JP2015177155A

JP2015177155A - 光電変換装置および電子機器

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Publication number: JP2015177155A
Application number: JP2014054504A
Authority: JP
Inventors: 次六　寛明; Hiroaki Jiroku; 寛明次六
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-10-05
Also published as: CN104934455A; US20150270429A1; CN104934455B; US9634174B2

Abstract

【課題】電流がリークし難い構造の光電変換装置を提供する。
【解決手段】基板１３と、基板１３上に第１半導体層２５と第２半導体層２６と第３半導体層２７とがこの順に積層されたフォトダイオード９と、を備え、第２半導体層２６はｉ型半導体層であり第１半導体層２５と第３半導体層２７とのうち一方はｎ型半導体層であり他方はｐ型半導体層であり、第１半導体層２５は第２半導体層２６に覆われている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換装置および電子機器に関するものである。

光電変換装置はファクシミリ、スキャナー等の電化製品の他、医療用の高性能大画面の２次元の画像を撮影する装置に用いられている。そして、光電変換部が２次元に配置された光電変換装置が特許文献１に開示されている。それによると、光電変換部では非結晶シリコンの半導体層が用いられ、ｉ型半導体層をｐ型半導体層とｎ型半導体層とで挟んだ構造となっていた。そして、積層された半導体層に電界を与えて光が入力される。

ｉ型半導体層に光が入力されると、ｉ型半導体層でキャリアが発生する。そして、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層からキャリアが流動することにより電流が流れる。光電変換部に照射される光の強度と電流とは相関があるので光電変換装置は光の強度の分布を電気変換して出力することが可能になっている。

特開２０００−１５６５２２号公報

特許文献１における光電変換部ではｎ型半導体層、ｉ型半導体層及びｐ型半導体層が略同じ平面形状となっていた。ｉ型半導体層は不純物がドープされていない層である。ｉ型半導体層を所定の平面形状にパターニングする工程では所定の形状にマスクしてエッチングされる。そして、ｉ型半導体層の外周に位置する側面にはマスクの材料やエッチング液の一部が残ることがある。また、この場所では結晶欠陥が生じることがある。半導体層に不純物が付着したり、結晶欠陥があったりする場合、これらを通じて電流が流れやすくなる。従って、ｉ型半導体層の外周に位置する側面では電界を加えたときに電流のリークが生じやすい。このため、光が入力されないときに電流がリークし難い構造の光電変換装置が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例にかかる光電変換装置であって、基板と、前記基板上に第１半導体層と第２半導体層と第３半導体層とがこの順に積層された光検出部と、を備え、前記第２半導体層はｉ型半導体層であり前記第１半導体層と前記第３半導体層とのうち一方はｎ型半導体層であり他方はｐ型半導体層であり、前記第１半導体層は前記第２半導体層に覆われていることを特徴とする。

本適用例によれば、第２半導体層が第１半導体層を覆った構造となっている。そして、第２半導体層は第１半導体層の周囲の外側まで設置されている。従って、第２半導体層の外周は第１半導体層の外側に位置している。このため、第２半導体層の外周は第１半導体層と第３半導体層との間に配置されることはない。第２半導体層はｉ型半導体層であり、不純物や格子欠陥があると電流が流動し易くなる。また、第２半導体層の外周となる部分にはエッチングするときの影響が残っている場合がある。このため、第２半導体層の外周となる場所では電流がリークし易い構造となっている。しかしながら、本適用例の光電変換装置では第２半導体層において電流がリークし易い場所が第１半導体層から離れた場所に配置されている。従って、光が入力されないときの光電変換装置における電流リークを減少させることができる。

［適用例２］
上記適用例にかかる光電変換装置において、前記基板の厚み方向から見た平面視で前記第３半導体層は前記第１半導体層と対向する場所を含み前記第１半導体層より広い面積であることを特徴とする。

本適用例によれば、第３半導体層は第１半導体層と対向する場所に設置されている。さらに、第３半導体層は第１半導体層より広い面積となっている。これにより、基板の厚み方向から見た平面視で第１半導体層の周囲に位置する第２半導体層に入力された光によっても光は電気に変換されるので効率良く光に対応した電流を流動させることができる。

［適用例３］
上記適用例にかかる光電変換装置において、前記基板の厚み方向から見た平面視で前記第２半導体層と前記第３半導体層とは平面形状が同じ形状であることを特徴とする。

本適用例によれば、第２半導体層と第３半導体層とは平面形状が同じ形状になっている。従って、第３半導体層からは総ての場所で電流が第２半導体層に流れることが可能になる。その結果、効率良く光に対応した電流を流動させることができる。

［適用例４］
上記適用例にかかる光電変換装置において、前記第２半導体層は前記第１半導体層より厚く、前記第２半導体層は前記第３半導体層より厚いことを特徴とする。

本適用例によれば、第２半導体層は第１半導体層より厚く第３半導体層より厚い。第２半導体層はｉ型半導体層であり、ｉ型半導体層は光のエネルギーを取り込んでキャリアを発生させる。従って、ｉ型半導体層が厚い方が薄いときに比べて効率良く光は電気に変換される為、光電変換装置は効率良く光に対応した電流を流動させることができる。

［適用例５］
本適用例にかかる電子機器は、光電変換装置を備えた電子機器であって、前記光電変換装置に上記のいずれか一項に記載の光電変換装置が用いられていることを特徴とする。

本適用例によれば、電子機器は光電変換装置を備えている。そして、電子機器は光電変換装置を駆動して光を電気信号に変換する。光電変換装置には上記の光電変換装置が用いられている。従って、光が入力されないときの電流リークをより減少させた電子機器とすることができる。また、光電変換装置のリーク電流がより減少していることから、より少ない光量の光を検出することができる電子機器を構成することができる。

第１の実施形態にかかわり、（ａ）は、イメージセンサーの電気的な構成を示す概略配線図、（ｂ）は、フォトセンサーの等価回路図。（ａ）はフォトセンサーの配置を示す概略部分平面図、（ｂ）は、フォトセンサーの構造を示す模式断面図。フォトセンサーの構造を示す要部模式拡大断面図。フォトセンサーの製造方法を説明するための模式断面図。フォトセンサーの製造方法を説明するための模式断面図。第２の実施形態にかかわるフォトセンサーの構造を示す要部模式拡大断面図。第３の実施形態にかかわるフォトセンサーの構造を示す要部模式拡大断面図。第４の実施形態にかかわり、（ａ）は、生体認証装置の構造を示す概略斜視図、（ｂ）は、生体認証装置の構造を示す模式断面図。第５の実施形態にかかわる生体認証装置の構造を示す模式断面図。

本実施形態では、光電変換装置の特徴的な例について、図に従って説明する。尚、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせている場合がある。また、以下の形態において「基板上に」等と記載されるとき次の３つの形態を含むものとする。１つめの形態は、基板の上に接するように配置される形態である。２つめの形態は、基板の上に他の構成物を介して配置される形態である。３つめの形態は、基板の上に一部が接するように配置され、一部が他の構成物を介して配置される形態である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態にかかわるイメージセンサーについて図１〜図５に従って説明する。図１（ａ）は、イメージセンサーの電気的な構成を示す概略配線図である。図１（ｂ）は、フォトセンサーの等価回路図である。図２（ａ）はフォトセンサーの配置を示す概略部分平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿うフォトセンサーの構造を示す模式断面図である。図３は、フォトセンサーの構造を示す要部模式拡大断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の光電変換装置としてのイメージセンサー１は素子領域２を備えている。素子領域２には互いに交差して延在する複数の走査線３及び複数のデータ線４が設置されている。素子領域２の図中左には複数の走査線３が電気的に接続された駆動部としての走査線回路５が設置され、素子領域２の図中上側には複数のデータ線４が電気的に接続された駆動部としてのデータ線回路６が設置されている。走査線３とデータ線４の交差点付近には光電変換素子としてのフォトセンサー７が設置されている。フォトセンサー７は、素子領域２においてマトリックス状に配置され、イメージセンサー１が撮影する画像の画素を出力する。

図１（ｂ）に示すように、フォトセンサー７は、スイッチング素子としての薄膜トランジスター８と、光検出部としてのフォトダイオード９と、保持容量１０とを備えている。薄膜トランジスター８はＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とも称される。薄膜トランジスター８のゲート電極８ｇは走査線３に接続され、薄膜トランジスター８のソース電極８ｓはデータ線４に接続されている。フォトダイオード９の一端は薄膜トランジスター８のドレイン電極８ｄに接続され、他端はデータ線４と並行して設けられた定電位線１１に接続されている。保持容量１０の一方の電極は薄膜トランジスター８のドレイン電極８ｄに接続され、他方の電極は走査線３と並行して設けられた定電位線１２に接続されている。

図２（ａ）に示すように、フォトセンサー７は四角形であり、走査線３とデータ線４とによって平面的に区切られた領域に設けられている。各フォトセンサー７の中央にはフォトダイオード９が配置され、フォトダイオード９の図中右下に薄膜トランジスター８が配置されている。図中保持容量１０は省略されている。

図２（ｂ）に示すように、フォトセンサー７は、例えば透明なガラスや不透明なシリコン等の基板１３に形成されている。基板１３上には基板１３の表面を覆うように酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の下地絶縁膜１４が形成されている。下地絶縁膜１４上には例えば膜厚５０ｎｍ程度の多結晶シリコンの半導体膜１５が島状に形成されている。半導体膜１５はソース領域１５ｓ、ドレイン領域１５ｄ及びチャネル形成領域１５ｃからなり、チャネル形成領域１５ｃがソース領域１５ｓ及びドレイン領域１５ｄに挟まれた配置になっている。さらに、半導体膜１５を覆ってゲート絶縁膜１６が設置されている。ゲート絶縁膜１６は例えば膜厚１００ｎｍ程度のＳｉＯ₂等の絶縁材料により構成されている。ゲート絶縁膜１６は、半導体膜１５を覆うとともに下地絶縁膜１４も覆っている。

ゲート絶縁膜１６上において、半導体膜１５のチャネル形成領域１５ｃに対向する位置にはゲート電極８ｇが設置されている。ゲート電極８ｇは走査線３に電気的に接続されており例えば膜厚５００ｎｍ程度のモリブデン（Ｍｏ）等の金属材料を用いて形成されている。

ゲート電極８ｇ及びゲート絶縁膜１６を覆って第１層間絶縁膜１７が設置されている。第１層間絶縁膜１７は膜厚８００ｎｍ程度のＳｉＯ₂によって構成されている。ゲート絶縁膜１６及び第１層間絶縁膜１７にはドレイン領域１５ｄと接続してコンタクトホール１８が設置され、ソース領域１５ｓと接続してコンタクトホール２１が設置されている。

コンタクトホール１８及びコンタクトホール２１を埋めると共に第１層間絶縁膜１７を覆うように例えば膜厚５００ｎｍ程度のＭｏ等の金属材料からなる導電膜が設置される。そして、当該導電膜をパターニングすることにより、ドレイン電極８ｄ、ソース電極８ｓ、データ線４が設置されている。ソース電極８ｓはコンタクトホール２１を介して半導体膜１５のソース領域１５ｓに接続され、さらにソース電極８ｓはデータ線４とも接続されている。ドレイン電極８ｄはコンタクトホール１８を介して半導体膜１５のドレイン領域１５ｄに接続されている。ドレイン電極８ｄ、ソース電極８ｓ、データ線４及び第１層間絶縁膜１７を覆って第２層間絶縁膜２２が設置されている。第２層間絶縁膜２２は例えば膜厚８００ｎｍ程度の窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）により構成されている。

第２層間絶縁膜２２上にはフォトダイオード９の下部電極２３が形成されている。下部電極２３の材料は導電性のある材料であれば良く抵抗の低い金属が好ましい。例えば本実施形態では下部電極２３の材料にアルミニウムが用いられている。下部電極２３は定電位線１１と接続されるので、下部電極２３及び定電位線１１を同一材料にして同一層上に設置してもよい。

以下、基板１３に形成される膜の厚み方向から見ることを平面視と称す。平面視において第２層間絶縁膜２２上には薄膜トランジスター８と重なる場所に島状の遮光膜２４が形成されている。平面視において遮光膜２４は半導体膜１５と重なる領域に形成されている。遮光膜２４によって基板１３の図中上方から進行する光３０が薄膜トランジスター８を照射することが防止される。特に半導体膜１５への光の入射が防止される。

フォトダイオード９では下部電極２３上に第１半導体層２５と第２半導体層２６と第３半導体層２７とがこの順に積層されている。第１半導体層２５はｎ型半導体層であり、シリコンにリンやヒ素を添加した半導体層である。第１半導体層２５はキャリアとして自由電子を多く含む構造となっている。第２半導体層２６はｉ型半導体層であり真性半導体の層である。第３半導体層２７はｐ型半導体層であり、シリコンにボロンやインジュームを添加した半導体層である。第３半導体層２７はキャリアとして正孔を多く含む構造となっている。

第２層間絶縁膜２２、下部電極２３、遮光膜２４、第１半導体層２５、第２半導体層２６及び第３半導体層２７を覆って第３層間絶縁膜２８が設置されている。第３層間絶縁膜２８は例えばＳｉ₃Ｎ₄を用いて形成されている。

第３層間絶縁膜２８には第３半導体層２７と接続してコンタクトホール２８ａが設置されている。さらに、第３層間絶縁膜２８及び第２層間絶縁膜２２にはドレイン電極８ｄと接続してコンタクトホール２８ｂが設置されている。そして、コンタクトホール２８ａ及びコンタクトホール２８ｂには透明電極２９が設置されている。透明電極２９は例えば膜厚１００ｎｍ程度で、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）やＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）等の透明導電膜を用いることができる。透明電極２９はドレイン電極８ｄと第３半導体層２７とを接続する。さらに、透明電極２９は保持容量１０の電極とも接続されている。

下部電極２３、第１半導体層２５、第２半導体層２６、第３半導体層２７及び透明電極２９によりフォトダイオード９が構成されている。

基板１３上に設けられた走査線３、データ線４、定電位線１１、定電位線１２、薄膜トランジスター８、保持容量１０、データ線回路６、走査線回路５等により回路部が構成されている。尚、データ線４が接続されるデータ線回路６と、走査線３が接続される走査線回路５とは、それぞれ集積回路として別途基板１３に外付けすることも可能である。

定電位線１１及び定電位線１２によってフォトダイオード９に逆バイアスを印加した状態でフォトダイオード９に光３０が入射される。それにより、第１半導体層２５、第２半導体層２６及び第３半導体層２７を有するフォトダイオード９に光の強度に対応した電流が流れ、電流に応じた電荷が保持容量１０に蓄積される。

また、複数の走査線３のそれぞれの電圧を制御することにより薄膜トランジスター８をＯＮ（選択）させる。これにより、データ線４には各フォトセンサー７が備える保持容量１０に蓄積された電荷に対応する電圧信号が順次出力される。従って、各素子領域２においてフォトセンサー７が受光した光の強度をそれぞれ検出することができる。

図３に示すように、第１半導体層２５は第２半導体層２６に覆われている。平面視においては、第２半導体層２６の占める領域は第１半導体層２５の占める領域よりも広い。そして、第２半導体層２６は第１半導体層２５の周囲の外側まで設置されている。従って、第２半導体層２６の外周２６ａは第１半導体層２５の外側に位置している。このため、第２半導体層２６の外周２６ａは第１半導体層２５と第３半導体層２７との間に配置されることはない。第２半導体層２６はｉ型半導体層であり、不純物や格子欠陥があると電流が流動し易くなる。第２半導体層２６の外周２６ａとなる部分にはエッチングするときの影響が残っている場合がある。このため、第２半導体層２６の外周となる場所では電流のリークが発生しやすい。フォトダイオード９は第２半導体層２６において電流がリークし易い場所が第１半導体層２５と第３半導体層２７とに挟まれた場所に存在しない。従って、光３０が入射されないときにフォトダイオード９には電流がリークし難くすることができる。その結果、フォトダイオード９に光３０が入射されないときにフォトダイオード９に電流が流れることを抑制することができる。

第２半導体層２６は第１半導体層２５より厚く、第２半導体層２６は第３半導体層２７より厚くなっている。第２半導体層２６はｉ型半導体層であり、ｉ型半導体層は光のエネルギーを取り込んで電気を流動させる。従って、第２半導体層２６は薄いときに比べて厚いときの方が効率良く光の強度を電気信号に変換させることができる。フォトダイオード９の厚みが所定の厚みに規定されているとき、第１半導体層２５及び第３半導体層２７を第２半導体層２６より薄くすることにより、第２半導体層２６を厚くすることができる。その結果、フォトダイオード９は効率良く光の強度を電気信号に変換させることができる。

次に、フォトセンサー７の製造方法について、図４及び図５を用いて説明する。図４及び図５はフォトセンサーの製造方法を説明するための模式断面図である。

図４（ａ）に示すように、まず、ガラスやシリコン等の基板１３を用意する。次に、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）等によってＳｉＯ₂の下地絶縁膜１４を形成する。次に、下地絶縁膜１４上に、ＣＶＤ法等によって膜厚５０ｎｍ程度の非晶質シリコン膜を形成する。その非晶質シリコン膜をレーザー結晶化法等によって結晶化して、多結晶シリコン膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー法等によって島状の多結晶シリコン膜である半導体膜１５を形成する。

次に、半導体膜１５及び下地絶縁膜１４を覆うように、ＣＶＤ法等によって膜厚１００ｎｍ程度のＳｉＯ₂を形成し、ゲート絶縁膜１６とする。スパッタリング法等によって、ゲート絶縁膜１６上に膜厚５００ｎｍ程度のＭｏ膜を形成し、フォトリソグラフィー法によって島状のゲート電極８ｇを形成する。イオン注入法によって、半導体膜１５に不純物イオンを注入し、ソース領域１５ｓ、ドレイン領域１５ｄ、チャネル形成領域１５ｃを形成する。ゲート絶縁膜１６とゲート電極８ｇを覆うように、膜厚８００ｎｍ程度のＳｉＯ₂膜を形成し、第１層間絶縁膜１７とする。

次に、第１層間絶縁膜１７にソース領域１５ｓに達するコンタクトホール２１とドレイン領域１５ｄに達するコンタクトホール１８を形成する。その後、第１層間絶縁膜１７上とコンタクトホール１８及びコンタクトホール２１内に、スパッタリング法等によって膜厚５００ｎｍ程度のＭｏ膜を形成し、フォトリソグラフィー法によってパターニングして、ソース電極８ｓ、ドレイン電極８ｄ及びデータ線４を形成する。

第１層間絶縁膜１７とソース電極８ｓとドレイン電極８ｄとデータ線４とを覆うように、膜厚８００ｎｍ程度のＳｉ₃Ｎ₄膜を形成し、第２層間絶縁膜２２とする。

図４（ｂ）に示すように、第２層間絶縁膜２２上に、スパッタリング法等によって導電膜として膜厚５００ｎｍ程度のアルミニウム膜３１を形成する。その後、アルミニウム膜３１上に、ＣＶＤ法等によって膜厚５０ｎｍ程度の非晶質シリコン膜を形成する。その非晶質シリコン膜をレーザー結晶化法等によって結晶化して、微結晶シリコン膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー法等によって島状の微結晶シリコン膜を形成する。次に、イオン注入法によって、微結晶シリコン膜に不純物イオンを注入し、第１半導体層２５を形成する。

図４（ｃ）に示すように、アルミニウム膜３１及び第１半導体層２５上にＣＶＤ法等によって膜厚４５０ｎｍ程度の非晶質シリコン膜を形成する。その非晶質シリコン膜をレーザー結晶化法等によって結晶化して、微結晶シリコン膜を形成する。その後、次に、イオン注入法によって、微結晶シリコン膜に５０ｎｍ程度の深さに不純物イオンを注入する。微結晶シリコン膜のうち不純物イオンが到達せず真性な領域を第２半導体べた膜３２とし、不純物イオンが注入された領域を第３半導体べた膜３３とする。

図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー法等によって第３半導体べた膜３３をパターニングして第３半導体層２７を形成する。次に、フォトリソグラフィー法等によって第２半導体べた膜３２をパターニングして第２半導体層２６を形成する。続いて、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法等によってアルミニウム膜３１をパターニングして下部電極２３及び遮光膜２４を形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、第２層間絶縁膜２２、下部電極２３、遮光膜２４、第１半導体層２５、第２半導体層２６及び第３半導体層２７を覆うように、膜厚１２００ｎｍ程度のＳｉ₃Ｎ₄膜を形成し、第３層間絶縁膜２８とする。続いて、第３層間絶縁膜２８に第３半導体層２７に達するコンタクトホール２８ａを形成する。第３層間絶縁膜２８及び第２層間絶縁膜２２を貫通してドレイン電極８ｄに達するコンタクトホール２８ｂを形成する。その後、第３層間絶縁膜２８上、コンタクトホール２８ａ内及びコンタクトホール２８ｂ内にスパッタリング法等によって膜厚１００ｎｍ程度のＩＴＯ膜を形成する。次に、フォトリソグラフィー法によってＩＴＯ膜をパターニングして、透明電極２９を形成する。以上の工程によりフォトセンサー７が形成される。

上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、平面視で第２半導体層２６の外周２６ａは第１半導体層２５の外側に位置している。このため、第２半導体層２６の外周２６ａは第１半導体層２５と第３半導体層２７との間より外側に配置されている。フォトダイオード９では第２半導体層２６の外周２６ａである電流がリークし易い場所が第１半導体層２５と第３半導体層２７とに挟まれた場所から離れた場所に設置されている。従って、フォトダイオード９に光３０が照射されていないときのフォトダイオード９の電流をリークし難くすることができる。

（２）本実施形態によれば、第２半導体層２６は第１半導体層２５より厚く第３半導体層２７より厚い。第２半導体層２６はｉ型半導体層であり、ｉ型半導体層は光のエネルギーを取り込んで電気を流動させる。従って、ｉ型半導体層が厚い方が効率良く光は電気に変換される為、フォトダイオード９は効率良く光に対応した電流を流動させることができる。

（第２の実施形態）
次に、フォトダイオードの一実施形態について図６のフォトセンサーの構造を示す要部模式拡大断面図を用いて説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、図３に示した第３半導体層２７の形状が異なる点にある。尚、本実施形態を含め以降の実施形態において、第１の実施形態と同様な点については同様な符号を付与しその説明を省略する場合がある。

すなわち、本実施形態では、図６に示すように光電変換装置としてのイメージセンサー３６は光電変換素子としてのフォトセンサー３７を備え、フォトセンサー３７にはフォトダイオード３８が設置されている。フォトダイオード３８では下部電極２３上に第１半導体層２５、第２半導体層２６及び第３半導体層３９がこの順に積層されている。第３半導体層３９は第２半導体層２６の外周２６ａより内側に配置されている。

平面視で第３半導体層３９は第１半導体層２５と対向する場所を含み第１半導体層２５より広い面積になっている。つまり、平面視で第３半導体層３９は第１半導体層２５と対向する場所に加え、第１半導体層２５の周囲と対向する場所に設置されている。第２半導体層２６において第１半導体層２５と対向する領域を第１領域２６ｂとする。そして、第２半導体層２６において第１半導体層２５と第３半導体層３９との間で第１領域２６ｂ以外の場所を第２領域２６ｃとする。平面視で第１領域２６ｂの面積は第１半導体層２５と同じ面積である。従って、平面視における第１領域２６ｂの面積と第２領域２６ｃの面積とを加算した面積は第１半導体層２５の面積より広くなっている。

第２領域２６ｃは第１半導体層２５とは対向していないが、図６における斜め方向から見ると第１半導体層２５と第３半導体層３９とに挟まれている。従って、第２領域２６ｃを光３０が照射するとき、第２領域２６ｃにおいても第１半導体層２５と第３半導体層３９との間で電流が流動する。従って、第１領域２６ｂに加えて第２領域２６ｃが増えたことにより第１の実施形態に比べて効率良く光３０に対応した電流を流動させることができる。その結果、平面視で第１半導体層２５の周囲に位置する第２半導体層２６に入射された光によっても光３０の強度は電気に変換されるので効率良く光３０の強度に対応した電流を流動させることができる。

（第３の実施形態）
次に、フォトダイオードの一実施形態について図７のフォトセンサーの構造を示す要部模式拡大断面図を用いて説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、図３に示した第３半導体層２７と第２半導体層２６とが平面視で同じ形状となっている点にある。

すなわち、本実施形態では、図７に示すように光電変換装置としてのイメージセンサー４２は光電変換素子としてのフォトセンサー４３を備え、フォトセンサー４３にはフォトダイオード４４が設置されている。フォトダイオード４４では第２層間絶縁膜２２上に下部電極４５が設置されている。そして、下部電極４５上に絶縁層４６、第１半導体層２５、第２半導体層２６及び第３半導体層４７がこの順に積層されている。

下部電極４５は第１半導体層２５と対向する場所が突出し第１半導体層２５と接続されている。そして、下部電極４５と第２半導体層２６との間には絶縁層４６が設置されている。従って、第２半導体層２６は第１半導体層２５を介して下部電極４５と電気的に接続され、第２半導体層２６から下部電極４５へは直接電流が流れない構造になっている。第２半導体層２６と重ねて第３半導体層４７が設置されている。

平面視で第２半導体層２６と第３半導体層４７とは平面形状が同じ形状となっている。従って、第３半導体層４７からは総ての場所で電流が第２半導体層２６に流れることが可能になる。その結果、効率良く光に対応した電流を流動させることができる。

第２半導体層２６の外周２６ａは第１半導体層２５と離れている。これにより、第１半導体層２５と第３半導体層４７との間では第２半導体層２６の外周２６ａを通って電流が流れることが抑制されている。また、第２半導体層２６の外周２６ａと下部電極４５との間には絶縁層４６が設置されている。これにより、下部電極４５と第３半導体層４７との間で第２半導体層２６の外周２６ａを通って電流が流れることが抑制されている。第２半導体層２６の外周２６ａに不純物が付着するときや格子欠陥ができるときには外周２６ａは電流が流れやすくなるが、これを理由とした電流のリークを抑制する構造にすることができる。

（第４の実施形態）
次に、上記のイメージセンサーを用いた生体認証装置について、図８を参照して説明する。図８（ａ）は生体認証装置の構造を示す概略斜視図であり、図８（ｂ）は生体認証装置の構造を示す模式断面図である。

図８に示すように、電子機器としての生体認証装置５０は指５１からの反射光及び指５１における錯乱光としての光３０を検出して撮影する。これにより静脈パターン５１ａの映像が撮影される。そして、生体認証装置５０は予め登録された個人ごとの静脈パターンと撮影した画像とを比較し、生体認証装置５０にかざされた指を持つ個人を特定して認証する。

生体認証装置５０は、かざされた指を所定の場所に案内する溝５２ａを有した被写体受け部５２を備えている。被写体受け部５２には溝５２ａ沿って両側に複数配置された光源５３が内蔵されている。光源５３は、外光に影響されずに静脈パターンを撮影するため可視光以外の近赤外光を射出する。光源５３には例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子等が用いられている。

被写体受け部５２の図中下側にはマイクロレンズアレイ５４が設置され、マイクロレンズアレイ５４にはマイクロレンズ５４ａが配列して設置されている。マイクロレンズアレイ５４の図中下側には撮影部５５が設置されている。撮影部５５には光電変換装置としてのイメージセンサー５６が設置されている。

光源５３による光によって静脈パターン５１ａを有する指が照射される。指に照射された光の反射光及び指内部の錯乱光がマイクロレンズアレイ５４に設けられたマイクロレンズ５４ａによってイメージセンサー５６に向けて集光される。イメージセンサー５６にはフォトセンサーが配列して設置されている。マイクロレンズ５４ａは、イメージセンサー５６の各フォトセンサーに対応して設けても良い。また、マイクロレンズ５４ａは複数のフォトセンサーと対となるように設けても良い。

尚、光源５３を内蔵した被写体受け部５２とマイクロレンズアレイ５４との間に、複数の光源５３による照明光の輝度ムラを補正する光学補償板を設けても良い。イメージセンサー５６は近赤外光にて照明された静脈パターン５１ａを撮影する。生体認証装置５０は図示しない記憶部と画像演算部とを備えている。記憶部には予め登録された個人ごとの静脈パターン５１ａが記憶されている。

画像演算部は、撮影した静脈パターン５１ａの画像と同じ静脈パターン５１ａを予め登録された個人ごとの静脈パターン５１ａのデータの中から検索する。そして、撮影した静脈パターン５１ａと同じ静脈パターン５１ａが検索できたときには生体認証装置５０にかざされた指を持つ個人を特定して認証する。

イメージセンサー５６には上記のイメージセンサー１、イメージセンサー３６またはイメージセンサー４２のいずれかが用いられている。従って、イメージセンサー５６が備えるフォトダイオードはリーク電流が抑制されているので、光３０の強度を品質良く検出することができる。その結果、生体認証装置５０は少ない光３０の強度の静脈パターン５１ａでも精度良く検出することができる。

（第５の実施形態）
次に、上記のイメージセンサーを用いた生体認証装置について、図９を参照して説明する。図９は生体認証装置の構造を示す模式断面図である。本実施形態が第４の実施形態と異なる点は光源５３の配置が異なる点にある。

図９に示すように、電子機器としての生体認証装置６０は指５１からの反射光及び指５１における錯乱光である光３０を検出し撮影する。そして、生体認証装置６０は予め登録された個人ごとの静脈パターンと撮影した画像とを比較し、生体認証装置６０にかざされた指を持つ個人を特定して認証する。

生体認証装置６０は、かざされた指を所定の場所に案内する溝６１ａを備えた被写体受け部６１を備えている。被写体受け部６１は第４の実施形態の被写体受け部５２と同様の形状となっている。被写体受け部６１の図中下側にはマイクロレンズアレイ６２が設置され、マイクロレンズアレイ６２にはマイクロレンズ６２ａが溝６１ａに沿って配列して設置されている。

マイクロレンズアレイ６２の図中下側には光源部６３が設置され、光源部６３には、溝６１ａに沿って配列する光源６３ａが内蔵されている。光源６３ａは隣り合うマイクロレンズ６２ａの間と対向する場所に設置されている。光源６３ａは、外光に影響されずに静脈パターンを撮像するため可視光以外の近赤外光を射出する。光源６３ａには例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やＥＬ素子等が用いられている。

光源部６３の図中下側には遮光板６４が設置されている。遮光板６４にはマイクロレンズ６２ａと対向する場所に孔６４ａが配列して設置されている。遮光板６４の図中下側には撮影部６５が設置されている。撮影部６５には光電変換装置としてのイメージセンサー６６が設置されている。イメージセンサー６６にはフォトダイオード６７が配列して設置されている。フォトダイオード６７は遮光板６４の孔６４ａと対向する場所に配置されている。

光源６３ａによる光によって静脈パターン５１ａを有する指が照射され、その反射光及び錯乱光がマイクロレンズアレイ６２に設けられたマイクロレンズ６２ａによってイメージセンサー６６に向けて集光される。マイクロレンズアレイ６２とイメージセンサー６６との間には遮光板６４が設置され、マイクロレンズ６２ａにより集光された光は遮光板６４の孔６４ａを通過してフォトダイオード６７に入射される。光源６３ａから直接イメージセンサー６６に向けて進行する光は遮光板６４により遮断される。従って、イメージセンサー６６には静脈パターン５１ａの画像を鮮明に撮影することができる。

イメージセンサー６６は近赤外光にて照明された静脈パターン５１ａを撮影する。生体認証装置６０は図示しない記憶部と画像演算部とを備えている。記憶部には予め登録された個人ごとの静脈パターン５１ａが記憶されている。画像演算部は、撮影した静脈パターン５１ａの画像と同じ静脈パターン５１ａを予め登録された個人ごとの静脈パターン５１ａのデータの中から検索する。そして、撮影した静脈パターン５１ａと同じ静脈パターン５１ａが検索できたときには生体認証装置６０にかざされた指を持つ個人を特定して認証する。

イメージセンサー６６には上記のイメージセンサー１、イメージセンサー３６またはイメージセンサー４２のいずれかが用いられている。従って、イメージセンサー６６が備えるフォトダイオード６７はリーク電流が抑制されているので、光３０の強度を品質良く検出することができる。その結果、生体認証装置６０は少ない光３０の強度の静脈パターン５１ａでも精度良く検出することができる。

尚、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
（変形例１）
前記第１の実施形態では、第１半導体層２５がｎ型半導体層であり、第３半導体層２７がｐ型半導体層であった。第１半導体層２５をｐ型半導体層にして、第３半導体層２７をｎ型半導体層にしても良い。この場合にも照射される光３０の強度に応じてフォトダイオード９に電流を流すことができる。そして、製造し易い構造にしても良い。

（変形例２）
前記第１の実施形態では、イメージセンサー１にフォトセンサー７がマトリックス状に２次元に配列された。フォトセンサー７を１列に配置したイメージセンサーにしても良い。また、フォトセンサー７を１つだけ設置したイメージセンサーにしても良い。イメージセンサーの用途に合わせた形態にしても良い。

（変形例３）
前記第１の実施形態では、フォトダイオード９の端子をドレイン電極８ｄに接続した。フォトダイオード９の電気的な構成とその接続は、これに限定されない。例えば、フォトダイオード９からの電気的な出力を薄膜トランジスター８のゲート電極８ｇに接続して、ソース電極８ｓとドレイン電極８ｄとの間の電圧や電流の変化として受光を検出する回路にしても良い。

１，３６，４２，５６，６６…光電変換装置としてのイメージセンサー、７，３７，４３…光電変換素子としてのフォトセンサー、９…光検出部としてのフォトダイオード、１３…基板、２５…第１半導体層、２６…第２半導体層、２７…第３半導体層、５０，６０…電子機器としての生体認証装置。

Claims

基板と、
前記基板上に第１半導体層と第２半導体層と第３半導体層とがこの順に積層された光検出部と、を備え、
前記第２半導体層はｉ型半導体層であり前記第１半導体層と前記第３半導体層とのうち一方はｎ型半導体層であり他方はｐ型半導体層であり、
前記第１半導体層は前記第２半導体層に覆われていることを特徴とする光電変換装置。
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記基板の厚み方向から見た平面視で前記第３半導体層は前記第１半導体層と対向する場所を含み前記第１半導体層より広い面積であることを特徴とする光電変換装置。
請求項１または２に記載の光電変換装置であって、
前記基板の厚み方向から見た平面視で前記第２半導体層と前記第３半導体層とは平面形状が同じ形状であることを特徴とする光電変換装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換装置であって、
前記第２半導体層は前記第１半導体層より厚く、前記第２半導体層は前記第３半導体層より厚いことを特徴とする光電変換装置。
光電変換装置を備えた電子機器であって、
前記光電変換装置に請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電変換装置が用いられていることを特徴とする電子機器。