(57)【要約】      （修正有）【課題】電荷変換効率の向上と暗電流の低下を実現する。【解決手段】感光層を備えた光混合装置において、少なくとも２つの変調ゲートおよび少なくとも２つの読み出し電極が上記感光層に接続されるとともに、変調ゲートの電位を両ゲート間相互に、また、所望の変調関数に対応する上記読み出し電極の好ましくは一定の電位に対して上下させる変調装置に対して、上記変調ゲートを接続可能なように構成した。公知の光混合装置をさらに発展させて、電荷変換効率の向上と暗電流の低下を実現するために、各読み出し電極が、一定間隔に並んで配置された少なくとも２つの分離電極部を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光層を備えた光混合装置であって、少なくとも２つの変調ゲート（３、４、１０３、１０４、２０３、２０４、３０３、３０４、４０３、４０４）および少なくとも２つの読み出し電極（１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２）が前記感光層に接続されるとともに、前記変調ゲートの電位を両ゲート間相互に、また、所望の変調関数に対応する前記読み出し電極の好ましくは一定の電位に対して上下させる変調装置に対して、前記変調ゲート（３、４、１０３、１０４、２０３、２０４、３０３、３０４、４０３、４０４）を接続可能なように構成された光混合装置において、各読み出し電極（１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２）が、一定間隔に並んで配置された少なくとも２つの分離電極部（１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｅ）を有することを特徴とする光混合装置。
【請求項２】
前記読み出し電極（１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２）は、好ましくはアルミニウムの金属コンタクト（２０Ａ〜２０Ｅ）を有することを特徴とする、請求項１に記載の光混合装置。
【請求項３】
前記感光層は、前記読み出し電極（１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２）の金属コンタクト下の領域において、残存感光層が相補的にドープされたことを特徴とする、請求項１または２に記載の光混合装置。
【請求項４】
前記読み出し電極（１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２）は、ｐｎダイオードであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項５】
前記読み出し電極（１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２）の分離電極部（１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｅ）の長さは、その幅の３倍以下、好ましくは２倍以下、特に好ましくは幅と同じ長さであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項６】
前記分離電極部の幅は、０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍ、特に好ましくは１．８μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項７】
前記読み出し電極（１、２、１０１、１０２）の各分離電極部の側縁部間距離は、２〜１０μｍ、好ましくは４〜８μｍ、特に好ましくは６μｍであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項８】
前記読み出し電極（１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２）のコンタクトがＴ字形の断面を有し、該コンタクトが隣接する金属層から部分的に突出することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項９】
前記読み出し電極（１、２、１０１、１０２）の分離電極部（１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｅ）は、それぞれが電気的に相互接続されたことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１０】
前記変調ゲート（３、４、１０３、１０４）は、互いに平行に延伸する細長片によって構成されるとともに、該細長片は、好ましくは前記読み出し電極の分離電極部列と実質平行に延伸することを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１１】
前記変調ゲート（３、４、１０３、１０４）は、入射電磁放射に対して透明であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１２】
前記変調ゲート（３、４、１０３、１０４）は、ｐ型半導体材料またはｎ型半導体材料からなることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１３】
前記変調ゲート（３、４、１０３、１０４）は、前記感光層から電気的に分離されたことを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１４】
前記変調ゲート（１０３、１０４）は、シリコン酸化層（１２２）を介して前記感光層（１０５）から電気的に分離されたことを特徴とする、請求項１３に記載の光混合装置。
【請求項１５】
前記読み出し電極（１、２）の分離電極部（１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｅ）は、前記変調ゲート（３、４）と空間的に隣接することを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１６】
前記読み出し電極（１、２）の分離電極部のコンタクト間に、電気絶縁層（７）が設けられたことを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１７】
前記読み出し電極（１０１、１０２）の分離電極部は、前記変調ゲート（１０３、１０４）の領域に空間的に配置されたことを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１８】
前記読み出し電極（１０１、１０２）のコンタクトは、前記変調ゲート（１０３、１０４）から電気的に分離されたことを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項１９】
前記検出器の隣接する２つの混合素子（２１３、２１４、２１５）は、共通の読み出し電極（２１６、２１７）を有することを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２０】
前記検出器の隣接する２つの混合素子（２１３、２１４、２１５）は、共通の変調ゲート（２１８、２１９）を有することを特徴とする、請求項１乃至１９のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２１】
前記読み出し電極（３０１、３０２）を囲う少なくとも２つのメモリーゲート（３２３、３２４）が設けられたことを特徴とする、請求項１乃至２０のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２２】
前記メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４）は、細長片形状であることを特徴とする、請求項２１に記載の光混合装置。
【請求項２３】
前記メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４）は、入射電磁放射に対して不透明な材料で覆われたことを特徴とする、請求項２１または２２に記載の光混合装置。
【請求項２４】
前記メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４）は、前記読み出し電極（３０１、３０２、４０１、４０２）から電気的に分離されたことを特徴とする、請求項２１乃至２３のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２５】
前記メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４）は、前記感光層から電気的に分離されたことを特徴とする、請求項２１乃至２４のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２６】
前記メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４）は、調整可能な電圧源に接続されたことを特徴とする、請求項２１乃至２５のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２７】
前記メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４）は、正または負の電圧がバイアスされたことを特徴とする、請求項２１乃至２６のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２８】
各メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４、５３１、５３２、６３３）は、分離ゲートを形成することを特徴とする、請求項２１乃至２７のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項２９】
前記メモリーゲート（３２３、３２４、４２３、４２４）は、前記読み出し電極（３０１、３０２、４０１、４０２）と異なる電位であることを特徴とする、請求項２１乃至２８のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項３０】
前記検出器の隣接する２つの混合素子（６１３、６１４、６１５）は、共通のメモリーゲート（６３３）を有することを特徴とする、請求項２１乃至２９のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項３１】
少なくとも１つのメモリー構造をさらに有することを特徴とする、請求項１乃至３０のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項３２】
前記メモリー構造は、メモリーゲート（４２５、４２６）を備えた少なくとも１つの読み出し電極（４２７、４２８）を有するとともに、該メモリーゲートが該電極を囲うように構成され、
前記読み出し電極（４２７、４２８）は、電気的に相互接続された分離電極部を有し、
前記読み出し電極（４２７、４２８）の分離電極部は、前記メモリーゲート（４２５、４２６）から電気的に分離され、
前記メモリー構造は、電磁放射に対して不透明な層で覆われ、
前記メモリー構造の読み出し電極（４２７、４２８）は、前記混合素子の読み出し電極（４０１、４０２）と電気的に接続されたことを特徴とする、請求項３１に記載の光混合装置。
【請求項３３】
混合素子当たり厳密に２つのメモリー構造が設けられたことを特徴とする、請求項３１または３２に記載の光混合装置。
【請求項３４】
前記検出器の隣接する２つの混合素子は、共通のメモリー構造を有することを特徴とする、請求項３１乃至３３のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項３５】
前記メモリーゲート（４２５、４２６）は、調整可能な第２の電圧源に接続されたことを特徴とする、請求項３１乃至３４のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項３６】
前記混合素子のメモリーゲート（４２３、４２４）は、前記メモリー構造のメモリーゲート（４２５、４２６）と異なる電位であることを特徴とする、請求項３１乃至３５のいずれかに記載の光混合装置。
【請求項３７】
前記メモリー構造のメモリーゲート（４２５、４２６）は、前記混合素子のメモリーゲート（４２３、４２４）よりも低く、前記混合素子の読み出し電極（４０１、４０２）よりも高い電位であることを特徴とする、請求項３１乃至３６のいずれかに記載の光混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感光層を備えた光混合装置において、少なくとも２つの変調ゲートおよび少なくとも２つの読み出し電極が上記感光層に接続されるとともに、変調ゲートの電位を両ゲート間相互に、また、所望の変調関数に対応する上記読み出し電極の好ましくは一定の電位に対して上下させる変調装置に対して、上記変調ゲートを接続可能なように構成された光混合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁波の振幅および位相を記録するための光混合装置および方法については、例えば、下記特許文献１等の従来技術において公知である。この従来技術で公知の測定原理においては、入射光子による電荷キャリアの生成が行われる感光層と、光子数に比例した電流信号または電圧信号を読み出し可能な２つの読み出し電極または読み出しゲートとを備えた光検出器が用いられる。また、上記読み出し電極の近くには、感光層で生成された電荷キャリアを読み出し電極へ移動させるために、変調電圧でバイアスした変調ゲートが設けられている。変調ゲートには、検出する電磁放射の強度変調として予め加えられた変調との相関を有する変調電圧信号が印加される。一般的に、実用上の理由から、入射電磁放射の強度変調と変調ゲートの変調とは同じ周波数を有している。その決め手となるのは、電磁放射の変調と変調ゲートの変調電圧が同じ周波数を有していることのみならず、信号の位相が互いに固定されて組み合わされていることが挙げられる。上記変調信号は、余弦型のパターンを形成することも可能であれば、その他任意の周期性または準周期性構造を持つことも可能である。したがって、変調ゲートに印加される信号についても、基準信号と称することができる。２つの変調ゲートに到達した基準信号は、互いに１８０°ずれた位相を示しており、その結果、変調ゲートによって光混合装置中に電位勾配が形成され、生成した電荷キャリアをいずれか一方の読み出し電極に移動させる。読み出し電極で測定される電圧信号または電流信号は、生成電荷キャリア数と変調基準電圧の積の関数である。そして、上記測定信号は、入射電磁波の強度および変調電圧に対する位相ずれと本質的に比例関係にある。便宜上同じ光混合装置上に設けられた第２混合素子を用いて、入射電磁波の直交成分を同時に測定する場合、入射電磁信号の振幅情報および位相情報が、混合素子から読み出された２つの値により直接得られる。このために、第２混合素子の変調ゲートに印加される変調電圧は、第１混合素子の変調電圧に対して、位相が９０°ずれた状態でなければならない。
【０００３】
上記に相当する光混合装置は、下記特許文献１で公知である。光混合装置の構造および使用態様が記載された基本作用に極力基づいて、この先行出願の全開示内容を参照する。下記特許文献１に公開された光混合装置は、平行な細長片の形状を有する少なくとも２つの変調ゲートと、少なくとも２つの読み出し電極とを有する。ゲートまたは電極の細長片形状により、ゲート長すなわち電荷キャリア移動方向のゲート寸法を極力小さく抑えることが可能であるとともに、入射電磁放射による電荷キャリアの生成において、十分に大きな表面積を与えることができる。また、ゲート長が短いことから、十分に高性能な光混合装置を実現することができる。
【０００４】
読み出し電極は、通常、感光層上に直接蒸着またはスパッタした金属コンタクトを有する。また、感光層は、ｐ型シリコンまたはｎ型シリコン等の半導体材料から構成されている。上記半導体材料は、コンタクト下の領域において、残存ウェハーが相補的にドープされており、これにより、読み出し電極はｐｎダイオードで形成される。ただし、金属コンタクトが真性半導体材料または連続的にドープされた半導体材料に適用された構成の光混合装置についても、上記従来技術において公知である。そして、読み出し電極は、金属−半導体転移により、ダイオード同様の非オーミック特性を示すことになる。
【０００５】
これにより、上記従来技術で公知の細長片形状の読み出しダイオードまたはダイオード同様の読み出し電極が大容量を有することで、電圧測定法を利用する場合の電荷変換効率（ＣＣＥ）を制限してしまう、という不都合が生じる。ここで「電荷変換効率」とは、感光材料中で生成された電荷キャリア当たりの電圧上昇を記述する際に用いられる用語である。
【０００６】
また、使用する細長片形状の読み出し電極のダイオード特性により、熱による暗電流が増加して、電流測定法の利用にも影響を及ぼしてしまう、という不都合も生じる。
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８２１９７４Ａ１号明細書
【発明の開示】
【０００８】
この従来技術との比較により、本発明の目的は、公知の光混合装置をさらに発展させて、電荷変換効率の向上と暗電流の低下を実現することにある。
【０００９】
上記目的は、感光層を備えた光混合装置において、少なくとも２つの変調ゲートおよび少なくとも２つの読み出し電極が上記感光層に接続されるとともに、変調ゲートの電位を両ゲート間相互に、また、所望の変調関数に対応する上記読み出し電極の好ましくは一定の電位に対して上下させる変調装置に対して、上記変調ゲートを接続可能なように構成されており、各読み出し電極が、一定間隔に並んで配置された少なくとも２つの分離電極部を有する構成とした光混合装置を設けることによって達成される。
【００１０】
電圧測定動作時における上記光混合装置の電荷変換効率は、読み出し電極の容量の逆数と非常によい比例関係にある。読み出し電極の容量は、生成暗電流と同様に、読み出し電極の表面積の関数である。このことは、金属コンタクトと基板間における金属−半導体転移の容量と、読み出し電極中におけるｐｎ遷移の容量との両者にも当てはまる。連続的な細長片形状の読み出し電極を用いる代わりに、一定間隔に並んで配置された少なくとも２つの分離電極部を用いることにより、電極の総表面積が減少するため、その容量が低下することになる。
【００１１】
読み出し電極の全長は、好ましくは、上記従来技術で公知の１片の読み出し電極の長さに一致するものとする。
【００１２】
読み出し電極の各電極部が互いに列をなして配置された構成とすれば都合がよい。複数の電極部が順番に並んだ配置とすることにより、電極の容量を抑えつつ、電極内の電荷キャリアの効率的なトラップが可能となる。読み出し電極における効率的な読み出しのためには、各電極部それぞれを電気的に相互接続しなければならないが、分離電極部の利点が無効となってしまう場合を除いて、各電極部間の電気的接続は、感光層と電気的に直接接続してはならない。
【００１３】
本発明の別の態様として、読み出し電極が、好ましくはアルミニウムの金属コンタクトを有する構成とすれば特に好ましい。これらのコンタクトは、感光層上に直接蒸着またはスパッタすることができる。
【００１４】
読み出し電極は、好ましくはｐｎダイオードとして設計するが、読み出し電極のコンタクト下の領域における感光層または基板は、残存基板に対して相補的にドープを行ったｐ型またはｎ型である。
【００１５】
本発明の別の態様として、読み出し電極の分離電極部の長さをその幅の３倍以下、特に２倍以下とした構成とすれば好ましく、さらには、幅と同じ長さとすれば特に好ましい。分離電極部の幅は、０．５〜５μｍ、特に１〜３μｍとすれば好ましく、さらには、１．８μｍとすれば特に好ましい。
【００１６】
また、本発明の別の態様として、読み出し電極の各電極部の側縁部間距離を２〜１０μｍ、特に４〜８μｍとした構成とすれば好ましく、さらには、６μｍとすれば特に好ましい。
【００１７】
読み出し電極の金属コンタクトがＴ字形の断面を有するように構成すれば、コンタクトが隣接する金属層から部分的に突出するようになるためさらに都合がよい。このように設計された金属コンタクトは、適当な接触サイズを有する一方、感光材料との接触面積は極力抑えられることになる。
【００１８】
上記のような構造は、上記従来技術で公知のＣＭＯＳ技術において効率的に実現可能となる。ただし、例えばＧａＡｓ等の他の技術による態様についても、機能の制限を受けることなく好都合で可能である。
【００１９】
本発明の別の態様として、変調ゲートが原則として細長片形状、すなわち、その幅よりも長くなるように構成すれば特に好ましい。変調ゲートは、列をなして配置された読み出し電極の分離電極部と平行に延伸する。
【００２０】
変調ゲートを入射電磁放射に対して透明に構成すれば、検出器に入射する電磁放射が変調ゲートを通過して、その下に配設された感光層に印加されるようになるため都合がよい。変調ゲートは、透明なｐ型半導体層またはｎ型半導体層からも、透明な金属層からも形成することができる。
【００２１】
絶縁層、好ましくは酸化層を用いることにより、変調ゲートが感光層から電気的に分離された構成とすれば都合がよい。これにより、絶縁層の下側の感光層で生成された電荷キャリアが変調ゲートにトラップされてしまうことがないため、その作用が維持されることになる。
【００２２】
本発明の別の態様として、読み出し電極の電極部が、電気的に分離された状態で変調ゲートと空間的に隣接する構成とすれば好ましい。これにより、読み出し電極による電荷キャリアの効率的なトラップが実現される。
【００２３】
また、本発明の別の態様として、変調ゲートをｐ型半導体材料またはｎ型半導体材料で構成すれば特に好ましい。
【００２４】
読み出し電極の変調ゲートに隣接しない側面を、絶縁層で囲う構成とすれば都合がよい。
【００２５】
本発明の別の態様として、読み出し電極の電極部が、電気的に分離された状態で変調ゲート領域に空間的に配置された構成とすれば特に好ましい。これにより、電荷キャリアが読み出し電極の電極部に対して、少なくとも３つの側面から着流可能となる。
【００２６】
また、本発明の別の態様として、読み出し電極の各電極部の側縁部間距離を２〜１０μｍ、特に４〜８μｍとした構成とすれば好ましく、さらに、部分的には６μｍとすれば好ましい。ここに例示した距離を確保することにより、読み出し電極の各電極部における電荷キャリアの効率的な捕集が可能となる。
【００２７】
検出器の隣接する２つの混合素子が共通の読み出し電極を有するように構成すれば、本発明の光混合装置を大幅に小型化した態様が得られる。共通読み出し電極の電極部は、２つの検出器の共通変調ゲート領域に空間的に配置するか、または、２つの検出器に別々に設けられた２つの変調ゲートと空間的に隣接して配置することができる。
【００２８】
本発明の別の態様として、読み出し電極を囲う少なくとも２つのメモリーゲートをさらに設けた構成とすれば特に好ましい。メモリーゲートは、好ましくは読み出し電極から電気的に分離されているとともに、バイアス電圧が与えられている。メモリーゲートは、読み出し電極を囲う少なくとも２つのポテンシャルウエルを形成しており、電磁放射によって生成された電荷キャリアが変調ゲートによって形成された電位勾配を通過した後に集結する構成となっている。感光層としてシリコン等の半導体を用いている場合は、メモリーゲートに正のバイアス電圧を与えれば十分であり、その結果、電流の流れを決定する電子のポテンシャルウエルが形成される。
【００２９】
メモリーゲートは、入射電磁放射に対して不透明な層で覆うことが好ましく、その結果、メモリーゲート領域では電荷キャリアが生成されなくなる。さらにまた、読み出し電極の電極部がメモリーゲートから電気的に分離された構成とすれば都合がよい。
【００３０】
読み出し電極の分離電極部とそれを囲う好ましくは細長片形状のメモリーゲートとの組み合わせにより、上記従来技術で公知の細長片形状の読み出し電極の利点と、本発明による読み出し電極の分離電極部の利点とが両立される。光子から生成されるすべての電荷キャリアは、電界により細長片形状の読み出し電極と垂直な方向へ加速されて、読み出し電極に衝突・着流可能となるため、上記従来技術で公知の細長片形状の読み出し電極は、効率的な電荷キャリアの流出が可能である。細長片形状の読み出し電極と同様に、本発明のメモリーゲートもまた、読み出し電極と垂直な方向へ加速されたすべての電荷キャリアを捕集する。そして、読み出し電極の分離電極部を用いて読み出しが行われるが、この読み出し電極の読み出し容量は、上記従来技術で公知の細長片形状の読み出し電極に比べて少ない。メモリーゲートから読み出し電極への電荷キャリアのトラップについても、非常に効率的に行われる。
【００３１】
さらに、メモリーゲートを備えた本発明の光混合装置は、照射強度に応じた２段階の電荷変換効率を有する。照射強度が低く、光子から生成される電荷キャリアがほとんどない場合、検出器の積算容量は、金属−半導体コンタクトまたは読み出し電極のｐｎダイオードの固有容量と等しくなる。電荷キャリアの流入により読み出し電極の電位がメモリーゲートの電位に到達すると、検出器の積算容量は、読み出し電極の固有容量とメモリーゲートの容量の合計に等しくなる。上述の手順により、入射電磁放射の強度が低い場合は、高感度または高電荷変換効率が得られる一方、強度が高い場合（光子から生成される電荷キャリアが多数存在する場合）、電荷変換効率は第２の低値となる。強度が高い場合には感度が低下するため、本発明の光混合装置は、メモリーゲートを持たない検出器と比較した場合、高強度においてのみ飽和に達することになり、その結果、光混合装置のダイナミックレンジが改善される。また、メモリーゲートのバイアス電圧を変化させることによって、低電荷変換効率に達する閾値を自由に設定可能となる。
【００３２】
一定のバイアス電圧が与えられたメモリーゲートにより、光混合装置の変調ゲートおよび読み出し電極間のクロストークは低減される。このようにして、変調信号に起因する読み出し電極の潜在的な障害は最小限に抑えることができる。読み出し電極は、高周波障害の影響を全く受けないように構成できれば理想的である。以上から、メモリーゲートは、「分離ゲート」とも称することができる。
【００３３】
検出器の隣接する２つの混合素子に共通のメモリーゲートを用いる構成とすれば、大幅に小型化した設計が実現される。
【００３４】
本発明の別の態様として、光混合装置が少なくとも１つのメモリー構造をさらに有する構成とすれば特に好ましい。便宜上、このメモリー構造は、少なくとも１つの読み出し電極にそれを囲うメモリーゲートを備えて構成されており、読み出し電極は、電気的に相互接続された分離電極部から構成され、読み出し電極の電極部は、メモリーゲートから電気的に分離されているとともに、メモリー構造は、電磁波に対して不透明な層で覆われてなり、メモリー構造の読み出し電極は、混合素子の少なくとも１つの読み出し電極と電気的に接続された構成である。
【００３５】
上記メモリー構造のメモリーゲートの電位が、混合素子のメモリーゲートと混合素子の読み出し電極との中間の電位となるように構成すれば都合がよい。
【００３６】
本発明の格納構造では、メモリーゲートについて上述した２段階の電荷変換効率の原理に、上記メモリー構造の新たな容量を追加することによって、３段階の電荷変換効率に拡張する。これにより、３段階の感度を有し、ダイナミックレンジがさらに向上した光混合装置が提供される。
【００３７】
検出素子当たり厳密に２つのメモリー構造を設け、その読み出し電極が検出器の各読み出し電極に接続された構成とすれば都合がよい。これにより、検出素子のダイナミックレンジの拡張が実現される。
【００３８】
さらに、同一の光混合装置上の隣接する２つの混合素子が共通のメモリー構造を有する構成とすれば都合がよい。
【００３９】
本発明の別の態様として、光混合装置が混合素子を２つ以上有する構成とすれば特に好ましい。これらの混合素子は、その信号が加算されるように接続することができるが、位相が互いに９０°ずれた変調信号を供給することも可能であり、その結果、入射電磁信号の位相を決定する直交成分を１回の測定で記録することが可能となる。
【００４０】
本発明のその他の特徴、利点、および利用可能性については、以下に示す好適な実施形態の説明を用いて明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は、従来技術で公知の検出素子を示した平面図であり、検出素子の２つの読み出し電極１’、２’および変調ゲート３’、４’が明確に識別可能である。ゲート１’、２’、３’、４’の下側に配置されたシリコン製の感光層については本図中に示されていない。読み出し電極１’、２’は、その作動時に正のバイアス電圧が与えられるため、電極またはゲートは、感光層で生成された電荷キャリアのポテンシャルウエルとして作用する。この正のバイアス電圧は、ホールの移動度が小さいことから、電流移動への寄与が無視可能なように選択される。また、入射電磁放射と変調が一致する変調ゲート３’、４’に対して、参照電圧Ｕｒｅｆが印加される。電磁放射の変調と変調ゲート３’、４’の変調電圧は、位相がＦΦだけずれた状態とする。強度変調放射の照射時に、感光層において電荷キャリアが生成され、変調ゲート３’、４’によって形成された電位勾配中を、読み出し電極１’、２’まで加速される。変調ゲート３’、４’の下側に位置する感光層の２つの領域間に電位差が生じるように、２つの変調ゲートを逆位相の変調信号でバイアスする必要がある。ここで、読み出し電極１’、２’に到達する電荷キャリア数は、入射電磁放射の強度および位相差ＦΦの関数である。これにより、入射電磁放射の強度と、入射電磁放射の変調信号と変調ゲート３’、４’の変調信号の位相差ＦΦは、電圧測定法または電流測定法を用いて記録することができる。
【００４２】
読み出し電極１’、２’はアルミニウム製のオーミックコンタクトを有しており、半導体材料（代表例としてはｐ型シリコン）に直接形成されている。この半導体材料は、金属コンタクト下の領域において、残存材料が相補的にｎ＋ドープされており、その結果、読み出し電極はｐｎダイオードで形成される。上記の代わりにｎ型半導体材料を用いる場合、この半導体材料は、読み出し電極１’、２’のコンタクト下の領域において、ｐドープされることになる。
【００４３】
図１の平面図においては、読み出し電極の相補的にドープされた領域の底面のみが示されている。その上部における細長片の構造はあまり重要ではない。読み出し電極による読み出しが電圧測定法によって行われる場合、測定電圧信号は１／ＣＡ（ＣＡは読み出し電極の容量）に比例する。読み出し電極１’、２’のｐｎ遷移は、読み出し電極の容量ＣＡを本質的に決定する固有容量を有しており、光混合装置内で生成される電荷キャリアに起因する電圧変化を極力大きくするためには、読み出し電極の固有容量は極力小さな値に維持しなければならない。
【００４４】
図２は、本発明の好適な第１実施例に係る光混合装置を示した図であり、読み出し電極１、２は、それぞれ分離電極部１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｅから構成されている。これにより、各読み出し電極１、２の容量は、それぞれ最も離れた２つの分離電極部１Ａ、１Ｅおよび２Ａ、２Ｅ間の距離に原則相当する長さを有する細長片形状の読み出し電極１’、２’よりも小さくなる。読み出し電極１、２の電極部は、上述した変調ゲートから電気的に分離された状態で、空間的に直接隣接した構成である。
【００４５】
図３は、図２中のＡ−Ａ’線に沿う断面図であり、その断面は、分離電極部を確実に通るものであって、電極部２Ａ〜２Ｅの縦構造が明確に識別可能である。また、感光層は、シリコン製のｐ型基板５である。図３の断面図に示すように、各電極部領域において基板がｎ＋ドープ領域６を有しているため、電極部２Ａ〜２Ｅは、ドープ領域の上部に配設した金属コンタクト２０Ａ〜２０Ｅを有するｐｎダイオードで形成される。上記の代わりにｎ型半導体基板を用いる場合、この半導体材料は、電極部領域において、ｐドープされることになる。また、オーミックコンタクトは、相補的にドープされた領域６に直接形成される。
【００４６】
基板５上の電極間または電極周りには、シリコン酸化層７が配設されている。また、各コンタクト２０Ａ〜２０Ｅは、Ｔ字形の断面を有する。電極部１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｅの相補的にドープされた領域６の底面９は、辺長１．８μｍの四角形である。図３からも明らかなように、図２、４および以下の図に示される読み出し電極の電極部は、電極部の相補的にドープされた領域６の底面９のみを示している。
【００４７】
図４に示す分離電極部１０１Ａ〜１０１Ｅ、１０２Ａ〜１０２Ｅの構成は、各電極部が変調ゲート１０３、１０４の領域まで拡張されているという点で、図２に示した構成とは異なる。なお、変調ゲート１０３、１０４は、上述した場合と同様に、読み出し電極から電気的に分離されている。この構成により、電極１０２Ｃに示すように、原則として３つの側面１１０、１１１、１１２から、電極部への電荷キャリアの着流が改善可能となる。
【００４８】
図５は、図４に示した光混合装置のＢ−Ｂ’線に沿う縦断面図であり、電極部１０２Ａ〜１０２Ｅが変調ゲート１０４の領域へ突出するとともに、変調ゲートが電極部１０２Ａ〜１０２Ｅおよびそれらのコンタクト１２０Ａ〜１２０Ｅからそれぞれ電気的に分離されているか、または一定の距離隔てられた状態であることが明確に識別可能である。また、この断面図により、変調ゲート１０４がシリコン酸化層１２２を介して、その下側のｐ型シリコン基板から分離されていることが分かる。シリコン酸化層１２２は、変調ゲート１０４とシリコン基板１０５の間の絶縁層として機能する。
【００４９】
図６は、図２および４に示した２つの光混合装置のＡ−Ａ’線に沿う電位パターンを示した図であり、読み出し電極１、２、１０１、１０２が、その正のバイアス電圧によって、光子から生成される電子をトラップ可能なポテンシャルウエルを形成していることが明らかである。
【００５０】
図７は、３つの混合素子２１３、２１４、２１５を備えた光混合装置を示している。混合素子２１３〜２１５は、それぞれ２つの読み出し電極２０１、２０２、２１６、２１７を有する。これらの各読み出し電極は、図２および４と同様に、それぞれ５つの分離電極部から構成されている。
【００５１】
混合素子２１３、２１５は、その間に配置された混合素子２１４と共通で、それぞれ読み出し電極２１６、２１７を使用する。混合素子２１３〜２１５によって共通に使用される読み出し電極２１６、２１７は、表面積が大きな２つの変調ゲート２１８、２１９の領域に配置されている。この２つの変調ゲート２１８、２１９は、原則として、図２および４に示した光混合装置の変調ゲートの２倍幅広となっている。変調ゲート２１８、２１９は、読み出し電極２１６、２１７と同様に、２つの隣接する光混合装置によって共通に使用される。また、変調ゲート２１８〜２２１は、各隣接する変調ゲートが変調信号によって逆位相で動作するように接続される。それぞれの場合において、４つの読み出し電極２０１、２０２、２１６、２１７のうちの２つを相互接続し、共通に読み出しを行う。同相の変調信号が供給される変調ゲートに隣接する２つのゲートは、常に接続された状態となる。
【００５２】
検出素子２１３、２１５に含まれる外側の２つの読み出し電極２０１、２０２は、それぞれ図４に示す読み出し電極１０１、１０２と同様に構成されているが、図７に示す読み出し電極２０１、２０２は、その全体が変調ゲート２２０、２２１の領域に存在するため、図４の読み出し電極１０１、１０２のようにちょうど半分がゲート領域中に存在する場合とは異なる。
【００５３】
上記とは別の実施例として、図７の構成とは異なり、４つ以上の混合素子を接続して光混合装置を構成することも可能である。また、図７に示す３つ構成の混合素子を、光混合装置上に２つ並べて配置することも可能である。この場合、３つ構成の混合素子それぞれの変調信号は、互いに位相が９０°ずれた状態となり、その結果、入射電磁放射の直交成分と同時に、強度と位相についても１回の測定で記録することが可能となる。
【００５４】
図８Ａにその他の実施例に係る光混合装置を示す。読み出し電極３０１、３０２は、変調ゲート３０３、３０４に隣接する新たなメモリーゲート３２３、３２４によって囲われている。メモリーゲート３２３、３２４には正の直流電圧がバイアスされているため、図８ＡのＡ−Ａ’線に沿う電位分布は図８Ｂのようになる。なお、印加バイアス電圧は、メモリーゲート下のシリコン基板中にメモリーゲートによって形成されるポテンシャルウエルの電位が、読み出し電極３０２の電極よりも高くなるように選択される。このメモリーゲートによって、光子から生成される電子に対する大きなポテンシャルウエルが形成される。読み出し電極３０１、３０２の内部または周囲に電位勾配が形成されると、照射強度が低い場合、分割ダイオードの固有容量が小さいために、電荷キャリアによって大きな電圧レベル変化がもたらされる。他方、照射強度が高く、光混合装置内で多数の電子が生成されている場合は、これら電子によって読み出し電極のポテンシャル井戸がすぐに満たされてしまい、さらなる電子はメモリーゲート３２３、３２４に捕集されることになる。この際、メモリーゲートの容量が大きいことから、電荷キャリア当たりの電圧レベル変化は小さなものとなる。要約すれば、照射強度が低い場合は高感度が得られる一方、照射強度がメモリーゲートのバイアス電圧によって決まる特定の閾値をいったん超えると、感度は低い値となる。このようにして、本発明の光混合装置のダイナミックレンジは、メモリーゲートを持たない光混合装置よりも大幅に拡張される。
【００５５】
図９Ａは、上記をさらに拡張した実施例に係るメモリーゲート４２３、４２４を備えた光混合装置を示しており、追加メモリーゲート４２５、４２６を備えた２つの新たなメモリー構造が、シリコン基板上で実混合素子の横に配置されている。追加メモリーゲート４２５、４２６は、互いに電気的に分離されているとともに、光混合装置の残存ゲートからも電気的に分離されている。追加メモリーゲート４２５、４２６の領域には、分離点電極から構成された読み出し電極４２７、４２８も配置されており、これらの読み出し電極４２７、４２８は、それぞれ読み出し電極４０１、４０２と電気的に接続されている。読み出し電極４２７、４２８を備えた追加メモリーゲート４２５、４２６は、金属層で覆われているため、その部分には電磁放射が一切印加されない（図９Ａに図示せず）。また、追加メモリーゲート４２５、４２６は、上記と同様に直流電圧がバイアスされており、追加メモリーゲート４２５、４２６のバイアス電圧の絶対値は、メモリーゲート４２３、４２４のバイアス電圧の絶対値よりも大きい。
【００５６】
追加メモリーゲート４２５、４２６の作用は、図９Ａ中のＢ−Ｂ’線およびＡ−Ａ’線に沿う電位パターンを示した図９Ｂから明らかとなる。この図において再度、読み出し電極の電極によって形成されるポテンシャルウエル４２９が明確に識別可能となっている。追加メモリーゲート４２５、４２６を備えたメモリー構造の新たな容量により、放射強度に応じて、光混合装置の電荷変換効率がさらに３段階形成される。強度に依存する電荷変換効率または感度により、本実施例の検出器のダイナミックレンジが拡張されることは明らかである。
【００５７】
図１０および１１は、３つの検出素子５１３〜５１５および６１３〜６１５をそれぞれ光混合装置上に集積した場合の２実施例であり、読み出し電極５０１、５０２、５１６、５１７、および６０１、６０２、６１６、６１７は、それぞれメモリーゲートによって囲われている。この２実施例の相違点は以下の通りである。図１０の実施例の場合は、メモリーゲートが、読み出し電極とそれぞれ対応する変調ゲートとの間で、２つの狭隘な細長片５３１、５３２の形で設けられている一方、図１１の実施例の場合は、読み出し電極が幅広のメモリーゲート６３３内に配置されている。
【００５８】
図８Ａ、９Ａ、１０および１１に示すメモリーゲート３２３、３２４、４２３、４２４、５３１、５３２、６３３は、そのバイアス電圧が一定であるため、変調ゲート３０３、３０４、４０３、４０４、および、読み出し電極３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、５１６、５１７の間の電気的クロストークを低減する効果がある。このようにして、読み出し電極は、変調ゲート３０３、３０４、４０３、４０４における高周波変調の悪影響から完全に切り離すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来技術で公知の細長片形状の読み出し電極を備えた検出素子を示した平面図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る光混合装置を示した平面図である。
【図３】図２に示した光混合装置のＡ−Ａ’線に沿う縦断面図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る光混合装置を示した平面図である。
【図５】図４に示した光混合装置のＢ−Ｂ’線に沿う縦断面図である。
【図６】図２および４に示した光混合装置のＡ−Ａ’線に沿う電位分布を示した図である。
【図７】本発明の第３実施例に係る光混合装置を示した平面図である。
【図８Ａ】本発明のその他の実施例に係る光混合装置を示した平面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示した光混合装置のＡ−Ａ’線に沿う電位分布を示した図である。
【図９Ａ】本発明のさらにその他の実施例に係る光混合装置を示した図である。
【図９Ｂ】図９Ａ中に示した光混合装置のＢ−Ｂ’線およびＡ−Ａ’線に沿う電位分布を示した図である。
【図１０】本発明の上記以外の実施例に係る光混合装置を示した平面図である。
【図１１】本発明のさらに別の実施例に係る光混合装置を示した平面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月22日(2005.6.22)
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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