JP7056439B2 - 光検出素子およびライダー装置 - Google Patents

Description

本開示は、光を検出する光検出素子、および、光検出素子を有するライダー装置に関する。

特許文献１には、光を車両の周囲に向けて照射し、照射した光が物体で反射した反射光を受光することにより、車両の周囲に存在する物体までの距離を測定するように構成されたライダー装置が記載されている。

特開２０１６－１７９０４号公報

しかし、特許文献１に記載のライダー装置では、ライダー装置から近い物体までの距離を測定したときの測定精度が、ライダー装置から遠い物体までの距離を測定したときの測定精度よりも低くなってしまうことがあった。

本開示は、ライダー装置において測定精度を向上させることを目的とする。

本開示の一態様は、少なくとも１つの画素領域（５２１）と、第１吸収領域（５１２）と、第１排出電極（５１６）と、画素周辺領域（５２２）と、第２吸収領域（５１３）と、第２排出電極（５０３）とを備える光検出素子（３１１）である。

画素領域は、半導体基板（５０１）内に形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成される。
第１吸収領域は、画素領域内に形成され、画素領域で発生した電子および正孔の何れか一方を第１排出キャリアとして第１排出キャリアを吸収するように構成される。

第１排出電極は、半導体基板上に形成され、第１吸収領域内に吸収された第１排出キャリアを第１吸収領域から排出するように構成される。
画素周辺領域は、半導体基板内において画素領域に隣接するように形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成される。

第２吸収領域は、画素周辺領域内に形成され、画素周辺領域で発生した電子および正孔のうち第１排出キャリアと同じキャリアを第２排出キャリアとして第２排出キャリアを吸収するように構成される。

第２排出電極は、半導体基板上に形成され、第２吸収領域内に吸収された第２排出キャリアを第２吸収領域から排出するように構成される。
このように構成された本開示の光検出素子は、光が画素領域に入射することにより画素領域内で発生したキャリア（以下、必要キャリア）を第１排出電極から排出し、光が画素周辺領域に入射することにより画素周辺領域内で発生したキャリア（以下、不要キャリア）を第２排出電極から排出することができる。このため、本開示の光検出素子は、不要キャリアが第１排出電極から排出されるのを抑制することができる。すなわち、本開示の光検出素子は、第１排出電極から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれるのを抑制することができる。

なお、画素領域と画素周辺領域とに同時に光が入射した場合に、必要キャリアが第１排出電極に到達するまでに要する時間と、不要キャリアが第１排出電極に到達するまでに要する時間とが異なる。このため、第１排出電極から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれると、距離の測定精度が低下する。そして、ライダー装置では、ライダー装置から近い物体で反射した反射光を本開示の光検出素子で受光するときにおける反射光のスポットサイズは、ライダー装置から遠い物体で反射した反射光を本開示の光検出素子で受光するときにおける反射光のスポットサイズより大きくなる。このため、本開示の光検出素子では、ライダー装置から近い物体で反射した反射光を受光する場合に、光が画素周辺領域に入射して不要キャリアが発生し易くなる。

これに対し、本開示の光検出素子は、ライダー装置から近い物体で反射した反射光を受光した場合であっても、上述のように、第１排出電極から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれるのを抑制することができる。このため、本開示の光検出素子は、ライダー装置において測定精度を向上させることができる。

本開示の別の態様は、投光部（１０）と、受光部（３０）と、スキャン部（２０）とを備えるライダー装置（１）である。投光部は、光を出力するように構成された光源を有する。受光部は、予め設定された方向から到来する光を受光するように構成された光検出素子を有する。スキャン部は、投光部から入射される光を反射する反射面を有し、反射面を予め設定された回転軸に対して回転させることにより、投光部から入射される光の出射方向を、回転軸の軸方向に直交する主走査方向に沿って変化させるとともに、走査範囲内に存在する被検物からの反射光を反射して、受光部に導くように構成される。

そして光検出素子は、少なくとも１つの画素領域と、第１吸収領域と、第１排出電極と、画素周辺領域と、第２吸収領域と、第２排出電極とを備える。
このように構成された本開示のライダー装置は、本開示の一態様の光検出素子を備えているため、本開示の光検出素子と同様の効果を得ることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

ライダー装置の斜視図である。 光検出モジュールの斜視図である。 フレームの一部を除いて示した光検出モジュールの正面図である。 筐体を除いて示したライダー装置の平面図である。 ミラーモジュールの構成を示す図である。 光源の構成を示す図である。 受光素子の構成を示す図である。 投光時の光の経路を示す図である。 受光時の光の経路を示す図である。 光源および受光素子の位置調整を説明する図である。 偏向ミラーから出射される光ビームの照射範囲を示す図である。 光源の発光領域と受光素子の受光領域との対応関係を示す図である。 第１実施形態のＡＰＤアレイの平面図である。 ＡＰＤの断面図である。 空乏層を示すＡＰＤの断面図である。 第１実施形態の受光素子の平面図である。 第１実施形態の受光素子の断面図である。 第２実施形態のＡＰＤアレイの平面図である。 第３実施形態のＡＰＤアレイの平面図である。 第４実施形態のＡＰＤアレイの平面図である。

（第１実施形態）
以下に本開示の第１実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のライダー装置１は、車両に搭載して使用され、車両の周囲に存在する様々な物体の検出等に用いられる。ライダーは、ＬＩＤＡＲとも表記される。ＬＩＤＡＲは、Light Detection and Rangingの略である。

ライダー装置１は、図１に示すように、筐体１００と光学窓２００とを備える。
筐体１００は、六面のうちの一面に開口部を有する直方体状に形成された樹脂製の箱体であり、後述する光検出モジュール２を収納する。

光学窓２００は、筐体１００の開口部を覆うように筐体１００に固定される樹脂性の蓋体である。筐体１００の内部に設置される光検出モジュール２から照射されるレーザ光は、光学窓２００の内部を透過する。

以下、略長方形に形成されている上記の開口部の長手方向に沿った方向をＸ軸方向、開口部の短手方向に沿った方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とする。なお、Ｘ軸方向における左右およびＹ軸方向における上下は、筐体１００の開口部側から見て定義する。また、Ｚ軸方向における前後は、筐体１００の開口部側を前、奥行き側を後と定義する。

光検出モジュール２は、図２、図３および図４に示すように、投光部１０と、スキャン部２０と、受光部３０と、フレーム４０とを備える。光検出モジュール２は、フレーム４０を介して筐体１００に組み付けられる。

スキャン部２０は、ミラーモジュール２１と、仕切板２２と、モータ２３とを備える。
ミラーモジュール２１は、図５に示すように、一対の偏向ミラー２１１，２１２と、ミラーフレーム２１３とを備える。

一対の偏向ミラー２１１，２１２は、光を反射する反射面を有する平板状の部材である。ミラーフレーム２１３は、円板部２１３ａと、被固定部２１３ｂとを備える。円板部２１３ａは、円板状の部位であり、その円の中心がモータ２３の回転軸に固定される。被固定部２１３ｂは、両面に偏向ミラー２１１，２１２が固定される板状の部位である。被固定部２１３ｂは、円板部２１３ａの円形面上から、円板部２１３ａの円形面に対して垂直に突出するようにして形成される。

偏向ミラー２１１，２１２および被固定部２１３ｂはそれぞれ、長手方向の幅が異なる二つの長方形を一体化した形状を有する。具体的には、二つの長方形を、短手方向に沿った中心軸を合わせて、その中心軸に沿って並べて一体化した形状を有する。以下、ミラーモジュール２１において、偏向ミラー２１１，２１２および被固定部２１３ｂが一体化された部位のうち、長手方向の狭い長方形の部位を幅狭部、長手方向の広い長方形の部位を幅広部という。

ミラーフレーム２１３を介して一体化された一対の偏向ミラー２１１，２１２は、幅狭部よりも幅広部を下にした状態で、中心軸の位置が円板部２１３ａの円の中心と一致するように、且つ、円板部２１３ａの円形面上から、円板部２１３ａの円形面に対して垂直に突出するようにして配置される。これにより、偏向ミラー２１１，２１２は、モータの駆動に従って、モータ２３の回転軸を中心として回転することができる。また、偏向ミラー２１１，２１２の反射面は、モータ２３の回転位置に関わらず、常に、モータ２３の回転軸に対して平行となる。

仕切板２２は、ミラーモジュール２１の幅広部の長手方向の幅と同じ直径を有する円板状の部材である。仕切板２２は、半円状の２つの部位に分割されている。そして、これら半円状の２つの部位は、ミラーモジュール２１の幅狭部を両側から挟み込み、且つ、ミラーモジュール２１の幅広部と幅狭部との段差部分に接触した状態で固定される。

以下、偏向ミラー２１１，２１２において、仕切板２２より上側の部位（すなわち、幅狭部側の部位）を投光偏向部２０ａ、仕切板２２より下側の部位（すなわち、幅広部側の部位）を受光偏向部２０ｂという。

投光部１０は、図２～図４に示すように、一対の光源１１，１２と、一対の投光レンズ１３，１４と、投光折返ミラー１５とを備える。
光源１１，１２は、同一の構成を有するため、ここでは、光源１１の構成についてのみ説明する。光源１１は、図６に示すように、複数の発光領域Ａ１，Ａ２を有した、いわゆるマルチストライプ半導体レーザである。発光領域Ａ１，Ａ２は、その配列方向を長手方向とした長方形状に形成されている。そして、発光領域Ａ１，Ａ２における配列方向に沿った領域幅Ｌは、発光領域Ａ１と発光領域Ａ２との間の領域間隔Ｓ以上となるように設定されている。各発光領域Ａ１，Ａ２からは、互いの光軸が平行な光ビームが照射される。

以下、投光偏向部２０ａにおいて、光源１１，１２からの光ビームが入射される点を反射点という。また、回転軸に直交し反射点を含む面を基準面という。
図２～図４に示すように、光源１１は、反射点からＸ軸に沿って左側に離れた位置に、発光面を投光偏向部２０ａに向けた状態で配置される。光源１２は、反射点から光源１１に至る経路の中心付近の折返点からＺ軸に沿って後側に離れた位置に、発光面をＺ軸の前側に向けた状態で配置される。そして、光源１１，１２におけるＹ軸方向の位置に関して、光源１１は基準面より低い位置に配置され、光源１２は基準面より高い位置に配置される。また光源１１，１２は、発光領域Ａ１，Ａ２の配列方向がＹ軸方向と一致するように配置される。

投光レンズ１３は、光源１１の発光面に対向して配置される。同様に、投光レンズ１４は、光源１２の発光面に対向して配置される。光源１１，１２はそれぞれ、投光レンズ１３，１４の焦点付近に配置される。

投光折返ミラー１５は、上記の折返点に配置されて、光源１２から照射された光を反射して上記の反射点へ導く。投光折返ミラー１５は、図８に示すように、光源１１から照射されて反射点へ向かう光の経路を遮ることがないように、この経路より上側に配置される。また、光源１１から反射点に至る光の経路と、光源１２から投光折返ミラー１５を介して反射点に至る光の経路とは、互いに同じ長さとなるように設定される。なお、光源１１は、光軸が基準面に対して１～２°上向きに傾き、光源１２は、光軸が基準面に対して１～２°下向きに傾くように設定される。つまり、光源１１，１２の光軸は、基準面に対して対称な方向を向く。この角度は、１～２°に限定されるものではなく、副走査方向への必要な光ビーム出射角度に応じて適宜設定される。

受光部３０は、図２～図４に示すように、受光素子３１と、受光レンズ３２と、受光折返ミラー３３とを備える。
受光素子３１は、図７に示すように、アバランシェフォトダイオードアレイ３１１（以下、ＡＰＤアレイ３１１）と、レンズアレイ３１２とを備える。ＡＰＤは、Avalanche Photo Diodeの略である。ＡＰＤアレイ３１１は、１２個のアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）が一列に配置されている。レンズアレイ３１２は、ＡＰＤアレイ３１１を構成する１２個のＡＰＤのそれぞれに対して対向配置された１２個のレンズであり、受光素子３１に入射した光を絞って各ＡＰＤへ導く。

受光素子３１は、図３および図９に示すように、受光面がＹ軸に沿った上側に向き、且つ、ＡＰＤアレイ３１１におけるＡＰＤの配列方向がＸ軸方向と一致するようにして、受光折返ミラー３３の下部に配置される。図３では、各部の配置を見やすくするため、フレーム４０の一部が省略されている。

受光折返ミラー３３は、受光偏向部２０ｂに対してＸ軸に沿って左側に配置される。そして受光折返ミラー３３は、受光偏向部２０ｂから受光レンズ３２を介して入射する光が受光素子３１に到達するようにするために、光の経路をＹ軸方向に沿った下側に略９０°曲げる。

受光レンズ３２は、受光偏向部２０ｂと受光折返ミラー３３との間に配置される。受光レンズ３２は、受光素子３１に入射する光ビームにおけるＺ軸方向に沿った幅を、ＡＰＤの素子幅程度となるように絞る。

フレーム４０は、投光部１０、スキャン部２０および受光部３０が有する各部品を一体に組み付けるための部材である。すなわち、投光部１０、スキャン部２０および受光部３０が有する各部品は、これら部品間の位置関係が確定された状態で、筐体１００内に組み付けられる。

フレーム４０は、図２～図４に示すように、フレーム下部４１と、フレーム側面部４２と、フレーム背面部４３と、仕切部４４とを備える。
フレーム下部４１には、その下側に、受光素子３１が組み付けられた受光基板５１と、スキャン部２０が組み付けられたモータ基板５２とが取り付けられる。このため、フレーム下部４１には、受光折返ミラー３３から受光素子３１に至る光の経路となる部位と、スキャン部２０のモータ２３が配置される部位とに、孔が設けられている。

フレーム側面部４２には、スキャン部２０に対向する側の面を表面として、その表面に、円筒状のホルダ４２１が設置される。ホルダ４２１の表面側端（すなわち、Ｘ軸方向の右側端）には、その開口部を塞ぐように投光レンズ１３が組み付けられる。また、フレーム側面部４２の裏面には、光源１１が組み付けられた発光基板５３が取り付けられる。フレーム側面部４２に発光基板５３が取り付けられると、光源１１はホルダ４２１の裏面側端（すなわち、Ｘ軸方向の左側端）に配置される。

フレーム背面部４３には、フレーム側面部４２と同様に、ホルダ４３１が設置される。ホルダ４３１の表面側端（すなわち、Ｚ軸方向の前側端）には、投光レンズ１４が組み付けられる。また、フレーム背面部４３の裏面には、光源１２が組み付けられた発光基板５４が取り付けられる。フレーム背面部４３に発光基板５４が取り付けられると、光源１２はホルダ４３１の裏面側端（すなわち、Ｚ軸方向の後側端）に配置される。

仕切部４４は、投光部１０を構成する各部品が配置される空間と、受光部３０を構成する各部品が配置される空間とを仕切る位置に設けられる。仕切部４４には、投光折返ミラー１５、受光折返ミラー３３および受光レンズ３２が組み付けられる。

なお、受光基板５１および発光基板５３，５４は、それぞれネジ止めによりフレーム４０に取り付けられる。ライダー装置１は、受光基板５１および発光基板５３，５４の取付位置と角度とを調整することにより、受光素子３１および光源１１，１２の取付位置と角度とを、それぞれ個別に、三次元的に微調整できるように構成されている。本実施形態では、ホルダ４２１，４３１はそれぞれ、フレーム側面部４２およびフレーム背面部４３と一体に設けられているが、発光基板５３および発光基板５４と一体に設けられてもよい。

図示しない制御部は、例えば、筐体１００に組付けられる。制御部は、スキャン部２０のミラーモジュール２１の回転に同期して、光源１１，１２の発光タイミングを制御する。具体的には、制御部は、光源１１からの光ビームが偏向ミラー２１１に入射され、光源１２からの光ビームが偏向ミラー２１２に入射されるように制御する。

図８に示すように、光源１１から照射された光は、投光レンズ１３を介して投光偏向部２０ａの反射点Ｐに入射される。また、光源１２から照射された光は、投光レンズ１４を透過した後に、投光折返ミラー１５で進行方向が略９０°曲げられて投光偏向部２０ａの反射点Ｐに入射される。但し、光源１１と光源１２とでは、投光偏向部２０ａの異なる面が使用される。反射点Ｐに入射された光は、ミラーモジュール２１の回転位置に応じた方向に向けて出射される。

図９に示すように、ミラーモジュール２１の回転位置に応じた所定方向（すなわち、投光偏向部２０ａからの光の出射方向）に位置する被検物からの反射光は、受光偏向部２０ｂで反射し、受光レンズ３２および受光折返ミラー３３を介して受光素子３１で検出される。なお、被検物は、ライダー装置１の検出対象となる様々な物標である。

つまり、ライダー装置１では、Ｘ軸方向に沿った水平方向の走査（以下、主走査）は、ミラーモジュール２１の回転によりメカ的に実現される。また、Ｙ軸方向に沿った垂直方向の走査（以下、副走査）は、垂直方向に並ぶ４つのビームを出力する光源１１，１２と、上記４つのビームを受光するＡＰＤアレイ３１１とにより電子的に実現される。

図８～図１０に示すように、光源１１，１２は、投光偏向部２０ａの反射点Ｐまでの光路長が互いに等しくなり、且つ、反射点Ｐにて互いの光軸が交差するように配置される。また受光素子３１は、受光レンズ３２の焦点付近に配置される。

ここで、光源１１の発光領域Ａ１，Ａ２に基づく光ビームをＢ１１，Ｂ１２とし、光源１２の発光領域Ａ１，Ａ２に基づく光ビームをＢ２１，Ｂ２２とする。図１１に示すように、投光偏向部２０ａの反射点Ｐから放射される光ビームにおいて、Ｙ軸に沿った上側から下側に向かって順に、光ビームＢ１１、光ビームＢ２１、光ビームＢ１２および光ビームＢ２２が配置される。さらに、各光ビームＢ１１，Ｂ２１，Ｂ１２，Ｂ２２の間に隙間ができないように、光源１１，１２の位置が微調整される。また、図１２に示すように、受光素子３１のＡＰＤアレイ３１１上において、各光ビームＢ１１，Ｂ２１，Ｂ１２，Ｂ２２が照射された被検物からの反射光（以下、受光ビーム）が、各ＡＰＤのＺ軸方向の中心に照射され、それぞれが異なる３素子ずつに照射されるように微調整される。

なお、投光偏向部２０ａの反射面は、ミラーモジュール２１の回転軸に平行であるため、投光偏向部２０ａへの光の入射経路を含んだ垂直平面における反射面の傾斜角度は、ミラーモジュール２１の回転位置によって変化しない。ここでの垂直平面とは、Ｙ軸に沿った平面をいう。つまり、図１１のグラフに示すように、投光偏向部２０ａから出射される光の主走査方向であるＸ軸方向への出射角度（すなわち、水平角度）によらず、副走査方向であるＹ軸方向への出射角度（すなわち、垂直角度）は一定となる。このため、二次元的に設定される走査範囲内に、光ビームが隙間なく照射される。

ＡＰＤアレイ３１１は、図１３に示すように、ｐ型の半導体（本実施形態ではシリコン）からなる基板５０１の表面に１２個のＡＰＤ５０２を一列に配列することで形成されている。なお、基板５０１は、ｉ型半導体で形成されていてもよい。

ＡＰＤアレイ３１１は、基板５０１の表面側において、１２個のＡＰＤ５０２と、１個の不要キャリア排出用電極５０３と、２個のボンディングパッド５０４とを備える。
ＡＰＤ５０２は、図１４に示すように、ｎ＋領域５１１、ｎ領域５１２、ｎ領域５１３、ｐ＋領域５１４、反射防止膜５１５および信号取出電極５１６を備える。

ｎ＋領域５１１は、基板５０１内における表面側に形成されたｎ型の領域である。ｎ＋領域５１１は、ｎ領域５１２，５１３よりもｎ型不純物濃度が高い。
ｎ領域５１２は、基板５０１の表面側において、ｎ＋領域５１１と接触し、且つ、ｎ＋領域５１１の周囲を取り囲むように形成されたｎ型の領域である。

ｎ領域５１３は、基板５０１の表面側において、ｎ領域５１２と接触しないように、且つ、ｎ領域５１２の周囲を取り囲むように形成されたｎ型の領域である。
ｐ＋領域５１４は、基板５０１内における裏面側に形成されたｐ型の領域である。ｐ＋領域５１４は、基板５０１よりもｐ型不純物濃度が高い。

反射防止膜５１５は、例えば窒化ケイ素で形成され、ｎ＋領域５１１上に配置される膜である。反射防止膜５１５は、反射防止膜５１５に入射する光の表面反射を低減する。
信号取出電極５１６は、例えばＡｌまたはＣｕで形成された電極であり、ｎ領域５１２上に配置されて、ｎ領域５１２と電気的に接続される。信号取出電極５１６には、高電圧（例えば、３００Ｖ）が印加される。

以下、基板５０１内において、ｎ＋領域５１１およびｎ領域５１２と、ｎ＋領域５１１およびｎ領域５１２の下側の領域とを画素領域５２１という。また、基板５０１内において、画素領域５２１以外の領域を画素周辺領域５２２という。

不要キャリア排出用電極５０３は、例えばＡｌまたはＣｕで形成された電極であり、ｎ領域５１３上に配置されて、ｎ領域５１３と電気的に接続される。
またＡＰＤアレイ３１１は、基板５０１の裏面側において、例えばＡｌＳｉＣｕで形成された裏面電極５０５を備える。

図１３に示すように、反射防止膜５１５は、矩形状に形成されている。さらに信号取出電極５１６は、枠状部５３１と、線状部５３２とを備える。枠状部５３１は、反射防止膜５１５を取り囲む矩形枠状に形成されている。線状部５３２は、１２個のＡＰＤ５０２の配列方向Ｄａに対して垂直な方向に沿って枠状部５３１から延びる直線状に形成されている。

不要キャリア排出用電極５０３は、一列に配列された１２個の信号取出電極５１６と接触しないように、且つ、１２個の信号取出電極５１６の周囲を取り囲むように形成されている。さらに不要キャリア排出用電極５０３は、１２個の信号取出電極５１６のそれぞれを取り囲むために、互いに隣接する２個の枠状部５３１の間にも形成されている。

ボンディングパッド５０４は、例えばＡｌまたはＣｕで形成される。そして、２個のボンディングパッド５０４はそれぞれ、矩形状に形成されている基板５０１において、１２個のＡＰＤ５０２の配列方向Ｄａに沿った一端側の端部と他端側の端部とに配置されている。そして、２個のボンディングパッド５０４は、不要キャリア排出用電極５０３と電気的に接続される。

図１５に示すように、画素領域５２１内において、ｎ＋領域５１１およびｎ領域５１２の直下に空乏層ＤＬ１が形成される。また、画素周辺領域５２２内において、ｎ領域５１２とｎ領域５１３との間の領域の直下に空乏層ＤＬ２が形成される。

空乏層ＤＬ１における基板５０１の厚さ方向Ｄ１に沿った長さＬ１は、空乏層ＤＬ２におけるｎ領域５１２からｎ領域５１３へ向かう方向Ｄ２に沿った長さＬ２より短い。また、空乏層ＤＬ１内における厚さ方向Ｄ１の電界強度は、空乏層ＤＬ２における方向Ｄ２の電界強度より大きい。

このように構成されたＡＰＤ５０２では、図１４に示すように、受光ビームＢｒが反射防止膜５１５を通過して画素領域５２１内に入射すると、画素領域５２１内で電子―正孔対が発生する。そして、矢印ＡＬ１で示すように、画素領域５２１内で発生した電子―正孔対のうち電子が、ｎ領域５１２に吸収された後に信号取出電極５１６から排出される。

レンズアレイ３１２は、図１６および図１７に示すように、ＡＰＤ５０２の配列方向Ｄａに沿って１２個の凸レンズ５５１を一列に配列することで形成されている。凸レンズ５５１は、例えばガラスまたはシリコーン樹脂で形成される。図１７に示すように、レンズアレイ３１２は、接着層３１３を介してＡＰＤアレイ３１１に対し固定され、ＡＰＤ５０２を覆うように配置される。接着層３１３は、紫外線が照射されることで硬化する材料で形成されている。さらに接着層３１３は、凸レンズ５５１および反射防止膜５１５の透過率と略一致する透過率を有する材料で形成されている。図１６に示すように、１２個の凸レンズ５５１はそれぞれ、１２個のＡＰＤ５０２の反射防止膜５１５と対向するように配置される。１２個の凸レンズ５５１は、凸レンズ５５１に入射した光を絞って、対応するＡＰＤ５０２へ導く。

このように構成されたＡＰＤアレイ３１１は、１２個の画素領域５２１と、ｎ領域５１２と、信号取出電極５１６と、画素周辺領域５２２と、ｎ領域５１３と、不要キャリア排出用電極５０３とを備える。

画素領域５２１は、基板５０１内に形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させる。ｎ領域５１２は、画素領域５２１内に形成され、画素領域５２１で発生した電子（以下、第１排出キャリア）を吸収する。信号取出電極５１６は、基板５０１上に形成され、ｎ領域５１２内に吸収された第１排出キャリアをｎ領域５１２から排出する。

画素周辺領域５２２は、基板５０１内において画素領域５２１に隣接するように形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させる。ｎ領域５１３は、画素周辺領域５２２内に形成され、画素周辺領域５２２で発生した電子（以下、第２排出キャリア）を吸収する。不要キャリア排出用電極５０３は、基板５０１上に形成され、ｎ領域５１３内に吸収された第２排出キャリアをｎ領域５１３から排出する。

このようにＡＰＤアレイ３１１は、光が画素領域５２１に入射することにより画素領域５２１内で発生したキャリア（以下、必要キャリア）を信号取出電極５１６から排出し、光が画素周辺領域５２２に入射することにより画素周辺領域５２２内で発生したキャリア（以下、不要キャリア）を不要キャリア排出用電極５０３から排出することができる。このため、ＡＰＤアレイ３１１は、不要キャリアが信号取出電極５１６から排出されるのを抑制することができる。すなわち、ＡＰＤアレイ３１１は、信号取出電極５１６から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれるのを抑制することができる。

なお、画素領域５２１と画素周辺領域５２２とに同時に光が入射した場合に、必要キャリアが信号取出電極５１６に到達するまでに要する時間と、不要キャリアが信号取出電極５１６に到達するまでに要する時間とが異なる。このため、信号取出電極５１６から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれると、距離の測定精度が低下する。そして、ライダー装置１では、図１３に示すように、ライダー装置１から近い物体で反射した反射光をＡＰＤアレイ３１１で受光するときにおける反射光ＳＰ１のスポットサイズは、ライダー装置１から遠い物体で反射した反射光をＡＰＤアレイ３１１で受光するときにおける反射光ＳＰ２のスポットサイズより大きくなる。このため、ＡＰＤアレイ３１１では、ＡＰＤアレイ３１１から近い物体で反射した反射光を受光する場合に、光が画素周辺領域５２２に入射して不要キャリアが発生し易くなる。

これに対し、ＡＰＤアレイ３１１は、ライダー装置１から近い物体で反射した反射光を受光した場合であっても、上述のように、信号取出電極５１６から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれるのを抑制することができる。このため、ＡＰＤアレイ３１１は、ライダー装置１において測定精度を向上させることができる。

また、基板５０１はｐ型で形成されている。また、ｎ領域５１２およびｎ領域５１３は、基板５０１の表面において、ｐ型とは異なる導電型であるｎ型で形成されている。そして、画素領域５２１内に形成される空乏層ＤＬ１における基板５０１の厚さ方向Ｄ１に沿った長さＬ１は、ｎ領域５１２とｎ領域５１３との間に形成される空乏層ＤＬ２におけるｎ領域５１２からｎ領域５１３へ向かう方向Ｄ２に沿った長さＬ２より短い。これにより、画素領域５２１内で発生した電子がｎ領域５１３へドリフトするのを抑制することができる。このため、ＡＰＤアレイ３１１は、信号取出電極５１６から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれるのを更に抑制することができ、ライダー装置１において測定精度を更に向上させることができる。

また、空乏層ＤＬ１内における厚さ方向Ｄ１の電界強度は、空乏層ＤＬ２における方向Ｄ２の電界強度より大きい。これにより、画素領域５２１内で発生した電子がｎ領域５１３へドリフトするのを抑制することができる。このため、ＡＰＤアレイ３１１は、信号取出電極５１６から出力される信号の中に、不要キャリアに起因した信号が含まれるのを更に抑制することができ、ライダー装置１において測定精度を更に向上させることができる。

またＡＰＤアレイ３１１は、基板５０１上において画素領域５２１と対向するように配置される凸レンズ５５１を備える。これにより、凸レンズ５５１に入射した光を絞って画素領域５２１へ導くことができるため、ＡＰＤアレイ３１１は、入射する光に対する実効開口率を増加させることができるとともに、画素周辺領域５２２への光の入射を抑制することができる。

また基板５０１は、矩形板状に形成され、ＡＰＤアレイ３１１は、ボンディングパッド５０４を備える。ボンディングパッド５０４は、基板５０１上において基板５０１の長手方向に沿った両端に設置され、不要キャリア排出用電極５０３と電気的に接続される。これにより、ＡＰＤアレイ３１１は、不要キャリア排出用電極５０３において基板５０１の長手方向に沿った電位の差が生じ難くすることができる。

またライダー装置１は、投光部１０と、受光部３０と、スキャン部２０とを備える。
投光部１０は、光を出力するように構成された光源１１，１２を有する。受光部３０は、予め設定された方向から到来する光を受光するように構成されたＡＰＤアレイ３１１を有する。スキャン部２０は、投光部１０から入射される光を反射する反射面を有し、反射面を予め設定された回転軸に対して回転させることにより、投光部１０から入射される光の出射方向を、回転軸の軸方向に直交する主走査方向に沿って変化させるとともに、走査範囲内に存在する被検物からの反射光を反射して、受光部３０に導く。

このようにライダー装置１は、ＡＰＤアレイ３１１を備えているため、ＡＰＤアレイ３１１と同様の効果を得ることができる。
以上説明した実施形態において、ＡＰＤアレイ３１１は光検出素子に相当し、基板５０１は半導体基板に相当し、ｎ領域５１２は第１吸収領域に相当し、信号取出電極５１６は第１排出電極に相当し、ｎ領域５１３は第２吸収領域に相当し、不要キャリア排出用電極５０３は第２排出電極に相当する。なお、ここで説明したＡＰＤについてはp基板上にｎドープを行ってＡＰＤを作成しているが、ｎ基板上にｐドープを行ってもよい。また、空乏層厚を厚くできるリーチスルー型のデバイス断面構造を前提に記載しているが、リーチスルー型に対して空乏層厚を厚くできないリバース型でも適用することができる。また、ＡＰＤのみではなく、増倍効果を有さないフォトダイオード、増倍率が非常に高いシングルフォトンアバランシェダイオードに対しても適用することができる。

（第２実施形態）
以下に本開示の第２実施形態を図面とともに説明する。なお第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。

第２実施形態のライダー装置１は、ＡＰＤアレイ３１１においてボンディングパッド５０４の個数が変更された点が第１実施形態と異なる。
第２実施形態のＡＰＤアレイ３１１は、図１８に示すように、３個のボンディングパッド５０４を備える。そして、３個のボンディングパッド５０４はそれぞれ、矩形状に形成されている基板５０１において、配列方向Ｄａに沿った一端側の端部と、他端側の端部と、中央部とに配置されている。

このようにＡＰＤアレイ３１１は、ボンディングパッド５０４が追加されることにより、不要キャリアを排出する性能を向上させることができる。
（第３実施形態）
以下に本開示の第３実施形態を図面とともに説明する。なお第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。

第３実施形態のライダー装置１は、ＡＰＤアレイ３１１において、レンズアレイ３１２が省略された点と、ボンディングパッド５０４の個数が変更された点とが第１実施形態と異なる。

第３実施形態のＡＰＤアレイ３１１は、図１９に示すように、４個のボンディングパッド５０４を備える。そして、４個のボンディングパッド５０４はそれぞれ、矩形状に形成されている基板５０１における４つの隅部に配置されている。

このようにＡＰＤアレイ３１１は、ボンディングパッド５０４が追加されることにより、不要キャリアを排出する性能を向上させることができる。
（第４実施形態）
以下に本開示の第４実施形態を図面とともに説明する。なお第４実施形態では、第１実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。

第４実施形態のライダー装置１は、図２０に示すように、ＡＰＤアレイ３１１において、不要キャリア排出用電極５０３の形状が変更された点が第１実施形態と異なる。
第４実施形態におけるＡＰＤアレイ３１１の不要キャリア排出用電極５０３は、図１９に示すように、一列に配列された１２個の信号取出電極５１６と接触しないように、且つ、１２個の信号取出電極５１６の周囲を取り囲むように形成されている。但し、不要キャリア排出用電極５０３は、互いに隣接する２個の枠状部５３１の間に形成されない。

このようにＡＰＤアレイ３１１では、不要キャリア排出用電極５０３が、互いに隣接する２つの画素領域５２１の間に配置されていない。これにより、互いに隣接する２つの画素領域５２１の間の間隔を狭くすることができ、ＡＰＤアレイ３１１は、ＡＰＤアレイ３１１の大きさを小さくすることができる。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
［変形例１］
例えば上記実施形態では、基板５０１がｐ型で形成され、ｎ領域５１２およびｎ領域５１３がｎ型で形成されている形態を示したが、基板５０１がｎ型またはｉ型で形成され、ｎ領域５１２およびｎ領域５１３がｐ型で形成されるようにしてもよい。この場合において、信号取出電極５１６から排出されるキャリアは正孔である。

［変形例２］
また上記実施形態では、基板５０１がシリコンで形成されている形態を示したが、基板５０１の材料は半導体であればよくシリコンに限定されるものではない。基板５０１は、例えばＩｎＧａＡｓで形成されていてもよい。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…ライダー装置、１０…投光部、２０…スキャン部、３０…受光部、３１１…ＡＰＤアレイ、５０１…基板、５０３…不要キャリア排出用電極、５１２…ｎ領域、５１３…ｎ領域、５１６…信号取出電極、５２１…画素領域、５２２…画素周辺領域

Claims (7)

1. 半導体基板（５０１）内に形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成された少なくとも１つの画素領域（５２１）と、
   前記画素領域内に形成され、前記画素領域で発生した前記電子および前記正孔の何れか一方を第１排出キャリアとして前記第１排出キャリアを吸収するように構成された第１吸収領域（５１２）と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第１吸収領域内に吸収された前記第１排出キャリアを前記第１吸収領域から排出するように構成された第１排出電極（５１６）と、
   前記半導体基板内において前記画素領域に隣接するように形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成された画素周辺領域（５２２）と、
   前記画素周辺領域内に形成され、前記画素周辺領域で発生した前記電子および前記正孔のうち前記第１排出キャリアと同じキャリアを第２排出キャリアとして前記第２排出キャリアを吸収するように構成された第２吸収領域（５１３）と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第２吸収領域内に吸収された前記第２排出キャリアを前記第２吸収領域から排出するように構成された第２排出電極（５０３）と
   を備え、
   前記半導体基板は第１導電型で形成され、
   前記第１吸収領域および前記第２吸収領域は、前記半導体基板の表面において、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型で形成され、
   前記画素領域内に形成される空乏層を第１空乏層とし、前記第１吸収領域と前記第２吸収領域との間に形成される空乏層を第２空乏層として、前記第１空乏層における前記半導体基板の厚さ方向に沿った長さは、前記第２空乏層における前記第１吸収領域から前記第２吸収領域へ向かう方向に沿った長さより短い光検出素子（３１１）。
2. 半導体基板（５０１）内に形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成された少なくとも１つの画素領域（５２１）と、
   前記画素領域内に形成され、前記画素領域で発生した前記電子および前記正孔の何れか一方を第１排出キャリアとして前記第１排出キャリアを吸収するように構成された第１吸収領域（５１２）と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第１吸収領域内に吸収された前記第１排出キャリアを前記第１吸収領域から排出するように構成された第１排出電極（５１６）と、
   前記半導体基板内において前記画素領域に隣接するように形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成された画素周辺領域（５２２）と、
   前記画素周辺領域内に形成され、前記画素周辺領域で発生した前記電子および前記正孔のうち前記第１排出キャリアと同じキャリアを第２排出キャリアとして前記第２排出キャリアを吸収するように構成された第２吸収領域（５１３）と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第２吸収領域内に吸収された前記第２排出キャリアを前記第２吸収領域から排出するように構成された第２排出電極（５０３）と
   を備え、
   前記半導体基板は第１導電型で形成され、
   前記第１吸収領域および前記第２吸収領域は、前記半導体基板の表面において、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型で形成され、
   前記画素領域内に形成される空乏層を第１空乏層とし、前記第１吸収領域と前記第２吸収領域との間に形成される空乏層を第２空乏層として、前記第１空乏層内における前記半導体基板の厚さ方向の電界強度は、前記第２空乏層における前記第１吸収領域から前記第２吸収領域へ向かう方向の電界強度より大きい光検出素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の光検出素子であって、
   前記半導体基板上において前記画素領域と対向するように配置される凸レンズ（５５１）を備える光検出素子。
4. 請求項１～請求項３の何れか１項に記載の光検出素子であって、
   前記半導体基板は、矩形板状に形成され、
   前記半導体基板上において前記半導体基板の長手方向に沿った両端に設置され、前記第２排出電極と電気的に接続されるボンディングパッド（５０４）を備える光検出素子。
5. 請求項１～請求項４の何れか１項に記載の光検出素子であって、
   前記第２排出電極は、互いに隣接する少なくとも２つの前記画素領域の間に配置されていない光検出素子。
6. 光を出力するように構成された光源を有する投光部（１０）と、
   予め設定された方向から到来する光を受光するように構成された光検出素子を有する受光部（３０）と、
   前記投光部から入射される光を反射する反射面を有し、前記反射面を予め設定された回転軸に対して回転させることにより、前記投光部から入射される光の出射方向を、前記回転軸の軸方向に直交する主走査方向に沿って変化させるとともに、走査範囲内に存在する被検物からの反射光を反射して、前記受光部に導くように構成されたスキャン部（２０）とを備え、
   前記光検出素子は、
   半導体基板内に形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成された少なくとも１つの画素領域と、
   前記画素領域内に形成され、前記画素領域で発生した前記電子および前記正孔の何れか一方を第１排出キャリアとして前記第１排出キャリアを吸収するように構成された第１吸収領域と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第１吸収領域内に吸収された前記第１排出キャリアを前記第１吸収領域から排出するように構成された第１排出電極と、
   前記半導体基板内において前記画素領域に隣接するように形成され、入射した光に応じて前記電子および前記正孔を内部に発生させるように構成された画素周辺領域と、
   前記画素周辺領域内に形成され、前記画素周辺領域で発生した前記電子および前記正孔のうち前記第１排出キャリアと同じキャリアを第２排出キャリアとして前記第２排出キャリアを吸収するように構成された第２吸収領域と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第２吸収領域内に吸収された前記第２排出キャリアを前記第２吸収領域から排出するように構成された第２排出電極と
   を備え、
   前記半導体基板は第１導電型で形成され、
   前記第１吸収領域および前記第２吸収領域は、前記半導体基板の表面において、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型で形成され、
   前記画素領域内に形成される空乏層を第１空乏層とし、前記第１吸収領域と前記第２吸収領域との間に形成される空乏層を第２空乏層として、前記第１空乏層における前記半導体基板の厚さ方向に沿った長さは、前記第２空乏層における前記第１吸収領域から前記第２吸収領域へ向かう方向に沿った長さより短いライダー装置（１）。
7. 光を出力するように構成された光源を有する投光部（１０）と、
   予め設定された方向から到来する光を受光するように構成された光検出素子を有する受光部（３０）と、
   前記投光部から入射される光を反射する反射面を有し、前記反射面を予め設定された回転軸に対して回転させることにより、前記投光部から入射される光の出射方向を、前記回転軸の軸方向に直交する主走査方向に沿って変化させるとともに、走査範囲内に存在する被検物からの反射光を反射して、前記受光部に導くように構成されたスキャン部（２０）とを備え、
   前記光検出素子は、
   半導体基板内に形成され、入射した光に応じて電子および正孔を内部に発生させるように構成された少なくとも１つの画素領域と、
   前記画素領域内に形成され、前記画素領域で発生した前記電子および前記正孔の何れか一方を第１排出キャリアとして前記第１排出キャリアを吸収するように構成された第１吸収領域と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第１吸収領域内に吸収された前記第１排出キャリアを前記第１吸収領域から排出するように構成された第１排出電極と、
   前記半導体基板内において前記画素領域に隣接するように形成され、入射した光に応じて前記電子および前記正孔を内部に発生させるように構成された画素周辺領域と、
   前記画素周辺領域内に形成され、前記画素周辺領域で発生した前記電子および前記正孔のうち前記第１排出キャリアと同じキャリアを第２排出キャリアとして前記第２排出キャリアを吸収するように構成された第２吸収領域と、
   前記半導体基板上に形成され、前記第２吸収領域内に吸収された前記第２排出キャリアを前記第２吸収領域から排出するように構成された第２排出電極と
   を備え、
   前記半導体基板は第１導電型で形成され、
   前記第１吸収領域および前記第２吸収領域は、前記半導体基板の表面において、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型で形成され、
   前記画素領域内に形成される空乏層を第１空乏層とし、前記第１吸収領域と前記第２吸収領域との間に形成される空乏層を第２空乏層として、前記第１空乏層内における前記半導体基板の厚さ方向の電界強度は、前記第２空乏層における前記第１吸収領域から前記第２吸収領域へ向かう方向の電界強度より大きいライダー装置（１）。

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