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JP2008066584A - Optical sensor - Google Patents

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JP2008066584A
JP2008066584A JP2006244388A JP2006244388A JP2008066584A JP 2008066584 A JP2008066584 A JP 2008066584A JP 2006244388 A JP2006244388 A JP 2006244388A JP 2006244388 A JP2006244388 A JP 2006244388A JP 2008066584 A JP2008066584 A JP 2008066584A
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light
layer
mesa
semiconductor layer
optical sensor
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Application number
JP2006244388A
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Japanese (ja)
Inventor
Gomes Camargo Edson
エジソン ゴメス カマルゴ
Masaaki Kurihara
正明 栗原
Aya Yokoyama
彩 横山
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Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Original Assignee
Asahi Kasei Electronics Co Ltd
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Application filed by Asahi Kasei Electronics Co Ltd filed Critical Asahi Kasei Electronics Co Ltd
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Abstract

【課題】光を吸収する部分の温度の影響を受けずに、微小の長波長赤外線エネルギーの絶対値を正確に検出する超小型の光センサを提供すること。
【解決手段】基板10上に第1メサ21及び第2メサ41を有する。第1メサ21は、第1導電型の半導体層20を含み、第1導電型の半導体層20の電極61が形成される部分を有する。第2メサ41は、第1メサ21上に設けられている。PINフォトダイオードの場合、I層30及び第2導電型の半導体層40を備え、PNフォトダイオードの場合、第2導電型の半導体層40を備えている。基板10上に、第1導電型の半導体層20が設けられ、その上にI層30が設けられ、更にその上、第2導電型の半導体層40が設けられている。被検出光が半導体基板10の裏面から入射し、I層30まで進入した場合には、光はI層30で吸収されて電子とホールが発生し、光センサの出力電圧が発生する。
【選択図】図1
An ultra-compact photosensor that accurately detects the absolute value of a minute long-wavelength infrared energy without being affected by the temperature of a portion that absorbs light.
A first mesa and a second mesa are provided on a substrate. The first mesa 21 includes the first conductivity type semiconductor layer 20 and has a portion where the electrode 61 of the first conductivity type semiconductor layer 20 is formed. The second mesa 41 is provided on the first mesa 21. The PIN photodiode includes an I layer 30 and a second conductivity type semiconductor layer 40, and the PN photodiode includes a second conductivity type semiconductor layer 40. A first conductive type semiconductor layer 20 is provided on the substrate 10, an I layer 30 is provided thereon, and a second conductive type semiconductor layer 40 is further provided thereon. When the light to be detected enters from the back surface of the semiconductor substrate 10 and enters the I layer 30, the light is absorbed by the I layer 30 to generate electrons and holes, and an output voltage of the photosensor is generated.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体基板の裏面から導入された光を電圧信号に変換する光センサに関し、より詳細には、長波長の赤外線を電圧信号に変換するのに適した光センサに関する。   The present invention relates to an optical sensor for converting light introduced from the back surface of a semiconductor substrate into a voltage signal, and more particularly to an optical sensor suitable for converting long-wavelength infrared light into a voltage signal.

近年、光通信技術の発展、省エネルギーや安全性の確保といった観点から、様々な波長に対応した高感度の光センサの開発が望まれている。とりわけ、中・遠赤外線を検知する光センサは、人体や自動車といった熱源が発する赤外線を高速で検出できるため、省エネルギーの人感センサや衝突防止器具用のセンサとしてその開発に期待が寄せられている。   In recent years, development of high-sensitivity optical sensors corresponding to various wavelengths has been desired from the viewpoint of development of optical communication technology, energy saving and ensuring safety. In particular, optical sensors that detect mid- and far-infrared rays are capable of detecting infrared rays emitted from heat sources such as human bodies and automobiles at high speed, and are expected to be developed as energy-saving human sensors and sensors for collision prevention devices. .

光センサとしては、半導体材料を用いたPN又はPIN接合構造の光センサが挙げられる。これらの光センサは、被検出光の束密度に応じて電子とホールが生成され、電流又は電圧信号となる。   Examples of the optical sensor include an optical sensor having a PN or PIN junction structure using a semiconductor material. These optical sensors generate electrons and holes according to the bundle density of the light to be detected, and become current or voltage signals.

光センサは、多くの場合、微弱な光を電気信号に変換する。そのため、高感度化によって信号強度を高めることはもとより、発生する微弱な信号を確実に増幅して使用するために、センサ内部や外部からの電磁波等に起因する雑音を減じ、S/N比を高めることが望まれる。   In many cases, the optical sensor converts weak light into an electrical signal. Therefore, in addition to increasing the signal intensity by increasing the sensitivity, in order to reliably amplify and use the weak signal generated, noise caused by electromagnetic waves from inside and outside the sensor is reduced, and the S / N ratio is increased. It is desirable to increase.

光センサの感度を高めるためには、入射した光を効率よく利用したり、発生した電子を効率よく取り出したりするためにリーク電流を抑制したりする必要がある。また、アバランシェ倍増減少に代表される増幅機構を利用して高感度化を図ることもある。   In order to increase the sensitivity of the optical sensor, it is necessary to efficiently use incident light and to suppress leakage current in order to efficiently extract generated electrons. Further, the sensitivity may be increased by using an amplification mechanism represented by avalanche doubling and reduction.

例えば、特許文献1には、このアバランシェ増幅現象を利用した、高温下で使用する紫外線光センサが提案されている。アバランシェ効果を利用するためには、高電界をセンサに与える必要があり、この技術では、メサ側壁の基板と成す角度を適切な範囲にすることによって高電界を与えた時の漏洩電流を抑制しているが、半導体層の表面側から光を入射しているため、狭い範囲から光を入射する必要があり、光の利用効率は高くならず、高感度化は十分には達成されないという問題があった。   For example, Patent Document 1 proposes an ultraviolet light sensor that uses this avalanche amplification phenomenon and is used at a high temperature. In order to use the avalanche effect, it is necessary to apply a high electric field to the sensor. With this technology, the leakage current when a high electric field is applied is suppressed by setting the angle formed with the substrate on the mesa side wall to an appropriate range. However, since light is incident from the surface side of the semiconductor layer, it is necessary to enter light from a narrow range, the light use efficiency is not high, and high sensitivity cannot be sufficiently achieved. there were.

光センサの供される感度波長が、中・遠赤外線の場合、この波長帯の光のエネルギーは小さいため、光電変換によって得られる電気信号が小さく、センサ内部・外部雑音がセンサのS/N比に悪影響を与える。そのため、S/N比のより一層高い光センサが必要となる。   When the sensitivity wavelength provided by the optical sensor is mid- or far-infrared, the energy of light in this wavelength band is small, so the electrical signal obtained by photoelectric conversion is small, and the sensor internal and external noise is the S / N ratio of the sensor Adversely affects. Therefore, an optical sensor having a higher S / N ratio is required.

このような波長領域では、PN又はPIN接合構造で生成した電子とホールが光センサの外部に出力へ出力される前に、何らかの漏れ経路を通じて光センサ内部で減衰され、センサの出力信号を下げてしまい、S/N比が低下してしまう。例えば、一般的に用いられるメサ形状をもったPN又はPIN構造では、メサ構造の側面に漏れ電流が発生しやすい。そのため、一般的に、暗電流を抑制してS/N比を向上するために、光を吸収する部分を冷却する方法が用いられる。   In such a wavelength region, electrons and holes generated in the PN or PIN junction structure are attenuated inside the optical sensor through some leakage path before being output to the outside of the optical sensor, and the output signal of the sensor is lowered. As a result, the S / N ratio decreases. For example, in a PN or PIN structure having a mesa shape that is generally used, leakage current tends to occur on the side surface of the mesa structure. Therefore, generally, a method of cooling a portion that absorbs light is used in order to suppress the dark current and improve the S / N ratio.

更に、この漏れ電流を減少させるため、反転層を設ける技術が、例えば、特許文献2に開示されている。この技術によれば、メサ部に形成された反転層の存在により、漏れ電流の抑制が図られるが、メサ部に光を吸収する層を形成するため、光の利用効率が低く、高感度化を十分に達成できないという問題を有していた。   Further, for example, Patent Document 2 discloses a technique for providing an inversion layer in order to reduce the leakage current. According to this technology, leakage current is suppressed by the presence of the inversion layer formed in the mesa part, but the light utilization efficiency is low and the sensitivity is increased because the light absorption layer is formed in the mesa part. There was a problem that could not be fully achieved.

特開2004−193615号公報JP 2004-193615 A 特公平7−28049号公報Japanese Patent Publication No. 7-28049

しかしながら、上述したような光を吸収する部分の冷却機構を利用した光センサの場合、冷却する機構の動作に必要な消費電力は大きく、また、システム全体は小型化しにくいため、センサの応用範囲が狭まれるという問題がある。   However, in the case of the optical sensor using the cooling mechanism of the part that absorbs light as described above, the power consumption necessary for the operation of the cooling mechanism is large, and the entire system is difficult to downsize. There is a problem of being narrowed.

また、中・遠赤外線の光センサの場合、高感度を得るには素子抵抗を大きくする必要はあるが、高抵抗化に伴い、雑音の影響が受けやすくなるという問題がある。   In addition, in the case of a mid- or far-infrared optical sensor, it is necessary to increase the element resistance in order to obtain high sensitivity, but there is a problem that it becomes susceptible to noise as the resistance increases.

また、PN又はPIN接合のメサ構造の側面には反転層を形成することによって、入射した光がその反転層に吸収される恐れがあり、入射光の最大利用効率は得られなくなるという問題がある。   Further, by forming an inversion layer on the side surface of the mesa structure of the PN or PIN junction, there is a possibility that incident light may be absorbed by the inversion layer, and the maximum utilization efficiency of incident light cannot be obtained. .

さらに、基板の裏面入射の光センサの場合、被検出光が大気から光センサに入射する際、空気と光センサの基板の屈折率との違いの影響で、光が一部センサの窓部の表面で反射され、光電変換されず損失されてしまい、光センサのS/N比を下げてしまう問題がある。   Furthermore, in the case of an optical sensor incident on the back surface of the substrate, when the detected light enters the optical sensor from the atmosphere, the light is partially reflected in the sensor window due to the difference between the refractive index of air and the optical sensor substrate There is a problem that the light is reflected on the surface, is not photoelectrically converted and is lost, and the S / N ratio of the optical sensor is lowered.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、被検出光を最大に効率良く利用し、高いS/N比を有した超小型かつ低消費電力で、長波長の赤外線を電圧信号に変換するのに適した光センサを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to use the detected light with maximum efficiency, with a very small size and low power consumption having a high S / N ratio, An object of the present invention is to provide an optical sensor suitable for converting long-wavelength infrared light into a voltage signal.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、半導体基板の表面に少なくとも第1導電型の半導体層を含む第1メサと、少なくとも第2導電型の半導体層を含む第2メサとが積層されたPN又はPINフォトダイオードからなる光を吸収する部分を有し、前記半導体基板の裏面から入射した光の輝度に応じた信号を電圧で出力する光センサであって、前記第2導電型の半導体層の表面の面積が、前記第1導電型の半導体層と前記半導体基板との接触面の面積よりも小さくなるような順メサ形状を備えたことを特徴とする。   The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to claim 1 includes a first mesa including at least a first conductivity type semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate, and at least a second mesa. It has a portion that absorbs light composed of a PN or PIN photodiode laminated with a second mesa including a conductive type semiconductor layer, and outputs a signal according to the luminance of light incident from the back surface of the semiconductor substrate as a voltage And a forward mesa shape in which an area of a surface of the second conductivity type semiconductor layer is smaller than an area of a contact surface between the semiconductor layer of the first conductivity type and the semiconductor substrate. It is characterized by that.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第2メサの第1メサ側と反対側の面の面積と、前記第1メサと前記第2メサとの界面の面積比をRとし、1.1≦R≦10000であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the area of the surface of the second mesa opposite to the first mesa side and the interface between the first mesa and the second mesa The area ratio of R is R, and 1.1 ≦ R ≦ 10000.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第2メサの斜面角度が、10度以上60度以下にあることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1, wherein the slope angle of the second mesa is 10 degrees or more and 60 degrees or less.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1,2又は3に記載の発明において、前記光を吸収する部分の屈折率が、前記半導体基板の屈折率より大きいことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the invention, in the first, second, or third aspect of the invention, the refractive index of the portion that absorbs light is larger than the refractive index of the semiconductor substrate.

また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記半導体層上に、該半導体層より屈折率が小さい保護層を有することを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein a protective layer having a refractive index smaller than that of the semiconductor layer is provided on the semiconductor layer.

また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記半導体基板の裏面が、粗面であることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein the back surface of the semiconductor substrate is a rough surface.

また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の発明において、前記光を吸収する部分上に反射層を有することを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6, further comprising a reflective layer on the portion that absorbs the light.

また、請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の発明において、前記光を吸収する部分が、InAsSb1−X(0≦x≦1)を含むことを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the portion that absorbs light includes InAs X Sb 1-X (0 ≦ x ≦ 1). Features.

また、請求項9に記載の発明は、請求項1乃至8のいずれかに記載の発明において、前記光を吸収する部分を2つ以上有し、かつ直列接続されていることを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the invention according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it has two or more portions that absorb the light and is connected in series.

本発明によれば、光を吸収する部分を構成する第2導電型の半導体層の表面の面積が、第1導電型の半導体層と半導体基板との接触面の面積よりも小さくなるような順メサ形状を備えたので、光の利用効率が高く、高出力、高S/N比の光センサが実現できる。とりわけ、赤外線を検出する場合、冷却機構を不要とした、高出力、高S/N比、低消費電力、の光センサが実現できる。   According to the present invention, the area of the surface of the second conductivity type semiconductor layer constituting the light absorbing portion is smaller than the area of the contact surface between the first conductivity type semiconductor layer and the semiconductor substrate. Since the mesa shape is provided, a light sensor with high light utilization efficiency, high output and high S / N ratio can be realized. In particular, when detecting infrared rays, it is possible to realize an optical sensor having a high output, a high S / N ratio, and low power consumption, which does not require a cooling mechanism.

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
本発明の光センサは、被検出光を吸収して電気信号に変換する、いわゆる光電変換を行うために、多層の半導体層からなるPN又はPIN接合からなるフォトダイオードを利用し、半導体基板の半導体層が形成されていない裏面から入射した光を多層の半導体層で吸収し、電圧として信号を出力するものである。ここで用いられる半導体材料は特に限定されず、光センサの目的とする感度波長によって適宜選択される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The optical sensor of the present invention uses a photodiode composed of a PN or PIN junction composed of multiple semiconductor layers to perform so-called photoelectric conversion that absorbs light to be detected and converts it into an electrical signal. Light incident from the back surface where no layer is formed is absorbed by a multilayer semiconductor layer and a signal is output as a voltage. The semiconductor material used here is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the intended sensitivity wavelength of the optical sensor.

本発明の光センサは、半導体基板上にPN又はPIN構造を膜状に形成した後、化学的又は物理的エッチング法を用いて、光を吸収する部分形成し、光を吸収する部分より基板から離れた側にある第2導電型の半導体層の表面の面積が、第1導電型の半導体層の基板との接触面の面積よりも小さくなるような順メサ形状となるような構造とすることが必要である。   In the optical sensor of the present invention, after a PN or PIN structure is formed in a film shape on a semiconductor substrate, a portion that absorbs light is formed using a chemical or physical etching method, and the portion that absorbs light is removed from the substrate. The structure is such that the area of the surface of the second conductivity type semiconductor layer on the far side is a forward mesa shape that is smaller than the area of the contact surface of the first conductivity type semiconductor layer with the substrate. is required.

すなわち、本発明の光センサは、半導体基板の半導体層が形成されていない裏面から光を入射するため、光を吸収する部分の基板側のサイズが大きいことで、光を吸収する部分への光の導入が効率よく行われる。更に、本発明の光センサは信号を電圧で出力するので、PN又はPINフォトダイオード部の抵抗が高い方が高出力が得られるが、順メサ構造にすることによって、フォトダイオードの抵抗を決定する部位(PINフォトダイオードの場合はI層、PNフォトダイオードの場合はPN接合部)の面積が小さくなるためフォトダイオードの抵抗が高くなる。このようにして、高い光電流と高い抵抗を併せ持つことにより、本発明の光センサの出力は高電圧となる。   That is, in the optical sensor of the present invention, the light is incident from the back surface of the semiconductor substrate where the semiconductor layer is not formed. Is efficiently introduced. Furthermore, since the optical sensor of the present invention outputs a signal as a voltage, a higher output can be obtained when the resistance of the PN or PIN photodiode portion is higher, but the resistance of the photodiode is determined by adopting a forward mesa structure. Since the area of the part (I layer in the case of a PIN photodiode, PN junction in the case of a PN photodiode) is reduced, the resistance of the photodiode is increased. Thus, by having both high photocurrent and high resistance, the output of the photosensor of the present invention becomes a high voltage.

図1及び図2は、本発明の光センサの一実施例を説明するための断面図である。
本発明の光センサ1は、半導体基板10の表面に少なくとも第1導電型の半導体層20を含む第1メサ21と、少なくとも第2導電型の半導体層40を含む第2メサ41とが積層されたPN又はPINフォトダイオードからなる光を吸収する部分2を有し、半導体基板10の裏面から入射した光の輝度に応じた信号を電圧で出力するものである。
1 and 2 are cross-sectional views for explaining an embodiment of the optical sensor of the present invention.
In the optical sensor 1 of the present invention, a first mesa 21 including at least a first conductivity type semiconductor layer 20 and a second mesa 41 including at least a second conductivity type semiconductor layer 40 are stacked on the surface of a semiconductor substrate 10. In addition, it has a portion 2 for absorbing light composed of a PN or PIN photodiode, and outputs a signal corresponding to the luminance of the light incident from the back surface of the semiconductor substrate 10 as a voltage.

そして、第2導電型の半導体層40の表面の面積が、第1導電型の半導体層20と半導体基板10との接触面の面積よりも小さくなるような順メサ形状を備えている。   The surface area of the second conductivity type semiconductor layer 40 has a forward mesa shape that is smaller than the area of the contact surface between the first conductivity type semiconductor layer 20 and the semiconductor substrate 10.

なお、符号30はI層、50は保護層、61は第1導電型の半導体層の電極、62は第2導電型の半導体層の電極、70は絶縁層、80は反射層を示している。   Reference numeral 30 denotes an I layer, 50 denotes a protective layer, 61 denotes an electrode of the first conductive type semiconductor layer, 62 denotes an electrode of the second conductive type semiconductor layer, 70 denotes an insulating layer, and 80 denotes a reflective layer. .

まず、半導体基板10上に第1メサ21及び第2メサ41が形成される。この第1メサ21は、第1導電型の半導体層20を含むと同時に、この第1導電型の半導体層20の電極61が形成される部分を含んでいる。第2メサ41は、第1メサ21上に形成され、PINフォトダイオードの場合、少なくともI層30及び第2導電型の半導体層40を含むが、PNフォトダイオードの場合、少なくとも第2導電型の半導体層40を含んでいる。また、両方の場合でも、第2メサ41が第1導電型の半導体層20の一部を含んでも良い。   First, the first mesa 21 and the second mesa 41 are formed on the semiconductor substrate 10. The first mesa 21 includes the first conductivity type semiconductor layer 20 and also includes a portion where the electrode 61 of the first conductivity type semiconductor layer 20 is formed. The second mesa 41 is formed on the first mesa 21 and includes at least an I layer 30 and a second conductivity type semiconductor layer 40 in the case of a PIN photodiode, but in the case of a PN photodiode, at least the second conductivity type. A semiconductor layer 40 is included. In both cases, the second mesa 41 may include a part of the semiconductor layer 20 of the first conductivity type.

半導体基板10上に、第1導電型の半導体層20が形成されて、その上に光を吸収するI層30が形成される。更にその上、第2導電型の半導体層40が形成される。被検出光が半導体基板10の裏面から入射し、I層30まで進入した場合には、光はI層30で吸収されて電子とホールが発生し、光センサの出力電圧が発生する。なお、符号11は半導体基板10の裏面の粗面を示している。   A semiconductor layer 20 of the first conductivity type is formed on the semiconductor substrate 10, and an I layer 30 that absorbs light is formed thereon. Furthermore, a second conductivity type semiconductor layer 40 is formed. When the light to be detected enters from the back surface of the semiconductor substrate 10 and enters the I layer 30, the light is absorbed by the I layer 30 to generate electrons and holes, and an output voltage of the photosensor is generated. Reference numeral 11 denotes a rough surface on the back surface of the semiconductor substrate 10.

図1にはPINフォトダイオードの構造を示したが、PN構造のフォトダイオードの場合、基板10に入射した光が第1導電型の半導体層20と第2導電型の半導体層40との接合によって発生する空乏層で吸収され、電子とホールの生成によって、光センサの出力電圧が発生する。   FIG. 1 shows the structure of a PIN photodiode. In the case of a photodiode having a PN structure, light incident on the substrate 10 is bonded to the first conductive type semiconductor layer 20 and the second conductive type semiconductor layer 40. The output voltage of the photosensor is generated by absorption of the generated depletion layer and generation of electrons and holes.

具体的には、基板10上にNドーパンドでドープしたN層となる第1導電型の半導体層20を形成し、その上にI層となる第2の半導体層30を形成してから、PドーパンドでドープしたP層となる第2導電型の半導体層40を形成しても良い。基板10との界面よりN→I→Pの順で成膜した場合を説明したが、この順は問わず、半導体層と基板10との密着性や結晶ミスマッチ緩衝性や基板側に存在する層の光吸収特性などを考慮して適宜選択される。このような、光吸収特性は、半導体層の材料を変えて制御しても良いし、ドーピング濃度によって制御しても良い。なお、後述のように本発明の光センサをInAsxSb1−x(0≦x≦1)で作製した場合は、光吸収特性の制御の容易さからN→I→Pの順で積層するのが好ましい。   Specifically, a first conductivity type semiconductor layer 20 to be an N layer doped with N dopant is formed on the substrate 10, and a second semiconductor layer 30 to be an I layer is formed thereon, and then P A semiconductor layer 40 of the second conductivity type that becomes a P layer doped with dopant may be formed. The case where the film was formed in the order of N → I → P from the interface with the substrate 10 has been described. Regardless of this order, the adhesion between the semiconductor layer and the substrate 10, the crystal mismatch buffering property, and the layer existing on the substrate side The light absorption characteristics are selected as appropriate. Such light absorption characteristics may be controlled by changing the material of the semiconductor layer, or may be controlled by doping concentration. As will be described later, when the optical sensor of the present invention is manufactured by InAsxSb1-x (0 ≦ x ≦ 1), it is preferable to stack in order of N → I → P because of easy control of light absorption characteristics. .

本発明の光センサの第1メサ21及び第2メサ41と基板10の表面となす角は、図2に示すように、第1メサ21の角度θ1及び第2メサ41の角度θ2と呼ぶ。第2メサ41の角度θ2については、特に限定は無いが、好ましくは、10度から60度である。なお、A1は第1メサ21と第2メサの界面を示し、A2は第2メサ41の上端面を示している。   The angles between the first mesa 21 and the second mesa 41 of the optical sensor of the present invention and the surface of the substrate 10 are referred to as an angle θ1 of the first mesa 21 and an angle θ2 of the second mesa 41 as shown in FIG. The angle θ2 of the second mesa 41 is not particularly limited, but is preferably 10 to 60 degrees. A1 represents the interface between the first mesa 21 and the second mesa, and A2 represents the upper end surface of the second mesa 41.

すなわち、第2メサ41の角度θ2が60度より大きい場合は、上述した高い光電流と高い抵抗を併せ持つ効果が小さくなるばかりか、後述する、電気接合を行うための金属配線を形成する場合に、半導体層の高さにもよるが、断線の可能性が高くなり、金属配線の形成方法が煩雑になったりする場合がある。   That is, when the angle θ2 of the second mesa 41 is larger than 60 degrees, not only the effect of combining the high photocurrent and the high resistance described above is reduced, but also when forming a metal wiring for electrical connection, which will be described later. Depending on the height of the semiconductor layer, the possibility of disconnection increases, and the metal wiring formation method may become complicated.

一方、第2メサ41の角度θ2が10度未満では、第2導電型の半導体層40の表面に形成する、金属配線との接合部(コンタクトホール)を適切な大きさにするためには光を吸収する部分を大きくする必要が発生したり、コンタクトホールが小さくなりすぎて、電気接合の信頼性が低下する場合がある。   On the other hand, when the angle θ2 of the second mesa 41 is less than 10 degrees, in order to make the junction (contact hole) with the metal wiring formed on the surface of the second conductivity type semiconductor layer 40 an appropriate size, In some cases, it is necessary to enlarge the portion that absorbs the heat, or the contact hole becomes too small, and the reliability of the electrical connection is lowered.

また、後述のようにPN又はPINフォトダイオードからなる光を吸収する部分が、2つ以上有し、かつ直列接続されている場合は、その接続数や半導体層の厚みに因るが、単位面積中のフォトダイオード数を多くするために、θ2が大きい方が好ましい場合がある。   In addition, when there are two or more light-absorbing portions made of PN or PIN photodiodes and are connected in series as described later, the unit area depends on the number of connections and the thickness of the semiconductor layer. In order to increase the number of photodiodes therein, a larger θ2 may be preferable.

図4は、本発明の光センサの他の実施例を説明するための断面図である。
図1及び図2に示した第2メサ41における第1導電型の半導体層20と、I層30及び第2導電型の半導体層40の斜面部の基板表面となす角度が同一であっても良いが、図4で示すように、各半導体層20a,20bの角度が異なっていても良い。すなわち、第1導電型の半導体層20aと基板表面のなす角θ1が90度に近い程、同一面積内に多くのフォトダイオードが形成可能となるので、設計上に好ましい場合がある。一方、光を吸収する部分への光の導入効率を高めるためには、第1導電型の半導体層20aと基板10との面積が、光を吸収する部分の面積より大きくすると好ましい場合があり、この場合は、θ1は小さい方が望ましい。図4で示すようなメサ形状の場合、第2メサ41の角度θ2とは第2メサ41の上面周辺にある点Mと第1メサ21と第2メサ41の界面周辺における点Nを結んだ線と基板10となす角度となる。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining another embodiment of the optical sensor of the present invention.
Even if the angle formed between the first conductive type semiconductor layer 20 and the inclined surfaces of the I layer 30 and the second conductive type semiconductor layer 40 in the second mesa 41 shown in FIGS. However, as shown in FIG. 4, the angles of the semiconductor layers 20a and 20b may be different. That is, as the angle θ1 formed by the semiconductor layer 20a of the first conductivity type and the substrate surface is closer to 90 degrees, more photodiodes can be formed in the same area, which may be preferable in design. On the other hand, in order to increase the light introduction efficiency into the light absorbing portion, it may be preferable that the area of the first conductive type semiconductor layer 20a and the substrate 10 is larger than the area of the light absorbing portion, In this case, it is desirable that θ1 is small. In the case of the mesa shape as shown in FIG. 4, the angle θ2 of the second mesa 41 connects the point M around the upper surface of the second mesa 41 and the point N around the interface between the first mesa 21 and the second mesa 41. This is the angle between the line and the substrate 10.

また、I層30と基板10の表面となす角θ2aが小さい程、光センサの出力信号が大きくなる。PINフォトダイオードの場合、第2導電型の半導体層40と基板10の表面となす角θ2bが特にセンサの出力に大きな影響ないが、第2導電型の半導体層40の電極62(図1,図2に図示)が形成する場合、製造上の信頼性を考慮した場合、θ2bの角度は高い方が好ましい場合がある。PNフォトダイオードの場合、各半導体層の不純物濃度によって、空乏層が第1導電型の半導体層20に広がったり、または、第2半導型の半導体層40に広がったりする場合がある。特に、空乏層が第2導電型の半導体層40に広がった場合、θ2bを低くすると、フォトダイオード接合抵抗が高くなり、出力信号が大きくなるため、好ましい場合がある。   Further, the smaller the angle θ2a formed between the I layer 30 and the surface of the substrate 10, the larger the output signal of the optical sensor. In the case of a PIN photodiode, the angle θ2b formed between the second conductivity type semiconductor layer 40 and the surface of the substrate 10 does not particularly affect the output of the sensor, but the electrode 62 of the second conductivity type semiconductor layer 40 (FIG. 1, FIG. 1). 2), when the manufacturing reliability is taken into consideration, a higher θ2b angle may be preferable. In the case of a PN photodiode, depending on the impurity concentration of each semiconductor layer, the depletion layer may spread to the first conductivity type semiconductor layer 20 or the second semiconductor type semiconductor layer 40 in some cases. In particular, when the depletion layer extends to the second conductivity type semiconductor layer 40, it may be preferable to reduce θ2b because the photodiode junction resistance increases and the output signal increases.

図3(a)〜(c)は、本発明における、センサ抵抗及び出力信号と第2メサの角度θ2との関係を示す図で、(a)は、第2メサの角度θ2と抵抗との関係、(b)は第2メサの角度θ2とフォトダイオードの出力電圧との関係、(c)はフォトダイオードの出力電圧と面積比Rとの関係をそれぞれ示している。   3A to 3C are diagrams showing the relationship between the sensor resistance and the output signal and the angle θ2 of the second mesa in the present invention, and FIG. 3A shows the relationship between the angle θ2 of the second mesa and the resistance. (B) shows the relationship between the angle θ2 of the second mesa and the output voltage of the photodiode, and (c) shows the relationship between the output voltage of the photodiode and the area ratio R, respectively.

ここでは基板10としてGaAs、第1導電型の半導体層20としてN型のInSb層、第2導電型の半導体層40としてP型のInSb層を利用したフォトダイオードからなる光センサを利用して、光を入射させた場合の出力電圧とフォトダイオードの第2メサの角度θ2の関係を示している。ここでは、光源として温度500Kの黒体炉を利用した。   Here, an optical sensor composed of a photodiode using GaAs as the substrate 10, an N-type InSb layer as the first conductivity type semiconductor layer 20, and a P-type InSb layer as the second conductivity type semiconductor layer 40 is used. The relationship between the output voltage when light is incident and the angle θ2 of the second mesa of the photodiode is shown. Here, a black body furnace having a temperature of 500 K was used as a light source.

図3(a),(b)から明らかなように、第2メサの角度θ2が小さくなるに従って、フォトダイオードの抵抗(図3(a))及び出力電圧(図3(b))が向上していることが分かる。   As is clear from FIGS. 3A and 3B, the resistance (FIG. 3A) and the output voltage (FIG. 3B) of the photodiode improve as the angle θ2 of the second mesa decreases. I understand that

また、図3(c)には、フォトダイオードの出力電圧と面積比Rとの関係を示している。ここで用いたフォトダイオードはI層を有し、θ2=θ2a=θ2bで、θ1は約45°となっている。   FIG. 3C shows the relationship between the output voltage of the photodiode and the area ratio R. The photodiode used here has an I layer, θ2 = θ2a = θ2b, and θ1 is about 45 °.

以下に、本発明の光センサのメサ構造の形状と各半導体層の面積との関係を説明する。   Hereinafter, the relationship between the shape of the mesa structure of the optical sensor of the present invention and the area of each semiconductor layer will be described.

本発明の第2導電型の半導体層40の基板側の面とは図1のフォトダイオードの場合、第2導電型の半導体層40とI層30との界面となる。PNフォトダイオードの場合、第2導電型の半導体層40の基板側の面とは第2導電型の半導体層40と第1導電型の半導体層20の界面となる。第2導電型の半導体層40の基板側にある面の面積と、第1導電型の半導体層20と基板10との界面の面積比をRとし、Rが1以上であれば良いが、更に1.1≦R≦10000の方が好ましい。すなわち、Rが大きい程、入射した光の吸収効率が良くなり、光センサの出力が大きくなる。図3(c)で示すように、面積比Rが多きい程、出力電圧が大きくなることが分かる。このRと出力電圧の関係は、θ1やθ2の値によって変動するが、Rが大きくなるに従って、出力電圧が大きくなる傾向は変わらない。   In the case of the photodiode of FIG. 1, the substrate-side surface of the second conductivity type semiconductor layer 40 of the present invention is an interface between the second conductivity type semiconductor layer 40 and the I layer 30. In the case of a PN photodiode, the surface of the second conductivity type semiconductor layer 40 on the substrate side is an interface between the second conductivity type semiconductor layer 40 and the first conductivity type semiconductor layer 20. The area ratio of the surface on the substrate side of the second conductivity type semiconductor layer 40 and the area ratio of the interface between the first conductivity type semiconductor layer 20 and the substrate 10 is R, and R may be 1 or more. 1.1 ≦ R ≦ 10000 is more preferable. That is, as R is larger, the absorption efficiency of incident light is improved and the output of the optical sensor is increased. As shown in FIG. 3C, it can be seen that the output voltage increases as the area ratio R increases. The relationship between R and the output voltage varies depending on the values of θ1 and θ2, but the tendency of the output voltage to increase as R increases does not change.

次に、本発明に用いられる、基板と半導体層とこの半導体層上に形成される保護層について説明する。
本発明の光センサは、半導体層が形成されていない面(裏面)から光を入射するので、半導体層の光を吸収する部位(PINフォトダイオードの場合はI層)のバンドギャップエネルギーは、半導体基板のバンドギャップエネルギーより小さいことが必要である。それらのバンドギャップエネルギーの差は、特に限定されないが、光電流を大きくするためには、好ましくは、0.4eV以上、更に好ましくは0.8eV以上である。
Next, the substrate, the semiconductor layer, and the protective layer formed on the semiconductor layer used in the present invention will be described.
In the optical sensor of the present invention, light is incident from the surface (back surface) where the semiconductor layer is not formed. Therefore, the band gap energy of the portion that absorbs light of the semiconductor layer (I layer in the case of a PIN photodiode) It is necessary to be smaller than the band gap energy of the substrate. The difference between the band gap energies is not particularly limited, but is preferably 0.4 eV or more, more preferably 0.8 eV or more in order to increase the photocurrent.

次に、基板と半導体層の屈折率について説明する。
本発明の光センサは、基板10の裏面から入射した光を最大に利用するために、基板10の屈折率が半導体層20,40の屈折率よりも小さくすると好ましい場合がある。少なくとも、光を吸収する部位(PINフォトダイオードの場合はI層)の屈折率よりも、基板10の屈折率を小さくすると良い。
Next, the refractive indexes of the substrate and the semiconductor layer will be described.
The optical sensor of the present invention may preferably have a refractive index of the substrate 10 smaller than that of the semiconductor layers 20 and 40 in order to make maximum use of light incident from the back surface of the substrate 10. At least, the refractive index of the substrate 10 is preferably smaller than the refractive index of the portion that absorbs light (I layer in the case of a PIN photodiode).

すなわち、入射した光が、基板10と半導体層の界面で全反射することなく、効率良く吸収層(PINフォトダイオードの場合はPIN層)によって吸収される。第1導電型の半導体層20と第2導電型の半導体層40、並びにPINフォトダイオードの場合のI層の材料は同じであっても良いが、各層の材料が異なっても良い。   That is, incident light is efficiently absorbed by the absorption layer (PIN layer in the case of a PIN photodiode) without being totally reflected at the interface between the substrate 10 and the semiconductor layer. In the case of the first conductivity type semiconductor layer 20, the second conductivity type semiconductor layer 40, and the PIN photodiode, the material of the I layer may be the same, but the material of each layer may be different.

図5は、本発明の光センサのさらに他の実施例を説明するための断面図である。
上述したように、基板10の材料が一つの材料のみを含んでも良いが、図5に示した実施例のように、基板10も多層構造であっても良い。この実施例において、基板10は、この基板10の裏面側の層10Aと、基板の中間層10Bと、基板の半導体層側の層10Cで構成されている。この場合、各層はもちろん、被検出光に対して高い透過率を持つように、または、被検出光を吸収層よりも吸収しないように、それぞれの層のバンドギャップエネルギーが半導体吸収層よりも高い方が好ましい。そして、その差は上述したように、0.4eVよりも大きくすると好ましい。多層の構造をもった基板の例としては、裏面に単層、多層の光学フィルターを形成した基板が挙げられる。このような基板を利用することによって、例えば、被検出光の波長をフォトダイオードまで効率よく進入させ、光の吸収を更に高めることができる。
FIG. 5 is a sectional view for explaining still another embodiment of the optical sensor of the present invention.
As described above, the material of the substrate 10 may include only one material, but the substrate 10 may also have a multilayer structure as in the embodiment shown in FIG. In this embodiment, the substrate 10 is composed of a layer 10A on the back side of the substrate 10, an intermediate layer 10B on the substrate, and a layer 10C on the semiconductor layer side of the substrate. In this case, the band gap energy of each layer is higher than that of the semiconductor absorption layer so that each layer has a high transmittance with respect to the detection light or does not absorb the detection light more than the absorption layer. Is preferred. The difference is preferably larger than 0.4 eV as described above. An example of a substrate having a multilayer structure is a substrate having a single-layer or multilayer optical filter formed on the back surface. By using such a substrate, for example, the wavelength of the light to be detected can efficiently enter the photodiode, and light absorption can be further enhanced.

次に、基板10の各層の屈折率と半導体の各層の屈折率が異なった場合を説明する。
基板10の裏面側の層10Aの屈折率をn1、基板10の中間層10Bの屈折率をn2、基板10の半導体側の層10Cの屈折率をn3、第1導電型の半導体層20の屈折率をn4、PINフォトダイオードの場合のI層の屈折率をn5、第2導電型の半導体層40の屈折率をn6の場合、それぞれの屈折率の関係は式(1)で示すような関係をもつと好ましい。
n1<n2<n3<n4≦n5≧n6 ・・・(1)
但し、n1〜6の各層の屈折率は被検出光に対しての屈折率を示す。
すなわち、光を吸収する層(PINフォトダイオードの場合I層)の屈折率が他の半導体層と半導体層の屈折率よりも大きくすると好ましい。n1<n2<n3<n4<n5の関係を保つと、基板10に入射した光がそれぞれの層の各界面に全反射することなく、また、n5>n6の関係を保つことによって、光が第2導電型の半導体層40との界面で全反射しやすくなり、光を吸収する層(PINフォトダイオードの場合I層)に反射され、光電流を増大できる。
Next, a case where the refractive index of each layer of the substrate 10 is different from the refractive index of each layer of the semiconductor will be described.
The refractive index of the layer 10A on the back side of the substrate 10 is n1, the refractive index of the intermediate layer 10B of the substrate 10 is n2, the refractive index of the layer 10C on the semiconductor side of the substrate 10 is n3, and the refractive index of the semiconductor layer 20 of the first conductivity type. In the case where the refractive index is n4, the refractive index of the I layer in the case of a PIN photodiode is n5, and the refractive index of the second conductivity type semiconductor layer 40 is n6, the relationship between the respective refractive indexes is as shown in the equation (1). Is preferred.
n1 <n2 <n3 <n4 ≦ n5 ≧ n6 (1)
However, the refractive index of each layer of n1-6 shows the refractive index with respect to to-be-detected light.
That is, it is preferable that the refractive index of the layer that absorbs light (I layer in the case of a PIN photodiode) is larger than the refractive indexes of the other semiconductor layers and the semiconductor layers. If the relationship of n1 <n2 <n3 <n4 <n5 is maintained, the light incident on the substrate 10 is not totally reflected on each interface of each layer, and the relationship of n5> n6 is maintained, so that the light is It becomes easy to totally reflect at the interface with the two-conductivity-type semiconductor layer 40 and is reflected by the light absorbing layer (I layer in the case of a PIN photodiode), thereby increasing the photocurrent.

次に、本発明の光センサの保護層について説明する。
保護層50は、少なくとも半導体層を覆うように形成される。保護層50の役割は、メサ構造を保護するという役割に並べて、半導体層と保護層50との界面での光の全反射によって、光センサの光電流を高める役割を持っている。光の全反射を利用して、光電流を高めるために、保護層50の屈折率が半導体層の屈折率よりも小さくする必要がある。すなわち、保護層50の屈折率をn7にした場合、各層の屈折率の関係は、以下に示す式(2)で示すような関係をもつと好ましい。
n1<n2<n3<n4≦n5>n7 ・・・(2)
但し、n1〜5及びn7の各層の屈折率は被検出光に対しての屈折率を示す。
こうすることによって、メサ構造の半導体層よりも屈折率の低い材料で覆うことによって、全反射による反射効率が向上できる。具体的な材料としては、屈折率が1.47程度である酸化珪素、又は屈折率が1.9程度である窒化珪素の絶縁層は最も代表的な例である。多くの半導体材料においては、窒化珪素又は酸化珪素はより低い屈折率を持つため、利用できる。
Next, the protective layer of the photosensor of the present invention will be described.
The protective layer 50 is formed so as to cover at least the semiconductor layer. The role of the protective layer 50 is aligned with the role of protecting the mesa structure, and has the role of increasing the photocurrent of the photosensor by total reflection of light at the interface between the semiconductor layer and the protective layer 50. In order to increase the photocurrent using the total reflection of light, it is necessary to make the refractive index of the protective layer 50 smaller than the refractive index of the semiconductor layer. That is, when the refractive index of the protective layer 50 is set to n7, it is preferable that the relationship of the refractive index of each layer has a relationship as shown by the following formula (2).
n1 <n2 <n3 <n4 ≦ n5> n7 (2)
However, the refractive index of each layer of n1-5 and n7 shows the refractive index with respect to the to-be-detected light.
By doing so, the reflection efficiency by total reflection can be improved by covering with a material having a refractive index lower than that of the semiconductor layer having a mesa structure. As a specific material, a silicon oxide insulating layer having a refractive index of about 1.47 or a silicon nitride insulating layer having a refractive index of about 1.9 is the most typical example. In many semiconductor materials, silicon nitride or silicon oxide can be used because it has a lower refractive index.

次に、本発明の光センサの基板の裏面について説明する。
本発明の光センサに用いられる半導体基板としては、GaAsやSiやその他の化合物材料を用いた基板が挙げられる。これらの基板を利用して、LPE(Liquid Phase Epitaxy)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、半導体層が積層され、物理的、化学的エッチングなどを経て、積層されたメサ構造ができる。このようにLPEやMBEやCVDを用いて半導体層が形成されるが、製膜の安定性や、プロセスの均一性の観点から、両面を鏡面仕上げした両面研磨の基板がしばしば利用される。
Next, the back surface of the optical sensor substrate of the present invention will be described.
Examples of the semiconductor substrate used in the optical sensor of the present invention include a substrate using GaAs, Si, or other compound materials. Using these substrates, a semiconductor layer is laminated by LPE (Liquid Phase Epitaxy), MBE (Molecular Beam Epitaxy), and CVD (Chemical Vapor Deposition), and is stacked through physical and chemical etching. A mesa structure is created. As described above, a semiconductor layer is formed using LPE, MBE, or CVD. From the viewpoint of film formation stability and process uniformity, a double-side polished substrate having both surfaces mirror-finished is often used.

本発明の光センサでは、その使用時、光が入射する裏面は粗面11であることが好ましい。すなわち、基板入射する光は、通常、基板の屈折率と大気の屈折率等によって決定される反射率によって、反射されて損失する。しかしながら、基板の裏面を粗面とすることで、基板へ入射する散乱光分(前方散乱分)を増すことが出来、光の損失が抑制される。図1,図2,図4,図5で示したように、被検出光の入射面は基板10の裏面となり、その裏面の粗度をコントロールすることで、大気と基板10との界面で発生する光の反射を抑制することができ、PN又はPIN構造へ進入する光強度を高めることができる。   In the optical sensor of the present invention, it is preferable that the back surface on which light is incident is a rough surface 11 when used. That is, the light incident on the substrate is usually reflected and lost by the reflectance determined by the refractive index of the substrate and the refractive index of the atmosphere. However, by making the back surface of the substrate rough, the amount of scattered light incident on the substrate (forward scattering) can be increased, and light loss is suppressed. As shown in FIGS. 1, 2, 4, and 5, the incident surface of the detected light is the back surface of the substrate 10, and is generated at the interface between the atmosphere and the substrate 10 by controlling the roughness of the back surface. The reflection of the reflected light can be suppressed, and the light intensity entering the PN or PIN structure can be increased.

更に、光が斜めに裏面に入射した場合、裏面が鏡面処理されていれば、光の大部分が外界へ反射され、光電変換されなくなるが、粗面の場合、斜めに入射した光が散乱されながら基板内部へ進むから、PN又はPINメサ部分まで進入することが可能となり、光の吸収が高められる。粗面のもう一つの効果は、図6を利用して説明する。図6に示した垂直光Pが基板10の裏面に入射した場合、その光が基板10の裏面に入射すると、一部が直進に進むが、一部の光線が散乱されて、他方向に進む。直進に進んだ光はフォトダイオードに吸収されないが、散乱された光の一部がフォトダイオードに入り、光の吸収効率が高められる。これによって、センサの感度が改善される。垂直光Qも基板の裏面で散乱されるが、散乱された光が半導体層と保護層の界面で反射され、光を吸収する部位へすすむことができる。このような効果は、前述の屈折率の関係にある場合、より顕著になる。   Furthermore, when light is incident on the back surface obliquely, if the back surface is mirror-finished, most of the light is reflected to the outside world and is not subjected to photoelectric conversion. However, since it proceeds to the inside of the substrate, it is possible to enter the PN or PIN mesa portion, and light absorption is enhanced. Another effect of the rough surface will be described with reference to FIG. When the vertical light P shown in FIG. 6 is incident on the back surface of the substrate 10, when the light is incident on the back surface of the substrate 10, part of the light travels straight, but part of the light rays are scattered and travels in the other direction. . Light that travels straight ahead is not absorbed by the photodiode, but part of the scattered light enters the photodiode, increasing the light absorption efficiency. This improves the sensitivity of the sensor. Although the vertical light Q is also scattered on the back surface of the substrate, the scattered light is reflected at the interface between the semiconductor layer and the protective layer, and can proceed to a portion that absorbs the light. Such an effect becomes more prominent when the above-described refractive index relationship is satisfied.

裏面の粗度と光電流の関係を表1に示す。表1より明らかなように、裏面の粗度によって光電流が向上する。   Table 1 shows the relationship between the roughness of the back surface and the photocurrent. As is clear from Table 1, the photocurrent is improved by the roughness of the back surface.

Figure 2008066584
Figure 2008066584

次に、図1を利用して、本発明の光センサにおける反射層について説明する。
上述したように、入射した光の内、吸収されなかった分は半導体層と保護層50との界面で光を吸収する部位へと反射されると説明したが、光線の方向や半導体層と保護層の屈折率の関係によって、保護層50で反射されない場合がある。保護層50が被検出光に対して透明であった場合、保護層50と半導体層の界面で反射されなかった光が保護層50を通過してしまう。その一部は金属配線61によって、光を吸収する半導体層へ反射される。しかし、第1導電型の半導体層20の電極61及び第2導電型の半導体層40の電極62が電気的に絶縁されるため、メタルのない隙間が生じる。保護層50を通過した光の一部(反射されなかった分)がその隙間を抜けてしまうと大気へ放出される。その光を光吸収部位へ反射するように、反射層80を形成すると良い。このような反射層80の効果は、半導体材料と保護層50の屈折率の関係にも因るが、第2メサの斜面角度が小さくなって、保護層50による反射効果が不足した場合により顕著になる。
Next, the reflective layer in the optical sensor of the present invention will be described with reference to FIG.
As described above, it has been described that the portion of the incident light that has not been absorbed is reflected to the portion that absorbs light at the interface between the semiconductor layer and the protective layer 50. Depending on the relationship between the refractive indexes of the layers, the protective layer 50 may not be reflected. When the protective layer 50 is transparent to the light to be detected, light that is not reflected at the interface between the protective layer 50 and the semiconductor layer passes through the protective layer 50. A part of the light is reflected by the metal wiring 61 to the semiconductor layer that absorbs light. However, since the electrode 61 of the first conductivity type semiconductor layer 20 and the electrode 62 of the second conductivity type semiconductor layer 40 are electrically insulated, a metal-free gap is generated. When part of the light that has passed through the protective layer 50 (the amount that has not been reflected) passes through the gap, it is emitted to the atmosphere. The reflective layer 80 is preferably formed so as to reflect the light to the light absorption site. Such an effect of the reflective layer 80 depends on the relationship between the refractive index of the semiconductor material and the protective layer 50, but becomes more prominent when the angle of inclination of the second mesa is reduced and the reflective effect of the protective layer 50 is insufficient. become.

反射層80の材料は上述の漏れ光を反射できれば問わないが、被検出光に対して反射率の高い材料を利用すると良い。具体的な例は、AlやAuが挙げられる。   The material of the reflective layer 80 is not limited as long as it can reflect the above-described leakage light, but a material having a high reflectance with respect to the light to be detected may be used. Specific examples include Al and Au.

このような反射層80は、とりわけ導電性がある金属で形成された場合、基板や、フォトダイオードの構造にも因るが、外部からセンサに電磁波等が進入するなどして発生するノイズを遮断する効果もある。また、反射層80と電極61及び62との電気的絶縁のため、絶縁層70が形成される。絶縁層70は、保護層50と同様の材料でも良いが、異なっていても良い。具体的には、窒化珪素や酸化珪素といった材料が例示できる。   Such a reflective layer 80 cuts off noise generated by electromagnetic waves entering the sensor from the outside, although it depends on the structure of the substrate and photodiode, especially when formed of a conductive metal. There is also an effect. In addition, an insulating layer 70 is formed for electrical insulation between the reflective layer 80 and the electrodes 61 and 62. The insulating layer 70 may be made of the same material as the protective layer 50, but may be different. Specifically, materials such as silicon nitride and silicon oxide can be exemplified.

本発明の光センサに用いられる半導体材料、光を吸収する部分の材料は被検出光の波長を考慮して選定する必要がある。同時に上述したように、基板10並びに保護層50の屈折率も式(1)及び式(2)を満たすと好ましい。例えば、10μm付近の光を検出しようとした場合、光を吸収する部分の半導体材料としては、InAsxSb1−x(0≦x≦1)を利用すると良い。このような材料は、上述したように説明した成膜法を利用することによって、一般的に用いられているGaAs基板上に多層膜の形成が可能であるから、波長10μm付近の光を検出しようとした場合、このような材料を利用すると好ましい。   The semiconductor material used in the optical sensor of the present invention and the material for absorbing light must be selected in consideration of the wavelength of the light to be detected. At the same time, as described above, it is preferable that the refractive indexes of the substrate 10 and the protective layer 50 also satisfy the expressions (1) and (2). For example, when light in the vicinity of 10 μm is to be detected, InAsxSb1-x (0 ≦ x ≦ 1) is preferably used as the semiconductor material for the portion that absorbs light. Such a material can form a multilayer film on a commonly used GaAs substrate by using the film formation method described above, so let's detect light with a wavelength of around 10 μm. In such a case, it is preferable to use such a material.

また、InAsSb1−Xの屈折率は、GaAsよりも大きいから、上述したように基板10と第1導電型の半導体層20との界面での光の全反射は起こりにくくなるため、屈折率の視点でも好ましい。 Further, since the refractive index of InAs X Sb 1-X is larger than that of GaAs, the total reflection of light at the interface between the substrate 10 and the first conductivity type semiconductor layer 20 hardly occurs as described above. Also preferred from a rate perspective.

次に、PN又はPINフォトダイオードからなる光を吸収する部分が、2つ以上有し、かつ直列接続されていることについて説明する。
図7は、本発明の光センサのさらに他の実施例を説明するための断面図である。
微弱の光信号を検出する場合、特に10μm付近の長波長の赤外線を単一のフォトダイオードで高い出力信号を得るのが難しい場合がある。この場合、図7に示すように、順メサ形状をもったPN又はPIN構造を2つ以上形成し、それぞれエッチング加工によってできたPN又はPIN接合を直列に接続することによって、センサの出力信号を増倍することができる。このような構造は、半導体基板の裏面から光を入射する本発明の光センサでは、接続配線による光の反射によって、光の量を損失しないため好適に用いられる。
Next, it will be described that there are two or more light-absorbing portions made of PN or PIN photodiodes and connected in series.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining still another embodiment of the optical sensor of the present invention.
When detecting a weak optical signal, it may be difficult to obtain a high output signal with a single photodiode, particularly for infrared rays having a long wavelength near 10 μm. In this case, as shown in FIG. 7, two or more PN or PIN structures having a forward mesa shape are formed, and by connecting PN or PIN junctions formed by etching processing in series, the output signal of the sensor is obtained. Can be multiplied. Such a structure is preferably used in the optical sensor of the present invention in which light is incident from the back surface of the semiconductor substrate because the amount of light is not lost due to reflection of light by the connection wiring.

例えば、光センサを太陽電池のように動作させて、入射した光によって発生する光電流が抵抗に比例して開放電圧として出力することができる。この場合、PN又はPIN接合をn個直列接続した場合、図7で示すような接続終端Aと接続終端B間にフォトダイオードの数nに比例した開放電圧が得られる。   For example, the photosensor can be operated like a solar cell, and the photocurrent generated by the incident light can be output as an open voltage in proportion to the resistance. In this case, when n PN or PIN junctions are connected in series, an open circuit voltage proportional to the number n of photodiodes is obtained between the connection termination A and the connection termination B as shown in FIG.

したがって、光センサの出力電圧を向上することができる。これによって、単一フォトダイオードの微弱出力信号が増倍され、外部回路による増幅・比較処理が容易となるから、特に長波長の赤外線の検出には、この方法を利用すると効果的である。   Therefore, the output voltage of the photosensor can be improved. As a result, the weak output signal of a single photodiode is multiplied, and amplification and comparison processing by an external circuit is facilitated. Therefore, this method is particularly effective for detecting long-wavelength infrared rays.

他数のフォトダイオードを直列接続する場合、フォトダイオードとフォトダイオードの間に隙間が発生してしまう。しかし、図6で示した垂直光線Pに対しても、入射した光が完全に基板を通過し、外界へ戻ることはなく、入射した光が基板10の裏面で散乱され、大部分がフォトダイオードの形成された場所へと進み、吸収される。したがって、この直列接続と基板裏面に最適の粗度になるようにすることによって、高感度の光センサが実現できる。   When other numbers of photodiodes are connected in series, a gap is generated between the photodiodes. However, even with respect to the vertical ray P shown in FIG. 6, the incident light completely passes through the substrate and does not return to the outside world. The incident light is scattered on the back surface of the substrate 10 and most of the photodiode. Proceed to where it was formed and be absorbed. Therefore, a high-sensitivity optical sensor can be realized by setting the optimum roughness to the series connection and the back surface of the substrate.

本発明の光センサは、長波長の赤外線を電圧信号に変換するのに適した光センサに関するもので、光の利用効率が高く、高出力、高S/N比の光センサが実現できる。とりわけ、赤外線を検出する場合、冷却機構を不要とした、高出力、高S/N比、低消費電力、の光センサが実現できる。また、超小型・低消費電力、かつ高感度、高いS/N比を持つため、携帯電子機器等に応用できる。   The optical sensor of the present invention relates to an optical sensor suitable for converting long-wavelength infrared light into a voltage signal, and can realize an optical sensor with high light utilization efficiency, high output, and high S / N ratio. In particular, when detecting infrared rays, it is possible to realize an optical sensor having a high output, a high S / N ratio, and low power consumption, which does not require a cooling mechanism. In addition, since it is ultra-compact and has low power consumption, high sensitivity, and a high S / N ratio, it can be applied to portable electronic devices and the like.

本発明の光センサの一実施例を説明するための断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) for demonstrating one Example of the optical sensor of this invention. 本発明の光センサの一実施例を説明するための断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) for demonstrating one Example of the optical sensor of this invention. 本発明における、センサ抵抗及び出力信号と第2メサの角度θ2との関係を示す図で、(a)は、第2メサの角度θ2とRとの関係、(b)は第2メサの角度θ2とフォトダイオードの出力電圧との関係、(c)はフォトダイオードの出力電圧と面積比Rとの関係をそれぞれ示している。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a sensor resistance and an output signal and an angle θ2 of the second mesa in the present invention, where (a) is a relationship between the angle θ2 of the second mesa and R, and (b) is an angle of the second mesa. The relationship between θ2 and the output voltage of the photodiode, (c) shows the relationship between the output voltage of the photodiode and the area ratio R, respectively. 本発明の光センサの他の実施例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the other Example of the optical sensor of this invention. 本発明の光センサのさらに他の実施例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating other Example of the optical sensor of this invention. 本発明におけるメサ構造側面と基板との角度を示す図である。It is a figure which shows the angle of the mesa structure side surface and board | substrate in this invention. 本発明の光センサのさらに他の実施例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating other Example of the optical sensor of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 光センサ
2 光を吸収する部分
10 半導体基板
10A 基板の裏面側の層
10B 基板の中間層
10C 基板の半導体側の層
11 粗面
12 光を吸収する部分の形成されていない基板の部分
20(20a,20b) 第1の導電型の半導体層
21 第1メサ
30 I層
40 第2導電型の半導体層
41 第2メサ
50 保護層
60 金属配線
61 第1導電型の半導体層の電極
62 第2導電型の半導体層の電極
70 絶縁層
80 反射層
A、B 接続終端
P、Q 垂直入射光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical sensor 2 Light absorption part 10 Semiconductor substrate 10A Substrate side layer 10B Substrate intermediate layer 10C Substrate semiconductor side layer 11 Rough surface 12 Substrate part 20 where no light absorption part is formed ( 20a, 20b) First conductivity type semiconductor layer 21 First mesa 30 I layer 40 Second conductivity type semiconductor layer 41 Second mesa 50 Protective layer 60 Metal wiring 61 Electrode 62 of first conductivity type semiconductor layer Second Conductive type semiconductor layer electrode 70 Insulating layer 80 Reflective layer A, B Connection termination P, Q Normal incident light

Claims (9)

半導体基板の表面に少なくとも第1導電型の半導体層を含む第1メサと、少なくとも第2導電型の半導体層を含む第2メサとが積層されたPN又はPINフォトダイオードからなる光を吸収する部分を有し、前記半導体基板の裏面から入射した光の輝度に応じた信号を電圧で出力する光センサであって、
前記第2導電型の半導体層の表面の面積が、前記第1導電型の半導体層と前記半導体基板との接触面の面積よりも小さくなるような順メサ形状を備えたことを特徴とする光センサ。
A portion that absorbs light comprising a PN or PIN photodiode in which a first mesa including at least a first conductivity type semiconductor layer and a second mesa including at least a second conductivity type semiconductor layer are stacked on a surface of a semiconductor substrate. An optical sensor that outputs a voltage according to the luminance of light incident from the back surface of the semiconductor substrate,
A light having a forward mesa shape in which an area of a surface of the semiconductor layer of the second conductivity type is smaller than an area of a contact surface between the semiconductor layer of the first conductivity type and the semiconductor substrate. Sensor.
前記第2メサの第1メサ側と反対側の面の面積と、前記第1メサと前記第2メサとの界面の面積比をRとし、1.1≦R≦10000であることを特徴とする請求項1に記載の光センサ。   The area ratio of the surface of the second mesa opposite to the first mesa side and the area ratio of the interface between the first mesa and the second mesa is R, and 1.1 ≦ R ≦ 10000. The optical sensor according to claim 1. 前記第2メサの斜面角度が、10度以上60度以下にあることを特徴とする請求項1に記載の光センサ。   2. The optical sensor according to claim 1, wherein the slope angle of the second mesa is 10 degrees or more and 60 degrees or less. 前記光を吸収する部分の屈折率が、前記半導体基板の屈折率より大きいことを特徴とする請求項1,2又は3に記載の光センサ。   4. The optical sensor according to claim 1, wherein a refractive index of the portion that absorbs light is larger than a refractive index of the semiconductor substrate. 前記半導体層上に、該半導体層より屈折率が小さい保護層を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の光センサ。   The optical sensor according to claim 1, further comprising a protective layer having a refractive index smaller than that of the semiconductor layer on the semiconductor layer. 前記半導体基板の裏面が、粗面であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の光センサ。   6. The optical sensor according to claim 1, wherein the back surface of the semiconductor substrate is a rough surface. 前記光を吸収する部分上に反射層を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の光センサ。   The optical sensor according to claim 1, further comprising a reflective layer on a portion that absorbs the light. 前記光を吸収する部分が、InAsSb1−X(0≦x≦1)を含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の光センサ。 The optical sensor according to claim 1, wherein the portion that absorbs light includes InAs X Sb 1-X (0 ≦ x ≦ 1). 前記光を吸収する部分を2つ以上有し、かつ直列接続されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の光センサ。   9. The optical sensor according to claim 1, wherein the optical sensor has two or more portions that absorb light and are connected in series.
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