JP2004214341A

JP2004214341A - Semiconductor photo detection device

Info

Publication number: JP2004214341A
Application number: JP2002380620A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Terada; 由孝寺田; Seiji Yamaguchi; 誠二山口; Takashi Yamamoto; 孝山本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP4185357B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor photo detection device which can realize desired spectral sensitivity characteristics. <P>SOLUTION: A first photo diode 15, a second photo diode 17, and a signal processing circuit 30 are integrated on a single substrate. The first photo diode 15 and the second photo diode 17 have a light incident face 152 and a light incident face 172, respectively. On the light incident face 152, an optical filter composed of an infrared light transmission resin film 154a and a red-color light transmission resin film 154b is formed. The infrared light transmission resin film 154a and the red-color light transmission resin film 154b are located adjacent to each other with small spacing, near a division line which passes the central point of the light incident face 152 and are parallel to two sides of the light incident face 152. The signal processing circuit 30 amplifies the output of the first photo diode 15 by k times, and subtracts the output of the first photo diode 15 amplified by k times from the output of the second photo diode 17. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視領域光を検出する半導体光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カメラの自動露出計などに用いられる半導体光検出装置であって、視感度に近い分光感度を有し、かつ安価なものとしてＣｄＳ光導電セルが知られているが、Ｃｄを含むＣｄＳ光導電セルは、製造、回収等の点で取り扱いが難しい。そこで、ＣｄＳ光導電セルの代用品となる半導体光検出装置として、視感度に近い分光感度を有し、かつ安価である、フォトダイオードを適用した半導体光検出装置の開発が要求されている。
【０００３】
フォトダイオードを用いて可視領域光を選択的に検出する従来技術として、例えば、特開平８−３３０６２１に開示される光学センサがあった。特開平８−３３０６２１の光学センサでは、分光感度特性が同一である二つの光検出手段のうちの一つ光検出手段のみが光学フィルタ（可視領域成分カットフィルタ）を具備し、減算手段がそれぞれの光検出手段の出力を減算処理する。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３３０６２１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−３３０６２１の光学センサには、光検出手段の感度領域中における可視領域外の分光成分全体を透過させかつ可視領域成分全体を遮断する好適な性能を備えた光学フィルタを入手するのが困難であり、そのため所望の分光感度特性を実現できないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、所望の分光感度特性を実現できる半導体光検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体光検出装置は、入射光に含まれる可視領域光を選択的に検出する半導体光検出装置において、可視領域光及び長波長側の可視領域外光に感度を有する半導体結晶からなる基板に形成され、入射した光を電気信号に変換する第１及び第２の光検出領域と、第１の光検出領域の出力と、第２の光検出領域の出力とを比較する信号処理回路とを備え、第１の光検出領域の光入射面上に、分光透過特性の異なる少なくとも２種類の可視領域光を遮断する光学フィルタが形成されたことを特徴とする。
【０００８】
可視領域光を遮断する光学フィルタ（可視領域成分カットフィルタ）単体が好適な性能を備えたものでなくても、当該光学フィルタと、それとは分光透過特性の異なる他の光学フィルタ（可視領域成分カットフィルタ）とを組み合わせて第１の光検出領域（可視領域外成分に対応する出力を取り除くための補正用光検出部）に適用した上、第１の光検出領域の出力と第２の光検出領域の出力とを比較して可視領域光を検出することにより、所望の分光感度特性を実現することが可能になる。
【０００９】
本発明の半導体光検出装置は、第１及び第２の光検出領域と信号処理回路とが、可視領域光及び長波長側の可視領域外光に感度を有する半導体結晶からなる単一の基板に形成されたことが好適である。
【００１０】
単一の基板に第１及び第２の光検出領域並びに信号処理回路を形成することにより、装置を小型化させることができる。
【００１１】
本発明の半導体光検出装置は、第１及び第２の光検出領域の周縁部を覆うように遮光膜が形成されたことが好適である。
【００１２】
遮光膜で囲まれた領域を各光検出領域の光入射面とすることにより、正確に光入射面の面積を確定することができる。
【００１３】
本発明の半導体光検出装置は、光学フィルタは、第１の光検出領域の周縁部を覆う遮光膜と重なるように形成されたことが好適である。
【００１４】
光学フィルタが第１の光検出領域の周縁部を覆う遮光膜と重なるように形成されているので、第１の光検出領域の光入射面に外側から斜めに入射してくる光も、光学フィルタを通過することになる。
【００１５】
本発明の半導体光検出装置は、信号処理回路が、第１の光検出領域の出力を増幅する増幅回路と、第２の光検出領域の出力から増幅回路の出力を減じることにより入射光に含まれる可視領域光に対応した検出信号を出力する演算回路とを有することが好適である。
【００１６】
増幅回路が第１の光検出領域の出力を増幅させるので、演算回路により処理される第１の光検出領域の出力を維持しつつ、第１の光検出領域の光入射面の面積を小さくすることができる。これにより、装置の更なる小型化が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の半導体光検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態の半導体光検出装置１の構造を説明する。図１は、半導体光検出装置１の平面図である。図２は、図１に示す半導体光検出装置１のＩＩ−ＩＩ線に沿った部分断面図である。
【００１９】
図１に示すように、半導体光検出装置１は、平面の形状が長方形であり、光入射面側（以下では、半導体検出装置１においてフォトダイオードが形成される側を「光入射面側」又は「上」側という。）の平面中央部に第１フォトダイオード１５の光入射面１５２が形成されている。さらに、第１フォトダイオード１５の光入射面１５２を囲うように第２フォトダイオード１７の光入射面１７２が形成され、第２フォトダイオード１７の光入射面１７２を囲うように信号処理回路３０が形成されている。以下に、主として図２を参照して、第１フォトダイオード１５及び第２フォトダイオード１７の構造を具体的に説明する。
【００２０】
シリコン単結晶により構成される基板は下層部にｐ型の不純物を含むｐ型基層１１を有し、ｐ型基層１１の上方にはｐ型又はｎ型の不純物を含む半導体層、酸化膜、アルミ膜等が形成されている。
【００２１】
ｐ型基層１１の上面中央部からｎ型不純物がドーピングされることにより、ｐ型基層１１の上部に、高濃度のｎ型不純物を含むｎ^＋型埋め込み層１２が形成されている。ｎ^＋型埋め込み層１２の上に、ｎ型の不純物を含み、エピタキシャル結晶成長されたｎ型エピタキシャル層１３が形成されている。なお、ｎ^＋型埋め込み層１２は本発明の必須の要件ではなく、ｐ型基層１１の上面中央部に直接ｎ型エピタキシャル層１３が形成されてもよい。
【００２２】
ｎ型エピタキシャル層１３の上面中央部からｐ型不純物がドーピングされることにより、ｎ型エピタキシャル層１３の上部に、高濃度のｐ型不純物を含むｐ^＋型不純物層１５０が形成されている。さらに、ｎ型エピタキシャル層１３上部に、ｐ^＋型不純物層１５０を囲うように、高濃度のｐ型不純物がドーピングされた環状のｐ^＋型不純物層１７０が形成されている。
【００２３】
ｎ^＋型埋め込み層１２上のｎ型エピタキシャル層１３に隣接する部分に、高濃度のｎ型不純物を含むｎ^＋型不純物層１４が形成されている。ｎ^＋型不純物層１４は適用フォトダイオード（以下では、第１フォトダイオード１５と第２フォトダイオード１７とを総称して「適用フォトダイオード」という。）のカソードコンタクトとして機能する。
【００２４】
ｎ型エピタキシャル層１３及びｎ^＋型不純物層１４等の上面には、絶縁層として機能する酸化膜（熱酸化膜２１）が熱酸化により形成されている。
【００２５】
熱酸化膜２１を貫き、ｐ^＋型不純物層１５０と接触するように、アノード電極１５１が形成されている。また、熱酸化膜２１を貫き、ｐ^＋型不純物層１７０と接触するように、アノード電極１７１が形成されている。熱酸化膜２１を貫き、ｎ^＋型不純物層１４と接触するように、カソード電極２２が形成されている。アノード電極１５１、アノード電極１７１及びカソード電極２２は、それぞれ、信号処理回路３０に配線されている。
【００２６】
熱酸化膜２１、アノード電極１５１、アノード電極１７１及びカソード電極２２の上に、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、絶縁層として機能するＳｉＯ_２薄膜（酸化膜２３）が形成されている。
【００２７】
酸化膜２３の上に、ｐ^＋型不純物層１５０とｐ^＋型不純物層１７０との間の領域を臨み、かつアノード電極１５１及びｐ^＋型不純物層１５０の外縁部（外側の周縁部）並びにｐ^＋型不純物層１７０の内縁部（内側の周縁部）と重なるように、環状のＡｌ遮光膜１６が形成されている。また、酸化膜２３の上に、ｐ^＋型不純物層１７０の周辺部を臨み、かつアノード電極１７１及びｐ^＋型不純物層１７０の外縁部と重なるように、Ａｌ遮光膜１８が形成されている。
【００２８】
酸化膜２３、Ａｌ遮光膜１６及びＡｌ遮光膜１８の上に、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、絶縁層として機能するＳｉＯ_２薄膜（酸化膜２４）が形成されている。
【００２９】
アノード電極１５１、ｐ^＋型不純物層１５０、ｎ型エピタキシャル層１３、ｎ^＋型埋め込み層１２、ｎ^＋型不純物層１４及びカソード電極２２により、第１フォトダイオード１５が構成される。酸化膜２３の上面のうちＡｌ遮光膜１６によって囲まれる領域が、第１フォトダイオード１５の光入射面１５２になる。光入射面１５２の面積は、後述する光入射面１７２の面積のｃ倍である。
【００３０】
アノード電極１７１、ｐ^＋型不純物層１７０、ｎ型エピタキシャル層１３、ｎ^＋型埋め込み層１２、ｎ^＋型不純物層１４及びカソード電極２２により、第２フォトダイオード１７が構成される。酸化膜２３の上面のうちＡｌ遮光膜１６とＡｌ遮光膜１８とに挟まれる領域が、第２フォトダイオード１７の光入射面１７２になる。
【００３１】
次に、酸化膜２４の上に光入射面１５２を臨むように形成された光学フィルタ（赤外光透過樹脂膜１５４ａ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｂ）の構造を説明する。図３は、図２に示す部分断面図における光学フィルタの周辺を拡大した図である。赤外光透過樹脂膜１５４ａは、遮断波長が８００ｎｍ付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。他方、赤色光透過樹脂膜１５４ｂは、遮断波長が赤色波長付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。
【００３２】
赤外光透過樹脂膜１５４ａ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｂは、光入射面１５２の二辺と平行な中心点を通る分割線の付近で僅かな間隔を挟んで隣り合うように配置されている。また、赤外光透過樹脂膜１５４ａ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｂは、縁部が光入射面１５２からはみ出し、Ａｌ遮光膜１６の内縁部と重なるように配置されている。そのため、光入射面１５２は、赤外光透過樹脂膜１５４ａを透過した光が入射する領域ｓ_１、赤色光透過樹脂膜１５４ｂを透過した光が入射する領域ｓ_２及び赤外光透過樹脂膜１５４ａと赤色光透過樹脂膜１５４ｂとの間隔を通過した光が入射する領域ｓ_４の三つの領域に分割される。
【００３３】
次に、第１フォトダイオード１５、第２フォトダイオード１７、赤外光透過樹脂膜１５４ａ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｂ、Ａｌ遮光膜１６及びＡｌ遮光膜１８並びに信号処理回路３０の機能を詳細に説明する。
【００３４】
第２フォトダイオード１７は、特定の波長の光について、光入射面１７２に入射する検出光の強度に比例する電流（電流信号）を発する。ただし、第２フォトダイオード１７の感度は検出光の波長によって異なる。一般に、フォトダイオードにおいては、光入射面に入射する光の波長が短いほど、表面から浅い位置で光が半導体結晶に吸収され電子―正孔対を誘起させる。表面から浅い位置で発生した電子―正孔対は、空乏層の電界域に達する前に再結合するものが多いので、電流信号に寄与しにくくなる。そのため、短波長光に対するフォトダイオードの感度は小さくなる。特に、適用フォトダイオードにおいては、シリコン結晶が表面付近で短波長側の可視領域外光を吸収する。また、視感度に準じて短波長側の可視領域外光に対する感度が小さくなるように、ｐｎ接合面（ｐ^＋型不純物層１５０及びｐ^＋型不純物層１７０の下面とｎ型エピタキシャル層１３との接合面）の深さが調整される。
【００３５】
第１フォトダイオード１５は、第２フォトダイオード１７と同質のものであるが、光入射面１５２の上方に光学フィルタ（赤外光透過樹脂膜１５４ａ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｂ）を備える。光学フィルタは、光入射面１５２全体に加えて、Ａｌ遮光膜１６の内縁部を臨むので、光入射面１５２に外側から斜めに入射してくる光も光学フィルタを通過することになる。また、光入射面１５２に外側から大きな入射角度で入射してくる光は、光学フィルタを通過しないで光入射面１５２に入射することになるが、酸化膜２４を通過する距離が長くなるので、ｐｎ接合面から離れた位置でシリコン結晶に吸収され、第１フォトダイオード１５の電流信号には寄与しない。そのため、第１フォトダイオード１５は、赤外光透過樹脂膜１５４ａ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｂ並びにそれらの間の僅かな隙間を通過した光のみを検出することになる。
【００３６】
図７に、光学フィルタが光入射面のみを臨むように形成される場合において、光が光入射面に外側から斜めに入射する様子を示す。図７に示されるように、光学フィルタが光入射面のみを臨むように形成される場合、光入射面に外側から斜めに入射する光は、赤外光透過樹脂膜を通過しないで、光入射面に入射することになる。
【００３７】
酸化膜２３の上面のうち光入射面１５２及び光入射面１７２の周辺部は、Ａｌ遮光膜１６及びＡｌ遮光膜１８で覆われる。Ａｌ遮光膜１６及びＡｌ遮光膜１８は、光を透過させないので、酸化膜２３の上面のうち光入射面１５２及び光入射面１７２の周辺部に入射する光が、電流信号に変換されるのを防止する。そのため、光入射面１５２及び光入射面１７２とそれらの周辺部との境界が明確になるので、光入射面１５２及び光入射面１７２への入射光量を正確に制御することができる。
【００３８】
図８は、信号処理回路３０のブロック図である。信号処理回路３０は、第１フォトダイオード１５の電流信号をｋ倍に増幅させる増幅回路３２を備える。また、信号処理回路３０は、増幅回路３２の出力と第２フォトダイオード１７のアノードとを接続している。このため、第２フォトダイオード１７の信号から、増幅回路３２により増幅された第１フォトダイオード１５の信号を電流信号の状態で減算処理をすることができる。そのため、演算回路の回路面積が小さくなり、装置を小型化できる。
【００３９】
次に、半導体光検出装置１の作用を説明する。
【００４０】
検出光が半導体光検出装置１の検出領域（Ａｌ遮光膜１８で囲われる領域）全体に照射されると、第１フォトダイオード１５は、光学フィルタを透過して光入射面１５２に入射する検出光の強度に比例する電流Ｉ１を出力する。他方、第２フォトダイオード１７は、光入射面１７２に入射する検出光に比例する電流Ｉ２を出力する。
【００４１】
増幅回路３２が第１フォトダイオード１５から出力される電流Ｉ１をｋ倍に増幅し、増幅回路３２の出力と第２フォトダイオード１７のアノードとを接続することにより、演算回路が第２フォトダイオード１７から出力される電流Ｉ２と、電流Ｉ１をｋ倍に増幅した電流との差に応じた出力を演算する。
【００４２】
上述のとおり、光入射面１５２は、赤外光透過樹脂膜１５４ａを透過した光が入射する領域ｓ_１、赤色光透過樹脂膜１５４ｂを透過した光が入射する領域ｓ_２及び赤外光透過樹脂膜１５４ａと赤色光透過樹脂膜１５４ｂとの間隔を通過した光が入射する領域ｓ_４の三つの領域に分割される。そのため、演算回路の出力の入射光波長に対する特性Ｒ（λ）は次の式（１）ないし（４）により表される。
Ｒ（λ）∝Ｉ２（λ）［１―ｃｋ｛α_１Ｔ_１（λ）＋α_２Ｔ_２（λ）＋α_４｝］・・・（１）
α_１＝ｓ_１／ｓ_０・・・（２）
α_２＝ｓ_２／ｓ_０・・・（３）
α_４＝ｓ_４／ｓ_０・・・（４）
λ：入射光波長
Ｉ２（λ）：第２フォトダイオード１７の出力
ｃ：光入射面１５２の光入射面１７２に対する面積比
ｋ：増幅回路３２による第１フォトダイオード１５の出力の増幅度
ｓ_０：光入射面１５２の面積
Ｔ_１（λ）：赤外光透過樹脂膜１５４ａの分光透過率
Ｔ_２（λ）：赤色光透過樹脂膜１５４ｂの分光透過率
【００４３】
第２フォトダイオード１７の出力から第１フォトダイオード１５の出力を減算処理することにより、半導体光検出装置１における赤色ないし赤外光よりも長波長の光に対する感度を取り除くことができる。また、前述のように、適用フォトダイオードは視感度に準じて短波長側の可視領域外光に対する感度が小さくなるので、半導体光検出装置１は概ね可視領域の光に対してのみ感度を有することになる。さらに、ｃｋ、α_１、α_２、α_４の値を微調整することにより、半導体光検出装置１に所望の分光感度特性（例えば、ピーク波長が５５０ｎｍであり、ピーク波長に対して左右の分光感度の総和（積分値）が同じである（色温度に対する出力変動がゼロである）分光感度特性）を持たせることができる。
【００４４】
半導体光検出装置１では、第１フォトダイオード１５の光入射面１５２の面積を、第２フォトダイオード１７の光入射面１７２の面積のｃ倍に縮小することにより、半導体光検出装置１の表面の面積を小さくしつつ、増幅回路３２が第１フォトダイオード１５の出力を適当に設定された増幅度で増幅することにより、高い精度で検出波長帯から赤外光を除外した検出信号を得ることができる。
【００４５】
半導体光検出装置１では、単一の基板に第１フォトダイオード１５、第２フォトダイオード１７及び信号処理回路３０が集積され、また第１フォトダイオード１５と第２フォトダイオード１７とが互いに隣接するように形成されるので、装置が小型化される。
（第２実施形態）
第２実施形態の半導体光検出装置２の構造は、光入射面１５２上の光学フィルタの構造を除いて、第１実施形態の半導体光検出装置１の構造と同じである。図４は、半導体光検出装置２における光入射面１５２上の光学フィルタの構造を示す図（部分断面図）である。この光学フィルタの構造を説明する。
【００４６】
酸化膜２４の上に光入射面１５２を臨むように赤外光透過樹脂膜１５４ｃ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｄが形成されている。赤外光透過樹脂膜１５４ｃは、遮断波長が８００ｎｍ付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。他方、赤色光透過樹脂膜１５４ｄは、遮断波長が赤色波長付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。
【００４７】
赤外光透過樹脂膜１５４ｃは、光入射面１５２の二辺と平行な中心点を通る分割線で分割される光入射面１５２の片側を覆うように配置されている。さらに、赤外光透過樹脂膜１５４ｃは、縁部が光入射面１５２からはみ出し、Ａｌ遮光膜１６の内縁部と重なるように配置されている。赤色光透過樹脂膜１５４ｄは、光入射面１５２の全面を覆い、かつ縁部が光入射面１５２からはみ出し、Ａｌ遮光膜１６の内縁部と重なるように配置されている。そのため、光入射面１５２は、赤色光透過樹脂膜１５４ｄを透過した光が入射する領域ｓ_２と、赤外光透過樹脂膜１５４ｃ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｄを通過した光が入射する領域ｓ_３との二つの領域に分割される。
【００４８】
演算回路の出力の入射光波長に対する特性Ｒ（λ）は次の式（５）ないし（７）により表される。
Ｒ（λ）∝Ｉ２（λ）［１―ｃｋ｛α_２Ｔ_２（λ）＋α_３Ｔ_１（λ）Ｔ_２（λ）｝］・・・（５）
α_２＝ｓ_２／ｓ_０・・・（６）
α_３＝ｓ_３／ｓ_０・・・（７）
λ：入射光波長
Ｉ２（λ）：第２フォトダイオード１７の出力
ｃ：光入射面１５２の光入射面１７２に対する面積比
ｋ：増幅回路３２による第１フォトダイオード１５の出力の増幅度
ｓ_０：光入射面１５２の面積
Ｔ_１（λ）：赤外光透過樹脂膜１５４ｃの分光透過率
Ｔ_２（λ）：赤色光透過樹脂膜１５４ｄの分光透過率
【００４９】
第２フォトダイオード１７の出力から第１フォトダイオード１５の出力を減算処理することにより、半導体光検出装置２における赤色ないし赤外光よりも長波長の光に対する感度を取り除くことができる。また、前述のように、適用フォトダイオードは視感度に準じて短波長側の可視領域外光に対する感度が小さくなるので、半導体光検出装置２は概ね可視領域の光に対してのみ感度を有することになる。さらに、ｃｋ、α_１、α_３の値を微調整することにより、半導体光検出装置２に所望の分光感度特性（例えば、ピーク波長が５５０ｎｍであり、ピーク波長に対して左右の分光感度の総和（積分値）が同じである（色温度に対する出力変動がゼロである）分光感度特性）を持たせることができる。
【００５０】
（第３実施形態）
第３実施形態の半導体光検出装置３の構造は、光入射面１５２上の光学フィルタの構造を除いて、第１実施形態の半導体光検出装置１の構造と同じである。図５は、半導体光検出装置３における光入射面１５２上の光学フィルタの構造を示す図（部分断面図）である。この光学フィルタの構造を説明する。
【００５１】
酸化膜２４の上に光入射面１５２を臨むように赤外光透過樹脂膜１５４ｅ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｆが形成されている。赤外光透過樹脂膜１５４ｅは、遮断波長が８００ｎｍ付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。他方、赤色光透過樹脂膜１５４ｆは、遮断波長が赤色波長付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。
【００５２】
赤外光透過樹脂膜１５４ｅは、光入射面１５２の二辺と平行な中心点を通る分割線で分割される光入射面１５２の一方の片側を覆うように配置されている。さらに、赤外光透過樹脂膜１５４ｅは、縁部が光入射面１５２からはみ出し、Ａｌ遮光膜１６の内縁部と重なるように配置されている。赤色光透過樹脂膜１５４ｆは、光入射面１５２の他方の片側を覆い、かつ一部が赤外光透過樹脂膜１５４ｅと重なるように配置されている。さらに、赤色光透過樹脂膜１５４ｆは、縁部が光入射面１５２からはみ出し、Ａｌ遮光膜１６の内縁部と重なるように配置されている。そのため、光入射面１５２は、赤外光透過樹脂膜１５４ｅを透過した光が入射する領域ｓ_１と、赤色光透過樹脂膜１５４ｆを透過した光が入射する領域ｓ_２と、赤外光透過樹脂膜１５４ｅ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｆを通過した光が入射する領域ｓ_３との三つの領域に分割される。
【００５３】
演算回路の出力の入射光波長に対する特性Ｒ（λ）は次の式（８）ないし（１１）により表される。
Ｒ（λ）∝Ｉ２（λ）［１―ｃｋ｛α_１Ｔ_１（λ）＋α_２Ｔ_２（λ）＋α_３Ｔ_１（λ）Ｔ_２（λ）｝］・・・（８）
α_１＝ｓ_１／ｓ_０・・・（９）
α_２＝ｓ_２／ｓ_０・・・（１０）
α_３＝ｓ_３／ｓ_０・・・（１１）
λ：入射光波長
Ｉ２（λ）：第２フォトダイオード１７の出力
ｃ：光入射面１５２の光入射面１７２に対する面積比
ｋ：増幅回路３２による第１フォトダイオード１５の出力の増幅度
ｓ_０：光入射面１５２の面積
Ｔ_１（λ）：赤外光透過樹脂膜１５４ｅの分光透過率
Ｔ_２（λ）：赤色光透過樹脂膜１５４ｆの分光透過率
【００５４】
第２フォトダイオード１７の出力から第１フォトダイオード１５の出力を減算処理することにより、半導体光検出装置３における赤色ないし赤外光よりも長波長の光に対する感度を取り除くことができる。また、前述のように、適用フォトダイオードは視感度に準じて短波長側の可視領域外光に対する感度が小さくなるので、半導体光検出装置３は概ね可視領域の光に対してのみ感度を有することになる。さらに、ｃｋ、α_１、α_２、α_３の値を微調整することにより、半導体光検出装置３に所望の分光感度特性（例えば、ピーク波長が５５０ｎｍであり、ピーク波長に対して左右の分光感度の総和（積分値）が同じである（色温度に対する出力変動がゼロである）分光感度特性）を持たせることができる。
【００５５】
（第４実施形態）
第４実施形態の半導体光検出装置４の構造は、光入射面１５２上の光学フィルタの構造を除いて、第１実施形態の半導体光検出装置１の構造と同じである。図６は、半導体光検出装置４における光入射面１５２上の光学フィルタの構造を示す図（部分断面図）である。この光学フィルタの構造を説明する。
【００５６】
酸化膜２４の上に光入射面１５２を臨むように赤外光透過樹脂膜１５４ｇ及び赤色光透過樹脂膜１５４ｈが形成されている。赤外光透過樹脂膜１５４ｇは、遮断波長が８００ｎｍ付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。他方、赤色光透過樹脂膜１５４ｈは、遮断波長が赤色波長付近にある可視領域成分カットフィルタとして機能する。
【００５７】
赤外光透過樹脂膜１５４ｇは、光入射面１５２の中央部を占めるように設置されている。赤色光透過樹脂膜１５４ｈは、所定の間隔を挟んで赤外光透過樹脂膜１５４ｇを囲むように配置されている。さらに、赤色光透過樹脂膜１５４ｈは、外縁部が光入射面１５２からはみ出し、Ａｌ遮光膜１６の内縁部と重なるように配置されている。そのため、光入射面１５２は、赤外光透過樹脂膜１５４ｇを透過した光が入射する領域ｓ_１、赤色光透過樹脂膜１５４ｈを透過した光が入射する領域ｓ_２及び赤外光透過樹脂膜１５４ｇと赤色光透過樹脂膜１５４ｈとの間隔を通過した光が入射する領域ｓ_４の三つの領域に分割される。
【００５８】
演算回路の出力の入射光波長に対する特性Ｒ（λ）は上記の式（１）ないし（４）により表される。ただし、Ｔ_１（λ）は赤外光透過樹脂膜１５４ｇの分光透過率を表し、Ｔ_２（λ）は赤色光透過樹脂膜１５４ｈの分光透過率を表す。
【００５９】
第２フォトダイオード１７の出力から第１フォトダイオード１５の出力を減算処理することにより、半導体光検出装置４における赤色ないし赤外光よりも長波長の光に対する感度を取り除くことができる。また、前述のように、適用フォトダイオードは視感度に準じて短波長側の可視領域外光に対する感度が小さくなるので、半導体光検出装置４は概ね可視領域の光に対してのみ感度を有することになる。さらに、ｃｋ、α_１、α_２、α_４の値を微調整することにより、半導体光検出装置４に所望の分光感度特性（例えば、ピーク波長が５５０ｎｍであり、ピーク波長に対して左右の分光感度の総和（積分値）が同じである（色温度に対する出力変動がゼロである）分光感度特性）を持たせることができる。
【００６０】
なお、第１の光検出領域（第１フォトダイオード）と第２の光検出領域（第２フォトダイオード）との位置関係は、上述の配置に限定されるものではない。例えば、別の実施形態として、半導体光検出装置５が考えられる。図９は、半導体光検出装置５の平面図を示す。図９に示されるとおり、半導体光検出装置５は、半導体光検出装置１と同じく平面の形状が長方形であり、光入射面側の平面内に、第１フォトダイオード（光学フィルタを備えるフォトダイオード）の光入射面５１と第２フォトダイオード（光学フィルタを備えないフォトダイオード）の光入射面５２とが長方形の領域を占めるように形成されている。当該長方形の領域の一角に、正方形の第１フォトダイオードの光入射面５１が形成され、当該長方形の領域のその他の部分に、光入射面５１の二辺を囲うように、第２フォトダイオードの光入射面５２が形成されている。さらに、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードを囲うように、信号処理回路５３が形成されている。
【００６１】
図１０に、本発明の半導体光検出装置における分光感度特性の例を示す。図１０において、横軸は入射光波長を、縦軸は第２フォトダイオード（第２の光検出領域）の出力を基準とする相対感度を示す。６５０ｎｍから８００ｎｍの波長帯では、主として赤色光透過樹脂膜を透過した光に対する第１フォトダイオード（第１の光検出領域）の出力により、分光感度の一部が取り除かれている。８００ｎｍ以上の波長帯では、赤外光透過樹脂膜及び赤色光透過樹脂膜の双方において透過率が高いので、ほぼ完全に分光感度が取り除かれている。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、半導体光検出装置において所望の分光感度特性を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体光検出装置１の平面図である。
【図２】図１に示す半導体光検出装置１のＩＩ−ＩＩ線に沿った部分断面図である。
【図３】図２に示す部分断面図における光学フィルタの周辺を拡大した図である。
【図４】半導体光検出装置２における光入射面１５２上の光学フィルタの構造を示す図（部分断面図）である。
【図５】半導体光検出装置３における光入射面１５２上の光学フィルタの構造を示す図（部分断面図）である。
【図６】半導体光検出装置４における光入射面１５２上の光学フィルタの構造を示す図（部分断面図）である。
【図７】光学フィルタが光入射面のみを臨むように形成される場合において、光が光入射面に外側から斜めに入射する様子を示す図である。
【図８】信号処理回路３０のブロック図である。
【図９】半導体光検出装置５の平面図である。
【図１０】本発明の半導体光検出装置における分光感度特性の例を示す図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５…半導体光検出装置、１１…ｐ型基層、１２…ｎ^＋型埋め込み層、１３…ｎ型エピタキシャル層、１４…ｎ^＋不純物層、１５…第１フォトダイオード、１５０…ｐ^＋型不純物層、１５１…アノード電極、１５２…光入射面、１５４ａ、１５４ｃ、１５４ｅ…赤外光透過樹脂膜、１５４ｂ、１５４ｄ、１５４ｆ…赤色光透過樹脂膜、１７…第２フォトダイオード、１７０…ｐ^＋型不純物層、１７１…アノード電極、１７２…光入射面、１６、１８…Ａｌ遮光膜、２１…熱酸化膜、２２…カソード電極、２３、２４…酸化膜、３０…信号処理回路、３２…増幅回路、３４…演算回路、３６…電流アンプ、５…半導体光検出装置、５１、５２…光入射面、５３…信号処理回路。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light detection device that detects visible light.
[0002]
[Prior art]
A CdS photoconductive cell is known as a semiconductor photodetector used for an automatic exposure meter of a camera, which has a spectral sensitivity close to the visibility and is inexpensive, but a CdS photoconductive cell containing Cd. Is difficult to handle in terms of production, collection, etc. Therefore, there is a demand for the development of a semiconductor photodetector using a photodiode, which has a spectral sensitivity close to the visibility and is inexpensive, as a semiconductor photodetector as a substitute for the CdS photoconductive cell.
[0003]
As a conventional technique for selectively detecting visible region light using a photodiode, for example, there is an optical sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-330621. In the optical sensor disclosed in JP-A-8-330621, only one of the two light detecting means having the same spectral sensitivity characteristic has an optical filter (visible region component cut filter), and the subtracting means has a respective one. The output of the light detecting means is subtracted.
[0004]
[Patent Document 1] JP-A-8-330621
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-330621 obtains an optical filter having a suitable performance of transmitting the entire spectral component outside the visible region and blocking the entire visible region component in the sensitivity region of the light detecting means. Therefore, there is a problem that desired spectral sensitivity characteristics cannot be realized.
[0006]
The present invention has been made to solve the above problem, and has as its object to provide a semiconductor photodetector capable of achieving desired spectral sensitivity characteristics.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor photodetector of the present invention is a semiconductor photodetector that selectively detects visible region light included in incident light. First and second light detection areas formed on a substrate made of a semiconductor crystal having sensitivity and converting incident light into an electric signal, output of the first light detection area, and output of the second light detection area And a signal processing circuit that compares at least two types of visible region light having different spectral transmission characteristics on the light incident surface of the first light detection region. .
[0008]
Even if an optical filter (visible region component cut filter) that blocks light in the visible region alone does not have suitable performance, the optical filter and another optical filter (visible region component cut filter) having different spectral transmission characteristics from the optical filter are not included. Filter) and applied to a first light detection area (a correction light detection unit for removing an output corresponding to a component outside the visible region), and then the output of the first light detection area and the second light detection By detecting the visible region light by comparing with the output of the region, it is possible to realize a desired spectral sensitivity characteristic.
[0009]
In the semiconductor light detection device of the present invention, the first and second light detection regions and the signal processing circuit are formed on a single substrate made of a semiconductor crystal having sensitivity to visible region light and light outside the visible region on the long wavelength side. Preferably, it has been formed.
[0010]
By forming the first and second light detection regions and the signal processing circuit on a single substrate, the size of the device can be reduced.
[0011]
In the semiconductor light detection device of the present invention, it is preferable that a light-shielding film is formed so as to cover peripheral portions of the first and second light detection regions.
[0012]
By setting the region surrounded by the light shielding film as the light incident surface of each light detection region, the area of the light incident surface can be accurately determined.
[0013]
In the semiconductor light detection device of the present invention, it is preferable that the optical filter is formed so as to overlap with a light-shielding film covering a peripheral portion of the first light detection region.
[0014]
Since the optical filter is formed so as to overlap with the light-shielding film covering the peripheral portion of the first light detection area, the light that obliquely enters the light incident surface of the first light detection area from the outside can be prevented. Will pass through.
[0015]
In the semiconductor photodetector of the present invention, the signal processing circuit includes an amplifier circuit for amplifying an output of the first photodetection region and an incident light by subtracting an output of the amplifier circuit from an output of the second photodetection region. And an arithmetic circuit for outputting a detection signal corresponding to visible region light.
[0016]
Since the amplifier circuit amplifies the output of the first light detection area, the area of the light incident surface of the first light detection area is reduced while maintaining the output of the first light detection area processed by the arithmetic circuit. be able to. As a result, the size of the device can be further reduced.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the semiconductor photodetector of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
[0018]
(1st Embodiment)
First, the structure of the semiconductor photodetector 1 according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a plan view of the semiconductor light detection device 1. FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the semiconductor photodetector 1 shown in FIG. 1 along the line II-II.
[0019]
As shown in FIG. 1, the semiconductor light detection device 1 has a rectangular planar shape and a light incident surface side (hereinafter, the side on which the photodiode is formed in the semiconductor detection device 1 is referred to as a “light incident surface side” or The light incident surface 152 of the first photodiode 15 is formed at the center of the plane (referred to as “upper side”). Further, the light incident surface 172 of the second photodiode 17 is formed so as to surround the light incident surface 152 of the first photodiode 15, and the signal processing circuit 30 is formed so as to surround the light incident surface 172 of the second photodiode 17. Have been. Hereinafter, the structures of the first photodiode 15 and the second photodiode 17 will be specifically described mainly with reference to FIG.
[0020]
A substrate made of silicon single crystal has a p-type base layer 11 containing a p-type impurity in a lower layer portion, and a semiconductor layer containing a p-type or n-type impurity, an oxide film, an aluminum film above the p-type base layer 11. A film or the like is formed.
[0021]
By doping an n-type impurity from the center of the upper surface of the p-type base layer 11, the n-type impurity containing a high concentration of the n-type impurity is ⁺ A mold burying layer 12 is formed. n ⁺ An n-type epitaxial layer 13 containing an n-type impurity and grown by epitaxial crystal is formed on the type buried layer 12. Note that n ⁺ The mold buried layer 12 is not an essential requirement of the present invention, and the n-type epitaxial layer 13 may be formed directly at the center of the upper surface of the p-type base layer 11.
[0022]
By doping a p-type impurity from the center of the upper surface of the n-type epitaxial layer 13, a p-type impurity containing a high concentration of p-type impurity is formed on the n-type epitaxial layer 13. ⁺ A type impurity layer 150 is formed. Further, p is formed on the n-type epitaxial layer 13. ⁺ Annular p-type doped with a high concentration of p-type impurity to surround the p-type impurity layer 150. ⁺ A type impurity layer 170 is formed.
[0023]
n ⁺ N-type impurity containing a high concentration of n-type impurity ⁺ A type impurity layer 14 is formed. n ⁺ The type impurity layer 14 functions as a cathode contact of an applied photodiode (hereinafter, the first photodiode 15 and the second photodiode 17 are collectively referred to as “applied photodiodes”).
[0024]
n-type epitaxial layer 13 and n ⁺ An oxide film (thermal oxide film 21) functioning as an insulating layer is formed on the upper surface of the mold impurity layer 14 and the like by thermal oxidation.
[0025]
Penetrates the thermal oxide film 21 and p ⁺ An anode electrode 151 is formed so as to be in contact with mold impurity layer 150. In addition, p penetrates the thermal oxide film 21 and p ⁺ An anode electrode 171 is formed so as to be in contact with mold impurity layer 170. Penetrates the thermal oxide film 21 and n ⁺ A cathode electrode 22 is formed so as to be in contact with mold impurity layer 14. The anode electrode 151, the anode electrode 171 and the cathode electrode 22 are each wired to the signal processing circuit 30.
[0026]
On the thermal oxide film 21, the anode electrode 151, the anode electrode 171, and the cathode electrode 22, SiO (chemical vapor deposition) is used to function as an insulating layer by CVD. ₂ A thin film (oxide film 23) is formed.
[0027]
On the oxide film 23, p ⁺ Type impurity layer 150 and p ⁺ Facing the region between the first impurity layer 170 and the anode electrodes 151 and p ⁺ Edge (outer peripheral edge) of the p-type impurity layer 150 and p ⁺ An annular Al light-shielding film 16 is formed so as to overlap the inner edge portion (inner peripheral portion) of the mold impurity layer 170. Also, on the oxide film 23, p ⁺ Facing the periphery of the p-type impurity layer 170, and the anode electrode 171 and p ⁺ An Al light-shielding film 18 is formed so as to overlap with the outer edge of the mold impurity layer 170.
[0028]
SiO2 functioning as an insulating layer is formed on the oxide film 23, the Al light-shielding film 16 and the Al light-shielding film 18 by CVD (Chemical Vapor Deposition). ₂ A thin film (oxide film 24) is formed.
[0029]
Anode electrode 151, p ⁺ Impurity layer 150, n-type epitaxial layer 13, n ⁺ Mold buried layer 12, n ⁺ The first photodiode 15 is constituted by the mold impurity layer 14 and the cathode electrode 22. A region surrounded by the Al light-shielding film 16 on the upper surface of the oxide film 23 becomes a light incident surface 152 of the first photodiode 15. The area of the light incident surface 152 is c times the area of a light incident surface 172 described later.
[0030]
Anode electrode 171, p ⁺ Impurity layer 170, n-type epitaxial layer 13, n ⁺ Mold buried layer 12, n ⁺ The second photodiode 17 is constituted by the mold impurity layer 14 and the cathode electrode 22. The region between the Al light-shielding film 16 and the Al light-shielding film 18 on the upper surface of the oxide film 23 becomes the light incident surface 172 of the second photodiode 17.
[0031]
Next, the structure of the optical filters (the infrared light transmitting resin film 154a and the red light transmitting resin film 154b) formed on the oxide film 24 so as to face the light incident surface 152 will be described. FIG. 3 is an enlarged view of the periphery of the optical filter in the partial cross-sectional view shown in FIG. The infrared light transmitting resin film 154a functions as a visible region component cut filter having a cutoff wavelength near 800 nm. On the other hand, the red light transmitting resin film 154b functions as a visible region component cut filter whose cutoff wavelength is near the red wavelength.
[0032]
The infrared light transmitting resin film 154a and the red light transmitting resin film 154b are arranged so as to be adjacent to each other with a slight space therebetween near a dividing line passing through a center point parallel to two sides of the light incident surface 152. In addition, the infrared light transmitting resin film 154 a and the red light transmitting resin film 154 b are arranged so that the edges protrude from the light incident surface 152 and overlap the inner edges of the Al light shielding film 16. Therefore, the light incident surface 152 has a region s where the light transmitted through the infrared light transmitting resin film 154a is incident. ₁ Region s where the light transmitted through the red light transmitting resin film 154b is incident. ₂ And a region s where light passing through the gap between the infrared light transmitting resin film 154a and the red light transmitting resin film 154b is incident. ₄ Is divided into three regions.
[0033]
Next, the functions of the first photodiode 15, the second photodiode 17, the infrared light transmitting resin film 154a and the red light transmitting resin film 154b, the Al light shielding film 16, the Al light shielding film 18, and the signal processing circuit 30 will be described in detail. I do.
[0034]
The second photodiode 17 emits a current (current signal) proportional to the intensity of the detection light incident on the light incident surface 172 for light of a specific wavelength. However, the sensitivity of the second photodiode 17 differs depending on the wavelength of the detection light. Generally, in a photodiode, as the wavelength of light incident on a light incident surface becomes shorter, light is absorbed by a semiconductor crystal at a position shallower from the surface to induce electron-hole pairs. Many electron-hole pairs generated at a position shallow from the surface recombine before reaching the electric field region of the depletion layer, so that they hardly contribute to the current signal. Therefore, the sensitivity of the photodiode to short-wavelength light decreases. In particular, in the applied photodiode, the silicon crystal absorbs light outside the visible region on the short wavelength side near the surface. In addition, the pn junction surface (p) is set so that the sensitivity to light outside the visible region on the short wavelength side is reduced in accordance with the visibility. ⁺ Type impurity layer 150 and p ⁺ The depth of the junction between the lower surface of the impurity layer 170 and the n-type epitaxial layer 13 is adjusted.
[0035]
The first photodiode 15 is of the same quality as the second photodiode 17, but includes an optical filter (infrared light transmitting resin film 154a and red light transmitting resin film 154b) above the light incident surface 152. Since the optical filter faces the inner edge of the Al light-shielding film 16 in addition to the entire light incident surface 152, light obliquely incident on the light incident surface 152 from the outside also passes through the optical filter. Light incident on the light incident surface 152 from the outside at a large incident angle is incident on the light incident surface 152 without passing through the optical filter. However, since the light passes through the oxide film 24, the distance becomes longer. It is absorbed by the silicon crystal at a position away from the pn junction surface and does not contribute to the current signal of the first photodiode 15. Therefore, the first photodiode 15 detects only the infrared light transmitting resin film 154a, the red light transmitting resin film 154b, and light that has passed through a slight gap therebetween.
[0036]
FIG. 7 illustrates a state in which light is obliquely incident on the light incident surface from the outside when the optical filter is formed so as to face only the light incident surface. As shown in FIG. 7, when the optical filter is formed so as to face only the light incident surface, light obliquely incident on the light incident surface from the outside does not pass through the infrared light transmitting resin film, but is incident on the light incident surface. Incident on the surface.
[0037]
The peripheral portions of the light incident surface 152 and the light incident surface 172 on the upper surface of the oxide film 23 are covered with the Al light shielding films 16 and 18. Since the Al light shielding film 16 and the Al light shielding film 18 do not transmit light, light incident on the light incident surface 152 and the periphery of the light incident surface 172 on the upper surface of the oxide film 23 is converted into a current signal. To prevent. Therefore, since the boundaries between the light incident surface 152 and the light incident surface 172 and the peripheral portions thereof become clear, the amount of light incident on the light incident surface 152 and the light incident surface 172 can be accurately controlled.
[0038]
FIG. 8 is a block diagram of the signal processing circuit 30. The signal processing circuit 30 includes an amplifier circuit 32 that amplifies the current signal of the first photodiode 15 by k times. Further, the signal processing circuit 30 connects the output of the amplifier circuit 32 and the anode of the second photodiode 17. Therefore, the signal of the first photodiode 15 amplified by the amplifier circuit 32 can be subtracted from the signal of the second photodiode 17 in the state of a current signal. Therefore, the circuit area of the arithmetic circuit is reduced, and the device can be downsized.
[0039]
Next, the operation of the semiconductor photodetector 1 will be described.
[0040]
When the detection light is applied to the entire detection area (the area surrounded by the Al light-shielding film 18) of the semiconductor light detection device 1, the first photodiode 15 transmits the optical filter to the detection light incident on the light incident surface 152. And outputs a current I1 proportional to the intensity of the current. On the other hand, the second photodiode 17 outputs a current I2 proportional to the detection light incident on the light incident surface 172.
[0041]
The amplifying circuit 32 amplifies the current I1 output from the first photodiode 15 by k times, and connects the output of the amplifying circuit 32 and the anode of the second photodiode 17, so that the arithmetic circuit Is calculated in accordance with the difference between the current I2 output from the current I and the current obtained by amplifying the current I1 by k times.
[0042]
As described above, the light incident surface 152 has a region s where the light transmitted through the infrared light transmitting resin film 154a is incident. ₁ Region s where the light transmitted through the red light transmitting resin film 154b is incident. ₂ And a region s where light passing through the gap between the infrared light transmitting resin film 154a and the red light transmitting resin film 154b is incident. ₄ Is divided into three regions. Therefore, the characteristic R (λ) of the output of the arithmetic circuit with respect to the wavelength of the incident light is represented by the following equations (1) to (4).
R (λ) ∝I2 (λ) [1-ck ｛α ₁ T ₁ (Λ) + α ₂ T ₂ (Λ) + α ₄ ｝] ・・・ (1)
α ₁ = S ₁ / S ₀ ... (2)
α ₂ = S ₂ / S ₀ ... (3)
α ₄ = S ₄ / S ₀ ... (4)
λ: incident light wavelength
I2 (λ): output of the second photodiode 17
c: Area ratio of light incident surface 152 to light incident surface 172
k: Degree of amplification of the output of the first photodiode 15 by the amplifier circuit 32
s ₀ : Area of the light incident surface 152
T ₁ (Λ): Spectral transmittance of infrared light transmitting resin film 154a
T ₂ (Λ): Spectral transmittance of red light transmitting resin film 154b
[0043]
By subtracting the output of the first photodiode 15 from the output of the second photodiode 17, the sensitivity of the semiconductor photodetector 1 to light having a wavelength longer than red or infrared light can be removed. In addition, as described above, the sensitivity of the applicable photodiode to light outside the visible region on the short wavelength side becomes smaller in accordance with the visibility, so that the semiconductor photodetector 1 generally has sensitivity only to light in the visible region. become. Furthermore, ck, α ₁ , Α ₂ , Α ₄ Is finely adjusted, the desired spectral sensitivity characteristic (for example, the peak wavelength is 550 nm, and the sum (integral value) of the left and right spectral sensitivities with respect to the peak wavelength is the same for the semiconductor photodetecting device 1 ( Output fluctuation with respect to the color temperature is zero) (spectral sensitivity characteristic).
[0044]
In the semiconductor light detection device 1, the area of the light incidence surface 152 of the first photodiode 15 is reduced to c times the area of the light incidence surface 172 of the second photodiode 17, so that the surface of the semiconductor light detection device 1 The amplification circuit 32 amplifies the output of the first photodiode 15 with an appropriately set amplification degree while reducing the area, thereby obtaining a detection signal with high accuracy excluding infrared light from the detection wavelength band. it can.
[0045]
In the semiconductor photodetector 1, the first photodiode 15, the second photodiode 17, and the signal processing circuit 30 are integrated on a single substrate, and the first photodiode 15 and the second photodiode 17 are adjacent to each other. Therefore, the size of the device is reduced.
(2nd Embodiment)
The structure of the semiconductor light detection device 2 of the second embodiment is the same as the structure of the semiconductor light detection device 1 of the first embodiment, except for the structure of the optical filter on the light incident surface 152. FIG. 4 is a diagram (partial sectional view) showing the structure of the optical filter on the light incident surface 152 in the semiconductor light detection device 2. The structure of this optical filter will be described.
[0046]
An infrared light transmitting resin film 154c and a red light transmitting resin film 154d are formed on oxide film 24 so as to face light incident surface 152. The infrared light transmitting resin film 154c functions as a visible region component cut filter having a cutoff wavelength near 800 nm. On the other hand, the red light transmitting resin film 154d functions as a visible region component cut filter whose cutoff wavelength is near the red wavelength.
[0047]
The infrared light transmitting resin film 154c is arranged so as to cover one side of the light incident surface 152 divided by a dividing line passing through a center point parallel to two sides of the light incident surface 152. Further, the infrared light transmitting resin film 154 c is disposed such that an edge thereof protrudes from the light incident surface 152 and overlaps with an inner edge of the Al light shielding film 16. The red light transmitting resin film 154 d covers the entire surface of the light incident surface 152, and has an edge protruding from the light incident surface 152, and is disposed so as to overlap the inner edge of the Al light shielding film 16. Therefore, the light incident surface 152 has a region s where the light transmitted through the red light transmitting resin film 154d is incident. ₂ And a region s where light passing through the infrared light transmitting resin film 154c and the red light transmitting resin film 154d is incident. ₃ Is divided into two regions.
[0048]
The characteristic R (λ) of the output of the arithmetic circuit with respect to the incident light wavelength is represented by the following equations (5) to (7).
R (λ) ∝I2 (λ) [1-ck ｛α ₂ T ₂ (Λ) + α ₃ T ₁ (Λ) T ₂ (Λ)｝] (5)
α ₂ = S ₂ / S ₀ ... (6)
α ₃ = S ₃ / S ₀ ... (7)
λ: incident light wavelength
I2 (λ): output of the second photodiode 17
c: Area ratio of light incident surface 152 to light incident surface 172
k: Degree of amplification of the output of the first photodiode 15 by the amplifier circuit 32
s ₀ : Area of the light incident surface 152
T ₁ (Λ): Spectral transmittance of infrared light transmitting resin film 154c
T ₂ (Λ): spectral transmittance of the red light transmitting resin film 154d
[0049]
By subtracting the output of the first photodiode 15 from the output of the second photodiode 17, the sensitivity of the semiconductor photodetector 2 to light having a wavelength longer than red or infrared light can be removed. In addition, as described above, since the applied photodiode has low sensitivity to light outside the visible region on the short wavelength side in accordance with luminosity, the semiconductor photodetector 2 generally has sensitivity only to light in the visible region. become. Furthermore, ck, α ₁ , Α ₃ Is finely adjusted, the desired spectral sensitivity characteristic (for example, the peak wavelength is 550 nm, and the sum (integral value) of the left and right spectral sensitivities with respect to the peak wavelength is the same for the semiconductor photodetector 2 ( Output fluctuation with respect to the color temperature is zero) (spectral sensitivity characteristic).
[0050]
(Third embodiment)
The structure of the semiconductor light detection device 3 of the third embodiment is the same as the structure of the semiconductor light detection device 1 of the first embodiment, except for the structure of the optical filter on the light incident surface 152. FIG. 5 is a diagram (partial cross-sectional view) illustrating the structure of the optical filter on the light incident surface 152 in the semiconductor light detection device 3. The structure of this optical filter will be described.
[0051]
An infrared light transmitting resin film 154e and a red light transmitting resin film 154f are formed on oxide film 24 so as to face light incident surface 152. The infrared light transmitting resin film 154e functions as a visible region component cut filter having a cutoff wavelength near 800 nm. On the other hand, the red light transmitting resin film 154f functions as a visible region component cut filter whose cutoff wavelength is near the red wavelength.
[0052]
The infrared light transmitting resin film 154e is disposed so as to cover one side of the light incident surface 152 divided by a dividing line passing through a center point parallel to two sides of the light incident surface 152. Further, the infrared light transmitting resin film 154 e is arranged such that an edge protrudes from the light incident surface 152 and overlaps with an inner edge of the Al light shielding film 16. The red light transmitting resin film 154f covers the other side of the light incident surface 152 and is disposed so as to partially overlap the infrared light transmitting resin film 154e. Further, the red light transmitting resin film 154 f is disposed such that an edge thereof protrudes from the light incident surface 152 and overlaps with an inner edge of the Al light shielding film 16. Therefore, the light incident surface 152 has a region s where the light transmitted through the infrared light transmitting resin film 154e is incident. ₁ And a region s where the light transmitted through the red light transmitting resin film 154f is incident. ₂ And a region s where the light passing through the infrared light transmitting resin film 154e and the red light transmitting resin film 154f is incident. ₃ Is divided into three regions.
[0053]
The characteristic R (λ) of the output of the arithmetic circuit with respect to the wavelength of incident light is represented by the following equations (8) to (11).
R (λ) ∝I2 (λ) [1-ck ｛α ₁ T ₁ (Λ) + α ₂ T ₂ (Λ) + α ₃ T ₁ (Λ) T ₂ (Λ)｝] (8)
α ₁ = S ₁ / S ₀ ... (9)
α ₂ = S ₂ / S ₀ ... (10)
α ₃ = S ₃ / S ₀ ... (11)
λ: incident light wavelength
I2 (λ): output of the second photodiode 17
c: Area ratio of light incident surface 152 to light incident surface 172
k: Degree of amplification of the output of the first photodiode 15 by the amplifier circuit 32
s ₀ : Area of the light incident surface 152
T ₁ (Λ): Spectral transmittance of infrared light transmitting resin film 154e
T ₂ (Λ): Spectral transmittance of red light transmitting resin film 154f
[0054]
By subtracting the output of the first photodiode 15 from the output of the second photodiode 17, the sensitivity of the semiconductor photodetector 3 to light having a wavelength longer than red or infrared light can be removed. In addition, as described above, the sensitivity of the applied photodiode to light outside the visible region on the short wavelength side becomes smaller in accordance with the visibility, so that the semiconductor photodetector 3 generally has sensitivity only to light in the visible region. become. Furthermore, ck, α ₁ , Α ₂ , Α ₃ Is finely adjusted, the desired spectral sensitivity characteristic (for example, the peak wavelength is 550 nm, and the sum (integral value) of the left and right spectral sensitivities with respect to the peak wavelength is the same for the semiconductor photodetector 3 ( Output fluctuation with respect to the color temperature is zero) (spectral sensitivity characteristic).
[0055]
(Fourth embodiment)
The structure of the semiconductor light detection device 4 of the fourth embodiment is the same as the structure of the semiconductor light detection device 1 of the first embodiment, except for the structure of the optical filter on the light incident surface 152. FIG. 6 is a diagram (partial cross-sectional view) illustrating the structure of the optical filter on the light incident surface 152 in the semiconductor light detection device 4. The structure of this optical filter will be described.
[0056]
An infrared light transmitting resin film 154g and a red light transmitting resin film 154h are formed on oxide film 24 so as to face light incident surface 152. The infrared light transmitting resin film 154g functions as a visible region component cut filter having a cutoff wavelength near 800 nm. On the other hand, the red light transmitting resin film 154h functions as a visible region component cut filter whose cutoff wavelength is near the red wavelength.
[0057]
The infrared light transmitting resin film 154 g is provided so as to occupy the center of the light incident surface 152. The red light transmitting resin film 154h is disposed so as to surround the infrared light transmitting resin film 154g at a predetermined interval. Further, the red light transmitting resin film 154h is disposed so that an outer edge thereof protrudes from the light incident surface 152 and overlaps with an inner edge of the Al light shielding film 16. Therefore, the light incident surface 152 has a region s where the light transmitted through the infrared light transmitting resin film 154g is incident. ₁ Region s where the light transmitted through the red light transmitting resin film 154h is incident. ₂ And a region s where the light passing through the gap between the infrared light transmitting resin film 154g and the red light transmitting resin film 154h enters. ₄ Is divided into three regions.
[0058]
The characteristic R (λ) of the output of the arithmetic circuit with respect to the wavelength of the incident light is represented by the above equations (1) to (4). Where T ₁ (Λ) represents the spectral transmittance of the infrared light transmitting resin film 154 g, ₂ (Λ) represents the spectral transmittance of the red light transmitting resin film 154h.
[0059]
By subtracting the output of the first photodiode 15 from the output of the second photodiode 17, the sensitivity of the semiconductor photodetector 4 to light having a longer wavelength than red or infrared light can be removed. In addition, as described above, the sensitivity of the applied photodiode to light outside the visible region on the short wavelength side decreases according to the visibility, so that the semiconductor photodetector 4 generally has sensitivity only to light in the visible region. become. Furthermore, ck, α ₁ , Α ₂ , Α ₄ Is finely adjusted to obtain the desired spectral sensitivity characteristic (for example, the peak wavelength is 550 nm, and the sum (integral value) of the left and right spectral sensitivities with respect to the peak wavelength is the same as the semiconductor photodetecting device 4 ( Output fluctuation with respect to the color temperature is zero) (spectral sensitivity characteristic).
[0060]
Note that the positional relationship between the first light detection region (first photodiode) and the second light detection region (second photodiode) is not limited to the above arrangement. For example, as another embodiment, a semiconductor light detection device 5 can be considered. FIG. 9 shows a plan view of the semiconductor photodetector 5. As shown in FIG. 9, the semiconductor light detection device 5 has a rectangular planar shape like the semiconductor light detection device 1, and includes a first photodiode (a photodiode including an optical filter) in a plane on the light incident surface side. And the light incident surface 52 of the second photodiode (a photodiode having no optical filter) are formed so as to occupy a rectangular area. A light incident surface 51 of a square first photodiode is formed at one corner of the rectangular region, and a second photodiode of the second photodiode is formed at another portion of the rectangular region so as to surround two sides of the light incident surface 51. A light incident surface 52 is formed. Further, a signal processing circuit 53 is formed so as to surround the first photodiode and the second photodiode.
[0061]
FIG. 10 shows an example of spectral sensitivity characteristics in the semiconductor photodetector of the present invention. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the wavelength of the incident light, and the vertical axis indicates the relative sensitivity based on the output of the second photodiode (second light detection area). In the wavelength band from 650 nm to 800 nm, a part of the spectral sensitivity is removed mainly by the output of the first photodiode (first light detection region) for the light transmitted through the red light transmitting resin film. In the wavelength band of 800 nm or more, since the transmittance is high in both the infrared light transmitting resin film and the red light transmitting resin film, the spectral sensitivity is almost completely removed.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a desired spectral sensitivity characteristic can be realized in a semiconductor photodetector.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor light detection device 1. FIG.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the semiconductor photodetector 1 shown in FIG. 1 along the line II-II.
FIG. 3 is an enlarged view of the periphery of an optical filter in the partial cross-sectional view shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram (partial cross-sectional view) illustrating a structure of an optical filter on a light incident surface 152 in the semiconductor light detection device 2.
FIG. 5 is a diagram (partial cross-sectional view) illustrating a structure of an optical filter on a light incident surface 152 in the semiconductor light detection device 3.
FIG. 6 is a diagram (partial cross-sectional view) illustrating a structure of an optical filter on a light incident surface 152 in the semiconductor light detection device 4.
FIG. 7 is a diagram illustrating a state where light is obliquely incident on the light incident surface from the outside when the optical filter is formed so as to face only the light incident surface.
FIG. 8 is a block diagram of the signal processing circuit 30.
FIG. 9 is a plan view of the semiconductor light detection device 5.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of spectral sensitivity characteristics in the semiconductor photodetector of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3, 4, 5,... Semiconductor photodetector, 11 ... p-type base layer, 12 ... n ⁺ Buried layer, 13 ... n type epitaxial layer, 14 ... n ⁺ Impurity layer, 15 ... first photodiode, 150 ... p ⁺ Type impurity layer, 151: anode electrode, 152: light incident surface, 154a, 154c, 154e: infrared light transmitting resin film, 154b, 154d, 154f: red light transmitting resin film, 17: second photodiode, 170: p ⁺ Type impurity layer, 171: anode electrode, 172: light incident surface, 16, 18: Al light shielding film, 21: thermal oxide film, 22: cathode electrode, 23, 24: oxide film, 30: signal processing circuit, 32: amplification Circuit, 34: arithmetic circuit, 36: current amplifier, 5: semiconductor photodetector, 51, 52: light incident surface, 53: signal processing circuit.

Claims

In a semiconductor light detection device that selectively detects visible region light included in incident light,
First and second light detection regions formed on a substrate made of a semiconductor crystal having sensitivity to visible region light and light outside the visible region on the long wavelength side, and converting incident light into an electric signal;
A signal processing circuit that compares an output of the first light detection area with an output of the second light detection area;
An optical filter for blocking at least two types of visible region light having different spectral transmission characteristics is formed on a light incident surface of the first light detection region.

The first and second light detection regions and the signal processing circuit are formed on a single substrate made of a semiconductor crystal having sensitivity to visible region light and light outside the visible region on the long wavelength side. The semiconductor photodetector according to claim 1.

3. The semiconductor photodetection device according to claim 1, wherein a light-shielding film is formed so as to cover peripheral portions of the first and second photodetection regions.

4. The semiconductor photodetector according to claim 3, wherein the optical filter is formed so as to overlap with the light shielding film covering a peripheral portion of the first photodetection region.

The signal processing circuit,
An amplifier circuit for amplifying an output of the first light detection region;
5. An arithmetic circuit for outputting a detection signal corresponding to visible region light included in incident light by subtracting an output of the amplifier circuit from an output of the second light detection region. The semiconductor photodetector according to any one of claims 1 to 4.