(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体層と、
前記第１半導体層上に配置された多孔質半導体層と、
前記多孔質半導体層の一部の領域に配置された第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に配置された第２導電型の第３半導体層と、を有する少なくとも１つの光検出素子と、
を備えた光検出器。
【請求項２】
第１半導体層と、
前記第１半導体層上に配置され厚さが３μｍ〜１０μｍの範囲にある多孔質半導体層と、
前記多孔質半導体層の一部の領域に配置された第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に配置された第２導電型の第３半導体層と、を有する少なくとも１つの光検出素子と、
を備えた光検出器。
【請求項３】
前記光検出素子は、前記第２半導体層の一部分上に配置された第２導電型の第４半導体層と、前記第３半導体層上に配置された第２導電型の第５半導体層とを更に備え、前記第４半導体層および前記第５半導体層の不純物濃度は、前記第３半導体層の不純物濃度よりも高い請求項１または２記載の光検出素子。
【請求項４】
前記光検出素子は、アバランシェフォトダイオードを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の光検出器。
【請求項５】
前記多孔質半導体層は、母材と、この母材中に配置された空孔とを有し、前記空孔は前記母材よりも屈折率の低い材料または空気である請求項１乃至４のいずれかに記載の光検出器。
【請求項６】
前記空孔の直径は、０．０１μｍ〜１μｍの範囲にある請求項１乃至５のいずれかに記載の光検出器。
【請求項７】
前記空孔の直径は、０．１μｍ〜０．２μｍの範囲にある請求項１乃至５のいずれかに記載の光検出器。
【請求項８】
レーザ光を発振するレーザ光発振器と、発振されたレーザ光を駆動する駆動回路と、走査ミラーと、前記駆動回路によって駆動されたレーザ光の一部を参照光として取り出すとともにその他のレーザ光を前記走査ミラーを介して対象物に照射する光学系と、前記走査ミラーを制御して前記対象物にレーザ光を照射するコントローラと、前記光学系によって取り出された参照光を検出する第１光検出器と、前記対象物からの反射光を受光する第２光検出器と、第１光検出器によって検出された参照光と、前記第２光検出器によって検出された反射光とに基づいて、前記対象物までの測距を行う距離計測回路と、前記距離計測回路によって測距された結果に基づいて、前記対象物を画像として認識する画像認識システムと、を備え、前記第２光検出器は請求項１乃至７のいずれかに記載の光検出器であるライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光検出器およびこれを用いたライダー装置
に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンフォトマルチプライヤ（以下、ＳｉＰＭと云う）は、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤという）を２次元的に並列配列し、ＡＰＤの降伏電圧よりも高い逆バイアス電圧条件にて動作させることで、ガイガーモードと呼ばれる領域で駆動させる光検出素子である。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個の微弱な光でさえ計測可能となる。
【０００３】
各ＡＰＤにはクエンチ抵抗と呼ばれる高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、クエンチ抵抗による電圧降下によって、増幅作用が終端するため、パルス状の出力信号が得られる。ＳｉＰＭ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つの出力信号に対して、ガイガー放電したＡＰＤの数倍の電荷量またはパルス波高値の出力信号が得られる。従って、出力信号からガイガー放電したＡＰＤの個数、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個の光子計測が可能となる。
【０００４】
前述したように、ＳｉＰＭはＡＰＤの降伏電圧よりも高い逆バイアス電圧にて駆動させるため、ＡＰＤの空乏層の厚みは２μｍ〜３μｍ、逆バイアス電圧は１００Ｖ以下が一般的である。そのため、ＳｉＰＭの分光感度特性はシリコンの吸収特性に依存するところが大きく、４００ｎｍ〜６００ｎｍに感度ピークを持ち、８００ｎｍ以上の近赤外光の波長帯域ではほとんど感度を有さない。
【０００５】
近赤外光の波長帯域に高い感度を有する光検出素子として、例えば化合物半導体が知られている。しかし、この光検出素子は未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。また、シリコンを用い、空乏層を数十μｍの非常に厚いものにし、近赤外の波長帯域に感度を持たせる光検出素子は知られている。しかし、この光検出素子は、駆動電圧が数百Ｖと非常に高く、また、ＳｉＰＭのようにＡＰＤの微細アレイ化は実現できていない。
【０００６】
一方、シリコン基板内の裏面側にレーザ加工技術によって凹凸をつけた散乱面とし、吸収されない光を反射させる構造を有する光検出素子が知られている。しかし、近赤外の波長帯域の光にとって散乱反射面となる構造を制御良く形成することは、困難である。また、専用のレーザ加工装置、プロセスが必要となり、コスト高となってしまう。ダイオードを形成するシリコン層に機械的な加工を施すことは、即ち欠陥層を形成することと等価であり、光検出器の電気特性としてその安定性、歩留まり、再現性に課題がある。さらに、Ｓｉの近赤外波長領域の消衰係数を考慮すると、光検出素子自体を１０μｍ程度まで薄層化制御する必要があり、付加的な工程が増えコストの増大に繋がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１５３３１１号公報
【特許文献２】特開２０１３−６５９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本実施形態は、近赤外の波長帯域の光の検出感度が高い光検出器およびこれを用いたライダー装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態による光検出器は、第１半導体層と、前記第１半導体層に配置された多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層の一部の領域に配置された第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に配置された第２導電型の第３半導体層と、を有する少なくとも１つの光検出素子と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態による光検出器を示す断面図。
【図２】第１実施形態の光検出器を示す平面図。
【図３】図３（ａ）乃至３（ｃ）は、第１実施形態の光検出器の製造工程を示す断面図。
【図４】図４（ａ）および４（ｂ）は、第１実施形態の光検出器の製造工程を示す断面図。
【図５】シミュレーションに用いた多孔質シリコン層を有する光検出素子の断面図。
【図６】シミュレーションに用いた多孔質シリコン層を有さない比較例の光検出素子の断面図。
【図７】光吸収効率と空孔の直径との関係を示す図。
【図８】光吸収効率と多孔質シリコン層の厚さとの関係を示す図。
【図９】光吸収効率と空孔充填率との関係を示す図。
【図１０】光吸収効率と入射する光の波長との関係を示す図。
【図１１】第２実施形態によるライダー装置を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態による光検出器の断面図を図１に示す。この第１実施形態の光検出器１は、光を検出し電気信号に変換する複数（図１では２個）の光検出素子２０ａ、２０ｂを備えている。なお、図１には示していないが、光検出器１は、これら複数の光検出素子２０ａ、２０ｂによって変換された電気信号を処理するトランジスタを含む周辺回路を備えている。
【００１３】
これらの光検出素子２０ａ、２０ｂは、積層構造を有する基板１０上に形成される、この基板１０は、結晶性のｐ型シリコン基板１１と、このシリコン基板１１上に配置された多孔質シリコン基板１２と、多孔質シリコン基板１２上に配置されたｎ＋型半導体層１３とを備えている。
【００１４】
光検出素子２０ａは、ｎ＋型半導体層１３の一部分と、ｎ＋型半導体層１３の一部分上に設けられたｐ＋半導体層２１ａと、ｐ＋型半導体層２１ａを覆うｐ−型半導体層２２の一部分と、ｐ−型半導体層２２の一部分上に設けられたｐ＋型半導体層２３ａと、ｐ＋型半導体層２３ａ上に設けられたコンタクト２５ａと、コンタクト２５ａに接続する配線２６ａと、配線２６ａに接続するクエンチ抵抗２７ａと、を備えている。なお、光検出素子２０ａが設けられたｐ−型半導体層２２の一部分上に不純物領域（導電体領域）４６ａが設けられている。この不純物領域４６ａは、配線４８ａに接続される。
【００１５】
また、光検出素子２０ｂは、ｎ＋型半導体層１３の一部分と、ｎ＋型半導体層１３の一部分上に設けられたｐ＋型半導体層２１ｂと、ｐ＋型半導体層２１ａを覆うｐ−型半導体層２２の一部分と、ｐ−型半導体層２２の一部分上に設けられたｐ＋型半導体層２３ｂと、ｐ＋型半導体層２３ｂ上に設けられたコンタクト２５ｂと、コンタクト２５ｂに接続する配線２６ｂと、配線２６ｂに接続するクエンチ抵抗２７ｂと、を備えている。なお、光検出素子２０ｂが設けられたｐ−型半導体層２２の一部分上に不純物領域（導電体領域）４６ｂが設けられている。この不純物領域４６ｂは、配線４８ｂに接続される。また、ｐ＋半導体層２１ａ、２１ｂ、およびｐ＋型半導体層２３ａ、２３ｂは、ｐ−型半導体層２２よりも不純物濃度が高い。
【００１６】
基板１０に対して光検出素子２０ａ、２０ｂが配置された側と反対側に、光検出素子２０ａ、２０ｂのそれぞれのカソードとなる裏面電極８０が配置されている。なお、光は光検出素子２０ａ、２０ｂが配置された側から光検出器１に入射する。光検出素子２０ａ、２０ｂは、縦型のフォトダイオードを形成する。
【００１７】
クエンチ抵抗２７ａ、２７ｂは層間絶縁層７２によって覆われ、層間絶縁層７２上には配線２６ａ、２６ｂが配置されている。配線２６ａの一端は、層間絶縁層７２に設けられたコンタクト２５ａを介してｐ＋型半導体層２３ａに接続し、他端は層間絶縁層７２に設けられたコンタクト２５ｃを介してクエンチ抵抗２７ａに接続する。配線２６ｂの一端は、層間絶縁層７２に設けられたコンタクト２５ｂを介してｐ＋型半導体層２３ｂに接続し、他端は層間絶縁層７２に設けられたコンタクト２５ｄを介してクエンチ抵抗２７ｂに接続する。
【００１８】
また、層間絶縁層７２上には、周辺回路と接続する配線４８ａ、４８ｂが配置され、これらの配線４８ａ、４８ｂはそれぞれ、層間絶縁層７２に設けられたコンタクト４７ａ、４７ｂを介して不純物領域４６ａ、４６ｂに接続される。これらの配線２６ａ、２６ｂ、４８ａ、４８ｂは層間絶縁層７４によって覆われる。この層間絶縁層７４には、配線４８ａ、４８ｂにそれぞれ接続するための開口７３ａ、７３ｂが設けられている。これらの開口７３ａ、７３ｂの底部の配線４８ａ、４８ｂ上にパッド９６ａ、９６ｂが配置される。これらのパッド９６ａ、９６ｂは、光検出素子２０ａ、２０ｂのアノードまたは周辺回路のＩ／Ｏ端子と結線される。
【００１９】
このように構成された光検出器１は、複数の光検出素子を有している。これらの光検出素子は、一般的に図２に示すようにアレイ状に配列される。図２は、光検出素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが４×４のアレイ状に配列された場合の上面を模式的に示した図である。図２にからわかるように、光検出素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄはそれぞれ、各光検出素子の周囲の一部を取り囲むようにクエンチ抵抗２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄが設けられている。光検出素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとクエンチ抵抗２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄの一端とがそれぞれ、配線２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを介して接続される。また、図２に示すように、行方向（図２の横方向）に隣接する光検出素子２０ａ、２０ｂ間、および隣接する光検出素子２０ｃ、２０ｄ間には、配線９８が設けられている。この配線９８には、クエンチ抵抗２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄの他端が接続される。すなわち、本実施形態においては、アレイ状に配列された複数の光検出素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、並列に接続されている。
【００２０】
このように構成された光検出器１は、ＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）となる。また、各光検出素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤとも云う）となる。
【００２１】
次に、本実施形態の光検出器１の動作について図１を参照して説明する。各光検出素子２０ａ、２０ｂに逆バイアスを印加する。この逆バイアスは、図１に示すパッド９６ａ、９６ｂと、図２に示す配線９８との間に印加される。電極８０に印加された電位はシリコン基板１１、多孔質シリコン層１２を介してｎ型半導体層１３に印加され、配線９８に印加された電位はクエンチ抵抗２７ａ、２７ｂ、コンタクト２５ｃ、２５ｄ、配線２６ａ、２６ｂ、およびコンタクト２５ａ、２５ｂを介してｐ＋型半導体層２３ａ、２３ｂにそれぞれ印加される。
【００２２】
光検出器１に入射された光は、光検出素子２０ａ、２０ｂのそれぞれの、ｎ型半導体層１３の一部分とｐ＋型半導体層２１ａ、２１ｂとの界面近傍の空乏層において電子と正孔との対（電子−正孔対）が生成される。逆バイアスが印加されているので、生成された電子はｎ型半導体層１３に流れ、生成された正孔はｐ＋型半導体層２３ａ、２３ｂに流れる。しかし、一部の電子および正孔はｐ−型半導体層２２およびｐ＋型半導体層２３ａ、２３ｂにおいて他の原子と衝突し、新たな電子−正孔対を生成する。この新たに生成された電子と正孔が更に他の原子と衝突し、また新たな電子−正孔対を生成するという連鎖反応が起こる。すなわち、入射した光によって生じた光電流が増倍されるアバランシェ増倍が生じる。この増倍された光電流は、クエンチ抵抗２７ａ、２７ｂおよび配線９８を介して図示しない読み出し回路によって検出される。このように、ｐ＋型半導体層２３ａ、２３ｂはアバランシェ層となる。
【００２３】
なお、光検出素子からの信号を処理する、上記読み出し回路を含むアナログフロントエンド回路、およびガイガー放電を能動的に停止させることを可能にするアクティブクエンチ回路等の周辺回路は、周辺領域に形成される。
【００２４】
また、本実施形態においては、ｎ型半導体層１３の下部に多孔質シリコン層１２が形成されているので、空乏層の厚さでは吸収されなかった光を多孔質シリコン層１２による光閉じ込め効果により、散乱または拡散した任意波長の光波を再び空乏層に戻すことが可能となる。これにより、実効光路長を長くすることで光の吸収効率を増大することができる。本実施形態においては、光閉じ込め効果を起こす多孔質シリコン層１２は、光検出素子が複数個並列に接続されたＳｉＰＭの製造までに予め基板に作り込んでおくことが可能であるため、最終的な基板の薄層化等の複雑な工程を必要しない。このため、製造コストの低減、歩留まり向上に寄与することができる。
【００２５】
多孔質シリコン層１２の母材と空孔は屈折率差を生じ、母材は主成分がシリコンからなり、空孔は上記母材よりも屈折率の低い材料、ないしは空気である。なお、多孔質シリコン層１２に形成される空孔の直径は１０ｎｍ（０．０１μｍ）〜１０００ｎｍ（１μｍ）であることが好ましい。
【００２６】
（製造方法）
次に、第１実施形態の光検出器の製造方法について図３（ａ）乃至図４（ｂ）を参照して説明する。
【００２７】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１１を用意する。このシリコン基板１１上に、陽極化成により、多孔質シリコン層１２を形成する（図３（ｂ））。ここで、多孔質シリコン層１２の成長速度は、母材となるシリコン基板１１の抵抗率に依存することが知られており、例えば、シリコン基板１１は（１００）面で０．０１Ωｃｍ以下の抵抗率を持つボロンドープのｐ型シリコン基板である。そして、電流密度１５０ｍＡ／ｃｍ２程度であると、１分間で５μｍ以上のポーラス層の成長が可能になる。本実施形態の光検出器１に求められる、多孔質シリコン層１２の厚みは、近赤外線波長領域の消衰係数を考慮すると、１０μｍ以下であることが一般的と考えることができる。この成長速度から、せいぜい数分の陽極化成で、所望の深さの多孔質シリコン層１２を形成することができる。また、上述した通り、Ｓｉ母材として低抵抗シリコンを用いると、基板全体の共通電極化が可能となり、容易に例えばカソード電極の取り出しができる。
【００２８】
多孔質シリコン層上に結晶成長させたシリコン層においてＡＰＤ層を形成した場合、その界面において、多孔質シリコン層の結晶欠陥が暗電流等の発生起因に繋がる恐れがある。そこで、本実施形態においては、多孔質シリコン層１２を陽極化成プロセス等で形成後、水素不雰囲気で１０００℃程度の熱処理により、多孔質シリコン層１２の表面の欠陥を修復しても良い。表面の欠陥が修復された多孔質シリコン層１２上に、Ｓｉエピ層を形成すれば良い。
【００２９】
次に、多孔質シリコン層１２上に、ｎ＋型半導体層１３をエピタキシャル成長等により形成する。これにより積層構造を有する基板１０が形成される。さらに、ｎ＋型半導体層１３上に、シリコンのエピタキシャル成長により、ｐ−型半導体層２２を形成する（図３（ｃ））。そして、ｐ−型半導体層２２の一部がｐ＋型半導体層２１ａ、２１ｂとなるように、不純物（例えばボロン）を注入する（図４（ａ））。これによって、基板１０の活性層部に複数の光検出領域を形成する。各光検出領域が干渉しないように、素子分離を行う。素子分離には、例えば選択酸化素子分離構造（ＬＯＣＯＳ(Local Oxidation of Silicon)）を用いることができる。
【００３０】
また、図４（ａ）に示すように、ｐ−型半導体層２２上に図示しないマスクを形成し、この第１マスクを用いてｐ型不純物を注入することにより、光検出領域となるｐ−型半導体層２２にｐ＋半導体層２３ａ、２３ｂおよび不純物領域４６ａ、４６ｂを形成する。これにより、光検出素子２０ａ、２０ｂの光検出部が形成される。続いて、上記マスクを除去する。
【００３１】
次に、光検出素子２０ａ、２０ｂのそれぞれの光検出部の周囲の一部分に近接して、光検出素子２０ａ、２０ｂに直列に接続されるクエンチ抵抗２７ａ、２７ｂを形成する。このクエンチ抵抗２７ａ、２７ｂは、図４（ａ）に示すように、素子分離２９上にも形成される。
【００３２】
続いて、図４（ａ）に示すように、クエンチ抵抗２７ａ、２７ｂを覆うように、ｐ−型半導体層２２上に絶縁膜７２を形成する。リソグラフィ技術を用いて絶縁膜７２に、不純物領域４６ａ、４６ｂ、ｐ＋半導体層２３ａ、２３ｂ、およびクエンチ抵抗２７ａ、２７ｂにそれぞれ接続する開孔を形成し、これらの開孔を導電性材料、例えば、タングステンで埋め込み、コンタクト４７ａ、４７ｂ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを形成する。また、リソグラフィ技術を用いて、絶縁膜７２上に配線４６ａ、４６ｂ、２６ａ、２６ｂを形成する。その後、これらの配線４６ａ、４６ｂ、２６ａ、２６ｂを覆うように、絶縁膜７４を形成する（図４（ａ））。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、絶縁膜７４上に、例えばフォトレジストからなるマスク（図示せず）を形成する。このマスクには、配線４８ａ、４８ｂ上に開孔が形成されている。上記マスクにおける上記開孔の形成には例えばドライエッチングが用いてられる。このマスクを用いて絶縁膜７４を例えばＣＦ４等の反応ガスを用いてエッチングし、絶縁膜７４に開孔７６ａ、７６ｂを形成する。このとき、開孔７６ａ、７６ｂの底面には、配線４８ａ、４８ｂの一部が露出し、この露出部分がパッド９６ａ、９６ｂとなる。続いて、Ｓｉ基板１１の裏面に共通カソード電極となる金属薄膜８０を形成する。この金属薄膜は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕや、これらをベースとした合金、多層金属膜等を用いることができる（図４（ｂ））。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態の光検出器１は、単結晶シリコン基板１１上に、陽極化成方法を用いて、多孔質シリコン層１２を形成し、この多孔質シリコン層１２上に、エピタキシャル成長によりシリコン層１３を堆積し、このシリコン層１３に半導体プロセスによって製造することができる。
【００３５】
次に、本実施形態の光検出器１において、多孔質シリコン層１２の厚さを変えた場合の特性についてシミュレーションを用いて求めた。この結果を図５乃至図１０を参照して説明する。  
このシミュレーションに用いた光検出素子２０の断面図を図５に示す。この光検出素子２０は、厚さが７００μｍの結晶性のシリコン基板１１上に多孔質シリコン層１２を形成し、この多孔質シリコン層１２上に、 厚さ３μｍのエピタキシャル成長層、すなわちｎ＋型半導体層１３およびｐ−型半導体層２２に相当する層を形成し、最表層から０．５μｍの位置を起点に深さ方向で２μｍ厚の吸収層を有した構造としている。光検出素子２０の上部から任意の入射光が到来した際に、光吸収層１６における光吸収効率をシミュレーションを用いて求めた。
【００３６】
また、図６に示すように、図５に示す光検出素子２０において、多孔質シリコン層１２が形成されない構造を有する光検出器９０を比較例として用いた。
【００３７】
図７に、図５に示す光検出素子２０において、多孔質シリコン層１２の厚さを１μｍ、２μｍ、３μｍ、５μ、１０μｍとした場合の多孔質シリコン層１２の空孔直径と光検出素子の吸収効率との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す。このシミュレーションでは、多孔質シリコン層１２は空孔の充填率が３０％とし、この光検出素子２０に照射する光の波長が９０５ｎｍとしている。なお、図７に、比較例の光検出素子の光吸収効率も破線で示している。
【００３８】
この図７からわかるように、図５に示す光検出素子２０は、図６に示す比較例の光検出素子９０に比べて、光吸収効率が増大している。また、光吸収層１６の厚さｘが厚いほど、光吸収効率は向上するが、厚さｘが５μｍの場合と厚さｘが１０μｍとでは光吸収効率はかなり近接する。多孔質シリコン層１２の形成は、前述したとおり陽極化成等により形成し、その成長度合いは処理時間に依存する。従って、多孔質シリコン層１２自体は厚くても１０μｍ以下とすれば良い。また、図７からわかるように、多孔質医シリコン層１２の空孔の直径が０．１μｍ〜０．２μｍの範囲に、光吸収効率が最大となることが分かる。
【００３９】
前記シミュレーション結果を鑑み、次に、多孔質シリコン層１２の空孔直径が０．１６μｍである場合の、吸収効率と多孔質シリコン層１２の厚さとの関係を図８に示す。図７でも示したが、図５に示す光検出素子２０は、基本的に多孔質シリコン層１２による多重光反射構造が具備されることで、多孔質シリコン層が持たない比較例の光検出素子９０に比べて光吸収量を向上することがことは説明した。図８では、多孔質シリコン層１２の厚さが３μｍ程度で、光吸収効率は飽和状態になることから、上記厚さの上限値と合わせ、多孔質医シリコン層１２の厚さは、光学的作用、製造上の効率を鑑みると、３μｍ〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。
【００４０】
前記シミュレーション結果を鑑み、次に、多孔質シリコン層１２の厚さを５μｍとした場合の、多孔質シリコン層１２の空孔の充填効率と波長が９０５ｎｍの場合の光吸収効率の関係を図９に示す。図９の横軸は空孔充填率を示す。図９では、空孔の直径を、０．０２μｍ、０．０３μｍ、０．０４μｍ、０．１μｍ、０．１６μｍ、０．２μｍ、０．４μｍ、１μｍである光検出素子それぞれの、空孔の充填効率と光吸収効率の関係を求めている。図９からわかるように、多孔質シリコン層１２を有する光検出素子２０は、多孔質シリコン層を有さない比較例の光検出素子に比べて、光吸収効率が向上している。中でも、空孔の直径が０．１μｍ〜０．２μｍ程度で光吸収効率が大きく増大する。空孔の直径が０．１μｍよりも微細、あるいは０，４μｍ以上となると光吸収効率が低下する傾向があることが分かる。以上のことから、空孔の充填率が３０％以上で、かつ多孔質シリコン層１２を構成する空孔の直径は０．１μｍ〜０．２μｍの範囲であれば大きな光吸収効果を得ることができる。
【００４１】
次に、入射する光の波長と光吸収効率との関係を図１０に示す。この図１０では、比較例の光検出素子に加え、多孔質シリコン層１２の厚さを５μｍとし、空孔の直径を、０．０２μｍ、０．０８μｍ、０．２μｍ、０．４μｍ、１．０μｍとした場合のそれぞれの光検出素子の、波長−光吸収効率とのの関係を図１０に示す。図１０からわかるように、比較例の光検出素子９０は、波長５５０ｎｍ近傍で吸収のピークがあり、波長が長くなるに従って光の吸収効率が急峻に低下する。特に、後述するライダー装置では波長９００ｎｍ近傍の光源が使われることが多く、この波長帯域では、比較例の光検出素子９０の光の吸収効率は非常に低くなる。これに対して、多孔質シリコン層を有する光検出素子は、比較例の光検出素子に比べて、光吸収効率の低下する割合が小さい。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態によれば、ｎ型半導体層１３の下部に多孔質シリコン層１２が形成されているので、空乏層の厚さでは吸収されなかった光を多孔質シリコン層１２による光閉じ込め効果により、散乱または拡散した任意波長の光を再び空乏層に戻すことが可能となる。これにより、実行光路長を長くすることで光の吸収効率を増大することができる。また、プロセス再現性も高く、更にコスト高になる懸念もなく、光吸収率の増加と開口率の増加によって近赤外波長帯域の感度を大幅に向上することができる。
【００４３】
これまで、ライダー装置で主に用いられる波長９００ｎｍ近傍の光学特性を中心に説明した。本実施形態の、多孔質シリコン層を有する光検出素子においては、その効果は波長６００ｎｍ前後からも得られることがわかっており、例えば赤色レーザやＬＥＤを使用した計測装置にも用いることができる。
【００４４】
以上説明したように、第１実施形態によれば、近赤外の波長帯域の光の検出感度が高い光検出器を提供することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
第２実施形態によるライダー（Laser Imaging Detection and Ranging）装置を図１１に示す。この第３実施形態のライダー装置は、レーザ光がターゲット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。
【００４６】
図１１に示すように、この第３実施形態のライダー装置は、投光ユニットと、受光ユニットとを備えている。投光ユニットは、レーザ光を発振するレーザ光発振器３００と、発振されたレーザ光を駆動する駆動回路３１０と、駆動されたレーザ光の一部を参照光として取り出すとともにその他のレーザ光を、ミラー３４０を介して対象物４００に照射する光学系３２０と、走査ミラー３４０を制御して対象物４００にレーザ光を照射する走査ミラーコントローラ３３０と、を備えている。
【００４７】
受光ユニットは、光学系３２０によって取り出された参照光を検出する参照光用光検出器３５０と、対象物４００からの反射光を受光する光検出器３８０と、参照光用光検出器３５０によって検出された参照光と、光検出器３８０によって検出された反射光とに基づいて、対象物４００までの測距を行う距離計測回路（ＴＯＦ（Time Of Flight）回路とも云う）３７０と、距離計測回路３７０によって測距された結果に基づいて、対象物を画像として認識する画像認識システム３６０と、を備えている。本実施形態においては、参照光用光検出器３５０および光検出器３８０としては、第１実施形態の光検出器１が用いられる。
【００４８】
第１実施形態の光検出器１は、近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、第２実施形態のライダー装置は、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り、例えば、車向け障害物検知に用いることができる。また、近赤外の波長帯域の光の検出感度が高い光検出器を備えたライダー装置を提供することができる。
【００４９】
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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発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】
【００５０】
１・・・光検出装置、１０・・・積層構造を有する基板、１１・・・結晶性シリコン基板、１２・・・多孔質シリコン基板、１３・・・ｎ＋型半導体層、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ・・・光検出素子、２１ａ，２１ｂ・・・ｐ＋型半導体層、２３ａ，２３ｂ・・・ｐ＋型半導体層、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ・・・コンタクト、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ・・・配線、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ・・・クエンチ抵抗、４６ａ，４６ｂ・・・不純物領域、４７ａ，４７ｂ・・・コンタクト、４８ａ，４８ｂ・・・配線、７２・・・層間絶縁層、７３ａ，７３ｂ・・・開口、７４・・・層間絶縁層、８０・・・裏面電極、９６ａ，９６ｂ・・・パッド
【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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