JP6958054B2

JP6958054B2 - 光検出器

Info

Publication number: JP6958054B2
Application number: JP2017140688A
Authority: JP
Inventors: 勇高井; 松原　弘幸
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: JP2019021826A

Description

本発明は、光検出器に関する。

光通信や光レーダ等において微弱な光信号を検出するための受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。ＡＰＤにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電解で加速されて、次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対を生成する。

ＡＰＤの使用モードには、逆バイアス電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）未満で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードがある。リニアモードでは生成される電子・正孔対の割合よりも消滅（高電界から出る）する電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェは自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量の測定に用いることができる。ガイガーモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができる。このようなフォトダイオードをシングル・フォトン・アバランシェ・ダイオード（ＳＰＡＤ：ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ）という。ＳＰＡＤでは、印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェを止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路はＳＰＡＤと直列にクエンチング抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生ずるとクエンチング抵抗端子間の電圧上昇によってＳＰＡＤのバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。ＳＰＡＤには高電界を印加できるため、微弱光に高速に応答することができ、光学的測距装置や光通信等の分野で広く使われている。

一方、ＳＰＡＤを用いて飛行時間計測法（ＴＯＦ：ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）を行う光学的測距装置は、そのナノ秒程度の測定精度及び低消費電力性から道路上の障害物や人までの距離を測定する衝突回避安全装置等に適用されている。このような光学的測距装置は、反応速度、耐ノイズ性、感度、省電力性、サイズ及びコスト面からの要求を満たす必要がある。

そこで、光の入射を受けて、複数のＳＰＡＤが光の入射を示す２値の信号を出力し、コンパレータやインバータなどのパルス変換器にて矩形パルスに変換した後、加算回路にて当該矩形パルスを加算し、比較回路にて加算結果を基準値と比較して、比較結果に応じてトリガ信号を出力する構成が開示されている（特許文献１，２）。

特開２０１２−０６００１２号公報特開２０１５−０４１７４６号公報

ところで、受光素子を構成するシリコン基板に入射した光は、吸収されながら内部に進んで次第に減衰する。このとき、光の吸収されやすさを示す吸収係数は、入射した光の波長に依存し、波長が長いほど吸収係数が小さくなる。すなわち、赤色や近赤外の光になるほど吸収されにくくなり、シリコン基板の深くまで光が吸収されずに侵入することになる。

受光素子では、シリコン基板で吸収されると光電変換によりキャリアが生成されるが、波長が長くなると基板の深部で光電変換によるキャリアの発生が行われやすい。そのため、素子分離領域より深部で発生したキャリアが隣接する受光素子に流入してしまう可能性が高くなり、隣接する受光素子間においてクロストークが発生するおそれがある。

本発明の１つの態様は、同一の基板上に、複数のシングル・フォトン・アバランシェ型の受光素子が並設された受光部と、前記受光部を加熱又は冷却することで前記受光部の光に対する感度を制御する温度制御手段と、を備えることを特徴とする光検出器である。

ここで、前記受光部から出力されたパルスの数の合計が閾値を超えたか否かを判定する閾値回路を備えることが好適である。

また、前記温度制御手段は、ヒータを含み、当該ヒータによって前記受光部を予め周辺温度より高い温度に加熱しておくことが好適である。

また、前記温度制御手段は、前記受光素子へ供給される電圧又は電流を制御することにより前記受光部を加熱又は冷却することが好適である。

また、前記温度制御手段における温度調整量に応じて、前記受光部における回路パラメータを変化させるパラメータ調整手段を備えることが好適である。また、モニタ用受光素子を備え、当該モニタ用受光素子のブレイクダウン電圧に変化に応じて前記受光部における回路パラメータを変化させるパラメータ調整手段を備えることが好適である。また、前記回路パラメータは、前記受光部に印加されるバイアス電圧であることが好適である。

本発明によれば、隣接する受光素子間におけるクロストークが低減され、精度の高い光検出器を実現することができる。

本発明の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。受光部の温度を変化させたときのキャリア発生の違いを説明する図である。本発明の実施の形態における光検出器の構成の別例を示す図である。ＳＰＡＤの特性例を示す図である。ＳＰＡＤの温度制御方法を説明する図である。本発明の実施の形態における光検出器の構成の別例を示す図である。本発明の実施の形態における光検出器の構成の別例を示す図である。

本発明の実施の形態における光検出器１００は、図１に示すように、受光部１０２、パルス変換部１０４、閾値回路１０６及び温度制御手段１０８を含んで構成される。光検出器１００は、光源から発せられた光が物体で反射されたときの反射光を受光することによって、物体までの距離を測定するための測距装置等に適用することができる。ただし、光検出器１００の適用範囲はこれに限定されるものではない。

受光部１０２は、複数の受光素子１０２ａを配列させた構成とされる。図１の例では、縦４個×横４個の合計１６個の受光素子１０２ａを同一の基板にアレイ状に並べた構成を示している。ただし、受光部１０２における受光素子１０２ａの配置は、これに限定されるものではなく、１次元的又は２次元的に配置するようなものであってもよい。

受光素子１０２ａは、それぞれＳＰＡＤ１０及びクエンチング抵抗１２を含んで構成される。図１では、１つの受光素子１０２ａの構成例を示しているが、他の受光素子１０２ａも同様に構成すればよい。

ＳＰＡＤ１０は、ガイガーモードで動作可能なシングル・フォトン・アバランシェ型のフォトダイオードである。すなわち、ＳＰＡＤ１０は、逆バイアス電圧を降伏電圧以上として動作させられ、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こす。したがって、ＳＰＡＤ１０は、レーザ光等の入射光に対して高い感度を有する。

ここで、ＳＰＡＤ１０は、ガードリングや金属配線の領域をできるだけ小さくし、素子面積に対する受光領域の割合であるフィルファクタ（開口率）を高めることが好適である。特に、クエンチング素子やリチャージ素子を行列状に配置されたＳＰＡＤの内部に形成しないことで、フィルファクタを高めることができる。

クエンチング抵抗１２は、ＳＰＡＤ１０に対して直列に接続される。クエンチング抵抗１２は、トランジスタや抵抗で構成することができる。クエンチング抵抗１２は、ＳＰＡＤ１０の外部において金属配線によってＳＰＡＤに対して接続することが好適である。ＳＰＡＤ１０にアバランシェ電流が生ずるとクエンチング抵抗１２の端子間の電圧上昇によってＳＰＡＤ１０に対するバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。クエンチング抵抗１２は、ＳＰＡＤ１０に直列に接続され、パルス変換回路１４に対する検出信号Ｖ１を発生させるためにも利用される。

パルス変換部１０４は、パルス変換回路１４を含んで構成される。パルス変換回路１４は、ＳＰＡＤ１０及びクエンチング抵抗１２のペア毎にそれぞれ設けられる。パルス変換回路１４は、クエンチング抵抗１２の端子電圧として出力される２値信号を矩形パルス化する回路であり、閾値に基づいて矩形パルスを生成する機能だけであってもよいし、さらに矩形パルスの幅も任意に設定（調整）できる機能を有してもよい。パルス変換回路１４は、例えば、クエンチング抵抗１２の端子電圧を矩形パルス化するだけであれば、コンパレータやロジックインバータ、ロジックバッファ等を使用すればよい。また、矩形パルスの幅も調整（整形）するのであれば、コンパレータ、遅延素子及びアンド素子を含んで構成することかできる。

閾値回路１０６は、各ＳＰＡＤ１０の出力に応じてパルス変換部１０４から出力されるパルスを受けて、パルスの数の合計と閾値とを比較してトリガ信号を出力する。具体的には、閾値回路１０６は、パルスの数の加算値を出力する加算器及び当該加算値と閾値とを比較する比較器とを含んで構成される。加算器は、例えば、パルス変換部１０４から出力されるパルスから電流矩形パルスを生成し、当該電流矩形パルスをアナログ的に合成する電気回路とすることができる。また、加算器は、例えば、パルス変換部１０４から出力されるパルスをデジタル的に加算して出力するデジタル回路とすることができる。比較器は、加算器から出力されるパルス数の合計値と予め定められた閾値とを比較し、閾値を超えていればトリガ信号を出力し、閾値以下であればトリガ信号を出力しないものとすることができる。

温度制御手段１０８は、受光部１０２の温度を調整するため手段である。温度制御手段１０８は、温調手段及び制御部を含んで構成することができる。温調手段は、例えば、ペルチェ素子、ファン、ヒータ等の受光部１０２の温度を変更するための手段である。制御部は、温度制御手段１０８によって受光部１０２の温度を制御するためのセンサや回路等を含んで構成される。制御部は、外部からの制御信号に基づいて、温調手段による加熱又は冷却を制御する。

図２は、温度制御手段１０８による温度制御によって、受光部１０２におけるクロストークが低減できることについて説明する。

受光部１０２が低温、例えば室温である場合、図２（ａ）に示すように、ＳＰＡＤ１０を構成する半導体基板２００（シリコン基板）の近赤外波長領域における吸収係数が小さいため、近赤外線によるキャリアの発生は半導体基板２００の深部において行われ易い。このため、発生したキャリアが隣接ＳＰＡＤに流入し、本来であれば光が入射していない隣接ＳＰＡＤにおいて信号が検出されてしまうクロストークが発生するおそれがある。

これに対して、受光部１０２を加熱して高温にした場合、図２（ｂ）に示すように、ＳＰＡＤ１０を構成する半導体基板２００の近赤外波長領域における吸収係数が大きくなり、近赤外線によるキャリアの発生は半導体基板２００の浅い領域において行われる。このため、発生したキャリアが隣接ＳＰＡＤに流入する可能性が低下し、隣接ＳＰＡＤにおけるクロストークを抑制することができる。

なお、受光部１０２の温度を室温よりも高い温度とすれば少なくともある程度は吸収係数を大きくする効果は得られる。単結晶シリコンの吸収係数μの温度Ｔに対する依存性は、例えば、数式（１）のように表されることが開示されている（福世文嗣他、「単結晶シリコンの吸収係数温度依存性測定」、レーザ加工学会誌、Vol.14, No.1 (2007)）。
(数１)
μ＝12.991exp(0.0048244T)-52.588exp(-0.0002262T) [1/cm]

以上のように、本実施の形態における光検出器１００によって、複数のＳＰＡＤ１０を含む場合であっても隣接するＳＰＡＤ間におけるクロストークを抑制することができる。

なお、図３に示すように、パルス変換部１０４及び閾値回路１０６を設けない構成としてもよい。ただし、受光部１０２の温度を高くすることによって各ＳＰＡＤ１０で発生する熱によるノイズが増大するが、当該ノイズは時間的にランダムに発生するものであるので、パルス変換部１０４及び閾値回路１０６を設けることによってその影響を低減することができる。

また、受光部１０２を高温に維持することで受光部１０２のチップ寿命に悪影響を及ぼす可能性があるので、クロストークの影響が小さいと考えられる状況下においては受光部１０２を低温に維持することが好適である。したがって、温度制御手段１０８としては加熱手段と冷却手段の両方を備えることが好適である。また、ヒータ等の加熱手段のみを設ける場合、当該加熱手段によって受光部１０２を予め周辺温度より高い温度に加熱しておけば、ヒータを切る等の処置によって必要に応じて常温まで受光部１０２を冷却することができる。

また、温度制御手段１０８において、ＳＰＡＤ１０自体に対する制御によってＳＰＡＤ１０の温度を調整する構成としてもよい。すなわち、ＳＰＡＤ１０に供給される電圧又は電流を制御することによって、ＳＰＡＤ１０のリーク電流を利用してＳＰＡＤ１０の温度を調整する。

図４に示すように、ＳＰＡＤ１０においては、ガイガーモードで作動するブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤ未満の電圧であっても、わずかなリーク電流が流れている。このリーク電流によるジュール熱によってＳＰＡＤ１０自体を加熱することができる。具体的には、図５に示すように、非測距時に通常であればＳＰＡＤ１０へのバイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤをオフにしてＳＰＡＤ１０を休止させる。これに対して、ガイガーモードで動作しないブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤ未満のオフセット電圧（Ｖ_ＯＳ）を印加し、リーク電流を流すことでＳＰＡＤ１０の温度を調整することができる。

この態様によれば、ペルチェ素子、ヒータ、ファン等の温調手段を必要とすることなく、ＳＰＡＤ１０の温度を制御することができる。

また、受光部１０２の温度を変化させることで各ＳＰＡＤ１０の特性（例えば感度）が変化する。したがって、温度変化による受光部１０２の特性の変化を補償するために光検出器１００の回路パラメータを調整できる構成とすることが好適である。図６は、温度調整量に応じて、ＳＰＡＤ１０への逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤを調整するバイアス電圧調整手段（パラメータ調整手段）１１０を設けた構成を示す。バイアス電圧調整手段１１０によって、温度制御手段１０８による受光部１０２の温度調整量に応じて各ＳＰＡＤ１０への逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤを調整する。これによって、受光部１０２の温度変化による各ＳＰＡＤ１０の特性の変化を補償することができる。

なお、調整する回路パラメータは、逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤに限定されるものではなく、クエンチング抵抗１２の抵抗値、閾値回路１０６において判定に用いられる閾値等を調整するような構成としてもよい。

また、図７に示すように、モニタ用受光素子（モニタ用ＳＰＡＤ）２０を使って、受光部１０２のＳＰＡＤ１０のブレイクダウン電圧を基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤとして推定するようにしてもよい。そして、基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤと所定のエクセス電圧Ｖ_ＥＸとに基づいて逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤを制御するようにしてもよい。

すなわち、モニタ用ＳＰＡＤ２０に対して電流源２２から電流を流して得られるモニタ用ＳＰＡＤ２０のブレイクダウン電圧を基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤとして、電圧生成部２６において、基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤと電圧源２４からのエクセス電圧Ｖ_ＥＸとを加算して逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤとする。

なお、電圧生成部２６は、基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤとエクセス電圧Ｖ_ＥＸとに基づき、エクセス電圧Ｖ_ＥＸがほぼ一定電圧となるように逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤを生成できればよく、必ずしも基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤとエクセス電圧Ｖ_ＥＸとを加算する構成とする必要はない。

電流源２２からモニタ用ＳＰＡＤ２０へ一定電流を流すことにより、モニタ用ＳＰＡＤ２０はガイガーモードで動作する。そして、電圧生成部２６には、常に、モニタ用ＳＰＡＤ２０の温度に応じて変化する基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤが入力されることになる。したがって、モニタ用ＳＰＡＤ２０をＳＰＡＤ１０と同じ特性としておくことによって、基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤはＳＰＡＤ１０のブレイクダウン電圧に対応するものとなる。したがって、ＳＰＡＤ１０には、常に、ＳＰＡＤ１０のブレイクダウン電圧に対応して基準ブレイクダウン電圧Ｖ_ＢＤに所定のエクセス電圧Ｖ_ＥＸを加算した電圧が逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤとして印加されることになる。よって、受光部１０２の温度変化による各ＳＰＡＤ１０の特性の変化を補償することができる。

１０ＳＰＡＤ、１２クエンチング抵抗、１４パルス変換回路、２０モニタ用ＳＰＡＤ、２２電流源、２４電圧源、２６電圧生成部、１００光検出器、１０２受光部、１０２ａ受光素子、１０４パルス変換部、１０６閾値回路、１０８温度制御手段、１１０バイアス電圧調整手段、２００半導体基板。

Claims

同一の基板上に、複数のシングル・フォトン・アバランシェ型の受光素子が並設された受光部と、
前記受光部を加熱又は冷却することで前記受光部の光に対する感度を制御する温度制御手段と、
前記温度制御手段における温度調整量に応じて前記受光部から出力されたパルスを処理するための回路のパラメータを調整するパラメータ調整手段と、
を備えることを特徴とする光検出器。
請求項１に記載の光検出器であって、
前記回路は、前記受光部から出力された前記パルスの数の合計が閾値を超えたか否かを判定する閾値回路であり、
前記パラメータ調整手段は、前記パラメータとして前記閾値を前記温度制御手段における前記温度調整量に応じて調整することを特徴とする光検出器。
請求項１又は２に記載の光検出器であって、
前記温度制御手段は、ヒータを含み、当該ヒータによって前記受光部を予め周辺温度より高い温度に加熱しておくことを特徴とする光検出器。
請求項１又は２に記載の光検出器であって、
前記温度制御手段は、前記受光素子へ供給される電圧又は電流を制御することにより前記受光部を加熱又は冷却することを特徴とする光検出器。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出器であって、
前記パラメータ調整手段は、さらに、前記温度制御手段における前記受光部に印加されるバイアス電圧を変化させることを特徴とする光検出器。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出器であって、
モニタ用受光素子を備え、前記パラメータ調整手段は、当該モニタ用受光素子のブレイクダウン電圧に変化に応じて前記受光部における回路パラメータを変化させることを特徴とする光検出器。