JPS6222273B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フイルターを利用することなく所望
波長域の光に対して分光感度特性の改善を図つた
光半導体装置に関する。

光電変換機能を備えたホトトランジスタ、ホト
ダイオード或いはホトサイリスタ等の光半導体装
置は、各種の光源に対して光検知装置として用い
られている。ここで光検知機能をもつ受光素子と
して、カメラの露出制御を行わせる場合は、人間
の視感度に一致させて可視領域に感度をもつた分
光感度特性を得ることが必要であり、またテレビ
ジヨン受像機のチヤネル選局を遠隔操縦によつて
行わせる場合には、発光ダイオードの光信号（例
えば赤外光）に感度をもつ分光感度特性を得るこ
とが必要である。上記のように受光素子の分光感
度は用途によつて種々の波長に応答することが要
求される。しかし従来から用いられている受光素
子は、素子自体だけでは可視領域或いは赤外領域
等の限られた波長域にすぐれた感度を自由にもた
せることはできず、特定の波長に感度のピークが
あるとしても周辺波長に対しても相当の感度を有
し、周辺光に対する感度が誤差の原因になつて光
検知の機能を低いものにしていた。このような問
題に対して従来装置では受光素子の受光面に入射
光を制限するフイルタを装着し、特定波長のみを
選択して入射させることによつて光検知を行わせ
ていた。

本発明は上記従来の光半導体装置における欠点
を除去して、フイルターを装着することなく分光
感度特性の改善を図つた新規な光半導体装置を提
供するものである。

フイルターを取付けることなく分光感度特性の
改善を図つた光半導体素子として、発明者によつ
て次に説明するような光半導体装置が開発されて
いる。第１図は光半導体素子の断面図で、シリコ
ン半導体基板１の受光表面に対して、表面から深
さが異なる位置に２個のPN接合２及び３がエピ
タキシヤル成長、不純物の拡散或いはイオン注入
等によつて層状に形成されている。

上記のように基板表面からの深さが異なる第
1PN接合２及び第2PN接合３を備えた光半導体装
置は、第1PN接合及び第2PN接合によつて第２図
の等価回路図に示す如く２個のホトダイオード
PD₁，PD₂が逆方向に接続された形態をなし、PN
接合が半導体基板表面から深くに位置する第１ホ
トダイオードPD₁は照射された光の内長波長成分
に感度を有し、PN接合が浅くに位置する第２ホ
トダイオードPD₂は短波長成分に感度を有し、
夫々第３図の曲線PD₁，PD₂に示す分光感度特性
を示す。ただし他方のホトダイオードは開放状態
である。従つて上記半導体装置に光が照射される
と、短波長成分は表面に比較的近い領域で吸収さ
れて第２ホトダイオードPD₂で光電変換されて、
また長波長成分は半導体層のより深くまで浸透し
て第１ホトダイオードPD₁で光電変換され、照射
光に対応した光出力電流が各Ｐ或いはＮ領域に設
けられた電極４，５及び６から夫々のホトダイオ
ード出力として取り出される。

ここで長波長成分の光出力電流を取り出す電極
４及び電極５間をAl配線によつて短絡或いは抵
抗を介して接続し、第１ホトダイオードPD₁で発
生した光出力電流を短絡電流として消費させる
と、光半導体装置の分光感度特性は長波長側（赤
外光）の感度が著しく低減され、可視領域に比較
的鋭いピークをもつた特性（第３図曲線PD₂′）
が得られ、また電極５及び電極６間を同様に短絡
或いは接続し、第２ホトダイオードPD₂で発生し
た光出力電流を短絡電流として消費させると、光
半導体装置の分光感度特性は短波長側（可視光）
の感度が著しく低減され、赤外領域に比較的鋭い
ピークをもつた特性（第３図曲線PD₁′）が得ら
れる。上記のように２個のPN接合をもつ光半導
体装置で一方のPN接合間における光出力電流を
消費させ、他方のPN接合の光出力電流を取り出
すことによつて、一方のPN接合をオープン状態
のままにして他方のPN接合から光出力電流を取
り出す場合に比べて第３図から判るように分光感
度の特性は改善される。

本発明は上記光半導体装置における分光感度特
性の改善原理を利用して更に一層特性改善を図る
もので、同一半導体基板内に長波長側感度或いは
短波長側感度を夫々低減させた上記基本構造の光
半導体素子を組み込んで構成する。

分光感度特性の改善は所望の波長域について得
られるが、最も応用範囲の広い実施例として長上
長側の赤外領域の光に対して感度を低減させ、短
波長側の可視領域に鋭い感度をもたせた光半導体
装置（実施例１）と、短波長側の可視領域の光に
対して感度を低減させ、長波長側の赤外光に鋭い
感度をもたせた光半導体装置（実施例２）を挙げ
て本発明を詳細に説明する。

実施例 １ 第４図Ａは本発明による光半導体装置の断面図
で、同一基板１１内に第１光半導体素子１０_１と
第２光半導体素子10₂がP⁺分離領域１２を介して
組み込まれている。製造工程は従来公知の光半導
体製造技術が用いられ、第１光半導体素子１０_１
と第２光半導体素子１０_２はいずれもPNP構造に
形成されて、第1PN接合１３_１，１３_２及び第
2PN接合１４_１，１４_２を有している。尚Ｎ型領
域をエピタキシヤル成長によつて形成する際、バ
イポーラトランジスタの製造工程で実施されてい
る如く、Ｐ型半導体基板の光半導体素子となる領
域にN⁺埋込み層を予め形成しておくこともでき
る。上記第１光半導体１０_１及び第２光半導体素
子１０_２は従来のPNP構造をもつホトトランジス
タとは異なり、基板表面から浅いP⁺領域がＮ型
領域を充分に広く被つて形成され、第2PN接合１
４_１，１４_２が第1PN接合１３_１，１３_２上を覆
う形態に設けられている。

上記第１光半導体素子１０_１は、長波長感度が
低減された構造をなし、第２光半導体素子１０_２
は短波長感度が低減される。即ち第１光半導体素
子１０_１においては、第1PN接合１３_１に基づく
第１ホトダイオードPD₁₁を短絡するため、第1PN
接合１３_１が半導体基板表面に達する部分にAl
配線１５を設け、第１ホトダイオードPD₁₁を短
絡させて発生した光出力電流を消費させる。尚
N⁺領域はAl配線１５とＮ型領域との電気的接続
を確実するために形成された高濃度不純物領域で
ある。

他方第２光半導体素子１０_２は、第2PN接合１
４_２に基づく第２ホトダイオードPD₂₂を短絡す
るために、第2PN接合１４_２が半導体基板表面に
達する部分にAl配線１６を設け、第２ホトダイ
オードPD₂₂を短絡させて発生した光出力電流を
消費させる。N⁺領域は上記第１光半導体素子と
同様Al配線１６とＮ型領域との接続を確実にす
る。

上記夫々Al配線１５及び１６によつて接続さ
れた光半導体装置１０_１，１０_２の等価回路を第
５図Ａに示す。

ここで第１光半導体素子１０_１及び第２光半導
体素子１０_２の有効受光面積と分光感度特性との
関係は、有効受光面積が減少すれば第３図に示す
分光感度特性のピークが低くなつて現われる。

従つて本実施例においては、赤外感度を低減さ
せるために、第２光半導体素子１０_２の有効受光
面積S₂を第１半導体素子１０_１の有効受光面積S₁
に比べて小さく、例えばS₂／S₁＝0.3に設計し、
第１光半導体素子１０_１のP⁺領域から導出され
た電極と第２光半導体素子１０_２の上記Al配線
１６との間を配線１７によつて電気的に接続し、
両光半導体素子１０_１，１０_２間を並列接続して
光出力電流を取り出す。

有効受光面積が0.3S₁に設計された第２光半導
体素子１０_２の分光感度特性はピークが著しく低
くなり、第６図の曲線Ｂに示す如く、第１光半導
体素子１０_１の分光感度特性Ａの赤外感度曲線内
に含まれた状態で現われる。第１光半導体素子１
０_１及び第２光半導体素子１０_２間は配線１７に
よつて並列接続されるため、両素子の光出力は減
算されたものとなり、分光感度特性として曲線Ｃ
に示す如く曲線Ａから曲線Ｂを差し引いた感度が
得られる。即ち第１光半導体素子１０_１と第２光
半導体素子１０_２を接続して得られる光半導体装
置の分光感度は、第１光半導体素子１０_１のみの
分光感度に比べて更に一層長波長側の感度が低減
されたものになる。

光半導体装置の分光感度は、同一半導体基板内
に組み込まれる第１光半導体素子１０_１と第２光
半導体素子１０_２の有効受光面積比S₂／S₁を変え
ることによつて変化し、第７図にS₂／S₁＝０、
0.3、1.0に設計された光半導体装置の分光感度特
性を示す。従つて各光半導体素子の有効受光面積
を適宜設定することにより所望の分光感度特性を
得ることができる。

上記実施例はPNP3層構造について説明した
が、第４図Ｂに示す如くP⁺半導体基板２１にＮ
型エピタキシヤル層２２を成長させ、該エピタキ
シヤル層２２内にP⁺拡散層２３，２３′及びN⁺拡
散層２４，２４′を形成して第１光半導体素子２
０_１及び第２光半導体素子２０_２を備えた光半導
体装置を構成し、第１光半導体素子２０_１の第
1PN接合を短絡させているAl配線２５と上記P⁺
半導体基板２１間を更に電気的接続２６して構成
することもできる。接続２６によつてP⁺半導体
基板２１とＮ型エピタキシヤル層２２間を接続す
ることにより、両者間に生じている第3PN接合で
発生した光出力電流もまた短絡電流として消費さ
れることになり、第６図の曲線Ｂは一層長波長側
の感度が低減されて分光感度特性が向上する。

同一半導体基板に組み込まれる第１光半導体素
子及び第２光半導体素子共に少なく共２個のPN
接合を形成した装置について述べたが、第５図Ｂ
の等価回路図に示す如く一方の例えば第２光半導
体素子を従来と同様の１個のPN接合を備えたホ
トダイオードPD₀で構成することもできる。この
場合ホトダイオードの特性は、第６図の特性図の
如く第１光半導体素子の長波長感度を低減させる
特性に設定することが望ましい。

実施例 ２ 上記実施例１は長波長側の感度を低減させた光
半導体装置について述べたが、次に短波長側の感
度を低減させた光半導体装置について説明する。

第８図において、実施例１と同様にシリコン半
導体基板３１内に少なくも２層にPN接合３３
_１，３３_２，３４_１，３４_２が夫々形成された第
１光半導体素子３０_１及び第２光半導体素子３０
_２が設けられ、第１光半導体素子３０_１は第1PN
接合３３_１がAl配線３５によつて短絡され、第
２光半導体素子３０_２は第2PN接合３４_２がAl配
線３６によつて短絡されている。

ここで本実施例においては、短波長側の感度を
低減させて長波長に対する感度を主として得るた
め、第２光半導体素子３０_２の有効受光面積S₂を
充分広く設計し、第１光半導体素子３０_１の有効
受光面積S₁を小さく例えばS₁／S₂＝0.2に設計し
て、両素子３０_１及び３０_２間を実施例１と同様
に配線３７によつて電気的に接続する。

本実施例においては第１光半導体素子３０_１の
有効受光面積S₁が小さく設計されているため、第
９図に示す如く第２光半導体素子３０_２の分光感
度特性B′に比べて第１光半導体素子３０_１の分光
感度特性A′が非常に低いピークをもつた曲線と
なつて現われる。従つて両素子３０_１，３０_２が
接続された光半導体装置における分光感度特性
C′は、短波長側の感度が一層低減されたものと
して得られる。即ち、本実施例における光半導体
装置では、第２光半導体素子３０_２のみで構成さ
れる場合に比べて短波長側の感度が低減され、分
光感度特性の改善が図られる。

本実施例においても第１光半導体素子３０_１の
有効受光面積の縮小程度によつて光半導体装置の
分光感度は変化し、第１０図に両素子３０_１，３
０_２の有効受光面積比S₁／S₂と分光感度との関係
を示し、各素子の有効受光面積を変えることによ
つて所望の分光感度特性を得ることができる。

両実施例共にPNP構造を用いて説明したが、
NPN構造を用いても実施することができ、また
第１光半導体素子及び第２光半導体素子は同時に
製作することができるが、分光感度特性はPN接
合深さ及び不純物の拡散条件等にぐつて変え得る
ため、所望の分光感度特性を得るために夫々の光
半導体素子を異なる拡散工程等によつて製作する
ことができる。

第１光半導体素子及び第２光半導体素子共に、
半導体基板表面の浅く位置する第1PN接合によつ
て照射光の内の短波長成分が吸収されて分光感度
が低下するのを防ぐため、第1PN接合が半導体基
板表面に達している部分は遮光膜が設けられるこ
とが望ましい。該遮光膜はAl配線を兼用させて
設けることができる。

以上本発明によれば、極めて簡単な構成で光半
導体装置の分光感度特性を改善することができ、
従来装置のようにフイルター等を装着する必要が
なく、小型で量産性に適し、使用勝手の良好な光
半導体装置を得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による原理を示す光半導体素子
の断面図、第２図は同素子の等価回路図、第３図
は同素子の分光感度特性図、第４図Ａ，Ｂは本発
明による実施例１を示す光半導体装置の断面図、
第５図Ａ，Ｂは同装置の等価回路図、第６図は同
光半導体装置の分光感度特性図、第７図は同光半
導体装置の有効受光面積と分光感度の関係を示す
図、第８図は本発明による実施例２を示す光半導
体装置の断面図、第９図は同実施例２における分
光感度特性図、第１０図は同実施例２の光半導体
装置の有効受光面積と分光感度の関係を示す図で
ある。 １０_１，３０_１：第１光半導体素子、１０_２，
３０_２：第２光半導体素子、１３_１，３３_１：第
1PN接合、１４_２，３４_２：第2PN接合、１５，
３５，１６，３６：Al電極、１７，３７：配
線、Ｃ，C′：分光感度特性。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同一半導体基板の互いに離れた領域に、受光
   表面からの深さが異なる少なく共２層のPN接合
   を夫々形成した第１光半導体領域及び第２光半導
   体領域を備え、第１光半導体領域に形成された表
   面から深くに位置するPN接合間を短絡或いは抵
   抗を介して接続することにより、上記第１光導体
   領域の深くに位置するPN接合間で発生した光出
   力電流を短絡電流として消費する構造とすると共
   に、第２光半導体領域に形成された表面から浅く
   に位置するPN接合間を短絡或いは抵抗を介して
   接続することにより、上記第２光半導体領域の浅
   くに位置するPN接合間で発生した光出力電流を
   短絡電流として消費する構造とし、かつ、上記第
   １光半導体領域又は第２光半導体領域の一方の有
   効受光面積を他方の有効受光面積より小として、
   上記第１光半導体領域の浅くに位置するPN接合
   間の光出力電流と上記第２光半導体領域の深くに
   位置するPN接合間の光出力電流が減算されるよ
   うに、上記第１光半導体領域及び第２光半導体領
   域を並列接続してなることを特徴とする光半導体
   装置。