JP2014203877A

JP2014203877A - 光検出装置

Info

Publication number: JP2014203877A
Application number: JP2013076741A
Authority: JP
Inventors: 敬也望月; Takanari Mochizuki
Original assignee: Pioneer Electronic Corp; Pioneer Micro Technology Corp
Current assignee: Pioneer Corp; Pioneer Micro Technology Corp
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】簡単な構成で、所望の分光感度特性を得ることができる。【解決手段】入射光を電気信号に変換して出力する第１受光素子部１１および第２受光素子部１２と、第１受光素子部１１の受光面１１ａ上に形成された第１エッジフィルター１４と、第２受光素子部１２の受光面１２ａ上に形成された第２エッジフィルター１５と、を備え、第１エッジフィルター１４は、短波長側および長波長側のいずれか一方側をカットするカットオン／オフ波長が、所定の第１波長Ｒ１であり、第２エッジフィルター１５は、一方側をカットするカットオン／オフ波長が、第１波長Ｒ１と異なる所定の第２波長Ｒ２である。【選択図】図１

Description

入射光を電気信号に変換する受光素子部により、光を検出する光検出装置に関するものである。

従来、この種の光検出装置として、入射した光を電気信号に変換して出力する同質の第１フォトダイオードおよび第２フォトダイオードと、第１フォトダイオードの光入射面側に形成された赤外光透過樹脂膜と、第１フォトダイオードから出力される電気信号を４倍に増幅する増幅回路と、４倍に増幅した電気信号と、第２フォトダイオードから出力された電気信号との差に応じた出力を演算する演算回路と、を備えたものが知られている。赤外光透過樹脂膜は、赤外光のみを選択的に透過させる。一方、第１フォトダイオードは、赤外光透過樹脂膜を介して検出光を受光するので、検出光のうち赤外光に対してのみ感度を有することになる。そして、演算回路により、第２フォトダイオードの電気信号から、第１フォトダイオードの電気信号を減算処理することで、検出光から赤外光を除外した光に対応する出力を得ることができる。このように、検出波長帯域から赤外光を除外することで、視感度に近い分光感度で光検出を行っている。

特開２００３−２２４２９２号公報

しかしながら、従来の光検出装置では、検出波長帯域から赤外光を除外することができるものの、これだけでは、光検出装置の分光感度特性が、人間の視覚と同等の理想の分光感度特性（標準比視感度）にならないので、結果、光検出を精度良く行うことができないという問題があった。例えば、図３（ａ）は、フォトダイオードの分光感度特性の一例を示したグラフであり、図４は、標準比視感度を示したグラフである。理想的には、光検出装置の分光感度特性が標準比視感度と近似することが望ましいが、赤外光を除外しただけでは、光検出装置の分光感度特性と標準比視感度とで、ピーク波長が異なるので、視感度に近い分光感度特性が得られない。また、標準視感度以外にも所望の分光感度特性を得ることができなかった。

本発明は、簡単な構成で、所望の分光感度特性を得ることができる光検出装置を提供することを課題としている。

本発明の光検出装置は、入射光を電気信号に変換して出力する第１受光素子部および第２受光素子部と、第１受光素子部の光入射面上に形成された第１エッジフィルターと、第２受光素子部の光入射面上に形成された第２エッジフィルターと、を備え、第１エッジフィルターは、短波長側および長波長側のいずれか一方側をカットするカットオン／オフ波長が、所定の第１波長であり、第２エッジフィルターは、上記一方側をカットするカットオン／オフ波長が、第１波長と異なる所定の第２波長であることを特徴とする。

この場合、第１波長および前記第２波長は、当該光検出装置の分光感度特性が所望の分光感度特性となるように、当該所望の分光感度特性におけるピーク波長に前後する波長となっていることが好ましい。

一方、第１受光素子部から出力された電気信号に対して前記第２受光素子部から出力された電気信号を減算する減算回路を、更に備えたことが好ましい。

さらに、第１受光素子部および第２受光素子部は、同一の分光感度特性を有していることが好ましい。

またさらに、第１受光素子部および第２受光素子部をそれぞれ複数備え、複数の第１受光素子部と複数の第２受光素子部とは、交互にマトリクス状に配置されていることが好ましい。

また、第１波長および第２波長は、標準比視感度におけるピーク波長に前後する波長となっていることが好ましい。

本実施形態に係る光検出装置を模式的に示した断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。光検出装置の回路構成を示した回路図である。（ａ）は、受光素子部単体の分光感度特性を示したグラフである。（ｂ）は、各エッジフィルターの透過特性を示したグラフである。（ｃ）は、各エッジフィルターを加味した各受光素子部の分光感度特性を示したグラフである。（ｄ）は、光検出装置の分光感度特性を示したグラフである。標準比視感度を示したグラフである。第１受光素子部および第２受光素子部の配置構造における変形例を模式的に示した平面図である。（ａ）〜（ｆ）は、光学検出装置の変形例における各エッジフィルターの透過特性である。（ｇ）〜（ｌ）は、光学検出装置の変形例の分光感度特性を示したグラフである。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る光検出装置について説明する。この光検出装置は、半導体製造技術で作製された半導体光検出装置である。また、この光検出装置は、検出光の照度を検出する照度センサー（環境光センサーや明るさセンサー）として用いられることを想定している。なお、本光検出装置は、２つの受光素子部を有し、これらの出力電流信号を演算処理することで、標準比視感度（図４参照）に近い分光感度特性（図３（ｄ）参照）を実現したものである。

図１に示すように、光検出装置１は、検出光を受光する第１受光素子部１１および第２受光素子部１２を成す受光素子アレイ１３と、第１受光素子部１１の受光面（光入射面）１１ａ上に形成された第１エッジフィルター（第１エッジフィルター）１４と、第２受光素子部１２の受光面（光入射面）１２ａ上に形成された第２エッジフィルター（第２エッジフィルター）１５と、を備えている。また、図２に示すように、光検出装置１は、２個の受光素子部１１、１２からの出力電流信号を演算して出力する演算回路（減算回路）２１と、演算回路２１から出力された電流信号を増幅して出力する電流アンプ２２と、を備えている。

図１に示すように、受光素子アレイ１３は、フォトダイオードアレイで構成されており、ｐ型高濃度基板３１と、ｐ型高濃度基板３１上に形成されたｐ型低濃度エピタキシャル層３２と、ｐ型低濃度エピタキシャル層３２上に形成されると共に左右に二分されたｎ型エピタキシャル層３３と、ｎ型エピタキシャル層３３上に形成された反射防止シリコン窒化膜３４と、を備えている。これらによって、分割されたｎ型エピタキシャル層３３毎の２個の受光素子部（第１受光素子部１１および第２受光素子部１２）が構成されている。なお、ｐ型高濃度基板３１に代えてｐ型低濃度基板を用い、ｐ型低濃度エピタキシャル層３２を省略する構成であっても良い。また、ｐ型低濃度エピタキシャル層３２を省略し、ｐ型高濃度基板３１上にｎ型エピタキシャル層３３を形成する構成であっても良い。

また、受光素子アレイ１３は、受光面１１ａ、１２ａを避けた領域に形成された第１シリコン酸化膜４１と、第１シリコン酸化膜４１上に形成され、第１シリコン酸化膜４１および反射防止シリコン窒化膜３４を貫通するカソード電極４２およびアノード電極４３と、第１シリコン酸化膜４１、カソード電極４２およびアノード電極４３上に形成された第２シリコン酸化膜４４と、第２シリコン酸化膜４４上に形成されたアルミ遮光膜４５と、アルミ遮光膜４５上に形成された保護膜４６と、を有している。さらに、カソード電極４２とｎ型エピタキシャル層３３との間には、ｎ型高濃度拡散層５１が形成されており、アノード電極４３とｐ型低濃度エピタキシャル層３２との間には、ｐ型埋め込み層５２、ｐ型拡散層５３およびｐ型高濃度拡散層５４が形成されている。

第１受光素子部１１および第２受光素子部１２は、相互に隣接して配設されている。また、第１受光素子部１１および第２受光素子部１２は、その受光面１１ａ、１２ａで検出光（入射光）を受光すると共に、その検出光を電流信号に変換して出力する同質のフォトダイオードである。すなわち、第１受光素子部１１および第２受光素子部１２は、可視光帯域および赤外光帯域に感度を有すると共に、同一の分光感度特性（図３（ａ）参照）を有している。

第１エッジフィルター１４および第２エッジフィルター１５は、受光素子部１１の受光面１１ａ、１２ａ上に形成された樹脂膜で構成されている。具体的には、樹脂製の感光性フォトレジストに色素（顔料あるいは染料）を混合したもので構成されている。各エッジフィルター１４、１５は、各受光面１１ａ、１２ａより若干大きく形成されており、その外縁部がアルミ遮光膜４５および保護膜４６とオーバーラップしている。

第１エッジフィルター１４は、所定の第１波長Ｒ１をカットオン波長とするロングパスフィルターである。すなわち、第１エッジフィルター１４は、第１波長Ｒ１より短い波長をカットし、所定の第１波長Ｒ１より長い波長を透過する透過特性（図３（ｂ）参照）を有している。そして、第１受光素子部１１は、第１エッジフィルター１４を介して検出光を受光するので、結果、第１受光素子部１１単体の分光感度特性に、第１エッジフィルター１４の透過特性を乗じた分光感度特性（図３（ｃ）参照）を有することになる。なお、カットオン波長を、透過率ピークの５０％の波長とする。

第２エッジフィルター１５は、所定の第２波長Ｒ２をカットオン波長とするロングパスフィルターである。すなわち、第２エッジフィルター１５は、第２波長Ｒ２より短い波長をカットし、所定の第２波長Ｒ２より長い波長を透過する透過特性（図３（ｂ）参照）を有している。そして、第２受光素子部１２は、第２エッジフィルター１５を介して検出光を受光するので、結果、第２受光素子部１２単体の分光感度特性に、第２エッジフィルター１５の透過特性を乗じた分光感度特性（図３（ｃ）参照）を有することになる。

図３（ｂ）に示すように、第１波長Ｒ１および第２波長Ｒ２は、可視光帯域内の波長であり、第２波長Ｒ２は第１波長Ｒ１より長い波長となっている。また、第１波長Ｒ１および第２波長Ｒ２は、光検出装置１の分光感度特性が、所望の分光感度特性となるように、当該所望の分光感度特性における感度のピーク波長に前後する波長となっている。ここでは、所望の分光感度特性は、標準比視感度であり、ピーク波長は、最大視感度（５５５ｎｍ）である。すなわち、第１波長Ｒ１および第２波長Ｒ２は、最大視感度の所定の近傍範囲内で設定されており、第１波長Ｒ１は、最大視感度より短い波長に設定され、第２波長Ｒ２は、当該最大視感度より長い波長に設定されている。なお、図３（ｂ）の例では異なるが、第１波長Ｒ１と最大視感度との差と、第２波長Ｒ２と最大視感度との差とが、略同一になることが好ましい。

演算回路２１は、第１受光素子部１１から出力された電流信号に対し、第２受光素子部１２から出力された電流信号を減算して、その差分の電流信号を出力する減算回路である。電流アンプ２２は、演算回路２１から出力された電流信号を増幅して出力する。電流アンプ２２によって出力された電流信号が、光検出装置１の検出信号（検出結果）となる。

これらにより、光検出装置１では、第１受光素子部１１および第２受光素子部１２により、検出光を受光し、受光した検出光を電流信号に変換して、演算回路２１に出力する。そして、演算回路２１により、第１受光素子部１１からの電流信号に対して、第２受光素子部１２からの電流信号を減算し、電流アンプ２２に出力する。その後、電流アンプ２２により、演算回路２１から出力された電流信号を増幅した後、増幅した電流信号を検出信号として出力する。

このように、第１受光素子部１１からの電流信号に対し、第２受光素子部１２からの電流信号を減算することで、光検出装置１は、第１エッジフィルター１４を加味した第１受光素子部１１の分光感度特性から、第２エッジフィルター１５を加味した第２受光素子部１２の分光感度特性を減算した分光感度特性（図３（ｄ）参照）を有する構成となる。よって、光検出装置１の分光感度特性では、第１エッジフィルター１４の透過特性におけるカットオン波長Ｒ１廻りの勾配（透過カーブ）の影響で、最大視感度の前側（短波長側）で上昇する勾配（上がり勾配）が形成され、第２エッジフィルター１５の透過特性におけるカットオン波長廻りの勾配（透過カーブ）の影響で、最大視感度の後側（長波長側）で降下する勾配（下り勾配）が形成される。これらにより、光検出装置１の分光感度特性が、標準比視感度（図４参照）に倣う、最大視感度を頂部とした山形の分光感度特性となる。

以上のような構成によれば、２個の受光素子部１１と、各受光素子部１１の受光面１１ａ、１２ａに形成され、カットオン波長が異なる２個のエッジフィルター１４、１５を有し、２個の受光素子部１１、１２の出力電流信号を減算して出力する構成により、簡単な構成で所望の分光感度特性を得ることができる。

また、第１エッジフィルター１４および第２エッジフィルター１５を、樹脂膜で構成することにより、各エッジフィルター１４、１５を、フォトリソグラフィー技術を利用して、任意の形状に任意の配置で形成することができる。また、誘電体多層膜を用いた場合のように入射光の角度依存性が生じないので、入射光の角度を考慮しなくとも、光検出を精度良く行うことができる。

なお、本実施形態においては、２個の受光素子部１１、１２を隣接して配置した構成であったが、図５に示すように、各受光素子部１１、１２をそれぞれ複数個に分割し、複数の第１受光素子部１１および複数の第２受光素子部１２を、交互にマトリクス状に配置する構成であっても良い。かかる構成によれば、第１受光素子部１１側と第２受光素子部１２側とで、検出光を偏り無く受光することができるので、光検出を精度良く行うことができる。

また、本実施形態においては、各エッジフィルター１４、１５として、短波長側をカットするカットオン波長を、第１波長Ｒ１または第２波長Ｒ２とするロングパスフィルターを用いる構成であったが、各エッジフィルター１４、１５として、長波長側をカットするカットオフ波長を、第１波長Ｒ１または第２波長Ｒ２とするショートパスフィルターを用いる構成であっても良い。

さらに、本実施形態においては、所望の分光感度特性を、標準比視感度とし、第１波長Ｒ１および第２波長Ｒ２を、最大視感度に前後した波長とする構成であったが、これに限るものではない。すなわち、最大視感度とは異なる所定の波長をピーク波長（例えば４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、６５０ｎｍ、７００ｎｍ、７５０ｎｍ）とした山形の分光感度特性が、所望の分光感度特性である場合、第１波長Ｒ１および第２波長Ｒ２を、当該ピーク波長に前後した波長とする（図６（ａ）〜（ｆ）参照）。これにより、所望の分光感度特性に近い分光感度特性が得られる（図６（ｇ）〜（ｌ）参照）。かかる場合、本光検出装置１を、分光器や分光センサーとして用いることができる。

またさらに、本実施形態においては、第１受光素子部１１および第２受光素子部１２を単一の基板上に形成する構成であったが、第１受光素子部１１および第２受光素子部１２を別々の基板上に形成する構成であっても良い。

なお、本実施形態においては、分光感度特性が同一の第１受光素子部１１および第２受光素子部１２を用いたが、分光感度特性が異なる第１受光素子部１１および第２受光素子部１２を用いても良い。かかる場合、例えば、各受光素子部１１の分光感度特性に対応した光学フィルターを、各受光素子部１１に付加して、両受光素子部１１の分光感度特性を同一にする。

１：光検出装置、１１：第１受光素子部、１１ａ：受光面、１２：第２受光素子部、１２ａ：受光面、１４：第１エッジフィルター、１５：第２エッジフィルター

Claims

入射光を電気信号に変換して出力する第１受光素子部および第２受光素子部と、
前記第１受光素子部の光入射面上に形成された第１エッジフィルターと、
前記第２受光素子部の光入射面上に形成された第２エッジフィルターと、を備え、
前記第１エッジフィルターは、短波長側および長波長側のいずれか一方側をカットするカットオン／オフ波長が、所定の第１波長であり、
前記第２エッジフィルターは、前記一方側をカットするカットオン／オフ波長が、前記第１波長と異なる所定の第２波長であることを特徴とする光検出装置。
前記第１波長および前記第２波長は、当該光検出装置の分光感度特性が所望の分光感度特性となるように、当該所望の分光感度特性におけるピーク波長に前後する波長となっていることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
前記第１受光素子部から出力された電気信号に対して前記第２受光素子部から出力された電気信号を減算する減算回路を、更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
前記第１受光素子部および前記第２受光素子部は、単一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
前記第１受光素子部および前記第２受光素子部は、同一の分光感度特性を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光検出装置。
前記第１受光素子部および前記第２受光素子部をそれぞれ複数備え、
前記複数の第１受光素子部と前記複数の第２受光素子部とは、交互にマトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光検出装置。
前記第１波長および前記第２波長は、標準比視感度におけるピーク波長に前後する波長となっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光検出装置。