JP2017163023A - 光検出器およびこれを用いた被写体検知システム - Google Patents

光検出器およびこれを用いた被写体検知システム Download PDF

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梨紗子 上野
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和拓 鈴木
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浩大 本多
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浩一 石井
舟木　英之
Hideyuki Funaki
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Abstract

【課題】簡易な構成で近赤外領域の光に対する感度を向上させることができる、光検出器およびこれを用いた被写体検知システムを提供する。
【解決手段】光検出器１は、第１領域と、第１領域に隣接する第２領域とを有する第１導電型の半導体基板１０と、第１領域に配置された第２導電型の第１半導体層２１と、第１半導体層２１と半導体基板１０との間に配置され第１半導体層２１に接合する第１導電型の第２半導体層２３と、第２半導体層２３と離間して半導体基板１０に配置された第１導電型の第３半導体層２５と、第１半導体層２１に電圧を印加する第１電極２７ａと、第３半導体層２５に電圧を印加する第２電極２７ｂと、を備えた少なくとも１つの光検出セル２０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）と、第２領域に配置され、入射光を半導体基板１０の表面に平行な第１方向に第１半導体層１０と第２半導体層２１との接合部に導く光ガイド部４０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光検出器およびこれを用いた被写体検知システムに関する。
近赤外領域の光を高感度に検出する光検出器として、量子井戸型構造を持つ、例えばＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体またはカルコパイライト型の半導体等を用いたものが知られている。しかし、化合物半導体を用いた光検出器はシリコンをベースとした素子よりも製造が困難で高価であり、また読み出しＣＭＯＳ回路との混載が困難であることが課題である。
シリコンを用いた光検出器は、安価に量産可能であり、読み出しＣＭＯＳ回路等との同時形成の整合性に優れている。しかし、化合物半導体を用いた光検出器と比較して近赤外領域での光吸収効率が低い。そこで、近赤外領域の光に対する感度を高めるために、光吸収光路長に関連する空乏層の厚みを大きくする技術や、シリコン基板における少なくともｐｎ接合に対向する領域に不規則な凹凸を形成する技術などが知られている。
しかし、空乏層の厚みを大きくすると、駆動電圧を高くする必要があり、光検出器の微細アレイ化が困難となる。また、シリコン基板に不規則な凹凸を形成するためには、専用の加工装置が必要であった。すなわち、簡易な構成で近赤外領域の光に対する感度を向上させることは困難であった。
特開２０１３−９３６０９号公報
本実施形態は、簡易な構成で近赤外領域の光に対する感度を向上させることができる、光検出器およびこれを用いた被写体検知システムを提供する。
本実施形態による光検出器は、第１領域と、前記第１領域に隣接する第２領域とを有する第１導電型の半導体基板と、前記第１領域に配置された第２導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層と前記半導体基板との間に配置され前記第１半導体層に接合する第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層と離間して前記半導体基板に配置された第１導電型の第３半導体層と、前記半導体基板上に前記第１半導体層に電圧を印加する第１電極と、前記半導体基板上に前記第３半導体層に電圧を印加する第２電極と、を備えた少なくとも１つの光検出セルと、前記第２領域に配置され、入射光を前記半導体基板の表面に平行な第１方向に前記第１半導体層と前記第２半導体層との接合部に導く光ガイド部と、を備えている。
第１実施形態による光検出器を示す斜視図。 図２Ａ乃至２Ｃは、テーパ角を有する光ガイド部に水平方向に伝播する光の光線を示す図。 光ガイド部に入射する光のテーパ角依存性を示す図。 光が基板に垂直に入射する場合における開口率６４％のＡＰＤセルの近赤外光の感度を示す図。 光が基板に水平に入射する場合における開口率６４％のＡＰＤセルの近赤外光の感度を示す図。 第２実施形態による光検出器を示す断面図。 第３実施形態による長距離被写体検知システムを示すブロック図。
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態による光検出器を図１に示す。この光検出器１は、半導体基板（例えば、ｐ−型シリコン基板）１０と、この半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数の光検出セル２０１１〜２０３３と、光ガイド部４０，反射防止膜４２と、備えている。複数の光検出セル２０１１〜２０３３は、半導体基板１０のセルアレイ領域１４に配置される。
各光検出セル２０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）はフォトダイオードである。そして、各光検出セル２０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）は、表面に配置されたｎ＋半導体層２１と、ｐ型半導体層２３と、ｎ＋半導体層２１とｐ型半導体層２３との間に配置されｎ＋半導体層２１よりもｎ型不純物濃度の低いｎ型半導体層２２と、ｐ型半導体層２３と離間して半導体基板１０内に配置されたｐ型半導体層２４と、半導体基板１０の表面に配置されてｐ型半導体層２４と接合し、ｐ型半導体層２４よりもｐ型不純物濃度が高いｐ＋半導体層２５と、ｎ＋半導体層２１に接続する第１電極２７ａと、ｐ＋半導体層２５に接続する第２電極２７ｂと、を備えている。なお、第２電極２７ｂは、同一行の光検出セルに対して１つ余分に設けられている。例えば光検出セル２０１１、２０１２、２０１３に対して４個の第２電極２７ｂが設けられ、余分の第２電極２７ｂは、図１において、光検出セル２０１１、２０２１、２０３１のそれぞれの左側に配置されている。すなわち、同一行の光検出セル、例えば光検出セル２０１１、２０１２、２０１３はそれぞれ、２つの第２電極２７ｂの間に配置されている。なお、ｐ＋半導体層２５を挟むように、例えばＳｉＯ２またはＳｉＮからなる素子分離絶縁層２６が配置されとともに、この素子分離絶縁層２６は、各検出セル２０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）のｎ型半導体層２２を取り囲むように配置されている。これにより、各光検出セル２０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）は、素子分離絶縁層２６によって素子分離される。
これらの光検出セル２０１１〜２０３３上には層間絶縁層３２が配置され、この層間絶縁層３２上には層間絶縁層３４が配置されている。層間絶縁層３２には、第１電極２７ａに接続する配線２９ａと、第２電極２７ｂに接続する配線２９ｂが配置されている。更に、層間絶縁層３２には、第１電極２７ａと配線２９ａとを接続するコンタクト２８ａと、第２電極２７ｂと配線２９ｂとを接続するコンタクト２８ｂと、が配置されている。
光ガイド部４０は、セルアレイ領域１４に隣接して半導体基板１０に配置され、光検出器１に入射した光５０を光検出セル２０１１〜２０３３に導く。この光ガイド部４０は、半導体基板１０の上面から下面に向かうに連れて、半導体基板１０の表面に平行な面における断面図が広がるような逆テーパ構造を有している。このような逆テーパ構造を有しているにより、半導体基板に対して斜め上方から入射する光５０を半導体基板の水平方向へと導く。光ガイド部４０は、空気層であっても良いし、ＳｉＯ２等の入射光５０に対して透明な材料であっても良い。光ガイド部４０が空気層である場合は、光ガイド部４０は開口となる。
また、光ガイド部４０を介して入射した光５０が半導体基板１０に入射する面と半導体基板１０との間、すなわち光ガイド部４０と半導体基板１０との間には入射光５０の反射を防止するための反射防止層４２が配置されている。反射防止層４２としては、例えばＳｉＯ２またはＳｉＮが用いられる。
なお、光ガイド部４０と反対側のセルアレイ領域１４の端部には、高反射率金属からなる反射領域４６が設けられ、この反射領域４６は、絶縁層４７によって覆われ、光ガイド部４０および半導体基板１０を介して光検出セル２０１１〜２０３３を通過した光を反射し、この反射した光を再度光検出セル２０１１〜２０３３１０ｉｊに入射させる。この反射領域４６は無くてもよい。
次に、第１実施形態の光検出器１の動作について説明する。まず、第１電極２７ａに正の電圧を第２電極２７ｂに負の電圧を印加する。すると、ｐ型半導体層２３に空乏層（破線で示す領域）が形成される。この状態で、光ガイド部４０を介して１つのフォトンが各光検出セル２０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）の上記空乏層に入射すると、１つの電子と、この電子と対となる１つの正孔とが空乏層において生成される。生成された電子は、ｐ型半導体層２３とｎ型半導体層２２との接合部で増倍され、ｎ＋半導体層２１を介して第１電極２７ａに流れる。第１電極２７ａに流れた電子はコンタクト２８ａ、配線２９ａを介して図示しない読み出し回路に送られる。また、上記空乏層で生成された正孔は、ｐ型半導体層２３から、半導体基板１０、ｐ型半導体層２４、およびｐ＋半導体層２５を介して第２電極２７ｂに流れる。第２電極２７ｂに流れた電子はコンタクト２８ｂ、配線２９ｂを介して図示しない読み出し回路に送られる。
これにより、入射したフォトンに対応した電流が第１電極２７ａと第２電極２７ｂとの間に流れる。この電流を図示しない読み出し回路によって読み出すことにより、光検出セルに入射したフォトンの個数を検出することができる。光検出セル２０１１〜２０３３を並列に接続し、光検出セル２０１１〜２０３３を流れる電流の総計を図示しない読み出し回路によって読み出すことにより、光検出器１に入射したフォトンの個数を検出することができる。また、各光検出セルがそれぞれ個別に読み出し回路に接続されていても良い。
なお、第１実施形態においては、各半導体層および半導体基板１０の導電型を逆にしても同じ効果を得ることができる。例えば、ｎ＋半導体層２１がｐ＋半導体層に、ｎ型半導体層２２がｐ型半導体層に、ｐ型半導体層２３がｎ型半導体層に、ｐ型半導体層２４をｎ型半導体層に、ｐ＋半導体層２５をｎ＋半導体層に、ｐ−半導体基板１０をｎ−半導体基板に替えてもよい。このとき、第１電極２７ａおよび第２電極２７ｂに印加される電圧の極性も逆になる。
（光ガイド部のテーパ角）
次に、光ガイド部４０のテーパ角について図２（ａ）乃至図３を参照して説明する。テーパ角αを有する光ガイド部４０のテーパ面に入射光５０が入射角βで入射し、光５０が光ガイド部４０中を水平に伝播する場合を示す図である。シリコンからなる光ガイド部４０のテーパ角αを１０°としたとき、光ガイド部４０中を光が水平に伝播するためには、光５０の入射角βは、６３．４°であることが計算によって求められ、これを図２（ｂ）に示す。また、シリコンからなる光ガイド部４０のテーパ角αを１５°としたとき、光ガイド部４０中を光が水平に伝播するためには、光５０の入射角βは、４２．３°であることが計算によって求められ、これを図２（ｃ）に示す。図２（ｂ）、２（ｃ）に示す光線の追跡においては、シリコンの屈折率が３．４２、空気の屈折率が１．０として計算した。
また、シリコンからなる光ガイド部４０の光入射面に接する入射媒質がそれぞれＳｉＯ２、空気である場合における、光ガイド部４０中を光が水平に伝播するための、入射角βのテーパ角α依存性を図３に示す。図３からわかるように、テーパ角度αが増加するほど、入射角度βは減少し、光ガイド部位４０がシリコンからなるとした場合、最大のテーパ角度αは１７度となる。すなわち、光ガイド部４０のテーパ角αは０°より大きく１７°以下であることが好ましい。
（光検出セル）
第１実施形態において、各光検出セル１０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）は、例えばシリコン材料を用いたアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）を有する光検出セルを用いることができる。
ＡＰＤは、検出の待機状態では、その降伏逆電圧よりも高い逆電圧が印加され、ガイガーモードと呼ばれる領域で動作させる光検出素子である。ガイガーモード動作時のＡＰＤの利得は１０５〜１０６と非常に高いため、フォトン１個という微弱な光をも計測可能となる。
一般に、各ＡＰＤにはクエンチ抵抗と呼ばれる高抵抗が直列に接続されており、フォトン１個が入射されガイガー放電した際に、クエンチ抵抗による電圧降下によって、増幅作用が終端するため、パルス状の出力信号が得られる。
ＡＰＤを併設接続したシリコンフォトマル（ＳｉＰＭ）では、各ＡＰＤがこの働きをするため、複数のＡＰＤにおいてガイガー放電が生じた場合は、ＡＰＤ１つの出力信号に対して、ガイガー放電したＡＰＤ数倍の電荷量またはパルス波高値の出力信号が得られる。従って、出力信号からガイガー放電したＡＰＤの個数、つまりはＳｉＰＭに入射した光子数が計測できるため、フォトン１個１個の光子計測が可能となる。
光検出素子としてＡＰＤを用いた光検出セルは、降伏電圧よりも高い逆バイアス電圧にて駆動させる。ＡＰＤの空乏層の厚みは２μｍ〜３μｍ、逆バイアス電圧は１００Ｖ以下が一般的である。シリコンフォトダイオードで近赤外光の感度を向上させるためには、空乏層の厚さ（感度領域）を厚くする必要がある。しかしこの場合、駆動電圧が高くなる、チップサイズが大きくなる、また応答特性が遅くなる、等々の課題がある。よって、駆動電圧を低く抑えたままで、光が感度領域を通る距離（光路長）を伸ばすことが有効である。
感度領域が２０μｍ，不感領域が５μｍ、空乏層の深さが３μｍである図４（ａ）に示すＡＰＤにおいて、光が基板の表面に垂直な方向から入射したときの、近赤外光（波長８５０ｎｍ）の光吸収量を計算により求め、その結果を図４（ｂ）に示す。なお、図４（ｂ）においては、波長が４２７．６ｎｍ、５６３．６ｎｍの光に対する光吸収量を計算により求めた結果も示す。また、上記計算においては、光吸収量は、シリコンの光吸収特性より算出している。図４（ａ）に示すＡＰＤは、２次元的における開口率が６４％の光検出素子であり、光が基板の表面に垂直な方向から入射するため、入射した光を検出することの可能な光検出素子は１個となる。このため、近赤外域のフォトン変換効率は、図４（ｂ）に示すように深さ方向の吸収量が２０％であるから、１２％（＝２０％×６４％）程度になることがわかる。
一方、開口率が６４％のＡＰＤにおいて、第１実施形態のように光を基板の表面に平行な水平方向から基板中に入射した場合の模式図を図５(ａ)に示す。この図５（ａ）に示すＡＰＤにおいて、近赤外光（波長８５０ｎｍ）の光吸収量を計算により求め、その結果を図５（ｂ）に示す。なお、図５（ｂ）においては、波長が４２７．６ｎｍ、５６３．６ｎｍの光に対する光吸収量を計算により求めた結果も示す。基板の表面に平行な水平方向から基板中に光が入射する場合は、光は複数個のＡＰＤを通過することが可能となるので、光吸収量を増加することができる。例えば、図５（ｂ）からわかるように、同じ開口率６４％の素子でも、ＡＰＤ２個で吸収量４０％を見込むことができる。
第１実施形態の光検出器１は、波長が７５０ｎｍ〜１０００ｎｍの近赤外領域の光を検出することができる。
以上説明したように、第１実施形態によれば、簡易な構成で近赤外領域の光に対する感度を向上させることが可能な光検出器を提供することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態による光検出器を図６に示す。この第２実施形態の光検出器１Ａは、図１に示す第１実施形態の光検出器１において、光ガイド部４０を光ガイド部４０Ａに置き換えた構成を有している。
この光ガイド部４０Ａはセルアレイ領域１４に隣接して半導体基板１０に配置され、半導体基板１０の表面に対して垂直方向に設けられた開口であるか、またはこの開口に埋め込まれ入射する光に対して透明な部材を有している。上記開口の底面は傾いており、この底面に反射層４３が配置されている。半導体基板１０に垂直に入射した光が光ガイド部４０Ａを透過して反射層４３において反射され、反射防止層４３Ａを介してセルアレイ領域１４の光検出セルのｐ型半導体層２３を通過するように、開口の底面は傾斜している。反射防止層４３Ａとしては、ＳｉＯ２、またはＳｉＮが用いられる。
このように構成された第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、簡易な構成で近赤外領域の光に対する感度を向上させることが可能な光検出器を提供することができる。
（第３実施形態）
第３実施形態による被写体検知システムを図７に示す。この実施形態の被写体検知システム２００は、光投射部２１０と、光検出部２５０とを備え、光投射部２１０より被写体１００へ光を投射し、被写体１００によって反射されて照射方向と同一方向へ戻ってくる反射光を光検出部２５０が検知し、その戻り時間（光飛行時間）、強度等を算出することで、光の飛行時間からその被写体１００までの距離、光強度から被写体１００の反射率等を推定する装置である。
光投射部２１０は、例えば近赤外域の光を投射する近赤外光照射部２１２と、投射光および被写体からの反射光を分割する、例えばビームスプリッター有する光分割部２１４と、光を被写体１００に向かって水平、垂直方向へ２次元的に走査する光走査部２１６と、を備えている。被写体１００から反射して照射方向と同一方向へ戻ってくる反射光は、ふたたび光走査部２１６へ戻り、光分割部２１４で光検出部２５０へ導かれる。
光検出部２５０は、光分割部２１４からの光を集光する集光レンズ２６０と、光の強度を検出する光検出器２６４と、光検出器２６４を駆動し光検出器２６４から光の強さを読み出す駆動および読み出し回路２７０と、近赤外光照射部２１２から投射される光のタイミングの同期を得る同期回路２７２と、同期回路２７２からの同期タイミングを用いて近赤外光照射部２１２から投射された光の戻り時間を演算する時間演算処理部２７４と、被写体１００の２次元情報、時間情報を蓄積するためのデータ蓄積部２７６と、を備えている。
この第３実施形態においては、被写体１００によって反射された近赤外光を検出する光検出器２６４として、第１実施形態の光検出器１または第２実施形態の光検出器１Ａが用いられる。これにより、この第３実施形態の被写体検知システム２００は、第１またが第２実施形態と同様に、簡易な構成で近赤外領域の光に対する感度を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１，１Ａ・・・光検出器、１０・・・半導体基板（ｐ−型シリコン基板）、１４・・・セルアレイ領域、２０ｉｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）・・・光検出セル、２１・・・ｎ＋半導体層、２２・・・ｎ型半導体層、２３，２４・・・ｐ型半導体層、２５・・・ｐ＋半導体層、２７ａ・・・第１電極、２７ｂ・・・第２電極、２８ａ，２８ｂ・・・コンタクト、２９ａ，２９ｂ・・・配線、３２・・・層間絶縁層、３４・・・層間絶縁層、４０・・・光ガイド部、４２，４２Ａ・・・反射防止層、４６・・・反射領域、４７・・・絶縁層、５０・・・入射光

Claims (11)

  1. 第１領域と、前記第１領域に隣接する第２領域とを有する第１導電型の半導体基板と、
    前記第１領域に配置された第２導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層と前記半導体基板との間に配置され前記第１半導体層に接合する第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層と離間して前記半導体基板に配置された第１導電型の第３半導体層と、前記半導体基板上に前記第１半導体層に電圧を印加する第１電極と、前記半導体基板上に前記第３半導体層に電圧を印加する第２電極と、を備えた少なくとも１つの光検出セルと、
    前記第２領域に配置され、入射光を前記半導体基板の表面に平行な第１方向に前記第１半導体層と前記第２半導体層との接合部に導く光ガイド部と、
    を備えた光検出器。
  2. 前記光ガイド部は、前記半導体基板の表面から前記表面に垂直な第２方向に沿って配置された開口であるか、または前記開口に埋め込まれた前記入射光に対して透明な部材であり、前記開口は前記第１領域と前記第２領域との境界に、前記第２方向に対して所定の角度傾いている側面を有している請求項１記載の光検出器。
  3. 前記光ガイド部は、前記半導体基板の表面から前記表面に垂直な第２方向に沿って配置された開口であり、前記開口は前記第１領域と前記第２領域との境界に前記第２方向に平行な側面と、前記第２方向に対して所定の角度傾いている底面と、を有している請求項１記載の光検出器。
  4. 前記所定の角度は、０度より大きく１７度以下である請求項２または３記載の光検出器。
  5. 前記側面に反射防止層が配置されている請求項２乃至４のいずれかに記載の光検出器。
  6. 前記第１領域に配置され光を反射する反射領域を更に備え、前記少なくとも１つの光検出セルは、前記反射領域と前記光ガイド部との間に位置する請求項１乃至５のいずれかに記載の光検出器。
  7. 前記光検出セルは、アバランシェフォトダイオードである請求項１乃至６のいずれかに記載の光検出器。
  8. 前記光検出セルは、波長が７５０ｎｍ〜１０００ｎｍの近赤外光を検出する請求項１乃至７のいずれかに記載の光検出器。
  9. 前記少なくとも１つの光検出セルは、前記第１方向に沿って前記半導体基板の前記第１領域に配置された複数の光検出セルである請求項１乃至８のいずれかに記載の光検出器。
  10. 前記複数の光検出セルのうち隣接する２つ光検出セルの間に、前記２つの光検出セルの一方の前記第２電極が配置されている請求項９記載の光検出器。
  11. 光を投射する光照射部と、前記光および被写体からの前記光の反射光を分割する光分割部、前記投射光を前記被写体に向かって走査する光走査部と、前記光分割部によって分割された前記反射光を検出する光検出器と、前記光検出器を駆動し前記光検出器から前記反射光の強さを読み出す駆動および読み出し回路と、前記光照射部から投射される光のタイミングの同期を得る同期回路と、前記同期回路からの同期のタイミングを用いて前記光照射部から投射された光の戻り時間を演算する時間演算処理部と、を備え、前記光検出器は請求項１乃至１０のいずれかに記載の光検出器である被写体検知システム。
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