(57)【要約】【課題】  フォトダイオードからの暗電流成分を高精度で補償することが可能な光検出モジュールを提供する。【解決手段】  光を検出する方形状の受光用フォトダイオード１の一辺に隣接した領域に遮光した遮光用フォトダイオードを配置してユニット３を形成し、このユニットを多数配置して光検出部を構成し、受光用フォトダイオードの出力電流から、受光用フォトダイオードと遮光用フォトダイオードの面積比倍した遮光用フォトダイオードの出力電流を差し引く減算回路32を設けて、光検出モジュールを構成する。【選択図】        図  １
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を受光する第１のフォトダイオード、及び該第１のフォトダイオードに隣接して形成され、入射光が遮光された第２のフォトダイオードからなるユニットが同一基板上に複数個配列されてなる光検出部と、同一ユニット内における前記第１のフォトダイオードの出力から前記第２のフォトダイオードの出力を減算する減算回路とを有する光検出モジュール。
【請求項２】
前記第２のフォトダイオードは、前記第１のフォトダイオードの外縁の少なくとも一部を囲んで形成されていることを特徴とする請求項１に係る光検出モジュール。
【請求項３】
前記第２のフォトダイオードは、前記第１のフォトダイオードの外縁を囲んで、その端部を閉塞して形成されていることを特徴とする請求項２に係る光検出モジュール。
【請求項４】
前記複数個のユニットの内、隣接する第１のユニットと第２のユニットとは、前記第２のフォトダイオードを共有していることを特徴とする請求項１に係る光検出モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトダイオードからの暗電流成分を高精度で補償することの可能な光検出モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被写界を複数の領域に分割し、それぞれの領域毎の輝度信号を用いて測光を行う、いわゆる多分割測光方式が多くのカメラで用いられている。多分割測光方式では、被写界からより多くの正確な輝度情報を得るためには、フォトダイオードの分割数が多いほど有利である。
【０００３】
図８は、例えば特開２００２−１９９２９２号公報に開示されている、多分割測光方式の測光センサに適用可能な光電変換装置における信号処理回路の構成を示す回路構成図である。図８において、101a，101b，101cは入力端子、102a，102b，102cは演算増幅器と積分容量とリセットスイッチと基準電圧源とからなる積分回路、103a，103b，103cは積分回路102a，102b，102cの出力信号をサンプリングするサンプリングスイッチ、104a，104b，104cはホールド容量とバッファアンプとからなるホールド回路、105a，105b，105cはホールド回路104a，104b，104cの出力を順次読み出す読み出し用スイッチ、106 は読み出し用スイッチ駆動用シフトレジスタ、107 は出力バッファアンプ、108 は出力端子、109 は出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部である。
【０００４】
このように構成された信号処理回路において、入力端子101a，101b，101cには、マトリックス状に配置された測光センサの光電変換素子にそれぞれ接続されており、入力端子101a，101b，101cに入力された光電変換素子で検出された光電流Ｉp は、積分回路102a，102b，102cにより電圧信号に変換され、サンプリングスイッチ103a，103b，103cを介してホールド回路104a，104b，104cに保持される。ホールド回路104a，104b，104cに保持された電圧信号は、シフトレジスタ106 で駆動される読み出し用スイッチ105a，105b，105cを介して順次出力端子108 に出力される。積分回路の積分容量をＣ，積分時間をＴとすると、出力電圧Ｖout は、次式（１）のように表される。なお、Ｉd は光電変換素子から流出される暗電流である。
Ｖout ＝（Ｉp ＋Ｉd ）×Ｔ／Ｃ  ・・・・・・・（１）
【０００５】
一方、光電変換素子の出力から暗電流成分を補償する手法としては、次のような手法が知られている。図９は、特開平９−２３８２８７号公報に開示されている固体撮像装置の遮光部を有する画素部の構成を示す平面概略図である。図９において、201 は画素部の画素領域で、該画素領域201 には、複数の画素202 がマトリックス状に配置されている。この画素領域201 の中央部は受光部有効画素領域203 であり、複数の有効画素202Aで形成されている。一方、受光部有効画素領域203 の外周部は、オプティカル・ブラック部（以下、ＯＢ部という）領域204 が配置されている。このＯＢ部領域204 に形成されているＯＢ部画素202Bは、有効画素202Aと同一の構成を有しているが、その上部の全面に、ＯＢ部金属遮光膜205 が形成されている。なお、図９において、206 は読み出し回路、207 は周辺回路領域、208 は出力端子である。
【０００６】
このように構成されている画素部において、受光部有効画素領域203 の内部に形成されている有効画素202Aでは被写体からの光を受光し、その光を画像信号（信号電荷）に光電変換して、光電流及び暗電流を出力する。一方、ＯＢ部画素202Bでは暗電流のみを出力する。よって、有効画素202Aの出力からＯＢ部画素202Bの出力を差し引くことにより、暗電流を補償することができる。
【特許文献１】特開２００２−１９９２９２号公報
【特許文献２】特開平９−２３８２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図８に示した従来の信号処理回路においては、光量が多い場合には光電変換素子で生成される光電流Ｉp は、Ｉp ≫Ｉd なので光量に比例した出力信号が得られる。しかしながら、光量が微弱な場合、光電流Ｉp が暗電流Ｉd に近づくため、出力信号は光量に比例しなくなり、したがって微弱光を検出できないという問題点がある。
【０００８】
一方、図９には、上記問題点を解決する手法として、ＯＢ部画素を用いた暗電流の補償法が開示されている。しかし、外周部に形成されているＯＢ部画素から有効画素が離れて配置されている場合には、両画素の素子特性が相対的にばらつくため、ＯＢ部画素と有効画素間で暗電流値が異なってしまう。また、画素部に温度勾配があった場合にも、同様にＯＢ部画素と有効画素間で暗電流値が異なってしまう。したがって、有効画素の出力からＯＢ部画素の出力を差し引いても、十分に暗電流の補償を行うことができないという問題点がある。
【０００９】
本発明は、従来の光電変換素子の暗電流補償手法における上記問題点を解消するためになされたもので、フォトダイオードからの暗電流成分を高精度で補償することができる光検出モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、入射光を受光する第１のフォトダイオード、及び該第１のフォトダイオードに隣接して形成され、入射光が遮光された第２のフォトダイオードからなるユニットが同一基板上に複数個配列されてなる光検出部と、同一ユニット内における前記第１のフォトダイオードの出力から前記第２のフォトダイオードの出力を減算する減算回路とを備えて光検出モジュールを構成するものである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る光検出モジュールにおいて、前記第２のフォトダイオードは、前記第１のフォトダイオードの外縁の少なくとも一部を囲んで形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る光検出モジュールにおいて、前記第２のフォトダイオードは、前記第１のフォトダイオードの外縁を囲んで、その端部を閉塞して形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１に係る光検出モジュールにおいて、前記複数個のユニットの内、隣接する第１のユニットと第２のユニットとは、前記第２のフォトダイオードを共有していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、入射光を受光する第１のフォトダイオードと遮光された第２のフォトダイオードは隣接して形成されているので、各フォトダイオードの電気特性のばらつきを少なくし、暗電流成分をより高精度で補償することができる。また請求項２に係る発明によれば、遮光された第２のフォトダイオードを、入射光を受光する第１のフォトダイオードの外縁の少なくとも一部を囲んで形成しているので、各フォトダイオードの電気特性のばらつきをより少なくし、暗電流成分をより高精度で補償することができる。また請求項３に係る発明によれば、遮光された第２のフォトダイオードを、入射光を受光する第１のフォトダイオードの外縁を囲んで、その端部を閉塞して形成しているので、各フォトダイオードの電気特性のばらつきをより一層少なくし、暗電流成分をより一層高精度で補償することができる。また、請求項４に係る発明によれば、複数個のユニットの内、隣接する第１のユニットと第２のユニットとは、遮光された第２のフォトダイオードを共有するようにしているので、ユニット間隔を狭くすることができると共に、単位面積当たりの入射光を受光する第１のフォトダイオードの大きさを大きくとれ、開口率を大にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００１６】
まず、実施例１について説明する。図１は本発明に係る光検出モジュールの実施例１の構成を示す図である。測光センサ等として用いる光検出モジュールの場合、固体撮像装置に要求されるような詳細な解像度は必要としないため、画素サイズも大きく画素と画素との間にはスペースがあってもよい。そこで、本発明に係る光検出モジュールの実施例１では、図１に示すように、光を検出する方形状の受光用フォトダイオード１と該受光用フォトダイオード１の一辺に隣接した領域に遮光した遮光用フォトダイオード２とを配置し、これらの受光用及び遮光用フォトダイオード１，２でフォトダイオードユニット３を構成している。そして、図１に示す実施例１では、フォトダイオードユニット３を３×３構成として光検出部を構成し、各行方向に配列されている受光用フォトダイオード列間に遮光用フォトダイオード２が配列されている形態のものを示している。
【００１７】
図２の（Ａ）は、図１のＡ−Ａ′線に沿った２つのフォトダイオードユニット（第１のフォトダイオードユニットと第２のフォトダイオードユニット）の断面構造を示す図である。図２において、11はＮ型基板、12はＮ型基板11上に形成されたＮ-well ，13，14，15，16はＮ-well12 上に形成された第１〜第４のＰ+ 型拡散層、17はＮ-well12 上に形成されたＮ+ 型拡散層、18はＮ-well12 領域に選択的に形成されたフォトダイオード分離用のＬＯＣＯＳ酸化膜であり、第１のＰ+ 型拡散層13とＮ-well12 とで第１のユニットの受光用フォトダイオードＰＤ１p ，第２のＰ+ 型拡散層14とＮ-well12 とで第１のユニットの遮光用フォトダイオードＰＤ１d ，第３のＰ+ 型拡散層15とＮ-well12 とで第２のユニットの受光用フォトダイオードＰＤ２p ，第４のＰ+ 型拡散層16とＮ-well12 とで第２のユニットの遮光用フォトダイオードＰＤ２d を形成している。
【００１８】
19は配線領域に形成されている第１の層間膜、20は第１の層間膜19に形成したコンタクトホールを介して第１のＰ+ 型拡散層13に接続して形成された第１のユニットの受光用フォトダイオードＰＤ１p のアノード端子、21は第１の層間膜19に形成したコンタクトホールを介して第２のＰ+ 型拡散層14に接続して形成された第１のユニットの遮光用フォトダイオードＰＤ１d のアノード端子、22は第１の層間膜19に形成したコンタクトホールを介して第３のＰ+ 型拡散層15に接続して形成された第２のユニットの受光用フォトダイオードＰＤ２p のアノード端子、23は第１の層間膜19に形成したコンタクトホールを介して第４のＰ+ 型拡散層16に接続して形成された第２のユニットの遮光用フォトダイオードＰＤ２d のアノード端子、24は第１の層間膜19に形成したコンタクトホールを介してＮ+ 型拡散層17に接続して形成された各フォトダイオードの共通のカソード端子である。また、25は第１の層間膜19上に形成された第２の層間膜、26は第２の層間膜25上に形成された遮光メタルである。そして、この図２の（Ａ）に示した断面構成部分の各フォトダイオードの構成は、図２の（Ｂ）に示す回路構成のようになっている。
【００１９】
図２の（Ａ）に示した２つのフォトダイオードユニットにおける各受光用フォトダイオード及び遮光用フォトダイオードから出力される信号を伝達する配線は、遮光用フォトダイオード領域上に配置した１層構成のもので示しているが、多数のユニットからなる光検出部の場合の信号伝達配線は、多層配線構成で遮光用フォトダイオード領域上に設けてもよい。
【００２０】
次に、このように構成されている光検出部に対する信号処理回路の構成を、その動作と共に説明する。図１に示すように、実施例１の光検出部における受光用フォトダイオード１の領域は遮光用フォトダイオード２の領域より大きく、それらの面積は異なるため、遮光用フォトダイオード２からの出力電流を、受光用フォトダイオード１と遮光用フォトダイオード２の面積比倍にするための電流増幅回路31が設けられており、受光用フォトダイオード１からの出力電流から前記面積比倍した遮光用フォトダイオード２の出力電流を、減算回路32で差し引き、差し引いた電流を積分回路33で積分してホールド回路34でホールドする。そして、ホールドした各ユニットの出力をマルチプレクサ35により順次出力端子36に出力するように構成されている。
【００２１】
ここで、受光用フォトダイオード１の光電流をＩp ，その暗電流をＩd １，遮光用フォトダイオード２の暗電流をＩd ２，受光用フォトダイオード１と遮光用フォトダイオード２の面積比をｋとすると、出力電圧Ｖout は、次式（２）で表される。
Ｖout ＝｛（Ｉp ＋Ｉd １）−ｋＩd ２｝×Ｔ／Ｃ  ・・・・・・・・・・（２）
【００２２】
ここで、受光用フォトダイオード１と遮光用フォトダイオード２は隣接して配置されているので、ばらつきは少なく同等の電気特性となるので、Ｉd １＝ｋＩd ２とおくことができ、（２）式は（３）式のように表される。
Ｖout ＝Ｉp ×Ｔ／Ｃ  ・・・・・・・・・・・・（３）
【００２３】
このように、受光用フォトダイオードと遮光用フォトダイオードとを隣接して配置して両者の電気特性を同等にすることにより、暗電流を高精度で補償することが可能な光検出モジュールを実現することができる。
【００２４】
次に、実施例２について説明する。図１に示した実施例１では方形状の受光用フォトダイオードの一辺に沿って遮光用フォトダイオードを配置したものを示したが、この実施例２に係る光検出モジュールは、図３に示すように、方形状の受光用フォトダイオード１の周囲に、つまり四辺に隣接して遮光用フォトダイオード２ａを配置し、この遮光用フォトダイオード領域上を配線領域として、この配線領域に受光用フォトダイオード１と遮光用フォトダイオード２ａからの出力信号を伝達する配線を多層配線構造として配置し、光検出部を構成している。
【００２５】
この実施例２に係る光検出モジュールの光検出部に対する信号処理回路は、図１に示した実施例１に係る光検出モジュールにおける信号処理回路と同一である。この実施例２において、受光用フォトダイオード１の光電流をＩp ，その暗電流をＩd １，遮光用フォトダイオード２ａの暗電流をＩd ２，受光用フォトダイオード１と遮光用フォトダイオード２ａの面積比をｍとすると、出力電圧Ｖout は、次式（４）で表される。
Ｖout ＝｛（Ｉp ＋Ｉd １）−ｍＩd ２｝×Ｔ／Ｃ  ・・・・・・・・・・（４）
ここで、受光用フォトダイオード１は遮光用フォトダイオード２ａに囲まれて両者は隣接して配置しており、よりばらつきが少なく同等の電気特性となるので、Ｉd １＝ｍＩd ２とすることができ、（４）式は（５）式のように表される。
Ｖout ＝Ｉp ×Ｔ／Ｃ  ・・・・・・・・・・・・（５）
【００２６】
このように、受光用フォトダイオードが遮光用フォトダイオードに囲まれるように両者を隣接して配置して、両者の電気特性を同等にすることにより、暗電流をより高精度で補償することが可能な光検出モジュールを実現することができる。
【００２７】
上記実施例２では、方形状の受光用フォトダイオード１に対して、その四辺の周囲に隣接し、外縁が方形状の遮光用フォトダイオード２ａを配設してユニットを形成し、そのユニットを多数配列して光検出部を構成した光検出モジュールを示したが、遮光用フォトダイオードを受光用フォトダイオードに対して、それを囲むように隣接して配置しユニットを構成する態様として、他の配置態様を図４の（Ａ）〜（Ｅ）に実施例２の光検出部の変形例として示す。
【００２８】
図４の（Ａ）は、円形状の受光用フォトダイオード１ａに対して、その円形状外縁に隣接して、外縁を方形状とした遮光用フォトダイオード２ｂを配置してユニットを構成したものである。図４の（Ｂ）は、同じく円形状の受光用フォトダイオード１ａに対して、図３に示した実施例２と同様な内縁及び外縁とも方形状の遮光用フォトダイオード２ａを受光用フォトダイオード１ａを囲むように配置してユニットを構成したものである。図４の（Ｃ）は、円形状の受光用フォトダイオード１ａに対して、その円形状外縁に隣接して円環状の遮光用フォトダイオード２ｃを配置してユニットを構成したものである。図４の（Ｄ）は、方形状の受光用フォトダイオード１に対して、その四辺に隣接し外縁が円形状の遮光用フォトダイオード２ｄを配置してユニットを構成したものである。図４の（Ｅ）は、方形状の受光用フォトダイオード１に対して、円環状の遮光用フォトダイオード２ｃを受光用フォトダイオード１を囲むように配置してユニットを構成したものであり、いずれの変形例においても、図３に示した実施例２と同等の作用効果を奏することができる。
【００２９】
また、上記実施例２及びその変形例では、受光用フォトダイオードに対して該受光用フォトダイオードを囲むように閉塞した形状の遮光用フォトダイオードを配置してユニットを構成したものを示したが、遮光用フォトダイオードは、閉塞した形状ではなく、例えば、図５に示すように、方形状の受光用フォトダイオード１の連接する２辺に対して隣接するような形状、つまり受光用フォトダイオードの外縁の一部を囲むような形状となるように、遮光用フォトダイオード２′を形成してユニットを構成してもよく、この場合は、実施例２あるいはその変形例に示したものほどではないが、図１に示した実施例１に示したものより、より高精度で暗電流を補償することが可能となる。
【００３０】
次に、図６に基づいて実施例３について説明する。この実施例に係る光検出モジュールの光検出部の外形的な構造自体は、図１に示した実施例１に係る光検出モジュールにおける光検出部と同一である。異なる点は、この実施例３では、各行方向に配列されている方形状の受光用フォトダイオード間に配置されている遮光用フォトダイオードを、列方向で隣接する２つのユニット間で共用するようにしている点で、したがって、この実施例３の光検出部における各ユニット３は、受光用フォトダイオード１と、該受光用フォトダイオード１を挟むように上下の二辺に隣接して配置した２つの遮光用フォトダイオード２-1，２-2とで構成されている。
【００３１】
このように構成された光検出部において、受光用フォトダイオード１を挟むように配置された隣接ユニット間で共用される２つの遮光用フォトダイオード２-1，２-2からの出力電流（暗電流）は、カレントミラー回路37を用いてコピーされ、隣接ユニットで利用されるようになっている。そして、受光用フォトダイオード１を挟む２つの遮光用フォトダイオード２からカレントミラー回路37を介して出力される出力電流は、電流増幅回路31で受光用フォトダイオード１と２つの遮光用フォトダイオード２の面積比倍で増幅され、減算回路32で受光用フォトダイオード１からの出力電流から差し引かれる。差し引いた電流は同様に積分回路33で積分され、ホールド回路34でホールドし、マルチプレクサ35により順次出力端子36に出力する。ここで、受光用フォトダイオード１の光電流をＩp ，その暗電流をＩd １，一方の遮光用フォトダイオード２-1の暗電流をＩd ２ａ，他方の遮光用フォトダイオード２-2の暗電流をＩd ２ｂとし、受光用フォトダイオード１と２つの遮光用フォトダイオード２-1，２-2の面積比をｎとすると、出力電圧Ｖout は、次式（６）のように表される。
Ｖout ＝｛（Ｉp ＋Ｉd １）−ｎ（Ｉd ２ａ＋Ｉd ２ｂ）｝×Ｔ／Ｃ  ・・・・（６）
【００３２】
そして、本実施例では、上記のように受光用フォトダイオードに対して、これを挟み込むように隣接して２つの遮光用フォトダイオードを配置しているので、ばらつきが少なく同等の電気特性となり、Ｉd １＝ｎ（Ｉd ２ａ＋Ｉd ２ｂ）とおくことができ、したがって、（６）式は次式（７）のように表される。
Ｖout ＝Ｉp ×Ｔ／Ｃ  ・・・・・・・・・・・・（７）
【００３３】
このように、受光用フォトダイオードに対して、該受光用フォトダイオードを挟み込むように隣接して２つの遮光用フォトダイオードを配置して、両者の電気特性を同等とすることにより、暗電流をより高精度で補償することが可能となり、また遮光用フォトダイオードは隣接するユニット間で共用するようにしているので、ユニット間隔を狭くすることができると共に、単位面積当たりの受光用フォトダイオードの大きさを大きくとれ、開口率を大にすることができる。
【００３４】
上記実施例３においては、方形状の受光用フォトダイオードを１方向から挟み込むように２つの遮光用フォトダイオードを配置し、且つ挟み込む列方向に隣接するユニットにおいて、それぞれ遮光用フォトダイオードを共用するようにした構成のものを示したが、その変形例として、図７に示すように、方形状の受光用フォトダイオード１を２方向から挟み込むように４つの遮光用フォトダイオード２-1，２-2，２-3，２-4を配置し、且つ行列の２方向に隣接するユニットにおいて、それぞれ遮光用フォトダイオードを共用するようにした構成とすることもでき、このような構成とすることにより、更にばらつきを少なくして同等の電気特性とすることができ、暗電流をより高精度で補償することができる。
【００３５】
また、上記実施例１〜３においては、光検出部を受光用フォトダイオードを２次元状に配列したエリアセンサタイプのもので示したが、受光用フォトダイオードを１次元状に配列したラインセンサタイプの光検出部にも本願発明に係る実施例１〜３の構成を適用することができ、同等の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る光検出モジュールの実施例１の構成を示す図である。
【図２】図１に示した実施例１に係る光検出モジュールの光検出部におけるＡ−Ａ′線に沿った断面構造を示す概略断面図、及びその断面構造部分で示される各フォトダイオードの等価回路を示す図である。
【図３】本発明の実施例２に係る光検出モジュールの構成を示す図である。
【図４】図３に示した実施例２に係る光検出モジュールの光検出部の変形例における１ユニットの構成を示す図である。
【図５】図３に示した実施例２における光検出部の更に他の変形例を示す図である。
【図６】本発明の実施例３に係る光検出モジュールの構成を示す図である。
【図７】図６に示した実施例３に係る光検出モジュールにおける光検出部の変形例を示す図である。
【図８】従来の多分割測光方式の測光センサに適用可能な光電変換装置における信号処理回路の構成例を示す図である。
【図９】従来の固体撮像装置の遮光部を有する画素部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１ａ  受光用フォトダイオード
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２′２-1，２-2，２-3，２-4  遮光用フォトダイオード  ３  ユニット
11  Ｎ型基板
12  Ｎ-well 
13  第１のＰ+ 型拡散層
14  第２のＰ+ 型拡散層
15  第３のＰ+ 型拡散層
16  第４のＰ+ 型拡散層
17  Ｎ+ 型拡散層
18  ＬＯＣＯＳ酸化膜
19  第１の層間膜
20，21，22，23  アノード端子
24  共通カソード端子
25  第２の層間膜
26  遮光メタル
31  電流増幅回路
32  減算回路
33  積分回路
34  ホールド回路
35  マルチプレクサ
36  出力端子
37  カレントミラー回路
【図１】
2007208008.tif 000003
【図２】
2007208008.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007208008.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007208008.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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