JP5971106B2 - 光センサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板に受光部が形成された光センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体基板にフォトダイオードが複数形成され、その形成面上に透光性を有する透光層が形成され、その透光層に遮光性を有する遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが複数形成された光センサが提案されている。この光センサでは、遮光マスクの光伝播エリアによって、フォトダイオードの受光面に入射する光の範囲が規定されている。

米国特許６８７５９７４号明細書

特許文献１に示される光センサでは、対を成す２つのフォトダイオードが左右方向に並んでおり、これら２つのフォトダイオードそれぞれの受光面に入射する光の範囲が、２つのフォトダイオードの上方に位置する１つの光伝播エリアによって規定されている。したがって、左方から光センサに光が入射した場合、右方のフォトダイオードの出力信号が、左方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。これとは反対に、右方から光センサに光が入射した場合、左方のフォトダイオードの出力信号が、右方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。したがって、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号を比べることで、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出することが可能となっている。

ところで、上記したように、特許文献１に記載の光センサでは、２つのフォトダイオードが１つの光伝播エリアを共有している。これは、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出するためであるが、この目的を達成するために、左方のフォトダイオードと光伝播エリアとの距離、及び、右方のフォトダイオードと光伝播エリアとの距離の２つの距離を、半導体基板上で確保しなくてはならない。そのため、半導体基板の意図しない領域に光が入射し、この入射した光によって生じた電荷によって、光の検出精度が低下する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、光の検出精度の低下が抑制された光センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、一面（１０ａ）に絶縁膜（１２）が形成された半導体基板（１０）と、該半導体基板の一面の表層に形成された受光部（２０）と、絶縁膜を介して、一面上に形成された電極（３０）と、を有する光センサであって、受光部は、光を電荷に変換する受光素子（２１）と、該受光素子に蓄積された電荷を放電するリセット素子（２２）と、受光素子に蓄積された電荷を転送する転送素子（２３）と、を有し、電極は、リセット素子に制御電圧を印加するための第１電極（３１）と、転送素子に制御電圧を印加するための第２電極（３２）と、を有し、第１電極と第２電極それぞれは遮光性を有し、絶縁膜上において離れて形成されて電気的に独立しており、受光素子の受光面の形状が、第１電極と第２電極だけによって規定されていることを特徴とする。

これによれば、絶縁膜（１２）の厚さが、リセット素子（２２）に制御電圧を印加できる程度となる。そのため、絶縁膜（１２）上に形成された、遮光性を有する電極（３０）と、半導体基板（１０）の一面（１０ａ）、すなわち、受光素子（２１）の形成面との間の距離が、リセット素子（２２）に制御電圧を印加できる程度となる。したがって、フォトダイオードへの入射角度を規定するために、遮光層とフォトダイオードとの距離が確保された構成と比べて、半導体基板（１０）の意図しない領域に光が入射することが抑制される。この結果、意図しない光によって生じた電荷によって、光の検出精度が低下することが抑制される。

また、第１電極（３１）は、リセット素子（２２）に制御電圧を印加するためのものである。これによれば、リセット素子（２２）に必須の構成要素とは別の遮光部材によって、受光面（２１ａ）の形状が規定される構成とは異なり、部品点数の増大が抑制され、光センサ（１００）の製造が煩雑となることが抑制される。

なお、本発明においては、受光素子の受光面の形状が、第１電極と第２電極だけによって規定されている。これによれば、第１電極（３１）の形状が限定されることが抑制される。そのため、光センサ（１００）の設計が困難となることが抑制される。

第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す回路図である。 第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す斜視図である。 第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す上面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 光センサの変形例を示す斜視図である。 光センサの変形例を示す上面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。 光センサの変形例を示す上面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。 光センサの変形例を示す上面図である。 図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図４に基づいて、第１実施形態に係る光センサ１００を説明する。なお、図２及び図３では、構成要素を明瞭とするために、便宜上、後述する遮光膜１５と電極３０とにハッチングをいれている。また、図３では、後述する絶縁膜１２、透光膜１４、及び、最上層の遮光膜１５を省略し、開口部１６を破線で示している。

光センサ１００は、要部として、半導体基板１０と、半導体基板１０に形成された受光部２０と、電極３０と、を有する。受光部２０は、光を電荷に変換する受光素子２１と、受光素子２１に蓄積された電荷を放電するリセット素子２２と、を有する。更に、受光素子２１は、受光素子２１に蓄積された電荷を転送する転送素子２３を有する。電極３０は、リセット素子２２に制御信号を入力するための第１電極３１と、転送素子２３に制御電圧を入力するための第２電極３２と、を有する。また、光センサ１００は、上記した要部１０〜３０の他に、リセット素子２２をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部４０と、転送素子２３から転送された受光素子２１の電荷（検出信号）を増幅するバッファ５０と、を有する。ちなみに、転送素子２３が、特許請求の範囲に記載の能動素子に相当する。

図１に示すように、電源からグランドに向かって、受光素子２１とリセット素子２２が順次直列接続され、素子２１，２２の中点が、転送素子２３を介して、バッファ５０に接続されている。そして、転送素子２３の制御電極に相当する第２電極３２がグランドに接続され、転送素子２３は常時ＯＮ状態となっている。また、リセット素子２２の制御電極に相当する第１電極３１が、制御部４０の出力端子に接続されている。リセット素子２２は、制御部４０から出力される制御信号によって、周期的にＯＮ状態に制御される。したがって、リセット素子２２がＯＦＦ状態の場合、受光素子２１で光電変換された電荷が受光素子２１に蓄積され、その蓄積量に応じた電気信号が、転送素子２３を介してバッファ５０に入力される。これとは異なり、リセット素子２２がＯＮ状態の場合、受光素子２１の両端電圧が電源電圧になり、受光素子２１に蓄積された電荷が放電される。

半導体基板１０は、図示しないＰ型の半導体基板に拡散されたＮｗｅｌｌ領域であり、その一面１０ａの表層には、受光部２０を構成するＰ型の拡散領域１１が複数形成されている。Ｎｗｅｌｌ領域には、図示しないが電源が接続されており、一面１０ａ上には、絶縁膜１２とＬＯＣＯＳ１３とが形成され、絶縁膜１２には電極３０が形成されている。また、絶縁膜１２における電極３０の非形成領域、及び、電極３０とＬＯＣＯＳ１３それぞれの上には、透光膜１４と遮光膜１５とが積層されている。透光膜１４は、光透過性と電気絶縁性とを有する材料から成り、遮光膜１５は、遮光性と導電性を有する材料から成る。遮光膜１５には、受光素子２１に入射する光の角度を規定する開口部１６が形成されており、この開口部１６を介した光が受光素子２１に入射する。

図１及び図３に示すように、本実施形態では、透光膜１４を介して、２層の遮光膜１５が一面１０ａ上に積層されている。２層の遮光膜１５の内、一面１０ａ側の遮光膜１５は、主として、半導体基板１０に形成された配線パターン（複数ある拡散領域１１の一部）との電気的な接続を行う機能を果たす。これに対して、一面１０ａから離れた最上層の遮光膜１５は、主として、余分な光が半導体基板１０に入射することを抑制する機能を果たす。最上層の遮光膜１５に形成された開口部１６は、図３に破線で示すように、平面円状を成しており、この開口部１６によって、受光素子２１に入射する入射光の角度が規定されている。

上記したように、受光部２０は、受光素子２１と、リセット素子２２と、転送素子２３と、を有する。図１に示すように、受光素子２１は、ＰＮ接合を有するフォトダイオードであり、カソード端子が電源に接続され、アノード端子がリセット素子２２を介してグランドに接続されている。これにより、リセット素子２２がＯＮ状態になると、受光素子２１の両端電圧が電源電圧になり、受光素子２１に蓄積された電荷が放電される。

リセット素子２２と転送素子２３それぞれは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。したがって、Ｈｉ信号よりも電圧レベルの低いＬｏ信号がリセット素子２２の制御電極（第１電極３１）に入力されると、リセット素子２２はＯＮ状態になる。また、転送素子２３の制御電極（第２電極３２）は、グランドに接続されている。これにより、転送素子２３は、常時ＯＮ状態になっている。したがって、受光素子２１のアノード電極は、常時、転送素子２３を介してバッファ５０と電気的に接続されている。

上記したように、電極３０は、第１電極３１と、第２電極３２と、を有する。これら電極３１，３２それぞれは、ポリシリコンから成り、絶縁膜１２との接着面の裏面に金属薄膜が形成され、遮光性を有する。これも上記したように、素子２２，２３それぞれは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、電極３１，３２それぞれは、素子２２，２３それぞれの制御電極（ゲート電極）に相当する。したがって、電極３１，３２それぞれと一面１０ａとの間に位置する絶縁膜１２の厚さは、素子２２，２３それぞれに制御電圧を印加できる程度の厚さとなっている。図３に示すように、電極３１，３２それぞれは、同一の平面形状を成し、電気的に独立している。これら電極３１，３２それぞれによって、受光素子２１の受光面２１ａの形状が、平面円状に規定されている。

次に、受光素子２１の内部構成を図２〜図４に基づいて説明する。上記したように、半導体基板１０の一面１０ａの表層には、受光部２０の主要素を構成するＰ型の拡散領域１１が形成されている。図２〜図４では、受光素子２１に関わる拡散領域１１を示している。図２及び図４に示すように、３つの拡散領域１１が一面１０ａの表層に形成されている。この３つの拡散領域１１の内、開口部１６直下に位置する拡散領域１１（以下、第１拡散領域１１と示す）と半導体基板１０のボディとの境界にて、上記したＰＮ接合を有するフォトダイオードが構成されており、他の２つの拡散領域１１（以下、第２拡散領域１１、第３拡散領域１１と示す）は、上記した配線パターンを構成している。

図４に示すように、第１拡散領域１１と紙面左方に位置する第２拡散領域１１とは所定距離離れており、両者の間の一面１０ａ上に、絶縁膜１２を介して第１電極３１が形成されている。また、図３に示すように、第１電極３１には、一面１０ａ側の遮光膜１５の一部が電気的に接続されており、この遮光膜１５は、制御部４０の出力端子に接続されている。そして、第２拡散領域１１には、一面１０ａ側の遮光膜１５の一部が電気的に接続されており、この遮光膜１５は、グランドに接続されている。これにより、第１電極３１にＬｏ信号が入力され、第１拡散領域１１と第２拡散領域１１との間にチャネルが形成されると、第１拡散領域１１にて光電変換された電荷が、第１拡散領域１１と第２拡散領域１１との間のチャネル、第２拡散領域１１、及び、第２拡散領域１１に接続された遮光膜１５を介して、グランドに放電される。

図４に示すように、第１拡散領域１１と紙面右方に位置する第３拡散領域１１とは所定距離離れており、両者の間の一面１０ａ上に、絶縁膜１２を介して第２電極３２が形成されている。図３に示すように、第２電極３２には、一面１０ａ側の遮光膜１５の一部が電気的に接続されており、この遮光膜１５はグランドに接続されている。そして、第３拡散領域１１には、一面１０ａ側の遮光膜１５の一部が電気的に接続されており、この遮光膜１５は、転送素子２３に接続されている。これにより、第１拡散領域１１と第３拡散領域１１との間にチャネルが常に形成され、両者が常に電気的に接続される。そのため、第１拡散領域１１にて光電変換された電荷は、第１拡散領域１１と第３拡散領域１１との間のチャネル、第３拡散領域１１、及び、第３拡散領域１１に接続された遮光膜１５を介して、バッファ５０に転送される。

次に、本実施形態に係る光センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、受光素子２１の受光面２１ａの平面形状が、リセット素子２２の制御電極に相当する第１電極３１、及び、転送素子２３の制御電極に相当する第２電極３２それぞれによって規定されている。そして、電極３１，３２それぞれと一面１０ａとの間に位置する絶縁膜１２の厚さは、素子２２，２３それぞれに制御電圧を印加できる程度の厚さとなっている。そのため、フォトダイオードへの入射角度を規定するために、遮光層とフォトダイオードとの距離が確保された構成と比べて、半導体基板１０の意図しない領域に光が入射することが抑制される。この結果、意図しない光によって生じた電荷によって、光の検出精度が低下することが抑制される。

また、第１電極３１は、リセット素子２２に制御電圧を印加するためのものであり、第２電極３２は、転送素子２３に制御電圧を印加するためのものである。これによれば、リセット素子２２や転送素子２３に必須の構成要素とは別の遮光部材によって、受光面２１ａの平面形状が規定される構成とは異なり、部品点数の増大が抑制され、光センサ１００の製造が煩雑となることが抑制される。

また、第１電極３１と第２電極３２とによって、受光面２１ａの平面形状が規定されているので、第１電極３１（第２電極３２）の形状が限定されることが抑制される。そのため、光センサ１００の設計が困難となることが抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、電極３１，３２それぞれによって、受光面２１ａの平面形状が規定される例を示した。しかしながら、図５〜図７に示すように、第１電極３１のみによって、受光面２１ａの平面形状が規定された構成を採用することもできる。

本実施形態では、電極３１，３２それぞれによって、受光面２１ａの平面形状が、円状に規定される例を示した。しかしながら、図８〜図１１に示すように、受光面２１ａの平面形状が、弧状に規定された構成を採用することもできる。なお、この構成においても、図１０及び図１１に示すように、第１電極３１のみによって、受光面２１ａの平面形状が規定された構成を採用することもできる。

本実施形態では、１つの受光素子２１に対応するリセット素子２２と転送素子２３それぞれの制御電極に相当する電極３１，３２によって、１つの受光素子２１の受光面２１ａの平面形状が規定される例を示した。しかしながら、図示しないが、複数の受光素子２１に対応するリセット素子２２と転送素子２３それぞれの制御電極に相当する電極３１，３２によって、１つの受光素子２１の受光面２１ａの平面形状が規定される構成を採用することもできる。

本実施形態では、半導体基板１０の導電型がＮ型である例を示した。しかしながら、半導体基板１０の導電型としては、上記例に限定されず、Ｐ型を採用することもできる。この場合、拡散領域１１はＮ型になり、リセット素子２２と転送素子２３それぞれは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴになる。また、リセット素子２２と受光素子２１は、電源からグランドに向かって順次直列接続され、第２電極３２が電源に接続される。

本実施形態では、リセット素子２２と転送素子２３それぞれが、ＭＯＳＦＥＴである例を示した。しかしながら、リセット素子２２と転送素子２３としては、上記例に限定されず、電圧制御型のトランジスタであれば、適宜採用することができる。

本実施形態では、受光部２０の主要素を構成する３つの拡散領域１１の内、紙面左方に位置する第２拡散領域１１と、紙面右方に位置する第３拡散領域１１それぞれが、配線パターンである例を示した。しかしながら、第２拡散領域１１が、リセット素子２２の構成要素の一部を担っても良いし、第３拡散領域１１が、転送素子２３の構成要素の一部を担っても良い。

１０・・・半導体基板
１０ａ・・・一面
１２・・・絶縁膜
２０・・・受光部
２１・・・受光素子
２２・・・リセット素子
３０・・・電極
３１・・・第１電極
１００・・・光センサ

Claims (3)

1. 一面（１０ａ）に絶縁膜（１２）が形成された半導体基板（１０）と、
   該半導体基板の一面の表層に形成された受光部（２０）と、
   前記絶縁膜を介して、前記一面上に形成された電極（３０）と、を有する光センサであって、
   前記受光部は、光を電荷に変換する受光素子（２１）と、該受光素子に蓄積された電荷を放電するリセット素子（２２）と、前記受光素子に蓄積された電荷を転送する転送素子（２３）と、を有し、
   前記電極は、前記リセット素子に制御電圧を印加するための第１電極（３１）と、前記転送素子に制御電圧を印加するための第２電極（３２）と、を有し、
   前記第１電極と前記第２電極それぞれは遮光性を有し、前記絶縁膜上において離れて形成されて電気的に独立しており、
   前記受光素子の受光面の形状が、前記第１電極と前記第２電極だけによって規定されていることを特徴とする光センサ。
2. 前記半導体基板は、第１導電型であり、
   前記半導体基板の一面の表層には、前記第１導電型とは異なる第２導電型の拡散層（１１）が複数形成されており、
   複数の前記拡散層の内の少なくとも１つは、前記受光素子を構成し、残った複数の前記拡散層の内の少なくとも１つは、配線パターンを構成しており、
   前記受光素子を構成する拡散層と前記配線パターンを構成する拡散層とは、所定距離離れ、両者の間の一面上に、前記電極の一部が位置しており、
   前記電極に制御電圧が印加されると、前記受光素子を構成する前記拡散層と前記配線パターンを構成する拡散層との間にチャネルが形成され、両者が電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 前記半導体基板の一面上に、透光膜（１４）を介して遮光膜（１５）が積層され、
   前記遮光膜に開口部（１６）が形成されており、
   前記開口部によって、前記受光素子の受光面に入射する入射光の角度が規定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光センサ。

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