JP2012194054A - 光学センサー及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学センサーは、受光素子(例えばフォトダイオード30)と、受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルター40と、を含む。入射光の波長をλとし、角度制限フィルターの高さをRとし、角度制限フィルターの開口の幅をdとする場合に、d2/λR≧2を満たす。
【選択図】 図1
Description
図1(A)、図1(B)に本実施形態の分光センサー(広義には光学センサー)の構成例を示す。なお以下では、簡単のために本実施形態の構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。
60°>θ=tan−1(d/R) (1)
光バンドパスフィルター60は、角度制限フィルター40の上に積層された多層薄膜により形成される。後述するように、角度制限フィルター40により入射角度が制限されることで光バンドパスフィルター60の透過波長帯域が制限され、所望の波長分解能の分光特性を得ることができる。
d2/(λ×R)=3.642/(0.5×10)=2.65≧2 (3)
2.光到達率の開口幅特性
図4(A)に、開口幅dに対する光到達率特性を示す。図4(A)のE1には、λ=0.5μm、高さR=5μmにおける測定値を示す。E2には、λ=0.9μm、高さR=5μmにおける測定値を示す。
図5を用いて、d2/(λ×R)≧2の条件式について原理的に説明する。図5に示すように、半導体基板に向かう垂直方向をZ軸とし、開口の一辺に平行でZ軸に垂直な方向をx軸とし、角度制限フィルター内の任意の面内でx軸に平行な方向をx1軸とする。なお以下では簡単のため、2次元での計算を行い、角度制限フィルター側壁の影響は無いものと仮定する。また入射光は、Z軸に平行に伝搬する波数kの平面波であるものとする。
上式(1)に示す制限角度の上限θ<60°について、図8を用いて詳細に説明する。図8に示すように、角度制限フィルターが無く、強度Liの入射光が入射角度αでフォトダイオードに入射したとする。この場合、フォトダイオードの受光面における光強度Lpは下式(10)で表される。
上式(10)より、α=60°においてLp/Li=1/2であり、制限角度が60°であることに等しい。即ち、光到達率が1/2となる入射角度を制限角度θと定義する場合には、角度制限フィルターがなくても制限角度θ=60°となるため、角度制限フィルターの角度制御性を発揮させるためにはθ<60°に設定する必要がある。
上述した本実施形態の分光センサーの詳細な構成例について説明する。
される。後述するように、この傾斜構造体50は、例えばSiO2等の絶縁膜をエッチングまたはCMP、グレースケールリソグラフィー技術等により加工することで形成される。
度制限フィルターを形成できる。
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図11(A)、図11(B)を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では光バンドパスフィルター61、62の多層薄膜の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、光バンドパスフィルター61、62の多層薄膜の膜厚が傾斜角θ1、θ2に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、光バンドパスフィルター61、62の多層薄膜の膜厚がcosθ1、cosθ2に比例してもよい。
図12〜図14を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。
iO2の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜の段差(S9’)または粗密パターン(S9”)を形成する。
図15を用いて、傾斜構造体を別部材で形成する第1の変形例の製造方法の例について説明する。
図16に、本実施形態の光学センサーを含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。なお本実施形態は図16の構成に限定されず、例えばLED950を省略して仰角測定装置や照度計等に用いてもよい。
40,41,42 角度制限フィルター、50 傾斜構造体、
60,61,62 光バンドパスフィルター、70 多層薄膜、
900 光学センサー装置、910 光学センサー、920 フォトダイオード、
930 検出回路、940 A/D変換回路、950 LED、
960 LEDドライバー、970 マイクロコンピューター、980 記憶装置、
990 表示装置、
BW1,BW2 透過波長帯域、d 開口幅、HW 半値幅、k 波数、
Li 入射光強度、Lp 受光面光強度、r 距離、R1 第1の領域、
R2 第2の領域、α 入射角度、θ,Δθ 制限角度、θ1,θ2 傾斜角度、
λ 入射光波長、λ1,λ2 透過波長
Claims (16)
- 受光素子と、
前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
を含み、
前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをRとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をdとする場合に、
d2/λR≧2
を満たすことを特徴とする光学センサー。 - 請求項1において、
前記角度制限フィルターは、
tan−1(d/R)<60°
を満たすことを特徴とする光学センサー。 - 請求項1又は2において、
前記受光素子は、
半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域により形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項3において、
前記角度制限フィルターは、
前記フォトダイオード用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項3又は4において、
前記角度制限フィルターは、
前記半導体基板の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記受光素子の出力信号を処理する処理回路を含み、
前記角度制限フィルターは、
前記処理回路の配線を形成する配線形成工程により形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含むことを特徴とする光学センサー。 - 請求項7において、
前記光バンドパスフィルターは、
前記受光素子の受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項8において、
前記光バンドパスフィルターは、
透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、
前記複数組の多層薄膜は、
前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至9のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第1の傾きである第1の特性領域と、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第1の傾きよりも小さい第2の傾きである第2の特性領域と、
を有する場合に、
前記開口の幅は、
前記到達率特性が前記第1の傾きから前記第2の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至10のいずれかにおいて、
前記入射光を分光するための分光センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至10のいずれかにおいて、
前記入射光の照度を測定するための照度センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至10のいずれかにおいて、
光源の仰角を測定するための仰角センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターを含み、
前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをRとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をdとする場合に、
d2/λR≧2
を満たすことを特徴とする光学センサー。 - 受光素子と、
前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
を含み、
前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第1の傾きである第1の特性領域と、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第1の傾きよりも小さい第2の傾きである第2の特性領域と、
を有する場合に、
前記開口の幅は、
前記到達率特性が前記第1の傾きから前記第2の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至15のいずれかに記載の光学センサーを含むことを特徴とする電子機器。
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