WO2019013166A1 - 撮像素子、電子機器および撮像素子の製造方法 - Google Patents

撮像素子、電子機器および撮像素子の製造方法 Download PDF

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堅二 豊田
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    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
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    • H10F39/12—Image sensors
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    • H10F55/00—Radiation-sensitive semiconductor devices covered by groups H10F10/00, H10F19/00 or H10F30/00 being structurally associated with electric light sources and electrically or optically coupled thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H29/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one light-emitting semiconductor element covered by group H10H20/00
    • H10H29/10—Integrated devices comprising at least one light-emitting semiconductor component covered by group H10H20/00

Definitions

  • the present invention relates to an imaging device, an electronic device, and a method of manufacturing an imaging device used for biometric authentication and the like.
  • the imaging device includes a light receiving unit in which a plurality of light receiving elements for receiving light from an object are arranged in a first direction on a substrate and a second direction intersecting the first direction.
  • a light emitting element for emitting light between the light receiving element of the light receiving unit and the light receiving element is provided on the light emitting unit where a plurality of light emitting units are arranged in the second direction on the substrate and each light emitting element of the light emitting unit And a light guiding member for guiding light from the light emitting unit to the object.
  • An electronic device includes the imaging device of the first aspect.
  • a plurality of light receiving elements are provided in a predetermined area of a substrate, and a wiring layer is formed on the substrate provided with the light receiving elements. And exposing the upper surface of the light receiving element of the substrate after the substrate and the wiring layer are turned upside down, and providing the light emitting element between the light receiving element and the light receiving element of the substrate. Forming a light transmitting member on the substrate provided with the light receiving element and the light emitting element; and forming a micro lens and a light guiding member on the light transmitting member.
  • FIG. 6 (a) to 6 (d) are diagrams for explaining an example of the manufacturing procedure of the imaging device.
  • FIGS. 7A to 7D are diagrams for explaining an example of the manufacturing procedure of the imaging device. It is a schematic diagram which shows the cross section of the image pick-up element by 2nd Embodiment. It is the schematic diagram which looked at the image pick-up element diagonally. It is a schematic diagram which shows the cross section of the image pick-up element by 3rd Embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a biometric authentication apparatus 10 for imaging a fingerprint for biometric authentication.
  • the biometric authentication device 10 may be incorporated into the ATM, the mobile device, etc., or connected to the ATM, the mobile device, etc.
  • the cover glass 500 of the imaging device 1 (FIG. 2), which will be described in detail later, is exposed at the position of the sensor window 20 of the biometric device 10.
  • the user touches the sensor window 20 with a finger 30 to receive fingerprint authentication. Since the biometric authentication technology is known, the description of the biometric authentication technology is omitted, and the configuration of the imaging device 1 built in the biometric authentication device 10 will be mainly described.
  • the biometric authentication device 10 of a size suitable for capturing a fingerprint is illustrated in FIG. 1, the biometric authentication device 10 having an imaging element 1 of a size suitable for palm print authentication, vein pattern authentication, etc. You may
  • FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of the imaging device 1 incorporated in the biometric device 10.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining a schematic configuration of the imaging device 1 of FIG.
  • XYZ axes constituting a right-handed coordinate system orthogonal to one another are defined, and in the following several drawings, the orientations of the respective drawings are illustrated with reference to the XYZ axes of FIG. In the case of FIG.
  • the front side of the sheet is the X axis plus direction
  • the right side of the sheet orthogonal to the X axis is the Y axis plus direction
  • the sheet upper direction orthogonal to the X axis and the Y axis is the Z axis plus direction.
  • the imaging device 1 is a so-called contact type two-dimensional image sensor.
  • the imaging device 1 includes, for example, a substrate 100 which is a semiconductor substrate of single crystal silicon, a wiring layer 200 formed on the back surface (Z-axis minus direction), and a transparent electrode formed on the surface (Z-axis plus direction) of the substrate 100 300 and a transparent layer 400 formed on the surface of the transparent electrode 300 (Z-axis plus direction), and hermetically sealed by a cover glass 500 and a sealing body 600.
  • a plurality of photodiodes 101 and a plurality of light emitting elements 102 are formed in the substrate 100.
  • the plurality of photodiodes 101 are two-dimensionally arranged in the X-axis direction (row direction) and the Y-axis direction (column direction) as shown in FIG.
  • a plurality of (for example, four) photodiodes 101 are arranged discretely in the X-axis direction (row direction) of the substrate 100 (FIG. 2) and are discretely arranged.
  • a plurality of sets (for example, four sets) of photodiodes 101 are arranged in the Y-axis direction (column direction) of the substrate 100 (FIG. 2).
  • the light emitting elements 102 are extended in a rectangular shape long in the X axis direction (row direction) of the substrate 100, and the discretely arranged photodiodes 101 and the discretely arranged photodiodes 101 are arranged.
  • the discretely arranged photodiodes 101 and the discretely arranged photodiodes 101 are arranged.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • Each light emitting element 102 is connected to the light emitting element control circuit 107. This connection is made via the electrode 202 and the wiring 201c (FIG. 3) provided in the wiring layer 200 of FIG.
  • the light emitting element 102 is controlled to be turned on and off by the light emitting element control circuit 107 in each X-axis direction (row direction) of the substrate 100.
  • Each pixel of the imaging device 1 is configured by several semiconductor elements as referred to as known four transistors or three transistors. Briefly describing the case of four transistors per pixel, each pixel includes a transfer transistor that transfers the charge generated by the photodiode 101 to the floating diffusion, and a reset transistor for resetting the charge of the photodiode 101 and the floating diffusion. And an amplification transistor for amplifying a signal based on the charge, and a row selection transistor for connecting an output of the amplification transistor to a corresponding wiring 201a. In the example of FIG. 3, only the semiconductor switch 103a functioning as a row selection transistor in each pixel is illustrated, and the other semiconductor elements are not illustrated. In the case of three transistors, the transfer transistor among the four transistors is omitted.
  • the wiring 201 d corresponds to the horizontal read signal line connected to the output terminal 108.
  • the wirings 201a in each column corresponding to the vertical read signal line are connected to the wiring 201d through the semiconductor switch 103b functioning as a column selection transistor.
  • the transparent electrode 300 formed on the surface (Z-axis plus direction) of the substrate 100 in FIG. 2 is formed of, for example, indium tin oxide (ITO), and functions as a common electrode of the light emitting element 102. Further, in the wiring layer 200, the individual electrodes 202 are formed for the respective light emitting elements 102.
  • the aforementioned light emitting element control circuit 107 (FIG. 3) controls the light emission of each light emitting element 102 through the corresponding individual electrode 202.
  • a transparent layer 400 is formed on the upper surface (Z-axis plus direction) of the transparent electrode 300.
  • the transparent layer 400 is formed of, for example, a transparent resin.
  • the microlens 401 and the inclined surface 402 are formed by processing the shape of the transparent layer 400.
  • Microlenses 401 are formed on the transparent layer 400 at positions above the respective photodiodes 101.
  • the micro lens 401 forms a real image of an object (a fingerprint of the finger 30 in the example of FIG. 1) located on the upper surface (Z-axis plus direction) of the cover glass 500 on the light receiving surface of the photodiode 101. That is, the shape and refractive index of the micro lens 401 are adjusted so that a real image of the contact surface of the object in contact with the upper surface of the cover glass 500 is formed on the light receiving surface of the photodiode 101.
  • light from each portion of the contact surface of the object in contact with the cover glass 500 is appropriately condensed and received by the corresponding photodiode 101.
  • each photodiode 101 receives light from a portion of the object in contact with the cover glass 500 above (the Z-axis plus direction) the photodiode 101.
  • a slope 402 is provided on the transparent layer 400 on the light emitting element 102 in FIG.
  • the light beam output from the light emitting element 102 is refracted by the slope 402 so that the light emitting element 102 illuminates the portion of the cover glass 500 above the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102. That is, the inclination angle and the refractive index of the slope 402 are adjusted to illuminate the portion of the cover glass 500 above the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102.
  • the imaging device 1 described above is hermetically sealed by the sealing body 600 and the cover glass 500 by a known method.
  • FIG. 4 is a schematic view of the imaging device 1 as viewed obliquely.
  • FIG. 4 mainly illustrates the configuration of the transparent layer 400, and the cover glass 500, the sealing body 600, and the like of FIG. 2 are omitted.
  • a plurality of microlenses are provided at positions on a plurality of photodiodes 101 (FIG. 2) constituting pixels.
  • 401 is formed.
  • slopes 402 are formed between the rows of the plurality of microlenses 401.
  • the slope 402 is inclined such that the height in the Z-axis direction decreases as it goes in the negative Y-axis direction.
  • the inclined surface 402 directs light from the light emitting element 102 (FIG. 2) to the cover glass 500 (FIG. 2) on the photodiode 101 (FIG. 2) disposed next to the light emitting element 102. That is, the inclined surface 402 bends a light beam output from the light emitting element 102 (FIG. 2) and traveling in the Z-axis plus direction toward the photodiode 101 (FIG. 2) disposed next to the light emitting element 102.
  • the operation of the imaging device 1 will be briefly described.
  • the object to be imaged the fingerprint of the finger 30 in the example of FIG. 1 contacts the upper surface (the Z-axis plus direction) of the cover glass 500. Since the area of the cover glass 500 in contact with the object is shielded, the amount of light incident on the light receiving surface of the photodiode 101 from the outside of the imaging device 1 through the cover glass 500 is reduced.
  • the imaging device 1 is configured to start an imaging operation, for example, when the amount of light received by the plurality of photodiodes 101 becomes lower than a predetermined value.
  • the light emitting element control circuit 107 (FIG. 3) causes the plurality of light emitting elements 102 to sequentially emit light.
  • the light emitted from each light emitting element 102 is refracted by the slope 402 (FIG. 2) on each light emitting element 102, and a cover glass 500 on a plurality of photodiodes 101 arranged in a row next to each light emitting element 102. It illuminates the part of the object located on the upper surface (Z-axis plus direction) of
  • the light reflected by the illuminated part of the object passes through the cover glass 500 and enters the imaging element 1 again.
  • the light entering the imaging element 1 is received by the photodiode 101 below the microlens 401 via the microlens 401.
  • the image pickup device 1 picks up a real image at the same magnification of the object to be picked up in contact with the upper surface of the cover glass 500.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the timing of the imaging operation by the imaging device 1. Since the imaging device 1 is a CMOS image sensor, an exposure operation and a readout operation are performed for each row of the photodiodes 101 (arrangement in the X-axis direction in FIG. 3) that constitute a pixel.
  • the timing chart of FIG. 5 shows operations of the photodiodes 101 in the n-th row and the n + 1-th row, and the light emitting element 102 corresponding to the n-th row and the n + 1-th row.
  • the row control circuit 104 (FIG. 3) supplies the row selection pulse for the nth row to the row selection transistor (semiconductor switch 103a) via the wiring 201b to turn on the row selection transistor (semiconductor switch 103a).
  • the row control circuit 104 (FIG. 3) supplies the reset pulse RSTn for each photodiode 101 in the n-th row to the reset transistor (not shown) via the wiring 201b.
  • the reset transistor is turned on to reset the charges accumulated in the n-th photodiodes 101 and the corresponding floating diffusions.
  • the light emitting element control circuit 107 changes the light emitting element control signal ILLn for the light emitting element 102 in the nth row to the H level via the wiring 201c.
  • the light emitting element 102 in the nth row is turned on.
  • the illumination light from the n-th row of light emitting elements 102 is refracted by the slope 402 of the transparent layer 400 (FIG. 2) described above, and the portion of the object on the cover glass 500 above the n-th row of photodiodes Light up.
  • the light reflected from the illuminated part of the object is incident on the photodiode 101 through the microlens 401.
  • the row control circuit 104 (FIG. 3) supplies the transfer pulse TRn for the pixel in the nth row to the transfer transistor (not shown) via the wiring 201b.
  • the transfer pulse TRn for the pixel in the nth row to the transfer transistor (not shown) via the wiring 201b.
  • the light-emitting element control circuit 107 sets the light-emitting element control signal ILLn for the n-th light emitting element 102 to the L level through the wiring 201c. As a result, the light emitting element 102 in the nth row is extinguished.
  • the time Tn from the time t0n to the time t1n at which the light emitting element 102 in the nth row is lit is the exposure time of the photodiode 101 in the nth row. That is, the control of the exposure time of the photodiode 101 in the nth row can be performed by the control of the lighting time of the light emitting element 102 in the nth row.
  • the column control circuit 105 (FIG. 3) sequentially supplies the read pulse ROn to the semiconductor switches 103 b (column select transistors) in each column at time t2n.
  • an amplification signal based on the charge transferred to the floating diffusion in the n-th row is sequentially read out from the output terminal 108 through the wiring 201 a and the wiring 201 d of the column selected by the semiconductor switch 103 b.
  • the image data of the object can be obtained by repeating the same operation and performing the exposure operation and the reading operation for all the rows of the imaging device 1.
  • the supply of the row selection pulse to the (n + 1) th row, the supply of the reset pulse RSTn + 1, the supply of the transfer pulse TRn + 1, and the control timing of the light emitting element control signal ILLn + 1 to the light emitting element 102 are also shifted backward by the readout time by the readout pulse ROn. It becomes a thing. This is so-called rolling readout in which the subsequent readout is also sequentially shifted.
  • the exposure time Tn + 1 may basically be the same as Tn, the exposure time Tn + 1 may be changed row by row in consideration of variations in the characteristics of the light emitting element 102 and the like.
  • FIG. 6A for example, at predetermined positions of a silicon substrate 100, peripheral elements such as a photodiode 101 forming each pixel, a floating diffusion, and a transistor are formed using a known method. In FIGS. 6 and 7, the floating diffusion, the transistor, and the like are not shown.
  • the wiring layer 200 is formed on the silicon substrate 100 using a known method.
  • wirings 201a, 201b, 201c, and 201d for inputting and outputting control signals for driving the imaging device 1 and signals generated by the imaging device 1 are formed in multiple layers.
  • an electrode 202 for the light emitting element 102 described later is formed in the lowermost layer of the wiring layer 200.
  • the wirings 201 c and 201 d are not shown.
  • the upper and lower sides of the silicon substrate 100 are reversed.
  • the electrode 202 is located in the upper layer of the wiring layer 200 by reversing the upper limit.
  • the silicon substrate 100 is scraped from the upper surface of the silicon substrate 100 by a method such as chemical etching until the light receiving surface of the photodiode 101 appears on the surface.
  • the region of the silicon substrate 100 corresponding to the electrode 202 for the light emitting element 102 is selectively removed by using a method such as photolithography to expose the light emitting electrode 202.
  • the light emitting element 102 is formed in the region from which the silicon substrate 100 is removed. Since the electrode 202 is provided in advance, post-processing can be simplified.
  • the light emitting element 102 is, for example, a light emitting diode (LED) using a compound semiconductor or an organic EL (electroluminescence).
  • LED light emitting diode
  • organic EL electroluminescence
  • crystal growth using evaporation, evaporation, sputtering, printing, or the like can be used as appropriate.
  • the imaging element 1 can be thinner compared to the case where the light emitting layer is stacked on the photodiode 101. It can be configured.
  • the transparent electrode 300 is formed on the silicon substrate 100 and the light emitting element 102.
  • the transparent electrode 300 uses indium tin oxide (ITO) or the like as described above. As described above, the transparent electrode 300 is used as a common electrode of the light emitting element 102 in this embodiment.
  • ITO indium tin oxide
  • the transparent layer 400 is formed on the transparent electrode 300. Furthermore, in the transparent layer 400, the microlenses 401 are formed on the plurality of photodiodes 101 that constitute a pixel. Further, a slope 402 is formed over the light emitting element 102.
  • the micro lenses 401 and the slopes 402 may be formed by forming the transparent layer 400 and then molding the resultant by embossing, or bonding the transparent layer 400 formed by casting polymerization or the like in advance to the upper surface of the transparent electrode 300. May be.
  • the photodiode 101 receiving light from an object to be imaged (the finger 30 in the above example) is in the X-axis direction (row direction) and the Y-axis direction (column direction) on the substrate 100
  • a plurality of light receiving portions (generally referred to as a plurality of photodiodes 101) respectively arranged in plural, and a light emitting element 102 emitting light between the photodiodes 101 and the photodiodes 101 of the light receiving portion
  • a plurality of light emitting units (generally referred to as a plurality of light emitting elements 102) arranged in the column direction), and slopes 402 provided on the light emitting elements 102 of the light emitting units and guiding light from the light emitting units to an object are provided.
  • the imaging device 1 can be thinner than in the case where the light receiving unit and the light emitting unit are stacked.
  • the finger 30 is appropriately illuminated, and the light reflected by the finger 30 is received by the photodiode 101 of the light receiving unit. it can.
  • the imaging device 1 can appropriately capture an image of the finger 30 (fingerprint).
  • each light emitting element 102 of the light emitting unit is extended in a rectangular shape long in the X axis direction (row direction) on the substrate 100
  • the plurality of photodiodes 101 arranged in the (direction) and the light emitting elements 102 of the light emitting portion are alternately arranged in the Y axis direction (the column direction) on the substrate 100. Since the light emitting elements 102 of the light emitting portion are formed in a rectangular shape long in the X-axis direction (row direction) on the substrate 100, the light emitting portions can be divided into rows and lighting and extinguishing can be controlled. With this configuration, for example, the light emitting elements 102 can be lighted in order according to the timing of imaging by the plurality of photodiodes 101 arranged in the X axis direction (row direction) of the light receiving unit.
  • the slope 402 bends the light emitted from the light emitting element 102 toward the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102.
  • the light emitted from the light emitting element 102 of the light emitting unit is placed in the X axis direction (row direction) next to the light emitting element 102 of the photodiodes 101 in the light receiving unit. It can be properly guided to the finger 30 to be imaged.
  • each photodiode 101 of the light receiving unit receives light reflected by different portions of the finger 30, the imaging device 1 is a finger 30 (fingerprint Can be properly captured.
  • the microlens 401 is provided in each of the photodiodes 101 of the light receiving unit and condenses the reflected light of the object onto the photodiode 101.
  • the image can be bright and high quality as compared with.
  • the transparent layer 400 is provided on the top surface of the light receiving unit and the light emitting unit, and the slope 402 and the micro lens 401 are formed on the transparent layer 400.
  • the manufacturing becomes easier, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the light receiving unit captures an equal-magnification image of an object in contact with the cover glass 500 provided closer to the object than the transparent layer 400. Since it comprised in this way, the image pick-up element 1 suitable for biometric authentication, such as a fingerprint, can be obtained.
  • the method of manufacturing the imaging device 1 includes the steps of providing a plurality of photodiodes 101 in a predetermined region of the substrate 100, forming the wiring layer 200 on the substrate 100 provided with the photodiodes 101, the substrate 100 and the wiring layer An etching process for exposing the upper surface of the photodiode 101 of the substrate 100 after turning upside down 200, a process of providing the light emitting element 102 between the photodiode 101 and the photodiode 101 of the substrate 100, a photodiode 101 and a light emitting element 102 And the step of forming the microlenses 401 and the sloped surface 402 on the light transmitting member 400. Since it comprised in this way, since a light receiving part and a light emission part can be arrange
  • the step of forming the wiring layer 200 is performed by forming the wiring layer 200 including the electrode 202 in the lowermost layer between the photodiode 101 and the photodiode 101 of the substrate 100 on the substrate 100.
  • the light emitting elements 102 are provided on the electrodes 202 of the substrate 100, respectively. Since this configuration is adopted, the manufacturing can be facilitated and the manufacturing cost can be reduced as compared with the case where the electrode 202 is provided later.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a cross section of the imaging device 1A according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic view of the imaging device 1A of FIG. 8 as viewed obliquely.
  • the cover glass 500 and the sealing body 600 of FIG. 2 are omitted.
  • positions on the plurality of photodiodes 101 (FIG. 8) that constitute pixels are respectively provided.
  • a plurality of microlenses 401 are formed.
  • the prism group 403 formed on the transparent layer 400 has a saw-like cross section like a linear Fresnel lens by forming a plurality of grooves in a straight line parallel to the X axis.
  • the prism group 403 is configured of a plurality of prisms extended in the X-axis direction.
  • the light beam output from the light emitting element 102 is refracted by the prism group 403 so that the light emitting element 102 illuminates the portion of the cover glass 500 on the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102. Be done. That is, the angles and refractive indexes of the plurality of prisms constituting the prism group 403 are adjusted to illuminate the portion of the cover glass 500 on the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102.
  • the light reflected by the illuminated part of the object passes through the cover glass 500 and enters the imaging element 1A again.
  • the light entering the imaging element 1A is received by the photodiode 101 under the microlens 401 via the microlens 401, respectively.
  • a real image of an object to be imaged which contacts the upper surface of the cover glass 500 is imaged by the imaging element 1A.
  • the prism group 403 bends the light emitted from the light emitting element 102 toward the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102.
  • the light emitted from the light emitting element 102 of the light emitting unit is placed in the X axis direction (row direction) next to the light emitting element 102 of the photodiodes 101 in the light receiving unit. It can be properly guided to the finger 30 to be imaged.
  • the refractive index of the transparent layer 400 may be gradually changed according to the position in the Y-axis direction of FIG. .
  • the refractive index at the position of the transparent layer 400 in the Y-axis direction is adjusted to illuminate the portion of the cover glass 500 above the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102.
  • the light emitting element 102 can appropriately illuminate the portion of the cover glass 500 above the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a cross section of the imaging device 1B according to the third embodiment.
  • the difference from the imaging device 1 according to the first embodiment is that a band-like reflection is formed by filling the space between the transparent layer 400 and the cover glass 500 with a transparent substance 450 such as a resin and extending in the X axis direction.
  • the surface 451 and the semitransparent mirror 452 are formed. That is, the reflecting surface 451 and the semitransparent mirror 452 have a shape in which the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 10 is the longitudinal direction.
  • the refractive index of the transparent material 450 is set to be lower than the refractive index of the transparent layer 400.
  • the light beam output from the light emitting element 102 is reflected by the reflecting surface 451 and further reflected by the semitransparent mirror 452 to illuminate a portion of the object located on the upper surface (Z-axis plus direction) of the cover glass 500.
  • the light reflected by the illuminated part of the object passes through the cover glass 500 and enters the imaging element 1B again.
  • the light entering the imaging element 1 B is received by the photodiode 101 under the microlens 401 through the semitransparent mirror 452 and the microlens 401.
  • a real image of an object to be imaged which contacts the upper surface of the cover glass 500 is imaged by the imaging element 1B.
  • the reflective surface 451 and the semitransparent mirror 452 in the imaging device 1B there is a method of insert molding a transparent substrate 450 on another thin substrate previously formed by a method such as vapor deposition or plating.
  • transparent material 450 is obliquely cut to expose the surface on which reflective surface 451 and semitransparent mirror 452 are to be formed, and after reflective surface 451 and semitransparent mirror 452 are formed on the exposed surface by a method such as evaporation.
  • the transparent material 450 may be bonded on the cut surface again.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • the reflecting surface 451 and the semitransparent mirror 452 bend the light emitted from the light emitting element 102 toward the photodiode 101 disposed next to the light emitting element 102.
  • the light emitted from the light emitting element 102 of the light emitting unit is placed in the X axis direction (row direction) next to the light emitting element 102 of the photodiodes 101 in the light receiving unit. It can be properly guided to the finger 30 to be imaged.
  • the light emitting element 102 is disposed by one light emitting element 102 disposed between the rows in which the plurality of photodiodes 101 are arranged in the X axis direction and extending in a rectangular shape long in the X axis direction. Illuminate the portions of the cover glass 500 above the plurality of photodiodes 101 arranged in a row next to.
  • the light emitting elements 102 and the rows in which the photodiodes 101 are arranged do not necessarily have to correspond one to one.
  • one light emitting element 102 extended in the X-axis direction may illuminate a portion of the cover glass 500 on the plurality of photodiodes 101 arranged in a plurality of rows adjacent to the light emitting elements 102.
  • Modification 2 a plurality of light emitting elements 102 extended in a rectangular shape long in the X-axis direction are disposed between the rows in which the plurality of photodiodes 101 are arranged in the X-axis direction.
  • the light emitting element 102 may illuminate a portion of the cover glass 500 above the plurality of photodiodes 101 arranged in a row next to the light emitting elements 102.
  • the light emitting elements 102 instead of the light emitting elements 102 extended in a rectangular shape long in the X axis direction, a plurality of light emitting elements arranged in the X axis direction may be referred to as the light emitting elements 102. That is, the light emitting element 102 is configured by arranging a plurality of light emitting elements in the X axis direction between rows in which the plurality of photodiodes 101 are arranged in the X axis direction.
  • One light emitting element constituting the light emitting element 102 of the third modification and one photodiode 101 do not necessarily have to correspond one to one.
  • one light emitting element constituting the light emitting element 102 may illuminate a portion of the cover glass 500 on two photodiodes 101 arranged in one row next to the light emitting element 102.
  • the two light emitting elements to be configured may illuminate a portion of the cover glass 500 on one photodiode 101 arranged in a row next to the light emitting elements 102.
  • one of the measures for reducing the burden of the lighting control of the light emitting element 102 by the light emitting element control circuit 107 is to increase the number of simultaneously turning on and simultaneously turning off the light emitting elements constituting the light emitting element 102. is there.
  • the burden of lighting control on the light emitting element 102 can be reduced.
  • a partition wall is formed between a plurality of photodiodes 101 aligned in the X axis direction and one light emitting element 102 extended in a rectangular shape long in the X axis direction. May be provided. By providing the partition wall, light leakage from the light emitting element 102 to the photodiode 101 in the substrate 100 can be prevented.
  • an interference film filter for transmitting near infrared light may be provided on the transparent layer 400.
  • the reason for this is to make it easier to obtain image information from near infrared light by utilizing the property that infrared light is more likely to transmit through the skin than visible light and the property that reduced hemoglobin in blood absorbs near infrared light. is there.

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Abstract

撮像素子は、物体からの光を受光する受光素子が、基板上の第１方向および第１方向と交差する第２方向にそれぞれ複数配置されている受光部と、受光部の受光素子と受光素子との間で光を発する発光素子が、基板上の第２方向に複数配置されている発光部と、発光部の各発光素子の上に設けられ、発光部による光を物体へ導く導光部材と、を備える。

Description

撮像素子、電子機器および撮像素子の製造方法
　本発明は、生体認証等に用いる撮像素子、電子機器および撮像素子の製造方法に関する。
　身体の一部、例えば指や手のひらなどの指紋、掌紋、静脈パターン等を撮像し、生体認証に用いる撮像素子が知られている（特許文献１参照）。
　しかしながら、従来の技術では、マイクロレンズと受光素子との間に発光層が存在するため、薄型化が難しいという問題があった。
日本国特開２０１５－７９８５６号公報
　本発明の第１の態様による撮像素子は、物体からの光を受光する受光素子が、基板上の第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にそれぞれ複数配置されている受光部と、前記受光部の受光素子と受光素子との間で光を発する発光素子が、前記基板上の前記第２方向に複数配置されている発光部と、前記発光部の各発光素子の上に設けられ、前記発光部による光を前記物体へ導く導光部材と、を備える。
　本発明の第２の態様による電子機器は、第１の態様の撮像素子を備える。
　本発明の第３の態様による、上記第１の態様による撮像素子の製造方法は、基板の所定領域に前記受光素子を複数設ける工程と、前記受光素子を設けた前記基板上に配線層を形成する工程と、前記基板および前記配線層を上下反転後に、前記基板の前記受光素子の上面を露出させる工程と、前記基板の前記受光素子と前記受光素子との間に前記発光素子を設ける工程と、前記受光素子および前記発光素子を設けた前記基板上に透光部材を形成する工程と、前記透光部材にマイクロレンズおよび導光部材を形成する工程と、を含む。
生体認証用の指紋を撮像する生体認証装置を例示する図である。 第１の実施の形態による撮像素子の断面を示す模式図である。 撮像素子の概略構成を説明するブロック図である。 撮像素子を斜めに見た模式図である。 撮像素子による撮像動作のタイミングを説明する図である。 図６（ａ）から図６（ｄ）は、撮像素子の製造手順の一例を説明する図である。 図７（ａ）から図７（ｄ）は、撮像素子の製造手順の一例を説明する図である。 第２の実施の形態による撮像素子の断面を示す模式図である。 撮像素子を斜めに見た模式図である。 第３の実施の形態による撮像素子の断面を示す模式図である。
（第１の実施の形態）
　発明の第１の実施の形態による撮像素子は、例えば現金自動預け払い機（Automated Teller Machine）、スマートフォン、ウェアラブル機器等の電子機器における生体認証用のイメージセンサとして用いられる。図１は、生体認証用の指紋を撮像する生体認証装置１０を例示する図である。生体認証装置１０は、上記ATMやモバイル機器等に組み込む他、上記ATMやモバイル機器等と接続して用いてもよい。
　図１において、生体認証装置１０のセンサ窓２０の位置に、後に詳述する撮像素子１（図２）のカバーグラス５００が露出する。ユーザは、センサ窓２０を指３０で触れて指紋認証を受ける。生体認証技術は公知であるので、生体認証技術の説明については省略し、生体認証装置１０に内蔵される撮像素子１の構成を中心に説明する。
　なお、図１には指紋の撮像に適したサイズの生体認証装置１０を例示したが、掌紋認証や静脈パターン認証等、それぞれに適したサイズの撮像素子１を備えた生体認証装置１０として構成してよい。
＜撮像素子１の構造＞
　図２は、生体認証装置１０に内蔵される撮像素子１の断面を示す模式図である。また、図３は、図２の撮像素子１の概略構成を説明するブロック図である。図２において、互いに直交する右手座標系を構成するＸＹＺ軸を規定し、以降のいくつかの図においては図２のＸＹＺ軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように図示する。図２の場合、紙面手前方向がＸ軸プラス方向であり、Ｘ軸に直交する紙面右方向がＹ軸プラス方向であり、Ｘ軸およびＹ軸に直交する紙面上方向がＺ軸プラス方向である。
　撮像素子１は、いわゆる密着型の二次元イメージセンサである。撮像素子１は、例えば、単結晶シリコンの半導体基板である基板１００、その裏面（Ｚ軸マイナス方向）に形成された配線層２００、基板１００の表面（Ｚ軸プラス方向）に形成された透明電極３００、および透明電極３００の表面（Ｚ軸プラス方向）に形成された透明層４００によって構成され、カバーグラス５００と封止体６００とにより気密封止されている。
　基板１００には、複数のフォトダイオード１０１と複数の発光素子１０２とが形成されている。複数のフォトダイオード１０１は、図３に示すようにＸ軸方向（行方向）およびＹ軸方向（列方向）に二次元的に配置され、撮像素子１の画素を構成している。
　図３の例では、フォトダイオード１０１は、基板１００（図２）のＸ軸方向（行方向）に複数個（例えば４個）が並べて離散的に配置されるとともに、上記離散的に配置されたフォトダイオード１０１の組が、基板１００（図２）のＹ軸方向（列方向）に複数組（例えば４組）配置される。
　また、発光素子１０２は、基板１００のＸ軸方向（行方向）に長い矩形状に延設され、上記離散的に配置されたフォトダイオード１０１の組と、上記離散的に配置されたフォトダイオード１０１の別の組との間にそれぞれ配置される。
　なお、撮像素子１の実際の画素数は、図示されている数よりもはるかに多い。
　基板１００にはさらに、図３の半導体スイッチ１０３ａおよび１０３ｂ、行制御回路１０４、列制御回路１０５、および発光素子制御回路１０７が、同じチップ上に形成される。そして、配線層２００（図２）に形成されている配線２０１ａ～配線２０１ｄ等と共に、公知のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを構成している。
　各発光素子１０２は、発光素子制御回路１０７に接続されている。なお、この接続は図２の配線層２００に設けられた電極２０２および配線２０１ｃ（図３）を介して行われる。発光素子１０２は、発光素子制御回路１０７によって基板１００のＸ軸方向（行方向）ごとに点灯、消灯が制御される。
　撮像素子１の各画素は、公知の４トランジスタまたは３トランジスタと称されるように、いくつかの半導体素子によって構成される。画素当たり４トランジスタの場合を簡単に説明すると、各画素は、フォトダイオード１０１によって生成された電荷をフローティングディフュージョンへ転送する転送トランジスタと、フォトダイオード１０１およびフローティングディフュージョンの電荷をリセットするためのリセットトランジスタと、電荷に基づく信号を増幅する増幅トランジスタと、増幅トランジスタの出力を対応する配線２０１ａに接続する行選択トランジスタとを含む。図３の例では、各画素において行選択トランジスタとして機能する半導体スイッチ１０３ａのみを図示し、他の半導体素子の図示を省略している。
　なお、３トランジスタの場合は、上記４トランジスタのうちの転送トランジスタが省略される。
　配線２０１ｄは、出力端子１０８へつながる水平読み出し信号線に対応する。そして、垂直読み出し信号線に対応する各列の配線２０１ａは、列選択トランジスタとして機能する半導体スイッチ１０３ｂを介して配線２０１ｄと接続されている。
　図２の基板１００の表面（Ｚ軸プラス方向）に形成される透明電極３００は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）によって形成されており、発光素子１０２の共通電極として機能する。また、配線層２００には、各発光素子１０２に対してそれぞれ個別電極２０２が形成される。前述の発光素子制御回路１０７（図３）は、各発光素子１０２の発光を、対応する個別電極２０２を介して制御する。
　透明電極３００の上面（Ｚ軸プラス方向）には、透明層４００が形成されている。透明層４００は、例えば透明樹脂によって形成される。本実施の形態において、透明層４００の形状を加工することにより、マイクロレンズ４０１や斜面４０２を形成する。
　透明層４００には、各フォトダイオード１０１の上の位置に、それぞれマイクロレンズ４０１が形成される。このマイクロレンズ４０１は、カバーグラス５００の上面（Ｚ軸プラス方向）に位置する物体（図１の例では指３０の指紋）の実像をフォトダイオード１０１の受光面に結像する。すなわち、マイクロレンズ４０１の形状や屈折率は、カバーグラス５００の上面に接触している物体の接触面の実像をフォトダイオード１０１の受光面に結像するように調整されている。このように構成することにより、カバーグラス５００に接している物体の接触面の各部位からの光が適切に集光され、対応するフォトダイオード１０１によってそれぞれ受光される。換言すると、各フォトダイオード１０１は、カバーグラス５００に接している物体の、各フォトダイオード１０１の上（Ｚ軸プラス方向）の部位からの光を受光する。
　また、図２の発光素子１０２の上の透明層４００には、斜面４０２が設けられている。発光素子１０２から出力された光線が斜面４０２で屈折することにより、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分が、発光素子１０２によって照明される。すなわち、斜面４０２の傾斜角度や屈折率は、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明するように調整されている。
　以上説明した撮像素子１は、上述のように、公知の方法で封止体６００およびカバーグラス５００によって気密封止されている。
　図４は、撮像素子１を斜めに見た模式図である。図４は、主として透明層４００の構成を例示するものであり、図２のカバーグラス５００や封止体６００などは省略されている。図４によれば、基板１００の上面（Ｚ軸プラス方向）に設けられた透明層４００のうち、画素を構成する複数のフォトダイオード１０１（図２）の上の位置に、それぞれ複数のマイクロレンズ４０１が形成される。また、複数のマイクロレンズ４０１の行と行の間に、斜面４０２が形成される。
　斜面４０２は、Ｙ軸マイナス方向に向かうほどＺ軸方向の高さが低くなるように傾斜している。この斜面４０２により、発光素子１０２（図２）からの光が、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１（図２）の上のカバーグラス５００（図２）に向かう。すなわち、斜面４０２は、発光素子１０２（図２）から出力されＺ軸プラス方向へ進む光線を、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１（図２）側へ折り曲げる。
＜撮像素子１の動作＞
　次に、撮像素子１の動作を簡単に説明する。上述したように、カバーグラス５００の上面（Ｚ軸プラス方向）に、撮像対象の物体（図１の例では指３０の指紋）が接触する。カバーグラス５００の物体が接触した領域が遮光されるので、撮像素子１の外部からカバーグラス５００を通してフォトダイオード１０１の受光面に入射する光量が減少する。
　撮像素子１は、例えば、複数のフォトダイオード１０１で受光された光量が予め定めた値より低くなった場合に、撮像動作を開始するように構成される。撮像動作を開始すると、先ず発光素子制御回路１０７（図３）が、複数の発光素子１０２を順次発光させる。各発光素子１０２が発した光は、各発光素子１０２の上の斜面４０２（図２）によって屈折され、各発光素子１０２の隣の行に配置された複数のフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の上面（Ｚ軸プラス方向）に位置する物体の部分を照明する。
　物体の照明された部位で反射された光は、カバーグラス５００を透過して再び撮像素子１に進入する。撮像素子１に進入した光は、マイクロレンズ４０１を介してマイクロレンズ４０１の下のフォトダイオード１０１でそれぞれ受光される。このようにして、カバーグラス５００の上面に接触する撮像対象の物体の等倍の実像が、撮像素子１によって撮像される。
＜撮像タイミング動作＞
　図５は、撮像素子１による撮像動作のタイミングを説明する図である。撮像素子１はＣＭＯＳイメージセンサであるため、画素を構成するフォトダイオード１０１の行（図３におけるＸ軸方向の並び）ごとに、露光動作と読み出し動作とを行う。
　図５のタイミングチャートは、ｎ行目およびｎ＋１行目のフォトダイオード１０１と、ｎ行およびｎ＋１行に対応する発光素子１０２の動作を示している。まず、行制御回路１０４（図３）が、配線２０１ｂを介してｎ行目に対する行選択パルスを行選択トランジスタ（半導体スイッチ１０３ａ）へ供給して行選択トランジスタ（半導体スイッチ１０３ａ）をオンさせる。そして、時刻ｔ０ｎにおいて、行制御回路１０４（図３）が、配線２０１ｂを介してｎ行目の各フォトダイオード１０１に対するリセットパルスＲＳＴｎを不図示のリセットトランジスタへ供給する。これにより、リセットトランジスタがオンしてｎ行目の各フォトダイオード１０１および対応するフローティングディフュージョンに蓄積されている電荷がリセットされる。
　同時に、時刻ｔ０ｎにおいて、発光素子制御回路１０７（図３）が、配線２０１ｃを介してｎ行目の発光素子１０２に対する発光素子制御信号ＩＬＬｎをＨレベルにする。これによってｎ行目の発光素子１０２が点灯する。その結果、ｎ行目の発光素子１０２からの照明光が前述の透明層４００（図２）の斜面４０２で屈折され、ｎ行目のフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００上の物体の部分を照明する。物体の照明された部位で反射された光は、マイクロレンズ４０１を介してフォトダイオード１０１に入射する。
　次に、時刻ｔ１ｎにおいて、行制御回路１０４（図３）が、配線２０１ｂを介してｎ行目の画素に対する転送パルスＴＲｎを不図示の転送トランジスタに供給する。これにより、入射した光によって各フォトダイオード１０１で生成された電荷が、対応するフローティングディフュージョンに転送される。
　同時に、時刻ｔ１ｎにおいて、発光素子制御回路１０７が、配線２０１ｃを介してｎ行目の発光素子１０２に対する発光素子制御信号ＩＬＬｎをＬレベルにする。これによってｎ行目の発光素子１０２が消灯する。ｎ行目の発光素子１０２が点灯している時刻ｔ０ｎから時刻ｔ１ｎまでの時間Ｔｎが、ｎ行目のフォトダイオード１０１の露光時間となる。すなわち、ｎ行目のフォトダイオード１０１の露光時間の制御をｎ行目の発光素子１０２の点灯時間の制御によって行うことができる。
　ｎ行目のフォトダイオード１０１から電荷の転送が終了すると、時刻ｔ２ｎにおいて、列制御回路１０５（図３）が、各列の半導体スイッチ１０３ｂ（列選択トランジスタ）へ読み出しパルスＲＯｎを順次供給する。これにより、ｎ行目のフローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく増幅信号が、半導体スイッチ１０３ｂによって選択された列の配線２０１ａおよび配線２０１ｄを介して順次出力端子１０８から読み出される。以上により、ｎ行目の画素を構成する複数のフォトダイオード１０１における露光動作と読み出し動作が終了する。
　ｎ行目と同様にして、ｎ＋１行目についても露光動作と読み出し動作とを行う。以下同様のことを繰り返し、撮像素子１の全ての行について露光動作と読み出し動作とを行うことによって、物体の画像情報が得られる。
　なお、ＣＭＯＳイメージセンサの特性として、１行分の読み出しが終わらないと次の行の読み出しを開始することができない。したがって、ｎ＋１行目に対する行選択パルスの供給、リセットパルスＲＳＴｎ＋１の供給、転送パルスＴＲｎ＋１の供給、および発光素子１０２に対する発光素子制御信号ＩＬＬｎ＋１の制御タイミングも、読み出しパルスＲＯｎによる読み出し時間だけ後ろにシフトしたものになる。その後の読み出しも順次シフトして行う、いわゆるローリング読み出しである。
　なお、露光時間Ｔｎ＋１は基本的にはＴｎと同じでよいが、発光素子１０２の特性のばらつきなどを考慮して、行ごとに変えてもよい。
＜製造方法＞
　図６および図７を参照して、撮像素子１の製造手順の一例を説明する。図６（ａ）において、例えばシリコン基板１００の所定の位置に、各画素を形成するフォトダイオード１０１、フローティングディフュージョン、およびトランジスタ等の周辺の素子を、公知の手法を用いて形成する。
　なお、図６および図７においては、フローティングディフュージョンやトランジスタ等の図示を省略するものとする。
　図６（ｂ）において、シリコン基板１００上に配線層２００を公知の手法を用いて形成する。配線層２００には、撮像素子１を駆動する制御信号や、撮像素子１で生成された信号を入出力するための配線２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄを多層に形成する。このとき、後述する発光素子１０２用の電極２０２を、配線層２００の最下層に形成しておく。
　なお、図６および図７においては、配線２０１ｃ、２０１ｄの図示を省略している。
　図６（ｃ）において、シリコン基板１００の上下を反転する。上限反転したことによって上記電極２０２が配線層２００の上層に位置する。図６（ｄ）において、シリコン基板１００の上面より、フォトダイオード１０１の受光面が表面に現れるまでシリコン基板１００を、例えばケミカルエッチングなどの方法で削り込む。
　図７（ａ）において、発光素子１０２用の電極２０２に対応するシリコン基板１００の領域を、例えばフォトリソグラフィなどの手法を用いることによって選択的に除去し、発光電極２０２を露出する。
　図７（ｂ）において、シリコン基板１００を除去した領域に発光素子１０２を形成する。予め電極２０２を設けてあるので、後工程を簡単にすることができる。発光素子１０２は、例えば化合物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）などである。発光素子１０２を形成する方法としては、フォトリソグラフィを利用した結晶成長、蒸着、スパッタリング、印刷等を適宜用いることができる。
　図７（ｂ）によれば、フォトダイオード１０１と発光素子１０２とを略同じ平面上に形成できるので、例えばフォトダイオード１０１に対して発光層を積層する場合と比べて、撮像素子１を薄型に構成することができる。
　次に図７（ｃ）に示すように、シリコン基板１００および発光素子１０２の上に透明電極３００を形成する。透明電極３００は、前述のように酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等を用いる。上述した通り、本実施の形態では透明電極３００を発光素子１０２の共通電極として用いる。
　そして、図７（ｄ）に示すように、透明電極３００の上に透明層４００を形成する。さらに、透明層４００には、画素を構成する複数のフォトダイオード１０１の上に、それぞれマイクロレンズ４０１を形成する。また、発光素子１０２の上に、斜面４０２を形成する。これらマイクロレンズ４０１や斜面４０２の形成方法は、透明層４００を形成した後に型押しにより成形する方法でもよいし、予め注型重合などで成形した透明層４００を透明電極３００の上面に接着する方法でもよい。
　以上説明した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子１は、撮像対象とする物体（上記例では指３０）からの光を受光するフォトダイオード１０１が、基板１００上のＸ軸方向（行方向）およびＹ軸方向（列方向）にそれぞれ複数配置されている受光部（複数のフォトダイオード１０１の総称）と、受光部のフォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１との間で光を発する発光素子１０２が、基板１００上のＹ軸方向（列方向）に複数配置されている発光部（複数の発光素子１０２の総称）と、発光部の各発光素子１０２の上に設けられ、発光部による光を物体へ導く斜面４０２とを備える。
　同じ基板１００上に受光部と発光部を配置したことで、受光部と発光部とを積層させる場合よりも撮像素子１を薄型に構成することができる。また、発光部の発光素子１０２が発した光を斜面４０２により指３０へ導いたので、指３０を適切に照明し、指３０で反射された光を受光部のフォトダイオード１０１によって受光することができる。このように構成したことによって、撮像素子１は、指３０（指紋）の像を適切に撮像することができる。
（２）上記（１）の撮像素子１において、発光部の各発光素子１０２は、基板１００上のＸ軸方向（行方向）に長い矩形状に延設され、受光部のＸ軸方向（行方向）に配置されている複数のフォトダイオード１０１と、発光部の発光素子１０２とを、基板１００上のＹ軸方向（列方向）に交互に配置した。
　発光部の発光素子１０２を基板１００上のＸ軸方向（行方向）に長い矩形状に構成したので、発光部を行ごとに分けて点灯、消灯を制御することができる。このように構成したことによって、例えば、受光部のＸ軸方向（行方向）に配置されている複数のフォトダイオード１０１で撮像するタイミングに合わせて、発光素子１０２を順番に点灯させることができる。
（３）上記（１）または（２）に記載の撮像素子１において、斜面４０２は、発光素子１０２が発した光を発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１側へ折り曲げる。このように構成したので、発光部の発光素子１０２が発した光を、受光部のフォトダイオード１０１のうちの発光素子１０２の隣にＸ軸方向（行方向）に配置されているフォトダイオード１０１が撮像する指３０へと適切に導くことができる。
（４）上記（１）から（３）の撮像素子１において、受光部の各フォトダイオード１０１は、指３０の異なる部位で反射された光を受光するので、撮像素子１は、指３０（指紋）の像を適切に撮像することができる。
（５）上記（４）の撮像素子１において、受光部の各フォトダイオード１０１に設けられ、物体の反射光をフォトダイオード１０１に集光するマイクロレンズ４０１を備えるので、マイクロレンズ４０１を設けない場合に比べて、明るく高品位に撮像することができる。
（６）上記（５）の撮像素子１において、受光部および発光部の上面に透明層４００を備え、斜面４０２およびマイクロレンズ４０１は、透明層４００に形成した。斜面４０２およびマイクロレンズ４０１を異なる材質で形成する場合に比べて製造が容易になり、製造コストを低減することができる。
（７）上記（６）の撮像素子１において、受光部は、透明層４００より物体側に設けられるカバーガラス５００に接している物体の等倍像を撮像する。このように構成したので、指紋等の生体認証に適した撮像素子１を得ることができる。
（８）撮像素子１の製造方法は、基板１００の所定領域にフォトダイオード１０１を複数設ける工程と、フォトダイオード１０１を設けた基板１００上に配線層２００を形成する工程と、基板１００および配線層２００を上下反転後に、基板１００のフォトダイオード１０１の上面を露出させるエッチング工程と、基板１００のフォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１との間に発光素子１０２を設ける工程と、フォトダイオード１０１および発光素子１０２を設けた基板１００上に透光部材４００を形成する工程と、透光部材４００にマイクロレンズ４０１および斜面４０２を形成する工程と、を含む。
　このように構成したので、同じ基板１００上に受光部と発光部を配置できるため、受光部と発光部とを積層させる場合よりも薄型の撮像素子１を製造することができる。
（９）上記（８）の製造方法において、配線層２００を形成する工程は、基板１００のフォトダイオード１０１とフォトダイオード１０１との間にそれぞれ電極２０２を最下層に含む配線層２００を基板１００上に形成し、発光素子１０２を設ける工程は、基板１００の電極２０２の上にそれぞれ発光素子１０２を設ける。このように構成したので、後から電極２０２を設ける場合に比べて、製造が容易になり、製造コストを低減することができる。
（第２の実施の形態）
　第１の実施の形態による撮像素子１の透明層４００に形成された斜面４０２に代えて、ストライプ状の複数のプリズムで構成されるプリズム群４０３を透明層４００に形成してもよい。図８は、第２の実施の形態による撮像素子１Ａの断面を示す模式図である。
　図９は、図８の撮像素子１Ａを斜めに見た模式図である。図９において、図２のカバーグラス５００や封止体６００などは省略されている。また、図４の場合と同様に、基板１００の上面（Ｚ軸プラス方向）に設けられた透明層４００のうち、画素を構成する複数のフォトダイオード１０１（図８）の上の位置に、それぞれ複数のマイクロレンズ４０１が形成されている。
　透明層４００に形成されたプリズム群４０３は、Ｘ軸と平行な直線状に複数の溝が形成されることにより、リニアフレネルレンズのようなのこぎり状の断面を有する。換言すると、プリズム群４０３は、Ｘ軸方向に長く延設した複数のプリズムによって構成される。
　図８において、発光素子１０２から出力された光線がプリズム群４０３で屈折することにより、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分が、発光素子１０２によって照明される。すなわち、プリズム群４０３を構成する複数のプリズムの角度や屈折率は、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明するように調整されている。
　物体の照明された部位で反射された光は、カバーグラス５００を透過して再び撮像素子１Ａに進入する。撮像素子１Ａに進入した光は、マイクロレンズ４０１を介してマイクロレンズ４０１の下のフォトダイオード１０１でそれぞれ受光される。このようにして、カバーグラス５００の上面に接触する撮像対象の物体の実像が、撮像素子１Ａによって撮像される。
　第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
　とくに、撮像素子１Ａにおいて、プリズム群４０３は、発光素子１０２が発した光を発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１側へ折り曲げる。このように構成したので、発光部の発光素子１０２が発した光を、受光部のフォトダイオード１０１のうちの発光素子１０２の隣にＸ軸方向（行方向）に配置されているフォトダイオード１０１が撮像する指３０へと適切に導くことができる。
　なお、第２の実施の形態の変形例として、プリズム群４０３を設ける代わりに、透明層４００の屈折率を図２のＹ軸方向の位置に応じて徐々に変化させるように構成してもよい。透明層４００の屈折率をＹ軸方向の位置に応じて徐々に変化させることによって、発光素子１０２から出力された光線が、透明層４００で屈折する。透明層４００のＹ軸方向の位置における屈折率は、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明するように調整される。
　このように構成することによっても、発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を、発光素子１０２によって適切に照明することができる。
（第３の実施の形態）
　図１０は、第３の実施の形態による撮像素子１Ｂの断面を示す模式図である。第１の実施の形態による撮像素子１と相違する点は、透明層４００とカバーグラス５００との間を樹脂等の透明物質４５０で充填し、そこにＸ軸方向に長く延設した帯状の反射面４５１および半透鏡面４５２を形成したことである。すなわち、反射面４５１および半透鏡面４５２は、図１０の紙面に垂直な方向を長手方向とする形状を有している。
　図１０において、透明物質４５０の屈折率は、透明層４００の屈折率より低く設定される。発光素子１０２から出力された光線は、反射面４５１で反射され、さらに半透鏡面４５２で反射されてカバーグラス５００の上面（Ｚ軸プラス方向）に位置する物体の部分を照明する。
　物体の照明された部位で反射された光は、カバーグラス５００を透過して再び撮像素子１Ｂに進入する。撮像素子１Ｂに進入した光は、半透鏡４５２およびマイクロレンズ４０１を介してマイクロレンズ４０１の下のフォトダイオード１０１でそれぞれ受光される。このようにして、カバーグラス５００の上面に接触する撮像対象の物体の実像が、撮像素子１Ｂによって撮像される。
　撮像素子１Ｂにおける反射面４５１および半透鏡面４５２の形成方法としては、例えば、予め別の薄い基板に蒸着やメッキ等の方法で形成されたものを、透明物質４５０にインサートモールドする方法がある。
　あるいは、透明物質４５０を斜めにカットして反射面４５１および半透鏡面４５２を形成すべき面を露出させ、露出された面に蒸着などの方法で反射面４５１および半透鏡面４５２を形成した後に、再び透明物質４５０をカットした面で接着するようにしてもよい。
　以上説明したように、第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
　とくに、撮像素子１Ｂにおいて、反射面４５１および半透鏡面４５２は、発光素子１０２が発した光を発光素子１０２の隣に配置されているフォトダイオード１０１側へ折り曲げる。このように構成したので、発光部の発光素子１０２が発した光を、受光部のフォトダイオード１０１のうちの発光素子１０２の隣にＸ軸方向（行方向）に配置されているフォトダイオード１０１が撮像する指３０へと適切に導くことができる。
　次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
　上述した各実施の形態では、Ｘ軸方向に複数のフォトダイオード１０１が並ぶ行と行の間に配置され、Ｘ軸方向に長い矩形状に延設された一つの発光素子１０２によって、発光素子１０２の隣の１行に配置された複数のフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明した。発光素子１０２と、フォトダイオード１０１が並ぶ行とは、必ずしも１対１に対応させなくてもよい。例えば、Ｘ軸方向に延設された一つの発光素子１０２によって、発光素子１０２の隣の複数行に配置された複数のフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明してもよい。
（変形例２）
　また、変形例１とは反対に、Ｘ軸方向に複数のフォトダイオード１０１が並ぶ行と行との間に、Ｘ軸方向に長い矩形状に延設された発光素子１０２を複数配置し、複数の発光素子１０２によって、これら発光素子１０２の隣の１行に配置された複数のフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明してもよい。
（変形例３）
　さらにまた、Ｘ軸方向に長い矩形状に延設された発光素子１０２に代えて、Ｘ軸方向に並べた複数の発光素子を、発光素子１０２と称してもよい。すなわち、Ｘ軸方向に複数のフォトダイオード１０１が並ぶ行と行の間に、Ｘ軸方向に複数の発光素子を並べて、発光素子１０２を構成する。
　変形例３の発光素子１０２を構成する一つの発光素子と、一つのフォトダイオード１０１とは、必ずしも１対１に対応させなくてもよい。例えば、発光素子１０２を構成する一つの発光素子で、発光素子１０２の隣の１行に配置された二つのフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明してもよく、発光素子１０２を構成する二つの発光素子で、発光素子１０２の隣の１行に配置された一つのフォトダイオード１０１の上のカバーグラス５００の部分を照明してもよい。
　なお、発光素子制御回路１０７による発光素子１０２の点灯制御の負担を軽減するための方策の一つは、発光素子１０２を構成する発光素子の中で同時に点灯し、同時に消灯する数を増やすことである。極端な例では、撮像素子１に設けられる全ての発光素子１０２を同時に点灯し、全ての発光素子１０２を同時に消灯すると、発光素子１０２を異なるタイミングで個別に点灯し、消灯する場合と比べて、発光素子１０２に対する点灯制御の負担を軽減することができる。
（変形例４）
　上述した撮像素子１（１Ａ、１Ｂ）の基板１００において、Ｘ軸方向に並んだ複数のフォトダイオード１０１と、Ｘ軸方向に長い矩形状に延設された一つの発光素子１０２との間に隔壁を設けてもよい。隔壁を設けることにより、基板１００における発光素子１０２からフォトダイオード１０１への漏光を防止することができる。
（変形例５）
　なお、生体認証装置１０によって静脈パターンを撮像する場合は、近赤外光を透過させるための干渉膜フィルタを透明層４００に設けるとよい。この理由は、赤外線が可視光より皮膚を透過しやすい性質と、血液中の還元ヘモグロビンが近赤外光を吸収する性質とを利用して、近赤外光による画像情報を得やすくするためである。
（変形例６）
　以上の説明では、撮像素子１を生体認証装置１０に用いる例を説明したが、撮像素子１を、ＱＲコード（登録商標）を撮像する装置に用いてもよい。また、撮像素子１を、例えば紙幣の真偽判定用として紙幣の一部を撮像するスキャナ装置に用いてもよい。
　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１７年第１３８０５１号（２０１７年７月１４日出願）
１、１Ａ、１Ｂ…撮像素子
３０…指（物体）
１００…基板
１０１…フォトダイオード
１０２…発光素子
２００…配線層
２０２…電極
３００…透明電極
４００…透明層
４０１…マイクロレンズ
４０２…斜面
４０３…プリズム群
５００…カバーガラス

Claims (12)

  1. 　物体からの光を受光する受光素子が、基板上の第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にそれぞれ複数配置されている受光部と、
    　前記受光部の受光素子と受光素子との間で光を発する発光素子が、前記基板上の前記第２方向に複数配置されている発光部と、
    　前記発光部の各発光素子の上に設けられ、前記発光部による光を前記物体へ導く導光部材と、
    　を備える撮像素子。
  2. 　請求項１に記載の撮像素子において、
    　前記発光部の各発光素子は、前記基板上の前記第１方向に延設され、
    　前記受光部の前記第１方向に配置されている複数の受光素子と、前記発光部の発光素子とが、前記基板上の前記第２方向に交互に配置される撮像素子。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
    　前記導光部材は、前記発光素子が発した光を隣に配置されている前記受光素子側へ折り曲げる撮像素子。
  4. 　請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
    　前記受光部の各受光素子は、前記物体の異なる部位で反射された光を受光する撮像素子。
  5. 　請求項４に記載の撮像素子において、
    　前記受光部の各受光素子に設けられ、前記物体の反射光を前記受光素子に集光するマイクロレンズを備える撮像素子。
  6. 　請求項５に記載の撮像素子において、
    　前記受光部および前記発光部の上面に透明層を備え、
    　前記導光部材および前記マイクロレンズは、前記透明層に形成される撮像素子。
  7. 　請求項６に記載の撮像素子において、
    　前記受光部は、前記透明層より前記物体側に設けられるカバーガラスに接している前記物体の等倍像を撮像する撮像素子。
  8. 　物体へ光を照射する発光素子が基板の第１ライン上に設けられたライン状の発光部と、
    　前記物体からの光を受光する受光素子が前記基板の前記第１ラインとは異なる第２ライン上に離散的に設けられた複数の受光部と、
    　前記発光素子の上に設けられ、前記発光部による光を前記物体へ導く導光部材と、
    　を備える撮像素子。
  9. 　前記複数の受光部上にそれぞれに設けられ、前記物体からの光を前記受光素子に集光させる複数の集光部を備えた請求項８に記載の撮像素子。
  10. 　請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の撮像素子を備える電子機器。
  11. 　請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の撮像素子の製造方法において、
    　基板の所定領域に前記受光素子を複数設ける工程と、
    　前記受光素子を設けた前記基板上に配線層を形成する工程と、
    　前記基板および前記配線層を上下反転後に、前記基板の前記受光素子の上面を露出させる工程と、
    　前記基板の前記受光素子と前記受光素子との間に前記発光素子を設ける工程と、
    　前記受光素子および前記発光素子を設けた前記基板上に透光部材を形成する工程と、
    　前記透光部材にマイクロレンズおよび導光部材を形成する工程と、
    　を含む撮像素子の製造方法。
  12. 　請求項１１に記載の撮像素子の製造方法において、
    　前記配線層を形成する工程は、前記基板の前記受光素子と前記受光素子との間にそれぞれ電極を最下層に含む配線層を、前記配線層として前記基板上に形成し、
    　前記発光素子を設ける工程は、前記基板の前記電極の上にそれぞれ前記発光素子を設ける撮像素子の製造方法。
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