JP2020013950A - 光検出器、光検出システム、ライダー装置及び車 - Google Patents

光検出器、光検出システム、ライダー装置及び車 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、高感度な光検出器を提供する。【解決手段】上記の課題を達成するために、実施形態の光検出器は、複数の光検出素子１と、複数の光検出素子１の間に設けられるトレンチ３と、複数の光検出素子１の内、２つの光検出素子１の間に設けられ、２つの光検出素子１と電気的に接続する配線４と、を具備し、トレンチ３は、２つの光検出素子１を含む２ｍ（ｍは正の整数）個の光検出素子１を囲み、配線４の延伸方向と直交する方向に２つの光検出素子１が並ぶ。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、光検出器、光検出システム、ライダー装置及び車に関する。
光検出器として高感度化が望まれる。
特願平１０−２７２６４０公報 特願２００５―９７７０２公報 特願２００７―５０５１２７公報
本発明の実施形態は、高感度な光検出器を提供する。
上記の課題を達成するために、実施形態の光検出器は、複数の光検出素子と、複数の光検出素子の間に設けられるトレンチと、複数の光検出素子の内、２つの光検出素子の間に設けられ、２つの光検出素子と電気的に接続する配線と、を具備し、トレンチは、２つの光検出素子を含む２ｍ（ｍは正の整数）個の光検出素子を囲み、配線の延伸方向と直交する方向に２つの光検出素子が並ぶ。
第１の実施形態に係る光検出器を示す図。 図１で示した光検出器の光検出素子のｐ−ｐ´断面を示す図。 トレンチの有無とＩＶ特性の関係を示す図。 トレンチの有無と余剰ノイズの関係を示す図。 トレンチの有無と光検出器の動作モデルを示す図。 トレンチを用いた一般の光検出器を示す図。 第１の実施形態に係る光検出器の変形例１を示す図 第１の実施形態に係る光検出器の変形例２を示す図 本実施形態に係るライダー装置を示す図。 本実施形態に係るライダー装置を備えた車の上面略図。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは、互いに対応するものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光検出器を示す図である。この光検出器は、入射した光を電荷に変換して電気信号として検出することができる。
光検出器はアレイ状に複数設けられた光検出素子１と、複数の光検出素子１の間に設けられる非光検出領域２と、非光検出領域２内で複数の光検出素子の間に設けられるトレンチ３と、非光検出領域２内で２つの光検出素子の間に設けられ、２つの光検出素子と電気的に接続する配線４とを含む。また、トレンチ３は、２つの光検出素子を含む２ｍ（ｍは正の整数）個の光検出素子を囲むように設けられる。配線４が伸びる方向を延伸方向とし、延伸方向と直交する方向に２つの光検出素子が並んでいる。ここで、「上」とは、光が入射する側のことである。本実施形態に係る「囲む」とは、完全に囲むことだけを意図しておらず、トレンチ３同士が離間していてもトレンチ３同士をたどって、図１のＡのように多角形（第１の実施形態では、四角形）の軌道を描ければ囲むとする。
光検出素子１は、入射した光を電荷に変換することで光を検出する。例えばガイガーモード動作するアバランシェフォトダイオードである。
非光検出領域２は、入射した光を検出できない領域である。
トレンチ３は、互いに隣り合う光検出素子１同士が干渉し合わないために設けられている。
配線４は、光検出素子１が変換した電気信号を駆動・読み出し部（図示せず）へと出力するために設けられる。また、配線４は、クエンチ抵抗（図示せず）も含む。クエンチ抵抗は、光検出素子が一つの光子を検出し、次の光子を検出できるまでの時間を短くするため、増倍を収束できるように設けられる。
図２は、図１で示した光検出器の光検出素子１のｐ−ｐ´断面を示す図である。
図２のｐ−ｐ´断面において、光検出器は、さらに裏面電極９と、裏面電極９上に設けられる高濃度ｐ型基板１１と、高濃度ｐ型基板１１上に設けられ、光検出素子１を形成するエピ層１２と、光検出素子１上に設けられる保護層７０を含む。光検出素子１は、ｐ型半導体層５と、ｐ型半導体層５上に設けられるｎ型半導体層４０と、を含む。保護層７０の一部で配線４がｎ型半導体層４０と電気的に接続されている。また、トレンチ３は、配線４によって電気的に接続された２つの光検出素子１を積層方向に交差する方向において挟むようにエピ層１２を垂直加工して形成される。垂直加工することでできる窪みの側壁はそのままでもトレンチとして機能するが、側壁を絶縁膜又は金属膜で覆うか、窪みを絶縁材料又は金属で充填するとさらにクロストークの低減ができる。
裏面電極９は、電圧を与えて配線４との間に電位差を生じさせるために設けられる。裏面電極９の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。
ｐ型半導体層５は、高純度の半導体（たとえば、シリコン）に不純物（たとえば、ボロン）が添加されたものである。
ｎ型半導体層４０は、高純度の半導体（たとえば、シリコン）に不純物（たとえば、リン）が添加されたものである。
保護層７０は、配線４が外部と接触して短絡しないように保護する目的で設けられている。保護層７０の材料は例えばシリコン酸化膜または窒化膜である。
図３は、トレンチ３の有無とＩＶ特性の関係を示す図である。
トレンチ３を設けた場合は、電流がブレークダウン電圧である２５Ｖから緩やかに上昇して、４４Ｖから急激に増加して発散する。一方で、トレンチ３を設けない場合は、電流がブレークダウン電圧である２５Ｖから急激に増加して３０Ｖで発散してしまう。ブレークダウン電圧から発散する電圧までの差をΔＶｃと定義すると、トレンチ３を設けた場合のΔＶｃは４４Ｖ−２５Ｖ＝１９Ｖであり、トレンチ３を設けない場合のΔＶｃは３０Ｖ−２５Ｖ＝５Ｖである。したがって、トレンチ３を形成した光検出器はクロストークやアフターパルスのような余剰ノイズが低減できるため、発散するまでの電圧が大きくなりΔＶｃが拡張する。ΔＶｃが大きければ、それだけ光検出器に印加できる電圧も大きくできるため、トレンチ３を形成すると光検出器の高感度化に繋がる。
図４は、トレンチ３の有無と余剰ノイズの関係を示す図である。
図４におけるＶＯＶは、ブレークダウン電圧以上に印加する電圧のことである。また、余剰ノイズとしてのクロストークは、一定時間に発生するパルスの数と、同時に発生した複数個のパルスの比のことであり、アフターパルスは、発生したパルスに起因して一定時間後に励起され発生するパルス数の比のことである。図４（ａ）が示すように、トレンチ３を形成するとクロストークがトレンチ３が無い場合と比べて大きく減少する。また、図４（ｂ）が示すように、アフターパルスが大きく減少することがわかる。
図５は、トレンチ３の有無と光検出器の動作モデルを示す図である。
図５（ａ）は、本実施形態のトレンチ３を設けた場合における動作モデルであり、図５（ｂ）は、比較例として用意したトレンチ３を設けない場合における動作モデルである。
図５（ａ）に示すように、一つの光検出素子１にて発生したキャリアがアバランシェ増倍する過程で２次光子が発生する。その２次光子が全方向に広がり、エピ層１２とトレンチ３の屈折率に差があるため光子の屈折が起こる。一部の２次光子は余剰ノイズとしてほとんど機能しない方向に進行する。また、一部の２次光子はトレンチ３によって全反射され２次光子発生源である光検出素子１の内部に戻り、キャリアを発生させて余剰ノイズとなる懸念があるが、クエンチ抵抗中に電流が流れ、光検出素子１にかかる電圧が低くなることで低増倍率になってパルス出力として現れなくなる。したがって、余剰ノイズとしてほとんど検出されない。一方で、図５（ｂ）で示すように、トレンチがないので、隣接した光検出素子１に２次光子が進行して余剰ノイズが大きくなる。
次に製造方法を説明する。
高濃度ｐ型基板１１上（例えば、シリコン基板で、直径８インチ、厚み７２５ｕｍ）に低濃度（例えば、１Ｅ１４／ｃｍ３以上１Ｅ１６／ｃｍ３以下）のｐ型シリコンをエピ成長(例えば、５ｕｍ以上１５ｕｍ以下)しエピ層１２を形成する。そのエピ層１２の表面近傍にｐ型半導体層５（例えば、３Ｅ１２／ｃｍ３)とｎ型半導体層４０（５Ｅ１４／ｃｍ３）をイオン注入によって形成し、ｎ型半導体層４０上にコンタクトを経由して配線４(例えばｐｏｌｙ−Ｓｉまたは金属膜)と繋ぐ。配線４を覆うように保護膜７０を形成する。配線４を形成する前か後にトレンチを形成することを前作りトレンチ、後作りトレンチとすると、前作りトレンチは光入射方向からみて光検出素子１を完全にトレンチで囲むことができるが、トレンチ３の埋め込み及び保護層７０、配線４を形成するプロセスに制約が生まれる。また、後作りトレンチは配線４が形成された後にトレンチを形成するので配線４を断線させないために、光入射方向からみて光検出素子１を完全に囲むことはできなくなるが、製造上簡便にできる。第１の実施形態に係る光検出器は、後作りトレンチであるが、後作りトレンチだけと限定されず、前作りトレンチと後作りトレンチの両方に適用可能である。
図６は、トレンチを用いた一般の光検出器を示す図である。
図６に示すように、一般の光検出器は、光検出素子１毎にトレンチ３がＢのよう囲むようにして形成されている。この構造であると、一つの光検出素子１にて発生したキャリア及び２次光子による影響を最低限に抑える効果はあるが、トレンチ３と配線４を設けるために複数の光検出素子１の間の距離を大きくとらなければならず、光検出素子１の開口率を低下させてしまう。また、光検出器全体に対して、トレンチ３の割合が大きくなるために、トレンチ加工時におこる欠陥による余剰ノイズが大きくなってしまう。
一方で、第１の実施形態に係る光検出器は、光検出素子２個を囲むようにトレンチ３が形成されている。一つの光検出素子１毎にトレンチ３で囲む一般構造に比べ、光検出素子１にて発生したキャリア及び２次光子による影響を抑える効果はほぼ同じか少し劣るが、隣接する２つの光検出素子１の間にトレンチ３と配線４を同時に設ける必要がない。したがって、第１の実施形態に係る光検出器は、一般の光検出器よりも開口率を向上させることができる。また、第１の実施形態に係る光検出器は、一般の光検出器よりも光検出器全体に対して、トレンチ３の割合を小さくできる。したがって、トレンチ加工時におこる欠陥による余剰ノイズを抑えることができる。開口率が大きく、余剰ノイズを抑えることで高感度な光検出器を実現する。
（変形例）
図７は、第１の実施形態に係る光検出器の変形例１を示す図である。
第１の実施形態に係る光検出器の変形例１は、十字のトレンチ３を形成して、延伸方向及び延伸方向と直交する方向に並んだ４つの光検出素子１を囲んでいる。
図７の例では、延伸方向に２つ、延伸方向と直交する方向に２つの４つの光検出素子１をトレンチ３で囲んでいるが、４つだけでなく２ｍ（ｍは整数）倍個の光検出素子１をトレンチ３で囲めばよい。
第１の実施形態に係る光検出器の変形例１は、第１の実施形態に係る光検出器よりも光検出器全体に対して、トレンチ３の割合を小さくできる。したがって、トレンチ加工時におこる欠陥による余剰ノイズをさらに抑えることができる。
図８は、第１の実施形態に係る光検出器の変形例２を示す図である。
第１の実施形態に係る光検出器の変形例２は、延伸方向と直交する方向に並んだ４つの光検出素子１をトレンチ３で囲んでいる。
図８の例では、４つの光検出素子１をトレンチ３で囲んでいるが、４つだけでなく２ｍ（ｍは整数）倍個の光検出素子１をトレンチ３で囲めばよい。
第１の実施形態に係る光検出器の変形例２は、第１の実施形態に係る光検出器の変形例１の効果を得る。また、長方形状に並んだ複数の光検出素子１を囲むことで、末端同士の光検出素子１の距離が大きくすることができ、クロストークによる余剰ノイズを低減することが可能である。
なお、図面に示した第１の実施形態に係る光検出素子は、光入射側からみて、四角形であったが、多角形又は円形の光検出素子であっても同様の効果を得る。
また、第１の実施形態では、トレンチ３で２ｍ（ｍは正の整数）個の光検出素子を囲んだが、これに限定されない。例えばトレンチ３で３ｍ（ｍは正の整数）個の光検出素子を囲んでも上述した同様の効果を得る。
（第２の実施形態）
図９に本実施形態に係るライダー（Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＡＲ）装置５００１を示す。
この実施形態は、ライン光源、レンズと構成され長距離被写体検知システム（ＬＩＤＡＲ）などに応用できる。ライダー装置５００１は、対象物５０１に対してレーザ光を投光する投光ユニットTと、対象物５０１からのレーザ光を受光しレーザ光が対象物５０１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する受光ユニットR（光検出システムともいう）と、を備えている。
投光ユニットTにおいて、レーザ光発振器（光源ともいう）３０４はレーザ光を発振する。駆動回路３０３は、レーザ光発振器３０４を駆動する。光学系３０５は、レーザ光の一部を参照光として取り出し、そのほかのレーザ光をミラー３０６を介して対象物５０１に照射する。ミラーコントローラ３０２は、ミラー３０６を制御して対象物５０１にレーザ光を投光する。ここで、投光とは、光を当てることを意味する。
受光ユニットRにおいて、参照光用検出器３０９は、光学系３０５によって取り出された参照光を検出する。光検出器３１０は、対象物５００からの反射光を受光する。距離計測回路３０８は、参照光用光検出器３０９で検出された参照光と光検出器３１０で検出された反射光に基づいて、対象物５０１までの距離を計測する。画像認識システム３０７は、距離計測回路３０８で計測された結果に基づいて、対象物５０１を認識する。
ライダー装置５００１は、レーザ光が対象物５０１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する光飛行時間測距法（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を採用している。ライダー装置５００１は、車載ドライブ−アシストシステム、リモートセンシング等に応用される。光検出器３１０として上述した実施形態の光検出器を用いると、特に近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、ライダー装置５００１は、人が不可視の波長帯域への光源に適用することが可能となる。ライダー装置５００１は、例えば、車向け障害物検知に用いることができる。
なお、光検出器３１０および光源３０４のセットを複数設け、その配置関係を前もってソフトウェア（回路でも代替可）に設定しておくことが好ましい。光検出器３１０および光源３０４のセットの配置関係は、例えば、等間隔で設けられることが好ましい。それにより、各々の光検出器３１０の出力信号を補完しあうことにより、正確な３次元画像を生成することができる。
図１０は、本実施形態に係るライダー装置を備えた車の上面略図である。
本実施形態に係る車７００は、車体７１０の４つの隅にライダー装置５００１を備えている。
本実施形態に係る車は、車体の４つの隅にライダー装置を備えることで、車の全方向の環境をライダー装置によって検出することができる。
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。この実施形態やその変形は、説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・・光検出素子、２・・非光検出領域、３・・トレンチ、４・・配線、５・・ｐ型半導体層、９・・裏面電極、１１・・高濃度ｐ型基板、１２・・エピ層、４０・・ｎ型半導体層、７０・・保護層

Claims (9)

  1. 複数の光検出素子と、
    前記複数の光検出素子の間に設けられるトレンチと、
    前記複数の光検出素子の内、２つの光検出素子の間に設けられ、前記２つの光検出素子と電気的に接続する配線と、を具備し、
    前記トレンチは、前記２つの光検出素子を含む２ｍ（ｍは正の整数）個の光検出素子を囲み、
    前記配線の延伸方向と直交する方向に前記２つの光検出素子が並ぶ光検出器。
  2. 前記延伸方向と直交する方向に前記２ｍ個の光検出素子が並ぶ請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記トレンチの側壁に絶縁膜又は金属膜を有する請求項１又２に記載の光検出器。
  4. 前記トレンチは、絶縁材料又は金属で充填される請求項１又２に記載の光検出器。
  5. 複数の光検出素子と、
    前記複数の光検出素子の間に設けられ、少なくとも２つの光検出素子を囲むトレンチと、を具備する光検出器。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光検出器と、
    前記光検出器の出力信号から光の飛行時間を算出する距離計測回路と、
    を備える光検出システム。
  7. 物体に光を照射する光源と、
    前記物体に反射された光を検出する請求項６に記載の光検出システムと、
    を備えるライダー装置。
  8. 前記光源と前記光検出器の配置関係に基づいて、三次元画像を生成する手段と、
    を備える請求項７に記載のライダー装置。
  9. 車体の４つの隅に請求項７又は８に記載のライダー装置を備える車。
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