JPH02292873A - カラーセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光の色を識別するためのカラーセンサに関し
、特に、非晶質半導体のｐｉｎ接合の光起電力効果を利
用して、光の色を識別するためのカラーセンサに関する
。

［従来の技術コ 光の色を識別するためのカラーセンサは、たとえばビデ
オカメラなどにおいて撮影時のオートホワイトバランス
処理を行なうために、撮像部への入射光の波長成分を検
出する際等に用いられる。

従来のこの種のカラーセンサの一例としては、単結晶シ
リコンのｐｎｐ接合を用いるものが知られている。この
タイプのカラーセンサは、表面に近い方のｐｎ接合によ
るフォトダイオードと、深い方のｎｐ接合によるフォト
ダイオードとの、深さによる分光感度特性（各波長成分
の、或る一定の大きさの光に対するフォトダイオードの
出力電流の分布）の違いを利用する。

また、カラーフィルタを用いて、各光起電力素子が互い
に異なる波長成分の大きさを検出するように構成された
カラーセンサも存在する。このタイプのカラーセンサに
は、小結晶シリコンを用いるものや非晶質シリコンのｐ
ｉｎ接合を用いるものがある。

ｐｉｎ接合とは、高濃度のｐ型不純物を有する半導体層
と、高濃度のｎ型不純物を有する半導体層との間に、低
濃度の半導体層（ｉ層）を挿入した半導体接合をいう。

第６図は、非晶質シリコンのｐｉｎ接合とカラーフィル
タとを組合わせた従来のカラーセンサの典型的一例の側
断面図である。第７図は第６図のカラーセンサの等価回
路図である。第６図を参照して、このカラーセンサは、
ガラス等の透光性基板１００と、透光性基板１００の一
方面上に形成された第１のカラーフィルタ１１８と、第
１のカラーフィルタ１１８に隣接して形成された第２の
カラーフィルタ１２０と、第２のカラーフィルタ１２０
に、第１のカラーフィルタ１１８と反対の側から隣接す
る第３のカラーフィルタ１２２と、透光性基板１００の
他方の面上に形成された透明導電膜１０２と、透明導電
膜１０２上に形成され、高濃度のｐ型不純物を含む非晶
質シリコンｐ層１０２と、非晶質シリコンｐ層１０２上
に形成され、不純物をほとんど含まない高抵抗の非晶質
シリコンｌ層１０４と、非晶質シリコンｉ層１０４上に
形成され、高濃度のｎ型不純物を含む非晶質シリコンｎ
層１０６と、透明導電膜１０２上に設けられた電極１１
０と、非晶質シリコンｎ層１０８上に、それぞれカラー
フィルタ１１８、１２０，１２２と対向するように設け
られた３つの電極１ｌ２、１１４、１１６とを含む。

カラーフィルタ１１８、１２０，１２２は、互いに異な
る波長領域の光を通すように選ばれる。

非晶質シリコンｐ層１０４と、非晶質シリコンｉ層１０
６と、非晶質シリコンｎ層１０８とはｐｉｎ接合を形成
する。このｐｉｎ接合の、カラーフィルタ１１８と電極
１１２とによって挾まれた部分は、第１のフォトダイオ
ード１２４を形成する。ｐｉｎ接合の、カラーフィルタ
１２０と電極１１４とによって挾まれた部分は、第２の
フォトダイオード１２６を形成する。ｐｉｎ接合の、カ
ラーフィルタ１２２と電極１１６とによって挾まれた部
分は、第３のフォトダイオード１２８を形成する。

第６図、第７図を参照して、従来のカラーセンサの動作
が説明される。光は、第６図および第７図において矢印
Ｒで示される方向からカラーセンサに入射する。電極１
１０と、電極１１２、１１４、１１６との間には、予め
逆バイアス電圧がかけられている。

カラーフィルタ１１８は、光の各波長成分のうち、特定
の波長成分のみを透過する。カラーフィルタ１２０、１
２２も、同様に特定の波長成分のみを透過する。第１の
フォトダイオード１２４においては、カラーフィルタ１
１８を透過した光によって、光電変換が起こる。電極１
１０と電極１１２との間に起電力が生じ、電流を取出す
ことができる。この電流の大きさは、カラーフィルタ１
１８を透過した特定の波長成分の光の大きさを表わす。

同様に第２のフォトダイオード１２６と第３のフォトダ
イオード１２８においても光電変換が起こる。その結果
電極１１４、１１６から取出される電流は、それぞれカ
ラーフィルタ１２０Ｓ１２２を透過した特定波長の光の
大きさを表わす。カラーフィルタ１１２、１１４、１１
６を光の三原色Ｒ　（Ｒｅｄ）　、Ｇ　（Ｇｒｅｅｎ）
　、Ｂ　（Ｂｌｕｅ）に対応したカラーフィルタとすれ
ば、３つのフォトダイオード１２４、１２６、１２８の
出力電流の大きさの比から、入射光の色を検出すること
ができる。

Ｃ発明が解決しようとする課題コ 従来のカラーセンサのうち、ｌｌｉ結晶シリコンのｐｎ
ｐ接合を用いるものは、２つの光起電力素子しか設けら
れない。そのためこのタイプのカラーセンサは色の分解
能が悪く、光源の色温度（或る物体の熱放射の色と等し
い色の熱放射をする黒体の温度）を検出できないという
問題点がある。

単結晶シリコンとカラーフィルタとを用いるカラーセン
サは、シリコン膜を厚く（１０μｍ以上）する必要があ
り、しかも製造工程も複雑であるという問題点がある。

一方、非晶質シリコンを用いる従来のカラーセンサは、
製造工程が簡単で、シリコンの厚さも小さくてすみ、か
つカラーフィルタを３つ使用することにより光源の．色
温度も検出できるという利点がある。しかしながら非晶
質シリコンを用いる従？のカラーセンサの場合、カラー
フィルタが必要であるためその体積が大きくならざるを
得ず、かつコストも高いという問題点がある。カラーフ
ィルタが不要であれば、体積も小さくしコストも低くで
きると考えられ■る。

したがってこの発明の目的は、カラーフィルタを用いず
に、光源の色温度を検出することができるカラーセンサ
を提供することである。

［課題を解決するための手段］ この発明にかかるカラーセンサは、非晶質半導体のｐｉ
ｎ接合からなる第１のフォトダイオードと、第１のフォ
トダイオード上に形成され、非晶質半導体のｐｉｎ接合
からなる第２のフォトダイオードと、第２のフォトダイ
オード上に形成され、非晶質半導体のｐｉｎ接合からな
る第３のフォトダイオードとを含む。

［作用］ 第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと
、第３のフォトダイオードとからなるフォトダイオード
の積層構造に光が入射するとき、入射光に対して浅い方
向のフォトダイオードは、短波長領域の光に対して感度
を持つ。入射光に対して深い方のフォトダイオードは、
長波長領域の光に対して感度を持つ。したがって、積層
された３つ以上のフォトダイオードにより、入射光のう
ち少なくとも３通りの波長成分を検出することができる
。

［実施例コ 第１図は本発明の一実施例のカラーセンサの側断面図で
ある。第２図は第１図に示されるカラーセンサの平面図
である。第１図は第２図の１−１方向の矢視断面図に相
当する。第３図は、第１図および第２図に示されるカラ
ーセンサの等価回路図である。

第１図〜第３図を参照して、このカラーセンサは、導電
性基板１０上に形成され、非晶質シリコン層５０からな
る第１のフォトダイオードＰＤＩと、第１のフォトダイ
オードＰＤＩ上に形成された透明導電膜１８と、透明導
電膜１８上に形成され、非晶質シリコン層５２からなる
第２のフォトダイオードＰＤ２と、第２のフォトダイオ
ードＰＤ２上に形成され、非晶質シリコン層５４からな
る第３のフォトダイオードＰＤ３と、導電性基板１０上
に形成された電極３６と、透明導電膜１８上に形成され
た電極３８と、透明導電膜２６上に形成された電極４０
と、透明導電膜３４上に形成された電極４２とを含む。

非晶質シリコン層５０は、導電性基板１０上に厚さ７０
０Ａで形成され、ｎ型不純物であるリンがドーブされた
非晶質シリコンｎ層１２と、非晶質シリコンｎ層１２上
に厚さ２００ＯＡで形成された非晶質シリコンｉ層１４
と、非晶質シリコンｉ層１４上に厚さ１００人で形成さ
れ、ｐ型不純物であるボロンがドーブされた非晶質シリ
コンｐ層１６とを含む。非晶質シリコンｎ層１２の光学
バンドギャップは１．８ｅＶである。非晶質シリコンｉ
層１４の光学バンドギャップは１．　８ｅＶである。非
晶質シリコンｐ層の光学バンドギャップは１．９２ｅＶ
である。非晶質シリコンｎ層１２と、非晶質シリコンｉ
層１４と、非晶質シリコンｐ層１６とは、ｐｉｎ接合を
形成する。

非晶質シリコン層５２は、透明導電膜１８上に厚さ１０
０Ａで形成され、リンがドーブされた非晶質シリコンｎ
層２０と、非晶質シリコンｎ層２０上に厚さ５００Ａで
形成された非晶質シリコンｉ層２２と、非晶質シリコン
１層２２上に厚さ１００Ａで形成され、ボロンがドープ
された非晶質シリコンｐ層２４とを含む。非晶質シリコ
ンｎ層２０の光学バンドギャップは１，８ｅＶである。

非晶質シリコンｉ層２２の光学バンドギャップは１，８
ｅＶである。非晶質シリコンｐ層２４の光学バンドギャ
ップは１．９２ｅＶである。非晶質シリコンｎ層２０と
、非晶質シリコンｉ層２２と、非晶質シリコンｐ層２４
とは、ｐｉｎ接合を形成する。

非晶質シリコン層５４は、透明導電膜２６上に厚さ１０
０Ａで形成され、リンがドーブされた非晶質シリコンｎ
層２８と、非晶質シリコンｎ層２８上に厚さ３００人で
形成された非晶質シリコンｉ層３０と、非晶質シリコン
ｉ層３０上に厚さ２００Ａで形成され、ボロンがドープ
された非晶質シリコンｐ層３２とを含む。非晶質シリコ
ンｎ層２８の光学バンドギャップは１，８ｅＶである。

非晶質シリコンｉ層３０の光学バンドギャップは１，８
ｅＶである。非晶質シリコンｐ層３２の光学バンドギャ
ップは１．７ｅＶである。非晶質シリコンｎ層２８と、
非晶質シリコンｉ層３０と、非晶質シリコンｐ層３２と
は、ｐｉｎ接合を形成する。

第１図、第２図および第３図を参照して、このカラーセ
ンサの動作が説明される。電極３６と電極３８との間、
電極３８と電極４０との間、電極４０と電極４２との間
には、それぞれ所定の逆バイアス電圧が予め与えられる
。光は、第１図において矢印Ｒで示される方向からこの
カラーセンサに入射する。

半導体に入射した光は、光電変換を行ないながら半導体
中を進む。光電変換のため、半導体中を進む光子の数は
、半導体中を進んだ距離に応じて減少する。半導体中を
単位長さ進むごとに光子が吸収される割合は、吸収係数
と呼ばれる。

吸収係数は、光の波長に依存してその値が変わることが
知られている。短波長の光は吸収係数が大きく、長波長
の光の吸収係数は小さい。入射した仝光子数に対し、半
導体中を或る距離進んだときに残存している光子の数は
、吸収係数と進んだ距離との積に対し、指数関数的に減
少する。

そのため、短波長領域の光は、入射後短距離の間に光電
変換によってほとんど消滅する。一方長波長領域の光は
、その吸収係数が小さいため浅い部分では小さな量の光
電変換しか起こさないが、深い部分では短波長の光によ
る光電変換に対して相対的に大きな量の光電変換を行な
う。

すなわち、入射光に対し、受光面に近い方のフォトダイ
オードＰＤ３は短波長領域の光に対する感度が大きく、
遠い方のフォトダイオードＰＤＩは長波長領域の光に対
する感度が大きくなる。中間に位置するフォトダイオー
ドＰＤ２の感度のピークは、中間の波長領域に存在する
。

第４図は、このカラーセンサのフォトダイオードＰＤＩ
、ＰＤ２、ＰＤ３の分光感度特性を示す。

このカラーセンサに光が入射すると、各フォトダイオー
ドＰＤＩ、ＰＤ２、ＰＤ３の出力端子に出力電流が得ら
れる。各フォトダイオードＰＤＩ、ＰＤ２、ＰＤ３の分
光感度特性が第４図に示されるごとく互いに異なること
から、これらの出力電流の比を求めれば、入射した光の
色温度を検出することができる。

以上のようにこの実施例によれば、カラーフィルタを使
わずに、光源の色温度を検出できるカラーセンサが得ら
れる。しかも各フォトダイオードは非晶質シリコンの積
層構造からなっており、容易に製造することができる。

第５Ａ図〜第５Ｐ図は、この実施例のカラーセンサを製
造する工程を表わす、カラーセンサの断面図である。第
５Ａ図〜第５Ｐ図は、１度に３つのカラーセンサを製造
する工程を模式的に表す。

第５Ａ図を参照して、導電性基板１０上にプラズ７ＣＶ
Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法により、導電性基板１０に近い方から順
にｎ層、ｉ層、ｐ層の各非晶質シリコン膜の積層構造か
らなる非晶質シリコン層５６が形成される。ｎ層、１層
、ｐ層の各非晶質シリコン膜は、プラズマＣＶＤ法に用
いられるガス中の各ガスの流量比を礎化させることによ
り、容易に、しかも連続的に形成することができる。

第５Ｂ図を参照して非晶質シリコン層５６上に、スパッ
タリングにより透明導電膜５８が形成される。

第５Ｃ図を参照して、透明導電膜５８にフォトエッチン
グが施され、各カラーセンサごとに分離した透明導電膜
１８が形成される。

第５Ｄ図を参照して、さらに非晶質シリコン層５６にフ
ォトエッチングが施され、非晶質シリコン層５０が形成
される。

第５Ｅ図を参照して、導電性基板１０と、非晶質シリコ
ン層５０と、透明導電膜１８との上にプラズマＣＶＤ法
により非晶質シリコン層６０が形成される。非晶質シリ
コン層６０もやはり、導電性基板１０に近い方から順に
積層されたｎ層、ｉ層、ｐ層の非晶質シリコン膜を含む
。

第５Ｆ図を参照して、非晶質シリコン層６０上に、スパ
ッタリングにより透明導電膜６２が形成される。

第５Ｇ図を参照して、透明導電膜６２にフォトエッチン
グが施され、各カラーセンサごとに分離された透明導電
膜２６が得られる。

第５Ｈ図を参照して、さらに非晶質シリコン層６０にフ
ォトエッチングが施され、各カラーセンサごとに分離し
た非晶質シリコン層５２が形成される。

第５１図を参照して、導電性基阪１０、透明導電膜１８
、２６上にプラズマＣＶＤ法により、非晶質シリコン層
６４が形成される。非晶質シリコン層６４も、導電性基
板１０に近い方から順に積層されたｎ層、ｉ層、ｐ層の
非晶質シリコン膜を含む。

第５Ｊ図を参照して、非晶質シリコン層６４上に、スパ
ッタリングにより透明導電膜６６が形成される。

第５Ｋ図を参照して、透明導電膜６６にフォトエッチン
グが施され、各カラーセンサごとに独立した透明導電膜
３４が形成される。

第５Ｌ図を参照して、さらに非晶質シリコン層６４にフ
ォトエッチングが施され、各カラーセンサごとに独立し
た非晶質シリコン層５４が形成される。

第５Ｍ図を参照して、導電性基板１０、透明導電膜１８
、２６、３４上に、真空蒸着により金属膜６８が形成さ
れる。

第５Ｎ図を参照して、金属膜６８に？ＩＳ極バターニン
グがフォトエッチングによって行なわれ、電極３６、３
８、４０、４２が各カラーセンサごとに形成される。

第５Ｐ図を参照して、最後に導電性是阪１０を切断する
ことにより、この発明にかかるカラーセンサが得られる
。

以上のようにこのカラーセンサは、プラズマＣＶＤ法等
の単純な工程の繰返しによって製造することができる。

しかも各非晶質シリコン層の膜厚や不純物の濃度も容易
に制御できるため、このカラーセンサの製造は効率良く
行なうことができる。

なおこの発明は、上述の実施例には限定されない。たと
えば、この実施例では導電性基板１０の上にフォトダイ
オードを形成し、フォトダイオードの側から光がカラー
センサに入射するようにされた。しかしながらカラーセ
ンサの構造はこれには限定されず、たとえば導電性基板
１０の代わりにガラス等の透光性基板を用い、透光性基
板の側から力ラーセンサに光が入射するようにしてもよ
い。

また、上述の実施例においては、各ｐｉｎ接合は、光が
入射する側から順に積層されたｐ層、１層、ｎ層の非晶
質シリコン膜を含む。しかしこの発明はこの実施例には
限定されず、たとえばｎ層、ｉ層、ｐ層の順で積層され
た非晶質シリコンのｐｉｎ接合であっても同様の効果を
奏する。さらに、フォトダイオードのうちの一部のｐｉ
ｎ接合の積層の順序が、他のフォトダイオードのｐｉｎ
接合の積層の順序と逆になっていても、同様の効果を得
ることができる。

また、積重ねられるフォトダイオードの数は、３つとは
限らない。光源の色温度を検出するためには、少なくと
も３つのフォトダイオードがあればよい。しかしながら
、４つ以上のフォトダイオードで構成されていても同様
の効果が得られることは言うまでもない。

［効果］ この発明にかかるカラーセンサに光が入射するとき、入
射光に対して浅い方のフォトダイオードは短波長領域の
光に感度を持つ。入射光に対して深い方のフォトダイオ
ードは長波長領域の光に対して感度をＦｊｊつ。それら
の中間に配置されたフォトダイオードは中間の波長領域
の光に対して感度を持つ。したがってこのカラーセンサ
によればカラーフィルタを用いずに、入射光の少なくと
も３種類の波長領域の光の強さを測定でき、したがって
入射光の色温度を求めることが可能となる。

すなわち、この発明によれば、カラーフィルタを用いず
に光源の色温度を検出することができるカラーセンサを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかるカラーセンサの一実施例の側
断面図であり、 第２図は第１図に示される装置の平面図であり、第３図
は第１図および第２図に示されるカラーセンサの等価回
路図であり、 第４図は第１図〜ｍ３図に示されるカラーセンサの各フ
ォトダイオードの分光感度の特性を示すグラフであり、 第５Ａ図〜第５Ｐ図は、第１図、第２図に示されるカラ
ーセンサの製造工程を示すカラーセンサの断面図であり
、 第６図は従来のカラーセンサの一例を示す断面図であり
、 第７図は第６図に示されるカラーセンサの等価回路図で
ある。 図中、１０は導電性基板、１２、２０．２８は非晶質シ
リコンｎ層、１４、２２、３０は非晶質シリコンｉ層、
１６、２４、３２は非晶質シリコンｐ層、１８、２６、
３４は透明導電膜、３６、３８、４０、４２は電極を表
わす。 なお、図中同一符号は同一、または相当箇所を示す。 見３回 第４口 浪＋ｆｎｍ　ｌ 第５ＡｌｇｌＪ ５６拝品賀シ′ノフ／ｊ ５８４ｇ）１４屯失 把５Ｄ回 １晶笈シ′）コンｊ 逍９月導電ハタと 築５Ｌ口 ４８月４−鴫じλ興と 第５Ｇ田 朴品１シリコン１ 手続補正書（方式） 平成１年９ＪＪ２８日 ２、発明の名称 力ラーセンサ ６７回 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　　大阪市阿倍野区長池町２２番２２号名称　　（
５０４）シャープ株式会社 間者辻　晴雄 ４、代理人 住　所　大阪市北区南森町２丁目１番２９号　住友銀行
南森町ビル電話　大阪（０６）３６］．−２０２１　（
代）２４， フォトダイオード ６，補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄，図面の簡単な説明の欄
，および図面の第５Ｐ図 ７．補正の内容 （１）　明細書第１３頁第１４行並びに第１６行，およ
び明細書第１６頁第１５行の「第５Ｐ図を「第５０図」
にそれぞれ訂正する。 （２）　明細書第１９頁第１１行の「第５Ｐ図」を「第
５０図」に訂正する。 （３）　図面の「第５Ｐ図」を別紙のとおり「第５０図
」に訂正する。 ゝ｛０ 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）非晶質半導体のｐｉｎ接合からなる第１のフォト
   ダイオードと、 前記第１のフォトダイオード上に形成され、非晶質半導
   体のｐｉｎ接合からなる第２のフォトダイオードと、 前記第２のフォトダイオード上に形成され、非晶質半導
   体のｐｉｎ接合からなる第３のフォトダイオードとを含
   むカラーセンサ。