(57)【要約】【課題】アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いる光強度測定において、暗計数を低減させる。【解決手段】ＡＰＤを用いた光検出装置による光検出方法および光検出装置に関して、第１温度で第１逆バイアス電圧をＡＰＤに印加して光強度測定を行う際に、（１）ＡＰＤの温度またはそれに印加する逆バイアス電圧を第１温度または第１逆バイアス電圧より、例えば２０Ｋまたは１０Ｖ以上高くして所定の時間、例えば６０秒以上保持し、（２）高くした温度あるいは逆バイアス電圧から、第１温度あるいは第１逆バイアス電圧に低下させた後、（３）光子計数法などで光強度測定を行う、または、それを行うための制御器を備える。ＡＰＤを加熱するには、（４）ＡＰＤに順バイアス電流を流す回路を備え、順バイアス電流を流す、（５）ＡＰＤに隣接した加熱素子で加熱する、（６）ＡＰＤに光を照射して光加熱する。【選択図】図６
2011258645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置で光子計数法による光強度の測定方法であって、
予め決められた第１温度において第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）上記アバランシェフォトダイオードの温度あるいはそれに印加する逆バイアス電圧を上記第１温度あるいは第１逆バイアス電圧より高くして所定の時間保持し、
（２）上記の高くした温度あるいは逆バイアス電圧から、上記の予め決められた第１温度あるいは第１逆バイアス電圧に低下させた後、
（３）光子計数法で光強度測定を行う、
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での測定方法であって、
（１）前記アバランシェフォトダイオードの接合温度が上記第１温度よりも２０Ｋ以上高い第２温度以上に保った状態で、上記アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を１０秒以上印加し、
（２）上記逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加したまま、第１温度にした後、
（３）光子計数法で光強度測定を行う、
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法。
【請求項３】
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での測定方法であって、
予め決められた第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）前記アバランシェフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧よりも２０Ｖ１０Ｖ以上高い第２逆バイアス電圧を１０６０秒以上印加し、
（２）上記第１逆バイアス電圧から第２逆バイアス電圧までの任意の逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加したまま、第１温度にした後、
（３）光子計数法で光強度測定を行う、
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法。
【請求項４】
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法に従って光子計数法で光強度測定を行う光検出装置であって、
予め決められた第１温度において第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）上記アバランシェフォトダイオードの温度あるいはそれに印加する逆バイアス電圧を上記第１温度あるいは第１逆バイアス電圧より増加して所定の時間保持し、
（２）上記の増加した温度あるいは逆バイアス電圧から、上記の予め決められた第１温度あるいは第１逆バイアス電圧に変えた後、
（３）光子計数法で光強度測定を行う、
なる制御を行う制御器を備えることを特徴とするアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法に従って光子計数法で光強度測定を行う光検出装置であって、
予め決められた第１温度で光強度測定を行う場合に、
（１）前記アバランシェフォトダイオードの接合温度が上記第１温度よりも２０Ｋ以上高い第２温度以上に保った状態で、上記アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を１０秒以上印加し、
（２）上記逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加したまま、第１温度にした後、
（３）光子計数法で光強度測定を行う、
なる制御を行う制御器を備えることを特徴とするアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法に従って光子計数法で光強度測定を行う光検出装置であって、
予め決められた第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）前記アバランシェフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧よりも２０１０Ｖ以上高い第２逆バイアス電圧を１０６０秒以上印加し、
（２）上記第１逆バイアス電圧から第２逆バイアス電圧までの任意の逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加したまま、第１温度にした後、
（３）光子計数法で光強度測定を行う、
なる制御を行う制御器を備えることを特徴とするアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置。
【請求項７】
上記アバランシェフォトダイオードに順バイアス電流を流す回路を備え、順バイアス電流を流すことで上記アバランシェフォトダイオードを加熱することを特徴とする請求項５に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置。
【請求項８】
上記アバランシェフォトダイオードに隣接した加熱素子を備え、該加熱素子で加熱することを特徴とする請求項５に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置。
【請求項９】
上記アバランシェフォトダイオードに光を照射して加熱する加熱器を備え、該加熱器で加熱することを特徴とする請求項５に記載のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アバランシェフォトダイオードを用いて微弱光の測定を行う際に、アバランシェフォトダイオードに熱処理を施して、暗計数を抑制し、より微弱な光を検出する、アバランシェフォトダイオードを用いた光検出方法および光検出装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を高感度で使用するためには、逆方法バイアス電圧を高くすればよいことは、よく知られている。しかし、これによって、暗電流が増加して、微弱光の測定の妨害信号となることも、よく知られている。例えば、図１にシリコンＡＰＤ（Ｓｉ−ＡＰＤ）の光電流と暗電流の逆バイアス依存性を示す様に、逆バイアス電圧を高くすることによって、光電流が増加するが、同時に暗電流も増加している。
【０００３】
また、この暗電流が微小な領域では、光子計数法で暗電流を計測することができ、これは暗計数と呼ばれている。アバランシェフォトダイオードによる暗計数は、上記の逆バイアス電圧依存性の他に、図２、図３に示す様に、時間依存性と、温度依存性を持つ。
【０００４】
図２に、逆バイアス電圧をパラメータとして、Ｓｉ−ＡＰＤの暗電流の時間依存性例を示す。暗計数は、時間の経過と共に減少するが、逆バイアス電圧が小さい程、一様に暗計数が小さい傾向にあることが分かる。
【０００５】
また、図３に、動作温度をパラメータとして、Ｓｉ−ＡＰＤの暗電流の時間依存性例を示す。暗計数は、動作温度が高温である程、一様に暗計数が小さいことが分かる。
【０００６】
特に、暗計数が充分に減少する６０００秒から７０００秒の間における暗計数の温度依存性の例を図４に示す。低温側で暗計数が増加する傾向にある。
【０００７】
上記の図２、３示す暗計数の時間変動については、これを除去することは、暗計数を測定して、実際の測定結果から差し引くことで可能であるが、差し引く値を経過時間と共に変える必要がある。この際、暗計数には計数揺らぎがあり、このゆらぎが雑音となる。平均値を差し引くことを行う場合でも、暗計数の計数揺らぎによる雑音は除去しきれない。更に、もし暗計数の平均値が常に一定であれば、一度の測定で補正値を得ることができるが、時間変動があるため、経過時間の関数としてモニターする必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１１７７５２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０３０５０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】G. Vincent, A. Chantre, and D. Bois, "Electric field effect on the thermal emission of traps in semiconductor junctions," J. Appl. Phys. 50, 5484 (1979)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
アバランシェフォトダイオードを用いて、微弱光を光子計数法で測定する場合、その暗計数は、逆バイアス電圧依存性、時間依存性、および温度依存性を持つため、測定値を予め測定した暗計数に関するデータで補正する必要がある。しかし、こうした補正をしても検出限界を決めてしまう暗計数の揺らぎによる雑音は除去することはできない。この揺らぎは暗計数の平方根に比例するため、本発明では、暗計数を小さくすることで、検出限界の向上をはかる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一般に、半導体光検出器（今回の場合ＡＰＤ）の暗計数は、半導体のｐｎ接合の空乏層内に存在するトラップからキャリアが放出されることが一因で発生する。この場合、暗計数はトラップに存在しているキャリアの個数に比例する。あるトラップのエネルギー準位をε、温度をＴとすると、キャリアが減少する時定数τ、つまりそのトラップからの暗計数が減少する時定数τは、以下のように表される。
【００１２】
【数１】
2011258645.tif 000003
Aはそのトラップの物理的な状態で決まる定数である。
【００１３】
通常の半導体光検出器では、トラップのエネルギー準位は離散的で、不純物や結晶の欠陥の状態で決まり、高々数個程度のエネルギー準位のトラップが暗計数を決めている。しかし、ＡＰＤでは空乏層の電界強度が強いため、この強い電界強度の影響でトラップのエネルギー準位が連続的に変動する可能性がある。この場合、時定数も連続的に変わる。これが今回のＡＰＤで暗計数が指数関数的（あるいは数個の指数関数の重ね合わせ）にならず、時間にほぼ比例して減少する理由である。しかし、ある特定のエネルギー準位、電界強度を考えれば依然として上の式は成り立つ。そこで、温度Ｔ1（今回の場合は７８Ｋ）で時定数τ1秒という変動で減少するあるトラップからの暗計数を考え、この暗計数を温度Ｔ2にしてキャリアの放出を増大させることで暗計数を下げるために必要な時間ｔ2を計算する。
【００１４】
まず温度T2におけるこのトラップからのキャリア放出の時定数τ2を計算すると、定数Aは温度によらず一定なので、この時定数は以下のように表される。
【数２】
2011258645.tif 000004
【００１５】
この式をT1とτ1との式を使って変形すると下記のようになる。
【００１６】
【数３】
2011258645.tif 000005
【００１７】
一般に、ある温度における抑圧率Ｓを実現するための時間について下記の式が成り立つ。つまり、例えば、暗計数がバイアス電圧をかけた直後に１０個／秒あったと仮定し、この暗計数を０．００１個／秒程度にまで落としたいと思えば、抑圧率Ｓ＝１０-4だけ減少させる必要がある。この場合の熱処理時間ｔは、時定数τに対して、下記の式から得ることができる。
【００１８】
【数４】
2011258645.tif 000006
【００１９】
温度７８Kにおける暗計数が上記の抑圧率Ｓ＝１０-4だけ減少する時定数τ1が、例えば１秒よりかなり小さければ、少しの間待てば暗計数は大きく下がるので、今回の様な処置を施す必要もない。しかし、τ1が１０００秒であれば、９０００秒以上待つ必要がある。
【００２０】
τ2は、トラップのエネルギー準位εの関数であるため、εが分からないと一般には決めることはできない。しかしながら、τ2はεが小さいほど大きいので、ＡＰＤの暗計数に関係しているトラップのエネルギー準位で、現在知られている最小値を考慮すれば、必要なｔ2の最大値を見積もることができる。
【００２１】
例えば、シリコンＡＰＤでは、その暗計数に寄与するトラップで、エネルギー準位が０．１５ｅＶを下回るものはこれまで知られていない。そこで、ε＝０．１５ｅＶとする。また、τ1＝１０００秒、Ｔ2＝１００Ｋ、抑圧率Ｓ＝１０-4とすると、下記の値が得られる。
【００２２】
【数５】
2011258645.tif 000007
【００２３】
このように、熱処理時間ｔ2は時定数τ1に比例する。このため、時定数τ1に応じて、必要な熱処理時間ｔ2は長くなる。また、熱処理温度を上げることで短い時間で暗計数を下げることができる。
【００２４】
図９に示す様に１００Ｋ以上で暗計数が変わらないのは、暗計数が０．００１個／秒を下回ると今回の提案で除去できる暗計数とは異なるタイプの暗計数が支配的になるためである。
【００２５】
本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法は、アバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置で微弱光の光強度の測定方法に関するものである。光子計数法による測定にも適用することができる。より詳細には、予め決められた第１温度において第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）上記アバランシェフォトダイオードの温度あるいはそれに印加する逆バイアス電圧を上記第１温度あるいは第１逆バイアス電圧より高くして所定の時間保持し、
（２）上記の高くした温度あるいは逆バイアス電圧から、上記の予め決められた第１温度あるいは第１逆バイアス電圧に低下させた後、
（３）光強度測定を行う、
ものである。光強度測定は光子計数法で行ってもよい。
【００２６】
また、上記のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法であって、
（１）前記アバランシェフォトダイオードの接合温度が上記第１温度よりも２０Ｋ以上高い第２温度以上に保った状態で、上記アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を１０秒以上印加し、
（２）上記逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加したまま、第１温度にした後、
（３）光強度測定を行う、
という測定を行ってもよい。この場合も、光強度測定は光子計数法で行ってもよい。
【００２７】
また、上記のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法であって、
予め決められた第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）前記アバランシェフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧よりも１０Ｖ以上高い第２逆バイアス電圧を６０秒以上印加し、
（２）上記第１逆バイアス電圧から第２逆バイアス電圧にした後、
（３）光強度測定を行う、
という測定を行ってもよい。この場合も、光強度測定は光子計数法で行ってもよい。
【００２８】
また、本発明は、上記のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法に従って微弱光の光強度測定を行う光検出装置であって、
予め決められた第１温度において第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）上記アバランシェフォトダイオードの温度あるいはそれに印加する逆バイアス電圧を上記第１温度あるいは第１逆バイアス電圧より増加して所定の時間保持し、
（２）上記の増加した温度あるいは逆バイアス電圧から、上記の予め決められた第１温度あるいは第１逆バイアス電圧に変えた後、
（３）光強度測定を行う、
なる制御を行う制御器を備えるものである。この場合も、光強度測定は光子計数法で行ってもよい。
【００２９】
また、上記のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法に従って微弱光の光強度測定を行う光検出装置であって、
予め決められた第１温度で光強度測定を行う場合に、
（１）前記アバランシェフォトダイオードの接合温度が上記第１温度よりも２０Ｋ以上高い第２温度以上に保った状態で、上記アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を１０秒以上印加し、
（２）上記逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加したまま、第１温度にした後、
（３）光強度測定を行う、
なる制御を行う制御器を備えるものである。この場合も、光強度測定は光子計数法で行ってもよい。
【００３０】
また、上記のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置での光検出方法に従って微弱光の光強度測定を行う光検出装置であって、
予め決められた第１逆バイアス電圧を上記アバランシェフォトダイオードに印加して光強度測定を行う場合に、
（１）前記アバランシェフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧よりも１０Ｖ以上高い第２逆バイアス電圧を６０秒以上印加し、
（２）上記第１逆バイアス電圧から第２逆バイアス電圧にした後、
（３）光強度測定を行う、
なる制御を行う制御器を備えるものである。この場合も、光強度測定は光子計数法で行ってもよい。
【００３１】
上記アバランシェフォトダイオードを加熱するには、上記アバランシェフォトダイオードに順バイアス電流を流す回路を備え、順バイアス電流を流すことで上記アバランシェフォトダイオードを加熱する様にしてもよい。
【００３２】
同様に、上記アバランシェフォトダイオードを加熱するには、上記アバランシェフォトダイオードに隣接した加熱素子を備え、該加熱素子で加熱する様にしてもよい。
【００３３】
同様に、上記アバランシェフォトダイオードを加熱するには、上記アバランシェフォトダイオードに光を照射して加熱する加熱器を備え、該加熱器で上記アバランシェフォトダイオードを加熱する様にしてもよい。
【発明の効果】
【００３４】
測定の前処理として、短時間で済む熱処理をアバランシェフォトダイオードに加えることで、暗計数を無視できる程度に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】シリコンＡＰＤ（Ｓｉ−ＡＰＤ）の光電流と暗電流の逆バイアス依存性を示す図である。
【図２】逆バイアス電圧をパラメータとして、Ｓｉ−ＡＰＤの暗電流の時間依存性例を示す図である。
【図３】動作温度をパラメータとして、Ｓｉ−ＡＰＤの暗電流の時間依存性例を示す図である。
【図４】暗計数が充分に減少する６０００秒から７０００秒の間における暗計数の温度依存性の例を示す図である。
【図５】特許文献１（特開２００９−１１７７５２）に記載の微弱光検出器を用いて、本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置を構成した例を示すブロック図である。
【図６】制御器で制御された加熱ヒータを備える本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置を構成した例を示すブロック図である。
【図７】制御器で制御された加熱用光源を備える本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置を構成した例を示すブロック図である。
【図８】特許文献２（特開２００６−２０３０５０号公報）に記載の極微弱光検出器を用いた本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】上記の熱処理の効果を見るために、微弱光の測定温度を一定にし、熱処理温度を変えて、暗計数を測定した例であり、図６の構成で、微弱光を７８Ｋにおいて光子計数法で計測した結果である。
【図１０】アバランシェフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧を測定時の逆バイアス電圧（２７０Ｖ）より１０Ｖ高くして所定の時間（６０秒）保持し、上記の高くした逆バイアス電圧から測定時の逆バイアス電圧に低下させた後の暗計数の測定結果を示す図である。
【図１１】数１を、Ｅ＝０．１５、０．３、０．５ｅＶで計算した結果の、ＡＰＤ内部の増倍層における電界強度に対する時定数減少率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００３７】
図５は、特許文献１（特開２００９−１１７７５２）に記載の微弱光検出器を用いて、本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置を構成したものである。上記の微弱光検出器は、演算増幅器を用いた微弱光検出器であって、出力側から入力側への信号帰還をフォトカプラを用いて行なうことで、入力側と出力側との絶縁性を高めるものである。検出しようとする微弱光を照射する光検出器は第１光検出器６で例えばＡＰＤである。また、上記の信号帰還の光検出器は第２光検出器７である。第１光検出器６と第２光検出器７は直列接続とし、この両端に予め決められた電位差を印加する。図５では、一方を接地し、他方に負のバイアス電位を印加している。第１光検出器６と第２光検出器７との結節点の電位を演算増幅器２の反転（あるいは非反転）入力端子側に入力し、非反転（あるいは反転）入力端子を接地する。演算増幅器２の出力電圧を発光素子３に印加して発光させる。演算増幅器２の入力端子を上記の括弧内の様にする場合は、発光素子３の向きを逆にする。この発光素子３の発光を第２光検出器７に入力する。この構成によって、上記のように、検出しようとする入力光をＡＰＤである第１光検出器６に入力すると、発光素子３による発光は、導波路１０を通って光減衰器５で光量が低下し導波路１１を通って第２光検出器７に入射することで、第２光検出器７に電流が流れ、第１光検出器６による電流と第２光検出器７による電流が平衡する。
【００３８】
図５に示す制御器１は、測定時には負電圧を出力して逆バイアス電圧を印加するものである。ただし、その制御器１は、測定の前処理として、第１光検出器６に順バイアスで電流を流すことで、第１光検出器６を加熱し、加熱終了直後に逆バイアス電圧を印加したまま、その余熱で所定の温度で所定の時間保持した後加熱を止め、逆バイアス電圧を印加したまま、測定に用いる温度に達するのを待って、測定を開始する。
【００３９】
図６に示すアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置では、制御器で制御された加熱ヒータを備える。この場合、制御器は、測定の前処理として、加熱ヒータに電流を流すことで第１光検出器６を加熱し所定の温度に保持する。加熱中は逆バイアス電圧を印加したままとし、所定の時間保持した後加熱を止め、逆バイアス電圧を印加したまま、測定に用いる温度に達するのを待って、測定を開始する。
【００４０】
図７に示すアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置では、制御器１で制御された加熱用光源２１を備える。この場合、制御器１は、測定の前処理として、加熱用光源からの光を光ファイバ２２で第１光検出器６に導いて加熱し所定の温度に保持する。加熱中は逆バイアス電圧を印加したままとし、所定の時間保持した後加熱を止め、逆バイアス電圧を印加したまま、測定に用いる温度に達するのを待って、測定を開始する。
【実施例２】
【００４１】
本発明を適用する微弱光検出器本発明は、上記の例に限定する必要はなく、アバランシェフォトダイオードを用いて光子計数を行う光検出回路であれば適用することができる。例えば、図８に示すように、特許文献２（特開２００６−２０３０５０号公報）に記載の極微弱光検出器を用いても、本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置を構成することができる。
【００４２】
図８に示す極微弱光検出器では、ＡＰＤ６からの信号を、トランジスタ１２で受け、ソースフォロア回路によりインピーダンス変換を行った後演算増幅器２に入力している。帰還容量１３は、トランジスタ１２と演算増幅器２とで構成される増幅部と共に積分回路を構成しており、入力した電荷が蓄積される。この蓄積状態は、出力ゲート１７を通じて外部の回路に出力される。また、帰還容量１３に電荷の蓄積ができなくなるまでに、リセットスイッチ１６を通じて、蓄積した電荷を放電しリセットする。このリセットの制御はリセット駆動回路を設けてそれを用いて行う。この極微弱光検出器で光強度を読み出す場合には、演算増幅器２の出力電圧を読む。また、読み取ったデータは、表示回路を設けて表示するか、伝送回路を設けて他のデータ処理装置に伝送する。
【００４３】
図８に示すアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置では、制御器１で制御された加熱ヒータ２０、加熱用光源２１を備え、いずれを用いるかを選択することができる。この場合、制御器１は、測定の前処理として、加熱用光源２１からの光あるいは加熱ヒータ２０からの熱で第１光検出器６を加熱し所定の温度に保持する。加熱中は逆バイアス電圧を印加したままとし、所定の時間保持した後加熱を止め、逆バイアス電圧を印加したまま、測定に用いる温度に達するのを待って、測定を開始する。また、この制御器１は、測定時には負電圧を出力して逆バイアス電圧を印加し、測定の前処理として、第１光検出器６に順バイアスで電流を流すことで、第１光検出器６を加熱することを選択することもできる。上記の場合と同様に、加熱終了直後に逆バイアス電圧を印加したまま、その余熱で所定の温度で所定の時間保持した後加熱を止め、逆バイアス電圧を印加したまま、測定に用いる温度に達するのを待って、測定を開始する。
【実施例３】
【００４４】
上記の熱処理の効果を見るために、微弱光の測定温度を一定にし、熱処理温度を変えて、暗計数を測定した例を図９に示す。図９は、図８の構成で加熱ヒータ２０を選択し、微弱光を７８Ｋにおいて光子計数法で計測した例である。図９の縦軸は暗計数、横軸は熱処理時の温度であり、熱処理後にどれだけ暗計数が下がるかを見ることができる。左端の７８Ｋの点は、熱処理を行わなかった点であり、その右の９０Ｋでは、図４と比べて、僅かに減少していることが分かる。さらにその右の点は、１００Ｋで１０秒保持する熱処理を行った点であり、図４と比べて明らかに暗計数が減少していることが分かる。１００Ｋ以上の点についても１０秒保持する熱処理を行った点であり、図４と比べて明らかに暗計数が減少していることが分かる。因みに、熱処理の保持時間をさらに長くすることで、案計数は僅かに減少する傾向にある。この結果から、熱処理の温度は、１２Ｋ以上加温すればよく、安全率を見て２０Ｋ以上加温し１０秒以上保持する熱処理を行なうことが望ましいことが分かる。つまり、例えば２００ＫでＡＰＤを使用したい場合２２０Ｋでバイアス電圧を１０秒以上かけ、２００Ｋまで冷却して測定することで暗計数を抑制することができる。
【実施例４】
【００４５】
上記においては、熱処理による効果について説明したが、逆バイアス電圧を測定時に比べて高く設定し暫くの間保持すること（以下では逆バイアス電圧処理と称す）によっても、上記の熱処理をする場合に比べて、少し効果が弱いが、暗計数を抑制することができる。
【００４６】
図１０は、アバランシェフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧を測定時の逆バイアス電圧（２７０Ｖ）より１０Ｖ高くして所定の時間（６０秒）保持し、上記の高くした逆バイアス電圧から、測定時の逆バイアス電圧に低下させた後、暗計数を測定したものである。逆バイアス電圧処理は、４０００秒から１０秒間であるが、５０００秒以降の暗計数が、逆バイアス電圧処理を行う前の傾向からの予測に比べて減少していることが分かる。
【００４７】
上記の各実施例の説明に於いては、光子計数法を用いることを念頭に説明したが、微弱光の強度測定は、光起電流を直接または増幅して測定することもできることはよく知られており、上記の各実施例においても、光起電流を直接または増幅して測定してもよいことは明らかである。
【００４８】
一般に、ＡＰＤでは電界強度を強めることで電子を加速し、新たな電子を生み出しているので、電界強度は必然的に大きくなる。こうした強い電界強度ではトラップからのキャリア放出の時定数が減少することが知られている。その時定数の変化は電界強度の関数であり、電界強度が０の場合との比、ｒ、は、非特許文献１によれば、下記の式で表される。ただし、ｋ、Ｔ、Ｅ、ｑ、ｅ、ｍ＊、Ｆはそれぞれ、ボルツマン定数、絶対温度、トラップのエネルギー準位、素電荷、誘電率、電子の有効質量、電界強度である。
【００４９】
【数６】
2011258645.tif 000008
【００５０】
この式をＥ＝０．１５、０．３、０．５ｅＶで計算した結果を図１１に示す。横軸は、ＡＰＤ内部の増倍層における電界強度である。図１１から、こうしたエネルギー準位を持つトラップにおいて、キャリア放射の時定数がある電界強度に対しどの程度下がるかが分かる。なお、ＡＰＤに用いられる電界強度は１００−４００ｋＶ／ｃｍ程度なので、この範囲の値のみを示した。
【００５１】
例えば、バイアス電圧２２０Ｖで使用することを考える。一旦２７０Ｖまで電圧を上げるとすると、ＡＰＤの空乏層の厚さがおおよそ２０μｍなので、電界強度が２５ｋＶ／ｃｍ上昇することになる。２２０Ｖにおける電界強度は２００−３００Ｖ／ｃｍ程度であると考えられるので、例えば２００ｋＶ／ｃｍとし、更にエネルギー準位０．５ｅＶのトラップを考えると、この２００ｋＶ／ｃｍと２２５ｋＶ／ｃｍにおけるｒの比（１／６４）だけ、２７０Ｖにおいて時定数が下がることになる。２２０ｋＶ／ｃｍにおける時定数が１０００秒だとすると、１４０秒２７０Ｖで放置することにより暗計数を１０-4だけ削減することができる。図１１においては、エネルギー準位の小さなトラップでのこの効果は、比較的小さい。
【００５２】
この様に電界強度の増大と共にトラップからのキャリア放出の時定数が減少するので、図１０の場合に逆バイアス電圧を１０Ｖ以上に高くすることによって、暗計数をさらに抑制できることが分かる。
【００５３】
上記の各実施例の説明に於いては、光子計数法を用いることを念頭に説明したが、微弱光の強度測定は、光起電流を直接または増幅して測定することもできることはよく知られており、上記の各実施例においても、光起電流を直接または増幅して測定してもよいことは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
微弱光を検出するための光検出器として、これまでは、従来のアバランシェフォトダイオード、光電子増倍管あるいはＣＣＤ（電荷結合素子）カメラなどが使われて来た。しかしながら、例えばナノテクノロジーの分野やＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、環境ホルモンなどを扱う生物、化学の最先端の分野では、これらの光検出器を用いた従来の測定が難しい程の極微弱光の検出が求められている。さらに、上記の光検出器には、その形状や素子特性からの使用方法に対する制限もある。本発明のアバランシェフォトダイオードを用いた光検出方法および光検出装置は、これらの分野で効果的に使用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  制御器
２  演算増幅器
３  発光素子
４  可変抵抗
６  第１光検出器
７  第２光検出器
８  導波路
９  第３光検出器
１０、１１  導波路
１２  トランジスタ
１３  帰還容量
１４  リセット用ダイオード
１５  抵抗
１６  リセットスイッチ
１７  出力ゲート
１８  抵抗
２０  加熱ヒータ
２１  加熱用光源
２２  光ファイバ
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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