(57)【要約】【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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
前記光を吸収する部分が、ＩｎＡｓＸＳｂ１−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。
【請求項９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１９３６１５号公報
【特許文献２】特公平７−２８０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、ＩｎＡｓＸＳｂ１−Ｘ（０≦ｘ≦１）を含むことを特徴とする。
【００２４】
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。
【発明の効果】
【００２５】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、ＩｎＡｓＸＳｂ１−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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【符号の説明】
【００７０】
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
【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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