JP5147226B2 - 固体撮像素子、光検出器及びこれを用いた認証装置 - Google Patents
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Description
このように、これまでの方法では、高感度化には限界があった。
このような構造により、入光口から光を素子内に導き、素子内で反射した光のうち第1反射層に入射した光を光電変換手段に導入し直すことができるため、検出できない光を減らすことができ、検出効率の向上が実現できる。
更にこのような前記入光口を備える固体撮像素子において、前記第1反射層は、前記光電変換手段の電極の一方を兼ねても良い。これにより、光電変換手段の電極を通過するときの光の吸収を抑えることができ、光の検出効率の向上を実現できる。
更にこのような前記入光口を備える固体撮像素子において、前記第1反射層は断面において、前記入光口によって第1領域と、該第1領域よりも狭い第2領域に分離され、前記第2反射層は、該入射光を前記第1領域に主に反射するように凹凸又は傾斜面が形成する。これにより固体撮像素子内で、入射光が第1反射層と第2反射層とで反射する回数を増やすことができ、光の検出効率を向上できる。
本発明の固体撮像素子110の第1の実施の形態の構造を図3に示す。図3は、図1に示す固体撮像素子を切断線Aで切断した断面図を示しており、図中、上側が入射光132を受光する側であり、幅126が1つの固体撮像素子110の幅である。この固体撮像素子110は、基板103上に、反射層(第2反射層)120、透明層136、光電変換素子135、反射層(第1反射層)121、及びマイクロレンズ122が形成され、第2反射層120と第1反射層121が、隣接した透明層136と光電変換素子135を挟み、更に第1反射層121上にマイクロレンズ122を配置した構造を有している。
また図3に示す例では、反射層120が基板103に接着剤137にて接着され、マイクロレンズ122が反射層121の反射面127に接着剤138にて接着されている。
入光口128から固体撮像素子110内に入った光は、透明な共通電極123を通過して光電変換膜125に至り、一部が吸収され、光電変換され、各画素電極124に吸収された光量に対応する電荷が蓄積される。
透明層136の厚さは、画素の幅126や前述した入光口128の大きさ等との関係で適切に決められる。一例として、画素の幅126が100μm、入光口128の幅が20μmのとき、100μmである。
その後、工程3で、画素電極124と同様の方法で共通電極123を作製する。ここで、図5中の工程には記さないが、工程1から工程4を行う前までに、スイッチ114を作製するための工程を行う。
このような光電変換素子135においても、第1反射層121と第2反射層120が透明層136を介して光電変換層125を挟みこむ構造を採用することにより、上記と同様の効果を実現できる。
本発明の第2の実施の形態の光検出器を、図7を参照して説明する。図7において、第1の実施の形態と同一の要素については同じ符号で示す(以下の図においても同様)。
本実施の形態の光検出器は、第2反射層120の形状が第1の実施の形態の第2反射層120と異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。即ち、本実施の形態の第2反射層120は、図7に示すように、反射面に複数の凹凸を有する。これにより入射光132が反射される際に大きな水平成分を持って、言い換えると大きな反射角を持って反射する事ができる。これにより入光口128から入射した光を、第1反射層121に向けて反射することが可能となるため、光電変換膜125で再検出する光の量を増やすことができる。
また凹凸は規則的であっても、不規則であってもよい。
なお本実施の形態においても、図示した構造に限定されることなく、種々の変更が可能である。
次に本発明の第3の実施の形態の光検出器を、図8を参照して説明する。
本実施の形態の光検出器は、第2反射層120の形状が第1及び第2の実施形態と異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。即ち、本実施の形態の第2反射層120は、図8に示すように、反射面が傾斜している。この反射面により、入射した光は、入光口128の片側の第1反射層121へ反射される。
ここでも、入光口128の端部に入射した光の殆どが、光電変換膜125等で吸収されたものを除き、第1反射層121へ到達するように、反射面の傾斜を設計する。即ち図8では、入光口128の左端部に入射した光が、入光口128の右側に位置する反射層121へ到達するためには、傾斜の角度ωを、光132が入光口128の端部を通過してから反射面に至るまでの最短長さをD、入光口128の幅をWとしたとき、D・tanω≧Wを満たすようにする。
次に本発明の第4の実施の形態の光検出器を、図9を参照して説明する。
本実施の形態の光検出器は、第2反射層120の構造が第1及び第2の実施形態と異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。即ち、本実施の形態の第2反射層120は図9に示すように、素子中心150から左右対称に光を反射するよう、断面形状が二等辺三角形状であってその頂角が素子中心150に位置する凹凸形状の反射面を有する。この反射層120により、素子110の中心から左側に入射した光は左側の反射層121へ、右側に入射した光は右側の反射層121へ、それぞれ反射される。
本実施の形態の光検出器は、反射層120が機能の異なる2種の凸部を持っている点が特徴である。即ち図10に示すように、反射層120の、入光口128に対応する範囲152には、第4の実施の形態と同様に、二等辺三角形状の凸部が形成されており、他の素子110と隣接する両端部153には、傾斜面が形成されている。隣接する素子の反射層が連続している場合には、両端部153の傾斜面は二等辺三角形状の凸部となる。素子中央に位置する二等辺三角形状の凸部は、反射層120に当たった光を素子中心150から遠ざけるように反射するが、素子110の端部に位置する傾斜面は、光が入射した素子の方へ光を戻す。
本実施形態の光検出器では、上記構造により、入光口128からの光の逃げを抑えながら、隣の素子110へのクロストークを低減することができる。なお図10に示す構造は、凸部と傾斜面を組み合わせた構造の一例であり、これに限定されず、反射層121からの光を、その光が入射した素子110の方向へ戻す種々の変更例があり得る。例えば、範囲152に設ける凸部を凹部に代えることも可能である。また両端部153の傾斜面は、素子110の二辺に設けるだけでなく、四辺に設けてもよい。
本実施の形態の光検出器は、凸部が、反射した光が集束するように曲面の鏡面を有する点が特徴である。図11にその構造の一例を示す。図11では、範囲152で曲面の鏡面を有し、入光口128から入射した光が、素子中心150に近いほど大きな散乱角となる曲面を有し、反射した光は集束して反射層121に至る。このような構造により、光の広がりによって生じる、入光口128から光が逃げや隣の素子110へのクロストークを低減することができる。
本発明では、範囲152と範囲153の双方で曲面の鏡面を設けたが、これは本発明を限定するものではなく、その一方であってもよい。更に曲面としては、2次元的な構造も含め、さまざまな形状を採用することができる。
本実施の形態の光検出器は、入光口128の位置を素子の中心からずらして設けた点が特徴である。
本実施の形態の光検出器は、第1〜第7の実施の形態とは、透明層136の位置が異なる。即ち、本実施の形態では、図13に示すように、透明層136は第1反射層121と光電変換素子135との間に設置される。本実施の形態では、第1反射層121にも、第2〜第7の実施の形態における第2反射層と同様に、傾斜面や凹凸を設けて、光を入光口128から遠ざける構造や、素子110の端部に近い領域で光を素子110中心に戻す構造や、光を集光する構造などを実現できる。これにより、光口128からの光の逃げや他の素子110へのクロストークを低減することが可能となる。
本実施の形態の光検出器は、第1の実施の形態における第1反射層121と光電変換素子135との間に、第2の透明層を設けたものである。
即ち、本実施の形態の光検出器は、図14に示すように、反射層120と光電変換素子135との間に第1の透明層134、反射層121と光電変換素子135との間に第2の透明層136が設けられている。本実施の形態では、第1及び第2反射層121,120がそれぞれ透明層を介して光電変換素子135を挟む構造になっているので、光電変換素子135の厚さによる制限を受けることなく、反射層120と反射層121の双方において、さまざまな形状・構造を実現できる。これにより、検出効率の向上や、光入口128からの光の逃げや他の固体撮像素子110へのクロストークの低減が実現できる。
本実施の形態の光検出器の一例を、図15に示す。
本実施の形態の光検出器は、光電変換素子135の光入射側に第1反射層121、反対側に透明層136及び第2反射層120を備えた構成は第1の実施の形態と同様であるが、図示するように、透明層136の、隣接する素子との境界に素子間遮蔽層131が備えられている。
また本実施の形態では、素子間遮蔽層131は全ての素子110間に設置したが、複数毎に設置してもよい。更に図では、図1の切断線Aの方向に素子間遮蔽層131を設ける場合を示しているが、これに垂直な方向(図1の切断線Bの方向)に素子間遮蔽層131を設置する場合や、その双方に2次元的に設置する場合もあり得る。
次に第11の実施の形態として、素子110のスイッチ114に光が入らない構造を実現した光検出器の実施の形態を説明する。本実施の形態の光検出器を図16に示す。図16は、図1の位置Bでの断面図である。
なお図では、第1の実施の形態の光検出器を基本として、スイッチ遮蔽層180を設けた構成を示したが、本実施の形態は、第2〜第10の実施の形態の光検出器にも適用することが可能である。
本実施の形態は、上述した各実施の形態とは、反射層121が特定の入光口を有しない点およびそのような入光口と組み合わせる集光手段を有しない点が異なる。即ち、本実施の形態の光検出器は、図17において、反射層121はハーフミラーであり、入射光132を透過して光電変換素子135に光が入ることを可能とし、反射層120から反射してきた光を、再度光電変換素子135に光が入るように反射する。このハーフミラーは、例えばガラスの片面にクロムやSUS等が半透明となる程度に薄く成膜されたものである。これにより入射光の一部を素子110内に閉じ込めて検出することができ、検出効率を向上することが可能となる。
更にハーフミラーは、その構造上、ガラスなどに比べて透過率が低い。しかし有効な光量の光を検出するためには、例えば20%以上の透過率が望ましく、更に透過率と反射率との積が、例えば0.05以上が望ましい。
まず図19に示すように指163を指静脈認証装置160に置くと、ダイオード165は指内部に光を照射する。指163内部に照射した光は、指内部で吸収、散乱されて、一部が表面から出力される。このとき、静脈内の血液中の脱酸素化ヘモグロビンの吸収が、他の組織、血液などと異なるため、この光を光検出器101で撮像することで、その像を得ることができる(ステップ200)。
なお上述した指静脈認証装置の外観、構成、処理方法、撮影方法などはその一例であり、本発明を限定するものではない。例えば、図示する装置では、光を図中下方より、即ち光検出器101側より照射していたが、指の側面から、即ち光検出器101と垂直方向から入射する方式や、図中上方から、即ち光検出器101とダイオード165とで指を挟むように光を照射する構成もあり得る。更に本実施の形態では、指静脈を用いた認証装置の場合を記したが、本発明は、掌や手の甲の静脈を用いた認証装置にも適用できることは言うまでもない。
また本発明の光検出器は、認証装置に限らず、可視光や近赤外線を用いて撮像を行う、宇宙、天体、環境、医療分野での観測や撮影用の光検出器を用いる装置など、商用、研究用、教育用を問わずさまざまな装置に適用可能である。
まず実際に図23に示す構造1と構造2の光検出器を作成し、基礎データを取得した。ここで基板136として、厚さ500μmのガラス基板、光電変換素子135として、厚さ50nmのポリシリコンセンサ、反射層120として、鏡面の反射層を有するアルミニウム箔を用いた。また光源には500nmの波長の光を用いた。このときのガラス基板の透過率は99%以上であり、基板136での光の吸収は無視できた。
Claims (21)
- 入射した光によって電荷を発生する光電変換層と、
前記光電変換層の光入射側に配置された第1電極と、
前記光電変換層の、前記光入射側と反対の側に前記第1電極と対向して配置され、前記光電変換層で生じた電荷を検出する第2電極と、
前記第1電極と対向して前記光入射側に配置され、前記第1電極に対向する面に、前記入射した光を透過する入光口と反射面とを有する第1反射層と、
前記第2電極の、前記光入射側と反対の側に配置され、前記第2電極に対向する面に、前記第1反射層の反射面と入光口に対向した反射面を有する第2反射層と、
前記第1電極と第1反射層との間、および/又は前記第2電極と第2反射層と間に配置された透明層とを備え、
前記第1電極および第2電極は、前記入射した光に対し透過性を有することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1記載の固体撮像素子において、
mとnは、mが1且つnが2、又は、mが2且つnが1を表すとき、
前記透明層は、前記第m電極と前記第m反射層との間に配置され、
前記第n電極と前記第n反射層とは接する構造を有する
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項2記載の固体撮像素子において、
前記第1反射層の前記光入射側に、入射光を前記入光口に集光する集光手段を備えたことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1記載の固体撮像素子において、
前記第1反射層及び第2反射層の少なくとも一方は導電性材料からなり、所定の電位に接続されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1記載の固体撮像素子において、
前記光電変換層が、アモルファスシリコンまたはポリシリコンから成ることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1記載の固体撮像素子において、
前記第1反射層および/または第2反射層は、その反射面の少なくとも一部に凹凸又は傾斜面が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項6記載の固体撮像素子において、
前記第1反射層および/または第2反射層に形成された凹凸は、断面形状が複数の三角形状であることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項2記載の固体撮像素子において、
前記入光口の中心が、前記固体撮像素子の中心と異なることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項8記載の固体撮像素子において、
前記第1反射層はその断面において、前記入光口によって第1領域と、該第1領域よりも狭い第2領域に分離され、
前記第2反射層は、入射光を前記第1領域に主に反射するように凹凸又は傾斜面が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 入射した光によって電荷を発生する光電変換層と、
前記光電変換層の光入射側に配置され、前記入射した光を透過する入光口と反射面とを有する第1電極と、
前記光電変換層の、前記光入射側と反対の側に前記第1電極と対向して配置され、前記光電変換層で生じた電荷を検出する第2電極と、
前記第2電極の、前記光入射側と反対の側に配置され、前記第2電極に対向する面に、前記第1電極の反射面と入光口に対向した反射面を有する第2反射層と、
前記第2電極と第2反射層と間に配置された透明層とを備え、
前記第2電極は、前記入射した光に対し透過性を有する
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 入射した光によって電気信号を発生する光電変換手段と、
入射光を透過する透明層と、
入射光を透過する入光口と入射光を反射する反射面とを有する第1反射層と、前記第1反射層の反射面と入光口に対向し、入射光を反射する反射面を有する第2反射層とを備え、
前記第1反射層と第2反射層は、少なくとも一方が前記透明層を介する構造にて前記光電変換手段を挟み、前記入光口から入射した光を前記第1反射層と第2反射層とでそれぞれ1回以上反射して、前記光電変換手段に複数回導入する構造を有することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項11記載の固体撮像素子において、
前記光電変換手段が、入射した光によって電荷を発生する光電変換層と、
前記光電変換層の光入射側に配置され、前記入射した光を透過する第1電極と、
前記光電変換層の、前記光入射側と反対の側に前記第1電極と対向して配置され、前記入射した光を透過する第2電極とを備え、前記第1電極と第2電極が、前記電荷の量、または該電荷によって生じる電気信号を読み出す構造を有し、
前記第1反射層が前記第1電極に対向する面に反射面を有し、前記第1電極の前記光入射側に配置され、
前記第2反射層が前記第2電極に対向する面に反射面を有し、前記第2電極の、前記光入射側と反対の側に配置され、
前記透明層が前記第1電極と第1反射層との間、および/または前記第2電極と第2反射層との間に配置されることを特徴とする固体撮像素子。 - 複数の固体撮像素子を配列してなる光検出器であって、
前記固体撮像素子として、請求項1ないし12いずれか1項記載の固体撮像素子を用いたことを特徴とする光検出器。 - 基板と、
前記基板上に形成された、複数の固体撮像素子からなる素子アレイと、
前記複数の固体撮像素子を駆動する駆動回路とを備え、
前記複数の固体撮像素子は、前記基板側から順に、第2電極、光電変換層および第1電極が配置されており、前記第1電極と第2電極とが前記駆動回路に電気的に接続された構造を有する光検出器において、
前記基板と前記素子アレイの第2電極との間に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第2反射層が形成され、
前記素子アレイの第1電極の上に、入射光を透過する入光口と前記入射光を反射する反射面とを、前記第2反射層の反射面に対向する位置に有する第1反射層が配置され、
前記素子アレイの第1電極と前記第1反射層との間、および/または前記素子アレイの第2電極と前記第2反射層との間に前記入射光を透過する透明層が形成されており、
前記第1電極および第2電極は、前記入射光を透過することを特徴とする光検出器。 - 基板と、
前記基板上に形成された、複数の固体撮像素子からなる素子アレイと、
前記複数の固体撮像素子を駆動する駆動回路とを備え、
前記複数の固体撮像素子は、前記基板側から順に、第2電極、光電変換層および第1電極が配置され、前記第1電極及び第2電極が前記駆動回路に電気的に接続された構造を有する光検出器において、
前記基板は、光を透過する材料からなり、前記素子アレイが形成された面と反対側の面に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第2反射層が形成され、
前記素子アレイの第1電極の上に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第1反射層とが配置され、
前記第1反射層または第2反射層が入射光を透過する入光口を備えていることを特徴とする光検出器。 - 請求項14記載の光検出器であって、
前記透明層は、光を透過する透明部と、光を反射する第3の反射層および/又は光を遮蔽する遮蔽層からなる不透明部とを有し、
前記固体撮像素子と前記透明部とが対向し、前記固体撮像素子間と前記不透明部が対向する構造を有することを特徴とする光検出器。 - 請求項14記載の光検出器であって、
各固体撮像素子は、当該固体撮像素子からの電気信号の読み出しのオン・オフを切り替える切り替え手段を備え、前記切り替え手段は、前記第1反射層の、入光口が形成されていない影部に設置されることを特徴とする光検出器。 - 請求項17記載の光検出器であって、
前記切り替え手段が、光を反射する第4反射層および/または光を遮光する遮光層を備えたことを特徴とする光検出器。 - 可視から近赤外領域の波長の光を出す光源と、
前記光源から検査対象に照射され、反射、透過、内部での散乱の少なくとも1つをした光を検出する光検出器と、
前記光検出器からの信号を読み出して前記検査対象の生体情報のデジタル画像を作成する読み出し回路と、
前記検査対象の生体情報を予め記憶する記憶手段と、
前記読み出し回路が作成したデジタル画像に対して信号処理を加えて情報を抽出し、抽出情報と前記記憶手段に記憶された生体情報とを比較し、個人認証を行う認証手段とを備え、
前記光検出器が請求項13ないし18のいずれか1項記載の光検出器であることを特徴とする認証装置。 - 請求項19の認証装置であって、前記生体情報が指、掌、手の甲の少なくとも1つの静脈像であることを特徴とする認証装置。
- 請求項19の認証装置であって、前記生体情報が指紋であることを特徴とする認証装置。
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