JP7060009B2 - Laser radar device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー照射に対する散乱光を検出し、対象物までの距離を計測するレーザーレーダー装置に関する。具体的には、本発明は、ゲルマニウム(Ge)の吸収層を有し、生産性が高くて製造コストが低く、かつ自由空間からの光を効率的に受光できる受光素子を用いたレーザーレーダー装置に関する。 The present invention relates to a laser radar device that detects scattered light due to laser irradiation and measures the distance to an object. Specifically, the present invention is a laser radar device using a light receiving element having a germanium (Ge) absorbing layer, having high productivity and low manufacturing cost, and capable of efficiently receiving light from free space. Regarding.

従来、レーザーレーダー(ライダー)等の計測機器においては、例えば、目の網膜まで達しにくい波長1400~2600nmの範囲内の光を光源から投光し、その光を受光素子により受光することによって対象物の計測が行われている。現在、光源に関しては様々な選択肢があるものの、受光素子については選択肢が限られており、課題も多い。 Conventionally, in a measuring device such as a laser radar (rider), for example, light in a wavelength range of 1400 to 2600 nm, which is difficult to reach the retina of the eye, is projected from a light source, and the light is received by a light receiving element to receive the object. Is being measured. Currently, there are various options for the light source, but the options for the light receiving element are limited, and there are many problems.

これらの近赤外光に受光感度をもつ従来の受光素子としては、低ノイズであり、かつ応答速度が速いという観点から、例えば、インジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)といった化合物半導体が用いられることが多い。
しかし、インジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)を用いる方法は、生産性が非常に悪く、かつ製造コストを要するという問題がある。そこで、生産性が高く、かつ製造コストを抑えられる新しい受光素子が求められている。
As a conventional light receiving element having light receiving sensitivity to these near infrared lights, for example, a compound semiconductor such as indium gallium arsenic (InGaAs) may be used from the viewpoint of low noise and high response speed. many.
However, the method using indium gallium arsenic (InGaAs) has a problem that the productivity is very poor and the manufacturing cost is high. Therefore, there is a demand for a new light receiving element having high productivity and suppressing manufacturing cost.

ところで、インジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)を用いずに、波長1550nm付近の近赤外線領域に受光感度をもつ受光素子としては、ゲルマニウム(Ge)を吸収層に用いた受光素子が知られている。 By the way, as a light receiving element having light receiving sensitivity in the near infrared region near a wavelength of 1550 nm without using indium gallium arsenic (InGaAs), a light receiving element using germanium (Ge) as an absorption layer is known.

このような受光素子としては、真性半導体として、ゲルマニウム(Ge)や、シリコン(Si)-ゲルマニウム(Ge)を用いることで、近赤外線領域の波長の光を吸収し、光通信等の用途で好適に使用できる光学素子が開示されている(特許文献1)。特許文献1では、pドープ領域、真性領域及びnドープ領域を有し、pドープ領域及びnドープ領域の少なくとも一方がアレイ状に配置されたアバランシェフォトダイオード(APD:avalanche photodiode)が開示されている。 As such a light receiving element, germanium (Ge) or silicon (Si) -germanium (Ge) is used as an intrinsic semiconductor to absorb light having a wavelength in the near infrared region, which is suitable for applications such as optical communication. (Patent Document 1) discloses an optical element that can be used in the above. Patent Document 1 discloses an avalanche photodiode (APD) having a p-doped region, an intrinsic region, and an n-doped region in which at least one of the p-doped region and the n-doped region is arranged in an array. ..

また、他の受光素子の例としては、シリコン(Si)層上にゲルマニウム(Ge)を成長させることで、ゲルマニウム(Ge)を吸収層、シリコン(Si)を増幅層としたアバランシェフォトダイオード(APD)の構成が開示されている(非特許文献1)。非特許文献1の受光素子によれば、ゲルマニウム(Ge)はノイズが多いことが知られているものの、シリコン(Si)を増幅層とすることで、低ノイズであり、かつ上述した近赤外線領域の波長に感度を持つセンサーを製造することができることが記載されている。 As an example of another light receiving element, an avalanche photodiode (APD) having germanium (Ge) as an absorption layer and silicon (Si) as an amplification layer by growing germanium (Ge) on a silicon (Si) layer. ) Is disclosed (Non-Patent Document 1). According to the light receiving element of Non-Patent Document 1, it is known that germanium (Ge) has a lot of noise, but by using silicon (Si) as an amplification layer, it has low noise and the above-mentioned near infrared region. It is stated that it is possible to manufacture a sensor that is sensitive to the wavelength of.

これらの光学素子は光通信用の用途に用いることを想定したものであるため、低消費電力であり、かつ応答速度が速くなるように構成されている。そのため、通常、導波路状に形成された吸収層を用いて光を伝播、吸収する構成となっている(図15参照)。導波路状の吸収層は、層厚を薄くしても、光を吸収するための相互作用長(図15のL2)を長くとることができるので、暗電流等に起因するノイズを抑え、応答速度が速くすることができる。また、印加電圧を抑えられるため、消費電力も抑えることができる。 Since these optical elements are intended to be used for optical communication applications, they are configured to have low power consumption and a high response speed. Therefore, the structure is usually such that light is propagated and absorbed by using an absorption layer formed in a waveguide shape (see FIG. 15). Since the waveguide-like absorption layer can have a long interaction length (L2 in FIG. 15) for absorbing light even if the layer thickness is thin, noise caused by dark current or the like can be suppressed and a response can be achieved. The speed can be increased. Further, since the applied voltage can be suppressed, the power consumption can also be suppressed.

しかし、これらの光学素子は、光通信用の用途に用いることを想定したものであり、自由空間からの光を受光する用途に用いることは難しい。
特に、ゲルマニウム(Ge)は屈折率が4程度と非常に大きく、自由空間からの光は、入射角度が大きいものも多いため、吸収層表面で反射してしまう割合も大きく、吸収層にて効率的に吸収することができない。
また、光通信用の用途に用いられる受光素子は、上述したように、吸収層が薄くなっているため、自由空間からの光の受光するための受光素子に用いる場合には、光を吸収するための相互作用長(図8のL1)が短くなり、吸収層において、十分に光を吸収することができないという問題が生じる。また、ゲルマニウム(Ge)からなる吸収層は、ノイズが非常に大きいため、単に吸収層の層厚を厚くしただけでは、応答速度が遅くなるとともに、ノイズが非常に大きくなるため、自由空間からの光を受光する用途に用いることはできない。
However, these optical elements are intended to be used for applications for optical communication, and it is difficult to use them for applications that receive light from free space.
In particular, germanium (Ge) has a very large refractive index of about 4, and since many of the light from free space has a large incident angle, the rate of reflection on the surface of the absorption layer is large, and the efficiency of the absorption layer is high. Cannot be absorbed.
Further, as described above, the light receiving element used for optical communication has a thin absorption layer, and therefore, when used as a light receiving element for receiving light from a free space, it absorbs light. Therefore, the interaction length (L1 in FIG. 8) becomes short, and there arises a problem that the absorption layer cannot sufficiently absorb light. In addition, since the absorption layer made of germanium (Ge) has a very large noise, simply increasing the thickness of the absorption layer slows down the response speed and causes the noise to become very large. It cannot be used for receiving light.

特開2014-107562号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-107562

Nature Photonics,2010,4,527-534.Nature Photonics, 2010, 4,527-534.

本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、生産性が高くて製造コストが低く、かつ自由空間からの光を効率的に受光できるレーザーレーダー装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems and situations, and the solution thereof is to provide a laser radar device having high productivity, low manufacturing cost, and efficiently receiving light from free space. That is.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、基板上に、増幅層、吸収層及び反射防止層を順に有し、前記増幅層は少なくともp-Si層及びn-Si層を有し、前記吸収層は少なくともp-Ge層を有する受光素子とすることによって、当該吸収層の受光感度の大きい近赤外光を自由空間から効率的に受光できることを見いだし、本発明に至った。
すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。
As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have an amplification layer, an absorption layer and an antireflection layer in this order on the substrate, and the amplification layer is at least a p-Si layer and an n-Si layer. By using a light receiving element having at least a p-Ge layer as the absorbing layer, it has been found that near-infrared light having a high light receiving sensitivity of the absorbing layer can be efficiently received from a free space, leading to the present invention. rice field.
That is, the above-mentioned problem according to the present invention is solved by the following means.

1.レーザー光を対象物に対して照射する投光部と、前記対象物で散乱した前記レーザー光の散乱光を受光する受光部と、を備えたレーザーレーダー装置であって、
前記レーザー光の波長が、1400~2600nmの範囲内であり、
前記受光部は、基板上に、シリコン(Si)を含有する増幅層、ゲルマニウム(Ge)を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されてなり、前記散乱光を受光する受光素子を有し、
前記増幅層が、n型にドープされたn-Si層と、p型にドープされたp-Si層とを前記基板上に少なくともこの順に有しており、
前記吸収層が、真性領域であるi-Ge層と、p型にドープされたp-Ge層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有しており、
当該吸収層の厚さが、前記レーザー光の80%以上を吸収する厚さであるレーザーレーダー装置。
1. 1. A laser radar device including a light projecting unit that irradiates an object with a laser beam and a light receiving unit that receives the scattered light of the laser light scattered by the object.
The wavelength of the laser beam is in the range of 1400 to 2600 nm.
The light receiving portion has an amplification layer containing silicon (Si), an absorption layer containing germanium (Ge), and an antireflection layer laminated in this order on a substrate, and has a light receiving element that receives the scattered light. death,
The amplification layer has an n-type doped n—Si layer and a p-type doped p—Si layer on the substrate in at least this order.
The absorption layer has an i-Ge layer, which is an intrinsic region, and a p-type-doped p-Ge layer on the amplification layer in at least this order.
A laser radar device having a thickness of the absorption layer that absorbs 80% or more of the laser beam .

.前記吸収層が、前記i-Ge層と前記増幅層との間に、第2のp-Ge層を有する第項に記載のレーザーレーダー装置。 2 . The laser radar apparatus according to item 1 , wherein the absorption layer has a second p-Ge layer between the i-Ge layer and the amplification layer.

.前記吸収層が、前記p-Ge層よりも高濃度でp型にドープされたp+-Ge層を有し、前記p-Ge層上に前記p+-Ge層が積層されている第1項又は第2項に記載のレーザーレーダー装置。 3 . The first item or that the absorption layer has a p + -Ge layer doped in a p-type at a higher concentration than the p-Ge layer, and the p + -Ge layer is laminated on the p-Ge layer. The laser radar device according to paragraph 2 .

.前記増幅層が、n-Si層とp-Si層との間に、真性領域であるi-Si層を有する第1項から第項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 4 . The laser radar apparatus according to any one of items 1 to 3 , wherein the amplification layer has an i-Si layer which is an intrinsic region between the n-Si layer and the p-Si layer.

.前記反射防止層を形成する材料の屈折率が、1.2~3.5の範囲内である第1項から第項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 5 . The laser radar apparatus according to any one of items 1 to 4 , wherein the refractive index of the material forming the antireflection layer is in the range of 1.2 to 3.5.

.前記反射防止層の表面には、微細な凹凸構造が形成されている第1項から第項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 6 . The laser radar device according to any one of items 1 to 5 , wherein a fine uneven structure is formed on the surface of the antireflection layer.

.前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造である第項に記載のレーザーレーダー装置。 7 . The laser radar device according to item 6 , wherein the fine uneven structure is a moth-eye structure.

.前記反射防止層が、複数の反射防止層が積層された多層構造を有する第1項から第項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 8 . The laser radar device according to any one of items 1 to 7 , wherein the antireflection layer has a multilayer structure in which a plurality of antireflection layers are laminated.

.前記基板の前記吸収層が設けられた側とは反対側に、前記吸収層で受光対象となる光の少なくとも一部を反射する光反射層が形成されている第1項から第項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 9 . Items 1 to 8 are formed on the side of the substrate opposite to the side on which the absorption layer is provided, in which a light reflection layer that reflects at least a part of the light to be received by the absorption layer is formed. The laser radar device according to any one item.

10.前記受光部が、複数の前記受光素子が1次元又は2次元アレイ状に配列されてなる近赤外光検出器を備える第1項から第項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 10 . The laser radar apparatus according to any one of items 1 to 9 , wherein the light receiving unit includes a near-infrared photodetector in which a plurality of the light receiving elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. ..

11.前記レーザー光のレーザー光源が、半導体レーザー又はファイバーレーザーである第1項から第10項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 11 . The laser radar device according to any one of items 1 to 10 , wherein the laser light source of the laser light is a semiconductor laser or a fiber laser.

12.前記投光部から照射された前記レーザー光を主走査方向に走査するための走査部を更に備える第1項から第11項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 12 . The laser radar device according to any one of items 1 to 11 , further comprising a scanning unit for scanning the laser light emitted from the light projecting unit in the main scanning direction.

13.前記走査部として、ポリゴンミラー又はMEMSミラーを用いる第12項に記載のレーザーレーダー装置。 13 . Item 12. The laser radar apparatus according to Item 12, wherein a polygon mirror or a MEMS mirror is used as the scanning unit.

本発明の上記手段によれば、生産性が高くて製造コストが低く、かつ自由空間からの光を効率的に受光できるレーザーレーダー装置を提供することが可能となる。
上記効果の作用機構は、以下のとおりである。
According to the above means of the present invention, it is possible to provide a laser radar device having high productivity, low manufacturing cost, and capable of efficiently receiving light from a free space.
The mechanism of action of the above effects is as follows.

本発明の受光素子は、基板上に、シリコン(Si)を含有する増幅層、ゲルマニウム(Ge)を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されている。
ゲルマニウム(Ge)を含有する吸収層は、屈折率が非常に大きいため、自由空間からの光は、吸収層表面で反射しやすいが、反射防止層によって、受光素子表面での反射を防止することで、受光素子内部への入光量を増やすことができる。
また、本発明の受光素子は、吸収層が、p型にドープされたp-Ge層を少なくとも有している。p-Ge層は、キャリアの移動は遅いもののノイズが少ないので、例えば、p-Ge層の割合を多くして吸収層を厚く設けることで、受光感度(量子効率)を向上させるとともに、ノイズも抑えることができる。
また、本発明は、シリコン(Si)を含有する増幅層を有しているので、吸収層から移動したキャリアの移動を増幅させ、より大きな電流を流すことができる。また、Siを増幅層とすることで、ゲルマニウム(Ge)の吸収波長の光に感度を有しつつ、低ノイズであるセンサーとすることができる。
In the light receiving element of the present invention, an amplification layer containing silicon (Si), an absorption layer containing germanium (Ge), and an antireflection layer are laminated in this order on a substrate.
Since the absorption layer containing germanium (Ge) has a very large refractive index, light from free space is easily reflected on the surface of the absorption layer, but the antireflection layer prevents reflection on the surface of the light receiving element. Therefore, the amount of light entering the inside of the light receiving element can be increased.
Further, in the light receiving element of the present invention, the absorption layer has at least a p-Ge layer doped in a p-type. Since the p-Ge layer moves slowly but has less noise, for example, by increasing the proportion of the p-Ge layer and providing a thick absorption layer, the light receiving sensitivity (quantum efficiency) is improved and noise is also generated. It can be suppressed.
Further, since the present invention has an amplification layer containing silicon (Si), it is possible to amplify the movement of carriers that have moved from the absorption layer and allow a larger current to flow. Further, by using Si as an amplification layer, it is possible to obtain a sensor having low noise while having sensitivity to light having an absorption wavelength of germanium (Ge).

また、本発明の受光素子は、シリコン(Si)層にゲルマニウム(Ge)を積層した受光素子であるため、ウエハサイズの大きなシリコンウエハを用いて生産することができる。そのため、ウエハサイズの小さいシリコンインジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)を用いる方法よりも、生産性が高く、かつ製造コストを低くおさえることができる。 Further, since the light receiving element of the present invention is a light receiving element in which germanium (Ge) is laminated on a silicon (Si) layer, it can be produced by using a silicon wafer having a large wafer size. Therefore, the productivity is higher and the manufacturing cost can be suppressed lower than the method using silicon indium gallium arsenic (InGaAs) having a small wafer size.

レーザーレーダー装置の構成を示すブロック図Block diagram showing the configuration of a laser radar device レーザーレーダー装置の概略構成の一例を示す模式図Schematic diagram showing an example of a schematic configuration of a laser radar device 走査部におけるレーザーの走査について説明するための模式図Schematic diagram for explaining the scanning of the laser in the scanning unit. レーザーレーダー装置の概略構成の他の一例を示す模式図Schematic diagram showing another example of the schematic configuration of a laser radar device レーザーレーダー装置の概略構成の他の一例を示す模式図Schematic diagram showing another example of the schematic configuration of a laser radar device 光学素子がアレイ状に配列された近赤外光検出器の概略構成を示す平面図A plan view showing a schematic configuration of a near-infrared photodetector in which optical elements are arranged in an array. 図6の近赤外光検出器のVII-VII部分の断面図Cross-sectional view of the VII-VII portion of the near-infrared photodetector of FIG. 光学素子の吸収層で自由光を吸収する様子を模式的に示した断面図A cross-sectional view schematically showing how the absorption layer of an optical element absorbs free light. 受光素子の層構成を示す断面図Cross-sectional view showing the layer structure of the light receiving element 図9の受光素子の層構成におけるバンドギャップ図Bandgap diagram in the layer configuration of the light receiving element of FIG. 受光素子の層構成の他の例を示す断面図Cross-sectional view showing another example of the layer structure of the light receiving element 受光素子の層構成の他の例を示す断面図Cross-sectional view showing another example of the layer structure of the light receiving element 吸収層の層厚と光の吸収率の関係を示したグラフGraph showing the relationship between the thickness of the absorption layer and the light absorption rate 反射防止層の有無と光反射率の関係を示したグラフGraph showing the relationship between the presence or absence of an antireflection layer and the light reflectance 導波路状の吸収層を有する従来例に係る光学素子において、吸収層で光を吸収する様子を模式的に示した断面図A cross-sectional view schematically showing how the absorption layer absorbs light in an optical element according to a conventional example having a waveguide-like absorption layer.

本発明のレーザーレーダー装置は、レーザー光を対象物に対して照射する投光部と、当該対象物で散乱した当該レーザー光の散乱光を受光する受光部と、を備えたレーザーレーダー装置であって、前記レーザー光の波長が、1400~2600nmの範囲内であり、前記受光部は、基板上に、シリコン(Si)を含有する増幅層、ゲルマニウム(Ge)を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されてなり、前記散乱光を受光する受光素子を有し、前記増幅層が、n型にドープされたn-Si層と、p型にドープされたp-Si層とを前記基板上に少なくともこの順に有しており、前記吸収層が、真性領域であるi-Ge層と、p型にドープされたp-Ge層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有しており、当該吸収層の厚さが、前記レーザー光の80%以上を吸収する厚さであることを特徴とする。この特徴は、下記実施態様に共通する又は対応する技術的特徴である。 The laser radar device of the present invention is a laser radar device including a light projecting unit that irradiates an object with laser light and a light receiving unit that receives the scattered light of the laser light scattered by the object. The wavelength of the laser light is in the range of 1400 to 2600 nm, and the light receiving portion has an amplification layer containing silicon (Si), an absorption layer containing germanium (Ge), and an antireflection layer on the substrate. Are laminated in this order, and have a light receiving element that receives the scattered light, and the amplification layer includes an n-Si layer doped in an n-type and a p-Si layer doped in a p-type. The absorption layer has at least an i-Ge layer which is an intrinsic region and a p-type doped p-Ge layer on the amplification layer in at least this order on the substrate. The absorption layer is characterized in that it absorbs 80% or more of the laser beam . This feature is a technical feature common to or corresponding to the following embodiments.

また、本発明の実施態様としては、前記吸収層が、前記p-Ge層よりも高濃度でp型にドープされたp-Ge層を有し、前記p-Ge層上に前記p-Ge層が積層されていることが好ましい。これにより、キャリアの移動度を向上させ、応答速度を速くすることができる。また、バンド構造で、p-Ge層とp-Ge層でフェルミ準位が異なるためバンド間で傾きが生じ、電極から電子を取り出しやすくなる。また、p-Ge層上にp-Ge層が積層されていると、電子が増幅層側に導入しやすくなることが期待できる。さらに、電極との接触抵抗を下げることもできる。Further, in an embodiment of the present invention, the absorption layer has a p + -Ge layer doped in a p-type at a higher concentration than the p-Ge layer, and the p + is placed on the p-Ge layer. -It is preferable that the Ge layer is laminated. As a result, the mobility of the carrier can be improved and the response speed can be increased. Further, in the band structure, since the Fermi level is different between the p-Ge layer and the p + -Ge layer, a inclination occurs between the bands, and it becomes easy to take out electrons from the electrode. Further, when the p + -Ge layer is laminated on the p-Ge layer, it can be expected that electrons can be easily introduced to the amplification layer side. Further, the contact resistance with the electrode can be reduced.

また、本発明の実施態様としては、増幅層をpin構造とすることでより大きな増幅作用を得る観点から、前記増幅層が、n-Si層とp-Si層との間に、真性領域であるi-Si層を有することが好ましい。 Further, as an embodiment of the present invention, from the viewpoint of obtaining a larger amplification effect by forming the amplification layer into a pin structure, the amplification layer is formed between the n—Si layer and the p—Si layer in an intrinsic region. It is preferable to have a certain i—Si layer.

また、本発明の実施態様としては、反射を抑えて受光感度を向上させる観点から、前記反射防止層を形成する材料の屈折率が、1.2~3.5の範囲内であることが好ましい。
Further, as an embodiment of the present invention, the refractive index of the material forming the antireflection layer is preferably in the range of 1.2 to 3.5 from the viewpoint of suppressing reflection and improving the light receiving sensitivity. ..

また、本発明の実施態様としては、反射を抑えて受光感度を向上させる観点から、前記反射防止層の表面には、微細な凹凸構造が形成されていることが好ましい。また、前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造であることが好ましい。 Further, as an embodiment of the present invention, it is preferable that a fine uneven structure is formed on the surface of the antireflection layer from the viewpoint of suppressing reflection and improving the light receiving sensitivity. Further, the fine uneven structure is preferably a moth-eye structure.

また、本発明の実施態様としては、反射防止性能を向上させることで受光感度を向上させる観点から、前記反射防止層が、複数の反射防止層が積層された多層構造を有することが好ましい。 Further, as an embodiment of the present invention, from the viewpoint of improving the light receiving sensitivity by improving the antireflection performance, it is preferable that the antireflection layer has a multilayer structure in which a plurality of antireflection layers are laminated.

また、本発明の実施態様としては、前記基板の前記吸収層が設けられた側とは反対側に、前記吸収層で受光対象となる光の少なくとも一部を反射する光反射層が形成されていることが好ましい。これにより、吸収層を通過した光を反射することで再度吸収層を通過させることができるため、光の吸収量を増加させることができ、受光感度を向上させることができる。 Further, in an embodiment of the present invention, a light reflection layer that reflects at least a part of light to be received by the absorption layer is formed on the side of the substrate opposite to the side where the absorption layer is provided. It is preferable to have. As a result, the light that has passed through the absorption layer can be reflected and passed through the absorption layer again, so that the amount of light absorbed can be increased and the light receiving sensitivity can be improved.

また、本発明の実施態様としては、本発明の効果をより有効に得る観点から、前記受光部が、複数の前記受光素子が1次元又は2次元アレイ状に配列されてなる近赤外光検出器を備えることが好ましい。 Further, as an embodiment of the present invention, from the viewpoint of more effectively obtaining the effect of the present invention, the light receiving unit is a near-infrared photodetection in which a plurality of the light receiving elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. It is preferable to have a vessel.

また、本発明の実施態様としては、小型でかつ高出力が可能であるという観点から、前記レーザー光のレーザー光源が、半導体レーザー又はファイバーレーザーであることが好ましい。 Further, as an embodiment of the present invention, it is preferable that the laser light source of the laser beam is a semiconductor laser or a fiber laser from the viewpoint of being compact and capable of high output.

また、本発明の実施態様としては、投光可能な角度を広げる観点から、前記投光部から照射された前記レーザー光を主走査方向に走査するための走査部を更に備えることが好ましい。 Further, as an embodiment of the present invention, from the viewpoint of widening the angle at which the light can be projected, it is preferable to further include a scanning unit for scanning the laser light emitted from the light projecting unit in the main scanning direction.

また、本発明の実施態様としては、投光可能な角度を広げる観点から、前記走査部として、ポリゴンミラー又はMEMSミラーを用いることが好ましい。 Further, as an embodiment of the present invention, it is preferable to use a polygon mirror or a MEMS mirror as the scanning unit from the viewpoint of widening the angle at which light can be projected.

以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細な説明をする。なお、本願において、数値範囲を表す「~」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用している。 Hereinafter, the present invention, its constituent elements, and modes and embodiments for carrying out the present invention will be described in detail. In the present application, "-" indicating a numerical range is used to mean that the numerical values described before and after the numerical range are included as the lower limit value and the upper limit value.

[レーザーレーダー装置]
本実施形態に係るレーザーレーダー装置100は、図1に示すように、例えば、レーザー光Lを対象物500に対して照射する投光部200と、対象物500で散乱したレーザー光Lの散乱光Sを受光する受光部300と、投光部200から照射されたレーザー光Lを主走査方向D1に走査する走査部400とを備える。
また、本実施形態のレーザーレーダー装置100は、走査部400を設けずに、投光部200から出射したレーザー光Lを対象物500に直接照射する構成とすることもできる。しかし、投光可能な角度を広げる観点からは、レーザーレーダー装置100には、走査部400を備えることが好ましい。
[Laser radar device]
As shown in FIG. 1, the laser radar device 100 according to the present embodiment has, for example, a light projecting unit 200 that irradiates the object 500 with the laser light L, and scattered light of the laser light L scattered by the object 500. It includes a light receiving unit 300 that receives S, and a scanning unit 400 that scans the laser beam L emitted from the light projecting unit 200 in the main scanning direction D1.
Further, the laser radar device 100 of the present embodiment may be configured to directly irradiate the object 500 with the laser light L emitted from the light projecting unit 200 without providing the scanning unit 400. However, from the viewpoint of widening the angle at which light can be projected, it is preferable that the laser radar device 100 is provided with a scanning unit 400.

また、図1において、矢印の方向はレーザー光L又は散乱光Sが進む向きを示しており、具体的には、投光部200から照射されたレーザー光Lが走査部400を介して対象物500に照射された後、対象物500で散乱した散乱光Sが走査部400を介して受光部300に戻ることを意味している。 Further, in FIG. 1, the direction of the arrow indicates the direction in which the laser light L or the scattered light S travels. Specifically, the laser light L emitted from the light projecting unit 200 passes through the scanning unit 400 and is an object. This means that after the 500 is irradiated, the scattered light S scattered by the object 500 returns to the light receiving unit 300 via the scanning unit 400.

また、レーザーレーダー装置100では、投光部200からレーザー光Lの照射を開始してから、受光部300で散乱光Sを受光するまでの時間を計測し、当該計測した時間と光速とから、対象物500までの距離を算出することができる。 Further, in the laser radar device 100, the time from the start of irradiation of the laser beam L from the light projecting unit 200 to the reception of the scattered light S by the light receiving unit 300 is measured, and the measured time and the speed of light are used. The distance to the object 500 can be calculated.

[投光部]
投光部200は、レーザー光源210と、投光光学系(例えば、コリメータレンズ220)とを備える(図2等参照)。
レーザー光源210から照射されるレーザー光Lは、波長1400~2600nmの範囲内(アイセーフ波長)のアイセーフレーザーであることが好ましい。アイセーフレーザーとは、目に対する障害閾値の大きなレーザーの総称である。目に障害を与えないレーザー光の強度については、国際電気標準会議(International Electrotechnical Commission, IEC)やアメリカ規格協会などにより安全基準が設定されており、レーザー光に対する最大許容露光量については、レーザー光の波長やレーザーの動作条件等に依存する。例えば、IEC 60825-1:2007規格によれば、波長が1400~2600nmの近赤外線レーザー光は、パルス幅、繰り返し周波数等を変えても他の波長よりも高い許容量を示すため、一般にアイセーフ波長とはこの波長を指す。
[Light projector]
The light projecting unit 200 includes a laser light source 210 and a light projecting optical system (for example, a collimator lens 220) (see FIG. 2 and the like).
The laser light L emitted from the laser light source 210 is preferably an eye-safe laser having a wavelength in the range of 1400 to 2600 nm (eye-safe wavelength). The eye-safe laser is a general term for lasers having a large damage threshold for the eyes. Safety standards have been set by the International Electrotechnical Commission (IEC) and the American Standards Association for the intensity of laser light that does not damage the eyes, and the maximum allowable exposure for laser light is laser light. It depends on the wavelength of the laser and the operating conditions of the laser. For example, according to the IEC 60825: 1: 2007 standard, near-infrared laser light having a wavelength of 1400 to 2600 nm shows a higher tolerance than other wavelengths even if the pulse width, repetition frequency, etc. are changed. Refers to this wavelength.

レーザー光源210は、小型でかつ高出力が可能であるという観点から、半導体レーザー又はファイバーレーザーであることが好ましい。高出力が可能であると、より遠方までの物体を検出することが可能となるため好ましい。
半導体レーザーとしては、複数の光源を2次元に配列させて高出力のレーザー光Lを照射することができる観点から、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)を用いることが好ましい。
ファイバーレーザーとしては、例えば、エルビウムファイバーレーザーが挙げられる。
The laser light source 210 is preferably a semiconductor laser or a fiber laser from the viewpoint of being compact and capable of high output. It is preferable that high output is possible because it is possible to detect an object farther away.
As the semiconductor laser, it is preferable to use a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER) from the viewpoint that a plurality of light sources can be arranged two-dimensionally to irradiate a high-power laser beam L.
Examples of the fiber laser include an erbium fiber laser.

また、投光部200では、レーザー光源210から照射されたレーザー光Lが、投光光学系としてのコリメータレンズ220に入射する。コリメータレンズ220に入射されたレーザー光Lは、レーザー光Lの焦点の位置を調整して平行光線に変換され、走査部400に出射される。
また、投光光学系の構成は適宜変更可能であり、例えば、コリメータレンズ220と走査部400の間に、コリメータレンズ220から出射される平行光の一部のみを通過させることで、平行光を整形し、光量を調節するアパーチャーを設けることとしてもよい。
Further, in the light projecting unit 200, the laser light L emitted from the laser light source 210 is incident on the collimator lens 220 as the light projecting optical system. The laser beam L incident on the collimator lens 220 is converted into parallel rays by adjusting the position of the focal point of the laser beam L, and is emitted to the scanning unit 400.
Further, the configuration of the floodlight optical system can be changed as appropriate. For example, parallel light is transmitted by passing only a part of the parallel light emitted from the collimator lens 220 between the collimator lens 220 and the scanning unit 400. It may be shaped and provided with an aperture that adjusts the amount of light.

[走査部]
走査部400は、投光部200から照射されたレーザー光Lを、主走査方向D1に走査(スキャン)する。走査部400を備えることにより、投光・受光可能な角度が広がり、広範囲への投光・受光が可能となる。走査部400としては、ポリゴンミラー又はMEMSミラーなどの二次元ミラーを用いることが好ましい。
図2には、走査部400としてポリゴンミラーを用いた例を示している。また、図3には、走査部400におけるレーザー光Lの走査を説明する模式図を示す。図3に示すように、ポリゴンミラーでは、当該ポリゴンミラーの中心軸部410を中心にして回動させることによって、レーザー光Lを所定の方向に反射することで、レーザー光Lを主走査方向D1に走査する。これにより、対象物500に対してレーザー光Lをより高い、広い角度で投光することが可能となる。
なお、図3では、ポリゴンミラーで反射される前のレーザー光Lを実線で示しており、ポリゴンミラーで反射された後のレーザー光Lを一点鎖線で示している。
[Scanning unit]
The scanning unit 400 scans (scans) the laser beam L emitted from the light projecting unit 200 in the main scanning direction D1. By providing the scanning unit 400, the angle at which light can be projected and received can be widened, and light can be projected and received over a wide range. As the scanning unit 400, it is preferable to use a two-dimensional mirror such as a polygon mirror or a MEMS mirror.
FIG. 2 shows an example in which a polygon mirror is used as the scanning unit 400. Further, FIG. 3 shows a schematic diagram illustrating scanning of the laser beam L in the scanning unit 400. As shown in FIG. 3, in the polygon mirror, the laser light L is reflected in a predetermined direction by rotating the polygon mirror around the central axis 410, so that the laser light L is transmitted in the main scanning direction D1. Scan to. This makes it possible to project the laser beam L with respect to the object 500 at a higher and wider angle.
In FIG. 3, the laser beam L before being reflected by the polygon mirror is shown by a solid line, and the laser beam L after being reflected by the polygon mirror is shown by a single point chain line.

また、図4には、走査部400としてMEMSミラーを用いた例を示している。MEMSミラーでは、平板形状のミラーの角度を、中心軸部410を中心にして回動させることによって、図3で示したポリゴンミラーの場合と同様に、レーザー光Lを主走査方向D1に走査することができる。 Further, FIG. 4 shows an example in which a MEMS mirror is used as the scanning unit 400. In the MEMS mirror, the laser beam L is scanned in the main scanning direction D1 by rotating the angle of the flat plate-shaped mirror around the central axis portion 410, as in the case of the polygon mirror shown in FIG. be able to.

また、ポリゴンミラー及びMEMSミラーによって、主走査方向D1の走査を行うことについて説明したが、これに限られず、例えば、更に別の反射ミラーを設けて、主走査方向に交差する方向である副走査方向についても走査するようにしてもよい。 Further, although the scanning in the main scanning direction D1 has been described by using the polygon mirror and the MEMS mirror, the present invention is not limited to this, and for example, another reflection mirror is provided to provide a sub-scanning in a direction intersecting the main scanning direction. The direction may also be scanned.

また、走査部400はポリゴンミラー又はMEMSミラーに限定されず、レーザー光を走査できるものであれば良い。例えば、車に装着されるなど、走査部400に振動の影響が及ぶような場合、又は走査部400自体が投光又は受光の妨げとなり得る場合は、これらのミラーの代わりに、例えば、電圧に応じて屈折率が変わる素子を介してレーザー光を伝搬し、当該素子に電圧を加えてその屈折率を変更させることにより、レーザー光の進行方向を変更させてレーザー光を走査させても良い。 Further, the scanning unit 400 is not limited to the polygon mirror or the MEMS mirror, and may be any as long as it can scan the laser beam. For example, if the scanning unit 400 is affected by vibration, such as when mounted on a car, or if the scanning unit 400 itself can interfere with light projection or light reception, instead of these mirrors, for example, a voltage is used. The laser light may be propagated through an element whose refractive index changes accordingly, and a voltage may be applied to the element to change the refractive index, thereby changing the traveling direction of the laser light and scanning the laser light.

また、投光可能な角度がより狭くなるが、図5に示すように、レーザーレーダー装置100に走査部400を設けない構成とし、投光光学系から出射したレーザー光を、対象物500に直接照射することも可能である。 Further, although the angle at which the light can be projected becomes narrower, as shown in FIG. 5, the laser radar device 100 is not provided with the scanning unit 400, and the laser light emitted from the light projection optical system is directly directed to the object 500. It is also possible to irradiate.

[受光部]
受光部300は、近赤外光検出器310と、受光光学系(例えば、集光レンズ320)とを備える。
受光光学系としての集光レンズ320は、対象物500で散乱された散乱光Sを近赤外光検出器310の受光面310sに集光する。
また、受光光学系の構成は適宜変更可能であり、例えば、結像レンズ、光学フィルター等を更に有する構成としてもよい。
[Light receiving section]
The light receiving unit 300 includes a near infrared photodetector 310 and a light receiving optical system (for example, a condenser lens 320).
The condenser lens 320 as a light-receiving optical system collects the scattered light S scattered by the object 500 on the light-receiving surface 310s of the near-infrared light detector 310.
Further, the configuration of the light receiving optical system can be appropriately changed, and for example, the configuration may further include an imaging lens, an optical filter, and the like.

近赤外光検出器310には、近赤外光を受光して電気に変換する受光素子10が配置されている。また、近赤外光検出器310は、受光素子10が1次元又は2次元アレイ状に配列されていることが好ましい。図6にはその一例として、2行×5列の計10個の受光素子10がアレイ状に配列された構成を示す。また、図7には、図6のVII-VII部分の断面図を示す。
近赤外光検出器310の各受光素子10は、ゲルマニウム(Ge)の吸収層40を有しているため、自由空間からの近赤外光を受光し検出する用途に好適に用いることができる。
The near-infrared photodetector 310 is provided with a light-receiving element 10 that receives near-infrared light and converts it into electricity. Further, in the near-infrared photodetector 310, it is preferable that the light receiving elements 10 are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. As an example, FIG. 6 shows a configuration in which a total of 10 light receiving elements 10 in 2 rows × 5 columns are arranged in an array. Further, FIG. 7 shows a cross-sectional view of the VII-VII portion of FIG.
Since each light receiving element 10 of the near infrared photodetector 310 has a germanium (Ge) absorbing layer 40, it can be suitably used for applications in which near infrared light from a free space is received and detected. ..

近赤外光検出器310は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)ウエハに、公知の方法を用いてパターニングすることによって製造することができる。
具体的には、例えば、米国特許第6812495号明細書、米国特許第6946318号明細書に記載されているように、シリコン(Si)の基板20上に、公知のUHV-CVD法を用いてゲルマニウム(Ge)を成長させることにより製造することができる。
The near-infrared photodetector 310 can be manufactured, for example, by patterning an SOI (Silicon on Insulator) wafer using a known method.
Specifically, for example, as described in US Pat. No. 6,816,495 and US Pat. No. 6,946,318, germanium is used on a silicon (Si) substrate 20 using a known UHV-CVD method. It can be produced by growing (Ge).

[受光素子]
本発明の受光素子10は、基板20上に、シリコン(Si)を含有する増幅層30、ゲルマニウム(Ge)を含有する吸収層40及び反射防止層50がこの順に積層されており、増幅層30が、n型にドープされたn-Si層31と、p型にドープされたp-Si層33とを基板20上に少なくともこの順に有しており、吸収層40が、p型にドープされたp-Ge層42を少なくとも有することを特徴とする。
[Light receiving element]
In the light receiving element 10 of the present invention, an amplification layer 30 containing silicon (Si), an absorption layer 40 containing germanium (Ge), and an antireflection layer 50 are laminated in this order on a substrate 20, and the amplification layer 30 is formed. However, the n-Si layer 31 doped in the n-type and the p-Si layer 33 doped in the p-type are provided on the substrate 20 in at least this order, and the absorption layer 40 is doped in the p-type. It is characterized by having at least a p-Ge layer 42.

受光素子10の層構成としては、具体的には、以下の例を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
(i) 基板/n-Si層/p-Si層/p-Ge層/反射防止層
(ii) 基板/n-Si層/p-Si層/i-Ge層/p-Ge層/反射防止層
(iii) 基板/n-Si層/p-Si層/i-Ge層/p-Ge層/p-Ge層/反射防止層
(iv) 基板/n-Si層/p-Si層/p-Ge層/i-Ge層/p-Ge層/反射防止層
(v) 基板/n-Si層/p-Si層/p-Ge層/i-Ge層/p-Ge層/p-Ge層/反射防止層
(vi) 基板/n-Si層/i-Si層/p-Si層/p-Ge層/反射防止層
(vii) 基板/n-Si層/i-Si層/p-Si層/i-Ge層/p-Ge層/反射防止層
(viii)基板/n-Si層/i-Si層/p-Si層/i-Ge層/p-Ge層/p-Ge層/反射防止層
(ix) 基板/n-Si層/i-Si層/p-Si層/p-Ge層/i-Ge層/p-Ge層/反射防止層
(x) 基板/n-Si層/i-Si層/p-Si層/p-Ge層/i-Ge層/p-Ge層/p-Ge層/反射防止層
Specific examples of the layer structure of the light receiving element 10 include, but are not limited to, the following examples.
(i) Substrate / n-Si layer / p-Si layer / p-Ge layer / antireflection layer
(ii) Substrate / n-Si layer / p-Si layer / i-Ge layer / p-Ge layer / antireflection layer
(iii) Substrate / n-Si layer / p-Si layer / i-Ge layer / p-Ge layer / p + -Ge layer / antireflection layer
(iv) Substrate / n-Si layer / p-Si layer / p-Ge layer / i-Ge layer / p-Ge layer / antireflection layer
(v) Substrate / n-Si layer / p-Si layer / p-Ge layer / i-Ge layer / p-Ge layer / p + -Ge layer / antireflection layer
(vi) Substrate / n-Si layer / i-Si layer / p-Si layer / p-Ge layer / antireflection layer
(vii) Substrate / n-Si layer / i-Si layer / p-Si layer / i-Ge layer / p-Ge layer / antireflection layer
(viii) Substrate / n-Si layer / i-Si layer / p-Si layer / i-Ge layer / p-Ge layer / p + -Ge layer / antireflection layer
(ix) Substrate / n-Si layer / i-Si layer / p-Si layer / p-Ge layer / i-Ge layer / p-Ge layer / antireflection layer
(x) Substrate / n-Si layer / i-Si layer / p-Si layer / p-Ge layer / i-Ge layer / p-Ge layer / p + -Ge layer / antireflection layer

また、以下に一例を示すように、基板20の底面側(吸収層40が設けられた側とは反対側)に、さらに光反射層60が積層された構成とすることも好ましい。
(xi) 光反射層/基板/n-Si層/i-Si層/p-Si層/i-Ge層/p-Ge層/p-Ge層/反射防止層
Further, as shown below as an example, it is also preferable that the light reflection layer 60 is further laminated on the bottom surface side of the substrate 20 (the side opposite to the side where the absorption layer 40 is provided).
(xi) Light reflection layer / substrate / n-Si layer / i-Si layer / p-Si layer / i-Ge layer / p-Ge layer / p + -Ge layer / antireflection layer

図9には、一例として、上記(viii)の層構成である、基板20上に、n-Si層31、i-Si層32及びp-Si層33から形成される増幅層30と、i-Ge層41、p-Ge層42及びp-Ge層43から形成される吸収層40と、反射防止層50とがこの順で積層された受光素子10を示した。
また、図9に示すように、例えば、n-Si層31に接する箇所と、吸収層40の上面に、それぞれ電極70,71が設けられている。これらの電極70,71は図示しない配線等により回路を形成しており、電極間に電位差を生じさせることができるとともに、吸収層40が光を吸収することによって生じた電子を取り出すことができるようになっている。
なお、電極70,71を設ける位置は、上述したように、電位差を生じさせることができ、光を吸収することによって生じた電子を取り出すことができれば、適宜変更可能である。
In FIG. 9, as an example, an amplification layer 30 formed of an n—Si layer 31, an i—Si layer 32, and a p—Si layer 33 on a substrate 20, which is the layer structure of the above (viii), and i. The light receiving element 10 in which the absorption layer 40 formed from the −Ge layer 41, the p—Ge layer 42, and the p +Ge layer 43 and the antireflection layer 50 are laminated in this order is shown.
Further, as shown in FIG. 9, for example, electrodes 70 and 71 are provided at a portion in contact with the n—Si layer 31 and on the upper surface of the absorption layer 40, respectively. These electrodes 70 and 71 form a circuit by wiring or the like (not shown) so that a potential difference can be generated between the electrodes and the electrons generated by the absorption layer 40 absorbing light can be taken out. It has become.
As described above, the positions where the electrodes 70 and 71 are provided can be appropriately changed as long as a potential difference can be generated and the electrons generated by absorbing the light can be taken out.

また、図10には、図9に示した上記(viii)の層構成とした受光素子10について、逆バイアスの電圧を印加した際のバンド構造を示した。 Further, FIG. 10 shows the band structure of the light receiving element 10 having the layer structure of the above (viii) shown in FIG. 9 when a reverse bias voltage is applied.

基板20としては、本発明の効果が得られるものであれば特に限られないが、例えば、シリコン基板が用いられる。 The substrate 20 is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained, but for example, a silicon substrate is used.

増幅層30は、n型にドープされたn-Si層31と、p型にドープされたp-Si層33とを基板20上に少なくともこの順に有しており、吸収層40から移動したキャリアの移動を増幅させ、より大きな電流を流させる機能を果たしている。
また、増幅層30は、増幅量を増やす観点から、n-Si層31と、p型にドープされたp-Si層33との間に、真性領域であるi-Si層32を有する構成とし、pin構造によって形成されていることが好ましい。
The amplification layer 30 has an n-type doped n—Si layer 31 and a p-type doped p—Si layer 33 on the substrate 20 in at least this order, and carriers transferred from the absorption layer 40. It has the function of amplifying the movement of silicon and allowing a larger current to flow.
Further, from the viewpoint of increasing the amplification amount, the amplification layer 30 has a configuration in which the i-Si layer 32, which is an intrinsic region, is provided between the n—Si layer 31 and the p-Si layer 33 doped with the p-type. , It is preferably formed by a pin structure.

また、受光素子10に設けられた電極間に高い逆バイアスをかけることで、アバランシェフォトダイオード(APD:avalanche photodiode)として動作させることが好ましい。アバランシェ効果により、10~100倍程度の増倍率といった増幅効果を得ることができる。
n-Si層31やp-Si層33のドープ領域は、例えば、公知のイオン注入法や熱拡散法による方法によって、形成することができる。
Further, it is preferable to operate as an avalanche photodiode (APD) by applying a high reverse bias between the electrodes provided in the light receiving element 10. Due to the avalanche effect, an amplification effect such as a magnification of about 10 to 100 times can be obtained.
The dope region of the n—Si layer 31 and the p—Si layer 33 can be formed by, for example, a known ion implantation method or a heat diffusion method.

増幅層30の厚さは、印加電圧に応じて適宜変更可能であり、用途に応じて十分な増幅効果を得られれば、特に制限はない。 The thickness of the amplification layer 30 can be appropriately changed according to the applied voltage, and is not particularly limited as long as a sufficient amplification effect can be obtained according to the application.

吸収層40は、p型にドープされたp-Ge層42を少なくとも有しており、ゲルマニウム(Ge)の吸収波長の光を吸収する機能を果たしている。本発明の吸収層40では、特に近赤外線領域である波長1400~1550nmの範囲内の光を吸収するのに適している。 The absorption layer 40 has at least a p-Ge layer 42 doped with a p-type, and functions to absorb light having an absorption wavelength of germanium (Ge). The absorption layer 40 of the present invention is particularly suitable for absorbing light in the wavelength range of 1400 to 1550 nm, which is a near-infrared region.

また、吸収層40は、使用用途に応じて求められるノイズレベルや応答速度によって、以下のように適宜層構成を変更して用いることが好ましい。
例えば、ノイズを小さくすることが求められる場合には、吸収層40のうち、p-Ge層42の占める割合を大きくすることが好ましく、全てをp-Ge層42によって形成してもよい。
また、応答速度を速くすることが求められる場合には、吸収層40が、真性領域であるi-Ge層41を有する構成とし、具体的には、増幅層30上に、i-Ge層41、p-Ge層42がこの順に積層された構成とすることが好ましい。i-Ge層41は、p-Ge層42とp-Si層33の間に位置しているため、p-Ge層42とp-Si層33のフェルミ準位の差によって、逆バイアスの電圧をかけると、バンド構造では図10に示すような傾きが生じる。したがって、i-Ge層41において、キャリアの移動速度を速め、応答速度を速くすることができる。
Further, it is preferable to use the absorption layer 40 by appropriately changing the layer structure as follows depending on the noise level and the response speed required according to the intended use.
For example, when it is required to reduce noise, it is preferable to increase the proportion of the p-Ge layer 42 in the absorption layer 40, and all of the absorption layer 40 may be formed by the p-Ge layer 42.
Further, when it is required to increase the response speed, the absorption layer 40 is configured to have the i-Ge layer 41 which is an intrinsic region, and specifically, the i-Ge layer 41 is placed on the amplification layer 30. , P-Ge layers 42 are preferably laminated in this order. Since the i-Ge layer 41 is located between the p-Ge layer 42 and the p-Si layer 33, the reverse bias voltage is caused by the difference in the Fermi level between the p-Ge layer 42 and the p-Si layer 33. When applied, the band structure is tilted as shown in FIG. Therefore, in the i-Ge layer 41, the moving speed of the carrier can be increased and the response speed can be increased.

また、吸収層40が、i-Ge層41と増幅層30との間に、第2のp-Ge層44を有する構成とすることもできる(図11)。 Further, the absorption layer 40 may be configured to have a second p-Ge layer 44 between the i-Ge layer 41 and the amplification layer 30 (FIG. 11).

また、p-Ge層42の上に、p-Ge層42よりも高濃度でp型にドープされたp-Ge層43を有する構成とすることが好ましい。これにより、キャリアの移動度を向上させ、応答速度を速くすることができる。また、バンド構造で、p-Ge層42とp-Ge層43でフェルミ準位が異なるためバンド間で傾きが生じるため、電極71から電子を取り出しやすくなる。また、p-Ge層42上にp-Ge層43が積層されていると、電子を増幅層30側に導入しやすくできることが期待できる。さらに、電極71との接触抵抗を下げることもできる。
また、本明細書でいうp-Ge層43とは、上述したように、p-Ge層42よりも高濃度でp型にドープされたGe層であると定義している。
Further, it is preferable that the p-Ge layer 42 has a p + -Ge layer 43 doped in a p-type at a higher concentration than the p-Ge layer 42. As a result, the mobility of the carrier can be improved and the response speed can be increased. Further, in the band structure, since the Fermi level is different between the p-Ge layer 42 and the p + -Ge layer 43, an inclination occurs between the bands, so that electrons can be easily taken out from the electrode 71. Further, when the p + -Ge layer 43 is laminated on the p-Ge layer 42, it can be expected that electrons can be easily introduced to the amplification layer 30 side. Further, the contact resistance with the electrode 71 can be reduced.
Further, as described above, the p + -Ge layer 43 referred to in the present specification is defined as a Ge layer doped with a p-type at a higher concentration than the p-Ge layer 42.

p-Ge層42やp-Ge層43のドープ領域は、例えば、公知のイオン注入法や熱拡散法による方法によって、形成することができる。The dope region of the p-Ge layer 42 and the p + -Ge layer 43 can be formed by, for example, a known ion implantation method or a heat diffusion method.

吸収層40は、例えば、基板20及び増幅層30を600℃程度に加熱をして、ゲルマニウム(Ge)の原料ガスであるGeHを用いて、エピタキシャル成長によってGeを増幅層30上に堆積することによって形成することができる。For the absorption layer 40, for example, the substrate 20 and the amplification layer 30 are heated to about 600 ° C., and Ge is deposited on the amplification layer 30 by epitaxial growth using GeH 4 , which is a raw material gas for germanium (Ge). Can be formed by.

吸収層40の厚さLは、受光対象とする光の波長におけるゲルマニウム(Ge)の吸収係数をαとしたとき、下記式を満たすことが好ましい。
exp(-L×α)>0.8
〔αは、受光対象とする光の波長におけるゲルマニウム(Ge)の吸収係数を表す。〕
また、上記式をLについて計算すると下記式(1)のようになる。
式(1):L<(ln0.8)/α
The thickness L of the absorption layer 40 preferably satisfies the following formula, where α is the absorption coefficient of germanium (Ge) at the wavelength of the light to be received.
exp (-L x α)> 0.8
[Α represents the absorption coefficient of germanium (Ge) at the wavelength of the light to be received. ]
Further, when the above equation is calculated for L, it becomes the following equation (1).
Equation (1): L <(ln0.8) / α

上記式(1)を満たすということは、吸収層40の厚さをLとした場合に、受光対象の光の80%を、吸収層40で吸収できる厚さであることを意味している。 Satisfying the above formula (1) means that when the thickness of the absorption layer 40 is L, 80% of the light to be received is absorbed by the absorption layer 40.

また、吸収層40の厚さが200nm、500nm、3μm(3000nm)、5μm(5000nm)である場合について、複素屈折率の虚部にk=0.123を使用して、吸収波長(nm)と吸光度の関係を計算した結果を図13に示す。図13からわかるように、例えば、1550nmの光の吸収を計算すると、3μmの厚さで、90%を超え、100%近くの光を吸収することができる。
以上より、光を十分に吸収し受光感度を向上させる観点からは、吸収層40の厚さLが、3μm以上であることが好ましい。
Further, when the thickness of the absorption layer 40 is 200 nm, 500 nm, 3 μm (3000 nm), and 5 μm (5000 nm), k = 0.123 is used for the imaginary part of the complex refractive index to determine the absorption wavelength (nm). The result of calculating the relationship of absorbance is shown in FIG. As can be seen from FIG. 13, for example, when the absorption of light at 1550 nm is calculated, it is possible to absorb more than 90% and nearly 100% of light with a thickness of 3 μm.
From the above, from the viewpoint of sufficiently absorbing light and improving the light receiving sensitivity, the thickness L of the absorption layer 40 is preferably 3 μm or more.

ところで、仮に吸収層40の全てをp-Ge層42とした場合、吸収層40に電界をかけない場合には、電子は拡散速度で吸収層40を移動することとなる。この場合、電子が正孔と再結合して消滅するまで平均時間(いわゆる少数キャリア寿命)の間、電子が拡散速度で移動するとした場合、移動距離は約7μm程度となる。したがって、吸収層40から増幅層30に電子にキャリアを移動させやすくする観点からは、吸収層40の厚さが7μm以下であることが好ましい。また、吸収層40の厚さを7μm以下とすることで、計測用のデバイスに使用する際に十分な応答速度を得ることができる。 By the way, if all of the absorption layer 40 is a p-Ge layer 42, if an electric field is not applied to the absorption layer 40, electrons will move in the absorption layer 40 at a diffusion rate. In this case, if the electrons move at the diffusion rate during the average time (so-called minority carrier lifetime) until the electrons recombine with the holes and disappear, the moving distance is about 7 μm. Therefore, from the viewpoint of facilitating the transfer of carriers from the absorption layer 40 to the amplification layer 30, the thickness of the absorption layer 40 is preferably 7 μm or less. Further, by setting the thickness of the absorption layer 40 to 7 μm or less, a sufficient response speed can be obtained when used in a device for measurement.

反射防止層50としては、吸収層40表面での反射を効率的に抑える観点から、反射防止層50を形成する材料の屈折率が、1.2~3.5の範囲内であることが好ましく、1.4~3.0の範囲内であることが特に好ましい。
ここで、反射防止層50の有無と光反射率の関係を示したグラフを図14に示す。反射防止層50を設けなかった場合の吸収層40での光反射率は、図14の(a)に示すとおり、約36%である。また、屈折率が、それぞれ(b)1.2、(c)1.4、(d)2.0、(e)3.0、(f)3.5の材料からなり、厚さが最適化された反射防止層50を設けた場合の光反射率(%)をそれぞれ図14に示す。図14の(d)からわかるとおり、屈折率2.0の材料からなる反射防止層50では、波長約1550nmの光の反射率をほぼ0程度に抑えることができ、吸収層40表面での反射を効率的に抑えることができる。また、屈折率が1.2~3.5の材料によって形成された反射防止層50を設けた場合には、本発明に係る吸収層40に適した波長1400~1550nmの範囲内の光の反射を好適に抑えることができる。
屈折率が1.2~3.5の範囲内となる材料としては、例えば、屈折率約2.0の窒化ケイ素(SiN)や屈折率約1.5の二酸化ケイ素(SiO)、屈折率約3.5のケイ素(Si)を用いることが好ましい。
As the antireflection layer 50, the refractive index of the material forming the antireflection layer 50 is preferably in the range of 1.2 to 3.5 from the viewpoint of efficiently suppressing reflection on the surface of the absorption layer 40. , 1.4 to 3.0 is particularly preferable.
Here, FIG. 14 shows a graph showing the relationship between the presence / absence of the antireflection layer 50 and the light reflectance. The light reflectance in the absorption layer 40 when the antireflection layer 50 is not provided is about 36% as shown in FIG. 14 (a). Further, the material has a refractive index of (b) 1.2, (c) 1.4, (d) 2.0, (e) 3.0, and (f) 3.5, respectively, and the thickness is optimum. 14 shows the light reflectance (%) when the antireflection layer 50 is provided. As can be seen from (d) of FIG. 14, in the antireflection layer 50 made of a material having a refractive index of 2.0, the reflectance of light having a wavelength of about 1550 nm can be suppressed to about 0, and the reflection on the surface of the absorption layer 40 can be suppressed. Can be efficiently suppressed. Further, when the antireflection layer 50 formed of a material having a refractive index of 1.2 to 3.5 is provided, the reflection of light within the wavelength range of 1400 to 1550 nm suitable for the absorption layer 40 according to the present invention. Can be suitably suppressed.
Examples of the material having a refractive index in the range of 1.2 to 3.5 include silicon nitride (SiN) having a refractive index of about 2.0, silicon dioxide (SiO 2 ) having a refractive index of about 1.5, and a refractive index. It is preferable to use about 3.5 silicon (Si).

また、反射防止層50としては、吸収層40表面での反射を効率的に抑える観点から、微細な凹凸構造51が形成されることも好ましい。微細な凹凸構造51としては、例えば、吸収層40に近づくにつれて実質的な屈折率が上昇する形状を有することが好ましく、このような凹凸構造51として、モスアイ構造を用いることが好ましい。
モスアイ構造としては、図12に模式図を示すように、例えば、錐体形状の凸部を複数設けることにより形成することができる。
また、モスアイ構造における錐体形状は、特に限定されるものではなく、円錐形状、角錐形状、円錐台形状、角錐台形状、釣鐘形状、楕円錐台形状など、反射防止機能を有する錐体形状であれば適宜選択可能である。
Further, as the antireflection layer 50, it is also preferable that a fine concavo-convex structure 51 is formed from the viewpoint of efficiently suppressing reflection on the surface of the absorption layer 40. The fine concavo-convex structure 51 preferably has a shape in which the refractive index substantially increases as it approaches the absorption layer 40, and it is preferable to use a moth-eye structure as such a concavo-convex structure 51.
As shown in the schematic diagram in FIG. 12, the moth-eye structure can be formed, for example, by providing a plurality of cone-shaped convex portions.
The pyramid shape in the moth-eye structure is not particularly limited, and is a cone shape having an antireflection function such as a cone shape, a pyramid shape, a truncated cone shape, a pyramid cone shape, a bell shape, and an elliptical pyramid shape. If there is, it can be selected as appropriate.

モスアイ構造における実質的な屈折率は、モスアイ構造を形成する材料の材質、錐体形状の厚さ方向における構造体と空間の割合の変化率、凹凸のピッチ及び深さなどにより決定されるため、これらを適宜調節することで、屈折率を上述した1.2~3.5の範囲内となるように調整すればよい。凹凸のピッチは、例えば、1000~1600nmであることが好ましく、凹凸の深さは、ピッチの0.5~5倍であることが好ましく、1~3倍であることがさらに好ましい。 Since the substantial refractive index in the moth-eye structure is determined by the material of the material forming the moth-eye structure, the rate of change in the ratio of the structure to the space in the thickness direction of the cone shape, the pitch and depth of the unevenness, and the like. By appropriately adjusting these, the refractive index may be adjusted to be within the range of 1.2 to 3.5 described above. The pitch of the unevenness is preferably, for example, 1000 to 1600 nm, and the depth of the unevenness is preferably 0.5 to 5 times the pitch, and more preferably 1 to 3 times the pitch.

また、反射防止層50としては、反射防止性能を向上させることで受光感度を向上させる観点から、複数の反射防止層50が積層された多層構造を有する構成とすることが好ましい。
また、吸収層40表面での反射を効率的に抑える観点からは、受光対象となる光の波長をλとしたとき、光学層厚が(λ/4)の奇数倍の反射防止層50が、1層又は複数層積層されていることが好ましい。これにより、反射防止層50に設けた各層における上面及び下面で反射した光が打消しあうため、光の反射を効果的に防止することができる。
Further, the antireflection layer 50 is preferably configured to have a multilayer structure in which a plurality of antireflection layers 50 are laminated, from the viewpoint of improving the light receiving sensitivity by improving the antireflection performance.
Further, from the viewpoint of efficiently suppressing reflection on the surface of the absorption layer 40, when the wavelength of the light to be received light is λ, the antireflection layer 50 having an optical layer thickness of (λ / 4) an odd multiple is formed. It is preferable that one layer or a plurality of layers are laminated. As a result, the light reflected on the upper surface and the lower surface of each layer provided on the antireflection layer 50 cancel each other out, so that the reflection of the light can be effectively prevented.

(反射率とSN比の関係について)
光学素子に逆バイアスをかけてアバランシェフォトダイオード(APD)として動作させる際に、SN比を以下式(A1)によって計算することができる。
(Relationship between reflectance and signal-to-noise ratio)
When the optical element is reverse-biased to operate as an avalanche photodiode (APD), the SN ratio can be calculated by the following equation (A1).

Figure 0007060009000001
Figure 0007060009000001

上記式(A1)において、S:信号、N:ノイズ、q:電荷、η:量子効率、Popt:入射光のパワー、h:プランク定数、ν:光周波数、Ip:ショットノイズ電流、I:背景光ノイズ電流、I:暗電流、F(M):ノイズファクター、B:帯域、k:ボルツマン定数、T:絶対温度、Req:負荷抵抗、M:増倍率を表す。
なお、シリコン(Si)によって構成される増幅層30でのノイズは、ゲルマニウム(Ge)によって構成される吸収層40のノイズの1/100以下であるため、上記計算では無視している。
In the above equation (A1), S: signal, N: noise, q: charge, η: quantum efficiency, Popt : power of incident light, h: Planck's constant, ν: optical frequency, Ip : shot noise current, IB. : Background light noise current, ID : Dark current, F (M): Noise factor, B: Band, k: Boltzmann constant, T: Absolute temperature, R eq : Load resistance, M: Multiplier.
Since the noise in the amplification layer 30 made of silicon (Si) is 1/100 or less of the noise in the absorption layer 40 made of germanium (Ge), it is ignored in the above calculation.

本発明の受光素子10では、図14に示したように、反射防止層50を設けない場合には、吸収層40における波長1550nmの光の反射率は約36%程度であり、屈折率約2.0の窒化ケイ素(SiN)により形成された反射防止層50を設けた場合の反射率は、ほぼ0%とすることができる。
このとき、上記式(A1)によって、SN比が1となる入射光のパワー(W)を計算すると、反射率が仮に40%の場合は100nW程度であり、反射率が仮に0%の場合は20nWとなる。また、反射率40%と反射率0%では、吸収層40に入光する光の強さは、(1.0-0.4):(1.0-0)=3:5となる。ここで、SN比には、入射光のパワーが(Popt)2乗で効果があるため、反射防止層50によって反射率を40%から0%にした場合には、受光感度は52/32倍、すなわち約2.8倍程度向上することができる。
In the light receiving element 10 of the present invention, as shown in FIG. 14, when the antireflection layer 50 is not provided, the reflectance of light having a wavelength of 1550 nm in the absorption layer 40 is about 36%, and the refractive index is about 2. When the antireflection layer 50 formed of the silicon nitride (SiN) of 0.0 is provided, the reflectance can be set to almost 0%.
At this time, when the power (W) of the incident light having an SN ratio of 1 is calculated by the above equation (A1), it is about 100 nW when the reflectance is 40%, and when the reflectance is 0%, it is about 100 nW. It will be 20 nW. Further, when the reflectance is 40% and the reflectance is 0%, the intensity of the light entering the absorption layer 40 is (1.0-0.4) :( 1.0-0) = 3: 5. Here, since the power of the incident light is (Popt) squared, the SN ratio is effective, so when the reflectance is changed from 40% to 0% by the antireflection layer 50, the light receiving sensitivity is 52/32 times. That is, it can be improved by about 2.8 times.

光反射層60は、基板20の下面(吸収層40が設けられた側とは反対側)に設けられており、吸収層40を通過した光があった場合に、基板20を通過した光の少なくとも一部を反射させて再度吸収層40を通過できるようにしている。これにより、吸収層40における吸収率を向上させることができる。
光反射層60としては、受光対象となる近赤外光の少なくとも一部を反射することができれば特に限られず、無機、有機いずれの材料を用いて形成しても良く、形成方法も特に限定されない。
具体的には、例えば、無機材料としてはITO(酸化インジウムスズ)やATO(アンチモンドープ酸化スズ)等を、また、有機材料としてはポリカーボネート樹脂等を用いることができる。
The light reflection layer 60 is provided on the lower surface of the substrate 20 (the side opposite to the side where the absorption layer 40 is provided), and when there is light that has passed through the absorption layer 40, the light that has passed through the substrate 20 At least a part of it is reflected so that it can pass through the absorption layer 40 again. Thereby, the absorption rate in the absorption layer 40 can be improved.
The light reflecting layer 60 is not particularly limited as long as it can reflect at least a part of the near-infrared light to be received, and may be formed by using either an inorganic or organic material, and the forming method is not particularly limited. ..
Specifically, for example, ITO (indium tin oxide), ATO (antimony-doped tin oxide) and the like can be used as the inorganic material, and polycarbonate resin and the like can be used as the organic material.

以上で説明した本発明の実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。すなわち、本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments of the present invention described above are exemplary in all respects and not restrictive. That is, the scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

本発明は、レーザー照射に対する散乱光を検出し、対象物までの距離を計測するレーザーレーダー装置に利用することができる。 The present invention can be used in a laser radar device that detects scattered light due to laser irradiation and measures the distance to an object.

10 受光素子
20 基板
30 増幅層
31 n-Si層
32 i-Si層
33 p-Si層
40 吸収層
41 i-Ge層
42 p-Ge層
43 p-Ge層
44 第2のp-Ge層
50 反射防止層
51 凹凸構造
60 光反射層
100 レーザーレーダー装置
200 投光部
210 レーザー光源
300 受光部
310 近赤外光検出器
400 走査部
500 対象物
L レーザー光
S 散乱光
D1 主走査方向
10 Light receiving element 20 Substrate 30 Amplification layer 31 n-Si layer 32 i-Si layer 33 p-Si layer 40 Absorption layer 41 i-Ge layer 42 p-Ge layer 43 p + -Ge layer 44 Second p-Ge layer 50 Anti-reflection layer 51 Concavo-convex structure 60 Light-reflecting layer 100 Laser radar device 200 Light-emitting unit 210 Laser light source 300 Light-receiving unit 310 Near-infrared light detector 400 Scanning unit 500 Object L Laser light S Scattered light D1 Main scanning direction

Claims (13)

レーザー光を対象物に対して照射する投光部と、前記対象物で散乱した前記レーザー光の散乱光を受光する受光部と、を備えたレーザーレーダー装置であって、
前記レーザー光の波長が、1400~2600nmの範囲内であり、
前記受光部は、基板上に、シリコン(Si)を含有する増幅層、ゲルマニウム(Ge)を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されてなり、前記散乱光を受光する受光素子を有し、
前記増幅層が、n型にドープされたn-Si層と、p型にドープされたp-Si層とを前記基板上に少なくともこの順に有しており、
前記吸収層が、真性領域であるi-Ge層と、p型にドープされたp-Ge層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有しており、
当該吸収層の厚さが、前記レーザー光の80%以上を吸収する厚さであるレーザーレーダー装置。
A laser radar device including a light projecting unit that irradiates an object with a laser beam and a light receiving unit that receives the scattered light of the laser light scattered by the object.
The wavelength of the laser beam is in the range of 1400 to 2600 nm.
The light receiving portion has an amplification layer containing silicon (Si), an absorption layer containing germanium (Ge), and an antireflection layer laminated in this order on a substrate, and has a light receiving element that receives the scattered light. death,
The amplification layer has an n-type doped n—Si layer and a p-type doped p—Si layer on the substrate in at least this order.
The absorption layer has an i-Ge layer, which is an intrinsic region, and a p-type-doped p-Ge layer on the amplification layer in at least this order.
A laser radar device having a thickness of the absorption layer that absorbs 80% or more of the laser beam .
前記吸収層が、前記i-Ge層と前記増幅層との間に、第2のp-Ge層を有する請求項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar apparatus according to claim 1 , wherein the absorption layer has a second p-Ge layer between the i-Ge layer and the amplification layer. 前記吸収層が、前記p-Ge層よりも高濃度でp型にドープされたp-Ge層を有し、前記p-Ge層上に前記p-Ge層が積層されている請求項1又は請求項2に記載のレーザーレーダー装置。 The claim that the absorption layer has a p + -Ge layer doped in a p-type at a higher concentration than the p-Ge layer, and the p + -Ge layer is laminated on the p-Ge layer. 1 or the laser radar apparatus according to claim 2 . 前記増幅層が、n-Si層とp-Si層との間に、真性領域であるi-Si層を有する請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the amplification layer has an i-Si layer which is an intrinsic region between the n—Si layer and the p—Si layer. 前記反射防止層を形成する材料の屈折率が、1.2~3.5の範囲内である請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the refractive index of the material forming the antireflection layer is in the range of 1.2 to 3.5. 前記反射防止層の表面には、微細な凹凸構造が形成されている請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar device according to any one of claims 1 to 5 , wherein a fine uneven structure is formed on the surface of the antireflection layer. 前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造である請求項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar device according to claim 6 , wherein the fine uneven structure is a moth-eye structure. 前記反射防止層が、複数の反射防止層が積層された多層構造を有する請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar apparatus according to any one of claims 1 to 7 , wherein the antireflection layer has a multilayer structure in which a plurality of antireflection layers are laminated. 前記基板の前記吸収層が設けられた側とは反対側に、前記吸収層で受光対象となる光の少なくとも一部を反射する光反射層が形成されている請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The first to eighth aspects of the substrate, wherein a light reflecting layer that reflects at least a part of the light to be received by the absorbing layer is formed on the side opposite to the side where the absorbing layer is provided. The laser radar device according to any one. 前記受光部が、複数の前記受光素子が1次元又は2次元アレイ状に配列されてなる近赤外光検出器を備える請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar apparatus according to any one of claims 1 to 9 , wherein the light receiving unit includes a near-infrared photodetector in which a plurality of the light receiving elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. .. 前記レーザー光のレーザー光源が、半導体レーザー又はファイバーレーザーである請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar device according to any one of claims 1 to 10 , wherein the laser light source of the laser light is a semiconductor laser or a fiber laser. 前記投光部から照射された前記レーザー光を主走査方向に走査するための走査部を更に備える請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar apparatus according to any one of claims 1 to 11 , further comprising a scanning unit for scanning the laser light emitted from the light projecting unit in the main scanning direction. 前記走査部として、ポリゴンミラー又はMEMSミラーを用いる請求項12に記載のレーザーレーダー装置。 The laser radar device according to claim 12 , wherein a polygon mirror or a MEMS mirror is used as the scanning unit.
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