JP2022175859A - Light detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光検出装置に関し、特に、半導体を用いて特定の範囲内の波長を有する光を検出する装置に関する。 The present invention relates to a photodetector, and more particularly to a device that uses semiconductors to detect light having a wavelength within a specific range.
従来より、p型半導体から成るp層とn型半導体から成るn層が接合されたpn接合型の半導体装置を備える光検出装置が用いられている。例えば特許文献1に記載の光検出装置では、n型半導体から成るn層の表面から不純物を拡散させることでn層の表面側の一部にp型半導体から成るp層を作製することによりpn接合を形成した半導体装置が記載されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a photodetector has been used that includes a pn junction semiconductor device in which a p-layer made of a p-type semiconductor and an n-layer made of an n-type semiconductor are joined. For example, in the photodetector disclosed in
このような半導体装置にp層又はn層の表面(入射面)から光を入射させると、光は半導体内を進行する中で徐々に吸収されてゆく。入射面における光の強度をI0、入射面からの深さをxとすると、深さxにおける光の強度I(x)はランベルト・ベールの法則により、I(x)=I0・exp(-αx)で表される。ここでαは吸収係数であり、光の波長が短いほど吸収係数αは大きくなる。従って、光の波長が長いほど、光の吸収は入射面から深い位置で生じ易くなる。 When light enters such a semiconductor device from the surface (incident surface) of the p-layer or n-layer, the light is gradually absorbed as it travels through the semiconductor. Assuming that the intensity of light on the plane of incidence is I 0 and the depth from the plane of incidence is x, the intensity of light I(x) at depth x is given by the Beer-Lambert law: I(x)=I 0 exp( -αx). Here, α is an absorption coefficient, and the shorter the wavelength of light, the larger the absorption coefficient α. Therefore, the longer the wavelength of light, the more likely it is that light will be absorbed at a deeper position from the plane of incidence.
光が半導体に吸収されると、電子と正孔の対が生成される。それら電子及び正孔のうちpn接合の空乏層内又は空乏層から所定の距離(拡散距離)の範囲内で生じたものは、電子がn層に移動すると共に正孔がp層に移動して光電流を生じさせる。この光電流を検知することにより、光が半導体装置に入射したことが検出されるが、光の波長と光の吸収が生じる深さの間には上記の関係があることから、pn接合を設ける位置が深いほど、検出される光の波長は長くなる。 When light is absorbed in a semiconductor, electron-hole pairs are created. Among these electrons and holes, those generated within the depletion layer of the pn junction or within a predetermined distance (diffusion distance) from the depletion layer move to the n layer and the holes move to the p layer. produce a photocurrent. By detecting this photocurrent, it is possible to detect that light has entered the semiconductor device. Since the above relationship exists between the wavelength of light and the depth at which light is absorbed, a pn junction is provided. The deeper the location, the longer the wavelength of light detected.
特許文献1に記載の光検出装置において長波長の光を検出するためには、pn接合の位置が深くなるように、p層を厚くする必要がある。しかしながら、実際の製造上、不純物が拡散により到達する深さの範囲が限られるため、p層を厚くすることは困難である。
In order to detect long-wavelength light in the photodetector described in
本発明が解決しようとする課題は、長波長の光の測定に適し、製造が容易である光検出装置を提供することである。 A problem to be solved by the present invention is to provide a photodetector that is suitable for measuring long-wavelength light and that is easy to manufacture.
上記課題を解決するために成された本発明に係る光検出装置は、
a) p型半導体又はn型半導体製の基板と、
b) 前記基板の一方の表面の一部又は全部を覆う遮光層と、
c) 前記基板の一方の表面の前記遮光層で覆われた範囲以外の位置又は前記基板の側面に設けられた光導入部と、
d) 前記一方の表面であって前記遮光層の下に前記光導入部から離間して、又は前記基板の他方の表面であって該他方の表面における前記光導入部に対向する位置から離間して設けられた、前記基板とは逆の型の半導体から成る電荷捕獲部と、
e) 前記電荷捕獲部に電気的に接続された測定部と
を備えることを特徴とする。
A photodetector according to the present invention, which has been made to solve the above problems,
a) a substrate made of a p-type or n-type semiconductor;
b) a light shielding layer covering part or all of one surface of said substrate;
c) a light introduction part provided at a position other than the range covered with the light shielding layer on one surface of the substrate or on the side surface of the substrate;
d) on the one surface below the light-shielding layer and spaced from the light introduction portion, or on the other surface of the substrate and spaced from a position facing the light introduction portion on the other surface; a charge trapping portion made of a semiconductor of a type opposite to that of the substrate;
e) a measuring section electrically connected to the charge trapping section.
前記電荷捕獲部における「前記基板とは逆の型の半導体」は、前記基板を構成する半導体がp型半導体である場合にはn型半導体を指し、前記基板を構成する半導体がn型半導体である場合にはp型半導体を指す。 The "semiconductor of the type opposite to that of the substrate" in the charge trapping portion refers to an n-type semiconductor when the semiconductor constituting the substrate is a p-type semiconductor, and the semiconductor constituting the substrate is an n-type semiconductor. Sometimes refers to p-type semiconductors.
光導入部から基板内に入射した測定対象の光は、基板内を進むに従って徐々に基板の半導体に吸収されてゆき、正孔と電子の対を生成する。生成された正孔と電子のうち基板の半導体における少数キャリア(基板の半導体がp型の場合には電子、n型の場合には正孔)である電荷は、基板内を移動する。これら少数キャリアのうち、電荷捕獲部から所定の範囲内で生成されたものは、電荷捕獲部で捕獲される。測定部は、電荷捕獲部が電荷を捕獲することによって基板と電荷捕獲部の間に生じる電流又は電荷捕獲部の電圧(電荷捕獲部の電位、又は基準となる位置と電荷捕獲部間の電圧)を測定する。 The light to be measured that has entered the substrate from the light introduction portion is gradually absorbed by the semiconductor of the substrate as it travels through the substrate, generating pairs of holes and electrons. Among the generated holes and electrons, the charges, which are minority carriers in the semiconductor of the substrate (electrons when the semiconductor of the substrate is p-type and holes when it is n-type), move within the substrate. Among these minority carriers, those generated within a predetermined range from the charge trapping portion are captured by the charge trapping portion. The measurement unit measures the current generated between the substrate and the charge trapping portion when the charge trapping portion traps charges or the voltage of the charge trapping portion (the potential of the charge trapping portion, or the voltage between the reference position and the charge trapping portion). to measure.
光が基板に入射する位置(入射位置)からの距離をrとすると、基板内を進行する測定対象の光の強度は、波長及び基板の材料によって定まる吸収係数αを用いてI(r)=I0・exp(-αr)で表される。前述のように光の波長が短いほど吸収係数αが大きくなるため、光の強度I(r)は波長が短いほど急激に減衰する。そのため、基板内の光路のうち入射位置から或る程度離れた位置では、或る波長よりも短波長の光はほとんど到達せず、それよりも長波長の光のみが到達し、該長波長の光の吸収が生じて正孔と電子の対が生成される。これにより、光導入部と電荷捕獲部の距離(電荷捕獲部が前記一方の表面に設けられている場合)又は前記他方の表面における光導入部に対向する位置と電荷捕獲部の距離(電荷捕獲部が前記他方の表面に設けられている場合)に応じた、所定の波長よりも長波長の光が検出される。波長が互いに異なる光を同じ強度で入射させた場合には、波長が長いほど、光の減衰の度合いが小さいことから電荷捕獲部での検出強度が高くなるため、検出した光の波長を特定することができる。 If r is the distance from the position where the light is incident on the substrate (incident position), the intensity of the light to be measured traveling through the substrate is I(r)= It is represented by I 0 ·exp(-αr). As described above, the shorter the wavelength of light, the larger the absorption coefficient α. Therefore, almost no light with a wavelength shorter than a certain wavelength reaches a position a certain distance from the incident position in the optical path in the substrate, and only light with a longer wavelength reaches the position. Absorption of light occurs and pairs of holes and electrons are generated. As a result, the distance between the light introducing portion and the charge trapping portion (when the charge trapping portion is provided on the one surface) or the distance between the position facing the light introducing portion on the other surface and the charge trapping portion (the charge trapping portion Light having a wavelength longer than a predetermined wavelength is detected, depending on the case where the portion is provided on the other surface. When lights with different wavelengths are incident at the same intensity, the longer the wavelength, the smaller the degree of attenuation of the light, and the higher the detection intensity in the charge trapping section. Therefore, the wavelength of the detected light is specified. be able to.
前述のように、従来の光検出装置では、検出される光の波長が半導体層の表面からのpn接合の深さに依存するため、測定対象の光の波長が長い場合には作製が困難であった。それに対して本発明によれば、基板の表面に電荷捕獲部を設け、光導入部をそれとは別の位置に設けることから、光導入部と電荷捕獲部の距離を任意に設定することができるため、長波長の光の測定に適した光検出装置を容易に製造することができる。また、本発明に係る光検出装置は、比較的短波長の光の測定を対象とする場合にも、製造が容易になるという効果を奏する。 As described above, with conventional photodetectors, the wavelength of light to be detected depends on the depth of the pn junction from the surface of the semiconductor layer. there were. In contrast, according to the present invention, since the charge trapping portion is provided on the surface of the substrate and the light introducing portion is provided at a different position, the distance between the light introducing portion and the charge trapping portion can be set arbitrarily. Therefore, a photodetector suitable for measuring long-wavelength light can be easily manufactured. In addition, the photodetector according to the present invention has the effect of facilitating manufacturing even when measuring light with a relatively short wavelength.
電荷捕獲部は、基板の表面のうち遮光層を設ける側(前記一方の表面)に設けてもよいし、その反対側の表面(前記他方の表面)に設けてもよい。前記一方の表面に光導入部を設けて光を基板に対して傾斜した方向に導入する場合において、長波長の光を測定する場合には、基板内を長く移動して電荷が生成される位置の深さが前記一方の面よりも前記他方の面に近くなる。そのような場合には、電荷捕獲部を該他方の面の側に設けた方が、電荷の検出強度を高くすることができるため好ましい。 The charge trapping portion may be provided on the side of the substrate on which the light shielding layer is provided (the one surface), or may be provided on the opposite surface (the other surface). In the case where the light introduction part is provided on the one surface and light is introduced in a direction inclined with respect to the substrate, when measuring light with a long wavelength, the position where the charge is generated by moving long in the substrate is measured. is closer to the other surface than to the one surface. In such a case, it is preferable to provide the charge trapping portion on the other surface side because the strength of charge detection can be increased.
本発明に係る光検出装置において、基板表面の一部のみを遮光層で覆って非遮光部に光導入部を設けるよりも、基板表面の全体を遮光層で覆ったうえで基板の側部に光導入部を設けるが、基板に平行に近い角度で光を基板内に導入することが容易になる。基板内の光路が基板に平行に近くなるほど、基板内の光路長を長くすることができるため、より長い波長での測定が可能になる。 In the photodetector according to the present invention, rather than covering only a part of the substrate surface with the light shielding layer and providing the light introduction portion in the non-light shielding portion, the entire surface of the substrate is covered with the light shielding layer, and then the side portion of the substrate is covered with the light shielding layer. Although a light introducing portion is provided, it becomes easy to introduce light into the substrate at an angle close to parallel to the substrate. As the optical path in the substrate becomes more parallel to the substrate, the length of the optical path in the substrate can be increased, so that measurements at longer wavelengths are possible.
本発明に係る光検出装置において、前記電荷捕獲部は、前記一方の表面であって前記遮光層の下、又は前記基板の他方の表面であって前記遮光層に対向する位置に、互いに前記光導入部からの距離が異なるように少なくとも2個設けられていることが好ましい。 In the photodetector according to the present invention, the charge trapping portions are arranged on the one surface below the light shielding layer or on the other surface of the substrate at a position facing the light shielding layer. It is preferable that at least two are provided so that the distances from the introduction part are different.
このように電荷捕獲部が互いに光導入部からの距離が異なるように少なくとも2個設けられていることにより、以下のように2以上の波長の光を区別して検出することができる。上記のように、光導入部から基板内に入射した測定対象の光は、基板内を進むに従って徐々に基板の半導体に吸収されてゆき、正孔と電子の対を生成する。生成された正孔と電子のうちの少数キャリアである電荷は、基板内を移動し、該電荷が生成された位置に最も近い電荷捕獲部に捕獲される。測定部は、各電荷捕獲部が電荷を捕獲することによって基板と各電荷捕獲部の間に生じる電流又は各電荷捕獲部の電圧(電荷捕獲部の電位、又は基準となる位置と電荷捕獲部間の電圧)を測定する。前述のように、波長が短いほど光の強度I(r)が急激に減衰するため、それに対応して、複数の電荷捕獲部で捕獲される電荷の数、及び測定部で測定される各電荷捕獲部における電流又は電圧の値は、検出対象の光の波長が短いほど、入射位置から離れるに従って急激に減衰する。そのため、これら各電荷捕獲部における電流又は電圧の値に基づいて、2以上の波長の光を区別して検出することができる。 Since at least two charge trapping portions are provided at different distances from the light introducing portion, light of two or more wavelengths can be distinguished and detected as follows. As described above, the light to be measured that has entered the substrate from the light introducing portion is gradually absorbed by the semiconductor of the substrate as it travels through the substrate, generating pairs of holes and electrons. Charges, which are minority carriers among the generated holes and electrons, move in the substrate and are captured in the charge trapping portion closest to the position where the charges were generated. The measurement section measures the current generated between the substrate and each charge trapping section when each charge trapping section traps the charge, or the voltage of each charge trapping section (the potential of the charge trapping section, or the voltage between the reference position and the charge trapping section). voltage). As described above, the shorter the wavelength, the more rapidly the light intensity I(r) attenuates. The value of the current or voltage in the capture section rapidly attenuates with distance from the incident position as the wavelength of the light to be detected becomes shorter. Therefore, light of two or more wavelengths can be distinguished and detected based on the value of current or voltage in each of these charge trapping portions.
例えば、波長が既知であって互いに波長が異なる複数の光についてそれぞれ予備実験を行って波長毎の減衰の度合いを求めておき、それと波長が未知の光に対する測定の結果を対比することにより、測定した光の波長を求める。このような原理により、測定対象の光が単色光である場合には、上述した減衰の度合いに基づいて波長を特定することができる。また、測定対象の光が複数の波長の光が重畳したものである場合には、波長毎に予備実験で得られたデータの和を、波長毎の強度比(重み付け)が異なる複数の例についてそれぞれ求め、それら複数の例の各々と測定対象の光による測定結果を対比することにより求めることができる。 For example, a preliminary experiment may be performed for a plurality of lights with known wavelengths but different wavelengths from each other to determine the degree of attenuation for each wavelength. Find the wavelength of the light Based on this principle, when the light to be measured is monochromatic light, the wavelength can be specified based on the degree of attenuation described above. In addition, when the light to be measured is light of multiple wavelengths superimposed, the sum of the data obtained in the preliminary experiment for each wavelength is calculated for multiple examples with different intensity ratios (weighting) for each wavelength. It can be obtained by comparing each of the plurality of examples with the measurement result of the light to be measured.
特許文献1には、p型半導体から成る基板の上にエピタキシャル成長によってn層を作製したうえで、n層に不純物を拡散させることでp層を作製するという2つの工程により、基板の厚さ方向に2つのpn接合を有する光検出装置を製造することが記載されている。それに対して本発明に係る光検出装置は、2以上の電荷捕獲部を基板の一方又は他方の表面に配置するため、それら2以上の電荷捕獲部を1つの工程で作製することができる。このように、本発明に係る光検出装置は、2以上の電荷捕獲部を製造する工程を簡略化することができるという効果も奏する。
In
前記少なくとも2個の電荷捕獲部は、典型的には1方向に並んで配置している。これにより、当該1方向、又は当該1方向から基板に垂直な方向に傾斜させた1方向に進行する光を好適に検出することができる。 The at least two charge trapping portions are typically arranged side by side in one direction. Accordingly, it is possible to suitably detect the light traveling in the one direction or one direction inclined from the one direction to the direction perpendicular to the substrate.
また、前記少なくとも2個の電荷捕獲部は、2以上の方向に並んで配置していてもよい。この構成では、当該2以上の方向、又は当該2以上の方向の各々から基板に垂直な方向に傾斜させた方向に進行する光を検出することにより、個々の光の強度が弱い場合に検出感度を高くすることができる。あるいは、この場合において、光が基板に入射する位置と各電荷捕獲部の距離を、電荷捕獲部が並ぶ方向毎に異なる値に設定すれば、この距離と検出強度の関係をより細かい間隔で得ることができるため、測定精度を高くすることができる。 Moreover, the at least two charge trapping portions may be arranged side by side in two or more directions. In this configuration, by detecting the light traveling in the two or more directions or in a direction tilted from each of the two or more directions to the direction perpendicular to the substrate, the detection sensitivity is reduced when the intensity of each light is weak. can be raised. Alternatively, in this case, if the distance between the position where light is incident on the substrate and each charge trapping portion is set to a different value for each direction in which the charge trapping portions are arranged, the relationship between this distance and the detection intensity can be obtained at finer intervals. Therefore, it is possible to improve the measurement accuracy.
以上のように、前記少なくとも2個の電荷捕獲部は、少なくとも1方向に並んで配置しているという構成を取ることができる。 As described above, the at least two charge trapping portions can be arranged side by side in at least one direction.
あるいは、前記少なくとも2個の電荷捕獲部は、1又は2以上の方向に並ぶことなく配置してもよい。例えば、光導入部を中心として電荷捕獲部を螺旋状に配置してもよい。 Alternatively, the at least two charge trapping portions may be arranged without being aligned in one or more directions. For example, the charge trapping section may be arranged spirally around the light introducing section.
一方、1つの波長の光のみを測定する場合にも、電荷捕獲部を2個以上設けることができる、すなわち、本発明に係る光検出装置において、前記電荷捕獲部は前記入射位置から等しい距離に2個以上存在してもよい。前記入射位置が点状であれば、該入射位置から所定距離離れた円周上に複数個の電荷捕獲部が存在し、前記入射位置が線状であれば、該入射位置から所定距離離れた線上に複数個の電荷捕獲部が存在することになる。このように2個以上の電荷捕獲部を用いることにより、測定精度を高くすることができる。 On the other hand, even when only one wavelength of light is measured, two or more charge trapping portions can be provided. Two or more may exist. If the incident position is point-shaped, a plurality of charge trapping portions are present on the circumference at a predetermined distance from the incident position. A plurality of charge trapping portions exist on the line. By using two or more charge trapping units in this way, it is possible to improve the measurement accuracy.
また、本発明に係る光検出装置は、電荷捕獲部の個数に関わらず、以下のような付加的な特徴を備えることができる。 In addition, the photodetector according to the present invention can have the following additional features regardless of the number of charge traps.
基板表面の一部のみを遮光層で覆って該表面の非遮光部に光導入部が設けられている場合においてさらに、前記光導入部に、前記基板の一部が該表面から沈下した沈下部を備えることができる。このような沈下部を備える光検出装置によれば、沈下部の電荷捕獲部側の側壁から光を基板に入射させることで、より基板に平行に近い角度で光を基板内に導入することができ、それにより長波長での測定が可能になる。 When only a part of the substrate surface is covered with a light shielding layer and the light introduction part is provided in the non-light shielding part of the surface, the light introduction part further includes a sunken part where a part of the substrate sinks from the surface. can be provided. According to the photodetector provided with such a sunken portion, by making light enter the substrate from the side wall of the sunken portion on the side of the charge trapping portion, the light can be introduced into the substrate at an angle closer to parallel to the substrate. , which allows measurements at longer wavelengths.
前記沈下部を有する光検出装置においてさらに、前記沈下部内に、光を反射する反射部を備えることができる。この反射部の角度を適宜定めることによって、沈下部の側壁から基板に入射する光の角度を適切に設定することができる。 In the photodetector having the sunken portion, the sunken portion may further include a reflecting portion for reflecting light. By properly setting the angle of the reflecting portion, it is possible to appropriately set the angle of the light incident on the substrate from the side wall of the depressed portion.
本発明に係る光検出装置において、前記光導入部に、基板に対して所定の方向から入射する光を選択的に通過させる入射方向調整部を備えることができる。これにより、該所定の方向から入射した光の光路上のみで電荷を発生させ、光が様々な方向から基板に入射することで基板内の様々な位置において不要な電荷が生成されることを防ぐことができるため、測定精度を高くすることができる。 In the photodetector according to the present invention, the light introducing section may include an incident direction adjusting section for selectively passing light incident on the substrate from a predetermined direction. As a result, electric charges are generated only on the optical path of the light incident from the predetermined direction, and unnecessary electric charges are prevented from being generated at various positions in the substrate due to light incident on the substrate from various directions. Therefore, it is possible to improve the measurement accuracy.
本発明に係る光検出装置において、基板内で生成された少数キャリアの一部は、電荷捕獲部ではなくその両側(電荷捕獲部と光導入部の間、又は電荷捕獲部から見て光導入部の反対側)に到達する。このような電荷は、本来は電荷捕獲部で捕獲されるべきではないにも関わらず、電荷捕獲部に捕獲されてしまうことがある。また、電荷捕獲部を2個以上設けた場合には、正孔と電子の対が生成された位置から直近の電荷捕獲部だけでなく、その近隣にある、本来は捕獲されるべきではない電荷捕獲部にも少数キャリアが捕獲されてしまうことがある。このように本来は捕獲されるべきではない電荷捕獲部に少数キャリアが捕獲されると、分解能を低下させてしまう原因となる。 In the photodetector according to the present invention, some of the minority carriers generated in the substrate are not located in the charge trapping section but on both sides of the charge trapping section (between the charge trapping section and the light introduction section, or in the light introduction section when viewed from the charge trapping section). opposite side). Such charge may be captured by the charge trapping section even though it should not be captured by the charge trapping section. In addition, when two or more charge trapping portions are provided, not only the charge trapping portion closest to the position where the hole-electron pair is generated, but also the charge that should not be trapped in the neighborhood Minority carriers may also be trapped in the trapping section. When minority carriers are trapped in the charge trapping portion that should not be trapped in this way, it causes a decrease in resolution.
そこで、本発明に係る光検出装置において、電荷捕獲部と光導入部の間、及び/又は電荷捕獲部から見て光導入部の反対側に、前記電荷捕獲部の半導体と同じ型の半導体(電荷捕獲部がn型半導体から成る場合にはn型半導体、電荷捕獲部がp型半導体から成る場合にはp型半導体)から成るトラップ部を備えることができる。電荷捕獲部を2個以上設けた場合には、隣接する2個の電荷捕獲部の間にトラップ部を備えることもできる。このようなトラップ部を備えることにより、電荷捕獲部の位置ではなくトラップ部の位置に到達した、電荷捕獲部では捕獲されるべきではない少数キャリアをトラップ部によって除去することができ、測定精度を高くすることができる。 Therefore, in the photodetector according to the present invention, a semiconductor of the same type as the semiconductor of the charge trapping portion is provided between the charge trapping portion and the light introducing portion and/or on the opposite side of the light introducing portion when viewed from the charge trapping portion. If the charge trapping portion is made of an n-type semiconductor, the trap portion can be made of an n-type semiconductor, and if the charge trap portion is made of a p-type semiconductor, a p-type semiconductor. When two or more charge trapping portions are provided, a trap portion can be provided between two adjacent charge trapping portions. By providing such a trapping section, the trapping section can remove minority carriers that have reached the position of the trapping section rather than the position of the charge trapping section and should not be trapped by the charge trapping section, thereby improving the measurement accuracy. can be higher.
一方、電荷捕獲部ではなくその両側に到達した電荷を電荷捕獲部に向かって移動させることによって、検出強度を高くすることもできる。そこで、本発明に係る光検出装置において、電荷捕獲部と光導入部の間、及び/又は電荷捕獲部から見て光導入部の反対側に、前記基板の半導体と同じ型であって該基板の半導体よりも不純物濃度が高い半導体から成るブロック部を備えてもよい。電荷捕獲部を2個以上設けた場合には、隣接する2個の電荷捕獲部の間にブロック部を備えることもできる。このようなブロック部を備えることにより、基板の半導体における少数キャリアである電荷が、ブロック部により生成されるポテンシャルによってブロック部から電荷捕獲部側に向かう斥力を受け、それによって電荷捕獲部で捕獲される電荷が増加する。その結果、測定精度を高くすることができる。 On the other hand, it is also possible to increase the detection intensity by moving the charges that have reached both sides of the charge trapping portion, rather than the charge trapping portion, toward the charge trapping portion. Therefore, in the photodetector according to the present invention, a substrate of the same type as the semiconductor of the substrate is provided between the charge trapping portion and the light introducing portion and/or on the opposite side of the light introducing portion when viewed from the charge trapping portion. A block portion made of a semiconductor having an impurity concentration higher than that of the semiconductor may be provided. When two or more charge trapping portions are provided, a block portion may be provided between two adjacent charge trapping portions. By providing such a block portion, charges, which are minority carriers in the semiconductor of the substrate, are subjected to a repulsive force from the block portion toward the charge trapping portion side by the potential generated by the block portion, and are thereby trapped in the charge trapping portion. charge increases. As a result, measurement accuracy can be improved.
本発明により、長波長の光の測定に適し、製造が容易である光検出装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a photodetector that is suitable for measuring long-wavelength light and that is easy to manufacture.
図1~図34を用いて、本発明に係る光検出装置の実施形態を説明する。なお、下記の説明中で「上」及び「下」という語を用いるが、これらの語は光検出装置内の構成要素の相対的な位置関係を示すために便宜上用いたものであって、光検出装置の使用時の向きを限定するものではない。 An embodiment of a photodetector according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 34. FIG. Although the terms "upper" and "lower" are used in the following description, these terms are used for the sake of convenience to indicate the relative positional relationship of components within the photodetector. It does not limit the direction of use of the detection device.
(1) 第1実施形態
(1-1) 第1実施形態の光検出装置の構成
第1実施形態の光検出装置10は、図1に示すように、基板11と、遮光層12と、電荷捕獲部13と、測定部14とを備える。
(1) First embodiment
(1-1) Configuration of Photodetector of First Embodiment As shown in FIG. 14.
基板11は、p型半導体から成る。基板11のp型半導体として、例えばSiやGeに3価の不純物を添加した周知のものを用いることができる。
遮光層12は、基板11の表面(上面)に形成されている。但し、基板11の表面の一部には遮光層12が設けられていない領域(非遮光部)が存在し、その領域が光導入部121となる。遮光層12の材料にはAl, Au, Cu等の金属、ポリイミド等の樹脂等が用いられる。なお、図1には示していないが、基板11の側面や下面にも遮光層12を設けてもよい。これにより、光導入部121とは異なる基板11の側面や下面から光が入射して誤検知されることを防止することができる。一方、光検出装置10の使用時に基板11の側方や下方に遮蔽物を配置すること等によって基板11の側面や下面からの光の入射を防止すれば、それら側面や下面に遮光層12を設ける必要はない。
The
電荷捕獲部13はn型半導体から成り、基板11の表面であって該表面と遮光層12の光導入部121以外の部分の間に複数個、1方向に並んで配置されている。すなわち、各電荷捕獲部13は光導入部121と離間して配置されている。なお、光導入部121と離間して配置された電荷捕獲部13に加えて、光導入部121に面した基板11の表面に電荷捕獲部13を設けてもよい。図1では電荷捕獲部13を5個示したが、電荷捕獲部13の個数は2個以上であれば特に限定されない。電荷捕獲部13のn型半導体として、例えばSiやGeに5価の不純物を添加した周知のものを用いることができる。
The
なお、本実施形態ではp型半導体から成る基板11とn型半導体から成る電荷捕獲部13を用いたが、その代わりに、n型半導体から成る基板11とp型半導体から成る電荷捕獲部13を用いてもよい。いずれにせよ、電荷捕獲部13には基板11の半導体とは逆極性の半導体を用いる。
In this embodiment, the
測定部14は、複数の電荷捕獲部13の各々に対して1個ずつ、電気的に接続されている。本実施形態では、測定部14には、基板11と各電荷捕獲部13の間を流れて測定部14に導入される電流を検出する電流計を用いた。電流計の代わりに、電荷捕獲部13の電位又は電荷捕獲部13と他の基準位置との間の電圧を測定する電圧計を測定部14として用いてもよい。この電荷捕獲部13の電位又は電圧は、電荷が電荷捕獲部13に流入して蓄積されることにより生じるものである。また、イメージセンサ等で用いられている集積化されたトランジスタの各々を測定部14として用いてもよい。測定部14は基板11の近傍に存在することは必須ではなく、離れた位置に配置された測定部14に電荷を転送して測定するようにしてもよい。なお、ここで述べた測定部14の各種の例は、後述の第2~第7実施形態における測定部にも適用することができる。
One
(1-2) 第1実施形態の光検出装置の動作
図2~図4を用いて、第1実施形態の光検出装置10の動作を説明する。この光検出装置10を使用する際には、測定対象の光Lを、基板11の表面から所定の角度θ(<90°)だけ傾斜させた方向で光導入部121に入射させる。これにより、光Lは基板11の表面で屈折したうえで、基板11の表面に対して傾斜した角度で基板11内を進行する。その間に、光Lは徐々に基板11の半導体に吸収され、それによって電子と正孔の対から成る電荷Cが生成される。
(1-2) Operation of Photodetector of First Embodiment The operation of the
基板11の表面における光Lの強度をI0、基板11内で光Lが進行する距離をxとすると、距離xにおける光の強度I(x)は吸収係数αを用いて、ランベルト・ベールの法則によりI(x)=I0・exp(-αx)で表される。例えば基板11を構成するp型(又はn型)半導体がSiに不純物を添加したものである場合には、吸収係数αは、波長約500nmの緑色光では10000cm-1、波長約650nmの赤色光では3000cm-1、波長約800nmの近赤外光では1000cm-1となる。これらの吸収係数αを用いて、入射光の強度が90%減衰する(基板11表面での強度の10%となる)距離x90を求めると、α=10000cm-1の場合には約2.4μm、α=3000cm-1の場合には約8μm、α=1000cm-1の場合には約24μmとなる。すなわち、光Lはその波長が短いほど急激に減衰し、光導入部121から遠い位置では光Lの吸収が生じ難くなる。それに対して、光Lの波長が長くなると減衰が緩やかになり、光導入部121から近い位置だけではなく遠い位置においても光Lの吸収が生じる。
Assuming that the intensity of the light L on the surface of the
光の吸収によって生成された電荷Cは基板11内で拡散し、電荷Cのうち基板11の少数キャリア(基板11がp型半導体から成る場合には電子、基板11がn型半導体から成る場合には正孔)は、それが生成された(光が吸収された)位置に最も近い電荷捕獲部13に捕獲される。この基板11から電荷捕獲部13への電荷の移動は、当該電荷捕獲部13に接続された測定部14によって電流又は電圧として検出される。
The charge C generated by the absorption of light diffuses in the
基板11内を進行する測定対象の光Lは、波長が短いほど急激に基板11の半導体に吸収されて減衰し、波長が長いほど基板11の半導体への吸収が徐々に生じて遠くまで到達する(図3参照)。従って、基板11の半導体に光が吸収されることで生じる電荷は、光導入部121から離れるに従って減少し、光導入部121から或る程度離れた位置ではほとんど生じなくなる。そのため、電荷捕獲部13で捕獲される電荷の数、及び測定部14で測定される各電荷捕獲部13の電流又は電圧の値は、光導入部121に近い電荷捕獲部13から離れるに従って減少してゆく(図4参照)。この減少は、測定対象の光の波長が短いほど急激になる。そのため、これら複数の電荷捕獲部13の電流又は電圧の値に基づいて、2以上の波長の光を区別して検出することができる。光Lの波長は、例えば波長が既知である光を用いて行った予備実験の結果と対比することにより求めることができる。
The light L to be measured traveling through the
特許文献1に記載の従来の光検出装置では、検出される光の波長が半導体層の表面からのpn接合の深さに依存するため、測定対象の光の波長が長い場合には作製が困難であった。それに対して本実施形態の光検出装置10は、検出される光の波長に依らずに電荷捕獲部13を基板11の表面に設けることから、製造が容易となる。
In the conventional photodetector described in
また、本実施形態の光検出装置10は、例えば不純物拡散法を用いることにより、複数個の電荷捕獲部13を同時に作製することができるという点においても製造が容易となる。
In addition, the
(1-3) 第1実施形態の光検出装置の変形例
図1に示した例では、基板11の表面から不純物を拡散させることにより、基板11の上面と同一の高さの上面を有する電荷捕獲部13を形成している。一方、図5に示すように、基板11の上面にそのまま電荷捕獲部13を形成することによって基板11の上面と電荷捕獲部13の下面を同一の高さとしてもよい。このような電荷捕獲部13は、例えばエピタキシャル成長法により作製することができ、特に電荷捕獲部13の材料が化合物半導体である場合に好適に適用することができる。
(1-3) Modification of the Photodetector of the First Embodiment In the example shown in FIG. A trapping
図6に示すように、光導入部121に、測定対象の光を通過させる材料から成る透光性部材15を設けてもよい。透光性部材15は空気よりも屈折率が高いため、外部と透光性部材15(光導入部121)の境界で光Lが屈折する。その結果、基板11の垂線に対する光Lの角度は、透光性部材15に入射する前の角度θ1よりも透光性部材15内における角度θ2の方が大きくなる。これにより、透光性部材15が無い場合よりも、光導入部121の側壁に衝突して基板11に入射しない光L(図6中の×印のところを参照)が減少し、基板11内に取り込まれる光Lの強度を高くすることができるため、分解能が向上する。透光性部材15の材料には、SiO2、SiN、各種の樹脂等を用いることができる。
As shown in FIG. 6, the
また、図7に示すように、光導入部121の上側(基板11とは反対側)に入射方向調整部16を設けてもよい。図7に示した入射方向調整部16は、基板11の表面に対して特定の方向に傾斜した孔を有しており、この孔を通過することができる方向に入射した光のみを光導入部121に導入する入射方向選択フィルタである。入射方向調整部16により、前記方向から入射した光Lの光路上のみで電荷を発生させ、光が様々な方向から基板に入射することで基板内の様々な位置において不要な電荷が生成されることを防ぐことができるため、測定精度を高くすることができる。なお、入射方向選択フィルタの代わりに、レンズを配置してその角度を変更することにより、光の進行方向を調整してもよい。
Further, as shown in FIG. 7, an incident
図8に示すように、基板の表面に光導入部(非遮光部)を複数(同図の例では第1光導入部1211及び第2光導入部1212の2つ)設け、光導入部毎にそこから少なくとも1方向に向かって複数の電荷捕獲部13を設けてもよい。図8の例では、隣接する電荷捕獲部13同士の距離をa、第1光導入部1211とそれに最近接の電荷捕獲部13との距離をb、第2光導入部1212とそれに最近接の電荷捕獲部13との距離をb+0.5aとした。これにより、第1光導入部1211から入射する光によって生成される電荷は、第1光導入部1211から距離b, b+a, b+2aだけ離れた電荷捕獲部13によって捕獲され、第2光導入部1211から入射する光によって生成される電荷は、第2光導入部1211から距離b+0.5a, b+1.5a, b+2.5aだけ離れた電荷捕獲部13によって捕獲される。これにより、電荷捕獲部13を0.5a間隔で並べたのと同様の測定を行うことができるため、第1実施形態の光検出装置10において電荷捕獲部13を本変形例と同様に間隔aで並べた場合よりも、分解能を高くすることができる。
As shown in FIG. 8, a plurality of light introducing portions (non-light-shielding portions) are provided on the surface of the substrate (two light introducing
(2) 第2実施形態
(2-1) 第2実施形態の光検出装置の構成
図9に、第2実施形態の光検出装置20を示す。この光検出装置20は、基板21と、遮光層22と、電荷捕獲部23と、測定部24とを備える。基板21及び遮光層22の構成は第1実施形態における基板11及び遮光層12と同様であり、遮光層22には光導入部221が設けられている。電荷捕獲部23は、基板21の、遮光層22が設けられた表面211とは反対側の表面(裏面212)の、遮光層22(光導入部221の無い部分)に対向する位置に複数個並べて配置されている。従って、各電荷捕獲部23は、裏面212において光導入部221の領域が対向する領域と離間して配置されている。電荷捕獲部23は、第1実施形態の電荷捕獲部13と同様に、不純物を基板21の表面(裏面212)から拡散させることにより形成されている。なお、第1実施形態の変形例と同様に、エピタキシャル成長法等によって電荷捕獲部23を作製してもよい。各電荷捕獲部23には第1実施形態と同様の測定部24が接続されている。
(2) Second embodiment
(2-1) Configuration of Photodetector of Second Embodiment FIG. 9 shows a
(2-2) 第2実施形態の光検出装置の動作
図10を用いて、第2実施形態の光検出装置20の動作を説明する。この光検出装置20を使用する際には、測定対象の光Lを、基板21の表面211に対して傾斜した方向に向けて、光導入部221に入射させる。これにより、光Lは基板21内を該基板21の表面211に対して傾斜した方向に、従って表面211からの深さが深くなるように進行する。光Lは基板21内を進行する間に徐々に吸収され、それによって電子と正孔の対から成る電荷Cが生成される。生成された電子及び正孔のうち基板21の少数キャリア(図10の例では電子)はそれが生成された位置に最近接の電荷捕獲部23に捕獲される。第1実施形態の場合同様に、この電荷の捕獲によって生じる電流又は電圧は測定部24で測定され、これら電流又は電圧の値に基づいて2以上の波長の光を区別して検出することができる。
(2-2) Operation of Photodetector of Second Embodiment The operation of the
第2実施形態の光検出装置20では、電荷捕獲部23は、基板21の裏面212、すなわち光Lが入射する表面211から深い位置に設けられているため、表面211から深い方に向かう光Lが或る程度長い距離を進行した後に生成される電荷を捕獲するのに適している。このように長い距離を進行した光Lを検出することで、より長波長の光を区別して検出することができる。一方、第2実施形態の構成において基板21を薄くすることにより、比較的短波長の光(例えば可視光)を測定するようにしてもよい。
In the
(3) 第3実施形態
(3-1) 第3実施形態の光検出装置の構成
図11に、第3実施形態の光検出装置30を示す。この光検出装置30は、基板31と、遮光層32と、電荷捕獲部33と、測定部34とを備え、基板31の側部が光導入部321となっている。
(3) Third embodiment
(3-1) Configuration of Photodetector of Third Embodiment FIG. 11 shows a
基板31は、第1実施形態と同様にp型又はn型半導体(図11では前者)から成る。それらp型又はn型半導体には、は第1実施形態の基板11及び電荷捕獲部13と同様のものを用いることができる。遮光層32は、基板31の一方の表面の全面を覆っている。基板31がp型半導体から成る場合には電荷捕獲部33はn型半導体から成り、基板31がn型半導体から成る場合には電荷捕獲部33はp型半導体から成る。遮光層32の材料は第1実施形態の遮光層12と同様のものを用いることができる。
The
電荷捕獲部33は、基板31の表面に複数個、1方向に並ぶように設けられている。図11では電荷捕獲部33を5個設けた例を示したが、電荷捕獲部33の個数は2個以上であれば特に問わない。また、図11では基板31の上面と電荷捕獲部33の上面を同一の高さとしているが、基板31の上面と電荷捕獲部33の下面を同一の高さとしてもよい。さらに、図11では遮光層32側の基板31の表面に電荷捕獲部33を設けたが、その反対側の基板31の表面(裏面)に設けてもよい。測定部34は、複数の電荷捕獲部33の各々に対して1個ずつ設けられている。
A plurality of
(3-2) 第3実施形態の光検出装置の動作
図12を用いて、第3実施形態の光検出装置30の動作を説明する。この光検出装置30を使用する際には、測定対象の光Lを、基板31の側部から基板31の表面に平行な方向に向けて、光導入部321に入射させる。これにより、光Lは基板31内を該基板31の表面に平行な方向に進行する。光Lが基板31内で進行する間に電荷Cが生成される点、生成された電荷Cのうち基板31の少数キャリアが電荷Cの生成位置に最も近い電荷捕獲部33に捕獲される点、この電荷Cの移動が測定部34によって電流又は電圧として検出される点、及びこれら電流又は電圧の値に基づいて2以上の波長の光を区別して検出することができる点は、第1実施形態の光検出装置10と同様である。
(3-2) Operation of Photodetector of Third Embodiment The operation of the
第3実施形態の光検出装置30は、基板31の表面に平行な方向に光Lを進行させることができるため、光Lの光路を長くすることができる。そのため、第2実施形態の光検出装置30によれば波長の判別分解能を高くすることができる。
Since the
(4) 第4実施形態
(4-1) 第4実施形態の光検出装置の構成
図13に、第4実施形態の光検出装置40を示す。この光検出装置40は、基板41と、遮光層42と、電荷捕獲部43と、測定部44とを備える。基板41には、上面の一部が下方に掘り下げられた沈下部420が設けられている。遮光層42は、基板41の上面のうち、沈下部420よりも電荷捕獲部43寄りの領域に設けられている。遮光層42の材料には、第1及び第2実施形態における遮光層と同じものを用いることができる。電荷捕獲部43及び測定部44の構成は第1及び第2実施形態のものと同様である。沈下部420の電荷捕獲部43寄りの側壁は光導入部421として機能する。本実施形態では、沈下部420の縦断面の形状は台形とし、該台形の上底(基板41の表面寄りの底)よりも下底の方を短くした。基板41及び電荷捕獲部43には、第1及び第2実施形態における基板及び電荷捕獲部と同様のp型及びn型半導体を用いることができる。
(4) Fourth embodiment
(4-1) Configuration of Photodetector of Fourth Embodiment FIG. 13 shows a
(4-2) 第4実施形態の光検出装置の動作
図14を用いて、第4実施形態の光検出装置40の動作を説明する。この光検出装置40を使用する際には、測定対象の光Lを基板41の上側から、光導入部421である沈下部420の電荷捕獲部43寄りの側壁に照射する。光Lは該側壁で屈折して基板41内に進入する。これにより光Lは、基板41内では、基板41の外における光路よりも基板41の表面に平行に近い方向に進行する。光Lが基板41内で進行する間に電荷Cが生成される点、生成された電荷Cのうち基板41の少数キャリアが電荷Cの生成位置に最も近い電荷捕獲部43に捕獲される点、この電荷Cの移動が測定部44によって電流又は電圧として検出される点、及びこれら電流又は電圧の値に基づいて2以上の波長の光を区別して検出することができる点は、第1実施形態の光検出装置10と同様である。
(4-2) Operation of Photodetector of Fourth Embodiment The operation of the
第4実施形態の光検出装置40によれば、基板41内において光Lを基板41の外における光路よりも基板41の表面に平行に近い方向に進行させることができるため、光Lの光路を長くすることができ、波長の判別分解能を高くすることができる。
According to the
(4-3) 第4実施形態の光検出装置の変形例
図13に示した例では沈下部420の縦断面の形状を台形としたが、沈下部の形状はこれには限定されない。例えば、図15に示すように、縦断面の形状が三角形である沈下部420Aを基板41の表面に設けてもよい。この場合、沈下部420Aの三角形の斜辺が光導入部421Aとなる。なお、図15では沈下部420Aの縦断面の形状を直角三角形としたが、それ以外の三角形としてもよい。
(4-3) Modification of Photodetector of Fourth Embodiment In the example shown in FIG. 13, the shape of the longitudinal section of the
その他、第1実施形態と同様に、基板41の上面と電荷捕獲部43の下面を同一の高さとしてもよいし、光導入部421、421A内に透光性部材を設けてもよく、さらには沈下部420、420Aの上側に入射方向選択フィルタを設けてもよい。
In addition, as in the first embodiment, the upper surface of the
(5) 第5実施形態
(5-1) 第5実施形態の光検出装置の構成
図16に、第5実施形態の光検出装置50を示す。この光検出装置50は、基板51と、遮光層52と、電荷捕獲部53と、測定部54とを備える。基板51には、上面の一部が下方に掘り下げられた沈下部520が設けられている。基板51、遮光層52、電荷捕獲部53及び測定部54の構成(材料を含む)は第4実施形態のものと同様である。沈下部520は、縦断面が直角三角形状であって、電荷捕獲部53寄りの辺が基板51の表面に対して垂直、電荷捕獲部53とは反対側の辺が斜辺になっている。この直角三角形における電荷捕獲部53寄りの辺に対応する沈下部520の側壁は光導入部521として機能する。なお、光導入部521である側壁は、基板51の表面に垂直な方向から多少傾斜していてもよい。また、この直角三角形における電荷捕獲部53とは反対側の辺である斜辺には、光を反射するコーティングが施された反射部522が形成されている。
(5) Fifth embodiment
(5-1) Configuration of Photodetector of Fifth Embodiment FIG. 16 shows a
(5-2) 第5実施形態の光検出装置の動作
図17を用いて、第5実施形態の光検出装置50の動作を説明する。この光検出装置50を使用する際には、測定対象の光Lを基板51の上側から、沈下部520内の反射部522に照射する。反射部522に照射された光Lは、該反射部522で反射されて光導入部521に入射し、光導入部521から基板51内に進入する。これにより光Lは、基板51内では、基板51の外における光路よりも基板51の表面に平行に近い方向に進行する。さらには、反射部522の角度又は光Lを反射部522に入射させる角度を調整することにより、図17に示すように、基板51内の光路を基板51の表面に平行にすることも可能である。図17の例では、反射部522の反射面を基板51の表面に対して45°傾斜させることにより、基板51の表面に垂直な方向で反射部522に入射した光Lを、基板51内において基板51の表面に平行な方向に進行させている。反射部522の角度によって、基板51内における光Lの進行方向が基板51の表面に対して多少傾斜してもよい。
(5-2) Operation of Photodetector of Fifth Embodiment The operation of the
光Lが基板51内で進行する間に電荷Cが生成される点、生成された電荷Cのうち基板51の少数キャリアが電荷Cの生成位置に最も近い電荷捕獲部53に捕獲される点、この電荷Cの移動が測定部54によって電流又は電圧として検出される点、及びこれら電流又は電圧の値に基づいて2以上の波長の光を区別して検出することができる点は、第1実施形態の光検出装置10と同様である。
The point that the charge C is generated while the light L travels in the
第5実施形態の光検出装置50によれば、基板51内において光Lを基板51の表面に平行又はそれに近い方向に進行させることができるため、光Lの光路を長くすることができ、波長の判別分解能を高くすることができる。
According to the
(5-3) 第5実施形態の光検出装置の変形例
図18に、第5実施形態の光検出装置の変形例である光検出装置50Aを示す。この光検出装置50Aは、基板51の上面の一部が下方に掘り下げられた沈下部520Aを有している。沈下部520Aの縦断面は、アルファベットのMの字の上下を反転した逆M字状を有している。この逆M字状の縦断面における2つの斜面にそれぞれ1つずつ反射部が設けられている。ここでは一方の反射部を第1反射部522A、他方の反射部を第2反射部522Bと呼ぶ。逆M字状の縦断面において、第1反射部522Aに対向する側壁が第1光導入部521A、第2反射部522Bに対向する側壁が第2光導入部521Bとなる。
(5-3) Modification of Photodetection Device of Fifth Embodiment FIG. 18 shows a
基板51の表面(上面)には、沈下部520Aから2方向に向かって、それぞれ複数の個の電荷捕獲部53が並んで配置されている。具体的には、沈下部520Aよりも第1光導入部521A側には、複数個の電荷捕獲部53が沈下部520Aから離れるように1方向に並び、沈下部520Aよりも第2光導入部521B側には、複数個の電荷捕獲部53が沈下部520Aから離れるように、第1光導入部521A側の電荷捕獲部53とは逆方向(180°異なる方向)に並んでいる。第1光導入部521A側では、第1光導入部521Aに最も近い電荷捕獲部53は、複数の電荷捕獲部53が並ぶ方向に関して中央(以下、単に「中央」とする)と第1光導入部521Aの距離がL0となる位置に配置されている。第2光導入部521B側では、第2光導入部521Bに最も近い電荷捕獲部53はその中央と第2光導入部521Bの距離が(L0+L1/2)となる位置に配置されている。そして、第1光導入部521A側と第2光導入部521B側のそれぞれにおいて、隣接する電荷捕獲部53の中央間の距離はL1である。従って、第1光導入部521A側と第2光導入部521B側を合わせると、光検出装置50Aは、光導入部(第1光導入部521A又は第2光導入部521B)からの距離がL1/2ずつ異なる複数の電荷捕獲部53を備えることとなる。
On the surface (upper surface) of the
基板51及び電荷捕獲部53の表面に遮光層52が設けられている点、並びに各電荷捕獲部53に測定部54が設けられている点は、これまでに述べた各実施形態と同様である。また、基板51、電荷捕獲部53及び遮光層52の材料は、これまでに述べた各実施形態におけるものと同様である。
The light-
この変形例の光検出装置50Aによれば、測定対象の光Lを基板51の上側から沈下部520A内の第1反射部522A及び第2反射部522Bに照射することにより、光Lがそれら第1反射部522A又は第2反射部522Bに反射される。第1反射部522Aに反射された光は第1光導入部521Aから、第2反射部522Bに反射された光は第2光導入部521Bから、それぞれ基板51内に進入し、基板51の表面に平行又はそれに近い方向で基板51内を進行する。光Lが検出される原理は、第5実施形態の光検出装置50と同様である。
According to the
この変形例の光検出装置50Aでは、上記のように、複数の電荷捕獲部53を第1光導入部521A側と第2光導入部521B側の双方に間隔L1で配置することによって、それら複数の電荷捕獲部53の各々と光導入部(第1光導入部521A又は第2光導入部521B)の距離がL1/2ずつ異なることとなるため、光導入部を1つだけ備え複数の電荷捕獲部53を間隔L1で配置した場合よりも、波長の判別分解能を高くすることができる。
In the
なお、この変形例では電荷捕獲部53と第1光導入部521A及び第2光導入部521Bとの距離、並びに電荷捕獲部53同士の間隔を示したが、それらは一例であって、測定する光の波長に応じて適宜変更することができる。また、電荷捕獲部53同士の間隔が等間隔であることも必須ではない。
In this modified example, the distance between the
例えば、第1光導入部521Aとそれに最も近い電荷捕獲部53との距離と、第2光導入部521Bとそれに最も近い電荷捕獲部53との距離を等しくし、さらに隣接する電荷捕獲部53同士の間の距離を等しくしてもよい。これにより、第1反射部522Aで反射される光と第2反射部522Bに反射される光を同じ条件で測定することができ、それらを合わせることで測定精度を高くすることができる。
For example, the distance between the first
電荷捕獲部53を並べる方向は、図18に示した変形例以外の各実施形態及び変形例における1方向や、図18の変形例における2方向には限定されない。例えば、沈下部内に三角錐や四角錐等の多角錐形の凸部を立設し、該多角錐が有する複数の角錐面(三角錐であれば3つの面、四角錐であれば4つの面)にそれぞれ反射部を設けたうえで、各角錐面から離れる方向に向かって電荷捕獲部を並べて配置することができる。これにより、3以上の方向に複数の電荷捕獲部が並んで配置される。あるいは、円筒状の沈下部の中心に円錐形の凸部を立設し、該凸部の円錐面に反射部を設けたうえで、円形の電荷捕獲部を複数、沈下部の円筒と同心円状に並べて配置してもよい。
The direction in which the
さらには、円筒状の沈下部の中心に円錐形の凸部を立設し、該凸部の円錐面に反射部を設けたうえで、複数の電荷捕獲部を螺旋状に配置してもよい。これにより、各電荷捕獲部は、互いに沈下部の側壁から異なる距離に配置される。この場合には、電荷捕獲部は1方向又は複数の方向に並べる必要はない。 Furthermore, a plurality of charge trapping portions may be spirally arranged after a conical convex portion is erected at the center of the cylindrical depressed portion and a reflecting portion is provided on the conical surface of the convex portion. . Thereby, each charge trap is arranged at a different distance from the side wall of the depression. In this case, the charge traps need not be arranged in one direction or in multiple directions.
(6) 第6実施形態
(6-1) 第6実施形態の光検出装置の構成
図19に、第6実施形態の光検出装置60を示す。この光検出装置60は、基板61と、遮光層62と、電荷捕獲部63と、測定部64と、トラップ部65とを備える。基板61、遮光層62、電荷捕獲部63及び測定部64の構成は第1実施形態のものと同様である。また、第1実施形態と同様に、基板61の表面の一部には遮光層62が設けられていない領域が存在し、その領域が光導入部621となる。トラップ部65は電荷捕獲部63の半導体と同じ型の半導体(この例ではn型半導体)から成り、隣接する電荷捕獲部63同士の間に設けられている。また、トラップ部65は、電荷捕獲部63が複数個並んでいる範囲の外側、具体的には光導入部621に最も近い電荷捕獲部63と光導入部621の間、及び光導入部621から最も遠い電荷捕獲部63から見て光導入部621の反対側にも設けられている。トラップ部65には測定部64は接続されていない。なお、この例で示した複数個のトラップ部65のうち、一部を省略してもよい。また、トラップ部65で捕獲された電荷C(後述)が基板61側にオーバーフローすることを防ぐために、電荷を排出する排出手段(例えばトラップ部65を接地する手段)をトラップ部65に設けると良い。
(6) Sixth embodiment
(6-1) Configuration of Photodetector of Sixth Embodiment FIG. 19 shows a
(6-2) 第6実施形態の光検出装置の動作
図20を用いて、第6実施形態の光検出装置60の動作を説明する。第1実施形態の光検出装置10と同様に、測定対象の光Lを、基板61の表面から所定の角度だけ傾斜させた方向で光導入部621に入射させることにより、光Lは基板61内を進行しつつ徐々に基板61の半導体に吸収される。この光の吸収によって、電子と正孔の対から成る電荷Cが生成される。
(6-2) Operation of Photodetector of Sixth Embodiment The operation of the
このように光の吸収によって生じた電荷Cは、或る程度の拡がりを持って基板61内を移動(拡散)する。そのため、電荷Cの一部が、光の吸収が生じた位置に最も近い電荷捕獲部63(最近接電荷捕獲部)ではなく、他の電荷捕獲部63に導入される可能性がある。このような隣接の電荷捕獲部63に電荷Cの一部が導入されると測定精度が低下する原因となる。そこで第6実施形態の光検出装置60では、隣接する電荷捕獲部63同士の間にトラップ部65を設けることにより、最近接電荷捕獲部よりもそれに隣接する電荷捕獲部63に近づくように移動する電荷Cをトラップ部65で捕獲する。これにより、最近接電荷捕獲部以外の電荷捕獲部63に電荷Cが導入されることを抑え、波長の判別分解能を高くすることができる。
The charge C generated by the absorption of light in this way moves (diffuses) in the
(7) 第7実施形態の光検出装置
(7-1) 第7実施形態の光検出装置の構成
図21に、第7実施形態の光検出装置70を示す。この光検出装置70は、第6実施形態の光検出装置60と同様の基板71、遮光層72、光導入部721、電荷捕獲部73、及び測定部74を有する。光検出装置70はさらに、第6実施形態の光検出装置60におけるトラップ部65の代わりに、基板71の半導体(図21に示した例ではp型半導体)と同じ型であって不純物濃度がより高い半導体(同・p型半導体)から成るブロック部75を備える。また、ブロック部75は、電荷捕獲部73が複数個並んでいる範囲の外側、具体的には光導入部721に最も近い電荷捕獲部73と光導入部721の間、及び光導入部721から最も遠い電荷捕獲部73から見て光導入部721の反対側にも設けられている。ブロック部75には測定部74は接続されていない。なお、この例で示した複数個のブロック部75のうち、一部を省略してもよい。
(7) Photodetector of the seventh embodiment
(7-1) Configuration of Photodetector of Seventh Embodiment FIG. 21 shows a
(7-2) 第7実施形態の光検出装置の動作
図22を用いて、第7実施形態の光検出装置70の動作を説明する。第6実施形態の光検出装置60と同様に、測定対象の光Lを、基板71の表面から所定の角度だけ傾斜させた方向で光導入部721に入射させることにより、光Lは基板11内を進行しつつ徐々に基板71の半導体に吸収される。この光の吸収によって、電子と正孔の対から成る電荷Cが生成される。
(7-2) Operation of Photodetector of Seventh Embodiment The operation of the
第6実施形態の場合と同様に、光の吸収によって生じた電荷Cが或る程度の拡がりを持って基板71内を移動(拡散)することにより、電荷Cの一部が最近接電荷捕獲部ではなく、他の電荷捕獲部73に導入される可能性がある。そこで、第7実施形態の光検出装置70では、隣接する電荷捕獲部73同士の間にブロック部75を設けることにより、基板71における少数キャリアがブロック部75に接近したときに該少数キャリアに対して斥力を作用させる。これにより、最近接電荷捕獲部以外の電荷捕獲部73に電荷Cが導入されることを抑え、波長の判別分解能を高くすることができる。
As in the case of the sixth embodiment, the charge C generated by the absorption of light moves (diffuses) in the
第6実施形態及び第7実施形態で示した複数個のトラップ部65及びブロック部75の一部は省略してもよい。
Some of the plurality of
(8) 電荷捕獲部を1個のみ備える例
ここまでに述べた各実施形態や変形例では電荷捕獲部を複数個設けたが、それら各実施形態や変形例に係る光検出装置は、電荷捕獲部を1個のみ備えていてもよい。
(8) Example in which only one charge trapping portion is provided In each of the embodiments and modifications described so far, a plurality of charge trapping portions are provided. Only one part may be provided.
例えば、図23に示す光検出装置10Aは、第1実施形態の光検出装置10において電荷捕獲部13及び測定部14の数をそれぞれ1個のみとしたものである。
For example, a
この光検出装置10Aを使用する際には、第1実施形態の光検出装置10と同様に、測定対象の光Lを、基板11の表面から所定の角度θ(<90°)だけ傾斜させた方向で光導入部121に入射させる。これにより光Lは、基板11の表面で屈折したうえで、基板11の表面に対して傾斜した角度で基板11内を進行し、その間に、徐々に基板11の半導体に吸収され、それによって電子と正孔の対から成る電荷Cが生成される。生成された電荷Cは基板11内で拡散し、それらのうち、電荷捕獲部13から所定の範囲内で生成された少数キャリアは、電荷捕獲部13で捕獲される。測定部14は、電荷捕獲部13が電荷を捕獲することによって基板11と電荷捕獲部13の間に生じる電流又は電圧を測定する。
When using the
第1実施形態で説明したように、基板11の半導体に光が吸収されることで生じる電荷は、光導入部121から離れるに従って減少し、光導入部121から或る程度離れた位置ではほとんど生じなくなるため、電荷捕獲部13で捕獲される電荷の数、及び測定部14で測定される各電荷捕獲部13の電流又は電圧の値は、光導入部121に近い電荷捕獲部13から離れるに従って減少してゆく。この減少は、測定対象の光の波長が短いほど急激になる。従って、或る程度長波長の光によって生成された電荷のみが、光導入部121から所定距離だけ離間した電荷捕獲部13で捕獲される。これにより、光導入部121と電荷捕獲部13の距離に応じた、所定の波長よりも長波長の波長範囲内の光のみを検出することができる。なお、光導入部121と電荷捕獲部13の距離(前記所定距離)は、光導入部121の領域のうち電荷捕獲部13に最も近い点と電荷捕獲部13の領域のうち光導入部121に最も近い点との距離で規定することができる。あるいはこの距離を、光導入部121の領域の重心と電荷捕獲部13の領域の重心の距離等で規定してもよい。
As described in the first embodiment, the electric charge generated by light absorption in the semiconductor of the
この光検出装置10Aでは、2以上の波長の光を区別してそれらのいずれも検出することはできないが、所定の波長よりも長波長の波長範囲内の光を該所定の波長よりも短波長の光と区別して検出することができる。この光検出装置10Aによれば、検出される光の波長に依らずに電荷捕獲部13を基板11の表面に設けることから、製造が容易となる。
Although this
前記所定距離は、検出したい波長範囲内の光、及びそれよりも短い波長範囲内の光を用いてそれぞれ予備実験を行い、前者が検出され、後者が(ほとんど)検出されないように定めればよい。この予備実験では、図1のように電荷捕獲部13を光導入部121から離れる方向に複数並べて配置し、各電荷捕獲部13に1個ずつ測定部14を設けた構成を用いて実施し、それら複数の電荷捕獲部13及び測定部14の組み合わせの中から最適な1個を選択するとよい。
Preliminary experiments are performed using light within the wavelength range to be detected and light within a wavelength range shorter than that, and the predetermined distance may be determined so that the former is detected and the latter is (almost) not detected. . In this preliminary experiment, as shown in FIG. 1, a plurality of
第1実施形態と同様に、基板11の上面にそのまま電荷捕獲部13を形成することによって基板11の上面と電荷捕獲部13の下面を同一の高さとする場合(図24参照)、光導入部121に入射方向調整部16を設ける場合(図25参照)にも、電荷捕獲部13及び測定部14はそれぞれ1個ずつのみ備えるようにしてもよい。
As in the first embodiment, when the upper surface of the
また、図26に示すように、基板11の表面に光導入部(非遮光部)を複数設け(図26の例では第1光導入部1211及び第2光導入部1212)、各光導入部に対応して電荷捕獲部13を1組ずつ備えるようにしてもよい。この場合、第1光導入部1211とそれに対応して配置された電荷捕獲部13の距離cと、第2光導入部1212とそれに対応して配置された電荷捕獲部13の距離dを異なる値とすることにより、それら2つの電荷捕獲部13が互いに異なる波長範囲内の光を検出する。
Further, as shown in FIG. 26, a plurality of light introduction portions (non-light-shielding portions) are provided on the surface of the substrate 11 (first
さらに、第2~第7実施形態に係る光検出装置においても、電荷捕獲部の数を1個のみとすることができる。例えば、図27に示す光検出装置20Aのように、基板21の、遮光層22が設けられた表面211とは反対側の表面である裏面212に電荷捕獲部23を1個のみ設けてもよい(第2実施形態に対応)。この場合には、電荷捕獲部23は、裏面212において光導入部221と対向する領域(対向領域222)と電荷捕獲部23の距離に応じた、所定の波長よりも長波長の波長範囲内の光のみを検出することができる。この距離は、対向領域222のうち電荷捕獲部23に最も近い点と電荷捕獲部23の領域のうちの対向領域222に最も近い点との距離で規定することができる。あるいはこの距離を、対向領域222の重心と電荷捕獲部23の領域の重心の距離等で規定してもよい。
Furthermore, in the photodetectors according to the second to seventh embodiments, the number of charge trapping portions can be reduced to only one. For example, as in the
また、図28に示す光検出装置30Aのように、基板31の側部が光導入部321とする場合において、電荷捕獲部33を1個のみ設けてもよい(第3実施形態に対応)。
Also, as in the
あるいは、図29に示す光検出装置40Aのように、基板41の上面の一部に、下方に掘り下げられた沈下部420を設けると共に電荷捕獲部43を1個のみ設け、沈下部420の電荷捕獲部43寄りの側壁を光導入部421としてもよい(第4実施形態に対応)。沈下部の形状は図29に示した例には限らず、例えば図30に示すように縦断面の形状が三角形である沈下部420Aを用い、沈下部420Aの三角形の斜辺を光導入部421Aとしてもよい。
Alternatively, as in a
また、図31に示す光検出装置50Bのように、基板51の表面に対して45°傾斜させた反射面を備える反射部522を沈下部520内に設けた例において、反射面と対向する基板51の表面に電荷捕獲部53を1個のみ設けるようにしてもよい(第5実施形態に対応)。これにより、基板51の表面に垂直な方向で反射部522に入射した光Lを反射部522で反射させることにより、基板51内において基板51の表面に平行な方向に進行させることができる。あるいは、図32に示すように、縦断面の形状がM字状である沈下部520Aにおける2つの斜面にそれぞれ1つずつ反射部(第1反射部522A及び第2反射部522B)を設け、この逆M字の両側方にそれぞれ1個ずつ電荷捕獲部53を設けてもよい。
In addition, as in the
図33に示すトラップ部65を用いた光検出装置60A(第6実施形態に対応)や、図34に示すブロック部75を用いた光検出装置70A(第7実施形態に対応)においても、電荷捕獲部63、73は1個のみ設けるようにすることができる。これらの場合、トラップ部65又は/及びブロック部75は、電荷捕獲部63、73よりも光導入部621、721側又は/及び電荷捕獲部63、73から見て光導入部621、721側の反対側に設ける。
In the
本発明は上記の実施形態や変形例には限定されず、各実施形態や変形例が有する構成を適宜組み合わせたり、更なる変形を行うことができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and the configurations of the embodiments and modifications can be appropriately combined or further modified.
10、10A、20、20A、30、30A、40、40A、50、50A、50B、50C、60、60A、70、70A…光検出装置
11、21、31、41、51、61、71…基板
211…基板の一方の表面
212…基板の他方の表面(裏面)
12、22、32、42、52、62、72…遮光層
121、221、321、421、421A、521、621、721…光導入部(非遮光部)
13、23、33、43、53、63、73…電荷捕獲部
14、24、34、44、54、64、74…測定部
15…透光性部材
16…入射方向調整部
420、420A、520、520A…沈下部
1211、521A、6211…第1光導入部
1212、521B、6212…第2光導入部
222…対向領域
522…反射部
522A…第1反射部
522B…第2反射部
65…トラップ部
75…ブロック部
10, 10A, 20, 20A, 30, 30A, 40, 40A, 50, 50A, 50B, 50C, 60, 60A, 70, 70A...
12, 22, 32, 42, 52, 62, 72... Light shielding layers 121, 221, 321, 421, 421A, 521, 621, 721... Light introduction part (non-light shielding part)
Claims (9)
b) 前記基板の一方の表面の一部又は全部を覆う遮光層と、
c) 前記基板の一方の表面の前記遮光層で覆われた範囲以外の位置又は前記基板の側面に設けられた光導入部と、
d) 前記一方の表面であって前記遮光層の下に前記光導入部から離間して、又は前記基板の他方の表面であって該他方の表面における前記光導入部に対向する位置から離間して設けられた、前記基板とは逆の型の半導体から成る電荷捕獲部と、
e) 前記電荷捕獲部に電気的に接続された測定部と
を備えることを特徴とする光検出装置。 a) a substrate made of a p-type or n-type semiconductor;
b) a light shielding layer covering part or all of one surface of said substrate;
c) a light introduction part provided at a position other than the range covered with the light shielding layer on one surface of the substrate or on the side surface of the substrate;
d) on the one surface below the light-shielding layer and spaced from the light introduction portion, or on the other surface of the substrate and spaced from a position facing the light introduction portion on the other surface; a charge trapping portion made of a semiconductor of a type opposite to that of the substrate;
e) a measurement unit electrically connected to the charge trapping unit;
さらに、前記非遮光部に、前記基板の一部が該表面から沈下した沈下部を備える
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の光検出装置。 The light introducing portion is provided in a non-light-shielding portion that is a position other than the range covered with the light-shielding layer,
4. The photodetector according to any one of claims 1 to 3, wherein the non-light-shielding portion further includes a sunken portion in which a portion of the substrate sinks from the surface.
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