特開 2024-79292 光検出回路および光検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024079292

(43)【公開日】2024-06-11

(54)【発明の名称】光検出回路および光検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/44 20060101AFI20240604BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20240604BHJP

   G01J 1/42 20060101ALI20240604BHJP

【ＦＩ】

G01J1/44 A

H01L31/10 A

H01L31/10 G

G01J1/42 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022192150

(22)【出願日】2022-11-30

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム、「海洋マイクロプラスチックの迅速分析を可能にする中赤外レーザー分光顕微鏡装置の開発」、委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 智大

(72)【発明者】

【氏名】藁科 禎久

(72)【発明者】

【氏名】山本 洋夫

【テーマコード（参考）】

2G065

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

2G065AB02

2G065AB16

2G065BA09

2G065BA14

2G065BC02

2G065BC03

2G065BC05

2G065BC12

2G065CA12

5F149AA04

5F149AB07

5F149BA30

5F149DA02

5F149DA28

5F149EA12

5F149GA06

5F149KA04

5F149KA13

5F149LA01

5F149XB01

5F149XB18

5F149XB37

5F849AA04

5F849AB07

5F849BA30

5F849DA02

5F849DA28

5F849EA12

5F849GA06

5F849KA04

5F849KA13

5F849LA01

5F849XB01

5F849XB18

5F849XB37

(57)【要約】

【課題】フォトダイオードにおいて生じる暗電流が増大しても、フォトダイオードへの入力光に起因する信号成分を精度良く検出する。
【解決手段】光検出回路３は、ＩｎＡｓＳｂからなる光吸収層を有するフォトダイオード４と、フォトダイオード４に逆バイアス電圧Ｖｂを印加する第１配線９１と、基準電圧Ｖａが入力される第１入力端子５１ａ、およびフォトダイオード４に接続された第２入力端子５１ｂを有するＴＩＡ５と、ＴＩＡ５の第１入力端子５１ａまたは第２入力端子５１ｂに接続された第１入力端子６ａ、およびＴＩＡ５の出力端子５１ｃに接続された第２入力端子６ｂを有し、周波数帯域における最大周波数に相当する周期が、フォトダイオード４に入力される周期的なパルス光のパルス幅よりも大きい誤差増幅器６と、誤差増幅器６からの出力電圧に応じてフォトダイオード４から電流を引き抜く電流引き抜き回路７と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＩｎＡｓＳｂからなる光吸収層を有するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードのカソードに接続され、前記フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する第１配線と、
基準電圧が入力される第１入力端子、および前記フォトダイオードのアノードに接続された第２入力端子を有するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの前記第１入力端子または前記第２入力端子に接続された第１入力端子、および前記トランスインピーダンスアンプの出力端子に接続された第２入力端子を有し、周波数帯域における最大周波数に相当する周期が、前記フォトダイオードに入力される周期的なパルス光のパルス幅よりも大きい誤差増幅器と、
前記フォトダイオードの前記アノードと前記第１配線よりも低電位の第２配線との間に接続され、前記誤差増幅器からの出力電圧に応じて前記フォトダイオードから電流を引き抜く電流引き抜き回路と、
を備える、光検出回路。

【請求項2】

３．０μｍ以上の波長に受光感度を有するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードのカソードに接続され、前記フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する第１配線と、
基準電圧が入力される第１入力端子、および前記フォトダイオードのアノードに接続された第２入力端子を有するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの前記第１入力端子または前記第２入力端子に接続された第１入力端子、および前記トランスインピーダンスアンプの出力端子に接続された第２入力端子を有し、周波数帯域における最大周波数に相当する周期が、前記フォトダイオードに入力される周期的なパルス光のパルス幅よりも大きい誤差増幅器と、
前記フォトダイオードの前記アノードと前記第１配線よりも低電位の第２配線との間に接続され、前記誤差増幅器からの出力電圧に応じて前記フォトダイオードから電流を引き抜く電流引き抜き回路と、
を備える、光検出回路。

【請求項3】

前記フォトダイオードは５．０μｍ以上の波長に受光感度を有する、請求項２に記載の光検出回路。

【請求項4】

前記電流引き抜き回路は、前記誤差増幅器の出力端子に接続された制御端子、前記フォトダイオードの前記アノードに接続された第１電流端子、および前記第２配線に接続された第２電流端子を含む第１トランジスタを有する、請求項１または２に記載の光検出回路。

【請求項5】

前記電流引き抜き回路は、前記第１トランジスタと直列に接続され、電流端子と制御端子とがダイオード接続された第２トランジスタを更に有する、請求項４に記載の光検出回路。

【請求項6】

前記誤差増幅器の出力端子と前記電流引き抜き回路との間のノードに接続された平滑化コンデンサを更に備える、請求項１または２に記載の光検出回路。

【請求項7】

一端が前記ノードに接続され、他端が前記誤差増幅器の出力端子に接続され、前記ノードと前記誤差増幅器の出力端子との接続状態を切り替えるスイッチを更に備える、請求項１または２に記載の光検出回路。

【請求項8】

周期的なパルス光を出力する光源と、
請求項１または２に記載の光検出回路と、
を備え、
前記フォトダイオードには前記光源からの前記パルス光が入力され、
前記誤差増幅器の周波数帯域における最大周波数に相当する周期は、前記パルス光のパルス幅よりも大きい、光検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光検出回路および光検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、Ｉｎ及びＳｂを含むフォトダイオードの電極間をゼロバイアスとすることにより、フォトダイオードにおいて生じる暗電流を抑制する方法を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－１０３７４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、フォトダイオードから出力される電流を電圧信号に変換する読出回路として、チャージアンプ方式およびトランスインピーダンスアンプ方式の読出回路が知られている。これらの方式は、主に３．０μｍ未満の波長に感度を有するフォトダイオード（例えばＩｎＧａＡｓ光吸収層を有するもの）に用いられる。３．０μｍ未満の波長に感度を有するフォトダイオードは、数ＭΩ以上の並列抵抗を有しており、アンプのゲインを大きくできる。また、数ＭΩ以上の並列抵抗を有していても、逆バイアスを印加すると暗電流の影響が無視できなくなるので、ゼロバイアスで動作するような回路構成が望ましい。

【0005】

一方、３．０μｍ以上の波長に感度を有するフォトダイオードとして、例えばＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有するものがある。このような比較的長波長に感度を有するフォトダイオードの並列抵抗は数十Ω～数ｋΩ程度であり、アンプのゲインを大きくすることが難しい。故に、フォトダイオードの感度自体を高めることが望まれる。例えば、ＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有するフォトダイオードに逆バイアスを印加することによって、感度を高めることができる。しかしながら、フォトダイオードに逆バイアスを印加すると、フォトダイオードにおいて生じる暗電流が増大する。暗電流が増大すると、読出回路からの出力電圧に占める、暗電流に起因する定常成分の割合が高くなり、フォトダイオードへの入力光に起因する信号成分を精度良く検出することが難しくなる。

【0006】

本開示は、フォトダイオードにおいて生じる暗電流が増大しても、フォトダイオードへの入力光に起因する信号成分を精度良く検出することができる光検出回路および光検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

［１］本開示による光検出回路は、ＩｎＡｓＳｂからなる光吸収層を有するフォトダイオードと、フォトダイオードのカソードに接続され、フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する第１配線と、基準電圧が入力される第１入力端子、およびフォトダイオードのアノードに接続された第２入力端子を有するトランスインピーダンスアンプと、トランスインピーダンスアンプの第１入力端子または第２入力端子に接続された第１入力端子、およびトランスインピーダンスアンプの出力端子に接続された第２入力端子を有し、周波数帯域における最大周波数に相当する周期が、フォトダイオードに入力される周期的なパルス光のパルス幅よりも大きい誤差増幅器と、フォトダイオードのアノードと第１配線よりも低電位の第２配線との間に接続され、誤差増幅器からの出力電圧に応じてフォトダイオードから電流を引き抜く電流引き抜き回路と、を備える。

【0008】

［２］本開示による別の光検出回路は、３．０μｍ以上の波長に受光感度を有するフォトダイオードと、フォトダイオードのカソードに接続され、フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する第１配線と、基準電圧が入力される第１入力端子、およびフォトダイオードのアノードに接続された第２入力端子を有するトランスインピーダンスアンプと、トランスインピーダンスアンプの第１入力端子または第２入力端子に接続された第１入力端子、およびトランスインピーダンスアンプの出力端子に接続された第２入力端子を有し、周波数帯域における最大周波数に相当する周期が、フォトダイオードに入力される周期的なパルス光のパルス幅よりも大きい誤差増幅器と、フォトダイオードのアノードと第１配線よりも低電位の第２配線との間に接続され、誤差増幅器からの出力電圧に応じてフォトダイオードから電流を引き抜く電流引き抜き回路と、を備える。

【0009】

上記［１］および［２］の光検出回路のフォトダイオードに周期的なパルス光が入射すると、フォトダイオードにおいて生じた周期的なパルス信号は、トランスインピーダンスアンプに入力され、トランスインピーダンスアンプからの出力電圧のうちの周期的なパルス信号成分に変換される。このパルス信号成分のパルス幅（すなわちフォトダイオードに入力されるパルス光のパルス幅）は、誤差増幅器の周波数帯域における最大周波数に相当する周期よりも小さいので、このパルス信号成分が誤差増幅器によって増幅されることが抑制される。一方、フォトダイオードはＩｎＡｓＳｂからなる光吸収層を有するか、または３．０μｍ以上の波長に受光感度を有するので、第１配線から印加された逆バイアス電圧によってフォトダイオードに大きな暗電流が生じる。その暗電流もまたトランスインピーダンスアンプに入力され、トランスインピーダンスアンプからの出力電圧のうちの定常成分に変換される。この定常成分は、誤差増幅器によって増幅されて電流引き抜き回路に入力される。電流引き抜き回路は、定常成分の大きさに応じた電流、すなわち暗電流をフォトダイオードのアノードから引き抜く。そのような帰還動作の結果、フォトダイオードからトランスインピーダンスアンプへ流れる暗電流は低減される。よって、上記［１］および［２］の光検出回路によれば、フォトダイオードにおいて生じる暗電流が増大しても、フォトダイオードへの入力光に起因するパルス信号成分を精度良く検出することができる。

【0010】

［３］上記［２］の光検出回路において、フォトダイオードは５．０μｍ以上の波長に受光感度を有してもよい。この場合、逆バイアス電圧の印加による暗電流は更に増大する。よって、上記［２］の光検出回路の構成が更に有効となる。

【0011】

［４］上記［１］～［３］のうちいずれかの光検出回路において、電流引き抜き回路は、誤差増幅器の出力端子に接続された制御端子、フォトダイオードのアノードに接続された第１電流端子、および第２配線に接続された第２電流端子を含む第１トランジスタを有してもよい。その場合、電流引き抜き回路を簡易に構成することができる。

【0012】

［５］上記［４］の光検出回路において、電流引き抜き回路は、第１トランジスタと直列に接続され、電流端子と制御端子とがダイオード接続された第２トランジスタを更に有してもよい。３．０μｍ未満の波長に感度を有するフォトダイオード（例えばＩｎＧａＡｓ光吸収層を有するもの）と比較して、上記［１］～［４］のうちいずれかの光検出回路では、逆バイアス電圧を印加した際のフォトダイオードの暗電流が格段に大きい。本発明者の知見では、ＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有するフォトダイオードの暗電流は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層を有するフォトダイオードの暗電流の１０００倍以上である。このような大きな電流を、単一の第１トランジスタのみによって引き抜こうとすると、第１トランジスタの寸法が大きくなってしまう。電流端子と制御端子とがダイオード接続された第２トランジスタを第１トランジスタに対して直列に接続することによって、単一の第１トランジスタのみの場合と比べ、トランジスタ回路全体の寸法を小さくすることができる。

【0013】

［６］上記［１］～［５］のうちいずれかの光検出回路は、誤差増幅器の出力端子と電流引き抜き回路との間のノードに接続された平滑化コンデンサを更に備えてもよい。この場合、誤差増幅器からの出力電圧に含まれる周期的な信号成分をより低減して、暗電流のみを精度良く引き抜くことができる。

【0014】

［７］上記［１］～［６］のうちいずれかの光検出回路は、スイッチを更に備えてもよい。スイッチの一端は上記ノードに接続され、スイッチの他端は誤差増幅器の出力端子に接続される。スイッチは、上記ノードと誤差増幅器の出力端子との接続状態を切り替える。スイッチが接続状態であるときには、光検出回路は上記の効果を奏することができる。また、スイッチが接続状態から非接続状態に切り替えられた後においても、平滑化コンデンサが電流引き抜き回路に入力される電圧を維持するか、または電流引き抜き回路を構成するトランジスタのゲート容量によってゲート電圧が維持される等により、電流引き抜き回路はフォトダイオードからの定常成分である暗電流を引き抜き続ける。また、スイッチによって誤差増幅器が電流引き抜き回路から分離されるので、誤差増幅器の周波数帯域における最大周波数に相当する周期よりも大きいパルス幅を有する信号成分がフォトダイオードから出力された場合であっても、電流引き抜き回路がその信号電流をフォトダイオードから引き抜くことなく、その信号電流はトランスインピーダンスアンプによって増幅される。このように、上記［７］の光検出回路によれば、必要に応じてスイッチを切り替えることにより、パルス幅の小さい信号成分に加えてパルス幅の大きい信号成分をも増幅することができる。

【0015】

［８］本開示による光検出装置は、周期的なパルス光を出力する光源と、上記［１］～［７］のうちいずれかの光検出回路と、を備える。フォトダイオードには光源からのパルス光が入力される。誤差増幅器の周波数帯域における最大周波数に相当する周期は、パルス光のパルス幅よりも大きい。この光検出装置によれば、上記［１］～［７］のうちいずれかの光検出回路を備えることによって、フォトダイオードにおいて生じる暗電流が増大しても、フォトダイオードへの入力光に起因する信号成分を精度良く検出することができる。

【発明の効果】

【0016】

本開示によれば、フォトダイオードにおいて生じる暗電流が増大しても、フォトダイオードへの入力光に起因する信号成分を精度良く検出することができる光検出回路および光検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係る光検出装置の構成を概略的に示す図である。

【図2】図２は、光検出回路の構成を示す回路図である。

【図3】図３は、フォトダイオードの積層構造の例を模式的に示す図である。

【図4】図４の（ａ）は、逆バイアス電圧の大きさと、図３に示される構造を有するフォトダイオードの並列抵抗との関係を示すグラフである。図４の（ｂ）は、逆バイアス電圧の大きさと、図３に示される構造を有するフォトダイオードの受光感度との関係を示すグラフである。

【図5】図５は、電流引き抜き回路の具体的な構成例を含む光検出回路の回路図である。

【図6】図６は、従来のチャージアンプ方式の光検出回路を示す回路図である。

【図7】図７は、ＴＩＡ方式の光検出回路を示す回路図である。

【図8】図８は、ＴＩＡ方式の光検出回路においてフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加したときの、アンプからの出力電圧波形に関するシミュレーション結果を示すグラフである。

【図9】図９は、本実施形態の光検出回路を設計および試作し、ＴＩＡからの出力電圧を測定した結果を示すグラフである。

【図10】図１０は、一変形例に係る光検出回路の構成を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照しながら本開示による光検出回路および光検出装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0019】

図１は、本開示の一実施形態に係る光検出装置１の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、本実施形態の光検出装置１は、周期的なパルス光Ｌを出力する光源２と、パルス光Ｌを検出する光検出回路３と、を備える。光源２から出力されるパルス光Ｌは中赤外光である。パルス光Ｌの波長は、例えば３．０μｍ以上、５．０μｍ以上、または７．０μｍ以上である。また、パルス光Ｌの波長は、例えば１０μｍ以下である。パルス光Ｌのパルス幅（半値全幅）は例えば５０ナノ秒以上１マイクロ秒以下であり、一実施例では１００ナノ秒である。パルス光Ｌの繰り返し周波数は、例えば１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下であり、一実施例では５００ｋＨｚである。光検出装置１は、パルス光Ｌを出力する半導体レーザ素子を有してもよい。

【0020】

図２は、光検出回路３の構成を示す回路図である。図２に示されるように、光検出回路３は、フォトダイオード４、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）５、誤差増幅器６、電流引き抜き回路７、平滑化コンデンサ８、第１配線９１、および第２配線９２を備える。

【0021】

フォトダイオード４は、光源２からのパルス光Ｌを入力する。フォトダイオード４は、光源２から出力される中赤外光であるパルス光Ｌの波長に受光感度を有する。すなわち、フォトダイオード４は、例えば３．０μｍ以上、５．０μｍ以上、または７．０μｍ以上の波長に受光感度を有する。また、フォトダイオード４は、例えば１０μｍ以下の波長に受光感度を有する。そのため、フォトダイオード４は、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを光吸収層に含む。。フォトダイオード４は、５μｍ以上の波長に受光感度を有してもよい。フォトダイオード４は、パルス光Ｌを受けて、パルス光Ｌの光強度に応じた大きさの信号電流Ｊ１を出力する。

【0022】

図３は、フォトダイオード４の積層構造の例を模式的に示す図である。図３に示される例では、フォトダイオード４は、半導体基板４１と、バッファ層４２と、ｎ型半導体層４３と、光吸収層４４と、ｐ型半導体層４５と、を備える。半導体基板４１は例えばＧａＡｓ基板である。バッファ層４２は、半導体基板４１の主面４１ａ上に設けられる。バッファ層４２は、例えばｎ型ＩｎＳｂからなる。ｎ型半導体層４３は、バッファ層４２上に設けられる。ｎ型半導体層４３は、例えばｎ型ＩｎＡｓＳｂからなる。光吸収層４４は、ｎ型半導体層４３上に設けられる。光吸収層４４は、例えばアンドープＩｎＡｓＳｂからなる。ｐ型半導体層４５は、光吸収層４４上に設けられる。ｐ型半導体層４５は、例えばｐ型ＩｎＡｓＳｂからなる。光吸収層４４のバンドギャップは、ｎ型半導体層４３またはｐ型半導体層４５のバンドギャップよりも小さい。

【0023】

ｎ型半導体層４３、光吸収層４４、およびｐ型半導体層４５は、メサ構造体４６を構成する。平面視におけるメサ構造体４６の周囲には、絶縁のためのトレンチ４７が形成されている。トレンチ４７の深さは、ｎ型半導体層４３から半導体基板４１に達している。ｎ型半導体層４３の露出表面には、カソード電極（不図示）が設けられ、カソード電極はｎ型半導体層４３とオーミック接触する。ｐ型半導体層４５の露出表面には、アノード電極（不図示）が設けられ、アノード電極はｐ型半導体層４５とオーミック接触する。

【0024】

再び図２を参照する。フォトダイオード４のカソードは、第１配線９１に接続されている。第１配線９１は、フォトダイオード４に逆バイアス電圧Ｖｂを印加する。フォトダイオード４は、逆バイアス電圧Ｖｂに起因して生じる暗電流Ｊ２を更に出力する。図４の（ａ）は、逆バイアス電圧Ｖｂの大きさと、図３に示される構造を有するフォトダイオード４の並列抵抗との関係を示すグラフである。図４の（ｂ）は、逆バイアス電圧Ｖｂの大きさと、図３に示される構造を有するフォトダイオード４の受光感度（ＩｎＡｓＳｂ相対感度）との関係を示すグラフである。図４の（ａ）において、プロットＰ１は－１０℃における並列抵抗、プロットＰ２は０℃における並列抵抗、プロットＰ３は２３．６℃における並列抵抗を示している。これらの図に示されるように、いずれの温度においても、逆バイアス電圧の絶対値が０Ｖから大きくなるにしたがって並列抵抗が大きくなり、おおよそ０．１Ｖ程度の逆バイアス電圧印加時に並列抵抗が最大となる。フォトダイオード４の温度が２３．６℃のとき、逆バイアス電圧０．１Ｖに対する並列抵抗はほぼ１５０Ωである。したがって、暗電流Ｊ２はＪ２＝０．１Ｖ／１５０Ω＝０．６７ｍＡとなる。

【0025】

ＴＩＡ５は、フォトダイオード４のアノードに接続され、フォトダイオード４から出力された電流を電圧に変換する。ＴＩＡ５は、アンプ５１と、帰還抵抗５２とを有する。アンプ５１は、第１入力端子５１ａ、第２入力端子５１ｂおよび出力端子５１ｃを有する。一例では、第１入力端子５１ａは非反転入力端子であり、第２入力端子５１ｂは反転入力端子である。第１入力端子５１ａには、基準電圧Ｖａが入力される。第２入力端子５１ｂは、フォトダイオード４のアノードに接続されている。帰還抵抗５２は、第２入力端子５１ｂと出力端子５１ｃとの間に接続されている。ＴＩＡ５は、帰還抵抗５２によって定まるゲインにて、第２入力端子５１ｂに入力された電流を電圧に変換する。

【0026】

誤差増幅器６は、非反転入力端子である第１入力端子６ａ、反転入力端子である第２入力端子６ｂ、および出力端子６ｃを有する。誤差増幅器６は、第１入力端子６ａに入力された電圧と第２入力端子６ｂに入力された電圧との差電圧を増幅して、増幅後の差電圧を出力端子６ｃから出力する。第１入力端子６ａは、アンプ５１の第１入力端子５１ａまたは第２入力端子５１ｂに接続されている。第２入力端子６ｂは、アンプ５１の出力端子５１ｃに接続されている。なお、図２には、第１入力端子６ａがアンプ５１の第２入力端子５１ｂに接続されている例が示されている。誤差増幅器６の周波数帯域における最大周波数に相当する周期は、フォトダイオード４に入力されるパルス光Ｌのパルス幅よりも大きい。パルス光Ｌのパルス幅が１００ナノ秒である場合、誤差増幅器６の周波数帯域は例えば１７ｋＨｚ以下である。

【0027】

電流引き抜き回路７は、フォトダイオード４のアノードと第２配線９２との間に接続されている。第２配線９２は、第１配線９１よりも低電位の配線であり、例えば光検出回路３の基準電位線（ＧＮＤ線）である。電流引き抜き回路７は、誤差増幅器６の出力端子６ｃと更に接続されており、誤差増幅器６からの出力電圧に応じてフォトダイオード４から電流を引き抜き、該電流を第２配線９２へ流す。電流引き抜き回路７によって引き抜かれる電流の大きさは、フォトダイオード４がＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有し且つ逆バイアス電圧Ｖｂが０．１Ｖである場合、例えば１ｍＡ程度である。

【0028】

図５は、電流引き抜き回路７の具体的な構成例を含む光検出回路３の回路図である。図５に示される電流引き抜き回路７は、第１トランジスタ７１および第２トランジスタ７２を有する。第１トランジスタ７１は、誤差増幅器６の出力端子６ｃに接続された制御端子７１ａと、フォトダイオード４のアノードに接続された第１電流端子７１ｂと、第２配線９２に第２トランジスタ７２を介して接続された第２電流端子７１ｃと、を含む。

【0029】

第２トランジスタ７２は、第１トランジスタ７１と第２配線９２との間において、第１トランジスタ７１と直列に接続されている。第２トランジスタ７２は、制御端子７２ａと、第１トランジスタ７１の第２電流端子７１ｃに接続された第１電流端子７２ｂと、第２配線９２に接続された第２電流端子７２ｃと、を含む。制御端子７２ａは、第１電流端子７２ｂにダイオード接続されている。第１トランジスタ７１および第２トランジスタ７２は、例えばＭＯＳＦＥＴである。

【0030】

平滑化コンデンサ８は、誤差増幅器６の出力端子６ｃと電流引き抜き回路７との間のノードＮ１と、第２配線９２との間に接続されている。すなわち、平滑化コンデンサ８の一方の電極はノードＮ１に接続され、他方の電極は第２配線９２に接続されている。平滑化コンデンサ８は、誤差増幅器６からの出力電圧の平滑化を行う。

【0031】

以上に説明した、本実施形態の光検出装置１および光検出回路３によって得られる効果について、従来の光検出回路が有する課題と共に説明する。前述したように、３．０μｍ以上の波長に感度を有するフォトダイオード４の並列抵抗は数十Ω～数ｋΩ程度であり、アンプのゲインを大きくすることが難しい。故に、フォトダイオード４の感度自体を高めることが望まれる。例えば、フォトダイオード４に逆バイアス電圧Ｖｂを印加することによって、感度を高めることができる。

【0032】

図６は、従来のチャージアンプ方式の光検出回路１００Ａを示す回路図である。光検出回路１００Ａでは、フォトダイオード１０４のカソードにバイアス電圧Ｖｂ１が印加されると共に、そのバイアス電圧Ｖｂ１がアンプ１０５の非反転入力端子１０５ａに入力される。そして、フォトダイオード１０４のアノードから出力される信号電流Ｊ３は、アンプ１０５の反転入力端子１０５ｂに入力される。アンプ１０５の反転入力端子１０５ｂと出力端子１０５ｃとの間には、コンデンサ１０６が接続される。更に、コンデンサ１０６に蓄積した電荷をリセットするためのスイッチ１０７がコンデンサ１０６と並列に接続される。

【0033】

このように、チャージアンプ方式では、フォトダイオード１０４に印加される逆バイアス電圧を最小限に抑えるための回路構成（オートゼロ方式）が採用される。よって、フォトダイオード１０４に逆バイアス電圧を印加することは、チャージアンプ方式の目的から逸脱しているといえる。また、チャージアンプ方式ではアンプ１０５のゲインが大きいので、小さい並列抵抗を有するフォトダイオード、例えば近赤外域よりも長い波長に感度を有するフォトダイオードからの信号電流はアンプ１０５へ流れにくい。従って、小さい並列抵抗を有するフォトダイオードにチャージアンプ方式の光検出回路１００Ａを用いると、光検出回路１００Ａ全体での感度が低下してしまう。

【0034】

図７は、ＴＩＡ方式の光検出回路１００Ｂを示す回路図である。光検出回路１００Ｂでは、チャージアンプ方式の光検出回路１００Ａのコンデンサ１０６およびスイッチ１０７に代えて、帰還抵抗１０８が設けられる。ＴＩＡ方式によれば、チャージアンプ方式と比べてアンプ１０５のゲインが小さくなる。また、アンプ１０５のゲインの大きさを、フォトダイオード１０４の並列抵抗の大きさに応じて設定することができる。これらにより、フォトダイオードからの信号電流を感度良く読み出すことが可能である。しかし、フォトダイオード１０４の並列抵抗が小さい場合に、光検出回路１００Ｂにおいてフォトダイオード１０４に逆バイアス電圧を印加すると、フォトダイオード１０４において生じる暗電流によって、アンプ１０５からの出力電圧に大きな定常成分（オフセット成分）が含まれてしまう。よって、フォトダイオード１０４に逆バイアス電圧を印加する場合、従来のＴＩＡ方式では信号電流のみを検出することが難しい。

【0035】

図８は、ＴＩＡ方式の光検出回路１００Ｂにおいてフォトダイオード１０４に逆バイアス電圧を印加したときの、アンプ１０５からの出力電圧波形に関するシミュレーション結果を示すグラフである。ここでは、フォトダイオード１０４の光吸収層としてＩｎＡｓＳｂを想定し、フォトダイオード１０４の並列抵抗を１００Ωとし、帰還抵抗１０８の抵抗値を１ｋΩとした。図８には、逆バイアス電圧を０．００ＶとしたときのグラフＧ１１、逆バイアス電圧を０．０１ＶとしたときのグラフＧ１２、逆バイアス電圧を０．０５ＶとしたときのグラフＧ１３、および逆バイアス電圧を０．１ＶとしたときのグラフＧ１４が示されている。なお、これらのグラフＧ１１～Ｇ１４において、パルス波形ＰＬはパルス光Ｌの入射を想定したパルス波形である。図８を参照すると、逆バイアス電圧の絶対値が大きくなるほどフォトダイオード１０４の暗電流が増大し、アンプ１０５からの出力電圧の定常成分が基準電圧（２．５Ｖ）から離れていくことがわかる。逆バイアス０．１Ｖ（グラフＧ１４）では、出力電圧の定常成分のみで１．０Ｖとなり、ＴＩＡの飽和電圧ＶＴに近づいている。このような状態だと、パルス波形ＰＬの頂部がＴＩＡの飽和電圧ＶＴを超えてしまい、適切なパルス波形ＰＬが得られない。

【0036】

上記の問題点に対し、本実施形態の光検出回路３では、フォトダイオード４に周期的なパルス光Ｌが入射すると、フォトダイオード４において生じた周期的な信号電流Ｊ１は、ＴＩＡ５に入力され、ＴＩＡ５からの出力電圧のうちの周期的な信号成分に変換される。この信号成分の周波数、すなわちフォトダイオード４に入力されるパルス光Ｌの繰り返し周波数は誤差増幅器６の周波数帯域よりも大きいので、この信号成分が誤差増幅器６によって増幅されることが抑制される。一方、フォトダイオード４はＩｎＡｓＳｂからなる光吸収層４４を有するか、または３μｍ以上の波長に受光感度を有するので、第１配線９１から印加された逆バイアス電圧Ｖｂによってフォトダイオード４に大きな暗電流Ｊ２が生じる。その暗電流Ｊ２もまたＴＩＡ５に入力され、ＴＩＡ５からの出力電圧のうちの定常成分に変換される。この定常成分の周波数は誤差増幅器６の周波数帯域に含まれるので、定常成分は、誤差増幅器６によって増幅されて電流引き抜き回路７に入力される。電流引き抜き回路７は、定常成分の大きさに応じた電流、すなわち暗電流Ｊ２をフォトダイオード４のアノードから引き抜く。そのような帰還動作の結果、フォトダイオード４からＴＩＡ５へ流れる暗電流Ｊ２は低減される。よって、本実施形態の光検出回路３によれば、フォトダイオード４において生じる暗電流Ｊ２が増大しても、フォトダイオード４へ入力されるパルス光Ｌに起因する信号成分を精度良く検出することができる。

【0037】

図９は、本実施形態の光検出回路３を設計および試作し、ＴＩＡ５からの出力電圧を測定した結果を示すグラフである。この試作では、フォトダイオード４としてＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有するものを用い、帰還抵抗５２の抵抗値を１ｋΩとした。図９には、逆バイアス電圧Ｖｂを０．０１ＶとしたときのグラフＧ２１、逆バイアス電圧Ｖｂを０．１０ＶとしたときのグラフＧ２２、逆バイアス電圧Ｖｂを０．１５ＶとしたときのグラフＧ２３、逆バイアス電圧Ｖｂを０．２０ＶとしたときのグラフＧ２４、および逆バイアス電圧Ｖｂを０．２５ＶとしたときのグラフＧ２５が示されている。図中において、グラフＧ２６はトリガ信号波形を示し、両矢印Ｗはパルス光Ｌの照射期間（パルス幅１００ナノ秒）を示す。図９を参照すると、電流引き抜き回路７の作用によって、逆バイアス電圧Ｖｂの大きさにかかわらず、出力電圧の定常成分（パルス光Ｌが入射していないときの成分）がほぼ２．５Ｖで一定であることがわかる。また、図９を参照すると、逆バイアス電圧Ｖｂが大きくなるほど光検出回路３の感度が向上していることがわかる。

【0038】

なお、帰還抵抗５２の好適な抵抗値は、フォトダイオード４の並列抵抗の大きさに依存する。本実施形態のフォトダイオード４は３μｍ以上の波長に受光感度を有する（またはＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有する）。フォトダイオード４の並列抵抗値はＰＮ接合面積（画素サイズ）にも依存するが、そのような受光感度を有するフォトダイオード４の並列抵抗値は、大きくても３００Ω程度である（図４を参照）。シミュレーションにて確認したところ、帰還抵抗５２が１ｋΩ以下であればフォトダイオード４からの信号電流の全てが帰還抵抗５２に流れるが、帰還抵抗５２が２ｋΩ以上になると、帰還抵抗５２に流れる信号電流が減少する結果となった。よって、フォトダイオード４が３μｍ以上の波長に受光感度を有する（またはＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有する）場合、帰還抵抗５２は２ｋΩ未満（例えば１ｋΩ）であるとよい。

【0039】

前述したように、フォトダイオード４は５μｍ以上の波長に受光感度を有してもよい。この場合、逆バイアス電圧Ｖｂの印加による暗電流Ｊ２は更に増大する。よって、本実施形態の光検出回路３の構成が更に有効となる。

【0040】

本実施形態のように、電流引き抜き回路７は、誤差増幅器６の出力端子６ｃに接続された制御端子７１ａ、フォトダイオード４のアノードに接続された第１電流端子７１ｂ、および第２配線９２に接続された第２電流端子７１ｃを含む第１トランジスタ７１を有してもよい。その場合、電流引き抜き回路７を簡易に構成することができる。

【0041】

本実施形態のように、電流引き抜き回路７は、第１トランジスタ７１と直列に接続され、第１電流端子７２ｂと制御端子７２ａとがダイオード接続された第２トランジスタ７２を更に有してもよい。３．０μｍ未満の波長に感度を有するフォトダイオード（例えばＩｎＧａＡｓ光吸収層を有するもの）と比較して、３．０μｍ以上の波長に感度を有する（またはＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有する）本実施形態のフォトダイオード４では、逆バイアス電圧Ｖｂを印加した際に生じる暗電流Ｊ２が格段に大きい。本発明者の知見では、ＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有するフォトダイオード４の暗電流Ｊ２は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層を有するフォトダイオードの暗電流の１０００倍以上である。このような大きな電流を、単一の第１トランジスタ７１のみによって引き抜こうとすると、第１トランジスタ７１の寸法が大きくなってしまう。第１電流端子７２ｂと制御端子７２ａとがダイオード接続された第２トランジスタ７２を第１トランジスタ７１に対して直列に接続することによって、単一の第１トランジスタ７１のみの場合と比べ、トランジスタ回路全体の寸法を小さくすることができる。

【0042】

本実施形態のように、光検出回路３は、誤差増幅器６の出力端子６ｃと電流引き抜き回路７との間のノードＮ１に接続された平滑化コンデンサ８を更に備えてもよい。この場合、誤差増幅器６からの出力電圧に含まれる周期的な信号成分をより低減して、暗電流Ｊ２のみを精度良く引き抜くことができる。

【0043】

［変形例］
図１０は、上記実施形態の一変形例に係る光検出回路３Ａの構成を示す回路図である。本変形例の光検出回路３Ａは、上記実施形態の光検出回路３の構成に加えて、スイッチ１０を更に備える。スイッチ１０の一端は、ノードＮ１に接続されている。スイッチ１０の他端は、誤差増幅器６の出力端子６ｃに接続されている。スイッチ１０は、ノードＮ１と誤差増幅器６の出力端子６ｃとの間の接続状態を切り替える。すなわち、スイッチ１０が接続状態であるとき、誤差増幅器６の出力端子６ｃとノードＮ１とは電気的に接続される。スイッチ１０が非接続状態であるとき、誤差増幅器６の出力端子６ｃとノードＮ１とは電気的に分離される。スイッチ１０は、電磁リレーなどの機械的スイッチであってもよく、トランジスタなどの半導体スイッチであってもよい。

【0044】

スイッチ１０が接続状態であるときには、光検出回路３Ａは、上記実施形態の光検出回路３と同じ動作を行い、光検出回路３と同じ作用効果を奏することができる。このとき、平滑化コンデンサ８は誤差増幅器６からの出力電圧によって充電されるので、平滑化コンデンサ８の両端電圧は誤差増幅器６からの出力電圧と等しい。その後、スイッチ１０が接続状態から非接続状態に切り替えられる。それ以降、スイッチ１０の切り替え時点における誤差増幅器６からの出力電圧と等しい平滑化コンデンサ８の両端電圧が、電流引き抜き回路７に入力され続ける。よって、電流引き抜き回路７は、フォトダイオード４からの定常成分である暗電流Ｊ２を引き抜き続ける。なお、平滑化コンデンサ８は必須の要素ではなく、他に電荷をメモリする素子が設けられることによっても同様の動作が可能である。例えば、電流引き抜き回路７を構成するトランジスタ７１（図５を参照）のゲート容量が電荷をメモリすることによってもゲート電圧が維持されるため、スイッチ１０が非接続状態であっても、電流引き抜き回路７はフォトダイオード４からの定常成分である暗電流Ｊ２を引き抜き続ける。また、スイッチ１０によって誤差増幅器６が電流引き抜き回路７から分離されるので、誤差増幅器６の周波数帯域における最大周波数に相当する周期よりも大きいパルス幅を有する信号電流Ｊ１がフォトダイオード４から出力された場合であっても、その信号電流Ｊ１を電流引き抜き回路７が作用することなく、その信号電流Ｊ１はＴＩＡ５によって増幅される。このように、本変形例の光検出回路３Ａによれば、必要に応じてスイッチ１０を切り替えることにより、パルス幅の小さい信号電流Ｊ１に加えてパルス幅の大きい信号電流Ｊ１をも増幅することができる。

【0045】

本開示による光検出回路および光検出装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではＩｎＡｓＳｂ光吸収層を有するフォトダイオードを例示したが、３．０μｍ以上の波長に受光感度を有するフォトダイオードの光吸収層はＩｎＡｓまたはＩｎＳｂによって構成されてもよい。また、パルス光Ｌの信号成分が誤差増幅器６において十分に低減される場合には、平滑化コンデンサ８を省くことも可能である。

【0046】

また、上記実施形態では、電流引き抜き回路として、第１トランジスタ７１および第２トランジスタ７２を有するものを例示したが、電流引き抜き回路は単一の第１トランジスタ７１のみを有してもよい。また、電流引き抜き回路は、誤差増幅器からの出力電圧に応じてフォトダイオードから電流を引き抜く機能を有するものであれば、図５に示された構成に限らず様々な構成を有することができる。

【符号の説明】

【0047】

１…光検出装置、２…光源、３，３Ａ…光検出回路、４…フォトダイオード、５…トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）、６…誤差増幅器、６ａ…第１入力端子、６ｂ…第２入力端子、６ｃ…出力端子、７…電流引き抜き回路、８…平滑化コンデンサ、１０…スイッチ、４１…半導体基板、４２…バッファ層、４３…ｎ型半導体層、４４…光吸収層、４５…ｐ型半導体層、４６…メサ構造体、４７…トレンチ、５１…アンプ、５１ａ…第１入力端子、５１ｂ…第２入力端子、５１ｃ…出力端子、５２…帰還抵抗、７１…第１トランジスタ、７１ａ…制御端子、７１ｂ…第１電流端子、７１ｃ…第２電流端子、７２…第２トランジスタ、７２ａ…制御端子、７２ｂ…第１電流端子、７２ｃ…第２電流端子、９１…第１配線、９２…第２配線、１００Ａ，１００Ｂ…光検出回路、１０４…フォトダイオード、１０５…アンプ、１０５ａ…非反転入力端子、１０５ｂ…反転入力端子、１０５ｃ…出力端子、１０６…コンデンサ、１０７…スイッチ、１０８…帰還抵抗、Ｊ１，Ｊ３…信号電流、Ｊ２…暗電流、Ｌ…パルス光、Ｎ１…ノード、ＰＬ…パルス波形、Ｖａ…基準電圧、Ｖｂ…逆バイアス電圧、Ｖｂ１…バイアス電圧、ＶＴ…飽和電圧。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】