JP2007221088A

JP2007221088A - 光検出素子

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Publication number: JP2007221088A
Application number: JP2006232399A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ishikawa; 嘉隆石川; Satoru Kawai; 哲河合
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: JP4908112B2

Abstract

【課題】高いバイアス電圧を印加することなく、応答速度の低下を回避しつつ光感度の向上が図れる光検出素子を提供することを目的とする。
【解決手段】表面Ｓ１ａと入射光を検出する光検出領域１４ａとを有しており光検出領域１４ａが平面視で光入射方向からみて表面Ｓ１ａの中央部に設けられたフォトダイオード１ａと、表面Ｓ１ｂと入射光を検出する光検出領域１４ｂとを有しており光検出領域１４ｂが平面視で光入射方向からみて表面Ｓ１ｂの中央部に設けられたフォトダイオード１ｂと、光を反射する反射面３９ａを有する反射部３９とを備え、フォトダイオード１ａ、フォトダイオード１ｂ及び反射部３９は、光検出領域１４ａ、光検出領域１４ｂ及び反射面３９ａが所定の光入射方向に対し重なるように順に配置され、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂとは、電気的に並列接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光検出素子に関する。

近年、アバランシェフォトダイオードを用いて可視光や赤外線等の低エネルギー光の検出が可能な光検出素子の開発が進んでいる。このような低エネルギー光の検出を高感度に行えるようにするためにはアバランシェフォトダイオードの厚みを大きくする必要がある。この点、特許文献１及び特許文献２には、アバランシェフォトダイオードの厚みを大きくすることなく複数のアバランシェ増倍層を積層することにより、応答速度の低下を回避しつつ光感度の向上を図るための技術が開示されている。
特開平７−２３５６８８号公報特開２００２−２０３９８６号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に開示されたアバランシェフォトダイオードは、複数のアバランシェ増倍層が電気的に直列接続されたものとなっている。このため、このアバランシェフォトダイオードには比較的高いバイアス電圧の印加が必要となる。従って、応答速度の低下が回避され、光感度の向上が図られていても、高バイアス電圧に対する耐性が不足することとなる。

そこで、本発明は、高いバイアス電圧を印加することなく、応答速度の低下を回避しつつ光感度の向上が図れる光検出素子を提供することを目的とする。

本発明の光検出素子は、１）入射光を検出する第１の光検出領域を有する第１のフォトダイオードと、２）上記第１のフォトダイオードと電気的に並列接続されており、入射光を検出する第２の光検出領域を有する第２のフォトダイオードと、３）光を反射する反射面を有する反射部とを備え、上記第１のフォトダイオード、上記第２のフォトダイオード及び上記反射部は、上記第１の光検出領域、上記第２の光検出領域及び上記反射面が、上記入射光の光入射方向に対し順に重なるように配置されている。

第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードの厚みが小さい場合には、比較的高い応答速度が実現できる。しかしこの場合、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードのそれぞれにおいて光感度の低下を招くこととなる。この点、本発明の光検出素子によれば、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードが光入射方向に重ねられている。このため、第１及び第２のフォトダイオードの厚みが小さくても光検出素子全体として光感度の向上が図れる。更に、第１のフォトダイオード内及び第２のフォトダイオード内を伝搬した光が反射部により反射されることにより、第１のフォトダイオード内及び第２のフォトダイオード内を再度伝搬する。これにより、第１のフォトダイオード内及び第２のフォトダイオード内を通過する光量が実質的に増加するため、光検出素子の光感度の向上が更に図れる。また、本発明の光検出素子によれば、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードが電気的に並列接続されているため、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードの各々に対し印加するバイアス電圧は、２つのフォトダイオードを直列接続した場合の全体に印加するバイアス電圧に比較して低い。以上により、本発明の光検出素子は、高いバイアス電圧を印加することなく、応答速度の低下を回避しつつ光感度の向上が図れる。

本発明の光検出素子では、上記第１の光検出領域と上記第２の光検出領域とは、上記光入射方向に対する上記第１の光検出領域の光感度分布と上記第２の光検出領域の光感度分布とを合成した合成光感度分布が略均一となるように重なっている、ことを特徴とする。このため、光検出素子全体としての光感度（合成光感度）が、光検出領域表面に対する入射光の入射位置によらず略一定となり、光感度特性の向上が図られる。

本発明の光検出素子では、上記第１のフォトダイオードは、第１の反射防止膜及び第２の反射防止膜を有し、上記第１の反射防止膜及び上記第２の反射防止膜は、当該第１の反射防止膜、上記第１の光検出領域及び当該第２の反射防止膜が、上記光入射方向に対し順に重なるように配置されている、ことを特徴とする。このように、第１の反射防止膜によって反射が低減されるため、第１のフォトダイオードに入射する入射光の多くが第１の表面（第１のフォトダイオードにおける入射光の入射面）で反射されることなく第１のフォトダイオード内部に至る。更に、第２の反射防止膜によって反射が低減されるため、第１のフォトダイオード内部から外部に進む光の多くが第１の表面に対向する表面で反射されることなく第１のフォトダイオードから出射して、第２のフォトダイオードに入射する。このため、光検出素子の光感度の向上が図られる。

本発明の光検出素子では、上記第１のフォトダイオード及び上記第２のフォトダイオードの各々は、アバランシェフォトダイオードである、ことを特徴とする。本発明の光検出素子によれば、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードの各々がアバランシェフォトダイオードであるため、波長領域が可視〜近赤外領域にある低エネルギー光の検出が可能となる。このような低エネルギー光に対しても、良好な光感度が実現できる。また、アバランシェフォトダイオードの場合は、それ以外のフォトダイオードに比べて、光検出領域が厚くなり、増倍を行うことと合わせて光感度の面内分布が不均一となり易いが、前述の合成光感度分布を略均一とする特徴の効果は大きなものとなる。

本発明によれば、高いバイアス電圧を印加することなく、応答速度の低下を回避しつつ光感度の向上が図れる。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。図１を参照して実施形態に係るフォトダイオード１の構成を説明する。フォトダイオード１は、波長領域が可視〜近赤外領域にある低エネルギー光を検出するためのアバランシェフォトダイオードである。フォトダイオード１は、光が入射する表面Ｓ１を含むＰ⁻型半導体基板１０を有する。Ｐ⁻型半導体基板１０は、光検出領域１４を有する。

光検出領域１４は、平面視で（光入射方向からみて）表面Ｓ１の中央部に設けられている。光検出領域１４は、表面Ｓ１から内側に厚みを有する。光検出領域１４は、Ｎ^＋型不純物領域１１とＰ型不純物領域１３とその下のＰ⁻型半導体基板１０で、バイアス時に空乏化している領域とからなる。Ｎ^＋型不純物領域１１は、表面Ｓ１からＰ⁻型半導体基板１０の内側に厚みを有する。Ｎ^＋型不純物領域１１は、Ｎ^＋型ガードリング１１ａを有する。Ｎ^＋型ガードリング１１ａは、Ｎ^＋型不純物領域１１の周端に設けられている。Ｐ型不純物領域１３は、Ｎ^＋型不純物領域１１から更にＰ⁻型半導体基板１０の内側に厚みを有する。Ｐ⁻型半導体基板１０は、Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５を有する。Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５は、平面視で表面Ｓ１の周端にあって表面Ｓ１から内側に厚みを有する。Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５は、光検出領域１４を囲むように設けられている。

Ｐ⁻型半導体基板１０は、例えばボロン等のＰ型不純物が添加されたシリコン基板である。Ｐ型不純物領域１３は、Ｐ⁻型半導体基板１０よりもＰ型不純物が高濃度に添加された領域である。Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５は、Ｐ型不純物領域１３よりもＰ型不純物が高濃度で添加された領域である。Ｎ^＋型不純物領域１１は、例えばリン等のＮ型不純物が添加された領域である。Ｎ^＋型不純物領域１１（Ｎ^＋型ガードリング１１ａを含む）及びＰ型不純物領域１３は、Ｐ⁻型半導体基板１０内においてｐｎ接合を構成している。

フォトダイオード１は、表面Ｓ１上に順次積層されたパッシベーション膜１７及び反射防止膜１９を有する。フォトダイオード１は、反射防止膜１９上に設けられた電極２１及び電極２３を有する。光検出領域１４上にはパッシベーション膜１７と反射防止膜１９とでＡＲ膜が設けられることになる。パッシベーション膜１７及び反射防止膜１９には、Ｎ^＋型不純物領域１１上にコンタクトホールＨ１が設けられていると共に、Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５上にコンタクトホールＨ２が設けられている。電極２１は、コンタクトホールＨ１を介してＮ^＋型不純物領域１１と電気的に接続されている。電極２３は、コンタクトホールＨ２を介してＰ^＋型拡散遮蔽領域１５と電気的に接続されている。パッシベーション膜１７の素材は、例えば酸化シリコン等である。反射防止膜１９の素材は、例えば酸化シリコンや窒化シリコン等である。

フォトダイオード１は、表面Ｓ１の反対側の表面Ｓ２に設けられた凹部Ｓ３を有する。凹部Ｓ３はテーパ状の窪みである。凹部Ｓ３は、平面視で光検出領域１４に重なるように形成されている。凹部Ｓ３の底面と表面Ｓ１との間の厚みは比較的小さく、例えば１００〜２００μｍ程度であり、１５０μｍ程度が好ましい。このように、表面Ｓ１と凹部Ｓ３の底面との間の厚みが比較的小さいため、応答速度が高速化されると共に、フォトダイオード１に印加するバイアス電圧が低減される。

また、フォトダイオード１は、パッシベーション膜２５、電極２９及び反射防止膜２７を有する。パッシベーション膜２５は、表面Ｓ２上及び凹部Ｓ３の表面上に設けられている。パッシベーション膜２５にはコンタクトホールＨ３が設けられている。電極２９は、パッシベーション膜２５上に設けられている。電極２９は、コンタクトホールＨ３を介してＰ⁻型半導体基板１０と電気的に接続されている。反射防止膜２７は、パッシベーション膜２５上にあって凹部Ｓ３内に設けられている。反射防止膜２７の素材は、例えば酸化シリコンや窒化シリコン等である。この場合もパッシベーション膜２５と反射防止膜２７とでＡＲ膜が構成されることになる。

上記構成を有するフォトダイオード１は、電極２１と電極２９とに対し逆バイアス電圧（ブレークダウン電圧）が印加されている場合、光検出領域１４に入射する光量に応じたキャリアが光検出領域１４で生成される。Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５の近傍で生成されたキャリアはＰ^＋型拡散遮蔽領域１５に流れ込む。このため、電極２１からの出力信号に生じる裾引きは、Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５により低減される。

次に、図２を参照して、実施形態に係る光検出素子３ａについて説明する。光検出素子３ａは、フォトダイオード１ａ（第１のフォトダイオード）とフォトダイオード１ｂ（第２のフォトダイオード）とを備える。フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂは、何れも図１に示すフォトダイオード１と同様の構成を有する。フォトダイオード１ａは、Ｐ⁻型半導体基板１０に対応するＰ⁻型半導体基板１０ａと、光検出領域１４に対応する光検出領域１４ａ（第１の光検出領域）と、電極２１に対応する電極２１ａと、電極２３に対応する電極２３ａと、Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５に対応するＰ^＋型拡散遮蔽領域１５ａと、電極２９に対応する電極２９ａと、表面Ｓ１に対応する表面Ｓ１ａと、凹部Ｓ３に対応する凹部Ｓ３ａと、反射防止膜１９に対応する反射防止膜１９ａ（第１の反射防止膜）と、反射防止膜２７に対応する反射防止膜２７ａ（第２の反射防止膜）とを主に有する。フォトダイオード１ｂは、Ｐ⁻型半導体基板１０に対応するＰ⁻型半導体基板１０ｂと、光検出領域１４に対応する光検出領域１４ｂ（第２の光検出領域）と、電極２１に対応する電極２１ｂと、電極２３に対応する電極２３ｂと、Ｐ^＋型拡散遮蔽領域１５に対応するＰ^＋型拡散遮蔽領域１５ｂと、電極２９に対応する電極２９ｂと、表面Ｓ１に対応する表面Ｓ１ｂと、凹部Ｓ３に対応する凹部Ｓ３ｂと、反射防止膜１９に対応する反射防止膜１９ｂと、反射防止膜２７に対応する反射防止膜２７ｂとを主に有する。なお、フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂの各構成要素（図１に示すフォトダイオード１の各構成要素を参照）のうち上記構成要素以外の他の構成要素については簡略化のため図示
略とする。

図２に示すフォトダイオード１ｂには、凹部Ｓ３ｂの底部に反射部３９が設けられている。反射部３９は、光反射率の比較的高いＡｌ等の金属膜等である。反射部３９は、光を反射する反射面３９ａを有している。反射面３９ａは、フォトダイオード１ｂの反射防止膜２７ｂに面している。フォトダイオード１ａ、フォトダイオード１ｂ及び反射部３９は、光検出領域１４ａ、光検出領域１４ｂ及び反射面３９ａが、入射光Ｌの光入射方向（ｚ軸に沿った向き）に対し順に重なるように配置されている。また、反射防止膜１９ａ、光検出領域１４ａ及び反射防止膜２７ａは、入射光Ｌの光入射方向に対し順に重なるように配置されている。

光検出素子３ａは、ベース部３１、支持部材３３、カソード電極３５及びアノード電極３７を更に備える。ベース部３１には、支持部材３３、カソード電極３５及びアノード電極３７が設けられている。支持部材３３は、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂとを保持する。この場合、支持部材３３は、フォトダイオード１ａの表面Ｓ１ａと、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂとが、入射光Ｌの入射方向（ｚ軸に沿った向き）からみて重なり合うように、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂとを保持する。更に、支持部材３３は、フォトダイオード１ａの表面Ｓ１ａと、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂとが略平行となるように、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂとを保持する。すなわち、表面Ｓ１ａと表面Ｓ１ｂとは共にｘｙ平面に対し略平行となっている。

フォトダイオード１ａは、半田や接着剤等を介して支持部材３３に設けられている。この場合、フォトダイオード１ａの電極２９ａが支持部材３３に接続されている。一方、フォトダイオード１ｂは、バンプボンディング３４及びバンプボンディング３８を介して支持部材３３に設けられている。この場合、バンプボンディング３４は、フォトダイオード１ｂの電極２１ｂと、支持部材３３の導体部３４ａとを電気的に接続する。バンプボンディング３８は、フォトダイオード１ｂの電極２３ｂと、支持部材３３の導体部３８ａとを電気的に接続する。

カソード電極３５は、導電性を有する例えば金属等からなる導電路Ｗ１を介して、フォトダイオード１ａの電極２１ａに電気的に接続されている。そして、カソード電極３５は、導電路Ｗ１、導体部３４ａ及びバンプボンディング３４を介して、フォトダイオード１ｂの電極２１ｂに電気的に接続されている。アノード電極３７は、導電性を有する例えば金属等からなる導電路Ｗ２を介して、フォトダイオード１ａの電極２９ａ（及び／又は、電極２３ａ）と、電気的に接続されている。また、アノード電極３７は、導電路Ｗ２、導体部３８ａ及びバンプボンディング３８を介して、フォトダイオード１ｂの電極２３ｂに電気的に接続されている。すなわち、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂとは電気的に並列接続されている。

次に、図３を参照して、フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂが有する光感度分布について説明する。図３（ａ）は、図２に示す入射光Ｌの入射方向に対する光検出領域１４ａの光感度分布Ｄ１を示す図であり、図３（ｂ）は、図２に示す入射光Ｌの入射方向に対する光検出領域１４ｂの光感度分布Ｄ２を示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す光感度分布は、波長７８５ｎｍ、５μｍφ程度のスポット径の光をスキャンすることにより測定した測定結果を示している。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すｘｙ平面は、図２に示す入射光Ｌの入射方向に略垂直な光検出領域１４ａの表面（すなわち表面Ｓ１ａ）及び光検出領域１４ｂの表面（すなわち表面Ｓ１ｂ）にそれぞれ対応しており、ｋ座標は光感度の大きさを表している。光検出領域１４ａの光感度分布Ｄ１は、比較的高感度を示す領域Ｒ１と、比較的低感度を示す領域Ｒ２とを含む。光検出領域１４ｂの光感度分布Ｄ２も、フォトダイオード１ａの場合と同様に、比較的高感度を示す領域Ｒ３と、比較的低感度を示す領域Ｒ４とを含む。

次に、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂの配置について詳細に説明する。光検出領域１４ａの光感度分布Ｄ１のうち比較的高感度を示す領域Ｒ１と、光検出領域１４ｂの光感度分布Ｄ２のうち比較的低感度を示す領域Ｒ４とが重なるように、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂとが配置されている。他の表現を用いれば、光検出領域１４ａの光感度分布Ｄ１のうち比較的低感度を示す領域Ｒ２と、光検出領域１４ｂの光感度分布Ｄ２のうち比較的高感度を示す領域Ｒ３とが重なるように、フォトダイオード１ａとフォトダイオード１ｂとが配置されている。すなわち、光検出領域１４ａと光検出領域１４ｂとは、光感度分布Ｄ１と光感度分布Ｄ２とを合成して得られる合成光感度分布が略均一となるように重なっている。単一のフォトダイオードでは、光感度分布の感度幅は２０％程度である。この場合、合成光感度分布の感度幅は１０％程度である。このように、光感度分布Ｄ１及び光感度分布Ｄ２の各々は共に非均一な光感度分布を有しているが、光検出領域１４ａと光検出領域１４ｂとを上述のようにして重ねることにより、光感度分布Ｄ１と光感度分布Ｄ２とを合成して得られる合成光感度分布が均一化される。このため、光検出素子３ａの光感度（合成光感度）が、光検出領域１４ａ及び光検出領域１４ｂに対する入射光Ｌの入射位置（ｘｙ平面上の位置）によらず略一定となり、光感度特性の向上が図られる。

以上説明した構成の光検出素子３ａでは、入射光Ｌが、フォトダイオード１ａの表面Ｓ１ａに入射し、フォトダイオード１ａ内を伝搬する。これにより、電極２１ａと電極２９ａとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ａの光検出領域１４ａでキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ａを通り抜けた光は、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂに入射し、フォトダイオード１ｂ内を伝搬する。これにより、電極２１ｂと電極２９ｂとに逆バイアス電圧が印加されている場合には、フォトダイオード１ｂの光検出領域１４ｂでキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ｂ内を伝搬した光は反射部３９により反射され、フォトダイオード１ｂ内及びフォトダイオード１ａ内を再度伝搬する。

次に、光検出素子３ａの作用・効果について説明する。フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂの各々には、応答速度向上のために、そして、高いバイアス電圧印加を回避するために、凹部Ｓ３ａ及び凹部Ｓ３ｂがそれぞれ設けられている。このため、フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂの各々においては光感度が低下することとなる。しかし、光検出素子３ａでは、フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂが入射光Ｌの入射方向に対して重ねられているため、光検出素子３ａ全体としての光感度の向上が図られる。更に、フォトダイオード１ａ内及びフォトダイオード１ｂ内を伝搬した光が反射部３９によって反射され、フォトダイオード１ｂ内及びフォトダイオード１ａ内を再度伝搬する。これにより、フォトダイオード１ａ内及びフォトダイオード１ｂ内を通過する光量が実質的に増加するため、光検出素子３ａの光感度の向上が更に図られることとなる。更に、フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂが電気的に並列接続されているため、フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂの各々に対し印加するバイアス電圧は、２つのフォトダイオードを直列接続した場合の全体に印加するバイアス電圧に比較して低い。すなわち、光検出素子３ａは、高いバイアス電圧の印加を必要とすることなく、応答速度の低下を回避しつつ光感度の向上が図られる。また、フォトダイオード１ａ及びフォトダイオード１ｂの各々がアバランシェフォトダイオードであるため、波長領域が可視〜近赤外領域にある比較的エネルギーの低い低エネルギー光の検出が可能となる。このような低エネルギー光に対しても、良好な光感度が実現できる。また、アバランシェフォトダイオードの場合は、それ以外のフォトダイオードに比べて、光検出領域が厚くなり、増倍を行うことと合わせて光感度の面内分布が不均一となり易いが、前述の合成光感度分布を略均一とする特徴の効果は大きなものとなる。

＜変形例１＞
なお、本発明は上述の実施形態に係る光検出素子３ａに限るものではなく詳細構成等の変更は可能である。例えば、本発明の実施形態としては図４に示す光検出素子３ｂであってもよい。光検出素子３ｂは、下記に示す相違を除けば、光検出素子３ａと同様の構成を有する。光検出素子３ｂは、凹部Ｓ３ｂの底部に反射部３９が設けられておらず、反射部３９に替えて反射部４１が設けられた構成となっている。反射部４１は、光を反射する反射面４１ａを有しており、この反射面４１ａは、フォトダイオード１ｂの反射防止膜２７ｂに面している。フォトダイオード１ａ、フォトダイオード１ｂ及び反射部４１は、光検出領域１４ａ、光検出領域１４ｂ及び反射面４１ａが順に重なるように配置されている。以上が、光検出素子３ｂの光検出素子３ａに対する主な相違点である。従って、この光検出素子３ｂは、上述の光検出素子３ａと同様の作用・効果を有する。

上記構成の光検出素子３ｂでは、まず入射光Ｌが、ｚ軸方向に沿ってフォトダイオード１ａの表面Ｓ１ａに入射し、フォトダイオード１ａ内を伝搬する。これにより、電極２１ａと電極２９ａとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ａの光検出領域１４ａでキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ａを通り抜けた光は、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂに入射し、フォトダイオード１ｂ内を伝搬する。これにより、電極２１ｂと電極２３ｂとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ｂの光検出領域１４ｂでキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ｂを通り抜けた光は反射部４１により反射され、フォトダイオード１ｂ内及びフォトダイオード１ａ内を再度伝搬することとなる。

＜変形例２＞
また、本発明の実施形態としては図５に示す光検出素子３ｃであってもよい。光検出素子３ｃは、下記に示す相違を除けば、光検出素子３ａと同様の構成を有する。光検出素子３ｃは、入射光Ｌの入射する向きに凹部Ｓ３ｂが面するように、フォトダイオード１ｂが設けられた構成となっている。フォトダイオード１ｂは、フォトダイオード１ａと同様に、半田や接着剤等を介して支持部材３３に設けられている。この場合、フォトダイオード１ｂの電極２９ｂが支持部材３３に接続されている。更に、光検出素子３ｃは、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂ上に反射部４３が設けられた構成となっている。反射部４３は、光を反射する反射面４３ａを有しており、この反射面４３ａは、フォトダイオード１ｂの反射防止膜１９ｂに面している。フォトダイオード１ａ、フォトダイオード１ｂ及び反射部４３は、光検出領域１４ａ、光検出領域１４ｂ及び反射面４３ａが順に重なるように配置されている。反射部４３は、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂに設けられていてもよいし、図示しない支持部により支持されていてもよい。以上が、光検出素子３ｃの光検出素子３ａに対する主な相違点である。従って、光検出素子３ｃは、上述の光検出素子３ａと同様の作用・効果を有する。

上記構成の光検出素子３ｃでは、まず入射光Ｌが、フォトダイオード１ａの表面Ｓ１ａに入射し、フォトダイオード１ａ内を伝搬する。これにより、電極２１ａと電極２９ａとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ａの光検出領域１４ａでキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ａを通り抜けた光は、フォトダイオード１ｂの凹部Ｓ３ｂに入射し、フォトダイオード１ｂ内を伝搬する。これにより、電極２１ｂと電極２９ｂとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ｂの光検出領域１４ｂでキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ｂを通り抜けた光は反射部４３によって反射され、フォトダイオード１ｂ内及びフォトダイオード１ａ内を再度伝搬することとなる。

＜変形例３＞
また、本発明の実施形態としては図６に示す光検出素子３ｄであってもよい。
光検出素子３ｄは、下記に示す相違を除けば、光検出素子３ａと同様の構成を有する。光検出素子３ｄにおいて、フォトダイオード１ａは、入射光Ｌの入射する向きに凹部Ｓ３ａが面するように設けられている。すなわち、この構成において、フォトダイオード１ａの凹部Ｓ３ａと、フォトダイオード１ｂの光検出領域１４ｂとは、共に入射光Ｌの入射する向きに面している。光検出素子３ｄにおいて、フォトダイオード１ａは、フォトダイオード１ｂと同様に、半田や接着剤等を介して支持部材３３に設けられている。この場合、フォトダイオード１ａの電極２１ａはバンプボンディング５１及び導体部５１ａを介して支持部材３３に接続されている。光検出素子３ｄにおいて、フォトダイオード１ａ、フォトダイオード１ｂ及び反射部３９は、入射光Ｌの入射方向からみて、反射防止膜２７ａ、光検出領域１４ａ、光検出領域１４ｂ、反射防止膜２７ｂ及び反射部３９が順に重なるように配置されている。光検出素子３ｄにおいて、導電路Ｗ１は、導体部３４ａ及びバンプボンディング３４を介して電極２１ｂに電気的に接続されており、導体部５１ａ及びバンプボンディング５１を介して電極２１ａに電気的に接続されている。光検出素子３ｄにおいて、導電路Ｗ２は、導体部３８ａ及びバンプボンディング３８を介して電極２３ｂに電気的に接続されている。以上が、光検出素子３ｄの光検出素子３ａに対する主な相違点である。

上記構成の光検出素子３ｄに入射光Ｌが入射した場合の様子を説明する。まず入射光Ｌが、フォトダイオード１ａの凹部Ｓ３ａに入射し、フォトダイオード１ａ内を伝播する。電極２１ａと電極２９ａとに逆バイアス電圧が印加されている場合、光検出領域１４ａにおいてキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ａを通り抜けた光は、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂに入射し、フォトダイオード１ｂ内を伝播する。電極２１ｂと電極２３ｂとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ｂの光検出領域１４ｂにおいてキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ｂを通り抜けた光は反射部３９により反射され、フォトダイオード１ｂ内及びフォトダイオード１ａ内を再度伝播する。

以上説明した変形例３に係る光検出素子３ｄは、光検出素子３ａと同様の効果を奏する。ここで、光検出素子３ａにおけるフォトダイオード１ａに長波長の光（例えば波長１．０６μｍの光）を入射した場合を考えてみると、長波長の光に対しては、光の入射面（表面Ｓ１ａ）から深いところでキャリアが発生して電界で十分加速されてアバランシェ増倍が起こることになる。一方、光検出素子３ａにおけるフォトダイオード１ａに短波長の光（例えば波長５００〜６００ｎｍの光）が入射した場合には、光の入射面（表面Ｓ１ａ）から浅いところからキャリアを生成するので、Ｎ^＋型不純物領域１１やＰ型不純物領域１３の光入射面に近いところで発生したキャリアは電界で十分に加速されずアバランシェ増倍を起こすことなく、感度が低いままとなってしまう。しかし、光検出素子３ｄにおけるフォトダイオード１ａは、光検出素子３ａにおけるフォトダイオード１ａとは入射光Ｌの入射方向からみて逆向きに配置されており、入射光Ｌは、反射防止膜２７ａに入射後、Ｐ⁻型半導体基板１０ａ内を伝播しながらキャリアを生成する。このため、入射光Ｌは、短波長の光の場合、Ｐ⁻型半導体基板１０ａ内の反射防止膜２７ａに近い浅いところでキャリアを生成し、これらのキャリアは電極２１ａと電極２９ａとに印加されたバイアス電圧による高い電界で十分加速されてアバランシェ増倍を起こすことになる。また、長波長の光は光入射面から深いところでキャリアを生成するため、光検出素子３ｄにおける第２のフォトダイオード（フォトダイオード１ｂ）は、光検出素子３ａにおける第１のフォトダイオード（フォトダイオード１ａ）と同様の動作を行うことになる。すなわち、光検出素子３ｄは、このような短波長の光（入射光Ｌ）に対しても長波長の光に対しても感度が高く、光検出素子３ａと同様の効果を奏する。

＜変形例４＞
また、本発明の実施形態としては図７に示す光検出素子３ｅであってもよい。光検出素子３ｅは、下記に示す相違を除けば、光検出素子３ｄと同様の構成を有する。光検出素子３ｅにおいて、フォトダイオード１ｂは、入射光Ｌの入射する向きに凹部Ｓ３ｂが面するように設けられている。すなわち、フォトダイオード１ｂは、図５に示す光検出素子３ｃの場合と同様に配置されている。この構成において、フォトダイオード１ａの凹部Ｓ３ａと、フォトダイオード１ｂの凹部Ｓ３ｂとは、共に入射光Ｌの入射する向きに面している。光検出素子３ｅにおいて、フォトダイオード１ｂは、フォトダイオード１ａと同様に、半田や接着剤を介して支持部材３３に設けられている。この場合、フォトダイオード１ｂの電極２９ｂが支持部材３３に接続されている。

更に、光検出素子３ｅは、図５に示す光検出素子３ｃの場合と同様に、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂ上に設けられた反射部４３を更に備える。フォトダイオード１ａ、フォトダイオード１ｂ及び反射部４３は、反射防止膜２７ａ、光検出領域１４ａ、反射防止膜２７ｂ、光検出領域１４ｂ及び反射面４３ａが順に重なるように配置されている。反射部４３は、フォトダイオード１ｂの表面Ｓ１ｂに設けられていてもよいし、図示しない支持部により支持されていてもよい。光検出素子３ｅにおいて、導電路Ｗ１は、電極２１ｂに電気的に接続されており、導体部５１ａ及びバンプボンディング５１を介して電極２１ａに電気的に接続されている。光検出素子３ｅにおいて、導電路Ｗ２は、電極２９ａ及び電極２９ｂに電気的に接続されている。以上が、光検出素子３ｅの光検出素子３ｄに対する主な相違点である。

上記構成の光検出素子３ｅに入射光Ｌが入射した場合の様子を説明する。まず、入射光Ｌが、フォトダイオード１ａの凹部Ｓ３ａに入射し、フォトダイオード１ａ内を伝播する。電極２１ａと電極２９ａとに逆バイアス電圧が印加されている場合、光検出領域１４ａにおいてキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ａを通り抜けた光は、フォトダイオード１ｂの凹部Ｓ３ｂに入射し、フォトダイオード１ｂ内を伝播する。電極２１ｂと電極２９ｂとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ｂの光検出領域１４ｂにおいてキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ｂを通り抜けた光は反射部４３の反射面４３ａにより反射され、フォトダイオード１ｂ内及びフォトダイオード１ａ内を再度伝播する。

以上説明した変形例４に係る光検出素子３ｅは、上述の光検出素子３ｄと同様の作用・効果を奏する。しかし、光検出素子３ｅにおけるフォトダイオード１ｂは、光検出素子３ｄにおけるフォトダイオード１ｂとは入射光Ｌの入射方向からみて逆向きに配置されており、入射光Ｌは、フォトダイオード１ａを通り抜けた後、フォトダイオード１ｂの反射防止膜２７ｂに入射する（フォトダイオード１ｂに入射する。）。従って、光検出素子３ｅにおけるフォトダイオード１ｂは、変形例３に係る光検出素子３ｄにおけるフォトダイオード１ａと同じ動作となり、長い波長の光に対してのみでなく短い波長の光に対しても、アバランシェ増倍を起こすことになる。このため、光検出素子３ｅは、光検出素子３ｄに比較して、フォトダイオード１ａを通過した光でもフォトダイオード１ｂにおいてアバランシェ増倍を起こすことにより、長波長の光と同様に短波長の光の検出が感度良く行える。

＜変形例５＞
また、本発明の実施形態としては図８に示す光検出素子３ｆであってもよい。光検出素子３ｆは、下記に示す相違を除けば、光検出素子３ｅと同様の構成を有する。光検出素子３ｆにおいて、支持部材３３ａは支持部材３３上に設けられており、この支持部材３３ａは、支持部材３３と同様の形状を有する。光検出素子３ｆにおいて、支持部材３３にはフォトダイオード１ｂが接続されており、この支持部材３３上に設けられた支持部材３３ａには、フォトダイオード１ａが接続されている。光検出素子３ｆにおいて、フォトダイオード１ａは半田や接着剤等を介して支持部材３３ａに設けられており、フォトダイオード１ｂも半田や接着剤等を介して支持部材３３に設けられている。この場合、フォトダイオード１ｂの電極２９ｂが支持部材３３に接続されており、フォトダイオード１ａの電極２９ａが支持部材３３ａに接続されている。この構成において、フォトダイオード１ａの凹部Ｓ３ａと、フォトダイオード１ｂの凹部Ｓ３ｂとは、共に入射光Ｌの入射する向きに面している。以上が、光検出素子３ｆの光検出素子３ｅに対する主な相違点である。

上記構成の光検出素子３ｆに入射光Ｌが入射した場合の様子を説明する。まず、入射光Ｌが、フォトダイオード１ａの凹部Ｓ３ａに入射し、フォトダイオード１ａ内を伝播する。電極２１ａと電極２９ａとに逆バイアス電圧が印加されている場合、光検出領域１４ａにおいてキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ａを通り抜けた光は、フォトダイオード１ｂの凹部Ｓ３ｂに入射し、フォトダイオード１ｂ内を伝播する。電極２１ｂと電極２９ｂとに逆バイアス電圧が印加されている場合、フォトダイオード１ｂの光検出領域１４ｂにおいてキャリアが生成される。その後、フォトダイオード１ｂを通り抜けた光は、反射部４３の反射面４３ａにより反射され、フォトダイオード１ｂ内及びフォトダイオード１ａ内を再度伝播する。以上説明した変形例５に係る光検出素子３ｆは、上述の光検出素子３ｅと同様の作用・効果を奏する。

実施形態に係るフォトダイオードの構成を説明するための断面図である。実施形態に係る光検出素子の構成を説明するための断面図である。実施形態に係るフォトダイオードの光検出領域表面の光感度分布を示す図である。実施形態に係る光検出素子の他の構成を説明するための断面図である。実施形態に係る光検出素子の他の構成を説明するための断面図である。実施形態に係る光検出素子の他の構成を説明するための断面図である。実施形態に係る光検出素子の他の構成を説明するための断面図である。実施形態に係る光検出素子の他の構成を説明するための断面図である。

符号の説明

Ｓ１，Ｓ２…表面、Ｓ３…凹部、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…コンタクトホール、Ｗ１，Ｗ２…導電路、１，１ａ，１ｂ…フォトダイオード、１０…Ｐ⁻型半導体基板、１１…Ｎ^＋型不純物領域、１１ａ…Ｎ^＋型ガードリング、１３…Ｐ型不純物領域、１４…光検出領域、１５…Ｐ^＋型拡散遮蔽領域、１７…パッシベーション膜、１９…反射防止膜、２１，２３，２９…電極、２５…パッシベーション膜、２７…反射防止膜、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ…光検出素子、３１…ベース部、３３，３３ａ…支持部材、３４，３８，５１…バンプボンディング、３４ａ，３８ａ，５１ａ…導体部、３５…カソード電極、３７…アノード電極、３９，４１，４３…反射部、３９ａ，４１ａ，４３ａ…反射面。

Claims

入射光を検出する第１の光検出領域を有する第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードと電気的に並列接続されており、入射光を検出する第２の光検出領域を有する第２のフォトダイオードと、
光を反射する反射面を有する反射部と
を備え、
前記第１のフォトダイオード、前記第２のフォトダイオード及び前記反射部は、前記第１の光検出領域、前記第２の光検出領域及び前記反射面が、前記入射光の光入射方向に対し順に重なるように配置されている光検出素子。
前記第１の光検出領域と前記第２の光検出領域とは、前記光入射方向に対する前記第１の光検出領域の光感度分布と前記第２の光検出領域の光感度分布とを合成した合成光感度分布が略均一となるように重なっている、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
前記第１のフォトダイオードは、第１の反射防止膜及び第２の反射防止膜を有し、
前記第１の反射防止膜及び前記第２の反射防止膜は、当該第１の反射防止膜、前記第１の光検出領域及び当該第２の反射防止膜が、前記光入射方向に対し順に重なるように配置されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出素子。
前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードの各々は、アバランシェフォトダイオードである、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光検出素子。