CN104201219A - 光电二极管以及光电二极管阵列 - Google Patents

光电二极管以及光电二极管阵列 Download PDF

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Abstract

光电二极管阵列(PDA1)中，多个光检测通道(CH)包括具有n型半导体层(32)的基板(22)。光电二极管阵列(PDA1)包括：p-型半导体层(33)，其形成于n型半导体层(32)上；电阻(24)，其对于各光检测通道(CH)设置并且一端部与信号导线23连接；以及n型的分离部(40)，其形成于多个光检测通道(CH)之间。p-型半导体层(33)，在与n型半导体层(32)的界面构成pn结，且与光检测通道对应地具有多个使通过被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的倍增区域(AM)。在n型半导体层(32)的表面形成有不规则的凹凸(10)，该表面光学性地露出。

Description

光电二极管以及光电二极管阵列
本申请是申请日为2010年2月15日、申请号为201080009101.5、发明名称为光电二极管以及光电二极管阵列的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光电二极管以及光电二极管阵列。
背景技术
作为在近红外光的波段具有高的分光灵敏度特性的光电二极管，已知有使用化合物半导体的光电二极管(例如参照专利文献1)。专利文献1中所记载的光电二极管包括：第1受光层，其由InGaAsN、InGaAsNSb及InGaAsNP中的任意一者构成；以及第2受光层，其具有比第1受光层的吸收端更长波长的吸收端，且由量子阱构造构成。
专利文献
专利文献1：日本特开2008-153311号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，这样的使用化合物半导体的光电二极管的价格仍然较高，制造工序也较为复杂。因此，寻求硅光电二极管的实用化，该硅光电二极管廉价且容易制造，并且在近红外光的波段具有充分的分光灵敏度。一般来说，硅光电二极管在分光灵敏度特性的长波长侧的极限为1100nm左右，但在1000nm以上的波段中的分光灵敏度特性并不充分。
本发明的目的在于提供一种光电二极管及光电二极管阵列，其是硅光电二极管及硅光电二极管阵列，且在近红外光的波段具有充分的分光灵敏度特性。
解决问题的技术手段
本发明所涉及的光电二极管阵列是将入射被检测光的多个光检测通道形成于具有第1导电类型的半导体层的硅基板上而成的光电二极管阵列，包括：第2导电类型的外延半导体层，其形成于第1导电类型的半导体层上，在与该半导体层的界面构成pn结，并且以各倍增区域与各光检测通道相互对应的方式，具有使通过被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的多个倍增区域；以及多个电阻，其具有两个端部，且对于各光检测通道而设置，经由一端部而与外延半导体层电性连接，并且经由另一端部而与信号导线连接；在第1导电类型的半导体层中的至少与各光检测通道对应的表面上形成有不规则的凹凸，第1导电类型的半导体层中的至少与各光检测通道对应的表面光学性地露出。
本发明所涉及的光电二极管阵列中，pn结由第1导电类型的半导体层与形成于该半导体层上的外延半导体层所构成。倍增区域形成于实现pn结的外延半导体层，与各光检测通道对应的倍增区域处于该外延半导体层。因此，上述光电二极管阵列不具有在以盖革模式(Geigermode)进行动作时发生边缘崩溃的pn结的端部(边缘)，而无需设置保护环。因此，可提高上述光电二极管阵列的开口率。
而且，本发明中，在第1导电类型的半导体层中的至少与各光检测通道对应的表面上形成有不规则的凹凸。因此，入射至光电二极管阵列的光由形成有不规则的凹凸的表面反射、散射或扩散，而在硅基板内行进较长的距离。由此，入射至光电二极管阵列的光的大部分由光检测通道吸收，而不会透过光电二极管阵列(硅基板)。因此，上述光电二极管阵列中，入射至光电二极管阵列的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长，因此在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。
另外，本发明中，在第1导电类型的半导体层的上述表面形成有不规则的凹凸。因此，在形成有不规则的凹凸的上述表面侧不通过光而产生的多余载流子进行再结合，可减少暗电流。第1导电类型的上述半导体层作为累积层发挥功能，抑制在第1导电类型的半导体层的上述表面附近通过光而产生的载流子由该表面捕获。因此，通过光而产生的载流子有效地朝上述倍增区域移动，可提高光电二极管阵列的光检测灵敏度。
本发明所涉及的光电二极管阵列是将入射被检测光的多个光检测通道形成于具有第1导电类型的半导体层的硅基板上而成的光电二极管阵列，包括：第1导电类型的外延半导体层，其形成于第1导电类型的半导体层上，且以各倍增区域与各光检测通道相互对应的方式，具有使通过被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的多个倍增区域；第2导电类型的半导体区域，其形成于第1导电类型的外延半导体层，且在与该外延半导体层的界面构成pn结；以及多个电阻，其具有两个端部，且对于各光检测通道而设置，经由一端部而与外延半导体层中的第2导电类型的半导体区域电性连接，并且经由另一端部而与信号导线连接；在第1导电类型的半导体层中的至少与各光检测通道对应的表面形成有不规则的凹凸，第1导电类型的半导体层中的至少与各光检测通道对应的表面光学性地露出。
本发明所涉及的光电二极管阵列中，pn结由第1导电类型的外延半导体层与形成于该半导体层中的第2导电类型的半导体区域所构成。倍增区域形成于实现pn结的外延半导体层，与各光检测通道对应的倍增区域处于该外延半导体层。因此，上述光电二极管阵列不具有在以盖革模式进行动作时发生边缘崩溃的pn结的端部(边缘)，而无需设置保护环。因此，可提高上述光电二极管阵列的开口率。
而且，根据本发明，如上所述，入射至光电二极管阵列的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长，因此在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。另外，第1导电类型的上述半导体层作为累积层发挥功能，在本发明中，可减少暗电流，并且可提高光电二极管的光检测灵敏度。
优选，在第1导电类型的半导体层中的与多个光检测通道之间对应的表面还形成有不规则的凹凸，并且该表面光学性地露出。在该情况下，入射至多个光检测通道之间的光由形成有不规则的凹凸的表面反射、散射或扩散，且由任意的光检测通道吸收。因此，在光检测通道之间，检测灵敏度不会下降，光检测灵敏度进一步提高。
在本发明所涉及的光电二极管阵列中，也可将硅基板的形成有多个光检测通道的部分薄化，而残留该部分的周边部分。在该情况下，可获得表面入射型及背面入射型的光电二极管阵列。
本发明所涉及的光电二极管阵列中，优选为第1导电类型的半导体层的厚度大于不规则的凹凸的高低差。在该情况下，如上所述，可确保第1导电类型的半导体层的作为累积层的作用效果。
本发明所涉及的光电二极管包括硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，具有相互相对的第1主面及第2主面，并且在第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域，硅基板上，在第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在第2主面中的至少与第2导电类型的半导体区域相对的区域形成有不规则的凹凸，硅基板的第2主面中的与第2导电类型的半导体区域相对的区域光学性地露出。
本发明所涉及的光电二极管中，如上所述，入射至光电二极管的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长，因此在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。另外，利用形成于硅基板的第2主面侧的第1导电类型的累积层，可减少暗电流，并且可提高光电二极管的光检测灵敏度。
优选，将硅基板的与第2导电类型的半导体区域对应的部分自第2主面侧起薄化，而残留该部分的周边部分。在该情况下，可获得分别将硅基板的第1主面及第2主面侧作为光入射面的光电二极管。
优选，第1导电类型的累积层的厚度大于不规则的上述凹凸的高低差。在该情况下，如上所述，可确保累积层的作用效果。
发明的效果
根据本发明，可提供一种光电二极管及光电二极管阵列，其是硅光电二极管及硅光电二极管阵列，且在近红外光的波段具有充分的分光灵敏度特性。
附图说明
图1是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图2是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图3是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图4是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图5是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图6是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图7是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图8是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图9是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图10是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图11是表示第1实施方式所涉及的光电二极管的构成的图。
图12是表示实施例1及比较例1中的分光灵敏度相对于波长的变化的线图。
图13是表示实施例1及比较例1中的温度系数相对于波长的变化的线图。
图14是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图15是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图16是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图17是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图18是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图19是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图20是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图21是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图22是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图23是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图24是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
图25是概略地表示第5实施方式所涉及的光电二极管阵列的平面图。
图26是概略地表示沿着图25中的XXVI-XXVI线的剖面构成的图。
图27是用以对各光检测通道与信号导线及电阻的连接关系进行概略地说明的图。
图28是概略地表示第5实施方式所涉及的光电二极管阵列的第1变形例的剖面构成的图。
图29是概略地表示第5实施方式所涉及的光电二极管阵列的第2变形例的剖面构成的图。
图30是概略地表示第6实施方式所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图31是概略地表示第7实施方式所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图32是概略地表示第8实施方式所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图33是概略地表示图26所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图34是概略地表示图28所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图35是概略地表示图29所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图36是概略地表示图30所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图37是概略地表示图31所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图38是概略地表示图32所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。
图39是概略地表示光电二极管阵列的安装构造的一例的图。
图40是概略地表示光电二极管阵列的安装构造的一例的图。
符号的说明
1…n-型半导体基板、1a…第1主面、1b…第2主面、3…p+型半导体区域、5…n+型半导体区域、10…不规则的凹凸、11…累积层、13、15…电极、22…基板、23…信号导线、24…电阻、25…电极垫、31…绝缘膜、32…n+型半导体层、33…p-型半导体层、34…p+型半导体区域、35…p型半导体层、36…保护膜、40…分离部、42…遮光部、AM…倍增区域、CH…光检测通道、S…基板构件、PL…脉冲激光、PD1～PD4…光电二极管、PDA1～PDA4…光电二极管阵列。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。还有，在说明中，对于相同要素或具有相同功能的要素使用相同符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
参照图1～图10，对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图1～图10是用以对第1实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
首先，准备由硅(Si)结晶构成且具有相互相对的第1主面1a及第2主面1b的n-型半导体基板1(参照图1)。n-型半导体基板1的厚度为300μm左右，比电阻为1kΩ·cm左右。本实施方式中，所谓“高杂质浓度”，例如是指杂质浓度为1×1017cm-3左右以上，且对导电类型附加“+”表示。所谓“低杂质浓度”，例如是指杂质浓度为1×1015cm-3左右以下，且对导电类型附加“-”表示。作为n型杂质，存在锑(Sb)或砷(As)等，作为p型杂质，存在硼(B)等。
其次，在n-型半导体基板1的第1主面1a侧形成p+型半导体区域3及n+型半导体区域5(参照图2)。p+型半导体区域3通过使用中央部开口的掩模等，使高浓度的p型杂质在n-型半导体基板1内自第1主面1a侧扩散而形成。n+型半导体区域5通过使用周边部区域开口的其它的掩模等，以包围p+型半导体区域3的方式使比n-型半导体基板1更高浓度的n型杂质，在n-型半导体基板1内自第1主面1a侧扩散而形成。p+型半导体区域3的厚度例如为0.55μm左右，薄片电阻例如为44Ω/sq.。n+型半导体区域5的厚度例如为1.5μm左右，薄片电阻例如为12Ω/sq.。
其次，在n-型半导体基板1的第1主面1a侧形成绝缘层7(参照图3)。绝缘层7由SiO2构成，且通过将n-型半导体基板1热氧化而形成。绝缘层7的厚度例如为0.1μm左右。然后，在p+型半导体区域3上的绝缘层7中形成接触孔H1，在n+型半导体区域5上的绝缘层7中形成接触孔H2。也可形成由SiN构成的抗反射(AR，anti-reflective)层来代替绝缘层7。
其次，在n-型半导体基板1的第2主面1b上及绝缘层7上形成钝化层9(参照图4)。钝化层9由SiN构成，且通过例如等离子CVD(chemical vapor deposition，化学气相沉积)法而形成。钝化层9的厚度例如为0.1μm。然后，自第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨，以使n-型半导体基板1的厚度成为所期望的厚度(参照图5)。由此，将形成于n-型半导体基板1的第2主面1b上的钝化层9除去，而露出n-型半导体基板1。此处，也将通过研磨而露出的面设为第2主面1b。所期望的厚度例如为270μm。
其次，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸10(参照图6)。此处，如图7所示，将n-型半导体基板1配置于腔室C内，自配置于腔室C的外侧的脉冲激光产生装置PLD对n-型半导体基板1照射脉冲激光PL。腔室C包括气体导入部GIN及气体排出部GOUT，将不活性气体(例如氮气或氩气等)自气体导入部GIN导入后自气体排出部GOUT排出，从而在腔室C内形成有不活性气体流Gf。通过不活性气体流Gf，将照射脉冲激光PL时所产生的尘埃等排出至腔室C外，而防止加工屑或尘埃等附着于n-型半导体基板1上。
本实施方式中，使用皮秒～飞秒脉冲激光产生装置作为脉冲激光产生装置PLD，且遍及第2主面1b的整个面照射皮秒～飞秒脉冲激光。第2主面1b受到皮秒～飞秒脉冲激光破坏，如图8所示，在第2主面1b的整个面形成不规则的凹凸10。不规则的凹凸10具有相对于与第1主面1a正交的方向而交差的面。凹凸10的高低差例如为0.5～10μm左右，凹凸10中的凸部的间隔为0.5～10μm左右。皮秒～飞秒脉冲激光的脉冲时间宽度例如为50fs～2ps左右，强度例如为4～16GW左右，脉冲能量例如为200～800μJ/pulse左右。更通常的是，峰值强度为3×1011～2.5×1013(W/cm2)，通量为0.1～1.3(J/cm2)左右。图8是对形成于第2主面1b上的不规则的凹凸10进行观察的SEM(scanning electronmicroscope，扫描式电子显微镜)图像。
其次，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成累积层11(参照图9)。此处，以成为比n-型半导体基板1更高的杂质浓度的方式，将n型杂质在n-型半导体基板1内自第2主面1b侧离子注入或扩散，从而形成累积层11。累积层11的厚度例如为1μm左右。
其次，对n-型半导体基板1进行热处理(退火)。此处，在N2气体的气氛下，以800～1000℃左右的范围，将n-型半导体基板1加热0.5～1小时左右。
其次，在将形成于绝缘层7上的钝化层9除去之后，形成电极13、15(参照图10)。电极13形成于接触孔H1内，电极15形成于接触孔H2内。电极13、15分别由铝(Al)等构成，且厚度例如为1μm左右。由此，完成光电二极管PD1。
如图10所示，光电二极管PD1包括n-型半导体基板1。在n-型半导体基板1的第1主面1a侧形成有p+型半导体区域3及n+型半导体区域5，在n-型半导体基板1与p+型半导体区域3之间形成有pn结。电极13通过接触孔H1而与p+型半导体区域3电性接触且连接。电极15通过接触孔H2而与n+型半导体区域5电性接触且连接。
在n-型半导体基板1的第2主面1b形成有不规则的凹凸10。在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成有累积层11，且第2主面1b光学性地露出。所谓第2主面1b光学性地露出，不仅指第2主面1b与空气等的气氛气体接触，而且也包括在第2主面1b上形成有光学上透明的膜的情况。
光电二极管PD1中，在第2主面1b形成有不规则的凹凸10。因此，如图11所示，入射至光电二极管PD1的光L由凹凸10反射、散射或扩散，而在n-型半导体基板1内行进较长的距离。
通常，相对于Si的折射率n＝3.5，空气的折射率n＝1.0。光电二极管中，在光自与光入射面垂直的方向入射的情况下，未在光电二极管(硅基板)内被吸收的光分为由光入射面的背面反射的光成分、与透过光电二极管的光成分。透过光电二极管的光无助于光电二极管的灵敏度。由光入射面的背面所反射的光成分若在光电二极管内被吸收，则成为光电流。未被吸收的光成分在光入射面，与到达光入射面的背面的光成分同样地反射或透过。
光电二极管PD1中，在光L自与光入射面(第1主面1a)垂直的方向入射的情况下，若到达形成于第2主面1b的不规则的凹凸10，则以与来自凹凸10的出射方向成16.6°以上的角度到达的光成分由凹凸10全反射。因为凹凸10不规则地形成，因此，相对于出射方向具有各种角度，全反射的光成分朝各个方向扩散。因此，全反射的光成分中若存在由n-型半导体基板1内部吸收的光成分，则存在到达第1主面1a及侧面的光成分。
到达第1主面1a及侧面的光成分由于凹凸10上的扩散而朝各个方向行进。因此，到达第1主面1a及侧面的光成分由第1主面1a及侧面全反射的可能性极高。由第1主面1a及侧面全反射的光成分使不同的面上的全反射反复，其行进距离变得更长。入射至光电二极管PD1的光L在n-型半导体基板1的内部行进较长的距离的期间，由n-型半导体基板1吸收，而作为光电流被检测。
入射至光电二极管PD1的光L，其大部分不会透过光电二极管PD1，而是行进距离变长，由n-型半导体基板1吸收。因此，光电二极管PD1中，在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。
在第2主面1b形成有规则的凹凸的情况下，到达第1主面1a及侧面的光成分由凹凸扩散，但朝相同的方向行进。因此，到达第1主面1a及侧面的光成分由第1主面1a及侧面全反射的可能性较低。因此，在第1主面1a及侧面、进而在第2主面1b中透过的光成分增加，入射至光电二极管的光的行进距离较短。其结果，难以提高在近红外光的波段的分光灵敏度特性。
此处，为了对第1实施方式的在近红外光的波段的分光灵敏度特性的提高效果进行确认，而进行了实验。
制作包括上述构成的光电二极管(称作实施例1)、与未在n-型半导体基板的第2主面形成不规则的凹凸的光电二极管(称作比较例1)，分别研究分光灵敏度特性。实施例1与比较例1除通过脉冲激光的照射而形成不规则的凹凸以外，为相同的构成。将n-型半导体基板1的尺寸设定为6.5mm×6.5mm。将p+型半导体区域3即光感应区域的尺寸设定为5.8mm×5.8mm。将对光电二极管施加的偏压电压VR设定为0V。
将结果表示于图12中。在图12中，实施例1的分光灵敏度特性由T1所表示，比较例1的分光灵敏度特性由特性T2所表示。在图12中，纵轴表示分光灵敏度(mA/W)，横轴表示光的波长(nm)。以一点划线所表示的特性表示量子效率(QE)为100％的分光灵敏度特性，以虚线所表示的特性表示量子效率为50％的分光灵敏度特性。
根据图12可知，例如在1064nm下，比较例1中分光灵敏度为0.2A/W(QE＝25％)，相对于此，实施例1中分光灵敏度为0.6A/W(QE＝72％)，在近红外光的波段的分光灵敏度大幅提高。
也对实施例1及比较例1中的分光灵敏度的温度特性进行了确认。此处，使气氛温度自25℃上升至60℃而研究分光灵敏度特性，求出60℃下的分光灵敏度相对于25℃下的分光灵敏度的比例(温度系数)。将结果表示于图13中。在图13中，实施例1的温度系数的特性由T3所表示，比较例1的温度系数的特性由特性T4所表示。在图13中，纵轴表示温度系数(％/℃)，横轴表示光的波长(nm)。
根据图13可知，例如在1064nm下，比较例1中温度系数为0.7％/℃，相对于此，实施例1中温度系数为0.2％/℃，温度依赖性较低。通常，若温度上升，则吸收系数增大且带隙能量减少，由此，分光灵敏度变高。实施例1中，在室温的状态下分光灵敏度充分地高，因此，与比较例1相比较，温度上升所引起的分光灵敏度的变化变小。
光电二极管PD1中，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成有累积层11。由此，在第2主面1b侧不通过光而产生的多余载流子进行再结合，可减少暗电流。累积层11抑制在第2主面1b附近通过光而产生的载流子由该第2主面1b捕获。因此，通过光而产生的载流子有效地朝向pn结部移动，从而可进一步提高光电二极管PD1的光检测灵敏度。
第1实施方式中，在形成累积层11之后，对n-型半导体基板1进行热处理。由此，n-型半导体基板1的结晶性恢复，可防止暗电流的增加等的不良情况。
第1实施方式中，在对n-型半导体基板1进行热处理之后，形成电极13、15。由此，在电极13、15使用熔点相对较低的金属的情况下，电极13、15也不会由于热处理而熔融。其结果，可不受热处理的影响而适当地形成电极13、15。
第1实施方式中，照射皮秒～飞秒脉冲激光，而形成不规则的凹凸10。由此，可适当且容易地形成不规则的凹凸10。
(第2实施方式)
参照图14～图16，对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图14～图16是用以对第2实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
第2实施方式的制造方法中，直至自第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨为止，与第1实施方式的制造方法相同，省略至此为止的工序的说明。自第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨，使n-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成累积层11(参照图14)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为1μm左右。
其次，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，而形成不规则的凹凸10(参照图15)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。
其次，与第1实施方式同样地对n-型半导体基板1进行热处理。然后，在将形成于绝缘层7上的钝化层9除去之后，形成电极13、15(参照图16)。由此，完成光电二极管PD2。
在第2实施方式中，也与第1实施方式同样地，入射至光电二极管PD2的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，在光电二极管PD2中，也可提高在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性。
第2实施方式中，累积层11的厚度大于不规则的凹凸10的高低差。因此，即使在形成累积层11之后，照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层11仍可靠地残留。因此，可确保累积层11的作用效果。
(第3实施方式)
参照图17～图21，对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图17～图21是用以对第3实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
第3实施方式的制造方法中，直至形成钝化层9为止，与第1实施方式的制造方法相同，省略至此为止的工序的说明。在形成钝化层9之后，将n-型半导体基板1中的与p+型半导体区域3对应的部分自第2主面1b侧起薄化，而残留该部分的周边部分(参照图17)。n-型半导体基板1的薄化例如通过由使用氢氧化钾溶液或TMAH(tetramethylammonium hydroxide，氢氧化四甲基铵溶液)等的碱性蚀刻进行的各向异性蚀刻而进行。n-型半导体基板1的已薄化的部分的厚度例如为100μm左右，周边部分的厚度例如为300μm左右。
其次，自第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨，以使n-型半导体基板1的周边部分的厚度成为所期望的厚度(参照图18)。所期望的厚度例如为270μm。
其次，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，而形成不规则的凹凸10(参照图19)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。
其次，在n-型半导体基板1的已薄化的部分的第2主面1b侧形成累积层11(参照图20)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为3μm左右。
其次，与第1实施方式同样地，在对n-型半导体基板1进行热处理之后，将形成于绝缘层7上的钝化层9除去，形成电极13、15(参照图21)。由此，完成光电二极管PD3。
在第3实施方式中，也与第1及第2实施方式同样地，入射至光电二极管PD3的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，光电二极管PD3中，也可提高在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性。
第3实施方式中，在形成不规则的凹凸10之前，将n-型半导体基板1中的与p+型半导体区域3对应的部分自第2主面1b侧起薄化，而残留该部分的周边部分。由此，可获得分别将n-型半导体基板1的第1主面1a及第2主面1b侧作为光入射面的光电二极管PD3。
(第4实施方式)
参照图22～图24，对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明。图22～图24是用以对第4实施方式所涉及的光电二极管的制造方法进行说明的图。
第4实施方式的制造方法中，直至将n-型半导体基板1薄化为止，与第3实施方式的制造方法相同，省略至此为止的工序的说明。自第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨，使n-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在n-型半导体基板1的已薄化的部分的第2主面1b侧形成累积层11(参照图22)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为3μm左右。
其次，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，而形成不规则的凹凸10(参照图23)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。
其次，与第1实施方式同样地，对n-型半导体基板1进行热处理。然后，在将形成于绝缘层7上的钝化层9除去之后，形成电极13、15(参照图24)。由此，完成光电二极管PD4。
在第4实施方式中，也与第1～第3实施方式同样地，入射至光电二极管PD4的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，光电二极管PD4中，也可提高在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性。
第4实施方式中，在形成累积层11之前，将n-型半导体基板1中的与p+型半导体区域3对应的部分自第2主面1b侧起薄化，而残留该部分的周边部分。由此，可获得分别将n-型半导体基板1的第1主面1a及第2主面1b侧作为光入射面的光电二极管PD4。
(第5实施方式)
参照图25及图26，对第5实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA1的构成进行说明。图25是概略地表示第5实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA1的平面图。图26是表示沿着图25所示的光电二极管阵列PDA1的XXVI-XXVI线的剖面构成的图。
光电二极管阵列PDA1是在基板22上层叠有多个半导体层及绝缘层而成。如图25所示，光电二极管阵列PDA1是将入射被检测光的多个光检测通道CH形成为矩阵状(本实施方式中为4×4)而成的光子计数用多通道雪崩光电二极管。在光电二极管阵列PDA1的上面侧设置有信号导线23、电阻24及电极垫25。基板22例如是一边为1mm左右的正方形状。各光检测通道CH例如为正方形状。
信号导线23由读出部23a、连接部23b及通道外周部23c构成。读出部23a传输自各光检测通道CH输出的信号。连接部23b将各电阻24与读出部23a连接。各通道外周部23c以包围光检测通道CH的外周的方式配线。读出部23a分别与配置成夹持该读出部23a而邻接的2列的光检测通道CH连接，且在其一端与电极垫25连接。本实施方式中，光电二极管配置成4×4的矩阵状，因此，在光电二极管阵列PDA1上配线有两根读出部23a，其相对于电极垫25而与两者均连接。信号导线23例如由铝(Al)构成。
电阻24经由一端部24a及通道外周部23c而对于各光检测通道CH设置，且经由另一端部24b及连接部23b而与读出部23a连接。与相同的读出部23a连接的多个(本实施方式中为8个)电阻24与该读出部23a连接。电阻24例如由多晶硅(Poly-Si)构成。
其次，参照图26，对光电二极管阵列PDA1的剖面构成进行说明。如图26所示，光电二极管阵列PDA1包括：具有导电类型为n型(第1导电类型)的半导体层的基板22、形成于基板22上的导电类型为p型(第2导电类型)的p-型半导体层33、形成于p-型半导体层33上的导电类型为p型的p+型半导体区域34、保护膜36、形成于p-型半导体层33的导电类型为n型(第1导电类型)的分离部40、以及形成于保护膜36上的上述信号导线23及电阻24。被检测光自图26的上面侧或下面侧入射。
基板22包括基板构件S、形成于基板构件S上的绝缘膜31、以及形成于绝缘膜31上的n+型半导体层32。基板构件S由Si(硅)构成。绝缘膜31例如由SiO2(氧化硅)构成。n+型半导体层32是由Si构成、且杂质浓度高的导电类型为n型的半导体层。n+型半导体层32的厚度例如为1μm～12μm。
p-型半导体层33是杂质浓度低的导电类型为p型的外延半导体层。p-型半导体层33，在与基板22的界面构成pn结。p-型半导体层33与各光检测通道CH对应地具有多个使通过被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的倍增区域AM。p-型半导体层33的厚度例如为3μm～5μm。p-型半导体层33由Si构成。因此，n+型半导体层32与p-型半导体层33构成了硅基板。
p+型半导体区域34与各光检测通道CH的倍增区域AM对应地，形成于p-型半导体层33上。即，在半导体层的层叠方向(以下仅称作层叠方向)上位于p+型半导体区域34的下方的p-型半导体层33的与基板22的界面附近的区域是倍增区域AM。p+型半导体区域34由Si构成。
分离部40形成于多个光检测通道CH之间，将各光检测通道CH分离。即，分离部40以与各光检测通道CH一对一地对应而在p-型半导体层33形成有倍增区域AM的方式形成。分离部40以完全包围各倍增区域AM的周围的方式而在基板22上形成为二维格子状。分离部40在层叠方向上自p-型半导体层33的上面侧贯通至下面侧而形成。分离部40的杂质例如由P构成，且该分离部40为杂质浓度高的导电类型为n型的半导体层。若通过扩散而形成分离部40，则需要较长的热处理时间。因此，考虑有使n+型半导体层32的杂质朝向外延半导体层扩散而使pn结的界面上升。为了防止该上升，也可在对相当于分离部40的区域的中央附近进行沟槽蚀刻之后，进行杂质的扩散而形成分离部40。详细内容在其它的实施方式中进行说明，也可在沟槽中形成遮光部，该遮光部利用吸收或反射光检测通道所吸收的波段的光的物质进行填埋而形成。在该情况下，可防止由雪崩倍增所引起的发光对邻接的光检测通道造成影响而发生的串扰。
p-型半导体层33、p+型半导体区域34及分离部40在光电二极管阵列PDA1的上面侧形成平面，且在其上形成有保护膜36。保护膜36例如由绝缘层所形成，该绝缘层由SiO2构成。
在保护膜36上形成有信号导线23及电阻24。信号导线23的读出部23a及电阻24形成于分离部40的上方。
信号导线23作为阳极发挥功能，也可在基板22的下面侧(不具有绝缘膜31的一侧)的整个面包括省略图示的透明电极层(例如由ITO(Indium Tin Oxide)构成的层)作为阴极。或者，作为阴极，也能够以从表面侧被引出的方式形成电极部。
此处，参照图27，对各光检测通道CH与信号导线23及电阻24的连接关系进行说明。图27是用以对各光检测通道CH与信号导线23及电阻24的连接关系进行概略地说明的图。如图27所示，各光检测通道CH的p+型半导体区域34与信号导线23(通道外周部23c)直接连接。由此，信号导线23(通道外周部23c)与p-型半导体层33电性连接。p-型半导体层33与电阻24的一端部24a经由信号导线23(通道外周部23c)而连接，电阻24的另一端部24b分别经由连接部23b而与读出部23a连接。
将基板22的形成有多个光检测通道CH的区域自基板构件S侧起薄化，将基板构件S中的与形成有多个光检测通道CH的区域对应的部分除去。在已薄化的区域的周围，基板构件S作为框部而存在。也可具有如下构成：也将上述框部除去而将基板22的整个区域薄化、即将基板构件S整体除去。基板构件S的除去可通过蚀刻(例如干式蚀刻等)或研磨等而进行。在通过干式蚀刻而将基板构件S除去的情况下，绝缘膜31也作为蚀刻终止层发挥功能。通过除去基板构件S而露出的绝缘膜31以下述方式除去。
在n+型半导体层32的表面，遍及形成有多个光检测通道CH的区域整体而形成有不规则的凹凸10。n+型半导体层32的表面中的形成有不规则的凹凸10的区域光学性地露出。所谓n+型半导体层32的表面光学性地露出，不仅指n+型半导体层32的表面与空气等的气氛气体接触，而且也包括在n+型半导体层32的表面上形成有光学上透明的膜的情况。不规则的凹凸10也可仅形成于与各光检测通道CH相对的区域。
不规则的凹凸10通过下述方式形成：对通过除去基板构件S而露出的绝缘膜31，与上述实施方式同样地照射脉冲激光。即，若对露出的绝缘膜31照射脉冲激光，则将绝缘膜31除去，并且n+型半导体层32的表面受到脉冲激光破坏，而形成不规则的凹凸10。照射脉冲激光的脉冲激光产生装置可使用皮秒～飞秒脉冲激光产生装置。不规则的凹凸10具有相对于与n+型半导体层32的表面正交的方向而交差的面。凹凸10的高低差例如为0.5～10μm左右，凹凸10中的凸部的间隔为0.5～10μm左右。皮秒～飞秒脉冲激光的脉冲时间宽度例如为50fs～2ps左右，强度例如为4～16GW左右，脉冲能量例如为200～800μJ/pulse左右。更通常的是，峰值强度为3×1011～2.5×1013(W/cm2)，通量为0.1～1.3(J/cm2)左右。
优选，在照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10之后，对基板22进行热处理(退火)。例如，在N2气体的气氛下以800～1000℃左右的范围，将基板22加热0.5～1.0小时左右。通过上述热处理，n+型半导体层32的结晶性恢复，可防止暗电流的增加等的不良情况。
在将以上述方式构成的光电二极管阵列PDA1用于光子计数的情况下，在称作盖革模式的动作条件下进行动作。在该盖革模式动作时，对各光检测通道CH施加比雪崩电压更高的逆向电压(例如50V以上)。若在该状态下被检测光自上面侧入射至各光检测通道CH，则被检测光在各光检测通道CH被吸收而产生载流子。所产生的载流子沿着各光检测通道CH内的电场一面加速一面移动，在各倍增区域AM进行倍增。然后，经倍增的载流子经由电阻24，通过信号导线23而被取出至外部，根据该输出信号的峰值进行检测。自检测出光子的通道均可获得等量的输出，因此，通过检测来自所有通道的总输出，而对自光电二极管阵列PDA1中的几个光检测通道CH存在输出进行计数。因此，光电二极管阵列PDA1中，通过被检测光的一次照射，可实现光子计数。
然而，光电二极管阵列PDA1中，在n+型半导体层32的表面形成有不规则的凹凸10。因此，入射至光电二极管阵列PDA1的光由凹凸10反射、散射或扩散，而在光电二极管阵列PDA1内行进较长的距离。
例如，在将光电二极管阵列PDA1用作表面入射型光电二极管阵列，且光自保护膜36侧入射至光电二极管阵列PDA1的情况下，若到达形成于n+型半导体层32的表面上的不规则的凹凸10，则以与来自凹凸10的出射方向成16.6°以上的角度到达的光成分由凹凸10全反射。因为凹凸10不规则地形成，因此，相对于出射方向具有各种角度，全反射的光成分朝各个方向扩散。因此，全反射的光成分中，若存在由各光检测通道CH吸收的光成分，则存在到达保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面的光成分。
到达保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面的光成分通过在凹凸10上的扩散而朝各个方向行进。因此，到达保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面的光成分由保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面全反射的可能性极高。由保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面全反射的光成分使在不同的面的全反射反复，其行进距离变得更长。入射至光电二极管阵列PDA1的光在光电二极管阵列PDA1的内部行进较长的距离的期间，由各光检测通道CH吸收，而作为光电流被检测。
在将光电二极管阵列PDA1用作背面入射型光电二极管阵列，且光自n+型半导体层32的表面侧入射至光电二极管阵列PDA1的情况下，入射的光由凹凸10散射，而在光电二极管阵列PDA1内朝各个方向行进。到达保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面的光成分通过凹凸10上的扩散而朝各个方向行进。因此，到达保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面的光成分由各个面全反射的可能性极高。由保护膜36侧的表面及n+型半导体层32的侧面全反射的光成分使在不同的面的全反射及在凹凸10的反射、散射或扩散反复，其行进距离变得更长。入射至光电二极管阵列PDA1的光由凹凸10反射、散射或扩散，而在光电二极管阵列PDA1内行进较长的距离，由各光检测通道CH吸收，而作为光电流被检测。
入射至光电二极管阵列PDA1的光L，其大部分不会透过光电二极管阵列PDA1，行进距离变长，由各光检测通道CH吸收。因此，光电二极管阵列PDA1中，在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性提高。
第5实施方式中，在n+型半导体层32的表面形成有不规则的凹凸10。因此，在形成有不规则的凹凸10的上述表面侧不通过光而产生的多余载流子进行再结合，可减少暗电流。n+型半导体层32作为累积层发挥功能，抑制在n+型半导体层32的上述表面附近通过光而产生的载流子由该表面所捕获。因此，通过光而产生的载流子有效地朝倍增区域AM移动，从而可提高光电二极管阵列PDA1的光检测灵敏度。
第5实施方式中，也在n+型半导体层32中的与多个光检测通道CH之间对应的表面形成有不规则的凹凸10，并且该表面光学性地露出。因此，入射至多个光检测通道CH之间的光也由不规则的凹凸10反射、散射或扩散，由任意的光检测通道CH吸收。因此，在光检测通道CH之间，检测灵敏度不会下降，光电二极管阵列PDA1的光检测灵敏度进一步提高。然而，第5实施方式中，形成有多个光检测通道CH，各光检测通道CH并不检测光的入射位置，而是取各光检测通道CH的输出的和作为输出。因此，各光检测通道CH间的串扰不会成为问题，可通过任意的光检测通道CH检测入射的光。
第5实施方式中，n+型半导体层32的厚度大于不规则的凹凸10的高低差。因此，可以可靠地确保n+型半导体层32的作为累积层的作用效果。
光电二极管阵列PDA1中，pn结由基板22的n+型半导体层32、与形成于该基板22的n+型半导体层32上的作为外延半导体层的p-型半导体层33所构成。倍增区域AM形成于实现pn结的p-型半导体层33，各倍增区域AM的与各光检测通道CH的对应是通过形成于光检测通道CH间的分离部40而实现。pn结面由n+型半导体层32与p-型半导体层33的界面、及分离部40与p-型半导体层33的界面所构成。因此，不存在高浓度杂质区域成为凸起而电场变高的区域。因此，光电二极管阵列PDA1不具有在以盖革模式进行动作时发生边缘崩溃的pn结的端部(边缘)。因此，光电二极管阵列PDA1中无需相对于各光检测通道CH的pn结而设置保护环。由此，可显著提高光电二极管阵列PDA1的开口率。
通过提高开口率，从而光电二极管阵列PDA1中也可增大检测效率。
因为各光检测通道CH间通过分离部40而分离，因此，可良好地抑制串扰。
在以盖革模式进行动作，且在入射有光子的光检测通道与不入射光子的通道之间电压差变大的情况下，因为在光检测通道CH间形成有分离部40，因此，也可充分地将通道间分离。
光电二极管阵列PDA1中，信号导线23的读出部23a形成于分离部40的上方，因此，抑制信号导线23横穿倍增区域AM上方即光检测面上。因此，开口率进一步提高。进而，认为对抑制暗电流也有效。光电二极管阵列PDA1中，电阻24也形成于分离部40的上方，因此，开口率进一步提高。
在使用n型的半导体基板，且在其上形成有p型的外延半导体层的情况下，会发生在n型的半导体基板上产生的电洞的一部分延迟进入倍增区域而成为剩余脉冲的问题，上述情况是本申请发明者根据剩余脉冲的波长依赖性而发现的。对于上述问题，在光电二极管阵列PDA1中，因为在形成有多个光检测通道CH的区域，将基板构件S除去，因此，可抑制剩余脉冲。
第5实施方式中的分离部40可应用各种变形。图28是概略地表示第5实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA1的第1变形例的剖面构成的图。第1变形例所涉及的光电二极管阵列中，多个(本变形例中为两个)分离部40形成于光检测通道CH之间。
图29是概略地表示本实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA1的第2变形例的剖面构成的图。第2变形例所涉及的光电二极管阵列中，分离部40仅形成于上面(被检测光入射面)附近，而不在层叠方向上自p-型半导体层33的上面侧贯通至下面侧。
上述实施方式中，将外延半导体层设为第2导电类型，但也可将外延半导体层设为第1导电类型，在该半导体层中设置第2导电类型的半导体区域，由第1导电类型的外延半导体层与第2导电类型的半导体区域构成pn结。
如图39及图40所示，光电二极管阵列PDA1安装于基板WB上。图39中，通过粘结等而将光电二极管阵列PDA1固定于基板WB上，并通过引线接合而与形成于基板WB上的配线电性连接。图40中，通过凸块将光电二极管阵列PDA1固定于基板WB上，并且与形成于基板WB上的配线电性连接。在通过凸块而将光电二极管阵列PDA1与基板WB连接的情况下，优选为在光电二极管阵列PDA1与基板WB之间填充底部填充树脂。在该情况下，可确保光电二极管阵列PDA1与基板WB的连接强度。
在图39中，在将光电二极管阵列PDA1用作背面入射型光电二极管阵列的情况下，优选为基板WB为光学上透明。同样，在图40中，在将光电二极管阵列PDA1用作表面入射型光电二极管阵列的情况下，也优选为基板WB为光学上透明。此时，优选为所填充的底部填充树脂也为光学上透明。
(第6实施方式)
参照图30，对第6实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA2的构成进行说明。图30是概略地表示第6实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA2的剖面构成的图。第6实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA2在分离部40包括遮光部的方面与第5实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA1不同。
如图30所示，分离部40包括遮光部42，该遮光部42由吸收由光检测通道CH所检测的被检测光的波段(可见光至近红外光)的光的物质构成。遮光部42埋入至分离部40内而形成为自p-型半导体层33的上面侧朝向下面侧延伸的芯。遮光部42例如由在光阻材料内混入有黑色的染料或经绝缘处理的碳黑等颜料的黑色光阻材料、或钨等的金属构成。其中，在构成遮光部42的物质不为绝缘物质(例如钨等的金属)的情况下，需要利用SiO2等的绝缘膜对该遮光部42进行覆膜。第5实施方式中也已叙述，若通过扩散而形成分离部40，则需要较长的热处理时间，因此考虑有将n+型半导体层32的杂质朝向外延半导体层扩散，而使pn结的界面上升。为了防止该上升，也可在对相当于分离部40的区域的中央附近进行沟槽蚀刻之后，进行杂质的扩散而形成分离部40。如图30所示，进行杂质扩散之后，成为n+型半导体层32与分离部40相连的形状。如上所述，也可在剩余的沟槽中形成遮光部，该遮光部利用吸收光检测通道所吸收的波段的光的物质(如下所述，也可为反射光检测通道所吸收的波段的光的物质)进行填埋而形成。由此，可防止由雪崩倍增所引起的发光对邻接的光检测通道造成影响而发生的串扰。
在第6实施方式中，也与第5实施方式同样地，入射至光电二极管阵列PDA2的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，光电二极管阵列PDA2中，也可提高在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性。另外，可减少暗电流，并且可提高光电二极管阵列PDA2的光检测灵敏度。
光电二极管阵列PDA2中，也与光电二极管阵列PDA1同样地，不具有在以盖革模式进行动作时发生边缘崩溃的pn结的端部(边缘)。因此，光电二极管阵列PDA2中也无需相对于各光检测通道CH的pn结而设置保护环。由此，可提高光电二极管阵列PDA2的开口率。
通过提高开口率，而在光电二极管阵列PDA2中也可增大检测效率。
因为利用分离部40将各光检测通道CH间分离，因此，可良好地抑制串扰。
光电二极管阵列PDA2中，信号导线23的读出部23a形成于分离部40的上方，因此，开口率进一步提高。进而，认为对抑制暗电流也有效。
各分离部40包括遮光部42，该遮光部42由吸收由光检测通道CH所检测的被检测光的波段的光的物质构成。因此，被检测光由遮光部吸收，因而可良好地抑制串扰的发生。遮光部42由吸收由光检测通道CH所检测的被检测光的波段、特别是通过雪崩倍增而产生的可见光～近红外光的波段的光的物质构成，以使通过雪崩倍增而产生的光不会对邻接的光检测通道CH造成影响。因此，可良好地抑制串扰的发生。
遮光部42并不限定于吸收可见光至近红外光的光的物质，也可为反射可见光至近红外光的光的物质。在该情况下，因为被检测光由遮光部反射，因此，可良好地抑制串扰的发生。遮光部42由反射由光检测通道CH所检测的被检测光的波段、特别是通过雪崩倍增而产生的可见光～近红外光的波段的光的物质构成，以使通过雪崩倍增而产生的光不会对邻接的光检测通道CH造成影响。因此，可良好地抑制串扰的发生。
遮光部42并不限定于吸收或反射可见光至近红外光的光的物质，只要为吸收或反射由光检测通道CH所检测的被检测光的波段的光的物质即可。其中，优选，遮光部42由吸收或反射由光检测通道CH所检测的被检测光的波段、特别是通过雪崩倍增而产生的可见光～近红外光的波段的光的物质构成，以使通过雪崩倍增而产生的光不会对邻接的光检测通道CH造成影响。
遮光部42也可由折射率比分离部40更低的物质构成。在该情况下，因为光由遮光部反射，因此，也可良好地抑制串扰的发生。
(第7实施方式)
参照图31，对第7实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA3的构成进行说明。图31是用以对第7实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA3的剖面构成进行概略地说明的图。第7实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA3在信号导线23形成在氮化硅膜上的方面与第5实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA1不同。
如图31所示，光电二极管阵列PDA3包括：具有导电类型为n型(第1导电类型)的半导体层的基板22、形成于基板22上的导电类型为p型(第2导电类型)的p型半导体层35、形成于p型半导体层35上的导电类型为p型的p+型半导体区域34、保护膜36a、36b、形成于p型半导体层35上的导电类型为n型(第1导电类型)的分离部40、由铝构成的信号导线23、以及例如由Poly-Si构成的电阻24。
基板22包括n+型的基板构件(未图示)、与形成于该基板构件上的n型半导体层32。
p型半导体层35是杂质浓度比p+型半导体区域34更低的导电类型为p型的外延半导体层。p型半导体层35，在与基板22的n型半导体层32的界面构成pn结。p型半导体层35与各光检测通道CH对应地具有多个使通过被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的倍增区域AM。p型半导体层35由Si构成。
p型半导体层35、p+型半导体区域34及分离部40在光电二极管阵列PDA3的上面侧形成平面，且在其上形成有保护膜36a、36b。保护膜36a通过由氧化硅膜(SiO2膜)构成的绝缘膜所形成，保护膜36b通过由氮化硅(SiN膜或Si3N4膜)构成的绝缘膜所形成。
如图31所示，在分离部40上依序层叠有保护膜36a、电阻24、保护膜36b及信号导线23。具体而言，在分离部40上层叠有保护膜36a。在保护膜36a上层叠有电阻24。在保护膜36a及电阻24上，除各电阻24的一部分外，层叠有保护膜36b。在保护膜36b及其上未层叠保护膜36b的电阻24的一部分上，层叠有信号导线23以进行电性连接。具体而言，在电阻24间层叠有信号导线23的读出部23a，在电阻24上层叠有作为与连接部23b或通道外周部23c电性连接的信号导线23以进行电性连接。
如图31所示，在p+型半导体区域34上除一部分外层叠有保护膜36b。在未层叠保护膜36b的p+型半导体区域34的该一部分上、及层叠于p+型半导体区域34上的保护膜36b的一部分上，层叠有信号导线23的通道外周部23c以进行电性连接。
在第7实施方式中，也与第5及第6实施方式同样地，入射至光电二极管阵列PDA3的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，在光电二极管阵列PDA3中，也可提高在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性。另外，可减少暗电流，并且可提高光电二极管阵列PDA3的光检测灵敏度。
光电二极管阵列PDA3中，也与光电二极管阵列PDA1同样地，不具有在以盖革模式进行动作时发生边缘崩溃的pn结的端部(边缘)。因此，光电二极管阵列PDA3中也无需相对于各光检测通道CH的pn结而设置保护环。由此，可提高光电二极管阵列PDA3的开口率。
通过提高开口率，光电二极管阵列PDA3中也可增大检测效率。
因为利用分离部40将光检测通道CH间分离，因而可良好地抑制串扰。
光电二极管阵列PDA3中，信号导线23的读出部23a也形成于分离部40的上方，因此，开口率进一步提高。进而，认为对抑制暗电流也有效。
信号导线23由铝构成，因此，例如在形成在氧化膜上的情况下，会发生由于施加高电压而铝渗入至其下的膜的问题。应对上述问题，在光电二极管阵列PDA3中，将信号导线23形成于由氮化硅膜构成的保护膜36b上。因此，即使对光电二极管阵列PDA3施加高电压，也可抑制铝渗入至其下的膜(保护膜36b)。
在信号导线23的读出部23a之下，层叠有保护膜36b与保护膜36a或电阻24。因此，可良好地抑制由于施加高电压而铝渗入至分离部40及p型半导体层35。
光电二极管阵列PDA3中，即使在施加高电压的情况下，也可很好地抑制铝侵入至光检测通道CH及分离部40。
由例如多晶硅(Poly-Si)构成的电阻24形成于保护膜36a上，并且在该电阻24上形成有保护膜36b及信号导线23。
也可使用p型的半导体层代替n型半导体层32。在该情况下，在该p型的半导体层与n+型的基板构件S(基板22)之间构成pn结，且在该p型的半导体层中形成倍增部AM。
(第8实施方式)
参照图32，对第8实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA4的构成进行说明。图32是概略地表示第8实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA4的剖面构成的图。第8实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA4在不包括分离部40的方面与第5实施方式所涉及的光电二极管阵列PDA1不同。
如图32所示，p-型半导体层33以各倍增区域AM与各光检测通道CH相互对应的方式具有多个倍增区域AM。在各光检测通道CH间形成有信号导线23及电阻24。
在第8实施方式中，也与第5～第7实施方式同样地，入射至光电二极管阵列PDA4的光的行进距离变长，吸收光的距离也变长。由此，光电二极管阵列PDA4中，也可提高在红光～近红外光的波段的分光灵敏度特性。另外，可减少暗电流，并且可提高光电二极管阵列PDA4的光检测灵敏度。
光电二极管阵列PDA4中，也与光电二极管阵列PDA1同样地，不具有在以盖革模式进行动作时发生边缘崩溃的pn结的端部(边缘)。因此，光电二极管阵列PDA4中也无需相对于各光检测通道CH的pn结而设置保护环。由此，可提高光电二极管阵列PDA4的开口率。进而，由于光电二极管阵列PDA4不包括分离部，从而可表现出更高的开口率。
通过提高开口率，从而在光电二极管阵列PDA4中也可增大检测效率。
光电二极管阵列PDA4中，信号导线23的读出部23a形成于各光检测通道CH间，因此，开口率进一步提高。进而，认为对抑制暗电流也有效。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内可进行各种变更。
第1～第4实施方式中，遍及第2主面1b的整个面照射脉冲激光，而形成不规则的凹凸10，但并不限定于此。例如，也可仅对n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域照射脉冲激光，而形成不规则的凹凸10。
第1～第4实施方式中，将电极15与形成于n-型半导体基板1的第1主面1a侧的n+型半导体区域5电性接触且连接，但并不限定于此。例如，也可将电极15与形成于n-型半导体基板1的第2主面1b侧的累积层11电性接触且连接。在该情况下，优选，在n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域以外，形成电极15。其原因在于，若在n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域形成电极15，则形成于第2主面1b的不规则的凹凸10由电极15堵塞，而发生近红外光的波段中的分光灵敏度下降的现象。
也可将第1～第4实施方式所涉及的光电二极管PD1～PD4中的p型及n型的各导电类型替换为与上述相反。
在第5～第8实施方式中，形成于光电二极管阵列的光检测通道的数量并不限定于上述实施方式中的数量(4×4)。形成于光检测通道CH间的分离部40的数量也不限定于上述实施方式及变形例中所示的数量，例如也可为3个以上。信号导线23也可不形成于分离部40的上方。电阻24也可不形成于分离部40的上方。各层等并不限定于上述实施方式及变形例中所例示的层。也可将上述光电二极管阵列PDA1～PDA4中的p型及n型的各导电类型替换为与上述相反。
图33是概略地表示图26所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。图34是概略地表示图28所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。图35是概略地表示图29所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。图36是概略地表示图30所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。图37是概略地表示图31所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。图38是概略地表示图32所示的实施方式的层构造的变形例所涉及的光电二极管阵列的剖面构成的图。这些基本的平面构成与连接关系与图25所示的相同。
如上所述，图33至图38所示的构造中，使用n型半导体层R33或R35来代替图26、图28、图29、图30、图31、图32的p型半导体层33或p型半导体层35。在该情况下，pn结形成于低浓度的n型半导体层R33(或R35)与p型半导体区域34的界面，空乏层自pn结朝向n型半导体层R33(或R35)扩展，倍增区域AM与空乏层对应地自pn结界面朝向n型半导体层R33(或R35)而形成。其它构造与作用与上述相同。
该光电二极管阵列PDA1～PDA4是将入射被检测光的多个光检测通道CH形成于具有n型半导体层32的n型的基板22上而成的。且是将入射被检测光的多个光检测通道CH形成于具有作为第1导电类型的n+型的半导体层32(S)的基板上而成的光电二极管阵列。多个光检测通道CH包括：基板22、作为第1导电类型的n-型的外延半导体层R33(或R35)、作为第2导电类型的p+型的半导体区域34、以及多个电阻24。外延半导体层R33(或R35)形成于基板22的第1导电类型的半导体层32上。外延半导体层R33(或R35)以各倍增区域AM与各光检测通道相互对应的方式，具有使通过被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的多个倍增区域AM。半导体区域34形成于外延半导体层R33(或R35)中，且在与该外延半导体层R33(或R35)的界面构成pn结。多个电阻24具有两个端部，且对于各光检测通道CH而设置。多个电阻24经由一端部24a而与外延半导体层R33(或R35)中的第2导电类型的半导体区域34电性连接，并且经由另一端部24b而与信号导线23连接。
如图25所示，电阻24经由一端部24a及通道外周部23c，对于各光检测通道CH而设置，且经由另一端部24b及连接部23b而与读出部23a连接。与相同的读出部23a连接的多个电阻24相对于该读出部23a而连接。
该光电二极管阵列中，pn结由基板上的第1导电类型的外延半导体层R33(或R35)、与形成于该外延半导体层R33(或R35)中的第2导电类型的半导体区域34所构成。倍增区域AM形成于实现pn结的外延半导体层R33(或R35)中，与各光检测通道对应的倍增区域AM处于该外延半导体层R33(或R35)。
产业上的可利用性
本发明可用于半导体光检测元件及光检测装置中。

Claims (7)

1.一种光电二极管阵列，其特征在于，
是将入射被检测光的多个光检测通道形成于具有第1导电类型的半导体层的硅基板而成的光电二极管阵列，
包括：
第2导电类型的外延半导体层，其形成于第1导电类型的所述半导体层上，在与该半导体层的界面构成pn结，并且以各倍增区域与所述各光检测通道相互对应的方式，具有使通过所述被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的多个倍增区域；以及
多个电阻，其具有两个端部，且对于各所述光检测通道而设置，经由一方的所述端部而与所述外延半导体层电性连接，并且经由另一方的所述端部而与信号导线连接，
在第1导电类型的所述半导体层中的至少与所述各光检测通道对应的表面形成有不规则的凹凸，
第1导电类型的所述半导体层中的至少与所述各光检测通道对应的所述表面光学性地露出，
所述光电二极管阵列是背面入射型，形成有不规则的所述凹凸的所述表面被作为光入射面，从形成有不规则的所述凹凸的所述表面入射的光在所述硅基板内行进。
2.一种光电二极管阵列，其特征在于，
是将入射被检测光的多个光检测通道形成于具有第1导电类型的半导体层的硅基板而成的光电二极管阵列，
包括：
第1导电类型的外延半导体层，其形成于第1导电类型的所述半导体层上，且以各倍增区域与所述各光检测通道相互对应的方式，具有使通过所述被检测光的入射而产生的载流子进行雪崩倍增的多个倍增区域；
第2导电类型的半导体区域，其形成于所述第1导电类型的外延半导体层中，且在与该外延半导体层的界面构成pn结；以及
多个电阻，其具有两个端部，且对于各所述光检测通道而设置，经由一方的所述端部而与所述外延半导体层中的所述第2导电类型的半导体区域电性连接，并且经由另一方的所述端部而与信号导线连接，
在第1导电类型的所述半导体层中的至少与所述各光检测通道对应的表面形成有不规则的凹凸，
第1导电类型的所述半导体层中的至少与所述各光检测通道对应的所述表面光学性地露出，
所述光电二极管阵列是背面入射型，形成有不规则的所述凹凸的所述表面被作为光入射面，从形成有不规则的所述凹凸的所述表面入射的光在所述硅基板内行进。
3.如权利要求1或2所述的光电二极管阵列，其特征在于，
在第1导电类型的所述半导体层中的与所述多个光检测通道之间对应的表面还形成有不规则的凹凸，并且该表面光学性地露出。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的光电二极管阵列，其特征在于，
将所述硅基板的形成有多个光检测通道的部分薄化，并残留该部分的周边部分。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的光电二极管阵列，其特征在于，
第1导电类型的所述半导体层的厚度大于不规则的所述凹凸的高低差。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的光电二极管阵列，其特征在于，
从形成有不规则的所述凹凸的所述表面入射的光被不规则的所述凹凸散射。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的光电二极管阵列，其特征在于，
从形成有不规则的所述凹凸的所述表面入射并在所述硅基板内行进的光被不规则的所述凹凸反射、散射或者扩散。
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