(57)【要約】      （修正有）【課題】紫外線から可視光の分光に適した簡易型の分光計用光検知器ならびにそれに用いられるフォトダイオードを提供する。【解決手段】ランプ並びに太陽光のような光源０２０およびもしくは、当該光源を照射して試料を透過した光を単色光に分光するシリコンフォトダイオード００１で構成した分光計用の光検知器において、シリコンフォトダイオード００１の当該接合の空亡層００９の厚さ（幅）を当該接合間の電圧を時間と共に変化させることで空乏層００９内に光生成された少数キャリアの数もしくはそれに対応する電流量を所定の波長スペクトラム毎に分解して計測できる分光計用光検知器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプ並びに太陽光のような光源およびもしくは、当該光源を照射して試料を透過した光を単色光に分光するシリコンフォトダイオードで構成した分光計用の光検知器において、当該シリコンフォトダイオードにおける第一の極性を有する半導体基板と反対極性からなり、当該半導体基板よりも濃度が高く且つ紫外線の波長よりも薄い不純物層を当該フォトダイオードの光受光面の直下に配置して当該基板との間で接合が構成される当該シリコンフォトダイオードの当該接合の空亡層の厚さ（幅）を当該接合間の電圧によって時間と共に変化させることで当該空乏層内に生成された少数キャリアの数もしくはそれに対応する電流量（電荷量）を所定の波長スペクトラム毎に分解して計測できること、を特長とする光検知器。
【請求項２】
請求項１において、当該接合間の電圧は、当該接合が順方向となる極性の電圧を含むこと、を特長とする光検知器。
【請求項３】
請求項１において、時間と共に変化させる当該接合間の電圧の変化は、当該空乏層の幅が時間と共に単調に増大するか、もしくは単調に減少するかのいずれかであること、を特長とする光検知器。
【請求項４】
ランプ並びに太陽光のような光源およびもしくは、当該光源を照射して試料を透過した光を単色光に分光するシリコンフォトダイオードで構成した分光器において、該シリコンフォトダイオードにおける第一の極性を有する半導体基板と反対極性からなり、当該半導体基板よりも濃度が高く且つ紫外線の波長よりも薄い不純物層を当該光受光面の直下に配置することで当該基板との間で接合が構成される該シリコンフォトダイオードの当該接合の空亡層の厚さ（幅）が当該接合間の電圧を時間と共に変化させることで当該空乏層内に光生成された少数キャリアの数もしくはそれに対応する電流量を所定の波長スペクトラム毎に分解して計測する為に当該接合間に印加する電圧を発生する関数発生器、少数キャリアもしくは生成電流データを検出する検出器、当該生成キャリアデータを収納する記憶装置、を少なくとも構成要素として含む、分光計システム。
【請求項５】
請求項１、４において、ラテラル（横型）バイポーラトランジスタを当該フォトダイオードと同時に形成して当該空乏層外の領域で生成する少数キャリアを当該接合に設けた電極とは異なる電極から排出すること、を特長とする光検知器並びにシステム。
【請求項６】
請求項１、４において、バーテカル（縦型）バイポーラトランジスタを当該フォトダイオードと同時に形成して当該空乏層外の領域で生成する少数キャリアを当該接合に設けた電極とは異なる電極から排出すること、を特長とする光検知器並びにシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、フォトダイオードを使用した分光計用光検知器ならびに分光計システムに関する。特に、紫外線から可視光の分光に適した簡易型の分光計用光検知器ならびにそれに用いられるフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】    従来、紫外線可視光分光計は、光源（ランプまたは太陽光）や光源からの光を試料にあててその透過光、を単色光の波長に分解する回折格子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇ）もしくはフィルタ並びに光検知器などで構成されていた。しかし、単色光の波長に分解する上記フィルタは、回折格子もしくはフィルタとそれを機械的に切り替える機構で構成していたために、切り替え速度が遅く、周囲の機械振動に敏感で且つ摩耗により寿命が短い、課題があった。
この課題を解決する目的でシリコンフォトダイオードリニアアレイを用いた手段も提供されている（特許文献１，２）。しかし、特許文献１における手段は、約１００〜１０００個のシリコンフォトダイオードを平面的に一次元方向（リニア）に並べた構成であり、回折格子は必要である。複数のフォトダイオードをアレイ状に配列するために光検知器が大きくなると共に高価になる、課題があった。また、特許文献２における手段は、平面的に一次元方向に（リニア）並べた夫々のフォトダイオードの光受光面に光を吸収する光学フィルタ材料を設けてそれらの光学フィルタ材料の光吸収特性を変化させて用いるものである。しかし、この手段は、やはり複数のフォトダイオードをリニア状に配列するために、サイズが大きくなる上に、各フォトダイオードに異なる光吸収特性を持つ材料からなる光学フィルタを設けて用いる必要であり、素子の製作が複雑である為に高価になる、課題があった。
【特許文献１】  特開２０１２−２１６５８５（公開日  ２０１２．１１．８）
【特許文献２】  特開２０１３−２３５２２７（公開日  ２０１３．１１．２１）
【課題を解決するための手段】
【０００３】発明者は、接合が僅かに順方向（以下、弱順方向と称する）であっても空乏層幅が存在して、しかもこの弱順方向の電圧範囲でその空乏層幅が急峻に変化すること、に着目した（参考文献１  Ｅｑｕ．６．３０，ｐｐ１６８，Ｆｉｇ．６．１４）。この参考文献に示すように、空乏層幅Ｗｄｅｐは、印加電圧Ｖａｐｐｌと障壁ポテンシャル（ビルトインポテンシャル）φＴの差分の順方向電圧並びに逆方向（バイアス）電圧の平方根に比例して変化する。
更に、光信号で生成される少数キャリアは、上記の空乏層内では電界で高速に移動するが、空乏層の外部では、拡散だけに依存するのでその拡散速度は遅いこと、にも着目した。
参考文献１
Ａ．Ｓ．Ｇｒｏｖｅ，“Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”．Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆Ｓｏｎｓ  Ｉｎｃ．１９６７．
【０００４】  一方、参考文献２（２７２頁、図５）には、光の波長と光吸収係数αとの関係をシリコン他種々の材料について調べたデータが記載されている。
即ち、単結晶シリコン内部における光の吸収係数αもしくはその逆数である光吸収長１／αを求めれば、それに対応する光の波長と強度も求めることが出来ること、を見出した。
参考文献  ２
Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ，“半導体デバイス”産業図書（株）昭和６２年５月初版。
すなわち、空乏層幅Ｗｄｅｐは吸収係数αの逆数と関係があるので、印加電圧Ｖａｐｐｌを時間変化させて特定の空乏層幅Ｗｄｅｐを設定すれば、前記の理由で対応する光の波長と強度を求めること、が出来る。
【０００５】  本発明は、（１）上記の目的に適した、光信号から生成される小数キャリアを電流に変換するフォトダイオードの構造を提供する手段、（２）印加電圧Ｖａｐｐｌ（弱順方向電圧を含む）を時間変化させて、当該接合の空乏層幅Ｗｄｅｐも時間変化させる手段、（３）上記の手段で、波長分解能に対応する時間間隔で信号データをサンプリングして記憶装置に格納する手段、（４）記憶された複数の信号データを演算することによって特定スペクトラムλの波長とその強度を求める手段、（５）前記空乏層の外側の領域で生成して拡散する少数キャリアを前記空乏層内部で生成する少数キャリアとは識別して排出する手段、（６）得られた検出電流とその波長スペクトラムλの値から、特に短中波長の光強度を算定するに際して量子効率で換算する手法、（７）前記基板不純物濃度が製造時にばらつく変動量を補正する手段、（８）紫外線のような短波長領域においては、検出電流（検出電荷）が少ないので、スイッチトキャパシタ回路で公知である、検出時間を長くする手段、も提供する。
【得られる効果】
【０００６】  （１）単結晶シリコンのＰＮ接合に存在する空乏層の幅を印加電圧で変化させて、謂わば光プリズムもしくは光学回折格子（Ｇｒａｔｉｎｇ）の機能を持たせることが出来る。
（２）機械振動がない分光計が可能になる。
（３）分光計が小型化できる。
（４）１個のフォトダイオードで分光できるので、低価格で高速で分光特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】分光機能を持つシリコンＰＮ接合型フォトダイオードを用いた光検知器ならびに分光計システム
【図２】接合空乏層Ｗｄｅｐと印加電圧Ｖａｐｐｌとの関係図
【図３】光波長と吸収係数及び吸収長の関係図
【図４】ラテラル（横型）バイポーラトランジスタ構造によるＯＦＤ（Ｏｖｅｒ  Ｆｌｏｗ  Ｄｒａｉｎ）作用を併せ持つ光分光検知器ならびに分光計システム
【図５】バーテカル（縦型）バイポーラトランジスタ構造によるＯＦＤ（Ｏｖｅｒ  Ｆｌｏｗ  Ｄｒａｉｎ）作用を併せ持つ光分光検知器ならびに分光計システム
【符号の説明】
【０００８】００１  ＰＮ接合型フォトダイオード
００１１  ラテラルバイポーラトランジスタの一部を利用したＰＮ接合フォトダイオード型分光計光検知器
００１２  バーテカルバイポーラトランジスタの一部を利用したＰＮ接合フォトダイオード型分光計光検知器
００２  Ｎ−基板
００３  Ｎ＋層
００４  Ｐ＋層
００４１  第二Ｐ＋層
００４２、００４３  Ｐ＋層コンタクト
００５  Ｐ＋＋層
００６  電極１
００６１  電極３
００７  電極２
００８  絶縁膜
００９  空乏層１
００９１空乏層２
０１１  関数発生器
０１２  オペアンプ
０１３  帰還抵抗
０１４  データメモリ
０１５  サンプリングスイッチ
０１６  接地電圧＝０Ｖ
０２０  光源
００２１  紫外線
００２２  可視光線
００２３  赤外線
０３０  印加電圧Ｖａｐｐｌ
０３１  空乏層幅Ｗｄｅｐ
０５１  コレクタ電圧
０６０  単結晶シリコンの光吸収特性
０６１  単結晶シリコンの吸収係数α
０６２  光の波長λ
【発明を実施するための形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
【０００９】  図１は、本発明の実施形態１において紫外線可視光線赤外線の分光可能な光検知器において、光検知素子にＰＮ型フォトダイオード００１を用いたシステム構成図である。
図１には、当該ＰＮ型フォトダイオード００１については断面図として要部を同時に示している。
図１において、００２は単結晶シリコンＮ−型基板、００３はＮ＋層、００４はＰ＋層、００５はＰ＋＋層、００６は電極１、００７は電極３である。００８は絶縁膜、００９は第一の空乏層である。光源０２０は、赤外線０２１、可視光線０２２、紫外線０２３である。尤も、光源０２０は、０２１、０２２，０２３のいずれかもしくは複合であっても良いし、試料を通過した後の光線であっても良い。
図１において、０１１は関数発生器、０１２はオペアンプ、０１３は信号電流を検出する帰還抵抗、０１４は信号電流を電圧変換して格納するデータメモリである。０１４１は検知された生成電流をサンプリング時間毎に検出した累積値を示す。図１に於いては、関数発生器０１１からオペアンプ０１２の帰還抵抗０１３でサンプリングスイッチ０１５をオンしてサンプリングされた検出電流を波長スペクトラムが大きい波長λ２：最長可視光波長を時間ｔｏ、から順に尤も短い波長λ０：最長可視光波長（時間ｔｘ）まで累積している。ここで後述するように波長λ１：可視光波長と紫外線波長の境界波長（時間ｔｙ）以降λ０：当該分光計で計測できる最短波長紫外線までの短波長領域はλ２からλ１までとは違った手段で分解能（スペクトラム）毎の光強度を求める。
なお、図１において、Ｎ＋層００３と電極００７とは受光面に設けても良い（図示せず）。
図２は、当該接合に印加する印加電圧Ｖａｐｐｌと当該接合の空乏層幅Ｗｄｅｐとの関係図、である。
図２において、空乏層幅が０になる時の当該接合電圧は当該ＰＮ接合でのＰ＋＋層００５とＮ−層００３とで定まるビルトインポテンシャルφｔである。
図３は、単結晶シリコンの光吸収特性である。
図３において、縦軸には、吸収係数αとその逆数である吸収長１／αの両方を示す。
当該分光計で計測できる最長可視光波長λ２、最短可視光波長と最長紫外線波長の境界波長λ１並びに最短紫外線波長λ０、を夫々  λ２＝８００ｎｍ、λ１＝８００ｎｍ、λ０＝２００ｎｍとして示した。
【００１０】図１を用いて、当該光源もしくは試料を通過した光を分光すると同時に光強度を検出できる、当該発明の動作を説明する。
まず、図１で、０１１は弱順方向電圧を含む印加電圧Ｖａｐｐｌによって当該フォトダイオード００１が持つＰＮ接合の空乏層の幅Ｗｄｅｐを時間変化させるための関数発生器であるり、その特性は図２に記載される。この曲線は、空乏層幅Ｗｄｅｐが印加電圧Ｖａｐｐｌと下式（２）のようにＶａｐｐｌの平方根に比例して変化する。ここで、φｔは、当該ＰＮ接合のビルトインポテンシャルであり、通例その値は、０．６〜０．８Ｖである。空乏層００９に実効的にかかる電圧Ｖｄｅｐは、
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【００１１】図１に示すように、Ｐ＋＋層００５と基板００２とで形成される接合にかかる電圧がほぼ上記のＶａｐｐｌとなるように、つまり、Ｐ＋＋層００５の電圧はほぼ０Ｖであって、この条件において空乏層００９で発生する少数キャリアは、Ｐ＋＋層００５に信号電流として流れる。その信号電流は、オペアンプ０１２の帰還抵抗０１３で検出できる。そして、サンプリングスイッチ０１５を適当なタイミングで閉じることで、上記信号電流の値を時間的に選択してサンプリング抽出する。そのサンプリング信号を、例えば、電圧信号に変えて、データ記憶装置０１４に格納する。
図１に於いて、データメモリ０１４に示すｔｘなどは図３に示す光の吸収長（１／α）に略比例した時間でサンプリングすること、を表す。
図１において、データメモリ０１４内に示す曲線０１４１は、時間ｔ０からｔ１，ｔ２―――ｔｘに至る迄長波長（赤外線もしくは可視光の赤色）から短波長（紫外線）に至るまでスペクトラムの分解能の値で検出した光の強度に対応して検出した電流値の累積した積分量を示す。
【００１２】図１において、例えば、時間ｔ＝０において、当該フォトダイオード００１は、光源０２０からの光
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込む。時間ｔ＝ｔｏ〜ｔ１の間に、計測仕様の最大空乏層幅Ｗｄｅｐ０３１を与えるＶａｐｐｌを当該接合に印加する（一般には図２に示すように逆バイアスで印加する）。図３に示すように空乏層幅Ｗｄｅｐ０３１は、吸収長に対応し、且つ吸収長は波長スペクトラムに対応する。得られた検出電流値ｉ（ｔｏ）をデータメモリに格納する。
続いて、時間ｔ１で空乏層幅Ｗｄｅｐ０３１を低減して同じようにサンプリングを閉じてｔ１まで累積した検出電流Ｉ（ｔ１）をデータメモリに取り込む。
そして、上記ｉ（ｔ０）とＩ（ｔ１）との差分を求めてｉ（ｔ１）としてデータメモリの別の番地に格納する。
以下同様な操作をｔｎ＋１まで続ける。
このような手段をｔ＝ｔｙに至るまで続けることで、可視光波長λ２〜λ１当該光源０２０もしくは試料を透過した光の分光特性を求めることが出来る。
【００１３】波長λが可視光の下限波長λ１以下紫外線下限λ０までは、図３に示すように吸収長さ１／αが短くなるのでサンプリング時間を今まで説明してきた時間間隔では検出電流も少なくなる。
そこで、時間間隔をそれまで以上に広げて時間を費やして検出電流を検出することで揺らぎに起因する検出誤差を小さくできる。この方法は、スイッチトキャパシタ回路では良く知られている。
実際の検出電流の値を、可視光波長のλ２〜λ１までと整合させるためには、上記した時間変更分を補正すれば良い。
また、短波長領域では、１個の光子エネルギーが持つエネルギーは、一対の少数キャリア電子、正孔を生成する以外に格子の熱エネルギーに費やされる。そこで、分光波長の強度をエネルギー換算する時には、量子効率η分を補正する。
同様に、半導体製造に関る、例えば不純物濃度のばらつきもそれらを計測すれば補正できる。
以上の手段で、紫外線可視光線の分光が出来る光検知器の説明をしてきた。
【００１４】  なお、赤外線領域の波長の光は、図３に示す吸収長１／αが空乏層幅Ｗｄｅｐ０３１よりも大きいことも生じる。その波長λでは、空乏層幅Ｗｄｅｐ０３１で当該波長の光を検出する為に分解能もしくは光強度に関る精度がそれ以外（紫外線可視光領域）のそれらと比べて低下する。従ってこの領域の波長の光の精度も同等に維持するために、測定を繰り返すなどの追加の手段も必要である。
【００１５】以上は、空乏層幅Ｗｄｅｐが薄い状態（対応する光スペクトラムが短い波長）から厚い状態（対応する光スペクトラムが長い波長）までサンプリング時間を変えて分光特性を検知する手段を記述してきた。
上記手段の代わりに逆方向つまり空乏層幅Ｗｄｅｐが厚い状態から逐次薄い状態までサンプリング時間毎に信号電流を検出して、それよりも以前ｔｎ−１（ｔｎ−１までに蓄積された累積信号電流とｔｎで検出された累積信号電流との差分から、波長スペクトラム毎の光強度を抽出することも可能である。
なお、ここで検出もしくは信号電流で説明したが、それらは検出、信号電荷であっても良い。
【００１６】図１の実施形態１では、光源０２０の光によって生成する少数キャリア：正孔は、空乏層００９以内で生成する時には空乏層間にかかる印加電圧Ｖａｐｐｌによって、正孔がＰ＋；＋層００５側へドリフトで移動した後で、空乏層００９の外側（基板００１の内部側）で生成する正孔もまず、空乏層００９の縁まで拡散で移動した後で空乏層内部をＰ＋；＋層００５側へドリフトで移動するので、それらの正孔に起因する電流をサンプリング時間によって微妙に調整（図示せず）して、お互いを峻別することが必要である。
なお、赤外線領域の波長の光は、図３に示す吸収長１／αが空乏層幅よりも大きいことも生じる。その波長では、空乏層幅で当該波長の光を検出する為に分解能もしくは光量に関る精度がそれ以外（紫外線可視光領域）のそれらと比べて低下する。従って精度を同等に維持するために、測定を繰り返すなどの追加の手段も必要である。
【００１７】図１の実施形態１で得られたサンプリング波長λに対応する検知電流量から前記光源もしくは試料を通過した光のエネルギー量を算定する為には、特に短中波長における量子効率による補正、当該フォトダイオードに使用する半導体基板の不純物濃度のばらつき、などを補正して求める。
（実施形態２）
【００１８】次に、図４、２、３を用いて実施形態２を説明する。
図４において、図１と同じ符号番号を付している個所は図１で説明をしていて重複を避けるために説明を省略する。
００１１は、図１においてＰ；＋層００４の外周に更に第二のＰ＋層００４１を設けた素子構造である。
そして、第二のＰ＋層００４１には、基板００２との間で大きな値のコレクタ電圧０５１（逆バイアス電圧）を与えて第二の空乏層００９１まで拡散現象で流れて来る波長が長い成分の電流を集めるコレクタの作用をさせている。
この構造によれば、全体がラテラルバイポーラトランジスタとしての動作も兼ねているので、当該空乏層００９内で生成する信号電流と空乏層外で生成する拡散電流成分との分離が実施形態１よりも容易で且つ確実に行うこと、が可能となる。
００１２に０１１を与えて信号電流をサンプリングする手段は、実施形態１と同じであるので説明は省略する。
【００１９】λ１〜λ０の紫外線波長領域での時間サンプリング法には、可視光波長λ２〜λ１と同様な手段もしくは、実施例１の［００１３］の手段、を用いる。
また、赤外線領域の波長の光は、図３に示す吸収長１／αが空乏層幅よりも大きいことも生じる。その波長では、空乏層幅で当該波長の光を検出する為に分解能もしくは光量に関る精度がそれ以外（紫外線可視光領域）のそれらと比べて低下する。従って精度を同等に維持するために、測定をくり返すなどの追加の手段も必要である。
【００２０】但し、図１の実施形態１とは異なって空乏層００９の外側（基板００１の内部側）で生成する正孔は拡散によって、Ｐ＋層で構成されたコレクタ００６１へ向かって移動する。従って、サンプリング時間は実施形態１に比較して容易に設定できる（図示せず）。
【００２１】図４の実施形態２で得られたサンプリング波長λに対応する検知電流量から前記光源もしくは試料を通過した光のエネルギー量を算定する為には、特に短中波長における量子効率による補正、当該フォトダイオードに使用する半導体基板の不純物濃度のばらつき、などを補正して求める。
（実施形態３）
【００２２】次に、図５を用いて実施形態３を説明する。
図５において、図１と同じ符号番号を付している個所は図１で説明をしていて重複を避けるために説明を省略する。
００１２は、図１においてＰ；＋層００４を光が入射される受光面とは反対側の基板面に更に第二のＰ＋層００４を設けた素子構造である。００４１はＰ＋層００４と電極００６１とを接続するためのコンタクトである。
そして、第二のＰ＋層００４１には、基板００２との間で大きな値のコレクタ電圧０５１（逆バイアス電圧）を与えて空乏層００９１まで拡散現象で流れて来る波長が長い成分の電流を集めるコレクタの作用をさせている。
この構造によれば、全体がバーテカルバイポーラトランジスタとしての動作も兼ねているので、当該空乏層００９内で生成する信号電流と空乏層外で生成する拡散電流成分との分離が実施形態１よりも容易で且つ確実に行うこと、が可能となる。
００１２に０１１を与えて信号電流をサンプリングする手段は、実施形態１と同じであるので説明は省略する。
なお、赤外線領域の波長の光は、図３に示す吸収長１／αが空乏層幅よりも大きいことも生じる。その波長では、空乏層幅で当該波長の光を検出する為に分解能もしくは光量に関る精度がそれ以外（紫外線可視光領域）のそれらと比べて低下する。従って精度を同等に維持するために、測定を繰り返すなどの追加の手段も必要である。
【００２３】λ１〜λ０の紫外線波長領域での時間サンプリング法には、可視光波長λ２〜λ１と同様な手段もしくは、実施例１の［００１３］の手段、を用いる。
また、赤外線領域の波長の光は、図３に示す吸収長１／αが空乏層幅よりも大きいことも生じる。その波長では、空乏層幅で当該波長の光を検出する為に分解能もしくは光量に関る精度がそれ以外（紫外線可視光領域）のそれらと比べて低下する。従って精度を同等に維持するために、測定をくり返すなどの追加の手段も必要である。
【００２４】但し、図１の実施形態１とは異なって空乏層００９の外側（基板００１の内部側）で生成する正孔は拡散によって、基板裏面のＰ＋層００４で構成されたコレクタ００６１へ向かって移動する。従って、サンプリング時間は実施形態１に比較して容易に設定できる（図示せず）。
【００２５】図５の実施形態３で得られたサンプリング波長λに対応する検知電流量から前記光源もしくは試料を通過した光のエネルギー量を算定する為には、特に短中波長における量子効率による補正、当該フォトダイオードに使用する半導体基板の不純物濃度のばらつき、などを補正して求める。
【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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