CN104756254A - 光传感器 - Google Patents

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Abstract

光传感器具有半导体基板(10)、在半导体基板(10)上形成的绝缘膜(12)、在半导体基板(10)上形成的受光部(20)、以及隔着绝缘膜(12)在半导体基板(10)上形成的电极(30)。受光部(20)具有将光变换为电荷的受光元件(21)、和对受光元件(21)中积蓄的电荷进行放电的复位元件(22)。电极(30)具有用于向复位元件(22)施加控制电压的第一电极(31)。第一电极(31)具有遮光性。受光元件(21)的受光面的形状通过第一电极(31)来规定。

Description

光传感器
相关申请的交叉引用
本申请基于2012年12月17日申请的日本申请号2012－274959号，此处引用其记载内容。
技术领域
本申请涉及在半导体基板上形成了受光部的光传感器。
背景技术
以往，例如如专利文献1所示，提出了在半导体基板上形成了多个光电二极管，在其形成面上形成了具有透光性的透光层，在该透光层上形成了具有遮光性的遮光掩膜，在该遮光掩膜上形成了多个光传播区域的光传感器。在该光传感器中，通过遮光掩膜的光传播区域，规定了入射到光电二极管的受光面的光的范围。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利6875974号说明书
发明内容
在专利文献1所示的光传感器中，成对的两个光电二极管在左右方向上排列，入射到这两个光电二极管各自的受光面的光的范围通过位于两个光电二极管的上方的一个光传播区域来规定。从而，在光从左方入射到光传感器的情况下，右方的光电二极管的输出信号变得比左方的光电二极管的输出信号大。与此相反，在光从右方入射到光传感器的情况下，左方的光电二极管的输出信号变得比右方的光电二极管的输出信号大。从而，通过比较成对的两个光电二极管的输出信号，能够检测出光是从左方入射的还是从右方入射的。
然而，如上所述，在专利文献1所述的光传感器中，两个光电二极管共享一个光传播区域。这是为了检测出光是从左方入射的还是从右方入射的，但为了达成该目的，必须在半导体基板上确保左方的光电二极管与光传播区域之间的距离、以及右方的光电二极管与光传播区域之间的距离这两个距离。因此，存在光入射到半导体基板的非意图的区域，由于该入射的光而产生的电荷引起光的检测精度降低的顾虑。
本申请的目的在于提供抑制了光的检测精度的降低的光传感器。
根据本申请的一例，光传感器具有在一面上形成了绝缘膜的半导体基板、在该半导体基板的一面的表层上形成的受光部、以及隔着绝缘膜在一面上形成的电极。受光部具有将光变换为电荷的受光元件、和对该受光元件中积蓄的电荷进行放电的复位元件。电极具有用于向复位元件施加控制电压的第一电极。第一电极具有遮光性，受光元件的受光面的形状通过第一电极来规定。
由此，绝缘膜的厚度成为能够向复位元件施加控制电压的程度。因此，在绝缘膜上形成的具有遮光性的电极与半导体基板的一面即受光元件的形成面之间的距离成为能够向复位元件施加控制电压的程度。从而，与为了规定对光电二极管的入射角度而确保遮光层与光电二极管之间的距离的结构相比，抑制光入射到半导体基板的非意图的区域的情况。其结果，抑制由于非意图的光而产生的电荷引起光的检测精度降低的情况。
此外，第一电极是用于向复位元件施加控制电压的部件。由此，与通过与复位元件所必须的结构要素不同的遮光部件来规定受光面的形状的结构不同，抑制部件数目的增大，抑制光传感器的制造变得烦杂的情况。
另外，在本申请中，受光部除了具有受光元件和复位元件之外还具有有源元件，电极除了具有第一电极之外，还具有用于向有源元件施加控制电压的第二电极。第二电极具有遮光性，受光元件的受光面的形状不仅通过第一电极来规定，还通过第二电极来规定。由此，抑制第一电极的形状被限定的情况。因此，抑制光传感器的设计变得困难的情况。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的光传感器的概略结构的电路图。
图2是表示实施方式所涉及的光传感器的概略结构的立体图。
图3是表示实施方式所涉及的光传感器的概略结构的俯视面。
图4是沿着图3的IV－IV线的剖面图。
图5是表示光传感器的变形例的立体图。
图6是表示光传感器的变形例的俯视面。
图7是沿着图6的VII－VII线的剖面图。
图8是表示光传感器的变形例的俯视面。
图9是沿着图8的IX－IX线的剖面图。
图10是表示光传感器的变形例的俯视面。
图11是沿着图10的XI－XI线的剖面图。
具体实施方式
基于图1～图4，说明实施方式所涉及的光传感器100。在图3中，省略后述的绝缘膜12、透光膜14、以及最上层的遮光膜15，将开口部16以虚线示出。
光传感器100具有半导体基板10、在半导体基板10上形成的受光部20、以及电极30。受光部20具有将光变换为电荷的受光元件21、和对受光元件21中积蓄的电荷进行放电的复位元件22。进而，受光元件21具有转发受光元件21中积蓄的电荷的转发元件23。电极30具有用于向复位元件22输入控制信号的第一电极31、和用于向转发元件23输入控制电压的第二电极32。此外，光传感器100除了具有上述的主要部分10～30之外，还具有对复位元件22进行导通/断开控制的控制部40、和对从转发元件23转发的受光元件21的电荷(检测信号)进行放大的缓冲器50。转发元件23相当于有源元件。
如图1所示，从电源向地，受光元件21和复位元件22依次串联连接，元件21、22的中点经由转发元件23与缓冲器50连接。并且，相当于转发元件23的控制电极的第二电极32接地，转发元件23始终成为导通状态。此外，相当于复位元件22的控制电极的第一电极31与控制部40的输出端子连接。复位元件22通过从控制部40输出的控制信号而周期性地控制为导通状态。从而，在复位元件22为断开状态的情况下，通过受光元件21光电变换后的电荷在受光元件21中积蓄，与其积蓄量相应的电信号经由转发元件23输入至缓冲器50。与此不同，在复位元件22为导通状态的情况下，受光元件21的两端电压成为电源电压，受光元件21中积蓄的电荷被放电。
半导体基板10是在未图示的P型的半导体基板上扩散的N阱区域，在其一面10a的表层上，形成了多个构成受光部20的P型的扩散区域11。未图示的电源与N阱区域连接，在一面10a上形成了绝缘膜12和LOCOS13，在绝缘膜12上形成了电极30。此外，在绝缘膜12中的电极30的非形成区域、以及电极30和LOCOS13各自的上方，层叠了透光膜14和遮光膜15。透光膜14由具有光透过性和电绝缘性的材料构成，遮光膜15由具有遮光性和导电性的材料构成。在遮光膜15中形成了规定入射到受光元件21的光的角度的开口部16，经由该开口部16的光入射到受光元件21。
如图1以及图3所示，在本实施方式中，经由透光膜14，2层的遮光膜15在一面10a上层叠。2层的遮光膜15之中的一面10a侧的遮光膜15主要起到进行与在半导体基板10上形成的布线图案(存在多个的扩散区域11的一部分)的电连接的功能。与此相对，远离一面10a的最上层的遮光膜15主要起到抑制多余的光入射到半导体基板10的功能。在最上层的遮光膜15上形成的开口部16如图3中虚线所示那样，形成平面圆状，通过该开口部16，规定了入射到受光元件21的入射光的角度。
如上所述，受光部20具有受光元件21、复位元件22、以及转发元件23。如图1所示，受光元件21是具有PN结的光电二极管，阴极端子与电源连接，阳极端子经由复位元件22接地。由此，若复位元件22成为导通状态，则受光元件21的两端电压成为电源电压，受光元件21中积蓄的电荷被放电。
复位元件22和转发元件23都是P沟道型MOSFET。从而，若将电压电平比Hi(高)信号低的Lo(低)信号输入至复位元件22的控制电极(第一电极31)，则复位元件22变为导通状态。此外，转发元件23的控制电极(第二电极32)接地。由此，转发元件23始终成为导通状态。从而，受光元件21的阳极电极始终经由转发元件23与缓冲器50电连接。
如上所述，电极30具有第一电极31和第二电极32。这些电极31、32都由多晶硅构成，在与绝缘膜12的粘结面的反面形成了金属薄膜，具有遮光性。这也如上所述，元件22、23都是P沟道型MOSFET，电极31、32分别相当于元件22、23各自的控制电极(栅极电极)。从而，位于电极31、32各自与一面10a之间的绝缘膜12的厚度成为能够向元件22、23分别施加控制电压的程度的厚度。如图3所示，电极31、32分别形成相同的平面形状，且电独立。通过这些电极31、32中的各个电极，受光元件21的受光面21a的形状被规定为平面圆状。
接着，基于图2～图4说明受光元件21的内部结构。如上所述，在半导体基板10的一面10a的表层上，形成了构成受光部20的主要素的P型的扩散区域11。在图2～图4中，示出与受光元件21相关的扩散区域11。如图2以及图4所示，三个扩散区域11在一面10a的表层上形成。该三个扩散区域11之中的位于开口部16正下方的扩散区域11(以下，表示为第一扩散区域11)与半导体基板10的主体之间的边界上，构成具有上述的PN结的光电二极管，其他两个扩散区域11(以下，表示为第二扩散区域11、第三扩散区域11)构成上述的布线图案。
如图4所示，第一扩散区域11和位于纸面左方的第二扩散区域11离开规定距离，在两者之间的一面10a上，隔着绝缘膜12而形成第一电极31。此外，如图3所示，一面10a侧的遮光膜15的一部分与第一电极31电连接，该遮光膜15与控制部40的输出端子连接。并且，一面10a侧的遮光膜15的一部分与第二扩散区域11电连接，该遮光膜15接地。由此，若向第一电极31输入Lo信号，在第一扩散区域11和第二扩散区域11之间形成沟道，则通过第一扩散区域11光电变换后的电荷经由在第一扩散区域11与第二扩散区域11之间的沟道、第二扩散区域11、以及与第二扩散区域11连接的遮光膜15，向地放电。
如图4所示，第一扩散区域11和位于纸面右方的第三扩散区域11离开规定距离，在两者之间的一面10a上，隔着绝缘膜12而形成第二电极32。如图3所示，一面10a侧的遮光膜15的一部分与第二电极32电连接，该遮光膜15接地。并且，一面10a侧的遮光膜15的一部分与第三扩散区域11电连接，该遮光膜15与转发元件23连接。由此，在第一扩散区域11和第三扩散区域11之间始终形成沟道，两者始终电连接。因此，通过第一扩散区域11光电变换后的电荷经由在第一扩散区域11与第三扩散区域11之间的沟道、第三扩散区域11、以及与第三扩散区域11连接的遮光膜15，转发至缓冲器50。
接着，说明本实施方式所涉及的光传感器100的作用效果。如上所述，受光元件21的受光面21a的平面形状通过相当于复位元件22的控制电极的第一电极31、以及相当于转发元件23的控制电极的第二电极32分别来规定。并且，位于电极31、32各自与一面10a之间的绝缘膜12的厚度成为能够向元件22、23分别施加控制电压的程度的厚度。因此，与为了规定对光电二极管的入射角度而确保了遮光层和光电二极管之间的距离的结构相比，抑制光入射到半导体基板10的非意图的区域。其结果，抑制由于非意图的光而产生的电荷引起光的检测精度降低的情况。
此外，第一电极31是用于向复位元件22施加控制电压的部件，第二电极32是用于向转发元件23施加控制电压的部件。由此，与通过与复位元件22或转发元件23所必须的结构要素不同的遮光部件来规定受光面21a的平面形状的结构不同，抑制部件数目的增大，抑制光传感器100的制造变得烦杂的情况。
此外，通过第一电极31和第二电极32规定了受光面21a的平面形状，因此抑制第一电极31(第二电极32)的形状被限定的情况。因此，抑制光传感器100的设计变得困难的情况。
以上，说明了实施方式，但本申请完全不限于上述的实施方式，能够在不脱离本申请的主旨的范围中进行各种变形而实施。
在本实施方式中，示出了通过电极31、32分别来规定受光面21a的平面形状的例子。但是，还能够采用如图5～图7所示那样仅通过第一电极31来规定受光面21a的平面形状的结构。
在本实施方式中，示出了通过电极31、32分别将受光面21a的平面形状规定为圆形的例子。但是，还能够采用如图8～图11所示那样受光面21a的平面形状被规定为弧状的结构。另外，在该结构中，也能够采用如图10以及图11所示那样仅通过第一电极31来规定受光面21a的平面形状的结构。
在本实施方式中，示出了通过与一个受光元件21对应的相当于复位元件22和转发元件23各自的控制电极的电极31、32来规定一个受光元件21的受光面21a的平面形状的例子。但是，虽未图示，还能够采用通过与多个受光元件21对应的相当于复位元件22和转发元件23各自的控制电极的电极31、32来规定一个受光元件21的受光面21a的平面形状的结构。
在本实施方式中，示出了半导体基板10的导电型为N型的例子。但是，作为半导体基板10的导电型，不限定于上述例子，还能够采用P型。此时，扩散区域11成为N型，复位元件22和转发元件23都成为N沟道型MOSFET。此外，复位元件22和受光元件21从电源向地依次串联连接，第二电极32与电源连接。
在本实施方式中，示出了复位元件22和转发元件23都是MOSFET的例子。但是，作为复位元件22和转发元件23，不限定于上述例子，只要是电压控制型的晶体管就能够适当采用。
在本实施方式中，示出了构成受光部20的主要素的三个扩散区域11之中的位于纸面左方的第二扩散区域11、和位于纸面右方的第三扩散区域11分别为布线图案的例子。但是，第二扩散区域11也可以承担复位元件22的结构要素的一部分，第三扩散区域11也可以承担转发元件23的结构要素的一部分。

Claims (4)

1.一种光传感器，具有：
半导体基板(10)，在一面(10a)形成有绝缘膜(12)；
受光部(20)，形成于所述半导体基板的一面的表层；以及
电极(30)，隔着所述绝缘膜形成在所述一面上；
所述受光部具有将光变换为电荷的受光元件(21)、以及对所述受光元件中积蓄的电荷进行放电的复位元件(22)，
所述电极具有用于向所述复位元件施加控制电压的第一电极(31)，
所述第一电极具有遮光性，
所述受光元件的受光面的形状通过所述第一电极规定。
2.如权利要求1所述的光传感器，
所述受光部还具有有源元件(23)，
所述电极还具有用于向所述有源元件施加控制电压的第二电极(32)，
所述第二电极具有遮光性，
所述受光元件的受光面的形状还通过所述第二电极规定。
3.如权利要求1或权利要求2所述的光传感器，
所述半导体基板为第一导电型，
在所述半导体基板的一面的表层，形成了多个与所述第一导电型不同的第二导电型的扩散层(11)，
多个所述扩散层之中的至少一个构成所述受光元件，多个所述扩散层之中的至少一个构成布线图案，
构成所述受光元件的扩散层与构成所述布线图案的扩散层离开规定距离，所述电极的一部分位于构成所述受光元件的扩散层与构成所述布线图案的扩散层之间的一面上，
在所述电极被施加控制电压时，在构成所述受光元件的所述扩散层与构成所述布线图案的扩散层之间形成沟道，构成所述受光元件的扩散层与构成所述布线图案的扩散层被电连接。
4.如权利要求1～3任一项所述的光传感器，
在所述半导体基板的一面上，隔着透光膜(14)层叠有遮光膜(15)，
在所述遮光膜形成有开口部(16)，
通过所述开口部规定入射到所述受光元件的受光面的入射光的角度。
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