JPH11220160A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の入射位置を精度良く検出するとともにＳ
／Ｎ比を向上させることができる半導体装置を提供す
る。 【解決手段】 半導体装置１０は、Ｐ型基板２の一方の
主面に、一対の信号取り出し電極５と、信号取り出し電
極５間を電気的に接続されるＰ型基幹導電層３と、基幹
導電層に接続される複数の高濃度Ｐ型分枝導電層４が形
成されている。分枝導電層４は、入射光により発生する
キャリアを収集するキャリア収集部４ａと、基幹導電層
３に接続される接続部４ｂを有し、接続部４ｂの幅はキ
ャリア収集部４ａの幅より狭いくびれ形状となってい
る。更に、Ｐ型基板２の他方の主面及び側面には、Ｎ型
の半導体層１が設けられており、半導体層１には、ＰＮ
接合面に高電圧を印加させるためのカソード電極６が設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光位置検出に用い
られる半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光検出用の半導体装置として、特
公昭６２−６２０７４号公報に示す入射位置検出用半導
体装置がある。この半導体装置は、一対の信号を取り出
す位置信号電極間を高抵抗の基幹導電層で接続すると共
に、キャリア収集用の複数の分枝導電層が基幹導電層に
接続された構成となっている。半導体装置を本構成と
し、各分枝導電層から得られる光電流を抵抗分割して信
号電極から取り出すことにより、光の入射位置を検出す
ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の半導体装置で
は、基幹導電層の抵抗値が上記抵抗分割のための抵抗値
として作用するため、光の入射位置を精度良く検出する
ためには、基幹導電層における各分枝導電層の接続部間
の間隔を十分長くする必要がある一方で、分枝導電層に
おけるキャリア収集を効率良く行ってＳ／Ｎ比を向上さ
せるためには、受光面である分枝導電層の面積を大きく
する必要がある。しかし、分枝導電層の面積を大きくす
ると、分枝導電層と基幹導電層の接続部の面積も大きく
なり、それ故に、基幹導電層における各分枝導電層の接
続部間の間隔が小さくなってしまう。従って、分枝導電
層の面積を大きくしつつ基幹導電層における各分枝導電
層の接続部間の間隔を大きくすることは難しく、その結
果、光の入射位置を精度良く検出するとともにＳ／Ｎ比
を向上させることができないという問題点があった。

【０００４】そこで本発明は、光の入射位置を精度良く
検出するとともにＳ／Ｎ比を向上させることができる半
導体装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体装置は、基板の一方の主面に設けら
れた一対の信号取り出し電極と、基板に形成され、電極
間を電気的に接続するとともに、抵抗として作用する基
幹導電層と、基幹導電層と同導電型を有し、基幹導電層
に接続される複数の分枝導電層とを有するＰＩＮ構造の
半導体装置であって、分枝導電層は、入射光により発生
するキャリアを収集するキャリア収集部と、基幹導電層
に接続される接続部とを有し、接続部の幅は、前記キャ
リア収集部の幅より狭いくびれ形状となっていることを
特徴としている。

【０００６】キャリア収集部の幅を大きくすることで、
キャリア収集部の面積を大きくすることができ、光の入
射に伴なって発生したキャリアを効率良く収集すること
ができる一方で、接続部の幅をキャリア収集部の幅より
小さくすることで、基幹導電層における各分枝導電層の
接続部間の間隔を大きくすることができ、出力信号を精
度良く抵抗分割できる。

【０００７】本発明の半導体装置は、キャリア収集部
が、四角形の形状を有し、接続部が、四角形を構成する
辺のうち、基幹導電層に隣接する辺に接続されて設けら
れていることを特徴としても良い。

【０００８】キャリア収集部を四角形とすることで、キ
ャリア収集部を規則的に配置することができ、キャリア
収集部の面積を大きくすることができる。

【０００９】また、本発明の半導体装置は、キャリア収
集部が、台形の形状を有し、接続部が、台形を構成する
辺のうち、基幹導電層に隣接する辺に接続されて設けら
れていることを特徴としても良い。

【００１０】キャリア収集部を台形とすることで、基幹
導電層に垂直方向に形成される不感帯が無くなり、光の
入射位置を、基幹導電層に平行方向について空間的に連
続に検出できる。

【００１１】また、本発明の半導体装置は、キャリア収
集部が、角を丸くした略四角形の形状を有し、接続部
が、略四角形を構成する辺のうち、基幹導電層に隣接す
る辺のに接続されて設けられていることを特徴としても
良い。

【００１２】キャリア収集部を角を丸くした略四角形と
することで、角部への電界集中を防止することができ、
ＡＰＤのゲインを高めることができる。

【００１３】また、本発明の半導体装置は、キャリア収
集部が、三角形の形状を有し、接続部が、三角形を構成
する辺のうち、基幹導電層に隣接する辺、又は、三角形
を構成する角のうち、基幹導電層に隣接する角に接続さ
れて設けられていることを特徴としても良い。

【００１４】キャリア収集部を三角形とすることで、基
幹導電層に垂直方向に形成される不感帯が無くなり、光
の入射位置を、基幹導電層に平行方向について空間的に
連続に検出できる。

【００１５】また、本発明の半導体装置は、基幹導電層
が、第１導電型の半導体からなり、分枝導電層が、基幹
導電層よりも不純物濃度の高い第１導電型の半導体から
なり、基板が、基幹導電層よりも不純物濃度の低い第１
導電型の半導体からなり、基板の、基幹導電層及び分枝
導電層が設けられた主面と反対側の主面には、第２導電
型の半導体からなる層が設けられていることを特徴とす
ることが好適である。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る半導体装
置を図面を参照しながら説明する。まず、本実施形態に
係る半導体装置の構成について説明する。

【００１７】図１は、半導体装置１０をその主面（受光
面）から見た平面図である。半導体装置１０は、基板２
の主面に設けられた一対の信号取り出し電極５と、基板
２上に形成され、２つの電極５の間を電気的に接続する
とともに、抵抗として作用する基幹導電層３と、基幹導
電層３に接続される複数の分枝導電層４とを有する構造
になっている。分枝導電層４は、入射光により発生する
キャリアを収集するキャリア収集部４ａと、基幹導電層
３に接続される接続部４ｂとをを有しており、接続部４
ｂの幅は、キャリア収集部４ａの幅より狭いくびれ形状
となっている。より具体的には、各分枝導電層４は、四
角形の形状（本実施形態においては、特に正方形）を有
する２つのキャリア収集部４ａと、上記２つのキャリア
収集部４ａを構成する辺のうち、基幹導電層３に隣接す
る辺の中央部同士を接続するように設けられてた接続部
４ｂとから構成され、接続部４ｂは、基幹導電層３に接
続されている（以下、四角型という）。また、各分枝導
電層４は、基幹導電層３が形成される方向（図１のｘ方
向）に規則的に配列されており、隣接する分枝導電層４
のキャリア収集部４ａは、例えば数μｍ程度の距離で隔
てられている。

【００１８】図２は、半導体装置１０を図１のＡ−Ａ′
を通り、紙面に垂直な平面で切断した断面図、図３は、
半導体装置１０を図１のＢ−Ｂ′を通り、紙面に垂直な
平面で切断した断面図である。半導体装置１０の断面構
造は以下のようになっている。すなわち、基板２の一方
の主面に基幹導電層３、分枝導電層４及び信号取り出し
電極が設けられ、これらが設けられた主面と反対側の主
面及び側面には、Ｎ型（第２導電型）の半導体層１が設
けられている。また、半導体層１には、ＰＮ接合面に高
電圧を印加させるためのカソード電極６が設けられてい
る。ここで、本実施形態では、半導体層１の上側、すな
わち受光面側にカソード電極６を設けているが、半導体
層１が受光面側に露出しないような場合等には、半導体
層１の下側（受光面と反対の面側）にカソード電極６を
設けても良い。

【００１９】ここで、基幹導電層３は、不純物濃度が、
例えば、表面濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³、拡散深さ０．４
μｍ程度のＰ型（第１導電型）半導体からなり、シート
抵抗値が７００Ω／□程度の準低抵抗を有する。また、
分枝導電層４は、基幹導電層３よりも不純物濃度の高い
（例えば、表面濃度３×１０¹⁹／ｃｍ³、拡散深さ０．
６μｍ程度）のＰ型（基幹導電層３と同導電型である第
１導電型）半導体からなり、シート抵抗値が９０Ω／□
程度の低抵抗を有する。また、基板２は、基幹導電層よ
りも不純物濃度の低い（例えば、１×１０¹⁵／ｃｍ³程
度）Ｐ型（第１導電型）半導体からなる。

【００２０】続いて、本実施形態に係る半導体装置１０
の作用について説明する。カソード電極６に高電圧が印
加されると、高抵抗のＰ型基板２の内部に空乏層が広が
る。Ｐ型基板２が空乏化されると、分枝導電層４は、隣
接する高抵抗のＰ型基板２に形成される空乏領域により
電気的に絶縁され、分枝導電層４は基幹導電層３にのみ
接続された状態となる。従って、カソード電極６に高電
圧を印加することで、Ｎ型半導体層１、高抵抗のＰ型基
板２及び分枝導電層４は、アバランシェ増倍を発生させ
るアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）として作用
することになる。

【００２１】また、分枝導電層４のキャリア収集部４ａ
で収集されたキャリアは、光電流として、接続部４ｂを
介して基幹導電層３に流入する。従って、基幹導電層３
に接続された複数の分枝導電層４は、ＡＰＤアレイとみ
なすことができる。基幹導電層３に流入した光電流は、
基幹導電層３の抵抗値によって抵抗分割され、両端の信
号取り出し電極５から位置検出信号として取り出され
る。

【００２２】ここで、分枝導電層４の不純物拡散深さ
を、基幹導電層３のそれより僅かでも大きくし、同一印
加電圧下における電界強度の比重を分枝導電層４側にお
いて大きくすることにより、分枝導電層４においてのみ
アバランシェ増倍を発生させ、基幹導電層３においてア
バランシェ増倍を発生させないようにすることができ
る。

【００２３】図４は、半導体装置１０の等価回路であ
る。半導体装置１０は、複数のＡＰＤが配列されたＡＰ
Ｄアレイであって、各ＡＰＤに共通のカソード電圧が印
加され、各ＡＰＤの出力電流を抵抗分割した出力を得る
ＡＰＤアレイと等価である。

【００２４】ここで、特に、半導体装置１０は、ＡＰＤ
として作用する分枝導電層４のキャリア収集部４ａの幅
を大きくして、キャリア収集部４ａの面積を大きくして
いる。従って、受光面積が大きくなり、光の入射に伴な
って発生したキャリアを効率よく収集することができ
る。

【００２５】また、接続部４ｂの幅をキャリア収集部４
ａの幅より小さくすることで、基幹導電層３における各
分枝導電層４の接続部４ｂ間の間隔を大きくすることが
できる。従って、各接続部４ｂ間の抵抗が大きくなり、
出力信号を精度良く抵抗分割できる。

【００２６】更に、半導体装置１０は、キャリア収集部
４ａが四角形となっていることで、キャリア収集部４ａ
を規則的に配置することができ、キャリア収集部の面積
を大きくすることができる。

【００２７】また、接続部４ｂが、キャリア収集部４ａ
を構成する四角形の辺のうち、基幹導電層３に隣接する
辺の中央部に接続されて設けられていることで、キャリ
ア収集部４ａ内の分布抵抗に起因する出力信号の誤差を
除去することができる。

【００２８】続いて、本実施形態に係る半導体装置１０
の効果について説明する。半導体装置１０は、分枝導電
層４のキャリア収集部４ａの面積を大きくすることで、
キャリアの収集を効率良く行うことができ、Ｓ／Ｎ比を
向上させることができる。

【００２９】また、基幹導電層３において、各分枝導電
層の接続部４ｂ間の間隔を大きくし、抵抗を大きくする
ことで、出力信号を精度良く抵抗分割できる。その結
果、微弱な入射光に対しても、光の入射位置精度良く検
出することが可能となる。

【００３０】続いて、分枝導電層４の形状の変形例につ
いて図５〜図８を用いて説明する。分枝導電層４は、図
５に示すように、キャリア収集部４ａが、四角形の形状
を有し、接続部４ｂが、四角形を構成する辺のうち、基
幹導電層３に隣接する辺の端部に接続されて設けられて
いてもよい（以下、国旗型という）。分枝導電層４を国
旗型にしても、キャリア収集部４ａを規則的に配置する
ことができ、キャリア収集部４ａの面積を大きくするこ
とができる。

【００３１】また、分枝導電層４は、図６に示すよう
に、キャリア収集部４ａが、三角形の形状を有し、接続
部４ｂが、三角形を構成する辺のうち、基幹導電層３に
隣接する辺の中央部、又は、基幹導電層３に隣接する角
に接続されて設けられていてもよい。より具体的には、
基幹導電層３に対して１辺を隣接させたキャリア収集部
４ａを有する分枝導電層４と、基幹導電層３に対して１
角を隣接させたキャリア収集部４ａを有する分枝導電層
４とが、交互に配列されたものである（以下、三角型と
いう）。

【００３２】キャリア収集部４ａを三角形とすること
で、基幹導電層３に垂直方向（図６のｙ軸方向）に形成
される不感帯が無くなり、光の入射位置を、基幹導電層
３に平行方向（図６のｘ軸方向）について空間的に連続
に検出できる。

【００３３】また、分枝導電層４は、図７に示すよう
に、キャリア収集部４ａが、台形の形状（本実施形態に
おいては、特にひし形）を有し、接続部４ｂが、台形を
構成する辺のうち、基幹導電層３に隣接する辺の中央部
に接続されて設けられていても良い（以下、台形型とい
う）。

【００３４】キャリア収集部４ａを台形とすることで、
基幹導電層３に垂直方向（図７のｙ軸方向）に形成され
る不感帯が無くなり、光の入射位置を、基幹導電層３に
平行方向（図７のｘ軸方向）について空間的に連続に検
出できる。

【００３５】また、分枝導電層４は、図８に示すよう
に、キャリア収集部４ａが、角を丸くした略四角形の形
状を有し、接続部４ｂが、略四角形を構成する辺のう
ち、基幹導電層３に隣接する辺の中央部に接続されて設
けられていても良い（以下、丸四角型という）。キャリ
ア収集部４ａを角を丸くした略四角形とすることで、角
部への電界集中を防止することができ、ＡＰＤのゲイン
を高めることができる。

【００３６】ここで、四角型、国旗型、三角型、台形
型、丸四角型の各分枝導電層４の特性を整理したものを
表１に示す。表１は、各分枝導電層４に対して、主面の
面積に対する受光面の面積の割合（面積効率）、分枝導
電層４内の分布抵抗に起因する誤差（抵抗誤差）、基幹
導電層３に平行方向についての不感帯の影響（Ｘ軸デッ
ドライン）、ＡＰＤゲインを大きくできるか否か（ＡＰ
Ｄゲイン）について、優れている方から順に、◎、○、
△、×で評価したものである。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【発明の効果】本発明の半導体装置は、キャリア収集部
の幅を大きくすることで、キャリア収集部の面積を大き
くすることができ、光の入射に伴なって発生したキャリ
アを効率よく収集することができる一方で、接続部の幅
をキャリア収集部の幅より小さくすることで、基幹導電
層における各分枝導電層の接続部間の間隔を大きくする
ことができ、出力信号を精度良く抵抗分割できる。従っ
て、光の入射位置を精度良く検出できるとともに、Ｓ／
Ｎ比を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の平面図
である。

【図２】図１のＡ−Ａ′部分の断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ′部分の断面図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る半導体装置の等価回
路図である。

【図５】分枝導電層４の形状の変形例を示す平面図であ
る。

【図６】分枝導電層４の形状の変形例を示す平面図であ
る。

【図７】分枝導電層４の形状の変形例を示す平面図であ
る。

【図８】分枝導電層４の形状の変形例を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１…半導体層、 ２…基板、 ３…基幹導電層、 ４…
分枝導電層、 ５…信号取り出し電極、 ６…カソード
電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の一方の主面に設けられた一対の信
   号取り出し電極と、 前記基板に形成され、前記電極間を電気的に接続すると
   ともに、抵抗として作用する基幹導電層と、 前記基幹導電層と同導電型を有し、前記基幹導電層に接
   続される複数の分枝導電層と、を有するＰＩＮ構造の半
   導体装置であって、 前記分枝導電層は、 入射光により発生するキャリアを収集するキャリア収集
   部と、 前記基幹導電層に接続される接続部と、を有し、 前記接続部の幅は、前記キャリア収集部の幅より狭いく
   びれ形状となっている、ことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記キャリア収集部は、四角形の形状を
   有し、 前記接続部は、前記四角形を構成する辺のうち、前記基
   幹導電層に隣接する辺に接続されて設けられている、こ
   とを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記キャリア収集部は、台形の形状を有
   し、 前記接続部は、前記台形を構成する辺のうち、前記基幹
   導電層に隣接する辺に接続されて設けられている、こと
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記キャリア収集部は、角を丸くした略
   四角形の形状を有し、前記接続部は、前記略四角形を構
   成する辺のうち、前記基幹導電層に隣接する辺に接続さ
   れて設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載
   の半導体装置。
5. 【請求項５】 前記キャリア収集部は、三角形の形状を
   有し、前記接続部は、前記三角形を構成する辺のうち、
   前記基幹導電層に隣接する辺、又は、前記三角形を構成
   する角のうち、前記基幹導電層に隣接する角に接続され
   て設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の
   半導体装置。
6. 【請求項６】 前記基幹導電層は、第１導電型の半導体
   からなり、 前記分枝導電層は、前記基幹導電層よりも不純物濃度の
   高い第１導電型の半導体からなり、 前記基板は、前記基幹導電層よりも不純物濃度の低い第
   １導電型の半導体からなり、 前記基板の、前記基幹導電層及び前記分枝導電層が設け
   られた主面と反対側の主面には、第２導電型の半導体か
   らなる層が設けられている、ことを特徴とする請求項１
   〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。