WO2018173712A1 - レーザーレーダー装置 - Google Patents

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WO2018173712A1
WO2018173712A1 PCT/JP2018/008253 JP2018008253W WO2018173712A1 WO 2018173712 A1 WO2018173712 A1 WO 2018173712A1 JP 2018008253 W JP2018008253 W JP 2018008253W WO 2018173712 A1 WO2018173712 A1 WO 2018173712A1
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WO
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layer
light
radar device
laser
laser radar
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PCT/JP2018/008253
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English (en)
French (fr)
Inventor
裕一 竹内
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
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Application filed by コニカミノルタ株式会社 filed Critical コニカミノルタ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser radar device that detects scattered light in response to laser irradiation and measures the distance to an object. Specifically, the present invention relates to a laser radar device using a light receiving element having a germanium (Ge) absorption layer, high productivity, low manufacturing cost, and capable of efficiently receiving light from free space. About.
  • a measuring instrument such as a laser radar (rider)
  • a light source for example, light within a wavelength range of 1400 to 2600 nm that does not easily reach the retina of the eye is projected from a light source, and the light is received by a light receiving element. Is being measured.
  • a light receiving element for example, there are various options for the light source, but the options for the light receiving element are limited, and there are many problems.
  • a compound semiconductor such as indium gallium arsenide (InGaAs) is used as a conventional light receiving element having light receiving sensitivity to these near infrared light.
  • InGaAs indium gallium arsenide
  • the method using indium gallium arsenide (InGaAs) has a problem that productivity is very low and manufacturing cost is required. Therefore, there is a demand for a new light receiving element that has high productivity and can reduce the manufacturing cost.
  • a light receiving element using germanium (Ge) as an absorption layer is known as a light receiving element having a light receiving sensitivity in the near infrared region near a wavelength of 1550 nm without using indium gallium arsenide (InGaAs).
  • germanium Ge
  • InGaAs indium gallium arsenide
  • Patent Document 1 discloses an avalanche photodiode (APD) having a p-doped region, an intrinsic region, and an n-doped region, and at least one of the p-doped region and the n-doped region is arranged in an array. .
  • APD avalanche photodiode
  • germanium (Ge) is grown on a silicon (Si) layer, so that an avalanche photodiode (APD) having germanium (Ge) as an absorption layer and silicon (Si) as an amplification layer is used.
  • APD avalanche photodiode
  • germanium (Ge) is grown on a silicon (Si) layer, so that an avalanche photodiode (APD) having germanium (Ge) as an absorption layer and silicon (Si) as an amplification layer is used.
  • APD avalanche photodiode
  • these optical elements are assumed to be used for optical communication, they are configured to have low power consumption and high response speed. For this reason, the light is usually propagated and absorbed using an absorption layer formed in a waveguide shape (see FIG. 15). Since the waveguide-like absorption layer can take a long interaction length (L2 in FIG. 15) for absorbing light even if the layer thickness is reduced, the noise caused by dark current and the like is suppressed, and the response The speed can be increased. Further, since the applied voltage can be suppressed, power consumption can also be suppressed.
  • germanium (Ge) has a very high refractive index of about 4, and light from free space has a large incidence angle. Cannot be absorbed.
  • the light receiving element used for optical communication uses a thin absorption layer, and therefore absorbs light when used as a light receiving element for receiving light from free space. Therefore, the interaction length (L1 in FIG. 8) is shortened, and there is a problem that light cannot be sufficiently absorbed in the absorption layer.
  • 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 makes the noise very large. It cannot be used for applications that receive light.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems and circumstances, and its solution is to provide a laser radar device that has high productivity, low manufacturing cost, and can efficiently receive light from free space. That is.
  • the present inventors have an amplification layer, an absorption layer, and an antireflection layer in this order on a substrate, and the amplification layer includes at least a p-Si layer and an n-Si layer.
  • the absorption layer is a light-receiving element having at least a p-Ge layer, and it has been found that near-infrared light having a high light-receiving sensitivity of the absorption layer can be efficiently received from free space, leading to the present invention. It was. That is, the said subject which concerns on this invention is solved by the following means.
  • a laser radar device comprising: 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 light receiving unit includes a light receiving element that receives the scattered light, and is formed by laminating an amplification layer containing silicon (Si), an absorption layer containing germanium (Ge), and an antireflection layer in this order on a substrate.
  • the amplification layer has an n-type doped n-Si layer and a p-type doped p-Si layer on the substrate at least in this order,
  • the laser radar device wherein the absorption layer has at least a p-Ge layer doped p-type.
  • the absorption layer includes an i-Ge layer that is an intrinsic region, and the i-Ge layer and the p-Ge layer are disposed in this order on the amplification layer. Radar device.
  • 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 stacked on the p-Ge layer.
  • the laser radar device according to any one of items 1 to 3.
  • the amplification layer includes an i-Si layer that is an intrinsic region between the n-Si layer and the p-Si layer.
  • the antireflection layer has a multilayer structure in which a plurality of antireflection layers are stacked.
  • a light reflecting layer that reflects at least a part of light to be received by the absorbing layer is formed on the opposite side of the substrate from the side on which the absorbing layer is provided.
  • the laser radar device according to any one of the above.
  • the light receiving unit includes a near-infrared light detector in which a plurality of the light receiving elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.
  • a laser light source of the laser light is a semiconductor laser or a fiber laser.
  • the laser radar device according to any one of items 1 to 13, further comprising a scanning unit for scanning the laser light emitted from the light projecting unit in a main scanning direction.
  • Item 15 The laser radar device according to Item 14, wherein a polygon mirror or a MEMS mirror is used as the scanning unit.
  • an amplification layer containing silicon (Si), an absorption layer containing germanium (Ge), and an antireflection layer are laminated in this order on a substrate.
  • the absorption layer containing germanium (Ge) has a very high refractive index, so light from free space is likely to be reflected on the surface of the absorption layer, but the antireflection layer should prevent reflection on the surface of the light receiving element. Thus, the amount of light incident on the inside of the light receiving element can be increased.
  • the absorption layer has at least a p-Ge layer doped p-type. The p-Ge layer is slow in carrier movement but has little noise.
  • the present invention has an amplification layer containing silicon (Si), it is possible to amplify the movement of carriers moved from the absorption layer and to flow a larger current. Further, by using Si as an amplification layer, a sensor with low noise while having sensitivity to light having an absorption wavelength of germanium (Ge) can be obtained.
  • Si silicon
  • 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 using a silicon wafer having a large wafer size. Therefore, the productivity is higher and the manufacturing cost can be reduced than the method using silicon indium gallium arsenide (InGaAs) with a small wafer size.
  • Block diagram showing the configuration of the laser radar device Schematic diagram showing an example of schematic configuration of a laser radar device Schematic diagram for explaining laser scanning in the scanning unit
  • Schematic diagram showing another example of a schematic configuration of a laser radar device The top view which shows schematic structure of the near-infrared photodetector by which the optical element was arranged in the array form Sectional view of the VII-VII portion of the near-infrared light detector of FIG. Sectional drawing schematically showing how free light is absorbed by the absorption layer of the optical element Sectional view showing the layer structure of the light receiving element Band gap diagram in the layer structure of the light receiving element of FIG.
  • Sectional drawing which shows the other example of the layer structure of a light receiving element
  • Sectional drawing which shows the other example of the layer structure of a light receiving element
  • Graph showing the relationship between the absorption layer thickness and the light absorption rate
  • a graph showing the relationship between the presence or absence of an antireflection layer and light reflectance Sectional drawing which showed typically a mode that light was absorbed with an absorption layer in the optical element which concerns on the prior art example which has a waveguide-shaped absorption layer
  • the laser radar device of the present invention is a laser radar device including a light projecting unit that irradiates a target with laser light and a light receiving unit that receives scattered light of the laser light scattered by the target.
  • the light receiving unit is formed by laminating an amplification layer containing silicon (Si), an absorption layer containing germanium (Ge), and an antireflection layer in this order on a substrate, and receives the scattered light.
  • the amplification layer has an n-type doped n-Si layer and a p-type doped p-Si layer at least in this order on the substrate, and the absorbing layer comprises: It is characterized by having at least a p-Ge layer doped p-type. This feature is a technical feature common to or corresponding to the embodiments described below.
  • the absorption layer has an i-Ge layer that is an intrinsic region, and the i-Ge layer and the p-layer are formed on the amplification layer. It is preferable to have a -Ge layer in this order. Further, it is preferable that the absorption layer has a second p-Ge layer between the i-Ge layer and the amplification layer.
  • the absorbent layer has the p-Ge layer p + -Ge layer doped to p-type at a concentration higher than the on the p-Ge layer p + A —Ge layer is preferably laminated.
  • the mobility of a carrier can be improved and a response speed can be made quick.
  • the Fermi level is different between the p-Ge layer and the p + -Ge layer in the band structure, an inclination occurs between the bands, and electrons are easily extracted from the electrode.
  • the p + -Ge layer is stacked on the p-Ge layer, it can be expected that electrons are easily introduced to the amplification layer side. Furthermore, the contact resistance with the electrode can be lowered.
  • the amplification layer has an intrinsic region between the n-Si layer and the p-Si layer. It is preferable to have a certain i-Si layer.
  • the refractive index of the material forming the antireflection layer is in the range of 1.2 to 3.5 from the viewpoint of suppressing reflection and improving the light receiving sensitivity. .
  • 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.
  • the fine uneven structure is preferably a moth-eye structure.
  • the antireflection layer has a multilayer structure in which a plurality of antireflection layers are laminated from the viewpoint of improving the light receiving sensitivity by improving the antireflection performance.
  • a light reflecting layer that reflects at least a part of light to be received by the absorbing layer is formed on the side of the substrate opposite to the side on which the absorbing layer is provided. Preferably it is.
  • the light that has passed through the absorption layer can be reflected to pass through the absorption layer again, so that the amount of light absorption can be increased and the light receiving sensitivity can be improved.
  • the light receiving unit includes near infrared light detection in which a plurality of light receiving elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. It is preferable to provide a vessel.
  • the laser light source of the laser light is a semiconductor laser or a fiber laser from the viewpoint of being small and capable of high output.
  • the wavelength of the laser light is in the range of 1400 to 2600 nm because it is difficult to reach the retina of the eye and safety is high. Light with a wavelength within this range is
  • a scanning unit for scanning the laser light emitted from the light projecting unit in the main scanning direction from the viewpoint of widening the projectable angle.
  • a polygon mirror or a MEMS mirror as the scanning unit from the viewpoint of widening the angle at which light can be projected.
  • ⁇ representing a numerical range is used in the sense that numerical values described before and after the numerical value range are included as a lower limit value and an upper limit value.
  • the laser radar device 100 includes, for example, a light projecting unit 200 that irradiates an object 500 with laser light L, and scattered light of the laser light L scattered by the object 500.
  • the light receiving unit 300 that receives S and the scanning unit 400 that scans the laser light L emitted from the light projecting unit 200 in the main scanning direction D1 are provided.
  • the laser radar device 100 according to 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.
  • the laser radar device 100 is preferably provided with a scanning unit 400.
  • the direction of the arrow indicates the direction in which the laser light L or scattered light S travels.
  • the laser light L emitted from the light projecting unit 200 is transmitted through the scanning unit 400. This means that the scattered light S scattered by the object 500 returns to the light receiving unit 300 via the scanning unit 400 after being irradiated onto the object 500.
  • the time from the start of the irradiation of the laser light L from the light projecting unit 200 to the reception of the scattered light S by the light receiving unit 300 is measured, and from the measured time and the speed of light, The distance to the object 500 can be calculated.
  • 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).
  • An eye-safe laser is a general term for lasers having a large obstacle threshold for eyes. Safety standards are set by the International Electrotechnical Commission (IEC) and the American Standards Association for the intensity of laser light that does not damage the eyes. The maximum allowable exposure for laser light is determined by laser light. Depends on the wavelength of the laser and the operating conditions of the laser.
  • near-infrared laser light having a wavelength of 1400 to 2600 nm exhibits a higher tolerance than other wavelengths even if the pulse width, repetition frequency, etc. are changed. Refers to this wavelength.
  • the laser light source 210 is preferably a semiconductor laser or a fiber laser from the viewpoint of being small and capable of high output. It is preferable that high output is possible because it is possible to detect objects farther away.
  • 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 two-dimensionally arranged and irradiated with the high-power laser light L.
  • the fiber laser include an erbium fiber laser.
  • the laser light L emitted from the laser light source 210 is incident on a collimator lens 220 as a light projecting optical system.
  • the laser beam L incident on the collimator lens 220 is converted into a parallel beam by adjusting the focal position of the laser beam L, and is emitted to the scanning unit 400.
  • the configuration of the light projecting optical system can be changed as appropriate. For example, 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, the parallel light can be transmitted.
  • An aperture for shaping and adjusting the amount of light may be provided.
  • the scanning unit 400 scans (scans) the laser light L emitted from the light projecting unit 200 in the main scanning direction D1.
  • the angle at which light can be projected and received is widened, and light can be projected and received over a wide range.
  • a two-dimensional mirror such as a polygon mirror or a MEMS mirror is preferably used.
  • FIG. 2 shows an example in which a polygon mirror is used as the scanning unit 400.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining scanning of the laser light L in the scanning unit 400. As shown in FIG.
  • the laser beam L is reflected in a predetermined direction by rotating around the central axis portion 410 of the polygon mirror, so that the laser beam L is reflected in the main scanning direction D1. To scan. Thereby, it becomes possible to project the laser beam L onto the object 500 at a higher and wider angle.
  • the laser beam L before being reflected by the polygon mirror is indicated by a solid line
  • the laser beam L after being reflected by the polygon mirror is indicated by a one-dot chain line.
  • FIG. 4 shows an example in which a MEMS mirror is used as the scanning unit 400.
  • the laser beam L is scanned in the main scanning direction D1 as in the case of the polygon mirror shown in FIG. 3 by rotating the angle of the flat mirror around the central shaft portion 410. be able to.
  • the scanning in the main scanning direction D1 by the polygon mirror and the MEMS mirror has been described.
  • the present invention is not limited to this.
  • another scanning mirror is provided, and the sub-scanning is a direction crossing the main scanning direction. You may make it scan also about a direction.
  • the scanning unit 400 is not limited to a polygon mirror or a MEMS mirror, and may be anything that can scan a laser beam.
  • a voltage may be used instead of these mirrors.
  • the laser light may be propagated through an element whose refractive index changes accordingly, and the laser light may be scanned by changing the direction of travel of the laser light by changing the refractive index by applying a voltage to the element.
  • the laser radar device 100 is not provided with the scanning unit 400, and the laser beam emitted from the projection optical system is directly applied to the object 500. Irradiation is also possible.
  • the light receiving unit 300 includes a near infrared light detector 310 and a light receiving optical system (for example, a condensing lens 320).
  • the condensing lens 320 as the light receiving optical system condenses the scattered light S scattered by the object 500 on the light receiving surface 310 s of the near infrared light detector 310.
  • the configuration of the light receiving optical system can be changed as appropriate.
  • the configuration may further include an imaging lens, an optical filter, and the like.
  • the near-infrared light detector 310 is provided with a light-receiving element 10 that receives near-infrared light and converts it into electricity.
  • the light receiving elements 10 are preferably arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.
  • FIG. 6 shows, as an example, a configuration in which a total of 10 light receiving elements 10 of 2 rows ⁇ 5 columns are arranged in an array.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of the portion VII-VII in FIG. Since each light receiving element 10 of the near-infrared light detector 310 has a germanium (Ge) absorption layer 40, it can be suitably used for receiving and detecting near-infrared light from free space. .
  • Ge germanium
  • 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. 6,812,495 and US Pat. No. 6,946,318, germanium is formed on a silicon (Si) substrate 20 using a known UHV-CVD method. It can be produced by growing (Ge).
  • SOI Silicon on Insulator
  • an amplification layer 30 containing silicon (Si), an absorption layer 40 containing germanium (Ge), and an antireflection layer 50 are laminated on a substrate 20 in this order.
  • the p-Ge layer 42 is at least included.
  • the layer structure of the light receiving element 10 includes, but are not limited to, the following examples.
  • Substrate / n-Si layer / p-Si layer / p-Ge layer / antireflection layer (i) 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-G
  • the light reflection layer 60 is further laminated on the bottom side of the substrate 20 (the side opposite to the side where the absorption layer 40 is provided).
  • FIG. 9 shows, 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 the substrate 20, which has the layer configuration (viii), and i
  • the light receiving element 10 in which the absorption layer 40 formed of the -Ge layer 41, the p-Ge layer 42, and the p + -Ge layer 43 and the antireflection layer 50 are stacked in this order is shown.
  • electrodes 70 and 71 are provided on the portion in contact with the n-Si layer 31 and the upper surface of the absorption layer 40, respectively.
  • 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 electrons generated by the absorption layer 40 absorbing light can be taken out. It has become. Note that the position where the electrodes 70 and 71 are provided can be changed as appropriate as long as it can generate a potential difference and take out electrons generated by absorbing light.
  • FIG. 10 shows a band structure when a reverse bias voltage is applied to the light receiving element 10 having the layer configuration (viii) shown in FIG.
  • the substrate 20 is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained.
  • a silicon substrate is used.
  • 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 this order at least in this order. The function of amplifying the movement of the current and flowing a larger current.
  • the amplification layer 30 has an i-Si layer 32 that is an intrinsic region between the n-Si layer 31 and the p-Si layer 33 doped p-type from the viewpoint of increasing the amplification amount.
  • the pin structure is preferably formed.
  • amplification effect such as a multiplication factor of about 10 to 100 times can be obtained.
  • the doped regions 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 thermal diffusion method.
  • 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.
  • the absorption layer 40 has at least a p-Ge layer 42 doped in 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 the near infrared region.
  • the absorption layer 40 by appropriately changing the layer structure as follows according to the noise level and 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 absorption layer 40 occupied by the p-Ge layer 42, and all of the absorption layer 40 may be formed by the p-Ge layer 42.
  • the absorption layer 40 includes an i-Ge layer 41 that is an intrinsic region. Specifically, the i-Ge layer 41 is provided on the amplification layer 30.
  • the p-Ge layer 42 is preferably laminated in this order.
  • the i-Ge layer 41 Since the i-Ge layer 41 is located between the p-Ge layer 42 and the p-Si layer 33, a reverse bias voltage is generated by the difference in Fermi level between the p-Ge layer 42 and the p-Si layer 33. When applied, the band structure has an inclination as shown in FIG. Therefore, in the i-Ge layer 41, the carrier moving speed can be increased and the response speed can be increased.
  • the absorption layer 40 may have a second p-Ge layer 44 between the i-Ge layer 41 and the amplification layer 30 (FIG. 11).
  • the p + -Ge layer 43 is doped on the p-Ge layer 42 at a higher concentration than the p-Ge layer 42 in the p-type.
  • the mobility of a carrier can be improved and a response speed can be made quick.
  • the Fermi level is different between the p-Ge layer 42 and the p + -Ge layer 43 in the band structure, an inclination occurs between the bands, so that electrons can be easily extracted from the electrode 71.
  • the p + -Ge layer 43 is laminated on the p-Ge layer 42, it can be expected that electrons can be easily introduced into the amplification layer 30 side.
  • the contact resistance with the electrode 71 can be lowered.
  • the p + -Ge layer 43 in this specification is defined as a Ge layer that is doped in a p-type at a higher concentration than the p-Ge layer 42 as described above.
  • the doped regions 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 thermal diffusion method.
  • the absorption layer 40 is obtained by heating the substrate 20 and the amplification layer 30 to about 600 ° C. and depositing Ge on the amplification layer 30 by epitaxial growth using GeH 4 which is a source gas of germanium (Ge). Can be formed.
  • GeH 4 is a source gas of germanium (Ge).
  • the thickness L of the absorption layer 40 preferably satisfies the following formula, where ⁇ is the absorption coefficient of germanium (Ge) at the wavelength of light to be received. exp ( ⁇ L ⁇ ⁇ )> 0.8 [ ⁇ represents the absorption coefficient of germanium (Ge) at the wavelength of light to be received. ]
  • ⁇ the absorption coefficient of germanium (Ge) at the wavelength of light to be received.
  • the results of calculating the absorbance relationship are shown in FIG. As can be seen from FIG. 13, for example, when the absorption of light at 1550 nm is calculated, light of more than 90% and nearly 100% can be absorbed at a thickness of 3 ⁇ m. From the above, it is preferable that the thickness L of the absorption layer 40 is 3 ⁇ m or more from the viewpoint of sufficiently absorbing light and improving the light receiving sensitivity.
  • the thickness of the absorption layer 40 is preferably 7 ⁇ m or less. Further, by setting the thickness of the absorption layer 40 to 7 ⁇ m or less, a sufficient response speed can be obtained when used in a measurement device.
  • 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.
  • the range of 1.4 to 3.0 is particularly preferable.
  • the graph which showed the relationship between the presence or absence of the antireflection layer 50 and the light reflectance is shown in FIG.
  • the refractive index is made of materials of (b) 1.2, (c) 1.4, (d) 2.0, (e) 3.0, and (f) 3.5, respectively, and the thickness is optimum.
  • 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 is achieved. Can be efficiently suppressed.
  • the antireflection layer 50 made of a material having a refractive index of 1.2 to 3.5 is provided, the reflection of light within a wavelength range of 1400 to 1550 nm suitable for the absorption layer 40 according to the present invention is performed. 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 preferred to use about 3.5 silicon (Si).
  • a fine uneven 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, for example, a shape in which a substantial refractive index increases as it approaches the absorption layer 40, and a moth-eye structure is preferably used as the concavo-convex structure 51.
  • the moth-eye structure can be formed, for example, by providing a plurality of cone-shaped convex portions as shown in the schematic diagram of FIG.
  • the cone 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 truncated pyramid shape, a bell shape, and an elliptical truncated cone shape. It can be selected as appropriate.
  • the 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 and space in the thickness direction of the cone shape, the pitch and depth of the unevenness, etc.
  • the refractive index may be adjusted to be in the range of 1.2 to 3.5 described above.
  • the concavo-convex pitch is preferably, for example, 1000 to 1600 nm
  • the concavo-convex depth is preferably 0.5 to 5 times the pitch, and more preferably 1 to 3 times.
  • the antireflection layer 50 preferably has a multilayer structure in which a plurality of antireflection layers 50 are stacked from the viewpoint of improving the light receiving sensitivity by improving the antireflection performance. From the viewpoint of efficiently suppressing reflection on the surface of the absorption layer 40, when the wavelength of light to be received is ⁇ , the antireflection layer 50 having an optical layer thickness that is an odd multiple of ( ⁇ / 4) is It is preferable that one or more layers are laminated. Thereby, since the light reflected by the upper surface and lower surface in each layer provided in the antireflection layer 50 cancels out, reflection of light can be effectively prevented.
  • 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.
  • the reflectance in the case of providing the antireflection layer 50 made of 0.0 silicon nitride (SiN) can be made substantially 0%.
  • the power (W) of the incident light with an SN ratio of 1 is calculated by the above formula (A1), if the reflectance is 40%, it is about 100 nW, and if the reflectance is 0%, 20 nW.
  • the S / N ratio is effective when the power of the incident light is (Popt) squared. Therefore, 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.
  • the light reflecting layer 60 is provided on the lower surface of the substrate 20 (the side opposite to the side on which the absorption layer 40 is provided), and when there is light that has passed through the absorption layer 40, the light reflection layer 60 At least a part of the light 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 near infrared light to be received, and may be formed using any inorganic or organic material, and the formation method is not particularly limited. . Specifically, for example, ITO (indium tin oxide) or ATO (antimony-doped tin oxide) can be used as the inorganic material, and polycarbonate resin or the like can be used as the organic material.
  • the present invention can be used in a laser radar device that detects scattered light in response to laser irradiation and measures the distance to an object.

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  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本発明の課題は、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。また、本発明に係るレーザーレーダー装置１００は、レーザー光Ｌを対象物５００に対して照射する投光部２００と、当該対象物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、を備えたレーザーレーダー装置１００であって、受光部３００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なり、散乱光Ｓを受光する受光素子１０を有し、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ものである。

Description

レーザーレーダー装置
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
特開２０１４－１０７５６２号公報
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。
　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。
　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、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層を少なくとも有するレーザーレーダー装置。
　２．前記吸収層が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層を有し、前記増幅層上に、前記ｉ－Ｇｅ層と、前記ｐ－Ｇｅ層とをこの順に有している第１項に記載のレーザーレーダー装置。
　３．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２項に記載のレーザーレーダー装置。
　４．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項から第３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．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４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．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５項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
　７．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６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．前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造である第７項に記載のレーザーレーダー装置。
　９．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６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．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９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．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。
　１２．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。
　１３．前記レーザー光の波長が、１４００～２６００ｎｍの範囲内である第１項から第１２項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
　１４．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１３項までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
　１５．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１４項に記載のレーザーレーダー装置。
　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。
　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。
　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。
レーザーレーダー装置の構成を示すブロック図 レーザーレーダー装置の概略構成の一例を示す模式図 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 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 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 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 図６の近赤外光検出器のVII-VII部分の断面図 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 受光素子の層構成を示す断面図 図９の受光素子の層構成におけるバンドギャップ図 受光素子の層構成の他の例を示す断面図 受光素子の層構成の他の例を示す断面図 吸収層の層厚と光の吸収率の関係を示したグラフ 反射防止層の有無と光反射率の関係を示したグラフ 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
　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、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層を少なくとも有す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。
　また、本発明の実施態様としては、応答速度を速くする観点から、前記吸収層が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層を有し、前記増幅層上に、前記ｉ－Ｇｅ層と、前記ｐ－Ｇｅ層とをこの順に有していることが好ましい。また、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層を有することが好ましい。
　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。
　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。
　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。
　
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　また、本発明の実施態様としては、目の網膜まで達しにくく、安全性が高いため、前記レーザー光の波長が、１４００～２６００ｎｍの範囲内であることが好ましい。当該範囲内の波長の光は、
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
［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。
　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
　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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
　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ＧｅＨ４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。
　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
　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。
　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。
　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。
　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（ＳｉＯ２）、屈折率約３．５のケイ素（Ｓｉ）を用いることが好ましい。
　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。
　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。
　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。
（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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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、ＩＢ：背景光ノイズ電流、ＩＤ：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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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

Claims (15)

  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、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層を少なくとも有するレーザーレーダー装置。
  2. 　前記吸収層が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層を有し、前記増幅層上に、前記ｉ－Ｇｅ層と、前記ｐ－Ｇｅ層とをこの順に有している請求項１に記載のレーザーレーダー装置。
  3. 　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２に記載のレーザーレーダー装置。
  4. 　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から請求項３までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  5. 　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４までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  6. 　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５までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  7. 　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６までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  8. 　前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造である請求項７に記載のレーザーレーダー装置。
  9. 　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６までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  10. 　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９までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  11. 　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１０までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  12. 　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１１までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  13. 　前記レーザー光の波長が、１４００～２６００ｎｍの範囲内である請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  14. 　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１３までのいずれか一項に記載のレーザーレーダー装置。
  15. 　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１４に記載のレーザーレーダー装置。
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