(57)【要約】【課題】対象物に関する情報をより正確に検知できる光センサを提供する。【解決手段】受光素子(２１)は、複数の導電膜(２８,３０,３２)のうちの最下層以外の少なくも１つは、基板(２２)の受光領域Ｓ以外の領域を遮光する遮光膜(３２)であり、遮光膜(３２)の厚さをＨ[μｍ]とし、最下層の導電膜(２８)の下面から遮光膜(３２)の下面までの厚さをｈ[μｍ]とし、受光領域Ｓの最大外形寸法である受光領域サイズをａ[μｍ]とし、遮光膜(３２)の開口(３２ａ)を介して基板(２２)側に入射する光のうち、基板(２２)平面に直交しかつ受光領域サイズａが定まる方向に沿った平面上において遮光膜(３２)の開口(３２ａ)の縁を通過して受光領域Ｓ上の領域内に入射する光と、基板(２２)平面の法線とがなす最小角度をθ[ｄｅｇ]とした場合に、      Ｈ＋ｈ  ≧  ａ／ｔａｎ(θ)の条件を満たすように構成される。【選択図】図１
2019015505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに間隔をあけて配置された発光素子と受光素子とを備え、
上記受光素子は、
受光領域が表面に形成された基板と、上記基板上に積層され、上記受光領域に対向する領域の全部または略全部が開口している複数の導電膜と、上記導電膜間に形成された透光性を有する絶縁膜とを含み、
上記複数の導電膜のうちの最下層以外の少なくも１つは、上記基板の上記受光領域以外の領域を遮光する遮光膜であり、
上記複数の導電膜のうちの最下層以外の１つであって、かつ、上記受光領域の縁と上記開口の縁を一致させた上記遮光膜の厚さをＨ[μｍ]とし、
上記最下層の導電膜の下面から上記遮光膜の下面までの厚さをｈ[μｍ]とし、
上記受光領域の最大外形寸法である受光領域サイズをａ[μｍ]とし、
上記遮光膜の開口を介して上記基板側に入射する光のうち、上記基板平面に直交しかつ上記受光領域サイズａが定まる方向に沿った平面上において上記遮光膜の開口の縁を通過して上記受光領域上の領域内に入射する光と、上記基板平面の法線とがなす最小角度をθ[ｄｅｇ]とした場合に、
Ｈ＋ｈ  ≧  ａ／ｔａｎ(θ)
の条件を満たすように構成されていることを特徴とする光センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の光センサにおいて、
上記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする光センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光センサにおいて、
上記受光素子における上記受光領域は略円形であり、
上記受光領域サイズａは、上記受光領域の直径であることを特徴とする光センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の光センサにおいて、
上記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであり、
上記受光素子の受光領域サイズａは、５μｍ以上且つ１５μｍ以下であることを特徴とする光センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の光センサにおいて、
上記最小角度θは４５ｄｅｇであることを特徴とする光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光センサに関し、より詳しくは、発光素子と受光素子とを組み合わせて使用する光センサであって、本来の目的とする対象物からの反射光とは異なる光の入射を防止し、誤動作および誤検知を防止できる光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話のカメラのオートフォーカスやロボット掃除機等の自動ロボットの位置検知のために、測距センサが使用されている。このような測距センサには、暗視野下での距離検知が可能であることや、小型化が可能であること等の理由により、アバランシェフォトダイオード(avalanche photodiode)を使用したＴＯＦ(Time Of Flight)センサ等の光センサが活用されている。
【０００３】
ここで、上記アバランシェフォトダイオードとは、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ＰＮ接合ダイオードである。このフォトダイオードは、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ており、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。そのために、暗視野下でも光検出が可能であり、暗闇においてもカメラのオートフォーカスや自動ロボットの位置検知が可能である。尚、これらの目的に必要な検知距離は、数十ｃｍから数ｍである。
【０００４】
一般的に、上記光センサは、図６に示すように、ＬＥＤ(light emitting diode：発光ダイオード)等の発光素子２と、上記アバランシェフォトダイオード等の受光素子７との一対が、基板１上に搭載されて構成され、筐体４等のパッケージ内に配置されている。例えば、ＴＯＦセンサを用いた測距センサでは、発光素子２から定期的に発射された光パルスが対象物(図示せず)で反射されて、光が往復する時間だけ遅れて戻った反射光パルスを受光素子７で受ける。そして、その往復時間と光速とによって対象物までの距離を算出する。
【０００５】
しかしながら、図６に示す光センサにおいては、発光素子２と受光素子７とは横に配置されてパッケージされることが多く、図６から分かるように、発光素子２から発射された光は、必ずしも総て対象物に当たるだけではなく、筐体４にも当たる。そのために、筐体４等によって発生した反射光をも受光してしまう。
【０００６】
その場合、図６に示すように、十分に遠い位置に在る対象物に当たって反射して帰ってくる光は、受光素子７に対して略垂直な光路となる。これに対し、筐体４の位置は近いため、筐体４からの反射光の基板１平面の法線に対する角度が大きくなる。このように、筐体４は対象物に比べて極近くに位置するため、筐体４からの反射光が邪魔をして対象物までの正確な距離は計測することができない。したがって、この筐体４からの反射光による誤検知を防止することが重要となる。尚、図６において、３は接着剤、６はボンディングワイヤである。
【０００７】
上記筐体４からの反射光の入射を防止可能な光センサとして、例えば特開２０１３‐１８５８８７号公報(特許文献１)に開示されて、図７に示す構成を有する光センサがある。
【０００８】
上記特許文献１に開示された光センサにおいては、図７に示すように、受光素子用の不純物領域１１が形成された半導体基板１２と、半導体基板１２上に配線プロセスによって遮光物質１３ａ〜１３ｄが形成された角度制限フィルタ１３と、角度制限フィルタ１３上に形成された保護膜１４と、保護膜１４上に形成されたバンドパスフィルタ１５とを含んでいる。また、バンドパスフィルタ１５は、保護膜１４上に形成されたロングパスフィルタＬＰＦと、ロングパスフィルタＬＰＦ上に形成されたショートパスフィルタＳＰＦとで構成されている。
【０００９】
上記構成において、図７に示すように、上記バンドパスフィルタ１５の高さをＲＴとし、保護膜１４の高さをＲＰとし、角度制限フィルタ１３の高さをＲＡとし、角度制限フィルタ１３の開口幅をｄとすると、角度制限フィルタ１３の制限角度θＡは、θＡ＝ｔａｎ−１(ｄ／ＲＡ)となる。この場合、制限角度θＡよりも入射角度が大きい光は、遮光されて受光素子(不純物領域１１)に入射されない。
【００１０】
また、上記制限角度θＡに対して、角度制限フィルタ１３とバンドパスフィルタ１５とのオーバーラップ距離ＯＶを、次式を満たすように設定している。
θＡ＝ｔａｎ−１(ｄ／ＲＡ)＜θＴ＝ｔａｎ−１(ＯＶ／(ＲＴ＋ＲＰ))
【００１１】
こうすることによって、上記角度制限フィルタ１３のうちの最も外側の開口端に到達する入射光のうち、角度θＴよりも大きな入射光であるバンドパスフィルタ１５の側面を通過した入射光は、遮光物質１３bで遮光されて受光素子(不純物領域１１)に入射されることはない。
【００１２】
こうして、上記角度制限フィルタ１３を通過する光を、バンドパスフィルタ１５の上面から入射してバンドパスフィルタ１５の全層を通過する光とすることによって、分光特性の低下を抑制するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１３‐１８５８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示された光センサにおいては、以下のような問題がある。
【００１５】
すなわち、図７に示す構造を図６に示す光センサに適用した場合には、図６に示すように、筐体４は受光素子７の極近くに位置するので、その反射光の基板１平面の法線に対する角度は大きくなる。そのために、ガラスフィルタ５の上面および側面を通過した筐体４からの反射光は、図７に示す角度制限フィルタ１３の遮光物質１３ａ〜１３ｄで遮光されて、図６に示す受光素子７に直接入射されることはない。
【００１６】
ところが、上記遮光物質１３ａ〜１３ｄは、金属配線に用いられる金属層で構成されて、垂直方向に形成されている。そこで、ガラスフィルタ５の上面および側面を通過して遮光物質１３ａ〜１３ｄに入射された筐体４からの反射光は、遮光物質１３ａ〜１３ｄで反射され、結局受光素子７に入射してしまう。したがって、筐体４からの反射光によって誤検知が生ずるという問題は、完全には解消されていない。
【００１７】
また、上記特許文献１に開示された光センサにおいては、サイズが大きい受光素子用の不純物領域１１が想定されており、角度制限フィルタ１３の上記遮光物質を受光領域内に複数形成する構成である。そのため、本来検知すべき受光面の法線に対する角度の小さい対象物からの反射光であってもその一部が角度制限フィルタ１３を形成した領域で遮光されるため、感度が低下するという問題もある。
【００１８】
そこで、この発明の課題は、筐体からの反射光による誤検知を防止でき、対象物に関する情報をより正確に検知できる光センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、この発明の光センサは、
互いに間隔をあけて配置された発光素子と受光素子とを備え、
上記受光素子は、
受光領域が表面に形成された基板と、上記基板上に積層され、上記受光領域に対向する領域の全部または略全部が開口している複数の導電膜と、上記導電膜間に形成された透光性を有する絶縁膜とを含み、
上記複数の導電膜のうちの最下層以外の少なくも１つは、上記基板の上記受光領域以外の領域を遮光する遮光膜であり、
上記複数の導電膜のうちの最下層以外の１つであって、かつ、上記受光領域の縁と上記開口の縁を一致させた上記遮光膜の厚さをＨ[μｍ]とし、
上記最下層の導電膜の下面から上記遮光膜の下面までの厚さをｈ[μｍ]とし、
上記受光領域の最大外形寸法である受光領域サイズをａ[μｍ]とし、
上記遮光膜の開口を介して上記基板側に入射する光のうち、上記基板平面に直交しかつ上記受光領域サイズａが定まる方向に沿った平面上において上記遮光膜の開口の縁を通過して上記受光領域上の領域内に入射する光と、上記基板平面の法線とがなす最小角度をθ[ｄｅｇ]とした場合に、
Ｈ＋ｈ  ≧  ａ／ｔａｎ(θ)
の条件を満たすように構成されていることを特徴とする。
【００２０】
また、一実施形態の光センサでは、
上記受光素子は、アバランシェフォトダイオードである。
【００２１】
また、一実施形態の光センサでは、
上記受光素子における上記受光領域は略円形であり、
上記受光領域サイズａは、上記受光領域の直径である。
【００２２】
また、一実施形態の光センサでは、
上記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであり、
上記受光素子の受光領域サイズａは、５μｍ以上且つ１５μｍ以下である。
【００２３】
また、一実施形態の光センサでは、
上記最小角度θは４５ｄｅｇである。
【発明の効果】
【００２４】
以上より明らかなように、この発明の光センサでは、受光素子において、受光領域以外の領域を遮光する導電膜を、導電膜間を絶縁する絶縁膜上に形成しているので、上記特許文献１に開示された角度制限フィルタの遮光物質のごとく遮光体が垂直方向に形成されている場合に比して、遮光すべき反射光が遮光膜である導電膜で遮られることによって、上記受光領域に入射するのを抑制することができる。
【００２５】
さらに、上記複数の導電膜のうちの受光領域以外の領域を遮光する遮光膜である導電膜の厚さＨ[μｍ]と、最下層の導電膜の下面から遮光膜である導電膜の下面までの厚さｈ[μｍ]と、上記受光領域の最大外形寸法である受光領域サイズａ[μｍ]と、上記基板平面に直交しかつ受光領域サイズａが定まる方向に沿った平面上において遮光膜の開口の縁を通過して受光領域上の領域内に入射する光と、上記基板平面の法線とがなす最小角度θ[ｄｅｇ]とを、
Ｈ＋ｈ  ≧  ａ／ｔａｎ(θ)
の条件を満たすように設定しているので、上記遮光すべき光を確実に遮光することができる。
【００２６】
したがって、上記最小角度θを、発光素子および受光素子を収納する筐体からの反射光が発光素子の受光面に入射するのを防止できる基板平面の法線からの最小角度に設定することで、上記法線に対して上記θ以上の角度で入射する筐体からの反射光を、上記受光領域以外の領域を遮光する膜である導電膜によって遮光することができる。
【００２７】
すなわち、この発明によれば、上記筐体からの反射光による誤検知を防止し、対象物に関する情報(有無,位置および距離等)をより正確に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の光センサに用いられる受光素子における断面図である。
【図２】図２は図１に示す受光素子の受光領域の形状を示す図である。
【図３】図３はこの発明の第２実施形態の光センサのアバランシェフォトダイオードを用いた受光素子における受光領域の形状を示す図である。
【図４】図４は図３に示す形状の受光領域を有する受光素子の断面図である。
【図５】図５はこの発明の第３実施形態の光センサの断面図である。
【図６】図６は一般的な光センサの構造を示す断面図である。
【図７】図７は筐体の反射光による誤検知を防止可能な従来の受光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、この発明の光センサを図示の実施の形態により詳細に説明する。尚、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の図面上の寸法は、図面の明瞭化と簡略化のために実際の尺度から適宜変更されており、実際の相対寸法を表してはいない。
【００３０】
〔第１実施形態〕
この発明の第１実施形態の光センサに使用される受光素子２１について、図１に従って具体的に説明する。なお、この光センサは、互いに間隔をあけて配置された発光素子(図示せず)と受光素子２１とを備えている。
【００３１】
図１は、上記第１実施形態の光センサに用いられる受光素子２１の断面図を示している。
【００３２】
この受光素子２１は、図１に示すように、例えばＰ型(１００)で抵抗率が１０Ωｃｍ程度のシリコン半導体基板２２を用いている。そのシリコン半導体基板２２表面に、Ｎ型半導体層２３と、このＮ型半導体層２３を挟むＰ型半導体層２４とを形成している。
【００３３】
上記Ｎ型半導体層２３は、一般的に３１Ｐ＋(リン)を１５０ｋｅＶで１.０Ｅ＋１３ｃｍ−３程度にイオン注入し、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２４は、１１Ｂ＋(ボロン)を２５０ｋｅＶで１.０Ｅ＋１３ｃｍ−３程度にイオン注入し、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。
【００３４】
次に、Ｎ型半導体層２３とＰ型半導体層２４が形成されたシリコン半導体基板２２上に、熱酸化等の方法でシリコン酸化膜(図示せず)を形成する。そして、アノード拡散となるＰ＋拡散層２５とカソード拡散となるＮ＋拡散層２６を形成する。その場合、Ｐ＋拡散層２５は、１１Ｂ＋(ボロン)を３０ｋｅＶで２.０Ｅ＋１５ｃｍ−３程度イオン注入し、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２６は、３１Ｐ＋(リン)を５０ｋｅＶで１.０Ｅ＋１５ｃｍ−３程度イオン注入し、同様に１０００℃で３０秒のＲＴＡを行うことによって形成される。こうして、上記Ｐ＋拡散層２５とＮ型半導体層２３との間に、フォトダイオードとして機能するＰＮ接合が形成される。
【００３５】
次に、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２７を形成する。その後、アノード配線やカソード配線となる第１導電膜２８を、ＡlＣuによって厚さ５００ｎｍ程度に形成する。
【００３６】
次に、絶縁膜となるシリコン酸化膜２９を、ＣＶＤおよびＣＭＰ等によって厚さ１０００ｎｍ程度形成する。さらに、同様に、第２導電膜３０をＡlＣuによって厚さ５００ｎｍ程度に形成した後、絶縁膜となるシリコン酸化膜３１をＣＶＤおよびＣＭＰ等で厚さ１０００ｎｍ程度に形成する。
【００３７】
次に、上記受光素子２１における所定の受光領域Ｓ(図２参照)以外の領域に光が入射して誤動作しないように、遮光膜の一例としての第３導電膜３２をＡlＣuによって厚さ２μｍ程度に形成して遮光する。この受光領域Ｓは、Ｐ＋拡散層２５とＮ型半導体層２３とでフォトダイオードを形成する領域である。ここで、受光領域Ｓの縁と遮光膜である第３導電膜３２に設けられた開口３２ａの縁が一致するように、第３導電膜３２の開口３２ａを形成している。
【００３８】
以下、省略するが、パッシベーション膜等を形成することによって、図１に示す構造を有する受光素子２１が得られる。尚、各受光素子は、ＳＴＩ(shallow trench isolation)３３によって分離されている。
【００３９】
上記構成において、上記受光領域Ｓの形状は、図２に示すように、一般的なフォトダイオードで採用されることが多い正方形であり、受光領域Ｓの最大外形寸法である受光領域サイズが「ａ」である。また、受光素子２１は、第１導電膜２８,第２導電膜３０および第３導電膜３２の３層でなる導電膜(ＡlＣu)と、この導電膜２８,３０間および導電膜３０,３２間を絶縁するシリコン酸化膜２９,３１(絶縁膜)とを含んでいる。そして、最上部に位置する第３導電膜３２によって、受光素子２１における受光領域Ｓ以外の部分を遮光している。
【００４０】
この場合、図１において、導電膜２８,３０,３２のうち、最上層に位置する第３導電膜３２の厚さＨ[μｍ]と、最下層に位置する第１導電膜２８の下面から最上部に位置する第３導電膜３２の下面までの厚さｈ[μｍ]と、受光領域Ｓの最大外形寸法である受光領域サイズａ[μｍ]と、遮光すべき光の基板２２平面の法線に対する最小角度をθ[ｄｅｇ]を、
Ｈ＋ｈ  ≧  ａ／ｔａｎ(θ)  …  (式１)
の条件を満たすように設定することによって、図示しないパッケージの筐体からの反射光等の基板２２平面の法線に対する角度が大きい入射光を、確実に遮光することができる。
【００４１】
ここで、上記最小角度θ[ｄｅｇ]は、遮光膜である第３導電膜３２の開口３２ａを介して基板２２側に入射する光のうち、基板２２平面に直交しかつ受光領域サイズａが定まる方向(最大外形寸法となる方向)に沿った平面上において第３導電膜３２の開口３２ａの縁を通過して受光領域Ｓ上の領域内に入射する光と、基板２２平面の法線とがなす最小角度である。
【００４２】
上記第１実施形態においては、正方形の受光領域Ｓにおける一辺のサイズを８μｍとすると、受光領域サイズａは約１１μｍ(＝８×√２)である。この場合、第１導電膜２８の下面から最上層の第３導電膜３２の下面までの厚さｈは、
ｈ  ＝  ０.５＋１＋０.５＋１  ＝  ３μｍ
であり、最上層の第３導電膜３２の厚さＨ＝２μｍ、受光領域サイズａ＝１１μｍであるため、上記式１より、
ｔａｎ(θ)  ≧  ａ/(Ｈ＋ｈ)  ＝  １１/(３＋２)  ＝  ２.３
となる。したがって、基板２２平面の法線に対して約６６ｄｅｇ(＝ｔａｎ−１(２．３))以上の角度で反射してくる光は第３導電膜３２によって遮光され、上記フォトダイオードには入射することができない。
【００４３】
以上のごとく、上記第１実施形態の受光素子２１においては、受光領域Ｓ以外の領域に光が入射して誤動作しないように、基板２２平面の法線に対する角度がθ以上の入射角の光を遮光する第３導電膜３２を、絶縁膜３１上に成膜している。したがって、特許文献１における角度制限フィルタ１３の遮光物質１３ａ〜１３ｄ(図７に示す)のごとく、遮光体が垂直方向に形成されている場合に比して、遮光すべき筐体からの反射光が第３導電膜３２で反射されて、上記フォトダイオードに入射されることを抑制することができる。
【００４４】
さらに、上記第３導電膜３２の厚さＨ[μｍ]と、最下層に位置している第１導電膜２８の下面から最上層に位置している第３導電膜３２の下面までの厚さｈ[μｍ]と、上記受光領域サイズａ[μｍ]と、遮光すべき入射光の基板２２平面の法線に対する最小角度θ[ｄｅｇ]とを、上記式１を満たすように設定している。これによって、上記遮光すべき入射光をより確実に遮光することができる。
【００４５】
尚、図１に示すように、第１,第２導電膜２８,３０や第１導電膜２８とシリコン半導体基板２２との間を接続するビア３４を、特許文献１における角度制限フィルタの各遮光物質のように、受光領域Ｓ(図２参照)のエッジにおいて整列させて配置する構造は、入射光を反射させるので望ましくない。そのため、上記受光領域Ｓのエッジにビア３４を形成せず、各導電膜２８,３０も上記エッジから数μｍ離すことによって、ビア３４または導電膜２８,３０によって反射され難い構造にすることがより望ましい。
【００４６】
また、上記第１実施形態においては、Ｐ＋拡散層２５とＮ型半導体層２３とから成るフォトダイオードを有する受光素子について説明している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、導電型が逆であっても同様の結果が得られる。また、３層の導電膜を有する構造により説明したが、２層または４層以上の導電膜を有する構造でもトータル膜厚(Ｈ＋ｈ)によって入射光を遮光できる角度が決まる。したがって、少なくとも２層以上の導電膜を有していれば、上記トータル膜厚(Ｈ＋ｈ)が上記式１を満たしていれば、同様に不要な角度からの光入射を防止できる。
【００４７】
〔第２実施形態〕
上記第１実施形態においては、上記受光領域Ｓの形状を一般的な正方形としている。しかしながら、受光素子としてアバランシェフォトダイオードを使用する場合には、一般的に円形の受光領域が採用される。そこで、この発明の第２実施形態の光センサにおいては、図３に示すように受光素子４１の受光領域Ｓを円形としている。また、図４に示すように導電膜を４層としている。
【００４８】
ここで、この第２実施形態の光センサにおける第３導電膜３２の形成までは、上記第１実施形態の光センサの場合と全く同様である。この第２実施形態においては、上記第１実施形態と同一の構成部には同一参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、この光センサは、互いに間隔をあけて配置された発光素子(図示せず)と受光素子２１とを備えている。
【００４９】
先ず、上記第１実施形態の場合と同様にして、Ｐ型(１００)のシリコン半導体基板２２内にＮ型半導体層２３とＰ型半導体層２４とを形成し、その上にアノード拡散領域となるＰ＋拡散層２５とカソード拡散領域となるＮ＋拡散層２６とを形成し、ＳＴＩ３３によって各受光素子４１に分離する。さらに、フィールド膜となるシリコン酸化膜２７、アノード配線およびカソード配線となる第１導電膜２８、絶縁膜となるシリコン酸化膜２９、第２導電膜３０、絶縁膜となるシリコン酸化膜３１を形成する。
【００５０】
そうした後、上記シリコン酸化膜３１上に、第２導電膜３０の場合と同様に、第３導電膜３２をＡlＣuによって厚さ５００ｎｍ程度に形成した後、絶縁膜となるシリコン酸化膜４２をＣＶＤおよびＣＭＰ等で厚さ１０００ｎｍ程度に形成する。
【００５１】
次に、上記受光素子４１における所定の受光領域Ｓ(図３に示す)以外の領域に光が入射して誤動作しないように、遮光膜の一例としての第４導電膜４３をＡlＣuによって厚さ３μｍ程度に形成して遮光する。この受光領域Ｓは、Ｐ＋拡散層２５とＮ型半導体層２３とでアバランシェフォトダイオードを形成する領域である。
【００５２】
以下、省略するが、パッシベーション膜等を形成することによって、図４に示す構造を有する受光素子４１が得られる。
【００５３】
ところで、上記アバランシェフォトダイオードは、上述したように超高感度である点に特徴がある。それと同時に、通常は使用しないような接合耐圧以上の電圧を印加して高電界を発生させて使用する。そのため、欠陥等によるノイズ(ダークパルス)が発生する。低電界で使用する通常のフォトダイオードにおいては、上記ノイズは小さいので問題とならないのであるが、アバランシェフォトダイオードの場合には超高倍率で増幅されるため、上記ノイズが問題となる。
【００５４】
上記ノイズの発生頻度をできるだけ抑制するためには均一な電界分布を形成する必要があり、上記受光領域の形状が四角形の場合には角で電界集中が生ずる。そのため、上記アバランシェフォトダイオードの場合には、一般的に、図３に示すように受光領域は円形に形成される。
【００５５】
他の拡散構造については、図１に示す上記第１実施形態の場合と同様であるために割愛する。但し、第１〜第４導電膜２８,３０,３２,４３だけではなく、各拡散層や半導体層に関しても、円形またはドーナツ型に形成することが望ましい。但し、複数の第１導電膜２８のうちのＰ＋拡散層２５の取り出し電極となる第１導電膜２８は、均一性を維持するために、円形を成す受光領域Ｓの中心に位置させる。
【００５６】
上記構成を有する受光素子４１においては、第１導電膜２８の下から最上層の第４導電膜４３の下までの厚さｈは、
ｈ  ＝  ０.５＋１＋０.５＋１＋０.５＋１  ＝  ４.５μｍ
であり、最上層の第４導電膜４３の厚さＨは、Ｈ＝３μｍである。さらに、受光領域サイズａは、例え小さくとも増幅率が高くて感度が高いために、５μｍ〜１５μｍ程度あれば十分である。ここでは、ａ＝８μｍとする。そうすると、上記第１実施形態における上記式１によって、
ｔａｎ(θ)  ≧  ａ／(Ｈ＋ｈ)  ＝  ８／(４.５＋３)  ＝  １.０７
となる。したがって、基板２２平面の法線に対して約４７ｄｅｇ(＝ｔａｎ−１(１．０７))以上の角度で入射してくる光は第４導電膜４３によって遮光され、上記アバランシェフォトダイオードの受光面には入射することができない。
【００５７】
ここで、上記最小角度θ[ｄｅｇ]は、遮光膜である第４導電膜４３の開口４３ａを介して基板２２側に入射する光のうち、基板２２平面に直交しかつ受光領域サイズａが定まる方向(最大外形寸法となる方向)に沿った平面上において第４導電膜４３の開口４３ａの縁を通過して受光領域Ｓ上の領域内に入射する光と、基板２２平面の法線とがなす最小角度である。
【００５８】
以上のごとく、上記第２実施形態においては、受光素子４１として、接合耐圧以上の電圧を印加して高電界を発生させるアバランシェフォトダイオードを使用し、発生するノイズを抑制するために受光領域を円形に形成して電界分布を均一にしている。その場合における受光領域サイズ(円形の受光領域の直径)ａは５μｍ〜１５μｍ程度あれば十分であり、例えばａ＝８μｍとする。
【００５９】
さらに、上記第１導電膜２８の下面から最上層の第４導電膜４３の下面までの厚さｈをｈ＝４.５μｍとし、最上層の第４導電膜４３の厚さＨをＨ＝３μｍとしている。したがって、遮光すべき入射光の基板２２平面の法線に対する最小角度θ[ｄｅｇ]は、θ≧約４７ｄｅｇとなり、上記法線に対する角度が約４７ｄｅｇ以上で入射してくる光を第４導電膜４３によって遮光することが可能になる。
【００６０】
また、上記受光素子４１の受光領域Ｓを略円形に構成し、受光領域サイズａを受光領域Ｓの直径とすることによって、より均一な電界分布を形成することができる。なお、低電界で使用する通常のフォトダイオードの場合においても、受光素子の受光領域を略円形に構成することにより、ノイズの発生頻度を抑制することができ、より特性のよい光センサを得ることができる。
【００６１】
また、上記受光素子４１をアバランシェフォトダイオードで構成し、その受光領域サイズａを５μｍ以上且つ１５μｍ以下とすることによって、受光領域サイズａを小さくすることができ、上記特許文献１に開示された角度制限フィルタのごとく受光領域Ｓ内に複数の遮光体を形成する必要がなく、上記遮光体での内部反射による感度低下が生ずることがない。
【００６２】
尚、図４に示すように、導電膜２８,３０,３２や各導電膜間のビア３４を、特許文献１における角度制限フィルタの各遮光物質のように、上記受光領域のエッジにおいて整列させて配置する構造は、入射光を反射させるので望ましくない。そのため、上記受光領域のエッジにビア３４を形成せず、各導電膜２８,３０,３２も上記エッジから数μｍ離してビア３４または導電膜２８,３０,３２によって反射され難い構造にすることがより望ましい。
【００６３】
また、上記第２実施形態においては、上記Ｐ＋拡散層２５とＮ型半導体層２３とから成るアバランシェフォトダイオードを有する受光素子４１について説明している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、導電型は逆であっても同様の結果が得られる。また、４層の導電膜を有する構造により説明したが、２層または３層または５層以上の導電膜を有する構造でもトータル膜厚(Ｈ＋ｈ)によって入射光を遮光できる角度が決まる。したがって、少なくとも２層以上の導電膜を有していれば、上記トータル膜厚(Ｈ＋ｈ)が上記式１を満たしていれば、同様に不要な角度からの光入射を防止できる。
【００６４】
〔第３実施形態〕
この発明の第３実施形態は、上記第２実施形態と同様にアバランシェフォトダイオードを使用した受光素子５２を用いた光センサに関する。
【００６５】
この第３実施形態の光センサは、図５に示すように、上記第２実施形態における受光素子４１に導電膜を１層追加した構造を有する受光素子５１と、受光素子５１と間隔をあけて配置された発光素子５２とを有している。
【００６６】
上記発光素子５２の光出射面の中心と受光素子５１の受光面の中心との間の距離が１０ｍｍになるように、発光素子５２と受光素子５１が配置されている。また、受光素子５１の受光面の中心と発光素子５２の光出射面の中心とを結ぶ仮想線に対して垂直方向に向かって対象物を計測し、受光素子５１の中心および発光素子５２の中心から筐体５３までの距離をそれぞれ５ｍｍとしている(携帯電話のケースなどでは一般的に５ｍｍ以下)。そうすると、受光素子５１に入射する筐体５３からの反射光の最小角度は、基板２２平面の法線に対して４５ｄｅｇとなる。尚、図５においては、筐体５３を発光素子５２からの光を反射する部分のみを描いている。
【００６７】
この第３実施形態における導電膜の構成は、上記第２実施形態の場合は４層構造であるのに対して５層構造である点で異なる。そこで、この第３実施形態においては、上記第２実施形態と同一の構成部には同一参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００６８】
上記受光素子５１の導電膜の構造においては、上記第２実施形態の場合と同様に、厚さ５００ｎｍの第１導電膜２８、厚さ１０００ｎｍのシリコン酸化膜(絶縁膜)２９、厚さ５００ｎｍの第２導電膜３０、厚さ１０００ｎｍのシリコン酸化膜(絶縁膜)３１、厚さ５００ｎｍの第３導電膜３２、厚さ１０００ｎｍのシリコン酸化膜(絶縁膜)４２が形成されている。
【００６９】
次に、上記第３実施形態において、上記シリコン酸化膜４２上に、第４導電膜５４をＡlＣuによって厚さ５００ｎｍ程度に形成した後、絶縁膜となるシリコン酸化膜５５をＣＶＤおよびＣＭＰ等で厚さ１０００ｎｍ程度に形成する。
【００７０】
そして、上記シリコン酸化膜５５上に、上記第２実施形態における第４導電膜４３の場合と同様に、遮光膜の一例としての厚さ３μｍの第５導電膜５６を形成して遮光膜とする。
【００７１】
すなわち、上記第３実施形態における導電膜の構造は、上記第２実施形態におけるシリコン酸化膜(絶縁膜)４２と第４導電膜４３との間に、導電膜およびシリコン酸化膜(絶縁膜)を挿入した構造であると言える。
【００７２】
上記導電膜構造を有する受光素子５１によれば、第１導電膜２８の下面から最上層の第５導電膜５６の下面までの厚さｈは、
ｈ＝０.５＋１＋０.５＋１＋０.５＋１＋０.５＋１＝６[μｍ]
であり、最上層の第５導電膜５６の厚さはＨ＝３μｍであり、受光領域サイズはａ＝８μｍである。したがって、
ｔａｎ(θ)  ≧  ８／(６＋３)  ＝  ０.８９
となる。したがって、基板２２平面の法線に対して約４２ｄｅｇ(＝ｔａｎ−１(０.８９))以上の角度で入射してくる光は、最上層の第５導電膜５６によって遮光され、上記アバランシェフォトダイオードには入射することができない。そのために、発光素子５２から出射されて筐体５３で反射された反射光(基板２２平面の法線に対する角度が４５ｄｅｇ)が受光素子５１に入射することはないのである。
【００７３】
ここで、上記最小角度θ[ｄｅｇ]は、遮光膜である第５導電膜５６の開口５６ａを介して基板２２側に入射する光のうち、基板２２平面に直交しかつ受光領域サイズａが定まる方向(最大外形寸法となる方向)に沿った平面上において第５導電膜５６の開口５６ａの縁を通過して受光領域Ｓ上の領域内に入射する光と、基板２２平面の法線とがなす最小角度である。
【００７４】
以上のごとく、上記第３実施形態の光センサは、発光素子５２と、受光素子５１と、発光素子５２および受光素子５１を収納する筐体５３とを有している。また、発光素子５２の光出射面における受光素子５１側の端と受光素子５１の受光面における発光素子５２の端との間隔を１０ｍｍとし、受光素子５１の受光面の中心と発光素子５２の光出射面の中心とを結ぶ仮想線から筐体５３までの距離を５ｍｍとして、受光素子５１に入射する筐体５３からの反射光の基板２２平面の法線に対する角度を４５ｄｅｇとしている。
【００７５】
その場合において、受光素子５１における第１導電膜２８の下から最上層の第５導電膜５６の下までの厚さをｈ＝６μｍとし、最上層の第５導電膜５６の厚さをＨ＝３μｍとし、受光領域サイズをａ＝８μｍとしている。したがって、遮光すべき入射光の基板２２平面の法線に対する最小角度θに関する上記式１によって、
ｔａｎ(θ)  ≧  ８／(６＋３)  ＝  ０.８９
となり、上記法線に対して約４２ｄｅｇ以上の角度で入射してくる光を最上層の第５導電膜５６によって遮光することができる。したがって、上記法線に対して４５ｄｅｇ以上の角度で受光素子５１に入射しようとする筐体５３からの反射光は、第５導電膜５６によって遮光されて上記アバランシェフォトダイオードに入射することがない。
【００７６】
したがって、この第３実施形態によれば、筐体５３からの反射光による誤検知を防止でき、対象物(図示せず)に関する有無,位置および距離等の情報をより正確に検知することができる。
【００７７】
上記第２実施形態および上記第３実施形態においては、受光素子として上記アバランシェフォトダイオードを使用する場合に、円形の受光領域を採用している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、受光素子として一般的なフォトダイオードを使用する場合に円形の受光領域を採用しても、一向に構わない。
【００７８】
また、上記第１〜第３実施形態においては、複数の導電膜のうち最上層に位置する導電膜を上記受光領域のエッジまで配置させて、上記受光領域に向かう光を遮光する遮光膜の機能を持たせている。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、複数の導電膜のうち第２層目以上に位置する少なくとも１つの導電膜を上記受光領域のエッジまで延在させて、遮光膜の機能を持たせればよいのである。
【００７９】
また、上記第１〜第３実施形態においては、アノード配線やカソード配線となる第１導電膜２８と、導電膜(遮光膜)３２,４３,５６との間の導電膜３０,３２,５４は、信号処理回路配線として用いられたり、アノード配線やカソード配線について交差したときに短絡しないように用いたりする。
【００８０】
この発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記第１〜第３実施形態で記載した内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。
【００８１】
この発明および実施形態をまとめると、次のようになる。
【００８２】
この発明の光センサは、
互いに間隔をあけて配置された発光素子５２と受光素子２１,４１,５１とを備え、
上記受光素子２１,４１,５１は、
受光領域Ｓが表面に形成された基板２２と、上記基板２２上に積層され、上記受光領域Ｓに対向する領域の全部または略全部が開口している複数の導電膜２８,３０,３２,４３,５４,５６と、上記導電膜２８,３０,３２,４３,５４,５６間に形成された透光性を有する絶縁膜２９,３１,４２,５５とを含み、
上記複数の導電膜２８,３０,３２,４３,５４,５６のうちの最下層以外の少なくも１つは、上記基板２２の上記受光領域Ｓ以外の領域を遮光する遮光膜３２,４３,５６であり、
上記複数の導電膜２８,３０,３２,４３,５４,５６のうちの最下層以外の１つであって、かつ、上記受光領域Ｓの縁と上記開口３２ａ,４３ａ,５６ａの縁を一致させた上記遮光膜３２,４３,５６の厚さをＨ[μｍ]とし、
上記最下層の導電膜２８の下面から上記遮光膜３２,４３,５６の下面までの厚さをｈ[μｍ]とし、
上記受光領域Ｓの最大外形寸法である受光領域サイズをａ[μｍ]とし、
上記遮光膜３２,４３,５６の開口３２ａ,４３ａ,５６ａを介して上記基板２２側に入射する光のうち、上記基板２２平面に直交しかつ上記受光領域サイズａが定まる方向に沿った平面上において上記遮光膜３２,４３,５６の開口３２ａ,４３ａ,５６ａの縁を通過して上記受光領域Ｓ上の領域内に入射する光と、上記基板２２平面の法線とがなす最小角度をθ[ｄｅｇ]とした場合に、
Ｈ＋ｈ  ≧  ａ／ｔａｎ(θ)
の条件を満たすように構成されていることを特徴としている。
【００８３】
上記構成によれば、受光素子２１,４１,５１において、遮光すべき光を遮光する遮光膜としての導電膜３２,４３,５６は、絶縁膜３１,４２,５５上に成膜されている。したがって、上記特許文献１に開示された角度制限フィルタの遮光物質のごとく、遮光体が垂直方向に形成されている場合に比して、遮光すべき反射光が遮光性を有する導電膜３２,４３,５６で反射されて受光領域Ｓに入射するのを抑制することができる。
【００８４】
さらに、上記基板２２の受光領域Ｓ以外の領域を遮光する遮光膜である導電膜３２,４３,５６の厚さＨ[μｍ]と、最下層に位置する導電膜２８の下面から最上層に位置する導電膜３２,４３,５６の下面までの厚さｈ[μｍ]と、受光領域Ｓの最大外形寸法である受光領域サイズａ[μｍ]と、遮光膜３２,４３,５６の開口３２ａ,４３ａ,５６ａを介して基板２２側に入射する光のうち、基板２２平面に直交しかつ受光領域サイズａが定まる方向(最大外形寸法となる方向)に沿った平面上において遮光膜３２,４３,５６の開口３２ａ,４３ａ,５６ａの縁を通過して受光領域Ｓ上の領域内に入射する光と、基板２２平面の法線とがなす最小角度θ[ｄｅｇ]とを、上記式の条件を満たすように設定しているので、上記遮光すべき光を確実に遮光することができる。
【００８５】
したがって、上記遮光すべき光の上記法線に対する最小角度θ[ｄｅｇ]を、発光素子５２および受光素子２１,４１,５１を収納する筐体５３からの反射光が受光領域Ｓに入射するのを防止できるように設定すれば、その設定された最小角度θ以上の角度で受光領域Ｓに入射しようとする筐体５３からの反射光を、遮光性を有する導電膜３２,４３,５６によって遮光可能になる。
【００８６】
すなわち、この発明によれば、上記筐体５３からの反射光による誤検知を防止でき、対象物に関する有無,位置および距離等の情報をより正確に検知することが可能になる。
【００８７】
また、一実施形態の光センサでは、
上記受光素子４１,５１は、アバランシェフォトダイオードである。
【００８８】
この実施形態によれば、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する高感度なアバランシェフォトダイオードで受光素子４１,５１を構成しているので、受光領域サイズａは５μｍ〜１５μｍ程度の小さいサイズでよく、受光素子４１,５１の受光領域Ｓ内に上記特許文献１に開示された角度制限フィルタのごとく複数の遮光物質を形成する必要がなく、上記遮光物質での内部反射による感度低下も生じない。
【００８９】
また、一実施形態の光センサでは、
上記受光素子４１,５１における上記受光領域Ｓは略円形であり、
上記受光領域サイズａは、上記受光領域Ｓの直径である。
【００９０】
この実施形態によれば、上記受光素子４１,５１の上記受光領域Ｓを略円形に構成し、受光領域サイズａを受光領域Ｓの直径としている。したがって、より均一な電界分布を形成することができる。そのため、上記アバランシェフォトダイオードのごとく高電界を発生させて使用する場合は勿論のこと、低電界で使用する通常のフォトダイオードの場合においてもノイズの発生頻度を抑制することができ、より特性のよい光センサを得ることができる。
【００９１】
また、一実施形態の光センサでは、
上記受光素子４１,５１は、アバランシェフォトダイオードであり、
上記受光素子４１,５１の受光領域サイズａは、５μｍ以上且つ１５μｍ以下である。
【００９２】
この実施形態によれば、上記受光素子４１,５１をアバランシェフォトダイオードで構成し、その受光領域サイズａを５μｍ以上且つ１５μｍ以下としている。したがって、受光領域サイズａを小さくすることができ、上記特許文献１に開示された角度制限フィルタのごとく受光領域Ｓ内に複数の遮光体を形成する必要がなく、上記遮光体での内部反射による感度低下が生ずることがない。
【００９３】
また、一実施形態の光センサでは、
上記最小角度θは４５ｄｅｇである。
【００９４】
一般的な光センサにおいては、発光素子の光出射面における受光素子側の端と上記受光素子の受光面における上記発光素子側の端とは互いに１０ｍｍ離間して配置され、上記受光素子における受光面の中心と上記発光素子における光出射面の中心とを結ぶ仮想線から上記筐体までの距離は５ｍｍとしている。そのため、上記基板２２平面に直交しかつ受光領域サイズａが定まる方向に沿った平面上において遮光膜３２,４３,５６の開口３２ａ,４３ａ,５６ａの縁を通過して受光領域Ｓ上の領域内に入射する光と、基板２２平面の法線とがなす最小角度は４５ｄｅｇとなる。
【００９５】
この実施形態によれば、上記受光領域Ｓ以外の領域を遮光する遮光膜３２,４３,５６により遮光すべき光の基板２２平面の法線に対する最小角度θを、４５ｄｅｇとすることによって、受光面の法線に対して４５ｄｅｇ以上の角度で上記受光領域に入射しようとする上記筐体５３からの反射光を、上記遮光性を有する導電膜３２,４３,５６によって遮光することができる。
【００９６】
すなわち、この実施形態によれば、上記筐体５３からの反射光による誤検知を防止し、対象物に関する有無,位置および距離等の情報をより正確に検知することができる。
【符号の説明】
【００９７】
２１,４１,５１…受光素子
２２…シリコン半導体基板
２３…Ｎ型半導体層
２４…Ｐ型半導体層
２５…Ｐ＋拡散層
２６…Ｎ＋拡散層
２７…シリコン酸化膜(フィールド膜)
２８…第１導電膜(アノード配線やカソード配線)
２９,３１,４２,５５…シリコン酸化膜(絶縁膜)
３０…第２導電膜
３２…第３導電膜(遮光膜)
３２ａ…開口
３３…ＳＴＩ
３４…ビア
４３…第４導電膜(遮光膜)
４２ａ…開口
５２…発光素子
５３…筐体
５４…第４導電膜
５６…第５導電膜(遮光膜)
５６ａ…開口
【図１】
2019015505.tif 000003
【図２】
2019015505.tif 000004
【図３】
2019015505.tif 000005
【図４】
2019015505.tif 000006
【図５】
2019015505.tif 000007
【図６】
2019015505.tif 000008
【図７】
2019015505.tif 000009