JP2006318947A - Light-receiving device and electronic equipment using the same - Google Patents

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Shinichi Otsuka
晋一 大塚
Junji Fujino
純士 藤野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-receiving device capable of achieving desired spectral sensitivity characteristics by combining a plurality of photodiodes. <P>SOLUTION: In the light-receiving device 100, the plurality of photodiodes 10 are arranged flat on the same semiconductor substrate 30 and are designed so that the spectral sensitivity characteristics differ. The photodiodes 10 are formed by using a diffusion layer, having a profile whose concentration and depth are each different. The photodiodes 10 are arranged flat at different positions, and anode and cathode electrodes 50, 52 are provided independently. A photoelectric current Ip flowing in each photodiode 10 is synthesized by a synthesis circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、フォトダイオードに入射する光を検出して電気信号として出力する受光装置に関する。   The present invention relates to a light receiving device that detects light incident on a photodiode and outputs it as an electrical signal.

携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）などの小型情報端末やカメラなどさまざまな電子機器において、その電子機器の周囲の照度を計測する受光装置が用いられている。たとえば、ノートパソコンや携帯電話などにおいては、受光装置によって周囲の照度を測定し、その照度に応じて液晶のバックライトの明るさを調節するなどの用途が考えられる。   In various electronic devices such as small information terminals and cameras such as mobile phones and PDAs (Personal Digital Assistance), a light receiving device that measures the illuminance around the electronic device is used. For example, in a notebook personal computer, a mobile phone, and the like, it is conceivable that the ambient illuminance is measured by a light receiving device and the brightness of a liquid crystal backlight is adjusted according to the illuminance.

このような受光装置においては、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子に受光した光量に応じて流れる光電流を検出し、デジタル、あるいはアナログ信号として検出する。ここで、受光装置を照度センサとして用いる場合、フォトダイオードの分光感度特性が問題となる。一般に、半導体基板上に形成されるフォトダイオードの分光感度特性は、濃度プロファイルやＰＮ接合の深さなどのデバイス構造に依存し、かならずしも受光装置に必要とされる分光感度特性を有しているわけではない。すなわち、フォトダイオードは可視領域から近赤外にわたり広い感度特性を有するため、フォトダイオードにより検出した光強度が、かならずしも人間の目で知覚される明るさと対応しないという問題がある。   In such a light receiving device, a photocurrent flowing according to the amount of light received by a light receiving element such as a photodiode or a phototransistor is detected and detected as a digital or analog signal. Here, when the light receiving device is used as an illuminance sensor, the spectral sensitivity characteristic of the photodiode becomes a problem. In general, the spectral sensitivity characteristics of a photodiode formed on a semiconductor substrate depend on the device structure such as the concentration profile and the depth of the PN junction, and the spectral sensitivity characteristics required for the light receiving device are always included. is not. That is, since the photodiode has a wide sensitivity characteristic from the visible region to the near infrared, there is a problem that the light intensity detected by the photodiode does not necessarily correspond to the brightness perceived by the human eye.

特許文献１には、フォトダイオードの上面に光学フィルタを形成することにより、所望の分光感度特性を実現する技術が開示される。また、特許文献２には、所望の分光感度特性を得るために、異なる深さに、オーバーラップする態様にて分光感度特性の異なるフォトダイオードを形成し、各フォトダイオードに流れる電流を合成することにより、所望の分光感度特性を実現する技術が開示されている。   Patent Document 1 discloses a technique for realizing a desired spectral sensitivity characteristic by forming an optical filter on the upper surface of a photodiode. In Patent Document 2, in order to obtain a desired spectral sensitivity characteristic, photodiodes having different spectral sensitivity characteristics are formed at different depths in an overlapping manner, and currents flowing through the photodiodes are synthesized. Thus, a technique for realizing a desired spectral sensitivity characteristic is disclosed.

特開平６−７７５０７号公報JP-A-6-77507 特開２００４−１１９７１３号公報JP 2004-119713 A

特許文献１に記載の技術では多層膜などを形成する必要があるため、通常の半導体製造プロセスに比べて製造コストが高くなってしまうという問題がある。また、特許文献２に記載の技術によれば、２つのフォトダイオードのカソード端子が構造上必ず接続されてしまうため、光電流の合成処理に制約が多いという問題がある。   In the technique described in Patent Document 1, since it is necessary to form a multilayer film or the like, there is a problem that the manufacturing cost becomes higher than that of a normal semiconductor manufacturing process. Further, according to the technique described in Patent Document 2, the cathode terminals of the two photodiodes are necessarily connected structurally, and there is a problem that there are many restrictions on the photocurrent combining process.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数のフォトダイオードを組み合わせて所望の分光感度特性を実現可能な受光装置の提供にある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a light receiving device capable of realizing a desired spectral sensitivity characteristic by combining a plurality of photodiodes.

本発明のある態様は、受光装置に関する。この受光装置は、同一の半導体基板上に平面的に配置された分光感度特性が異なる複数のフォトダイオードと、複数のフォトダイオードに流れる電流を合成する合成回路と、を備える。   One embodiment of the present invention relates to a light receiving device. This light receiving device includes a plurality of photodiodes arranged in a plane on the same semiconductor substrate and having different spectral sensitivity characteristics, and a combining circuit that combines currents flowing through the plurality of photodiodes.

この態様によると、分光感度特性が異なるフォトダイオードを平面上に配置することにより、各フォトダイオードのアノード、カソードを独立に設けることができるため、合成回路により自由度の高い合成処理を行うことができる。また、各フォトダイオードの面積も独立に調節できるため、分光感度特性の微調節が可能となる。   According to this aspect, by arranging the photodiodes having different spectral sensitivity characteristics on the plane, the anode and the cathode of each photodiode can be provided independently, so that the synthesis process can be performed with a high degree of freedom by the synthesis circuit. it can. In addition, since the area of each photodiode can be adjusted independently, the spectral sensitivity characteristics can be finely adjusted.

受光装置は、複数のフォトダイオードの上面に配線層を備え、当該配線層のパターンを各フォトダイオードの受光面積を調節可能に形成してもよい。この場合、半導体製造工程の途中で、フォトダイオードの出来映えなどに応じて、配線層のマスクを変更し、あるいは露光の際のマスク位置をずらすことにより、より所望の分光感度特性に近い特性を得ることができる。   The light receiving device may include a wiring layer on the upper surface of the plurality of photodiodes, and the pattern of the wiring layer may be formed so that the light receiving area of each photodiode can be adjusted. In this case, characteristics closer to the desired spectral sensitivity characteristics are obtained by changing the mask of the wiring layer or shifting the mask position during exposure according to the performance of the photodiode during the semiconductor manufacturing process. be able to.

複数のフォトダイオードは、それぞれ異なる深さに形成されるＰＮ接合を有してもよい。また、複数のフォトダイオードは、それぞれ異なる濃度プロファイルのＰＮ接合を有してもよい。Ｐ層とＮ層の拡散層の濃度、深さを調節することにより、分光感度特性を制御することができる。   The plurality of photodiodes may have PN junctions formed at different depths. The plurality of photodiodes may have PN junctions having different concentration profiles. Spectral sensitivity characteristics can be controlled by adjusting the concentration and depth of the diffusion layers of the P layer and the N layer.

複数のフォトダイオードは、アノード同士およびカソード同士が互いに接続された２つのフォトダイオードを含み、アノードを所定の電源に接続するとともに、カソードから２つのフォトダイオードに流れる電流を合成した電流を取り出してもよい。また、互いに接続されたカソードを接地するとともに、アノードから２つのフォトダイオードに流れる電流の和電流を取り出してもよい。この場合、２つのフォトダイオードの分光感度特性を、各フォトダイオードの受光面積をパラメータとして足すことができる。   The plurality of photodiodes includes two photodiodes in which anodes and cathodes are connected to each other, and the anode is connected to a predetermined power source, and a current obtained by synthesizing currents flowing from the cathode to the two photodiodes is taken out. Good. Further, the cathodes connected to each other may be grounded, and the sum of the currents flowing from the anode to the two photodiodes may be taken out. In this case, the spectral sensitivity characteristics of the two photodiodes can be added with the light receiving area of each photodiode as a parameter.

複数のフォトダイオードは、所定の電源と接地間に直列に接続された２つのフォトダイオードを含み、２つのフォトダイオードの接続点から、２つのフォトダイオードに流れる電流の差電流を取り出してもよい。この場合、２つのフォトダイオードの分光感度特性を、各フォトダイオードの受光面積をパラメータとして減算することができる。   The plurality of photodiodes may include two photodiodes connected in series between a predetermined power source and the ground, and a difference current between currents flowing through the two photodiodes may be extracted from a connection point between the two photodiodes. In this case, the spectral sensitivity characteristics of the two photodiodes can be subtracted using the light receiving area of each photodiode as a parameter.

合成回路は、ひとつのフォトダイオードに流れる電流を複製するカレントミラー回路を含み、当該カレントミラー回路の出力電流と、他のフォトダイオードに流れる電流を合成してもよい。この場合、フォトダイオードの受光面積に加えて、カレントミラー回路のミラー比をパラメータとして、分光感度特性を調節することができる。   The combining circuit may include a current mirror circuit that replicates the current flowing through one photodiode, and may combine the output current of the current mirror circuit with the current flowing through another photodiode. In this case, the spectral sensitivity characteristic can be adjusted using the mirror ratio of the current mirror circuit as a parameter in addition to the light receiving area of the photodiode.

合成回路は、半導体基板上に集積化されてもよい。フォトダイオードと合成回路を一体集積化することにより、小型化を図ることができる。   The synthesis circuit may be integrated on the semiconductor substrate. A reduction in size can be achieved by integrating the photodiode and the synthesis circuit.

本発明の別の態様は、電子機器である。この電子機器は、上述の受光装置と、液晶パネルと、を備える。受光装置は、受光量に応じて液晶パネルのバックライトの輝度を制御する。   Another embodiment of the present invention is an electronic device. This electronic apparatus includes the above-described light receiving device and a liquid crystal panel. The light receiving device controls the luminance of the backlight of the liquid crystal panel according to the amount of received light.

この態様によると、電子機器が使用される周囲の照度に応じて液晶パネルのバックライトの輝度を制御することにより、液晶パネルの視認性を高め、あるいは消費電力を低減することができる。   According to this aspect, the visibility of the liquid crystal panel can be increased or the power consumption can be reduced by controlling the luminance of the backlight of the liquid crystal panel according to the ambient illuminance in which the electronic device is used.

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, etc. are also effective as an aspect of the present invention.

本発明に係る受光装置によれば、複数のフォトダイオードを組み合わせて所望の分光感度特性を実現することができる。   According to the light receiving device of the present invention, desired spectral sensitivity characteristics can be realized by combining a plurality of photodiodes.

図１は、本実施の形態に係る受光装置１００が形成される半導体基板の断面図である。図２は、この受光装置１００を搭載した電子機器２００の構成を示すブロック図である。図２の電子機器２００は、たとえば携帯電話端末やデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどである。この電子機器２００は、液晶パネル９０、ＬＥＤ９２、定電流回路９４、電源９６、制御回路９８、受光装置１００、を備える。液晶パネル９０は図示しない液晶ドライバによって駆動され、画像情報を表示する。ＬＥＤ９２は液晶パネル９０の背面に設置され、バックライトとして動作する。電源９６は、電池電圧、あるいは電池電圧を昇降圧して得られる電圧を電子機器２００の各ブロックに供給する。電源９６の出力電圧のひとつは、ＬＥＤ９２のアノードに供給される。定電流回路９４は、ＬＥＤ９２のカソードと接地間に設けられ、ＬＥＤ９２に流れる電流を制御して、その発光輝度を調節する。定電流回路９４により生成される定電流は、制御回路９８により制御される。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a light receiving device 100 according to the present embodiment is formed. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an electronic device 200 in which the light receiving device 100 is mounted. 2 is, for example, a mobile phone terminal, a digital still camera, a digital video camera, or the like. The electronic apparatus 200 includes a liquid crystal panel 90, an LED 92, a constant current circuit 94, a power source 96, a control circuit 98, and a light receiving device 100. The liquid crystal panel 90 is driven by a liquid crystal driver (not shown) and displays image information. The LED 92 is installed on the back surface of the liquid crystal panel 90 and operates as a backlight. The power supply 96 supplies the battery voltage or a voltage obtained by stepping up and down the battery voltage to each block of the electronic device 200. One of the output voltages of the power supply 96 is supplied to the anode of the LED 92. The constant current circuit 94 is provided between the cathode of the LED 92 and the ground, and controls the current flowing through the LED 92 to adjust the light emission luminance. The constant current generated by the constant current circuit 94 is controlled by the control circuit 98.

受光装置１００は、電子機器２００の周囲の照度を検出し、制御回路９８に出力する。受光装置１００は、フォトダイオード１０と総称される複数の第１フォトダイオード１０ａ〜第３フォトダイオード１０ｃ、合成回路２０、ＩＶ変換回路２２を含む。第１フォトダイオード１０ａ〜第３フォトダイオード１０ｃは、電子機器２００の外部から入射する光が受光可能に配置されており、それぞれに受光量に応じた光電流Ｉｐ１〜Ｉｐ３が流れる。合成回路２０は、第１フォトダイオード１０ａ〜第３フォトダイオード１０ｃに流れる光電流Ｉｐ１〜Ｉｐ３を加算、減算する合成処理を行い、検出電流Ｉｏｕｔを生成する。この検出電流Ｉｏｕｔは、ＩＶ変換回路２２へと出力される。   The light receiving device 100 detects the illuminance around the electronic device 200 and outputs it to the control circuit 98. The light receiving device 100 includes a plurality of first to third photodiodes 10 a to 10 c collectively called a photodiode 10, a synthesis circuit 20, and an IV conversion circuit 22. The first photodiode 10a to the third photodiode 10c are arranged so that light incident from the outside of the electronic device 200 can be received, and photocurrents Ip1 to Ip3 corresponding to the amount of received light respectively flow. The combining circuit 20 performs a combining process of adding and subtracting the photocurrents Ip1 to Ip3 flowing through the first photodiode 10a to the third photodiode 10c, and generates a detection current Iout. This detection current Iout is output to the IV conversion circuit 22.

ＩＶ変換回路２２は検出電流Ｉｏｕｔを電流電圧変換し、検出電圧Ｖｏｕｔを出力する。制御回路９８は、検出電圧Ｖｏｕｔをアナログデジタル変換し、検出電圧Ｖｏｕｔの大きさに応じて、ＬＥＤ９２の発光輝度を調節するために、定電流回路９４に必要な定電流値を指示する。   The IV conversion circuit 22 converts the detection current Iout to current and outputs the detection voltage Vout. The control circuit 98 converts the detection voltage Vout from analog to digital, and instructs the constant current circuit 94 for a constant current value necessary for adjusting the light emission luminance of the LED 92 in accordance with the magnitude of the detection voltage Vout.

本実施の形態に係る電子機器２００において、制御回路９８は、検出電流Ｉｏｕｔ（検出電圧Ｖｏｕｔ）にもとづくＬＥＤ９２の発光輝度の制御としては、以下の制御を行う。すなわち、電子機器２００において、周囲が明るい場合、すなわち検出電流Ｉｏｕｔが大きい場合にはＬＥＤ９２の発光輝度を高く設定し、液晶パネル９０に表示される画像がより鮮明になるようにする。逆に、周囲が暗い場合、すなわち検出電流Ｉｏｕｔが小さい場合には、その発光輝度を低く設定し消費電力を下げる制御を行う。   In the electronic device 200 according to the present embodiment, the control circuit 98 performs the following control as the light emission luminance control of the LED 92 based on the detection current Iout (detection voltage Vout). That is, in the electronic device 200, when the surroundings are bright, that is, when the detection current Iout is large, the light emission luminance of the LED 92 is set high so that the image displayed on the liquid crystal panel 90 becomes clearer. Conversely, when the surroundings are dark, that is, when the detection current Iout is small, control is performed to set the light emission luminance low and reduce the power consumption.

ここで、フォトダイオード１０に流れる光電流と人間の視覚で感じる明るさの関係について説明する。人間の目は、可視領域の光に対して感度を有しており、紫外あるいは赤外光に対する感度はほとんどない。一方、フォトダイオード１０の分光感度特性は、半導体製造プロセスやデバイス構造に依存するが、近紫外から近赤外にわたりはばひろいスペクトルを有する。フォトダイオード１０に入射する太陽光や蛍光灯の光は、可視光以外の波長の光も含んでいるため、これらの入射光のすべての波長について検出を行うと、人間の視覚で感じる明るさと差が生じてしまう。そこで、フォトダイオード１０の分光感度特性を、いわゆる視感度特性に近似させる必要がある。   Here, the relationship between the photocurrent flowing through the photodiode 10 and the brightness perceived by human vision will be described. The human eye is sensitive to light in the visible region and has little sensitivity to ultraviolet or infrared light. On the other hand, the spectral sensitivity characteristic of the photodiode 10 depends on the semiconductor manufacturing process and device structure, but has a broad spectrum from the near ultraviolet to the near infrared. Since sunlight and fluorescent light incident on the photodiode 10 includes light of wavelengths other than visible light, if all wavelengths of the incident light are detected, the brightness and difference felt by human vision are different. Will occur. Therefore, it is necessary to approximate the spectral sensitivity characteristic of the photodiode 10 to a so-called visual sensitivity characteristic.

以下、フォトダイオード１０の分光感度特性を視感度特性に近づけるための受光装置１００の構成について説明する。図１に戻る。図１に示すように、第１フォトダイオード１０ａ〜第３フォトダイオード１０ｃは、同一の半導体基板３０上に形成されている。第１フォトダイオード１０ａ〜第３フォトダイオード１０ｃは、それぞれが異なる分光感度特性を有するように形成され、半導体基板３０上に、平面的に配置される。   Hereinafter, a configuration of the light receiving device 100 for bringing the spectral sensitivity characteristic of the photodiode 10 close to the visibility characteristic will be described. Returning to FIG. As shown in FIG. 1, the first photodiode 10 a to the third photodiode 10 c are formed on the same semiconductor substrate 30. The first photodiode 10 a to the third photodiode 10 c are formed so as to have different spectral sensitivity characteristics, and are arranged in a plane on the semiconductor substrate 30.

図３は、フォトダイオード１０の分光感度特性を示す図である。図３の横軸は波長、縦軸は相対的な受光感度を示している。実線で示される３つの曲線は、それぞれ図１の第１フォトダイオード１０ａ〜第３フォトダイオード１０ｃの分光感度特性を表す。また、図３に破線で示すのは、上述の視感度特性である。
図１に戻る。フォトダイオード１０の分光感度特性は、半導体基板３０の材料、各拡散層の不純物濃度、厚み、ＰＮ接合面の深さなどをパラメータとして決定される。本実施の形態に係る受光装置１００において、半導体基板３０はＰ型のシリコン基板である。第１フォトダイオード１０ａは、半導体基板３０にＮ層３２を拡散し、その上面にＰ層３４を拡散することにより、ＰＮ接合を形成している。各拡散層の濃度、拡散深さは図３の１０ａで示す分光感度特性を有するように設計する。Ｐ層３４およびＮ層３２からは、それぞれアノード電極５０ａ、カソード電極５２ａが引き出される。半導体基板３０の上面には、絶縁膜５４が形成される。 FIG. 3 is a diagram showing the spectral sensitivity characteristics of the photodiode 10. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the relative light receiving sensitivity. Three curves indicated by solid lines represent the spectral sensitivity characteristics of the first to third photodiodes 10a to 10c in FIG. 1, respectively. Moreover, what is indicated by a broken line in FIG.
Returning to FIG. The spectral sensitivity characteristics of the photodiode 10 are determined using the material of the semiconductor substrate 30, the impurity concentration and thickness of each diffusion layer, the depth of the PN junction surface, and the like as parameters. In the light receiving device 100 according to the present embodiment, the semiconductor substrate 30 is a P-type silicon substrate. The first photodiode 10 a forms a PN junction by diffusing an N layer 32 in the semiconductor substrate 30 and diffusing a P layer 34 on the upper surface thereof. The concentration and diffusion depth of each diffusion layer are designed so as to have spectral sensitivity characteristics indicated by 10a in FIG. An anode electrode 50a and a cathode electrode 52a are drawn from the P layer 34 and the N layer 32, respectively. An insulating film 54 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 30.

第２フォトダイオード１０ｂは、半導体基板３０に対してやや高い不純物濃度でＰ層３６を形成し、その上方にＮ層３８を形成している。第２フォトダイオード１０ｂのＰＮ接合面は、他のフォトダイオード１０に対して浅い位置に形成される。一般に、フォトダイオード１０の分光感度特性は、半導体基板の表面からの深さが浅い位置に形成するほど紫外光側のスペクトルを有し、表面から深い位置に形成するほど赤外側のスペクトルを有することになる。したがって、第２フォトダイオード１０ｂの分光感度特性は、短波長側をピークに持つことになる。Ｐ層３６およびＮ層３８からは、それぞれアノード電極５０ｂ、カソード電極５２ｂが引き出される。   In the second photodiode 10b, a P layer 36 is formed with a slightly higher impurity concentration than the semiconductor substrate 30, and an N layer 38 is formed thereon. The PN junction surface of the second photodiode 10 b is formed at a shallow position with respect to the other photodiodes 10. In general, the spectral sensitivity characteristic of the photodiode 10 has a spectrum on the ultraviolet light side as it is formed at a position where the depth from the surface of the semiconductor substrate is shallow, and has a spectrum on the infrared side as it is formed at a position deeper from the surface. become. Therefore, the spectral sensitivity characteristic of the second photodiode 10b has a peak on the short wavelength side. An anode electrode 50b and a cathode electrode 52b are drawn from the P layer 36 and the N layer 38, respectively.

第３フォトダイオード１０ｃは、半導体基板３０の深い位置にＮ層４０を形成し、Ｐ型の半導体基板３０との間でＰＮ接合を形成する。Ｎ層４０、半導体基板３０のＰ層からはそれぞれカソード電極５２ｃ、アノード電極５０ｃが引き出されている。第３フォトダイオード１０ｃは、第１フォトダイオード１０ａ、第２フォトダイオード１０ｂよりも深い領域までＮ層４０が形成されているため、図３に示すように長波長側にピークを有する。   The third photodiode 10 c forms an N layer 40 deep in the semiconductor substrate 30 and forms a PN junction with the P-type semiconductor substrate 30. A cathode electrode 52c and an anode electrode 50c are drawn out from the N layer 40 and the P layer of the semiconductor substrate 30, respectively. The third photodiode 10c has a peak on the long wavelength side as shown in FIG. 3 because the N layer 40 is formed in a region deeper than the first photodiode 10a and the second photodiode 10b.

図３において、１０ａ〜１０ｃで示される３つの分光感度特性を用いて、ＲＥＦで示される視感度特性を得るためには、次のような演算処理を行えばよい。各分光感度特性を、波長の関数としてそれぞれ、ｆａ（λ）、ｆｂ（λ）、ｆｃ（λ）、ｆｒｅｆ（λ）と書くと、ｆｒｅｆ（λ）＝Ｃ１×ｆａ（λ）＋Ｃ２×ｆｂ（λ）＋Ｃ３×ｆｃ（λ）で近似することができる。ここで、Ｃ１〜Ｃ３は、正または負の値をとる変数である（以下、この変数を合成係数とも呼ぶ）。本実施の形態においては、Ｃ１を正、Ｃ２、Ｃ３を負にとり、もっとも広いスペクトルを有するｆａ（λ）から、赤外および紫外領域のスペクトル成分を除去することで、視感度特性に近い特性を得ることができる。   In FIG. 3, in order to obtain the visibility characteristic indicated by REF using the three spectral sensitivity characteristics indicated by 10a to 10c, the following arithmetic processing may be performed. When each spectral sensitivity characteristic is written as fa (λ), fb (λ), fc (λ), and fref (λ) as a function of wavelength, fref (λ) = C1 × fa (λ) + C2 × fb ( λ) + C3 × fc (λ) can be approximated. Here, C1 to C3 are variables that take positive or negative values (hereinafter, these variables are also referred to as synthesis coefficients). In the present embodiment, C1 is positive, C2 and C3 are negative, and the spectral components in the infrared and ultraviolet regions are removed from fa (λ) having the widest spectrum, so that characteristics close to the visibility characteristic are obtained. Obtainable.

図２の合成回路２０は、ｆｒｅｆ（λ）＝Ｃ１×ｆａ（λ）＋Ｃ２×ｆｂ（λ）＋Ｃ３×ｆｃ（λ）に対応する合成処理を行う。合成処理は、各フォトダイオード１０に流れる光電流Ｉｐを加算、減算することにより実現でき、合成係数が正の場合、電流を加算し、合成係数が負の場合、電流を減算する。図４（ａ）〜（ｄ）は、合成回路２０の回路構成例を示す。図４（ａ）は、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の光電流を加算する合成回路２０の構成を示している。フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、アノード同士およびカソード同士が互いに接続され、アノードを所定の電源Ｖｃｃに接続するとともに、カソードは、出力端子６０に接続される。出力端子６０からは、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に流れる電流の和電流Ｉｏｕｔ＝Ｉｐ１＋Ｉｐ２を取り出すことができる。ここで、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に流れる光電流Ｉｐの電流値は、受光面積Ｓ１、Ｓ２に比例する。したがって、受光面積を調節することにより、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の分光感度特性を、受光面積に比例した合成係数Ｃ１、Ｃ２を乗じて加算することができる。また、図４（ａ）とは逆に、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のアノードを接地し、カソードから和電流Ｉｏｕｔ＝Ｉｐ１＋Ｉｐ２を取り出してもよい。   The synthesis circuit 20 in FIG. 2 performs a synthesis process corresponding to fref (λ) = C1 × fa (λ) + C2 × fb (λ) + C3 × fc (λ). The combining process can be realized by adding and subtracting the photocurrent Ip flowing through each photodiode 10, and when the combining coefficient is positive, the current is added, and when the combining coefficient is negative, the current is subtracted. 4A to 4D show circuit configuration examples of the synthesis circuit 20. FIG. 4A shows a configuration of the synthesis circuit 20 that adds the photocurrents of the photodiodes PD1 and PD2. In the photodiodes PD1 and PD2, the anodes and the cathodes are connected to each other, the anode is connected to a predetermined power supply Vcc, and the cathode is connected to the output terminal 60. From the output terminal 60, the sum current Iout = Ip1 + Ip2 of the currents flowing through the two photodiodes PD1 and PD2 can be extracted. Here, the current value of the photocurrent Ip flowing through the photodiodes PD1 and PD2 is proportional to the light receiving areas S1 and S2. Therefore, by adjusting the light receiving area, the spectral sensitivity characteristics of the photodiodes PD1 and PD2 can be multiplied by the synthesis coefficients C1 and C2 proportional to the light receiving area. In contrast to FIG. 4A, the anodes of the photodiodes PD1 and PD2 may be grounded, and the sum current Iout = Ip1 + Ip2 may be extracted from the cathode.

図４（ｂ）は、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の光電流を減算する合成回路２０の構成を示している。フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、所定の電源Ｖｃｃと接地間に直列に接続される。２つのフォトダイオードの接続点は、出力端子６０に接続される。出力端子６０からは、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に流れる光電流Ｉｐ１、Ｉｐ２の差電流Ｉｏｕｔ＝Ｉｐ１−Ｉｐ２を取り出すことができる。図４（ａ）と同様に、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の面積比を調節することにより、分光感度特性に合成係数を乗じて減算することができる。   FIG. 4B shows a configuration of the synthesis circuit 20 that subtracts the photocurrents of the photodiodes PD1 and PD2. The photodiodes PD1 and PD2 are connected in series between a predetermined power supply Vcc and the ground. A connection point between the two photodiodes is connected to the output terminal 60. From the output terminal 60, the difference current Iout = Ip1-Ip2 between the photocurrents Ip1 and Ip2 flowing through the two photodiodes PD1 and PD2 can be extracted. Similar to FIG. 4A, by adjusting the area ratio of the photodiodes PD1 and PD2, the spectral sensitivity characteristic can be multiplied by the synthesis coefficient and subtracted.

図４（ｃ）は、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の光電流を加算する合成回路２０の構成を示している。この合成回路は、トランジスタＱ１、Ｑ２で構成されるカレントミラー回路を含む。トランジスタＱ１にはフォトダイオードＰＤ１が接続され、光電流Ｉｐ１が流れる。トランジスタＱ２には、光電流Ｉｐ１にミラー比ＭＲＲを乗じた電流Ｉｐ１’＝ＭＲＲ×Ｉｐ１が流れる。トランジスタＱ２のコレクタと、フォトダイオードＰＤ２のアノードは出力端子６０に接続される。出力端子６０からは電流Ｉｐ１’と光電流Ｉｐ２の和電流Ｉｏｕｔ＝ＭＲＲ×Ｉｐ１＋Ｉｐ２が出力される。このように図４（ｃ）の合成回路２０によれば、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の面積比に加えて、カレントミラー回路のミラー比をパラメータとして、加算処理を行うことができる。   FIG. 4C shows a configuration of the synthesis circuit 20 that adds the photocurrents of the photodiodes PD1 and PD2. This synthesis circuit includes a current mirror circuit including transistors Q1 and Q2. A photodiode PD1 is connected to the transistor Q1, and a photocurrent Ip1 flows. A current Ip1 ′ = MRR × Ip1 obtained by multiplying the photocurrent Ip1 by the mirror ratio MRR flows through the transistor Q2. The collector of the transistor Q2 and the anode of the photodiode PD2 are connected to the output terminal 60. The output terminal 60 outputs a sum current Iout = MRR × Ip1 + Ip2 of the current Ip1 ′ and the photocurrent Ip2. As described above, according to the synthesis circuit 20 in FIG. 4C, addition processing can be performed using the mirror ratio of the current mirror circuit as a parameter in addition to the area ratio of the photodiodes PD1 and PD2.

図４（ｄ）は、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の光電流を減算する合成回路２０の構成を示している。この合成回路２０は、トランジスタＱ３、Ｑ４で構成されるカレントミラー回路を含む。トランジスタＱ３にはフォトダイオードＰＤ１が接続され、光電流Ｉｐ１が流れる。トランジスタＱ４には、光電流Ｉｐ１にミラー比ＭＲＲを乗じた電流Ｉｐ１’＝ＭＲＲ×Ｉｐ１が流れる。トランジスタＱ４のコレクタと、フォトダイオードＰＤ２のアノードは出力端子６０に接続される。出力端子６０からは電流Ｉｐ１’と光電流Ｉｐ２の差電流Ｉｏｕｔ＝Ｉｐ２−ＭＲＲ×Ｉｐ１が出力される。このように、図４（ｄ）の合成回路２０によれば、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の面積比に加えて、カレントミラー回路のミラー比をパラメータとして、減算処理を行うことができる。   FIG. 4D shows a configuration of the synthesis circuit 20 that subtracts the photocurrents of the photodiodes PD1 and PD2. The synthesis circuit 20 includes a current mirror circuit composed of transistors Q3 and Q4. A photodiode PD1 is connected to the transistor Q3, and a photocurrent Ip1 flows. A current Ip1 ′ = MRR × Ip1 obtained by multiplying the photocurrent Ip1 by the mirror ratio MRR flows through the transistor Q4. The collector of the transistor Q4 and the anode of the photodiode PD2 are connected to the output terminal 60. The output terminal 60 outputs a difference current Iout = Ip2−MRR × Ip1 between the current Ip1 ′ and the photocurrent Ip2. As described above, according to the synthesis circuit 20 in FIG. 4D, the subtraction process can be performed using the mirror ratio of the current mirror circuit as a parameter in addition to the area ratio of the photodiodes PD1 and PD2.

合成回路２０は、図４（ａ）〜（ｄ）に示す回路構成を基本ブロックとして、図１の第１フォトダイオード１０ａ〜第３フォトダイオード１０ｃの光電流の合成処理を行う。合成回路２０を構成する配線、トランジスタは、フォトダイオード１０が形成される半導体基板３０上に一体に形成することができる。   The synthesis circuit 20 performs the photocurrent synthesis process of the first photodiode 10a to the third photodiode 10c of FIG. 1 using the circuit configuration shown in FIGS. 4A to 4D as a basic block. Wirings and transistors constituting the synthesis circuit 20 can be integrally formed on the semiconductor substrate 30 on which the photodiode 10 is formed.

本実施の形態に係る受光装置１００によれば、平面上に複数配置された分光感度特性の異なるフォトダイオードの光電流を合成することにより、視感度特性に近い分光感度特性を得ることができる。
本実施の形態の受光装置１００は、図１に示すように各フォトダイオードのアノード端子、カソード端子を独立に形成することが可能であるため、図４（ａ）〜（ｄ）に例示したように、さまざまな接続形態が可能となり、合成処理の自由度を高く設定することができる。各フォトダイオード１０の分光感度特性に係数を乗じて合成する際に、フォトダイオード１０の面積を調節することにより係数を微調節することができる。また、カレントミラー回路を用いて合成する場合、係数の比を大きく設定することができるという利点を有する。これらの合成回路を組み合わせることにより、視感度特性により近い分光感度特性を得ることができる。 According to the light receiving device 100 according to the present embodiment, it is possible to obtain a spectral sensitivity characteristic close to the visual sensitivity characteristic by combining the photocurrents of a plurality of photodiodes having different spectral sensitivity characteristics arranged on a plane.
Since the light receiving device 100 of the present embodiment can independently form the anode terminal and the cathode terminal of each photodiode as shown in FIG. 1, as illustrated in FIGS. 4 (a) to 4 (d). In addition, various connection forms are possible, and the degree of freedom of the composition process can be set high. When the spectral sensitivity characteristics of the photodiodes 10 are multiplied by a coefficient and synthesized, the coefficient can be finely adjusted by adjusting the area of the photodiode 10. In addition, when combining using a current mirror circuit, there is an advantage that the coefficient ratio can be set large. By combining these synthesis circuits, a spectral sensitivity characteristic closer to the visual sensitivity characteristic can be obtained.

また、本実施の形態に係る受光装置１００では、各フォトダイオード１０を分光感度特性を、電流の加算、減算により行っている。したがって、各フォトダイオードごとに電流電圧変換を行い、電圧を演算増幅器などを用いて加算、もしくは減算したり、あるいはアナログデジタル変換した後にデジタル信号処理する場合に比べて、回路規模を小さくすることができる。   In the light receiving device 100 according to the present embodiment, each photodiode 10 performs spectral sensitivity characteristics by adding and subtracting current. Therefore, it is possible to reduce the circuit scale as compared with the case where the current-voltage conversion is performed for each photodiode and the voltage is added or subtracted using an operational amplifier or the like, or the digital signal processing is performed after analog-digital conversion. it can.

さらに、受光装置１００は、以下に説明する構成を追加することにより、より優れた分光感度特性を実現することができる。フォトダイオードの分光感度特性は、一般に、半導体製造プロセスのばらつきにより、波長ピークがシフトしたり、あるいはフォトダイオードごとの相対的な感度が変動してしまう場合がある。そこで、半導体製造プロセスの途中工程において、各フォトダイオード１０の分光感度特性を評価し、その分光感度特性にもとづいて、合成係数Ｃ１〜Ｃを調節することができれば、プロセスばらつきを抑えた分光感度特性を得ることができる。   Furthermore, the light receiving device 100 can realize more excellent spectral sensitivity characteristics by adding the configuration described below. In general, the spectral sensitivity characteristics of the photodiode may shift the wavelength peak or change the relative sensitivity of each photodiode due to variations in the semiconductor manufacturing process. Therefore, if the spectral sensitivity characteristic of each photodiode 10 is evaluated in the intermediate process of the semiconductor manufacturing process and the synthesis coefficients C1 to C can be adjusted based on the spectral sensitivity characteristic, the spectral sensitivity characteristic with reduced process variation can be achieved. Can be obtained.

このために、受光装置１００は、フォトダイオード１０の上面に、アルミ配線などの配線パターンを設け、各フォトダイオード１０の受光面積を調節できるようにしてもよい。すなわち、フォトダイオード１０の受光部を遮光可能に形成したアルミ配線のパターンを数種類用意しておき、半導体製造プロセスの途中工程において測定したフォトダイオードの分光感度特性にもとづき、アルミ配線のパターンマスクを選択することにより、プロセスばらつきを抑えた分光感度特性を得ることができ、歩留まりを改善することができる。また、アルミ配線の露光時に、マスクをずらすことにより各フォトダイオードの受光面積を調整できるように構成してもよい。   For this purpose, the light receiving device 100 may be provided with a wiring pattern such as aluminum wiring on the upper surface of the photodiode 10 so that the light receiving area of each photodiode 10 can be adjusted. That is, several types of aluminum wiring patterns in which the light receiving portion of the photodiode 10 can be shielded are prepared, and an aluminum wiring pattern mask is selected based on the spectral sensitivity characteristics of the photodiode measured in the middle of the semiconductor manufacturing process. As a result, spectral sensitivity characteristics with reduced process variations can be obtained, and the yield can be improved. In addition, the light receiving area of each photodiode may be adjusted by shifting the mask during exposure of the aluminum wiring.

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。   Those skilled in the art will understand that the above-described embodiment is an exemplification, and that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. is there.

実施の形態においては、３つのフォトダイオードを合成して視感度特性を再現する場合について説明したが、これには限定されず、より多くのフォトダイオードの分光感度特性を合成して視感度特性を再現してもよい。また、本実施の形態に係る受光装置１００によれば、視感度特性以外の分光感度特性も実現することができる。   In the embodiment, the case where three photodiodes are combined to reproduce the visibility characteristic has been described. However, the present invention is not limited to this, and the spectral sensitivity characteristics of more photodiodes are combined to improve the visibility characteristic. It may be reproduced. In addition, according to the light receiving device 100 according to the present embodiment, spectral sensitivity characteristics other than the visibility characteristics can also be realized.

また、電子機器２００として携帯電話端末などを例示したがこれに限定されるものではなく、機器の周囲の明るさに適応してその動作を変化させるさまざまな機器に使用することができる。   Moreover, although the mobile phone terminal etc. were illustrated as the electronic device 200, it is not limited to this, It can use for the various apparatuses which change the operation | movement according to the brightness around the apparatus.

受光装置１００を構成する素子は、実施の形態で説明したように、すべて一体集積化されていてもよく、あるいは別の集積回路に分けて構成されていてもよい。さらにはその一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。どの部分を集積化するかは、コストや占有面積、用途などに応じて決めればよい。   As described in the embodiment, the elements constituting the light receiving device 100 may be integrated as a whole or may be divided into different integrated circuits. Furthermore, a part thereof may be composed of discrete parts. Which part is integrated may be determined according to cost, occupied area, application, and the like.

本実施の形態に係る受光装置が形成される半導体基板の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor substrate in which the light-receiving device based on this Embodiment is formed. 図１の受光装置を搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the electronic device carrying the light-receiving device of FIG. フォトダイオードの分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral sensitivity characteristic of a photodiode. 図４（ａ）〜（ｄ）は、合成回路の構成例を示す回路図である。4A to 4D are circuit diagrams illustrating configuration examples of the synthesis circuit.

符号の説明Explanation of symbols

１０ フォトダイオード、 １０ａ 第１フォトダイオード、 １０ｂ 第２フォトダイオード、 １０ｃ 第３フォトダイオード、 ＰＤ１ フォトダイオード、 ＰＤ２ フォトダイオード、 ２０ 合成回路、 ２２ ＩＶ変換回路、 ３０ 半導体基板、 ３２ Ｎ層、 ３４ Ｐ層、 ３６ Ｐ層、 ３８ Ｎ層、 ４０ Ｎ層、 ５０ アノード電極、 ５２ カソード電極、 ５４ 絶縁膜、 １００ 受光装置、 ２００ 電子機器、 ９０ 液晶パネル、 ９２ ＬＥＤ、 ９４ 定電流回路、 ９６ 電源、 ９８ 制御回路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Photodiode, 10a 1st photodiode, 10b 2nd photodiode, 10c 3rd photodiode, PD1 photodiode, PD2 photodiode, 20 Synthesis circuit, 22 IV conversion circuit, 30 Semiconductor substrate, 32 N layer, 34 P layer 36 P layer, 38 N layer, 40 N layer, 50 anode electrode, 52 cathode electrode, 54 insulating film, 100 light receiving device, 200 electronic device, 90 liquid crystal panel, 92 LED, 94 constant current circuit, 96 power supply, 98 control circuit.

Claims (10)

同一の半導体基板上に平面的に配置された分光感度特性が異なる複数のフォトダイオードと、
前記複数のフォトダイオードに流れる電流を合成する合成回路と、
を備えることを特徴とする受光装置。 A plurality of photodiodes having different spectral sensitivity characteristics arranged in a plane on the same semiconductor substrate;
A synthesis circuit for synthesizing currents flowing through the plurality of photodiodes;
A light receiving device comprising: 前記複数のフォトダイオードの上面に配線層を備え、当該配線層の配線パターンを各フォトダイオードの受光面積を調節可能に形成したことを特徴とする請求項１に記載の受光装置。   The light receiving device according to claim 1, wherein a wiring layer is provided on an upper surface of the plurality of photodiodes, and a wiring pattern of the wiring layer is formed so that a light receiving area of each photodiode can be adjusted. 前記複数のフォトダイオードは、それぞれ異なる深さに形成されるＰＮ接合を有することを特徴とする請求項１または２に記載の受光装置。   The light receiving device according to claim 1, wherein the plurality of photodiodes have PN junctions formed at different depths. 前記複数のフォトダイオードは、それぞれ異なる濃度プロファイルのＰＮ接合を有することを特徴とする請求項１または２に記載の受光装置。   The light receiving device according to claim 1, wherein each of the plurality of photodiodes has a PN junction having a different concentration profile. 前記複数のフォトダイオードは、アノード同士およびカソード同士が互いに接続された２つのフォトダイオードを含み、アノードを所定の電源に接続するとともに、カソードから前記２つのフォトダイオードに流れる電流の和電流を取り出すことを特徴とする請求項１または２に記載の受光装置。   The plurality of photodiodes include two photodiodes in which anodes and cathodes are connected to each other. The anodes are connected to a predetermined power source, and a sum current of currents flowing from the cathodes to the two photodiodes is taken out. The light receiving device according to claim 1 or 2. 前記複数のフォトダイオードは、アノード同士およびカソード同士が互いに接続された２つのフォトダイオードを含み、カソードを接地するとともに、アノードから前記２つのフォトダイオードに流れる電流の和電流を取り出すことを特徴とする請求項１または２に記載の受光装置。   The plurality of photodiodes include two photodiodes in which anodes and cathodes are connected to each other, the cathode is grounded, and a sum current of currents flowing from the anodes to the two photodiodes is extracted. The light receiving device according to claim 1 or 2. 前記複数のフォトダイオードは、所定の電源と接地間に直列に接続された２つのフォトダイオードを含み、前記２つのフォトダイオードの接続点から、２つのフォトダイオードに流れる電流の差電流を取り出すことを特徴とする請求項１または２に記載の受光装置。   The plurality of photodiodes include two photodiodes connected in series between a predetermined power source and a ground, and a difference current flowing between the two photodiodes is extracted from a connection point of the two photodiodes. The light receiving device according to claim 1, wherein the light receiving device is a light receiving device. 前記合成回路は、ひとつのフォトダイオードに流れる電流を複製するカレントミラー回路を含み、当該カレントミラー回路の出力電流と、他のフォトダイオードに流れる電流を合成することを特徴とする請求項１または２に記載の受光装置。   3. The synthesis circuit includes a current mirror circuit that replicates a current that flows through one photodiode, and synthesizes an output current of the current mirror circuit and a current that flows through another photodiode. The light receiving device described in 1. 前記合成回路は、前記半導体基板上に集積化されることを特徴とする請求項１または２に記載の受光装置。   The light receiving device according to claim 1, wherein the synthesis circuit is integrated on the semiconductor substrate. 請求項１または２に記載の受光装置と、
液晶パネルと、
を備え、前記受光装置は、受光量に応じて前記液晶パネルのバックライトの輝度を制御することを特徴とする電子機器。 The light receiving device according to claim 1 or 2,
LCD panel,
And the light receiving device controls the luminance of the backlight of the liquid crystal panel in accordance with the amount of received light.
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