WO2002005355A1 - Dispositif recepteur de lumiere et module recepteur de lumiere comprenant ce dernier - Google Patents

Dispositif recepteur de lumiere et module recepteur de lumiere comprenant ce dernier Download PDF

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WO2002005355A1
WO2002005355A1 PCT/JP2001/005923 JP0105923W WO0205355A1 WO 2002005355 A1 WO2002005355 A1 WO 2002005355A1 JP 0105923 W JP0105923 W JP 0105923W WO 0205355 A1 WO0205355 A1 WO 0205355A1
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substrate
light receiving
light
concentration impurity
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PCT/JP2001/005923
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Inventor
Susumu Nishimura
Original Assignee
Sanyo Electric Co., Ltd
Tottori Sanyo Electric Co., Ltd.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02002—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations
    • H01L31/02005—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations for device characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier

Definitions

  • the present invention relates to a light receiving element and a light receiving module including the same.
  • the light-receiving element mounted on a light-receiving module for remote control is generally composed of a light-receiving element for infrared light, and the light-receiving part consisting of a PIN-type photodiode is mounted on the substrate 100 as shown in Fig. 9.
  • Figure 9 what is 101? —Layer, 102? A + layer, 103 is a + layer, 104 is an insulating layer formed of Si 02, 105 is an N electrode, and 106 is a P electrode.
  • a + layer, 103 is a + layer
  • 104 is an insulating layer formed of Si 02
  • 105 is an N electrode
  • 106 is a P electrode.
  • reference numeral 201 denotes a depletion layer (its thickness is indicated by W), and what is 202? + Layer, 2 0 3 N + layer formed annularly, 2 0 4 is an insulating layer formed by S i 0 2, 2 0 5 is P electrode, the 2 0 6 a N electrode.
  • the carrier 207 generated outside the depletion layer 201 due to the long-wavelength light component also generates a photocurrent if it is within the diffusion length (L p) range. turn into.
  • L p diffusion length
  • These light receiving elements are often used by being covered with a visible light shielding resin in order to prevent malfunction due to visible light.
  • the light-receiving element is very susceptible to electromagnetic noise and may cause malfunction as a light-receiving module.
  • a conductive film (metalized film) or the like is provided inside the light-receiving module.
  • the mesh structure is arranged in the light receiving window of the module case.
  • a mesh-shaped metal conductor is formed on the surface of the internal light-receiving element.
  • a mesh-shaped metal conductor is formed on the internal light-receiving surface.
  • a conductor is formed directly on the element surface, it is equivalent to a parallel plate on the element surface. This results in the formation of a capacitor, which increases the capacitance of the element and, when mounted on a light receiving module, reduces the reach. Disclosure of the invention
  • a first conductivity type high concentration impurity layer and a second conductivity type high concentration impurity layer as a light receiving portion are formed on a substrate having a low impurity concentration.
  • a layer having a short carrier lifetime is formed on the back surface of the substrate.
  • the layer having a short carrier lifetime can be a high-concentration impurity layer of the first conductivity type or the second conductivity type.
  • the layer having a short carrier lifetime can be a layer formed by adding an impurity such as gold to the substrate to form a Deep Level 1 (deep level).
  • the light receiving module of the present invention is formed by fixing the above light receiving element to a lead frame with an insulating material.
  • the light receiving module of the present invention comprises a lead frame, a light receiving element fixed on the lead frame, and an insulating resin for integrally molding the lead frame and the light receiving element.
  • a second-conductivity-type high-concentration impurity layer formed to surround the periphery of the first-conductivity-type high-concentration impurity layer on the surface side of the substrate; an insulating layer formed on the substrate surface; and an insulating layer formed on the insulating layer.
  • FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the light receiving element of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the same embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view showing another embodiment of the light receiving element of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing spectral sensitivity characteristics.
  • FIG. 5 is a plan view showing an embodiment of the light receiving module of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing another embodiment of the light receiving element of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the same embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic sectional view showing another embodiment of the light receiving module of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic sectional view showing a conventional example.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view showing another conventional example.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of the light receiving element of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view thereof.
  • the light receiving element 1 has a light receiving portion 3 formed on the surface of a substrate 2 having a low impurity concentration, and a layer 4 having a short carrier time on the rear surface of the substrate 2.
  • Substrate 2 for example elements impurity concentration 4 X 1 0 1 3 cm- 3 or less, the thickness is used S i substrate 3 0 0 ⁇ extent first conductivity type (P-type).
  • This substrate 2 has a high resistance and a specific resistance of, for example, 500 ⁇ cm or more, and functions as a (P ⁇ ) layer 2a.
  • the second conductivity type (N-type) which functions as a layer having a short carrier lifetime has a high concentration.
  • the impurity layer 4 is formed to a depth (thickness) of about 150 m.
  • (N + B) is added to the second conductive type high concentration impurity layer 4 for convenience.
  • the impurity concentration of the N-type high-concentration impurity layer 4 was gradually increased in the characteristic diagram (not shown) in which the horizontal axis represents the impurity concentration and the vertical axis represents the carrier lifetime at that impurity concentration.
  • the carrier lifetime is set to an impurity concentration higher than 1 ⁇ 10 16 cm 3, which is the impurity concentration at which the carrier life time begins to sharply decrease (in the case of a Si substrate), for example, 3 ⁇ 10 18 cm
  • the impurity concentration is set to about 3 .
  • the light receiving section 3 includes a first conductivity type high concentration impurity layer 30 and a second conductivity type high concentration impurity layer 31, and these layers are arranged in the same direction as the surface of the substrate 2. .
  • the first conductive type high-concentration impurity layer 30 is denoted by P +
  • the second conductive type high-concentration impurity layer 31 is denoted by (N + F).
  • the first-conductivity-type high-concentration impurity layer 30 is formed in a ring shape by diffusing boron (B) as a P-type impurity on the surface of the substrate 2.
  • the impurity layer 30 has an impurity concentration of about 3 ⁇ 10 19 cm 3 and a depth of about 3.
  • the high-concentration impurity layer 31 of the second conductivity type is formed by diffusing phosphorus (P) as an N-type impurity into a region surrounded by the layer 30 on the surface of the substrate 2.
  • the layer 31 has a sheet resistance of about 20 ⁇ / b and a depth (thickness) of 1 to 2 ⁇ m.
  • a film 5 functioning as a surface protective film and an antireflection film is formed by, for example, silicon oxide (Si 2).
  • Si 2 silicon oxide
  • P and N-side electrodes 6 and 7 are formed on the film 5 by evaporating a metal such as aluminum and removing unnecessary portions by photolithography.
  • W is the thickness of the low-concentration impurity region 2a (the thickness of the depletion layer expanded by the reverse voltage)
  • ⁇ is the light absorption coefficient for light of a certain wavelength
  • L p is the capacitance of the high-concentration impurity layer 4 on the back surface. It is the diffusion length of the rear. Therefore, in order to increase the efficiency R, a sufficient thickness W should be provided for the low-concentration impurity region 2a.
  • the depletion layer 201 which is a region capable of efficiently receiving light, has an electric field applied in parallel with the substrate surface. Can be suppressed from spreading in the depth direction, but the carrier generated in areas other than the depletion layer has a component of the diffusion length Lp that contributes to the photocurrent, and the long-wavelength component cannot be reduced sufficiently.
  • the high-concentration impurity layer restricts the thickness of the low-concentration impurity region 2a to the thickness W calculated by the above equation. Since 4 is provided on the back surface, the carrier generated in the high-concentration impurity layer 4 can be eliminated in a short time before contributing to the photocurrent. At this time, the high-concentration impurity layer on the back surface is electrically insulated independently of the electrodes on the front surface (P-side electrode 6, N-side electrode 7).
  • the high-concentration impurity layer 4 regulates the thickness W of the low-concentration impurity region 2 a (depletion layer) to an optimum thickness, and unnecessary light components reaching the high-concentration impurity region 4. This reduces the carrier lifetime (causing L p) generated by the turbidity, produces an effect of preventing diffusion, and can sufficiently cut unnecessary components (long-wavelength light components).
  • the thickness W of the P-type low-concentration impurity layer 2a is 90 m for the purpose of removing the incident light wavelength of l OOO nm.
  • 1 m diffusion length of career of the back high concentration impurity layer 4 also were the absorption coefficient of 1 0 0 0 nm of the incident wavelength and 7 X 1 0 1 cm 1.
  • FIG. 4 shows the spectral sensitivity characteristic A of the light receiving element shown in FIG. 1 and the spectral sensitivity characteristic B of the light receiving element shown in FIG. According to this, it can be understood that the light receiving sensitivity of the incident wavelength light of l OOO nm is reduced to about 1/6 compared with the conventional case.
  • FIG. 3 shows another embodiment of the light receiving element 1.
  • the inside is similar to the above structure shown in FIG. 1, but the surface shape is different, that is, the shape of the high concentration impurity layer 30 surrounding the four directions of the high concentration impurity layer 31 is changed.
  • the high-concentration impurity layer 30 has a planar shape surrounding the three directions of the high-concentration impurity layer 31.
  • the arrangement of the adjacent P-side and N-side electrodes 6, 7 was changed, and both electrodes were arranged on both sides of the light receiving element.
  • FIG. 5 is a plan view of a main part showing an embodiment of a light receiving module 8 including the light receiving element * 1.
  • the module 8 has a structure in which the light receiving elements 1 are mounted on a metal lead frame 9 and are integrally molded by an insulating resin 1 ° containing a component for shielding visible light.
  • the light receiving element 1 is mounted on the central lead frame 12 by the conductive adhesive 11 1.
  • the mounted lead frame 12 is separated from the other lead frames 13, 14 and electrically connected. Floating in.
  • gold wires 15a, 15b, etc. are wire-bonded between the other two lead frames 13 and 14 located at both ends and the P-side electrode 6 and the N-side electrode 7 by wire bonding.
  • the detection signal of the light receiving element 1 is taken out.
  • FIG. 6 and 7 show still another embodiment of the light receiving element 1 and show a configuration example in which an electromagnetic shield is provided on the light receiving surface.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line AA of FIG.
  • Light-receiving element 1 has the same configuration as the light-receiving element shown in Fig. 1, except that the conductivity types of substrate 2 and light-receiving section 3 are reversed in relation to N-type and P-type. The difference is that the electrode 16 is formed. That is, as the substrate 2 having a low impurity concentration, For example, an N-type Si substrate having an element impurity concentration of 4 ⁇ 10 13 cnr 3 or less and a thickness of about 300 m is used.
  • the layer 4 having a short carrier lifetime formed on the back surface of the substrate 2 is an N-type high-concentration impurity layer of the same conductivity type as the substrate 2.
  • This N-type high-concentration impurity layer 4 has an impurity concentration of, for example, about 3 ⁇ 10 18 cm— 3 and a depth (thickness) of 150 ⁇ m.
  • the light receiving section 3 includes a high-concentration impurity layer 32 of the first conductivity type and a high-concentration impurity layer 33 of the second conductivity type, and these layers are arranged in the same direction as the surface of the substrate 2.
  • the first conductive type high-concentration impurity layer 32 is denoted by P +
  • the second conductive type high-concentration impurity layer 33 is denoted by (N + F).
  • the high-concentration impurity layer 32 of the first conductivity type is formed by diffusing boron (B) as a P-type impurity in the center of the surface of the substrate 2.
  • This layer 32 is formed to have a sheet resistance of about 20 ⁇ / port and a depth of about l to 2 ⁇ m.
  • the high-concentration impurity layer 33 of the second conductivity type is formed by diffusing phosphorus (P) as an N-type impurity so as to surround the region on the surface of the substrate 2 where the layer 32 is formed. ing.
  • This layer 33 is formed to have an impurity concentration of about 3 ⁇ 10 19 cm 13 and a depth (thickness) of about 3 ⁇ m.
  • an insulating film 5 functioning as a surface protective film and an anti-reflection film is formed of, for example, silicon oxide (Si02).
  • Si02 silicon oxide
  • a part of the film 5 is removed by photolithography.
  • a metal such as aluminum is vapor-deposited on the film 5, and unnecessary portions are removed by photolithography to form P and N-side electrodes 60 and 70.
  • N-side electrode 70 formed on insulating layer 5 is formed wider than layer 33.
  • the P-side electrode 60 is formed in an annular shape so as to completely cover the layer 33 except for the region where the N-side electrode 70 is formed, and constitutes the shield electrode 16. ing.
  • FIG. 8 shows an embodiment of a light receiving module 8 equipped with the light receiving element 1 shown in FIGS.
  • This light-receiving module 8 is a one-mold type in which the light-receiving element 1 as a light detection unit and an IC 17 for driving the light-receiving element 1 are arranged on a common lead frame 9 and they are molded with resin 10. It has a configuration.
  • the resin 10 is an insulating resin containing a material for shielding visible light, but it can be molded with other resins. You.
  • this module 8 has a high-speed and high-sensitivity light-receiving module because the monolithic type, in which the photodetector and drive IC are configured on a single chip, has insufficient photosensitivity. It adopts a two-chip structure combining element 1 and driving IC 17. That is, the light receiving element 1 is fixedly arranged on the lead frame 9 by the insulating adhesive 18, and the IC 17 is fixedly arranged by the conductive adhesive 19. The connection between them is only to wire the N-side electrode 70 of the light receiving element 1 and the amplification circuit part of the IC 17 with gold wire 20 or the like. The P-side electrode 60 of the light emitting element 1 is wired to the lead frame 9 with a gold wire 21 or the like and connected to the ground potential.
  • the light receiving element 1 is bonded on the common lead frame 9 with the insulating adhesive 18, and the lead frame 9 is bonded to the layers 3 2 which are the light receiving surfaces formed on the surface of the light receiving element 1.
  • the light receiving element 1 which is susceptible to electromagnetic noise, is sandwiched between the upper and lower sides at the same potential, forming an effective electromagnetic shield.
  • the surface of 3 can also be shielded by the shielding electrode 16.
  • the light receiving module shown in FIG. 8 has a structure for covering the side surface of the light receiving element 1 with the same potential as the frame 9 in order to further enhance the electromagnetic shielding property. That is, a wall 22 having the same height as the side surface of the light receiving element 1 is integrally formed on the lead frame 9, and the electromagnetic shielding is performed using the wall 22.
  • the light receiving element 1 may be mounted in the recess and formed therein.
  • the wall 22 covering the side surface of the element 1 may be a single surface, but it is preferable to arrange a plurality of surfaces so as to cover the four surfaces of the element.
  • the wall 22 is not always necessary for the configuration, but is useful for improving the shielding effect.
  • the PIN photodiode type light receiving element 1 is taken as an example, but the present invention is not limited to these, and is the same as a general PN type photodiode and driving IC. It can also be applied to light-receiving elements built into ICs formed on substrates.
  • an N-type high-concentration impurity layer is used as the layer 4 having a short carrier lifetime.
  • the present invention is not limited to this.
  • a pure layer can also be used.
  • a layer in which a substrate is doped with gold or the like for forming a deep-leve (e.g., deep level) 1 (deep level) can shorten the carrier lifetime, so that it can be used as the layer 4. .
  • the light-receiving element itself can have a cut filter function to reduce the sensitivity to long-wavelength light.
  • the effects of a large number of spectra (light) generated from fluorescent lamps are suppressed.
  • the use of a bandpass filter, etc., and the increase in the number of fluorescent lamps and the increase in output have progressed, and the malfunction of the light receiving module due to the fluorescent lamp spectrum (eg, 1013 nm light) has been closed more than before.
  • An interference filter is placed above the light-receiving element that is up and covered with the visible light shielding resin, and a type that receives a signal whose generated spectrum is cut or an interference filter inside the visible light shielding resin
  • a module with an embedded evening is used, but in this case, the number of parts increases, the number of assembly steps increases, and the cost of the light receiving module increases. Lead to flop, but size is also limited, it is possible to low-cost ultra-compact module can solve this problem.
  • the light receiving element itself has an electromagnetic shielding function on the element surface and element side surface
  • incident light is reflected by the metal conductor, reducing the effective light receiving area (Incident light loss) can eliminate this.
  • the effective light receiving area is reduced, so that the metal conductor cannot be placed on the surface of the light receiving element in a very wide area.
  • a sufficient electromagnetic shielding effect can be obtained because the light receiving element surface itself serves as a shield layer.
  • a mesh-shaped metal conductor is formed on the surface of the internal light-receiving element.However, since a conductor is formed directly on the element surface, a parallel plate capacitor is equivalently formed on the element surface. This causes the capacitance of the device to increase and If it is carried, the reach distance will be short. However, according to the above-described embodiment, an increase in element capacitance can be prevented, and the reach when the light receiving module is mounted is not impaired.
  • the light-receiving element itself has an electromagnetic shielding function, there is no need for a conductive film (metalized film) mounted inside the light-receiving module and a mesh structure for the module case light-receiving window as anti-electromagnetic noise. Become. As described above, since the components for electromagnetic shielding can be eliminated, an ultra-small light-receiving module can be realized. In this embodiment, when the electromagnetic shielding parts are used together, the size cannot be reduced, but the electromagnetic shielding effect is significantly improved as compared with the conventional example.
  • the layer 33 connected to one electrode 70 is connected to the other electrode 60 (electrode connected to a predetermined potential). If covered, there is also an advantage that the shape of the electrodes and the change in the arrangement of the P and N layers of the element can be changed as appropriate.
  • the present invention it is possible to prevent the occurrence of a malfunction by making it hard to be affected by noise. Also, the number of parts and the number of assembly steps can be reduced. High-speed response can be achieved by preventing an increase in element capacitance. The size can be reduced. As described above, the present invention is desirable in terms of performance, design, manufacturing, and cost, and thus can be widely used for light-receiving elements and light-receiving modules such as infrared remote control devices.

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Description

明細書 受光素子及びそれを備えた受光モジュール 技術分野
本発明は受光素子とそれを備える受光モジュールに関する。 背景技術
リモー トコン トロール用の受光モジュール等に搭載される受光素子は一般に、 赤外光用の受光素子で構成され、 P I N型フォ トダイォードからなる受光部を図 9 に示すように基板 1 0 0の厚さ方向に形成したもの、 あるいは図 1 0に示すよ う に基板 2 0 0の表面と同方向に形成したものが知られている。 図 9において、 1 0 1 は？—層、 1 0 2は？ +層、 1 0 3は +層、 1 0 4は S i 0 2で形成され た絶縁層、 1 0 5はN電極、 1 0 6は P電極である。 図 9に示す構造の場合は、 P +層 1 0 2に達した長波長光成分に起因するキヤ リア 1 0 7が拡散 （L pで示 す） して光電流になってしまう。 一方、 図 1 0において、 2 0 1 は空乏層 （その 厚さを Wで示す） 、 2 0 2は？ +層、 2 0 3は環状に形成された N +層、 2 0 4 は S i 0 2で形成された絶縁層、 2 0 5は P電極、 2 0 6は N電極である。 この図 1 0に示す構造の場合は、 長波長光成分に起因して空乏層 2 0 1以外で発生した キャ リ ア 2 0 7もその拡散長 （L p ) 範囲内であれば光電流になってしまう。 こ のように、 従来の受光素子において、 所要の波長光より長波長側の波長光を受光 し、 誤動作を生じてしまうことがある。
そして、 これらの受光素子は、 可視光による誤動作を防ぐため可視光遮光用樹 脂で覆われて使用される場合が多い。 また、 前記受光素子は電磁ノイズに対して も非常に弱く、 受光モジュールと して誤動作の要因となってしまうので、 これを 防ぐ目的で受光モジュール内部に導電性フ ィルム （金属化フィ ルム） 等を挿入し たり、 また、 モジュールケースの受光窓にメ ッシュ構造を配している。 一方、 金 属ケースではなく樹脂封止を行なっている受光モジユールでは、 内部の受光素子 表面にメ ッシュ状金属電導体を形成している。 また、 赤外線受光モジュールを用いた照明器具においては、 可視光の影響に対 しては、 受光モジュールまた受光素子を可視光遮光用樹脂により覆われたもの使 用することで対応している。 しカゝし、 実際には、 照明器具においては、 蛍光ラン プから発生する多数のスペク トル （光） の影響を抑えるためパンドパスフィルタ 等を装着させている。 また、 近年では、 その蛍光ランプの多灯化や高出力化が進 み、 従来以上に蛍光ランプのスペク トル （例えば、 1013nm光） よる受光モジユー ルの誤動作がクローズアップされている。 この様な背景のもと、 可視光遮光用樹 脂によ り覆われた受光素子の上部に、 干渉フィルタを配置し、 発生している不要 スペク トルをカ ッ ト した信号を受光するタイプや可視光遮光用樹脂内部に干渉フ ィ ル夕を埋め込んだモジユールが用いられている。
しかしこの場合、 受光モジュールとしては、 部品点数が増加し、 組み立て工数 も増えコス トアップにつながる。 また、 樹脂内部に埋め込む場合、 干渉フィル夕 の取り付け精度、 樹脂と干渉フィルタ間での樹脂剝離等の信頼性に問題が生じて く る。
また、 樹脂封止を行っている受光モジュールでは、 内部の受光表面にメ ッシュ 状金属電導体を形成しているが、 直接素子表面に電導体を形成したのでは等価的 に素子表面で平行平板コンデンサ一を生じてしまい、 素子の容量が増大し、 受光 モジュールに搭載した場合、 到達距離が短く なつてしまう。 発明の開示
本発明は所要の波長光よりの長波長の光を受光したときに誤動作を生じないよ う にした受光素子及び受光モジュールを提供することを目的とする。 また、 本発 明は素子容量を増大させることなく、 所要の波長光以外の光等を受けたときに誤 動作を生じないようにした受光素子及び受光モジュールを提供することを目的と する。 また、 本発明はパンドパスフィルタや干渉フィルタ、 受光窓のメ ッシュ構 造などを要することなく、 不要波長光等による誤動作を生じないようにした受光 モジュールを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため本発明では、 不純物濃度の低い基板に受光部と して の第 1導電型高濃度不純物層と第 2導電型高濃度不純物層を形成し、 前記第 1、 第 2導電型高濃度不純物層を基板表面と同方向に配置した受光素子において、 前 記基板の裏面にキャ リアライフタイムの短い層を形成したことを特徴とする。 前 記キャ リ アライフタイムの短い層は、 第 1導電型もしくは第 2導電型の高濃度不 純物層とすることができる。 また、 前記キャ リアライフタイムの短い層は、 前記 基板に金などの D e e p— L e v e 1 (深い準位） を形成する不純物を添加して 形成した層とすることができる。 また、 前記第 1、 第 2導電型高濃度不純物層の 一方を他方と同.電位の電極によってシールドすることができる。 本発明の受光モ ジュールは、 上記の受光素子をリ一ドフレームに絶縁材料で固定して成る。
また、 本発明の受光モジュールは、 リードフレームと、 該リードフレーム上に 固定された受光素子と、 それらのリ一ドフレーム及び受光素子を一体にモールド する絶縁樹脂とから成り、 その受光素子が、 不純物濃度の低い基板、 前記基板の 裏面に形成されたキヤリァライフタイムの短い層、 前記基板の表面側に所定の深 さで形成され受光部を成す第 1導電型高濃度不純物層、 前記基板の表面側におい て前記第 1導電型高濃度不純物層の周囲を囲むように形成された第 2導電型髙濃 度不純物層、 基板表面上に形成された絶縁層、 前記絶縁層上に形成されるととも に第 1導電型高濃度不純物層と同電位に保持されることによって第 2導電型高濃 度不純物層をシールドする電極とを備え、 前記キャ リ アライフタイムの短い層が 前記フレーム上に絶縁材料で固定されている。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の受光素子の実施形態を示す断面図である。
図 2は同実施形態の平面図である。
図 3は本発明の受光素子の他の実施形態を示す平面図である。
. 図 4は分光感度特性を示す図である。
図 5は本発明の受光モジュールの実施形態を示す平面図である。
図 6は本発明の受光素子の他の実施形態を示す平面図である。
図 7は同実施形態の断面図である。
図 8は本発明の受光モジュールの他の実施形態を示す模式的な断面図である。 図 9は従来例を示す概略的な断面図である。 図 1 0は他の従来例を示す概略的な断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 図 1は本発明の受光 素子の第 1 の実施形態を示す断面図、 図 2はその平面図である。 受光素子 1 は、 不純物濃度が低い基板 2の表面に受光部 3を形成し、 基板 2の裏面にキヤ リァラ ィフタイムの短い層 4を形成している。
基板 2は、 例えば素子不純物濃度が 4 X 1 0 1 3 cm— 3以下、 厚さが 3 0 0〃 程 度の第 1導電型 （P型） の S i基板を用いている。 この基板 2は、 高抵抗で例え ば 5 0 0 Ω c m以上の比抵抗に設定され、 ( P - ) 層 2 aとして機能する。 そし てこの基板 2の裏面に、 N型不純物と して例えばリ ン （P ) を拡散することによ り、 キャ リ アライフタイムの短い層として機能する第 2導電型 （N型） 高濃度不 純物層 4を深さ （厚さ） が 1 5 0 m程度に形成する。 尚、 図では、 この第 2導 電型高濃度不純物層 4に便宜上 （N + B ) を付している。 この N型高濃度不純物 層 4は、 横軸に不純物濃度、 縦軸にその不純物濃度におけるキャリアのライフ夕 ィムを示した特性図 （図示せず） において、 不純物濃度を徐々に高めていった場 合にキヤ リ ァライフタイムが急激に短く なり始める不純物濃度である 1 X 1 0 1 6 c m 3より も大きな不純物濃度に設定 （ S i基板の場合） され、 例えば 3 X 1 0 1 8 c m 3程度の不純物濃度に設定されている。
受光部 3は、 第 1導電型の高濃度不純物層 3 0と第 2導電型の高濃度不純物層 3 1 を備えて構成され、 これらの層を基板 2の表面と同方向に配置している。 尚、 図では、 便宜上、 第 1導電型の高濃度不純物層 3 0に P +を付し、 第 2導電型高 濃度不純物層 3 1 に （N + F ) を付している。 第 1導電型の高濃度不純物層 3 0 は、 基板 2の表面に P型不純物と してのボロン （B ) を拡散させて環状に形成さ れている。 この不純物層 3 0は、 不純物濃度が 3 X 1 0 1 9 c m 3程度、 深さが 3 程度に形成している。 一方、 第 2導電型の高濃度不純物層 3 1 は基板 2の表 面の層 3 0で囲まれた領域内に N型不純物と してのリ ン （P ) を拡散させること により形成されている。 この層 3 1 は、 シート抵抗が 2 0 Ω /ロ程度、 深さ （厚 さ） カ 1〜 2〃 mに形成している。 基板 2の表面には、 表面保護膜および反射防止膜として機能する膜 5を例えば 酸化シリ コン （S i 〇2 ) によって形成している。 受光部 3の第 1、 第 2導電型高 濃度不純物層 3 0、 3 1 とのコンタク トを行なうため 、 フォ ト リソグラフィ によ り膜 5の一部が除去されている。 膜 5の上には、 アルミニウム等の金属を蒸着し、 フ ォ トリソグラフィ により不要部分を除去することによって、 P， N側電極 6 , 7を形成している。
この実施形態の動作について、 長波長光カッ トの効果を中心に説明する。 まず、 素子 1 に入射した光が、 深さ方向に対し、 光電流となる量子効率 Rは、 R = l — e X p ( - a W ) / ( 1 + a L p) により表すことができる。 ここで、 Wは低濃度 不純物領域 2 aの厚さ （逆電圧により拡がる空乏層厚さ） 、 αはある波長の光に 対する光吸収係数、 L p は、 裏面の高濃度不純物層 4におけるキャ リ アの拡散長 である。 従って、 効率 Rを上げるには、 低濃度不純物領域 2 aに関して十分な厚 さ Wを設ければよい。 言いかえれば、 不要な波長成分に対する Wの厚さを規制す れば良いことになる。 しカゝし、 上述した図 9のような受光素子の場合、 低濃度領 域 1 0 1の厚さ Wの厚さを規制しても、 高濃度不純物層 1 0 7において発生した キャ リ アは、 拡散長 L pの成分が光電流に寄与してしまい、 長波長成分が十分低 減できない。 また、 図 1 0に示す受光素子の表面に形成された受光部においては、 効率的に受光できる領域である空乏層 2 0 1 は、 電界が基板表面と平行に加わる ため、 空乏層 2 0 1 の深さ方向への拡がりを抑制できるが、 空乏層以外において 発生したキャ リアは、 拡散長 L pの成分が光電流に寄与してしまい、 長波長成分 が十分低減できない。
しかしながら、 本発明の第 1の実施形態では、 図 1、 図 2に示すように、 低濃 度不純物領域 2 aの厚さを上記式にて計算される厚さ Wに規制する高濃度不純物 層 4を裏面に設けたので、 この高濃度不純物層 4内で発生したキヤ リァを光電流 に寄与する前に短時間で消滅させることができる。 この時、 裏面の高濃度不純物 層は、 表面の電極 （P側電極 6、 N側電極 7 ) と独立させて、 電気的に絶縁状態 と している。
これにより、 高濃度不純物層 4が低濃度不純物領域 2 a (空乏層） の厚さ Wを 最適厚さに規制させるとともに、 この高濃度不純物領域 4に達した不要な光成分 に起因して発生するキャ リアのライフタイムを短く し （L pを短く し） 、 拡散さ せない効果をもたらし、 不要成分 （長波長光成分） を十分にカッ トすることがで きる。
この実施形態においては、 P型低濃度不純物層 2 aの厚さ Wは、 l O O O n m の入射光波長の除去を目的とし 9 0 mとした。 ここで、 裏面高濃度不純物層 4 でのキャ リアの拡散長を 1 m、 また、 1 0 0 0 n mの入 波長光の吸収係数を 7 X 1 0 1 c m 1とした。 図 4に、 図 1に示す受光素子の分光感度特性 Aおよび図 9に示す受光素子の分光感度特性 Bを示す。 これによると、 l O O O n mの入射 波長光の受光感度が従来に比べ約 1 / 6に低減されていることが分かる。
図 3は、 受光素子 1の別の形態例を示している。 内部は、 図 1に示した上記構 造と同様であるが表面形状が相違している、 すなわち、 高濃度不純物層 3 1の 4 方向を囲んでいた高濃度不純物層 3 0の形状を変更し、 高濃度不純物層 3 0が高 濃度不純物層 3 1の 3方向を囲むような平面形状としている。 また、 隣接配置し ていた P側と N側の電極 6， 7の配置を変更し、 両電極を受光素子の両側に配置 している。
図 5は、 前記受光 *子 1を備える受光モジュール 8の実施形態を示す要部平面 図である。 このモジュール 8は、 金属製のリードフレーム 9に受光素子 1をマウ ントし、 それらを可視光遮光用の成分を含んだ絶縁性樹脂 1 ◦によって一体にモ 一ルドした構造としている。 ここで、 受光素子 1は導電性接着剤 1 1により中央 のリードフレーム 1 2にマウントしている力^ マウントされたリードフレーム 1 2は他のリードフレーム 1 3， 1 4と切り離されて電気的に浮いている。 そして 両端に位置する他の 2本のリードフレーム 1 3， 1 4と P側電極 6並びに N側電 極 7との間に金線 1 5 a， 1 5 b等をワイヤボンディ ングすることで、 受光素子 1の検出信号を取り出す構成としている。
図 6、 7は受光素子 1のさらに他の実施形態を示すもので、 受光面に電磁シ一 ルドを備えた構成例を示す。 図 7は、 図 6の A— A断面図である。 受光素子 1は、 図 1に示す受光素子と同等の構成であるが、 基板 2、 受光部 3の導電型が N型と P型の関係において逆転している点、 基板 2の表面にシールド用の電極 1 6を形 成している点などで相違している。 すなわち、 不純物濃度が低い基板 2として、 例えば素子不純物濃度が 4 X 1 0 1 3 cnr 3以下、 厚さが 3 0 0 m程度の N型 S i 基板を用いている。 そしてこの基板 2の裏面に形成したキヤ リアライフタイムの 短い層 4は、 基板 2と同じ導電型の N型高濃度不純物層としている。 この N型高 濃度不純物層 4は、 例えば 3 X 1 0 1 8 c m— 3程度の不純物濃度で深さ （厚さ） が 1 5 0〃 mに設定されている。
受光部 3は、 第 1導電型の高濃度不純物層 3 2と第 2導電型の高濃度不純物層 3 3を備えて構成され、 これらの層を基板 2の表面と同方向に配置している。 図 では、 便宜上、 第 1導電型の高濃度不純物層 3 2に P +、 第 2導電型の高濃度不 純物層 3 3に （N + F ) を付している。 第 1導電型の高濃度不純物層 3 2は、 基 板 2の表面の中央に P型不純物としてのボロン （B ) を拡散させることにより形 成されている。 この層 3 2は、 シート抵抗が 2 0 Ω /口程度、 深さが l〜2〃 m 程度に形成している。 一方、 第 2導電型の高濃度不純物層 3 3は、 基板 2の表面 の層 3 2が形成された領域を囲むように N型不純物としてのリ ン （P ) を拡散さ せることにより形成されている。 この層 3 3は、 不純物濃度が 3 X 1 0 1 9 c m一3 程度、 深さ （厚さ） が 3 ^ m程度に形成している。
基板 2の表面には、 表面保護膜および反射防止膜と して機能する絶縁用の膜 5 を例えば酸化シリ コン （S i 0 2 ) によって形成している。 受光部 3の導電型高 濃度不純物層 3 2、 3 3 とのコンタク トを行なうため 、 フォ ト リソグラフィ によ り膜 5の一部が除去されている。 膜 5の上には、 アルミニウム等の金属を蒸着し、 フ ォ ト リソグラフィ により不要部分を除去することによって、 P , N側電極 6 0， 7 0を形成する。 絶縁層 5上に形成された N側電極 7 0は、 層 3 3よりも幅広に 形成されている。 そして、 P側電極 6 0は、 N側電極 7 0が形成された領域を除 いて、 層 3 3の上を完全に覆うように環状に形成されて、 前記シールド用の電極 1 6を構成している。
図 8は、 図 6 , 7に示す受光素子 1 を搭載した受光モジュール 8の実施形態を 示す。 この受光モジュール 8は、 光検出部としての前記受光素子 1 とその駆動用 である I C 1 7を共通のリードフレーム 9上に配置し、 それらを樹脂 1 0によつ てモールドした 1モールド型の構成としている。 樹脂 1 0は可視光遮光用の材料 を含有した絶縁性樹脂を用いているが、 その他の樹脂でモールドすることもでき る。
一般に、 1チップで光検出部、 駆動 I C部を構成したモノリシックタイプでは、 光検出部の光感度が不十分であるとの理由により、 このモジュール 8は、 高速性 • 高感度性に優れた受光素子 1 と駆動用 I C 1 7とを組み合わせた 2チップ構造 を採用している。 すなわち、 リードフレーム 9上に、 前記受光素子 1を絶縁性接 着剤 1 8によって固定配置し、 I C 1 7を導電性接着剤 1 9によって固定配置し ている。 そして、 両者の間の接続は、 受光素子 1の N側電極 7 0と I C 1 7の増 幅回路部を金線 2 0等で配線するのみとなつている。 発光素子 1の P側電極 6 0 は、 金線 2 1等でリ一ドフレーム 9に配線してアース電位に接続している。
上記のように共通のリ一ドフレーム 9上に絶縁性接着剤 1 8により受光素子 1 をボンディ ングし、 このリードフレーム 9に、 受光素子 1表面に形成された受光 面である層 3 2と接続した電極 6 0を線 2 1により接続することにより、 電磁ノ ィズを受けやすい受光素子 1の上下を同一電位で挟みこむ構造となり、 効果的な 電磁シールドが形成される、 さらに、 層 3 3の表面をもシールド用の電極 1 6に よってシールドすることができる。
図 8に示す受光モジュールは、 電磁シールド性をより高めるために、 受光素子 1の側面をフレーム 9と同電位で覆うための構造を備えている。 すなわち、 リー ドフレーム 9に受光素子 1の側面と同等の高さの壁 2 2を一体に形成し、 この壁 2 2も利用しながら電磁シールドを行なっているが、 リードフレーム 9の一部を 落としこんでくぼみを形成し、 その中に受光素子 1をマウゥントしても良い。 素 子 1側面を覆う壁 2 2は、 1面でも良いが、 素子の 4面を覆うように複数面配置 するのが好ましい。 この壁 2 2は、 構成上必ずしも必要ではないが、 シールド効 果を髙める上では有用である。
尚、 上記の説明は、 P I Nフォ トダイオードタイプの受光素子 1を例にとった が、 本発明はこれらに限られるものではなく、 P Nタイプの一般のフォ トダイォ ー ド、 駆動用の I Cと同一基板上に形成された I Cに内臓の受光素子についても 適用できる。
また、 上記実施形態はキャ リアライフタイムの短い層 4として、 N型の高濃度 不純物層を用いる例を示したが、 これに限られるものではなく、 P型の高濃度不 純物層を用いることもできる。 また、 基板に金などの D e e p— L e V e 1 (深 い準位） 形成用の不純物を添加した層もキヤリアライフタイムを短くすることが できるので、 これを層 4として用いることもできる。 以上の実施形態によれば以 下のメリ ッ トがある。
まず、 （ 1 ) 受光素子自体に長波長光に対する感度を低減するカツ トフィルタ 機能を有することができ、 従来、 照明器具において、 蛍光ランプから発生する多 数のスペク トル （光） の影響を抑えるためパンドパスフィルタ等を装着させ、 ま た、 近年では、 その蛍光ランプの多灯化や高出力化が進み、 従来以上に蛍光ラン プのスペク トル （例えば、 1013nm光） よる受光モジュール誤動作がクローズアツ プされ、 可視光遮光用樹脂により覆われた受光素子の上部に、 干渉フィルタを配 置し、 発生しているスペクトルをカッ トした信号を受光するタイプや可視光遮光 用樹脂内部に干渉フィル夕を埋め込んだモジュールが用いられているが、 この場 合、 受光モジュールとしては、 部品点数が増加し、 組み立て工数も増えコストァ ップにつながり、 サイズも制限されるが、 これを解消でき安価な超小型のモジュ ールが可能となる。
( 2 ) 樹脂内に埋め込む場合、 干渉フィル夕の取り付け精度 ·樹脂と干渉フィ ル夕間での樹脂剝離等の信頼性に問題が生じるが、 この様な不安定性が、 排除で きる。 接合部 （空乏層以外） での発生キャ リアを防止できるため、 拡散成分を抑 え、 ドリフト成分のみに出来、 高速応答性が得られる。
( 3 ) 受光素子自体に素子表面かつ素子側面において電磁シールド機能を有す ることにより、 金属導電体を電磁シールドとして用いた場合、 入射光が金属導電 体により反射され、 実効的受光面積が減少する （入射光ロス） が、 これを解消で きる。 金属導電体を電磁シールドとして用いた場合、 実効的受光面積が減少する ため、 あまり広域に金属導電体を受光素子表面に配置することができない事から 有効な電磁シールドとしては、 不十分であるが、 上記実施形態では、 受光素子表 面自体がシールド層となるため十分な電磁シールド効果が得られる。 樹脂封止を 行なっている受光モジュールでは、 内部の受光素子表面にメッシュ状金属導電体 を形成しているが、 直接素子表面に電導体を形成するため、 等価的に素子表面で 平行平板コンデンサーを生じてしまい、 素子の容量が増大し受光モジュールに搭 載した場合到達距離が短くなつてしまう。 しかしながら、 上記実施形態によれば、 素子容量の増大を防止でき、 受光モジュール搭載時の到達距離を損なわれない。 受光素子自体に電磁シ一ルド機能を有する為、 従来、 耐電磁ノイズとして、 受光 モジュール内部に装着した導電性フィルム （金属化フィルム） 、 更には、 モジュ ールケース受光窓のメッシュ構造をもが不要となる。 以上ように、 電磁シールド 用部品が削除できるため、 超小型受光モジュールが可能となる。 尚、 本実施形態 において、 電磁シールド用部品の併用を行なった場合には、 その分、 小型化は図 れないが、 電磁シールド効果は従来例に比し、 格段に向上する。
( 4 ) 図 6、 図 7の実施形態に示すように、 一方の電極 7 0 (信号を取り出す 電極） に接続された層 3 3を他方の電極 6 0 (所定電位に接続される電極） で覆 うようにすれば、 電極の形状や素子の P, N層の配置変などを適宜変更できると いう利点もある。 産業上の利用可能性
以上説明したように本発明によれば、 ノィズの影響を受け難く して誤動作の発 生を防止することができる。 また、 部品点数、 組み立て工数の削減を図ることが できる。 素子容量の増大を防止して高速応答性を図ることができる。 小型化を図 ることができる。 このように本発明は、 性能、 設計、 製造、 コストの面で望まし いので、 赤外線リモートコントロール装置等の受光素子ゃ受光モジユール等に大 いに利用できる。

Claims

請求の範囲
1 不純物濃度の低い基板に受光部としての第 1導電型高濃度不純物層と第 2導電型高濃度不純物層を前記基板表面と同方向に形成した受光素子において、 前記基板の裏面にキヤリアライフタイムの短い層を形成したことを特徴とする受 光素子。
2 請求項 1 に記載の受光素子であって、
前記キャ リ アライフタイムの短い層は、 第 1導電型もしくは第 2導電型の高濃度 不純物層である。
3 請求項 1に記載の受光素子であって、
前記キャリアライフタイムの短い層は、 前記基板に金などの D e e p— L e V e 1 (深い準位） を形成する不純物を添加して形成した層である。
4 請求項 1 に記載の受光素子であって、
前記第 1、 第 2導電型高濃度不純物層の一方が他方と同電位の電極によってシ 一ルドされている。
5 以下のものから成る受光素子：
不純物濃度の低い基板、
前記基板の裏面に形成されたキヤリアライフタイムの短い層、
前記基板の表面側に所定の深さで形成され受光部を成す第 1導電型高濃度不純 物層、
前記基板の表面側において前記第 1導電型高濃度不純物層の周囲を囲むように 形成され前記受光部を成す第 2導電型高濃度不純物層、
前記基板の表面上に形成された絶縁層、
前記絶縁層上に形成されるとともに第 1導電型高濃度不純物層と同電位に保持 されることによつて第 2導電型高濃度不純物層をシールドする電極。
6 請求項 5に記載の受光素子であって、
前記電極はその幅が第 2導電型高濃度不純物層よりも幅広で、 前記絶縁層を挟 んで第 2導電型高濃度不純物層と並行に形成されている。
7 リードフレームと、 該リードフレーム上に固定された受光素子とからな る受光モジュールにおいて、 不純物濃度の低い基板に受光部としての第 1導電型高濃度不純物層と第 2導電 型高濃度不純物層を形成し、 前記第 1、 第 2導電型高濃度不純物層を基板表面と 同方向に配置するとともに前記基板の裏面にキヤ リ アライフタイムの短い層を形 成することによつて受光素子が形成され、 そのキャ リ アライフタイムの短い層を 絶縁性材料によつてリードフレームに固定したことを特徴とする受光モジユール。
8 リードフレームと、 該リードフレーム上に固定された受光素子と、 それ らのリードフレ一ム及び受光素子を一体にモールドする絶縁樹脂とから成る受光 モジユールにおいて、
前記受光素子が、 不純物濃度の低い基板、 前記基板の裏面に形成されたキヤ リ ァライフタイムの短い層、 前記基板の表面側に所定の深さで形成され受光部を成 す第 1導電型高濃度不純物層、 前記基板の表面側において前記第 1導電型高濃度 不純物層の周囲を囲むように形成された第 2導電型高濃度不純物層、 基板表面上 に形成された絶縁層、 前記絶縁層上に形成されるとともに第 1導電型高濃度不純 物層と同電位に保持されることによって第 2導電型高濃度不純物層をシールドす る電極とを備え、 前記キヤ リ ァライフタイムの短い層が前記フレーム上に絶縁材 料で固定されていることを特徴とする受光モジュール。
9 請求項 8に記載の受光モジュールであって、
前記電極が前記リ一ドフレームに接続されている。
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