JP2020043135A - 電磁波検出器、撮像装置、測距装置、及び電磁波検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い面積で電磁波を受けつつ、暗電流を低減しうる電磁波検出器、撮像装置、測距装置、及び電磁波検出装置を提供する。【解決手段】電磁波検出器１０は、複数の検出領域２１を有する基板２３と、各検出領域２１で検出された電磁波に基づく信号を１つの信号として出力する出力部とを含む電磁波検出素子と、基板２３の上で各検出領域２１に重なって位置する電磁波収束素子３０とを備える。電磁波収束素子３０は、入射してくる電磁波を、対応する検出領域２１に収束させる。【選択図】図１

Description

本開示は、電磁波検出器、撮像装置、測距装置、及び電磁波検出装置に関する。

従来、光検出器において、受光部の開口率を広げて検出する光量を大きくする構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１１９０９３号公報

電磁波検出器において、電磁波を受ける部分の面積が広いほど、電磁波検出器に流れる暗電流が増加する。広い面積で電磁波を受けつつ、暗電流を低減することが求められる。

本開示は、上述の点に鑑みてなされたものであり、広い面積で電磁波を受けつつ、暗電流を低減しうる電磁波検出器、撮像装置、測距装置、及び電磁波検出装置を提供することを目的とする。

本開示の一実施形態に係る電磁波検出器は、電磁波検出素子と、電磁波収束素子とを備える。前記電磁波検出素子は、複数の検出領域を有する基板と、前記各検出領域で検出された電磁波に基づく信号を１つの信号として出力する出力部とを含む。前記電磁波収束素子は、前記基板の上で、前記各検出領域に重なって位置する。前記電磁波収束素子は、入射してくる電磁波を、対応する前記検出領域に収束させる。

本開示の一実施形態に係る撮像装置は、電磁波検出器を備える。

本開示の一実施形態に係る測距装置は、電磁波検出器を備える。

本開示の一実施形態に係る電磁波検出装置は、進行部と、電磁波検出器とを備える。前記進行部には、基準面に沿って複数の画素が配置されている。前記進行部は、前記基準面に入射した電磁波を前記画素毎に特定の方向へ進行させる。前記電磁波検出器は、前記特定の方向へ進行した電磁波を検出する。

本開示の一実施形態に係る電磁波検出器、撮像装置、測距装置、及び電磁波検出装置によれば、電磁波が広い面積で受けられるとともに、暗電流が低減されうる。

一実施形態に係る電磁波検出器の構成例を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 電磁波検出素子の構成例を示す断面図である。 一実施形態に係る電磁波検出器の構成例を示すブロック図である。 電磁波検出器に入射する電磁波の進行方向の一例を示す図である。 比較例１に係る電磁波検出器の構成を示す図である。 他の実施形態に係る電磁波検出器の構成例を示す図である。 一実施形態に係る電磁波検出装置の構成例を示す図である。 一実施形態に係る電磁波検出装置の構成例を示すブロック図である。 比較例２に係る電磁波検出器を含む電磁波検出装置を示す図である。

以下、本開示に係る実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。

電磁波を検出するセンサにおいて、入射してくる電磁波を検出する領域の面積が大きいほど、電磁波を検出する領域に入射する電磁波が増える。一方で、電磁波を検出する領域の面積が大きいほど、その領域に電磁波が入射していないときに流れる暗電流が増える。電磁波を検出する領域の面積が大きいほど、その領域の周囲長が長い。電磁波を検出する領域の周囲長が長いほど、その領域に電磁波が入射していないときに流れる暗電流が増える。

電磁波を検出する領域がフォトダイオードで構成される場合、電磁波を検出する領域の面積が大きいほど、空乏層が大きくなる。また、電磁波を検出する領域の周囲長が長いほど、空乏層が大きくなる。空乏層が大きいほど、フォトダイオードの端子間の容量が大きくなる。フォトダイオードの端子間の容量が大きいほど、フォトダイオードの応答速度が低下する。

図１及び図２に示されるような、本開示の一実施形態に係る電磁波検出器１０は、所定範囲に入射してくる電磁波を収束させることによって、所定範囲の面積よりも小さい面積を有する領域で電磁波を検出する。このようにすることで、電磁波を検出する領域の面積は、電磁波が入射してくる領域の面積より小さくされる。その結果、広い範囲に入射してくる電磁波が検出されつつ、暗電流が減らされうる。また、電磁波を検出する領域がフォトダイオードで構成される場合、フォトダイオードの応答速度が速くされうる。

図１及び図２に示されるように、一実施形態に係る電磁波検出器１０は、電磁波検出素子２０と、電磁波収束素子３０とを備える。

電磁波検出素子２０は、基板２３を備える。基板２３は、Ｚ軸の正の方向から入射してくる電磁波を検出する検出領域２１を有する。基板２３の検出領域２１の他の領域は、非検出領域２２ともいう。基板２３は、Ｚ軸を法線とする基板面２３ａを有する。検出領域２１と非検出領域２２とは、基板面２３ａ上に並んでいる。基板２３は、複数の検出領域２１を有する。各検出領域２１は、基板面２３ａ上において、非検出領域２２に囲まれていてよい。基板２３は、シリコン等の半導体基板であってよい。

電磁波収束素子３０は、各検出領域２１に対応して位置する。電磁波収束素子３０は、検出領域２１に対してＺ軸の正の方向の側に重なって位置する。電磁波収束素子３０は、Ｚ軸の正の方向の側から入射してくる電磁波を、検出領域２１に向けて収束させる。電磁波収束素子３０は、基板面２３ａから見て非検出領域２２に向かってくる電磁波の進行方向を、検出領域２１に向かうように変更する。このようにすることで、電磁波検出器１０は、非検出領域２２に向かってくる電磁波を検出領域２１で検出できる。その結果、電磁波検出器１０は、検出領域２１よりも広い範囲に入射してくる電磁波を検出しうる。

電磁波収束素子３０は、レンズを含んでよい。電磁波収束素子３０は、ミラーを含んでもよい。電磁波収束素子３０は、回折格子、メタマテリアル又はメタサーフェス等の電磁波の進行方向を変更できる素子を含んでもよい。電磁波収束素子３０は、複数の素子を集積した素子アレイとして構成されてもよい。

電磁波収束素子３０がレンズである場合、電磁波収束素子３０は、球面レンズ、非球面レンズ、又はシリンドリカルレンズ等を含んでよい。各検出領域２１に対応するレンズの形状は、各検出領域２１で同一であってよいし、少なくとも一部の検出領域２１で異なっていてもよい。

検出領域２１は、入射してきた電磁波のエネルギーを電気エネルギーに変換する。検出領域２１は、入射してきた電磁波に基づく電圧又は電流の信号を生成する。検出領域２１で生成される信号は、検出領域２１に入射してきた電磁波の波長又は強度等に基づいて決定される。

検出領域２１は、図３に例示されるように、基板２３に設けられているｐ型領域２４とｎ型領域２５との接合（ｐｎ接合）を含むフォトダイオード（ＰＤ）を構成してよい。図３の例において、ｐ型領域２４は、ｎ型領域２５よりもＺ軸の正の方向の側に位置している。ｐ型領域２４の位置とｎ型領域２５の位置とは、交換されてよい。ｐ型領域２４の層は、ｎ型領域２５に対して積層していてよい。ｐ型領域２４の層は、ｎ型領域２５に対する拡散層として構成されてよい。検出領域２１は、基板面２３ａの平面視において、ｐｎ接合が存在する領域を含んでよい。非検出領域２２は、基板面２３ａの平面視において、ｐｎ接合が存在しない領域を含んでよい。

電磁波検出素子２０は、ｐ型領域２４に電気的に接続する第１電極２６と、ｎ型領域２５に電気的に接続する第２電極２７とをさらに備えてよい。電磁波が検出領域２１に入射した場合、検出領域２１は、第１電極２６と第２電極２７とを通じて、入射してきた電磁波に基づく信号を出力してよい。

電磁波検出素子２０は、ＡＰＤ（Avalanche Photo-Diode）又はＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）として構成されてよい。電磁波検出素子２０は、ＳｉＰＭ（Silicon Photo-Multiplier）又はＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）として構成されてよい。電磁波検出素子２０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）として構成されてよい。

図４に示されるように、電磁波検出素子２０は、出力部４０をさらに備える。出力部４０は、複数の検出領域２１に並列に接続されている。出力部４０は、第１電極２６及び第２電極２７を介して、ｐ型領域２４及びｎ型領域２５に接続されてよい。出力部４０は、入射してきた電磁波に基づいて各検出領域２１が出力する信号を取得する。出力部４０は、各検出領域２１から取得した信号を１つの信号として出力する。出力部４０が複数の検出領域２１から取得した信号を１つの信号として出力することによって、電磁波検出素子２０は、各検出領域２１から出力される信号を別々の信号として出力する検出素子アレイとして機能するのではなく、単一の検出素子として機能する。電磁波検出素子２０は、単一の半導体素子であってよい。電磁波検出素子２０は、単一の光検出素子であってよい。出力部４０は、電磁波検出器１０の他の構成部、又は、電磁波検出器１０とは異なる他の装置に、信号を出力してよい。

図５に示されるように、電磁波検出器１０に対して、経路５０ａ又は経路５０ｂに沿って進行する電磁波が入射してくると仮定する。経路５０ａに沿って進行する電磁波は、そのまま進行する場合、検出領域２１に入射する。経路５０ｂに沿って進行する電磁波は、そのまま進行する場合、非検出領域２２に入射する。電磁波収束素子３０は、経路５０ｂに沿って進行する電磁波の進行方向を、経路５０ｃに沿って進行する方向に変更する。このようにすることで、そのまま進行すると非検出領域２２に入射する電磁波が、検出領域２１に入射しうる。その結果、電磁波検出器１０は、より多くの電磁波を検出できる。

図６に示される、比較例１に係る電磁波検出器９０は、電磁波収束素子３０を備えない。比較例に係る電磁波検出器９０は、電磁波検出器９０に対して経路５０ｂに沿って進行する電磁波が検出領域２１に入射するように、本実施形態に係る電磁波検出器１０よりも広い検出領域２１を有する。検出領域２１が広い場合、ｐｎ接合の面積が大きくなる。ｐｎ接合の面積が大きいほど、ｐｎ接合に流れる暗電流が増加する。つまり、比較例において、本実施形態に係る電磁波検出器１０と同じ量の電磁波を検出するために検出領域２１が広げられる結果、暗電流が増加する。一方、本実施形態に係る電磁波検出器１０は、電磁波収束素子３０を備えることによって、比較例よりも小さい検出領域２１を有するものの、比較例と同じ量の電磁波を検出できる。その結果、本実施形態に係る電磁波検出器１０は、広い面積に入射する電磁波を検出しつつ、暗電流を低減しうる。

各検出領域２１が第１電極２６を介して出力部４０に接続される場合、検出領域２１から出力部４０に対する出力抵抗が低くなる。その結果、電磁波検出器１０の消費電力が低減しうる。

図７に示されるように、他の実施形態に係る電磁波検出器１０において、各検出領域２１は、導体２８によって電気的に接続されていてよい。導体２８は、金属等の導電性材料を含んでよい。検出領域２１において基板２３の表面にｐ型領域２４が位置する場合、導体２８は、ｐ型領域２４であってよい。検出領域２１において基板２３の表面にｎ型領域２５が位置する場合、導体２８は、ｎ型領域２５であってよい。各検出領域２１が導体２８で接続されることによって、第１電極２６が低減されうるとともに、第１電極２６と出力部４０とを接続する配線が低減されうる。配線の本数が減ることによって配線の寄生容量が減少しうる。その結果、電磁波検出器１０の動作が高速化しうる。

図８及び図９に示されるように、一実施形態に係る電磁波検出装置１００は、電磁波検出器１０と、進行部７０とを備える。電磁波検出装置１００は、検出対象８５から射出される電磁波を進行部７０に入射させ、進行部７０で進行方向を変更し、電磁波検出器１０で検出する。

進行部７０は、基準面７１と、基準面７１に沿って位置する複数の画素７２とを備える。複数の画素７２は、基準面７１に沿って配置されているともいえる。画素７２は、基準面７１に入射してきた電磁波の進行方向を変更させうる。画素７２は、基準面７１に入射してきた電磁波を、所定方向へ進行させる第１状態と、所定方向とは異なる方向へ進行させる第２状態とのいずれかの状態に遷移しうる。進行部７０は、各画素７２を、第１状態及び第２状態のいずれかの状態に遷移させてよい。進行部７０は、各画素７２の状態の遷移を制御するプロセッサをさらに備えてよい。各画素７２は、第１状態及び第２状態のいずれかの状態に遷移することによって、基準面７１に入射してきた電磁波を、特定の方向に進行させる。第１状態に遷移している画素７２は、画素７２ａとして実線で表されている。第２状態に遷移している画素７２は、画素７２ｂとして破線で表されている。

画素７２は、基準面７１に入射する電磁波を反射する反射面を有してよい。進行部７０は、各画素７２の反射面の向きを制御することによって、基準面７１に入射する電磁波を反射する方向を決定してよい。各画素７２の反射面の向きは、第１状態及び第２状態それぞれに対応づけられてよい。つまり、進行部７０は、第１状態に遷移している場合と、第２状態に遷移している場合とで、画素７２の反射面の向きを異ならせることによって、電磁波を反射する方向を決定してよい。進行部７０は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等のミラーデバイスを備えてよい。画素７２は、ミラー素子であってよい。基準面７１は、ミラー素子の配列面であってよい。

進行部７０の画素７２は、電磁波を反射する反射面を含むシャッタを有してよい。シャッタが開いている場合、電磁波が透過し、所定方向へ進行するものとする。シャッタが開いている状態は、第１状態に対応づけられるものとする。シャッタが閉じている場合、電磁波が反射し、所定方向とは異なる方向へ進行するものとする。シャッタが閉じている状態は、第２状態に対応づけられるものとする。画素７２がシャッタを有する場合、進行部７０は、基準面７１に沿ってアレイ状に配列されている開閉制御可能なシャッタを有するＭＥＭＳシャッタ等を備えてよい。

進行部７０の画素７２は、液晶シャッタを有してよい。液晶シャッタは、液晶の配向状態を制御することによって、電磁波を透過する透過状態と、電磁波を反射する反射状態とのいずれかの状態に遷移する。透過状態及び反射状態はそれぞれ、第１状態及び第２状態に対応づけられるものとする。

電磁波検出装置１００は、制御部６０をさらに備えてよい。制御部６０は、進行部７０の各画素７２の状態を制御してよい。制御部６０は、検出対象８５から電磁波検出器１０に入射する電磁波の検出結果を、電磁波検出器１０から取得してよい。

制御部６０は、１以上のプロセッサおよびメモリを含む。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ、および特定の処理に特化した専用のプロセッサの少なくとも一方を含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）を含んでよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を含んでよい。制御部６０は、１つまたは複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（System-on-a-Chip）、及びＳｉＰ（System-in-a-Package）の少なくとも一方を含んでよい。

電磁波検出装置１００は、第１結像部８１をさらに備えてよい。第１結像部８１は、入射してくる電磁波を進行部７０の基準面７１で結像してよい。つまり、第１結像部８１は、その結像点が基準面７１に位置する光学部材であってよい。第１結像部８１は、レンズ及びミラーの少なくとも一方を含む光学部材であってよい。

検出対象８５から射出される電磁波は、その進行方向に交差する面に沿った広がりを有する。電磁波の広がりは、説明の便宜上、広がり範囲８０ａ、８０ｂ及び８０ｃとして表されるものとする。電磁波が光である場合、広がり範囲８０ａ、８０ｂ及び８０ｃは、光線束に相当する。

第１結像部８１は、検出対象８５の所定点から射出され、広がり範囲８０ａ、８０ｂ及び８０ｃで表される広がりを有する電磁波それぞれを異なる画素７２で結像させると仮定する。

進行部７０は、広がり範囲８０ａ、８０ｂ及び８０ｃで表される広がりを有する電磁波それぞれの進行方向を各画素７２で変更する。進行部７０は、１つの画素７２に入射してくる電磁波を電磁波検出器１０に入射させ、他の画素７２に入射してくる電磁波を電磁波検出器１０に入射させないようにしうる。画素７２は、第１状態に遷移している場合に、入射してくる電磁波を電磁波検出器１０に入射させ、第２状態に遷移している場合に、入射してくる電磁波を電磁波検出器１０に入射させないと仮定する。進行部７０は、各画素７２を１つずつ第１状態に遷移させることによって、各画素７２に入射してくる電磁波を別々に電磁波検出器１０に入射させうる。進行部７０は、例えば広がり範囲８０ａで表される広がりを有する電磁波を電磁波検出器１０に入射させ、広がり範囲８０ｂ及び８０ｃで表される広がりを有する電磁波を電磁波検出器１０に入射させないようにしうる。このようにすることで、進行部７０は、基準面７１に結像した検出対象８５の像に係る電磁波を、画素７２ごとに電磁波検出器１０に入射させうる。電磁波検出装置１００は、画素７２の状態と電磁波検出器１０の検出結果とを同期させることによって、電磁波検出器１０が単一の検出素子である場合でも、検出対象８５から入射する電磁波を、検出対象８５に関する一次元又は二次元の像として検出しうる。

図１０に示される、比較例２に係る電磁波検出装置９００は、電磁波収束素子３０を備える電磁波検出器１０ではなく、電磁波収束素子３０を備えない電磁波検出器９０を備える。比較例２に係る電磁波検出装置９００は、進行部７０から電磁波検出器９０に向けて進行する電磁波を電磁波検出器９０の検出面に収束させる第２結像部８２をさらに備える。

比較例２における電磁波検出器９０の検出領域２１の面積が本開示の一実施形態における電磁波検出器１０の検出領域２１の面積と等しい場合、電磁波検出器９０は、電磁波検出器１０よりも狭い範囲に入射してくる電磁波しか検出できない。比較例２に係る電磁波検出装置９００は、第２結像部８２を備えることによって、より広い範囲に入射してくる電磁波を検出することができる。

一方、本開示の一実施形態における電磁波検出器１０は、第２結像部８２を備えなくとも、広い範囲に入射してくる電磁波を検出しうる。第２結像部８２が不要となることによって、小型化が実現されたり、部品点数が削減されたり、構造が簡素化されたりしうる。

他の実施形態において、電磁波検出器１０は、撮像装置に備えられてよい。電磁波検出器１０を備える撮像装置は、撮像対象から取得する電磁波を電磁波検出器１０に検出させ、検出結果に基づいて撮像画像を生成してよい。撮像装置は、複数の電磁波検出器１０を備えることによって、一次元又は二次元の撮像画像を生成してよい。

他の実施形態において、電磁波検出器１０は、測距装置に備えられてよい。電磁波検出器１０を備える測距装置は、測距対象から取得する電磁波を電磁波検出器１０に検出させ、検出結果に基づいて測距対象からの距離を算出してよい。

測距装置は、電磁波検出器１０の検出結果に基づいて、ＴｏＦ（Time of Flight）方式によって、測距対象に関する距離情報を取得してよい。測距装置は、ＴｏＦ方式として、電磁波を放射してから反射波を検出するまでの時間を直接測定するＤｉｒｅｃｔＴｏＦ方式を実行してよい。測距装置は、ＴｏＦ方式として、電磁波を周期的に放射し、放射した電磁波の位相と反射波の位相とに基づいて、電磁波を放射してから反射波を検出するまでの時間を間接的に測定するＦｌａｓｈＴｏＦ方式を実行してよい。測距装置は、ＴｏＦ方式として、ＰｈａｓｅｄＴｏＦ等の他の方式を実行してもよい。測距装置は、例えば、時間計測ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）を含んでよい。

本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能である。複数の機能部等は、１つに組み合わせられたり、分割されたりしてよい。上述した本開示に係る各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施されうる。

本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１電極は、第２電極と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

１０ 電磁波検出器
２０ 電磁波検出素子
２１ 検出領域
２２ 非検出領域
２３ 基板
２３ａ 基板面
２４ ｐ型領域
２５ ｎ型領域
２６ 第１電極
２７ 第２電極
２８ 導体
３０ 電磁波収束素子
４０ 出力部
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ 電磁波の経路
６０ 制御部
７０ 進行部
７１ 基準面
７２（７２ａ、７２ｂ） 画素
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ 広がり範囲
８１ 第１結像部
８２ 第２結像部
８５ 検出対象
１００ 電磁波検出装置

Claims (11)

1. 複数の検出領域を有する基板と、前記各検出領域で検出された電磁波に基づく信号を１つの信号として出力する出力部とを含む電磁波検出素子と、
   前記基板の上で、前記各検出領域に重なって位置する電磁波収束素子と
   を備え、
   前記電磁波収束素子は、入射してくる電磁波を、対応する前記検出領域に収束させる、電磁波検出器。
2. 前記電磁波検出素子は、電磁波を検出しない非検出領域を備え、
   前記複数の検出領域はそれぞれ、前記非検出領域に囲まれている、請求項１に記載の電磁波検出器。
3. 前記電磁波収束素子は、前記非検出領域に向かって入射してくる電磁波を、対応する前記検出領域の範囲内に向かわせる、請求項２に記載の電磁波検出器。
4. 前記電磁波収束素子は、レンズ又はミラーの少なくとも一方を含む、請求項１乃至３いずれか１項に記載の電磁波検出器。
5. 前記電磁波検出素子は、単一の半導体素子である、請求項１乃至４いずれか１項に記載の電磁波検出器。
6. 前記電磁波検出素子は、単一の光検出素子である、請求項１乃至５いずれか１項に記載の電磁波検出器。
7. 前記電磁波検出素子は、単一のＰＤ、ＡＰＤ、ＳＰＡＤ、ＳｉＰＭ、ＭＰＰＣ、ＣＣＤ、及びＣＭＯＳのうち少なくとも１つを含む、請求項１乃至６いずれか１項に記載の電磁波検出器。
8. 前記複数の検出領域はそれぞれ、導体によって電気的に接続されている、請求項１乃至７いずれか１項に記載の電磁波検出器。
9. 請求項１乃至８いずれか１項に記載の電磁波検出器を備える撮像装置。
10. 請求項１乃至８いずれか１項に記載の電磁波検出器を備える測距装置。
11. 基準面に沿って複数の画素が配置され、前記基準面に入射した電磁波を前記画素毎に特定の方向へ進行させる進行部と、
    前記特定の方向へ進行した電磁波を検出する請求項１乃至８いずれか１項に記載の電磁波検出器と
    を備える、電磁波検出装置。

Images