JP2013201309A

JP2013201309A - 半導体光センサ装置

Info

Publication number: JP2013201309A
Application number: JP2012069074A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ikuta; 秀輝生田
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-10-03

Abstract

【課題】暗電流用フォトダイオードの占有面積を小さくして面積効率よく集積化するとともに、検出用フォトダイオードによる受光量の正確な検出が可能な半導体光センサ装置を提供する。
【課題の解決手段】半導体光センサ装置１は、シリコン基板上に、受光量を検出する検出用フォトダイオード１１と、受光しないよう遮光膜１３で被覆されて暗電流を検出する暗電流用フォトダイオード１２と、各フォトダイオード１１，１２に各別に接続されてその出力を増幅する２つの電荷アンプと、これら電荷アンプの出力電圧の差分を検出する比較回路とを有し、暗電流用フォトダイオード１２の平面サイズを検出用フォトダイオード１１の平面サイズの１／ｎに設定するとともに、暗電流用フォトダイオード１２に接続した電荷アンプの容量素子１８の平面サイズを検出用フォトダイオード１１に接続した電荷アンプの容量素子１７の平面サイズの１／ｎに設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、2個のフォトダイオードを備え、一方のフォトダイオードは遮光状態として、両フォトダイオードの出力を比較することにより、他方のフォトダイオードの受光量を暗電流の影響を除去して検出する半導体光センサ装置に関し、例えば、画像読み取りに適用して好適な半導体光センサ装置に関する。

従来から、この種の光センサ装置は知られているが、2個のフォトダイオードの出力を比較する際に、互いに同一条件となるように、同一構成（特性）のフォトダイオードを使用し、また、フォトダイオードの出力を増幅するアンプも同一構成（特性）のアンプを使用している（例えば特許文献１、２）。また、フォトダイオードの光電流の検出にリセットスイッチを備えた電荷アンプ（積分回路）を使用することも知られている（例えば特許文献３）。

特開平１−２７６８８７号公報特開２００６−３３２２２６号公報特開平６−２３５６５８号公報

このように、従来においては、遮光状態にあるフォトダイオードは、受光量を考慮する必要がないにも拘わらず、暗電流の大きさを同一とするために、他方の受光量を検出するフォトダイオードと同一構成とし、基板上に占める平面サイズも互いに同一であった。また、フォトダイオードの出力を増幅するアンプも同一構成とするため、基板上に占める平面サイズも互いに同一であった。このため、暗電流検出用のフォトダイオードの面積効率が劣るとともに、この暗電流検出用のフォトダイオードの出力を増幅するアンプの面積効率も劣り、小型化が困難であるという不都合がある。
本発明は、この不都合を解消し、検出精度を落とすことなく小型化した、2個のフォトダイオード及びアンプを備えた半導体光センサ装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明に係る半導体光センサ装置は、シリコン基板上に、受光量を検出する検出用フォトダイオードと、受光しないよう遮光されて暗電流を検出する暗電流用フォトダイオードと、各フォトダイオードに各別に接続されてその出力を増幅する２つの電荷アンプと、これら電荷アンプの出力電圧の差分を検出する比較回路とを有し、前記暗電流用フォトダイオードの平面サイズを前記検出用フォトダイオードの平面サイズの１／ｎに設定するとともに、前記暗電流用フォトダイオードに接続した電荷アンプの容量素子の平面サイズを前記検出用フォトダイオードに接続した電荷アンプの容量素子の平面サイズの１／ｎに設定したものである。

ここにおいて、電荷アンプの増幅率は容量素子の容量値に反比例することが知られており、また、容量素子の容量値は容量素子の平面サイズに比例することが知られている。したがって、電荷アンプの容量素子の平面サイズを１／ｎにすると、当該容量素子の容量値は１／ｎになり、当該電荷アンプの増幅率はｎ倍になるので、両電荷アンプの出力電圧における暗電流に対応する電圧分は同一となる。

また、上述の構成において、平面形状が短冊状で同一大のフォトダイオードをｎ＋１個幅方向に並べて配置し、ｎ個のフォトダイオードを検出用とし、１個のフォトダイオードを遮光して暗電流用とすることで、前記暗電流用フォトダイオードの平面サイズを前記検出用フォトダイオードの平面サイズの１／ｎに設定すると好適である。

本発明に係る半導体光センサ装置によれば、暗電流用フォトダイオードの占有面積を小さくすることで面積効率よく集積化することができ、各フォトダイオードの受光面積にともなう出力差を、電荷アンプの容量素子の平面サイズを縮小して増幅率を増大することにより解消して、正確な検出が可能になるとともに、前記容量素子の平面サイズの縮小化により、さらに半導体光センサ装置全体の小型化を促進することができる。

また、平面形状が短冊状で同一大のフォトダイオードをｎ＋１個幅方向に並べて配置し、ｎ個のフォトダイオードを検出用とし、１個のフォトダイオードを遮光して暗電流用として構成すると、同一大のフォトダイオードを並べて形成すればよいので、半導体光センサ装置の製造が容易になる。

本発明の好適な実施形態の基板上における配置状態を示す平面図。同じくフォトダイオードの要部を概略的に示す断面図。同じく概略的な回路構成図。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、半導体光センサ装置１は、ＩＣ基板３０上に設けられ、透明樹脂モールド（図示せず）によって封止されている。なお、この図１は前記半導体光センサ装置１の各構成要素のシリコン基板１０（図２参照）上における設置領域を模式的に示したものである。

図１に示すように、半導体光センサ装置１は、シリコン基板１０（図２参照）上に、受光量を検出する検出用フォトダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、受光しないよう遮光膜１３で遮光されて暗電流を検出する暗電流用フォトダイオード１２と、前記検出用フォトダイオード１１ａ〜ｄで生成された光電流を電圧に変換するとともに増幅して出力するオペアンプ１４と容量素子１５とリセットスイッチ１６からなる電荷アンプ２０（図３参照）と、暗電流用フォトダイオード１２で生成された暗電流を電圧に変換するとともに増幅して出力するオペアンプ１７と容量素子１８とリセットスイッチ１９からなる電荷アンプ２１（図３参照）と、これら電荷アンプ２０，２１の出力電圧の差分を検出するオペアンプ５３を備えた比較回路２２（図３参照）とを有している。

暗電流用フォトダイオード１２と４個の検出用フォトダイオード１１ａ〜１１ｄは、それぞれ平面形状が短冊状で同一大の平面サイズを有し、幅方向に並べて配置されている。このため、前記暗電流用フォトダイオード１２の平面サイズは前記検出用フォトダイオード１１ａ〜１１ｄの合計平面サイズの１／４となる。例えば、前記検出用フォトダイオード１１ａ〜１１ｄの合計平面サイズが１ｍｍ^２とすると、前記暗電流用フォトダイオード１２の平面サイズは０．２５ｍｍ^２である。

また、上述のフォトダイオードの平面サイズの比に対応させて、暗電流用フォトダイオード１２に接続した電荷アンプ２１の容量素子１８の平面サイズを、検出用フォトダイオード１１に接続した電荷アンプ２０の容量素子１５の平面サイズの１／４に設定すると、容量値も１／４となる。例えば、前記容量素子１５の容量値が２０ｐＦとすると、前記容量素子１８の平面サイズを前記容量素子１５の１／４にすれば、容量値は５ｐＦである。このように、電荷アンプ２１の容量素子１８の平面サイズを電荷アンプ２０の容量素子１５の平面サイズの１／４にすることで、容量値も１／４となり、当該電荷アンプ２１の増幅率は、前記電荷アンプ２０の増幅率の４倍になる。

図１中、２３は各リセットスイッチ１６、１９をオンオフする発振信号を生成、出力する発振回路、２４は各電荷アンプ２０，２１及び比較回路２２に供給する基準電圧を生成、出力する基準電圧生成回路、２５は各種制御を行なう制御回路である。また、ボンディングパッド２６ａ，２６ｂは金ワイア２７ａ，２７ｂによって金属配線２８あるいは金属電極２９ａ，２９ｂに接続されている。

図２に示すように、各検出用フォトダイオード１１ａ〜１１ｄと暗電流用フォトダイオード１２は、シリコン基板２に形成したｎ型エピタキシャル層４１上にＬＯＣＯＳ領域４２で分離して形成している。これらの検出用フォトダイオード１１ａ〜１１ｄと暗電流用フォトダイオード１２は反射防止膜４３で被覆し、さらに、シリコン酸化膜４４、層間絶縁膜４５を順次形成している。そして、前記暗電流用フォトダイオード１２の上方には、前記シリコン酸化膜４４の上に遮光膜１３を形成して、前記暗電流用フォトダイオード１２が受光しないよう構成している。前記各検出用フォトダイオード１１ａ〜１１ｄと前記暗電流用フォトダイオード１２は同一構成で、前記各検出用フォトダイオード１１ａ〜１１ｄが並列接続されて検出用フォトダイオード１１を構成する。

図３に示すように、検出用フォトダイオード１１のカソード側は電源５１に接続され、検出用フォトダイオード１１のアノード側はオペアンプ１４の反転入力端に接続されている。前記オペアンプ１４の非反転入力端には基準電圧生成回路２４から基準電圧Ｖｒｅｆ１が供給される。前記オペアンプ１４の出力端と反転入力端との間には容量素子１５とリセットスイッチ１６が並列接続され、電荷アンプ２０を構成している。

また、暗電流用フォトダイオード１２のカソード側は電源５１に接続され、暗電流用フォトダイオード１２のアノード側はオペアンプ１７の反転入力端に接続されている。前記オペアンプ１７の非反転入力端には基準電圧生成回路２４から基準電圧Ｖｒｅｆ１が供給される。前記オペアンプ１７の出力端と反転入力端との間には容量素子１８とリセットスイッチ１９が並列接続され、電荷アンプ２１を構成している。

各電荷アンプ２０，２１の出力は、これら出力の差分を出力する比較回路２２に入力する。すなわち、電荷アンプ２０の出力電圧は抵抗５２を介してオペアンプ５３の反転入力端に入力し、電荷アンプ２１の出力電圧は抵抗５４を介してオペアンプ５３の非反転入力端に入力する。前記オペアンプ５３の出力端と反転入力端の間には帰還抵抗５５が接続され、オペアンプ５３の非反転入力端には抵抗５６を介して基準電圧生成回路２４から基準電圧Ｖｒｅｆ２が供給される。このＶｒｅｆ２は、基準電位Ｖｒｅｆ１と同じ電圧であってもよい。

続いて、本実施形態の動作について図３に基づいて説明する。まず、各リセットスイッチ１６，１９をオン状態にすると、各オペアンプ１４，１７の入出力端の電位は基準電位Ｖｒｅｆ１に初期設定されるとともに、各容量素子１５，１８の電荷はリセット状態となる。

次いで、各リセットスイッチ１６，１９をオフ状態とすると、検出用フォトダイオード１１で生成された暗電流を含む光電流による電荷が容量素子１５に蓄積され、オペアンプ１４で増幅される一方、暗電流用フォトダイオード１２で生成された暗電流による電荷が容量素子１８に蓄積され、オペアンプ１７で増幅される。この時、前記検出用フォトダイオード１１で生成された光電流に含まれる暗電流は、前記暗電流用フォトダイオード１２で生成された暗電流の４倍になるが、前記容量素子１５の容量値は、前記容量素子１８の容量値の４倍であるから、前記オペアンプ１４の増幅率は前記オペアンプ１７の増幅率の１／４となる。したがって、各電荷アンプ２０，２１の出力電圧において、各暗電流に対応する電圧分は同一となる。

これら電荷アンプ２０，２１の出力電圧は比較回路２２に入力し、この比較回路２２で各暗電流分の電圧が相殺され、差分電圧として検出用フォトダイオード１１の光電流分の電圧が出力される。このようにして、検出用フォトダイオード１１における受光量の正確な検出値を得ることができる。その後、各リセットスイッチ１６，１９をオン状態にして、各容量素子１５，１８に蓄積した電荷をリセット状態とし、次の動作に備えるものである。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、例えば、検出用フォトダイオード１１の平面サイズは、暗電流用フォトダイオード１２の平面サイズの４倍に限らず、適宜な倍率ｎに設定でき、この倍率ｎに応じて各容量素子の平面サイズの倍率１／ｎが決定される。また、前記検出用フォトダイオード１１と暗電流用フォトダイオード１２との平面サイズの倍率ｎは、同一大の短冊状に形成したものをｎ＋１個並設することで設定するほか、１個の検出用フォトダイオード１１の平面サイズを暗電流用フォトダイオードのｎ倍として形成してもよい。また、上述の実施形態では、ｎ型エピタキシャル層に形成したｐ型層によりフォトダイオードを形成したが、これに限らず、ｐ型基板上にフォトダイオードを形成してもよく、この場合、フォトダイオードのアノードはグランドに接続され、カソードはオペアンプの反転入力端子に接続される。

１半導体光センサ装置
２シリコン基板
１１検出用フォトダイオード
１２暗電流用フォトダイオード
１３遮光膜
１４，１７，５３オペアンプ
１５，１８容量素子
１６，１９リセットスイッチ
２０，２１電荷アンプ
２２比較回路
２３発振回路
２４基準電圧生成回路
２５制御回路
３０ＩＣ基板
４１ｎ型エピタキシャル層
４２ＬＯＣＯＳ領域
４３反射防止膜
４４シリコン酸化膜
４５層間絶縁膜

Claims

シリコン基板上に、受光量を検出する検出用フォトダイオードと、受光しないよう遮光されて暗電流を検出する暗電流用フォトダイオードと、各フォトダイオードに各別に接続されてその出力を増幅する２つの電荷アンプと、これら電荷アンプの出力電圧の差分を検出する比較回路とを有し、前記暗電流用フォトダイオードの平面サイズを前記検出用フォトダイオードの平面サイズの１／ｎに設定するとともに、前記暗電流用フォトダイオードに接続した電荷アンプの容量素子の平面サイズを前記検出用フォトダイオードに接続した電荷アンプの容量素子の平面サイズの１／ｎに設定したことを特徴とする半導体光センサ装置。
平面形状が短冊状で同一大のフォトダイオードをｎ＋１個幅方向に並べて配置し、ｎ個のフォトダイオードを検出用とし、１個のフォトダイオードを遮光して暗電流用とすることで、前記暗電流用フォトダイオードの平面サイズを前記検出用フォトダイオードの平面サイズの１／ｎに設定したことを特徴とする請求項１記載の半導体光センサ装置。