JP2009038157A - 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 - Google Patents

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。

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）。

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。

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。
特開平７−２６０６８０号公報 特開平９−２５０９８２号公報 特開２００３−２７４４２２号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

透過膜７については、ＳｉＯ_２、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。

（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）。

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。

（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。

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。

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。

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。

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、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２の組み合わせで９層構造とする。ＳｉＯ_２の合計厚みは１８７５ｎｍであり、またＴｉＯ_２の合計厚みは４００ｎｍである。多層透過膜７ｅは、ＳｉＯ_２／Ｓｉの組み合わせで３１層構造とする。ＳｉＯ_２の合計厚みは１３６０ｎｍであり、Ｓｉの合計厚みは５２５ｎｍである。

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。

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、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、Ｓｉ、アモルファスＳｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、その他の無機酸化物を用いるのがよい。

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。

（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。

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。

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、ＳｉＯ_２／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ＳｉＯ_２およびＳｉの合計膜厚は、次のとおりである。
（透過膜７ｆ）：ＳｉＯ_２ １５００ｎｍ、Ｓｉ ９９０ｎｍ
（透過膜７ｇ）：ＳｉＯ_２ １５００ｎｍ、Ｓｉ ８７５ｎｍ
（透過膜７ｈ）：ＳｉＯ_２ １５００ｎｍ、Ｓｉ ８１０ｎｍ

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。

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。

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。

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、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、Ｓｉ、アモルファスＳｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、その他の無機酸化物を用いるのがよい。

（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。

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。

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。

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。

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。ＳｉＯ_２とＳｉの各々の合計膜厚については、ＳｉＯ_２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。

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。

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。

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。

誘電体多層膜に用いる膜としては、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、Ｓｉ、アモルファスＳｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、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。

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。

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。

本発明の実施の形態１における受光素子アレイを示す平面図である。 図１の受光素子アレイのＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１の受光素子アレイのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 水の吸収率および各透過膜の透過率を波長に対して示す図である。 本発明の実施の形態２における受光素子アレイを示す断面図である。 本発明の実施例１における二次元受光素子アレイ（撮像装置）を示す平面図である。 図６の受光素子アレイのＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。 実施例１の一方の透過膜の透過率を波長に対して示す図である。 実施例１の他方の透過膜の透過率を波長に対して示す図である。 本発明の実施例１の近赤外域における検出波長域を示す図である。 本発明の実施例２における受光素子アレイを示す平面図である。 図１１の受光素子アレイのＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。 図１１の受光素子アレイのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。 実施例２の一番目の透過膜の透過率を波長に対して示す図である。 実施例２の二番目の透過膜の透過率を波長に対して示す図である。 実施例２の三番目（最後）の透過膜の透過率を波長に対して示す図である。 実施例３における二次元受光素子アレイ（撮像装置）を示す平面図である。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図である。 誘電体多層膜の透過率を波長に対して示す図である。 半導体層の透過率を波長に対して示す図である。

符号の説明

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。

Claims (17)

1. 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、
   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。
2. 前記透過膜は、前記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なることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子アレイ。
3. 前記複数の透過膜のそれぞれの最大透過波長が、１．６５μｍ〜３μｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子アレイ。
4. 前記受光層が、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ系およびＧａＩｎＮＡｓＰ系のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子アレイ。
5. 前記受光層が、ＩｎＰに格子整合する半導体層であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の受光素子アレイ。
6. 前記複数の透過膜が、いずれも多層膜であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の受光素子アレイ。
7. 前記多層膜が、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種以上の層で形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の受光素子アレイ。
8. 前記透過膜が、誘電体多層膜と半導体層とを組み合わせたものであることを特徴とする、請求項１〜６に記載の受光素子アレイ。
9. 前記透過膜に含まれる半導体層は、前記受光層を含む積層体の入射面側に、前記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前記積層体の表層の上を、前記誘電体多層膜が覆うことにより、前記複数の透過膜が形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の受光素子アレイ。
10. 前記透過膜に含まれる半導体層が、ＩｎＰに格子整合し、かつ前記受光層よりも吸収端波長が短いことを特徴とする、請求項８または９に記載の受光素子アレイ。
11. 前記受光層および前記透過膜に含まれる半導体層が、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族化合物半導体であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の受光素子アレイ。
12. 前記受光層および前記透過膜に含まれる半導体層が、ＩｎＧａＡｓ層であるか、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であることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の受光素子アレイ。
13. 前記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が含まれることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の受光素子アレイ。
14. 前記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、前記主たる透過波長が可視光域にある透過膜は、他の透過膜とともに、前記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されていることを特徴とする、請求項１３に記載された受光素子アレイ。
15. 前記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の透過膜が含まれることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の受光素子アレイ。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の受光素子アレイの、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、一次元受光素子アレイ。
17. 請求項１〜１５のいずれかに記載の受光素子アレイの、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２次元に配列されていることを特徴とする、二次元受光素子アレイ。
    

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