JP6591512B2 - 検出器、ならびに、検出器の校正方法、補正方法、検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線などを検出可能な検出器、ならびに、検出器の校正方法または補正方法、検出装置に関する。

赤外線を検出する赤外線検出器として、従来より、中間層と、中間層よりバンドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、積層体に赤外線を照射した際に量子ドット内の電子の励起によって生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する、量子ドット型の赤外線検出器が知られている。

たとえば特開２００９−６５１４１号公報（特許文献１）には、中間層と、前記中間層よりバンドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、前記積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検出器において、前記量子ドット層の一方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層と、前記量子ドット層の他方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層とを更に有する赤外線検出器が開示されている。このような特許文献１に開示された赤外線検出器によれば、所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検出器を実現することができるという利点がある。

特開２００９−６５１４１号公報

しかしながら、量子ドット赤外線検出器（ＱＤＩＰ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）、量子井戸赤外線検出器（ＱＷＩＰ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）などのサブバンド間遷移を利用した赤外線検出器において、吸収エネルギーは、量子構造に閉じ込められる電子の基底準位と、遷移先である励起準位との差により決まる。この基底準位及び励起準位の位置は量子構造そのもの（形状、組成）に対して、非常に敏感であり、たとえば、量子ドットの高さが１分子層変化するだけで波長が０．０５μｍ変化する場合もある。一般的に量子ドットを用いた光検出器に用いられている量子ドットの密度は１０^１０〜１０^１２ｃｍ^−２である。現在の量子ドット作製技術において、均一な量子ドットを形成することは非常に困難であるため、量子ドット赤外線検出器の吸収スペクトル（検出スペクトル）はある種の幅（量子ドット構造のバラつきに起因）を持つことが知られている。たとえば、赤外線検出器の面積あたりの量子ドット構造（組成や形状）の平均および分散が１枚のウエハ全面にわたり同一であれば、前述のウエハにより作製される複数の赤外線検出器の検出スペクトル中心及び幅はすべて均一になる。しかしながら、現実的には量子ドット形成装置の温度バラつきや原料供給バラつきなどにより上述の量子ドット構造の平均や分散がウエハの場所により異なることが一般的に知られている。また、量子ドット形成装置内の汚れなどにより、同じ装置であってもロットにより上述の量子ドット構造が異なるため、検出スペクトルが赤外線検出器ごとに異なり、バラつきが大きいという課題があった。これは、たとえば量子ドットのサイズ、密度、量子井戸などの量子構造の製造誤差に起因するものと考えられる。熱源の検知のみを目的とする応用であれば、上記バラつきの影響は小さいが、たとえば非接触温度計やサーモグラフィなど、検出ピークの波長がその精度に大きな影響を有するデバイスへの応用を考えると、製造誤差による検出ピークのバラつきは大きな問題となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、赤外線検出器における検出スペクトルなどを含む検出器の検出波長のバラつきを校正または補正可能な検出器、ならびに、赤外線検出器における検出スペクトルなどを含む検出器の検出波長のバラつきを校正または補正する方法を提供することである。

本発明の検出器は、基板と、量子井戸または量子ドットを含む光電変換部とを備え、前記光電変換部に電圧を印加することで検出波長をシフト可能な検出器であって、前記検出波長のシフト可能な波長領域内に、前記検出波長を校正または補正する基準として参照するための波長を有し、この基準として参照するための波長が前記基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長であることを特徴とする。本構成によれば、基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を用いて、検出波長を校正または補正することができ、高精度な検出器となる。

本発明の検出器は、前記基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準として検出波長を校正または補正するように構成されていることが好ましい。本構成によれば、検出波長が正確であるため、測定精度が高くなる。一方で、生産時のバラつきを吸収できるため、生産工程でかかるコストを低減できる。

本発明の検出器において、光電変換部が前記基板上に一体的に形成されていてもよいし、また、前記基板が、光電変換部とは別体として設けられたものであってもよい。一体的に形成された構成によれば、基板と一体化した検出器のみで、上記校正または補正が可能となり、組み立て誤差などの影響を受けない。別体となっている構成であれば、校正または補正を行うときのみ取り付けることができるため、検出時には基板の透過率の変化を受けずに済む。また、基板を取り替えることもできるため、検出波長に合わせ、校正または補正の基準とする基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を調節することが可能となるという利点がある。

本発明の検出器において、前記基板がシリコンからなっていることが好ましい。この場合、前記基板の抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。またこの場合、前記基板はジャスト基板であることが好ましい。本構成によれば、シリコンが波長９μｍ付近で吸収を持つため、上記校正または補正が可能となる。また、基板上に光電変換部を一体的に形成しやすい。ジャスト基板であれば、大型のイメージセンサとするのに特に好適である。

本発明の検出器において、前記基板は樹脂からなっていてもよい。本構成によれば、検出波長に合わせ、校正または補正の基準とする基板が吸収する波長を調節することが可能となるという利点がある。

本発明は、上述した本発明の検出器を用いて、前記基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準として、検出波長を校正する、検出器の校正方法についても提供する。

本発明はまた、上述した本発明の検出器を用いて、前記基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準として、検出波長を補正する、検出器の補正方法についても提供する。

本発明はまた、上述の検出器を複数含み、それぞれの検出器の検出波長を校正または補正する基準として参照するための波長が同一であることを特徴とする検出装置についても提供する。本構成によれば、検出装置の製造バラつきの校正または補正を簡便かつ効率的に行うことができ、ユーザーへ提供する測定結果に誤差が出ることを防ぐことができる。

本発明によれば、製造誤差に起因して検出スペクトルにバラつきがある赤外線検出器などの検出器において、当該バラつきを基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準とした校正または補正によって簡便に補償することができる検出器、ならびに、当該検出器の校正方法または補正方法を提供することができる。

本発明の赤外線検出器の校正方法を模式的に示す図である。 本発明の好ましい一例の赤外線検出器１１を模式的に示す図である。 図２におけるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子ドット（ここで、０≦ｘ≦１）／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ここで、０≦ｙ＜１）／Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ここで、０≦ｚ≦１）マトリックス１６を一部拡大して示す図である。 図２に示した赤外線検出器１１の電極１８，１９を電源に電気的に接続した状態を模式的に示す図である。 図４に示した赤外線検出器１１に様々な電圧を印加した際の検出ピークを模式的に示す検出スペクトルである。 図６（ａ）は、本発明の赤外線検出器におけるブロック図の一例であり、図６（ｂ）は、本発明の赤外線検出器におけるブロック図の他の例である。 図７（ａ）は、シリコン基板と半絶縁性のＧａＡｓ基板の赤外透過スペクトルであり、図７（ｂ）は、図５に示した検出スペクトルにシリコン基板の吸収ピーク波長を重ねて示した図であり、図７（ｃ）は、赤外線検出器１１に印加する電圧値Ｖを変化させながら外光（太陽光）の信号（検出信号）を検出した結果を示すグラフである。 本発明の赤外線検出器の校正方法を説明するための図である。 本発明の赤外線検出器の校正方法を説明するための図である。 実施形態１の赤外線検出器の制御の一例を示すフローチャートである。 複数の検出器を用いる場合について説明するための模式図である。 図１１に示したような複数の赤外線検出器を用いた場合の校正方法について説明するための図である。 図１１に示したような複数の赤外線検出器を用いた場合の校正方法について説明するための図である。 複数の赤外線検出器がアレイ化され、撮像装置３２が形成されている例を模式的に示す図である。 印加電圧の限度の範囲で各赤外線検出器が検出できる波長範囲を示すグラフである。 本発明の好ましい他の例の赤外線検出器４１を模式的に示す図である。 実施形態７の赤外線検出器の制御の例を示すフローチャートである。 実施形態８の赤外線検出器の制御の例を示すフローチャートである。

＜実施形態１＞
本発明は、基板と、量子井戸または量子ドットを含む光電変換部とを備え、前記光電変換部に電圧を印加することで検出波長をシフト可能な検出器であって、前記検出波長のシフト可能な波長領域内に、前記検出波長を校正または補正する基準として参照するための波長を有し、この基準として参照するための波長が前記基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長であることを特徴とする。また本発明の検出器は、前記基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準として検出波長を校正または補正するように構成されていることが好ましい。まず、本発明の検出器の一例として赤外線検出器を挙げ、当該赤外線検出器を校正する場合（赤外線検出器の校正方法）について説明する。

ここで、図１（ａ）は、本発明の赤外線検出器の校正方法を適用する前の状態の赤外線検出器で検出された検出ピーク、図１（ｂ）は、本発明の赤外線検出器の校正方法を適用した状態の赤外線検出器で検出された検出ピークをそれぞれ模式的に示している。図１（ａ），（ｂ）において、縦軸は検出信号、横軸は波長（単位：μｍ）を示している。図１（ａ）に示す例において、たとえば、左側の検出ピーク１Ａは、赤外線検出器Ａ（量子ドットのサイズが小さい、または、量子井戸の幅が狭い）により検出された検出ピークであり、右側の検出ピーク１Ｂは、赤外線検出器Ｂ（量子ドットのサイズが大きい、または、量子井戸の幅が広い）により検出された検出ピークを示しているものとする。

本発明の赤外線検出器の校正方法は、活性層（光吸収層）を含む光電変換部に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器に適用することを前提とする。活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器は、印加する電圧によって検出ピークの位置をシフトさせることができる。本発明においては、このような活性層に量子井戸または量子ドットを含む赤外線検出器を校正する方法であって、所定値（オフセット値）の電圧を赤外線検出器に印加するステップを含むことを特徴とする。

図１（ａ）において、実線２Ａは、赤外線検出器Ａにおいて電圧の印加によりシフト可能な波長領域を示しており、点線２Ｂは、赤外線検出器Ｂにおいて電圧の印加によりシフト可能な波長領域を示している。図１（ａ）では、赤外線検出器Ａ，Ｂともに、電圧を印加していない状態（すなわち、赤外線検出器Ａの印加電圧値（Ｖ_Ａ＝０Ｖ）、赤外線検出器Ｂの印加電圧値（Ｖ_Ｂ＝０Ｖ））の検出スペクトル１Ａ，１Ｂをそれぞれ示している。

図１（ｂ）に示す例では、基準となる波長３に検出ピークのピーク値が重なるように赤外線検出器に印加する電圧値（オフセット値：Ｖ^ＯＦＦ）を決定し、赤外線検出器Ａ，Ｂにそれぞれ決定された電圧値の電圧を印加し（ここで、赤外線検出器Ａの印加電圧値（Ｖ_Ａ＝Ｖ_Ａ０）、赤外線検出器Ｂの印加電圧値（Ｖ_Ｂ＝Ｖ_Ｂ０）であるものとする）、検出ピーク１Ａの位置を図１の紙面に関し右側に、検出ピーク１Ｂの位置を図１の紙面に関し左側にシフトさせる。本発明は、この基準となる波長３として、赤外線検出器が有する基板が吸収する波長を用いることを特徴とする。

ここで、図２は、本発明の好ましい一例の赤外線検出器１１を模式的に示す図である。たとえば図２には、基板１２上に、バッファ層（図示せず）を介して、下部コンタクト層１５と、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子ドット（ここで、０≦ｘ≦１）／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ここで、０≦ｙ＜１）／Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ここで、０≦ｚ≦１）マトリックス（活性層）１６と、上部コンタクト層１７がこの順に積層されて構成された光電変換部１３を備え、上部コンタクト層１７および下部コンタクト層１５にそれぞれ形成された電極１８，１９に、電気的に接続された操作部および検出部（図２には、操作部／検出部１４として示している）を備える量子ドット赤外線検出器１１が示されている。図２に示す例の赤外線検出器１１では、たとえば基板１２側から外光（太陽光）２０が入射するように構成されている。

本発明の検出器において、基板１２はたとえばシリコンからなる。シリコン基板は、安価で一般的に使用される基板であると共に、波長９μｍ付近に吸収があり、大気の窓である８〜１４μｍ帯検出に適している。このようなシリコン基板は、一般的な製造法であるＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法により作製される低コストなシリコン基板で好適に実現できるが、別の製造法で得られたものであっても勿論よい。また、シリコン基板はオフ角が０度のジャスト基板であってもよい。この場合、大型のイメージセンサとするのに特に好適である。

本発明の検出器において光電変換部１３は、上述した９μｍ付近の波長を吸収範囲に含み、外部からの操作により吸収波長範囲で波長を操作できればよい。図２に示した例の赤外線検出器１１において、下部コンタクト層１５および上部コンタクト層１７は、たとえばｎ−ＧａＡｓからなり、また、電極１８，１９は、たとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる。また、バッファ層は、主にＧａＡｓからなり、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓからなる核形成層や、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる歪超格子層等を含んでもよい。本発明の検出器において、操作部は、外部回路により、光電変換部１３に電圧を印加可能に操作できるように構成されていればよい。また本発明の検出器において、検出部は、外部回路により、光電変換部１３から得られる信号を検出可能に構成されていればよく、図２に示す例の操作部／検出部１４のように操作部と一体化されていてもよい。

図２に示した例の赤外線検出器１１は、シリコン基板１２上に量子ドット構造を直接成長してもよいし、ウエハボンディングを用いたＧａＡｓ基板上量子ドット構造のシリコン基板への貼り合わせでもよい。

図３は、図２におけるＩｎＡｓ量子ドット／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓマトリックス１６を一部拡大して示す図である。図３には、９μｍ近傍の検出ピークを有するような赤外線検出器を構成する場合を例示しており、たとえば、ＩｎＡｓ量子ドット２１の高さＤ１は５ｎｍ、ピラミッド形状の底辺長さＤ２は２５ｎｍである。図３に示す例では、このようなＩｎＡｓ量子ドット２１は、その周囲がＩｎＧａＡｓ層２２で覆われており、さらに、このＩｎＡｓ量子ドット／ＩｎＧａＡｓ層が、ＧａＡｓ層２３により隔てられ、たとえば３０層順次積層されて、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子ドット（ここで、０≦ｘ≦１）／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ここで、０≦ｙ＜１）／Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ここで、０≦ｚ≦１）マトリックス１６が形成されている。ここで、ＩｎＧａＡｓ層２２の厚みＤ３は１０ｎｍであり、ＩｎＧａＡｓ層２２中において、量子ドット２１の上側頂上および下側底からそれぞれ厚み２．５ｎｍで量子ドット２１を覆っている（すなわち、２．５ｎｍ（量子ドット２１の上側頂上を覆う部分の厚み）＋５ｎｍ（量子ドット２１の高さＤ１）＋２．５ｎｍ（量子ドット２１の下側底を覆う部分の厚み）＝１０ｎｍ（ＩｎＧａＡｓ層２２の厚みＤ３））。また、図３に示す例において、ＧａＡｓ層２３の厚みＤ４は、４０ｎｍである。

なお、図３に示した例では、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓを含むデバイス構造について説明したが、その他の半導体、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓなど、他の材料系でもよく、また量子ドット構造についても上記材料との組み合わせで適宜選択可能である。たとえば、ＩｎＡｓ量子ドットの周囲がＧａＡｓからなり、各ＩｎＡｓ／ＧａＡｓをＡｌＧａＡｓで隔てた活性層であってもよい。

本発明において、上述してきたように、光電変換部が、検出波長を校正または補正する基準として参照するための基板上に一体的に形成されていてもよいが、検出波長を校正または補正する基準として参照するための基板が、光電変換部とは別体として設けられたものであってもよい。すなわち、本発明の検出器は、検出波長を校正または補正する基準として参照するための基板ではない基板上に形成された光電変換部、および検出波長を校正または補正する基準として参照するための基板を、別途備えた検出器であっても良い。たとえば、光電変換部はＧａＡｓ基板上に形成し、外光入射側に、検出波長を校正または補正する基準として参照するためのシリコン基板を別途、備えても良い。また、基板は、レンズなどの光学素子であってもよい。例えば波長フィルタでもよく、その場合、波長フィルタにより吸収または反射率が急激に変化することで透過率が急激に変化する立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を、校正または補正する基準とすればよい。

図４は、図２に示した赤外線検出器１１の電極１８，１９を電源に電気的に接続した状態を模式的に示す図である。図４に示すように、操作部での操作によって、電源より電極１８，１９に電圧Ｖが印加されると、赤外線検出器１１に電流Ｉが流れる。この電流Ｉを検出部が検出する。この際、赤外線検出器１１の検出波長に対応する赤外光が外部から入射すると、当該赤外光が未照射の場合と比較して電流が増加し、検出信号となる。本明細書においては、この増加分を「光電流」と呼称する。

図５は、図４に示した赤外線検出器１１に様々な電圧を印加した際の検出ピークを模式的に示す検出スペクトルである。図５において、縦軸は検出信号、横軸は波長（単位：μｍ）である。図５に示すように、特定の波長（印加する電圧範囲の略中央である中央値で検出される波長。例えば、Ｖ〜０Ｖ近傍（厳密には０Ｖではない）では８．９μｍ）に検出ピークを有する検出スペクトルが現れる。これは、赤外光が量子ドットのサブレベル間吸収を引き起こし、光電変換が生じるためである。ここで、赤外線検出器１１に印加する電圧の電圧値Ｖを変化させると、電子のエネルギー準位が変化するため検出ピークの位置はシフトする。たとえば、図５に示すようにＶ〜０Ｖ近傍で検出ピークが８．９μｍとなる赤外線検出器の場合、Ｖ＝１Ｖの場合には検出ピークは９．２μｍ、Ｖ＝−１Ｖの場合には８．６μｍとなり、±０．３μｍシフトさせることができる。本実施形態のように、印加する電圧範囲の略中央である中央値が、基板の吸収ピーク波長となるように構成されていると、素子ごとのバラつきが発生したことにより、参照するピークが印加電圧の範囲外になってしまう可能性が低くなる。

ここで、図６（ａ）は、本発明の赤外線検出器におけるブロック図の一例である。図６（ａ）には、外光（太陽光）にて校正を行う場合を示しており、赤外線検出器は、電流検出信号を流せるようにプリアンプ（トランスインピーダンスアンプ）に電気的に接続され、プリアンプは出力可能に構成されると共に、電圧検出信号を出力するようにドライバ回路に電気的に接続されている。また図６（ａ）に示す例では、ドライバ回路は、制御信号を流せるようにバイアス回路に電気的に接続され、さらに、バイアス回路はバイアス電圧（印加電圧）を印加可能なように赤外線検出器に電気的に接続されている。プリアンプ、ドライバ回路、バイアス回路は、操作部／検出部１４に対応する。

また図６（ｂ）は、本発明の赤外線検出器におけるブロック図の他の例である。図６（ｂ）には、外光（太陽光）の代わりに、装置に備え付けられた赤外線発生器（ランプ）にて校正を行うように構成されている場合が示されている。図６（ｂ）に示す例では、ドライバ回路に電気的に接続された赤外線発生器（ランプ）をさらに備え、赤外線発生器から赤外線検出器に光を送れるように構成されたこと以外は、図６（ａ）に示したブロック図と同様である。

なお、図６（ａ），（ｂ）には、赤外線検出器１１は１個のみを示しているが、複数個の赤外線検出器が集積された赤外線検出器アレイの場合には、ドライバ回路、プリアンプを共通利用することも可能である。

ここで、図７（ａ）シリコン基板（一般的な製造法であるＣＺ法で得られたシリコン（Ｓｉ）基板）と半絶縁性のＧａＡｓ基板の赤外透過スペクトルであり、図７（ｂ）は図５に示した検出スペクトルにシリコン基板の吸収ピーク波長を重ねて示した図であり、図７（ｃ）は、赤外線検出器１１に印加する電圧値Ｖを変化させながら外光（太陽光）の信号（検出信号）を検出した結果を示すグラフである。図７（ａ）において、縦軸は透過率であり、横軸は波長（μｍ）である。図７（ｃ）において、縦軸は検出信号、横軸は電圧（単位：Ｖ）である。図７（ａ）に示されるように、シリコン基板は９μｍの波長を強く吸収する。このシリコン基板の吸収ピーク波長を図５に示した検出スペクトルに重ねると、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板の吸収ピーク波長（９．０μｍ）は、Ｖ〜０Ｖの場合の検出ピークとＶ＝１Ｖの場合の検出ピークとの間に存在する。したがって、赤外線検出器に印加する電圧値Ｖを変化させながら外光（太陽光）の信号（検出信号）を検出すると、図７（ｃ）のようになる。すなわち、光電変換部の検出信号は、検出ピーク波長がシリコンの吸収波長に一致するＶ＝０．３Ｖにおいて減少する。これは、９．０μｍの光は検出器の光電変換部に到達する前にシリコン基板で吸収されるためである。このシリコンの吸収ピーク波長に一致する電圧Ｖの値をＶ^Ｇとする。

このように本発明の検出器は、前記光電変換部に電圧を印加することで検出波長をシフト可能であり、前記検出波長のシフト可能な波長領域内に基板が吸収する波長を有することが好ましい。なお、印加電圧の範囲の例として−１Ｖから＋１Ｖを示したが、基板が吸収する波長が含まれているのであれば、印加電圧の範囲は−１Ｖから＋１Ｖに限定されるものではない。

また、図７（ａ）の赤外透過スペクトルの測定には、抵抗値が１〜５０Ω・ｃｍのシリコン（Ｓｉ）基板が用いられた。シリコン基板の抵抗値が５０００Ω・ｃｍ以上である場合には、９．０μｍの吸収はほぼない一方で、抵抗値が小さいほど９．０μｍの赤外吸収が起こる。抵抗値はたとえば１０００Ω・ｃｍ以下であることが望ましい。

上述のように、量子ドットを光電変換部に持つ検出器の検出スペクトルは量子ドットのサイズや密度に影響を受けるため、製造誤差の影響を受けやすい。また、量子ドットの製造誤差だけでなく、外部回路の製造誤差、回路定数の経時変化などの影響も存在する。以下、本発明の検出器の一例として上述した赤外線検出器を挙げ、当該赤外線検出器を校正する場合（赤外線検出器の校正方法）について説明する。

図８および図９は、本発明の赤外線検出器の校正方法を説明するための図である。図７に示した例では、印加電圧０Ｖでの検出波長が９．０μｍを目標スペックとしたが、図８（ａ）に示すように電圧Ｖが０Ｖのとき、製造誤差の影響により赤外線検出器の検出ピークが８．８μｍとなっている。このとき、赤外線検出器に印加する電圧Ｖを変化させながら太陽光を検出すると、図８（ｂ）に示すような検出信号が得られる。つまり、赤外線検出器は０．６Ｖでシリコンの吸収による検出信号の減少がみられる。ここで、赤外線検出器に印加する電圧Ｖの基準を０．６Ｖ（＝Ｖ^Ｇ）とする。

図９に示されるように、赤外線検出器に印加する電圧Ｖに対して、Ｖ−Ｖ^Ｇを目標波長を検出するための印加電圧値とすれば、設計通りの動作をする赤外線検出器となる。このようにして、赤外線検出器の製造のバラつきを、製造後に校正することができる。なお、シリコン基板の吸収ピーク波長を基準として参照した電圧を印加しながら検出波長を測定する「校正」に代えて、測定結果の電圧値に、シリコン基板の吸収ピーク波長を基準として参照した電圧を差し引きする「補正」を行うようにしてもよい。

また、上述した例では、校正または補正に用いた波長はシリコン基板の吸収ピーク波長の１つである９．０μｍであったが、シリコン基板の他の吸収ピーク波長（例えば１６．４μｍ）を用いて校正または補正してもよい。また、シリコン基板の複数の吸収ピーク波長を校正または補正の基準に用いるようにしても勿論よい。

また、図１０は、実施形態１の赤外線検出器の制御の一例を示すフローチャートである。たとえば、以下の（１）〜（４）のステップを各素子ごとに行う。

（１）外光（太陽光）または赤外線発生器（ランプ）の光を受光した状態でバイアス電圧（印加電圧）を−１Ｖから＋１Ｖに掃引して出力の変化を測定（ここで、掃引範囲を−１Ｖから＋１Ｖとしているが、あくまで例であり、他の範囲でもよい）、
（２）出力の最小値をサーチ（一般的なピークサーチアルゴリズム）（ここで、最小値は、極小値でもよい）、または、検出信号の急激な変化をサーチ（一般的なエッジ検出アルゴリズム）、
（３）最小値、立上りエッジまたは立下りエッジの（絶対）印加電圧をＶ^Ｇとする、
（４）目的の波長（Ｖ^Ｇからの差分電圧ΔＶとして与えられる）に対応する印加電圧を加えて出力を測定。

なお、上記（１）〜（３）のステップは、校正の際に毎回行ってもよいし、初期に一度だけ行ってもよい。

なお、本発明の赤外線検出器の校正方法は、量子井戸または量子ドットを含む光電変換部を備える赤外線検出器に、オフセット値の電圧を印加するステップを含んでいることが好ましい。たとえば、製品出荷前に校正に適正なオフセット値の電圧を測定しておき、当該オフセット値の電圧を記憶させ、使用時に、記憶させたオフセット値の電圧を印加するように構成されていてもよい。また、上述した例のような構成であるとしても、使用のたびにシリコン基板の吸収ピーク波長を計測するのではなく、製品出荷前に校正に適正なオフセット値の電圧を計測しておき、使用時にオフセット値の電圧を印加するように構成されていてもよい。さらに、校正用のアタッチメントを取り付け可能に赤外線検出器が構成されていてもよい。すなわち、校正用のアタッチメントを取り付けることでシリコン基板の吸収ピーク波長を測定して校正に適正なオフセット値の電圧値を更新できるが、校正用のアタッチメントを取り付けない状態で通常は使用する、というように構成されていてもよい。

また上述した例では、シリコン基板を例に挙げて説明したが、基板は樹脂からなるものを用いてもよい。好適な樹脂としては、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂などが挙げられ、検出波長に合わせ、校正または補正の基準とする基板が吸収する波長を調節することが可能となるという利点がある。

＜実施形態２＞
図１１は、複数の赤外線検出器を用いる場合について説明するための模式図である。この場合、用いる赤外線検出器としては、図１１（ａ）に示す例のように図２に示した赤外線検出器１１を複数個用いてもよいし（同一または異なる基板から切り出した赤外線検出器）、図１１（ｂ）に示す例のように、同一の基板上に複数形成された赤外線検出器であってもよい。また本発明は、上述の本発明の検出器を複数含み、それぞれの検出器の検出波長を校正または補正する基準として参照するための波長が同一である検出装置についても提供する。このような本発明の検出装置によれば、検出装置の製造バラつきの校正または補正を簡便かつ効率的に行うことができ、ユーザーへ提供する測定結果に誤差が出ることを防ぐことができる。

図１１（ｂ）には、基板１２上に、バッファ層（図示せず）を介してｎ−ＧａＡｓからなる下部コンタクト層１５Ａと、ｎ−ＧａＡｓからなる上部コンタクト層１７Ａと、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる電極１８Ａ，１９Ａと、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子ドット（ここで、０≦ｘ≦１）／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ここで、０≦ｙ＜１）／Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ここで、０≦ｚ≦１）マトリックス１６Ａと、操作部／検出部１４Ａとから構成された量子ドット赤外線検出器３１Ａ、ならびに、ｎ−ＧａＡｓからなる下部コンタクト層１５Ｂと、ｎ−ＧａＡｓからなる上部コンタクト層１７Ｂと、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる電極１８Ｂ，１９Ｂと、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子ドット（ここで、０≦ｘ≦１）／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ここで、０≦ｙ＜１）／Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ここで、０≦ｚ≦１）マトリックス１６Ｂと、操作部／検出部１４Ｂとから構成された量子ドット赤外線検出器３１Ｂが集積された例（赤外線検出器アレイ）を示している。

また図１１（ｃ）に模式的に示されるように、複数の赤外線検出器がアレイ化されており、撮像装置３２となっていてもよい。図１１（ｃ）に示される撮像装置３２において、個々の赤外線検出器は実施形態１で説明したとおりであるが、操作部と検出部を共通化し、統合操作部／統合検出部３３としてもよい。

図１２および図１３は、図１１に示したような複数の赤外線検出器を用いた場合の校正方法について説明するための図である。図１２（ａ）は、図１１（ｂ）に示したような２つの赤外線検出器が集積された、赤外線検出器アレイをそれぞれ電源に電気的に接続した状態を模式的に示す図である。図１２（ｂ）に示すように、電圧がＶ〜０Ｖ近傍（厳密には０Ｖではない）である場合（図１２（ｂ）中、それぞれ、Ｖ_Ａ〜０Ｖ、Ｖ_Ｂ〜０Ｖ）、製造誤差の影響により検出器Ａ（赤外線検出器３１Ａ）は８．８μｍ、検出器Ｂ（赤外線検出器３１Ｂ）は９．１μｍに検出ピークを有する。このとき、赤外線検出器３１Ａおよび赤外線検出器３１Ｂの電圧Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂを変化させながら太陽光を検出すると、それぞれ図１２（ｃ）に示したような検出信号が得られる。すなわち、赤外線検出器３１Ａは０．６Ｖ（＝Ｖ^Ｇ _Ａ）でシリコン基板の吸収による検出信号の減少がみられ、赤外線検出器３１Ｂは−０．３Ｖ(＝Ｖ^Ｇ _Ｂ)でシリコン基板の吸収による検出信号の減少がみられる。ここで、赤外線検出器３１Ａおよび赤外線検出器３１Ｂに印加する電圧Ｖの基準をそれぞれＶ^Ｇ _Ａ、Ｖ^Ｇ _Ｂとする。

赤外線検出器３１Ａおよび赤外線検出器３１Ｂに印加する電圧をＶ^Ｇ _Ａ、Ｖ^Ｇ _Ｂからの差分（ΔＶ_Ａ、ΔＶ_Ｂ)とすれば、ΔＶ_Ａ＝ΔＶ_Ｂの時、赤外線検出器３１Ａおよび赤外線検出器３１Ｂの検出ピーク波長は略一致することになる。ここで、図１３（ａ），（ｂ）は太陽光を検出した際の赤外線検出器３１Ａおよび赤外線検出器３１Ｂの検出スペクトルである。図１３（ａ）において、縦軸は赤外線検出器３１Ａの検出信号、横軸はＶ^Ｇ _Ａからの差分の電圧値（ΔＶ_Ａ）であり、図１３（ｂ）において、縦軸は赤外線検出器３１Ｂの検出信号、横軸はＶ^Ｇ _Ｂからの差分の電圧値（ΔＶ_Ｂ）である。図１３（ａ），（ｂ）から分かるとおり、Ｖ ^Ｇ _Ａ およびＶ ^Ｇ _Ｂ を基準にすることにより、赤外線検出器３１Ａおよび赤外線検出器３１Ｂの製造誤差に起因する検出ピークの差を電圧の印加による検出ピークの位置のシフトにより簡便に補償することが可能になる。すなわち、本発明の赤外線検出器の校正方法では、基板が吸収する波長を赤外線検出器に印加する電圧の基準電圧とすることで、個々の赤外線検出器における検出ピークのバラつきを補正することが好ましく、この際、基準電圧からの差分を電圧値として赤外線検出器に印加して検出ピークの位置をシフトさせることで、電圧印加の際の波長方向の検出ピークのバラつきを防ぐことができる。また、前記基準電圧の際の検出信号から、各赤外線検出器の感度バラつきを検出し、各赤外線検出器の感度バラつきを補償するように信号処理を行うようにすることが好ましい。このようにすることで、複数の検出器でそれぞれ別の波長を検出して比較する場合や、アレイ化してイメージングする場合などに、検出波長のバラつきによって、ユーザーへ提供する測定結果に誤差が出ることを防ぐことができる。

本発明の検出器として、集積化された２つの赤外線検出器３１Ａ，３１Ｂを例に挙げたが、３つ以上の赤外線検出器が集積されていてもよいし、集積化されていない複数の赤外線検出器の検出波長を揃える目的で本発明の赤外線検出器の校正方法を適用してもよい。

＜実施形態３＞
図１４は、複数の赤外線検出器がアレイ化され、撮像装置３２が形成されている例を模式的に示す図である。図１４に示す例の撮像装置３２は、図１１（ｃ）に模式的に示した撮像装置３２と同じであり、個々の赤外線検出器は実施形態１で説明したとおりであるが、操作部と検出部は共通化され、統合操作部／統合検出部３３とされている。統合操作部は、個々の赤外線検出器への印加電圧を操作する部分であり、個々の赤外線検出器に同一の印加電圧を印加するように構成される。また、統合検出部は、個々の検出部からの検出結果をとりまとめ、統合操作部により、撮像装置全体の校正または補正を行うように構成される。

ここで、以下は、統合検出部が得た、各赤外線検出器に対して、実施形態１、２で上述したように校正を行った際に得られた基準電圧Ｖ^Ｇの値の例である。
（検出番号） （Ｖ^Ｇ）
１ ０．０２Ｖ
２ −０．３Ｖ
３ −０．２Ｖ
…
Ｎ ０．２Ｖ
統合操作部では、これらの値を元に、各赤外線検出器に対して印加電圧を設定すればよい。印加電圧は、個々の赤外線検出器に対して設定してもよいし、基準電圧Ｖ^Ｇの平均値を、外部回路のオフセット電圧として設定し、該平均値からのずれを個々の赤外線検出器に付属する回路で調整してもよい。

なお、赤外線検出器を破壊しないよう、赤外線検出器に印加される印加電圧には限度がある。図１５は、実施形態１、２で上述したように校正を行った結果、印加電圧の限度の範囲で各赤外線検出器が検出できる波長範囲を示している。

統合操作部は、全ての赤外線検出器が検出できる波長範囲（斜線が施された領域）を元に、赤外線検出器に印加する印加電圧の範囲を再設定する。たとえば、印加電圧の限度が±２Ｖであるとする。上述した基準電圧Ｖ^Ｇ分を個々の赤外線検出器に印加電圧として与えると、各赤外線検出器への印加電圧の限度は、±２Ｖ−Ｖ^Ｇとなる。統合操作部は、これを元に全赤外線検出器に印加できる電圧の範囲を設定する。なお、印加電圧を、外部回路の印加電圧と個々の赤外線検出器に付属する回路で調整した場合でも、同様の方法で、印加電圧を検出器を破壊しない範囲とすることができる。

＜実施形態４＞
また図１６は、本発明の好ましい他の例の赤外線検出器４１を模式的に示す図である。図１６に示す例の赤外線検出器４１は、基板（たとえばシリコン基板）４２と、バッファ層４３と、ｎ−ＧａＡｓからなる下部コンタクト層４４と、ｎ−ＧａＡｓからなる上部コンタクト層４６と、ＧａＡｓ量子井戸およびＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリアからなる活性層４５とから構成される光電変換部と、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる電極４７，４８とを含む量子井戸赤外線検出器（ＱＷＩＰ）である。図１６に示す例の赤外線検出器４１における活性層４５は、厚さ８ｎｍのＧａＡｓ量子井戸および厚さ１５ｎｍのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリアを３０周期含むように構成されている。また、図１６に示す例の赤外線検出器４１では、シリコン基板４２の端面が４５度に研磨されており、４５度に研磨された端面から赤外光２３が入射し得るように構成されている。上述のように、活性層に量子ドットを含む量子ドット赤外線検出器（ＱＤＩＰ）だけでなく、図１６に示すような活性層に量子井戸を含む量子井戸赤外線検出器（ＱＷＩＰ）に対しても、本発明の赤外線検出器の校正方法を好適に適用することができる。

＜実施形態５＞
検出感度はある程度の電圧を印加する方が高くなるため、Ｖ〜０Ｖ近傍では、基板が吸収する波長が判別しづらくなる場合がある。本実施形態では、基板が吸収する波長がＶ〜０Ｖから離れた電圧値である場合について説明する。０Ｖから離れたとは、０Ｖに対し、装置の印加電圧分解能以上の差があればよい。

この場合、参照する基板が吸収する波長を検出するための印加電圧Ｖ０の設計値を記憶しておけばよい。そして、所定値（オフセット値）の電圧をＶ^ＯＦＦ＝Ｖ^Ｇ−Ｖ０とし、実施形態１と同様の方法で校正すればよい。

このように、本発明の検出器は、活性層に印加する電圧値がＶ〜Ｖ０である場合における基板が吸収する波長となるときに活性層に印加されている電圧値Ｖ^ＧとＶ０との差をオフセット電圧とするように構成されていてもよい。

＜実施形態６＞
本実施形態では、基板が吸収する単一の波長だけでなく、基板が吸収する波長を複数参照することを説明する。以下、λ１、λ２の２つの波長を参照する場合を例に挙げて説明する。

λ１とλ２に対応する印加電圧の設計値が分かっていれば、λ１を参照することで判明したＶ１^ＯＦＦと、λ２を参照することで判明したＶ２^ＯＦＦが算出されるが、全波長に対してＶ１^ＯＦＦとＶ２^ＯＦＦの平均値をＶ^ＯＦＦとして適用してもよいし、λ１とＶ１^ＯＦＦ、λ２とＶ２^ＯＦＦから波長とオフセット電圧の関係を線形近似するようにしてもよい。このように、本発明の検出器は、基板が吸収する波長を複数参照して検出波長を校正または補正するように構成されていてもよい。

＜実施形態７＞
測定結果の電圧値に、シリコン基板の吸収ピーク波長を基準として参照した電圧を差し引きする「補正」を行うようにしてもよい。本発明は、検出器の校正方法だけでなく、検出器の補正方法についても包含するものとする。

ここで、図１７は、実施形態７の赤外線検出器の制御の例を示すフローチャートである。たとえば、以下の（１）〜（４）のステップを各素子ごとに行う。

（１）外光（太陽光）または赤外線発生器（ランプ）の光を受光した状態で印加電圧を−１Ｖから＋１Ｖに掃引して出力の変化を測定、
（２）出力の最小値をサーチ（一般的なピークサーチアルゴリズム）（ここで、最小値は、極小値でもよい）、または、検出信号の急激な変化をサーチ（一般的なエッジ検出アルゴリズム）、
（３）最小値、立上りエッジまたは立下りエッジの（絶対）印加電圧をＶ^Ｇとする、
（４）測定結果の印加電圧とＶ^Ｇとの差分電圧ΔＶを算出し、波長に換算する。

図１７に示したフローチャートにおいて、図１０に示したフローチャートと異なるのはステップ（４）であり、Ｖ^Ｇをオフセット値として与えた状態で印加電圧を加えて測定するのではなく、（１）の測定結果の印加電圧の値をＶ^Ｇで補正している。

特に赤外線検出器がアレイ化されている場合、個々の素子にオフセット値を設定するよりも、測定後にデータを補正した方が簡便であるというメリットがある。

本実施形態で説明した補正方法は、実施形態１のＶ^Ｇが印加電圧範囲の中央値である構成、実施形態４のＶ^Ｇが０Ｖから離れた電圧値である構成、実施形態５の２つの検出値を参照する構成にも利用することができる。

＜実施形態８＞
本実施形態では、印加電圧Ｖ^Ｇを決定せずに、測定結果を補正する。ここで、図１８は、実施形態８の赤外線検出器の制御の例を示すフローチャートである。たとえば、以下の（１）〜（３）のステップを各素子ごとに行う。

（１）印加電圧を−１Ｖから＋１Ｖに掃引して測定、
（２）出力の最小値をサーチ（一般的なピークサーチアルゴリズム）（ここで、最小値は、極小値でもよい）、または、検出信号の急激な変化をサーチ（一般的なエッジ検出アルゴリズム）、
（３）最小値、立上りエッジまたは立下りエッジが出ている波長を基板の透過率が極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長と一致するよう、印加電圧を波長に変換する。これは、印加電圧を波長に変換する際、オフセット波長を加えることになる。

すなわち、図１８に示したフローチャートでは、印加電圧Ｖ^Ｇを決定するステップを設けず、そのまま波長に換算している。このようにすることで、ステップ数が少なく、Ｖ^Ｇを保持（記憶）する必要がなく簡便であるというメリットがある。

１Ａ 赤外線検出器Ａによる検出ピーク、１Ｂ 赤外線検出器Ｂによる検出ピーク、２Ａ 赤外線検出器Ａの電圧印加によりシフト可能な波長領域、２Ｂ 赤外線検出器Ｂの電圧の印加によりシフト可能な波長領域、３ 基準となる波長、１１ 赤外線検出器、１２ 基板、１３ 光電変換部、１４，１４Ａ，１４Ｂ 操作部／検出部、１５，１５Ａ，１５Ｂ 下部コンタクト層、１６，１６Ａ，１６Ｂ Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子ドット（ここで、０≦ｘ≦１）／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ここで、０≦ｙ＜１）／Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ここで、０≦ｚ≦１）マトリックス、１７，１７Ａ，１７Ｂ 上部コンタクト層、１８，１８Ａ，１８Ｂ 電極、１９，１９Ａ，１９Ｂ 電極、２０ 電磁波、２１ 量子ドット、２２ ＩｎＧａＡｓ層、２３ ＧａＡｓ層、３１Ａ，３１Ｂ 赤外線検出器、３２ 撮像装置、３３ 統合操作部／統合検出部、４１ 赤外線検出器、４２ 基板、４３ バッファ層、４４ 下部コンタクト層、４５ 活性層、４６ 上部コンタクト層、４７ 電極、４８ 電極。

Claims (9)

1. シリコン基板と、量子井戸または量子ドットを含む光電変換部とを備え、前記光電変換部に電圧を印加することで検出波長をシフト可能な検出器であって、
   前記検出波長のシフト可能な波長領域内に、前記検出波長を校正または補正する基準として参照するための波長を有し、この基準として参照するための波長が前記シリコン基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長である、検出器。
2. 前記シリコン基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準として検出波長を校正または補正するように構成されている、請求項１に記載の検出器。
3. 前記光電変換部が前記シリコン基板上に一体的に形成されている、請求項１または２に記載の検出器。
4. 前記シリコン基板が、前記光電変換部とは別体として設けられたものである、請求項１または２に記載の検出器。
5. 前記シリコン基板の抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下である、請求項１に記載の検出器。
6. 前記シリコン基板がジャスト基板である、請求項１に記載の検出器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の検出器を用いて、前記シリコン基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準として、検出波長を校正する、検出器の校正方法。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の検出器を用いて、前記シリコン基板の透過率が極大値、極小値、立上りエッジまたは立下りエッジとなる波長を基準として、検出波長を補正する、検出器の補正方法。
9. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の検出器を複数含み、それぞれの検出器の検出波長を校正または補正する基準として参照するための波長が同一であることを特徴とする、検出装置。

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