CN113167640A - 光检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光检测装置(1)，其具备APD(11)、多个温度补偿用二极管(26、27、28)、以及电路部(3)。多个温度补偿用二极管(26、27、28)具有比APD(11)低的互不相同的击穿电压。电路部(3)将多个温度补偿用二极管(26、27、28)中的任一个设为击穿状态。电路部(3)包含多个端子(25)和端子(22)。多个端子(25)的各个与互不相同的温度补偿用二极管(26、27、28)的电极(29b)连接。端子(22)与APD(11)和各温度补偿用二极管(26、27、28)的电极(29a)电连接。

Description

光检测装置
技术领域
本发明涉及一种光检测装置。
背景技术
为了对温度进行稳定的光检测，已知一种控制施加至雪崩光电二极管的偏置电压的结构(例如，专利文献1)。在专利文献1中，将与温度补偿用二极管的击穿电压相应的电压作为偏置电压而施加至雪崩光电二极管。以下，在本说明书中，将“雪崩光电二极管”称为“APD”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开平07-27607号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在光检测装置中，要求在APD中对温度稳定地得到所期望的增益。但是，APD的增益会根据施加至APD的偏置电压的变化而变化。即使对APD施加了恒定的偏置电压，如果环境温度发生变化，则APD的增益也会发生变化。因此，为了使APD的增益为恒定，需要使施加至APD的偏置电压根据环境温度而变化。
在APD的击穿电压和施加至APD的偏置电压的差分电压被控制为恒定的情况下，即使环境温度发生变化，APD的增益的变化也少。但是，由于APD的击穿电压也因环境温度而变化，因此以得到适应于状况的所期望的增益的方式来切换增益是非常困难的。
本发明的一个方式的目的在于，提供一种光检测装置，其可在APD中对温度稳定地得到适应于状况的所期望的增益。
用于解决问题的技术手段
本发明的一个方式所涉及的光检测装置具备APD、多个温度补偿用二极管、以及电路部。多个温度补偿用二极管的各个具有第一及第二电极。多个温度补偿用二极管具有比APD低的互不相同的击穿电压。电路部将多个温度补偿用二极管中的任一个设为击穿状态。电路部包含多个第一端子和第二端子。多个第一端子的各个与互不相同的温度补偿用二极管的第二电极连接。第二端子与APD和各温度补偿用二极管的第一电极电连接。
在上述一个方式中，电路部将APD和各温度补偿用二极管相对于第二端子电并联连接。在该结构中，当多个温度补偿用二极管中的任一个被设为击穿状态时，与成为击穿状态的温度补偿用二极管的击穿电压相应的电压作为偏置电压被施加至APD。其结果，设定了APD的击穿电压和施加至APD的偏置电压的差分电压，APD具有与该差分电压相应的增益。因此，根据设为击穿状态的温度补偿用二极管，可在APD中对温度稳定地得到适应于状况的所期望的增益。
在上述一个方式中，也可以是，电路部具有至少一个开关。也可以是，至少一个开关与对应的温度补偿用二极管电连接。也可以是，至少一个开关切换对应的温度补偿用二极管为可通电状态和不可通电状态。也可以是，多个温度补偿用二极管包含第一温度补偿用二极管和第二温度补偿用二极管。也可以是，第二温度补偿用二极管具有比第一温度补偿用二极管高的击穿电压。也可以是，开关与第一温度补偿用二极管电连接。在这种情况下，当第一温度补偿用二极管通过开关设为可通电状态时，即使第二温度补偿用二极管为可通电状态，第一温度补偿用二极管也优先成为击穿状态。因此，仅切换与第一温度补偿用二极管电连接的开关，施加至APD的击穿电压就可以从两个击穿电压中选择。因此，能够通过容易的控制在APD中切换适应于状况的所期望的增益。
在上述一个方式中，也可以是，至少一个开关与对应的第一端子连接。在各温度补偿用二极管的第一电极和APD之间施加有高电压。因此，与在第一电极和APD之间配置开关的情况相比，经由第一端子而将开关与第二电极电连接的情况更能够实现容易的控制。
在上述一个方式中，也可以是，电路部不管第一温度补偿用二极管是否为可通电状态，都将第二温度补偿用二极管设为可通电状态。在这种情况下，即使第一温度补偿用二极管损坏，或在配置有第一温度补偿用二极管的附近发生了局部的温度变化，第二温度补偿用二极管也会成为击穿状态。因此，可防止大电流流入APD，防止光检测装置的故障。
在上述一个方式中，也可以是，多个温度补偿用二极管还包含第三温度补偿用二极管。也可以是，第三温度补偿用二极管具有比第一温度补偿用二极管的击穿电压高且比第二温度补偿用二极管的击穿电压低的击穿电压。也可以是，开关与第三温度补偿用二极管电连接。也可以是，电路部在第一温度补偿用二极管为不可通电状态时，通过开关，将第三温度补偿用二极管在可通电状态和不可通电状态之间切换。在这种情况下，在第一温度补偿用二极管为可通电状态时，第一温度补偿用二极管成为击穿状态。在第一温度补偿用二极管为不可通电状态时，如果第三温度补偿用二极管成为可通电状态，则第三温度补偿用二极管成为击穿状态。在第一温度补偿用二极管为不可通电状态时，如果第三温度补偿用二极管成为不可通电状态，则第二温度补偿用二极管成为击穿状态。这样，能够通过容易的控制在APD中切换适应于状况的所期望的增益。
发明效果
本发明的一个方式提供一种光检测装置，其可在APD中对温度稳定地得到适应于状况的所期望的增益。
附图说明
图1是本实施方式所涉及的光检测装置的方框图。
图2是光检测装置的概略结构图。
图3是光检测部的概略截面图。
图4是表示施加至APD的偏置电压和施加有该偏置电压的APD的增益的关系的数据的图表。
图5是表示回归直线的斜率及截距的温度依赖性的图表。
图6是表示与由设定部进行的设定相应的APD的输出特性的图表。
图7是表示半导体基板的制造方法的流程图。
符号说明
1…光检测装置；3…电路部；11…APD；22、25…端子；26、27、28…温度补偿用二极管；41…开关。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细地说明。此外，在说明中，对同一要素或具有同一功能的要素使用同一符号，省略重复的说明。
首先，参照图1，对本实施方式所涉及的光检测装置的概要进行说明。图1是光检测装置的方框图。如图1所示，光检测装置1具备检测动作部2、电路部3、和电源部4。
检测动作部2具有受光部10和温度补偿部15。受光部10具有至少一个APD。在本实施方式中，受光部10的APD是以线性模式动作的雪崩光电二极管。温度补偿部15进行受光部10的APD中的增益的温度补偿。温度补偿部15控制施加至受光部10的APD的偏置电压。温度补偿部15具有多个温度补偿用二极管。
电路部3对检测动作部2的受光部10及温度补偿部15施加电压。电路部3与受光部10的APD及温度补偿部15的温度补偿用二极管的各电极电连接。在本实施方式中，电路部3将包含于温度补偿部15的温度补偿用二极管成为击穿状态的电压施加至受光部10的APD。
电源部4产生使检测动作部2动作的电动势。电源部4经由电路部3而对检测动作部2中的受光部10的APD及温度补偿部15的温度补偿用二极管施加电位。电源部4将包含于温度补偿部15的温度补偿用二极管设为击穿状态。
由于对温度补偿部15的温度补偿用二极管中的任一个施加有击穿电压，因此与该击穿电压相应的电压作为偏置电压施加至受光部10的APD。这些温度补偿用二极管和APD关于增益和偏置电压的关系具有同等的温度特性。在这种情况下，当环境温度发生变化时，施加至温度补偿用二极管的击穿电压发生变化。通过施加至温度补偿用二极管的击穿电压的该变化，施加至上述APD的偏置电压也以维持上述APD的增益的方式根据环境温度而变化。即，通过温度补偿部15进行受光部10的APD中的增益的温度补偿。
接着，参照图2，对光检测装置1的物理结构的一个例子进行更详细地说明。图2是光检测装置的概略结构图。光检测装置1具备光检测部20、电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33、和设定部40。光检测部20具有上述的受光部10和温度补偿部15。电动势产生部31产生使光检测部20动作的电动势。电流限制部32限制流通于光检测部20的电流。偏置电压稳定化部33设为能够输出由电流限制部32限制的上限值以上的电流。设定部40控制光检测部20的动作。光检测部20的一部分包含于检测动作部2。光检测部20的一部分、偏置电压稳定化部33、和设定部40包含于电路部3。电动势产生部31和电流限制部32包含于电源部4。
如图2所示，光检测部20除了具有APD11及温度补偿部15以外，还具有电连接温度补偿部15和APD11的配线部21、多个端子22、23、24、25。例如，端子22是第二端子，多个端子25是多个第一端子。在本说明书中，“电连接”及“电连接于”也包含通过开关等暂时切断路径的结构。在本实施方式中，温度补偿部15包含三个温度补偿用二极管26、27、28作为上述的多个温度补偿用二极管。温度补偿部15也可以包含四个以上的温度补偿用二极管。
APD11及温度补偿用二极管26、27、28包含于检测动作部2。配线部21及多个端子22、23、24、25包含于电路部3。APD11具有一对电极19a、19b。各温度补偿用二极管26、27、28具有一对电极29a、29b。例如，在电极29a为第一电极的情况下，电极29b为第二电极。例如，温度补偿用二极管28为第一温度补偿用二极管，温度补偿用二极管26为第二温度补偿用二极管，温度补偿用二极管27为第三温度补偿用二极管。
温度补偿用二极管26、27、28在同一环境温度下，以分别不同的电压成为击穿状态。以下，将在温度补偿用二极管26、27、28成为击穿状态时施加至该温度补偿用二极管的电压、及在APD11成为击穿状态时施加至APD11的电压称为“击穿电压”。在以后的说明中，将对击穿电压进行比较的情况设为在同一环境温度下对击穿电压进行比较。
多个温度补偿用二极管26、27、28具有互不相同的击穿电压。温度补偿用二极管26具有比温度补偿用二极管27高的击穿电压。温度补偿用二极管27具有比温度补偿用二极管26低且比温度补偿用二极管28高的击穿电压。温度补偿用二极管28具有比温度补偿用二极管26、27低的击穿电压。多个温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压均比APD11的击穿电压低。
配线部21相对于端子22及端子23双方，将APD11的电极19a、温度补偿用二极管26的电极29a、温度补偿用二极管27的电极29a、温度补偿用二极管28的电极29a并联连接。配线部21将与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压相应的电压作为偏置电压施加至APD11。
端子22电连接于APD11的电极19a、各温度补偿用二极管26、27、28的电极29a、和电源部4的电流限制部32。端子23电连接于APD11的电极19a及各温度补偿用二极管26、27、28的电极29a、和偏置电压稳定化部33。端子24电连接于APD11的电极19b、和未图示的信号读出电路。多个端子25电连接于各温度补偿用二极管26、27、28的电极29b、和设定部40。各端子25电连接于互不相同的温度补偿用二极管26、27、28的电极29b。在本实施方式中，电极19a是APD11的阳极，电极19b是APD11的阴极。电极29a是各温度补偿用二极管26、27、28的阳极，电极29b是各温度补偿用二极管26、27、28的阴极。
电动势产生部31及电流限制部32作为电源部4对光检测部20施加电压。电动势产生部31和电流限制部32与端子22电连接。在本实施方式中，电动势产生部31的正极与地线36连接，电动势产生部31的负极经由电流限制部32与端子22连接。
偏置电压稳定化部33使从APD11输出的检测信号的上限值增加。偏置电压稳定化部33相对于光检测部20及电动势产生部31，与电流限制部32并联连接。偏置电压稳定化部33例如是电容器。在本实施方式中，电容器的一个电极与电动势产生部31的负极连接，另一个电极与端子23连接。在检测通过光的入射而从APD11输出的脉冲信号的情况下，可以根据该电容器的容量得到由电流限制部32限制的电流值以上强度的输出。
设定部40根据设定于APD11的增益，设定温度补偿部15。设定部40从多个温度补偿用二极管26、27、28中选择要动作的温度补偿用二极管。换句话说，设定部40从多个温度补偿用二极管26、27、28中设定用于偏置电压控制的温度补偿用二极管。设定部40通过控制多个温度补偿用二极管26、27、28的通电状态，来设定要动作的温度补偿用二极管。
设定部40具有至少一个开关41。至少一个开关41与对应的端子25连接。在本实施方式中，设定部40具有两个开关41。一个开关41通过对应的端子25，与温度补偿用二极管27电连接。另一个开关41通过对应的端子25，与温度补偿用二极管28电连接。开关41切换对应的温度补偿用二极管27、28为可通电状态和不可通电状态。设定部40控制开关41的开/关。
在本实施方式中，光检测部20具有三个端子25。三个端子25一个一个地与温度补偿用二极管26、27、28连接。连接于温度补偿用二极管26的端子25与地线46连接。连接于温度补偿用二极管27的端子25经由开关41与地线47连接。连接于温度补偿用二极管28的端子25经由开关41与地线48连接。即，仅一个端子25未与开关41连接。地线46、47、48也可以相互连接。作为本实施方式的变形例，也可以在所有端子25连接有开关41。
接着，参照图3，对光检测装置1的光检测部20的结构进行详细说明。图3是光检测部的概略截面图。在图3中，作为温度补偿部15，仅示出了温度补偿用二极管26、27、28中的一个。在本实施方式中，如图3所示，光检测部20是具备半导体基板50的光学部件。半导体基板50具有相互相对的主面50a、50b。在从与主面50a正交的方向观察时，APD11及各温度补偿用二极管26、27、28相互分开地形成于半导体基板50。APD11在主面50a侧具有光入射面51a。温度补偿用二极管26、27、28是被遮光的APD。
半导体基板50包含半导体区域51及半导体层52、53、54、55。APD11及各温度补偿用二极管26、27、28分别包含半导体区域51及半导体层52、53、55。
半导体区域51及半导体层53、54、55是第一导电型，半导体层52是第二导电型。半导体的杂质例如通过扩散法或离子注入法来添加。在本实施方式中，第一导电型为P型，第二导电型为N型。半导体基板50在以Si为基体的情况下，使用B等第13族元素作为P型杂质，使用N、P或As等第15族元素作为N型杂质。
半导体区域51位于半导体基板50的主面50a侧。半导体区域51构成一部分主面50a。半导体区域51例如为P－型。
半导体层52构成主面50a的一部分。在从与主面50a正交的方向观察时，半导体层52与半导体区域51相接，被半导体区域51包围。半导体层52例如为N+型。在本实施方式中，半导体层52在APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的各个中构成阴极。
半导体层53位于半导体区域51和半导体层52之间。换句话说，半导体层53在主面50a侧与半导体层52相接，在主面50b侧与半导体区域51相接。半导体层53的杂质浓度比半导体区域51高。半导体层53例如为P型。在本实施方式中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度比APD11的半导体层53的杂质浓度高。半导体层53在APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的各个中构成雪崩区域。
温度补偿用二极管27的半导体层53的杂质浓度比温度补偿用二极管26的半导体层53的杂质浓度高。温度补偿用二极管28的半导体层53的杂质浓度比温度补偿用二极管27的半导体层53的杂质浓度高。
半导体层54构成主面50a的一部分。在从与主面50a正交的方向观察时，半导体层54与半导体区域51相接，被半导体区域51包围。在本实施方式中，半导体层54的杂质浓度比半导体区域51及半导体层53高。半导体层54例如为P+型。半导体层54在未图示的部分与半导体层55连接。半导体层54构成光检测装置1的阳极。半导体层54例如构成APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极。
半导体层55相较于半导体区域51位于半导体基板50的主面50b侧。半导体层55构成主面50b的整个面。半导体层55在主面50a侧与半导体区域51相接。在本实施方式中，半导体层55的杂质浓度比半导体区域51及半导体层53高。半导体层55例如为P+型。半导体层55构成光检测装置1的阳极。半导体层55例如构成APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极。
光检测装置1还具备设置于半导体基板50的主面50a上的绝缘膜61、电极62、63、64、钝化膜66和防反射膜67。绝缘膜61层叠于半导体基板50的主面50a上。绝缘膜61例如是氧化硅膜。电极62、63、64分别配置于绝缘膜61上。钝化膜66层叠于绝缘膜61及电极62、63、64上。防反射膜67层叠于半导体基板50的主面50a上。
电极62贯通绝缘膜61，并与APD11的半导体层52连接。电极62的一部分从钝化膜66露出，构成APD11的端子24。电极62在端子24输出来自APD11的信号。
电极63贯通绝缘膜61，并与各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层52连接。电极63的一部分从钝化膜66露出，构成各温度补偿用二极管26、27、28的端子25。
电极64贯通绝缘膜61，并与半导体层54连接。即，电极64与APD11及各温度补偿用二极管26、27、28连接。换句话说，APD11及各温度补偿用二极管26、27、28与电极64相互并联地连接。电极64的一部分从钝化膜66露出，例如构成端子22。
在本实施方式中，端子24是APD11的阴极用的焊盘电极。端子25是温度补偿用二极管26、27、28的阴极用的焊盘电极。端子22是APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极用的焊盘电极。
在端子22，相互并联地连接有APD11及各温度补偿用二极管26、27、28。在对APD11及各温度补偿用二极管26、27、28施加反向偏置电压的情况下，对阴极用的焊盘电极施加正电压，对阳极用的焊盘电极施加负电压。
防反射膜67层叠于APD11的半导体层52上。防反射膜67的一部分从钝化膜66露出。因此，在APD11的半导体层52，可以入射透过防反射膜67的光。各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层52被绝缘膜61覆盖而被遮光。
接着，对温度补偿部15进行更详细地说明。温度补偿部15的各温度补偿用二极管26、27、28和APD11关于增益和偏置电压的关系具有同等的温度特性。在光检测装置1中，与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压相应的电压作为偏置电压施加至APD11。
温度补偿部15以使APD11的击穿电压和施加至APD11的偏置电压的差分电压成为恒定的方式控制该偏置电压。该差分电压如下那样来确定。
在设施加至APD的偏置电压为“Vr”，设施加有该偏置电压的APD的增益为“M”的情况下，以下关系式成立。
[数学式1]
Figure BDA0002956046940000101
“a”及“b”是常数。由式(1)可知，在设“(1/M)×(dM/dVr)”为目标变量，设“M”为解释变量的情况下，关于表示APD的偏置电压和增益的关系的数据，斜率为“a”、截距为“b”的回归直线成立。如图4及图5所示，斜率“a”和截距“b”的温度依赖性极低。图4是表示施加至APD的偏置电压和施加有该偏置电压的APD的增益的关系的数据图表。在图4中，横轴表示APD的增益，纵轴表示“(1/M)×(dM/dVr)”的值。多条线表示分别不同的环境温度下的数据。具体地说，图4表示100℃、80℃、60℃、40℃、20℃、0℃、-20℃、-40℃这八种环境温度下的数据。图5是表示所取得的回归直线的斜率“a”及截距“b”的温度依赖性的图表。在图5中，横轴表示环境温度，纵轴表示“a”及“b”的值。实线表示“a”的数据，虚线表示“b”的数据。
在设施加至APD的偏置电压为“Vr”，设施加有该偏置电压的APD的增益为“M”，设APD的击穿电压为“Vbr”的情况下，以下关系式成立。
[数学式2]
Figure BDA0002956046940000102
在此，式(1)及式(2)中的“a”表示互相相同的物理量。式(1)及式(2)中的“b”表示互相相同的物理量。
因此，如果将从式(1)取得的“a”及“b”代入式(2)的“a”及“b”，则唯一地求出相对于所期望的增益的“(Vbr-Vr)”的值。“(Vbr-Vr)”是从APD的击穿电压减去施加至APD的偏置电压所得的减法运算值。即，“(Vbr-Vr)”是上述的差分电压。
在设上述差分电压为“ΔV”的情况下，式(2)如式(3)那样表示。
[数学式3]
Figure BDA0002956046940000111
因此，通过使用将式(3)中的APD的增益“M”设为所期望的增益“Md”的式(4)，从而容易地运算与所期望的增益对应的“ΔV”。
[数学式4]
Figure BDA0002956046940000112
具体而言，在任意的温度下取得表示施加至APD的偏置电压和施加有该偏置电压的APD的增益的关系的数据。在所取得的数据中，将以“(1/M)×(dM/dVr)”为目标变量且以“M”为解释变量的回归直线的斜率代入式(4)的“a”、以及将回归直线的截距代入式(4)的“b”，将在APD11中设定的所期望的增益代入式(4)的“Md”。由此，运算“ΔV”。温度补偿部15以使上述差分电压成为运算出的“ΔV”的方式控制施加至APD11的偏置电压。在此，如果是具有与APD11相同的材料及构造的APD，则表示所取得的偏置电压和增益的关系的数据也可以不是与APD11相同的个体APD的数据。
在本实施方式中，上述差分电压是从APD11的击穿电压减去与成为击穿状态的温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压相应的电压所得的减法运算值。在温度补偿部15中，与成为击穿状态的温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压相应的电压作为偏置电压施加至APD11。
在本实施方式中，APD11的击穿电压和各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压具有互不相同的值。通过调节各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度和APD11的半导体层53的杂质浓度，来调节APD11的击穿电压和温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压的差分电压。作为本实施方式的变形例，也可以通过电路结构来调节上述差分电压。也可以通过对端子25施加外部电压，来调节上述差分电压。在这些变形例的情况下，APD11的击穿电压和温度补偿用二极管26、27、28中的任一个击穿电压也可以相同。也可以组合这些多个方法来调节上述差分电压。
在本实施方式中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度比APD11的半导体层53的杂质浓度高。其结果，APD11的击穿电压比各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压高出“ΔV”。三个温度补偿用二极管26、27、28具有分别不同的击穿电压。三个温度补偿用二极管26、27、28被设计成取得分别相同的增益的温度补偿用二极管。通过式(4)，对每一个温度补偿用二极管26、27、28进行运算“ΔV”，根据所运算出的各个“ΔV”，设计各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度。在对温度补偿用二极管26、27、28的各个运算“ΔV”时，将相同的值代入“a”。同样地，在对温度补偿用二极管26、27、28的各个运算“ΔV”时，将相同的值代入“b”。
在光检测装置1中，通过施加有温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压，从而使该击穿电压作为偏置电压施加至APD11。在本实施方式中，多个温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压中的一个击穿电压作为偏置电压施加至APD11。多个温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压中的哪一个击穿电压作为偏置电压施加至APD11，由设定部40进行控制。
接着，对本实施方式的光检测装置的动作进行说明。
在本实施方式中，端子22与P+型半导体层54连接，半导体层54与P+型半导体层55连接。因此，APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极相对于端子22相互并联地连接。其结果，通过电源部4对APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极施加有负电位。
电路部3将多个温度补偿用二极管26、27、28中的任一个设为击穿状态。设定部40通过开关41，从多个温度补偿用二极管26、27、28中选择要动作的温度补偿用二极管。设定部40通过切换开关41的开/关，从而选择将击穿电压作为偏置电压而施加至APD11的温度补偿用二极管。设定部40以使通过将在APD11中设定的增益代入式(4)的“Md”从而运算出的“ΔV”成为差分电压的方式，从多个温度补偿用二极管26、27、28中选择用于偏置电压控制的温度补偿用二极管。
所选择的温度补偿用二极管的击穿电压是施加至与该温度补偿用二极管对应的端子25的电位和施加至端子22的电位的电位差。因此，对APD11的阳极施加有与所选择的温度补偿用二极管的击穿电压相应的电位。其结果，对APD11施加有与所选择的温度补偿用二极管的击穿电压相应的电压作为偏置电压。
在本实施方式中，设定部40在使温度补偿用二极管28动作的情况下，将温度补偿用二极管26、27、28全都设为可通电状态。即，设定部40将与多个端子25连接的开关41全部设为开。在这种情况下，在处于可通电状态的温度补偿用二极管26、27、28中，由于温度补偿用二极管28具有最小的击穿电压，因此温度补偿用二极管28进行动作。即，温度补偿用二极管28的击穿电压作为偏置电压施加至APD11。
设定部40在使温度补偿用二极管27动作的情况下，将温度补偿用二极管26、27设为可通电状态，将温度补偿用二极管28设为不可通电状态。在本实施方式中，设定部40将与对应于温度补偿用二极管27的端子25连接的开关41设为开，将与对应于温度补偿用二极管28的端子25连接的开关41设为关。由于在与温度补偿用二极管26对应的端子25未连接有开关41，因此成为可通电状态。在这种情况下，在处于可通电状态的温度补偿用二极管26、27中，由于温度补偿用二极管27具有最小的击穿电压，因此温度补偿用二极管27进行动作。即，温度补偿用二极管27的击穿电压作为偏置电压施加至APD11。
设定部40在使温度补偿用二极管26动作的情况下，将温度补偿用二极管26设为可通电状态，将温度补偿用二极管27、28设为不可通电状态。在本实施方式中，设定部40将与对应于温度补偿用二极管27、28的端子25连接的开关41设为关。由于在与温度补偿用二极管26对应的端子25未连接有开关41，因此成为可通电状态。在这种情况下，处于可通电状态的温度补偿用二极管26进行动作。即，温度补偿用二极管26的击穿电压作为偏置电压施加至APD11。
根据以上的动作，通过设定部40，选择APD11的增益。图6是表示与由设定部40进行的设定相应的APD11的输出特性的图表。在图6中，纵轴表示APD11的输出电压，横轴表示时间。数据71、72、73分别表示同一强度的脉冲光入射于APD11时的APD11的输出特性。数据71表示温度补偿用二极管26动作的状态下的APD11的输出特性。数据72表示温度补偿用二极管27动作的状态下的APD11的输出特性。数据73表示温度补偿用二极管26动作的状态下的APD11的输出特性。
如图6所示，温度补偿用二极管26动作的状态下的APD11的输出峰值比温度补偿用二极管27动作的状态下的APD11的输出峰值大。温度补偿用二极管27动作的状态下的APD11的输出峰值比温度补偿用二极管28动作的状态下的APD11的输出峰值大。如上所述，确认了通过由设定部40来切换要动作的温度补偿用二极管26、27、28，从而选择APD11的增益。
在本实施方式中，设定部40不管温度补偿用二极管28是否为可通电状态，都将温度补偿用二极管26设为可通电状态。设定部40在温度补偿用二极管28为不可通电状态时，通过开关41，将温度补偿用二极管27在可通电状态和不可通电状态之间切换。下面，作为一例，对设定部40选择了温度补偿用二极管28作为要动作的温度补偿用二极管的情况进行说明。
在本实施方式中，通过电动势产生部31和电流限制部32的组合与端子22连接，从而对端子22施加有所选择的温度补偿用二极管28的击穿电压。在本实施方式中，电动势产生部31的输出电压为APD11的动作电压以上。换句话说，电动势产生部31的输出电压为各温度补偿用二极管26、27、28中的击穿电压的温度波动的上限以上。例如，电动势产生部31的输出电压为300V以上。电流限制部32例如由电流反射镜电路或电阻等构成。
根据所选择的温度补偿用二极管28和APD11的击穿电压差，可任意地设定APD11的增益。如果APD11的增益设定为S/N比高的最佳倍增率Mopt，则可实现检测精度的提高。
在本实施方式中，APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极由半导体层55一体地构成。例如，在25℃的环境温度下，在施加至端子25的电位为0V，并且，所选择的温度补偿用二极管28的击穿电压为130V的情况下，对APD11的阳极施加有-130V的电位。因此，在APD11的击穿电压在25℃的环境温度下为150V的情况下，APD11在阳极和阴极的电位差比击穿电压低20V的状态下动作。
如上所述，APD11和各温度补偿用二极管26、27、28关于增益和偏置电压的关系具有同等的温度特性。因此，APD11只要所选择的温度补偿用二极管28成为击穿状态，则维持在25℃的环境温度下施加有比击穿电压低20V的偏置电压时的增益并动作。换句话说，在光检测装置1中，通过将所选择的温度补偿用二极管28设为击穿状态的电压施加至该温度补偿用二极管28，从而关于APD11的增益可实现温度补偿。
接着，对上述实施方式及变形例的光检测装置的作用效果进行说明。现有的，在制造具备具有互相同等的温度特性的APD和温度补偿用二极管的光检测装置的情况下，关于增益和偏置电压的关系，需要进行用于选定并组合具有所期望的温度特性的APD的检查。因此，难以削减成本。关于这一点，在光检测装置1中，在同一半导体基板50分别形成有APD11及各温度补偿用二极管26、27、28。在这种情况下，相较于各温度补偿用二极管26、27、28和APD11形成于分别不同的半导体基板的情况相比，更容易以高的精度形成与增益和偏置电压相关的温度特性在宽的温度范围内互相同等的温度补偿用二极管26、27、28和APD11。因此，既可以抑制制造成本，又可以实现对APD11的增益的温度补偿。
半导体基板50包含第一导电型的半导体区域51。APD11及各温度补偿用二极管26、27、28分别包含半导体层52和半导体层53。在半导体基板50中，半导体层52是第二导电型。半导体层53是杂质浓度比半导体区域51高的第一导电型。半导体层53位于半导体区域51和半导体层52之间。这样，各温度补偿用二极管26、27、28具有与APD11同样的结构。因此，能够容易形成与增益和偏置电压相关的温度特性酷似APD11的多个温度补偿用二极管26、27、28。
在半导体基板50中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度比APD11的半导体层53的杂质浓度高。在这种情况下，在光检测装置1中，例如，APD11的击穿电压比各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压大。其结果，可实现对以线性模式动作的APD11的增益的温度补偿。
在光检测装置1中，通过将以“(1/M)×(dM/dVr)”为目标变量且以“M”为解释变量的回归直线的斜率代入式(4)的“a”，将截距代入式(4)的“b”，从而确定可得到所期望的增益的上述差分电压。因此，无需严格地考虑环境温度，就可以极容易地得到所期望的增益。
温度补偿部15具有温度补偿用二极管26、27、28。温度补偿部15将与施加至温度补偿用二极管26、27、28中的任一个的击穿电压相应的电压作为偏置电压施加至APD11。例如，在温度补偿用二极管28设为击穿状态的情况下，差分电压是从APD11的击穿电压减去与温度补偿用二极管28的击穿电压相应的电压所得的减法运算值。因此，能够以导出可得到所期望的增益的“ΔV”，使上述减法运算值成为“ΔV”的方式，设计APD11及温度补偿用二极管26、27、28的杂质浓度。
光检测装置1具备设定部40和配线部21。设定部40根据设定于APD11的增益，设定温度补偿部15。配线部21电连接温度补偿部15和APD11。多个温度补偿用二极管26、27、28具有互不相同的击穿电压。配线部21将与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压相应的电压作为偏置电压施加至APD11。设定部40以使通过将设定于APD11的增益代入式(4)的“Md”从而运算的“ΔV”成为差分电压的方式，从多个温度补偿用二极管26、27、28设定用于偏置电压的控制的温度补偿用二极管。因此，通过设定部40，从多个温度补偿用二极管26、27、28设定有用于偏置电压的控制的温度补偿用二极管。因此，无需严格地考虑环境温度，就可以极容易地得到适应于状况的所期望的增益。换句话说，可以容易地切换所期望的增益，并且可以对温度稳定地得到所期望的增益。
电路部3相对于端子22将APD11和各温度补偿用二极管26、27、28电并联地连接。在该结构中，当多个温度补偿用二极管26、27、28中的任一个设为击穿状态时，成为击穿状态的温度补偿用二极管的击穿电压作为偏置电压施加至APD11。其结果，设定APD11的击穿电压和施加至APD11的偏置电压的差分电压，APD11具有与该差分电压相应的增益。因此，根据设为击穿状态的温度补偿用二极管，可在APD11中对温度稳定地得到适应于状况的所期望的增益。
电路部3具有至少一个开关41。开关41与对应的温度补偿用二极管27、28电连接。开关41可将对应的温度补偿用二极管27、28切换为可通电状态和不可通电状态。多个温度补偿用二极管26、27、28包含温度补偿用二极管26和温度补偿用二极管28。温度补偿用二极管26具有比温度补偿用二极管28高的击穿电压。开关41与温度补偿用二极管28电连接。在这种情况下，当温度补偿用二极管28通过开关41设为可通电状态时，即使温度补偿用二极管26是可通电状态，温度补偿用二极管28也优先成为击穿状态。这样，能够通过容易的控制在APD11中切换适应于状况的所期望的增益。
至少一个开关41与对应的端子25连接。在各温度补偿用二极管26、27、28的电极29a和APD11之间施加有高电压。因此，相较于在电极29a和APD11之间配置开关41，经由端子25而将开关41与电极29b电连接更能够实现容易的控制。
电路部3不管温度补偿用二极管28是否为可通电状态，都将温度补偿用二极管26设为可通电状态。在这种情况下，即使温度补偿用二极管28损坏，或在配置有温度补偿用二极管28的附近发生了局部的温度变化，温度补偿用二极管26也会成为击穿状态。因此，可防止大电流流入APD11，防止光检测装置1的故障。
多个温度补偿用二极管26、27、28还包含温度补偿用二极管27。温度补偿用二极管27具有比温度补偿用二极管28的击穿电压高且比温度补偿用二极管26的击穿电压低的击穿电压。开关41与温度补偿用二极管27电连接。电路部3在温度补偿用二极管28为不可通电状态时，通过开关41，将温度补偿用二极管27在可通电状态和不可通电状态之间切换。在这种情况下，在温度补偿用二极管28为可通电状态时，温度补偿用二极管28成为击穿状态。在温度补偿用二极管28为不可通电状态时，如果温度补偿用二极管27成为可通电状态，则温度补偿用二极管27成为击穿状态。在温度补偿用二极管28为不可通电状态时，如果温度补偿用二极管27成为不可通电状态，则温度补偿用二极管26成为击穿状态。这样，能够通过容易的控制在APD11中切换适应于状况的所期望的增益。
接着，参照图7，对光检测装置的制造方法的一个例子进行说明。图7是表示光检测装置1中的半导体基板50的制造方法的流程图。
首先，准备半导体晶圆(工序S1)。半导体晶圆是加工成半导体基板50之前的基板，具有互相相对的主面50a、50b。半导体晶圆包含与半导体区域51对应的第一导电型的半导体区域。该半导体区域设置于半导体晶圆的主面50a侧，构成主面50a的整个面。例如，半导体晶圆的半导体区域为P－型。在本实施方式中，通过对半导体晶从主面50b侧添加杂质，从而形成有杂质浓度比半导体晶圆的半导体区域高的第一导电型的半导体层55。例如，半导体层55为P+型。
接下来，确定APD11的击穿电压和施加至APD11的偏置电压的差分电压。确定方法如下。
首先，取得表示施加至APD的偏置电压和该APD的增益的关联的数据中的以“(1/M)×(dM/dVr)”为目标变量且以“M”为解释变量的回归直线的斜率及截距(工序S2)。在此，“Vr”是施加至APD的偏置电压，“M”是施加有该偏置电压的APD的增益。工序S2中使用的上述数据是由与APD11相同的材料及构造构成的其它个体。
接着，使用工序S2中的取得结果和式(4)，确定可得到所期望的增益的上述差分电压(工序S3)。上述差分电压相当于通过将所取得的上述斜率代入式(4)的“a”、将所取得的上述截距代入式(4)的“b”、将设定于APD11的所期望的增益代入式(4)的“Md”从而运算出的“ΔV”。在本实施方式中，作为设定于APD11的增益，确定互不相同的多个值，然后针对这些值确定多个上述差分电压。通过将互不相同的多个值分别代入式(4)的“Md”从而运算出的多个“ΔV”确定为分别对应于多个值的各个的上述差分电压。
接下来，作为第一离子注入工序(工序S4)，通过利用离子注入法，将杂质离子注入至主面50a侧而添加杂质，从而形成第二导电型的半导体层52及第一导电型的半导体层53、54。例如，半导体层52为N+型，半导体层53为P型，半导体层54为P+型。在本实施方式中，半导体层52通过由一次离子注入处理，将第二导电型的杂质离子注入至相互分开的不同位置而形成。半导体层53通过在形成了半导体层52之后，将第一导电型的杂质离子注入而形成。半导体层53也可以通过在形成半导体层52之前，将第一导电型的杂质离子注入而形成。
在从与主面50a正交的方向观察时，半导体层52、53形成于相互重叠的位置。在从主面50a侧观察时，半导体层53通过将第一导电型的杂质注入至比半导体层52更深的位置而形成。在从与主面50a正交的方向观察时，半导体层52、53在构成一个半导体基板50的区域内形成于相互分开的多个位置。该多个位置包含配置APD11的位置和配置各温度补偿用二极管26、27、28的位置。在第一离子注入工序中，以使半导体层52的杂质浓度同等的方式，第二导电型的杂质添加至各位置。同样地，以使半导体层53的杂质浓度同等的方式，第一导电型的杂质添加至各位置。
接下来，作为第二离子注入工序(工序S5)，通过离子注入方法，仅在上述多个位置中的一部分位置的半导体层53中进一步添加杂质。在本实施方式中，仅在配置各温度补偿用二极管26、27、28的位置，在半导体层53中进一步注入有第一导电型的杂质。因此，在光检测装置1中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53中的杂质浓度比APD11的半导体层53中的杂质浓度高。在这种情况下，光检测装置1以APD11的击穿电压比各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压大的方式构成。
在工序S4及工序S5中注入至各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53中的第一导电型的杂质的注入量，对应于在工序S3中确定的差分电压。在本实施方式中，注入至温度补偿用二极管28的半导体层53的第一导电型的杂质的量比注入至温度补偿用二极管27的半导体层53的第一导电型的杂质的量多。由此，以温度补偿用二极管27的击穿电压比温度补偿用二极管28的击穿电压大的方式构成。注入至温度补偿用二极管27的半导体层53的第一导电型的杂质的量比注入至温度补偿用二极管26的半导体层53的第一导电型的杂质的量多。由此，以温度补偿用二极管26的击穿电压比温度补偿用二极管27的击穿电压大的方式构成。
在第二离子注入工序中，也可以不在配置各温度补偿用二极管26、27、28的位置，而是仅在配置APD11的位置，将第一导电型的杂质进一步注入至半导体层53。在这种情况下，在光检测装置1中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度比APD11的半导体层53的杂质浓度低。在该情况的光检测装置1中，以APD11的击穿电压比各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压小的方式构成。
通过以上的工序，形成有光检测装置1的半导体基板50。工序S2及工序S3也可以在工序S1之前实行，也可以在工序S4之后实行。在本实施方式中，从已经形成了半导体层55的状态开始形成半导体层52、53、54。但是，也可以在形成了半导体层52、53、54之后，形成半导体层55。
在上述制造方法中，通过将离子注入至不同的多个位置，从而在各位置形成有半导体层52和半导体层53。然后，进一步将离子注入至一部分位置的半导体层53。因此，可以容易地制造既与增益和偏置电压相关的温度特性同等、又分别设定为所期望的击穿电压的多个温度补偿用二极管26、27、28及APD11。在这种情况下，根据各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压和APD11的击穿电压的差分电压，可以任意地设定APD11的增益。因此，如果各温度补偿用二极管26、27、28和APD11分别设定为所期望的击穿电压，则能够实现检测精度的提高。例如，如果根据上述差分电压，来将APD11的增益设定为S/N比高的最佳倍增因子Mopt，则可实现检测精度的提高。这样，在上述制造方法中，既可以抑制制造成本，又可以实现对APD11的增益的温度补偿，可实现检测精度的提高。
在上述差分电压的确定方法中，取得以“(1/M)×(dM/dVr)”为目标变量且以“M”为解释变量的回归直线的斜率及截距。通过将所取得的斜率代入式(4)的“a”，将所取得的截距代入式(4)的“b”，从而确定可得到所期望的增益的上述差分电压。因此，无需严格地考虑环境温度，就可极容易地确定可得到所期望的增益的上述差分电压。
在上述确定方法中，通过将互不相同的多个值作为设定于APD11的增益分别代入式(4)的“Md”从而运算出的多个“ΔV”确定为分别对应于多个值的各个的差分电压。因此，无需严格地考虑环境温度，就能极容易地确定对应于多个值的各个的多个上述差分电压。
以上，对本发明的实施方式及变形例进行了说明，但本发明不必限定于上述的实施方式及变形例，可在不脱离其主旨的范围内进行种种变更。
在本实施方式中，对所谓的直通型的APD11以线性模式动作的结构进行了说明。光检测装置1也可以是反向型的APD11以线性模式动作的结构。
在本实施方式中，对具有电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33及设定部40的光检测装置1进行了说明。但是，本实施方式的光检测装置也可以具有不包含电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33及设定部40中的至少一个的结构。在这种情况下，与光检测装置连接的外部装置也可以作为电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33或设定部40发挥功能。光检测装置1也可以包含未图示的信号读出电路。
在本实施方式中，对开关41与光检测部20的端子25连接，该开关41由设定部40控制的结构进行了说明。但是，开关41也可以配置于光检测部20的内部。
在本实施方式中，对端子22、23、24、25作为焊盘电极进行了说明。但是，端子22、23、24、25也可以由半导体基板50内的半导体构成。
切换各温度补偿用二极管26、27、28和APD11的电连接的开关41也可以配置于配线部21，配线部21内的开关41的开/关通过设定部40来控制。在这种情况下，也可通过设定部40，来控制对APD11施加的偏置电压。由于在APD11和各温度补偿用二极管26、27、28之间施加有高电压，因此与控制配置于配线部21的开关的情况相比，控制与端子25连接的开关41较为容易。
在温度补偿部15，也可以包含具有互相相同的击穿电压的多个温度补偿用二极管。根据该结构，即使温度补偿用二极管的一部分损坏，或在配置有温度补偿用二极管的一部分的附近发生了局部的温度变化，也能够实现光检测装置1的正常动作。

Claims (5)

1.一种光检测装置，其特征在于，
具备：
雪崩光电二极管；
多个温度补偿用二极管，其各自具有第一及第二电极，并且具有比所述雪崩光电二极管低的互不相同的击穿电压；以及
电路部，其将所述多个温度补偿用二极管中的任一个设为击穿状态，
所述电路部包含：多个第一端子，其各自与互不相同的所述温度补偿用二极管的所述第二电极连接；以及第二端子，其与所述雪崩光电二极管和各所述温度补偿用二极管的所述第一电极电连接。
2.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述电路部具有至少一个开关，其与对应的所述温度补偿用二极管电连接，并且切换所述对应的温度补偿用二极管为可通电状态和不可通电状态，
所述多个温度补偿用二极管包含：第一温度补偿用二极管；以及第二温度补偿用二极管，其具有比所述第一温度补偿用二极管高的击穿电压，
所述开关与所述第一温度补偿用二极管电连接。
3.根据权利要求2所述的光检测装置，其特征在于，
所述至少一个开关与对应的所述第一端子连接。
4.根据权利要求2或3所述的光检测装置，其特征在于，
所述电路部不管所述第一温度补偿用二极管是否为可通电状态，都将所述第二温度补偿用二极管设为可通电状态。
5.根据权利要求4所述的光检测装置，其特征在于，
所述多个温度补偿用二极管还包含第三温度补偿用二极管，其具有比所述第一温度补偿用二极管的击穿电压高且比所述第二温度补偿用二极管的击穿电压低的击穿电压，
所述开关与所述第三温度补偿用二极管电连接，
所述电路部在所述第一温度补偿用二极管为不可通电状态时，通过所述开关，将所述第三温度补偿用二极管在可通电状态和不可通电状态之间切换。
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