JP2009038157A - Light receiving element array, one-dimensional light receiving element array, and two-dimensional light receiving element array - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な機構によって、複数の波長域を区別して受光することができる受光素子アレイを提供する。
【解決手段】光を入射面側から入射されて検出する受光素子アレイであって、この受光素子アレイ10は、化合物半導体の受光層と、受光層の入射面側に配置され、透過波長帯が異なる複数の透過膜7と、複数の透過膜に対応して受光層内の複数の受光部で発生する電流を、それぞれ別に捕捉する複数個の電極12とを備える。前記透過膜7は、単層または複数層からなる。
【選択図】図1Provided is a light receiving element array capable of receiving light by distinguishing a plurality of wavelength ranges by a simple mechanism.
A light receiving element array for detecting light incident from an incident surface side, the light receiving element array being disposed on a light receiving layer of a compound semiconductor and an incident surface side of the light receiving layer, and having a transmission wavelength band. A plurality of different permeable membranes 7 and a plurality of electrodes 12 that individually capture currents generated in a plurality of light receiving portions in the light receiving layer corresponding to the plurality of permeable membranes are provided. The permeable membrane 7 is composed of a single layer or a plurality of layers.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、異なる波長域に感度を有する複数の受光部を持つ受光素子アレイ、一次元受光素子アレイおよび二次元受光素子アレイに関するものである。 The present invention relates to a light receiving element array having a plurality of light receiving portions having sensitivity in different wavelength ranges, a one-dimensional light receiving element array, and a two-dimensional light receiving element array.
動植物またはこれらの由来物などの組成分析は、赤外〜近赤外光の帯域別の透過率や反射率の測定により行うことができるが、これまでは光源を変えて、または試料に投射する光の波長域分布を変えて、各波長域における試料の透過率や反射率をタイミングをずらせて測定する場合が多かった。たとえば、1つの赤外線センサで紙などに含まれるセルロース量や水分量の比率を求めるに際し、バックグランドの波長域を含めて3つの波長域の光の透過率の測定が必要となるが、上記3つの波長域の光を、透過帯域を3つの波長域に合わせた3つ穴式のフィルタホイールを回転させ、同期をとって各帯域の被測定物の透過率をタイミングをずらせて測定する方法が提案された(特許文献1)。 Composition analysis of animals and plants or their derivatives can be performed by measuring the transmittance and reflectance of each band of infrared to near-infrared light, but until now, changing the light source or projecting to the sample In many cases, the transmittance and reflectance of the sample in each wavelength region are measured with different timings by changing the wavelength region of the light. For example, when the ratio of the amount of cellulose and moisture contained in paper or the like is obtained with one infrared sensor, it is necessary to measure the transmittance of light in three wavelength ranges including the background wavelength range. A method of measuring light in one wavelength range by rotating a three-hole filter wheel whose transmission band is adjusted to three wavelength ranges and synchronizing the transmission of the object to be measured in each band at different timings. Proposed (Patent Document 1).
また、被測定物の水分の測定において、測定光用LEDと参照光用LEDとを配置して、電子回路的に切り換えながら、これら2つの帯域の反射率を測定する方法が開示されている(特許文献2)。上記の特許文献1,2によれば、バックグランドの変調程度を考慮して、各帯域の透過率または反射率を高精度で求めることができ、最終的に、被測定物の水分やセルロース量の測定精度を高めることができる。
Also, a method for measuring the reflectance of these two bands while arranging an LED for measurement light and an LED for reference light and switching them in an electronic circuit in the measurement of the moisture of the object to be measured is disclosed ( Patent Document 2). According to the
上記は赤外〜近赤外光の場合であるが、可視光〜赤外域でも、同様に波長域ごとに強度分布を求めることが必要な場合がある。たとえば車両の安全運行支援のための画像情報処理に用いるイメージセンサにおいて、夜間には近赤外光を用い、昼間には可視光を用いて撮像することができる装置がその例である(特許文献3)。この例では、1つのセンサチップ上に、近赤外光に受光感度を有する第1の受光素子群と、可視光に受光感度を有する第2の受光素子群とを均質に混在させて配列する構成を開示する。具体的には、長い波長の光は受光素子中で減衰が小さいので、近赤外光に受光感度を有する第2受光素子群は上記センサチップの深い位置に、また可視光に受光感度を有する第1受光素子郡は、浅い位置に、形成する構造を開示している。この構成によれば、夜間と昼間との受光信号を切り換えて取り出すことなく、そのまま画像処理を可能にする。
しかしながら、特許文献1および2の構成では、2つ以上の光源またはフィルタを短期間に切り換えながら入射光に投入するため、装置が大掛かりになり、かつ試料について2次元情報を得ることはできない。また、特許文献3の構成では、1つのセンサチップに深さ位置を変えて、2種類の受光素子群を形成する必要があり、製造工程が複雑化して、高価なセンサチップとなる。
However, in the configurations of
複数の帯域の光を区別して受光することが可能なセンサチップを、より簡単に得ることができれば、実用化可能な用途は非常に多岐にわたる。たとえば、動植物の分析において、安価な1センサチップで、近赤外光の波長域ごとの透過率または反射率の情報が得られれば、非常に有用である。さらに近赤外域の上記の情報に加えて、可視光の色情報についても得ることができれば、多くの新たな用途が生まれる。本発明は、簡単な機構によって、複数の波長域を区別して受光することができる受光素子アレイ、一次元受光素子アレイおよび二次元受光素子アレイを提供することを目的とする。 If a sensor chip capable of distinguishing and receiving light in a plurality of bands can be obtained more easily, there are a wide variety of practical applications. For example, in the analysis of animals and plants, it is very useful if information on transmittance or reflectance for each wavelength region of near-infrared light can be obtained with one inexpensive sensor chip. Furthermore, in addition to the above-mentioned information in the near infrared region, if new color information of visible light can be obtained, many new uses will be born. An object of the present invention is to provide a light receiving element array, a one-dimensional light receiving element array, and a two-dimensional light receiving element array that can receive light by distinguishing a plurality of wavelength ranges by a simple mechanism.
本発明の受光素子アレイは、光を入射面側から入射されて検出する。この受光素子アレイは、化合物半導体の受光層と、受光層の入射面側に配置され、透過波長帯が異なる複数の透過膜と、複数の透過膜に対応して受光層内の複数の受光部で発生する電流を、それぞれ別に捕捉する複数個の電極とを備えることを特徴とする。 The light receiving element array of the present invention detects light incident from the incident surface side. The light-receiving element array includes a compound semiconductor light-receiving layer, a plurality of transmission films arranged on the incident surface side of the light-receiving layer and having different transmission wavelength bands, and a plurality of light-receiving portions in the light-receiving layer corresponding to the plurality of transmission films. And a plurality of electrodes for separately capturing the current generated in step (b).
上記構成によって、大掛かりな分光装置や、発光波長域が異なる複数個の光源を用いることなく、簡単な機構に基づき、被測定物の吸収帯の強度と、他の強度たとえばバックグラウンドの強度とを得て、定性および定量分析を精度よく行うことができる。被測定物の吸収帯または反射帯に対応させてその透過波長域を変えた透過膜を、被測定物の数に応じて増やすことにより、混在もしくは混合状態にある複数の物質の定性および定量分析を行うことができる。ここで、上記の電極は、対をなすp部電極およびn部電極の少なくとも一方が、上記のように透過膜に対応して複数個に分かれていて、他方がこれに共通の1つの電極であってもよく、上記の目的を達することができる。また、受光部の範囲は、厳密には印加する逆バイアス電圧の大きさ等によって変化するが、ここでは透過膜ごとに分かれた対応部分という程度の意味で用いる。上記の受光部が、たとえば撮像装置の画素に対応することを強調するために、単位受光部と呼ぶことがある。 With the above configuration, without using a large-scale spectroscopic device or a plurality of light sources having different emission wavelength ranges, the intensity of the absorption band of the object to be measured and other intensities such as the intensity of the background can be obtained based on a simple mechanism. Thus, qualitative and quantitative analysis can be performed with high accuracy. Qualitative and quantitative analysis of multiple substances in a mixed or mixed state is performed by increasing the number of transmission films that change the transmission wavelength range according to the absorption band or reflection band of the object to be measured according to the number of objects to be measured. be able to. Here, at least one of the paired p-part electrode and n-part electrode is divided into a plurality of parts corresponding to the permeable membrane as described above, and the other is a common electrode. There may be, and the above-mentioned purpose can be achieved. In addition, the range of the light receiving portion varies depending on the magnitude of the reverse bias voltage to be applied. However, here, the light receiving portion is used to mean a corresponding portion divided for each transmission film. In order to emphasize that the above light receiving unit corresponds to, for example, a pixel of the imaging device, it may be referred to as a unit light receiving unit.
上記の透過膜を、化合物半導体の受光層を含む積層体に積層され、単層または複数層から構成することができる。これにより、外付けの光学部品を含むものよりも、撮像装置や各種センサーを小型化、軽量化することができる。 The above-mentioned permeable membrane is laminated on a laminate including a light-receiving layer of a compound semiconductor, and can be composed of a single layer or a plurality of layers. Thereby, an imaging device and various sensors can be reduced in size and weight rather than what includes an external optical component.
上記の複数の透過膜のそれぞれの最大透過波長を、1.65μm〜3μmの範囲内にあるようにできる。これによって、測定対象となる多くの物質が吸収帯を持つ近赤外域の光を用いることができ、簡単にこれら物質の定性および定量分析を行なうことができる。 The maximum transmission wavelength of each of the plurality of transmission films may be in the range of 1.65 μm to 3 μm. This makes it possible to use near-infrared light having an absorption band for many substances to be measured, and to easily perform qualitative and quantitative analysis of these substances.
上記の受光層を、InGaAs系、GaInNAs系、GaInNAsSb系およびGaInNAsP系のうちのいずれかとすることができる。この構成によって、化合物半導体積層構造のフォトダイオード構造の半導体受光装置(チップ)を利用して、近赤外〜可視域に感度を持つ受光素子を形成することができる。上記の受光層を総称して、N含有InGaAs系層またはN含有InGaAs系受光層と呼ぶことがある。 The light receiving layer may be any of InGaAs, GaInNAs, GaInNAsSb, and GaInNAsP. With this configuration, a light receiving element having sensitivity in the near infrared to visible range can be formed using a semiconductor light receiving device (chip) having a photodiode structure with a compound semiconductor multilayer structure. The above light-receiving layers may be collectively referred to as N-containing InGaAs-based layers or N-containing InGaAs-based light-receiving layers.
上記の受光層を、InPに格子整合する半導体層とすることができる。これによって、受光層の結晶性を向上させ、暗電流の低い、従ってノイズの小さい受光素子アレイを得ることができる。なお、格子整合する場合、受光層の格子定数をaとして、InPの格子定数との差をΔaとするとき、|Δa/a|≦0.002を満たす。 The light receiving layer can be a semiconductor layer lattice-matched to InP. Thereby, the crystallinity of the light receiving layer can be improved, and a light receiving element array with a low dark current and hence with low noise can be obtained. In the case of lattice matching, when the lattice constant of the light receiving layer is a and the difference from the lattice constant of InP is Δa, | Δa / a | ≦ 0.002.
上記の複数の透過膜を、いずれも多層膜とすることができる。多層膜によれば、光学特性が異なる複数の材料を組み合わせて、厚みや繰返し基本単位(1周期内の構造)などを変えることにより、任意の透過波長帯を比較的容易に設計することができる。 Any of the plurality of permeable membranes may be a multilayer film. According to the multilayer film, an arbitrary transmission wavelength band can be designed relatively easily by combining a plurality of materials having different optical characteristics and changing a thickness, a repeating basic unit (a structure within one period), or the like. .
上記の多層膜を、いずれも、無機物、酸化物、窒化物、酸窒化物、フッ化物、硫化物およびこれらの複合物の2種以上の層で形成することができる。これによって、これらの材料は光学材料に幅広く用いられ、成膜用材料の入手が容易であり、複素屈折率などの波長依存性など光学特性が比較的よく知られている。これらの光学特性を用いて透過膜の設計を行い、かつ実際に多層膜を作製することができる。 Any of the above multilayer films can be formed of two or more layers of inorganic materials, oxides, nitrides, oxynitrides, fluorides, sulfides, and composites thereof. As a result, these materials are widely used for optical materials, film-forming materials are easily available, and optical characteristics such as wavelength dependency such as complex refractive index are relatively well known. A permeable membrane can be designed by using these optical characteristics, and a multilayer film can be actually produced.
上記の透過膜を、誘電体多層膜と半導体層とを組み合わせたものとすることができる。これによって、受光素子アレイの半導体の積層体にエピタキシャル成長させた半導体層、半導体基板を含む上記積層体に凹凸を付してその凸部を半導体層としたもの等を透過膜の一部に用いることができ、透過膜の形成が容易になる。 The permeable film may be a combination of a dielectric multilayer film and a semiconductor layer. As a result, a semiconductor layer epitaxially grown on the semiconductor laminate of the light-receiving element array, an irregularity formed on the laminate including the semiconductor substrate, and the convex portion used as a semiconductor layer, are used as part of the transmission film. This facilitates the formation of the permeable membrane.
上記の透過膜に含まれる半導体層は、受光層を含む積層体の入射面側に、複数の受光部のうちの1つまたは2つ以上に対応する箇所に位置し、その半導体層およびその半導体層が設けられない積層体の表層の上を、誘電体多層膜が覆うことにより、複数個の透過膜が形成される構成とすることができる。これによって、測定対象物質に応じて、透過率の波長依存性が良く知られている半導体層の材質を設定して、適当な誘電体多層膜と組み合わせて、1種類以上の物質の比率を求められる透過膜を容易に形成することができる。 The semiconductor layer included in the transmissive film is located on the incident surface side of the stacked body including the light receiving layer, at a position corresponding to one or more of the plurality of light receiving portions, and the semiconductor layer and the semiconductor A plurality of transmission films can be formed by covering the surface layer of the laminated body where no layer is provided with a dielectric multilayer film. As a result, the material of the semiconductor layer whose wavelength dependency of the transmittance is well known is set according to the substance to be measured, and the ratio of one or more kinds of substances is obtained in combination with an appropriate dielectric multilayer film. It is possible to easily form a permeable membrane.
上記の透過膜に含まれる半導体層を、InPに格子整合し、かつ受光層よりも吸収端波長が短いものとすることができる。これによって、近赤外域の所定波長以下の光をカットする層を上記の半導体層に分担させた透過膜を容易に形成することができる。また、結晶性の向上によって暗電流を低くすることができる。またInPに格子整合させることによって、暗電流の増大を防ぐことができる。 The semiconductor layer included in the transmission film can be lattice-matched to InP and have an absorption edge wavelength shorter than that of the light receiving layer. This makes it possible to easily form a transmission film in which a layer for cutting light of a predetermined wavelength or less in the near infrared region is shared by the semiconductor layer. Further, the dark current can be lowered by improving the crystallinity. Further, by making lattice matching with InP, an increase in dark current can be prevented.
上記の受光層および透過膜に含まれる半導体層を、III族元素のIn,Al,Gaの1つまたは2つ以上、およびV族元素のP,As,Sb,Nの1つまたは2つ以上、を組み合わせたIII−V族化合物半導体とすることができる。これによって、暗電流を低く保ちながら、透過膜の材質の選択の幅を広げることができ、測定時や対象物質における条件、制約などに応じて透過膜を容易に作製することができる。 The light receiving layer and the semiconductor layer included in the transmissive film may include one or more of group III elements In, Al, Ga and one or more of group V elements P, As, Sb, and N. , And a III-V group compound semiconductor. Thereby, the range of selection of the material of the permeable membrane can be widened while keeping the dark current low, and the permeable membrane can be easily produced according to the measurement, conditions and restrictions on the target substance.
上記の受光層および透過膜に含まれる半導体層を、InGaAs層か、またはInGaAsにAl,N,PおよびSbのうちの1つまたは2つ以上が含有されたものとすることができる。これによって、水や糖など、とくに近赤外域に吸収ピークを持つ物質に対して、上記の半導体層で光カット層(吸収層)を形成することができる。この結果、上記半導体層を配置しない受光部の信号光と比較することにより、上記水や糖などの定量分析を容易に得られる透過膜を得ることができる。そして、その場合、半導体層は受光素子アレイの半導体積層体に格子整合しやすいので、暗電流は低いものとなる。 The semiconductor layer included in the light receiving layer and the transmissive film may be an InGaAs layer, or InGaAs containing one or more of Al, N, P, and Sb. Thereby, a light cut layer (absorption layer) can be formed with the semiconductor layer described above with respect to a substance having an absorption peak in the near infrared region such as water and sugar. As a result, a permeable membrane from which quantitative analysis of water, sugar, etc. can be easily obtained can be obtained by comparing with the signal light of the light receiving unit in which the semiconductor layer is not disposed. In this case, the dark current is low because the semiconductor layer is easily lattice matched to the semiconductor stack of the light receiving element array.
上記の複数の透過膜のうちに、主たる透過波長が可視光域にある透過膜を含むことができる。これによって、ヒトが目に見える可視光像すなわちカラー外観を付加的に得ることができ、有用性を高めることができる。 Among the plurality of transmission films, a transmission film having a main transmission wavelength in the visible light region can be included. As a result, a visible light image that is visible to humans, that is, a color appearance can be additionally obtained, and the usefulness can be enhanced.
上記の受光層を含む半導体積層構造を形成するために用いた半導体基板が除かれており、主たる透過波長が可視光域にある透過膜を、他の透過膜とともに、半導体積層構造のエピダウン実装の受光素子の入射面側に配置することができる。これによって、近赤外の短波長側〜可視域の光が受光部に至る前に吸収されるのを防止して、当該波長域の感度の低下を避けることができる。 The semiconductor substrate used to form the semiconductor multilayer structure including the light receiving layer is removed, and the transmission film whose main transmission wavelength is in the visible light region is combined with other transmission films for epi-down mounting of the semiconductor multilayer structure. It can arrange | position to the entrance plane side of a light receiving element. This prevents light in the near-infrared short wavelength side to visible region from being absorbed before reaching the light receiving unit, thereby avoiding a decrease in sensitivity in the wavelength region.
上記の複数の透過膜のうちに、主たる透過波長が2.1μmの透過膜、主たる透過波長が1.9μmの透過膜を含むことができる。これによって、水分とセルロースの検出を同時に行うことができる。 Among the plurality of transmission films, a transmission film having a main transmission wavelength of 2.1 μm and a transmission film having a main transmission wavelength of 1.9 μm can be included. As a result, moisture and cellulose can be detected simultaneously.
本発明の一次元受光素子アレイは、上記のいずれかの受光素子アレイにおいて、平面的に見て前記複数の透過膜に対応する領域を1単位として、その1単位が1次元に配列されていることを特徴とする。なお、1単位は、画素または単位受光部が複数個組み合わされて形成されるものであることは、言うまでもない。 The one-dimensional light-receiving element array of the present invention is one of the above-described light-receiving element arrays in which one unit is one-dimensionally arranged with a region corresponding to the plurality of transmission films as a unit when viewed in plan. It is characterized by that. Needless to say, one unit is formed by combining a plurality of pixels or unit light receiving portions.
一次元アレイを利用してスキャンすることによって、より簡単に測定対象物質の一次元マッピング情報を得ることができる。 By scanning using the one-dimensional array, the one-dimensional mapping information of the measurement target substance can be obtained more easily.
本発明の二次元受光素子アレイは、上記のいずれかの受光素子において、平面的に見て複数の透過膜に対応する領域を1単位として、その1単位が2次元に配列されていることを特徴とする。なお、上記の1単位には、その1単位内の任意の方向の透過膜の並び順序を変更したもの、1単位の中心点を回転中心として180°回転したもの、中心面に鏡面対象なものなど(配列変更1単位)であってもよく、上記の二次元受光素子アレイは、上記1単位および配列変更1単位を組み合わせて形成したものであってよい。
In the two-dimensional light receiving element array of the present invention, in any one of the light receiving elements described above, an area corresponding to a plurality of transmission films in a plan view is taken as one unit, and the unit is two-dimensionally arranged. Features. In addition, the above-mentioned 1 unit includes a change in the arrangement order of the permeable membranes in an arbitrary direction within the unit, a unit rotated by 180 ° with the center point of the unit as a center of rotation, and a mirror surface on the center plane (The
上記の構成によって、測定対象物質の面内分布、撮像装置などを容易に得ることが可能になる。また、宇宙自然光を利用した暗視カメラを構成することができる。 With the above configuration, it is possible to easily obtain an in-plane distribution of the measurement target substance, an imaging device, and the like. In addition, a night-vision camera using natural space light can be configured.
本発明によれば、簡単な機構によって、複数の波長域を区別して受光することが可能な受光素子、一次元アレイ受光素子および二次元アレイ受光素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a light receiving element, a one-dimensional array light receiving element, and a two-dimensional array light receiving element that can receive light by distinguishing a plurality of wavelength ranges by a simple mechanism.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における受光素子の一次元アレイ受光素子(センサ)10を示す平面図である。また図2は図1におけるII−II線に沿う断面図であり、図3は同じくIII−III線に沿う断面図である。図1に示すように、受光素子10では、細長い矩形の透過膜7が、一次元配列されている。この受光素子10の平面的な形状は、たとえば8mm×2mmの矩形である。透過膜7の一方の端または他方の端には、p部電極12と配線電極13とパッド部14との連続構造が、交互になるように配置されている。各々の透過膜7またはp部電極12は、一つの受光部または単位受光部に対応する。一次元配列は、たとえば20μmピッチで、合計384個の受光部が一列に配置されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view showing a one-dimensional array light receiving element (sensor) 10 of the light receiving element according to
図2は、上記の受光部の透過膜7の長手方向に沿った断面図である。この一つの受光部は、(n型InP基板1/n型InPバッファ層2/N含有InGaAs系受光層3/InP窓層4/拡散用マスクパターン5/透過膜7)の積層構造を持つ。InAsP窓層4からGaInNAs受光層3にまで届くように位置するp型領域15は、厚み100nm程度のSiN膜等でなる拡散用マスクパターン5の開口部から、Znが拡散導入されることで形成される。
FIG. 2 is a cross-sectional view along the longitudinal direction of the
p型領域15にはたとえばAuZnによるp部電極12が、InP基板1の裏面にはたとえばAuGeNiのn部電極11が、それぞれオーミック接触するように設けられている。p部電極12には配線電極13が電気的に接続され、その配線電極13はパッド部14に電気的に接続される。パッド部14にはワイヤボンディングされたワイヤにより制御回路や演算回路に連絡される。
A p-
N含有InGaAs系受光層3には、上記のp型領域15の境界に対応する位置にpn接合が形成され、上記のp部電極12およびn部電極11間に逆バイアス電圧を印加することにより空乏層を生じる。信号光が、InP窓層4側から入射されたとき、近赤外域の光は、N含有InGaAs系受光層3の空乏層の価電子帯に位置する電子を伝導帯に励起して、上記両電極間に光電流を生成する。
In the N-containing InGaAs light receiving
図3は、図1の透過膜7の長手方向に直交する断面図である。この断面図によれば、透過膜7は3種類の多層膜7a,7b,7cで構成され、同じ順序の組み合わせが繰り返されている。透過膜7aは、たとえば図4に示すように、波長2.1μmを主たる透過波長とし、セルロースの波長2.1μmの吸収帯に対応させる。また透過膜7bは主たる透過波長1.9μmとし、水の波長1.9μmの吸収帯に対応させる。透過膜7cは、他の物質を対象として他の主たる透過波長の透過膜とする。例えば、セルロースと水の吸収帯ではない波長として、バックグラウンドノイズの検出として用いることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view orthogonal to the longitudinal direction of the
上記の一次元配列受光素子10によれば、たとえば生体の表面におけるセルロースの含有率と水との含有率をある任意の方向に沿って高精度で分析することができる。また透過膜の主たる透過波長をセルロースや水以外のものに合わせることにより、セルロースや水と他の物質との含有比率等を精度よく求めることができる。
According to the one-dimensional array
透過膜7については、SiO2、TiO等の多層膜とすることにより、主たる透過波長を任意に設計することができるので、測定対象または撮像対象に応じて、適切な透過膜を作製することが可能である。以下に、計算機実験による具体的な装置の例によって、本発明の効果を説明する。
Since the main transmission wavelength can be arbitrarily designed for the
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における受光素子の受光素子アレイ10の断面図である。透過膜7の部分を除いて、他の部分の構造および製造方法は、図3に示す実施の形態1の受光素子アレイと同じである。本実施の形態では、透過膜7は、半導体層7sと誘電体多層膜7kとを組み合わせた領域Aと、誘電体多層膜7kのみの領域Bと、で構成される。半導体層7sは、InP窓層4と格子整合する、InP自身を含む半導体層を新たに形成する。また、エピダウン実装する場合には、InP基板1またはInP基板を剥離除去した後のInPバッファ層2を、画素(単位受光部)に応じて図5に示すように、エッチングにより凸状に残すようにして形成してもよい(実施例3参照)。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a cross-sectional view of the light
領域Aでは、たとえば波長2.1μmを主たる透過波長とし、セルロースの波長2.1μmの吸収帯に対応させる。また領域Bではは主たる透過波長1.9μmとし、水の波長1.9μmの吸収帯に対応させる。上記の受光素子アレイ10によれば、たとえば生体の表面におけるセルロースの含有率と含水率を、同時に分析することができる。また透過膜の主たる透過波長を水以外のものに合わせることにより、水と他の物質との含有比率等を精度よく求めることができる。
In the region A, for example, a wavelength of 2.1 μm is set as a main transmission wavelength, and it corresponds to an absorption band of cellulose having a wavelength of 2.1 μm. In the region B, the main transmission wavelength is 1.9 μm, which corresponds to the absorption band of water having a wavelength of 1.9 μm. According to the light receiving
(実施例1)
本発明の実施例1では、可視光による撮像と宇宙自然光による撮像とが、同時に可能な、計算機実験による撮像装置(二次元受光素子アレイ)について説明する。図6は、本発明の実施例1における撮像装置10を光入射側から見た平面図である。この撮像装置10においては、光入射側に、2種類の透過膜7d,7eを市松模様のように二次元配列している。光入射面のサイズは横20mm×縦16mmであり、隣り合う透過膜7d,7eの中心間隔(ピッチ)は25μmであり、透過膜7d,7eまたは単位受光部は、640×512の配列となる。隣り合う単位受光部の7dと7eとを組み合わせたものが、1単位の受光素子アレイである。
(Example 1)
In
図7は、図6におけるVII−VII線に沿う断面図である。この撮像装置10では、InP窓層4またはp部電極12の側をCMOS(Complementaly metal-oxide semiconductor)のマルチプレクサに接合バンプ19によって電気接続するエピダウン実装をする。そしてInP基板およびn型バッファ層の下層部を除去して、光入射面の半導体層を、残したn型バッファ層2aによって構成する。このため、InP基板およびn型InGaAs層の下層部によって、近赤外の短波長側〜可視域の光の吸収を避けることができる。残したn型InGaAs層2aの上には、図6に示す単位受光部のパターンに従うように透過膜7d,7eが配列されている。当然のことであるが、単位受光部の配列パターンは、p型領域15の配置パターンに、平面的に見て重なっている。すなわち、単位受光部7d,7eの各々に、p型領域15およびp部電極12が対応または付随している。
7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG. In this
透過膜7dは、少なくとも可視域400nm〜750nmに高い透過率(主たる透過波長)を有するように、その多層膜構造を形成する。また、透過膜7eは、少なくとも宇宙自然光の波長域1500nm〜2000nmに高い透過率(主たる透過波長)を有するように多層膜構造を設計する。このような透過膜7d,7eの二次元配列によって、可視光による撮像と、宇宙自然光による撮像とが並存して可能となる。
The
次に、図6および図7に示す撮像装置の製造方法について説明する。InP基板1上に、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法により、n型InGaAsバッファ層2、GaInNAs受光層3およびInP窓層4を、順次、エピタキシャル成長させる。フォトルミネッセンス(PL)測定によるN含有InGaAs系受光層3の波長は2.0μm程度とし、SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)分析によるN量は1.5%とする。またX線回折結果から計算されるInP窓層4と、GaInNAs受光層3との格子定数のずれΔa/a=0.01、すなわち1%とする。
Next, a method for manufacturing the imaging device shown in FIGS. 6 and 7 will be described. On the
この後、図6に示すパターンになるように、蒸着、フォトリソグラフィおよびエッチングにより二次元アレイ化する。すなわちZn拡散用マスクパターン5を形成し、Znを拡散導入してp型領域15を単位受光部ごとに形成し、p型領域15毎にオーミック接触するようにp部電極12を形成する。次いで、保護膜6を形成する。また、半導体の積層体の露出する端面には、保護膜9が設けられる。n部電極11は、残存するn型バッファ層2aにオーミック接触するように、複数のp部電極12に対して共通の1つの連続導体の形態で形成する。また、可視域〜近赤外域の吸収を抑制するために、InP基板とn型InGaAsバッファ層の下層部を、研磨およびエッチングにより除去する。残ったn型InGaAs層2aの厚みは0.1μmとする。このようにして形成した半導体積層構造を、図7に示すように、CMOSマルチプレクサ21に接合バンプ19を用いてエピダウン実装する。光入射面に設ける多層透過膜7d,7eは、その透過帯が可視域または宇宙自然光域を含むように、2種類作製して、図6に示すパターンに配列する。多層透過膜7dは、SiO2/TiO2の組み合わせで9層構造とする。SiO2の合計厚みは1875nmであり、またTiO2の合計厚みは400nmである。多層透過膜7eは、SiO2/Siの組み合わせで31層構造とする。SiO2の合計厚みは1360nmであり、Siの合計厚みは525nmである。
Thereafter, a two-dimensional array is formed by vapor deposition, photolithography, and etching so that the pattern shown in FIG. 6 is obtained. That is, a Zn
透過膜7dおよび7eの波長に対する透過率を図8および図9に示す。透過膜7dは、可視光を透過するが宇宙自然光の帯域は透過しない。すなわち可視光についてのみ撮像可能とする。一方、透過膜7eは、宇宙からの自然光を透過するが、可視光は透過せず、宇宙自然光についてのみ撮像可能とする。このような構成によれば、1台の撮像装置を用いて、可視光像と暗視像とを区別しながら同時に撮像するか、または可視光撮像と暗視撮像とを使い分けることはできる。たとえば暗視カメラとして常時、監視に使っておき、その監視において人物像(不審者)を捉えた時に照明を点灯し、同時に可視光により人相などの特徴を詳細に撮像することができる。また自動車の夜間走行時の監視カメラに用いて、宇宙自然光により対向車や道路を監視し、交通信号の赤や青を可視像で判断することができる。
The transmittance of the
上述の例のほかに、多層透過膜の透過帯パターンを変えることにより、撮像と並行して近赤外帯に吸収ピークを持つ物質成分との同時検出にも用いることができる。例えば果物の外観像(傷など)と糖度とを検出することができる。上記の多層透過膜には、TiO2、SiO2、SiON、Si、アモルファスSi、Al2O3、Zr2O3、その他の無機酸化物を用いるのがよい。 In addition to the above example, by changing the transmission band pattern of the multilayer transmission film, it can be used for simultaneous detection of substance components having an absorption peak in the near infrared band in parallel with imaging. For example, it is possible to detect an appearance image (such as a wound) and sugar content of a fruit. For the multilayer transmission film, TiO 2 , SiO 2 , SiON, Si, amorphous Si, Al 2 O 3 , Zr 2 O 3 , or other inorganic oxides may be used.
本実施の形態における撮像装置10の近赤外域における検出波長を、図10に示す。図10には、宇宙からの自然光の波長分布をあわせて示すが、宇宙自然光の上記波長域の部分をほぼ完全に含んでいることが分かる。このため、上記のように宇宙自然光による暗視像を感度よく撮像することができる。図10には、近赤外域の短波長側から可視域にかけて低下するラインを示すが、これは上述のn型InGaAs層2aによって吸収が生じて効率が低下することを模式的に示すものである。
FIG. 10 shows the detection wavelength in the near-infrared region of the
(実施例2)
図11は、本発明の実施例2の計算機実験による受光素子アレイ10を示す平面図である。また図12は、図11におけるXII−XII線に沿う断面図であり、図13は、同じくXIII−XIII線に沿う断面図である。この受光素子アレイ10の光入射面には、3種類の透過膜7f,7g,7hが配置されている。これら透過膜が被覆する領域に対応するp型領域15から、当該p型領域15にオーミック接触するp部電極12が引き出され、配線電極13およびパッド部14を経て、ボンディングワイヤ等により制御回路等に連絡される。半導体積層構造は、通常のフォトダイオードの構成であり、(n型InP基板1/n型InPバッファ層2/N含有InGaAs系受光層3/InP窓層4/Zn拡散用マスクパターン5)と積層されている。Zn拡散用マスクパターン5は保護膜を兼ねて設けられている。n型InP基板1の裏面にはn部電極11が設けられ、上記p部電極12と対をなしている。
(Example 2)
FIG. 11 is a plan view showing the light receiving
上記のフォトダイオード構造の製造方法は次のとおりである。まず、Sドープされたn型InP基板1上に、n型InPバッファ層2、GaInNAs受光層3およびInP窓層4を、順次、MBE法によりエピタキシャル成長させる。GaInNAs受光層3のPL発光の中心波長は、2.2μmとするのがよい。GaInNAs受光層3のSIMS分析によるN量は3%とする。X線回折結果から計算されるInPとGaInNAs受光層3との格子定数のずれ(Δa/a)=0.01とするのがよい。
The manufacturing method of the above photodiode structure is as follows. First, an n-type
この後、Zn拡散用マスクパターン5を蒸着、フォトリソグラフィおよびエッチングにより形成する。次いで、Zn拡散用マスクパターン5の開口部からZnを拡散導入して、InP窓層4を経由してGaInNAs受光層3に届くように、p型領域15を形成する。次に、多層透過膜7f,7g,7hを、順次、蒸着、フォトリソグラフィおよびエッチングによって形成する。多層透過膜は、SiO2/Siの組み合わせで7層構造とした。透過膜7f,7g,7hにおけるSiO2およびSiの合計膜厚は、次のとおりである。
(透過膜7f):SiO2 1500nm、Si 990nm
(透過膜7g):SiO2 1500nm、Si 875nm
(透過膜7h):SiO2 1500nm、Si 810nm
Thereafter, a Zn
(
(
(
透過膜7f,7g,7hの波長に対する透過率を、それぞれ図14、15、16に示す。透過膜7fは、セルロースの吸収波長のみ透過率が高い。透過膜7gは、水の吸収帯(図4参照)に対応する波長域のみ透過率が高い。また透過膜7hは、どちらの吸収波長にも対応しない波長域、すなわちバックグラウンドに対応する波長域のみ透過率が高い。
The transmittances of the
上記の構成によれば、特許文献1に示す方法のような複雑な構成を必要としない。すなわち、上記文献では、中心軸の回りに回転する円板の中心から等距離に、赤外線(近赤外域を含む)の波長帯を選択的に透過させるフィルタを配置して、円板を回転しながら円板に光を照射し、各フィルタの通過タイミングに同期させて対象物(セルロース等)を検出する。このような複雑な機構によらず、上記の実施例2では、同時に3波長域の光を照射して、各透過膜7f,7g,7hに対応する各p部電極12からの信号を取り出すことができる。また、ハロゲンランプのような広波長帯の光源を1つ用いて、受光素子アレイ10の全体に照射してもよい。
According to said structure, the complicated structure like the method shown in
上記の受光素子アレイ10を用いて、たとえば紙の銘柄の検査装置を構成することができる。本実施例における受光素子アレイ10には、制御回路部に演算回路を含み、その演算回路には記憶手段が付随していて、その記憶手段には水分量とセルロース重量が既知の銘柄毎に作成した検量線が記憶されている。図14〜図16の透過特性を有する透過膜に対応する光電流を得ることにより、上記検量線との対応づけを精度よく行うことができ、紙の銘柄を特定することができる。
Using the light
上記の受光素子アレイは一つの例示にすぎない。多層透過膜の構成を変えることにより、他にも近赤外帯に吸収ピークを持つ物質、たとえば血糖、蛋白質、糖、澱粉、脂質など数種類の物質の同時検出に用いることができる。上記の多層透過膜には、TiO2、SiO2、SiON、Si、アモルファスSi、Al2O3、Zr2O3、その他の無機酸化物を用いるのがよい。 The above light receiving element array is merely an example. By changing the configuration of the multilayer permeable membrane, it can be used for simultaneous detection of other substances having absorption peaks in the near-infrared band, such as blood sugar, protein, sugar, starch, and lipid. For the multilayer transmission film, TiO 2 , SiO 2 , SiON, Si, amorphous Si, Al 2 O 3 , Zr 2 O 3 , or other inorganic oxides may be used.
(実施例3)
本発明の実施例3では、2種類の透過膜を設けて、セルロースおよび水の分布を並行して分析することができる二次元受光素子アレイについて説明する。図17は、本発明の実施例3における二次元受光素子アレイ10を光入射側から見た平面図である。この二次元受光素子アレイ10においては、光入射側に、2種類の領域A,Bを市松模様のように二次元配列している。透過膜は、このあと説明するが、領域Aでは半導体層と多層誘電体層とで形成され、また領域Bは、領域Aと同じ多層誘電体層で形成される。光入射面のサイズは、実施例1と同じ横20mm×縦16mmであり、隣り合う領域A,Bの中心間隔(ピッチ)は25μmであり、領域A,Bまたは単位受光部は、640×512の配列となる。隣り合う単位受光部の領域AとBとを組み合わせたものが、1単位の受光素子アレイである。
(Example 3)
In Example 3 of the present invention, a two-dimensional light-receiving element array in which two types of permeable membranes are provided and the distribution of cellulose and water can be analyzed in parallel will be described. FIG. 17 is a plan view of the two-dimensional light receiving
図18は、図17におけるXVIII−XVIII線に沿う断面図である。この撮像装置10は、透過膜7を、n型層2aの凸状に残された半導体層7sと、半導体層7sを含む全面にわたって形成された誘電体多層膜7kとで形成する点に特徴を有する。半導体層7sは、当然、下地と格子整合している。透過膜以外の部分の受光素子アレイの構造は、実施例1の受光素子アレイと同じである(図7参照)。すなわち、InP窓層4またはp部電極12の側をCMOS(Complementaly metal-oxide semiconductor)のマルチプレクサに接合バンプ19によって電気接続するエピダウン実装をする。また、InP基板1上のバッファ層は、GaInNAsとする。本実施例では、n型GaInNAsバッファ層2の下層部を部分的に除去して、領域Aに対応する凸状のn型GaInNAs層7sを残す。そのn型GaInNAs半導体層7sを含む全表面を誘電体多層膜7kが被覆している。領域Aでは、このGaInNAsの凸状部分7sのために所定波長の光をカットすることができる。
18 is a cross-sectional view taken along line XVIII-XVIII in FIG. The
次に、図17および図18に示す撮像装置の製造方法について説明する。InP基板1上に、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法により、n型GaInNAsバッファ層2、GaInNAs受光層3およびInP窓層4を、順次、エピタキシャル成長させる。フォトルミネッセンス(PL)測定によるN含有InGaAs系受光層3の波長は2.2μm程度とし、SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)分析によるN量は3%程度とする。またX線回折結果から計算されるInP窓層4と、GaInNAs受光層3との格子定数のずれΔa/a=0.01、すなわち1%とする。また、GaInNAsバッファ層2の吸収端波長は2.0μm程度とし、SIMS分析によるN量は2%程度とする。同様にGaInNAsバッファ層2とInP窓層4との格子定数のずれΔa/a=0.01、すなわち1%とする。
Next, a method for manufacturing the imaging device shown in FIGS. 17 and 18 will be described. On the
この後、図17に示すパターンになるように、蒸着、フォトリソグラフィおよびエッチングにより二次元アレイ化する。すなわちZn拡散用マスクパターン5を形成し、Znを拡散導入してp型領域15を単位受光部ごとに形成し、p型領域15毎にオーミック接触するようにp部電極12を形成する。次いで、保護膜6を形成する。n部電極11は、残存するn型バッファ層2aにオーミック接触するように、複数のp部電極12に共通の1つの連続導体の形態で形成する。同様にn部電極11形成領域以外をマスクで覆い、n部電極形成領域のみウエットエッチングでn型GaInNAsバッファ層2aを露出させる。ウエットエッチングの際端面は保護膜9で覆い、n部電極11をn型GaInNAsバッファ層2aにオーミック接触するように設ける。
Thereafter, a two-dimensional array is formed by vapor deposition, photolithography, and etching so that the pattern shown in FIG. 17 is obtained. That is, a Zn
その後、エピタキシャル層トップを下にしてガラス板に貼り付け、研磨とウエットエッチングによりInP基板を剥離する。可視光をカットする半導体層7sは、GaInNAsバッファ層2に対して所定の部分にマスクを施し、ウエットエッチングによりその他の部分を除去する。マスクを除去した後、裏面全面に誘電体多層膜7kとしての組み合わせ複合層を繰り返し7層形成する。SiO2とSiの各々の合計膜厚については、SiO2層の合計厚み1400nm、またSi層の合計厚み825nmとするのがよい。上記のようにして作製した二次元受光素子アレイを、図18に示すようにCMOSと接続する。
Thereafter, the epitaxial layer is attached to a glass plate with the top of the epitaxial layer facing down, and the InP substrate is peeled off by polishing and wet etching. In the
誘電体多層膜7kおよびGaInNAs半導体層7sの波長に対する透過率の計算機実験の結果を図19および図20に示す。誘電体多層膜7kのみの領域Bでは、水とセルロースの両方の吸収ピーク帯の光を透過する。これに対して、誘電体多層膜7kおよび半導体層7sの両方が配置された領域Aでは、セルロースの吸収ピーク帯の光のみを透過する。
FIG. 19 and FIG. 20 show the results of computer experiments of the transmittance with respect to the wavelengths of the
上記の構成により、特許文献1に示す装置のように、水やセルロースの吸収帯の各々の波長の光を順次照射して、そのタイミングと同期させて検出するような手間やシステムは不要となる。本実施例の二次元受光素子アレイ10では、同時に多波長の光を当てるか、ハロゲンランプのような広波長帯の光源を用いて、領域Aと領域Bから検出される信号によって、同時に、両方の検出をすることができる。セルロースは、領域Aからの信号を読み取ればよいし、水は領域Bの信号から領域Aの信号を差分すればよい。また、特許文献1や2のようにバックグラウンドの影響を除くには、1.85μm帯に吸収端を持つInP格子整合GaInNAs層も成長しておいて、上記と同様の方法によって、当該GaInNAs層を含む領域を設けることもできる。また二次元アレイ化しているので、物質検出として対象物の面内分布を捉えることができる。
With the configuration described above, as in the apparatus shown in
上記の二次元受光素子アレイは一例にすぎない。誘電体多層膜、InPに格子整合する半導体層の構成を変えることにより、他にも近赤外帯に吸収ピークを持つ物質、たとえば血糖、蛋白質、糖、澱粉、脂質など数種類の物質の同時検出に用いることができる。 The above two-dimensional light receiving element array is only an example. Simultaneous detection of several substances such as blood sugar, protein, sugar, starch, lipid, etc., which have other absorption peaks in the near infrared band by changing the configuration of the dielectric multilayer film and semiconductor layer lattice-matched to InP Can be used.
誘電体多層膜に用いる膜としては、TiO2、SiO2、SiON、Si、アモルファスSi、Al2O3、Zr2O3、その他の無機酸化物を用いることができる。InPに格子整合する半導体層(光カット層)や、受光層の半導体としては、InGaAsをベースにして、長波長化の作用を奏する、N、Sbを加えたもの、または短波長化の作用を奏するAl、Pを加えたものであってもよい。添加する元素に応じてIn組成を変えれば、InP基板に格子整合させることができる。また、それ以外にも、III族元素としてIn、AlまたはGaを、V族元素としてAs、P、NまたはSbを組み合わせて、InP基板に格子整合するようにしてもよい。上記の元素の組み合わせによって、対象とする検出波長帯を自由に組み合わせて選ぶことができる。 As a film used for the dielectric multilayer film, TiO 2 , SiO 2 , SiON, Si, amorphous Si, Al 2 O 3 , Zr 2 O 3 , and other inorganic oxides can be used. As a semiconductor layer (light cut layer) that is lattice-matched to InP and a semiconductor of the light receiving layer, an effect of increasing the wavelength, adding N, Sb, or an effect of shortening the wavelength is achieved based on InGaAs. What added Al and P to play may be used. If the In composition is changed according to the element to be added, lattice matching with the InP substrate can be achieved. Besides, In, Al, or Ga as a group III element and As, P, N, or Sb as a group V element may be combined and lattice matched to the InP substrate. Depending on the combination of the above elements, the detection wavelength band of interest can be freely selected and selected.
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明によれば、簡単な機構によって、複数の波長域の異なる光をそれぞれ感度よく受光することができるので、各物質に特有の構成物比率を精度よく検出することができる。また可視光域と組み合わせることにより、暗視像と可視像との組み合わせが可能なので各種監視装置等に用いることが可能である。 According to the present invention, light having a plurality of different wavelength ranges can be received with high sensitivity by a simple mechanism, so that the constituent ratio peculiar to each substance can be detected with high accuracy. Further, by combining with a visible light region, a combination of a night vision image and a visible image is possible, so that it can be used for various monitoring devices.
1 InP基板、2 バッファ層、2a バッファ層残部、3 GaInNAs受光層、4 InP窓層、5 Zn拡散用マスクパターン、6 保護膜、7,7a〜7h 透過膜、7k 半導体層と組み合わされる誘電体多層膜、7s 透過膜内の半導体層、9 保護膜、10 受光素子、11 n部電極、12 p部電極、13 配線電極、14 パッド部、15 p型領域、19 接合バンプ、21 CMOSマルチプレクサ。
1 InP substrate, 2 buffer layer, 2a remaining buffer layer, 3 GaInNAs light receiving layer, 4 InP window layer, 5 Zn diffusion mask pattern, 6 protective film, 7, 7a to 7h transmission film, 7k dielectric combined with semiconductor layer Multilayer film, semiconductor layer in 7s transmission film, 9 protective film, 10 light receiving element, 11 n part electrode, 12 p part electrode, 13 wiring electrode, 14 pad part, 15 p type region, 19 junction bump, 21 CMOS multiplexer.
Claims (17)
化合物半導体の受光層と、
前記受光層の前記入射面側に配置され、透過波長帯が異なる複数の透過膜と、
前記複数の透過膜に対応して前記受光層内の複数の受光部で発生する電流を、それぞれ別に捕捉する複数個の電極とを備えることを特徴とする、受光素子アレイ。 A light receiving element array for detecting light incident from the incident surface side,
A compound semiconductor light-receiving layer;
A plurality of transmission films disposed on the incident surface side of the light receiving layer and having different transmission wavelength bands;
A light receiving element array, comprising: a plurality of electrodes for separately capturing currents generated in a plurality of light receiving portions in the light receiving layer corresponding to the plurality of transmission films.
The light receiving element array according to any one of claims 1 to 15, wherein a region corresponding to the plurality of transmission films is defined as one unit, and the unit is two-dimensionally arranged. Element array.
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