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図面 (13)

課題

赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を提供する。

解決手段

光検出装置1は、半導体基板8と、半導体基板8に形成された信号検出用受光部B1と、半導体基板8に形成された赤外線受光部10と、信号検出用受光部B1および赤外線受光部10を覆う青色フィルタ16Bと、赤外線受光部10を覆う赤色フィルタ16Rと、信号検出用受光部B1を覆い、赤外線受光部10に対向する領域に開口3Aを有する赤外線カットフィルタ3とを含む。

概要

背景

従来、カラーセンサへの入射光赤外線を分離するために、赤外線カットフィルタが使用されている。
たとえば、特許文献1は、複数のセンサを有する基板と、基板上でセンサを覆う赤外線カットフィルタと、赤外線カットフィルタ上の可視光線フィルタとを含む、光電子センサを開示している。赤外線カットフィルタは、たとえば、約50層誘電体膜を積層した多層膜からなる。

概要

赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を提供する。光検出装置1は、半導体基板8と、半導体基板8に形成された信号検出用受光部B1と、半導体基板8に形成された赤外線受光部10と、信号検出用受光部B1および赤外線受光部10を覆う青色フィルタ16Bと、赤外線受光部10を覆う赤色フィルタ16Rと、信号検出用受光部B1を覆い、赤外線受光部10に対向する領域に開口3Aを有する赤外線カットフィルタ3とを含む。

目的

この発明の一実施形態は、赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域の光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

半導体基板と、前記半導体基板に形成された信号検出用受光部と、前記半導体基板に形成された赤外線受光部と、前記信号検出用受光部を覆い、可視光波長域内の第1の波長域赤外波長域との光を透過させる第1分光特性を有する第1カラーフィルタと、前記赤外線受光部を覆い、可視光波長域内の第2の波長域と赤外波長域との光を透過させる第2分光特性を有する第2カラーフィルタと、前記赤外線受光部を覆い、可視光波長域内の前記第2の波長域とは異なる第3の波長域と赤外波長域との光を透過させる第3分光特性を有する第3カラーフィルタと、前記信号検出用受光部を覆い、前記赤外線受光部に対向する領域に開口を有する赤外線カットフィルタとを含む、光検出装置

請求項2

前記第1カラーフィルタは、青色フィルタ緑色フィルタまたは赤色フィルタを含み、前記第2カラーフィルタは、赤色フィルタを含み、前記第3カラーフィルタは、青色フィルタまたは緑色フィルタを含む、請求項1に記載の光検出装置。

請求項3

前記第1カラーフィルタ、前記第2カラーフィルタおよび前記第3カラーフィルタの上から前記信号検出用受光部および前記赤外線受光部を覆うクリアフィルタをさらに含み、前記クリアフィルタの上に前記赤外線カットフィルタが形成されている、請求項1または2に記載の光検出装置。

請求項4

前記クリアフィルタの表面に透明保護膜が形成されており、前記透明保護膜上に前記赤外線カットフィルタが形成されている、請求項3に記載の光検出装置。

請求項5

前記半導体基板に形成され、前記信号検出用受光部の出力信号補正するための補正用受光部と、前記補正用受光部を覆い、可視光波長域内の前記第1の波長域とは異なる第4の波長域と赤外波長域との光を透過させる第4分光特性を有する第4カラーフィルタと、前記信号検出用受光部および前記補正用受光部に電気的に接続された演算部とをさらに含み、前記第1カラーフィルタが前記補正用受光部をも覆っており、前記演算部が、前記赤外線受光部の出力信号に基づいて、前記信号検出用受光部の出力信号から赤外線の波長成分を選択的に除去または減弱させる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光検出装置。

請求項6

前記信号検出用受光部および前記補正用受光部は、それぞれ、前記半導体基板の表面から同じ深さにある第1pn接合部と、前記第1pn接合部よりも深い位置にある第2pn接合部とを含む、請求項5に記載の光検出装置。

請求項7

前記信号検出用受光部は、緑色信号受光部および青色信号受光部を含み、前記補正用受光部は、緑色補正用受光部および青色補正用受光部を含み、前記第1カラーフィルタは、前記緑色信号受光部を覆う緑色フィルタと、前記青色信号受光部を覆う青色フィルタとを含み、前記第4カラーフィルタは、前記緑色補正用受光部および青色補正用受光部を覆い、前記緑色信号受光部および青色信号受光部のいずれも覆わない赤色フィルタを含む、請求項5または6に記載の光検出装置。

請求項8

前記第1カラーフィルタが第1のカラーレジストを含み、前記第2カラーフィルタが第2のカラーレジストを含み、前記第3カラーフィルタが第3のカラーレジストを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の光検出装置。

請求項9

請求項1〜8のいずれか一項に記載の光検出装置と、前記光検出装置を収容した筐体とを含む、電子機器

技術分野

0001

この発明は、カラーフィルタを備える光検出装置およびこれを備える電子機器に関する。

背景技術

0002

従来、カラーセンサへの入射光赤外線を分離するために、赤外線カットフィルタが使用されている。
たとえば、特許文献1は、複数のセンサを有する基板と、基板上でセンサを覆う赤外線カットフィルタと、赤外線カットフィルタ上の可視光線フィルタとを含む、光電子センサを開示している。赤外線カットフィルタは、たとえば、約50層誘電体膜を積層した多層膜からなる。

先行技術

0003

米国特許第8274051号明細書

発明が解決しようとする課題

0004

この発明の一実施形態は、赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を提供する。
また、この発明の一実施形態は、赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域の光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を備えた電子機器を提供する。

課題を解決するための手段

0005

この発明の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された信号検出用受光部と、前記半導体基板に形成された赤外線受光部と、前記信号検出用受光部を覆い、可視光波長域内の第1の波長域赤外波長域との光を透過させる第1分光特性を有する第1カラーフィルタと、前記赤外線受光部を覆い、可視光波長域内の第2の波長域と赤外波長域との光を透過させる第2分光特性を有する第2カラーフィルタと、前記赤外線受光部を覆い、可視光波長域内の前記第2の波長域とは異なる第3の波長域と赤外波長域との光を透過させる第3分光特性を有する第3カラーフィルタと、前記信号検出用受光部を覆い、前記赤外線受光部に対向する領域に開口を有する赤外線カットフィルタとを含む、光検出装置を提供する。

0006

この構成により、信号検出用受光部は、第1カラーフィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われているので、赤外線の影響を抑制しながら、第1波長域の光を優先的に検出することができる。一方、赤外線受光部は、可視光波長域内において異なる波長域の光を透過させる分光特性の第2および第3カラーフィルタで覆われているので、第2カラーフィルタが透過させる第2波長域の光は第3カラーフィルタで減衰され、第3カラーフィルタが透過させる第3波長域の光は第2カラーフィルタで減衰される。それにより、可視光波長域の光を十分に減衰させることができる。そして、赤外線受光部に対応する領域では、赤外線カットフィルタに開口が形成されているから、赤外線受光部は、赤外波長域(赤外線の波長域)の光を優先的に高感度で検出することができる。こうして、可視光波長域の光を分光して検出でき、かつ赤外線も高感度で検出できる光検出装置を提供できる。

0007

第1の波長域と第3の波長域とが等しくてもよい。すなわち、第1分光特性と第3分光特性とが等しくてもよい。第2の波長域は第1の波長域および第3の波長域のいずれとも異なる波長域であることが好ましい。
この発明の一実施形態では、前記第1カラーフィルタは、青色フィルタ緑色フィルタまたは赤色フィルタを含み、前記第2カラーフィルタは、赤色フィルタを含み、前記第3カラーフィルタは、青色フィルタまたは緑色フィルタを含む。

0008

この構成により、信号検出用受光部は、青色、緑色または赤色の波長域の光を分光して検出できる。その一方で、赤外線受光部は、赤色フィルタと、青色フィルタまたは緑色フィルタとで覆われている。
青色フィルタまたは緑色フィルタを透過する光の分光感度曲線は、青色または緑色の波長域、および赤外線の波長域のそれぞれに、互いに独立したピークを持つ。赤色フィルタを透過する光の分光感度曲線は、赤色の波長域から赤外線の波長域に連続した透過波長域を有している。したがって、青色フィルタまたは緑色フィルタと、赤色フィルタとで、赤外線受光部を覆うことにより、赤外線受光部に向かう可視光波長域の光を十分に減衰させることができるから、赤外線受光部は赤外線を選択的に受光できる。

0009

この発明の一実施形態では、前記第1カラーフィルタ、前記第2カラーフィルタおよび前記第3カラーフィルタの上から前記信号検出用受光部および前記赤外線受光部を覆うクリアフィルタをさらに含み、前記クリアフィルタの上に前記赤外線カットフィルタが形成されている。
クリアフィルタは、可視光波長域および赤外波長域の光を透過させる透明フィルタである。クリアフィルタは、カラーフィルタによって生じている段差を吸収して均すように形成されていることが好ましい。このようなクリアフィルタの上に赤外線カットフィルタが形成されることにより、均一で欠損のない赤外線カットフィルタを形成できる。

0010

この発明の一実施形態では、前記クリアフィルタの表面に透明保護膜が形成されており、前記透明保護膜上に前記赤外線カットフィルタが形成されている。
この発明の一実施形態では、前記光検出装置は、前記半導体基板に形成され、前記信号検出用受光部の出力信号補正するための補正用受光部と、前記補正用受光部を覆い、可視光波長域内の前記第1の波長域とは異なる第4の波長域と赤外波長域との光を透過させる第4分光特性を有する第4カラーフィルタと、前記信号検出用受光部および前記補正用受光部に電気的に接続された演算部とをさらに含む。そして、前記第1カラーフィルタが前記補正用受光部をも覆っており、前記演算部が、前記赤外線受光部の出力信号に基づいて、前記信号検出用受光部の出力信号から赤外線の波長成分を選択的に除去または減弱させる。

0011

この構成によれば、信号検出用受光部および補正用受光部が共通に第1カラーフィルタで覆われ、補正用受光部のみが選択的に第4カラーフィルタで覆われている。これにより、信号検出用受光部および補正用受光部に同じ光が入射した場合に、信号検出用受光部では所定の波長域の可視光および赤外線(赤外線カットフィルタでの減衰後の赤外線)が検出される一方、補正用受光部では、第1カラーフィルタおよび第4カラーフィルタによってほぼ全可視光波長域の光が減衰されるので、信号検出用受光部で検出される赤外線と同レベルの赤外線のみを選択的に検出することができる。したがって、前記光検出装置の内部または外部に備えられた論理回路等によって、信号検出用受光部の出力信号中の赤外線成分を、補正用受光部の出力信号の大きさに基づいて選択的に排除または減弱することで、入射光の実際の可視光成分に近い出力信号(情報)を得ることができる。したがって、この発明の一実施形態に係る光検出装置を用いれば、少ない誤差で、照度および色温度を精度よく算出することができる。

0012

そして、このような信号の分別処理では、論理演算によって赤外線の波長域分の信号のみをデジタル的に分離することができるので、光の入射方向に関係なく、赤外線成分を十分に減衰または排除した信号を得ることができる。
前記第4の波長域は前記第2の波長域と等しくてもよい。すなわち、前記第4分光特性と前記第2分光特性とが等しくてもよい。前記第4カラーフィルタは、赤色フィルタであってもよい。

0013

この発明の一実施形態では、前記信号検出用受光部および前記補正用受光部は、それぞれ、前記半導体基板の表面から同じ深さにある第1pn接合部と、前記第1pn接合部よりも深い位置にある第2pn接合部とを含む。
半導体基板における光の透過深さは、波長が長いほど深くなる。したがって、検出対象の光の波長に応じて適切な深さのpn接合部を使うことで、光を効率よく検出することができる。

0014

この発明の一実施形態では、前記信号検出用受光部は、緑色信号受光部および青色信号受光部を含み、前記補正用受光部は、緑色補正用受光部および青色補正用受光部を含み、前記第1カラーフィルタは、前記緑色信号受光部を覆う緑色フィルタと、前記青色信号受光部を覆う青色フィルタとを含み、前記第4カラーフィルタは、前記緑色補正用受光部および青色補正用受光部を覆い、前記緑色信号受光部および青色信号受光部のいずれも覆わない赤色フィルタを含む。

0015

この構成によれば、緑色信号受光部は緑色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われており、青色信号受光部は青色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われている。また、緑色補正用受光部は、緑色フィルタ、赤色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われており、青色補正用受光部は、青色フィルタ、赤色フィルタおよび赤外線カットフィルタで覆われている。したがって、緑色信号受光部は、緑色波長域の光を選択的に受光できる。赤外線カットフィルタを通過した微小な赤外線成分は、緑色補正用受光部の出力を用いて減弱または排除できる。同様に、青色信号受光部は、青色波長域の光を選択的に受光できる。赤外線カットフィルタを通過した微小な赤外線成分は、青色補正用受光部の出力を用いて減弱または排除できる。

0016

第2カラーフィルタおよび第4カラーフィルタは、いずれも赤色フィルタであってもよい。この場合、光検出装置の製造工程において、第2および第4カラーフィルタを同一工程で形成できる。
この発明の一実施形態では、前記第1カラーフィルタが第1のカラーレジストを含む。また、前記第2カラーフィルタが第2のカラーレジストを含む。また、前記第3カラーフィルタが第3のカラーレジストを含む。

0017

この発明の一実施形態は、前述のような特徴を有する光検出装置と、前記光検出装置を収容した筐体とを含む電子機器を提供する。これにより、赤外線の影響を排除または低減して可視光波長域の光信号を検出する一方で、赤外線成分の検出も良好に行える光検出装置を備えた電子機器を提供できる。

図面の簡単な説明

0018

図1は、この発明の一実施形態に係る光検出装置の電気的構成を示すブロック図である。
図2は、前記光検出装置のレイアウト図である。
図3は、前記光検出装置の断面図(図2のA−A´線断面図)である。
図4は、前記光検出装置の断面図(図2のB−B´線断面図)である。
図5は、図3および図4フォトダイオードの拡大図である。
図6は、カラーフィルタ、クリア膜および赤外線カットフィルタの配置の関係を説明するための分解斜視図である。
図7は、青色受光部での赤外線分離の演算を説明するための図である。
図8は、緑色受光部での赤外線分離の演算を説明するための図である。
図9は、赤色受光部での赤外線分離の演算を説明するための図である。
図10は、前記光検出装置の最終的な分光感度特性を示す図である。
図11Aは赤色フィルタの分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Bは緑色フィルタの分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Cは青色フィルタの分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Dはクリア膜の分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Eは赤外線カットフィルタの分光特性(波長対透過率)の一例を示す。
図12は、前記光検出装置が用いられる電子機器の一例であるスマートフォン外観を示す斜視図である。

実施例

0019

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る光検出装置1の電気的構成を示すブロック図である。
光検出装置1は、赤色受光部2R、緑色受光部2Gおよび青色受光部2Bと、これらの受光部2R,2G,2Bを覆う赤外線カットフィルタ3と、赤外線受光部10と、演算部4とを含む。

0020

赤色受光部2R、緑色受光部2Gおよび青色受光部2Bならびに赤外線受光部10は、それぞれ、フォトダイオード5R,5G,5B,5IRを有している。フォトダイオード5R,5G,5B,5IRは、それぞれ、演算部4に電気的に接続されている。フォトダイオード5R,5G,5B,5IRと演算部4との間には、ADCアナログ・デジタル・コンバータ)6が介挿されている。各フォトダイオード5R,5G,5B,5IRのpn接合部に光が入射すると、光起電力効果によって電流が発生し、その電流がADC6においてアナログ信号からデジタル信号に変換され、演算部4に入力される。演算部4では、入力信号に基づいて演算処理が実行される。

0021

演算部4は、たとえばLSI(Large Scale Integration)等の集積回路からなり、トランジスタキャパシタレジスタ等の各種回路素子を含んでいる。演算部4は、光検出装置1の最表面に形成された複数の外部電極7に電気的に接続されている。複数の外部電極7を介して、演算部4からの信号出力、演算部4やフォトダイオード5R,5G,5B,5IRへの電源入力等が行われる。

0022

図2は、光検出装置1のレイアウト図である。
光検出装置1は、半導体基板8を備え、半導体基板8上に受光領域9と、ADC6等を構成する半導体素子等の機能素子が形成された機能素子領域26と、演算部4等を構成する半導体素子等の機能素子が形成された機能素子領域24と、外部電極7を構成する電極パッド27とを有している。機能素子領域26,24は、受光領域9の周囲に配置されている。電極パッド27は、半導体基板8の周縁部に配置されている。図2では明瞭化のため参照符号を省略しているが、赤色受光部2R、緑色受光部2Gおよび青色受光部2Bは、それぞれ、複数の受光部を有しており、それらが受光領域9に配列されている。

0023

具体的には、赤色受光部2Rが、信号検出用受光部R1(赤色信号受光部)および補正用赤外線受光部R2,R3(赤色補正用受光部)を含む。また、緑色受光部2Gが、信号検出用受光部G1(緑色信号受光部)および補正用赤外線受光部G2(緑色補正用受光部)を含む。そして、青色受光部2Bが、信号検出用受光部B1(青色信号受光部)および補正用赤外線受光部B2(青色補正用受光部)を含む。信号検出用受光部R1,G1,B1、および補正用赤外線受光部R2,R3,G2,B2は、それぞれ、複数備えられている。これらの受光部のうち、少なくとも複数の信号検出用受光部R1,G1,B1は、たとえば、平面視四角形の受光領域9の中心C(重心)を対称の中心として点対称となる位置に、それぞれ設けられている。複数の補正用赤外線受光部R2,R3,G2,B2についても同様に、図2に示すように、点対称の位置にそれぞれ設けられていてもよい。これにより、半導体基板8の受光領域9全体に光が均一に当たらない等の理由によって一方の信号検出用受光部R1,G1,B1に十分な光が入射しなくても、他方の信号検出用受光部R1,G1,B1で光を検出できるので、信頼性が良い。たとえば、受光領域9の紙面下側の縁部への光の入射が乏しく、当該縁部上の信号検出用受光部R1,B1においてうまく光を検出できなくても、受光領域9の紙面上側の縁部上の信号検出用受光部R1,B1で光を検出することができる。

0024

なお、図2では、明瞭化のため、赤色受光部2R、緑色受光部2Gおよび青色受光部2Bの参照符号を省略すると共に、信号検出用受光部R1,G1,B1を白抜きの四角形で示し、補正用赤外線受光部R2,R3,G2,B2をクロスハッチングが付された四角形で示している。
平面視四角形状の受光領域9の角部には、赤外線を受光可能な赤外線受光部10が形成されている。この実施形態では、赤外線受光部10は、平面視において、少なくとも受光領域9の一対の対角を構成する角部に一つずつ配置されている。赤外線受光部10はフォトダイオードを備えている。赤外線カットフィルタ3は、赤色受光部2R、緑色受光部2Gおよび青色受光部2Bを覆うように形成されている一方で、赤外線受光部10を覆わないように、赤外線受光部10に対応する領域に開口3Aを有している。

0025

次に、信号検出用受光部R1,G1,B1、および補正用赤外線受光部R2,R3,G2,B2、ならびに赤外線受光部10の断面構造を、図3図5を参照して説明する。
図3は、光検出装置1の断面図(図2のA−A´線断面図)である。図4は、光検出装置1の断面図(図2のB−B´線断面図)である。図5は、図3および図4のフォトダイオードの拡大図である。

0026

信号検出用受光部R1,G1,B1、補正用赤外線受光部R2,R3,G2,B2、および赤外線受光部10は、共通する要素として、半導体基板8と、半導体基板8に形成されたフォトダイオード11と、半導体基板8上の全面を覆う層間絶縁膜12とを含む。なお、フォトダイオード11は、図1のフォトダイオード5R,5G,5B,5IRのそれぞれに対応するものであるが、図3図5では明瞭化のため、フォトダイオード5R,5G,5B,5IRの参照符号を省略する。

0027

半導体基板8は、この実施形態では、p型シリコン基板からなる。
フォトダイオード11は、p型の半導体基板8の表面8Aから順に形成された第1n型領域13、第1p型領域14、第2n型領域15、p型半導体基板8によって構成されたnpnp構造を有している。第2n型領域15がp型半導体基板8の表面部に形成され、この第2n型領域15の内方領域に第1p型領域14が形成され、さらに第1p型領域14の内方領域に第1n型領域13が形成されている。これにより、図5に示すように、フォトダイオード11は、半導体基板8の表面8Aからの深さが互いに異なるpn接合部を含むフォトダイオードDi1、フォトダイオードDi2およびフォトダイオードDi3を有している。

0028

フォトダイオードDi1は、第1p型領域14と第1n型領域13とのpn接合部を含み、当該pn接合部の表面8Aからの深さは、たとえば、0.09μm〜0.17μmである。フォトダイオードDi2は、第1p型領域14と第2n型領域15とのpn接合部を含み、当該pn接合部の表面8Aからの深さは、フォトダイオードDi1のpn接合部よりも深く、たとえば、1.0μm〜1.8μmである。フォトダイオードDi3は、p型の半導体基板8と第2n型領域15とのpn接合部を含み、当該pn接合部の表面8Aからの深さは、フォトダイオードDi2のpn接合部よりも深く、たとえば、3.2μm〜5.9μmである。

0029

フォトダイオード11が、互いに深さの異なるフォトダイオードDi1〜Di3を有する利点は次の通りである。すなわち、シリコン基板に対しては、光の波長が長いほど透過深さが深くなる傾向にあり、光検出装置1のように検出すべき光成分の波長域が複数ある場合には、フォトダイオードDi1〜Di3のいずれかにおいて効率よく光を検出することができる。たとえば、フォトダイオードDi1は、青色の波長域(たとえば420nm〜480nm)および緑色の波長域(たとえば500nm〜560nm)の成分の検出に適しており、フォトダイオードDi2は、緑色の波長域および赤色の波長域(たとえば590nm〜680nm)の成分の検出に適している。また、フォトダイオードDi3は、赤外線の波長域(たとえば700nm〜1300nm)の成分の検出に適している。

0030

なお、半導体基板8には、フォトダイオード11の他、たとえば、演算部4を構成するトランジスタの不純物領域が形成されていてもよい。この場合、第1n型領域13、第1p型領域14、第2n型領域15は、トランジスタを構成するソース領域(S)、ドレイン領域(D)、素子分離用埋め込み層(L/I、B/L)等の不純物領域と同じ工程で形成されてもよい。

0031

層間絶縁膜12は、酸化シリコン(SiO2)等の絶縁材料からなる。層間絶縁膜12は、図3および図4で示したように単層であってもよいし、複数層であってもよい。
層間絶縁膜12上には、赤色フィルタ16R、緑色フィルタ16Gおよび青色フィルタ16Bが形成され、これらのフィルタ16R,16G,16Bを覆うようにクリア膜17が形成されている。クリア膜17の表面には、SiO2等の透明な絶縁膜からなる保護膜18が形成され、その保護膜18の表面に赤外線カットフィルタ3が形成されている。クリア膜17は、カラーフィルタ16R,16G,16Bの端部に生じる段差を吸収して表面を均すように形成されている。このようなクリア膜17の上に赤外線カットフィルタ3が形成されることにより、均一で欠損のない赤外線カットフィルタを形成できる。

0032

赤外線カットフィルタ3は、たとえば、SiO2/TiO2構造が複数(たとえば50層程度)積層された多層誘電体膜からなっていてもよい。赤外線カットフィルタ3は、全ての信号検出用受光部R1,G1,B1、および補正用赤外線受光部R2,R3,G2,B2に対して共通の被覆膜となっている一方で、赤外線受光部10に対応する領域に開口3Aを有している。赤色フィルタ16R、緑色フィルタ16Gおよび青色フィルタ16Bは、たとえば、顔料ベースとしたカラーレジスト、ナノインプリント技術を用いて形成した透過型レジストゼラチン膜等で構成することができる。

0033

図6は、カラーフィルタ16R,16G,16B、クリア膜17および赤外線カットフィルタ3の配置の関係を説明するための図解的な分解斜視図である。便宜上、クリア膜17の表面に、受光部R1,R2,R3,G1,G2,B1,B2,10の境界二点鎖線で表してある。
赤色フィルタ16R、緑色フィルタ16Gおよび青色フィルタ16Bは、その下の受光部の種類によって設けられるか否か決定されるが、同じ色の光を検出するための受光部には、共通色のカラーフィルタが必ず設けられている。つまり、赤色用の信号検出用受光部R1および補正用赤外線受光部R2,R3には赤色フィルタ16Rが設けられている。同様に、緑色用の信号検出用受光部G1および補正用赤外線受光部G2には緑色フィルタ16Gが設けられている。そして、青色用の信号検出用受光部B1および補正用赤外線受光部B2には青色フィルタ16Bが設けられている。赤外線受光部10については、赤色フィルタ16Rおよび青色フィルタ16が積層されて配置されている。

0034

カラーフィルタ16R,16G,16Bの配置形態をより具体的に説明すると、信号検出用受光部R1には赤色フィルタ16Rの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部R2には赤色フィルタ16Rの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部R3には赤色フィルタ16Rと緑色フィルタ16Gの積層膜(16Rが上側)が設けられている。また、信号検出用受光部G1には緑色フィルタ16Gの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部G2には赤色フィルタ16Rと緑色フィルタ16Gの積層膜(16Rが上側)が設けられている。さらに、信号検出用受光部B1には青色フィルタ16Bの単層膜が設けられ、補正用赤外線受光部B2には赤色フィルタ16Rと青色フィルタ16Bの積層膜(16Rが上側)が設けられている。

0035

クリア膜17は、全ての受光部、すなわち、赤色、緑色および青色受光部2R,2G,2Bならびに赤外線受光部10を覆うように配置されている。そして、クリア膜17は、カラーフィルタ16R,16G,16Bの上に配置され、これらのカラーフィルタ16R,16G,16Bを覆っている。
クリア膜17の表面全域を保護膜18(図3および図4参照)が覆っている。この保護膜18の上に、赤外線カットフィルタ3が配置されている。赤外線カットフィルタ3は、赤色、緑色および青色受光部2R,2G,2Bを覆うように配置されている一方で、赤外線受光部10は覆わないように、赤外線受光部10に対応する領域に開口3Aを有している。

0036

次に、赤色受光部2R、緑色受光部2Gおよび青色受光部2Bにおける赤外線分離の演算によって得られる分光感度特性を個別に説明する。
(1)青色(Blue)特性
青色受光部2Bに関しては、まず、信号検出用受光部B1および補正用赤外線受光部B2に光が入射すると、信号検出用受光部B1のフォトダイオードDi1では、青色の光および赤外線カットフィルタ3を透過した微量の赤外線が検出される。一方、補正用赤外線受光部B2のフォトダイオードDi1では、青色の光が赤色フィルタ16Rで選択的に阻止され、信号検出用受光部B1で検出された赤外線と同レベルの赤外線のみが検出される。そのときの分光感度特性を曲線で示すと、図7の左端および真ん中の通りになる。演算部4には、信号検出用受光部B1から青色の光および赤外線カットフィルタ3を透過した微量の赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力され、補正用赤外線受光部B2から赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力される。そして、信号検出用受光部B1の出力信号から赤外線の波長域分を、補正用赤外線受光部B2の出力信号の大きさに基づいて選択的に排除または減弱することで(B1−B2)、入射光の実際の青色の光成分に近い出力信号(情報)が得られる。この信号の分別処理によって得られる分光感度特性を曲線で示すと、図7の右端の通りとなる。

0037

図7から明らかなように、信号検出用受光部B1において青色フィルタ16Bの単層膜を透過する光の分光感度曲線は、青色の波長域および赤外線の波長域のそれぞれに、互いに独立したピークを持つ。したがって、これらのピークが現れた分光感度曲線から青色の波長域にピークを有する山形の曲線を分離すれば、赤外線に由来するとみなしてよい山形の曲線が明確に残ることになる。すなわち、この実施形態によれば、補正用赤外線受光部B2において、青色の波長域の光を赤色フィルタ16Rで分離することで、図7の赤外線受光部B2の分光感度曲線で示されるように、赤外線を簡単に判別することができる。
(2)緑色(Green)特性
緑色受光部2Gに関しては、まず、信号検出用受光部G1および赤外線受光部G2に光が入射すると、信号検出用受光部G1のフォトダイオードDi1およびフォトダイオードDi2では、緑色の光および赤外線カットフィルタ3を透過した微量の赤外線が検出される。一方、補正用赤外線受光部G2のフォトダイオードDi1およびフォトダイオードDi2では、緑色の光が赤色フィルタ16Rで選択的に阻止され、信号検出用受光部G1で検出された赤外線と同レベルの赤外線のみが検出される。そのときの分光感度特性を曲線で示すと、図8の左端および真ん中の通りになる。演算部4には、信号検出用受光部G1から緑色の光および赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力され、補正用赤外線受光部G2から赤外線の検出に応じた大きさの信号が入力される。そして、信号検出用受光部G1の出力信号から赤外線の波長域分を、赤外線受光部G2の出力信号の大きさに基づいて選択的に排除または減弱することで(G1−G2)、入射光の実際の緑色の光成分に近い出力信号(情報)が得られる。この信号の分別処理によって得られる分光感度特性を曲線で示すと、図8の右端の通りとなる。

0038

図8から明らかなように、信号検出用受光部G1において緑色フィルタ16Gの単層膜を透過する光の分光感度曲線は、緑色の波長域および赤外線の波長域のそれぞれに、互いに独立したピークを持つ。したがって、これらのピークが現れた分光感度曲線から緑色の波長域にピークを有する山形の曲線を分離すれば、赤外線に由来するとみなしてよい山形の曲線が明確に残ることになる。すなわち、この実施形態によれば、補正用赤外線受光部G2において、緑色の波長域の光を赤色フィルタ16Rで分離することで、図8の赤外線受光部G2の分光感度曲線で示されるように、赤外線を簡単に判別することができる。
(3)赤色(Red)特性
一方、赤色受光部2Rに関しては、前述の青色受光部2Bおよび緑色受光部2Gの場合とは異なり、図9の左端に示されるように、信号検出用受光部R1において赤色フィルタ16Rの単層膜および赤外線カットフィルタ3を透過する光の分光感度曲線は、赤色の波長域および赤外線の波長域のそれぞれに、明確に独立したピークを持つわけではない。したがって、赤外線受光部R2,R3において、青色フィルタ16Bまたは緑色フィルタ16Gを用いて赤色の光を単に分離するやり方では、赤外線を選択的に判別することは難しい。そこで、この実施形態では、光の波長が長いほど半導体基板8における透過深さが深くなるという関係を利用している。

0039

すなわち、図9に示すように、信号検出用受光部R1においては、相対的に浅い位置に形成されたフォトダイオードDi2で主に赤色の光が検出される。フォトダイオードDi2で検出することによって、赤外線よりも波長が短い赤色の光を良好に検出することができる。
一方、補正用赤外線受光部R2,R3によって、信号検出用受光部R1の赤外帯域に近い分光特性を作り出す。具体的には、補正用赤外線受光部R2のフォトダイオードDi3で赤色の光および赤外線が検出される。一方、補正用赤外線受光部R3のフォトダイオードDi3では、赤色の光が緑色フィルタ16Gで選択的に阻止され、信号検出用受光部R1で検出された赤外線と同レベルの赤外線のみが検出される。信号検出用受光部R1の赤外線と同レベルの赤外線の検出は、補正用赤外線受光部R3の面積を赤外線受光部R2よりも若干(10〜20%程度)小さくし、また、カラーフィルタの素材を変えることによって可能となる。そして、信号検出用受光部R1の出力信号から赤外線の波長域分を、補正用赤外線受光部R2および補正用赤外線受光部R3の組み合わせによって得られた情報に基づいて選択的に排除または減弱することで(R1−(R2−R3))、入射光の実際の赤色の光成分に近い出力信号(情報)が得られる。この信号の分別処理によって得られる分光感度特性を曲線で示すと、図9下段の通りとなる。

0040

上より、上記の演算処理によって、各受光部2R,2G,2Bにおける赤外線の波長域の感度が低減されるので、光検出装置1の分光感度特性として図10に示すものが得られる。図10から明らかなように、赤外線の波長域の感度をほぼゼロに近い値にまで低減することができている。したがって、この発明の一実施形態に係る光検出装置1を用いれば、少ない誤差で、照度および色温度を精度よく算出することができる。

0041

図11Aは赤色フィルタ16Rの分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Bは緑色フィルタ16Gの分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Cは青色フィルタ16Bの分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Dはクリア膜17の分光特性(波長対透過率)の一例を示し、図11Eは赤外線カットフィルタ3の分光特性(波長対透過率)の一例を示す。

0042

赤外線受光部10には、前述のとおり、赤色フィルタ16Rおよび青色フィルタ16Bが積層されて配置されている。したがって、とくに図11Aおよび図11Cから理解されるとおり、概ね400nm〜570nm付近の波長域の光は赤色フィルタ16Rによって阻止され、概ね550〜770nm付近の波長域の光は青色フィルタ16Bによって阻止される。また、紫外域の光は、赤色フィルタ16Rおよび青色フィルタ16Bの両方によって阻止される。よって、赤色フィルタ16Rおよび青色フィルタ16Bの積層膜は、紫外域および可視光波長域の波長の光を阻止し、赤外波長域の光を選択的に通過させる。図11Dから理解されるとおり、クリア膜17は、赤外波長域の光を通過させる。したがって、赤外線受光部10は、赤外波長域の光を選択的に受光することができる。

0043

一方、赤外線カットフィルタ3には、赤外線受光部10に対応する領域に開口3Aが形成されている。そのため、赤外線受光部10には、赤外波長域の光(赤外線)が、ほとんど減衰されずに到達する。赤外線受光部10は、たとえば、フォトダイオードDi3を用いて赤外線を検出する。こうして、赤外線受光部10に対向する領域に選択的に形成された開口3Aによって、赤外線受光部10は、赤外線に対して高感度となっている。

0044

光検出装置1は、カラーセンサの他、照度センサ近接センサ等の複数の光学フィルタを有する光センサに適用することができる。さらに、これらの光センサは、たとえば、スマートフォン、携帯電話デジタルカメラカーナビゲーションシステムノートパソコンタブレットPC等に搭載することができる。より具体的には、赤色、緑色および青色受光部2R,2G,2Bの出力信号によって入射光の分光分布(色温度)を検出できるので、たとえば、カメラによって撮像された画像を適切に補正することができる。また、赤外線受光部10の出力信号を用いることによって、使用者等の近接を高精度に検出できる近接センサを構成できる。

0045

具体的に、スマートフォンに適用される場合の形態を次に示す。
図12は、光検出装置1が用いられる電子機器の一例であるスマートフォン21の外観を示す斜視図である。
スマートフォン21は、扁平な直方体形状の筐体22の内部に電子部品収納して構成されている。筐体22は表側および裏側に長方形状の一対の主面を有しており、その一対の主面が4つの側面で結合されている。筐体22の一つの主面には、液晶パネル有機ELパネル等で構成された表示パネル23の表示面が露出している。表示パネル23の表示面は、タッチパネルを構成しており、使用者に対する入力インターフェースを提供している。

0046

表示パネル23は、筐体22の一つの主面の大部分を占める長方形形状に形成されている。表示パネル23の一つの短辺に沿うように、操作ボタン24が配置されている。この実施形態では、複数(3つ)の操作ボタン24が表示パネル23の短辺に沿って配列されている。使用者は、操作ボタン24およびタッチパネルを操作することによって、スマートフォン21に対する操作を行い、必要な機能を呼び出して実行させることができる。

0047

表示パネル23の別の一つの短辺の近傍には、スピーカ25が配置されている。スピーカ25は、電話機能のための受話口を提供すると共に、音楽データ等を再生するための音響化ユニットとしても用いられる。スピーカ25の隣には、レンズ窓26が配置されている。レンズ窓26に対向するように、筐体22内に光検出装置1が配置されている。一方、操作ボタン24の近くには、筐体22の一つの側面にマイクロフォン27が配置されている。マイクロフォン27は、電話機能のための送話口を提供するほか、録音用のマイクロフォンとして用いることもできる。

0048

このスマートフォン21は、赤外線の波長域の感度を良好に低減できる光検出装置1を備えているので、スマートフォン21に形成された受光用のレンズ窓26の可視光線透過率が低くても実用可能である。そのため、レンズ窓26のデザインの自由度(色や形状の変更等)を広げることができる。
以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。

0049

たとえば、前述の実施形態では、光検出装置1の一部として演算部4が設けられていたが、上記した演算部4による信号分別処理は、光検出装置1外にある論理回路(電子機器のCPU等)で行ってもよい。
また、前述の実施形態では、赤外線受光部10に赤色フィルタ16Rおよび青色フィルタ16Bが積層配置されているが、赤色フィルタ16Rおよび緑色フィルタ16Gが積層配置されてもよく、赤色フィルタ16R、緑色フィルタ16Gおよび青色フィルタ16Bが積層配置されてもよい。さらに、赤外線受光部10に、赤色、緑色および青色以外のカラーフィルタが配置されてもよい。たとえば、シアンカラーフィルタおよびマゼンタカラーフィルタが積層配置されてもよい。すなわち、可視光波長域内において異なる波長域の光を選択的に透過させる2色のフィルタを含む複数のカラーフィルタが赤外線受光部10に配置され、赤外線の波長域の光が赤外線受光部10に選択的に入射されることが好ましい。

0050

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

0051

1光検出装置
2R,2G,2B受光部
3赤外線カットフィルタ
3A 開口
4演算部
5R,5G,5Bフォトダイオード
6ADC
7外部電極
8半導体基板
8A 表面
9受光領域
10赤外線受光部
11 フォトダイオード
12層間絶縁膜
13 第1n型領域
14 第1p型領域
15 第2n型領域
16R赤色フィルタ
16G緑色フィルタ
16B青色フィルタ
17クリア膜(クリアフィルタ)
18 保護膜(透明保護膜)
21スマートフォン(電子機器の一例)
Di1 フォトダイオード
Di2 フォトダイオード
Di3 フォトダイオード
R1信号検出用受光部(赤色信号受光部)
G1 信号検出用受光部(緑色信号受光部)
B1 信号検出用受光部(青色信号受光部)
R2,R3補正用赤外線受光部(補正用受光部、赤色補正用受光部)
G2 補正用赤外線受光部(補正用受光部、緑色補正用受光部)
B2 補正用赤外線受光部(補正用受光部、青色補正用受光部)

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