JP7070199B2 - 光検出素子およびライダー装置 - Google Patents

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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、吸収領域(512)と、排出電極(516)と、画素周辺領域(522)と、遮光部材(503,507,508)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。
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排出キャリアとして排出キャリアを吸収するように構成される。
排出電極は、半導体基板上に形成され、吸収領域内に吸収された排出キャリアを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。
遮光部材は、画素周辺領域内で電子および正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有する部材で形成され、画素周辺領域を覆うように配置される。
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)を排出電極から排出する。そして、本開示の光検出素子は、画素周辺領域を覆うように配置された遮光部材により、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キャリアが発生するのを抑制する。このため、本開示の光検出素子は、画素周辺領域内で発生したキャリア(以下、不要キャリア)が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、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、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、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、吸収領域と、排出電極と、画素周辺領域と、遮光部材とを備える。
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。 第1実施形態のAPDの断面図である。 遮光膜の配置を示すAPDアレイの平面図である。 第2実施形態のAPDアレイの平面図である。 第2実施形態のAPDの断面図である。 第3実施形態のAPDアレイの平面図である。 第3実施形態の受光素子の平面図である。
(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)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。
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個の遮光電極503とを備える。
APD502は、図14に示すように、n+領域511、n領域512、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。
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。
遮光電極503は、例えばAlまたはCuで形成され、図示しない絶縁膜を挟んで画素周辺領域522と対向するように配置された電極である。
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。
遮光電極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。さらに遮光電極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。
信号取出電極516の線状部532には、APDアレイ311の外部から信号取出電極516に高電圧を印加するためのボンディングワイヤ315が接続される。
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。
またAPDアレイ311は、図15に示すように、遮光膜507,508を備える。遮光膜507,508は、APD502の感度波長範囲(例えば、1.2μm以下の波長)における光を減衰、吸収または反射する特性を有する部材(例えば、黒いポッティング樹脂)を塗布することにより形成される。
遮光膜507は、基板501の矩形を構成する4つの辺を覆うようにして、基板501の表面および側面に配置される。遮光膜508は、基板501の表面側において、一列に配列された12個の線状部532における配列方向Daに沿った一端側から他端側までの領域を覆うように配置される。
また遮光膜507,508は、ボンディングワイヤ315が信号取出電極516の線状部532に接続されている状態で塗布されることにより形成される。このため、遮光膜507,508は、ボンディングワイヤ315において基板501の表面上に位置する部分の略全体を覆う。
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、遮光電極503および遮光膜507,508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、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。遮光電極503および遮光膜507,508は、画素周辺領域522内で電子および正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有する部材で形成され、画素周辺領域522を覆うように配置される。
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から排出する。そしてAPDアレイ311は、画素周辺領域522を覆うように配置された遮光電極503および遮光膜507,508により、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内でキャリアが発生するのを抑制する。このため、APDアレイ311は、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)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。
また遮光膜507は、絶縁部材で形成される。そして遮光膜507は、基板501内に形成されている画素周辺領域522のうち、少なくとも、基板501の端部に形成されている部分を覆う。
APD502に高電圧を印加する場合には基板501の端部が高電圧となる。このため、基板501の端部が露出していると、IEC60950で規定されている沿面距離要件(すなわち、予め設定された沿面距離を確保すること)を満たすために、APDアレイ311を搭載するパッケージのサイズが大きくなってしまう。IEC60950は、情報技術装置の安全性に関する国際規格である。
これに対し、APDアレイ311では、絶縁部材で形成された遮光膜507により基板501の端部が覆われている。このため、APDアレイ311は、上記の沿面距離要件を緩和することができ、APDアレイ311を搭載するパッケージのサイズを小さくすることができる。
また、信号取出電極516には、ボンディングワイヤ315が接続されている。そして遮光膜507は、画素周辺領域522に加えて、ボンディングワイヤ315の一部分を覆う。これにより、APDアレイ311は、基板501の端部において、高電圧となるボンディングワイヤ315の露出を抑制することができる。このため、APDアレイ311は、上記の沿面距離要件を緩和することができ、APDアレイ311を搭載するパッケージのサイズを小さ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は吸収領域に相当し、信号取出電極516は排出電極に相当し、遮光電極503および遮光膜507,508は遮光部材に相当する。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、図16および図17に示すように、APDアレイ311において、遮光電極509が追加された点が第1実施形態と異なる。
遮光電極509は、例えばAlまたはCuで形成された電極であり、図16に示すように、基板501の表面側において、一列に配列された12個の枠状部531における配列方向Daに沿った一端側から他端側までの領域を覆うように配置される。但し、遮光電極509には、一列に配列された12個の反射防止膜515のそれぞれに対して対向する領域に開口部が形成されている。また遮光電極509は、図17に示すように、図示しない絶縁膜を挟んで遮光電極503および信号取出電極516と対向するように配置される。
このように構成されたAPDアレイ311は、遮光電極509を備える。遮光電極509は、画素周辺領域522内で電子および正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有する金属で形成される。そして遮光電極509は、互いに隣接する2つの画素領域521それぞれの信号取出電極516と電気的に絶縁された状態で、互いに隣接する2つの画素領域521それぞれの信号取出電極516の間を覆うように配置される。
これにより、APDアレイ311は、互いに隣接する2つの画素領域521の間に形成されている画素周辺領域522に光が入射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。
以上説明した実施形態において、遮光電極509は遮光金属に相当する。
(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、図18に示すように、遮光膜507,508が省略された点と、レンズアレイ312、遮光部材317および遮光膜560が追加された点とが第1実施形態と異なる。
第3実施形態の受光素子31は、レンズアレイ312および遮光部材317を更に備える。レンズアレイ312は、APDアレイ311を構成する12個のAPD502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APD502へ導く。レンズアレイ312は、図18および図19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19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18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。
遮光部材317は、例えば、APD502の感度波長範囲における光を吸収する特性を有する部材が混合または着色されたシリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂で形成されている。そして遮光部材317は、図18および図19に示すように、基板501の矩形を構成する4つの辺を覆うようにして、基板501の側面に配置される。これにより、遮光部材317は、レンズアレイ312の矩形を構成する4つの辺のうち、基板501の矩形を構成する辺と一致している3つの辺を覆うようにして、レンズアレイ312の側面に配置される。
第3実施形態のAPDアレイ311は、図18に示すように、遮光膜560を更に備える。遮光膜560は、遮光膜507,508と同様に、APD502の感度波長範囲における光を減衰、吸収または反射する特性を有する部材を塗布することにより形成される。そして遮光膜560は、基板501の表面側において、レンズアレイ312が配置されている領域以外に配置される。
このように構成された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、凸レンズ551において光が入射される光入射面のうち、入射した光を画素領域521へ導くことができない光入射面(本実施形態では、レンズアレイ312の側面)の少なくとも一部は、画素周辺領域522内で電子および正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有する遮光膜560で覆われる。
これにより、APDアレイ311は、光が画素周辺領域522に入射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。
以上説明した実施形態において、遮光膜560はレンズ遮光部材に相当する。
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。この場合において、APDの感度波長範囲は、3μm以下の波長(すなわち、可視光から中赤外光までの波長)である。
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…遮光電極、507…遮光膜、508…遮光膜、512…n領域、516…信号取出電極、521…画素領域、522…画素周辺領域

Claims (5)

  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排出キャリアとして前記排出キャリアを吸収するように構成された吸収領域(512)と、
    前記半導体基板上に形成され、前記吸収領域内に吸収された前記排出キャリアを前記吸収領域から排出するように構成された排出電極(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で前記電子および前記正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有する部材で形成され、前記画素周辺領域を覆うように配置される遮光部材(503,507,508)と
    を備え、
    前記遮光部材(507)は、絶縁部材で形成され、
    前記遮光部材は、前記半導体基板内に形成されている前記画素周辺領域のうち、少なくとも、前記半導体基板の端部に形成されている部分を覆い、
    前記排出電極には、ボンディングワイヤ(315)が接続され、
    前記遮光部材は、前記画素周辺領域に加えて、前記ボンディングワイヤの一部分を覆う光検出素子。
  2. 請求項1に記載の光検出素子であって、
    2つ以上の前記画素領域と、
    互いに隣接する2つの前記画素領域それぞれの前記排出電極と電気的に絶縁された状態で、互いに隣接する2つの前記画素領域それぞれの前記排出電極の間を覆うように配置され、前記画素周辺領域内で前記電子および前記正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有する金属で形成された遮光金属(509)と
    を備える光検出素子。
  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3に記載の光検出素子であって、
    前記凸レンズにおいて光が入射される光入射面のうち、入射した光を前記画素領域へ導くことができない前記光入射面の少なくとも一部は、前記画素周辺領域内で前記電子および前記正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有するレンズ遮光部材(560)で覆われる光検出素子。
  5. 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排出キャリアとして前記排出キャリアを吸収するように構成された吸収領域と、
    前記半導体基板上に形成され、前記吸収領域内に吸収された前記排出キャリアを前記吸収領域から排出するように構成された排出電極と、
    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と、
    前記画素周辺領域内で前記電子および前記正孔を生成することができる波長を有する光を遮る特性を有する部材で形成され、前記画素周辺領域を覆うように配置される遮光部材と
    を備え、
    前記遮光部材(507)は、絶縁部材で形成され、
    前記遮光部材は、前記半導体基板内に形成されている前記画素周辺領域のうち、少なくとも、前記半導体基板の端部に形成されている部分を覆い、
    前記排出電極には、ボンディングワイヤ(315)が接続され、
    前記遮光部材は、前記画素周辺領域に加えて、前記ボンディングワイヤの一部分を覆うライダー装置(1)。
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