(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電型が互いに異なる半導体領域の接合部に順方向へ電圧を印加することにより黄色光を発光し、ＩｎＧａＡｌＰまたはＧａＰのいずれかの材料を含む発光素子を備え、
前記接合部に逆バイアスを印加し、該接合部へ照射された可視光の波長に基づいて生じる電流または電圧により該可視光の照度を検出することを特徴とする光半導体センサ。
【請求項２】
前記接合部に逆方向へ電圧を印加するように前記発光素子に電気的に接続された電圧源をさらに備え、
前記発光素子へ照射された可視光の波長に基づき該発光素子から生じた電流により該可視光の照度を検出することを特徴とする請求項１に記載の光半導体センサ。
【請求項３】
前記発光素子へ照射された可視光の波長に基づき該発光素子から生じた起電圧により該可視光の照度を検出することを特徴とする請求項１に記載の光半導体センサ。
【請求項４】
前記発光素子の一方の電極は基準電圧に接続され、
前記発光素子の他方の電極に接続された非反転入力と、互いに接続された反転入力および出力とを有し、前記起電圧を低いインピーダンスに変換して出力する演算増幅器をさらに備え、
前記演算増幅器から出力された前記起電圧により該可視光の照度を検出することを特徴とする請求項３に記載の光半導体センサ。
【請求項５】
前記発光素子は５００ｎｍから６２０ｎｍの波長の光波を検出する分光感度を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光半導体センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術においては、周囲の環境の光の照度を検出するために、受光素子として単元素のSi（シリコン）を材料としたフォトダイオードまたはフォトトランジスタが用いられていた。受光素子は、約400nmから約720nmの波長領域内の可視光を検出して装置を制御するために使用されることがある。例えば、受光素子は携帯電話やモバイル・コンピュータなどの電気機器に使用される液晶モニタに使用される場合がある。この場合、周囲が人間にとって明るいときには、受光素子が周囲の可視光の照度を検出し、電気機器自体が液晶のバックライトを暗くするよう制御することによってバッテリの消耗を防止する。
【０００３】
図１０は、Siフォトトランジスタの分光感度特性、視感度特性および様々な光源の発光特性を示すグラフである。グラフａはSiフォトトランジスタの分光感度特性を示し、グラフｂは視感度特性を示す。グラフｃ、ｄおよびｅは、それぞれ太陽光、蛍光灯および白熱灯を光源とした場合の発光特性を示す。
【０００４】
それぞれのグラフは、光波の波長に対する相対感度および相対発光強度として表されている。相対感度および相対発光強度は、感度または発光強度の最大値に対する感度または発光強度の値の比率である。
【０００５】
視感度特性は可視光の目に対する感度特性を表している。通常、人間の場合、約555nmの波長の光が最も見易い。よって、視感度特性は、波長約555nmにおいて最大となり、約400nmから約720nmの可視光の波長領域内においてグラフｂのように広がりを有する。
【０００６】
しかし、図１０に示すとおり、太陽光では赤外光領域に多少発光強度を有し、さらに白熱灯においては赤外光領域に大きな発光強度を有する。（グラフｃおよびグラフｅ参照）。
【０００７】
また、Siフォトトランジスタの分光感度特性は、赤外光領域の光の感度が最も高い（グラフａ参照）。即ち、Siフォトトランジスタは、可視光において比較的低い分光感度を有するのに対して、赤外光において比較的高い分光感度を有する。
【０００８】
従って、可視光による照度が比較的低く人間にとって暗い環境であっても、太陽光や特に白熱灯からの赤外光によってSiフォトトランジスタが光を検出し、反応してしまう。それによって、電気機器が誤動作を引き起こしてしまう。例えば、周囲が人間にとって暗いにもかかわらず、電気機器は液晶のバックライトを暗くしてしまう。即ち、受光素子を可視光による照度のみに対して反応させるためには、受光素子の分光感度特性は視感度特性により近付けなければならない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来において、Siフォトトランジスタによって可視光の照度のみを正確に検出するために、Siフォトトランジスタの外側に視感度補正フィルタが配設されていた。視感度補正フィルタは、Siフォトトランジスタへ入射する光の波長を補正することによって、Siフォトトランジスタの分光感度特性（グラフａ）を視感度特性（グラフｂ）へ近づける。
【００１０】
しかし、視感度補正フィルタを用いることによって、受光素子の大きさが増し、受光素子を電気機器へ実装する面積が大きくなってしまうという問題があった。
【００１１】
また、視感度補正フィルタを必要とするため、受光素子や電気機器のコストアップにつながってしまうという問題があった。
【００１２】
従って、本発明の目的は、視感度補正フィルタを必要とせず、視感度特性により近い分光感度特性を有する光半導体センサを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に従った実施の形態による光半導体センサは、導電型が互いに異なる半導体領域の接合部に順方向へ電圧を印加することにより黄色光を発光し、ＩｎＧａＡｌＰまたはＧａＰのいずれかの材料を含む発光素子を備え、前記接合部に逆バイアスを印加し、該接合部へ照射された可視光の波長に基づいて生じる電流または電圧により該可視光の照度を検出することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明による実施の形態を説明する。尚、本実施の形態は本発明を限定するものではない。
【００２２】
図１は、本発明に従った第1の実施の形態による光半導体センサ１００の模式的回路図である。光半導体センサ１００は、ｎ型およびｐ型の半導体のｐｎ接合部（図示せず）に順電圧を印加することにより発光する発光素子（以下、LED（Light Emitting Diode）ともいう）１０を備えている。光半導体センサ１００は、アノード端子２０およびカソード端子３０をさらに備える。発光素子１０は、アノード電極およびカソード電極を有し、それぞれボンディングワイヤ４０によって電気的にアノード端子２０および３０に接続されている。アノード端子２０およびカソード端子３０は電圧源７０に接続されている。アノード端子２０と電圧源７０との間には、電流検出器が設けられている。アノード端子２０はさらに接地されている。また、発光素子１０は、その周囲を透明樹脂５０によってモールドされている。
【００２３】
以下、光半導体センサ１００の動作を説明する。
一般に、発光素子は、ｐｎ接合の順方向へ印加される順電圧により注入された電子が正孔と結合し、若しくは、順電圧により注入された正孔が電子と結合することによって発光する。即ち、アノード端子２０にカソード端子３０よりも高い電圧を印加することによって、発光素子１０は発光する。
【００２４】
しかし、本実施の形態によれば、電圧源７０はｐｎ接合の逆方向へ電圧を印加するように発光素子１０に電気的に接続されている。即ち、電圧源７０はカソード端子３０にアノード端子２０よりも高い電圧を印加する。このように、本実施の形態によれば、発光素子１０のｐｎ接合に印加される逆電圧によって、ｐｎ接合から空乏層が生じる。光源６０から発光素子へ照射された光はこの空乏層に入射すると電子および正孔を発生させる。それによって、光半導体センサ１００内を１５が矢印の方向へ流れる。従って、電流検出器８０が出力電流１５を検出することができる。
【００２５】
このように、本発明は、発光素子１０を発光させることなく、光を検出するためのセンサとして使用する。
【００２６】
図２は、発光素子を光半導体センサへ用いた場合の分光感度特性および視感度特性を示すグラフである。グラフＩ、グラフII、グラフIIIおよびグラフIVは、それぞれ赤、橙、黄および緑色を発光する発光素子を光半導体センサへ用いた場合の分光感度特性を示す。グラフｂは図１０と同様に視感度特性を示す。
【００２７】
赤色ＬＥＤ（グラフＩ）および橙色ＬＥＤ（グラフII）は、黄色ＬＥＤ（グラフIII）または緑色ＬＥＤ（グラフIV）と比較して明らかに視感度特性からずれている。即ち、図２から視感度特性に最も近い分光感度特性を示す発光素子は、黄色ＬＥＤ（グラフIII）または緑色ＬＥＤ（グラフIV）のいずれかであることがわかる。
【００２８】
次に、黄色ＬＥＤまたは緑色ＬＥＤのいずれが光半導体センサへ用いられる発光素子として適切かを考察する。
【００２９】
図３は、緑色ＬＥＤを光半導体センサ１００へ用いた場合の可視光の照度Evに対する出力電流１５（短絡電流Isc）を示したグラフである。
【００３０】
図４は、黄色ＬＥＤを光半導体センサ１００へ用いた場合の可視光の照度Evに対する出力電流１５（短絡電流Isc）を示したグラフである。
【００３１】
図３および図４は、ともに、蛍光灯を光源としたときのグラフを実線で表し、白熱灯を光源としたときのグラフを破線で表している。また、図３および図４の横軸は可視光の照度Evをルクス（lx）の単位で表し、図３および図４の縦軸は発光素子１０からの短絡電流Iscをナノアンペア（nA）の単位で表している。
【００３２】
光源として蛍光灯および白熱灯を選択したのは、図１０に示すように、蛍光灯はほぼ可視光領域の光のみを発光するのに対して、白熱灯は可視光領域の光が比較的弱く赤外光領域の光が比較的強いからである。即ち、発光強度の強い波長領域または発光スペクトルが、蛍光灯と白熱灯との間で著しく相違するからである。
【００３３】
このように発光強度の強い波長領域または発光スペクトルの著しく異なる光源を用いて可視光の照度Evに対する短絡電流Iscのグラフを比較することにより、発光素子１０が可視光のみによって反応しているか否かがわかる。
【００３４】
図４に示すように、黄色LEDを用いた光半導体センサは、蛍光灯および白熱灯を光源として用いた場合であっても、一定の可視光の照度Evに対して、ほぼ一定の短絡電流Iscを出力する。これに対し、図３に示すように、緑色LEDを用いた光半導体センサにおいては、可視光の照度Evが一定であっても、蛍光灯と白熱灯との間において異なる短絡電流Iscが出力されてしまう。
【００３５】
従って、黄色LED用いた光半導体センサはほぼ可視光のみによって反応していることがわかる。換言すれば、黄色LEDは、緑色LEDに比較して赤外線領域の光から受ける影響が小さいとも言える。従って、可視光の照度を検出するためには、緑色LEDよりも黄色LEDの方が適していることが分かった。
【００３６】
黄色LEDの活性層に使用される材料としては、InGaAlP、GaP等があるが、発光出力が比較的大きい、即ち、短絡電流Iscが比較的大きいInGaAlPが好ましい。
【００３７】
図５は、従来のSiフォトトランジスタを用いた光半導体センサにおける可視光の照度Evに対するコレクタ電流Icを示したグラフである。図３、図４および図５を用いて本実施の形態の効果を説明する。
【００３８】
例えば、可視光の照度Evが100lxのときに、従来の光半導体センサにおいては、蛍光灯と白熱灯との間におけるコレクタ電流Icの差は約200nAである。これに対し、本実施の形態による黄色LEDを用いた光半導体センサ１００においては、蛍光灯と白熱灯との間における短絡電流Iscの差は約0.1nAである。本実施の形態による緑色LEDを用いた光半導体センサ１００においては、蛍光灯と白熱灯との間における短絡電流Iscの差は約0.4nAである。
【００３９】
このように、本実施の形態による光半導体センサ１００においては、蛍光灯と白熱灯との間における短絡電流Iscの差が非常に小さい。従って、本実施の形態による光半導体センサ１００は、赤外線領域の光から受ける影響が小さく、ほぼ可視光のみによって反応している。即ち、光半導体センサ１００の発光素子１０の分光感度特性は視感度特性に非常に近い。
【００４０】
従って、光半導体センサ１００は、視感度補正フィルタを必要とせず、小型になり、電気機器へ実装する面積がより小さくなる。
【００４１】
また、光半導体センサ１００は、視感度補正フィルタを必要としないので、光半導体センサ１００や光半導体センサ１００を備えた電気機器のコストを軽減させる。
【００４２】
図６は、本発明に従った第２の実施の形態による光半導体センサ２００の模式的回路図である。尚、図１の第1の実施の形態の構成要素と同じ構成要素には同一の参照番号が付されている。本実施の形態における発光素子１０も、第1の実施の形態と同様に、視感度特性により近い分光感度特性を有する黄色ＬＥＤである。その黄色ＬＥＤの活性層の材料は、InGaAlP、GaP等があるが、発光出力が比較的大きい、即ち、短絡電流Iscが比較的大きいInGaAlPが好ましい。
【００４３】
光半導体センサ２００は、発光素子１０のカソード電極３０からの入力をインピーダンス変換して出力するボルテージホロワ回路２１０をさらに備える。
【００４４】
ボルテージホロワ回路２１０は、例えば、CMOSオペアンプ２１５などの演算増幅器を有する。CMOSオペアンプ２１５の出力２４０は、CMOSオペアンプ２１５の反転入力端子２５０に接続され、負帰還されている。CMOSオペアンプ２１５の反転入力端子２５０は接地されておらず、かつ出力２４０と反転入力端子２５０との間には抵抗が設けられていない。従って、CMOSオペアンプ２１５の非反転入力端子２６０の電圧ＶＩは、増幅されることなく出力２４０から出力される。
【００４５】
尚、CMOSオペアンプ２１５には電圧源２３０が接続され、CMOSオペアンプ２１５の出力２４０には電圧検出器２２０が接続されている。
【００４６】
また、ボルテージホロワ回路２１０において、非反転入力端子２６０の入力インピーダンスは非常に高く、一方、出力２４０の出力インピーダンスは非常に低い。即ち、ボルテージホロワ回路２１０はインピーダンス変換に用いられている。
【００４７】
発光素子１０のアノード電極２０は基準電圧としてグランドへ接地されている。即ち、発光素子１０は、電圧が印加されていない開放状態である。
【００４８】
以下、光半導体センサ２００の動作を説明する。
【００４９】
光源６０からの光が透明樹脂５０を介して発光素子１０入射したときに、開放状態の発光素子１０に起電圧Ｖocが生じる。起電圧Ｖocは、入力インピーダンスの高い非反転入力端子２６０に入力され、ボルテージホロワ回路２１０によって低インピーダンスにインピーダンス変換された後、出力２４０から起電圧Ｖocのまま出力される。この出力２４０からの起電圧Ｖocを電圧検出器２２０が検出する。
【００５０】
図７は、本実施の形態による光半導体センサ２００における可視光の照度Evに対する起電圧Ｖocを示したグラフである。蛍光灯を光源としたときのグラフを実線で表し、白熱灯を光源としたときのグラフを破線で表している。また、横軸は可視光の照度Evをルクス（lx）の単位で表し、縦軸は発光素子１０からの起電圧Ｖocをボルト（Ｖ）の単位で表している。
【００５１】
図８は、黄色ＬＥＤに代えて緑色ＬＥＤを光半導体センサ２００へ用いた場合の可視光の照度Evに対する起電圧Ｖocを示したグラフである。横軸および縦軸は図７と同様であるので説明を省略する。
【００５２】
図７および図８と比較すると、蛍光灯と白熱灯との間における起電圧Ｖocの差は、緑色ＬＥＤよりも黄色ＬＥＤの方が小さい。即ち、黄色ＬＥＤを用いた光半導体センサ２００の分光感度特性の方が緑色ＬＥＤを用いた光半導体センサ２００の分光感度特性よりも視感度特性に近い。従って、本実施の形態においても、緑色ＬＥＤよりも黄色ＬＥＤを発光素子１０として用いる方が好ましいことがわかる。
【００５３】
本実施の形態による光半導体センサ２００の分光感度特性は、従来のSiフォトトランジスタの分光感度特性よりも視感度特性に近い。よって、本実施の形態による光半導体センサ２００は、第１の実施の形態による光半導体センサ１００と同等の効果を有する。
【００５４】
図９は、図７と同様に黄色ＬＥＤを用いた光半導体センサ２００における可視光の照度Evに対する起電圧Ｖocを示したグラフである。図９を用いて本実施の形態による光半導体センサ２００のさらなる効果を説明する。
【００５５】
一般に、LEDは、所定の範囲の順電圧によって発光する。LEDが発光するときに順電圧の取り得る電圧の範囲を発光電圧範囲とする。一方で、同じLEDに可視光を照射した場合には、LEDは起電圧Ｖocを出力する。起電圧Ｖocの取り得る範囲を開放出力電圧範囲とする。通常、発光電圧範囲の幅と開放出力電圧範囲の幅とはほぼ等しい。よって、発光電圧範囲および開放電圧範囲は、順電圧範囲と換言してもよい。
【００５６】
例えば、本実施の形態に用いられる黄色ＬＥＤは、約1.0ボルトの幅の発光電圧範囲を有する。従って、可視光が照射された場合には、黄色ＬＥＤは、約1.0ボルトの幅の開放出力電圧範囲を有する。ここで、実際の起電圧Ｖocは、約0.5ボルトから約1.5ボルトの開放出力電圧範囲を取り得るのは、CMOSオペアンプ２１５のオフセット電圧が約0.5ボルトだからである。即ち、周囲の環境が充分に暗い場合には、起電圧Ｖocは約0.5ボルトであり、周囲の環境が充分に明るい場合には、起電圧Ｖocは約1.5ボルトである。
【００５７】
本実施の形態によれば、発光電圧範囲または開放出力電圧範囲の約10％から約90％までの範囲において、起電圧Ｖocグラフの傾きが比較的大きい。即ち、可視光の照度Evの変化に対する起電圧Vocの変化が大きい。これは、本実施の形態による光半導体センサ２００が照度Evを高精度で検出することができることを意味する。
【００５８】
また、照度Ｅｖは、約１００ｌｘから約６００ ｌｘまでの間、約６００ ｌｘから約１０００ ｌｘまでの間、および約１５００ｌｘから約１０００００ ｌｘまでの間において線形に変化する。従って、ある起電圧Ｖｏｃの値に対して正確な照度Ｅｖが簡単に導出され得る。
【００５９】
従って、本実施の形態による光半導体センサ２００は、発光電圧範囲または開放出力電圧範囲の約10％から約90％までの範囲において、照度Evを高精度かつ正確に検出することができる。
【００６０】
尚、照度Evが100 lx以下の場合には、入射光の検出の精度が低下する。しかし、通常、日常における各場所および各活動における照明の照度Evは100lx以上かつ約100000 lx以下である。従って、照度Evが線形に変化する照度領域は、人間の生活に適した照度領域といえる。
【００６１】
本実施の形態において、ボルテージホロワ回路２１０は、発光素子１０や透明樹脂５０によってモールドされているその他の構成要素とともに1つのチップに一体形成されてもよい。それによって、さらに光半導体センサは、小型化され、そのコストが低下する。
【００６２】
【発明の効果】
本発明に従った光半導体センサは、発光素子を受光素子として用いることによって視感度特性により近い分光感度特性を有するため、視感度補正フィルタを必要としない。従って、本発明に従った光半導体センサによれば、視感度補正フィルタを必要とせず、小型になり、電気機器へ実装する面積がより小さくなる。
【００６３】
また、本発明に従った光半導体センサによれば、視感度補正フィルタを必要としないので、光半導体センサや光半導体センサを備えた電気機器のコストを軽減させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った第1の実施の形態による光半導体センサ１００の模式的回路図。
【図２】発光素子を光半導体センサへ用いた場合の分光感度特性および視感度特性を示すグラフ。
【図３】緑色ＬＥＤを光半導体センサ１００へ用いた場合の可視光の照度Evに対する出力電流１５（短絡電流Isc）を示したグラフ。
【図４】黄色ＬＥＤを光半導体センサ１００へ用いた場合の可視光の照度Evに対する出力電流１５（短絡電流Isc）を示したグラフ。
【図５】従来のSiフォトトランジスタを用いた光半導体センサにおける可視光の照度Evに対するコレクタ電流Icを示したグラフ。
【図６】本発明に従った第２の実施の形態による光半導体センサ２００の模式的回路図。
【図７】本実施の形態による光半導体センサ２００における可視光の照度Evに対する起電圧ＶＯＣを示したグラフ。
【図８】黄色ＬＥＤに代えて緑色ＬＥＤを光半導体センサ２００へ用いた場合の可視光の照度Evに対する起電圧Ｖocを示したグラフ。
【図９】光半導体センサ２００における可視光の照度Evに対する起電圧Ｖocを示したグラフ。
【図１０】  Siフォトトランジスタの分光感度特性、視感度特性および様々な光源の発光特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１０  発光素子
１５  出力電流
２０  アノード端子
３０  カソード端子
４０  ボンディングワイヤ
５０  透明樹脂
７０  電圧源
１００、２００  光半導体センサ
２１０  ボルテージホロワ回路
２１５  CMOSオペアンプ
２３０  電圧源
２４０  出力
２５０  反転入力端子
２６０  非反転入力端子
【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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