JP2023124978A - Photosensor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、光センサに関する。 TECHNICAL FIELD This disclosure relates to optical sensors.
特開平7-30143号公報(特許文献1)には、光センサが開示されている。この光センサでは、P型基板に、N+層が設けられている。この光センサでは、N+層が、電気的ノイズを除去する電磁シールドの役割を果たす。 JP-A-7-30143 (Patent Document 1) discloses an optical sensor. In this optical sensor, an N+ layer is provided on a P-type substrate. In this optical sensor, the N+ layer serves as an electromagnetic shield to remove electrical noise.
光センサにおいては、電気的ノイズの除去性能を向上させるニーズがある。
本開示は、上記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、電気的ノイズの除去性能を向上させる光センサを提供することである。
In optical sensors, there is a need to improve electrical noise removal performance.
The present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide an optical sensor that improves electrical noise removal performance.
本開示の光センサは、半導体基板と、第1半導体層と、第2半導体層と、第3半導体層とを備える。第1半導体層は、半導体基板に配置され、第1導電型とは異なる第2導電型である。第2半導体層は、第1半導体層に配置され、第1導電型である。第3半導体層は、第2半導体層に配置され、第2半導体層よりもインピーダンスが低い。第3半導体層は、接地されている。 The optical sensor of the present disclosure includes a semiconductor substrate, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer. The first semiconductor layer is disposed on the semiconductor substrate and has a second conductivity type different from the first conductivity type. The second semiconductor layer is disposed on the first semiconductor layer and is of the first conductivity type. The third semiconductor layer is disposed on the second semiconductor layer and has lower impedance than the second semiconductor layer. The third semiconductor layer is grounded.
本開示によれば、電気的ノイズの除去性能を向上させることができる。 According to the present disclosure, electrical noise removal performance can be improved.
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。 Embodiments of the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are attached to the same or corresponding parts in the drawings, and the description thereof will not be repeated.
<第1の実施の形態>
[光センサについて]
図1は、光センサ1の構成例を示すブロック図である。図1に示すように、光センサ1は、受光部10、アンプ部15と、ADC30、演算部40、オシレータ(Oscillator)61と、外部端子21とを備える。光センサ1は、受光部10、アンプ部15、ADC30、および演算部40が1つの半導体基板に形成された半導体集積回路である。
<First embodiment>
[About the optical sensor]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the
受光部10は、第1フォトダイオード101と、第2フォトダイオード102とを含む。第1フォトダイオード101と、第2フォトダイオード102とは、まとめて「フォトダイオード」とも称される。フォトダイオードは、光が照射されると、該光の照射量に応じた電流または電圧を発生させ、該電流または電圧に応じたアナログ信号を出力する。アナログ信号は、第1フォトダイオード101からアナログ信号と、第2フォトダイオード102からのアナログ信号とは統合されてアンプ部15に入力される。
The
アンプ部15は、統合されたアナログ信号を増幅することにより、増幅信号を生成する。なお、アンプ部15は、たとえば、そのゲインを任意に調整することのできるPGA[programmable gain amplifier]などが用いられる。アンプ部15からの増幅信号は、ADC30に出力される。
The
ADC(Analog-to-digital converter)30は、たとえば、積分形のアナログ/デジタル変換回路である。アンプ部15は、ADC30に電気的に接続されている。ADC30は、アンプ部15からのアナログ信号(増幅信号)をデジタル信号に変換する。
The ADC (Analog-to-digital converter) 30 is, for example, an integral type analog/digital conversion circuit. The
演算部40は、例えばLSI(Large Scale Integration)などの集積回路からなり、トランジスタ、キャパシタ、レジスタなどの各種回路素子を含む。演算部40は、ADC30からのデジタル信号を受信する。演算部40は、これらのデジタル信号に基づいた数値を用いて、所定の光パラメータを算出する。所定の光パラメータは、たとえば、照度、光の強度、および光の輝度などのいずれかである。演算部40は、本開示の「検出回路」に対応する。このように、光センサ1は、第1フォトダイオード101からの信号に基づく値と、第2フォトダイオード102からの信号に基づく値との合算値により、光パラメータを算出する。
The
光センサ1は、外部端子21を経由して電源端子(VCC)に接続されている。また、光センサ1は、外部端子21を経由してグランド(GND)に接地されている。光センサ1は、外部端子21に印可された電圧を昇圧又は降圧して所定の電圧を生成し、受光部10,ADC30、および演算部40などに電圧を供給する。
The
演算部40は、制御回路170と、外部端子21を経由して通信線で接続されている。図1の例では、通信線は、シリアルデータバス(SDA:Serial Data Access)と、シリアルクロック(SCL:Serial CLock)とにより構成される。演算部40は、通信線を経由して、演算した照度を示す信号を制御回路170へ出力する。制御回路170は、光パラメータを受信することにより、該光パラメータに応じた制御を実行する。オシレータ61は、所定周波数でパルス駆動されるクロック信号を生成し、該クロック信号を演算部40に出力する。
The
[受光部の構成]
次に、受光部10を説明する。図2は、本実施の形態の受光部10の断面図である。受光部10は、受光面150を有する。光センサ1は、受光面150に入射した光を検出し、上述の光パラメータを算出する。本実施の形態では、受光面150をXY平面とする。また、光センサ1の厚み方向(受光面150の法線方向)をZ軸方向とする。また、X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向は互いに直交する。
[Configuration of light receiving section]
Next, the
光センサ1は、P型基板120を有している。P型基板120は、本開示の「半導体基板」の一例に対応する。また、P型は、本開示の「第1導電型」の一例に対応する。P型基板120は、たとえば、シリコンにP型不純物がドーピングされた基板である。Z軸方向は、「P型基板120の厚み方向」と称されてもよい。
The
P型基板120の表層部には、受光面150の法線方向からの平面視において、P型基板の周縁から所定幅を隔てた内側の領域に、P型基板の表面からN型不純物をドーピングすることによって、N層121が埋設(形成)されている。このように、P型基板120上には、N層121が配置される。また、N型は、本開示の「第2導電型」の一例に対応する。第2導電型は第1導電型とは異なる。
In the surface layer of the P-
N層121の表層部には、受光面150の法線方向からの平面視において、N層121の周縁から間隔を隔てた内側の領域に、N層121の表面からP型不純物をドーピングすることによって、P層122が埋設(形成)されている。このように、N層121上には、P層122が配置される。P層122は、本開示の「第2半導体層」に対応する。
In the surface layer portion of the
P層122の表層部には、受光面150の法線方向からの平面視において、P層122の周縁から間隔を隔てた内側の領域に、P層122の表面からP型不純物をドーピングすることによって、P+層123が埋設(形成)されている。このように、P層122上には、P+層123が配置される。P+層123は、本開示の「第3半導体層」に対応する。
In the surface layer portion of the
また、P+層123のインピーダンスは、P層122のインピーダンスよりも低い。つまり、P+層123のP型不純物濃度は、P層122のP型不純物濃度よりも高い。よって、P+層123の導電性は高い。さらに、P+層123は、グランド104に接続されている。つまり、P+層123は接地されている。なお、本開示において、「+」は、不純物濃度が濃い、つまり、インピーダンスが低い半導体層を示す。
Further, the impedance of the
図2の例では、P+層123の表面が受光面150と一致している、つまり、P+層123の表面に光が入射する構成が示されている。たとえば、P+層123の表面には防護層が形成されてもよい。また、N層、P層については、それぞれ、N層ウェル、P層ウェルと称されてもよい。
The example in FIG. 2 shows a configuration in which the surface of the
P型基板120とN層121とのPN接合部により、第1フォトダイオード101が形成される。また、N層121とP層122とのPN接合部により、第2フォトダイオード102が形成される。
The
また、受光面150からの該フォトダイオードの形成位置が浅いほど、該ダイオードにおいて、短い波長の光を効率よく吸収される。したがって、第1フォトダイオード101で検出される光の波長は、第2フォトダイオード102で検出される光の波長よりも短い。
Further, the shallower the formation position of the photodiode from the
このような構成の場合において、電磁ノイズEが受光面150に入力されたとする。上述のように、第1フォトダイオード101と、第2フォトダイオード102とから出力されたアナログ信号は、アンプ部15により増幅される。したがって、該電磁ノイズEもアンプ部15により増幅され得る。よって、光センサ1による光の検出精度が低下する(S/N比が低下する)。
In the case of such a configuration, it is assumed that electromagnetic noise E is input to the
そこで、本実施の形態においては、P層122に、該P層122よりもインピーダンスが低く、かつ接地されているP+層123が形成される。したがって、受光面150に電磁ノイズEが入力された場合には、上述のようにP+層123の導電性は高いことから、該電磁ノイズEに基づく成分はグランド104から排出される。このように、P+層123は、シールド層としての役割を果たし、該P+層123により、電磁ノイズEは除去される。よって、本実施の形態の光センサ1によれば、電気的ノイズ(電磁ノイズE)の除去性能を向上させることができる。
Therefore, in the present embodiment, a
また、光センサ1は、第1フォトダイオード101からの信号および第2フォトダイオード102からの信号に基づいて、光パラメータを算出する。具体的には、第1フォトダイオード101からのアナログ信号と第2フォトダイオード102からのアナログ信号とを統合したアナログ信号に基づいて、光パラメータを算出する。したがって、光センサ1は、電気的ノイズ(電磁ノイズE)の除去性能を向上させつつも、光パラメータを適切に算出できる。
Further, the
図3は、本実施の形態の半導体層のシート抵抗を示す図である。図3においては、レイヤの列では、半導体層の種別が示され、シート抵抗の列では、該半導体層のシート抵抗が示されている。 FIG. 3 is a diagram showing the sheet resistance of the semiconductor layer of this embodiment. In FIG. 3, the type of semiconductor layer is shown in the layer column, and the sheet resistance of the semiconductor layer is shown in the sheet resistance column.
図3の例では、P層122のシート抵抗は、5000Ω/sqであり、P+層123の122のシート抵抗は、100Ω/sqであることが示されている。また、P+層123(第3半導体層)のシート抵抗に対するP層122(第2半導体層)のシート抵抗の比率Cは、0.02である。この比率Cについては、発明者により、0.002以上0.2以下であることが好ましいことが確認されている。
In the example of FIG. 3, it is shown that the sheet resistance of the
<第2の実施の形態>
第2の実施の形態においては、第1の実施の形態で説明した受光部10が、受光部20に代替される(図1の括弧書き参照)。第1の実施の形態の受光部10は、第3半導体層として、P+層123を有する。第2の実施の形態の受光部20は、第3半導体層として、N+層を有する。また、第2の実施の形態は、第1導電型は、P形であり、第2導電型は、N形である。
<Second embodiment>
In the second embodiment, the
図4は、第2の実施の形態の受光部20の断面図である。図4に示すように、P層122の表層部には、受光面150の法線方向からの平面視において、P層122の周縁から間隔を隔てた内側の領域に、P層122の表面からN型不純物をドーピングすることによって、N+層133が埋設(形成)されている。このように、P層122には、N+層133が配置される。N+層133は、本開示の「第3半導体層」に対応する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
また、N+層133とP層122とによるPN接合部により第3フォトダイオード103が形成される。本実施の形態においては、演算部40は、該第3フォトダイオード103からの信号を用いない。
Further, the
また、N+層133のインピーダンスは、P層122のインピーダンスおよびN層121のインピーダンスよりも低い。つまり、N+層133のP型不純物濃度は、P層122のP型不純物濃度およびN層121のN型不純物濃度よりも高い。よって、N+層133の導電性は高い。
Further, the impedance of the
また、図3の例では、P層122のシート抵抗は、5000Ω/sqであり、N+層133(第2の実施の形態)の122のシート抵抗は、100Ω/sqであることが示されている。また、N+層133(第3半導体層)のシート抵抗に対するP層122(第2半導体層)のシート抵抗の比率Cは、0.02である。この比率Cについては、発明者により、0.002以上0.2以下であることが好ましいことが確認されている。
Further, in the example of FIG. 3, it is shown that the sheet resistance of the
さらに、N+層133は、グランド104に接続されている。つまり、N+層133は接地されている。
Furthermore,
このような構成によれば、電磁ノイズEが入力された場合には、上述のようにN+層133の導電性は高いことから、該電磁ノイズEに基づく成分はグランド104から排出される。このように、このように、N+層133は、シールド層としての役割を果たし、該N+層133により、電磁ノイズEは除去される。よって、本実施の形態の光センサによれば、電気的ノイズの除去性能を向上させることができる。
According to such a configuration, when electromagnetic noise E is input, components based on the electromagnetic noise E are discharged from the
また、上述のように、受光面150からの該フォトダイオードの形成位置が浅いほど、該ダイオードにおいて、短い波長の光を効率よく吸収される。したがって、第3フォトダイオード103においては、短波長の光(つまり、可視光)が吸収される。そして、第3フォトダイオード103を形成するN+層133およびP層122は、接地されている。よって、該第3フォトダイオード103で吸収された光に基づく成分はグランド104から排出される。つまり、N+層133のみならずP層122もシールド層としての役割を果たす。したがって、第2フォトダイオード102および第3フォトダイオード103においては、上述の可視光に基づくノイズが低減された光を吸収(検出)できる。よって、たとえば、第2の実施の形態の光センサは、たとえば、長波長の光(たとえば、赤外線)を検出する装置またはアプリケーションに適用されることが好ましい。
Furthermore, as described above, the shallower the formation position of the photodiode from the light-receiving
<実験結果>
次に、実験結果を説明する。図5は、実験例1の光センサの受光部10Aの断面図である。また、図6は、実験例2の光センサの受光部10Bの受光部の断面図である。
<Experiment results>
Next, the experimental results will be explained. FIG. 5 is a cross-sectional view of the
図5の受光部10Aにおいては、P型基板120AにN層121Aが形成されている。また、実験例1の光センサは、P型基板120AおよびN層121AのPN接合部の第1フォトダイオード101Aの信号を用いる。また、受光部10Aにおいては、シールド層は形成されていない。
In the
図6の受光部10Bにおいては、P型基板120AにN層121Aが形成されている。さらに、N層121AにP層122Aが形成されている。P型基板120AとN層121AとによるPN接合部による第1フォトダイオード101が形成される。N層121AとP層122AによるPN接合部による第2フォトダイオード102が形成される。また、実験例2の光センサは、第1フォトダイオード101からの信号と第2フォトダイオード102からの信号との合算値が用いられる。さらに、P層122Aはグランド104Aに接続されている(接地されている)。したがって、P層122Aがシールド層の役割を果たす。
In the
図7は、受光部10Aの第1フォトダイオード101Aによる検出値を示す。図8は、受光部10Bの第1フォトダイオード101と第2フォトダイオード102との合算検出値を示す。図7および図8において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。
FIG. 7 shows values detected by the
図7の例では、電気的ノイズの影響により、検出値は大きく振動していることが示されている。また、図8の例では、検出値の振動は、図7と比較して小さい。これは、受光部10Aがシールド層を有していないからである。
The example in FIG. 7 shows that the detected values oscillate greatly due to the influence of electrical noise. Further, in the example of FIG. 8, the vibration of the detected value is smaller than that of FIG. This is because the
また、図6の受光部10Bにおいて、P層122Aのインピーダンスを低下させて、本実施の形態の受光部として用いることが考えられる。しかしながら、インピーダンスが低下されたP層122AがN層121Aに形成された構成では、受光部10Bの耐圧性が低くなる傾向にあることが発明者により確認されている。そこで、本実施の形態では、P+層123およびN+層133よりもインピーダンスが高いP層122を設け、該P層122にP+層123またはN+層133が形成される(図2および図4参照)。このような構成により、受光部10および受光部20の耐圧性を確保することができる。
Furthermore, in the
<変形例>
(1) 上述の実施の形態においては、第1導電型はP形であり、第2導電型はN形である構成を説明した。しかしながら、第1導電型はN形であり、第2導電型はP形である構成が採用されてもよい。このような構成が採用された場合には、半導体基板はN形となり、第1半導体層はP形となり、第2半導体層は、N形となる。そして、このような構成が採用された第1の実施の形態においては、第3半導体層は、N+層となる。また、このような構成が採用された第2の実施の形態においては、第3半導体層は、P+層となる。このような構成であっても、上述の実施の形態と同様の効果を奏する。
<Modified example>
(1) In the embodiments described above, the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type. However, a configuration may be adopted in which the first conductivity type is N type and the second conductivity type is P type. When such a configuration is adopted, the semiconductor substrate becomes N type, the first semiconductor layer becomes P type, and the second semiconductor layer becomes N type. In the first embodiment employing such a configuration, the third semiconductor layer is an N+ layer. Furthermore, in the second embodiment employing such a configuration, the third semiconductor layer is a P+ layer. Even with such a configuration, the same effects as the above-described embodiment can be achieved.
(2) 上述の実施の形態においては、図1に示すように、演算部40は、第1フォトダイオード101からの信号および第2フォトダイオード102からの信号を検出する構成を説明した。しかしながら、演算部40は、第1フォトダイオード101からの信号または第2フォトダイオード102からの信号を検出するようにしてもよい。
(2) In the above-described embodiment, as shown in FIG. 1, the
たとえば、演算部40が、第1フォトダイオード101からの信号を検出する一方、第2フォトダイオード102からの信号を検出しない構成が採用されてもよい。このような構成が採用された場合には、演算部40は、ADC30からのデジタル信号(第1フォトダイオード101からの信号)を取得し、該デジタル信号に基づいて、上述の光パラメータを算出する。
For example, a configuration may be adopted in which the
また、演算部40が、第2フォトダイオード102からの信号を検出する一方、第1フォトダイオード101からの信号を検出しない構成が採用されてもよい。このような構成が採用された場合には、演算部40は、ADC30からのデジタル信号(第2フォトダイオード102からの信号)を取得し、該デジタル信号に基づいて、上述の光パラメータを算出する。
Further, a configuration may be adopted in which the
<付記>
上述したような本実施の形態は、以下のような技術思想を含む。
<Additional notes>
This embodiment as described above includes the following technical idea.
(第1項) 本開示の光センサは、半導体基板と、第1半導体層と、第2半導体層と、第3半導体層とを備える。第1半導体層は、半導体基板に配置され、第1導電型とは異なる第2導電型である。第2半導体層は、第1半導体層に配置され、第1導電型である。第3半導体層は、第2半導体層に配置され、第2半導体層よりもインピーダンスが低い。第3半導体層は、接地されている。 (Section 1) The optical sensor of the present disclosure includes a semiconductor substrate, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer. The first semiconductor layer is disposed on the semiconductor substrate and has a second conductivity type different from the first conductivity type. The second semiconductor layer is disposed on the first semiconductor layer and is of the first conductivity type. The third semiconductor layer is disposed on the second semiconductor layer and has lower impedance than the second semiconductor layer. The third semiconductor layer is grounded.
このような構成によれば、第3半導体層は、第2半導体層よりもインピーダンスが低く、かつ、接地されている。したがって、電気的ノイズが光センサに入力されたとしても、導電性の高い第3半導体層により、該電気的ノイズに基づく成分はグランドに排出される。よって、電気的ノイズの除去性能を向上させることができる。 According to such a configuration, the third semiconductor layer has lower impedance than the second semiconductor layer and is grounded. Therefore, even if electrical noise is input to the optical sensor, the component based on the electrical noise is discharged to the ground by the highly conductive third semiconductor layer. Therefore, the electrical noise removal performance can be improved.
(第2項) 前記第1導電型は、P型であり、前記第2導電型は、N型であり、前記第3半導体層は、P型である。 (Section 2) The first conductivity type is P type, the second conductivity type is N type, and the third semiconductor layer is P type.
このような構成によれば、電気的ノイズの除去性能を向上させることができる。
(第3項) 前記第1導電型は、P型であり、前記第2導電型は、N型であり、前記第3半導体層は、N型である。
According to such a configuration, the electrical noise removal performance can be improved.
(Section 3) The first conductivity type is P type, the second conductivity type is N type, and the third semiconductor layer is N type.
このような構成によれば、電気的ノイズの除去性能を向上させることができる。
(第4項) 第3項において、前記第2半導体層は、接地されている。
According to such a configuration, the electrical noise removal performance can be improved.
(Section 4) In Section 3, the second semiconductor layer is grounded.
このような構成によれば、短波長の光に基づくノイズを除去することができる。
(第5項) 前記第3半導体層のシート抵抗に対する前記第2半導体層のシート抵抗の比率の範囲は、0.002以上0.2以下である。
According to such a configuration, noise based on short wavelength light can be removed.
(Section 5) The range of the ratio of the sheet resistance of the second semiconductor layer to the sheet resistance of the third semiconductor layer is 0.002 or more and 0.2 or less.
このような構成によれば、電気的ノイズの除去性能を向上させることができる。
(第6項) 光センサは、前記半導体基板と前記第1半導体層とのPN接合部の信号および前記第1半導体層と前記第2半導体層とのPN接合部の信号の少なくとも一方を検出する検出回路をさらに備える。
According to such a configuration, the electrical noise removal performance can be improved.
(Section 6) The optical sensor detects at least one of a signal at a PN junction between the semiconductor substrate and the first semiconductor layer and a signal at a PN junction between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. It further includes a detection circuit.
このような構成によれば、電気的ノイズの除去性能を向上させることができつつも、入射された光を検出できる。 According to such a configuration, the incident light can be detected while improving the electrical noise removal performance.
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 to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is indicated by the claims rather than the description of the embodiments described above, and it is intended that all changes within the meaning and scope equivalent to the claims are included.
1 光センサ、10,20 受光部、15 アンプ部、21 外部端子、30 ADC、40 演算部、61 オシレータ、101 第1フォトダイオード、102 第2フォトダイオード、103 第3フォトダイオード、104 グランド、120 P型基板、121 N層、122 P層、123 P+層、133 N+層、150 受光面、170 制御回路。 1 optical sensor, 10, 20 light receiving section, 15 amplifier section, 21 external terminal, 30 ADC, 40 calculation section, 61 oscillator, 101 first photodiode, 102 second photodiode, 103 third photodiode, 104 ground, 120 P type substrate, 121 N layer, 122 P layer, 123 P+ layer, 133 N+ layer, 150 light receiving surface, 170 control circuit.
Claims (6)
前記半導体基板に配置された、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に配置された、前記第1導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層に配置された、前記第2半導体層よりもインピーダンスが低い第3半導体層とを備え、
前記第3半導体層は、接地されている、光センサ。 a semiconductor substrate of a first conductivity type;
a first semiconductor layer of a second conductivity type different from the first conductivity type disposed on the semiconductor substrate;
a second semiconductor layer of the first conductivity type disposed on the first semiconductor layer;
a third semiconductor layer disposed on the second semiconductor layer and having a lower impedance than the second semiconductor layer,
The third semiconductor layer is an optical sensor that is grounded.
前記第2導電型は、N型であり、
前記第3半導体層は、P型である、請求項1に記載の光センサ。 The first conductivity type is P type,
the second conductivity type is N type;
The optical sensor according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is of P type.
前記第2導電型は、N型であり、
前記第3半導体層は、N型である、請求項1に記載の光センサ。 The first conductivity type is P type,
the second conductivity type is N type;
The optical sensor according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is of N type.
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