JP7090620B2 - 光電変換素子および光電変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光検出分野等において用いられる光電変換素子および光電変換装置に関する。
特許文献１には、入射光の強度（照度）を検出する光電変換素子（半導体受光素子）が開示されている。このような光電変換素子として、例えば、結晶シリコン基板を用いた素子が知られている。結晶シリコン基板を用いた光電変換素子では、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であってもＳ／Ｎ比が比較的に高く、高感度（照度によらず安定した応答）である。
特許第６０９３０６１号公報
ところで、入射光のスポットサイズが検出できる光電変換素子が要望されている。
本発明は、入射光のスポットサイズを検出するための光電変換素子および光電変換装置を提供することを目的とする。
本発明に係る光電変換素子は、２つの主面を備える光電変換基板を含む光電変換素子において、異なる光電変換特性を有する第１感度部分と第２感度部分とを含み、第１感度部分の主面に現れる感度領域を第１感度領域とし、第２感度部分の主面に現れる感度領域を第２感度領域とすると、第１感度領域は、主面に入射する入射光の少なくとも一部を受光し、主面における入射光の照射される照射領域の増大につれて、照射領域における第２感度領域に対する第１感度領域の比率を小さくするパターンになっている。
本発明に係る光電変換装置は、入射光の上流側に配置された第１光電変換素子と、入射光の下流側に配置され、上記した光電変換素子を第２光電変換素子として含む。
本発明によれば、入射光のスポットサイズを検出するための光電変換素子および光電変換装置を提供することができる。
第１実施形態に係る光電変換装置の構成を示す図である。 図１の第１光電変換素子におけるＩＩ－ＩＩ線端面図である。 図１の第２光電変換素子におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線端面図である。 図１および図３の第２光電変換素子の半導体基板の裏面側の層を、受光面側から示す図である。 図４の第２光電変換素子に入射光が入射した様子を示す図である。 第２光電変換素子の受光面における入射光の照射領域と高感度部分との重なりの近似計算を説明するための図である。 第２光電変換素子による、入射光の照射領域の半径に対する入射光の検出強度の特性の一例を示す図である。 図７Ａにおける入射光の照射領域の中心位置のずれ量が（０．０５，０．０５）であるときの特性の部分Ｚを拡大して示す図である。 受光面の中心位置に対する入射光の照射領域の中心位置のずれ量（ｄｍｉｎ，ｄｍａｘ）を示す図である。 受光面のＸ方向の中心位置に対する入射光の照射領域の中心位置のＸ方向のずれ量ｄｍａｘを示す図である。 光源からの入射光の焦点が第２光電変換素子の受光面に合っている状態（横軸０ｍｍ）から、光源を第２光電変換素子から遠ざけたときの、第２光電変換素子による入射光の検出強度（相対値）の一例を示す図である。 第２光電変換素子の高感度部分の高感度領域のパターンの変形例を示す図である。 第２光電変換素子の高感度部分の高感度領域のパターンの変形例を示す図である。 第２実施形態に係る３次元センサの構成を示す図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一または相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。また、便宜上、ハッチングおよび部材符号等を省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光電変換装置の構成を示す図である。図１に示す光電変換装置１は、入射光の強度のみならず、入射光のスポットサイズおよび入射方向を検出する。光電変換装置１は、光の進行方向の上流側に配置された第１光電変換素子１０と、光の進行方向の下流側に配置された第２光電変換素子２０と、記憶部３０と、演算部４０とを含む。
なお、図１および後述する図面には、ＸＹＺ直交座標系を示す。ＸＹ平面は第１光電変換素子１０および第２光電変換素子２０の受光面に平行な面であり、Ｚ方向はＸＹ平面に対して直交な方向である。
また、図１および後述する図面のうち、平面図における２本の一点鎖線の交点は、ＸＹ平面の中心を示し、一方の一点鎖線はＸ方向、他方の一点鎖線はＹ方向に平行となっている。また、平面図における２本の点線の交点は、ＸＹ平面における入射光のスポットサイズの中心を示し、一方の点線はＸ方向、他方の点線はＹ方向に平行となっている。
第１光電変換素子１０は、受光面に入射する入射光の強度（総量）に応じた電流を生成する。第１光電変換素子１０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心位置（座標）（以下、ＸＹ位置ともいう。）に応じて、４辺に配置された４つの電極層１２３（および、後述する裏面側の電極層１３３）に分配して出力する。また、第１光電変換素子１０は、入射光を透過する。第１光電変換素子１０の構成の詳細は後述する。
第２光電変換素子２０は、高感度部分（詳細は後述する）に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。これにより、第２光電変換素子２０は、入射光の密度に応じた電流、換言すれば入射光のスポットサイズに応じた電流を生成する（詳細は後述する）。
第２光電変換素子２０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心位置（座標）（以下、ＸＹ位置ともいう。）に応じて、４辺に配置された４つの電極層２２３（および、後述する裏面側の電極層２３３）に分配して出力する。第２光電変換素子２０の構成の詳細は後述する。
記憶部３０は、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）ごとに、第１光電変換素子１０の出力電流（総量）（すなわち、第１光電変換素子１０の入射光の強度（総量））、および、第２光電変換素子２０の出力電流（総量）（すなわち、第２光電変換素子２０の高感度部分への入射光の強度）と、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズとを対応付けたテーブルを予め記憶する。記憶部３０は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。
演算部４０は、第１光電変換素子１０の４つの電極層１２３（１３３）から出力された電流の総量に応じて、入射光の強度（総量）を演算して検出する。
また、演算部４０は、第１光電変換素子１０の４つの電極層１２３（１３３）各々から出力された電流の割合に基づいて、第１光電変換素子１０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。同様に、演算部４０は、第２光電変換素子２０の４つの電極層２２３（２３３）各々から出力された電流の割合に基づいて、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。演算部４０は、これらの第１光電変換素子１０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）と、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）とから、入射光の入射方向を演算して検出する。
また、演算部４０は、記憶部３０に記憶されたテーブルを参照して、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）において、第１光電変換素子１０の４つの電極層１２３（１３３）から出力された電流の総量（すなわち、第１光電変換素子１０の入射光の強度（総量））、および、第２光電変換素子２０の４つの電極層２２３（２３３）から出力された電流の総量（すなわち、第２光電変換素子２０の高感度部分への入射光の強度）に対応した、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズを求めて検出する。
演算部４０は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の演算プロセッサで構成される。演算部４０の各種機能は、例えば記憶部３０に格納された所定のソフトウェア（プログラム、アプリケーション）を実行することで実現される。演算部４０の各種機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。
以下、第１光電変換素子１０および第２光電変換素子２０の構成について詳細に説明する。
＜第１光電変換素子＞
図２は、図１の第１光電変換素子１０におけるＩＩ－ＩＩ線端面図である。第１光電変換素子１０は、２つの主面を備えるｎ型（第２導電型）半導体基板（光電変換基板）１１０と、半導体基板１１０の主面のうちの受光する側の一方の主面である受光面側に順に積層されたパッシベーション層１２０、ｐ型（第１導電型）半導体層１２１、透明電極層１２２および電極層１２３を備える。また、第１光電変換素子１０は、半導体基板１１０の主面のうちの受光面の反対側の他方の主面である裏面側の一部に順に積層されたパッシベーション層１３０、ｎ型（第２導電型）半導体層１３１、透明電極層１３２および電極層１３３を備える。
半導体基板（光電変換基板）１１０は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等の結晶シリコン材料で形成される。半導体基板１１０は、例えば結晶シリコン材料にｎ型ドーパントがドープされたｎ型の半導体基板である。ｎ型ドーパントとしては、例えばリン（Ｐ）が挙げられる。
半導体基板１１０の材料として結晶シリコンが用いられることにより、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であってもＳ／Ｎ比が比較的に高く、高感度（照度によらず安定した応答）である。
パッシベーション層１２０は、半導体基板１１０の受光面側に形成されており、パッシベーション層１３０は、半導体基板１１０の裏面側に形成されている。パッシベーション層１２０，１３０は、例えば真性（ｉ型）アモルファスシリコン材料で形成される。
パッシベーション層１２０，１３０は、半導体基板２１０で生成されたキャリアの再結合を抑制し、キャリアの回収効率を高める。
ｐ型半導体層１２１は、パッシベーション層１２０上に形成されている。ｐ型半導体層１２１は、例えばアモルファスシリコン材料で形成される。ｐ型半導体層１２１は、例えばアモルファスシリコン材料にｐ型ドーパントがドープされたｐ型の半導体層である。ｐ型ドーパントとしては、例えばホウ素（Ｂ）が挙げられる。
ｎ型半導体層１３１は、パッシベーション層１３０上に形成されている。ｎ型半導体層１３１は、例えばアモルファスシリコン材料で形成される。ｎ型半導体層１３１は、例えばアモルファスシリコン材料にｎ型ドーパント（例えば、上述したリン（Ｐ））がドープされたｎ型半導体層である。
上述したパッシベーション層１２０，１３０、ｐ型半導体層１２１およびｎ型半導体層１３１は、例えばＣＶＤ法を用いて形成される。
透明電極層１２２は、ｐ型半導体層１２１上に形成されており、透明電極層１３２は、ｎ型半導体層１３１上に形成されている。透明電極層１２２，１３２は、透明な導電性材料で形成される。透明導電性材料としては、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムおよび酸化スズの複合酸化物）等が挙げられる。透明電極層１２２，１３２は、例えばスパッタリング法を用いて形成される。
電極層１２３は、透明電極層１２２上の４辺部の各々に４つ独立して形成されており、電極層１３３は、透明電極層１３２上の４辺部の各々に４つ独立して形成されている。電極層１２３，１３３は、銀等の金属粉末を含有する導電性ペースト材料で形成される。電極層１２３，１３３は、例えば印刷法を用いて形成される。
＜第２光電変換素子＞
図３は、図１の第２光電変換素子２０におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線端面図である。第２光電変換素子２０は、２つの主面を備えるｎ型（第２導電型）半導体基板（光電変換基板）２１０と、半導体基板２１０の主面のうちの受光する側の一方の主面である受光面側に順に積層されたパッシベーション層２２０、ｐ型（第１導電型）半導体層２２１、透明電極層２２２および電極層２２３を備える。また、第２光電変換素子２０は、半導体基板２１０の主面のうちの受光面の反対側の他方の主面である裏面側の特定領域に順に積層されたパッシベーション層２３０、ｎ型（第２導電型）半導体層２３１、透明電極層２３２を備えるとともに、裏面の特定領域外（詳細は後述）に積層させた電極層２３３を備える。
なお、この特定領域における積層部分、すなわち、透明電極層２３２、ｎ型半導体層２３１、パッシベーション層２３０、半導体基板２１０、パッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１、および透明電極層２２２で形成される積層部分を高感度部分２１とし、特定領域以外の積層部分を低感度部分２２とする。
半導体基板（光電変換基板）２１０は、上述した第１光電変換素子１０の半導体基板１１０と同様に、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等の結晶シリコン材料で形成される。半導体基板２１０は、例えば結晶シリコン材料にｎ型ドーパント（例えば、上述したリン（Ｐ））がドープされたｎ型の半導体基板である。
半導体基板２１０の材料として結晶シリコンが用いられることにより、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であってもＳ／Ｎ比が比較的に高く、高感度（照度によらず安定した応答）である。
パッシベーション層２２０は、半導体基板２１０の受光面側における高感度部分２１および低感度部分２２の両方に形成されており、パッシベーション層２３０は、半導体基板２１０の裏面側における高感度部分２１のみに形成されている。パッシベーション層２２０，２３０は、上述した第１光電変換素子１０のパッシベーション層１２０，１３０と同様に、例えば真性（ｉ型）アモルファスシリコン材料で形成される。
パッシベーション層２２０，２３０は、半導体基板２１０の高感度部分２１で生成されたキャリアの再結合を抑制し、キャリアの回収効率を高める。
ｐ型半導体層２２１は、パッシベーション層２２０上、すなわち半導体基板２１０の受光面側における高感度部分２１および低感度部分２２の両方に形成されている。ｐ型半導体層２２１は、上述した第１光電変換素子１０のｐ型半導体層１２１と同様に、例えばアモルファスシリコン材料で形成される。ｐ型半導体層２２１は、例えばアモルファスシリコン材料にｐ型ドーパント（例えば、上述したホウ素（Ｂ））がドープされたｐ型の半導体層である。
ｎ型半導体層２３１は、パッシベーション層２３０上、すなわち半導体基板２１０の裏面側における高感度部分２１のみに形成されている。ｎ型半導体層２３１は、上述した第１光電変換素子１０のｎ型半導体層１３１と同様に、例えばアモルファスシリコン材料で形成される。ｎ型半導体層２３１は、例えばアモルファスシリコン材料にｎ型ドーパント（例えば、上述したリン（Ｐ））がドープされたｎ型半導体層である。
上述したパッシベーション層２２０，２３０、ｐ型半導体層２２１およびｎ型半導体層２３１は、例えばＣＶＤ法を用いて形成される。
透明電極層２２２は、ｐ型半導体層２２１上、すなわち半導体基板２１０の受光面側における高感度部分２１および低感度部分２２の両方に形成されており、透明電極層２３２は、ｎ型半導体層２３１上、すなわち半導体基板２１０の裏面側における高感度部分２１のみに形成されている。透明電極層２２２，２３２は、上述した第１光電変換素子１０の透明電極層１２２，１３２と同様に、透明な導電性材料で形成される。透明電極層２２２，２３２は、例えばスパッタリング法を用いて形成される。
電極層２２３は、透明電極層２２２上の４辺部の各々に４つ独立して形成されており、電極層２３３は、透明電極層２３２上の４辺部の各々に４つ独立して形成されている。電極層２２３，２３３は、上述した第１光電変換素子１０の電極層１２３，１３３と同様に、銀等の金属粉末を含有する導電性ペースト材料で形成される。電極層２２３，２３３は、例えば印刷法を用いて形成される。
図４は、図１および図３の第２光電変換素子２０の半導体基板２１０の裏面側の層２３０，２３１，２３２，２３３を、受光面側から示す図である。図３および図４に示すように、第２光電変換素子２０は、高感度部分（第１感度部分）２１と低感度部分（第２感度部分）２２とを有する。高感度部分２１における半導体基板２１０の両主面（受光面及び裏面）に現れる感度領域は高感度領域（第１感度領域）であり、低感度部分２２における半導体基板２１０の両主面に現れる感度領域は低感度領域（第２感度領域）である。
高感度部分２１では、図３において上述したように、半導体基板２１０の受光面側および裏面側にパッシベーション層２２０，２３０、導電型半導体層２２１，２３１および透明電極層２２２，２３２が形成される。一方、低感度部分２２では、半導体基板２１０の裏面側にパッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２が形成されていない。
換言すれば、高感度部分２１の受光面側の高感度領域および低感度部分２２の受光面側の低感度領域には、パッシベーション層２２０、導電型半導体層２２１および透明電極層２２２が形成されており、高感度部分２１の裏面側の高感度領域には、パッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２が形成されている。一方、低感度部分２２の裏面側の低感度領域には、パッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２が形成されていない。
高感度部分２１では、受光面側および裏面側にパッシベーション層２２０，２３０が形成されているため、半導体基板２１０の高感度部分２１で生成されたキャリアの再結合が抑制され、キャリアのライフタイム（寿命時間）が比較的に長い。これにより、高感度部分２１では、キャリアの回収効率が比較的に高く、光電変換効率が比較的に高い。
一方、低感度部分２２では、裏面側にパッシベーション層２３０が形成されていないため、半導体基板２１０の低感度部分２２で生成されたキャリアの再結合が抑制されず、キャリアのライフタイムが比較的に短い。これにより、低感度部分２２では、キャリアの回収効率が比較的に低く、光電変換効率が比較的に低い。本実施形態では、低感度部分２２の裏面側には、更にｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２も形成されていないため、光電変換効率はほぼゼロに近い。本出願では、「低感度」は、光電変換効率がゼロであることも含むものとする。
このように、高感度部分２１と低感度部分２２とでは、キャリアのライフタイムが異なり、キャリアの回収効率が異なり、その結果、光電変換効率（すなわち、感度）が異なる。
なお、低感度部分２２の受光面側には、高感度部分２１の受光面側のパッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１および透明電極層２２２各々に連続して、パッシベーション層２２０、ｐ型半導体層２２１および透明電極層２２２が形成されている。これにより、受光面側において光学特性（例えば、反射特性）が一様となる。
高感度部分２１の裏面側の高感度領域は、受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に放射状に延在し、互いに直交する帯状のパターンを形成する。高感度部分２１の裏面側の高感度領域の帯状のパターンの幅は一定である。これにより、図５に示すように、受光面における入射光の照射される照射領域Ｒの増大につれて（すなわち、入射光の密度が低くなるにつれて）、照射領域Ｒにおける低感度部分２２（低感度領域）に対する高感度部分２１（高感度領域）の比率が小さくなる。そのため、受光面における入射光のスポットサイズが大きくなるにつれて、出力電流が低下する。
＜テーブル＞
次に、記憶部３０に記憶されるテーブルの作成方法の一例について説明する。テーブルは、予め実測して作成されてもよいし、以下のように、近似計算を用いて作成されてもよい。
図６は、第２光電変換素子２０の受光面における入射光の照射領域Ｒと高感度部分２１（高感度領域）との重なりの近似計算を説明するための図である。図６に示すように、第２光電変換素子２０の受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量を（ｘ，ｙ）とし、入射光の照射領域Ｒの半径をｒとし、高感度部分２１（高感度領域）の帯状のパターンの幅をｗとし、ｒ≫ｗとすると、照射光の照射領域Ｒと、高感度部分２１（高感度領域）のＸ方向に延在する部分との重なりは、次式により求められる。
２×ｗ×√（ｒ２－ｙ２）
また、照射光の照射領域Ｒと、高感度部分２１（高感度領域）のＹ方向に延在する部分との重なりは、次式により求められる。
２×ｗ×√（ｒ２－ｘ２）
これにより、入射光の照射領域Ｒと高感度部分２１（高感度領域）との重なりは、次式により求められる。
２×ｗ×√（ｒ２－ｙ２）＋２×ｗ×√（ｒ２－ｘ２）－ｗ２
この近似計算を用いて、テーブルを作成してもよい。
図７Ａは、第２光電変換素子２０による、入射光の照射領域Ｒの半径に対する入射光の検出強度の特性の一例を示す図である。図７Ａには、受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量（ｘ［ｃｍ］，ｙ［ｃｍ］）が（０，０）、（０．０１，０．０１）、（０．０２，０．０２）、（０．０３，０．０３）、（０．０４，０．０４）、（０．０５，０．０５）のときの特性が示されている。図７Ｂは、図７Ａにおける入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量（ｘ［ｃｍ］，ｙ［ｃｍ］）が（０．０５，０．０５）であるときの特性の部分（二点鎖線で囲った部分）を拡大して示す図である。
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、ｒ≫ｗでない場合、入射光の照射領域Ｒの中心位置（スポット中心座標）によっては、入射光の検出強度が極大値を有する。つまり、１つの検出強度に対して二重の解（半径）が生じる。
そこで、図８Ａに示すように、受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量（ｘ，ｙ）が（ｄｍｉｎ，ｄｍａｘ）のとき、ｄｍｉｎとｄｍａｘのいずれか大きい方ｄｍａｘに基づいて、入射光の照射領域Ｒの半径ｒが下記式を満たすように調整されてもよい。例えば、光電変換素子１０，２０の配置、または、光電変換装置１と組み合わせて用いられる光学レンズの種類（曲率）を調整してもよい。
ｒ＞ｄｍａｘ×√（２）
例えば、図７Ｂに示すように、受光面の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のずれ量ｄｍａｘ＝０．０５ｃｍの場合、入射光の照射領域Ｒの半径ｒ＝０．７１ｃｍ以上となるように調整される。
なお、図８Ｂに示すように、第２光電変換素子２０の高感度部分２１（高感度領域）が、受光面の中心を通り、Ｙ方向に延在する１本の帯状のパターンで形成されている場合（図１０Ａにおいて後述する。）、上記式におけるｄｍａｘは、受光面のＸ方向の中心位置に対する入射光の照射領域Ｒの中心位置のＸ方向のずれ量であればよい。
以上説明したように、本実施形態の光電変換装置１では、第１光電変換素子１０は、受光面に入射する入射光の強度（総量）に応じた電流を生成する。第１光電変換素子１０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心のＸＹ位置（座標）に応じて、４辺に配置された４対の電極層１２３，１３３に分配して出力する。
また、第２光電変換素子２０は、受光面における高感度部分２１に入射する入射光の強度に応じた電流を生成する。これにより、第２光電変換素子２０は、入射光の密度に応じた電流、換言すれば入射光のスポットサイズに応じた電流を生成する。第２光電変換素子２０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心のＸＹ位置（座標）に応じて、４辺に配置された４対の電極層２２３，２３３に分配して出力する。
演算部４０は、第１光電変換素子１０の４対の電極層１２３，１３３から出力された電流の総量に応じて、入射光の強度（総量）を演算して検出する。
また、演算部４０は、第１光電変換素子１０の４対の電極層１２３，１３３各々から出力された電流の割合に基づいて、第１光電変換素子１０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。同様に、演算部４０は、第２光電変換素子２０の４対の電極層２２３，２３３各々から出力された電流の割合に基づいて、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。演算部４０は、これらの第１光電変換素子１０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）と、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）とから、入射光の入射方向を演算して検出する。
また、演算部４０は、記憶部３０に記憶されたテーブルを参照して、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）において、第１光電変換素子１０の４対の電極層１２３，１３３から出力された電流の総量（すなわち、第１光電変換素子１０の入射光の強度（総量））、および、第２光電変換素子２０の４対の電極層２２３，２３３から出力された電流の総量（すなわち、第２光電変換素子２０の高感度部分への入射光の強度）に対応した、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズを求めて検出する。
なお、入射光の強度が既知である場合、第１光電変換素子１０を用いず、第２光電変換素子２０のみでも、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズが検出できる。
例えば、記憶部３０は、テーブルにおいて、第１光電変換素子１０の出力電流（総量）に代えて入射光の強度を対応付ける。そして、演算部４０は、入射光の強度と、第２光電変換素子２０から出力された電流の総量（すなわち、第２光電変換素子２０の高感度部分への入射光の強度）とから、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズを求めればよい。
図９は、光源からの入射光（波長９４０ｎｍ）の焦点が第２光電変換素子２０の受光面に合っている状態（横軸０ｍｍ）から、光源を第２光電変換素子２０から遠ざけたときの、第２光電変換素子２０による入射光の検出強度（相対値）の一例を示す図である。図９には、高感度部分２１の高感度領域が図４に示すように受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に放射状に延在し、互いに直交する帯状のパターンを形成し、その幅がそれぞれ１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．５ｍｍであるときの特性Ａ、特性Ｂ、特性Ｃと、高感度部分２１の高感度領域が図１０Ａに示すように受光面の中心を通り、Ｙ方向に延在する帯状のパターンを形成し、その幅が０．５ｍｍであるときの特性Ｄが示されている。
特性Ａによれば、高感度部分２１の高感度領域のパターンの幅が太い方が、検出距離が長くても線形な検出特性が得られることがわかる。また、特性Ｃ及び特性Ｄによれば、高感度部分２１の高感度領域のパターンの幅が細い方が、検出距離が短い場合に線形な検出特性が得られることがわかる。これらの結果より、高感度部分２１の高感度領域のパターンの幅が太い方が、長距離の光検出に適しており、高感度部分２１の高感度領域のパターンの幅が細い方が、短距離の光検出に適していることがわかる。
（変形例）
本実施形態では、第２光電変換素子２０として、低感度部分２２における裏面側に、パッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２が形成されていない形態を例示したが、これに限定されない。第２光電変換素子２０は、低感度部分２２における受光面側および裏面側の少なくとも一方に、パッシベーション層、導電型半導体層および透明電極層が形成されていない形態であってもよい。換言すれば、第２光電変換素子２０の受光面側および裏面側の少なくとも一方に、高感度部分２１（高感度領域）の帯状のパターンが形成される形態であってもよい。
例えば、上述した本実施形態とは逆に、第２光電変換素子２０の受光面側に、高感度部分２１（高感度領域）の帯状のパターンが形成される形態であってもよい。より具体的には、高感度部分２１の裏面側の高感度領域および低感度部分２２の裏面側の低感度領域には、パッシベーション層２３０、ｎ型半導体層２３１および透明電極層２３２が形成されており、高感度部分２１の受光面側の高感度領域には、パッシベーション層２２０、導電型半導体層２２１および透明電極層２２２が形成されている。一方、低感度部分２２の受光面側の低感度領域には、パッシベーション層２２０、導電型半導体層２２１および透明電極層２２２が形成されていない。
この場合、低感度部分２２において、光吸収が多く生じる受光面側でキャリアの再結合が増大するため、特に入射光の短波長領域に対する高感度部分２１と低感度部分２２との感度差がより明確になる。なお、この場合、受光面の光学特性（例えば、反射特性）は、別途調整されればよい。
また、第２光電変換素子２０の低感度部分２２には、透明電極層が形成されてもよいし、導電型半導体層および透明電極層が形成されていてもよい。
特に、第２光電変換素子２０の低感度部分の受光面側に、パッシベーション層が形成されない場合に、透明電極層が形成されると、受光面側の光学特性（例えば、反射特性）が改善される。
ところで、光センサでは、パン（水平（左右）方向の首振り）機構またはチルト（垂直（上下）方向の首振り）機構を備える場合がある。例えば、パン機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、第２光電変換素子２０の高感度部分２１の高感度領域は、図１０Ａに示すように、受光面の中心を通り、Ｙ方向に延在する１本の帯状のパターンで形成されてもよい。この場合、パン機構により、入射光は受光面のＸ方向の中心に位置するように調整されるため、第１光電変換素子１０および演算部４０と、第２光電変換素子２０および演算部４０との各々は、入射光のＹ方向の位置を検出すればよい。入射光のＸ方向の位置は、パン機構の角度から求められる。
一方、チルト機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、第２光電変換素子２０の高感度部分２１の高感度領域は、受光面の中心を通り、Ｘ方向に延在する１本の帯状のパターンで形成されてもよい。この場合、チルト機構により、入射光は受光面のＹ方向の中心に位置するように調整されるため、第１光電変換素子１０および演算部４０と、第２光電変換素子２０および演算部４０との各々は、入射光のＸ方向の位置を検出すればよい。入射光のＹ方向の位置は、チルト機構の角度から求められる。
また、パン機構およびチルト機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、パン機構およびチルト機構により、入射光は受光面のＸ方向およびＹ方向の中心に位置するように調整されるため、第１光電変換素子１０および演算部４０と、第２光電変換素子２０および演算部４０との各々は、入射光のＸ方向およびＹ方向の位置を検出せずともよい。入射光のＸ方向およびＹ方向の位置は、パン機構およびチルト機構の角度から求められる。
さらに、パン機構およびチルト機構を備える光センサに本実施形態の光電変換装置１を適用する場合、第２光電変換素子２０の高感度部分２１の高感度領域は、図１０Ｂに示すように、受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に向かって次第に幅が広くなるパターンで形成されてもよい。この場合、スポットサイズの変化による出力電流の変化が線形になる。
これに対して、第２光電変換素子２０の高感度部分２１の高感度領域が、図４に示すように、受光面の中心からＸ方向およびＹ方向に向かって幅が一定であるパターンで形成された場合、演算部４０における演算が容易である。
また、本実施形態において、第２光電変換素子２０の高感度部分２１の高感度領域は、受光面の中心から放射状に延在する３本以上の帯状のパターンで形成されてもよい。
また、第２光電変換素子２０の高感度部分２１の高感度領域は、複数の島状（ドット状）のパターンで形成されてもよい。この場合、島状のパターンの密度が受光面の中心から放射状に広がるにつれて変化してもよいし、島状のパターンの大きさが受光面の中心から放射状に広がるにつれて変化してもよい。この場合、受光面の中心から放射状に広がる島状のパターンが電気的に接続されて、電極層に接続されればよい。
また、第２光電変換素子２０の高感度部分２１の高感度領域は、格子状のパターンで形成されてもよい。この場合、複数の交点が生じ、この交点に入射光の中心が近づくときに出力電流が大きくなる特異点が生じることが予想されるので、この特異点において出力電流を補正することが好ましい。
また、本実施形態では、第２光電変換素子２０において、第１感度部分２１（第１感度領域）を高感度部分（高感度領域）とし、第２感度部分２２（第２感度領域）を低感度部分（低感度領域）としたが、逆であってもよい。すなわち、第２光電変換素子２０において、第１感度部分２１（第１感度領域）が低感度部分（低感度領域）であり、第２感度部分２２（第２感度領域）が高感度部分（高感度領域）であってもよい。この場合、入射光の密度が低くなるにつれて、すなわち入射光のスポットサイズが大きくなるにつれて、出力電流が増加する。
（第２実施形態）
光センサとして、被写体からの拡散光を入射して、被写体のＸ方向およびＹ方向の位置（ＸＹ位置）に加え、Ｚ方向（奥行き）の位置をも検出する３次元センサがある。このような３次元センサでは、被写体のＺ方向（奥行き）の位置が変化すると、内部の光電変換素子に入射する入射光のスポットサイズが変化する（デフォーカス）。
そこで、このような３次元センサに上述した光電変換装置１を適用すれば、光電変換素子に入射する入射光のスポットサイズを検出することにより、被写体のＺ方向（奥行き）の位置が検出できる。そして、入射光の入射方向とＺ方向（奥行き）の位置とから、被写体の３次元の位置が検出できる。
図１１は、第２実施形態に係る３次元センサの構成を示す図である。図１１に示す３次元センサ２は、例えば被写体にレーザ光を照射することにより被写体から発せられた光学像（拡散光）を集光する光学レンズ５０と、光学レンズ５０からの集光光を入射する上述した光電変換装置１、すなわち第１光電変換素子１０、第２光電変換素子２０、記憶部３０および演算部４０を備える。
本実施形態では、光学レンズ５０の焦点位置に第１光電変換素子１０が配置されている。第１光電変換素子１０は、受光面に入射するフォーカスされた入射光の強度（総量）に応じた電流を生成する。第１光電変換素子１０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心のＸＹ位置（座標）に応じて、４辺に配置された４つの電極層１２３（１３３）に分配して出力する。また、第１光電変換素子１０は、入射光を透過する。
第２光電変換素子２０は、受光面における高感度部分に入射するデフォーカスされた入射光の強度に応じた電流を生成する。これにより、第２光電変換素子２０は、入射光の密度に応じた電流、換言すれば入射光のスポットサイズに応じた電流を生成する。第２光電変換素子２０は、生成した電流を、受光面（ＸＹ平面）における入射光の中心のＸＹ位置（座標）に応じて、４辺に配置された４つの電極層２２３（２３３）に分配して出力する。
記憶部３０は、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）ごとに、第１光電変換素子１０の出力電流（総量）（すなわち、第１光電変換素子１０の入射光の強度（総量））、および、第２光電変換素子２０の出力電流（総量）（すなわち、第２光電変換素子２０の高感度部分への入射光の強度）と、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズとを対応付け、更に、このスポットサイズに被写体のＺ方向（奥行き）の位置を対応付けたテーブルを予め記憶する。
演算部４０は、上述したように、第１光電変換素子１０の４つの電極層１２３（１３３）から出力された電流の総量に応じて、入射光の強度（総量）を演算して検出する。
また、演算部４０は、上述したように、第１光電変換素子１０の４つの電極層１２３（１３３）各々から出力された電流の割合に基づいて、第１光電変換素子１０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。同様に、演算部４０は、第２光電変換素子２０の４つの電極層２２３（２３３）各々から出力された電流の割合に基づいて、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）を演算して検出する。演算部４０は、これらの第１光電変換素子１０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）と、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）とから、入射光の入射方向を演算して検出する。
また、演算部４０は、記憶部３０に記憶されたテーブルを参照して、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のＸＹ位置（座標）において、第１光電変換素子１０から出力された電流の総量（すなわち、第１光電変換素子１０の入射光の強度（総量））、および、第２光電変換素子２０から出力された電流の総量（すなわち、第２光電変換素子２０の高感度部分への入射光の強度）に対応した、第２光電変換素子２０の受光面における入射光のスポットサイズ、および、被写体のＺ方向（奥行き）の位置を求めて検出する。
そして、演算部４０は、上述したように検出した入射光の入射方向と、Ｚ方向（奥行き）の位置とから、被写体の３次元の位置を検出する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、図２および図３に示すようにヘテロ接合型の光電変換素子１０，２０を例示したが、本発明の特徴は、ヘテロ接合型の光電変換素子に限らず、ホモ接合型の光電変換素子等の種々の光電変換素子に適用可能である。
また、本実施形態では、受光面側の導電型半導体層１２１，２２１としてｐ型半導体層を例示し、裏面側の導電型半導体層１３１，２３１としてｎ型半導体層を例示した。しかし、受光面側の導電型半導体層１２１，２２１が、アモルファスシリコン材料にｎ型ドーパント（例えば、上述したリン（Ｐ））がドープされたｎ型半導体層であり、裏面側の導電型半導体層１３１，２３１が、アモルファスシリコン材料にｐ型ドーパント（例えば、上述したホウ素（Ｂ））がドープされたｐ型半導体層であってもよい。
また、本実施形態では、半導体基板１１０，２１０としてｎ型半導体基板を例示したが、半導体基板１１０，２１０は、結晶シリコン材料にｐ型ドーパント（例えば、上述したホウ素（Ｂ））がドープされたｐ型半導体基板であってもよい。
また、本実施形態では、結晶シリコン基板を有する光電変換素子を例示したが、これに限定されない。例えば、光電変換素子は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を有していてもよい。
１ 光電変換装置
２ ３次元センサ
１０ 第１光電変換素子
２０ 第２光電変換素子
２１ 高感度部分（第１感度部分）
２２ 低感度部分（第２感度部分）
３０ 記憶部
４０ 演算部
５０ 光学レンズ
１１０ 半導体基板（光電変換基板）
１２０，１３０ パッシベーション層
１２１ ｐ型半導体層（第１導電型半導体層）
１２２，１３２ 透明電極層
１２３，１３３ 電極層
１３１ ｎ型半導体層（第２導電型半導体層）
２１０ 半導体基板（光電変換基板）
２２０，２３０ パッシベーション層
２２１ ｐ型半導体層（第１導電型半導体層）
２２２，２３２ 透明電極層
２２３，２３３ 電極層
２３１ ｎ型半導体層（第２導電型半導体層）

Claims (11)

  1. ２つの主面を備える光電変換基板を含む光電変換素子において、
    異なる光電変換特性を有する第１感度部分と第２感度部分とを含み、
    前記第１感度部分の前記主面に現れる感度領域を第１感度領域とし、前記第２感度部分の前記主面に現れる感度領域を第２感度領域とすると、前記第１感度領域は、
    前記主面に入射する入射光の少なくとも一部を受光し、
    前記主面における入射光の照射される照射領域の増大につれて、前記照射領域における前記第２感度領域の面積に対する前記第１感度領域の面積の比率を小さくするパターンになっており、
    前記光電変換基板は、単結晶シリコン材料を含み、
    前記光電変換基板の一方の前記主面側に第１導電型半導体層が形成されており、
    前記光電変換基板の他方の前記主面側に第２導電型半導体層が形成されており、
    前記第２感度部分は、前記第１感度部分よりも低い光電変換特性を有し、
    前記第１感度部分における前記の両主面側には、パッシベーション層が形成されており、
    前記第２感度部分における前記の両主面側の少なくとも一方には、パッシベーション層が形成されていない、
    光電変換素子。
  2. 前記第１感度領域は、前記主面において放射状に延在する少なくとも２本以上の帯状のパターンを形成する、請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 前記第１感度領域は、直交する２本の帯状のパターンを形成する、請求項２に記載の光電変換素子。
  4. 前記第１感度領域は、前記主面において１本の帯状のパターンを形成する、請求項１に記載の光電変換素子。
  5. 前記帯状のパターンの幅は一定である、請求項２～４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  6. 前記帯状のパターンの幅は、前記主面の中心から周辺に向かって広くなる、請求項２～４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  7. 電流を出力する複数の電極を備え、
    前記複数の電極は、周辺部に分離して配置される、
    請求項１～６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  8. 前記主面のうち、受光する側の前記主面である受光面側の前記第１感度領域および前記第２感度領域には、前記パッシベーション層、前記第１導電型半導体層および透明電極層が順に形成されており、
    前記受光面の反対側の前記主面である裏面側の前記第１感度領域には、前記パッシベーション層、前記第２導電型半導体層および透明電極層が順に形成されており、
    前記裏面側の前記第２感度領域には、前記パッシベーション層、前記第２導電型半導体層および透明電極層が形成されていない、
    請求項１に記載の光電変換素子。
  9. 前記主面のうち、受光する側の前記主面である受光面の反対側の前記主面である裏面側の前記第１感度領域および前記第２感度領域には、前記パッシベーション層、前記第２導電型半導体層および透明電極層が順に形成されており、
    前記受光面側の前記第１感度領域には、前記パッシベーション層、前記第１導電型半導体層および透明電極層が順に形成されており、
    前記受光面側の前記第２感度領域には、前記パッシベーション層、前記第１導電型半導体層および透明電極層が形成されていない、
    請求項１に記載の光電変換素子。
  10. 入射光の上流側に配置された第１光電変換素子と、
    前記入射光の下流側に配置され、請求項１～９のいずれか１項に記載の光電変換素子を第２光電変換素子と、
    して含む、光電変換装置。
  11. 前記第１光電変換素子の出力電流、および、前記第２光電変換素子の出力電流に基づいて、前記第２光電変換素子における入射光のスポットサイズを演算する演算部を更に含む、請求項１０に記載の光電変換装置。
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