(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部に接続した一対の電極を表面に配置した受光素子において、前記受光部の下側に第１導電型不純物層と第2導電型不純物層を形成した受光素子であって、前記第１導電型不純物層と第2導電型不純物層を電極によって短絡したことを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記受光部はＰＮ型ダイオードもしくはＰＩＮ型ダイオードで構成したことを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項３】
不純物濃度の低い基板に受光部としての第１導電型不純物層と第2導電型不純物層を形成し、前記第1、第２導電型不純物層を基板表面と同方向に配置した受光素子において、前記第1、第２導電型不純物層とは異なる第1、第２導電型不純物層を裏面電極によって短絡した状態で前記基板の裏面に形成したことを特徴とする受光素子。
【請求項４】
前記受光部を構成する第１導電型不純物層を前記受光部を構成する第2導電型不純物層に接続した電極によって覆ったことを特徴とする請求項３に記載の受光素子。
【請求項５】
請求項1〜４のいずれかに記載の受光素子をリードに接着剤によって固定したことを特徴とする受光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は受光素子とそれを備える受光モジュールに係り、特にフィルタ機能、電磁シールド機能を強化した受光素子とそれを備える受光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
リモコン用の受光モジュール等に搭載される受光素子は一般に、赤外光用の受光素子で構成され、ＰＩＮ型フォトダイオードからなる受光部を図８に示すように基板の厚さ方向に形成したもの、あるいは図９に示すように基板の表面と同方向に形成したものが知られている。
【０００３】
図８に示す構造の場合は、Ｐ＋層に達した不所望の長波長光成分に起因するキャリアが拡散（Ｌｐで示す）して光電流として取り出される。また、図９に示す構造の場合は、長波長光成分に起因して空乏層（幅Ｗで示す）以外で発生したキャリアもその拡散長（Ｌｐ）範囲内であれば光電流に寄与する。この長波長光成分による光電流は本来必要とする赤外光による光電流ではないので、除去されるべきである。
【０００４】
そして、これらの素子は、可視光による誤動作を防ぐため可視光遮光用樹脂で覆われて使用される場合が多い。また、前記受光素子は電磁ノイズに対しても非常に弱く、受光モジュールとして誤動作の要因となってしまうので、これを防ぐ目的で受光モジュール内部に導電性フィルム（金属化フィルム）等を挿入したり、また、モジュールケースの受光窓にメッシュ構造を配している。一方、金属ケースではなく樹脂封止を行なっている受光モジュールでは、内部の受光素子表面にメッシュ状金属電導体を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
受光素子において、所要の波長光より長波長側の波長光を受光し、誤動作を生じてしまうことがあるので、この誤動作の発生を防止することを課題の1つとする。
【０００６】
また、赤外線受光モジュールを用いた照明器具においては、可視光の影響に対しては、受光モジュールまた受光素子を可視光遮光用樹脂により覆われたもの使用することで対応している。しかし、実際には、照明器具においては、蛍光ランプから発生する多数のスペクトル（光）の影響を抑えるためバンドパスフィルタ等を装着させている。また、近年では、その蛍光ランプの多灯化や高出力化が進み、従来以上に蛍光ランプのスペクトル（例えば、1013nm光）よる受光モジュールの誤動作がクローズアップされている。この様な背景のもと、可視光遮光用樹脂により覆われた受光素子の上部に、干渉フィルタを配置し、発生している不要スペクトルをカットした信号を受光するタイプや可視光遮光用樹脂内部に干渉フィルタを埋め込んだモジュールが用いられている。
【０００７】
しかしこの場合、受光モジュールとしては、部品点数が増加し、組み立て工数も増えコストアップにつながる。また、樹脂内部に埋め込む場合、干渉フィルタの取り付け精度、樹脂と干渉フィルタ間での樹脂剥離等の信頼性に問題が生じてくる。そこで本発明は、このような問題を解決することを課題の1つとする。
【０００８】
すなわち、受光モジュールの耐電磁ノイズ特性において、電磁シールドとして受光モジュール内部に装着する導電性フィルム（金属化フィルム）、モジュールケース受光窓のメッシュ構造を削除し部品点数を削減することを課題の1つとする。また、金属ケースではなく樹脂封止した受光モジュールにおいては、受光部の高濃度不純物層をグランドと等電位にし、シールド層とすることによりシールド効果を素子自体に持たせ、さらに、低工数・低コストで素子製造を可能とすることを課題の1つとする。
【０００９】
また、樹脂封止を行っている受光モジュールでは、内部の受光表面にメッシュ状     金属電導体を形成しているが、直接素子表面に電導体を形成したのでは等価的に素子表面で平行平板コンデンサーを生じてしまい、素子の容量が増大し、受光モジュールに搭載した場合、到達距離が短くなってしまう。そこで本発明は、その素子容量の増大を防止することを課題の1つとする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子は、請求項１に記載のように、受光部に接続した一対の電極を表面に配置した受光素子において、前記受光部の下側に第１導電型不純物層と第2導電型不純物層を形成したことを特徴とする。これにより、受光部を通過した光に起因して発生するキャリアを受光部の下側に配置した第１導電型不純物層と第2導電型不純物層によって効果的に吸収して消滅させることができる。
【００１１】
そして、前記第１導電型不純物層と第2導電型不純物層を電極によって短絡するとキャリアの消滅をより効果的に行なうことが出来る。また、請求項２に記載のように、前記受光部はＰＮ型ダイオードもしくはＰＩＮ型ダイオードで構成される。
【００１２】
本発明の受光素子は、請求項３に記載のように、不純物濃度の低い基板に受光部としての第１導電型不純物層と第2導電型不純物層を形成し、前記第1、第２導電型不純物層を基板表面と同方向に配置した受光素子において、前記第1、第２導電型不純物層とは異なる第1、第２導電型不純物層を裏面電極によって短絡した状態で前記基板の裏面に形成したことを特徴とする。これにより、受光部を通過した光に起因して発生するキャリアを受光部とは別に配置した第１導電型不純物層と第2導電型不純物層とそれらを短絡する電極によって効果的に吸収して消滅させることができる。
【００１４】
請求項４に記載のように、前記受光部を構成する第１導電型不純物層を前記受光部を構成する第2導電型不純物層に接続した電極によって覆うことがシールド効果を高める上で好ましい。
【００１５】
本発明の受光モジュールは、請求項５に記載のように、上記の受光素子をリードに接着剤によって固定した構造とすることが出来る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 図１は本発明の受光素子の第1の実施形態を示す断面図、図２はその平面図である。受光素子１は、不純物濃度が低い半導体基板2の表面に受光部３を形成し、基板２の裏面に不要キャリアを消滅させるためのダイオード４を形成している。このダイオード４は、受光部３を形成するダイオードとは別に形成される。
【００１７】
基板2は、実質的に真性と見なすことが出来る程度に不純物濃度が低いＳｉ基板を用いている。この例では、不純物濃度が４×１０13cm-3以下で、厚さが３００μｍ程度の第１導電型（Ｎ型）のＳｉ基板を用いている。この基板2は、高抵抗で例えば５００Ωｃｍ以上の比抵抗に設定され、低濃度不純物層（Ｎ−）として機能する。基板2は、不純物濃度が４×１０13cm-3以下で、厚さが３００μｍ程度の第２導電型（Ｐ型）のＳｉ基板を用いることも出来、この場合は低濃度の不純物層（Ｐ−）として機能する。
【００１８】
受光部３は、高濃度のＮ層（Ｎ＋）として機能する第1導電型の不純物層３ａと高濃度のＰ層（Ｐ＋）として機能する第２導電型の不純物層３ｂを備えて構成され、これらの層を基板２の表面と同方向に配置している。高濃度の第１導電型の不純物層３ａとして機能させるために、基板２の表面の不純物層３ｂの周囲に環状にＮ型不純物としてのリン（Ｐ）を拡散させている。このＮ型不純物層３ａは、シート抵抗が２０Ω／□程度、深さ（厚さ）が１〜２μｍに形成している。
【００１９】
一方、高濃度の第２導電型の不純物層３ｂとして機能させるために、基板２の表面中央部にＰ型不純物としてのボロン（Ｂ）を拡散させている。このＰ型不純物層３ｂは、不純物濃度が３×１０19ｃｍ-3程度、深さ（厚さ）が３μｍ程度に形成している。
【００２０】
基板２の表面には、表面保護膜および反射防止膜として機能する膜５ａを例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）によって形成している。受光部３の第1、第2導電型不純物層３ａ，３ｂとのコンタクトを行なうため 、フォトリソグラフィにより膜５ａの一部が除去されている。膜５ａの上には、アルミニウム等の金属を蒸着し、フォトリソグラフィにより不要部分を除去することによって、第1、第2導電型不純物層３ａ，３ｂとのコンタクトが行われた第1電極（以下、Ｎ側電極）６、第２電極（以下、Ｐ側電極）６を形成している。
【００２１】
この様な構成により、図9に示す構造と同様、フォトダイオードが横方向、すなわち基板表面と同方向に形成され、その一対の電極６，７が一方の面に形成された受光素子が得られる。
【００２２】
そしてこの基板２の裏面に、Ｎ型不純物として例えばリン（Ｐ）を拡散することにより、前記ダイオード４のＮ層として機能する第１導電型不純物層４ａを深さ（厚さ）が１５０μｍ程度に形成する。この第１導電型不純物層４ａは、横軸に不純物濃度、縦軸にその不純物濃度におけるキャリアのライフタイムを示した特性図において、不純物濃度を徐々に高めていった場合にキャリアライフタイムが急激に短くなり始める不純物濃度である１×１０16ｃｍ-3よりも大きな不純物濃度に設定（Ｓｉ基板の場合）され、例えば３×１０18ｃｍ-3程度の不純物濃度に設定されている。
【００２３】
さらに、基板２の裏面の第１導電型不純物層４ａ中央部に、Ｐ型不純物として例えばボロン（Ｂ）を拡散することにより、前記ダイオード４のＰ層として機能する第２導電型不純物層４ｂを深さ（厚さ）が８０μｍ程度に形成する。この第２導電型不純物層４ｂは、第１導電型不純物層４ａと同様の不純物濃度に設定される。
【００２４】
基板２の裏面には、酸化シリコンなどの絶縁膜５ｂを介して裏面電極８を形成している。この裏面電極８は、絶縁膜５ｂに形成したコンタクト用の孔を介して前記第１、第２の不純物層４ａ，４ｂに電気的に接続されている。したがって、前記第１、第２の不純物層４ａ，４ｂによって形成されるダイオードは、電極８によって短絡される。絶縁膜５ｂに形成するコンタクト用の孔は、前記第１導電型不純物層４ａと第２導電型不純物層４ｂの接合部分を外れて形成している。なお、場合によっては絶縁膜５ｂを介することなく直接裏面電極８を形成してもよい。
【００２５】
この実施形態の動作について、長波長光カットの効果を中心に説明する。まず、素子１に入射した光が、深さ方向に対し、光電流となる量子効率Ｒは、Ｒ＝１−ｅｘｐ（−αＷ）／（１＋αＬp）により表すことができる。ここで、Ｗは低濃度不純物領域の幅（逆バイアス時の電圧により拡がる空乏層幅）、αはある波長の光に対する光吸収係数、Ｌp は、裏面の高濃度不純物層におけるキャリアの拡散長である。従って、効率Ｒをあげるには、十分な低濃度不純物領域の幅Ｗを設ければよい。言いかえれば、希望する光による電流のみを取り出すには、不要な波長成分に対するＷの幅を規制すれば良いことになる。しかし、図８のような通常の受光素子の場合、Ｗの幅を規制しても、長波長の光によって高濃度不純物層（Ｐ＋）において発生したキャリア（拡散長Ｌｐの成分）が光電流に寄与してしまい、長波長成分による不要出力が十分低減できない。また、図９に示す受光素子の表面に形成された受光部においては、効率的に受光できる領域である空乏層は、電界が基板表面と平行に加わるため、空乏層の深さ方向への拡がりを抑制できるが、空乏層以外において発生したキャリア（拡散長Ｌｐの成分）が光電流に寄与してしまい、長波長成分によるが不要出力が十分低減できない。
【００２６】
しかしながら、第1の実施形態では、図1、２に示すように、低濃度の不純物領域２ａの幅を上記式にて計算される幅Ｗに規制する第１、第２導電型の高濃度の不純物層４ａ，４ｂを裏面に設けたので、この不純物層４ａ，４ｂに到達した長波長の光によって発生したキャリアを光電流に寄与する前にこの不純物層４ａ，４ｂ内部で短時間で消滅させることができる。
【００２７】
さらに、不純物層４ａ，４ｂを電極８によって相互に接続し、隣接した不純物層４ａ，４ｂによって構成されるダイオードを短絡した状態に保持しているので、不純物層４ａ，４ｂの各々で発生したキャリアを電極８を経路として相互にやり取りし、その間にキャリアを再結合によって消滅させることが出来る。ここで、上記の裏面不純物層４ａ、４ｂ並びに裏面電極８は、表面の電極（Ｎ側電極６、Ｐ側電極７）とは独立させて、実質的に電気的に絶縁した状態としている。
【００２８】
これにより、高濃度の不純物層４ａ（４ｂ）が低濃度の不純物領域２ａ（Ｎ−）（空乏層）の幅を最適幅Ｗに規制させるとともに、この不純物層４ａ（４ｂ）に達した不要な光成分に起因して発生するキャリアのライフタイムを短くし（Ｌｐを短くし）、拡散させない効果をもたらし、不要成分（長波長光成分）を十分にカットすることができる。
【００２９】
この実施形態においては、低濃度の不純物層２ａの幅（Ｗ）は、波長が１０００ｎｍ以上の入射光による信号の除去を目的とし９０μｍとした。ここで、裏面の高濃度不純物層４ａでのキャリアの拡散長を１μｍ、また、１０００ｎｍの入射波長光の吸収係数を７×１０1ｃｍ-1とした。図４に、図１に示す受光素子の分光感度特性Ａおよび図９に示す受光素子の分光感度特性Ｂを示す。１０００ｎｍの入射波長光の受光感度が従来に比べ約１／６に低減されている。
【００３０】
図３は、前記受光素子１を備える受光モジュールの実施形態を示す要部平面図である。このモジュールは、金属製のリードフレーム９に受光素子１をマウントし、それらを可視光遮光用の成分を含んだ絶縁性樹脂１０によって一体にモールドした構造としている。ここで、受光素子１は導電性もしくは絶縁性の接着剤１１により中央のリード１２にマウントしているが、マウントされたリード１２は他のリード１３，１４と切り離されて電気的に浮いている。そして両端に位置する他の２本のリード１３，１４とＮ側電極６並びにＰ側電極７との間に金線１５，１５等をワイヤボンディングすることで、受光素子１の検出信号を上面の電極６，７から金線１５，１５とリード１３，１４を介して取り出す構成としている。通常、受光素子１には逆バイアスの電圧が印可される。
【００３１】
上記の実施形態において、発光部３を構成する不純物層の導電型を逆の導電型とすること、すなわち、３ａをＰ型、３ｂをＮ型に変更することもできる。また、ダイオード４を構成する不純物層の導電型を逆の導電型とすること、すなわち、４ａをＰ型、４ｂをＮ型に変更することもできる。
【００３２】
図５、６は受光素子１のさらに他の実施形態を示すもので、受光面に電磁シールドを備えた構成例を示す。図５は、図6のＡ−Ａ断面図である。受光素子１は、図1に示す受光素子と同等の構成であるが、基板２表面にシールド用の電極１６を形成している点などで相違している。そこで、先の実施井形態と同等の構成は説明を省略し、相違点を中心に本実施形態を説明する。
【００３３】
絶縁層５ａ上に形成されたＰ側電極７は、不純物層３ａの大部分を覆うように不純物層３ａよりも幅広に形成されている。そして、Ｐ側電極７は、Ｎ側電極６が形成された領域を除いて、不純物層３ａの上を覆うように環状に形成されて、前記シールド用の電極１６を構成している。すなわち、Ｐ側電極７の形状に変更を加えてシールド用の電極１６を一体的に形成している。この電極１６によって、その下に位置する不純物層３ａへの光を遮光することが出来る。
【００３４】
図７は、図５，６に示す受光素子１を搭載した受光モジュールの実施形態を示す。この受光モジュールは、光検出部としての前記受光素子１とその駆動用であるＩＣ１７を共通のフレーム９上に配置し、それらを樹脂１０によってモールドした１モールド型の構成としている。樹脂１０は可視光遮光用の材料を含有した絶縁性樹脂を用いているが、その他の樹脂でモールドすることもできる。
【００３５】
一般に、１チップで光検出部、駆動ＩＣ部を構成したモノリシックタイプでは、光検出部の光感度が不十分であるとの理由により、このモジュールは、高速性・高感度性に優れた受光素子１と駆動用ＩＣ１７とを組み合わせた２チップ構造を採用している。すなわち、フレーム９上に、前記受光素子１を接着剤１８によって固定配置し、ＩＣ１７を導電性接着剤１９によって固定配置している。そして、両者の間の接続は、受光素子１のＮ側電極６とＩＣ１７の増幅回路部を金線２０等で配線するのみとなっている。発光素子１のＰ側電極７は、金線２１等でフレーム９に配線してアース電位に接続している。
【００３６】
上記のように共通のフレーム９上に絶縁性もしくは導電性の接着剤１８により受光素子１をボンディングし、このフレーム９に、受光素子１表面の電極７を配線することにより、電磁ノイズを受けやすい受光素子１の上下を同一電位で挟みこむ構造となり、効果的な電磁シールドが形成される、さらに、高ゲインの不純物層３ａの上部もシールド用の電極１６によって遮光することができる。
【００３７】
図７示す受光モジュールは、電磁シールド性をより高めるために、受光素子１の側面をフレ―ム９と同電位で覆うための構造を備えている。すなわち、フレーム９に受光素子１の側面と同等の高さの壁２２を一体に形成し、この壁２２も利用しながら電磁シールドを行なっているが、フレーム９の一部を落としこんでくぼみを形成し、その中に受光素子１をマウウントしても良い。素子１側面を覆う壁２２は、１面でも良いが、素子の４面を覆うように複数面配置するのが好ましい。この壁２２は、構成上必ずしも必要ではないが、シールド効果を高める上では有用である。
【００３８】
尚、上記の説明は、ＰＩＮフォトダイオード型の受光素子１を例にとったが、本発明はこれらに限られるものではなく、ＰＮ型の一般のフォトダイオード、駆動用のＩＣと同一基板上に形成されたＩＣに内臓の受光素子についても適用できる。
【００３９】
また、図５〜７に示す上記実施形態も、先の実施形態と同様に、不純物層の導電型をＰＮ逆極とすることができる。基板２の導電型を逆の導電型とすること、すなわち、３ａをＰ型、３ｂをＮ型に変更することもできる。また、発光部３を構成する不純物層の導電型を逆の導電型とすること、すなわち、Ｐ型に変更することもできる。また、ダイオード４を構成する不純物層の導電型を逆の導電型とすること、すなわち、４ａをＰ型、４ｂをＮ型に変更することもできる。
【００４０】
また、電極８によって不純物層４ａ，４ｂを短絡する場合は、不純物層４ａ，４ｂで発生したキャリアのライフタイムが長くても、電極８を介して再結合させることができるので。不純物層４ａ，４ｂの不純物濃度を上述のような高濃度にしなくても良く、例えば１×１０16ｃｍ-3よりも小さな不純物濃度に設定することができる。
【００４１】
以上の実施形態によれば以下の効果を奏することができる。
【００４２】
まず、（１）受光素子自体に長波長光に対する感度を低減するカットフィルタ機能を有することができ、従来、照明器具において、蛍光ランプから発生する多数のスペクトル（光）の影響を抑えるためバンドパスフィルタ等を装着させ、また、近年では、その蛍光ランプの多灯化や高出力化が進み、従来以上に蛍光ランプのスペクトル（例えば、1013nm光）よる受光モジュールの誤動作がクローズアップされ、可視光遮光用樹脂により覆われた受光素子の上部に、干渉フィルタを配置し、発生しているスペクトルをカットした信号を受光するタイプや可視光遮光用樹脂内部に干渉フィルタを埋め込んだモジュールが用いられているが、この場合、受光モジュールとしては、部品点数が増加し、組み立て工数も増えコストアップにつながり、サイズも制限されるが、これを解消でき安価な超小型のモジュールが可能となる。
【００４３】
（２）樹脂内に埋め込む場合、干渉フィルタの取り付け精度・樹脂と干渉フィルタ間での樹脂剥離等の信頼性に問題が生じるが、この様な不安定性が、排除できる。接合部（空乏層以外）での発生キャリアを防止できるため、拡散成分を抑え、ドリフト成分のみに出来、高速応答性が得られる。
【００４４】
（３）受光素子自体に素子表面かつ素子側面において電磁シールド機能を有することにより、金属導電体を電磁シールドとして用いた場合、入射光が金属導電体により反射され、実効的受光面積が減少する（入射光ロス）が、これを解消できる。金属導電体を電磁シールドとして用いた場合、実効的受光面積が減少するため、あまり広域に金属導電体を受光素子表面に配置することができない事から有効な電磁シールドとしては、不十分であるが、上記実施形態では、受光素子表面自体がシールド層となるため十分な電磁シールド効果が得られる。樹脂封止を行なっている受光モジュールでは、内部の受光素子表面にメッシュ状金属導電体を形成しているが、直接素子表面に電導体を形成するため、等価的に素子表面で平行平板コンデンサーを生じてしまい、素子の容量が増大し受光モジュールに搭載した場合到達距離が短くなってしまう。しかしながら、上記実施形態によれば、素子容量の増大を防止でき、受光モジュール搭載時の到達距離を損なわれない。受光素子自体に電磁シールド機能を有する為、従来、耐電磁ノイズとして、受光モジュール内部に装着した導電性フィルム（金属化フィルム）、更には、モジュールケース受光窓のメッシュ構造をもが不要となる。以上ように、電磁シールド用部品が削除できるため、超小型受光モジュールが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ノイズの影響を受け難くして誤動作の発生を防止することができる。部品点数、組み立て工数の削減を図ることができる。素子容量の増大を防止して高速応答性を図ることができる。小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の受光素子の実施形態を示す断面図である。
【図２】同実施形態の平面図である。
【図３】本発明の受光モジュールの実施形態を示す平面図である。
【図４】分光感度特性を示す図である。
【図５】本発明の受光素子の他の実施形態を示す断面図である。
【図６】同実施形態の平面図である。
【図７】本発明の受光モジュールの他の実施形態を示す模式的な断面図である。
【図８】従来例を示す概略的な断面図である。
【図９】他の従来例を示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
１  受光素子
２  基板
３  受光部
４  ダイオード
【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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