JP2001094089A - 指紋センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置サイズの薄膜化を図りつつ、指紋等の２
次元画像の検出処理を良好に行うことができる指紋セン
サを提供する。 【解決手段】 指紋センサは、複数のダブルゲート型ト
ランジスタ（群）１０Ｆが、ガラス基板１９上にマトリ
クス状に配列して設けられたセンサパネル１００Ａと、
センサパネル１００Ａの一面側に配置され、センサパネ
ル１００Ａ上面に設けられた検出面２０ａに載置された
被検出体に均一な単色光を照射する面光源３０Ａと、を
有して構成され、ダブルゲート型トランジスタ１０Ｆを
構成するブロック絶縁膜１４、トップゲート絶縁膜１
５、保護絶縁膜２０は、いずれも半導体層１１を励起す
る光のピーク波長λよりも光学膜厚が小さくなるよう
に、より望ましくはピーク波長λのときの半分までの強
度の有効感度の波長域の下限波長λ’よりも光学膜厚が
小さくなるように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、指紋センサに関
し、装置構成を薄型化することができる指紋センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等
の微細な凹凸パターン等を読み取る指紋センサとして、
光電変換素子（フォトセンサ）をマトリクス状に配列し
て構成されるフォトセンサアレイを有する構造のものが
ある。以下、従来の指紋センサとして、指紋読取装置の
構成を図に示して説明する。図１０に示す指紋センサ
は、面光源１０１と、光学プリズム１０２と、結像光学
系１０３と、フォトセンサアレイ１０４とを有して構成
され、光学プリズム１０２の所定の一面（以下、指紋検
出面という）１０２ａ上に接触、載置された指１０５に
対して、面光源１０２からの光Ｌｐが斜めに照射され、
その反射光Ｌｒが結像光学系１０３を介してフォトセン
サアレイ１０４に入射される。

【０００３】ここで、図１１に示すように、指紋検出面
１０２ａに照射された光Ｌｐは、指紋１０５Ａの凸部１
０５ａにおいては、指１０５の皮膚表層内に透過して吸
収、散乱されるため、フォトセンサアレイ方向（図面右
下方向）への反射光Ｌｒが減衰する。一方、指紋１０５
Ａの凹部１０５ｂにおいては、光学プリズム１０２と凹
部１０５ｂの空気層との屈折率の違い及び入射角に基づ
いて、全反射する。これによって、指紋１０５Ａの凹凸
パターンに対応した反射光Ｌｒが、結像光学系１０３を
介してフォトセンサアレイ１０４に到達し、明暗情報と
して検出される。

【０００４】また、図１２に示す指紋センサは、面光源
２０１と、光ファイバーブロック等の画像伝達素子２０
２と、フォトセンサアレイ２０３とを有して構成され、
画像伝達素子（光ファイバーブロック）２０２の所定の
指紋検出面２０２ａ上に接触、載置された指２０４に対
して、面光源１０２からの光が斜めに照射され、その反
射光が光ファイバー群を介してフォトセンサアレイ２０
４に入射される。ここで、指紋検出面２０２ａに照射さ
れた光は、図１１に示した場合と同様に、指紋の凸部に
おいては減衰し、一方、指紋の凹部においては高い強度
でフォトセンサアレイ２０３に到達する。これによっ
て、フォトセンサアレイ２０３により、指紋の凹凸パタ
ーンに対応した明暗情報が検出される。

【０００５】また、図１３（ａ）に示す指紋センサは、
面光源３０１と、フォトセンサアレイ３０２と、光ファ
イバー集束部材３０３と、回折格子（又は、マイクロレ
ンズアレイ）３０４とを有して構成され、面光源３０１
からの光は、図１３（ｂ）に示すように、フォトセンサ
アレイ３０２の透光性部材及び光ファイバー集束部材３
０３を透過して垂直光Ｌｐとなって伝搬し、回折格子３
０４により斜めの光に変換された後、上述した図１０、
図１２に示した従来技術と同様に、回折格子３０４の上
面に設けられた指紋検出面３０４ａに載置、接触された
指３０５に対して斜めに照射される。

【０００６】ここで、指紋検出面３０４ａに照射された
光は、指紋３０５Ａの凸部３０５ａにおいては乱反射さ
れ、一方、指紋３０５Ａの凹部３０５ｂにおいては減衰
する。そして、反射光Ｌｒは、回折格子３０４により再
び光ファイバー集束部材３０３を構成する光ファイバー
群の延在方向に変換されて、フォトセンサアレイ３０２
の受光面側に到達する。これによって、フォトセンサア
レイ２０３により、指紋３０５Ａの凹凸パターンに対応
した明暗情報が検出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな指紋センサにおいては、次のような問題点を有して
いる。 （イ）図１０に示した指紋センサにおいては、指紋検出
面１０２ａに載置された指の指紋画像をフォトセンサア
レイ１０４上に結像させるためには、光学レンズ等の結
像光学系１０３が必要であり、光学部品点数が増加して
装置が大型化するという問題を有している。 （ロ）図１２に示した指紋センサにおいては、指紋検出
面２０２ａにおける指紋画像が、フォトセンサアレイ２
０３に伝搬される際に、光ファイバーブロック２０２の
傾斜角θに応じて、sinθ倍に縮小されてしまい、指紋
の検出感度が低下するという問題を有している。

【０００８】また、上記図１０、図１２のいずれの構成
においても、指紋の凹凸パターンに応じたコントラスト
の大きい明暗情報を得る目的で、面光源から出た光を所
定の角度で指紋検出面に照射した後、反射光を入射（照
射）方向とは異なる方向に伝搬させているため、光学部
品が３次元的な配置及び形状を有し、指紋センサの実装
サイズが大きくなるという問題を有している。 （ハ）図１３に示した指紋センサにおいては、各構成部
材が層状に構成されているため、装置全体の薄型化が可
能となるが、光ファイバー集束部材３０３の薄型化には
制約があるうえ、光ファイバー集束部材３０３と回折格
子３０４間の離間距離によって光の回折を制御している
ため、指紋センサを十分薄型化することができないとい
う問題を有している。また、指紋検出面３０４ａからの
反射光が光ファイバー集束部材３０３に入射する際の減
衰が大きく、指紋の凹凸パターンに応じたコントラスト
比の大きい明暗情報を得ることができないという問題も
有していた。

【０００９】そこで、本発明は、上述した問題点を解決
し、装置サイズの薄膜化を図りつつ、指紋等の２次元画
像の検出処理を良好に行うことができる指紋センサを提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の指紋セン
サは、透光性を有する絶縁性基板の一面側に形成された
フォトセンサと、該フォトセンサを被覆して設けられる
保護絶縁膜と、該保護絶縁膜上面の検出面に載置される
指に所定の検出光を照射する光源と、を備えた指紋セン
サにおいて、前記保護絶縁膜の光学膜厚は、前記フォト
センサの受光感度が最大になる波長より小さいことを特
徴とする。請求項１記載の発明によれば、検出面に指が
載置されている検出時にのみ、光源から照射された光
が、指での反射の前に保護絶縁膜内を伝搬しないように
保護絶縁膜の光学膜厚が設定されているので、指の凹凸
に応じた吸収、反射の前に入射された光が保護絶縁膜内
を伝搬してフォトセンサへ入射することが抑制されて、
誤検出が防止される。

【００１１】また、フォトセンサ上の保護絶縁膜の膜厚
を薄く形成することができるので、指紋の凹凸パターン
に応じたコントラストの大きい明暗情報を得ることがで
きるとともに、指紋センサの小型化を図ることができ
る。上記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領
域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して
形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、
を有し、前記チャネル領域に、前記指により反射して入
射する光の量に対応する電荷が発生、蓄積されるように
してもよい。保護絶縁膜上面の検出面に載置される指に
入射された光は指の皮膚表層内で伝搬するので、容易に
半導体層に出射することができる。

【００１２】上記のフォトセンサの前記チャネル領域の
上方及び下方に各々に配置された絶縁膜及びトップゲー
ト電極の各光学膜厚が、前記フォトセンサの受光感度が
最大になる波長より小さいと、指に入射される前に、フ
ォトセンサのチャネル領域の上方及び下方に配置された
絶縁膜及びトップゲート電極に入射された、フォトセン
サが受光感度内の波長域の大部分の光は、絶縁膜及びト
ップゲート電極内を伝搬しないので、指の凹部に対応す
るフォトセンサの半導体層に、励起光の入射を防止する
ことができ、誤って検知することがない。そして、この
場合、フォトセンサを大幅に薄膜化して、指紋センサを
小型化することができるとともに、検出画素の高密度化
を図ることができる。

【００１３】また、上記フォトセンサは、絶縁性基板上
にマトリクス状に配列され、フォトセンサのトップゲー
ト電極を行方向に接続した第１のゲートライン群と、フ
ォトセンサのボトムゲート電極を行方向に接続した第２
のゲートライン群と、フォトセンサのドレイン電極を列
方向に接続したデータライン群と、を備えたフォトセン
サアレイを構成するものであれば、２次元的な広がりを
有する被検出体の画像をマトリクス状の画素として検出
することができ、指紋の凹凸パターンに対応する画像を
良好に検出することができる。

【００１４】そして、上記光源から照射される検出光
は、赤色の波長領域にピークを有し、また、上記フォト
センサは、可視光線の波長領域の光に対して電荷を発生
する受光感度を有し、さらに、前記チャネル領域の上方
及び下方に各々に配置された絶縁膜及びトップゲート電
極の各光学膜厚が、６５０ｎｍ未満に設定されているこ
とにより、人間の皮膚から発光する赤色光の大部分が、
チャネル領域の上方及び下方に各々に配置された絶縁膜
及びトップゲート電極ではほとんど伝搬せず、指の皮膚
表層内のみを良好に伝搬して、例えば、アモルファスシ
リコンからなるチャネル層を有するフォトセンサに入射
し、指紋の凹凸パターンに対応した画像が良好に検出さ
れる。また、フォトセンサ上の保護絶縁膜を６５０ｎｍ
未満に薄く形成することができるので、指紋の凹凸パタ
ーンに応じたコントラストの大きい明暗情報を得ること
ができるとともに、指紋センサの大幅な小型化を図るこ
とができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】まず、本発明に係る指紋センサに
適用して良好なフォトセンサについて説明する。本発明
に係る指紋センサに適用されるフォトセンサとしては、
ＣＣＤ（ChargeCoupled Device）等の固体撮像デバイス
を用いることができる。ＣＣＤは、周知の通り、フォト
ダイオードや薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ThinFilm Tra
nsistor）等のフォトセンサをマトリクス状に配列した
構成を有し、各フォトセンサの受光部に照射された光量
に対応して発生する電子−正孔対の量（電荷量）を、水
平走査回路及び垂直走査回路により検出し、照射光の輝
度を検知している。

【００１６】このようなＣＣＤを用いたフォトセンサシ
ステムにおいては、走査された各フォトセンサを選択状
態にするための選択トランジスタを個別に設ける必要が
あるため、検出画素数が増大するにしたがってシステム
自体が大型化するという問題を有している。そこで、近
年、このような問題を解決するための構成として、フォ
トセンサ自体にフォトセンス機能と選択トランジスタ機
能とを持たせた、いわゆる、ダブルゲート構造を有する
薄膜トランジスタ（以下、ダブルゲート型トランジスタ
という）が開発され、システムの小型化、及び、画素の
高密度化を図る試みがなされている。本発明における指
紋センサには、このダブルゲート型トランジスタを良好
に適用することができる。

【００１７】以下、ダブルゲート型トランジスタの構造
及び機能について説明する。図１は、ダブルゲート型ト
ランジスタの構造を示す断面図である。図１（ａ）に示
すように、ダブルゲート型トランジスタ１０は、可視光
が入射されると電子−正孔対が生成される真性アモルフ
ァスシリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ）等を有する半導体層１１
と、半導体層１１の両端にそれぞれ設けられたｎ^＋シリ
コン層１７、１８と、ｎ^＋シリコン層１７、１８上に形
成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、半導
体層１１の上方（図面上方）にブロック絶縁膜１４及び
トップゲート絶縁膜１５を介して形成されたトップゲー
ト電極２１と、半導体層１１の下方（図面下方）にボト
ムゲート絶縁膜１６を介して形成されたボトムゲート電
極２２と、を有して構成されている。

【００１８】なお、図１において、トップゲート電極２
１、トップゲート絶縁膜１５、ボトムゲート絶縁膜１
６、及び、トップゲート電極２１上に設けられる保護絶
縁膜２０は、いずれも半導体層１１を励起する可視光に
対し透過率の高い（透光性の高い）材質により構成さ
れ、一方、ボトムゲート電極２２は、可視光の透過を遮
断する材質により構成されることにより、図面上方から
入射する照射光（可視光）のみを検知する構造を有して
いる。

【００１９】すなわち、ダブルゲート型トランジスタ１
０は、可視光が入射されると電子−正孔対が生成される
半導体層１１を共通のチャネル領域として、半導体層１
１、ソース電極１２、ドレイン電極１３及びトップゲー
ト電極２１により形成される上部ＭＯＳトランジスタ
と、半導体層１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３
及びボトムゲート電極２２により形成される下部ＭＯＳ
トランジスタとからなる２つのＭＯＳトランジスタの組
み合わせた構造が、ガラス基板等の透明な絶縁性基板１
９上に形成されている。そして、このようなダブルゲー
ト型トランジスタ１０は、一般に、図１（ｂ）に示すよ
うな等価回路により表される。ここで、ＴＧはトップゲ
ート端子、ＢＧはボトムゲート端子、Ｓはソース端子、
Ｄはドレイン端子である。

【００２０】次に、上述したダブルゲート型トランジス
タを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムに
ついて、図面を参照して簡単に説明する。図２は、ダブ
ルゲート型トランジスタを２次元配列して構成されるフ
ォトセンサシステムの概略構成図である。図２に示すよ
うに、フォトセンサシステムは、大別して、多数のダブ
ルゲート型トランジスタ１０Ｆをマトリクス状に配列し
たフォトセンサアレイ１００Ｆと、各ダブルゲート型ト
ランジスタ１０Ｆのトップゲート端子ＴＧ及びボトムゲ
ート端子ＢＧを各々行方向に接続したトップゲートライ
ン１０１及びボトムゲートライン１０２と、トップゲー
トライン１０１及びボトムゲートライン１０２に各々接
続されたトップゲートドライバ１１１及びボトムゲート
ドライバ１１２と、各ダブルゲート型トランジスタのド
レイン端子Ｄを列方向に接続したデータライン１０３
と、データライン１０３に接続されたコラムスイッチ１
１３と、を有して構成される。ここで、φtg及びφbg
は、それぞれ後述するリセットパルスφＴn、及び、読
み出しパルスφＢnを生成するための基準電圧、φpg
は、プリチャージ電圧Ｖpgを印加するタイミングを制御
するプリチャージ信号である。

【００２１】このような構成において、トップゲートド
ライバ１１１からトップゲート端子ＴＧに電圧を印加す
ることによりフォトセンス機能が実現され、ボトムゲー
トドライバ１１２からボトムゲート端子ＢＧに電圧を印
加し、データライン１０３を介して検出信号をコラムス
イッチ１１３に取り込んでシリアルデータとして出力
（Ｖout）することにより選択読み出し機能が実現され
る。

【００２２】次に、上述したフォトセンサシステムの駆
動制御方法について、図面を参照して説明する。図３
は、フォトセンサシステムの駆動制御方法を示すタイミ
ングチャートである。図３に示すように、まず、リセッ
ト動作においては、ｎ番目の行のトップゲートライン１
０１にパルス電圧（リセットパルス；例えば＋１５Ｖの
ハイレベル）φＴnを印加して、各ダブルゲート型トラ
ンジスタ１０Ｆの半導体層に蓄積されているキャリヤ
（正孔）を放出する（リセット期間Ｔreset）。

【００２３】次いで、光（キャリヤ）蓄積動作において
は、トップゲートライン１０１にローレベル（例えば＝
−１５Ｖ）のバイアス電圧φＴnを印加することによ
り、リセット動作を終了し、光蓄積動作によるキャリヤ
蓄積期間Ｔaがスタートする。キャリヤ蓄積期間Ｔaにお
いては、トップゲート電極側から入射した光量に応じて
チャネル領域にキャリヤが蓄積される。そして、プリチ
ャージ動作においては、キャリヤ蓄積期間Ｔaに並行し
て、データライン１０３に所定の電圧（プリチャージ電
圧）Ｖpgを印加し、ドレイン電極１３に電荷を保持させ
る（プリチャージ期間Ｔprch）。

【００２４】次いで、読み出し動作においては、プリチ
ャージ期間Ｔprchを経過した後、ボトムゲートライン１
０２にハイレベル（例えば＝＋１０Ｖ）のバイアス電圧
（読み出し選択信号；以下、読み出しパルスという）φ
Ｂnを印加することにより、ダブルゲート型トランジス
タ１０ＦをＯＮ状態にする（読み出し期間Ｔread）。こ
こで、読み出し期間Ｔreadにおいては、チャネル領域に
蓄積されたキャリア（正孔）が逆極性のトップゲートラ
イン１０１に印加されたバイアス電圧φＴn（−１５
Ｖ）を緩和する方向に働くため、ボトムゲートライン１
０２に印加されたバイアス電圧φＢnによりｎチャネル
が形成され、ドレイン電流に応じてデータライン１０３
のデータライン電圧ＶＤは、プリチャージ電圧Ｖpgから
時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

【００２５】すなわち、キャリヤ蓄積期間Ｔaにおける
光蓄積状態が暗状態で、チャネル領域に正孔が蓄積（捕
獲）されていない場合には、トップゲートＴＧに負バイ
アスをかけることによって、ボトムゲートＢＧの正バイ
アスが打ち消され、ダブルゲート型トランジスタ１０Ｆ
はＯＦＦ状態となり、ドレイン電圧、すなわち、データ
ライン１０３の電圧ＶＤが、略そのまま保持されること
になる。一方、光蓄積状態が明状態の場合には、チャネ
ル領域に入射光量に応じた正孔が捕獲されているため、
トップゲートＴＧの負バイアスを打ち消すように作用
し、この打ち消された分だけボトムゲートＢＧの正バイ
アスによって、ダブルゲート型トランジスタ１０ＦはＯ
Ｎ状態となる。そして、この入射光量に応じたＯＮ抵抗
に従って、データライン１０３の電圧ＶＤは、低下する
ことになる。

【００２６】したがって、データライン１０３の電圧Ｖ
Ｄの変化傾向は、トップゲートＴＧへのリセットパルス
φＴnの印加によるリセット動作の終了時点から、ボト
ムゲートＢＧに読み出しパルスφＢnが印加されるまで
の時間（キャリヤ蓄積期間Ｔa）に、受光した光量に深
く関連し、蓄積されたキャリヤが少ない場合には緩やか
に低下する傾向を示し、また、蓄積されたキャリヤが多
い場合には急峻に低下する傾向を示す。そのため、読み
出し期間Ｔreadがスタートして、所定の時間経過後のデ
ータライン１０３の電圧ＶＤを検出することにより、あ
るいは、所定のしきい値電圧を基準にして、その電圧に
至るまでの時間を検出することにより、照射光の光量が
換算される。上述した一連の駆動制御を１サイクルとし
て、ｎ＋１番目の行のダブルゲート型トランジスタ１０
Ｆにも同等の処理手順を繰り返すことにより、ダブルゲ
ート型トランジスタ１０Ｆを２次元のセンサシステムと
して動作させることができる。

【００２７】次に、本発明に係る指紋センサの実施形態
について、図面を参照して説明する。図４は、本発明に
係る指紋センサの一実施形態を示す要部構成図である。
ここで、上述したダブルゲート型トランジスタと同等の
構成については、同一の符号を付して説明する。図４に
示すように、本実施形態に係る指紋センサは、複数のダ
ブルゲート型トランジスタ（群）１０Ｆが、ガラス基板
１９上にマトリクス状に配列して設けられたセンサパネ
ル１００Ａと、センサパネル１００Ａの一面側に配置さ
れ、センサパネル１００Ａ上面に設けられた検出面２０
ａに載置された被検出体に均一な単色光を照射する面光
源３０Ａと、を有して構成されている。

【００２８】ダブルゲート型トランジスタ１０Ｆは、図
１に示したものと同様に、真性アモルファスシリコンや
水素化アモルファスシリコン等の半導体層１１及びブロ
ック絶縁膜１４を挟み、対向して形成されたソース電極
１２及びドレイン電極１３と、半導体層１１とソース電
極１２ａ及びドレイン電極１３ａ各々とのオーミック接
続を実現するためのｎ⁺シリコン層１７ａ、１８と、半
導体層１１の上方にトップゲート絶縁膜１５を介して設
けられたトップゲート電極２１と、半導体層１１の下方
にボトムゲート絶縁膜１６を介して設けられたボトムゲ
ート電極２２と、トップゲート電極２１の上方に設けら
れた保護絶縁膜２０と、を有して構成されている。半導
体層１１の受光波長域は主に可視光であり、フォトセン
スに有効な有効感度の波長域を、感度が最大のとき（６
５０ｎｍ程度）の半分になる波長域までとする。つまり
アモルファスシリコンからなる半導体層１１の場合、有
効感度の波長域の下限を５００ｎｍとし、上限は９００
ｎｍ程度となる。

【００２９】ここで、ボトムゲート電極２２、ソース−
ドレイン電極１２、１３は、遮光性を有する金属薄膜に
より形成されている。ブロック絶縁膜１４、トップゲー
ト絶縁膜１５、ボトムゲート絶縁膜１６、保護絶縁膜２
０は、いずれも半導体層１１を励起する可視光に対して
高い透過率を有し、屈折率が１．８〜２．０程度の窒化
シリコンや酸化シリコン等の透明な絶縁膜により形成さ
れている。また、トップゲート電極２１ａは、屈折率が
２．０〜２．２程度のＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化
インジウムスズ）等の透明な導電性材料により形成され
ている。

【００３０】また、半導体層１１を励起する光に対する
受光感度が最大になる波長をピーク波長λとすると、ブ
ロック絶縁膜１４、トップゲート絶縁膜１５、保護絶縁
膜２０は、いずれも半導体層１１を励起する光のピーク
波長λよりも光学膜厚が小さくなるように、より望まし
くは、ピーク波長λのときの半分までの強度の有効感度
の波長域の下限波長λ’よりも光学膜厚が小さくなるよ
うに設定されている。すなわち、各絶縁膜１４、１５、
２０の屈折率ｎと物理的な膜厚ｄとの積により表される
各光学膜厚が、半導体層１１の励起光の波長λとの関係
において、次式の条件を満たすように設定されている。
詳しくは後述する。 各光学膜厚（ｎ×ｄ） ＜ 励起光のピーク波長（λ） ……（１） より望ましくは、 各光学膜厚（ｎ×ｄ） ＜ 励起光の有効感度の下限波長（λ’）……（２） そして、このようなダブルゲート型トランジスタ１０Ｆ
を、ガラス基板１９上にマトリクス状に配置形成するこ
とにより、フォトセンサアレイ１００Ｆが構成されてい
る。

【００３１】一方、面光源３０Ａは、被検出体に固有の
波長を有する単色光を発光する単色光源３１と、透明な
アクリル等の合成樹脂により構成され、単色光源３１か
ら発せられ、側面部から入射された光を内部で均一に散
乱させ、センサパネル１００Ａに照射する導光板３２と
を有して構成されている。したがって、本実施形態に係
る指紋センサを指紋読取装置に適用する場合には、単色
光源３１として、人体の皮膚の赤味が掛かった色に対応
する波長域を有する赤色光を発光する光源、例えば、Ｌ
ＥＤ（発光ダイオード）等を用いることが好ましいが、
赤色波長域を含めば上記有効感度の下限から上限までの
連続した波長域を含んでもよい。なお、図４では、説明
の簡略化のため、センサパネル１００Ａの外部に引き出
すための配線や電極構造については図示を省略した。

【００３２】次に、上述した実施形態において、半導体
層１１上のブロック絶縁膜１４、トップゲート絶縁膜１
５、保護絶縁膜２０（以下、透光性絶縁膜と総称する）
の光学膜厚と、励起光の伝搬との関係について、図面を
参照して説明する。図５は、透光性絶縁膜の光学膜厚と
励起光の伝搬との関係を示す概略図である。ここで、上
述したダブルゲート型トランジスタと同等の構成につい
ては、同一の符号を付して、説明を簡略化する。また、
説明及び図示の都合上、センサパネルの断面部分を表す
ハッチングを省略する。

【００３３】図５（ａ）に示すセンサパネル１００Ａに
おいては、ダブルゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体
層１１上方に形成される透光性絶縁膜の各々の光学膜厚
が、半導体層１１を励起する光（以下、励起光という）
Ｌｃの波長よりも薄くなるように設定されている。この
場合、励起光Ｌｃは、各透光性絶縁膜（１４、１５、２
０）の内部を伝搬することなく、界面を透過（素通り）
する。このため、励起光Ｌｃが半導体層１１に入射され
る確率が低い。一方、図５（ｂ）に示すセンサパネル１
００Ａにおいては、透光性絶縁膜の各々の光学膜厚が、
半導体層１１の励起光Ｌｃの波長よりも厚くなるように
設定されている。この場合、励起光Ｌｃは、各透光性絶
縁膜（１４、１５、２０）の界面において反射し、絶縁
膜内部を伝搬し、励起光Ｌｃが半導体層１１に入射され
る確率が高くなる。

【００３４】ところで、保護絶縁膜２０上面の検出面２
０ａに載置された被検出体の２次元画像を半導体層１１
により検出するためには、２次元画像に対応した励起光
が各透光性絶縁膜内を繰り返し反射して伝搬し、半導体
層１１に入射する必要がある。例えば、被検出体として
指紋を検出する場合には、指紋の凹凸パターンのうち、
凸部に照射された光が反射して透光性絶縁膜内を伝搬
し、アモルファスシリコンからなる半導体層１１に到達
するとともに、凹部に照射された光は、透光性絶縁膜の
界面から凹部の空気層に透過して、減衰し、半導体層１
１に到達しないことにより、指紋の凹凸パターンに対応
した明暗情報が検出される。しかしながら、透光性絶縁
膜の各々の光学膜厚が、励起光Ｌｃの波長よりも長い
と、そこから光が伝搬してしまい、凹部に対応するダブ
ルゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１にも励起
光が入射されてしまう。

【００３５】そこで、本実施形態に係る指紋センサにお
いては、ダブルゲート型トランジスタの半導体層１１の
上方に形成される透光性絶縁膜について、検出状態にお
いてのみ、被検出体の２次元画像に対応し、半導体層１
１の励起光となる反射光のうち、有効感度のピーク波長
（λ）及びそれより長い波長域の光が、伝搬して半導体
層１１に入射する条件に設定し、より望ましくは、反射
光のうち、励起光の有効感度の下限波長より長い波長域
の光が伝搬して半導体層１１に入射する条件に設定す
る。また非検出状態において入射する光は、有効感度の
ピーク波長（λ）以上の長さの波長域の光が、伝搬せず
に透過して半導体層１１に到達しないように、より望ま
しくは反射光のうち励起光の有効感度の下限波長以上の
長さの波長域の光が伝搬せずに反射光が半導体層１１に
到達しないように設定したことを特徴としている。

【００３６】以下に、本実施形態に係る指紋センサを指
紋読取装置に適用した場合の、具体的な構成及びその動
作について、図面を参照して説明する。図６は、本実施
形態に係る指紋センサを指紋読取装置に適用した場合
の、具体的な構成及び指紋非検出時の動作を示す概念図
であり、図７は、本実施形態に係る指紋センサを指紋読
取装置に適用した場合の、指紋検出時の動作を示す概念
図である。ここで、上述したダブルゲート型トランジス
タと同等の構成については、同一の符号を付して、説明
を簡略化する。また、説明及び図示の都合上、指紋読取
装置の断面部分を表すハッチングを省略する。

【００３７】図６に示すように、本実施形態に係る指紋
読取装置においては、半導体層１１上の透光性絶縁膜を
構成するブロック絶縁膜１４、トップゲート絶縁膜１
５、保護絶縁膜２０の各々の光学膜厚が６５０ｎｍ未
満、望ましくは、５００ｎｍ未満に設定されている。こ
こで、被検出体である指に照射される光は、人体固有の
赤味が掛かった波長に対応するＬＥＤ（図示を省略）か
らの赤色の単色光であり、また、ダブルゲート型トラン
ジスタ１０Ｆの検出感度は、指の皮膚表層において反射
して入射する赤色光の波長領域に、高いピークを有する
可視光領域に設定されている。なお、上記透光性絶縁膜
（１４、１５、２０）のほか、トップゲート電極２１及
びボトムゲート絶縁膜１６についても、光学膜厚が６５
０ｎｍ未満、望ましくは、５００ｎｍ未満にに設定され
ている。

【００３８】すなわち、図５に示したダブルゲート型ト
ランジスタ１０Ｆにおいて、ブロック絶縁膜１４、トッ
プゲート絶縁膜１５、ボトムゲート絶縁膜１６、保護絶
縁膜２０の各透光性絶縁膜、及び、トップゲート電極２
１は、各々の屈折率をｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５、
また、物理的な膜厚をｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５と
した場合、次式の条件が満たされるように光学膜厚を設
定する。 ｎ１×ｄ１＜６５０ｎｍ ……（３−１） ｎ２×ｄ２＜６５０ｎｍ ……（３−２） ｎ３×ｄ３＜６５０ｎｍ ……（３−３） ｎ４×ｄ４＜６５０ｎｍ ……（３−４） ｎ５×ｄ５＜６５０ｎｍ ……（３−５）

【００３９】より望ましくは、 ｎ１×ｄ１＜５００ｎｍ ……（４−１） ｎ２×ｄ２＜５００ｎｍ ……（４−２） ｎ３×ｄ３＜５００ｎｍ ……（４−３） ｎ４×ｄ４＜５００ｎｍ ……（４−４） ｎ５×ｄ５＜５００ｎｍ ……（４−５） なお、光源となるＬＥＤの発光波長域は、半導体層１１
の受光感度のピーク波長である６５０ｎｍ程度にピーク
強度を有することが望ましく、また、下限が、半導体層
１１の有効感度の下限とほぼ同じ５００ｎｍ程度である
ことが望ましく、上限が、半導体層１１の有効感度の上
限とほぼ同じ９００ｎｍ程度であることが望ましい。

【００４０】そして、透光性絶縁膜として用いられるシ
リコン窒化膜の屈折率は、１．８〜２．０であり、透明
電極として用いられるＩＴＯの屈折率は、２．０〜２．
２であるので、上記（３−１）〜（３−５）式にこれら
の数値を適用すると、次式のように表され、物理的な膜
厚ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５が、概ね５００ｎｍ
（５０００Å）以下に薄膜化される。 １．９×ｄ１＜６５０ｎｍ ……（５−１） １．９×ｄ２＜６５０ｎｍ ……（５−２） １．９×ｄ３＜６５０ｎｍ ……（５−３） １．９×ｄ４＜６５０ｎｍ ……（５−４） ２．１×ｄ５＜６５０ｎｍ ……（５−５）

【００４１】より望ましくは、 １．９×ｄ１＜５００ｎｍ ……（６−１） １．９×ｄ２＜５００ｎｍ ……（６−２） １．９×ｄ３＜５００ｎｍ ……（６−３） １．９×ｄ４＜５００ｎｍ ……（６−４） ２．１×ｄ５＜５００ｎｍ ……（６−５） なおダブルゲート型ダブルゲート型トランジスタ１０に
おける上記膜厚ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５は、それ
ぞれ１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２５０ｎｍ、２００ｎ
ｍ、５０ｎｍに設定されており、上記式（６−１）〜
（６−５）を満たしている。

【００４２】上述したような指紋読取装置において、図
６に示すように、ダブルゲート型トランジスタ１０Ｆの
各透光性絶縁膜の光学膜厚が、光源から照射される赤色
光の有効感度のピーク波長よりも小さく設定されている
ので、指紋非検出時、すなわち指を検出面２０ａに載置
しない場合には、臨界角以上の角度で出射される光Ｌａ
の大半は透光性絶縁膜の界面で反射せず且つ伝搬するこ
となく透過（素通り）するので、半導体層に入射するこ
とが抑制される。

【００４３】一方、図７に示すように、指４０を指紋検
出面に載置した場合、すなわち、指紋検出時において
は、指４０の皮膚表層４０Ｂの半透明層が透光性絶縁膜
に接触することにより、透光性絶縁膜と皮膚表層４０Ｂ
との間の界面に屈折率の低い空気層がなくなる。そし
て、皮膚表層４０Ｂの厚さは、６５０ｎｍより厚いた
め、臨界角以上の角度で出射され、指紋４０Ａの凸部４
０ａにおいて内部で入射された赤色光Ｌａは皮膚表層４
０Ｂを散乱、反射しながら伝搬する。伝搬された光Ｌｂ
は、ダブルゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１
に励起光として入射される。

【００４４】また、指紋４０Ａの凹部４０ｂにおいて
は、照射された赤色光Ｌａは、臨界角以上の角度で出射
されるで、保護絶縁膜２０の指紋検出面２０ａと空気層
との間を界面を通過し、空気層の先の指に到達して皮膚
表層４０Ｂ内で散乱するが、指の皮膚表層４０は空気よ
り屈折率が高いため、ある角度で界面に入射された皮膚
表層４０内の光は空気層に抜けにくく凹部に対応するダ
ブルゲート型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１への入
射が抑制される。凹部において空気層を介し指を透過す
る光は、乱反射を繰り返しながら皮膚表層４０内を伝搬
し、指紋検出面２０ａに接触している凸部に達し、そこ
から保護絶縁膜２０を介し凸部に対応するダブルゲート
型トランジスタ１０Ｆの半導体層１１に入射される。

【００４５】したがって、透光性絶縁膜の光学膜厚を十
分に薄膜化（６５０ｎｍ未満）しても、被検出体である
指紋の凹凸パターンに対応する反射光の励起波長域の大
部分がダブルゲート型トランジスタの半導体層（チャネ
ル層）に入射されて明暗情報が得られ、指紋画像が良好
に検出される。よって、光学膜厚を薄膜化することがで
きるので、指紋の凹凸パターンの明暗情報を高いコント
ラストで得ることができるとともに、指紋読取装置を薄
型化することができる。また、人体（指）の皮膚表層を
検出面に密着して接触することにより、皮膚表層内で、
反射光の伝搬を可能にしているので、例えば、指紋のコ
ピー画像によっては、上記光学膜厚を変化させることが
できず、反射光の伝搬による半導体層への入射が抑制さ
れて、ダミーの誤認識を防止することができる。

【００４６】さらに、アモルファスシリコンからなる半
導体層が有効感度の下限波長よりも、透光性絶縁膜の光
学膜厚を薄く形成すると、指紋非検出時の照射光、及
び、指紋読取装置の外部から入射する外光が、有効感度
の下限波長より短い波長域を含んでいて、透光性絶縁膜
内で伝搬したとしても、その波長域は半導体層の励起感
度が悪いので、ダブルゲート型トランジスタによりノイ
ズ程度の小さい電圧変化しか検出されない。この場合、
指紋検出面と半導体層との距離が一層短くなるので、半
導体層への外光の入射がさらに抑制され、ノイズの影響
を十分低減することができ、また半導体層が受光する有
効感度の波長域の幅が広くなるのでより少ない光量でも
半導体層が検知しやすくなる。

【００４７】次に、本発明に係る指紋センサの全体構成
について、図面を参照して説明する。図８は、本発明に
係る指紋センサの第１の全体構成例を示す概略図であ
り、図９は、本発明に係る指紋センサの第２の全体構成
例を示す概略図である。ここで、上述した実施形態と同
等の構成については、同一の符号を付して、説明を簡略
化する。第１の全体構成例は、図８（ａ）、（ｂ）に示
すように、図５に示したセンサパネル１００Ａと面光源
３０Ａが、透光性の接着材料５０により密着されてい
る。また、面光源３０Ａを構成する導光板３２の対向す
る二辺には、それぞれ個別のＬＥＤ３１ａ、３１ｂが設
けられ、その他の二辺には、ＬＥＤ３１ａ、３１ｂから
発せられた赤色光Ｌａを導光板３２内部で均一に散乱さ
せるための反射シート３３ａ、３３ｂ、が設けられてい
る。

【００４８】このような構成を有する指紋センサによれ
ば、一対のＬＥＤ３１ａ、３１ｂから発せられた赤色光
Ｌａは、導光板３２内部、及び、センサパネル１００Ａ
を構成するガラス基板等の絶縁性基板１９内部で繰り返
し反射して均一な照射光が生成され、センサパネル１０
０Ａ上面の指紋検出面２０ａに接触した指（図示を省
略）に均等に照射される。また、第２の全体構成例は、
図９（ａ）に示すように、センサパネル１００Ａを構成
するガラス基板等の絶縁性基板１９の一面側、あるい
は、両面側に光学プリズム３４ａ、３４ｂ及びＬＥＤ３
１ａ、３１ｂが設けられている。

【００４９】このような構成を有する指紋センサによれ
ば、図９（ｂ）に示すように、ＬＥＤ３１ａ、３１ｂか
ら発せられた赤色光Ｌａは、光学プリズム３４ａ、３４
ｂを介してセンサパネル１００Ａの絶縁性基板１９内部
で繰り返し反射して均一な照射光が生成され、センサパ
ネル１００Ａ上面の指紋検出面２０ａに接触した指４０
に均等に照射される。なお、上述した実施形態において
は、フォトセンサとしてダブルゲート型トランジスタを
適用した場合についてのみ説明したが、本発明は、これ
に限定されるものではない。すなわち、上述したフォト
ダイオードやＴＦＴ等を適用することができ、これらを
用いた指紋センサにおいて、フォトセンサ上に形成され
る透光性絶縁膜の光学膜厚と検出面からの反射光の波長
との関係が、上記（１）式の関係を満たすものであれ
ば、本発明を良好に適用することができる。

【００５０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、検出面に
指が載置されている検出時にのみ、光源から照射された
光が、指での反射の前に透光性絶縁膜内を伝搬しないよ
うに透光性絶縁膜の光学膜厚が設定されているので、指
の凹凸に応じた吸収、反射の前に入射された光が透光性
絶縁膜内を伝搬してフォトセンサへ入射することが抑制
されて、誤検出が防止される。また、フォトセンサ上の
透光性絶縁膜の膜厚を薄く形成することができるので、
指紋の凹凸パターンに応じたコントラストの大きい明暗
情報を得ることができるとともに、指紋センサの小型化
を図ることができる。

【００５１】上記フォトセンサは、半導体層からなるチ
ャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン
電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に
各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボ
トムゲート電極と、を有し、チャネル領域に、被検出体
により反射して入射する光の量に対応する電荷が発生、
蓄積される、いわゆる、ダブルゲート型トランジスタで
あってもよく、この場合、フォトセンサを大幅に薄膜化
して、指紋センサを小型化することができるとともに、
検出画素の高密度化を図ることができる。このようなフ
ォトセンサでは、透光性絶縁膜上面の検出面に載置され
る指に入射された光は指の皮膚表層内で伝搬するので、
容易に半導体層に出射することができる。

【００５２】上記フォトセンサの前記チャネル領域の上
方及び下方に各々に配置された絶縁膜及びトップゲート
電極の各光学膜厚が、前記フォトセンサの受光感度が最
大になる波長より小さいと、指に入射される前に、フォ
トセンサのチャネル領域の上方及び下方に配置された絶
縁膜及びトップゲート電極に入射された、フォトセンサ
が受光感度内の波長域の大部分の光は、絶縁膜及びトッ
プゲート電極内を伝搬しないので、指の凹部に対応する
フォトセンサの半導体層に、励起光の入射を防止するこ
とができ、誤って検知することがない。

【００５３】また、上記フォトセンサは、絶縁性基板上
にマトリクス状に配列され、フォトセンサのトップゲー
ト電極を行方向に接続した第１のゲートライン群と、フ
ォトセンサのボトムゲート電極を行方向に接続した第２
のゲートライン群と、フォトセンサのドレイン電極を列
方向に接続したデータライン群と、を備えたフォトセン
サアレイを構成するものであれば、２次元的な広がりを
有する被検出体の画像をマトリクス状の画素として検出
することができ、指紋の凹凸パターンに対応する画像を
良好に検出することができる。

【００５４】そして、上記光源から照射される検出光
は、赤色の波長領域にピークを有し、また、上記フォト
センサは、可視光線の波長領域の光に対して電荷を発生
する受光感度を有し、さらに、上記透光性絶縁膜の膜厚
と該透光性絶縁膜の屈折率との積が、６５０ｎｍに設定
されていることにより、人間の皮膚から発光する赤色光
が、透光性絶縁膜内を良好に伝搬して、例えば、アモル
ファスシリコンからなるチャネル層を有するフォトセン
サに入射し、指紋の凹凸パターンに対応した画像が良好
に検出される。また、フォトセンサ上の透光性絶縁膜を
６５０ｎｍに薄く形成することができるので、指紋の凹
凸パターンに応じたコントラストの大きい明暗情報を得
ることができるとともに、指紋センサの大幅な小型化を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る指紋センサに適用されるダブルゲ
ート型トランジスタの構造を示す断面図である。

【図２】ダブルゲート型トランジスタを２次元配列して
構成されるフォトセンサシステムの概略構成図である。

【図３】フォトセンサシステムの駆動制御方法を示すタ
イミングチャートである。

【図４】本発明に係る指紋センサの一実施形態を示す要
部構成図である。

【図５】透光性絶縁膜の光学膜厚と励起光の伝搬との関
係を示す概略図である。

【図６】本実施形態に係る指紋センサを指紋読取装置に
適用した場合の、具体的な構成及び指紋非検出時の動作
を示す概念図である。

【図７】本実施形態に係る指紋センサを指紋読取装置に
適用した場合の、指紋検出時の動作を示す概念図であ
る。

【図８】本発明に係る指紋センサの第１の全体構成例を
示す概略図である。

【図９】本発明に係る指紋センサの第２の全体構成例を
示す概略図である。

【図１０】従来技術における指紋センサの第１の例を示
す概略図である。

【図１１】従来技術における照射光と反射光の関係を示
す概略図である。

【図１２】従来技術における指紋センサの第２の例を示
す概略図である。

【図１３】従来技術における指紋センサの第３の例を示
す概略図である。

【符号の説明】

１０Ｆ ダブルゲート型トランジスタ １１ 半導体層 １２ ソース電極 １３ ドレイン電極 １４ ブロック絶縁膜 １５ トップゲート絶縁膜 １６ ボトムゲート絶縁膜 １７、１８ ｎ⁺シリコン層 １９ 絶縁性基板 ２０ 保護絶縁膜 ２０ａ 検出面 ２１ トップゲート電極 ２２ ボトムゲート電極 ３０Ａ 面光源 ３１ 単色光源 ３２ 導光板 １００Ａ センサパネル １００Ｆ フォトセンサアレイ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4C038 FF01 FG01 4M118 AA10 AB01 BA05 CA11 CA32 CB06 FB03 FB09 FB13 GA02 GA03 GB15 GD11 5B047 AA25 BA02 BB04 BC01 BC04 BC14 5F088 AA09 AB05 BA15 BB10 DA03 FA09 GA02 HA12 KA08 LA03 5F089 BA03 BA10 BC01 BC05 BC09 CA20 DA20 FA10

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性を有する絶縁性基板の一面側に形
   成されたフォトセンサと、該フォトセンサを被覆して設
   けられる保護絶縁膜と、該保護絶縁膜上面の検出面に載
   置される指に所定の検出光を照射する光源と、を備えた
   指紋センサにおいて、 前記保護絶縁膜の光学膜厚は、前記フォトセンサの受光
   感度が最大になる波長より小さいことを特徴とする指紋
   センサ。
2. 【請求項２】 前記保護絶縁膜は窒化シリコンからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
3. 【請求項３】 前記フォトセンサは、半導体層からなる
   チャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイ
   ン電極と、前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁
   膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲー
   ト電極と、を有し、 前記チャネル領域に、前記指により反射して入射する光
   の量に対応する電荷が発生、蓄積されることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の指紋センサ。
4. 【請求項４】 前記フォトセンサの前記チャネル領域の
   上方及び下方に各々に配置された絶縁膜及びトップゲー
   ト電極の各光学膜厚が、前記フォトセンサの受光感度が
   最大になる波長より小さいことを特徴とする請求項３記
   載の指紋センサ。
5. 【請求項５】 前記フォトセンサの前記半導体層は、ア
   モルファスシリコンを有することを特徴とする請求項３
   又は４に記載の指紋センサ。
6. 【請求項６】 前記フォトセンサは、前記絶縁性基板上
   にマトリクス状に配列され、前記フォトセンサの前記ト
   ップゲート電極を行方向に接続した第１のゲートライン
   群と、前記フォトセンサの前記ボトムゲート電極を行方
   向に接続した第２のゲートライン群と、前記フォトセン
   サの前記ドレイン電極を列方向に接続したデータライン
   群と、を備えたことを特徴とする請求項３乃至５のいず
   れかに記載の指紋センサ。
7. 【請求項７】 前記光源から照射される検出光は、赤色
   の波長領域にピークを有し、また、 前記フォトセンサは、可視光線の波長領域の光に対して
   電荷を発生する受光感度を有し、さらに、 前記チャネル領域の上方及び下方に各々に配置された絶
   縁膜及びトップゲート電極の各光学膜厚が、６５０ｎｍ
   未満に設定されていることを特徴とする請求項１乃至６
   のいずれかに記載の指紋センサ。