(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は被写体距離範囲が広い場合でも、正確に光検出する光検出器を提供する。【解決手段】上記の課題を達成するために、実施形態の光検出器は、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第１セル１と、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第２セル２と、を具備し、第１セル１は、第１半導体層５と、第１半導体層５よりも光の入射側に設けられる第２半導体層６とを含み、第２セル２は、第３半導体層８と、第３半導体層８よりも光の入射側に設けられる第４半導体層９とを含み、第３半導体層８と第４半導体層９の界面は第１半導体層５と第２半導体層６の界面よりも光の入射側に位置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第１セルと、
入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第２セルと、
前記第１セルは、第１半導体層と、前記第１半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第２半導体層とを含み、
前記第２セルは、第３半導体層と、前記第３半導体層よりも前記光の入射側に設けられる第４半導体層とを含み、
前記第３半導体層と前記第４半導体層の界面は前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面よりも前記光の入射側に位置する光検出器。
【請求項２】
前記第１セルは、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において第１感度に光検出し、
前記第２セルは、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において第２感度に光検出する請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記第１セルと前記第２セルの積層方向における厚さは、一様である請求項１又は２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記第１セルと前記第２セルはガイガーモード動作するアバランシェフォトダイオードである請求項１から３のいずれかに記載の光検出器。
【請求項５】
前記光は、近赤外光である請求項１から４のいずれかに記載の光検出器。
【請求項６】
前記第１セルと前記第２セルの間にセル同士が干渉しあわないために設けられる分離部を具備する請求項１から５のいずれか記載の光検出器。
【請求項７】
前記第１半導体層と前記第３半導体層が同一の半導体層である請求項１から６のいずれか記載の光検出器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の光検出器と、
前記第１セルからの電気信号から距離情報を算出する第１処理部と、
前記第２セルからの電気信号から距離情報を算出する第２処理部と、
前記第１処理部と前記第２処理部で算出した距離情報を選別する距離情報選別部と、を具備する光検出装置。
【請求項９】
物体に光を照射する光源と、
前記物体に反射された光を検出する請求項１から７のいずれか１項に記載の光検出器と、
を備えるライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光検出器、光検出装置及びライダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ライダー(LIDAR：Laser Imaging Detection and Ranging)装置はレーザ光がターゲットまでを往復する時間を計測し、距離に換算する光飛行時間測距法(TOF:Time of Flight)を採用した距離画像センシングシステムであり、車載ドライブアシストシステム、リモートセンシング等に応用される。
【０００３】
ライダー装置に用いられる光検出器の課題として、被写体からの光の光量の差が大きい場合、言い換えると被写体距離範囲が広い場合、正確に光を検出することができない。たとえば、被写体距離が短い場合、往復した光の光量が多くなる。光検出器は、入射する光量が多すぎると常に光子の検出状態となるためSN比が悪くなり、正確に光子をカウントできない。そのため、光量が多い場合には光検出器は入射した光を低感度に検出する必要がある。逆に被写体距離が長い場合、往復した光の光量が少なくなる。光検出器は、入射する光量が少なすぎると正確に光子をカウントできない。そのため、光量が少ない場合には光検出器に入射した光を高感度に検出する必要がある。したがって、被写体距離範囲が広い場合でも正確に光を検出できる光検出器が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９―３３１０８０号公報
【特許文献２】特開２００７―１５８０３６号公報
【特許文献３】特開２００５―２６５６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、被写体距離範囲が広い場合でも、正確に光検出する光検出器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を達成するために、実施形態の光検出器は、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第１セルと、入射した光を電荷に変換する、少なくとも一つの第２セルと、第１セルと第２セルの間に設けられる分離部と、を具備し、第1セルは、第１半導体層と、第１半導体層よりも光入射側に設けられる第２半導体層とを含み、第２セルは、第３半導体層と、第３半導体層よりも光入射側に設けられる第４半導体層とを含み、
第３半導体層と第４半導体層の界面は第１半導体層と第２半導体層の界面よりも光入射側に位置する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の光検出器を示す図。
【図２】図１で示した光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図。
【図３】不純物濃度と空乏層の関係を示す図。
【図４】光入射側から基板側の深さにおける第１セル１と第２セル２のｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度分布を示す図。
【図５】第１実施形態の光検出器を含む光検出装置を示す図。
【図６】図１で示した光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図。
【図７】光入射側から基板側の深さにおける第１´セル２００と第２´セル３００のｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度分布を示す図。
【図８】第２の実施形態に係るライダー装置を示す図。
【図９】図８のライダー装置の測定システムを説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは、互いに対応するものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の光検出器を光の入射方向から見た図である。
【００１０】
図１に示すように本実施形態に係る光検出器は、短距離セル１（第１セルとも呼ぶ）と、長距離セル２（第２セルとも呼ぶ）と、分離部３と、を含む。また、その光検出器は、短距離セル１と長距離セル２を少なくとも１つずつ含み、短距離セル１と長距離セル２がそれぞれに入射した光（例えば、近赤外光）を電荷に光電変換して、光変換された電気信号を駆動・読み出し部（図面には省略）へと出力することで光を検出する。
【００１１】
分離部３は、互いに隣り合うセル同士が干渉しあわないための領域であり、かつ、光検出器に入射した光を検出できない領域であって、短距離セル１と長距離セル２の周囲を囲んでいる。また分離部３は、短距離セル１と長距離セル２が変換した電荷を駆動・読み出し部（図面には省略）へと出力するための配線領域である。配線の材料は例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。
【００１２】
図２は、図１で示した光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。図２では、上方から光が入射するものとする。
【００１３】
短距離セル１は、入射した光を電荷に変換することで光を検出する、例えばシリコン材料を用いたアバランシェフォトダイオード（APD :Avalanche Photodiode）セルである。短距離セル１は、入射する光量が所定の光量よりも多い場合において低感度（第１感度ともいう）に光検出する。図２に示すように短距離セル１は、基板４上に設けられる第１半導体層５（例えば、ｐ型半導体層）と、第１半導体層５よりも光入射側に設けられる第２半導体層６（例えば、ｎ型半導体層）と、第２半導体層６内部の上面に接するように設けられた第５半導体層１１と、第２半導体層６内部の上面に第５半導体層１１を囲うように離間して設けられる第６半導体層１２と、を含む。ここで、「上」とは光入射側のことを示す。
【００１４】
長距離セル２は、入射した光を電荷に変換することで光を検出する、例えばシリコン材料を用いたAPDである。長距離セル２は、入射する光量が所定の光量よりも少ない場合において高感度（第２感度）に光検出する。長距離セル２は、基板４上に設けられる第３半導体層８（例えば、ｐ型半導体層）と、第３半導体層８よりも光入射側に設けられる第４半導体層９（例えば、ｎ型半導体層）と、を含む。また、本実施形態では、第１半導体層５と第３半導体層８は、同一の半導体層であり、不純物濃度が同程度である。
【００１５】
また、短距離セル１、長距離セル２、及び分離部３の上には、酸化膜２２が設けられる。酸化膜２２において、第５半導体層１１及び第４半導体層９上に２つのコンタクト部分が設けられる。２つのコンタクト部分では、片方では第１電極７が第５半導体層１１と電気的に接続し、もう一方では第２電極１０が第４半導体層９と電気的に接続するように設けられる。また、第１電極７と分離部３の間に第１クエンチ抵抗１５が設けられ、第２電極１０と分離部３の間に第２クエンチ抵抗１６が設けられる。第１電極７は、第１クエンチ抵抗１５を介して分離部３の配線と電気的に接続され、第２電極１０は、第２クエンチ抵抗１６を介して分離部３の配線と電気的に接続される。また、酸化膜２２、第１電極７、及び第２電極１０の上に保護層７０が設けられている。
【００１６】
さらに、短距離セル１と長距離セル２の積層方向において下には、裏面電極１７が設けられる。ここでの「下」は、光入射側の反対側のことを示す。また、積層方向とは、表面に対し垂直となる方向である。裏面電極１７には、グランド１８が電気的に接続されている。
【００１７】
短距離セル１と長距離セル２の積層方向における全体の厚さは一様であるが、第３半導体層８と第４半導体層９の間（例えばｐｎ接合、半導体層８、９の界面ともいう）は、第１半導体層５と第２半導体層６の間（例えばｐｎ接合、半導体層５、６の界面ともいう）よりも光入射側に設けられる。すなわち、長距離セル２は、ｐｎ接合面が第１電極１０の近くに位置することになる。
【００１８】
第１半導体層５は、シリコン基板に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＢである。
【００１９】
第２半導体層６は、第１半導体層５に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂである。
【００２０】
第３半導体層８は、シリコン基板に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＢである。
【００２１】
第４半導体層９は、第３半導体層８に不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂである。
【００２２】
第１電極１０は、電源から第１半導体層５、及び第２半導体層６に電圧を印加して駆動させ、第１半導体層５及び第２半導体層６の間で光電変換された電荷を駆動・読み出し部（図面には省略）に送るために設けられている。第１電極１０の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。
【００２３】
第２電極７は、第１電極１０に電圧を印加する電源とは異なる電源から第３半導体層８及び第４半導体層９に電圧を印加して駆動させるために設けられる。第３半導体層８及び第４半導体層９の間で光電変換した電荷を駆動・読み出し部（図面には省略）に送るために設けられている。第２電極７の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。
【００２４】
第５半導体層１１は、第１電極７とのコンタクト抵抗を下げるために設けられ、第２半導体層６に第２半導体層６よりも高濃度な不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂである。
【００２５】
第６半導体層１２は、第５半導体層１１の周辺に電界が集中しやすいので、これを防ぐために設けられ、第５半導体層１１よりも高濃度な不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂである。
【００２６】
酸化膜２２は、第１電極７及び第２電極１０が周辺の配線と短絡しないように設けられている。酸化膜２２の材料は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。
【００２７】
第１クエンチ抵抗１５及び第２クエンチ抵抗１６は、電圧降下を起こし、第１電極７、第２電極１０から流れてくる電荷を収束させるために設けられる。
【００２８】
裏面電極１７は、第１半導体層５、第２半導体層６、第３半導体層８及び第４半導体層９に電圧を印加するために設けられる。裏面電極１７の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料が用いられる。
【００２９】
グランド１８は、電位差を発生させるために設けられる。
【００３０】
保護層７０は、電極７、１０が外部と接触して短絡しないように保護する役割で設けられている。保護層７０の材料は例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。
【００３１】
短距離セル１と長距離セル２を有する光検出器の光検出動作を説明する。
それぞれのセルに含まれるAPDは、検出待機状態では、その降伏逆電圧よりも高い逆電圧が印加され、ガイガーモードと呼ばれる領域で動作させる。ガイガーモード動作時のAPDの利得は10５〜106と非常に高いため、光子1個という微弱な光をも計測可能となる。このガイガーモードで放電する現象のことをガイガー放電という。
【００３２】
各APDには抵抗が直列に接続しており、光子１個が入射されガイガー放電した際に、抵抗による電圧降下によって、ｐｎ接合による増幅作用が終端するため、パルス状の電荷が得られる。この抵抗をクエンチ抵抗と呼ぶ。
【００３３】
APDを併設接続したシリコンフォトマル（SiPM:Silicon Photomultipliers）では各APDがこの働きをするため、複数のAPDにおいてガイガー放電が生じた場合は、APD１つの電荷に対して、ガイガー放電したAPD数倍の電荷量またはパルス波高値の電荷が得られる。従って、電荷からガイガー放電したAPD数、つまりはSiPMに入射した光子数が計測できるため、光子１個１個の計測が可能となる。
【００３４】
図３は、ｎ型不純物とｐ型不純物を同じ量を注入した際の、ｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度と空乏層の関係を示す図である。ｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度が高い場合を図３(a)、ｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度が低い場合を図３(b)とする。
【００３５】
一般に、ｐｎ接合は平衡状態のときに、ｎ型不純物・ｐ型不純物がイオン化しキャリアが結合して電荷が消滅することで、空乏層が発生する。この空乏層の長さは、図３(a)よりも図３(b)の方が長い。すなわち、ｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度が高いほど空乏層の長さが小さくなり、空乏層の長さが小さいほど、電界が大きくなる。ｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度の一方が高くなるだけでも電界が大きくなる。光検出器の感度に寄与するアバランシェ確率は、上述した電界に比例して大きくなるため、光検出器の感度が向上する。アバランシェ確率は、アバランシェ倍増する確率を示している。
【００３６】
次に、第１半導体層５と第２半導体層６の間（例えばｐｎ接合、半導体層５、６の界面ともいう）付近のｎ型不純物濃度と、第３半導体層８と第４半導体層９の間（例えばｐｎ接合、半導体層８、９の界面ともいう）付近のｎ型不純物濃度について、図４を用いて説明する。ここで、付近とは、ｐｎ接合によって形成される空乏層程度までを付近という。
【００３７】
図４は、光入射側から基板側の深さにおける第１セル１と第２セル２のｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度分布を示す図である。
【００３８】
図４(a）(b)に示すように、第１半導体層５と第３半導体層８は、本実施形態では同程度の不純物濃度であるため、ｐｎ接合付近のｐ型不純物濃度勾配はほぼ同じである。一方で、第２半導体層６と第４半導体層９のｐｎ接合付近のｎ型不純物濃度勾配を比べると、第４半導体層８の方が大きい。すなわち、第２半導体層６と第４半導体層９のｐｎ接合付近のｎ型不純物濃度を比べると、第４半導体層８の方が大きい。イオン注入の性質上、同量の不純物を注入する場合、不純物を浅く注入するよりも深く注入する方が不純物が拡散しやすい。ｐｎ接合が積層方向において深いほど、ｐｎ接合付近の不純物濃度勾配が小さくなる。したがって、上述した理由から不純物濃度勾配が大きい第４半導体層８をもつ第２セル２の方が第１セル１よりも電界が大きくなる。
【００３９】
また、第１セル１と第２セル２ではｐｎ接合を異なる深さに設けているため、電極７、１０から正の電圧を印加すると、第１セル１では、正孔によって、アバランシェ増倍を起こし、第２セル２では、電子によってアバランシェ増倍を起こす。シリコンの場合、電子のイオン化率(α)と正孔のイオン化率(β)の大きさは、α>βであり、正孔よりも電子がアバランシェ増倍に寄与する割合が高くなる。したがって、第１セル１よりも第２セル２の方のアバランシェ確率が高くなる。
【００４０】
このように異なる積層方向における深さにｐｎ接合を設けることで異なる感度をもつ。
【００４１】
図５は、第１実施形態の光検出器を含む光検出装置１００を示す図である。
【００４２】
図５に示すように、短距離セル１は、分離部３の配線を介して短距離ＴＯＦ処理部１９（第１処理部ともいう）に接続する。短距離ＴＯＦ処理部１９は、短距離セル１からの電荷をＴＯＦによって距離情報に算出する。算出した距離情報は、距離情報選別部２１に送信される。また、長距離セル２は、分離部３の配線を介して長距離ＴＯＦ処理部２０（第２処理部ともいう）と接続する。長距離ＴＯＦ処理部２０は、長距離セル２からの電荷をＴＯＦによって距離情報を算出する。算出した距離情報は、距離情報選別部２１に送信される。距離情報選別部２１は、短距離セル１の距離情報と長距離セル２の距離情報から、例えばＳＮ比が高い方を選別する。この選別した距離情報を用いて画像を作成することができる。
【００４３】
本実施形態に係る光検出器は、被写体距離の長短に対応する長距離セル２と短距離セル１を備えることで、一般の光検出器が正確に光検出できない被写体距離範囲が広くても、正確に光検出する。
【００４４】
図５の例によらず、短距離セル１の距離情報と長距離セル２の距離情報を距離情報選別部２１で合成して１つの画像としてしてもよい。その合成方法は、たとえば国際公開第２０１２／０７３７２２号公報に記載がある。
【００４５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態と異なる点を説明する。
【００４６】
図６は、図１で示した光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。図６では、上方から光が入射するものとする。
【００４７】
図６に示すように本実施形態に係る光検出器は、第１の実施形態の第１半導体層５と第２半導体層６の間に第１半導体層５よりも不純物濃度が高い第７半導体層２３が設けられた第１´セル２００と、第３半導体層８と第３半導体層８の間に第３半導体層８よりも不純物濃度が高い第８半導体層２４が設けられた第２´セル３００と、を含む。
【００４８】
第７半導体層２３は第１半導体層５に第１半導体層５よりも高濃度の不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＢである。
【００４９】
第８半導体層２４は第３半導体層８に第３半導体層８よりも高濃度の不純物をイオン注入することで形成される。不純物は、例えばＢである。
【００５０】
図７は、光入射側から基板側の深さにおける第１´セル２００と第２´セル３００のｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度分布を示す図である。
【００５１】
図７(a）(b)に示すように、第７半導体層２３と第８半導体層２４を設けることでｐｎ接合付近のｐ型不純物濃度勾配が第１の実施形態と比べると、大きくなる。したがって、第１の実施形態よりもアバランシェ確率を高くすることができる。
【００５２】
本実施形態に係る光検出器は、第１半導体層５と第２半導体層６の間に第１半導体層５よりも不純物濃度が高い第７半導体層２３と、第３半導体層８と第３半導体層８の間に第３半導体層８よりも不純物濃度が高い第８半導体層２４が設けられており、第４半導体層９と第８半導体層２４の間、及び第２半導体層６と第７半導体層２３の間にｐｎ接合を形成している。本実施形態の第１´セル２００及び第２´セル３００におけるｐｎ接合付近のｐ型不純物濃度は、第１の実施形態の第１セル１及び第２セル２におけるｐｎ接合付近のｐ型不純物濃度よりも大きくなる。したがって、本実施形態に係る光検出器は、上述した理由で電界が大きくなり、感度が向上する。
【００５３】
（第３の実施形態）
図８は第３の実施形態に係るライダー装置５００１を示す図である。
【００５４】
本実施形態に係るライダー装置５００１は、ライン光源、レンズと構成され長距離被写体検知システムなどに応用できる。ライダー装置５００１は、対象物５０１に対してレーザ光を投光する投光ユニットと、対象物５０１からのレーザ光を受光する受光ユニットと、レーザ光が対象物５０１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する光飛行時間測距装置（図示せず）と、を備えている。
【００５５】
投光ユニットにおいて、レーザ光発振器３０４はレーザ光を発振する。駆動回路３０３は、レーザ光発振器３０４を駆動する。光学系３０５は、レーザ光の一部を参照光として取り出し、そのほかのレーザ光をミラー３０６を介して対象物５０１に照射する。ミラーコントローラ３０２は、ミラー３０６を制御して対象物５０１にレーザ光を投光する。ここで、投光とは、光を当てることを意味する。
【００５６】
受光ユニットにおいて、参照光用検出器３０９は、光学系３０５によって取り出された参照光を検出する。光検出器３１０は、対象物５００からの反射光を受光する。距離計測回路３０８は、参照光用光検出器３０９が参照光を検出した時刻と、光検出器３１０が反射光を検出した時刻との差に基づいて、対象物５０１までの距離を計測する。画像認識システム３０７は、距離計測回路３０８で計測された結果に基づいて、対象物５０１を認識する。
【００５７】
ライダー装置５００１は、レーザ光が対象物５０１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する光飛行時間測距法を採用した距離画像センシングシステムである。ライダー装置５００１は、車載ドライブ−アシストシステム、リモートセンシング等に応用される。光検出器３１０として第１の実施形態及び第２の実施形態に係る光検出器を用いると、特に近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、ライダー装置５００１は、人が不可視の波長帯域への光源に適用することが可能となる。ライダー装置５００１は、例えば、車向け障害物検知に用いることができる。
【００５８】
図９は測定システムを説明するための図である。
【００５９】
測定システムは、光検出器３００１および光源３０００を少なくとも含む。測定システムの光源３０００は、測定対象となる物体５００に光４１２を発する。光検出器３００１は、物体５００を透過あるいは反射、拡散した光４１３を検出する。
【００６０】
光検出器３００１は、例えば、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る光検出器を用いると、高感度な測定システムが実現する。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６２】
１・・短距離セル、２・・長距離セル、３・・分離部、４・・基板、５・・第１半導体層、６・・第２半導体層、７・・第１電極、８・・第３半導体層、９・・第４半導体層、１０・・第２電極、１１・・第５半導体層、１２・・第６半導体層、１５・・第１クエンチ抵抗、１６・・第２クエンチ抵抗、１７・・裏面電極、１８・・グランド、１９・・短距離ＴＯＦ処理部、２０・・長距離ＴＯＦ処理部、２１・・距離情報選別部、２２・・酸化膜、２３・・第７半導体層、２４・・第８半導体層、７０・・保護層、１００・・光検出装置、２００・・第１´セル、３００・・第２´セル
【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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