JPH0658975B2 - 入射位置検出用半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光や粒子線の入射位置についての情報を、電流
等として出力できる入射位置検出用半導体装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、このような分野の技術としては、例えば特開昭５
９−１７２８８号公報に示されるものがあった。この従
来例では、まずｎ型の矩形の半導体基板の両端部に一対
の位置信号電極が設けられる。そして、これらの間の入
射面の中央には、均一な断面積で均一な不純物濃度のｐ
型の基幹導電層が形成され、この基幹導電層から入射面
に延びるように、複数のｐ型の分枝導電層が形成されて
いる。

この従来例によれば、光や粒子線の入射によって入射面
で生成された電荷は、分枝導電層で集められて基幹導電
層で抵抗分割される。ここで、基幹導電層は細く形成さ
れているので、その抵抗値は十分に高く、精度よく設定
することができ、従って検出感度を向上させることがで
きる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、この従来例は、回転角度検出器やロータ
リーエンコーダに用いることができなかった。従来のロ
ータリーエンコーダなどは、円周に沿ってスリットを形
成した回転円板を用い、このスリットの通過光を発光素
子と受光素子のペアで検出していた。このため、装置を
小型化することが難しく、またスリット形成の寸法限界
のため、分解能も一定の範囲にとどまっていた。

そこで本発明は、小型であって分解能の高い角度検出器
や小型のロータリーエンコーダなどに応用することので
きる入射位置検出用半導体装置を提供することを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る入射位置検出用半導体装置は、一導電型の
半導体基板と、光や粒子線の入射により励起した正孔電
子対の一方を収集するために、半導体基板に設けられた
電極と、半導体基板の入射面の両端に設けられて正孔電
子対の他方を収集する一対の位置信号電極と、この一対
の位置信号電極を高い抵抗で接続するように半導体基板
上の所定の点を中心とする所定半径の円の円周に沿って
形成された基幹導電層と、この基幹導電層から入射面
に、円の半径方向に延びるように形成された反対導電型
の不純物を含む複数の分枝導電層とを備えることを特徴
とする。

〔作用〕

本発明によれば、光や粒子線の入射により発生したキャ
リアは分枝導電層に集められて基幹導電層に流れこみ、
位置検出電極までの基幹導電層の長さの比に応じて抵抗
分割される。従って、回転角度に関する情報を精度よく
検出することが可能になる。

〔実施例〕

以下、添付図面の第１図ないし第５図を参照して、本発
明の実施例を説明する。なお、図面の説明において同一
要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

第１図は本実施例に係る入射位置検出用半導体装置の平
面図である。図示の通り、半導体基板１の表面側である
ドーナッツ状の入射面の両端部には一対の位置信号電極
２ａ，２ｂが設けられ、これらの間の入射面の外側端部
には基幹導電層３が形成されている。この基幹導電層３
は図中の点Ｐを中心とする円の円周に沿っている。基幹
導電層３からは入射面方向に延びるように、半径方向に
分枝導電層４が形成されているが、これは互いに等角度
間隔で複数本となっている。

上記実施例の装置の詳細な構成を、第２図の平面図およ
びＡ−Ａ線断面図により説明する。

例えば、各辺が１〜５０mmのｎ型のシリコンからなる半
導体基板１の表面側には、１×１０^１３〜１×１０^１４
cm^-3程度にｐ型不純物を注入した基幹導電層３がリング
状に形成されると共に、同一の工程で分枝導電層４が５
μｍ程度のピッチで０．５〜１μｍ程度の深さに形成さ
れる。入射面の両端には１×１０^１８〜１０^１９cm^-3程
度にｐ型不純物を入射したオーミックコンタクト領域６
ａ，６ｂが形成され、これらは上記の基幹導電層３と接
続されている。これらの上には、例えば熱酸化ＳｉＯ_２
からなる絶縁膜７が形成され、オーミックコンタクト領
域６ａ，６ｂ上の絶縁膜７の開口を介して、例えばアル
ミニウムからなる位置信号電極２ａ，２ｂとのオーミッ
ク接触がとられている。そして、これらの上には例えば
エポキシ樹脂からなる表面保護層８が塗布形成され、そ
の開口（図示せず）を介してワイヤ（図示せず）が位置
信号電極２ａ，２ｂにボンディングされている。半導体
基板１の裏面側には、例えば１×１０^１９〜１０^２０cm
^-3程度のｎ型不純物を含むオーミックコンタクト層１０
が形成され、この表面には裏面電極１１がオーミック接
触して設けられる。

次に、上記の実施例の装置の作用を説明する。

例えば、赤外線スポットが表面側から入射されると、こ
れは表面保護層８および絶縁膜７を透過して半導体基板
１の入射面に達する。これにより半導体基板１で電子／
正孔対が発生すると、電子はオーミックコンタクト層１
０および裏面電極１１側へ流れ、正孔はｐ型の分枝導電
層４に流れ込む。そして、この正孔による光電流は分枝
導電層４を通って基幹導電層３に流れ、この流入点から
位置信号電極２ａ，２ｂまでの距離（角度）の比に応じ
た抵抗比により分割される。従って、この半導体基板１
を被測定物に取り付け、この入射面にスポット光を入射
すれば、回転角度に応じた信号が位置信号電極２ａ，２
ｂから得られることになる。

次に、第３図を参照して本実施例の変形例を説明する。

同図（ａ）は、半導体基板１の大きさを半分とし、１８
０°の角度検出を行なえるようにした例である。このよ
うにすれば、１８０°以上は回転することがない被測定
物に設置できるので、傾きセンサなどに用いることがで
きる。

同図(b)はスポット光の当たらない部分に分枝導電層４
を設けないようにした例である。このようにすれば、半
導体基板１と基幹導電層３および分枝導電層４によるｐ
ｎ接合の総面積を少なくできるので、リーク電流を抑え
て感度を向上できる。また、ｐｎ接合容量も少なくなる
ので、高速、高周波の検出に適している。

次に、第４図および第５図を参照して、他の変形例を説
明する。

第４図はその平面図であり、第５図はその拡大図および
Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面図である。図示の通り、基幹導
電層３が入射面の外側端部に設けられており、その上に
は位置信号電極２ａ，２ｂと一体にシールド膜５ａ，５
ｂが設けられている。このシールド膜５ａ，５ｂは導電
性を有することが必要であり、また中央部において切り
離されている。分枝導電層４が形成された有効入射領域
は入射面の左半分のみであり、それ以外の無効入射領域
にはスポット光が入射されることはない。そこで、この
例では無効入射領域の半導体基板１にｐ型のキャリア捕
獲層２０ａが形成され、更にその上には例えばアルミニ
ウムからなる遮光膜２１ｂが形成されている。一方、基
幹導電層３の外側にもキャリア捕獲層２０ａと遮光膜２
１ａが形成され、上記のキャリア捕獲層２０ａとキャリ
ア捕獲層２０ｂはコンタクト電極２２ａ，２２ｂにより
半導体基板１と短絡されている。

第５図（ａ）は第４図の位置信号電極２ａ，２ｂ近傍の
拡大平面図であり、同図（ｂ），（ｃ）はそれぞれＢ−
Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面図である。図示の通り、シールド膜
５ａ，５ｂと、キャリア捕獲層２０ａ，２０ｂと、遮光
膜２１ａ，２１ｂはそれぞれ絶縁膜７を介して積層され
ている。そして、この絶縁膜７の開口を介してコンタク
ト電極２２ａ，２２ｂにより半導体基板１とキャリア捕
獲層２０ａ，２０ｂの短絡がされている。更に、最上部
にはエポキシ樹脂などからなる表面保護層８が積層され
ている。

次に、上の変形例の作用を説明する。

有効入射領域へのスポット光の入射により発生した正孔
は、分枝導電層４で集められて基幹導電層３に流れこ
む。従って、光電流は流入点の角度に応じた抵抗比で分
割される。

一方、有効入射領域以外の半導体基板１中でも、熱励起
などにより電子／正孔対が発生される。しかしながら、
この熱励起による正孔はキャリア捕獲層２０ａ，２０ｂ
に捕獲され、コンタクト電極２２ａ，２２ｂを介して半
導体基板１に流れ込む。すると、同様に熱励起で発生し
た電子と流れ込んだ正孔が再結合して、結果的にキャリ
アは存在しなくなる。従って、いわゆる熱雑音を著しく
低減させることが可能になる。

また、有効入射領域以外の領域には遮光膜２１ａ，２１
ｂが設けられているので、ここへの光の入射は全て排除
できる。従って、この点においても雑音成分を大幅に低
減できる。

さらに、基幹導電層３上には絶縁膜７を介してシールド
膜５ａ，５ｂが設けられているので、表面保護層８に含
まれる電荷の影響を排除できる。具体的には、表面保護
層８を構成するエポキシ樹脂などはナトリウムイオン
（Ｎａ^＋）を含むことが多く、これがあると基幹導電層
３の有効断面積が変動する。この断面積の変動は、基幹
導電層３を高抵抗にして検出精度を上げるために、基幹
導電層３の不純物濃度を低くするほど著しい。ところ
が、上記の例では導電性のシールド膜５ａ，５ｂにより
基幹導電層３はシールドされるので、上記のような不都
合が生じることはない。

次に、第６図を参照して、本発明と原理が共通する別の
例を説明する。

第６図（ａ）はその平面図であり、同図（ｂ）はＢ−Ｂ
線断面図である。図示の通り、半導体基板１上には７本
の導電層３１〜３７が形成されている。これら導電層３
１〜３７はそれぞれ同一導電型の不純物濃度を同一濃度
に有し、その太さが内側に向って徐々に細くなってい
る。このため、各導電層３１〜３７の両端間の抵抗は互
いに同一となっている。

この例によれば、スポット光の入射により発生した正孔
は、ｐ型の導電層３１〜３７に流れ込み、流入点の角度
に応じた抵抗比で位置信号電極２ａ，２ｂに分割され
る。従って、角度センサや傾きセンサなどに用いること
が可能である。

本発明は上記実施例および変形例に限定されず、種々の
態様が可能である。

例えば、シールド膜５ａ，５ｂは位置信号電極２ａ，２
ｂに接続せずに、半導体基板１に接続したり、別途の電
極を介して外部のアースに接続してもよい。また、半導
体基板１などの材料や基幹導電層３、分枝導電層４の不
純物濃度も、例示のものに限られない。さらに、基幹導
電層３は半導体基板１の表面にポリシリコンを被着形成
したり、ＳｎＯ_２等の金属薄膜を形成したりすることに
よっても実現できる。そして、このポリシリコン膜や金
属薄膜による基幹導電層３に分枝導電層４を接続すれ
ば、光電流は実施例と同様に抵抗分割されることにな
る。また、このようにポリシリコンや金属薄膜を用いれ
ることは、第６図のものについても同様である。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、光や粒子線の入
射により発生したキャリアは分枝導電層に集められて基
幹導電層に流れこみ、位置検出電極までの基幹導電層の
長さの比に応じて抵抗分割される。従って、回転角度に
関する情報を精度よく検出することが可能になるので、
小型であって分解能の高い角度検出器や小型のロータリ
ーエンコーダなどに応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る入射位置検出用半導体装
置の平面図、第２図は第１図の拡大図および断面図、第
３図は変形例の平面図、第４図は他の変形例の平面図、
第５図はその拡大図および断面図、第６図は本発明と原
理が共通の別の例の平面図および断面図である。 １…半導体基板、２ａ，２ｂ…位置信号電極、３…基幹
導電層、４…分枝導電層、５ａ，５ｂ……シールド膜、
６ａ，６ｂ…オーミックコンタクト領域、７…絶縁膜、
８…表面保護層、１０…オーミックコンタクト層、１１
…裏面電極、２０ａ，２０ｂ…キャリア捕獲層、２１
ａ，２１ｂ…遮光膜、２２ａ，２２ｂ…コンタクト電
極、３１〜３７…導電層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一導電型の半導体基板と、光や粒子線の入
   射により励起した正孔電子対の一方を収集するために、
   前記半導体基板に設けられた電極と、前記半導体基板の
   入射面の両端に設けられて前記正孔電子対の他方を収集
   する一対の位置信号電極と、この一対の位置信号電極を
   高い抵抗で接続するように前記半導体基板上の所定の点
   を中心とする所定半径の円の円周に沿って形成された基
   幹導電層と、この基幹導電層から前記入射面に、前記円
   の半径方向に延びるように形成された反対導電型の不純
   物を含む複数の分枝導電層とを備えることを特徴とする
   入射位置検出用半導体装置。
2. 【請求項２】前記入射面が有効入射領域と無効入射領域
   を含み、前記分枝導電層が前記有効入射領域のみに設け
   られている特許請求の範囲第１項記載の入射位置検出用
   半導体装置。