JP5233535B2 - 撮像装置、視界支援装置、暗視装置、航海支援装置および監視装置 - Google Patents
撮像装置、視界支援装置、暗視装置、航海支援装置および監視装置 Download PDFInfo
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Description
Wavelength Infrared)帯は検出に大掛かりな装置を要しないため、近年、注目を集めており、多くの紹介がなされている。たとえば宇宙からのSWIRスペクトルの観測結果について説明し、そのスペクトルが1.4〜1.9μmにピークを有することが紹介されている(非特許文献1)。またInPに格子整合するInGaAs受光素子(In原子:Ga原子=0.53:0.47)を用いた暗視カメラの紹介(非特許文献2)などが、なされている。この場合、格子定数をInP基板に合わせるためにIn/Gaの原子数比を0.53/0.47にしており、そのため受光素子の長波長側限界(感度限界)は1.7μm程度となる。以後の説明では、上記宇宙から地表に到達するSWIR帯の光を、宇宙光もしくはSWIR宇宙光、または単にSWIR帯光と呼ぶ。
Vatsia,Mirshri,L."Atmospheric Optical Environment", Researchand Development Technical Report ECOM-7023, September (1972) Marshall J.Cohen, "Near-IR imaging cameras operate at roomtemperature", LASER FOCUS WORLD June 1993 p.109(Sensors Unlimited) T.Murakami, H.Takahashi, M.Nakayama, Y.Miura, K.Takemoto, D.Hara,"InxGa1-xAs/InAsyP1-y detector for near infrared(1-2.6μm)", Conference Proceedings of Indium Phosphide and Related Materials 1995, May, Sapporo, pp.528-531 R.Sidhu,"A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
(A1)化合物半導体受光素子アレイ:ノイズや暗電流が大きく、また暗点(画像抜け)が多く、鮮明な画像が得られない。温度上昇により、画像の鮮明度はとくに大きく劣化する。
(A2)暗視装置:赤外線、近赤外線等の光源が必要である。また、装置が複雑であり、高コストとなる。画像鮮明度も不足する。
本発明は、より長波長域まで受光可能な受光層を、良好な結晶性の化合物半導体により形成することによって、上記の問題を克服することができる撮像装置等を提供することを目的とする。すなわちノイズや暗電流を抑制して、昼夜によらず、鮮明な画像を確実に得ることができる受光層を備えた撮像装置、それを用いた視界支援装置、暗視装置、航海支援装置および監視装置を提供することを目的とする。
ここで、視界支援装置は、車両(自動車など)に搭載されて安全性向上のために運転者の視界を支援する装置を、暗視装置は人が携行可能な装置を、航海支援装置は、船舶に搭載されて何らかの形で物標の認識を支援する装置を、そして監視装置は、定点に設置されて監視対象物を監視する装置を、それぞれさすものと大まかに区分けされるが、この区分けは厳密なものではない。
Wavelength InfraRed)領域の吸収ピーク(3.0μm超の波長域にブロードな吸収を有する)の影響を小さくできるので鮮明な画像を得ることができる。
(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の材料を窓層に用いる場合がある。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。近赤外域のカットオフ波長に対応するバンドギャップエネルギは、0.7〜0.8eVである。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明確に大きいことを前提としている。その理由は、仮に拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギが、受光層のバンドギャップエネルギと重なり、または近接しすぎる場合には、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、受光層の受光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。
拡散濃度分布調整層と受光層との界面に、選択拡散された不純物元素のパイルアップを生じさせることができる。
不純物元素のパイルアップによる高濃度分布は受光層内で急峻に低下しながら少し裾を引く。このため、受光層内の反対伝導型キャリア濃度が、ノンドープとしながら比較的高い場合、pn接合を確実に受光層内に形成して、しかも受光層の上面近くに配置することができる。この結果、その受光層内において深さ全体にわたって空乏層を形成することができ、受光感度を高めることができる。なお、パイルアップについては、拡散濃度分布調整層内にはほとんど入らず、また受光層内で急峻に低下するため受光層内への影響は小さい。このためパイルアップした不純物の濃度については、本発明の趣旨から、上記の拡散濃度分布調整層内における不純物元素の濃度の限定(5×10 16 /cm 3 以下)は、当然、適用されない。しかし、適用したとしてもパイルアップのピーク値は5×10 16 /cm 3 以下であるのが普通であり、上記の濃度の限定(5×10 16 /cm 3 以下)を満たしている。
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。
Wavelength InfraRed)領域の吸収ピーク(3.0μm超の波長域にブロードな吸収を有する)の影響を小さくできるので鮮明な画像を得ることができる。さらに、補助的な光照射を行うことなく撮像できるので、照射光が人体の眼に入射して損傷する可能性を完全に除くことができる。なお、「波長域1.0μm〜3.0μmの光を受光する」とは、上述のように、波長域1.0μm〜3.0μm以外の波長域に感度を有しないことを意味する。これは、その受光層を形成する化合物半導体の特性の上から、波長域1.0μm〜3.0μmの範囲内に感度が制約される場合であってもよい。この場合、長波長側の感度の限界が2.0μmや、2.5μmであってもよい。また、とくに長波長側(短波長側)の限界3.0μm(1.0μm)の実現については、波長3.0μmを超える光(波長1.0μm未満の光)をカットするフィルタを備えていてもよい。
この構成によれば、上記視界支援装置は車両に搭載され、夜間に運転者が前方または後方の視界やさらには障害物を、より鮮明に認識しながら走行することができる。
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、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。
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。
(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。
(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、1E16cm−3程度の低濃度不純物領域が形成される。
図8は本発明の実施の形態2における撮像装置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(CMOS)71に向けて、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ポリイミド膜パターン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。
図13は、本発明の実施の形態3における視界支援装置を示す図である。本視界支援装置は、自動車の夜間運転における運転者の前方の視界を支援するために、車両に搭載される。車両には、実施の形態1および2において説明した受光素子アレイと、図示しないレンズなど光学素子等とを含む撮像装置70と、撮像された画像を表示する表示モニター65と、これらを駆動制御する制御装置60とが搭載される。また、図14は、自動車の夜間運転における運転者の後方の視界を支援するために、車両に搭載される。自動車の後部に後ろ向きに取り付けられた、実施の形態2の受光素子アレイ、レンズなど光学素子等を含む撮像装置70で撮像した画像は、運転者の上部前方の表示装置65に表示される。撮像装置70および表示装置65は、制御装置60によって駆動制御される。
図15は、本発明の実施の形態4における暗視装置の構成を示す図である。この暗視装置510は、被写体の結像部に、本発明の実施の形態2における撮像装置70またはその受光素子の2次元配列面を曲面などに変形した撮像装置を用いる点に特徴がある。上記の撮像装置70は、近赤外〜赤外域に高い受光感度を有し、かつ暗電流を抑制することができるので、赤外線発光装置などの光源を暗視装置に内蔵する必要がなく、このあと説明するように、従来の赤外線光源内蔵タイプの暗視装置に比べて、暗視装置の基本的性能に本質的な相違をもたらすことが可能となる。
glow)などを受光して、実用上問題ないレベルの鮮明な暗視像を得ることができる。この結果、軽量化・小型化されて携行に便利になり、また赤外線照射に起因するアイセーフ問題を回避することができる。さらに、動物観察の場合、ある種の動物(たとえば蛇)は赤外照射に気づくため、本暗視装置は、とくに動物の夜間の動態観察等に、好適に用いることができる。
図16は、本発明の実施の形態5における夜間航海支援装置520を説明するための斜視図である。図16を参照して、この夜間航海支援装置520は、レーダー空中線などから構成されるレーダ装置を備えている。レーダ空中線は、船舶上の見晴らしの良い位置に設置され、図示しない制御回路等によって水平面内で回転され、周囲に存する他船などの物標を捕捉する。また、船体内に位置するレーダ指示機は、レーダ空中線によって捕捉された物標を表示する指示機であり、自船に対する物標の相対位置を表す信号を出力する。
図17は、本発明の実施の形態6における夜間航海支援装置の中核をなすレーザレーダの原理の説明図である。本実施の形態におけるレーザレーダは、実施の形態2に示した撮像装置70を組み込んだカメラが配置されている点に特徴を有する。レーザレーダを旋回するための旋回用架台は、仰角の変更と旋回の機能を有し、制御回路によって制御される。
図18は、本発明の実施の形態7における列車事故回避装置を示す図である。本実施の形態における特徴は、TVカメラ531に実施の形態2に示した撮像装置70を組み込んでいる点にある。図18において、この列車事故回避装置は、予め定められた範囲を撮像し、監視するTVカメラ531と、異常判定部と、TVカメラ531が列車軌道に浸入した障害物を発見し、事故が発生しないように高速で対処するために中央監視装置と、緊急事態発生を知らせる緊急情報出力部とを備える。
図19は、本発明の実施の形態8における訪問者監視装置を示す図である。この訪問者監視装置540は、カメラ付きドアホンの親器と子器とから構成される。子器はドアに設けられ、訪問者はドアチャイムのボタンを押し、フィルタを通して撮影される。親器は屋内に設けられ、子器のカメラで撮像された訪問者の像が親器の表示画面に表示される。
glow)の反射で訪問者を識別できるので、従来のカメラ付きドアホンのように、子器内に赤外発光素子を取り付ける必要がない。このため、この赤外発光素子がフィルタで反射して来訪者の画像の周りに赤外発光素子の虚像を形成する、という問題などは生じないので、それを防止するためカメラの周囲に筒状の壁等を設ける必要がない。また、赤外線照射に起因するアイセーフ問題を回避することができ、さらに赤外発光LEDなどの光源の電源電力を省略することができる。このため、カメラ付きドアホンの子器における構造を簡単化でき、消費電力を節減し、アイセーフ問題を回避することができる。しかも、宇宙自然光は昼夜一定であるので、昼夜の差などに起因する違和感のない訪問者の明瞭な映像を得ることができる。
図21は、本発明の実施の形態8における侵入者検知装置550を示す図である。監視カメラ551は室内に取り付けられ透明窓面越しに外を監視できるように配置されている。監視カメラ551には、実施の形態2の図8に示した撮像装置70が組み込まれており、近赤外〜赤外域に高い感度を有する。監視カメラ551に撮影され、その画像は処理装置に送られ、画像処理にて該当者を検知し、さらに窓面付近での停滞時間を計測し、規定時間たとえば侵入の可能性が大と判定される1分間以上の停滞時間の場合には、侵入予定者と判断する。
glow)の反射光を受光することによって高い識別力をもって侵入予定者を検知することができる。このため、この種の監視装置の構成を簡単化することができる。また、侵入者監視装置では、とくに撮影対象者に向けて赤外線照射を集中させるので、問題化しやすいアイセーフについてのトラブルを回避することができる。また、複数の侵入者等の場合に、赤外線照射した場合に侵入者について鮮明な像を得にくいが、赤外線照射しない場合には、鮮明な情報を得ることができる。
glow)の反射光を感度よく受光できるので、レンズを広角にして撮像範囲を広範囲にした場合やその逆の場合の如何によらず、上記の発光LED付きの基板、角度を変えるモータ、その制御装置などを省略でき、監視装置の構成を非常に簡単にすることができる。
図23は、本発明の実施の形態10における室内監視装置560を説明するための図である。図23において、監視カメラ561には、図8に示す撮像装置70が組み込まれ、ホームの室内を撮像するように配置されている。また、センサターミナルは、上記の監視カメラと一体に形成され、監視カメラによって撮像された画像を処理し、人存在確率等を算出することによって、人の在室を判定するように構成されている。このセンサターミナルの判定結果は、LANを介して、ホームターミナルに通知され、ホームターミナルから電話回線を介してセンターのセンターターミナルへ通知がなされる。
図24は、本発明の実施の形態11における都市防災用監視装置を説明するための図である。この都市防災用監視装置570は、火災を自動的に検知可能とし、その発生場所の特定を容易にすることができる。その構成は、たとえば建屋の屋上にカメラ台を設け、その上部の旋回台に取り付けたカメラハウジング内に監視カメラ571を収納する。本実施の形態における監視カメラ571には、図8に示した撮像装置70が組み込まれている点に特徴がある。このため、火災等から発せられる赤外光を感度よく検知することができる。
図25は、本発明の実施の形態12における遠隔監視装置580を説明するための図である。この遠隔監視システム580は、昼夜の監視をする際の電気配線の手間が不要である。また、夜間監視時に、夜間照明が不要である。本実施の形態において、監視カメラ581には図8に示す撮像装置70が組み込まれている点に特徴がある。
本発明の実施の形態における撮像装置は、長波長側3μm程度まで受光感度を持つ。また、SWIR宇宙光は、図26に示す強度分布をもつ。図26に示す本発明例のデータは、図11に示す本発明例の受光素子についてのデータである。この受光素子のデータに基づけば、図26より、本発明の実施の形態における撮像装置は、SWIR宇宙光の全域をカバーすることができる。一方、図27は、水の吸収スペクトルを示す。これより、たとえば、本発明の実施の形態における撮像装置は、たとえばフィルタをかけて、1μm〜2μmに限定して受光感度を持たせることによって、水の吸収の影響を回避することができる。これによって、たとえば雨、霧、などの影響を除いて、鮮明な画像を得ることができる。
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28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28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。
上記の実施の形態では、拡散濃度分布調整層を備えた受光素子または受光素子アレイについて説明したが、最も広くは、受光素子は拡散濃度分布調整層を備えなくても、多重量子井戸構造内の不純物濃度が5E16cm−3以下であり、当該不純物が選択拡散で導入されていればよい。
Claims (15)
- InP基板に形成された半導体受光素子によって構成される二次元アレイの画素を備え、物体で反射された近赤外域の光を受けて該物体を撮像する装置であって、
前記半導体受光素子は、前記InP基板上に設けたIII−V族半導体の多重量子井戸構造の受光層と、前記受光層の前記InP基板側と反対側に位置する拡散濃度分布調整層とを備え、
前記受光層のバンドギャップ波長が1.65μm〜3μmであり、
前記拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギがInPよりも小さく、
不純物元素を前記受光層内に届くように選択拡散することで、前記画素ごとにpn接合が形成され、
前記拡散濃度分布調整層内で前記選択拡散された不純物元素の濃度が前記受光層側に向かって5×10 16 /cm 3 以下にまで低下していることを特徴とする、撮像装置。 - 前記拡散濃度分布調整層内において、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と反対の面側において1×10 18 /cm 3 以上であることを特徴とする、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記拡散濃度分布調整層と前記受光層との界面に、前記選択拡散された不純物元素のパイルアップが生じていることを特徴とする、請求項1または2に記載の撮像装置。
- 前記多重量子井戸構造が、タイプIIのGaAsSb/InGaAs多重量子井戸構造、またはタイプIIのGaAsSb/InGaAsN(P,Sb)多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記不純物元素が亜鉛(Zn)であり、前記拡散濃度分布調整層がInGaAsから形成されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記InP基板は、(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であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記InP基板、前記受光層の量子井戸構造を構成する各層、および拡散濃度分布調整層、の任意の相互間において、格子整合度(|Δa/a|:ただし、aは格子定数、Δaは相互間の格子定数差)が0.002以下であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 波長域1μm〜3μmの光を受光することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の撮像装置を用いることを特徴とする、視界支援装置。
- 車両における視界支援のために用いられる装置であって、前記車両の前方または後方を撮像する撮像手段と、その撮像手段により撮像された画像を表示する表示手段とを備え、前記撮像手段に前記請求項1〜8のいずれか1項に記載の撮像装置を用いたことを特徴とする、視界支援装置。
- 前記撮像手段および/または表示手段を駆動制御する制御手段を備えることを特徴とする、請求項10に記載の視界支援装置。
- 夜間に物体を可視化する光学装置であって、請求項1〜8のいずれか1項に記載の撮像装置を用いたことを特徴とする、暗視装置。
- 船舶に搭載され、他の船舶等の物標を認識するための光学装置を含む装置であって、前記光学装置に、請求項1〜8のいずれか1項に記載の撮像装置を用いたことを特徴とする、航海支援装置。
- 定点に設置され、監視対象物を監視する光学装置を含む装置であって、前記光学装置に、請求項1〜8のいずれか1項に記載の撮像装置を用いたことを特徴とする、監視装置。
- 赤外光、近赤外光および可視光の光照射手段を備えないことを特徴とする、請求項9〜11のいずれか1項に記載の視界支援装置、請求項12に記載の暗視装置、請求項13に記載の航海支援装置、または請求項14に記載の監視装置。
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