JP2008153361A - 固体撮像素子、光検出器及びこれを用いた認証装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体撮像素子及びこれを用いた光検出器の検出感度を向上すること。また検出感度が向上した光検出器を搭載した認証装置を提供すること。
【解決手段】固体撮像素子において、光電変換手段を挟んで両側に反射層を設けるとともに、光入射側に配置された第１反射層121に光入口128を設けると共にそれに対応する位置に集光手段122を設ける。また光電変換手段と第２反射層120との間に、透明層136を設ける。好適には第２反射層120の形状として、２つの反射層との間に入射した光が外部に流出しない構造を採用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜のような薄膜の光電吸収材料で形成された光電変換素子、イメージセンサ、太陽電池、Ｘ線フラットパネルセンサなどの固体撮像素子や検出器、および、これを搭載する、例えば液晶ディスプレイ、生体認証装置、太陽光発電システム、Ｘ線撮像システム、デジタルカメラのような装置に関する。
これまで可視光検出器では、結晶シリコンが主に用いられてきたが、近年、アモルファスシリコンやポリシリコンを用いた薄膜センサの利用が広がっている。
アモルファスシリコン膜は、光検出器の他に、太陽電池やＸ線フラットパネルなどでも用いられている。これらはガラスやプラスチックなどの比較的安価な基板の、必要とされる部分だけに半導体層として形成することができ、大面積化も容易で、その製造工程も比較的容易である。そのため単結晶や多結晶のシリコンに比べて低価格化できるという利点がある。しかし結晶シリコンに比べ、検出効率や電気信号への変換効率が低いという問題がある。また結晶シリコンが、波長８００ｎｍ付近の近赤外領域にピーク感度を示し、１１００ｎｍ近傍まで感度を有するのに対し、アモルファスシリコンはピーク感度が６００ｎｍ付近にあるため、特に近赤外領域の光に感度が低い。そのため、この波長の光検出器として用いる場合に問題となる。
この問題を、アモルファスシリコンの厚膜化で解決しようとする場合、均質に膜厚するために高い技術レベルが必要になるのに加え、製造時の歩留まりの低下、積層時間の長時間化、微細化の困難化などの問題があり、高価格化の要因になり得る。
一方、ポリシリコンは、画素ＴＦＴを用いた液晶表示装置において広く用いられている。更に近年、液晶ディスプレイに組み込んだ光検出器などが開発されている。このようにポリシリコンを用いることで、液晶などの他装置へ光検出器を混載し、その周辺回路を共通化できることや、アンプのような回路をセンサ内に内蔵できるなどのメリットがある。しかしポリシリコン膜は、４５０ｎｍから５００ｎｍの青色光の波長付近にピーク感度があり、赤色光から近赤外光にかけて感度がほとんどないという問題がある。この原因は、特に膜厚が薄いためである。通常、ポリシリコン膜は、アモルファス膜にエキシマレーザーを宛てて溶融固化することにより得られ、その厚さはエキシマレーザーがアモルファスシリコン膜に浸透する厚さに限定され、例えば特許文献３に記されているように、５０ｎｍ程度が限界である。
厚膜化に限界があるこれら材料の検出感度を向上させる有効な方法として、半導体層で吸収されなかった光を、入光面の反対面に設けた反射層で再び半導体層に戻して吸収させる方法があり、特許文献１には、効率的な反射層の製造方法が提案されている。また特許文献２では、光を反射するのに有効な１００ｎｍ以上の凹凸を反射層に実現するために、光電変換膜と反射層の間に透明性基板を設けた構造が提案されている。
更に特許文献３では、ポリシリコン製の光電変換膜を凹凸形に作り、光を斜めに入射させることで光電変換膜内で多重散乱を起こさせて可視光の感度を向上させる方法が提案されている。
特開２００１−１００３８９号公報 特開平５−２１８４６９号公報 特開２００４−２４７６８６号公報
しかし上述した特許文献１、２の構造では、検出感度の向上が十分とは言えない場合があった。また特許文献３に記載された方法では、ほんの一部の光しか光電変換膜内で多重散乱できず、検出感度の向上が十分とは言えない場合があった。
このように、これまでの方法では、高感度化には限界があった。
本発明は、固体撮像素子において、光電変換手段を挟んで両側に反射層を設けるとともに、光電変換手段に効率的に光が入射される構造、さらには２つの反射層との間に入射した光が外部に流出しない構造を採用することにより、上記課題を解決したものである。
即ち、本発明の固体撮像素子は、入射した光によって電気信号を発生する光電変換手段と、入射光に対して実質的に透明な透明層と、入射光を反射する第１反射層と第２反射層とを備え、第１反射層と第２反射層が前記透明層を介して前記光電変換手段を挟み、入射光を前記第１反射層と第２反射層とでそれぞれ１回以上反射して、前記光電変換手段に複数回導入する構造を有する。
本発明の固体撮像素子は、例えば、入射した光によって電子を発生する光電変換層と、前記光電変換層の光入射側に配置され、実質的に透明な第１電極と、前記光電変換層の、前記光入射側と反対の側に前記第１電極と対向して配置され、前記光電変換層で生じた電子を検出する実質的に透明な第２電極と、前記第１電極と接して前記光入射側に配置され、前記第１電極と接する面に反射面を有する第１反射層と、前記第２電極の、前記光入射側と反対の側に配置され、前記第２電極に対向する面に反射面を有する第２反射層と、前記第１電極と第１反射層との間、および／又は前記第２電極と第２反射層と間に配置された透明層とを備える。
このような固体撮像素子を複数有する光検出器では、光は第１反射層と第２反射層の間を多数回往復することができる。このとき光は、３回以上光電変換層に導入することが可能となり、これまでが２回以下の導入であったのと比べて、検出効率や検出器や素子の感度が向上できる。
本発明の固体撮像素子は、光電変換手段に効率的に光が入射される構造として、例えば、第１反射層は、入射光を透過する入光口を備える。また、第１反射層の光入射側に、入射光を入光口に集光するための集光手段を備える。
このような構造により、入光口から光を素子内に導き、素子内で反射した光のうち第１反射層に入射した光を光電変換手段に導入し直すことができるため、検出できない光を減らすことができ、検出効率の向上が実現できる。
更にこのような前記入光口を備える固体撮像素子において、前記第１反射層は、前記光電変換手段の電極の一方を兼ねても良い。これにより、光電変換手段の電極を通過するときの光の吸収を抑えることができ、光の検出効率の向上を実現できる。
また本発明の固体撮像素子は、例えば、第１反射層及び第２反射層の少なくとも一方が導電性材料からなり、所定の電位に接続されているものとすることができる。これにより、外因性雑音が固体撮像素子に入射して雑音を生じるのを防ぐことができる。
また本発明の固体撮像素子は、透明層を設けることで、それと隣接する反射層に、光を反射や散乱にするのに有効な凹凸や構造を実現できる。具体的には、第２反射層は、その反射面の少なくとも一部に凹凸又は傾斜面が形成されている。第２反射層に形成された凹凸は、例えば、断面形状が複数の三角形状である。或いは、断面形状が二等辺三角形状の凸部又は凹部であり、その頂角が前記入光口の中心を通る垂線上に位置するものである。
第２反射層の上述のような構造により、第２反射層で反射した光が、入光口を避けて第１反射層の反射面のみに反射するなどの設計をすることができ、入光口からの光の逃げを抑えることが可能となる。また第１反射層に同様に構造を設けた場合や、第１反射層と２反射層の両方に設けた場合などもありえ、同様の効果を実現できる。更にこれらの構造を具備する固体撮像素子を複数有する光検出器では、隣の固体撮像素子へのクロストークを抑えた設計が可能となる。
また本発明の固体撮像素子は、例えば前記入光口の中心が、前記固体撮像素子の中心と異なる。これにより光電変換手段内での光検出領域や、固体撮像素子外部への光逃げなどの設計の自由度を高めることができる。
更にこのような前記入光口を備える固体撮像素子において、前記第１反射層は断面において、前記入光口によって第１領域と、該第１領域よりも狭い第２領域に分離され、前記第２反射層は、該入射光を前記第１領域に主に反射するように凹凸又は傾斜面が形成する。これにより固体撮像素子内で、入射光が第１反射層と第２反射層とで反射する回数を増やすことができ、光の検出効率を向上できる。
本発明の光検出器は、上述した本発明の固体撮像素子を複数配列してなる光検出器である。例えば、本発明の光検出器は、基板と、前記基板上に形成された、複数の固体撮像素子からなる素子アレイと、前記複数の固体撮像素子を駆動する駆動回路とを備え、前記複数の固体撮像素子は、前記基板側から順に、第２電極、光電変換層および第１電極が配置され、前記第１電極または第２電極が複数の前記固体撮像素子において電気的に接続された構造を有し、前記基板と前記素子アレイの第２電極との間に前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第２反射層が形成され、前記素子アレイの第１電極の上に、入射光を透過する光入口を有し、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第１反射層とが配置され、前記素子アレイの第１電極と前記第１反射層との間、および／または前記素子アレイの第２電極と前記第２反射層との間に光を透過する透明層が形成されている。
或いは、基板と、前記基板上に形成された、複数の固体撮像素子からなる素子アレイと、前記複数の固体撮像素子を駆動する駆動回路とを備え、前記複数の固体撮像素子は、前記基板側から順に、第２電極、光電変換層および第１電極が配置され、前記第１電極または第２電極が複数の前記固体撮像素子において電気的に接続された構造を有し、前記基板は、光を透過する材料からなり、前記素子アレイが形成された面と反対側の面に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第２反射層が形成され、前記素子アレイの第１電極の上に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第１反射層とが配置され、前記第１反射層または第２反射層が入射光を透過する光入口を備えている。
本発明の光検出器は、各固体撮像素子が、第１反射層と第２反射層との間に透明層および光電変換層を配置した構造を有しているので、素子内に入射した光を第１反射層と第２反射層との間に長くとどめることができ、高い検出効率が得られる。
特に各固体撮像素子の透明層が、隣接する固体撮像素子の透明層との間に光を反射する第３反射層および／又は光を遮蔽する遮蔽層を備える構造を備えることにより、隣接素子へ向かう光を素子内に戻すことが可能となり、隣接素子へのクロストークの低減と、検出効率の向上が実現できる。
また各固体撮像素子が備えるオン・オフ切換のための切り替え手段を、第１反射層の、光入口が形成されていない影部に設置する構造、切り替え手段が、光を反射する第４反射層および／または光を遮光する遮光層を備える構造を採用することにより、切り替え手段に光が入射することで生じる擬似信号や雑音が生じずに、電気信号の精度を向上できる。更に本光検出器では、切り替え手段を設けることで、１つの読み出し回路に対して読み出す素子を切り替えて読み出すことができ、回路規模を小さくすることができる。
本発明の認証装置は、可視から近赤外領域の波長の光を出す光源と、前記光源から検査対象に照射され、反射、透過、内部での散乱の少なくとも１つをした光を検出する光検出器と、前記光検出器からの信号を読み出して前記検査対象の生体情報のデジタル画像を作成する読み出し回路と、前記検査対象の生体情報を予め記憶する記憶手段と、前記読み出し回路が作成したデジタル画像に対して信号処理を加えて情報を抽出し、抽出情報と前記記憶手段に記憶された生体情報とを比較し、個人認証を行う認証手段とを備える。光検出器として、本発明の光検出器を用いる。
本発明の認証装置は、例えば、指、掌、手の甲の少なくとも１つの静脈像により個人認証を行なう静脈認証装置である。また例えば、指紋により個人認証を行なう指紋認証装置である。
本発明によれば、例えば光電変換膜をポリシリコンやアモルファスシリコンで作製した固体撮像素子において、検出感度を向上することができる。またこの固体撮像素子を複数備えた光検出器において、可視光や近赤外光に対する検出効率を向上するとともに、高感度化の際に生じる画素間のクロストークを抑制できる。さらにこれら固体撮像素子や光検出器を搭載した、高精度の個人認証装置及び装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。まず、本発明が適用される光検出器の一例として、薄膜シリコンを用いた光検出器について図１及び図２を参照して説明する。図１は、光検出器の概観図、図２は光検出器の回路構成を説明するための回路図である。
図１に示すように、光検出器101は、受光部102、基板103、読み出し回路104、シフトレジスタ105、制御電極パッド106、出力用電極パッド115から成る。受光部102は、複数の固体撮像素子110から成り、各固体撮像素子110は、光電変換部113とスイッチ114から構成される（図では一つの固体撮像素子で代表して113,114を示している）。図示する光検出器の構成は、本発明が適用される光検出器の一例であり、本発明はこれに限定されない。また図では、説明を簡単にするために、比較的少ない数の固体撮像素子110、電極パッド106、115を示しているが、固体撮像素子110、電極パッド106、115の数も種々でありえる。
この光検出器を用いた、検出信号の読み出し方法を、図２の回路図を用いて説明する。光は受光部102に照射され、光電変換部113で電荷に変換されて、その寄生容量で蓄積される。この電荷はスイッチ114をオンすることで読み出されるが、このための制御信号はシフトレジスタ105から供給される。このシフトレジスタ105は、制御用電極パッド106にオン信号が入ると、制御線112で接続された列ごとに、スイッチ114をオンする。従って同一行の素子110の電荷は同時に読み出しが行われる。これにより読み出された電荷は、信号線116にて読み出し回路104に至り、信号処理される。この読み出し回路104では、まず積分器109にて電荷が蓄積されて、電圧信号に変換される。次にＩＣチップ108にて列ごとにサンプルホールドされ、アナログデジタル変換（ＡＤ変換）される。このときＡＤ変換は、列を順次切り替えながら行われ、出力用電極パッド115からデジタル信号を順次出力する。次にシフトレジスタ105は、読み出しを行う行を切り替え、同様の処理を行ってデジタル信号を得る。このような読み出しを行う行の切り替えを全て行うことで、受光部102の全固体撮像素子110の信号を読み出すことができる。
なお、ここでは、光電変換部113の容量はその寄生容量のみである場合を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、別途容量を設ける場合もあり得る。またスイッチが素子110毎にあり、これを切替えることで信号を読み出す場合を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）のように電荷を転送する場合や、スイッチを設けずに画素毎に読み出し回路と接続される場合など、様々な読み出し様式、回路構成がありえる。
本発明は、以上説明したような光検出器を構成する固体撮像素子（光電変換素子）110の構造に関する。以下、本発明の固体撮像素子110の各実施の形態について説明する。
＜第1の実施の形態＞
本発明の固体撮像素子110の第1の実施の形態の構造を図３に示す。図３は、図１に示す固体撮像素子を切断線Aで切断した断面図を示しており、図中、上側が入射光132を受光する側であり、幅126が１つの固体撮像素子110の幅である。この固体撮像素子110は、基板103上に、反射層（第２反射層）120、透明層136、光電変換素子135、反射層（第１反射層）121、及びマイクロレンズ122が形成され、第２反射層120と第１反射層121が、隣接した透明層136と光電変換素子135を挟み、更に第１反射層121上にマイクロレンズ122を配置した構造を有している。
また図３に示す例では、反射層120が基板103に接着剤137にて接着され、マイクロレンズ122が反射層121の反射面127に接着剤138にて接着されている。
第２反射層120および第１反射層121は、固体撮像素子110に入射された光を両者の間に閉じ込める機能を有し、互いに対向する面に光を反射する反射部が形成されている。反射部は、鏡面など光反射性のある面で、具体的には、アルミニウム、銀などの金属の薄膜を蒸着等により形成することにより形成することができる。或いは反射層120,121は白色顔料を練りこんだ樹脂の層であってもよい。なお、反射部の反射性は高いほどよいが、例えば入射した光の４０％以上を反射できる反射性を備えていればよい。
光電変換素子135と透明層136の光の透過率を考慮した場合において、第１反射層121の反射率をR1、第２反射層120の反射率をR2、光電変換素子と透明層を光が透過する透過率をTとするとき、T×T×R1×R2が０．１以上であることが好ましい。このような範囲を満たすことにより、有効な検出感度の向上を実現できる。特に、入光口からの光の逃げが無視できる場合、検出感度は１割以上向上できる。
また第１反射層121には、入射光132が透過する入光口128が形成されている。入光口128は、実質的に透明であればよく、穴（空気）であってもよいし、実質的に透明な材料から構成されていてもよい。実質的透明とは、例えば５０％以上の透過率を有することをいう。入光口128の形状は、種々の形状が取りえる。例えば図１の切断線Aに直交する方向に延びる溝状であってもよいし、円形や多角形であってもよい。入光口128の幅（径）は、画素の幅126や後述する透明層136の厚さ等との関係で適切に決められる。一例として、画素の幅126が１００μｍのとき、例えば２０μｍである。
マイクロレンズ122は、固体撮像素子110の大きさに合わせた凸レンズ形状を固体撮像素子110の配列に合わせて配列させたもので、固体撮像素子110に入射した光を集光し、入光口128に導く。
光電変換素子135は、共通電極123と画素電極124とに光電変換膜125が挟まれた構造を有し、共通電極123が受光側となるように配置されている。共通電極123と画素電極124は入射光132に対して実質的に透明な材料、例えばITO（indium tin oxide）、酸化インジウム（In2O3）、酸化スズ（SnO2）、酸化亜鉛（ZnO）膜で形成され、例えば５０％以上の透過率を有する。共通電極123と画素電極124を構成する材料は同一でも異なっていてもよく、また透過率も同一でも異なっていてもよい。
光電変換膜125は、ポリシリコン膜或いはアモルファスシリコン膜で構成される。その膜厚は、ポリシリコン膜の場合、例えば５０ｎｍである。アモルファスシリコン膜の場合、例えば５００ｎｍである。
入光口128から固体撮像素子110内に入った光は、透明な共通電極123を通過して光電変換膜125に至り、一部が吸収され、光電変換され、各画素電極124に吸収された光量に対応する電荷が蓄積される。
透明層136は、光を透過する層で、例えばガラスやアクリルなどのプラスチックなどの光を透過する材料から形成される。またガラスやプラスチックの代わりに、空間のみを設けてもよい。即ち透明層136は、空気や真空の層でもよい。透明層136は、５０％以上の透過率を有することが好ましい。
透明層136を設けることにより、第２反射層120から入光口128を見込む立体角を小さくすることができ、これにより、第２反射層120で反射した入射光のうち、入光口128から逃げる光の割合を減らし、光電変換素子135を含む第２反射層120と第１反射層121との間で光が往復する量（回数）を増加させることが可能となる。
透明層136の厚さは、画素の幅126や前述した入光口128の大きさ等との関係で適切に決められる。一例として、画素の幅126が１００μｍ、入光口128の幅が２０μｍのとき、１００μｍである。
上記構成において、固体撮像素子110が受光した光132は、マイクロレンズ122で集光され、第１反射層121の入光口128から光電変換素子135に入射し、透明な共通電極123を通過して光電変換膜125に至り一部が吸収される。光電変換膜125で吸収されなかった光は、画素電極124と透明層136を透過し第２反射層120に至る。光は第２反射層120の鏡面によって反射され、再び透明層136を経て、光電変換膜125に至り、ここで一部が吸収される。更に光電変換膜125を透過した光の一部は第1反射層の反射面127に至り、再び反射されて光電変換膜125に至り、一部が吸収される。その後もこのような往復を繰り返し、一部は入光口から外部に逃げ、一部は光電変換膜125以外で吸収されるが、光の多くは光電変換膜125で吸収することができる。
固体撮像素子110に入射した光が、第２反射層120と第１反射層121との間で往復を繰り返す際に、透明層136が存在することにより、前述したように、第２反射層120の反射点から入光口128を見込む立体角を小さくすることができ、光が往復する量（回数）を増加させることができる。この透明層136の効果について、図４を用いて、詳述する。
図４に示すように、入光口128から入射し、反射層120で反射した光132が、入光口128から逃げずに反射部127に至るためには、反射層120における反射角が図４に示す角度βよりも大きい必要がある。即ち、角度βよりも大きい角度で入光口128から入射される光を、固体撮像素子110内に閉じ込めることが可能であり、角度βが小さいほど、固体撮像素子110内に閉じ込められる光の割合が多くなる。角度βは、反射点から入光口を見込む立体角であり、入光口128の幅をＷ、第１反射層121の反射面127と第２反射層120との距離をＤとしたとき、β＝tan-1（Ｗ/２Ｄ）で表される。従ってβの値はＷが小さく、Ｄが大きいほど小さくなるが、素子幅126に対し入光口128の幅が狭い場合には、素子内に入射される光量が減少する。一方、光電変換素子135は薄膜であり、厚膜化が難しい。そこで本実施の形態では、透明層136を挿入することによって、第１反射層121の反射面127と第２反射層120との距離Ｄを長くし、見込み角を小さくする。
具体的には、例えば入光口幅Ｗが２０μｍ、光電変換素子135の厚さＤ１が５０ｎｍ、透明層136の厚さＤ２を１００μｍとすると、透明層136がある場合はβが５．７度となる。これに対して、透明層136が無い場合は８９．７度となる。従って透明層136がある場合は、０〜９０度の入射角で入射される光の殆どが入光口128から逃げずに反射層121の反射面127に至り、再度光電変換素子135で検出する機会が生じるのに対し、透明層136が無い場合は、入射された光の多くが入光口128から外部に逃げ、それらの光は検出できないこととなる。このように透明層136を設けることで、より多くの光を固体撮像素子110内に閉じ込めて検出することが可能となる。
このようにして複数回、光を光電変換膜125に導入して吸収されると、光電変換膜125では電子とホールのペアが生じる。この電荷量は入射光量に依存するため、これを素子101ごとに共通電極123と画素電極124から読み出すことで、入射光量の分布を画像化することができる。
次に光検出器101の作製方法の一例を、図５を用いて説明する。ただし、本実施の形態の光検出器101の作製方法は、これに限定されるものではない。
まず図５の工程１に示すように、透明層136としてガラス板やプラスチック板を用い、これに画素電極124を設ける。この画素電極124は入射光に対して透明であり、例えばＩＴＯ、酸化スズ、酸化亜鉛などである。ＩＴＯを用いる場合、例えば電子ビーム蒸着法、ＤＣマグネトロンスパッタ法などの方法で作製する。酸化スズを用いる場合、例えば電子線蒸着法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、ＤＣマグネトロンスパッタ法、スプレー法、ＣＶＤ法などの方法で作製する。酸化亜鉛を用いる場合、例えばゾルゲル法、スプレーパイロリシス法、無電界めっき法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、反応蒸着法、パルスレーザ蒸着法などの方法で製作する。
次に工程２として、この上に光電変換膜125を作製する。この光電変換膜125は、ポリシリコンの場合、例えばレーザアニール法、熱結晶化(固相成長)法、ＣＶＤ法などの方法で作製する。アモルファスシリコンの場合、例えばグロー放電法、反応性スパッタ法、イオン・プレーティング法、クラスタ・イオンビーム法などの方法で作製する。
その後、工程３で、画素電極124と同様の方法で共通電極123を作製する。ここで、図５中の工程には記さないが、工程１から工程４を行う前までに、スイッチ114を作製するための工程を行う。
次に工程４で、第１反射層121を形成する。反射層121は、例えばアルミニウムや銀などの金属を、例えば蒸着法にて成膜することにより作製する。この際、入光口128となる部分をマスク等で覆い、成膜後にマスクを除去することにより、入光口128を形成する。次に工程５で、透明層136の図中下面に、第２反射層120を作製する。第２反射層120は、第１反射層121と同様に作製することができる。次に工程６で、工程５で得られた積層体を、接着剤137にて基板103に接着し、工程７で入光口128と中心が一致するように、マイクロレンズ122を、接着剤138にて接着する。このようにして、光検出器101を作製することができる。
本実施の形態によれば、光電変換素子135を第１及び第２反射層121,120で挟んだ構造とし、光入射側に配置される第１反射層121に入光口128を設けるとともに反対側に配置される第２反射層120と光電変換素子135との間に所定の厚さの透明層136を設けたことにより、入光口128より入射された光を効果的に第１及び第２反射層121,120間に閉じ込め、光電変換素子135によって光電変換される光量を増加させて検出感度を向上することができる。
また入光口128の光入射側にマイクロレンズ131等の集光手段を配置したことにより、より多くの光を入光口128に集光することができる。なお、図示する実施の形態では、集光手段としてマイクロレンズ131を用いたが、本発明はこれに限るものではなく、その他の光学レンズやグリッド、光ファイバを用いて集光を行ってもよい。また集光手段を設けない構造も本発明に含まれる。
以上、本実施の形態の光検出器について説明したが、上記説明における材料や構造は本実施の形態の光検出器の一例であり、種々の変更が可能である。例えば、図では、基板103と光電変換素子135との間に第２反射層120および透明層136を設けた構成を示しているが、図３における基板103と接着剤137を省き、透明層136が光検出器を支持する基板103を兼ねる構造とすることも可能である。この場合、光を透過する材料で基板103を構成し、その一方の側に光電変換素子135を設け、他方の側に第２反射層120を設ける。
また上記説明では、反射層120、121が金属である場合、少なくともその一方を、例えば読み出し回路、制御回路や電源などのグランドやその電極電位などと電気的に接続することも可能である。このような構造により、外部から流入する外因性雑音が光検出器101に流入し、これが光電変換素子135や配線などで検出されることで光検出器101の出力信号に生じる擬似信号や雑音を低減することができる。
また上記説明では、第１反射層121と共通電極123を別途設けたが、これは本実施の形態の光検出器の一例であり、第１反射層121と共通電極123とを一体にしてもよい。この場合、共通電極123は、光を反射する素材である、例えば先に第１反射層121として記したアルミニウムや銀などの金属で作製される。更に共通電極123は入光口128を有し、光をここから光電変換素子135内に入射する。このとき光は電極を経ずに直接光電変換層125に至ることができるため、第１反射層121での減衰がない。一方、共通電極123を、例えばＩＴＯなどの透明電極で作製しても透過率が１００％となることはない。このため第１反射層121と共通電極123を一体にすることにより、検出効率の向上を実現できる。
また上記説明では、光電変換素子135が共通電極123と画素電極124が向かい合う構造を成していたが、これは本実施の形態の光検出器の一例であり、図６に示すように、共通電極123と画素電極124とが同一面にある場合もある。図６に示す光電変換素子135は、素子101毎に設けられた光電変換層125と、その間を電気的に絶縁する絶縁層133とからなり、光電変換層125の左右両端に、それぞれ共通電極123と画素電極124とが電気的に接続されている。このような構造の光電変換素子では、上下方向からきた光は光電変換層125で検出され、それによって生じた電子やホールを左右方向に移動させて読み出す構造になっている。ここで光電変換層125は、例えばアモルファスシリコン製であり、絶縁層133は例えば酸化シリコンである。
このような光電変換素子135においても、第１反射層121と第２反射層120が透明層136を介して光電変換層125を挟みこむ構造を採用することにより、上記と同様の効果を実現できる。
また上記説明では、光電変換素子135間に発生した電荷の量を、同じ電荷量を積分器109で生じさせる構造にて読み出しを行っていたが、これは本実施の形態の光検出器の一例であり、さまざまな構造がありうる。例えば画素ごとに、電荷量に応じた電圧信号を生じる電圧変換手段を具備し、これによって生じた電圧信号を読み出してもよい。また例えば、電荷量を増幅する電荷増幅手段を具備し、これによって増幅した量の電荷量を読み出してもよい。
また上記説明では、共通電極123が第１反射層121と隣接する構造であったがこれは本実施の形態の光検出器の一例であり、画素電極124が第１反射層121と隣接する構造であってもよいことは言うまでもない。
さらに本実施の形態では、反射層121が平坦な鏡面である場合を説明したが、反射層121で反射される入射光が入光口128から逃げるのを防ぐために、反射層121の形状を平坦ではなく、斜面をつけたり、凹凸を付けたり、凹部や凸部を設けるなど種々の変更が可能である。以下、第２〜第６の実施の形態として、反射層121の形状を異ならせた実施の形態を説明する。
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態の光検出器を、図７を参照して説明する。図７において、第１の実施の形態と同一の要素については同じ符号で示す（以下の図においても同様）。
本実施の形態の光検出器は、第２反射層120の形状が第１の実施の形態の第２反射層120と異なる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。即ち、本実施の形態の第２反射層120は、図７に示すように、反射面に複数の凹凸を有する。これにより入射光132が反射される際に大きな水平成分を持って、言い換えると大きな反射角を持って反射する事ができる。これにより入光口128から入射した光を、第１反射層121に向けて反射することが可能となるため、光電変換膜125で再検出する光の量を増やすことができる。
入光口128から入射した光を、効率よく第１反射層121に向けて反射するための反射面の凹凸について説明する。ここでは説明を簡単にするために、各層の界面における光の屈折はないものとする。
光132は入光口128の端部に沿って入射した光132が、第２反射層120の凹凸面で、図中αで示す反射角以上の反射角で反射した場合、散乱光は、光電変換膜125等で吸収されたものを除き、ほとんどが第１反射層121に至ることができる。このときの反射角αは、入光口128と光電変換素子135との境界から凹凸の頂点に至るまでの最短長さ148をＤ、入光口128の幅をＷとしたとき、Ｄ・tanα＝Ｗで表される。従って第２反射層120で反射される光（吸収されなかった光）のほとんどを第１反射層121に至るようにするためには、反射角がＤ・tanα≧Ｗを満たせばよいことが分かる。
このような反射角を与えるためには、凹凸の断面形状が三角形の場合、その底角をθとしたとき、Ｄ・tan２θ≧Ｗを満たせば、良いことが分かる。これを具体的に求めると、入光口128の幅Ｗが２０μｍ、透明層136の厚さＤ２を１００μｍ、光電変換素子135の厚さＤ１が５０ｎｍ、凹凸の高低差が２００ｎｍ以下の場合、αは１１．３度以上、θは５．７度以上となる。従ってこのような凹凸を作製することにより、より効率的に光を素子110内に閉じ込めて検出することができる。
第２反射層120の凹凸面は、例えば反射層120を作製前に透明層136の面に凹凸を作製し、その後に金属を蒸着して反射層120を作製すればよい。透明層136の凹凸は、スパッタリング、マイクロリソグラフィ等の公知の手法により形成することが可能である。
なお図では、第２反射層120の全面を凹凸面とした場合を示しているが、凹凸面は部分的に、例えば素子110の中心付近や入光口128と平行に向かい合う範囲のみに設け、その他の部分は鏡面を設けた構造としてもよい。全面が凹凸面である場合、固体撮像素子110の中心付近に入射した光は反射層121の反射面127へ反射されるのが、固体撮像素子110の中心以外の部分に入射した光を入光口128に戻す場合や、隣の固体撮像素子110まで反射する場合もあり得る。凹凸面を所定の範囲のみ設けることにより、このような不都合な散乱を低減することが可能である。
また凹凸は規則的であっても、不規則であってもよい。
本実施の形態の光検出器によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。また第２反射層120に凹凸面を設けたことにより、光電変換膜125等で吸収されなかった入射光を効率よく両反射層間で往復させることができる。さらに本実施の形態の光検出器では、透明層136を設けたことにより、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、大きな反射角を実現する凹凸を実現できるという効果も有する。即ち透明層136が無い場合は、光電変換素子135の厚さよりも大きな高低差の凹凸は不可能であるが、透明層136を設けることでさまざまな大きさの凹凸が実現できる。また本発明では透明層136を設けているために、画素電極124に凹凸を設けることなく、反射層120に凹凸を実現できる。これにより、画素電極124に凹凸を設けることで生じる暗電流の増加、光電変換膜125内電界の非一様性の発生、光電変換膜125表面に生じるエネルギー準位による電荷のトラップ、特性の非一様性や素子110ごとのバラツキの発生、残像や素子110間のクロストークの発生などを防ぐことができる。
なお本実施の形態においても、図示した構造に限定されることなく、種々の変更が可能である。
＜第３の実施の形態＞
次に本発明の第３の実施の形態の光検出器を、図８を参照して説明する。
本実施の形態の光検出器は、第２反射層120の形状が第１及び第２の実施形態と異なる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。即ち、本実施の形態の第２反射層120は、図８に示すように、反射面が傾斜している。この反射面により、入射した光は、入光口128の片側の第１反射層121へ反射される。
入光口128から入射した光を、効率よく第１反射層121に向けて反射するための反射面の傾斜について説明する。ここでは説明を簡単にするために、各層の界面における光の屈折はないものとする。
ここでも、入光口128の端部に入射した光の殆どが、光電変換膜125等で吸収されたものを除き、第１反射層121へ到達するように、反射面の傾斜を設計する。即ち図８では、入光口128の左端部に入射した光が、入光口128の右側に位置する反射層121へ到達するためには、傾斜の角度ωを、光132が入光口128の端部を通過してから反射面に至るまでの最短長さをＤ、入光口128の幅をＷとしたとき、Ｄ・tanω≧Ｗを満たすようにする。
これを具体的に求めると、入光口128の幅Ｗが２０μｍ、透明層136の厚さＤ２を１００μｍ、光電変換素子135の厚さＤ１が５０ｎｍ、ωは５．７度以上となる。例えば角度ωを６度として、この構造を素子幅126が１００μｍの固体撮像素子110で実現しようとすると、第２反射層120において、薄い箇所と厚い箇所との高低差が約１０．５μｍだけ必要となる。例えば光電変換素子135の厚さＤ２は５０ｎｍの場合、透明層136が無ければこのような構造をとることは難しいが、本実施の形態の光検出器では、透明層136を設けているために、反射を有効に行うことが可能な大きなωを持った反射面を実現できる。
なお図示する実施の形態では、図１の位置Ｂの線方向のみに傾斜を有している場合を示しているが、２次元的な構造を有していても構わない。例えば、素子110の角から対角の角に向けて傾斜を有する構造としてもよい。
＜第４の実施の形態＞
次に本発明の第４の実施の形態の光検出器を、図９を参照して説明する。
本実施の形態の光検出器は、第２反射層120の構造が第１及び第２の実施形態と異なる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。即ち、本実施の形態の第２反射層120は図９に示すように、素子中心150から左右対称に光を反射するよう、断面形状が二等辺三角形状であってその頂角が素子中心150に位置する凹凸形状の反射面を有する。この反射層120により、素子110の中心から左側に入射した光は左側の反射層121へ、右側に入射した光は右側の反射層121へ、それぞれ反射される。
このような反射層120で反射された光が入光口128から逃げることなく効率的に反射層121に到達するためには、ほぼ素子110の中心に入射した光が反射層127へ到達することが望ましい。このとき、二等辺三角形の底角をγ、光132が入光口128の中心を通過してから二等辺三角形の頂点に至るまでの最短長さをＤ、入光口128の幅をＷとしたとき、γはＤ・tanγ≧（Ｗ／２）を満たせば良いことになる。これにより本実施の形態では、第２反射層120の形状が、第２の実施の形態や第３の実施の形態の第２反射層と比較して小さい底角の三角形で、反射層121への効率的な反射を実現できることが分かる。
本実施の形態においても、透明層136を設けているために、反射を有効に行うことが可能な大きな底角γを持った反射面を実現できる。即ち素子幅126と同じ底辺の長さを有する二等辺三角形状の凸形状を反射層110の反射面を作成した場合、その頂点までの高さは、例えば素子幅126が１００μｍ、底角が３度の場合、約２．６μｍの高さが必要となる。このような構造は、例えば光電変換素子135の厚さＤ１が５０ｎｍの場合、透明層136がなければ実現することは難しいが、本実施の形態により実現できる。
なお本実施の形態の変更例として、反射面を凸形状にするのではなく、凹形状も可能である。また凹または凸の形状は二等辺三角形に限るものではなく、それ以外の三角形でもよい。そのとき両底角は、上記の場合と同様に、左右それぞれ反射層121に反射される角度が望ましい。更に凹凸の形状は三角形に限らず、さまざまな形状を取りえる。更に図では、図１の位置Ａの断面方向の凹凸形状を示しているが、この構造は１次元的であっても２次元的であってもよい。前者の場合、反射層の面では線状の凸形状或いは凹形状となる。また後者の場合、円錐状や角錐状のような凸または凹形状となる。
＜第５の実施の形態＞
本実施の形態の光検出器は、反射層120が機能の異なる２種の凸部を持っている点が特徴である。即ち図１０に示すように、反射層120の、入光口120に対応する範囲152には、第４の実施の形態と同様に、二等辺三角形状の凸部が形成されており、他の素子110と隣接する両端部153には、傾斜面が形成されている。隣接する素子の反射層が連続している場合には、両端部153の傾斜面は二等辺三角形状の凸部となる。素子中央に位置する二等辺三角形状の凸部は、反射層120に当たった光を素子中心150から遠ざけるように反射するが、素子110の端部に位置する傾斜面は、光が入射した素子の方へ光を戻す。
本実施形態の光検出器では、上記構造により、入光口128からの光の逃げを抑えながら、隣の素子110へのクロストークを低減することができる。なお図１０に示す構造は、凸部と傾斜面を組み合わせた構造の一例であり、これに限定されず、反射層121からの光を、その光が入射した素子110の方向へ戻す種々の変更例があり得る。例えば、範囲152に設ける凸部を凹部に代えることも可能である。また両端部153の傾斜面は、素子110の二辺に設けるだけでなく、四辺に設けてもよい。
＜第６の実施の形態＞
本実施の形態の光検出器は、凸部が、反射した光が集束するように曲面の鏡面を有する点が特徴である。図１１にその構造の一例を示す。図１１では、範囲152で曲面の鏡面を有し、入光口128から入射した光が、素子中心150に近いほど大きな散乱角となる曲面を有し、反射した光は集束して反射層121に至る。このような構造により、光の広がりによって生じる、入光口128から光が逃げや隣の素子110へのクロストークを低減することができる。
更に図１１に示すように、素子110の端部に位置する範囲153でも曲面の鏡面を有し、反射層121で反射した後の光も集束するように反射する。このような構造により、更に隣の素子110へのクロストークを低減することができる。
本発明では、範囲152と範囲153の双方で曲面の鏡面を設けたが、これは本発明を限定するものではなく、その一方であってもよい。更に曲面としては、２次元的な構造も含め、さまざまな形状を採用することができる。
以上、本発明の光検出器の実施の形態として、第２反射層の反射面の形状を異ならせた種々の実施の形態を説明したが、素子を構成する各要素の位置や数を変更することも可能である。以下、第７〜第９の実施の形態として、各要素の位置や数が第１の実施の形態の光検出器と異なる実施の形態を説明する。
＜第７の実施の形態＞
本実施の形態の光検出器は、入光口128の位置を素子の中心からずらして設けた点が特徴である。
図１２を用いて本実施の形態の光検出器101の構造を説明する。この光検出器101において、素子110の中心150は光電変換素子135の中心となるが、入光口128は、その中心151の位置が、その素子110の中心150と異なる。入光口128の素子中心からのずれに対応して、マイクロレンズ122は入光口128に光を集束させるように、その中心が入光口128の中心151と一致するように配置されている。
このような構造において、光が素子110内に入り、反射層120により反射される際、反射層120は、素子110の中心150に近い方の反射層の反射面127、図中の素子110では反射面127-2に反射するような構造が望ましい。このような構造により、光が反射層120と反射層121間を往復して光電変換素子135を往復できる広い空間を実現でき、隣の素子110へのクロストークを低減し、検出効率を向上できる。
そのため、第２反射層120には、入光口128と向かい合う範囲にのみ、傾斜面が形成されている。この傾斜面は、入光口128の中心171からの距離が近いほうの隣接素子との境界まで連続しているが、反射面127-2の影となる部分は傾斜の無い鏡面であることが望ましい。これにより、反射層121の反射面127で反射した後に反射層120に至った光が大きな反射角で反射して、隣の素子110に入手するのを抑えることができる。このとき光は一定の反射角で反射層121と反射層120間を往復するため、反射回数は入光口128と反射面127-2の境界から隣の素子までの距離にほぼ比例するが、検出されずに往復する光の量は、反射回数に対して指数に減少するため、検出効率の向上と、隣の素子110へのクロストークの低減を実現することが可能となる。
＜第８の実施の形態＞
本実施の形態の光検出器は、第１〜第７の実施の形態とは、透明層136の位置が異なる。即ち、本実施の形態では、図１３に示すように、透明層136は第１反射層121と光電変換素子135との間に設置される。本実施の形態では、第１反射層121にも、第２〜第７の実施の形態における第２反射層と同様に、傾斜面や凹凸を設けて、光を入光口128から遠ざける構造や、素子110の端部に近い領域で光を素子110中心に戻す構造や、光を集光する構造などを実現できる。これにより、光口128からの光の逃げや他の素子110へのクロストークを低減することが可能となる。
＜第９の実施の形態＞
本実施の形態の光検出器は、第１の実施の形態における第１反射層121と光電変換素子135との間に、第２の透明層を設けたものである。
即ち、本実施の形態の光検出器は、図１４に示すように、反射層120と光電変換素子135との間に第１の透明層134、反射層121と光電変換素子135との間に第２の透明層136が設けられている。本実施の形態では、第１及び第２反射層121,120がそれぞれ透明層を介して光電変換素子135を挟む構造になっているので、光電変換素子135の厚さによる制限を受けることなく、反射層120と反射層121の双方において、さまざまな形状・構造を実現できる。これにより、検出効率の向上や、光入口128からの光の逃げや他の固体撮像素子110へのクロストークの低減が実現できる。
次に本発明の光検出器において隣接する固体撮像素子との光のクロストークを軽減させるための構造を備えた実施の形態を説明する。
＜第１０の実施の形態＞
本実施の形態の光検出器の一例を、図１５に示す。
本実施の形態の光検出器は、光電変換素子135の光入射側に第１反射層121、反対側に透明層136及び第２反射層120を備えた構成は第１の実施の形態と同様であるが、図示するように、透明層136の、隣接する素子との境界に素子間遮蔽層131が備えられている。
素子間遮蔽層131は、例えば光の透過が２０％以下となる程度、遮蔽することが望ましい。これにより、隣の素子110への光のクロストークを低減できる。また素子間遮蔽層131は、光を反射する構造であってもよい。この場合、反射率を、例えば４０％以上とすることにより素子110端部に来た光を、素子中心150の方へ反射し、検出効率を向上できる。更に素子間遮蔽層131は、遮蔽と反射の両方を兼ねていても良い。
このような素子間遮蔽層131の材料としては、光を遮蔽する材質、例えばアルミニウムな銀などの金属、白色顔料等をバインダー中に含有せしめた白色塗料、光電変換膜125と屈折率が異なる物質であって、その屈折率の違いによる反射を生じるような物質が挙げられる。素子間遮蔽層131の作製方法は、例えば、各素子の透明層136の側面に上記材料の膜を塗布、蒸着等によって形成する方法、或いは透明層を構成するガラス板やプラスチック板に溝を形成し、光を遮蔽する材料、例えば白色塗料などを溝に注入するなどの方法で作製することができる。
なお素子110間に設けた溝自体が素子間遮蔽層131として機能することも可能である。即ち素子間遮蔽層131として空気や真空の空間（溝）を設けた場合、その溝の側面にて光を反射し、遮光する。更にこの溝の側面に、例えば表面を荒らして曇りガラス状にするなどし、光を散乱する構造などを設けることも可能である。
なお図示する実施の形態では、素子間遮蔽層131は透明層136を貫通して設けられているが、これは本発明を限定するものではなく、貫通せずに設けられている場合もあり得る。更に光電変換素子135の一部にも設けられていてもよい。
また本実施の形態では、素子間遮蔽層131は全ての素子110間に設置したが、複数毎に設置してもよい。更に図では、図１の切断線Ａの方向に素子間遮蔽層131を設ける場合を示しているが、これに垂直な方向（図１の切断線Ｂの方向）に素子間遮蔽層131を設置する場合や、その双方に２次元的に設置する場合もあり得る。
＜第１１の実施の形態＞
次に第１１の実施の形態として、素子110のスイッチ141に光が入らない構造を実現した光検出器の実施の形態を説明する。本実施の形態の光検出器を図１６に示す。図１６は、図１の位置Ｂでの断面図である。
図１６に示すように、スイッチ141は、反射層121の反射面127により影となる部分に設置され、更にスイッチ遮蔽層180を周囲に有する。このスイッチ遮蔽層180は、光を遮蔽する材質、例えばアルミニウムな銀などの金属や白色顔料をバインダーに含有させた白色塗料など作製される。スイッチ遮蔽層180が金属で作製される場合には、スイッチ141、光電変換膜125、画素電極124、共通電極123との間に絶縁層182など、電気的に接触しない構造を設ける。この絶縁層182は、例えば金属酸化物、シリコン酸化物、窒化シリコンなどからなる。
スイッチ遮蔽層180は、例えば光の透過が２０％以下となる程度、光を遮蔽することが望ましい。これにより、スイッチ141で光が検出されることで生じる擬似信号や雑音を抑えることができる。またスイッチ遮蔽層152は、光を反射する構造であってもよい。その場合、反射率は、例えば４０％以上であることが好ましい。これにより素子110端部にきた光を、素子中心150の方へ反射し、検出効率を向上できる。更にスイッチ遮蔽層180が、遮蔽と反射の両方を兼ねていてよい。
なお図では、第１の実施の形態の光検出器を基本として、スイッチ遮蔽層180を設けた構成を示したが、本実施の形態は、第２〜第１０の実施の形態の光検出器にも適用することが可能である。
＜第１２の実施の形態＞
本実施の形態は、上述した各実施の形態とは、反射層121が特定の入光口を有しない点およびそのような入光口と組み合わせる集光手段を有しない点が異なる。即ち、本実施の形態の光検出器は、図１７において、反射層121はハーフミラーであり、入射光132を透過して光電変換素子135に光が入ることを可能とし、反射層120から反射してきた光を、再度光電変換素子135に光が入るように反射する。このハーフミラーは、例えばガラスの片面にクロムやＳＵＳ等が半透明となる程度に薄く成膜されたものである。これにより入射光の一部を素子110内に閉じ込めて検出することができ、検出効率を向上することが可能となる。
なおハーフミラーである反射層121を設けない場合でも、屈折率の違いにより、光電変換膜125と共通電極123の境界や、共通電極123とその外にある空気や真空との境界で反射が生じる。ただしこの量は、検出効率を向上するのに有効な量ではない。本構成において有効な検出効率を実現するために、反射層121は少なくとも１０％以上の反射率を有するものであり、望ましくは３０％以上の反射率を有するものである。
更にハーフミラーは、その構造上、ガラスなどに比べて透過率が低い。しかし有効な光量の光を検出するためには、例えば２０％以上の透過率が望ましく、更に透過率と反射率との積が、例えば０．０５以上が望ましい。
本実施の形態では、第１反射層に入光口を設けたり、第２反射層に凹凸や傾斜を設けるなどの加工が不要となるため、光検出器の製造を容易にするという利点がある。
以上、本発明の固体撮像素子とそれを搭載した光検出器の各実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、各実施の形態で説明した各要素を適宜組み合わせることも可能である。また、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除することも可能である。
次に本発明の認証装置について説明する。本発明の認証装置は、本発明の光検出器を搭載したものである。
以下、本発明の認証装置を指静脈認証装置に適用した一実施の形態を図１８〜図２０を参照して説明する。図１８は装置の外観図、図１９は図１８の切断面Ｃにおける断面図である。この指静脈認証装置160は、撮影した指の静脈像を用いて、個人の特定を行う装置であり、図１８に示すように、装置パッケージ161上に、外壁162で囲まれた撮影窓169が形成された外観を有している。
外壁162は指163を載せる台を兼ねており、撮影窓内に設置される光検出器101に外光が入射されるのを防ぐ。撮影窓169内には、ダイオードからなる光照射部165と光検出器101が設置され、光照射部165と光検出器101との間には、光を遮蔽する遮光板168が設けられている。光検出器101は、本発明の光検出器であり、例えば、上述した第１〜第１２の実施の形態の光検出器のいずれかが用いられる。ダイオードは、好適には指の内部に入りやすい近赤外光を発生するものが用いられる。また光照射部165は、ほぼ指163が接触可能な位置に設けられている。さらに光検出器101の上にはコリメータ166が設置されている。コリメータ166は、光照射部165からの光が直接光検出器101に入射されるのを防止するとともに、検出器にほぼ垂直な角度以外に入射する散乱線を除去する。
図では示していないが、この装置パッケージ161は、指静脈認証装置の用途に応じて、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）やＡＴＭに接続される。またＰＣ或いはＡＴＭには、検査対象の生体情報を予め登録し、記憶するメモリ、光検出器の読み出し回路が得たデジタル画像に対して信号処理を加えて情報を抽出するとともに、抽出情報とメモリに登録された個人の生体情報とを比較し、個人認証を行う計算機が設けられている。
このような構成において、個人認証を行うための処理の流れを、図２０を参照して説明する。
まず図１９に示すように指163を指静脈認証装置160に置くと、ダイオード165は指内部に光を照射する。指163内部に照射した光は、指内部で吸収、散乱されて、一部が表面から出力される。このとき、静脈内の血液中の脱酸素化ヘモグロビンの吸収が、他の組織、血液などと異なるため、この光を光検出器101で撮像することで、その像を得ることができる（ステップ200）。
次にこのようにして得た画像は、接続されたＰＣあるいはＡＴＭ内の計算機に送られ、ここで画像処理を行って、指静脈認証に用いられる。画像処理においては、まず撮影した指静脈像に切り出し処理201を行い、輪郭を抽出して指部分だけを切り出す。次にこの画像に対してフィルタ処理202を行い、指静脈に必要な空間周波数成分の画像を作成する。このフィルタ処理202は、例えばハイパスフィルタ処理である。次に位置合わせ処置203にて、指の角度の違いを補正する。次にこの画像に対して情報抽出処理204を行い、個人認証で用いる指静脈像205のみを得る。この処理は、例えば撮影して得た画像における指静脈の太さや濃度から、個人認証で用いる指静脈だけを抽出する修理である。
個人認証においては、事前に登録した指静脈像206と同一であるかの検証処理207を行う。この事前に登録して指静脈像206も、前述と同様の画像処理を行ったものである。また装置によっては、事前に複数の指静脈像206が登録されている場合もあり得る。この検証処理207は、例えば公知のパターン認識技術等を用いて、画像の相互相関から一致するかしないかを決定する。この決定によって同一のものがあった場合、登録人特定209を完了し、無い場合は、登録人なしと判定208する。この結果は、例えばこの指静脈認証装置をＰＣに用いた場合、例えば登録人を特定して場合にのみ、ＰＣを有効にするための信号をＰＣに送る。また例えばＡＴＭにこの指静脈認証装置を用いた場合には、登録人を特定して場合にのみ、例えば現金の引き出しが可能となるのに必要な信号をＡＴＭに送信する。
本実施の形態の指静脈認証装置によれば、光検出器として本発明の光検出器を採用したことにより、高精度の指静脈像を撮影することが可能となり、その結果、高精度の認証を行なうことができる。
なお上述した指静脈認証装置の外観、構成、処理方法、撮影方法などはその一例であり、本発明を限定するものではない。例えば、図示する装置では、光を図中下方より、即ち光検出器101側より照射していたが、指の側面から、即ち光検出器101と垂直方向から入射する方式や、図中上方から、即ち光検出器101とダイオード165とで指を挟むように光を照射する構成もあり得る。更に本実施の形態では、指静脈を用いた認証装置の場合を記したが、本発明は、掌や手の甲の静脈を用いた認証装置にも適用できることは言うまでもない。
図２１及び図２２に、本発明の認証装置の他の実施の形態として、指紋認証装置の他の実施の形態を示す。この実施の形態においても、光検出器として本発明の光検出器、例えば第１〜第１２の実施の形態の光検出器のいずれかを用いることは、図１８に示した指静脈認証装置と同様である。
この指紋認証装置170では、撮影窓169の上面にガラス172が設けられており、認証は指163をガラス172にかざして行う。この撮影窓169の中には、指表面に光を照射するダイオード165と、直接光の入射を防ぐ遮光板168と、直接光の入射と、検出器にほぼ垂直な角度以外に入射する散乱線を除去するコリメータ166とが設けられている。この光源の光は、例えば可視光や近赤外光を用いる。
この指紋認証装置170でも、指紋認証の方法は、例えば図２０に示した指静脈の認証方法と同様の方法で実現することができ、これにより、指表面の指紋を撮影し、これを用いて個人の特定を行うことを可能とする。ただし本構成は指紋認証装置の一例であり、他にさまざまな装置構成、形状、方式、処理方法、認証方法が考えられる。
以上、本発明の認証装置の実施の形態として、指静脈認証装置および指紋認証装置を説明したが、本発明はその他の認証装置にも適用可能である。例えば虹彩を用いた認証装置や、他に光や赤外線を用いて像を得る、さまざまな認証装置、更に、例えば指静脈と指紋を用いて個人認証を行う装置など、複数の方法で個人認証を行う装置にも適用できる。
また本発明の光検出器は、認証装置に限らず、可視光や近赤外線を用いて撮像を行う、宇宙、天体、環境、医療分野での観測や撮影用の光検出器を用いる装置など、商用、研究用、教育用を問わずさまざまな装置に適用可能である。
以下、本発明の光検出器による検出効率の向上を確認するために行なった実施例を説明する。
まず実際に図２３に示す構造１と構造２の光検出器を作成し、基礎データを取得した。ここで基板136として、厚さ５００μｍのガラス基板、光電変換素子135として、厚さ５０ｎｍのポリシリコンセンサ、反射層120として、鏡面の反射層を有するアルミニウム箔を用いた。また光源には５００ｎｍの波長の光を用いた。このときのガラス基板の透過率は９９％以上であり、基板136での光の吸収は無視できた。
まず構造１の光検出器の検出効率と透過率を計測した結果、それぞれ０．０５２、０．６８であった。次に構造２の光検出器の検出効率を計測した結果、０．０８１であり、構造１と比較して１．５６倍になった。ここで反射層120の反射率をχとすると、反射層120によって入射光量の０．６８χ倍の光が入射して光電変換素子135に至り、これにより検出効率が０．５６倍増加したのであるから、０．６８χ＝０．５６となり、反射率χが０．８２であることが分かる。
次にこれらの結果を用いて、反射層121を設けた構造３の光検出器の検出効率を以下のように、算出した。ここでは検討を容易にするために、素子110間の光の流入出と、入光口128からの光の逃げが無視できるものとした。素子110間の光の流入出が無視できる場合とは、素子110がその中での光の広がりに対して十分に大きい場合や、素子110の間にクロストーク防止用の十分な構造を有する場合である。入光口128からの光の逃げが無視できる場合とは、入光口128が素子110のサイズに対して十分に小さい場合や、反射層120がほとんどの光を反射層121の反射面127へ反射する構造を有する場合である。
まず反射層121の反射率を反射層120と同じと仮定し、素子110に入射した光量を１とした場合、反射層121が反射する光量は０．６８２×０．８２２＝０．３１である。従ってこの光が再び光電変換素子135を１往復すると、光検出器の検出効率は０．０８１×０．３１＝０．０２５だけ増加する。更に反射層120と反射層121による反射を続け、光が検出されるまで光電変換素子135を往復すると、検出効率は０．０８１×（１＋０．３１＋０．３１２＋…）＝０．１１７となる。従って反射層121を設けることで検出効率は０．０８１から０．１１７になり、４４％だけ向上できる。このように本光検出器101の構造は、検出器の高感度化に有効であることが確認された。
ただし、少なくとも最初に反射層121に光が到達して反射するまでに、ほとんどの光が失われていた場合、本発明の効果は小さい。そのため、反射層120の反射率をR1、反射層121の反射率をR2、光電変換素子135と透明層136を光が透過する透過率をTとするとき、T×T×R1×R2が０．１以上であることが望ましい。
本発明によれば、変換効率の改善された光電変換素子および光検出効率の改善された光検出器が提供される。これら光電変換素子および光検出器は、認証装置などに組み込まれる光検出器や撮像素子として利用することができ、これにより高い精度の認証装置が提供される。
本発明が適用される光検出器の一例を示す図 図１の光検出器の回路構成を示す図 第1の実施の形態の光検出器を示す図で、図１の切断線Ａにおける断面図である。 第１の実施の形態における透明膜136の効果を説明するための説明図 第１の実施の形態の光検出器の作製工程の一例を説明するための説明図 第１の実施の形態に適用しうる光検出器で、図３とは異なる１構造を説明するための説明図 第２の実施の形態の反射層121の凹凸形状の設計を説明するための光検出器の断面図 第３の実施の形態の光検出器の断面図 第４の実施の形態の光検出器の断面図 第５の実施の形態の光検出器の断面図 第６の実施の形態の光検出器の断面図 第７の実施の形態の光検出器の断面図 第８の実施の形態の光検出器の断面図 第９の実施の形態の光検出器の断面図 第１０の実施の形態の光検出器の断面図 第１１の実施の形態の光検出器を示す図で、図１の切断線Ｂにおける断面図である。 第１２の実施の形態の光検出器の断面図 本発明の認証装置の一実施の形態の外観を示す図 図１８の指静脈認証装置の、切断線Ｃにおける断面図 図１８の指静脈認証装置の個人認証処理の流れを示す図 本発明の認証装置の他の実施の形態の外観を示す図 図２１の指静脈認証装置の、切断線Ｃにおける断面図 実施例に用いた光電変換素子の構造を示す図
符号の説明
１０１…光検出器、１０２…受光部、１０３…基板、１０４…読み出し回路、１０５…シフトレジスタ、１０６…制御電極パッド、１０８…ＩＣチップ、１０９…積分器、１１０…固体撮像素子（光電変換素子）、１１３…光電変換部、１１４…スイッチ、１１５…出力用電極パッド、１２０…第２反射層、１２１…第１反射層、１２２…マイクロレンズ、１２３…共通電極（第１の電極）、１２４…画素電極（第２の電極）、１２５…光電変換層、１２６…素子幅、１２７…第１反射層の反射面、１２８…入光口、１３１…素子間遮蔽層、１３２…入射光、１３３…絶縁膜、１３５…光電変換素子、１３６…透明層、１３７、１３８…接着剤、１４０…絶縁層、１８０…スイッチ遮蔽層、１６０…指静脈認証装置、１６１…装置パッケージ、１６２…外壁、１６５…ダイオード、１６６…コリメータ、１６８…遮光板、１６９…撮影窓、１７０…窓、１７２…ガラス

Claims (21)

  1. 入射した光によって電子を発生する光電変換層と、
    前記光電変換層の光入射側に配置され、実質的に透明な第１電極と、
    前記光電変換層の、前記光入射側と反対の側に前記第１電極と対向して配置され、前記光電変換層で生じた電子を検出する実質的に透明な第２電極と、
    前記第１電極と接して前記光入射側に配置され、前記第１電極と接する面に反射面を有する第１反射層と、
    前記第２電極の、前記光入射側と反対の側に配置され、前記第２電極に対向する面に反射面を有する第２反射層と、
    前記第１電極と第１反射層との間、および／又は前記第２電極と第２反射層と間に配置された透明層とを備えることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 請求項１記載の固体撮像素子において、
    前記第１反射層は、入射光を透過する入光口を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
  3. 請求項２記載の固体撮像素子において、
    前記第１反射層の前記光入射側に、入射光を前記入光口に集光する集光手段を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
  4. 請求項１記載の固体撮像素子において、
    前記第１反射層及び第２反射層の少なくとも一方は導電性材料からなり、所定の電位に接続されていることを特徴とする固体撮像素子。
  5. 請求項１記載の固体撮像素子において、
    前記光電変換層が、アモルファスシリコンまたはポリシリコンから成ることを特徴とする固体撮像素子。
  6. 請求項１記載の固体撮像素子において、
    前記第１反射層および／または第２反射層は、その反射面の少なくとも一部に凹凸又は傾斜面が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
  7. 請求項６記載の固体撮像素子において、
    前記第１反射層および／または第２反射層に形成された凹凸は、断面形状が複数の三角形状であることを特徴とする固体撮像素子。
  8. 請求項２記載の固体撮像素子において、
    前記入光口の中心が、前記固体撮像素子の中心と異なることを特徴とする固体撮像素子。
  9. 請求項８記載の固体撮像素子において、
    前記第１反射層はその断面において、前記入光口によって第１領域と、該第１領域よりも狭い第２領域に分離され、
    前記第２反射層は、入射光を前記第１領域に主に反射するように凹凸又は傾斜面が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
  10. 請求項２記載の固体撮像素子において、
    前記第１反射層は、前記光電変換手段の電極の一方を兼ねることを特徴とする固体撮像素子。
  11. 入射した光によって電気信号を発生する光電変換手段と、
    入射光に対して実質的に透明な透明層と、
    入射光を反射する第１反射層と第２反射層とを備え、
    前記第１反射層と第２反射層が前記透明層を介して前記光電変換手段を挟み、入射光を前記第１反射層と第２反射層とでそれぞれ１回以上反射して、前記光電変換手段に複数回導入する構造を有することを特徴とする固体撮像素子。
  12. 請求項１１記載の固体撮像素子において、
    前記光電変換手段が、入射した光によって電荷を発生する光電変換層と、
    前記光電変換層の光入射側に配置され、実質的に透明な第１電極と、
    前記光電変換層の、前記光入射側と反対の側に前記第１電極と対向して配置され、実質的に透明な第２電極とを備え、前記第１電極と第２電極が、前記電荷の量、または該電荷によって生じる電気信号を読み出す構造を有し、
    前記第１反射層が前記第１電極に対向する面に反射面を有し、前記第１電極の前記光入射側に配置され、
    前記第２反射層が前記第２電極に対向する面に反射面を有し、前記第２電極の、前記光入射側と反対の側に配置され、
    前記透明層が前記第１電極と第１反射層との間、および／または前記第２電極と第２反射層との間に配置されることを特徴とする固体撮像素子。
  13. 複数の固体撮像素子を配列してなる光検出器であって、
    前記固体撮像素子として、請求項１ないし１２いずれか１項記載の固体撮像素子を用いたことを特徴とする光検出器。
  14. 基板と、
    前記基板上に形成された、複数の固体撮像素子からなる素子アレイと、
    前記複数の固体撮像素子を駆動する駆動回路とを備え、
    前記複数の固体撮像素子は、前記基板側から順に、第２電極、光電変換層および第１電極が配置され、前記第１電極または第２電極が電気的に接続された構造を有する光検出器において、
    前記基板と前記素子アレイの第２電極との間に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第２反射層が形成され、
    前記素子アレイの第１電極の上に、入射光を透過する光入口を有し、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第１反射層とが配置され、
    前記素子アレイの第１電極と前記第１反射層との間、および／または前記素子アレイの第２電極と前記第２反射層との間に光を透過する透明層が形成されていることを特徴とする光検出器。
  15. 基板と、
    前記基板上に形成された、複数の固体撮像素子からなる素子アレイと、
    前記複数の固体撮像素子を駆動する駆動回路とを備え、
    前記複数の固体撮像素子は、前記基板側から順に、第２電極、光電変換層および第１電極が配置され、前記第１電極または第２電極が電気的に接続された構造を有する光検出器において、
    前記基板は、光を透過する材料からなり、前記素子アレイが形成された面と反対側の面に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第２反射層が形成され、
    前記素子アレイの第１電極の上に、前記素子アレイと対向する面に反射面を有する第１反射層とが配置され、
    前記第１反射層または第２反射層が入射光を透過する光入口を備えていることを特徴とする光検出器。
  16. 請求項１４又は１５記載の光検出器であって、
    各固体撮像素子の透明層は、隣接する固体撮像素子の透明層との間に光を反射する第３反射層および／又は光を遮蔽する遮蔽層を備えたことを特徴とする光検出器。
  17. 請求項１３ないし１６いずれか１項記載の光検出器であって、
    各固体撮像素子は、当該固体撮像素子からの電気信号の読み出しのオン・オフを切り替える切り替え手段を備え、前記該切り替え手段は、前記第１反射層の、光入口が形成されていない影部に設置されることを特徴とする光検出器。
  18. 請求項１７記載の光検出器であって、
    前記切り替え手段が、光を反射する第４反射層および／または光を遮光する遮光層を備えたことを特徴とする光検出器。
  19. 可視から近赤外領域の波長の光を出す光源と、
    前記光源から検査対象に照射され、反射、透過、内部での散乱の少なくとも１つをした光を検出する光検出器と、
    前記光検出器からの信号を読み出して前記検査対象の生体情報のデジタル画像を作成する読み出し回路と、
    前記検査対象の生体情報を予め記憶する記憶手段と、
    前記読み出し回路が作成したデジタル画像に対して信号処理を加えて情報を抽出し、抽出情報と前記記憶手段に記憶された生体情報とを比較し、個人認証を行う認証手段とを備え、
    前記光検出器が請求項１３ないし１８のいずれか１項記載の光検出器であることを特徴とする認証装置。
  20. 請求項１９の認証装置であって、前記生体情報が指、掌、手の甲の少なくとも１つの静脈像であることを特徴とする認証装置。
  21. 請求項１９の認証装置であって、前記生体情報が指紋であることを特徴とする認証装置。
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