(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、近赤外の波長帯域における光の検出感度が高い光検出器、光検出装置、およびその光検出装置を用いたライダー装置を提供する。【解決手段】本発明の光検出器は、第１の受光面と前記第１の受光面と対向する第２の受光面を有する半導体層と、前記半導体層の前記第１の受光面側に設けられ、凸部を有し、かつ前記凸部が所定の周期で１方向に配列されている回折格子と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の受光面と前記第１の受光面と対向する第２の受光面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記第１の受光面側に設けられ、凸部を有し、かつ前記凸部が所定の周期で１方向に配列されている回折格子と、
を備える光検出器。
【請求項２】
前記回折格子の前記凸部は階段状である請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記回折格子の前記凸部は鋸歯状である請求項１に記載の光検出器。
【請求項４】
前記半導体層側とは反対側の前記回折格子側にさらに基板を備える請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項５】
前記半導体層の第２の受光面側にさらに反射材を備える請求項４に記載の光検出器。
【請求項６】
前記半導体層と前記反射材の間にさらにスペーサ層を備える請求項５に記載の光検出器。
【請求項７】
前記半導体層の第２の受光面側に設けられた基板と、
前記半導体層と前記基板の間に設けられた反射材と、
をさらに備えた請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項８】
前記半導体層と前記反射材の間にさらにスペーサ層を備える請求項７に記載の光検出器。
【請求項９】
前記半導体層の前記第１の受光面の周囲の少なくとも一部に空隙部をさらに備える請求項５に記載の光検出器。
【請求項１０】
第１の受光面と前記第１の受光面と対向する第２の受光面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記第２の受光面側に設けられ、凸部を有し、かつ前記凸部が所定の周期で１方向に配列されている回折格子と、
前記半導体層とは反対側の前記回折格子に設けられた反射材と、
を備える光検出器。
【請求項１１】
前記半導体層の前記第１の受光面側にさらに基板を備えた請求項１０に記載の光検出器。
【請求項１２】
前記回折格子側とは反対側の前記反射材にさらに基板を備えた請求項１０に記載の光検出器。
【請求項１３】
前記半導体層はｎ＋型半導体層、ｎ−型半導体層、ｎ＋型半導体層、およびｐ型半導体層の順で構成される積層構造を含む請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１４】
前記半導体層はｐ＋型半導体層、ｐ−型半導体層、ｐ＋型半導体層、およびｎ型半導体層の順で構成される積層構造を含む請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１５】
前記第１の受光面および前記第２の受光面に入射する光の波長は７５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１６】
前記半導体層はＳｉで構成される請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の光検出器を複数配列した光検出装置。
【請求項１８】
複数配列された当該光検出器の間に反射壁をさらに備える請求項１７に記載の光検出装置。
【請求項１９】
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１７または請求項１８に記載の光検出装置と、
前記物体と前記光検出装置の間の距離を計測する計測部と、
を備えるライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光検出器、光検出装置、およびライダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いた光検出器は、微弱な光を検出し、出力する信号を増幅する。ＡＰＤがシリコン（Ｓｉ）で作製された場合、光検出器の光感度特性はシリコンの吸収特性に大きく依存する。シリコンで作製されたＡＰＤは、４００〜６００ｎｍの波長の光を最も吸収する。しかし、近赤外の波長帯域ではほとんど感度を有さない。シリコンを用いた光検出器の感度を向上させるために、空乏層を数十μｍとなるように非常に厚くし、近赤外の波長帯域に感度を持たせるデバイスが知られている。しかし、光検出器の駆動電圧が数百Ｖと非常に高くなってしまう。
【０００３】
したがって、シリコンを用いた光検出器において、近赤外の光の検出効率を高めるために、光検出器の内部に光を閉じ込める構造が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２６０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、近赤外の光を内部に閉じ込める構造を有する光検出器、光検出装置、およびその光検出装置を備えたライダー装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光検出器は、第１の受光面と前記第１の受光面と対向する第２の受光面を有する半導体層と、前記半導体層の前記第１の受光面側に設けられ、凸部を有し、かつ前記凸部が所定の周期で１方向に配列されている回折格子と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の光検出器。
【図２】第１の実施形態の光検出器。
【図３】第１の実施形態の変形例。
【図４】第２の実施形態の光検出器。
【図５】第３の実施形態の光検出器。
【図６】第４の実施形態の光検出器。
【図７】第５の実施形態の光検出器。
【図８】第６の実施形態の光検出器。
【図９】第７の実施形態の光検出器。
【図１０】第７の実施形態の光検出器。
【図１１】第８の実施形態の光検出器。
【図１２】第９の実施形態の光検出器。
【図１３】第１０の実施形態の光検出器。
【図１４】第１１の実施形態の光検出器。
【図１５】第１１の実施形態の光検出器。
【図１６】第１１の実施形態の変形例。
【図１７】第１２の実施形態の光検出器。
【図１８】光検出器の製造方法。
【図１９】第１３の実施形態の測定システム。
【図２０】第１４の実施形態のライダー装置。
【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同様のものを示す。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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）に光検出器１００３、図１（ｂ）に光検出器１００３のＧＧ’断面図、図１（ｃ）に光検出器１００３のＳＳ’断面図を示す。
【００１０】
図１（ａ）において、光検出器１００３は、基板９０、１次元回折格子（回折格子）８０１、ｐ＋型半導体層３２、ｐ−型半導体層３０、ｐ＋型半導体層３１、ｎ型半導体層４０、反射層２１、図示しない第１電極、および図示しない絶縁層で構成される。
【００１１】
ｐ＋型半導体層３２、ｐ−型半導体層３０、ｐ＋型半導体層３１、およびｎ型半導体層４０をまとめて半導体層５と呼ぶ。後述する図では、ｐ＋型半導体層３２、ｐ−型半導体層３０、ｐ＋型半導体層３１、およびｎ型半導体層４０を省略し、単に半導体層５と記載する。
【００１２】
半導体層５は、第１の受光面と第１の受光面と対向する第２の受光面を有する。たとえば、ｐ＋型半導体層３２側を第１の受光面とすれば、ｐ＋型半導体層３２側とは反対側のｎ型半導体層４０側が第２の受光面となる。
【００１３】
半導体層５は、第１の受光面から第２の受光面に向かって、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の順に構成される。
【００１４】
即ち、本実施形態では、半導体層５は、第１の受光面から第２の受光面に向かって、ｐ＋型半導体層３２、ｐ−型半導体層３０、ｐ＋型半導体層３１、およびｎ型半導体層４０の順で構成される。
【００１５】
なお、半導体層５は、ｐ＋型半導体層３１、３２を設けなくても良く、ｐ型半導体とｎ型半導体の積層構造でも良い。半導体層５は、第１の受光面から第２の受光面に向かって、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の順に構成されてもよい。また、半導体層５は、第１の受光面から第２の受光面に向かって、ｎ＋型半導体層、ｎ−型半導体層、ｎ＋型半導体層、ｐ型半導体層の順で構成されてもよい。また、ｐ＋型半導体層３２、ｐ−型半導体層３０、ｐ＋型半導体層３１、およびｎ型半導体層４０の積層構造、またはｎ＋型半導体層、ｎ−型半導体層、ｎ＋型半導体層、ｐ型半導体層の積層構造は第２の受光面から第１の受光面に向かって構成されていても良い。
【００１６】
光検出器１００３において半導体層５は、例えば、Ｓｉ（シリコン）で構成される。半導体層５の材料としてＳｉを選ぶと、製造コストが安価になりより好ましい。
【００１７】
１次元回折格子８０１および基板９０は、半導体層５の第１の受光面側に設けられる。１次元回折格子８０１は、半導体層５と基板９０の間に設けられる。１次元回折格子８０１は、１方向に配列されている。１次元回折格子８０１は、凸部と凹部を有する。凸部と凹部は、所定の周期で交互に配列されている。凸部および凹部は互いに平行な直線状である。後述する図４において、図１（ａ）中の丸枠で囲まれた１次元回折格子８０１の拡大図を示す。
【００１８】
基板９０は、半導体層５の第１の受光面側に設けられる。基板９０は、半導体層５とは反対側の１次元回折格子８０１に設けられる。基板９０は光を透過する。基板９０は半導体層５を支持している。基板９０を設けないことも可能である。
【００１９】
図１（ｃ）にも示されるように、半導体層５の内部において、複数の空乏層７１が１次元的に離間して設けられる。
【００２０】
反射材２１は、半導体層５の第２の受光面側に設けられている。反射材２１は、半導体層５に入射した光を反射する。反射材２１は電極の機能を兼ね備えてもよい。半導体層５と半導体層５の外部との屈折率は異なるため、半導体層５と半導体層５の外部との界面で、半導体層５に入射した光は反射される。そのため、半導体層５を設けないことも可能である。
【００２１】
受光面であるｐ＋型半導体層３２に入射した光の波長は、７５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の近赤外光を想定している。
【００２２】
受光面から反射材２１に向かう方向における半導体層５の長さは、１μｍ以上１５μｍ以下である。
【００２３】
基板９０は、例えば、半導体層５と図示していない接着層を介して接着されても良い。
【００２４】
ここで、光４００は光検出器１００３の受光面となるｐ＋型半導体層３２から入射する。入射した光４００は、ｐ＋型半導体層３１およびｐ−型半導体層３０で形成される空乏層７１に吸収される。入射した光４００は、空乏層７１において、電子‐正孔対に変換される。
【００２５】
ｐ−型半導体層３０とｎ型半導体層４０のｐｎ接合に対して、逆バイアスとなる電圧を印加すると、電子−正孔対の電子はｎ型半導体層４０の方向に流れる。電子‐正孔対の正孔はｐ＋型半導体層３２の方向に流れる。このとき、電圧を大きくすると、空乏層７１内において、電子および正孔の流れる速度は加速される。特に、ｐ＋型半導体層３１において、電子は、ｐ−型半導体層３０の原子と衝突して新たな電子‐正孔対を生成する。この現象を雪崩増幅という。雪崩増幅は、連鎖して起こる反応である。雪崩増幅が起こることで、光検出器１００３は、微弱な光を検出できる。
【００２６】
第１電極と反射材２１間の半導体層５の厚さｄは、例えば、１〜１５μｍである。この厚さｄが１μｍより小さいと、空乏層７１の領域が小さくなる。したがって、光検出器１００３の光の検出効率と増幅率が低くなる。厚さｄが１５μｍより大きいと、半導体層５の両端に電極を設ける場合、高電圧を印加することが必要になる。また、空乏層７１以外での吸収が増えてしまうため、検出効率の低下を招く。
【００２７】
光検出器１００３は、雪崩増幅が起こった後、光を検出できない不感時間が生じる。光検出器１００３の不感時間を短くすることで、光検出器１００３は、効率良く光を検出することができる。光検出器１００３の不感時間を短くするためには、光検出器１００３の内部にある電子と正孔を速やかに外部に取り出す必要がある。このとき、電子と正孔が光検出器１００３の外部に取り出される速度は、光検出器１００３の静電容量Ｃで決められる。静電容量Ｃは、受光面となるｐ＋型半導体層３２の面積Ｓに依存する。受光面となるｐ＋型半導体層３２の面積Ｓが小さい程、光検出器１００３の静電容量Ｃは小さくなる。受光面となるｐ＋型半導体層３２の面積Ｓが小さい程、光検出器１００３の内部にある電子と正孔を速やかに外部に取り出すことができる。
【００２８】
このため、受光面となるｐ＋型半導体層３２の面積Ｓは１００μｍ×１００μｍ以下であることが望ましい。一方、受光面となるｐ＋型半導体層３２の面積Ｓが小さすぎる場合、光検出器１０００の検出感度が低下する。受光面となるｐ＋型半導体層３２の面積Ｓは、不感時間の低減と光の検出感度を両立させるため、例えば、２５μｍ×２５μｍが好ましい。
【００２９】
図１（ｂ）のＧＧ’断面図において、入射した光４００は１次元回折格子８０１で回折し、１次元回折格子８０１が配列している方向に進む。
【００３０】
図１（ｃ）のＳＳ’断面図において、空乏層７１は、１次元回折格子８０１と同じ方向に配列されている。したがって、１次元回折格子８０１による光４００の進む方向と、複数の空乏層７１が配列している方向は同じである。光４００は１次元回折格子８０１で回折され、複数ある空乏層７１に吸収される。
【００３１】
光検出器１００３のように複数の空乏層７１を設けることで、１個当たりの空乏層７１の面積を大きくしなくても、空乏層７１の光の検出面積を維持し、高速に応答できる。１次元回折格子８０１で特定の方向に限定して光を回折できるため、後述する２次元回折格子を用いた光検出器１００４よりも省スペースで高効率な光検出器が実現する。
【００３２】
図２（ａ）に回折格子８０１側から見た光検出器１００３’、図２（ｂ）に光検出器１００３’の回路図、図２（ｃ）に光検出器１００３’のＤＤ’断面図を示す。
【００３３】
図２（ａ）の光検出器１００３’において、クエンチ抵抗２００ａ、２００ｂ、２００ｃは、受光面であるｐ＋型半導体層３２の領域外に設けられる。
【００３４】
クエンチ抵抗２００ａ、２００ｂ、２００ｃと半導体層５の間に絶縁層５０が設けられる。クエンチ抵抗２００ａ、２００ｂ、２００ｃのそれぞれは、第１電極１０ａを介して、光検出領域１００３’ａ、１００３’ｂ、１００３’ｃのそれぞれと接続されている。光検出領域１００３’ａ、１００３’ｂ、１００３’ｃのそれぞれは、受光面であるｐ＋型半導体層３２である。
【００３５】
光検出領域１００３’ａ、１００３’ｂ、１００３’ｃのそれぞれに対応させてクエンチ抵抗２００ａ、２００ｂ、２００ｃと第１の電極１０ａを設けると、半導体層５の内部に各光検出領域１００３’ａ、１００３’ｂ、１００３’ｃに対応した空乏層を作ることができる。
【００３６】
クエンチ抵抗２００ａ、２００ｂ、２００ｃと絶縁層５０の間に配線１１が設けられる。配線１１は、クエンチ抵抗２００ａ、クエンチ抵抗２００ｂ、およびクエンチ抵抗２００ｃをそれぞれ接続している。
【００３７】
図２（ｂ）（ｃ）において、クエンチ抵抗２００ａは、光検出領域１００３’ａに接続されている。クエンチ抵抗２００ｂは、光検出領域１００３’ｂに接続されている。クエンチ抵抗２００ｃは、光検出領域１００３’ｃに接続されている。
【００３８】
光検出領域１００３’ａ、１００３’ｂ、１００３’ｃのそれぞれは、クエンチ抵抗２００ａ、２００ｂ、２００ｃを介して、並列に接続されている。
【００３９】
光検出器１００３’は、それぞれの光検出領域１００３’ａ、１００３’ｂ、１００３’ｃからなるが、一つの出力として信号処理される。
【００４０】
（第１の実施形態の変形例１）
以下に、上述した光検出器１００３の効果を示すための第１の実施形態の変形例を示す。
【００４１】
図３（ａ）に光検出器１００４、図３（ｂ）に光検出器１００４のＧＧ’断面図、図３（ｃ）に光検出器１００４のＳＳ’断面図を示す。
【００４２】
図１（ａ）と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図３（ａ）において、光検出器１００４は２次元回折格子８２１を備える。２次元回折格子８２１は、半導体層５の第１の受光面側に設けられる。２次元回折格子８２１は、半導体層５と基板９０の間に設けられる。２次元回折格子８２１は、第１の受光面の面内の全体に２次元に配列されている。２次元回折格子８２１は、凸部と凹部を有する。凸部と凹部は、所定の周期で交互に配列されている。
【００４４】
光検出器１００４において、入射した光４００は２次元回折格子８２１で回折される。光４００は、複数ある空乏層７１で検出される。
【００４５】
図３（ｂ）から、光検出器１００４に入射した光４００は２次元回折格子８２１により第１の受光面の面内の全体に回折される。
【００４６】
図３（ｃ）において、半導体層５の内部において、複数の空乏層７１は、面内の全体に２次元に配列されている。複数の空乏層７１は、２次元回折格子８２１で回折された光４００を吸収する。
【００４７】
したがって、回折された光４００の多くを検出する場合、空乏層７１は２次元的に広く設けなければならない。一方、光検出器１００３において、光４００は１次元回折格子８０１で特定の方向に回折されるため、光４００が面内に散らばらない。光検出器１００３は、光検出器１００４に比べて、少ない数の空乏層７１を設ければ良い。
【００４８】
（第２の実施形態）
図４（ａ）に光検出器１００５”、図４（ｂ）に光検出器１００５、図４（ｃ）に光検出器１００５の高さｄと吸収効率の関係、および図４（ｄ）に光検出器１００５”、１００５の吸収効率を示す。
【００４９】
図１（ａ）と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図４（ａ）の光検出器１００５”は、図１（ａ）の丸枠で囲まれた１次元回折格子８０１の凸部の拡大図の一実施形態である。
【００５１】
図４（ａ）において、光検出器１００５”は、光検出器１００３の１次元回折格子８０１を階段状１次元回折格子８０２’に替えたものである。図４（ａ）は、階段状１次元回折格子８０２’の１周期分を示している。
【００５２】
階段状１次元回折格子８０２’は、段差を有し、階段状である。階段状１次元回折格子８０２’の１段あたりの高さをｄとする。階段状１次元回折格子８０２’の１段あたりの水平方向の長さ（幅）をｗとする。階段状１次元回折格子８０２’は、例えば半導体層５と同じ材料で構成される。
【００５３】
図４（ｂ）の光検出器１００５は、図１（ａ）の丸枠で囲まれた１次元回折格子８０２の凸部の拡大図であり、１次元回折格子の凸部を階段状１次元回折格子８０２に替えたものである。光検出器１００５は、光検出器１００３の１次元回折格子８０１の変形例として、階段状１次元回折格子８０２を備えている。図４（ｂ）は、１次元回折格子８０２の１周期分を示している。
【００５４】
階段状１次元回折格子８０２は、複数の段差を有しする階段状である。階段状１次元回折格子８０２は、上述した階段状１次元回折格子８０２’よりも段差の数が多い。階段状１次元回折格子８０２の１段あたりの高さをｄとする。階段状１次元回折格子８０２の１段あたりの水平方向の長さ（幅）をｗとする。階段状１次元回折格子８０２は、例えば半導体層５と同じ材料で構成される。
【００５５】
図４（ｃ）は、光検出器１００５の階段状の１次元回折格子８０２の１段あたりの高さｄの値と光の吸収効率の関係を示している。
【００５６】
図４（ｃ）はシミュレーションで算出される。シミュレーションの条件として、基板９０はガラス、半導体層５は厚み８ｕｍのシリコン、反射材２１は厚み２００ｎｍのアルミニウムとした。また水平方向の空乏層７１の長さ（幅）は２ｕｍ、光はランダム偏光で波長は９００ｎｍとした。階段状１次元回折格子８０２の１段あたりの水平方向の長さ（幅）ｗを４００ｎｍとした。なお、このシミュレーションは時間領域差分法で計算し、ｘ方向には周期境界条件、ｚ方向には完全吸収境界条件を用いた。ｘ方向に周期境界条件を用いることで、ｘ方向に検出器領域となる空乏層７１を配列させている。
【００５７】
図４（ｃ）から、階段状１次元回折格子８０２が無い（ｄ＝０）場合よりも階段状１次元回折格子８０２（ｄ≠０）を設けたことで、光検出器１００５の光の吸収効率が向上している。階段状１次元回折格子８０２を設けることで、光を半導体層５内部に留めやすくなる。
【００５８】
図４（ｄ）はシミュレーションで算出される。シミュレーションの条件として、階段状１次元回折格子８０２’、８０２の１段あたりの長さ（幅）ｗは４００ｎｍ、高さｄは２５０ｎｍとした。階段状１次元回折格子８０２’、８０２はシリコンからなるとした。その他の条件は図４（ｃ）と同様である。
【００５９】
Ｓ１”は光検出器１００５”の吸収効率、Ｓ１は光検出器１００５の吸収効率を示す。また図４（ｄ）には、参考のため、比較例１の光検出器の吸収効率ＲＥＦ１も示す。比較例１のＲＥＦ１は、１次元回折格子８０１を設けない場合の光検出器１００３の吸収効率である。
【００６０】
さらに、図４（ｄ）には、参考のため、光検出器１００５において、ｘ方向に周期境界条件ではなく有限領域とした場合における光検出器１００５の吸収効率Ｓ’１も示す。Ｓ’１は、空乏層７１のｘ方向の幅を２０μｍとして、シミュレーションで算出した。
【００６１】
Ｓ１”およびＳ１は、ＲＥＦ１よりも波長依存性が抑えられ、高い吸収効率を実現する。Ｓ１は、Ｓ１”よりも吸収効率の波長依存性が低い。よって、光検出器１００５は、光検出器１００５”よりも安定した吸収効率を実現する。階段状１次元回折格子８０２の段差の数を多くするほど、光検出器１００５の吸収効率の波長依存性は抑えられる。したがって、階段状１次元回折格子８０２の段差の数を多くするほど、光検出器１００５は安定した吸収効率を実現する。
【００６２】
（第３の実施形態）
図５（ａ）に光検出器１００７、図５（ｂ）に光検出器１００７の光の吸収効率を示す。
【００６３】
図５（ａ）において、光検出器１００７は、光検出器１００５に経路分離層（スペーサ層）５９を設けたものである。図１（ａ）と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００６４】
経路分離層５９は、半導体層５と反射材２１の間に設けられる。経路分離層５９の屈折率は、半導体層５の屈折率よりも低い。経路分離層５９は、例えば、ＳｉＯ２などの酸化膜、ＳｉＮなどの窒化膜で構成される。
【００６５】
階段状１次元回折格子８０２で回折された光４００は、半導体層５と経路分離層５９の界面で全反射させる。光４００は半導体層５内に閉じ込められる。
【００６６】
半導体層５と経路分離層５９の界面で全反射されなかった光４００は、経路分離層５９と反射材２１の界面で反射され半導体層５に入射する。
【００６７】
光検出器１００７は、経路分離層５９により、反射材２１での光の反射損失を低減させる。
【００６８】
図５（ｂ）に光検出器１００７の吸収効率（Ｓ３）の波長依存性を示す。
【００６９】
図５（ｂ）はシミュレーションで算出される。シミュレーションの条件として、基板９０はガラス、半導体層５は厚み８ｕｍのシリコン、反射材２１は厚さ２００ｎｍのアルミニウムとした。空乏層７１の幅は２ｕｍとした。光４００はランダム偏光である。階段状１次元回折格子８０２の１段あたりの幅ｗは４００ｎｍ、高さｄは２５０ｎｍとした。階段状１次元回折格子８０２はシリコンで構成される。経路分離層５９の厚みは１．１ｕｍとした。経路分離層５９の屈折率は１．５程度とした。
【００７０】
図５（ｂ）には、上述した光検出器１００５の吸収効率（Ｓ１）も示した。図５（ｂ）から、Ｓ３は、Ｓ１よりも高い吸収効率を実現する。
【００７１】
（第４の実施形態）
図６（ａ）に光検出器１００６、図６（ｂ）に光検出器１００６’の光の吸収効率を示す。
【００７２】
図６（ａ）において、光検出器１００６は、光検出器１００５に反射材２１が設けられていないものである。図１（ａ）と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００７３】
光検出器１００６に入射した光４００は、階段状１次元回折格子８０２で回折される。回折された光４００は半導体層５に入射し、半導体層５の第１の受光面とは反対側の半導体層５と外部の界面で全反射される。光４００が半導体層５と外部の界面で全反射される反射率は、光検出器１００５の反射材２１で光が反射される反射率よりも高い。そのため、光検出器１００６は、光検出器１００５よりも高い光の吸収効率を実現する。
【００７４】
図６（ｂ）に光検出器１００６の光の吸収効率（Ｓ２）の波長依存性を示す。
【００７５】
図６（ｂ）はシミュレーションで算出される。シミュレーションの条件として、基板９０はガラス、半導体層５は厚み８ｕｍのシリコンとした。また水平方向の空乏層７１の長さ（幅）は２ｕｍとした。光４００はランダム偏光である。階段状１次元回折格子８０２の１段あたりの長さ（幅）ｗは４００ｎｍ、高さｄは２５０ｎｍとした。階段状１次元回折格子８０２はシリコンからなるとした。
【００７６】
図６（ｂ）において、上述した光検出器１００５（Ｓ１）も示してある。Ｓ２は、Ｓ１よりも高い吸収効率が実現される。
【００７７】
（第５の実施形態）
図７に光検出器１００８を示す。
【００７８】
図１（ａ）と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００７９】
光検出器１００８は、光検出器１００３に１次元回折格子（回折格子）として１次元回折格子（回折格子）８０３を設けたものである。
【００８０】
１次元回折格子８０３は、ブレーズ状（鋸歯状）の位相回折格子である。１次元回折格子８０３において、ブレーズ方向が異なる２種類のブレーズ状位相回折格子が対向している。１次元回折格子８０３は、階段状回折格子としても良い。１次元回折格子８０３は、特定の回折次数への回折効率が高くなるよう設計できることが知られている。したがって、光検出器１００８の中央に光が回折するようにブレーズ方向を対向させると、光検出器１００８の外部に光が逃げにくい。そのため、光検出器１００８において、高い光の検出効率が実現する。
【００８１】
なお、１次元回折格子８０４の２つのブレーズ状位相回折格子の接点の位置は、必ずしも光検出器の中央で無くても良い。
【００８２】
（第６の実施形態）
図８（ａ）に光検出器１００９、図８（ａ）に光検出器１００９のＧＧ’断面図、図８（ｃ）に光検出器１００９のＳＳ’断面図を示す。
【００８３】
図１（ａ）と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８４】
光検出器１００９において、階段状１次元回折格子８０２は、半導体層５の第２の受光面側に設けられている。基板９０は、半導体層５の第１の受光面側に設けられている。反射材２１は、半導体層５側とは反対側の階段状１次元回折格子８０２に設けられている。
【００８５】
階段状１次元回折格子８０２は、半導体層５を透過した光４００を回折する。回折された光４００は、反射材２１で半導体層５の空乏層７１に向けて反射される。
【００８６】
図８（ｂ）および図８（ｃ）から、階段状１次元回折格子８０２は、空乏層７１の配置方向に合わせて配列される。
【００８７】
（第７の実施形態）
図９（ａ）に光検出器１０１０、図９（ｂ）に光検出器１０１０のＧＧ’断面図、図９（ｃ）に光検出器１０１０のＳＳ’断面図を示す。
【００８８】
図８（ａ）と同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【００８９】
光検出器１０１０において、反射材２１は、基板９０と半導体層５の間に設けられる。半導体層５の第１の受光面から入射してきた光は、階段状１次元回折格子８０２で回折される。回折された光は、空乏層７１に吸収される。回折された光のうち、一旦空乏層７１を透過した光は、反射材２１で反射され、空乏層７１に吸収される。
【００９０】
図９（ｂ）および図９（ｃ）から、階段状１次元回折格子８０２は、空乏層７１の配置方向に合わせて配列される。
【００９１】
図１０（ａ）に光検出器１０１０、１０１１、１０１８、図１０（ｂ）に光検出器１０１０、１０１１、１０１８の吸収効率の波長依存性を示す。
【００９２】
図９（ａ）と同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【００９３】
図１０（ａ）は、図９（ａ）の光検出器１０１０の階段状１次元回折格子８０２の凸部を拡大したものである。
【００９４】
光検出器１０１１は、光検出器１０１０の反射材２１を設けないものである。光検出器１０１８は、光検出器１０１０において、半導体層５と基板９０の間に経路分離層（スペーサ層）５９を設けたものである。
【００９５】
図１０（ｂ）において、Ｓ’‐１は光検出器１０１０の吸収効率、Ｓ’‐２は光検出器１０１１の吸収効率、Ｓ’‐３は光検出器１０１８の吸収効率を示す。
【００９６】
図１０（ｂ）はシミュレーションで算出される。シミュレーションの条件として、基板９０はガラス、半導体層５は厚み８ｕｍのシリコン、反射材２１は厚み２００ｎｍのアルミニウムとした。空乏層７１の幅は２ｕｍとした。光４００はランダム偏光である。階段状１次元回折格子８０２の１段あたりの幅ｗは４００ｎｍ、高さｄは２５０ｎｍとした。階段状１次元回折格子８０２はシリコンで構成される。光検出器１０１８の経路分離層５９の厚みは１．１ｕｍとし、屈折率は１．５程度とした。
【００９７】
参考のため、光検出器１０１０において、階段状１次元回折格子８０２が無い場合の吸収効率ＲＥＦ１’も示した。
【００９８】
図１０（ｂ）から、Ｓ’‐１、Ｓ’‐２、およびＳ’‐３は、ＲＥＦ１’よりも高い吸収効率を実現する。特に中でもＳ’‐３が最も高い吸収効率を実現する。
【００９９】
（第８の実施形態）
図１１（ａ）に光検出器１０１２、図１１（ｂ）に光検出器１０１２のＧＧ’断面図、図１１（ｃ）に光検出器１０１２のＳＳ’断面図を示す。
【０１００】
図１（ａ）および図８（ａ）と同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【０１０１】
基板９０は、階段状１次元回折格子８０２側とは反対側の反射材２１に設けられている。第１の受光面側から入射した光は、空乏層７１に吸収される。第１の受光面側から入射した光のうち、一旦空乏層７１を透過した光は、階段状１次元回折格子８０２に回折され、さらに反射材２１で反射され空乏層７１に吸収される。
【０１０２】
図１１（ｂ）および図１１（ｃ）から、階段状１次元回折格子８０２は、空乏層７１の配置方向に合わせて配列される。
【０１０３】
（第９の実施形態）
図１２（ａ）に光検出装置１０１３、図１２（ｂ）に光検出装置１０１４、図１２（ｃ）に光検出装置１０１３’を示す。
【０１０４】
図１２（ａ）において、光検出装置１０１３は、複数の光検出器１０１３ａで構成される。光検出装置１０１３において、複数の光検出器１０１３ａが１次元的に配列されている。複数の光検出器１０１３ａのそれぞれは、上述した第１〜８の実施形態による光検出器である。複数の光検出器１０１３ａの受光面は、２次元的に配列されている。光検出装置１０１３は、検出した光の１次元的な位置情報などを得ることができる。
【０１０５】
図１２（ｂ）において、光検出装置１０１４は、複数の光検出器１０１４ａで構成される。光検出装置１０１４において、光検出器１０１４ａが一次元的に配列されている。複数の光検出器１０１４ａのそれぞれは、上述した第１〜８の実施形態による光検出器である。複数の光検出器１０１４ａの受光面は、２次元的に配列されている。光検出器１０１４ａは、図２に示す光検出器１００３’のように、一つの出力信号を出す。光検出装置１０１４は、検出した光の１次元的な位置情報を得ることができる。
【０１０６】
図１２（ｃ）において、光検出装置１０１３’は、複数の光検出器１０１３’ａで構成される。光検出装置１０１３’において、光検出器１０１３’ａが２次元的に配列されている。光検出器１０１３’ａは、上述した第１〜８の実施形態による光検出器である。複数の光検出器１０１３’ａの受光面は、２次元的に配列されている。光検出装置１０１３’は、検出した光の２次元的な位置情報などを得ることができる。
【０１０７】
（第１０の実施形態）
図１３に光検出装置１０１５を示す。
【０１０８】
光検出装置１０１５は、図１２の光検出装置１０１３に反射壁２９を設けたものである。例えば、反射壁２９は、光検出器１０１３ａと光検出器１０１３ａの間に設けられる。光４００が光検出器１０１３ａの１次元回折格子で十分に回折されなかった場合、反射壁２９は、検出領域外に出た光４００を再び検出領域に戻す役割を果たす。１次元回折格子の周期方向と、光検出器内における検出領域の配列方向が十分一致しない場合、反射壁２９は有効である。
【０１０９】
（第１１の実施形態）
図１４（ａ）に光検出器１０１６、図１４（ｂ）に光検出器１０１６のＧＧ’断面図、図１４（ｃ）に光検出器１０１６のＳＳ’断面図を示す。
【０１１０】
図１（ａ）と同じ部分には同じ番号を付して説明を省略する。
【０１１１】
図１４（ａ）の光検出器１０１６において、階段状１次元回折格子８０２の周期方向は、光空乏層７１の配列方向と異なる。また光検出器１０１６において、第１の受光面の周囲の少なくとも一部に溝（空隙部）６００が設けられている。
【０１１２】
図１４（ｂ）のＧＧ’断面図において、階段状１次元回折格子８０２の周期方向は、例えば、空乏層７１の配列方向に対して４５度傾いている。図１４（ｂ）に示した点線は、半導体層５内部の空乏層７１の位置を示している。
【０１１３】
図１４（ｃ）のＳＳ’断面図において、溝６００は、空乏層７１領域の周囲全体あるいは一部を囲むように設けられる。
【０１１４】
光検出器１０１６において、光４００は、階段状１次元回折格子８０２で回折すると、溝６００に入射する。階段状１次元回折格子８０２の周期方向と空乏層７１の配列方向が異なるため、階段状１次元回折格子８０２で回折された光４００は、溝６００に対して特定の入射角度を持つ。溝６００は、例えば、空気で満たされているため、光４００は、半導体層５と溝６００の界面で全反射する。全反射した光４００は、他の溝６００でも同様に全反射されるため、光４００は検出領域面内に閉じ込められる。
【０１１５】
図１５（ａ）に光を検出領域に閉じ込める条件、図１５（ｂ）に角度αと角度θ１、θ２の関係、および図１５（ｃ）に角度θと溝６００の反射率を示す。
【０１１６】
図１５（ａ）は、光検出器１０１６を第１の受光面側から見た場合の図である。ここで、半導体層５はシリコン、溝６００は空気で満たされているとする。階段状１次元回折格子８０２の直線状に配列されている凸部または凹部と溝６００のなす角度がαである場合、光４００は、溝６００における空気と半導体層５の界面に入射角θ１で入射する。
【０１１７】
図１５（ｂ）に角度αと角度θ１の関係を示す。
【０１１８】
横軸に角度α、縦軸に角度θ１を示す。また、縦軸は後述する角度θ２も示す。
【０１１９】
光４００が溝６００における界面で全反射する条件は、θ１が１５．８（ｄｅｇ）以上の時である。したがって、角度αも１５．８（ｄｅｇ）とする。さらに、この全反射した光４００が溝６００の別の界面に入射角θ２で入射した場合、光４００を全反射させるためには、入射角θ２は１５．８（ｄｅｇ）とする必要がある。このとき、角度αは９０−θ２（ｄｅｇ）で表されるため、角度αは９０−１５．８（ｄｅｇ）となる。したがって、直線状に配列されている凸部または凹部と溝６００のなす角度が１５．８（ｄｅｇ）≦α≦９０−１５．８（ｄｅｇ）の場合、光４００を光検出器領域内に完全に閉じ込めることができる。
【０１２０】
図１５（ｃ）は水平方向における溝６００の長さ（幅）ｘと溝６００における界面の光の反射率を表している。
【０１２１】
横軸に入射角θ１（θ２）、縦軸に反射率を示す。
【０１２２】
図１５（ｃ）はシミュレーションで算出される。半導体層５はシリコンで構成される。溝６００の内部は空気で満たされているとする。光の波長を９０５ｎｍ、溝６００の幅をｘとした。溝６００の幅ｘが少なくとも光の波長以上の長さであれば、溝６００への入射角θが臨界角以上となる場合に、幅ｘを無限大とした場合と同様の効果が得ることができる。ただし、幅ｘを大きくしすぎると、光検出器１０１６の光検出領域が減少してしまう。そのため、幅ｘは、例えば、最大でも１ｍｍ以下となる。
【０１２３】
（第１１の実施形態の変形例）
図１６（ａ）に光検出器１０１７、図１６（ｂ）に光検出器１０１７のＧＧ’断面図、図１６（ｃ）に光検出器１０１７のＳＳ’断面図を示す。
【０１２４】
図１４（ａ）と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【０１２５】
図１６（ａ）および図１６（ｂ）において、光検出器１０１７は、２次元回折格子８２１が設けられている。図１６（ｂ）において、点線は半導体層５の内部にある空乏層７１の位置を示している。
【０１２６】
図１６（ｃ）の光検出器１０１７において、入射した光４００は２次元回折格子８２１により回折される。２次元回折格子８２１で回折された光４００は、面内に四方八方に広がり溝６００に到達する。回折された光４００の一部は、半導体層５と溝６００の界面で全反射される。しかし、回折された光４００の残りは、半導体５から溝６００に透過してしまう。
【０１２７】
一方、図１４の光検出器１０１６において、光４００の全ては、半導体層５と溝６００の界面で全反射される。このため光検出器１０１６は、光検出器１０１７よりも高い検出効率を実現しやすい。
【０１２８】
（第１２の実施形態）
図１７（ａ）に光検出装置１００８、図１７（ｂ）にｘｚ平面またはｙｚ平面から見た光検出装置１００８を示す。
【０１２９】
光検出装置１００８において、複数の光検出器１００８ａが配列されている。光検出器１００８ａは、上述した光検出器１０１６や光検出器１０１７である。光検出装置１００８において、複数の光検出器１００８ａが配列することで２次元的な情報を得ることができる。
【０１３０】
（製造方法）
図１８は光検出器１００３の製造方法を説明するため図である。ここでは、半導体材料としてＳｉを用いる場合の一例を示す。
【０１３１】
まず、図１８（ａ）において、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、シリコン支持基板９１、ＢＯＸ（埋め込み酸化層）５２、活性層（ｎ型半導体）４０がこの順序で積層された構造を有している。ｎ型半導体４０上にｐ−型半導体３０をエピタキシャル成長により形成する。
【０１３２】
次に、図１８（ｂ）において、ｐ−型半導体３０の一部の領域がｐ＋型半導体３１となるように、不純物（例えばボロン）を注入する。これによって、ＳＯＩ基板の活性層４０の部分に光検出素子を構成するｐ＋型半導体３１が形成される。またｐ−半導体層３０上に図示しない第１マスクを形成し、この第１マスクを用いてｐ型の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３０にｐ＋型半導体３２を形成する。
【０１３３】
図１８（ｃ）において、上記第１マスクを除去後、例えば、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより半導体層３０上部にｘ方向の１次元回折格子８０１を形成する。
【０１３４】
図１８（ｄ）において、絶縁層５０を形成する。絶縁層５０とｐ＋型半導体３２の周辺部を覆うようして第１電極１０を形成する。第１電極１０は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属またはそれらの合金が用いられる。
【０１３５】
図１８（ｅ）において、１次元回折格子８０１および第１電極１０を覆う様に保護層８２が形成される。保護層８２上に支持基板９２が設けられる。基板９２は保護層８２に直接接着させても良く、図示していない接着層を用いて基板９２と保護層８２を接着させても良い。支持基板９２を設けた後、支持基板９１をドライエッチングする。このドライエッチングには、例えば、ＳＦ６などの反応ガスを用いることができる。このドライエッチングにおいて、シリコン支持基板９１とＢＯＸ５１とのエッチング選択比を有する反応ガスを用いた場合、ＢＯＸ５２をエッチングストップ膜として用いることができる。なお、シリコン支持基板９１が十分厚い場合は、バックグライディングおよびＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）のような研磨プロセス、またはウェットエッチングを併用しても良い。ウェットエッチングを用いる場合は、エッチャントにＫＯＨまたはＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−ｍｅｈｔｙｌ−ａｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を使用することができる。これによりシリコン支持基板９１がエッチングされると、ＢＯＸ５２が露出する。
【０１３６】
図１８（ｆ）において、露出したＢＯＸ５２をエッチングにより除去し、ｎ型半導体層４０を露出する。このエッチングは、フッ酸等によるウェットエッチングを用いることができる。このようなウェットエッチングを用いることで、シリコンとのエッチング選択比を十分確保し、露出したＢＯＸ５１を選択的に除去することができる。ｎ型半導体層４０の露出後、少なくともｐ＋型半導体３１，３２が設けられている光検出領域を覆うように、ｎ型半導体層４０上に反射層２１が設けられる。
【０１３７】
（第１３の実施形態）
図１９（ａ）に測定システム、図１９（ｂ）（ｃ）に測定システムの具体例を示す。
【０１３８】
測定システムは、少なくとも光検出装置１０１９および光源３０００で構成される。
【０１３９】
測定システムにおいて、光源３０００は、測定対象５００に光４１０を発する。光検出装置１０１９は、測定対象５００を透過あるいは反射、拡散した光４１１を検出する。測定システムは、例えば、図１９（ｂ）に示すように、光源３０００と光検出装置１０１９が別々の筐体で構成されても良い。あるいは、図１９（ｃ）に示すように、光源３０００と光検出装置１０１９が同一筐体内にあっても良い。光検出装置１０１９を上述した実施形態の光検出器または光検出装置のいずれかとすることで、特に近赤外領域で高感度な測定システムが実現する。
【０１４０】
（第１４の実施形態）
図２０にライダー（Ｌａｓｅｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＡＲ）装置５００１を示す。
【０１４１】
ライダー装置５００１は、投光ユニットと受光ユニットとを備えている。
【０１４２】
投光ユニットは、光発振器３０４、駆動回路３０３、光学系３０５、走査ミラー３０６、および走査ミラーコントローラ３０２で構成される。受光ユニットは、参照光用検出器３０９、光検出装置３１０、距離計測回路３０８、および画像認識システム３０７で構成される。
【０１４３】
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。走査ミラーコントローラ３０２は、走査ミラー３０６を制御して対象物５０１にレーザ光を照射する。
【０１４４】
受光ユニットにおいて、参照光用検出装置３０９は、光学系３０５によって取り出された参照光を検出する。光検出装置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、参照光用光検出装置３０９で検出された参照光と光検出装置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。
【０１４５】
ライダー装置５００１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。光検出装置３１０として、上述した実施形態の光検出器または光検出装置のいずれかを用いると、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。
【０１４６】
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】
【０１４７】
５  半導体層
１０、１０ａ、１１  第１電極
２０  第２電極
２１  反射材
２９  反射壁
３０  ｐ−型半導体
３１、３２  ｐ＋型半導体
４０  ｎ型半導体
５０、５１  絶縁層
５２  ＢＯＸ（埋め込み酸化層）
５９  経路分離層
７０  保護層
７１  空乏層
９０  基板
９１  シリコン支持基板
９２  支持基板
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ  クエンチ抵抗
３１０  光検出装置
３０２  走査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  走査ミラー
３０７  画像認識システム
３０８  距離計測回路
３０９  参照光用光検出装置
３１０  光検出装置
４００  光
５００、５０１  測定対象
６００  溝
８０１、８０２、８０２’、８０３  １次元回折格子
８２１  ２次元回折格子
１００３、１００３‘、１００３’ａ、１００３’ｂ、１００３‘ｃ、１００４、１００５、１００５”、１００６、１００６’、１００６”、１００７、１００７’、１００７”、１００８ａ、１００８ｂ、１００９、１０１０、１０１１、１０１２、１０１３ａ、１０１３’ａ、１０１４ａ、１０１６、１０１７、１０１８  光検出器
１００３’、１００８、１０１３、１０１３’、１０１４、１０１５、１０１９  光検出装置
３０００  光源
５００１  ライダー装置
【図１】
2017224755.tif 000003
【図２】
2017224755.tif 000004
【図３】
2017224755.tif 000005
【図４】
2017224755.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2017224755.tif 000010
【図９】
2017224755.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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