JP2006332226A

JP2006332226A - 半導体光センサ装置

Info

Publication number: JP2006332226A
Application number: JP2005151927A
Authority: JP
Inventors: Yukiko Takiba; 由貴子瀧場; Hiroshi Suzunaga; 浩鈴永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-12-07
Also published as: US7196311B2; CN100470816C; US20060266928A1; CN1870280A

Abstract

【課題】視感度に近い分光感度特性を有する半導体光センサ装置およびこれを備えた情報機器を提供する。
【解決手段】シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された第１フォトダイオードと、第２フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードからの光電流を増幅する第１増幅回路と、前記シリコン基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅し、前記第１増幅回路と略同一の増幅特性を有する第２増幅回路と、前記第２フォトダイオードの上に設けられ、入射光のうちの可視光成分を赤外光成分に対して相対的に減衰させる赤外透過フィルタと、前記シリコン基板上に形成され、前記第１増幅回路の出力と前記第２増幅回路の出力との差分を出力する減算回路と、を備え、前記シリコン基板上において、前記第１フォトダイオードの中心と前記第２フォトダイオードの中心とが実質的に対称に配置されてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光センサ装置に関し、特に視感度に近い分光感度特性を有する半導体光センサ装置に関する。

携帯用情報機器や液晶テレビ、あるいはデジタルカメラなど、画像情報の入力や表示を実行する情報機器において、半導体光センサ装置が搭載されつつある。例えば、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの携帯用情報機器において、液晶などのディスプレイ画面のバックライトやキーパッドの照明に対して、周囲の明暗に応じて半導体発光素子（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の輝度調整を行うことにより、見やすくなり、また消費電力の低減をはかることができる。携帯電話を例にあげると、昼間や明るい室内においてはキーパッドのＬＥＤを消灯するとともに、透過型液晶ディスプレイバックライトの輝度を上げる。一方、夜間の屋外では、キーパッドのＬＥＤを点灯し、液晶ディスプレイのバックライトを減灯する。

また、液晶テレビや、携帯電話などで動画表示する場合に、画面を見やすくするためには、使用環境に応じてガンマ値を何種類かに変えて補正を行うことが望ましい。これを実現するためには、半導体光センサ装置は、視感度とほぼ一致した分光感度特性を持つことが必要である。なお、これら用途に用いられる半導体光センサ装置は、「照度センサ装置」などと呼ばれることもある。

視感度にほぼ合致した分光特性を得ることを目的とした技術開示例がある（特許文献１）。この方法は、２個の受光手段を備え、そのうちのひとつには光学フィルタを通して受光させる。この光学フィルタは、赤外光透過（可視光阻止）機能を有するので、２個の受光手段の検出出力を減算することにより、可視光領域、すなわち視感度に近い分光感度特性を得るとが可能である。

しかしながら、動画表示のような高度の輝度調整を行うには、より視感度に近い分光感度特性が必要となってきた。
特開平８−３３０６２１号公報

本発明は、視感度に近い分光感度特性を有する半導体光センサ装置を提供するものである。

本発明の一態様によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成された第２フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１フォトダイオードからの光電流を増幅する第１増幅回路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅し、前記第１増幅回路と略同一の増幅特性を有する第２増幅回路と、
前記第２フォトダイオードの上に設けられ、入射光のうちの可視光成分を赤外光成分に対して相対的に減衰させる赤外透過フィルタと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１増幅回路の出力と前記第２増幅回路の出力との差分を出力する減算回路と、
を備え、
前記半導体基板上において、前記第１フォトダイオードの中心と前記第２フォトダイオードの中心とが半導体基板の中心を通る直線に関して実質的に対称に配置されてなることを特徴とする半導体光センサ装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、
シリコン基板と、
前記半導体基板上に形成され互いに並列に接続された複数の領域を有する第１フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され互いに並列に接続された複数の領域を有する第２フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１フォトダイオードからの光電流を増幅する第１増幅回路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅し、前記第１増幅回路と略同一の増幅特性を有する第２増幅回路と、
前記第２フォトダイオードの上に設けられ、入射光のうちの可視光成分を赤外光成分に対して相対的に減衰させる赤外透過フィルタと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１増幅回路の出力と前記第２増幅回路の出力との差分を出力する減算回路と、
を備え、
前記半導体基板上において、前記第１フォトダイオードの前記複数の領域のそれぞれと前記第２フォトダイオードの前記複数の領域のそれぞれとは、半導体基板の中心を通る直線に関して実質的に対称に配置されてなることを特徴とする半導体光センサ装置が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成された第２フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅する第１増幅回路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅し、前記第１増幅回路と略同一の増幅特性を有する第２増幅回路と、
前記第２フォトダイオードの上に設けられ、入射光のうちの可視光成分を赤外光成分に対して相対的に減衰させる赤外透過フィルタと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１増幅回路の出力と前記第２増幅回路の出力との差分を出力する減算回路と、
を備え、
前記半導体基板の第１側面から前記第１フォトダイオードの中心までの距離と、前記半導体基板の前記第１側面と対向する第２側面から前記第２フォトダイオードの中心までの距離とがほぼ等しいことを特徴とする半導体光センサ装置が提供される。

本発明によれば、視感度に近い分光感度特性を有する半導体光センサ装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明する。
図１は、本発明の第１の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部を表す模式平面図である。
また、図２は、その等価回路図である。
シリコン基板の上に、フォトダイオード２０と、赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２と、が配置されている。そして、フォトダイオード２０の中心Ｐと、フォトダイオード２２の中心Ｑと、がシリコン基板の上でシリコン基板の中心を通る直線に関して対称の位置に配置されている。ここで、「フォトダイオードの中心」とは、フォトダイオードが有するｐｎ接合をシリコン基板の主面上から見たときに、そのｐｎ接合の２次元的な形状の重心をいうものとする。

また、本具体例の場合、同一の形状のフォトダイオード２０、２２がシリコン基板の上でシリコン基板の中心を通る直線に関して対称に配置されているということもできる。
ここで、フォトダイオード２２から赤外光透過フィルタを除去した場合、これらフォトダイオード２０、２２の分光感度特性は、ほぼ同一とすることが望ましい。
赤外光透過フィルタがついていないフォトダイオード２０は、第１増幅回路２７の入力端子Ｂに接続されている。また、赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２は、第２増幅回路２６の入力端子Ａに接続されている。

前述した如く、本具体例においては、フォトダイオード２０と、赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２と、が、シリコン基板の上において、左右対称な位置に配置されている。すなわち、これらフォトダイオード２０、２２は、シリコン基板のチップ側面（言い換えると、分離されたシリコン基板の側面）から実質的に等距離となるように、全体配置されている。
例えば、第１フォトダイオード２０の中心点Ｐとチップ側面７０１との水平距離Ｈ２０は、第２フォトダイオードの中心点Ｑとチップ側面７０３との水平距離Ｈ２２と等しくされる。同様に、中心点Ｐとチップ側面７０２との水平距離Ｖ２０は、中心点Ｑとチップ側面７０２との水平距離Ｖ２２と等しくされる。

このようにすると、フォトダイオード２０とフォトダイオード２２の光学的な環境をほぼ同一とすることができる。また、これらフォトダイオード２０、２２の光学的な環境を近づけるためには、互いに近接して配置することが好ましい。

また、本具体例においては、第１増幅回路２７と第２増幅回路２６とが、互いに近接し、チップ側面から実質的に等距離とされ（第１増幅回路２７の中心点Ｒと側面７０４間、第２増幅回路２６の中心点Ｓと側面７０４間）、かつフォトダイオード２０、２２の中心点からも実質的に等距離とされ（Ｐ−Ｒ間、Ｑ−Ｓ間）、１チップ化されている。これは、フォトダイオード領域以外で発生する光キャリアによる電流の影響を低減するためである。これについては、後に詳述する。
なお、図１において、第１増幅回路２７と第２増幅回路２６の配置を入れ替えてもよい。

第２増幅回路２６の出力および第１増幅回路２７の出力は、例えば等倍のカレントミラー回路のような第３増幅回路２４に接続されている。さらに、後段には、第４増幅回路２５が接続されて、出力信号がＯＵＴ端子から取り出される。さらに、チップ上には、ダミー回路２８、パッド部３０が配置されており、周辺部にはスクライブ部３２が設けられている。ダミー回路２８は、第３増幅器２４及び第４増幅器２５における光キャリアの発生、吸収と等価な光学的環境とするために配置される。一般に、フォトダイオードは、フォトトランジスタと比べて、出力電流が小さい。しかし、感度の温度変動が小さく、素子間の分光感度変動範囲も小さい。そこで、フォトダイオードと光電流増幅回路を１チップ化したフォトＩＣ１０が半導体光センサ装置に適している。

次に、本具体例における動作について説明する。
図３は、フォトダイオードの要部を表す模式断面図である。
また、図４は、各々のフォトダイオードの分光感度特性を表すグラフ図である。
また、図５は、本具体例において得られた分光感度特性を視感度と比較したグラフ図である。

ｐ型シリコン基板５０に、ｎ^＋型埋め込み層５２、ｐ^＋型埋め込み層５７が形成され、さらにｎ型エピタキシャル層５４が形成される。さらに、フォトダイオードのアノードとなるｐ型層５６、ｐ^＋型層５８などが形成される。破線楕円は、フォトダイオード２０を表す。また、フォトダイオード２１の上部には、赤外光透過（可視光阻止）フィルタ４０が配置されて、赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２を構成している。

図４の横軸は、波長（ｎｍ）を表し、縦軸は相対分光感度（％）を表す。ここで使用した赤外光透過フィルタ４０は、約５８０ナノメータ以上の波長を透過させ、これ以下の波長の光を減衰させる。この結果、赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２の相対分光感度は、５８０ナノメータ以下がカットされる。一方、フィルタなしのフォトダイオード２０の分光感度は、ほぼシリコンの量子効率の波長依存性を表し、約８００〜９００ナノメータ付近に感度のピークを生じる。

ここで、再び図２に戻って説明を続ける。赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２からの電流は、第２増幅回路２６により増幅されてＪ１となる。一方、フォトダイオード２０からの電流は、第１増幅回路２７により増幅されてＪ２となる。ここで、第１増幅回路２７及び第２増幅回路２６の利得をはじめとする増幅回路特性は、ほぼ同一であることが重要である。このあと、等倍のカレントミラーである第３増幅回路２４を用いて減算されて、（Ｊ２−Ｊ１）とほぼ等しい電流Ｊ３が、第４増幅回路２５に注入される。この結果、視感度に近い分光感度特性を表すＪ３が得られる。なお、可視光のみを透過させる急峻な透過特性を有するフィルタが存在すれば、減算回路２４は不要であるが、これは実現が容易ではない。

図５は、本具体例の半導体光センサ装置の分光感度特性を表すグラフ図である。
すなわち、同図には、本具体例の分光感度特性が実線で、比較のために視感度が破線で表されている。本具体例によれば、赤外光領域の分光感度がカットされており、ほぼ視感度と合致した分光感度特性が得られている。

次に、本具体例において良好な視感度が得られる理由について説明する。
図６は、半導体光センサ装置の要部を例示する模式断面図である。
ｐ型シリコン基板５０上に、ｐ^＋型埋め込み層５７、ｎ^＋型埋め込み層５２が形成され、ｎ型層５４がエピタキシャル成長されている。さらに、フォトダイオードのアノードとなるｐ^＋層が形成される。破線楕円にて表されたフォトダイオード２３には、表面側から、バンドギャップエネルギーに相当する波長より短い光７４が入射すると、光がｎ層５４に吸収され光電流を発生する。ここで、光電流が、フォトダイオード２３の領域のみで発生すれば、視感度に近い分光感度特性を容易に実現できる。

ところが、実際の半導体素子においては、チップ表面のフォトダイオード以外の領域やチップ側面７０にも光が入射される。さらに、フォトダイオードのｐｎ接合より深く到達する場合もある。例えば、チップ側面７０から入射した光７２によりシリコン基板５０に生じた光キャリア７６による電流は、ｎ^＋型層５２に到達する。このｎ^＋型層５２がラテラルＰＮＰトランジスタのベースであると、到達電流はベース電流に加算されるので、ｈ_ＦＥ倍されてコレクタ電流を増加させる。このラテラルＰＮＰトランジスタが光電流の増幅回路を構成している場合、実際より大きい光電流値を示すことになる。さらに、可視光より波長の長い赤外光のほうが、シリコン基板５０のより深くまで到達するので、光電流の誤差が増える可能性がある。この影響は、蛍光灯より赤外光成分の多い白熱電球などの場合に一層顕著となる。

さらに、表面側からフォトダイオード２１のｐｎ接合を透過し、より深い領域まで到達した光により生じた光キャリア７８による拡散電流も同様に、フォトダイオードのみの場合より大きな光電流を生じる。照度をはかる半導体光センサ装置では、ｐｎ接合を浅く設定して、ピーク受光感度を視感度に合わせることがよく行われる。このため、蛍光灯より赤外光成分の多い白熱電球が使用されている場合に、フォトダイオードの拡散電流が増加して、誤差が増大する。このように、光源により、半導体光センサ装置の出力が変化することは、望ましくない。

次に、増幅回路２６、２７の利得について説明する。
照度センサとして使用される半導体光センサ装置においては、夜間屋外の照度数ルクス程度から、快晴屋外の照度数万ルクス程度まで動作することが必要である。この範囲の光を受光するフォトダイオード出力電流範囲は、数ナノアンペア〜数マイクロアンペアであり、この範囲の照度に対してリニアな出力電流変化が必要である。この場合、光電流の下限である数ナノアンペアに対して、ノイズに影響を受けずに照度を測定する必要がある。

上で述べたｐ型シリコン基板５０で発生する光電流の影響を低減するには、フォトダイオード２１で生じる微小電流を増幅しておくことが望ましい。増幅回路２６、２７の電力利得としては１０倍〜数百倍の範囲であることが望ましい。

図７は、比較例における相対分光感度特性の一例を表すグラフ図である。
すなわち、本比較例は、図６に例示したフォトダイオード２１を有し、赤外光透過フィルタ（図示せず）を設けたフォトダイオードとの電流減算により、分光感度特性を得る点は具体例と同様である。しかしながら、両フォトダイオード、及びそれぞれに接続される増幅回路の配置場所は光学的に等価な位置とされていない。すなわち、チップ側面からの距離も、両フォトダイオードにより異なる。同様に、各増幅回路とチップ側面との距離も異なり、各増幅回路とフォトダイオード分割領域との距離も異なる。この結果、両フォトダイオード出力電流および両増幅回路出力において、拡散電流の影響が異なる。この結果、減算後の電流には、拡散電流などの影響が含まれる。このため、図７に例示したように、波長１，０５０ナノメータ付近に、分光感度のサブピークが表れる。このサブピークにより、視感度の分光特性からずれてしまい、例えば、携帯電話の画面の輝度制御などを高精度に実行できない。

本発明者の検討結果によれば、チップ厚みを減らしたり、チップ側面への光入射を減らすと、このサブピークが低減できる。しかしこのことは、側面からの光入射により生じる拡散電流などが、分光感度特性を劣化させていることを示している。

また、シリコン材料の量子効率は、光吸収層の厚みにも依存するが、約８００〜９００ナノメータ付近に感度のピークを生じる。視感度がピークとなる５８０ナノメータ付近では、最大値の約８０％まで低下する。すなわち、同じ光出力でも赤外光のほうが電流出力大となり、誤差を増加させることになる。

これに対して、本具体例によれば、フォトダイオードとチップ側面との距離が、フォトダイオード２０における場合と赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２における場合とで等しくされている。さらに、両増幅回路はチップ側面から等距離に配置され、両フォトダイオードとの距離も等しくなるように配置されている。従って、側面７０からの入射光による望ましくない光電流が減算によりほぼ相殺されるので、その影響が大幅に低減できている。

また、フォトダイオードの接合より深く入射した光により生じる光電流による影響は、フォトダイオードに第１増幅回路２７，第２増幅回路２６を直結することにより最小限とできる。さらに、フォトダイオードによる本来検出したい電流が、第１増幅回路２７、第２増幅回路２６で増幅されるので、側面からの光による影響も、相対的に低減されている。

本実施形態によれば、以上説明したような理由によって、図５に例示したように、極めて視感度に近い分光感度特性が得られており、長波長のサブピークの発生はない。従って、高精度の輝度制御が可能になり、使用環境に応じた最適画面を得ることができる。

図８は、本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部を表す模式平面図である。図８以降の図面については、既出の図面に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本具体例においては、シリコン基板の上に、フォトダイオード２０及び赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２が、交互に、「市松模様」のごとく配置されている。フォトダイオード面積が小さいと、検出電流が小さくなり検出精度が低下するので、所定の面積が必要である。この場合に、ダイオード２０、２２をそれぞれ複数の領域に分割して交互に配置すると、これらダイオード２０、２２を光学的に等価に配置することが容易となる。

なお、これら分割されたフォトダイオードのうちの、赤外光透過フィルタがついていないフォトダイオード２０同士は、互いに並列に接続されており、第１増幅回路２７の入力端子Ｂに接続されている。また、赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２同士も、互いに並列に接続されており、第２増幅回路２６の入力端子Ａに接続されている。

本具体例においては、分割されたフォトダイオード２０と赤外光透過フィルタ付フォトダイオード２２とが、それぞれチップ側面（言い換えると分離されたシリコン基板の側面）から実質的に等距離となるように、全体配置されている。
例えば、図８において、分割されたフォトダイオード２０の領域のそれぞれについて左右対称の位置に、分割されたフォトダイオード２２のそれぞれの領域が配置されている。ここで、フォトダイオード２０の全体としての中心点（重心）Ｐと、フォトダイオード２２の全体としての中心点Ｑと、は図８に表したように、同一となる。つまり、これらフォトダイオード２０、２２について、光学的な環境を等価に近づけることができる。

また、第１フォトダイオード２０の分割領域の中心点Ｐ１とチップ側面７０１との水平距離Ｈ２０は、これに対応する第２フォトダイオード分割領域の中心点Ｑ１とチップ側面７０３との水平距離Ｈ２２と等しくされている。同様に、中心点Ｐ１とチップ側面７０２との水平距離Ｖ２０は、中心点Ｑ１とチップ側面７０２との水平距離Ｖ２２と等しくされる。また、図９には、中心点Ｐ１を有する第１フォトダイオード２０に隣接した中心点Ｑ２を有する第２フォトダイオード２２と第２増幅回路２６との位置関係を表す。同様に、中心点Ｑ１を有する第２フォトダイオード２２に隣接した中心点Ｐ２を有する第１フォトダイオード２０と第１増幅回路２７との位置関係を表す。

フォトダイオード２０及び２２は、Ｐ１点とＱ１点のように、またＰ２点とＱ２点のように、それぞれ互いに対応する領域を有するように多分割することができる。さらに、周囲からの影響を等しく受けるためには、対称の位置に互いに近接して配置することが好ましい。なお、分割された互いに対応する領域の配置により対称性は維持されるので、図８および図９のように交互に配置することは必ずしも必要ではない。すなわち、いずれか一方のフォトダイオードの分割された領域が部分的に連続して配置されていても良い。しかし、交互に配置すると、周囲からの影響を一層等しく出来る。

このようにフォトダイオード２０、２２をそれぞれ分割して対称な位置に配置することにより、大きな受光面積と、光学的に等価な配置と、を両立させることが容易となる。その結果として、高感度で、しかも図５に関して前述したように視感度に近い分光感度特性をより確実に得ることができる。

次に、第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の変形例について説明する。
図１０〜図１４は、変形例を表す模式平面図である。
すなわち、図１０は、第１の変形例を表す。第１増幅回路２７と、第２増幅回路２６とは、チップの角部に、ほぼ線対称の位置に配置されている。この結果、増幅回路から第１フォトダイオード２０、第２フォトダイオード２２への距離は実質的に等しくできる。第１フォトダイオード２０、第２フォトダイオード２２は第２の具体例とほぼ同じく、配置されている。なお、多分割されているフォトダイオードの接続の一例を示した。実際には、光入射面への影響が少なくなるように配線がなされる。なお、図１、図１１〜図１４にも同様の配線がなされるが、図示を省略した。第１フォトダイオード２０の電流は、端子Ｄに集められた後、第２増幅回路２６へ入力される。同様に、第２フォトダイオード２２の電流は端子Ｃに集められた後、第１増幅回路２７へ入力される。

図１１は、第２の変形例を表す。
フォトダイオードは、３側面に近接して配置されている。また、第１増幅回路２７，第２増幅回路２６は左右対称の位置に配置され、第１フォトダイオード２０、第２フォトダイオード２２への距離が実質的に等しくされている。他のスペースには、第３増幅回路２４、第４増幅回路２５、パッド部３０は配置されている。

図１２は、第３の変形例を表す。
第１フォトダイオード２０，第２フォトダイオード２２はチップの中心部に配置されている。また、第１増幅回路２７、第２増幅回路２６は左右対称の位置に配置され、フォトダイオードへの距離が実質的に等しくなっている。

図１３は、第４の変形例を表す。
第１フォトダイオード２０、第２フォトダイオード２２は、十字型に配置され、第１増幅回路２７、第２増幅回路２６は、上下対称の位置に配置されている。この結果、第１フォトダイオード２０と第１増幅回路２７との距離，第２フォトダイオード２２と第２増幅回路２６との距離を、それぞれ等しくできる。

図１４は、第５の変形例を表す。
第１フォトダイオード２０，第２フォトダイオード２２がチップ中央部に配置されている。第１増幅回路２７，第２増幅回路２６は、フォトダイオードに近接し、左右対称に配置されているので、互いの距離を等しくできる。また、第３増幅回路２４、第４増幅回路２５、ダミー回路２８、パッド部３０のほかに、更に高機能とするための周辺回路２９が配置されている。

次に、本発明の第３の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部について説明する。
図１５は、本具体例の等価回路図である。
第１フォトダイオード２０からの検出電流が、第１増幅回路２７へ入力され、赤外光透過フィルタ４０付第２フォトダイオード２２からの検出電流が、第２増幅回路２６へ入力される。さらに、第１増幅回路２７からの出力電流と、第２増幅回路２６との電流とは、第６増幅回路９０により、減算されたのち増幅される。第１増幅回路２７、第２増幅回路２６において、光電流値を適正な大きさに等しく増幅しておくことにより、第６増幅回路９０及び、第７増幅回路９２において、シリコン基板で生じる光キャリアの影響を低減することができる。第７増幅回路９２を配置したために、第２具体例と比べて、より大きな出力電流を得ることができる。

次に、本発明の第４の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部について説明する。
図１６は、本具体例の等価回路図である。
また、図１７は、フォトダイオードの要部を表す模式断面図である。
ｐ型シリコン基板５０上に、ｐ^＋型埋め込み層５７が形成され、ｎ型エピタキシャル層５４が成長される。さらに、フォトダイオード１０２，１０４を分離するために、ｐ^＋型層５８が形成される。本具体例においては、ｐ型シリコン基板５０と、ｎ層５４の間のｐｎ接合が用いられる。この結果、フォトダイオードのｐ型層側が、接地とされる。回路の動作は、第２の具体例と同様である。

次に、半導体光センサ装置について説明する。
図１８は、本発明の第１〜第４の具体例にかかる半導体光センサ装置を表す模式平面図である。
また、図１９は、その模式側面図である。
すでに説明したフォトＩＣ１０が、たとえば、図１８及び図１９に例示された表面実装型（SMD:Surface Mount Device）パッケージに組み込まれる。フォトＩＣ１０が、パッケージにマウントされ、リードとワイヤボンディングされる。例えば、リード１１６を電源電圧Ｖｃｃ，リード１１２、１１４、１１８、１２０を接地、リード１２２を出力端子とできる。フォトＩＣ及びボンディングワイヤ（図示せず）は、可視光を透過する透明樹脂１２４で封止されて、半導体光センサ装置１１１が完成する。この外形寸法は、例えば、１．６ｍｍ×１．６ｍｍ×０．５５ｍｍ（厚み）と小型にできる。

図２０は、半導体光センサ装置１１１を搭載した携帯電話１２６を表す模式図である。
半導体光センサ装置１１１は、上に述べたように小型であるので、ディスプレイ画面の上側に配置され、視感度に近い分光感度特性で照度を測定することができる。この結果、夜間、昼間の屋外、室内と広範囲に変動する照度を測定し、キーパッドおよびディスプレイ用バックライトの輝度調整を行うことができる。例えば、夜間の屋外では、キーパッドのＬＥＤを点灯し、液晶ディスプレイのバックライトを２分の１以下に減灯する。このような使用法によれば、輝度調整を行わない場合と比べて、連続使用可能時間を数倍とできる。

またこの時に、赤外線などの長波長光に対して不要な反応をする問題がなくなり、視感度にあわせた的確な制御が可能となる。

本実施形態の半導体光センサ装置は、携帯電話に限定されることなく、ノートパソコン、ＰＤＡ、ディジタルカメラ、車載用のカーナビゲーション装置、液晶テレビなどの各種の情報機器に広く応用でき、画像表示用の高度な輝度調整や消費電力低減などが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明した。しかし本発明はこれら具体例に限定されるものではない。半導体光センサ装置を構成するフォトダイオード、増幅回路、光学フィルタ、透明樹脂、パッケージ、などの各要素の形状、材質、配置関係などに関して当業者が各種の設計変更をくわえたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。

本発明の第１の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部を表す模式平面図である。第１の具体例にかかる半導体光センサ装置の等価回路図である。第１の具体例におけるフォトダイオードの要部を表す模式断面図である。第１の具体例におけるフォトダイオードの分光感度の波長依存性を表すグラフ図である。第１の具体例における分光感度の視感度との比較を表すグラフ図である。フォトダイオード領域以外で発生する光電流を表す模式図である。フォトダイオード領域以外で発生した光電流により生じる分光感度の乱れを表すグラフ図である。本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部を表す模式平面図である。本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部を表わす模式平面図である。本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部の第１変形例を表す模式平面図である。本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部の第２変形例を表す模式平面図である。本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部の第３変形例を表す模式平面図である。本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部の第４変形例を表す模式平面図である。本発明の第２の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部の第５変形例を表す模式平面図である。本発明の第３の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部の等価回路図である。本発明の第４の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部の等価回路図である。図１５に例示されたフォトＩＣにおけるフォトダイオードを表す模式断面図である。本発明の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部を表す模式平面図である。本発明の具体例にかかる半導体光センサ装置の要部を表す模式側面図である。本発明の具体例にかかる半導体光センサ装置を搭載した携帯電話を表す模式図である。

符号の説明

１０フォトＩＣ
２０第１フォトダイオード
２１第２フォトダイオード
２２赤外光透過フィルタ付第２フォトダイオード
２３フォトダイオード
２４第３増幅回路
２５第４増幅回路
２６第２増幅回路
２７第１増幅回路
２８ダミー回路
２９周辺回路
３０パッド部
３２スクライブ部
４０赤外光透過フィルタ
５０シリコン基板
５２ｎ^＋埋め込み層
５４エピタキシャル層
５６ｐ型層
５７ｐ^＋埋め込み層
５８ｐ^＋層
７０シリコン基板側面
７２入射光
７４入射光
７６光キャリア
７８光キャリア
９０第６増幅回路
９２第７増幅回路
９４第８増幅回路
１０２フォトダイオード
１０４フォトダイオード
１１１半導体光センサ装置
１１２、１１４、１１８、１２０接地端子
１１６Ｖｃｃ端子
１２２出力端子
１２４透明樹脂
１２６携帯電話

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成された第２フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１フォトダイオードからの光電流を増幅する第１増幅回路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅し、前記第１増幅回路と略同一の増幅特性を有する第２増幅回路と、
前記第２フォトダイオードの上に設けられ、入射光のうちの可視光成分を赤外光成分に対して相対的に減衰させる赤外透過フィルタと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１増幅回路の出力と前記第２増幅回路の出力との差分を出力する減算回路と、
を備え、
前記半導体基板上において、前記第１フォトダイオードの中心と前記第２フォトダイオードの中心とが半導体基板の中心を通る直線に関して実質的に対称に配置されてなることを特徴とする半導体光センサ装置。
シリコン基板と、
前記半導体基板上に形成され互いに並列に接続された複数の領域を有する第１フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され互いに並列に接続された複数の領域を有する第２フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１フォトダイオードからの光電流を増幅する第１増幅回路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅し、前記第１増幅回路と略同一の増幅特性を有する第２増幅回路と、
前記第２フォトダイオードの上に設けられ、入射光のうちの可視光成分を赤外光成分に対して相対的に減衰させる赤外透過フィルタと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１増幅回路の出力と前記第２増幅回路の出力との差分を出力する減算回路と、
を備え、
前記半導体基板上において、前記第１フォトダイオードの前記複数の領域のそれぞれと前記第２フォトダイオードの前記複数の領域のそれぞれとは、半導体基板の中心を通る直線に関して実質的に対称に配置されてなることを特徴とする半導体光センサ装置。
前記半導体基板上において、前記第１増幅回路と前記第２増幅回路とが半導体基板の中心を通る直線に関して実施的に対称に配置されてなることを特徴とする請求項２記載の半導体光センサ装置。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成された第２フォトダイオードと、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅する第１増幅回路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第２フォトダイオードからの光電流を増幅し、前記第１増幅回路と略同一の増幅特性を有する第２増幅回路と、
前記第２フォトダイオードの上に設けられ、入射光のうちの可視光成分を赤外光成分に対して相対的に減衰させる赤外透過フィルタと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１増幅回路の出力と前記第２増幅回路の出力との差分を出力する減算回路と、
を備え、
前記半導体基板の第１側面から前記第１フォトダイオードの中心までの距離と、前記半導体基板の前記第１側面と対向する第２側面から前記第２フォトダイオードの中心までの距離とがほぼ等しいことを特徴とする半導体光センサ装置。
前記第１フォトダイオード及び前記第１増幅回路と、前記第２フォトダイオード及び前記第２増幅回路とが半導体基板の中心を通る直線に関して実質的に対称に配置されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体光センサ装置。