JP2011071484A - 半導体光検出素子および半導体装置 - Google Patents

半導体光検出素子および半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】製造コストを低減することが可能であるとともに、精度を向上させることが可能な半導体光検出素子を提供する。
【解決手段】この半導体光検出素子１００は、Ｐ型シリコン基板１０に形成された第１フォトダイオード２０と、このＰ型シリコン基板１０に形成され、第１フォトダイオード２０と同一構造を有する第２フォトダイオード３０と、第１フォトダイオード２０上に形成され、グリーンフィルタから構成されるカラーフィルタ層２１と、第２フォトダイオード３０上に形成され、ブラックフィルタから構成されるカラーフィルタ層３１と、第１フォトダイオード２０の検出信号から第２フォトダイオード３０の検出信号を減算する演算回路部５０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光検出素子およびその半導体光検出素子を備えた半導体装置に関する。
近年、携帯電話端末を含む多くの携帯機器が製品開発されている。これらの携帯機器は、通常、電池で駆動しているため低消費電力であることが望まれている。また、上記した携帯機器では、高機能化にともなう消費電力の増大により、使用可能時間の短縮が大きな問題となっている。
このような携帯機器は、一般的に、液晶表示画面などの画像表示画面を備えており、消費電力の多くは、画面表示に使われている。このため、画面表示が必要でない場合には表示を行わないようにするという機能を携帯機器に持たせることが、消費電力を低減するための手段として有効である。たとえば、携帯電話端末では、通話時は画面表示を行う必要がないため、通話時には画面表示を自動的に切るようにしておけば、消費電力を低減することができ、携帯電話端末の使用可能時間も長くすることができる。
ここで、携帯電話端末による通話時には、通常、携帯電話端末は使用者の頭の近くにある。このため、通話時であるか否かを判別するために、従来、電話端末と使用者の頭との距離を検知する近接センサをスピーカ近傍に搭載した携帯電話端末が知られている。この近接センサは、近赤外光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いた発光素子と、フォトダイオードを用いた受光素子とを有しており、発光素子から発光された近赤外光が使用者の頭で反射され、その反射光を受光素子で受光することによって、電話端末のスピーカ近傍に人の頭が近接しているか否かを検知する。そして、電話端末のスピーカ近傍に人の頭を検知すると画面表示を自動的に切るように制御する。
また、近年では、地球温暖化などの環境問題を踏まえて、テレビジョン装置などの画像表示装置に関しても、消費電力の低減化が要求されている。さらに、近年では、テレビジョン機能などが搭載された携帯機器が増加してきており、このような携帯機器では、電池で駆動しているために消費電力の低減化がより要求されている。このため、人がいない時に、画面表示を自動的に切るために、上記した近接センサ（測距センサ）を用いることも検討されている。
一方、消費電力を低減する他の手段として、周囲の明るさに応じて表示画面の表示明るさを自動的に調節することも有効な手段として用いられている。具体的には、周囲の明るさを検知する照度センサを搭載し、これによる照度データを基に表示画面の輝度を自動的に調節することによって、表示画面の輝度を最適化する。これにより、消費電力の低減化と表示画面の視認性向上とが同時に実現される。
このような照度センサとしては、一般的に、半導体基板に形成されたフォトダイオードが用いられている。ここで、人の目は、可視光領域の光に対して感度を有しているのに対し、フォトダイオードを用いた照度センサは、赤外光などの不可視光に対しても感度を有している。このため、周囲の光に赤外光が含まれる場合には、赤外光の影響により、人の目で感じる明るさと照度センサによる検出明るさとに差が生じてしまう。そのため、従来では、フォトダイオード上に赤外光を遮光する干渉膜フィルタを配置することによって、不要な赤外光をカットしていた。
しかしながら、上記干渉膜フィルタは、ガラス基板上に蒸着を繰り返し行うことによって製造されるため、製造工程が煩雑であるとともに、複数の材料を多層に積層するため製造コストが非常に高くなる。このため、干渉膜フィルタを用いた場合には、照度センサの製造コストが高くなるという問題点がある。また、干渉膜フィルタを配置することによって、その分のスペースをとるため、小型化が困難になるという問題点もある。
そこで、従来、干渉膜フィルタを設けることなく、赤外光の感度を低減することが可能な照度センサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１には、異なる深さの２つのフォトダイオードを、縦方向に重なる状態で半導体層に形成し、各フォトダイオードの検出信号を演算することによって、赤外光の感度を低減する照度センサが記載されている。この照度センサでは、半導体層の表面側に第１のフォトダイオードが形成されており、第１のフォトダイオードの下方に第２のフォトダイオードが形成されている。そして、第１のフォトダイオードの検出信号から、第２のフォトダイオードの検出信号を所定倍して減算することにより、赤外光の感度が低減されている。
特開２００４−１１９７１３号公報
しかしながら、特許文献１に記載された従来の照度センサでは、２つのフォトダイオードの構造や導電型、不純物プロファイルのバラツキなどにより、２つのフォトダイオードの赤外光に対する感度バラツキを低減することが困難であるという不都合がある。このため、２つのフォトダイオードの赤外光に対する感度が異なる場合、完全に演算で赤外光の影響を除去するのが困難となる。そのため、赤外光の感度を十分に低減することが困難となる。したがって、特許文献１の照度センサでは、精度を向上させることが困難であるという問題点がある。
ところで、携帯電話端末を含む携帯機器などにおいては、消費電力の低減化を図るために、近接センサと照度センサとの両方の機能が必要とされる場合がある。このような場合、各機能を有するセンサをそれぞれ搭載する必要があるが、コスト面や実装サイズ面で課題があった。このため、それらを同一チップで形成した半導体光検出素子の実現が望まれていた。
しかしながら、近接センサと照度センサとを同一チップで形成した場合、近接センサに入射される赤外光が照度センサにも入射される。このため、半導体光検出素子の照度センサ側の構成に、上記特許文献１に記載の照度センサの構成を適用した場合には、赤外光の影響によって照度センサに誤動作が生じるという問題が発生する。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、製造コストを低減することが可能であるとともに、精度を向上させることが可能な半導体光検出素子および半導体装置を提供することである。
この発明のもう１つの目的は、信頼性の高い半導体光検出素子および半導体装置を提供することである。
この発明のさらにもう１つの目的は、小型化を図ることが可能な半導体光検出素子および半導体装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による半導体光検出素子は、一導電型の半導体層に形成された第１受光素子部と、上記半導体層に形成され、第１受光素子部と同一構造を有する第２受光素子部と、第１受光素子部上に形成され、第１波長領域の光および第１波長領域とは異なる第２波長領域の光を透過する第１フィルタと、第２受光素子部上に形成され、第２波長領域に含まれる第３波長領域の光を透過する第２フィルタとを備えている。そして、第１受光素子部の検出信号と第２受光素子部の検出信号との差を取るように構成されている。なお、本発明の「半導体層」は、半導体基板を含む。また、本発明の「第１フィルタ」および「第２フィルタ」は、干渉膜フィルタとは異なる。
この第１の局面による半導体光検出素子では、上記のように、第１受光素子部上に、第１波長領域の光および第２波長領域の光を透過する第１フィルタを形成するとともに、第２受光素子部上に、第２波長領域に含まれる第３波長領域の光を透過する第２フィルタを形成することによって、第１受光素子部では、第１波長領域の光および第２波長領域の光が検出されるとともに、第２受光素子部では、第２波長領域に含まれる第３波長領域の光が検出される。そして、第１受光素子部の検出信号から第２受光素子部の検出信号を減算することによって、第２波長領域の光の感度を低減することができる。このため、たとえば、第１波長領域の光が可視光であり、第２波長領域の光および第３波長領域の光がそれぞれ赤外光の場合、赤外光の感度を低減することができる。したがって、このように構成することにより、赤外光による影響を除去することができるので、人の視感度特性に近い波長感度特性を有するセンサ（照度センサ）を得ることができる。
また、第２受光素子部上に第２フィルタを形成することによって、第２受光素子部では、第１波長領域とは異なる第３波長領域の光を検出することができるので、この第２受光素子部を、第３波長領域の光を発光する発光素子からの光を検出する受光素子としても用いることができる。すなわち、第２受光素子部を、近接センサ（測距センサ）の受光素子としても用いることができる。これにより、照度センサと近接センサ（測距センサ）とを１チップで形成することができる。なお、照度センサと近接センサ（測距センサ）とを１チップで形成することによって、半導体光検出素子の実装サイズを小さくすることができるので、半導体光検出素子を実装（搭載）するパッケージ（半導体装置）を小型化することができる。
また、第１の局面では、第１受光素子部上および第２受光素子部上に、それぞれ、第１フィルタおよび第２フィルタを形成することによって、高価な干渉膜フィルタを用いる必要がないため、その分、製造コストを低減することができる。なお、第１フィルタおよび第２フィルタには、たとえば、カラーイメージセンサなどに利用される有機カラーフィルタを用いることができる。
また、第１の局面では、第１受光素子部と第２受光素子部とを同一構造にすることによって、第１受光素子部および第２受光素子部における不純物プロファイルのバラツキなどを低減することができるので、第１受光素子部と第２受光素子部との感度バラツキを低減することができる。すなわち、第１受光素子部と第２受光素子部との感度特性を均一化することができる。このため、第２受光素子部の検出信号を所定倍することなく、第１受光素子部の検出信号から第２受光素子部の検出信号を減算するだけで、第２波長領域の光の感度を十分に低減することができる。これにより、第２波長領域の光による影響を効果的に除去することができるので、高精度な半導体光検出素子を得ることができる。
さらに、第１の局面では、第１受光素子部と第２受光素子部とを同一の半導体層に形成することによって、第１受光素子部に入射された光は、第２受光素子部にも入射されるので、第１受光素子部の検出信号から第２受光素子部の検出信号を減算することにより、第２波長領域の光による影響を効果的に除去することができる。このため、第２波長領域の光および第３波長領域の光がそれぞれ赤外光（近赤外光）の場合には、赤外光による影響を効果的に除去することができる。したがって、近接センサと照度センサとを同一チップで形成することによって、第２受光素子部に入射される赤外光が第１受光素子部に入射された場合でも、赤外光の影響を除去することができるので、赤外光の影響による誤動作を抑制することができる。その結果、信頼性を向上させることができる。
なお、第１の局面では、上記のように構成することによって、第１受光素子部と第２受光素子部とに同様に光が入射されるように構成することができるので、外乱光などが照射された場合でも、照射された外乱光などが、第１受光素子部および第２受光素子部に同じように入射するように構成することができる。これにより、外乱光などが入射された場合でも、第１受光素子部の検出信号から第２受光素子部の検出信号を減算することで、外乱光などの影響を除去することができる。また、上記第１の局面による半導体光検出素子は、照度センサ単体として用いることもできるし、近接センサ単体としても用いることができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、上記半導体層には、複数の第１受光素子部が互いに並列接続された状態で形成されているとともに、第１受光素子部の数と同数の第２受光素子部が互いに並列接続された状態で形成されている。そして、第１受光素子部と第２受光素子部とが、交互に配置されている。このように構成すれば、半導体光検出素子に光が照射された際に、第１受光素子部に入射される光と第２受光素子部に入射される光とをほぼ同一に容易にすることができる。このため、外乱光などが照射された場合でも、照射された外乱光などが、第１受光素子部および第２受光素子部に同じように入射するように容易に構成することができる。これにより、外乱光などが入射された場合でも、第１受光素子部の検出信号から第２受光素子部の検出信号を減算することで、外乱光などの影響を容易に除去することができる。したがって、外乱光などの影響による誤動作を容易に抑制することができるので、信頼性をさらに向上させることができる。
なお、このような半導体光検出素子を、発光素子とともにパッケージ（半導体装置）に搭載し機器に搭載した場合には、発光素子からの回り込みによる光が半導体光検出素子に入射される場合がある。しかしながら、上記のように構成することによって、外乱光などが照射された場合と同様、発光素子からの回り込みによる光の影響を容易に除去することができる。したがって、上記のように構成することにより、容易に、照度センサの精度向上を図ることができる。
上記第１受光素子部および第２受光素子部を複数備えた構成において、第１受光素子部および第２受光素子部が、互いに近接されて配置されているのが好ましい。このように構成すれば、半導体光検出素子の精度をより向上させることができる。
上記第１受光素子部および第２受光素子部を複数備えた構成において、好ましくは、第１受光素子部および第２受光素子部が、平面的に見て、上下左右対称に配置されている。このように構成すれば、半導体光検出素子の精度をさらに向上させることができる。
また、上記第１受光素子部および第２受光素子部を複数備えた構成において、上記半導体層に、第１受光素子部および第２受光素子部を、それぞれ、２つ形成し、これら第１および第２受光素子部を、格子状に近接配置することもできる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、第１波長領域は、４５０ｎｍ〜６００ｎｍの可視光領域とすることができ、第２波長領域および第３波長領域は、それぞれ、７００ｎｍ以上の赤外領域とすることができる。このように構成すれば、赤外光の感度が低減された人の視感度特性に近い分光感度特性を有するセンサ（照度センサ）と、近赤外光を受光するセンサ（近接センサ）とが同一チップで形成された半導体光検出素子を容易に得ることができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、第１受光素子部および第１フィルタを含んで構成される、周囲の明るさを検知する第１センサ部をさらに備え、第１センサ部は、４５０ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域にピーク感度を持つとともに、７００ｎｍ以上の波長領域においても感度を有する。このように構成すれば、第１受光素子部の検出信号から第２受光素子部の検出信号を減算することで、第１センサ部を、可視光領域にピーク感度を持つとともに、赤外光の感度が低減された、人の視感度特性により近いセンサ（照度センサ）として機能させることができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、第２受光素子部および第２フィルタを含んで構成される、対象物との距離を検知する第２センサ部をさらに備え、第２センサ部は、分光感度において、７００ｎｍ以上の波長領域に感度を有する。このように構成すれば、第２受光素子部の分光感度特性を、第１受光素子部における７００ｎｍ以上の波長領域の分光感度特性に近付けることができる。これにより、第２受光素子部で検出された検出信号を、第１受光素子部で検出された検出信号から減算することにより、赤外光の感度を十分に低減することができる。また、このように構成すれば、第２センサ部を、近赤外光を受光するセンサ（近接センサ）として容易に機能させることができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、第１フィルタおよび第２フィルタによって、７００ｎｍ以上の波長領域における、第１受光素子部の分光感度特性と第２受光素子部の分光感度特性とが実質的に一致するように構成されている。このように構成すれば、７００ｎｍ以上の長波長領域の感度をより十分に低減することができるので、赤外光の影響がより十分に除去されたセンサ（照度センサ）を得ることができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、第１フィルタは、グリーンフィルタであり、第２フィルタは、ブラックフィルタである。このように構成すれば、第１フィルタおよび第２フィルタを、バックエンドプロセスで一般的に用いられる方法を用いて形成することができるので、受光素子部（第１受光素子部および第２受光素子部）上に容易にフィルタ（第１フィルタおよび第２フィルタ）を形成することができる。これにより、容易に、製造コストを低減することができる。また、このように構成すれば、グリーンフィルタは可視光および赤外光を透過するため、第１フィルタにグリーンフィルタを用いることによって、４５０ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域の光（可視光）を透過するとともに、７００ｎｍ以上の波長領域の光（赤外光）を透過するフィルタ（第１フィルタ）を容易に形成することができる。また、ブラックフィルタは可視光をカットする一方、赤外光は透過するため、第２フィルタにブラックフィルタを用いることによって、７００ｎｍ以上の波長領域の光（赤外光）を透過するフィルタ（第１フィルタ）を容易に形成することができる。
なお、グリーンフィルタを第１受光素子部上に形成することにより、可視光領域では、人の視感度特性とほぼ同じ感度特性を第１受光素子部に持たせることができる。一方、グリーンフィルタおよびブラックフィルタは、有機カラーフィルタであるため、いずれも、赤外光を透過する。したがって、グリーンフィルタが形成された第１受光素子部の検出信号から、ブラックフィルタが形成された第２受光素子部の検出信号を減算することによって、７００ｎｍ以上の長波長領域の光の感度をさらに低減することができるので、人の視感度特性にさらに近い波長感度特性を有するセンサ（照度センサ）を得ることができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、半導体層には、第１受光素子部の検出信号と第２受光素子部の検出信号との差分演算を行う演算回路部が形成されている。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、半導体層は、Ｐ型半導体層であり、第１受光素子部および第２受光素子部は、それぞれ、Ｐ型半導体層の上面側に拡散形成されたＮ型ウェル層と、Ｎ型ウェル層の上面側に拡散形成されたＰ型ウェル層とを含んで構成されており、第１受光素子部および第２受光素子部の検出信号が、Ｐ型ウェル層から取り出されるように構成されているのが好ましい。すなわち、第１受光素子部および第２受光素子部が、それぞれ、カソードコモンとされているのが好ましい。
この場合において、好ましくは、Ｎ型ウェル層は、７μｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成されている。このように構成すれば、波長による侵入長の違いにより、Ｎ型ウェル層における長波長の光の吸収を抑制することができるので、長波長の光の感度を低減することができる。このため、長波長の光の感度が低い状態で、第１受光素子部の検出信号から第２受光素子部の検出信号を減算することにより、赤外光の感度をより十分に低減することができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、第２フィルタは、単膜から構成されている。このように構成すれば、製造プロセスを簡略化することができるので、これによっても、製造コストを低減することができる。なお、上記第２フィルタは、多層膜から構成されていてもよい。たとえば、グリーンフィルタとレッドフィルタとを積層することにより、可視光をカットする一方、赤外光は透過するブラックフィルタと同様の機能を持ったフィルタを形成することができる。
上記第１の局面による半導体光検出素子において、好ましくは、半導体層には、平面的に見て、第１受光素子部および第２受光素子部を囲む第３受光素子部がさらに形成されている。このように構成すれば、第１受光素子部および第２受光素子部の受光面以外の領域に光が入射されることによって発生した余分なキャリアを、第３受光素子部で捕捉することができるので、第１受光素子部および第２受光素子部以外の領域で発生した光電流を除去することができる。これにより、精度をより向上させることができる。
この場合において、好ましくは、第３受光素子部は、半導体層の表面領域に、半導体層とは逆導電型の拡散層が形成されることによって構成されており、拡散層が、第１受光素子部および第２受光素子部の深さ以上の深さを有する。このように構成すれば、素子の側面や裏面から入射された光によって発生した余分なキャリアを、第３受光素子部で容易に捕捉することができる。また、素子の深いところを通ってくる光電流を除去することもできる。なお、この場合、第３受光素子部に出来る限り高い逆バイアスをかけることにより、空乏層を伸ばしておくのが好ましい。
この発明の第２の局面による半導体装置は、対象物に対して光を出射する発光素子と、この対象物からの反射光を受光する、上記第１の局面による半導体光検出素子とを備えている。
この第２の局面による半導体装置では、上記のように、半導体光検出素子と発光素子とを備えることによって、照度センサと近接センサとを１パッケージ化することができるので、半導体装置の小型化を図ることができる。
また、第２の局面では、上記した半導体光検出素子を搭載することによって、高価な干渉膜フィルタを用いる必要がないため、その分、製造コストを低減することができる。また、干渉膜フィルタを取り付けるスペースを確保する必要がないので、パッケージ（半導体装置）の小型化を容易に図ることができる。
また、第２の局面では、上記した半導体光検出素子を搭載することによって、精度の高い半導体装置を得ることができる。また、上記のように構成することによって、誤動作の発生を抑制することができるので、信頼性を向上させることができる。
さらに、上記のように構成された第２の局面による発光装置では、発光素子からの回り込みによる光が半導体光検出素子に入射された場合でも、発光素子からの回り込みによる光の影響を除去することができる。
なお、上記のように構成された第２の局面による半導体装置を、たとえば、携帯電話端末などの携帯機器に採用すれば、低消費電力および画面が見やすい携帯機器を実現することができる。また、テレビジョン装置などの種々の映像機器に採用すれば、それらの低消費電力化を図ることができるとともに、視認性の高いディスプレイ（画像表示装置）を実現することができる。
上記第２の局面による半導体装置において、発光素子は、発光波長が７００ｎｍ以上１１５０nm以下の近赤外光を発光する赤外発光ダイオード素子であるのが好ましい。
上記第２の局面による半導体装置において、発光素子の上方に配設され、発光素子からの光を対象物に対して集光する第１レンズをさらに備えているのが好ましい。
上記第２の局面による半導体装置において、好ましくは、半導体光検出素子における、第１受光素子部および第２受光素子部の上方に配設され、半導体光検出素子に対して光を集光するための１つの第２レンズをさらに備える。このように構成すれば、各センサ用のレンズ（照度センサ用のレンズ、近接センサ用のレンズ）を共通化することができるので、これによっても、製造コストを低減することができる。
以上のように、本発明によれば、製造コストを低減することが可能であるとともに、精度を向上させることが可能な半導体光検出素子および半導体装置を容易に得ることができる。
また、本発明によれば、信頼性の高い半導体光検出素子および半導体装置を容易に得ることができる。
さらに、本発明によれば、小型化を図ることが可能な半導体光検出素子および半導体装置を容易に得ることができる。
本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の一部を示した平面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子のカラーフィルタ層（グリーンフィルタ）の分光透過率曲線を示した図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子のカラーフィルタ層（ブラックフィルタ）の分光透過率曲線を示した図である。 第１実施形態におけるグリーフィルタの分光透過率曲線とブラックフィルタの分光透過率曲線との差分により得られた分光透過率曲線を示した図である。 第１実施形態における第１フォトダイオード（照度センサ部）の感度と光波長との関係を示した図である。 第１実施形態における第２フォトダイオード（近接センサ部）の感度と光波長との関係を示した図である。 第１実施形態における第１フォトダイオード（照度センサ部）の分光感度曲線と第２フォトダイオード（近接センサ部）の分光感度曲線とを重ねて示した図である。 第１フォトダイオード（照度センサ部）の分光感度曲線（検出信号）から第２フォトダイオード（近接センサ部）の分光感度曲線（検出信号）を差分することにより得られた分光感度曲線を示した図である。 人の比視感度特性スペクトル分布を示した図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の演算回路部の構成を示す回路図である。 照明に用いられる蛍光管の代表的な発光スペクトル分布を示した図である。 太陽光の発光スペクトル分布を示した図である。 波長８３０ｎｍの近赤外光を発光するＬＥＤの代表的な発光スペクトル分布を示した図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体装置の断面図である。 本発明の第２実施形態による半導体光検出素子の一部を示した平面図である。 本発明の第２実施形態による半導体光検出素子の演算回路部の構成を示す回路図である。 本発明の第３実施形態による半導体光検出素子の一部を示した平面図である。 受光素子上に形成したＳｉＯ2膜の膜厚による波長依存性をシミュレーションした結果を示す図である。 ＳｉＯ2膜の膜厚が異なる場合の第１フォトダイオードの分光感度曲線、第２フォトダイオードの分光感度曲線およびこれらを差分した分光感度曲線をシミュレーションにより求めた図である。 シリコンフォトダイオードの分光感度曲線を示した図である。 Ａ光源のスペクトル分布を示した図である。 本発明の第３実施形態による半導体光検出素子の一部を示した平面図（他の例を示した図）である。 第３実施形態の変形例による半導体光検出素子を示した断面図である。 第３実施形態の変形例による半導体光検出素子におけるＮ型ウェル層とＰ型シリコン基板とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードの分光感度特性を示した図（照度センサ部における感度と光波長との関係を示した図）である。 第３実施形態の変形例による半導体光検出素子におけるＮ型ウェル層とＰ型シリコン基板とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードの分光感度特性の一例を示した図（近接センサ部における感度と光波長との関係を示した図）である。 第３実施形態の変形例による半導体光検出素子におけるＮ型ウェル層とＰ型シリコン基板とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードの分光感度特性の一例を示した図（照度センサ部の分光感度曲線と近接センサ部の分光感度曲線とを重ねて示した図）である。 第３実施形態の変形例による半導体光検出素子におけるＮ型ウェル層とＰ型シリコン基板とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードの分光感度特性の一例を示した図（照度センサ部の分光感度曲線（検出信号）から近接センサ部の分光感度曲線（検出信号）を差分することにより得られた分光感度曲線を示した図）である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の断面図である。図２は、本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の一部を示した平面図である。図３〜図１１は、本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の構造を説明するための図である。まず、図１〜図１１を参照して、本発明の第１実施形態による半導体光検出素子１００の構造について説明する。
第１実施形態による半導体光検出素子１００は、照度センサとしての機能と近接センサとしての機能とを有している。また、第１実施形態による半導体光検出素子１００は、図１に示すように、Ｐ型不純物が比較的低濃度（たとえば、１×１０15ｃｍ-3）で導入されたＰ型シリコン基板１０に、複数のフォトダイオードが形成された構造を有している。上記複数のフォトダイオードは、第１フォトダイオード２０と、この第１フォトダイオード２０と同一構造を有する第２フォトダイオード３０とを含んでいる。また、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、互いに隣り合うように形成されている。さらに、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とは、受光面の面積が同じになるように形成されている。なお、Ｐ型シリコン基板１０は、本発明の「半導体層」および「Ｐ型半導体層」の一例である。また、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、それぞれ、本発明の「第１受光素子部」および「第２受光素子部」の一例である。
第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０の具体的な構造としては、Ｐ型シリコン基板１０の表面側の所定領域に、Ｎ型ウェル層１１が形成されている。このＮ型ウェル層１１は、Ｐ型シリコン基板１０の表面側からＮ型不純物が選択拡散されることによって形成されている。Ｎ型ウェル層１１の不純物濃度は、たとえば、１×１０16ｃｍ-3程度である。また、Ｎ型ウェル層１１の表面側には、Ｐ型ウェル層１２が形成されている。Ｐ型ウェル層１２の表面側には、Ｐ型ウェル層１２よりもＰ型不純物が高濃度でイオン注入されたＰ+型ウェル層１３が形成されている。Ｐ型ウェル層１２およびＰ+型ウェル層１３は、それぞれ、Ｐ型シリコン基板１０の表面側から、Ｐ型不純物が選択拡散されることによって形成されている。また、Ｐ型ウェル層１２の不純物濃度は、たとえば、５×１０17ｃｍ-3程度であり、Ｐ+型ウェル層１３の不純物濃度は、たとえば、１×１０20ｃｍ-3程度である。そして、上記Ｐ型ウェル層１２と上記Ｎ型ウェル層１１とにより形成されるＰＮ接合によってフォトダイオード（第１フォトダイオード２０、第２フォトダイオード３０）が構成されている。
また、図１および図２に示すように、Ｐ型シリコン基板１０の所定領域には、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を囲む枠状の第３フォトダイオード４０が形成されている。この第３フォトダイオード４０は、Ｎ型不純物の選択拡散によって形成されたＮ型半導体層１４とＰ型シリコン基板１０とのＰＮ接合によって構成されている。Ｎ型半導体層１４の不純物濃度は、たとえば、１×１０16ｃｍ-3程度である。なお、第３フォトダイオード４０は、本発明の「第３受光素子部」の一例であり、Ｎ型半導体層１４は、本発明の「拡散層」の一例である。
また、Ｐ型不純物としては、Ｐ（リン）が用いられており、Ｎ型不純物としては、Ｂ（ボロン）が用いられている。
ここで、第１実施形態では、上記Ｎ型ウェル層１１は、その厚みｄ１（イオン注入による拡散後の深さ）が約７μｍ〜約１０μｍとなるように形成されている。また、第３フォトダイオード４０を構成するＮ型半導体層１４は、その厚みｄ２（イオン注入による拡散後の深さ）が、Ｎ型ウェル層１１の厚みｄ１以上の厚みに形成されている。
また、図１に示すように、Ｐ型シリコン基板１０には、第１フォトダイオード２０で検出された検出信号と、第２フォトダイオード３０で検出された検出信号との差分演算を行う演算回路部５０を含む信号処理回路が形成されている。上記演算回路部５０は、たとえば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路などから構成されており、Ｐ型シリコン基板１０に形成されたＰ型半導体層１５、Ｐ型ウェル領域１６およびＮ型ウェル領域１７などを含んで構成されている。なお、演算回路部５０には、トランジスタを構成するゲート絶縁膜（図示せず）、ポリシリコンからなるゲート電極（図示せず）、ソースおよびドレインとなる拡散層（図示せず）なども形成されている。
また、Ｐ型シリコン基板１０には、フォトダイオード間、信号処理回路内部、および、フォトダイオードと信号処理回路との間などを電気的に絶縁して素子分離を行う選択酸化膜（図示せず）が形成されている。
フォトダイオードなどの素子が形成されたＰ型シリコン基板１０の上面上には、コンタクトホールを有する絶縁膜６１が形成されている。そして、Ｐ+型ウェル層１３の上面上に、上記コンタクトホールを介して、Ｐ+型ウェル層１３と電気的に接続された電極６２が形成されている。また、Ｎ型ウェル層１１の上面上には、上記コンタクトホールを介して、Ｎ型ウェル層１１と電気的に接続された電極６３が形成されている。なお、第１実施形態による半導体光検出素子１００では、Ｐ+型ウェル層１３（Ｐ型ウェル層１２）およびＮ型ウェル層１１のみならず、Ｐ型シリコン基板１０やＮ型半導体層１４なども含めて、表面で各々独立の電極が引き出されている。このため、各々独立して電位を変えることが可能に構成されている。また、光が照射される直前に、フォトダイオードに溜まっている電荷を初期化することも可能に構成されている。
また、Ｐ型シリコン基板１０の上面上には、各素子間を接続するための配線層（図示せず）が形成されている。この配線層は、たとえば、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉなどから構成されている。さらに、上記演算回路部５０を含む信号処理回路などの上方には、光の入射に起因する誤動作を抑制するために、配線層と同じ材質からなる遮光マスク（図示せず）が形成されている。なお、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０の受光面以外の領域にも、遮光マスク（図示せず）が形成されている。
また、上記絶縁膜６１の上面上には、カバー膜６５が形成されており、このカバー膜６５の上面上には、平坦化膜６６が形成されている。なお、上記カバー膜は絶縁膜６１の膜厚ばらつきによる表面反射ばらつきを抑える為にフォトダイオード上のみ除去しておくことが望ましい。
ここで、第１実施形態による半導体光検出素子１００では、第１フォトダイオード２０の受光面上（平坦化膜６６上）に、カラーフィルタ層２１が形成されている。このカラーフィルタ層２１は、緑色光を透過するグリーンフィルタ（有機カラーフィルタ）から構成されており、第１フォトダイオード２０の受光面を覆うように形成されている。また、第２フォトダイオード３０の受光面上（平坦化膜６６上）には、カラーフィルタ層３１が形成されている。このカラーフィルタ層３１は、可視光をカットするブラックフィルタ（有機カラーフィルタ）から構成されており、第２フォトダイオード３０の受光面を覆うように形成されている。また、上記カラーフィルタ層２１および３１は、それぞれ、約１．４μｍの厚みに形成されている。なお、カラーフィルタ層２１は、本発明の「第１フィルタ」の一例であり、カラーフィルタ層３１は、本発明の「第２フィルタ」の一例である。
グリーンフィルタから構成されるカラーフィルタ層２１は、図３に示すように、可視光領域では緑色領域を透過させる比較的緩やかなバンドパスフィルタとなっている一方、６５０ｎｍ以上の波長領域では、波長が長くなるにしたがい透過率が上昇する特性となっている。また、上記カラーフィルタ層２１は、図１０に示す比視感度のスペクトルのピーク（ピーク波長：５５５ｎｍ）とほぼ同じ波長に透過率のピークを持ち、かつ４５０ｎｍから６５０ｎｍの波長領域では比視感度と実質的に一致した良好なフィルタ特性を有している。なお、グリーンフィルタからなる上記カラーフィルタ層２１は、長波長側（７００ｎｍ以上）の光をも透過する。
一方、ブラックフィルタから構成されるカラーフィルタ層３１は、図４に示すように、可視光領域の光は透過せず、長波長側の光を透過する。すなわち、上記カラーフィルタ層３１は、赤外光は透過する一方、可視光はカットする。また、上記カラーフィルタ層３１は、長波長側（７００ｎｍ以上）の透過率が、グリーンフィルタから構成されるカラーフィルタ層２１の長波長側（７００ｎｍ以上）の透過率と実質的に一致している。このような特性を有するブラックフィルタは、たとえば、グリーンフィルタを構成する染料・顔料の成分（グリーンフィルタに用いる量と同量）とレッドフィルタを構成する染料・顔料の成分（レッドフィルタに用いる量と同量）とを混合することにより得ることができる。なお、カラーフィルタ層２１（グリーンフィルタ）の長波長側（７００ｎｍ以上）の透過率とカラーフィルタ層３１（ブラックフィルタ）の長波長側（７００ｎｍ以上）の透過率とにずれがある場合には、カラーフィルタ層２１およびカラーフィルタ層３１の層厚を適宜調節することにより、カラーフィルタ層２１とカラーフィルタ層３１との長波長側（７００ｎｍ以上）の透過スペクトルを同じにすることができる。
また、図３に示したグリーンフィルタのフィルタ特性と図４に示したブラックフィルタのフィルタ特性との差を取ることにより、図５に示すような、比視感度のスペクトルのピーク（ピーク波長：５５５ｎｍ）とほぼ同じ波長に透過率のピークを持ち、長波長の光（赤外光）をカットするフィルタ特性が得られる。この際、差により得られた分光感度波形が比視感度と実質的に一致した状態とすることが望ましい。
また、第１実施形態による半導体光検出素子１００では、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、それぞれ、カソードコモンとされており、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０の検出信号が、Ｐ+型ウェル層１３（Ｐ型ウェル層１２）から取り出されるように構成されている。
また、第１実施形態では、周囲の明るさを検知する照度センサ部２２と、対象物との距離を検知する近接センサ部３２とを備えている。上記照度センサ部２２は、第１フォトダイオード２０およびカラーフィルタ層２１を含んで構成されており、上記近接センサ部３２は、第２フォトダイオード３０およびカラーフィルタ層３１を含んで構成されている。また、近接センサ部３２は、後述するＬＥＤとともに、近接センサを構成する。なお、照度センサ部２２は、本発明の「第１センサ部」の一例であり、近接センサ部３２は、本発明の「第２センサ部」の一例である。
また、第１実施形態では、上記照度センサ部２２（第１フォトダイオード２０）は、グリーンフィルタからなるカラーフィルタ層２１が形成されることによって、図６に示すように、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域（可視光領域；第１波長領域）にピーク感度を有するとともに、７００ｎｍ以上の波長領域（近赤外領域；第２波長領域）においても感度を有する分光感度特性となっている。一方、上記近接センサ部３２（第２フォトダイオード３０）は、ブラックフィルタからなるカラーフィルタ層３１が形成されることによって、図７に示すように、７００ｎｍ以上の波長領域（近赤外領域；第３波長領域）に感度を有する分光感度特性となっている。なお、第１実施形態では、近接センサ用の発光ダイオード素子に、発光ピーク波長が８３０ｎｍの赤外発光ダイオード素子を用いることを想定して、８３０ｎｍとほぼ同じ波長にピークを持つように構成されている。
また、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とを同一構造に構成するとともに、カラーフィルタ層２１およびカラーフィルタ層３１の長波長側（７００ｎｍ以上）の透過率を実質的に一致させることによって、図８に示すように、照度センサ部２２（第１フォトダイオード２０）の長波長側（７００ｎｍ以上）の分光感度と近接センサ部３２（第２フォトダイオード３０）の長波長側（７００ｎｍ以上）の分光感度とが実質的に一致した状態となっている。
このため、上記演算回路部５０によって、照度センサ部２２（第１フォトダイオード２０）で検出された検出信号から近接センサ部３２（第２フォトダイオード３０）で検出された検出信号を減算することにより、図９に示すような、赤外光の感度が十分に低減された、人の視感度特性と同等の感度特性を得ることが可能となる。これにより、人の視感度特性と同等の波長感度特性を有する照度センサが得られる。なお、上記した「実質的に一致した状態」とは、たとえば、減算処理を行った後に、７００ｎｍ以上の波長領域に残る感度が、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域におけるピーク感度の１０％以下となるような状態を含む。
また、演算回路部５０は、たとえば、図１１に示すような回路構成とすることができる。この回路構成では、照度センサ部２２を構成する第１フォトダイオード２０のアノード端子がカレントミラー回路５１の出力と接続されているとともに、電流アンプ５２の入力側にも接続されている。また、第１フォトダイオード２０のカソード端子は定電圧源端子Ｖrefに接続されている。さらに、電流アンプ５２の出力側は、照度センサ用の出力端子ＯＵＴ１と接続されている。一方、近接センサ部３２を構成する第２フォトダイオード３０は、アノード端子がカレントミラー回路５１の入力と接続されており、カソード端子が定電圧源端子Ｖrefと接続されている。また、カレントミラー回路５１は、カレントミラー回路５３とも接続されており、このカレントミラー回路５３は、電流アンプ５４の入力側に接続されている。そして、電流アンプ５４の出力側が近接センサ用の出力端子ＯＵＴ２と接続されている。なお、カレントミラー回路５１および５３は、等倍の増幅率となっている。
次に、図１、図４、図７および図１１〜図１４を参照して、第１実施形態による半導体光検出素子１００の動作について説明する。なお、図１２は、照明に用いられる蛍光管の代表的な発光スペクトル分布を示した図である。図１３は、太陽光の発光スペクトル分布を示した図である。図１４は、波長８３０ｎｍの近赤外光を発光するＬＥＤの代表的な発光スペクトル分布を示した図である。
まず、Ｐ型シリコン基板１０およびＰ型ウェル層１２（Ｐ+型ウェル層１３）を、グランド電位とし、この状態で、Ｎ型ウェル層１１に定電圧Ｖrefを印加することによって、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０に逆バイアス（たとえば、＋０．７Ｖ）を印加する。これにより、Ｎ型ウェル層１１中の電子が最小になるように初期化される。また、光受光時にフォトダイオード２０および３０に加える逆バイアスを０Vバイアスとすることで、暗電流を低減する効果が得られる。
この後、半導体光検出素子１００に光が照射されると、照射された光が、第１フォトダイオード２０（照度センサ部２２）および第２フォトダイオード３０（近接センサ部３２）に入射される。そして、Ｐ型ウェル層１２およびＮ型ウェル層１１で発生した光キャリアが光電流として検出される。
上述したように、人の目は、可視光領域の光に対して感度を有しているのに対し、フォトダイオードは、赤外光などの不可視光に対しても感度を有している。このため、照度センサとして機能させる場合には、赤外光の感度を極力低減させる必要がある。
ここで、室内照明に用いられる一般的な蛍光灯は、図１２に示すように、３００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲でのみ発光しているため、赤外光による影響はほとんど問題とならない。これに対し、太陽光は、図１３に示すように、緑色近傍の５００ｎｍに発光のピークを持ち、波長が長くなるにしたがい発光強度は減少するものの、近赤外の７５０ｎｍ以上の波長でも発光強度が存在する。このように、照射される光によっては、第１フォトダイオード２０（照度センサ部２２）および第２フォトダイオード３０（近接センサ部３２）に、７００ｎｍ以上の長波長領域の光も入射される。
また、近接センサ用のＬＥＤとして、発光ピーク波長が８３０ｎｍのＬＥＤを用いた場合、その発光スペクトルは、図１４に示すように、発光強度が最大となる波長の両側は急峻な分布を持ち、その半値幅は、５０ｎｍ程度となる。また、短波長側のテールは、約７７０ｎｍ程度となる。
一方、第１実施形態による半導体光検出素子１００では、照射される光に赤外光が含まれる場合、有機カラーフィルタからなるカラーフィルタ層２１および３１は、赤外光を透過してしまうため、第１フォトダイオード２０（照度センサ部２２）および第２フォトダイオード３０（近接センサ部３２）には、赤外光が同じように入射される。
ここで、図４に示すように、ブラックフィルタからなるカラーフィルタ層３１は、赤外光は透過する一方、可視光はカットするため、近接センサ部３２では、図７に示すように、７００ｎｍ以上の波長領域（近赤外領域）に感度を有する分光感度特性となる。
そして、照度センサ部２２（第１フォトダイオード２０）および近接センサ部３２（第２フォトダイオード３０）で光電流が検出されると、演算回路部５０（図１参照）によって、照度センサ部２２（第１フォトダイオード２０）で検出された検出信号から近接センサ部３２（第２フォトダイオード３０）で検出された検出信号を減算する減算処理が行われる。具体的には、図１１に示すように、カレントミラー回路５１によって、第１フォトダイオード２０で検出された検出信号から第２フォトダイオード３０で検出された検出信号が減算される。減算された検出信号は、電流アンプ５２で増幅されて、出力端子ＯＵＴ１から照度センサ用の信号として出力される。これにより、照度センサ部２２を、赤外光の感度が十分に低減された、人の視感度特性と同等の感度特性を有する照度センサとして機能させることが可能となる。
また、近接センサ部３２（第２フォトダイオード３０）で検出された検出信号は、電流アンプ５４で増幅されて、出力端子ＯＵＴ２から近接センサ用の信号として出力される。これにより、近接センサ部３２を、対象物が近接しているか否かを検知する近接センサとして機能させることが可能となる。なお、近接センサ用のＬＥＤからの近赤外光と、外光に含まれる近赤外光とを区別する場合には、たとえば、ＬＥＤをパルス発光させるなどすればよい。
図１５〜図２１は、本発明の第１実施形態による半導体光検出素子の製造方法を説明するための断面図である。次に、図１および図１５〜図２１を参照して、本発明の第１実施形態による半導体光検出素子１００の製造方法について説明する。なお、半導体光検出素子１００の製造方法は、ＣＭＯＳプロセスと同様のプロセスに従う。
まず、図１５に示すように、比較的低濃度（たとえば、１×１０15ｃｍ-3程度）のＰ型シリコン基板１０の上面上に、２μｍ程度の厚みを有する、通常よりは厚みの大きいレジスト７０を全面に形成する。次に、図１６に示すように、フォトリソグラフィ技術などを用いて、演算回路部５０（図１参照）となる領域上のレジスト７０を除去する。そして、上記レジスト７０をマスクとして、加速エネルギ１５０ＫｅＶ、注入量５×１０12ｃｍ-2の条件で、Ｐ型不純物としてのボロンイオンをＰ型シリコン基板１０にイオン注入する。この際、Ｐ型シリコン基板１０の表面から約０．４μｍの深さまでボロン不純物を導入する。その後、レジスト７０を酸素プラズマで除去する。
続いて、図１７に示すように、Ｐ型シリコン基板１０の上面上に、５μｍ程度の厚みを有する、厚みの大きいレジスト８０を全面に形成する。次に、図１８に示すように、フォトリソグラフィ技術などを用いて、第１フォトダイオード２０（図１参照）、第２フォトダイオード３０（図１参照）および第３フォトダイオード４０（図１参照）が形成される領域上のレジスト８０を除去する。そして、上記レジスト８０をマスクとして、加速エネルギ３ＭｅＶ、注入量１×１０13ｃｍ-2の条件で、Ｎ型不純物としてのリンイオンをＰ型シリコン基板１０にイオン注入する。この際、Ｐ型シリコン基板１０の表面から約２．５μｍの深さまでリン不純物を導入する。
ここで、通常用いられる１μｍ程度の厚みを有するレジストに対して、約５倍もの厚みを有するレジスト８０を形成しているのは、リンイオンの注入エネルギが非常に高い条件を用いているため、レジストを通してＰ型シリコン基板１０にリンイオンが到達し、注入領域以外の注入しない領域にまでリンイオンが注入されてしまうのを防止するためである。
その後、レジスト８０を酸素プラズマで除去する。そして、洗浄工程を行った後、１１００℃で半日程度（約１２時間）の高温長時間アニール処理を行う。これにより、約７μｍ〜約１０μｍの深さを有するＮ型ウェル層１１、および、約７μｍ〜約１０μｍの深さを有するＰ型半導体層１５が形成される。また、第３フォトダイオード４０（図１参照）を構成するＮ型半導体層１４は、Ｎ型ウェル層１１と同じ深さに形成される。なお、Ｎ型半導体層１４を形成するためのイオン注入を、Ｎ型ウェル層１１を形成するためのイオン注入とは別行程で行うことにより、Ｎ型半導体層１４を、その深さ（厚み）がＮ型ウェル層１１より大きくなるように形成することができる。
次に、図１９に示すように、演算回路部５０（図１参照）が形成される領域（Ｐ型半導体層１５）に、Ｐ型ウェル領域１６およびＮ型ウェル領域１７を形成する。この際、同時に、フォトダイオードを形成する領域（Ｎ型ウェル層１１）に、Ｐ型ウェル層１２を形成する。
また、図示は省略するが、フォトダイオード間、信号処理回路内部、および、フォトダイオードと信号処理回路との間などを電気的に絶縁して素子分離を行うための選択酸化膜を形成する。次に、トランジスタを構成するゲート絶縁膜を形成した後、ポリシリコンを用いたゲート電極を形成し、さらに、トランジスタのソースおよびドレインとなる拡散層を形成する。
このソースおよびドレインを形成する行程において、高濃度のＰ+型ウェル層１３を形成する。これにより、Ｐ型シリコン基板１０に、同一構造を有する第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０が形成される。
なお、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との不純物濃度や深さは、最終的に形成されるフォトダイオードの感度スペクトルに大きな影響を与えるので、目的とする性能（たとえば、感度スペクトル）が得られるように最適化する。
次に、図２０に示すように、素子が形成されたＰ型シリコン基板１０の上面上に絶縁膜６１を酸化膜で形成する。そして、絶縁膜６１の所定領域に、コンタクトホールを形成する。次に、絶縁膜６１の上面上にメタル層を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いてパターニングすることにより、電極６２および６３を形成する。
なお、第１実施形態による半導体光検出素子１００の製造方法では、Ｐ型シリコン基板１０やＮ型半導体層１４なども含めて、表面で各々独立の電極を形成することにより、各々独立して電位を変えることが可能に構成する。また、Ｐ型シリコン基板１０の上面上には、各素子間を接続するための配線層（図示せず）を形成する。さらに、上記演算回路部５０を含む信号処理回路などの上方に、配線層と同じ材質からなる遮光マスク（図示せず）を形成するとともに、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０の受光面以外の領域にも、遮光マスク（図示せず）を形成する。
その後、上記絶縁膜６１の上面上に、カバー膜６５をシリコン窒化膜で形成した後、このカバー膜６５の上面上に、平坦化膜６６を有機材料で形成する。その際、フォトダイオード２０および３０上のカバー膜６５は除去しておく方が望ましい。これにより、フォトダイオード上の無機材料膜は、酸化膜単一となり、フォトダイオード上での光反射のばらつきを抑えるのに効果がある。
最後に、図２１に示すように、第１フォトダイオード２０の上面上に、グリーンフィルタからなるカラーフィルタ層２１を形成するとともに、第２フォトダイオード３０の上面上に、ブラックフィルタからなるカラーフィルタ層３１を形成する。
このようにして、第１実施形態による半導体光検出素子１００が形成される。
第１実施形態では、上記のように、第１フォトダイオード２０上に、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光領域の光および７００ｎｍ以上の赤外領域の光（赤外光）を透過するカラーフィルタ層２１（グリーンフィルタ）を形成するとともに、第２フォトダイオード３０上に、７００ｎｍ以上の赤外領域の光（赤外光）を透過するカラーフィルタ層３１（ブラックフィルタ）を形成することによって、第１フォトダイオード２０では、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光領域の光および７００ｎｍ以上の赤外領域の光が検出されるとともに、第２フォトダイオード３０では、７００ｎｍ以上の赤外領域の光が検出される。そして、演算回路部５０によって、第１フォトダイオード２０の検出信号から第２フォトダイオード３０の検出信号を減算することにより、７００ｎｍ以上の赤外領域の光（赤外光）の感度を低減することができる。これにより、赤外光による影響を除去することができるので、人の視感度特性に近い波長感度特性を有する照度センサを得ることができる。
また、第１実施形態では、第２フォトダイオード３０上にカラーフィルタ層３１（ブラックフィルタ）を形成することによって、第２フォトダイオード３０では、７００ｎｍ以上の赤外領域の光（赤外光）を検出することができるので、この第２フォトダイオード３０（近接センサ部３２）を、近赤外光を発光するＬＥＤからの光を検出する受光素子としても用いることができる。すなわち、第２フォトダイオード３０を、近接センサ（測距センサ）の受光素子としても用いることができる。これにより、照度センサと近接センサ（測距センサ）とを１チップで形成することができる。なお、照度センサと近接センサ（測距センサ）とを１チップで形成することによって、半導体光検出素子の実装サイズを小さくすることができるので、半導体光検出素子を実装（搭載）するパッケージ（半導体装置）を小型化することができる。
また、第１実施形態では、第１フォトダイオード２０上および第２フォトダイオード３０上に、それぞれ、カラーフィルタ層２１および３１を形成することによって、高価な干渉膜フィルタを用いる必要がないため、その分、製造コストを低減することができる。
また、第１実施形態では、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とを同一構造にすることによって、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０における不純物プロファイルのバラツキなどを低減することができるので、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０との感度バラツキを低減することができる。すなわち、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０との感度特性を均一化することができる。このため、第２フォトダイオード３０の検出信号を所定倍することなく、第１フォトダイオード２０の検出信号から第２フォトダイオード３０の検出信号を減算するだけで、赤外光の感度を十分に低減することができる。これにより、赤外光による影響を効果的に除去することができるので、高精度な半導体光検出素子を得ることができる。
さらに、第１実施形態では、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とを同一のＰ型シリコン基板１０に形成することによって、第１フォトダイオード２０に入射された光は、第２フォトダイオード３０にも同じように入射されるので、第１フォトダイオード２０の検出信号から第２フォトダイオード３０の検出信号を減算することにより、赤外光による影響を効果的に除去することができる。このため、近接センサと照度センサとを同一チップで形成することによって、第２フォトダイオード３０に入射される赤外光が第１フォトダイオード２０に入射された場合でも、赤外光の影響を除去することができるので、赤外光の影響による誤動作を抑制することができる。その結果、信頼性を向上させることができる。
なお、上記のように構成することによって、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とに同様に光が入射されるように構成することができるので、外乱光などが照射された場合でも、照射された外乱光などが、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０に同じように入射するように構成することができる。これにより、外乱光などが入射された場合でも、第１フォトダイオード２０の検出信号から第２フォトダイオード３０の検出信号を減算することで、外乱光などの影響を除去することができる。
また、上記のように構成することによって、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０との間に赤外光を透過しない遮光壁などを形成する必要がなくなるので、これによっても、製造コストを低減することができるとともに、パッケージ（半導体装置）の小型化を図ることができる。
また、第１実施形態では、カラーフィルタ層２１および３１によって、７００ｎｍ以上の波長領域における、第１フォトダイオード２０の分光感度特性と第２フォトダイオード３０の分光感度特性とが実質的に一致するように構成することによって、７００ｎｍ以上の長波長領域の感度をより十分に低減することができるので、赤外光の影響がより十分に除去された照度センサを得ることができる。なお、上記した「実質的に一致する」とは、たとえば、減算処理を行った後に、７００ｎｍ以上の波長領域に残る感度が、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域におけるピーク感度の１０％以下となるような状態を含む。
また、第１実施形態では、カラーフィルタ層２１をグリーンフィルタから構成するとともに、カラーフィルタ層３１をブラックフィルタから構成することによって、カラーフィルタ層２１および３１を、バックエンドプロセスで一般的に用いられる方法を用いて形成することができるので、第１フォトダイオード２０上および第２フォトダイオード３０上に、それぞれ、カラーフィルタ層２１およびカラーフィルタ層３１を容易に形成することができる。これにより、容易に、製造コストを低減することができる。
また、第１実施形態では、グリーンフィルタは可視光および赤外光を透過するため、カラーフィルタ層２１にグリーンフィルタを用いることによって、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域の光（可視光）を透過するとともに、７００ｎｍ以上の波長領域の光（赤外光）を透過するフィルタ（カラーフィルタ層２１）を容易に形成することができる。また、ブラックフィルタは可視光をカットする一方、赤外光は透過するため、カラーフィルタ層３１にブラックフィルタを用いることによって、７００ｎｍ以上の波長領域の光（赤外光）を透過するフィルタ（カラーフィルタ層３１）を容易に形成することができる。
なお、グリーンフィルタを第１フォトダイオード２０上に形成することにより、可視光領域では、人の視感度特性とほぼ同じ感度特性を第１フォトダイオード２０に持たせることができる。一方、グリーンフィルタおよびブラックフィルタは、有機カラーフィルタであるため、いずれも、赤外光を透過する。したがって、グリーンフィルタが形成された第１フォトダイオード２０の検出信号から、ブラックフィルタが形成された第２フォトダイオード３０の検出信号を減算することによって、７００ｎｍ以上の長波長領域の光の感度をさらに低減することができるので、人の視感度特性にさらに近い波長感度特性を有するセンサ（照度センサ）を得ることができる。
また、第１実施形態では、照度センサ部２２を構成する第１フォトダイオード２０および近接センサ部３２を構成する第２フォトダイオード３０を、それぞれ、カソードコモンとすることによって、Ｎ型ウェル層１１とＰ型ウェル層１２とのＰＮ接合により、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を構成することができる。このため、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を、Ｐ型シリコン基板１０とＮ型ウェル層１１とのＰＮ接合により構成する場合と異なり、Ｐ型シリコン基板１０のＤＺ（Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ）幅のバラツキに起因する感度バラツキの発生を抑制することができる。
また、第１実施形態では、Ｎ型ウェル層１１を、７μｍ以上１０μｍ以下の厚みｄ１に形成することによって、波長による侵入長の違いにより、Ｎ型ウェル層１１における長波長の光の吸収を抑制することができるので、長波長の光の感度を低減することができる。このため、長波長の光の感度が低い状態で、第１フォトダイオード２０の検出信号から第２フォトダイオード３０の検出信号を減算することにより、赤外光の感度をより十分に低減することができる。
なお、近接センサには、例えば、赤外光ＬＥＤとして一般的な波長８３０nmのＬＥＤが用いられる。この光のシリコン基板中への吸収係数α（λ）は、約１／１０μｍ-1であり、フォトダイオードに入射される光の強度をＩ（０，λ）とした場合、シリコン表面からの深さｄでの光強度Ｉ（ｄ，λ）は、以下の（１）式で表すことができる。
Ｉ（ｄ，λ）＝Ｉ（０，λ）・ｅｘｐ（−ｄ／α（λ））・・・・（１）
ここで、上記（１）式を変形すると、Ｉ（ｄ，λ）になる時の侵入深さｄは、以下の（２）式に示すように、減衰した光強度と吸収係数から求めることができる。
ｄ＝ｌｎ（Ｉ（０，λ）／Ｉ（ｄ，λ））・α（λ） ・・・・（２）
たとえば、入射光が半分に減衰する場合（Ｉ（０，λ）／Ｉ（ｄ，λ）＝０．５）には、入射光の侵入深さは、約７μｍとなる。このため、赤外光に感度をもつセンサ（近接センサ部３２）において、８３０ｎｍの赤外光の入射光の半分以上を検知するためには、上述のように、約７μｍ以上に形成するのが好ましい。これにより、発光ピーク波長が８３０ｎｍのＬＥＤを用いた場合に、ＬＥＤからの光も感度よく検出することが可能となる。また、シリコン基板内部には酸素凝結による酸素析出微小欠陥が存在するが、その深さは一般的に１０μｍ以上であり、それ以下のＮ型ウェル層１１の深さとすることで酸素析出微小欠陥の影響による感度ばらつきを抑えるとともに、赤外光の入射を抑えて減算する際の赤外信号を実質的に小さくし、減算結果として得られる可視光信号の精度を上げることが可能となる。
また、第１実施形態では、カラーフィルタ層２１および３１を、単膜から構成することによって、製造プロセスを簡略化することができるので、これによっても、製造コストを低減することができる。
また、第１実施形態では、Ｐ型シリコン基板１０に、平面的に見て、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を囲む第３フォトダイオード４０を形成することによって、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０の受光面以外の領域に光が入射されることによって発生した余分なキャリアを、第３フォトダイオード４０で捕捉することができるので、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０以外の領域で発生した光電流を除去することができる。これにより、精度をより向上させることができる。なお、近接センサと照度センサとを同一チップとした場合、近接センサ用ＬＥＤから回りこむ迷光が照度センサに影響する場合がある。このため、上記構造とすることが望ましい。
また、第１実施形態では、第３フォトダイオード４０を構成するＮ型半導体層１４を、Ｎ型ウェル層１１の深さ以上の深さを有するように形成することによって、素子の側面や裏面から入射された光によって発生した余分なキャリアを、第３フォトダイオード４０で容易に捕捉することができる。また、素子の深いところを通ってくる光電流を除去することもできる。なお、この場合、第３フォトダイオード４０に出来る限り高い逆バイアスをかけることにより、空乏層を伸ばしておくのが好ましい。
図２２は、本発明の第１実施形態による半導体装置の断面図である。次に、図２２を参照して、本発明の第１実施形態による半導体装置について説明する。
第１実施形態による半導体装置は、上記した半導体光検出素子１００と、近赤外光を発光する近接センサ用の赤外発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤ）１１０とを備えている。また、上記半導体光検出素子１００および上記ＬＥＤ１１０は、ハウジング１２０に格納され、このハウジング１２０内において、透光性を有する樹脂部材１３０で埋め込まれている。また、半導体光検出素子１００とＬＥＤ１１０との間は、直接ハウジング１２０内で反射して戻ってきた信号により誤動作することを防ぐため、赤外光を通さない遮光壁１２５により遮られる。なお、ＬＥＤ１１０は、本発明の「発光素子」の一例である。
また、半導体光検出素子１００とＬＥＤ１１０とは、所定の距離を隔てて配置されている。このＬＥＤ１１０は、発光ピーク波長が８３０ｎｍの近赤外光を発光する機能を有しており、ＬＥＤ１１０の上方には、ＬＥＤ１１０からの近赤外光を対象物に対して集光するためのレンズ１４０が設けられている。一方、半導体光検出素子１００の上方には、半導体光検出素子１００に対して光を集光するためのレンズ１５０が設けられている。なお、レンズ１４０は、本発明の「第１レンズ」の一例であり、レンズ１５０は、本発明の「第２レンズ」の一例である。
また、第１実施形態による半導体装置では、上記のように、ＬＥＤ１１０と半導体光検出素子１００とを仕切る遮光壁１２５が形成された構造となっている。この遮光壁１２５は、ＬＥＤ１１０からの赤外光を透過しない材料（たとえば、エポキシ樹脂など）から構成されている。
第１実施形態による半導体装置は、上記のように、半導体光検出素子１００とＬＥＤ１１０とを備えることによって、照度センサと近接センサとを１パッケージ化することができるので、半導体装置の小型化を図ることができる。
また、第１実施形態では、上記した半導体光検出素子１００を搭載することによって、高価な干渉膜フィルタを用いる必要がないため、その分、製造コストを低減することができる。また、干渉膜フィルタを取り付けるスペースを確保する必要がないので、パッケージ（半導体装置）の小型化を容易に図ることができる。
また、第１実施形態では、上記した半導体光検出素子１００を搭載することによって、精度の高い半導体装置を得ることができる。また、上記のように構成することによって、誤動作の発生を抑制することができるので、信頼性を向上させることができる。
また、第１実施形態では、半導体光検出素子１００の上方に、半導体光検出素子１００に対して光を集光するためのレンズ１５０を設けることによって、各センサ用のレンズ（照度センサ用のレンズ、近接センサ用のレンズ）を共通化することができるので、これによっても、製造コストを低減することができる。
（第２実施形態）
図２３は、本発明の第２実施形態による半導体光検出素子の一部を示した平面図である。図２４は、本発明の第２実施形態による半導体光検出素子の演算回路部の構成を示す回路図である。なお、図２３は、第１フォトダイオード２０（照度センサ部２２）と第２フォトダイオード３０（近接センサ部３２）とを交互に配置した平面レイアウトを示している。次に、図２３および図２４を参照して、本発明の第２実施形態による半導体光検出素子２００について説明する。
この第２実施形態による半導体光検出素子２００では、図２３に示すように、Ｐ型シリコン基板１０に複数の第１フォトダイオード２０が形成されているとともに、第１フォトダイオード２０と同数の第２フォトダイオード３０が形成されている。また、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とは、受光面の平面積が同じになるように形成されている。
また、図２４に示すように、複数の第１フォトダイオード２０は、互いに並列接続されているとともに、複数の第２フォトダイオード３０も、互いに並列接続されている。そして、図２３に示すように、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とが、交互に、格子状に配置されている。
なお、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、上記した格子配置以外に、たとえば、千鳥配置されていてもよい。また、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、Ｘ方向に並ぶフォトダイオードの数（第１フォトダイオード２０の数と第２フォトダイオード３０の数）が一致するように配置されているのが好ましい。同様に、Ｘ方向に並ぶフォトダイオードの数も、一致するように配置されているのが好ましい。このように構成することにより、たとえば、Ｘ方向から光の回り込みがあった場合、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０に、同じように回り込みによる光を入射されることが可能となる。
また、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とは、完全に交互でなくても、平面的な規則性を持って、素子の裏面や周囲からの回り込みについて考慮された配置形態であればよい。また、上記第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、幾何学的に均等になるように配置されているのが好ましい。
第２実施形態による半導体光検出素子２００のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
第２実施形態では、上記のように、Ｐ型シリコン基板１０に、複数の第１フォトダイオード２０を形成するとともに、第１フォトダイオード２０の数と同数の第２フォトダイオード３０を形成し、かつ、これら第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を、交互に配置することによって、半導体光検出素子２００に光が照射された際に、第１フォトダイオード２０（照度センサ部２２）に入射される光と第２フォトダイオード３０（近接センサ部３２）に入射される光とをほぼ同一に容易にすることができる。このため、外乱光などが照射された場合でも、照射された外乱光などが、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０に同じように入射するように容易に構成することができる。これにより、外乱光などが入射された場合でも、第１フォトダイオード２０の検出信号から第２フォトダイオード３０の検出信号を減算することで、外乱光などの影響を容易に除去することができる。したがって、外乱光や近接センサ用ＬＥＤからの迷光や距離の違いによる入射光の不均一性などの影響による誤動作を容易に抑制することができるので、信頼性をさらに向上させることができる。
第２実施形態による半導体光検出素子２００のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
また、第２実施形態による半導体装置は、上記した第２実施形態による半導体光検出素子２００が搭載された半導体装置である。
第２実施形態による半導体装置では、上記のように構成することによって、外乱光やＬＥＤからの回り込みによる光の影響を、演算により容易に除去することができるので、精度および信頼性を向上させながら、パッケージの小型化を容易に図ることができる。
第２実施形態による半導体装置のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
図２５は、本発明の第３実施形態による半導体光検出素子の一部を示した平面図である。図２６は、受光素子上に形成したＳｉＯ2膜の膜厚による波長依存性をシミュレーションした結果を示す図であり、図２７は、ＳｉＯ2膜の膜厚が異なる場合の第１フォトダイオードの分光感度曲線、第２フォトダイオードの分光感度曲線およびこれらを差分した分光感度曲線をシミュレーションにより求めた図である。図２８は、シリコンフォトダイオードの分光感度曲線を示した図であり、図２９は、Ａ光源のスペクトル分布を示した図である。
なお、図２６では、２つのＳｉＯ2膜の膜厚（２．００μｍ、１．９５μｍ）における受光素子（フォトダイオード）上での光の干渉についてシミュレーションを行った結果を示している。また、図２７では、第１実施形態の構成において、図２６の光の干渉を考慮した場合の分光感度曲線を示している。さらに、図２６および図２７におけるシミュレーションでは、基板はシリコン基板として計算している。次に、図１および図２５〜図２９を参照して、本発明の第３実施形態による半導体光検出素子３００について説明する。
図１に示したように、Ｐ型シリコン基板１０の上面上には、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を覆うように、絶縁膜６１が形成されている。この絶縁膜６１は、たとえば、ＳｉＯ2から構成されている。そして、この絶縁膜６１の上面上に、カラーフィルタ層２１およびカラーフィルタ層３１が形成されている。そのため、第１フォトダイオード２０には、カラーフィルタ層２１および絶縁膜６１などを介して、光が入射されるとともに、第２フォトダイオード３０には、カラーフィルタ層３１および絶縁膜６１などを介して、光が入射される。
ここで、Ｐ型シリコン基板１０上に形成される絶縁膜６１は、製造上の要因などにより、その膜厚が位置によってばらつく場合がある。このため、絶縁膜６１における第１フォトダイオード２０上の部分と第２フォトダイオード３０上の部分とで膜厚が異なってしまう場合がある。
また、本願発明者が、２．００μｍの厚みを有するＳｉＯ2膜と１．９５μｍの厚みを有するＳｉＯ2膜とで、受光素子上での光の干渉についてシミュレーションを行ったところ、図２６に示すように、ＳｉＯ2膜の膜厚により位相にズレが生じることが確認された。そして、２つのＳｉＯ2膜における光の干渉を、カラーフィルタを重ねた受光素子からの信号に重ね合わせ、差分後の結果を確認したところ、図２７に示すように、絶縁膜６１の膜厚が、第１フォトダイオード２０上と第２フォトダイオード３０上とで異なると、差分後の赤外光が完全にゼロにならないという問題が生じることが分かった。
これより、カラーフィルタの分光感度が完全に一致していても、フォトダイオード上の絶縁膜６１の膜厚が第１フォトダイオード２０上と第２フォトダイオード３０上とでずれていると、干渉の位相にズレが生じることにより、波長６００ｎｍ以上に見られるような信号の揺れが発生してしまう場合がある。
なお、シミュレーションの結果より、上記した信号の揺れは、図２８に示すシリコン（フォトダイオード）の分光感度の最も大きい波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの付近で最も大きい。また、赤外光はカラーフィルタ（カラーフィルタ層２１および３１）では透過する上、視感度特性と一致させる場合、差分により除去されるべき部分である一方、差分を行った際に、波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの付近の揺れが最も大きくなる。特に、図２９に示すようなＡ光源のように、光源の分光が波長依存性を有する場合、この信号の揺れにより、実際の視感度とズレが生じてしまうおそれがある。
そのため、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０との演算によって赤外光を完全に除去しようとする場合は、絶縁膜６１の膜厚を、第１フォトダイオード２０上と第２フォトダイオード３０上とで完全に合わせておくのが好ましい。
しかしながら、絶縁膜６１を均一な膜厚で形成するのは、製造上の要因などにより、困難な場合がある。
そのため、この第３実施形態による半導体光検出素子３００では、図２５に示すように、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とを同数形成し、これら第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を、平面的に見て、上下左右対称となるように、近接配置することにより、絶縁膜６１の膜厚に起因する信号のズレ（誤差）を低減している。
具体的には、この第３実施形態では、Ｐ型シリコン基板１０に複数の第１フォトダイオード２０が形成されているとともに、第１フォトダイオード２０と同数の第２フォトダイオード３０が形成されている。また、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とは、受光面の面積が同じになるように形成されている。なお、第３実施形態では、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、それぞれ、２つ形成されている。
また、複数（２つ）の第１フォトダイオード２０は、互いに並列接続されているとともに、複数（２つ）の第２フォトダイオード３０も、互いに並列接続されている。そして、第１フォトダイオード２０（カラーフィルタ層２１）と第２フォトダイオード３０（カラーフィルタ層３１）とが、交互に、格子状に近接配置されている。すなわち、第１フォトダイオード２０（カラーフィルタ層２１）および第２フォトダイオード３０（カラーフィルタ層３１）は、幾何学的に対称となるように配置されている。
なお、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とは、デザインルール（設計規則）などで許容される範囲内で最も近くなる（近接する）ように配置されているのが好ましい。また、「上下左右対称」および「幾何学的に対称」とは、点対称（特に２回対称）および線対称（特に、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０との位置関係が線対称）を含む。
このように構成することにより、絶縁膜６１の膜厚が、たとえば図２５の矢印Ｒ方向に厚くなっていく傾向があったとしても、受光素子（フォトダイオード）が交互に配置されているため、左側（Ｘ１側）では、第１フォトダイオード２０上と第２フォトダイオード３０上とで、絶縁膜６１の膜厚が同じになるとともに、右側（Ｘ２側）でも、第１フォトダイオード２０上と第２フォトダイオード３０上とで、絶縁膜６１の膜厚が同じになる。このため、左側および右側のそれぞれにおいて、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０とで検出される信号は同じになる。これにより、２つの第１フォトダイオード２０の信号を合算（積算）した信号と、２つの第２フォトダイオード３０の信号を合算（積算）した信号とは、同じ大きさになる。したがって、製造上の要因などにより、絶縁膜６１の膜厚にばらつきがあった場合でも、検出される信号は、合算（積算）されることで平均化される。その結果、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０における絶縁膜６１の膜厚差に起因する信号ズレ（誤差）を極めて小さくすることができる。
なお、絶縁膜６１の膜厚は、図２５の矢印Ｒ方向以外に、たとえば、上下方向、斜め方向（斜め右上右下等）などに厚くなっている場合でも、上記と同様に、信号ズレ（誤差）を極めて小さくすることができる。
第３実施形態では、上記のように、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を、上下左右対称（交互）に、互いに近接配置することにより、絶縁膜６１の膜厚がばらついた場合でも、絶縁膜６１の膜厚差に起因する信号ズレを極めて小さくすることができるので、半導体光検出素子の精度をより向上させることができる。
第３実施形態のその他の構成および効果は、上記第１および第２実施形態と同様である。
また、上記第３実施形態では、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を、それぞれ、２つ形成し、これら４つのフォトダイオードを、幾何学的に対称に配置した例を示したが、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０の数は、２つより多くてもよい。
たとえば、図３０に示すように、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を、それぞれ、４つ形成し、これら８つのフォトダイオードを、幾何学的に対称となるように配置してもよい。むろん、これ以外の数に構成することもできる。
このように、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を増やすことにより、絶縁膜６１の膜厚バラツキによる影響をより平均化することが可能となり、絶縁膜６１の膜厚差に起因する信号ズレをさらに小さくすることができる。
ところが、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を増やした場合、さらなる精度向上を図ることが可能となるものの、第１フォトダイオード２０と第２フォトダイオード３０と間の無効領域（光を検出しない領域）が大きくなる。このため、同じ大きさの受光面積を確保しようとした場合、素子サイズ（チップサイズ）が大きくなる。
その一方、第３実施形態で示したように、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０を、それぞれ、２つ形成した場合には、無効領域が大きくなるのを抑制しながら、絶縁膜６１の膜厚差に起因する信号ズレを極めて小さくすることができるため、好ましい。
（第３実施形態の変形例）
図３１は、第３実施形態の変形例による半導体光検出素子を示した断面図である。図３２〜図３５は、３実施形態の変形例による半導体光検出素子におけるＮ型ウェル層とＰ型シリコン基板とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードの分光感度特性を示した図である。次に、図３１〜図３５を参照して、第３実施形態の変形例による半導体光検出素子４００について説明する。
この第３実施形態の変形例による半導体光検出素子４００では、上記第３実施形態と異なり、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０は、それぞれ、アノードコモンとされている。そして、第１フォトダイオード２０および第２フォトダイオード３０の検出信号が、Ｎ型ウェル層１１から取り出されるように構成されている。このため、第３実施形態の変形例では、Ｎ型ウェル層１１とＰ型シリコン基板１０とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードでも、光を検出可能に構成されている。
Ｎ型ウェル層１１とＰ型シリコン基板１０とのＰＮ接合で構成される上記フォトダイオードは、図３２に示すように、照度センサ部２２においては、第１フォトダイオード２０と同様、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域（可視光領域；第１波長領域）にピーク感度を有するとともに、７００ｎｍ以上の波長領域（近赤外領域；第２波長領域）においても感度を有する分光感度特性となっている。また、図３３に示すように、近接センサ部３２においては、第２フォトダイオード３０と同様、７００ｎｍ以上の波長領域（近赤外領域；第３波長領域）に感度を有する分光感度特性となっている。ただし、Ｎ型ウェル層１１とＰ型シリコン基板１０とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードでは、可視光領域の感度に比べて、近赤外領域の感度の方が大きくなっている。これにより、照度センサの精度よりも近接センサの感度を重視したセンサ設計をする場合、近接センサに使用する赤外光の感度が高いため、第３実施形態の方式に比べて、Ｓ／Ｎ比のより良好な近接センサを構成することが可能となる。
また、Ｎ型ウェル層１１とＰ型シリコン基板１０とのＰＮ接合で構成されるフォトダイオードは、図３４に示すように、照度センサ部２２の長波長側（７００ｎｍ以上）の分光感度と近接センサ部３２の長波長側（７００ｎｍ以上）の分光感度とが実質的に一致した状態となっている。このため、上記演算回路部５０によって、照度センサ部２２で検出された検出信号から近接センサ部３２で検出された検出信号を減算することにより、図３５に示すような、赤外光の感度が十分に低減された、人の視感度特性と同等の感度特性が得られる。
また、Ｐ型シリコン基板１０の不純物濃度を低くすることで、ＰＮ接合で形成されるＰ型シリコン基板１０側に延びる空乏層を広くできるため、単位表面積あたりのフォトダイオードで発生するホールの量が増し、さらに、Ｐ型シリコン基板１０中のキャリアの再結合中心密度が低減される。このため、光により発生したキャリアの消滅割合も減るために、シリコン中への侵入深さが大きくなる波長の長い光（特に、赤色の光）の感度を向上させることが可能となる。
ただし、シリコンの場合、バンドギャップよりもエネルギの低い光は、ほとんど吸収が生じないため、波長が１．１５μｍ以下の光の感度のみ向上させることが可能となる。たとえば、波長が１．１５μｍの光のシリコンへの吸収係数α（λ）は、約１／１０4μｍ-1であるため、通常用いられる厚さ１ｍｍ以下のシリコン基板では、ほとんど透過し、感度が得られない。
第３実施形態の変形例による半導体光検出素子４００のその他の構成は、上記第３実施形態と同様である。また、第３実施形態の変形例による半導体光検出素子４００のその他の効果も、上記第３実施形態と同様である。また、第１および第２実施形態の変形例も、上記第３実施形態の変形例と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１〜第３実施形態（変形例を含む）では、シリコン基板にフォトダイオードを形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、シリコン基板上にエピタキシャル層を形成した後、このエピタキシャル層にフォトダイオードを形成してもよい。
また、上記第１〜第３実施形態（変形例を含む）では、Ｎ型ウェル層を約７μｍ〜約１０μｍの厚み（深さ）に形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、Ｎ型ウェル層の厚み（深さ）は上記以外であってもよい。
また、上記第１〜第３実施形態（変形例を含む）では、第１フォトダイオードおよび第２フォトダイオードを第３フォトダイオードで完全に囲むように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、第１フォトダイオードおよび第２フォトダイオードは、第３フォトダイオードで完全に囲まれていなくてもよい。すなわち、第３フォトダイオードの一部に途切れた部分があってもよい。
また、上記第１〜第３実施形態（変形例を含む）では、近接センサ用のＬＥＤに、発光ピーク波長が８３０ｎｍのＬＥＤを用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、近接センサ用のＬＥＤとして、上記以外の発光ピーク波長の光を発光するＬＥＤを用いてもよい。たとえば、近接センサ用のＬＥＤとして、発光ピーク波長が９４０ｎｍのＬＥＤを用いてもよい。この場合、７００ｎｍ以上の波長領域（近赤外領域）において、９４０ｎｍとほぼ同じ波長にピークを持つ分光感度特性となるように、半導体光検出素子を構成するのが好ましい。特に、上記変形例で示した半導体光検出素子（３００）は長波長の光の感度が高い構成となるため、９４０nmの波長を用いたＬＥＤを近接センサに使用する場合に優れている。
また、上記第１〜第３実施形態（変形例を含む）において、各導電型を、上記実施形態による半導体光検出素子とは、逆の導電型にしてもよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、Ｐ型シリコン基板上の絶縁膜（フォトダイオードを覆う絶縁膜６１）をＳｉＯ2から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記絶縁膜は、ＳｉＯ2以外の誘電体から構成されていてもよい。たとえば、上記絶縁膜は、酸化膜以外に窒化膜から構成されていてもよい。また、たとえば、上記絶縁膜は、複数の誘電体膜が積層された積層構造に構成されていてもよい。具体的には、たとえば、基板側から、酸化膜（膜厚：約８ｎｍ）／窒化膜（膜厚：約５０ｎｍ）／酸化膜（膜厚：約２μｍ）の積層構造とすることができる。酸化膜としては、たとえば、ＳｉＯ2などを用いることができ、窒化膜としては、たとえば、ＳｉＮなどを用いることができる。むろん、上記以外の構成であってもよい。
なお、上記第３実施形態では、第１フォトダイオードおよび第２フォトダイオードを格子状に配置した例を示したが、本発明はこれに限らず、第１フォトダイオードおよび第２フォトダイオードは、格子状以外の形状に配置してもよい。なお、上記第１フォトダイオードおよび第２フォトダイオードは、絶縁膜の膜厚差に起因する信号ズレを抑制することが可能な形状に配置（たとえば、幾何学的に対称に配置）されているのが好ましい。
１０ Ｐ型シリコン基板（半導体層、Ｐ型半導体層）
１１ Ｎ型ウェル層
１２ Ｐ型ウェル層
１３ Ｐ+型ウェル層
１４ Ｎ型半導体層（拡散層）
１５ Ｐ型半導体層
１６ Ｐ型ウェル領域
１７ Ｎ型ウェル領域
２０ 第１フォトダイオード（第１受光素子部）
２１ カラーフィルタ層（第１フィルタ）
２２ 照度センサ部（第１センサ部）
３０ 第２フォトダイオード（第２受光素子部）
３１ カラーフィルタ層（第２フィルタ）
３２ 近接センサ部（第２センサ部）
４０ 第３フォトダイオード（第３受光素子部）
５０ 演算回路部
５１、５３ カレントミラー回路
５２、５４ 電流アンプ
６１ 絶縁膜
６２、６３ 電極
６５ カバー膜
６６ 平坦化膜
１００ 半導体光検出素子
１１０ ＬＥＤ（発光素子）
１４０ レンズ（第１レンズ）
１５０ レンズ（第２レンズ）
２００、３００、４００ 半導体光検出素子

Claims (20)

  1. 一導電型の半導体層に形成された第１受光素子部と、
    前記半導体層に形成され、前記第１受光素子部と同一構造を有する第２受光素子部と、
    前記第１受光素子部上に形成され、第１波長領域の光および前記第１波長領域とは異なる第２波長領域の光を透過する第１フィルタと、
    前記第２受光素子部上に形成され、前記第２波長領域に含まれる第３波長領域の光を透過する第２フィルタとを備え、
    前記第１受光素子部の検出信号と前記第２受光素子部の検出信号との差を取るように構成されていることを特徴とする、半導体光検出素子。
  2. 前記半導体層には、複数の前記第１受光素子部が互いに並列接続された状態で形成されているとともに、前記第１受光素子部の数と同数の前記第２受光素子部が互いに並列接続された状態で形成されており、
    前記第１受光素子部と前記第２受光素子部とが、交互に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体光検出素子。
  3. 前記第１受光素子部および前記第２受光素子部が、互いに近接されて配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の半導体光検出素子。
  4. 前記第１受光素子部および前記第２受光素子部が、平面的に見て、上下左右対称に配置されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の半導体光検出素子。
  5. 前記半導体層には、前記第１受光素子部および前記第２受光素子部が、それぞれ、２つ形成されており、
    これら第１および第２受光素子部が、格子状に近接配置されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  6. 前記第１波長領域は、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光領域であり、
    前記第２波長領域および前記第３波長領域は、７００ｎｍ以上の近赤外領域であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  7. 前記第１受光素子部および前記第１フィルタを含んで構成される、周囲の明るさを検知する第１センサ部をさらに備え、
    前記第１センサ部は、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域にピーク感度を持つとともに、７００ｎｍ以上の波長領域においても感度を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  8. 前記第２受光素子部および前記第２フィルタを含んで構成される、対象物との距離を検知する第２センサ部をさらに備え、
    前記第２センサ部は、分光感度において、７００ｎｍ以上の波長領域に感度を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  9. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタによって、７００ｎｍ以上の波長領域における、前記第１受光素子部の分光感度特性と前記第２受光素子部の分光感度特性とが実質的に一致するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  10. 前記第１フィルタは、グリーンフィルタであり、
    前記第２フィルタは、ブラックフィルタであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  11. 前記半導体層には、前記第１受光素子部の検出信号と前記第２受光素子部の検出信号との差分演算を行う演算回路部が形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  12. 前記半導体層は、Ｐ型半導体層であり、
    前記第１受光素子部および前記第２受光素子部は、それぞれ、前記Ｐ型半導体層の上面側に拡散形成されたＮ型ウェル層と、前記Ｎ型ウェル層の上面側に拡散形成されたＰ型ウェル層とを含んで構成されており、
    前記第１受光素子部および前記第２受光素子部の検出信号が、前記Ｐ型ウェル層から取り出されるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  13. 前記Ｎ型ウェル層は、７μｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体光検出素子。
  14. 前記第２フィルタは、単膜から構成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  15. 前記半導体層には、平面的に見て、前記第１受光素子部および前記第２受光素子部を囲む第３受光素子部がさらに形成されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  16. 前記第３受光素子部は、前記半導体層の表面領域に、前記半導体層とは逆導電型の拡散層が形成されることによって構成されており、
    前記拡散層が、前記第１受光素子部および前記第２受光素子部の深さ以上の深さを有することを特徴とする、請求項１５に記載の半導体光検出素子。
  17. 対象物に対して光を出射する発光素子と、
    この対象物からの反射光を受光する、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体光検出素子とを備えることを特徴とする、半導体装置。
  18. 前記発光素子は、発光波長が７００ｎｍ以上１１５０nm以下の近赤外光を発光する赤外発光ダイオード素子であることを特徴とする、請求項１７に記載の半導体装置。
  19. 前記発光素子の上方に配設され、前記発光素子からの光を対象物に対して集光する第１レンズをさらに備えることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の半導体装置。
  20. 前記半導体光検出素子における、前記第１受光素子部および前記第２受光素子部の上方に配設され、前記半導体光検出素子に対して光を集光するための１つの第２レンズをさらに備えることを特徴とする、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の半導体装置。
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