JP2002506573A

JP2002506573A - アクティブ・ラージエリア・アバランシェフォトダイオード・アレイ

Info

Publication number: JP2002506573A
Application number: JP50503499A
Authority: JP
Inventors: ダブロウスキ，アンドレイュ，ジェー．; ケー．エレミン，ヴラディミア; アイ．シドロフ，アナトリイ
Original assignee: アドヴァンストフォトニクス，インク．
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2002-02-26
Also published as: WO1998059373A1; EP0993687A1; CA2294929A1; AU7987498A

Abstract

(57)【要約】様々な種類の絶縁構造体により互いに絶縁されている底面に形成された複数の接点（３１２）を備えたラージエリア・アバランシェフォトダイオード型デバイス（３００）。１実施例では、デバイスへの印加電圧により、キャビティ（３１０）が、アバランシェフォトダイオードの１層に存在する空乏領域までアバランシェフォトダイオードの前記層に形成される。また、複数の接点が、それぞれ空乏領域にほぼ隣接して配置されるようにキャビティ内に形成される。別の実施例では、複数の接点がキャビティ内に形成され、半導体グリッド（３４０）から成る絶縁構造体が、互いに隣接する接点間に介在するよう形成される。絶縁構造体は、好ましくは、半導体物質により周囲が囲まれたpn接合部を形成し、このpn接合部によって互いに隣接する接点間が絶縁される。また、キャビティの内面は、空乏領域の境界から離れていることが好ましく、絶縁構造体は、空乏領域まで延びていることが好ましい。さらに別の実施例では、絶縁構造体への電圧の印加により、周囲の半導体領域に空乏領域が形成され、pn接合部と抵抗率の高い空乏層との組み合わせにより、隣接する接点が互いに電気的に絶縁される。

Description

【発明の詳細な説明】アクティブ・ラージエリア・アバランシェフォトダイオード・アレイ発明の背景技術分野本発明は、光検出素子に関するものであり、詳しくは、検知された光の空間分布を示す信号を生成可能なラージエリア・アバランシェフォトダイオード・アレイに関するものである。背景技術光検知により動作する検出器は、先端技術へ応用するうえで極めて貴重である。特に、一定の波長を持つ光を検出できる光検出器は、試料への光照射時に、試料から放射される一定の波長を有する光を検出することにより試料内の一定の分子の有無を検知する科学的センサーとして使用されている。さらに、このようなセンサーは、対象から放射している光を捉え、かつ捉えた光に対応する１つ以上の電気信号を生成する画像把握システムにも使用されている。これまでに多くの電子デバイスが開発され、現在、光の検出に用いられている。その中のひとつに電荷結合素子(CCD)があるが、これは、ある一定量の光、例えば、ある一定の光度の受信に反応して光の受信を示す信号を記憶する複数のMO S型構造体によって実質上構成されている。また、CCDの特定の利点のひとつに、光が領域内で受信されたことを示す複数の信号が得られるような配列に配置できる点があげられる。したがって、CCDカメラを使用して、受信した光からの画像を把握することができる。 PiNダイオードなどのCCD等の通常使用されている光検出素子は、内部増幅が行なわれないという点で限界がある。したがって、このタイプのデバイスは、低レベルの光を受信したときに、光が各デバイスの一定のしきい値感度を下回った場合、各デバイスが反応あるいは検知しなくなることがある。その後このセンサーからの信号を電子的に増幅させても、このような低輝度用に有効な信号をあまり効果的に発生できない。したがって、このタイプのデバイスは、低輝度の光を検出する低光用にはあまり適しているとはいえない。内部増幅が行なわれると同時に、低輝度の検知に特に適したデバイスは、ラージエリア・アバランシェフォトダイオード型デバイス（LAAPD）として周知である。イワンツェクの米国特許第5,057,892号には、このようなアバランシェフォトダイオード型デバイスの一例が開示されている。通常、ラージエリア・アバランシェフォトダイオード型デバイスは、多くの場合2,000〜3,000ボルト程度の印加電圧によって逆バイアスがかけられるpn接合を具備している。これにより、LA APDのpn接合部には、大きい空乏領域が形成される。LAAPDの第１面に光子が入射すると、電荷キャリヤが発生し、この電荷キャリヤが、pn接合部の方向に電圧が印加されて発生する電界により掃引される。その結果、電荷キャリヤは、付近の金属性pn接合部にある高い電界に到達し、他の電荷キャリヤと衝突することによって電荷キャリヤがなだれ現象を起こす。このなだれ効果により、LAAPDによって、IAAPDの受光面に入射する光の量に比例した増幅電気信号が生成される。その結果、米国特許第5,057,892号に開示されているデバイスなどのLAAPDにより、低輝度用に特に適したセンサーが提供されている。しかしながら、米国特許第5,057,892号に開示されているデバイスに類するLAA PDは、LAAPDの受光面に光が入射したときに、光の空間分布とは無関係に単一の出力信号を発生することが一般に理解されている。その結果、このようなデバイスは、通常、LAAPDに入射する光の有無およびその輝度を示す単一の信号を発生することしかできず、様々な輝度を持つ光の空間分布を示す複数の信号を発生することができない。したがって、このタイプのLAAPDは、連続した領域において、光を受信すると同時に、輝度が異なる光を示す複数の信号を発生する検出素子に必要とされているような画像の生成には、通常、適していない。フスの米国特許第5,021,854号では、このような特定の問題に取り組んだラージエリア・アバランシェフォトダイオード型デバイスが開示されている。この特許では、アバランシェフォトダイオードの受光面の異なる空間領域に入射する光の様々な輝度を示す複数の信号を発生することができ、デバイスの片面に形成された画素の配列に対応する接点の配列を有するデバイスが開示されている。したがって、このタイプのデバイスにより、ある特定の領域から放射する光で構成された画像を生成できる。しかし、米国特許第5,021,854号に開示されているこのデバイスには、様々な輝度を持つ光の空間分布を示す明確なコンポジット信号を提供するうえでいくつか問題がある。特に、米国特許第5,021,854号に開示されている１実施例において、半導体デバイスのn領域に、接点が形成されている。したがって、このような各接点は互いに隣接した位置に配置され、デバイスのnドーピングが施されたシリコン層で区切られているだけである。また、各接点は、デバイス底面のpn接合部から離れた位置に配置されている。その結果、これらの接点は、デバイスを交差して印加された電圧によって形成された空乏領域の外部に位置することになる。したがって、各接点は、互いにほぼ隣接した位置に配置されると同時に、n型シリコンの比較的抵抗率の低い領域だけで区切られている。その結果、画素とデバイスの間には、実質的に電気的な区分がなくなり、アバランシェフォトダイオード（APD）アレイとして充分に機能しなくなる。この現象はクロストークと呼ばれ、これによって、上記タイプの従来のデバイスの配列を用いてデバイスに入射した光の空間分布を示す電気信号が発生できなくなる。この問題を解決する一つの方法として、バイアスの増加やデバイスのドーピング分布の変更によって、底面方向に空乏層を延長させることが考えられる。ただし、この空乏層は、代表的な傾斜エッジ型アバランシェフォトダイオードの場合、デバイスの底面に向かって概ね曲線を描いている。したがって、底面方向に空乏層を移動させると、空乏領域の境界が底面に接触し、アバランシェフォトダイオードに短絡が発生する。さらに、米国特許第5,021,854号では、このような問題の一部に対処するために、別のLAAPD設計についても開示している。この設計では、各接点が、n領域の背面からpn接合を通ってp領域に至るようデバイスに刻まれた深い溝によって区切られており、これにより、各接点が互いに電気的に絶縁されると同時に、運ばれる電荷キャリヤが隣接する接点まで走行しないよう物理的に防止されている。この設計は、接点間に生じるクロストークの問題を大幅に解消するものではあるが、米国特許第5,021,854号では、この深い溝が、ダイヤモンド切断ホイールや他の機械的切断装置を使用して形成されることが記載されている。したがって、このような溝を組み入れたLAAPDの製造コストは、非常に高くなる。さらに、印加電圧によって生じる電界を縮小するためには、米国特許第5,021, 854号に開示されている溝を、通常、傾斜させなければならず、このため、活性部分である上部接点の間の距離が極めて長くなる。その結果、LAAPDの領域のかなりの部分が、このような溝によって占められ、IAAPDの活性領域がさらに減少し、LAAPDに配置できる接点の数が一層少なくなる。実際に、個々の傾斜エッジ型アバランシェフォトダイオードが、高感度領域や製造費および材料コストの大きな損失と引き換えに、各画素接点ごとに作成されている。したがって、比較的製造費が安く、様々な輝度を持つ光がLAAPDに入射したときに、その光の空間分布を示す信号を提供できるようなラージエリア・アバランシェフォトダイオードへの必要性が生じている。最後に、LAAPDに入射した光の空間分布を示す明確な信号を発信できるように、相互間に充分な電気的絶縁が施されている複数の接点を有するLAAPDアレイ型デバイスが必要とされている。発明の要約上記のニーズは、本発明のアバランシェフォトダイオード型デバイスによって満たすことが可能である。この発明は、第１の態様において、第１のタイプの半導体物質から成る第１層と、第２のタイプの半導体物質から成る第２層とから成り、前記第１層の上に前記第２層が配置され、両層の間に接合部が形成されると同時に、前記第２層によって受光面の範囲が定まることを特徴としている。さらに、このデバイスは、第１層に第１の空乏領域が形成されるように、また、接合部に逆バイアスが印加されたときに、受光領域を通ってデバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリアのなだれ現象が発生するように、接合部を交差して第１の電圧を印加する電圧源を具備している。半導体物質から成る第１層の表面には、複数の接点が形成され、各接点は、受光領域の該当する位置のデバイスに浸透する光子に反応して、電荷キャリヤを受け取ることにより、複数の接点から、デバイスの受光面に入射した光の空間分布を示す信号が発生する。また、このデバイスは、半導体物質から成る第１層に形成された少なくとも１つの絶縁構造体を具備することにより、互いに隣接する接点の間を電気的に絶縁する。本発明の第１の実施例によれば、電気的接合部が絶縁構造体と第１の半導体層の周辺物質との間に形成されるように選択された半導体物質によって、絶縁構造体が形成される。別の実施例によれば、絶縁構造体にバイアスをかけることにより、第１の層に第２の空乏層を作成できる。さらに別の実施例によれば、絶縁構造体は、半導体物質から成る第１の層に、互いに隣接する接点間に配置されるように形成された１つまたはそれ以上の溝により構成されてもよい。この溝は、空乏層まで延びるように作成されてもよく、また、バイアスをかけて第２の空乏領域が生成されるように作成されてもよい。本発明のさらに別の態様では、アバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスが提供されている。このデバイスは、第１のタイプの半導体物質から成る第１層と、第２のタイプの半導体物質から成る第２層とから成り、第１層上に第２層が配置されることにより、両層の間に接合部が形成されると同時に、第２層によって受光面の範囲が定まることを特徴としている。さらに、このデバイスは、第１層に第１の空乏領域が形成されるように、また、接合部に逆バイアスが印加されたときに、受光領域を通ってデバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリアのなだれ現象が発生するように、接合部を交差して第１の電圧を印加する電圧源を具備している。また、半導体物質から成る第１層の表面には、複数の接点が形成され、各接点は、受光面の該当する位置でデバイスに浸透する光子に反応して、電荷キャリヤを受け取ることにより、複数の接点から、デバイスの受光面に入射した光の空間分布を示す信号が発生する。さらに、半導体物質から成る第１層に複数の絶縁構造体が形成されることにより、互いに隣接する接点間が電気的に絶縁され、複数の絶縁構造体の各々の幅が、各絶縁構造体と隣接する絶縁構造体との間の距離よりも狭いことを特徴としている。１実施例において、絶縁構造体は、互いに隣接する接点の間に形成された複数の溝から成り、溝の両端の距離が、互いに隣接する溝の間の距離よりも短いことを特徴としている。さらに別の実施例によれば、絶縁構造体は、互いに隣接する接点の間に配置されるように第１層に形成された第２のタイプの半導体物質により構成されてもよい。本発明のさらに別の態様によれば、中にキャビティが形成された第１のタイプの半導体物質から成る第１層と、第１層の上に第２層が形成されることにより各層の間に接合部が形成されると同時に、第２層によって受光面の範囲が定まることを特徴とする第２のタイプの半導体物質から成る第２層と、第１の空乏領域が第１層に形成されるように、かつ、接合部に逆バイアスが印加されたときに、受光領域を通ってデバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリアのなだれ現象が発生するように、接合部を交差して第１の電圧を印加する電圧源と、各接点が受光領域の該当する位置でデバイスに浸透する光子に反応して、電荷キャリヤを受け取ることにより、複数の接点から、デバイスの受光面に入射した光の空間分布を示す信号が発生することを特徴とする半導体物質から成る第１層のキャビティに形成された複数の接点とから成るアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスが提供されている。本発明に関する上記および他の目的と利益とは、添付図面を参照した以下の説明により、さらによく理解されることと思う。図面の簡単な説明図１Ａは、片面にキャビティが形成されたアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスを示す略図である。図１Ｂは、さらに画素接点の配列が中に形成されたキャビティを示す図１Ａのアバランシェフォトダイオードの底面図である。図２Ａは、複数の接点が１つまたはそれ以上の絶縁構造体により絶縁されていることを特徴とする複数の画素接点が中に形成されたキャビティを有するアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの第２の実施例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａのアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの底面図である。図３Ａは、１つまたはそれ以上の絶縁構造体に電位が加えられることを特徴とする、複数の画素接点をさらに互いに絶縁する１つまたはそれ以上の絶縁構造体を組み入れたアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの第３の実施例を示す略図である。図３Ｂは、図３Ａのアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの底面図である。図４は、図３Ａおよび図３Ｂのアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの部分断面図である。図５Ａは、キャビティと、その中に形成された複数の画素接点を有し、この複数の画素接点が、キャビティ内に形成された１つまたはそれ以上の溝によって互いに仕切られていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの第４の実施例を示す図である。図５Ｂは、図５Ａのアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの底面図である。図６Ａは、デバイスの裏側に形成された複数の画素接点を有し、この複数の接点が、溝内に形成された電気接点を有するデバイス内に形成された複数の溝により仕切られていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの第５の実施例を示す図である。図６Ｂは、図６Ａのアバランシェフォトダイオード型デバイスの底面図である。図７は、図３Ａおよび図３Ｂに示すデバイスに類するアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの画素接点間で絶縁効果が向上している様子を示す略図である。実施例の詳細な説明図面を参照するに当たって、同類の参照数字は、図中の同等部分を示している。図１Ａおよび図１Ｂでは、ラージエリア・アバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス１００の好適な実施例が示されている。このデバイス上には複数の画素接点が形成されており、アバランシェフォトダイオード型デバイス１００の特定領域に入射した光の輝度が各信号ごとに示される複数の信号が発生する。したがって、デバイス１００は、様々な輝度を持つ光の空間分布を示す信号を提供することが可能である。詳しく言えば、デバイス１００は、第１の半導体物質から成る第１層１０４と、その上に配置される第２の半導体物質から成る第２層１０２とから構成されている。図に示されるように、半導体物質から成る第１層１０４はｎ型シリコンによって構成され、半導体物質から成る第２層１０２はｐ型シリコンによって構成され、その間にpn接合部１０５が形成されることが好ましい。好適な実施例において、ｎ型シリコン層１０４は、基準によって定められた３０オームセンチメートル〜１００オームセンチメートルの抵抗率を有していることが好ましく、ニュートロンドーピングなどの標準的なドーピング技法により、特に均一なドーピング分布が得られる。ｐ型シリコン層１０２は、約１０¹⁵・１０²⁰のドーパントアトム／立方センチメートル程度のピーク・ドーピング濃度であることが好ましい。１９９６年７月３日に出願され、１９９７年１月１０日に仮出願への変更が申請されている「エピタキシャル成長層を有するアバランシェ半導体デバイス」と称する米国暫定特許譲受人同時係属出願第08/675,161号に記載されているようなエピタキシャル成長技術を使用して、ｐ層１０２またはｎ層１０４のいずれかのドーピング濃度を様々に変更できる利点があることは、普通の技術の熟練を有する当業者にとって明らかである。 p層１０２の外面によって、検出対象となる光がデバイス１００に入射する受光面１０６の範囲が画定される。図１Ａに示すように、光が窓領域１０７を通って面１０６に沿った任意の箇所に入射するよう光を空間的に分布させることが可能である。下記にさらに詳細な説明がなされているように、光が面１０６の様々な領域または位置に入射すると、半導体物質１０４の第１層に配置された異なる電気接点（画素接点とも言う）により、異なる電気信号が発生する。この電気信号は、面１０６の様々な位置に入射した光の輝度に比例し、空間分布および輝度、すなわち、入射光の輝度分布などを示している。図１Ａおよび図１Ｂに、ｎ型シリコン層１０４の外面１２２にキャビティ１１０が形成されている状態が示されている。キャビティ１１０は、接合部１０５に向かって内側に延びている。また、キャビティ１１０は、パターニングおよびエッチングなどの周知の平面加工技術によって形成されるか、あるいは、化学機械研摩(CMP)技術により形成されてもよい。本実施例では、キャビティの底面１１１が、pn接合部１０５にかけて印加された電圧Ｖ_dc1により形成された空乏領域１２４の（点線１２５により示されている）境界とほぼ隣接した位置に配置されるのに充分な距離だけ、キャビティ１１０がｎ領域１０４内に延びている。特に、アバランシエフォトダイオードは、通常、pn接合部に大きい逆バイアスがかけられるようにpn接合部を横切るようにＤＣ電圧を印加する。このＤＣ電圧には、約1,500〜3,000ボルトの電圧が可能である。pn接合部１０５に大きい逆バイアスがかけられることによって、なだれ効果が発生し、これにより、受光面１０６に入射した光子によってｐ領域１０２に発生した単一の電荷キャリヤに反応し、複数の電荷キャリヤが発生する。この点において、アバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス１００の動作は、従来技術のラージエリア・アバランシェフォトダイオード型デバイスの動作とほぼ同じである。ただし、このデバイス１００の場合、キャビティ１１０の底面１１１に、複数の接点１１２が形成されている。接点１１２は、高いn+のドーピングが施されるように（例えば、約１０¹⁷ドーパントアトム／立方センチメートル以上のドーピング濃度を有するような）、周知の拡散またはインプランテーション技術によって形成された非注入型接点であることが好ましい。接点１１２があることにより、デバイス１００の受光面１０６に入射した光に反応して、外部検出素子（不図示）に対して電気信号が発生する。特に、光の１つまたはそれ以上の光子が面１０６の特定の地点に入射すると、光子によって、デバイス１００のｐ領域１０２内に１つまたはそれ以上の電子・正孔対が発生するという統計的予想がある。また、印加電圧Ｖ_dc1によって接合部１０５を交差して電界が生じ、接合部１０５にかけて電荷キャリヤが掃引され、他の電荷キャリヤと衝突することにより、電荷キャリヤのなだれ現象が発生し、キャビティ１１０の底面１１１方向に電荷キャリヤが掃引される。接合部を横切る方向に掃引された電荷キャリヤの濃度は、当然、最初に光がデバイスに入射した地点と同じデバイス１００の列に配置されたデバイス１００の領域内で最も高い。例えば、線１３１で示されるような、デバイス１００の同じ垂直線内に配置された接点１１２ａは、光が最初に入射した地点であることから、列１３１から外れた位置にある接点１１２よりも多くの電荷キャリヤを受け取る。このように、複数の接点１１２によって、受光面１０６で受光された光の空間分布と様々な位置における光の輝度の両方を示す信号を発生することができる。図１Ａに示されたデバイス１００では、接点１１２が空乏領域１２４に隣接して配置されているため、互いに隣接した画素接点１１２間のクロストークが減少する。この高い抵抗率を持つ空乏領域１２４があることにより、接点１１２のうちの１接点から隣接する接点１１２に電荷キャリヤが移動できなくなるために、クロストークが減少する。したがって、好適な実施例によるデバイス１００は、デバイス１００が受光した光の空間分布を示す信号を発生するうえで、従来技術よりも適している。図１Ａおよび図１Ｂでは、さらに、デバイス１００の好適な実施例に、キャビティ１１０の内部に埋め込まれた１つ以上のガードリング構造体１３２が組み込まれている。このガードリング構造体１３２は、印加電圧Ｖ_dc1によって生じる表面電流から複数の接点１１２を保護するよう接地されていることが好ましい。さらに、電圧Ｖ_dc1が、デバイス１００の受光面１０６に形成されたリング接点１３４に印加されることが好ましい。ガードリング１３２とリング接点１３４は、拡散による平面加工技術やイプランテーション技術などの多くの周知の技術のうちの任意の方法により、デバイス１００に形成することが可能である。図１Ｂに、デバイス１００の代表的な底面図が示されている。図に示すように、キャビティ１１０が、デバイス１００に形成されている。キャビティ１１０は、傾斜エッジ１２０とデバイス１００の底面１２２との間の接触面１１６から挿入されている。さらに、図１Ｂに示すように、接点１１２は、キャビティ１１０をほぼ覆うようにキャビティ１１０全体にわたって分布している。好適な実施例において、接点１１２は、約１ｍｍ×１ｍｍ平方であり、約３００μｍの距離だけ互いに離間している。１実施例によれば、デバイス１００は、直径１６ｍｍのラージエリア・アバランシェフォトダイオード型デバイスから成り、キャビティ１１０は、約１１ｍｍ×１１ｍｍである。ここで説明するデバイスは、どのようなラージエリア・アバランシェフォトダイオード型デバイスにも使用でき、約0. 10・10ｃｍ²のキャビティを有している。この領域において互いに隣接する接点１１２間の上記の絶縁を維持する際に、約５０画素接点を、キャビティ１１０内に配置することができる。各接点間で望ましい電気的絶縁状態を維持するのに充分な距離が隣接する接点間にある限り、任意数の接点１１２をキャビティ内に配置できる。したがって、接点１１２から、デバイス１００に入射した光の輝度分布を示すコンポジット信号を発生することが可能である。このコンポジット信号は、低光画像の作成などに利用できる。キャビティの接点１１２が空乏層１２４の境界１２５位置に正確に配置されるよう、デバイス１００の第１層１０４にキャビティ１１０を形成することは、明らかに困難である。層１０２および１０４のドーピング分布がわずかに変化しただけで、空乏層１２４の境界１２５に若干の相違が生じる可能性がある。さらに、キャビティ１０４の内面１１１は、例えば、接点１１２が確実に空乏シリコン１２４に正しく配置されるような約１・２ミクロン以下の許容誤差を有する極めて平坦なものでなくてはならない。また、隣接する２つの接点１１２を抵抗率の比較的低いシリコンで区切り、その接点を空乏領域１２４の外部に配置できる場合、２つの接点は、単一の接点として効果的に機能する。極めて多数の接点１１２がキャビティ１１１内に配置され、互いに非常に近接している場合、上記の正確な配置はさらに困難になる。この問題に対処するために、図２Ａおよび図２Ｂに示された実施例が開発された。詳しく言えば、図２Ａのデバイス２００は、上にｐ型シリコン層２０２が配置されたｎ型シリコン２０４層を具備し、pn接合部２０５が形成されている。このpn接合部２０５は、すでに述べたような方法で電圧源Ｖ_dc1により逆バイアスがかけられ、その結果、空乏領域２２４が生成される。キャビティ２１０は、ｎ型シリコン２０４層の底面に形成される。ただし、本実施例では、キャビティ２１０が、空乏領域境界部分２２５まで延びていない。周知のインプランテーション蒸着または拡散技術を用いて、キャビティ２１０の面２１１に、複数のn+シリコン接点２１２が蒸着される。ただし、１またはそれ以上の絶縁構造体２４０もまた、拡散技術またはインプランテーション技術により面２１１に形成され、n+接点２１２の各々が互いに電気的に絶縁される。図２Ｂでは、キャビティ２１０の内面全体にわたってn+接点２１２が蒸着され、好ましくは、１またはそれ以上の絶縁構造体２４０が、n+接点２１２の各々を区切るp+シリコンから成るグリッドによって構成されている状態が示されている。さらに、p+構造体２４０が、キャビティ２１０の面２１１に拡散されるか、あるいは埋め込まれ、空乏領域２２４の境界２２５まで延びていることが好ましい。したがって、互いに隣接する接点２１２間の絶縁効果は、p+絶縁構造体２４０によってさらに高くなる。特に、絶縁構造体２４０は、隣接する接点２１２間にpn接合部が形成される際に、その接点間の電荷キャリヤが移動しないようにする。さらに、周知の平面加工技術で絶縁構造体２４０を形成することにより、極めて短い離間距離でありながら互いに適正に絶縁された状態で、多くの接点２１２を、標準的な平面加工技術によってキャビティ２１０内に配置できることは明らかである。したがって、各接点２１２間にpn接合部を効果的に介在させていることから、電気的絶縁効果を大幅に損なうことなく、接点２１２の最小離間距離を短縮できる。したがって、キャビティ２１０内の接点２１２の充填密度は、接点２１２および絶縁構造体２４０の形成に用いられる加工技術の機能を上回るものである。図２Ａおよび図２Ｂに示されている実施例では、絶縁構造体２４０が、空乏領域２２４内に延び、隣接する接点２１２間が確実に適正に絶縁されるようになっている。絶縁構造体２４０と接点２１２が、キャビティ２１０を形成しなくてもｎ型シリコン層２０４の底面２２２に形成できることは明らかであるが、接点２１２間で望ましい絶縁効果が得られるためには、絶縁構造体２４０を、空乏領域２２４まで延ばす方が好ましい。以上述べてきた通り、キャビティによって、接点を空乏領域に対してより近接した位置に配置することができる。したがって、隣接した接点間を絶縁するために、絶縁構造体を第１層に深い位置まで成長させたり埋め込む必要がなくなる。図３Ａは、キャビティ３１０がデバイス３００の底面３２２に形成されたアバランシェフォトダイオード・アレイ３００の別の実施例を示している。デバイス３００の構造は、図１および図２で説明したデバイスの構造とよく似ている。ただし、絶縁構造体３４０に電圧源Ｖ_dc2が接続されて、ｎ層３０４に対して絶縁構造体３４０に逆バイアスがかけられる。その結果、絶縁構造体３４０および層３０４間に、空乏領域３４２が作成される。したがって、絶縁構造体３４０により、隣接する画素接点間に抵抗率の高い絶縁領域が電気的に生成され、隣接する接点３１２間のクロストークが減少する。図３Ａに示すように、印加電圧Ｖ_dc1によってpn接合部３０５に逆バイアスをかけて空乏領域３４２が空乏領域３２４まで達するように、絶縁構造体３４０に印加される電圧が配置されてもよい。したがって、接点３１２の各々は、絶縁構造体３４０とｎ型シリコン３０４の間に形成されるpn接合部か、または空乏領域３２４または３４２のいずれかにより、互いに区切られている。このため、接点３１２は、pn接合部または抵抗率の高い空乏領域によって互いに電気的に絶縁されている。電圧Ｖ_dc2を絶縁構造体３４０に印加することにより、絶縁構造体３４０を空乏領域３２４からさらに離れた位置に配置しながら、接点３１２間を適正に絶縁された状態に維持できる。その結果、キャビティ３１０は、デバイス３００の機械的保全性を高めるために深くする必要がなくなる。さらに、絶縁構造体３４０があることにより、バイアスの印加時に、キャビティ３１０の面３１１を、空乏層３２４の境界３２５からさらに離れた位置に配置できる。したがって、印加電圧に違いにより、空乏層３２４が面３１１に達しにくくなり、上記の電子注入に伴う問題が生じる可能性は減少する。また、絶縁構造体３４０に電圧Ｖ_de2を印加して、空乏層３２４の境界３２５を面３１１から押しのけることが可能である。その結果、空乏層３２４が面３１１と接触するリスクを増大させずに、デバイス３００にさらに大きいバイアスを印加できる。状況によっては、接合部３０５を横切るさらに大きいバイアスをかけることにより、利得範囲の拡大などのデバイスの性能パラメタの向上につながることがある。さらに、２つの電圧源Ｖ_dc1およびＶ_dc2は可変であり、デバイスの利得等のパラメタなどのデバイスに必要なパラメタを獲得するために、印加電圧を変えることができる。特に、印加電圧Ｖ_dc1は、pn接合部３０５にかけて生じる利得やその結果発生する電荷キャリヤのなだれ現象に影響する。したがって、この２つの電圧を変えることにより、空乏領域３４２を空乏領域３２４と一致するように調節することができ、隣接する画素接点３１２間の領域をピンチオフして、画素間の好ましい絶縁状態を獲得することが可能である。デバイス３００の絶縁構造体３４０は、図２Ｂに示すようなグリッド型構造体により構成されてもよく、または、図３Ｂに示すような絶縁構造体３４１により構成されてもよい。特に、図３Ｂでは、複数の画素接点３１２がデバイスのキャビティ３００内に配置されている状態が示されている。各画素接点の周囲が、 p+物質３４１のリングによって取り囲まれることにより、隣接する画素接点３１２間が電気的に絶縁されている。絶縁リング３４１の各々には、不図示のワイヤボンドが付着されており、これによって、絶縁リング３４１に電圧を印加することができ、上記の方法により隣接する画素接点３１２間が絶縁されるようになっている。状況次第では、絶縁リングの各々に印加される電圧を変えることにより、デバイスの様々な絶縁特性が得られることから、絶縁グリッド３４０とは違って、個々の絶縁リング３４１を使用した方が有利な場合もある。図４では、図３Ａおよび図３Ｂに示されたデバイス３００の単一の画素接点３１２についてさらに詳しく示されている。図に示すように、n+画素接点３１２は、画素接点３１２がp+リング構造体３４１によって隣接する画素接点３１２から区切られるように、p+リング構造体３４１の内部に配置されている。空乏領域３４２がデバイス３００の内部に延び、空乏領域３２４に達してデバイスをピンチオフするように、リング構造体３４１に電圧Ｖ_dc2が印加される。さらに、標準的なインプランテーションまたは拡散技術により、n+グリッド３５０が、互いに隣接するリング構造体３４１の間に配置されるよう、キャビティ３１０の底面３１１に配置される。グリッド３５０は、接地されていることが好ましく、また、グリッドによってキャビティ３１０の表面３１１に沿って流れる表面電流による電荷キャリヤの移動が減少しやすくなることから、グリッド３５０を使用する目的は、互いに隣接する画素接点間の絶縁効果を高めることにある。nグリッド３５０は、ガードリングとして働き、互いに隣接する画素接点３１２間を表面電流が流れないようにする。図４に示される実施例では、絶縁リングまたは構造体３５１が、各画素接点３１２を取り囲んでいる。次にnグリッド３５０は、図４に示すように、各絶縁構造体３５１を取り囲んでいる。他の実施例では、絶縁構造体が、蒸着p+物質から成るグリッドにより構成されている。このような実施例では、通常、単一または複数のnガードリングが、全ての画素接点および絶縁構造体を取り囲んでいる。このガードリングは、実際に、層３０４の表面３２２またはキャビティ３１０内の表面３３２において、接点の外縁より外側の地点に配置された接地開閉コンタクトと、好ましくはアースとなる絶縁構造体とから構成されてもよい。図５Ａおよび図５Ｂに、アバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス５００の別の実施例が示されている。図５Ａおよび図５Ｂに示すアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス５００は、デバイスが、n型物質から成る層５０４と、その上に配置されたｐ型物質から成る層５０６を具備し、pn接合部5０５を形成している点において、図１Ａ〜図３Ｂに示されるアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス１００、２００、および３００とよく似ている。pn 接合部５０５には、電圧Ｖ_dc1によって逆方向にバイアスがかけられ、その結果、空乏領域５２４の範囲が画定される。キャビティ５１０は、n層５０４の底面側に形成され、複数の画素接点５１２が、キャビティ５１０の底面５１１に形成される。ただし、この実施例では、互いに隣接する画素接点５１２間に、一連の溝５６０が介在し、溝５６０が、空乏層５２４の境界５２５まで延びていることが好ましい。溝５６０は、機械的カッティング技術またはエッチング技法により、キャビティ５１０に形成することができる。したがって、隣接する画素接点５１２は、溝５６０により、互いに絶縁されている。その結果、溝５６０によって、隣接する画素接点５１２間のクロストークに対する高い抵抗バリヤが効果的に形成されることから、隣接する画素接点５１２間のクロストークが最小限度に抑えられる。キャビティ５１０の底面に溝５６０を形成する一つの利点として、キャビティ５１０をn型シリコン層５０４の深い位置まで延ばす必要がなくなる点が挙げられる。したがって、デバイス５００の平均厚さが増大し、デバイス５００の機械的支持力が増加する。図６Ａおよび図６Ｂに、アバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス６００の別の実施例が示されている。このデバイスは、n型物質から成る層６０４と、その上に配置されたp+物質から成る層６０６とを具備し、電圧Ｖ_dc1によって逆方向にバイアスが印加される２層間の接合部６０５を画定している傾斜エッジ型アバランシエフォトダイオードにより構成されている点において、前記の各実施例とよく似ている。また、デバイス６００の底面６２２には、複数の画素接点６１２が形成されている。さらに、機械的カッティング技術あるいは周知のエッチング技術のいずれかの技術を用いて、隣接する画素接点６１２間に複数の溝６６０が形成されている。このような溝によって隣接する画素接点１１２が空乏領域６２５まで到達しないことから、各接点間に最小の絶縁が施される。さらに、本実施例において、溝６６０の底面には、電子的な絶縁構造体６７０から成る電気接点が形成される。詳しく言えば、本実施例では、周知のインプランテーション、蒸着、または拡散技術によって、溝６６０の底面にp+シリコン材の蒸着が施される。また、溝６６０の底面に配置された絶縁構造体６７０に電圧Ｖ_dc2が印加されることにより、n型シリコン層６０４に空乏領域６８０が生成される。 n層６０４内に延びる複数の溝６６０と絶縁構造体６７０に印加される電圧Ｖ_d _c2 との両者によって、接合部６０５を横切る電圧Ｖ_dc1が印加されたときに、空乏層６８０が空乏層６２４に接触することが好ましい。この場合、隣接する画素接点６１２は、溝６６０と、空乏半導体領域６８０と、空乏半導体領域６２４とによって互いに絶縁されている。したがって、デバイス６００は、従来のデバイスに比べ、デバイスの受光面に入射した光の空間分布をより適確に示す信号を提供できる。また、溝と、溝に形成された絶縁構造体に電圧を印加してできた空乏半導体領域とを組み合わせることにより、隣接する画素接点６１２間のクロストークが減少する。本実施例では、個々の溝６６０が、その中に形成された絶縁構造体６７０と組み合わされることにより、デバイス６００の底面６２２にキャビティを形成する必要性が少なくなることから、デバイス６００の全体の厚さが実質的に維持されることは明らかである。その結果、デバイスの全体厚さと機械的安定性の面で向上を図ることができる。図５Ａおよび図５Ｂに示す実施例を図６Ａおよび図６Ｂに示す実施例と組み合わせることにより、キャビティをデバイスの底面に形成し、溝をキャビティ内の隣接する接点間に形成し、絶縁構造体を図６Ｂに示すような溝の底面内に配置できる。これにより、空乏領域が、p領域およびn領域間の接合部にかけて形成された別の空乏領域に接触することにより、隣接する画素接点間の抵抗率の低い半導体物質をピンチオフして絶縁が施されるような絶縁構造体への電圧印加時ほど、キャビティを深くする必要がなくなる。図５および図６の溝はグリッド型であるが、すでに述べた通り、リング型で形成されてもよい。図７は、本書に説明する好適な実施例の原理にしたがって出願人が製造したデバイスの動作を示す図である。具体的に言えば、図７は、前記のように電気的にバイアスがかけられた絶縁構造体を有するアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスの画素接点間の絶縁効果を示している。図に示す通り、絶縁構造体Ｖ_p+（前述のＶ_dc2）への印加電圧が検査済みデバイスに対し２００ボルトを超えた時点で、隣接する絶縁画素接点I_pzで検出された漏れにより、約90nA〜40nA 未満まで落下している。これは、接合部に形成された空乏領域に接している絶縁構造体にバイアスがかけられて形成されると同時に、第１層の非空乏半導体領域をピンチオフしている空乏領域により生じたものである。電圧Ｖ_p+の最大値は、絶縁構造体を形成するp+リングまたはグリッドの降伏電圧であることは言うまでもない。本発明の前記実施例では、アバランシェフォトダイオードの受光面の対応する空間位置に入射している光の他の輝度とは無関係に信号をそれぞれ発信することができる底面に形成された複数の接点を有するアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイスについて説明を行なった。互いに隣接する接点間の絶縁状態は、キャビティ内にこのような接点を、アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加して形成された空乏領域に最も近い位置に配置することによってさらに強化される。また、この絶縁状態は、接点に隣接する絶縁構造体を形成することによっても強化され、また、絶縁構造体に逆方向のバイアスを印加して絶縁効果を高めることもできる。本発明の好適な実施例について、以上、図を参照しながら説明がなされ、かつ本発明の基本的で新規な特徴が示されてきたが、本発明の精神を逸脱しない限り、当業者によって、その使用はもちろんのこと、図に示すような装置の詳細について様々な省略、置換、および変更を行なえることは言うまでもない。したがって、本発明は、前記の説明によってその範囲を限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲によって定められるものとする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者シドロフ，アナトリイアイ. ロシア．125413 モスクワ，フロスカヤ, 27―296 【要約の続き】より、隣接する接点が互いに電気的に絶縁される。

Claims

【特許請求の範囲】１．第１のタイプの半導体物質から成る第１層と、第２のタイプの半導体物質から成る第２層であって、両層の間に接合部が形成されるよう前記第１層の上に配置され、受光面の範囲を定める第２層と、前記第１層に第１の空乏領域が形成されるように、また、接合部に逆方向のバイアスが印加されたときに、受光領域を通ってデバイスに浸透する光子に反応して、電荷キャリアのなだれ現象が発生するように、接合部を横切る第１の電圧を印加する電圧源と、半導体物質から成る前記第１層の表面に形成された複数の接点であって、その各々が、前記受光領域の該当位置にある前記デバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリヤを受け取り、前記デバイスの前記受光面に入射した光の空間分布を示す信号を提供する複数の接点と、隣接する接点間を電気的に絶縁するために、半導体物質から成る前記第１層に形成された少なくとも１つの絶縁構造体と、を含むアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス。２．前記絶縁構造体は前記第２のタイプの半導体物質から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。３．電気的接合部が、前記絶縁構造体と前記第１半導体層の周辺物質との間に形成されるように選択された半導体物質により、前記絶縁構造体が形成されることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。４．前記絶縁構造体が、前記第１半導体層の前記表面から前記第１半導体層の前記第１空乏領域内へ内側に延びることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。５．半導体物質から成る前記第１層について、前記絶縁構造体に電気的にバイアスが印加されることにより、前記第１半導体層に第２の空乏領域が形成され、互いに隣接する接点間が、前記絶縁構造体と、前記第２空乏領域により生じた前記第１半導体層の抵抗率の高い領域の両方によって区切られることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。６．前記第２の空乏領域が前記第１の空乏領域まで延びるように前記絶縁構造体に第２のバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項５に記載のデバイス。７．前記絶縁構造体が、隣接する接点間の前記半導体層の前記表面に形成される少なくとも２１つの溝から成ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。８．前記少なくとも１つの溝が、隣接する接点間に介在するように前記表面に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。９．前記溝が前記代１の空乏層まで延びていることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。１０．前記絶縁構造体が、第２のバイアス電圧が前記溝内の前記半導体物質に印加されることにより第２の空乏層が生成されることを特徴とする、前記溝内に配置された半導体物質から成る層をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載のデバイス。１１．前記第２電圧が、前記第１の空乏層と第２の空乏層が互いに一致して、前記第２半導体物質の隣接する領域をピンチオフするように選択されることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。１２．キャビティが、前記接合部の方向へ前記第１層内の内側に向かって延びるように前記第１の半導体層に形成されると同時に、前記接点とその上に形成される前記少なくとも１つの絶縁構造体を有する前記第１層の前記表面が、前記キャビティの内面により構成されることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。１３．前記キャビティが、前記第１層内へ第１の距離だけ延びていると同時に、前記少なくとも１つの絶縁構造体が、前記第１の面から第２の距離だけ延びており、前記少なくとも１つの絶縁構造体が前記空乏領域内へ延びた状態になるように、前記第１の距離と前記第２の距離が選択されることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。１４．前記絶縁構造体が、隣接する接点間が電気的に絶縁されるように、前記キャビティの前記内面に形成された固体の絶縁構造体により構成されることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。１５．前記絶縁構造体が、前記絶縁構造体と前記第１半導体層の周辺物質との間に電気的接合部が形成されるように選択された半導体物質により形成されることを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。１６．前記絶縁構造体が、前記キャビティの前記内面から前記第１半導体層の前記第１空乏領域内に内側に延びていることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。１７．前記第１の半導体層について、前記絶縁構造体がバイアスがかけられることにより、前記第１半導体層に第２の空乏領域が形成され、隣接する接点が、前記絶縁構造体と前記第２空乏領域により生じた前記第１半導体層の抵抗率の高い領域との双方によって区切られることを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。１８．前記第２の空乏領域が前記第１の空乏領域まで延びるように、前記絶縁構造体に第２のバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項１７に記載のデバイス。１９．前記第１の半導体物質が、約３０オームセンチメートル〜１００オームセンチメートルの範囲内にある抵抗率を有するnドーピングが施されたシリコンから成り、前記第２の半導体物質が、約１０¹⁵ドーパントアトム／立方センチメートル〜１０¹⁸ドーパントアトム／立方センチメートルの範囲内にあるピークドーピング濃度を有するpドーピングが施されたシリコンから成ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。２０．前記第２の半導体層が、前記第１層の上に配置されることにより、両層の間に接合部が形成され、前記接合部が約０．５平方センチメートルよりも大きく、前記第２層により受光面が定まることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。２１．第１のタイプの半導体物質から成る第１層と、第２のタイプの半導体物質から成る第２層であって、両層の間に接合部が形成されるよう前記第１層の上に配置され、受光面の範囲を定めることを特徴とする第２層と、前記第１層に第１の空乏領域が形成されると同時に、接合部に逆方向のバイアスが印加されたときに受光領域を通ってデバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリアのなだれ現象が発生するように、前記接合部を横切る第１の電圧を印加する電圧源と、半導体物質から成る前記第１層の表面に形成された複数の接点であって、その各々が、前記受光領域の該当位置にある前記デバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリヤを受け取り、前記デバイスの前記受光面に入射した光の空間分布を示す信号を提供する複数の接点と、隣接する接点間を電気的に絶縁するために、半導体物質から成る前記第１層に形成された複数の絶縁構造体であって、その各々の幅が、各絶縁構造体と隣接する絶縁構造体との間の距離よりも少ない複数の絶縁構造体と、を含むアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス。２２．前記複数の絶縁構造体が、隣接する接点間に形成された溝から成ることを特徴とする請求項２１に記載のデバイス。２３．前記複数の絶縁構造体が、隣接する接点間に介在するように前記第１層に形成された第２のタイプの半導体物質から成ることを特徴とする請求項２１に記載のデバイス。２４．中にキャビティが形成された第１のタイプの半導体物質から成る第１層と、第２のタイプの半導体物質から成る第２層であって、両層の間に接合部が形成されるよう前記第１層の上に配置され、受光面の範囲を定める第２層と、前記第１層に第１の空乏領域が形成されると同時に、接合部に逆方向のバイアスが印加されたときに受光領域を通ってデバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリアのなだれ現象が発生するように、前記接合部を横切る第１の電圧を印加する電圧源と、半導体物質から成る前記第１層に形成された前記キャビティ内の複数の接点であって、その各々が、前記受光領域の該当位置にある前記デバイスに浸透する光子に反応して電荷キャリヤを受け取り、前記デバイスの前記受光面に入射した光の空間分布を示す信号を提供する複数の接点と、を含むアバランシェフォトダイオード・アレイ型デバイス。２５．隣接する接点間が電気的に絶縁されるように、前記キャビティ内に形成された少なくとも１つの絶縁構造体をさらに具備する請求項２４に記載のデバイス。