JPS61277024A - 光スペクトル検知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 本発明は、光スベクｌ−／し感度が異なる複数個の光電
変換素子によって、被測定光を同時測定し、その信号を
逆変換して被測定光のスペクトル分布を検知する光スペ
クトル検知器に関する。

〈従来技術〉 光のスベク）／７分布を求める方法としては、単一の波
長領域の光にしか感度を持たない光検知器を被測定波長
全域に渡って並べて測定する方法がある。第２図はこれ
を示す説明図である。図において被測定光のスペク）／
ｌ／分布が、■（λｋ）Δλ＝Ｉｋであるとする。但し
、ｋは１からＮまでの自然数であシ、λにとλに＋１＝
λに＋Δλではさまれる波長領域はＮ分割された被測定
波長領域の一方の端から数えてに番目の波長領域である
。スペクトルは近似的に階段型分布を仮定している。λ
にとλに＋１の間の波長の光にしか感度を持たない単一
波長領域光検知器ｋＩｋか分布する波長全域に渡って並
べて測定を行なえば、各検知器の信号Ｊ（λｋ）Δλミ
Ｊｋから、各検出器の感度補正を考慮して、Ｉｋの分布
を求めることができる。すなわち、単一波長領域光検知
器の数をＮ個とすれば、次式によってスペクトル分布Ｉ
ｋが求められる。

但し、ａｋはに番目の単一波長領域光検知器の感度補正
因子であシ、すべてのｋに対してａｋ〜０であシ、上記
のＪｋからＩｋへの変換に用いられる行列は対角行列で
ある。この方法では、単一波長領域光検知器を被測定波
長全域に渡って揃える必要があシ、Ｎを増すほどすなわ
ち波長に関する分解能を上げるほど、これは困難となる
。

そとで、このＮ個の単一波長領域光検知器を、Ｎ分割し
た波長領域のうちの複数領域に渡って感度を有しかつ異
なるスベク）Ａ／感度を有するＮ個の光検出器に置換し
て測定を行なう。第３図に示すように、ｊを１からＮま
での自然数とすれば、ｊ番目の検出器はλにとλに＋１
の間の波長領域の光に対してａｊｋＩｋなる信号を生ず
るので、被測定光に対してはｊ番目の検出器の信号Ｊｊ
は、Ｊｊ＝Σ　ａｊｋＩｋ　となり、行列で表現すれば
次式で表わされる。

但し、ａ　］　ＩｌはＩｋをｊ番目の検知器で受光して
得られる信号から求めることができる値で、上記のａｋ
と同じく感度補正因子である。上式の変換行列″ｆ：Ｉ
　ａｊｋ）＝”Ａと表わすことにすれば、測定信号Ｊｊ
からスベク）／Ｌ／分布ｌｋは、Ａの逆行列Ａ　を求め
てＪｊをＩｌ（べ逆変換することによって求められる。

Ａの逆行列が存在するためには、Ａが正則でなくてはな
らない、すなわち、行列Ａの行列式ＩＡＩがＩＡＩ〜Ｏ
でなくてはならないので、本発明の作製は、この点に留
意し、逆変換処理をできる限シ簡略化しうるようにＡｔ
設計する必要がある。

〈発明の概要〉 以上の考察に基づき、本発明は特に薄膜光電変換素子の
積層型検知器を構成したものである。原理上は、積層化
でなくとも可能であるが、積層化の利点を以下に述べる
。平面上に異なるスペクトル感度を有するＮ個の光検知
器を並べることは、面方向に一様な検知器を作製する場
合と異なシ、工程を複雑化しまたスペクトルの面分布を
測定する目的に対してはＮ個の光検知器の占有面積が大
きくなシ分解能を低下させる欠点を有する。これに対し
、本発明は半透過性光検知器を積層させ異なるスペクト
ル感度を有するＮ個の光検知器として作動させることに
よって、上述の欠点を克服するとともに、薄膜技術の特
徴である積層化を積極。

的に活用しようとするものである。

積層化された各半透過性光検知器に、光入射側から順に
１，２．・・・Ｉ　　ｊＩ・・・、Ｎと命名する。ｊ番
目の検知器には、１，２．・・・、ｊ−１の半透過性検
知器がフィルターとして働くので、本発明では特別なフ
ィルターを設ける必要がないという利点を有する。この
場合、上述した感度補正因子ａｊｋは、λにとλに＋、
の間の波長の光の積層型光スペクトル検知器への入射光
量Ｉｋに対するｊ番目の検出器の出力信号がａｊｋ■に
であることを示す因子であり、ａｊｋには、１，２．・
・・、ｊ−１の半透過性光検知器によるフィルター効果
も繰シ込まれている。

〈実施例〉 第１図に示すように、個々の半透過性光検知器として、
透明導電膜５．９．１０上に水素化アモルファヌシリコ
ン（以下ｒａ　−Ｓ　ｉ　：　ＨＪ　上記？）のｐ型層
２．６．１１、ｎ型層３，７．１２、ｎ型層４．８．１
３を順次積層し、更にｎ型層　−Ｓｉ：Ｈ層の上に透明
導電膜１４’ｋＱ膜したｐｉｎ型光電変換素子を用いる
。透明導電膜はそれを挾む上下のｐｉｎ型光電変換素子
の双方に共通する信号取出し口としての役割を果たす。

このようなｐｉｎ型光電変換素子を複数個ステンレス基
板１５上に積層し、各ｐｉｎ型光電変換素子で発生する
短絡光電流あるいは一定逆バイアス印加時の光電流を出
力信号として検出する。

従来、上記単層のｐｉｎ型光電変換素子は、ｉ層の膜厚
を調整することによって緑色にピークを持つスペクトル
感度、すなわち人間の視感度に近いスペクトル感度を有
することができ、また、上記単層ｐｉｎ型光電変換素子
の光入射側前面に色フィルターを装着することによって
カラーセンサーとしての利用が可能となる。この場合、
多数の色の識別のためには異なる分光透過特性を有する
多数の色フィルターを必要とするとともに面方向に異な
る色フィルレターを有するカラーセンサーを配列せねば
ならず、被入射光１６のスペクトル面分布の測定に際し
ては占有面積が大きくなシ、空間的分解能の低下か予想
される。これらの点に対し、本実施例は、まず半透過性
単層ｐｉｎ型光電変換素子を多層化することによって色
フィルターを必要としない光スベク）／Ｌ／検知器とし
て作用する素子を構成している。

ａ−Ｓｉ：Ｈは光吸収係数が光の波長に対して変化して
いるので、ｉキｊとしたとき積層された単層ｐｉｎ型光
電変換素子のうち、１番目のものとｊ番目のもののスペ
クトル感度は相似にはなシ兄ない。すなわち、Ｃ１ｊを
正の定数として１からＮまでのどのｋに対しても”ｋｉ
−Ｃｉｊ　ａｉ（ｊを満たすＣ１ｊは存在しない。これ
によって、上述した行列Ａの正則性が保障され逆変換に
よってスペクトル分布が求められる。ａ−Ｓｉ：Ｈを材
ａとした場合、個々の単層ｐｉｎ型光電変換素子の膜厚
は数十Ａから数千Ａに渡って様々な膜厚を有するものの
うち、積層数Ｎ及び吸収光量との関係を考慮して適切な
膜厚のものが用いられる。

透明導電膜の膜厚は数百Ａから数千Ａとした。この場合
、多重干渉効果が起こるので、積層数Ｎ及び膜厚を仮定
し個々の単層ｐｉｎ型光電変換素子による吸収光量を計
算し積層化しない単層ｐｉｎ型光電変換素子による吸収
光量を計算し積層化しない単層ｐｉｎ型光電変換素子の
スペクトル感度を仮定する仁とによって、積層化した場
合のｊ番目のｐｉｎ型光電変換素子のスペクトル感度ａ
Ｊを概算することはできるが、作製時における膜厚の厳
密な制御の問題を考慮すると実測によってａ　ｋｊを決
定せざるを得ない。この際、行列Ａの正則性を保障しな
くてはならない。また、ａ−Ｓｉ：Ｈの光吸収係数は波
長の増加と共に減少するので、各単層ｐｉｎ型光電変換
素子の９層、ｉ層、ｎ層のうち吸収光量が信号に寄与し
うるｉ層の膜厚はｊの増加と共に徐々に増加させた方が
よい。ここでは、ｉ層の膜厚の増加に伴って光吸収量か
増加し、それと共に信号としての光電流が増加すること
が成立する１層膜厚の範囲すなわち数千λ以下のｉ層・
膜厚に限定される。

積層数Ｎは波長の分解能と関係を有する。上述の原理か
ら、Ｎが大きいほど波長の分解能は向上する。

測定可能な被測定光１６の波長領域は用いる半導体材料
の光電流を発生させうる光の波長領域に限定される。例
えば、ａ−ｓｉ：）１を用いたｐｉｎ型光電変換素子積
層型光スペクトル検知器の場合は、ａ−Ｓｉ：Ｈの光学
的バンドギャップに相当する波長よりも短い波長領域す
なわち７０００〜８０００Ａ以下の波長領域に限定され
る。

積層される個々のｐｉｎ型光電変換素子はｎｉｐ型であ
ってもよい。また、ｐ層あるいはｎ層ばａ−Ｓｉ：Ｈに
限定される。ことはない。例えば、水素化アモルファス
シリコンカーバイト（以下ｒａ−ＳｉＣ：ＨＪと記す）
や水素化微結晶シリコン（以下「μｃ−ＳｉＣ：ＨＪと
記す）などでもよい。ｉ層につめては、積層数Ｎと被測
定光波長領域とｉ層材料の光吸収係数の波長依存性から
最適膜厚を設計する必要があシ、またｉ層材料の光吸収
係数及び光電流を生ぜしめる光の波長領域によって被測
定波長領域が限定されるので、ａ−Ｓｉ：Ｈ以外のアモ
ルファス材料、例えば水素化アモルファスシリコンゲル
マニウム（［Ｔｒａ−ＳｉＧｅ　：　ＨＪと記す）、水
素化アモルファスゲルマニウム（以下ｒａ−Ｇｅ：ＨＪ
と記す）、ａ−ＳｉＣ：Ｈ，フッ素化アモルファスシリ
コン（以下ｒａ−Ｓｉ　：　Ｆ：ＨＪと記す）、フッ素
化アモルファスシリコンゲルマニウムＣ以下ｒａ−Ｓｉ
Ｇｅ　：　Ｆ　：ＨＪと記す）など、ａ−Ｓｉ：Ｈとは
異なる光吸収係数や光学的バンドギャップを有する材料
をｉ層材料として用いることは重要な検討要素である。

Ｎ個の単層ｐｉｎ型光電変換素子あるいは単層ｎｉｐ型
光電変換素子あるいは単層ｎｉｐ型光電変換素子を積層
するに当シ、必ずしも、すべての単層光電変換素子のｉ
層を同一材料で作製する必要はない。むしろ、光の入射
面側から離れた奥に位置する、大きなｊの単層光電変換
素子には、アモルファス材料の場合、光吸収係数からの
帰結として長波長光しか到達できないので、光学的バン
ドギャップが小さく、光吸収係数の大きい材料を用いた
方が良く、その方かよシ薄膜化が可能となる。

隣接する個々の単層光電変換素子に共通の信号取出口と
して作用する透明導電膜を用いなくとも、第４図に示す
ようなｐｉｎ型光電変換素子とｎｉｐ型光電変換素子と
を交互に積層する場合には、ｐ型層１７．２１，２２．
２６とｎ型層１９．２４に水素化微結晶シリコンあるい
はフッ素化微結晶シリコンなどの微結晶半導体を用い、
１層１８．−２０．２３．２５にはａ−Ｓ　ｉ　：　Ｈ
，ａ−ＳｉＧｅ：　Ｈ＋　ａ　　Ｓｉｃ　”Ｈ９ａ　　
Ｓｉ：　Ｆ　：　Ｈ＊　ａ−ＳｉＧｅ：Ｆ：Ｈなどのア
モルファス半導体を用い、ｐｉｎｉｐｉｎ・・・・・・
の順に積層し、ｐ層、ｎ層は、ｐｉｎ型素子あるいはｎ
ｉｐ型素子を構成すると同時に出力信号の取出し口とし
ても作用する構成とすることができる。

また、個々の半透過性光検知器は上述のｐｉｎ型素子あ
るいはｎｉｐ型素子に限定されない。本発明の積層化に
関する原理を満たす半透過性薄膜光検知器であるならば
作製が可能である。

基板１５は、上記実施例ではステンレス基板を用いたが
これに限定されることはなく、例えばガラス基板などの
絶縁性基板を用いれば、本積層型光スペクトル検知器を
２次元的に配列させて光スベク）／ｌ／の面分布検知器
とすることも可能である。

変換行列Ａの選び方は多様であシ、Ａの正則性か満たさ
れていれば原理上筒でも良いが、波長全域に渡る分解能
と感度を考慮しかつ逆変換が容易な形の八を選択する必
要がある。上述したように厳密な理論計算によるＡの具
体的な形の決定は不可能であるが、理想的には逆変換行
列ｈ”’−１の変換機能を有する処理回路を併設し、光
スペクトル検知器として一体化できることが望ましい。

また、積層した単層半透過性光検知器からの信号を電気
的スキャニングによって多数回検知する測定のマルチプ
レックス化によって、ＳＮ比の向上を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の説明に供する光検吊器の構
成図である。第２図は単一波長領域光検知器の信号を示
す模式図である。第３図は本発明の詳細な説明に供する
複数波長領域光検知器の信号を示す模式図である。並び
に、第３図、第４図は本発明の他の実施例を示す光検出
器の構成図である。 ２．６．１１・ｐ型ａＳｉ：Ｈ層、　３，７゜１２．１
８，２０．２３．２５−・−ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層、　４
　、８　、１３−ｎ型ａ　　Ｓｔ　：　Ｈａｓ５．９，
１０．１４・・・透明導電層、　　１５・・・ステンレ
ス基板、　　１６・・・被測定光。 代理人　弁理士　　福　士　愛　彦（他２名）第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属基板上あるいは透光性絶縁基板上に、任意のス
   ペクトル分布を有する入射光の強度に対し、それによっ
   て生ずる信号が線形に変化する半透過性光検知器をＮ（
   Ｎは２以上の自然数）個積層し、被測定光の入射によっ
   て該各光検出器に生ずる信号を、正則性を有するＮ次正
   方行列を用いて逆変換処理することによって、被測定光
   のスペクトル分布を求めることを特徴とする光スペクト
   ル検知器。 ２、透明導電膜上にｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ、ｉ型ａ−Ｓｉ：
   Ｈ、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈを順次積層し、更にその上に透明
   導電膜を被着したｐｉｎ型薄膜光電変換素子、あるいは
   透明導電膜上にｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ、
   ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈを順次積層し、更にその上に透明導電
   膜を被着したｎｉｐ型薄膜光電変換素子、あるいはｐ型
   、ｉ型、ｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈに代わって、ａ−ＳｉＧｅ
   ：Ｈ、ａ−Ｇｅ：Ｈ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ、ａ−Ｓｉ：Ｆ：
   Ｈ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｆ：Ｈを用いたヘテロ接合ｐｉｎ型
   又はｎｉｐ型薄膜光電変換素子を前記半透過性光検知器
   として用いた特許請求の範囲第１項記載の光スペクトル
   検知器。 ３、前記半透過性光検知器に、微結晶水素化シリコンあ
   るいは微結晶フッ素化シリコン等のｐ型微結晶半導体、
   ａ−Ｓｉ：Ｈ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ、ａ−Ｇｅ：Ｈ、ａ−
   Ｓｉ：Ｆ：Ｈ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｆ：Ｈのｉ型アモルファ
   ス半導体、微結晶水素化シリコンあるいは微結晶フッ素
   化シリコンのｎ型微結晶半導体、上記ｉ型アモルファス
   半導体、上記ｐ型微結晶半導体、上記ｉ型アモルファス
   半導体、上記ｎ型微結晶半導体、上記ｉ型アモルファス
   半導体の順に繰返し積層し、上記ｐ型微結晶半導体及び
   上記ｎ型微結晶半導体は、それをはさむ前後のｉ型アモ
   ルファス半導体に対しｐｉｎ型素子あるいはｎｉｐ型素
   子の構成要素であると同時に信号の取り出し口としての
   機能を有する特許請求の範囲第１項記載の光スペクトル
   検知器。