WO2017204331A1 - 光センサ - Google Patents

光センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2017204331A1
WO2017204331A1 PCT/JP2017/019698 JP2017019698W WO2017204331A1 WO 2017204331 A1 WO2017204331 A1 WO 2017204331A1 JP 2017019698 W JP2017019698 W JP 2017019698W WO 2017204331 A1 WO2017204331 A1 WO 2017204331A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
light receiving
optical sensor
incident
receiving element
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/019698
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
夏秋 和弘
瀧本 貴博
雅代 内田
Original Assignee
シャープ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by シャープ株式会社 filed Critical シャープ株式会社
Priority to CN201780032650.6A priority Critical patent/CN109196663B/zh
Priority to US16/304,284 priority patent/US10566489B2/en
Publication of WO2017204331A1 publication Critical patent/WO2017204331A1/ja

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/14Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the light source or sources being controlled by the semiconductor device sensitive to radiation, e.g. image converters, image amplifiers or image storage devices
    • H01L31/147Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the light source or sources being controlled by the semiconductor device sensitive to radiation, e.g. image converters, image amplifiers or image storage devices the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
    • H01L31/153Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the light source or sources being controlled by the semiconductor device sensitive to radiation, e.g. image converters, image amplifiers or image storage devices the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers formed in, or on, a common substrate
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/04Systems determining the presence of a target
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/20Filters
    • G02B5/28Interference filters
    • G02B5/284Interference filters of etalon type comprising a resonant cavity other than a thin solid film, e.g. gas, air, solid plates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0203Containers; Encapsulations, e.g. encapsulation of photodiodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0216Coatings
    • H01L31/02161Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H01L31/02164Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors for shielding light, e.g. light blocking layers, cold shields for infrared detectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0216Coatings
    • H01L31/02161Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H01L31/02165Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors using interference filters, e.g. multilayer dielectric filters
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/16Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
    • H01L31/167Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
    • H01L31/173Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers formed in, or on, a common substrate

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor.
  • an automatic robot such as a camera autofocus or a robot cleaner is provided with a distance measuring sensor used for distance or position detection.
  • the short distance sensor is an optical sensor for detecting an object to be detected at a short distance, and generally, a photodiode that performs detection judgment by a photocurrent generated by receiving light is used as a light receiving element.
  • SPAD is generally used as an optical sensor for detecting an object to be detected at a distance farther than a proximity sensor.
  • SPAD is a type of photodiode that is used in a state where an avalanche breakdown occurs when a voltage higher than the withstand voltage is applied, and has an amplification factor as high as 10,000 to 1,000,000 times that of incident optical carriers.
  • the sensitivity is high enough to detect single photons.
  • Patent Document 1 As such an optical sensor, there is one described in Patent Document 1.
  • the optical sensor of Patent Document 1 includes a light emitting element and a light receiving element, and a diffraction grating is provided on a light path that is irradiated from the light emitting element, reflected by a light-transmitting plate, and directed toward the light receiving element. The intensity of light traveling toward the light receiving element without being reflected by the detected object is reduced.
  • the diffraction grating is designed for light of a specific wavelength, for example, when a light emitting element emits light of a wavelength in a predetermined band, the specific wavelength designed In some cases, the intensity of light having a wavelength different from the above cannot be reduced appropriately. For this reason, the intensity of light emitted from the light emitting element and directed to the light receiving element without being reflected by the object to be detected cannot be reduced, and the detection accuracy may not be sufficiently increased.
  • an object of the present invention is to provide an optical sensor that can detect information on an object to be detected with high accuracy even when a light emitting element that emits light having a wavelength in a predetermined band is used.
  • An optical sensor of one embodiment of the present invention includes: A light emitting element for irradiating the object to be detected; A light receiving element having a light receiving surface for receiving light emitted from the light emitting element; With An incident light restricting portion that covers the light receiving surface is provided on a path along which the light emitted from the light emitting element is directed to the light receiving surface, The incident light restricting unit transmits light having an incident angle less than a predetermined value among light incident on the light receiving element, and blocks light having the incident angle equal to or greater than a predetermined value.
  • the optical sensor of the above aspect among the light irradiated from the light emitting element and incident on the light receiving element, light having an incident angle of less than a predetermined value passes through the incident light restricting portion and enters the light receiving surface of the light receiving element. Light having an incident angle of a predetermined value or more is blocked by the incident light restricting portion. For this reason, for example, even when a light emitting element that irradiates light having a wavelength in a predetermined band is used, the intensity of light of all the band wavelengths irradiated from the light emitting element toward the light receiving element without being reflected by the detection object Can be reduced. As a result, it is possible to detect information related to the detected object with high accuracy.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1.
  • the enlarged view of the light receiving element part of FIG. The figure for demonstrating the relationship between the incident angle of the light to the etalon filter of the optical sensor of FIG. 1, and the transmittance
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of an electronic device including the optical sensor of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of an electronic device including the optical sensor of FIG. 1.
  • FIG. 7 The figure for demonstrating the relationship between the incident angle to the light of the dielectric multilayer film of the optical sensor of FIG. 7, and the transmittance
  • the optical sensor 1 As shown in FIG. 1, the optical sensor 1 according to the first embodiment of the present invention includes a sensor substrate 10, and a light emitting element 20 and a light receiving unit 30 that are spaced apart from each other on the sensor substrate 10. Yes.
  • the light emitting element 20 and the light receiving element 40 are sealed with a light transmitting resin 51.
  • the area around the light emitting element 20 and the light receiving element 40 is sealed with a light shielding resin 52.
  • the sensor substrate 10 is made of ceramics, for example, and a terminal 11 is provided on the bottom surface thereof. Ceramics has a property that it has a smaller coefficient of thermal expansion than a resin substrate and is less likely to warp.
  • An etalon filter 60 of the light receiving element 40 to be described later may be broken by warping when a large stress is applied. For this reason, the etalon filter 60 is prevented from cracking by making the sensor substrate 10 a ceramic having a small thermal expansion coefficient and hardly warping.
  • the light emitting element 20 is, for example, an LED or a laser having a wavelength region WR having a peak at 850 nm, and is connected to the sensor substrate 10 by wire bonding.
  • the light receiving unit 30 is an LSI chip in which the light receiving element 40 is built, and is connected to the sensor substrate 10 by wire bonding.
  • the light receiving element 40 includes a semiconductor substrate 41, an N-type semiconductor layer 42 and a P-type semiconductor layer 43 provided on the semiconductor substrate 41, and an N-type semiconductor layer 42 and a P-type semiconductor layer 43.
  • P + diffusion layer 44 for anode diffusion and N + diffusion layer 45 for cathode diffusion first to third conductive films 46 to 48 provided on P + diffusion layer 44 and N + diffusion layer 45, and 3 and a passivation film 49 provided on the conductive film 48.
  • the semiconductor substrate 41 is, for example, a P-type (100) silicon substrate having a resistivity of 10 ⁇ ⁇ cm.
  • the N-type semiconductor layer 42 is formed by ion-implanting 31P + (phosphorus) of about 1.0E + 13 cm ⁇ 3 at 150 keV and performing heat treatment by annealing at 900 ° C. Further, the P-type semiconductor layer 43 is formed by ion-implanting 11B + (boron) of about 1.0E + 13 cm ⁇ 3 at 250 keV and similarly heat-treating by annealing at 900 ° C. Note that the P-type semiconductor layer 43 is disposed so as to sandwich the N-type semiconductor layer 42.
  • the P + diffusion layer 44 is formed by ion-implanting 11B + (boron) of about 2.0E + 15 cm ⁇ 3 at 30 keV and performing RTA (Rapid Thermal Anneal) at 1000 ° C. for 30 seconds.
  • the N + diffusion layer 45 is formed by ion-implanting 31P + (phosphorus) of about 1.0E + 15 cm ⁇ 3 at 50 keV and similarly performing RTA at 1000 ° C. for 30 seconds.
  • a PN junction is formed between the P + diffusion layer 44 and the N-type semiconductor layer 42 and functions as a photodiode.
  • a region functioning as the photodiode is a light receiving surface 40a.
  • a silicon oxide film (not shown) formed by a method such as thermal oxidation is provided between the P + diffusion layer 44 and the N + diffusion layer 45, and the N-type semiconductor layer 42 and the P-type semiconductor layer 43. ing.
  • a silicon oxide film serving as a field film is formed by CVD (chemical vapor deposition), CMP (chemical mechanical polishing), or the like. Has been.
  • the first conductive film 46 is made of AlCu with a thickness of 50 nm, is provided on the silicon oxide film on the P + diffusion layer 44 and the N + diffusion layer 45, and serves as an anode wiring and a cathode wiring.
  • a silicon oxide film serving as an insulating film having a thickness of about 1000 nm is formed on the first conductive film 46 by CVD, CMP, or the like.
  • the second conductive film 47 is made of AlCu having a thickness of about 500 nm, and is provided on the silicon oxide film on the first conductive film 46.
  • a silicon oxide film serving as an insulating film having a thickness of about 1000 nm is formed on the second conductive film 47 by CVD, CMP, or the like.
  • the third conductive film 48 is made of AlCu having a thickness of about 2 ⁇ m, and is provided on the silicon oxide film on the second conductive film 47.
  • the third conductive film 48 functions as a light shielding film and is disposed so that light does not enter a region other than the region facing the light receiving surface 40 a of the light receiving element 40.
  • the passivation film 49 is made of, for example, Si 3 N 4 and is provided on the silicon oxide film on the second conductive film 47 and on the third conductive film 48. An opening is provided in a region of the passivation film 49 facing the light receiving surface 40a. Since the refractive index (2) of Si 3 N 4 is higher than that of SiO 2 (1.46), the variation in reflectance can be reduced by providing an opening in a region facing the light receiving surface 40a.
  • the light receiving element 40 includes an etalon filter 60 as an example of an incident light restricting unit.
  • the etalon filter 60 is provided in a region facing the light receiving surface 40a on the silicon oxide film on the second conductive film 47, and its upper surface 60a is parallel to the light receiving surface 40a and covers the light receiving surface 40a. Is arranged.
  • the etalon filter 60 includes a 30 nm metal film (Ag) and a 160 nm thick dielectric film (Si 3 N 4 ) sandwiched between the metal films.
  • the etalon filter 60 is formed by forming a lift-off resist in a region other than the region facing the light receiving surface 40a, forming an Ag / Si 3 N 4 / Ag film by sputtering or vapor deposition, and then immersing it in a resist stripping solution. It is formed by removing the resist.
  • the etalon filter 60 is a wavelength filter using multiple interference between two opposing reflecting surfaces.
  • the light incident on the etalon filter has a transmittance that varies depending on the incident angle ⁇ because the optical path length in the dielectric varies depending on the incident angle ⁇ (shown in FIG. 5).
  • the incident angle ⁇ is 0 degree (direction perpendicular to the upper surface 60a of the etalon filter 60).
  • the transmittance is highest when light having a wavelength of 850 nm is incident, and the transmittance is about 40%.
  • the incident angle ⁇ is 15 degrees, the transmittance is highest when light having a wavelength of about 875 nm is incident, and the transmittance of light having a wavelength of 850 nm is about 16%.
  • the transmittance When the incident angle ⁇ is 30 degrees, the transmittance is highest when light having a wavelength of about 950 nm is incident, and the transmittance of light having a wavelength of 850 nm is about 2%. When the incident angle ⁇ is 45 degrees, the transmittance is highest when light having a wavelength of about 1150 nm is incident, and the transmittance of light having a wavelength of 850 nm is approximately zero%.
  • the incident angle ⁇ (hereinafter referred to as the regulation angle ⁇ 0 ) that can block the light incident on the light receiving element 40 is 45 degrees ( ⁇ ⁇ 0 ... light transmission, ⁇ ⁇ ⁇ 0 ... light blocking).
  • the etalon filter 60 is provided in a state where the third conductive film 48 is not separated from the region facing the light receiving surface 40a by a certain distance, the etalon filter 60 is distorted. For this reason, it is preferable that the third conductive film 48 be disposed at least by the thickness of the interference film from the boundary of the region facing the light receiving surface 40a.
  • the optical sensor 1 is arranged so that the light emitting element 20 and the light receiving element 40 face the transparent casing window 71 inside the housing 70 of the electronic device. Be placed.
  • the light emitted from the light emitting element 20 of the optical sensor 1 and reflected by the object to be detected forms an angle of approximately 90 degrees ( ⁇ 0) with respect to the light receiving surface 40a of the light receiving element 40, and enters the light receiving element 40.
  • ⁇ 0 degrees
  • a part of the light emitted from the side of the light emitting element 20 hits the casing 70 instead of the object to be detected and is reflected toward the light receiving element 40.
  • a gap between the upper surface of the optical sensor 1 and the housing 70 is provided between the light emitting element 20 and the light receiving element 40.
  • a method of providing a rubber cap 80 for closing is conceivable.
  • the rubber cap 80 since the distance between the optical sensor 1 and the housing 70 differs depending on the type of the electronic device, the rubber cap 80 must be designed for each mounted model, and the rubber cap 80 is provided. Therefore, the manufacturing cost is increased.
  • the optical sensor 1 of the first embodiment among the light emitted from the light emitting element 20 incident on the light receiving element 40, light having an incident angle ⁇ of not more than the regulation angle ⁇ 0 is transmitted through the etalon filter 60 and the regulation angle ⁇ 0. The above light is blocked by the etalon filter 60.
  • the transmittance is about 40%, and the light reflected by the object to be detected is transmitted through the etalon filter 60 to the light receiving surface 40a.
  • the transmittance is much lower than 5% at all wavelengths of the laser (about 820 to 880 nm), and particularly at the laser peak wavelength of 850 nm, the transmittance is almost zero. It has become. For this reason, the light of the wavelength of all the bands reflected by the housing 70 is interrupted
  • the optical sensor 1 even when the light emitting element 20 that emits light having a wavelength in a predetermined band such as a laser is used, the light is emitted from the light emitting element 20 toward the light receiving element 40 without being reflected by the object to be detected. It is possible to reduce the intensity of light of all the band wavelengths. As a result, it is possible to detect information related to the detected object with high accuracy.
  • the etalon filter 60 is used as the incident light restricting portion.
  • the incident light restricting portion can be made thin to eliminate problems such as warping, and the cost can be reduced.
  • the etalon filter 60 is designed so as to block the primary reflected light toward the light receiving element without being reflected by the object to be detected, so that the detection accuracy can be improved efficiently. Can do.
  • the restriction angle ⁇ 0 is calculated by the following equation.
  • A is the distance between the surfaces of the light receiving element 40 and the housing 70
  • B is the distance between the centers of the light emitting element 20 and the light receiving element 40.
  • ⁇ 0 tan ⁇ 1 (B / A)
  • the optical sensor 1 according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment in that a dielectric multilayer film 61 in which a plurality of dielectric films are stacked is provided as an incident light restricting portion. Different from the optical sensor 1.
  • the dielectric multilayer film 61 is composed of 40 layers of dielectric films (Nb 2 O 3 / SiO 2 ).
  • a lift-off resist is formed in a region other than the region facing the light receiving surface 40a, a dielectric film is formed by sputtering or vapor deposition, and then the resist is removed by immersion in a resist stripping solution. Is formed.
  • the 40-layer dielectric films have different thicknesses and are designed to have a transmission region at 850 nm.
  • the dielectric multilayer film 61 is a band-pass filter that transmits only light in a specific band by stacking a plurality of dielectric films such as metal oxide films.
  • the light incident on the dielectric multilayer film 61 varies in optical transmittance according to the incident angle ⁇ because the optical path length in each dielectric varies depending on the incident angle ⁇ .
  • the incident angle ⁇ is 0 degree (the upper surface 61a of the dielectric multilayer film 61 (shown in FIG. 7)).
  • the transmittance is highest when light having a wavelength of about 880 nm is incident, and the transmittance of light having a wavelength of 850 nm is about 95%.
  • the incident angle ⁇ is 15 degrees, the transmittance is highest when light having a wavelength of about 870 nm is incident, and the transmittance of light having a wavelength of 850 nm is about 97%.
  • the transmittance When the incident angle ⁇ is 30 degrees, the transmittance is highest when light having a wavelength of about 820 nm is incident, and the transmittance of light having a wavelength of 850 nm is about 95%. When the incident angle ⁇ is 45 degrees, the transmittance is highest when light having a wavelength of about 780 nm is incident, and the transmittance of light having a wavelength of 850 nm is about 10%.
  • the restriction angle ⁇ 0 is 45 degrees ( ⁇ ⁇ 0 ... light transmission, ⁇ ⁇ ⁇ 0 ... light blocking).
  • the cutoff waveform can be designed sharply, and the S / N ratio of the sensor can be improved because the cutoff wavelength and the transmission wavelength can be clearly distinguished.
  • the dielectric film of the dielectric multilayer film 61 is not limited to Nb 2 O 3 / SiO 2 , but can be appropriately selected from TiO 2, Si 3 N 4, or the like according to the design of the transmission region.
  • An avalanche photodiode may be used as the light receiving element 40.
  • an avalanche photodiode with high light receiving sensitivity as the light receiving element 40, detection accuracy can be increased.
  • the optical sensor 1 is characterized in that it includes an incident light restricting section that transmits light having a small incident angle ⁇ and blocks light having a large incident angle ⁇ . It goes without saying that it is good.
  • a dielectric film 90 provided with a light pocket for guiding light having a predetermined incident angle ⁇ or more on the side surface, and a metal covering the upper and lower surfaces of the dielectric film 90
  • a filter composed of the film 91 may be used as an incident light restricting portion.
  • This filter is configured such that light incident at a predetermined incident angle ⁇ enters between the metal films 91 and does not return.
  • the optical sensor 1 can be made into a structure that blocks light larger than the predetermined incident angle ⁇ and does not consider it as light sensitivity.
  • glass or a film is disposed between objects such as a TOF sensor using a laser and a proximity sensor / photointerrupter / original size sensor using an LED.
  • the present invention can be applied to a reflective optical sensor.
  • the light receiving element 40 includes a sensor unit 401, a first circuit unit 402, and a second circuit unit 403, and serves as an incident light regulating unit.
  • the inorganic film filter 62 is different from the optical sensor 1 of the first embodiment in that the inorganic film filter 62 is disposed so as to cover the sensor unit 401, the first circuit unit 402, and the second circuit unit 403.
  • the sensor unit 401 includes a semiconductor substrate 41, an N-type semiconductor layer 42 and a P-type semiconductor layer 43 provided on the semiconductor substrate 41, and an anode diffusion provided on the N-type semiconductor layer 42 and the P-type semiconductor layer 43.
  • P + diffusion layer 44 to be formed P + diffusion layer 44 to be formed, N + diffusion layer 45 to be cathode diffusion, first to third conductive films 46 to 48 provided on P + diffusion layer 44 and N + diffusion layer 45, and provided on third conductive film 48 And a light-receiving surface 40a.
  • Each of the first circuit portion 402 and the second circuit portion 403 is formed by a semiconductor process using silicon.
  • the first circuit unit 402 is arranged around a virtual straight line orthogonal to the light receiving surface 40 a of the sensor unit 401 and on the outer periphery of the sensor unit 401 with a gap from the sensor unit 401.
  • the second circuit unit 403 is disposed around the virtual straight line orthogonal to the light receiving surface 40 a of the sensor unit 401 and on the outer periphery of the first circuit unit 402 with a space from the first circuit unit 402.
  • the inorganic film filter 62 is made of, for example, SiO 2 / Nb 2 O 2 or SiO 2 / Ag, and has a substantially rectangular shape in plan view along a direction orthogonal to the light receiving surface 40 a of the sensor unit 401. .
  • the inorganic film filter 62 covers substantially the entire surface of the light receiving element 40 excluding an electrode section (not shown) called a PAD section, that is, the sensor section 401, the first circuit section 402, and the second circuit section. It is provided so as to cover the entire surface of 403.
  • the inorganic film filter 62 made of SiO 2 / Nb 2 O 2 or SiO 2 / Ag and the first circuit part 402 and the second circuit part 403 made of silicon have different thermal expansion coefficients. Therefore, as shown in FIG. 12, when the inorganic film filter 62 covers only the sensor unit 401 and the vicinity thereof without covering the first circuit unit 402 and the second circuit unit 403 of the light receiving element 40, the following problem occurs. May occur.
  • the first circuit unit 402 and the second circuit unit 403 are also covered with the inorganic film filter 62. Therefore, the first circuit unit 402 and the second circuit unit The influence of the stress by the inorganic film filter 62 on 403 is reduced, and the difference between the characteristics of the region covered with the inorganic film filter 62 and the characteristics of the region not covered with the inorganic film filter 62 in the light receiving element 40 is obtained. Can be reduced.
  • the lift-off resist area can be reduced, degas from the resist can be minimized and a stable film quality can be obtained. As a result, the most important angle dependence can be maintained.
  • the first circuit unit 402 and the second circuit unit 403 are provided as circuit units, but the present invention is not limited to this.
  • the configuration of the circuit unit such as the material, size, range, and number, can be changed as appropriate according to the design of the optical sensor 1 and the like.
  • the optical sensor 1 according to the seventh embodiment of the present invention is the sixth embodiment in that the incident light restricting portion includes a plurality of inorganic film filters 63 as an example of a plurality of filters. This is different from the optical sensor 1 of FIG.
  • the incident light restricting portion is composed of 21 inorganic film filters 63 having substantially the same size.
  • Each inorganic membrane filter 63 is made of, for example, Ag / Nb 2 O 3 and has a substantially rectangular shape in plan view along a direction orthogonal to the light receiving surface 40a of the sensor unit 401.
  • the size of each inorganic membrane filter 63 is smaller than that of the inorganic membrane filter 62 of the sixth embodiment.
  • the inorganic film filters 63 are arranged so as to cover substantially the entire surface of the sensor unit 401, the first circuit unit 402, and the second circuit unit 403 at an interval so as not to overlap each other.
  • the inorganic film filter 62 when the inorganic film filter 62 is disposed so as to cover the entire surface of the sensor unit 401, the first circuit unit 402, and the second circuit unit 403 of the light receiving element 40 as in the optical sensor 1 of the sixth embodiment,
  • the heat treatment in the reflow process when mounting the light receiving element 40 may cause a problem that internal stress is generated in the incident light restricting portion (that is, the inorganic film filter 62) and the inorganic film filter 62 is broken.
  • the plurality of inorganic film filters 63 are arranged at intervals so as not to overlap each other, and as a whole, the sensor unit 401, the first circuit unit 402, and the second circuit unit 403 are arranged. It covers almost the entire surface. Thereby, in the reflow process when mounting the light receiving element 40 while covering the substantially entire surface of the sensor unit 401, the first circuit unit 402, and the second circuit unit 403 of the light receiving element 40 by the plurality of inorganic film filters 63.
  • the internal stress generated in the incident light restricting portion that is, each inorganic film filter 63
  • each inorganic membrane filter 63 can be arbitrarily set. However, by making all the inorganic membrane filters 63 the same size, the inorganic membrane filter 63 can be used for the first circuit portion 402 and the second circuit portion 403. Stress can be reduced.
  • the optical sensor 1 of the present invention includes: A light emitting element 20 for irradiating the detection object with light; A light receiving element 40 having a light receiving surface 40a for receiving light emitted from the light emitting element 20, and With Incident light restricting portions 60 and 61 covering the light receiving surface 40a are provided on the path of the light emitted from the light emitting element 20 toward the light receiving surface 40a.
  • the incident light restricting sections 60 and 61 transmit light having the incident angle ⁇ less than a predetermined value among light incident on the light receiving element 20 and block light having the incident angle ⁇ equal to or larger than the predetermined value. It is characterized by that.
  • the light reception on the light receiving surface 40a is regulated according to the incident angle ⁇ of the light emitted from the light emitting element 20 incident on the light receiving element 40.
  • the incident angle ⁇ of the light emitted from the light emitting element 20 incident on the light receiving element 40 For example, light having a wavelength in a predetermined band Even when the light emitting element 20 that emits light is used, the intensity of light emitted from the light emitting element 20 and directed toward the light receiving surface 40a without being reflected by the object to be detected can be reduced. As a result, it is possible to detect information related to the detected object with high accuracy.
  • the incident light restricting portion is the etalon filter 60.
  • the incident light restricting portion is a dielectric multilayer film 61 in which a plurality of dielectric films are laminated.
  • the cutoff waveform can be designed steeply, and the S / N ratio of the sensor can be improved because the cutoff wavelength and the transmission wavelength can be clearly distinguished.
  • the light receiving element 40 is A sensor unit 401 having the light receiving surface 40a; Circuit portions 402 and 403 disposed around the sensor portion 401, The incident light restricting portion is disposed so as to cover the sensor portion and the circuit portion.
  • the influence of the stress by the incident light restricting portion 62 on the circuit portions 402 and 403 is reduced, and the characteristics of the region covered with the incident light restricting portion 62 in the light receiving element 40 and the incident light restricting portion 62 are determined.
  • the difference between the characteristics of the region not covered with can be reduced.
  • the said incident light control part is comprised with the some filter arrange
  • the plurality of filters 63 cover the sensor unit 401 and the circuit units 402 and 403 of the light receiving element 40, and are generated in each filter 63 by heat treatment in a reflow process when mounting the light receiving element 40, for example. Therefore, the occurrence of problems such as breakage of the inorganic film filter 62 can be avoided.
  • the light emitting element 20 is a laser.
  • the detection accuracy can be improved efficiently by designing the incident light restricting portions 60 and 61 so that the primary reflected light directed to the light receiving element 40 without being reflected by the detection object can be blocked. .

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Abstract

光センサ(1)が、被検出物に光を照射する発光素子(20)と、発光素子(20)から照射された光を受光する受光面(40a)を有する受光素子(40)と、を備えている。発光素子(40)から照射された光が受光面(40a)に向かう経路上に、受光面(40a)を覆う入射光規制部(60)が設けられており、この入射光規制部(60)は、受光素子(40)に入射する光のうち、入射角度が所定値未満である光を透過させ、入射角度が所定値以上である光を遮断する。

Description

光センサ
 本出願は、2016年5月26日に出願された日本出願の特願2016-104944に対して優先権の利益を主張するものであり、その日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
 本発明は、光センサに関する。
 近年、スマートフォン、あるいは、タブレット等の電子機器には、例えば、使用者の顔の接近を検出して自動でディスプレイの電源をオフするために使用される近接センサが設けられている。また、カメラのオートフォーカス、あるいは、ロボット掃除機等の自動ロボットには、距離あるいは位置検出のために使用される測距センサが設けられている。
 近距離センサは、近距離の被検出物を検出するための光センサであり、一般に、光を受けて発生する光電流で検出判断を行うフォトダイオードが受光素子として用いられる。また、測距センサは、近接センサより遠い距離の被検出物を検出するための光センサでは、一般に、SPADが用いられる。SPADは、耐圧以上の電圧を印加してアバランシェ降伏が発生する状態で使用する一種のフォトダイオードであり、入射した光キャリアに対して10,000~1,000,000倍もの高い増幅率を有し、単一光子を検出できる程の高感度であることが特徴である。このため、発光素子の光が遠距離の被検出物に反射して帰ってくる微小な光検出が可能であり、1m以上離れた被検出物の検出が可能となる。これらのデバイスに共通するのは、発光素子および受光素子を有し、被検出物からの反射光を検出して被検出物の有無、あるいは、距離を検出する点である。
 このような光センサとしては、特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1の光センサは、発光素子と受光素子とを備え、発光素子から照射され、透光板に反射されて受光素子へと向かう光の経路上に回析格子を設けて、発光素子から照射された光のうちの被検出物で反射しないで受光素子に向かう光の強度を低減させている。
特開2011-49473号公報
 しかし、上記光センサでは、回析格子の設計が特定の波長の光に対して行われているので、例えば、発光素子が所定の帯域の波長の光を照射する場合、設計された特定の波長とは異なる波長の光に対しては、その強度を適切に低減させることができない場合があった。このため、発光素子から照射され、被検出物で反射しないで受光素子に向かう光の強度を低減させることができず、検出精度を十分に高めることができない場合があった。
 そこで、本発明は、所定の帯域の波長を有する光を照射する発光素子を用いた場合でも、被検出物に関する情報を高い精度で検出できる光センサを提供することを課題とする。
 本発明の一態様の光センサは、
 被検出物に光を照射する発光素子と、
 上記発光素子から照射された光を受光する受光面を有する受光素子と、
を備え、
 上記発光素子から照射された光が上記受光面に向かう経路上に、上記受光面を覆う入射光規制部が設けられており、
 上記入射光規制部は、上記受光素子に入射する光のうち、上記入射角度が所定値未満である光を透過させ、上記入射角度が所定値以上である光を遮断する。
 上記態様の光センサによれば、発光素子から照射され、受光素子に入射する光のうち、入射角度が所定値未満の光が入射光規制部を透過して受光素子の受光面に入射し、入射角度が所定値以上の光が入射光規制部で遮断される。このため、例えば、所定の帯域の波長を有する光を照射する発光素子を用いた場合でも、被検出物で反射しないで受光素子に向かう発光素子から照射された全ての帯域の波長の光の強度を低減することができる。その結果、被検出物に関する情報を高い精度で検出できる。
本発明の第1実施形態の光センサの上面図。 図1のA-A線に沿った断面図。 図2の受光素子部分の拡大図。 図1の光センサのエタロンフィルタへの光の入射角度とその透過率との関係を説明するための図。 図1の光センサを備えた電子機器の一例を示す断面模式図。 図1の光センサを備えた電子機器の他の例を示す断面模式図。 本発明の第2実施形態の光センサの受光素子部分の拡大図。 図7の光センサの誘電体多層膜の光への入射角度とその透過率との関係を説明するための図。 本発明の第4実施形態の光センサの受光素子部分の断面図。 本発明の第6実施形態の光センサの受光素子部分の上面図。 本発明の第7実施形態の光センサの受光素子部分の上面図。 図10の光センサの比較例を示す上面図。
 以下、本発明の一実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向あるいは位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、「側」、「端」を含む用語)を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。さらに、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは必ずしも合致していない。
 (第1実施形態)
 本発明の第1実施形態の光センサ1は、図1に示すように、センサ基板10と、このセンサ基板10上に互いに間隔を空けて配置された発光素子20と受光ユニット30とを備えている。この光センサ1では、発光素子20および受光素子40が透光樹脂51で封止されている。また、発光素子20および受光素子40の周囲の領域は、遮光樹脂52で封止されている。
 センサ基板10は、例えば、セラミックスであり、その底面に端子11が設けられている。セラミックスは、樹脂基板に比べて熱膨張係数が小さく、反りにくいという性質を持っている。後述する受光素子40のエタロンフィルタ60は、大きな応力が加わると反りによって割れることがある。このため、センサ基板10を熱膨張係数が小さく反りにくいセラミックにすることより、エタロンフィルタ60が割れるのを防いでいる。
 発光素子20は、例えば、850nmをピークとした波長域WRを有するLEDまたはレーザーであり、ワイヤーボンドによりセンサ基板10に接続されている。
 受光ユニット30は、受光素子40が内蔵されたLSIチップであり、ワイヤーボンドによりセンサ基板10に接続されている。
 受光素子40は、図3に示すように、半導体基板41と、半導体基板41上に設けられたN型半導体層42およびP型半導体層43と、N型半導体層42およびP型半導体層43上に設けられたアノード拡散となるP+拡散層44およびカソード拡散となるN+拡散層45と、P+拡散層44およびN+拡散層45上に設けられた第1~第3導電膜46~48と、第3導電膜48上に設けられたパッシベーション膜49と、で構成されている。
 半導体基板41は、例えば、抵抗率が10Ω・cmのP型(100)シリコン基板である。
 N型半導体層42は、1.0E+13cm-3程度の31P+(リン)を150keVでイオン注入し、900℃のアニール等で熱処理することによって形成される。また、P型半導体層43は、1.0E+13cm-3程度の11B+(ボロン)を250keVでイオン注入し、同様に900℃のアニール等で熱処理することによって形成される。なお、P型半導体層43は、N型半導体層42を挟むように配置されている。
 P+拡散層44は、2.0E+15cm-3程度の11B+(ボロン)を30keVでイオン注入し、1000℃で30秒のRTA(Rapid Thermal Anneal:高速アニール)を行うことによって形成される。また、N+拡散層45は、1.0E+15cm-3程度の31P+(リン)を50keVでイオン注入し、同様に1000℃で30秒のRTAを行うことによって形成される。これにより、P+拡散層44とN型半導体層42との間にPN接合が形成され、フォトダイオードとして機能する。このフォトダイオードとして機能する領域が受光面40aとなっている。
 なお、P+拡散層44およびN+拡散層45と、N型半導体層42およびP型半導体層43との間には、熱酸化等の方法で形成されたシリコン酸化膜(図示せず)が設けられている。また、P+拡散層44およびN+拡散層45上には、CVD(chemical vapor deposition:化学気相成長法)およびCMP(chemical mechanical polishing:化学機械研磨)等によって、フィールド膜となるシリコン酸化膜が形成されている。
 第1導電膜46は、厚さ50nmのAlCuからなり、P+拡散層44およびN+拡散層45上のシリコン酸化膜上に設けられ、アノード配線、および、カソード配線となっている。この第1導電膜46上には、CVDおよびCMP等によって、厚さ1000nm程度の絶縁膜となるシリコン酸化膜が形成されている。
 第2導電膜47は、厚さ500nm程度のAlCuからなり、第1導電膜46上のシリコン酸化膜上に設けられている。この第2導電膜47上には、CVDおよびCMP等によって、厚さ1000nm程度の絶縁膜となるシリコン酸化膜が形成されている。
 第3導電膜48は、厚さ2μm程度のAlCuからなり、第2導電膜47上のシリコン酸化膜上に設けられている。この第3導電膜48は、遮光膜として機能し、受光素子40の受光面40aに対向する領域以外の領域に光を入射させないように配置されている。
 パッシベーション膜49は、例えば、Siからなり、第2導電膜47上のシリコン酸化膜上、および、第3導電膜48上に設けられている。このパッシベーション膜49の受光面40aに対向する領域には、開口が設けられている。Siの屈折率(2)はSiO(1.46)に比べて高いため、受光面40aに対向する領域に開口を設けることによって反射率バラツキを低減することができる。
 また、受光素子40は、入射光規制部の一例のエタロンフィルタ60を有している。このエタロンフィルタ60は、第2導電膜47上のシリコン酸化膜上の受光面40aに対向する領域に設けられ、その上面60aが受光面40aに対して平行に、かつ、受光面40aを覆うように配置されている。
 エタロンフィルタ60は、30nmの金属膜(Ag)と、この金属膜の間に挟まれた厚さ160nmの誘電体膜(Si)とで構成されている。このエタロンフィルタ60は、受光面40aに対向する領域以外の領域にリフトオフレジストを形成し、スパッタ法あるいは蒸着法によりAg/Si/Ag膜を形成した後、レジスト剥離液に浸漬してレジストを除去することにより、形成される。
 すなわち、エタロンフィルタ60は、二つの対向する反射面の多重干渉を利用した波長フィルタである。エタロンフィルタに入射した光は、入射角度θ(図5に示す)により誘電体における光路長が異なるため、入射角度θに応じて透過率が変動する。
 例えば、図4に示すように、発光素子として、850nmをピークとする波長域WRを有するレーザーを用いた場合、入射角θが0度(エタロンフィルタ60の上面60aに対して垂直な方向)の場合、850nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、その透過率は、約40%である。入射角度θが15度の場合、約875nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、850nmの波長の光の透過率は、約16%である。入射角度θが30度の場合、約950nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、850nmの波長の光の透過率は、約2%である。また、入射角度θが45度の場合、約1150nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、850nmの波長の光の透過率は、ほぼゼロ%である。
 なお、エタロンフィルタ60の透過率が2%以下であれば、エタロンフィルタ60を透過する光の強度を十分に低減でき、仮に受光面40aに入射したとしても、受光素子が誤作動する可能性は殆どない。すなわち、第1実施形態の光センサ1では、受光素子40に入射する光を遮断できる入射角度θ(以下、規制角度θという)が、45度である(θ<θ…光透過、θ≧θ…光遮断)。
 また、第3導電膜48が受光面40aに対向する領域から一定以上離れていない状態でエタロンフィルタ60を設けると、エタロンフィルタ60に歪みが生じてしまう。このため、第3導電膜48は、受光面40aに対向する領域の境界から、少なくとも干渉膜の厚み分だけ離して配置するのが好ましい。
 ところで、図5に示すように、スマートフォン等の電子機器では、光センサ1は、電子機器の筐体70の内側に、発光素子20と受光素子40とが透明の筺体窓71に対向するように配置される。
 光センサ1の発光素子20から照射され、被検出物で反射された光は、受光素子40の受光面40aに対して略90度の角度(θ≒0)を成して、受光素子40に入射する。しかし、発光素子20の側方から発射された光は、その一部が被検出物ではなく筐体70に当たって反射して、受光素子40に向かって進む。
 このような光の受光素子40への入射を防ぐためには、例えば、図6に示すように、発光素子20と受光素子40との間に光センサ1の上面と筺体70との間の隙間を塞ぐラバーキャップ80を設ける方法が考えられる。
 しかし、この場合、光センサ1と筺体70との間の距離が電子機器の種類に応じて異なるため、搭載機種毎にラバーキャップ80を設計しなければならず、また、ラバーキャップ80を設けるための設備および工程が必要になるため、製造コストが高くなる。
 また、図6に示すように、発光素子20から照射された光のうちの一部は、筺体窓71の内部に侵入して多重反射した後、受光素子40に向かうため、被検出物で反射しないで受光素子に向かう光に起因する誤検出を避けることができない。
 第1実施形態の光センサ1では、受光素子40に入射する発光素子20から照射された光のうち、入射角度θが規制角度θ以下の光がエタロンフィルタ60を透過し、規制角度θ以上の光がエタロンフィルタ60で遮断される。
 例えば、被検出物で反射した光は、入射角度θ=ほぼゼロ度で受光素子40に入射する。この場合、図4に示すように、レーザーのピーク波長である850nmでは、透過率が約40%になっており、被検出物で反射した光は、エタロンフィルタ60を透過して受光面40aに入射する。また、被検出物よりも近い距離の筐体70で反射した光は、入射角度θ=約45度で受光素子40に入射する。この場合、図4に示すように、レーザーの全ての帯域の波長(約820~880nm)で透過率が5%を大きく下回り、特に、レーザーのピーク波長である850nmでは、ほぼ透過率がゼロとなっている。このため、筺体70で反射した全ての帯域の波長の光は、エタロンフィルタ60で遮断され、その強度が低減される。
 すなわち、上記光センサ1では、レーザー等の所定の帯域の波長を有する光を照射する発光素子20を用いた場合でも、被検出物で反射しないで受光素子40に向かう発光素子20から照射された全ての帯域の波長の光の強度を低減することができる。その結果、被検出物に関する情報を高い精度で検出できる。
 また、入射光規制部としてエタロンフィルタ60を用いている。これにより、入射光規制部を薄くして、反り等の問題を無くすことができると共に、コストを抑えることが可能になる。
 また、発光素子20として、レーザーを用いている。レーザーは、一次反射光が最も強度が高くなるため、被検出物で反射しないで受光素子に向かう一次反射光を遮断できるようにエタロンフィルタ60の設計を行うことで、効率よく検出精度を高めることができる。
 なお、図5に示す上記光センサ1を備えた電子機器では、規制角度θは次の式で算出される。ここで、Aは受光素子40および筺体70の表面間距離、Bは発光素子20および受光素子40の中心間距離である。
     θ=tan-1(B/A)
 (第2実施形態)
 本発明の第2実施形態の光センサ1は、図7に示すように、入射光規制部として複数の誘電体膜を積層させた誘電体多層膜61を設けた点で、第1実施形態の光センサ1と異なっている。
 誘電体多層膜61は、40層の誘電体膜(Nb/SiO)で構成されている。この誘電体多層膜61は、受光面40aに対向する領域以外の領域にリフトオフレジストを形成し、スパッタ法あるいは蒸着法により誘電体膜を形成した後、レジスト剥離液に浸漬してレジストを除去することにより、形成される。40層の誘電体膜は、それぞれ膜厚が異なっており、850nmに透過域を持つように設計されている。
 すなわち、誘電体多層膜61は、金属酸化膜等の誘電体膜を複数層重ねることで、特定の帯域の光のみを透過させるバンドパスフィルタである。誘電体多層膜61に入射した光は、入射角度θにより各誘電体における光路長が異なるため、入射角度θに応じて、透過率が変動する。
 例えば、図8に示すように、発光素子として、850nmをピークとする波長域WRを有するレーザーを用いた場合、入射角θが0度(誘電体多層膜61の上面61a(図7に示す)に垂直な方向)の場合、約880nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、850nmの波長の光の透過率は、約95%である。入射角度θが15度の場合、約870nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、850nmの波長の光の透過率は、約97%である。入射角度θが30度の場合、約820nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、850nmの波長の光の透過率は、約95%である。また、入射角度θが45度の場合、約780nmの波長の光が入射したときに透過率が最も高くなり、850nmの波長の光の透過率は、約10%である。
 なお、誘電体多層膜61の透過率が2%以下であれば、誘電体多層膜61を透過する光の強度を十分に低減でき、仮に受光面40aに入射したとしても、受光素子が誤作動する可能性は殆どない。すなわち、第2実施形態の光センサ1では、規制角度θが、45度である(θ<θ…光透過、θ≧θ…光遮断)。
 このように、入射光規制部として誘電体多層膜61を用いることで、遮断波形を急峻に設計することができ、遮断波長と透過波長を明瞭に区別できることからセンサのS/N比を向上できる。
 なお、誘電体多層膜61の誘電体膜は、Nb/SiOに限らず、透過域の設計に応じて、TiO2、あるいは、Si3N4等、適宜選択することができる。
 (第3実施形態)
 受光素子40としてアバランシェフォトダイオードを用いてもよい。受光素子40として、受光感度の高いアバランシェフォトダイオードを用いることで、検出精度を高めることができる。
 (第4実施形態)
 上記光センサ1は、「入射角度θの小さい光を透過させ、入射角度θの大きい光を遮断する入射光規制部を備える」点で特徴あるものであり、本技術思想を含む構成であれば良いことは言うまでもない。
 例えば、図9に示すように、入射光規制部として、側面に所定の入射角度θ以上の光を導く光ポケットが設けられた誘電体膜90と、この誘電体膜90の上下面を覆う金属膜91とで構成されたフィルタを用いてもよい。このフィルタは、所定の入射角度θで入射した光が金属膜91間に入り込み、戻ってこないように構成されている。これにより、光センサ1を、所定の入射角度θよりも大きい光を遮断して光感度として考慮しない構造とすることができる。
 (第5実施形態)
 上記第1~第4実施形態の光センサ1は、レーザーを用いたTOFセンサ、LEDを用いた近接センサ/フォトインタラプタ/原稿サイズセンサなどの対象物との間に、ガラスやフィルムが配置される反射型光センサに適用可能であることは、言うまでもない。
 (第6実施形態)
 本発明の第6実施形態の光センサ1は、図10に示すように、受光素子40がセンサ部401、第1回路部402、および、第2回路部403を有し、入射光規制部としての無機膜フィルタ62が、センサ部401、第1回路部402、および、第2回路部403を覆うように配置されている点で、第1実施形態の光センサ1と異なっている。
 センサ部401は、半導体基板41と、半導体基板41上に設けられたN型半導体層42およびP型半導体層43と、N型半導体層42およびP型半導体層43上に設けられたアノード拡散となるP+拡散層44およびカソード拡散となるN+拡散層45と、P+拡散層44およびN+拡散層45上に設けられた第1~第3導電膜46~48と、第3導電膜48上に設けられたパッシベーション膜49とで構成され、受光面40aを有している。
 第1回路部402および第2回路部403の各々は、シリコンを用いた半導体プロセスより形成されている。第1回路部402は、センサ部401の受光面40aに直交する仮想直線周りかつセンサ部401の外周に、センサ部401と間隔を空けて配置されている。また、第2回路部403は、センサ部401の受光面40aに直交する仮想直線周りかつ第1回路部402の外周に、第1回路部402と間隔を空けて配置されている。
 無機膜フィルタ62は、例えば、SiO/NbあるいはSiO/Agで構成され、センサ部401の受光面40aに直交する方向に沿った平面視において、略矩形状を有している。この無機膜フィルタ62は、PAD部と呼ばれる電極部(図示せず)を除いた受光素子40の略全面を覆うように、すなわち、センサ部401、第1回路部402、および、第2回路部403の全面を覆うように設けられている。
 ところで、SiO/NbあるいはSiO/Agで構成された無機膜フィルタ62と、シリコンで構成された第1回路部402および第2回路部403とは、熱膨張係数が異なっているため、図12に示すように、無機膜フィルタ62で、受光素子40の第1回路部402および第2回路部403を覆うことなくセンサ部401およびその近傍のみを覆った場合、次の問題が発生する可能性がある。
  (1)センサ部401の周囲の第1回路部402および第2回路部403に「無機膜」による応力が加わるため、受光素子40における無機膜フィルタ62で覆われている領域の特性と無機膜フィルタ62で覆われていない領域の特性との間に、差が生じる場合がある。
  (2)リフトオフ技術により受光素子40の製造が行われた場合、リフトオフする部分が大きいため、リフトオフしきれない場合がある。
  (3)上記(2)に加えて、リフトオフする部分が大きい(すなわち、リフトオフする部分お面積が大きい)とリフトオフレジスト領域が大きくなるため、レジストから出るデガスにより角度依存がシフトする場合がある。
 第6実施形態の光センサ1では、センサ部401に加えて、第1回路部402および第2回路部403も無機膜フィルタ62で覆われているので、第1回路部402および第2回路部403に対する無機膜フィルタ62による応力の影響を小さくして、受光素子40における無機膜フィルタ62で覆われている領域の特性と無機膜フィルタ62で覆われていない領域の特性との間の差を低減できる。
 また、リフトオフレジスト面積を小さくすることができるので、レジストからのデガスを最小限に抑え、安定的な膜質とすることができる。その結果、最も重要な角度依存を維持することが可能となる。
 なお、第6実施形態の光センサ1では、回路部として、第1回路部402および第2回路部403を設けているが、これに限らない。回路部は、光センサ1の設計等に応じて、材料、大きさ、範囲、数などその構成を適宜変更できる。
 (第7実施形態)
 本発明の第7実施形態の光センサ1は、図11に示すように、入射光規制部が、複数のフィルタの一例の複数の無機膜フィルタ63で構成されている点で、第6実施形態の光センサ1と異なっている。
 第7実施形態の光センサでは、図11に示すように、相互に略同じ大きさの21枚の無機膜フィルタ63で入射光規制部を構成している。各無機膜フィルタ63は、例えば、Ag/Nbで構成され、センサ部401の受光面40aに直交する方向に沿った平面視において、略矩形状を有している。各無機膜フィルタ63のサイズは、第6実施形態の無機膜フィルタ62よりも小さくなっている。また、各無機膜フィルタ63は、相互に重ならないように間隔を空けて、センサ部401、第1回路部402、および、第2回路部403の略全面を覆うように配置されている。
 ところで、第6実施形態の光センサ1のように、受光素子40のセンサ部401、第1回路部402、および、第2回路部403の全面を覆うように、無機膜フィルタ62を配置すると、受光素子40を実装するときのリフロー工程における熱処理により入射光規制部(すなわち、無機膜フィルタ62)に内部応力が発生し、無機膜フィルタ62が割れるといった問題が発生する場合がある。
 第7実施形態の光センサ1では、複数の無機膜フィルタ63が、相互に重ならないように間隔を空けて配置され、全体としてセンサ部401、第1回路部402、および、第2回路部403の略全面を覆っている。これにより、複数の無機膜フィルタ63によって、受光素子40のセンサ部401、第1回路部402、および、第2回路部403の略全面を覆いつつ、受光素子40を実装するときのリフロー工程における熱処理により入射光規制部(すなわち、各無機膜フィルタ63)に発生する内部応力を低減できる。その結果、受光素子40を実装するときのリフロー工程における熱処理により、無機膜フィルタ62が割れる等の問題の発生を回避できる。
 なお、各無機膜フィルタ63のサイズは、任意に設定可能であるが、各無機膜フィルタ63を全て同じサイズにすることで、第1回路部402および第2回路部403に対する無機膜フィルタ62による応力を小さくすることができる。
 本発明および実施形態をまとめると、次のようになる。
 本発明の光センサ1は、
 被検出物に光を照射する発光素子20と、
 上記発光素子20から照射された光を受光する受光面40aを有する受光素子40と、
を備え、
 上記発光素子20から照射された光が上記受光面40aに向かう経路上に、上記受光面40aを覆う入射光規制部60,61が設けられており、
 上記入射光規制部60,61は、上記受光素子20に入射する光のうち、上記入射角度θが所定値未満である光を透過させ、上記入射角度θが所定値以上である光を遮断することを特徴としている。
 上記構成によれば、受光素子40に入射する発光素子20から照射された光の入射角度θに応じて、受光面40aでの受光が規制されるので、例えば、所定の帯域の波長を有する光を照射する発光素子20を用いた場合でも、発光素子20から照射され、被検出物で反射しないで受光面40aに向かう光の強度を低減することができる。その結果、被検出物に関する情報を高い精度で検出できる。
 また、一実施形態の光センサ1では、
 上記入射光規制部が、エタロンフィルタ60である。
 上記実施形態によれば、入射規制部を薄くして、反り等の問題を無くすことができると共に、コストを抑えることが可能になる。
 また、一実施形態の光センサ1では、
 上記入射光規制部が、複数の誘電体膜を積層させた誘電体多層膜61である。
 上記実施形態によれば、遮断波形を急峻に設計することができ、遮断波長と透過波長を明瞭に区別できることからセンサのS/N比を向上できる。
 また、一実施形態の光センサ1では、
 上記受光素子40が、
 上記受光面40aを有するセンサ部401と、
 上記センサ部401の周囲に配置された回路部402,403と
を有しており、
 上記入射光規制部が、上記センサ部および上記回路部を覆うように配置されている。
 上記実施形態によれば、回路部402,403に対する入射光規制部62による応力の影響を小さくして、受光素子40における入射光規制部62で覆われている領域の特性と入射光規制部62で覆われていない領域の特性との間の差を低減できる。
 また、一実施形態の光センサ1では、
 上記入射光規制部が、相互に重ならないように配置された複数のフィルタで構成されている。
 上記実施形態によれば、複数のフィルタ63によって、受光素子40のセンサ部401および回路部402、403を覆いつつ、例えば、受光素子40を実装するときのリフロー工程における熱処理により各フィルタ63に発生する内部応力を低減できるので、無機膜フィルタ62が割れる等の問題の発生を回避できる。
 また、一実施形態の光センサ1では、
 上記発光素子20が、レーザーである。
 上記実施形態によれば、被検出物で反射しないで受光素子40に向かう一次反射光を遮断できるように入射光規制部60,61の設計を行うことで、効率よく検出精度を高めることができる。
 上記第1~第7実施形態で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいことは、勿論である。
1 光センサ
10 センサ基板
11 端子
20 発光素子
30 受光ユニット
40 受光素子
401 センサ部
402 第1回路部
403 第2回路部
40a 受光面
41 半導体基板
42 N型半導体層
43 P型半導体層
44 P+拡散層
45 N+拡散層
46 第1導電層
47 第2導電層
48 第3導電層
49 パッシベーション膜
51 透光樹脂
52 遮光樹脂
60 エタロンフィルタ(入射光規制部の一例)
61 誘電体多層膜(入射光規制部の一例)
62、63 無機膜フィルタ(入射光規制部の一例)
70 筺体
71 筺体窓
80 ラバーキャップ
90 誘電体膜
91 金属膜
θ 入射角度
θ 規制角度
A 受光素子および筺体の表面間距離
B 発光素子および受光素子の中心間距離
WR 波長域

Claims (6)

  1.  被検出物に光を照射する発光素子と、
     上記発光素子から照射された光を受光する受光面を有する受光素子と、
    を備え、
     上記発光素子から照射された光が上記受光面に向かう経路上に、上記受光面を覆う入射光規制部が設けられており、
     上記入射光規制部は、上記受光素子に入射する光のうち、上記入射角度が所定値未満の光を透過させ、上記入射角度が所定値以上の光を遮断する、光センサ。
  2.  請求項1に記載の光センサにおいて、
     上記入射光規制部が、エタロンフィルタである、光センサ。
  3.  請求項1に記載の光センサにおいて、
     上記入射光規制部が、複数の誘電体膜を積層させた誘電体多層膜である、光センサ。
  4.  請求項1から3のいずれか1つに記載の光センサにおいて、
     上記受光素子が、
     上記受光面を有するセンサ部と、
     上記センサ部の周囲に配置された回路部と
    を有しており、
     上記入射光規制部が、上記センサ部および上記回路部を覆うように配置されている、光センサ。
  5.  請求項4に記載の光センサにおいて、
     上記入射光規制部が、相互に重ならないように配置された複数のフィルタで構成されている、光センサ。
  6.  請求項1から5のいずれか1つに記載の光センサにおいて、
     上記発光素子が、レーザーである、光センサ。
PCT/JP2017/019698 2016-05-26 2017-05-26 光センサ WO2017204331A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201780032650.6A CN109196663B (zh) 2016-05-26 2017-05-26 光传感器
US16/304,284 US10566489B2 (en) 2016-05-26 2017-05-26 Photosensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016104944A JP2019133960A (ja) 2016-05-26 2016-05-26 光センサ
JP2016-104944 2016-05-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017204331A1 true WO2017204331A1 (ja) 2017-11-30

Family

ID=60412741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/019698 WO2017204331A1 (ja) 2016-05-26 2017-05-26 光センサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10566489B2 (ja)
JP (1) JP2019133960A (ja)
CN (1) CN109196663B (ja)
WO (1) WO2017204331A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112998680B (zh) * 2021-02-23 2023-03-21 潍坊歌尔微电子有限公司 测试机构
CN116613622B (zh) * 2023-07-19 2024-04-05 青岛泰睿思微电子有限公司 双凹槽光传感器封装结构

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005175256A (ja) * 2003-12-12 2005-06-30 Konica Minolta Holdings Inc 受光装置及び投受光装置
JP2006040913A (ja) * 2004-07-22 2006-02-09 Takenaka Electronic Industrial Co Ltd 光電センサ
JP2010258350A (ja) * 2009-04-28 2010-11-11 Sanyo Electric Co Ltd 発光装置、情報取得装置および物体検出装置
US20130327931A1 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Pixart Imaging Incorporation Package structure of optical apparatus

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006072171A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Hitachi Ltd 光モジュール
KR101391792B1 (ko) * 2008-01-04 2014-05-07 삼성전자주식회사 화상독취장치 및 이를 갖춘 화상형성기기
JP2011049473A (ja) 2009-08-28 2011-03-10 Sharp Corp 光検出装置および電子機器
JP5810565B2 (ja) * 2011-03-16 2015-11-11 セイコーエプソン株式会社 光学センサー及び電子機器
CN107369728B (zh) * 2012-08-30 2019-07-26 京瓷株式会社 受光发光元件以及使用该受光发光元件的传感器装置
CN103926629B (zh) * 2013-01-11 2017-03-08 原相科技股份有限公司 光学装置、使用微透镜的感光元件及其制作方法
CN105465656A (zh) * 2014-08-29 2016-04-06 陈雁北 一种发光装置
US20180360352A1 (en) * 2015-11-30 2018-12-20 New Japan Radio Co., Ltd. Optosensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005175256A (ja) * 2003-12-12 2005-06-30 Konica Minolta Holdings Inc 受光装置及び投受光装置
JP2006040913A (ja) * 2004-07-22 2006-02-09 Takenaka Electronic Industrial Co Ltd 光電センサ
JP2010258350A (ja) * 2009-04-28 2010-11-11 Sanyo Electric Co Ltd 発光装置、情報取得装置および物体検出装置
US20130327931A1 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Pixart Imaging Incorporation Package structure of optical apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
US20190109255A1 (en) 2019-04-11
US10566489B2 (en) 2020-02-18
CN109196663B (zh) 2022-03-22
JP2019133960A (ja) 2019-08-08
CN109196663A (zh) 2019-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2180509A1 (en) Light sensor
JP5988690B2 (ja) 分光センサ
CN113358223B (zh) 光检测装置
US9273999B2 (en) Spectroscopic sensor
US9671286B2 (en) Spectroscopic sensor having a wire connected to a substrate through a hole of a filter region
WO2017204331A1 (ja) 光センサ
JP2015005665A (ja) 撮像装置並びにその設計方法及び製造方法
JP2010114196A (ja) 反射型フォトインタラプタ
JP5375840B2 (ja) 光センサ
JP5821400B2 (ja) 分光センサー及び角度制限フィルター
JP2012194438A (ja) 分光センサー及び角度制限フィルター
JP5402893B2 (ja) 光センサ
JP4503060B2 (ja) 紫外線センサ、紫外線センサの設定方法
JP6160167B2 (ja) 分光センサー及びその製造方法
JP6191196B2 (ja) 分光センサー及びその製造方法
JP6654067B2 (ja) 光センサ
JP2008028220A (ja) 照度センサ
JP5804166B2 (ja) 分光センサー及び角度制限フィルター
US9947814B2 (en) Semiconductor optical sensor
JP6079840B2 (ja) 分光センサー及び角度制限フィルター
WO2017094278A1 (ja) 光センサ
JP2008027995A (ja) 受光素子及び受光センサー

Legal Events

Date Code Title Description
DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17802917

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17802917

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP