JP6892745B2 - 光検出装置および電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、カラーフィルタを備える光検出装置およびこれを備える電子機器に関する。

従来、カラーセンサへの入射光の赤外線を分離するために、赤外線カットフィルタが使用されている。
たとえば、特許文献１は、複数のセンサを有する基板と、基板上でセンサを覆う赤外線カットフィルタと、赤外線カットフィルタ上の可視光線フィルタとを含む、光電子センサを開示している。赤外線カットフィルタは、たとえば、約５０層の誘電体膜を積層した多層膜からなる。

米国特許第８２７４０５１号明細書

この発明の一実施形態は、赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域の光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を提供する。
また、この発明の一実施形態は、赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域の光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を備えた電子機器を提供する。

この発明の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された信号検出用受光部と、前記半導体基板に形成された赤外線受光部と、前記信号検出用受光部を覆い、可視光波長域内の第１の波長域と赤外波長域との光を透過させる第１分光特性を有する第１カラーフィルタと、前記赤外線受光部を覆い、可視光波長域内の第２の波長域と赤外波長域との光を透過させる第２分光特性を有する第２カラーフィルタと、前記赤外線受光部を覆い、可視光波長域内の前記第２の波長域とは異なる第３の波長域と赤外波長域との光を透過させる第３分光特性を有する第３カラーフィルタと、前記信号検出用受光部を覆い、前記赤外線受光部に対向する領域に開口を有する赤外線カットフィルタとを含む、光検出装置を提供する。

この構成により、信号検出用受光部は、第１カラーフィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われているので、赤外線の影響を抑制しながら、第１波長域の光を優先的に検出することができる。一方、赤外線受光部は、可視光波長域内において異なる波長域の光を透過させる分光特性の第２および第３カラーフィルタで覆われているので、第２カラーフィルタが透過させる第２波長域の光は第３カラーフィルタで減衰され、第３カラーフィルタが透過させる第３波長域の光は第２カラーフィルタで減衰される。それにより、可視光波長域の光を十分に減衰させることができる。そして、赤外線受光部に対応する領域では、赤外線カットフィルタに開口が形成されているから、赤外線受光部は、赤外波長域（赤外線の波長域）の光を優先的に高感度で検出することができる。こうして、可視光波長域の光を分光して検出でき、かつ赤外線も高感度で検出できる光検出装置を提供できる。

第１の波長域と第３の波長域とが等しくてもよい。すなわち、第１分光特性と第３分光特性とが等しくてもよい。第２の波長域は第１の波長域および第３の波長域のいずれとも異なる波長域であることが好ましい。
この発明の一実施形態では、前記第１カラーフィルタは、青色フィルタ、緑色フィルタまたは赤色フィルタを含み、前記第２カラーフィルタは、赤色フィルタを含み、前記第３カラーフィルタは、青色フィルタまたは緑色フィルタを含む。

この構成により、信号検出用受光部は、青色、緑色または赤色の波長域の光を分光して検出できる。その一方で、赤外線受光部は、赤色フィルタと、青色フィルタまたは緑色フィルタとで覆われている。
青色フィルタまたは緑色フィルタを透過する光の分光感度曲線は、青色または緑色の波長域、および赤外線の波長域のそれぞれに、互いに独立したピークを持つ。赤色フィルタを透過する光の分光感度曲線は、赤色の波長域から赤外線の波長域に連続した透過波長域を有している。したがって、青色フィルタまたは緑色フィルタと、赤色フィルタとで、赤外線受光部を覆うことにより、赤外線受光部に向かう可視光波長域の光を十分に減衰させることができるから、赤外線受光部は赤外線を選択的に受光できる。

この発明の一実施形態では、前記第１カラーフィルタ、前記第２カラーフィルタおよび前記第３カラーフィルタの上から前記信号検出用受光部および前記赤外線受光部を覆うクリアフィルタをさらに含み、前記クリアフィルタの上に前記赤外線カットフィルタが形成されている。
クリアフィルタは、可視光波長域および赤外波長域の光を透過させる透明フィルタである。クリアフィルタは、カラーフィルタによって生じている段差を吸収して均すように形成されていることが好ましい。このようなクリアフィルタの上に赤外線カットフィルタが形成されることにより、均一で欠損のない赤外線カットフィルタを形成できる。

この発明の一実施形態では、前記クリアフィルタの表面に透明保護膜が形成されており、前記透明保護膜上に前記赤外線カットフィルタが形成されている。
この発明の一実施形態では、前記光検出装置は、前記半導体基板に形成され、前記信号検出用受光部の出力信号を補正するための補正用受光部と、前記補正用受光部を覆い、可視光波長域内の前記第１の波長域とは異なる第４の波長域と赤外波長域との光を透過させる第４分光特性を有する第４カラーフィルタと、前記信号検出用受光部および前記補正用受光部に電気的に接続された演算部とをさらに含む。そして、前記第１カラーフィルタが前記補正用受光部をも覆っており、前記演算部が、前記赤外線受光部の出力信号に基づいて、前記信号検出用受光部の出力信号から赤外線の波長成分を選択的に除去または減弱させる。

この構成によれば、信号検出用受光部および補正用受光部が共通に第１カラーフィルタで覆われ、補正用受光部のみが選択的に第４カラーフィルタで覆われている。これにより、信号検出用受光部および補正用受光部に同じ光が入射した場合に、信号検出用受光部では所定の波長域の可視光および赤外線（赤外線カットフィルタでの減衰後の赤外線）が検出される一方、補正用受光部では、第１カラーフィルタおよび第４カラーフィルタによってほぼ全可視光波長域の光が減衰されるので、信号検出用受光部で検出される赤外線と同レベルの赤外線のみを選択的に検出することができる。したがって、前記光検出装置の内部または外部に備えられた論理回路等によって、信号検出用受光部の出力信号中の赤外線成分を、補正用受光部の出力信号の大きさに基づいて選択的に排除または減弱することで、入射光の実際の可視光成分に近い出力信号（情報）を得ることができる。したがって、この発明の一実施形態に係る光検出装置を用いれば、少ない誤差で、照度および色温度を精度よく算出することができる。

そして、このような信号の分別処理では、論理演算によって赤外線の波長域分の信号のみをデジタル的に分離することができるので、光の入射方向に関係なく、赤外線成分を十分に減衰または排除した信号を得ることができる。
前記第４の波長域は前記第２の波長域と等しくてもよい。すなわち、前記第４分光特性と前記第２分光特性とが等しくてもよい。前記第４カラーフィルタは、赤色フィルタであってもよい。

この発明の一実施形態では、前記信号検出用受光部および前記補正用受光部は、それぞれ、前記半導体基板の表面から同じ深さにある第１ｐｎ接合部と、前記第１ｐｎ接合部よりも深い位置にある第２ｐｎ接合部とを含む。
半導体基板における光の透過深さは、波長が長いほど深くなる。したがって、検出対象の光の波長に応じて適切な深さのｐｎ接合部を使うことで、光を効率よく検出することができる。

この発明の一実施形態では、前記信号検出用受光部は、緑色信号受光部および青色信号受光部を含み、前記補正用受光部は、緑色補正用受光部および青色補正用受光部を含み、前記第１カラーフィルタは、前記緑色信号受光部を覆う緑色フィルタと、前記青色信号受光部を覆う青色フィルタとを含み、前記第４カラーフィルタは、前記緑色補正用受光部および青色補正用受光部を覆い、前記緑色信号受光部および青色信号受光部のいずれも覆わない赤色フィルタを含む。

この構成によれば、緑色信号受光部は緑色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われており、青色信号受光部は青色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われている。また、緑色補正用受光部は、緑色フィルタ、赤色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われており、青色補正用受光部は、青色フィルタ、赤色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われている。したがって、緑色信号受光部は、緑色波長域の光を選択的に受光できる。赤外線カットフィルタを通過した微小な赤外線成分は、緑色補正用受光部の出力を用いて減弱または排除できる。同様に、青色信号受光部は、青色波長域の光を選択的に受光できる。赤外線カットフィルタを通過した微小な赤外線成分は、青色補正用受光部の出力を用いて減弱または排除できる。

第２カラーフィルタおよび第４カラーフィルタは、いずれも赤色フィルタであってもよい。この場合、光検出装置の製造工程において、第２および第４カラーフィルタを同一工程で形成できる。
この発明の一実施形態では、前記第１カラーフィルタが第１のカラーレジストを含む。また、前記第２カラーフィルタが第２のカラーレジストを含む。また、前記第３カラーフィルタが第３のカラーレジストを含む。

この発明の一実施形態は、前述のような特徴を有する光検出装置と、前記光検出装置を収容した筐体とを含む電子機器を提供する。これにより、赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域の光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を備えた電子機器を提供できる。

図１は、この発明の一実施形態に係る光検出装置の電気的構成を示すブロック図である。 図２は、前記光検出装置のレイアウト図である。 図３は、前記光検出装置の断面図（図２のＡ−Ａ´線断面図）である。 図４は、前記光検出装置の断面図（図２のＢ−Ｂ´線断面図）である。 図５は、図３および図４のフォトダイオードの拡大図である。 図６は、カラーフィルタ、クリア膜および赤外線カットフィルタの配置の関係を説明するための分解斜視図である。 図７は、青色受光部での赤外線分離の演算を説明するための図である。 図８は、緑色受光部での赤外線分離の演算を説明するための図である。 図９は、赤色受光部での赤外線分離の演算を説明するための図である。 図１０は、前記光検出装置の最終的な分光感度特性を示す図である。 図１１Ａは赤色フィルタの分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｂは緑色フィルタの分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｃは青色フィルタの分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｄはクリア膜の分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｅは赤外線カットフィルタの分光特性（波長対透過率）の一例を示す。 図１２は、前記光検出装置が用いられる電子機器の一例であるスマートフォンの外観を示す斜視図である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る光検出装置１の電気的構成を示すブロック図である。
光検出装置１は、赤色受光部２Ｒ、緑色受光部２Ｇおよび青色受光部２Ｂと、これらの受光部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを覆う赤外線カットフィルタ３と、赤外線受光部１０と、演算部４とを含む。

赤色受光部２Ｒ、緑色受光部２Ｇおよび青色受光部２Ｂならびに赤外線受光部１０は、それぞれ、フォトダイオード５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，５ＩＲを有している。フォトダイオード５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，５ＩＲは、それぞれ、演算部４に電気的に接続されている。フォトダイオード５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，５ＩＲと演算部４との間には、ＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）６が介挿されている。各フォトダイオード５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，５ＩＲのｐｎ接合部に光が入射すると、光起電力効果によって電流が発生し、その電流がＡＤＣ６においてアナログ信号からデジタル信号に変換され、演算部４に入力される。演算部４では、入力信号に基づいて演算処理が実行される。

演算部４は、たとえばＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路からなり、トランジスタ、キャパシタ、レジスタ等の各種回路素子を含んでいる。演算部４は、光検出装置１の最表面に形成された複数の外部電極７に電気的に接続されている。複数の外部電極７を介して、演算部４からの信号出力、演算部４やフォトダイオード５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，５ＩＲへの電源入力等が行われる。

図２は、光検出装置１のレイアウト図である。
光検出装置１は、半導体基板８を備え、半導体基板８上に受光領域９と、ＡＤＣ６等を構成する半導体素子等の機能素子が形成された機能素子領域２６と、演算部４等を構成する半導体素子等の機能素子が形成された機能素子領域２４と、外部電極７を構成する電極パッド２７とを有している。機能素子領域２６，２４は、受光領域９の周囲に配置されている。電極パッド２７は、半導体基板８の周縁部に配置されている。図２では明瞭化のため参照符号を省略しているが、赤色受光部２Ｒ、緑色受光部２Ｇおよび青色受光部２Ｂは、それぞれ、複数の受光部を有しており、それらが受光領域９に配列されている。

具体的には、赤色受光部２Ｒが、信号検出用受光部Ｒ１（赤色信号受光部）および補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３（赤色補正用受光部）を含む。また、緑色受光部２Ｇが、信号検出用受光部Ｇ１（緑色信号受光部）および補正用赤外線受光部Ｇ２（緑色補正用受光部）を含む。そして、青色受光部２Ｂが、信号検出用受光部Ｂ１（青色信号受光部）および補正用赤外線受光部Ｂ２（青色補正用受光部）を含む。信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１、および補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３，Ｇ２，Ｂ２は、それぞれ、複数備えられている。これらの受光部のうち、少なくとも複数の信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１は、たとえば、平面視四角形の受光領域９の中心Ｃ（重心）を対称の中心として点対称となる位置に、それぞれ設けられている。複数の補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３，Ｇ２，Ｂ２についても同様に、図２に示すように、点対称の位置にそれぞれ設けられていてもよい。これにより、半導体基板８の受光領域９全体に光が均一に当たらない等の理由によって一方の信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１に十分な光が入射しなくても、他方の信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１で光を検出できるので、信頼性が良い。たとえば、受光領域９の紙面下側の縁部への光の入射が乏しく、当該縁部上の信号検出用受光部Ｒ１，Ｂ１においてうまく光を検出できなくても、受光領域９の紙面上側の縁部上の信号検出用受光部Ｒ１，Ｂ１で光を検出することができる。

なお、図２では、明瞭化のため、赤色受光部２Ｒ、緑色受光部２Ｇおよび青色受光部２Ｂの参照符号を省略すると共に、信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を白抜きの四角形で示し、補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３，Ｇ２，Ｂ２をクロスハッチングが付された四角形で示している。
平面視四角形状の受光領域９の角部には、赤外線を受光可能な赤外線受光部１０が形成されている。この実施形態では、赤外線受光部１０は、平面視において、少なくとも受光領域９の一対の対角を構成する角部に一つずつ配置されている。赤外線受光部１０はフォトダイオードを備えている。赤外線カットフィルタ３は、赤色受光部２Ｒ、緑色受光部２Ｇおよび青色受光部２Ｂを覆うように形成されている一方で、赤外線受光部１０を覆わないように、赤外線受光部１０に対応する領域に開口３Ａを有している。

次に、信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１、および補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３，Ｇ２，Ｂ２、ならびに赤外線受光部１０の断面構造を、図３〜図５を参照して説明する。
図３は、光検出装置１の断面図（図２のＡ−Ａ´線断面図）である。図４は、光検出装置１の断面図（図２のＢ−Ｂ´線断面図）である。図５は、図３および図４のフォトダイオードの拡大図である。

信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１、補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３，Ｇ２，Ｂ２、および赤外線受光部１０は、共通する要素として、半導体基板８と、半導体基板８に形成されたフォトダイオード１１と、半導体基板８上の全面を覆う層間絶縁膜１２とを含む。なお、フォトダイオード１１は、図１のフォトダイオード５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，５ＩＲのそれぞれに対応するものであるが、図３〜図５では明瞭化のため、フォトダイオード５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，５ＩＲの参照符号を省略する。

半導体基板８は、この実施形態では、ｐ型シリコン基板からなる。
フォトダイオード１１は、ｐ型の半導体基板８の表面８Ａから順に形成された第１ｎ型領域１３、第１ｐ型領域１４、第２ｎ型領域１５、ｐ型半導体基板８によって構成されたｎｐｎｐ構造を有している。第２ｎ型領域１５がｐ型半導体基板８の表面部に形成され、この第２ｎ型領域１５の内方領域に第１ｐ型領域１４が形成され、さらに第１ｐ型領域１４の内方領域に第１ｎ型領域１３が形成されている。これにより、図５に示すように、フォトダイオード１１は、半導体基板８の表面８Ａからの深さが互いに異なるｐｎ接合部を含むフォトダイオードＤｉ１、フォトダイオードＤｉ２およびフォトダイオードＤｉ３を有している。

フォトダイオードＤｉ１は、第１ｐ型領域１４と第１ｎ型領域１３とのｐｎ接合部を含み、当該ｐｎ接合部の表面８Ａからの深さは、たとえば、０．０９μｍ〜０．１７μｍである。フォトダイオードＤｉ２は、第１ｐ型領域１４と第２ｎ型領域１５とのｐｎ接合部を含み、当該ｐｎ接合部の表面８Ａからの深さは、フォトダイオードＤｉ１のｐｎ接合部よりも深く、たとえば、１．０μｍ〜１．８μｍである。フォトダイオードＤｉ３は、ｐ型の半導体基板８と第２ｎ型領域１５とのｐｎ接合部を含み、当該ｐｎ接合部の表面８Ａからの深さは、フォトダイオードＤｉ２のｐｎ接合部よりも深く、たとえば、３．２μｍ〜５．９μｍである。

フォトダイオード１１が、互いに深さの異なるフォトダイオードＤｉ１〜Ｄｉ３を有する利点は次の通りである。すなわち、シリコン基板に対しては、光の波長が長いほど透過深さが深くなる傾向にあり、光検出装置１のように検出すべき光成分の波長域が複数ある場合には、フォトダイオードＤｉ１〜Ｄｉ３のいずれかにおいて効率よく光を検出することができる。たとえば、フォトダイオードＤｉ１は、青色の波長域（たとえば４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ）および緑色の波長域（たとえば５００ｎｍ〜５６０ｎｍ）の成分の検出に適しており、フォトダイオードＤｉ２は、緑色の波長域および赤色の波長域（たとえば５９０ｎｍ〜６８０ｎｍ）の成分の検出に適している。また、フォトダイオードＤｉ３は、赤外線の波長域（たとえば７００ｎｍ〜１３００ｎｍ）の成分の検出に適している。

なお、半導体基板８には、フォトダイオード１１の他、たとえば、演算部４を構成するトランジスタの不純物領域が形成されていてもよい。この場合、第１ｎ型領域１３、第１ｐ型領域１４、第２ｎ型領域１５は、トランジスタを構成するソース領域（Ｓ）、ドレイン領域（Ｄ）、素子分離用の埋め込み層（Ｌ／Ｉ、Ｂ／Ｌ）等の不純物領域と同じ工程で形成されてもよい。

層間絶縁膜１２は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の絶縁材料からなる。層間絶縁膜１２は、図３および図４で示したように単層であってもよいし、複数層であってもよい。
層間絶縁膜１２上には、赤色フィルタ１６Ｒ、緑色フィルタ１６Ｇおよび青色フィルタ１６Ｂが形成され、これらのフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを覆うようにクリア膜１７が形成されている。クリア膜１７の表面には、ＳｉＯ_２等の透明な絶縁膜からなる保護膜１８が形成され、その保護膜１８の表面に赤外線カットフィルタ３が形成されている。クリア膜１７は、カラーフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂの端部に生じる段差を吸収して表面を均すように形成されている。このようなクリア膜１７の上に赤外線カットフィルタ３が形成されることにより、均一で欠損のない赤外線カットフィルタを形成できる。

赤外線カットフィルタ３は、たとえば、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２構造が複数（たとえば５０層程度）積層された多層誘電体膜からなっていてもよい。赤外線カットフィルタ３は、全ての信号検出用受光部Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１、および補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３，Ｇ２，Ｂ２に対して共通の被覆膜となっている一方で、赤外線受光部１０に対応する領域に開口３Ａを有している。赤色フィルタ１６Ｒ、緑色フィルタ１６Ｇおよび青色フィルタ１６Ｂは、たとえば、顔料をベースとしたカラーレジスト、ナノインプリント技術を用いて形成した透過型レジスト、ゼラチン膜等で構成することができる。

図６は、カラーフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ、クリア膜１７および赤外線カットフィルタ３の配置の関係を説明するための図解的な分解斜視図である。便宜上、クリア膜１７の表面に、受光部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｇ１，Ｇ２，Ｂ１，Ｂ２，１０の境界を二点鎖線で表してある。
赤色フィルタ１６Ｒ、緑色フィルタ１６Ｇおよび青色フィルタ１６Ｂは、その下の受光部の種類によって設けられるか否か決定されるが、同じ色の光を検出するための受光部には、共通色のカラーフィルタが必ず設けられている。つまり、赤色用の信号検出用受光部Ｒ１および補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３には赤色フィルタ１６Ｒが設けられている。同様に、緑色用の信号検出用受光部Ｇ１および補正用赤外線受光部Ｇ２には緑色フィルタ１６Ｇが設けられている。そして、青色用の信号検出用受光部Ｂ１および補正用赤外線受光部Ｂ２には青色フィルタ１６Ｂが設けられている。赤外線受光部１０については、赤色フィルタ１６Ｒおよび青色フィルタ１６が積層されて配置されている。

カラーフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂの配置形態をより具体的に説明すると、信号検出用受光部Ｒ１には赤色フィルタ１６Ｒの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部Ｒ２には赤色フィルタ１６Ｒの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部Ｒ３には赤色フィルタ１６Ｒと緑色フィルタ１６Ｇの積層膜（１６Ｒが上側）が設けられている。また、信号検出用受光部Ｇ１には緑色フィルタ１６Ｇの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部Ｇ２には赤色フィルタ１６Ｒと緑色フィルタ１６Ｇの積層膜（１６Ｒが上側）が設けられている。さらに、信号検出用受光部Ｂ１には青色フィルタ１６Ｂの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部Ｂ２には赤色フィルタ１６Ｒと青色フィルタ１６Ｂの積層膜（１６Ｒが上側）が設けられている。

クリア膜１７は、全ての受光部、すなわち、赤色、緑色および青色受光部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂならびに赤外線受光部１０を覆うように配置されている。そして、クリア膜１７は、カラーフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂの上に配置され、これらのカラーフィルタ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを覆っている。
クリア膜１７の表面全域を保護膜１８（図３および図４参照）が覆っている。この保護膜１８の上に、赤外線カットフィルタ３が配置されている。赤外線カットフィルタ３は、赤色、緑色および青色受光部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを覆うように配置されている一方で、赤外線受光部１０は覆わないように、赤外線受光部１０に対応する領域に開口３Ａを有している。図３および図４に表れているように、この実施形態では、クリア膜１７は、層間絶縁膜１２に接する表面を有しており、赤外線カットフィルタ３は、開口３Ａ外の領域において、クリア膜１７の層間絶縁膜１２に接する表面の全域を覆っている。

次に、赤色受光部２Ｒ、緑色受光部２Ｇおよび青色受光部２Ｂにおける赤外線分離の演算によって得られる分光感度特性を個別に説明する。
（１）青色（Ｂｌｕｅ）特性
青色受光部２Ｂに関しては、まず、信号検出用受光部Ｂ１および補正用赤外線受光部Ｂ２に光が入射すると、信号検出用受光部Ｂ１のフォトダイオードＤｉ１では、青色の光および赤外線カットフィルタ３を透過した微量の赤外線が検出される。一方、補正用赤外線受光部Ｂ２のフォトダイオードＤｉ１では、青色の光が赤色フィルタ１６Ｒで選択的に阻止され、信号検出用受光部Ｂ１で検出された赤外線と同レベルの赤外線のみが検出される。そのときの分光感度特性を曲線で示すと、図７の左端および真ん中の通りになる。演算部４には、信号検出用受光部Ｂ１から青色の光および赤外線カットフィルタ３を透過した微量の赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力され、補正用赤外線受光部Ｂ２から赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力される。そして、信号検出用受光部Ｂ１の出力信号から赤外線の波長域分を、補正用赤外線受光部Ｂ２の出力信号の大きさに基づいて選択的に排除または減弱することで（Ｂ１−Ｂ２）、入射光の実際の青色の光成分に近い出力信号（情報）が得られる。この信号の分別処理によって得られる分光感度特性を曲線で示すと、図７の右端の通りとなる。

図７から明らかなように、信号検出用受光部Ｂ１において青色フィルタ１６Ｂの単層膜を透過する光の分光感度曲線は、青色の波長域および赤外線の波長域のそれぞれに、互いに独立したピークを持つ。したがって、これらのピークが現れた分光感度曲線から青色の波長域にピークを有する山形の曲線を分離すれば、赤外線に由来するとみなしてよい山形の曲線が明確に残ることになる。すなわち、この実施形態によれば、補正用赤外線受光部Ｂ２において、青色の波長域の光を赤色フィルタ１６Ｒで分離することで、図７の赤外線受光部Ｂ２の分光感度曲線で示されるように、赤外線を簡単に判別することができる。
（２）緑色（Ｇｒｅｅｎ）特性
緑色受光部２Ｇに関しては、まず、信号検出用受光部Ｇ１および赤外線受光部Ｇ２に光が入射すると、信号検出用受光部Ｇ１のフォトダイオードＤｉ１およびフォトダイオードＤｉ２では、緑色の光および赤外線カットフィルタ３を透過した微量の赤外線が検出される。一方、補正用赤外線受光部Ｇ２のフォトダイオードＤｉ１およびフォトダイオードＤｉ２では、緑色の光が赤色フィルタ１６Ｒで選択的に阻止され、信号検出用受光部Ｇ１で検出された赤外線と同レベルの赤外線のみが検出される。そのときの分光感度特性を曲線で示すと、図８の左端および真ん中の通りになる。演算部４には、信号検出用受光部Ｇ１から緑色の光および赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力され、補正用赤外線受光部Ｇ２から赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力される。そして、信号検出用受光部Ｇ１の出力信号から赤外線の波長域分を、赤外線受光部Ｇ２の出力信号の大きさに基づいて選択的に排除または減弱することで（Ｇ１−Ｇ２）、入射光の実際の緑色の光成分に近い出力信号（情報）が得られる。この信号の分別処理によって得られる分光感度特性を曲線で示すと、図８の右端の通りとなる。

図８から明らかなように、信号検出用受光部Ｇ１において緑色フィルタ１６Ｇの単層膜を透過する光の分光感度曲線は、緑色の波長域および赤外線の波長域のそれぞれに、互いに独立したピークを持つ。したがって、これらのピークが現れた分光感度曲線から緑色の波長域にピークを有する山形の曲線を分離すれば、赤外線に由来するとみなしてよい山形の曲線が明確に残ることになる。すなわち、この実施形態によれば、補正用赤外線受光部Ｇ２において、緑色の波長域の光を赤色フィルタ１６Ｒで分離することで、図８の赤外線受光部Ｇ２の分光感度曲線で示されるように、赤外線を簡単に判別することができる。
（３）赤色（Ｒｅｄ）特性
一方、赤色受光部２Ｒに関しては、前述の青色受光部２Ｂおよび緑色受光部２Ｇの場合とは異なり、図９の左端に示されるように、信号検出用受光部Ｒ１において赤色フィルタ１６Ｒの単層膜および赤外線カットフィルタ３を透過する光の分光感度曲線は、赤色の波長域および赤外線の波長域のそれぞれに、明確に独立したピークを持つわけではない。したがって、赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３において、青色フィルタ１６Ｂまたは緑色フィルタ１６Ｇを用いて赤色の光を単に分離するやり方では、赤外線を選択的に判別することは難しい。そこで、この実施形態では、光の波長が長いほど半導体基板８における透過深さが深くなるという関係を利用している。

すなわち、図９に示すように、信号検出用受光部Ｒ１においては、相対的に浅い位置に形成されたフォトダイオードＤｉ２で主に赤色の光が検出される。フォトダイオードＤｉ２で検出することによって、赤外線よりも波長が短い赤色の光を良好に検出することができる。
一方、補正用赤外線受光部Ｒ２，Ｒ３によって、信号検出用受光部Ｒ１の赤外帯域に近い分光特性を作り出す。具体的には、補正用赤外線受光部Ｒ２のフォトダイオードＤｉ３で赤色の光および赤外線が検出される。一方、補正用赤外線受光部Ｒ３のフォトダイオードＤｉ３では、赤色の光が緑色フィルタ１６Ｇで選択的に阻止され、信号検出用受光部Ｒ１で検出された赤外線と同レベルの赤外線のみが検出される。信号検出用受光部Ｒ１の赤外線と同レベルの赤外線の検出は、補正用赤外線受光部Ｒ３の面積を赤外線受光部Ｒ２よりも若干（１０〜２０％程度）小さくし、また、カラーフィルタの素材を変えることによって可能となる。そして、信号検出用受光部Ｒ１の出力信号から赤外線の波長域分を、補正用赤外線受光部Ｒ２および補正用赤外線受光部Ｒ３の組み合わせによって得られた情報に基づいて選択的に排除または減弱することで（Ｒ１−（Ｒ２−Ｒ３））、入射光の実際の赤色の光成分に近い出力信号（情報）が得られる。この信号の分別処理によって得られる分光感度特性を曲線で示すと、図９の下段の通りとなる。

以上より、上記の演算処理によって、各受光部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂにおける赤外線の波長域の感度が低減されるので、光検出装置１の分光感度特性として図１０に示すものが得られる。図１０から明らかなように、赤外線の波長域の感度をほぼゼロに近い値にまで低減することができている。したがって、この発明の一実施形態に係る光検出装置１を用いれば、少ない誤差で、照度および色温度を精度よく算出することができる。

図１１Ａは赤色フィルタ１６Ｒの分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｂは緑色フィルタ１６Ｇの分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｃは青色フィルタ１６Ｂの分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｄはクリア膜１７の分光特性（波長対透過率）の一例を示し、図１１Ｅは赤外線カットフィルタ３の分光特性（波長対透過率）の一例を示す。

赤外線受光部１０には、前述のとおり、赤色フィルタ１６Ｒおよび青色フィルタ１６Ｂが積層されて配置されている。したがって、とくに図１１Ａおよび図１１Ｃから理解されるとおり、概ね４００ｎｍ〜５７０ｎｍ付近の波長域の光は赤色フィルタ１６Ｒによって阻止され、概ね５５０〜７７０ｎｍ付近の波長域の光は青色フィルタ１６Ｂによって阻止される。また、紫外域の光は、赤色フィルタ１６Ｒおよび青色フィルタ１６Ｂの両方によって阻止される。よって、赤色フィルタ１６Ｒおよび青色フィルタ１６Ｂの積層膜は、紫外域および可視光波長域の波長の光を阻止し、赤外波長域の光を選択的に通過させる。図１１Ｄから理解されるとおり、クリア膜１７は、赤外波長域の光を通過させる。したがって、赤外線受光部１０は、赤外波長域の光を選択的に受光することができる。

一方、赤外線カットフィルタ３には、赤外線受光部１０に対応する領域に開口３Ａが形成されている。そのため、赤外線受光部１０には、赤外波長域の光（赤外線）が、ほとんど減衰されずに到達する。赤外線受光部１０は、たとえば、フォトダイオードＤｉ３を用いて赤外線を検出する。こうして、赤外線受光部１０に対向する領域に選択的に形成された開口３Ａによって、赤外線受光部１０は、赤外線に対して高感度となっている。

光検出装置１は、カラーセンサの他、照度センサ、近接センサ等の複数の光学フィルタを有する光センサに適用することができる。さらに、これらの光センサは、たとえば、スマートフォン、携帯電話、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステム、ノートパソコン、タブレットＰＣ等に搭載することができる。より具体的には、赤色、緑色および青色受光部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの出力信号によって入射光の分光分布（色温度）を検出できるので、たとえば、カメラによって撮像された画像を適切に補正することができる。また、赤外線受光部１０の出力信号を用いることによって、使用者等の近接を高精度に検出できる近接センサを構成できる。

具体的に、スマートフォンに適用される場合の形態を次に示す。
図１２は、光検出装置１が用いられる電子機器の一例であるスマートフォン２１の外観を示す斜視図である。
スマートフォン２１は、扁平な直方体形状の筐体２２の内部に電子部品を収納して構成されている。筐体２２は表側および裏側に長方形状の一対の主面を有しており、その一対の主面が４つの側面で結合されている。筐体２２の一つの主面には、液晶パネルや有機ＥＬパネル等で構成された表示パネル２３の表示面が露出している。表示パネル２３の表示面は、タッチパネルを構成しており、使用者に対する入力インターフェースを提供している。

表示パネル２３は、筐体２２の一つの主面の大部分を占める長方形形状に形成されている。表示パネル２３の一つの短辺に沿うように、操作ボタン２４が配置されている。この実施形態では、複数（３つ）の操作ボタン２４が表示パネル２３の短辺に沿って配列されている。使用者は、操作ボタン２４およびタッチパネルを操作することによって、スマートフォン２１に対する操作を行い、必要な機能を呼び出して実行させることができる。

表示パネル２３の別の一つの短辺の近傍には、スピーカ２５が配置されている。スピーカ２５は、電話機能のための受話口を提供すると共に、音楽データ等を再生するための音響化ユニットとしても用いられる。スピーカ２５の隣には、レンズ窓２６が配置されている。レンズ窓２６に対向するように、筐体２２内に光検出装置１が配置されている。一方、操作ボタン２４の近くには、筐体２２の一つの側面にマイクロフォン２７が配置されている。マイクロフォン２７は、電話機能のための送話口を提供するほか、録音用のマイクロフォンとして用いることもできる。

このスマートフォン２１は、赤外線の波長域の感度を良好に低減できる光検出装置１を備えているので、スマートフォン２１に形成された受光用のレンズ窓２６の可視光線透過率が低くても実用可能である。そのため、レンズ窓２６のデザインの自由度（色や形状の変更等）を広げることができる。
以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、光検出装置１の一部として演算部４が設けられていたが、上記した演算部４による信号分別処理は、光検出装置１外にある論理回路（電子機器のＣＰＵ等）で行ってもよい。
また、前述の実施形態では、赤外線受光部１０に赤色フィルタ１６Ｒおよび青色フィルタ１６Ｂが積層配置されているが、赤色フィルタ１６Ｒおよび緑色フィルタ１６Ｇが積層配置されてもよく、赤色フィルタ１６Ｒ、緑色フィルタ１６Ｇおよび青色フィルタ１６Ｂが積層配置されてもよい。さらに、赤外線受光部１０に、赤色、緑色および青色以外のカラーフィルタが配置されてもよい。たとえば、シアンカラーフィルタおよびマゼンタカラーフィルタが積層配置されてもよい。すなわち、可視光波長域内において異なる波長域の光を選択的に透過させる２色のフィルタを含む複数のカラーフィルタが赤外線受光部１０に配置され、赤外線の波長域の光が赤外線受光部１０に選択的に入射されることが好ましい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 光検出装置
２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ 受光部
３ 赤外線カットフィルタ
３Ａ 開口
４ 演算部
５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ フォトダイオード
６ ＡＤＣ
７ 外部電極
８ 半導体基板
８Ａ 表面
９ 受光領域
１０ 赤外線受光部
１１ フォトダイオード
１２ 層間絶縁膜
１３ 第１ｎ型領域
１４ 第１ｐ型領域
１５ 第２ｎ型領域
１６Ｒ 赤色フィルタ
１６Ｇ 緑色フィルタ
１６Ｂ 青色フィルタ
１７ クリア膜（クリアフィルタ）
１８ 保護膜（透明保護膜）
２１ スマートフォン（電子機器の一例）
Ｄｉ１ フォトダイオード
Ｄｉ２ フォトダイオード
Ｄｉ３ フォトダイオード
Ｒ１ 信号検出用受光部（赤色信号受光部）
Ｇ１ 信号検出用受光部（緑色信号受光部）
Ｂ１ 信号検出用受光部（青色信号受光部）
Ｒ２，Ｒ３ 補正用赤外線受光部（補正用受光部、赤色補正用受光部）
Ｇ２ 補正用赤外線受光部（補正用受光部、緑色補正用受光部）
Ｂ２ 補正用赤外線受光部（補正用受光部、青色補正用受光部）

Claims (8)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に形成された信号検出用受光部と、
   前記半導体基板に形成された赤外線受光部と、
   前記半導体基板の表面を覆う層間絶縁膜と、
   前記信号検出用受光部を覆うように前記層間絶縁膜上に形成され、可視光波長域内の第１の波長域と赤外波長域との光を透過させる第１分光特性を有する第１カラーフィルタと、
   前記赤外線受光部を覆うように前記層間絶縁膜上に形成され、可視光波長域内の第２の波長域と赤外波長域との光を透過させる第２分光特性を有する第２カラーフィルタと、
   前記赤外線受光部を覆うように前記層間絶縁膜上に形成され、可視光波長域内の前記第２の波長域とは異なる第３の波長域と赤外波長域との光を透過させる第３分光特性を有する第３カラーフィルタと、
   前記第１カラーフィルタ、前記第２カラーフィルタおよび前記第３カラーフィルタの上から前記信号検出用受光部および前記赤外線受光部を覆い、前記第１、第２および第３カラーフィルタの端部に生じる段差を吸収して表面を均すように形成され、前記層間絶縁膜に接する表面を有するクリアフィルタと、
   前記クリアフィルタの上に形成され、前記信号検出用受光部を覆い、前記赤外線受光部に対向する領域に開口を有し、前記開口外の領域において前記クリアフィルタの前記層間絶縁膜に接する表面の全域を覆う赤外線カットフィルタと
   を含む、光検出装置。
2. 前記第１カラーフィルタは、青色フィルタ、緑色フィルタまたは赤色フィルタを含み、
   前記第２カラーフィルタは、赤色フィルタを含み、
   前記第３カラーフィルタは、青色フィルタまたは緑色フィルタを含む、請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記クリアフィルタの表面に透明保護膜が形成されており、前記透明保護膜上に前記赤外線カットフィルタが形成されている、請求項１または２に記載の光検出装置。
4. 前記半導体基板に形成され、前記信号検出用受光部の出力信号を補正するための補正用受光部と、
   前記補正用受光部を覆うように前記層間絶縁膜上に形成され、可視光波長域内の前記第１の波長域とは異なる第４の波長域と赤外波長域との光を透過させる第４分光特性を有する第４カラーフィルタと、
   前記信号検出用受光部および前記補正用受光部に電気的に接続された演算部と
   をさらに含み、
   前記第１カラーフィルタが前記補正用受光部をも覆っており、
   前記演算部が、前記赤外線受光部の出力信号に基づいて、前記信号検出用受光部の出力信号から赤外線の波長成分を選択的に除去または減弱させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出装置。
5. 前記信号検出用受光部および前記補正用受光部は、それぞれ、前記半導体基板の表面から同じ深さにある第１ｐｎ接合部と、前記第１ｐｎ接合部よりも深い位置にある第２ｐｎ接合部とを含む、請求項４に記載の光検出装置。
6. 前記信号検出用受光部は、緑色信号受光部および青色信号受光部を含み、
   前記補正用受光部は、緑色補正用受光部および青色補正用受光部を含み、
   前記第１カラーフィルタは、前記緑色信号受光部を覆う緑色フィルタと、前記青色信号受光部を覆う青色フィルタとを含み、
   前記第４カラーフィルタは、前記緑色補正用受光部および青色補正用受光部を覆い、前記緑色信号受光部および青色信号受光部のいずれも覆わない赤色フィルタを含む、請求項４または５に記載の光検出装置。
7. 前記第１カラーフィルタが第１のカラーレジストを含み、
   前記第２カラーフィルタが第２のカラーレジストを含み、
   前記第３カラーフィルタが第３のカラーレジストを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光検出装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光検出装置と、
   前記光検出装置を収容した筐体とを含む、電子機器。
   

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