JP2006108675A - ビーム検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】所要面積が小さく、また簡単且つ廉価に製造することができる、可視スペクトル領域にあるビームを検出するための効率的で小型のビーム検出器を提供する。
【解決手段】第１の検出素子において形成される信号が第２の検出素子において形成される信号とは別個に取り出され、第１の検出素子は可視ビームに対して部分的に透過性であり、第１の検出素子を通過した可視ビームは第２の検出素子において信号を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビームを受け取って信号を形成するアクティブ領域をそれぞれ１つ有する複数の検出素子（１，２，３）を備ビーム検出器であって、検出素子はモノリシックにビーム検出器の半導体ボディに集積されており、半導体ボディはビーム入射側を有する、ビーム検出器に関する。

種々の波長領域にあるビームを検出するために、相並んで配置されている複数のＰｉフォトダイオードチップを備えたビーム検出器が頻繁に使用される。個々のＳｉフォトダイオードチップに配属されている外部フィルタを介して、それぞれのＳｉフォトダイオードチップのスペクトル感度分布が所望の波長領域に適合される。フォトダイオードチップが複数設けられているので、この種のビーム検出器は通常の場合、所要面積が大きい。それぞれの感度が誘電性のフィルタを介して種々の波長に適合されており、間隔を置いて相互に並んで配置されている複数のＳｉフォトダイオード素子を備えたこの種のビーム検出器は、非特許文献１から公知である。しかしながらこの構成素子は煩雑な誘電性のフィルタリングに基づき比較的コストが掛かるものである。

７μｍ〜８μｍ、１０．５μｍ〜１１．５μｍおよび１４〜１５μｍの３つの別個の波長領域に対しては、重なって配置されている３つの検出素子を備えた、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料系Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを基礎とする上位概念記載のビーム検出器は非特許文献２の第１８〜１９頁から公知である。
Laser Components社のモジュール「ＭＴＣＳｉＣＴ」についての仮の仕様書 Electronics Review第１６巻第３号

本発明の課題は、所要面積が小さく、また簡単且つ廉価に製造することができる、可視スペクトル領域にあるビームを検出するための効率的で小型のビーム検出器を提供することである。

この課題は、第１の検出素子において形成される信号が第２の検出素子において形成される信号とは別個に取り出され、第１の検出素子は可視ビームに対して部分的に透過性であり、第１の検出素子を通過した可視ビームは第２の検出素子において信号を形成することによって解決される。

本発明の有利な実施形態および構成は従属請求の対象である。

本発明によるビーム検出器は複数の検出素子を包含し、これらの検出素子はビームを受け取って信号を形成するために設けられているアクティブ領域をそれぞれ有する。検出素子はモノリシックにビーム検出器の半導体ボディに集積されており、第１のビーム検出素子において形成される信号は第２のビーム検出素子において形成される信号とは別個に取り出すことができ、半導体ボディはビーム入射側を有し、また第１の検出素子は可視ビームに対して部分的に透過性であり、また第１の検出素子を通過した可視ビームは第２の検出素子において信号を形成する。

複数の検出素子を半導体ボディにモノリシックに集積することは、有利には廉価な製造を容易にし、それと同時に面積が節約されたビーム検出器の構成を容易にする。有利には半導体ボディはエピタキシ基板上にエピタキシャルに成長されている。検出素子はさらに有利には半導体ボディの横方向の主延在方向に対して垂直に重なって半導体ボディ内に配置されている。

さらには、信号を相互に独立して取り出すことができる複数の検出素子が半導体ボディにモノリシックに集積されていることに基づき、ビーム検出器は有利には種々の波長領域、殊に可視スペクトル領域にあるビームの検出に適している。この目的のために従来のビーム検出器のような複数のＳｉフォトダイオードチップを省略することができる。検出素子を殊に単一検出器としても動作させることができる。

さらには検出素子、有利には複数の検出素子それぞれには、この（これらの）検出素子が敏感である殊に関連性のある波長領域が対応付けられている。すなわち特徴的な信号が形成される。殊に有利には種々の検出素子が種々の波長領域に対応付けられている。

本発明の有利な実施形態においては、少なくとも１つの検出素子が、所定の最大波長において最大値（局所的な最大値または大域的な最大値）を有する殊に関連性のあるスペクトル感度分布を有し、この感度分布は好適には検出素子に対応付けられている波長領域にある。有利には、少なくとも２つ、殊に有利には全ての検出素子のスペクトル感度分布の最大波長は異なる。

検出素子のスペクトル感度分布にとっては、この検出素子のアクティブ領域において形成される信号（フォト電流またはこれから導出される量）と検出素子に入射するビームの波長との関係が重要である。

ビーム入射側から半導体ボディに入射するビームは検出素子に入射する。入射するビームがスペクトル成分、殊に検出素子が敏感である可視スペクトル領域にあるスペクトル成分を包含する場合には、ビーム出力の相応の成分が検出素子のアクティブ領域において吸収される。結果としてアクティブ領域において形成される電子とホールの組は検出素子の信号に寄与する。アクティブ領域において吸収されるビーム出力の成分を検出素子の厚さによって制御することができ、また検出素子の感度領域をアクティブ領域に配置されている機能層のバンドギャップによって所期のように制御することができる。

好適には、機能層のバンドギャップは検出素子のスペクトル感度分布の所定の最大波長に相応する。機能層の厚さの拡大は通常の場合、その機能層において吸収されるビーム出力を上昇させ、このことはやはり通常の場合比較的高い信号を供給する。

検出素子を通過して伝わる入射ビームの成分は、ビーム入射側から見て上方の検出素子に後置されている１つまたは複数の別の検出素子において信号を形成することができる。検出素子のアクティブ領域ないし機能層の厚さを所期のように相互に調節することによって、種々の検出素子のスペクトル感度分布の最大値、殊に大域的な最大値を相互に適合することができる。種々の検出素子において形成される信号の比較は容易になる。

種々の検出素子が種々の波長領域ないし最大波長に対応付けられている場合には、それぞれの検出素子において形成されて、別個に測定可能な信号を介して、有利は簡単なやり方で、ビーム検出器に入射するビームにおける殊に可視スペクトル領域にあるスペクトル成分を得ることができる。

信号が形成されたそれぞれの検出素子のアクティブ領域とその信号との対応付けを容易にするために、半導体ボディにおいて隣接して配置されている検出素子のアクティブ領域は有利には相互に間隔を置いて配置されている。殊に有利には、隣接する２つのアクティブ領域間に信号の弱い領域が構成されており、この信号の弱い領域においては同様にビーム吸収によって形成される電子とホールの組が実質的に即座に再結合されるので、測定すべき信号には寄与しないか、殆ど寄与しない。有利には、検出素子の信号にはこの検出領域のアクティブ領域において形成される電子とホールの組のみが寄与する。

遠赤外線スペクトル領域のために構成されている冒頭で述べたような検出器は、僅かな感度自体は除いて可視スペクトル領域に対して適していない。何故ならば、この検出素子に入射する可視スペクトル成分はビーム入射側に配置されている赤外線検出素子においては実質的に完全に吸収されてしまうので、この検出素子に後置されている別の検出素子においては重要な信号は形成されなくなってしまうからである。

本発明の別の有利な実施形態においては、ビーム検出器は所定の波長領域、有利には関連性のある波長領域にあるビームを検出するために構成されている。殊に有利には、ビーム検出器の検出素子の最大波長はこの所定の波長領域にあり、殊に隣接する２つの最大波長間の領域内の任意の波長においても顕著な信号が形成される。

本発明の別の有利な実施形態においては、少なくとも２つの検出素子のスペクトル感度分布が重畳する。複数の検出素子を用いて関連性のある広範な波長領域をカバーすることは容易になる。ここで広範な波長領域は、波長領域をカバーするために設けられている検出素子の感度分布のスペクトル幅（半値幅、FWHM:Full Width at Half Maximum）の合計よりも大きい幅を少なくとも有する波長領域とみなすことができる。

重畳とは、場合によっては生じるバックグラウンドノイズが除去されている重畳と解することを言及しておく。漸近的に終わる勾配に基づく２つの感度分布の重畳は殊に上述の意味での重畳とは見なされない。

本発明の有利な実施形態においては、感度分布が隣接する最大波長と重畳し、有利には両側において最も近い最大波長とのみ組になって重畳する。ビーム検出器によってカバーされる波長領域を有利には拡大することができる。殊に、３つの感度分布の不必要な共通の重畳を回避することができる。

本発明の有利な実施形態においては、検出素子のスペクトル感度分布の最大波長領域は、ビーム入射側から検出素子までの距離が長くなるにつれ大きくなる。したがって有利には、ビーム入射側に配置されている検出素子は短波長の最大波長を有し、これに対してこの検出素子に後置されている検出素子は長波長の最大波長を有する。したがって、エネルギの高い短波長のビームはビーム入射側のより近くにおいて吸収され、ビーム入射側の近くに配置されている検出素子において信号を形成する。長波長のビームのために構成されており且つビーム入射側から見て短波長のビームのために構成されている検出素子に後置されている検出素子の信号に及ぼされる短波長のビーム成分の場合によっては生じる不所望な影響を低減することができる。

本発明の有利な実施形態においては、少なくとも１つのアクティブ領域、有利には全てのアクティブ領域が単一量子井戸構造または多重量子井戸構造またはヘテロ構造、殊にダブルへテロ構造を有する。有利には、全てのアクティブ領域が同様の構造でもって形成されている。この種の構造は有利には高い内部量子効率の点で傑出している。

本明細書において量子井戸構造の概念には、キャリアが閉じこめによってそのエネルギ状態が量子化されるあらゆる構造を含む。殊に、量子井戸構造の概念には量子化の次元の数に関する規定は含まれない。したがって量子化には殊に量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造の各組み合わせを含む。

本発明の別の有利な実施形態においては、検出素子にそれぞれコンタクト層と逆コンタクト層が配属されており、これらの層を介して検出素子のアクティブ領域において形成される信号を検出することができる。複数のコンタクト層および/または逆コンタクト層をモノリシックに半導体ボディに集積することができる。

さらには、少なくとも１つの検出素子のコンタクト層および/または逆コンタクト層を、この検出素子とこれに隣接する検出素子との間に配置することができる。さらに有利にはコンタクト層および逆コンタクト層は、半導体材料を包含する場合には、異なる導電型（ｎ型またはｐ型）を有する。

本発明の別の有利な実施形態においては、隣接する２つの検出素子が有利にはそれぞれ共通のコンタクト層ないし共通の逆コンタクト層を有し、その結果有利には、これらの検出素子のための個別のコンタクト層ないし逆コンタクト層の形成を省略することができる。さらには層の数が低減されることにより、有利にはこの種の検出器の所要面積が小さくなる。

本発明の択一的な実施形態においては、検出素子のコンタクト層と逆コンタクト層によって形成されているコンタクト層の組は、殊に任意の別の検出素子とは異なる。コンタクト層ないし逆コンタクト層はそれぞれの検出素子に対して適切に有利なコンタクト特性に応じて構成することができる。殊に、別個のコンタクト層の組を種々の検出素子に対して設けることができる。

本発明の別の有利な実施形態では、検出素子に、半導体ボディのビーム入射側の方向において少なくとも１つのフィルタ層を有するフィルタ層構造が後置されている。有利にはフィルタ構造はモノリシックに半導体ボディに集積されている。

さらに有利には、フィルタ層構造は検出素子のスペクトル感度分布の最大波長領域よりも小さい波長を包含する波長領域内にある波長を吸収するために構成されている。フィルタ層構造において吸収されるビーム出力は厚さによって決定され、また吸収の相応の波長領域はフィルタ層の直接的または間接的なバンドギャップによって決定される。フィルタ層のバンドギャップは有利には検出素子のアクティブ領域の機能層のバンドギャップよりも大きい。必要に応じてフィルタ層構造は、種々のバンドギャップおよび/または厚さの複数の機能層を包含する。フィルタ層においてはビーム成分が吸収され、フィルタ層構造の吸収領域にある波長のための検出素子のアクティブ領域においては相応に低減された信号しか形成されないので、フィルタ層構造を介して、最大波長よりも小さい波長を有する、スペクトル感度分布の短波長側を所期のように形成することができる。

本発明の有利な実施形態においては、複数の検出素子、有利には全ての検出素子にはそれぞれ、殊に別個の上述したようなフィルタ層構造が配属されている。それぞれの検出素子のためのフィルタ層構造は必要に応じて相互に異なる。これによって、検出素子の感度分布の短波長側をそのスペクトル経過に関して相互に適合させることができ、これによって種々の検出素子において形成される信号の比較が容易になる。検出素子に配属されているフィルタ層構造はさらに有利には、検出素子と、この検出素子にビーム入射側に後置されている殊に隣接する別の検出素子との間に配置されている。

本発明の有利な実施形態においては、少なくとも１つの検出素子のコンタクト層ないし逆コンタクト層は同時に、殊にこの検出素子に配属されているフィルタ層構造のフィルタ層として構成されている。

本発明の別の有利な実施形態においては、検出素子に配属されているフィルタ層構造が、別の検出素子の最大波長よりも大きい波長を包含する波長領域内にある波長を吸収する。別の検出素子が有利には半導体ボディおけるビーム入射側において検出素子に後置されている、および/または、検出素子の最大波長に比べて短波長の最大波長を有する。２つの検出素子のスペクトル感度分布の過剰な重畳は必要に応じて簡単に低減することができる。

殊に有利には、場所を取り且つコストの掛かる外部フィルタ、ビーム検出器の感度を適合させるために半導体ボディの外部に配置されているフィルタを省略することができる。個々の検出素子はむしろ、所定の感度分布によるモノリシックに集積されているフィルタ層構造でもって形成することができる。

本発明の別の有利な実施形態においては、少なくとも１つの検出素子の半導体ボディ、殊にアクティブ領域および/またはフィルタ層構造が、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、殊に材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＡＳまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、ここでそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１且つｘ＋ｙ≦１、からなる半導体材料を含有する。殊に有利には半導体ボディ全体がＩＩＩ−Ｖ属半導体材料を基礎とする。この種の材料は高い内部量子効率の点で傑出している。

本発明の別の有利な実施形態においては、ビーム検出器が可視スペクトル領域のために構成されている。有利には、複数のアクティブ領域、殊に有利には全てのアクティブ領域が可視スペクトル領域にあるビームを受信するために設けられている。可視スペクトル領域のためのビーム検出器を３つの検出素子を用いて殊に効率的に実現できることが証明された。アクティブ領域は有利には材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ基礎としており、この材料系は可視スペクトル領域にある内部量子効率の点で傑出している。それぞれの検出素子のフィルタ層構造は材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＰまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓを基礎とすることができる。半導体ボディ、殊にフィルタ層構造が下位の材料系Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓからなる材料を含有する場合には、半導体ボディを製造するための格子整合に基づき、材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐを基礎とする層に対して下位材料系Ｉｎ_０．５（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_０．５Ｐを選択することは有利である。バンドギャップはＡｌ含有量を介して調節することができる。

総じて、２８０ｎｍの長さ、すなわち約４００ｎｍ〜約６８０ｎｍの長さの関連性のある波長をカバーするビーム検出器を実現することができる。殊に有利にはビーム検出器が４３０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長領域をカバーする。

本発明の別の有利な実施形態においては、複数の検出素子が殊にそれぞれ種々の色のビームを検出するために構成されている。例えば、ビーム検出器は３つの検出素子を包含し、これらの検出素子は青、緑ないし赤のスペクトル領域になるビームを検出するために構成されている。

本発明の有利な実施形態においては、ビーム検出器がビーム検出器によって受信されるべきビームにおけるスペクトル色成分を検出するために構成されている。有利には種々の色が対応付けられている種々の検出素子において信号を取り出すことによって、ビーム検出器に入射するビームにおけるスペクトル色成分に関する情報を得ることができる。

本発明の別の有利な実施形態においては、ビーム検出器は入射するビームの色印象、例えば色位置および/または色温度を検出するために構成されている。色位置は通常の場合、ＣＩＥチャートにおける色座標（ｘおよびｙ）によって表される。入射するビームが例えば比較的高い割合で青色の成分を有する場合には、対応付けられている検出素子において相応に高い信号が形成され、他方では赤色および緑色のスペクトル領域に対応付けられている検出素子においては相応に低い信号が形成される。したがって３つの独立した信号を比較することによって、入射するビームの色位置に関する情報を得ることができる。

本発明のさらに有利な実施形態、利点および有効性は図面と関連させた以下の実施例の説明から得られる。

同一、同種また同様に作用する素子には図面において同一の参照番号が付されている。

図１には本発明によるビーム検出器の第１の実施例が断面図に基づいて概略的に示されている。

この実施例においてビーム検出器は第１のアクティブ領域１４を備えた第１の検出素子１、第２のアクティブ領域２４を備えた第２の検出素子および第３のアクティブ領域３４を備えた第３の検出素子３を有し、これらの検出素子はそれぞれビームを受け取り且つ信号を形成するために設けられており、またモノリシックに共通の半導体ボディ５に集積されている。例えば半導体ボディはこのために適切なエピタキシ基板上にエピタキシャルに成長されている。検出素子はアクティブ領域の横方向の主延在方向に対して垂直に重なって配置されている。第１の検出素子１は可視スペクトル領域に対して部分的に透過性であり、その結果この第１の検出素子を通過した可視ビームは第２の検出素子または第３の検出素子において信号を形成する。

ビーム入射側６から半導体ボディ５に衝突するビーム７は第１の検出素子１のアクティブ領域１４において、この入射するビームが機能層のバンドギャップの範囲にあるスペクトル成分を有する場合には、アクティブ領域の機能層のバンドギャップに応じて部分的に吸収される。したがって、第２の検出素子および/または第３の検出素子においては、第１の検出素子を通過し伝わるビームからなる成分が吸収される。

相互に間隔を置いて配置されているアクティブ領域における吸収によって生じる電子とホールの組は、種々の検出素子において同時に且つ相互に別個に取り出すことができる信号を供給する。

検出素子のアクティブ領域１４，２４ないし３４は有利にはそれぞれ、種々の検出素子に対して有利には同一の組成を有するバリア層１５，２５ないし３５と逆バリア層１６，２６ないし３６との間に配置されている。さらに有利には検出器のバリア層と逆バリア層は異なる導電型（ｎ型またはｐ型）を有し、また検出器の空間電荷領域をそれぞれ惹起し、この空間電荷領域には検出素子のアクティブ領域が配置されている。有利には実質的に、検出素子の空間電荷領域において生じる電子とホールの組のみがこの検出素子の信号に寄与する。

半導体ボディ５は支台８上に配置されており、この支台８は半導体ボディを機械的に安定させる。支台８は半導体ボディ５のエピタキシ基板を包含することができるが、包含していなくてもよい。支台がエピタキシ基板ではない場合には、半導体ボディは好適にはエピタキシが終了した後にエピタキシ基板とは反対側でもって支台に固定される。続いてエピタキシ基板を除去することができる。必要に応じて、半導体ボディのエピタキシ基板とは反対側には、支台への配置前に、例えば金属を含有するミラー層を支台に被着させることができる。この種の支台はエピタキシ基板とは異なり、例えば結晶構造に関して十分なものでなければならない高い要求を比較的自由に選択することができる。

この種のビーム検出器は廉価で簡単に製造することができ、また有利には所要面積が小さい。

殊に検出素子は、好適には種々の波長領域のビームを検出するために構成されている相互に依存しない単一検出器として動作することができる。これらの検出素子は半導体チップ（支台上の半導体ボディ）において重なって集積されている。

ビーム検出器の電気的な接触のために、各検出器にはコンタクト層および逆コンタクト層が配属されており、これらの層を介して検出素子において形成される信号を他の検出素子とは別個に検出することができる。コンタクト層および/または逆コンタクト層は有利には半導体ボディにモノリシックに集積されている。さらにコンタクト層および逆コンタクト層は有利には異なる導電型を有する。

図１による実施例においては、第１の検出素子１に第１のコンタクト層１１および第１の逆コンタクト層２１２が配属されており、これらの層は半導体ボディにモノリシックに集積されており、またこれらの層の間に検出素子１が配置されている。

有利には、第１の逆コンタクト層２１２は第２の検出素子２のための逆コンタクト層として構成されており、この第２の検出素子２は第２の逆コンタクト層２１２と、同様にモノリシックに半導体ボディに集積されている第２のコンタクト層１２３との間に配置されている。第３の検出素子３は第２のコンタクト層１２３と第２の逆コンタクト層２３との間に配置されている。第２の逆コンタクト層２３は好適には支台８によってもたらされる。したがって隣接する検出素子１および２ないし２および３は共通の逆コンタクト層２１２ないし共通のコンタクト層１２３を有する。

共通のコンタクト層または逆コンタクト層を形成するために、半導体ボディにおける導電型は垂直な方向においてアクティブ領域の個所で切り替わる、および/または、２つの隣接するアクティブ領域の間において等しいことは好適である。有利には半導体領域４１が第１の導電型であり、半導体領域４２が第２の導電型である。支台８がビーム検出器の接触のために使用され、且つ半導体材料を包含する場合には、この支台８は好適には、接している半導体領域の導電型に応じてドーピングされている。

コンタクト層ないし逆コンタクト層を介して導電的に相応のアクティブ領域と接続されており、例えばそれぞれが金属または合金を含有している、コンタクト層ないし逆コンタクト層にそれぞれ接続されている端子３１，３１２，３２３および３３を介して、アクティブ領域において形成される信号を検出してさらに処理することができる。

第１のアクティブ領域１４において形成される信号Ｉ_１は端子３１および３１２を介して検出され、第２のアクティブ領域２４において形成される信号Ｉ_２は端子３１２および３２３を介して検出され、第３のアクティブ領域３４において形成される信号Ｉ_３は端子３２３および３３を介して検出される。

検出素子の横方向の広がり、殊にアクティブ領域の横方向の広がりは有利には、ビーム入射側６から見て垂直方向において拡大する。相応のコンタクト層ないし逆コンタクト層に端子を配置することは容易になる。例えば、この種の経過を図１に概略的に示されているような階段状の経過によって実現することができる。この種の構造は例えば、構造化されていない半導体ボディから湿式化学的なエッチングまたは選択的なエッチングを用いて形成することができる。

検出素子には必要に応じて個別のコンタクト層および逆コンタクト層を設けることができ、その場合にはビーム検出器の高さは相応に拡大されることになる。

有利にはビーム検出器の検出素子１，２および３が種々の波長領域のビームを検出するために構成されている。第１の検出素子１は例えば第１の波長領域のビーム７１を検出するために構成されており、第２の検出素子２は第２の波長領域のビーム７２を検出するために構成されており、第３の検出素子３は第３の波長領域のビーム７３を検出するために構成されている。

検出素子１，２ないし３はそれぞれ最大波長λ_１，λ_２ないしλ_３において最大値を取るスペクトル感度分布を有する。検出素子は有利には、最大波長がビーム入射側６から見た垂直方向において、このビーム入射側から検出素子までの距離が増すにつれて大きくなる、すなわちλ_１＜λ_２＜λ_３となるように配置されている。したがってビーム入射側の第1の検出素子１は短波長のビームに対して殊に敏感であり、他方ビーム入射側から最も離れている第３の検出素子３は長波長のビームに対して殊に敏感である。中央の第２の検出素子２はλ_１とλ_３との間の波長に対して殊に敏感である。

検出素子１，２および３の個々のスペクトル感度分布から、図２に定性的に示されているビーム検出器の感度分布が生じる。図２には定性的に、検出素子１，２および３の感度R（ビーム検出器に入射するビーム出力に関して検出素子において形成されるフォト電流）と入射するビームの波長λとの関係が示されている。第１の検出素子１の感度分布１００と第２の検出素子２の感度分布２００と第３の検出素子３の感度分布３００はここで組になって重畳しており、その結果ビーム検出器は関連性のある広範な波長領域にわたって敏感であり、感度分布は有利には最も近い最大波長を有する感度分布とのみ重畳する。有利には感度分布１００と３００は重畳しない。

個々の感度分布はそれぞれ短波長の基本波長λ_Ｋ，ｉと長波長の基本波長λ_Ｇ，ｉ（ｉ＝１，２ないし３）を有し、これらの基本波長は相応の検出素子の関連性のある感度領域の境界をなす。ビーム検出器によってカバーされるλ_Ｋ，１からλ_Ｇ，３に達する関連性のある広範な波長領域を不必要に縮小しないために、検出素子は好適には、２つの感度分布間の重畳が比較的少ないように相互に調節されている。例えば検出素子は以下のように調節されている。すなわち、重畳する２つの感度分布が、重畳する感度分布の最大波長における最大値の半分の値よりも小さい感度分布値、有利には両方の最大値の半分の値よりも小さい感度分布値において交差するように相互に調節されている。

さらには検出素子は有利には、図２に示されているように、実質的に等しい最大値Ｒｍ、および/または、実質的に同一のスペクトル幅（半分の高さにおける全幅）１０３，２０３ないし３０３を有するように相互に調節されている。さらには、隣接する種々の感度分布の最大波長の差は有利には実質的に等しい。これによって全体的に、個々の検出素子の分布を用いてビーム検出器の感度領域の同形状の重畳部を達成することができる。さらには、例えばビーム７におけるスペクトル成分を検出するための種々の検出素子において形成される信号の比較が有利には容易になる。

検出素子のスペクトル感度分布の最大値は、アクティブ領域の厚さないしアクティブ領域における機能層の厚さを適切に選択することによって相互に相対的に変化することができる。アクティブ領域が厚くなればなるほど、通常の場合、このアクティブ領域において吸収される入射するビームのビーム成分はますます多くなり、また通常の場合結果として生じる感度が高くなる。

有利には、それぞれの検出素子にはビーム入射側においてフィルタ層構造が後置されており、このフィルタ層構造は少なくとも１つのフィルタ層を包含し、また検出素子の最大波長よりも小さい波長を包含する関連性のある波長領域にあるビームを吸収する。このようにして、図２に参照番号１０１，２０１ないし３０１で表されているような、検出素子のスペクトル感度分布の短波長側を所期のように形成することができる。殊に、検出素子の感度分布のスペクトル幅および/または短波長側の経過を相互に補償調整することができ、その結果種々の検出素子において形成される信号相互の比較が容易になる。殊に有利には、それぞれの検出素子のためのフィルタ層構造を半導体ボディにモノリシックに集積することができる。

本発明の有利な実施形態においては、それぞれの検出素子のビーム入射側に配置されているコンタクト層ないし逆コンタクト層はフィルタ層として構成されている。検出素子に配属されているフィルタ層はさらに有利には、この検出素子のアクティブ領域と、検出素子にビーム入射側において後置されている別の検出素子との間に配置されている。

したがって第１のコンタクト層１１は第１の検出素子１のためのフィルタ層としてλ_１よりも小さい波長領域にある波長を吸収し、第１の逆コンタクト層２１２は第２の検出素子２のためのフィルタ層としてλ_２よりも小さい波長領域にある波長、有利にはλ_１とλ_２の間にある波長を吸収し、第２のコンタクト層１２３は第３の検出素子３のためのフィルタ層としてλ_３よりも小さい波長領域にある波長、有利にはλ_２とλ_３の間の波長を吸収する。

本発明の別の有利な実施形態においては、少なくとも１つ、有利には全ての検出素子のアクティブ領域は、信号形成のための種々のバンドギャップおよび/または厚さの複数の機能層を有する機能領域を包含する。

機能層の構成を介して、最大波長よりも大きい波長に対する検出素子のスペクトル感度分布の長波長側を所期のように形成することができる。このために機能層が有利には、検出素子の最大波長よりも大きい波長を包含する、殊に関連性のある波長領域にあるビームを吸収する。それぞれの機能層のバンドギャップは吸収されるビームの波長を決定し、また厚さは吸収されるビーム出力を決定する。有利には機能層を、この機能層において形成される信号が所定のスペクトル感度分布に応じた特性を有するように構成することができる。検出素子のスペクトル感度分布が設定に応じて比較的高い値を取るべき波長領域に対しては機能層が比較的厚く構成されており、この機能層においては吸収されるビーム出力に応じて比較的高い信号が形成される。設定に応じたスペクトル感度分布の低い値のための別の機能層は比較的薄く構成されており、この機能層においては相応に比較的低い信号のみが形成される。

この種のフィルタ層構造および/または機能領域を介して、検出素子の感度分布を相互に適合させることができる。種々の検出素子において形成される信号の比較を容易にすることができる。フィルタ層構造および/または機能領域の適切な構成を介して、個々の感度分布のスペクトル幅の有利な適合も必要に応じて相互に達成することもできる。

図３には断面図に基づいた本発明によるビーム検出器の別の実施例が概略的に示されている。実質的に図３におけるビーム検出器は図１におけるビーム検出器に相当する。図１とは異なり、第１の逆コンタクト層２１２の第１の検出素子１と対向する側にはエッチング阻止層１７が配置されており、また第３の検出素子３にはフィルタ層１８が配置されている。

エッチング阻止層は有利には、例えば湿式化学的なエッチングプロセスの際のバリアまたはマーカとして使用され、このエッチング阻止層を介して半導体ボディを支台８とは反対側から構造化することができる。半導体ボディが乾式化学的なエッチングを用いて構造化される場合には、この種のエッチング阻止層を場合によっては省略することができる。さらには、第２のコンタクト層１２３にもエッチング阻止層を配置することができる、ないし第２のコンタクト層１２３を上述のエッチング手段と比較して同種のエッチング手段または上述のものとは異なるエッチング手段のためのバリアとして使用されるエッチング阻止層として構成することができる。

フィルタ層１８は有利には、第２のコンタクト層１２３と第３の検出素子３との間に配置されており、またフィルタ層として構成されている第２のコンタクト層１２３に付加的に、第２の検出素子２および第２のコンタクト層１２３を通過して伝わるビームからなる波長を吸収する。さらに有利には、半導体ボディに集積されている別のコンタクト層１１および／または逆コンタクト層２１２は同様にフィルタ層として構成されている。有利には、第２のコンタクト層１２３はフィルタ層と比較して、端子３２３との殊に有利な接触特性の点で傑出している。

図４には、可視スペクトル領域また殊に種々の色のビームのために構成されている、図３によるビーム検出器に関する感度と波長の関係のシミュレーション計算が定性的に示されている。

可視スペクトル領域におけるこの種のビーム検出器の半導体ボディ５は有利には、材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＰおよびＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓを基礎としており、これらの材料系は良好なエピタキシ特性および可視スペクトル領域における簡単に達成可能な高い量子効率の点で傑出している。殊に有利には、半導体ボディが材料系Ｉｎ_０．５（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_０．５ＰおよびＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを基礎としており、これらの材料系は良好な格子整合の点で傑出している。したがってこれらの材料系からなる定性的に高い値の層を簡単にエピタキシャルに相互に成長させることができる。有利には材料系Ｉｎ_０．５（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_０．５Ｐを基礎とするアクティブ領域内の機能層のバンドギャップはＡｌ含有量を介して調節することができる。

ここでは表に対応する順序で、エピタキシ基板として形成されているｎ導電型ＧａＡｓ支台８上に連続してエピタキシャルに成長される半導体ボディの素子に対応するシミュレーションデータを基礎とした。Ｄは厚さを表し、Ｅ_Ｇは吸収にとって重要なバンドギャップを表し、λ_Ｇはこのバンドギャップに対応する波長を表す。

アクティブ領域１４，２４および３４は種々の色のビームを検出するために構成されている。第１のアクティブ領域１４は青色のビームを検出するために構成されており、第２のアクティブ領域２４は緑色のビームを検出するために構成されており、第３のアクティブ領域は赤色のビームを検出するために構成されている。検出素子のこの種の構造から生じる感度分布１００，２００ないし３００の最大波長λ_１≒４９０ｎｍ、λ_２≒５５３ｎｍないしλ_３≒６１５ｎｍは相応のスペクトル範囲内にある。種々の検出素子において信号の別個に取り出せることに基づき、ビーム検出器に入射するビーム７のスペクトル色成分、また必要に応じて色位置または色温度を求めることができる。

第１の検出素子１の感度分布の短波長側を形成するためのフィルタ層構造は、第１のコンタクト層１１およびバリア層１５を包含し、これらの層は適切なバンドギャップと厚さを有するフィルタ層として実施されている。第２の検出素子２のフィルタ層構造は第１の逆コンタクト層２１２を包含し、またおよび第３の検出素子３のためのフィルタ層構造は実質的にフィルタ層１８を包含する。第２のコンタクト層１２３は第２の検出素子２および第３の検出素子３との効率的で電気的なコンタクトを形成するために構成されており、また同時にエッチング阻止層として構成されている。アクティブ領域１４，２４および３４はそれぞれ単一の機能層を包含する。

任意の検出素子の感度分布の短波長側は必要に応じて、この検出素子にビーム入射側において後置されており、検出素子の最大波長よりも小さい波長を吸収する構造、例えば別の検出素子および／またはこの検出素子に配属されているフィルタ層構造によっても影響が及ぼされて相応に形成されることを言及しておく。しかしながら有利には、任意の検出素子にビーム入射側において直接的に後置されているフィルタ層構造はこの検出素子の感度分布の短波長側の形成の大部分を担う。

ビーム検出器は約４００ｎｍ〜約６８０ｎｍの波長に対して敏感であり、したがって約６８０ｎｍ〜約７００ｎｍの間の波長を有する遠赤外線成分を考慮しなければ、可視スペクトル領域全体をカバーする。感度分布のスペクトル幅１０３，２０３ないし３０３は約４０ｎｍ〜約５０ｎｍの間にある。

シミュレーションにより生じた約５５０ｎｍ〜約６００ｎｍの間の３つの感度分布１００，２００および３００の共通の重畳を必要に応じて、検出素子のアクティブ領域および／またはそれぞれのフィルタ層構造の適合によってさらに低減することができるか、その最大波長が所定の感度分布の最大波長に一番近い感度分布とのみ任意の所定の感度分布が重畳するように処理される。

本明細書はドイツ連邦共和国特許明細書の２００４年９月３０日のDE 10 2004 047 645.4および２００５年１月１１日のDE 10 2005 001280.9の優先権を主張する。したがってこれらの明細書の全ての開示内容は明示的に参照により本明細書に取り入れられる。

本発明は実施例に基づいた説明に制限されるものではない。むしろ本発明は新たな各特徴ならびにそれらの特徴の各組み合わせを包含し、このことは殊にこれらの特徴またはこれらの組み合わせ自体が明示的に請求項または実施例に示されていない場合であっても、請求項における特徴の各組み合わせを含む。

概略的な断面図に基づいた本発明によるビーム検出器の第１の実施例。 第１の実施例による本発明のビーム検出器のスペクトル感度分布の定性的なグラフ。 概略的な断面図に基づいた本発明によるビーム検出器の第２の実施例。 第２の実施例によるビーム検出器のスペクトル感度分布のシミュレーション。

Claims (19)

1. ビームを受け取って信号を形成するアクティブ領域（１４，２４，３４）をそれぞれ１つ有する複数の検出素子（１，２，３）を備えたビーム検出器であって、
   −前記検出素子（１，２，３）はモノリシックにビーム検出器の半導体ボディ（５）に集積されており、
   −前記半導体ボディ（５）はビーム入射側（６）を有する、ビーム検出器において、
   −第１の検出素子（１）において形成される信号が第２の検出素子（２）において形成される信号とは別個に取り出され、
   −前記第１の検出素子（１）は可視ビームに対して部分的に透過性であり、
   −前記第１の検出素子（１）を通過した可視ビームは前記第２の検出素子（２）において信号を形成することを特徴とする、ビーム検出器。
2. 前記半導体ボディ（５）において隣接する検出素子の前記アクティブ領域は相互に間隔を置いて配置されている、請求項１記載のビーム検出器。
3. 少なくとも１つの検出素子（１，２，３）は、所定の最大波長において最大値をとるスペクトル感度分布（１００，２００，３００）を有する、請求項１または２記載のビーム検出器。
4. 少なくとも２つのビーム検出器（１，２，３）の前記スペクトル感度分布（１００，２００，３００）は異なる最大波長を有する、請求項３記載のビーム検出器。
5. 所定の関連性のある波長領域にあるビーム（７）を検出するために構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のビーム検出器。
6. 少なくとも２つの検出素子（１，２，３，）の前記スペクトル感度分布（１００，２００，３００）は重畳する、請求項３から５までのいずれか１項記載のビーム検出器。
7. 前記アクティブ領域（１４，２４，３４）のうちの少なくとも１つは単一量子井戸構造または多重量子井戸構造またはヘテロ構造を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のビーム検出器。
8. 前記検出素子（１，２，３）のスペクトル感度分布（１００，２００，３００）の最大波長は、ビーム検出器によって受信されるべきビームの前記ビーム入射側（６）から前記検出素子（１，２，３）までの距離が長くなるにつれ大きくなる、請求項３から７までのいずれか１項記載のビーム検出器。
9. 少なくとも１つの検出素子（１，２，３）には、前記半導体ボディ（５）のビーム入射側の方向において、少なくとも１つのフィルタ層（１８）を有するフィルタ層構造が後置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のビーム検出器。
10. 前記フィルタ層構造は、前記検出素子（１，２，３）の前記スペクトル感度分布（１００，２００，３００）の最大波長領域よりも小さい波長を包含する波長領域にある波長を吸収するために構成されている、請求項９記載のビーム検出器。
11. 前記検出素子（１，２，３）にはそれぞれ１つのコンタクト層（１１，１２３）と１つの逆コンタクト層（２１２，２３）が配属されており、該コンタクト層および／または該逆コンタクト層は検出素子と該検出素子に隣接する検出素子との間に配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のビーム検出器。
12. 少なくとも１つの検出素子（１，２，３）の前記コンタクト層ないし前記逆コンタクト層（１１，１２３，２１２）は同時にフィルタ層として構成されている、請求項９および１１記載のビーム検出器。
13. 隣接する２つの検出素子（１，２，３）は共通のコンタクト層（１２３）ないし共通の逆コンタクト層（２１２）を有する、請求項１１または１２記載のビーム検出器。
14. 前記半導体ボディ（５）は少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含有する、請求項１から１３までのいずれか１項記載のビーム検出器。
15. 前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は材料系Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}ＡｓまたはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、ここで０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１且つｘ＋ｙ≦１である、からなる材料である、請求項１４記載のビーム検出器。
16. 前記検出素子（１，２，３）は種々の色のビームを検出するために構成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載のビーム検出器。
17. 青、緑ないし赤のスペクトル領域にあるビームを検出するために構成されている３つの検出素子（１，２，３）を包含する、請求項１から１６までのいずれか１項記載のビーム検出器。
18. ビーム検出器によって受け取られるべきビーム（７）におけるビスペクトル色成分を検出するために構成されている、請求項１から１７までのいずれか１項記載のビーム検出器。
19. 検出器に入射するビーム（７）の色印象を検出するために構成されている、請求項１から１８までのいずれか１項記載のビーム検出器。

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