(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、大きな電圧を印加してもノイズの少ない光検出素子を提供する。【解決手段】上記の課題を達成するために、実施形態の光検出素子は、第１半導体層４０と、第１半導体層４０上に設けられる、光を電荷に変換する第２半導体層５と、を具備し、第１半導体層４０は、５μｍ以下の厚みである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられる、光を電荷に変換する第２半導体層と、を具備し、
前記第１半導体層は、５μｍ以下の厚さを有する光検出素子。
【請求項２】
前記第１半導体層は、１×１０１６／ｃｍ３以上の不純物濃度である請求項１に記載の光
検出素子。
【請求項３】
前記第１半導体層は、３μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する請求項１又は請求項２に記載
の光検出素子。
【請求項４】
前記第２半導体層は、２μｍ以上４μｍ以下の厚さを有する請求項１から３のいずれか記
載の光検出素子。
【請求項５】
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から請求項４のい
ずれか記載の光検出素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか記載の光検出素子をアレイ状に配置させてなる光検出器。
【請求項７】
請求項６に記載の光検出器と、
前記光検出器の出力信号から光の飛行時間を算出する距離計測回路と、
を備える光検出システム。
【請求項８】
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７に記載の光検出システムと、
を備えるライダー装置。
【請求項９】
前記光源と前記光検出器の配置関係に基づいて、三次元画像を生成する手段と、
を備える請求項８に記載のライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光検出素子、光検出器、光検出システム及びライダー装置に関す
る。
【背景技術】
【０００２】
光検出素子は大きな電圧を印加することで光検出効率が大きくなるが、一般的にノイズ
の原因である暗電流も大きくなり、光検出素子としての性能が落ちる。そのため、ノイズ
低減と光子検出効率増加はトレードオフの関係にある。したがって、大きな電圧を印加し
てもノイズの少ない光検出素子が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４０８３５号公報
【特許文献２】特開平０９−０４５８８６号公報
【特許文献３】特開２０１６−０２８４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、大きな電圧を印加してもノイズの少ない光検出素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を達成するために、実施形態の光検出素子は、第１半導体層と、第１半導体
層上に設けられる、光を電荷に変換する第２半導体層と、を具備し、第１半導体層は、５
μｍ以下の厚みである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る光検出器を示す図。
【図２】図１で示した光検出器の光検出素子のｐ−ｐ´断面を示す図。
【図３】光検出素子における暗電流の電圧特性を示す図。
【図４】図２の光検出素子に暗電流が流れるメカニズムの一例を示す図。
【図５】図２に示した光検出素子の第１半導体層の厚さと光検出素子に印加する電圧Vcの関係を示す図。
【図６】図２に示した光検出素子の第１半導体層の厚さと良品率の関係を示す図。
【図７】第１の実施形態に係る光検出器の変形例を示す図。
【図８】第２の実施形態に係るライダー装置を示す図。
【図９】本実施形態に係るライダー装置の検出を説明するための図。
【図１０】本実施形態に係るライダー装置を備えた車の上面略図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
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。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光検出器を示す図である。この光検出器は、入射した光
を電荷に変換してその光を電気信号として検出することができる。
【０００９】
図１において、光検出器はアレイ状に複数設けられた光検出素子１と、複数の光検出素
子１の間に設けられた非光検出領域２と、を含む。ここで、「上」とは、光が入射する側
のことである。
【００１０】
非光検出領域２は、入射した光を検出できない領域である。非光検出領域２は、互いに
隣り合う光検出素子１同士が干渉し合わないための領域であり、光検出素子１が変換した
電気信号を駆動・読み出し部（図面には省略）へと送るため配線が設けられる領域でもあ
る。
【００１１】
光検出素子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。
【００１２】
図２は、図１で示した光検出器の光検出素子１のｐ−ｐ´断面を示す図である。
【００１３】
光検出素子１は、第１電極３と、ｎ型半導体層４０（第１半導体層ともいう）と、ｐ型
半導体層５（第２半導体層ともいう）と、絶縁層５０と、第２電極１０と、第２電極１０
を保護する保護層７０と、を含む。
【００１４】
図２のｐ−ｐ´断面において、第１電極３上に、ｎ型半導体層４０が積層され、ｎ型半
導体層４０上に、ｐ型半導体層５は積層される。ｐ型半導体層５は、ｐ−層１５と、ｐ−
層１５の下面付近に少なくとも一部設けられるｐ＋層１６と、ｐ−層１５の上面付近に少
なくとも一部設けられるｐ＋層１４と、を含む。ｐ型半導体層５上には、絶縁層５０が設
けられる。絶縁層５０の一部で第２電極１０がｐ＋層１４と電気的に接続されている。ま
た、第２電極１０は、絶縁層５０の上面で非光検出領域２の配線（図示せず）に電気的に
接続される。
【００１５】
絶縁層５０の上面および第２電極１０の上面を覆うように保護層７０が設けられている
。
【００１６】
また、ｐ＋層１４の表面が受光面である。第２電極１０は、絶縁層５０と保護層７０の
間に設けられる。ただし、ｐ−ｐ´断面は、積層方向と面方向を含む面で切断した断面で
ある。
【００１７】
第１電極３は、電圧を与えて第２電極１０（ｐ＋層１４）との間に電位差を生じさせる
ために設けられる。第１電極３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。
【００１８】
ｎ型半導体層４０は、高純度の半導体（たとえば、シリコン）に不純物（たとえば、リ
ン）が１×１０１６／ｃｍ３以上の高濃度で添加されたものであることが好ましい。ｎ型
半導体層４０の濃度が高濃度であればあるほど、電荷の移動が抑えられ、二次光子によっ
て形成された電荷を消滅させやすくなる。
【００１９】
ｐ―型半導体層１５は、高純度の半導体（たとえば、シリコン）に不純物（たとえば、
ボロン）が１×１０１5／ｃｍ３の濃度で添加されたものである。ｐ―型半導体層１５の
厚さは、２μｍ以上４μｍ以下の厚さを有することが好ましい。本実施形態に係る厚さは
、レーザ変位計によって測定できる。また、本実施形態に係る厚さは、平均厚さのことで
あり、上述したレーザ変位計で複数回厚さを測定した際の最大厚さと最少厚さの平均であ
る。
【００２０】
第２電極１０は、光電変換した電荷を非光検出領域２に送るために設けられている。第
２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。
【００２１】
絶縁層５０は、第２電極１０が周辺の配線やｐ−層１５と短絡しないように設けられて
いる。絶縁層５０の材料は例えばシリコン酸化膜または窒化膜である。
【００２２】
保護層７０は、第２電極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窒化膜である。
【００２３】
次に第１電極３と第２電極１０の間の印加電圧と暗電流との関係を説明する。
【００２４】
図３は、光検出素子１における暗電流の電圧特性を示す概念図である。
【００２５】
図３に示すように、グラフの概形は、電圧V１のところで暗電流が急上昇し、電圧をそ
のまま印加していくと、電圧V２のところで暗電流が更に上昇する。電圧V１は、光検出素
子１において信号を増倍させるのに必要な電圧の最小値であり、電圧V２より大きい電圧
はノイズが支配的になるため駆動電圧には向かない。より大きい電圧を光検出素子１に印
加することが高い光検出効率に対して有効である。電圧V１と電圧V２の間の範囲をVcと定
義し、電圧V１は一定とすると、電圧V２が大きければ大きいほど電圧範囲Vcが大きくなる
。したがって、電圧範囲Vcが大きくなれば、印加電圧も大きくできるため、光検出効率が
大きくノイズの少ない光検出素子が実現できる。
【００２６】
光検出素子におけるｎ型半導体層４０の厚さを薄くする効果を考察する。
【００２７】
図４は、図２の光検出素子１に暗電流が流れるメカニズムの一例を示す図である。
【００２８】
図４に示すように、受光面に適切な波長の光（以下、一次光子と呼ぶ）が入射する。入
射した一次光子からｐ型半導体層５でホール（ｈ）と電子（ｅ）が形成される。ホール（
ｈ）と電子（ｅ）は、まとめてキャリアと呼ぶ。ｐ型半導体層５で形成された電子（ｅ）
が、ｐｎ接合付近に移動して、アバランシェ効果によって電子数が増える。アバランシェ
増幅が発生している途中に再結合などの過程によって二次光子が放出され、図４ではｎ型
半導体層４０に入射する。その二次光子からｎ型半導体層４０でホール（ｈ）と電子（ｅ
）が形成される。図４の例では、このホール（ｈ）がｐｎ接合付近まで到達してアバラン
シェ効果により暗電流を引き起こしてノイズの原因となる。したがって、ノイズ発生場所
であるｎ型半導体層４０の厚さを薄くすることで、二次光子によるキャリアの形成を少な
くすることができる。
【００２９】
次に、ｎ型半導体層４０の厚さと第１電極３と第２電極１０の間に印加する電圧範囲Vc
の関係を説明する。
【００３０】
図５は、図２に示した光検出素子の第１半導体層の厚さと光検出素子に印加する電圧範
囲Vcの関係を示す図である。
【００３１】
図５に示すように、ｎ型半導体層４０の厚さを６１６μｍから５μｍまで薄くするとゆ
るやかに電圧範囲Vcが大きくなっていく。また、ｎ型半導体層４０の厚さを５μｍから１
μｍまで薄くすると６１６μｍから５μｍの増加量に比べて、急激に電圧範囲Vcの増加量
が大きくなり、厚さが１μｍのとき最も大きな電圧範囲Vcが得られる。
【００３２】
ｎ型半導体層４０の厚さが６１６μｍから５μｍの間の場合、ｎ型半導体層４０の厚さ
が厚いため、二次光子によって多くのキャリアが形成される。この間において、ｎ型半導
体層４０で形成されたキャリアがｐｎ接合に到達する距離は一定である。多くのキャリア
が形成されてもｎ型半導体層４０においてｐｎ接合付近から５μｍより深い部分で発生し
たキャリアは、ｐｎ接合付近に到達する前に消滅することが多い。そのために、ｎ型半導
体層４０の厚さを６１６μｍから５μｍの範囲で薄くすることによる電圧範囲Vcの増加量
は少ない。一方で、ｎ型半導体層４０の厚さを５μｍから１μｍの間とする場合、ｎ型半
導体層４０の厚さが薄くなり、ｎ型半導体４０において形成されたキャリアがほとんどｐ
ｎ接合に到達してしまう。しかし、上記で述べた一定の距離よりもｎ型半導体層４０が薄
くなるため、ｎ型半導体層４０で二次光子によるキャリアが少なくなる。したがって、ｎ
型半導体層４０を薄くすればするほど電圧範囲Vcが大きくなる。
【００３３】
次にｎ型半導体層４０の厚さを１、３、５μｍで光検出器を製造した時の良品率につい
て、説明する。
【００３４】
図６は、図２に示した光検出素子の第１半導体層の厚さと良品率の関係を示す図である
。
【００３５】
図６に示すように、ｎ型半導体層４０の厚さが３、５μｍのときは、高い良品率を示し
たが、１μｍのときは比較的に低い良品率を示した。ここで良品率とは、実装評価で正常
なＩＶ特性が取れたサンプルの割合を示す。ｎ型半導体層４０の厚さが１μｍだと低い良
品率になる理由は、サンプル厚みが薄いために薄層化の段階や実装の途中で破損してしま
うことが考えられる。
【００３６】
良品率から好ましいｎ型半導体層４０の厚さは３μｍ以上である。
【００３７】
以上の結果から、ｎ型半導体層４０の厚さは、３μｍ以上５μｍ以下がより好ましい。
【００３８】
本実施形態に係る光検出器は、ｎ型半導体層４０の厚さが、３μｍから５μｍの間にす
ることで、二次光子によって形成するキャリア数を抑制する。また、ｎ型半導体層４０の
濃度が高濃度であればあるほど、二次光子によって形成されたキャリアを消滅させやすく
なる。したがって、大きな電圧を印加してもノイズの少ない光検出器が提供できる。
【００３９】
（変形例）
図７は、第１の実施形態に係る光検出器の変形例を示す図である。
【００４０】
第１の実施形態に係る光検出器と異なる点を説明する。第１の実施形態に係る光検出器
の変形例は、第１半導体層４０の半導体型をｐ型とし、第２半導体層５の半導体型をｐ型
とする点が異なる。また、第２半導体層５の上面側において、ｐ型半導体層１８とｎ型半
導体層１９がｐｎ接合を形成している。さらに、第１電極３と第２電極１０間の電圧は、
第１の実施形態に係る光検出器に印加した方向と逆の方向に印加する。ｐｎ接合付近にキ
ャリアが到達するとアバランシェ増幅を引き起こす。
【００４１】
第１の実施形態に係る光検出器の変形例は、第１の実施形態に係る光検出器と同様に二
次光子によって形成するキャリア数を抑制する。
【００４２】
（第２の実施形態）
図８に第２の実施形態に係るライダー（Ｌａｓｅｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｄｅｔｅｃｔｉ
ｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＡＲ）装置５００１を示す。
【００４３】
この実施形態は、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（ＬＩＤＡ
Ｒ）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Tと、対象物５０１から反射するレーザ光を受光しレーザ光が対象物５
０１までを往復する時間を計測し距離に換算する受光ユニットR（光検出システムとも呼
ぶ）と、を備えている。
【００４４】
投光ユニットT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３０
３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。
【００４５】
受光ユニットR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５０１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で検出された参照光と光検出器３１０で検出さ
れた反射光に基づいて、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。
【００４６】
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（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）を採用している。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として本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。
【００４７】
図９はライダー装置の検出対象の検出を説明するための図である。
【００４８】
光源３０００は、検出対象となる物体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。
【００４９】
光検出器３００１は、例えば、上述した本実施形態に係る光検出器を用いると、高感度
な検出を実現する。
【００５０】
なお、光検出器３００１および光源３０００のセットを複数設け、その配置関係を前も
ってソフトウェア（回路でも代替可）に設定しておくことが好ましい。光検出器３００１
および光源３０００のセットの配置関係は、例えば、等間隔で設けられることが好ましい
。それにより、各々の光検出器３１０の出力信号を補完しあうことにより、正確な３次元
画像を生成することができる。
【００５１】
図１０は、本実施形態に係るライダー装置を備えた車の上面略図である。
【００５２】
本実施形態に係る車７００は、車体７１０の４つの隅にライダー装置５００１を備えて
いる。
【００５３】
本実施形態に係る車は、車体の４つの隅にライダー装置を備えることで、車の全方向の
環境をライダー装置によって検出することができる。
【００５４】
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】
【００５５】
１・・光検出素子、２・・非光検出領域、３・・第１電極、５・・第２半導体層、１０・
・第２電極、１４・・ｐ＋層、１５・・ｐ−層、１６・・ｐ＋層、１８・・ｐ＋層、１９
・・ｎ＋層、４０・・第１半導体層、５０・・絶縁層、７０・・保護層、５００１・・ラ
イダー装置、５０１・・対象物、３０２・・ミラーコントローラ、３０３・・駆動回路、
３０４・・レーザ光発振器、３０５・・光学系、３０６・・ミラー、３０７・・画像認識
システム、３０８・・距離計測回路、３０９・・参照光用検出器、３１０・・光検出器、
３０００・・光源、３００１・・光検出器、４１２・・入射光、４１３・・反射光・拡散
光、５００・・対象物、７００・・ライダー装置を備えた車、７１０・・車体
【図１】
2019054246.tif 000003
【図２】
2019054246.tif 000004
【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】
2019054246.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019054246.tif 000011
【図１０】
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