JP6738122B2 - 検出器、多重セル検出部、光学式光センサ、光学式センシングアレイおよびディスプレイ装置 - Google Patents

検出器、多重セル検出部、光学式光センサ、光学式センシングアレイおよびディスプレイ装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、横ファブリー・ペロー共振器を検出器として使用し、且つ、ディスプレイ装置に組み込み可能な光センサに関する。
ディスプレイ装置は次第に普及が拡大してきており、携帯電話、コンピュータモニタ、テレビ、タブレットなどに幅広く使用されている。このようなディスプレイ装置は、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などを含む適切なタイプ（種類）のディスプレイである。
特に、光センサを備えるディスプレイ装置は、例えば、ディスプレイ装置に対するユーザの反応（例えば、ユーザの指またはスタイラスの使用を通じたディスプレイ装置との反応）を検出し、周辺光を検出し、文書をスキャンし、指紋をスキャンするなどの目的のために開発されてきた。
タッチ機能を使用可能なディスプレイシステムの分野において、関連技術の研究者は、最近、タッチパネルをディスプレイ装置の上に物理的に貼着する研究に取り組んでいる。しかしながら、タッチパネルを貼着すると、ディスプレイのコントラスト比と光の透過などの性能パラメータが低下し、ディスプレイシステムの厚さおよび重量が増加する。また、タッチパネルに頻繁に採択される静電容量型のインセルタッチソリューションも同様に、歩留まりおよびノイズ処理上の深刻な問題点を有しており、これらは、製造コストの上昇につながる。
光学式センシングアレイを組み込む解決策が存在するが、これと関連する技術は様々な欠点を有するため解決が困難である場合が多い。例えば、関連技術の組み込み型光センサは検出波長を選択する機能をほとんどまたは全く有しておらず、その結果、通常の周辺光の条件下でノイズに対する信号の比率が低くなってしまう。
このような光センサは、一般に、狭い帯域の光に対してのみ敏感であるよりは、広い範囲の光スペクトルを吸収する。これにより、光フィルタを使用することが必要とされるが、これは非常に高価であり、一部の応用分野においては、構造的な制限により使用できない場合もある。また、光学フィルタを一体化することが困難であるということに鑑みたとき、現在の組み込み型機器のソリューションは非常に制限されたイメージ処理能を提供する。関連技術のセンサは、角度に対する選択性をほとんどまたは全く提供していない。これにより、検出される光が平行に伝搬される状況でこのようなセンサを使用することが制限され、ほとんどの場合に使用が現実的ではない。また、関連技術の組み込み型センサは光検出効率が低い。検出効率を増大させるために、光検出物質の厚さを増加させなければならないが、これにより反応時間が低下するという逆効果が生じ、コストが上昇する。
したがって、光学レンズまたはフィルタを必要とせず、高い検出効率、高い角度の選択性および高い波長の選択性を提供する挿入光センサが望まれる。
本発明の実施形態の一側面は、横ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器を検出器として使用する光センサおよびこれを作動する方法に関する。
本発明の実施形態の他の側面は、新規なタイプの様々な反応性をディスプレイシステムに一体化できるように、ディスプレイシステムに一体化可能な波長および方向を検出（および、選択）する検出器（例えば、赤外線検出器）に関する。
本発明の実施形態は、基板に垂直または角度をなす方向に入射する光の共鳴吸収を引き起こして、所定の波長を有する入射光に対する検出感度を大幅に向上させる、基板の上に波長の大きさに調節された横共鳴キャビティの薄膜２次元パターンが形成される検出器を提供する。一部の実施形態において、このような検出器は、特定の波長および方向に反応してレンズなしのイメージ処理を可能にする。また、検出器を組み合わせて関連技術のセンサが達成できない高いレベルの角度選択性を達成するために使用可能である。
一部の実施形態において、このような検出器は、ディスプレイピクセルの下の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板のように超薄型である。複数の検出器は、ディスプレイ構造の内部または外部において構成されるようにし、検出器がディスプレイ性能に及ぼす影響を低減（例えば、最小化）させる。前記検出器は、ディスプレイシステムにおいて頻繁に採択される線状または環状の偏光板コントラスト向上フィルムと互換可能である。
本発明の一部の実施形態によれば、波長範囲および入射角度範囲の光を検出するための検出器が提供され、検出器は、基板と、基板上の複数の誘電体構造体であって、複数の誘電体構造体の各々の誘電体構造体が基板の反対側の誘電体構造体側を介して光を受信する構造体と、基板上の複数の導電体構造体であって、複数の導電体構造体の連続的な導電体構造体が複数の誘電体構造体の対応する誘電体構造体を導電体構造体の間に有する基板上の複数の導電体構造体と、を備え、連続的な導電体構造体および対応する誘電体構造体は、検出する波長範囲の光の受信に応じて、吸収共鳴を誘導するためのキャビティを形成する。
一部の実施形態において、複数の誘電体構造体の連続する構造体の幅は、次第に増加する。
一部の実施形態において、複数の導電体構造体の連続する構造体の幅は、次第に増加する。
一部の実施形態において、複数の誘電体構造体は、半導体物質を含む。
一部の実施形態において、半導体物質は、シリコンおよび非晶質シリコンのうちの少なくとも一つを含む。
一部の実施形態において、複数の導電体構造体は、金、銀、アルミニウムおよび銅のうちの少なくとも一つを含む。
一部の実施形態において、連続的な導電体構造体は変位電圧を受け、変位電圧は、導電体および誘電体構造体によって吸収された光に応じてキャビティが電流を生成するように誘導する。
一部の実施形態において、複数の誘電体および導電体構造体はキャビティを含む複数のキャビティを形成し、複数のキャビティの各々は波長範囲の受信された光に応じて信号を生成し、生成された信号は波長範囲の受信された光の極角および方位角の両方の入射角を表わす。
一部の実施形態において、検出器は、複数のキャビティのうち隣接するキャビティにおいて生成された信号を予め定められた位相関係で結合し、波長範囲の受信された光の角度が入射の角度が入射角範囲内にあるときに出力信号を生成する検出回路をさらに備え、入射極角は、入射光の伝搬方向と検出器の平面の法線との間の角度であり、方位角は、予め選択された検出器の平面に垂直な平面と光の伝搬方向および検出器の法線により定義される入射平面間の角度である
一部の実施形態において、キャビティは、可視光に対して実質的に透明である。
本発明の一部の実施形態によれば、垂直に入射する波長範囲の光を検出するための多重セル検出部が提供され、多重セル検出部は複数の検出器を備え、各検出器は、検出器に垂直であり、検出器のキャビティの長手方向に平行な入射平面を有する波長範囲の光の検出に応じて信号を生成し、各検出器は、基板と、基板上の複数の誘電体構造体であって、複数の誘電体構造体の各々の誘電体構造体が基板の反対側の誘電体構造体側を介して光を受信する構造体と、基板上の複数の導電体構造体であって、複数の導電体構造体の連続的な導電体構造体が複数の誘電体構造体の対応する誘電体構造体を導電体構造体の間に有する基板上の複数の導電体構造体と、を備え、連続的な導電体構造体および対応する誘電体構造体は、検出する波長範囲の光の受信に応じて吸収共鳴を誘導するためのキャビティを形成し、複数の検出器の第１および第２の検出器のキャビティの長手方向は互いに角度をなす。
一部の実施形態において、第１の検出器および第２の検出器による同時検出は、波長範囲の垂直に入射する光の検出を表わす。
一部の実施形態において、第１の検出器および第２の検出器は、同じ平面上にあり、第１の検出器および第２の検出器のキャビティの長手方向は互いに垂直である。
本発明の一部の実施形態によれば、波長範囲の光を検出するための光学式光センサが提供され、光学式光センサは、横方向に交互に配列される複数のｐ型半導体および複数のｎ型半導体と、各々が対応するｐ型半導体の一つと対応するｎ型半導体の一つとの間に存在する複数の真性半導体と、複数のｐ型半導体および複数のｎ型半導体の上に存在し、対応する複数の真性半導体の一つとの間に複数のキャビティを形成する複数の電極と、を備え、複数のｐ型半導体上の複数の電極の電極が互いに接続され、複数のｎ型半導体上の複数の電極の電極が互いに接続され、複数のキャビティのうちの一つ以上のキャビティが長手方向に入射する光に露出される。
一部の実施形態において、複数のキャビティのうちの少なくとも一つは、波長範囲の光の受信に応じて吸収共鳴を誘導するためのものである。
一部の実施形態において、光学式光センサは、複数の真性半導体および複数の電極の上方に絶縁層をさらに備える。
一部の実施形態において、光学式光センサは、波長の光がキャビティに達することを防ぎ、複数のキャビティのキャビティの上方のゲート電極をさらに備える。
一部の実施形態において、複数の真性半導体の連続する半導体の幅および／または複数の電極の連続する電極の幅は、次第に増加する。
本発明の一部の実施形態によれば、波長範囲の光を検出するための光学式センシングアレイが提供され、光学式センシングアレイは、複数の行導電体と、行導電体と交差する複数の列導電体と、複数の行導電体および列導電体に接続される複数の光学式光センサと、を備え、複数の光学式光センサは、複数の行導電体および熱導電体に連結され、複数の光学式光センサの各センサが横方向に交互に配列される複数のｐ型半導体および複数のｎ型半導体と、各々が対応するｐ型半導体の一つと対応するｎ型半導体の一つとの間に存在する複数の真性半導体と、複数のｐ型半導体および複数のｎ型半導体の上に存在し、対応する複数の真性半導体の一つとの間に複数のキャビティを形成する複数の電極と、複数の列導電体に接続され、波長範囲の光がキャビティに達することを防ぎ、複数のキャビティのキャビティの上方のゲート電極と、を備え、複数のｐ型半導体上の複数の電極の電極が互いに接続され、複数のｎ型半導体上の複数の電極の電極が互いに接続され、複数のキャビティのうちの一つ以上のキャビティが長手方向に入射する光に露出されることを特徴とする。
一部の実施形態において、複数の光学式光センサのそれぞれは、行導電体が行ドライバにより駆動されるとき、受信される波長範囲の光に応じてこの光に比例する電流を生成する。
本発明の一部の実施形態によれば、前記光学式センシングアレイを備えるディスプレイ装置が提供される。
上述した本発明の実施形態の側面およびその他の側面は、これらの実施形態を後述する添付図面を参照して詳細に説明することにより一層明確になる。
本発明の一部の例示的な実施形態による横ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の斜視図である。 本発明の一部の例示的な実施形態によるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の断面図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器が入射光の特定の波長に対して誘電層の幅の関数として光を吸収することを例示するグラフである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、他の装置の幅に対して、計算されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の吸収スペクトルを波長の関数として例示するグラフである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、他の装置の幅に対して、測定されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の吸収スペクトルを波長の関数として例示するグラフである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、均等に配置されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器を備える検出器の部分断面図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、単独のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器および均等に配置された複数のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器を有する検出器に対して計算されて正規化された角度に対する感度を比較するグラフである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、単独のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の計算された角度に対する反応と、２つの隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器を備える検出器の分別反応とを比較するグラフである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、チャープ（ｃｈｉｒｐ）されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器を備える検出器の一部に対する例示図である。 本発明の一部の例示的な実施形態による検出器および前記検出器の検出平面の斜視図である。 本発明の一部の例示的な実施形態による２つの直交検出器を備える２セル検出部の斜視図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、様々な方向に配列された検出器を備える多重セル検出部の平面図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、互いに異なる方向に対する感度を有する検出器を備える多重セル検出部の平面図である。 検出器セルの方向に対する感度を例示する図６Ａの多重セル検出部の断面を示し、図６ＡのラインＩ−Ｉ'に沿って切り取った断面図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、多数の検出器を備える検出マトリックスである。 本発明の一部実施形態により、トランジスタおよび検出器を備えるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサの断面図である。 図８Ａのファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサの等価回路図である。 本発明の一部の例示的な実施形態による検出器の電極配置を示す平面図である。 本発明の一部の例示的な実施形態による光学式センシングアレイを概略的に示すものである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、光学式センシングアレイが組み込まれたディスプレイパネルの断面の例示図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、光学式センシングアレイが組み込まれたディスプレイパネルの断面の例示図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、検出器の上端に配設されるフィルタの断面図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、フィルタ１１００のスペクトル吸収、反射および透過を示す図である。 本発明の一部の例示的な実施形態により、共鳴においてファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の光吸収における向上を共鳴腔を有さないシリコン光検出器と比較して例示するグラフである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、導電体構造体の様々な物質がファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の品質因子（Ｑ−ｆａｃｔｏｒ）に及ぼす影響を例示するグラフである。 本発明の一部の例示的な実施形態により、検出器内の隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器対の反応を差し引くために使用されたヌリング（ｎｕｌｌｉｎｇ）構造を示す概略図である。
本特許出願は２０１３年１２月３日付けで出願され、タイトルが「横ファブリー・ペロー共振器を検出器として使用する組み込み型光センサ」である米国仮出願第６１／９１１，４２６号に対する優先権を主張し、これに伴う利益を受けることを希望し、前記出願の全体的な内容は本明細書に参照として取り込まれている。
以下、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して本発明の実施形態をより完全に説明する。当該分野の技術者であれば、記述された実施形態に本発明の思想または範囲を逸脱せずに様々な修正を加えることができ、代替的な形態を有しうるということが認識可能である。本発明の説明を明確にするために、本発明を完全に理解するために必要ではないと思われる一部の要素または特徴は省略可能である。
本明細書において使用された用語は、特定の実施形態を説明するために使用されたものであり、本発明を制限するための意図で使用されたものではない。
例えば、「第１」、「第２」などの用語が本明細書において各種の要素を説明するために使用されているが、これらの要素がこれらの用語が意味する厳密な構成にのみ制限されるものではないと理解されるべきである。その代わりに、これらの用語はある構成要素を他の構成要素と区別するために使用されたものである。また、単数形で使用された表現は、文脈上において明らかに他の意味を有さない限り、複数の表現を含む。この明細書において、「構成された」、「備える」、「有する」などの用語は、この明細書に開示された特徴、数字、段階、行動、構成要素、部分およびこれらの組み合わせの存在を表わすために使用されたものであり、一つ以上の他の特徴、数字、段階、行動、構成要素、部分およびこれらの組み合わせが存在または追加される可能性があることを排除する意図で使用されたものではないと理解されるべきである。
要素またはレイヤが他の要素またはレイヤの「上」にあるか、あるいは、これにより「接続された」または「結合された」と参照される場合には、このような要素またはレイヤは前記他の要素またはレイヤに直接的または間接的に「接続された」または「結合された」ものであるか、あるいは、一つ以上の中間に介入された要素またはレイヤが存在するものと理解されるべきである。これと同様に、要素またはレイヤが他の要素またはレイヤに「接続された」または「結合された」と参照される場合には、このような要素またはレイヤは前記他の要素またはレイヤに直接的または間接的に「接続された」または「結合された」ものであってもよい。要素が他の要素またはレイヤの「真上」にあるか、あるいは、これにより「直接的に接続された」または「直接的に接続された」と参照される場合には、中間に介入された要素またはレイヤが存在しない。類似の番号は明細書全体にわたって類似の要素を示す。この明細書において使用された用語「および／または」は、列挙された項目と関連する一つ以上の組み合わせをいずれも含む。
「下」、「下部」、「上」、「上部」などのように空間的に相対的な用語は、この明細書において図面に例示するある要素または特徴が他の要素または特徴と有する関係を容易に説明するために使用可能である。これらの空間的に相対的な用語は使用または作動中の装置の図示の配置だけではなく、他の配置までも含むものであると理解されるべきである。例えば、図面の装置がひっくり返される場合、他の要素の「下方」または「下」にあると記述された要素または特徴は、前記他の要素の「上方」または「上」に位置する。このため、例示的な用語「下」は、上方及び下方を両方とも含む。なお、装置は他の方向に配置可能であり（例えば、９０°または他の方向に回転）、この明細書において使用された前記空間的に相対的な用語はこれにより解釈されなければならない。「一つ以上の」という表現が一覧に適用される場合、これは全体の一覧に対して適用され、一覧の個別元素に対して適用されるものではない。
この明細書において使用された全ての用語（技術的な用語および科学的な用語を含む）は、別途に断りのない限り、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が一般に理解するものと同じ意味を有する。通常的に使用される辞書において定義された用語もまた、これと関連する技術分野における文脈上一貫した意味を有するものと理解されるべきであり、この明細書において明らかにそのように定義されない限り、理想的にまたは過度に形式的な意味として解釈されてはならない。なお、本発明の実施形態を説明するに当たって使用された「してもよい」という用語は、「一つ以上本発明の実施形態」に関連する。
この明細書において使用された「実質的に」、「約」およびこれと類似の用語は、程度を示す用語ではなく、近似的な意味として使用されたものであり、測定または計算された値から当該分野における通常の技術者が認識可能な固有の偏差を説明するために使用されたものである。
また、「使用」、「使用した」および「使用された」などの用語は、「活用」、「活用した」および「活用された」などの用語とそれぞれ同じ意味を有するものと見なされるべきである。
図中、類似の図面符号は類似の要素を示し、これについての反復的な記述は省略可能である。
本発明の一部の実施形態によれば、検出器（例えば、横ファブリー・ペロー検出器）は、設計された波長において光の共鳴吸収を示し、他の波長の光を透過または反射するファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器を備える。このため、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器（前記検出器）は、指定された波長に対する高いレベルの感度を示し、狭い波長帯域を形成する。
一部の実施形態において、前記検出器は、間隔（例えば、所定の間隔）を隔てて配置されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器のアレイを備える。共振器間の間隔および隣り合う共振器間の相対的な位相（例えば、隣り合う共振器からの光電信号が同じ位相またはずれた位相（変位（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ））として検出されるか否か）は、検出器が実質的に垂直に入射する光のみを吸収するように設計される。光の干渉現象により、適切な間隔の構成および相対的な位相関係によって、検出器は角度にさらに強く依存して光を吸収するようにする。例えば、共振器間の間隔を一定に調整して検出器が斜め方向に入射する光に対してのみ感度を有するようにする。
一部の実施形態によれば、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の方向検出アレイは、ディスプレイシステム（例えば、ディスプレイマトリックス）と一体化されて（例えば、組み込まれて）マルチタッチ、タッチ面から離れて行う（ｈｏｖｅｒｉｎｇ）ジェスチャー、イメージ処理およびその他の機能を光学的な焦点機能を使用することなく、ノイズに対して高い信号比で検出するようにする。例えば、本発明の実施形態は、スマートフォンなどの携帯用機器に設けられる超薄型の指紋スキャニング装置に採択される。
図１Ａは、本発明の一部の例示的な実施形態による横ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の斜視図であり、図１Ｂは、本発明の一部の例示的な実施形態によるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ａの断面図である。
一部の実施形態によれば、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器（例えば、ナノファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器）１００は、２つの導電体構造体（例えば、２つの電極または金属層）１０２と、これらの間に配置される一つの誘電体構造体（例えば、半導体構造）１０４と、上部に導電体構造体および誘電体構造体１０２、１０４が配置される（例えば、形成される）基板１０６と、を備える。前記導電体構造体１０２は同種の金属または異種の金属であり、一部の実施形態において、関心対象の波長内において最小の吸収率を有する。前記導電体構造体１０２は、金、銀、銅またはアルミニウムなどの金属を含む。前記誘電体構造体１０４は、シリコン、ゲルマニウムおよびこれらの様々な結晶形態、例えば、結晶シリコン、ポリシリコン、非晶質シリコンおよび／またはその他の物質のような半導体を含む。前記基板１０６は、屈折率が誘電体の屈折率よりも低い適切な絶縁物質を含む。一部の例において、前記基板１０６は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、その特定の結晶形態の水晶および窒化シリコン（ＳｉＮ）を含む。導電体構造体および誘電体構造体１０２、１０４の間の大きな誘電率のコントラストは、表面に垂直な光が入射する場合に、一つ以上の平面内の吸収共鳴（例えば、図１に示すように、Ｘ−Ｙ平面内における共鳴）を励起させるキャビティ（例えば、スリットキャビティ）１０５を形成する。したがって、このような導体−半導体−導体の幾何学的な構造は、光の伝搬方向（例えば、図１に示すように、Ｚ方向）に横方向のファブリー・ペロー共振器を形成する。共鳴波長において、単位値（１）に近いか、あるいは、この値と略同じ値を有する吸収率が達成される。
前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の共鳴吸収は、誘電体構造体１０４（または、キャビティ１０５）の幅Ｗを変えることにより調節される。例えば、幅Ｗが増加することに伴い、共鳴吸収の波長もまた増加する。一部の実施形態において、前記幅Ｗは、約５０ｎｍ以上約９００ｎｍ以下である。また、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の厚さｔは、前記共振器１００の与えられた幅Ｗで共鳴をサポートする程度であれば十分であるため、前記共振器１００は超薄型に製造される。例えば、前記厚さｔは約１２０ｎｍであり、約５０ｎｍ以上約２５０ｎｍ以下の範囲内にある。上記の説明において、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の大きさの値および範囲に対する例を提示したが、本発明の実施形態がこれに制限されることはなく、好適な共鳴波長に対して他の適切な大きさが採択可能である。
吸収した光子（例えば、共鳴波長にある光子）は、低い抵抗や電荷キャリアの流れ（電流）のような横ファブリー・ペロー構造の電気的な性質を変化させる電荷キャリア対に変換され、適切な様々な方法により検出されて横ファブリー・ペロー共振器を光検出装置にする。一部の実施形態において、電圧Ｖは電圧ソース１１０を介して印加され、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００は、吸収した光子により生成されて増加した電荷キャリアによってさらに低い抵抗となる。
図１Ｂを参照すると、本発明の一部の実施形態において、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ａの誘電体構造体１０４ａは、前記導電体構造体１０２の下において拡張される翼１０４ｃを有するフィン構造を有する。前記翼は非常に薄く、例えば、５ｎｍの厚さのように約数ｎｍであり、これらは導電体電極と誘電体光吸収構造（例えば、誘電体光吸収フィン構造）１０４ａとの間の電気的な接触を大幅に広くさせる。前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ａは、それ以外は、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００と機能および構造がほとんど同様である。
本明細書において説明された一部の例および実施形態が前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００について説明しているが、記述された概念は誘電体構造体とは独立的であり、例えば、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ａにも同様に適用される。したがって、以下の説明において前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００および／または前記誘電体構造体１０４に対するすべての参照は、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ａ）および／または前記誘電体構造体１０４ａをやはり参照するものと理解されるべきである。
図２Ａは、本発明の一部の例示的な実施形態により、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器が入射光の特定波長に対して誘電層の幅の関数として光の吸収を示すグラフである。一部の実施形態において、誘電体構造体１０４内の誘電体は誘電定数ｎ２を有するポリシリコンであり、入射光は波長λを有する。前記装置は、図２Ａに示すように、λ／２ｎ、３λ／２ｎ、５λ／２ｎ、７λ／２ｎ…において共鳴吸収を示し、５λ／２ｎにおいて最も強い共鳴吸収を示している。ここで、ｎは誘電体の屈折率である。
図２Ｂは、本発明の一部の例示的な実施形態により、誘電体構造体１０４の他の幅（例えば、フィン構造の幅）に対して、計算されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の吸収スペクトルを波長の関数として示すグラフ２１０である。図２Ｃは、本発明の一部の例示的な実施形態により、他の装置１００の幅（例えば、フィン構造の幅）に対して、測定されて正規化されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の吸収スペクトルを波長の関数として例示するグラフ２２０である。
図２Ｂを参照すると、曲線２１２、２１４および２１６は、それぞれ約５００ｎｍ、約５５０ｎｍおよび約６００ｎｍの幅Ｗを有するファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の計算された吸収断面を（断面の比として）示す。図２Ｃを参照すると、曲線２２２、２２４および２２６は、それぞれ約５００ｎｍ、約５５０ｎｍおよび約６００ｎｍの幅Ｗを有するファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の測定された吸収スペクトルを（断面の比として）示す。前記曲線２２２、２２４および２２６の吸収断面積は、最大の反応が１になるように大きさが調節されている。図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の共鳴波長は、前記共振器１００の誘電体構造体１０４の幅が増加することに伴い増加する。
前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００は、偏光および角度に対して敏感である。例えば、前記共振器１００のキャビティは、キャビティの平面内において狭い入射角範囲からの光を検出することができる。しかしながら、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器のアレイは、単一のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の検出範囲よりも狭く、および／または、この範囲外にある角度に対する選択性のように修正された特性を示す検出器を形成するために適切な方式により配置される。
図３Ａは、本発明の一部の例示的な実施形態により、均等に配置されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００を備える検出器３００の部分断面図である。図３Ｂは、本発明の一部の例示的な実施形態により、単独のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００および均等に配置された複数のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００を有する検出器３００内のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器に対して計算されて正規化された角度に対する感度を比較するグラフ３１０である。図３Ｃは、本発明の一部の例示的な実施形態により、単独のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の計算された角度に対する反応と、２つの均一な間隔を隔てて配置されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００を備える検出器３００の変位反応とを比較するグラフ３２０である。図３Ｃにおける前記検出器３００の変位反応（曲線３２４にて示す）は、角度に対して単一のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のピーク感度からシフトしたピーク感度を有する。
図３Ａを参照すると、検出器は、等間隔にて配置された（例えば、隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のキャビティ３０２が等間隔にて分離されている）複数のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００を備える。
図３Ｂに示すように、単一のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００は、曲線３１２から明らかなように、角度に対して狭い感度を有するのに対し、隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の存在により各ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の角度に対する選択性は曲線３１４に示すように鋭くなり（例えば、さらに狭くなる）、これは、２つのファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の正規化された吸収スペクトルとして位相により検出される。大きなファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のアレイを備える検出器の場合（ナノスケールで容易に可能である）、各ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の角度に対する選択性は、曲線３１６に示すように、さらに鋭くなる（例えば、狭くなる）。前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の角度に対する感度は、０°の角度θでピークを示す。（図３Ｂ−図３Ｃにおけるグラフ３１０、３２０）の水平軸を形成する角度θは、図３Ａに示すように、検出器３００の上部表面に法線方向（例えば、垂直）であるラインに対して測定される）。図３Ｂの例において、各ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のキャビティの幅ＷＣは約５７５ｎｍであり、周りの（例えば、隣り合う）キャビティ３０２間の分離距離ＷＳは約３７０ｎｍである。前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００に対する共鳴波長は、キャビティの長さに依存することが分かる。しかしながら、約１．５μｍまたはそれ以上のキャビティの長さ（例えば、キャビティの幅の数倍に至る長さ）に対して、共鳴波長は漸近線に近づき、図３Ａの実施形態において、共鳴吸収波長は約８２４ｎｍである。
一部の実施形態によれば、前記検出器３００は、隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の当該出力信号（例えば、共鳴反応）を結合する（例えば、差し引く）ことにより角度に対する選択性を得る。図３Ｃに示すように、隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００（曲線３２４にて示す）の反応は位相が変位した（例えば、０ではない）入射角でピークを有する（このような角度上のシフトは、位相散乱と称する。）。図３Ｃの例において、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のそれぞれのキャビティの幅ＷＣは約５７５ｎｍであり、周りの（例えば、隣り合う）キャビティ３０２間の分離距離ＷＳは約１００ｎｍである。これにより、約１５°の感度シフトが発生する
一部の実施形態によれば、検出器３００の吸収反応（したがって、また、角度に対する選択性）におけるピーク差は、キャビティの幅（例えば、フィン構造の幅）ＷＣおよび分離距離ＷＳを調整することにより所望の角度に調節される。一部の実施形態において、前記キャビティの幅ＷＣがファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の共鳴波長（または検出器３００の共鳴波長）を決定するが、検出器３００の角度に対する感度（例えば、方向による角度に対する選択性）には影響を及ぼさない場合がある。一部の実施形態において、角度（例えば、反応の差がピークとなる角度）に対する感度は分離距離ＷＳにより決定される。
図４は、本発明の一部の例示的な実施形態により、チャープ（ｃｈｉｒｐ）されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００を備える検出器４００の一部に対する例示図である。
一部の実施形態において、調節された方向選択性を有する検出器（例えば、チャープされた検出器）４００を形成するため、連続的なファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のキャビティの幅（例えば、ＷＡ、ＷＢ、ＷＣ、ＷＤおよびＷＥ）は増加する（例えば、ＷＡ<ＷＢ<ＷＣ<ＷＤ<ＷＥになるように次第に増加する）。キャビティの幅におけるチャープの結果で、入射光が適正の（例えば、やや異なる）位相遅延を生成する特定の角度の方向のときに、純粋な吸収は最大化される。一部の実施形態において、チャープは線形であり、この場合、検出器４００の一部を形成する連続的なファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の間に次のような関係が存在する。
Figure 0006738122
ここで、Δ、γおよびδは、それぞれチャープされた検出器４００のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のキャビティの幅、共鳴周波数および入射光の位相遅延の増加量を示す。一部の実施形態によれば、前記チャープは、最も狭いファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００と最も広い共振器との間の波長共鳴の中心の差分が共振器１００の吸収スペクトルの最大の半分における全体幅の数倍、例えば、最大の半分における全体幅の二倍になるように選択される。
隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００からの反応（例えば、反応信号）は、結合されてチャープされた検出器４００による方向による選択性を達成する。前記結合方法は、チャープされた検出器４００内のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の数および大きさに応じて変わる。一部の実施形態において、特定の方向に対する選択性を達成するために、隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００からの反応信号の位相を一つ以上の所定の量で互いに遅延させた後にこれらを全て加算した値（または、平均値）を求める。このような位相遅延は、ハードウェア（例えば、位相遅延要素）により導入される、および／または、反応信号がプロセッサーに基づく装置にデジタル化して入力された後にソフトウェアにより行われる。
図４に示すチャープされた検出器４００はチャープされたキャビティの幅を有しているが、本発明の実施形態はこれに何ら限定されるものではなく、また、本発明の一部の実施形態において、キャビティの幅およびキャビティの分離距離のうちのいずれか一方または両方がチャープ処理される。誘電体層の幅におけるチャープは波長吸収の中心におけるシフトを提供するが、前記キャビティ分離内のチャープは共鳴光吸収の間隔により位相シフトにおける変化を提供する。
図５Ａは、本発明の一部の例示的な実施形態による検出器５００および前記検出器の検出平面５０２の斜視図であり、図５Ｂは、本発明の一部の例示的な実施形態による２つの直交検出器５００ａ、５００ｂを備える２セル検出部５１０の斜視図であり、図５Ｃは、本発明の一部の例示的な実施形態により、様々な方向に配置された検出器を備える多重セル検出部５１０ａの平面図を例示するものである。
図５Ａを参照すると、検出器５００は、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のアレイを備え、二次元検出平面（例えば、選択平面）５０２で表わされる方向による感度（例えば、選択性）を有する。検出器５００の表面に入射する光線のうち、検出平面５０２に平行な光線が検出器５００において最大の反応を生成する。検出平面５０２の検出角度θは検出器５００の表面に垂直な方向に対して測定され、導電体１０２および／または誘電体層１０４の幅にチャープを導入する、および／または、検出器５００のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の反応を特定の方式により結合することにより所望の通りに調整される。
検出平面５０２の範囲を逸脱する入射光（例えば、検出角θとは異なる入射角を有する入射平面を有する光）は、検出器５００から、最大よりは小さいものの、検出器５００の検出プロファイルにおける不要な反応を導き出す（図３Ｂにおける曲線３１６および図３Ｃにおける曲線３２４は、それぞれの実施形態に対する感度プロファイルの例を示す）。入射平面は入射光に平行であり、キャビティ１０５の長手方向（例えば、図１Ａ内におけるＹ−方向）とも平行な仮想平面として定義され、入射角は、入射平面と垂直な平面（例えば、同様にキャビティ１０５の長手方向に平行な検出器５００の上面に直角な仮想平面）との最小角として定義される。したがって、前記検出器５００は、入射光の角度（例えば、極角）を測定するために用いられる。また、検出器５００は、入射光が狭い範囲の入射角の範囲内で入射するか否かの決定を下すために活用される。
一部の実施形態において、互いに角度をなす２つ以上の検出器５００組が結合されて極角θだけではなく、方位角φに対しても狭まった範囲の方向に対する感度（例えば、方向に対する選択性）を有する多重セル検出部を形成する。例えば、図５Ｂに示すように、相互間に角度をなす（例えば、相互間に直角なキャビティの長手方向を有する）２つの検出器５００ａ、５００ｂを結合した２セル検出部５１０は、極角θおよび方位角φに対して狭まった範囲の方向に対する感度を有する。したがって、互いに異なる角度にある２つの検出器組は、入射光の極角θおよび方位角φを決定するために用いられる。多重セル検出部内の検出器（または、検出器セル）の数を増加させることにより、結果的に、入射光の極角θおよび方位角φの選択範囲がさらに狭められる。
一部の実施形態によれば、多重セル検出部内の検出器（例えば、検出器５００ａ、５００ｂ）は、同じ平面（例えば、図５Ｂに示すＸ−Ｙ平面）にあり、動作の側面からみて、図５Ａについて説明した検出器５００と実質的に同様である。前記検出器は、所望の選択極角θおよび方位角φにより、実質的に同一または異なる角度にある選択平面を有する。
一部の実施形態において、前記２セル検出部５１０は、２つの直交する対称的な検出器５００ａ、５００ｂ（例えば、チャープのない２つの直交検出器）を備え、これらは角度に対する偏向（例えば、検出器５００ａ、５００ｂの表面に垂直な検出表面５０２を有する）を有さない。このような実施形態において、入射する垂直の光は２つのセンサを両方とも励起させるのに対し、垂直ではない光源は検出器のうちの一つのみを励起させるか、あるいは、両方の検出器を励起させない。したがって、前記２セル検出部５１０は、２つの検出器５００ａ、５００ｂに実質的に垂直な光を検出するように構成される。しかしながら、多重の光源が存在する場合に、前記２セル検出部５１０がエラーにより正の値の検出を引き起こすことがある。これは、検出器の配置の数を増やすことにより克服される。
例えば、図５Ｄに示す相互間に特定の角度に設定された２組の直交検出器（例えば、相互間に４５°の角度に設定された検出器５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ）を備える多重セル検出部５１０ａは、多重光源の存在下で垂直に入射する光に対してエラーによる正の値の検出を引き起こす確率を下げることができる。互いに異なる配置を有する検出器セルの数を増加させることにより、多重セル検出部５１０ａの検出の堅固性（ロバスト性）をさらに向上（例えば、増加）させることができる。
図６Ａは、本発明の一部の例示的な実施形態により、互いに異なる方向に対する感度を有する検出器６００を備える多重セル検出部６１０の平面図を例示するものであり、図６Ｂは、検出器セルの方向に対する感度を例示する図６Ａにおける多重セル検出部６１０の断面を示し、（図６Ａにおける）ラインＩ−Ｉ'に沿って切り取った断面図である。それぞれの検出器６００は図５Ａの検出器５００と実質的に同様であり、その構造および動作についての説明はここでは省略する。
図６Ａを参照すると、多重セル検出部６１０は、極角θおよび方位角φにより表示される互いに異なる９つの方向に対する感度を有する複数の検出器（例えば、検出器セル）６００を備える。図６Ａは、各検出平面（例えば、選択平面）６０２が検出器６００（図６Ａに示すように、Ｘ−Ｙ平面に存在）のそれぞれと交差するように検出平面６０２の配置を示すものである。図６Ｂは、検出器の表面に垂直な平面（図６Ｂに示すように、Ｙ−Ｚ平面）と交差する検出平面６０２のように、検出器６００のラインＩ−Ｉ'に沿った検出平面６０２（例えば、選択平面）の配置を示すものである。多重セル検出部６１０の互いに異なる検出器６００の出力を比較することにより、多重セル検出部６１０の表面に垂直な入射光の角度の方向を評価することが可能である。
また、検出器６００の検出平面６０２は、多重セル検出部６１０上のＲ領域に収束されるため、Ｒ領域の光源が多重セル検出部６１０の全ての検出器６００を励起（例えば、最大限に励起）させるのに対し、Ｒ領域の外の光源は多重セル検出部６１０に対する相対的な位置により検出器６００の一部のみを励起（例えば、最大限に励起）させるか、あるいは、全く励起させない。したがって、入射光の角度を評価するとともに、前記多重セル検出部６１０は自分の表面上の領域（例えば、Ｒ領域）内の光源（例えば、光を反射する物体）の存在を検出するのに用いられる。
図７は、本発明の一部の例示的な実施形態により、多数の検出器７００を備える検出マトリックス７１０の例示図である。それぞれの検出器７００は、図５Ａの検出器５００と実質的に同様であり、その構造および動作についての説明はここでは省略する。
図７を参照すると、多数（例えば、９よりも大きな数）の検出器７００が結合されて検出マトリックス７１０を形成する。マトリックス内の各検出器７００は、角度による方向および／または多重セル検出部上の空間の特定の領域における光源の存在を検出する一つ以上の多重セル検出部（図６Ａにおける多重セル検出部６１０と同様である）の一部である。したがって、前記検出マトリックスは複数の多重セル検出部を備え、これらは重なり合う（例えば、共通する検出器７００を共有する）。検出器７００の出力（例えば、前記複数の多重セル検出部の出力）を結合することにより物体のイメージがキャプチャされ、および／または物体（または、光源）の位置が決定される。したがって、本発明の実施形態によれば、無レンズイメージ処理および／またはタッチ面から離れた状態での評価が達成される。したがって、前記概略的に説明された概念は、光のフィールドにおけるイメージ処理に対する代案的な方法を提供する。
検出マトリックス７１０がイメージプロセッサとして働く本発明の一部の実施形態によれば、前記検出器７００は角度による偏向性を有さない（例えば、極角θが実質的に０と同じである）。したがって、検出マトリックス７１０の表面に実質的に垂直な光を検出する。物体（図７に示すユーザの指など）の点からの光は全ての方向に照射（例えば、反射）されて全ての方向からイメージプロセッサマトリックスに達するが、前記イメージプロセッサは垂直に入射する光のみを検出する。物体の多数の点から垂直に入射する光をキャプチャすることにより、イメージプロセッサは物体のイメージをキャプチャする。上述したように、このようなイメージプロセッシング技術は、イメージ処理能がイメージプロセッサから物体までの距離に敏感ではないため拡大をせず、焦点を合わせるための光学技術を使用しなくてもよい。このようなイメージプロセッサの解像度は、部分的には、検出マトリックスに採択された検出器の角度に対する感度（例えば、尖鋭度）に依存する。例えば、指紋を識別するために、角度の検出尖鋭度が１°である場合、指は光学的焦点を合わせなくてもイメージ処理装置から３ｍｍ以下である。
図８Ａは、本発明の一部の実施形態により、ゲートトランジスター８１２およびファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器としての検出器８１４を備えるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００の断面図である。前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器は、背中合わせの２つのショットキーダイオードを電気的に近似させ、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の検出器は、図８Ａに示すように、フォトダイオード検出器として近似するように取り扱われる。図８Ｂは、図８Ａにおけるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００の等価回路図の例示図であり、図８Ｃは、本発明の一部の例示的な実施形態による検出器８１４の電極配置を示す平面図である。
本発明の一部の実施形態において、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００は、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂのアレイを備え、ここで、各共振器１００ｂは、誘電体構造体１０４ｂを除けば、動作および構造が図１におけるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００とほぼ同じである。一部の実施形態によれば、誘電体構造体１０４ｂは、ｐ型半導体領域８０４とｎ型半導体領域８０６との間に形成される真性半導体領域（例えば、未ドープの半導体またはｉ型半導体領域）８０２を備える。したがって、誘電体構造体１０４ｂは、図１Ｂにおける誘電体構造体１０４のフィン型構造とほぼ同じである。前記ｐ型半導体領域８０４（ｐチャンネル）およびｎ型（ｎチャンネル）半導体領域８０６は、オーミックコンタクトとして機能するためにヘビードープされ、前記導電体構造体１０２の下に配置される。前記誘電体構造体１０４ｂの領域８０２、８０４、８０４は、シリコン（Ｓｉ）および／またはこれと類似する適切な半導体物質を含む。真性半導体領域８０２によりキャビティが２つの導電体構造（例えば、電極）１０２の間に挟み込まれる。前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂの上面は、光が通過してファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂのキャビティに達するように、所望の検出波長（例えば、赤外線）の光に実質的に透明である絶縁層８０８により覆われる。例えば、前記絶縁層８０８は、ガラス（例えば、ＳｉＯ２）、ハフニウムケイ酸塩、ハフニウム二酸化物、ジルコニウム二酸化物などを含む。一部の実施形態において、導電体光ブロッキング構造８１０が絶縁層８０８のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂのうちの一つの真性半導体領域８０２を覆うために（例えば、全体の領域を覆うために）上に配置される。前記導電体光ブロッキング構造８１０は電気的に伝導性を有し、所望の検出波長の光に対して不透明な（金、銀、アルミニウムまたはその他の類似金属などの）物質を含む。したがって、前記導電体光ブロッキング構造８１０は、所望の検出波長の光がこの構造を通過し、下に配置されるキャビティに達することをブロッキング（例えば、防止）する。光がこの構造を通過し、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂの下に配置されるキャビティに達することをブロッキングするとともに、前記導電体光ブロッキング構造８１０はゲート電極として機能し、その下にあるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂの構造とともにトランジスタ（例えば、ショットキー障壁電界効果トランジスタ）８１２を構成する。したがって、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサー８００は、トランジスタ（例えば、スイッチ）として機能する導電体光ブロッキング構造８１０により覆われたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂと、外部の光に露出され（且つ、いかなる光ブロッキングレイヤによっても覆われていない）、検出器（例えば、フォトダイオード）８１４として機能する複数のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂと、を備える。前記検出器８１４は、図５Ａにおける検出器５００と構造および動作の側面からみて同様であり、これについての詳細な説明はここでは省略する。
図８Ａは、一つの導電体光ブロッキング構造８１０のみを有するファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００を例示しているが、本発明の実施形態がこれに何ら制限されるものではない。
実際に、本発明の他の実施形態によれば、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサは、適切な任意の数の導電体光ブロッキングレイヤと、これに対応する光がブロッキングされたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂと、を有する。
一部の実施形態によれば、ｐ型半導体領域８０４に対応する（例えば、前記領域と重なり合うか、あるいは、これを覆う）検出器８１４の前記導電体構造体１０２は電極８０５を介して互いに接続（例えば、電気的に接続）される。これと同様に、ｎ型半導体領域８０６に対応する検出器８１４の前記導電体構造体１０２は電極８０７を介して互いに接続される。図８Ｃに示すように、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂの大きさおよび数は、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００が矩形状のピクセル（例えば、正方形のピクセル）を満たすように選択される。一部の実施形態において、各ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００ｂの幅Ｗｏは約６０ｎｍであり、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００により形成されるピクセルの長さＬは約１２０μｍである。
図９は、本発明の一部の例示的な実施形態によるファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００である検出器８００を備える光学式センシングアレイ９００を概略的に示すものである。
一部の実施形態において、光学式センシングアレイ９００は、第１の列電極９０２および行電極９０４をさらに備える。前記第１の列電極９０２は、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）検出器８００の各列の電界効果トランジスター８１２のソース電極に接続され、行電極９０４は電界効果トランジスタ８１２のゲート（選択）に接続される。前記電界効果トランジスタ８１２のドレインはファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器であるそれぞれの光ダイオード８１４に接続され、これらは第２の列電極９０３の組に接続される。第１の列導電体９０２および行導電体９０４の間のそれぞれの交差点９０６には絶縁層が配置されている。
それぞれの第１の列電極９０２の一方の端は列ドライバ９０８に接続（例えば、電気的に接続）され、それぞれの行電極９０４の一方の端は行ドライバ９１０に接続（例えば、電気的に接続）される。各々の第２の列電極９０３の他方の端には、前記光学式センシングアレイ９００が電流センサ１２を備える。
一部の実施形態において、前記行ドライバ９１０は、センサ８００のショットキー電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート電極を選択する当該行電極９０４に適切な電圧を印加することにより、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００の行に電力を供給する。前記列ドライバ９０８は、当該第２の列電極９０２を介してソース電圧をファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００の列に印加する。したがって、列ドライバ９０８および行ドライバ９１０の結合された動作により個別的なファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００が駆動される。
前記駆動されたファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００の電流は、入射光に対する前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００の反応を示し、再び電流センサ９１２により測定される。前記電流センサ９１２は、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００の光電流を測定するために、当該分野における周知の適切な回路および方法を採択する。例えば、値が既知の抵抗を介して電流が流れ、この抵抗にかかる電圧が測定される。前記電流センサ９１２は、例えば、対象物のイメージをキャプチャし、および／または、対象物の位置／動きを検出／追跡するなど、光学式センシングアレイ９００内のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００のそれぞれの反応を処理するための処理部（例えば、ディスプレイ装置）に接続される。
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の一部の例示的な実施形態により、光学式センシングアレイが組み込まれたディスプレイパネルの断面の例示図である。
本発明の一部の実施形態において、前記光学式センシングアレイ９００は、イメージ処理装置やディスプレイ装置（例えば、ディスプレイパネル１０００）またはこれと類似の装置に組み込まれる。
図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、前記光学式センシングアレイ９００は、ボトム基板１００２と、トップ基板１００４およびこれらの間の発光層１００６を備えるディスプレイパネル（例えば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）パネル）１０００に組み込まれる（例えば、挿入される）。前記発光層１００６は、トップまたはボトムに向かって光を発する赤色、緑色および青色の発光体を有するピクセルを備える。前記検出器８１４は、前記発光層１００６の上（例えば、光が発せられる方向）または前記発光層１００６の下（例えば、光が発せられる方向の反対側）に配置される。一部の例において、前記検出器８１４は、トップ基板１００４またはボトム基板１００２の内部または外部の表面にある。
一部の実施形態において、１ディスプレイピクセルに対して、または、より多数のディスプレイピクセルに対して一つの検出器８１４（または、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサ８００）が配置される。また、前記検出器８１４は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、ブラックマトリックスまたはディスプレイピクセルの他の領域の上方にある。さらに、一部の実施形態において、前記検出器８１４は、可視光線領域の外側の波長（例えば、赤外線範囲）を検出（例えば、これに対して共鳴を表わす）し、発光層１００６の赤色、緑色および青色の光領域を透過する。結果的に、前記光学式センシングアレイ９００は、前記ディスプレイパネル１０００の光透過にほとんど影響を及ぼさない。
上述の図１０Ａおよび図１０Ｂに示す前記ディスプレイパネル１０００は例示のためのものであり、本発明の実施形態により、前記検出器、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）光センサおよび／または前記光学式センシングアレイは、当該分野における通常の技術を有する者にとって周知の適切な構造を有するディスプレイパネルに組み込まれる。
図１１Ａは、本発明の一部の例示的な実施形態により、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）検出器１１１０の上方に配置されるフィルタ１１００の断面図であり、図１１Ｂは、本発明の一部の例示的な実施形態によるフィルタ１１００のスペクトル吸収、反射および透過を示す例示図である。検出器１１１０は、図５Ａにおける検出器５００または図８における検出器８１４とその構造および動作の側面からみて実質的に同様であり、これについての詳細な説明はここでは省略する。
一部の実施形態において、前記検出器１１１０はフィルタ１１００により覆われ、前記フィルタは、前記検出器１１１０内において励起を引き起こす波長範囲を透過させ、この範囲外にある波長の光を実質的にフィルタリングする。一部の実施形態において、前記フィルタ１１００は、透明層（例えば、ガラス層）１１０２と、非晶質シリコン（ａ:Ｓｉ）層１１０４と、絶縁層（例えば、二酸化ケイ素を含む）１１０６および相互間に積み重ねられた基板（例えば、シリコンを含む）を備える。非晶質シリコンは、可視光線のスペクトル（例えば、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍ）を強く吸収し、赤外線スペクトル（例えば、約７５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ）近くの光は透過させるため、前記フィルタ１１００は昼間に発生する光のブロッキングフィルタとして働く。
図１１Ｂを参照すると、曲線１１２２、１１２４および１１２６は、約１１０ｎｍの厚さを有する非晶質シリコン層１１０４と、約３３０ｎｍの厚さを有する二酸化ケイ素絶縁層１１０６と、を備えるフィルタ１１００の光の吸収、反射および透過を（波長の関数として）示す。非晶質シリコン層１１０４および二酸化ケイ素絶縁層１１０６の厚さを増加させることにより、および／または、多重レイヤの非晶質シリコンおよび二酸化ケイ素をフィルタ１１００内に取り入れることにより、さらに鋭い吸収／透過のカットオフが達成される。
図１２Ａは、本発明の一部の例示的な実施形態により、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器の共鳴における光吸収の向上を、同じ物質からなるが、共鳴キャビティを有さない検出器と比較して例示するグラフ１２００である。
図１２Ａにおいて、曲線１２０２、１２０４は、同じ光検出誘電体または半導体層により製作され、且つ、フィン構造を有さないファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００およびセンサの吸収比をそれぞれ波長の関数として示すものである。本発明の一部の実施形態において、前記ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００は、共鳴における吸収を約７０倍向上させる。このような向上は、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のキャビティの大きさを調整することにより調節される。一部の実施形態において、共鳴は、約１１ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）の約７５の品質因子（Ｑファクタ）を有する。ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のこのような狭い帯域幅は、好ましくない波長を実質的に排除することができる。
図１２Ｂは、本発明の一部の例示的な実施形態により、導電体構造体１０２の様々な物質がファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の品質因子（Ｑファクタ）に及ぼす影響を例示するグラフ１２１０である。
図１２Ｂにおいて、曲線１２１２、１２１４、１２６および１２１８は、それぞれ金製、銀製、銅製およびアルミニウム製の導電体構造体１０２を有するファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器（すなわち、金製の共振器、銀製の共振器など）に吸収パワー率（吸収因子）を波長の関数として示すものである。図１２Ｂに示すように、導電体構造体１０２の物質の選択によりファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００のキャビティのインデックスコントラストまたは品質因子（Ｑファクタ）が変わる。例えば、アルミニウムに対する吸収の向上は、金に対する吸収の向上の約０．３４倍になる。
図１３は、本発明の一部の例示的な実施形態により、検出器内の隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００対の反応を差し引くために使用されるヌリング構造（ｎｕｌｌｉｎｇ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）１３００を示す概略的な例示図である。
一部の実施形態において、ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の対は、光入射の直角ではない角を評価するために、ヌリング構造１３００内に一緒に接続される。前記ヌリング構造１３００は、一方の端がノード１３０２においてともに接続され（例えば、一緒に直結され）、他方の端において２つの抵抗Ｒ１およびＲ２を介してともに接続される２つの隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００を備える。ブロッキングダイオードＤは、ノード１３０２に取り付けられる。前記ブロッキングダイオードの自由端およびノード１３０４において（例えば、Ｖ１−Ｖ２）測定された電圧は、隣り合うファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の出力電流の差分に比例する。
前記差し引きの過程において、それぞれのファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の電流の相対的な重み付け値は、抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗値を調整することにより修正される。
ヌリング構造１３００が検出器のファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器１００の出力を結合する特定の方法を示しているが、本発明の実施形態はこれに何ら限定されるものではなく、通常の技術を有する技術者にとって周知の適切なヌリング構造または出力の結合方法が使用可能である。
一つ以上の検出器を採択するイメージ処理装置は、機器に設置されるか、あるいは、外部からの光源として一つ以上の検出器の共鳴波長範囲の光を放出する光源を使用する。タッチスクリーン装置に対する例において、光源はタッチスクリーンに組み込まれるか、あるいは、タッチスクリーンの周りに配設され、タッチスクリーン上の空間を照らす。
本発明が特定の例示的な実施形態と結び付けられて説明されたが、本発明が開示された実施形態により制限されることはなく、逆に、添付の特許請求の範囲とこれと均等な発明の思想および範囲内に含まれる様々な修正と同等な配置を含むために意図されたものであると理解されるべきである。
１００:ファブリー・ペロー（ＴＦＰ）共振器
１０００:ディスプレイパネル
１００２:下段基板
１００４:上段基板
１００６:発光層
１０２:導体構造体
１０４:誘電体構造体
１０５:キャビティ
１０６:基板
１１０:電圧ソース
１１００:フィルタ
１１０２:透明層
１１０４:非晶質シリコン層
１１０６:二酸化ケイ素絶縁層
３００、４００、５００、６００、７００、８００:検出器
３０２:キャビティ
５１０、６１０:多重セル検出部
７１０: 検出マトリックス
８０２:真性半導体領域
８０４、８０６:半導体領域
８０５、８０７:電極
８０８:絶縁層
８１０:光ブロッキング構造
８１２:トランジスタ
８１４:光ダイオード
９００:光学式センシングアレイ
９０２、９０３:列電極
９０４:行電極
９０６:交差点
９０８:列ドライバ
９１０:行ドライバ
９１２:電流センサ

Claims (9)

  1. トランジスタおよび検出器を含む光学式光センサであって、
    基板と、
    前記基板上の複数の誘電体構造体と、
    前記複数の誘電体構造体の一の誘電体構造体上の前記トランジスタの電極であって、検出する波長範囲の光が前記誘電体構造体に到達することを防ぎ、前記複数の誘電体構造体の他の誘電体構造体は、前記基板とは反対側の前記誘電体構造体側を介して光を受信するように配置される、前記トランジスタの電極と、
    前記基板上の複数の導電体構造体であって、前記複数の導電体構造体の連続的な導電体構造体が前記複数の誘電体構造体の対応する誘電体構造体を前記導電体構造体の間に有し、前記複数の導電体構造体のうちの第１の導電体構造体は互いに結合され、前記複数の導電体構造体のうちの第２の導電体構造体は互いに結合され、前記複数の導電体構造体の前記第１の導電体構造体および前記第２の導電体構造体は交互に配置される、複数の導電体構造体と、
    前記複数の誘電体構造体および前記複数の導電体構造体上の透明な絶縁層と、
    を備え、
    前記連続的な導電体構造体および前記対応する誘電体構造体は、検出する波長範囲の前記光の受信に応じて、吸収共鳴を誘導するキャビティを形成し、
    前記トランジスタと、前記検出器とは、隣接して配置され、前記複数の導電体構造体のうち一つの導電体構造体を共有し、
    前記複数の誘電体構造体および前記複数の導電体構造体は前記キャビティを含む複数のキャビティを形成し、前記複数のキャビティの各々は前記波長範囲の受信された前記光に応じて信号を生成し、生成された前記信号は前記波長範囲の受信された前記光の入射角を表わすことを特徴とする波長範囲および入射角範囲の光を検出するための光学式光センサ。
  2. 前記複数の誘電体構造体の連続する構造体の幅が次第に増加することを特徴とする請求項１に記載の光学式光センサ。
  3. 前記複数の導電体構造体の連続する構造体の幅が次第に増加することを特徴とする請求項１に記載の光学式光センサ。
  4. 前記連続的な導電体構造体は変位電圧を受け、
    前記変位電圧は、前記導電体構造体および誘電体構造体によって吸収された光に応じて前記キャビティが電流を生成するように誘導することを特徴とする請求項１に記載の光学式光センサ。
  5. 前記複数のキャビティのうち隣接するキャビティにおいて生成された信号を予め定められた位相関係で結合し、前記波長範囲の受信された前記光の入射の角度が前記入射角範囲内にあるときに出力信号を生成する検出回路をさらに備え、
    前記入射の角度は、入射平面と前記検出器に直交する垂直平面との間の角度であり、前記入射平面および前記垂直平面の両方は、前記複数のキャビティの一のキャビティの長手方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載の光学式光センサ。
  6. 各々の光学式光センサが前記光学式光センサに垂直であり、前記光学式光センサのキャビティの長手方向に平行な入射平面を有する波長範囲の光の検出に応じて信号を生成するように配置されている複数の光学式光センサを備え、
    前記各々の光学式光センサは、
    基板と、
    前記基板上の複数の誘電体構造体と、
    前記複数の誘電体構造体の一の誘電体構造体上のトランジスタの電極であって、検出する波長範囲の光が前記誘電体構造体に到達することを防ぎ、前記複数の誘電体構造体の他の誘電体構造体は、前記基板とは反対側の前記誘電体構造体側を介して光を受信するように配置される、前記トランジスタの電極と、
    前記基板上の複数の導電体構造体であって、前記複数の導電体構造体の連続的な導電体構造体が前記複数の誘電体構造体の対応する誘電体構造体を前記導電体構造体の間に有し、前記複数の導電体構造体のうちの第１の導電体構造体は互いに結合され、前記複数の導電体構造体のうちの第２の導電体構造体は互いに結合され、前記複数の導電体構造体の前記第１の導電体構造体および前記第２の導電体構造体は交互に配置される、複数の導電体構造体と、
    前記複数の誘電体構造体および前記複数の導電体構造体上の透明な絶縁層と、
    を備え、
    前記連続的な導電体構造体および前記対応する誘電体構造体は、検出する波長範囲の前記光の受信に応じて、吸収共鳴を誘導するためのキャビティを形成する、検出器と一体化されたトランジスタを備え、
    前記複数の光学式光センサの第１の光学式光センサおよび第２の光学式光センサのキャビティの長手方向は互いに角度をなし、
    前記トランジスタと、前記検出器とは、隣接して配置され、前記複数の導電体構造体のうち一つの導電体構造体を共有し、
    前記複数の誘電体構造体および前記複数の導電体構造体は前記キャビティを含む複数のキャビティを形成し、前記複数のキャビティの各々は前記波長範囲の受信された前記光に応じて信号を生成し、生成された前記信号は前記波長範囲の受信された前記光の入射角を表わすことを特徴とする垂直に入射する波長範囲の光を検出するための多重セル検出部。
  7. トランジスタおよび検出器を含む光学式光センサであって、
    横方向に交互に配列される複数のｐ型半導体および複数のｎ型半導体と、
    各々が対応する前記ｐ型半導体の一つと対応する前記ｎ型半導体の一つとの間に存在する複数の真性半導体と、
    前記複数のｐ型半導体および前記複数のｎ型半導体の上に存在し、対応する前記複数の真性半導体の一つとの間に複数のキャビティを形成する複数の電極と、
    前記複数の真性半導体及び前記複数の電極上の透明絶縁層と、
    前記キャビティに到達する、検出する波長範囲の光を防ぐように構成され、前記複数のキャビティのうちの第１のキャビティ上の前記トランジスタのゲート電極と、
    を備え、
    前記複数のｐ型半導体上の前記複数の電極の第１の電極が互いに接続され、前記複数のｎ型半導体上の前記複数の電極の第２の電極が互いに接続され、
    前記複数の電極の前記第１の電極および前記第２の電極は交互に配置され、
    前記複数のキャビティのうちの第２のキャビティが長手方向に入射する光に露出され、前記波長範囲の受信した光に応じて、吸収共鳴を誘導するため配置される、検出器と一体化された前記トランジスタを備え、
    前記トランジスタと、前記検出器とは、隣接して配置され、前記複数の電極のうち一つの電極を共有し、
    前記複数の真性半導体および前記複数の電極は前記キャビティを含む複数のキャビティを形成し、前記複数のキャビティの各々は前記波長範囲の受信された前記光に応じて信号を生成し、生成された前記信号は前記波長範囲の受信された前記光の入射角を表わすことを特徴とする波長範囲の光を検出するための光学式光センサ。
  8. 複数の行導電体と、
    前記行導電体と交差する複数の列導電体と、
    前記複数の行導電体および列導電体に接続される複数の光学式光センサと、
    を備え、
    前記複数の光学式光センサの各センサは、検出器と一体化されたトランジスタを備え、前記検出器と一体化された前記トランジスタは、
    横方向に交互に配列される複数のｐ型半導体および複数のｎ型半導体と、
    各々が対応する前記ｐ型半導体の一つと対応する前記ｎ型半導体の一つとの間に存在する複数の真性半導体と、
    前記複数のｐ型半導体および前記複数のｎ型半導体の上に存在し、対応する前記複数の真性半導体の一つとの間に複数のキャビティを形成する複数の電極と、
    前記複数の列導電体の一つに接続され、検出する波長範囲の光が前記キャビティに達することを防ぎ、前記複数のキャビティの第１のキャビティの上方のゲート電極と、
    を備え、
    前記複数のｐ型半導体上の前記複数の電極の第１の電極が互いに接続され、前記複数のｎ型半導体上の前記複数の電極の第２の電極が互いに接続され、前記複数の電極の前記第１の電極および前記第２の電極は交互に配置され、
    前記複数のキャビティのうちの一つ以上の第２のキャビティが長手方向に入射する光に露出され、前記波長範囲の受信した光に応じて、吸収共鳴を誘導するため配置され、
    前記トランジスタと、前記検出器とは、隣接して配置され、前記複数の電極のうち一つの電極を共有し、
    前記複数の真性半導体および前記複数の電極は前記キャビティを含む複数のキャビティを形成し、前記複数のキャビティの各々は前記波長範囲の受信された前記光に応じて信号を生成し、生成された前記信号は前記波長範囲の受信された前記光の入射角を表わすことを特徴とする波長範囲の光を検出するための光学式センシングアレイ。
  9. トランジスタおよび検出器を含む光学式光センサであって、
    横方向に交互に配列される複数のｐ型半導体および複数のｎ型半導体と、
    各々が対応する前記ｐ型半導体の一つと対応する前記ｎ型半導体の一つとの間に存在する複数の真性半導体と、
    前記複数のｐ型半導体および前記複数のｎ型半導体の上に存在し、対応する前記複数の真性半導体の一つとの間に複数のキャビティを形成する複数の電極と、
    前記複数の真性半導体及び前記複数の電極上の透明絶縁層と、
    前記キャビティに到達する、検出する波長範囲の光を防ぐように構成され、前記複数のキャビティのうちの第１のキャビティ上の前記トランジスタのゲート電極と、
    を備え、
    前記複数のｐ型半導体上の前記複数の電極の第１の電極が互いに接続され、前記複数のｎ型半導体上の前記複数の電極の第２の電極が互いに接続され、
    前記複数の電極の前記第１の電極および前記第２の電極は交互に配置され、
    前記波長範囲の受信した光に応じて、吸収共鳴を誘導するため配置される、検出器と一体化された前記トランジスタ、を備え、
    前記トランジスタと、前記検出器とは、隣接して配置され、前記複数の電極のうち一つの電極を共有し、
    前記複数の真性半導体および前記複数の電極は前記キャビティを含む複数のキャビティを形成し、前記複数のキャビティの各々は前記波長範囲の受信された前記光に応じて信号を生成し、生成された前記信号は前記波長範囲の受信された前記光の入射角を表わすことを特徴とする波長範囲の光を検出するための光学式光センサ。
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