JP2007095849A - 光検出素子、光検出素子の制御方法、空間情報検出装置 - Google Patents
光検出素子、光検出素子の制御方法、空間情報検出装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】シリコンからなる光電変換層10に絶縁層11を介して蓄積電極12と再結合電極13とが設けられる。蓄積電極12と再結合電極13とにそれぞれ電圧を印加すると、光電変換層10にはそれぞれ蓄積領域、再結合領域となるポテンシャル井戸が形成される。光電変換層11は受光光量に応じた個数の電子とホールとを生成する。再結合電極13は蓄積電極12の両側に設けられる。再結合電極13に印加する電圧の極性を交互に切り換えると、再結合領域にホールを集積する状態と、蓄積領域と再結合領域とで電子を集積する状態とが交互に切り替わる。再結合領域に集積された電子は再結合領域に捕捉されているホールと再結合する。したがって、蓄積領域には再結合後の電子が蓄積される。
【選択図】図1
Description
本発明に係る光検出素子は、図1、図2に示すように、シリコンからなる光電変換層10の主表面に酸化シリコンもしくは窒化シリコンからなる絶縁層11を介して制御電極としての蓄積電極12および再結合電極13を配列した構造を有する。絶縁層11、蓄積電極12、再結合電極13は透光性を有する。
{1−2(βγ/α)}A0+3A2
同様にして、図3(b)の状態で蓄積領域Daに蓄積される電子の個数n2は、次式の値に比例する。
{1−2(βγ/α)}A2+3A0
したがって、比例定数を無視すれば、次式が得られる。
n0={1−2(βγ/α)}A0+3A2
n2={1−2(βγ/α)}A2+3A0
再結合後に残留する電子は受光出力として取り出されるのであって、受光出力では点灯期間と消灯期間とに生成されたキャリアの一部が減殺されるから、光電変換層10での飽和が生じにくくなる。とくに、蓄積電極(5)に対応する蓄積領域Daに残留する電子の個数n0は、点灯期間に生成される電子と消灯期間に生成されるホールの一部とを再結合させて得られているから、環境光に相当する成分の一部を除去することができ、受光出力に占める信号光の成分比率が大きくなる。言い換えると、環境光のノイズに強い光検出素子1と言える。なお、上式から次の関係が得られる。
n0−n2={4−2(βγ/α)}(A0−A2)
また、上述した構成例では、遮光膜を設けずに光電変換層10の全領域でキャリアを生成しているが、蓄積電極12に対応する部位以外を遮光膜で覆うことにより遮光してもよい。このような遮光膜を設ければ、蓄積領域Daでのキャリアの生成を防止することができるから、点灯期間と消灯期間とのキャリアの混合を少なくすることができる。
実施形態1では、電子を受光出力として取り出すために、蓄積領域Daに電子のみを蓄積する構成を採用したが、本実施形態では電子とホールとを各別に第1蓄積領域Da1と第2蓄積領域Da2とに蓄積する構成を示す。したがって、実施形態1では蓄積領域Daを挟んで再結合領域Dbを設けているが、本実施形態では再結合領域Dbを挟んで電子を蓄積する第1蓄積領域Da1とホールを蓄積する第2蓄積領域Da2とを設けている。
n2=A2−β・(1/α)A0
同様にして、再結合電極(4)に着目すれば、第1蓄積電極(5)に対応する第1蓄積領域Da1に残留する電子の個数n0は、(1/α)A2に比例する個数のホールが再結合確率βでA0に比例する個数の電子と再結合した後に残留する個数であるから、n0は次式で表すことができる。
n0=A0−β・(1/α)A2
再結合後に残留する電子は受光出力として取り出されるのであって、受光出力では点灯期間と消灯期間とに生成されたキャリアの一部が減殺されるから、光電変換層10での飽和が生じにくくなる。とくに、第1蓄積電極(5)に対応する第1蓄積領域Da1に残留する電子の個数n0は、点灯期間に生成される電子と消灯期間に生成されるホールの一部とを再結合させて得られているから、環境光に相当する成分の一部を除去することができ、受光出力に占める信号光の成分比率が大きくなる。言い換えると、環境光のノイズに強い光検出素子1と言える。なお、上式から次の関係が得られる。
n0−n2={1+(β/α)}(A0−A2)
上述した動作では電子に着目し、第1蓄積領域Da1に蓄積した電子を受光出力として取り出す場合について説明したが、第2蓄積領域Da2に蓄積したホールを受光出力として取り出すことも可能であり、また、電子とホールとの両方を受光出力に用いてもよい。他の構成および動作は実施形態1と同様である。
図5は実施形態1において説明した光検出素子1を用いて空間情報検出装置の一種である測距装置を構成した例を示しており、この測距装置は、距離を測定する対象物3を含む対象空間に発光源2からの光を投光し、対象物3による反射光を含む対象空間からの光を光検出素子1で受光するとともに、対象物3による反射光の光量を反映した受光出力を光検出素子1から得るように構成している。この種の構成で対象物3までの距離を計測する技術としては、三角測量法の原理を用いる技術と、発光源2から投光された光が光検出素子1で受光されるまでの光の飛行時間を計測する技術とが主に用いられている。
A0=Ab×(2T−td)+Ad×td
A1=Ab×(T+td)+Ad×(T−td)
A2=Ab×td+Ad×(2T−td)
A3=Ab×(T−td)+Ad×(T+td)
これらの関係から(A1−A3)/(A0−A2)を求めると、td/(T−td)になるから、s=(A1−A3)/(A0−A2)と置いて、時間差tdを次式で表すことができる。
td=sT/(s+1)
つまり、変調信号の周期4Tと上述した4区間の受光光量A0〜A3とを用いることにより時間差tdを求めることができる。
n0−n2={4−2(βγ/α)}(A0−A2)
同様にして、90〜270度の区間で得られる電子の個数n1および270〜450度の区間で得られる電子の個数n3と、受光光量A1,A3との間には次式の関係がある。
n1−n3={4−2(βγ/α)}(A1−A3)
したがって、s=(A1−A3)/(A0−A2)=(n1−n3)/(n0−n2)が成立する。つまり、実施形態1において説明した光検出素子1の受光出力を用いることで時間差tdを求めることができるから、この時間差tdを用いて対象物3までの距離を求めることができる。上式の演算結果の符号は時間差tdが正になるように適宜に選択される。
A0=A・cosψ+B
A1=−A・sinψ+B
A2=−A・cosψ+B
A3=A・sinψ+B
ただし、環境光の変化を無視できる程度の短い時間内ではA、Bは定数とみなしてよい。
n0−n2={4−2(βγ/α)}(A0−A2)
同様にして、90〜270度の区間と270〜450度の区間との電子の個数の差分n3−n1は、次式で表すことができる。
n3−n1={4−2(βγ/α)}(A3−A1)
したがって、(n3−n1)/(n0−n2)=(A3−A1)/(A0−A2)であって、上式から(A3−A1)/(A0−A2)=tanψであるから、位相差ψは次式で表すことができる。
ψ=tan−1(A3−A1)/(A0−A2) …(1)
=tan−1(n3−n1)/(n0−n2)
すなわち、変調信号の波形が正弦波である場合でも上式によって位相差ψを求めることができるから、変調信号の波形が矩形波である場合の時間差tdと同様に対象物3までの距離を求めることができる。
2 発光源
3 対象物
4 タイミング制御回路
5 距離演算回路(評価部)
6 電荷取出部
10 光電変換層
11 絶縁層
12 蓄積電極(制御電極)
13 再結合電極(制御電極)
121 第1蓄積電極(制御電極)
122 第2蓄積電極(制御電極)
Da 蓄積領域
Da1 第1蓄積領域
Da2 第2蓄積領域
Db 再結合領域
E1 単位領域
E2 単位領域
Claims (14)
- 光照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換層と、光電変換層の一表面に絶縁層を介して配置された制御電極と、制御電極に電圧を印加することにより光電変換層に形成された電子とホールとのうちの一方である第1キャリアを集積するポテンシャル井戸であって制御電極に印加する電圧を変化させることにより光電変換層の前記一表面に沿ったポテンシャル井戸の面積を変化させる第1集積部と、電子とホールとのうちの他方である第2キャリアを集積する第2集積部とを備え、第1集積部の面積変化に伴って第1キャリアと第2集積部に集積された第2キャリアとが再結合するように第1集積部と第2集積部とを配置し、再結合後に残留した第1キャリアと第2キャリアとの少なくとも一方を受光出力として外部に取り出すことを特徴とする光検出素子。
- 前記第1集積部は前記面積を大小2段階に変化させ、第1集積部のうち小面積の期間の領域を前記第1キャリアが蓄積される第1の蓄積領域とし、第1集積部のうち第1の蓄積領域を除く領域を前記第2集積部で集積された第2キャリアと第1集積部で集積した第1キャリアとを再結合させる再結合領域とすることを特徴とする請求項1記載の光検出素子。
- 前記再結合領域は、第1集積部が小面積であるときに前記第2キャリアを集積する第2集積部として兼用されることを特徴とする請求項2記載の光検出素子。
- 前記第2集積部は前記光電変換層の前記一表面に沿ったポテンシャル井戸の面積を大小2段階に変化させ、第2集積部が大面積の期間に光電変換層で生成された第2キャリアを集積するとともに、第2集積部のうち小面積の期間の領域を前記第2キャリアが蓄積される第2の蓄積領域とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光検出素子。
- 前記第2集積部は前記光電変換層の前記一表面に沿ったポテンシャル井戸の面積を大小2段階に変化させ、第2集積部が大面積の期間に光電変換層で生成された第2キャリアを集積するとともに、第2集積部のうち小面積の期間の領域を前記第2キャリアが蓄積される第2の蓄積領域とし、第2集積部のうち第2の蓄積領域を除く領域を第1集積部のうち第1の蓄積領域を除く領域と重複させることにより前記再結合領域として用いることを特徴とする請求項2記載の光検出素子。
- 光照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換層と、光電変換層の一表面に絶縁層を介して配置された制御電極と、制御電極に電圧を印加することにより光電変換層に形成された電子とホールとのうちの一方である第1キャリアを集積するポテンシャル井戸であって制御電極に印加する電圧を変化させることにより光電変換層の前記一表面に沿ったポテンシャル井戸の面積を変化させる第1集積部と、電子とホールとのうちの他方である第2キャリアを集積する第2集積部とを備える光検出素子の制御方法であって、第1集積部の面積変化に伴って第1キャリアと第2集積部に集積された第2キャリアとを再結合させるように制御電極に電圧を印加するタイミングを制御し、再結合後に残留した第1キャリアと第2キャリアとの少なくとも一方を受光出力として外部に取り出すことを特徴とする光検出素子の制御方法。
- 前記第1集積部の前記面積を大小2段階に変化させ、第1集積部のうち小面積の期間の領域を前記第1キャリアが蓄積される第1の蓄積領域として用い、第1集積部のうち第1の蓄積領域を除く領域を前記第2集積部で集積された第2キャリアと第1集積部で集積した第1キャリアとを再結合させる再結合領域として用いることを特徴とする請求項6記載の光検出素子の制御方法。
- 前記再結合領域は、前記第1集積部が小面積であるときに第2キャリアを集積する前記第2集積部として兼用されることを特徴とする請求項7記載の光検出素子の制御方法。
- 前記第2集積部が前記光電変換層の前記一表面に沿ったポテンシャル井戸の面積を大小2段階に変化させ、第2集積部が大面積の期間に光電変換層で生成された第2キャリアを集積するとともに、第2集積部のうち小面積の期間の領域を前記第2キャリアが蓄積される第2の蓄積領域とするように前記制御電極に電圧を印加するタイミングを制御することを特徴とする請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載の光検出素子の制御方法。
- 前記第2集積部が前記光電変換層の前記一表面に沿ったポテンシャル井戸の面積を大小2段階に変化させるように前記制御電極に電圧を印加するタイミングを制御し、第2集積部が大面積の期間に光電変換層で生成された第2キャリアを集積するとともに、第2集積部のうち小面積の期間の領域を前記第2キャリアが蓄積される第2の蓄積領域とし、第2集積部のうち第2の蓄積領域を除く領域を第1集積部のうち第1の蓄積領域を除く領域と重複させることにより前記再結合領域として用いることを特徴とする請求項7記載の光検出素子の制御方法。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光検出素子の制御方法であって、前記第1集積部と前記第2集積部とからなる単位領域を複数備え、隣接する単位領域では第1集積部に前記第1キャリアを集積する期間が互いに重複せずかつ一方の単位領域で第1キャリアを集積する間に他方の単位領域で第2キャリアを集積するように制御電極に電圧を印加するタイミングを制御することを特徴とする光検出素子の制御方法。
- 請求項5記載の光検出素子の制御方法であって、前記第1集積部において第1キャリアを集積する期間と前記第2集積部において第2キャリアを集積する期間とが互いに重複せず交互に繰り返されるように制御電極に電圧を印加するタイミングを制御することを特徴とする光検出素子の制御方法。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光検出素子を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記制御電極に印加する電圧とを制御するタイミング制御回路と、光検出素子の前記受光出力と変調信号との関係により対象空間の情報を検出する評価部とを備えることを特徴とする空間情報検出装置。
- 請求項5記載の光検出素子を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記制御電極に印加する電圧とを制御するタイミング制御回路と、光検出素子の前記受光出力と変調信号との関係により対象空間の情報を検出する評価部とを備え、タイミング制御回路は、前記第1集積部において第1キャリアを集積する期間と前記第2集積部において第2キャリアを集積する期間とを、変調信号の位相において180度異なる期間とするように制御電極に印加する電圧を制御し、評価部では、前記再結合領域において第1キャリアと第2キャリアとを再結合後に得られた受光出力を変調信号の位相において180度異なる期間に得られた受光光量の差分として用いることを特徴とする空間情報検出装置。
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