(57)【要約】【課題】指向性を広くすることで、光の強度や角度を検出することが困難となることが抑制された光センサを提供する。【解決手段】半導体基板の一面側に形成され、光を電気信号に変換する複数の受光素子と、半導体基板の一面上に形成された透光膜と、半導体基板の一面上に透光膜を介して形成された遮光膜と、遮光膜に形成され、対応する受光素子に光を導入するための複数の開口部と、を備える光センサであって、第１の受光素子の中心から、第１の受光素子に対応する第１の開口部の中心へ延びる第１の仮想直線と、第２の受光素子の中心から、第２の受光素子に対応する第２の開口部の中心へ延びる第２の仮想直線とは、仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっており、第１の受光素子の受光面積が第１の開口部の開口面積よりも大きく、第２の受光素子の受光面積が第２の開口部の開口面積よりも大きくなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一面側に形成され、光を電気信号に変換する複数の受光素子と、
前記半導体基板の一面上に形成され、光透過性を有する透光膜と、
前記半導体基板の一面上に前記透光膜を介して形成され、光遮光性を有する遮光膜と、
前記遮光膜に形成され、対応する前記受光素子に光を導入するための複数の開口部と、を備える光センサであって、
前記受光素子は、第１の受光素子と、第２の受光素子とを有し、
前記開口部は、前記第１の受光素子に対応する第１の開口部と、前記第２の受光素子に対応する第２の開口部とを有し、
前記第１の受光素子の中心から前記第１の開口部の中心へ延びる第１の仮想直線と、前記第２の受光素子の中心から前記第２の開口部の中心へ延びる第２の仮想直線とは、仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっており、
前記第１の受光素子の受光面積が前記第１の開口部の開口面積よりも大きく、前記第２の受光素子の受光面積が前記第２の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする光センサ。
【請求項２】
前記受光素子は、前記第１の受光素子と前記第２の受光素子と共に、第３の受光素子を有し、
前記開口部は、前記第１の開口部と前記第２の開口部と共に、前記第３の受光素子に対応する第３の開口部を有し、
前記第３の受光素子の中心から前記第３の開口部の中心へ延びる第３の仮想直線と前記第１の仮想直線及び前記第２の仮想直線とは、それぞれ仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっており、
前記第３の受光素子の受光面積が前記第３の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記受光素子は、前記第１〜第３の受光素子と共に、第４の受光素子を有し、
前記開口部は、前記第１〜第３の開口部と共に、前記第４の受光素子に対応する第４の開口部を有し、
前記第４の受光素子の中心から前記第４の開口部の中心へ延びる第４の仮想直線と前記第１〜第３の仮想直線とは、仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっており、
前記第４の受光素子の受光面積が前記第４の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
各受光素子の出力信号に基づいて、前記半導体基板に入射する光の仰角、左右角、及び入射量を算出する算出部を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光センサ。
【請求項５】
前記遮光膜は、前記透光膜に多層に形成され、各層の遮光膜に形成された開口部によって、光の仰角が規定されており、
各層の遮光膜に形成された開口部の開口面積が、前記半導体基板の形成面に近づくにつれて、大きくなることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応した透光用の開口部が形成された光センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体基板にフォトダイオードが複数形成され、その形成面上に透光性を有する透光層が形成され、その透光層に遮光性を有する遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが複数形成された光センサが提案されている。この光センサでは、遮光マスクの光伝播エリアによって、フォトダイオードの受光面に入射する光の範囲が、規定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許６８７５９７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に示される光センサでは、特許文献１の図１に示されるように、フォトダイオードの受光面と光伝播エリアの面積とがほぼ同一となっている。そのため、各フォトダイオードの受光面に入射する光の角度範囲（指向性）が狭くなり、ある角度を有する光をフォトダイオードによって検出することができない、という不具合が生じる虞がある。したがって、特許文献１に記載の光センサの構造の場合、各フォトダイオードの出力信号に基づいて、光の強度（入射量）や角度（仰角や左右角）を検出することが困難となる虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、指向性を広くすることで、光の強度や角度を検出することが困難となることが抑制された光センサ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】
【０００６】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板の一面側に形成され、光を電気信号に変換する複数の受光素子と、半導体基板の一面上に形成され、光透過性を有する透光膜と、半導体基板の一面上に透光膜を介して形成され、光遮光性を有する遮光膜と、遮光膜に形成され、対応する受光素子に光を導入するための複数の開口部と、を備える光センサであって、受光素子は、第１の受光素子と、第２の受光素子とを有し、開口部は、第１の受光素子に対応する第１の開口部と、第２の受光素子に対応する第２の開口部とを有し、第１の受光素子の中心から第１の開口部の中心へ延びる第１の仮想直線と、第２の受光素子の中心から第２の開口部の中心へ延びる第２の仮想直線とは、仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっており、第１の受光素子の受光面積が第１の開口部の開口面積よりも大きく、第２の受光素子の受光面積が第２の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
このように本発明によれば、複数の受光素子の中心と、各受光素子に対応する開口部の中心とを結ぶ仮想直線それぞれの仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっている。これにより、光の強度と角度とを含む、それぞれの値が異なる出力信号を、複数得ることができる。
【０００８】
また、本発明では、受光素子の受光面積が、対応する開口部の開口面積よりも大きくなっている。これにより、受光面積と開口面積とが等しい構成と比べて、受光素子の受光面に入射する光の角度範囲（指向性）が広くなり、ある角度を有する光を受光素子によって検出することができない、という不具合が生じることが抑制される。以上により、各受光素子の出力信号に基づいて、光の強度（入射量）や角度（仰角や左右角）を検出することが困難となることが抑制される。
【０００９】
ところで、請求項１では、２つの受光素子が半導体基板の一面側に形成され、２つの開口部が遮光膜に形成された例を示した。しかしながら、受光素子及び開口部それぞれの数は上記例に限定されない。例えば、請求項２に記載のように、３つの受光素子が半導体基板の一面側に形成され、３つの開口部が遮光膜に形成されても良い。また、請求項３に記載のように、４つの受光素子が半導体基板の一面側に形成され、４つの開口部が遮光膜に形成されても良い。
【００１０】
なお、請求項２では、第３の受光素子の中心から第３の開口部の中心へ延びる第３の仮想直線と第１の仮想直線及び第２の仮想直線とは、それぞれ仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっており、第３の受光素子の受光面積が第３の開口部の開口面積よりも大きくなっている。また、請求項３では、第４の受光素子の中心から第４の開口部の中心へ延びる第４の仮想直線と第１〜第３の仮想直線とは、仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっており、第４の受光素子の受光面積が第４の開口部の開口面積よりも大きくなっている。
【００１１】
上記した光の強度や角度は、請求項４に記載の算出部によって行われる。また、上記した仰角は、受光素子の受光面に平行な直線と光の進行方向とが成す角度であり、左右角は、半導体基板における基準点周りの角度である。
【００１２】
請求項５に記載のように、遮光膜は、透光膜に多層に形成され、各層の遮光膜に形成された開口部によって、光の仰角が規定されており、各層の遮光膜それぞれに形成された開口部の開口面積が、半導体基板の形成面に近づくにつれて、大きくなる構成が好ましい。
【００１３】
これによれば、ある開口部から入射した光が、その開口部と対応する受光素子以外の受光素子に入射することが抑制される。これにより、各受光素子の出力信号に、意図しない入射光からの外乱出力が含まれることが抑制される。
【００１４】
また、本発明では、各層の遮光膜に形成された開口部の開口面積が、半導体基板の形成面に近づくにつれて、大きくなっている。これによれば、各層の遮光膜の開口部の開口面積が等しい構成、若しくは、形成面に近づくにつれて、開口面積が小さくなる構成とは異なり、各層の遮光膜それぞれに形成された開口部によって、光の指向性が狭まることが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】算出部を説明するための概略的な回路図である。
【図５】光の角度範囲を説明するための断面図であり、（ａ）は、本実施形態の角度範囲を示し、（ｂ）は、受光素子の受光面積が、対応する開口部の開口面積と等しい場合の角度範囲を示している。
【図６】光センサの変形例を説明するための平面図である。
【図７】光センサの変形例を説明するための平面図である。
【図８】開口部の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、算出部を説明するための概略的な回路図である。図５は、光の角度範囲を説明するための断面図であり、（ａ）は、本実施形態の角度範囲を示し、（ｂ）は、受光素子の受光面積が、対応する開口部の開口面積と等しい場合の角度範囲を示している。なお、図１では、後述する受光素子２０ａ〜２０ｃを破線で示し、図２及び図３では、透光膜３０における、開口部４１ａ〜４１ｃを介して形成面１０ａに入射する光の範囲を白抜きとして示している。また、図１〜図３では、算出部５０を省略している。
【００１７】
図１〜図４に示すように、光センサ１００は、要部として、半導体基板１０と、受光素子２０と、透光膜３０と、遮光膜４０と、算出部５０と、を有する。半導体基板１０の一面側に受光素子２０が形成され、その受光素子２０の形成面１０ａ上に透光膜３０が形成され、その透光膜３０に遮光膜４０が形成されている。そして、遮光膜４０には、透光用の開口部４１が形成されており、この開口部４１を介して、光が受光素子２０に入射するようになっている。受光素子２０と算出部５０とは電気的に接続されており、受光素子２０の出力信号は、算出部５０によって処理される。以下においては、先ず、光センサ１００の要部１０〜５０の概略構成を示した後に、光センサ１００の特徴点とその作用効果を説明する。
【００１８】
半導体基板１０は、矩形状を成し、上記した受光素子２０や、図４に示す算出部５０を構成する電子素子（図示略）が形成されている。これら電子素子は、半導体基板１０に形成された配線パターン（図示略）を介して電気的に接続されている。
【００１９】
受光素子２０は、光を電気信号に変換するものである。本実施形態に係る受光素子２０は、ＰＮ接合を有するフォトダイオードである。図１〜図３に示すように、３つの受光素子２０ａ〜２０ｃが、半導体基板１０に形成されている。
【００２０】
透光膜３０は、光透過性と絶縁性とを有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えば半導体プロセスで使用される層間絶縁膜ＳｉＯ２がある。図２及び図３に示すように、透光膜３０は、形成面１０ａ上に、多層に形成されている。本実施形態では、３層の透光膜３０が形成面１０ａ上に形成されている。
【００２１】
遮光膜４０は、遮光性と導電性を有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばアルミニウムがある。図２及び図３に示すように、遮光膜４０は、２層の透光膜３０の間に形成されており、多層の遮光膜４０が、透光膜３０を介して形成面１０ａ上に形成されている。本実施形態では、２つの遮光膜４０が透光膜３０に形成されており、各層の遮光膜４０それぞれに、受光素子２０ａ〜２０ｃそれぞれに対応した、開口部４１ａ〜４１ｃが形成されている。本実施形態では、各遮光膜４０に形成された開口部４１ａ〜４１ｃの開口面積が等しくなっており、これら各層の開口部４１ａ〜４１ｃによって、受光素子２０ａ〜２０ｃそれぞれの受光面２１に平行な直線と光の進行方向とによって形成される光の仰角が規定されている。なお、図示しないが、遮光膜４０は、半導体基板１０に形成された配線パターンと電気的に接続しており、各電子素子を電気的に接続する配線としての機能も果たすようになっている。
【００２２】
算出部５０は、各受光素子２０ａ〜２０ｃの出力信号に基づいて、光センサ１００に入射する光の入射量、仰角、及び左右角を算出するものである。図４に示すように、算出部５０は、各受光素子２０ａ〜２０ｃの出力信号を増幅する増幅部５１ａ〜５１ｃと、該増幅部５１ａ〜５１ｃの出力信号を演算することで、光センサ１００に入射する光の入射量、仰角、及び左右角を算出する演算部５２と、を有する。
【００２３】
次に、本実施形態に係る光センサ１００の特徴点とその作用効果を説明する。図１に示すように、第１受光素子２０ａは、バツ印で記された半導体基板１０の基準点Ｐに位置している。そして、第２受光素子２０ｂは、基準点Ｐを通り形成面１０ａに平行な基準線Ｑ上に位置し、第３受光素子２０ｃは、基準点Ｐを回転中心として基準線Ｑを時計回りに９０°回転した回転線Ｒ上に位置している。また、第１受光素子２０ａに対応する第１開口部４１ａは基準点Ｐに位置し、第２受光素子２０ｂに対応する第２開口部４１ｂは基準線Ｑ上に位置し、第３受光素子２０ｃに対応する第３開口部４１ｃは回転線Ｒ上に位置している。これにより、基準点Ｐ周りの角度（左右角）を、基準線Ｑと基準点Ｐを通る任意の線との成す角度と定義すると、第１受光素子２０ａと第２受光素子２０ｂそれぞれの受光面２１に入射する光の左右角が０°となり、第３受光素子２０ｃの受光面２１に入射する光の左右角が９０°となっている。
【００２４】
図１〜図３に示すように、第１受光素子２０ａの中心と第１開口部４１ａの中心とが基準点Ｐに位置しており、それぞれの中心を結ぶ第１仮想直線Ａと形成面１０ａとの成す角度（仰角）が９０°となっている。これに対して、第２受光素子２０ｂが基準点Ｐ側となるように、第２受光素子２０ｂの中心と第２開口部４１ｂの中心とが基準線Ｑ上で離れており、それぞれの中心を結ぶ第２仮想直線Ｂの仰角が４５°となっている。また、第３受光素子２０ｃが基準点Ｐ側となるように、第３受光素子２０ｃの中心と第３開口部４１ｃの中心とが回転線Ｒ上で離れており、それぞれの中心を結ぶ第３仮想直線Ｃの仰角が４５°となっている。
【００２５】
以上により、第１仮想直線Ａの仰角が９０°、左右角が０°、第２仮想直線Ｂの仰角が４５°、左右角が０°、第３仮想直線Ｃの仰角が４５°、左右角が９０°となっている。これにより、第１受光素子２０ａの受光面２１に入射する光の角度範囲（指向性）が仰角９０°、左右角０°を含み、第２受光素子２０ｂの指向性が仰角４５°、左右角０°を含み、第３受光素子２０ｃの指向性が仰角４５°、左右角９０°を含むこととなる。このように、上記構成の場合、仰角及び左右角の少なくとも一方が異なる３つの出力信号を得ることができるので、これら３つの出力信号を算出部５０にて演算することで、光の強度（入射量）や角度（仰角や左右角）を検出することができる。
【００２６】
また、図２、図３、及び図５に示すように、各受光素子２０ａ〜２０ｃの受光面積が、対応する開口部４１ａ〜４１ｃの開口面積よりも大きくなっている。これにより、図５に示すように、破線で示す２つの線によって構成される角度θによって規定される、受光面２１に入射する光の角度範囲（指向性）が、受光面積と開口面積とが等しい構成と比べて広くなっている。すなわち、角度θ１が角度θ３よりも大きく、角度θ２が角度θ４よりも大きくなっている。したがって、ある角度を有する光を受光素子によって検出することができない、という不具合が生じることが抑制され、各受光素子２０ａ〜２０ｃの出力信号に基づいて、光の強度（入射量）や角度（仰角や左右角）を検出することが困難となることが抑制される。
【００２７】
本実施形態では、透光膜３０に遮光膜４０が多層に形成され、隣接する開口部４１の間に、多層の遮光膜４０が形成されている。これにより、一層の遮光膜に開口部が形成された構成と比べて、半導体基板１０に入射する光の範囲を狭めることができる。これにより、例えば、図２に実線矢印で示す仰角を有する光が、第２開口部４１ｂを介して、第２開口部４１ｂと対応しない第１受光素子２０ａに入射することが抑制される。この結果、各受光素子２０の出力信号に、意図しない入射光からの外乱出力が含まれることが抑制される。
【００２８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００２９】
本実施形態では、３つの受光素子２０ａ〜２０ｃが半導体基板１０に形成された例を示した。しかしながら、受光素子２０の数としては、複数であればよく、上記例に限定されない。また、受光素子２０とそれに対応する開口部４１とがそれぞれ４つ以上の場合、これら複数の受光素子２０とそれに対応する開口部４１それぞれの中心を結ぶ仮想直線それぞれの仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっていれば良い。例えば、図６に示すように、４つの受光素子２０ａ〜２０ｄが半導体基板１０に形成された構成、若しくは、図７に示すように、８つの受光素子２０ａ〜２０ｈが半導体基板１０に形成された構成を採用することもできる。
【００３０】
図６に示す変形例では、基準点Ｐを回転中心として基準線Ｑを反時計回りに９０°（−９０°）回転した回転線Ｓ上に、第４受光素子２０ｄと第４開口部４１ｄとが形成されている。そして、第４受光素子２０ｄが基準点Ｐ側となるように、第４受光素子２０ｄの中心と第４開口部４１ｄの中心とが回転線Ｓ上で離れており、それぞれの中心を結ぶ第４仮想直線（図示略）の仰角が４５°となっている。これにより、第４仮想直線の仰角が４５°、左右角が−９０°となり、第４受光素子２０ｄの指向性が仰角４５°、左右角−９０°を含むようになっている。図６は、光センサの変形例を説明するための平面図である。
【００３１】
また、図７に示す変形例では、開口部４１が基準点Ｐ側となるように、受光素子２０と開口部４１とが、基準点Ｐから放射状に延びる複数の仮想直線（図示略）上に位置しており、各受光素子２０ａ〜２０ｈに対応する開口部４１ａ〜４１ｈによって規定される仰角が異なるようになっている。図７に示す構成であれば、基準点Ｐ側から入射してくる光を、指向性の異なる８つの受光素子２０によって検出することができる。これにより、基準点Ｐ側から入射してくる光の入射量、仰角、左右角の検出精度を高めることができる。図７は、光センサの変形例を説明するための平面図である。
【００３２】
本実施形態では、透光膜３０が３層であり、遮光膜４０が２層である例を示した。しかしながら、透光膜３０及び遮光膜４０それぞれの層数は上記例に限定されず、例えば、図８に示すように、透光膜３０が４層であり、遮光膜４０が３層である構成を採用することもできる。
【００３３】
また、本実施形態では、各層の遮光膜４０の開口部４１の開口面積が等しい例を示した。しかしながら、各層の開口部４１の開口面積は、異なっていても良い。例えば、図８に示すように、各層の開口部４１の開口面積が、形成面１０ａに近づくにつれて大きくなっても良い。換言すれば、形成面１０ａに近い開口部４１の開口面積が、形成面１０ａから離れた開口部４１の開口面積よりも大きくても良い。これによれば、各層の遮光膜４０の開口部４１の開口面積が等しい構成、若しくは、形成面１０ａに近づくにつれて、開口面積が小さくなる構成とは異なり、各層の遮光膜４０それぞれに形成された開口部４１によって、光の指向性が著しく狭まる（形成面１０ａに入射する光の範囲が、受光面２１の受光面積よりも小さくなる）ことが抑制される。図８は、開口部の変形例を示す断面図である。なお、図８では、透光膜３０における、開口部４１を介して形成面１０ａに入射する光の範囲を白抜きとして示している。
【００３４】
本実施形態では、遮光膜４０が、遮光性と導電性を有する材料から成る例を示した。しかしながら、遮光膜４０によって、半導体基板１０に形成された各電子素子を電気的に接続しなくとも良い場合、遮光膜４０を、光を吸収する性質を有する材料によって形成しても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１０・・・半導体基板
２０・・・受光素子
２１・・・受光面
３０・・・透光膜
４０・・・遮光膜
４１・・・開口部
１００・・・光センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2012058140.tif 000007
【図６】
2012058140.tif 000008
【図７】
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【図８】
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