JP2014222226A - 光検出回路 - Google Patents
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Abstract
Description
線から赤外線にかけて感度を有するものは総括して光センサと呼ばれている。その中でも
波長400nm〜700nmの可視光線領域に感度を持つものは特に可視光センサと呼ば
れ、人間の生活環境に応じて照度調整や、オン状態またはオフ状態の制御などが必要な機
器類に数多く用いられている。
を調整することができる。周囲の明るさを検出し、適度な表示輝度を得ることにより視認
性を向上させ、また表示装置の余分な電力を低減することができる。表示輝度調整のため
の光センサを有する表示装置としては、例えば携帯電話、表示部を有するコンピュータな
どが挙げられる。また、表示装置は、光センサを用いることにより表示装置のバックライ
トの輝度を検出し、表示画面の輝度を調整することもできる。バックライトを有する表示
装置としては、例えば液晶表示装置などが挙げられる。
ドなどの光電変換素子を用い、光が光電変換素子に入射することにより光電変換素子に流
れる電流の値に基づいて光の強度を検出することができる。特許文献1には電荷蓄積型の
光センサについて、入射光量に応じてフォトダイオードから流れる電流によりコンデンサ
(容量素子ともいう)に蓄積された電荷を定電流回路(定電流源ともいう)により放電さ
せることで変化する電圧をアナログ信号としてコンパレータで検出し、コンパレータで検
出した電圧の変化に要する時間からカウンタ回路及びラッチ回路を用いてデジタル信号を
生成する構成について記載されている。
問題がある。これは照度が高くなるに従って生成される光電流も線形に増加し、さらに光
電流の値が高くなるに従って出力電圧の値も線形に増加するためである。照度のダイナミ
ックレンジが狭いと一定以上の照度範囲を超える光が光電変換素子に入射した場合、表示
輝度を調整することができなくなる。
ビット数が要求されるため、ダイナミックレンジが狭いという問題はより顕著になる。
せることを課題の一つとする。
縮した電圧に変換することにより、第1の電圧を生成する光電変換回路と、第1の電圧の
温度補償を行うことにより第2の電圧を生成し、第2の電圧を電流に変換することにより
第2の電流を生成する温度補償回路と、第2の電流に応じた周波数で発振するクロック信
号を生成し、クロック信号のパルスの数を一定期間カウントし、一定期間におけるカウン
ト値をデータとしたデジタル信号を生成するデジタル信号生成回路と、を有する光検出装
置である。
、入射した光の照度に応じた値で生成される第1の電流を第1のダイオードを用いて対数
圧縮した電圧に変換することにより第1の電圧を生成する光電変換回路と、第1の電圧の
温度補償を行う温度補償回路と、デジタル信号生成回路と、を有し、温度補償回路は、抵
抗素子及び第2のダイオードを有し、第2のダイオードにより抵抗素子に流れる電流を対
数圧縮した電圧に変換することにより、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、第1の
電圧と基準電圧との差分に応じた値の第2の電圧を生成する演算回路と、第2の電圧を電
流に変換することにより第2の電流を生成する出力回路と、を有し、デジタル信号生成回
路は、第2の電流の値に応じた周波数で発振する第1のクロック信号を生成する第1のク
ロック信号生成回路と、一定の周波数で発振する第2のクロック信号を生成する第2のク
ロック信号生成回路と、第1のクロック信号のパルスの数をカウントする第1のカウンタ
回路と、第2のクロック信号のパルスの数を一定の値までカウントすることにより第1の
クロック信号のカウント期間を設定する第2のカウンタ回路と、第1のクロック信号のカ
ウント値をデジタル信号のデータとして保持するラッチ回路と、を有する光検出装置であ
る。
プ波形信号を生成するランプ波形信号生成回路と、ランプ波形信号を整形することにより
四角波信号を生成する波形整形回路と、四角波信号から第1のクロック信号を生成するバ
ッファ回路と、を有する構成とすることもできる。
を有する定電流回路と、定電流に応じてランプ波形信号を生成するランプ波形信号生成回
路と、ランプ波形信号を整形することにより四角波信号を生成する波形整形回路と、四角
波信号から第2のクロック信号を生成するバッファ回路と、を有する構成とすることもで
きる。
ソース、及びドレインの少なくとも3つの端子を有する構造とする。例えば電界効果トラ
ンジスタを例にすると、ゲート電極の部分(ゲートとなる領域、導電層、及び配線などを
含む)または、ゲート電極と電気的に接続されている部分の一部を含めてゲートという。
また、ソース電極の部分(ソースとなる領域、導電層、及び配線などを含む)や、ソース
電極と電気的に接続されている部分の一部を含めてソースという。また、ドレイン電極の
部分(ドレインとなる領域、導電層、及び配線などを含む)や、ドレイン電極と電気的に
接続されている部分の一部を含めてドレインという。
レインは、トランジスタの構造や動作条件などによって変わるため、どちらがソースまた
はドレインであるかを限定することが困難である。そこでソース及びドレインから任意に
選択した一方の端子をソース及びドレインの一方と表記し、他方の端子をソース及びドレ
インの他方と表記する。
ードを含む)はアノードとカソードの2つの電極を有する。そこでアノードを含む端子を
ダイオードの第1端子と表記し、カソードを含む端子をダイオードの第2端子と表記する
。
位とは、ある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位
置エネルギー)のことをいう。しかし、電子回路では、一点のみであっても、例えば該一
点の電位と基準となる電位(基準電位ともいう)との電位差を値として用いることがあり
、また、電圧と電位の値は、いずれもボルト(V)で表されるため、本願の書類(明細書
及び特許請求の範囲)では、特に指定する場合を除き、一点のみであっても電圧を値とし
て用いる場合がある。
流から対数圧縮した電圧を生成し、その電圧を温度補償回路により電流に変換し、変換し
た電流から対数圧縮した電圧に応じたデジタル信号を生成することで、入射する光の照度
に対するダイナミックレンジを拡大させることができる。
明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様
々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実
施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではないとする。
本実施の形態では、本発明の一態様である光検出装置について説明する。
本実施の形態における光検出装置の構成を示すブロック図である。
号生成回路103と、を有する。
し、生成した第1の電流I101を対数圧縮した電圧に変換し、第1の電圧V101を生
成する機能を有する。
れた電圧を電流に変換することにより第2の電流I102を生成する機能を有する。
ク信号を生成し、クロック信号のパルスを一定期間カウントし、カウント値をデータとし
てデジタル信号を生成する機能を有する。
成例を示す回路図である。
と、ダイオード113と、を有する。
光電流ILの値は入射した光の照度に比例する。
イオード、またはフォトトランジスタなどを用いることができる。本実施の形態では、一
例として光電変換素子111にPIN型のフォトダイオードを用いる場合について説明す
る。光電変換素子111としてPIN型のフォトダイオードを用いることにより光の照射
による空乏層の応答特性を高めることができる。具体的な構成について以下に説明する。
的に接続される。また光電変換素子111は、カソード側である第2端子に高電源電圧(
Vddともいう)が与えられる。
を生成する機能を有する。具体的な構成例について以下に説明する。
22と、を有する。
、及び光電変換素子111の第1端子に電気的に接続される。また、トランジスタ112
1は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧(Vssともいう)が与えられる。
、ソース及びドレインの一方がダイオード113に電気的に接続される。また、トランジ
スタ1122は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
。さらにトランジスタ1121のゲートの電圧とトランジスタ1122のゲートの電圧が
等しくなるため、トランジスタ1122のドレインとソースの間にも電流が流れる。
2のサイズまたは数を変えることにより生成する電流を増幅または減衰させる、若しくは
生成する電流の数を増やすことができる。例えばトランジスタ1122を複数設け、それ
ぞれのトランジスタ1122のソース同士及びドレイン同士が電気的に接続されることで
、複数のトランジスタ1122が並列接続で電気的に接続された構成にすることにより、
光電流ILより高い値の電流を生成することができる。
ントミラー回路112を設けた構成とすることもできる。この構成により、例えば一定の
値より低照度のときには、生成する電流が光電流ILより高い値になるように増幅率また
は減衰率を設定したカレントミラー回路を用い、一定の値より高照度のときには、生成さ
れる電流が光電流ILと同程度、または光電流ILより低い値になるように増幅率または
減衰率を設定したカレントミラー回路を用いるといったように、光電変換素子111に入
射する光の照度に応じていずれかのカレントミラー回路を選択して用いることもできる。
これにより光電変換素子111に入射した光が一定の値より低照度及び高照度のいずれの
場合であっても高い分解能を得ることができる。
112を設けることにより、入射した光の照度が光電変換処理を行えないほど低い場合で
あっても、光電変換処理を行うために十分な電流を生成することができる。
を設けた場合にはトランジスタ1122のドレインとソースの間に流れる電流が第1の電
流I101となり、カレントミラー回路112を設けない場合には、光電変換素子111
により生成される電流が第1の電流I101となる。
とができる。また、ダイオード接続させたトランジスタなどを用いることもできる。図2
に示す光電変換回路101では、一例としてダイオード113にPINダイオードを用い
る場合について説明する。
イオード113は、カソード側である第2端子がカレントミラー回路112におけるトラ
ンジスタ1122のソース及びドレインの一方に電気的に接続される。ダイオード113
を設けることにより、第1の電流I101は、対数圧縮した電圧に変換される。このとき
変換された電圧が第1の電圧V101となる。
変換素子111の第1端子に電気的に接続される構成とすることにより、図2に示す光電
変換回路101と同様に本実施の形態の光電変換回路101として機能させることができ
る。
1に示す温度補償回路の構成例を示すブロック図である。
幅回路203と、演算回路204と、出力回路205と、を有する。
する。
の電圧V102を生成する機能を有する。
2を生成する機能を有する。
力回路205の具体的な構成例について図4に示す。図4は、図3に示す温度補償回路の
構成例を示す回路図である。
と、ダイオード213を有する。
抵抗素子211の抵抗値に応じた値の電流が流れる。なお、このとき流れる電流は定電流
であることが好ましい。
流れる電流と同じ方向に流れる電流を生成する機能を有する。
カレントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。また、
カレントミラー回路212は必ずしも設ける必要はないが、カレントミラー回路212を
設けることにより、もととなる電流(例えば抵抗素子211に流れる電流)と同じ電流、
若しくは増幅または減衰させた電流を複数生成することができる。図4に示すカレントミ
ラー回路212の具体的な構成について以下に説明する。
22を有する。
、及び抵抗素子211の第2端子に電気的に接続される。また、トランジスタ2121は
、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
、ソース及びドレインの一方がダイオード213に電気的に接続される。また、トランジ
スタ2122は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
間にも電流が流れる。さらにトランジスタ2121のゲートの電圧とトランジスタ212
2のゲートの電圧が等しくなるため、トランジスタ2122のドレインとソースの間にも
電流が流れる。
3に適用可能なものいずれかを用いることができ、ダイオード113に適用したものと同
じ種類のものを用いることが好ましい。ダイオード213をダイオード113と同じ種類
の素子にすることによりダイオード213とダイオード113の特性の差を小さくするこ
とができ、より効果的な温度補償を行うことができる。本実施の形態では、一例としてダ
イオード213にPINダイオードを用いる場合について説明する。
、第2端子がカレントミラー回路212におけるトランジスタ2122のソース及びドレ
インの一方に電気的に接続される。
間に流れる電流をダイオード213を用いて対数圧縮した電圧に変換することにより、基
準電圧Vref201を生成する。またカレントミラー回路212を設けない場合には、
抵抗素子211に流れる電流をダイオード213を用いて対数圧縮した電圧に変換するこ
とにより基準電圧Vref201を生成する。
る。
第2端子に電気的に接続される。また、トランジスタ221は、ソース及びドレインの一
方に高電源電圧が与えられる。
におけるトランジスタ2121のゲートに電気的に接続され、ソース及びドレインの一方
がトランジスタ221のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。また、トラン
ジスタ222は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
る。
けるトランジスタ1122のソース及びドレインの一方に電気的に接続される。また、ト
ランジスタ231は、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられる。
におけるトランジスタ2121のゲートに電気的に接続され、ソース及びドレインの一方
がトランジスタ231のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。また、トラン
ジスタ232は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
2及び増幅回路203を設けることにより安定した信号を生成することができる。
素子243と、トランジスタ244と、カレントミラー回路245と、トランジスタ24
6と、容量素子247と、トランジスタ248と、トランジスタ249と、を有する。
抗素子241の抵抗値に応じた電流が流れる。
カレントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。また、
カレントミラー回路242は必ずしも設ける必要はないが、カレントミラー回路242を
設けることにより、もととなる電流(例えば抵抗素子241に流れる電流)と同じ電流、
若しくは増幅または減衰させた電流を複数生成することができる。カレントミラー回路2
42の具体的な構成について以下に説明する。
ランジスタ2423と、を有する。
、及び抵抗素子241の第2端子に電気的に接続される。またトランジスタ2421は、
ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
、ソース及びドレインの一方がトランジスタ246に電気的に接続される。またトランジ
スタ2422は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
、ソース及びドレインの一方がトランジスタ249に電気的に接続される。またトランジ
スタ2423は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
間にも電流が流れる。さらにトランジスタ2421のゲートの電圧とトランジスタ242
2のゲートの電圧が等しくなるため、トランジスタ2422のドレインとソースの間にも
電流が流れる。さらにトランジスタ2421とトランジスタ2423のゲートの電圧が等
しくなるため、トランジスタ2423のドレインとソースの間にも電流が流れる。
びドレインの他方に電気的に接続される。なお、増幅回路203を設けない場合には、抵
抗素子243は、第1端子が光電変換回路101のカレントミラー回路112におけるト
ランジスタ1122のソース及びドレインの一方に電気的に接続される。
ス及びドレインの一方がカレントミラー回路245に電気的に接続され、ソース及びドレ
インの他方がカレントミラー回路242におけるトランジスタ2422のソース及びドレ
インの一方に電気的に接続される。
カレントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的
な構成について以下に説明する。
52と、を有する。
トランジスタ2451は、ゲートがトランジスタ2451のソース及びドレインの他方、
及びトランジスタ244のソース及びドレインの一方に電気的に接続される。なお、図4
に示すトランジスタ2451はP型とする。
る。また、トランジスタ2452は、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられ
る。なお、図4に示すトランジスタ2452はP型とする。
ースの間に電流が流れる。さらにトランジスタ2451のゲートの電圧とトランジスタ2
452のゲートの電圧が等しくなるため、トランジスタ2452のドレインとソースの間
にも電流が流れる。
及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方がカレントミラー回
路245におけるトランジスタ2452のソース及びドレインの他方に電気的に接続され
、ソース及びドレインの他方がトランジスタ244のソース及びドレインの他方に電気的
に接続される。
ース及びドレインの一方に電気的に接続される。
気的に接続され、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられ、ソース及びドレイ
ンの他方が容量素子247の第2端子に電気的に接続される。なお、図4に示す演算回路
204においてトランジスタ248はP型とする。
ランジスタ248のソース及びドレインの他方、及び容量素子247の第2端子に電気的
に接続される。
トミラー回路253と、カレントミラー回路255と、を有する。
電気的に接続され、ソース及びドレインの一方がカレントミラー回路253に電気的に接
続され、ソース及びドレインの他方が演算回路204における抵抗素子243の第2端子
に電気的に接続される。
及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方がトランジスタ25
1のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。また、トランジスタ252は、ソ
ース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
トミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な構成
について以下に説明する。
32と、を有する。
電気的に接続され、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられ、ソース及びドレ
インの他方がトランジスタ2531のゲートに電気的に接続される。
、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられる。
の間に電流が流れる。さらにトランジスタ2531のゲートの電圧とトランジスタ253
2のゲートの電圧が等しくなるため、トランジスタ2532のドレインとソースの間にも
電流が流れる。
適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な構成について以下に説明す
る。
52と、を有する。
、及びトランジスタ2532のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。また、
トランジスタ2551は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
、ソース及びドレインの一方が図1に示すデジタル信号生成回路103に電気的に接続さ
れる。またトランジスタ2552は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられ
る。
の電圧に応じてトランジスタ2551のドレインとソースの間に電流が流れる。さらにト
ランジスタ2551のゲートの電圧とトランジスタ2552のゲートの電圧が等しくなる
ため、トランジスタ2552のドレインとソースの間にも電流が流れる。
示すデジタル信号生成回路の構成例を示すブロック図である。
2のクロック信号生成回路302と、第1のカウンタ回路303と、第2のカウンタ回路
304と、ラッチ回路305と、を有する。
第1のクロック信号CLK1を生成する機能を有する。
号CLK2を生成する機能を有する。
クロック信号CLK1のパルスの数をカウントする機能を有する。
CLK1のパルスの数をカウントする期間を設定する機能を有する。具体的には、第2の
カウンタ回路304は第2のクロック信号生成回路302で生成される第2のクロック信
号CLK2のパルスの数をカウントし、カウントした値(カウント値CNT2ともいう)
に応じて第1のクロック信号CLK1のパルスの数をカウントする期間を設定する機能を
有する。
保持する機能を有する。保持されたデータはデジタル信号である。
機能回路を用いて構成することができる。第1のクロック信号生成回路301及び第2の
クロック信号生成回路302の構成例として以下に説明する。
置における第1のクロック信号生成回路の構成例を示す回路図である。
波形整形回路402と、バッファ回路403と、を有する。
ランプ波形信号ともいう)を生成する機能を有する。ランプ波とは一定の期間において出
力電圧が線形である波形である。具体的な構成について以下に示す。
12と、カレントミラー回路413と、カレントミラー回路414と、カレントミラー回
路415と、容量素子416と、を有する。
ドレインの一方がカレントミラー回路413に電気的に接続される。
ドレインの一方がカレントミラー回路414に電気的に接続され、ソース及びドレインの
他方がトランジスタ411のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。
レントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な
構成について以下に説明する。
有する。なお、図6に示すカレントミラー回路413において、トランジスタ4131は
P型とする。
電気的に接続され、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられ、ソース及びドレ
インの他方がトランジスタ4131のゲートに電気的に接続される。
、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられ、ソース及びドレインの他方がカレ
ントミラー回路415に電気的に接続される。
レントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な
構成について以下に説明する。
42と、を有する。
電気的に接続され、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられ、ソース及びドレ
インの他方がトランジスタ4141のゲートに電気的に接続される。
、ソース及びドレインの一方に高電源電圧が与えられ、ソース及びドレインの他方が波形
整形回路402に電気的に接続される。
レントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な
構成について以下に説明する。
52と、を有する。
、及びカレントミラー回路413におけるトランジスタ4131のソース及びドレインの
他方に電気的に接続される。また、トランジスタ4151は、ソース及びドレインの他方
に低電源電圧が与えられる。
、ソース及びドレイン一方がカレントミラー回路414におけるトランジスタ4142の
ソース及びドレインの他方に電気的に接続される。また、トランジスタ4152は、ソー
ス及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
4におけるトランジスタ4142のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。ま
た、容量素子416は、第2端子に低電源電圧が与えられる。
23と、インバータ424と、NOR回路425、NOR回路426と、を有する。
子416の第1端子に電気的に接続される。また、コンパレータ421は、非反転入力端
子に第1の基準電圧VrefHが与えられる。第1の基準電圧VrefHは以下の式で表
される。
に接続される。また、コンパレータ422は、反転入力端子に第2の基準電圧VrefL
が与えられる。第2の基準電圧VrefLは以下の式で表される。
。
。
れる。
れ、第2の入力端子がインバータ424の出力端子に電気的に接続され、出力端子がNO
R回路425の第2の入力端子に電気的に接続される。
と、インバータ434と、インバータ435と、を有する。
端子に電気的に接続される。
端子に電気的に接続される。
力端子がランプ波形信号生成回路401におけるトランジスタ411のゲートに電気的に
接続される。
力端子がランプ波形信号生成回路401におけるトランジスタ412のゲートに電気的に
接続される。
る。図7は図6に示す第1のクロック信号生成回路の動作例を示すタイミングチャート図
である。
電流I102に応じて容量素子416が充電及び放電を繰り返すことによりランプ波形信
号RMPが生成される。このときランプ波形信号RMPの周波数fRMPは、第2の電流
I102、及び容量素子416の静電容量C、第1の基準電圧VrefH、第2の基準電
圧VrefLを用いて、下記式(3)で表される。生成されたランプ波形信号RMPは波
形整形回路402に出力される。
め、ランプ波形信号RMPの周波数fRMPは、光電流ILに比例することになる。よっ
て、周波数fRMPと光電流ILの関係は、下記式(4)で表すことができる。式(4)
において、Zは比例定数であり、増幅回路202の増幅率、およびランプ波形信号生成回
路401を構成するトランジスタの電気的特性などにより決定される定数である。
421及びコンパレータ422に出力される。コンパレータ421では、ランプ波形信号
RMPと第1の基準電圧VrefHとの比較結果に応じて出力信号CMP1が生成される
。さらに出力信号CMP1をNOR回路425及びNOR回路426で一定期間保持する
ことによりランプ波形信号RMPを四角波信号に整形される。
のとき生成されたクロック信号は、第1のクロック信号CLK1として、第1のカウンタ
回路303に出力される。第1のクロック信号CLK1の周波数とランプ波形信号RMP
の周波数は等しい。つまり、式(4)で示したように、光電変換回路101において生成
される光電流ILに比例する周波数で発振する第1のクロック信号CLK1がバッファ回
路403から出力される。以上が図7に示す第1のクロック信号生成回路301における
動作である。
ロック信号生成回路302の構成例を示す回路図である。
号生成回路502と、波形整形回路503と、バッファ回路504と、を有する。
て以下に説明する。
する。
機能を有する。また、電流源511は、第1端子に高電源電圧が与えられる。
適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な構成について以下に説明す
る。
有する。
及び電流源511の第2端子に電気的に接続される。また、トランジスタ5121は、ソ
ース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
、ソース及びドレインの一方がランプ波形信号生成回路502に電気的に接続される。ま
た、トランジスタ5122は、ソース及びドレインの他方に低電源電圧が与えられる。
512を設けることにより、もととなる電流(例えば電流源511に流れる電流)と同じ
電流、若しくは増幅または減衰させた電流を複数生成することができる。
の機能を有する。具体的な構成について以下に示す。
22と、カレントミラー回路523と、カレントミラー回路524と、カレントミラー回
路525と、容量素子526と、を有する。
ドレインの一方がカレントミラー回路523に電気的に接続され、ソース及びドレインの
他方が定電流回路501のカレントミラー回路512におけるトランジスタ5122のソ
ース及びドレインの一方に電気的に接続される。
ドレインの一方がカレントミラー回路524に電気的に接続され、ソース及びドレインの
他方がトランジスタ521のソース及びドレインの他方に電気的に接続される。
レントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な
構成について以下に説明する。
有する。トランジスタ5231は図6に示すカレントミラー回路413におけるトランジ
スタ4131に相当し、トランジスタ5232は図6に示すカレントミラー回路413に
おけるトランジスタ4132に相当するため、具体的な構成については、トランジスタ4
131及びトランジスタ4132の説明を適宜援用する。
レントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な
構成について以下に説明する。
42と、を有する。
4141に相当し、トランジスタ5242は、図6に示すカレントミラー回路414にお
けるトランジスタ4142に相当するため、具体的な構成については、トランジスタ41
41及びトランジスタ4142の説明を適宜援用する。
レントミラー回路112に適用可能な構成のいずれかを適用することができる。具体的な
構成について以下に説明する。
52と、を有する。
4151に相当し、トランジスタ5252は、図6に示すカレントミラー回路415にお
けるトランジスタ4152に相当するため、具体的な構成については、トランジスタ41
51及びトランジスタ4152の説明を適宜援用する。
は容量素子416の説明を適宜援用する。
33と、インバータ534と、NOR回路535と、NOR回路536と、を有する。
531はコンパレータ421に相当し、コンパレータ532はコンパレータ422に相当
し、インバータ533はインバータ423に相当し、インバータ534はインバータ42
4に相当し、NOR回路535はNOR回路425に相当し、NOR回路536はNOR
回路426に相当するため、具体的な構成については、波形整形回路402の説明を適宜
援用する。
と、インバータ544と、インバータ545と、を有する。またバッファ回路504は、
図6に示すバッファ回路403に相当し、さらにインバータ541はインバータ431に
相当し、インバータ542はインバータ432に相当し、インバータ543はインバータ
433に相当し、インバータ544はインバータ434に相当し、インバータ545はイ
ンバータ435に相当するため、具体的な構成については、バッファ回路403の説明を
適宜援用する。
ミラー回路512において増幅または減衰された電流が生成され、増幅または減衰された
電流がランプ波形信号生成回路502に流れる。
容量素子526が充電及び放電を繰り返すことによりランプ波形信号RMPが生成される
。具体的な動作については、図6に示すランプ波形信号生成回路401と同様であるため
、図6に示すランプ波形信号生成回路401の説明を適宜援用する。
波信号が生成される。波形整形回路503の具体的な動作については図6に示す波形整形
回路402と同じであるため、波形整形回路402の説明を適宜援用する。
ック信号が生成される。このとき生成されたクロック信号は、第2のクロック信号CLK
2として図5における第2のカウンタ回路304に出力される。なお、バッファ回路50
4の具体的な動作についてはバッファ回路403と同じであるため、バッファ回路403
の説明を適宜援用する。
素子111において、入射した光の照度に応じて光電流ILが生成され、光電流ILに応
じてカレントミラー回路112におけるトランジスタ1122のドレインとソースの間に
電流が流れる。さらにトランジスタ1122のドレインとソースの間に流れる電流は、ダ
イオード113により対数圧縮した電圧に変換される。対数圧縮された電圧を第1の電圧
V101とする。第1の電圧V101の値は以下のように求めることができる。
113は、ダイオード113に電流が流れることにより誘起される電圧である。
と、トランジスタ1122のドレインとソースの間に流れる電流とが同じ値であるとして
説明する。
[J・K−1]、Tは温度[K]である。なお、逆方向飽和電流Isは温度の項を含む関
数であり、式(6)で表される。
ついて解くと、式(7)が得られる。
る。
2の倍率を表している。
数圧縮した値に比例した値になる。以上が光電変換回路101における動作である。
素子211に流れる電流に応じてカレントミラー回路212におけるトランジスタ212
2のドレインとソースの間に電流が流れる。さらにトランジスタ2122のドレインとソ
ースの間に流れる電流はダイオード213によって対数圧縮した電圧に変換される。この
とき対数圧縮された電圧が基準電圧Vref201となる。基準電圧Vref201は以
下のように求めることができる。
と、トランジスタ2122のドレインとソースの間に流れる電流とが同じ値であるとして
説明する。
数[J・K−1]、Tは温度[K]である。なお、逆方向飽和電流Isは温度の項を含む
関数であり、式(6)で表される。
3について解くと、式(11)が得られる。
きる。
路212の倍率を表している。
に比例した値になる。
て増幅される。具体的には、トランジスタ221のゲートの電圧が基準電圧Vref20
1と同等の値になり、トランジスタ221のゲートの電圧に応じてトランジスタ221の
ソース及びドレインの他方の電圧は、基準電圧Vref201からトランジスタ221の
ゲートとソースの間に印加される電圧を引いた値、すなわちVref201−Vgs22
1になる。このときトランジスタ221のソース及びドレインの他方の電圧を、増幅され
た基準電圧Vref201とする。
増幅される。具体的には、トランジスタ231のゲートの電圧が第1の電圧V101と同
等の値になり、トランジスタ231のゲートの電圧に応じてトランジスタ231のソース
及びドレインの他方の電圧は、第1の電圧V101からトランジスタ231のゲートとソ
ースの間に印加される電圧を引いた値、すなわちV101−Vgs231になる。このと
きトランジスタ231のソース及びドレインの他方の電圧を増幅された第1の電圧V10
1とする。
に応じて第2の電圧V102が生成される。具体的には、演算回路204において、トラ
ンジスタ246のゲートの電圧が増幅回路202で増幅された基準電圧Vref201と
同等の値になる。一方、演算回路204により、トランジスタ244のゲートの電圧が、
トランジスタ246のゲートの電圧と同等になる。ただし、演算回路204の性質上、ト
ランジスタ244のゲートの電圧と、トランジスタ246のゲートの電圧が、厳密には同
等とならないこともある。なお、以下では、理解を容易にするため、トランジスタ244
のゲート電圧が、トランジスタ246のゲート電圧と同等となることを前提として説明す
る。
03で増幅された基準電圧Vref201の差分の電圧が印加されることとなる。従って
、抵抗素子243に印加された電圧を、抵抗素子243の抵抗値で割った値が、抵抗素子
243に流れる電流となる。
場合、抵抗素子243に流れる電流は、トランジスタ2531とトランジスタ251のド
レインとソースの間に流れる電流と同等である。厳密には、抵抗素子243に流れる電流
は、トランジスタ2531のドレインとソースの間に流れる電流に、トランジスタ252
のドレインとソースの間のオフ電流を引いた電流になる。
合、抵抗素子243に流れる電流は、トランジスタ252のドレインとソースの間に流れ
る電流と同等である。厳密には、抵抗素子243に流れる電流は、トランジスタ252の
ドレインとソースの間に流れる電流に、トランジスタ251のドレインとソースの間のオ
フ電流を引いた電流になる。
ランジスタ2531に流れる電流が、カレントミラー回路253により増幅され、トラン
ジスタ2532のドレインとソースの間に電流が生成される。
のドレインとソースの間に流入し、その電流がカレントミラー回路255により増幅され
ることにより、トランジスタ2552のドレインとソースの間に電流が生成される。以下
、この電流を、第2の電流I102と呼称する。
ランジスタ2531に電流は流れず、トランジスタ2532のドレインとソースの間にも
電流は生成されない。
ン状態であるとき、トランジスタ244のドレインとソースの間に電流が流れ、カレント
ミラー回路245におけるトランジスタ2451のドレインとソースの間にも電流が流れ
る。さらにトランジスタ2451のゲートの電圧とトランジスタ2452のゲートの電圧
が等しくなるため、トランジスタ2452のドレインとソースの間にも電流が流れる。
46がオン状態であるとき、トランジスタ246のドレインとソースの間に電流が流れる
。このときトランジスタ246のソース及びドレインの一方の電圧は、トランジスタ24
6のドレインとソースの間に流れる電流に応じた値となる。さらにトランジスタ246の
ソース及びドレインの一方の電圧に応じた値の電荷が容量素子247に蓄積される。
ンの一方の電圧と同等の値になる。トランジスタ248は、ゲートの電圧に応じてオン状
態になり、トランジスタ248がオン状態であるときトランジスタ248のソース及びド
レインの他方の電圧を第2の電圧V102とする。また、トランジスタ249のソース及
びドレインの他方の電圧は、トランジスタ248のソース及びドレインの他方の電圧から
トランジスタ249のゲートとソースの間の電圧Vgs249を引いた値、すなわちV1
02−Vgs249となる。
変換され、第2の電流I102が生成される。具体的な動作について以下に説明する。
ランジスタ252のゲートの電圧がV102−Vgs249と同等の値になる。このとき
トランジスタ251及びトランジスタ252は、ゲートの電圧に応じて一方がオン状態に
なり、他方がオフ状態になる。それぞれの場合について以下に説明する。
ランジスタ251のゲートの電圧に応じてトランジスタ251のドレインとソースの間に
電流が流れ、さらにトランジスタ251のドレインとソースの間に流れる電流に応じてカ
レントミラー回路253におけるトランジスタ2532のドレインとソースの間にも電流
が流れる。このときトランジスタ2532のドレインとソースの間に流れる電流は第1の
電流I101に応じた値、すなわち光電変換回路101に入射した光の照度に応じた値と
なる。
2552のドレインとソースの間に電流が流れる。このときトランジスタ2552に流れ
る電流を第2の電流I102とする。
路204において、抵抗素子243に応じた電流が流れ、トランジスタ244のゲートの
電圧が変化する。これによりトランジスタ244のゲートの電圧を演算回路204のオフ
セット分だけ補正することができる。
き、トランジスタ252のゲートの電圧に応じてトランジスタ252のドレインとソース
の間に電流が流れる。しかしカレントミラー回路253に電流が流れないため、カレント
ミラー回路255にも電流が流れない。
る。図9は図1に示すデジタル信号生成回路の動作を示すタイミングチャート図である。
補償回路102で生成された第2の電流I102に応じた周波数であり、第1のクロック
信号CLK1の周波数をf301とすると、f301=Z1×I102(Z1は比例定数
)が成り立つ。
、基準クロック信号として機能し、定電流をIcとし、第2のクロック信号CLK2の周
波数をf302とすると、f302=Z2×Ic(Z2は比例定数)が成り立つ。
の第1のカウント値CNT1及び第2のカウンタ回路304の第2のカウント値CNT2
がリセットされ、0になる。
03では第1のクロック信号CLK1のパルスの数のカウントアップが開始され、また第
2のカウンタ回路304では第2のクロック信号CLK2のパルスの数のカウントアップ
が開始される。
t2までの第1のカウント値CNT1のデータがデジタル信号DTLとしてラッチ回路3
05に保持される。図9に示すタイミングチャートでは一例として第2のカウント値CN
T2が8になったときの第1のカウント値CNT1、すなわち15のデータがデジタル信
号DTLとしてラッチ回路305に保持されるように設定されているが、これに限定され
ず他のカウント値に設定することもできる。
NT1及び第2のカウント値CNT2が再びリセットされ、0になる。以上がデジタル信
号生成回路103における動作である。
明する。図10は、図3に示す第1のカウンタ回路における照度とカウント値との関係を
示す図である。図10に示すように、図3に示す第1のカウンタ回路303は、照度が高
くなるにつれてカウント値も大きくなる、いわゆる右上がり型の照度−カウント値の関係
であることがわかる。
ら対数圧縮した電圧を生成することができ、また、対数圧縮した電圧に応じた値のデジタ
ル信号を生成することができる。よって、照度に対するダイナミックレンジを拡大させる
ことができる。
本実施の形態では、上記実施の形態1に示した光検出装置の構成及び作製方法について
説明する。
1は、本実施の形態における光検出装置の構成を示す断面模式図である。なお、図11に
示す光検出装置は、便宜のため、一部または全部において実際とは異なる寸法を用いて図
示している。
ト絶縁膜9032、及びゲート電極9033を有するトランジスタと、層間膜904と、
電極9051と、電極9052と、電極9053と、樹脂層906と、層間膜907と、
電極908と、P型半導体層991、高抵抗半導体層992、及びN型半導体層993を
有する光電変換層と、層間膜910と、電極9111と、電極9112と、パッシベーシ
ョン膜912と、樹脂層913と、電極9141と、電極9142と、を有する。
ともできる。可撓性基板とは、折り曲げることができる(フレキシブルであるともいう)
基板のことであり、可撓性基板としては、例えばポリカーボネート、ポリアリレート、ま
たポリエーテルスルフォンなどからなるプラスチック基板などが挙げられる。また、基板
901としては、貼り合わせフィルム(ポリプロピレン、ポリエステル、ビニル、ポリフ
ッ化ビニル、塩化ビニルなどからなる)、繊維状な材料からなる紙、基材フィルム(ポリ
エステル、ポリアミド、無機蒸着フィルム、紙類等)などを用いることもできる。
、または窒素を含む酸化シリコン膜などを用いることができる。また下地膜902は、上
記に挙げたシリコン膜を積層して設けることもできる。なお下地膜902は必ずしも設け
る必要はないが、下地膜902を設けることにより、例えば基板901からアルカリ金属
などの不純物が拡散するのを抑制することができる。また下地膜902を設ける場合には
、基板901としてシリコン基板、金属基板、またはステンレス基板などを用いることも
できる。
ない場合には、基板901上に選択的に設けられる。また、半導体層9031には一対の
不純物領域931が設けられる。一対の不純物領域931は、ソースまたはドレインの一
部として機能し、N型の導電型を有する不純物元素(N型不純物元素ともいう)、または
P型の導電型を有する不純物元素(P型不純物元素ともいう)を半導体層9031に添加
することにより設けられる。また、不純物濃度の異なる複数の領域を設けて不純物領域と
することもできる。このとき相対的に不純物濃度の低い領域を低濃度不純物領域(LDD
:Lightly Doped Drain領域ともいう)という。LDD領域を設ける
ことにより局所的な電界の集中を抑制することができる。半導体層9031としては、例
えば非晶質シリコン、微結晶(マイクロクリスタルともいう)シリコン、単結晶シリコン
、または多結晶シリコンなどの半導体層を用いることができる。
しては、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒素を含む酸化シリコン膜などを用い
ることができる。
れる。ゲート電極9033としては、例えばチタン、タングステン、タンタル、モリブデ
ン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オ
スミウム、イリジウム、白金、アルミニウム、金、銀、及び銅のいずれかから選ばれた元
素、若しくは上記に挙げた元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料、または上記
に挙げた元素の窒化物などを用いることができる。また、ゲート電極9033は、上記に
挙げた材料を積層して設けることもでき、例えば1層目の電極の一部の上に2層目の電極
を積層してゲート電極9033とすることもできる。この構成によりホットキャリアによ
る劣化を抑制することができる。また、ゲート電極9033は、不純物領域931上、例
えばLDD領域を設けた場合にはLDD領域上の部分のゲート絶縁膜9032上まで延伸
させて設けることができる。
膜904としては、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒素を含む酸化シリ
コン膜などを用いることができる。また上記に挙げたシリコン膜を積層して層間膜904
とすることもできる。
る。電極9052は、ゲート絶縁膜9032及び層間膜904に設けられた開口部を介し
て半導体層9031における一対の不純物領域931のいずれか一方に接するように設け
られ、電極9053は、ゲート絶縁膜9032及び層間膜904に設けられた開口部を介
して半導体層9031における一対の不純物領域931のいずれか他方に接するように設
けられる。電極9051乃至電極9053としては、例えばチタン、タングステン、タン
タル、モリブデン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、
パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、アルミニウム、金、銀、及び銅のいずれか
から選ばれた元素、若しくは上記に挙げた元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材
料、または上記に挙げた元素の窒化物などを用いることができる。また、電極9051乃
至電極9053は、上記に挙げた材料を積層して設けることもできる。
、及び電極9053の上に選択的に設けられる。図11に示す光検出装置では、トランジ
スタ上及び上部に電極9141及び電極9142が設けられる部分に設けられる。このと
き樹脂層906は、断面において端部が曲線状であることが好ましい。曲線状にすること
により、樹脂層906上に設けられる膜のカバレッジを向上させることができる。樹脂層
906としては、ポリイミド(polyimide)、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイ
ミダゾール(polybenzimidazole)などの耐熱性高分子、又はシロキサ
ン樹脂を用いることができる。また、樹脂層906としては、例えばポリビニルアルコー
ル、ポリビニルブチラールなどのビニル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラッ
ク樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、またはウレタン樹脂などの樹脂材料を用いること
ができる。
、または電極9053の樹脂層906が設けられていない部分の上に設けられる。層間膜
907としては、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒素を含む酸化シリコ
ン膜などを用いることができる。また上記に挙げたシリコン膜を積層して層間膜907と
することもできる。また上記に挙げたシリコン膜を設け、シリコン膜上にTEOS(テト
ラエチルオルトシリケート)を用いて形成した酸化シリコン膜を積層して層間膜907と
することもできる。
908としては、例えばチタン、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム、コバ
ルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウ
ム、白金、アルミニウム、金、銀、及び銅のいずれかから選ばれた元素、若しくは上記に
挙げた元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料、または上記に挙げた元素の窒化
物などを用いることができる。また、電極908は、上記に挙げた材料を積層して設ける
こともできる。
92は、P型半導体層991上に設けられ、N型半導体層993は、高抵抗半導体層99
2上に設けられる。高抵抗半導体層992は、P型半導体層991及びN型半導体層99
3より抵抗の高い半導体層である。このときP型半導体層991に接する電極908の端
部は、テーパ状であることが好ましい。テーパ状にすることにより、P型半導体層991
のカバレッジを向上させることができる。
910としては、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒素を含む酸化シリコ
ン膜などを用いることができる。また上記に挙げたシリコン膜を積層して層間膜910と
することもできる。また上記に挙げたシリコン膜を設け、シリコン膜上にTEOS(テト
ラエチルオルトシリケート)を用いて形成した酸化シリコン膜を積層して層間膜910と
することもできる。
112は、層間膜910に設けられた開口部を介して光電変換層に接する。電極9111
及び電極9112としては、例えばチタン、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオ
ジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム
、イリジウム、白金、アルミニウム、金、銀、及び銅のいずれかから選ばれた元素、若し
くは上記に挙げた元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料、または上記に挙げた
元素の窒化物などを用いることができる。また、電極9111及び電極9112は、上記
に挙げた材料を積層して設けることもできる。
設けられ、且つ下地膜902、ゲート絶縁膜9032、層間膜904、層間膜907、及
び層間膜910の端部の一方または両方に接する。パッシベーション膜912としては、
例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒素を含む酸化シリコン膜などを用いる
ことができる。
して電極9111に接するように設けられ、電極9142は、パッシベーション膜912
及び樹脂層913に設けられた開口部を介して電極9112に接する。電極9141及び
電極9141としては、例えばチタン、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム
、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イ
リジウム、白金、アルミニウム、金、銀、及び銅のいずれかから選ばれた元素、若しくは
上記に挙げた元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料、または上記に挙げた元素
の窒化物などを用いることができる。また、電極9141及び電極9142は、上記に挙
げた材料を積層して設けることもできる。また電極9111または電極9112に接する
ように導電性樹脂膜を設け、導電性樹脂膜上に上記に挙げた材料を積層して電極9141
または電極9142とすることもできる。
また、本実施の形態における光検出装置は、トランジスタと光電変換層を同一基板上に形
成することができるため、作製が容易となり、量産しやすくなる。
明する。図12乃至図16は、本実施の形態における光検出装置の作製方法を示す断面模
式図である。
は、例えばプラズマCVD法などにより形成することができる。ここでは、一例として基
板901として厚さが0.7mmであるガラス基板(AN100)を用い、さらに窒化酸
化シリコン膜を140nmの膜厚で形成し、窒化酸化シリコン膜上に酸化窒化シリコン膜
を100nmの膜厚で形成することにより下地膜902を形成する。
ンジスタ903の具体的な作製方法については、以下に説明する。
層9031上にゲート絶縁膜9032を形成し、半導体層9031上の部分のゲート絶縁
膜9032上にゲート電極9033を形成することにより作製する。半導体層9031に
多結晶半導体膜を用いる場合、例えば非晶質半導体膜を公知の技術(固相成長法、レーザ
結晶化方法、触媒金属を用いた結晶化方法など)を用いて結晶化することにより形成する
ことができる。
・オン・インシュレータ)基板を用いることもできる。SOI基板としては、公知のSO
I基板を用いればよく、その作製方法や構造は特に限定されない。SOI基板としては、
代表的にはSIMOX基板や貼り合わせ基板が挙げられる。また、貼り合わせ基板の例と
して、ELTRAN(登録商標)、UNIBOND(登録商標)、スマートカット(登録
商標)等が挙げられる。
理して埋め込み酸化膜層(BOX;Buried Oxide)を形成することにより、
表面に薄膜シリコン層を形成し、SOI構造を得ることができる。薄膜シリコン層は、埋
め込み酸化膜層により、単結晶シリコン基板と絶縁分離されている。また、埋め込み酸化
膜層形成後に、さらに熱酸化するITOX(Internal Thermal Oxi
dation−SIMOX)と呼ばれる技術を用いることもできる。
基板、第2単結晶シリコン基板)を貼り合わせ、一方の単結晶シリコン基板を貼り合わせ
た面ではない方の面から薄膜化することにより、表面に薄膜シリコン層を形成したSOI
基板のことをいう。酸化膜層は、一方の基板(ここでは第1単結晶シリコン基板)を熱酸
化して形成することができる。また、2枚の単結晶シリコン基板は、接着剤を用いずに直
接貼り合わせることができる。
ス基板等の絶縁表面を有する基板と、単結晶基板とを貼り合わせてSOI基板を作製して
もよい。
する。具体的な作製方法について以下に説明する。
量換算で10ppmのニッケルを含む酢酸ニッケル溶液をスピナーで添加する。なお、溶
液を添加する方法に代えてスパッタ法でニッケル元素を全面に散布する方法を用いてもよ
い。次に熱処理(500℃、1時間)の後、結晶化のための熱処理(550℃、4時間)
を行って多結晶珪素膜を形成する。
高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するためのレーザ光(XeCl:波長308nm)
の照射を大気中、または酸素雰囲気中で行う。
は第3高調波を用いる。ここでは、周波数10〜1000Hz程度のパルスレーザ光を用
い、当該レーザ光を光学系にて100〜500mJ/cm2に集光し、90〜95%のオ
ーバーラップ率をもって照射し、シリコン膜表面を走査させればよい。本実施の形態では
、周波数30Hz、エネルギー密度470mJ/cm2でレーザ光の照射を大気中で行う
。
形成される。なお、本実施の形態ではパルスレーザを用いた例を示したが、連続発振のレ
ーザを用いてもよく、半導体膜の結晶化に際し、大粒径に結晶を得るためには、連続発振
が可能な固体レーザを用い、基本波の第2高調波〜第4高調波を適用するのが好ましい。
代表的には、Nd:YVO4レーザ(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)
や第3高調波(355nm)を適用すればよい。
されたレーザ光を非線形光学素子により高調波に変換する。また、共振器の中にYVO4
結晶と非線形光学素子を入れて、高調波を射出する方法もある。そして、好ましくは光学
系により照射面にて矩形状または楕円形状のレーザ光に成形して、被処理体に照射する。
このときのエネルギー密度は0.01〜100MW/cm2程度(好ましくは0.1〜1
0MW/cm2)が必要である。そして、10〜2000cm/s程度の速度でレーザ光
に対して相対的に半導体膜を移動させて照射すればよい。
理して合計1〜5nmの酸化膜からなるバリア層を形成する。このバリア層は、結晶化さ
せるために添加した触媒元素、例えばニッケル(Ni)を膜中から除去するために形成す
る。ここではオゾン水を用いてバリア層を形成したが、酸素雰囲気下の紫外線の照射で結
晶構造を有する半導体膜の表面を酸化する方法や酸素プラズマ処理により結晶構造を有す
る半導体膜の表面を酸化する方法やプラズマCVD法やスパッタ法や蒸着法などで1〜1
0nm程度の酸化膜を堆積してバリア層を形成してもよい。また、バリア層を形成する前
にレーザ光の照射により形成された酸化膜を除去してもよい。
珪素膜を10nm〜400nm、ここでは膜厚100nmで成膜する。ここでは、アルゴ
ン元素を含む非晶質珪素膜は、シリコンターゲットを用いてアルゴンを含む雰囲気下で形
成する。プラズマCVD法を用いてアルゴン元素を含む非晶質珪素膜を形成する場合、成
膜条件は、モノシランとアルゴンの流量比(SiH4:Ar)を1:99とし、成膜圧力
を6.665Paとし、RFパワー密度を0.087W/cm2とし、成膜温度を350
℃とする。
リング)する。これにより結晶構造を有する半導体膜中の触媒元素濃度が低減される。炉
に代えてランプアニール装置を用いてもよい。
含む非晶質珪素膜を選択的に除去した後、バリア層を希フッ酸で選択的に除去する。なお
、ゲッタリングの際、ニッケルは酸素濃度の高い領域に移動しやすい傾向があるため、酸
化膜からなるバリア層をゲッタリング後に除去することが望ましい。
成、ゲッタリングサイトの形成、ゲッタリングのための熱処理、ゲッタリングサイトの除
去、バリア層の除去などの工程は不要である。
の表面にオゾン水で薄い酸化膜を形成した後、第1のフォトマスクを用いてレジストから
なるマスクを形成し、所望の形状にエッチング処理して島状に分離された半導体層903
1を形成した後、レジストからなるマスクを除去する。
することにより一対の不純物領域931を形成する。不純物元素の添加としては、例えば
イオンドープ法を用いて行うことができる。
を洗浄することが好ましい。
、例えばプラズマCVD法により形成することができる。ここでは、ゲート絶縁膜903
2として酸化窒化シリコン膜を30nmの膜厚で形成する。
成する。ここでは一例として半導体層9031上のゲート絶縁膜9032の部分の上に窒
化タンタル膜を30nmの膜厚で形成し、窒化タンタル膜上にタングステン膜を170n
mの膜厚で形成し、エッチングすることによりゲート電極9033を形成する。
こでは一例としてトランジスタ903上に酸化窒化シリコン膜を50nmの膜厚で形成し
、酸化窒化シリコン膜上に窒化酸化シリコン膜を165nmの膜厚で形成、窒化酸化シリ
コン膜上に酸化窒化シリコン膜を600nmの膜厚で形成することにより層間膜904を
形成する。
は層間膜904に選択的に開口部を形成し、さらに開口部を介してゲート電極9033に
接するように電極9051を形成し、開口部を介して一対の不純物領域931のいずれか
一方に接するように電極9052を形成し、開口部を介して一対の不純物領域931のい
ずれか他方に接するように電極9053を形成する。ここでは、一例として第1のチタン
膜を100nmの膜厚で形成し、第1のチタン膜上にアルミニウム膜を100nmの膜厚
で形成し、アルミニウム膜上に第2のチタン膜を50nmの膜厚で形成し、エッチングす
ることにより電極9051乃至電極9053を形成する。
する。ここでは、樹脂膜961として、ポリイミド膜を1.5μmの膜厚で形成する。
脂層906を選択的に形成する。さらに樹脂層906上、及び樹脂層906が設けられて
いない部分の層間膜904及び電極905上に層間膜907を形成する。ここでは、一例
として窒化シリコン膜を100nmの膜厚で形成し、窒化シリコン膜上にTEOSを用い
て酸化シリコン膜を200nmの膜厚で形成することにより層間膜907を形成する。
9052に接するように電極908を形成する。ここでは、チタン膜を400nmの膜厚
で形成し、エッチングすることにより電極908を形成する。なおこのとき電極908の
端部をテーパ状に加工することが好ましい。端部がテーパ状である電極908は、例えば
グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィー工程などを用いて形成することができ
る。
形成する。ここでは、一例として電極908の端部に接するようにP型半導体層991を
60nmの厚さで形成し、P型半導体層991上に高抵抗半導体層992を400nmの
厚さで形成し、高抵抗半導体層992上にN型半導体層993を80nmの厚さで形成す
ることにより光電変換層909を形成する。
に層間膜910を形成する。ここでは、一例として窒化シリコン膜を100nmの膜厚で
形成し、窒化シリコン膜上にTEOSを用いて酸化シリコン膜を400nmの膜厚で形成
することにより層間膜910を形成する。
908に接するように電極9111を形成し、さらに開口部を介して光電変換層909に
おけるN型半導体層993に接するように電極9112を形成する。ここでは、第1のチ
タン膜を50nmの膜厚で形成し、第1のチタン膜上にアルミニウム膜100nmを形成
し、アルミニウム膜上に第2のチタン膜を50nmの膜厚で形成し、エッチングすること
により電極9111及び電極9112を形成する。
、及び層間膜910に開口部を形成する。さらに開口部を介して下地膜に接し、且つゲー
ト絶縁膜9032、層間膜904、層間膜907、層間膜910、電極9111、及び電
極9112を覆うようにパッシベーション膜912を形成する。ここでは、一例として、
窒化シリコン膜を100nmの膜厚で形成することによりパッシベーション膜912を形
成する。
上の部分のパッシベーション膜912上に樹脂層913を形成する。ここでは、一例とし
て絶縁樹脂を25μmの厚さで形成することにより樹脂層913を形成する。
914を形成する。具体的には、開口部を介して電極9111に接するように電極914
1を形成し、開口部を介して電極9112に接するように電極9142を形成する。ここ
では、一例としてニッケル樹脂膜を1.5μmの膜厚で形成し、ニッケル樹脂膜上にチタ
ン膜を150nmの膜厚で形成し、チタン膜上にニッケル膜を750nmの膜厚で形成し
、ニッケル膜上に金膜を50nmの膜厚で形成し、エッチングすることにより電極914
を形成する。
に限定されず、他の構成においても作製することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様である光検出装置を適用した電子機器について説明
する。
など様々な電子機器の光検出部に適用することができる。これらの電子機器の具体的な構
成例を図17乃至図21を用いて説明する。図17乃至図21は本実施の形態における本
発明の光検出装置を搭載した電子機器の構成を示す模式図である。
及び筐体1002b、操作キー1003、音声入力部1004、音声出力部1005、回
路基板1006、表示パネル(A)1007、表示パネル(B)1008、蝶番1009
、透光性材料部1010、光検出装置1011を有している。本発明の一態様である光検
出装置は光検出装置1011に適用することができる。
た光を検知し、検知した外部光の照度に合わせて表示パネル(A)1007及び表示パネ
ル(B)1008の輝度がコントロールされる、また光検出装置1011で得られる光の
照度に合わせて操作キー1003の照明制御を行う。これにより携帯電話の消費電流を抑
えることができる。
B)において、本体1100、筐体1101、表示パネル1102、操作キー1103、
音声出力部1104、音声入力部1105、光検出装置1106、光検出装置1107を
示している。
り外部の光を検知することにより表示パネル1102及び操作キー1103の輝度を制御
することが可能である。
内部に光検出装置1107を設けている。光検出装置1107により、表示パネル110
2に設けられているバックライトの輝度を検出することも可能となる。
キーボード1203、外部接続ポート1204、ポインティングデバイス1205などを
含む。
おける表示装置は、筐体1206、支持台1207、表示部1208などによって構成さ
れている。
示装置の表示部1208として、液晶パネルを用いた場合の詳しい構成を図20に示す。
及び基板1302b、基板1302a及び基板1302bに挟まれた液晶層1303、偏
光フィルタ1304a及び偏光フィルタ1304b、及びバックライト1305等を有し
ている。また筐体1301には光検出装置1306が形成されている。
05からの光量を感知し、その情報がフィードバックされて液晶パネル1300の輝度が
調整される。
デジタルカメラに適用した例を示す図である。図21(A)は、前面方向から見たデジタ
ルカメラの斜視図、図21(B)は、後面方向から見たデジタルカメラの斜視図である。
図21(A)において、デジタルカメラには、リリースボタン1400、メインスイッチ
1401、ファインダ窓1402、フラッシュ部1403、レンズ1404、鏡胴140
5、筺体1406が備えられている。
ン1409が備えられている。
整機構が作動し、最下部まで押下されるとシャッターが開く。
を切り替える。
おり、図21(B)に示すファインダ接眼窓1407から撮影する範囲やピントの位置を
確認するための装置である。
きに、リリースボタンが押下されてシャッターが開くと同時に補助光を照射する。
グレンズ、ズームレンズ等により構成され、図示しないシャッター及び絞りと共に撮影光
学系を構成する。また、レンズの後方には、CCD(Charge Coupled D
evice)等の撮像素子が設けられている。
ンズの位置を移動するものであり、撮影時には、鏡胴を繰り出すことにより、レンズ14
04を手前に移動させる。また、携帯時は、レンズ1404を沈銅させてコンパクトにす
る。なお、本実施の形態においては、鏡胴を繰り出すことにより被写体をズーム撮影する
ことができる構造としているが、この構造に限定されるものではなく、筺体1406内で
の撮影光学系の構成により鏡胴を繰り出さずともズーム撮影が可能なデジタルカメラでも
よい。
範囲やピントの位置を確認する際に接眼するために設けられた窓である。
ットアップボタン、メニューボタン、ディスプレイボタン、機能ボタン、選択ボタン等に
より構成されている。
込むと、光検出装置が光の有無及び強さを感知することができ、これによりカメラの露出
調整等を行うことができる。
るダイナミックレンジを拡大させることができるため、本発明の一態様である光検出装置
を上記電子機器の光検出部に適用することにより精度の高い輝度調整を行うことができる
。
レビ、ナビゲーションシステム等に応用することが可能である。すなわち光を検出する必
要のあるものであればいかなるものにも用いることが可能である。
ついて図22を用いて説明する。図22は、本実施の形態におけるセンサ内蔵型画像入出
力装置の構成を示す図である。
路2002と、複数の第1の走査線2021と、第2の走査線駆動回路2003と、複数
の第2の走査線2031と、信号線駆動回路2004と、複数の信号線2041と、制御
部2005と、を有する。なお、図22に示すセンサ内蔵型画像入出力装置はアクティブ
マトリクス型とする。
、センサ回路2012と、を有する。
041に接続された表示素子により構成することができる。表示素子としては、例えば液
晶素子のような通過する光の偏波状態が変わる素子、EL(エレクトロルミネッセンス)
素子などの発光素子などがある。液晶素子を用いる場合、液晶分子の配向が制御され、通
過する光の偏光状態が制御されることにより所望の輝度に透過光量が調節される。また、
発光素子を用いる場合、発光素子に印加される電圧が制御されることにより、所望の輝度
に発光素子が調節される。
サ回路2012は、例えばスイッチング素子と、スイッチング素子を介して信号線に接続
された光検出回路によって構成することができる。本発明の一態様である光検出装置は、
例えばセンサ回路2012における光検出回路に設けることができる。また、光電変換回
路のみをセンサ回路2012における光検出回路に設け、信号線2041毎に温度補償回
路及びデジタル信号生成回路を設ける構成とすることもできる。信号線2041毎に温度
補償回路及びデジタル信号生成回路を設けることにより、回路面積を小さくすることがで
きる。なお、図22に示すセンサ内蔵型画像入出力装置において、画素2010毎にセン
サ回路2012を設ける場合について説明したが、これに限定されず、複数の画素に対し
て一つのセンサ回路2012を設ける構成とすることもできる。また、センサ回路201
2に光電変換回路、温度補償回路、及びデジタル信号生成回路を適用することもできる。
る画素回路2011に電気的に接続される。
に電気的に接続される。
2012に電気的に接続される。なお図22に示すセンサ内蔵型画像入出力装置において
、画素回路及びセンサ回路が共通の信号線駆動回路に電気的に接続される例について説明
したが、これに限定されず、画素回路及びセンサ回路が別々の信号線駆動回路に電気的に
接続される構成とすることもできる。
路2012を制御する第2の制御回路2052と、を有する。
れる。以下各期間における動作について説明する。
2021を介して第1の走査線駆動回路2002から画素回路2011に信号が入力され
ることにより、順次画素2010が選択され、選択された画素2010では、信号線20
41を介して信号線駆動回路2004から表示用の信号が入力され、それぞれの画素20
10において表示が行われる。
査線駆動回路2003から第2の走査線2031を介してセンサ回路2012に信号が入
力されることにより、順次画素2010が選択され、選択された画素2010では、セン
サ回路2012に入射された光の照度に応じて生成される信号が信号線2041を介して
信号線駆動回路2004に出力され、それぞれの画素2010において読み取りが行われ
る。
がある場合、センサ回路2012に入射する光の照度が変化する。その変化した照度に応
じて生成される信号をデータとして画素の位置を特定することができるため、タッチパネ
ルのように文字入力及び位置検出を行うこともできる。
り物を置き、各画素において入射される照度に応じた信号を生成することにより、被読み
取り物を読み取り、読み取った画像をデータとして次の表示期間で画素部2001に表示
することもできる。
組み合わせて様々な機能を付加することができる。例えば上記読み取り動作により指紋を
読み取り、読み取った指紋を別途メモリなどに保持された複数の指紋のデータと照合する
ことにより指紋認証を行うこともできる。
ることにより、タッチパネルのように文字入力や位置検出機能を持たせることができ、さ
らにスキャナーのように被読み取り物を読み取り、読み取った画像を画素部に表示させる
ことができる。
102 温度補償回路
103 デジタル信号生成回路
101 光電変換回路
111 光電変換素子
112 カレントミラー回路
113 ダイオード
201 基準電圧生成回路
202 増幅回路
203 増幅回路
204 演算回路
205 出力回路
211 抵抗素子
212 カレントミラー回路
213 ダイオード
221 トランジスタ
222 トランジスタ
231 トランジスタ
232 トランジスタ
241 抵抗素子
242 カレントミラー回路
243 抵抗素子
244 トランジスタ
245 カレントミラー回路
246 トランジスタ
247 容量素子
248 トランジスタ
249 トランジスタ
251 トランジスタ
252 トランジスタ
253 カレントミラー回路
255 カレントミラー回路
301 クロック信号生成回路
302 クロック信号生成回路
303 カウンタ回路
304 カウンタ回路
305 ラッチ回路
401 ランプ波形信号生成回路
402 波形整形回路
403 バッファ回路
411 トランジスタ
412 トランジスタ
413 カレントミラー回路
414 カレントミラー回路
415 カレントミラー回路
416 容量素子
421 コンパレータ
422 コンパレータ
423 インバータ
424 インバータ
425 NOR回路
426 NOR回路
431 インバータ
432 インバータ
433 インバータ
434 インバータ
435 インバータ
501 定電流回路
502 ランプ波形信号生成回路
503 波形整形回路
504 バッファ回路
511 電流源
512 カレントミラー回路
521 トランジスタ
522 トランジスタ
523 カレントミラー回路
524 カレントミラー回路
525 カレントミラー回路
526 容量素子
531 コンパレータ
532 コンパレータ
533 インバータ
534 インバータ
535 NOR回路
536 NOR回路
541 インバータ
542 インバータ
543 インバータ
544 インバータ
545 インバータ
901 基板
902 下地膜
903 トランジスタ
904 層間膜
905 電極
906 樹脂層
907 層間膜
908 電極
909 光電変換層
910 層間膜
912 パッシベーション膜
913 樹脂層
914 電極
931 不純物領域
961 樹脂膜
991 P型半導体層
992 高抵抗半導体層
993 N型半導体層
1000 本体(A)
1001 本体(B)
1002a 筐体
1002b 筐体
1003 操作キー
1004 音声入力部
1005 音声出力部
1006 回路基板
1007 表示パネル(A)
1008 表示パネル(B)
1009 蝶番
1010 透光性材料部
1011 光検出装置
1100 本体
1101 筐体
1102 表示パネル
1103 操作キー
1104 音声出力部
1105 音声入力部
1106 光検出装置
1107 光検出装置
1121 トランジスタ
1122 トランジスタ
1200 本体
1201 筐体
1202 表示部
1203 キーボード
1204 外部接続ポート
1205 ポインティングデバイス
1206 筐体
1207 支持台
1208 表示部
1300 液晶パネル
1301 筐体
1302a 基板
1302b 基板
1303 液晶層
1304a 偏光フィルタ
1304b 偏光フィルタ
1305 バックライト
1306 光検出装置
1400 リリースボタン
1401 メインスイッチ
1402 ファインダ窓
1403 フラッシュ部
1404 レンズ
1405 鏡胴
1406 筺体
1407 ファインダ接眼窓
1408 モニタ
1409 操作ボタン
2001 画素部
2002 走査線駆動回路
2003 走査線駆動回路
2004 信号線駆動回路
2005 制御部
2010 画素
2011 画素回路
2012 センサ回路
2021 走査線
2031 走査線
2041 信号線
2051 制御回路
2052 制御回路
2121 トランジスタ
2122 トランジスタ
2421 トランジスタ
2422 トランジスタ
2423 トランジスタ
2451 トランジスタ
2452 トランジスタ
2531 トランジスタ
2532 トランジスタ
2551 トランジスタ
2552 トランジスタ
4131 トランジスタ
4132 トランジスタ
4141 トランジスタ
4142 トランジスタ
4151 トランジスタ
4152 トランジスタ
5121 トランジスタ
5122 トランジスタ
5231 トランジスタ
5232 トランジスタ
5241 トランジスタ
5242 トランジスタ
5251 トランジスタ
5252 トランジスタ
9031 半導体層
9032 ゲート絶縁膜
9033 ゲート電極
9051 電極
9052 電極
9053 電極
9111 電極
9112 電極
9141 電極
9142 電極
Claims (2)
- 第1の回路と、第2の回路と、第3の回路と、を有し、
第1の回路は、光電変換素子の電流に応じた第1のダイオード素子の一方の端子の第1の電圧を出力する機能を有し、
第2の回路は、
抵抗素子の電流に応じた第2のダイオード素子の一方の端子の第2の電圧を出力する第4の回路と、
前記第1の電圧に応じた第1の信号が反転入力端子に入力され、前記第2の電圧に応じた第2の信号が非反転入力端子に入力され、第3の信号を出力する第5の回路と、
出力回路と、を有し、
前記出力回路は、
カレントミラー回路と、
ゲートに前記第3の信号が入力され、第1端子が前記カレントミラー回路に電気的に接続され、第2端子が前記第5の回路の前記反転入力端子に電気的に接続されたnチャネル型トランジスタと、
ゲートに前記第3の信号が入力され、第1端子が前記第5の回路の前記反転入力端子に電気的に接続され、第2端子が低電源電位を供給する配線に電気的に接続されたpチャネル型トランジスタと、を有し、
前記第3の回路は、前記出力回路の出力した電流に応じた周波数で発振するクロック信号を生成することができる機能と、前記クロック信号のパルスの数をカウントすることができる機能と、前記カウントされた値からデジタル信号を生成することができる機能と、を有することを特徴とする光検出装置。 - 第1の回路と、第2の回路と、第3の回路と、を有し、
第1の回路は、光電変換素子の電流に応じた第1のダイオード素子の一方の端子の第1の電圧を出力する機能を有し、
第2の回路は、
抵抗素子の電流に応じた第2のダイオード素子の一方の端子の第2の電圧を出力する第5の回路と、
前記第1の電圧に応じた第1の信号が反転入力端子に入力され、前記第2の電圧に応じた第2の信号が非反転入力端子に入力され、第3の信号を出力する第6の回路と、
出力回路と、を有し、
前記出力回路は、
カレントミラー回路と、
ゲートに前記第3の信号が入力され、第1端子が前記カレントミラー回路に電気的に接続され、第2端子が前記第6の回路の前記反転入力端子に電気的に接続されたnチャネル型トランジスタと、
ゲートに前記第3の信号が入力され、第1端子が前記第6の回路の前記反転入力端子に電気的に接続され、第2端子が低電源電位を供給する配線に電気的に接続されたpチャネル型トランジスタと、を有し、
第3の回路は、
前記出力回路の出力した電流に応じた周波数で発振する第1のクロック信号を生成することができる第7の回路と、
一定の周波数で発振する第2のクロック信号を生成することができる第8の回路と、
前記第1のクロック信号のパルスの数をカウントすることができる第9の回路と、
前記第2のクロック信号のパルスの数をカウントし、前記第9の回路における前記第1のクロック信号のパルスの数のカウント期間を設定することができる第10の回路と、
前記第1のクロック信号のカウント値をデジタル信号として保持することができる第11の回路と、を有することを特徴とする光検出装置。
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