CN111052401B - 光电转换元件和光电转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于检测入射光的光点尺寸的光电转换元件。光电转换元件(20)具备：光电转换基板(210)，具有两个主面；第1导电型半导体层(221)和第1电极层(222)，依次层叠于作为光电转换基板(210)的一个主面的受光面侧；以及第2导电型半导体层(231)和第2电极层(232)，依次层叠于作为光电转换基板(210)的另一个主面的背面侧，上述光电转换元件(20)具备绝缘层(235)，上述绝缘层(235)设置于光电转换基板(210)与第2电极层(232)之间，绝缘层(235)具有沿着光电转换基板(210)的主面设置为二维状的多个贯通孔(25)。

Description

光电转换元件和光电转换装置
技术领域
本发明涉及用于光检测领域等的光电转换元件和光电转换装置。
背景技术
在专利文献1中公开有检测入射光的强度(照度)的光电转换元件(半导体受光元件)。作为这样的光电转换元件，例如公知有使用了结晶硅基板的元件。在使用了结晶硅基板的光电转换元件中，即使在暗电流比较小，入射光的强度较低的情况下，S/N比也比较高，是高灵敏度(与照度无关地稳定的响应)。
专利文献1：日本专利第6093061号公报
然而，迫切期望能够检测入射光的光点尺寸的光电转换元件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于检测入射光的光点尺寸的光电转换元件和光电转换装置。
本发明所涉及的光电转换元件具备：光电转换基板，具有两个主面；第1导电型半导体层和第1电极层，依次层叠于作为光电转换基板的一个主面的受光面侧；以及第2导电型半导体层和第2电极层，依次层叠于作为光电转换基板的另一个主面的背面侧，上述光电转换元件具备绝缘层，上述绝缘层设置于光电转换基板与第1电极层之间、和光电转换基板与第2电极层之间的至少一方，绝缘层具有沿着光电转换基板的主面设置为二维状的多个贯通孔。
本发明所涉及的光电转换装置包括：第1光电转换元件，配置于入射光的上游侧；和第2光电转换元件，配置于入射光的下游侧，并将上述的光电转换元件作为上述第2光电转换元件。
根据本发明，能够提供用于检测入射光的光点尺寸的光电转换元件和光电转换装置。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的光电转换装置的结构的图。
图2是图1的第1光电转换元件中的II-II线剖视图。
图3是图1的第2光电转换元件中的III-III线剖面的局部剖视图。
图4是从受光面侧表示图1和图3的第2光电转换元件的半导体基板的背面侧的层的图。
图5是表示入射光入射至图4的第2光电转换元件的情形的图。
图6是表示图5所示的照射区域较大时的在半导体基板中生成的载流子的回收的情形的示意图。
图7是表示图5所示的照射区域较小时的在半导体基板中生成的载流子的回收的情形的示意图。
图8是表示从来自光源的入射光的焦点聚焦于第2光电转换元件的受光面的状态(横轴0mm)开始到使光源远离了第2光电转换元件时的第2光电转换元件的入射光的检测强度(相对值)的一个例子的图。
图9是第1实施方式的第1变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。
图10是第1实施方式的第2变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。
图11是第1实施方式的第3变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。
图12是表示在第1实施方式的第4变形例所涉及的第2光电转换元件照射区域较大时的在半导体基板中生成的载流子的回收的情形的示意图。
图13是表示在第1实施方式的第4变形例所涉及的第2光电转换元件照射区域较小时的在半导体基板中生成的载流子的回收的情形的示意图。
图14是第1实施方式的第5变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。
图15是表示第2实施方式所涉及的三维传感器的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的一个例子进行说明。此外，在各附图中，对相同或者相当的部分标注相同的附图标记。另外，为了方便，也存在省略阴影线和部件附图标记等的情况，在该情况下，参照其他的附图。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式所涉及的光电转换装置的结构的图。图1所示的光电转换装置1不仅检测入射光的强度，还检测入射光的光点尺寸和入射方向。光电转换装置1包括配置于光的行进方向的上游侧的第1光电转换元件10、配置于光的行进方向的下游侧的第2光电转换元件20、存储部30以及运算部40。
此外，在图1和后述的附图中，示出XYZ正交坐标系。XY平面是与第1光电转换元件10及第2光电转换元件20的受光面平行的面，Z方向是相对于XY平面正交的方向。
另外，在图1和后述的附图中，俯视图中两条点划线的交点表示XY平面的中心，一条点划线为X方向，另一条点划线与Y方向平行。另外，俯视图中的两条虚线的交点表示XY平面中的入射光的光点尺寸的中心，一条虚线为X方向，另一条虚线与Y方向平行。
第1光电转换元件10生成与向受光面入射的入射光的强度(总量)相应的电流。第1光电转换元件10根据受光面(XY平面)中的入射光的中心位置(坐标)(以下，也称为XY位置。)，将生成的电流向配置于4个边的4个电极层123(和后述的背面侧的电极层133)分配并输出。另外，第1光电转换元件10透射入射光。对第1光电转换元件10的结构的详细内容进行后述。
第2光电转换元件20生成与根据向受光面入射的入射光生成的载流子(电子或者空穴)中的、通过设置为二维状的多个针孔(贯通孔)25的载流子量相应的电流。由此，第2光电转换元件20生成与入射光的密度相应的电流，换言之生成与入射光的光点尺寸相应的电流(详细内容进行后述)。
第2光电转换元件20根据受光面(XY平面)中的入射光的中心位置(坐标)(以下，也称为XY位置。)，将生成的电流向配置于4个边的4个电极层223(和后述的背面侧的电极层233)分配并输出。对第2光电转换元件20的结构的详细内容进行后述。
此外，在图1中，在第2光电转换元件20中，透射示出了后述的绝缘层中的多个针孔25。
存储部30预先存储将第1光电转换元件10的输出电流(总量)(即，与入射光的强度(总量)相应的电流)及第2光电转换元件20的输出电流(总量)(即，与入射光的光点尺寸相应的电流)、与第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸相关联的表格。存储部30例如是EEPROM等能够改写的存储器。
运算部40根据从第1光电转换元件10的4个电极层123(133)输出的电流的总量，运算并检测入射光的强度(总量)。
另外，运算部40基于从第1光电转换元件10的4个电极层123(133)分别输出的电流的比例，运算并检测第1光电转换元件10的受光面中的入射光的XY位置(坐标)。同样，运算部40基于从第2光电转换元件20的4个电极层223(233)分别输出的电流的比例，运算并检测第2光电转换元件20的受光面中的入射光的XY位置(坐标)。运算部40根据上述的第1光电转换元件10的受光面中的入射光的XY位置(坐标)、和第2光电转换元件20的受光面中的入射光的XY位置(坐标)，运算并检测入射光的入射方向。
另外，运算部40参照在存储部30存储的表格，求出并检测与从第1光电转换元件10的4个电极层123(133)输出的电流的总量(即，与入射光的强度(总量)相应的电流)及从第2光电转换元件20的4个电极层223(233)输出的电流的总量(即，与入射光的光点尺寸相应的电流)对应的第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸。
运算部40例如由DSP(Digital Signal Processor-数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable Gate Array-现场可编程逻辑门阵列)等运算处理器构成。运算部40的各种功能例如通过执行在存储部30储存的规定的软件(程序、应用程序)来实现。运算部40的各种功能可以通过硬件与软件的配合来实现，也可以仅通过硬件(电子电路)来实现。
以下，对第1光电转换元件10和第2光电转换元件20的结构详细地进行说明。
＜第1光电转换元件＞
图2是图1的第1光电转换元件10中的II-II线剖视图。第1光电转换元件10具备：n型(第2导电型)半导体基板(光电转换基板)110，具备两个主面；和钝化层120、p型(第1导电型)半导体层121、透明电极层122以及电极层123，依次层叠于半导体基板110的主面中的作为受光的一侧的一个主面的受光面侧。另外，第1光电转换元件10具备依次层叠于半导体基板110的主面中的作为与受光面的相反的一侧的另一个主面的背面侧的局部的钝化层130、n型(第2导电型)半导体层131、透明电极层132以及电极层133。
半导体基板(光电转换基板)110由单晶硅或者多晶硅等结晶硅材料形成。半导体基板110例如是在结晶硅材料中掺杂了n型掺杂剂的n型的半导体基板。作为n型掺杂剂，例如能够举出磷(P)。
通过使用结晶硅作为半导体基板110的材料，从而即使在暗电流比较小，入射光的强度较低的情况下，S/N比也比较高，并且是高灵敏度(不受照度影响地稳定的响应)。
钝化层120形成于半导体基板110的受光面侧，钝化层130形成于半导体基板110的背面侧。钝化层120、130例如由本征(i型)非晶体硅材料形成。
钝化层120、130抑制在半导体基板210中生成的载流子的再结合，从而提高载流子的回收效率。
p型半导体层121形成于钝化层120上。p型半导体层121例如由非晶体硅材料形成。p型半导体层121例如是在非晶体硅材料中掺杂了p型掺杂剂的p型的半导体层。作为p型掺杂剂，例如能够举出硼(B)。
n型半导体层131形成于钝化层130上。n型半导体层131例如由非晶体硅材料形成。n型半导体层131例如是在非晶体硅材料中掺杂了n型掺杂剂(例如，上述的磷(P))的n型半导体层。
上述的钝化层120、130、p型半导体层121以及n型半导体层131例如使用CVD法而形成。
透明电极层122形成于p型半导体层121上，透明电极层132形成于n型半导体层131上。透明电极层122、132由透明的导电性材料形成。作为透明导电性材料，能够举出ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟和氧化锡的复合氧化物)等。透明电极层122、132例如使用溅射法而形成。
电极层123在透明电极层122上的4个边部分别独立地形成有4个，电极层133在透明电极层132上的4个边部分别独立地形成有4个。电极层123、133由含有银等金属粉末的导电性膏材料形成。电极层123、133例如使用印刷法而形成。
＜第2光电转换元件＞
图3是图1的第2光电转换元件20中的III-III线剖面的局部剖视图，图4是从受光面侧表示图1和图3的第2光电转换元件20的半导体基板210的背面侧的层230、231、232、233、235的图。在图4中，示出了透射绝缘层235中的多个针孔25。
如图3所示，第2光电转换元件20具备：n型(第2导电型)半导体基板(光电转换基板)210，具备两个主面；和钝化层(第1钝化层)220、p型(第1导电型)半导体层221、透明电极层(第1电极层)222以及电极层223，依次层叠于半导体基板210的主面中的作为受光的一侧的一个主面的受光面侧。另外，第2光电转换元件20具备依次层叠于半导体基板210的主面中的作为受光面的相反侧的另一个主面的背面侧的钝化层(第2钝化层)230、n型(第2导电型)半导体层231、透明电极层(第2电极层)232以及电极层233。并且，第2光电转换元件20在半导体基板210的背面侧还具备层叠于这些层230、231、232、233的层叠方向上的钝化层230的中间的绝缘层235。
半导体基板(光电转换基板)210与上述的第1光电转换元件10的半导体基板110相同，由单晶硅或者多晶硅等结晶硅材料形成。半导体基板210例如是在结晶硅材料中掺杂了n型掺杂剂(例如，上述的磷(P))的n型的半导体基板。
通过使用结晶硅作为半导体基板210的材料，从而即使在暗电流比较小，入射光的强度较低的情况下，S/N比也比较高，是高灵敏度(不受照度影响地稳定的响应)。
钝化层220形成于半导体基板210的受光面侧，钝化层230形成于半导体基板210的背面侧。钝化层220、230与上述的第1光电转换元件10的钝化层120、130相同，例如由本征(i型)非晶体硅材料形成。
钝化层220、230抑制在半导体基板210中生成的载流子的再结合，从而提高载流子的回收效率。
p型半导体层221形成于钝化层220上。p型半导体层221与上述的第1光电转换元件10的p型半导体层121相同，例如由非晶体硅材料形成。p型半导体层221例如是在非晶体硅材料中掺杂了p型掺杂剂(例如，上述的硼(B))的p型的半导体层。
n型半导体层231形成于钝化层230上。n型半导体层231与上述的第1光电转换元件10的n型半导体层131相同，例如由非晶体硅材料形成。n型半导体层231例如是在非晶体硅材料中掺杂了n型掺杂剂(例如，上述的磷(P))的n型半导体层。
上述的钝化层220、230、p型半导体层221以及n型半导体层231例如使用CVD法而形成。
透明电极层222形成于p型半导体层221上，透明电极层232形成于n型半导体层231上。透明电极层222、232与上述的第1光电转换元件10的透明电极层122、132相同，由透明的导电性材料形成。透明电极层222、232例如使用溅射法而形成。
电极层223在透明电极层222上的4个边部分别独立地形成有4个，电极层233在透明电极层232上的4个边部分别独立地形成有4个。电极层223、233与上述的第1光电转换元件10的电极层123、133相同，由含有银等金属粉末的导电性膏材料形成。电极层223、233例如使用印刷法而形成。
绝缘层235在钝化层230的中间例如形成于将钝化层230分割为两层而成的分割层230a与分割层230b之间。绝缘层235例如由SiNx、SiOx、AlOx、TiOx、TiNx等具有绝缘性和透明性的材料形成。
如图3和图4所示，绝缘层235具有沿着半导体基板210的主面设置为二维状的多个针孔25，在这些针孔25填充有钝化层230的材料。在本实施方式中，作为针孔25的配置的一个例子，示出在正交格子的交点上等间隔地配置的形态，但针孔25的配置并不限定于此。例如，针孔25也可以配置为锯齿状(staggered)。即，在Y方向(或者X方向)上相邻的针孔25也可以在X方向(或者Y方向)上相互交错地(staggered)配置。另外，在本实施方式中，作为针孔25的形状的一个例子，示出在沿着半导体基板210的主面的俯视时为圆形状的形态，但针孔25的形状并不限定于此。例如，针孔25也可以是椭圆状或者多边形状。
对于针孔25而言，直径越小越优选，数量越多越优选。由此，与入射光的光点尺寸相应的第2光电转换元件20的输出电流的变化变大。例如，优选针孔25的直径为5μm以上50μm以下，更优选为10μm左右。优选针孔25的间隔(中心间隔)为50μm以上500μm以下，更优选100μm左右。
另外，优选针孔25的总面积相对于第2光电转换元件20的受光面的面积(更具体而言，p型半导体层221和n型半导体层231的面积)的比例为0.005％以上5％以下，更优选为0.1％左右。
绝缘层235和针孔25例如使用光刻法而形成。例如，当在钝化层230中的分割层230a上形成绝缘层后，形成贯通该绝缘层的针孔(贯通孔)25从而获得绝缘层235。其后，在绝缘层235上形成钝化层230中的分割层230b。由此，在针孔25填充钝化层230的材料。
由此，随着受光面中的被照射入射光的照射区域R(参照图5)的减少(即，随着入射光的密度变高)，照射区域R中的针孔25的数量减少。因此，随着受光面中的入射光的光点尺寸变小，输出电流降低。以下，对其详细内容进行说明。
图6是表示图5所示的照射区域R较大时的在半导体基板210中生成的载流子的回收的情形的示意图，图7是表示图5所示的照射区域R较小时的在半导体基板210中生成的载流子的回收的情形的示意图。在图6和图7中，用虚线箭头表示入射光的入射的情形。另外，在图6和图7中，用圆圈表示在半导体基板210中生成的载流子(电子和空穴)，用实线箭头表示这些载流子的移动的情形。
如图6和图7所示，在半导体基板210中生成的载流子(空穴)经由钝化层220被p型半导体层221回收，并被透明电极层222取出。另一方面，在半导体基板210中生成的载流子(电子)经由钝化层230被n型半导体层231回收，并被透明电极层232取出。此时，载流子(电子)被设置于钝化层230的中间的绝缘层235阻碍，而仅通过针孔25。
如图6所示，在照射区域R较大的情况下，照射区域R内的针孔25的数量较多，由这些针孔25形成的电流路径的总电阻实际上较低。另一方面，如图7所示，在照射区域R较小的情况下，照射区域R内的针孔25的数量较少，由这些针孔25形成的电流路径的总电阻实际上较高。
由此，随着照射区域R的减少(即，随着入射光的密度变高)，实际上电阻增大。因此，随着受光面中的入射光的光点尺寸变小，输出电流降低。
换言之，如图6所示，在入射光的密度较低的情况下，即当在半导体基板210中生成的载流子的密度较低的情况下，载流子(电子)分散至大量的针孔25，不会在针孔25中发生堵塞。另一方面，如图7所示，在入射光的密度较高的情况下，即当在半导体基板210中生成的载流子的密度较高的情况下，载流子(电子)集中于较少的针孔25，从而在针孔25中发生堵塞。
由此，随着照射区域R的减少(即，随着入射光的密度变高)，即随着受光面中的入射光的光点尺寸变小，输出电流降低。
另外，在本实施方式中，绝缘层235设置于第2光电转换元件20的背面侧中的作为钝化层230、n型半导体层231、以及透明电极层232中的最高电阻的钝化层230的中间，绝缘层235中的针孔25填充有钝化层230的材料，从而是高电阻。由此，与入射光的光点尺寸相应的第2光电转换元件20的输出电流的变化变大。
此外，在第2光电转换元件20的受光面侧未形成具有针孔的绝缘层。由此，在第2光电转换元件20的受光面侧，光学特性(例如，反射特性)一样。
如以上说明的那样，在本实施方式的光电转换装置1中，第1光电转换元件10生成与向受光面入射的入射光的强度(总量)相应的电流。第1光电转换元件10根据受光面(XY平面)中的入射光的中心的XY位置(坐标)，将生成的电流向配置于4个边的4对电极层123、133分配并输出。
另外，第2光电转换元件20生成与根据向受光面入射的入射光生成的载流子(电子或者空穴)中的通过多个针孔(贯通孔)25的载流子量相应的电流。由此，第2光电转换元件20生成与入射光的密度相应的电流，换言之生成与入射光的光点尺寸相应的电流。第2光电转换元件20根据受光面(XY平面)中的入射光的中心的XY位置(坐标)，将生成的电流向配置于4个边的4对电极层223、233分配并输出。
运算部40根据从第1光电转换元件10的4对电极层123、133输出的电流的总量，运算并检测入射光的强度(总量)。
另外，运算部40基于从第1光电转换元件10的4对电极层123、133分别输出的电流的比例，运算并检测第1光电转换元件10的受光面中的入射光的XY位置(坐标)。同样，运算部40基于从第2光电转换元件20的4对电极层223、233分别输出的电流的比例，运算并检测第2光电转换元件20的受光面中的入射光的XY位置(坐标)。运算部40根据上述的第1光电转换元件10的受光面中的入射光的XY位置(坐标)、和第2光电转换元件20的受光面中的入射光的XY位置(坐标)，运算并检测入射光的入射方向。
另外，运算部40参照在存储部30存储的表格，求出并检测与从第1光电转换元件10的4对电极层123、133输出的电流的总量(即，与入射光的强度(总量)相应的电流)及从第2光电转换元件20的4对电极层223、233输出的电流的总量(即，与入射光的光点尺寸相应的电流)对应的第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸。
此外，在入射光的强度已知的情况下，不使用第1光电转换元件10，而仅通过第2光电转换元件20，也能够检测第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸。
例如，存储部30在表格中代替第1光电转换元件10的输出电流(总量)而将入射光的强度关联。而且，运算部40根据入射光的强度、和从第2光电转换元件20输出的电流的总量，求出第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸即可。
图8是表示从来自光源的入射光(波长940nm)的焦点聚焦于第2光电转换元件20的受光面的状态(横轴0mm)开始到使光源远离了第2光电转换元件20时的第2光电转换元件20的入射光的检测强度(相对值)的一个例子的图。在图8中示出了在绝缘层235在正交格子上的交点以中心间隔100μm等间隔地形成有直径10μm的针孔25时的特性。
根据图8可知，随着光源从远离第2光电转换元件20的状态接近第2光电转换元件20，换言之，随着第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸变小，第2光电转换元件20的入射光的检测强度减少。
在本实施方式中，作为第2光电转换元件20，例示了在钝化层(第2钝化层)230的中间配置有绝缘层235的形态，但绝缘层的配置并不限定于此。以下，示出若干绝缘层的配置的变形例。
(第1变形例)
图9是第1实施方式的第1变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。如图9所示，也可以构成为：在第2光电转换元件20中，在半导体基板210的受光面侧，也在层叠方向上的钝化层(第1钝化层)220的中间设置有绝缘层225。
绝缘层225与绝缘层235相同，在钝化层220的中间，例如形成于将钝化层220分割为两层而成的分割层220a与分割层220b之间。绝缘层225与绝缘层235相同，具有沿着半导体基板210的主面设置为二维状的多个针孔25，在这些针孔25填充有钝化层220的材料。由此，根据照射区域R的大小，不仅半导体基板210的背面侧的实际的电阻变化，受光面侧的实际的电阻也变化，从而输出电流量进一步变化。
此外，在第2光电转换元件20中，也可以在半导体基板210的背面侧的钝化层(第2钝化层)230的中间、与半导体基板210的受光面侧的钝化层(第1钝化层)220的中间中的至少一方设置有绝缘层和针孔。
(第2变形例)
图10是第1实施方式的第2变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。如图10所示，也可以构成为：在第2光电转换元件20，绝缘层235设置于钝化层(第2钝化层)230与n型(第2导电型)半导体层231之间。
在该情况下，例如当在钝化层230上形成绝缘层后，形成针孔25从而获得绝缘层235。其后，在绝缘层235上形成n型半导体层231。由此，在针孔25填充n型半导体层231的材料。
此外，在第2光电转换元件20中，也可以在半导体基板210的背面侧的钝化层(第2钝化层)230与n型(第2导电型)半导体层231之间、和半导体基板210的受光面侧的钝化层(第1钝化层)220与p型(第1导电型)半导体层221之间中的至少一方设置有绝缘层和针孔。
(第3变形例)
图11是第1实施方式的第3变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。如图11所示，也可以构成为：在第2光电转换元件20，绝缘层235设置于n型(第2导电型)半导体层231与透明电极层(第2电极层)232之间。
在该情况下，例如，当在n型半导体层231上形成绝缘层后，形成针孔25从而获得绝缘层235。其后，在绝缘层235上形成透明电极层232。由此，在针孔25填充透明电极层232的材料。
在本变形例中，与第2光电转换元件20的背面侧中的作为钝化层230、n型半导体层231、以及透明电极层232中的第二高电阻的透明电极层232接触来设置绝缘层235，绝缘层235中的针孔25填充有透明电极层232的材料，从而是高电阻。由此，与入射光的光点尺寸相应的第2光电转换元件20的输出电流的变化变大。
此外，在第2光电转换元件20中，也可以在半导体基板210的背面侧的n型(第2导电型)半导体层231与透明电极层(第2电极层)232之间、和半导体基板210的受光面侧的p型(第1导电型)半导体层221与透明电极层(第1电极层)222之间中的至少一方设置有绝缘层和针孔。
(第4变形例)
图12是表示在第1实施方式的第4变形例所涉及的第2光电转换元件中照射区域R较大时的在半导体基板210中生成的载流子的回收的情形的示意图，图13是表示在第1实施方式的第4变形例所涉及的第2光电转换元件中照射区域R较小时的在半导体基板210中生成的载流子的回收的情形的示意图。
如图12和图13所示，在第2光电转换元件20中，也可以减薄钝化层(第2钝化层)230。例如，优选钝化层230中的比绝缘层235靠半导体基板210侧的分割层230a的厚度比钝化层230中的比绝缘层235靠n型半导体层231侧的分割层230b的厚度薄。优选分割层230a的厚度不足2nm。
若减薄钝化层230，则降低在半导体基板210中生成的载流子的再结合的抑制效果。因此，如图13所示，在照射区域R较小的情况下(在入射光的密度较高的情况下)，即当在半导体基板210中生成的载流子的密度较高的情况下，若在针孔25中发生堵塞，则载流子的回收花费时间，从而发生载流子的再结合(图13的×标记)。
另一方面，如图12所示，在照射区域R较大的情况下(在入射光的密度较低的情况下)，即当在半导体基板210中生成的载流子的密度较低的情况下，不会在针孔25中发生堵塞，因此载流子的回收不花费时间，从而抑制载流子的再结合的发生。
由此，与入射光的光点尺寸相应的第2光电转换元件20的输出电流的变化进一步变大。
此时，优选钝化层(第1钝化层)220的厚度也与钝化层230中的分割层230a的厚度同等程度地变薄。由此，与入射光的光点尺寸相应的第2光电转换元件20的输出电流的变化进一步变大。
同样，如图9所示的第1变形例那样，在钝化层220的中间形成有包括针孔25在内的绝缘层225的情况下，钝化层220中的比绝缘层225靠半导体基板210侧的分割层220a的厚度也可以比钝化层220中的比绝缘层225靠p型半导体层221侧的分割层220b的厚度薄。分割层220a的厚度也可以不足2nm。
(第5变形例)
图14是第1实施方式的第5变形例所涉及的第2光电转换元件的剖视图。如图14所示，也可以构成为：在第2光电转换元件20，绝缘层235设置于半导体基板210与钝化层(第2钝化层)230之间。换言之，也可以在图3所示的第1实施方式的第2光电转换元件20不形成钝化层230中的分割层230a。
在该情况下，例如当在半导体基板210上形成绝缘层后，形成针孔25从而获得绝缘层235。其后，在绝缘层235上形成钝化层230。由此，在针孔25填充钝化层230的材料。
同样，如图9所示的第1变形例那样，在除了绝缘层235之外还形成绝缘层225的情况下，绝缘层225也可以设置于半导体基板210与钝化层(第1钝化层)220之间。换言之，也可以不形成钝化层220中的分割层220a。
以上，对第1实施方式和第1～5变形例进行了说明，但第2光电转换元件20并不局限于这些形态，能够进行各种变形和组合。例如，在如图9所示的第1变形例那样在半导体基板210的受光面侧和背面侧双方形成绝缘层225(针孔25)和绝缘层235(针孔25)的情况下，也可以将第1实施方式和第1～5变形例适当地变形并组合，而使受光面侧的绝缘层225(针孔25)的配置和背面侧的绝缘层235(针孔25)的配置不同。
(第2实施方式)
作为光传感器，存在供来自被拍摄体的扩散光入射，除了被拍摄体的X方向和Y方向的位置(XY位置)之外，也检测Z方向(进深)的位置的三维传感器。在这样三维传感器中，若被拍摄体的Z方向(进深)的位置变化，则向内部的光电转换元件入射的入射光的光点尺寸变化(散焦)。
因此，若在这样的三维传感器中应用上述的光电转换装置1，则通过检测向光电转换元件入射的入射光的光点尺寸，从而能够检测被拍摄体的Z方向(进深)的位置。而且，根据入射光的入射方向和Z方向(进深)的位置，能够检测被拍摄体的三维的位置。
图15是表示第2实施方式所涉及的三维传感器的结构的图。图15所示的三维传感器2具备例如通过向被拍摄体照射激光从而将从被拍摄体发出的光学图像(扩散光)聚光的光学透镜50、供来自光学透镜50的聚光入射的上述的光电转换装置1即第1光电转换元件10、第2光电转换元件20、存储部30以及运算部40。
在本实施方式中，在光学透镜50的焦点位置配置有第1光电转换元件10。第1光电转换元件10生成与向受光面入射的所聚焦的入射光的强度(总量)相应的电流。第1光电转换元件10根据受光面(XY平面)中的入射光的中心的XY位置(坐标)，将生成的电流向配置于4个边的4个电极层123(133)分配并输出。另外，第1光电转换元件10透射入射光。
第2光电转换元件20生成与根据向受光面入射的所散焦的入射光生成的载流子(电子或者空穴)中的通过沿着受光面(XY平面)设置为二维状的多个针孔(贯通孔)25的载流子量相应的电流。由此，第2光电转换元件20生成与入射光的密度相应的电流，换言之生成与入射光的光点尺寸相应的电流。第2光电转换元件20根据受光面(XY平面)中的入射光的中心的XY位置(坐标)，将生成的电流向配置于4个边的4个电极层223(233)分配并输出。
存储部30预先存储表格，上述表格将第1光电转换元件10的输出电流(总量)(即，与入射光的强度(总量)相应的电流)及第2光电转换元件20的输出电流(总量)(即，与入射光的光点尺寸相应的电流)、与第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸相关联，还将被拍摄体的Z方向(进深)的位置与该光点尺寸相关联。
如上述那样，运算部40根据从第1光电转换元件10的4个电极层123(133)输出的电流的总量，运算并检测入射光的强度(总量)。
另外，如上述那样，运算部40基于从第1光电转换元件10的4个电极层123(133)分别输出的电流的比例，运算并检测第1光电转换元件10的受光面中的入射光的XY位置(坐标)。同样，运算部40基于从第2光电转换元件20的4个电极层223(233)分别输出的电流的比例，运算并检测第2光电转换元件20的受光面中的入射光的XY位置(坐标)。运算部40根据上述的第1光电转换元件10的受光面中的入射光的XY位置(坐标)、和第2光电转换元件20的受光面中的入射光的XY位置(坐标)，运算并检测入射光的入射方向。
另外，运算部40参照在存储部30存储的表格，求出并检测与从第1光电转换元件10输出的电流的总量(即，与入射光的强度(总量)相应的电流)及从第2光电转换元件20输出的电流的总量(即，与入射光的光点尺寸相应的电流)对应的第2光电转换元件20的受光面中的入射光的光点尺寸、和被拍摄体的Z方向(进深)的位置。
而且，运算部40如上述那样根据检测到的入射光的入射方向和Z方向(进深)的位置，检测被拍摄体的三维的位置。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的本实施方式，能够进行各种变形。例如，在本实施方式中，如图2和图3所示，例示了异质结型的光电转换元件10、20，但本发明的特征并不局限于异质结型的光电转换元件，能够用于同质结型的光电转换元件等各种光电转换元件。
另外，在本实施方式中，例示了p型半导体层作为受光面侧的导电型半导体层121、221，例示了n型半导体层作为背面侧的导电型半导体层131、231。然而，受光面侧的导电型半导体层121、221也可以是在非晶体硅材料中掺杂了n型掺杂剂(例如，上述的磷(P))的n型半导体层，背面侧的导电型半导体层131、231也可以是在非晶体硅材料中掺杂了p型掺杂剂(例如，上述的硼(B))的p型半导体层。
另外，在本实施方式中，例示了n型半导体基板作为半导体基板110、210，但半导体基板110、210也可以是在结晶硅材料中掺杂了p型掺杂剂(例如，上述的硼(B))的p型半导体基板。
另外，在本实施方式中，例示了具有结晶硅基板的光电转换元件，但并不限定于此。例如，光电转换元件也可以具有砷化镓(GaAs)基板。
附图标记说明
1…光电转换装置；2…三维传感器；10…第1光电转换元件；20…第2光电转换元件；25…针孔(贯通孔)；30…存储部；40…运算部；50…光学透镜；110…半导体基板(光电转换基板)；120、130…钝化层；121…p型半导体层(第1导电型半导体层)；122、132…透明电极层；123、133…电极层；131…n型半导体层(第2导电型半导体层)；210…半导体基板(光电转换基板)；220…钝化层(第1钝化层)；221…p型半导体层(第1导电型半导体层)；222…透明电极层(第1电极层)；223、233…电极层；225、235…绝缘层；230…钝化层(第2钝化层)；231…n型半导体层(第2导电型半导体层)；232…透明电极层(第2电极层)。

Claims (4)

1.一种光电转换元件，具备：光电转换基板，具有两个主面；第1导电型半导体层和第1电极层，依次层叠于作为所述光电转换基板的一个主面的受光面侧；以及第2导电型半导体层和第2电极层，依次层叠于作为所述光电转换基板的另一个主面的背面侧，其中，
所述光电转换元件具备绝缘层，所述绝缘层设置于所述光电转换基板与所述第1电极层之间、和所述光电转换基板与所述第2电极层之间的至少一方，
所述绝缘层具有沿着所述光电转换基板的主面设置为二维状的多个贯通孔，
所述光电转换元件还具备：
第1钝化层，设置于所述光电转换基板与所述第1导电型半导体层之间；和
第2钝化层，设置于所述光电转换基板与所述第2导电型半导体层之间，
所述绝缘层设置于所述光电转换元件的层叠方向上的所述第1钝化层的中间、与所述层叠方向上的所述第2钝化层的中间的至少一方。
2.根据权利要求1所述的光电转换元件，其中，
所述第1钝化层中的比所述绝缘层靠所述光电转换基板侧的厚度相比所述第1钝化层中的比所述绝缘层靠所述第1导电型半导体层侧的厚度而言较薄，和/或
所述第2钝化层中的比所述绝缘层靠所述光电转换基板侧的厚度相比所述第2钝化层中的比所述绝缘层靠所述第2导电型半导体层侧的厚度而言较薄。
3.一种光电转换装置，其中，
所述光电转换装置包括：
第1光电转换元件，配置于入射光的上游侧；和
第2光电转换元件，配置于所述入射光的下游侧，并将权利要求1或2所述的光电转换元件作为所述第2光电转换元件。
4.根据权利要求3所述的光电转换装置，其中，
还包括运算部，所述运算部基于所述第1光电转换元件的输出电流和所述第2光电转换元件的输出电流，运算所述第2光电转换元件中的入射光的光点尺寸。
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