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公開番号2021009916
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210128
出願番号2019122832
出願日20190701
発明の名称光センサ
出願人ローム株式会社
代理人特許業務法人深見特許事務所
主分類H01L 31/10 20060101AFI20201225BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】光センサにおいて、ノイズレベルの増加を抑制しつつ光センサの感度を向上させて、S/N比を向上させる。
【解決手段】光センサ100は、半導体基板105と遮光部材150とを備え、光強度に応じたレベルの電流を出力する。遮光部材150には開口部170が形成されており、半導体基板105に照射される光を部分的に遮光するように構成される。半導体基板105は、第1P型層110と、第1P型層110上に形成され、第1N型層120を含む受光部115とを含む。第1P型層110および第1N型層120により第1フォトダイオードが形成される。光センサ100を平面視した場合に、受光部115は開口部170の内側になるように形成されており、かつ、開口部170の面積は受光部115の面積の2倍以上である。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
光強度に応じたレベルの電流を出力する光センサであって、
半導体基板と、
開口部が形成されており、前記半導体基板に照射される光を部分的に遮光するように構成された遮光部材とを備え、
前記半導体基板は、
第1P型層と、
前記第1P型層上に形成され、第1N型層を含む受光部とを含み、
前記第1P型層および前記第1N型層により第1フォトダイオードが形成され、
前記光センサを平面視した場合に、前記受光部は前記開口部の内側になるように形成されており、かつ、前記開口部の面積は前記受光部の面積の2倍以上である、光センサ。
続きを表示(約 560 文字)【請求項2】
前記受光部は、
前記第1N型層上に形成された第2P型層と、
前記第2P型層上に形成された第2N型層とをさらに含み、
前記第1N型層および前記第2P型層により第2フォトダイオードが形成され、
前記第2P型層および前記第2N型層により第3フォトダイオードが形成される、請求項1に記載の光センサ。
【請求項3】
前記第1フォトダイオードは赤外線の検出に用いられ、
前記第2フォトダイオードおよび前記第3フォトダイオードは、可視光の検出に用いられる、請求項2に記載の光センサ。
【請求項4】
前記半導体基板は、前記受光部と離隔して前記受光部の周囲を囲うように形成された第3N型層をさらに含み、
前記第3N型層は、接地電位に接続されており、かつ、前記光センサを平面視した場合に前記遮光部材と重なるように形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光センサ。
【請求項5】
前記半導体基板は、前記第3N型層と前記受光部との間に、前記受光部の周囲を囲うように形成された第4N型層をさらに含み、
前記第4N型層は、前記受光部の厚みよりも薄く、かつ、前記接地電位に接続されている、請求項4に記載の光センサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は光センサに関し、より特定的には、光センサのS/N比を向上させるための技術に関する。
続きを表示(約 4,900 文字)【背景技術】
【0002】
入射光を電流に変換する光センサが知られている。このような光センサから出力される電流を積分することによって、光センサに入射される光の強度に比例した電圧を得ることができる。当該電圧を用いることで、入射光の照度の算出あるいは光源の種類を判別することができる。
【0003】
特開2015−65357号公報(特許文献1)には、複数種類の受光素子(フォトダイオード)を同一の縦構造に集積化した受光部について、各受光素子を時分割で切換えることによって、光学指向性を改善する光センサ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2015−65357号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
光センサ装置においては、光の検出感度を向上させることが求められる。検出感度を上げるためには、一般的には、受光部であるフォトダイオードの面積を大きくすることが有効である。しかしながら、一方で、フォトダイオードの面積を大きくすると、フォトダイオードの寄生容量が増加してしまう。その結果、フォトダイオードにおける信号の検出レベルは上昇するものの、それとともにノイズレベルも高くなってしまい、期待通りのS/N比の改善が実現できない場合がある。
【0006】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、光センサにおいて、ノイズレベルの増加を抑制しつつ光センサの感度を向上させて、光センサのS/N比を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る光センサは、半導体基板と遮光部材とを備え、光強度に応じたレベルの電流を出力する。遮光部材には開口部が形成されており、半導体基板に照射される光を部分的に遮光するように構成される。半導体基板は、第1P型層と、第1P型層上に形成され第1N型層を含む受光部とを含む。第1P型層および第1N型層により第1フォトダイオードが形成される。光センサを平面視した場合に、受光部は開口部の内側になるように形成されており、かつ、開口部の面積は受光部の面積の2倍以上である。
【0008】
好ましくは、受光部は、第1N型層上に形成された第2P型層と、第2P型層上に形成された第2N型層とをさらに含む。第1N型層および第2P型層により第2フォトダイオードが形成される。第2P型層および第2N型層により第3フォトダイオードが形成される。
【0009】
好ましくは、第1フォトダイオードは赤外線の検出に用いられる。第2フォトダイオードおよび第3フォトダイオードは可視光の検出に用いられる。
【0010】
好ましくは、半導体基板は、受光部と離隔して受光部の周囲を囲うように形成された第3N型層をさらに含む。第3N型層は、接地電位に接続されており、かつ、光センサを平面視した場合に遮光部材と重なるように形成されている。
【0011】
好ましくは、半導体基板は、第3N型層と受光部との間に、受光部の周囲を囲うように形成された第4N型層をさらに含む。第4N型層は、受光部の厚みよりも薄く、かつ、接地電位に接続されている。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係る光センサによれば、開口部によって半導体基板へ光が入射される面積が、受光部(フォトダイオード)の面積の2倍以上とされる。これにより、半導体基板において、フォトダイオードが形成される領域の周辺にも光が入射されるため、当該周辺領域で発生した電子および正孔がフォトダイオードに収集されやすくなる。すなわち、開口部の面積が狭い場合に比べて、フォトダイオードの面積が同じであっても、電子および正孔の収集効率を上げることができる。これにより、フォトダイオードの寄生容量を変化させずに感度を上げることができるので、S/N比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
実施の形態1に従う光センサが適用される光センサ装置のブロック図である。
図1の光センサ装置の動作を説明するための図である。
フォトダイオードの面積とS/N比との関係を説明するための図である。
実施の形態1に従う光センサの構造を説明するための図である。
比較例の光センサの構造を説明するための図である。
変形例に従う光センサの構造を説明するための図である。
図1の光センサの受光部を説明するための図である。
図7の受光部における光の波長と感度との関係を説明するための図である。
実施の形態2に従う光センサの受光部を説明するための図である。
図9の受光部における光の波長と感度との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【0015】
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1に従う光センサ100が適用される光センサ装置10のブロック図である。図1を参照して、光センサ装置10は、光センサ100に加えて、オペアンプOPと、スイッチSWA,SWBと、キャパシタC1とを備える。光センサ100は、フォトダイオードPDを含んでいる。フォトダイオードPDは、当該フォトダイオードPDに光が入射されると、光の強度に応じたレベルの電流(以下、「光電流」とも称する。)が流れる特性を有している。
【0016】
オペアンプOPの非反転入力端子には、所定のバイアス電圧が接続される。オペアンプOPの反転入力端子と出力端子との間には、スイッチSWAとキャパシタC1が並列に接続される。すなわち、オペアンプOPは、スイッチSWAが非導通状態にされることによって、全帰還型の積分アンプとして機能し、電流−電圧変換を実行する。
【0017】
スイッチSWBは、互いに相補的に動作するスイッチSWB1およびスイッチSWB2とを含んで構成される。すなわち、スイッチSWB1が導通状態の場合にスイッチSWB2が非導通状態となり、スイッチSWB1が非導通状態の場合にSWB2が導通状態となる。なお、以下においては、スイッチSWB1の動作状態をスイッチSWBの動作状態として表現する。
【0018】
スイッチSWB1の一方端は、オペアンプOPの反転入力端子に接続される。スイッチSWB1の他方端はフォトダイオードPDのカソードに接続され、フォトダイオードPDのアノードは接地電位に接続される。スイッチSWB2は、フォトダイオードPDのカソードと接地電位との間に接続される。
【0019】
スイッチSWAおよびスイッチSWBは、図示されていない制御装置からの制御信号によって動作状態が切換えられる。オペアンプOPは、スイッチSWAが非導通状態にされている期間中、反転入力端子に入力される光電流を積分して、光センサ100に照射された光の強度に比例した電圧をAoutとして出力する。なお、図2には示されていないが、オペアンプOPの出力端子はA/D変換器を介して制御装置に接続されている。
【0020】
図2は、図1の光センサ装置10の動作を説明するための図である。図2の横軸には、時間が示されており、縦軸にはスイッチSWA,SWBの状態、およびオペアンプOPの出力Aoutが示されている。
【0021】
図2を参照して、時刻t0より前においては、スイッチSWAおよびスイッチSWBのいずれも導通状態である。この状態では、オペアンプOPの反転入力端子には、光センサ100からの光電流が入力されるが、スイッチSWAが導通状態であるため、オペアンプOPの出力Aoutは基準電圧(バイアス電圧)のままである(待機状態)。
【0022】
時刻t0においてスイッチSWAが非導通状態とされると、オペアンプOPは、光センサ100からの光電流を時間積分した電圧を出力Aoutに出力する。そして、所定期間が経過した時刻t1においてスイッチSWBが非導通状態にされると、当該所定期間に積分された電圧が出力される。光センサ100から出力される光電流は、光センサ100に照射される光の強度に応じた大きさとなるため、予め定められた期間においてオペアンプOPで積分された出力電圧Aoutによって、光の強度を検出することができる。
【0023】
なお、図2には記載されていないが、時刻t1以降において、スイッチSWA,SWBを導通状態とすることで、キャパシタC1に蓄えられている電荷が放電され、時刻t0以前のような待機状態に戻される。
【0024】
このような構成の光センサ装置において、検出感度を上げるためには、光センサ100における出力電流を増加させること、および/または、キャパシタC1を小さくすることが必要となる。
【0025】
ここで、光センサ100における出力電流を増加させる手法としては、光センサ100に形成されるフォトダイオードPDの面積(受光面積)を大きくすることが考えられる。しかしながら、図1に破線で示されるように、光センサ100においては、接地電位との間に寄生容量C2が生じ、フォトダイオードPDの面積を大きくすると、それに伴って寄生容量C2も大きくなる。
【0026】
ここで、キャパシタC1の容量を一定と仮定した場合、フォトダイオードPDの寄生容量C2が大きくなると、C1/C2で表わされる帰還率が低下することになる。積分アンプのクローズドループゲインは帰還率にほぼ反比例するため、帰還率が低下すると積分アンプのクローズドループゲインが大きくなる。その結果、オペアンプOPの感度は増加するものの、オペアンプOPの出力電圧のノイズ成分も大きくなってしまうので、フォトダイオードPDのS/N比を思うように改善できない可能性がある。
【0027】
図3は、フォトダイオードPDの面積とS/N比との関係を概念的に説明するための図である。図3においては、横軸にフォトダイオードPDの面積示され、縦軸にはS/N比が示される。なお、図3において、破線LN10は理想的な場合のフォトダイオードPDの面積とS/N比との関係を示しており、実線LN11は実際のフォトダイオードPDの面積とS/N比との関係を示している。
【0028】
図3を参照して、フォトダイオードPDの面積が大きくなると、それに伴って、光強度に対する光センサ100の出力電流が増加するため、光センサ100の検出感度が増加する。フォトダイオードPDの寄生容量C2が変化しない理想の場合(破線LN10)には、フォトダイオードPDの面積の拡大とともにS/N比も大きく向上する。
【0029】
しかしながら、上記のように、実際には、フォトダイオードPDの面積の拡大に伴ってフォトダイオードPDの寄生容量C2も大きくなってしまうため、オペアンプOPの出力Aoutにおけるノイズレベルも高くなってしまう。これにより、実際のS/N比の改善量(実線LN11)は理想の場合(破線LN10)よりも小さくなってしまう。
【0030】
すなわち、S/N比の改善量を理想の状態に近づけるためには、フォトダイオードPDの寄生容量C2を増加させずに、フォトダイオードPDの出力電流を増加させることが必要となる。
(【0031】以降は省略されています)

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