(57)【要約】１つの透明支持体とこの支持体に割当てられた半導体素子と少なくとも３つのコンタクトとを有する、定在光波の強度分布を検出するための透過光用光検出器が、２つの半導体素子が互いに接続されており、第１半導体素子と第２半導体素子とがそれぞれ１つの光電活性半導体層を有し、両方の光電活性半導体層が相互に固定位相関係にあり、この位相関係が少なくとも１つの光電不活性層によって設定されることを特徴としている。
2004533127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定在光波と１つの透明支持体とこの支持体に割当てられた２つの実質的に透明な半導体素子と少なくとも３つのコンタクト層とを有するものであり、第１半導体素子（９）が光電不活性透明層（９．５、１３）を介して第２半導体素子（１１）と接続されており、該第１半導体素子（９）と該第２半導体素子（１１）とが、それぞれ１つの第１光電活性半導体層（９．３、１１．２）を含み、相互に固定位相関係にあることを特徴とする、強度分布内の強度極大および強度極小の移動方向を検出するための透過光用光検出器。
【請求項２】
前記固定位相関係が
【数１】
2004533127.tif 000009
であり、ここで、ｋは奇数、λは使用されるコヒーレント光の波長、ｌは半導体素子１、２（９、１１）の活性半導体層の間で使用される半導体層の数、ｄS1は第１光電活性半導体層（９．３）の層厚、ｄS2は第２光電活性半導体層（１１．２）の層厚、ｄ1…ｄ1は第２光電不活性半導体層の層厚、ｎ1…ｎ1は実質的に光電不活性な第１半導体層（９．２、９．４、１１．１、１１．３）の屈折率、ｎS1は第１光電活性半導体層の屈折率、ｎS2は第２光電活性半導体層の屈折率であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
半導体部品が、光導電体、ショットキーダイオードとして、もしくはｐｉｎ‐、ｎｉｐ‐、ｐｉｐ‐、ｎｉｎ‐、ｎｐｉｎ‐、ｐｎｉｐ‐、ｐｉｎｐ‐、ｎｉｐｎ構造体として、またはこれらの構造体の組合せから実現され、透明光検出器内部での電荷移動が定在波の伝搬方向に対して平行にも垂直にも起きることができることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記半導体素子（９、１１）の前記第２光電活性半導体層（９．３、１１．２）は、定在波（４）の伝搬方向と平行に層厚ｄがｄ≦λ／４ｎであり、ここで、λは使用されるコヒーレント光波の波長、ｎは各第２光電活性半導体層（９．３、１１．２）の屈折率であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項５】
前記第１半導体素子（９）を被着された前記透明支持体（７）が、波長λのコヒーレント光に対して透明であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項６】
前記半導体層（９．２、９．３、９．４、１１．１、１１．２、１１．３）の少なくとも１つが、非晶質材料、微晶質材料、多結晶質材料、結晶質材料の群から選択される１種の材料で構成されていることを特徴とする請求項３から９のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項７】
前記半導体層（９．２、９．３、９．４、１１．１、１１．２、１１．３）の少なくとも１つが、ケイ素、ゲルマニウム、炭素、酸素、窒素、これら材料の合金、透明導電性酸化物、金属薄膜の群から選択される１種の材料により構成されていることを特徴とする請求項３から１０のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項８】
前記透明支持体（７）が、ガラス、石英、プラスチックフィルムの群から選択された１種の材料により構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項９】
前記各コンタクト層（９．１、９．５、１１．４）が、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｆの群から選択された１種の元素を添加されたＮＯ2、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3、Ｃｄ2ＳｎＯ4、金属薄膜、半導体層の群から選択された１種の材料により構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１０】
前記各半導体素子（９）を光学的に適合するための層が当該半導体素子上に形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１１】
光検出器が一次元または二次元の検出範囲として構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの透明支持体とこの支持体に割当てられた２つの第１半導体素子と少なくとも３つのコンタクトとを有する、強度分布内の強度極大および強度極小の移動方向を検出するための透過光用光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的放射の光電検出分野ではさまざまな機能原理による光検出器が、例えばフォトレジスタ、フォトダイオード、フォトトランジスタまたは類似物として利用される。すべての構造態様に共通する点として、光学的放射は反射光方式により検出される。このような光検出器の代表的応用分野は、例えば光電バリヤまたは監視保安施設である。
【０００３】
光電検出のきわめて特殊な他の応用分野は光学干渉計である。工業的長さ測定に頻繁に応用される代表的実施例はマイケルソン干渉計であり、光線がビーム分割装置で２つの部分光線に分割され、ビーム分割後にそれらが異なる経路を通過し、ビーム分割層に復帰後にそこで再び一体化される。技術の現状によれば、干渉計の出口で生成される差構造から、測定鏡の移動方向を検知するため相反位相９０°の２つの信号が光電式に導き出される。上記において指摘したあらゆる他の光電応用と同様に、光の検出は、やはり反射光により行われる。
【０００４】
それとは異なり、定在光波を構成する場合には干渉を発生する両方の光線が逆方向に伝搬する。この理由から、定在光波の干渉結果の工業的利用および評価は、光電式に透過光のみにより行うことができる。
【０００５】
特許文献１および特許文献２による定在波干渉計用配置が知られている。測定鏡の移動方向を自動検知するための干渉計に対する要求条件に応じてそれぞれ２つの光検出器が設けられており、これが測定鏡の移動方向を検知するため相反位相９０°の２つの信号を発生する。光検出器がガラス基板に担持されており、９０°の位相を極力正確に守るためにガラス基板の厚さは光学精密加工法によって数ナノメートルの精度で加工されていなければならない。このため、高い費用と結び付いた高い技術的支出が必要である。
【０００６】
特許文献３によれば、両方の光検出器の間に圧電活性部品を挿入し、検出器の間の距離を調整できるようにすることが知られている。この解決によって確かに技術的支出はかなり減少するが、しかしながら、例えば温度変化時に検出器の間にありうる距離変化を検知して距離を再調整することがいまなお不可欠である。
【特許文献１】
独国特許発明第３３００３６９号明細書
【特許文献２】
米国特許第４４４３１０７号明細書
【特許文献３】
独国特許発明第３６１２２２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明の課題は、２つの光検出器の間の位相位置の調整が、安価に半導体技術プロセス工程に一体化され、それゆえに高い精度で行うことができ、位相位置の調節が、例えば周囲温度の変化等の外的影響によって重大でない値にまで低減される光検出器を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１の特徴部分の特徴によって解決される。
【０００９】
少なくとも２つの半導体素子を一緒に基板上に共通配置することによって、透明光検出器の手間のかかる調整が不要となる。共通する透明基板上に２つの透明光検出器を製造する場合には、両方の透明光検出器の光電活性層の間に特定数ｌの実質的に透明な、機能の異なる層がある。
【００１０】
次に、レーザおよび平面鏡によって定在光波を発生し、この基板を両方の透明光検出器と共に定在波の光軸上に配置して、透明光検出器が光軸の方向で前後するように配置すると、定在波は、基板、両方の透明光検出器および機能層内を伝搬する。透明光検出器の光電活性層から出発して、次の相応する周期長が得られる。
変形すると、
【数１】
2004533127.tif 000003
ここで、λは使用されるコヒーレント光の波長、ｌは光電活性層の間で使用される半導体層の数、ｄは層厚、ｎは実質的に光電不活性な層の屈折率である。
【００１１】
周期長ｐが、条件、
変形すると、
【数２】
2004533127.tif 000004
をｋ＝１、３、５、…で満足するように設定されると、この場合、平面鏡の摺動時に、透明光検出器の光電活性層によって発生される光電信号の間に、９０°または９０°の奇数倍の相反位相が生じる。
【００１２】
透明光検出器に共通する特徴として、それらは定在波の強度分布に依存して光電流を発生する。この場合、光電流に関する最適検出条件とみなされるのは、透明光検出器の光電活性層の層厚が、
【数３】
2004533127.tif 000005
であることであり、ここで、λは波長、ｎは光電活性層の屈折率である。
【００１３】
その他の利点は、従属する請求項の特徴から明らかとなる。
【００１４】
以下、図面を基にして、本発明の１実施例が詳しく説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る光検出器１による定在波の略推移線図を図１に示す。その際、光電活性層ｄs1、ｄs2の層厚は、
【数４】
2004533127.tif 000006
【数５】
2004533127.tif 000007
であり、ここで、ｎs1とｎs2は光電活性層ｄｓ１、ｄｓ２の屈折率である。一般に位相条件は、変形すると、
【数６】
2004533127.tif 000008
と記すことができる。
【００１６】
図２は、本発明に係る光検出器１の断面を示しており、これに図１の線図を適用することができる。光検出器１は、光源３と鏡５との間に配置されている。この配置は、光軸が光源３によって発生される定在波４を垂直に光検出器１の厚さを貫通して鏡５に垂直に衝突するようになされている。光検出器１は支持体７を含み、この支持体は、ガラス基板、石英基板またはプラスチック製基板とすることができる。プラスチック製基板を選択する場合には、基板は主にプラスチックフィルムにより構成することができる。この実施形態では、支持体７の鏡側、すなわち支持体７の光源３から離れた方の側に、半導体素子９、１１（部分検出器１、２）の系列が形成されている。しかし、これは他の実施形態では必要ではない場合がある。支持体７と各半導体素子９、１１とは、定在波４が光源３から光検出器１を通過して鏡５へと到達できるように実質的に透明である。定在波４が鏡５で反射することによって、各半導体素子９、１１内に定在波４の強度分布に依存して光電流が生成される。
【００１７】
支持体７に被着される半導体素子９は、支持体７から出発して、透明コンタクト層９．１と、第１透明ｎ添加半導体層９．２と、第２真性半導体層９．３と、第３ｎ添加半導体層９．４と、第２透明コンタクト層９．５とをこの順に含む。第２半導体素子１１は、第２コンタクト層９．５から出発して、第１透明ｎ添加半導体層１１．２と、第２真性半導体層１１．３と、第３ｎ添加半導体層１１．４と、第３透明コンタクト層１１．５とをこの順に含む。コンタクト層９．１、９．５、１１．５と、第１、第２、第３の半導体層９．２、９．３、９．４または１１．２、１１．３、１１．４とは、平行平面であり、この順番に隣り合わせて半導体素子９または１１内に、定在波４の光軸を横切って配置されている。第２真性半導体層９．３、１１．３は、定在波４の伝搬方向と平行に層厚ｄがｄS1≦λ／４ｎS1またはｄS2≦λ／４ｎS2であり、ここで、λは使用されるコヒーレント光波の波長、ｎ1は第２光電活性半導体層９．３の屈折率、ｎ2は第２光電活性半導体層１１．３の屈折率である。ｎS2添加半導体層９．２、９．４、１１．２、１１．４は、実質的に光電不活性である。
【００１８】
透明光検出器１の電気活性半導体層９．３、１１．４の間の固定位相関係は、非晶質、ナノ結晶質、微晶質、多結晶質または結晶質ケイ素、ゲルマニウム、炭素、窒素、酸素またはこれら材料の合金からなる少なくとも１つの光電不活性半導体層９．２、９．４、１１．１、１１．４によって行うことができるが、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、ＳｂもしくはＦを添加した透明導電性酸化物、例えばＳnＯ2、ＺnＯ、Ｉｎ2Ｏ3またはＣｄ2ＳｎＯ4から製造することができる。位相関係を設定する際の助けとなる単数または複数の半導体層９．２、９．４、１１．１、１１．３の選択は、透明光検出器１の選択により左右される。支持体７は、例えば、ガラス基板、石英基板またはプラスチック製基板、特にプラスチックフィルムとすることのできる材料から製造されている。
【００１９】
図２の光検出器１内に光電流は定在波４の伝搬方向と平行に流れる。透明半導体層９．２、９．３、９．４または１１．１、１１．２、１１．３として、例えば、ｎｉｎ構造体が利用されているが、他のよく知られた構造体も考えられる。両方の半導体素子９および１１の間の位相関係は、第２コンタクト層９．５（以下、「ＴＣＯ層」とよぶ）に対して設定され、この層は同時に両方の半導体素子９および１１用の共通するコンタクトとしても役立つ。ＴＣＯ層の層厚（電気信号の間の９０°位相関係）を判定するには、中央の第２透明コンタクト面９．５に当接するそれぞれ半分の光電活性半導体層９．３または１１．２と、添加半導体層９．４または１１．１との影響をそれぞれ考慮しなければならない。
【００２０】
選択的に、光電流が定在波４の伝搬方向に垂直に流れる構造体も実現することができる。このような光検出器１が図３に示してある。この場合、透明光検出器１として、例えば非晶質半導体層の光導電性が利用される。コンタクト層として、例えば蒸着アルミニウム層が役立つ。この配置ではコンタクト層は透明である必要はない。接続(Kontaktierung)を向上させるために、金属コンタクトの下方にさらに添加領域を設けるか被着しておくことができる。この場合、位相関係は、両方の半導体素子９および１１の間に被着される絶縁層１３を介して設定することができる。例として図３に亜硝酸ケイ素層が示唆してある。この層は、両方の半導体素子９および１１を相互に絶縁し、９０°の位相関係をもたらす。第２絶縁層１５は、やはり亜硝酸ケイ素層として半導体素子１１に被着されており、定在波４の条件に対する積層系の光学適合向上に役立つ。これらの他の半導体層の使用は、最小反射と最大透過とに関して積層構造体の最適化を可能とする。
【００２１】
半導体検出器を実現するのに特に適しているのは、幾つかの理由から、非晶質、ナノ結晶質、微晶質および結晶質ケイ素並びにその合金である。例えば、非晶質および結晶質ケイ素は、低温プロセス（溶着温度２００〜３００℃）においてプラズマ支援グロー放電（ＰＥＣＶＤ Plasma enhanced chemical vapor depositionプラズマ促進化学蒸着）によって、例えば、ガラス、石英またはプラスチックフィルム等の各種材料上に製造することができる。この場合、透明導電層はコンタクト層として利用される。薄い非晶質および微晶質層を低温で透明基板上に析出させることができるため、これらの層は透過光動作の半導体検出器用の吸収体材料としてきわめて適している。例えば、製造中にプロセスパラメータを適切に制御することによって、ごく薄い積層系を製造することが可能となる。
【００２２】
透明導電層（ＴＣＯ層）は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition化学蒸着）、噴霧熱分解法、蒸着法、スパッタリング法によって製造することができる。このプロセスは、ＰＥＣＶＤプロセスと同様に低温プロセスである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る光検出器による定在波の推移を示すグラフである。
【図２】光電流が定在波の伝搬方向と平行に流れる本発明に係る光検出器の断面図である。
【図３】光電流が定在波の伝搬方向に垂直に流れる本発明に係る光検出器の概略図である。
【図１】
2004533127.tif 000010
【図２】
2004533127.tif 000011
【図３】
2004533127.tif 000012
【国際公開パンフレット】
2004533127.tif 000013
2004533127.tif 000014
2004533127.tif 000015
2004533127.tif 000016
2004533127.tif 000017
2004533127.tif 000018
2004533127.tif 000019
2004533127.tif 000020
2004533127.tif 000021
2004533127.tif 000022
2004533127.tif 000023
2004533127.tif 000024
2004533127.tif 000025
2004533127.tif 000026
【国際調査報告】
2004533127.tif 000027
2004533127.tif 000028
2004533127.tif 000029
2004533127.tif 000030
2004533127.tif 000031
2004533127.tif 000032