JP2021009916A - Optical sensor - Google Patents

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Abstract

To improve the sensitivity of an optical sensor while suppressing an increase in the noise level, and improve the S/N ratio in the optical sensor.SOLUTION: An optical sensor 100 includes a semiconductor substrate 105 and a light-shielding member 150, and outputs the level of a current according to the light intensity. An opening 170 is formed in the light-shielding member 150, and is configured to partially block the light emitted to the semiconductor substrate 105. The semiconductor substrate 105 includes a first P-type layer 110 and a light receiving portion 115 formed on the first P-type layer 110 and including a first N-type layer 120. A first photodiode is formed by the first P-type layer 110 and the first N-type layer 120. When the optical sensor 100 is viewed in a plan view, the light receiving portion 115 is formed so as to be inside the opening 170, and the area of the opening 170 is more than twice the area of the light receiving portion 115.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は光センサに関し、より特定的には、光センサのS/N比を向上させるための技術に関する。 The present invention relates to an optical sensor, and more specifically, to a technique for improving the S / N ratio of the optical sensor.

入射光を電流に変換する光センサが知られている。このような光センサから出力される電流を積分することによって、光センサに入射される光の強度に比例した電圧を得ることができる。当該電圧を用いることで、入射光の照度の算出あるいは光源の種類を判別することができる。 Optical sensors that convert incident light into electric current are known. By integrating the current output from such an optical sensor, a voltage proportional to the intensity of the light incident on the optical sensor can be obtained. By using this voltage, it is possible to calculate the illuminance of the incident light or determine the type of light source.

特開2015−65357号公報(特許文献1)には、複数種類の受光素子(フォトダイオード)を同一の縦構造に集積化した受光部について、各受光素子を時分割で切換えることによって、光学指向性を改善する光センサ装置が開示されている。 According to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-65357 (Patent Document 1), a light receiving unit in which a plurality of types of light receiving elements (photodiodes) are integrated in the same vertical structure is optically oriented by switching each light receiving element in a time-divided manner. An optical sensor device that improves the performance is disclosed.

特開2015−65357号公報JP-A-2015-65357

光センサ装置においては、光の検出感度を向上させることが求められる。検出感度を上げるためには、一般的には、受光部であるフォトダイオードの面積を大きくすることが有効である。しかしながら、一方で、フォトダイオードの面積を大きくすると、フォトダイオードの寄生容量が増加してしまう。その結果、フォトダイオードにおける信号の検出レベルは上昇するものの、それとともにノイズレベルも高くなってしまい、期待通りのS/N比の改善が実現できない場合がある。 In an optical sensor device, it is required to improve the light detection sensitivity. In order to increase the detection sensitivity, it is generally effective to increase the area of the photodiode, which is the light receiving portion. However, on the other hand, if the area of the photodiode is increased, the parasitic capacitance of the photodiode increases. As a result, although the signal detection level in the photodiode rises, the noise level also rises at the same time, and the expected improvement in the S / N ratio may not be realized.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、光センサにおいて、ノイズレベルの増加を抑制しつつ光センサの感度を向上させて、光センサのS/N比を向上させることである。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to improve the sensitivity of an optical sensor while suppressing an increase in noise level in the optical sensor, and to improve the sensitivity of the optical sensor. It is to improve the N ratio.

本発明に係る光センサは、半導体基板と遮光部材とを備え、光強度に応じたレベルの電流を出力する。遮光部材には開口部が形成されており、半導体基板に照射される光を部分的に遮光するように構成される。半導体基板は、第1P型層と、第1P型層上に形成され第1N型層を含む受光部とを含む。第1P型層および第1N型層により第1フォトダイオードが形成される。光センサを平面視した場合に、受光部は開口部の内側になるように形成されており、かつ、開口部の面積は受光部の面積の2倍以上である。 The optical sensor according to the present invention includes a semiconductor substrate and a light-shielding member, and outputs a current at a level corresponding to the light intensity. An opening is formed in the light-shielding member so as to partially block the light radiated to the semiconductor substrate. The semiconductor substrate includes a first P-type layer and a light receiving portion formed on the first P-type layer and including the first N-type layer. The first photodiode is formed by the first P-type layer and the first N-type layer. When the optical sensor is viewed in a plan view, the light receiving portion is formed so as to be inside the opening, and the area of the opening is more than twice the area of the light receiving portion.

好ましくは、受光部は、第1N型層上に形成された第2P型層と、第2P型層上に形成された第2N型層とをさらに含む。第1N型層および第2P型層により第2フォトダイオードが形成される。第2P型層および第2N型層により第3フォトダイオードが形成される。 Preferably, the light receiving unit further includes a second P-type layer formed on the first N-type layer and a second N-type layer formed on the second P-type layer. The second photodiode is formed by the first N-type layer and the second P-type layer. A third photodiode is formed by the second P-type layer and the second N-type layer.

好ましくは、第1フォトダイオードは赤外線の検出に用いられる。第2フォトダイオードおよび第3フォトダイオードは可視光の検出に用いられる。 Preferably, the first photodiode is used for infrared detection. The second photodiode and the third photodiode are used to detect visible light.

好ましくは、半導体基板は、受光部と離隔して受光部の周囲を囲うように形成された第3N型層をさらに含む。第3N型層は、接地電位に接続されており、かつ、光センサを平面視した場合に遮光部材と重なるように形成されている。 Preferably, the semiconductor substrate further includes a third N-type layer formed so as to be separated from the light receiving portion and surround the light receiving portion. The third N-type layer is connected to the ground potential and is formed so as to overlap the light-shielding member when the optical sensor is viewed in a plan view.

好ましくは、半導体基板は、第3N型層と受光部との間に、受光部の周囲を囲うように形成された第4N型層をさらに含む。第4N型層は、受光部の厚みよりも薄く、かつ、接地電位に接続されている。 Preferably, the semiconductor substrate further includes a fourth N-type layer formed between the third N-type layer and the light-receiving portion so as to surround the light-receiving portion. The 4th N-type layer is thinner than the thickness of the light receiving portion and is connected to the ground potential.

本発明に係る光センサによれば、開口部によって半導体基板へ光が入射される面積が、受光部(フォトダイオード)の面積の2倍以上とされる。これにより、半導体基板において、フォトダイオードが形成される領域の周辺にも光が入射されるため、当該周辺領域で発生した電子および正孔がフォトダイオードに収集されやすくなる。すなわち、開口部の面積が狭い場合に比べて、フォトダイオードの面積が同じであっても、電子および正孔の収集効率を上げることができる。これにより、フォトダイオードの寄生容量を変化させずに感度を上げることができるので、S/N比を向上させることができる。 According to the optical sensor according to the present invention, the area where light is incident on the semiconductor substrate by the opening is set to be at least twice the area of the light receiving portion (photodiode). As a result, in the semiconductor substrate, light is incident on the periphery of the region where the photodiode is formed, so that electrons and holes generated in the peripheral region are easily collected by the photodiode. That is, the collection efficiency of electrons and holes can be improved even if the area of the photodiode is the same as in the case where the area of the opening is narrow. As a result, the sensitivity can be increased without changing the parasitic capacitance of the photodiode, so that the S / N ratio can be improved.

実施の形態1に従う光センサが適用される光センサ装置のブロック図である。It is a block diagram of the optical sensor apparatus to which the optical sensor according to Embodiment 1 is applied. 図1の光センサ装置の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation of the optical sensor device of FIG. フォトダイオードの面積とS/N比との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the area of a photodiode and the S / N ratio. 実施の形態1に従う光センサの構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the optical sensor according to Embodiment 1. FIG. 比較例の光センサの構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the optical sensor of the comparative example. 変形例に従う光センサの構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of an optical sensor which follows a modification. 図1の光センサの受光部を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the light receiving part of the optical sensor of FIG. 図7の受光部における光の波長と感度との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the wavelength of light and sensitivity in the light receiving part of FIG. 実施の形態2に従う光センサの受光部を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the light receiving part of the optical sensor according to Embodiment 2. 図9の受光部における光の波長と感度との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the wavelength of light and sensitivity in the light receiving part of FIG.

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.

[実施の形態1]
図1は、実施の形態1に従う光センサ100が適用される光センサ装置10のブロック図である。図1を参照して、光センサ装置10は、光センサ100に加えて、オペアンプOPと、スイッチSWA,SWBと、キャパシタC1とを備える。光センサ100は、フォトダイオードPDを含んでいる。フォトダイオードPDは、当該フォトダイオードPDに光が入射されると、光の強度に応じたレベルの電流(以下、「光電流」とも称する。)が流れる特性を有している。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a block diagram of an optical sensor device 10 to which the optical sensor 100 according to the first embodiment is applied. With reference to FIG. 1, the optical sensor device 10 includes an operational amplifier OP, switches SWA and SWB, and a capacitor C1 in addition to the optical sensor 100. The optical sensor 100 includes a photodiode PD. The photodiode PD has a characteristic that when light is incident on the photodiode PD, a current of a level corresponding to the intensity of the light (hereinafter, also referred to as “photocurrent”) flows.

オペアンプOPの非反転入力端子には、所定のバイアス電圧が接続される。オペアンプOPの反転入力端子と出力端子との間には、スイッチSWAとキャパシタC1が並列に接続される。すなわち、オペアンプOPは、スイッチSWAが非導通状態にされることによって、全帰還型の積分アンプとして機能し、電流−電圧変換を実行する。 A predetermined bias voltage is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP. A switch SWA and a capacitor C1 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP. That is, the operational amplifier OP functions as a full feedback type integrating amplifier by making the switch SWA non-conducting, and executes current-voltage conversion.

スイッチSWBは、互いに相補的に動作するスイッチSWB1およびスイッチSWB2とを含んで構成される。すなわち、スイッチSWB1が導通状態の場合にスイッチSWB2が非導通状態となり、スイッチSWB1が非導通状態の場合にSWB2が導通状態となる。なお、以下においては、スイッチSWB1の動作状態をスイッチSWBの動作状態として表現する。 The switch SWB includes a switch SWB1 and a switch SWB2 that operate complementarily to each other. That is, when the switch SWB1 is in the conductive state, the switch SWB2 is in the non-conducting state, and when the switch SWB1 is in the non-conducting state, the SWB2 is in the non-conducting state. In the following, the operating state of the switch SWB1 is expressed as the operating state of the switch SWB.

スイッチSWB1の一方端は、オペアンプOPの反転入力端子に接続される。スイッチSWB1の他方端はフォトダイオードPDのカソードに接続され、フォトダイオードPDのアノードは接地電位に接続される。スイッチSWB2は、フォトダイオードPDのカソードと接地電位との間に接続される。 One end of the switch SWB1 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP. The other end of the switch SWB1 is connected to the cathode of the photodiode PD, and the anode of the photodiode PD is connected to the ground potential. The switch SWB2 is connected between the cathode of the photodiode PD and the ground potential.

スイッチSWAおよびスイッチSWBは、図示されていない制御装置からの制御信号によって動作状態が切換えられる。オペアンプOPは、スイッチSWAが非導通状態にされている期間中、反転入力端子に入力される光電流を積分して、光センサ100に照射された光の強度に比例した電圧をAoutとして出力する。なお、図2には示されていないが、オペアンプOPの出力端子はA/D変換器を介して制御装置に接続されている。 The operating states of the switch SWA and the switch SWB are switched by a control signal from a control device (not shown). The operational amplifier OP integrates the optical current input to the inverting input terminal while the switch SWA is in the non-conducting state, and outputs a voltage proportional to the intensity of the light applied to the optical sensor 100 as Aout. .. Although not shown in FIG. 2, the output terminal of the operational amplifier OP is connected to the control device via an A / D converter.

図2は、図1の光センサ装置10の動作を説明するための図である。図2の横軸には、時間が示されており、縦軸にはスイッチSWA,SWBの状態、およびオペアンプOPの出力Aoutが示されている。 FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the optical sensor device 10 of FIG. The horizontal axis of FIG. 2 shows the time, and the vertical axis shows the states of the switches SWA and SWB, and the output Aout of the operational amplifier OP.

図2を参照して、時刻t0より前においては、スイッチSWAおよびスイッチSWBのいずれも導通状態である。この状態では、オペアンプOPの反転入力端子には、光センサ100からの光電流が入力されるが、スイッチSWAが導通状態であるため、オペアンプOPの出力Aoutは基準電圧(バイアス電圧)のままである(待機状態)。 With reference to FIG. 2, both the switch SWA and the switch SWB are in a conductive state before the time t0. In this state, the optical current from the optical sensor 100 is input to the inverting input terminal of the operational amplifier OP, but since the switch SWA is in a conductive state, the output Aout of the operational amplifier OP remains the reference voltage (bias voltage). Yes (standby state).

時刻t0においてスイッチSWAが非導通状態とされると、オペアンプOPは、光センサ100からの光電流を時間積分した電圧を出力Aoutに出力する。そして、所定期間が経過した時刻t1においてスイッチSWBが非導通状態にされると、当該所定期間に積分された電圧が出力される。光センサ100から出力される光電流は、光センサ100に照射される光の強度に応じた大きさとなるため、予め定められた期間においてオペアンプOPで積分された出力電圧Aoutによって、光の強度を検出することができる。 When the switch SWA is set to the non-conducting state at time t0, the operational amplifier OP outputs a voltage obtained by time-integrating the optical current from the optical sensor 100 to the output Aout. Then, when the switch SWB is put into the non-conducting state at the time t1 when the predetermined period elapses, the voltage integrated in the predetermined period is output. Since the light current output from the optical sensor 100 has a magnitude corresponding to the intensity of the light applied to the optical sensor 100, the intensity of the light is determined by the output voltage Aout integrated by the operational amplifier OP in a predetermined period. Can be detected.

なお、図2には記載されていないが、時刻t1以降において、スイッチSWA,SWBを導通状態とすることで、キャパシタC1に蓄えられている電荷が放電され、時刻t0以前のような待機状態に戻される。 Although not shown in FIG. 2, by making the switches SWA and SWB conductive after the time t1, the electric charge stored in the capacitor C1 is discharged, and the state becomes a standby state as before the time t0. Be returned.

このような構成の光センサ装置において、検出感度を上げるためには、光センサ100における出力電流を増加させること、および/または、キャパシタC1を小さくすることが必要となる。 In the optical sensor device having such a configuration, in order to increase the detection sensitivity, it is necessary to increase the output current in the optical sensor 100 and / or reduce the capacitor C1.

ここで、光センサ100における出力電流を増加させる手法としては、光センサ100に形成されるフォトダイオードPDの面積(受光面積)を大きくすることが考えられる。しかしながら、図1に破線で示されるように、光センサ100においては、接地電位との間に寄生容量C2が生じ、フォトダイオードPDの面積を大きくすると、それに伴って寄生容量C2も大きくなる。 Here, as a method of increasing the output current in the optical sensor 100, it is conceivable to increase the area (light receiving area) of the photodiode PD formed in the optical sensor 100. However, as shown by the broken line in FIG. 1, in the optical sensor 100, a parasitic capacitance C2 is generated between the optical sensor 100 and the ground potential, and when the area of the photodiode PD is increased, the parasitic capacitance C2 is also increased accordingly.

ここで、キャパシタC1の容量を一定と仮定した場合、フォトダイオードPDの寄生容量C2が大きくなると、C1/C2で表わされる帰還率が低下することになる。積分アンプのクローズドループゲインは帰還率にほぼ反比例するため、帰還率が低下すると積分アンプのクローズドループゲインが大きくなる。その結果、オペアンプOPの感度は増加するものの、オペアンプOPの出力電圧のノイズ成分も大きくなってしまうので、フォトダイオードPDのS/N比を思うように改善できない可能性がある。 Here, assuming that the capacitance of the capacitor C1 is constant, as the parasitic capacitance C2 of the photodiode PD increases, the feedback rate represented by C1 / C2 decreases. Since the closed loop gain of the integrating amplifier is almost inversely proportional to the feedback rate, the closed loop gain of the integrating amplifier increases as the feedback rate decreases. As a result, although the sensitivity of the operational amplifier OP increases, the noise component of the output voltage of the operational amplifier OP also increases, so that the S / N ratio of the photodiode PD may not be improved as desired.

図3は、フォトダイオードPDの面積とS/N比との関係を概念的に説明するための図である。図3においては、横軸にフォトダイオードPDの面積示され、縦軸にはS/N比が示される。なお、図3において、破線LN10は理想的な場合のフォトダイオードPDの面積とS/N比との関係を示しており、実線LN11は実際のフォトダイオードPDの面積とS/N比との関係を示している。 FIG. 3 is a diagram for conceptually explaining the relationship between the area of the photodiode PD and the S / N ratio. In FIG. 3, the horizontal axis shows the area of the photodiode PD, and the vertical axis shows the S / N ratio. In FIG. 3, the broken line LN10 shows the relationship between the area of the photodiode PD and the S / N ratio in an ideal case, and the solid line LN11 shows the relationship between the area of the actual photodiode PD and the S / N ratio. Is shown.

図3を参照して、フォトダイオードPDの面積が大きくなると、それに伴って、光強度に対する光センサ100の出力電流が増加するため、光センサ100の検出感度が増加する。フォトダイオードPDの寄生容量C2が変化しない理想の場合(破線LN10)には、フォトダイオードPDの面積の拡大とともにS/N比も大きく向上する。 With reference to FIG. 3, as the area of the photodiode PD increases, the output current of the optical sensor 100 with respect to the light intensity increases, so that the detection sensitivity of the optical sensor 100 increases. In the ideal case where the parasitic capacitance C2 of the photodiode PD does not change (broken line LN10), the S / N ratio is greatly improved as the area of the photodiode PD is increased.

しかしながら、上記のように、実際には、フォトダイオードPDの面積の拡大に伴ってフォトダイオードPDの寄生容量C2も大きくなってしまうため、オペアンプOPの出力Aoutにおけるノイズレベルも高くなってしまう。これにより、実際のS/N比の改善量(実線LN11)は理想の場合(破線LN10)よりも小さくなってしまう。 However, as described above, in reality, as the area of the photodiode PD increases, the parasitic capacitance C2 of the photodiode PD also increases, so that the noise level at the output Aout of the operational amplifier OP also increases. As a result, the actual amount of improvement in the S / N ratio (solid line LN11) becomes smaller than in the ideal case (broken line LN10).

すなわち、S/N比の改善量を理想の状態に近づけるためには、フォトダイオードPDの寄生容量C2を増加させずに、フォトダイオードPDの出力電流を増加させることが必要となる。 That is, in order to bring the improvement amount of the S / N ratio closer to the ideal state, it is necessary to increase the output current of the photodiode PD without increasing the parasitic capacitance C2 of the photodiode PD.

そこで、本実施の形態1においては、光センサにおいて、フォトダイオード(受光部)が形成される半導体基板上において、フォトダイオードの周囲の光が照射される領域を拡大する構成を採用する。これによって、フォトダイオードの面積が同じ場合であっても、その周囲の半導体基板の領域において、照射される光によって発生する電子および正孔が増加し、フォトダイオードに取り込まれる確率が高くなる。その結果、フォトダイオードの面積を拡大することなく(すなわち、フォトダイオードの寄生容量を増加させることなく)、同じ光強度におけるフォトダイオードの出力電流が増加することになる。したがって、光センサ装置のS/N比を改善することが可能となる。 Therefore, in the first embodiment, in the optical sensor, a configuration is adopted in which the region where the light around the photodiode is irradiated is expanded on the semiconductor substrate on which the photodiode (light receiving portion) is formed. As a result, even if the area of the photodiode is the same, the electrons and holes generated by the irradiated light increase in the region of the semiconductor substrate around the photodiode, and the probability of being incorporated into the photodiode increases. As a result, the output current of the photodiode at the same light intensity increases without increasing the area of the photodiode (ie, without increasing the parasitic capacitance of the photodiode). Therefore, it is possible to improve the S / N ratio of the optical sensor device.

図4は、実施の形態1に従う光センサ100の構造を説明するための図である。図4においては、上段の図4(a)に光センサ100の平面図が示されており、下段の図4(b)に図4(a)の線IV−IVにおける断面図が示されている。 FIG. 4 is a diagram for explaining the structure of the optical sensor 100 according to the first embodiment. In FIG. 4, a plan view of the optical sensor 100 is shown in FIG. 4A in the upper row, and a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 4A is shown in FIG. 4B in the lower row. There is.

図4を参照して、光センサ100は、半導体基板105と、半導体基板105の主面を覆うように配置された遮光部材150とを備える。 With reference to FIG. 4, the optical sensor 100 includes a semiconductor substrate 105 and a light-shielding member 150 arranged so as to cover the main surface of the semiconductor substrate 105.

半導体基板105は、たとえばシリコンで形成されており、P型層110の基板の表面にN型層120が形成されている。N型層120は、光センサ100を平面視した場合に略正方形の形状を有している。P型層110とN型層120との間のPN接合面によってフォトダイオードPDが形成される。すなわち、実施の形態1においては、N型層120の部分が受光部115に対応する。 The semiconductor substrate 105 is made of, for example, silicon, and the N-type layer 120 is formed on the surface of the substrate of the P-type layer 110. The N-type layer 120 has a substantially square shape when the optical sensor 100 is viewed in a plan view. The photodiode PD is formed by the PN junction surface between the P-type layer 110 and the N-type layer 120. That is, in the first embodiment, the portion of the N-type layer 120 corresponds to the light receiving portion 115.

P型層110の基板の表面において、N型層120と離隔して受光部115(N型層120)の周囲を囲うようにN型層130が形成されている。図示されていないが、N型層130は接地電極に接続されている。さらに、N型層130を取り囲むように、回路層140が形成されている。回路層140は必須の構成ではないが、たとえば図1に示したスイッチSWA,SWBあるいはオペアンプOPなどが形成されてもよい。N型層130の厚みは、N型層120と同等の厚みとされる。N型層130は、受光部115と回路層140とを絶縁するための遮蔽壁としても機能を有する。 On the surface of the substrate of the P-type layer 110, the N-type layer 130 is formed so as to be separated from the N-type layer 120 and surround the light receiving portion 115 (N-type layer 120). Although not shown, the N-type layer 130 is connected to a ground electrode. Further, a circuit layer 140 is formed so as to surround the N-type layer 130. Although the circuit layer 140 is not an essential configuration, for example, the switches SWA, SWB, the operational amplifier OP, and the like shown in FIG. 1 may be formed. The thickness of the N-type layer 130 is the same as that of the N-type layer 120. The N-type layer 130 also functions as a shielding wall for insulating the light receiving portion 115 and the circuit layer 140.

遮光部材150は、たとえばアルミニウムなどの材料を用いて形成される。遮光部材150には、略正方形の形状を有する開口部170が形成されている。開口部170は、光センサ100を平面視した場合に、受光部115が開口部170の内部の領域となるように、かつ、N型層130および回路層140が遮光部材150に覆われるように配置される。 The light-shielding member 150 is formed by using a material such as aluminum. The light-shielding member 150 is formed with an opening 170 having a substantially square shape. The opening 170 is arranged so that the light receiving portion 115 becomes an internal region of the opening 170 and the N-shaped layer 130 and the circuit layer 140 are covered with the light shielding member 150 when the optical sensor 100 is viewed in a plan view. Be placed.

図4に示されるように、半導体基板105の表面において、受光部115と遮光部材150との間には、半導体基板105のP型層110が露出した部分が存在する。ここで、光センサ100を平面視した場合において、開口部170の面積は受光部115の面積の2倍以上となっている。 As shown in FIG. 4, on the surface of the semiconductor substrate 105, there is a portion where the P-shaped layer 110 of the semiconductor substrate 105 is exposed between the light receiving portion 115 and the light shielding member 150. Here, when the optical sensor 100 is viewed in a plan view, the area of the opening 170 is more than twice the area of the light receiving portion 115.

このような光センサ100に光が照射されると、遮光部材150によって、開口部170の内側の半導体基板105の領域のみに光が入射する。このとき、P型層110の表面から所定の深さの範囲で、入射光によって電子160および/または正孔165が発生する。発生した電子160および/または正孔165は、N型層120あるいはN型層130に収集され、それによってP型層110から各N型層へ電流が流れる。 When the light sensor 100 is irradiated with light, the light shielding member 150 causes the light to enter only the region of the semiconductor substrate 105 inside the opening 170. At this time, electrons 160 and / or holes 165 are generated by the incident light within a range of a predetermined depth from the surface of the P-type layer 110. The generated electrons 160 and / or holes 165 are collected in the N-type layer 120 or the N-type layer 130, whereby a current flows from the P-type layer 110 to each N-type layer.

ここで、P型層110において、開口部170の下部の領域AR1で発生した電子160および/または正孔165は、主にフォトダイオードPDを形成するN型層120によって収集される。また、遮光部材150の下部の領域AR2で発生した電子160および/または正孔165は、主に接地電位に接続されるN型層130によって収集される。 Here, in the P-type layer 110, the electrons 160 and / or holes 165 generated in the region AR1 below the opening 170 are mainly collected by the N-type layer 120 forming the photodiode PD. Further, the electrons 160 and / or holes 165 generated in the region AR2 below the light-shielding member 150 are mainly collected by the N-type layer 130 connected to the ground potential.

図5は比較例に従う光センサ100#の構造を説明するための図である。図5において、上段の図5(a)に光センサ100#の平面図が示されており、下段の図5(b)に図5(a)の線V−Vにおける断面図が示されている。 FIG. 5 is a diagram for explaining the structure of the optical sensor 100 # according to the comparative example. In FIG. 5, a plan view of the optical sensor 100 # is shown in FIG. 5 (a) in the upper row, and a sectional view taken along line VV of FIG. 5 (a) is shown in FIG. 5 (b) in the lower row. There is.

図5を参照して、比較例の光センサ100#に形成される受光部115の面積は、実施の形態1の場合と同じである。光センサ100#においては、受光部115と受光部115の周囲に形成されるN型層130#との間の離隔距離は、図4の実施の形態1よりも短く、それに伴って遮光部材150の開口部170の開口幅RCV2も、実施の形態1における開口幅RCV1よりも狭くなっている。そのため、比較例と実施の形態1とを比較すると、主にフォトダイオードPDを形成するN型層120によって収集される電子160および/または正孔165を発生させる領域AR1の体積は、比較例よりも実施の形態1のほうが大きい。すなわち、領域AR1において発生する電子160および/または正孔165の量は、比較例に比べて実施の形態1の方が多くなる。したがって、同じ強度の光が光センサ100に照射された場合に、実施の形態1の方が比較例に比べて発生する電流が多くなるので、光センサ100の感度が向上する。 With reference to FIG. 5, the area of the light receiving portion 115 formed on the optical sensor 100 # of the comparative example is the same as that of the first embodiment. In the optical sensor 100 #, the separation distance between the light receiving portion 115 and the N-shaped layer 130 # formed around the light receiving portion 115 is shorter than that in the first embodiment of FIG. The opening width RCV2 of the opening 170 is also narrower than the opening width RCV1 in the first embodiment. Therefore, when the comparative example and the first embodiment are compared, the volume of the region AR1 that generates the electrons 160 and / or the holes 165 mainly collected by the N-type layer 120 forming the photodiode PD is larger than that of the comparative example. Also, the first embodiment is larger. That is, the amount of electrons 160 and / or holes 165 generated in the region AR1 is larger in the first embodiment than in the comparative example. Therefore, when the optical sensor 100 is irradiated with light of the same intensity, the current generated in the first embodiment is larger than that in the comparative example, so that the sensitivity of the optical sensor 100 is improved.

一方で、上述のように受光部115であるフォトダイオードPDの面積については、実施の形態1の場合も比較例の場合も同じであるため、フォトダイオードPDの寄生容量C2は実質的に同じである。このように、実施の形態1の光センサ100においては、比較例と比べると、フォトダイオードPDの寄生容量C2を変化させずに、フォトダイオードPDの感度を上げることができるので、S/N比を効果的に向上させることができる。 On the other hand, as described above, the area of the photodiode PD, which is the light receiving portion 115, is the same in both the first embodiment and the comparative example, so that the parasitic capacitance C2 of the photodiode PD is substantially the same. is there. As described above, in the optical sensor 100 of the first embodiment, as compared with the comparative example, the sensitivity of the photodiode PD can be increased without changing the parasitic capacitance C2 of the photodiode PD, so that the S / N ratio can be increased. Can be effectively improved.

(変形例)
図6は、変形例に従う光センサ100Aの構造を説明するための図である。図6において、上段の図6(a)に光センサ100Aの平面図が示されており、下段の図6(b)に図6(a)の線VI−VIにおける断面図が示されている。
(Modification example)
FIG. 6 is a diagram for explaining the structure of the optical sensor 100A according to the modified example. In FIG. 6, a plan view of the optical sensor 100A is shown in FIG. 6 (a) in the upper row, and a sectional view taken along line VI-VI of FIG. 6 (a) is shown in FIG. 6 (b) in the lower row. ..

変形例においては、実施の形態1の光センサ100と同様に、遮光部材150の開口部170の面積が受光部115の面積の2倍以上とされている。しかしながら、変形例においては、光センサ100Aを平面視した場合に、開口部170の内部の受光部115以外の領域に、N型層130Aが配置された構成となっている。N型層130Aは遮光部材150の下部に位置するN型層130と接続されており、N型層130Aの厚みはN型層130よりも薄くされている。 In the modified example, the area of the opening 170 of the light-shielding member 150 is more than twice the area of the light-receiving portion 115, as in the optical sensor 100 of the first embodiment. However, in the modified example, when the optical sensor 100A is viewed in a plan view, the N-type layer 130A is arranged in a region other than the light receiving portion 115 inside the opening 170. The N-type layer 130A is connected to the N-type layer 130 located below the light-shielding member 150, and the thickness of the N-type layer 130A is thinner than that of the N-type layer 130.

変形例の光センサ100Aにおいては、開口部170の下部のP型層110の表層部分で発生した電子160および/または正孔165は、フォトダイオードPDを形成するN型層120よりもN型層130Aにより収集されやすくなる。そのため、N型層120においては、半導体基板105Aの表面よりもやや内部の領域AR1Aで発生した電子160および/または正孔165が収集されることになる。 In the modified example optical sensor 100A, the electrons 160 and / or holes 165 generated in the surface layer portion of the P-type layer 110 below the opening 170 are N-type layers rather than the N-type layer 120 forming the photodiode PD. 130A makes it easier to collect. Therefore, in the N-type layer 120, electrons 160 and / or holes 165 generated in the region AR1A slightly inside the surface of the semiconductor substrate 105A are collected.

ここで、P型層110内において電子160および/または正孔165が発生する基板表面からの位置(深さ)は、照射される光の波長によって異なることが知られている。具体的には、照射される光の波長が短いほどP型層110の浅い位置で電子の励起が生じ、光の波長が長くなるとより深い位置で電子の励起が生じる。そのため、変形例のように、光の照射領域(開口部170の内部)の受光部115以外の部分に、接地電位に接続されたN型層130Aを形成することによって、赤外線のような比較的波長の長い光の感度を上げつつ、可視光のような比較的波長の短い光の感度を抑えることができる。なお、感度を下げたい光の波長に応じて、N型層130Aの厚みを適宜調整することができる。 Here, it is known that the position (depth) from the substrate surface where electrons 160 and / or holes 165 are generated in the P-type layer 110 differs depending on the wavelength of the irradiated light. Specifically, the shorter the wavelength of the irradiated light, the more the excitation of electrons occurs at the shallow position of the P-type layer 110, and the longer the wavelength of light, the more the excitation of electrons occurs at the deeper position. Therefore, as in the modified example, by forming the N-type layer 130A connected to the ground potential in the portion other than the light receiving portion 115 of the light irradiation region (inside the opening 170), it is relatively like infrared rays. While increasing the sensitivity of light having a long wavelength, it is possible to suppress the sensitivity of light having a relatively short wavelength such as visible light. The thickness of the N-type layer 130A can be appropriately adjusted according to the wavelength of light for which sensitivity is desired to be lowered.

[実施の形態2]
実施の形態1においては、受光部に形成されるフォトダイオードが1つである例について説明した。実施の形態2においては、受光部に複数のフォトダイオードを形成し、入射光に含まれる複数の波長の光の感度を検出する例について説明する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, an example in which one photodiode is formed in the light receiving portion has been described. In the second embodiment, an example in which a plurality of photodiodes are formed in the light receiving portion and the sensitivities of light of a plurality of wavelengths included in the incident light are detected will be described.

図7は、実施の形態1における光センサ100の受光部115を説明するための図である。上述のように、光センサ100においては、P型層110上に1つのN型層120が形成された構成となっており、当該N型層130が受光部115に対応している。この場合には、P型層110とN型層130との接合面において、フォトダイオードPDが形成される。 FIG. 7 is a diagram for explaining the light receiving unit 115 of the optical sensor 100 according to the first embodiment. As described above, the optical sensor 100 has a configuration in which one N-type layer 120 is formed on the P-type layer 110, and the N-type layer 130 corresponds to the light receiving portion 115. In this case, the photodiode PD is formed at the junction surface between the P-type layer 110 and the N-type layer 130.

図8は、図7の受光部115における光の波長と感度との関係を説明するための図である。上述のように光の波長によって、P型層110内で電子が励起される位置(深さ)が異なる。図7の受光部115においては、形成されるフォトダイオードが1つであり、P型層110の浅い位置で発生した電子および/または正孔、およびP型層110の深い位置で発生した電子および/または正孔が収集される。そのため、図8の実線L20に示されるように、可視光領域の波長の光も、赤外線領域の波長の光も検出されてしまう。このような光センサでは、入射光に含まれる複数の光の強度を検出することはできない。 FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the wavelength of light and the sensitivity of the light receiving unit 115 of FIG. 7. As described above, the position (depth) at which electrons are excited in the P-type layer 110 differs depending on the wavelength of light. In the light receiving unit 115 of FIG. 7, one photodiode is formed, and electrons and / or holes generated at a shallow position of the P-type layer 110, and electrons and / or holes generated at a deep position of the P-type layer 110. / Or holes are collected. Therefore, as shown by the solid line L20 in FIG. 8, both the light having a wavelength in the visible light region and the light having a wavelength in the infrared region are detected. With such an optical sensor, it is not possible to detect the intensities of a plurality of lights contained in the incident light.

図9は、実施の形態2に従う光センサ100Bの受光部115Bを説明するための図である。光センサ100Bの半導体基板105Bにおいては、P型層110上にN型層121が形成され、当該N型層121上にP型層122が形成され、さらにP型層122上にN型層123が形成されている。なお、図9に示された部分以外の構成は、実施の形態1の図4と同様であり、重複する要素の説明は繰り返さない。 FIG. 9 is a diagram for explaining a light receiving unit 115B of the optical sensor 100B according to the second embodiment. In the semiconductor substrate 105B of the optical sensor 100B, the N-type layer 121 is formed on the P-type layer 110, the P-type layer 122 is formed on the N-type layer 121, and the N-type layer 123 is further formed on the P-type layer 122. Is formed. The configuration other than the portion shown in FIG. 9 is the same as that in FIG. 4 of the first embodiment, and the description of the overlapping elements will not be repeated.

このような構成により、P型層110とN型層121との接合面においてフォトダイオードPDAが形成され、N型層121とP型層122との接合面においてフォトダイオードPDBが形成され、P型層122とN型層123との接合面においてフォトダイオードPDCが形成される。なお、実施の形態2においては、N型層121、P型層122およびN型層123の部分が受光部115Bに対応する。 With such a configuration, a photodiode PDA is formed on the junction surface between the P-type layer 110 and the N-type layer 121, and a photodiode PDB is formed on the junction surface between the N-type layer 121 and the P-type layer 122, and the P-type is formed. A photodiode PDC is formed at the junction surface between the layer 122 and the N-type layer 123. In the second embodiment, the N-type layer 121, the P-type layer 122, and the N-type layer 123 correspond to the light receiving portion 115B.

実施の形態2の受光部115Bにおいては、P型層およびN型層が半導体基板105Bの異なる深さに形成されている。このため、各フォトダイオードで収集される電子および/または正孔は、対応する深さの電子を励起する光の強度に対応することになる。 In the light receiving portion 115B of the second embodiment, the P-type layer and the N-type layer are formed at different depths of the semiconductor substrate 105B. Therefore, the electrons and / or holes collected by each photodiode correspond to the intensity of light that excites the electrons of the corresponding depth.

図10は、図9の受光部115Bで検出される光の波長と感度との関係を説明するための図である。図10を参照して、P型層110およびN型層121で形成されるフォトダイオードPDAは最も深い位置に形成されているため、比較的波長の長い赤外線領域の光に対する感度が高くなる(実線L30)。 FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the wavelength of light detected by the light receiving unit 115B of FIG. 9 and the sensitivity. With reference to FIG. 10, since the photodiode PDA formed by the P-type layer 110 and the N-type layer 121 is formed at the deepest position, the sensitivity to light in the infrared region having a relatively long wavelength is high (solid line). L30).

一方で、N型層121およびP型層122で形成されるフォトダイオードPDB、ならびに、P型層122およびN型層123で形成されるフォトダイオードPDCは、いずれも相対的に波長の短い可視光領域の光に対する感度が高くなる(一点鎖線L31,破線L32)。その中でも、フォトダイオードPDCの感度はより短波長側の光に対する感度が高くなる(破線L32)。 On the other hand, the photodiode PDB formed by the N-type layer 121 and the P-type layer 122 and the photodiode PDC formed by the P-type layer 122 and the N-type layer 123 are both visible light having a relatively short wavelength. The sensitivity of the region to light is increased (single-point chain line L31, broken line L32). Among them, the sensitivity of the photodiode PDC becomes higher with respect to light on the shorter wavelength side (broken line L32).

実施の形態2の光センサ装置においては、各フォトダイオードに対して図1で示したような積分回路が形成され、各フォトダイオードで検出された光の強度が個別に検出される。 In the optical sensor device of the second embodiment, an integration circuit as shown in FIG. 1 is formed for each photodiode, and the intensity of light detected by each photodiode is individually detected.

このように、実施の形態2の光センサにおいては、受光部に複数のP型層およびN型層を形成することにより複数のフォトダイオードが形成され、各フォトダイオードの出力を個別に検出することによって、異なる波長の光の強度を検出することが可能となる。そして、実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、遮光部材の開口部の面積を受光部の面積の2倍以上にすることによって、S/N比を向上させることができる。 As described above, in the optical sensor of the second embodiment, a plurality of photodiodes are formed by forming a plurality of P-type layers and N-type layers in the light receiving portion, and the output of each photodiode is detected individually. This makes it possible to detect the intensity of light having different wavelengths. Further, also in the second embodiment, the S / N ratio can be improved by making the area of the opening of the light-shielding member more than twice the area of the light-receiving portion, as in the first embodiment.

なお、上記の実施の形態における「P型層110」および「P型層122」は、本発明における「第1P型層」および「第2P型層」にそれぞれ対応する。また、実施の形態における「N型層120」および「N型層121」は、いずれも本発明における「第1N型層」に対応する。また、実施の形態における「N型層123」,「N型層130」,「N型層130A」は、本発明における「第2N型層」,「第3N型層」,「第4N型層」にそれぞれ対応する。また、実施の形態における「フォトダイオードPD」および「フォトダイオードPDA」は、いずれも本発明の「第1フォトダイオード」に対応する。さらに、実施の形態における「フォトダイオードPDB」および「フォトダイオードPDC」は、本発明における「第2フォトダイオード」および「第3フォトダイオード」にそれぞれ対応する。 The "P-type layer 110" and "P-type layer 122" in the above-described embodiment correspond to the "first P-type layer" and "second P-type layer" in the present invention, respectively. Further, the "N-type layer 120" and the "N-type layer 121" in the embodiment both correspond to the "first N-type layer" in the present invention. Further, the "N-type layer 123", "N-type layer 130", and "N-type layer 130A" in the embodiment are the "second N-type layer", "third N-type layer", and "fourth N-type layer" in the present invention. Corresponds to each. Further, the "photodiode PD" and the "photodiode PDA" in the embodiment both correspond to the "first photodiode" of the present invention. Further, the "photodiode PDB" and the "photodiode PDC" in the embodiment correspond to the "second photodiode" and the "third photodiode" in the present invention, respectively.

今回開示された実施の形態は、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。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered as exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is shown by the claims rather than the description of the embodiments described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.

10 光センサ装置、100,100A,100B 光センサ、105,105A,105B,105# 半導体基板、110,122 P型層、115,115B 受光部、120,121,123,130,130A,130# N型層、140 回路層、150 遮光部材、160 電子、165 正孔、170 開口部、AR1,AR1A,AR2,AR2A 領域、C1 キャパシタ、C2 寄生容量、OP オペアンプ、PD,PDA〜PDC フォトダイオード、SWA,SWB,SWB1,SWB2 スイッチ。 10 Optical sensor device, 100, 100A, 100B Optical sensor, 105, 105A, 105B, 105 # Semiconductor substrate, 110, 122 P-type layer, 115, 115B Receiver, 120, 121, 123, 130, 130A, 130 # N Mold layer, 140 circuit layer, 150 shading member, 160 electrons, 165 holes, 170 openings, AR1, AR1A, AR2, AR2A region, C1 capacitor, C2 parasitic capacitance, OP operational amplifier, PD, PDA to PDC photodiode, SWA , SWB, SWB1, SWB2 switches.

Claims (5)

光強度に応じたレベルの電流を出力する光センサであって、
半導体基板と、
開口部が形成されており、前記半導体基板に照射される光を部分的に遮光するように構成された遮光部材とを備え、
前記半導体基板は、
第1P型層と、
前記第1P型層上に形成され、第1N型層を含む受光部とを含み、
前記第1P型層および前記第1N型層により第1フォトダイオードが形成され、
前記光センサを平面視した場合に、前記受光部は前記開口部の内側になるように形成されており、かつ、前記開口部の面積は前記受光部の面積の2倍以上である、光センサ。
An optical sensor that outputs a level of current according to the light intensity.
With a semiconductor substrate
An opening is formed, and the semiconductor substrate is provided with a light-shielding member configured to partially block light emitted from the semiconductor substrate.
The semiconductor substrate is
1st P type layer and
A light receiving portion formed on the first P-type layer and including the first N-type layer is included.
A first photodiode is formed by the first P-type layer and the first N-type layer.
When the optical sensor is viewed in a plan view, the light receiving portion is formed so as to be inside the opening, and the area of the opening is at least twice the area of the light receiving portion. ..
前記受光部は、
前記第1N型層上に形成された第2P型層と、
前記第2P型層上に形成された第2N型層とをさらに含み、
前記第1N型層および前記第2P型層により第2フォトダイオードが形成され、
前記第2P型層および前記第2N型層により第3フォトダイオードが形成される、請求項1に記載の光センサ。
The light receiving part is
The second P-type layer formed on the first N-type layer and
Further including a second N-type layer formed on the second P-type layer,
A second photodiode is formed by the first N-type layer and the second P-type layer.
The optical sensor according to claim 1, wherein a third photodiode is formed by the second P-type layer and the second N-type layer.
前記第1フォトダイオードは赤外線の検出に用いられ、
前記第2フォトダイオードおよび前記第3フォトダイオードは、可視光の検出に用いられる、請求項2に記載の光センサ。
The first photodiode is used for infrared detection and
The optical sensor according to claim 2, wherein the second photodiode and the third photodiode are used for detecting visible light.
前記半導体基板は、前記受光部と離隔して前記受光部の周囲を囲うように形成された第3N型層をさらに含み、
前記第3N型層は、接地電位に接続されており、かつ、前記光センサを平面視した場合に前記遮光部材と重なるように形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光センサ。
The semiconductor substrate further includes a third N-type layer formed so as to be separated from the light receiving portion and surround the light receiving portion.
The third N-type layer is connected to a ground potential and is formed so as to overlap the light-shielding member when the optical sensor is viewed in a plan view, according to any one of claims 1 to 3. Optical sensor.
前記半導体基板は、前記第3N型層と前記受光部との間に、前記受光部の周囲を囲うように形成された第4N型層をさらに含み、
前記第4N型層は、前記受光部の厚みよりも薄く、かつ、前記接地電位に接続されている、請求項4に記載の光センサ。
The semiconductor substrate further includes a fourth N-type layer formed between the third N-type layer and the light-receiving portion so as to surround the light-receiving portion.
The optical sensor according to claim 4, wherein the 4N type layer is thinner than the thickness of the light receiving portion and is connected to the ground potential.
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