JP2011137836A - Moisture detection device, detection device of moisture in living body, detection device of moisture in natural product, and detection device of moisture in product/material - Google Patents
Moisture detection device, detection device of moisture in living body, detection device of moisture in natural product, and detection device of moisture in product/material Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011137836A JP2011137836A JP2011059487A JP2011059487A JP2011137836A JP 2011137836 A JP2011137836 A JP 2011137836A JP 2011059487 A JP2011059487 A JP 2011059487A JP 2011059487 A JP2011059487 A JP 2011059487A JP 2011137836 A JP2011137836 A JP 2011137836A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light receiving
- moisture
- light
- layer
- receiving element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、水分検出装置、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置に関し、より具体的には、冷却なしで近赤外域の長波長域にまで高い感度をもつ受光素子を用いた、水分検出装置、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置に関するものである。 The present invention relates to a moisture detection device, a moisture detection device in a living body, a moisture detection device in a natural product, and a moisture detection device in a product / material, and more specifically, it is high up to a long wavelength region in the near infrared region without cooling. The present invention relates to a moisture detection device, a moisture detection device in a living body, a moisture detection device in a natural product, and a moisture detection device in a product / material using a light receiving element having sensitivity.
水分、生体成分、医薬品、環境関連物質等は、近赤外域に吸収帯を持つので、近赤外分光法は、非侵襲の分析法として注目され、研究および実用化が急速に進んでいる。また、昼夜を問わず地表に到達する宇宙光は、近赤外域に複数の発光帯を持つので、その地表物体からの反射光の撮像法が民生および軍事の用途に研究と実用化が進行している。上記の近赤外分光による分析では、出力信号に、必要な情報と、受光素子に起因する大きなノイズが含まれている。このため、センサ(受光素子)の性能向上に全面的に頼らずに、出力信号について必要な情報を抽出するために、分光学的方法またはケモメトリックスなどが重要な手法として用いられてきた。 Since moisture, biological components, pharmaceuticals, environment-related substances, and the like have absorption bands in the near infrared region, near infrared spectroscopy is attracting attention as a non-invasive analysis method, and research and practical application are rapidly progressing. In addition, since cosmic light that reaches the surface of the earth regardless of day or night has multiple emission bands in the near-infrared region, the method of imaging reflected light from the surface object has been researched and commercialized for civilian and military applications. ing. In the above-described analysis by near infrared spectroscopy, the output signal includes necessary information and large noise caused by the light receiving element. For this reason, spectroscopic methods or chemometrics have been used as an important method in order to extract necessary information about the output signal without relying entirely on the performance improvement of the sensor (light receiving element).
上記センサ(受光素子)は、近赤外域では、電子管タイプと固体素子のフォトダイオード(PD)とに、大別される。このなかで、PDは、小型で、一次元アレイおよび二次元アレイなどの高集積化が容易なので、多くの研究開発が行われている。本発明は、PDを用いた水分検出装置を対象にする。現在、次のようなPD、またはPDアレイが用いられている。
(1)赤外域にまで受光感度を持ち、近赤外域にも受光感度をもつPD、またはそのアレイ。このようなフォトダイオードには、たとえばゲルマニウム(Ge)系PD、硫化鉛(PbS)系PD、HgCdTe系PD、またはその一次元アレイ、二次元アレイがある。
(2)InP系PD、そのInP系PDの範疇に入るInGaAs系PD、またはそのアレイ。これらは、近赤外域の波長1.7μm以下に受光感度を持つ。ここで、InP系PDとは、InP基板に形成されるIII−V族化合物半導体の受光層を含むPDをいい、InGaAs系PDも含まれる。
The sensors (light receiving elements) are roughly classified into an electron tube type and a solid state photodiode (PD) in the near infrared region. Among these, since the PD is small and can easily be highly integrated such as a one-dimensional array and a two-dimensional array, much research and development has been conducted. The present invention is directed to a moisture detection apparatus using a PD. Currently, the following PDs or PD arrays are used.
(1) PD having light receiving sensitivity up to the infrared region and light receiving sensitivity in the near infrared region, or an array thereof. Examples of such photodiodes include germanium (Ge) -based PD, lead sulfide (PbS) -based PD, HgCdTe-based PD, or a one-dimensional array and a two-dimensional array thereof.
(2) InP-based PD, InGaAs-based PD that falls into the category of InP-based PD, or an array thereof. These have light receiving sensitivity at wavelengths of 1.7 μm or less in the near infrared region. Here, the InP-based PD refers to a PD including a light-receiving layer of a III-V group compound semiconductor formed on an InP substrate, and includes an InGaAs-based PD.
上記のフォトダイオードのうち、(1)は、ノイズを抑制するため冷却する場合が多く、たとえば液体窒素温度(77K)やペルチエ素子で稼動させるものが多い。このため民生用の装置としては大掛かりになり、ハンディ型やショルダー型のポータブル近赤外分光計、またはデジタルカメラ等には不適である。しかし、中には硫化鉛(PbS)のように、室温で稼動可能なセンサもある。ただし、硫化鉛を用いても、常温では受光可能な波長域が限定される。(2)一方、InP系PDの短所は、(I)InPに格子整合するInGaAsは暗電流が低いが、受光感度が近赤外域の1.7μm以下の波長域に限定されること、および(II)受光可能な波長域を2.6μmまで拡大したextended−InGaAsでは暗電流が大きく、冷却する必要があること、である。したがって、InP系PDでは、水の大きな吸収帯の1.9μm付近の光を用いることができないか、または用いるためにはセンサを冷却する必要がある。 Of the above photodiodes, (1) is often cooled to suppress noise, and for example, is often operated at a liquid nitrogen temperature (77 K) or a Peltier element. For this reason, it becomes a large-scale consumer device and is not suitable for a handy or shoulder-type portable near-infrared spectrometer or a digital camera. However, some sensors, such as lead sulfide (PbS), can be operated at room temperature. However, even if lead sulfide is used, the wavelength range where light can be received at room temperature is limited. (2) On the other hand, the disadvantages of InP-based PD are: (I) InGaAs lattice-matched to InP has a low dark current, but the light receiving sensitivity is limited to a wavelength region of 1.7 μm or less in the near infrared region; II) In extended-InGaAs, in which the wavelength range in which light can be received is expanded to 2.6 μm, the dark current is large and needs to be cooled. Therefore, in the InP-based PD, light in the vicinity of 1.9 μm in the large absorption band of water cannot be used, or the sensor needs to be cooled in order to use it.
これまでの水分検出において、どのような受光素子を用いているかを以下に示す。
(C1)常温で硫化鉛(PbS)を用いて、水の吸収帯のうち、波長1.8μm〜1.95μmの吸収帯を、水分含有率の測定に用いる方法が開示されている(特許文献1、2)。
(C2)赤外線撮像素子によって、波長1.2μm〜2μmの光によって画像を形成する方法が開示されている(特許文献3、4)。この方法では、赤外線撮像素子の内容は明記していないが、液体窒素またはペルチエ素子によって冷却されたPbS系PDの二次元アレイが用いられていると考えられる。
(C3)InGaAsPINフォトダイオードを用いた測定装置を用いたものもある(特許文献5、6)。また、使用する波長域からInGaAsPINフォトダイオードと推定される水分検出方法の提案もある(特許文献7)。
(C4)赤外線検出器にどのような素子を用いているか、明確な記述がないものも多い(特許文献8〜11)。この場合、赤外線センサまたは赤外線検出器という名称を受光部(赤外線を受けて電圧を発生する素子)に用いていること、および測定に用いる波長から、(C1)の硫化鉛またはそれに類似のものである可能性が高い。
The following shows what kind of light receiving element is used in the conventional moisture detection.
(C1) A method is disclosed in which lead sulfide (PbS) is used at room temperature, and an absorption band having a wavelength of 1.8 μm to 1.95 μm among water absorption bands is used for measurement of moisture content (Patent Literature). 1, 2).
(C2) A method of forming an image with light having a wavelength of 1.2 μm to 2 μm by an infrared imaging device is disclosed (
(C3) Some devices use a measuring device using an InGaAs PIN photodiode (
(C4) There are many cases where there is no clear description as to what element is used for the infrared detector (Patent Documents 8 to 11). In this case, the name of the infrared sensor or infrared detector is used for the light receiving part (element that receives infrared rays to generate a voltage) and the wavelength used for the measurement, lead sulfide (C1) or the like is used. There is a high possibility.
InGaAsPINフォトダイオードについては、受光感度を近赤外の長波長側まで拡大する課題がある。しかし、受光感度を波長1.7μm以上に拡大した上で、ノイズや暗電流を抑制するという点で、まだ満足できる段階にいたっていない(非特許文献1、2、および特許文献12、13)。
液体窒素またはペルチエ素子による冷却が不要で、近赤外域の長波長側に受光感度を有する受光素子および受光素子アレイは、上記説明を省略した文献(特許文献11、12、非特許文献1,2)に示すように、いくつかの候補はある。しかし、結晶性の低さ、高い暗電流、製造の困難性等に阻まれ、実用上克服すべき困難な課題が多く、開発途上にある。このため、冷却機構を設けないフォトダイオードを用いた測定では、ノイズが多くなり、精度良く測定することが困難である。特に微量の水分量の検知において問題となる。
The light receiving elements and light receiving element arrays that do not require cooling with liquid nitrogen or Peltier elements and have light receiving sensitivity on the long wavelength side in the near-infrared region are disclosed in the literature (
上記引用文献にあげた水分の分析方法において、受光素子自体の感度を問題にしたものはなく、すべて、水分が含まれている対象物の性状に応じて、どのような分析をするのがよいかという提案がなされている。しかしながら、受光素子自体の性能を向上させて、その性能向上の内容に応じて、検査対象物にとって適切な水分検出装置を得ることは、意義の高いことである。すなわち、冷却機構なしで暗電流を抑制したフォトダイオードを用いて近赤外分光が行えるようになれば、簡単に有用な情報を高感度で得ることができることになり、その多くの利用分野の発展を促すことができる。 None of the methods for analyzing moisture given in the above cited references have caused the sensitivity of the light receiving element itself to be a problem, and all analyzes should be performed according to the properties of the object containing moisture. A proposal has been made. However, it is highly significant to improve the performance of the light receiving element itself and to obtain a moisture detection device suitable for the inspection object according to the content of the performance improvement. In other words, if near-infrared spectroscopy can be performed using a photodiode that suppresses dark current without a cooling mechanism, useful information can be easily obtained with high sensitivity. Can be encouraged.
本発明は、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長1.7μm以上に拡大したInP系フォトダイオードを用いて、水分を高感度で検出することができる水分検出装置、それを用いた、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置を提供することを目的とする。 The present invention uses a moisture detection device capable of detecting moisture with high sensitivity using an InP-based photodiode in which dark current is reduced without a cooling mechanism and the light receiving sensitivity is expanded to a wavelength of 1.7 μm or more. An object of the present invention is to provide a moisture detector in a living body, a moisture detector in a natural product, and a moisture detector in a product / material.
本発明の水分検出装置は、III−V族半導体基板に形成され、pn接合を受光層に含む、III−V族半導体による受光素子またはその受光素子のアレイを備えた、検査対象物の水分の検出装置である。この装置は、受光層がIII−V族半導体の多重量子井戸構造を有し、pn接合は、不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、III−V族半導体基板と反対側の受光層の面に接して、III−V族半導体の拡散濃度分布調整層を備え、その拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギが、III−V族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さく、受光層における不純物濃度が、5×1016/cm3以下であり、拡散濃度分布調整層の拡散前のn型不純物濃度が、2×1015/cm3以下であり、該拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有する。そして、検出装置は、検査対象物から反射された光のうち、第1波長域1.35μm以上1.8μm未満、第2波長域1.8μm以上2.0μm未満、および第3波長域2.5μm以上3.0μm未満の、3つの波長域のうち、少なくとも2つの波長域の光に対して感度を有しており、当該感度を有する波長域のうちの1つ以上の波長域の光を用いて、水分を検出することを特徴とする。 The moisture detection device of the present invention includes a light receiving element made of a group III-V semiconductor or an array of light receiving elements formed on a group III-V semiconductor substrate and including a pn junction in a light receiving layer. It is a detection device. In this device, the light receiving layer has a multiple quantum well structure of a III-V group semiconductor, and the pn junction is formed by selectively diffusing an impurity element in the light receiving layer, which is opposite to the group III-V semiconductor substrate. A diffusion concentration distribution adjusting layer of a group III-V semiconductor in contact with the surface of the light receiving layer on the side, and the band gap energy of the diffusion concentration distribution adjusting layer is smaller than the band gap energy of the group III-V semiconductor substrate; The impurity concentration in the layer is 5 × 10 16 / cm 3 or less, the n-type impurity concentration before diffusion of the diffusion concentration distribution adjustment layer is 2 × 10 15 / cm 3 or less, and the diffusion concentration distribution adjustment layer is The light-receiving layer side has a low impurity concentration range in the thickness range. In the light reflected from the inspection object, the detection apparatus includes a first wavelength range of 1.35 μm to less than 1.8 μm, a second wavelength range of 1.8 μm to less than 2.0 μm, and a third wavelength range. It has sensitivity to light in at least two wavelength ranges among the three wavelength ranges of 5 μm or more and less than 3.0 μm, and light in one or more wavelength ranges of the wavelength ranges having the sensitivity Used to detect moisture.
上記の構成によって、近赤外域に対応したバンドギャップエネルギを有する多重量子井戸構造を、不純物濃度を5×1016/cm3以下に低くすることにより多重量子井戸構造を破壊されず、すなわち結晶性を損なわずに、形成することができる。そして、受光素子のpn接合形成のための不純物が選択拡散され、すなわち周縁部から内側に平面的に周囲限定されて、個々の受光素子に分離されるように導入される。このため、各受光素子を高精度で形成しやすく、素子分離溝を設ける必要がないので、暗電流の低い受光素子を形成することができる。 With the above configuration, the multiple quantum well structure having a band gap energy corresponding to the near infrared region is not destroyed by reducing the impurity concentration to 5 × 10 16 / cm 3 or less, that is, the crystallinity Can be formed without impairing. Then, the impurities for forming the pn junction of the light receiving element are selectively diffused, that is, are introduced so as to be limited to the periphery in a planar manner from the periphery to be separated into individual light receiving elements. For this reason, it is easy to form each light receiving element with high accuracy, and it is not necessary to provide an element isolation groove, so that a light receiving element with a low dark current can be formed.
このため、波長1μm〜3μmにわたって、冷却なしで高い感度の受光をすることができる。このため、水の近赤外域の吸収帯のうち、第1の吸収帯(1.4μm付近に吸収のピークを持つ)、第2の吸収帯(1.9μm付近に吸収のピークを持つ)、および第3の吸収帯(2.9μm付近にピークを持ち、2.3μm〜3μm以上にわたっている広大な吸収帯)のうちの、どの吸収帯の波長でも用いることができる。ここで、検出とは、あらかじめ検量線(水濃度と、その波長での光の強度または吸収度との関係)を作成しておいて、水濃度または水含有率を求めることをいう。 For this reason, it is possible to receive light with high sensitivity over a wavelength range of 1 μm to 3 μm without cooling. For this reason, out of the near-infrared absorption band of water, the first absorption band (having an absorption peak near 1.4 μm), the second absorption band (having an absorption peak near 1.9 μm), The wavelength of any absorption band of the third absorption band (a broad absorption band having a peak in the vicinity of 2.9 μm and extending from 2.3 μm to 3 μm or more) can be used. Here, detection means that a calibration curve (relation between water concentration and light intensity or absorbance at the wavelength) is prepared in advance, and the water concentration or water content is obtained.
なお、上記のpn接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域(i領域と呼ばれる)であり、上記拡散導入された不純物領域と当該i領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のpn接合は、pi接合またはni接合などであってもよく、さらに、これらpi接合またはni接合におけるp濃度またはn濃度が非常に低い場合も含むものである。 The above pn junction should be interpreted broadly as follows. In the light receiving layer, an impurity region (referred to as an i region) in which the impurity concentration in a region on the side opposite to the side where the impurity element is introduced by selective diffusion is low enough to be regarded as an intrinsic semiconductor is referred to as the impurity introduced by diffusion. It also includes a bond formed between the region and the i region. That is, the pn junction may be a pi junction or an ni junction, and further includes a case where the p concentration or the n concentration in the pi junction or ni junction is very low.
上記の水分検出装置は、第1波長域1.35μm以上1.8μm未満、第2波長域1.8μm以上2.0μm未満、および第3波長域2.5μm以上3.0μm未満の、3つの波長域のうち、1つ以上波長域の光を用いて、水分を検出することができる。これによって、たとえば検査対象物の構成材料によっては、その構成材料の吸収帯と重なって精度の高い測定ができない場合、そのほかの場合などに、高精度測定のために適切な波長域を選んで、水分の検出をすることができる。 The above-described moisture detection device has three first wavelength ranges of 1.35 μm to less than 1.8 μm, second wavelength range of 1.8 μm to less than 2.0 μm, and third wavelength range of 2.5 μm to less than 3.0 μm. Moisture can be detected using light in one or more of the wavelength ranges. For this reason, for example, depending on the constituent material of the inspection object, when it is impossible to measure with high accuracy because it overlaps with the absorption band of the constituent material, in other cases, select an appropriate wavelength range for high accuracy measurement, Moisture can be detected.
上記のIII−V族半導体積層構造はIII−V族半導体基板上に形成されたものであり、基板と反対側の受光層の面に接して、III−V族半導体の拡散濃度分布調整層を備え、その拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギを、前記III−V族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さくする。これによって、拡散濃度分布調整層の受光層側の厚み範囲の不純物濃度を低くしても、バンドギャップエネルギが小さいために電気抵抗がIII−V族半導体基板のバンドギャップエネルギをもつ材料を用いた場合よりも大きくならないようにできる。 The III-V group semiconductor stacked structure is formed on a group III-V semiconductor substrate, and a diffusion concentration distribution adjusting layer of the group III-V semiconductor is provided in contact with the surface of the light receiving layer opposite to the substrate. And the band gap energy of the diffusion concentration distribution adjusting layer is made smaller than the band gap energy of the group III-V semiconductor substrate. As a result, even when the impurity concentration in the thickness range on the light receiving layer side of the diffusion concentration distribution adjusting layer is lowered, the band gap energy is small, so a material having the band gap energy of the III-V group semiconductor substrate is used. It can be made larger than the case.
ここで、基板のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの拡散濃度分布調整層のより具体的な特性およびその特性とした理由は、次のとおりである。
(1)III−V族化合物半導体により近赤外域用の受光層を形成したとき、その受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを窓層に用いる場合があり、その場合、格子整合性等も考慮して、半導体基板と同じ材料が用いられることが多い。拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギは、窓層のバンドギャップエネルギより小さく、受光層のバンドギャップエネルギより大きいことを前提としている。受光層のバンドギャップエネルギより小さい場合には、エピタキシャル層表面を入射面とする構造を採用したとき、拡散濃度分布調整層が対象とする光を吸収し、受光層の受光感度を低下させるからである。
(2)窓層に通常用いられる大きなバンドギャップエネルギの材料よりも小さいバンドギャップエネルギの材料を用いることにより、不純物濃度を低くしても電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。この結果、上記のように電圧印加状態において応答速度の低下を抑制できる。
Here, the more specific characteristics of the diffusion concentration distribution adjusting layer having a band gap energy smaller than the band gap energy of the substrate and the reasons for the characteristics are as follows.
(1) When a near-infrared light-receiving layer is formed of a III-V group compound semiconductor, band gap energy larger than the band gap energy of the light-receiving layer may be used for the window layer. In view of this, the same material as the semiconductor substrate is often used. It is assumed that the band gap energy of the diffusion concentration distribution adjusting layer is smaller than the band gap energy of the window layer and larger than the band gap energy of the light receiving layer. If the band gap energy of the light receiving layer is smaller, the diffusion concentration distribution adjusting layer absorbs the target light and reduces the light receiving sensitivity of the light receiving layer when the structure having the epitaxial layer surface as the incident surface is adopted. is there.
(2) By using a material having a smaller band gap energy than a material having a large band gap energy normally used for the window layer, even if the impurity concentration is lowered, the degree of increase in electric resistance or the degree of decrease in electric conductivity is reduced. Can be small. As a result, it is possible to suppress a decrease in response speed in the voltage application state as described above.
拡散濃度分布調整層は、不純物元素の濃度が、受光層と接する面と反対側の面側にある1×1018/cm3以上の領域と、受光層側にある2×1016/cm3以下の領域と、2つの領域の間にあり2つの領域よりも厚みが薄く不純物元素の濃度が2×1016/cm3より大きく、1×1018/cm3より小さい領域と、を有するようにできる。
これによって、表面トップ側に位置する電極の界面抵抗を抑えながら、またはオーミック接触を可能にしながら、かつ多重量子井戸構造の良好な結晶性を確保することができる。拡散濃度分布調整層内の部分における低い不純物濃度に起因する電気抵抗の増大または電気伝導度の低下の問題は、上記のように、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをInP相当のそれよりも小さくすることにより軽減することができる。
In the diffusion concentration distribution adjusting layer, the concentration of the impurity element is 1 × 10 18 / cm 3 or more on the surface opposite to the surface in contact with the light receiving layer, and 2 × 10 16 / cm 3 on the light receiving layer side. And a region between the two regions and having a thickness smaller than that of the two regions and an impurity element concentration of greater than 2 × 10 16 / cm 3 and less than 1 × 10 18 / cm 3. Can be.
As a result, it is possible to ensure good crystallinity of the multiple quantum well structure while suppressing the interface resistance of the electrode located on the top side of the surface or enabling ohmic contact. As described above, the problem of an increase in electrical resistance or a decrease in electrical conductivity due to a low impurity concentration in the portion in the diffusion concentration distribution adjusting layer is that the band gap energy of the diffusion concentration distribution adjusting layer is set to be higher than that corresponding to InP. It can be reduced by making it smaller.
上記の受光層を構成する多重量子井戸構造を、タイプIIの量子井戸構造とすることができる。これにより、近赤外域の長波長側に受光感度を持つ受光素子を、適切な2つのIII−V族半導体材料を選ぶことによって、実現することが容易化される可能性が出る。 The multiple quantum well structure constituting the light receiving layer may be a type II quantum well structure. Accordingly, there is a possibility that the light receiving element having the light receiving sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region can be easily realized by selecting appropriate two III-V group semiconductor materials.
III−V族半導体積層構造はInP基板上に形成しており、受光層をInGaAs/GaAsSb多重量子井戸構造、またはGaInNAs/GaAsSb多重量子井戸構造とすることができる。これにより、これまで蓄積した材料および技術を用いて、容易に、結晶性に優れ、暗電流の低い受光素子を得ることができる。 The III-V group semiconductor stacked structure is formed on an InP substrate, and the light receiving layer can have an InGaAs / GaAsSb multiple quantum well structure or a GaInNAs / GaAsSb multiple quantum well structure. Thereby, it is possible to easily obtain a light receiving element having excellent crystallinity and low dark current by using the materials and techniques accumulated so far.
上記のInP基板を、(100)から[111]方向または[11−1]方向に、5°〜20°傾斜したオフアングル基板とすることができる。これによって、欠陥密度が小さく結晶性に優れた多重量子井戸構造の受光層を含む積層体を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。 The above InP substrate can be an off-angle substrate tilted by 5 ° to 20 ° from (100) in the [111] direction or the [11-1] direction. As a result, it is possible to obtain a stacked body including a light-receiving layer having a multiple quantum well structure with a low defect density and excellent crystallinity. As a result, it is possible to obtain a light receiving layer in which dark current is suppressed and there are few dark spots.
上記の不純物元素を亜鉛(Zn)とし、拡散濃度分布調整層をInGaAsで形成することができる。これにより、電気抵抗の不純物濃度依存性が小さく、不純物濃度が低くても電気抵抗はそれほど高くならない材料で、拡散濃度分布調整層を形成することができる。電気抵抗の増大抑制は、応答速度の劣化を防止する。また、不純物の亜鉛は、これまでの選択拡散の実績が豊富であり、高い精度で拡散領域を形成することができる。このため、拡散濃度分布調整層内で、拡散導入側の上側で高い濃度の不純物を、受光層側の下側で低い濃度としながら、その下側での電気抵抗を高めないようにできる。このため量子井戸構造を有する受光層内に、高い不純物濃度の領域を形成しないようにできる。この結果、応答性を低下させずに、結晶性の良好な量子井戸構造の受光素子を得ることができる。なお、InGaAsのバンドギャップエネルギは0.75eVである。 The impurity element can be zinc (Zn), and the diffusion concentration distribution adjusting layer can be formed of InGaAs. Thereby, the diffusion concentration distribution adjusting layer can be formed of a material that is less dependent on the impurity concentration of the electric resistance and does not increase the electric resistance so much even if the impurity concentration is low. Suppressing the increase in electrical resistance prevents response speed deterioration. Moreover, the impurity zinc has an abundant track record of selective diffusion so far, and a diffusion region can be formed with high accuracy. For this reason, in the diffusion concentration distribution adjusting layer, the high concentration impurity on the upper side on the diffusion introduction side is set to a lower concentration on the lower side on the light receiving layer side, and the electric resistance on the lower side can be prevented from being increased. For this reason, it is possible to prevent a region having a high impurity concentration from being formed in the light receiving layer having the quantum well structure. As a result, a light-receiving element having a quantum well structure with good crystallinity can be obtained without deteriorating responsiveness. The band gap energy of InGaAs is 0.75 eV.
拡散濃度分布調整層の上にInP窓層を備えることができる。InPによる窓層の形成は、内部の半導体積層構造の結晶性を損なわないことから、エピタキシャル層を入射面側とする構造を採用した場合、受光層より入射側での近赤外光の吸収などを防止しながら、暗電流の抑制にも有効に作用する。また、InPの結晶表面にパッシベーション膜を形成する技術は、他の結晶表面に形成する場合、たとえばInGaAsの表面にパッシベーション膜を形成する技術よりも蓄積があり、技術的に確立されており、表面での電流リークを容易に抑制することができる。 An InP window layer can be provided on the diffusion concentration distribution adjusting layer. The formation of the window layer by InP does not impair the crystallinity of the internal semiconductor multilayer structure. Therefore, when a structure having the epitaxial layer as the incident surface side is adopted, absorption of near infrared light on the incident side from the light receiving layer, etc. This effectively works to suppress dark current. In addition, the technology for forming a passivation film on the crystal surface of InP is more technically established than the technology for forming a passivation film on the surface of InGaAs, for example, when it is formed on another crystal surface. Current leakage can be easily suppressed.
ここで、受光素子アレイは、受光素子が、複数、半導体積層構造を共通にし、かつ不純物元素が受光素子ごとに受光層内に選択拡散されて形成されており、一次元または二次元配列されている。この構成によれば、受光素子が個々の不純物拡散領域で形成されるため、素子分離溝を設ける必要がない。このため、高精度で形成しやすく、暗電流を低くできる受光素子アレイを形成することができる。 Here, the light receiving element array is formed by sharing a plurality of light receiving elements, a semiconductor laminated structure, and an impurity element selectively diffused in the light receiving layer for each light receiving element, and is arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Yes. According to this configuration, since the light receiving element is formed by each impurity diffusion region, it is not necessary to provide an element isolation groove. Therefore, it is possible to form a light receiving element array that can be easily formed with high accuracy and can reduce the dark current.
上記の検査対象物の前または後に位置して光を分光する分光部と、分光された波長に応じて位置する複数の受光素子または受光素子アレイと、受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして水分を算出する制御部とを備えることができる。これによって、多波長同時検出などを、迅速に、かつ精度よく行うことができる。分光部は、回折格子などで形成するのが好ましい。また、制御部には、当然、記憶部、外部からの入力部などが含まれており、対象波長の検量線などがあらかじめ入力され、記憶されていてもよい。 The result of light received by the light receiving element or the light receiving element array, the light receiving element or the light receiving element array positioned according to the dispersed wavelength, the light separating part that is positioned before or after the inspection object and that separates the light. And a control unit for calculating moisture based on the calculation. As a result, multi-wavelength simultaneous detection and the like can be performed quickly and accurately. The spectroscopic section is preferably formed of a diffraction grating or the like. The control unit naturally includes a storage unit, an external input unit, and the like, and a calibration curve of the target wavelength may be input and stored in advance.
上記の受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、その撮像装置により検査対象物の水分布像を形成することができる。これによって、感覚的に理解しやすい検査対象物の水分布像を得ることができる。 An imaging device including a two-dimensional array of the above light receiving elements is provided, and a water distribution image of the inspection object can be formed by the imaging device. This makes it possible to obtain a water distribution image of the inspection object that is easy to understand sensuously.
上記の水分検出装置は、人工の光源を備えなくてもよい。この水分検出装置に用いられる受光部は、ノイズが小さく感度が良いので、たとえばSWIR宇宙光を光源に用いることができる。SWIR宇宙光は、昼夜を問わず、常時、宇宙から地球に照射されている。したがって、被検出物によっては、SWIR宇宙光を光源に用いて、人工の光源をとくに備えなくてもよい場合がある。 The moisture detection device may not include an artificial light source. Since the light receiving unit used in this moisture detecting device has low noise and good sensitivity, for example, SWIR cosmic light can be used as a light source. SWIR cosmic light is constantly radiated from space to the earth, day and night. Therefore, depending on the object to be detected, SWIR space light may be used as a light source, and an artificial light source may not be particularly provided.
また、光源に、SC光源またはLEDを用いることができる。通常ハロゲンランプが光源として用いられる。ハロゲンランプは発熱するため、照射することで水分の蒸発を伴うために、水分量の測定には適さない。これに対して、SC光源やLEDは発熱しないことから水分量の測定用光源に適している。 Moreover, SC light source or LED can be used for a light source. Usually, a halogen lamp is used as the light source. Since the halogen lamp generates heat, it causes evaporation of moisture when irradiated, and thus is not suitable for the measurement of moisture content. On the other hand, since the SC light source and the LED do not generate heat, they are suitable as a light source for measuring the moisture content.
本発明の生体中水分検出装置は、上記のいずれか1つの水分検出装置を備え、生体中の水分を検出することを特徴とする。これによって、生体中水分を高精度で検出することが可能となる。生体は、ヒトを含む動物、魚類、鳥類、昆虫、爬虫類など、生物全般またはその生物を構成している部分をさす。 A living body moisture detecting device of the present invention includes any one of the above moisture detecting devices, and detects moisture in the living body. This makes it possible to detect moisture in the living body with high accuracy. The living body refers to the whole organism or a part constituting the organism such as animals including humans, fish, birds, insects, reptiles and the like.
本発明の自然産物中水分検出装置は、上記のいずれか1つの水分検出装置を備え、自然産物中の水分を検出することを特徴とする。自然産物は、上記の生体に含まれるものであるが、とくに生体のなかでも、農林水産物など、農林水産活動の結果、生まれるものを指すこととする。これによって、農林水産活動によって生み出される自然産物中の水分を精度よく検出することが可能となる。 The natural product moisture detection device of the present invention includes any one of the above-described moisture detection devices, and detects moisture in the natural product. Natural products are contained in the above-mentioned living organisms, but in particular, the living organisms are those that are born as a result of agriculture, forestry and fishery activities such as agriculture, forestry and fishery products. This makes it possible to accurately detect moisture in natural products produced by agriculture, forestry and fisheries activities.
本発明の製品・材料中水分検出装置は、上記のいずれか1つの水分検出装置を備え、産業活動の対象となる、原料、中間製品、製品、日用品、廃棄物などの製品・材料中の水分を検出することを特徴とする。これによって、産業活動の対象となるすべての製品・材料中の水分を精度よく検出することが可能となる。 The moisture detector in products / materials of the present invention comprises any one of the above moisture detectors, and moisture in products / materials such as raw materials, intermediate products, products, daily necessities, wastes, etc., which are the targets of industrial activities. Is detected. This makes it possible to accurately detect moisture in all products and materials that are the targets of industrial activities.
本発明によれば、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長1.7μm以上に拡大したInP系フォトダイオードを用いて、水分を高感度で検出することができる水分検出装置、それを用いた、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置を得ることができる。 According to the present invention, there is provided a moisture detection device capable of detecting moisture with high sensitivity using an InP-based photodiode in which dark current is reduced without a cooling mechanism and the light receiving sensitivity is expanded to a wavelength of 1.7 μm or more. The used biological moisture detection device, natural product moisture detection device, and product / material moisture detection device can be obtained.
(実施の形態1−半導体受光素子アレイの構造−)
図1は、本発明の実施の形態における受光素子10を示す断面図である。図1によれば、受光素子10は、InP基板1の上に次の構成のIII−V族半導体積層構造(エピタキシャルウエハ)を有する。
(InP基板1/InPバッファ層2/InGaAsまたはGaInNAsとGaAsSbとの多重量子井戸構造の受光層3/InGaAs拡散濃度分布調整層4/InP窓層5)
InP窓層5から多重量子井戸構造の受光層3にまで届くように位置するp型領域6は、SiN膜の選択拡散マスクパターン36の開口部から、p型不純物のZnが選択拡散されることで形成される。受光素子10の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記SiN膜の選択拡散マスクパターン36を用いて拡散することによって達せられる。
(Embodiment 1-Structure of semiconductor light receiving element array)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
(
In the p-
p型領域6にはAuZnによるp側電極11が、またInP基板1の裏面にはAuGeNiのn側電極12が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、InP基板1にはn型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。InP基板1の裏面には、またSiONの反射防止膜35を設け、InP基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。
A p-
多重量子井戸構造の受光層3には、上記のp型領域6の境界フロントに対応する位置にpn接合が形成され、上記のp側電極11およびn側電極12間に逆バイアス電圧を印加することにより、n型不純物濃度が低い側(n型不純物バックグラウンド)により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層3におけるバックグラウンドは、n型不純物濃度(キャリア濃度)で5×1015/cm3程度またはそれ以下である。そして、pn接合の位置15は、多重量子井戸の受光層3のバックグラウンド(n型キャリア濃度)と、p型不純物のZnの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図2に示す位置となる。
In the light-receiving
拡散濃度分布調整層4内では、InP窓層5の表面5aから選択拡散されたp型不純物の濃度が、InP窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層3内では、Zn濃度は5×1016/cm3以下の不純物濃度を容易に実現することができる。図2では、受光層3内のZn濃度は、より低い1×1016/cm3程度以下が実現されている。
In the diffusion concentration
本発明が対象とする受光素子10は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層3のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるInPが用いられる。InPとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するInAlAsを用いてもよい。
Since the
(本実施の形態の受光素子アレイのポイント)
本実施の形態における特徴は、次の要素で構成される点にある。
1.多重量子井戸構造は、選択拡散で不純物を高濃度に導入した場合、その構造が破壊されるため、選択拡散による不純物導入を低く抑える必要がある。通常、上記の拡散導入するp型不純物の濃度を5×1016/cm3以下とする必要がある。
(Points of light receiving element array of this embodiment)
The feature of this embodiment is that it is composed of the following elements.
1. In the multi-quantum well structure, when impurities are introduced at a high concentration by selective diffusion, the structure is destroyed, so it is necessary to suppress the introduction of impurities by selective diffusion. Usually, the concentration of the p-type impurity to be diffused and introduced is required to be 5 × 10 16 / cm 3 or less.
2.上記の低いp型不純物の濃度を、実生産上、再現性よく安定して得るために、InGaAsによる拡散濃度分布調整層4を、受光層3の上に設ける。この拡散濃度分布調整層4において、受光層側の厚み範囲が、上記のような低い不純物濃度になると、その低い不純物濃度の範囲の電気伝導性は低下し、または電気抵抗は増大する。拡散濃度分布調整層4における低不純物濃度範囲の電気伝導性が低下すると、応答性が低下して、たとえば良好な動画を得ることができない。しかしながら、InP相当のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの材料、具体的には1.34eV未満のバンドギャップエネルギを持つIII−V族半導体材料によって拡散濃度分布調整層を形成した場合には、不純物濃度が低くても、電気伝導性は非常に大幅には低下しない。上記拡散濃度分布調整層の要件を満たすIII−V族半導体材料として、たとえばInGaAsを挙げることができる。
2. A diffusion concentration
拡散濃度分布調整層にバンドギャップエネルギの狭い材料を用いると、不純物濃度が低くても電気抵抗の増加を抑制することができる。逆バイアス電圧印加等に対する応答速度は、容量および電気抵抗によるCR時定数で決まると考えられるので、電気抵抗Rの増大を、上記のように抑制することにより応答速度を短くすることができる。 When a material having a narrow band gap energy is used for the diffusion concentration distribution adjusting layer, an increase in electrical resistance can be suppressed even if the impurity concentration is low. Since the response speed to reverse bias voltage application or the like is considered to be determined by the CR time constant due to the capacitance and electric resistance, the response speed can be shortened by suppressing the increase in electric resistance R as described above.
3.本実施の形態では、多重量子井戸構造をタイプIIとする。タイプIの量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限(カットオフ波長)が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる(直接遷移)。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、III−V族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプIIの量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる2種の半導体層が交互に積層されたとき、第1の半導体の伝導帯と、第2の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限(カットオフ波長)を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第2の半導体の価電子帯と、第1の半導体の伝導帯との間で行われる(間接遷移)。このため、第2の半導体の価電子帯のエネルギを、第1の半導体の価電子帯より高くし、かつ第1の半導体の伝導帯のエネルギを、第2の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、1つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。 3. In this embodiment, the multiple quantum well structure is of type II. In the type I quantum well structure, in the case of a light receiving element that has a light receiving sensitivity in the near infrared region while sandwiching a semiconductor layer having a small band gap energy between semiconductor layers having a large band gap energy, a semiconductor layer having a small band gap energy is used. The upper limit wavelength (cutoff wavelength) of the light receiving sensitivity is determined by the band gap. That is, transition of electrons or holes due to light is performed in a semiconductor layer having a small band gap energy (direct transition). In this case, the material for extending the cutoff wavelength to a longer wavelength region is very limited in the III-V compound semiconductor. On the other hand, in the type II quantum well structure, when two different semiconductor layers having the same Fermi energy are alternately stacked, the conduction band of the first semiconductor and the valence band of the second semiconductor are obtained. The upper limit of the wavelength (cutoff wavelength) of the light receiving sensitivity is determined. That is, transition of electrons or holes by light is performed between the valence band of the second semiconductor and the conduction band of the first semiconductor (indirect transition). For this reason, the energy of the valence band of the second semiconductor is made higher than that of the first semiconductor, and the energy of the conduction band of the first semiconductor is made lower than the energy of the conduction band of the second semiconductor. By doing so, it is easier to realize a longer wavelength of light receiving sensitivity than in the case of direct transition in one semiconductor.
4.上述のように、選択拡散マスクパターンを用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してp型不純物を拡散導入するので、上記のpn接合は受光素子の端面に露出しない。この結果、光電流のリークは抑制される。 4. As described above, by selective diffusion using the selective diffusion mask pattern, the p-type impurity is diffused and introduced into the periphery from the periphery of the light receiving element in a planar manner, so that the pn junction is the light receiving element. It is not exposed on the end face of As a result, leakage of photocurrent is suppressed.
図3は、上記の受光素子10を、共通のInP基板を含むエピタキシャルウエハに複数個配列した受光素子アレイ50を示す断面図である。受光素子10が複数個、素子分離溝なしに配列されている点に特徴を持つ。上述の4.で述べたように、各受光素子の内側にp型領域6が限定され、隣接する受光素子とは、確実に区分けされている。受光層3が多重量子井戸構造で形成されており、受光層3の上に拡散濃度分布調整層4が配置されて、受光層3内のp型不純物濃度が5×1016/cm3以下とされている点などは、図1の受光素子10と同じである。
FIG. 3 is a sectional view showing a light
次に、図1に示す受光素子10の製造方法について説明する。n型InP基板1上に、2μm厚みのInPバッファ層2またはInGaAsバッファ層2を成膜する。次いで、(InGaAs/GaAsSb)または(GaInNAs/GaAsSb)の多重量子井戸構造の受光層3を形成する。単位量子井戸構造を形成するInGaAs層(またはGaInNAs層)またはGaAsSb層の厚みは5nmであり、ペア数(単位量子井戸の繰り返し数)は300である。次いで、受光層3の上に、Zn拡散導入の際の拡散濃度分布調整層4として、厚み1μmのInGaAs層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み1μmのInP窓層5をエピタキシャル成長する。上記の受光層3および拡散濃度分布調整層4は、ともにMBE(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、InP窓層5は、MBE法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層4を成長させた後、MBE装置から取り出して、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
Next, a method for manufacturing the
InPバッファ層2またはInGaAsバッファ層2は、ノンドープでもよいし、Siなどn型ドーパントを1×1017/cm3程度ドーピングしてもよい。InGaAs/GaAsSb(またはGaInNAs/GaAsSb)の多重量子井戸構造の受光層3、InGaAsの拡散濃度分布調整層4、およびInP窓層5は、ノンドープが望ましいが、Siなどn型ドーパントを極微量(たとえば2×1015/cm3程度)ドーピングしてもよい。また、InP基板1とバッファ層2との間に、n型ドーパントを1×1018/cm3程度ドープしたn側電極を形成するための高濃度のn側電極形成層を挿入してもよい。また、InP基板1は、Feドープの半絶縁性InP基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性InP基板1とバッファ層2との間に、n型ドーパントを1×1018/cm3程度ドープしたn側電極形成層を挿入する。
The
上述のInP基板1を含む積層構造(エピタキシャルウエハ)を用いて、光デバイスを製造する。InP窓層5の表面5aに形成したSiNマスクパターン36を用いて、その開口部からZnを選択拡散してInGaAs/GaAsSb(またはGaInNAs/GaAsSb)多重量子井戸構造の受光層3内に届くようにp型領域6を形成する。p型領域6のフロント先端部がpn接合15を形成する。このとき、Zn濃度が1×1018/cm3程度以上の高濃度領域は、InGaAs拡散濃度分布調整層4内に限定される。すなわち、上記高濃度不純物分布は、InP窓層5の表面5aから深さ方向に、InGaAs拡散濃度分布調整層4内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層4内のより深い位置で5×1016/cm3以下に低下する。そして、pn接合15の近傍におけるZn濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
An optical device is manufactured using a laminated structure (epitaxial wafer) including the
受光素子10の一次元または二次元配列、すなわち図3に示す受光素子アレイは、素子分離用のメサエッチングをすることなくZnの選択拡散(受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散)によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Zn選択拡散領域6が1つの受光素子10の主要部となり、1つの画素を形成するが、Znが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。
The one-dimensional or two-dimensional array of the light-receiving
不純物の選択拡散によってpn接合を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向(深さ直交方向)にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念が、上記特許文献2に表明されている。しかしながら、実際にZnの選択拡散を行ってみると、最表面にInP窓層5があり、その下にInGaAs拡散濃度分布調整層4が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Znの選択拡散において、Znはマスクパターンの開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図1、図3などに模式的に示すように、マスクパターン開口部よりも少し広がるだけである。
When a pn junction is formed by selective diffusion of impurities, since the diffusion proceeds not only in the depth direction but also in the lateral direction (direction perpendicular to the depth), there is a concern that the element spacing cannot be narrowed beyond a certain level. It is expressed in
図4は、本発明とは異なる参考例1における受光素子110を示す断面図である。参考例1の受光素子110では、次の積層構造を有する。
(InP基板101/InPまたはInGaAsバッファ層102/(GaInNAs/GaAsSb)多重量子井戸構造の受光層103/InP窓層105)
本発明の実施の形態における積層構造と比較して、拡散濃度分布調整層がないことが相違点である。すなわち、InP窓層105の直下に、多重量子井戸構造の受光層103が配置されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a
(
The difference is that there is no diffusion concentration distribution adjustment layer as compared with the laminated structure in the embodiment of the present invention. That is, the
拡散濃度分布調整層がないと、図5に示すように、たとえばZn濃度分布は多重量子井戸構造の受光層103まで高い濃度となる。すなわち、多重量子井戸構造内において、5×1016/cm3を超えて1×1018/cm3の高い不純物濃度領域が形成される。多重量子井戸構造に高濃度不純物が導入されると、その構造が破壊され、暗電流が大きく増大する。逆に、このような高濃度不純物領域が、多重量子井戸構造内に形成されないようにするために、拡散濃度分布調整層を設けて選択拡散を行うのである。
Without the diffusion concentration distribution adjusting layer, as shown in FIG. 5, for example, the Zn concentration distribution has a high concentration up to the
しかしながら、Znの選択拡散において、次のような考え方が成立する余地がある。
(1)拡散導入時間を短時間に限定して、高濃度領域が多重量子井戸構造103内にかからないようにする。
(2)InP窓層105の厚みを厚くして、拡散濃度分布調整層の役割をInP窓層105に分担させる。
図6は、上記の(1)および(2)の場合を検討するための参考例2における受光素子110を示す断面図である。参考例2の受光素子110では、参考例1の受光素子とほぼ同じ積層構造を有するが、InP窓層105の厚みは、参考例1よりも厚くしており、上記(2)の場合に対応するが、(1)の場合も検討することは可能である。図6の積層構造において、多重量子井戸構造103内にZnの高濃度領域を形成しないように選択拡散を行った結果、得られたのが図7に示すZn濃度分布である。図7に示すZn濃度分布の場合、InP窓層105内において、Zn濃度は、高濃度から低濃度へと急峻に低下し、受光層側のInP窓層105内において、1×1016/cm3程度の低濃度不純物領域が形成される。
However, there is room for the following concept to be established in the selective diffusion of Zn.
(1) The diffusion introduction time is limited to a short time so that the high concentration region does not enter the multiple
(2) The thickness of the
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the
InP窓層105内において、1×1016/cm3程度の低濃度不純物領域が形成されると、その領域では、繰り返し説明してきたように電気抵抗が高くなり、応答速度が低下する。このため、窓層を形成するほどバンドギャップエネルギが大きい材料に、具体的にはその典型材料であるInP窓層105に、拡散濃度分布調整層の役割を果たさせることはできない。このことは、上記(1)および(2)の場合について同じである。よって、拡散濃度調整層には、バンドギャップエネルギがInP相当以下、具体的には1.34eV未満を満たす材料を用いるのがよい。すなわち、低濃度不純物領域でも、電気伝導度の低下が比較的小さく、電気抵抗の増加が比較的小さいInGaAsのような材料を用いる必要がある。
When a low-concentration impurity region of about 1 × 10 16 / cm 3 is formed in the
(実施の形態2−水分布の画像表示(イメージング)−)
1.水分検出装置における撮像装置(水分布像形成装置)の構造
図8は本発明の実施の形態2における水分検出装置に含まれる撮像装置(受光素子アレイ)の概要を示す図である。レンズなどの光学部品は省略してある。図9は、上記の撮像装置の受光素子アレイを説明するための図である。図10は、図9の受光素子アレイ50のうちの1つの受光素子を示す図である。図8において、この撮像装置70は、共通のInP基板51の上に形成された受光素子10がエピタキシャル層側を、実装基板の機能を有するマルチプレクサ71に向けて、いわゆるエピダウン実装されている。各受光素子10のエピタキシャル層のp型領域6と電気的に接続されるp側電極11と、共通のn型InP基板51(1)に設けられるn側電極12とは、マルチプレクサ71に接続され、電気信号をマルチプレクサに送り、マルチプレクサ71では各受光素子における電気信号を受けて、対象物の全体像を形成する処理を行う。n側電極12およびp側電極11は、それぞれはんだバンプ12b,11bを介在させてマルチプレクサ71と電気的に接続される。入射光は、InP基板51の裏面に形成したAR(Anti-Reflection)膜35を通して導入され、p型領域6と受光層3との界面であるpn接合15で受光される。p型領域6は、保護膜を兼ねるSiNのZn拡散マスク36の開口部から導入される。Zn拡散マスクパターン36は、その上に形成された保護膜のSiON膜パターン43とともにそのまま残される。受光素子アレイおよび各受光素子の構造については、図9および図10を用いて、次に詳しく説明する。
(Embodiment 2-Image display of water distribution (imaging)-)
1. Structure of Imaging Device (Water Distribution Image Forming Device) in Moisture Detection Device FIG. 8 is a diagram showing an outline of an imaging device (light receiving element array) included in the moisture detection device in
図9において、受光素子アレイ50の受光素子10は、共通のInP基板51(1)に設けられている。各受光素子でSWIR帯の宇宙光を受光することにより生じた電流信号は、上述のように実装基板を兼ねたマルチプレクサ71に送られ、画像形成の処理がなされる。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図9に示す受光素子アレイ50は9万画素のものである。図10に示す受光素子10は、InP基板1の上に形成された複数のエピタキシャル膜を有し、また、p型領域6を形成する際に用いた、p型不純物導入用の拡散マスク36を残している。p型領域6にはp部電極11が接続され、はんだバンプなどによりマルチプレクサ71など実装基板の配線などへと接続される。
In FIG. 9, the
図11は、図8に示したエピダウンの受光素子と異なり、エピアップ実装の受光素子を説明する断面図である。本発明においては、撮像装置内の受光素子はエピダウン実装でもエピアップ実装でも、どちらでもよい。この受光素子10は、n型InP基板1上に、下から順に、n型InPバッファ層2/受光層3/拡散濃度分布調整層4/InP窓層5/拡散マスク36/反射防止膜(AR膜:Anti-Reflection)35が位置している。p型領域6は、InP窓層5から拡散濃度分布調整層4を経て受光層3内のpn接合15まで形成されている。また、n側電極12がn型InP基板の裏面に位置し、p側電極11は、p型領域6のInP窓層5の表面に位置し、配線電極27に電気的に接続されている。本実施の形態においては、受光層3は、波長1.0μm〜3.0μmの範囲の光を受光する。具体的には、受光層3は、上述のタイプIIの多重量子井戸構造によって形成される。
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining an epi-up mounted light receiving element, unlike the epi-down light receiving element shown in FIG. In the present invention, the light receiving element in the imaging apparatus may be either epi-down mounting or epi-up mounting. The
図11に示す受光素子は、上記したようにエピアップ実装され、エピタキシャル層すなわちInP窓層5の側から光を入射される。本実施の形態における受光素子は、上述のように、エピアップ実装でもエピダウン実装でもよく、図12に示すように、エピダウン実装され、InP基板1の裏面側から光を入射されるタイプでもよい。図12のエピダウン実装の受光素子10の場合、InP基板1の裏面にAR膜35が施される。拡散濃度調整層4、InP窓層5、p側電極11および保護膜を兼ねるSiNの拡散マスク36は、エピアップ実装の場合と同様に設けられる。図12に示すエピダウン実装の場合、InP基板などInPはSWIR帯光に透明なので、SWIR帯光は吸収されることなく、受光層3のpn接合15に到達する。図12の構造においても、受光層は、上述のタイプIIの多重量子井戸構造によって形成される。以後の本発明例においても、とくに断らない限り、同様である。
The light receiving element shown in FIG. 11 is epi-up mounted as described above, and light is incident from the epitaxial layer, that is, the
p側電極11と、n側電極12とは、図11に示すようにInP基板1を間に挟んで対向する位置に配置してもよいし、図12に示すようにInP基板1の同じ側の位置に配置してもよい。図12に示す構造の場合、図9に示す受光素子アレイ50の各受光素子10と集積回路とはフリップチップ実装により電気的に接続される。図11および図12の構造の受光素子において、pn接合15に到達した光は吸収され、電流信号を生じ、上述のように、集積回路を通して各々一画素の像に変換される。
The p-
InP基板1は、(100)から[111]方向または[11−1]方向に5度〜20度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、(100)から[111]方向または[11−1]方向に10度〜15度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたn型InPバッファ層2、タイプIIの量子井戸構造の受光層3、InGaAs拡散濃度分布調整層4およびInP窓層5を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。このため、微弱なSWIR帯の宇宙光を受光して撮像する装置の性能を大きく向上させる受光層を得ることができる。すなわち上記オフアングル基板を用いて形成された受光素子の有する作用は、宇宙光を受光して撮像する撮像装置の品質向上にとくに有用である。
The
上記のような大きなオフ角は、InP基板について提唱されたことはなく、本発明者らによってはじめて確認されたものであり、InP基板上に良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させる場合の重要な要素である。たとえば、非常に長波長域の発光及び受光が可能であるとする、上記の量子井戸構造の受光層3中に、Nを含む化合物半導体、たとえばGaInNAsが含まれる場合、上記のような大きなオフ角のInP基板を用いない限り、実際には、実用に耐える、良好なエピアキシャル層として形成されることは不可能である。すなわち、上記のような大きなオフ角のInP基板を用いない限り、Nを含む化合物半導体、たとえばGaInNAsは暗電流を抑制し、暗点を減らした受光層になることはない。この結果、微弱なSWIR帯の宇宙光を用いて鮮明な画像を得ることができない。上記例としてあげたGaInNAsだけでなく、GaInNAsPおよびGaInNAsSbにおいてもInP基板のオフ角は、上記のような大きい角度範囲が、良好な結晶性を得るのに必要であるという点で同じである。
The large off angle as described above has never been proposed for the InP substrate, and has been confirmed for the first time by the present inventors, and is important for growing a good crystalline epitaxial film on the InP substrate. Is an element. For example, when a compound semiconductor containing N, for example, GaInNAs, is included in the light-receiving
図11および図12に示す受光素子10では、受光層3を覆うように位置するInGaAs拡散濃度調整層4およびInP窓層5を備える。受光層3の格子定数がInP基板1の格子定数と同じであるため、受光層3の上に、暗電流を小さくすることで定評があるInGaAs拡散濃度調整層4およびInP窓層5を形成することができる。このため、暗電流を抑制し、素子信頼性を向上させることができる。
The
2.自然産物中水分検出装置(水分布像形成装置)
(1)実施の形態3−メロン表皮の水分布像形成装置−
マスクメロン、夕張メロン、アンデスメロンのように、表皮に縞(ネット)を有するネット系メロンにおいては、出荷に際し、メロンの外観の評価を行う。従来は、メロンをカラーカメラで撮影し、そのカラー画像の色情報に基づいて表皮の地の部分と縞の部分とを識別することで評価していた。この方法に従う評価方法では、個体差に起因する着色度の差異や照明むらの影響を受けやすいので、識別精度が低いという欠点があった。そこで、メロンにおける表皮の地と縞では、水分の含有量に差異があることに着目して、近赤外光を用いて識別する方法が提案されている。この方法は、メロンの表皮の地の部分は水分量が多く、縞の部分は、水分量が少ないことを利用する。
2. Water detection device in natural products (water distribution image forming device)
(1) Embodiment 3-Water distribution image forming apparatus for melon epidermis-
In the case of a net melon having a strip (net) on the epidermis such as a mask melon, an Yubari melon, and an Andes melon, the appearance of the melon is evaluated at the time of shipment. Conventionally, melon was photographed with a color camera, and evaluation was performed by identifying the ground portion and the stripe portion of the epidermis based on the color information of the color image. In the evaluation method according to this method, there is a drawback that the identification accuracy is low because it is easily affected by a difference in coloring degree due to individual differences and uneven illumination. Therefore, a method of identifying using near infrared light has been proposed focusing on the fact that there is a difference in moisture content between the ground and stripes of the melon skin. This method uses the fact that the ground portion of the melon skin has a large amount of water and the striped portion has a small amount of water.
図13は、水の吸収スペクトルを示す図である。図13によれば、波長1.4μm付近および1.9μm付近に吸収のピークがある。また、波長2.5μmにおいても、ピーク波長ではないが、大きな吸収を示している。これら2つのピーク波長付近の光、2.5μmの光を用い、図8に示す撮像装置70を用いることで、縞と地とを高精度で識別することができる。図14は、本発明の実施の形態3における自然産物中水分検出装置(メロン表皮の水分布像形成装置)100を示す図である。ここでは、メロン表皮の水分布を検出する。近赤外光を含む光を出射する光源73を配置して、メロンMに光を照射する。メロンMから反射された光を受光する撮像装置70の前に、1.4μm付近、1.9μm付近、または2.5μm付近の光のみを透過させるフィルタ72を配置する。撮像装置70によって撮像された画像データは、制御部85に含まれる、画像処理用コンピュータ85bで処理され、画像表示装置85cに画像が表示される。
FIG. 13 is a diagram showing an absorption spectrum of water. According to FIG. 13, there are absorption peaks near wavelengths of 1.4 μm and 1.9 μm. Further, even at a wavelength of 2.5 μm, although it is not a peak wavelength, it shows a large absorption. By using the light in the vicinity of these two peak wavelengths and the light of 2.5 μm and using the
メロンMの地の部分では水の含有量が多いので、1.4μm付近または1.9μm付近の光は、乾いた縞の部分より、吸収されやすく、したがって反射光は弱くなる。このため、図15に示すように、メロンMの水分布像において、縞の部分は明るく、かつ地の部分は暗く表示される。また、縞と地の部分の他に、評価の対象になるツルの部分および割れの部分も鮮明に識別することができる。それは、図8に示す撮像装置70、また図1に示す受光素子10の暗電流が低く、波長1.4μmおよび1.9μmにおいて、当該波長の光の強弱を敏感に検出することができるからである。上記のような、地、縞、ツル、割れの識別は、個体差に起因する着色度の相違があっても、明確に行うことができる。
Since the water content of Melon M is high, the light near 1.4 μm or 1.9 μm is more easily absorbed than the dry stripes, and the reflected light is therefore weak. For this reason, as shown in FIG. 15, in the water distribution image of melon M, the fringe portion is displayed bright and the ground portion is displayed dark. In addition to the stripes and the ground portion, the vine portion and the cracked portion to be evaluated can be clearly identified. This is because the dark current of the
本発明の水分検出装置100の受光部は、1.4μm付近の光も、1.9μm付近の光も、また2.5μm付近の光も、感度よく、高いS/N比で検出する。このため、上記の3種の波長の光における画像を得て、それらを比較して取捨選択してもよい。また、統計処理により、妥当性の高い画像を得てもよい。上記のような、メロン表皮の外観評価方法は、人間の知覚に適合しやすい方法である。たとえば、メロン表皮をスキャンして水濃度の変化を一次元データで得る方法よりも、人間にとって的確に評価しやすい。従来は、近赤外域において、暗電流が低く鮮明な画像を得ることができず、このため、上記のような水分布の画像を得ることができなかった。しかし、上述の受光素子アレイを用いることによって、S/N比が高く、鮮明な画像を得ることができ、本実施の形態に示す水分布の鮮明な画像を得ることが可能になった。
The light receiving unit of the
(2)実施の形態4−水分検出装置による籾混入率の測定−
籾摺りロールで籾摺りし風選した後の摺落米(混合米)や、揺動選別による選別された状態や、玄米揚穀機から取り出された玄米などについて、籾混入率を高精度で知ることは重要である。従来は、光学センサによって穀粒表面の色彩差によって、籾と玄米とを判別することによって、籾混入率を測定していた。しかし、籾は籾殻に水分を含まず、籾から籾殻をはぎ取られ籾摺りされた玄米は、籾殻に比較して、表面に多くの水分を含んでいる。このため、たとえば波長1.45μmの光を、一粒の籾および一粒の玄米に照射して反射光をフォトダイオード(PD)で受光すると、図16に示すような、発生電圧の相違を生じる。すなわち、籾の反射像は明るく、玄米の反射像は暗い。そこで、籾のPD発生電圧と、玄米のPD発生電圧との間に、しきい値を設け、2値判断することで、籾と玄米とを明確に識別することができる。これは、青米であっても、籾殻の水分量とその中身の水分量とは、大きく相違するので、光学センサによる方法のように、判別誤差を生じない。着色米についても同様である。
(2)
Know the mixing rate of rice bran with high accuracy for rice that has been picked with a rice hull roll and wind-selected (mixed rice), the state that has been sorted by rocking sorting, and the brown rice that has been removed from the brown rice milling machine. Is important. Conventionally, the koji mixing rate was measured by discriminating koji and brown rice from the color difference of the grain surface with an optical sensor. However, rice husk does not contain moisture in rice husk, and brown rice that has been crushed from rice husk and crushed has more water on the surface than rice husk. For this reason, for example, when light of a wavelength of 1.45 [mu] m is irradiated onto one grain and one grain of brown rice and the reflected light is received by a photodiode (PD), a difference in generated voltage as shown in FIG. 16 occurs. . That is, the reflected image of the rice bran is bright and the reflected image of the brown rice is dark. Therefore, a threshold value is provided between the PD generation voltage of rice bran and the PD generation voltage of brown rice, and binary determination is made, so that rice cake and brown rice can be clearly identified. Even in the case of blue rice, the moisture content of the rice husk and the moisture content of the rice husk are greatly different from each other, so that no discriminating error occurs as in the optical sensor method. The same applies to colored rice.
図17は、本発明の実施の形態4における自然産物中水分検出装置100を示す図である。図17に示すように、揺動選別板211の板面に分布している穀粒群に、光源73から、波長1.4μm〜2.5μmを含む波長域の光を照射する。光源としてはスーパーコンティニウム光源(SC光源)または発光ダイオード(LED)を用いるのがよい。通常光源として用いられるハロゲンランプの場合発熱が大きく、照射された玄米が乾燥して判別精度が悪くなる場合がある。
撮像装置70を含む水分検出装置100は、フィルタ72をかけた穀粒群からの反射光に基づき、その制御部85の画像処理用コンピュータ85bによって水分布像を形成し、その像を表示装置85cに表示する。揺動選別板211上の穀粒群の水分布像において、籾は明るく、玄米や青米は暗い。しきい値をかけているので、この明暗は強調される。このため、制御部85の画像処理用コンピュータ85bは、面積占有率などを簡単に演算することができ、画像の統計処理によって、揺動選別板上の穀粒群の籾混入率を迅速に求めることができる。しかも、使用する波長については、図13に示す水の吸収スペクトルのうちのどの波長を用いてもよい。たとえば、1.4μm付近の光、および1.9μm付近の光を用いることができる。
FIG. 17 is a diagram showing a natural product
The
従来は、近赤外域において、暗電流が高く鮮明な画像を得ることができず、このため、上記のような水分布の画像を得ることができなかった。しかし、上述の受光素子アレイを用いることによって、S/N比が高く、鮮明な画像を得ることができ、本実施の形態に示す水分布の鮮明な画像を得ることが可能になった。また、上記の実施の形態では、自然産物として、メロン、米をあげたが、他の果物、穀類、海藻、海苔、魚介類、乳製品などに適用できる。 Conventionally, a clear image with a high dark current cannot be obtained in the near-infrared region, and for this reason, an image having the above water distribution cannot be obtained. However, by using the above-described light receiving element array, it is possible to obtain a clear image with a high S / N ratio and a clear water distribution as shown in the present embodiment. In the above embodiment, melon and rice are used as natural products. However, the present invention can be applied to other fruits, cereals, seaweed, seaweed, seafood, dairy products, and the like.
3.生体中水分検出装置
ここでは、特定の課題を解決するのではなく、生体中とくに光に敏感な眼における水分布の検出に、本発明に係る生体中水分検出装置または水分布イメージング装置が有用であることを提唱する。
(1)実施の形態5−眼の水分布像−
図18は、本発明の実施の形態5における生体中水分検出装置(眼の水分布像形成装置)100を示す図である。眼の不具合には、乾き眼、なみだ眼、など水分と関連した症状が多い。このような症状が出たとき、図18に示すように、角膜Cだけでなく、眼Eの前面すべての水分布イメージをとることで、その症状を評価することができる。たとえば涙腺に対応する箇所で、水濃度が異常に高いなどを検出することが可能である。凹面鏡76は近赤外光に対する反射率が大きいものを用いるのがよく、たとえば金(Au)で形成したものを用いる。凹面鏡76は、眼の正面ではなく傍らに位置して、眼の各部から出た光を反射して、眼の各部の像を撮像装置70に結像させるようにする。フィルタ72は、水の吸収帯に属する1.4μm付近の光または1.9μmの付近の光を透過させるものがよい。制御部85のマイクロコンピュータ85bは、撮像装置70の画素の出力信号に基づいて、眼Eにおける水分布像を形成し、表示装置85cに表示する。本発明に係る撮像装置70は、たとえば図8に示すものを用いるのがよい。暗電流が低く、長波長側にまで感度が高いため、S/N比の高い、鮮明な水分布像を得ることができる。このため、眼における水の果たす作用、水の動きなどの理解に役立つ。
3. In-vivo moisture detection device In this case, the in-vivo moisture detection device or the water distribution imaging device according to the present invention is useful for detection of water distribution in a living body, particularly in an eye sensitive to light, rather than solving a specific problem. I advocate it.
(1) Embodiment 5-Eye water distribution image-
FIG. 18 is a diagram showing an in-vivo moisture detecting apparatus (eye water distribution image forming apparatus) 100 according to
眼は光に対して非常に敏感に反応するので、できれば光源73は使用しないことが好ましい。図19は、SWIR宇宙光の強度分布を示す図である。たとえば、このSWIR宇宙光のスペクトルのピークIを、光源に用いることができる。ピークIの波長は、1.4μm付近にあり、水の吸収帯に属する波長である、このため、図18において、光源73を除いて、SWIR宇宙光で代用することができる。または、人工の光源73を用いるにしても、光を近赤外域に限定して、しかもそのピーク値をSWIR宇宙光のピーク強度のたとえば2倍とすることでもよい。上記SWIR宇宙光を光源にすることでアイセーフが確実に実現される。上記のように、SWIR宇宙光を用いたり、強度レベルの低い光源を用いることができるのは、本発明に係る撮像装置70の暗電流を低くできるからである。すなわち微弱な信号でも、鮮明な画像を形成することができるからである。
Since the eye is very sensitive to light, it is preferable not to use the
(2)実施の形態6−角膜矯正手術における角膜水分布検出−
ArFエキシマレーザを用いて、角膜を蒸散させ、精密な角膜矯正手術を行う方法が知られている。このような角膜矯正手術は、矯正量の制御性がよい、手術が自動化されている、安定性に優れる、術後の感染性副作用が少ない、角膜の強度低下が少ない等の利点を有している。しかしながら、上記の角膜矯正手術は、弱度近視と中程度近視に対する臨床試験結果は有効であるのに対し、ArFエキシマレーザによる角膜中央部へのレーザ照射回数を増加させると、生体液の角膜表面への浸出が顕著になり、角膜の蒸散が進まなくなる。このため、強度近視に対して予定した矯正量を得ることができず、手術の成功率が悪くなるという問題があった。角膜にArFエキシマレーザを照射したとき、蒸散時に角膜表面から発生するキノコ状の噴霧を取り除くために窒素ガスを吹き付けると、表面が乾燥して蒸散面の平滑化が悪化するという問題があった。
(2) Embodiment 6-Detection of corneal water distribution in cornea correction surgery-
A method of performing precise cornea correction surgery by evaporating the cornea using an ArF excimer laser is known. Such corneal correction surgery has advantages such as good controllability of the correction amount, automated surgery, excellent stability, less post-operative infectious side effects, and less decrease in corneal strength. Yes. However, while the above corneal correction surgery is effective in clinical trial results for weak and moderate myopia, increasing the number of times the central cornea is irradiated with an ArF excimer laser increases the corneal surface of the biological fluid. The leaching of the cornea becomes noticeable and the corneal transpiration does not progress. For this reason, there is a problem in that the amount of correction scheduled for high myopia cannot be obtained, and the success rate of the operation is deteriorated. When the cornea was irradiated with an ArF excimer laser, if nitrogen gas was blown to remove mushroom-like sprays generated from the cornea surface during transpiration, there was a problem that the surface dried and the smoothening of the transpiration surface deteriorated.
上記のように、術中における角膜表面の湿潤状態は、蒸散の良否を左右する重要な要因となっており、術中の角膜表面の湿潤状態をモニタする必要がある。ArFエキシマレーザの照射による角膜蒸散のとき、主にコラーゲンがレーザを吸収して蒸散し、角膜の約80%を占める組織液は、残存角膜から浸出し、その部分の組成が変化してArFエキシマレーザの吸収が変化する。コラーゲンの蒸散に費やされたArFエキシマレーザは、コラーゲンの分子の振動、回転に変換され、温度上昇が生じる。このため、温度の4乗に比例した強度の赤外光が放射される。この赤外光をモニタすることで、角膜の湿潤状態を検出することができるとの提案がなされている(特許文献11)。この方法では、1つの角膜Cの全体に対して、赤外線の波形が一つ対応するだけなので、角膜全体の平均的な湿潤状態についての情報が得られるだけである。しかし、実際は、組織液の浸出は、1つの角膜のなかで、島状に分かれて生じるため、角膜の各位置の湿潤状態の情報があったほうが好ましい。 As described above, the wet state of the corneal surface during surgery is an important factor affecting the quality of transpiration, and it is necessary to monitor the wet state of the corneal surface during surgery. At the time of corneal transpiration by irradiation with ArF excimer laser, collagen absorbs the laser and evaporates, and the tissue fluid that occupies about 80% of the cornea leaches out from the remaining cornea, and the composition of the portion changes to change the ArF excimer laser. Changes in absorption. The ArF excimer laser spent for the transpiration of collagen is converted into vibration and rotation of collagen molecules, resulting in a temperature rise. For this reason, infrared light having an intensity proportional to the fourth power of the temperature is emitted. It has been proposed that the wet state of the cornea can be detected by monitoring this infrared light (Patent Document 11). In this method, since only one infrared waveform corresponds to the entire cornea C, only information on the average wet state of the entire cornea can be obtained. However, in actuality, the leaching of the tissue fluid occurs in islands in one cornea, so it is preferable to have information on the wet state at each position of the cornea.
本発明に係る撮像装置70または受光素子二次元アレイ50を用いることによって、角膜の各位置における湿潤状態の情報を明確に得ることが可能である。組織液には多量の水分が含まれており、術中に過渡的に浸出が生じるときの、水分の角膜全体にわたる分布推移を検出することができる。このような検出は、角膜の湿潤状態に貴重な情報をもたらすことは明らかである。この場合、上記パルスレーザのパルス幅は10nsのオーダであり、その後の数ms〜1000msの間の水分布を検出することが重要である。ArFエキシマレーザショット後、10ns程度で、角膜蒸散のキノコ雲状の噴霧が発生するが、この噴霧の影響をなるべく受けないように、角膜表面の水分布を数ms〜数十msのオーダで追跡して検出する必要がある。
By using the
図20および図21は、本発明の実施の形態6における、手術中の角膜の水分布を検出する装置を説明するための図である。光源73は、図示しないArFエキシマレーザの出射部と重ならないように配置する。図20において、光学系は、角膜の像を、撮像装置70または受光素子二次元アレイ50に結像するように構成されている。角膜の水分が多い箇所は画素または受光素子の出力電圧は小さく(暗く)、また水分が少ない箇所では出力電圧は高く(明るく)なる。ArFエキシマレーザショットの直後、撮像装置70または受光素子二次元アレイ50、の各画素の出力電圧の波形(時間推移)は、制御部85に含まれる処理装置85bに入力され、記憶される。撮像装置70の画素または二次元アレイの受光素子10は、図21に示すように、細かく区分けされた角膜Cの各位置に対応づけられる。
20 and 21 are diagrams for explaining an apparatus for detecting the water distribution of the cornea during surgery in the sixth embodiment of the present invention. The
図22に、ArFエキシマレーザショット直後における想定される各画素の出力電圧波形を示す。図22(a)は第3画素の波形であり、たとえば15ms経過時点で電圧V3とする。また、図22(b)は第7画素の波形であり、15ms経過時点で電圧V7とする。V7>V3であることから、第3画素の位置の水濃度が高いことが分かる。これより、第3画素に対応する位置の角膜では、組織液の比率が高く、コラーゲンの比率が低下することが分かる。この結果、第3画素に対応する位置での、ArFエキシマレーザの吸収率が低下することが予想される。 FIG. 22 shows an assumed output voltage waveform of each pixel immediately after the ArF excimer laser shot. FIG. 22A shows the waveform of the third pixel. For example, the voltage is V 3 when 15 ms elapses. Further, FIG. 22 (b) is a waveform of the seventh pixel, the voltage V 7 at 15ms elapse. Since V 7 > V 3 , it can be seen that the water concentration at the position of the third pixel is high. From this, it can be seen that in the cornea at the position corresponding to the third pixel, the tissue fluid ratio is high and the collagen ratio is decreased. As a result, the absorption rate of the ArF excimer laser at the position corresponding to the third pixel is expected to decrease.
本発明に係る撮像装置70は、角膜の各位置の湿潤状態を医学的に把握するのに十分すぎるほどの密度で画素を形成することができる。そして、隣接する画素間でのクロストークも小さく、暗電流も非常に小さくすることができる。また、上述のように、拡散濃度分布調整層をInGaAsで形成することで応答時間を短くすることが可能である。このため、各画素において出力電圧波形を、高い追随性をもって高精度で得ることができる。このような画素の波形をすべて集めて角膜の地図上で水分濃度をプロットすれば、ArFエキシマレーザショット直後における角膜全体での浸出状況を把握することができる。
The
(3)実施の形態7−顔面の水分布像−
顔面の水分布像が、医学的または美容的に、どのような利用価値をもつか明確にすることはできない。しかし、本発明に係る撮像装置70を用いれば、図23に示すように、顔面の鮮明な水分布像を得ることができる。また、上述のように、顔面の水分布像の撮像には、アイセーフが問題とされる。本発明に係る撮像装置70は、微弱な信号でも鮮明な像を得ることができるので、光源を用いずにSWIR宇宙光を用いることができる。また、光源を用いる場合でも、発光強度の低い光源を用いることができる。このため、アイセーフの問題を克服するのが容易である。
(3) Embodiment 7-Facial water distribution image-
It is not possible to clarify how the facial water distribution image is medically or cosmetically useful. However, if the
(4)実施の形態8−生体の水分検出−
図24は、本発明の実施の形態における、ツメ、毛髪、皮膚Sなど生体の各部の水分検出装置100を示す装置を示す図である。図24では、反射光を検出に用いることを想定しているが、透過光を用いてもよい。光源73は1.4μm付近および1.9μm付近の光を含む光を出射する。投光用光ファイバ81を経て、上記の生体各部Sに照射され、反射された光は受光用光ファイバ82を経て、分光検出装置91に入力される。分光検出装置91では、回折格子などの分光器で分光し、たとえば一次元受光素子アレイ50によって波長域ごとに受光して、反射光の強度を測定する。制御部85では、予め記憶された検量線をもとに、演算部85bにおいて波長域ごとの反射光の強度をもとに水分を求め、その結果を表示部85cに表示し、また記録媒体86に記録する。
(4) Embodiment 8-Water Detection of Living Body-
FIG. 24 is a diagram showing a device showing the
図24に示す水分検出装置100では、連続した波長の光を生体各部に照射するので、水以外の生体成分を同時に検出することができる。たとえば、化粧品のクリームに含まれる尿素は、皮膚に浸透して、肌荒れやざらつきを治療し、また保湿効果を高める。このため、尿素の浸透性を評価するために、尿素塗布後の所定時間経過時に、尿素および水分を同時に測定することが行われる。水の検出は、たとえば1.85μm〜1.95μmの光により、また尿素の検出は1.95μm〜2.0μmの光で行う。分光検出装置91において分光された波長域ごとの光に対応するように、複数の受光素子(個別の複数の受光素子10、または一次元アレイ50)を配置する。これによって、多くの波長の光に対して、雑音の少ない出力電圧を得ることができ、標準サンプルを用いた検量線の作成においても、また検査対象の水分検出時の測定においても、高精度のデータを得ることができる。これによって、検査対象物について、精度の高い定量的な水分検出をすることができる。上記の実施の形態では、眼、顔、皮膚、つめ、毛髪をあげたが、他の身体部、などに適用できる。またヒトに限定されず、他の生物にも適用できることはいうまでもない。
In the
4.製品・材料中水分検出装置
(1)実施の形態9−自動排油装置への適用−
図25は、自動排油装置を説明する図である。この自動排油装置は、油水分離器内の油を自動的に排出するために用いられる。図25において、原水入口504から油水分離器511へと油と水が流入する。油は水よりも軽いので液面512の近傍には、主として油が存在する。液面より少し下に排油入口513があり、この排油入口513から流入する油と水が、センサ入口508と、オンラインセンサ(水分検出装置)100内に設置したポンプ514とを経て、原水入口504に接続したセンサ出口509へ送られる。
4). Product / Material Moisture Detection Device (1) Embodiment 9-Application to Automatic Oil Draining Device-
FIG. 25 is a diagram illustrating an automatic oil draining apparatus. This automatic oil draining device is used for automatically discharging the oil in the oil-water separator. In FIG. 25, oil and water flow from the
図26は、本発明の実施の形態9における水分検出装置(オンラインセンサ)100の構成を示す図である。図25のポンプ514から送られた油は、フローセル515を経て図25のセンサ出口509へ送られる。フローセル515は、石英でできており、光源73から出射された光が透過する。油と水とを透過した光のうち、所定の波長の光は、吸収される。この光は、油水の情報を含んでいる。フローセル515の後段に、分光器91を配置し、その後段に、分光された波長域ごとに1個の受光素子10を配置する。個々の受光素子ではなく、一次元または二次元受光素子50を配置してもよい。受光素子10において、上記フローセル515内の油水のうち、水によって吸収された、1.4μm、1.9μm付近の光は、その分、低い出力電圧をもたらす。
FIG. 26 is a diagram showing a configuration of a moisture detection apparatus (online sensor) 100 according to the ninth embodiment of the present invention. The oil sent from the
受光素子10または受光素子アレイ50から出力された電気信号は、制御部85のCPU85bへ送られ、水分濃度が算出され、必要に応じて表示装置85cに表示し、またプリンタ85pに打ち出す。上記の水比率がある値以下(たとえば20%以下)であれば、電気信号を、図25に示す排油弁506を開いて、油を排油口507から排出する。また、水比率がそれより高い場合は、油水分離器511内の水を処理水出口505から排出する。
The electric signal output from the
上記の水分検出装置100によれば、油水混合液中の水の比率を精度よく、与えることができる。とくに複数の波長の光について、水による吸収をへた光の受光をするので、これらを統計処理することで、より高精度の水分比率を求めることができる。
According to said
(2)実施の形態10−紙製品中の水分とセルロースの検出−
図27は、本発明の実施の形態10における紙製品中の水分とセルロースを検出する装置を示す図である。図27に示す装置では、3つの波長の光A、B、Cを用いる。
A:水分にもセルロースにも吸収を受けない光。たとえば波長1.8μmの光
B:水分の吸収を受ける波長域の光。たとえば波長1.94μmの光
C:セルロースの吸収を受ける波長域の光。たとえば波長2.1μmの光
(2) Embodiment 10-Detection of moisture and cellulose in paper products-
FIG. 27 is a diagram showing an apparatus for detecting moisture and cellulose in paper products in
A: Light that is not absorbed by moisture or cellulose. For example, light B having a wavelength of 1.8 μm: light in a wavelength region that absorbs moisture. For example, light C with a wavelength of 1.94 μm: light in a wavelength region that is absorbed by cellulose. For example, light with a wavelength of 2.1 μm
光源73は、上記のA、B、Cの光を含む光を出射する。集光レンズ87で平行光線とされて、検査対象物の紙製品Pに照射される。紙製品Pを透過した透過光は、分光器91たとえば回折格子で分光されて、それぞれの波長を担当する受光素子10によって受光される。複数の受光素子10は、個別の受光素子から構成されても、一次元アレイ50であってもよい。各受光素子10では信号電圧を出力し、サンプルホールド回路84でこれを保持して、記憶部、演算回路等を含む制御部85に入力する。制御部85では、予め入力されている水分およびセルロースの検量線および秤量値と合わせて、水分含有率およびセルロース含有率を算出する。この結果、紙製品の物性を知り、銘柄などを判別することができる。
The
上記の製品・原料中水分検出装置100によれば、複数の波長を同時に検査対象に照射して、迅速に受光して情報を出力することができる。このとき、暗電流等が低いので、S/N比の高い信号を出力することができる。また、たとえば受光素子10を一次元アレイで構成した場合でも、各受光素子は、p型不純物の選択拡散によってpn接合を形成され、隣接する受光素子とは分離されている。すなわち、メサエッチングによる分離溝を設けていないので、ノイズが低い信号を出力することができる。また、上記の受光素子は、長波長側は3μmまで感度をもつので、上記Cの光を余裕をもって高感度で受光することができる。さらに、上記のA,B、Cの波長に限定されず、3μmまでの範囲で、適切な波長の光を選ぶ自由度をもつ。
According to the above-described product / raw material
(3)実施の形態11−汚泥の脱水ケーキの水分検出装置−
図28は、本発明の実施の形態11における製品・原料中水分検出装置100を示す図である。汚泥には多くの種類があり、たとえば下水汚泥を例にしても初沈汚泥、余剰汚泥、消火汚泥、およびこれらの混合汚泥などのように処理工程によって数種類の汚泥が発生する。さらに脱水処理工程に送られる汚泥は、刻一刻と変化する。この場合、脱水ケーキの性状によっては、水の吸収帯の波長の光に重なる吸収をもつものが現れる。このとき、脱水ケーキの性状の変化に応じて、一方の水の吸収波長から他方の水の吸収波長へと、重なる部分が変わる場合などが普通に生じる。このため、脱水ケーキの性状に応じて、水分量を求める波長を適切に選択する必要がある。
(3) Embodiment 11-Moisture detector for dewatered cake of sludge-
FIG. 28 is a diagram showing a product / raw material
図28は、本発明の実施の形態における製品・原料水分検出装置100を示す図である。本実施の形態の水分検出装置100では、6つの波長の光Λ1〜Λ6を用いる。
Λ1:1320nm(水分と油脂とによる吸収(S1,X1))
Λ2:1360nm(参照光(R))
Λ3:1450nm(水分による吸収(S2))
Λ4:1540nm(水分と蛋白質とによる吸収(S3,X2))
Λ5:1590nm(水分と蛋白質とによる吸収(S4,X3))
Λ6:1760nm(油脂による吸収(X4))
検査対象物について、上記の波長の電圧信号が得られる。各波長に付したS1などの符号は、S1〜S4は水分検出用データとして用い、X1〜X4は性状判別用データとして用いることを示す。
FIG. 28 is a diagram showing a product / raw material
Λ1: 1320 nm (absorption due to moisture and oil (S1, X1))
Λ2: 1360 nm (reference light (R))
Λ3: 1450 nm (absorption by moisture (S2))
Λ4: 1540 nm (absorption by water and protein (S3, X2))
Λ5: 1590 nm (absorption by water and protein (S4, X3))
Λ6: 1760 nm (absorption by fats and oils (X4))
A voltage signal having the above wavelength is obtained for the inspection object. Symbols such as S1 attached to each wavelength indicate that S1 to S4 are used as moisture detection data, and X1 to X4 are used as property determination data.
図28によれば、光源73は、上記の波長Λ1〜Λ6を含む光を出射する。反射板88で反射された光は、検査対象物の汚泥の脱水ケーキYに照射される。脱水ケーキYから反射された光は、集光レンズ87で平行光線とされ、回折格子などの分光器91で、上記の波長域に分光される。分光された波長ごとに受光素子10を、複数、配置して、各波長の光を受光して電気信号に変換する。この複数の受光素子10は、一次元アレイ70であってもよい。各波長の電気信号は、マイクロコンピュータ85のアナログ入力部85aに入力される。次いで、記憶部をもつ演算部85bで演算されて、水分比率を算出され、表示部85cで表示される。
According to FIG. 28, the
上記の光→電気信号→信号処理の内容の詳細な説明は、省略するが、概要はつぎのとおりである。まず、上記のX1〜X4の電圧信号データをもとにして、検査対象物の性状を判定する。その判定結果に対応して、回帰式の係数がすでに決まっており、その回帰式に、上記のS1〜S4の電圧信号データを入力すると、水分比率を求めることができる。水分算出の回帰式が数種類あって、検査対象物の性状に応じて、水分算出回帰式が選択されるというのが、全体のスキームである。これによって、汚泥ケーキについて、常に妥当な水分含有率を得ることができる。 A detailed description of the contents of the above-described optical → electrical signal → signal processing is omitted, but the outline is as follows. First, the property of the inspection object is determined based on the voltage signal data of X1 to X4. Corresponding to the determination result, the coefficient of the regression equation has already been determined. When the voltage signal data of S1 to S4 is input to the regression equation, the moisture ratio can be obtained. The overall scheme is that there are several types of regression equations for moisture calculation, and the moisture calculation regression equation is selected according to the properties of the test object. This makes it possible to always obtain an appropriate moisture content for the sludge cake.
上記の受光素子10または一次元アレイ50は、暗電流が低く、隣接する受光素子との間のクロストークも生じない。このため、高いS/N比の電気信号を得ることができ、上記の水分算出の精度を高めることができる。また、波長の感度上限が3μmまであるので、上記の汚泥ケーキYの性状判別に用いる波長をより長波長に拡大することができ、本水分測定方法のスキームにおける波長選択の自由度を広げることができる。
The
(4)実施の形態12−石炭中の水分検出−
図29は、本発明の実施の形態12における石炭中の水分検出装置を示す図である。光源73からの光は、石炭Gに反射されて集光レンズ87によって平行光線とされ、分光器91によって分光される。石炭Gは、石炭粉末を押し固めたものであり、石炭の反射光ではなく、透過光を用いてもよい。分光された光を、波長別に受光するために配置された受光素子10または受光素子アレイ50が出力する電気信号は、制御部85に読み出される。電気信号は、制御部85の入力インターフェイス85aに入力される。制御部85のスペクトル形成部85jでは、受光素子10または受光素子アレイ50の出力信号に基づき近赤外域スペクトルを形成する。制御部85は、中央演算処理装置85b、入力装置85d、回帰モデル記憶装置85f、表示装置85cを、主要部として構成されている。その他、回帰モデル記憶装置のインターフェイス(メモリ駆動回路)、出力装置のインターフェイスなども含んでいる。
(4) Embodiment 12-Detection of moisture in coal-
FIG. 29 is a diagram showing an apparatus for detecting moisture in coal according to the twelfth embodiment of the present invention. The light from the
制御部(石炭水分推定処理装置)85は、入力装置85dによって、予め、所定の回帰モデルを打ち込んで、回帰モデル記憶装置85fに記憶させておく。回帰モデルは、上記近赤外域スペクトルと水分値との対応関係を数値化したものである。スペクトル形成部で形成される上記近赤外域スペクトルは、必要に応じて、平均化処理、一次微分、二次微分等の前処理を行うのが好ましい。このような処理が施された近赤外域スペクトルのピーク値から、水分値を求めるために、重回帰式(モデル)が、上述のように、予め形成されている。そのために、水分値が知られた石炭の標準サンプルについて、重回帰式を求めておく。この重回帰式に、測定したピーク波長のピーク値を代入して演算することで、検査対象の石炭の水分値を求めることができる。その水分検出結果は、インターフェイスを経て、表示装置85cに表示される。
The control unit (coal moisture estimation processing device) 85 inputs a predetermined regression model in advance by the
上記の受光素子10または受光素子アレイ50は、暗電流が低く、クロストークもないので、S/N比の高い信号を得ることができる。このため、水分値が既知の標準サンプルについて重回帰式を作成するに際し、信頼性の高い受光信号データに基づいて、高信頼性の重回帰式を求めることができる。そして、検査対象の石炭についても、雑音が低い信頼性の高い近赤外域スペクトルを採取することができる。このため、石炭の水分を高精度で検出することができる。
Since the
(5)実施の形態13−乾燥中の衣類の水分検出装置−
図30は、衣類乾燥機610で乾燥中の衣類Lの水分検出装置100を示す図である。この衣類乾燥機610における、外槽や送風機等は省略してある。洗濯を終えた衣類Lは湿った状態で、衣類収納ドラム603に収納され、回転される。衣類収納ドラム603の外側には内槽602が位置し、さらにその外側に、図示を省略された外槽が位置している。乾燥中の衣類Lの水分検出装置100では、近赤外光の光源73として、発光ダイオードLED(Light Emitting Diode)などを用いるのが、限定的なスペースを活用する上で好ましい。LEDの光の波長は、1.4μm付近または1.9μm付近の光を発光するものがよい。
回転する衣類収納ドラム603には、フィルタの窓614,615が設けられていて、回転中のある瞬間に、光源73→窓614→窓615→受光素子10が、一直線に並ぶようにする。
(5) Embodiment 13-Device for detecting moisture in clothing during drying-
FIG. 30 is a diagram illustrating the
The rotating
図31は、受光素子10で受光したとき、電気信号を読み出して、駆動モータのスイッチ等の制御に用いる制御部85を示す図である。制御部85は、プリント基板上に実装するのがよい。受光素子10からの電気信号は、インターフェイス85aに読み出され、水分検出・乾燥度演算部85bにおいて、水分および乾燥度が算出される。そして、その乾燥度をもとにして、制御部85kは、図示しない駆動モータなどのスイッチのオンオフ制御を行う。これによって、乾燥機で乾燥中の衣類の水分を検出することができ、乾燥機による乾燥の時間を必要最小限にして、時間や電力の無駄をなくすことができる。また、衣類の過剰乾燥処理による損傷を防止することができる。
FIG. 31 is a diagram illustrating a
上記の受光素子10は、波長1.95μmにおいて、高い受光感度をもち、かつ暗電流が低いので、弱い光であっても、大きなS/N比の電気信号を出力することができる。このため、回転する衣類収納ドラム603に収納された衣類の乾燥状態または水分状態を検知するのに適した位置で、透過光を受光することで、乾燥状態を知ることができる。
上記の実施例では、油水、石炭、汚泥ケーキ、紙製品、衣類、についての例をあげたが、これらに限定されず、フィルム、樹脂、おむつ等への適用も可能である。
The
In the above-described embodiments, examples of oil water, coal, sludge cake, paper product, and clothing are given. However, the present invention is not limited to these, and application to films, resins, diapers, and the like is also possible.
−半導体受光素子アレイの構造についての実施例−
本発明の受光素子アレイの素子間隔または画素ピッチをどの程度まで小さくできるか、図32に示す受光素子アレイを用いた実施例によって検証した。受光素子間隔または画素ピッチは、図32に示すように、SiN選択拡散マスクパターン36の非開口部の幅である。Znの選択拡散の後に、p側電極11はAuZnにより、またn側電極12はAuGeNiにより、それぞれ形成した。図3の場合、InP基板1にFeドープの半絶縁性基板を用いているので、高濃度不純物のバッファ層2にn側電極12を設けているが、図1に示すようにn型InP基板を用いる場合には、基板裏面にn側電極を設けてもよいし、または基板表面側に基板と隣接するn型半導体層(たとえばバッファ層2)にn側電極を設けてもよい。本実施例では、図3の受光素子アレイのp側電極11とn側電極12との間に5Vの逆バイアス電圧を印加して、暗電流を測定した。InP窓層5の厚みは0.6μmと1.6μmの2種類について、また素子間隔は3μm〜20μmの範囲にわたって7種類の素子間隔について、それぞれ受光素子アレイを製造して、暗電流を測定した。拡散濃度分布調整層4の厚みは1μmとした。
-Example of the structure of the semiconductor light receiving element array-
To what extent the element spacing or pixel pitch of the light receiving element array of the present invention can be reduced was verified by an example using the light receiving element array shown in FIG. The light receiving element interval or pixel pitch is the width of the non-opening portion of the SiN selective
結果を図33に示す。図33によれば、InP窓層5の厚みが0.6μmと薄い場合、素子間隔または画素ピッチを5μmまで小さくしても、暗電流は1×10−10A(アンペア)とすることができる。InP窓層5の厚みが1.6μmの場合には、上述したように、横方向へのZnの拡散が広がり、素子間隔7μmを超えないと、1×10−10Aとすることができない。しかし、本実施例によって、InP窓層5の厚みを0.6μmと薄くし、かつ拡散濃度分布調整層を配置することによって、素子間隔5μmとすることができることを確認した。
The results are shown in FIG. According to FIG. 33, when the thickness of the
拡散濃度分布調整層4の作用については、Znの深さ方向濃度分布をSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)分析によって検証した。図34に、Znの深さ方向濃度分布を示す。図34によれば、InGaAs拡散濃度分布調整層4と受光層3との界面において、Znのパイルアップのピーク値は5×1016cm-3以下に抑制されている。このため、受光層3のn型キャリア濃度のバックグラウンドと、Zn濃度との交差位置(図中○印)に形成されるpn接合において、Zn濃度は確実に低くすることができ、結晶性等の劣化を防止することができる。そして、この拡散濃度分布調整層4の配置によって、受光層の多重量子井戸構造にその本来の作用を奏させることが可能になる。
Regarding the action of the diffusion concentration
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明は、InP系PDの画期的な性能向上によって、既存の水分検出装置に対して、高精度で、感覚的にわかりやすい検出を可能にする変革をもたらす。 The present invention brings about a revolution that enables detection with high accuracy and sensibility in an intuitive manner with respect to an existing moisture detection device by epoch-making improvement in InP-based PD.
1 InP基板、2 バッファ層、3 多重量子井戸構造の受光層、4 拡散濃度分布調整層、5 InP窓層、5a 窓層の表面、6 p型領域、10 受光素子、11 p側電極、12 n側電極、12b はんだバンプ、15 pn接合、35 反射防止膜、36 選択拡散マスクパターン、27 配線電極、43 SiON保護膜、50 受光素子アレイ、51 InP基板、70 撮像装置、71 マルチプレクサ(実装基板)、72 フィルタ、73 光源、76 凹面鏡、81 投光用光ファイバ、82 受光用光ファイバ、84 サンプルホールド回路、85 制御部、85a 入力インターフェイス、85b マイコン(演算部、CPU)、85c 表示部(出力装置)、85d 入力部、85f 記憶部、85j スペクトル形成部、85k 制御信号発生部、85p プリンタ、86 記録媒体、87 集光レンズ、88 反射板、91 分光器、100 水分検出装置(水分布像形成装置)、211 揺動選別板、504 原水入口、505 処理水入口、506 排油弁、507 排油口、508 センサ入口、509 センサ出口、511 油水分離器、512 油水境界面、515 フローセル、610 乾燥機、602 内槽、603 衣類収納ドラム、614,615 衣類収納ドラムの窓(フィルタ)、C 角膜、E 眼、M メロン、P 紙、S 生体各部(皮膚、毛髪、つめなど)、Y 汚泥ケーキ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 InP board | substrate, 2 Buffer layer, 3 Light reception layer of multiple quantum well structure, 4 Diffusion density distribution adjustment layer, 5 InP window layer, 5a The surface of a window layer, 6 p-type area | region, 10 Light receiving element, 11 p side electrode, 12 n-side electrode, 12b solder bump, 15 pn junction, 35 antireflection film, 36 selective diffusion mask pattern, 27 wiring electrode, 43 SiON protective film, 50 light receiving element array, 51 InP substrate, 70 imaging device, 71 multiplexer (mounting substrate) ), 72 filter, 73 light source, 76 concave mirror, 81 projecting optical fiber, 82 receiving optical fiber, 84 sample hold circuit, 85 control unit, 85a input interface, 85b microcomputer (calculation unit, CPU), 85c display unit ( Output device), 85d input unit, 85f storage unit, 85j spectrum formation unit, 85k control signal generation unit, 85p Linter, 86 recording medium, 87 condensing lens, 88 reflector, 91 spectroscope, 100 moisture detector (water distribution image forming device), 211 swing sorting plate, 504 raw water inlet, 505 treated water inlet, 506 drain valve , 507 Oil outlet, 508 Sensor inlet, 509 Sensor outlet, 511 Oil / water separator, 512 Oil / water interface, 515 Flow cell, 610 Dryer, 602 Inner tank, 603 Clothing storage drum, 614, 615 Clothing storage drum window (filter ), C cornea, E eye, M melon, P paper, S living body parts (skin, hair, claws, etc.), Y sludge cake.
Claims (14)
前記受光層がIII−V族半導体の多重量子井戸構造を有し、
前記pn接合は、不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、
前記III−V族半導体基板と反対側の前記受光層の面に接して、III−V族半導体の拡散濃度分布調整層を備え、その拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギが、前記III−V族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さく、
前記受光層における前記不純物濃度が、5×1016/cm3以下であり、
前記拡散濃度分布調整層の拡散前のn型不純物濃度が、2×1015/cm3以下であり、該拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有し、
前記検出装置は、検査対象物から反射された光のうち、第1波長域1.35μm以上1.8μm未満、第2波長域1.8μm以上2.0μm未満、および第3波長域2.5μm以上3.0μm未満の、3つの波長域のうち、少なくとも2つの波長域の光に対して感度を有しており、当該感度を有する波長域のうちの1つ以上の波長域の光を用いて、水分を検出することを特徴とする、水分検出装置。 An apparatus for detecting moisture in an inspection object, comprising a light-receiving element or an array of light-receiving elements of a group III-V semiconductor formed on a group III-V semiconductor substrate and including a pn junction in a light-receiving layer,
The light receiving layer has a multiple quantum well structure of a III-V semiconductor,
The pn junction is formed by selectively diffusing an impurity element in the light receiving layer,
A diffusion concentration distribution adjusting layer of a group III-V semiconductor is provided in contact with the surface of the light receiving layer opposite to the group III-V semiconductor substrate, and the band gap energy of the diffusion concentration distribution adjusting layer is the III-V Smaller than the band gap energy of the group semiconductor substrate,
The impurity concentration in the light receiving layer is 5 × 10 16 / cm 3 or less;
The n-type impurity concentration before diffusion of the diffusion concentration distribution adjusting layer is 2 × 10 15 / cm 3 or less, the diffusion concentration distribution adjusting layer has a low impurity concentration range in the thickness range on the light receiving layer side,
The detection apparatus includes a first wavelength band of 1.35 μm to less than 1.8 μm, a second wavelength band of 1.8 μm to less than 2.0 μm, and a third wavelength band of 2.5 μm among the light reflected from the inspection object. Has sensitivity to light in at least two of the three wavelength ranges of less than 3.0 μm and uses light in one or more of the wavelength ranges having the sensitivity And a moisture detector for detecting moisture.
It is provided with the moisture detection device according to any one of claims 1 to 11, and detects moisture in a product / material such as a raw material, an intermediate product, a product, or a waste that is a target of industrial activity. To detect moisture in products and materials.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011059487A JP4743458B2 (en) | 2011-03-17 | 2011-03-17 | Moisture detector, moisture detector in living body, moisture detector in natural products, and moisture detector in products and materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011059487A JP4743458B2 (en) | 2011-03-17 | 2011-03-17 | Moisture detector, moisture detector in living body, moisture detector in natural products, and moisture detector in products and materials |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008222192A Division JP5195172B2 (en) | 2008-08-29 | 2008-08-29 | Moisture detector, moisture detector in living body, moisture detector in natural products, and moisture detector in products and materials |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011137836A true JP2011137836A (en) | 2011-07-14 |
JP4743458B2 JP4743458B2 (en) | 2011-08-10 |
Family
ID=44349353
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011059487A Expired - Fee Related JP4743458B2 (en) | 2011-03-17 | 2011-03-17 | Moisture detector, moisture detector in living body, moisture detector in natural products, and moisture detector in products and materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4743458B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113533248A (en) * | 2021-07-07 | 2021-10-22 | 南京富岛信息工程有限公司 | Near infrared spectrum analysis method for water content of crude oil of refining enterprise |
CN113707742A (en) * | 2021-08-25 | 2021-11-26 | 江苏索尔思通信科技有限公司 | High-speed photoelectric detector and preparation method thereof |
WO2022201798A1 (en) * | 2021-03-22 | 2022-09-29 | ローム株式会社 | Light receiving element array and manufacturing method therefor |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS631079A (en) * | 1986-06-20 | 1988-01-06 | Hitachi Ltd | Semiconductor light-receiving element and manufacture thereof |
JPH0338887A (en) * | 1989-07-06 | 1991-02-19 | Fujitsu Ltd | Semiconductor photodetector |
JPH05160429A (en) * | 1991-12-09 | 1993-06-25 | Nec Corp | Infrared ray sensor |
JPH05160426A (en) * | 1991-12-06 | 1993-06-25 | Nec Corp | Semiconductor light receiving element |
JP2007080920A (en) * | 2005-09-12 | 2007-03-29 | Mitsubishi Electric Corp | Avalanche photodiode |
JP2007201432A (en) * | 2005-12-28 | 2007-08-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Imaging apparatus, visibility aid device, night vision device, navigation aid device, and monitoring device |
JP2008153311A (en) * | 2006-12-14 | 2008-07-03 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor light-emitting element, visual-range supporter and organism medical device |
JP2008171885A (en) * | 2007-01-09 | 2008-07-24 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor light-receiving element and manufacturing method thereof |
JP2008205001A (en) * | 2007-02-16 | 2008-09-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Photodetecting element, sensor and imaging device |
JP2008270760A (en) * | 2007-03-23 | 2008-11-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor wafer and manufacturing method, and semiconductor element |
-
2011
- 2011-03-17 JP JP2011059487A patent/JP4743458B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS631079A (en) * | 1986-06-20 | 1988-01-06 | Hitachi Ltd | Semiconductor light-receiving element and manufacture thereof |
JPH0338887A (en) * | 1989-07-06 | 1991-02-19 | Fujitsu Ltd | Semiconductor photodetector |
JPH05160426A (en) * | 1991-12-06 | 1993-06-25 | Nec Corp | Semiconductor light receiving element |
JPH05160429A (en) * | 1991-12-09 | 1993-06-25 | Nec Corp | Infrared ray sensor |
JP2007080920A (en) * | 2005-09-12 | 2007-03-29 | Mitsubishi Electric Corp | Avalanche photodiode |
JP2007201432A (en) * | 2005-12-28 | 2007-08-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Imaging apparatus, visibility aid device, night vision device, navigation aid device, and monitoring device |
JP2008153311A (en) * | 2006-12-14 | 2008-07-03 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor light-emitting element, visual-range supporter and organism medical device |
JP2008171885A (en) * | 2007-01-09 | 2008-07-24 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor light-receiving element and manufacturing method thereof |
JP2008205001A (en) * | 2007-02-16 | 2008-09-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Photodetecting element, sensor and imaging device |
JP2008270760A (en) * | 2007-03-23 | 2008-11-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor wafer and manufacturing method, and semiconductor element |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022201798A1 (en) * | 2021-03-22 | 2022-09-29 | ローム株式会社 | Light receiving element array and manufacturing method therefor |
CN113533248A (en) * | 2021-07-07 | 2021-10-22 | 南京富岛信息工程有限公司 | Near infrared spectrum analysis method for water content of crude oil of refining enterprise |
CN113533248B (en) * | 2021-07-07 | 2024-01-05 | 南京富岛信息工程有限公司 | Near infrared spectrum analysis method for crude oil water content of refining enterprise |
CN113707742A (en) * | 2021-08-25 | 2021-11-26 | 江苏索尔思通信科技有限公司 | High-speed photoelectric detector and preparation method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4743458B2 (en) | 2011-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5195172B2 (en) | Moisture detector, moisture detector in living body, moisture detector in natural products, and moisture detector in products and materials | |
JP2010054457A5 (en) | ||
US8642943B2 (en) | Semiconductor wafer, light-receiving element, light-receiving element array, hybrid-type detection device, optical sensor device, and process for production of semiconductor wafer | |
JP5233549B2 (en) | Food quality inspection device, food component inspection device, foreign substance component inspection device, taste inspection device, and transition state inspection device | |
JP5422990B2 (en) | Biological component detection device | |
CN102647941B (en) | For performing the method and system of long-range photoplethaysmography | |
US8921829B2 (en) | Light receiving element, light receiving element array, hybrid-type detecting device, optical sensor device, and method for producing light receiving element array | |
JP2010142596A5 (en) | ||
KR20160051471A (en) | Spectrometer including vetical stack structure and non-invasive biometric sensor including the spectrometer | |
WO2008152308A1 (en) | In-situ plant analysis apparatus, method for tracking the state or evolution of a culture and method for managing vegetable processing | |
JP4743458B2 (en) | Moisture detector, moisture detector in living body, moisture detector in natural products, and moisture detector in products and materials | |
CN110553999A (en) | Citrus huanglongbing detection method based on hyperspectral and chlorophyll fluorescence imaging fusion | |
JP2009038157A (en) | Light receiving element array, one-dimensional light receiving element array, and two-dimensional light receiving element array | |
JP5691205B2 (en) | Light receiving element, light receiving element array, hybrid detection device, optical sensor device, and method for manufacturing light receiving element array | |
US20230102792A1 (en) | Measuring device and imaging control method | |
JP4737478B2 (en) | Food quality inspection device, food component inspection device, foreign substance component inspection device, taste inspection device, and transition state inspection device | |
Tsoulias et al. | Hyper-and Multi-spectral Imaging Technologies | |
JP5299061B2 (en) | Near infrared image sensor | |
JP4721147B1 (en) | Biological component detection device | |
Monje et al. | Design of a Plant Health Monitoring System for Enhancing Food Safety of Space Crop Production Systems | |
JP2011258817A (en) | Light receiving element, light receiving element array, hybrid detector, optical sensor device, and method for manufacturing light receiving element array | |
Rahman et al. | Multispectral Image Analysis for Crop Health Monitoring System | |
Weber et al. | Leds used as spectral selective light detectors in remote sensing techniques | |
Matsuura et al. | Identification of Signaling Transmitter to Activate Nitrate Reductase in Vegetable Leaves by Near-Infrared Hyperspectral Imaging System | |
Oertel et al. | Applications of spectral imaging using a tunable laser source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110317 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20110317 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20110405 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110413 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110426 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140520 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4743458 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |