(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、およびライダー装置を提供する。【解決手段】本発明の光検出器は、受光面を有する半導体層と、前記半導体層の前記受光面側の反対側に設けられ前記受光面から入射した光を反射する第１の反射材と、前記半導体層の側面に設けられた傾斜部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記受光面側の反対側に設けられ前記受光面から入射した光を反射する第１の反射材と、
前記半導体層の側面に設けられた傾斜部と、
を備える光検出器。
【請求項２】
前記半導体層の前記受光面に光を透過する基板をさらに備える請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記傾斜部の傾斜面の角度は、前記第１の反射材から前記受光面に向かう方向に対して１０度以上８０度以下である請求項１または請求項２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記傾斜部の傾斜面の角度は、前記第１の反射材から前記受光面に向かう方向に対して４５度以上７５度以下である請求項１または請求項２に記載の光検出器。
【請求項５】
前記傾斜部の表面を覆い前記受光面から入射した光を反射する第２の反射材をさらに備える請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項６】
前記第１の反射材側の前記半導体層は表面に凹凸部を有する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項７】
前記傾斜部は前記半導体層の一部である請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項８】
前記半導体層の前記第１の反射材がある側に基板をさらに備える請求項１に記載の光検出器。
【請求項９】
前記半導体層の傾斜部の傾斜面の角度は前記受光面から前記第１の反射材に向かう方向に対して１０度以上８０度以下である請求項８に記載の光検出器。
【請求項１０】
前記傾斜部の傾斜面は円弧状に形成された円弧面である請求項２または請求項８に記載の光検出器。
【請求項１１】
受光面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記受光面側の反対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前記受光面から入射した光を反射する第１の反射材と、
前記半導体層の隣に設けられ、前記半導体層の側面に向けて光を反射する傾斜面を有する傾斜部と、
を備える光検出器。
【請求項１２】
前記傾斜部の傾斜面の角度は前記第１の反射材から前記受光面に向かう方向に、前記半導体層の側面に対して１０度以上８０度以下である請求項１１に記載の光検出器。
【請求項１３】
前記傾斜部の傾斜面は円弧状に形成された円弧面である請求項１１に記載の光検出器。
【請求項１４】
前記半導体層は前記受光面から前記第１の反射材に向かう方向にｐ型半導体層およびｎ型半導体層の順で構成される請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１５】
前記半導体層は前記受光面から前記第１の反射材に向かう方向に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請求項１４に記載の光検出器。
【請求項１６】
前記半導体層は前記受光面から前記第１の反射材に向かう方向にｎ型半導体層およびｐ型半導体層の順で構成される請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１７】
前記半導体層は前記受光面から前記第１の反射材に向かう方向に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る請求項１６に記載の光検出器。
【請求項１８】
前記受光面から前記第１の反射材の方向における前記半導体層の長さは１μｍ以上１５μｍ以下である請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１９】
請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の光検出器を複数配列して構成される光検出装置。
【請求項２０】
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し請求項１９に記載の光検出装置と、
前記物体と前記光検出器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。近赤外の波長帯域の光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】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“Ｔｈｅ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｏｎ  ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ２７．１（１９８０）：６２−６５
【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、近赤外の波長域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、受光面を有する半導体層と、前記半導体層の前記受光面側の反対側に設けられ前記受光面から入射した光を反射する第１の反射材と、前記半導体層の側面に設けられた傾斜部と、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の実施形態の光検出器における傾斜角と面積比の関係図。
【図４】第２の実施形態の光検出装置。
【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６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】光検出器の作製図。
【図１３】光検出器の作製図。
【図１４】測定システムの構成図。
【図１５】ライダー装置図。
【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１００２、図１（ｂ）に光検出器１００２の断面図、および図１（ｃ）に光検出器１００２の光の吸収効率を示す。
【００１０】
図１（ａ）において、光検出器１００２は、基板９０、半導体層５、光路変換部７００、反射材２１で構成される。
【００１１】
図１（ｂ）において、半導体層５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で構成される。後述する図２からは、半導体層５を構成する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は省略し、単に半導体層５と示す。
【００１２】
半導体層５のｐ＋型半導体層３２は受光面である。
【００１３】
半導体層５の受光面側には、図示しない第１電極が設けられる。
【００１４】
基板９０は、半導体層５の受光面であるｐ＋型半導体層３２側に設けられる。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。
【００１５】
反射材（第１の反射材）２１は、半導体層５の受光面であるｐ＋型半導体層３２側とは反対側に設けられる。反射材２１は、電極の機能を兼ね備えてもよい。
【００１６】
半導体層５は、受光面から反射材２１に向かう方向に、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の順に構成される。
【００１７】
半導体層５は、受光面から反射材２１に向かう方向に、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の順で構成される。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、受光面から反射材２１に向かう方向に、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。
【００１８】
半導体層５は、受光面から反射材２１に向かう方向に、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。
【００１９】
半導体層５は、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
光路変換部（傾斜部）７００は、半導体層５の側面に設けられる。光路変換部７００は、半導体層５の一部、すなわち、半導体層５と一体的に形成されていてもよいし、半導体層５とは別に形成されてもよい。半導体層５の光路変換部７００は傾斜面を有する。半導体層５の反射材２１から受光面のｐ＋型半導体層３２に向かう方向に対して、傾斜面の角度はα（ｄｅｇ）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８０を介して接着されても良い。
【００２４】
半導体層５の内部には、空乏層７１が形成される。受光面から入射した光４０２ａは、空乏層７１に吸収される。空乏層７１において、光４０２ａは、電子‐正孔対に変換される。受光面から入射し空乏層７１を透過した光４０２ａは、反射材２１に到達する。光４０２ａは、反射材２１で空乏層７１の方向に反射される。
【００２５】
受光面から光路変換部７００に入射した光４０２ｂは、光路変換部７００の傾斜面で反射され空乏層７１に入射する。
【００２６】
半導体層５の受光面側に設けられる図示していない第１電極と反射材２１に間に、ｐ−型半導体３０とｎ型半導体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４０の方向に流れる。電子‐正孔対の正孔はｐ＋型半導体３２の方向に流れる。このとき、ｐｎ接合に対する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３１において、電子は、ｐ−型半導体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１００２は、微弱な光を検出できる。
【００２７】
第１電極１０、１１と反射材２１の間の距離ｄは、例えば、１μｍ以上１５μｍ以下である。１μｍより小さいと、空乏層の領域が小さくなる。したがって、光検出器１００２の光の検出効率と増幅率が低くなる。１５μｍより大きいと、空乏層以外での光の吸収が増えてしまうため、光の検出効率の低下を招く。
【００２８】
光検出器１００２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１００２の不感時間を短くすることで、光検出器１００２は、効率良く光を検出することができる。光検出器１００２の不感時間を短くするためには、光検出器１００２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１００２の外部に取り出される速度は、光検出器１００２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３２の面積Ｓに依存する。受光面となるｐ＋型半導体３２の面積Ｓが小さい程、光検出器１００２の静電容量Ｃは小さくなる。受光面となるｐ＋型半導体３２の面積Ｓが小さい程、光検出器１００２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。
【００２９】
このため、受光面となるｐ＋型半導体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３２の面積Ｓが小さすぎる場合、光検出器１００２の検出感度が低下する。受光面となるｐ＋型半導体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。
【００３０】
図１（ｃ）は、光検出器１００２の光の吸収効率と、半導体層５の側面と光路変換部７００の傾斜面の間の角度αの関係を示している。
【００３１】
縦軸に光検出器１００２の光の吸収効率、横軸に光路変換部７００の傾斜面の角度αを示す。図１（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は厚み３００ｕｍのガラス、半導体層５は厚み８ｕｍのシリコン（Ｓｉ）、反射材２１は厚み１５０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）とした。半導体層５の一部である光路変換部７００もシリコン（Ｓｉ）である。傾斜面の角度αが０ｄｅｇとは、光検出器１００２は光路変換部７００を設けていない場合のことである。光の波長は９１０ｎｍとする。
【００３２】
図１（ｃ）において、空乏層７１の面積領域に相当する領域へ入射した光４０２ａの光強度を１とした場合を表している。
【００３３】
光路変換部７００の傾斜面の角度αが１０度以上８０度以下の場合に、光検出器１００２の光の吸収効率が向上している。そのため、光路変換部７００の傾斜面の角度αは１０度以上８０度以下にするのが好ましい。また、光路変換部７００の傾斜面の角度αが４５度以上７５度以下の場合に、光検出器１００２の光の吸収効率がさらに向上している。そのため、光路変換部７００の傾斜面の角度αは４５度以上７５度以下にするのがより望ましい。
【００３４】
角度αが１０度より小さいと、光路変換部７００を設ける効果が小さい。また角度αが８０度よりも大きいと、光検出器１００２に占める光路変換部７００が大きくなり、結果として光検出器１００２の面積が大きくなってしまう。光検出器１００２の面積が大きくなりすぎると、光検出器１００２を多数配列して２次元的な情報を得ようとする場合、１個の光検出器１００２あたりの分解能が劣化してしまう。
【００３５】
光路変換部７００を設けることで、実質的に光検出器１００２の光の検出領域が増える。光検出器１００２において、効率的に光を集めることができる。
【００３６】
図２（ａ）に光検出器１０００、図２（ｂ）に光検出器１００２を示す。
【００３７】
図２（ａ）において、光検出器１０００の半導体層５は簡略化して示してある。
【００３８】
図２（ａ）および図２（ｂ）において、光検出器１０００と光検出器１００２が検出する光の領域が同じになるように、光検出器１０００と光検出器１００２を図示している。
【００３９】
図２（ａ）において、光検出器１０００は光路変換部７００を設けていない。光検出器１０００は光４０２を検出する。光検出器１０００をライダー装置に利用する場合、大部分の光４０２は光検出器１０００にほぼ垂直に入射する。
【００４０】
半導体層５の材料としてシリコンを利用する場合、波長７００〜１０００ｎｍの光について半導体層５の屈折率は３．７程度である。このため、光４０２が屈折率１．０である空気から屈折率３．７の半導体層５に入射する場合、半導体層５に入射した光４０２は、半導体層５に対してほぼ垂直である。例えば、光４０２が光検出器１０００の入射面に対してどんな角度で入射したとしても、半導体層５において、光４０２はおよそ１５．７（ｄｅｇ）未満の角度で入射する。
【００４１】
光検出器１０００の空乏層７１の水平方向の長さをＬ１とする。光検出器１００２の空乏層７１の水平方向の長さをＬ２とし、光検出器１００２の受光面から反射材２１に向かう方向の半導体層５の長さをＤとする。
【００４２】
図２（ｂ）において、光検出器１００２は光路変換部７００で光４０２ｂを反射して光４０２ｂを空乏層７１に入射させることができる。そのため、光検出器１００２は、光検出器１０００よりも空乏層７１の領域を小さくすることができる。
【００４３】
光検出器１０００、１００２を例えばアバランシェ光検出器として利用する場合、光検出器１０００、１００２の静電容量の大きさが光検出器１０００、１００２の応答速度に影響する。光検出器１０００、１００２の静電容量は、光検出領域である空乏層７１の面積が小さい程小さくなる。光検出器１０００、１００２の静電容量が小さいほど、光検出器１０００、１００２は高速に応答できる。光検出器１００２は、光検出器１０００よりも空乏層７１の領域が小さいので、高速に応答できる。
【００４４】
図３に光検出器１００２における光路変換部７００の傾斜面の角度αと面積比（Ｌ１／Ｌ２）の関係を示す。
【００４５】
縦軸に面積比、横軸に光路変換部７００の傾斜面の角度αを示す。光検出器１００２の半導体層５の長さＤを１０ｕｍとする。光検出器１００２の空乏層７１の水平方向の長さＬ２を５ｕｍ、１０ｕｍ、２０ｕｍとした。
【００４６】
図３において、Ｌ２の値が小さい程Ｌ１／Ｌ２の値が大きくなる。つまり、光検出器１００２の空乏層７１の水平方向の長さＬ２の値が小さい程、光路変換部７００を設ける効果が大きくなる。またＬ１を一定とした場合、光路変換部７００を設けることでＬ２の値を小さくできるので、光検出器１００２の静電容量は小さくなり、高速に応答できる。
【００４７】
（第２の実施形態）
図４（ａ）に光検出装置１００４、図４（ｂ）に光検出装置１００３、図４（ｃ）に光検出装置１００３における角度αと光の吸収効率の関係を示す。
【００４８】
図１、図２と同じ部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
図４（ａ）において、光検出装置１００４は、光検出器１０００を２個並べたものである。それぞれを光検出器１０００ａおよび光検出器１０００ｂとする。２つの光検出器１０００ａと光検出器１０００ｂで基板９０を共有している。
【００５０】
光検出装置１００４をアバランシェ光検出装置として利用する場合、アバランシェ増幅過程において、余剰エネルギーによって光検出器１０００ａで光４０３が生じてしまう。この時、生じた光４０３は隣接する光検出器１０００ｂに入射し検出されてしまう。したがって本来検出すべき光４０２でなく、無関係な光４０３に対して光検出装置１００４が応答してしまう。これを解決する方法として、光検出装置１００４を構成する空乏層７１間に金属部２２による仕切りを設ける。これにより、光４０３は光検出器１０００ｂに入射しない。
【００５１】
図４（ｂ）において、光検出装置１００３は、光検出器１００２を２個並べたものである。それぞれを光検出器１００２ａおよび光検出器１００２ｂとする。
【００５２】
図４（ｂ）の光検出装置１００３の場合、光検出器１００２ａで生じた光４０３は、光路変換部７００の傾斜面で屈折し、光検出器１００２ａの外部に出る。そのため、光検出器１００２ａに隣接する光検出器１００２ｂに入射する可能性は抑えられる。光検出装置１００３は、金属部２２を設けなくてよい。
【００５３】
図４（ｃ）において、光検出装置１００３の光検出器１００２ａの空乏層７１中で発生した光４０３（波長９０５ｎｍ）が隣接する光検出器１００２ｂで検出される吸収効率を示す。
【００５４】
縦軸に光検出器１００２ｂの光４０３の吸収効率、横軸に光検出器１００２ｂにおける光路変換部７００の傾斜面の角度αを示す。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７０は厚み８ｕｍのシリコン、反射層２１は厚み１５０ｎｍのアルミニウムである。光路変換部７００はシリコンである。
【００５５】
図４（ｃ）において、光検出装置１００３の光路変換部７００を設け光路変換部７００の傾斜面の角度αを大きくしていくと、光検出器１００２ｂで検出される光４０３の吸収効率は低下していくことが分かった。例えば、光路変換部７００の傾斜面の角度αが６０度以上８０度以下の場合、光４０３の誤検知による吸収効率はほとんどない。
【００５６】
図４（ｃ）において、光路変換部７００を設けることにより、光検出装置１００３は光４０３の誤った検出を抑制できる。したがって、光検出装置１００３は光４０３を効率的に検出するだけではなく、光４０３による誤検知を抑制する。本実施形態では、光検出器１００２を複数配列した光検出装置１００３を示したが、光検出器１００２だけではなく、後述する光検出器を複数配列して光検出装置としてもよい。
【００５７】
（第３の実施形態）
図５に光検出器１００５を示す。
【００５８】
図１と同じ部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
光検出器１００５は、光検出器１００２に側面反射材（第２の反射材）２３を設けたものである。側面反射材２３は、例えば、反射材２１と同じ金属材料で構成される。半導体層５の光路変換部７００の表面に側面反射材２３を設けることで、光検出器１００５の光路変換部７００に入射した光を空乏層７１に反射する。
【００６０】
光検出器１００２を複数並べた光検出装置１００３のように、光検出器１００５を複数ならべた場合、アバランシェ増幅過程によって生じた光４０３が別の光検出器１００５に入射するのを抑制できる。
【００６１】
（第４の実施形態）
図６（ａ）に光検出器１００６、図６（ｂ）に光検出器１００７、および図６（ｃ）に光検出器１００７ａを示す。
【００６２】
図５と同じ部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【００６３】
図６（ａ）において、光検出器１００６は、半導体層５と基板９０の間に反射材（第１の反射材）２１を設けている。
【００６４】
光路変換部７００の傾斜面の角度は、受光面から反射材２１に向かう方向に対して、角度がαとなる。角度αは１０度以上８０度以下である。
【００６５】
光検出器１００６において、光検出器１００２とは異なり、基板９０がある側とは反対側の半導体層５が受光面となり光４０４ａ、４０４ｂが入射する。空乏層７１は、半導体層５に直接入射した光４０４ａだけでなく、光路変換部７００から入射した光４０４ｂも検出する。光路変換部７００に入射した光４０４ｂは、光路変換部７００と空気の屈折率の違いにより進行方向が変化し空乏層７１に入射する。
【００６６】
図６（ｂ）の光検出器１００７において、半導体層５と基板９０の間に反射材（第１の反射材）２１が設けられている。光路変換部（傾斜部）７００は、半導体層５の隣に設けられている。光路変換部７００の傾斜面は、半導体層５の側面に向けて光４０４ｂを反射する。反射材（第２の反射材）２４は、光路変換部７００の傾斜面に設けられている。反射材２４は、光路変換部７００に支持されている。反射材２４の傾斜面の角度αは、反射材２１から半導体層５の受光面に向かう方向に、半導体層５の側面に対して１０度以上８０度以下である。
【００６７】
光検出器１００７において、光４０４ａは半導体層５に入射する。光４０４ａは半導体層５の空乏層７１で検出される。光４０４ｂは光路変換部７００の反射材２４に入射する。反射材２４で反射された光４０４ｂは、半導体層５に入射する。光４０４ｂは半導体層５の空乏層７１で検出される。
【００６８】
光検出器１００７において、図６（ｃ）のように、反射材２４を設けずに、光路変換部７００の傾斜面で光４０４ｂを反射することも可能である。
【００６９】
反射材２４は光路変換部７００の傾斜面に必要に応じて設ければ良い。
【００７０】
（第５の実施形態）
図７（ａ）に光検出器１００８、図７（ｂ）に光検出器１００９、図７（ｃ）に光の波長とシリコン（Ｓｉ）の内部透過率の関係図を示す。
【００７１】
図１と同じ部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図７（ａ）の光検出器１００８において、反射材２１側の半導体層５の表面は不規則的な凹凸である。不規則的な凹凸の形状をもった半導体層５の表面は反射材２１に覆われている。光検出器１００８は、不規則的な凹凸を設けることで、入射した光４０２ａは半導体層５内に散乱する。
【００７３】
図７（ｂ）の光検出器１００９において、反射材２１側の半導体層５の表面は規則的な凹凸である。規則的な凹凸の形状をもった半導体層５の表面は反射材２１に覆われている。光検出器１００９は、規則的な凹凸を設けることで、入射した光４０２ａは半導体層５内に散乱あるいは回折される。
【００７４】
半導体層５の凹凸は不規則的でも規則的でも良い。
【００７５】
光検出器１００８、１００９は、光路変換部７００の表面に図５で示した側面反射材２３を設けてもよい。光路変換部７００の表面に設けられた側面反射材２３は、光を半導体層５に向けて反射する。
【００７６】
図７（ｃ）において、縦軸に半導体層５の光の内部透過率、横軸に光の波長を示す。
【００７７】
図７（ｃ）において、例えば、波長９００ｎｍの光の場合、光がシリコン中を５ｕｍ伝播しても９０％程度の光が透過してしまうため、１０％程度の光しかシリコンに吸収されない。
【００７８】
光検出器１００８、１００９の半導体層５の膜厚が例えば１０ｕｍである時、光４０２ａは光検出器１００８、１００９に入射しても空乏層７１で吸収されず、反射材２１で反射後に基板９０を通って外部に出てしまう。これを解決するために、光検出器１００８、１００９の凹凸構造は、入射した光４０２ａの進路を曲げ、半導体５と基板９０の界面で全反射し半導体層５に光４０２ａを留める。
【００７９】
ところが光検出器１００８、１００９において、凹凸構造で反射された光４０２ａの一部は空乏層７１の領域外に出てしまう。このとき、光路変換部７００をさらに設けることで、空乏層７１の領域外に出た光４０２ａを反射して再び空乏層７１に戻すことができる。
【００８０】
（第６の実施形態）
図８（ａ）に光検出装置１０１０、図８（ｂ）に光検出装置１０１０ａ、図８（ｃ）に光検出装置１０１０ｂを示す。
【００８１】
図８（ａ）において、光検出装置１０１０は、第１〜５の実施形態の光検出器または光検出装置を複数個並べたものである。
【００８２】
図８（ｂ）において、光検出装置１０１０ａは、光検出装置１０１０をｘｙ平面から見た一例である。光検出装置１０１０ａにおいて、光路変換部７００はｘ方向に離間して複数設けられる。
【００８３】
図８（ｃ）において、光検出装置１０１０ｂは、光検出装置１０１０をｘｙ平面から見た一例である。光検出装置１０１０ｂにおいて、光路変換部７００はｘ方向およびｙ方向に離間して複数設けられる。
【００８４】
図９に光検出装置１０１０ａ、１０１０ｂの断面図を示す。図１と同じ部分には同様の符号を付して説明を省略する。
【００８５】
図９（ａ）に光検出装置１０１０ａのＸａ−Ｘ’ａ断面あるいは光検出装置１０１０ｂのＸｂ−Ｘ’ｂ断面を示す。
【００８６】
光検出装置１０１０ａ、１０１０ｂのｘ方向には、光路変換部７００が設けられている。
【００８７】
図９（ｂ）に充填剤７０２を備えた光検出装置１０１０ａのＸａ−Ｘ’ａ断面あるいは充填剤７０２を備えた光検出器１０１０ｂのＸｂ−Ｘ’ｂ断面を示す。
【００８８】
図９（ｂ）において、隣接する光路変換部７００と光路変換部７００の間に充填剤７０２が設けられている。充填材７０２は、例えば、有機物や酸化物などで構成される。充填剤７０２は、半導体層５および光路変換部７００よりも屈折率が低い材料で構成される。隣接する光路変換部７００と光路変換部７００の間に充填剤７０２を設け、さらに反射層２１を設けることで、各光検出器の光電変換領域の電気的な接続をとることができる。
【００８９】
図９（ｃ）に光検出装置１０１０ａのＹａ−Ｙ’ａ断面を示す。
【００９０】
光検出装置１０１０ａのｙ方向には、光路変換部７００は設けられていない。
【００９１】
図９（ｄ）に光検出装置１０１０ｂのＹｂ−Ｙ’ｂ断面を示す。
【００９２】
光検出装置１０１０ｂのｙ方向には、光路変換部７００が設けられている。
【００９３】
光路変換部７００の表面には側面反射材２３が設けられる。側面反射材２３を設けることで、図５に示す光検出器１００５と同様に、光検出器内部で発生した光４０３の影響を抑制する。また側面反射部２３を金属材料とすることで、各光検出器の光電変換領域の電気的な接続をとることができる。
【００９４】
（第７の実施形態）
図１０（ａ）に光検出装置１０１１、図１０（ｂ）に光検出装置１０１１の回路図、図１０（ｃ）光検出装置１０１１の断面図を示す。
【００９５】
図１０（ａ）において、光検出装置１０１１は、複数の光検出器１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃが配列されて構成されている。複数の光検出器１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃは例えば、同一基板を共有する。
【００９６】
図１０（ｂ）において、光検出器１０１１ａにはクエンチ抵抗２００ａが接続されている。光検出器１０１１ｂにはクエンチ抵抗２００ｂが接続されている。光検出器１０１１ｃにはクエンチ抵抗２００ｃが接続されている。
【００９７】
光検出器１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃのそれぞれは、第１〜５の実施形態に示した光検出器である。光検出器１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃのそれぞれは、クエンチ抵抗を介して、並列に接続されている。クエンチ抵抗は、光検出器がアバランシュ光検出器である場合に、光検出器内の電荷を取り出す速度を調整するために用いられる。
【００９８】
図１０（ｃ）において、絶縁層５０は、光検出器１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃの受光面となるｐ＋型半導体層３２と同じ側に設けられている。
【００９９】
第１電極１０は、光検出器１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃの受光面となるｐ＋型半導体層３２と同じ側に設けられている。第１電極１０は、ｐ＋型半導体層３２の一部と絶縁層５０を覆うように設けられる。
【０１００】
図１０（ｃ）において、光検出器１０１１ａにはクエンチ抵抗２００ａと配線１２が設けられる。光検出器１０１１ｂにはクエンチ抵抗２００ｂと配線１２が設けられる。光検出器１０１１ｃにはクエンチ抵抗２００ｃと配線１２が設けられる。配線１２は、クエンチ抵抗２００ａ、２００ｂ、２００ｃのそれぞれを接続する。
【０１０１】
光検出器１０１１ａのｐ＋型半導体層３２は、第１電極１０を介して、クエンチ抵抗２００ａに接続される。光検出器１０１１ｂのｐ＋型半導体層３２は、第１電極１０を介して、クエンチ抵抗２００ｂに接続される。光検出器１０１１ｃのｐ＋型半導体層３２は、第１電極１０を介して、クエンチ抵抗２００ｃに接続される。
【０１０２】
（第８の実施形態）
図１１（ａ）に光検出器１０１５、図１１（ｂ）に光検出器１０１６、図１１（ｃ）に光検出器１０１７を示す。
【０１０３】
上述した図１や図６と同じ部分には同じ番号を付して説明を省略する。
図１１（ａ）において、光検出器１０１５の半導体層５の側面である光路変換部（傾斜部）７０１は、反射材２１から半導体層５の受光面側に向かう方向に円弧状に形成された円弧面を有する。光検出器１０１５の半導体層５の側面である光路変換部７０１の側面に反射された光は、半導体層５に入射する。光検出器１０１５の半導体層５の側面である光路変換部７００の側面に反射され、半導体層５に入射した光は、空乏層７１に吸収される。
【０１０４】
図１１（ｂ）において、光検出器１０１６の半導体層５の側面である光路変換部７０１は、半導体層５の受光面側から反射材２１に向かう方向に円弧状に形成された円弧面を有する。光検出器１０１６の半導体層５の側面である光路変換部７０１の側面に入射した光は、光路変換部７０１の側面で屈折し、半導体層５に入射する。半導体層５に入射した光は、空乏層７１に吸収される。
【０１０５】
図１１（ｃ）において、光検出器１０１７の半導体層５の隣に光路変換部７０１が設けられる。光路変換部７０１は、反射材２１から半導体層５の受光面に向かう方向に円弧状に形成された円弧面を有する。光路変換部７０１は、半導体層５の隣に設けられている。光路変換部７０１の円弧面に入射した光は、円弧面で反射される。光路変換部７０１の円弧面で反射した光は、半導体層５に入射する。半導体層５に入射した光は、空乏層７１に吸収される。
【０１０６】
なお、光路変換部７０１は、半導体層５の一部でも良いし、半導体層５とは別の部分であってもよい。
【０１０７】
（製造方法）
図１２に光検出器１００３の製造方法を示す。
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。
【０１０８】
まず、図１２（ａ）に示すように、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。
【０１０９】
図１２（ｂ）に示すように、ｐ−型半導体３０の一部の領域、すなわち光検出器が形成される領域が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。
【０１１０】
第１マスクを除去後、ｐ＋型半導体３２上に図示しない第２マスクを形成する。この第２マスクを用いて、ｐ−型半導体３０上に図示していない絶縁層５０を形成し、絶縁層５０とｐ＋型半導体３２の周辺部を覆うように図示していない第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。第１電極１０を形成後、第２マスクを除去して、第１電極１０、ｐ＋型半導体３２の一部を覆うように、保護層８２を形成する。保護層８２は例えば、酸化膜やフォトレジストからなる。
【０１１１】
図１２（ｃ）に示すように、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ＢＯＸ５２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。
【０１１２】
図１２（ｄ）に示すように、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ＢＯＸ５２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、光検出領域となる領域には反射材２１が設けられる。
【０１１３】
図１２（ｅ）に図示するように、ウェットエッチングやドライエッチングを用いて、反射材２１周辺部に光路変換部７００を形成する。ウェットエッチングの場合、異方性エッチングや等方性エッチングを用いることができる。異方性エッチングの場合は、ｐ−型半導体層３０およびｎ型半導体層４０からなる半導体層５の結晶面で決まる傾斜角を持つ光路変換部７００が形成される。また等方性エッチングの場合は、傾斜面を円弧状に形成できる。ドライエッチングの場合は、図１３（Ａ）に示すように、例えば傾斜面を有するレジスト８２を半導体層５上に設けることで、図１３（Ｂ）のように、レジスト８３の傾斜面に応じた任意の傾斜角を持つ光路変換部７００が形成できる。
【０１１４】
（第９の実施形態）
図１４（ａ）に測定システム、図１４（ｂ）（ｃ）に測定システムの具体例を示す。
【０１１５】
図１４（ａ）において、測定システムは、少なくとも光検出装置１０１３および光源３０００で構成される。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１０１３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１４（ｂ）に示すように、光源３０００と光検出装置１０１３が別々の筐体で構成されても良い。あるいは、図１４（ｃ）に示すように、光源３０００と光検出装置１０１３が同一筐体内にあっても良い。光検出装置１０１３に上述した光検出器および光検出装置を用いることで、特に近赤外領域で高感度な測定システムが実現する。
【０１１６】
（第１０の実施形態）
図１５にライダー（Ｌａｓｅｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＡＲ）装置５００１を示す。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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として上述した光検出器および光検出装置を用いることで、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。
【０１２２】
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】
【０１２３】
５  半導体層
１２  配線
２０  第２電極
２１  反射材
２２  金属部材
２３  側面反射材
２４  反射材
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）
７０  保護層
７１  空乏層
８０  接着層
８２  保護層
８３  レジスト
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
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
４０２、４０２ａ、４０２ｂ、４０３  光
５００、５０１  測定対象
７００  光路変換部
７０２  充填剤
１０００  光検出器
１０００ａ、１０００ｂ  光検出器
１００２  光検出器
１００２ａ、１００２ｂ  光検出器
１００３  光検出器
１００４  光検出器
１００５  光検出器
１００６  光検出器
１００７  光検出器
１００７ａ  光検出器
１００８  光検出器
１００９  光検出器
１０１０、１０１０ａ、１０１０ｂ  光検出器
１０１１、１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃ  光検出器
１０１３  光検出装置
１０１５  光検出器
１０１６  光検出器
１０１７  光検出器
３０００  光源
５００１  ライダー装置
【図１】
2017204561.tif 000003
【図２】
2017204561.tif 000004
【図３】
2017204561.tif 000005
【図４】
2017204561.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2017204561.tif 000009
【図８】
2017204561.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2017204561.tif 000012
【図１１】
2017204561.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2017204561.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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