JP6847795B2 - 光検出器、光検出装置、ライダー装置及び光検出器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、光検出器、光検出装置、ライダー装置及び光検出器の製造方法に関する。
ライダー(LIDAR：Laser Imaging Detection and Ranging)装置はレーザ光がターゲットまでを往復する時間を計測し、距離に換算する光飛行時間測距法(TOF:Time of Flight)を採用した距離画像センシングシステムであり、車載ドライブアシストシステム、リモートセンシング等に応用される。
LIDAR装置に用いられる光検出器の課題として、被写体からの光の光量の差が大きい場合、言い換えると被写体距離範囲が広い場合、正確に光を検出することができない。たとえば、被写体距離が短い場合、往復した光の光量が多くなる。光検出器は、入射する光量が多すぎると常に光子の検出状態となるためSN比が悪くなり、正確に光子をカウントできない。そのため、光量が多い場合には光検出器は入射した光を低感度に検出する必要がある。逆に被写体距離が長い場合、往復した光の光量が少なくなる。光検出器は、入射する光量が少なすぎると正確に光子をカウントできない。そのため、光量が少ない場合には光検出器に入射した光を高感度に検出する必要がある。したがって、被写体距離範囲が広い場合でも正確に光を検出できる光検出器が求められている。
本発明の実施形態は、被写体距離範囲が広い場合でも、正確に光検出する光検出器、ライダー装置及び光検出器の製造方法を提供する。
上記の課題を達成するために、実施形態の光検出器は、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第１セルと、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第２セルと、を具備し、第１セルは、第１半導体層と、第２半導体層と、第１半導体層を第２半導体層と挟む第１基板と、を含み、第２セルは、第３半導体層と、第４半導体層と、第３半導体層を第４半導体層と挟む第２基板と、を含み、第２基板が、第１基板の厚さよりも厚い。前記第１セルは、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において第１感度に光検出する。前記第２セルは、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において第２感度に光検出する。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは、互いに対応するものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の光検出器を光の入射方向から見た図である。
図１は、第１の実施形態の光検出器を光の入射方向から見た図である。
図１に示すように本実施形態に係る光検出器は、短距離セル１（第１セルとも呼ぶ）と、長距離セル２（第２セルとも呼ぶ）と、分離部３と、を含む。また、その光検出器は、短距離セル１と長距離セル２を少なくとも１つずつ含み、短距離セル１と長距離セル２がそれぞれに入射した光（例えば、近赤外光）を電荷に光電変換して、光変換された電気信号を駆動・読み出し部（図面には省略）へと出力することで光を検出する。
分離部３は、互いに隣り合うセル同士が干渉しあわないための領域であり、かつ、光検出器に入射した光を検出できない領域であって、短距離セル１と長距離セル２の周囲を囲んでいる。また分離部３は、短距離セル１と長距離セル２が変換した電荷を駆動・読み出し部（図面には省略）へと出力するための配線領域である。配線の材料は例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。
図２は、図１で示した光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。本実施形態に係る光検出器において、下方からの光が入射してもよいが、図２では、上方から光が入射するものとする。
短距離セル１は、入射した光を電荷に変換することで光を検出する、例えばシリコン材料を用いたアバランシェフォトダイオード（APD :Avalanche Photodiode）セルである。短距離セル１は、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において低感度（第１感度ともいう）に光検出する。図２に示すように短距離セル１は、基板４と、基板４の光入射側に設けられる第１半導体層５（例えば、ｐ型半導体層）と、第１半導体層５の光入射側に設けられる第２半導体層６（例えば、ｎ型半導体層）と、第２半導体層６の上端部に電気的に接続された第１電極１０と、基板４の光入射側に対する裏面側に設けられる可視光カット層１６と、可視光カット層１６の裏面側に設けられる裏面電極１７と、を含む。上とは、例えば図２における光入射側を意味する。短距離セル１は、第１半導体層５と、第２半導体層６と、第１半導体層５を第２半導体層６と挟む基板４と、基板４を第１半導体層５と挟む可視光カット層１６と、可視光カット層１６を基板４と挟む裏面電極１７と、を具備するともいえる。第１電極１０は、分離部３の配線と電気的に接続される。また、短距離セル１の基板４内部に入射光を電荷に変換する空乏層４aが形成される。
長距離セル２は、入射した光を電荷に変換することで光を検出する、例えばシリコン材料を用いたAPDである。長距離セル２は、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において高感度（第２感度）に光検出する。図２に示すように長距離セル２は、基板４と、基板４の光入射側に設けられる第３半導体層８（例えば、ｐ型半導体層）と、第３半導体層８の光入射側に設けられる第４半導体層９（例えば、ｎ型半導体層）と、第４半導体層９の上端部に電気的に接続された第２電極７と、基板４の裏面側に設けられる可視光カット層１６と、可視光カット層１６の裏面側に設けられる裏面電極１７と、を含む。長距離セル２は、第３半導体層８と、第４半導体層９と、第３半導体層８を第４半導体層９と挟む基板４と、基板４を第３半導体層８と挟む可視光カット層１６と、可視光カット層１６を基板４と挟む裏面電極１７と、を具備するともいえる。第２電極７は、分離部３の配線と電気的に接続される。本実施形態では短距離セル１と長距離セル２の基板４、裏面電極１７、可視光カット層１６は同一である。
第１半導体層５と第２半導体層６の界面（ｐｎ接合面ともいう）と、第３半導体層８と第４半導体層９の界面（ｐｎ接合面ともいう）の積層方向における位置はほぼ同等である。ここで積層方向とは、表面に対し垂直となる方向である。積層方向における短距離セル１と長距離セル２における基板４の厚さは、長距離セル２の基板４の厚さが短距離セル１の基板４よりも厚い。すなわち、短距離セル１と長距離セル２の間には裏面側に段差がある。また、長距離セル２には、基板４内部に入射光を電荷に光電変換する空乏層４aと非空乏層４bが形成される。対して、前述した通り、短距離セル１には、空乏層４aのみ形成され、非空乏層４bは形成されない。
第１半導体層５及び第３半導体層８は、例えばシリコンにボロン（Ｂ）の不純物を注入することで得られる。
第２半導体層６及び第４半導体層９は、例えばシリコンにリン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）またはヒ素(Ａｓ)の不純物を注入することで得られる。
第１電極１０及び第２電極７は、第１半導体層５、第２半導体層６、第３半導体層８及び第４半導体層９に電圧を印可して駆動させ、短距離セル１及び長距離セル２で光電変換した電荷を駆動・読み出し部（図面には省略）に送信するために設けられている。第１電極１０、第２電極７の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。
可視光カット層１６は、ノイズの発生原因である可視光をカットするために設けられる。可視光カット層１６は、例えば高濃度（濃度>1018）のボロン（Ｂ）を注入した不純物層である。
裏面電極１７は、第１半導体層５、第２半導体層６、第３半導体層８及び第４半導体層９に電圧を印可するために設けられる。裏面電極１７の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料、が用いられる。基板４の厚さは、短距離セル１側で３μｍ以下が好ましく、長距離セル２側で１０から３０μｍの間であることが好ましい。
次に、短距離セル１と長距離セル２を有する光検出器の光検出動作を説明する。
それぞれのセルに含まれるAPDは、検出待機状態では、その降伏逆電圧よりも高い逆電圧が印加され、ガイガーモードと呼ばれる領域で動作させる。ガイガーモード動作時のAPDの利得は10５〜106乗と非常に高いため、光子1個という微弱な光をも計測可能となる。このガイガーモードで放電する放電現象のことをガイガー放電という。
各APDには抵抗が直列に接続しており、光子１個が入射されガイガー放電した際に、抵抗による電圧降下によって、ｐｎ接合による増幅作用が終端するため、パルス状の電荷が得られる。
APDを併設接続したシリコンフォトマル（SiPM:Silicon Photomultipliers）では各APDがこの働きをするため、複数のAPDにおいてガイガー放電が生じた場合は、APD１つの電荷に対して、ガイガー放電したAPD数倍の電荷量またはパルス波高値の電荷が得られる。従って、電荷からガイガー放電したAPD数、つまりはSiPMに入射した光子数が計測できるため、光子１個１個の光子計測が可能となる。
短距離セル１、長距離セル２に同じ電位を印可したとき、ｐｎ接合面は両セル２、３ともに積層方向においてほぼ同じ位置であるので、空乏層４aは両セル２、３では同じ位置、厚さの空乏層４aが形成される。このとき、短距離セル１は、短距離セル１ほぼ全て空乏化するように基板４の厚さを設定する。短距離セル１の基板４の厚さは、例えば３μｍ以下である。一方で、長距離セル２の基板４の厚さは、短距離セル１の基板４の厚さよりも十分に厚いので、非空乏層４b（空乏化されない領域）が存在する。
空乏層４a内で発生した電荷はドリフトによりｐｎ接合面へ移動し電荷増倍されることにより速い応答ができる。一方、非空乏層４bで発生した電荷は、まず拡散により空乏層４a内へ流入し、その後ドリフトにより同様にｐｎ接合面へ移動し電荷増倍するため、拡散によりかかる時間の分だけ、遅い応答成分が発生する。よって、非空乏層４bをほぼ存在しない短距離セル１の方が早い応答が見込める。入射光を光電変換する量は、非空乏層４bが存在する分、長距離セル２の方が短距離セル１と比べて高感度が見込める。上述したように入射光の光量が多い場合は、低感度であるが高速応答の短距離セル１を用いて、入射光の光量が少ない場合は、低速応答であるが高感度の長距離セル２を用いることが好ましい。
図３は、第１実施形態の光検出器を含む光検出装置１００を示す図である。
図３に示すように、短距離セル１は、分離部３の配線を介して短距離ＴＯＦ処理部１９（第１処理部ともいう）に接続する。短距離ＴＯＦ処理部１９は、短距離セル１からの電荷をＴＯＦによって距離情報に算出する。算出した距離情報は、距離情報選別部２１に送信される。また、長距離セル２は、分離部３の配線を介して長距離ＴＯＦ処理部２０（第２処理部ともいう）と接続する。長距離ＴＯＦ処理部２０は、長距離セル２からの電荷をＴＯＦによって距離情報を算出する。算出した距離情報は、距離情報選別部２１に送信される。距離情報選別部２１は、短距離セル１の距離情報と長距離セル２の距離情報から、例えばＳＮ比が高い方を選別する。この選別した距離情報を用いて画像を作成することができる。
本実施形態の光検出器の製造方法を図４を用いて説明する。
まず、イオン注入を用いて基板４に所定の深さで第１半導体層５及び第３半導体層８を形成する。その後、基板４にイオン注入を用いて第１半導体層５の上方に第２半導体層６を、第３半導体層８の上方に第４半導体層９を形成する。半導体層５、６と半導体層８、９の間にイオン注入して、基板４に分離部３を形成する。基板４、半導体層６、９、分離部３の上方に所定の形状のマスク（図示せず）を形成した後に、化学蒸着（CVD:Chemical Vapor Deposition）によって、分離部３と第２半導体層６、分離部３と第４半導体層９が跨るように電極７、１０を形成する。なお、この後マスクを除去する（ステップＳ１）。
次に、基板４に段差を形成する。基板４の裏面側に所定の形状のマスク（図示せず）を形成する。このマスクは、半導体層８、９側のみに形成される。その後、裏面を反応性イオンエッチング（RIE：Reactive Ion Etching）によって、エッチングすることで、半導体層５、６側の裏面側が削られ、半導体層８、９側の基板４の厚さが、半導体層５、６側の厚さよりも厚くなり、段差を形成する。この際、半導体層５、６側の基板４の厚さは、内部がほぼ空乏化されるように空乏層４ａの厚さを考慮してRIEを行う。基板４の厚さを半導体層５、６側で３μｍ以下、半導体層８、９側で１０から３０μｍの間に調整することが好ましい。なお、この後マスクを除去する。（ステップＳ２）
また、裏面において、ボロンを高濃度でイオン注入した後、熱処理を行って可視光カット層１６を形成する。（ステップＳ３）。
さらに裏面において、CVDによって裏面電極１７を形成する。（ステップＳ４）。
以上の工程によって、本実施形態の光検出器が製造できる。
本実施形態に係る光検出器は、被写体距離の長短に対応する短距離セル１と長距離セル２を備えることで、一般の光検出器が正確に光検出できない被写体距離範囲が広くても、正確に光検出する。
図２の例によらず、基板４を分離部３によって第１基板と第２基板のように完全に分離してもよい。
図３の例によらず、短距離セル１の距離情報と長距離セル２の距離情報の距離情報を距離情報選別部２１で合成して１つの画像としてしてもよい。その合成方法は、たとえば国際公開第２０１２／０７３７２２号公報に記載がある。
（変形例）
第１の実施形態に係る光検出器の変形例を図５に示す。
第１の実施形態に係る光検出器の変形例を図５に示す。
変形例では、短距離セル１と長距離セル２を含む光検出器の厚さを一様にするために、短距離セル１側の可視光カット層１６を厚く形成する。すなわち、短距離セル１と長距離セル２の間の段差をなくす。
一般的に光検出器に段差があると、製造過程で起こる衝撃に弱い箇所が多くできてしまうが、変形例は可視光カット層１６を短距離セル１側で厚く形成して段差をなくし衝撃に対する強度を向上できる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態と異なる点を説明する。
第１の実施形態と異なる点を説明する。
図６は、第２の実施形態に係る他の光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。図６では、下方から光が入射するものとする。
第２の実施形態に係る光検出器は、光を反射する反射層１８と、光透過性を持つ光透過樹脂層１５を含む。本実施形態では、反射層１８は、短距離セル１及び長距離セル２の光入射側とは反対側に設けられ、短距離セル１及び長距離セル２と反射層１８の間に光透過樹脂層１５が設けられる。また、光が下方から入射する場合、酸化インジウムスズ（ITO：Indium Tin Oxide）などの透明導電膜が用いられた電極１７´を裏面電極１７の代わりに設ける。
本実施形態に係る光検出器は、反射層１８を備えることで、基板４で光電変換できなかった光を反射層１８によって反射させて、再び基板４に入射させることができる。したがって、基板４に光が入射することで再び光電変換でき、光検出器の高感度化が可能である。
（第３の実施形態）
図７は第３の実施形態に係るライダー装置５００１を示す図である。
図７は第３の実施形態に係るライダー装置５００１を示す図である。
本実施形態に係るライダー装置５００１は、ライン光源、レンズと構成され長距離被写体検知システムなどに応用できる。ライダー装置５００１は、対象物５０１に対してレーザ光を投光する投光ユニットと、対象物５０１からのレーザ光を受光する受光ユニットと、レーザ光が対象物５０１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する光飛行時間測距装置（図示せず）と、を備えている。
投光ユニットにおいて、レーザ光発振器３０４はレーザ光を発振する。駆動回路３０３は、レーザ光発振器３０４を駆動する。光学系３０５は、レーザ光の一部を参照光として取り出し、そのほかのレーザ光をミラー３０６を介して対象物５０１に照射する。ミラーコントローラ３０２は、ミラー３０６を制御して対象物５０１にレーザ光を投光する。ここで、投光とは、光を当てることを意味する。
受光ユニットにおいて、参照光用検出器３０９は、光学系３０５によって取り出された参照光を検出する。光検出器３１０は、対象物５００からの反射光を受光する。距離計測回路３０８は、参照光用光検出器３０９が参照光を検出した時刻と、光検出器３１０が反射光を検出した時刻との差に基づいて、対象物５０１までの距離を計測する。画像認識システム３０７は、距離計測回路３０８で計測された結果に基づいて、対象物５０１を認識する。
ライダー装置５００１は、レーザ光が対象物５０１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する光飛行時間測距法を採用した距離画像センシングシステムである。ライダー装置５００１は、車載ドライブ−アシストシステム、リモートセンシング等に応用される。光検出器３１０として第１実施形態及び第２実施形態に係る光検出器を用いると、特に近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、ライダー装置５００１は、人が不可視の波長帯域への光源に適用することが可能となる。ライダー装置５００１は、例えば、車向け障害物検知に用いることができる。
図８は測定システムを説明するための図である。
測定システムは、光検出器３００１および光源３０００を少なくとも含む。測定システムの光源３０００は、測定対象となる物体５００に光４１２を発する。光検出器３００１は、物体５００を透過あるいは反射、拡散した光４１３を検出する。
光検出器３００１は、例えば、第１実施形態及び第２実施形態に係る光検出器を用いると、高感度な測定システムが実現する。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１・・短距離セル、２・・長距離セル、３・・分離部、４・・基板、５・・第１半導体層、６・・第２半導体層、７・・第１電極、８・・第３半導体層、９・・第４半導体層、１０・・第２電極、１５・・光透過樹脂層、１６・・可視光カット層、１７・・裏面電極、１８・・反射層、１９・・長距離ＴＯＦ処理部、２０・・短距離ＴＯＦ処理部、２１・・距離情報選別部、１００・・光検出装置
Claims (16)
- 入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第１セルと、
入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第２セルと、を具備し、
前記第１セルは、第１半導体層と、第２半導体層と、前記第１半導体層を前記第２半導体層と挟む第１基板と、を含み、
前記第２セルは、第３半導体層と、第４半導体層と、前記第３半導体層を前記第４半導体層と挟む第２基板と、を含み、
前記第２基板が、前記第１基板の厚さよりも厚く、
前記第１セルは、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において第１感度に光検出し、
前記第２セルは、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において第２感度に光検出する光検出器。 - 入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第１セルと、
入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第２セルと、を具備し、
前記第１セルは、第１半導体層と、第２半導体層と、前記第１半導体層を前記第２半導体層と挟む第１基板と、を含み、
前記第２セルは、第３半導体層と、第４半導体層と、前記第３半導体層を前記第４半導体層と挟む第２基板と、を含み、
前記第２基板が、前記第１基板の厚さよりも厚く、
前記第１セルと前記第２セルは、アバランシェフォトダイオードである光検出器。 - 前記第１セルと前記第２セルは、ガイガーモード動作する請求項２に記載の光検出器。
- 前記第１セルと前記第２セルのそれぞれに直列に接続された抵抗を具備する請求項２又は３に記載の光検出器。
- 前記第１基板は、空乏化された空乏層を含み、
前記第２基板は、前記空乏層と、空乏化されない領域である非空乏層と、を含む請求項１から４のいずれか１項に記載の光検出器。 - 前記第１基板を前記第１半導体層と挟み、前記第２基板を前記第３半導体層と挟む可視光カット層と、
前記可視光カット層を前記第１基板及び前記第２基板と挟む裏面電極と、を具備する請求項１から５のいずれか１項に記載の光検出器。 - 前記検出器に、前記第１基板及び前記第２基板に対して前記第２半導体層及び前記第４半導体層側から光が入射する場合、前記裏面電極の材料は、アルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料が用いられる請求項６に記載の光検出器。
- 前記検出器に、前記第１基板及び前記第２基板に対して前記裏面電極側から光が入射する場合、前記裏面電極の材料は、酸化インジウムスズが用いられる請求項６に記載の光検出器。
- 前記第１基板と前記第２基板が同一の基板である請求項１から８のいずれか１項に記載の光検出器。
- 前記第１基板の厚さは、１０から３０μｍの間である請求項１から９のいずれか１項に記載の光検出器。
- 前記第２基板の厚さは、３μｍ以下である請求項１から１０のいずれか１項に記載の光検出器。
- 前記光は、近赤外光である請求項１から１１のいずれか１項に記載の光検出器。
- 請求項１から１２のいずれか１項に記載の光検出器と、
前記第１セルからの電気信号から距離情報を算出する第１処理部と、
前記第２セルからの電気信号から距離情報を算出する第２処理部と、
前記第１処理部と前記第２処理部で算出した距離情報を選別する距離情報選別部と、を具備する光検出装置。 - 物体に光を照射する光源と、
前記物体に反射された光を検出する請求項１から１２のいずれか１項に記載の光検出器と、
を備えるライダー装置。 - 基板に所定の深さでイオン注入して第１半導体層及び第３半導体層を形成し、
前記第１半導体層の上方にイオン注入して第２半導体層を形成し、前記第３半導体層の上方にイオン注入して第４半導体層を形成することで、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間及び前記第３半導体層と前記第４半導体層との間にそれぞれｐｎ接合を形成させ、
前記基板の裏面を反応性イオンエッチングによって、段差を形成し、
前記裏面において、ボロンを高濃度でイオン注入した後、熱処理を行って可視光カット層を形成し、
前記可視光カット層の裏面において、化学蒸着によって裏面電極を形成する光検出器の製造方法。
- 前記反応性イオンエッチングは、前記基板の厚さと空乏層の厚さを考慮して実行する請求項１５に記載の光検出器の製造方法。
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