JPH0410581A

JPH0410581A - 光位置検出用半導体装置

Info

Publication number: JPH0410581A
Application number: JP2110084A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kawamura; 和彦河村; Yoji Morikawa; 森川　陽二
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1992-01-14
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: JPH0766983B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は半導体素子の表面に照射された入射光あるいは
放射ｍ（以下光という）の位置を検出する光位置検出用
半導体装置に関するものである。

［従来の技術］半導体光ビーム位置検出素子（以下ＰＳＤＰｏｓｉｔｉ
ｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｉｔｅｃｔｏｒという）
は、半導体素子表面に照射された光ビームの位置検出を
主たる機能とする半導体センサの一種である。

ＰＳＤによる光ビーム位置検出の原理は、半導体表面に
おけるＬａｔｅｒａｌ　Ｐｈｏｔｏ　Ｅｆｆｅｃｔを利
用したもので、その概略は以下の通りである。

即ち、この素子に入射してくる光のエネルギーによって
半導体素子の中に電流か生成され、この電流か素子端部
に少くとも二つ以上設けられた電極に向って流れる際に
、その電流の大きさか電極までの距離に反比例して変る
ため、発生する光電流の大きさを各電極において別々に
測り、簡単な演算を行えば、入射光ビーム位置を知るこ
とかてきる。

第６図（ａ）は従来のＰＳＤを説明するための平面図、
同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−ＢＩＩｒ面図である。第
６図において、低濃度のｎ−型半導体ウェハ３１の第一
面にＰ型層３２の正方形３３の部分を形成し、この正方
形３３を受光面とし、このｐ型の正方形３３の端部の対
向する２辺に沿って高濃度のｐ″″領域３４．３５を形
成し、ｐ１領域３４．３５の表面に金属電極３７．３８
を設けて出力電極とし、この電極以外の正方形３３から
なる第１面上に透明な絶縁層３６か形成されている。そ
して、ｎ−型半導体ウェハ１の第１面の裏側の第２面に
ｎ３層３９を形成し、このｎ′″層３９の一部に電極４
０か設けである。

この結果、第６図（ａ）、（ｂ）のＰＳＤは受光面の中
心を原点０とし、電極のない２辺４１゜４２に並行にＸ
軸を、電極３７．３８に並行にＹ軸をとり、電極３７と
３８の間隔を２Ｌとすると受光面の点Ｑ（ｘ、ｙ）に点
状の光か入射したとき各電極３７．３８に流れる電流り
、Ｉ８は、ＩＴ　＋ｒ、＝Ｉ。

とすると、Ｉ　７＝　Ｉ　ｏ（ｌ　　ｘ／　Ｌ）　／　２Ｉ　ａ　
”　Ｉ　ｏ　　（１＋　Ｘ　／　Ｌ　）　／　２となり
、Ｉａ　　　Ｉ７＝　Ｉｏ　　”　ｘ／Ｌｘ−Ｌ　（１８
ＩＴ　）／ＩＯから、位置座標Ｘはｘ＝Ｌ　（Ｉａ　　ＩＴ）／　（Ｉａ　＋Ｉ７）”−”
　（＋）から求められる。

また、第６図（ｃ）に示すように、ＰＳＤの２層３３上
に、電極３７．３８の辺とは異る２辺４１．４２に沿っ
て対向する高濃度Ｐ″″″領域びその表面に金属電極４
３．４４を設けて、同様な原理てｙ座標を求めることに
より２次元ＰＳＤとして機能させることか可能である。

［発明か解決しようとする課題］しかしながら、この２次元ＰＳＤの場合には、電極３７
．３８および電極４１．４２か相互に影響を及ぼし合い
、すなわち、例えばＸ方向の位置を求めるのに用いる電
流Ｉ６．Ｉ７の大きさか電極４３．４４の影響を受け、
その度合か光ビームのＹ方向の入射位置によって変化す
るため、位置座標Ｘかもはや（１）式によっては表され
ず、その結果、位置検出特性か第４図（ｂ）に示すよう
に、光ビーム位置を中心部で広く、周辺部て狭く検出す
る非直線的な光位置検出特性を示すという問題をもって
いた。

二次元光位置検出器におけるこのような非直線性の問題
を改善するために、雑誌「光学」第１２巻第５号（１９
８３年）３６７〜３７３頁に記述されているように、電
流分割層を表面と裏面にもつ両面分割型ＰＳＤと、Ｇｅ
ａｒの提案による、分割抵抗面の周辺を特定の抵抗値を
持つ線抵抗て囲んだ、通称ビンクツション型ＰＳＤか考
案され既に市販されている。

しかしながら、前者は検出器の漏れ電流が大きい２枚の
均一性の高い分割抵抗層を必要とするので、製作歩留り
か低いという欠点を持つ。

また、後者は分割抵抗層の面抵抗と線抵抗の比率を厳密
に一致させる必要があることから、製作か難しく、一致
度か悪いと光位置検出特性が劣化する問題点を持ってい
る。

本発明は上記問題点を解決し、位置検出特性の良い２次
元ＰＳＤ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］本発明は、結晶質半導体の第一導電型基板。

該基板の第一面の中心領域に形成された第二導電型層、
該第二導電型層の周辺端部あるいは周辺端部に隣接する
第一導電型基板第一面上に、辺に沿って形成された対向
する二対の帯状電極、および第一導電型基板の第二面に
形成された電極を基本構造とする二次元光位置検出装置
において、光電流分割層として機能する第二導電型層領
域と、該帯状電極との間に電界効果トランジスタを介在
させ、両者を電気的に連結あるいは遮断可能とし、各対
向電極間の影響をなくし、上記問題点を解決したもので
ある。

［作用］以上説明したように、本発明により、従来大きな位置検
出の非直線性を有していた、表面分割型二次元光位置検
出器の特性か格段に改善される。

従来型の素子に対して、付加した構造か単純なため製造
プロセスの追加か少く、また、付加する機能がアナログ
的ではなく、オン／オフのデジタル的機能であるため、
設計パラメータとプロセスパラメータの許容範囲か広く
製作も容易である。

［実施例］第１図はこの発明の一実施例であるＰＳＤの構造を示し
た図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）
のＡ−Ａ断面図である。

第１図において、１は第一導電型基板としてのｎ型Ｓｉ
単結晶基板、２は第二導電型層としてのＰ型層、１３は
電流取出し用金属電極、４は電流取出し用金属電極１３
かｐ型層２と良好な電気的接触を得るための低抵抗１０
層、５は裏面側電極用低抵抗ｎ＋層、６はフィールド酸
化膜、１８゜１９は電圧印加用金属電極からなるゲート
電極。

７は絶縁膜である。ゲート電極１９およびｐ型層２と絶
縁膜７のうち１０で示される領域か電界効果トランジス
タ（以下ＦＥＴという）を形成し、ｐ型層２の８に示す
電流分割層領域と、９て示される電流取出し電極領域を
電気的に連結あるいは遮断可能なスイッチとして機能す
る。即ち、図に示す構造の場合、トランジスタはデプレ
ッション型ＦＥＴ特性を示し、ゲート電極１９に正の電
圧を印加することにより、ゲート電極１９の直下のｐ型
層２の領域か高抵抗化し、８と９の領域か電気的に遮断
される。

即ち、第１図において、同電位に保たれた帯状電極であ
る電流取出し用の電極１２，１３゜１４．１５を基準に
して裏面電極５に正の電圧を印加し、装置をＰＳＤとし
て動作させる場合に於て、帯状電極であるゲート電極１
８と１９に正の電圧を印加することにより、電極１２と
１３が電流分割層８から電気的に切離され、光発生電流
かこれら電極に流出することがないので、光位置検出装
置は電流取出し電極として１４と１５だけを持つ、図の
垂直方向の位置を検出する１次元のＰＳＤと等価となり
、電極１２と１３による悪影響のない、（１）式て位置
座標か正確に計算される特性を示す。光ビームの、これ
と直交する方向の位置座標を求めるには、同様に帯状電
極であるゲート電極１６と１７に正の電圧を印加すれば
、電極１４と１５が８から電気的に切離された光位置検
出装置は、電流取出し電極として１２と１３だけを持つ
、図の水平方向の位置を検出する１次元のＰＳＤと等価
となり電極１４と１５による悪影響のない、（１）式で
位置座標か正確に計算される特性を示す。

従って、対向するゲート電極の組に交互に正の電圧を印
加して、一対の電流取出し電極を電気的に切離す一方、
電気的に連結されている電流取出し電極からの電流から
位置情報を交互に求めることにより、正確な二次元位置
座標を得ることかできる。

第４図（ａ）は、このようにして動作させた本発明によ
る２次元ＰＳＤの、格子模様状に光ビームを振った場合
の特性を評価した時の結果である。

第４図（ｂ）は、同し装置をゲート電極に電圧を印加し
ないて、従来型素子と同様の動作をさせたときの、同様
な特性の評価結果を示す。第４図（ｂ）から分るように
、中心部分て広く周辺部分て狭い位置検出特性の非直線
性が、同図（ａ）では著しく小さくなり、格子模様の間
隔か中心部。

周辺部とも一様で、この装置の場合、非直線性は２桁以
上改善されている。

以上の説明は、ＦＥＴとしてテブレ、ｙジョン型の場合
、さらにそのうちても構造か単純て製作か容易な、光電
流分割層をそのままソース、ドレイン、チャネルとして
利用する型について記述したが、ドレイン、チャネルの
うち、１つ以上を光電流分割層とは独立に形成するデプ
レッション型ＦＥＴを採用することも勿論可能である。

この構造の一例を第２図に示す。この例てはチャネル領
域２０のみソース領域と同様に光電流分割層をそのまま
利用し、ドレインが専用の低抵抗ｐ＋領領域２から構成
されている。

また、ＦＥＴとしてエンハンスメント型を用いることも
勿論可能である。

この構造の一例を第３図に示す。この例ては、ソース領
域２１は光電流分割層をそのまま利用しチャネル領域２
３はｎ型基板ｌか利用され、ドレインが専用の低抵抗ｐ
＋領領域２から構成されている。この場合には、ゲート
電極に電圧を印加しない場合に電気的接続が実効的にな
い電流分割領域と電流取出し電極が、負の電圧印加によ
り電気的に連結され、ゲート電極に印加する電圧の向き
か逆になるが、機能上はデプレッション型と同等の動作
をさせることか可能となる。

さらに、ＦＥＴのケートとしてポリシリコンゲートな、
また、ＦＥＴとしてショットキーケート型ＦＥＴ、Ｐｎ
接合型ＦＥＴを用いることも勿論可能である。

また、以上の説明はｎ型基板を用いる場合について記述
したが、Ｐ型基板を用いることも勿論可能である。この
場合、以上の説明においてｎ型。

Ｐ型を入換え、必要に応じて電圧の極性を逆転すれば良
い。

さらに、この発明における考え方は、素材として結晶質
てあればＳｉに限定されるものてはなく、Ｇｅ等の単元
素半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰに代表される■−ｖ族化合
物半導体、更にはこれらの元素の一部を周期律表の同族
の元素て置換えた半導体、およびＣｄＴｅ、ＺｎＳに代
表されるＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、更にはこれらの元
素の一部を周期律表の同族の元素で置換えた半導体を用
いることも勿論可能である。

以下に製造方法の一例を第１図を用いて説明する。

第１図において、１はｎ型Ｓｉ単結晶基板である。湿式
および乾式熱酸化により、６０００人の酸化膜を形成し
、表面のｐ型層２となる領域の酸化膜と裏面の酸化膜を
フォトエッチンクにより除去して、２０００人の酸化膜
を乾式酸化により形成し、ｐ型層２となる部分にボロン
を２．５×１０１２／ｃｍ２の濃度にイオン注入する。

さらにフォトエッチンクによりフォトレジストをパター
ニングしてこれに窓を開け、ボロンを３、　ｏｘ　ｌ　
Ｏ”／ｃ■２の濃度にイオン注入して、低抵抗ｐ＋層４
を形成する。裏面にリンを３．Ｏｘ　１０１５／ｃｍ２
の濃度にイオン注入して裏面側電極用低抵抗ｎ゛層５を
形成する。低抵抗ｐ゛層４の上部の酸化膜をエツチング
により除去する０次に１０００°Ｃてアニールし、注入
不純物を活性化する。エツチングにより２０００人の酸
化膜厚を１０００人まて薄くする。アルミニウムを表面
前面に蒸着し、フォトエツチングにより電流取出し用電
極１３と、電圧印加用のゲート電極１９を形成し、熱処
理してアルミニウムをシンターする。

最後にこうして一枚のウェハ上に作られた多数のＰＳＤ
チップを個々のチップに分割し、透明ガラス窓付きケー
スにマウントして配線を施し完成する。

次に、本発明装置の動作について説明する。

第１図（ｂ）において、ゲート電極１９およびｐ型層２
と絶縁膜７のうち１０て示される領域かＦＥＴを形成し
、Ｐ型層２の８に示す電流分割領域と９て示される電流
取出し電極領域を電気的に連結あるいは遮断可能なスイ
ッチとして機能する。即ち、図に示す構造の場合、ＦＥ
Ｔはデプレッション型ＦＥＴ特性を示し、ゲート電極１
９に正の電圧を印加することによりｐ型層２のうち、ケ
ート電極１９の直下のｐ型層２の領域の可動電荷が空乏
化することにより高抵抗化し、８と９の領域か電気的に
遮断される。

第５図は、ゲート電極１９に電圧を印加したときにｐ型
層２に流れる電流が変化する様子を示す。即ち、ケート
電極１９の電圧かＯｖのとき、９７ｕ、Ａの電流か１２
．ＯＶては殆ど０になる。

この時のｐ型層２の実効的抵抗値は前者の場合１０．３
にΩ、後者の場合２９４ＭΩと測定され、後者の場合十
分に８と９の間か電気的に遮断されていることが分る。

第１図において、同電位に保たれた電流取出し電極１２
，１３，１４．１５を基準にして（以下電圧はこの電圧
を基準にして測った値を用いる）裏面電極５に正の電圧
、例えば、６■を印加し、光ビームを照射すると、発生
した光電流は電流取出し電極１２，１３，１４．１５に
光ビームの位置に応じて分割されて流れる。この時ゲー
ト電極１８と１９に正の電圧、例えば、１２Ｖを印加す
ると、ｐ型電流分割層のこれらのゲート電極直下の領域
が高抵抗化し、電極１２と１３か電流分割層８から電気
的に切離され、光発生電流かこれら電極に流出すること
がないので、光位置検出装置は電流取出し電極として、
１４と１５だけを持つ図の垂直方向の位置を検出する１
次元のＰＳＤと等価となり、電極１２と１３による悪影
響のない、（１）式で位置座標か正確に計算される特性
を示す。

次にゲート電極１８と１９をＯＶに戻し、ゲート電極１
６と１７に正の電圧１２Ｖを印加すれば、同様な機構で
電極１４と１５か８から電気的に切離され、光位置検出
装置は電流取出し電極として１２と１３だけを持つ１図
の水平方向の位置を検出する１次元のＰＳＤと等価とな
り、電極１４と１５による悪影響のない、（１）式で位
置座標か正確に計算される特性を示す。

このように、対向するゲート電極の組に第７図に示すよ
うな交番電圧を交互に印加して一対の電流取出し電極を
電気的に切離す一方、電気的に連結されている電流取出
し電極からの電流から位置情報を交互に求めることによ
り、正確な二次元位置座標を得ることがてきる。

第４図（ａ）は、このようにして動作させた本発明によ
る電流取出し電極間距離４．８■■をもつ正方形の２次
元ＰＳＤの１面積４×４■■２の範囲て光ビームを５０
ｇｍ間隔て格子模様状に振った場合の位置検出特性を示
す。第４図（ｂ）は同し装置をゲート電極に電圧を印加
しないて従来型素子と同様の動作をさせた時の同様な特
性を示す。

第４図から分るように（ｂ）に見られるような中心部分
て広く、周辺部分て狭い位置検出特性の非直線性が、（
ａ）ては著しく小さくなり、格子模様の間隔か中心部９
周辺部ともほぼ一様になっていることか分る。図に示す
素子の場合、中心を原点にして水平にＸ軸、垂直にＹ軸
をとった時、４■■の範囲内における両軸上の非直線性
は、約７％から０．０５％に２桁以上改善されている。

以上の説明は、ＦＥＴとしてデプレッション型の場合、
さらにそのうちても構造か単純て製作か容易な、光電流
分割層をそのままソース、ドレイン、チャネルとして利
用する型について記述したが、ドレイン、チャネルの１
つ以上を光電流分割層とは独立に形成するデプレッショ
ン型ＦＥＴを採用することも勿論可能である。

この構造の一例を第２図に示す。この例ては、光電流分
割層２の周辺部をソースおよびチャネルにそのまま利用
し、ドレインは専用の低抵抗Ｐ゛層２２から構成されて
いる。この構造は、実施例１て説明した製造方法におい
て、低抵抗ｐ゛層４を形成するための酸化膜のフォトエ
ツチングのパターンを第２図の低抵抗２９層２２に変更
することにより製作した。

光ビーム位置検出特性は第４図（ａ）とほぼ同様な結果
が得られた。

さらに、ＦＥＴとしてエンハンスメント型を用いること
も勿論可能である。この構造の一例を第３図に示す。

この例では、ソース領域２１には光電流分割層２の周辺
部をそのまま利用し、チャネル領域２３はｎ型基板かそ
のまま利用され、ドレインは専用の低抵抗ｐ＋層２２か
ら構成されている。この場合には、ゲート電極に電圧を
印加しない場合に、電気的接続か実効的にない電流分割
領域と電流取出し電極間が、負の電圧印加により電気的
に連結され、デプレッション型と機能上は同等の動作を
させることか可能となる。この構造は、実施例２て説明
した製造方法において、Ｐ型層２を形成するための酸化
膜のフォトエツチングのパターンを第３図のｐ型層２の
ように、周辺部をソース領域２１に留める位置に変更す
ることにより製作した。光ビーム位置検出特性は第４図
（ａ）とほぼ同様な結果が得られた。

［発明の効果］以上説明したように、本発明により、従来大きな位置検
出の非直線性を有していた表面分割型二次元光位置検出
器の特性か格段に改善された。

二次元光位置検出器における非直線性の問題を改善する
ために、従来から考えられている電流分割層を表面と裏
面にもつ両面分割型ＰＳＤや、Ｇ　ｅ　ａ　ｒの提案に
よる分割抵抗面の周辺を特定の抵抗値を持つ線抵抗て囲
んだ、通称ビンクツション型ＰＳＤが、前者においては
漏れ電流が大きくなる欠点や、製作歩留りか低くなる欠
点、後者においては分割抵抗層の面抵抗と線抵抗の比率
を厳密に一致させる必要かあり、一致度か悪いと光位置
検出特性か劣化する欠点を持つのに対し、本発明による
ＰＳＤは従来型の素子に対して付加した構造か単純なた
め、製造プロセスの追加か少く、また付加する機能かア
ナロク的てはなく、オン／オフのデジタル的槻能である
ため、設計パラメータとプロセスパラメータの許容範囲
か広く、設計か簡単て製作も容易てあり、高い歩留りで
製作可能である。

また、副次的効果として、任意の一対のゲート電極に十
分な大きさの直流電圧を印加することにより、所望する
方向の一次元のＰＳＤとして動作させることも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例であるＰＳＤの構造を示し
た図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）
のＡ−Ａ断面図、第２図は本発明の他の実施例であるデ
プレッション型ＦＥＴを採用した構造の一例の断面図、
第３図は本発明のさらに他の実施例であるエンハンスメ
ント型ＦＥＴを用いた構造の一例の断面図、第４図（ａ
）は本発明による２次元光位置検出装置の特性を評価し
た吟の結果を示す図、同図（ｂ）は同し装置をゲート電
極に電圧を印加しないて、従来型素子と同様の動作をさ
せた時の特性の評価結果を示す図、第５図はゲートに電
圧を印加した時に電流分割層に流れる電流か変化する様
子を示す図、第６図（ａ）は従来のＰＳＤを説明するた
めの平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ％面図、
同図（ｃ）は同図（ａ）の詳細を示した図、第７図は本
発明における必要なゲート電圧波形を示す図である。図中、１：ｎ型Ｓｉ単結晶基板２：Ｐ型層４：低抵抗２１層５：裏面側電極用低抵抗ｎ＋層６：フイールト酸化膜７：絶縁膜８：電流分割層領域９．電流取出し電極領域ｌＯ０電界効果トランジスタ領域１２．１３，１４，１５：電流取出し電極１６．１７，
１８，１９：ゲート電極２０：チャネル用ｐ領域２１：ソース領域２２ニドレイン用低抵抗ｐ０領域２３：チャネル領域３２：ｐ型層３３：Ｐ型層受光面３４．３５：ｐ”層３６：絶縁層３７．３８：金属電極３９：ｎ＋層４０：電極４１．４２：電極のない２辺４３．４４：金属電極代理人　弁理士　１）北　嵩　晴第図第図（ｂ）第１図（ａ）第４図（ａ）（ｂ）第図（ｂ）第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）方形の結晶質半導体の第一導電型基板、該第一導
電型基板の第一面の中心領域に形成された第二導電型層
、該第二導電型層の周辺端部あるいは周辺端部に隣接す
る第一導電型基板第一面上に、各辺に沿って形成された
対向する二対の帯状電極群、及び前記第一導電型基板の
第二面に形成された電極を基本構造とする二次元光位置
検出装置であって、光電流分割層として機能する前記第
二導電型層領域と、前記二対の帯状電極との間に電界効
果トランジスタを介在させ、両者を電気的に連結あるい
は遮断可能としたことを特徴とする光位置検出用半導体
装置。
（２）光電流分割層として機能する第二導電型層領域と
、帯状電極との間に介在させる電界効果トランジスタが
、前記第二導電型層領域の幅の全域あるいは８０％以上
の幅をもつ第二導電型のソース、ドレイン、チャネルお
よびチャネル上に絶縁膜を介して形成されたゲートから
成り、ゲート電極にゲート電圧を印加しない時、ソース
、ドレイン間の抵抗が実効的に導通状態にあり、必要な
電圧をゲートに印加することにより、ソース、ドレイン
間が実効的に遮断するいわゆるデプレッション型電界効
果トランジスタであることを特徴とする請求項（１）に
記載の光位置検出用半導体装置。
（３）光電流分割層として機能する第二導電型層領域と
、帯状電極との間に介在させる電界効果トランジスタが
、ゲート電極にゲート電圧を印加しない時、ソース、ド
レイン間の抵抗が実効的に導通状態にある、いわゆるデ
プレッション型電界効果トランジスタであり、光電流分
割層の周辺部が該トランジスタのソース領域、ドレイン
領域、チャネル領域を構成し、チャネル領域の上に絶縁
膜を介して形成された帯状ゲート電極とで該電界効果ト
ランジスタを構成することを特徴とする請求項（１）に
記載の光位置検出用半導体装置。（４）光電流分割層と
して機能する第二導電型層領域と、帯状電極との間に介
在させる電界効果トランジスタが、前記第二導電型層領
域の幅の全域あるいは８０％以上の幅をもつ第二導電型
のソース、ドレインと、第一導電型チャネルおよびチャ
ネル上に絶縁膜を介して形成されたゲートから成り、ゲ
ート電極にゲート電圧を印加しない時、ソース、ドレイ
ン間の抵抗が実効的に遮断状態にあり、必要な電圧をゲ
ートに印加することによリソース、ドレイン間が実効的
に導通する、いわゆるエンハンスメント型電界効果トラ
ンジスタであることを特徴とする請求項（１）に記載の
光位置検出用半導体装置。