(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板に形成されたフォトダイオードと、該フォトダイオード上に集積された第１及び第２の分布型ブラグ反射器により構成されるファブリ-ペロー干渉計と、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる距離を可変制御する駆動手段とを備え、
前記駆動手段が、光を透過する材質で電圧の印加により膜厚を変える圧電膜を有し、該圧電膜が前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器間に中間層として設けられていることを特徴とする波長選択型光検出器。
【請求項２】
前記フォトダイオードと、前記ファブリ-ペロー干渉計とを、前記シリコン基板上にそれぞれ複数配列した請求項１記載の波長選択型光検出器。
【請求項３】
１つの前記フォトダイオードに１つの前記ファブリ-ペロー干渉計が対応して形成されており、１つの前記フォトダイオードとこれに対応する１つの前記ファブリ-ペロー干渉計の組が、それぞれ独立して検出波長を選択する構成である請求項２記載の波長選択型光検出器。
【請求項４】
各々のファブリ-ペロー干渉計を構成する前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器は、前記中間層を介して隔てられており、各々のファブリ-ペロー干渉計毎に前記中間層は選択波長に対応した異なる層厚を有している請求項２又は３記載の波長選択型光検出器。
【請求項５】
前記フォトダイオードと、前記ファブリ-ペロー干渉計との組を、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる前記中間層の層厚を変えて前記シリコン基板に複数配列して複数の波長を検出するセルを構成し、該セルを前記シリコン基板に複数配列した請求項１記載の波長選択型光検出器。
【請求項６】
前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器が、屈折率の異なる２種類の膜のペアを少なくとも４ペア以上積み重ねた多層膜でそれぞれ構成されている請求項１，２，３，４又は５記載の波長選択型光検出器。
【請求項７】
前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器は可視領域の光を透過させる材質であり、波長選択された前記可視領域の光を前記フォトダイオードで受光する請求項１，２，３，４，５又は６記載の波長選択型光検出器。
【請求項８】
前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を構成する各膜の膜厚が、各々の膜の屈折率ｎ、選択する光の波長λに対してλ（１＋２ｍ）／４ｎ（但し、ｍ：０又は自然数）であり、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる距離がλ／２ｎ０（但し、ｎ０：前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる媒質の屈折率）である請求項６又は７記載の波長選択型光検出器。
【請求項９】
前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器が、高屈折率のシリコンナイトライド膜と低屈折率のシリコンオキサイド又はシリコンオキシナイトライド膜からなる請求項６，７又は８記載の波長選択型光検出器。
【請求項１０】
前記フォトダイオードが、前記シリコン基板にＰＮ接合、又はＰＩＮ接合を形成したものである請求項１〜９のいずれか１項に記載の波長選択型光検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像認識、光スペクトルアナライザ等に用いられる波長フィルタを有する波長選択型光検出器に係り、特にシリコンマイクロマシニングにより作製可能な、感度が優れた波長フィルタを集積化した波長選択型光検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光応用の多くのシステムの高度化、高機能化に伴い、その主要部品である光検出器にも高感度化、高集積化が要求されるようになってきている。
【０００３】
光情報システムに用いられる典型的な受光素子として、フォトダイオードがよく知られている。フォトダイオードには単純なＰＮ接合を持つフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシュ・フォトダイオードがある。いずれも光吸収により生じた電子とホールから光電流を取り出すが、それぞれで応答速度が異なる。可視光領域ではシリコン（Ｓｉ）が用いられる。これと波長フィルタを組み合わせることにより、波長敏感な光検出器が得られると期待される。
【０００４】
波長フィルタは近年の波長多重通信技術の進展に伴い、非常に注目されている。例えば、米国特許第５,６２９,９５１号（以下、従来技術１）には、検出波長を連続的にチューニングするための、静電駆動型カンチレバーによる波長フィルタが開示されている。ここでは、ファブリ-ペロー干渉計を構成する２つの分布型ブラグ反射器の上側がカンチレバーとなっていて、静電駆動により分布型ブラグ反射器の間隔をコントロールして検出波長を変えている。
【０００５】
米国特許第５,２９１,５０２号（以下、従来技術２）には、カンチレバーではなく、メンブレンによって構成されている同様のファブリ-ペロー干渉計が開示されている。
【０００６】
また、“A FABRY-PEROT MICROINTERFEROMETER FOR VISIBLE WAVELENGTH"，ＩＥＥＥ，ＭＥＭＳ’９２，１９９２，ＰＰ１７０−１７３（以下、従来技術３）には、可視領域の光に対する、マイクロマシニングによって作製されたファブリ-ペロー干渉計が示されている。ここではファブリ-ペロー干渉計は、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）メンブレンによって支持された２枚のミラーからなっており、それら各ミラーは、屈折率が１.４４のＳｉＯ2膜と屈折率が１.８０のＨｆＯ2膜の多層膜からなっている。
【０００７】
ファブリ-ペロー干渉計を用いた変調器も多く検討されている。例えば、
“PROCESS AND DESIGN CONSIDERATIONS FOR SURFACE MICROMACHININED BEAMS FOR A TUNABLE INTERFEROMATER ARRAY IN SILICON”，ＩＥＥＥ，ＭＥＭＳ’９３，１９９３，ＰＰ２３０−２３５（以下、従来技術４）には、フォトダイオード上にファブリ-ペロー干渉計を集積した高速の光変調器が示されている。ここでは、ファブリ-ペロー干渉計は、基板上のシリコンオキサイド（ＳｉＯ2）／ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）と、ｐｏｌｙ−Ｓｉ／ＳｉＮ／ｐｏｌｙ−Ｓｉからなるメンブレン、及び中間のエアギャップから構成されている。
【０００８】
“MHz OPTO-MECAHNICAL MODULATOR”，TRANSDUCERS'95．EUROSENSORS IX，１９９５，ＰＰ２８９−２９２（以下、従来技術５）にも変調器が示されている。ここでは、２.８Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ．の変調速度が得られている。ファブリ-ペロー干渉計は平行な２層のｐｏｌｙ−Ｓｉからなっている。
【０００９】
ところで、光検出機能を必要とするシステムには、例えば光スペクトルアナライザや、固体撮像素子がある。光スペクトルアナライザとしては、フォトダイオードアレイと回折格子を組み合わせたものが一般的である。
【００１０】
また、固体撮像素子には数十万個から１００万個を超す画素が並んでいて、画素毎にフォトダイオードが設けられている。カラー画面は赤、緑、青の３原色に分解され、それぞれの明るさの信号として取り込まれる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、受光素子としてフォトダイオードはよく用いられていて、また、波長フィルタも多くのものが検討されているが、フォトダイオードと波長フィルタが集積化されていて、しかも波長分解能が良く、広い波長領域をカバーする光検出器は実現されていない。例えば、前記した従来技術１，２は検出波長可変の波長フィルタの構成のみを開示しているだけである。
【００１２】
波長多重通信用に検討されている波長フィルタは、ＧａＡｓ基板上に集積したＡｌ0.09Ｇａ0.91ＡｓとＡｌ0.09Ｇａ0.91Ａｓの多層膜を分布型ブラグ反射器として用いているため、波長分解能は良いが、可視領域の光を選択して透過させることができない。
【００１３】
前記した従来技術３の如きＳｉＯ2とＨｆＯ2の多層膜から構成しているファブリ-ペロー干渉計は、フォトダイオードと集積化されておらず、また、屈折率差が小さいため、波長分解能を上げるためには、積層数をかなり多くする必要がある。
【００１４】
また、前記した従来技術４，５の如き光変調器は、単色光に対して、その波長の光を変調するものであって、白色光に対して、波長のバンドパスフィルタリングを実現するものではない。
【００１５】
ところで、光検出機能を必要とする光スペクトルアナライザの従来の形態では、波長分解能を向上させるためには光路長を大きくとる必要があるためシステム全体を大きくする必要があった。また、固体撮像素子では、光を赤、緑、青の３原色に分解して認識しているので、必ずしも全ての色、すなわち絶対波長を確かに表現しているわけではない。
【００１６】
本発明は、上記の点に鑑み、フォトダイオードと、分布型ブラグ反射器からなるファブリ-ペロー干渉計を波長フィルタとして集積した構造で、小型で集積度が高く、しかも波長分解能に優れた波長選択型光検出器を提供することを目的とし、ひいては、この光検出器の利用により光システムの特性向上を実現しようとするものである。
【００１７】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の波長選択型光検出器は、シリコン基板に形成されたフォトダイオードと、該フォトダイオード上に集積された第１及び第２の分布型ブラグ反射器により構成されるファブリ-ペロー干渉計と、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる距離を可変制御する駆動手段とを備え、
前記駆動手段が、光を透過する材質で電圧の印加により膜厚を変える圧電膜を有し、該圧電膜が前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器間に中間層として設けられていることを特徴としている。
【００２１】
本発明の請求項２の波長選択型光検出器は、前記請求項１の構成において、前記フォトダイオードと、前記ファブリ-ペロー干渉計とを、前記シリコン基板上にそれぞれ複数配列した構成である。
【００２２】
本発明の請求項３の波長選択型光検出器は、前記請求項２の構成において、１つの前記フォトダイオードに１つの前記ファブリ-ペロー干渉計が対応して形成されており、１つの前記フォトダイオードとこれに対応する１つの前記ファブリ-ペロー干渉計の組が、それぞれ独立して検出波長を選択するようにしている。
【００２３】
本発明の請求項４の波長選択型光検出器は、前記請求項２又は３の構成において、各々のファブリ-ペロー干渉計を構成する前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器は、前記中間層を介して隔てられており、各々のファブリ-ペロー干渉計毎に前記中間層は選択波長に対応した異なる層厚を有しているものである。
【００２４】
本発明の請求項５の波長選択型光検出器は、前記請求項１の構成において、前記フォトダイオードと、前記ファブリ-ペロー干渉計との組を、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる前記中間層の層厚を変えて前記シリコン基板に複数配列して複数の波長を検出するセルを構成し、該セルを前記シリコン基板に複数配列した構成としている。
【００２５】
本発明の請求項６の波長選択型光検出器は、前記請求項１，２，３，４又は５の構成において、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器が、屈折率の異なる２種類の膜のペアを少なくとも４ペア以上積み重ねた多層膜でそれぞれ構成されているものである。
【００２６】
本発明の請求項７の波長選択型光検出器は、前記請求項１，２，３，４，５又は６の構成において、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器が可視領域の光を透過させる材質であり、波長選択された前記可視領域の光を前記フォトダイオードで受光するものである。
【００２７】
本発明の請求項８の波長選択型光検出器は、前記請求項６又は７の構成において、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を構成する各膜の膜厚を、各々の膜の屈折率ｎ、選択する光の波長λに対してλ（１＋２ｍ）／４ｎ（但し、ｍ：０又は自然数）とし、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる距離をλ／２ｎ０（但し、ｎ０：前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる媒質の屈折率）としている。
【００２８】
本発明の請求項９の波長選択型光検出器は、前記請求項６，７又は８の構成において、前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器が、高屈折率のシリコンナイトライド膜と低屈折率のシリコンオキサイド又はシリコンオキシナイトライド膜からなっている。
【００２９】
本発明の請求項１０の波長選択型光検出器は、前記請求項１〜９のいずれかの構成において、前記フォトダイオードが、前記シリコン基板にＰＮ接合、又はＰＩＮ接合を形成したものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る波長選択型光検出器の実施の形態を図面に従って説明する。
【００３１】
図１は本発明に係る波長選択型光検出器の第１の実施の形態であって、概略斜視図であり、図２（Ｅ）はその断面図である。シリコン（Ｓｉ）基板１にまずフォトダイオード５を形成し、この上に下部分布型ブラグ反射器（下部ＤＢＲ）１１と、エアギャップ１３を介して上部分布型ブラグ反射器（上部ＤＢＲ）１２とを順次集積してファブリ-ペロー干渉計１０を構成している。ここで、上部分布型ブラグ反射器１２は、基板１上に形成された４箇所のアンカー１４から伸びた可撓性アーム１５で支持されたメンブレン構造となっており、上部分布型ブラグ反射器１２上面には可動側駆動用電極１６が形成されている。また、下部分布型ブラグ反射器１１の下側には固定側駆動用電極１７が前記可動側駆動用電極１６に対向して設けられる。上部分布型ブラグ反射器１２の上面中央部は、ファブリ-ペロー干渉計１０に垂直な入射光を透過させるために可動側駆動用電極１６の形成されていない透過光窓１８となっている（固定側駆動用電極１７にも同様に透過光窓を形成してある。）。
【００３２】
なお、前記可動側駆動用電極１６の延長部分は１個のアンカー１４の上面に引き出されている。また、前記フォトダイオード５は例えばＳｉ基板１にＰＮ接合を形成したものであり、フォトダイオード５に接続する光電流検出用電極１９が基板上面に引き出されている。
【００３３】
前記上部分布型ブラグ反射器１２に設けられた可動側駆動用電極１６と、下部分布型ブラグ反射器１１に設けられた固定側駆動用電極１７とは、下部分布型ブラグ反射器１１と上部分布型ブラグ反射器１２を隔てる距離を可変制御する駆動手段としての静電アクチュエータを構成しており、可動側及び固定側駆動用電極１６，１７間への電圧の印加により上部分布型ブラグ反射器１２を静電力で基板側に引き寄せて、エアギャップ１３を調整できる。ここで、透過光の波長λとエアギャップ間隔ｔは、ギャップ間の媒質（この場合空気）の屈折率をｎ0としてｔ＝λ／２ｎ0の関係を持ち、これよりギャップの調整で透過光の波長を選択することができる。
【００３４】
次に、図２を用いて第１の実施の形態である波長選択型光検出器の製造方法について記述する。
【００３５】
まず、図２（Ａ）のようにｎ型Ｓｉ（１００）基板１を熱酸化し、１００ｎｍのシリコンオキサイド（ＳｉＯ2）層２１を熱酸化膜として表面に形成する。このＳｉＯ2層は、後のプロセスでアライメントを可能とするパターンになる。続いて、同図（Ｂ）の如くフォトレジスト２２を塗布した後、露光、現像して後のイオン注入工程のためのパターンを形成する。そして、所定パターンのフォトレジスト２２をマスクとして、ホウ素（Ｂ）を注入し、フォトダイオードとなるべきＰＮ接合２３を形成する。注入条件は、ＢＦ2+イオンを５５ｋｅＶで、ドーズ量は、５×１０15ｃｍ-2とした。この後イオン拡散のために通常であれば熱処理を行うが、本実施の形態では後に高温での長時間の成膜があるので、熱処理工程は省略できる。なお、固定側駆動用電極１７として、フォトダイオードとなる部分の上面にイオンのドーズ量を過大として導電性を持たせた部分を形成しておく。
【００３６】
本実施の形態では、フォトダイオード自体の特性は特に考慮していないので、前述のように単純なＰＮ接合フォトダイオードとしているが、もちろんフォトダイオード自体の応答速度を良くするため、ＰＩＮフォトダイオードを形成して用いることもできる。
【００３７】
続いて、図２（Ｃ）のように、マスクのフォトレジストを除去した後、下部分布型ブラグ反射器１１及び上部分布型ブラグ反射器１２をＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）により順次成膜して集積する。これらの分布型ブラグ反射器１１，１２は同図（Ｃ）の断面拡大図に示すように屈折率が２.０のシリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜２４と屈折率が１.５のシリコンオキサイドナイトライド（ＳｉＯＮ）膜２５とをそれぞれ複数ペア成膜した多層膜からなっている。同図では６ペアとしている。また、下部分布型ブラグ反射器１１と基板１間には低屈折率のバッファ層２８がＳｉＯＮ膜で形成されている。これらの分布型ブラグ反射器１１，１２を構成する各膜の膜厚は、透過させる光の中心波長λに対して、λ（１＋２ｍ）／４ｎから導いている（但し、ｎ：各々の膜の屈折率、ｍ：０又は自然数）。ここでは６３８ｎｍを電圧をかけていないときの波長中心としているので、λ／４ｎよりＳｉＮ膜２４を７９.８ｎｍ、ＳｉＯＮ膜２５を１０６.３ｎｍ成膜している。ＬＰＣＶＤの成膜条件は、８５０℃、０.５Ｔｏｒｒで、ＳｉＮ膜はＳｉＨ4、ＮＨ3を原料ガスとして、ＳｉＯＮ膜はＳｉＨ4、ＮＨ3、Ｎ2Ｏを原料ガスとしてそれぞれ成膜する。中間層２６には、後にエアギャップ（図１の符号１３）を形成するため、λ／２ｎ0（エアギャップにするためｎ0＝１）より算出した膜厚のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を犠牲層として成膜する。成膜はやはりＬＰＣＶＤで行う。成膜条件は、６００℃、１.０Ｔｏｒｒで、ＳｉＨ4を原料ガスとして成膜する。このｐｏｌｙ−Ｓｉ膜は後に、図２（Ｄ）の如く上側の分布型ブラグ反射器１２をメンブレンにパターニングした後に、ＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド）水溶液によりエッチングされエアギャップ１３を形成する。上側の分布型ブラグ反射器１２のエッチングはＢＨＦ（バッファードフッ酸）で行うことができるが、ＳｉＮ膜のエッチング速度が遅いので、ＳｉＮ膜にはＲＩＥ（Reactive ion etching）を組み合わせることも可能である。
【００３８】
そして、光検出の電極用スルーホール２７を、フォトレジストをマスクとして図２（Ｅ）の如くＲＩＥにより形成する。さらに、光電流検出用電極１９と可動側駆動用電極１６としてＡｕをスパッタにより成膜する。ここで、上部分布型ブラグ反射器１２のＡｕは、光が透過する部分（窓１８）からは除去するようにパターニングとエッチングを行う。なお、フォトダイオード表面の固定側駆動用電極１７も同様に光の透過する部分には形成されないようにしている。
【００３９】
次に、第１の実施の形態でフォトダイオード５上に集積一体化したファブリ-ペロー干渉計１０の波長特性について記述する。
【００４０】
図３は透過光スペクトルのペア数依存性を示すものであり、ファブリ-ペロー干渉計１０のミラー（下部分布型ブラグ反射器１１及び上部分布型ブラグ反射器１２）の屈折率が高い膜（ＳｉＮ膜２４）と低い膜（ＳｉＯＮ膜２５）のペアを積み重ねた効果について示している。つまり、多層膜の積層数が増すに従って、波長分解能が向上することが確認される。
【００４１】
図４はエアギャップ１３を調整したときの透過光強度と波長との関係であり、可視光領域においてエアギャップを変化させたときのスペクトルの移動を示している。なおここでは、各分布型ブラグ反射器は１０ペアの多層膜としている。波長６１４ｎｍから６３７ｎｍまでの間８点を、ギャップを２８３.５ｎｍから３２７.６ｎｍ迄変えることによって調整している。図４からまず、半値幅１ｎｍの波長分解能に優れた波長フィルタであることが確認される。透過光をフォトダイオードで検出することにより、波長選択して光信号を電気信号として検出することができる。
【００４２】
この第１の実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。
【００４３】
(1)  Ｓｉ基板１に形成されたフォトダイオード５と、該フォトダイオード上に集積された下部及び上部の分布型ブラグ反射器１１，１２により構成されるファブリ-ペロー干渉計１０と、分布型ブラグ反射器１１，１２を隔てる距離を可変制御する駆動手段（可動側駆動用電極１６、固定側駆動用電極１７）とを備えており、可動側駆動用電極１６、固定側駆動用電極１７間に電圧を印加して静電力を発生させ、下部及び上部の分布型ブラグ反射器１１，１２を隔てる距離を制御することにより、検出する光の波長選択が可能である。
【００４４】
(2)  下部及び上部の分布型ブラグ反射器１１，１２は、屈折率の異なる２種類の膜、つまり、屈折率が２.０のシリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜２４と屈折率が１.５のシリコンオキサイドナイトライド（ＳｉＯＮ）膜２５をそれぞれ複数ペア成膜した多層膜で構成されており、成膜ペア数を変えることにより、波長分解能を変えることができる。また、図３から判るように少なくとも４ペア以上積み重ねた多層膜でそれぞれ構成することで、適切な波長分解能を得ることができる。
【００４５】
(3)  分布型ブラグ反射器１１，１２はＳｉＮ膜２４とＳｉＯＮ膜２５との積層構造で、可視領域の光を透過させる材質であり、波長選択された可視領域の光をフォトダイオード５で受光することができる。
【００４６】
(4)  分布型ブラグ反射器１１，１２を構成する各膜２４，２５の膜厚が、各々の膜の屈折率ｎ、選択する光の波長λに対してλ（１＋２ｍ）／４ｎ（但し、ｍ：０又は自然数）であり、分布型ブラグ反射器１１，１２を隔てる距離＝λ／２ｎ0（但し、ｎ0：前記第１及び第２の分布型ブラグ反射器を隔てる媒質の屈折率）となる波長を選択してフォトダイオード５で受光する。従って、分布型ブラグ反射器１１，１２間のエアギャップ１３を、静電力による駆動手段、つまり可動側駆動用電極１６及び固定側駆動用電極１７間に電圧を印加することにより任意に制御でき、上部分布型ブラグ反射器１２を基板側に引き寄せて選択波長を連続的に変化させることができる。
【００４７】
上記第１の実施の形態では、駆動用電極１６，１７間に電圧を印加してエアギャップ１３を調整し、透過する波長を選択しているが、エアギャップ１３を可視領域の光を透過する透明な圧電膜に置き換え、圧電膜を下部分布型ブラグ反射器１１及び上部分布型ブラグ反射器１２間の中間層として設け、該圧電膜に電圧を印加し、膜厚あるいは屈折率を調整することで透過する波長を選択する構成としてもよい。
【００４８】
図５は、本発明の第２の実施の形態であって、下部及び上部分布型ブラグ反射器４１，４２からなるファブリ-ペロー干渉計４０を、Ｓｉ基板３１に形成した複数のフォトダイオード３５上にそれぞれ集積した、小型光スペクトルアナライザの概略を示している。
【００４９】
ここでは、１つのフォトダイオード３５に下部分布型ブラグ反射器４１及び上部分布型ブラグ反射器４２の組からなる１つのファブリ-ペロー干渉計４０が対応して形成されており、ファブリ-ペロー干渉計４０を８個のアレイにし、個々のファブリ-ペロー干渉計で、各々の透過光窓４８を通してそれぞれ異なる波長λ1〜λ8の光を個々独立に選択し、対応するフォトダイオード３５で検出するようにしている。下部分布型ブラグ反射器４１、上部分布型ブラグ反射器４２間はエアギャップではなく、固定層厚の中間層４３としており、各ファブリ-ペロー干渉計毎に中間層厚を変えて透過光波長を調整している。これにより光スペクトルアナライザとして機能する。もちろんアレイ数が多い方が、分解能は良くなる。
【００５０】
なお、下部分布型ブラグ反射器４１及び上部分布型ブラグ反射器４２の構成は、前述した第１の実施の形態と同様であり、屈折率の大きなＳｉＮ膜と屈折率の小さなＳｉＯＮ膜をそれぞれ複数ペア成膜した多層膜で構成されている。
【００５１】
図６に白色光を図５の光スペクトルアナライザ（中心波長６３０ｎｍ）に入射したときの、中間層厚と透過光波長の関係を示す。なおここで、中間層は低屈折率層のＳｉＯＮ層（屈折率ｎ：１.５０）であり、その層厚を１８９.０ｎｍから２１８.４ｎｍ迄変えて６１０ｎｍから６４０ｎｍ迄の波長をカバーしている。半値幅１ｎｍの波長分解能に優れた波長フィルタである。但し、本実施の形態の８個のアレイでは、カバーできる波長領域が狭いので、アレイ数を増やし、より広範囲な波長をカバーできるように膜構成を設計することが望ましい。
【００５２】
次に、図７を用いて、第２の実施の形態の光スペクトルアナライザの中間層を、ファブリ-ペロー干渉計毎に変える方法について説明する。まず、図７（Ａ）の如くフォトダイオード３５を形成したＳｉ基板３１に下部分布型ブラグ反射器４１を形成し、その下部分布型ブラグ反射器４１上にＳｉＯＮ中間層４３を、検出する波長領域の最長波長に対応する厚さで成膜しておく。これを同図（Ｂ）乃至（Ｅ）に示す如くステップ状にエッチングしていく。エッチングは１／２０に薄めたＢＨＦで行い、エッチングマスク４５はレジストとした。ある膜厚の領域をそれぞれ２分割していくと、エッチング回数Ｎに対して２Nのステップが形成される。ここでは３回のエッチングにより図示したように８ステップを作製し、８個の異なる中間層厚を持つファブリ-ペロー干渉計のアレイを形成している。
【００５３】
この第２の実施の形態によれば、１つのフォトダイオード３５に１組の分布型ブラグ反射器４１，４２が対応して形成され、これらがアレイとして構成されていることにより、個々独立して検出波長を選択でき、かつ複数の波長を同時検出可能である。
【００５４】
図８に、本発明の第３の実施の形態として、シリコン基板５１に形成されたフォトダイオードと、該フォトダイオード上に集積された下部及び上部分布型ブラグ反射器により構成されるファブリ-ペロー干渉計との組からなる光検出部５２を、前記下部及び上部分布型ブラグ反射器を隔てる中間層の層厚を変えてシリコン基板５１に複数配列して複数の波長を検出するセル（画素）５３を構成し、該セル５３をシリコン基板５１に多数平面的に配列した絶対波長検出型ＣＣＤ撮像素子の概略を示す。ここで、個々のファブリ-ペロー干渉計を構成する分布型ブラグ反射器は、第１の実施の形態で示した如く屈折率の大きなＳｉＮ膜と屈折率の小さなＳｉＯＮ膜をそれぞれ複数ペア成膜した多層膜で構成され、下部及び上部分布型ブラグ反射器間は第２の実施の形態と同様に固定層厚のＳｉＯＮ中間層としている。ここでは、中間層厚が互いに異なったファブリ-ペロー干渉計を集積してなる光検出部５２を１６個並べて１つのセル５３を形成し、更にこれを多数配列して平面的アレイにしている。従って、通常の固体撮像素子が光を赤、緑、青の３原色に分解して取り込んでいたのに対し、本実施の形態では、１つのセル５３内で下部及び上部分布型ブラグ反射器を隔てる中間層厚に対応する１６の波長に分解してカラー画面を取り込むことができる。これにより、認識するカラー画面の確度が向上する。もちろん、１つのセル内の、中間層厚の異なる光検出部５２を増やすことで、さらに多くの波長に分解することも可能である。
【００５５】
前記中間層厚は、可視領域の光をカバーするように４００ｎｍ〜７００ｎｍまでの波長領域を２０ｎｍ間隔に分割し、計１６点の波長を１画素内で検出できるようにしている。但し、同じ膜厚構成の分布型ブラグ反射器の組を用いたファブリ-ペロー干渉計で中間層厚のみを変えても、全ての波長領域をカバーすることはできないので、下部及び上部分布型ブラグ反射器の膜構成を４通りとし（膜厚を４種類とする）、各膜構成について中間層厚を４種類として計１６の波長の光を検出している。
【００５６】
図８にはまた、ＣＣＤのアドレッシング用の周辺回路５４と、アンプ、Ａ／Ｄコンバータ、マルチプレクサ等のデータ読み出しのための周辺回路５５も示してある。各セル５３で検出した光により生じた電荷は、通常のＣＣＤと同様にデータとして図示した方向に流れ、周辺回路で処理される。
【００５７】
図９に検出波長を１６チャンネルとしたときのスペクトルを示す。なお、ここでは全ての波長の可視光に対して感度を持たせるため、敢えて分解能を下げ、分布型ブラグ反射器におけるペア数は４ペアとしている。
【００５８】
この第３の実施の形態によれば、各セル５３は複数設けられた光検出部５２の下部及び上部分布型ブラグ反射器を隔てる中間層厚に対応する波長にそれぞれ分解してカラー画面を取り込むことができ、認識するカラー画面の確度を向上させることが可能であり、１つのセル内の、中間層厚の異なる光検出部５２の個数を増やすことで、さらに多くの波長に分解することも可能である。
【００５９】
図１０には、本発明の第４の実施の形態として、第３の実施の形態のＣＣＤ撮像素子の固定中間層をエアギャップに置き換えた絶対波長検出型ＣＣＤ撮像素子の概略を示している。この場合は、可変エアギャップとなっている１つのファブリ-ペロー干渉計とフォトダイオードとからなる波長選択型光検出部が１つのセル（画素）６３に対応し、セル６３がＳｉ基板６１上に多数平面的に配列されている。各セル６３は第１の実施の形態と同様の構成であればよい。また、周辺回路として、図８の第３の実施の形態と同様に、ＣＣＤのアドレッシング用の周辺回路６４と、アンプ、Ａ／Ｄコンバータ、マルチプレクサ等のデータ読み出しのための周辺回路６５が設けられている。但し、各セル６３にエアギャップを変化させるための交流電圧を印加し、下部及び上部分布型ブラグ反射器間を１ｋＨｚ程度の周波数で振動させて光を検出するために、ＣＣＤのアドレッシング用の周辺回路６４にエアギャップ調整駆動電圧を発生する回路を付加する必要がある。
【００６０】
この場合、周辺回路６４より各セル６３に交流電圧を印加することにより下部及び上部分布型ブラグ反射器間を１ｋＨｚ程度の周波数で振動させて光を検出する。つまり、各瞬間が波長に対応することになり、その時間をモニターすることにより、検出した光と、その光の波長そのものを対応させることができる。これにより、認識するカラー画面の確度が向上する。
【００６１】
なお、各セル６３で検出した光により生じた電荷は、通常のＣＣＤと同様にデータとして図示した方向に流れ、周辺回路で処理される。
【００６２】
上記した各実施の形態の分布型ブラグ反射器において、高屈折率膜としてＳｉＮ膜、低屈折率膜としてＳｉＯＮ膜を例示したが、低屈折率膜としてＳｉＯ2膜を用いてもよいし、他の膜構成とすることも可能である。
【００６３】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マイクロマシニングによりＳｉ基板上に作製した、２つの分布型ブラグ反射器をミラーとするファブリ-ペロー干渉計をフォトダイオードと集積化することにより、波長分解能に優れた小型の波長フィルタを持つ波長選択型光検出器を実現できる。
また、ファブリ-ペロー干渉計アレイとフォトダイオードアレイを集積化することにより、波長分解能に優れた小型のスペクトルアナライザ、あるいは絶対波長を検出できるＣＣＤ撮像素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波長選択型光検出器の第１の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図２】第１の実施の形態の波長選択型光検出器の作製方法を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態の波長選択型光検出器の波長分解能と積層数の関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施の形態の波長選択型光検出器のエアギャップを変化させたときの波長と透過光強度の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態であって、小型光スペクトルアナライザを示す概略斜視図である。
【図６】第２の実施の形態に示した小型光スペクトルアナライザの中間層厚と透過光強度の関係を示すグラフである。
【図７】第２の実施の形態に示した小型光スペクトルアナライザの中間層をステップ状にする方法を示す説明図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態であって、中間層固定のファブリ-ペロー干渉計をアレイにした絶対波長検出型のＣＣＤ撮像素子を示す概略斜視図である。
【図９】第３の実施の形態による絶対波長検出型のＣＣＤ撮像素子のスペクトルを示すグラフである。
【図１０】本発明の第４の実施の形態であって、中間層がエアギャップのファブリ-ペロー干渉計をアレイにした絶対波長検出型のＣＣＤ撮像素子を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１，３１，５１，６１  シリコン基板
５，３５  フォトダイオード
１０，４０  ファブリ-ペロー干渉計
１１，４１  下部分布型ブラグ反射器
１２，４２  上部分布型ブラグ反射器
１３  エアギャップ
１４  アンカー
１５  可撓性アーム
１６  可動側駆動用電極
１７  固定側駆動用電極
１８  透過光窓
１９  光電流検出用電極
２１  シリコンオキサイド層
２２  フォトレジスト
２３  ＰＮ接合
２４  シリコンナイトライド膜
２５  シリコンオキサイドナイトライド膜
２６，４３  中間層
２７  電極用スルーホール
２８  バッファ層
４５  エッチングマスク
５２  光検出部
５３，６３  セル
５４，５５，６４，６５  周辺回路
【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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