(57)【要約】【課題】回折要素を使用した光カラーセンサを提供する。【解決手段】半導体製造プロセスが、光センサの一部として回折格子を形成するのに使用される。第１の実施態様において、フォトダイオードのような光センサは、基板上に形成され、固定間隔の回折格子が、半導体製造技術に一般的なメタライゼーション層を使用して形成される。第２の実施態様において、線形フォトダイオードアレイが基板上に形成され、間隔が変化する回折格子が金属層に形成されて、連続カラーセンサを提供する。半導体プロセス技術において一般的に用いられる他の金属層が、必要に応じて、アパーチャを提供するために用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を検出するための改善された光センサであって、
基板と、
前記基板上に作製された１つまたは複数の光センサと、
前記光センサ上に作製され、該光センサに所定の波長の入射光を結合する回折格子と、
を備えている、光センサ。
【請求項２】
前記光センサと前記回折格子との間に少なくとも１つの層をさらに含み、該少なくとも１つの層が、関心のある前記波長の入射光を通す、請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
複数の波長に応答する複数の光センサと回折格子とが単一チップ上に作製されている、請求項１に記載の光センサ。
【請求項４】
前記基板上に追加の回路要素が作製されている、請求項１に記載の光センサ。
【請求項５】
前記追加の回路要素が、前記光センサに接続されたトランスインピーダンス増幅器を含んでいる、請求項４に記載の光センサ。
【請求項６】
前記回折格子が、誘電体上の金属のフォトリソグラフィ形成によって作製されている、請求項１に記載の光センサ。
【請求項７】
第２の金属層が、アパーチャとして作製されている、請求項１に記載の光センサ。
【請求項８】
前記アパーチャが、前記回折格子と前記光センサとの間に作製されている、請求項１に記載の光センサ。
【請求項９】
前記アパーチャが、前記回折格子と前記入射光との間に作製されている、請求項７に記載の光センサ。
【請求項１０】
入射光を検出するための改善された光センサであって、
基板と、
前記基板上に作製されたフォトダイオードアレイと、
前記光センサ上に作製され、ある範囲の波長にわたる入射光を前記フォトダイオードアレイに結合する回折格子と、
を備えている、光センサ。
【請求項１１】
前記格子の間隔が均一である、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１２】
前記格子の間隔が不均一である、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１３】
前記基板上に作製された追加の回路要素をさらに含む、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１４】
第２の金属層が、アパーチャとして作製されている、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１５】
前記アパーチャが、前記回折格子と前記フォトダイオードアレイとの間に作製されている、請求項１４に記載の光センサ。
【請求項１６】
前記アパーチャが、前記回折格子と前記入射光との間に作製されている、請求項１４に記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明による実施形態は、一般に、入射光の光学色を検出する電気的手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射光のスペクトル内容の検出は一般的な課題である。この課題に対して一般に使用されている解決策は、所定の波長の光を選択的に通す複数のフィルタと組み合わせた複数のシリコンフォトダイオードを使用することである。
【０００３】
この解決策にはいくつかの問題点がある。そのようなセンサの性能は、フィルタの光透過特性の精度により制限される。そのようなセンサの選択性は、ろ波材料の可用性によって制限される。ろ波材料は光を減衰させ、異なる色付きフィルタは光を異なって減衰させるので、さらに他の較正が必要となる。また、そのようなセンサの長期安定性は、使用されるセンサ材料の長期安定性に依存する。
【発明の開示】
【０００４】
本発明によれば、フォトダイオードや他の光電要素が回折格子と共に作製される。第１の実施形態は、一体化された単一周波数の回折格子を備えた光センサを使用する。第２の実施形態は、ある範囲の周波数をカバーする線形光センサアレイと一体化回折格子を使用する。回折格子は、半導体製造に一般的なメタライゼーション層を使用して形成される。必要に応じて、さらに別の金属層を使用してアパーチャを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明は、本発明による実施形態の以下の詳細な説明を参照し添付図面と関連して読まれるときに最もよく理解されるであろう。
【０００６】
本発明は、入射光のスペクトル内容の検出に関する。以下の説明は、当業者が本発明を作製し、使用できるようにするために提示され、特許出願とその要件の文脈で提供される。開示する実施形態に対する様々な修正は当業者に容易に明らかになり、本明細書の一般的な原理は他の実施形態にも適用することができる。したがって、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲ならびに本明細書に示した原理および特徴と一致する最も広い範囲が与えられる。
【０００７】
図１は、本発明による第１のセンサを示す。基板１００は、フォトリソグラフィなどの半導体および集積回路の技術分野に既知の製造技術を使用して製造された光センサ１１０、１１２、１１４を有する。基板１００と光センサ１１０、１１２、１１４の間に介在層があってもよいことに注意されたい。光センサ１１０、１１２、１１４は、シリコン、シリコンゲルマニウム、類似の材料などの半導体材料から製造されたフォトダイオード、フォトトランジスタ、または他の光電素子でよい。また、誘電体層１２０は、関心のある波長を通す。この場合も、層１２０と光センサ１１０、１１２、１１４を含む層との間にさらに他の層があってもよい。層１２０に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、絶縁材料、または当技術分野に既知の他の材料などの材料を使用することができる。誘電体層１２０の上に回折格子１３０、１３２、１３４が形成されている。回折格子１３０、１３２、１３４は、関心のある波長を透過させない金属などの材料で形成される。
【０００８】
図１は、本発明の単純化した表現を示し、主要な層のみが示されている。光センサ１１０、１１２、１１４は、半導体素子内の任意の層に作製することができる。回折格子１３０、１３２、１３４は、関心のある波長範囲の光を介在層１２０が通す限り、任意の数の介在層１２０と共にフォトセンサの上方に形成される。
【０００９】
回折格子からの光の空間分布は、回折格子の物理寸法と入射光の波長との関係だけによって制御される。回折格子は、光検出器の空間配置と関連して、光検出器上に所望の波長の光を導く。回折格子１３０、１３２、１３４と光センサ１１０、１１２、１１４に到達する入射光が平行化されるべきであることに注意されたい。この平行化は、スリットやレンズなどの従来の光学手段によって実現することができる。回折格子１３０、１３２、１３４は、集積回路リソグラフィ技術によって製造されるので、その光学特性はきわめて正確かつ再現可能である。
【００１０】
図１に示すような実施形態において、回折格子１３０、１３２および１３４は、赤、緑および青の光をそれぞれ通すように設計されることができる。本発明の他の実施形態は、１つの波長範囲を検出する１つの光センサ−回折格子ペア、赤や青などの１対の波長を検出する２つの光センサ−回折格子ペア、または例えば赤、青、緑、シアン、マゼンタの波長を検出するような３つを超える光センサ−回折格子ペアを提供することができる。レーザによって生成される波長のような、関心のある特定の波長に応答する単一波長センサを作製することができる。
【００１１】
さらに他の金属層や他の不透明層を使用してアパーチャを設けることができる。このアパーチャは、回折格子１３０と光センサ１２０の間に配置されることができる。アパーチャ１５０は、回折格子と光源の間のさらに他の誘電体層１４０上に支持されることができる。そのようなアパーチャは、平行化要素として働くことができる。さらに、そのようなアパーチャは、デバイスの特定領域だけが照明されるようにしたり、あるいは様々な波長での光センサの応答の違いを補償したりするために使用されることができる。
【００１２】
さらに、入射光の空間分布と波長との関係をさらに規定するために、回折格子が、介在誘電体層によって分離された複数のメタライゼーション層上に形成されてもよい。さらに、回折格子が活動的なのは１次元だけでなくてもよい。例えば、互いに実質的に直角な活動要素を有する格子要素を使用して波長の関数としての２次元空間分布が実現可能である。
【００１３】
標準的な集積回路技術を使用するので、光センサと共にさらに他の回路を容易に含めることができる。これは図２に示され、この図では同じ基板にトランスインピーダンス増幅器が含まれている。フォトダイオード１１０が、入射光の特定の波長に応答する回折格子１３０と共に作製される。抵抗器１５０および１６０と協力する増幅器１４０は、フォトダイオード１１０からの光電流を電圧出力１７０に変換するトランスインピーダンス増幅器を構成する。回折格子１３２と結合されたフォトダイオード１１２によって第２の波長が検出される。抵抗器１５２および１６２と協力する増幅器１４２は、フォトダイオード１１２からの光電流を電圧１７２に変換するトランスインピーダンス増幅器を構成する。この実施形態は、１つのチップ上に１つまたは複数の波長センサと共に作製することができる。
【００１４】
図３に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態では、Ｎ要素フォトダイオードアレイが、必要に応じて可変要素間隔を有する回折格子と結合され、回折格子要素の間隔によって定められる連続スペクトル応答を提供するセンサを提供する。Ｎ要素フォトダイオードセンサアレイ１１０は、基板１００の上方に形成される。層１２０は、関心のある波長範囲を通し、回折格子１３０を支持する。
【００１５】
格子要素１３０の間隔が一定である実施形態において、フォトダイオードアレイ１１０において回折格子１３０の動作による可変周波数応答が得られる。波長の関数としての光の空間分布は、格子要素の間隔に依存する。格子間隔が均一のとき、空間分布は波長に対する対数的になる。
【００１６】
回折格子１３０が不均一な実施形態では、要素１３２と１３４の間隔と要素１３６と１３８の間隔が変化する。例として、要素１３２と１３４の間隔が要素１３６と１３８の間隔よりも大きい場合、要素１３２、１３４の領域内の回折格子１３０は、要素１３６、１３８の領域内の回折格子よりも長い波長を通す。格子要素の間隔を不均一にすると、例えば波長に対する線形分布を生成するために波長に対する光の分布を設計する機能が追加される。この実施形態が、格子構造の性質によって１次元配列の形も２次元配列の形もとることがあることに注意されたい。
【００１７】
前の実施形態と同じように、追加のメタライゼーション層や他の不透明層（図示せず）を使用して、平行化素子、シャッタ、その他の光調整機構として働く適切な寸法のアパーチャを形成することができる。
【００１８】
例えば、基板１００上に、フォトダイオードセンサアレイ１１０の出力を処理したり入射光源のスペクトル出力を制御したりする他の処理要素を一体化することができ、それにより閉ループ制御システムが構成される。
【００１９】
本発明の以上の詳細な説明は、説明のために提供され、網羅的でもなく本発明を開示した厳密な形態に限定しようとするものでもない。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による第１の光センサを示す図である。
【図２】第１の光センサを処理電子回路と共に示す図である。
【図３】本発明による第２の光センサを示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１００：基板
１１０、１１２、１１４：光センサ
１２０、１４０：誘電体層
１３０、１３２、１３４：回折格子要素
１５０：アパーチャ
【図１】
2006135320.tif 000003
【図２】
2006135320.tif 000004
【図３】
2006135320.tif 000005