JP5593487B2 - フォトニックミキサ、その使用およびシステム - Google Patents

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Description

本発明は、フィールド領域と、第１導電型でドープされた半導体基板において多数キャリアおよび関連する電界を生成するための手段とを有する半導体基板を備え、電磁放射が上記フィールド領域内の基板に衝突するとき、多数キャリアおよび少数キャリアのペアが基板において生成され、少数キャリアの光電流をもたらすフォトニックミキサであって、
多数キャリア電流を半導体基板に注入することによって多数キャリア電流および関連する電界を生成するための第１導電型の少なくとも１つの注入接触領域であって、そのドーパント濃度は半導体基板よりも高い、注入接触領域と、
光電流を集めるための第１導電型とは反対の第２導電型の少なくとも１つの検出部領域であって、基板との接合部を有し、上記接合部の周りの基板ゾーンは空乏基板ゾーンである、検出部領域と、を備える、フォトニックミキサに関する。
本発明はさらにこのようなフォトニックミキサの使用に関する。
このようなフォトニックミキサは欧州特許出願公開１５１３２０２号明細書によって公知である。このようなフォトニックミキサは例えば、“飛行時間”（ＴＯＦ）距離測定アプリケーションを対象としている。先行技術文献国際公開第９８／１０２５５号パンフレットおよび国際公開第９９／６０６２９号パンフレットには、距離測定のための飛行時間測定の一般的な原理が記載されている。光源は、１ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲内の周波数で変調される。光が物体、景色を照明し、反射光の一部が焦点レンズを介してレンジファインダカメラに入る。各画素において入射光の相を測定することによって、画素と、この景色における共役（光反射）画素領域の間の距離を推測できる。このような方法で、物体間の距離と物体の形状が推測でき、記録できる。フォトニックミキサは、反射光の相を正確に測定するための装置である。この相の精度は非常に重要である。なぜなら、それは距離を推測する精度と直結するからである。フォトニックミキサは、接続される電子ミキサのかわりに、検出部において入射光をすぐに混合する。これにより、低ノイズが達成され、信号−ノイズ比率がより改善し、距離推測においてエラーがより少なくなる。フォトニックミキサの操作に特に関連性のあるものとしては、電気信号が電磁放射と同じ変調周波数で基板に印加されることである。この状態で、信号の混合が直接基板において発生する。従来の光検出部では、個々のミキサの後段において混合が行われる。
図６Ａは、入射振幅変調電磁放射線と、電源９０を介して基板１（一般にはその上層）に印加される電気信号とを混合する従来技術のフォトニックミキサの実施形態を示している。図６Ｂは、図６Ａに示す装置の線ＩＩＩ-ＩＩＩ’における断面を示す。電源９０によって印加される電気信号は、多数電流、例えば、多数正孔電流９９を、基板１を介して生成する。一般に、印加される電気信号は、電磁放射（典型的には光）と同じ周波数で変調される。基板のフィールド領域に衝突する電磁放射からの光子は、基板上の領域に入り、これらは電子と正孔のペアに変換される。ｐ基板１における電子のように、少数キャリアは、印加された多数正孔電流９９に関連する電界を感知して、多数キャリア（例えば、正孔）の第１ソース（例示されるｐ＋接触領域６１）に向かって漂流する。続いて少数キャリアは、ウェルまたはコレクタ領域６７および接触領域６３を備える隣接する第１検出部領域に拡散する。この状態で、それらは左側のミキサ接続ポイントＭｉｘ１の出力光電流の一部となる。考えられる電子の軌道は、図６Ｂに示す軌道６６である。印加電圧または印加電気信号は、図６Ｃに示されるように反転されるとき、多数電流フローの方向が反転され、多数キャリアは相補的接触領域である、ｐ＋フィンガー６２に向かって漂流する。その後、多数キャリア、すなわち電子の大部分は、ｎウェル６８を介して第２検出部領域６４に拡散し、右側のミキサ接続ポイントＭｉｘ２の出力光電流の一部となる。考えられる電子の軌道は、図６Ｃに示す軌道６９である。このように、入射光子に敏感なフィールド領域は大きくなる一方、検出部領域６３，６４は、それらの限定されたフィンガー領域のために小さい容量しか有さない。金属領域６０等の電磁マスクは、光等の衝突する電磁放射が、望ましくない領域を通過することを防ぐために用いることができる。
欧州特許出願公開１５１３２０２号明細書 国際公開第９８／１０２５５号パンフレット 国際公開第９９／６０６２９号パンフレット 欧州特許出願公開２０８１００４号明細書 Nieuwenhove et al, "Photonic Demodulator With Sensitivity Control", IEEE SENSORS JOURNAL Vol.7, March 2007, pages 317-318,
従来技術のフォトニックミキサを用いた実験において、得られた変調周波数が明らかに論理上計算される最大値よりも小さいことが観察された。これは、フォトニックミキサのバンド幅が限定されるという不都合をもたらす。バンド幅が限定されるということは、装置の全体的な速度を限定するだけでなく、精度をも限定してしまう。
それゆえ、本発明の目的は、さらに高い変調周波数（例えば、１０ＭＨｚよりも高く、より具体的には１００ＭＨｚより高い）での使用に適用可能な、最初の段落で記載した種類のフォトニックミキサを提供することである。
請求項１に係る構成により、上記目的が達成される。請求項１では、注入接触領域および検出部領域が対を形成し、この対のラテラル方向の端部を規定する第１導電型のフィールド形成ゾーンが、例えば半導体基板と注入接触領域との間のドーパント濃度の差のように、半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有し、上記フィールド形成ゾーンは、上記空乏基板ゾーンのラテラル方向の拡張を制限するように設計される。
これらのゾーンを設けることによって、変調周波数が増加するということが分かった。これらのゾーンを設けることによって、領域は基板により深く伸びると考えられる。検出部領域が基板とともにｐｎ接合部を形成することが適切であることが分かった。例えば、少なくとも１つのフィールド形成ゾーンは検出部領域の下部には存在しないことが適切であることが分かった。このように好ましくない位置に存在すると、少数電荷キャリア、一般的には電子の検出部領域への分散が妨げられる。
空乏基板ゾーンのラテラル方向の拡張の制限は、フィールド形成ゾーンが空乏基板ゾーンを区切る場合において発生し得る。または、上記制限は、電気的に、例えば、フィールド形成ゾーンを通過して伸びる領域が、空乏基板ゾーンの拡張を制限する場合において発生し得る。さらなる代替の形態では、上記制限は幾何学的に、すなわち、接合部が平坦、放物線状、またはそれらと同様の形状を有し、空乏基板ゾーンがそれに適合する場合において発生し得る。明らかに、これらの制限の効果の組み合わせは同様に発生し得る。上記接合部が断面図において放物線状の形状を有するような設計は、非常に有益であると考えられる。
本発明の一実施形態では、上記検出部領域は、検出部接触領域と、相互境界を共有する検出部コレクタ領域とを備え、上記検出部コレクタ領域は、上記検出部接触領域よりも低い濃度でドープされ、基板に対する接合部によって区切られる。検出コレクタ領域を設けることによって、上記接合部はより大きな境界領域を有し、上記接合部は基板におけるより深い位置に存在する。両方の効果によって光電流の収集が効果的なものになる。上記結合部分が存在する深さは、フィールド形成ゾーンが伸びる深さよりも小さくても、等しくても、または大きくてもよい。適切には、上記接合部は、フィールド形成領域が伸びる深さと略同じ深さに存在する。
検出ゾーンは、その周囲に少なくとも１つのフィールド形成ゾーンを有し、ｐｎ接合部を形成してもよい。しかしながら、これは必ずしも必要ではなく、低くドープされた基板（典型的にはｐ−−）が、検出ゾーン（典型的にはｎ−）および少なくとも１つのフィールド形成ゾーン（典型的にはｐ−）の間に存在してもよい。
一実施形態では、上記フィールド領域は、少なくとも１つの接触部によってラテラル方向に区切られる。この接触部は好ましくは、半導体基板において規定され、第１導電型のドーパントでドープされる接触領域である。より適切には、ドーパント濃度は、注入接触領域のドーパント濃度と同じである。必要に応じて、この接触領域は、追加のフィールド形成ゾーンとの境界を有してもよい。このフィールド形成領域は、好ましくはフィールド領域をラテラル方向に区切る。少なくとも１つの接触部がリング形状を有してもよいが、またはＵ字形状やＬ字形状を有してもよく、さらに、第１および第２Ｕ字形状接触部、または第１および第２矩形接触部等、１つ以上の接触部から構成されていてもよいことが分かった。上記接触部は、制限された拡張部を有し、任意のフィールド形成領域が、好ましくは接触領域の代わりにリング形状を有し、上記接触部は、半導体基板の上面に接触する金属、または、半導体基板の溝に接触する金属であってもよい。
他の実施形態では、半導体基板は第１側部および反対の第２側部を有する活性層を備え、上記検出部領域および上記注入コレクト領域は第１側部に配置され、多数キャリアを集める接触部は上記活性層の第２側部に配置される。前述の実施形態におけるフィールドの拡張部は主にラテラル方向に伸びる一方、この実施形態は、主に垂直に揃えられるフィールド、例えば、活性層の第１側部に垂直なフィールドを有する。この実施形態は、以下では、ラテラル方向の接触部を有する実施形態、また垂直方向の接触部を有する実施形態とも称する。さらなる追加として、ラテラル方向の接触部と垂直方向の接触部との両方が存在する。
上記垂直方向の接触部は、上記活性層の第２側部に存在する。これを実施するためのいくつかの追加があり、例えば、上記接触部は、半導体基板の第２側部に接触する金属であってもよく、この場合、上記活性層は基板の本体を構成する。上記金属接触部は、完全に第２側部を覆ってもよいが、これは必ずしも必要ではない。金属接触部はまた、半導体基板において第２側部からエッチングを行って得られたキャビティにも存在し得る。上記垂直方向の接触部は、プラグと連結され、または活性層の第１側部に対する他の垂直方向の接触部と、例えば半導体基板の主要な表面に連結されてもよい。上記垂直方向の接触部は、また別の形態では、導電（例えばドープされた）基板層、例えばｐ＋基板の上面境界であってもよい。
上記垂直方向の接触部の長所は、容易に因数１０に達し得るより高い解像度である。このより高い解像度は、ユニット表面領域毎により多くの個別ミキサを提供する、またはフォトニックミキサのサイズを減少するために用いることができる。
最も適切な実施形態では、フォトニックミキサは差動フォトニックミキサである。それについて、電流注入接触領域の少なくとも２つの対および少なくとも１つの検出部領域が、上記フィールド領域内に存在する。１つの対のみを有するフォトニックミキサ、すなわち、片口フォトミキサに対する差動フォトニックミキサの長所は、測定時間の短縮化である。さらに他の実施形態では、このような対が３つ以上、フィールド領域内に存在し得る。第３対によって、周波数帯のさらなる調節が可能である。４つの対が存在すると、測定時間を短縮するために有利である。これにより、物体を３次元に局在化することが、１回の測定で可能である。２つの対では、物体を３次元に局在化するには２回の測定が必要である。４つの対が組み合わされて起動される、すなわち、差動フォトニックミキサとして動作することが好ましい。しかしながら、個別の動作も除外されない。
適切には、垂直方向の接触部またはラテラル方向の接触部またはそのどちらもが存在する。この実施形態によると、ＤＣおよびＡＣ成分の両方を有するフィールドを生成することができる。ＡＣ成分は、多数キャリア電流が交互に対の接触領域から注入される場合に生成される。適切には、これについて、これらの接触領域は異なる電圧、特に基準レベル周辺の反対の電圧において設けられる。基準レベルは一般的に接地電位（０Ｖ）であるが、他の値を有してもよい。
第１および第２対および接触部（ラテラル方向の接触部または垂直方向の接触部）を有する装置が非常に有利であることが見出された。復調効果が１０〜２０％増加したことが見出された。この復調効果は、フォトニックミキサにおいて変化が分離される効果を規定し、これによって光電流を形成する電荷キャリアにおける電界の効果を測定する目安となる。これは測定システムの速度における閾値増加を発生させるので、上記増加は実質的なものである。単により改善されるだけでなく、システムにおける発光体の数を減らすことができるという追加の長所がある。特に、速度が２倍に増加すると、発光体の数を４倍減らすことができる。
ラテラル方向に制限する接触領域は、振動しない電圧において設けられるが、フォトニックミキシング動作中に一定値を有する。これにより、ＤＣ成分を供給する。このラテラル方向に制限する接触領域の電圧は、好ましくは光電流がフィールドの中央に向かうようなものである。ラテラル方向に制限する接触領域は、特定のＤＣ電圧レベルにおいて対向電極を設けるために用いられる場合は、電流注入接触領域ではない。フィールド形成領域は、この接触領域の下部に存在してもよいが、これは必ずしも必要ではない。
垂直方向の接触部またはラテラル方向の接触部は、好ましくはシャッターとして操作される。これについて、接触部の電圧は、上記フィールドのＤＣ成分をシャットダウンするように変化し、これにより、少数キャリアが接触領域に確実に引き寄せられる。ラテラル方向の接触部または垂直方向の接触部にシャッター機能を適用する代わりに、特に２つ以上の対が存在する場合に、上記対の注入接触領域を介してさらに実行してもよい。
この実施形態の好ましい例では、上記対のそれぞれが、上から見たときに略矩形状を有し、その端部、長さ、および幅が、長さ／幅比を０．０５から２０の間で規定し、上記先端は少なくとも１つのフィールド形成ゾーンによって形成される。最も適切には、この設計は、上記矩形の対に、下層のフィールド形成領域を有する接触領域が存在する中央部が設けられ、１つのリング形状の検出部領域、または複数の検出部領域が、上記先端の中の上記接触領域の対向する側に存在する。その結果得られる設計は有利なものであると分かる。‘略矩形’という用語は、角を落とした矩形状の具体的な実施を含む。好ましくは、注入電流領域および検出部領域は、細長形状、または細長形状を有する部分を備える。これで、実効面積が増加し、性能の向上へつながる。
第２側面では、本発明は、第１導電型でドープされる半導体基板が設けられ、上記半導体基板は、フィールド領域と、多数キャリア電流および当該半導体基板において関連する電界を生成するための手段とを有し、電磁放射が上記フィールド領域内の基板に衝突するとき、多数キャリアおよび少数キャリアのペアが基板において生成されることにより、少数キャリアの光電流を生成する、フォトニックミキサであって、上記基板は、多数キャリア電流を上記半導体基板に注入するための注入接触領域と光電流を集める検出部領域との対と、上記半導体基板のゾーンとを備え、上記注入接触領域は、上記半導体基板よりも高いドーパント濃度の第１導電型のドーパントでドープされ、上記検出部領域は、第１導電型とは反対の第２導電型のドーパントでドープされ、上記半導体基板に対して接合部を有し、上記接合部の周囲に存在する上記半導体基板のゾーンは、空乏基板ゾーンであり、、上記検出部領域はリング状であり、上記注入接触領域の周囲に伸びており、第１導電型のフィールド形成ゾーンは、上記検出部領域の周囲のラテラル方向に伸びる上記半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する。
第３側面では、本発明は、第１導電型でドープされる半導体基板が設けられ、上記半導体基板は、フィールド領域と、多数キャリア電流および当該半導体基板において関連する電界を生成するための手段とを有し、電磁放射が上記フィールド領域内の基板に衝突するとき、多数キャリアおよび少数キャリアのペアが基板において生成されることにより、少数キャリアの光電流を生成する、フォトニックミキサであって、上記基板は、多数キャリア電流を上記半導体基板に注入するための注入接触領域と光電流を集める検出部領域との対と、上記半導体基板のゾーンとを備え、上記注入接触領域は、上記半導体基板よりも高いドーパント濃度の第１導電型のドーパントでドープされ、上記検出部領域は、第１導電型とは反対の第２導電型のドーパントでドープされ、上記半導体基板に対して接合部を有し、上記接合部の周囲に存在する上記半導体基板のゾーンは、空乏基板ゾーンであり、、上記半導体基板は、第１側部および反対の第２側部を有する活性層を備え、上記検出部領域および上記注入接触領域は第１側部に配置され、多数キャリア電流を集める接触部は上記活性層の第２側部に配置される。
本発明の第２および第３側面は、第１側面について記載されたように、また、図面の説明で記載されたように、任意のより多くの具体的実施および実施形態と組み合わせてもよい。
さらなる側面では、本発明は、特に飛行時間（ＴＯＦ）アプリケーションのために、第１および第２物体の間の距離の測定用システムに関する。このシステムは、変調周波数にて変調電磁放射線を出射する少なくとも１つのエミッタを備える。さらに、出射され光学的に反射された上記変調電磁放射線を検出することにより得られる光電流を、印加信号とそのまま混合するためのフォトニックミキサであって、上記検出された放射における時間遅延を示す出力信号を発生するフォトニックミキサを備える。具体的には、本発明に係るフォトニックミキサが設けられる。
本発明に係るフォトニックミキサのこれらの及び他の特徴について、図面を参照してさらに説明する。
本発明の第１実施形態の模式的上面図である。 図１Ａの線Ｄに沿った、図１Ａに示す第１実施形態の模式的断面図である。 本発明の第２実施形態の模式的上面図である。 第１および第２実施形態に関連して用いられる配置の模式図である。 第１および第２実施形態に関連して用いられる配置の模式図である。 第１および第２実施形態に関連して用いられる配置の模式図である。 第１および第２実施形態に関連して用いられる配置の模式図である。 第１および第２実施形態に関連して用いられる配置の模式図である。 第１および第２実施形態に関連して用いられる配置の模式図である。 他の配置の模式図である。 他の配置の模式図である。 他の配置の模式図である。 他の配置の模式図である。 他の配置の模式図である。 他の配置の模式図である。 本発明の第３実施形態の模式図である。 第３実施形態の模式的断面図である。 従来技術のフォトニックミキサの上面の模式図である。 図６Ａに示す従来技術のフォトミキサを示し、図６Ａの線ＩＩＩ-ＩＩＩ’に沿った模式的断面図である。 図６Ａに示す従来技術のフォトミキサを示し、図６Ａの線ＩＩＩ-ＩＩＩ’に沿った模式的断面図である。 変調周波数の関数として復調コントラストを示すグラフである。
本発明の図面は、一定の比率に拡大して描かれたものではなく、単に例示目的に描かれたものである。異なる図面における同じ参照番号は、同じ構成要素を示す。
図１Ａは、本発明の第１実施形態の模式的上面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示される第１実施形態を示し、図１Ａの線Ｄに沿った模式的断面図である。フォトニックミキサは、半導体基板１を備える。半導体基板１は、例えばｐ型ドープされたバルクシリコン基板を備える。また、半導体基板１は、ガラスやサファイアを含む他のキャリアを備えてもよい。基板はさらに埋設された絶縁層を有するＳＯＩ型基板であってもよい。半導体基板１の図示される部分はこの例では、半導体装置を形成するために典型的に適用されるような、低くドープされたエピタキシャルに成長させたシリコン層（エピ層）である。この例では、ｐ型基板が用いられ、エピ層は、それ自体が当業者に知られているようにｐ−−ドープされる。それは実質的に１０〜５０ミクロンの厚さを有する。半導体基板１は、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のＳｉ以外の物質を含んでもよい。
接触領域３，４および検出部領域７，８は、それ自体が公知の方法で基板にドーパント原子を注入することによって形成される。接触領域３，４は、ｐ＋またはｐ＋＋ドープされる。検出部領域７，８は、この例では、相互境界を共有する検出部接触領域（ｎ＋）および検出部コレクタ領域（ｎ−）を備える。検出部領域７，８は、第１導電型とは反対の第２導電型（例えばｎ型）のドーパントでドープされている。検出部接触領域（ｎ＋）のドーパント濃度は、検出部コレクタ領域（ｎ−）のドーパント濃度よりも高い。検出部領域７，８（この例ではそれらの検出部コレクタ領域）は、接合部、すなわちｐｎ接合部である基板１に対する境界を有する。操作する際、ｐｎ接合部は一般に逆バイアスされる。空乏基板ゾーン１０１，１０２は、基板１において上記接合部１１，１２の周囲に存在する。
本発明では、フィールド形成ゾーン１３，１４が存在している。フィールド形成ゾーン１３，１４は、第１導電型（ｐ型）であり、半導体基板１に略垂直方向に伸びている。フィールド形成ゾーン１３，１４は、基板１（ｐ−−）のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度（ｐ−）、例えば基板１（ｐ−−）のドーパント濃度と注入接触領域３，４（ｐ＋）のドーパント濃度の間の濃度を有する。少なくとも１つの検出部領域７，８は、上から見たときに第１および第２フィールド形成ゾーン１３，１４の間に配置され、上記空乏基板ゾーン１０１，１０２のラテラル方向の拡張を制限する。フィールド形成領域１３，１４は、例えば０．５〜５ミクロン、好ましくは１〜２ミクロンの深さに基板１の内部に伸びる。第１導電型のフィールド形成ゾーン１３，１４は、注入接触領域３，４および検出部領域７，８の対のラテラル方向の端部１１３を規定する。
上記フィールド形成ゾーン１３，１４がなければ、空乏基板ゾーン１０１，１０２は、特に球面が基板表面まで伸びるにつれて、はるかにより広く伸びる。さらに、それは非対称な形状を有してもよい。接触領域３，４の存在によって、一方の側部に制限を与えることになるが、もう一方の側部には制限を与えない。
フィールド形成ゾーン１３，１４を有する場合、接合部１１，１２は、図１Ｂの断面図に示すように、放物線形状を有する。空乏領域１０１，１０２は、この接合部１１，１２の周りを効果的に覆う。したがって、空乏領域１０１，１０２はラテラル方向よりも基板表面に対して鉛直方向（垂直方向とも称する）に伸びる。これはまた、検出部領域７，８がフィールド形成領域１３，１４よりも深く伸びる場合にも当てはまる。
検出部領域７，８が接触領域（ｎ＋）に制限されるとき、接合部の形状は放物線形状またはそれに類似の形状ではない。しかしながら、この場合フィールド形成領域１３，１４は、空乏領域をラテラル方向（例えば、フィールド形成領域１３，１４の間の基板領域）に直接制限する。
本実施形態では、光学的透明電極５０が基板１の表面に設けられる。光学的透明電極５０は、酸化物等の絶縁層５２によって基板表面から分離される。しかしながら、タンタル酸化物および他の物質などの高Ｋ誘電体が代りに用いてもよい。光学的透明電極５０としては、ポリシリコンの層が適用できる。これは、安定したドーパントを用いて導電性を増加させるためにドープされ得る。電極５０は、電子に斥力を与えることによって表面再結合を低減するために適用することができる。望ましくは、操作の際に、斥力を増加させるために、電圧がこの電極５０に印加される。電極５０には、ターミナル５１が設けられる。電極５０は検出部領域７，８、接触領域３，４、およびフィールド形成ゾーン１３，１４に重ならないようにパターニングされる。電極５０は、完全にフィールド領域２を覆う必要はない。
図１Ａの上面図は、この第１実施形態の配置を示す。フィールド形成ゾーン１３，１４は、フィールド領域２の対向する端部にあり、そこでは、電磁放射が基板に衝突して、少数および多数キャリアに変換される。検出部領域７，８および接触領域３，４は、互いに平行して伸びる細長領域であり、ターミナル９，１０および５，６が設けられる。この例において、これらのターミナル９，１０，５，６は、領域７，８，３，４の端部における領域に制限されるが、それらは正確に当該領域に位置する必要はない。同じ接触領域に複数のターミナルが存在してもよい。マスク２１は、検出部領域７，８を、入射する電磁放射から保護するために、検出部領域７，８に重なっている。
図２は、本発明の第２実施形態の模式的上面図である。図１Ａでは、検出部領域および接触領域の２つの対がフィールド領域２の端部に配置されているのに対し、この実施形態は接触領域３，４，１５，１６を４つ備え、検出部領域７，８を２つだけ備える。追加の接触領域１５，１６は、フィールド領域２の最も端部に配置される。フィールド形成ゾーン１９，２０が、追加の接触領域１５，１６の下部に設けられ、ターミナル１７，１８が、接触領域１５，１６上に設けられる。追加の接触領域１５，１６は、フォトニックミキシング操作の間に定電圧を印加されるように設計されている。接触領域３，４には、交流電圧が印加される。これを用いて、ＡＣ成分とＤＣ成分との両方を有する電界を印加してもよい。このような電界の印加はクロストークを制限することが分かった。
本実施形態では、検出部領域７，８のいずれかを必要に応じて除外する。これは、検出部領域を縮小させて、装置の小型化を図るために有効である。この選択肢は、ここで示されている配置に限定されないが、ＤＣ対向電極として機能するラテラル方向に離れた接触領域と合わせて、検出部領域と接触領域との両方において第１および第２対を有する実施形態のいずれかにとって有効な選択肢である。しかしながら、１つの検出部領域を除外することは、実質的に負の衝撃を、集められた光電流全体に与え、これによってフォトニックミキサの効率にも負の影響を与えるかもしれない。図２の例では、検出部は細長であり、衝撃は小さなものであると予想される。
第２検出部領域を取り除くことによる他の影響は、連続して行われる測定の回数が増加してしまうことである。少なくとも３つの異なる段階の測定が、飛行時間測定方法における物体の距離測定を行うために必要である。１つの検出部領域に対して、出力は１つしかないため、これらの連続測定が必要とされる。２つの検出部領域を用いれば、２つの連続測定で十分である。４つの検出部領域を用いれば、１回の連続測定で十分であると考えられる。
フィールド領域２の端部における追加の接触領域１５，１６の下部のフィールド形成ゾーン１９，２０を削除することは、本実施形態における他の選択肢である。これらの追加の接触領域１５，１６の直接隣接する領域には、接合部も空乏基板ゾーンも存在しないので、関連性はあまり大きくない。しかしながら、このようなフィールド形成ゾーン１９，２０を設けることは、電界の形、特に対称電界を形成する上で有利であると考えられる。
図３Ａ〜図３Ｆおよび図４Ａ〜図４Ｆは、本発明で用いられる合計１２の設計を示す、単純化された模式的上面図である。図３Ｂは、図２に示されるフォトニックミキサの単純化した模式的上面図であり、必要な構成要素のサブセットのみを示す。太線は、多数電流を印加するための第１導電型ｐ＋領域３，４，１５，１６の接触領域を示す。太い点線は、検出部領域７，８を示す。破線は、包囲領域を有する検出部コレクタ領域の接合境界１１，１２を示す。太線の周りの一点鎖線は、フィールド形成ゾーン１３，１４，１９，２０の外側を示す。
図３Ａは、図３Ｂの設計と大きく関連している設計である。フィールド形成ゾーン内の検出部領域と接触領域との位置決めが相違している。図３Ａの設計では、検出部領域７，８が、接触領域３，４と、フィールド領域２の端部における追加の接触領域１５，１６との間に配置される。図３Ｂの設計では、接触領域３，４が、検出部領域７，８と、フィールド領域２の端部における追加の接触領域１５、１６との間に配置される。図３Ａにおける配置は、少数電荷キャリアが検出部領域７，８に分散して光電流を生成する分散プロセスの速度を向上させることができる。
図３Ｃ〜図３Ｆおよび図４Ａ〜図４Ｆは、フィールド領域２の端部におけるリング状の追加の接触領域３０を有する設計を示している。この設計の長所は、電界が、細長く平行な第１および第２接触領域の間ではなく、中央に向かうことである。このような中央に向かう電界は、変調周波数をさらに増加するために有利であると考えられる。追加の接触領域３０は、フィールド形成ゾーン３１内に存在する。図４Ｅおよび図４Ｆは、図３Ｅおよび図４Ａの構成と比較して、フィールド領域２の端部におけるリング状の接触領域の下部のフィールド形成ゾーンが除外されることを除いて同一である。接触領域および検出部領域は、フィールド形成ゾーンによって規定される矩形状の対として存在する。
この設計の第１グループは、図３Ｃ、図４Ａおよび図４Ｄに示される。これらの設計は、少なくとも１つの接触領域３，４の対と、２つの検出部領域３２，３３および３６，３７とを備える。この対の端部は、フィールド形成ゾーンによって規定される。ウィンドウ３４、３５、および３８，３９は、検出部領域３２，３３、および３６，３７を取り囲む１つのフィールド形成ゾーン１３，１４内に存在する。接触領域３，４は、第１および第２検出部領域の間に存在する。接触領域３，４および検出部領域３２，３３，３６，３７は全て細長形状であり、すなわち細長部を有している。この例では、対の向きに関しては同一であり、より具体的には、検出部領域３２，３３，３６，３７の長辺が互いに向き合い、検出部領域３２，３３，３６，３７の２つの対が、平行にそれぞれ１つの列になるように揃えられる。しかしながら、これは必要というわけではない。検出部領域３２，３３，３６，３７の短辺が互いに向き合い、検出部領域３２、３３、３６、３７の２つの対が、２つの列となるように、検出部領域３２，３３，３６，３７を揃えてもよい。１つの対が、他方の対に向かってずれていてもよい。２つの対はまた、対角線上に配置されてもよい。−９０°から＋９０°の間のいずれの角度で、２つの対を揃えてもよい。しかしながら、上記設計は、接触領域３，４の対が、フィールド領域２の端部におけるリング状の接触領域３０の一部と平行に揃えられることが好ましい。また、上記対は、それらの中央がフィールド領域２の中央線または対角線上に位置するように配置されることが好ましい。このように揃えることによって、電界における最も規則的な、好ましくは対称的な構成が実現し、これによって、分散が最も少なくなる。
図３Ｃと比較して、図４Ａでは、１つの対に関して２つの追加の接触領域４０，４１，および４２，４３が設けられる。追加の接触領域４０〜４３は、検出部領域３２，３３，３６，３７および端部の対１３，１４の間で規定される。図示されているＵ字形が好ましいが、長方形状またはＬ字形であってもよい。図４Ａと比較して、図４Ｄの設計ははるかに多くの接触領域を有する。この設計では、図４Ａに示される対３，４１，４２、および４，４３，４４に対して３つの接触領域が、８字形の接触領域３，４に組み入れられる。これは電界の分散について有利である。
設計に関する第２サブセットは、図３Ｆ、図４Ｂおよび図４Ｃによって構成される。ここで、上記対は連続したリングとして設けられる。図３Ｆは、検出部７，８が対の中心に位置する設計を示している。リング状の接触領域３，４は、検出部７，８を取り囲んでいる。図４Ｂは、第１フィールド形成ゾーン１３，１４内に、内側の接触領域３，４を有し、第２フィールド形成ゾーン２３，２４内に、リング状の検出部領域７，８とリング状の接触領域４４，４５とを有する設計を示す。図４Ｃは、外側にリング状の接触領域が設けられておらず、第２フィールド形成領域２３，２４が浮遊した状態であること以外は、同様の設計を示している。この種類の設計の長所は、放射形対称が各対の中に伸びることである。これは、非常に均一的に分散された電界を生じるものと考えられる。必要に応じて、フィールド形成ゾーン１３，１４は、ラテラル方向に制限するフィールド形成領域２３，２４よりも深く半導体基板中に伸びる。これは例えば、当業者にディープＰウェル（Ｄｅｅｐ Ｐｗｅｌｌ）として知られる注入タイプをフィールド形成ゾーン１３，１４に対して用いることによって達成され得る。内側のフィールド形成ゾーンがより深く伸長すると、電界の分散がさらに向上する。さらに、フィールド形成ゾーンがより深く伸長することによって、基板１とともに接触領域３，４の質が改善する。特に、一般的なｎ型検出部領域７，８が存在しないことによる、いかなる負の衝撃をも防ぐことによって、または少なくとも減少させることによって、上記質は改善される。
フィールド形成ゾーンが深く伸長するほど、この第２サブセットについて特に有利であり、第２フィールド形成領域２３，２４が浮遊する設計と組み合わせると最も好適である。しかしながら、基板内へより深く伸長するように注入を行うことは、他のあらゆるサブセットにも適用できる。例えば、図４Ａに示す設計では、接触領域４の下部でより深い注入を行ってもよい。その場合、深いウェルから、フィールド形成ゾーンの他の部分まで徐々に遷移していく。ここでは、深いウェルは、上記対の中央に局所的に設けられることが好ましい。
設計に関する第３サブセットは、図３Ｄおよび図３Ｅからなる。ここでも、図３Ａおよび図３Ｂに示された細長い対が示されており、当該対は、リング状の接触領域に制限されたフィールド領域内に配置される。
図７は、従来技術のフォトニックミキサの変調コントラストＣおよび変調周波数ｆと、本発明に係るフォトニックミキサの実施形態との関係を示すグラフである。実験データを生成するために用いられるフォトニックミキサは、図４Ａに示される設計を有していた。変調コントラストまたは変調効率は、フォトニックミキサにおいて電荷が分離される効率を規定しており、このため、光電流を形成する電荷キャリアにおける電界の影響を測定する。
従来技術のフォトニックミキサの変調コントラストは、実質的に１ＭＨｚの時点では減少している。１ＭＨｚにおいて、コントラストは約８５％である。１０ＭＨｚにおいて、コントラストは約４０％まで減少する。１００ＭＨｚにおいて、コントラストは２０％よりも小さくなる。このような小さいコントラストでは、著しい不都合が生じる。本発明に係るフォトニックミキサの変調コントラストは緩やかに減少する。５ＭＨｚにおいて、コントラストはまだ８０％である。約５０ＭＨｚにおいて、コントラストは６０％であり、１００ＭＨｚにおいて、コントラストはまだ５０％である。これらは、適切な距離測定を行うには十分良好なコントラストである。より高い変調周波数におけるコントラストの増加は、測定システムの速度を実質的に増加させる。単により改善されるだけでなく、付加的な利点として、システムにおける発光体の数を減らすことができる。特に、速度が２倍に増加すると、発光体の数を４倍減らすことができる。
図５Ａは、本発明の第３実施形態の模式的上面図であり、図５Ｂは、図５Ａの第３実施形態の、図５Ａの線Ｄに沿った模式的断面図である。図５は、Ｐ−−ドープされた活性層１を有する基板と、この例でｐ−ドープされた底面基板層８０を示す。または、底面基板層８０は、ｐ＋のように電気的に導電性のより高いドーピングがなされてもよい。このような基板は、市場で入手でき、当業者にも知られている。正確なドーピングレベルは、どのように実施されるかに依存する。当業者であれば、底面基板層８０は一般的な単結晶のｐドープされたシリコン基板であり、活性層１はエピ層であることが分かるであろう。底面接触は、その上の金属接触部８１をさらに有する底面基板層８０によって効果的に構成される。このように、底面接触は冒頭で説明したように垂直方向の接触である。フィールドは、注入接触領域３，４と、最終的に金属接触部８１との間を伸びる。底面基板層８０の導電性を高めると、フィールドは注入接触領域３，４および底面基板層８０の上面の間に効果的に伸びる。一般には、変調周波数において、電流が接触領域３，４を介して活性層１に注入され、第１接触領域３および第２領域４との間で交互に流れる。これらの注入接触領域３，４は、ラテラル方向の端部がフィールド形成領域１３，１４によって規定される対の内側に配置される。
関連して、先に説明した発明とともに、以下の操作について述べる。読み出し回路および制御回路は、適切にモノリシックな状態に集積される、すなわち、トランジスタおよび／または他の半導体部品は半導体基板の（活性層）に実装され、内部連絡構造が、所望の回路形状を形成するために設けられる。フォトニックミキサの制御は、接触領域へ電圧を供給することに関するのみならず、フォトニックミキサを、特にその後の測定の前にリセットするために信号を供給することも含む。このような信号の供給は、先に説明したように、一般にシャッター機能とともに達成される。電磁放射を基板の表面に供給することもできるが、特に基板の厚さの減少や、必要に応じて表面へのキャリアの印加が伴うことにより、電磁放射を基板の裏面に供給することもできる。３つ以上の対がフィールド領域に存在してもよい。垂直、上、および下という用語は、製造プロセスの間、半導体基板の方向を参照するために定義され、前方が上面（上）である場合、基板表面は横に伸長する方向を規定する。そして垂直は、この半導体基板に対して法線にあたる。１つの細長接触領域、検出部領域、またフィールド形成ゾーンを、いくつかのより小さい領域／ゾーンに細分化してもよい。
本発明は代りに、以下の特徴を有する。フィールド領域と、多数キャリア電流および第１導電型でドープされる半導体基板における関連する電界を生成するための手段とを有する半導体基板が設けられ、電磁放射が上記フィールド領域内の基板に衝突するとき、多数および少数キャリアが基板において生成され、このため少数キャリアの光電流を生成する、フォトニックミキサであって、上記基板は、多数キャリア電流を半導体基板に注入することによって多数キャリア電流および関連する電界を生成する第１導電型の少なくとも１つの注入接触領域であって、上記接触領域は、半導体基板よりも高いドーパント濃度を有する、少なくとも１つの注入接触領域と、光電流を集めるための第１の導電型と反対の第２導電型の少なくとも１つの検出部領域であって、上記検出部領域は基板との接合部を有し、上記接合部の周りの基板ゾーンは空乏基板ゾーンである、少なくとも１つの検出部領域と、第１導電型の少なくとも１つのフィールド形成ゾーンであって、上記少なくとも１つのゾーンは基板内に略垂直方向のに伸長し、半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度、例えば基板と接触領域のドーパント濃度の間のドーパント濃度を有し、上記注入接触領域は、フィールド形成ゾーンに対する境界を有する、少なくとも１つのフィールド形成ゾーンとを備え、上から見たときに、上記少なくとも１つの検出部領域は、第１および第２フィールド形成ゾーンの間、またはフィールド形成ゾーンの第１および第２部分の間に配置され、上記空乏基板ゾーンのラテラル方向の拡張を制限する。

Claims (20)

  1. 第１導電型でドープされる半導体基板が設けられ、上記半導体基板は、フィールド領域と、多数キャリア電流および当該半導体基板において関連する電界を生成するための手段とを有し、電磁放射が上記フィールド領域内の基板に衝突するとき、多数キャリアおよび少数キャリアのペアが基板において生成されることにより、少数キャリアの光電流を生成する、フォトニックミキサであって、上記基板は、多数キャリア電流を上記半導体基板に注入するための注入接触領域と光電流を集める検出部領域との対と、上記半導体基板のゾーンとを備え、上記注入接触領域は、上記半導体基板よりも高いドーパント濃度の第１導電型のドーパントでドープされ、上記検出部領域は、第１導電型とは反対の第２導電型のドーパントでドープされ、上記半導体基板に対して接合部を有し、上記接合部の周囲に存在する上記半導体基板のゾーンは、空乏基板ゾーンであり、上記対は、当該対のラテラル方向の端部を規定し上記半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する第１導電型のフィールド形成ゾーンをさらに備え、上記フィールド形成ゾーンは、上記空乏基板ゾーンのラテラル方向の拡張を制限するように設計されている、ことを特徴とするフォトニックミキサ。
  2. 上記検出部領域は、検出部接触領域と、相互境界を共有する検出部コレクタ領域とを備え、上記検出部コレクタ領域は、上記検出部接触領域よりも低い濃度でドープされ、基板に対する接合部によって区切られる、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニックミキサ。
  3. 上記検出部領域は、単一のフィールド形成ゾーンによってラテラル方向に囲まれる、ことを特徴とする請求項１または２に記載のフォトニックミキサ。
  4. 上記フィールド領域は、少なくとも１つの接触部によって、ラテラル方向が区切られていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のフォトニックミキサ。
  5. 上記接触部は、上記半導体基板において規定される接触領域であり、第１導電型のドーパントでドープされることを特徴とする請求項４に記載のフォトニックミキサ。
  6. 上記対は、上から見たとき略矩形状を有し、長さ／幅比が０．０５と２０の間に規定される、長さおよび幅を有している、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフォトニックミキサ。
  7. 上記対は、０．２５と４の間に規定される長さおよび幅を有していることを特徴とする請求項６に記載のフォトニックミキサ。
  8. 上記対には、下層フィールド形成領域に対する接触領域が存在する中央部が設けられ、１つのリング状の検出部領域、または複数の検出部領域が、上記対に対する上記接触領域の反対側に存在する、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のフォトニックミキサ。
  9. フォトニックミキサは差動フォトニックミキサであり、第２対が、第１対に加えて上記フィールド領域内に存在し、上記第２対は、注入接触領域と、半導体基板に対する接合部および関連する空乏基板ゾーンを有する検出部領域と、第１対のドーパントおよびドーパント濃度に対応するドーパントおよびドーパント濃度を有するフィールド形成ゾーンとを備え、上記フィールド形成ゾーンは、上記空乏基板ゾーンのラテラル方向の拡張を制限する、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のフォトニックミキサ。
  10. 第３対および第４対が、上記フィールド領域内に存在する、ことを特徴とする請求項９に記載のフォトニックミキサ。
  11. 光学的透明電極が、フィールド領域に設けられ、表面再結合を低減するために、上記フ
    ィールド領域において電荷分配を誘発する、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフォトニックミキサ。
  12. 光学的透明電極はポリシリコン層を有する、ことを特徴とする請求項１１に記載のフォトニックミキサ。
  13. 半導体基板は、第１側部および反対の第２側部を有する活性層を備え、上記検出部領域および上記注入接触領域は第１側部に配置され、多数キャリア電流を集めるための接触部は上記活性層の第２側部に配置される、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のフォトニックミキサ。
  14. 第１導電型でドープされる半導体基板が設けられ、上記半導体基板は、フィールド領域と、多数キャリア電流および当該半導体基板において関連する電界を生成するための手段とを有し、電磁放射が上記フィールド領域内の基板に衝突するとき、多数キャリアおよび少数キャリアのペアが基板において生成されることにより、少数キャリアの光電流を生成する、フォトニックミキサであって、上記基板は、多数キャリア電流を上記半導体基板に注入するための注入接触領域と光電流を集める検出部領域との対と、上記半導体基板のゾーンとを備え、上記注入接触領域は、上記半導体基板よりも高いドーパント濃度の第１導電型のドーパントでドープされ、上記検出部領域は、第１導電型とは反対の第２導電型のドーパントでドープされ、上記半導体基板に対して接合部を有し、上記接合部の周囲に存在する上記半導体基板のゾーンは、空乏基板ゾーンであり、上記検出部領域はリング状であり、上記注入接触領域の周囲に伸びており、第１導電型のフィールド形成ゾーンは、上記検出部領域の周囲のラテラル方向に伸びる上記半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する、ことを特徴とするフォトニックミキサ。
  15. 上記注入接触領域は、上記半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する第１導電型のフィールド形成ゾーンに対する境界を有し、上記フィールド形成ゾーンは、上記空乏基板ゾーンのラテラル方向の拡張を制限するように設計されている、ことを特徴とする請求項１４に記載のフォトニックミキサ。
  16. 上記注入接触領域は、半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する第１導電型のフィールド形成ゾーンに対する境界を有し、上記フィールド形成ゾーンは、上記検出部領域の周囲のラテラル方向に伸びるフィールド形成ゾーンよりも実質的に深く上記半導体基板内部に伸びている、ことを特徴とする請求項１、１４または１５に記載のフォトニックミキサ。
  17. 上記半導体基板は、第１側部および反対の第２側部を有する活性層を備え、上記検出部領域および上記注入接触領域は第１側部に配置され、多数キャリア電流を集める接触部は上記活性層の第２側部に配置される、ことを特徴とする請求項１４から１６のいずれか１項に記載のフォトニックミキサ。
  18. 第１導電型でドープされる半導体基板が設けられ、上記半導体基板は、フィールド領域と、多数キャリア電流および当該半導体基板において関連する電界を生成するための手段とを有し、電磁放射が上記フィールド領域内の基板に衝突するとき、多数キャリアおよび少数キャリアのペアが基板において生成されることにより、少数キャリアの光電流を生成する、フォトニックミキサであって、上記基板は、多数キャリア電流を上記半導体基板に注入するための注入接触領域と光電流を集める検出部領域との対と、上記半導体基板のゾーンとを備え、上記注入接触領域は、上記半導体基板よりも高いドーパント濃度の第１導電型のドーパントでドープされ、上記検出部領域は、第１導電型とは反対の第２導電型のドーパントでドープされ、上記半導体基板に対して接合部を有し、上記接合部の周囲に存
    在する上記半導体基板のゾーンは、空乏基板ゾーンであり、、上記半導体基板は、第１側部および反対の第２側部を有する活性層を備え、上記検出部領域および上記注入接触領域は第１側部に配置され、多数キャリア電流を集める接触部は上記活性層の第２側部に配置される、ことを特徴とするフォトニックミキサ。
  19. 請求項１から１８のいずれか１項に記載のフォトニックミキサの飛行時間範囲検出装置のための使用。
  20. 物体までの距離を測定するためのシステム、特に飛行時間（ＴＯＦ）アプリケーションのためのシステムであって、
    変調周波数にて変調電磁放射線を出射する少なくとも１つのエミッタと、
    出射され光学的に反射された上記変調電磁放射線を検出することにより得られる光電流を、印加信号とそのまま混合するためのフォトニックミキサとを備え、
    上記フォトニックミキサは、上記検出された放射における時間遅延を示す出力信号を発生し、
    請求項１から１８のいずれか１項に記載のフォトニックミキサが設けられる、ことを特徴とするシステム。
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