JPH0762605B2 - 半導体光位置検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、受光面に投射されたスポット状の光位置を
検出する半導体光位置検出器に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従来の半導体光位置検出器としては、例えば第２図に示
すようなものがある（特開昭55−87007号公報）。

半導体光位置検出器のチップは、高比抵抗のｎ形Si基板
31の主面にｐ形層32が形成されてpn接合による光検出面
が構成され、裏面にはコンタクト層となるn⁺層33が全面
に形成されている。チップは平面的には方形状に形成さ
れている。

なお、ｎ形を第１導電形とすると、これと反対導電形の
ｐ形は第２導電形となる。

ｐ形層32には、間隔長ｌだけ離隔した２位置に、チップ
主面の対向した２辺に沿って電極34、35が形成されてい
る。

電極34は電流電圧交換用の抵抗36aを介して接地され、
電極34と抵抗36aとの接続点にバッファアンプ37aが接続
されている。光電流I₁の値は美小なので電圧に変換され
てからバッファアンプ37aで増幅される。

他の電極35側についても上記と同様に電流電圧変換用の
抵抗36b、およびバッファアンプ37bが接続されている。

一方、裏面側のn⁺層33には、その全面または一部に電極
38が取付けられ、電極38は抵抗39を介して正電圧＋Ｖの
電源に接続されている。

光検出面のpn接合は、上記の正電圧＋Ｖにより逆バイア
スされる。

いまpn接合が正電圧＋Ｖにより十分に逆バイアスされ、
ｐ形層32の厚さは小数キャリアの拡散長に比べて小さい
ものとする。

そして第２図に示すように、各電極34、35の位置がそれ
ぞれｘ＝−l/2、ｘ＝l/2となるような受光面上のｘ座標
において、ｘ＝x₀の位置にスポット状の光が投射された
とすると、光電流I₁、I₂は次式で表わされる。

I₁＝I₀（1/2−x₀/l） …（１） I₂＝I₀（1/2＋x₀/l） …（２） ここでI₀は投射光により発生し、取出される全光電流で
ある。

上記（１）、（２）両式から x₀/l＝（1/2）・（I₂−I₁）／（I₁＋I₂） …（３） の演算を行なうことにより、光の投射位置ｘ＝x₀が求め
られる。

ところで逆バイアスされたpn接合には半導体の物性に基
づくリーク電流が存在し、このリーク電流は温度に対し
指数関数的に増加し、また接合面の面積が大になるほど
大きくなる。

しかるに半導体光位置検出器の光検出面の面積は比較的
広く形成されているので、特に高温になると、上記のリ
ーク電流の値は無視し得ないものとなる。そして単位長
さ当りのリーク電流の値をJ₀とすると、このリーク電流
J₀の影響を受けて前記（３）式は次式のように表わされ
る。

x₀/l ＝（1/2）・〔（I₂−I₁） ／（I₁＋I₂）〕・（１＋J₀l/I₀） …（４） このため従来の半導体光位置検出器にあっては、リーク
電流J₀および投射光の強度（（４）式中のI₀の値）の影
響を受け、リーク電流J₀およびI₀に含まれるリーク電流
分が誤差となり光位置の検出精度が低下するという問題
点があった。

［発明の目的］ この発明は、上記事情に基づいてなされたもので、リー
ク電流および投射光の強度の影響を受けることなく光位
置を精度よく検出することのできる半導体光位置検出器
を提供することを目的とする。

［発明の概要］ この発明は、上記目的を達成するために、半導体基板の
主面に電気的に分離された第１導電形の島状領域を２個
形成し、一方の島状領域には該島状領域の第１導電形と
接合層を形成する第２導電形層を設けるとともに、この
第２導電形層の離隔した２位置にそれぞれ電極を取付け
て光位置検出素子を形成し、他方の島状領域には上記の
光位置検出素子と同構造で且つその受光面に遮光膜を被
着したリーク電流補償素子を形成し、減算手段によって
光位置検出素子の電流出力からリーク電流補償素子のリ
ーク電流出力を差引くことにより、光位置の検出にリー
ク電流および投射光の強度の影響が現われないようにし
たものである。

［発明の実施例］ 以下この発明の実施例を第１図に基づいて説明する。

まず構成を説明すると、第１図中、１はSiの半導体基板
で、半導体基板１は、ｐ形基板２にリン（Ｐ）ドープの
高比抵抗ｎ形エピタキシャル層が形成されたエピタキシ
ャル基板が用いられている。ｐ形基板２は主面が（11
1）面を有するものが用いられている。

エピタキシャル層の所要部位には、ｐ形不純物が選択的
に拡散されてp⁺分散拡散領域４が形成され、エピタキシ
ャル層がこのp⁺分離拡散領域４で分離されて、半導体基
板１の主面にｎ形の島状領域（以下アイランドという）
3a、3bが形成されている。

５はn⁺埋込層でアンチモン（Sb）またはヒ素（As）ドー
プによりエピタキシャル層の成長前に形成される。

アイランド3aには、所要間隔だけ離隔した２位置にｐ形
領域６、７が拡散形成され、この２個のｐ形領域６、７
の間にボロン（Ｂ）のイオン注入によりｐ形層８が形成
されている。アイランド3aを構成する高比抵抗のｎ形エ
ピタキシャル層と、ｐ形層８とのpn接合により光検出面
が形成される。

そして各ｐ形領域６、７にAlの電極９、10がそれぞれ取
付けられて光位置検出素子11が構成されている。

電極９には電流電圧変換用の抵抗12が接続され、抵抗12
は差動増幅器13の反転入力端子（−）と出力端子との間
に接続されている。

他の電極10についても上記と同様に電流電圧変換用の抵
抗14が接続され、抵抗14は差動増幅器15の反転入力端子
（−）と出力端子との間に接続されている。

両差動増幅器13、15の非反転入力端子（＋）には、それ
ぞれ基準電圧＋Vcc/2が加えられている。

16はn⁺コンタクト拡散領域で、n⁺コンタクト拡散領域16
にはAlの配線層17が接続されている。各アイランド3a、
3bには上記の配線層17およびn⁺コンタクト拡散領域16を
介して正の電源電圧＋Vccが加えられている。

差動増幅器13、15の各反転入力端子（−）には仮想短絡
の原理により＋Vcc/2電圧が現われるので、光位置検出
素子11のpn接合はVcc−（Vcc/2）＝Vcc/2の電圧で逆バ
イアスされる。

18は酸化膜でｐ形層８の上面部については1000オングス
トローム程度に薄く形成されている。ｐ形層８の上面部
の酸化膜は、当該ｐ形層８のイオン注入の際に選択的に
エッチング除去され、その後1000オングストローム程度
に薄く形成されるものである。

一方、他のアイランド3bには、ｐ形領域6a、7a、ｐ形層
8a、および電極9a、10aにより前記光位置検出素子11と
同構造の素子が形成され、且つその受光面の部分（光検
出面上の部分）に遮光膜19が被着されたリーク電流補償
素子21が作り込まれている。遮光膜19としては例えばAl
膜が用いられる。

リーク電流補償素子21における電極9aは、カレントミラ
ー回路22における一次側トランジスタ23のコレクタに接
続され、その二次側トランジスタ24のコレクタは光位置
検出素子11の電極９に接続されている。

リーク電流補償素子21の他の電極10aについても上記と
同様に、他のカレントミラー回路25における一次側トラ
ンジスタ26のコレクタに接続され、その二次側トランジ
スタ27のコレクタは光位置検出素子11の他の電極10に接
続されている。

各カレントミラー回路22、25の一次側トランジスタ23、
26には、リーク電流補償素子のリーク電流出力が流れ、
二次側の各トランジスタ24、27にもこれと同一のリーク
電流出力が流れるので、光位置検出素子11の各電極６、
７から出力される各電流からそれぞれリーク電流分が差
引かれる。

而して各カレントミラー回路22、25により、光位置検出
素子11の各出力電流からリーク電流分を差引くための減
算手段が構成されている。

なお第１図中、抵抗12、14、差動増幅器13、15、および
カレントミラー回路22、25等はそれぞれ素子記号または
ブロックで記載されているが、これらの素子および機器
回路等は同一半導体基板１の他の部分に作り込まれる。

次に作用を説明する。

光位置検出素子11のpn接合は、Vcc/2の電圧で逆バイア
スされている。電極９、10間の或る位置にスポット状の
光が投射されると、各電極９、10からそれぞれ電流I₁、
I₂が取出される。

このとき上記のpn接合には半導体の物性等に基づくリー
ク電流が流れており、その値を単位長さ当りJ₀とする
と、各電極９、10からJol/2づつ流れ出て、これが上記
電流I₁、I₂に誤差要因として含まれる。

一方、リーク電流補償素子21のpn接合も、ほぼVcc/2の
電圧で逆バイアスされているが、受光面が遮光膜19で覆
われているので、その各電極9a、10aからは、リーク電
流J₀l/2のみが取出される。

リーク電流J₀l/2は、それぞれカレントミラー回路22、2
5における一次側トランジスタ23、26に流れ、これに従
って各二次側トランジスタ24、27にもこれと同一のリー
ク電流J₀l/2が流れる。

各二次側トランジスタ24、27のコレクタは光位置検出素
子11の各電極９、10に接続されているので、光位置検出
素子11の出力電流I₁、I₂から、上記の各二次側トランジ
スタ24、27に流れるリーク電流分J₀l/2が差引かれるこ
とになり、光位置検出素子11からは真の光電流のみが光
の投射位置演算用の電流として取出される。

したがって光の投射位置は、誤差要因を含まない前記
（３）式により演算されて光位置が精度よく検出され
る。

なお実際の演算は、電圧に変換されて差動増幅器13、15
で増幅された値により行なわれる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明の構成によれば、光位置
検出素子の電流出力からリーク電流分が差し引かれて真
の光電流のみが取出されるので、光位置の検出にリーク
電流および投射光の強度の影響が現われなくなり、光位
置を精度よく検出することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る半導体光位置検出器の実施例を
示す断面図、第２図は従来の半導体光位置検出器を示す
断面図である。 1:半導体基板、 3a、3b:島状領域、 ８、8a:n形の島状領域とpn接合を形成するｐ形層、 ９、10、9a、10a:電極、 11:光位置検出素子、 19:遮光膜、 21:リーク電流補償素子、 22、25:カレントミラー回路（減算手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の主面に電気的に分離された第
   １導電形の島状領域を２個形成し、一方の島状領域には
   該島状領域の第１導電形と接合層を形成する第２導電形
   層を設けるとともに該第２導電形層の離隔した２位置に
   それぞれ電極を取付けて光位置検出素子を形成し、他方
   の島状領域には前記光位置検出素子と同構造の素子の受
   光面に遮光膜を被着したリーク電流補償素子を形成し、
   該リーク電流補償素子のリーク電流出力を前記光位置検
   出素子の出力電流から差引く減算手段を設けたことを特
   徴とする半導体光位置検出器。