CN112186064A

CN112186064A - 光传感器

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Publication number: CN112186064A
Application number: CN202010403258.1A
Authority: CN
Inventors: 北原崇博; 齐藤弘治
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2040-05-13
Also published as: CN112186064B; JP7328030B2; JP2021009916A

Abstract

本发明是在光传感器中，一方面抑制噪声电平增加一方面使光传感器的灵敏度提升，提升S/N比。光传感器100具备半导体衬底105与遮光构件150，输出电平与光强度相应的电流。遮光构件150中预先形成有开口部170，且构成为将照射至半导体衬底105的光部分地遮住。半导体衬底105包含第1P型层110；及受光部115，形成在第1P型层110上，且包含第1N型层120。由第1P型层110及第1N型层120形成第1光电二极管。在俯视光传感器100的情况下，受光部115以成为开口部170的内侧的方式形成，且开口部170的面积为受光部115的面积的2倍以上。

Description

光传感器

技术领域

本发明涉及一种光传感器，更确定而言，涉及一种用以使光传感器的S/N比提升的技术。

背景技术

已知将入射光转换成电流的光传感器。通过将从此种光传感器输出的电流进行积分，便可获得与入射至光传感器的光的强度成正比的电压。通过使用该电压便可算出入射光照度或判别光源种类。

日本专利特开2015-65357号公报(专利文献1)中，揭示有一种光传感器装置，对多种受光元件(光电二极管)集成化为同一纵向结构而成的受光部，通过分时切换各受光元件，改善光学定向性。

[背景技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2015-65357号公报

发明内容

[发明要解决的问题]

光传感器装置中，要求使光的检测灵敏度。为了提升检测灵敏度，一般而言，有效的是增大作为受光部的光电二极管的面积。然而，另一方面，若增大光电二极管的面积，则导致光电二极管的寄生电容增加。其结果，存在虽光电二极管中信号的检测电平上升，但噪声电平也随之变高，无法实现预期的S/N比的改善。

本发明是鉴于此种课题而完成，其目的在于提供一种一方面抑制噪声电平增加一方面使光传感器的灵敏度提升，从而提升光传感器的S/N比的光传感器。

[解决问题的技术手段]

本发明的光传感器具备半导体衬底与遮光构件，且输出电平与光强度相应的电流。遮光构件中预先形成有开口部，且构成为将照射至半导体衬底的光部分地遮住。半导体衬底包含第1P型层、及形成在第1P型层上且包含第1N型层的受光部。由第1P型层及第1N型层形成第1光电二极管。在俯视光传感器的情况下，受光部以成为开口部的内侧的方式形成，且开口部的面积为受光部的面积的2倍以上。

优选地，受光部更包含：形成在第1N型层上的第2P型层；及形成在第2P型层上的第2N型层。由第1N型层及第2P型层形成第2光电二极管。由第2P型层及第2N型层形成第3光电二极管。

优选地，第1光电二极管用于红外线检测。第2光电二极管及第3光电二极管用于可见光检测。

优选地，半导体衬底更包含以与受光部分离且包围受光部的周围的方式形成的第3N型层。第3N型层连接于接地电位，且在俯视光传感器的情况下形成为与遮光构件重叠。

优选地，半导体衬底更包含以包围受光部的周围的方式形成在第3N型层与受光部之间的第4N型层。第4N型层薄于受光部的厚度，且连接于接地电位。

[发明效果]

根据本发明的光传感器，利用开口部使光朝半导体衬底入射的面积为受光部(光电二极管)的面积的2倍以上。由此，在半导体衬底上，使光也入射至形成光电二极管的区域的周边，因此，该周边区域中产生的电子及空穴容易被收集到光电二极管。即，与开口部的面积较窄的情况相比，即使光电二极管的面积相同，也可提升电子及空穴的收集效率。由此，可不使光电二极管的寄生电容变化而提升灵敏度，因此可使S/N比提升。

附图说明

图1是适用实施方式1的光传感器的光传感器装置的框图。

图2是用以说明图1的光传感器装置的动作的图。

图3是用以说明光电二极管的面积与S/N比的关系的图。

图4(a)、(b)是用以说明实施方式1的光传感器的结构的图。

图5(a)、(b)是用以说明比较例的光传感器的结构的图。

图6(a)、(b)是用以说明变化例的光传感器的结构的图。

图7是用以说明图1的光传感器的受光部的图。

图8是用以说明图7的受光部中的光的波长与灵敏度的关系的图。

图9是用以说明实施方式2的光传感器的受光部的图。

图10是用以说明图9的受光部中的光的波长与灵敏度的关系的图。

具体实施方式

以下，对于本发明的实施方式，一面参考附图一面详细地进行说明。此外，图中对于同一或相符的部分标注同一符号，且不重复其说明。

[实施方式1]

图1是适用实施方式1的光传感器100的光传感器装置10的框图。参考图1，光传感器装置10除具备光传感器100外，还具备运算放大器OP、开关SWA、SWB、及电容器C1。光传感器100包含光电二极管PD。光电二极管PD具有如下特性，即，如果使光入射至该光电二极管PD，则流入电平与光强度相应的电流(以下，也称为“光电流”)。

在运算放大器OP的非反相输入端子连接着特定的偏置电压。在运算放大器OP的反相输入端子与输出端子之间，并联地连接有开关SWA与电容器C1。即，运算放大器OP通过将开关SWA设为非导通状态而作为全反馈型的积分放大器发挥功能，执行电流-电压转换。

开关SWB包含彼此互补地动作的开关SWB1及开关SWB2而构成。即，在开关SWB1为导通状态的情况下，开关SWB2成为非导通状态，且在开关SWB1为非导通状态的情况下，SWB2成为导通状态。此外，以下将开关SWB1的动作状态以开关SWB的动作状态表现。

开关SWB1的一端连接于运算放大器OP的反相输入端子。开关SWB1的另一端连接于光电二极管PD的阴极，光电二极管PD的阳极连接于接地电位。开关SWB2连接于光电二极管PD的阴极与接地电位之间。

开关SWA及开关SWB由来自未图示的控制装置的控制信号切换动作状态。在将开关SWA设为非导通状态的期间中，运算放大器OP将输入至反相输入端子的光电流进行积分，将与照射至光传感器100的光的强度成正比的电压以Aout输出。此外，图2中虽未图示，但运算放大器OP的输出端子经由A/D转换器连接于控制装置。

图2是用以说明图1的光传感器装置10的动作的图。图2的横轴中表示时间，纵轴中表示开关SWA、SWB的状态、及运算放大器OP的输出Aout。

参考图2，在时刻t0之前，开关SWA及开关SWB均为导通状态。该状态下，运算放大器OP的反相输入端子中被输入来自光传感器100的光电流，但因开关SWA为导通状态，运算放大器OP的输出Aout一直为基准电压(偏置电压)(待机状态)。

在时刻t0，如果将开关SWA设为非导通状态，则运算放大器OP将来自光传感器100的光电流进行时间积分所得的电压输出至输出Aout。然后，在经过特定期间的时刻t1，如果将开关SWB设为非导通状态，则输出该特定期间中积分所得的电压。从光传感器100输出的光电流成为与照射至光传感器100的光的强度相应的大小，因此，通过预先规定的期间中由运算放大器OP积分所得的输出电压Aout便可检测光的强度。

此外，图2中虽未记载，但在时刻t1以后，通过将开关SWA、SWB设为导通状态，而将蓄积在电容器C1中的电荷放电，返回至如时刻t0以前的待机状态。

此种构成的光传感器装置中，为提升检测灵敏度而必须增加光传感器100中的输出电流、及/或减小电容器C1。

此处，作为使光传感器100中的输出电流增加的方法，考虑增大形成在光传感器100中的光电二极管PD的面积(受光面积)。然而，如图1中虚线所示，在光传感器100中，在与接地电位之间产生寄生电容C2，如果增大光电二极管PD的面积，则寄生电容C2也随之变大。

此处，在将电容器C1的电容假定为固定的情况下，如果光电二极管PD的寄生电容C2变大，则以C1/C2表示的反馈系数下降。积分放大器的闭环增益与反馈系数大致成反比，因此，如果反馈系数下降则积分放大器的闭环增益变大。其结果，运算放大器OP的灵敏度增加，但运算放大器OP的输出电压的噪声成分也变大，所以存在无法如愿改善光电二极管PD的S/N比的可能性。

图3是用以概念性地说明光电二极管PD的面积与S/N比的关系的图。图3中，横轴中表示光电二极管PD的面积，纵轴中表示S/N比。此外，图3中，虚线LN10表示理想情况下的光电二极管PD的面积与S/N比的关系，实线LN11表示实际的光电二极管PD的面积与S/N比的关系。

参考图3，如果光电二极管PD的面积变大，则相对于光强度的光传感器100的输出电流随之增加，因此，光传感器100的检测灵敏度增加。在光电二极管PD的寄生电容C2不变化的理想情况下(虚线LN10)，随着光电二极管PD的面积扩大，S/N比也大幅提升。

然而，如上所述，实际上，随着光电二极管PD的面积扩大，光电二极管PD的寄生电容C2也变大，因此，导致运算放大器OP的输出Aout中的噪声电平也变高。由此，实际的S/N比的改善量(实线LN11)比理想情况(虚线LN10)变小。

即，为使S/N比的改善量接近理想状态，必须使光电二极管PD的输出电流增加而不增加光电二极管PD的寄生电容C2。

因此，本实施方式1中，光传感器中采用在形成光电二极管(受光部)之半导体衬底上，将光电二极管周围被照射光的区域扩大的构成。由此，即便光电二极管的面积相同，在光电二极管周围的半导体衬底的区域中，因被照射的光产生的电子及空穴增加，从而被捕获至光电二极管的概率变高。其结果，不扩大光电二极管的面积(即，不增加光电二极管的寄生电容)，相同光强度下的光电二极管的输出电流便能增加。因此，能够改善光传感器装置的S/N比。

图4是用以说明实施方式1的光传感器100的结构的图。图4中，上段的图4(a)中表示光传感器100的俯视图，下段的图4(b)中表示图4(a)的线IV-IV处的剖视图。

参考图4，光传感器100具备半导体衬底105、及以将半导体衬底105的主面覆盖的方式配置的遮光构件150。

半导体衬底105例如由硅形成，且在P型层110的衬底表面形成有N型层120。N型层120在俯视光传感器100的情况下具有大致正方形的形状。由P型层110与N型层120之间的PN接面形成光电二极管PD。即，实施方式1中，N型层120的部分对应于受光部115。

在P型层110的衬底的表面，以与N型层120分离且包围受光部115(N型层120)的周围的方式，形成有N型层130。虽未图示，但N型层130连接于接地电极。进而，以包围N型层130的方式形成有电路层140。电路层140并非必要构成，但例如也可形成图1所示的开关SWA、SWB或运算放大器OP等。N型层130的厚度设为与N型层120同等的厚度。N型层130也具有作为用以将受光部115与电路层140绝缘的屏蔽壁的功能。

遮光构件150是例如使用铝等材料形成。在遮光构件150，形成有具有大致正方形形状的开口部170。在俯视光传感器100的情况下，开口部170以受光部115成为开口部170的内部区域的方式，且以N型层130及电路层140被遮光构件150覆盖的方式配置。

如图4所示，在半导体衬底105的表面，在受光部115与遮光构件150之间，存在半导体衬底105的露出P型层110的部分。此处，在俯视光传感器100的情况下，开口部170的面积为受光部115的面积的2倍以上。

如果对此种光传感器100照射光，则光因遮光构件150而仅入射至开口部170内侧的半导体衬底105的区域。此时，在与P型层110的表面相距特定深度的范围，因入射光而产生电子160及/或空穴165。所产生的电子160及/或空穴165被收集到N型层120或N型层130，由此，电流从P型层110流向各N型层。

此处，在P型层110，开口部170的下部区域AR1中产生的电子160及/或空穴165主要由形成光电二极管PD的N型层120收集。另外，遮光构件150的下部区域AR2中产生的电子160及/或空穴165主要由连接于接地电位的N型层130收集。

图5是用以说明比较例的光传感器100#的结构的图。图5中，上段的图5(a)中表示光传感器100#的俯视图，下段的图5(b)中表示图5(a)的线V-V处的剖视图。

参考图5，比较例的光传感器100#中形成的受光部115的面积与实施方式1的情况相同。光传感器100#中，受光部115与形成在受光部115周围的N型层130#之间的分离距离短于图4的实施方式1，随之，遮光构件150的开口部170的开口宽度RCV2也窄于实施方式1的开口宽度RCV1。因此，如果将比较例与实施方式1进行比较，则产生主要由形成光电二极管PD的N型层120收集的电子160及/或空穴165的区域AR1的体积是实施方式1大于比较例。即，区域AR1中产生的电子160及/或空穴165的量是实施方式1多于比较例。因此，相同强度的光照射至光传感器100的情况下，与比较例相比，实施方式1产生的电流更多，因此，光传感器100的灵敏度提升。

另一方面，如上所述，关于受光部115即光电二极管PD的面积，无论实施方式1还是比较例，均情况相同，所以，光电二极管PD的寄生电容C2实质上相同。这样一来，在实施方式1的光传感器100中，与比较例相比，可不使光电二极管PD的寄生电容C2变化而提升光电二极管PD的灵敏度，因此可有效地提升S/N比。

(变化例)

图6是用以说明变化例的光传感器100A的结构的图。图6中，上段的图6(a)中表示光传感器100A的俯视图，下段的图6(b)中表示图6(a)的线VI-VI处的剖视图。

在变化例中，与实施方式1的光传感器100同样地，将遮光构件150的开口部170的面积设为受光部115的面积的2倍以上。然而，变化例中，在俯视光传感器100A的情况下，成为在开口部170内部的受光部115以外的区域配置有N型层130A的构成。N型层130A与位于遮光构件150下部的N型层130连接，且N型层130A的厚度设为薄于N型层130。

在变化例的光传感器100A中，开口部170下部的P型层110的表层部分中产生的电子160及/或空穴165是与由形成光电二极管PD的N型层120收集相比，更容易由N型层130A收集。因此，在N型层120中，收集半导体衬底105A的较表面略靠内部的区域AR1A中产生的电子160及/或空穴165。

此处，已知在P型层110内产生电子160及/或空穴165的与衬底表面相距的位置(深度)因被照射的光的波长而不同。具体而言，被照射的光的波长越短，则在P型层110的越浅的位置产生电子激发，如果光的波长变长，则在更深的位置产生电子激发。因此，如变化例所示，通过在光的照射区域(开口部170的内部)的受光部115以外的部分，形成与接地电位连接的N型层130A，便可一方面提升红外线之类波长相对较长的光的灵敏度，一方面抑制可见光之类波长相对较短的光的灵敏度。此外，可根据需要降低灵敏度的光的波长，适当调整N型层130A的厚度。

[实施方式2]

实施方式1中，对于形成在受光部的光电二极管为1个的例子进行了说明。实施方式2中，对于在受光部形成多个光电二极管，且检测入射光中包含的多个波长的光的灵敏度的例子进行说明。

图7是用以说明实施方式1中的光传感器100的受光部115的图。如上所述，光传感器100中，成为在P型层110上形成有1个N型层120的构成，且该N型层130对应于受光部115。该情况下，在P型层110与N型层130的接面，形成光电二极管PD。

图8是用以说明图7的受光部115中的光的波长与灵敏度的关系的图。如上所述，P型层110内电子被激发的位置(深度)因光的波长而不同。在图7的受光部115中，形成的光电二极管为1个，且收集P型层110的较浅位置处产生的电子及/或空穴、以及P型层110的较深位置处产生的电子及/或空穴。因此，如图8的实线L20所示，导致可见光区域的波长的光及红外线区域的波长的光均被检测。此种光传感器无法检测入射光中包含的多个光的强度。

图9是用以说明实施方式2的光传感器100B的受光部115B的图。在光传感器100B的半导体衬底105B上，在P型层110上形成N型层121，且在该N型层121上形成P型层122，进而在P型层122上形成N型层123。此外，图9所示部分以外的构成与实施方式1的图4相同，故不反复进行重复要素的说明。

根据此种构成，在P型层110与N型层121的接面形成光电二极管PDA，在N型层121与P型层122的接面形成光电二极管PDB，且在P型层122与N型层123的接面形成光电二极管PDC。此外，在实施方式2中，N型层121、P型层122及N型层123的部分对应于受光部115B。

实施方式2的受光部115B中，P型层及N型层形成在半导体衬底105B的不同深度。因此，各光电二极管中收集的电子及/或空穴与将对应深度的电子激发的光的强度对应。

图10是用以说明由图9的受光部115B检测的光的波长与灵敏度的关系的图。参考图10，P型层110及N型层121中形成的光电二极管PDA因形成在最深的位置，所以对于波长相对较长的红外线区域的光的灵敏度变高(实线L30)。

另一方面，N型层121及P型层122中形成的光电二极管PDB、及P型层122及N型层123中形成的光电二极管PDC均对于波长相对较短的可见光区域的光的灵敏度变高(单点划线L31、虚线L32)。其中，光电二极管PDC的灵敏度是对于更短波长侧的光的灵敏度变高(虚线L32)。

实施方式2的光传感器装置中，相对于各光电二极管形成图1所示的积分电路，且个别地检测各光电二极管中检测的光的强度。

这样一来，在实施方式2的光传感器中，通过在受光部形成多个P型层及N型层而形成多个光电二极管，且通过个别地检测各光电二极管的输出而能够检测不同波长的光的强度。而且，实施方式2中，也与实施方式1同样地，通过将遮光构件的开口部的面积设为受光部的面积的2倍以上而可提升S/N比。

此外，所述实施方式中的“P型层110”及“P型层122”分别对应于本发明中的“第1P型层”及“第2P型层”。另外，实施方式中的“N型层120”及“N型层121”均对应于本发明的“第1N型层”。另外，实施方式中的“N型层123”、“N型层130”、“N型层130A”分别对应于本发明的“第2N型层”、“第3N型层”、“第4N型层”。另外，实施方式中的“光电二极管PD”及“光电二极管PDA”均对应于本发明的“第1光电二极管”。进而，实施方式中的“光电二极管PDB”及“光电二极管PDC”分别对应于本发明的“第2光电二极管”及“第3光电二极管”。

应当认为，本次揭示的实施方式在所有方面均为例示，而无限制性。本发明的范围并非由所述实施方式的说明表示，而是由权利要求书表示，且意图包含与权利要求书均等的含义及范围内的所有变更。

[符号的说明]

10：光传感器装置

100、100A、100B：光传感器

105、105A、105B、105#：半导体衬底

110、122：P型层

115、115B：受光部

120、121、123、130、130A、130#：N型层

140：电路层

150：遮光构件

160：电子

165：空穴

170：开口部

AR1、AR1A、AR2、AR2A：区域

C1：电容器

C2：寄生电容

OP：运算放大器

PD、PDA～PDC：光电二极管

SWA、SWB、SWB1、SWB2：开关

Claims

1.一种光传感器，输出电平与光强度相应的电流，且具备：

半导体衬底；及

遮光构件，预先形成有开口部，且构成为将照射至所述半导体衬底之光部分地遮住；且

所述半导体衬底包含：

第1P型层；及

受光部，形成在所述第1P型层上，且包含第1N型层；

由所述第1P型层及所述第1N型层形成第1光电二极管，

在俯视所述光传感器的情况下，所述受光部以成为所述开口部的内侧的方式形成，且所述开口部的面积为所述受光部的面积的2倍以上。

2.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述受光部更包含：

第2P型层，形成在所述第1N型层上；及

第2N型层，形成在所述第2P型层上；

由所述第1N型层及所述第2P型层形成第2光电二极管，

由所述第2P型层及所述第2N型层形成第3光电二极管。

3.根据权利要求2所述的光传感器，其中所述第1光电二极管用于红外线检测，

所述第2光电二极管及所述第3光电二极管用于可见光检测。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光传感器，其中所述半导体衬底更包含以与所述受光部分离且将所述受光部周围包围的方式形成的第3N型层，

所述第3N型层连接于接地电位，且在俯视所述光传感器的情况下形成为与所述遮光构件重叠。

5.根据权利要求4所述的光传感器，其中所述半导体衬底更包含以将所述受光部周围包围的方式，形成在所述第3N型层与所述受光部之间的第4N型层，

所述第4N型层薄于所述受光部的厚度，且连接于所述接地电位。