JP7829836B2

JP7829836B2 - 測距センサ

Info

Publication number: JP7829836B2
Application number: JP2022005724A
Authority: JP
Inventors: 篤岡田; 俊治丸井; 哲也林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2026-03-16
Anticipated expiration: 2042-01-18
Also published as: JP2023104616A

Description

本発明は、測距センサに係り、更に詳細には、光検出型の測距センサに関する。

先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）や自動運転システムなどのシステムにおいては、自動車が走行する環境の情報を得る必要があり、そのようなセンサの１つに光検出型の測距センサがある。

光検出型の測距センサは、照射したレーザ光が周辺環境内の物体で反射されて戻ってきた反射光を検出し、照射したレーザ光とその反射光との間の時間遅延から環境内の物体までの距離を検出するものである。

この光検出型の測距センサのスキャン方式は、現在のところ、可動部品による機械的なスキャン方式が主流であるが、この機械的なスキャン方式は、測距センサの小型化が困難であるのに加えて、振動にも弱いので、自動運転車などには利用し難い。

特許文献１には、光の位相を変えて光の照射角度を変える光フェーズドアレイ（ＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙ：ＯＰＡ）を利用することで、機械的な機構によらずにスキャンできる測距センサが開示されている。

米国特許第２０１６／１６１６００号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の測距センサは、光フェーズドアレイ集積回路を有する光送信機と光受信機とがプリント基板上に並んで設けられており、光送信機と光受信機とが別部品であるため、さらなる小型化が困難である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、さらなる小型化が可能な測距センサを提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、発光素子を島状に配置し、反射光が発光素子間を透過できるようにすることにより、発光素子と受光素子とを積層することが可能になり、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の測距センサは、受光素子と発光素子とを備える。
そして、上記発光素子が、上記受光素子上に島状に複数配置されており、
上記受光素子が、上記発光素子間を透過した、上記発光素子が出射した光の反射光を受光することを特徴とする。

本発明によれば、発光素子を島状に複数配置し、反射光が発光素子間の隙間を透過できるようにしたため、発光素子と受光素子とを積層することができ、さらなる小型化が可能な測距センサを提供することができる。

本発明の測距センサの一例を示す概略図である。本発明の測距センサの他の一例を示す概略図である。本発明の位相変調器を備える測距センサの一例を示す概略図である。本発明の測距センサの製造工程の一例を説明する工程図である。

本発明の測距センサについて詳細に説明する。
本発明の測距センサは、図１に示すように、受光素子と発光素子とを備え、受光素子上に複数の発光素子が島状に配置されている。
そして、発光素子のそれぞれが、受光素子と発光素子との積層方向（図１の上方向）にコヒーレント光を出射し、環境中の物体で反射して戻ってきた反射光が上記発光素子間を透過し、この反射光を受光素子が受光することで物体までの距離を検出する。

このように、複数の発光素子を島状にすることにより、発光素子間を環境中の物体で反射した反射光が透過するため、発光素子を受光素子上に設けても、戻ってきた反射光を受光素子が受光できるので、発光素子と受光素子とを並べて配置する必要がなく、小型化が可能である。なお、図１、２は、発光素子間に設けられている透明な酸化膜を省略している。

上記発光素子と受光素子とは、Ｐ型半導体とＮ型半導体とがＰＮ接合された半導体素子で形成され、上記発光素子は電圧を印加することで発光し、受光素子は光を受光することで電圧を生じるダイオードである。

具体的には、上記発光素子は、組成の異なる複数のＰ型, Ｎ型半導体もしくはアンドープの半導体を積層した発光層を、下部電極と上部の透明電極とで挟んだ構造の垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。また、上記受光素子はＰ型半導体とＮ型半導体とを接合した構造をしており、Ｐ型半導体、Ｎ型半導体のそれぞれに電極が設けられ、受光により生じた電流を取り出す。

上記ダイオードを構成する半導体材料としては、例えば、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、インジウム窒化ガリウム、（ＩｎＧａＮ）、アルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）など、従来からダイオードに用いられている公知の半導体材料を使用できるが、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）やインジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）は、波長が１．４μｍ以上のアイセーフなレーザ光を発光するので好ましく使用できる。

なお、Ｐ型半導体は、最外殻の電子が少なく正孔を供給するドーパントを上記半導体材料に添加した半導体であり、Ｎ型半導体は、最外殻の電子が多く電子を供給するドーパントを上記半導体材料に添加した半導体である。

また、発光素子の下部電極としては、上記半導体材料にＮ型のドーパントを大量にドープして伝導率を高めて金属的にした材料を使用することができる。このような材料であると、分子線エピタキシー法や、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて測距センサを形成する際、ドーパントの種類や量を変えることで、発光素子と受光素子とを連続して形成することができる。上部の透明電極としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などを使用できる。

上記発光素子が島状に存在する領域には、１つの受光素子が、測距センサの面内方向に連続して形成されていてもよく、また、複数の受光素子が測距センサの面内方向にマトリックス状に並んで配置されていてもよい。

１つの大きな受光素子を、測距センサの面内方向に連続して形成することで、受光したときに生じる電流が面内で平均化されるので、ノイズ感度を低減でき、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。また、複数の受光素子をマトリックス状に並べて配置することで、分割された箇所ごとの受光レベルを測定することが可能である。

上記受光素子が形成される領域は、島状に配置された発光素子の存在領域と同じであってもよく、上記発光素子の存在領域に加えて上記存在領域の外側にも形成されていてもよい。

受光素子の形成領域を発光素子の存在領域と同じにすることにより、測距センサの大きさを発光素子の存在領域にあわせて小型化することが可能である。また、受光素子の形成領域は発光素子の存在領域よりも大きく、該存在領域の外側にも受光素子が形成されていると、受光面積が増大して受光量が多くなるので、測距精度が向上する。

上記受光素子は、図１に示すように、絶縁性の基板上にＮ型半導体とＰ型半導体を積層して形成してもよい。この場合、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層のそれぞれの端部に電極が設けられる。

積抵抗率が１０^７Ωｃｍ以上の絶縁性の基板を用いることで、受光素子と発光素子とを制御する回路などの他の機能を有する回路を、受光素子及び発光素子と同一の基板上に形成することができる。

上記絶縁体としては、従来から回路基板として用いられている材料の他、上記半導体材料を含有する絶縁体を使用できる。

また、上記受光素子は、図２に示すように、Ｎ型半導体の基板の表面に、Ｐ型半導体が格子状に部分的にドープされて形成され、基板が受光素子を兼ねていてもよい。
なお、Ｎ型半導体とＰ型半導体が逆であってもよい。

測距センサの基板に体積抵抗率が１～１０ΩｃｍであるＮ型半導体を用いることで、基板の裏面など、加工を行っていない部位に電極を設けることができる。具体的には、Ｎ型半導体の基板の裏側に裏面電極を設け、また、上側のＰ型半導体を発光素子の存在領域の端部まで引き回し、その端部に電極を設けることができ、加工工程を削減できると共に、測距センサの小型化が可能である。

上記基板に用いる半導体としては、Ｎ－ＧａＡｓやＰ－ＧａＡｓを挙げることができる。

上記発光素子は、図３に示すように、それぞれ位相変調器を有することができる。上記位相変調器により、その積層方向に発光素子が発光した光を偏向させ、照射方向を変えて環境中をスキャンすることが可能になる。

位相変調器は、屈折率が変化する変調部を２つの透明電極で上下から挟持し、変調部の側面には、横方向への光の漏れを防止する遮光壁が設けられた構造をしている。上記透明電極は、例えば、上側がＹ軸走査用電極であり、下側がＸ軸走査用電極であり得る。
なお、図３では、位相変調器のＹ軸走査用電極及びＸ軸走査用電極が配置されていない部分に受光素子を示しているが、実際には受光素子上に透明な酸化膜が形成されている。

上記位相変調器は、光フェーズドアレイとして動作するものであり、変調部の屈折率を変化させることで、発光素子がその積層方向に発光した光の位相を変調し、光の回折と干渉によって、機械的な可動部なしに出射光の形状と方向を制御する。

具体的には、上記発光素子をマトリックス状に等間隔で配置し、これらの発光素子それぞれに位相変調器を設けて光フェーズドアレイを形成し、それぞれの位相変調部器に異なる電圧を印加して変調部の屈折率を変化させる。

各位相変調器は、遮光壁によって光路が隔てられているので、各発光素子から出射した光は位相変調器を透過するまで干渉し合うことはなく、発光素子からのコヒーレントな出射光が位相変調器を透過し、それぞれの電圧に応じた位相に変調される。

各位相変調器で変調された出射光は、位相変調器を透過した後に合成され、この合成された出射光は、位相差に対応した角度で回折、偏向するので、出射光の形状と方向を変えることができる。

光フェーズドアレイは、アレイピッチが狭いほど高角度に偏向できることから、隣接する発光素子の間隔は、出射光同士が十分干渉するように、発光素子が発光する光の波長以下であることが好ましい。

変調部を構成する、印加する電圧により屈折率が変化する材料としては、電気光学ポリマー（ＥＯポリマー）、有機非線形光学結晶（ＤＡＳＴ）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などを挙げることができる。

なかでもＥＯポリマーは低誘電率であり、透明電極をＥＯポリマーの上下に配置し、ＥＯポリマーを透明電極で挟持した構造にできることから、低電圧で駆動可能であるのに加えて、加工が容易であり、遮光壁を設けて横方向への出射光の漏れを防止することが容易であり、好ましく使用できる。

上記遮光壁には、不透明である材料を使用でき、例えば、クロムやニッケルモリブデンなどを使用することができる。

次に、上記測距センサの製造方法について説明する。
本発明の測距センサの製造方法を、半導体がＧａＩｎＡｓである場合を例に説明する。

図４の（ａ）に示すように、絶縁性基板上に、分子線エピタキシー法や有機金属気相成長法によって、Ｎ－ＧａＩｎＡｓ薄膜とＰ－ＧａＩｎＡｓ薄膜とを積層し、ｐｎ接合を形成させて受光素子を作製する。

次に、上記受光素子上に、ＧａＩｎＡｓをエピタキシャル成長可能な分だけ成長させてバッファ層を形成し、さらにＮ型のドーパントを多量にドープして金属的なｎ＋ＧａＩｎＡｓを形成し、この部分を下部電極とし、その上に発光層を形成して発光素子を作製する。
なお、受光素子から発光層までは、ドーパントを変えることで連続して形成できる。

この発光層の上に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法により、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を全面に成膜し、透明電極を成膜する。

そして、図４の（ｂ）に示すように、島状にマスクし、ドライエッチングによって下部電極から上の部分を島状に削り取って発光素子間に隙間を形成し、この隙間を埋めるように酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニアなどの酸化膜を全面に成膜する。

位相変調器を設ける場合は、図４の（ｃ）に示すように、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を成膜し、マスク材で位相変調器の形状にパターニングしてドライエッチングによって発光素子の上をＸ軸方向に延びるＸ軸走査用電極の形状に成形する。このＸ軸走査用電極上に島状の変調部を形成する。変調部は、有機ＥＯポリマーを成膜してマスク材で島状にパターニングし、ドライエッチングすることで形成できる。

次に、図４の（ｄ）に示すように、上記変調部を覆うように、該変調部の上面、側面及び変調部間のすべてに酸化膜を形成し、さらに、図４の（ｅ）に示すように、クロムなど不透明材料を用いて同様に遮光壁を形成する。

そして、図４の（ｆ）に示すように、変調部をマスクして変調部が存在しない変調部間を、ドライエッチングによってＸ軸走査用電極よりも上の部分を島状に削り取って発光素子間に隙間を形成し、この隙間を埋めるように表面全体を酸化膜で被覆する。

この酸化膜に上記変調部との接点を取るコンタクトホールを形成し、ここに酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を配置してＹ軸方向に延びるＹ軸走査用電極を形成する。

最後に、図４の（ｇ）に示すように各電極層との接点を取るコンタクトホールを形成し、ここに電極材料を蒸着することで測距センサを作製できる。

上記のように、受光素子上に発光素子を積層して測距センサを作製すれば、測距センサを小型化できるだけでなく、受光素子と発光素子との精緻な位置決めが必要ないので、生産性が向上すると共に、受光素子と発光素子との位置ずれの問題が生じないため測距精度が向上する。

１測距センサ
２受光素子
２１Ｎ型半導体
２２Ｐ型半導体
２３電極
２４Ｎ型半導体基板
２５裏面電極
３発光素子
３１下部電極（バッファー層）
３２発光層
３３透明電極
４位相変調器
４１Ｘ軸走査用電極
４２変調部
４３Ｙ軸走査用電極
４４遮光壁
５酸化膜
６基板

Claims

受光素子と発光素子とを備える測距センサであって、
上記発光素子が、上記受光素子上に島状に複数配置されており、
上記受光素子が、上記発光素子間を透過した、上記発光素子が出射した光の反射光を受光することを特徴とする測距センサ。
上記発光素子が、マトリックス状に等間隔で配置され、
さらに、上記発光素子上に位相変調器を有し、
上記位相変調器が、上記発光素子が出射した光の位相を変調し、光の回折と干渉によって光の照射方向を変えることを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。
隣接する発光素子の間隔が、上記発光素子が発光する光の波長以下であることを特徴とする請求項２に記載の測距センサ。
１つの受光素子が、面内方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の測距センサ。
複数の受光素子が、面内方向にマトリックス状に並んで配置されていていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の測距センサ。
上記受光素子の形成領域が、上記発光素子の存在領域と同じであることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つの項に記載の測距センサ。
上記受光素子の形成領域が、上記発光素子の存在領域よりも大きいことを特徴とする請求項１～５のいずれか１つの項に記載の測距センサ。
上記受光素子が、基板上に積層されており、
上記基板の体積抵抗率が１０^７Ωｃｍ以上であることを特徴とする特徴とする請求項１～７のいずれか１つの項に記載の測距センサ。
上記受光素子が、Ｎ型半導体で成る基板の表面にＰ型半導体が格子状に部分的にドープされて形成されて成り、
上記基板の体積抵抗率が１～１０Ωｃｍであることを特徴とする特徴とする請求項１～７のいずれか１つの項に記載の測距センサ。
上記発光素子の発光層が、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を含有する半導体材料で成ることを特徴とする請求項１～９のいずれか１つの項に記載の測距センサ。
上記受光素子の受光層が、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を含有する半導体材料で成ることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１つの項に記載の測距センサ。