(57)【要約】【課題】入射する光のｓ波成分とｐ波成分とでオフセット及びアンバランスが生じない偏光面検波センサーを提供する。【解決手段】本発明の偏光面検波センサーは、シリコン基板３０１に形成された２つのフォトダイオードと、フローティングディフュージョンＣｆｄと、シリコン基板３０１上方に形成された偏光層とを有する複数の単位画素を備え、偏光層は、２つのフォトダイオードの一方が形成されている領域の上方に形成され、入射光の第１の偏光成分を透過する第１の偏光子Ｐｓ１と、２つのフォトダイオードの他方が形成されている領域の上方に形成され、第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する第２の偏光子とを有し、複数の単位画素それぞれは、さらに、第１の偏光子Ｐｓ１及び第２の偏光子からフローティングディフュージョンＣｆｄに入射する斜め光を遮光する遮光部３１０を備える。【選択図】図３
2010263021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、
前記複数の単位画素それぞれは、
基板に形成され、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、
各フォトダイオードに対応して形成され、対応するフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、
各フォトダイオードが形成されている領域に隣接して前記基板に形成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
前記基板上方に形成されている偏光層とを備え、
前記偏光層は、
前記２つのフォトダイオードの一方が形成されている領域の上方に形成され、前記入射光の第１の偏光成分を透過する第１の偏光子と、
前記２つのフォトダイオードの他方が形成されている領域の上方に形成され、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する第２の偏光子とを有し、
前記複数の単位画素それぞれは、さらに、
前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子から前記フローティングディフュージョンに入射する斜め光を遮光する遮光部
を備える偏光面検波センサー。
【請求項２】
前記遮光部は、前記転送トランジスタのゲート電極上方において、前記基板に対し垂直方向に形成されている
請求項１記載の偏光面検波センサー。
【請求項３】
前記単位画素は、前記基板上に形成されている絶縁層を備え、
前記遮光部は、前記絶縁層を介して前記ゲート電極上方に形成されている
請求項２記載の偏光面検波センサー。
【請求項４】
前記遮光部は、前記ゲート電極の対応するフォトダイオード側の端部の上に形成されている
請求項２又は３記載の偏光面検波センサー。
【請求項５】
２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、
前記複数の単位画素それぞれは、
基板に形成され、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、
各フォトダイオードに対応して形成され、対応するフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、
各フォトダイオードが形成されている領域に隣接して前記基板に形成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
前記基板上方に形成されている偏光層とを備え、
前記偏光層は、
前記２つのフォトダイオードの一方が形成されている領域の上方に複数の第１スリットを有する第１の偏光子と、
前記２つのフォトダイオードの他方が形成されている領域の上方に前記第１スリットに直交する複数の第２スリットを有する第２の偏光子とを有し、
前記第１スリット及び前記第２スリットそれぞれが、各フォトダイオードと、対応する転送トランジスタと、対応するフローティングディフュージョンとの並び方向と成す角度は、４５°である
偏光面検波センサー。
【請求項６】
２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、
前記複数の単位画素それぞれは、
光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、
前記２つのフォトダイオードの直上に形成された偏光層とを備え、
前記偏光層は、
前記２つのフォトダイオードの一方の直上に形成され、入射光の第１の偏光成分を透過する第１の偏光子と、
前記２つのフォトダイオードの他方の直上に形成され、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する第２の偏光子とを有する
偏光面検波センサー。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の偏光面検波センサーを有する
半導体集積回路。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の偏光面検波センサーの制御方法であって、
各フォトダイオードで受光した光から電荷を生成する生成ステップと、
前記第１の偏光子に対応するフォトダイオードで生成された電荷と、前記第２の偏光子に対応するフォトダイオードで生成された電荷との差分を検出する差分ステップとを含む
偏光面検波センサーの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外とミリ波の間に位置する０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの周波数域（テラヘルツ領域とよばれる）の電磁波は、様々な物質を透過するミリ波の性質と直進性・集光性を有する赤外光の性質を共に有するので、様々な応用があり、非常に重要である。
【０００３】
例えば、近年、半導体技術、生医学応用、セキュリティ、一般的な研究開発、環境調査、通信などの広い分野において、このテラヘルツ光の発振／検出技術が注目されている（例えば、特許文献１〜５参照）。このようなテラヘルツ光の検出のために、テラヘルツイメージセンサーが求められている。
【０００４】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、従来のテラヘルツ光検出システムの構成を示す図である。具体的には、図１０Ａはテラヘルツ光がない場合を示し、図１０Ｂはテラヘルツ光がある場合を示している。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂで示されている、テラヘルツ検出システム５００の構成は同一である。
【０００５】
まず、図１０Ａに示したテラヘルツ光がない場合について説明する。
【０００６】
テラヘルツ検出システム５００に入射した７８０ｎｍの波長のプローブ光５０１はテラヘルツ光無しの状態でＺｎＴｅ結晶５０２を透過するとき、偏光面がプローブ光５０１と同じである透過光５０３が透過する。透過光５０３は、λ／４板５０４を介してＷｏｌｌａｓｔｏｎプリズム５０５で分光されて、第１のビーム５０６及び第２のビーム５０７となる。このとき、第１のビーム５０６及び第２のビーム５０７は、同強度のビームとなっている。第１のビーム５０６及び第２のビーム５０７はそれぞれ、シリコンフォトダイオード５０８及び５０９のうち対応するいずれかで受光される。このシリコンフォトダイオード５０８及び５０９を有するバランスディテクター５１０は、シリコンフォトダイオード５０８及び５０９で生成された信号電荷に応じたバランス信号をモニタする。具体的には、バランスディテクター５１０は、シリコンフォトダイオード５０８に入射したビームと、シリコンフォトダイオード５０９に入射したビームとの差分を示す差分信号ｂｄを出力する。差分信号ｂｄは、例えば各シリコンフォトダイオードに入射したビームの強度に差がない場合０を示し、差がある場合その差に応じた、例えば電圧を出力する。
【０００７】
次に、図１０Ｂに示したテラヘルツ光がある場合について説明する。
【０００８】
テラヘルツ光５１１とプローブ光５０１とが、同時にＺｎＴｅ結晶５０２を透過する時、テラヘルツ光の電界が印加電界として働き、プローブ光５０１の偏光面に対し回転した偏光面を有する光である回転透過光５１２が発生する。この回転透過光５１２は、λ／４板５０４を介し、Ｗｏｌｌａｓｔｏｎプリズム５０５で分光され、第１のビーム５１３及び第２のビーム５１４となる。この第１のビーム５１３及び第２のビーム５１４は、図１０Ａに示した第１のビーム５０６及び第２のビーム５０７の関係と異なり、互いに強度の異なるビームとなっている。このときバランスディテクター５１０から出力されるバランスディテクター信号ｂｄは、各シリコンフォトダイオードに入射したビームの強度の差に応じた、例えば電圧を出力する。
【０００９】
このように、従来のテラヘルツ検出システム５００は、バランスディテクター５１０から出力される差分信号ｂｄにより、テラヘルツ光を検出できる。
【００１０】
また、テラヘルツ光の偏光面に応じて応答するセンサーを用いた偏光面イメージセンサーの実現が期待されている。
【００１１】
図１１は、従来のイメージセンサーの構成を示す図である。
【００１２】
従来のイメージセンサー６００は、行列状（例えば、３１２×２３８）に配置された複数の画素６１０と、複数の画素６１０を行ごとに制御する垂直走査回路６２０と、複数の画素６１０の列ごとに設けられた垂直信号線６４０と、水平走査回路６３０とを備える。
【００１３】
画素６１０は、具体的には、ｓ波用偏光子６１１と、ｐ波用偏光子６１２と、スイッチＴｒ６１３とを備える。
【００１４】
ｓ波用偏光子６１１は、対応するフォトダイオードの上に配置され、入射光のうち、特定の偏光成分のみを透過する金属偏光子である。この金属偏光子は、ストライプ状に形成された、例えばアルミである。ストライプ間隔がファムト秒レーザー光源の波長（８００nm）より短いサブ波長で形成された金属偏光子は、ストライプ状に配置されたラインの方向によって特定の偏光面の光を吸収し、また、その特定の偏光面に対して垂直な偏光面の光はほとんど吸収せずに透過する。具体的には、金属偏光子のラインと同じ方向の偏光面を有する光が入射する場合、ラインのエッジにラインと平行方向に電荷が発生することによってほとんどの光が吸収される。一方、金属偏光子のラインに対して垂直方向の偏光面を有する光が入射する場合、ライン上のエッジに電荷が発生するため光はほとんど吸収せずに透過する。
【００１５】
ｐ波用偏光子６１２は、対応するフォトダイオードの上に配置され、入射光のうち、特定の偏光成分のみを透過する金属偏光子である。ここで、ｓ波用偏光子６１１が透過する偏光成分と、ｐ波用偏光子６１２が透過する偏光成分とは互いに９０°異なっている。つまり、ｓ波用偏光子６１１は入射光のｓ波成分のみを透過し、ｐ波用偏光子６１２は入射光のｐ波成分のみを透過する。
【００１６】
また、ｓ波用偏光子６１１に対応するフォトダイオードで生成された信号電荷と、ｐ波用偏光子６１２に対応するフォトダイオードで生成された信号電荷との差分を示す電圧が、画素６１０内のＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路で算出及び保持される。
【００１７】
スイッチＴｒ６１３は、垂直走査回路６２０により同一行の画素ごとに制御され、ＣＤＳ回路で保持されたｐ波用偏光子６１２に対応するフォトダイオードで生成された信号電荷と、ｓ波用偏光子６１１に対応するフォトダイオードで生成された信号電荷との差分を示す電圧を垂直信号線６４０へ読み出す。
【００１８】
その後、ＣＤＳ回路に保存されたデータは、垂直走査回路６２０の制御に応じて行ごとに垂直信号線６４０へ読み出される。
【００１９】
水平走査回路６３０は、垂直信号線６４０に読み出された電圧を、順次読み出しバッファを介して、イメージセンサー６００の外部のディスプレーへ送る。
【００２０】
このように、従来のイメージセンサー６００では、入射したテラヘルツ光のｓ波成分とｐ波成分との差分をとることで、入射光の２次元分布を検知し、テラヘルツ光によるイメージングを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００２−５８２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０４号公報
【特許文献３】特開２００５−３７２１３号公報
【特許文献４】特開２００８−７６３５０号公報
【特許文献５】特開２００８−１９９４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、上記の従来の技術においては、ｓ波用偏光子６１１及びｐ波用偏光子６１２以外を遮光膜で覆っている場合にも、ｓ波用偏光子６１１及びｐ波用偏光子６１２それぞれの下に設けられたフォトダイオードに隣接するフローティングディフュージョンにテラヘルツ光が入射することで、以下に述べるような課題が生じる。
【００２３】
図１２は、イメージセンサー６００の特性を評価するために用いた光学系の構成を模式的に示す図である。
【００２４】
同図に示す光学系７００は、入射した半導体レーザービーム７０１を減光するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター７０２と、減光された半導体レーザーのうち、特定の偏光面の成分のみを透過する（偏光する）２つの偏光子７０３と、偏光された半導体レーザーの偏光面を回転させるλ／２板７０４とを通して、図１１で説明したイメージセンサー６００の特性を調べるための測定系である。
【００２５】
図１３は、光学系７００におけるイメージセンサー６００の特性の測定結果を示すグラフである。同図の横軸は、基準角度に対するｓ波用偏光子６１１及びｐ波用偏光子６１２それぞれの角度を示し、縦軸は、フォトダイオードで生成された電荷に対応する電圧である。
【００２６】
同図に示すように、ｓ波用偏光子６１１の下のフォトダイオードで生成された信号電荷に対応する電圧であるｓ波用信号７１１と、ｐ波用偏光子６１２の下のフォトダイオードで生成された信号電荷に対応する電圧であるｐ波用信号７１２とがそれぞれ最大となる角度は、互いに４５°ずれている。また、ｓ波用信号７１１及びｐ波用信号７１２がそれぞれ最小となる角度も互いに４５°ずれている。
【００２７】
ここで、次の２つの課題が挙げられる。
【００２８】
まず１つめの課題は、ｓ波用信号７１１の最大値と最小値との差（peak-to-peak電圧）と、ｐ波用信号７１２の最大値と最小値との差とが異なり、アンバランスが生じている点である。具体的には、ｓ波用信号７１１の最大値と最小値との差分は約０．６Ｖであり、ｐ波用信号７１２の最大値と最小値との差分は約０．４Ｖであることが図１３から読み取れる。
【００２９】
また、２つめの課題は、ｓ波用信号７１１とｐ波用信号７１２との間に、全体的にオフセットがかかり、ｓ波用信号７１１がｐ波用信号７１２と比較して０．３Ｖ程度電圧値が高くなっている点である。例えば、ｓ波用信号７１１の最大値は約１．１５Ｖであるのに対し、ｐ波用信号７１２の最大値は約０．８Ｖである。また、ｓ波用信号７１１の最小値は約０．５５Ｖであるのに対し、ｐ波用信号７１２の最小値は約０．４Ｖである。
【００３０】
このようなｓ波用信号７１１及びｐ波用信号７１２のオフセット及びアンバランスが生じることにより、半導体レーザービーム７０１のｓ波成分とｐ波成分との差を正確にとることができない。その結果、従来のイメージセンサー６００では正確なイメージングができない。
【００３１】
上述のｓ波用信号７１１及びｐ波用信号７１２のオフセット及びアンバランスが生じる原因は以下のように考えられる。
【００３２】
図１４は、イメージセンサー６００が有する画素６１０の一部の構成を示す断面図であり、具体的にはｓ波用偏光子６１１と、対応するフォトダイオードと、フローティングディフュージョンとの構成を示す断面図である。
【００３３】
同図に示すように、画素６１０は、シリコン基板８０１と、シリコン基板８０１に形成されたフォトダイオード８０２と、信号電荷を保持するフローティングディフュージョン８０３と、フィルター層８０５と、フォトダイオード８０２で生成された信号電荷を転送する転送トランジスタのゲート電極８０６と、平坦層８０７と、ｓ波用偏光子６１１と、遮光層８０９とを有する。
【００３４】
ここで、ｓ波用偏光子６１１は、フォトダイオード８０２が形成された領域と重なるようにシリコン基板８０１上方に配置されている。また、フォトダイオード８０２が形成された領域以外の領域は遮光層８０９と重なっている。したがって、ｓ波用偏光子６１１の下に配置されているフォトダイオード８０２で受光する光は、ｓ波用偏光子６１１を透過した光のみである。つまり、フォトダイオード８０２で生成される信号電荷は、ｓ波用偏光子６１１を透過した光の強度に対応するはずである。
【００３５】
ｓ波用偏光子６１１及びｐ波用偏光子６１２はそれぞれ、対応するフォトダイオード８０２上にモノリシックに作られている。これにより、図１２に示した光学系７００において、λ／２板７０４が４５°回転した場合に、各フォトダイオード８０２からほぼ同じ信号電荷が得られる。つまり、本来は、ｓ波用信号７１１とｐ波用信号７１２とは、位相が４５°異なり、振幅及び平均電圧が同じ信号となるはずである。
【００３６】
しかし、現実は、シリコン基板８０１に形成されているフォトダイオード８０２と、ｓ波用偏光子６１１及びｐ波用偏光子６１２との間には、数μｍのギャップがある。
【００３７】
ｓ波用偏光子６１１及びｐ波用偏光子６１２は、形成されているストライプ状に配置されたライン間のピッチが、入射する（数十〜百数十）ファムト秒レーザー光源の波長（８００nm）より短いため、通常の回折素子効果は得られない。しかし、各金属偏光子（ｓ波用偏光子６１１及びｐ波用偏光子６１２）の端部のみは、回折格子として機能することが分かっている。その結果、図１４に示すように、ｓ波用偏光子６１１のエッジから回折光ｄｒ１が発生し、その回折光ｄｒ１がフローティングディフュージョン８０３へ入射する。なお、図１４においては、画素６１０のｓ波用偏光子６１１についてのみ説明をしたが、ｐ波用偏光子６１２についても同様に、回折光が直接フローティングディフュージョン８０３へ入射する。
【００３８】
図１５Ａは、入射したファムト秒レーザー光に対するｓ波用偏光子６１１で発生する回折光を模式的に示す図であり、図１５Ｂは、入射したファムト秒レーザー光に対するｐ波用偏光子６１２で発生する回折光を模式的に示す図である。なお、各金属偏光子は、複数のストライプ状のラインと、そのラインとで挟まれたスリットを含む。また、回折光は、各金属偏光子の端部のエッジ、言い換えると外枠の矩形のエッジで発生する。具体的には、図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて、回折光は、右方向へ発生してフローティングディフュージョン８０３へ入射するものと、図の手前、奥及び左にも発生するものとがあるが、ここでは便宜上フローティングディフュージョン８０３へ入射する１つのみを示す。
【００３９】
金属偏光子から異なる方向に発生する複数の回折光のうち、複数のスリットの並び方向に発生する回折光ｄｒ１と比較して、スリットの伸延方向に発生する回折光ｄｒ２の方が、より弱い光強度を有する。具体的には、図１５Ａ及び図１５Ｂにおいては、ｓ波用偏光子６１１のエッジで発生する回折光ｄｒ１が、ｐ波用偏光子６１２のエッジで発生する回折光ｄｒ２と比較して、より多くフローティングディフュージョン８０３へ入射する。
【００４０】
このように、金属偏光子のラインの並び方向に応じてフローティングディフュージョン８０３へ入射する光量が変わることが、図１３に示したようなｓ波用信号７１１とｐ波用信号７１２とでオフセット及びアンバランスが生じる原因である。
【００４１】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑みて、入射する光のｓ波成分とｐ波成分とでオフセット及びアンバランスが生じない偏光面検波センサーを提供することを目的とする。また、そのような偏光面検波センサーの制御方法を提供すること、及び、そのような偏光面検波センサーを有する半導体装置を提供することも、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
上記課題を解決するために、本発明の偏光面検波センサーは、２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、前記複数の単位画素それぞれは、基板に形成され、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、各フォトダイオードに対応して形成され、対応するフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、各フォトダイオードが形成されている領域に隣接して前記基板に形成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記基板上方に形成されている偏光層とを備え、前記偏光層は、前記２つのフォトダイオードの一方が形成されている領域の上方に形成され、前記入射光の第１の偏光成分を透過する第１の偏光子と、前記２つのフォトダイオードの他方が形成されている領域の上方に形成され、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する第２の偏光子とを有し、前記複数の単位画素それぞれは、さらに、前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子から前記フローティングディフュージョンに入射する斜め光を遮光する遮光部を備える。
【００４３】
これにより、第１の偏光子又は第２の偏光子を透過した光がフローティングディフュージョンへ入射することで発生する、第１の偏光子を透過した光に応じた信号と第２の偏光子を透過した光に応じた信号とのオフセット及びアンバランスを防止できる。
【００４４】
また、例えば空及び地面から偏光面検波センサーへ入射する散乱光の影響を防止でき、耐環境性が向上する。
【００４５】
また、前記遮光部は、前記転送トランジスタのゲート電極上方において、前記基板に対し垂直方向に形成されていてもよい。
【００４６】
これにより、簡易な構成で第１の偏光子を透過した光に応じた信号と第２の偏光子を透過した光に応じた信号とのオフセット及びアンバランスを防止できる。
【００４７】
また、前記単位画素は、前記基板上に形成されている絶縁層を備え、前記遮光部は、前記絶縁層を介して前記ゲート電極上方に形成されていてもよい。
【００４８】
また、前記遮光部は、前記ゲート電極の対応するフォトダイオード側の端部の上に形成されていてもよい。
【００４９】
これにより、第１の偏光子又は第２の偏光子を透過した光のフローティングディフュージョンへの入射を一層低減できる。
【００５０】
また、本発明の偏光面検波センサーは、２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、前記複数の単位画素それぞれは、基板に形成され、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、各フォトダイオードに対応して形成され、対応するフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、各フォトダイオードが形成されている領域に隣接して前記基板に形成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記基板上方に形成されている偏光層とを備え、前記偏光層は、前記２つのフォトダイオードの一方が形成されている領域の上方に複数の第１スリットを有する第１の偏光子と、前記２つのフォトダイオードの他方が形成されている領域の上方に前記第１スリットに直交する複数の第２スリットを有する第２の偏光子とを有し、前記第１スリット及び前記第２スリットそれぞれが、各フォトダイオードと、対応する転送トランジスタと、対応するフローティングディフュージョンとの並び方向と成す角度は、４５°である。
【００５１】
これにより、第１の偏光子を透過した光のフローティングディフュージョンへの入射光の強度と、第２の偏光子を透過した光のフローティングディフュージョンへの入射光の強度とが等しくなる。その結果、第１の偏光子を透過した光に応じた信号と第２の偏光子を透過した光に応じた信号とのオフセット及びアンバランスを防止できる。
【００５２】
また、本発明の偏光面検波センサーは、２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、前記複数の単位画素それぞれは、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、前記２つのフォトダイオードの直上に形成された偏光層とを備え、前記偏光層は、前記２つのフォトダイオードの一方の直上に形成され、入射光の第１の偏光成分を透過する第１の偏光子と、前記２つのフォトダイオードの他方の直上に形成され、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する第２の偏光子とを有する。
【００５３】
このように、第１の偏光子及び第２の偏光子それぞれを、対応するフォトダイオードの直上に設けることにより、簡易な構成で第１の偏光子又は第２の偏光子を透過した光のフローティングディフュージョンへの入射を防止できる。
【００５４】
また、本発明の半導体集積回路は上述の偏光面検波センサーを備える。
【００５５】
また、本発明の偏光面検波センサーの制御方法は、各フォトダイオードで受光した光から電荷を生成する生成ステップと、前記第１の偏光子に対応するフォトダイオードで生成された電荷と、前記第２の偏光子に対応するフォトダイオードで生成された電荷との差分を検出する差分ステップとを含む。
【発明の効果】
【００５６】
以上のように、本発明は入射する光のｓ波成分とｐ波成分とでオフセット及びアンバランスが生じない偏光面検波センサーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施の形態１の偏光面検波センサーの構成を示す図である。
【図２】画素の詳細な構成を示す回路図である。
【図３】画素の一部の構成を示す断面図である。
【図４Ａ】ｓ波用偏光子を含む画素の構成を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】ｐ波用偏光子を含む画素の構成を模式的に示す図である。
【図５Ａ】フォトダイオード、ゲート電極、フローティングディフュージョンの一部及び遮光部の配置の一例を示す図である。
【図５Ｂ】フォトダイオード、ゲート電極、フローティングディフュージョン及び遮光部の配置の他の一例を示す図である。
【図６Ａ】実施の形態２のｓ波用偏光子を含む画素の一部の構成を模式的に示す図である。
【図６Ｂ】ｐ波用偏光子を含む画素の一部の構成を模式的に示す図である。
【図７】実施の形態２の偏光面検波センサーが有する画素の一部の構成を示す断面図である。
【図８】テラヘルツイメージングシステムの実用例を模式的に示す図である。
【図９Ａ】ｓ波偏光子の他の一例を示す上面図である。
【図９Ｂ】ｐ波用偏光子の他の一例を示す上面図である。
【図１０Ａ】従来のテラヘルツ光検出システムにおいて、テラヘルツ光がない場合を模式的に示す図である。
【図１０Ｂ】従来のテラヘルツ光検出システムにおいて、テラヘルツ光がある場合を模式的に示す図である。
【図１１】従来のイメージセンサーの構成を示す図である。
【図１２】イメージセンサーの特性を評価するために用いた光学系を示す図である。
【図１３】イメージセンサーの特性の測定結果を示すグラフである。
【図１４】画素の一部の構成を示す断面図である。
【図１５Ａ】ｓ波用偏光子で発生する回折光を模式的に示す図である。
【図１５Ｂ】ｐ波用偏光子で発生する回折光を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
（実施の形態１）
本実施の形態の偏光面検波センサーは、２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、前記複数の単位画素それぞれは、基板に形成され、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、各フォトダイオードに対応して形成され、対応するフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、各フォトダイオードが形成されている領域に隣接して前記基板に形成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記基板上方に形成されている偏光層とを備え、前記偏光層は、前記２つのフォトダイオードの一方が形成されている領域の上方に形成され、前記入射光の第１の偏光成分を透過する第１の偏光子と、前記２つのフォトダイオードの他方が形成されている領域の上方に形成され、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する第２の偏光子とを有し、前記複数の単位画素それぞれは、さらに、前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子から前記フローティングディフュージョンに入射する斜め光を遮光する遮光部を備える。
【００５９】
以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６０】
図１は、実施の形態１の偏光面検波センサーの構成を示す図である。
【００６１】
同図に示す偏光面検波センサー１００は、２次元状に配置された複数の画素１１０と、垂直走査回路１２０と、水平走査回路１３０と、垂直信号線１４０とを備える。
【００６２】
画素１１０は、入射光のｓ波成分及びｐ波成分を検出し、検出したｓ波成分及びｐ波成分の差分に応じた電圧を出力する。具体的には、画素１１０は、ｓ波用偏光子Ｐｓ１と、ｐ波用偏光子Ｐｐ１と、差分回路１１１と、スイッチトランジスタＭ１とを備える。
【００６３】
ｓ波用偏光子Ｐｓ１は、入射光のｓ波成分のみを透過する金属偏光子であり、例えば、６．４μｍ×５μｍの長方形で、幅が５００ｎｍのスリットが７箇所形成されている。このｓ波用偏光子Ｐｓ１の材料は、例えばアルミ（Ａｌ）である。これらのスリットはそれぞれ、直線状の格子により挟まれている。
【００６４】
ｐ波用偏光子Ｐｐ１は、入射光のｓ波成分に直交する成分であるｐ波成分のみを透過する金属偏光子であり、例えば、６．４μｍ×５μｍの長方形で、幅が５００ｎｍかつｓ波用偏光子Ｐｓ１に形成されているスリットと直交方向のスリットが１２箇所形成されている。このｐ波用偏光子Ｐｐ１の材料は、例えばアルミ（Ａｌ）である。また、これらのスリットそれぞれは、ｓ波用偏光子Ｐｓ１に形成された各スリットと同様に、直線状の格子により挟まれている。
【００６５】
なお、本実施の形態において、ｓ波用偏光子Ｐｓ１及びｐ波用偏光子Ｐｐ１のスリット幅は、８００ｎｍの波長を有する入射光に対してＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて最適化することで求めている。また、ｓ波用偏光子Ｐｓ１及びｐ波用偏光子Ｐｐ１に入射したランダム偏光面の光の透過光の強度は、形成されているスリットを挟む直線状の格子の数ではなく、ｓ波用偏光子Ｐｓ１及びｐ波用偏光子Ｐｐ１の面積及びそれらが有する格子のエッジの寸法で決定される。つまり、同一面積、かつエッジ寸法の合計が同一のｓ波用偏光子Ｐｓ１及びｐ波用偏光子Ｐｐ１に入射したランダム偏光面を有する光の透過光の光強度は同一である。
【００６６】
差分回路１１１は、ｓ波用偏光子Ｐｓ１を透過した光に応じた信号電荷と、ｐ波用偏光子Ｐｐ１を透過した光に応じた信号電荷とに対応する電圧を検出及び保持する回路であり、例えば、ＣＤＳ（correlated double sampling）回路である。ＣＤＳ回路とは、例えば、信号線に対して直列に挿入されたクランプ容量と、所定の電圧線との間に並列に挿入されたサンプルホールド容量と、クランプ容量の前段に挿入されクランプ容量及びサンプルホールド容量とに電圧を保持させるサンプルホールドトランジスタと、サンプルホールド容量に保持された電圧をリセットするクランプトランジスタとを備える。このＣＤＳ回路のサンプルホールドトランジスタ及びクランプトランジスタのオン及びオフのタイミングを制御することで、クランプ容量とサンプルホールド容量との接続点に、ｓ波用偏光子Ｐｓ１を透過した光に応じた信号電荷と、ｐ波用偏光子Ｐｐ１を透過した光に応じた信号電荷との差分に対応する電圧が保持される。
【００６７】
スイッチトランジスタＭ１は、垂直走査回路１２０から制御線１２１を介して印加されるパルスに応じてオン及びオフすることで、差分回路１１１に保持されたｓ波用偏光子Ｐｓ１を透過した光に応じた信号電荷と、ｐ波用偏光子Ｐｐ１を透過した光に応じた信号電荷との差分に対応する電圧を、垂直信号線１４０へ出力する。
【００６８】
垂直走査回路１２０は、複数の画素１１０の行ごとに対応して設けられた制御線１２１〜１２４を介して、複数の画素１１０を行ごとに制御する。
【００６９】
水平走査回路１３０は、各垂直信号線１４０に対応して設けられた列選択トランジスタ１３１を順次オン及びオフすることで、容量１３２に保持されている垂直信号線１４０の電圧を出力信号線１３３へ出力する。なお、出力信号線１３３へ出力された各画素１１０からの電圧は、例えばバッファアンプなどを介して、偏光面検波センサー１００外部のディスプレーへ出力される。
【００７０】
このように、図１に示す偏光面検波センサー１００は、画素１１０ごとに入射光のｓ波成分とｐ波成分との差分を検出し、画素１１０ごとに検出した差分は、外部のディスプレーによって２次元画像として表示される。
【００７１】
図２は、画素１１０の詳細な構成を示す回路図である。
【００７２】
同図に示すように、画素１１０は、上記で説明した差分回路１１１及びスイッチトランジスタＭ１と、フォトダイオード１１２ｓ及び１１２ｐと、転送トランジスタＭｓ及びＭｐと、フローティングディフュージョンＣｆｄと、リセットトランジスタＭ２と、増幅トランジスタＭ３と、負荷トランジスタＭ４とを備える。
【００７３】
フォトダイオード１１２ｓは、ｓ波用偏光子Ｐｓ１と重なって配置され、ｓ波用偏光子Ｐｓ１を透過した光を受光し、受光した光の強度に応じて信号電荷を生成する。つまり、フォトダイオード１１２ｓで生成された信号電荷は、入射光のｓ波成分に対応する。
【００７４】
同様に、フォトダイオード１１２ｐは、ｐ波用偏光子Ｐｐ１と重なって配置され、ｐ波用偏光子Ｐｐ１を透過した光を受光し、受光した光の強度に応じて信号電荷を生成する。つまり、フォトダイオード１１２ｐで生成された信号電荷は、入射光のｐ波成分に対応する。
【００７５】
転送トランジスタＭｓは、垂直走査回路１２０から制御線１２３を介してゲートに印加されるＴＲＡＮＳパルスに従って、フォトダイオード１１２ｓで生成された信号電荷をフローティングディフュージョンＣｆｄへ転送する。
【００７６】
同様に、転送トランジスタＭｐは、垂直走査回路１２０から制御線１２４を介してゲートに印加されるＴＲＡＮＰパルスに従って、フォトダイオード１１２ｐで生成された信号電荷をフローティングディフュージョンＣｆｄへ転送する。なお、ＴＲＡＮＳパルス及びＴＲＡＮＰパルスは、フォトダイオード１１２ｓで生成された信号電荷と、フォトダイオード１１２ｐで生成された信号電荷とが、同時にフローティングディフュージョンＣｆｄに転送されないようなタイミングとなっている。
【００７７】
フローティングディフュージョンＣｆｄは、転送トランジスタＭｓ及びＭｐにより転送された信号電荷、すなわちｓ波成分に対応する信号電荷又はｐ波成分に対応する信号電荷を保持する。
【００７８】
リセットトランジスタＭ２は、垂直走査回路１２０から制御線１２２を介してゲートに印加されるＲＳＣＥＬＬパルスに従って、フローティングディフュージョンＣｆｄに保持された電圧を所定の電圧ＶＤＤＣＥＬＬにリセットする。
【００７９】
増幅トランジスタＭ３は、負荷トランジスタＭ４とでソースフォロアを形成しており、フローティングディフュージョンＣｆｄに保持された信号電荷を電圧に変換し、配線ＭＯＮを介して差分回路１１１へ出力する。
【００８０】
負荷トランジスタＭ４は、増幅トランジスタＭ３の負荷として機能するトランジスタであり、負荷トランジスタＭ４のゲートには、負荷電圧ＬＤＣＥＬＬが印加されている。
【００８１】
入射光のｓ波成分及びｐ波成分それぞれに対応し、増幅トランジスタＭ３及び負荷トランジスタＭ４で構成されるソースフォロアにより変換された電圧が、上述した差分回路１１１に入力されることで、差分回路１１１はｓ波成分及びｐ波成分との差分に対応する電圧を保持する。この差分回路１１１に保持された電圧は、スイッチトランジスタＭ１のオン及びオフに応じて垂直信号線１４０へ出力される。
【００８２】
図３は、本実施の形態の偏光面検波センサー１００の画素１１０の一部の構成を示す断面図である。具体的には、ｓ波用偏光子Ｐｓ１と、フォトダイオード１１２ｓと、転送トランジスタＭｓと、フローティングディフュージョンＣｆｄとを含む断面図である。なお、同図には、ｓ波用偏光子Ｐｓ１に対応する画素１１０の一部が示されているが、ｐ波用偏光子Ｐｐ１に対応する画素１１０の一部も同じ構成である。
【００８３】
同図に示すように、画素１１０は、シリコン基板３０１と、フォトダイオード１１２ｓと、フローティングディフュージョンＣｆｄと、転送トランジスタＭｓのゲート電極３０３ｓと、フィルター層３０５と、平坦層３０７と、金属遮光層３０９とを備える。
【００８４】
シリコン基板３０１は、例えばｐ型シリコン基板である。
【００８５】
フォトダイオード１１２ｓは、シリコン基板３０１に形成された、例えばｎ型領域であり、入射光を信号電荷に変換する。
【００８６】
フローティングディフュージョンＣｆｄは、シリコン基板３０１に形成された、例えばｎ型領域であり、転送トランジスタＭｓを介してフォトダイオード１１２ｓから転送された信号電荷を保持する。
【００８７】
ゲート電極３０３ｓは、フィルター層３０５に形成された金属配線であり、垂直走査回路１２０から印加される制御パルスＴＲＡＮＳにより、直下のシリコン基板３０１に電圧を印加することで、直下のシリコン基板３０１をチャネルとして、フォトダイオード１１２ｓで生成された信号電荷をフローティングディフュージョンＣｆｄへ転送する。
【００８８】
フィルター層３０５は、シリコン基板３０１上に形成され、ｓ波用偏光子Ｐｓ１を透過した光のうち、所定の周波数の光をフォトダイオード１１２ｓへ透過する。
【００８９】
平坦層３０７は、フィルター層３０５上に形成され、光入射側の面である上面を平坦にする。
【００９０】
ｓ波用偏光子Ｐｓ１は、平坦層３０７上に形成されている。また、ｓ波用偏光子Ｐｓ１が形成されている領域は、フォトダイオード１１２ｓが形成されている領域と重なっている。ｓ波用偏光子Ｐｓ１は、例えばアルミスピンコートにより形成されたアルミ層であり、例えば厚さが２００ｎｍである。また、ｓ波用偏光子Ｐｓ１が有するスリットの間隔は５００ｎｍである。
【００９１】
金属遮光層３０９は、平坦層３０７上のｓ波用偏光子Ｐｓ１及びｐ波用偏光子Ｐｐ１が形成されている領域以外の領域と重なって形成されている。この金属遮光層３０９は、ゲート電極３０３ｓ上方に、画素１１０に光入射側（図中上側）からフォトダイオード１１２ｓが形成されているシリコン基板３０１へ向けて、シリコン基板３０１に対し垂直方向に形成されている遮光部３１０を備える。
【００９２】
なお、金属遮光層３０９上には、誘電体層膜が成長されている。
【００９３】
図４Ａ及び図４Ｂは、画素１１０の構成を模式的に示す図である。なお、図４Ａは、ｓ波用偏光子Ｐｓ１を含む画素１１０の一部を模式的に示す図であり、図４Ｂは、ｐ波用偏光子Ｐｐ１を含む画素１１０の一部を模式的に示す図である。また、図４Ｂに示すゲート電極３０３ｓは、転送トランジスタＭｐのゲート電極である。
【００９４】
これらの図に示すように、ゲート電極３０３ｓ及び３０３ｐの上方において、金属遮光層３０９がシリコン基板３０１側へ深く形成されている遮光部３１０を有することで、ｓ波用偏光子Ｐｓ１又はｐ波用偏光子Ｐｐ１を透過した入射光は、フローティングディフュージョンＣｆｄへ入射しない。
【００９５】
図５Ａ及び図５Ｂは、フォトダイオード１１２ｓ、ゲート電極３０３ｓ、フローティングディフュージョンＣｆｄの一部及び遮光部３１０の光入射側からの配置の一例を示す図である。
【００９６】
これらの図に示すように、ゲート電極３０３ｓ及びフローティングディフュージョンＣｆｄの一部は、フォトダイオード１１２ｓの１辺に対して等しい大きさで形成されてもよいし、より小さい大きさで形成されてもよい。また、フォトダイオード１１２ｓに対するゲート電極３０３ｓ及びフローティングディフュージョンＣｆｄの一部の大きさに応じて、遮光部３１０が形成される。また、ゲート電極３０３ｓは、遮光部３１０と重ならない領域において、制御線１２３を介して垂直走査回路１２０と接続され、転送パルスＴＲＡＮＳが印加される。
【００９７】
なお、図５Ａ及び図５Ｂにはフォトダイオード１１２ｓに対応する配置のみを示したが、フォトダイオード１１２ｐに対応する配置も同様である。また、フォトダイオード１１２ｐと並んで、フローティングディフュージョンＣｆｄの他の一部が形成され、フローティングディフュージョンＣｆｄの一部と電気的に接続されることで、１つのフローティングディフュージョンＣｆｄを構成している。
【００９８】
以上のように、本実施の形態の偏光面検波センサー１００は、ゲート電極３０３ｓ及び３０３ｐ上方の金属遮光層３０９を深く形成して遮光部３１０を設けることで、ｓ波用偏光子Ｐｓ１及びｐ波用偏光子Ｐｐ１を透過した光が、フローティングディフュージョンＣｆｄへ入射することを防止する。これにより、フローティングディフュージョンＣｆｄへの回折光の入射がなくなるので、ｓ波用偏光子Ｐｓ１を透過した光及びｐ波用偏光子Ｐｐ１を透過した光それぞれに対応する信号の間で生じていたオフセット及びアンバランスを改善できる。
【００９９】
また、例えば空及び地面から偏光面検波センサー１００へ入射する散乱光の影響を防止でき、耐環境性が向上する。
【０１００】
（実施の形態２）
本実施の形態の偏光面検波センサーは、２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、前記複数の単位画素それぞれは、基板に形成され、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、各フォトダイオードに対応して形成され、対応するフォトダイオードで生成された電荷を転送する転送トランジスタと、各フォトダイオードが形成されている領域に隣接して前記基板に形成され、前記転送トランジスタを介して転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記基板上方に形成されている偏光層とを備え、前記偏光層は、前記２つのフォトダイオードの一方が形成されている領域の上方に複数の第１スリットを有する第１の偏光子と、前記２つのフォトダイオードの他方が形成されている領域の上方に前記第１スリットに直交する複数の第２スリットを有する第２の偏光子とを有し、前記第１スリット及び前記第２スリットそれぞれが、各フォトダイオードと、対応する転送トランジスタと、対応するフローティングディフュージョンとの並び方向と成す角度は、４５°である。
【０１０１】
本実施の形態の偏光面検波センサーは、実施の形態１の偏光面検波センサーと比較して、ｓ波用偏光子及びｐ波用偏光子がそれぞれ４５°回転して形成されている点と、金属遮光層が遮光部を有さない点とが異なる。以下、本実施の形態の偏光面検波センサーについて、実施の形態１と異なる点を中心に、図面を参照しながら説明する。
【０１０２】
図６Ａ及び図６Ｂは、本実施の形態の画素の一部の構成を模式的に示す図である。なお、図６Ａは、ｓ波用偏光子Ｐｓ２を含む画素の一部の構成を示し、図６Ｂは、ｐ波用偏光子Ｐｐ２を含む画素の一部の構成を示す図である。
【０１０３】
図６Ａに示すｓ波用偏光子Ｐｓ２は、図４Ａに示したｓ波用偏光子Ｐｓ１と比較して、スリットの形成されている方向が４５°回転している。つまり、ｓ波用偏光子Ｐｓ２に形成されているスリットが、フォトダイオード１１２ｓ、ゲート電極３０３ｓ及びフローティングディフュージョンＣｆｄと成す角θｓの角度は、４５°である。
【０１０４】
同様に、図６Ｂに示すｐ波用偏光子Ｐｐ２は、図４Ｂに示したｐ波用偏光子Ｐｐ１と比較して、スリットの形成されている方向が４５°回転している。つまり、ｐ波用偏光子Ｐｐ２に形成されているスリットが、フォトダイオード１１２ｐ、ゲート電極３０３ｐ及びフローティングディフュージョンＣｆｄと成す角θｐの角度は、４５°である。また、ｐ波用偏光子Ｐｐ２のスリットが形成されている方向は、ｓ波用偏光子Ｐｓ２のスリットが形成されている方向に対して直交している。
【０１０５】
また、金属遮光層３０９’は、図４Ａ及び図４Ｂに示した金属遮光層３０９と比較して、シリコン基板３０１側へ深く形成された遮光部３１０を有さない。
【０１０６】
以上のように、本実施の形態の偏光面検波センサーは、ｓ波用偏光子Ｐｓ２及びｐ波用偏光子Ｐｐ２に形成されているスリットそれぞれが、対応するフォトダイオード、対応するゲート電極及びフローティングディフュージョンＣｆｄの並び方向に対して成す角θｓ及びθｐは、４５°である。これにより、ランダム偏光面を有する入射光がｓ波用偏光子Ｐｓ２へ入射した場合の回折光ｄｒ＿ｂｓと、ｐ波用偏光子Ｐｐ２へ入射した場合の回折光ｄｒ＿ｂｐとが、フローティングディフュージョンＣｆｄへ入射する量は等しくなる。
【０１０７】
なぜならば、ｓ波用偏光子Ｐｓ２及びｐ波用偏光子Ｐｐ２のいずれにおいても、フローティングディフュージョンＣｆｄへ入射する回折光ｄｒ＿ｂｓ及びｄｒ＿ｂｐが発生するエッジ、すなわちｓ波用偏光子Ｐｓ２及びｐ波用偏光子Ｐｐ２の図中右辺の形状が等しくなるので、そこで発生する回折光ｄｒ＿ｂｓ及びｄｒ＿ｂｐの強度も等しくなるからである。
【０１０８】
その結果、ｓ波用偏光子Ｐｓ２を透過した光及びｐ波用偏光子Ｐｐ２を透過した光それぞれに対応する信号の間で生じていたオフセット及びアンバランスを改善できる。
【０１０９】
また、金属遮光層３０９’は、金属遮光層３０９のようにシリコン基板３０１方向へ深く形成された遮光部３１０を有する必要がないので、本実施の形態の偏光面検波センサーは実施の形態１の偏光面検波センサー１００と比較して、製造工程を簡略化することができ、低コストで製造できる。
【０１１０】
なお、図６Ａ及び図６Ｂにおいて、回折光は、図中手前と、奥と、左とにもそれぞれ発生するが、便宜上図中右に発生する１つのみを図示している。
【０１１１】
（実施の形態３）
本実施の形態の偏光面検波センサーは、２次元状に配置された複数の単位画素を備え、入射光の偏光面を検出するための偏光面検波センサーであって、前記複数の単位画素それぞれは、光電変換により電荷を生成する２つのフォトダイオードと、前記２つのフォトダイオードの直上に形成された偏光層とを備え、前記偏光層は、前記２つのフォトダイオードの一方の直上に形成され、入射光の第１の偏光成分を透過する第１の偏光子と、前記２つのフォトダイオードの他方の直上に形成され、前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する第２の偏光子とを有する。
【０１１２】
本実施の形態の偏光面検波センサーは、実施の形態１の偏光面検波センサーとほぼ同じであるが、ｓ波用偏光子及びｐ波用偏光子それぞれが、対応するフォトダイオードの直上に形成されている点が異なる。以下、本実施の形態の偏光面検波センサーが実施の形態１の偏光面検波センサー１００と比較して異なる点を中心に、図面を参照しながら説明する。
【０１１３】
図７は、本実施の形態の偏光面検波センサーが有する画素の一部の構成を示す断面図である。なお、同図には、本実施の形態の偏光面検波センサーが有する画素のうち、ｓ波用偏光子Ｐｓ３を含む一部の構造が示されている。また、本実施の形態の偏光面検波センサーが有する画素のうち、ｐ波用偏光子を含む構造は、図７に示すｓ波用偏光子Ｐｓ３とｐ波用偏光子との構造が異なるだけである。
【０１１４】
同図に示すように、本実施の形態のｓ波用偏光子Ｐｓ３は、フィルター層３０５に形成され、対応するフォトダイオード１１２ｓの直上に配置されている。ただし、フォトダイオード１１２ｓとｓ波用偏光子Ｐｓ３とは、電気的に接続しないために、絶縁体であるフィルター層３０５の一部を介している。
【０１１５】
以上のように、本実施の形態の偏光面検波センサーは、ｓ波用偏光子Ｐｓ３をフォトダイオード１１２ｓの直上に形成することで、ｓ波用偏光子Ｐｓ３を透過した光がフローティングディフュージョンＣｆｄへ入射することを防止する。同様に、ｐ波用偏光子を対応するフォトダイオードの直上に形成することで、ｐ波用偏光子を透過した光がフローティングディフュージョンＣｆｄへ入射することも防止する。その結果、フローティングディフュージョンＣｆｄへ各偏光子（ｓ波用偏光子Ｐｓ３及びｐ波用偏光子）を透過した光が入射することがなくなり、ｓ波用偏光子Ｐｓ３を透過した光及びｐ波用偏光子を透過した光それぞれに対応する信号の間で生じていたオフセット及びアンバランスを改善できる。
【０１１６】
（イメージングシステム）
以上、実施の形態１〜３で説明した偏光面検波センサーを適用したテラヘルツイメージングシステムについて説明する。
【０１１７】
図８は、前述したテラヘルツイメージングシステムの実用例を模式的に示す図である。
【０１１８】
同図に示すテラヘルツイメージングシステム４００は、光源４０１、ミラー４０２、λ／２板４０３、偏光ビームスプリッタ４０４、偏光子４０５、ビームエクスパンダ４０６、テラヘルツエミッター４０７、被測定物４０８、ポリエチレンレンズ４０９、シリコンミラー４１０、電気光学変調器４１１及び偏光面検波センサー４１２を備える。
【０１１９】
光源４０１より、波長８００ｎｍ、周波数１ｋＨｚ、平均光強度３Ｗのレーザーが発生され、ミラー４０２及びλ／２板４０３を介して、偏光ビームスプリッタ４０４に入力される。
【０１２０】
偏光ビームスプリッタ４０４に入力されたレーザーは、ｓ波成分及びｐ波成分に分離され、ｐ波成分はポンプ光４２１として、ｓ波成分はプローブ光４２２として出力される。
【０１２１】
ポンプ光４２１は光遅延線４１３を経て、ビームエクスパンダ４０６によりビーム径が２〜３倍に拡大される。その後、プローブ光４２２は、ＺｎＴｅ結晶よりなるテラヘルツエミッター４０７に入射され、テラヘルツ光が発生される。
【０１２２】
テラヘルツエミッター４０７は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成される。このようなテラヘルツエミッター４０７により発生されたテラヘルツ光は極めてコリメート性の高いビームであり、テラヘルツ光に対して２次元的な透過特性分布を有する被測定物４０８に照射される。被測定物４０８を透過したテラヘルツ光は被測定物４０８の２次元透過特性分布に従い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ４０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器４１１内に結像する。
【０１２３】
一方、偏光ビームスプリッタ４０４で分離されたプローブ光４２２は、偏光子４０５で消光比を上げられた後にミラー４０２で進路変更され、さらにビームエクスパンダ４０６によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー４１０に入射し、シリコンミラー４１０を透過した強度変調されたテラヘルツ光と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器４１１に入射する。
【０１２４】
電気光学変調器４１１の後段には、偏光面検波センサー４１２が配置され、電気光学変調器４１１を透過したテラヘルツ光の偏光面の分布を検知する。なお、この偏光面検波センサー４１２は、実施の形態１〜３において述べた偏光面検波センサーのいずれかと同等である。
【０１２５】
電気光学変調器４１１へは、プローブ光４２２と、ポリエチレンレンズ４０９を透過した空間的に強度変調されたテラヘルツ光とが入射する。その結果、電気光学変調器４１１を透過して偏光面検波センサー４１２へ入射する光は、当該電気光学変調器４１１へ入射したテラヘルツ光の強度変調分布に応じて偏光面が回転したプローブ光４２２が入射される。
【０１２６】
従って、偏光面検波センサー４１２が有する２次元状に配置された複数の画素それぞれの２つのフォトダイオードに入射する光強度の差分は、画素ごとに異なる。これにより、偏光面検波センサー４１２から出力される信号は、被測定物４０８の２次元的な透過特性分布に対応する信号となる。この信号を偏光面検波センサー４１２から例えば画像表示装置へ出力することで、被測定物４０８のイメージングが可能となる。
【０１２７】
以上のように、本実施の形態１〜３のいずれかに記載の偏光面検波センサーをテラヘルツイメージングシステム４００に適用することで、被測定物４０８のイメージングが精度良く行える。
【０１２８】
以上、本発明の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これら実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【０１２９】
例えば、本発明の実施の形態で説明した各画素１１０は、バランスディテクターとして適用することもできる。
【０１３０】
また、本発明の実施の形態で説明した偏光面検波センサーは、半導体集積回路として実装され、１チップで実現されてもよい。
【０１３１】
また、実施の形態１において遮光部３１０が形成されている箇所を、転送トランジスタＭｓ及びＭｐのゲート電極の、転送トランジスタＭｓ及びＭｐそれぞれに対応するフォトダイオード１１２ｐ又は１１２ｓ側の端部の上に形成されていてもよい。具体的に図３を参照しながら説明すると、遮光部３１０は、ゲート電極３０３ｓのフォトダイオード１１２ｓ側（図中左）の端部の上に形成されていてもよい。これより、ｓ波用偏光子Ｐｓ１を透過した光のフローティングディフュージョンＣｆｄへの入射をより一層低減できる。なお、ｐ波用偏光子Ｐｐ１に対応して設けられた遮光部についても同様である。
【０１３２】
また、実施の形態２として、実施の形態１に示したｓ波用偏光子Ｐｓ１及びｐ波用偏光子Ｐｐ１を４５°回転させた構造としてもよい。
【０１３３】
図９Ａ及び図９Ｂは、ｓ波用偏光子及びｐ波用偏光子の他の一例を示す上面図である。
【０１３４】
同図に示すｓ波用偏光子Ｐｓ４は実施の形態１に示したｓ波用偏光子Ｐｓ１を４５°回転させたものであり、ｐ波用偏光子Ｐｐ４は実施の形態１に示したｐ波用偏光子Ｐｐ１をＰｓ４と同じ回転方向に４５°回転させたものである。
【０１３５】
このように、ｓ波用偏光子Ｐｓ４及びｐ波用偏光子Ｐｐ４に形成されているスリットの方向を、フォトダイオード、ゲート電極及びフローティングディフュージョンの並び方向に対して４５°回転させることで、ランダム偏光面を有する入射光がｓ波用偏光子Ｐｓ２へ入射した場合の回折光ｄｒ１及びｄｒ２と、ｐ波用偏光子Ｐｐ２へ入射した場合の回折光ｄｒ１及びｄｒ２とが、フローティングディフュージョンＣｆｄへ入射する量は等しくなる。その結果、ｓ波用偏光子Ｐｓ２を透過した光及びｐ波用偏光子Ｐｐ２を透過した光それぞれに対応する信号の間で生じていたオフセット及びアンバランスを改善できる。
【０１３６】
なお、図９Ａ及び図９Ｂにおいて、ｓ波用偏光子Ｐｓ４及びｐ波用偏光子Ｐｐ４のスリットが形成されている箇所以外は、遮光膜が形成されている。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明の偏光面検波センサーは、入射光の偏光面を検知する各種機器に利用でき、特に、セキュリティ検査装置、食品検査装置、大気センサー、医療診断装置などに利用可能である。
【符号の説明】
【０１３８】
１００    偏光面検波センサー
１１０、６１０    画素
１１１    差分回路
１１２ｓ、１１２ｐ、８０２    フォトダイオード
１２０、６２０    垂直走査回路
１２１〜１２４    制御線
１３０、６３０    水平走査回路
１４０、６４０    垂直信号線
１３１    列選択トランジスタ
１３２    容量
１３３    出力信号線
３０１、８０１    シリコン基板
３０３ｐ、３０３ｓ、８０６    ゲート電極
３０５、８０５    フィルター層
３０７、８０７    平坦層
３０９、３０９’    金属遮光層
３１０    遮光部
４００    テラヘルツイメージングシステム
４０１    光源
４０２    ミラー
４０３、７０４    λ／２板
４０４    偏光ビームスプリッタ
４０５    偏光子
４０６    ビームエクスパンダ
４０７    テラヘルツエミッター（ＺｎＴｅ結晶）
４０８    被測定物
４０９    ポリエチレンレンズ
４１０    シリコンミラー
４１１    電気光学変調器（ＺｎＴｅ結晶）
４１２    偏光面検波センサー
４１３    光遅延線
４２１    ポンプ光
４２２、５０１    プローブ光
５００    テラヘルツ検出システム
５０２    ＺｎＴｅ結晶
５０３    透過光
５０４    λ／４板
５０５    Ｗｏｌｌａｓｔｏｎプリズム
５０６、５１３    第１のビーム
５０７、５１４    第２のビーム
５０８、５０９    シリコンフォトダイオード
５１０    バランスディテクター
５１２    回転透過光
６００    イメージセンサー
６１１、Ｐｓ１、Ｐｓ２、Ｐｓ３、Ｐｓ４    ｓ波用偏光子
６１２、Ｐｐ１、Ｐｐ２、Ｐｐ４    ｐ波用偏光子
６１３    スイッチＴｒ
７００    光学系
７０１    半導体レーザービーム
７０２    ＮＤフィルター
７０３    偏光子
７１１    ｓ波用信号
７１２    ｐ波用信号
８０３、Ｃｆｄ    フローティングディフュージョン
８０９    遮光層
ｄｒ１、ｄｒ２、ｄｒ＿ｂｓ、ｄｒ＿ｂｐ    回折光
Ｍ１    スイッチトランジスタ
Ｍ２    リセットトランジスタ
Ｍ３    増幅トランジスタ
Ｍ４    負荷トランジスタ
ＭＯＮ    配線
Ｍｓ、Ｍｐ    転送トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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