CN109119509A - 光检测元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光检测元件。基于本申请的某实施方式的光检测元件具备：光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和雪崩结构，其包含通过由上述光电转换结构注入选自由上述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层。上述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。

Description

光检测元件
技术领域
本申请涉及光检测元件。
背景技术
作为高感度的光检测元件，已知有雪崩光电二极管。雪崩光电二极管包含在工作时被施加高电场的增倍区域，利用该增倍区域中的雪崩效应，使通过光电转换而生成的电荷增倍。日本特开2005-32843号公报公开了作为红外线通信用的受光元件的雪崩光电二极管。日本特开2005-32843号公报中公开的雪崩光电二极管包含InGaAs的光吸收层作为光电转换层。Z.Huang等、"25Gbps low-voltage waveguide Si-Ge avalanche photodiode"、Optica、2016年7月、vol.3、No.8、pp.793-798(以下记为非专利文献1)公开了一种Si-Ge雪崩光电二极管，其在作为增倍层的单晶硅层上形成有光吸收层及作为导波路发挥功能的单晶锗层。
此外，雪崩光电二极管除了作为分立设备的利用以外，还研究了在利用集成化的图像传感器中的应用。日本特开2012-119371号公报提出了雪崩效应在放射线摄影用的直接转换平板探测器中的利用。日本特开2012-119371号公报的图1公开了具有以非晶Se作为主要成分的与光电转换层相邻地配置的雪崩层的放射线检测器。日本特开2012-119371号公报的放射线检测器提供与透过被摄体的放射线有关的强度图像。
发明内容
本申请的一方式的光检测元件具备：光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和
雪崩结构，其包含通过由上述光电转换结构注入选自由上述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层。上述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。
综合或具体的方式可以以元件、设备、装置、系统、集成电路或方法来实现。此外，综合或具体的方式也可以通过元件、设备、装置、系统、集成电路及方法的任意的组合来实现。
所公开的实施方式的追加的效果及优点由说明书及附图变得明白。效果和/或优点通过说明书及附图中公开的各种实施方式或特征而各自提供，为了得到上述效果及优点中的1个以上并不需要满足全部。
附图说明
图1是表示基于第1实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。
图2是表示基于第2实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。
图3是表示沿着Z轴看图2中所示的光检测元件时的外观的例子的俯视图。
图4是表示一般的雪崩光电二极管的电流-电压特性的图。
图5是表示基于第2实施方式的光检测元件的变形例的设备结构的图。
图6是表示基于第2实施方式的光检测元件的另一个变形例的设备结构的图。
图7是表示基于第3实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。
图8是表示基于第3实施方式的光检测元件的变形例的设备结构的图。
图9是表示在光电转换结构与雪崩结构之间具有电荷输送层的光检测元件的设备结构的一个例子的图。
图10是表示在光电转换结构与雪崩结构之间具有电荷输送层的光检测元件的设备结构的另一个例子的图。
图11是表示基于第3实施方式的光检测元件的另一个变形例的设备结构的图。
图12是表示又一个变形例的设备结构的图。
图13是表示一般的PIN型的硅雪崩光电二极管的设备结构的示意性截面图。
图14是表示一般的拉通型的硅雪崩光电二极管的设备结构的示意性截面图。
图15是表示基于第4实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。
符号的说明
100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H、100I 光检测元件
110 光电转换结构
112 电荷输送层
112e 第1电荷输送层
112h 第2电荷输送层
120 雪崩结构
125 凹部
130A、130B 第1电极
140 第2电极
150、150a、150b 电介体部
160 第3电极
190 电压供给电路
192 淬灭电路
194 复位电路
具体实施方式
(成为本申请的基础的见解)
通过电荷增倍功能，雪崩光电二极管即使对于微弱的光的入射也能够得到高的信号水平。然而，已知在雪崩光电二极管中，可在其结构内捕捉到电荷。在结构内捕捉到电荷的要因是起因于晶体缺陷、晶界或杂质等的能级的存在。这样的能级也被称为陷阱。在结构内捕捉到的电荷通过时间的经过，以一定概率被放出。在经过一定时间后由陷阱放出的电荷与在由陷阱放出的时刻在该部位通过光电转换而生成的电荷无法进行区别。因此，若在结构内被捕捉且在经过一定时间后被放出的电荷移动至增倍区域中，则在比光的入射延迟的时机产生电荷的增倍。
使雪崩光电二极管以线性模式工作时，若在结构内捕捉到的电荷在经过一定时间后被放出，则由雪崩光电二极管在比本来的光的入射时刻延迟的时刻输出衰减后的信号。比本来延迟而输出的这样的信号成为使雪崩光电二极管的SN比下降的要因。例如，在通过将雪崩光电二极管集成而构成图像传感器的情况下，延迟输出的信号会作为余像出现在图像中。
此外，在使雪崩光电二极管以盖革模式工作时，若由陷阱放出的电荷移动至增倍区域中，则以电荷向增倍区域的注入作为契机而产生增倍，在与本来的光的入射不同的时机观测到输出脉冲。该输出脉冲为与通过光的入射而产生的本来的输出脉冲无法区别的假的信号。起因于在结构内捕捉到的电荷向雪崩区域的移动的这样的假的信号被称为余脉冲。在盖革模式中由于即使是单一光子的入射也可产生向雪崩击穿状态的迁移，所以若能够降低电荷向结构内的捕捉，则是有益的。
本申请提供利用雪崩效应且降低了噪音的高感度的光检测元件。
根据本申请的非限定性某例示的实施方式，提供以下内容。
[项目1]
本申请的一方式的光检测元件，其具备以下结构：
光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和
雪崩结构，其包含通过由上述光电转换结构注入选自由上述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层。
上述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。
根据项目1的构成，可提供能够抑制电荷向雪崩结构中的捕捉、余像及余脉冲的产生得到抑制的高感度的光检测元件。根据项目1的构成，由于将在含有第1材料的光电转换结构中生成的电荷利用于增倍，所以想要检测的光的波长的设计的自由度提高。
[项目2]
在项目1所述的光检测元件中，
上述光电转换结构也可以与上述雪崩结构直接相接。
[项目3]
项目1所述的光检测元件也可以进一步具备：
电荷输送层，其配置于上述光电转换结构及上述雪崩结构之间，且使选自由在上述光电转换结构中生成的上述正及负的电荷组成的组中的至少一者通过。
根据项目3的构成，还能够使在光电转换结构中生成的正及负的电荷中的一者选择性地移动至雪崩结构中。
[项目4]
在项目1到3中任一项所述的光检测元件中，也可以进一步具备：
第1电极、和
第2电极，
上述雪崩结构包含：
第1导电型的第1高浓度掺杂区域、
第2导电型的第2高浓度掺杂区域、和
配置于上述第1高浓度掺杂区域及上述第2高浓度掺杂区域之间的低浓度掺杂区域，
上述低浓度掺杂区域的杂质浓度比上述第1高浓度掺杂区域的杂质浓度及上述第2高浓度掺杂区域的杂质浓度低，
上述第1电极与上述第1高浓度掺杂区域电连接，
上述第2电极与上述第2高浓度掺杂区域电连接。
在项目4所述的光检测元件中，
上述雪崩结构也可以进一步包含：
位于上述低浓度掺杂区域内、且与上述第1高浓度掺杂区域相邻的上述第2导电型的中浓度掺杂区域，
上述中浓度掺杂区域的杂质浓度比上述低浓度掺杂区域的杂质浓度高，且比上述第1高浓度掺杂区域的杂质浓度低。
[项目5]
项目1到3中任一项所述的光检测元件也可以进一步具备：
第1电极、和
第2电极，
在与上述雪崩结构的表面垂直的截面中，
若将从上述雪崩结构内的任意的点延伸至上述第1电极内的与上述任意的点最近的点的假想的直线定义为第1直线，
将从上述任意的点延伸至上述第2电极内的与上述任意的点最近的点的假想的直线定义为第2直线，
则从上述雪崩结构内的任一点延伸的上述第1直线及上述第2直线均不将上述光电转换结构横切。
根据项目5的构成，由于通过对第1电极与第2电极之间施加的电位差而加速的电荷的移动路径不将光电转换结构横切，所以能够降低在光电转换结构中通过的电荷，能够降低电荷被捕获到光电转换结构中的概率。根据项目5的构成，特别是在以盖革模式工作的情况下可更有利地抑制余脉冲的产生。
[项目6]
项目5所述的光检测元件也可以进一步具备：
相对于上述光电转换结构位于与上述雪崩结构相反侧的第3电极、和
对选自由上述第1电极、上述第2电极及上述第3电极组成的组中的至少1者供给消除上述光电转换结构的带电的复位电压的复位电路。
根据项目6的构成，可取消光电转换结构中的相反电荷。
[项目7]
项目6所述的光检测元件也可以进一步具备：
第1电荷输送层，其配置于上述光电转换结构及上述雪崩结构之间，且使在上述光电转换结构中生成的上述正及负的电荷中的一者选择性地通过；和
第2电荷输送层，其位于上述光电转换结构与上述第3电极之间，且使在上述光电转换结构中生成的上述正及负的电荷中的另一者选择性地通过，
上述复位电路与上述第3电极连接。
根据项目7的构成，能够使通过光电转换而生成的正及负的电荷中的一者选择性地移动至雪崩结构中。
[项目8]
项目1到3中任一项所述的光检测元件也可以进一步具备：
第1电极、
第2电极、和
电介体部，
在与上述雪崩结构的表面垂直的截面中，
若将从上述雪崩结构内的任意的点延伸至上述第1电极内的与上述任意的点最近的点的假想的直线定义为第1直线，
将从上述任意的点延伸至上述第2电极内的与上述任意的点最近的点的假想的直线定义为第2直线，
则选自由从上述雪崩结构内的第1点延伸的上述第1直线及上述第2直线组成的组中的至少1条直线将上述光电转换结构横切，
上述电介体部的至少一部分位于上述至少1条直线上。
根据项目8的构成，能够抑制通过对第1电极与第2电极之间施加的电位差被加速的电荷将光电转换结构横切而移动，能够降低电荷被捕获到光电转换结构中的概率。
[项目9]
项目8所述的光检测元件也可以进一步具备：
相对于上述光电转换结构位于与上述雪崩结构相反侧的第3电极；和
对选自由上述第1电极、上述第2电极及上述第3电极组成的组中的至少1者供给消除上述光电转换结构的带电的复位电压的复位电路。
根据项目9的构成，可取消光电转换结构中的相反电荷。
[项目10]
项目9所述的光检测元件也可以进一步具备：
第1电荷输送层，其配置于上述光电转换结构及上述雪崩结构之间，且使在上述光电转换结构中生成的上述正及负的电荷中的一者选择性地通过；和
第2电荷输送层，其位于上述光电转换结构与上述第3电极之间，且使在上述光电转换结构中生成的上述正及负的电荷中的另一者选择性地通过，
上述复位电路与上述第3电极连接。
根据项目10的构成，能够使通过光电转换而生成的正及负的电荷中的一者选择性地移动至雪崩结构中。
[项目11]
在项目1到10中任一项所述的光检测元件中，
第1材料的吸收端也可以位于比单晶硅的吸收端更长的波长侧。
根据项目11的构成，例如可检测近红外区域的光。
[项目12]
在项目1到11中任一项所述的光检测元件中，
上述光电转换结构也可以进一步含有具有比上述第1材料深的最高被占轨道能级的第2材料或具有比上述第1材料浅的最低空轨道能级的第3材料。
根据项目12的构成，可降低通过光电转换而生成的电荷对在到达雪崩结构前因再结合而淬灭的概率。
在本申请中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分、或块图的功能块的全部或一部分也可以通过包含半导体装置、半导体集成电路(IC)、或LSI(large scaleintegration，大规模集成电路)的一个或多个电路来执行。LSI或IC可以被集成在一个芯片上，也可以将多个芯片组合而构成。例如，除存储元件以外的功能块也可以被集成在一个芯片上。在此，称为LSI或IC，但根据集成的程度而名称有变，也可以被称为系统LSI、VLSI(very large scale integration，超大规模集成电路)、或者ULSI(ultra large scaleintegration，特大规模集成电路)。在LSI的制造后被编程的现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array(FPGA))、或能够进行LSI内部的接合关系的再构成或LSI内部的电路分区的建立的可重构逻辑设备(reconfigurable logic device)也可以以相同的目的使用。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或操作能够通过软件处理而执行。这种情况下，软件被存储在一个或多个ROM、光盘、硬盘驱动器等非暂时性存储介质中，在软件通过处理器(processor)而执行时，以该软件特定的功能通过处理器(processor)及周边装置而执行。系统或装置也可以具备存储有软件的一个或多个非暂时性存储介质、处理器(processor)及必要的硬件设备、例如接口。
(第1实施方式)
以下，参照附图对本申请的实施方式进行详细说明。以下说明的实施方式均表示综合或具体的例子。以下的实施方式中所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置及连接形态、步骤、步骤的顺序等为一个例子，主旨并非限定本申请。本说明书中说明的各种方式只要不产生矛盾则可以彼此组合。此外，对于以下的实施方式中的构成要素中的表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，作为任意的构成要素而说明。在以下的说明中，实质上具有相同功能的构成要素以共同的参照符号表示，有时省略说明。
图1表示基于本申请的第1实施方式的光检测元件的例示性设备结构。另外，图1只不过是示意性地表示构成光检测元件的各部的配置，图1中所示的各部的尺寸未必一定严密地反映现实的设备中的尺寸。这在本申请的其他附图中也同样。
图1中所示的光检测元件100A概略地具有光电转换结构110及雪崩结构120。该例中，光电转换结构110与雪崩结构120相接地配置。如图1中所示的那样，光检测元件100A可进一步具有第1电极130A及第2电极140。
雪崩结构120是包含通过从光电转换结构110中注入电荷而产生雪崩增倍的单晶硅层的结构。在图1中所示的例子中，雪崩结构120具有与PIN型的硅雪崩光电二极管相似的构成。
图13示出一般的PIN型的硅雪崩光电二极管的设备结构作为参考。图13中所示的PIN型雪崩光电二极管700具有阴极730、高浓度N型掺杂区域722n、低浓度掺杂区域724、高浓度P型掺杂区域722p和阳极740。如图13中示意性地表示的那样，高浓度N型掺杂区域722n位于低浓度掺杂区域724的表面的附近，阴极730与其一部分电连接。高浓度P型掺杂区域722p位于低浓度掺杂区域724的与高浓度N型掺杂区域722n相反侧，与阳极740电连接。图13中所示的PIN型雪崩光电二极管700进一步具有的绝缘层750，其一部分位于阴极730与高浓度N型掺杂区域722n之间。绝缘层750是为了提高绝缘耐压而设置的。
再次参照图1。在图1中例示的构成中，雪崩结构120包含高浓度N型掺杂区域122n、低浓度掺杂区域124及高浓度P型掺杂区域122p。高浓度N型掺杂区域122n、低浓度掺杂区域124及高浓度P型掺杂区域122p可以是彼此杂质浓度或掺杂剂不同的硅基板中的区域。在此，雪崩结构120中的高浓度N型掺杂区域122n、低浓度掺杂区域124及高浓度P型掺杂区域122p从第2电极140朝向第1电极130A而依次配置。另外，这些掺杂区域的导电型并不限定于图1中所示的例子。也可以是将N型与P型彼此交替而得到的构成。
光电转换结构110具有吸收想要使光检测元件100A具有感度的波长的光子并产生电荷的功能。另外，雪崩结构120包含单晶硅层，以单晶硅为代表的半导体正因为有功能的高低才基本上具有光电转换的功能。因此，雪崩结构120也可以与光电转换结构110同样地受到光的照射而在内部产生电荷。本申请的光电转换结构110在含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的某一波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料的方面，与雪崩结构120相区别。
第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的某一波长的光显示比单晶硅高的吸收系数那样的有机半导体的例子为3-己基噻吩(P3HT)。P3HT在波长为大约450纳米到600纳米的范围内显示比单晶硅高的吸收系数。对于很多酞菁类及萘酞菁类来说，也在单晶硅显示吸收的波长区域内存在显示比单晶硅高的吸收系数的波长。
半导体型碳纳米管具有被称为手性的自由度，对与手性相应的不同的波长显示共振吸收，在该共振波长下显示比单晶硅高的吸收系数。例如具有(9、8)的手性指数的半导体型碳纳米管对800纳米左右及1.45微米左右的波长显示共振吸收。具有(7、6)的手性指数的半导体型碳纳米管对640纳米左右及1.15微米左右的波长显示共振吸收。因此，例如通过使用具有与想要检测的光的波长相应的手性的单层碳纳米管而形成光电转换结构110，能够实现对特定的波长具有特异性地高感度的光检测元件。
如由这些例子可知的那样，半导体型碳纳米管可在比单晶硅的吸收端即1.1微米长的波长下具有吸收端。因此，例如通过采用在比单晶硅的吸收端更长的波长侧显示共振吸收那样的手性的单层碳纳米管作为第1材料，能够实现接受比单晶硅显示吸收的波长区域更长的波长的光而通过光电转换能够生成电荷的光电转换结构。换而言之，能够实现对于比单晶硅显示吸收的波长区域更长的波长的光、例如近红外线具有感度的光检测元件。另外，本说明书中，将包含红外线(波长：超过780nm)及紫外线(波长：低于380nm)的电磁波全部为了方便起见表述为“光”。此外，本说明书中，对于除X线以外的光也使用“吸收端”的用语。
第1材料不需要是单一的材料，也可以包含多种材料。例如，通过使手性不同的多种半导体型碳纳米管在光电转换结构110中混合存在，能够对光检测元件在多个波长范围内给予感度。或者通过使在可见区域中具有高的吸收系数的有机半导体与在红外域中具有共振吸收的半导体型碳纳米管在光电转换结构110中混合存在，还能够得到对可见区域及红外域这两者具有高感度的光检测元件。
光电转换结构110也可以进一步含有具有比第1材料深的最高被占轨道(LUMO)能级的第2材料或具有比第1材料浅的最低空轨道(HOMO)能级的第3材料。在由有机半导体和/或半导体型碳纳米管构成的光电转换结构中，即使通过光电转换而在其内部生成正及负的电荷对，这些电荷也可因再结合而在较短时间内淬灭。若通过光子的入射而生成的电荷在移动至雪崩结构120中前因再结合而淬灭，则不会产生雪崩结构120中的电子雪崩，不会检测到该光子的入射。通过在用于形成光电转换结构110的材料中除第1材料以外还含有第2材料或第3材料，可降低通过光电转换而生成的电荷在到达雪崩结构120前因再结合而淬灭的概率。
若光电转换结构110进一步含有LUMO能级比第1材料深的第2材料，则通过光电转换而生成的正及负的电荷中的负电荷跃迁至第2材料的LUMO能级。若光电转换结构110进一步含有HOMO能级比第1材料浅的第3材料，则通过光电转换而生成的正及负的电荷中的正电荷跃迁至第3材料的HOMO能级。即，通过除第1材料以外还使用第2材料或第3材料，能够从半导体型碳纳米管等有效地拉拔例如电子或空穴，可降低电荷对在到达雪崩结构120前因再结合而淬灭的概率。换而言之，将通过光电转换生成的正及负的电荷分离而降低再结合概率，可使光子的检测效率提高。
第2材料的例子为C60等富勒烯、苯基C61丁酸甲酯(PCBM)那样的富勒烯衍生物类、Polyera公司制ActivInk N2200(“ActivInk”为美国的注册商标)等n型有机半导体聚合物。第3材料的例子为3-己基噻吩(P3HT)。
光电转换结构110除了上述的第1材料、第2材料及第3材料以外，也可以进一步含有其他材料。例如，也可以在用于形成光电转换结构110的材料中，进一步混合通过将半导体型碳纳米管覆盖而抑制半导体型碳纳米管的凝聚的聚合物或低分子。将半导体型碳纳米管覆盖的聚合物的例子为聚[2-甲氧基-5-(3’,7’-二甲基辛氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基](MDMO-PPV)。另外，上述的P3HT、N2200也可以作为将半导体型碳纳米管覆盖的聚合物发挥功能。将半导体型碳纳米管覆盖的低分子的例子是胆酸钠、十二烷基硫酸钠等。
光电转换结构110也可以包含作为半导体量子点的胶体量子点。胶体量子点是指具有由数纳米到数十纳米左右的大小的结晶性半导体形成的核且别的材料将其四周包围的结构体。胶体量子点具有向溶剂中的分散性，在室温左右可以涂布于其他半导体或金属上。此外，在涂布后，结晶性半导体核也如通常的结晶性半导体那样显示通过光吸收而产生电荷的特性。
关于胶体量子点的详细情况，例如在英国王立化学会发行、Joel Q.Grim，Liberato Manna及Iwan Moreels、Chemical Society Review志2015年44号5897-5914页中有记载。
胶体量子点的核可以由各种半导体材料构成，但例如具有硫化铅(PbS)或硒化铅(PbSe)作为核的材料在比1.1微米长的波长下显示有效的吸收，产生电荷。因此，若在光电转换结构110中使用这样的胶体量子点，则能够实现对比单晶硅的吸收端即1.1微米长的波长具有感度的光检测元件。
或者，具有硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)等作为结晶性半导体核的胶体量子点在可见区域中显示比单晶硅高的吸收系数。因此，能够实现在可见区域中具有更高感度的光检测元件。
在图1中例示的构成中，光检测元件100A进一步具有与光电转换结构110电连接的第1电极130A和与高浓度N型掺杂区域122n电连接的第2电极140。第1电极130A及第2电极140是用于得到与电源、信号检测电路等要素之间的电连接的要素。在图1中所示的例子中，雪崩结构120位于第1电极130A及第2电极140之间。第1电极130A及第2电极140对雪崩结构120施加用于形成对于电荷增倍功能的发生充分高的内部电场的电压。
在图1中例示的构成中，第1电极130A被配置于光电转换结构110的与配置有雪崩结构120的主表面相反侧的主表面上。第2电极140被配置于雪崩结构120的与配置有光电转换结构110的主表面相反侧的主表面上。检测对象的光例如从比第2电极140更位于光电转换结构110的附近的第1电极130A侧被照射。在第1材料的吸收端位于比单晶硅的吸收端更长的波长侧的情况下，由于所照射的光的一部分可通过雪崩结构120而到达光电转换结构110，所以也可以从第2电极140侧照射光。根据需要，在光检测元件100A的照射光的一侧可配置使红外线选择性地透过的滤光片等。
如图1中所示的那样，第1电极130A将光电转换结构110的整面覆盖时，作为构成第1电极130A的材料，选择至少对以检测为目的的波长的光具有透过性的材料。第1电极130A例如由铟锡氧化物(ITO)等透明导电性氧化物(TCO)形成。另外，本说明书中的“透明”意味着透过想要检测的波长范围的光的至少一部分，不需要遍及可见光的波长范围整体而透过光。
作为用于形成第1电极130A的材料，也可以使用像金及石墨烯那样具有高的电导率且本质上为光吸收性的材料。在使用这样的材料的情况下，只要使第1电极130A薄至使以检测为目的的波长的光透过的程度即可。
作为用于形成第2电极140的材料，可以使用与第1电极130A同样的材料。但是，用于形成第1电极130A的材料与用于形成第2电极140的材料不需要共同。另外，如由上述的说明表明的那样，本说明书中的“电极”并不限定于金属电极，按照广泛包含由透明导电性氧化物、硅化物等金属-半导体化合物、或以高浓度掺杂的多晶半导体等具有导电性的材料形成的结构的方式被解释。在例如将光检测元件100A集成于单一的半导体基板上的结构中，半导体基板中的高浓度的杂质区域可作为第1电极130A和/或第2电极140发挥功能。
在本申请的实施方式中，光电转换结构110主要承担利用光电转换而生成电荷的功能，雪崩结构120承担使光电转换结构110中生成的电荷增倍的功能。雪崩结构120包含单晶硅层作为在内部产生雪崩增倍的结构，光电转换结构110中生成的电荷的增倍基本上在单晶硅层内产生。已知陷阱的密度根据材料而不同，单晶硅与多晶或非晶的硅相比陷阱的密度低，并且，与InGaAs等化合物半导体相比陷阱的密度低。因此，通过在雪崩结构120的单晶硅层中产生雪崩增倍，能够抑制电荷向雪崩结构120中的捕捉，可抑制余像及余脉冲的产生。
根据本申请的实施方式，由于通过单晶硅层可实现雪崩结构120的功能的一部分或全部，所以例如在单一的硅基板上集成多个光检测元件100A比较容易。即，可使用单一的硅基板来实现具有电荷的增倍功能的高感度的图像传感器。在形成有各自包含雪崩结构120的像素的硅基板上进一步形成晶体管也比较容易，因此，也可以将后述的淬灭电路等周边电路集成在同一硅基板上。
进而，在本申请的实施方式中，光电转换结构110由含有与单晶硅不同的第1材料的材料构成。如上述那样，作为第1材料，选择对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的某一波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的材料。因此，与由单晶硅形成光电转换结构110时相比，对于该波长的光，可得到更高的感度。若对于该波长的光得到同等的感度，则与由单晶硅形成时相比能够缩小光电转换结构110的尺寸，对集成化是有利的。
作为第1材料，通过使用在比单晶硅的吸收端即1.1微米更长的波长侧具有吸收端的材料，能够使光检测元件100A具有对于具有由禁带宽度决定的单晶硅的吸收端以上的波长的光的实质性的感度。如众所周知的那样，单晶硅为间接跃迁型的半导体，特别是对于近红外区域的光的吸收系数小。因此，假定以单晶硅形成光电转换结构110，则为了对近红外区域给予充分的感度需要增大光电转换结构110的面积或厚度，对多个光检测元件100A的集成不利。根据本申请的实施方式，能够抑制光电转换结构110的尺寸，同时得到对于近红外区域的光的充分的感度。
另外，通过由化合物半导体形成光电转换结构110，也能够使近红外区域具有感度、或对于1.1微米以上的波长的光具有感度。然而，化合物半导体的陷阱的密度高，因此，有可能产生起因于余像或余脉冲的SN比的下降。特别是在化合物半导体为多晶的情况下，陷阱的密度可以增加。因此，化合物半导体优选为单晶，但是在单晶硅上使InGaAs那样的化合物半导体的单晶生长一般较困难。如非专利文献1中记载的技术那样，能够在单晶硅上形成单晶锗的层，但由于晶格常数的不同，能够维持良好的结晶性的厚度被限制在数原子层左右，难以确保对于光的吸收充分的厚度。
在本申请的实施方式中，作为第1材料，使用包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者的材料。有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点各个分子或粒子显示作为半导体的性质。即，可以说各个分子或粒子具有吸收光子而产生电荷对的功能。如后述那样，根据本申请的实施方式，不需要外延生长那样的工艺，可以通过含有第1材料的材料向雪崩结构120上的沉积或涂布来得到光电转换结构110。在结晶中缺陷的产生是不可避免的，与此相对，由于通过沉积或涂布能够得到光电转换结构110，所以对陷阱的减少是有利的。
根据本申请的实施方式，由于不需要考虑晶格匹配的条件，所以与以单晶锗、单晶硅锗等无机单晶半导体构成光电转换结构110的情况相比材料的制约小，想要检测的光的波长的设计的自由度高。此外，由于构成雪崩结构120的一部分或全部的单晶硅层上的光电转换结构110的形成容易，所以将多个光检测元件集成而实现图像传感器也比较容易。
(光检测元件100A的工作)
以下，对利用光检测元件100A的光检测工作的概要进行说明。光检测元件100A能够以线性模式及盖革模式中的任一种模式进行降低了噪音的光检测，特别适于以线性模式的工作。在线性模式中，基于击穿电压附近且不超过击穿电压的反向偏压执行光检测。在线性模式中，可得到与入射的光子数成正比、且以一定的增倍率放大的输出功率。因此，本申请的光检测元件可以作为更高感度的设备而适用于与硅光电二极管同样的用途中。以下，对以线性模式的工作进行说明。
在光的检测时，将未图示的电源与第1电极130A及第2电极140连接，对第1电极130A与第2电极140之间施加第2电极140侧的电位为比第1电极130A侧的电位高那样的电位差。换而言之，光检测元件100A被设定为对雪崩结构120施加反向偏压的状态。此时施加的反向偏压的大小比产生雪崩击穿的电位差小。
例如若从第1电极130A侧照射光而光入射到光电转换结构110中，则通过光电转换结构110中的有机半导体、半导体型碳纳米管或半导体量子点吸收光，在分子或粒子内部生成例如空穴-电子对。在图1中例示的构成中，光电转换结构110位于第1电极130A与第2电极140之间，在此，对第1电极130A与第2电极140之间由电源给予电位差。因此，对于通过光电转换而生成的空穴及电子来说，由第1电极130A与第2电极140之间的电场产生的力起作用，空穴及电子分别朝向第1电极130A及第2电极140移动。
在第1实施方式中，第1电极130A、第2电极140、光电转换结构110及雪崩结构120具有直线状的配置，雪崩结构120位于光电转换结构110与第2电极140之间、或光电转换结构110与第1电极130A之间中的任一者。因此，通过光电转换而生成的空穴及电子中的一者在到达第1电极130A或第2电极140之前的期间通过雪崩结构120。
在通过光电转换而生成的空穴及电子中的、从光电转换结构110移动至雪崩结构120内的电荷通过雪崩结构120内的电场被加速，产生电子雪崩，由光检测元件100A输出宏观的电流。另外，在雪崩结构120内通过光电转换而生成的电荷也通过雪崩结构120内的电场被加速，可产生电子雪崩。在线性模式中，通过光照射而产生的电荷数乘以利用雪崩效应的增倍常数而得到的数目的电荷被输出。此时的增益表示与反向偏压相应的大小，通过光的照射，得到与照度相应的信号强度。例如在施加击穿电压附近的反向偏压的光检测中，能够得到甚至数百倍左右的增益。另外，在以盖革模式工作的情况下，通过电荷从光电转换结构110移动至雪崩结构120内，产生向击穿电流流过的状态的跃迁。
(光检测元件100A的制造方法的概要)
上述的光检测元件100A例如可以通过以下那样的步骤来制造。
首先，准备以高浓度掺杂的N型单晶硅基板。接着，应用化学气相沉积(CVD)法或分子束外延(MBE)法，通过外延生长，在N型单晶硅基板上依次形成低浓度掺杂区域124及高浓度P型掺杂区域122p。通过低浓度掺杂区域124及高浓度P型掺杂区域122p的形成，得到雪崩结构120。N型单晶硅基板的至少一部分作为雪崩结构120的高浓度N型掺杂区域122n发挥功能。另外，也可以通过应用离子注入或杂质扩散，在单晶硅基板上形成高浓度N型掺杂区域122n、低浓度掺杂区域124及高浓度P型掺杂区域122p来得到雪崩结构120。之后，根据需要在雪崩结构120的高浓度N型掺杂区域122n侧形成第2电极140。
接着，在雪崩结构120上形成光电转换结构110。在此，在雪崩结构120的高浓度P型掺杂区域122p侧形成光电转换结构110。光电转换结构110的形成可以通过将含有第1材料的材料沉积或涂布于雪崩结构120上来执行。酞菁类、萘酞菁类等有机半导体、及能够作为第2材料使用的C60等分子量较小的分子由于显示升华特性，所以能够真空蒸镀。P3HT及能够作为第2材料使用的PCBM等有机半导体材料由于在有机溶剂中是可溶的，所以分散于有机溶剂中后，通过应用旋涂、刮刀或喷墨等，能够赋予到雪崩结构120上。赋予到雪崩结构120上后，通过使有机溶剂挥发，能够形成光电转换结构110。半导体型碳纳米管例如通过分散于1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二氯苯等有机溶剂中，能够涂布于雪崩结构120上。或者，也可以通过以N2200或MDMO-PPV等聚合物覆盖而提高在有机溶剂中的分散性后，进行涂布及干燥。胶体量子点能够分散于甲苯等溶剂中，能够涂布于雪崩结构120上。
半导体型碳纳米管可以通过CVD法、电弧放电等来合成。另外，在碳纳米管的制造中，一般不仅生成半导体型碳纳米管，而且还生成金属型碳纳米管。金属型碳纳米管由于可作为电荷对的再结合中心起作用，所以通过将半导体型碳纳米管与金属型碳纳米管分离并提高半导体型碳纳米管的比率，可以使光检测元件100A的感度提高。
胶体量子点可以通过利用过饱和溶液等的凝聚法、通过将粒子物理地细分化的分散法等来制作。
光电转换结构110形成的工序不需要是单一的工序，也可以是多个工序的组合。例如，也可以在执行将半导体型碳纳米管通过旋涂而赋予到雪崩结构120上的工序后，进一步执行蒸镀C60的工序。
在光电转换结构110的形成后，在光电转换结构110上形成第1电极130A。例如，在作为第1电极130A的材料使用ITO的情况下，可以通过溅射等形成第1电极130A。在作为第1电极130A的材料使用金等金属的情况下，可以通过蒸镀等形成第1电极130A。通过第1电极130A的形成，可得到图1中所示的光检测元件100A。
(变形例)
图1中所示的构成只不过是例示，可以进行各种改变。光检测元件可进一步具有除光电转换结构110、雪崩结构120、第1电极130A及第2电极140以外的附加的要素。例如，只要是电荷能够从光电转换结构110向雪崩结构120移动，则也可以在光电转换结构110与雪崩结构120之间配置绝缘层。绝缘层只要薄至例如通过隧道效应电荷能够从光电转换结构110移动至雪崩结构120中的程度、例如数纳米左右即可。绝缘层也可以也配置于雪崩结构120与电极之间。在光电转换结构110与第1电极130A之间，也可以配置抑制电荷从第1电极130A向光电转换结构110注入的阻挡层。光检测元件也可以进一步具有用于使构成各部的要素更牢固地结合的接合层等。
雪崩结构120只要包含能够进行电荷的增倍的具有杂质浓度不同的多个区域的单晶硅层即可，其具体的构成不限定于图1中例示的构成。雪崩结构120也可以具有例如与一般的拉通型的硅雪崩光电二极管类似的构成。
图14示出一般的拉通型的硅雪崩光电二极管的设备结构作为参考。图14中所示的拉通型雪崩光电二极管800具有电极830、840、第1导电型的高浓度掺杂区域822f、具有中等程度的杂质浓度的第2导电型的中浓度掺杂区域821s、第2导电型的低浓度掺杂区域823s和第2导电型的高浓度掺杂区域822s。在该例子中，拉通型雪崩光电二极管800进一步具有绝缘层850，其一部分位于电极830及高浓度掺杂区域822f之间。高浓度掺杂区域822f位于低浓度掺杂区域823s的表面附近，中浓度掺杂区域821s在低浓度掺杂区域823s内与高浓度掺杂区域822f相邻。第1导电型及第2导电型分别为N型及P型时，与高浓度掺杂区域822f连接的电极830作为阴极发挥功能，与高浓度掺杂区域822s连接的电极840作为阳极发挥功能。在第1导电型及第2导电型分别为P型及N型的情况下，阳极及阴极与上述相反。雪崩结构120也可以具有与反转型的硅雪崩光电二极管类似的构成。
关于光电转换结构110的雪崩结构120的配置，也不限定于图1中所示的例子。光电转换结构110也可以如图1中所示的那样配置于比雪崩结构120更靠第1电极130A的附近，也可以配置于比雪崩结构120更靠第2电极140的附近。或者，也可以在雪崩结构120的内部配置光电转换结构110。
第1电极130A不需要将光电转换结构110的整面覆盖，第1电极130A也可以具有开口部。在设置于第1电极130A中的开口部内，也可以配置至少能够透过想要检测的波长的光的透明部件。这样的透明部件可以使用铝氧化物、硅氧化物等绝缘性材料形成。
(第2实施方式)
图2表示基于本申请的第2实施方式的光检测元件的例示性设备结构。为了参考，图2中也将表示彼此正交的X方向、Y方向及Z方向的箭头一并示出。基于本申请的第2实施方式的光检测元件与第1实施方式相比能够进一步抑制余脉冲，对以盖革模式的工作更有利。
图2中所示的光检测元件100B与参照图1说明的光检测元件100A之间的主要的不同点是光检测元件100B具有第1电极130B来代替覆盖光电转换结构110的第1电极130A这点。如图2中示意性地表示的那样，第1电极130B及光电转换结构110不具有彼此直接相接的部分。
在图2所示的例子中，第1电极130B与光电转换结构110空开间隔而配置于雪崩结构120上，在光电转换结构110与第1电极130B之间夹有电介体部150a。电介体部150a可由例如被填充在第1电极130B与光电转换结构110之间的硅氧化物、硅氮化物等绝缘性无机材料或非晶氟树脂等绝缘性有机材料等构成。非晶氟树脂的例子为旭硝子株式会社制的CYTOP(注册商标)。电介体部150a也可以是空气层、或排气而接近真空的区域。如后述那样，根据第2实施方式，由于光电转换结构110不位于第1电极130B与第2电极140之间，所以在雪崩击穿状态下在光电转换结构110中也没有流过电流，可以防止光电转换结构110中的电荷的捕捉。结果是，可以抑制余脉冲。
图3表示沿着Z轴看图2中所示的光检测元件100B时的外观的例子。与图2同样地，图3中表示X方向、Y方向及Z方向的箭头被一并示出。在图3中例示的构成中，第1电极130B具有环形状。光电转换结构110位于第1电极130B的环形状的开口内。第1电极130B及光电转换结构110的平面形状并不限定于图3中所示的形状。例如，第1电极130B的外形并不限定于图3中例示那样的圆，也可以是椭圆、矩形、多边形、不定形等其他的形状。第1电极130B的外形与设置于其中央的开口的形状不需要一致，也不需要环形状闭合。例如，第1电极130B可以是在环形状的一部分中设置有缺口的C字状等，第1电极130B也可以包含分散于光电转换结构110的周围而配置的多个部分。光电转换结构110的平面形状也可以任意地设定，光电转换结构110的外形与第1电极130B的外形不需要一致。若光电转换结构110及第1电极130B如图3中所示的那样具有对称性高的平面形状则是有益的，若具有三角形状、矩形状或六边形状等多边形状，则对将多个光检测元件100B配置成阵列状的情况有利。
以下，一边参照图2，一边对光电转换结构110、第1电极130B及第2电极140的配置更详细地进行说明。在图2中例示的构成中，光电转换结构110不配置于第1电极130B与第2电极140之间。在此，如图2中示意性地表示的那样，在雪崩结构120的内部假定任意的点P，画出将该点P与位于第1电极130B的内部的点且与点P最近的点Q连结而得到的第1直线L1。此外，画出将点P与位于第2电极140的内部的点且与点P最近的点R连结而得到的第2直线L2。此时，光电转换结构110具有均不位于第1直线L1及第2直线L2中的任一者上那样的配置。
如后面详细说明的那样，在光的检测时，对第1电极130B与第2电极140之间施加反向偏压这点与第1实施方式同样。因此，由光电转换结构110移动至雪崩结构120中的电荷通过反向偏压的施加沿形成于第1电极130B与第2电极140之间的内部电场被加速，朝向第1电极130B或第2电极140移动。但是，在此，由于光电转换结构110具有均不位于第1直线L1及第2直线L2中的任一者上那样的配置，所以成为电子雪崩的触发器的电荷的移动路径及通过电子雪崩而产生的电荷的移动路径均不将光电转换结构110横切。即，能够降低通过光电转换结构110中的电荷，能够降低电荷被捕获到光电转换结构110中的概率。因此，可以更有效地抑制例如以盖革模式工作时的余脉冲的产生。
在盖革模式下的光检测中，与一般的硅雪崩光电二极管同样地对雪崩结构120施加超过击穿电压的反向偏压。图2表示在第1电极130B与第2电极140之间连接有电压供给电路190的状态。电压供给电路190在光检测时，对光检测元件100B施加超过击穿电压的反向偏压。电压供给电路190典型的是包含供给超过击穿电压的反向偏压的电源。电压供给电路190并不限定于特定的电源电路，可以是生成规定的电压的电路，也可以是将所输入的电压转换成规定的电压的电路。
电压供给电路190典型的是进一步包含能够对雪崩结构120施加不超过击穿电压的电压地构成的淬灭电路192。作为淬灭电路192，可以应用无源机构及有源机构中的任一者。例如，作为无源机构，也可以应用淬灭电阻。淬灭电阻与第1电极130B或第2电极140串联地连接。淬灭电路192也可以是包含晶体管等有源元件的有源机构。例如日本特开2012-069944号公报公开了有源机构的一个例子。为了参考，将日本特开2012-069944号公报的公开内容的全部援引于本说明书中。淬灭电路192在其一部分中可具有检测由雪崩击穿产生的电流的检测电路。淬灭电路192也可以是光检测元件100B的一部分。
(光检测元件100B的工作)
以下，一边参照图2及图4，一边对利用光检测元件100B的光检测工作的概要进行说明。光检测元件100B可以通过线性模式及盖革模式中的任一者工作，但特别适于以盖革模式的工作。以下，对利用盖革模式的工作进行说明。
图4表示没有照射光的状态下的一般的雪崩光电二极管的电流-电压特性。如已经说明的那样，雪崩结构120在这里具有与PIN型的硅雪崩光电二极管类似的构成。因此，雪崩结构120也可显示与一般的雪崩光电二极管同样的电流-电压特性。
(步骤1)
在图2中例示的构成中，在第1电极130B与第2电极140之间连接有电压供给电路190。在盖革模式中，基于超过击穿电压Vbr的反向偏压而执行光检测。在光的检测时，首先，通过电压供给电路190，对雪崩结构120施加超过击穿电压Vbr的反向偏压。换而言之，与第1电极130B相比将第2电极140设定为高电位。
如图4中所示的那样，在雪崩光电二极管中，基于比击穿电压Vbr大的反向偏压，产生雪崩击穿。然而，通过慢慢地进行电压施加，可一边防止在阳极与阴极之间流过电流，一边对雪崩光电二极管施加比击穿电压Vbr大的反向偏压。以下，为了方便起见，将尽管施加了比击穿电压大的反向偏压、但是没有产生雪崩击穿的状态称为“准稳定状态”。图4中，将与准稳定状态对应的工作点以白色矩形“□”表示。
(步骤2)
若第1材料显示吸收的波长的光入射到雪崩结构120处于准稳定状态的光检测元件100B的光电转换结构110中，则通过光电转换而生成正及负的电荷对、典型的是空穴-电子对。所生成的正及负的电荷中的任一者以一定概率从光电转换结构110进入雪崩结构120内。
(步骤3)
从光电转换结构110进入雪崩结构120中的电荷利用通过对第1电极130B与第2电极140之间施加的电位差而形成的电场被加速，产生电子雪崩。在雪崩结构120内新生成的正及负的电荷分别朝向第1电极130B及第2电极移动。结果是，由光检测元件100B输出宏观的电流脉冲。
在图4的图表中，通过黑色矩形“■”，表示与雪崩击穿状态对应的工作点。处于准稳定状态的雪崩结构120向雪崩击穿状态的跃迁为急剧的跃迁。像这样，从光电转换结构110移动至雪崩结构120中的电荷作为使雪崩结构120从准稳定状态跃迁至击穿电流流过的状态的触发器发挥功能。通过观测通过雪崩击穿而从光检测元件100B输出的电流脉冲，可以检测光的入射。淬灭电路192检测由该雪崩击穿产生的电流，将例如表示检测到光子的信号输出。由于从准稳定状态向雪崩状态的跃迁通过单一的光子的入射也会产生，所以根据利用了准稳定状态的检测模式，也能够检测单一的光子。
(步骤4)
在雪崩击穿继续的状态下，即使光子进一步入射到光电转换结构110中，通过光电转换而新生成的电荷进一步进入到雪崩结构120中，也无法检测该光子。因此，在电流脉冲的检测后，执行将第1电极130B与第2电极140之间的电位差缩小至不流过击穿电流那样的大小的淬灭。淬灭电路192将用于淬灭的偏压供给到光检测元件100B中。
图4中，通过白色三角“△”表示淬灭后的工作点。之后，通过对第1电极130B与第2电极140之间再次施加超过击穿电压Vbr的反向偏压，雪崩结构120的状态恢复成准稳定状态。作为淬灭电路192例如应用有源机构时，淬灭电路192典型的是包含对第1电极130B与第2电极140之间施加超过击穿电压Vbr的电压的电路。有源机构通过例如电流检测放大器的作用，使对雪崩结构120施加的反向偏压上升至超过击穿电压Vbr的电压，将雪崩结构120的状态恢复成准稳定状态。由此，光检测元件100B复原成检测的待机状态。对淬灭电路192应用无源机构时，自动地执行淬灭和向准稳定状态的复原。
通过上述的循环的重复，执行盖革模式中的光检测。在盖革模式中，即使从光电转换结构110移动至雪崩结构120中的空穴或电子的数目为1个，也可产生从准稳定状态向雪崩状态的跃迁。即，从准稳定状态向雪崩状态的跃迁通过单一的光子向光电转换结构110中的入射也可以产生。像这样，根据利用了准稳定状态的检测模式，能够检测单一的光子，基于本申请的实施方式的光检测元件可对光的检测显示充分的感度。
如上述那样，在第2实施方式中，光电转换结构110具有不位于第1直线L1及第2直线L2中的任一者上那样的配置。因此，沿电场朝向第1电极130B或第2电极140的电荷不通过光电转换结构110。或者，能够降低朝向第1电极130B或第2电极140的电荷中的通过光电转换结构110的电荷的比例。电荷在结构中的某一区域中被捕捉的概率与通过该区域的电荷数成正比。在第2实施方式中，由于通过光电转换结构110的电荷不存在、或其比例小，所以即使光电转换结构110由可产生较多的陷阱的材料构成，电荷被捕捉到光电转换结构110中的概率也降低。另一方面，击穿电流的大部分流过的雪崩结构120由于由陷阱密度低的单晶硅构成，所以即使大量的电荷通过，电荷被捕获的概率也低。因此，能够有效地抑制以盖革模式工作时的余脉冲的产生。余脉冲在利用了盖革模式的光检测中是使SN比发生恶化的最大的要因，根据本申请的实施方式，能够抑制SN比的下降。特别是根据本申请的实施方式，能够有利地降低比可见光更长的波长的光的检测中的假的信号。
(变形例)
图5表示基于本申请的第2实施方式的光检测元件的变形例的设备结构。图5中所示的光检测元件100C与参照图2说明的光检测元件100B之间的主要的不同点是光检测元件100C进一步具有第3电极160和复位电路194这点。如图示的那样，第3电极160位于光电转换结构110的与雪崩结构120相反侧。在该例子中，第3电极160与光电转换结构110直接相接。在此，复位电路194与第3电极160电连接，但如后述那样，有时复位电路194也与第1电极130B或第2电极140电连接。复位电路194可以是上述的电压供给电路190的一部分。
如上述那样，在以盖革模式的工作时，雪崩结构120从准稳定状态向雪崩状态的跃迁即使从光电转换结构110移动至雪崩结构120中的空穴或电子的数目为1个也可产生。因此，在通过光电转换而生成的正及负的电荷中的一者移动至雪崩结构120中，另一者停留在光电转换结构110内的状态下，光检测元件的状态有时可以复原成检测的待机状态。换而言之，在光电转换结构110带电的状态下，可以引起执行以下的检测。若能够消除光电转换结构110的带电，则由于可以避免带电对光检测的影响，所以是有益的。
光电转换结构110的带电可以通过使残留在光电转换结构110中的相反电荷排出到外部、或将与相反电荷相反符号的电荷注入到光电转换结构110中而再结合来消除。例如假定：通过光电转换而生成的正及负的电荷中的负的电荷移动至雪崩结构120中，正的电荷作为相反电荷残留在光电转换结构110中的状态。残留在光电转换结构110中的电荷的极性为正时，只要在光电转换结构110中注入负的电荷，将与相反电荷相反的极性的电荷被注入光电转换结构110中的状态维持一定程度的期间，则通过再结合，能够消除光电转换结构110的带电。
这样的电荷向光电转换结构110中的注入可以通过调整光电转换结构110与光电转换结构110中的作为与相反电荷相反的极性的电荷的供给源发挥功能的区域之间的电位差来实现。在图5中所示的例子中，由于复位电路194介由第3电极160与光电转换结构110连接，所以通过调整由复位电路194对第3电极160施加的电压，可以将与相反电荷相反的极性的电荷由复位电路194供给到光电转换结构110中。将与相反电荷相反的极性的电荷供给到光电转换结构110中的复位工作可以连同例如光子的检测一起、即连同向准稳定状态的恢复一起执行。复位工作的执行可以是向准稳定状态的恢复之前，也可以是与淬灭同时或在淬灭之前。
图6表示基于本申请的第2实施方式的光检测元件的另一变形例的设备结构。图6中所示的光检测元件100D也与图5中所示的光检测元件100C同样地具有第3电极160和复位电路194。此外，第3电极160位于光电转换结构110的与雪崩结构120相反侧这点也与图5中所示的光检测元件100C同样。但是，在该例子中，第1电极130B比光电转换结构110厚，光电转换结构110被电介体部150覆盖。电介体部150包含位于第1电极130B及光电转换结构110之间的电介体部150a和位于第3电极160及光电转换结构110之间的电介体部150b。
在图6中例示的构成中，第3电极160被配置于电介体部150上，与光电转换结构110不直接相接。但是，由复位电路194向第3电极160施加复位电压时，电介体部150b作为电容器发挥功能。因此，通过对第3电极160施加复位电压，能够介由作为电容器的电介体部150b，调整光电转换结构110的电位。换而言之，可以在不由第3电极160向光电转换结构110中直接注入电荷的情况下，取消光电转换结构110中的相反电荷。与图5中所示的构成相比，在图6中例示的构成中，由于不产生第3电极160与光电转换结构110之间的电荷的直接的交换，所以可以抑制由第3电极160向光电转换结构110的无意图的电荷的注入而抑制假的信号的产生。
在这样的构成中，例如可以由雪崩结构120将与光电转换结构110中的相反电荷相反的极性的电荷供给到光电转换结构110中。若想要向光电转换结构110中注入负的电荷，则只要由复位电路194供给与雪崩结构120侧的电位相比光电转换结构110的电位相对地变高那样的复位电压即可。若想要向光电转换结构110中注入正的电荷，则只要由复位电路194供给与雪崩结构120侧的电位相比光电转换结构110的电位相对地变低那样的复位电压即可。
由复位电路194供给到第3电极160中的复位电压可以是以第1电极130B的电位作为基准而第3电极160的电位变高那样的电压、或以第2电极140的电位作为基准而第3电极160的电位变低那样的电压。在复位工作中，与相反电荷相反的极性的电荷由雪崩结构120供给到光电转换结构110中。或者，相反电荷由光电转换结构110被拉拔到雪崩结构120中。由于雪崩结构120具有与第1电极130B及第2电极140的连接，所以由雪崩结构120注入到光电转换结构110中的电荷也可以是与第1电极130B或第2电极140连接的外部电源来源的电荷。
第3电极160典型的是由ITO等TCO形成的透明电极。用于形成第3电极160的材料并不限定于TCO，只要能够确保必要的感度，则可以将例如Au薄膜等金属膜用于第3电极160中。在该例子中，第3电极160将光电转换结构110的上表面的整体覆盖，但不需要将光电转换结构110的上表面的整体覆盖。
像这样，复位电路194将消除光电转换结构110的带电的复位电压供给到第3电极160中。经由将光电转换结构110的带电除去的步骤后，通过复原成准稳定状态，能够以与最初检测光子时相同的状态检测接下来的光子。另外，复位电路194也可以与第1电极130B或第2电极140电连接。复位电路194例如也可以按照对第1电极130B及第2电极140中的至少一者施加以第2电极140的电位作为基准而第1电极130B的电位变高那样的复位电压的方式构成。即，也可以通过对第1电极130B与第2电极140之间施加正向偏压来执行复位工作。
复位电路194与电压供给电路190同样地并不限定于特定的电源电路。复位电路194可以是淬灭电路192的一部分，也可以是与电压供给电路190独立的另外的电路。通过复位电路194，也可以进行将光电转换结构110内的相反电荷拉拔到雪崩结构120中那样的电位操作。由光电转换结构110被拉拔的相反电荷可以通过第1电极130B或第2电极140而被回收。
虽然不言而喻，但基于第2实施方式的光检测元件不仅可以是利用盖革模式的工作，而且也可以是利用线性模式的工作。在线性模式中也可以通过应用上述的复位工作来消除光电转换结构110的带电。
(第3实施方式)
图7表示基于本申请的第3实施方式的光检测元件的例示性设备结构。与第2实施方式同样地，基于第3实施方式的光检测元件也具有对余脉冲的抑制更有利的构成。
图7中所示的光检测元件100E与参照图2说明的光检测元件100B之间的主要的不同点是光检测元件100E的雪崩结构120包含设置有凹部125的高浓度P型掺杂区域123p来代替高浓度P型掺杂区域122p、且光电转换结构110被配置于该凹部125的底部上这点。另外，在该例子中，光电转换结构110的表面从电介体部150a露出，但光电转换结构110的表面不需要从电介体部150a露出。电介体部由能够透过想要检测的波长的光的材料构成时，光电转换结构110的表面也可以被电介体部覆盖。
在图7中例示的构成中，光电转换结构110与第2实施方式同样地不位于第1电极130B与第2电极140之间。在此，如图7中示意性地表示的那样，若在雪崩结构120的内部假定任意的点P，则在将该点P与位于第1电极130B的内部的点且与点P最近的点Q连结而得到的第1直线的组、及将点P与位于第2电极140的内部的点且与点P最近的点R连结而得到的第2直线的组中，可包含将光电转换结构110横切那样的直线。图7中所示的直线L3为这样的直线的一个例子。此时，如直线L3那样，电介体部150a的至少一部分位于将光电转换结构110横切那样的直线上。
根据光电转换结构110及电介体部150a那样的配置，即使光电转换结构110位于将雪崩结构120与第1电极130B或第2电极140连结而得到的最短路径上，电介体部150a的至少一部分也位于该路径上。因此，能够防止沿着该路径的电荷的移动，避免成为电子雪崩的触发器的电荷、或者沿通过反向偏压的施加而形成于第1电极130B与第2电极140之间的内部电场被加速的电荷将光电转换结构110横切。即，能够降低在光电转换结构110中通过的电荷，能够降低电荷被捕获到光电转换结构110中的概率。结果是，能够得到高感度，同时抑制余像及余脉冲的产生。
高浓度P型掺杂区域123p的凹部125可以通过例如通过外延生长而形成低浓度掺杂区域124及高浓度P型掺杂区域123p后、通过蚀刻将高浓度P型掺杂区域123p的表面的一部分除去来形成。或者，通过在硅的表面上预先形成利用硅氧化膜等的掩模的图案，在硅的表面中的从掩模露出的部分选择性地使单晶成长，也可以形成凹部125。
(变形例)
在本申请的各实施方式中，光电转换结构110不需要与雪崩结构120直接相接。光电转换结构110及雪崩结构120只要具有在光电转换结构110中生成的电荷能够移动到雪崩结构120中的配置即可，在光电转换结构110与雪崩结构120之间，可进一步配置具有电荷输送的功能的层等。
图8表示基于本申请的第3实施方式的光检测元件的变形例的设备结构。图8中所示的光检测元件100F具有配置于光电转换结构110与雪崩结构120之间的电荷输送层112。在此，光电转换结构110介由电荷输送层112与雪崩结构120电连接。
电荷输送层112可使在光电转换结构110中通过光电转换而生成的正及负的电荷中的至少一者通过。电荷输送层112为作为光电转换结构110内生成的电荷移动到雪崩结构120中的传导路径发挥功能的层，构成电荷输送层112的材料可以是金属及半导体中的任一者。半导体可以是单晶半导体，也可以是有机半导体。
电荷输送层112也可以是使正及负的电荷中的一者从光电转换结构110选择性地通过至雪崩结构120中的输送层。例如，也可以使用使电子朝向雪崩结构120而选择性地通过的电子输送层作为电荷输送层112。这种情况下，作为电荷输送层112的电子输送层有时具有作为抑制从雪崩结构120向光电转换结构110注入空穴的空穴阻挡层的功能。电荷输送层112也可以是使空穴朝向雪崩结构120选择性地通过的空穴输送层。通过在电荷输送层112中应用电子输送层或空穴输送层，能够使正及负的电荷中的一者选择性地从光电转换结构110移动到雪崩结构120中。
这样的电荷输送层也可以应用于图1、图2中例示的构成中。例如，像图9中所示的光检测元件100G及图10中所示的光检测元件100H那样，也可以在光电转换结构110与雪崩结构120之间进一步配置电荷输送层112。与参照图2说明的构成同样地，光检测元件100H的光电转换结构110具有不位于将雪崩结构120内的任意的点P与第1电极130B内的最近的点Q连结而得到的第1直线、及将点P与第2电极140内的最近的点R连结而得到的第2直线中的任一者上的配置。因此，能够降低电荷被捕获到光电转换结构110中的概率，可以更有效地抑制以盖革模式工作时的余脉冲的产生。
图11表示基于本申请的第3实施方式的光检测元件的另一变形例的设备结构。图11中所示的光检测元件100I与参照图7说明的光检测元件100E之间的主要的不同点是光检测元件100I具有第1电荷输送层112e及第3电极160、且进一步具有夹在第3电极160及光电转换结构110中的第2电荷输送层112h这点。如图示的那样，第3电极160与复位电路194连接。
位于光电转换结构110与雪崩结构120之间的第1电荷输送层112e可以是使电子选择性地从光电转换结构110通过至雪崩结构120中的电子输送层。此时，位于光电转换结构110与第3电极160之间的第2电荷输送层112h可以是使空穴选择性地从光电转换结构110通过至第3电极160中的空穴输送层。根据这样的构成，能够使在光电转换结构110中生成的正及负的电荷中的一者从光电转换结构110选择性地移动到雪崩结构120中。在该例子中，能够将电子从光电转换结构110选择性地移动到雪崩结构120中。
如后述的那样，在图11中例示的构成中，复位电路194按照在光检测元件100I的工作时对第3电极160施加一定的电压的方式构成。通过由复位电路194对第3电极160施加例如一定的负电压，能够将在光电转换结构110中生成的正及负的电荷中的另一者、即在此空穴从光电转换结构110排出到第3电极160中。因此，根据图11中例示的构成，能够防止相反电荷残留在光电转换结构110中，可以将上述的复位工作省略。
另外，图11中所示的例子是能够使在光电转换结构110中生成的正及负的电荷中的负的电荷从光电转换结构110选择性地移动到雪崩结构120中的构成。若在第1电荷输送层112e中应用空穴输送层、在第2电荷输送层112h中应用电子输送层，则能够使在光电转换结构110中生成的正及负的电荷中的正的电荷从光电转换结构110选择性地移动到雪崩结构120中。
在此，电子输送层是具有电子能够从光电转换结构110向介由电子输送层与光电转换结构110连接的区域中移动、但不会使空穴通过、或使其移动的概率大大降低那样的特性的层。作为成为电子输送层的第1电荷输送层112e的材料，可以使用一般的用于形成空穴阻挡层的材料。这样的材料的例子为C60。通过使用具有比光电转换结构110中包含的第1材料深的HOMO能级、且具有更深的LUMO能级的材料而形成第1电荷输送层112e，能够使第1电荷输送层112e作为电子输送层发挥功能。
另一方面，空穴输送层是具有空穴能够从光电转换结构110向介由空穴输送层而与光电转换结构110连接的区域中移动、但不会使电子通过、或使其移动的概率大大降低那样的特性的层。作为成为空穴输送层的第2电荷输送层112h的材料，可以使用一般的用于形成电子阻挡层的材料。这样的材料的例子为TFB。通过使用具有比光电转换结构110中包含的第1材料浅的HOMO能级、且具有更浅的LUMO能级的材料而形成第2电荷输送层112h，能够使第2电荷输送层112h作为空穴输送层发挥功能。
(光检测元件100I的工作)
基于第3实施方式的光检测元件也与第2实施方式同样地能够以线性模式、盖革模式中的任一者工作，特别是对利用盖革模式的工作时的余脉冲的抑制是有利的。以下，说明图11中所示的光检测元件100I的利用盖革模式的工作的概要。
(步骤1)
例如在第1电极130B与第2电极140之间连接电压供给电路190，对雪崩结构120施加超过击穿电压Vbr的反向偏压。此时，通过慢慢地进行电压施加，使雪崩结构120的状态成为准稳定状态。
(步骤2)
若第1材料显示吸收的波长的光入射到光电转换结构110中，则通过光电转换而在光电转换结构110内生成例如空穴-电子对。在此，第1电荷输送层112e抑制空穴及电子中的空穴向雪崩结构120中进入，另一方面，使电子通过。因此，空穴及电子中的电子选择性地移动到雪崩结构120中，以移动到雪崩结构120中的电子作为触发器，产生从准稳定状态向雪崩击穿状态的跃迁。另一方面，第2电荷输送层112h抑制电子向第3电极160中的进入，同时使空穴通过。
在工作时，复位电路194对第3电极160施加第3电极160的电位变得比光电转换结构110的电位低那样的复位电压。通过将第3电极160设定为比光电转换结构110低的电位，可以通过第3电极160来收集空穴及电子中的空穴。换而言之，能够防止作为相反电荷的空穴残留在光电转换结构110中，避免光电转换结构110的带电。
(步骤3)
通过利用例如淬灭电路192来检测由从准稳定状态向雪崩击穿状态的跃迁引起的宏观的电流脉冲的输出，能够检测光的入射。
(步骤4)
在电流脉冲的检测后，通过淬灭电路192，在第1电极130B与第2电极140之间将电位差缩小至击穿电流不会流过的大小。通过淬灭，光检测元件100I被复原成检测的待机状态。像这样，根据图11中例示的构成，能够在不另外设置用于复位的步骤的情况下防止光电转换结构110中的相反电荷的残留。
如以上说明的那样，根据本申请的实施方式，可提供利用了雪崩效应的为高感度且降低了余像及余脉冲的影响的光检测元件。本申请的实施方式并不限定于上述的例子，可以进行各种改变。如图12中所示的那样，也可以是在参照图5说明的构成的光电转换结构110的雪崩结构120侧及第3电极160侧分别配置有第1电荷输送层112e及第2电荷输送层112h的构成。根据这样的构成，与参照图11说明的构成同样地能够在不另外设置复位的步骤的情况下避免光电转换结构110的带电。
(第4实施方式)
图15表示基于本申请的第4实施方式的光检测元件的例示性设备结构。本实施方式中，本申请的光检测元件被集成化而构成图像传感器1500。本实施方式中的图像传感器1500包含多个像素1530。各像素1530包含光电转换结构1501和形成于低浓度区域1506中的高浓度P型掺杂区域1502p、高浓度N型掺杂区域1503n。该高浓度P型掺杂区域1502p、低浓度区域1506、高浓度N型掺杂区域1503n构成雪崩结构1520。各像素1530包含用于将在高浓度N型掺杂区域1503n捕集的电子向电荷蓄积部1509输送的电荷输送路径1504、1505。此外，具有用于捕集在高浓度P型掺杂区域1502p捕集的空穴的透明电极1507。透明电极1507与光电转换结构1501通过电介体部1508被隔开。各像素1530的电荷输送路径1505通过绝缘层1510而彼此被绝缘。
本图像传感器1500中包含的各像素1530与图2中所示的光检测元件同样地发挥功能。电荷蓄积部1509在每个像素中独立，通过测量各电荷蓄积部1509中蓄积的电荷，可以进行拍摄。
关于各像素1530的驱动方法，由于与独立的光检测元件的情况基本上同样，所以说明省略。
在本申请的各实施方式中，雪崩结构120包含产生雪崩增倍的单晶硅层。根据本申请的实施方式，例如可以由单晶硅基板形成雪崩结构120，因此，在构成雪崩结构120的全部或一部分的单晶硅基板上，通过应用公知的半导体工艺，将包含许多晶体管的控制电路、信号处理电路等集成也比较容易。例如，也可以在构成雪崩结构120的全部或一部分的单晶硅基板上形成淬灭电路。对于淬灭电路来说，由于要求高速且复杂的工作，所以若将淬灭电路中包含的晶体管形成于与构成雪崩结构120的全部或一部分的单晶硅基板相同的单晶硅基板上则是有利的。

Claims (12)

1.一种光检测元件，其具备：
光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和
雪崩结构，其包含通过由所述光电转换结构注入选自由所述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层，
所述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。
2.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，所述光电转换结构与所述雪崩结构直接相接。
3.根据权利要求1所述的光检测元件，其进一步具备配置于所述光电转换结构及所述雪崩结构之间、且使选自由在所述光电转换结构中生成的所述正及负的电荷组成的组中的至少一者通过的电荷输送层。
4.根据权利要求1所述的光检测元件，其进一步具备：
第1电极、和
第2电极，
所述雪崩结构包含：
第1导电型的第1高浓度掺杂区域、
第2导电型的第2高浓度掺杂区域、和
配置于所述第1高浓度掺杂区域及所述第2高浓度掺杂区域之间的低浓度掺杂区域，
所述低浓度掺杂区域的杂质浓度比所述第1高浓度掺杂区域的杂质浓度及所述第2高浓度掺杂区域的杂质浓度低，
所述第1电极与所述第1高浓度掺杂区域电连接，
所述第2电极与所述第2高浓度掺杂区域电连接。
5.根据权利要求1所述的光检测元件，其进一步具备：
第1电极、和
第2电极，
在与所述雪崩结构的表面垂直的截面中，
若将从所述雪崩结构内的任意的点延伸至所述第1电极内的与所述任意的点最近的点的假想的直线定义为第1直线，
将从所述任意的点延伸至所述第2电极内的与所述任意的点最近的点的假想的直线定义为第2直线，
则从所述雪崩结构内的任一点延伸的所述第1直线及所述第2直线均不将所述光电转换结构横切。
6.根据权利要求5所述的光检测元件，其进一步具备：
相对于所述光电转换结构位于与所述雪崩结构相反侧的第3电极；和
对选自由所述第1电极、所述第2电极及所述第3电极组成的组中的至少1者供给消除所述光电转换结构的带电的复位电压的复位电路。
7.根据权利要求6所述的光检测元件，其进一步具备：
第1电荷输送层，其配置于所述光电转换结构及所述雪崩结构之间，且使在所述光电转换结构中生成的所述正及负的电荷中的一者选择性地通过；和
第2电荷输送层，其位于所述光电转换结构与所述第3电极之间，且使在所述光电转换结构中生成的所述正及负的电荷中的另一者选择性地通过，
所述复位电路与所述第3电极连接。
8.根据权利要求1所述的光检测元件，其进一步具备：
第1电极、
第2电极、和
电介体部，
在与所述雪崩结构的表面垂直的截面中，
若将从所述雪崩结构内的任意的点延伸至所述第1电极内的与所述任意的点最近的点的假想的直线定义为第1直线，
将从所述任意的点延伸至所述第2电极内的与所述任意的点最近的点的假想的直线定义为第2直线，
则选自由从所述雪崩结构内的第1点延伸的所述第1直线及所述第2直线组成的组中的至少1条直线将所述光电转换结构横切，
所述电介体部的至少一部分位于所述至少1条直线上。
9.根据权利要求8所述的光检测元件，其进一步具备：
相对于所述光电转换结构位于与所述雪崩结构相反侧的第3电极；和
向选自由所述第1电极、所述第2电极及所述第3电极组成的组中的至少1者供给消除所述光电转换结构的带电的复位电压的复位电路。
10.根据权利要求9所述的光检测元件，其进一步具备：
第1电荷输送层，其配置于所述光电转换结构及所述雪崩结构之间，且使在所述光电转换结构中生成的所述正及负的电荷中的一者选择性地通过；和
第2电荷输送层，其位于所述光电转换结构与所述第3电极之间，且使在所述光电转换结构中生成的所述正及负的电荷中的另一者选择性地通过，
所述复位电路与所述第3电极连接。
11.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，所述第1材料的吸收端位于比单晶硅的吸收端更长的波长侧。
12.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，所述光电转换结构进一步含有具有比所述第1材料深的最高被占轨道能级的第2材料或具有比所述第1材料浅的最低空轨道能级的第3材料。
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