(57)【要約】      （修正有）【課題】特定波長の光成分に対して相対的に検出感度が高い半導体光検出装置を提供する。【解決手段】半導体基板１１表面に設けられた第１導電型の第１導電層と、第１導電層の下に設けられた第２導電型の第２導電層と、第２導電層の下に設けられた第１導電型の第３導電層とを有し、第１導電層に入力電圧Ｖ１を印加された状態で入射光の強度に基づく光電流Ｉｐｈｆを第３導電層から出力する半導体受光素子１０１と、第１および第２の入力電圧Ｖ１、Ｖ２の印加に応じて出力される第１および第２の光電流Ｉｐｈｆ、Ｉｐｈｒとの間の差の電流に基づく出力電圧を出力する半導体光検出回路１１０とを備える。【選択図】図５
2019067893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に設けられた第１導電型の第１導電層と、前記第１導電層の下に設けられた第２導電型の第２導電層と、前記第２導電層の下に設けられた第１導電型の第３導電層とを有し、前記第１導電層に第１の入力電圧が印加された状態で前記第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第１の光電流を前記第３導電層から出力し、前記第１導電層に第２の入力電圧が印加された状態で前記第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第２の光電流を前記第３導電層から出力する半導体受光素子と、
前記第１の光電流と前記第２の光電流との間の差の電流に基づく出力電圧を出力する半導体光検出回路とを備えることを特徴とする半導体光検出装置。
【請求項２】
半導体基板表面に設けられた第１導電型の第１の第１導電層と、前記第１の第１導電層の下に設けられた第２導電型の第１の第２導電層と、前記第１の第２導電層の下に設けられた第１導電型の第１の第３導電層とを有し、前記第１の第１導電層に第１の入力電圧が印加された状態で前記第１の第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第１の光電流を前記第１の第３導電層から出力する第１の半導体受光素子と、
前記半導体基板表面に設けられた第１導電型の第２の第１導電層と、前記第２の第１導電層の下に設けられた第２導電型の第２の第２導電層と、前記第２の第２導電層の下に設けられた第１導電型の第２の第３導電層とを有し、前記第２の第１導電層に第２の入力電圧が印加された状態で前記第２の第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第２の光電流を前記第２の第３導電層から出力する第２の半導体受光素子と、
前記第１の光電流を前記第１の光電流に基づく第１の変換電圧として出力する第１の電流電圧変換回路と、前記第２の光電流を前記第２の光電流に基づく第２の変換電圧として出力する第２の電流電圧変換回路と、前記第１の変換電圧と前記第２の変換電圧の差に基づく電圧を出力する差動増幅回路とを有する半導体光検出回路と、
を備えることを特徴とする半導体光検出装置。
【請求項３】
前記半導体光検出回路は、
前記半導体受光素子の前記第１導電層に印加される前記第１および前記第２の入力電圧のいずれか１つの入力電圧を選択するスイッチと、
前記半導体受光素子が出力する前記第１または第２の光電流を前記第１または第２の光電流に基づく第１または第２の変換電圧に変換して出力する電流電圧変換回路と、
前記電流電圧変換回路が出力する前記第１の変換電圧を第１の容量に第１の保持電圧として保持し、前記第２の変換電圧を第２の容量に第２の保持電圧として保持し、前記第１および第２の保持電圧を出力する電圧保持回路と、
前記電圧保持回路が出力する前記第１および第２の保持電圧の差に基づく電圧を出力する差動増幅回路と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光検出装置。
【請求項４】
前記半導体受光素子は、
さらに前記第１導電層に第３の入力電圧を印加された状態で前記第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第３の光電流を前記第３導電層から出力し、
前記半導体光検出回路は、
前記半導体受光素子の前記第１導電層に印加される前記第１および前記第２の入力電圧とさらに前記第３の入力電圧のいずれか１つの入力電圧を選択するスイッチと、
第１および第２の電流電圧変換率を有し前記第１および第２の電流電圧変換率のいずれか１つの電流電圧変換率を選択するスイッチを含み、前記第１の光電流を前記第１の電流電圧変換率で第１の変換電圧に変換し、前記第２の光電流を前記第２の電流電圧変換率で第２の変換電圧に変換し、前記第３の光電流を前記第１の電流電圧変換率で第３の変換電圧に変換し、前記第３の光電流を前記第２の電流電圧変換率で第４の変換電圧に変換して出力する電流電圧変換回路と、
前記電流電圧変換回路が出力する前記第１の変換電圧を第１の容量に第１の保持電圧として保持し、前記第２の変換電圧を第２の容量に第２の保持電圧として保持し、前記第３の変換電圧を第３の容量に第３の保持電圧として保持し、前記第４の変換電圧を第４の容量に第４の保持電圧として保持し、前記第１および第４の保持電圧の平均電圧と、前記第２および第３の保持電圧の平均電圧とを出力する電圧保持回路と、
前記電圧保持回路が出力する２つの前記平均電圧の差に基づく電圧を出力する差動増幅回路と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光検出装置。
【請求項５】
前記第１および前記第２の入力電圧が、前記第１導電層と前記第２導電層との間のＰＮ接合において逆方向電圧もしくは０．４Ｖ以下の順方向電圧であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体光検出装置。
【請求項６】
前記半導体基板の材料がシリコンであることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体光検出装置。
【請求項７】
半導体基板表面に設けられた第１導電型の第１導電層と、前記第１導電層の下に設けられた第２導電型の第２導電層と、前記第２導電層の下に設けられた第１導電型の第３導電層とを有する半導体受光素子の前記第１導電層に第１の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力される、前記第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第１の光電流を検出し、
前記第１導電層に第２の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力される、入射光の強度に基づく第２の光電流を検出し、
前記第１の光電流と前記第２の光電流との間の差の電流に基づく出力電圧を出力することを特徴とする特定波長の光検出方法。
【請求項８】
半導体基板表面に設けられた第１導電型の第１の第１導電層と、前記第１の第１導電層の下に設けられた第２導電型の第１の第２導電層と、前記第１の第２導電層の下に設けられた第１導電型の第１の第３導電層とを有する第１の半導体受光素子の、前記第１の第１導電層に第１の入力電圧が印加された状態で前記第１の第３導電層から出力される、前記第１の第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第１の光電流を検出し、
前記半導体基板表面に設けられた第１導電型の第２の第１導電層と、前記第２の第１導電層の下に設けられた第２導電型の第２の第２導電層と、前記第２の第２導電層の下に設けられた第１導電型の第２の第３導電層とを有する第２の半導体受光素子の、前記第２の第１導電層に第２の入力電圧が印加された状態で前記第２の第３導電層から出力される、前記第２の第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第２の光電流を検出し、
前記第１の光電流を第１の電流電圧変換回路によって前記第１の光電流に基づく第１の変換電圧に変換し、
前記第２の光電流を第２の電流電圧変換回路によって前記第２の光電流に基づく第２の変換電圧に変換し、
前記第１の変換電圧と前記第２の変換電圧の差に基づく電圧を差動増幅回路より出力することを特徴とする特定波長の光検出方法。
【請求項９】
前記第１導電層に前記第１の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力される前記第１の光電流を検出し、前記第１の光電流を電流電圧変換回路によって前記第１の光電流に基づく第１の変換電圧に変換し、前記第１の変換電圧を電圧保持回路の第１の容量に保持し、
前記第１導電層に前記第２の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力される前記第２の光電流を検出し、前記第２の光電流を前記電流電圧変換回路によって前記第２の光電流に基づく第２の変換電圧に変換し、前記第２の変換電圧を前記電圧保持回路の第２の容量に保持し、
前記第１の容量に保持された前記第１の変換電圧と前記第２の容量に保持された前記第２の変換電圧の差に基づく電圧を差動増幅回路より出力することを特徴とする請求項７に記載の特定波長の光検出方法。
【請求項１０】
前記第１導電層に前記第１の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力する前記第１の光電流を検出し、前記第１の光電流を電流電圧変換回路によって第１の電流電圧変換率で変換した前記第１の光電流に基づく第１の変換電圧に変換し、前記第１の変換電圧を電圧保持回路の第１の容量に保持し、
前記第１導電層に前記第２の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力する前記第２の光電流を検出し、前記第２の光電流を前記電流電圧変換回路によって第２の電流電圧変換率で変換した前記第２の光電流に基づく第２の変換電圧に変換し、前記第２の変換電圧を前記電圧保持回路の第２の容量に保持し、
さらに前記第１導電層に第３の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力する第３の光電流を検出し、前記第３の光電流を前記電流電圧変換回路によって第１の電流電圧変換率で変換した前記第３の光電流に基づく第３の変換電圧に変換し、前記第３の変換電圧を前記電圧保持回路の第３の容量に保持し、
前記第１導電層に前記第３の入力電圧が印加された状態で前記第３導電層から出力する前記第３の光電流を検出し、前記第３の光電流を前記電流電圧変換回路によって第２の電流電圧変換率で変換した前記第３の光電流に基づく第４の変換電圧に変換し、前記第４の変換電圧を前記電圧保持回路の第４の容量に保持し、
前記第１の容量に保持された前記第１の変換電圧および前記第４の容量に保持された前記第４の変換電圧の平均電圧に基づく電圧と、前記第２の容量に保持された前記第２の変換電圧および前記第３の容量に保持された前記第３の変換電圧の平均電圧に基づく電圧との差に基づく電圧を差動増幅回路より出力することを特徴とする請求項７に記載の特定波長の光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光に含まれる紫外光は波長２８０ｎｍから４００ｎｍの間の、一般にＵＶ−Ａ（波長３１５〜４００ｎｍ）とＵＶ−Ｂ（波長２８０〜３１５ｎｍ）と呼ばれる光成分である。一方、同時に太陽光に含まれる紫外光よりも波長の長い可視光の強度は、これらの紫外光の強度よりも遥かに大きい。したがって、可視光の影響を除去して太陽光に含まれる紫外光の強度を検出する半導体光検出装置においては、可視光感度を十分に低減する技術が必要となる。
【０００３】
紫外光のような短波長の光成分を検出するために用いる半導体材料としては、ＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体が有力な材料と考えられている。その理由は、バンドギャップが広いため可視光に感度をもたず、紫外光だけを検出できるという利点があるためである。一方、バンドギャップが狭いシリコンを材料として用いた半導体光検出装置においては、光検出のための半導体受光素子と、その信号処理のための半導体光検出回路を同一基板上に集積することが容易であるため、紫外光の検出用途に対しても積極的に開発が進められている。
【０００４】
シリコンにおいては、紫外光の吸収深さに比例する吸収係数の逆数は、１０ｎｍ程度と非常に浅い。そのため、紫外光を検出する半導体材料としてシリコンを用いる場合には、紫外光吸収によってシリコン表面付近に発生したキャリアを光電流として検出し、それ以外の長波長の光の吸収を抑制できるように、ｐｎ接合を非常に浅く形成する必要がある。
【０００５】
例えば、非特許文献１においては、ｐｎ接合を浅く形成し紫外光感度を高めたシリコンフォトダイオードと、シリコン表面の紫外光感度を低下させたフォトダイオードを作製し、シリコンの深い領域で取り込まれる可視光成分の感度が二つのフォトダイオードで等しいことを利用して、両者の光電流の差を取ることで可視光成分を低減した紫外光の検出技術が示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｙｈａｎｇ  Ｒｉｃａｒｄｏ  Ｓｉｐａｕｂａ  Ｃａｒｖａｌｈｏ  ｄａ  Ｓｉｌｖａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａｎ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ”，  ＩＥＥＥ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  （２０１５），  ｐｐ．１８４７−１８５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１におけるシリコンフォトダイオードでは、同文献のＦｉｇ．７に示されるように、波長４００〜５００ｎｍの範囲の可視光の光成分の低減が困難であり、可視光に対し紫外光の光成分を相対的に高い感度で検出することは難しい。
【０００８】
その理由は、光電流が生成されるＰＮ接合領域が半導体表面層（Ｐ＋層）の下に位置するためにＰＮ接合領域を充分浅くできず、紫外光よりも波長の長い光成分も取り込まれることを抑制することが困難なためである。
【０００９】
したがって、本発明は、紫外光をはじめとした特定の波長の光成分に対する感度を相対的に高め、それ以外の波長の光成分の感度を抑制できる半導体光検出装置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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は以下のような半導体光検出装置とする。
すなわち、半導体基板表面に設けられた第１導電型の第１導電層と、前記第１導電層の下に設けられた第２導電型の第２導電層と、前記第２導電層の下に設けられた第１導電型の第３導電層とを有し、前記第１導電層に第１の入力電圧を印加した状態で前記第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第１の光電流を前記第３導電層から出力し、前記第１導電層に第２の入力電圧を印加した状態で前記第１導電層の上から照射された入射光の強度に基づく第２の光電流を前記第３導電層から出力する半導体受光素子と、前記第１の光電流と前記第２の光電流との間の差電流に基づく出力電圧を出力する半導体光検出回路とを備えることを特徴とする半導体光検出装置とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半導体基板に設けられた第１導電層と、その下の第２導電層と、その下の第３導電層を備えた半導体受光素子において、最表面の第１導電層で短波長の光の吸収により発生した高いエネルギーのキャリアのうち、第３導電層に到達したキャリアを光電流として検出する。これにより、第１導電層と第２導電層の間のＰＮ接合領域を充分に浅くすることなく、特定の波長の光成分を取り込むことができる。したがって、紫外光をはじめとした特定の波長の光成分に対する感度を相対的に高め、それ以外の波長の光成分の感度を抑制できる半導体光検出装置の実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態の半導体受光素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態の半導体受光素子に紫外光が入射したときにおけるエネルギーバンド図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の半導体光検出装置における分光感度特性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の半導体光検出装置における、Ｖｓｎ＝０．８Ｖの条件の分光感度特性を基準とした差分感度特性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図６】（ａ）は本発明の第２の実施形態の半導体光検出装置の構成を示す図であり、（ｂ）は半導体光検出回路の信号処理のタイミングチャートである。
【図７】本発明の第３の実施形態の半導体光検出装置における、条件の異なる差分感度特性を規格化した感度特性を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の半導体光検出装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の半導体光検出回路の信号処理のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
はじめに、本発明の実施形態に用いられる半導体受光素子及び、その半導体受光素子を用いて特定波長を検出するための検出方法について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に用いる半導体受光素子を示す断面図である。図１の半導体受光素子１は、ｐ型シリコン基板１１の表面のＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等の素子分離領域１２で囲まれる領域に、ｎ型の第１導電層１６と第１導電層１６の下のｐ型の第２導電層１５と、第２導電層１５の下のｎ型の第３導電層１４とを備え、ｐ型シリコン基板１１の表面から深さ方向に積層して形成している。そして、最表面の第１導電層１６で短波長の光の吸収により発生した高いエネルギーのキャリアのうち、第３導電層１４に到達したキャリアを光電流として検出する。第１導電層１６、第２導電層１５、第３導電層１４内にはそれぞれ、ｎ＋型拡散層２３、ｐ＋型拡散層２２、ｎ＋型拡散層２１が設けられている。ｐ型シリコン基板１１上には、シリコン酸化膜などからなる絶縁層１７が形成されている。そして、ｎ＋型拡散層２３、ｐ＋型拡散層２２、ｎ＋型拡散層２１上の絶縁層１７には、それぞれコンタクトホール２４が形成され、金属配線３１によって、それぞれ第１導電層端子Ｎ１、第２導電層端子Ｐ１、第３導電層端子Ｎ２に接続されている。
【００１５】
次に、第１の実施形態の半導体受光素子１を用いて、太陽光から特定の波長である紫外光成分を検出する方法について説明する。
まず、図１の半導体受光素子１の上方から太陽光が入射している状態で、第２導電層端子Ｐ１に０Ｖを印加する。また、第３導電層端子Ｎ２に、第２導電層端子Ｐ１の電圧に対してＰＮ接合の逆方向電圧となるように０．３Ｖを印加する。そして、第１導電層端子Ｎ１に印加する第１の電圧（以下、第１導電層端子Ｎ１に印加する電圧をＶｓｎと称する）が第２導電層端子Ｐ１の電圧に対してＰＮ接合の逆方向電圧となるように０．８Ｖを印加し、第３導電層１４に流れる第１の光電流Ｉｐｈｒを第３導電層端子Ｎ２より検出する。この第１の光電流Ｉｐｈｒは、ｐ型の第２導電層１５とｎ型の第３導電層１４との間のＰＮ接合領域及びｎ型の第３導電層１４とｐ型シリコン基板１１との間のＰＮ接合領域において生成されるものであり、太陽光の光成分において、主として波長の長い光成分から生成される光電流である。
【００１６】
次に、引き続き半導体受光素子１に上方から太陽光が入射している状態で、第２導電層端子Ｐ１と第３導電層端子Ｎ２に印加する電圧をそのままの電圧とし、第１導電層端子Ｎ１の電圧Ｖｓｎには第２の電圧として、第２導電層端子Ｐ１に対してＰＮ接合の弱い順方向電圧となる−０．２Ｖを印加し、第３導電層１４に流れる第２の光電流Ｉｐｈｆを第３導電層端子Ｎ２より検出する。この第２の光電流Ｉｐｈｆは、Ｉｐｈｒと同様の太陽光の光成分における波長の長い光成分から生成される光電流の他に、後述するように紫外光を含む短波長の光成分から生成される光電流を含んでいる。ここで、第２導電層端子Ｐ１に対し第２の電圧としてＶｓｎを、絶対値が０．４Ｖ以下の弱い順方向電圧としているのは、第１導電層１６と第２導電層１５との間のＰＮ接合領域で発生する順方向電流を抑制し、光電流だけを取り出すためである。
【００１７】
この第１の光電流Ｉｐｈｒと第２の光電流Ｉｐｈｆの差の電流を検出することにより、第１導電層１６以外で発生したキャリアに起因する可視光成分が除去され、紫外光に対して相対的に感度の高い光電流を得ることができる。
【００１８】
次に、以上のような方法で半導体受光素子１が可視光に比べ紫外光を相対的に高感度に検出することが可能となるメカニズムについて説明する。
図１の半導体受光素子１の上方から紫外光が入射すると、その紫外光はシリコン表面から深さ１０ｎｍ程度の浅い領域で吸収されるので、第１導電層１６内に電子・正孔対が形成される。そして、その光電流は第２導電層１５と第１導電層１６に流れ込むため、第３導電層１４には紫外光に基づく光電流は生じないと一般的には考えられている。しかし本発明者は、電圧状態によっては紫外光吸収により第１導電層１６で発生したキャリアの一部が第３導電層１４まで到達し、光電流として検出されることを見出した。
【００１９】
図２（ａ）、（ｂ）は、半導体受光素子１の表面の絶縁層１７から第３の導電層１４までの間の模式的なエネルギーバンド図を示している。ここで、Ｅｃは伝導体下端のエネルギー準位、Ｅｖは価電子帯上端のエネルギー準位、Ｅｇはバンドギャップエネルギーであり、Ｅｇ＝Ｅｃ−Ｅｖである。この半導体受光素子１に紫外光が入射すると、第１導電層１６に電子・正孔対が生成される。例えば波長３００ｎｍの紫外光が入射する場合、表１に示すように、その光子エネルギーは４．１３ｅＶであり、シリコンのＥｇ（バンドギャップエネルギー）１．１２ｅＶより遥かに大きい。このため多くの電子は、第１導電層１６の価電子帯から伝導帯に励起され、さらに第１導電層１６と第２導電層１５との間のＰＮ接合領域におけるエネルギー障壁を乗り越えられるだけのエネルギーを獲得する。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
図２（ａ）は、第１導電層１６と第２導電層１５との間に１Ｖ程度の逆方向電圧を印加した場合のエネルギーバンド図を示している。紫外光のエネルギーによって第１導電層１６において上向き点線矢印に示すように励起された電子は、高いエネルギーを獲得するが、実線矢印で示すようにエネルギー緩和により、第１導電層１６と第２導電層１５との間のＰＮ接合領域におけるエネルギー障壁を乗り越えることが出来る電子は僅かである。
【００２２】
それに対し、図２（ｂ）は、第１導電層１６と第２導電層１５との間に０．２Ｖ近辺の弱い順方向電圧を印加した場合のエネルギーバンド図を示している。この場合、紫外光のエネルギーによって第１導電層１６において上向き点線矢印に示すように励起された電子は、図２（ａ）に比べさらに高いエネルギーとなるため、実線矢印で示すように第１導電層１６と第２導電層１５との間のＰＮ接合領域におけるエネルギー障壁を乗り越え、第２導電層１５と第３導電層１４との間のＰＮ接合領域に達する確率が高くなる。そしてこの電子が、このＰＮ接合領域の拡散電位によって第３導電層１４内に流れ込むことで、紫外光の強度に応じた光電流となる。
【００２３】
このように、紫外光によって励起された電子が第１導電層１６と第２導電層１５との間のエネルギー障壁を越え、第３導電層１４に流れ込む光電流となる確率は、第１導電層１６と第２導電層１５との間のＰＮ接合に印加される電圧の大きさに依存する。但し、太陽光のように広い波長成分を含む光が入射すると、第３導電層１４に流れる光電流は、第２導電層１５と第３導電層１４との間のＰＮ接合及び第３導電層１４とｐ型シリコン基板１１との間のＰＮ接合において発生する可視光のような長波長の光成分に基づく光電流も含む。但し、これらのＰＮ接合において発生する光電流は、第１導電層１６と第２導電層１５との間に与える電圧には依存しない。
【００２４】
そのため、第１導電層１６に与える電圧を変化させ、第３導電層１４に流れるそれぞれの光電流を測定し、両者の電流の差を取ることにより、可視光の影響を取り除いた紫外光に基づく光電流のみを取り出すことができる。
【００２５】
先に述べたように、第１導電層１６と第２導電層１５との間に印加する弱い順方向電圧は、その絶対値が０．４Ｖ以下であることが望ましい。その理由は、印加する電圧が０．４Ｖを越えると、拡散現象による順方向電流が指数的に増加し、光電流の変化を検出することが難しくなるからである。
【００２６】
また、このようなメカニズムを利用した特定波長の光の検出のために、使用する半導体材料は、その特定波長がもつエネルギーよりも充分小さいバンドギャップを持つ材料であることが望ましい。例えば、４．１３ｅＶの紫外光の場合であれば１．１２ｅＶのエネルギーギャップをもつシリコンや、０．６７ｅＶのエネルギーギャップをもつゲルマニウムなどである。また、同程度のエネルギーギャップをもつ材料であれば化合物半導体でも構わない。
【００２７】
図３は、この半導体受光素子１の第３導電層層１４から取り出される光電流から算出した分光感度特性である。このときのバイアス条件は、ｐ型シリコン基板１１に与える電圧と第２導電層１５に与える電圧を０Ｖ、第３導電層１４に与える電圧を０．３Ｖとし、ｎ型の第１導電層１６に与える電圧Ｖｓｎを−０．２Ｖから０．８Ｖの範囲で変化させている。Ｖｓｎを変化させると、光の波長３００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲において分光感度特性に変化が現れる。その変化は、特に波長４００ｎｍ以下の紫外光領域で顕著である。Ｖｓｎが０．８Ｖの条件は、第１導電層１６と第２導電層１５からなるＰＮ接合を最も逆方向にバイアスした条件であり、紫外光領域の波長の光成分に対する感度が最も低い。一方、第１導電層１６に与える電圧が−０．２Ｖである条件は、第１導電層１６と第２導電層１５からなるＰＮ接合に対して、順方向電流が無視できる範囲で順方向にバイアスした条件であり、紫外光領域の波長の光成分に対する感度が最も高い。このように、光の波長が３００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲における分光感度特性がＶｓｎの大きさに依存して変化する。一方、図３に示すように光の波長が４５０ｎｍ以上における分光感度特性は、Ｖｓｎの大きさに対する依存性が非常に小さいことが分る。
【００２８】
図４は、Ｖｓｎを−０．２Ｖ、０Ｖ、０．４Ｖ、０．８Ｖとしたときのそれぞれの分光感度特性に対し、Ｖｓｎを０．８Ｖとしたときの分光感度特性との間で差分を取り、光の波長に対して比較した差分感度特性のグラフである。波長５００ｎｍ以上の可視光領域では差分感度はゼロとなっており、また、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍの領域における差分感度も、従来のシリコンを用いた光検出装置よりも低減できている。
【００２９】
以上説明した半導体受光素子及び、その半導体受光素子を用いて特定波長の光成分を検出する半導体光検出回路とで構成された本発明の半導体光検出装置の実施形態について説明する。
【００３０】
図５（ａ）は、第１の実施形態における半導体受光素子１０１、１０２の断面図であり、図５（ｂ）はこれらの半導体受光素子１０１、１０２と、半導体光検出回路１１０とを組み合わせた第１の実施形態の半導体光検出装置１００の模式回路図である。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、第１の実施形態の半導体光検出装置においては、これまで説明した図１の構造の半導体受光素子１０１と半導体受光素子１０２をｐ型シリコン基板１１上に素子分離領域１２を介して隣接して設けている。半導体受光素子１０１は、第１導電層端子Ｎ１１と第２導電層端子Ｐ１１と第３導電層端子Ｎ２１とを備え、半導体受光素子１０２は、第１導電層端子Ｎ１２と第２導電層端子Ｐ１２と第３導電層端子Ｎ２２とを備える。
【００３２】
図５（ｂ）に示すように、半導体受光素子１０１の第１導電層端子Ｎ１１には、定電圧回路によって一定電圧Ｖ１が入力される。例えば、第１導電層端子Ｎ１１に与える電圧Ｖ１を０．４Ｖとすることで、半導体受光素子１０１の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２１から、図３のＶｓｎ＝０．４Ｖの電圧条件の分光感度を持つ光電流Ｉｐｈｆが出力される。このとき、第２導電層端子Ｐ１１は、回路上の最低電位であるＶｓｓ端子に接続されている。
【００３３】
一方、半導体受光素子１０２の第１導電層端子Ｎ１２にはＶ１とは異なる一定電圧Ｖ２が入力される。例えば、第１導電層端子Ｎ１２に与える電圧Ｖ１を０．８Ｖとすることで、半導体受光素子１０２の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２２から、図３のＶｓｎ＝０．８Ｖの電圧条件の分光感度を持つ光電流Ｉｐｈｒが出力される。このとき、第２導電層端子Ｐ１２は、回路上の最低電位であるＶｓｓ端子に接続されている。
【００３４】
半導体光検出回路１１０は、半導体受光素子１０１、１０２から出力される光電流Ｉｐｈｆ、Ｉｐｈｒをもとに入射光の中の紫外光成分を、その光強度に応じた出力電圧に変換し、Ｏｕｔ端子から出力する。
【００３５】
電流電圧変換回路１４１は、半導体受光素子１０１から差動増幅器１４３の反転入力端子に入力される光電流Ｉｐｈｆを、光電流Ｉｐｈｆの電流値と抵抗Ｒｆ１０１の抵抗値との積の値に基づく電圧に変換し、差動増幅回路１４５へ出力する（以降、電流電圧変換回路から出力される電圧を入力される電流で除したものを電流電圧変換率と呼ぶ）。ここで、差動増幅器１４３の非反転入力端子には、例えば０．３Ｖのような一定電圧Ｖｒｅｆ１０１が与えられている。そのため、半導体受光素子１０１の第３導電層端子Ｎ２１の電圧はＶｒｅｆ１０１に固定化されている。
【００３６】
電流電圧変換回路１４２は、半導体受光素子１０２から差動増幅器１４４の反転入力端子に入力された光電流Ｉｐｈｒを、光電流Ｉｐｈｒの電流値と抵抗Ｒｆ１０２の抵抗値に基づく電圧に変換し、差動増幅回路１４５へ出力する。ここで、差動増幅器１４４の非反転入力端子には、例えば０．３Ｖのような一定電圧Ｖｒｅｆ１０２が与えられる。そのため、半導体受光素子１０２の第３導電端子Ｎ２２の電圧はＶｒｅｆ１０２に固定化されている。
電流電圧変換回路１４１、１４２から出力された電圧は、差動増幅回路１４５で比較され、それらの電圧差に基づく出力電圧がＯｕｔ端子から出力される。
【００３７】
以上のような回路動作により、半導体受光素子１０１の第３導電層端子Ｎ２１から出力される短波長成分と長波長成分を含んだ光電流Ｉｐｈｆから、半導体受光素子１０２の第３導電層端子Ｎ２２から出力される長波長成分を含んだ光電流Ｉｐｈｒを除去した短波長成分の光電流に基づく出力電圧を得ることが可能となる。そして、図４におけるＶｓｎ＝０．４Ｖの条件の特性に示されるような、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍの領域における差分感度が低減され、波長４００ｎｍ以下の光成分に対し相対的に感度の高い出力電圧を得ることが出来る。
【００３８】
第１の実施形態における電流電圧変換回路１４１、１４２は差動増幅器と抵抗などから構成されているが、同様の機能を果たすのであればこの形態の回路に限られない。また、差動増幅回路１４５も入力電圧を比較し、その差電圧に基づく信号を出力するものであれば様々な形態の回路を用いて構わない。例えば、コンパレータのような信号の大小を比較する回路を用い、デジタル的に短波長の光の有無を出力するものでも構わないし、抵抗や複数の差動増幅器を組み合わせたアナログ的な信号出力機能を備える回路でも構わない。
【００３９】
図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態を示す図であり、図１と同様の半導体受光素子２０１と、半導体光検出回路２１０とを組み合わせた半導体光検出装置２００の模式回路図である。図６（ａ）で示されている半導体受光素子２０１は、図１に示されている半導体受光素子１と同じ構造である。また、図６（ａ）における第１導電層端子Ｎ１３、第２導電層端子Ｐ１３、第３導電層端子Ｎ２３は、それぞれ図１におけるＮ１、Ｐ１、Ｎ２に相当する。
【００４０】
本発明の第２の実施形態においては、第１の実施形態において２つ使用していた半導体受光素子を１つのみとし、特定波長の光成分を検出する半導体光検出装置を実現している。図６（ａ）の第２の実施形態の半導体光検出装置２００においては、入射光を受け、半導体受光素子２０１が第１の期間と第２の期間においてそれぞれ光電流Ｉｐｈｆ、Ｉｐｈｒを出力する。半導体光検出回路２１０は、その２つの光電流Ｉｐｈｆ、Ｉｐｈｒをもとに、入射光の中の紫外光成分を、その光強度に応じた出力電圧としてＯｕｔ端子から出力する。
【００４１】
半導体受光素子２０１は、第１導電層端子Ｎ１３と、第２導電層端子Ｐ１３と、第３導電層端子Ｎ２３とを備える。半導体受光素子２０１の第１導電層端子Ｎ１３には、スイッチＳ２０１を介して２つの一定電圧Ｖ１、Ｖ２のうち、いずれか選ばれた電圧が入力される。このとき、第２導電層端子Ｐ１３は、回路上の最低電位であるＶｓｓ端子に接続されている。
【００４２】
電圧電流変換回路２４１は、差動増幅器２４２と抵抗Ｒｆ２０１を備え、入力された電流を電流値と抵抗Ｒｆ２０１の抵抗値との積の値に基づく電圧に変換して出力する。
電圧保持回路２４３は、容量Ｃ２０１、Ｃ２０２とスイッチＳ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４、Ｓ２０５を備え、任意の期間に入力される異なる電圧を容量Ｃ２０１、Ｃ２０２に別々に保持し、その後それらの電圧を出力する。
【００４３】
第２の実施形態の半導体光検出装置２００の光検出方法を、図６（ｂ）に示すタイムチャートに基づいて説明する。
【００４４】
第１の期間Ｔ１において、スイッチＳ２０１は、定電圧回路などから一定電圧Ｖ１が出力される端子側に接続され、半導体受光素子２０１の第１導電層端子Ｎ１３に一定電圧Ｖ１が印加される。このとき例えば、Ｖ１を０．４Ｖとすることで、半導体受光素子２０１の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２３から、図３のＶｓｎ＝０．４Ｖの条件の分光感度を持つ光電流Ｉｐｈｆが出力される。半導体受光素子２０１から出力された光電流Ｉｐｈｆは、電流電圧変換回路２４１を構成する差動増幅器２４２の反転入力端子に入力され、光電流Ｉｐｈｆの電流値と抵抗Ｒｆ２０１の抵抗値との積の値に基づく電圧に変換されて電圧保持回路２４３へ出力される。差動増幅器２４２の非反転入力端子には、例えば０．３Ｖのような一定電圧Ｖｒｅｆ２０１が与えられているため、半導体受光素子２０１の第３導電端子Ｎ２３の電圧は、Ｖｒｅｆ２０１に固定化されている。
【００４５】
第１の期間Ｔ１に電流電圧変換回路２４１から出力された電圧は、電圧保持回路２４３の容量Ｃ２０１に保存される。このために、第１の期間Ｔ１においては、電圧保持回路２４３のスイッチＳ２０２をオンとし、他のスイッチＳ２０３、Ｓ２０４、Ｓ２０５をオフとすることで、電流電圧変換回路２４１の出力端子が容量Ｃ２０１の一方の端子にのみ接続される。
【００４６】
次に、第２の期間Ｔ２において、スイッチＳ２０１は、定電圧回路などからＶ１と異なる一定電圧Ｖ２が出力される端子側に接続され、半導体受光素子２０１の第１導電層端子Ｎ１３に一定電圧Ｖ２が印加される。このとき例えば、Ｖ２を０．８Ｖとすることで、半導体受光素子２０１の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２３から、図３のＶｓｎ＝０．８Ｖの電圧条件の分光感度をもつ光電流Ｉｐｈｒが出力される。半導体受光素子２０１から出力された光電流Ｉｐｈｒは、電流電圧変換回路２４１を構成する差動増幅器２４２の反転入力端子に入力され、光電流Ｉｐｈｒの電流値と抵抗Ｒｆ２０１の抵抗値に基づく電圧に変換されて電圧保持回路２４３へ出力される。
【００４７】
第２の期間Ｔ２に電流電圧変換回路２４１から出力された電圧は、電圧保持回路２４３の容量Ｃ２０２に保存される。このため、第２の期間Ｔ２においては、電圧保持回路２４３のスイッチＳ２０３をオンとし、他のスイッチＳ２０２、Ｓ２０４、Ｓ２０５をオフとすることで、電流電圧変換回路２４１の出力端子が容量Ｃ２０２の一方の端子にのみ接続される。
【００４８】
次の第３の期間Ｔ３においては、電圧保持回路２４３のスイッチＳ２０２、Ｓ２０３をオフとし、スイッチＳ２０４、Ｓ２０５をオンとすることで、容量Ｃ２０１の光電流Ｉｐｈｆに基づく電圧と容量Ｃ２０２の光電流Ｉｐｈｒに基づく電圧とが差動増幅回路２４４に出力される。
電圧保持回路２４３から出力された２つの電圧は、差動増幅回路２４４で比較され、それらの電圧差に基づく出力電圧がＯｕｔ端子から出力される。
【００４９】
以上のような回路動作により、半導体受光素子２０１の第３導電層端子Ｎ２３から出力される短波長成分と長波長成分を含んだ光電流Ｉｐｈｆから、長波長成分を含んだ光電流Ｉｐｈｒを除去した短波長成分の光電流に基づく出力電圧を得ることが可能となる。そして、図４におけるＶｓｎ＝０．４Ｖの条件の特性に示されるような、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍの領域における差分感度が低減され、波長４００ｎｍ以下の光成分に対し相対的に感度の高い出力電圧を得ることが出来る。
【００５０】
さらに、第２の実施形態の半導体光検出装置２００は、第１の実施形態において２つ用意していた半導体受光素子及び電流電圧変換回路をそれぞれ１つ用意するのみでよいので、チップ面積の縮小を実現することが出来る。また、１つの回路や素子で複数の信号処理をすることは、複数の素子や回路を用いる場合のそれぞれの製造ばらつきの影響を低減できる、という効果もある。
【００５１】
なお、第２の実施形態における電流電圧変換回路２４１及び差動増幅回路２４４は、その機能を果たすものであれば様々な形態の回路を用いることができ、図６（ａ）に用いられている回路に限られるものでないことは、第１の実施形態と同様である。
【００５２】
これまでの説明では、太陽光に含まれる紫外光を中心とした短波長の光成分を検出する例について説明したが、本発明においては第２の実施形態を応用して任意の波長の光成分を検出することも可能である。
【００５３】
図７は、図４におけるＶｓｎ＝−０．２Ｖ、０Ｖ、０．４Ｖの電圧条件の差分感度特性をそれぞれ任意の倍率で増幅させ、３００ｎｍ以下の波長における差分感度が一致するように調整した規格化差分感度特性である。波長５００ｎｍ以上の領域においては図４において既に０となるように調整されているので、ここで任意の倍率で増幅させても波長５００ｎｍ以上の規格化差分感度が変化することはない。すなわちこのような変換処理をすることで、波長５００ｎｍ以上に対する差分感度と波長３００ｎｍ以下における差分感度を一致させ、波長３００ｎｍから５００ｎｍまでの間において感度の異なる複数の規格化差分感度特性を得る事ができる。この図７において例えば、Ｖｓｎ＝−０．２Ｖの電圧条件の規格化差分感度特性の出力からＶｓｎ＝０Ｖの電圧条件の規格化差分感度特性の出力を除去すると、波長３８０ｎｍから４５０ｎｍの光成分に対して相対的に感度の高い規格化差分感度特性を得ることができる。さらに、Ｖｓｎとして様々な値を採用することによって、３８０ｎｍから４５０ｎｍの波長帯に限らない任意の波長の光成分に対して感度の高い半導体光検出装置を実現することができる。
【００５４】
図８は、本発明の第３の実施形態を示す図であり、図１と同様の半導体受光素子３０１と、半導体光検出回路３１０とを組み合わせ、任意の特定波長の光成分を検出するための半導体光検出装置３００の模式回路図である。
【００５５】
図８の第３の実施形態の半導体光検出装置３００においては、入射光を受け、半導体受光素子３０１が複数の期間において複数の光電流ＩｐｈｆとＩｐｈｒを出力する。半導体光検出回路３１０は、その複数の光電流ＩｐｈｆとＩｐｈｒをもとに、入射光の中の任意の特定波長の光成分を、その光強度に応じた出力電圧としてＯｕｔ端子から出力する。
【００５６】
半導体受光素子３０１は、第１導電層端子Ｎ１４と、第２導電層端子Ｐ１４と、第３導電層端子Ｎ２４とを備える。この第１導電層端子Ｎ１４、第２導電層端子Ｐ１４、第３導電層端子Ｎ２４は、それぞれ図１におけるＮ１、Ｐ１、Ｎ２に相当する。半導体受光素子３０１の第１導電層端子Ｎ１４には、スイッチＳ３０１を介して３つの一定電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のうち、いずれか選ばれた電圧が入力される。このとき、第２導電層端子Ｐ１４は、回路上の最低電位であるＶｓｓ端子に接続されている。
【００５７】
電圧電流変換回路３５１は、差動増幅器３４１と抵抗Ｒｆ３０１と抵抗Ｒｆ３０２とスイッチＳ３１１を備える。抵抗Ｒｆ３０１と抵抗Ｒｆ３０２は一端がともに差動増幅器３４１の出力に接続され、他端はスイッチＳ３１１を介して差動増幅器３４１の反転入力端子に接続される。スイッチＳ３１１は、差動増幅器３４１の反転入力端子と、抵抗Ｒｆ３０１と抵抗Ｒｆ３０２のいずれか１つの抵抗の一端とを接続する。そのため、電流電圧変換回路３５１は、スイッチＳ３１１が抵抗Ｒｆ３０１側に接続されると、入力された電流を電流値と抵抗Ｒｆ３０１の抵抗値との積の値に基づく電圧に変換して出力する。また、スイッチＳ３１１が抵抗Ｒｆ３０２側に接続されると、入力された電流を電流値と抵抗Ｒｆ３０２の抵抗値との積の値に基づく電圧に変換し出力する。すなわち、電流電圧変換回路３５１は、複数の電流電圧変換率から、スイッチＳ３１１によって選択された１つの電流電圧変換率に切り替えることが可能な回路である。
【００５８】
電圧保持回路３５２は、容量Ｃ３０１、Ｃ３０２、Ｃ３０３、Ｃ３０４とスイッチＳ３２１、Ｓ３２２、Ｓ３２３、Ｓ３２４、Ｓ３３１、Ｓ３３２、Ｓ３３３、Ｓ３３４を備え、任意の期間に入力される異なる電圧を、容量Ｃ３０１、Ｃ３０２、Ｃ３０３、Ｃ３０４に別々に保持し、その後容量Ｃ３０１、Ｃ３０４に保持された電圧の平均電圧と、容量Ｃ３０２、Ｃ３０３に保持された電圧の平均電圧を出力する。
【００５９】
第３の実施形態の半導体光装置３００の光検出方法を、図９に示すタイムチャートに基づいて説明する。
【００６０】
第１の期間Ｔ１において、スイッチＳ３０１は、定電圧回路などから一定電圧Ｖ１が出力される端子側に接続され、半導体受光素子３０１の第１導電層端子Ｎ１４に一定電圧Ｖ１が印加される。このとき例えば、Ｖ１を−０．２Ｖとすることで、半導体受光素子３０１の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２４から、図３のＶｓｎ＝−０．２Ｖの電圧条件の分光感度を持つ光電流Ｉｐｈｆ１が出力される。
【００６１】
半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈｆ１は、電流電圧変換回路３５１を構成する差動増幅器３４１の反転入力端子に入力される。差動増幅器３４１の非反転入力端子には、例えば０．３Ｖのような一定電圧Ｖｒｅｆ３０１が与えられているため、半導体受光素子３０１の第３導電層端子Ｎ２４の電圧は、Ｖｒｅｆ３０１に固定化されている。電流電圧変換回路３５１内のスイッチＳ３１１は、第１の期間Ｔ１においては抵抗Ｒｆ３０１側に接続される。そのため、電流電圧変換回路３５１は、半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈｆ１の値と抵抗Ｒｆ３０１の抵抗値との積の値に基づく電圧を電圧保持回路３５２へ出力する。
【００６２】
第１の期間Ｔ１に電流電圧変換回路３５１から出力された電圧は、電圧保持回路３５２の容量Ｃ３０１に保存される。このために、第１の期間Ｔ１においては、電圧保持回路３５２のスイッチＳ３２１をオンとし、他のスイッチＳ３２２、Ｓ３２３、Ｓ３２４、Ｓ３３１、Ｓ３３２、Ｓ３３３、Ｓ３３４をオフとすることで、電流電圧変換回路３５１の出力端子が容量Ｃ３０１の一方の端子にのみ接続される。
【００６３】
次に、第２の期間Ｔ２において、スイッチＳ３０１は、定電圧回路などからＶ１と異なる一定電圧Ｖ２が出力される端子側に接続され、半導体受光素子３０１の第１導電層端子Ｎ１４に一定電圧Ｖ２が印加される。このとき例えば、Ｖ２を０Ｖとすることで、半導体受光素子３０１の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２４から、図３のＶｓｎ＝０Ｖの電圧条件の分光感度を持つ光電流Ｉｐｈｆ２が出力される。
【００６４】
半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈｆ２は、電流電圧変換回路３５１を構成する差動増幅器３４１の反転入力端子に入力される。電流電圧変換回路３５１内のスイッチＳ３１１は、第２の期間Ｔ２においては抵抗Ｒｆ３０２側に接続される。そのため、電流電圧変換回路３５１は、半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈ２の値と抵抗Ｒｆ３０２の抵抗値との積の値に基づく電圧を電圧保持回路３５２へ出力する。
【００６５】
第２の期間Ｔ２に電流電圧変換回路３５１から出力された電圧は、電圧保持回路３５２の容量Ｃ３０２に保存される。このために、第２の期間Ｔ２においては、電圧保持回路３５２のスイッチＳ３２２をオンとし、他のスイッチＳ３２１、Ｓ３２３、Ｓ３２４、Ｓ３３１、Ｓ３３２、Ｓ３３３、Ｓ３３４をオフとすることで、電流電圧変換回路３５１の出力端子が容量Ｃ３０２の一方の端子にのみ接続される。
【００６６】
次に、第３の期間Ｔ３において、スイッチＳ３０１は、定電圧回路などからＶ１、Ｖ２と異なる一定電圧Ｖ３が出力される端子側に接続され、半導体受光素子３０１の第１導電層端子Ｎ１４に一定電圧Ｖ３が印加される。このとき例えば、Ｖ３を０．８Ｖとすることで、半導体受光素子３０１の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２４から、図３のＶｓｎ＝０．８Ｖの電圧条件の分光感度を持つ光電流Ｉｐｈｒが出力される。
【００６７】
半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈｒは、電流電圧変換回路３５１を構成する差動増幅器３４１の反転入力端子に入力される。電流電圧変換回路３５１内のスイッチＳ３１１は、第３の期間Ｔ３においては抵抗Ｒｆ３０１側に接続される。そのため、電流電圧変換回路３５１は、半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈｒの値と抵抗Ｒｆ３０１の抵抗値との積の値に基づく電圧を電圧保持回路３５２へ出力する。
【００６８】
第３の期間Ｔ３に電流電圧変換回路３５１から出力された電圧は、電圧保持回路３５２の容量Ｃ３０３に保存される。このために、第３の期間Ｔ３においては、電圧保持回路３５２のスイッチＳ３２３をオンとし、他のスイッチＳ３２１、Ｓ３２２、Ｓ３２４、Ｓ３３１、Ｓ３３２、Ｓ３３３、Ｓ３３４をオフとすることで、電流電圧変換回路３５１の出力端子が容量Ｃ３０３の一方の端子にのみ接続される。
【００６９】
次に、第４の期間Ｔ４において、スイッチＳ３０１は、第３の期間Ｔ３と同様に引き続き一定電圧Ｖ３が出力される端子側に接続され、半導体受光素子３０１の第１導電層端子Ｎ１４に一定電圧Ｖ３が印加される。このとき、半導体受光素子３０１の上から光が入射したときに、第３導電層端子Ｎ２４から、図３のＶｓｎ＝０．８Ｖの電圧条件の分光感度を持つ光電流Ｉｐｈｒが出力されることは、第３の期間Ｔ３と同様である。
【００７０】
半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈｒは、電流電圧変換回路３５１を構成する差動増幅器３４１の反転入力端子に入力される。電流電圧変換回路３５１内のスイッチＳ３１１は、第４の期間Ｔ４においては抵抗Ｒｆ３０２側に接続される。そのため、電流電圧変換回路３５１は、半導体受光素子３０１から出力された光電流Ｉｐｈｒの値と抵抗Ｒｆ３０２の抵抗値との積の値に基づく電圧を電圧保持回路３５２へ出力する。
【００７１】
第４の期間Ｔ４に電流電圧変換回路３５１から出力された電圧は、電圧保持回路３５２の容量Ｃ３０４に保存される。このために、第４の期間Ｔ４においては、電圧保持回路３５２のスイッチＳ３２４をオンとし、他のスイッチＳ３２１、Ｓ３２２、Ｓ３２３、Ｓ３３１、Ｓ３３２、Ｓ３３３、Ｓ３３４をオフとすることで、電流電圧変換回路３５１の出力端子が容量Ｃ３０４の一方の端子にのみ接続される。
【００７２】
次に、第５の期間Ｔ５において、電圧保持回路３５２から出力される電圧を入力とし、差動増幅回路３５３が任意の特定波長の光成分に基づく電圧をＯｕｔ端子から出力する。第１の期間Ｔ１から第４の期間Ｔ４までの間に容量Ｃ３０１、Ｃ３０２、Ｃ３０３、Ｃ３０４に保存されたそれぞれの電圧ＶC301、ＶC302、ＶC303、ＶC304は以下の計算式に基づく値になっている。
【００７３】
ＶC301＝Ｉｐｈｆ１×Ｒｆ３０１＋Ｖｒｅｆ３０１
ＶC302＝Ｉｐｈｆ２×Ｒｆ３０２＋Ｖｒｅｆ３０１
ＶC303＝Ｉｐｈｒ×Ｒｆ３０１＋Ｖｒｅｆ３０１
ＶC304＝Ｉｐｈｒ×Ｒｆ３０２＋Ｖｒｅｆ３０１
第５の期間Ｔ５では、電圧保持回路３５２のスイッチＳ３３１、Ｓ３３２、Ｓ３３３、Ｓ３３４がオンし、スイッチＳ３２１、Ｓ３２２、Ｓ３２３、Ｓ３２４がオフすることで、容量Ｃ３０１、Ｃ３０２、Ｃ３０３、Ｃ３０４の電圧が、差動増幅回路３５３に出力される。このとき、容量Ｃ３０１と容量Ｃ３０４が並列接続され、以下の式に基づく合成電圧Ｖａが差動増幅回路３５３の非反転入力端子に入力される。ここで容量Ｃ３０１、Ｃ３０２、Ｃ３０３、Ｃ３０４の容量値は全て同一の値Ｃとしている。
【００７４】
Ｖａ＝｛（Ｉｐｈｆ１×Ｒｆ３０１）・Ｃ＋（Ｉｐｈｒ×Ｒｆ３０２）・Ｃ｝／２Ｃ＋Ｖｒｅｆ３０１
また、容量Ｃ３０２と容量Ｃ３０３が並列接続され、以下の式に基づく合成電圧Ｖｂが差動増幅回路３５３の反転入力端子に入力される。
【００７５】
Ｖｂ＝｛（Ｉｐｈｆ２×Ｒｆ３０２）・Ｃ＋（Ｉｐｈｒ×Ｒｆ３０１）・Ｃ｝／２Ｃ＋Ｖｒｅｆ３０１
差動増幅回路３５３は、非反転入力端子に入力された電圧と、反転入力端子に入力された電圧との差分を増幅し、出力する回路である。すなわち、図８のＯｕｔ端子から以下の出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。
【００７６】
Ｖｏｕｔ  ∝  Ｖａ−Ｖｂ
＝Ｒｆ３０１・（Ｉｐｈｆ１−Ｉｐｈｒ）−Ｒｆ３０２・（Ｉｐｈｆ２−Ｉｐｈｒ）
上式のＩｐｈｆ１−Ｉｐｈｒは、図３におけるＶｓｎ＝−０．２Ｖの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流から、Ｖｓｎ＝０．８Ｖの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流を引いたものである。すなわち、これは、図４におけるＶｓｎ＝−０．２Ｖの電圧条件の差分感度特性に基づく光電流を表している。同様に、上式のＩｐｈｆ２−Ｉｐｈｒは、図３におけるＶｓｎ＝０Ｖの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流から、Ｖｓｎ＝０．８Ｖの電圧条件の分光感度特性に基づく光電流を引いたもので、図４におけるＶｓｎ＝０Ｖの電圧条件の差分感度特性に基づく光電流を表している。
【００７７】
また、Ｒｆ３０１・（Ｉｐｈｆ１−Ｉｐｈｒ）は、図４におけるＶｓｎ＝−０．２Ｖの電圧条件の差分感度を特定の倍率で増幅したものであり、Ｒｆ３０１の抵抗値を適宜選ぶことにより、図７のＶｓｎ＝−０．２Ｖの電圧条件の規格化差分感度特性に基づく光電流に一致する。Ｒｆ３０２・（Ｉｐｈｆ２−Ｉｐｈｒ）も、Ｒｆ３０２の抵抗値を適宜選ぶことで、図７のＶｓｎ＝０Ｖの電圧条件の規格化差分感度特性に基づく光電流に一致する。
【００７８】
そしてさらに、Ｖｏｕｔは、Ｒｆ３０１・（Ｉｐｈ１−Ｉｐｈｒ）とＲｆ３０２・（Ｉｐｈｆ２−Ｉｐｈｒ）の差分を取るので、図７のＶｓｎ＝−０．２Ｖの電圧条件の規格化差分感度特性とＶｓｎ＝０Ｖの電圧条件の規格化差分感度特性の差に基づいた電圧となる。すなわち、このような方法により、波長３８０ｎｍから４５０ｎｍの光成分に対して相対的に感度の高い出力電圧を得る事が出来る。
【００７９】
第３の実施形態においては、波長３８０ｎｍから４５０ｎｍの光成分に限らず、入射光の分光特性をあらかじめ把握した上で、波長上限と下限の分光特性に対応する入力電圧と増幅抵抗値を適宜選ぶことにより、任意の特定波長範囲の光成分に対して相対的に感度の高い出力電圧を得ることが可能になる。
【００８０】
また、第３の実施形態の半導体光検出装置３００は、第１の実施形態において２つ用意していた半導体受光素子及び電流電圧変換回路をそれぞれ１つ用意するのみでよいので、チップ面積の縮小を実現することが出来る。また、１つの回路や素子で複数の信号処理をすることは、複数の素子や回路を用いる場合の製造上のばらつきの影響を低減できる、という効果もある。
【００８１】
なお、第３の実施形態における電流電圧変換回路３５１及び差動増幅回路３５３は、その機能を果たすものであれば様々な形態の回路を用いることができ、図８に用いられている回路に限られるものでないことは、第１、２の実施形態と同様である。
【００８２】
以上、本発明の具体的な３つの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００８３】
例えば、本実施形態で用いている半導体基板はｐ型シリコン基板であるが、これをｎ型シリコン基板とし、それに伴って図１における半導体受光素子１に用いられている各層の極性をすべて入れ替えることも可能である。また以上の実施形態では、第１導電層１６に印加する電圧を変化させたが、第２導電層１５に印加する電圧を変化させることでも、第２導電層１５と第１導電層１６から成るｐｎ接合に印加される電圧が変化するので、本発明と同様の効果を得ることが出来る。また、実施形態に図示されている回路は、その機能を果たすものであればよく、特定の回路に限定するものではない。
【符号の説明】
【００８４】
１、１０１、１０２、２０１、３０１  半導体受光素子
１１  ｐ型シリコン基板
１２  素子分離領域
１４  第３導電層
１５  第２導電層
１６  第１導電層
１７  絶縁層
２１  ｎ＋型拡散層
２２  ｐ＋型拡散層
２３  ｎ＋型拡散層
２４  コンタクトホール
３１  金属配線
１４１、１４２、２４１、３５１  電流電圧変換回路
１４３、１４４、２４２、３４１  差動増幅器
１４５、２４４、３５３  差動増幅回路
１１０、２１０、３１０  半導体光検出回路
２４３、３５２  電圧保持回路
Ｎ１、Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３、Ｎ１４  第１導電層端子
Ｐ１、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４  第２導電層端子
Ｎ２、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３、Ｎ２４  第３導電層端子
Ｓ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４、Ｓ２０５、Ｓ３０１、Ｓ３１１、Ｓ３２１、Ｓ３２２、Ｓ３２３、Ｓ３２４、Ｓ３３１、Ｓ３３２、Ｓ３３３、Ｓ３３４  スイッチ
Ｃ２０１、Ｃ２０２、Ｃ３０１、Ｃ３０２、Ｃ３０３、Ｃ３０４  容量
【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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