CN113488551A - 光检测元件、光检测系统、激光雷达装置以及移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制噪声的光检测元件、光检测系统、激光雷达装置以及移动体。光检测元件具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域。周边区域的厚度方向上的至少一部分的第一层区域的晶格缺陷的密度或者第一层区域所含的杂质的浓度比所述光检测区域中的在与所述厚度方向交叉的方向上与该第一层区域邻接的第二层区域的晶格缺陷的密度或者第二层区域所含的杂质的浓度高。

Description

光检测元件、光检测系统、激光雷达装置以及移动体
技术领域
本发明的实施方式涉及光检测元件、光检测系统、激光雷达装置以及移动体。
背景技术
已知有排列有多个APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)的SiPM(Silicon Photo Multiplier，硅光电倍增管)等光检测元件。SiP通过在比MAPD的击穿电压高的反向偏置电压条件下使APD动作，从而在被称作盖革模式的区域中进行驱动。盖革模式动作时的APD的增益非常高，为105～106，即使是一个光子(photon)的微弱的光也能够进行计测。
在构成SiPM的APD中，由于在光子入射时产生雪崩击穿(Avalanche breakdown：ABD)，因而在Si(硅)结晶内产生二次光子。该二次光子向周边传播，通过光激励生成电子空穴对(electron hole pair：EHP)。
发明内容
以往，通过所生成的电子空穴对的电子或者空穴扩散，并延迟扩散所需的时间而达到原来的APD并再次引起ABD，有时产生被称作后脉冲的延迟性噪声。另外，由于所生成的电子空穴对的电子或者空穴扩散，并延迟扩散所需的时间而达到与原来不同的APD并引起ABD，有时产生被称作延迟性串扰(crosstalk)的噪声。即，以往存在产生噪声的情况。
本发明是鉴于上述而完成，目的在于提供一种能够抑制噪声的光检测元件、光检测系统、激光雷达装置以及移动体。
实施方式的光检测元件具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域。所述周边区域的厚度方向上的至少一部分的第一层区域的晶格缺陷的密度比所述光检测区域中的在与所述厚度方向交叉的方向上与该第一层区域邻接的第二层区域的晶格缺陷的密度高。
根据上述的光检测元件，能够抑制噪声的产生。
附图说明
图1是表示第一实施方式的光检测元件的图。
图2是第一实施方式的光检测元件的示意图。
图3是第一实施方式的光检测元件的示意图。
图4是表示以往的光检测元件的示意图。
图5是表示第二实施方式的光检测元件的图。
图6是表示第三实施方式的光检测元件的图。
图7是第四实施方式的光检测元件的俯视图。
图8是第四实施方式的光检测元件的俯视图。
图9是第四实施方式的光检测元件的示意图。
图10是第五实施方式的光检测元件的示意图。
图11是表示第六实施方式的光检测元件的图。
图12是第六实施方式的光检测元件的示意图。
图13是第七实施方式的激光雷达装置的示意图。
图14是由第七实施方式的激光雷达装置进行的检测对象的检测的说明图。
图15是第七实施方式的移动体的上表面概略图。
附图标记说明
10A、10A’、10B、10C、10D、10E、10F、10F’ 光检测元件
12、19 第一半导体层
14 第二半导体层
15、17 第二层区域
16 p－半导体层
20 n+半导体层
30 APD
32 二极管分离区域
50 激光雷达装置
57 图像识别系统
80 移动体
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参照附图对本实施方式的详细情况进行说明。图1是表示光检测元件10A的一个例子的图。
光检测元件10A具备第一半导体层12和第二半导体层14。
第一半导体层12对光进行检测。第一半导体层12是排列有作为光检测部的多个APD(Avalanche Photo Diode)30的SiPM(Silicon Photo Multiplier)。
APD30包含pn结，是形成为pn型二极管的雪崩光电二极管。在本实施方式中，以盖革模式驱动APD30。
多个APD30沿着光入射的第一面S而排列成矩阵状。第一面S是光的入射面，在图1中，是由箭头X方向以及箭头Y方向构成的二维平面。箭头X方向与箭头Y方向是相互正交的方向。第一面S相当于第一半导体层12中的光入射侧的端面。第一半导体层12也可以是将一个或者多个APD30作为一个像素的像素区域并以矩阵状排列多个该像素区域的构成。以矩阵状排列是指，沿X方向以及Y方向这两方排列。
光检测元件10A具有光检测区域E1和周边区域E2。光检测区域E1是排列有多个APD30的区域。周边区域E2是设于光检测区域E1的周围且不包含作为光检测部的APD的半导体区域。
图2是表示光检测元件10A的截面的一个例子的示意图。图2相当于图1的A－A’截面。
光检测元件10A是依次层叠共用电极34、第二半导体层14、第一半导体层12、防反射膜26或绝缘膜28、以及灭弧电阻24而成的层叠构造。
第二半导体层14是不包含光检测部的半导体层。第二半导体层14例如是P+型的半导体层。第二半导体层14只要是半导体层即可，可以是基板状、膜状的任一种。另外，第二半导体层14也可以是n型的半导体层。在为基板状的情况下，例如第二半导体层14只要由Si基板构成即可。
第一半导体层12是包含作为光检测部的APD的半导体层。即，第一半导体层12是在光检测区域E1中排列有APD30的半导体层。在本实施方式中，APD30包含由形成于p－半导体层16上的p+半导体层18与n+半导体层20形成的pn结。
在第一半导体层12中的APD30之间形成有二极管分离区域32。二极管分离区域32是用于将邻接的APD30元件分离的区域。二极管分离区域32是与第一半导体层12的第一面S连续的区域。在二极管分离区域32上设有绝缘膜28。绝缘膜28由绝缘性的材料构成。绝缘膜28由使向第一半导体层12入射的光透过、并且具有绝缘性的材料构成。
在多个APD30的各个上设有防反射膜26。防反射膜26是防止来自外部的检测对象光子的检测元件表面上的反射、并以较高的效率向APD30入射所用的层。防反射膜26只要由具有以较高的效率使光子入射的功能的材料构成即可。另外，光检测元件10A也可以是不具备防反射膜26的构成。
在多个APD30的各个上隔着防反射膜26设有灭弧电阻24。灭弧电阻24经由接触层22而与APD30串联连接。灭弧电阻24成为在APD30中被放大的电荷的通路。即，为了使APD30盖革模式驱动，需要灭弧电阻24。
例如，在一个光子入射而APD30进行了盖革放电时，由于由灭弧电阻24引起的电压下降而放大作用终止。因此，在APD30中，可获得脉冲状的输出信号。在第一半导体层12中，各APD30发挥该作用。因此，在多个APD30中发生了盖革放电的情况下，对于一个APD30的输出信号，可获得发生了盖革放电的APD30的数倍的电荷量或者脉冲峰值的输出信号。由此，能够根据输出信号计测发生了盖革放电的APD30的数量、即入射到第一半导体层12的光子的数量，因此能够对一个一个的光子进行光子计测。在灭弧电阻24中例如使用多晶硅。
灭弧电阻24与省略图示的信号电极连接。因此，从各APD30输出的脉冲状的信号经由灭弧电阻24输出至信号电极。
另一方面，如上述那样，周边区域E2是不包含光检测部的半导体区域。在本实施方式中，第一半导体层12中的周边区域E2包含第一层区域40。在第一层区域40上设有绝缘膜28。
第一层区域40是周边区域E2的厚度方向(箭头Z方向)上的至少一部分的层区域。层区域是指，沿着XY平面(与第一面S大致平行的平面)的层状的区域。箭头Z方向是与箭头X方向以及箭头Y方向正交的方向。
在图2中，作为一个例子，示出了第一层区域40为占据第一半导体层12的周边区域E2的区域的方式。另外，第一层区域40也可以是占据第一半导体层12的周边区域E2的一部分的层区域。另外，第一层区域40也可以是光检测元件10A的周边区域E2的厚度方向上的第一半导体层12以及第二半导体层14的至少一部分的层区域。
第一层区域40例如是p+型的半导体层。另外，第一层区域40也可以是n型的半导体层。
第一层区域40的晶格缺陷的密度比第二层区域15高。第二层区域15是第一半导体层12的光检测区域E1中的、在与厚度方向Z交叉的方向(箭头X方向或者箭头Y方向)上与该第一层区域40邻接的层区域。在本实施方式中，第二层区域15相当于与第一层区域40邻接的p－半导体层16。
第一层区域40的晶格缺陷的密度只要比第二层区域15的晶格缺陷的密度高即可，但优选为高1.1倍以上，更优选为高2倍以上。
晶格缺陷是指点缺陷。晶格缺陷的密度可通调整氢(H)、氦(He)或者电子束的照射量、或杂质的掺杂量、或晶格间硅(Si)的量来实现。在本实施方式中，只要以使第一层区域40的晶格缺陷的密度比第二层区域15的晶格缺陷的密度高的方式调整氦或者电子束的照射量、或杂质的掺杂量即可。另外，关于掺杂的杂质，在第一层区域40与第二层区域15中可以相同，也可以不同。
另外，对第一层区域40掺杂的杂质只要是使少数载流子寿命(minority carrierlifetime)缩短的杂质即可，并不限定于N型或者P型用的杂质。另外，对第一层区域40掺杂的杂质优选为硅中的扩散系数不大的杂质。即，对第一层区域42掺杂的杂质也可以是不作为载流子或者施主发挥功能的杂质(例如，碳(C)等)。具体而言，例如，对第一层区域40掺杂的杂质为选自硼(B)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、镓(Ga)、碳(C)、锗(Ge)、金(Au)、白金(Pt)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中的至少1种以上。
晶格缺陷的密度只要通过公知的方法测定即可。例如，作为晶格缺陷的密度的测定方法，可列举对检查面照射光(光致发光光、电致发光光等)而通过图像分析对存在于检查面整体的结晶缺陷的种类与密度进行映射的方法、利用光致发光法以非破坏·非接触的方式进行试样的结晶结构缺陷的二维分布评价的方法、利用光声分光装置测定声学波的方法、从检查面反射的散射光图像检测表层缺陷的方法等。
第一层区域40的厚度以及光检测元件10A的厚度方向上的第一层区域40的位置并未被限定。第一层区域40的厚度是指，第一层区域40的箭头Z方向的长度。另外，第一层区域40的厚度以及光检测元件10A的厚度方向(箭头Z方向)上的第一层区域40的位置优选为以下。详细地说，光检测元件10A的周边区域E2的厚度方向上的第一层区域40的位置优选为与第一半导体层12的第一面S连续的位置。即，第一层区域40优选为在周边区域E2中与第一面S连续的区域。另外，第一层区域40的厚度优选比与第一半导体层12的第一面S连续的区域即二极管分离区域32的厚度大。
第一层区域40的厚度例如优选为二极管分离区域32的厚度的1.1倍以上，更优选为2倍以上。
如图2所示，第一层区域40也可以是占据第一半导体层12的周边区域E2的厚度方向(箭头Z方向)的整个区域的层。另外，光检测元件10A也可以是图3所示的构成。图3是光检测元件10A’的一个例子的示意图。光检测元件10A’是光检测元件10A的变形例。光检测元件10A’除了与第一层区域40的厚度不同这一点以外，是与光检测元件10A相同的构成。
如图3所示，第一层区域40优选为，在周边区域E2中与第一面S连续的区域、且比与第一半导体层12的第一面S连续的区域即二极管分离区域32的厚度大。另外，如图3所示，第一半导体层12中的周边区域E2也可以是在p－半导体层16上层叠有第一层区域40的构成。返回到图2继续进行说明。
接下来，对本实施方式的光检测元件10A的制造方法的一个例子进行说明。
首先，准备第二半导体层14，在第二半导体层14上形成共用电极34。接下来，在第二半导体层14中的共用电极34的相反侧的面上，通过外延生长形成p－半导体层16。然后，以使p－半导体层16的一部分成为p+半导体层18的方式，对光检测区域E1掺杂杂质(例如，硼)。然后，通过杂质的掺杂，在p+半导体层18上形成n+半导体层20。通过这些工序，在第二半导体层14上形成具备多个APD30的第一半导体层12的光检测区域E1。
接下来，进行各APD30的元件分离，以避免各APD30相互电干扰。元件分离通过将各APD30之间的区域形成为例如Deep Trench Isolation(深沟槽隔离)结构、基于杂质(例如，磷)的注入的沟道截断结构而进行。通过元件分离，在各APD30之间形成沟道截断区域28A。
另一方面，在第二半导体层14上的周边区域E2，通过外延生长形成第一层区域40。此时，以使第一层区域40的晶格缺陷的密度比作为第二层区域15的p－半导体层16的晶格缺陷的密度高的方式，调整氦(He)或电子束的照射量、或者杂质的掺杂量。
接下来，在第一半导体层12上形成绝缘膜28。接下来，通过蚀刻等去除绝缘膜28中的相当于邻接的APD30间的区域，并形成防反射膜26。例如，通过在氧化膜上层叠氮化膜来形成防反射膜26。
接下来，形成用于使APD30与灭弧电阻24导通的接触层22，经由接触层22而使APD30与灭弧电阻24导通。
通过经过这些工序，可制造光检测元件10A。
接下来，对本实施方式的光检测元件10A的作用进行说明。
首先，对以往的光检测元件100进行说明。图4是表示以往的光检测元件100的一个例子的示意图。光检测元件100代替第一半导体层12而具备比较第一半导体层120。比较第一半导体层120除了周边区域E2由与光检测区域E1的p－半导体层16相同的p－半导体层16构成这一点以外，是与第一半导体层12相同的构成。
当光子入射到比较第一半导体层120的APD30时，因ABD(雪崩击穿)而产生二次光子P。该二次光子P向周边传播，通过光激励而生成电子空穴对EHP。在以往的光检测元件100中，当EHP的电子或者空穴扩散并延迟扩散所需的时间而达到原来的APD30时，有时再次引起ABD并产生被称作后脉冲的延迟性的噪声。另外，以往，当EHP的电子或者空穴扩散并延迟扩散所需的时间而达到与原来不同的APD30并引起ABD时，有时造成被称作延迟性串扰的噪声。
返回到图2继续进行说明。在本实施方式的光检测元件10A中，设想由入射到APD30的光子产生的二次光子P从第一半导体层12中的光检测区域E1向周边区域E2传播的情况。
在本实施方式中，周边区域E2的第一层区域40的晶格缺陷的密度比光检测区域E1的第二层区域15(p－半导体层16)的晶格缺陷的密度高。因此，认为该晶格缺陷的密度高的第一层区域40作为少数载流子的寿命抑制因素(lifetime killer)而发挥功能。详细地说，认为由从光检测区域E1向周边区域E2传播的二次光子P生成的电子空穴对EHP(在图2中，参照EHP1、EHP2)在晶格缺陷的密度高的第一层区域40中与多数载流子再结合而消失。因此，认为在本实施方式的光检测元件10A中，能够实现少数载流子寿命的降低，能够抑制延迟性噪声、延迟性串扰等噪声的产生。
因而，本实施方式的光检测元件10A能够抑制噪声的产生。
(第二实施方式)
在本实施方式中，对通过调整第一层区域40的杂质浓度而使第一层区域40作为少数载流子的寿命抑制因素发挥功能的方式进行说明。
图5是表示光检测元件10B的一个例子的图。光检测元件10B与上述实施方式的光检测元件10A相同，具备第一半导体层12和第二半导体层14。光检测元件10B的俯视图与上述实施方式的光检测元件10A相同(参照图1)。
光检测元件10B是在共用电极34上依次层叠第二半导体层14、第一半导体层12、防反射膜26或绝缘膜28、以及灭弧电阻24而成的层叠构成。共用电极34、第二半导体层14、以及第一半导体层12的光检测区域E1与上述实施方式的光检测元件10A相同。
在本实施方式中，第一半导体层12的周边区域E2代替第一层区域40而包含第一层区域42。第一层区域42是不包含光检测部的半导体区域。在第一层区域42上层叠有绝缘膜28。
第一层区域42是周边区域E2的厚度方向(箭头Z方向)上的至少一部分的层区域。层区域的定义与上述实施方式相同。在图5中，作为一个例子，示出了第一层区域42为占据第一半导体层12中的周边区域E2的区域的方式。另外，第一层区域42也可以是占据第一半导体层12的周边区域E2的一部分的层区域。另外，第一层区域42也可以是周边区域E2的厚度方向上的第一半导体层12以及第二半导体层14的至少一部分的层区域。
第一层区域42例如为p+型的半导体层。另外，第一层区域42也可以是n型的半导体层。第一层区域42所含的杂质的浓度比第二层区域17所含的杂质的浓度高。第二层区域17是在与厚度方向Z交叉的方向(箭头X方向或者箭头Y方向)上与第一层区域42邻接的层区域。在本实施方式中，第二层区域17相当于与第一层区域42邻接的p－半导体层16。
第一层区域42所含的杂质的浓度比第二层区域17高是指，第一层区域42所含的一种或者多种杂质的总浓度比第二层区域17所含的一种或者多种杂质的总浓度高。
第一层区域42的杂质的浓度只要比第二层区域17的杂质的浓度高即可，但优选为高1.1倍以上，更优选为高2倍以上。
在本实施方式中，只要以第一层区域42的杂质的浓度比第二层区域17的杂质的浓度高的方式调整针对这些区域的杂质的掺杂量即可。另外，关于掺杂的杂质，在第一层区域42与第二层区域17中可以相同，也可以不同。
在第一层区域42中掺杂的杂质只要是使少数载流子寿命缩短的特定杂质即可，并不限定于N型用或者P型用的杂质。即，对第一层区域42掺杂的杂质也可以是不作为载流子或者施主发挥功能的杂质(例如，碳(C)等)。具体而言，例如，对第一层区域42掺杂的杂质选自硼(B)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、镓(Ga)、碳(C)、锗(Ge)、金(Au)、白金(Pt)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中的至少1种以上。
第一层区域42以及第二层区域17所含的杂质的浓度只要通过公知的方法测定即可。例如，通过二次离子质谱法(SIMS)测定即可。
第一层区域42的厚度以及光检测元件10B的厚度方向上的第一层区域42的位置并未被限定。第一层区域42的厚度是指第一层区域42的箭头Z方向的长度。另外，第一层区域42的厚度以及光检测元件10B的厚度方向(箭头Z方向)上的第一层区域42的位置优选为以下。详细地说，光检测元件10B的周边区域E2的厚度方向上的第一层区域42的位置优选为，与第一半导体层12的第一面S连续的位置。即，第一层区域42优选为在周边区域E2中与第一面S连续的区域。另外，第一层区域42的厚度优选为，比与第一半导体层12的第一面S连续的区域即二极管分离区域32的厚度大。
第一层区域42的厚度例如优选为二极管分离区域32的厚度的1.1倍以上，更优选为2倍以上。
因此，如图5所示，第一层区域42也可以是占据第一半导体层12的周边区域E2的厚度方向(箭头Z方向)的整个区域的层。另外，光检测元件10B也可以是图3所示的构成。如图3所示，第一层区域42优选为，在周边区域E2中与第一面S连续的区域、且比与第一半导体层12的第一面S连续的区域即二极管分离区域32的厚度大。另外，第一半导体层12中的周边区域E2也可以是在p－半导体层16上层叠有第一层区域42的构成。返回到图5继续进行说明。
本实施方式的光检测元件10B的制造方法除了在第二半导体层14上的周边区域E2通过外延生长形成第一层区域42这一点以外与光检测元件10A相同。此时，只要以第一层区域42的杂质浓度比作为第二层区域17的p－半导体层16高的方式调整杂质的掺杂量即可。
接下来，对本实施方式的光检测元件10B的作用进行说明。使用图5进行说明。
在本实施方式的光检测元件10B中，设想由入射到第一半导体层12的APD30的光子产生的二次光子P从第一半导体层12中的光检测区域E1向周边区域E2传播的情况。在本实施方式中，周边区域E2的第一层区域42的杂质浓度比光检测区域E1的第二层区域17(p－半导体层16)的杂质浓度高。因此，认为杂质浓度高的第一层区域42作为少数载流子的寿命抑制因素而发挥功能。详细地说，认为由从光检测区域E1向周边区域E2传播二次光子P生成的电子空穴对EHP在杂质浓度高的第一层区域42中与多数载流子再结合而消失。因此，在本实施方式的光检测元件10B中，认为能够实现少数载流子的载流子寿命的降低，并能够抑制延迟性噪声、延迟性串扰等噪声的产生。
因而，本实施方式的光检测元件10B能够抑制噪声的产生。
(第三实施方式)
在本实施方式中，对通过调整周边区域E2的厚度而使周边区域E2作为少数载流子的寿命抑制因素发挥功能的方式进行说明。
图6是表示光检测元件10C的一个例子的图。光检测元件10C与上述实施方式的光检测元件10A相同，具备第一半导体层12和第二半导体层14。光检测元件10C的俯视图与上述实施方式的光检测元件10A相同(参照图1)。
光检测元件10C是在共用电极34上依次层叠第二半导体层14、第一半导体层12、防反射膜26或绝缘膜28、以及灭弧电阻24而成的构成。共用电极34、第二半导体层14、以及第一半导体层12的光检测区域E1与上述实施方式的光检测元件10A相同。
在本实施方式中，第一半导体层12的周边区域E2的厚度小于第一半导体层12的光检测区域E1的厚度。
在图6中，作为一个例子，示出了第一半导体层12的周边区域E2不包含半导体层的方式。另外，在光检测元件10C中，第一半导体层12的周边区域E2的厚度只要小于第一半导体层12的光检测区域E1的厚度即可，也可以是第一半导体层12的周边区域E2包含半导体层的方式。但是，该半导体层只要是不包含光检测部的半导体的层即可。
另外，光检测元件10E除了上述构成之外，也可以是在周边区域E2还不包含第二半导体层14的构成。在该情况下，光检测元件10C的周边区域E2例如只要采用依次层叠共用电极34、玻璃基板、绝缘膜28而成的构成即可。另外，在该情况下，光检测元件10C的周边区域E2也可以是不具备绝缘膜28的构成。
本实施方式的光检测元件10C除了使第一半导体层12的周边区域E2的厚度小于第一半导体层12的光检测区域E1这一点以外，只要与光检测元件10A同样地制造即可。
接下来，对本实施方式的光检测元件10C的作用进行说明。
在本实施方式的光检测元件10C中，设想由入射到第一半导体层12的APD30的光子产生的二次光子P从第一半导体层12中的光检测区域E1朝向周边区域E2传播的情况。在本实施方式中，第一半导体层12的周边区域E2的厚度小于第一半导体层12的光检测区域E1的厚度。因此，认为可抑制由从光检测区域E1向周边区域E2传播的二次光子P生成的电子空穴对EHP再次到达光检测区域E1内的APD30。因此，认为在本实施方式的光检测元件10C中，能够实现少数载流子的载流子寿命的降低，并能够抑制延迟性噪声、延迟性串扰等噪声的产生。
因而，本实施方式的光检测元件10C能够抑制噪声的产生。
(第四实施方式)
在本实施方式中，对通过使沿着光检测区域E1的周缘而排列的APD30的至少一个的灵敏度比配置于中央侧的其他APD30的灵敏度低而使该灵敏度低的APD30作为少数载流子的寿命抑制因素发挥功能的方式进行说明。
图8是表示本实施方式的光检测元件10D’的一个例子的俯视图。
光检测元件10D’具备第一半导体层13和第二半导体层14。第二半导体层14与第一实施方式相同。
第一半导体层13对光进行检测。第一半导体层13是排列有作为光检测部的多个APD30的SiPM。APD30与上述实施方式相同。与上述实施方式相同，多个APD30沿着光入射的第一面S排列成矩阵状。
光检测元件10D’沿着第一面S具有光检测区域E1和周边区域E2。光检测区域E1以及周边区域E2的定义与上述实施方式相同。
在本实施方式中，在排列于光检测区域E1的多个APD30中，周缘APD30A的灵敏度比相对于该周缘APD30A配置于光检测区域E1的中央C侧的其他APD30即中央APD30B的灵敏度低。灵敏度是指，APD30对光(光子)的灵敏度。
周缘APD30A是周缘光检测部的一个例子。周缘APD30A是指沿光检测区域E1的周缘而排列的APD30中的至少一个。沿着光检测区域E1的周缘而排列的APD30是指，沿着第一半导体层13的第一面S1上的光检测区域E1的周缘排列成一列的APD30的组。
光检测区域E1的中央C是指，沿着第一面S以矩阵状排列的APD30的组的区域的中央C。
在图8中，作为一个例子，示出了周缘APD30A沿着光检测区域E1的周缘排列成一列的APD30的组的方式。另外，在图8中，作为一个例子，示出了光检测区域E1中的该周缘APD30A以外的APD30为中央APD30B的方式。
在本实施方式中，对周缘APD30A所含的pn结的沿着第一面S的方向的面积比中央APD30B所含的pn结的沿着第一面S的方向的面积小的方式进行说明。因此，周缘APD30A的灵敏度比中央APD30B的灵敏度低。pn结的沿着第一面S的方向的面积是指，构成pn结的P层(例如，p+半导体层18)与N层(例如，n+半导体层20)的接合面的沿着第一面S的方向的面积。
在本实施方式中，具体而言，构成周缘APD30A所含的pn结的p+半导体层18相对于n+半导体层20的面积率比构成中央APD30B所含的pn结的p+半导体层18相对于n+半导体层20的面积率小。p+半导体层18相对于n+半导体层20的面积率是指，构成该pn结的p+半导体层18的沿着第一面S的二维平面的面积相对于构成pn结的n+半导体层20的沿着第一面S的二维平面的面积的比例。
另外，构成周缘APD30A所含的pn结的p+半导体层18相对于n+半导体层20的位置优选配置于比中央APD30B更靠中央C侧的位置。
因此，在多个周缘APD30A中，配置于矩形状的区域即光检测区域E1的角部的周缘APD30A1的p+半导体层18成为偏向中央C侧而配置的状态。另外，在多个周缘APD30A中，配置于光检测区域E1的角部以外的周缘APD30A2的p+半导体层18成为偏向中央C侧而配置的状态。
另外，在图7中，作为一个例子，示出了周缘APD30A所含的p+半导体层18在周缘APD30A间分离地配置的例子。但是，如图8所示，光检测元件10D’也可以是周缘APD30A所含的p+半导体层18在周缘APD30A间连续地配置的构成的光检测元件10D。另外，光检测元件10D除了周缘APD30A所含的p+半导体层18在周缘APD30A间连续地配置这一点以外与光检测元件10D’相同。以下，以光检测元件10D为例进行说明。
图9是表示光检测元件10D的截面的一个例子的示意图。另外，图9相当于图8的B－B’截面。
如图9所示，构成周缘APD30A所含的pn结的p+半导体层18相对于n+半导体层20的面积率比构成中央APD30B所含的pn结的p+半导体层18相对于n+半导体层20的面积率小。
周缘APD30A的上述面积率只要小于中央APD30B的上述面积率即可，但优选的是，周缘APD30A的上述面积率优选为中央APD30B的上述面积率的9/10以下，更优选为1/2以下。
另外，如图9所示，优选的是，构成周缘APD30A所含的pn结的p+半导体层18相对于n+半导体层20的位置与中央APD30B相比偏向中央C侧而配置。
本实施方式的光检测元件10D的制造方法除了以使周缘APD30A所含的pn结的沿着第一面S的方向的面积比中央APD30B所含的pn结的沿着第一面S的方向的面积小的方式形成APD30这一点以外与光检测元件10A相同。
接下来，对本实施方式的光检测元件10D的作用进行说明。
在本实施方式的光检测元件10D中，设想由入射到第一半导体层13的APD30的光子产生的二次光子P从第一半导体层12中的光检测区域E1朝向周边区域E2传播的情况。在本实施方式中，沿着光检测区域E1的周缘排列的至少一个APD30即周缘APD30A的灵敏度比中央APD30B的灵敏度低。
因此，认为可抑制二次光子P从光检测区域E1朝向周边区域E2传播。因此，认为在本实施方式的光检测元件10D中，能够实现少数载流子的载流子寿命的降低，并能够抑制延迟性噪声、延迟性串扰等噪声的产生。
因而，本实施方式的光检测元件10D能够抑制噪声的产生。
(第五实施方式)
在本实施方式中，对通过调整周缘APD30A所含的pn结的杂质浓度而使周缘APD30A的灵敏度比中央APD30B的灵敏度低的方式进行说明。
图10是表示本实施方式的光检测元件10E的一个例子的图。光检测元件10E具备第一半导体层19和第二半导体层14。第二半导体层14与第一实施方式相同。光检测元件10E的俯视图与上述实施方式的光检测元件10D相同(参照图8)。
第一半导体层19对光进行检测。第一半导体层19是排列有作为光检测部的多个APD30的SiPM。APD30与上述实施方式相同。与上述实施方式相同，多个APD30沿着光入射的第一面S而排列成矩阵状。
光检测元件10E沿着第一面S具有光检测区域E1和周边区域E2。光检测区域E1以及周边区域E2的定义与上述实施方式相同。
在本实施方式中，在排列于光检测区域E1的多个APD30中，周缘APD30A的灵敏度比相对于该周缘APD30A配置于光检测区域E1的中央C侧的中央APD30B的灵敏度低。周缘APD30A以及中央APD30B的定义与上述实施方式相同。
在本实施方式中，构成周缘APD30A所含的pn结的p+半导体层18以及n+半导体层20中的至少一方的杂质浓度比构成中央APD30B所含的pn结的p+半导体层18以及n+半导体层20中的至少一方的杂质浓度低。
在图10中，作为一个例子示出了周缘APD30A的pn结由p－半导体层16与n+半导体层20构成、中央APD30B的pn结由p+半导体层18与n+半导体层20构成的方式。
另外，光检测元件10E只要为构成周缘APD30A所含的pn结的p层以及n层中的至少一方的杂质浓度比构成中央APD30B所含的pn结的p层以及n层中的至少一方的杂质浓度低即可。周缘APD30A以及中央APD30B的各个所含的杂质的种类并未被限定。
例如，构成周缘APD30A所含的pn结的p层以及n层中的至少一方的杂质浓度优选为，构成中央APD30B所含的pn结的p层以及n层中的至少一方的杂质浓度的9/10以下，更优选为1/2以下。
本实施方式的光检测元件10E的制造方法除了以使周缘APD30A所含的pn结的杂质浓度比中央APD30B所含的pn结的杂质浓度低的方式形成APD30这一点以外与光检测元件10A相同。
接下来，对本实施方式的光检测元件10E的作用进行说明。
在本实施方式的光检测元件10E中，设想由入射到第一半导体层19的APD30的光子产生的二次光子P从第一半导体层19中的光检测区域E1朝向周边区域E2传播的情况。在本实施方式中，沿着光检测区域E1的周缘排列的至少一个APD30即周缘APD30A的灵敏度比中央APD30B的灵敏度低。
因此，认为可抑制二次光子P从光检测区域E1朝向周边区域E2传播。因此，认为在本实施方式的光检测元件10E中，能够实现少数载流子的载流子寿命的降低，并能够抑制延迟性噪声、延迟性串扰等噪声的产生。
因而，本实施方式的光检测元件10E能够抑制噪声的产生。
(第六实施方式)
在本实施方式中，对通过由遮光膜覆盖周缘APD30A的光入射面的至少一部分而使周缘APD30A的灵敏度比中央APD30B的灵敏度低的方式进行说明。
图11是表示本实施方式的光检测元件10F的一个例子的图。光检测元件10F具备第一半导体层12、第二半导体层14、以及遮光膜44。光检测元件10F是依次层叠共用电极34、第二半导体层14、第一半导体层12、防反射膜26或绝缘膜28、灭弧电阻24、以及遮光膜44而成的层叠构造。共用电极34、第二半导体层14、第一半导体层12、灭弧电阻24、防反射膜26、以及绝缘膜28与第一实施方式相同。
遮光膜44配置于沿着光检测区域E1的周缘排列的APD30的至少一个即周缘APD30A中的光入射面的至少一部分上。周缘APD30A的定义与上述实施方式相同。
在图11中，作为一个例子，示出了以遮光膜44覆盖周缘APD30A的光入射面的一部分的方式配置的方式。周缘APD30A的光入射面相当于周缘APD30A的第一面S。
另外，遮光膜44优选的是，如图12的光检测元件10F’所示那样，还配置于周边区域E2的光入射面的至少一部分上。图12是表示光检测元件10F’的一个例子的示意图。光检测元件10F’除了遮光膜44的位置不同这一点以外与光检测元件10F相同的构成。
如图12所示，遮光膜44优选为，以从第一半导体层12的光入射面的周边区域E2起连续地覆盖光检测区域E1的周缘APD30A的至少一部分的方式配置。
遮光膜44只要由对APD30具有灵敏度的光进行遮光的材料构成即可。在遮光膜44具有导电性的情况下，在与信号电极、灭弧电阻之间设置绝缘膜。遮光膜44例如只要由包含选自铝、铜、碳黑中的至少一种的材料构成即可。
光检测元件10F的制造方法除了进一步在光检测元件10A上设置遮光膜44这一点以外与上述实施方式的光检测元件10A相同。
接下来，对本实施方式的光检测元件10F的作用进行说明。使用图11进行说明。
在本实施方式的光检测元件10F中，设想由入射到第一半导体层12的APD30的光子产生的二次光子P从第一半导体层12中的光检测区域E1朝向周边区域E2传播的情况。在本实施方式中，在沿着光检测区域E1的周缘排列的至少一个APD30即周缘APD30A上设有遮光膜44。因此，成为周缘APD30A的灵敏度比中央APD30B的灵敏度低的状态。
因此，认为可抑制二次光子P从光检测区域E1朝向周边区域E2传播。因此，认为在本实施方式的光检测元件10F中，能够在周边区域E2中实现由二次光子P产生的EHP的降低，并能够抑制延迟性串扰等延迟性噪声的产生。
因而，本实施方式的光检测元件10F能够抑制噪声的产生。
另外，也能够将上述的实施方式的光检测元件10A～光检测元件10F、晶体管、二极管、电阻器、电容器等其他元件形成于相同的硅基板上来制造系统级芯片(SOC)。
另外，也可以采用在本实施方式的光检测元件10F的构成中组合上述第四实施方式中说明的光检测元件10D’或者光检测元件10D的构成而成的构成。详细地说，关于本实施方式的光检测元件10F，也可以采用如下构成：在排列于光检测区域E1的多个APD30中，周缘APD30A的灵敏度比相对于该周缘APD30A配置于光检测区域E1的中央C侧的其他APD30即中央APD30B的灵敏度低。这里，即使是被遮光膜44遮光的区域，也有可能因载流子而引起雪崩。因此，通过在本实施方式的光检测元件10F的构成中组合光检测元件10D’或者光检测元件10D的构成，能够实现引起雪崩的可能性的降低。另外，通过采用这种组合的构成，能够实现噪声的进一步的降低，并能够进一步提高可靠性。
(第七实施方式)
图13是例示了本实施方式的激光雷达(Laser Imaging Detectionand Ranging：LIDAR)装置50的示意图。
激光雷达装置50构成为线光源、透镜，能够应用于长距离被拍摄体感测系统(LIDAR)等中。激光雷达装置50具备：投光单元T，对对象物61投射激光；以及受光单元R(也称作光检测系统)，接收来自对象物61的激光，计测激光往返至对象物61的时间并换算为距离。
在投光单元T中，激光振荡器54振荡激光。激光振荡器54有时被称作光源。驱动电路53驱动激光振荡器54。光学系统55取出激光的一部分作为参照光，其它的激光经由反射镜56而照射至对象物61。反射镜控制器52控制反射镜56而向对象物61投射激光。投光是指照射光。
在受光单元R中，参照光用光检测器59检测由光学系统55取出的参照光。光检测器60接收来自对象物61的反射光。距离计测电路58基于由参照光用光检测器59检测出的参照光与由光检测器60检测出的反射光，计测距对象物61的距离。图像识别系统57基于由距离计测电路58计测的结果来识别对象物61。
激光雷达装置50采用了计测激光往返至对象物61的时间并换算为距离的ToF(time－of－flight，飞行时间)法。激光雷达装置50可应用于车载驱动器－辅助系统、远程传感检测等。通过将上述的实施方式的光检测元件10A～光检测元件10F’用作光检测器60，特别是在近红外线区域显示出良好的灵敏度。因此，激光雷达装置50能够应用于对人不可视的波长频带的光源。激光雷达装置50例如能够用于面向车量的障碍物感测。
图14是由激光雷达装置50进行的检测对象的检测的说明图。
作为光源的激光振荡器54向作为检测对象的对象物61发出光62。光检测器60检测透过对象物61的光63、或者反射、扩散后的光63。
通过将上述的本实施方式的光检测元件10A～光检测元件10F’用作光检测器60，能够实现抑制了噪声的高精度的检测。另外，优选的是，设置多个光检测器60以及激光振荡器54的组合，并预先在软件(也可以用电路替代)中设定其配置关系。光检测器60以及激光振荡器54的组合的配置关系例如优选为以等间隔设置。由此，通过对各个光检测器60的输出信号进行互补，能够生成准确的三维图像。
图15是具备本实施方式的激光雷达装置50的移动体80的上表面概略图。
移动体80是能够移动的物体。移动体80例如是车辆(机动二轮车、机动四轮车、自行车)、台车、机器人、船舶、飞行器(飞机、无人驾驶飞机(UAV：Unmanned Aerial Vehicle)、无人机(drone)等)。移动体80例如是经由人的运转操作而行驶的移动体或能够不经由人的运转操作而自动地行驶(自主行驶)的移动体。能够自动行驶的移动体例如为自动运转车辆。本实施方式的移动体80以能够自主行驶的车辆的情况为例进行说明。
移动体80在车身81的四个角部具备激光雷达装置50。本实施方式的移动体80通过在车身81的四个角部具备激光雷达装置50，能够利用激光雷达装置50高精度地检测移动体80的所有方向的环境。
以上，虽然对本发明的实施方式以及变形例进行了说明，但这些实施方式以及变形例是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式以及变形例能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及变形例包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等效的范围中。
另外，能够将上述的实施方式总结为以下的技术方案。
技术方案1
一种光检测元件，
具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域，
所述周边区域的厚度方向上的至少一部分的第一层区域的晶格缺陷的密度或者第一层区域所含的杂质的浓度比所述光检测区域中的在与所述厚度方向交叉的方向上与该第一层区域邻接的第二层区域的晶格缺陷的密度或者第二层区域所含的杂质的浓度高。
技术方案2
如技术方案1所述的光检测元件，
所述杂质包含使少数载流子寿命缩短的特定杂质。
技术方案3
如技术方案1或2所述的光检测元件，
所述光检测区域具有设于邻接的所述光检测部间的二极管分离区域，
所述第一层区域以及所述二极管分离区域与所述第一面连续，
所述第一层区域的厚度比所述二极管分离区域的厚度大。
技术方案4
如技术方案1～3中任一技术方案所述的光检测元件，
所述光检测元件具备第二半导体层，该第二半导体层层叠于所述第一半导体层，且不包含光检测部，
所述周边区域的厚度方向上的所述第一半导体层以及所述第二半导体层的至少一部分的层区域为所述第一层区域。
技术方案5
一种光检测元件，
具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域，
所述第一半导体层的所述周边区域的厚度比所述光检测区域的厚度小。
技术方案6
一种光检测元件，
具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域，
沿着所述光检测区域的周缘排列的所述光检测部的至少一个即周缘光检测部的灵敏度比相对于该周缘光检测部配置于所述光检测区域的中央侧的其他所述光检测部即中央光检测部的灵敏度低。
技术方案7
如技术方案6所述的光检测元件，
所述周缘光检测部所含的pn结的沿着所述第一面的方向的面积比所述中央光检测部所含的pn结的面积小。
技术方案8
如技术方案6或7所述的光检测元件，
构成所述周缘光检测部所含的pn结的p层相对于n层的面积率比构成所述中央光检测部所含的pn结的p层相对于n层的面积率小，并且与所述中央光检测部相比，构成所述周缘光检测部所含的pn结的p层相对于n层的位置配置于所述中央侧。
技术方案9
如技术方案6所述的光检测元件，
构成所述周缘光检测部所含的pn结的p层以及n层中的至少一方所含的杂质的浓度比构成所述中央光检测部所含的pn结的p层以及n层中的至少一方所含的杂质的浓度低。
技术方案10
一种光检测元件，具备：
第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域；以及
遮光膜，配置于沿着所述光检测区域的周缘排列的所述光检测部的至少一个即周缘光检测部的光入射面的至少一部分上。
技术方案11
如技术方案10所述的光检测元件，
所述周缘光检测部的灵敏度比相对于该周缘光检测部配置于所述光检测区域的中央侧的其他所述光检测部即中央光检测部的灵敏度低。
技术方案12
如技术方案10或11所述的光检测元件，
所述遮光膜，
还配置于所述周边区域的光入射面的至少一部分上。
技术方案13
一种光检测系统，具备：
技术方案1～12中任一技术方案所述的光检测元件；以及
距离计测部，计测从所述光检测元件的输出信号到对象物的距离。
技术方案14
一种激光雷达装置，具备：
光源，对物体照射光；以及
技术方案13所述的光检测系统，检测由所述物体反射的光。
技术方案15
一种移动体，
具备技术方案14所述的激光雷达装置。

Claims (10)

1.一种光检测元件，
具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域，
所述周边区域的厚度方向上的至少一部分的第一层区域的晶格缺陷的密度或者第一层区域所含的杂质的浓度比所述光检测区域中的在与所述厚度方向交叉的方向上与该第一层区域邻接的第二层区域的晶格缺陷的密度或者第二层区域所含的杂质的浓度高。
2.如权利要求1所述的光检测元件，
所述杂质包含使少数载流子寿命缩短的特定杂质。
3.如权利要求1或2所述的光检测元件，
所述光检测区域具有设于邻接的所述光检测部间的二极管分离区域，
所述第一层区域以及所述二极管分离区域与所述第一面连续，
所述第一层区域的厚度比所述二极管分离区域的厚度大。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光检测元件，
所述光检测元件具备第二半导体层，该第二半导体层层叠于所述第一半导体层，且不包含光检测部，
所述周边区域的厚度方向上的所述第一半导体层以及所述第二半导体层的至少一部分的层区域为所述第一层区域。
5.一种光检测元件，
具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域，
所述第一半导体层的所述周边区域的厚度比所述光检测区域的厚度小。
6.一种光检测元件，
具备第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域，
沿着所述光检测区域的周缘排列的所述光检测部的至少一个即周缘光检测部的灵敏度比相对于该周缘光检测部配置于所述光检测区域的中央侧的其他所述光检测部即中央光检测部的灵敏度低。
7.如权利要求6所述的光检测元件，
所述周缘光检测部所含的pn结的沿着所述第一面的方向的面积比所述中央光检测部所含的pn结的面积小。
8.如权利要求6或7所述的光检测元件，
构成所述周缘光检测部所含的pn结的p层相对于n层的面积率比构成所述中央光检测部所含的pn结的p层相对于n层的面积率小，并且与所述中央光检测部相比，构成所述周缘光检测部所含的pn结的p层相对于n层的位置配置于所述中央侧。
9.如权利要求6所述的光检测元件，
构成所述周缘光检测部所含的pn结的p层以及n层中的至少一方所含的杂质的浓度比构成所述中央光检测部所含的pn结的p层以及n层中的至少一方所含的杂质的浓度低。
10.一种光检测元件，具备：
第一半导体层，该第一半导体层具有光检测区域和周边区域，该光检测区域是在光入射的第一面上排列有多个光检测部的区域，该周边区域是设于所述光检测区域的周围且不包含光检测部的半导体区域；以及
遮光膜，配置于沿着所述光检测区域的周缘排列的所述光检测部的至少一个即周缘光检测部的光入射面的至少一部分上。
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