(57)【要約】【課題】フォトダイオードの接続段数の増加を抑えながら、より大きな出力電圧を得ることができる赤外線センサを提供する。【解決手段】赤外線エネルギーを電気信号に変換して取り出す赤外線センサ１において、赤外線エネルギーを電気信号に変換する受光部２、受光部２が赤外線エネルギーを受光したことによって励起された電荷に対してローレンツ力を加えるように作用する磁場を発生させる磁石７、磁性体６、リードフレーム３を設け、磁石７、磁性体６、リードフレーム３によって電荷の移動する方向と直交する方向にローレンツ力を加える。【選択図】  図１
2011216706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線エネルギーを電気信号に変換して取り出す赤外線センサであって、
赤外線エネルギーを前記電気信号に変換する受光部と、
前記受光部が赤外線エネルギーを受光したことによって励起された電荷に対してローレンツ力を加えるように作用する磁場を発生させる磁場発生手段と、
を備え、
前記磁場発生手段は、前記電荷の移動する方向と直交する方向にローレンツ力を加える磁場を発生させることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記磁場発生手段により発生した磁場を、前記赤外線受光部の受光面上で収束させる収束手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオード等の赤外線検出素子を用いて赤外線を検出する赤外線センサに係り、特に、赤外線検出素子から高い出力電圧を得ることができる赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、赤外線検出素子を使って赤外線を検出する赤外線センサがある。このような赤外線センサには、量子型の赤外線検出素子として、半導体フォトダイオードが知られている。量子型の赤外線検出素子は、光エネルギーによって起こる電気現象を検知する構成の素子であって、検出感度が高く、応答速度に優れることで知られている。また、半導体フォトダイオードは、半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長以下の赤外線に感度を有している。
【０００３】
半導体フォトダイオードは、ＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合を有するダイオード構造をもち、赤外線の光子によってＰＮ接合またはＰＩＮ接合に存在する空乏層内で電子、正孔対が発生する。発生した電子、正孔対は、価電子帯と導電帯の傾斜にしたがって分布蓄積され、この結果、Ｐ型半導体はプラス側に、Ｎ型半導体はマイナス側に帯電し、Ｐ型半導体とＮ型半導体との間に起電圧が発生する。
【０００４】
波長領域が可視光に近い赤外線は、エネルギー量が大きく、単一の検出素子でも大きな出力電圧を得ることができる。一方、近年では、より長波長の赤外線を検知できる赤外線センサの需要が高まってきている。このような需要がある赤外線センサには、例えば、人体の接近を判別するセンサ（以下、人感センサと記す）が挙げられる。人感センサには、人体が発する波長１０μｍ付近を中心とした赤外線を検知することが要求される。
【０００５】
人感センサに必要とされる波長領域の赤外線のエネルギーはきわめて微弱であるため、単一のフォトダイオードでは十分な出力電圧を得ることができない。このような場合、複数のフォトダイオードを多段に直列接続し、その段数倍の出力電圧を得ることが考えられる。複数のフォトダイオードを接続することにより、フォトダイオード１つの起電圧が小さくても全体として大きな電圧を得ることができる。
【０００６】
ところで、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合以外の構造をもつ赤外線検出素子として、ＰＥＭ（Photo electromagnetic）センサが公知である。ＰＥＭセンサは、例えば、非特許文献１に記載されている。図１０に示すように、ＰＥＭセンサは、赤外線受光部２とマイナス側電極４０とプラス側電極４１と、図示しない磁場発生手段とを有している。なお、図１０中において、電子に符号２５、正孔に符号２６を付して示している。
【０００７】
ＰＥＭセンサが赤外線を受光すると、素子内部に電子２５、正孔２６が励起される。このとき、受光面表面に近いほど赤外線の受光量が多いため、より多くの電子２５、正孔２６が励起される。したがって、赤外線センサ内部の電子２５及び正孔２６の濃度は図１１に示すように受光面表面が最も高く、深くなるにつれて濃度は低くなって電子２５、正孔２６に濃度勾配が生じる。赤外線を受光することで励起された電子２５、正孔２６は、この濃度勾配のために深さ方向（図１１のｚ方向）へ拡散しようとするが、磁場発生手段により生じたｙ方向の磁束が印加されていることにより、電子２５には−ｘ方向、正孔２６には＋ｘ方向と互いに逆向きにローレンツ力が働く。その結果、電子２５は−側電極４０側へ、正孔２６は＋側電極４１側へと分離され、電極４０及び４１の間には起電圧が生じる。
フォトダイオードが価電子帯や伝導帯の傾斜を利用して励起された電子や正孔を外部に取り出す。一方、ＰＥＭセンサは、磁場によるローレンツ力を利用して電子や正孔を外部に取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００５−２７２２８号パンフレット
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｈｉｇｈ−Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ、ｐ．１８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有するフォトダイオードの接続段数を増やして大きな起電圧を取り出そうとした場合、当然のことながら、赤外線センサに設けられるフォトダイオードの数やダイオード間を接続する配線の数が増加する。このような構造では、全フォトダイオードが直列接続されているため、例えば製造工程において異物が付着して、一部でも配線が断線したり、フォトダイオードが適切に形成されなかったりした場合、起電圧を取り出すことはできなくなってしまうおそれがある。すなわち、フォトダイオードの接続段数を増やすことは簡便に大きな電圧を取り出せるという利点をもつ反面、赤外線センサの信頼性を低下させるという欠点をも有する。
本発明は、このような点に鑑みて行われたものであり、フォトダイオードの接続段数の増加を抑えながら、より大きな出力電圧を得ることができる赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の課題を解決するため、本発明の赤外線センサは、赤外線エネルギーを電気信号に変換して取り出す赤外線センサであって、赤外線エネルギーを前記電気信号に変換する受光部（例えば図１に示した受光部２）と、前記受光部が赤外線エネルギーを受光したことによって励起された電荷に対してローレンツ力を加えるように作用する磁場を発生させる磁場発生手段（例えば図１に示した磁石７、磁性体６、リードフレーム３）と、を備え、前記磁場発生手段は、前記電荷の移動する方向と直交する方向にローレンツ力を加える磁場を発生させることを特徴とする。
また、本発明の赤外線センサは、上記した発明において、前記磁場発生手段により発生した磁場を、前記赤外線受光部の受光面上で収束させる収束手段（例えば図１に示したリードフレーム３）をさらに備えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電荷の移動する方向と直交する方向にローレンツ力が加わるので、センサ内の電気的な抵抗が高まり、抵抗値と光電流の積で与えられる出力信号の起電圧を高めることができる。このため、本発明は、より大きな出力電圧を得ることができる赤外線センサを提供することができる。
また、本発明によれば、上記した発明において、磁場を赤外線受光部の受光面上で収束させることができるから、センサ内の電気的な抵抗をより高め、より大きな出力電圧を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１の赤外線センサの構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した赤外線受光部２を説明するための図である。
【図３】赤外線センサを説明するための図である。
【図４】図１に示した磁石で生じる磁束の様子を示したものである。
【図５】本発明の一実施形態の赤外線エネルギーを受光した赤外線センサ内部の様子を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態の赤外線エネルギーを受光した赤外線センサ内部の様子を説明するための他の図である。
【図７】本発明の一実施形態の赤外線エネルギーを受光した赤外線センサ内部の様子を説明するための他の図である。
【図８】本発明の実施形態２の赤外線センサを説明するための図である。
【図９】実施形態２の赤外線受光部近傍の磁束の状態を説明するための図である。
【図１０】公知のＰＥＭセンサを説明するための図である。
【図１１】図１０に示したＰＥＭセンサにおける電子及び正孔の濃度分布を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態１、実施形態２を、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
図１（ａ）、（ｂ）は、実施形態１の赤外線センサの構成を説明するための図である。図１（ａ）は赤外線センサの上面図、（ｂ）は図１中に示した破線Ａ−Ａ’に沿う断面図である。実施形態１に係る赤外線センサ１は、図１に示すように、赤外線受光部２と、磁性体のリードフレーム３と、起電圧を外部に取り出すワイヤ４と、受光部をパッケージングする樹脂５よりなる。さらに磁場発生手段として磁石７及び、リードフレーム３と磁石７を接続する磁性体６とを備えている。図中のＳ及びＮの表記は磁石の極性を表す。リードフレーム３は、その片方を磁石のＮ極側に、もう一方を磁石のＳ極側に一致するように配置しなければならない。
【００１５】
図２は、図１に示した赤外線受光部２を説明するための図である。赤外線受光部２は、図２に示したように、半絶縁性のガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板３１上に構成された量子型ＰＩＮフォトダイオード３０によって構成されている。図中に３４で示した部材は配線である。図２に示した赤外線受光部２は、図３のようにパッケージされて赤外線センサを構成する。赤外線センサに対し、赤外線は図中矢印でしめすようにＧａＡｓ基板３１側から入射する。
【００１６】
磁石７としては、例えばサマリウム・コバルト（ＳｍＣｏ）磁石やネオジム磁石といった希土類磁石が好ましい。希土類磁石は、より強力な磁場を発生させることができるものとして知られている。
図４（ａ）、（ｂ）は、図１に示した磁石７で生じる磁束１０の様子を示したものであって、図４（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。磁石７によって発せられる磁束１０は、磁性体６及び磁性体のリードフレーム３により赤外線受光部２の近傍に収束され、赤外線受光部２の近傍において高い磁束密度を得ることができる。
【００１７】
次に、赤外線エネルギーを受光した赤外線センサ内部の様子について図５、６を用いて説明する。図５は、赤外線センサ内部に磁場がない状態を示す。また、図６は、赤外線内部に磁場が存在する場合の状態を示している。
図５、図６は、いずれも赤外線受光部２の断面斜視図である。赤外線受光部２は、ＧａＡｓ基板３１上にＮ層２２、光吸収層２１、Ｐ層２０を順次設け、Ｎ層２２には−側電極２４を、Ｐ層２０には＋電極２３を設けて構成されている。また、符号２５は電子を、符号２６は正孔を示し、矢線ｘ、ｙ、ｚは、いずれも方向を示す座標軸である。
【００１８】
図５に示すように、磁場が発生していない場合、赤外線は、ｚ方向、すなわちＧａＡｓ基板３１側から入射する。赤外線によって電子２５及び正孔２６が励起される。励起された電子２５及び正孔２６は、半導体のエネルギー帯の傾斜にそって図５中の矢印Ａ1、矢線Ａ2で示す方向、つまり電子はＮ層側（＋ｚ方向）へ流れ、正孔はＰ層側（−ｚ方向）へ流れる。
【００１９】
一方、図６に示すように磁場が発生している場合、受光された赤外線エネルギーによって励起された電荷（電子２５及び正孔２６）のうち、電子２５は伝導帯の傾斜によって＋ｚ方向、つまり矢線Ａ1に沿って移動しようとするが、ｘ方向の磁束が存在するために矢線Ａ1に直交する矢線Ａ1’方向（＋ｙ方向）のローレンツ力を受ける。その結果、矢線Ａ1と矢線Ａ1’を合成した矢線Ａ3に沿って移動する。以上のように、ｘ方向の磁場が存在する場合、電子２５は、実線矢印Ａ3で示すようにｙｚ平面上を斜めに移動する。
【００２０】
また、正孔２６は、磁場発生手段が存在しない場合には矢印Ａ2で示すように−ｚ方向へ移動する。しかし、図６に示すようにｚ方向の磁場を加えた場合、正孔２６は伝導帯の傾斜によって−ｚ方向、つまり矢線Ａ2に沿って移動しようとするが、ｘ方向の磁束が存在するために矢線Ａ2に直交する矢線Ａ2’方向（＋ｙ方向）のローレンツ力を受ける。その結果、矢線Ａ2と矢線Ａ2’を合成した矢線Ａ4に沿って移動する。以上のように、ｘ方向の磁場が存在する場合、正孔２６も、実線矢印Ａ4で示すようにｙｚ平面上を斜めに移動する。
【００２１】
以上のことから、磁場を印加することによって電荷の移動経路が曲げられるから、赤外線センサの抵抗値は大きくなる。赤外線センサの起電圧は抵抗と光電流（赤外線によって励起された電荷によって生じる電流）の積である。したがって、このような実施形態１によれば、抵抗値が増加した分だけ赤外線センサの起電圧を大きくすることができる。
なお、実施形態１は、以上説明した構成に限定されるものではない。例えば、以上説明した構成では、向きがｘ方向の磁束でなる磁場を発生した場合について説明したが、実施形態１は磁束がｘ方向の磁場を発生する構成に限定されるものではない。例えば、図７のように、磁束の向きがｙ方向の磁場を発生させた場合にも、ローレンツ力の影響で電荷の移動経路が曲げられるので赤外線センサの抵抗値は増加し、赤外線センサの起電圧を高めることができる。
【００２２】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。実施形態２は、実施形態１の赤外線センサに加えて赤外線センサの検知エリアを決めるための「視野制限」を設定するものである。このような実施形態２は、例えば赤外線センサ利用して所定の検知エリア内に検知対象物（例えば人体）が存在するかどうか検知したいような場合に適用されるものである。
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実施形態２の赤外線センサを説明するための図であって、図８（ａ）は赤外線センサの上面図、（ｂ）は図８（ａ）の矢線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図、（ｃ）は実施形態２の視野制限を説明するための図である。なお、実施形態２中で示した図面のうち、実施形態１で説明した構成については実施形態１中に示した図面と同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。
【００２３】
実施形態２では、図８（ａ）、（ｂ）に示したように、赤外線センサ１上に、視野制限体８及び９が配置されている。視野制限体８は、赤外線センサ１の互いに向き合う２辺に磁性体材料より構成されている。他の２辺には、非磁性体よりなる視野制限体９が配置される。磁石７は磁性体の視野制限体８の外側に、Ｎ極とＳ極が向き合うように配置される。このよう構成することによって、図８（ｃ）に示したＦＯＶで示されるエリア内からの赤外線輻射のみを検出することが可能となり、このエリアに赤外線検出の対象物が存在するかどうか検出することが可能となる。
【００２４】
図９（ａ）、（ｂ）は、赤外線センサ１の赤外線受光部２近傍の磁束の状態を説明するための図であって、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）は図（ａ）の断面図である。磁石７から発生した磁束１０は、磁性体よりなる視野制限体８及び赤外線センサ１内のリードフレーム３によって赤外線受光部２の近傍に収束される。このため、赤外線受光部２の近傍の磁束密度がより高められる。
磁束密度が高まったことにより、赤外線を受光したときに励起された電子及び正孔にはより大きなローレンツ力が作用する。ローレンツ力によって電子及び正孔の移動経路が曲げられて、前記したように、赤外線センサの抵抗値が増加する。抵抗値が増加したことにより、赤外線センサ内に磁場が存在しない場合と比較して赤外線センサの起電圧が増加する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、量子型の赤外線検出素子を備えた赤外線センサ全般に適用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  赤外線センサ
２  赤外線受光部
３  リードフレーム
４  ワイヤ
５  樹脂
６  磁性体
７  磁石
２０  Ｐ層
２１  光吸収層
２２  Ｎ層
２３、４１  ＋側電極
２４、４０  −側電極
２５  電子
２６  正孔
３１  ＧａＡｓ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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