WO2013145757A1

WO2013145757A1 - 受光デバイス

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Publication number: WO2013145757A1
Application number: PCT/JP2013/002135
Authority: WO
Inventors: エジソンゴメスカマルゴ
Original assignee: 旭化成エレクトロニクス株式会社
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-10-03
Also published as: CN104247018A; CN104247018B; EP2806456A4; US9046410B2; EP2806456A1; US20150028216A1

Abstract

　本発明は、出力端子の数を抑え、スイッチング素子を用いずに各受光部からの出力の差分値を同時且つ高Ｓ／Ｎ比で演算可能な受光デバイスを提供することを目的とする。本発明の受光デバイスは、同一基板上に形成された第１及び第２の受光部と、第１及び第２の出力端子とからなる回路パターンを備え、第１及び第２の受光部は、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層を有するフォトダイオード構造を形成する半導体積層部と、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層にそれぞれ接続される第１電極及び第２電極とを有し、第１の受光部及び第２の受光部の第１電極同士が接続され、第１の受光部の第２電極が第１の出力端子に接続され、第２の受光部の第２電極が第２の出力端子に接続され、第１及び第２の出力端子間で第１の受光部及び第２の受光部で生じた信号の差分を出力する。

Description

受光デバイス

　本発明は、受光デバイスに関する。より詳細には、複数の受光部を備える受光デバイスに関する。

　人体の体温は３６度付近であり、皮膚から放射される輻射が２～３０μｍという広い範囲のスペクトラムの赤外線を人体は放出する。この光を検出することによって、人体の位置若しくは動きを検出することができる。

　上記の２～３０μｍの波長帯で動作するセンサとしては、焦電センサやサーモパイルが挙げられる。これらのセンサの高感度化を実現するために、受光部と光の入射窓部との間に中空領域を設ける必要があり、そのためセンサの小型化は制限されている。

　サーモパイルや焦電センサの中空構造による制限を解決するため、量子型（光起電力型）赤外線センサが期待されている。量子型赤外線センサは、多数キャリアが電子であるｎ型半導体と多数キャリアがホールであるｐ型半導体とが接合されて構成されるＰＮ接合又はｐ型半導体とｎ型半導体との間に真正半導体を有するＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有している。量子型赤外線センサでは、赤外線の光子によりＰＮ接合又はＰＩＮ接合に存在する空乏層内で発生した電子ホール対が価電子帯及び導電帯の傾斜に従って空間的に分離蓄積された結果、ｐ型半導体はプラス側に帯電し、ｎ型半導体はマイナス側に帯電して、その間に起電力が生ずる。この起電力は開放電圧と呼ばれ、ＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合部の抵抗より大きな外部抵抗（高入力インピーダンスの回路やアンプでもよい）を使用することにより電圧として読み出すことも、また量子型赤外線センサ外部で短絡することにより電流として読み出すことも可能である。

　このような量子型赤外線センサを室温で人感センサとして用いる場合に問題となるのが、人間が活動する環境温度と人間の体温との差が小さいため、出力信号が小さく、また、環境から輻射される揺らいだ赤外線がセンサに検出されてノイズとなるため、十分なＳ／Ｎ比を確保することが困難であるという点である。そのため、通常の量子型赤外線センサの場合、受光部を外界の温度に対して冷却することにより出力信号が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。この量子型赤外線センサの代表的なものとして、ＩｎＳｂを半導体積層部として用いたセンサやＭＣＴ（Ｍｅｒｃｕｒｙ　Ｃａｄｍｉｕｍ　Ｔｅｌｕｒｉｄｅ）などが挙げられる。

　上記化合物半導体を用いる量子型赤外線センサにおいては、特許文献１に示されるように、非冷却で小型化を行いながら、人感センサとしてのＳ／Ｎ比を向上させるために、平面状に半導体センサを配置し、各センサの出力電圧を多段直列接続して取り出す方式が提案されている。

　上述の光センサの応用例として、被検出体から輻射された光の受光強度の演算や、被検出体の動作や、センサまでの距離を演算する受光デバイスが期待されている。そのような受光デバイスを実現するためには、複数の光センサからの出力の差分値や加算値を用いる方法が考えられる。

　複数の出力からの出力の差分値を用いれば、被検出体から輻射された光の受光強度や、被検出体の動作を検出することが可能であり、加算値を用いれば、人体の接近も検出できる。また、光センサをアレイ状に配置し、各センサに入射された光の受光強度に基づく信号を後段の演算回路で演算することにより、各センサの出力信号の和や差を得ることが出来る（特許文献２参照）。

　図１３は、光センサからの出力から、出力の差分値や和を演算する従来の受光デバイスの構成を示す。図１３には、受光部ｄＡ～ｄＤを含む光センサ部１３１０と、光センサ１３１０に接続され、電流／電圧（電流－電圧）変換アンプ４ａ～４ｄを含む電流－電圧変換手段１３２０と、電流－電圧変換手段１３２０に接続され、第１の減算回路５及び第２の減算回路６を含む差分演算手段１３３０と、電流－電圧変換手段１３２０に接続され、電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄからの出力信号を加算する加算回路９からなる加算演算手段１３４０とを備えた従来の受光デバイス１３００が示されている。

　光センサ部１３１０において、受光部ｄＡ～ｄＤの一端はそれぞれの出力端子３ａ１～３ｄ１を介して各電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄの一方の入力端子に接続され、受光部ｄＡ～ｄＤの他端はそれぞれの出力端子３ａ２～３ｄ２を介して接地されている。電流－電圧変換手段１３２０において、電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄの他方の入力端子は接地され、電流－電圧変換アンプ４ａの出力端子は第１の減算手段５及び加算演算手段１３４０に接続され、電流－電圧変換アンプ４ｂの出力端子は第２の減算手段６及び加算演算手段１３４０に接続され、電流－電圧変換アンプ４ｃの出力端子は第１の減算手段５及び加算演算手段１３４０に接続され、電流－電圧変換アンプ４ｄの出力端子は第２の減算手段６及び加算演算手段１３４０に接続されている。加算演算手段１３４０は加算回路９によって４つの信号（電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄの各出力）を加算する。

　光センサ部１３１０において、受光部ｄＡ～ｄＤは、被検出体から輻射された光を入射し、入射した光の光強度に応じた電流をそれぞれの出力端子３ａ１～３ｄ１を介して各電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄに出力する。電流－電圧変換手段１３２０において、電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄは、それぞれ入力した電流を電圧に変換して差分演算手段１３３０及び加算演算手段１３４０にそれぞれ出力する。差分演算手段１３３０において、第１の減算回路５は電流－電圧変換アンプ４ａ及び４ｃからのそれぞれの出力の差分を演算して減算信号を出力し、第２の減算回路６は電流－電圧変換アンプ４ｂ及び４ｄからのそれぞれの出力の差分を演算して減算信号を出力する。加算演算手段１３４０は、４つの信号（電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄの各出力）の加算演算結果を出力する。

国際公開第２００５－２７２２８号パンフレット特開２００４－３６４２４１号公報

　しかしながら、図１３に示される構成では、各受光部ｄＡ～ｄＤからの出力を得るために、出力端子（パッド）が受光部の個数の２倍必要になり、装置が大型化してしまう。また、電流－電圧変換アンプから見た信号源（受光部１個分）のインピーダンスが低いので、受光部の内部抵抗が小さい場合、電流－電圧変換アンプの入力換算ノイズが増幅され、電流－電圧変換アンプ出力のノイズレベルが高くなるという問題がある。

　また、図１３に示される回路においては、ノイズレベルを抑えつつ、複数の受光部からの出力の差分値及び加算値を求めるためには、スイッチング素子を使用する必要があるが、スイッチング素子を用いる場合、それを制御するための装置も必要となり、装置の大型化や消費電力の増大を招来してしまう。

　本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力端子の数を抑え、且つ、スイッチング素子を用いずに、各受光部からの出力の差分値を同時に、且つ、高Ｓ／Ｎ比で演算することが可能な受光デバイスを提供することである。

　本発明の請求項１に記載の受光デバイスは、同一基板上に形成された第１の受光部および第２の受光部と、第１の出力端子および第２の出力端子とからなる回路パターンを備える受光デバイスであって、前記第１の受光部および前記第２の受光部のそれぞれは、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有するＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を形成する半導体積層部と、前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、前記第２導電型半導体層に接続される第２電極とを有し、前記第１の受光部の第１電極が前記第２の受光部の第１電極に接続され、前記第１の受光部の第２電極が前記第１の出力端子に接続され、前記第２の受光部の第２電極が前記第２の出力端子に接続され、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間で、前記第１の受光部および第２の受光部で生じた信号の差分を出力することを特徴とする。

　本発明の請求項２に記載の受光デバイスは、本発明の請求項１に記載の受光デバイスであって、前記同一基板上に形成された第３の受光部および第４の受光部と、第３の出力端子および第４の出力端子とをさらに備え、前記第３の受光部および前記第４の受光部のそれぞれは、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有するＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を形成する半導体積層部と、前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、前記第２導電型半導体層に接続される第２電極とを有し、前記第３の受光部の第２電極と前記第４の受光部の第２電極が、前記第１の受光部および前記第２の受光部の第１電極に接続され、前記第３の受光部の第１電極が前記第３の出力端子に接続され、前記第４の受光部の第１電極が前記第４の出力端子に接続されることを特徴とする。

　本発明の請求項３に記載の受光デバイスは、本発明の請求項１または２に記載の受光デバイスであって、前記第１の出力端子および前記第２の出力端子に接続された電流－電圧変換アンプをさらに備えることを特徴とする。

　本発明の請求項４に記載の受光デバイスは、本発明の請求項２に記載の受光デバイスであって、前記第１の出力端子および前記第２の出力端子に接続された第１の減算回路と、前記第３の出力端子および前記第４の出力端子に接続された第２の減算回路と、前記第１の出力端子および前記第３の出力端子に接続された第３の減算回路と、前記第２の出力端子および前記第４の出力端子に接続された第４の減算回路と、前記第３の減算回路および前記第４の減算回路の出力端子に接続された加算回路と、をさらに備えることを特徴とする。

　本発明の請求項５に記載の受光デバイスは、本発明の請求項３または４に記載の受光デバイスであって、前記出力端子と前記減算回路が、それぞれ電流－電圧変換アンプを介して接続されることを特徴とする。

　本発明の請求項６に記載の受光デバイスは、本発明の請求項３から５の何れか一項に記載の受光デバイスであって、前記出力端子と前記減算回路が、スイッチング素子を介さずに接続されることを特徴とする。

　本発明の請求項７に記載の受光デバイスは、本発明の請求項１に記載の受光デバイスであって、前記回路パターンを同一基板上に２つ備えた受光デバイスであって、一方の前記回路パターンにおける前記第１の受光部の第１電極と前記第２の受光部の第１電極を接続する第１の配線層と、他方の前記回路パターンにおける前記第１の受光部の第１電極と前記第２の受光部の第１電極を接続する第２の配線層とをさらに備え、前記第１の配線層及び前記第２の配線層は、交差部において互いに交差するように形成されており、前記交差部における前記基板上には第１導電型半導体層が形成され、前記交差部において、前記第１の配線層は、絶縁層を介して前記交差部の前記第１導電型半導体層上に形成され、前記第２の配線層は、前記絶縁層の一部に形成されたコンタクトホールを介して前記交差部の前記第１導電型半導体層に電気的に接続されていることを特徴とする。

　本発明の請求項８に記載の受光デバイスは、本発明の請求項１から７の何れか一項に記載の受光デバイスであって、前記半導体積層部は、インジウムおよび／又はアンチモンを含む材料からなることを特徴とする。

　本発明の請求項９に記載の位置検出デバイスは、請求項１から８の何れか一項に記載の受光デバイスと、前記受光デバイスの前記受光部に入射する光の入射方向を制御する視野角制限体とを備えたことを特徴とする。

　本発明によれば、受光部に接続される出力端子の数を抑え、且つ、スイッチング素子を用いずに、各受光部からの出力の差分値を同時に、且つ、高Ｓ／Ｎ比で演算することが可能な受光デバイスを実現することが出来る。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る受光デバイスの構成を示す図である。図２は、本発明に係る第１及び第２の受光部で用いられる受光素子の構成の一例を示す断面模式図である。図３は、図１に示した受光デバイスにおけるIII-III断面線での断面模式図を示す。図４Ａは、図１において４つの受光素子が直列接続されてなる第１及び第２の受光部を一つのダイオードとしてみたときの等価回路図である。図４Ｂは、図４Ａに示したダイオードを回路で示した等価回路図である。図５は、本発明の第２の実施形態に係る受光デバイスの等価回路を示す。図６は、本発明に係る第３の実施形態の受光デバイスを示す。図７は、図６に示される受光デバイスにおける、電流－電圧変換手段、減算回路及び加算回路のより具体的な回路図を示す。図８Ａは、本発明の第４の実施形態に係る受光デバイスの構成模式図である。図８Ｂは、図８Ａに示される構成の等価回路図である。図９Ａは、図８Ａに示した受光デバイスにおけるIXA-IXA断面線での断面模式図である。図９Ｂは、図８Ａに示した受光デバイスにおけるIXB-IXB断面線での断面模式図である。図１０は、本発明の第５の実施形態に係る、第１の実施形態に係る受光デバイスを使用した位置検出デバイスを示す。図１１は、本発明の第５の実施形態に係る、第１の実施形態に係る受光デバイスを使用した位置検出デバイスの他の例を示す。図１２は、第５の実施形態に係る位置検出デバイスに対して光源を移動させた場合における、光源の位置に対するＩｐ_ＡとＩｐ_Ｂの差分の関係及びＩｐ_Ａ～Ｉｐ_Ｄの総和の関係を示す。図１３は、光センサからの出力から出力の差分値や和を演算する従来の受光デバイスの構成を示す。

　以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）について説明する。本実施形態の受光デバイスは、同一基板上に形成された第１の受光部および第２の受光部と、第１の出力端子および第２の出力端子とからなる回路パターンを備える受光デバイスであって、前記第１の受光部および前記第２の受光部のそれぞれは、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有するＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を形成する半導体積層部と、前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、前記第２導電型半導体層に接続される第２電極とを有し、前記第１の受光部の第１電極が前記第２の受光部の第１電極に接続され、前記第１の受光部の第２電極が前記第１の出力端子に接続され、前記第２の受光部の第２電極が前記第２の出力端子に接続され、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間で、前記第１の受光部および第２の受光部で生じた信号の差分を出力する。

［第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る受光デバイス１００の構成を示す。図１に示される受光デバイス１００は、基板１０上に、第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢと、第１及び第２の出力端子３ａ，３ｂとを備える。第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢの各々は、４つの受光素子１が配線層６０を介して直列接続された構成からなっている。第１の受光部ｄＡ、第２の受光部ｄＢ、第１の出力端子３ａ及び第２の出力端子３ｂは、配線層６０を介して直列接続されている。

　図２は、本実施形態に係る第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢで用いられる受光素子１の構成の一例を示す断面図模式である。図２に示されるように、受光素子１は、基板１０と、基板１０上に形成された半導体積層部８０と、半導体積層部８０を覆うように基板１０及び半導体積層部８０上に形成された絶縁層５０と、絶縁層５０及び半導体積層部８０上に形成された配線層６０と、表面全体を覆う保護層７０と備える。半導体積層部８０は、基板１０上に、ｎ型ドーピングされたｎ型半導体層２０、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた光吸収層３０、バリア層３１、及びｐ型ドーピングされたｐ型半導体層４０が順次積層されて構成されたＰＩＮ接合のフォトダイオード構造部を含む。ｎ型半導体層２０上にはカソード（ｎ層電極）６１が形成されており、ｐ型半導体層４０上にはアノード（ｐ層電極）６２が形成されている。

　ここで、ｎ型半導体層２０が本発明における第１導電型の半導体層に該当し、ｐ型半導体層が第２導電型の半導体層に該当する。なお、本発明はこれに制限されず、第１導電型の半導体をｐ型半導体層とし、第２導電型の半導体層をｎ型半導体層としてもよい。以下、同様とする。

　また、本発明では、図２に示される構成から光吸収層３０を除いたＰＮ接合のフォトダイオード構造としてもよい。また、本発明においては、バリア層３１、保護層７０、絶縁層５０は必須の構成要件ではなく、要求に応じて適宜付加することが可能である。

　ｎ型半導体層２０、光吸収層３０及びｐ型半導体層４０を構成する材料としては、入射された光に応じて光起電力を生成することが可能なものであれば特に制限されない。被検出光が赤外線の場合、光吸収層３０及びｐ型半導体層４０を構成する材料として、ＩｎＳｂ系材料、ＩｎＧａＳｂ系材料、ＩｎＡｌＳｂ系材料、ＩｎＡｓＳｂ系材料、又はＩｎ、Ｓｂ、Ｇａ若しくはＡｌを含む材料を使用することができるが、用途に応じて、デバイスの検知波長帯を変える必要がある。ＩｎＳｂ系材料で構成された受光素子の場合、１～７μｍの波長を検知することができる。ＩｎＧａＳｂ又はＩｎＡｌＳｂ系材料で構成された受光素子の場合、１～５μｍの波長帯に絞ることができる。また、ＩｎＡｓＳｂ系材料で構成された受光素子の場合、１～１２μｍの波長帯を検知することができる。同様の波長を検知するには、ＨｇやＣｄを用いたＭＣＴを用いたフォトダイオード構造も研究されているが、環境負荷軽減の観点から、ｎ型半導体層２０、光吸収層３０及びｐ型半導体層４０で構成されるフォトダイオード構造部がＩｎ、Ｓｂ、Ｇａ、又はＡｌを含む材料で構成されることが好ましい。

　図２では、基板１０の裏面から光が入射する受光素子１が示されているが、本発明においては基板１０において半導体積層部８０が積層されている面側から光が入射するように構成してもよい。

　図２に示される受光素子１において、被検出光としての赤外線が、基板１０上において半導体積層部８０が積層されている面と対抗する面から入射して（図２においては、基板１０から半導体積層部８０に向かう方向に光が進行する）、フォトダイオード構造部に入射すると、フォトダイオード構造部に存在する空乏層内で発生した電子ホール対が価電子帯と導電帯との電界傾斜に従って空間的に分離蓄積される。その結果、ｎ型半導体層２０はマイナス側に帯電し、ｐ型半導体層４０はプラス側に帯電することにより、その間に起電力が生ずる。この起電力は開放電圧と呼ばれ、高入力インピーダンスの信号処理回路（アンプなど）に接続した場合、電圧として読み出すことができ、また赤外線センサ外部で短絡して電流として読み出すことも可能である。

　ｎ型半導体層２０は、高濃度のｎ型ドーピングを行うことで、バーシュタインモスシフトと呼ばれる効果により、ｎ型半導体層２０の赤外線吸収波長がより短波長側にシフトする。そのため、長波長の赤外線が吸収されなくなり、赤外線を効率よく透過させることができるようになる。

　光吸収層３０は、赤外線を吸収して光電流Ｉｐを発生させるための光吸収層である。従って、ｎ型半導体層２０と光吸収層３０とが接する面積Ｓ１が赤外線の入射される受光面積となる。一般的に、受光素子１の光電流Ｉｐは、受光面積に比例して大きくなるため、ｎ型半導体層２０と光吸収層３０とが接する面積Ｓ１は大きい方が好ましい。また、光吸収層３０の体積が大きいほど吸収できる赤外線量は大きくなるので、光吸収層３０の体積は大きい方が好ましい。光吸収層３０の膜厚は、赤外線の吸収により発生した電子及び正孔のキャリアが拡散できる程度の膜厚に設定すると好ましい。

　一方、光吸収層３０で使用されるような、赤外線を吸収する半導体は、一般にバンドギャップの小さい半導体であり、このような半導体は、電子の移動度が正孔の移動度よりも非常に大きい。例えばＩｎＳｂの場合、電子の移動度が約８０，０００ｃｍ^２／Ｖｓであるのに対して、正孔の移動度は数百ｃｍ^２／Ｖｓである。従って、素子抵抗は電子の流れ易さによる影響が大きい。

　光吸収層３０で赤外線吸収によって発生した電子は、ＰＮ又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の部分で形成された電位差によって、光吸収層３０からｎ型半導体層２０側へと拡散し、光電流として取り出される。上述のように、バンドギャップの小さい半導体では正孔の移動度が非常に小さいことから、通常、ｎ型ドーピング層よりもｐ型ドーピング層の電気抵抗が高くなる。また、電気抵抗は、電流が流れる部分の面積に反比例する。従って、光吸収層３０とｐ型半導体層４０とが接する面積Ｓ３の大きさによって素子抵抗が決まり、素子抵抗が大きくなるためには面積Ｓ３が小さい方が好ましい。

　また、波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは０．２５ｅＶ以下と小さい。このようなバンドギャップの小さな半導体（光吸収層３０の材料のバンドギャップが０．１～０．２５ｅＶの半導体）では、ｐ型半導体層４０側に、電子による拡散電流を抑制するため、バンドギャップが光吸収層３０よりも大きなバリア層３１を形成すると、暗電流のような素子の漏れ電流が小さくなり、素子抵抗を大きくすることができるため好ましい。

　バリア層３１は、光吸収層３０及びｐ型半導体層４０よりもバンドギャップが大きくなるように構成される。バリア層３１を構成する材料としては、例えば、ＡｌＩｎＳｂが挙げられる。このバリア層を設けることによって、受光部の抵抗は大きくなるため、電流－電圧変換アンプで信号の増幅をすると、高いＳ／Ｎ比が実現できるので、望ましい。

　絶縁層５０は、基板１０上及び半導体積層部８０上に形成され、基板１０及び半導体積層部８０の表面を絶縁及び保護する。配線層６０は、一層若しくは多層の金属等で構成され、光吸収層３０で生成された光起電力をカソード６１とアノード６２を介して取り出すための層であり、絶縁層５０上に形成されている。保護層７０の上部空間は、樹脂モールド（図示せず）されていてもよい。絶縁層５０及び保護層７０の材料としては、例えば樹脂、酸化シリコン、窒化シリコンなどが挙げられるが、絶縁性の材料であればいずれの材料であってもよい。

　単独の受光素子１を用いて受光部としてもよいし、複数の受光素子１を直列接続したものを受光部としてもよい。各受光部ｄＡ，ｄＢが２つ以上の受光素子１で構成される場合において、光起電力を電流として読みだす場合は直列接続されていることが好ましい。電圧出力の場合、電圧を大きくする必要があるため、同様に直列に接続すると良い。電流出力の場合、信号源の抵抗値及び電流値を高くするとＳ／Ｎ比が向上し、また、電圧出力の場合、信号源の抵抗値を低く、電圧値を大きくするとＳ／Ｎ比が向上する。受光部を何個に分割し、直列にするかは、ＰＮ接合の面積当たりの縦方向（基板表面に垂直方向）の抵抗値、アンプの電圧入力換算ノイズ及び製造上の制限（プロセスルールなど）を考慮して、最適なＳ／Ｎ比を実現するために最適化すると良い。無論、受光部の全体のサイズを大きくすればするほど、前記の方法で最適化されたＳ／Ｎ比が大きくなるので良い。しかし、画素数や各画素のサイズは、システムの光学系と合わせて最適化形状に設計すると良い。

　図３に、図１に示した受光デバイスにおけるIII-III断面線での断面模式図を示す。第１の受光部ｄＡの左端のｐ層電極６２が、第１の受光部ｄＡの第１電極に該当し、図１における第１の出力端子３ａに接続される（図３では図示せず）。また、第２の受光部ｄＢの右端のｐ層電極６２が、第２の受光部ｄＢの第１電極に該当し、図１における第２の出力端子３ｂに接続される（図３では図示せず）。また、第１の受光部ｄＡの右端のｎ層電極６１が、第１の受光部ｄＡの第２電極に該当し、第２の受光部ｄＢの左端のｎ層電極６１が、第２の受光部ｄＢの第２電極に該当し、配線層６０によって両者が接続される。
なお、本発明はこれに制限されず、ｎ層電極を第１電極とし、ｐ層電極を第２電極としてもよい。以下、同様とする。

　図４は、図１に示した受光デバイス１００の等価回路を示す。図４Ａは図１において４つの受光素子１が直列接続されてなる第１及び第２の受光部ｄＡ、ｄＢを一つのダイオードとしてみたときの等価回路図であり、図４Ｂは該ダイオードを回路で示した等価回路図である。

　前述のとおり、第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢのそれぞれは、検出対象の光が光吸収層３０に侵入すると、電子・ホール対が発生し、外部からのバイアスが印可されていない場合、電子がｎ型半導体層２０側へ拡散し、ホールがｐ型半導体層４０側へ拡散してｎ型半導体層２０とｐ型半導体層４０との間に光起電力による電流Ｉｐ_Ａ，Ｉｐ_Ｂが生成される。

　図４Ｂにおいて第１及び第２の出力端子３ａ、３ｂ間で生じた信号について説明する。第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢはそれぞれ内部抵抗としてＲ_０Ａ，Ｒ_０Ｂを有しているため、第１及び第２の出力端子３ａ，３ｂ間に流れる電流Ｉｐは下記式（１）であらわされる。ここで、Ｉｐ_Ａは第１の出力端子３ａに接続された第１の受光部ｄＡで生じる短絡光電流を示し、Ｉｐ_Ｂは第２の出力端子３ｂに接続された第２の受光部ｄＢで生じる短絡光電流を示す。

　Ｉｐ＝（Ｉｐ_Ａ×Ｒ_０Ａ－Ｉｐ_Ｂ×Ｒ_０Ｂ）／（Ｒ_０Ａ＋Ｒ_０Ｂ）　　式（１）

　また、内部抵抗Ｒ_０Ａ、Ｒ_０Ｂが同一であれば、Ｉｐは下記式（２）で表される。

　Ｉｐ＝（Ｉｐ_Ａ－Ｉｐ_Ｂ）／２　　式（２）

　つまり、第１及び第２の出力端子３ａ，３ｂ間の信号によって、第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢで生じた信号の差分を出力可能であることが理解される。以上より、本実施形態の受光デバイス１００は、他の手段（アンプや他の演算素子）を介せずに、且つ、外部ノイズの影響を受けずに、高いＳ／Ｎ比で実現することができ、微弱の輻射光源の位置・移動を検出するのに好適に用いることができることが理解される。

　また、第１の実施形態の受光デバイス１００の第１および第２の出力端子３ａ，３ｂに電流－電圧変換部をさらに接続することにより、容易に第１及び第２の受光部ｄＡ、ｄＢで生じた信号の差分を得ることが可能になる。電流－電圧変換部の具体的な様態については特に制限されないが、例えばオペアンプを用いた電流－電圧変換アンプ等を用いることが出来る。

　アンプの具体的な例としては、Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅアンプが挙げられる。Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅアンプは出力端子の出力電流を電圧信号に変換する。このようなアンプを両側の出力端子に接続すると、出力端子がアンプの低いインピーダンスによって短絡され（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｓｈｏｒｔ）、式（２）に示されるような差分の短絡電流が出力される。また、アンプの出力にはこの差分電流に比例した電圧信号が得られる。

　ここでは、出力端子から得られる電流を示したが、高入力インピーダンスのアンプを利用すると開放電圧の取り出しが可能となる。従って、第１の受光部ｄＡと第２の受光部ｄＢのそれぞれの開放電圧の差が得られる。用途によって開放電圧を出力しても良いが、多く場合、特にナローギャップの半導体（ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、等）で形成された受光部の場合、受光部の内部抵抗の温度特性の影響を受けにくくするには、上記の説明のように、短絡電流を出力した方が好ましい。

［第２の実施形態］
　本実施形態の他の形態の受光デバイスは、第１の実施形態に係る受光デバイスにおいて、前記同一基板上に形成された第３の受光部および第４の受光部と、第３の出力端子および第４の出力端子とをさらに備え、前記第３の受光部および前記第４の受光部のそれぞれは、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有するＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を形成する半導体積層部と、前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、前記第２導電型半導体層に接続される第２電極とを有し、前記第３の受光部の第２電極と前記第４の受光部の第２電極が、前記第１の受光部および前記第２の受光部の第１電極に接続され、前記第３の受光部の第１電極が前記第３の出力端子に接続され、前記第４の受光部の第１電極が前記第４の出力端子に接続される。

　図５は、本発明の第２の実施形態に係る受光デバイス２００の等価回路を示す。図５に示される受光デバイス２００は、第１および第２の受光部ｄＡ，ｄＢと、第１および第２の出力端子３ａ，３ｂに加え、更に第３および第４の受光部ｄＣ、ｄＤと、第３および第４の出力端子３ｃ，３ｄを同一基板（図示せず）上に備えている。第１乃至第４の受光部ｄＡ乃至ｄＤはそれぞれ、第１電極としてのｎ層電極と第２電極としてのｐ層電極を備える。

　図５に示される受光デバイス２００においては、第１および第２の受光部ｄＡ，ｄＢのｎ層電極（カソード）同士が接続され、第１および第２の受光部ｄＡ，ｄＢのｐ層電極（アノード）のそれぞれが第１および第２の出力端子３ａ，３ｂに接続され、第３および第４の受光部ｄＣ、ｄＤのｐ層電極（アノード）同士が接続され、第３および第４の受光部ｄＣ、ｄＤのｎ層電極（カソード）のそれぞれが第３および第４の出力端子３ｃ，３ｄに接続されている。また、第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢのｎ層電極と、第３及び第４の受光部ｄＣ、ｄＤのｐ層電極とは、共通配線部２を介してそれぞれ接続されている。

　第２の実施形態に係る受光デバイス２００では、対角配置にある出力端子間（３ａと３ｂ、３ｃと３ｄ）の信号は、下記式（３）及び（４）で得ることができる。上下配置にある出力端子間（３ａと３ｄ、３ｂと３ｃ）の信号は、下記式（５）及び（６）で得ることができ、式での説明は省略するが、左右配置にある出力端子間（３ａと３ｃ、３ｂと３ｄ）の信号も式（５）及び（６）と同様に得ることができる。

　　Ｉｐ_ＡＢ＝（Ｉｐ_Ａ－Ｉｐ_Ｂ）／２　　式（３）
　　Ｉｐ_ＣＤ＝（Ｉｐ_Ｃ－Ｉｐ_Ｄ）／２　　式（４）
　　Ｉｐ_ＡＤ＝（Ｉｐ_Ａ＋Ｉｐ_Ｄ）／２　　式（５）
　　Ｉｐ_ＢＣ＝（Ｉｐ_Ｃ＋Ｉｐ_Ｂ）／２　　式（６）

　ここで、Ｉｐ_Ｃは第３の出力端子３ｃに接続された第３の受光部ｄＣで生じる短絡光電流を示し、Ｉｐ_Ｄは第４の出力端子３ｄに接続された第４の受光部ｄＤで生じる短絡光電流を示す。Ｉｐ_ＡＢは第１の出力端子３ａと第２の出力端子３ｂとの間から取り出せる短絡光電流を示し、Ｉｐ_ＣＤは第３の出力端子３ｃと第４の出力端子３ｄとの間から取り出せる短絡光電流を示し、Ｉｐ_ＡＤは第１の出力端子３ａと第４の出力端子３ｄとの間から取り出せる短絡光電流を示し、Ｉｐ_ＣＢは第３の出力端子３ｃと第２の出力端子３ｂとの間から取り出せる短絡光電流を示す。

　これらの短絡電流はＯＰアンプを用いたＴｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅアンプのバーチュアルショートによって取り出すことができる。また、スイッチ等を用いて、第１の出力端子３ａと第２の出力端子３ｂとを短絡（短絡点１）し、第３の出力端子３ｃと第４の出力端子３ｄとを短絡（短絡点２）し、短絡点１と短絡点２との間の短絡電流ｉ_１２を測定すると、下記式（７）に示すように全受光部ｄＡ～ｄＤの総和の出力短絡電流が得られる。

　Ｉ_１２＝（Ｉｐ_Ａ＋Ｉｐ_Ｂ＋Ｉｐ_Ｃ＋Ｉｐ_Ｄ）／２　　式（７）

　上記の通り、第２の実施形態に係る受光デバイス２００では、第１の受光部ｄＡと第２の受光部ｄＢのエリアに入射する輻射に関する差分信号（式（３））、及び第３の受光部ｄＣと第４の受光部ｄＤのエリアに入射する輻射に関する差分信号（式（４））を得ることができ、加えて全受光部ｄＡ～ｄＤからの総和の信号（式（７））も得ることができる。また、第２の実施形態に係る受光デバイス２００は、出力端子の数が少なく、基板の利用効率が高いため、望ましい場合がある。

　なお、図５に記載した第２の実施形態に係る受光デバイス２００では、４つの受光部ｄＡ～ｄＤと４つの出力端子３ａ～３ｄを使用したが、本発明はこれに限られず、例えば４つの受光部を接続する共通配線部２が、出力端子を備える形態であってもよい。

［第３の実施形態］
　第２の実施形態に係る受光デバイス２００の応用例として、本発明に係る第３の実施形態の受光デバイス３００を図６に示す。図６には、第１乃至第４の受光部ｄＡ～ｄＤを含む光センサ部３１０と、光センサ３１０に接続され、第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ乃至４ｄを含む電流－電圧変換手段３２０と、電流－電圧変換手段３２０に接続され、第１の減算回路５及び第２の減算回路６を含む差分演算手段３３０と、電流－電圧変換手段３２０に接続され、第３の減算回路７、第４の減算回路８及び加算回路９を含む加算演算手段３４０とを備えた受光デバイス３００が示されている。

　光センサ部３１０において、第３の受光部ｄＣおよび第４の受光部ｄＤの第２電極が、第１の受光部ｄＡおよび第２の受光部ｄＢの第１電極に接続され、第１の受光部ｄＡのｐ層電極が第１の出力端子３ａに接続され、第２の受光部ｄＢのｐ層電極が第１の出力端子３ｂに接続され、第３の受光部ｄＣの第１電極が第３の出力端子３ｃに接続され、第４の受光部の第１電極が第４の出力端子３ｄに接続されている。電流－電圧変換手段３２０において、第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ乃至４ｄはそれぞれ第１乃至第４の出力端子４ａ乃至４ｄに接続されている。また、第３の実施形態に係る受光デバイス３００は、第１および第２の出力端子３ａ及び３ｂに接続された第１の減算回路５と、第３および第４の出力端子３ｃ及び３ｄに接続された第２の減算回路６と、第１および第３の出力端子３ａ及び３ｃに接続された第３の減算回路７と、第２および第４の出力端子３ｂ及び３ｄに接続された第４の減算回路８と、前記第３および第４の減算回路の出力端子に接続された加算回路９を備えている。さらに、第１乃至第４の出力端子３ａ乃至３ｄと第１乃至第４の減算回路５乃至８が、それぞれ第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄを介して接続されている。

　差分演算手段３３０において、第１の減算回路５は第１の電流－電圧変換アンプ４ａ及び第２の電流－電圧変換アンプ４ｂからのそれぞれの出力の差分を演算して第１の減算信号を出力し、第２の減算回路６は第３の電流－電圧変換アンプ４ｃ及び第４の電流－電圧変換アンプ４ｄからのそれぞれの出力の差分を演算して第２の減算信号を出力する。加算演算手段３４０において、第３の減算回路７は第１の電流－電圧変換アンプ４ａ及び第３の電流－電圧変換アンプ４ｃからのそれぞれの出力の差分を演算して第３の減算信号を出力し、第４の減算回路８は第２の電流－電圧変換アンプ４ｂ及び第４の電流－電圧変換アンプ４ｄからのそれぞれの出力の差分を演算して第４の減算信号を出力し、加算回路９は第３の減算回路７及び第４の減算回路８からそれぞれ出力された第３の減算信号及び第４の減算信号の和を演算して加算信号を出力する。

　図７は、図６に示される受光デバイス３００における、電流－電圧変換手段３２０、減算回路３３０及び加算回路３４０のより具体的な回路図を示す。本発明の第３の実施形態に係る受光デバイス３００は、対角配置に設置された第１の受光部ｄＡ及び第２の受光部ｄＢと、第３の受光部ｄＣ及び第４の受光部ｄＤとの２組それぞれにおける出力の差分信号と全受光部ｄＡ～ｄＤの総和の信号とを同時に出力することができるため、高速の信号処理の用途では適している。

　以下、第３の実施形態に係る受光デバイス３００における演算方法を説明する。第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄの変換抵抗をＲｃとした場合、それぞれの第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄの出力信号Ｖ１～Ｖ４は、以下の式（８）～式（１１）のように示される。

　Ｖ１＝－Ｒｃ［３Ｉｐ_Ａ／４－（－Ｉｐ_Ｃ＋Ｉｐ_Ｂ－Ｉｐ_Ｄ）／４］　　式（８）
　Ｖ２＝－Ｒｃ［－３Ｉｐ_Ｃ／４－（Ｉｐ_Ｂ－Ｉｐ_Ｄ＋Ｉｐ_Ａ）／４］　　式（９）
　Ｖ３＝－Ｒｃ［３Ｉｐ_Ｂ／４－（－Ｉｐ_Ｄ＋Ｉｐ_Ａ－Ｉｐ_Ｃ）／４］　　式（１０）
　Ｖ４＝－Ｒｃ［－３Ｉｐ_Ｄ／４－（Ｉｐ_Ａ－Ｉｐ_Ｃ＋Ｉｐ_Ｂ）／４］　　式（１１）

　更に、図７に示すように、これらの出力信号Ｖ１～Ｖ４は第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄの出力端子に接続された差分演算手段３３０及び加算演算手段３４０に入力される。差分演算手段３３０においては、下記の式（１２）及び式（１３）による演算がなされることにより、第１の減算回路５及び第２の減算回路６から第１の減算信号ＶΔ１及び第２の減算信号ＶΔ２が出力される。ここで、ｋ１～ｋ３は、Ｒｃ、第１ないし第４の減算回路５～８及び加算回路９に利用されている抵抗器の抵抗値で決まる係数を表す。

　ＶΔ１＝－ｋ１［Ｖ１－Ｖ３］
　　　　＝－ｋ１［３（Ｉｐ_Ｂ－Ｉｐ_Ａ）／４－（Ｉｐ_Ａ－Ｉｐ_Ｂ）／４］　　式（１２）
　　　　＝ｋ１（Ｉｐ_Ａ－Ｉｐ_Ｂ）
　ＶΔ２＝－ｋ２［Ｖ２－Ｖ４］
　　　　＝－ｋ２［３（－Ｉｐ_Ｄ＋Ｉｐ_Ｃ）／４－（－Ｉｐ_Ｃ＋Ｉｐ_Ｄ）／４］
　　　　＝ｋ２（Ｉｐ_Ｄ－Ｉｐ_Ｃ）　　式（１３）

　加算演算手段３４０においては、第３の減算回路７及び第４の減算回路８から出力される第３の減算信号ＶΔ３＝（Ｖ１－Ｖ２）及び第４の減算信号ＶΔ４＝（Ｖ３－Ｖ４）を用いて、下記の式（１４）による演算がなされることにより、加算回路９から加算信号ＶΣが出力される。

　ＶΣ＝－ｋ３［（Ｖ１－Ｖ２）＋（Ｖ３－Ｖ４）］
　　　＝ｋ３［Ｉｐ_Ａ＋Ｉｐ_Ｃ＋Ｉｐ_Ｂ＋Ｉｐ_Ｄ］　　式（１４）

　以上により、式（１２）～式（１４）から、受光部の数と出力端子の数が同じ光センサ部３１０を用いた小型の受光デバイス３００によって、スイッチング素子を用いずに、第１乃至第４の受光部ｄＡ～ｄＤからの出力電流の差分信号及び加算信号を演算することが可能な受光デバイスが実現できることが理解される。

　初段の第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄには低ノイズのアンプが適している。具体的には、入力のオフセット揺らぎを抑制するオートゼロアンプを利用すると良い。本発明では、初段の第１乃至第４の電流－電圧変換アンプ４ａ～４ｄで高いＳ／Ｎ比が実現できれば、後段の演算器５～９ではオートゼロアンプを利用する必要はなく、一般的なＯＰアンプを利用してもよい。こうすることによって、小型の集積回路が実現できる。

［第４の実施形態］
　本実施形態の他の形態の受光デバイスは、第１の実施形態に係る受光デバイスにおける回路パターンを同一基板上に２つ備えた受光デバイスであって、一方の前記回路パターンにおける前記第１の受光部の第１電極と前記第２の受光部の第１電極を接続する第１の配線層と、他方の前記回路パターンにおける前記第１の受光部の第１電極と前記第２の受光部の第１電極を接続する第２の配線層とをさらに備え、前記第１の配線層及び前記第２の配線層は、交差部において互いに交差するように形成されており、前記交差部における前記基板上には第１導電型半導体層が形成され、前記交差部において、前記第１の配線層は、絶縁層を介して前記交差部の前記第１導電型半導体層上に形成され、前記第２の配線層は、前記絶縁層の一部に形成されたコンタクトホールを介して前記交差部の前記第１導電型半導体層に電気的に接続される受光デバイスである。

　図８Ａは、本発明の第４の実施形態に係る受光デバイス４００の構成模式図であり、図８Ｂは、その等価回路図である。図８Ａ及びＢに示される受光デバイス４００は、基板１０上に、第１及び第２の受光部ｄＡ，ｄＢと、第１及び第２の出力端子３ａ，３ｂからなる第１の回路パターンと、第１及び第２の受光部ｄＡ´、ｄＢ´と、第１及び第２の出力端子３ａ´，３ｂ´からなる第２の回路パターンを備える。第１および第２の回路パターンは同一回路パターンとなっている。

　図８Ａ及びＢに示されるように、第１の回路パターンにおける第１の受光部ｄＡと第２の受光部ｄＢとの電極同士を接続する第１の配線層６３と、第２の回路パターンにおける第１の受光部ｄＡ´と第２の受光部ｄＢ´との電極同士を接続する第２の配線層６４は、電気的に絶縁された状態で交差部ＸＹを形成している。

　図９を用いて、交差部ＸＹの構成について説明する。図９Ａは、図８Ａに示した受光デバイス４００におけるIXA-IXA断面線での断面模式図であり、図９Ｂは、図８Ａに示した受光デバイス４００におけるIXB-IXB断面線での断面模式図である。図９Ａには、基板１０上に部分的に形成された第１導電型の半導体層２１と、基板１０及び第１導電型の半導体層２１上に形成された絶縁層５１と、絶縁層５１上に形成された第１の配線層６３とが示されている。図９Ａに示されるように、交差部ＸＹにおいて、第１の配線層６３は、絶縁層５１を介して第１導電型の半導体層２１上に形成されている。

　図９Ｂには、基板１０上に部分的に形成された第１導電型の半導体層２１と、第１導電型の半導体層２１上に部分的に形成され且つ基板１０上に形成された絶縁層５１と、絶縁層５１上に形成された第１の配線層６３と、第１導電型の半導体層２１及び絶縁層上５１上に形成された第２の配線層６４が示されている。図９Ｂに示されるように、交差部ＸＹにおいて、第２の配線層６４は、絶縁層５１の一部に形成されたコンタクトホール５２を介して、第１導電型の半導体層２１に接続されている。

　第１の配線層６３及び第２の配線層６４の交差部ＸＹが図９に示されるような構成をとることにより、第１の配線層６３及び第２の配線層６４が同一レイヤーに存在しているため、第１および第２配線層が絶縁層を介して別レイヤーに形成される従来の積層構造の交差部と比較して、第１の配線層６３及び第２の配線層６４の形成を一回のプロセスで行うことが可能であり、断線等に起因する不具合を低減することが可能になり、高信頼性の赤外線センサアレーを得ることができる。

　製造プロセス容易性の観点から、交差部ＸＹにおける第１導電型の半導体層２１は、受光部の第１導電型の半導体層２０と同じ材料で構成されることが好ましい。交差部ＸＹにおける第１導電型の半導体層２１が受光部における第１導電型の半導体層２０と同じ材料で構成されることにより、バンド構造が縮退し、低抵抗となるため好ましい。

　第１の配線層６３及び第２の配線層６４の材料としては、低抵抗化の観点から、金属層であることが好ましい。具体的な一例としては、第１の配線層６３及び第２の配線層６４は、Ａｕ若しくは抵抗率の小さいＰｔやＡｌに代表される材料を含むことが好ましい。また、第１導電型の半導体層２１との密着性向上及びコンタクト抵抗を低減する観点から、第１の配線層６３及び第２の配線層６４は、Ｔｉを最下層（半導体と接触する層）とする多層構造とすることも好ましい。

　交差部ＸＹの第１導電型の半導体層２１の材料としてｎ型層を使用した場合、交差部ＸＹの第１導電型の半導体層２１のシート抵抗は１００Ω／□以下が好ましく、５０Ω／□以下であることがより好ましく、１０Ω／□以下であることが更により好ましく、５Ω／□以下であることが最も好ましい。第１導電型半導体層２１としてのｎ型層が厚いほどシート抵抗が小さくなる為、デバイスの製造の際にあまり厚いｎ型層（例えば１．５μｍ以上、若しくは２μｍ以上）は望ましくない。

　受光部から光電流を取り出すときに、第１の配線層６３及び第２の配線層６４の抵抗の直列成分が小さいほど電流の取り出し効率が高まるので、交差部ＸＹにおける第２の配線層６４の抵抗は、受光部のＰＩＮ又はＰＮ接合部の抵抗よりより小さいことが好ましい。

　第４の実施形態に係る受光デバイス４００の動作について説明する。図８に示した受光デバイス４００によれば、第１の回路パターンからの出力となる第１及び第２の受光素子ｄＡおよびｄＢの差分と、第２の回路パターンからの出力となる第１及び第２の受光素子ｄＡ´およびｄＢ´の差分をそれぞれ出力可能である。すべての受光部の内部抵抗が等しい場合、第１の回路パターンからの出力はＩｐ_Ａ－Ｉｐ_Ｂとなり、第２の回路パターンからの出力ＹはＩｐ_Ａ´－Ｉｐ_Ｂ´となる。

　ここで、第１の回路パターンからの出力と第２の回路パターンからの出力とを加算すると、（Ｉｐ_Ａ＋Ｉｐ_Ａ´）－（Ｉｐ_Ｂ＋Ｉｐ_Ｂ´）となり、図８Ａにおける上側の受光部（ｄＡおよびｄＡ´）と下側の受光部（ｄＢおよびｄＢ´）の出力の差分が得られる。

　また、第２の回路パターンからの出力と第２の回路パターンからの出力とを減算すると、（Ｉｐ_Ａ＋Ｉｐ_Ｂ´）－（Ｉｐ_Ａ´＋Ｉｐ_Ｂ）となり、図８Ａにおける左側の受光部（ｄＡおよびｄＢ´）と右側の受光部（ｄＡ´およびｄＢ）の出力の差分が得られる。

　すなわち、単純な加算および減算のみで、各受光部間の差分を連続的に得ることが可能であることが理解される。従来技術においては、各素子からの出力をスイッチング回路等を用いて離散的に演算することでしか得ることが出来なかった各受光部間の出力の差分が、簡便かつ連続的に得ることが可能であることが理解される。

［第５の実施形態］
　本発明の第５の実施形態に係る位置検出デバイスは、上述した受光デバイスと、該受光デバイスの前記受光部に入射する光の入射方向を制御する視野角制限体とを備える。

　図１０は、本発明の第５の実施形態に係る、受光デバイス１００を使用した位置検出デバイス５００を示す。図１０は、本発明に係る受光デバイス１００を使用した位置検出デバイス５００の断面図である。図１０には、受光デバイス１００と、基板１０の裏面に設置され、受光デバイス１００に入射する光の波長を制限する光学フィルター５０１と、受光デバイス１００の受光部の視野を制御する視野角制限体５０２と、受光デバイス１００及び光学フィルター５０１をモールディングする樹脂モールド５０３とを供えた位置検出デバイス５００が示されている。図１０に示される受光デバイス５００は、第１及び第２の受光部ｄＡ及びｄＢの他にさらに第３及び第４の受光部ｄＣ及びｄＤを備えているが、説明を簡略化するため、特に言及がない限り、第１及び第２の受光部ｄＡ及びｄＢを使用した場合を例に説明する。

　光源５０５から輻射された赤外線は、位置検出デバイス５００に入射する際に、視野角制限体５０２によって入射角が制限されながら位置検出デバイス５００の光学フィルター５０１を介して基板１０の裏面から入射し、第１及び第２の受光部ｄＡ及びｄＢに入射する。この視野角制限体５０２によって、光源５０５の位置によって各受光部ｄＡ及びｄＢに入射する光の強度が異なるようになるため、その差分を演算することによって、光源５０５の位置が検出することができる。図１０で示すような光源５０５の位置の場合、受光部ｄＡに入射する光束が受光部ｄＢに入射する光束より大きいため、Ｉｐ_ＡはＩｐ_Ｂより大きくなる。このことを利用して、Ｉｐ_ＡとＩｐ_Ｂの差分を求めることにより、光源５０５が視野角内のどの位置に存在するかの一次元的な位置情報を得ることができる。また、受光デバイス１００が第１及び第２の受光部ｄＡ及びｄＢの他にさらに受光部を備える場合は、それらを用いることにより二次元的な位置検出も可能になる。さらに、受光部の出力の和を求めることにより受光部ｄＡ及びｄＢと光源５０５との距離も検出することができるため、３次元的な位置情報も得ることが可能になる。

　図１０に示される位置検出デバイス５００では、視野角制限体５０２として穴の開いた板を用いた場合を図示したが、光学レンズを利用又は組み合わせてもよい。視野角制限体５０２の直径φ及びその開口部の厚みｔに基づいて、デバイスの光学特性が決定される。検出対象となる光源５０５としては、受光デバイス１００の受光素子の感度波長内の赤外線を発する物質であれば特に制限されない。

　光学フィルター５０１は、一部の波長範囲のみ検知したい場合には、基板１０と視野角制限体５０２との間に必要に応じて設けることができる。光学フィルター５０１の一例としては、Ｓｉ基板上に異なった屈折率の２種類の材料を多層に積層することによって得られる波長選択効果の干渉フィルターが挙げられる。このような光学フィルター５０１であれば、大気に対して屈折率が高い（ｎ＝３以上）ため、入射光は光学フィルター５０１の表面に対してほぼ垂直となり、第１及び第２の受光部ｄＡ及びｄＢまで進行する。

　図１０に示される位置検出デバイス５００では、視野角制限体５０２／光学フィルター５０１／基板１０という構造を示したが、パッケージの構造の制限に応じて、光学フィルター５０１／視野角制限体５０２／基板１０という構造でもよい。または、蓋／視野角制限体５０２／光学フィルター５０１／基板１０でもよい。但し、ここで言う「蓋」とは、光源５０５が放射する光の波長に対して十分な透過率を持つことが望ましい。また、この蓋の形状によって、光の屈折効果を利用して、視野角を広げたり、狭めたりさせてもよい。この場合、各用途に応じて適した形状を利用すると良い。

　更に、図１１に示すように、光学フィルター５０１と基板１０の裏面の間に空洞部５１０を設けることによりギャップＧを設け、光学フィルター５０１と視野角制限体５０２とで構成される表面が平坦になるように構成しても良い。そうすることによって、パッケージの最表面に凹部が形成されないので、汚れ防止となり、好ましい場合がある。この構造では、ギャップＧの寸法と光学フィルター５０１の幅Ｌは、感知視野の広さを決める。また、空洞部５１０の内壁が被検出光の波長において、低い反射率を持つことが望ましい。

　図１０で示したような位置検出デバイス５００を作製し、直径１５ｍｍの光源５０５をセンサ表面から２０ｍｍの距離に設定した。位置検出デバイス５００で使用される受光デバイス１００において、基板１０は０．４５ｍｍ角のＧａＡｓ基板を使用し、２４個のＩｎＳｂのフォトダイオードからなる受光素子１を直列接続した各受光部ｄＡ及びｄＢを使用した。視野角制限体５０２の開口部の厚みｔを０．５ｍｍとし、穴の直径φを０．５ｍｍとした。

　上記のようにして作製された位置検出デバイス５００に対して光源５０５を移動させた場合における、光源５０５の位置（開口部の中心軸を０ｍｍとする）に対するＩｐ_ＡとＩｐ_Ｂの差分の関係、及びＩｐ_Ａ～Ｉｐ_Ｄの総和の関係を図１２に示す。図１２に示される差分の波形から、光源５０５の位置と、Ｉｐ_ＡとＩｐ_Ｂとの差分とが相関を持つことが理解できる。この相関を用いることにより、光源５０５が視野角内のどの位置に存在するかを検出することが可能になる。また、図１２に示される差分の波形から、ノイズが少なく高Ｓ／Ｎが得られることも理解される。

　また、図１２に示されるＩｐ_Ａ～Ｉｐ_Ｄの総和の信号から、光源５０５が位置検出デバイス５００に接近しているかどうかが判別できる。この判別の結果から、差分の信号がゼロの場合でも、光源５０５が位置検出デバイス５００に接近しているかどうか（若しくは、光源５０５が位置検出デバイス５００の視野範囲に入っているかどうか）が分かるため、多くの用途では有効である。

　ここで、光源とは人体からの指などを想定しても良い。この場合検出部の材料としてＩｎＳｂ若しくはＩｎＡｓＳｂを用いると良い。

Claims

　同一基板上に形成された第１の受光部および第２の受光部と、第１の出力端子および第２の出力端子とからなる回路パターンを備える受光デバイスであって、
　前記第１の受光部および前記第２の受光部のそれぞれは、
　　第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有するＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を形成する半導体積層部と、
　　前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、
　　前記第２導電型半導体層に接続される第２電極とを有し、
　前記第１の受光部の第１電極が前記第２の受光部の第１電極に接続され、
　前記第１の受光部の第２電極が前記第１の出力端子に接続され、
　前記第２の受光部の第２電極が前記第２の出力端子に接続され、
　前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間で、前記第１の受光部および第２の受光部で生じた信号の差分を出力することを特徴とする受光デバイス。
　前記同一基板上に形成された第３の受光部および第４の受光部と、第３の出力端子および第４の出力端子とをさらに備え、
　前記第３の受光部および前記第４の受光部のそれぞれは、
　　第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有するＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を形成する半導体積層部と、
　　前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、
　　前記第２導電型半導体層に接続される第２電極とを有し、
　前記第３の受光部の第２電極と前記第４の受光部の第２電極が、前記第１の受光部および前記第２の受光部の第１電極に接続され、
　前記第３の受光部の第１電極が前記第３の出力端子に接続され、
　前記第４の受光部の第１電極が前記第４の出力端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
　前記第１の出力端子および前記第２の出力端子に接続された電流－電圧変換アンプをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の受光デバイス。
　前記第１の出力端子および前記第２の出力端子に接続された第１の減算回路と、
　前記第３の出力端子および前記第４の出力端子に接続された第２の減算回路と、
　前記第１の出力端子および前記第３の出力端子に接続された第３の減算回路と、
　前記第２の出力端子および前記第４の出力端子に接続された第４の減算回路と、
　前記第３の減算回路および前記第４の減算回路の出力端子に接続された加算回路と、
　をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の受光デバイス。
　前記出力端子と前記減算回路が、それぞれ電流－電圧変換アンプを介して接続されることを特徴とする請求項３または４に記載の受光デバイス。
　前記出力端子と前記減算回路が、スイッチング素子を介さずに接続されることを特徴とする請求項３から５の何れか一項に記載の受光デバイス。
　前記回路パターンを同一基板上に２つ備えた受光デバイスであって、
　一方の前記回路パターンにおける前記第１の受光部の第１電極と前記第２の受光部の第１電極を接続する第１の配線層と、
　他方の前記回路パターンにおける前記第１の受光部の第１電極と前記第２の受光部の第１電極を接続する第２の配線層とをさらに備え、
　前記第１の配線層及び前記第２の配線層は、交差部において互いに交差するように形成されており、
　前記交差部における前記基板上には第１導電型半導体層が形成され、
　前記交差部において、
　前記第１の配線層は、絶縁層を介して前記交差部の前記第１導電型半導体層上に形成され、
　前記第２の配線層は、前記絶縁層の一部に形成されたコンタクトホールを介して前記交差部の前記第１導電型半導体層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
　前記半導体積層部は、インジウムおよび／又はアンチモンを含む材料からなることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の受光デバイス。
　請求項１から８の何れか一項に記載の受光デバイスと、
　前記受光デバイスの前記受光部に入射する光の入射方向を制御する視野角制限体と
　を備えたことを特徴とする位置検出デバイス。