近い
狭い範囲とすることができ、特定の狭い波長帯域に対し
てのみ動作するようになる。

【００１４】したがって、発光部から被検出物体に対し
て放出した特定波長帯域の光の反射光を受光部が受光す
るか否かによって、放出した光を反射する被検出物体の
有無を検知する物体検知装置において、上記半導体受光
素子を、受光部に組み込むことにより、物体検知装置は
いわゆる「目つぶし」に強くなる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図４に
基づいて詳述する。図１は本発明の一実施例に係る半導
体受光素子の基本的構成を示す断面図である。本実施例
の半導体受光素子の構成について、図１を参照しつつ説
明する。この半導体受光素子は、ヘテロ構造の半導体多
層膜を有する混晶系ｐｉｎ形ホトダイオードであって、
図１の如く、ｎ⁺ 形半導体基板４０と、半導体基板４０
上に積層され、特定波長帯域の光のみ吸収するためのｎ
^- （ｉ）形光吸収層４１と、光吸収層４１上に積層さ
れ、暗電流（雑音）を減少させ、信頼性をあげるための
ＩｎＰウィンドウ層４２と、ウィンドウ層４２上に積層
され、前記特定波長帯域外の不要な光を吸収するための
フィルタ層４３と、フィルタ層４３から光吸収層４１の
表層部にかけて形成されたｐ⁺ 形不純物拡散層４４と、
不純物拡散層４４上に設けられたアノード電極４５と、
半導体基板４０の裏面上に設けられたカソード電極４６
とを備えており、フィルタ層４３とアノード電極１４と
の間には、絶縁膜４７が介在されている。

【００１６】半導体基板４０、光吸収層４１、ウィンド
ウ層４２およびフィルタ層４３は、それぞれ混晶系半導
体からなる。例えば、半導体基板４０にはＩｎＰが、光
吸収層４１にはＩｎＧａＡｓＰが、ウィンドウ層４２に
はＩｎＰが、フィルタ層４３にはＩｎＧａＡｓＰがそれ
ぞれ使用されている。上記光吸収層４１およびフィルタ
層４３にＩｎＧａＡｓＰを使用し、例えば波長１．３５
μｍでレーザ光を発振するレーザダイオードに合わせる
場合、以下に示す混晶比が好ましい。 ＜混晶比条件＞フィルタ層 Ｉｎ_1-X1Ｇａ_X1Ａｓ_1-Y1Ｐ
_Y1：Ｘ１＝０．２９、Ｙ１＝０．６６光吸収層 Ｉｎ
_1-X2Ｇａ_X2Ａｓ_1-Y2Ｐ_Y2：Ｘ２＝０．３１、Ｙ２＝０．
６９図２は半導体受光素子の製造方法を工程順に示す断
面図である。上記半導体受光素子の製造方法について、
図２を参照しつつ説明する。

【００１７】図２（ａ）のように、例えばＩｎＰのｎ⁺
形半導体基板４０上に、例えばＩｎＧａＡｓＰを堆積し
てｎ^- （ｉ）形光吸収層４１を形成する。次に、図２
（ｂ）のように、光吸収層４１上に、例えばＩｎＰを堆
積してウィンドウ層４２を形成する。さらに、図２
（ｃ）のように、ウィンドウ層４２上に、例えばＩｎＧ
ａＡｓＰを堆積してフィルタ層４３を形成する。

【００１８】その後、図２（ｄ）のように、ウィンドウ
層４２上に、例えばＳｉＯ₂ を堆積して絶縁膜４７を形
成し、エッチングにより絶縁膜４７の一部を除去して、
ウィンドウ層４２を露出させる。そして、図２（ｅ）の
ように、例えばイオン打込法あるいは拡散法により、亜
鉛等を拡散させ、フィルタ層４３から光吸収層４１の表
層部にかけてｐ⁺ 形不純物拡散層４４を形成する。

【００１９】最後に、図２（ｆ）のように、例えばＡｕ
等の導電性物質を堆積した後、パターニングして、不純
物拡散層４４上にアノード電極４５を、半導体基板４０
の裏面上カソード電極４６をそれぞれ設ける。図３は本
実施例の半導体受光素子を利用した物体検知装置の基本
的構成を示す図である。この物体検知装置の構成につい
て、図３を参照しつつ説明する。

【００２０】受光素子が利用される物体検知装置は、車
に搭載される光レーダ装置であって、図３の如く、発光
部３０から前方走行車ＡＭに対して投光した特定波長帯
域の光の反射光を受光部３１が受光するか否かによっ
て、投光した光を反射する前方走行車ＡＭの存在を検知
する。発光部３０は、前方走行車ＡＭに対して特定波長
帯域の光を発する発光素子３２と、発光素子３２の光を
絞り込んで前方走行車ＡＭに投光させる集光レンズ３３
とを備えている。発光素子３２は、レーザ光が例えば
１．３５μｍになるように、混晶成分比を調整した混晶
系半導体レーザダイオードであって、従来公知のものが
使用されている。

【００２１】受光部３１は、前方走行車ＡＭからの反射
光を受光する上記受光素子３４と、受光素子３４の前方
に、必要な方向のみから前方走行車ＡＭからの反射光を
受けるためのハニカムフィルタ３５とを備えている。上
記車載用光レーダ装置は、発光部３０から前方に光を投
光し、前方を走行する車両があれば、この前方走行車Ａ
Ｍにより反射される。この反射された光を受光部３１に
て受光することによって、前方走行車ＡＭの存在を検知
する。

【００２２】ここで、例えば１．３５μｍ波長帯のレー
ザと組み合わせて使用すべく、上記混合条件にて、ｎ⁺
形ＩｎＰ基板４０上にＩｎ_1-0.31Ｇａ_0.31Ａｓ_1-0.69Ｐ
_0.69の光吸収層４１を形成し、この光吸収層４１の上方
にＩｎ_1-0.29Ｇａ_0.29Ａｓ_{1- 0.66}Ｐ_0.66のフィルタ層４
３を形成した半導体受光素子３４を、図３に示す物体検
知装置に組み込んだ場合の受光部３１の感度特性を図４
に示す。同図（ａ）は受光素子のフィルタ層の透過率特
性を、同図（ｂ）は受光素子の光吸収層の光吸収特性
を、同図（ｃ）は受光部の合成受光感度特性をそれぞれ
示している。

【００２３】図４（ａ）のように、受光素子３４のフィ
ルタ層４３は約１．３４μｍ以上の波長帯域の光を透過
させ、一方図４（ｂ）のように、光吸収層４１は約１．
３６μｍ以下の波長帯域の光を吸収する。したがって、
受光部３１の合成受光感度は、図４（ｃ）のように、レ
ーザ光の波長帯に対応する１．３５μｍ付近のみ感度を
有するようになる。

【００２４】このように、受光素子は、成分比を変更す
ることにより光吸収波長帯域を変更可能な物質にて、特
定波長帯域の光のみ吸収するための光吸収層を半導体基
板上に、特定波長帯域外の不要な光を吸収するためのフ
ィルタ層を光吸収層の上方にそれぞれ形成しているか
ら、上記物質の成分比を変更するだけで、フィルタ層を
発光部の発光波長帯域に近い不要な光をも吸収できる理
想的なフィルタに近いものとすることができ、受光部の
感度特性を発光部の発光波長帯域に近づけることができ
る。

【００２５】すなわち、本実施例の受光素子において
は、光吸収層の波長帯域と、フィルタ層の波長帯域とを
合成して、受光帯域を発光部の発光波長帯域に近い狭い
範囲とすることが可能となる。したがって、受光素子
は、単一波長に対してのみ動作するようになり、「目つ
ぶし」に強くなる。そのため、従来にように、受光素子
の前に別途外付光学フィルタを設置する必要がなくな
り、部品点数を削減できる。

【００２６】また、外付フィルタの代わりとなるフィル
タ層は、半導体ウエハの段階で作りつけできるため、そ
の発生費用は、半導体ウエハを切り分けて個々の受光素
子チップにするときに分散し、ほとんど問題にならな
い。また、すでに多層成長しているウエハに１層追加す
る費用はもともと小さい。したがって、実質的には、外
付フィルタの費用と外付フィルタを取り付ける加工費が
不要となる分、製造コストは安価となる。

【００２７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を
加え得ることは勿論である。上記受光素子は、ＩｎＧａ
Ａｓ系に限ることなく、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ等、
成分を変更してバントギャップを変更できる物質であれ
ば何でも使用できる。例えば、ＧａＡｓ材料の場合であ
れば、ＡｌＧａＡｓレーザ（波長０．８７μｍ程度）と
組み合わせ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料で受光素子
を形成すればよい。また、Ｓｉ系受光素子の場合には、
Ｓｉ表面にＳｉＧｅのような混晶を構成してもよいが、
Ｓｉ、Ｇｅ等はいずれも間接遷移型材料のため、吸収係
数が小さい。したがって、厚く作らないと、外乱光を十
分吸収しない可能性がある。このような場合には、通常
のデバイスの上をＳｉＯ₂ 等のような薄い絶縁層で覆っ
た後、アモルファス状または多結晶状の吸収材料を形成
してもよい。材料としては、ＧａＡｓのようなIII−Ｖ
化合物、II−VI化合物等直接遷移型の材料の方が有利と
考えられる。

【００２８】さらに、上記実施例の受光素子において、
不純物拡散層上に反射防止膜を設ければ、「目つぶし」
防止効果はより増強される。さらにまた、本発明の受光
素子を、車載用光レーダ装置の他に、男子用手洗所の人
体検知装置、ＦＡ(factory automation)システム、自動
扉等に利用してもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明請
求項１の受光素子では、光吸収層の波長帯と、フィルタ
層の波長帯とを合成して、受光帯域を特定波長帯域に近
い狭い範囲とすることが可能となるため、単一波長に対
してのみ動作するようになる。したがって、請求項２の
ように、上記受光素子を物体検知装置に利用すれば、い
わゆる「目つぶし」に強い物体検知装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る受光素子の基本的構成
を示す断面図である。

【図２】受光素子の製造方法を工程順に示す断面図であ
る。

【図３】本実施例の受光素子を利用した物体検知装置の
基本的構成を示す図である。

【図４】図１に示す受光素子を、図３に示す物体検知装
置に組み込んだ場合の受光部の感度特性を示す図であ
る。

【図５】従来の物体検知装置の基本的構成を示す図であ
る。

【図６】Ｓｉ系ｐｎ形ホトダイオードの基本的構成を示
す断面図である。

【図７】Ｓｉ系ｐｎ形ホトダイオードを用いた受光部の
感度特性を示す図である。

【図８】「目つぶし」状態を起こす説明図である。

【図９】理想的なフィルタの透過率特性を示す図であ
る。

【図１０】ＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイオードの基
本的構成を示す断面図である。

【図１１】ＩｎＧａＡｓ系ｐｉｎ形ホトダイオードを使
用した受光部の感度特性を示す図である。

【符号の説明】

３０ 発光部 ３１ 受光部 ３２ 発光素子 ３４ 受光素子 ４０ 半導体基板 ４１ 光吸収層 ４３ フィルタ層 ＡＭ 前方車両

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に、特定波長帯域の光のみ吸
   収するための光吸収層が形成され、光吸収層の上方に、
   前記特定波長帯域外の光を吸収するためのフィルタ層が
   形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
2. 【請求項２】発光部から被検出物体に対して放出した光
   の反射光を受光部が受光するか否かによって、放出した
   光を反射する被検出物体の有無を検知する物体検知装置
   において、前記発光部は、特定波長帯域の光を放出する
   ものであって、前記受光部は、請求項１記載の半導体受
   光素子を備えていることを特徴とする物体検知装置。