JPS6188114A - 半導体光検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は１次元方向に分布する入射光をその方向に沿っ
て分割して検出するのに適した半導体光検出器に関する
。

本発明による半導体光検出器は、分光測光、スペクトル
解析、比色計などの光検出部に利用される。

（従来の技術） 光の分散子によって１次元方向に分光したスペクトル光
の結像位置にホトダイオードアレーを配置し、分散され
た光をリアルタイムで検出し、スベクトル光の位置２強
度１分布等を測定する方式が知られている。

この方式は、単一検出器を用い、分散子を回転すること
により、順次その検出器に分散光を送り込む方式に比較
して次の利点を備えている。

まず、波長走査機構を用いないで波長走査が可能となる
。マイクロコンピュータ等を使用することにより、スペ
クトルの時間的変化を計測したり、あるいはスペクトル
間の相互関係を短時間の間に同時に計測できる。

前記分散光の検出に用いられるホトダイオードアレーは
同一面積の素子を同じピンチで配列して構成されている
。

またこれを構成する各々の素子の出力読み出し方式とし
て、各々の素子に電流−電圧変換形の演算増幅器を用い
るものと、演算増幅器により積分する方式が考えられる
。

第３図（ａ）は電流−電圧変換形の演算増幅器を用いる
方式を説明するための回路図、同図（ｂ）は演算増幅器
により積分する方式を説明するための回路図である。

第３図（ａ）に示す直線読み出し方式の出力Ｖｏｕｔは
（１）式で与えられる。

Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ　＝　ｉ　ｓ　−Ｒｆ　・・・（１）こ
こで ｉｓ：ホトダイオードＰＤの光生成電流Ｒｆ：演算増幅
器Ａ　ｍ　ｐのフィードバンク抵抗第３図（ｂｌに示す
積分読み出し方式は、スイッチＳＷ１をオンにした状態
でフィードバンク容量Ｃｆに時間Ｔの間に蓄えられた電
荷Ｑ（＝ｉｓＴ）をリセットスイッチＳＷ２をオンさせ
ることにより放電し、出力Ｖｏｕｔを得るものである。

Ｖｏｕｔは（２）式で与えられる。

Ｖｏｕｔ＝Ｑ／Ｃｆ＝　（１／Ｃｆ）　　Ｊｉ　５ｄｔ
＝　（１／Ｃｆ）ｉｓＴ・・・（２） このような積分方式は、時間により出力の大きさが変え
られるために、光量変化が大きな計測には利点がある。

ホトダイオードアレーと信号読み出し回路を同一基板上
に集積化したものが、固体イメージセンナとして利用さ
れている。

ＭＯＳイメージセンサと呼ばれるものの受光部の基本構
造を第４図に示す。

このようなＮ基板１を用いたＰチャンネルＭＯ３ＦＥＴ
構造では、ソース２の領域のＰＮ接合部を光電変換およ
び電荷蓄積部として用いている。

ゲート電極４に負のパルス電圧を加えると、ゲート電極
４の下のシリコン表面にＰチャンネルが生じ、このとき
ドレイン３より電荷が供給され、ソース２の拡散接合を
ドレイン３の電圧と等しくして、このダイオードを充電
する。

ゲート４の電圧をオフし、チャンネルが閉じると、ソー
ス２の電位（蓄積電荷）はそのまま保たれる。

この状態で入射光によりキャリヤが励起されると、蓄積
電荷はこのキャリヤに放電し、ソース２の電位は低下す
る。

次に再び走査パルスがゲート４に加わると、放電電荷に
相当する充電電荷がソース２の接合に流れ込み、外部回
路に取り出される。

第５図はイメージセンサの回路図を示す。

イメージセンサは第４図で説明したような受光部ＰＤ１
〜ＰＤｎを多数配列し、ゲート３１〜Ｓｎに常時シフト
パルスを印加するシフトレジスタ６を一体に設けた半導
体装置である。

このようなイメージセンサ方式の半導体光検出器は高集
積化に適しているが、特殊なものが入手できない不便さ
がある。

前記一体化されたイメージセンサ方式の半導体光検出器
と各ホトダイオードごとに増幅器を接続した半導体光検
出器の中間的な存在としてハイブリット方式の半導体光
検出器は、ホトダイオードアレ一部とシフトレジスタ、
スイッチング部に二分割して、これを外部的な配線によ
り結線することにより、検出と転送の殿能を持つことが
できる。

この場合には配線との兼ね合いで、ダイオードの数が制
限される可能性がある。

分光分析のようなスペクトルを計測する分析等において
は、通常４桁程度のダイナミックレンジが要求される。

またスペクトル分解能もできるだけ高い方が好ましく、
できるだけ細いピッチのホトダイオードアレーであるこ
とが要求される。

このような要求から、現時点では、多くのダイオードを
集積化できる自己走査型のホトダイオードアレー（イメ
ージセンサ）が、最も前記目的に適合するものと考えら
れる。

このようなイメージセンサを用いて測光する場合、低入
力領域における検出限界は各々の測定系、検出器等の雑
音により決る。また高入力側での検出限界は各ホトダイ
オードに蓄積できる最大電荷９で決る。

最大電荷ＭＱｍは、ホトダイオードのＰＮ接合の容量Ｃ
ｐ、動作印加電圧をＶとすれば、次の式で与えられる。

Ｑ　ｍ　＝　Ｃｐ・■・・・（３） 一般的には、ホトダイオードに蓄積する電荷Ｑは面積Ｓ
Ｗの受光窓を通して入射する光エネルギーで発生した単
位面積当たりの光誘起電流ｒｐが、蓄積時間Ｔｓの期間
流れたことによる電荷と考えられ、次の式で与えられる
。

Ｑ＝　Ｓ　ｗ−Ｉ　　ｐ　　−Ｔ　ｓ　＝ｉ４）受光窓
の面積は一定であるから、蓄積電荷は光電流と蓄積時間
の積に比例する。

光強度分布が異なるスペクトルを検出したい場合弱い光
の入射する素子の出力を検出限界以上にするためには、
積分時間を長くする必要がある。

また同時に、強い光の入射する素子の出力が飽和しない
ようにするためには、短い積分時間としなければならな
いと言う相反する要請がある。

高速計測をしたい場合には、自ずと積分時間を長く取る
ことはできず、微弱スペクトルの検出が不可能になる。

以上述べたように、従来の各種ホトダイオードアレーに
おいて、ホトダイオードの数は測定時間と信号処理の容
量から最小限であることが好ましいが、ピッチはできる
だけ細く、受光部はできるだけ広いことが好ましいと言
う困難な問題に突き当たる。

つまり現存する半導体光検出器は、分光スペクトル等を
計測するシステムにおいて、広い波長範囲におけるスペ
クトル強度の分布、あるいは一本のスペクトル線の幅お
よびピーク波長のわずかなシフト量などを検出する検出
器として、必ずしも満足できるものではない。

（発明の目的） 本発明の目的は、例えば広い波長範囲におけるスペクト
ル強度の分布、一部のスペクトル線の幅およびピーク波
長のわずかなシフト量などの検出に通した半導体光検出
器を提供することにある。

分光システムにおいて、光源および被計測物に共通性が
あれば、得られるスペクトルの分布も共通性を持ってい
る。

このような計測においては、スペクトル分布の強度また
は波長のシフトが重要な意味を持ち、これを高精度に測
定することは非常に重要なことである。

（発明の構成） 前記目的を達成するために、本願発明者等は、測定の対
象物に共通性があるときの測定、または同一の測定の対
象物の経時的な変化を測定するときに、それらのスペク
トル分布等が共通的なパターンになることに着目した。

そして、それらの強度分布の基準となる強度分布と半導
体光検出器を構成する素子の面積との間にある種の相関
を与えることにした。

すなわち本発明による半導体光検出器は、測定面におけ
る入射光の１次元方向の強度分布パターンの基準が略知
られている入射光を検出するために前記１次元方向に配
列されたホトダイオード群からなる半導体光検出器にお
いて、前記１次元方向と直角方向の長さの異なるホトダ
イオード群を配列しである。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

第１図は入射光の１次元方向の強度分布パターンを示す
グラフ（ａ）と本発明による半導体光検出器の第１の実
施例を示す平面図価）とを対比して示した図である。

例えば紫外線から赤外線にわたるような広い範囲での分
光分析において、使用される光源のエネルギーは、第１
図ｆａ）に示すように紫外領域において弱く、赤外領域
において強いのが普通である。

このような光源を用いた分光分析では当然出力の最大は
赤外領域にあり、紫外領域に比して３桁程度の出力差が
あるのが普通である。

これを１次元のイメージセンサで計測しようとした場合
、通常このような検出器の検出範囲も３桁程度であるた
め、赤外領域で飽和させないようにすると、紫外領域で
は出力が検出限界以下の場合がある。

イメージセンサの場合、各ホトダイオードの信号は全て
同一の蓄積、読み出し時間で行われるため、またダイオ
ードそのものの大きさを変えることは製造技術上、また
解像度を確保する点から好ましいことではない。

第１図に示す実施例では、ホトダイオードアレ−４１上
部に光遮蔽部４２を密着して設けることにより前述した
式（４）におけるＳｗの大きさを変えるようにしである
。

例えば紫外領域に対し赤外領域の受光窓の大きさを１／
１０にすれば、これにより１桁の検出範囲だけ出力を圧
縮することができる。

実際の光遮蔽部４２はアルミニウム膜で行うものがイメ
ージセンサプロセス土量も便利である。

このようなアルミニウム膜はプロセス上いずれかの工程
で蒸着、ホトエツチング方法によりパターンニングが行
われるものである。

特別に設計されたアルミニウム膜・ノチング用のホトマ
スクを従来のホトマスクと変えるのみで可能である。

そして従来の工程と全く同じ工程数で実施することがで
きる。

ホトダイオードアレー４１の各ホトダイオードＰ１〜Ｐ
３６は、シフトレジスタおよびスイッチング部４３に電
気的に接続されている。

また信号処理回路４４は、前記シフトレジスタおよびス
イッチング部４３の出力を処理して入射光の分布を再現
する。

第２図は本発明による半導体光検出器のさらに他の実施
例を示す図であって、予想される入射光の１強度分布を
示すグラフ（ａ）と半導体光検出器の平面図（ｂ）を対
比して示しである。この実施例は、広イ幅ノスペクトル
の半値幅、およびスペクトル波長のわずかな変化を高精
度に測定するのに適した半導体光検出器の実施例である
。

この実施例もハイブリッド方式の半導体光検出器として
構成されている。そして、前記強度分布の基準の例をガ
ウス分布であるとして、この基準の例の最大の強度から
１／１００の強度の裾野までの光を測定するものである
。

第２図ｆａ）においてＨｗは強度が１／２になるまでの
中心部の幅、半値幅を示している。

ホトダイオード群からなるホトダイオードアレー５１は
３６１固のホトダイオードＰ１〜Ｐ３６カ１ら構成され
ている。

ホトダイオードアレー５１は第２図（ａ）に示す光強度
分布の１次元方向でホトダイオードアレー５１の長手方
向の中心が、基準の例のピークの位置に略一致するよう
に配置されている。

ホトダイオードアレー５１の各ホトダイオードＰ１〜Ｐ
３６はシフトレジスタおよびスイッチング部５３に電気
的に接続されている。

ピークと裾に対応するホトダイオードの出力差を少なく
するとともに、ピーク近辺から半値幅を決める部分の分
解を低下させないために、中心部のホトダイオードの長
さを最小として各ホトダイオードの長さを中心から離れ
るにしたがって段階的に大きくしである。

これも、アルミニウム膜による光遮蔽部５２を構成する
ことで達成される。

信号処理回路５４は、前記シフトレジスタおよびスイッ
チング部５３の出力を処理して入射光の分布を再現する
。

ホトダイオードアレー５１の各ホトダイオードＰ１〜Ｐ
３６はそれぞれの中心に入射した光をそれぞれの面積で
重みづけしたものと考えて良いから、その重みを考慮し
た処理をすることにより入射光の分布を再現できる。

また目的に応じて例えば、半値幅）（ｗ、最大値の位置
等をただちに算出表示することができる。

（変形例） 前記実施例は強度分布の基準の例が紫外〜赤外にわたる
分光分析の場合あるいはガウス分布であるものを例にし
たが、強度分布の基準の例は測定の対象により変わり得
るものであり、本発明は、それらの基準例に最も良く対
応するホトダイオードアレーを提供するものである。

前記実施例はハイブリッド方式の半導体光検出器として
構成されているが、変化の時間的経過を高速で検出する
必要があるときは、各ホトダイオードに第３図（ａ）に
示したような別々の増幅器を結合し、リアルタイムで出
力の得られる並列信号読み出しの方が有利である。

第３図（ｂ）に示す方式にすれば帰還コンデンサの容量
を変えてさらに出力を近接させることができる。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明による半導体光検出
器は、測定面における入射光の１次元方向の強度分布パ
ターンが略知られている入射光を検出するために前記１
次元方向に配列されたホトダイオード群から成る半導体
光検出器において、前記１次元方向と直角方向の長さの
異なるホトダイオード群を配列しである。

したがって、測定対象の光強度の分布とダイオードの形
状（面積）を対応させることができる。

そのため、予想される飽和の問題や、低入力部における
Ｓ／Ｈの低下の問題を解決でき、要求される測定精度を
満足できる半導体光検出器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は入射光の１次元方向の強度分布パターンを示す
グラフ（ａｌと本発明による半導体光検出器の第１の実
施例を示す平面図（′ｂ）とを対比して示した図である
。 第２図は入射光の１次元方向の強度分布パターンを示す
グラフ（ａ）と本発明による半導体光検出器の第２の実
施例を示す平面図（ｂ）とを対比して示した図である。 第３図はホトダイオードよりの信号出力回路形式を示す
回路図であって、同図（ａｌは演算増幅器による直接読
み出し方式を示し、同図（ｂｌは演算増幅器による積分
読み出し方式を示している。 第４図はＭＯ３型イメージセンサエレメントの断面図で
ある。 第５図は一般的なイメージセンサの回路図である。 ４１．５１・・・半導体光検出器（ホトダイオードアレ
ー） Ｐ１〜Ｐ３６・・・ホトダイオード ４３．５３・・・シフトレジスタおよびスイッチング部 ４４．５４・・・信号処理回路 特許出願人　浜松ホトニクス株式会社 代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　毒 牙１図 （ａ） 催　長　入□ 才２図 （ｂ） ′−５１ 才　　３　　区 （ａ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定面における入射光の１次元方向の強度分布パ
   ターンが略知られている入射光を検出するために前記１
   次元方向に配列されたホトダイオード群から成る半導体
   光検出器において、前記一次元方向と直角方向の長さの
   異なるホトダイオード群を配列して構成したことを特徴
   とする半導体光検出器。
2. （２）前記ホトダイオード群を形成するホトダイオード
   の前記１次元方向の幅は同一である特許請求の範囲第１
   項記載の半導体光検出器。
3. （３）前記ホトダイオード群を形成するホトダイオード
   の前記１次元方向と直角方向の長さはマスク材料による
   マスク量により規定される特許請求の範囲第１項記載の
   半導体光検出器。
4. （４）前記入射光の１次元方向の強度分布パターンは一
   方側から次第に減少する強度分布パターンであり、前記
   １次元方向と直角方向の長さは強度が減少する光を受け
   るホトダイオードの長さが大きくなっている特許請求の
   範囲第１項記載の半導体光検出器。
5. （５）前記入射光の１次元方向の強度分布パターンは中
   央部の強度が最も大きく両側が次第に減少する強度分布
   パターンであり、前記１次元方向と直角方向の長さは強
   度が減少する光を受けるホトダイオードの長さが大きく
   なっている特許請求の範囲第１項記載の半導体光検出器
   。