CN104737304A - 光电二极管阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种高时间分辨率的光电二极管阵列。受光区域包含多个光检测部(10)，各个光检测部(10)具备：第1导电型的第1半导体区域(12)；第2导电型的第2半导体区域(13、14)，其与第1半导体区域(12)构成pn结；第1接触电极(3A)，其与第2半导体区域接触；第2接触电极(4A)，其具备与第1接触电极(3A)不同的材料，配置在重叠于第1接触电极(3A)的位置，并与第1接触电极接触；以及电阻层(4B)，其与第2接触电极(4A)连续。

Description

光电二极管阵列
技术领域
本发明涉及一种光电二极管阵列。
背景技术
现有的光电二极管阵列例如记载在专利文献1中。在SiPM(SiliconPhoto Multiplier：硅光电倍增器)或PPD(Pixelated Photon Detector：像素化光电检测器)等光电二极管阵列中，具有将APD(雪崩光电二极管)配置成矩阵状，并联连接多个APD并读出APD输出之和的结构。若使APD以盖革模式动作，则能够检测出微弱的光(光子)。即，在光子入射至APD的情况下，在APD内部所产生的载流子经由降压电阻(quenching resistor)及信号读出用的配线图案而输出至外部。在APD的产生电子雪崩的像素中，电流流动，但是在串联连接于像素的数百kΩ左右的降压电阻中，产生电压下降。通过该电压下降，使对APD的放大区域的施加电压降低，由电子雪崩引起的倍增作用终止。如此，通过入射1个光子，从APD输出1个脉冲信号。以往，在构成pn结的一个半导体层设置有第1接触电极，在跟与此连续的配线相同的平面内，在配线连接有电阻层。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：欧洲专利申请公开1755171号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在多个光子以较短的时间间隔入射至APD的情况下，输出脉冲信号的间隔变短而无法分离脉冲，从而无法进行光子计数。本发明有鉴于这样的技术问题而完成，其目的在于提供一种提高计数率的高动态范围的光电二极管阵列。
解决技术问题的手段
为了解决上述技术问题，本发明的样态所涉及的光电二极管阵列，其特征在于：包含受光区域，所述受光区域包含多个光检测部，各个所述光检测部具备：第1导电型的第1半导体区域；第2导电型的第2半导体区域，其与所述第1半导体区域构成pn结；第1接触电极，其与所述第2半导体区域接触；第2接触电极，其具备与所述第1接触电极不同的材料，配置在重叠于所述第1接触电极的位置，并与所述第1接触电极接触；以及电阻层，其与所述第2接触电极连续。
在本样态所涉及的光电二极管阵列的情况下，通过将第2接触电极配置在重叠于第1接触电极的位置，能够将电阻层与第1接触电极的连接所需要的空间最小化。当然，必然地，第1接触电极与第2接触电极不在相同平面上，高度方向的位置不同，且电阻层从第2接触电极连续延伸。由此，能够省略光检测部内的配线，并可以显著增加光检测部的开口率。
由于光子的入射而在pn结产生的载流子经由第1接触电极及第2接触电极而流入电阻层，经由连接于电阻层的配线图案而取出至外部。
另外，所述第2接触电极及所述电阻层优选具备SiCr。由于SiCr的光透过率高，因此即便在光检测部内存在电阻层，入射的光子也会透过电阻层，因而能够增加实际的开口率。
另外，所述电阻层优选曲线延伸，并连接于信号读出用的配线图案。由于电阻层的电阻值与其长度成比例，因此通过电阻层曲线延伸，从而能够增加电阻值。另外，通过存在电阻层，能够使存在于其下方的半导体层的表面能级稳定并使输出稳定。
另外，所述电阻层的厚度优选为3nm以上且50nm以下。在下限值以上的情况下，能够确保电阻层的均匀性，在上限值以下的情况下，能够使光子充分透过。
所述配线图案，其特征在于：包含包围各所述光检测部的形状，各个所述第2接触电极位于由所述配线图案所包围的各个光检测区域的中央部，且所述电阻层的二维图案包含以沿着所述第2接触电极的周围旋转的方式延伸的形状。通过以将所述第2接触电极配置于光检测区域的中央部且在其周围旋转的方式配置，能够将电阻层的长度设定得长。
另外，在光子入射至所述光检测部的情况下，能够令由从赋予来自所述光检测部的输出的强度峰值的时刻到来自所述光检测部的输出达到该强度峰值的37％的时刻为止的期间所规定的恢复时间为5ns以下。
另外，能够令邻接的所述光检测部的中心间的间隔为20μm以下。在该情况下，恢复时间显著缩短。
另外，能够令邻接的所述光检测部的中心间的间隔为15μm以下。在该情况下，所述恢复时间更加缩短。
另外，能够令邻接的所述光检测部的中心间的间隔为10μm以下。在该情况下，所述恢复时间更加缩短。
发明的效果
根据本发明样态的光电二极管，可以通过缩短其恢复时间而提高计数率。
附图说明
图1是光电二极管阵列的立体图。
图2是光电二极管阵列的II-II箭头纵截面图。
图3是表示往SiCr的入射光的波长(nm)与透过率(％)的关系的图表。
图4是表示光检测部(以50μm间隔配置)的照片的图。
图5是表示光检测部(以25μm间隔配置)的照片的图。
图6是表示光检测部(以20μm间隔配置)的照片的图。
图7是表示光检测部(以15μm间隔配置：类型A)的照片的图。
图8是表示光检测部(以15μm间隔配置：类型B)的照片的图。
图9是表示光检测部(以10μm间隔配置)的照片的图。
图10是表示入射光的波长(nm)与光子的检测效率(％)的关系的图表。
图11是表示光电二极管的输出与时间的关系的图表。
图12是用于针对光电二极管的制造方法进行说明的图。
图13是变更了基板的构造的光电二极管阵列的纵截面图。
图14是光电二极管阵列的平面图。
符号说明：
10…光检测部，12…第1半导体区域，14(13)…第2半导体区域，3A…第1接触电极，4A…第2接触电极，4B…电阻层。
具体实施方式
以下，针对实施方式所涉及的光电二极管阵列进行说明。另外，对相同要素使用相同符号，并省略重复的说明。
图1是光电二极管阵列的立体图，图2是光电二极管的II-II箭头纵截面图。
该光电二极管阵列在由Si构成的半导体基板的表面侧具备受光区域。受光区域包含多个光检测部(光检测通道)10，这些光检测部10二维配置成矩阵状。另外，在图1中，配置有9行9列的光检测部10，且这些构成受光区域，但是光检测部10的数量可以更多或更少，而且还可以采用一维配置的结构。
在基板表面，配置有图案化成格子状的信号读出用的配线图案(上表面电极)3C。另外，在图1中，为了了解内部构造，省略图2所示的绝缘层17的记载。在格子状的配线图案3C的开口内规定光检测区域。在光检测区域内配置光检测部10，光检测部10的输出连接于配线图案3C。
在基板背面上，设置有下表面电极20。因此，若在上表面电极即配线图案3C与下表面电极20之间施加光检测部10的驱动电压，则能够从配线图案3C取出该光检测输出。
在pn结中，构成其的p型的半导体区域构成正极，n型半导体区域构成负极。以p型半导体区域的电位高于n型半导体区域的电位的方式对光电二极管施加驱动电压的情况下，此为正向偏置电压，将与此相反的驱动电压施加于光电二极管的情况下，此为反向偏置电压。
驱动电压是施加于由光检测部10的内部pn结所构成的光电二极管的反向偏置电压。在将该驱动电压设定为光电二极管的雪崩电压以上的情况下，在光电二极管中产生雪崩击穿，使光电二极管以盖革模式进行动作。即，各光电二极管是雪崩光电二极管(APD)。另外，即便在对光电二极管施加正向偏置电压的情况下，光电二极管也具有光检测功能。
在基板表面，配置有电连接于光电二极管的一端的电阻部(降压电阻)4。电阻部4的一端构成经由位于其正下方的其他材料的接触电极而电连接于光电二极管的一端的接触电极4A，另一端构成与信号读出用的配线图案3C接触且与其电连接的接触电极4C。即，各光检测部10的电阻部4具备连接于光电二极管的接触电极4A、与接触电极4A连续且曲线延伸的电阻层4B、以及与电阻层4B的终端部连续的接触电极4C。另外，接触电极4A、电阻层4B、以及接触电极4C由相同的电阻材料的电阻层构成，且它们连续。
如此，电阻部4从与光电二极管的电连接点曲线延伸，而连接于信号读出用的配线图案3C。由于电阻部4的电阻值与其长度成比例，因此通过使电阻部4曲线延伸，能够增加其电阻值。另外，通过存在电阻部4，能够使存在于其之下的半导体区域的表面能级稳定且使输出稳定。
在图1所示的例子中，配线图案3C包含包围各个光检测部10的形状，但是配线图案3C的形状并不限于此，例如可以为包围2个以上的光检测部10的形状，或者为包围一列以上的光检测部10的形状(参照图14)。另外，在图14中，以多列光检测部为1组，且配线图案3C的配线在它们之间延伸。
另外，如图14所示，在各光检测部中，通过以覆盖半导体区域14的边缘的方式配置电阻层4B，从而能够使半导体区域14的表面能级更稳定。详细而言，在从厚度方向看的半导体区域14的轮廓上，配置有电阻层4B。
包含在光检测部10的光电二极管的一端原则上于在所有位置均连接于同电位的配线图案3C，另一端连接于赋予基板电位的下表面电极20。即，所有光检测部10的光电二极管并联连接。
另外，也可以替代下表面电极20，而在空出从基板表面侧到达半导体区域12的孔且以绝缘膜被覆孔的内表面之后，形成与半导体区域12接触的贯通电极。然而，为了提高光检测部10的开口率，下表面电极20比贯通电极优选。
在图1所示的例子中，各个接触电极4A位于被配线图案3C包围的各个光检测区域的中央部。再者，电阻部4的二维图案包含以在接触电极4A的周围旋转的方式延伸的形状。通过以将接触电极4A配置于各光检测区域的中央部，且在接触电极4A的周围旋转的方式配置电阻层4B，能够将电阻层4B的长度设定得长。
如图2所示，各个光检测部10具备第1导电型(n型)的第1半导体区域(层)12、以及与第1半导体区域12构成pn结的第2导电型(p型)的第2半导体区域(半导体层13及高杂质浓度区域14)。
在该第2半导体区域的高杂质浓度区域(半导体区域)14，接触有第1接触电极3A。高杂质浓度区域14是通过将杂质扩散到半导体层13内而形成的扩散区域(半导体区域)，具有比半导体层13高的杂质浓度。在本例(类型1)中，在n型的第1半导体区域12上形成有p型的半导体层13，在半导体层13的表面侧形成有p型的高浓度杂质区域14。因此，构成光电二极管的pn结形成在第1半导体区域12与半导体层13之间。
另外，作为半导体基板的层构造，也可以采用使导电型与上述反转的构造。即，(类型2)的构造通过在p型的第1半导体区域12上形成n型的半导体层13，在半导体层13的表面侧形成n型的高浓度杂质区域14而形成。
另外，也可以将pn结界面形成在表面层侧。在该情况下，(类型3)的构造为在n型的第1半导体区域12上形成有n型的半导体层13且在半导体层13的表面侧形成有p型的高浓度杂质区域14的构造。另外，在该构造的情况下，pn结形成在半导体层13与半导体区域14的界面。
当然，在这种构造中，也可以使导电型反转。即，(类型4)的构造为在p型的第1半导体区域12上形成有p型的半导体层13且在半导体层13的表面侧形成有n型的高浓度杂质区域14的构造。
另外，也可以采用图13所示的构造作为半导体基板的构造。
图13是变更了基板的构造的光电二极管阵列的纵截面图。
该构造的不同点在于在上述类型1～类型4的构造中，在半导体区域14的正下方配置半导体区域15，其他相同。半导体区域15具有与半导体区域14相同的导电型或不同的导电型。令具有相同导电型者为(类型1S)～(类型4S)，令具有不同导电型者为(类型1D)～(类型4D)。另外，半导体区域15的杂质浓度小于半导体区域14的杂质浓度。另外，可以采用B(硼)作为p型的杂质，可以采用P(磷)或As(砷)作为n型的杂质。
另外，上述半导体构造的各层的导电型、杂质浓度及厚度的优选范围为如下所述。
(类型1)
半导体区域12(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/5×1011～1×1020cm-3/30～700μm)
半导体区域13(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
半导体区域14(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1018～1×1020cm-3/10～1000nm)
(类型2)
半导体区域12(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/5×1011～1×1020cm-3/30～700μm)
半导体区域13(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
半导体区域14(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1018～1×1020cm-3/10～1000nm)
(类型3)
半导体区域12(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/5×1011～1×1020cm-3/30～700μm)
半导体区域13(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
半导体区域14(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1018～1×1020cm-3/10～1000nm)
(类型4)
半导体区域12(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/5×1011～1×1020cm-3/30～700μm)
半导体区域13(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
半导体区域14(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1018～1×1020cm-3/10～1000nm)
(类型1S)
半导体区域12、13、14的参数与类型1相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
(类型2S)
半导体区域12、13、14的参数与类型2相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
(类型3S)
半导体区域12、13、14的参数与类型3相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
(类型4S)
半导体区域12、13、14的参数与类型4相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
(类型1D)
半导体区域12、13、14的参数与类型1相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
(类型2D)
半导体区域12、13、14的参数与类型2相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
(类型3D)
半导体区域12、13、14的参数与类型3相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(n型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
(类型4D)
半导体区域12、13、14的参数与类型4相同。
半导体区域15(导电型/杂质浓度/厚度)
(p型/1×1014～1×1017cm-3/2～50μm)
另外，在上述例子中，最下部的半导体区域12构成厚度大的半导体基板，但是光检测部10也可以在其之下还具备半导体基板，在该情况下，半导体区域12会具有比这种附加的半导体基板薄的厚度。
另外，半导体区域13可以半导体区域12上通过外延生长法形成，但是也可以通过对基板进行杂质扩散或离子注入而形成。半导体区域14、15可以通过对半导体区域13进行杂质扩散或离子注入而形成。
接着，针对图1、图2、图13所示的接触电极3A及电阻部4进行说明。
各光检测部10具备形成在半导体基板表面的绝缘层16。半导体区域13及半导体区域14的表面被绝缘层16被覆。绝缘层16具有接触孔，在接触孔内形成有接触电极3A。本例的接触电极3A由与配线图案3C相同的材料构成，并通过相同工序而形成在绝缘层16上。接触电极3A及配线图案3C由金属构成，具体而言为铝(Al)。作为接触电极3A及配线图案3C的材料，可以使用其他低阻金属材料(Au、Ag、Cu)，也可以采用2层以上的构造或合金。作为合金，例如可以使用包含Al、Ag、Au、Ge、Ni、Cr及Ti等金属元素当中的几个的化合物。
在下部的绝缘层16及第1接触电极3A上，形成有上部的绝缘层17。绝缘层16、17由SiO2或氮化硅(SiNx)等耐热性高的无机绝缘体构成。绝缘层17具有与第1接触电极3A同轴配置的接触孔，在该接触孔内形成有第2接触电极4A。因此，第1接触电极3A与第2接触电极4A同轴配置。
第2接触电极4A包含与第1接触电极3A不同的材料。另外，第2接触电极4A是电阻部4的一部分，具有比第1接触电极3A高的电阻率。第2接触电极4A配置在重叠于第1接触电极3A的位置，并与第1接触电极3A接触。第2接触电极4A与电阻层4B连续。
通过将第2接触电极4A同轴配置于重叠于第1接触电极3A的位置，能够将电阻层4B与第1接触电极3A的连接所需要的空间最小化。当然，必然地，第1接触电极3A与第2接触电极4A不在相同平面上，高度方向的位置不同，且电阻层4B从第2接触电极4A连续延伸。由此，能够省略光检测部10内的配线，并可以显著增加光检测部的开口率。
另外，接触电极4C位于电阻层4B的终端。接触电极4C也是电阻部4的一部分。形成在绝缘层16上的配线图案3C位于接触电极4C的正下方，接触电极4C与配线图案3C接触且连接。
由于光子的入射而在pn结产生的载流子经由第1接触电极3A及第2接触电极4A而流到电阻层4B，经由通过接触电极4C而连接于电阻层4B的配线图案3C，而取出至外部。
接触电极4A、4C及电阻层4B由相同的电阻材料构成，但是它们也可以由不同的材料构成。可以将半导体单独、或者以适当的比率含有半导体及金属的合金或化合物作为电阻材料来使用。例如，作为电阻体，除了SiCr以外，还可以举出NiCr、TaNi、FeCr等。
当然，接触电极4A、4C及电阻层4B优选由SiCr构成。由于SiCr的光透过率高，因此即便在光检测部10内存在电阻层，入射的光子也会透过电阻层4B，因而能够增加实际的开口率。另外，若SiCr的电阻值的晶片面内偏差小且为1mm左右，则可以容易变细。另外，能够提高薄层电阻。多晶硅的薄层电阻为1～30(kΩ/sq.)，但是SiCr为1～50(kΩ/sq.)。即，若使用SiCr，则能够用小的尺寸实现高电阻值。
电阻层4B的厚度优选为3nm以上且50nm以下。在下限值以上的情况下，能够确保电阻层的均匀性，在上限值以下的情况下，能够使光子充分透过。
图3是表示对构成电阻层的SiCr的入射光的波长(nm)与透过率(％)的关系的图表。该SiCr层的厚度为20nm。
SiCr对于波长400nm以上的光具有80％以上的透过率。有阻断波长不到400nm的光的倾向。根据该图表，示出了对于波长400nm以上且不到500nm的光小的光谱峰。这意味着即便在通过滤波片阻断500nm以上的光的情况下，波长400nm以上且不到500nm的光仍能够选择性地透过。若不组合这样的滤波片，则能够使波长400nm以上至少直至波长1200nm的光以80％以上的透过率透过。
制造上述光电二极管阵列。
制造条件为如下所述。
(1)构造(图1、2的构造的数值例)
·半导体区域12：
导电型：n型(杂质：Sb(锑))
杂质浓度：5.0×1011cm-3
厚度：650μm
·半导体区域13
导电型：p型(杂质：B(硼))
杂质浓度：1.0×1014cm-3
厚度：30μm
·半导体区域14
导电型：p型(杂质：B(硼))
杂质浓度：1.0×1018cm-3
厚度：1000nm
·绝缘层16：SiO2(厚度：1000nm)
·绝缘层17：SiO2(厚度：2000nm)
·接触电极3A：(铝(Al))
接触孔径：2.0μm
·配线图案3C：(铝(Al))
厚度：1.0μm
配线图案3C的宽度W0：1.0～3.0μm
1个光检测部10的配线图案3C所包围的区域(光检测区域)的面积S：100～2500μm2
邻接的光检测部10的中心间的间隔X：50μm～10μm
·电阻部4：SiCr
(接触电极4A)
接触孔径：1.0μm
(电阻层4B)
电阻层4B的厚度：20nm
电阻层4B的宽度W1：1.0～3.0μm
电阻层4B的长度L1:10～50μm
电阻部4的电阻值：200～500kΩ
(接触电极4C)
接触孔径：1.0μm
(2)制法条件
·半导体区域12：CZ法((001)Si半导体基板)
·半导体区域13：Si外延生长法(原材料：气相的四氯化硅(SiCl4)、三氯硅烷(trichlorosilane、SiHCl3)，生长温度1200℃)
·半导体区域14：杂质的热扩散法(杂质原材料：二硼烷(B2H6)，扩散温度1200℃)
·绝缘层16：(Si热氧化法：氧化温度(1000℃))
·绝缘层17：(等离子体CVD法：原材料气体(四乙氧基硅烷(TEOS)及氧气)：生长温度(200℃))
·接触电极3A及配线图案3C：蒸镀法(原料：铝)
·电阻部4：溅射法(靶材材料：SiCr)
图4是表示所制造的光检测部10(邻接中心间的间隔X＝50μm)的照片的图。
本例的构造的参数如下所述。另外，电阻层4B的长度是其宽度方向的中心线的长度。
·配线图案3C的宽度W0＝2.0μm
·光检测区域的面积S＝2025μm2
·电阻层4B的宽度W1＝3.0μm
·电阻层4B的长度(合计长度)L1＝200μm
·电阻部4的电阻值＝160kΩ
电阻层4B的形状整体上沿着格子状的配线图案3C的内侧面而形成为环状。在该构造中，电阻层4B具有2条从第2接触电极4A的位置到达信号输出用的接触电极4C的路径。即，电阻层4B具有相对长度短的电阻层4B1、以及相对长度长的电阻层4B2。电阻层4B的电阻值由这些长度不同的电阻层4B1和电阻层4B2的合成电阻所赋予。
在格子状的配线图案3C的交点，配置有接触电极4C。因此，接触电极4C位于光检测区域的对角线上的4个部位，且这些对角线的交点成为光检测区域(光检测部)的中心(重心)G。邻接的光检测部10的中心G间的距离X为50μm。
电阻层4B1、4B整体上呈大致矩形的环状，其角部的形状平滑地弯曲。电阻层4B1、4B2的角部的外缘的曲率中心O位于通过中心G的上述对角线上，且曲率半径R为5.0μm，从外缘的圆弧的两端向曲率中心O延伸的2条弦所成的角度θ为8°。另外，为了避免电场集中，曲率半径R设定为2～10μm，角度θ设定为3～14°。
从第2接触电极4A取出的载流子经由电阻层4B而到达接触电极4C，经由配线图案3C而取出至外部。
图5是表示所制造的光检测部10(邻接中心间的间隔X＝25μm)的照片的图。
本例的构造的参数如下所述。
·配线图案3C的宽度W0＝1.5μm
·光检测区域的面积S＝420μm2
·电阻层4B的宽度W1＝3.0μm
·电阻层4B的长度L1＝70μm
·电阻部4的电阻值＝250kΩ
电阻层4B的形状整体上沿着格子状的配线图案3C的内侧面而形成为环的一部分欠缺的形状。在该构造中，电阻层4B具有1条从第2接触电极4A的位置到达信号输出用的接触电极4C的路径。
在格子状的配线图案3C的交点，配置有接触电极4C。因此，接触电极4C位于光检测区域的对角线上的4个部位，且这些对角线的交点成为光检测区域(光检测部)的中心(重心)G。在横向上邻接的光检测部10的中心G间的距离X为25μm。
电阻层4B具有构成环形状的一部分的3个角部，各个角部的形状平滑地弯曲。电阻层4B的角部的外缘的曲率中心O位于通过中心G的上述对角线上，且曲率半径R为5.0μm，从外缘的圆弧的两端向曲率中心O延伸的2条弦所成的角度θ为8°。另外，为了避免电场集中，曲率半径R设定为2～10μm，角度θ设定为6～37°。
从第2接触电极4A取出的载流子经由电阻层4B而到达接触电极4C，经由配线图案3C而取出至外部。
图6是表示所制造的光检测部10(邻接中心间的间隔X＝20μm)的照片的图。
本例的构造的参数如下所述。
·配线图案3C的宽度W0＝1.5μm
·光检测区域的面积S＝240μm2
·电阻层4B的宽度W1＝2.0μm
·电阻层4B的长度L1＝55μm
·电阻部4的电阻值＝300kΩ
由于光检测部的基本构造与图5所示者相同，因此省略重复的说明。邻接的光检测部10的中心G间的距离X为20μm，作为不同点，在图6所示者的情况下，相对于电阻层4B的宽度W1，接触电极4A向光检测区域的内侧突出的比例大于图5者。另外，在任一个形态的光检测部中，接触电极4A、4C的中心均凹陷。邻接于接触电极4C的配线图案3C与接触电极4A的中心位置之间的距离大于从该配线图案3C至电阻层4B的内侧的边缘线的距离。
电阻层4B具有构成环形状的一部分的3个角部，各个角部的形状平滑地弯曲。电阻层4B的角部的外缘的曲率中心O位于通过中心G的上述对角线上，且曲率半径R为3.0μm，从外缘的圆弧的两端向曲率中心O延伸的2条弦所成的角度θ为13°。另外，为了避免电场集中，曲率半径R设定为2～5μm，角度θ设定为8～23°。
从第2接触电极4A取出的载流子经由电阻层4B而到达接触电极4C，经由配线图案3C而取出至外部。
图7是表示所制造的光检测部(邻接中心间的间隔X＝15μm：类型A)的照片的图。在类型A的光检测部中，接触电极4A配置于光检测区域的中心，电阻层4B具备一边从中心向右旋转一边延伸的正向旋转区域4Ba、以及一边与正向旋转区域4Ba连续而向左旋转一边延伸的反向旋转区域4Bb。另外，这里令向右旋转为正向旋转。当然，也可以制造令向左旋转为正向旋转的构造者。
本例的构造的参数如下所述。
·配线图案3C的宽度W0＝1.2μm
·光检测区域的面积S＝132μm2
·电阻层4B的宽度W1＝1.0μm
·电阻层4B的长度L1＝78μm
·电阻部4的电阻值＝600kΩ
在格子状的配线图案3C的交点，配置有接触电极4C，接触电极4C位于光检测区域的对角线上的4部位，且这些对角线的交点成为光检测区域(光检测部)的中心(重心)G。邻接的光检测部10的中心G间的距离X为15μm。
如上所述，电阻层4B具备正向旋转区域4Ba和反向旋转区域4Bb。在该构造中，电阻层4B具有1条从第2接触电极4A的位置到达信号输出用的接触电极4C的路径，但是由旋转方向不同的各区域4Ba、4Bb所形成的中心G的磁场的方向相反。即，具有通过所检测出的电子行进而形成的磁场的影响在中心位置被抵消的构造，且由自身形成磁场造成的对检测输出的影响降低。
正向旋转区域4Ba具有和缓弯曲的3个角部，但是各个角部的外缘的曲率中心Oa1、Oa2、Oa3位于通过中心G的上述对角线上，各曲率半径Ra为2.0μm，从各外缘的圆弧的两端向各曲率中心Oa1、Oa2、Oa3延伸的2条弦所成的角度θa为19°。另外，关于正向旋转区域4Ba，为了避免电场集中，角部的曲率半径Ra设定为2～5μm，角度θa设定为19～58°。
反向旋转区域4Bb也具有和缓弯曲的3个角部，各个角部除了朝向不同以外具有相同形状。若针对1个角度进行说明，则角部的外缘的曲率中心Ob位于通过中心G的上述对角线上，其曲率半径Rb为2.0μm，从外缘的圆弧的两端向各个曲率中心Ob延伸的2条弦所成的角度θb为8°。另外，关于反向旋转区域4Bb，为了避免电场集中，角部的曲率半径Rb设定为2～5μm，角度θb设定为8～23°。
另外，基于正向旋转区域4Ba位于比反向旋转区域4Bb更内侧的理由，角度θa设定成比角度θb大。
位于内侧的正向旋转区域4Ba的外缘与位于外侧的反向旋转区域4Bb的内缘相对，但是这些的隔开距离的最小值D1为0.6μm。隔开距离的最小值D1设定为0.6～2.0μm。
从第2接触电极4A取出的载流子经由电阻层4B而到达接触电极4C，经由配线图案3C而取出至外部。
图8是表示所制造的光检测部(邻接中心间的间隔X＝15μm：类型B)的照片的图。
在类型B的光检测部中，接触电极4A配置于光检测区域的中心，电阻层4B具备一边从中心向一个方向旋转一边延伸的旋转区域。当然，在任一个实施方式中，也可以制造旋转方向为相反方向的构造者。
本例的构造的参数如下所述。
·配线图案3C的宽度W0＝1.2μm
·光检测区域的面积S＝132μm2
·电阻层4B的宽度W1＝1.0μm
·电阻层4B的长度L1＝55μm
·电阻部4的电阻值＝420kΩ
在格子状的配线图案3C的交点，配置有接触电极4C，接触电极4C位于光检测区域的对角线上的4部位，且这些对角线的交点成为光检测区域(光检测部)的中心(重心)G。邻接的光检测部10的中心G间的距离X为15μm。
电阻层4B具有和缓弯曲的3个角部，但是各个角部的外缘的曲率中心O位于通过中心G的上述对角线上，各曲率半径R为2.0μm，从各外缘的圆弧的两端向各曲率中心O延伸的2条弦所成的角度θ为8°。另外，为了避免电场集中，角部的曲率半径R设定为2～5μm，角度θ设定为8～23°。
从第2接触电极4A取出的载流子经由电阻层4B而到达接触电极4C，经由配线图案3C而取出至外部。
图9是表示所制造的光检测部(邻接中心间的间隔X＝10μm)的照片的图。
由于该光检测部10的基本构造与图8所示者相同，因此关于相同的构造省略记载。
本例的构造的参数如下所述。
·配线图案3C的宽度W0＝1.2μm
·光检测区域的面积S＝42μm2
·电阻层4B的宽度W1＝1.0μm
·电阻层4B的长度L1＝29μm
·电阻部4的电阻值＝700kΩ
在该构造中，也是从第2接触电极4A取出的载流子经由电阻层4B而到达接触电极4C，经由配线图案3C而取出至外部。
另外，在本例中，成为如下结构：电阻层4B的宽度W1小于配线图案3C的宽度W0，电阻部4虽然经微细化，但是仍能够获得足够的电阻值的结构。
接着，针对光电二极管的特性进行说明。
图10是表示上述光电二极管的入射光的波长(nm)与光子的检测效率(％)的关系的图表。在该图表中，示出了图4的构造(50μm间隔)、图7的构造(15μm间隔)、图9的构造(10μm间隔)的数据。另外，包含在1个光电二极管阵列的光检测部的数量分别为400个、4489个、1000个。施加于光电二极管的反向偏置电压为74V，且以盖革模式动作。另外，雪崩电压为71V。
对于光子检测效率(PDE)(％)，光检测区域越大，则由电阻层造成影响的区域越少，可以获得越高的检测效率。然而，光检测区域的邻接间隔为10μm的情况的光检测区域的面积相对于50μm的情况的光检测区域的面积为约二十五分之一，但是检测效率维持其30％以上。15μm的情形也是同样，维持较高的检测效率。
这些光谱峰的位置存在于波长400nm至500nm的范围内。在该波长范围(400nm以上且500nm以下)内，在50μm间隔的光电二极管的情况下，检测效率为44％以上，在15μm间隔的光电二极管的情况下，检测效率为36％以上，在10μm间隔的光电二极管的情况下，检测效率为17％以上。
另外，作为比较例1，邻接中心间的间隔为X＝50μm，在图4的电阻层的内侧位置设置第1接触电极，且由第1接触电极形成与电阻层4B大致相同形状且略小的环状配线图案(铝)。另外，该环状配线图案(伸出电极)位于半导体区域14的轮廓上，具有使光检测区域内的能级稳定的功能。而且，在与图4所示者同样地形成跟与该环状配线图案连续的与其相同宽度的电阻体(多晶硅：160kΩ)的情况下，检测效率(％)在波长400nm至500nm的范围内最小为44％，最大为52％。另外，在比较例1的构造中，第1接触电极的位置与电阻体的环状配线图案的连接位置错开。
另外，作为比较例2，比较例1的间隔为X＝15μm，在图8的电阻层的内侧位置设置第1接触电极，且由第1接触电极形成与电阻层4B大致相同形状且略小的环状配线图案(铝)。另外，该环状配线图案(伸出电极)位于半导体区域14的轮廓上，且具有使光检测区域内的能级稳定的功能。而且，在与图8所示者同样地形成跟与该环状配线图案连续的与其相同宽度的电阻体(多晶硅：500kΩ)的情况下，检测效率(％)在波长400nm至500nm的范围内最小为36％，最大为42％。另外，在比较例2的构造中，第1接触电极的位置与电阻体的环状配线图案的连接位置错开。
另外，由于第1接触电极的位置与电阻体的环状配线图案的连接位置错开，因此令间隔X＝10μm以下在制造工艺上困难。
在比较例1、2的构造中，环状配线图案及光透过率低的电阻部的全部作为降低实际的开口率的遮光要素而发挥功能，光检测灵敏度降低。另一方面，在实施方式所涉及的光电二极管阵列中，电阻层4B虽然达到与环状配线图案相同的表面能级稳定化功能，但是由于具有高光透过率，而且未使用多晶硅那样的附加的电阻体，因此能够显著提高光检测灵敏度。
接着，针对恢复时间(电压恢复时间)的影响，进行检查。
图11是表示来自上述光电二极管的输出(盖革模式)与时间的关系的图表。示出了示波器的输出影像，纵轴表示光电二极管的输出强度(增益)，纵轴的1个间隔表示50mV，横轴的1个间隔表示5(ns)。在该图表中，示出了峰强度电压不同的多个数据，这是因入射至光电二极管的光子数的不同而不同者，光子数越多，输出强度也越大。在该图表中，施加了73(V)的偏置电压。另外，ΔV＝输入至光电二极管的偏置电压-光电二极管的雪崩电压为ΔV＝1(V)以上且4(V)以下的范围内。
光电二极管的输出信号的恢复时间(τ)规定为在光子入射至光检测部10的情况下，从赋予来自光检测部10的输出的强度峰值的时刻到来自光检测部10的输出达到该强度峰值的37％的时刻为止的期间。
在光检测部的间隔X＝50μm(图4)的情况下(图11(A))，输入至光电二极管的偏置电压为73V的情况下，恢复时间(τ)为13ns。
在光检测部的间隔X＝20μm(图6)的情况下(图11(B))，输入至光电二极管的偏置电压为73V的情况下，恢复时间(τ)为5.0ns。
在光检测部的间隔X＝15μm(类型A：图7)的情况下(图11(C))，输入至光电二极管的偏置电压为73V的情况下，恢复时间(τ)为4.3ns。
在光检测部的间隔X＝10μm的情况下(图11(D))，输入至光电二极管的偏置电压为73V的情况下，恢复时间(τ)可设为2.3ns以下。
另外，上述比较例1的情况下，恢复时间(τ)为13ns，比较例2的情况的恢复时间(τ)为5.0ns。
详细而言，在比较例1的构造的情况下(光检测部10的隔开间隔X＝50μm)，开口率为60％，结电容Cj＝80fF，增益＝7.5×105，恢复时间13ns，像素数密度(400个/mm2)，光子的检测效率最大为52％。
另外，在比较例2的构造的情况下(光检测部10的隔开间隔X＝15μm)，开口率为55％，结电容Cj＝11fF，增益＝2.0×105，恢复时间4.3ns，像素数密度(4489个/mm2)，光子的检测效率最大为42％。
另外，在X＝15μm的情况下，在图7及图8的实施方式的构造中，开口率可以为60％，结电容Cj＝11fF，增益＝2.0×105，恢复时间4.3ns，像素数密度(4489个/mm2)。
如此，在实施方式的构造中，能够达到与比较例1相同的开口率，并且降低结电容Cj，且缩短恢复时间。另外，由于每单位面积所包含的像素数多，因此能够提高动态范围。
如以上所述，在邻接的第2接触电极间的间隔(光检测区域的中心间的间隔)X为20μm以下的情况下，恢复时间(τ)显著缩短。若光检测部的间隔X＝15μm以下，则能够使恢复时间(τ)为10ns以下。若间隔X为10μm以下，则恢复时间(τ)更加缩短。这是以往无法达到的显著的改善。
如上所述，在实施方式所涉及的光电二极管阵列中，利用金属薄膜电阻高的透过率，替代比较例1、2中所使用的伸出电极，而通过图案化为线状的金属薄膜电阻形成伸出构造，并减少无效空间。为了获得期望的电阻值，在图5～图9所示的构造的情况下，无法通过电阻层4B被覆半导体区域14的轮廓(边缘)的一部分(右角落的位置)，但是该部分为电阻层4B的宽度左右，对于表面能级稳定化的特性降低影响小。另外，在图4所示的构造中，被覆半导体区域14的轮廓(边缘)的全部。
图12是用于针对图1及图2所示的光电二极管阵列的制造方法进行说明的图。
首先，如图12(A)所示，在半导体区域(半导体基板)12上，通过外延生长法或杂质扩散法或离子注入法，形成半导体区域13。另外，半导体区域12是通过CZ法或FZ法形成的(100)Si半导体基板，但是也可以使用具有其他面方位的半导体基板。在使用Si外延生长法的情况下，例如使用气相的四氯化硅(SiCl4)和三氯硅烷(trichlorosilane、SiHCl3)作为原材料，在生长温度1200℃下，使这些气体流到基板表面上。在杂质扩散法的情况下，使与半导体区域13的导电型对应的杂质以气体或固体扩散到半导体区域12内。在离子注入法的情况下，将与半导体区域13的导电型对应的杂质离子注入至半导体区域12内。
接着，在半导体区域13的表面侧的区域形成半导体区域14。这可以使用杂质的扩散法或离子注入法。例如，在扩散法中，使用二硼烷(B2H6)作为杂质原材料的情况下，可以将扩散温度设定为1200℃。在半导体区域14的形成中，首先，通过光刻技术在半导体区域13上形成具有开口的抗蚀剂图案，接着，以该抗蚀剂图案作为掩膜而进行杂质的添加。另外，杂质的添加也可以在形成格子状的配线图案3C之后，以此作为掩膜，经由绝缘层16并通过离子注入法进行。
接着，在半导体基板上形成绝缘层16。绝缘层16可以使用Si热氧化法形成。氧化温度为例如1000℃。由此，半导体区域13及14的表面被氧化，形成由SiO2构成的绝缘层16。在形成绝缘层16中也可以使用CVD法。
接着，在绝缘层16的半导体区域14上的位置形成接触孔。在接触孔的形成中，首先，通过光刻技术于绝缘层16上形成具有开口的抗蚀剂图案，接着，以该抗蚀剂图案作为掩膜而蚀刻绝缘层16。作为蚀刻法，除了干式蚀刻法以外，也可以使用通过包含HF水溶液的蚀刻液进行的湿式蚀刻。
接着，在绝缘层16上，通过蒸镀法而形成第1接触电极3A及配线图案3C。在它们的形成中，首先，通过光刻技术在绝缘层16上形成规定的抗蚀剂图案，接着，以该抗蚀剂图案作为掩膜，将电极材料蒸镀在绝缘层16上。这里，也可以替代蒸镀法而使用溅射法。
接着，如图12(B)所示，在绝缘层16上形成绝缘层17。绝缘层17可以使用溅射法或等离子体CVD法形成。使用等离子体CVD法的情况下，使用四乙氧基硅烷(TEOS)及氧气作为原材料气体，并将生长温度设定为200℃左右来进行绝缘层17的生长。绝缘层17的厚度优选为设定为其表面经平坦化的厚度，优选为大于从绝缘层16的表面到配线图案3C的上表面的高度。
接着，如图12(C)所示，在绝缘层17上形成电阻部4。在该形成中，首先通过光刻技术在绝缘层17上形成规定的抗蚀剂图案，接着，以该抗蚀剂图案作为掩膜，使用溅射法或蒸镀法将电阻材料沉积在绝缘层17上。在电阻体由SiCr构成的情况下，使用溅射法，可以使用例如Si与Cr的组成比为70％/30％的SiCr作为靶材材料，可以将厚度设定为3～50nm。
另外，在制造图13所示的构造的光检测部的情况下，只要在半导体区域14的形成前，使用杂质扩散法或离子注入法将半导体区域15形成在半导体区域13的表面侧即可。在杂质扩散法的情况下，将与半导体区域15的导电型对应的杂质以气体或固体扩散到半导体区域13内。在离子注入法的情况下，将与半导体区域15的导电型对应的杂质离子注入到半导体区域13内。
另外，在上述实施方式的情况下，电阻层4B的平面形状为环状或环的一部分的形状、或螺旋形状，但是其也可以为像矩形波、三角波或正弦波那样蜿蜒的形状。
另外，针对实施方式所涉及的光电二极管阵列的效果，进一步进行说明。
在使光电二极管阵列在盖革模式下动作的情况下，使光子(photon)入射至1个光检测部10的情况下的恢复时间(电压恢复时间)τ依赖于由光检测部10的光检测区域的面积及从pn结扩展的耗尽层宽度所规定的结电容(像素电容)Cj与电阻部4的电阻值(降压电阻值Rq)之积(RC常数＝Cj×Rq)。
若减小像素大小(光检测部的面积)，则结电容Cj变小，因而为了获得相同的恢复时间τ即相同的RC常数，需要增大降压电阻值Rq。降压电阻值Rq可以通过调整电阻率、厚度、宽度及长度来决定。由于电阻率、宽度、厚度受工艺条件限制，因此电阻值Rq通过改变长度来调整是合理的。为了获得相同的恢复时间τ，像素大小越大，则将电阻层4B设定得越短，像素大小越小，则将电阻层4B设定得越长。
在RC常数过小的情况下，雪崩倍增产生后的淬灭变得不充分，而产生称为闭锁电流的现象，未表现正常动作。另一方面，在RC常数过大的情况下，恢复时间(电压恢复时间)变长。因此，将RC常数的值设定为与装置相应的最合适的值(2～20ns)。
另外，增益依赖于结电容Cj和施加电压，实施方式的构造通过减小结电容Cj而降低增益。作为光电二极管阵列的噪声成分，除了暗脉冲以外还包含由后脉冲、光学串扰引起的疑似输出信号。后脉冲是通过将由雪崩倍增产生的电子·空穴的一部分被捕获于杂质能级等，经过某个时间间隔而后被放出，而再次发生雪崩倍增所产生的脉冲。光学串扰是因使在雪崩倍增中低概率产生的光子进入邻接的像素单元且被吸收而产生的电子·空穴对引起雪崩倍增而产生的脉冲所致者。任一者均是相对于1光子的输出不是1个脉冲而是多个脉冲的噪声成分。
如实施方式的构造所述，若结电容Cj即增益小，则由雪崩倍增产生的电子·空穴对的总数变少，因而因后脉冲、光学串扰所引起的脉冲产生的概率变小，获得噪声降低的效果。
越为结电容Cj越大且增益越大的元件，则释放所产生的载流子的时间越长，因而电压恢复时间越长，增益越小，则恢复时间变短。如实施方式所述，若减小像素间距，则电压恢复时间变短，能够提高光子的计数率。
另外，如上所述，光电二极管阵列的受光区域包含多个光检测部，各个光检测部具备：基板表面侧的半导体区域13(这里称为第1半导体区域)；半导体区域14(这里称为第2半导体区域)，其形成在该半导体区域13的内侧且构成光检测通道；电阻层4B，其电连接于第2半导体区域14；以及信号读出用的配线图案3C，其电连接于电阻层4B。而且，电阻层4B经由绝缘层16而位于第2半导体区域14上，在俯视时，配线图案3C包围第2半导体区域14的周围。
另外，上述电阻层4B以在俯视时覆盖半导体区域13与半导体区域14之间的边界的方式配置。
上述构造可以进行稳定的动作。

Claims (11)

1.一种光电二极管阵列，其特征在于：
具备受光区域，所述受光区域包含多个光检测部，
各个所述光检测部具备：
第1导电型的第1半导体区域；
第2导电型的第2半导体区域，其与所述第1半导体区域构成pn结；
第1接触电极，其与所述第2半导体区域接触；
第2接触电极，其具备与所述第1接触电极不同的材料，配置在重叠于所述第1接触电极的位置，并与所述第1接触电极接触；以及
电阻层，其与所述第2接触电极连续。
2.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其特征在于：
所述第2接触电极及所述电阻层具备SiCr。
3.如权利要求2所述的光电二极管阵列，其特征在于：
所述电阻层曲线延伸，并连接于信号读出用的配线图案。
4.如权利要求3所述的光电二极管阵列，其特征在于：
所述电阻层的厚度为3nm以上且50nm以下。
5.如权利要求4所述的光电二极管阵列，其特征在于：
所述配线图案包含包围各个所述光检测部的形状，
各个所述第2接触电极位于被所述配线图案包围的各个光检测区域的中央部，
所述电阻层的二维图案包含以在所述第2接触电极的周围旋转的方式延伸的形状。
6.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其特征在于：
邻接的所述光检测部的中心间的间隔为20μm以下。
7.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其特征在于：
邻接的所述光检测部的中心间的间隔为15μm以下。
8.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其特征在于：
邻接的所述光检测部的中心间的间隔为10μm以下。
9.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其特征在于：
在光子入射至所述光检测部的情况下，由从赋予来自所述光检测部的输出的强度峰值的时刻到来自所述光检测部的输出达到该强度峰值的37％的时刻为止的期间所规定的恢复时间为10ns以下。
10.一种光电二极管阵列，其特征在于：
具备受光区域，所述受光区域包含多个光检测部，
各个所述光检测部具备：
第1半导体区域；
第2半导体区域，其形成在所述第1半导体区域的内侧且构成光检测通道；
电阻层，其电连接于所述第2半导体区域；以及
信号读出用的配线图案，其电连接于所述电阻层，
所述电阻层经由绝缘层而位于所述第2半导体区域上，
所述配线图案俯视时包围所述第2半导体区域的周围。
11.如权利要求10所述的光电二极管阵列，其特征在于：
所述电阻层以在俯视时覆盖所述第1半导体区域与所述第2半导体区域之间的边界的方式配置。
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