(57)【要約】【課題】  近赤外域から可視域にまで十分高い受光感度を持つことができる光検出装置およびそれを用いた視界支援装置を提供する。【解決手段】  本発明の光検出装置１０は、近赤外域〜赤外域に吸収端を有する、エピタキシャル層のＧａＩｎＮＡｓ受光層３と、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３への光の入射面に位置する、ＡＲ(Anti-Reflection)多層膜である半導体多層膜１２とを備え、前記ＡＲ多層膜は、そのＡＲ多層膜が接する半導体層よりも可視から近赤外までの波長域において反射率が低いことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
近赤外域に吸収端を有するエピタキシャル層の受光層と、
前記受光層への光の入射面に位置するＡＲ(Anti-Reflection)膜とを備える光検出装置であって、
前記ＡＲ膜は、該ＡＲ膜が接する半導体層よりも、可視から近赤外までの波長域における反射率が低い多層膜であることを特徴とする、光検出装置。
【請求項２】
前記受光層と前記ＡＲ膜との間にエピタキシャル層のｎ型バッファ層を備え、前記受光層が前記ｎ型バッファ層より実装面近くに位置するようにエピダウン実装されており、前記エピタキシャル層用の基板が無いことを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記受光層が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＰのいずれか、またはその組み合わせからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記ＡＲ膜がエピタキシャル層の半導体多層膜であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項５】
前記ＡＲ膜が誘電体多層膜であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光検出装置。  
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれかの光検出装置を用いたことを特徴とする、視界支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置および視界支援装置に関し、より具体的には、各種解析装置や自動車の夜間視界支援等に用いられる、光検出装置および視界支援装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体ＩｎＧａＡｓを用いた受光素子は、波長範囲９００ｎｍ〜１７００ｎｍの近赤外域光に高い受光感度を有するため、商業用および軍事用に使用が拡大している。また、上記波長域は、宇宙から地表に届く宇宙光の一部にも含まれるため、夜間、物体からの宇宙光の反射を撮像に用いる自動車用の夜間視界支援装置にも使用されている。  
【０００３】
このような状況下で、ＩｎＧａＡｓを用いた受光素子について、近赤外域からより短い波長域、具体的には可視域まで受光感度を有するＩｎＧａＡｓ受光素子の提案がなされている（非特許文献１）。このＩｎＧａＡｓ受光素子の構造上の特徴や製造プロセスは開示されていない。ただ、反射防止のために入射面に設けられるＡＲ(Anti-Reflection）膜は、近赤外域の光に対しては有効であるが、可視光に対しては障害になるので、ＡＲ膜を除いてＩｎＧａＡｓ受光素子を製作したとの説明がなされている。波長９００ｎｍより短い波長域ではこれまでの受光素子はほとんど感度を示さなかったものが、上記のＩｎＧａＡｓ受光素子によれば、波長９００ｎｍより短い波長域でも、感度は急減するものの、可視域に受光感度を有するデータが開示されている。
【０００４】
また、上記とは別に、可視域と近赤外域とに感度を有する撮像装置の提示がなされている（非特許文献２）。この撮像装置についても、どのような機構によって可視域まで感度を高めているのか示されていないが、標準ＩｎＧａＡｓ受光素子が波長９００ｎｍ以下で、まったく感度がないのに対して、この撮像装置では、波長８００ｎｍで５０％程度、波長６００ｎｍで２０％、そして波長５００ｎｍ程度で５％強の量子効率を、それぞれ示すデータが開示されている。上記の非特許文献１及び２では、可視域の受光感度をどのようなメカニズムで向上させたのか、わずかに非特許文献１においてＡＲ膜を用いないという説明がなされているだけで、その他の機構については示されていない。
【０００５】
撮像装置では、一般に応答時間の短縮と受光感度とは、トレードオフの関係にあり、たとえば可視域の受光感度を高めるためにＩｎＧａＡｓ受光層の厚みを厚くすると、応答速度が劣化してしまう。ＩｎＰ基板の裏面入射のフリップチップ実装の受光素子において、ＡＲコート膜として窒化シリコン膜でコートされたＩｎＰ基板裏面にマイクロレンズを形成し、その上に局所的に反射部分を設けて、再反射した光を有効活用することにより、応答速度と受光感度とをともに向上させたＩｎＧａＡｓ受光素子の提案がなされている（特許文献１）。
【非特許文献１】Theodore R. Hpelter & Jeffrey B. Barton (Indigo SystemCorporation, 50 Castilian Drive, Goleta, CA USA 93117) , "Extended shortwavelength spectral response from InGaAs focal plane arrays", Published inthe Infrared Technology and Applications XXIX SPIE Vol.5074(2003), Copyright2003 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.
【非特許文献２】グッドリッチ(Goodrich)社：近赤外カメラSU640SDVVis−1.7RT  (High  Resolution InGaAs Visible SWIR AreaCamera)http://www.sensorship.com/specs_SU640SDVVis.html
【特許文献１】特開平６−７７５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の先行文献によれば、受光感度および応答速度をともに向上させることができる一般的な機構は開示されている（特許文献１）が、この機構を用いても、とくに近赤外域から可視域の受光感度を向上させることはできず、近赤外域から可視域にまで受光感度を拡大するために有効な方策はなんら開示がなされていない。
【０００７】
本発明は、近赤外域から可視域にまで受光感度を持つことができる光検出装置およびそれを用いた視界支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光検出装置は、近赤外域〜赤外域に吸収端を有する、エピタキシャル層の受光層と、受光層への光の入射面に位置する、ＡＲ(Anti-Reflection)膜とを備える光検出装置である。ＡＲ膜は、該ＡＲ膜が接する半導体層よりも、可視から近赤外までの波長域における反射率が低い多層膜であることを特徴とする。
【０００９】
上記のＡＲ膜は、多層膜とすることにより、近赤外域の光に対して反射を抑制するだけでなく、可視光に対しても反射を抑制し、透過を促進する。このため、上記の構成によれば、ＡＲ多層膜の作用によって、近赤外域より短い波長域、すなわちより多くの可視光（波長下限３９０ｎｍ）を受光層に導入することができ、近赤外域〜可視域の受光感度を高めることができる。上記の構成においては、光検出装置は、エピタキシャル層トップ側に上記のＡＲ多層膜を配置してエピアップ実装してもよいし、基板裏面側にＡＲ多層膜を配置してエピダウン実装してもよい。
【００１０】
また、上記の受光層とＡＲ膜との間にエピタキシャル層のｎ型バッファ層を備え、受光層がｎ型バッファ層より実装面近くに位置するようにエピダウン実装されており、エピタキシャル層用の基板が無い構造をとることができる。近赤外域に吸収端を持つ化合物半導体の基板には、ＩｎＰ等の化合物半導体基板が用いられるが、上記化合物半導体基板は、可視域に吸収帯を持つ。しかし、上記の構成によれば、半導体基板は除去されて無いので、受光層に光が届く前にその半導体基板で吸収されるのを防ぐことができ、可視光に対する感度を向上させることができる。
【００１１】
上記の構成によれば、エピダウン実装またはフリップチップ実装され、受光層の実装側（ｎ型バッファ層の反対側）にエピタキシャル層の窓層を備えている。この窓層を通って受光層に届くように、格子状配列で、ｐ型不純物が導入された複数のｐ型領域を備え、ｐ型領域ごとにｐ部電極が設けられる。このｐ型領域が画素領域を形成して、受光層で受光された位置に対応して画素領域ごとに異なる電流が流れ、各ｐ部電極で受けるため、像が形成される。
【００１２】
また、上記の受光層が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＰのいずれか、またはその組み合わせからなるようにできる。この構成により、波長０．４μｍ〜２．５μｍという近赤外域の光を検出した上で、可視域にも受光感度を持つ光検出装置を得ることができる。
【００１３】
また、上記のＡＲ膜が、エピタキシャル層の半導体多層膜である構成とすることができる。また、上記のＡＲ膜を誘電体多層膜としてもよい。この構成により、可視域〜近赤外域にわたって受光感度を確保することができる。ＡＲ多層膜がエピタキシャル層の半導体多層膜の場合には、半導体基板上に、直接、半導体多層膜をエピタキシャル成長させ、さらにその半導体多層膜上にｎ型バッファ層をエピタキシャル成長させることができ、エピタキシャル積層構造を形成後に半導体基板を除去することができる。半導体多層膜にはＧａＰ、ＡｌＮ等の多層膜を用いることができる。一方、ＡＲ多層膜が誘電体多層膜の場合には、半導体基板上に、上記のエピタキシャル積層構造を形成した後、半導体基板を除去し、その後で誘電体多層膜をｎ型バッファ層の上に形成する。誘電体多層膜としてはＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２等の多層膜を用いることができる。  
【００１４】
また、本発明の視界支援装置は、上記のいずれかの光検出装置を用いたことを特徴とする。上記の光検出装置は、可視域〜近赤外域に感度を有するため、たとえば自動車の視界支援装置に用いた場合、近赤外域に感度を持つため、夜間に宇宙光の反射により物体を撮像でき、また可視域に感度を持つため、交通信号の赤、青、緑を区別して撮像することができる。このため、交通安全確保に有益な視界支援装置をコンパクトに構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＡＲ多層膜を用いて、近赤外域から可視域までカバーできる光検出装置および視界支援装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光検出装置１０を示す図である。図１において、光検出装置１０はエピダウン実装されており、光入射面はＡＲ多層膜である半導体多層膜１２によって形成されている。半導体多層膜１２の下にｎ型ＩｎＰバッファ層２が位置し、その下に受光層のＧａＩｎＮＡｓ層３が位置し、さらにその下にＩｎＰ窓層４が設けられている。
【００１７】
拡散マスク２３の開口部からＩｎＰ窓層４を通ってＧａＩｎＮＡｓ受光層３に届くように、ｐ型不純物が導入され、ｐ型領域５が形成されている。上記の拡散マスク２３の開口部は、格子状に配列されており、ｐ型領域５が画素の単位（ピクセル）になる。図示していないｐ部電極が、ｐ型領域ごとに設けられており、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３で受光によって発生した電流を、その受光位置に対応するｐ型領域ごとに検出して、受光強度の場所分布、すなわち像を形成することができる。
【００１８】
本実施の形態における光検出装置１０のポイントは、２つある。１つは、ＡＲ膜に、従来のように窒化シリコン単層膜またはＳｉＯＮ単層膜を用いずに、ＡＲ多層膜、それも半導体多層膜１２を用いた点にある。半導体多層膜１２が必ずエピタキシャル膜となるかどうかは、光検出装置１０の作製方法に依存し、このあと説明する。ＡＲ多層膜の１周期は、（ａ層／ｂ層）、（ａ層／ｂ層／ｃ層）、（より複雑な長周期）など、周期性があればどのようなものであってもよい。他の１つのポイントは、エピタキシャル積層構造を形成するために用いたＩｎＰ基板を除いた点にある。
【００１９】
図２を用いて、図１に示す光検出装置１０の作製方法を説明する。まず、ＩｎＰ基板１の上に半導体多層膜１２をエピタキシャル成長させる。半導体多層膜１２には、ＧａＰ／ＡｌＮの多層膜（４周期）を用いるのがよい。次いで、その半導体多層膜１２の上にｎ型ＩｎＰ層２をエピタキシャル成長し、その上にＧａＩｎＮＡｓ受光層３およびＩｎＰ窓層４を、順次、エピタキシャル成長する。この後、拡散マスク２３の開口部からＩｎＰ窓層４を通ってＧａＩｎＮＡｓ受光層３に届くように、ｐ型不純物を拡散導入してｐ型領域５を形成する。この結果、（ｐ型領域５／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３／ｎ型ＩｎＰバッファ層２）によって、ｐｉｎ型フォトダイオードが形成される。ｐ型領域が画素を構成することは上述のとおりである。
【００２０】
次いで、ＩｎＰ基板１を裏面研磨によって除去し、半導体多層膜１２が露出されるようにする。このようにして作製された光検出装置１０は、ｐ型領域５の側を実装基板側に配置するエピダウン実装がなされ、光は半導体多層膜１２の側から入射される。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３で受光されると、電荷が発生して電流が流れるが、受光位置に対応するｐ型領域ごとに電流が異なる結果、撮像が行われる。
【００２１】
図１の光検出装置１０では、ＡＲ多層膜が半導体多層膜１２で形成されるため、従来のＳｉＯＮ膜のように可視域の光を強く反射しない。図３は、実施の形態１のＡＲ多層膜である（ＧａＰ／ＡｌＮ）半導体多層膜、およびこの後で説明する実施の形態２におけるＡＲ多層膜である（Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２）誘電体多層膜の反射率Ｒを、それぞれ波長λに対して示す図である。比較例にＳｉＯＮ単層のＡＲ膜、また参考例にＩｎＰの反射率も合わせて示す。ＩｎＰは、ＡＲ多層膜である半導体多層膜１２が接する半導体層（バッファ層２）に対応する。
【００２２】
図３によれば、可視域の波長に対して、ＩｎＰは大きな反射率を持ち、またＳｉＯＮ膜も可視域に大きな反射率のピークを持つ。これらに対して、実施の形態１における（ＧａＰ／ＡｌＮ）半導体多層膜は、可視域の反射率のピーク値が小さくなっている。また、波長３００ｎｍ付近において反射率が大きくなるが、可視域を外れており、可視域の受光感度に実質的に影響しない。このため、ＳｉＯＮ単層膜のＡＲ膜を用いる場合に比較して、可視域の受光感度を向上させることができる。
【００２３】
図１に示す光検出装置は、また、ＩｎＰ基板を除去した点でも特徴を有し、通常、２００μｍ程度の厚みを有するＩｎＰ基板を除去することにより、可視域の光のＩｎＰ基板による吸収を無くすことができる。この結果、可視域の受光感度をさらに向上させることができる。
【００２４】
上記実施の形態１に示した光検出装置の製造方法では、半導体多層膜はＩｎＰ基板１にエピタキシャル成長するものに限られる。しかし、ＡＲ多層膜に用いる半導体多層膜は、（図２の構造→図１の構造）を経る工程によらなくても形成することはできる。半導体多層膜を備えた光検出装置は、次の実施の形態２に示す製造方法によって製造することも可能である。この場合、半導体多層膜はエピタキシャル膜になるとは限らない。
【００２５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における光検出装置を示す図である。図４において、ＡＲ多層膜に誘電体多層膜１３を用いている点が、図１に示す実施の形態１における光検出装置と相違するだけであり、他の部分は同じである。誘電体多層膜１３は、（Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２）の３周期の多層膜で構成される。
【００２６】
図４に示す光検出装置１０の製造方法は、次のとおりである。まず、（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３／ＩｎＰ窓層４）のエピタキシャル積層構造を形成する（図５参照）。このあと、拡散マスク２３の開口部からＩｎＰ窓層４を通ってＧａＩｎＮＡｓ受光層３に届くように、ｐ型不純物を拡散導入してｐ型領域５を形成する。この結果、（ｐ型領域５／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３／ｎ型ＩｎＰバッファ層２）によって、ｐｉｎ型フォトダイオードが形成される。ｐ型領域が画素を構成する。次いで、ＩｎＰ基板１を裏面研磨によって除去する（図６参照）。ｐ型不純物を導入する前にＩｎＰ基板の除去を行ってもよい。
【００２７】
この後、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上に、上記の誘電体多層膜１３、具体的には（Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２）多層膜を形成する。図３に示すように、（Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２）多層膜は、とくに可視域で、ＡＲ多層膜である当該（Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２）多層膜が接する半導体層に対応するＩｎＰ、およびＳｉＯＮ膜より、低い反射率を示す。また、可視域および近赤外域で、（ＧａＰ／ＡｌＮ）半導体多層膜よりやや低い反射率を示す。このため（Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２）多層膜をＡＲ多層膜に用いることにより、近赤外域〜可視域の受光感度を大きく向上させることができる。
【００２８】
上述のように、半導体多層膜をＡＲ多層膜に用いる場合、実施の形態１に示す製造方法に限られず、（図５の構造→図６の構造→図７の構造で誘電体多層膜１３を半導体多層膜１２で置換した構造）のプロセスを経て製造することができる。この場合、半導体多層膜は、エピタキシャルｎ型バッファ層上に、必ずしもエピタキシャル成長するとは限らず、より多くの場合は、下地（エピタキシャルｎ型バッファ層）の表面性状がエピタキシャル成長に不適であるために非エピタキシャル層となる。
【００２９】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における視界支援装置を示す図である。本視界支援装置は、自動車の夜間運転における運転者の前方の視界を支援するために、車両に搭載される。車両には、実施の形態１、２において説明した光検出装置１０と、図示しないレンズなど光学素子等とを含む撮像装置７０と、撮像された画像を表示する表示モニター６５と、これらを駆動制御する制御装置６０とが搭載される。また、図８は、自動車の夜間運転における運転者の後方の視界を支援するために、車両に搭載される夜間視界支援装置を示す図である。自動車の後部に後ろ向きに取り付けられた、実施の形態１、２の光検出装置、レンズなど光学素子等を含む撮像装置７０で撮像した画像は、運転者の上部前方の表示装置６５に表示される。撮像装置７０および表示装置６５は、制御装置６０によって駆動制御される。
【００３０】
従来の車両用視界支援装置では、物体からの赤外域の反射光または放出光を受光して画像とするため、次のような問題があった。反射光を利用する場合、光源が必要であり、搭載スペースを要し、またコスト増となる。また、物体の放射熱を利用する場合、人以外の非発熱体や防寒具を着た歩行者等は認識が難しいため、赤外カメラ以外の認識手段と併用する必要がある。また、光源を使う場合、使用する波長域によっては人体への影響、すなわちアイセーフ対策を講じる必要がある。また、交通信号の発光、非発光の区別はできても、交通信号の発光色の識別はできなかった。
【００３１】
本実施の形態における視界支援装置では、上記のような余分の光源やアイセーフ対策は不要である。また、撮像対象の発熱、非発熱を問わない。さらに霧中など水分を含む環境中でも、対象物の鮮明な画像を得ることができる。このため夜間における優れた車両用の視界支援装置を提供することができる。これは、物体からの短波長赤外域（Short
Wavelength Infrared  ＳＷＩＲ：可視域〜近赤外域に含まれる）の宇宙光の反射光を利用して、かつ暗電流が十分少なく、優れたダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ）を持つ受光素子を用いているからである。また、特筆すべきこととして、１つの光検出装置の受光感度を近赤外域〜可視域にわたって高めたので、ＳＷＩＲ域の宇宙光による物体の撮像だけでなく、交通信号の発光色（可視域）を識別することが可能となる。このため、交差点等での安全性を大きく高めることができる視界支援装置をコンパクトに形成することができる。
【００３２】
（本光検出装置の別の態様）
（１）実装
上記の本発明の実施の形態では、エピダウン実装の形態のみについて説明したが、エピアップ実装してエピタキシャル層トップにＡＲ多層膜を配置する構造としてもよい。この場合、たとえば受光の電流を各ｐ型領域にオーミック接触するｐ部電極でそれぞれ得て像を形成する方式をとった場合、ｐ部電極が入射光の妨げになる可能性はあるが、ＩｎＰ基板を除くために裏面研磨をする必要がないという利点を得ることができる。
（２）応用
本発明の光検出装置は、視界支援装置だけでなく各種の像解析装置、たとえば生体認識装置、生体医療装置、異物認識装置等に応用することができる。本光検出装置が適用される装置は非常に広範にわたるため、ここですべてを具体的に挙げることはできないが、将来的に実現される装置に適用されてもよい。
【００３３】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の光検出装置は、近赤外域〜可視域に、十分高い検出感度を持つため、自動車の視界支援装置、その他の像解析装置等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１における光検出装置を示す図である。
【図２】図１の光検出装置の製造プロセスを説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１および２におけるＡＲ多層膜の反射率の波長特性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２における光検出装置を示す図である。
【図５】図４の光検出装置の製造プロセスを説明するための図である（エピタキシャル層形成段階）。
【図６】図４の光検出装置の製造プロセスを説明するための図である（ｐ型不純物導入し、裏面研磨終了段階）。
【図７】本発明の実施の形態３における視界支援装置を示す図である。
【図８】図７の視界支援装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ＩｎＰ基板、２  ｎ型ＩｎＰバッファ層、３  ＧａＩｎＮＡｓ受光層、４  ＩｎＰ窓層、５  ｐ型領域、１０  光検出装置、１２  半導体多層膜、１３  誘電体多層膜、２３  拡散用マスク、６０  制御装置、６５  表示装置、７０  撮像装置。
【図１】
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【図２】
2008124182.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】
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【図８】
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