JP5435065B2

JP5435065B2 - 受光装置

Info

Publication number: JP5435065B2
Application number: JP2012092981A
Authority: JP
Inventors: 博史稲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: JP2012199554A

Description

本発明は、受光装置に関し、より具体的には、長波長側が近赤外域にまで受光感度を有する受光装置に関するものである。

近赤外域の波長域またはそれより長波長側に対応するバンドギャップエネルギを持つ化合物半導体として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が注目され、研究開発が進行している。たとえばＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓを受光層に持つ受光素子を、上記ＩｎＰ基板上に配列した受光素子アレイを用いて、宇宙からの自然光を受光する暗視カメラが開示されている（非特許文献１）。これにより、夜間、雨天にかかわらず人工照明を用いることなく、自然光により撮像することが可能となる。
MarshallJ.Cohen and Gregory H. Olsen "Near-IR imaging cameras operate at roomtemperature", LASER FOCUS WORLD, June 1993, pp.109-113

上記の暗視カメラは、しかしながら比較的小さい入力光で画像出力を形成しているとき、輝度の高い光が視野に入るとハレーションを起こし、キャリアが受光素子から無くなるまで画像を得ることができない。このため、たとえば動画を撮像中に輝度が大きく変わる場合、画像形成が不能となる状態が生じやすい。今後、多種多様の用途が見込まれる近赤外域の撮像装置（センサ）において、上記のような画像形成不能状態が発生することは好ましくなく、克服しておくべきことである。

本発明は、高輝度の光入力または被写体の瞬時の明るさ上昇に対しても、画像形成不能状態を生じない受光装置を提供することを目的とする。

本発明の受光装置は、受光層を含む半導体積層体に、複数の受光素子が配列された受光素子アレイと、信号入力部および該信号入力部を経由する信号を受ける本体部を有するマルチプレクサとを備える受光装置である。この受光装置は、受光素子アレイにおいて、複数の受光素子の間に位置する１つまたは２つ以上のモニタ受光部を備え、複数の受光素子およびモニタ受光部は、いずれも、半導体積層体の一方の面である表面から受光層に届くように位置する不純物領域と、当該不純物領域にオーミック接触する電極と、を持ち、受光素子およびモニタ受光部は、いずれも、各自ｐｉｎ型フォトダイオードを形成し、半導体積層体の表面と反対側の裏面から光を入射する裏面入射型であり、モニタ受光部および受光素子の電極は、各別にマルチプレクサの信号入力部に接続され、該信号入力部において、受光素子からの直の信号は、モニタ受光部からの直の信号に基づいてゲイン制御またはオンオフ制御されて、マルチプレクサの本体部へ出力され、信号入力部において、モニタ受光部からの直の信号を、増幅＋微分回路に通して明るさの時間勾配をとり、その時間勾配の信号の、（１）高さが予め決めた基準値を超えたときに受光素子からの直の信号をオフとする出力、または、（２）高さに応じてオートゲイン制御する出力、を行うことを特徴とする。
ここで、受光層の導電型は問わず、第１導電型でもイントリンシックでもよい。

上記の構成により、モニタ受光部は、受光素子と同様に、ｐｎ接合部に空乏層を形成した状態で、入射光を受光してその光の強度をモニタして出力することができる。この光の強度出力信号に基づき、外部回路（駆動回路）では、受光素子のゲインまたはオンオフを制御する信号を発することができる。すなわち、受光素子およびモニタ受光部は、いずれも、各自ｐｉｎ型フォトダイオードを形成することで、ｐｎ接合またはｐｉ接合からの空乏層を低い逆バイアス電圧または無電圧印加で大きく拡げて、各受光素子における受光感度を高めつつ、一方高輝度入力に起因する画像形成不能状態の回避は、モニタ受光部と外部の駆動回路とにより、ゲイン等の制御により行うことができる。
この結果、高輝度光入力によるキャリア飽和状態の持続に起因する画像形成不能状態の発生を回避した受光装置を得ることができる。

信号入力部において、モニタ受光部からの直の信号を、増幅＋微分回路に通して明るさの時間勾配をとり、その時間勾配の信号の、（１）高さが予め決めた基準値を超えたときに受光素子からの直の信号をオフとする出力、または、（２）高さに応じてオートゲイン制御する出力、を行う。
マルチプレクサ本体部に入る前に、受光素子アレイの出力を、即座に制御することができる。

平面的に見て、モニタ受光部において受光する面積を、受光素子におけるそれより小さくすることができる。これによってモニタ受光部は、受光素子よりも飽和が早期に生じ、マイコン制御によらずワイヤードロジック回路により信号処理を高速で行うことができる。また、マイコン制御による場合は、マイコン制御が行い易くなる。

上記の半導体積層体をＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成し、第２導電型不純物をＺｎとすることができる。これによって、これまで実績のあるＺｎを半導体積層体内に選択拡散して、受光層にｐｎ接合を形成することを容易化する。

上記の受光層を、近赤外域またはそれより長波長側に対応するバンドギャップエネルギをもつＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
これによって、近赤外域またはそれより長波長側に感度をもち、かつ高輝度光入力によるキャリア飽和状態の持続に起因する画像形成不能状態の発生を回避した受光装置を得ることができる。

本発明の受光装置によれば、高輝度光入力によるキャリア飽和状態の持続に起因する画像形成不能状態の発生を回避することができる。

図１は、本発明の実施の形態の受光装置における受光素子アレイ１０の端部の部分断面図である。図１において、受光素子アレイ１０は、１つの半導体積層体の（ＩｎＰ基板１／ｎ型（第１導電型）ＩｎＰバッファ層２／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３／ＩｎＰ窓層４）を備える。図２は、受光素子アレイ１０の上面図である。受光素子アレイ１０は、平面的には、周期的に配置される受光素子であるセンシング部Ｓと、その中に１つまたは２つ以上配置されるモニタ受光部Ｍとで構成される。ここで、本発明における受光装置は、撮像装置、検出装置など、本発明の構成を備えている限り名称にはこだわらず、何でもよい。

図１において、不純物拡散用マスクパターン５はＳｉＮで形成され、センシング部Ｓおよびモニタ受光部Ｍに開口部を持つように、ＩｎＰ窓層４上にわたって位置している。センシング部Ｓおよびモニタ受光部Ｍともに、マスクパターン５の開口部から拡散導入されたＺｎが分布するｐ型（第２導電型）領域１６が形成されている。図１および図２に示すように、モニタ受光部Ｍの面積はセンシング部Ｓの面積より小さく形成されているが、制御回路での制御によって調節できるので、同じ面積であってもよいし、大きい面積であってもよい。モニタ受光部Ｍのサイズをセンシング部Ｓのそれより小さくすることにより、（１）大入力の光の入射に際し、モニタ受光部Ｍでは、センシング部Ｓよりも早期に飽和しやすく、入力光の強度を割り出して、センシング部にマイコン制御をかけなくても、ワイヤードロジック回路（ハード）のみでハレーションを防止できる利点、および（２）周期配列のセンシングＳの間に、モニタ受光部Ｍを配置するのが容易になる利点、を生じる。

図３は、受光素子アレイとマルチプレクサとを組み合わせた撮像装置５０を示す平面図であり、センシング部Ｓおよびモニタ受光部Ｍを実線で示している。図３に示すように、モニタ受光部Ｍは、センシング部Ｓの数とは無関係であり、受光素子アレイ全体で１つでもよいし、中央部および四隅などに、入力モニタをするのに適当な位置に配置することができる。要は、高輝度光入力により電荷充満状態の期間、画像形成不能状態が持続することを回避できるように、光入射をモニタできる配置であればよい。

図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。各センシング部のｐ部電極１１はそれぞれマルチプレクサ５１の入力端子５６に、図示しないはんだバンプ等を用いて電気的に接続され、また共通の接地電位が印加されるｎ部電極（図示せず）は、マルチプレクサ５１の接地電位用端子（図示せず）に、同様に、電気的に接続される。マルチプレクサ５１にはＣＭＯＳマルチプレクサを用いるのがよい。

モニタ受光部Ｍのｐ部電極１１は、マルチプレクサ５１のモニタ端子５９に、図示しないはんだバンプ等を用いて電気的に接続される。マルチプレクサ５１には、信号処理回路（制御回路）が設けられ、モニタ受光部Ｍからｐ部電極１１を経由して入力される受光信号に基づき、センシング部Ｓの受光動作を制御する。センシング部Ｓの受光動作の制御は、センシング部Ｓからのマルチプレクサ５１の本体への受光信号を遮断するオンオフ制御でもよいし、センシング部Ｓのゲイン制御でもよい。

図５は、センシング部Ｓからのマルチプレクサ５１の本体への受光信号を遮断するオンオフ制御を行う場合の回路図である。被写体が瞬時に非常に明るくなった場合、信号処理回路はモニタ受光部Ｍ（受光素子またはフォトダイオード）の出力に基づき、センシング部Ｓのスイッチの制御、またはオンオフ制御を行う。モニタ受光部Ｍの出力は、信号処理において、瞬時の明るさ増大の程度を定量化するために、図５に示すように、増幅＋微分回路により明るさの増大の時間勾配をとるのがよい。明るさの増大の時間勾配は、微分回路を経てスパイク状になるので、スパイクの高さが予め定めた基準値を超えた場合に、マルチプレクサ５１本体部への出力Ｓoutをオフにする。

図６は、センシング部Ｓからのマルチプレクサ５１の本体への受光信号の強度を、モニタ受光部Ｍの受光信号に基づいて制御する場合の回路図である。モニタ受光部Ｍの出力について、増幅＋微分回路により明るさの増大の時間勾配をとるのは、図５の場合と同じである。明るさの増大の時間勾配は、微分回路を経てスパイク状になるので、スパイクの高さに応じて、マルチプレクサ５１本体部への出力Ｓoutのオートゲイン制御（ＡＧＣ Auto Gain Control）を行う。マルチプレクサ５１またはその他の駆動部に搭載される制御回路については、常用されている制御方式を用いることができる。

図５および図６は、１つのモニタ受光部Ｍによって、１つのセンシング部Ｓの出力制御を行う場合を示している。しかし、１つのセンシング部Ｓを受光素子アレイの任意の１つの受光素子と見て、１つのモニタ受光部Ｍによってすべての受光素子Ｓの出力制御を行うと見ることもできる。また、１つのモニタ受光部Ｍがカバーする範囲内の複数個のセンシング部Ｓの出力制御を行っていると見ることもできる。いずれにしても、モニタ受光部Ｍによってセンシング部Ｓの出力は制御されるので、大入力光入射に対して、高輝度光入力による画像形成不能期間の発生を防止することができる。

次に、上記の受光素子アレイ１０および撮像装置５０の製造方法について説明する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を形成する。ｎ型ＩｎＰ基板１およびｎ型ＩｎＰバッファ層２は、ｎ型不純物Ｓｉをドープして、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３の高濃度となるようにするのがよい。ｎ型ＩｎＰ基板１は、Ｆｅをドープしたものであってもよい。ｎ型ＩｎＰバッファ層２の成膜法は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＯＭＶＰＥ(Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy)法など周知の方法を用いることができる。ただし、ＯＭＶＰＥ法など水素濃度が高くなる成膜法を用いた場合には、脱水素のための熱処理を行なうのがよい。

次いで、ｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３を成長する。不純物はとくに添加しなくてもよいが、ｎ型不純物のＳｉを、キャリア濃度３×１０^１５ｃｍ^−３程度となるように添加してもよい。水素濃度を低くする点からはＭＢＥ法で成長するのがよいが、ＯＭＶＰＥ法等で成長して、水素濃度が高い場合には熱処理で脱水素処理をしてもよい。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３は、結晶性を向上するためにＳｂを含んだものでもよい。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３に接してＩｎＰ窓層４を成長させる。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３は、近赤外域の長波長側に受光感度を有するものであるが、Ｓｂおよび／またはＰを含有してもよい。Ｓｂは結晶性の向上のために添加する。また、近赤外域の長波長側の受光感度がそれほど必要ない場合には、Ｎを含まずＧａＩｎＡｓ受光層としてもよい。窓層４についてもＩｎＰ以外に、受光層３と格子整合し、受光層３よりもバンドギャップが大きいものであれば何でもよい。上記の半導体積層体は、つぎのような化合物半導体層で形成されている。
半導体積層体：（ＩｎＰ基板１／ｎ^＋ＩｎＧａＡｓバッファ層２／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３／ＩｎＰ窓層４）
各層の厚みは、大雑把に、ＩｎＧａＡｓバッファ層２は１μｍ〜２μｍ程度、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３は２μｍ〜３μｍ、ＩｎＰ窓層４は０．５μｍ〜１．５μｍである。ＩｎＰ窓層４上に、センシング部Ｓおよびモニタ受光部Ｍに開口部を有するマスクパターン５をＳｉＮにより形成し、ｐ型不純物のＺｎを各開口部からＩｎＰ窓層４を通して導入してｐ型領域１６を形成する。ｐ型領域１６は、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３に届いており、先端部にｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成する。その後、ＩｎＰ窓層４のｐ型領域１６上にオーミック接触のｐ部電極１１をＰｔＴｉ等により、またＩｎＰ基板１またはＩｎＧａＡｓバッファ層２の周縁部にオーミック接続するｎ部電極１２をＡｕＧｅＮｉ等により、それぞれ形成する。

上記の受光素子アレイおよびこれを用いた撮像装置によれば、被写体の瞬時の明るさの上昇または高輝度光入力があっても、モニタ受光部のモニタリングによって受光素子（センシング部）の受光信号の出力を制御するので、画像形成不能状態を回避することができ、常に被写体等の鮮明な画像を得ることができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の受光素子アレイおよび撮像装置によれば、高輝度光入力または被写体の瞬時の明るさ上昇に対して、画像形成不能状態を生じることなく、鮮明な画像を得ることができる。

本発明の実施の形態における受光素子アレイを示す断面図である。図１の受光素子アレイの上面図である。受光素子アレイとマルチプレクサとを組み合わせた撮像装置を示す平面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。本発明の撮像装置において、モニタ受光部の受光信号に基づき、センシング部の受光信号出力をオンオフ制御する場合の回路図である。本発明の撮像装置において、モニタ受光部の受光信号に基づき、センシング部の受光信号出力の自動ゲイン制御をする場合の回路図である。

１ＩｎＰ基板、２ｎ型ＩｎＰバッファ層、３ＧａＩｎＮＡｓ受光層、４ＩｎＰ窓層、５マスクパターン、１０受光素子アレイ、１１ｐ部電極、１２ｎ部電極、１６ｐ型領域、５０撮像装置、５１マルチプレクサ、５６マルチプレクサ入力端子、５９マルチプレクサのモニタ入力端子、Ｓセンシング部（受光素子）、Ｍモニタ受光部。

Claims

受光層を含む半導体積層体に、複数の受光素子が配列された受光素子アレイと、信号入力部および該信号入力部を経由する信号を受ける本体部を有するマルチプレクサとを備える受光装置であって、
前記受光素子アレイにおいて、前記複数の受光素子の間に位置する１つまたは２つ以上のモニタ受光部を備え、
前記複数の受光素子および前記モニタ受光部は、いずれも、前記半導体積層体の一方の面である表面から前記受光層に届くように位置する不純物領域と、当該不純物領域にオーミック接触する電極と、を持ち、
前記受光素子および前記モニタ受光部は、いずれも、各自ｐｉｎ型フォトダイオードを形成し、
前記半導体積層体の表面と反対側の裏面から光を入射する裏面入射型であり、
前記モニタ受光部および前記受光素子の電極は、各別に前記マルチプレクサの信号入力部に接続され、該信号入力部において、前記受光素子からの直の信号は、前記モニタ受光部からの直の信号に基づいてゲイン制御またはオンオフ制御されて、前記マルチプレクサの本体部へ出力され、
前記信号入力部において、前記モニタ受光部からの直の信号を、増幅＋微分回路に通して明るさの時間勾配をとり、その時間勾配の信号の、（１）高さが予め決めた基準値を超えたときに前記受光素子からの直の信号をオフとする出力、または、（２）高さに応じてオートゲイン制御する出力、を行うことを特徴とする、受光装置。
平面的に見て、前記モニタ受光部において受光する面積は、前記受光素子におけるそれより小さいことを特徴とする、請求項１に記載の受光装置。
前記受光素子アレイの半導体積層体がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成され、前記不純物が亜鉛（Ｚｎ）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光装置。
前記受光層が、近赤外域またはそれより長波長側に対応するバンドギャップエネルギをもつＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光装置。