JP2006030033A - Direction detection element - Google Patents
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Abstract
【課題】 小型化および薄型化が可能でかつ入射光の方向を正確に検出することができる方向検出素子を提供することである。
【解決手段】 基板上の4つのPINフォトダイオード上に4つの矩形のコンタクトパッド201〜204が配置されている。コンタクトパッド201〜204間には基準点Pを中心として互いに90度の角度をなして放射状に延びる壁部301〜304が設けられ、壁部301〜304上には光吸収体8が設けられる。壁部301〜304の一方の側辺に沿って凹部10が形成され、他方の側辺および端部の周囲の辺に沿って溝11が形成される。壁部301〜304に隣接するようにPINフォトダイオードの矩形の受光領域101〜104が形成される。壁部301〜304が湾曲することにより壁部301〜304が垂直に起立する。壁部301〜304に照射された光が光吸収体8により吸収され反射しない。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direction detecting element that can be reduced in size and thickness and can accurately detect the direction of incident light.
SOLUTION: Four rectangular contact pads 201-204 are arranged on four PIN photodiodes on a substrate. Between contact pads 201-204, wall portions 301-304 extending radially at an angle of 90 degrees with respect to reference point P are provided, and light absorber 8 is provided on wall portions 301-304. The concave portion 10 is formed along one side of the walls 301 to 304, and the groove 11 is formed along the other side and the side surrounding the end. Rectangular light receiving regions 101 to 104 of PIN photodiodes are formed so as to be adjacent to the walls 301 to 304. The wall portions 301 to 304 stand up vertically as the wall portions 301 to 304 are curved. The light applied to the walls 301 to 304 is absorbed by the light absorber 8 and is not reflected.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光の入射方向に関する情報を与える電気信号を出力する方向検出素子に関する。 The present invention relates to a direction detection element that outputs an electrical signal that gives information on the incident direction of light.
従来、光の入射方向を検出する方向検出器が開発されている(特許文献1,2参照)。従来の方向検出器においては、ハウジングの上面に円形の開口部が設けられ、ハウジングの底面に円形の検出器が配置されている。円形の検出器は、環状に配置された複数の画素を含む。光は、ハウジングの円形の開口部を通して検出器に入射する。このような方向検出器では、入射光の方向により環状に配置された複数の画素での受光位置が異なる。したがって、検出器の複数の画素の出力に基づいて入射光の方向を検出することができる。
Conventionally, a direction detector that detects the incident direction of light has been developed (see
また、マイクロオリガミ技術を利用することにより小型化および薄膜化が可能な方向検出素子についても研究がされている(特許文献3参照)。 Research has also been conducted on direction detection elements that can be miniaturized and thinned by using micro origami technology (see Patent Document 3).
特許文献3記載の方向検出素子においては、基板上に4つのPINフォトダイオードが放射状に配置されている。4つのPINフォトダイオードに沿って垂直に起立する4つの壁部が設けられる。それにより、方向検出素子に照射された光の一部が4つの壁部に遮蔽され、壁部に隣接するPINフォトダイオードにより遮蔽されなかった光が受光される。それらの4つのPINフォトダイオードによる電流値から光の方向検出が可能となる。
しかしながら、特許文献3記載の方向検出素子では、光の方向検出に誤差が生じる場合がある。
However, in the direction detection element described in
図14、図15および図16は方向検出素子における垂直に起立した壁部とフォトダイオードの受光領域との位置関係を示す模式的断面図である。図14および図15はそれぞれ異なる方向から照射された光L1,L2を示し、図16は、ある方向から照射された光L3および壁部301により反射された光L4を示す。
FIG. 14, FIG. 15 and FIG. 16 are schematic cross-sectional views showing the positional relationship between the vertically standing wall portion and the light receiving region of the photodiode in the direction detecting element. 14 and 15 show light L1 and L2 irradiated from different directions, respectively, and FIG. 16 shows light L3 irradiated from a certain direction and light L4 reflected by the
図14および図15に示すように、それぞれ異なる方向から照射された光L1,L2の一部は、受光領域101に入射する。この場合、光の照射方向により受光領域101に入射する光量が異なるため、受光領域101は異なる電流を発生する。それにより、光の方向を正確に検出することが可能となる。
As shown in FIGS. 14 and 15, a part of the light L <b> 1 and L <b> 2 irradiated from different directions is incident on the
しかし、図16に示すように、光L3のうち壁部301により反射した光L4が受光領域101に入射した場合、その光L4により受光領域101に入射する光量が増加する。それにより、光の方向検出に誤差が生じる。
However, as shown in FIG. 16, when the light L4 reflected by the
本発明の目的は、小型化および薄型化が可能でかつ入射光の方向を正確に検出することができる方向検出素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a direction detection element that can be reduced in size and thickness and can accurately detect the direction of incident light.
第1の発明に係る方向検出素子は、基板上に第1の層、第2の層および第3の層が順に形成され、第2の層は、第1の格子定数を有する第1半導体層と第1の格子定数よりも小さい第2の格子定数を有する第2半導体層との積層構造を含み、第3の層に遮光部形成領域が配置されるとともに、遮光形成領域の一方側に沿って第3の層に受光素子の受光領域が形成され、第3の層の遮光部形成領域の周囲を取り囲む領域のうち一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層が除去されるとともに、複数の遮光部形成領域および一部領域における第1の層が除去され、一部領域の第3の層が除去され、遮光部形成領域の第2の層が一部領域で湾曲することにより、受光素子の受光領域に沿って起立する遮光部が形成され、遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられたものである。 In the direction detecting element according to the first invention, a first layer, a second layer, and a third layer are sequentially formed on a substrate, and the second layer is a first semiconductor layer having a first lattice constant. And a second semiconductor layer having a second lattice constant smaller than the first lattice constant, a light shielding portion forming region is disposed in the third layer, and along one side of the light shielding forming region The light receiving region of the light receiving element is formed in the third layer, and the third layer, the second layer, and the first layer are excluded except for a part of the region surrounding the periphery of the light shielding portion forming region of the third layer. As the layer is removed, the plurality of light shielding portion formation regions and the first layer in the partial region are removed, the third layer in the partial region is removed, and the second layer in the light shielding portion formation region is partially By curving in the area, a light-shielding part standing along the light-receiving area of the light-receiving element is formed, and reflection by the light-shielding part Reducing means for reducing the light incident on the light receiving area of the light receiving elements of those that are provided.
本発明に係る方向検出素子においては、遮光部形成領域を取り囲む領域のうち一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層が除去され、かつ遮光部形成領域および一部領域の第1の層が除去されているので、遮光部形成領域内の第2の層が一部領域でのみ周囲の領域につながりつつ解放状態となる。第2の層の第1半導体層の格子定数が第2半導体層の格子定数よりも大きいため、第2の層に格子定数の差に起因する歪が発生する。それにより、歪を緩和するように第2の層が湾曲する。それに伴って、第2の層上の第3の層の遮光部形成領域が基板に対して所定の角度で起立する。その結果、受光素子の受光領域に沿って起立する遮光部が形成される。また、遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられる。 In the direction detection element according to the present invention, the third layer, the second layer, and the first layer are removed except for a part of the region surrounding the light shielding portion forming region, and the light shielding portion forming region and the one are separated. Since the first layer in the partial region is removed, the second layer in the light shielding portion forming region is in a released state while being connected to the surrounding region only in a partial region. Since the lattice constant of the first semiconductor layer of the second layer is larger than the lattice constant of the second semiconductor layer, distortion due to the difference of the lattice constant occurs in the second layer. Thereby, the second layer is curved so as to relieve strain. Along with this, the light shielding part forming region of the third layer on the second layer stands at a predetermined angle with respect to the substrate. As a result, a light-shielding portion that rises along the light-receiving region of the light-receiving element is formed. Further, there is provided a reducing means for reducing light incident on the light receiving region of the light receiving element among the reflected light from the light shielding portion.
このように、第1半導体層および第2半導体層の格子定数の差に起因する歪を緩和するように第2の層が自動的に湾曲することにより、受光素子の受光領域に沿って起立する遮光部を容易に形成することができる。この場合、第1半導体層および第2半導体層の組成および厚さを調整することにより遮光部の角度を容易かつ正確に制御することができる。 As described above, the second layer is automatically bent so as to relieve the strain caused by the difference in lattice constant between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and thus rises along the light receiving region of the light receiving element. The light shielding part can be easily formed. In this case, the angle of the light shielding portion can be easily and accurately controlled by adjusting the composition and thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
光が方向検出素子に入射すると、遮光部の影が受光素子の受光領域に投射される。この場合、受光素子の受光領域の表面に対する入射光の仰角により受光領域での受光量が異なる。また、低減手段により遮光部による反射光のうち受光素子に入射する光が低減される。したがって、受光素子に流れる電流に基づいて受光素子の受光領域の表面に対する入射光の垂直面内での方向を正確に検出することができる。 When light enters the direction detection element, the shadow of the light shielding portion is projected onto the light receiving area of the light receiving element. In this case, the amount of light received in the light receiving region varies depending on the elevation angle of incident light with respect to the surface of the light receiving region of the light receiving element. Further, the light incident on the light receiving element among the light reflected by the light shielding portion is reduced by the reducing means. Accordingly, it is possible to accurately detect the direction of the incident light in the vertical plane with respect to the surface of the light receiving region of the light receiving element based on the current flowing through the light receiving element.
本発明に係る方向検出素子は、複数の半導体層および半導体層の起立構造により構成されるので、小型化および薄型化が図られる。また、受光素子に流れる電流は比較的大きいので、検出に必要な入射光の強度が低減されるとともに、方向検出素子のさらなる小型化および薄型化が可能となる。 Since the direction detection element according to the present invention includes a plurality of semiconductor layers and a standing structure of the semiconductor layers, the direction detection element can be reduced in size and thickness. In addition, since the current flowing through the light receiving element is relatively large, the intensity of incident light necessary for detection is reduced, and the direction detecting element can be further reduced in size and thickness.
第2の発明に係る方向検出素子は、基板上に第1の層、第2の層および第3の層が順に形成され、第2の層は、第1の格子定数を有する第1半導体層と第1の格子定数よりも小さい第2の格子定数を有する第2半導体層との積層構造を含み、第3の層に所定の基準点を中心として等角度間隔で複数の遮光部形成領域が配置され、複数の遮光形成領域のそれぞれ一方側に沿って第3の層に複数の受光素子の受光領域がそれぞれ形成され、第3の層の複数の遮光部形成領域の周囲をそれぞれ取り囲む領域のうちそれぞれの一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層が除去されるとともに、複数の遮光部形成領域およびそれぞれの一部領域における第1の層が除去され、それぞれの一部領域の第3の層が除去され、複数の遮光部形成領域の第2の層がそれぞれの一部領域で湾曲することにより、複数の受光素子の受光領域に沿って起立する複数の遮光部が形成され、複数の遮光部による反射光のうち複数の受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられたものである。 In the direction detection element according to the second invention, a first layer, a second layer, and a third layer are sequentially formed on a substrate, and the second layer is a first semiconductor layer having a first lattice constant. And a second semiconductor layer having a second lattice constant smaller than the first lattice constant, and a plurality of light-shielding part forming regions are formed at equiangular intervals around a predetermined reference point in the third layer. The light receiving regions of the plurality of light receiving elements are formed on the third layer along one side of each of the plurality of light shielding formation regions, and the regions surrounding the plurality of light shielding portion formation regions of the third layer are respectively The third layer, the second layer, and the first layer are removed except for each partial region, and the plurality of light shielding portion forming regions and the first layer in each partial region are removed, The third layer of each partial region is removed, and a plurality of light shielding portion formation regions The second layer is curved in each partial region, so that a plurality of light shielding portions standing along the light receiving regions of the plurality of light receiving elements are formed, and the plurality of light receiving elements out of the reflected light from the plurality of light shielding portions are formed. A reduction means for reducing light incident on the light receiving region is provided.
本発明に係る方向検出素子においては、複数の遮光部形成領域をそれぞれ取り囲む領域のうちそれぞれの一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層が除去され、かつ複数の遮光部形成領域およびそれぞれの一部領域の第1の層が除去されているので、複数の遮光部形成領域内の第2の層がそれぞれの一部領域でのみ周囲の領域につながりつつ解放状態となる。第2の層の第1半導体層の格子定数が第2半導体層の格子定数よりも大きいため、第2の層に格子定数の差に起因する歪が発生する。それにより、歪を緩和するように第2の層が湾曲する。それに伴って、第2の層上の第3の層の複数の遮光部形成領域が基板に対して所定の角度で起立する。その結果、複数の受光素子の受光領域に沿って起立する複数の遮光部がそれぞれ形成される。また、複数の遮光部による反射光のうち複数の受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられる。 In the direction detection element according to the present invention, the third layer, the second layer, and the first layer are removed except for a part of each of the regions surrounding the plurality of light shielding portion formation regions, and Since the light shielding portion forming regions and the first layers of the respective partial regions are removed, the second layers in the plurality of light shielding portion forming regions are released while being connected to the surrounding regions only in the respective partial regions. It becomes a state. Since the lattice constant of the first semiconductor layer of the second layer is larger than the lattice constant of the second semiconductor layer, distortion due to the difference of the lattice constant occurs in the second layer. Thereby, the second layer is curved so as to relieve strain. Accordingly, the plurality of light shielding portion forming regions of the third layer on the second layer stand up at a predetermined angle with respect to the substrate. As a result, a plurality of light shielding portions that stand along the light receiving regions of the plurality of light receiving elements are formed. Further, there is provided a reducing means for reducing light incident on the light receiving regions of the plurality of light receiving elements among the reflected light from the plurality of light shielding portions.
このように、第1半導体層および第2半導体層の格子定数の差に起因する歪を緩和するように第2の層が自動的に湾曲することにより、複数の受光素子の受光領域に沿って起立する複数の遮光部を容易に形成することができる。この場合、第1半導体層および第2半導体層の組成および厚さを調整することにより複数の遮光部の角度を容易かつ正確に制御することができる。 As described above, the second layer is automatically curved so as to relieve the strain caused by the difference in lattice constant between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and thereby along the light receiving regions of the plurality of light receiving elements. A plurality of standing light shielding parts can be easily formed. In this case, the angles of the plurality of light shielding portions can be easily and accurately controlled by adjusting the composition and thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
光が方向検出素子に入射すると、各遮光部の影が各受光素子の受光領域に投射される。この場合、基準点を中心として等角度間隔で複数の遮光部が配置されているので、入射光の仰角および方位角により各受光領域での受光量が異なる。また、低減手段により複数の遮光部による反射光のうち複数の受光素子の受光領域に入射する光が低減される。したがって、複数の受光素子に流れる電流に基づいて入射光の方向を正確に検出することができる。 When light enters the direction detection element, the shadow of each light shielding portion is projected onto the light receiving area of each light receiving element. In this case, since the plurality of light shielding portions are arranged at equal angular intervals with the reference point as the center, the amount of light received in each light receiving region varies depending on the elevation angle and azimuth angle of the incident light. Further, the light incident on the light receiving regions of the plurality of light receiving elements among the light reflected by the plurality of light shielding portions is reduced by the reducing means. Therefore, it is possible to accurately detect the direction of incident light based on the currents flowing through the plurality of light receiving elements.
本発明に係る方向検出素子は、複数の半導体層および半導体層の起立構造により構成されるので、小型化および薄型化が図られる。また、各受光素子に流れる電流は比較的大きいので、検出に必要な入射光の強度が低減されるとともに、方向検出素子のさらなる小型化および薄型化が可能となる。 Since the direction detection element according to the present invention includes a plurality of semiconductor layers and a standing structure of the semiconductor layers, the direction detection element can be reduced in size and thickness. In addition, since the current flowing through each light receiving element is relatively large, the intensity of incident light required for detection is reduced, and the direction detecting element can be further reduced in size and thickness.
方向検出素子は、それぞれの一部領域の第3の層が除去されてもよい。それにより、第2の層が一部領域で容易に湾曲することができる。 In the direction detection element, the third layer of each partial region may be removed. Thereby, the second layer can be easily curved in a partial region.
複数の遮光部は、複数の受光素子の受光領域に対して起立する平坦部と、平坦部を第3の層に対して所定の角度で支持するように平坦部に対して湾曲する支持部とを有してもよい。 The plurality of light shielding portions include a flat portion standing with respect to the light receiving regions of the plurality of light receiving elements, and a support portion curved with respect to the flat portion so as to support the flat portion at a predetermined angle with respect to the third layer. You may have.
それにより、遮光部の平坦部が第3の層に対して正確に一定の角度で起立することができる。 Thereby, the flat part of the light-shielding part can stand up at an exactly constant angle with respect to the third layer.
低減手段は、遮光部の表面に設けられ、光を吸収する吸収体を含んでもよい。この場合、遮光部の表面に設けられた吸収体により光が吸収される。それにより、遮光部で反射した光が受光素子の受光領域に入射しない。したがって、受光素子に流れる電流に基づいて光の方向を正確に検出することができる。 The reducing means may include an absorber that is provided on the surface of the light shielding portion and absorbs light. In this case, light is absorbed by the absorber provided on the surface of the light shielding portion. Thereby, the light reflected by the light shielding portion does not enter the light receiving region of the light receiving element. Therefore, it is possible to accurately detect the direction of light based on the current flowing through the light receiving element.
低減手段は、遮光部の表面に形成され、光を乱反射する凹凸面を含んでもよい。この場合、遮光部の表面に形成された凹凸面により光が乱反射する。それにより、乱反射した光が受光素子の受光領域に入射しにくくなる。したがって、受光素子に流れる電流に基づいて光の方向を正確に検出することができる。 The reducing means may include a concavo-convex surface that is formed on the surface of the light shielding portion and diffuses and reflects light. In this case, light is irregularly reflected by the uneven surface formed on the surface of the light shielding portion. This makes it difficult for the irregularly reflected light to enter the light receiving region of the light receiving element. Therefore, it is possible to accurately detect the direction of light based on the current flowing through the light receiving element.
低減手段は、遮光部の表面に設けられ、光を受光素子の受光領域と異なる方向に反射させる反射部材を含んでもよい。この場合、遮光部の表面に設けられた反射部材により光が受光素子の受光領域と異なる方向に反射される。それにより、遮光部で反射した光が受光素子の受光領域に入射することを防止することができる。したがって、受光素子に流れる電流に基づいて光の方向を正確に検出することができる。 The reducing means may include a reflecting member that is provided on the surface of the light shielding portion and reflects light in a direction different from the light receiving region of the light receiving element. In this case, the light is reflected in a direction different from the light receiving region of the light receiving element by the reflecting member provided on the surface of the light shielding portion. Thereby, it is possible to prevent the light reflected by the light shielding portion from entering the light receiving region of the light receiving element. Therefore, it is possible to accurately detect the direction of light based on the current flowing through the light receiving element.
方向検出素子の一の製造方法は、基板上に第1の層を形成するステップと、第1の層上に、第1の格子定数を有する第1半導体層と第1の格子定数よりも小さい第2の格子定数を有する第2半導体層との積層構造を含む第2の層を形成するステップと、第2の層上に受光素子を含む第3の層を形成するステップとを備え、第3の層に遮光部形成領域が配置されるとともに、遮光形成領域の一方側に沿って第3の層に受光素子の受光領域が形成され、第3の層の遮光部形成領域の周囲を取り囲む領域のうち一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層を除去するステップと、遮光部形成領域および一部領域における第1の層を選択的に除去することにより、遮光部形成領域の第2の層を一部領域で湾曲させることにより、受光素子の受光領域に沿って起立する遮光部を形成するステップと、遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段を遮光部形成領域にそれぞれ形成するステップとをさらに備えたものである。 One method of manufacturing a direction detecting element includes a step of forming a first layer on a substrate, a first semiconductor layer having a first lattice constant on the first layer, and smaller than the first lattice constant. Forming a second layer including a stacked structure with a second semiconductor layer having a second lattice constant, and forming a third layer including a light receiving element on the second layer; A light-shielding part forming region is arranged in the third layer, and a light-receiving region of the light-receiving element is formed in the third layer along one side of the light-shielding forming region, and surrounds the light-shielding part forming region of the third layer. Removing the third layer, the second layer, and the first layer except for a part of the region, and selectively removing the light shielding part forming region and the first layer in the part region The second layer of the light shielding part forming region is curved in a partial region, thereby receiving the light receiving element. A step of forming a light-shielding portion that rises along the region, and a step of forming, in the light-shielding portion formation region, reduction means for reducing light incident on the light-receiving region of the light-receiving element among the light reflected by the light-shielding portion. Is.
この方向検出素子の製造方法においては、遮光部形成領域を取り囲む領域のうち一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層が除去され、かつ遮光部形成領域および一部領域の第1の層が除去されるので、遮光部形成領域内の第2の層が一部領域でのみ周囲の領域につながりつつ解放状態となる。第2の層の第1半導体層の格子定数が第2半導体層の格子定数よりも大きいため、第2の層に格子定数の差に起因する歪が発生する。それにより、歪を緩和するように第2の層が湾曲する。それに伴って、第2の層上の第3の層の遮光部形成領域が基板に対して所定の角度で起立する。その結果、受光素子の受光領域に沿って起立する遮光部が形成される。また、遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられる。 In this method of manufacturing the direction detecting element, the third layer, the second layer, and the first layer are removed except for a part of the region surrounding the light shielding portion forming region, and the light shielding portion forming region and the one layer are formed. Since the first layer in the partial region is removed, the second layer in the light shielding portion forming region is in a released state while being connected to the surrounding region only in a partial region. Since the lattice constant of the first semiconductor layer of the second layer is larger than the lattice constant of the second semiconductor layer, distortion due to the difference of the lattice constant occurs in the second layer. Thereby, the second layer is curved so as to relieve strain. Along with this, the light shielding part forming region of the third layer on the second layer stands at a predetermined angle with respect to the substrate. As a result, a light shielding portion is formed that stands along the light receiving region of the light receiving element. Further, there is provided a reducing means for reducing light incident on the light receiving region of the light receiving element among the reflected light from the light shielding portion.
このように、第1半導体層および第2半導体層の格子定数の差に起因する歪を緩和するように第2の層が自動的に湾曲することにより、受光素子の受光領域に沿って起立する遮光部を容易に形成することができる。この場合、第1半導体層および第2半導体層の組成および厚さを調整することにより遮光部の角度を容易かつ正確に制御することができる。 As described above, the second layer is automatically bent so as to relieve the strain caused by the difference in lattice constant between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and thus rises along the light receiving region of the light receiving element. The light shielding part can be easily formed. In this case, the angle of the light shielding portion can be easily and accurately controlled by adjusting the composition and thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
光が方向検出素子に入射すると、遮光部の影が受光素子の受光領域に投射される。この場合、受光素子の受光領域の表面に対する入射光の仰角により受光領域での受光量が異なる。また、低減手段により遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光が低減される。したがって、受光素子に流れる電流に基づいて受光素子の受光領域の表面に対する入射光の垂直面内での方向を正確に検出することができる。 When light enters the direction detection element, the shadow of the light shielding portion is projected onto the light receiving area of the light receiving element. In this case, the amount of light received in the light receiving region varies depending on the elevation angle of incident light with respect to the surface of the light receiving region of the light receiving element. Further, the light incident on the light receiving region of the light receiving element among the light reflected by the light shielding portion is reduced by the reducing means. Accordingly, it is possible to accurately detect the direction of the incident light in the vertical plane with respect to the surface of the light receiving region of the light receiving element based on the current flowing through the light receiving element.
この方法により製造された方向検出素子は、複数の半導体層および半導体層の起立構造により構成されるので、小型化および薄型化が図られる。また、受光素子に流れる電流は比較的大きいので、検出に必要な入射光の強度が低減されるとともに、方向検出素子のさらなる小型化および薄型化が可能となる。 Since the direction detecting element manufactured by this method includes a plurality of semiconductor layers and a standing structure of the semiconductor layers, the direction detecting element can be reduced in size and thickness. In addition, since the current flowing through the light receiving element is relatively large, the intensity of incident light necessary for detection is reduced, and the direction detecting element can be further reduced in size and thickness.
方向検出素子の他の製造方法は、基板上に第1の層を形成するステップと、第1の層上に、第1の格子定数を有する第1半導体層と第1の格子定数よりも小さい第2の格子定数を有する第2半導体層との積層構造を含む第2の層を形成するステップと、第2の層上に第3の層を形成するステップとを備え、第3の層に所定の基準点を中心として等角度間隔で複数の遮光部形成領域が配置されるとともに、複数の遮光部形成領域のそれぞれ一方側に沿って第3の層に複数の受光素子の受光領域がそれぞれ形成され、第3の層の複数の遮光部形成領域の周囲をそれぞれ取り囲む領域のうちそれぞれの一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層を除去するステップと、複数の遮光部形成領域およびそれぞれの一部領域における第1の層を選択的に除去することにより、複数の遮光部形成領域の第2の層をそれぞれの一部領域で湾曲させることにより、複数の受光素子の受光領域にそれぞれ沿って起立する複数の遮光部を形成するステップと、遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段を各々複数の遮光部形成領域に形成するステップとをさらに備えたものである。 Another method of manufacturing the direction detection element includes a step of forming a first layer on a substrate, a first semiconductor layer having a first lattice constant on the first layer, and smaller than the first lattice constant. Forming a second layer including a stacked structure with a second semiconductor layer having a second lattice constant, and forming a third layer on the second layer. A plurality of light shielding portion forming regions are arranged at equal angular intervals around a predetermined reference point, and light receiving regions of the plurality of light receiving elements are respectively provided on the third layer along one side of each of the plurality of light shielding portion forming regions. Removing the third layer, the second layer, and the first layer except for a part of each of the regions formed and surrounding each of the plurality of light shielding portion forming regions of the third layer; A plurality of light shielding portion forming regions and a first layer in each partial region; By selectively removing, the second layer of the plurality of light shielding portion forming regions is curved in each partial region, thereby forming a plurality of light shielding portions standing along the light receiving regions of the plurality of light receiving elements, respectively. And a step of forming, in each of the plurality of light shielding portion forming regions, a reducing means for reducing light incident on the light receiving region of the light receiving element out of the light reflected by the light shielding portion.
この方向検出素子の製造方法においては、複数の遮光部形成領域をそれぞれ取り囲む領域のうちそれぞれの一部領域を除いて第3の層、第2の層および第1の層が除去され、かつ複数の遮光部形成領域およびそれぞれの一部領域の第1の層が除去されるので、複数の遮光部形成領域内の第2の層がそれぞれの一部領域でのみ周囲の領域につながりつつ解放状態となる。第2の層の第1半導体層の格子定数が第2半導体層の格子定数よりも大きいため、第2の層に格子定数の差に起因する歪が発生する。それにより、歪を緩和するように第2の層が湾曲する。それに伴って、第2の層上の第3の層の複数の遮光部形成領域が基板に対して所定の角度で起立する。その結果、複数の受光素子の受光領域に沿って起立する複数の遮光部がそれぞれ形成される。また、遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられる。 In the method of manufacturing the direction detection element, the third layer, the second layer, and the first layer are removed except for a part of each of the regions surrounding the plurality of light shielding portion formation regions, and Since the light shielding part forming region and the first layer of each partial region are removed, the second layer in the plurality of light shielding part forming regions is in a released state while being connected to the surrounding region only in each partial region. It becomes. Since the lattice constant of the first semiconductor layer of the second layer is larger than the lattice constant of the second semiconductor layer, distortion due to the difference of the lattice constant occurs in the second layer. Thereby, the second layer is curved so as to relieve strain. Accordingly, the plurality of light shielding portion forming regions of the third layer on the second layer stand up at a predetermined angle with respect to the substrate. As a result, a plurality of light shielding portions that stand along the light receiving regions of the plurality of light receiving elements are formed. Further, there is provided a reducing means for reducing light incident on the light receiving region of the light receiving element among the reflected light from the light shielding portion.
このように、第1半導体層および第2半導体層の格子定数の差に起因する歪を緩和するように第2の層が自動的に湾曲することにより、複数の受光素子の受光領域に沿って起立する複数の遮光部を容易に形成することができる。この場合、第1半導体層および第2半導体層の組成および厚さを調整することにより複数の遮光部の角度を容易かつ正確に制御することができる。 As described above, the second layer is automatically curved so as to relieve the strain caused by the difference in lattice constant between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and thereby along the light receiving regions of the plurality of light receiving elements. A plurality of standing light shielding parts can be easily formed. In this case, the angles of the plurality of light shielding portions can be easily and accurately controlled by adjusting the composition and thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
光が方向検出素子に入射すると、各遮光部の影が各受光素子の受光領域に投射される。この場合、基準点を中心として等角度間隔で複数の遮光部が配置されているので、入射光の仰角および方位角により各受光領域での受光量が異なる。また、低減手段により遮光部による反射光のうち受光素子の受光領域に入射する光が低減される。したがって、複数の受光素子に流れる電流に基づいて入射光の方向を検出することができる。 When light enters the direction detection element, the shadow of each light shielding portion is projected onto the light receiving area of each light receiving element. In this case, since the plurality of light shielding portions are arranged at equal angular intervals with the reference point as the center, the amount of light received in each light receiving region varies depending on the elevation angle and azimuth angle of the incident light. Further, the light incident on the light receiving region of the light receiving element among the light reflected by the light shielding portion is reduced by the reducing means. Therefore, the direction of incident light can be detected based on the currents flowing through the plurality of light receiving elements.
この方法により製造された方向検出素子は、複数の半導体層および半導体層の起立構造により構成されるので、小型化および薄型化が図られる。また、各受光素子に流れる電流は比較的大きいので、検出に必要な入射光の強度が低減されるとともに、方向検出素子のさらなる小型化および薄型化が可能となる。 Since the direction detecting element manufactured by this method includes a plurality of semiconductor layers and a standing structure of the semiconductor layers, the direction detecting element can be reduced in size and thickness. In addition, since the current flowing through each light receiving element is relatively large, the intensity of incident light required for detection is reduced, and the direction detecting element can be further reduced in size and thickness.
本発明によれば、小型化および薄型化が可能でかつ入射光の方向を正確に検出することができる。 According to the present invention, the size and thickness can be reduced, and the direction of incident light can be accurately detected.
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態における方向検出素子の模式的斜視図である。また、図2は図1の方向検出素子の模式的平面図である。この方向検出素子は、基板上にほぼ垂直に起立した壁部(遮光部)を有し、入射光の角度を検出する方向検出素子である。なお、図2においては、図1の方向検出素子の製造過程での壁部の起立前の状態を示す。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic perspective view of a direction detection element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view of the direction detection element of FIG. This direction detection element is a direction detection element that has a wall portion (light-shielding portion) standing substantially vertically on a substrate and detects an angle of incident light. FIG. 2 shows a state before the wall is raised in the manufacturing process of the direction detecting element of FIG.
図1および図2において、基板上に形成された4つのPINフォトダイオード(図示せず)上に4つの矩形のコンタクトパッド201〜204がそれぞれ配置されている。これらのコンタクトパッド201〜204間には、基準点Pを中心として互いに90度の角度をなして放射状に延びる4つの壁部301〜304が設けられている。各壁部301〜304の外側の端部には、三角形状の補助部301a〜304aがそれぞれ設けられ、中心側の端部には、三角形状の補助部301b〜304bがそれぞれ設けられている。壁部301〜304の一方の側辺に沿って凹部10が形成され、他方の側辺および端部の周囲の辺に沿って溝11が形成されている。
1 and 2, four
壁部301〜304の一方側の側辺に凹部10を介して隣接するようにPINフォトダイオードの矩形の受光領域101〜104がそれぞれ形成されている。受光領域101〜104は、平行かつ等間隔に配置された複数のストライプからなるフィンガー構造を有している。また、受光領域101〜104は、平行かつ等間隔に配置された複数のスリットからなる構造であってもよい。
Rectangular light-receiving
図2の凹部10に沿って壁部301〜304が湾曲することにより、図1に示すように壁部301〜304が垂直に起立する。この場合、起立した壁部301〜304は平坦な面を有する。また、各壁部301〜304の外側の端部の補助部301a〜304aおよび中心側の端部の補助部301b〜304bがそれぞれ壁部301〜304の平坦部に対してほぼ直角に折曲している。それにより、各壁部301〜304が垂直に起立した状態で固定される。各壁部301〜304の表面には、光吸収体8が形成される。光吸収体8の詳細については後述する。
As the
本実施の形態の方向検出素子に点光源または平行光源からの光が入射すると、4つの壁部301〜304の影が4つの受光領域101〜104に投影される。この場合、入射光の方向により4つの受光領域101〜104に入射する光量が異なる。
When light from a point light source or a parallel light source enters the direction detection element of the present embodiment, the shadows of the four
本実施の形態においては、受光領域101の受光量に応じた電流値I101 がPINフォトダイオードに発生し、受光領域102の受光量に応じた電流値I102 がPINフォトダイオードに発生し、受光領域103の受光量に応じた電流値I103 がPINフォトダイオードに発生し、受光領域104の受光量に応じた電流値I104 がPINフォトダイオードに発生する。なお、各電流値I101 〜I104 の詳細については後述する。以上のように、4つの受光領域101〜104での受光量(電流値I101 〜I104 )を比較することにより、入射光の方向を検出することができる。
In the present embodiment, a current value I 101 corresponding to the amount of light received in the
各壁部301〜304の側辺に対して垂直な方向における各受光領域101〜104の幅をWとし、各壁部301〜304の高さをHとする。また、入射光の方向を次のアジマス角(方位角)θおよび仰角φで表す。アジマス角θは、受光領域101〜104の受光面内で基準点Pを中心として壁部301の側辺に平行な方向から時計周りに測定される角度である。仰角φは、受光領域101〜104の受光面に垂直な面内で基準点Pを中心として受光領域101〜104の受光面から測定される角度である。
The width of each light receiving
入射光の方向の検出時には、受光領域101〜104下のPINフォトダイオードに外部回路により逆バイアスが印加される。
When detecting the direction of the incident light, a reverse bias is applied to the PIN photodiode under the
PINフォトダイオードの典型的な応答性の値は、0.5A/Wである。また、PINフォトダイオードの受光領域の面積が1mm2 の場合には、入射光強度10mW/cm2 で光電流50μAが得られる。 A typical response value for a PIN photodiode is 0.5 A / W. When the area of the light receiving region of the PIN photodiode is 1 mm 2, a photocurrent of 50 μA can be obtained with an incident light intensity of 10 mW / cm 2 .
例えば、図2に示すように、受光領域104側から受光領域102に向かう方向に光が入射すると、受光領域103,104には全体的に光が照射され、受光量は最大値となり、受光領域101,102には部分的に光が照射され、受光量は最大値よりも小さくなる。ここで、最大の受光量のときの電流値をI100 とする。また、受光領域101,102の電流値をそれぞれI101 ,I102 とする。この場合、入射光のアジマス角θは次式で表される。
For example, as shown in FIG. 2, when light is incident in the direction from the
θ=arctan[(I100 −I101 )/(I100 −I102 )] …(1)
また、仰角φは次式で表される。
θ = arctan [(I 100 −I 101 ) / (I 100 −I 102 )] (1)
The elevation angle φ is expressed by the following equation.
φ=arctan[(H/W)・{I100 /√((I100 −I102 )2 +(I100 −I101 )2 )}] … (2)
ここで、φ>arctan(H/W)である。
φ = arctan [(H / W) · {I 100 / √ ((I 100 −I 102 ) 2 + (I 100 −I 101 ) 2 )}] (2)
Here, φ> arctan (H / W).
同様にして、4つの受光領域101〜104での受光量に対応する電流値を用いた演算により、入射光のアジマス角θおよび仰角φを算出することができる。
Similarly, the azimuth angle θ and elevation angle φ of incident light can be calculated by calculation using current values corresponding to the amounts of light received by the four
なお、上記(1)および(2)式を用いて受光領域101〜104での受光量に対応する電流値により入射光のアジマス角θおよび仰角φを算出するシミュレーションについては後述する。
A simulation for calculating the azimuth angle θ and the elevation angle φ of incident light from the current values corresponding to the amounts of light received in the
図3、図4、図5および図6は図1の方向検出素子の製造方法を示す工程図である。図3(a)は模式的平面図を示し、図3(b)は図3(a)のA−A断面を示す模式的断面図である。図4(a)は模式的平面図を示し、図4(b)は図4(a)のB−B断面を示す模式的断面図である。図5(a)は模式的平面図を示し、図5(b)は図5(a)のC−C断面を示す模式的断面図である。図6(a)は模式的平面図を示し、図6(b)は図6(a)のE−E断面を示す模式的断面図である。 3, FIG. 4, FIG. 5 and FIG. 6 are process diagrams showing a method of manufacturing the direction detecting element of FIG. FIG. 3A is a schematic plan view, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing the AA cross section of FIG. FIG. 4A is a schematic plan view, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing a BB cross section of FIG. FIG. 5A is a schematic plan view, and FIG. 5B is a schematic cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 5A. FIG. 6A is a schematic plan view, and FIG. 6B is a schematic cross-sectional view showing the EE cross section of FIG. 6A.
まず、図3に示すように、p型GaAs基板1上に、p型AlXGa1-XAsからなる解放層(release 層)2、p型InGaAs層3、p型GaAs層4、p型AlY Ga1-Y Asからなるエッチング停止層7、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63を順にエピタキシャル成長させる。n型GaAs層63の一部領域に蒸着によりカーボンからなる光吸収体8を形成する。
First, as shown in FIG. 3, on a p-
p型InGaAs層3およびp型GaAs層4が歪層(strain層)5を構成する。p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63がPINフォトダイオード6を構成する。これらの解放層2、p型InGaAs層3、p型GaAs層4、エッチング停止層7、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63は、MBE法(分子線エピタキシャル成長法)、MOCVD法(有機金属化学的気相成長法)、CVD法(化学的気相成長法)等のエピタキシャル成長技術を用いて形成される。
The p-
p型InGaAs層3の厚さは数nm〜数十nmであり、p型GaAs層4の厚さは数nm〜数十nmである。p型InGaAs層3の格子定数は、p型GaAs層4の格子定数よりも大きい。そのため、歪層5に格子定数の差による歪が発生する。
The p-
また、p型AlY Ga1-Y Asからなるエッチング停止層7の厚さは100nmであり、p型GaAs層61の厚さは200nmであり、ノンドープGaAs層62の厚さは1000nmであり、n型GaAs層63の厚さは200nmである。解放層2のp型AlX Ga1-X AsにおけるAl組成比Xは例えば0.9であり、エッチング停止層7のp型AlY Ga1-Y AsにおけるAl組成比Yは0.5である。
The thickness of the
その後、n型GaAs層63の上面およびp型GaAs基板1の裏面に、蒸着およびアニーリングにより金属からなるコンタクトパッド(電極;図示せず)を形成する。
Thereafter, contact pads (electrodes; not shown) made of metal are formed on the upper surface of the n-
次に、図4に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングによりPINフォトダイオード6およびエッチング停止層7に湾曲領域を規定する凹部10を形成する。エッチングとしては、ウェットエッチング法またはRIE法(反応性イオンエッチング法)を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 4, a
次に、図5に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより壁部形成領域を取り囲むようにPINフォトダイオード6、エッチング停止層7、歪層5および解放層2を略U字状(図5(a)参照)に除去し、溝11を形成する。それにより、溝11で取り囲まれたPINフォトダイオード6Aのp型GaAs層61A、ノンドープGaAs層62Aおよびn型GaAs層63Aと光吸収体8とが周囲のPINフォトダイオード6Bのp型GaAs層61B、ノンドープGaAs層62Bおよびn型GaAs層63Bから分離される。溝11を含む領域により分離される領域の幅wは、数十μmである。この場合にも、エッチングとしてウェットエッチング法またはRIE法を用いる。
Next, as shown in FIG. 5, the
その後、歪層5下の解放層2をウェットエッチング法により選択的にエッチングする。その結果、図6に示すように、歪層5を構成するp型InGaAs層3とp型GaAs層4との格子定数の差に起因する歪を緩和するように歪層5が凹部10の下方の領域12で湾曲する。この場合、p型InGaAs層3の厚さ、p型GaAs層4の厚さおよびp型InGaAs層3におけるIn組成比を最適に選択することにより、PINフォトダイオード6Aをp型GaAs基板1に対して垂直に起立させることができる。
Thereafter, the
例えば、p型InGaAs層3の厚さを10nmとし、p型GaAs層4の厚さを10nmとする。また、p型InGaAs層3におけるIn組成比を0.2とすると、歪層5がp型GaAs基板1に対して垂直に起立する。
For example, the thickness of the p-
なお、p型InGaAs層3におけるIn組成比を変化させることにより、InGaAsとGaAsとの格子定数の差を約7%まで変化させることができる。
By changing the In composition ratio in the p-
p型InGaAs層3の厚さt1、p型GaAs層4の厚さt2、p型InGaAs層3におけるIn組成比および歪層5の曲率半径Rとの間には、次の関係がある。
The following relationship exists among the thickness t1 of the p-
R=(a/Δa)・(d/2)
ここで、aはGaAsの格子定数であり、5.6533Åである。また、ΔaはInGaAsの格子定数とGaAsの格子定数との差である。In0.2 Ga0.8 Asの格子定数は5.7343Åである。また、dはp型InGaAs層3の厚さt1およびp型GaAs層4の厚さt2の合計である。t1=t2=10[nm]の場合、d=20[nm]となる。本例では、R=0.329[μm]となる。
R = (a / Δa) · (d / 2)
Here, a is a lattice constant of GaAs and is 5.6533 Å. Δa is the difference between the lattice constant of InGaAs and the lattice constant of GaAs. The lattice constant of In 0.2 Ga 0.8 As is 5.7343. D is the total of the thickness t1 of the p-
このようにして、光吸収体8を表面に有するとともにGaAs基板1の表面に対して垂直に起立するPINフォトダイオード6Aからなる壁部301〜304が作製される(図1参照)。
In this way, the
次に、図7は、図6に示した方向検出素子の光吸収体8の効果を説明するための模式図である。
Next, FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the effect of the
図7に示すように、ある位置から照射された光の一部は、PINフォトダイオード6Bに入射する。また、PINフォトダイオード6Bに入射しなかった光のうちPINフォトダイオード6Aの表面に設けられた光吸収体8に入射した光は光吸収体8により吸収され、PINフォトダイオード6Bの方向に反射しない。また、通常、PINフォトダイオード6Aは薄いため、光の一部が透過する。例えば、PINフォトダイオード6Aにおいて光吸収体8が形成されていない側の面から光が入射した場合、光吸収体8が形成されていないと、光がPINフォトダイオード6Aを透過し、一部の光がPINフォトダイオード6Bに入射する。しかし、光吸収体8が形成されていると、光吸収体8が形成されていない側から透過してくる光を遮断することができる。それにより、PINフォトダイオード6Bには、直接照射された光のみが入射する。したがって、図1の方向検出素子において、壁部301〜304で反射した光がPINフォトダイオードの受光領域101〜104に入射することを防止することができる。その結果、PINフォトダイオードに流れる電流に基づいて光の方向を正確に検出することができる。
As shown in FIG. 7, a part of the light emitted from a certain position enters the
また、第1の実施の形態の方向検出素子は、通常のフォトリソグラフィ、エッチング、エピタキシャル成長等のプレーナ技術により容易かつ安価に製造することができる。 In addition, the direction detection element of the first embodiment can be easily and inexpensively manufactured by planar technology such as normal photolithography, etching, epitaxial growth, and the like.
なお、光吸収体8の材料はカーボンに限らず、他の種々の材料を用いることができる。
The material of the
また、歪層5に電流を流すことにより歪層5を加熱してもよい。それにより、歪層5の湾曲の程度を調整し、壁部301〜304の角度を変化させることができる。また、p型InGaAs層3を熱膨張させることにより歪層5を容易に湾曲させることができる。
Alternatively, the
また、歪層5に印加する電圧または歪層5に流す電流を変化させることにより壁部301〜304の角度を直角以外の角度に変化させることも可能である。
It is also possible to change the angle of the
本実施の形態の方向検出素子においては、複数の半導体層および半導体層の起立構造により構成されるので、小型化および薄型化が図られる。 Since the direction detection element of the present embodiment is constituted by a plurality of semiconductor layers and an upright structure of the semiconductor layers, the size and thickness can be reduced.
また、小さなサイズのPINフォトダイオードにより比較的大きな電気信号を得ることができる。そのため、必要な入射光の強度が低減されるとともに、より小型化および薄型化が可能となる。 In addition, a relatively large electrical signal can be obtained with a small-sized PIN photodiode. Therefore, the intensity of necessary incident light is reduced, and the size and thickness can be further reduced.
(第2の実施の形態)
図8は本発明の第2の実施の形態における方向検出素子の模式的斜視図である。第2の実施の形態における方向検出素子においては、第1の実施の形態における各壁部301〜304の表面に光吸収体8の代わりに反射部材6Cが形成される。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a schematic perspective view of a direction detection element according to the second embodiment of the present invention. In the direction detection element according to the second embodiment, a reflecting
図9は、図8に示した方向検出素子の1つの壁部の模式的断面図である。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of one wall portion of the direction detection element shown in FIG.
図9に示すように、第2の実施の形態における方向検出素子は、p型GaAs基板1上に、p型AlX Ga1-X Asからなる解放層2、p型InGaAs層3、p型GaAs層4、p型AlY Ga1-Y Asからなるエッチング停止層7、p型AlX Ga1-X Asからなる解放層2a、p型InGaAs層3a、p型GaAs層4a、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63を順にエピタキシャル成長させた積層構造からなる。このとき、p型GaAs層4aとp型GaAs層61との間にエッチング停止層7aを設けてもよい。p型InGaAs層3およびp型GaAs層4が歪層5を構成し、p型InGaAs層3aおよびp型GaAs層4aが歪層5aを構成する。
As shown in FIG. 9, the direction detecting element in the second embodiment includes a
図9に示す方向検出素子の壁部は、第1の実施の形態の図3〜図6の工程と同様にして作製される。第1の実施の形態と同様に、凹部10および溝11を形成し、歪層5下の解放層2をウェットエッチング法により選択的にエッチングすることにより、歪層5が凹部10の下方の領域12で湾曲する。また、n型GaAs層63、ノンドープGaAs層62およびp型GaAs層61を除去することにより凹部10aを形成し、n型GaAs層63からエッチング停止層7までを除去することにより溝11aを形成し、歪層5a下の解放層2aをウェットエッチング法により選択的にエッチングすることにより、歪層5aが凹部10aの下方の領域12aで湾曲する。それにより、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63からなる反射部材6Cが形成される。
The wall portion of the direction detection element shown in FIG. 9 is manufactured in the same manner as the steps of FIGS. 3 to 6 of the first embodiment. Similar to the first embodiment, the
この場合、p型InGaAs層3の厚さ、p型GaAs層4の厚さおよびp型InGaAs層3におけるIn組成比を最適に選択することにより、歪層5をp型GaAs基板1に対して垂直に起立させることができる。また、p型InGaAs層3aの厚さ、p型GaAs層4aの厚さおよびp型InGaAs層3aにおけるIn組成比を最適に選択することにより、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63からなる反射部材6Cをp型GaAs基板1に対して約45度の角度で起立させることができる。
In this case, by selecting the thickness of the p-
図10は、図9に示した方向検出素子の反射部材6Cの効果を説明するための模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the effect of the reflecting
図10に示すように、ある位置から照射された光の一部は、PINフォトダイオード6Bに入射する。また、PINフォトダイオード6Bに入射しなかった光のうち壁部に入射した光は、反射部材6CによりPINフォトダイオード6Bと異なる方向に反射される。それにより、PINフォトダイオード6Bには、直接照射された光のみが入射する。したがって、図8の方向検出素子において、壁部301〜304で反射した光がPINフォトダイオードの受光領域101〜104に入射することを防止することができる。その結果、PINフォトダイオードに流れる電流に基づいて光の方向を正確に検出することができる。
As shown in FIG. 10, a part of the light emitted from a certain position enters the
(第3の実施の形態)
図11は本発明の第3の実施の形態における方向検出素子の模式的斜視図である。第3の実施の形態における方向検出素子においては、第1の実施の形態における各壁部301〜304の表面に光吸収体8の代わりに凹凸面を有する乱反射部材6Dが形成される。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a schematic perspective view of a direction detection element according to the third embodiment of the present invention. In the direction detection element in the third embodiment, the
図12は、図11に示した方向検出素子の1つの壁部の模式的断面図である。 12 is a schematic cross-sectional view of one wall portion of the direction detection element shown in FIG.
図12に示すように、第3の実施の形態における方向検出素子は、p型GaAs基板1上に、p型AlX Ga1-X Asからなる解放層2、p型InGaAs層3、p型GaAs層4、p型AlY Ga1-Y Asからなるエッチング停止層7、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63を順にエピタキシャル成長させた積層構造からなる。
As shown in FIG. 12, the direction detecting element according to the third embodiment includes a
図12に示す方向検出素子の壁部は、第1の実施の形態の図3〜図6の工程と同様にして作製される。第3の実施の形態においては、分離されたn型GaAs層63の表面に対してウェットエッチングまたはドライエッチングを施し、凹凸面を形成する。それにより、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63からなる乱反射部材6Dが形成される。
The wall portion of the direction detection element shown in FIG. 12 is manufactured in the same manner as the steps of FIGS. 3 to 6 of the first embodiment. In the third embodiment, the surface of the separated n-
その後、第1の実施の形態と同様に、凹部10および溝11を形成し、歪層5下の解放層2をウェットエッチング法により選択的にエッチングすることにより、歪層5が凹部10の下方の領域12で湾曲する。それにより、p型GaAs層61、ノンドープGaAs層62およびn型GaAs層63からなる乱反射部材6Dが形成される。
Thereafter, as in the first embodiment, the
次に、図13は、図12に示した方向検出素子の乱反射部材6Dの効果を説明するための模式図である。
Next, FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the effect of the
図13に示すように、ある位置から照射された光の一部は、PINフォトダイオード6Bに入射する。また、PINフォトダイオード6Bに入射しなかった光のうち乱反射部材6Dに入射した光は、乱反射部材6Dの凹凸面により広い方向に乱反射される。また、乱反射部材6Dが設けられた面と逆の面から入射した光の一部は乱反射部材6Dを透過するが、その透過した光は、乱反射部材6Dの凹凸面により広い方向に乱反射する。それにより、PINフォトダイオード6Bには、ほぼ直接照射された光のみが入射する。したがって、図11の方向検出素子において、壁部301〜304で乱反射した光がPINフォトダイオードの受光領域101〜104に入射しにくくなる。その結果、PINフォトダイオードに流れる電流に基づいて光の方向を正確に検出することができる。
As shown in FIG. 13, a part of the light emitted from a certain position enters the
(他の変形例)
なお、上記実施の形態では、4つの壁部および4つのフォトダイオードが基準点を中心として90度の角度間隔で放射状に配置されているが、壁部およびフォトダイオードの数は、これに限定されず、他の数の壁部およびフォトダイオードを設けてもよい。例えば、3つの壁部および3つのフォトダイオードを基準点を中心として120度の角度間隔で放射状に配置してもよい。この場合にも、3つのフォトダイオードに流れる電流に基づいて入射光の仰角およびアジマス角を検出することができる。
(Other variations)
In the above embodiment, the four wall portions and the four photodiodes are arranged radially at an angular interval of 90 degrees around the reference point, but the number of the wall portions and the photodiodes is limited to this. Instead, other numbers of walls and photodiodes may be provided. For example, three walls and three photodiodes may be arranged radially at an angular interval of 120 degrees around the reference point. Also in this case, the elevation angle and azimuth angle of incident light can be detected based on the currents flowing through the three photodiodes.
また、1つの壁部に沿って1つのフォトダイオードを配置してもよい。その場合には、入射光の仰角を検出することができる。 One photodiode may be arranged along one wall portion. In that case, the elevation angle of the incident light can be detected.
また、受光素子としてPINフォトダイオードの代わりにフォトトランジスタ等の他の受光素子を用いてもよい。 Further, as the light receiving element, another light receiving element such as a phototransistor may be used instead of the PIN photodiode.
さらに、上記実施の形態では、歪層としてp型InGaAs層とp型GaAs層との積層構造を用いているが、これに限定されず、異なる格子定数を有する種々の半導体層の組み合わせを用いることができる。歪層5として他のIII −V族化合物半導体の積層構造、II−VI族化合物半導体の積層構造を用いてもよい。また、歪層としてSi(シリコン)およびGe(ゲルマニウム)を含む半導体層の積層構造を用いてもよい。さらに、解放層としてSiO2 を用いてもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, a stacked structure of a p-type InGaAs layer and a p-type GaAs layer is used as the strained layer. However, the present invention is not limited to this, and a combination of various semiconductor layers having different lattice constants is used. Can do. As the
また、上記実施の形態では、GaAs基板を用いているが、解放層、歪層およびPINフォトダイオードの材料を考慮してSi基板等の他の基板を用いてもよい。 In the above embodiment, a GaAs substrate is used. However, other substrates such as a Si substrate may be used in consideration of the material of the release layer, the strained layer, and the PIN photodiode.
さらに、上記実施の形態では、解放層の材料としてAlGaAsを用いているが、これに限定されず、選択エッチングを考慮して他の材料を用いてもよい。 Furthermore, in the above embodiment, AlGaAs is used as the material for the release layer, but the material is not limited to this, and other materials may be used in consideration of selective etching.
また、PINフォトダイオードの材料も上記実施の形態に限定されず、Si等の他の材料を用いることができる。 The material of the PIN photodiode is not limited to the above embodiment, and other materials such as Si can be used.
次に、図1に示した方向検出素子の検出角度についてシミュレーションを実施した。 Next, a simulation was performed on the detection angle of the direction detection element shown in FIG.
本シミュレーションにおいては、受光領域101,102,103,104での電流値をI101 ,I102 ,I103 ,I104 で示す。また、仰角φが90度の方向にある発光原から光を方向検出素子に照射する場合、I101 =I102 =I103 =I104 =1とする。また、本シミュレーションにおいては、発光源から照射される光は平行光とする。 In this simulation, the current values in the light receiving regions 101 , 102 , 103 , and 104 are indicated by I 101 , I 102 , I 103 , and I 104 . Further, when light is emitted to the direction detection element from a light source having an elevation angle φ of 90 degrees, I 101 = I 102 = I 103 = I 104 = 1. In this simulation, the light emitted from the light source is parallel light.
以上の条件下において、アジマス角(方位角)θが0度で仰角φが30度の方向から光を照射した場合の方向検出素子の検出角度のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を表1に示す。 Under the above conditions, the detection angle of the direction detection element was simulated when light was irradiated from the direction where the azimuth angle (azimuth angle) θ was 0 degree and the elevation angle φ was 30 degrees. The simulation results are shown in Table 1.
表1に示すように、各壁部301〜304からの反射光がない場合、I101 =I103 =I104 <I102 の関係となる。この場合、電流値I101 ,I103 I104 は0.50となり、電流値I102 は0.07となる。
As shown in Table 1, when there is no reflected light from each of the
一方、各壁部301〜304からの反射光がある場合、電流値I104 は0.72に増加する。ここで、電流値I103 ,I104 の平均値を最大の受光量のときの電流値I100 として上述した式(1)および式(2)を用いて光の検出方向を算出した。その結果、アジマス角(方位角)θは、11.23度となり、誤差が11.23度となる。また、仰角φは28.96度となり、誤差が−1.03度となる。
On the other hand, if there is a reflected light from the
また、各壁部301〜304からの反射光および透過光がある場合、電流値I104 は0.72に増加し、電流値I102 は0.29に増加する。その結果、アジマス角(方位角)θは、18.49度となり、誤差が18.49度となる。また、仰角φは42.03度となり、誤差は12.03度となる。
Also, if there is a reflected light and transmitted light from the
また、同様の条件下において、アジマス角(方位角)θが0度で、仰角φが40度の方向から光を照射した場合の方向検出素子の検出角度のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を表2に示す。 In addition, under the same conditions, the detection angle of the direction detection element was simulated when light was irradiated from the direction where the azimuth angle (azimuth angle) θ was 0 degree and the elevation angle φ was 40 degrees. The simulation results are shown in Table 2.
表2に示すように、各壁部301〜304からの反射光がない場合、電流値I101 ,I103 ,I104 は0.64となり、電流値I102 は、0.26となる。
As shown in Table 2, when there is no reflected light from each of the
一方、各壁部301〜304からの反射光がある場合、電流値I104 は0.81に増加する。ここで、電流値I103 ,I104 の平均値を最大の受光量のときの電流値I100 として上述した式(1)および式(2)を用いて光の検出方向を算出した。その結果、アジマス角(方位角)θは、10.30度となり、誤差が10.30度となる。さらに、仰角φは37.51度となり、誤差が−2.49度となった。
On the other hand, if there is a reflected light from the
また、各壁部301〜304からの反射光および透過光がある場合、電流値I104 は0.81に増加し、電流値I102 は0.45に増加する。その結果、アジマス角(方位角)θは、16.87度となり、誤差は16.87度となる。また、仰角φは51.24度となり、誤差は11.24度となる。
When there is reflected light and transmitted light from each of the
以上の結果から、各壁部301〜304による反射光がPINフォトダイオードに入射することにより光の検出方向に大きな誤差が生じることがわかった。したがって、本発明の実施の形態における方向検出素子においては、壁部301〜304による反射光および透過光がPINフォトダイオードに入射することが防止されるので、入射光の方向を正確に検出することができることがわかる。
From the above results, it was found that a large error occurs in the light detection direction when the reflected light from each of the
本発明によれば、光の入射方向に関する情報を電気信号として利用することができる。 According to the present invention, information related to the incident direction of light can be used as an electrical signal.
1 p型GaAs基板
2,2a 解放層
3,3a p型InGaAs層
4,4a p型GaAs層
5,5a 歪層
6,6A,6B PINフォトダイオード
6C 反射部材
6D 乱反射部材
7 エッチング停止層
8 光吸収体
10 凹部
11 溝
21 湾曲部分
61,61A,61B p型GaAs層
62,62A,62B ノンドープGaAs層
63,63A,63B n型GaAs層
101,102,103,104 受光領域
201,202,203,204 コンタクトパッド
301,302,302,304 壁部
301a,302a,303a,304a,301b,302b,303b,304b 補助部
1 p-
Claims (6)
前記第3の層に遮光部形成領域が配置されるとともに、前記遮光形成領域の一方側に沿って前記第3の層に受光素子の受光領域が形成され、
前記第3の層の前記遮光部形成領域の周囲を取り囲む領域のうち一部領域を除いて前記第3の層、前記第2の層および前記第1の層が除去されるとともに、前記複数の遮光部形成領域および前記一部領域における前記第1の層が除去され、前記一部領域の前記第3の層が除去され、前記遮光部形成領域の前記第2の層が前記一部領域で湾曲することにより、前記受光素子の受光領域に沿って起立する遮光部が形成され、前記遮光部による反射光のうち前記受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられたことを特徴とする方向検出素子。 A first layer, a second layer, and a third layer are sequentially formed on a substrate, and the second layer is smaller than the first semiconductor layer having the first lattice constant and the first lattice constant. Including a stacked structure with a second semiconductor layer having a second lattice constant,
A light shielding part forming region is disposed in the third layer, and a light receiving region of a light receiving element is formed in the third layer along one side of the light shielding forming region,
The third layer, the second layer, and the first layer are removed except for a part of a region surrounding the light shielding portion forming region of the third layer, and The light shielding portion forming region and the first layer in the partial region are removed, the third layer in the partial region is removed, and the second layer in the light shielding portion forming region is the partial region. A light-shielding portion that rises along the light-receiving area of the light-receiving element is formed by bending, and a reduction unit that reduces light incident on the light-receiving area of the light-receiving element from the light reflected by the light-shielding section is provided A direction detecting element.
前記第3の層に所定の基準点を中心として等角度間隔で複数の遮光部形成領域が配置され、前記複数の遮光形成領域のそれぞれ一方側に沿って前記第3の層に複数の受光素子の受光領域がそれぞれ形成され、
前記第3の層の前記複数の遮光部形成領域の周囲をそれぞれ取り囲む領域のうちそれぞれの一部領域を除いて前記第3の層、前記第2の層および前記第1の層が除去されるとともに、前記複数の遮光部形成領域および前記それぞれの一部領域における前記第1の層が除去され、前記それぞれの一部領域の前記第3の層が除去され、前記複数の遮光部形成領域の前記第2の層が前記それぞれの一部領域で湾曲することにより、前記複数の受光素子の受光領域に沿って起立する複数の遮光部が形成され、前記複数の遮光部による反射光のうち前記複数の受光素子の受光領域に入射する光を低減する低減手段が設けられたことを特徴とする方向検出素子。 A first layer, a second layer, and a third layer are sequentially formed on a substrate, and the second layer is smaller than the first semiconductor layer having the first lattice constant and the first lattice constant. Including a stacked structure with a second semiconductor layer having a second lattice constant,
A plurality of light shielding portion forming regions are arranged at equiangular intervals around a predetermined reference point in the third layer, and a plurality of light receiving elements are arranged in the third layer along one side of each of the plurality of light shielding forming regions. Each light receiving area is formed,
The third layer, the second layer, and the first layer are removed except for a part of each of the regions surrounding the plurality of light shielding portion forming regions of the third layer. In addition, the plurality of light shielding portion forming regions and the first layer in each of the partial regions are removed, the third layer of each of the partial regions is removed, and the plurality of light shielding portion forming regions The second layer is curved in each of the partial regions, thereby forming a plurality of light-shielding portions that stand along the light-receiving regions of the plurality of light-receiving elements. Of the light reflected by the light-shielding portions, A direction detecting element comprising a reducing means for reducing light incident on a light receiving region of a plurality of light receiving elements.
前記遮光部の表面に設けられ、光を吸収する吸収体を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の方向検出素子。 The reducing means is
The direction detection element according to claim 1, further comprising an absorber that is provided on a surface of the light shielding portion and absorbs light.
前記遮光部の表面に形成され、光を乱反射する凹凸面を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の方向検出素子。 The reducing means is
5. The direction detection element according to claim 1, wherein the direction detection element includes an uneven surface that is formed on a surface of the light shielding portion and diffusely reflects light.
前記遮光部の表面に設けられ、光を前記受光素子の受光領域と異なる方向に反射させる反射部材を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の方向検出素子。 The reducing means is
The direction detection element according to any one of claims 1 to 3, further comprising a reflection member provided on a surface of the light shielding part and configured to reflect light in a direction different from a light receiving region of the light receiving element.
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2004
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