JP2016063138A - 紫外線センサ及び紫外線検出装置 - Google Patents

紫外線センサ及び紫外線検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】紫外域において十分な検出感度特性を有する紫外線センサ及び紫外線検出装置を提供すること。【解決手段】フィルタ膜Ｆが、各第二画素領域ＰＡ２上を除き、かつ、各第一画素領域ＰＡ１を覆うように、各第一画素領域ＰＡ１上に形成されている。各第一画素領域ＰＡ１と各第二画素領域ＰＡ２とは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されているクエンチング抵抗ＱＲと、を有する少なくとも一つの画素Ｐ１，Ｐ２をそれぞれ含んでいる。複数の第一画素領域に含まれる各クエンチング抵抗ＱＲは、第一信号線ＳＬ１を介して、第一出力端に接続されている。複数の第二画素領域ＰＡ２に含まれる各クエンチング抵抗ＱＲは、第二信号線ＳＬ２を介して、第二出力端に接続されている。【選択図】図３

Description

本発明は、紫外線センサと、当該紫外線センサを備える紫外線検出装置とに関する。
紫外線センサとして、化合物半導体を用いた紫外線センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された紫外線センサは、サファイア基板と、サファイア基板に形成されている化合物半導体層と、を備えており、紫外域における検出対象波長域（たとえば、Ｃ領域紫外線（ＵＶ−Ｃ））よりも長い波長域では感度を有していない。
紫外線領域までの分光感度を有する第一及び第二フォトダイオードを備えている紫外線センサも知られている（たとえば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された紫外線センサでは、Ａ領域紫外線及びＢ領域紫外線を透過する光学フィルタを通して第一フォトダイオードに光が入射し、Ａ領域紫外線を透過し、かつ、Ｂ領域紫外線を透過しない光学フィルタを通して第二フォトダイオードに光が入射する。
特開平０９−２２９７６３号公報 特開昭６３−１２９８３７号公報
特許文献１に記載された紫外線センサは、以下の問題点を有している。すなわち、化合物半導体を用いた紫外線センサでは、検出対象の光の強度が微弱である場合、十分な検出感度特性を得ることが難しい。
特許文献２に記載された紫外線センサは、以下の問題点を有している。すなわち、第一及び第二フォトダイオードとして、シリコンフォトダイオードを用いる場合、３００ｎｍ以下の波長域での分光感度特性が小さく、Ｃ領域紫外線などの短波長側の波長域において、十分な検出感度特性を得ることが難しい。検出対象の光の強度が微弱である場合にも、十分な検出感度特性を得ることが難しい。
本発明は、紫外域において十分な検出感度特性を有する紫外線センサ及び紫外線検出装置を提供することを目的とする。
本発明に係る紫外線センサは、第一方向に交互に配置されている、それぞれ複数の第一画素領域と第二画素領域とを有するシリコンフォトダイオードアレイと、紫外域における検出対象波長域での透過率を下げるフィルタ膜と、複数の第一画素領域の出力に接続される第一出力端と、複数の第二画素領域の出力に接続される第二出力端と、を備え、フィルタ膜は、各第二画素領域上を除き、かつ、各第一画素領域を覆うように、各第一画素領域上に形成されており、各第一画素領域と各第二画素領域とは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されているクエンチング抵抗と、を有する少なくとも一つの画素をそれぞれ含み、複数の第一画素領域に含まれる各クエンチング抵抗は、第一信号線を介して、第一出力端に接続され、複数の第二画素領域に含まれる各クエンチング抵抗は、第二信号線を介して、第二出力端に接続されている。
本発明に係る紫外線センサでは、各第一画素領域と各第二画素領域とが、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されているクエンチング抵抗と、を有する少なくとも一つの画素をそれぞれ含んでいる。第一画素領域に入射した光、及び、第二画素領域に入射した光は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードに入射し、吸収されることにより、キャリアを生じさせ、生じたキャリアがアバランシェ増倍を起こす。したがって、紫外線センサに入射する光の強度が微弱である場合でも、十分な検出感度特性を得ることができる。第一画素領域と第二画素領域とは、第一方向に交互に配置されているため、紫外線センサに入射した光が、第一及び第二画素領域のいずれか一方の画素領域のみに入射すること、及び、第一及び第二画素領域のいずれか一方の画素領域に偏って入射することが抑制される。これにより、紫外線センサへの光の入射位置に起因する検出精度バラつきの発生が抑制され、十分な検出精度を得ることができる。また、フィルタ膜が、各第二画素領域上を除き、かつ、各第一画素領域を覆うように、各第一画素領域上に形成されているので、フィルタ膜と第一及び第二画素領域との位置ずれが生じ難い。したがって、フィルタ膜を通った光が確実に第一画素領域に入射し、フィルタ膜を通った光が第二画素領域に入射することはない。これによっても、十分な検出精度を得ることができる。
各第一画素領域に含まれるアバランシェフォトダイオードからの出力は、第一信号線を通して第一出力端から、各第二画素領域に含まれるアバランシェフォトダイオードからの出力は、第二信号線を通して第二出力端から、それぞれ独立して取り出すことができる。すなわち、第一出力端からは、上記フィルタ膜を通してアバランシェフォトダイオードに入射した光に基づく出力が取り出され、第二出力端からは、上記フィルタ膜を通ることなくアバランシェフォトダイオードに入射した光に基づく出力が取り出される。したがって、本発明に係る紫外線センサを用い、第一出力端からの出力と第二出力端からの出力とを比較することにより、紫外域における検出対象波長域の光を検出することが可能となる。
複数の第一画素領域と複数の第二画素領域とは、二次元配置されていると共に、第一方向に直交する第二方向にも交互に配置されていてもよい。この場合、紫外線センサに入射した光が、第一及び第二画素領域のいずれか一方の画素領域のみに入射すること、及び、第一及び第二画素領域のいずれか一方の画素領域に偏って入射することがより一層抑制される。このため、より一層十分な検出精度を得ることができる。
フィルタ膜は、ポリパラキシリレン樹脂にて構成されていてもよい。この場合、紫外域における検出対象波長域として、特に、Ｃ領域紫外線などの短波長側の波長域での透過率を下げることができる。また、フィルタ膜は、各第二画素領域上を除いて各第一画素領域上に形成されているため、フィルタ膜は、パターニングにより形成される必要がある。ポリパラキシリレン樹脂は、パターニングが容易であり、確実かつ簡便に、フィルタ膜が、各第二画素領域上を除いて各第一画素領域上に形成される。
シリコンフォトダイオードアレイに対向するように配置され、入射光を集める集光レンズを更に備えていてもよい。この場合、紫外線センサでの集光性を高め、紫外線センサに光が入射可能な範囲を拡大することができる。
シリコンフォトダイオードアレイに対向するように配置され、入射光を散乱させて出射させる散乱部を更に備えていてもよい。この場合、紫外線センサに入射した光が、第一及び第二画素領域のいずれか一方の画素領域のみに入射すること、及び、第一及び第二画素領域のいずれか一方の画素領域に偏って入射することがより一層抑制される。このため、より一層十分な検出精度を得ることができる。
シリコンフォトダイオードアレイに対向するように配置され、シリコンフォトダイオードアレイに入射する可視域の波長の光を遮断するフィルタを更に備えていてもよい。アバランシェフォトダイオードの分光感度特性は、一般に、可視域にピークを有する。このため、紫外域での光量に対し、外乱光となる可視域での光量が勝る場合、アバランシェフォトダイオードの出力が飽和してしまうおそれがある。アバランシェフォトダイオードの出力が飽和すると、紫外域における検出対象波長域の光を検出することが難しくなる。可視域の波長の光を遮断するフィルタが、シリコンフォトダイオードアレイに対向するように配置されている場合、アバランシェフォトダイオードの出力が飽和するのを抑制することができる。
シリコンフォトダイオードアレイは、絶縁層を介してエピタキシャル半導体層が形成されているシリコン半導体基板を有し、アバランシェフォトダイオードは、エピタキシャル半導体層に形成されていてもよい。この場合、エピタキシャル半導体層の厚みを、比較的薄く、すなわち、紫外域での感度を低下させることなく、可視域での感度を低下させる厚みに設定することができる。これにより、アバランシェフォトダイオードの出力が飽和するのを抑制することができる。
本発明に係る紫外線検出装置は、上記紫外線センサを備え、第一出力端からの出力と第二出力端からの出力との差分に基づいて、紫外域における検出対象波長域の光を検出する。
本発明に係る紫外線検出装置では、上記紫外線センサを備えることにより、十分な検出感度特性を得ることができると共に、十分な検出精度を得ることができる。
本発明によれば、紫外域において十分な検出感度特性を有する紫外線センサ及び紫外線検出装置を提供することを目的とする。
本実施形態に係る紫外線センサの断面構成を説明するための概念図である。 本実施形態に係る紫外線センサが備える、シリコンフォトダイオードアレイを示す平面図である。 図２に示されたシリコンフォトダイオードアレイにおける、第一画素領域と第二画素領域とを示す平面図である。 図２におけるIV−IV線に沿った断面構成を説明するための図である。 本実施形態に係る紫外線センサの回路図である。 入射光の波長とフォトンの検出効率との関係を示す線図である。 本実施形態に係る紫外線検出装置のブロック図である。 入射光の波長とフォトンの検出効率の差分［％］との関係を示す線図である。 本実施形態の変形例に係る紫外線センサが備える、シリコンフォトダイオードアレイを示す平面図である。 本実施形態の変形例に係る紫外線センサが備える、シリコンフォトダイオードアレイを示す平面図である。 本実施形態の変形例に係る紫外線センサの断面構成を説明するための概念図である。 本実施形態の変形例に係る紫外線センサが備える、シリコンフォトダイオードアレイを示す平面図である。 図１２におけるXIII−XIII線に沿った断面構成を説明するための図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１〜図５を参照して、本実施形態に係る紫外線センサＵＶＳの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る紫外線センサの断面構成を説明するための概念図である。図２は、本実施形態に係る紫外線センサが備える、シリコンフォトダイオードアレイを示す平面図である。図３は、図２に示されたシリコンフォトダイオードアレイにおける、第一画素領域と第二画素領域とを示す平面図である。図４は、図２におけるIV−IV線に沿った断面構成を説明するための図である。図５は、本実施形態に係る紫外線センサの回路図である。
紫外線センサＵＶＳは、図１に示されるように、パッケージ１０と、シリコンフォトダイオードアレイ（以下、単に「フォトダイオードアレイ」と称する）ＰＤＡと、フィルタ膜Ｆと、集光レンズＣＬと、を備えている。紫外線センサＵＶＳは、たとえば火炎センサに用いられる。
パッケージ１０は、底部１１と側壁部１３とを有しており、底部１１と対向する一端が開口した有底形状を呈している。パッケージ１０において、底部１１と側壁部１３とで画成される内側空間は、フォトダイオードアレイＰＤＡを収容する空間として機能する。底部１１における、内側空間に臨む面が、フォトダイオードアレイＰＤＡが搭載される面である。パッケージ１０は、たとえばセラミックなどからなる。
フォトダイオードアレイＰＤＡは、図２〜図４に示されるように、シリコン半導体基板２１（以下、単に「半導体基板」と称する）を備えている。半導体基板２１は、互いに対向する一対の主面２１ａ，２１ｂを有している。半導体基板２１は、主面２１ａ側に受光領域を備えている。受光領域は、それぞれ複数の第一画素領域ＰＡ１と第二画素領域ＰＡ２とを含んでいる。本実施形態では、第一画素領域ＰＡ１の数と、第二画素領域ＰＡ２の数とは同じに設定されている。主面２１ａは、光入射面である。
それぞれ複数の第一画素領域ＰＡ１と第二画素領域ＰＡ２とは、マトリックス状に二次元配置されている。第一画素領域ＰＡ１と第二画素領域ＰＡ２とは、互いに直交する第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とにおいて交互に配置されている。本実施形態では、第一画素領域ＰＡ１と第二画素領域ＰＡ２とが、四行四列に配置されている。
各第一画素領域ＰＡ１は、少なくとも一つの画素Ｐ１を含んでいる。本実施形態では、一つの第一画素領域ＰＡ１は、四つの画素Ｐ１を含んでいる。四つの画素Ｐ１は、マトリックス状に、二次元配置されている。各第二画素領域ＰＡ２は、少なくとも一つの画素Ｐ２を含んでいる。本実施形態では、一つの第二画素領域ＰＡ２は、四つの画素Ｐ２を含んでいる。四つの画素Ｐ２は、マトリックス状に二次元配置されている。
各画素Ｐ１，Ｐ２は、フォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに対して直列に接続されているクエンチング抵抗ＱＲと、を有している。フォトダイオードアレイＰＤＡは、マトリックス状に二次元配置されている複数のフォトダイオードＰＤを備えている。本実施形態では、フォトダイオードＰＤは、八行八列に配置されている。本実施形態では、画素Ｐ１の総数と、画素Ｐ２の総数とは同じに設定されている。
半導体基板２１は、主面２１ｂ側に位置する第一導電型（たとえばｎ型）の半導体領域（層）２３と、主面２１ａ側に位置する第二導電型（たとえばｐ型）の半導体領域（層）２５と、を有している。半導体領域２３と半導体領域２５とは、ｐｎ接合を構成している。半導体基板２１は、各画素Ｐ１，Ｐ２に対応して、複数の第二導電型の半導体領域２７を有している。半導体領域２７は、半導体領域２５内に位置し、かつ、半導体領域２５よりも高い不純物濃度を有している。各フォトダイオードＰＤは、ｎ型の半導体領域２３と、ｐ型の半導体領域（半導体領域２５，２７）とを有している。ｎ型の不純物としては、リン又は砒素などがある。ｐ型の不純物としては、ボロンなどがある。ｐ型およびｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるように入れ替えられていてもよい。
半導体基板２１の主面２１ｂには、電極２９が配置されている。電極２９は、半導体領域２３上に形成されている。すなわち、電極２９は、半導体領域２３と接触しており、半導体領域２３に電気的に接続されている。電極２９は、基板電位を与える電極であり、たとえば正電位に接続されている。電極２９は、たとえば金などからなる。
半導体基板２１の主面２１ａには、二層の絶縁層３１，３３が配置されている。絶縁層３１は、半導体領域２５，２７上に形成され、絶縁層３３は、絶縁層３１上に形成されている。絶縁層３１，３３は、光（紫外線以上の波長域の光）を透過する材料からなる。絶縁層３１，３３は、たとえばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）又はシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などからなる。図２及び図３では、構造の明確化のため、図４に示されている絶縁層３１，３３の記載が省略されている。
絶縁層３１には、コンタクトホールが形成されており、当該コンタクトホールにはコンタクト電極３５が配置されている。コンタクト電極３５は、半導体領域２７と接触しており、半導体領域２７に電気的に接続されている。コンタクト電極３５は、たとえばアルミニウムなどからなる。
絶縁層３３上には、クエンチング抵抗ＱＲが配置されている。クエンチング抵抗ＱＲの一端は、絶縁層３３に形成されたコンタクトホールを通して、コンタクト電極３５に接続されている。すなわち、クエンチング抵抗ＱＲの一端は、コンタクト電極３５を介して、半導体領域２７に接続されており、クエンチング抵抗ＱＲは、図５に示されるように、フォトダイオードＰＤに対して直列接続されている。クエンチング抵抗ＱＲは、光（紫外線以上の波長域の光）を透過する材料からなることが好ましい。クエンチング抵抗ＱＲは、たとえばＳｉＣｒ又はＷＳｉなどからなる。
クエンチング抵抗ＱＲの他端は、絶縁層３３に形成されたコンタクトホールを通して、信号線（第一信号線ＳＬ１又は第二信号線ＳＬ２）に接続されている。第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１が有するクエンチング抵抗ＱＲは、第一信号線ＳＬ１に接続されている。第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２が有するクエンチング抵抗ＱＲは、第二信号線ＳＬ２に接続されている。
第一信号線ＳＬ１と第二信号線ＳＬ２とは、絶縁層３１上に配置されている。第一信号線ＳＬ１は、第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１（フォトダイオードＰＤ）の出力に接続されている。第二信号線ＳＬ２は、第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２（フォトダイオードＰＤ）の出力に接続されている。第一信号線ＳＬ１と第二信号線ＳＬ２とは、たとえばアルミニウムなどからなる。
第一信号線ＳＬ１は、第一画素領域ＰＡ１内に位置する第一部分と、当該第一部分に接続し、かつ、第一画素領域ＰＡ１外に位置する第二部分と、を有している。第一信号線ＳＬ１の第二部分は、第一出力端ＯＴ１に接続されている。すなわち、第一画素領域ＰＡ１に含まれるフォトダイオードＰＤの半導体領域２７は、コンタクト電極３５、クエンチング抵抗ＱＲ、及び第一信号線ＳＬ１を介して、第一出力端ＯＴ１に電気的に接続されている。これにより、各画素Ｐ１の出力が、第一出力端ＯＴ１に接続される。
第二信号線ＳＬ２は、第二画素領域ＰＡ２内に位置する第一部分と、当該第一部分に接続し、かつ、第二画素領域ＰＡ２外に位置する第二部分と、を有している。第二信号線ＳＬ２の第二部分は、第二出力端ＯＴ２に接続されている。すなわち、第二画素領域ＰＡ２に含まれるフォトダイオードＰＤの半導体領域２７は、コンタクト電極３５、クエンチング抵抗ＱＲ、及び第二信号線ＳＬ２を介して、第二出力端ＯＴ２に電気的に接続されている。これにより、各画素Ｐ２の出力が、第二出力端ＯＴ２に接続される。
第一信号線ＳＬ１の第一部分には、当該第一部分が位置する第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１が有するクエンチング抵抗ＱＲの他端が接続されている。第二信号線ＳＬ２の第一部分には、当該第一部分が位置する第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２が有するクエンチング抵抗ＱＲの他端が接続されている。すなわち、本実施形態では、一つの第一部分に、四つのクエンチング抵抗ＱＲの他端が接続されている。
第一出力端ＯＴ１及び第二出力端ＯＴ２は、絶縁層３１上に配置されており、電極パッドとして機能する。第一出力端ＯＴ１及び第二出力端ＯＴ２は、たとえばアルミニウムなどからなる。第一出力端ＯＴ１及び第二出力端ＯＴ２は、底部１１に配置されている電極パッド１５と電気的に接続されている。本実施形態では、第一出力端ＯＴ１及び第二出力端ＯＴ２は、ワイヤボンディングにより電極パッド１５と電気的に接続されている。
ところで、ｐｎ接合においては、これを構成するｐ型の半導体領域がアノードを構成し、ｎ型の半導体領域がカソードを構成する。ｐ型の半導体領域の電位が、ｎ型の半導体領域の電位よりも高くなるようにフォトダイオードに駆動電圧を印加した場合、当該駆動電圧は順方向バイアス電圧である。ｐ型の半導体領域の電位が、ｎ型の半導体領域の電位よりも低くなるようにフォトダイオードに駆動電圧を印加した場合、当該駆動電圧は逆方向バイアス電圧である。
フォトダイオードアレイＰＤＡでは、各フォトダイオードＰＤの駆動電圧は、逆方向バイアス電圧とされる。この駆動電圧を、フォトダイオードＰＤのブレークダウン電圧以上に設定した場合には、フォトダイオードＰＤにおいて、アバランシェ降伏が生じ、フォトダイオードＰＤがガイガーモードで動作することになる。すなわち、各フォトダイオードＰＤは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。
フォトダイオードＰＤに光（フォトン）が入射すると、半導体基板２１内部で光電変換が行われてキャリア（電子−ホール対）が発生する。半導体領域２５のｐｎ接合界面近傍において、アバランシェ増倍が行われ、増倍された電子群は、電極２９に向けて流れる。フォトダイオードＰＤにおける電子雪崩の発生した画素Ｐ１，Ｐ２には、電流が流れるため、画素Ｐ１，Ｐ２（フォトダイオードＰＤ）に直列接続されたクエンチング抵抗ＱＲにおいて、電圧降下が発生する。この電圧降下により、フォトダイオードＰＤの増幅領域への印加電圧が低下して、電子雪崩による増倍作用は終息する。
フィルタ膜Ｆは、各第一画素領域ＰＡ１を覆うように、各第一画素領域ＰＡ１上に配置されている。本実施形態では、フィルタ膜Ｆは、絶縁層３３に直接形成されている。すなわち、フィルタ膜Ｆは、絶縁層３１，３３を介して、半導体基板２１（第一画素領域ＰＡ１に対応する領域）上に形成されている。
フィルタ膜Ｆは、各第二画素領域ＰＡ２上には形成されておらず、各第二画素領域ＰＡ２は、フィルタ膜Ｆにて覆われていない。本実施形態では、フィルタ膜Ｆは、第一及び第二信号線ＳＬ１，ＳＬ２の第二部分に対応する位置にも、形成されていない。もちろん、フィルタ膜Ｆは、第一及び第二信号線ＳＬ１，ＳＬ２の第二部分に対応する位置にも、形成されていてもよい。
フィルタ膜Ｆは、紫外域における検出対象波長域での透過率を下げる。本実施形態では、紫外線センサＵＶＳの検出対象波長域は、Ｃ領域紫外線の波長域（２００〜２８０ｎｍ程度）である。フィルタ膜Ｆは、ポリパラキシリレン樹脂にて構成されている。ポリパラキシリレン樹脂は、略２８０ｎｍ以下の紫外線を吸収する光学特性を有している。ポリパラキシリレン樹脂として、ポリパラキシリレン（パリレンＮ（製品名））、ポリモノクロロパラキシリレン（パリレンＣ（製品名））、ポリジクロロパラキシリレン（パリレンＤ（製品名））、ポリテトラフロロパラキシリレン（パリレンＨＴ（製品名））などを用いることができる。
フィルタ膜Ｆは、シリコーン樹脂にて構成されていてもよい。シリコーン樹脂も、ポリパラキシリレン樹脂と同様に、略２８０ｎｍ以下の紫外線を吸収する光学特性を有している。
第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１（フォトダイオードＰＤ）には、フィルタ膜Ｆを通して光が入射し、第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２（フォトダイオードＰＤ）には、フィルタ膜Ｆを通ることなく光が入射する。すなわち、フィルタ膜Ｆにより、検出対象波長域の紫外線強度が弱められた光が、第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１に入射する。第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２には、検出対象波長域の紫外線強度が弱められることなく光が入射する。検出対象波長域の紫外線強度が弱められるとは、検出対象波長域の紫外線が除去されることも含む。
図６は、入射光の波長［ｎｍ］とフォトンの検出効率［％］との関係を示す線図である。図６において、実線は、第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１が有するフォトダイオードＰＤにおけるフォトンの検出効率を示す。同じく、破線は、第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２が有するフォトダイオードＰＤにおけるフォトンの検出効率を示す。図６から理解できるように、第一画素領域ＰＡ１に対してフィルタ膜Ｆが形成されているため、画素Ｐ１が有するフォトダイオードＰＤの検出効率は、検出対象波長域（２００〜２８０ｎｍ程度）にて低く抑えられている。これに対し、第二画素領域ＰＡ２に対してはフィルタ膜Ｆが形成されていないため、画素Ｐ２が有するフォトダイオードＰＤの検出効率は、検出対象波長域（２００〜２８０ｎｍ程度）において、低く抑えられることはない。
集光レンズＣＬは、パッケージ１０の一端を閉塞するように、パッケージ１０に配置されている。集光レンズＣＬは、フォトダイオードアレイＰＤＡに対向するように配置され、入射光を集める。本実施形態では、集光レンズＣＬは、フレネルレンズである。集光レンズＣＬは、凸レンズであってもよい。
集光レンズＣＬの光出射面には、凹凸３９が形成されている。この凹凸３９により、集光レンズＣＬにより集光された光が集光レンズＣＬから出射する際に、散乱が生じる。すなわち、集光レンズＣＬの光出射面に形成された凹凸３９は、入射光を散乱させて出射させる散乱部として機能する。集光レンズＣＬの光出射面は、フォトダイオードアレイＰＤＡに対向している。
以上のように、本実施形態では、各第一画素領域ＰＡ１が、ガイガーモードで動作するフォトダイオードＰＤ（ＡＰＤ）と、フォトダイオードＰＤに対して直列に接続されているクエンチング抵抗ＱＲと、を有する画素Ｐ１を含んでいる。各第二画素領域ＰＡ２が、ガイガーモードで動作するフォトダイオードＰＤ（ＡＰＤ）と、フォトダイオードＰＤに対して直列に接続されているクエンチング抵抗ＱＲと、を有する画素Ｐ２を含んでいる。第一画素領域ＰＡ１に入射した光、及び、第二画素領域ＰＡ２に入射した光は、ガイガーモードで動作するフォトダイオードＰＤに入射し、吸収されることにより、キャリアを生じさせ、生じたキャリアがアバランシェ増倍を起こす。したがって、紫外線センサＵＶＳに入射する光の強度が微弱である場合でも、十分な検出感度特性を得ることができる。
第一画素領域ＰＡ１と第二画素領域ＰＡ２とは、二次元配置されていると共に、第一方向Ｄ１に交互に配置されていると共に、第二方向Ｄ２にも交互に配置されている。これにより、紫外線センサＵＶＳに入射した光が、第一及び第二画素領域ＰＡ１，ＰＡ２のいずれか一方の画素領域のみに入射すること、及び、第一及び第二画素領域ＰＡ１，ＰＡ２のいずれか一方の画素領域に偏って入射することがより一層抑制される。このため、紫外線センサＵＶＳへの光の入射位置に起因する検出精度バラつきの発生が抑制され、より一層十分な検出精度を得ることができる。
フィルタ膜Ｆが、各第二画素領域ＰＡ２上を除き、かつ、各第一画素領域ＰＡ１を覆うように、各第一画素領域ＰＡ１上に形成されている。すなわち、本実施形態では、フィルタ膜Ｆは、フォトダイオードアレイＰＤＡに直接形成されている。このため、フィルタ膜Ｆと第一及び第二画素領域ＰＡ１，ＰＡ２との位置ずれが生じ難い。したがって、フィルタ膜Ｆを通った光が確実に第一画素領域ＰＡ１に入射し、フィルタ膜Ｆを通った光が第二画素領域ＰＡ２に入射することはない。これによっても、紫外線センサＵＶＳは、十分な検出精度を得ることができる。
フィルタ膜ＦがフォトダイオードアレイＰＤＡから離間している場合、フィルタ膜ＦとフォトダイオードアレイＰＤＡとの高精度な位置合わせが求められると共に、フィルタ膜Ｆを通った光が第二画素領域ＰＡ２に入射しない構成を新たに採用する必要がある。この場合、十分な検出感度を実現するためには、高コスト化及び構造の複雑化という新たな問題点が生じる。これに対し、本実施形態では、低コスト且つ簡易な構成にて、十分な検出精度を得ることができる。
各第一画素領域ＰＡ１に含まれるフォトダイオードＰＤからの出力は、第一信号線ＳＬ１を通して第一出力端ＯＴ１から、各第二画素領域ＰＡ２に含まれるフォトダイオードＰＤからの出力は、第二信号線ＳＬ２を通して第二出力端ＯＴ２から、それぞれ独立して取り出すことができる。すなわち、第一出力端ＯＴ１からは、フィルタ膜Ｆを通してフォトダイオードＰＤ（画素Ｐ１）に入射した光に基づく出力が取り出され、第二出力端ＯＴ２からは、フィルタ膜Ｆを通ることなくフォトダイオードＰＤ（画素Ｐ２）に入射した光に基づく出力が取り出される。したがって、紫外線センサＵＶＳを用い、第一出力端ＯＴ１からの出力と第二出力端ＯＴ２からの出力とを比較することにより、紫外域における検出対象波長域の光を検出することが可能となる。
ここで、図７を参照して、紫外線センサＵＶＳが用いられた紫外線検出装置ＵＶＤの構成を説明する。図７は、本実施形態に係る紫外線検出装置のブロック図である。
紫外線検出装置ＵＶＤは、紫外線センサＵＶＳと、演算回路ＡＣとを備えている。演算回路ＡＣは、第一出力端ＯＴ１からの出力と第二出力端ＯＴ２からの出力との差分を演算し、当該差分に基づいて、紫外域における検出対象波長域の光を検出する。紫外線検出装置ＵＶＤは、紫外域における検出対象波長域の光の強度を算出してもよい。
図８は、入射光の波長［ｎｍ］とフォトンの検出効率の差分［％］との関係を示す線図である。図８では、第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１が有するフォトダイオードＰＤの検出効率と、第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２が有するフォトダイオードＰＤの検出効率と、の差分が示されている。この検出効率の差分は、第一出力端ＯＴ１からの出力と第二出力端ＯＴ２からの出力との差分を演算する紫外線検出装置ＵＶＤの検出効率に相当する。すなわち、紫外線検出装置ＵＶＤは、紫外域における検出対象波長域での検出効率が高い。
本実施形態の紫外線検出装置ＵＶＤでは、紫外線センサＵＶＳを備えることにより、十分な検出感度特性を得ることができると共に、十分な検出精度を得ることができる。
フィルタ膜Ｆは、ポリパラキシリレン樹脂にて構成されている。これにより、紫外域における検出対象波長域として、特に、Ｃ領域紫外線などの短波長側の波長域での透過率を下げることができる。また、フィルタ膜Ｆは、各第二画素領域ＰＡ２上を除いて各第一画素領域ＰＡ１上に形成されているため、フィルタ膜Ｆは、パターニングにより形成される必要がある。ポリパラキシリレン樹脂は、パターニングが容易であり、確実かつ簡便に、フィルタ膜Ｆが、各第二画素領域ＰＡ２上を除いて各第一画素領域ＰＡ１上に形成される。
紫外線センサＵＶＳは、集光レンズＣＬを備えている。これにより、紫外線センサＵＶＳでの集光性を高め、紫外線センサＵＶＳに光が入射可能な範囲を拡大することができる。
集光レンズＣＬの光出射面には、凹凸３９が形成されている。これにより、紫外線センサＵＶＳに入射した光が、第一及び第二画素領域ＰＡ１，ＰＡ２のいずれか一方の画素領域のみに入射すること、及び、第一及び第二画素領域ＰＡ１，ＰＡ２のいずれか一方の画素領域に偏って入射することがより一層抑制される。このため、紫外線センサＵＶＳは、より一層十分な検出精度を得ることができる。
次に、図９及び図１０を参照して、変形例に係る紫外線センサＵＶＳの構成を説明する。図９及び図１０は、本変形例に係る紫外線センサが備える、シリコンフォトダイオードアレイを示す平面図である。図９及び図１０では、絶縁層３１，３３の記載が省略されている。
図９及び図１０に示された紫外線センサＵＶＳでは、各第一画素領域ＰＡ１は、一つの画素Ｐ１（フォトダイオードＰＤ）からなり、各第二画素領域ＰＡ２も、一つの画素Ｐ２（フォトダイオードＰＤ）からなる。フィルタ膜Ｆは、各画素Ｐ１を覆うように、各画素Ｐ１上に配置されている。フィルタ膜Ｆは、絶縁層３１，３３（図９及び図１０では不図示）を介して、画素Ｐ１（フォトダイオードＰＤ）上に形成されている。フィルタ膜Ｆは、各画素Ｐ２上には形成されていない。
図９に示された変形例では、画素Ｐ１と画素Ｐ２とが、第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とにおいて交互に配置されている。図１０に示された変形例では、第二方向Ｄ２に並んでいる複数の画素Ｐ１からなる列と、第二方向Ｄ２に並んでいる複数の画素Ｐ２からなる列と、が第一方向Ｄ１において交互に配置されている。すなわち、画素Ｐ１と画素Ｐ２とが、互いに直交する第一方向Ｄ１において交互に配置されている。
いずれの変形例においても、紫外線センサＵＶＳは、十分な検出感度特性を得ることができると共に、十分な検出精度を得ることができる。
次に、図１１を参照して、別の変形例に係る紫外線センサＵＶＳの構成を説明する。図１１は、本変形例に係る紫外線センサの断面構成を説明するための概念図である。
図１１に示された変形例では、紫外線センサＵＶＳは、パッケージ１０と、フォトダイオードアレイＰＤＡと、フィルタ膜Ｆと、集光レンズＣＬと、可視光フィルタ４１を備えている。本変形例では、集光レンズＣＬとして凸レンズが採用されている。集光レンズＣＬは、フレネルレンズであってもよい。
可視光フィルタ４１は、フォトダイオードアレイＰＤＡに対向するように配置され、フォトダイオードアレイＰＤＡに入射する可視域の波長の光を遮断する。可視光フィルタ４１は、全ての第一画素領域ＰＡ１と第二画素領域ＰＡ２とを覆うように、フォトダイオードアレイＰＤＡと集光レンズＣＬとの間に位置している。可視光フィルタ４１を通った光は、第一画素領域ＰＡ１にも、第二画素領域ＰＡ２にも入射する。
フォトダイオードＰＤ（ＡＰＤ）の分光感度特性は、一般に、可視域にピークを有する。このため、紫外域での光量に対し、外乱光となる可視域での光量が勝る場合、フォトダイオードＰＤの出力が飽和してしまうおそれがある。フォトダイオードＰＤの出力が飽和すると、紫外域における検出対象波長域の光を検出することが難しくなる。
波長２５５ｎｍの光が１ｐＷ／ｃｍ２でフォトダイオードアレイＰＤＡに入射すると仮定する場合、入射フォトン数は、１．２８×１０４［ｐｈｏｔｏｎｓ／ｍｍ２／ｓｅｃ］となる。フォトダイオードアレイＰＤＡでのＣ領域紫外線の感度が３０％であると仮定すると、フォトダイオードアレイＰＤＡとして検出できるＣ領域紫外線のフォトン数（信号量）は、３．８４×１０３［ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ／ｍｍ２］（＝入射フォトン数×感度）である。
背景光が室内照明程度の照度である仮定すると、フォトダイオードアレイＰＤＡに入射する外乱光の入射フォトン数は、１×１０１１［ｐｈｏｔｏｎｓ／ｍｍ２／ｓｅｃ］となる。外乱光に対する平均感度が３０％であると仮定すると、フォトダイオードアレイＰＤＡが検出する外乱光のフォトン数は、３×１０１０［ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ／ｍｍ２］である。検出するフォトン数には、検出ゆらぎ成分（ショットノイズ）が重畳される。このショットノイズのフォトン数は、１．７５×１０５［ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ／ｍｍ２］（＝√（フォトダイオードアレイＰＤＡが検出する外乱光のフォトン数））とされる。
ショットノイズのフォトン数が、検出されたＣ領域紫外線のフォトン数（信号量）よりも極めて多いため、外乱光に起因するショットノイズに、検出されたＣ領域紫外線のフォトン数（信号量）が埋もれてしまう。この結果、検出対象波長域のＣ領域紫外線をセンシングすることが困難となる。これに対し、紫外線センサＵＶＳが可視光フィルタ４１を備えている場合、外乱光となる可視域の光がフォトダイオードアレイＰＤＡに入射するのが抑制される。このため、図１１に示された紫外線センサＵＶＳでは、フォトダイオードＰＤの出力が飽和するのを抑制することができる。背景光となる可視光が比較的少ない環境下（たとえば暗箱内）で紫外線センサＵＶＳが用いられる場合には、可視光フィルタ４１は必ずしも必要ではない。
次に、図１２及び図１３を参照して、更に別の変形例に係る紫外線センサＵＶＳの構成を説明する。図１２は、本変形例に係る紫外線センサが備える、シリコンフォトダイオードアレイを示す平面図である。図１３は、図１２におけるXIII−XIII線に沿った断面構成を説明するための図である。
本変形例では、半導体基板２１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板である。半導体基板２１は、主面２１ｂ側に位置する半導体領域（層）２３と、主面２１ａ側に位置するエピタキシャル半導体層５１と、を有している。エピタキシャル半導体層５１は、絶縁層５３を介して半導体領域２３に形成されている。絶縁層５３は、たとえばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などからなる。
エピタキシャル半導体層５１は、第一導電型の半導体領域５１ａと、第二導電型の半導体領域５１ｂ，５１ｃと、を有している。半導体領域５１ａの不純物濃度は、半導体領域２３の不純物濃度よりも高い。半導体領域５１ｃの不純物濃度は、半導体領域５１ｂの不純物濃度よりも高い。本変形例では、半導体領域５１ａと半導体領域５１ｂとが、ｐｎ接合を構成している。すなわち、フォトダイオードＰＤ（ＡＰＤ）は、エピタキシャル半導体層５１に形成されている。
半導体領域５１ｃは、半導体領域５１ｂに囲まれるように、半導体領域５１ｂの内側に位置している。半導体領域５１ａは、半導体領域５１ｂを囲むように、半導体領域５１ｂの外側に位置している。半導体領域５１ｃは、コンタクト電極３５を介して、クエンチング抵抗ＱＲの一端に接続されている。
エピタキシャル半導体層５１の厚みは、比較的薄く、紫外域での感度を低下させることなく、可視域での感度を低下させる厚みに設定される。これにより、本変形例に係る紫外線センサＵＶＳでは、アバランシェフォトダイオードの出力が飽和するのを抑制することができる。エピタキシャル半導体層５１の厚みは、たとえば２０５±２０ｎｍに設定される。この場合、紫外線センサＵＶＳは、２８０ｎｍ以上の波長域の光に対し、感度を有し難くなる。絶縁層５３の厚みは、たとえば２００ｎｍ程度に設定される。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
第一及び第二画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の数、並びに、第一及び第二画素領域ＰＡ１，ＰＡ２それぞれに含まれる画素Ｐ１，Ｐ２の数は、上述した数に限られない。第一画素領域ＰＡ１の総数と第二画素領域ＰＡ２の総数とは、必ずしも同じでなくてもよい。第一画素領域ＰＡ１の総数と第二画素領域ＰＡ２の総数とが異なる場合、第一画素領域ＰＡ１及び第二画素領域ＰＡ２のいずれか一方の出力を補正することなどにより、紫外域における検出対象波長域の光を検出することができる。しかしながら、第一画素領域ＰＡ１の総数と第二画素領域ＰＡ２の総数と同じであれば、簡易な演算により上記検出対象波長域の光を適切に検出することができるため、第一画素領域ＰＡ１の総数と第二画素領域ＰＡ２の総数と同じであることが好ましい。同様に、第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１の総数と第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２の総数とも、必ずしも同じでなくてもよいが、第一画素領域ＰＡ１に含まれる画素Ｐ１の総数と第二画素領域ＰＡ２に含まれる画素Ｐ２の総数とが同じであることが好ましい。
クエンチング抵抗ＱＲは、フォトダイオードＰＤに直列接続されていればよく、形状、及び、光入射方向から見たときの半導体領域２７（コンタクト電極３５）との接続位置などは、上述した実施形態及び変形例に示された態様に限られない。また、光入射方向から見たときの半導体領域５１ｃの位置も上述した変形例に示された位置に限られない。
２１…シリコン半導体基板、４１…可視光フィルタ、５１…エピタキシャル半導体層、ＣＬ…集光レンズ、ＵＶＤ…紫外線検出装置、ＵＶＳ…紫外線センサ、Ｄ１…第一方向、Ｄ２…第二方向、Ｆ…フィルタ膜、ＯＴ１…第一出力端、ＯＴ２…第二出力端、Ｐ１，Ｐ２…画素、ＰＡ１…第一画素領域、ＰＡ２…第二画素領域、ＰＤ…フォトダイオード、ＰＤＡ…フォトダイオードアレイ、ＱＲ…クエンチング抵抗、ＳＬ１…第一信号線、ＳＬ２…第二信号線。

Claims (8)

  1. 第一方向に交互に配置されている、それぞれ複数の第一画素領域と第二画素領域とを有するシリコンフォトダイオードアレイと、
    紫外域における検出対象波長域での透過率を下げるフィルタ膜と、
    前記複数の第一画素領域の出力に接続される第一出力端と、
    前記複数の第二画素領域の出力に接続される第二出力端と、を備え、
    前記フィルタ膜は、各前記第二画素領域上を除き、かつ、各前記第一画素領域を覆うように、各前記第一画素領域上に形成されており、
    各前記第一画素領域と各前記第二画素領域とは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されているクエンチング抵抗と、を有する少なくとも一つの画素をそれぞれ含み、
    前記複数の第一画素領域に含まれる各前記クエンチング抵抗は、第一信号線を介して、前記第一出力端に接続され、
    前記複数の第二画素領域に含まれる各前記クエンチング抵抗は、第二信号線を介して、前記第二出力端に接続されている、紫外線センサ。
  2. 前記複数の第一画素領域と前記複数の第二画素領域とは、二次元配置されていると共に、前記第一方向に直交する第二方向にも交互に配置されている、請求項１に記載の紫外線センサ。
  3. 前記フィルタ膜は、ポリパラキシリレン樹脂にて構成されている、請求項１又は２に記載の紫外線センサ。
  4. 前記シリコンフォトダイオードアレイに対向するように配置され、入射光を集める集光レンズを更に備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の紫外線センサ。
  5. 前記シリコンフォトダイオードアレイに対向するように配置され、入射光を散乱させて出射させる散乱部を更に備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の紫外線センサ。
  6. 前記シリコンフォトダイオードアレイに対向するように配置され、前記シリコンフォトダイオードアレイに入射する可視域の波長の光を遮断するフィルタを更に備えている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の紫外線センサ。
  7. 前記シリコンフォトダイオードアレイは、絶縁層を介してエピタキシャル半導体層が形成されているシリコン半導体基板を有し、
    前記アバランシェフォトダイオードは、前記エピタキシャル半導体層に形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の紫外線センサ。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の紫外線センサを備え、
    前記第一出力端からの出力と前記第二出力端からの出力との差分に基づいて、紫外域における検出対象波長域の光を検出する、紫外線検出装置。
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