••••••••••••• • • • • • • ••••••••••••• 51 J. Illum. Engng. Inst. Jpn. Vol. 105 2021
研 究 速 報
J-STAGE Advance published date: 2021.3.25 https://doi.org/10.2150/jieij.20000605
シリコンフォトダイオードのオーバーフィル照射における
応答非直線性の波長依存性
正会員 田辺 稔（国立研究開発法人産業技術総合研究所） 正会員 木下 健一（国立研究開発法人産業技術総合研究所）
Spectral Nonlinearity of Silicon Photodiodes in Over-filled Illumination Condition Member Minoru Tanabe (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) and
Member Kenichi Kinoshita (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)
KEYWORDS : Silicon photodiode, Nonlinearity, Photometry, Radiometry 1. はじめに シリコンフォトダイオード（Si PD）を用いた光センサは， 紫外から近赤外の波長領域，数百ピコワットから数ミリワッ トの放射束に対して応答を示すため，測光・放射測定分野の 精密計測用光センサとして使用されている1‒3）．測光や放射測 定において，Si PDが使用される理由として，その広い波長領 域におけるSi PDの分光応答度の絶対校正が可能な点が挙げ られる．また，そのSi PDへの入射放射束を不確かさ数%未 満で測定できる．この様な利点を生かして，Si PDは，自己校 正方法を用いた絶対応答度測定4, 5），光閉じ込め型のトラップ 検出器による絶対放射束測定6‒8）などの絶対測定可能な光セ ンサとして使用されている．ところが，このSi PDの絶対応 答度を評価する入射放射束は，数十マイクロワットからミリ ワット弱の放射束範囲に限られる．この校正されたSi PDを 用いて，校正された放射束以外での絶対評価を実現するため には，様々な入射束に対してその光電流が比例関係となる直 線性を有することが理想である．しかし，ほとんどのSi PD は，ある入射放射束から比例とならずに，その応答度が増減 する非直線性を示す．その応答度の減少は飽和と呼ばれ，Si PDのシリーズ抵抗に起因する．その応答度の増加はスーパー リニアティ9, 10）と呼ばれ，Si PDのSiバルク内の再結合11, 12） や表面再結合に起因する13, 14）．よって，絶対放射束を校正さ れた光パワー範囲外に拡張するためには，Si PDの発生光電流 に対する応答非直線性を評価し，その補正を行う必要がある． これまでの研究において，様々なタイプのSi PDの応答非 直線性と，その波長依存性が評価され，理論的な解析もさ れてきた15‒21）．しかし，これらの研究では，特定の波長に対 する評価や，入射ビーム径がSi PDの受光面より小さい条件 （アンダーフィル照射条件）での評価が主流であった．しか し，測光・放射測定の分野における精密な光計測では，入射 ビーム径がSi PDの受光面より大きい条件（オーバーフィル 照射条件）での評価も実施されている．例えば，国立研究開 発法人産業技術総合研究所では，相対分光応答度や照度応答 度といった物理量をSi PDで構成された光センサを用いて， オーバーフィル照射条件で校正している．また，市販の照度 計，輝度計，放射温度計などの光計測機器でも，Si PDへの 光入射が，オーバーフィル照射となっている場合が多い．と ころが，アンダーフィル照射条件と同様に，これらの分野で も，特定の領域の光パワーでの校正が実施されているため， 可視から近赤外の領域におけるオーバーフィル照射条件での Si PDの応答非直線性の精密な評価が必要である． 本論文では，可視から近赤外の領域で，かつ，ナノワット レベルからミリワットレベルまでの広い放射束で，オーバー フィル照射条件におけるSi PDの応答非直線性の評価を行っ た．その結果とアンダーフィル照射条件との違いについて議 論したので報告する． 2. オーバーフィル照射条件でのシリコンフォトダイ オードの応答非直線の波長依存性の評価 オーバーフィル照射条件でのSi PDの応答非直線性の評価 には，図1に示すような光パワー重ね合わせ法19, 20）を用い た．この方法の利点は，ある光パワー 1点の応答非直線性を 直線と仮定し，その光パワーを基準として，Si PDの暗電流 レベルから使用光源の最大の光パワーまでの広い光パワー にわたる応答非直線性を評価することができ，なおかつ基準 器が不要な点である．そのような広いパワーでの評価を実 現し，可視から近赤外領域での応答非直線性の波長依存性 図 1 オーバーフィル照射条件でのシリコンフォトダイオード の応答非直線性評価システム
Fig. 1 Nonlinearity evaluation system of silicon photodiode in over-filled illumination condition.
52 照明学会誌 第105巻 令和3年 を取得するため，レーザ光源を使用した．使用したレーザ
は，405 nm, 460 nm, 660 nm, 850 nm, 915 nm, 980 nm, 1060 nm がFabry‒Perot半 導 体 レ ー ザ，532 nmがDiode Pumped Solid
Stateレーザ，760 nmが外部共振器型半導体レーザ22）を選択 した．全てのレーザは，個別に温度調整を行い，出力安定性 0.03 %/hourを達成している．また，複数の凹凸レンズを用 いて，全てのレーザのビーム径を直径約1 mmのガウシアン ビームとなるように調整した．このビーム条件で，Si PDの 中央部分に照射するように光軸調整を行った場合，アンダー フィル照射条件となる．オーバーフィル照射させるために， Si PDの照射前方100 mmの場所に，拡散角15度のスペック ルリデューサを設置した．このスペックルリデューサを用 いることで，Si PDの受光面上での照射場を擬似的に均一化 するとともに，Si PDの有感領域より広いビーム径を実現し， オーバーフィル照射条件を実現することができた．低パワー までの応答非直線性の計測を可能にするため，Si PDにピコ アンメータ（Keithley6485）を接続し，光電流を測定した． 測定には，各国の標準研究所で使用されている商用のSi PD （Si PD AとSi PD B）19, 20）を用いた． オーバーフィル照射条件にけるSi PDの応答非直線性の評 価手順は，以下の通りである． 1. 図1に示すように，偏光ビームスプリッタ1によって2 つの経路に分岐されたレーザビームで，光シャッタ1 開，光シャッタ2閉の状態にし，光パワーレベル調整 用光減衰器を用いて，Si PDで検出される光電流を1 nA に設定する（I（1））．1 2. 光シャッタ1閉，光シャッタ2開の状態にし，光パ ワーバランス用光減衰器を用いて，もう一つの経路に おける光電流値を1 nAに設定する．この時，2つの経 路のビームは，2枚のミラーと偏光ビームスプリッタ 2によって，アンダーフィル照射条件でSi PD上で重な るように調整する（I（1））．2 3. 両方の光シャッタを開き，2つの経路の光を同時に入 射した時の光センサの出力値I12（1）を計測する． 4. それぞれの光経路上の光シャッタを交互に開閉し，そ れぞれの入射した時の光センサの出力値I1とI2を計測 し，以下の式（1）で，I1とI12間の局所的な非直線性係 数を計算する． 5. 3∼4の動作を4回繰り返し，相加平均をとる．
6. 光パワー減衰器を用いて，I1（n+1）=I2（n+1）=I12（n） の値になるように設定する． 7. 3∼6の動作を実施する． 8. 1 nAの時，LF=1（k=0）と仮定して，以下の式（2）と 式（3）を用いて，1 nAから数mAまでの応答非直線性 係数NL（n）と応答非直線性Nonlineairy（n）を導出する． 12 1 2 ( ) ( ) ( )I n( ) LF n= I n I n + (1) 0 (1) (0) (1) (2) (0) (1) (1) ( ) (0) (1) (2) ( ) ( ) nk ( ) NL LF LF NL LF LF LF NL n LF LF LF LF n NL n
LF k = = × = × × = × × × × = (2)0 ( )n=
∏
nk= LF k( ) 1− Nonlinearity (3)アンダーフィル照射条件におけるSi PDの応答非直線性の 評価は，図1中のスペックルリデュサを外し，上記と同様の 手順で取得した．どちらの照射条件においても，Si PDは， 逆バイアス印加無しで実測を行った．周囲の光によるSi PD の暗電流を抑制するため，光パワー重ね合わせの評価システ ムを暗箱で覆った． 3. 結果と考察 3.1 オーバーフィル照射でのシリコンフォトダイオードの 応答非直線性，および，その波長依存性の評価結果 入射波長405 nmから1060 nmに対して，図2にオーバー フィル照射でのSi PD Aの応答非直線性の波長依存性，図3 にオーバーフィル照射でのSi PD Bでの応答非直線性の波長 依存性の評価結果を示す．図中のNonlinearity=0は，Si PD の応答が直線であることを示している．エラーバーは，局 所的な応答非直線性係数を導出した時，4回繰りかえし測定 を実施した時の標準偏差を重ね合わせた結果を示している． 以上の結果から，ある二つのSi PDに対して，1 nAから数 mAの6桁超の光パワー範囲において，入射波長405 nmから 1060 nmに対するSi PDのオーバーフィル照射での応答非直 線性の波長依存性を定量的に評価できる方法を確立した． 図 2と図3のオーバーフィル照射での応答非直線性の評価 結果より，Si PD AとSi PD Bで，入射波長660 nmや760 nm では，応答がほぼ直線であるの対し，その他の入射波長で は，その波長より短くなるほど，または，長くなるほど， スーパリニアリティが大きくなることが示された．いずれの Si PDのスーパリニアリティの値を比較すると，Si PD Aの方 がSi PD Bより大きい結果となり，Si PD Aでは波長1060 nm で最大2.75 %，Si PD Bでは波長1060 nmで0.75 %の非直線 性が観測された．また，可視光と近赤外での応答非直線性の 評価結果を比較すると，いずれのSi PDでも近赤外でのスー パリニアリティの値が大きいことや，可視光では1 µA未満 の光電流からスーパリニアリティが観測されるのに対して， 近赤外では数µAからスーパリニアリティの値が急に多くな ることが観測できた．さらに，図2と図3の結果から，アン 図 2 Si PD Aの応答非直線性評価の波長依存性の評価結果 Fig. 2 Experimentally measured spectral nonlinearity of Si
PD A.
図 3 Si PD Bの応答非直線性評価の波長依存性の評価結果 Fig. 3 Experimentally measured spectral nonlinearity of Si
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ダーフィル照射での応答非直線性の結果で観測されたSi PD の飽和は観測されなかった． 3.2 オーバーフィル照射とアンダーフィル照射における シリコンフォトダイオードの応答非直線性の比較 図 4と図5に，入射波長405 nm, 660 nm, 850 nm, 1060 nmに 対するオーバーフィル照射とアンダーフィル照射でのSi PD での応答非直線性の比較を示す．図中のNonlinearity=0やエ ラーバーは，図2と図3と同様の結果である． 図 4に示すSi PD Aでは，入射波長660 nmでは，いずれの 照射条件でも応答が直線性を示しているが，その他の入射波 長では，オーバーフィル照射での応答非直線性は，アンダー フィル照射での応答非直線性より小さい結果となった．そ れに対して，図5に示すSi PD Bでは，入射波長660 nmと 850 nmでは，いずれの照射条件でも応答が直線性を示してい るが，405 nmと1060 nmでは，オーバーフィル照射条件の応 答非直線性は，アンダーフィル照射条件での応答非直線性よ り大きい結果となった．同様の結果は，入射波長532 nmにお けるオーバーフィル照射とアンダーフィル照射の応答非直線 性で得られており20），Si PD Bでは，電極付近にスーパーリ ニアリティの原因となる再結合準位が多くあるためであると 考えられる．405 nmではSi PDの吸収長が0.1 µm未満23）と短 いため表面で，1060 nmではSi PDの吸収長が900 µm超23）と 長いためSiバルク内で吸収される．そのため，アンダーフィ ルで照射している様なSi PD中央部ではスーパーリニアリ ティの発生の主要因である再結合準位がなく，その電極付近 で表面再結合やSiバルク内の再結合が発生していると考えら れる．一方，Si PD Aにおいて，オーバーフィル照射よりアン ダーフィル照射がスーパリニアリティの値が大きくなる原因 として，電極付近やSiバルク内での再結合準位が，Si PDの 有感領域より小さいことが考えられる．その結果，再結合の 確率はSi PD内で発生するキャリア密度に依存するため，入 射ビーム径が大きいオーバーフィル照射では，その再結合の 確率が減少し，スーパーリニアリティの値が小さくなる． 図 4と図5の結果から，アンダーフィル照射において全て の入射波長に対して，Si PD Aでは光電流1 mA, Si PD Bでは 光電流2 mAで飽和が観測された．ところが，オーバーフィ ル照射において，いずれのSi PDでも，光電流2 mAでは飽 和は観測されなかった．この原因として，Si PDの発生する 光電流の値は，入射光ビーム径による実効的なシリーズ抵抗 に依存することが知られている19）．そのため，オーバーフィ ル照射でビーム径が大きくなり，実効的なシリーズ抵抗が 減ったため，光電流2 mAに対して飽和が観測されなかった と考えられる．以上の様に，Si PDによってこの2つの照射 条件に対する応答非直線性が異なる結果は，オーバーフィル 照射の条件で，広いパワー範囲を拡張する場合，同じ照射条 件での応答非直線性を評価する必要があることを示してい る．よって，オーバーフィル照射で使用されている可能性が ある照度計，輝度計，放射温度計などの光計測機器の高精 度化のためには，それぞれの光センサで感度が高い波長だけ なく，その他の波長に対しても応答非直線性を評価すること も，今後の重要な研究課題となる．また，Si PDの電極付近 にスーパーリニアリティの原因となる再結合の準位が存在す る可能性があることから，この電極に全ての入射波長の光が 照射しない様な機械的な措置を施すことで，スーパーリニア リティの発生が抑制できることが考えられる． 4. まとめ 波長405 nmから1060 nmの領域で，かつ，Si PDの発生光 電流1 nAから数mAまでの広い放射束で，オーバーフィル 照射条件において，二つの商用のSi PDの応答非直線性とそ の波長依存性の評価を行った．いずれのSi PDでもオーバー フィル照射において，一部の波長を除いてスーパーリニアリ ティが観測された．二つのSi PDのスーパーリニアリティの 値を比較すると，スーパーリニアリティの値に約3倍の差が 観測された．また，可視光と近赤外での応答非直線性の評 価結果を比較すると，いずれのSi PDでも近赤外でのスーパ リニアリティの値が大きいことや，スーパリニアリティの開 図 4 オーバーフィル照射とアンダーフィル照射における Si PD A の応答非直線性評価の波長依存性
Fig. 4 Experimentally measured spectral nonlinearity in over-filled illumination and under-filled illumination for Si PD A.
図 5 オーバーフィル照射とアンダーフィル照射における Si PD B の応答非直線性評価の波長依存性
Fig. 5 Experimentally measured spectral nonlinearity in over-filled illumination and under-filled illumination for Si PD B.
54 照明学会誌 第105巻 令和3年 始光電流に差があることが分かった．これらのSi PDに対し て，オーバーフィル照射とアンダーフィル照射条件での応答 非直線性を比較すると，あるSi PDは，オーバーフィル照射 での応答非直線性はアンダーフィル照射での応答非直線性 より小さい結果となったのに対して，もう一方のSi PDは， その逆であることが観測された．この原因を考察した結果， スーパリニアリティ発生の要因となる電極付近やSiバルク 内での再結合準位が関連していることを定性的に説明でき た．今後は，オーバーフィル照射で使用されている可能性が ある光計測機器に対しても，様々な波長に対して応答非直線 性の評価を実施することが課題である． 参考文献
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（受付日2020年10月1日／採録日2020年12月25日） 田辺 稔（正会員） 国立研究開発法人産業技術総合研究所 〒305‒8563 茨城県つくば市梅園1‒1‒1 2010年3月大阪大学大学院工学研究科電気電子情報工学専 攻博士後期課程修了，同年4月（独）産業技術総合研究所に入 所．2015年4月の法人類型変更を経て現在に至る． 木下 健一（正会員） 国立研究開発法人産業技術総合研究所 〒305‒8563 茨城県つくば市梅園1‒1‒1 2001年3月東京大学大学院工学系研究科システム量子工学 博士課程後期修了，2007年4月（独）産業技術総合研究所に入 所．2015年4月の法人類型変更を経て現在に至る．
