JPH01308928A - 光検出素子アレイおよび光検出器 - 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】 産業上の利用分野 この発明は、光の計測、光を利用した位置計測、動体を
撮像するカメラおよび熱像を観測できる赤外カメラ等に
用いる光検出素子アレイおよび同アレイを備えた光検出
器に関する。

従来の技術 超電導体を利用した光検出素子は、超電導体中で光照射
により準粒子が励起されてエネルギギャップが変化する
現象を利用しており、Ｂ　ａ　Ｐ　ｂ　１−ｘＢｉ、０
３を用いた例が報告されている（複本、村上、ＮＴＴ研
究実用化報告第３４巻第１１号、１５９７頁〜１６０５
頁）。

この光検出素子について、第３図を参照しながら説明す
る。

光検出素子を構成する超電導体１は、基板（図示省略）
の上に蒸着により形成された低キャリヤ濃度酸化物超電
導薄膜である。図にみるように、この超電導体１は、そ
の中央部分が細くなっており、その両端を結線部として
、適当な抵抗値の負荷抵抗５と電源６とに直列に結線さ
れ、前記電源６でバイアス電流が流されるようになって
いる。

この超電導体１の前記細くなった部分に光が照射される
と、次に説明されるようにして、この超電導体１から出
力信号が取り出される。すなわち、この超電導体におけ
る前記細くなった部分は、光検出のだめの有感部となっ
ているのである。図中、７はアース端子、８は出力信号
取出し端子である。

超電導体１の薄膜内には、基板に対して垂直な粒界１３
が形成されていて、同粒界１３の存在によりいわゆるジ
ョセフソン接合、すなわちトンネル接合が形成されてい
る。超電導体１の有感部は、前述のように細くなってい
るため、その部分の電流密度が高くなって、臨界電流値
を越える状態になっている。図示の回路構成によると、
この有感部に電圧が印加された状態となり、前記両端子
７．８に電圧があられれるが、この電圧は有感部への光
照射に伴って変動する。つまり、有感部に電圧が印加さ
れた状態で光が照射されると、有感部に形成されている
トンネル接合の電流−電圧特性が準粒子の光励起により
変化するのである。そこで、この変化を電気信号として
取り出すようにしているのである。

しかし、上記従来の超電導体を用いた光検出素子には、
次のような欠点があった。すなわち、その超電導体に流
す信号電流の方向が基板面に平行になっているので、中
央の有感部の左右に、電極引出しのために、同有感部よ
りも大きな面積を有する部分を設けることがどうしても
必要となる。

その結果、有感部の面積が小さくても超電導体１全体の
面積は大きくなって、素子の寸法が桁違いに大きくなり
、そのため、光検出素子の小型化、高密度化が妨げられ
、光検出素子のアレイ化が難しくなると言う欠点である
。

そこで、この欠点を解消するため、出願人は、複数の微
小面積に分離配列された超電導薄膜層を備え、同薄膜層
の厚み方向に電流を流せるように、同薄膜層の両面に電
極を設けた高密度化光検出素子アレイを開発した。第２
図は、この高密度化光検出素子アレイを用いた光検出器
を示す。

複数の超電導薄膜層１・・・が透明な共通電極３を介し
て透明基板１２上にアレイ状に分離配列され、各超電導
薄膜層１には信号取出し電極４が形成されていて、同電
極４とＩＣチップ１１側の信号取り込み電極１５が電気
的、機械的に接続されている。

ＩＣチップ１１は、各超電導薄膜層１からの出力信号を
時間順次で読み出す回路を備え、各超電導薄膜層１ごと
の光検出信号を読み出せるようになっている。

第２図にみるような回路構成にして、電源６により、透
明電極３と信号取り出し電極４間に抵抗５を介してバイ
アス電圧を印加すると、臨界温度以下で超電導薄膜層１
のジョセフソン接合にトンネル電流が流れる。このジョ
セフソン接合の電流−電圧特性は超電導薄膜層１への光
照射により変化するので、この電圧変化まだは電流変化
を、光検出素子ごとに取り出すようにするのである。

この光検出器では、超電導薄膜層１内を流れる電流は基
板面に対して垂直な方向に流れるようになっているので
、超電導薄膜層１の殆ど全部の部分を有感部として利用
することになる。そのため、光検出素子アレイとした場
合、特に光検出素子を２次元配列した構成のアレイとし
た場合、集積度を高くすることができる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、この新たに開発された高密度化光検出素
子アレイにも、次のような問題のあることが分かった。

すなわち、各超電導薄膜層１が隙間をあけて分離配置さ
れているため、この隙間部分が不感帯として存在すると
いう問題である。

そこで、この発明は、上記不感帯を解消する構成を有す
る光検出素子アレイおよび同アレイを備えだ光検出器を
提供することを課題とする。

課題を解決するだめの手段 上記課題を解決するため、請求項１．２記載の発明は、
ともに、光検出素子アレイであって、表裏面共に平らで
ある透明基板に代えて、凸レンズ作用を有する多数の微
小凸部が表面にアレイ状に配列形成され裏面が平らとな
っている透明基板を用いるようにし、請求項１記載の発
明は、この透明基板の裏面に、透明な共通電極を形成し
て、その上に超電導薄膜層１・・・を形成するようにし
ており、請求項２記載の発明は、前記透明基板として導
電性のものを用い、同透明基板自体を共通電極として兼
用して、その上に直接に超電導薄膜層１・・・を形成す
るようにしている。

請求項３記載の発明は、光検出器であって、請求項１ま
たは２記載の光検出素子アレイを、光検出信号処理をす
るための半導体集積回路チップと組み合わすようにして
いる。

作用 この発明においては、透明基板に凸レンズ作用を有する
微小凸部が各超電導薄膜層に対応して形成されているの
で、超電導薄膜層はいずれも、これに密着しだ片面レン
ズを有する構造になり、この片面レンズが光を受ける超
電導薄膜層の視野を拡げる働きをするため、不感帯が解
消される。

光検出素子アレイは、通常、対物レンズと組み合わせて
使われているが、このような場合でも、合成焦点距離は
対物レンズの焦点距離よシも小さくなり、そのため、視
野が拡大し、視野上での観測不能領域が解消されること
となる。

透明基板が導電性を有して共通電極を兼ねていると、共
通電極用の導電層を基板裏面に形成する必要がない。

実施例 以下、この発明の実施例について図面を参照しながら詳
しく説明する。

第１図は、請求項１記載の発明の一実施例にかかる光検
出素子アレイを備えた、請求項３記載の発明にかかる光
検出器を模式的にあられす。

この光検出器は、光検出素子アレイと同アレイに発生し
た光検出信号を、各光検出素子毎に出力させるためのＩ
Ｃチップからなる。

光検出素子アレイの構成をまず説明する。

この光検出素子アレイは、超電導薄膜層１、サファイヤ
レンズ（透明基板）２、酸化インジュウム薄膜からなる
受光電極兼共通電極３、および、信号引出し電極４を備
えている。ひとつの超電導薄膜層１と共通電極３および
信号引出し電極４とでひとつの光検出素子が構成されて
いる。これを詳しく述べると、透明基板たるサファイア
レンズ２は、レンズ作用をする多数の微小凸部２ａ・・
・が表面にアレイ状に配列され、裏面が平らな面となっ
ている。つまり、サファイアレンズ２は、多数の微小片
凸レンズ群から構成される複眼レンズ板なのである。多
数の超電導薄膜層１・・・は、このサファイアレンズ２
の裏面側に積層された透明な共通電極３の上に、前記各
微小凸部２ａに対応してアレイ状に配列されている。信
号引出し電極４は、各超電導薄膜層１毎に、それぞれの
前記サファイアレンズ２に接する面とは逆の面に、形成
されている０ なお、第１図は光検出器の一部だけを示しており、した
がって、全体では横方向、縦方向に同じ構成が繰り返さ
れていることはいうまでもない。

この実施例では、素子を構成する超電導薄膜層１・・・
とこれらに対応する信号取出し電極４・・・とけ、縦方
向に２５６個、横方向に２５６個、それぞれ分離配列さ
れている。そして、各素子のピッチ間隔は２０μｍであ
る。つまり、この光検出素子アレイは２５６　Ｘ　２５
６のマトリックス配列となったものである０ 共通電極３は、サファイアレンズ２の裏面にスパッタ法
により酸化インジウムを蒸着することによシ形成されて
いる。超電導薄膜層１は、ペロプスカイト型酸化物超電
導体材料である（Ｌａｏ、９Ｓ　ｒｏ、ｌ）　２　Ｃｕ
Ｏ２をスパッタ法により電極３上に蒸着することにより
形成されている。信号引出し・電極４は、白金をスパッ
タ蒸着することにより超電導薄膜層１上に形成されてい
る。

この光検出素子アレイは、これから光検出信号を読み出
すだめのＩＣチップ（半導体集積回路）１１と、次のよ
うにして組み合わされている。

信号引出し電極４の一部には、ＩＣチップとの接続のだ
めの突起１０が、インジウム金属の蒸着により形成され
ている。他方、ＩＣチップ１１ば、光検出素子アレイの
各信号引出し電極４に対応して信号取り込み電極１５・
・・を備えているが、これらの信号取り込み電極１５・
・・にも、接続用の突起１０′が、インジウム金属の蒸
着により形成されている。そして、光検出素子アレイと
ＩＣチップ１１とは、対応する両突起１０．１０′を熱
圧着で接合することにより、電気的、機械的に接続され
ているのである。

他方、光検出素子アレイの共通電極３の周辺部の一部露
出個所にはアルミニウムが蒸着されていて、ここに超音
波ボンディング技術によりアルミニウムの細線がリード
線として接続され、このリード線は、直流電源６の一極
と共通電極端子（アース端子）７に接続されている。

図にみるように、ＩＣチップ１１は、負荷抵抗５・・お
よびＣＣＤ　（電荷転送素子）９をも備え、前記各信号
取り込み電極１５は、負荷抵抗５を介して直流電源６の
他極に電気的に接続されるとともにＣＣＤ９にも電気的
に接続されている。ＣＣＤ９は、信号出力端子（出力信
号取り出し端子）８に電気的に接続されている。なお、
この場合、ＣＣＤについては、クロック端子や電源端子
等の詳細は図示していないが、通常のＣＣＤにおける構
成がとられていることは言うまでもない。

上にみたように、この光検出器でも、各光検出素子と負
荷抵抗５および直流電源６が直列に接続されていて、各
光検出素子に適当量のバイアス電流が流れるようになっ
ている。そのため、光照射により、いずれかの光検出素
子の超伝導薄膜１の電圧−電流特性が変化すると、ＣＣ
Ｄ９は、その（それらの）光検出素子に対応する引出し
電極４、信号取り込み電極１５を介して各光検出素子ご
との光検出信号を適当な時間間隔で順次取り込んで、出
力端子８から送り出すのである。

つぎに、この光検出器において不感帯が解消されている
理由を説明する。

２０μｍピッチで設けられた超電導薄膜層１の有効受光
部はほぼ１５μｍ×１５μｍの面積を有する部分である
から、従来なら、各薄膜層１の間には約５μｍの幅の格
子状の不感帯が存在することになる。しかし、この光検
出器（光検出素子アレイ）では、サファイヤレンズ（透
明基板）２の各微小凸レンズ（微小凸部）　２ａが各光
検出素子に密着しているため、焦点距離ｆｏの対物レン
ズを前面にもってきた場合、同対物レンズとサファイア
レンズ２の合成焦点距離ｆは、下式（１）で計算され、
対物レンズの焦点距離ｆｏよりも小さくなる。

Ｏ ｆ＝□・・・（１） （（ｎ−１）　Ｓ／Ｒ）＋１ 式中　ｎは、サファイアレンズ（透明基板）材料の屈折
率 Ｓは、対物レンズ焦点位置とサファイアレンズの凸部面
との間隔 Ｒは、サファイアレンズの凸部の曲率半径すなわち、第
１実施例のサファイアレンズ２の場合、ｎ＝１．７７で
あるから、Ｓ　＝　１　ｍｍ、　Ｒ＝　２．３ｍｍとす
ると、 ｆ’＝　　（３／４）ｆｏ　　−（２）となるからであ
る。

その結果、この光検出素子は、等制約にみると、ｆ　ｏ
　／　ｆ　　（’＝　４　／　３）倍の大きさの素子が
持つ視野角に等しい視野角を有することとなる。換言す
れば、この光検出素子の有感部の等価的寸法は、１５Ｘ
　　（４／３）　　μｍＸ１５Ｘ　　（４／３）　　μ
ｍ＝２０μｍ×２０μｍとなり、ピッチ寸法全域をカバ
ーし、不感帯が解消されることになるのである。

なお、上記超電導薄膜層１は、赤外域の光に感応するの
で、第１実施例の光検出器は赤外用に用いることができ
る。

続いて、第２実施例について説明する（・図示省略）。

第２実施例の光検出器は、第１図に示した光検出器にお
いて、サファイヤレンズの代わりに、ゲルマニウムレン
ズを使うとともに、共通電極を省略している。それ以外
は、第１図の光検出器と同一の構成である。

この第２実施例の光検出素子アレイは、請求項２記載の
発明にかかるものであるが、これを詳しく述べると、レ
ンズがゲルマニウムからなる場合、ゲルマニウムは導電
性（４０Ω−ｃＩｎ）を有するので、この導電性を利用
するとレンズ（透明基板）が共通電極を兼ねることがで
きる。そのため、第１実施例のごとき共通電極３を省略
できるようになるのである。

第２実施例の光検出素子アレイは、ゲルマニウムが２μ
ｍより長い波長の赤外線に対してのみ透明なので、フィ
ルター等の格別な構成を付加しなくとも、赤外線に選択
的に感応する赤外センサとして働くことになる。このよ
うに、透明基板が一部の波長域に対してのみ光透過性を
有するものであると、感応が選択的になる。なお、ゲル
マニウムは屈折率が高く反射損失を無視しえないので、
膜を蒸着すると良い。この実施例では、１０μｍの赤外
線に対して反射損失が最小になるようｎｄ＝２５μｍと
した。ここで、ｎｄは光学的厚さで、ｎは硫化亜鉛の屈
折率、ｄは膜厚である。

第２実施例の光検出器のゲルマニウムレンズでは、ｎは
４であり、凸部の曲率半径Ｒを９朋、対物レンズ焦点位
置と凸部面との間隔Ｓを１朋とした。そうすると、焦点
距離ｆｏの対物レンズを前にもってきた時の、ゲルマニ
ウムレンズと対物レンズの合成焦点距離ｆは、ｆ＝（３
／４）ｆｏという第１実施例と同様の関係になる。

したがって、この第２実施例においても、光検出素子の
有感部は、等測的にみると、２０μｍ×２０μｍとなり
、不感帯のない２５６　Ｘ　２５６のマトリックス配列
の２次元光素子アレイを有する光検出器が実現できる。

この発明は、上記実施例に限らない。例えば、Ｓ＋Ｒを
適当な値となるように設計することにより、隣合う光素
子同士で視野角が重なりあうようなアレイ状光検出器を
製作することもできる。また、超電導薄膜層が上に例示
した以外の材料からなるもの、例えばＢａＰｂ　ｌ−ｘ
　Ｂｉｘ　Ｏａからなるものであってもよく、超電導薄
膜層が赤外域以外の波長域に感応するように構成されて
いても良い。

光検出素子が２次元配列されたアレイでなく、−次元配
列されたアレイであってもよい。

発明の効果 請求項１〜３記載の発明は、光検出用の超電導薄膜層に
基板面に対して垂直に電流が流れる構成をとっているた
め、小型で高密度のアレイ化ができる。しかも、各超電
導薄膜層の前には凸レンズ作用を有する微小凸部がある
ため、視野が拡がって不感帯が無く、必要であれば、各
超電導薄膜層間で視野を重なり合わせることも可能とな
る。

請求項２記載の発明では、透明基板が共通電極を兼ねて
おり、共通電極たる導電薄膜の形成が不要となるため、
製造コストが低減できる。

請求項３記載の発明では、光検出信号が処理されて電気
信号としてチップから出力されるため、利用し易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、請求項１記載の発明の一実施例にかかる光検
出素子アレイを用いた請求項３記載の発明の概略構成お
よび電気結線をあられす部分的断面図、第２図は、この
発明の前提となる光検出素子アレイを備えた光検出器を
あられす部分的断面図、第３図は、従来の光検出素子を
あられす斜視図である。 １・・・超電導薄膜層、２・・・透明基板、２ａ・・・
微小凸部、３・・・共通電極、４・・・信号引出し電極
、訃・・負荷抵抗、６・・・電源、７・・・共通電極端
子、８・・・信号出力端子、９・・・ＣＣＤ、　１０．
１０’・インジウム金属突起、１１・・・ＩＣチップ、
１３・・・粒界、１５・・・信号取り込み電極。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名イ　］　図 列　２　図 第３図 ｉ３’７ｊ！＝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）凸レンズ作用を有する多数の微小凸部が表面にア
   レイ状に配列形成され裏面が平らとなっている透明基板
   を備え、同基板の裏面には透明な共通電極が形成されて
   いて、同共通電極の上に前記微小凸部に対応してアレイ
   状に分離配列された超電導薄膜層が形成されているとと
   もに、同超電導薄膜層毎にそれぞれの前記共通電極に接
   する面とは逆の面に信号引出し電極が形成されている光
   検出素子アレイ。
2. （２）凸レンズ作用を有する多数の微小凸部が表面にア
   レイ状に配列形成され裏面が平らとなっている導電性の
   透明基板を備え、同基板の裏面には前記微小凸部に対応
   してアレイ状に分離配列された超電導薄膜層が直接に形
   成されて前記透明基板自体が同超電導薄膜層の共通電極
   を兼ねるようになっており、同超電導薄膜層毎にそれぞ
   れの前記透明基板に接する面とは逆の面に信号引出し電
   極が形成されている光検出素子アレイ。
3. （３）請求項１または２記載の光検出素子アレイが光検
   出信号処理のための半導体集積回路チップと組み合わさ
   れてなる光検出器。