JPS6199821A - 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】 イ、発明の目的 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、比色計等の光検出部に利用される。

従来の技術 従来、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、スペクトル光の位
置、強度、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、スはクトルの時間的変化を計測した
り、めるいはスＲクトル間の相Ｕ。

関係を短時間の間ＶＣ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
子を同じピッ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（ｆｆｌは電流−電圧変換形の演算増幅器を用い
る従来の方式を説明するための回路図、第３図（ｂ）は
演算増幅器により積分する従来の方式を説明するだめの
回路図である。第３図（α）に示す直接読みだし方式の
出力Ｖ　Ｏｕｔは（１）式で与えられる。

■ｏｕｔ　＝　１ｓＲｆ　　−・・・・・（１）ここで
、１θはホトダイオード″ＰＤの光生成電流、Ｒｒは演
算増幅器Ａｍｐのフィート９パツク抵抗である。第３図
（ｈｌに示す積分読みだし方式は、スイッチＳＷＩをオ
ンにした状態でフィードバック答量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ＳＷ
２をオンさせることにより放電し、出力Ｖ。ｕｔを得る
ものである。出力■Ｏｕｔは（２）式％式％ ここで、ＩＳはホトダイオ−）’ＰＤの光生成電流であ
る。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−基
板−ヒに集積化したものが、固体イメージセンサとして
第１１用されている。

第４図はＭＯＳイメージセンサの受光部の基本桐造を示
す図である。このようなＮ基板ｌを用いたＰチャンネル
ＭＯ８Ｉ１１ＥＴ構造では、ソース２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、匣４に負のパルス電圧を加えると、ゲート電極４に
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ｒトゝ
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′ヤリャが励起されると、蓄
積電荷はこのキーヤリヤに放醜し、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である。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５ｌ−８ｎに順次シフトパルスを印加
するシフトレジスタ５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ノ・イブリッド方式の半導体
光検出器が考えられる。ノ・イブリッド方式の半導体光
検出器は、ホトダイオード８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、検出と転送の機能を持つこと
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。

またスはクトル分解能もできるだけ冒い方が好ましく、
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まる。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
量で決まる。

最大電荷量Ｑｍは、ホトダイオードアレー合の容置をＣ
ｐ、ＷｊＪＪ作印加電圧を■とすれば、次の式で与えら
れる。

Ｑｍ二ＣｐＶ　　　・・・・・・・・・（３）一般的に
は、ホトダイオードに蓄積する電荷Ｑは面積Ｓｗ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
りの光誘起′亀流工ｐが、蓄積時間１日の期間流れたこ
とによる電荷と考えられ、次の式で与えられる。

Ｑ＝Ｓｗ工ｐＴｓ　　・・・・・・・・・（４）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
の檀に比例する。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が検出限界以上
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はならないと
言う相反する要請かめる。高速計測をしたい場合には、
おのずと積分時間音長く取ることはできず、微弱スにク
トルの検出が不可能になる。

発明が解決しようとする問題点 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に信号処理
の容叶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
光検出器で、分光スＲクトル等を計測システムにおいて
、広い波長範囲におけるスはクトル強度の分布、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
シフト量など検出する検出器としては必ずしも満足でき
るものではない。

従って、不発明の目的は、例えば広い波長範囲における
スはクトル強度の分布、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ｇ−などの検出に適した半
導体光検出器ｒ提供すること、７にある。

分光ンステムにおいて、光源および被計測物に共通性が
あれは、得られるスは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（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。

口、発明の構成 問題点を解決するだめの手段 前記目的を達成するために、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或裡の相関を与え
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成る半導
体光検出器において、前記ホトダイオードを形成する各
ホトダイオードゝの受光面積とその位置に入射する予想
される入射光の強度との間に相関を与えて構成されてい
る。葦た、前記相関は各ホトダイオードの受光面積と予
想される入射光の強度との積が近接するように構成され
、さらに具体的には各ホトダイオードの受光面積を規定
する前記１次元方向の幅と予想される入射光の強度との
積が近接するように構成されている。

実施例 以下に図面を参照して本発明の実施例について更に詳し
く説明する。

第１図は第２図に示すような広い幅のスはクトルの半値
幅及びスペクトル波長のわずかな変化を高精度に測定す
るのに適した本発明の半導体光検出器の実施例である。

第２図はこの実施例の検出器の検出の対象である入射光
の１次元方向の強度分布の基準の例を示すグラフである
。ここにおいて基準とは、以下に説明する実施例はこの
強度分布の基準に近い種々の分布を持つ入射光の測定全
対象とするものであることケ意味する。

この第１図の実施例はハイノリラ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’ｊｎｊ度の裾野までの光を測定
するものである。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９群から
なるホトダイオードアレ一部１０は３６個のホトダイオ
ードＰＬ−Ｐ３６から構成されている。ホトダイオード
アレ一部１０は第４図に示す光強度分布の１次元方向で
ホトダイオード８アレ一部ＩＯ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８アレ一部１０の各ホトダイオード
ゝＰｉ−Ｐ３６は接続線１１により、シフトレジスタお
よびスイッチング部１２ＶＣ接続されている。シフトレ
ジスタおよびスイッチング部１２の出力は信号処理回路
１３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９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ゝの幅を最小幅として各ホトダイ
オードの幅會中心から離れるにしたがって段階的に大き
くしである。

ホトダイオード群中の最小幅ケもつホトダイオードの幅
をＰとすると、各ホトダイオ−１・９の幅は次のとおり
である。

ホトダイオードｐ１．ｐ２　　・・・４ｐホトダイオー
ドＰ３〜Ｐ７　　・・・２ｐホトダイオードＰ８〜Ｐ２
９　　・・・ｐホトダイオード数Ｐ、３０　、　Ｐ３４
・・・・　２ｐホトダイオードＰ３５．Ｐ３６　　・・
・４ｐ祷てのホトダイオード８の幅を前記中心のホトダ
イオードゝの幅ｐとすると、同じ長さをカバーするのに
５３個のホトダイオードゝが必要となる。この実施例に
よる各ホトダイオードの受光面積は前記幅に比例するよ
うに７よっているから、もし仮に均一な入射光があった
とすると周辺のホトダイオードｐ１．ｐ２寺は中心のホ
トダイオード″’ＰＬ７．　　ＰＩ３゜等に比較して４
倍の出力が得られることになる。

ダイオードの面積によって雑音そのものはあまり左右さ
れないからＳ／Ｎ比が４倍良くなったことになり、従来
、検出が不ｈ」能な領域での検出が可能となる。信号処
理回路１３は、前記シフトレジスタおよびスイッチング
部１２の出力を処理して入射光の分布を再現する。ホト
ダイオードアレ一部１゜の各ホトダイオードＰ１）Ｐ３
６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ＨＷ、　　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ガウス分布であるも
のを例にしだが、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８アレーを提供するも
のである。前記実施例はハイノリラ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
検出する心安があるときは、各ホトダイオードに第３図
（α）に示したような別々の増幅器盆結合し、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（６）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。

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９群から成る半導
体光検出器において、前記ホトダイオードを形成する各
ホトダイオードの受光面積とその位置に入射する予想さ
れる入射光の強度との間に相関を与えて構成しである。

したがって、測定対象の光強度の分布とダイオードゝの
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／Ｎ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。

また、従来のホトダイオードゝの数よりも少ないホトダ
イオードゝで目的とする範囲をカバーできるから、より
高速の処理を期待できる。更に、限られたホトダイオー
ド数で要求される測定精度を満足させることができ周辺
回路点数も少なくなり、信号処理／ステムを簡単にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の半導体光検出器の実施例を示すノロツ
ク図、第２図は本発明の半導体光検出器の実施例の検出
対象である入射光の１次元方向の強度分布の基準をψり
示するグラフを示す図、第３図はホトダイオード９より
の信号出力回路形式を示す回路図であって、同図（ａ）
は演算増幅器により直接読み出し方式を示し、同図（ｈ
）は演算増幅器による積分読み出し方式を示している図
、第４図はＭＯ８型イメージ七ンサエレメントの断面図
、第５図は一般的なイメージセンサの回路図である。 １・・・基板、２・・・ソース、３・・・ドレイン、４
・・・ゲート、５・・・シフトレジスタ、ＩＯ・・・ホ
トダイオード９アレ一部、１１・・・接続線群、１２・
・・シフトレジスタおよびスイッチングＮＳ、　１３・
・・信号処理回路、Ｐｌ〜Ｐ３６・・・ホトダイオード

Claims (3)

【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、前記ホトダイオードを形成する各ホト
   ダイオードの受光面積とその位置に入射する予想される
   入射光の強度との間に相関を与えて構成したことを特徴
   とする半導体光検出器。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記相関は各ホ
   トダイオードの受光面積と、予想される入射光の強度と
   の積が近接するようになつていることを特徴とする半導
   体光検出器。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記相関は各ホ
   トダイオードの受光面積を規定する前記１次元方向の幅
   と、予想される入射光の強度との積が近接するようにな
   つていることを特徴とする半導体光検出器。