JP2007536703A - シリコン光電子増倍管（改良型）及びシリコン光電子増倍管用セル - Google Patents

シリコン光電子増倍管（改良型）及びシリコン光電子増倍管用セル Download PDF

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Abstract

【課題】原子核技術、レーザ技術分野や工業用及び医療用の断層撮影等で用いることが可能な、可視光領域を含む光を高効率で検出する検出器を提供する。
【解決手段】本発明は、高効率の光記録検出器に関し、原子核技術、レーザ技術分野や工業用及び医療用の断層撮影等で用いることが可能である。本発明のシリコン光電子増倍管（第１の実施形態）は、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度のｐ＋＋導電型の基板を備え、前記増倍管は複数のセルからなる。各セルは、１０18〜１０14ｃｍ-3で徐々に変化可能なドーピング濃度を有する、前記基板上に成長されたｐ導電型のエピタキシャル層と、１０15〜１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ導電型の層と、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｎ＋導電型の層とを備え、前記ｎ＋導電型の層と供給バーとを接続するポリシリコン抵抗部が各セルの酸化ケイ素層上に配置され、セル間には分離部分が配置される。前記シリコン光電子増倍管（第２の実施形態）は、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度のｐ＋＋導電型の層が形成されたｎ導電型の基板を備える。この増倍管は、複数のセルからなり、各セルには、ポリシリコン抵抗部が酸化ケイ素層上に配置され、また、セル間には分離部分が配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイスの分野に関し、より詳細には、原子核技術、レーザ技術分野や工業用及び医療用の断層撮影等で用いることが可能な、可視光領域を含む光を高効率で検出する検出器に関する。
単一光子検出用のデバイスとしては、Ｓ．コバ等によるものが知られている（「単一光子検出用アバランシェフォトダイオード及びクエンチング回路」Ｓ．コバ、Ｍ．ギオニ、Ａ．ラカイタ、Ｃ．サモリ、Ｆ．ザッパ、 アプライド オプティックス Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１２ ２０ １９９６年４月 （“Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ ａｎｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ” Ｓ．Ｃｏｖａ，Ｍ．Ｇｈｉｏｎｉ，Ａ．Ｌａｃａｉｔａ，Ｃ．Ｓａｍｏｒｉ ａｎｄ Ｆ．Ｚａｐｐａ ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１２ ２０ Ａｐｒｉｌ １９９６））。この周知のデバイスは、エピタキシャル層が形成されたシリコン基板を備える。このエピタキシャル層は表面上に、所定の層の導電型とは反対の導電型である１０〜２００マイクロメートルの１個の小領域（セル）を有する。セルには、降伏電圧を超える逆バイアスが印加される。光子がこの領域に吸収されるとガイガー放電が起こる。この放電は、外部の制動抵抗によって制御される。このような単一光子検出器では、光検出効率は高いが、感度領域が非常に小さく、また、光束強度を測定することができない。これらの欠点を解消するためには、１ｍｍ2以上の１つの共通基板に非常に多数（≧１０3）のセルを用いる必要がある。この場合、各セルは上述の光子検出器として機能し、デバイス全体としては、動作したセルの数に比例して光強度が検出される。
このようなシリコン光電子増倍管に最も近い従来技術としては、１９９７年７月２７日に公開されたロシア特許公開公報ＲＵ２０８６０４７Ｃ１号に記載されたデバイスがある。このデバイスは、シリコン基板と複数のセルを備え、これらセルの大きさは２０〜４０マイクロメートルであり、エピタキシャル層の前記基板の表面上に配置される。制動抵抗としては、特定の材料の層が用いられる。
このデバイスの欠点としては以下が挙げられる。
・抵抗層における光吸収により、短波側の光の検出効率が低下する。
・感度領域の深さが浅いため、長波側の光の検出効率が十分に高くない。
・近傍のセル間の光学的な結合が存在するため、ひとつのセルが励起するとガイガー放電において２次光子が発生し、これらの光子が近傍のセルを励起する。これら光子の数は増幅率に比例するため、デバイスの増幅率、効率、単一電子分解能はこの現象によって制限される。さらに、光学的結合によって、ノイズ要因が過剰に発生するため、理想的なポアソン統計の特徴からずれ、また、少数の光子を評価する能力を低下させてしまう。
・抵抗層の膜形成は技術的に複雑である。
これらが技術的に意味することは、セル感度を増大することによって増幅率を１０7程度にして広い波長範囲において光検出効率を増加させることであり、単一電子の分解能を向上させることであり、過剰なノイズ要因を抑えることである。
そのようなシリコン光電子増倍管用セルとしては、厚さの薄いエピタキシャル層に形成され、略１マイクロメートルの深さの空乏層において均一な電場を与える単一セル構造体（略２０マイクロメートルの大きさ）が、最も近い従来技術として知られている。このセル構造体は低電圧で動作する（「室温における単一光子計時用の新しいエピタキシャルアバランシェダイオード」Ｍ．ギオニ、Ｓ．コバ、Ａ．ラカイタ、Ｇ．リパモンティ、エレクトロニクス レターズ、２４、Ｎｏ．２４（１９８８）１４７６ （Ｍ．Ｇｈｉｏｎｉ，Ｓ．Ｃｏｖａ，Ａ．Ｌａｃａｉｔａ，Ｇ．Ｒｉｐａｍｏｎｔｉ“Ｎｅｗ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｄｉｏｄｅ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ ｔｉｍｉｎｇ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２４，Ｎｏ．２４（１９８８）１４７６））。このセルの欠点としては、長波長領域（≧４５０マイクロメートル）において検出効率が十分でないことが挙げられる。
これが技術的に意味することは、セル感度を増大することによって広い波長領域における光検出効率を増加させることであり、単一電子分解能を向上させることである。
シリコン光電子増倍管及び光電子増倍管用セル構造体の２つの実施形態が検討される。
第１の実施形態では、以下のようなシリコン光電子増倍管によって、技術効果が得られる。すなわち、シリコン光電子増倍管は、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ＋＋導電型基板を有し、前記増倍管は互いに独立した複数のセルからなり、各セルは、１０18〜１０14ｃｍ-3で傾斜して変化するドーピング濃度を有し、基板上に成長させたｐ導電型エピタキシャル層と、１０15〜１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ導電型層と、ｐ−ｎ境界部分のドナー部分を形成し、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｎ＋導電型層とを有し、前記各セルの酸化ケイ素層上にはポリシリコン抵抗部が設けられ、このポリシリコン抵抗部は前記ｎ＋導電型層と電圧分配バスとを接続し、セル間には分離部分が配置される。
第２の実施形態では、以下のようなシリコン光電子増倍管によって、技術効果が得られる。すなわち、シリコン光電子増倍管は、ｎ導電型基板と、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有し、前記ｎ導電型基板上に形成されたｐ＋＋導電型層とを備え、前記増倍管は互いに独立した同一の複数のセルからなり、各セルは、１０18〜１０14ｃｍ-3で傾斜して変化するドーピング濃度を有し、前記ｐ＋＋導電型層上に成長させたｐ導電型エピタキシャル層と、１０15〜１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ導電型層と、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｎ＋導電型層とを備え、ポリシリコン抵抗部は、前記各セルの酸化ケイ素層上に配置され、前記ｎ＋導電型層と電圧分配バスとを接続し、分離部分は、前記各セルの間に配置される。
この第２の実施形態では、（第１の実施形態で用いられた基板１の代わりに）ｎ導電型基板が用いられ、このｎ導電型基板はセルのｐ−層に沿って、逆であるｎ−ｐ境界部分を形成する。
第１実施形態に係るシリコン光電子増倍管は、ｐ＋＋導電型基板１と、基板１に成長したエピタキシャル層２（ＥＰＩ）と、ｐ導電型層３と、ｎ＋導電型層４と、層４と電圧分配バス６とを接続するポリシリコン抵抗部５と、酸化ケイ素層７と、分離部分１０とを備える。
第２実施形態に係るシリコン光電子増倍管は、上述の構成要素及び接続部分以外に、ｐ＋＋導電型層８と、ｐ＋＋導電型基板１の代わりのｎ導電型基板９とを有する。
シリコン光電子増倍管用セルは、ドーピング濃度が１０18〜１０14ｃｍ-3で徐々に変化するｐ導電型エピタキシャル層２と、ドーピング濃度が１０15〜１０17ｃｍ-3を有するｐ導電型層３と、ｐ−ｎ境界部分のドナー部分を形成し、ドーピング濃度が１０18〜１０20ｃｍ-3を有するｎ＋層と、エピタキシャル層の光電面上に形成された酸化ケイ素層７の各セルに配置されたポリシリコン抵抗部５を備える。抵抗部５は、ｎ＋層４と電圧分配バス６とを接続する。
上述の構造体において、エピタキシャル層に特別に形成された濃度勾配のあるドーピングプロファイルによって生じる内部電場を生成することによって、動作電圧を低く抑え、電場を一様にし、広い波長領域（３００ｎｍ〜９００ｎｍ）において高い光検出効率が実現される。
エピタキシャル層のドーピング濃度は、光電子増倍管の基板から光電面に向かって減少する。ここで、光電面は、基板から遠い側のエピタキシャル層表面（エピタキシャル層の光電面）である。酸化ケイ素層７は、シリコン光電子増倍管の光電面、すなわちエピタキシャル層の光電面上に形成される。ｎ＋層４と電圧分配バス６とを接続するポリシリコン抵抗部５は、酸化ケイ素層７の各セルに配置される。特に光学バリアとして機能する分離部分１０は、セル間に配置される。
シリコン光電子増倍管の第２実施形態におけるエピタキシャル層は、ｎ導電型基板９（ドーピング濃度１０15〜１０17ｃｍ-3）に配置されたｐ＋＋導電型層８に成長される。ｐ導電型層３と基板９の間に第２の(逆方向)ｎ−ｐ境界部分が形成される。この境界部分によって、ガイガー放電における２次光子によって生じる光電子が近傍のセルの感度領域に侵入することを防ぐ。さらに、＜１００＞方向を有するシリコンの異方性エッチングによってセル間に分離部分（光学的なバリア）（例えば、三角形状（Ｖ溝））を形成することで、ガイガー放電の２次光子が近傍のセルに侵入することを防ぐ。
このシリコン光電子増倍管は、２０〜１００マイクロメートルのサイズの独立した複数のセルを備える。全てのセルがアルミニウムバスで接続され、降伏電圧より大きい同一のバイアス電圧がセルに印加され、ガイガーモードで動作する。光子がセルの活性領域に達すると当該活性領域にクエンチされたガイガー放電が発生する。クエンチとは放電を停止させることであり、各セルにおけるポリシリコン抵抗部５（電流制限抵抗）の存在によりｐ−ｎ境界部分の電圧が低下すると電荷担体の数が０に変動することによってクエンチが起こる。動作したセルからの電流信号は、共通の負荷上に集約される。各セルの増幅度は１０7程度である。増幅値のばらつきはセルの容量のばらつき及びセルの降伏電圧のばらつきで決まり、５％未満である。全てのセルは同一なので、強くない閃光に対する検出器の応答は、動作したセルの数、すなわち、光強度に比例する。ガイガーモードにおける動作の特徴の一つとして、バイアス電圧からのセル増幅度の線形依存性が挙げられる。これにより、電源電圧の安定性及び熱安定性に対する要件が緩和される。
共通バス６（陽極）には、正の電圧が供給される。供給する電圧としては、ガイガーモードになり（一般には＋２０Ｖ〜６０Ｖ）、また、１〜２マイクロメートルの必要となる空乏層の深さを与える値にする。光量子の吸収においては、生成される電荷担体は、空乏領域だけではなく、空乏になっていない通過する領域からも集まる。この空乏になっていない領域では、ドーピングの濃度勾配によって生じた内部電場が存在し、この電場によって、電子は陽極へと移動させられる。このように、電荷が、空乏領域の深さを大きく超えるような深さにまで達して集まるため、動作電圧が低くなる。固定のセル配置及び固定の動作電圧において最大の光検出効率を与える。
ポリシリコン抵抗部５の値は、アバランシェ放電を停止させるために十分な条件の中から選択される。この抵抗部は、技術的に簡単に作製される。重要な特徴としては、活性領域をふさがずに、すなわち、光検出効率を低下させずに、抵抗部をセル周辺に形成することである。
セル間の結合を防ぐために、シリコン光電子増倍管の構造体では、セル間に分離部分が配置される。例えば、この分離部分は三角形状（例えば、＜１００＞方向のシリコンをＫＯＨ溶液で異方性エッチングすることで形成される）を有している。
ｐ−ｎ及びｎ−ｐ境界部分の過程は同一に行われることを考慮すると（電荷担体の極性を逆にすること）、図４から図６に示されるように、本実施形態の極性を逆にしたデバイス（決められた導電型の層を逆の導電型に変える）を実現するにあたって、それらの動作は、本明細書及び請求項において記載された発明と同様に実現される。よって、本デバイスの極性を逆にした実施形態の特徴は、本明細書及び本請求項において記載された特徴と同等である。
図１は、本発明に係るシリコン光電子増倍管のセル構造体を示す。 図２は、シリコン光電子増倍管の第１実施形態を示す。 図３は、シリコン光電子増倍管の第２実施形態を示す。 図４は、本発明に係るセル構造体を示す（極性を逆にした実施形態）。 図５は、シリコン光電子増倍管の第１実施形態を示す（極性を逆にした実施形態）。 図６は、シリコン光電子増倍管の第２実施形態を示す（極性を逆にした実施形態）。
符号の説明
１…ｐ＋＋導電型基板 ２…エピタキシャル層
３…ｐ導電型層 ４…ｎ＋導電型層
５…ポリシリコン抵抗部 ６…電圧分配バス
７…酸化ケイ素層 ８…ｐ＋＋導電型層
９…ｎ導電型基板 １０…分離部分

Claims (3)

  1. １０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ＋＋導電型基板を有するシリコン光電子増倍管であって、前記増倍管は複数のセルからなり、
    各セルは、
    １０18〜１０14ｃｍ-3で徐々に変化するドーピング濃度を有し、前記基板上に成長させたｐ導電型エピタキシャル層と、
    １０15〜１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ導電型層と、
    １０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｎ＋導電型層と、
    を備え、
    ポリシリコン抵抗部は、前記各セルの酸化ケイ素層上に配置され、前記ｎ＋導電型層と電圧分配バスとを接続し、前記各セルの間に分離部分が配置されることを特徴とするシリコン光電子増倍管。
  2. ｎ導電型基板と、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有し、前記基板上に形成されたｐ＋＋導電型層とを備えるシリコン光電子増倍管であって、前記増倍管は複数のセルからなり、
    各セルは、
    １０18〜１０14ｃｍ-3で徐々に変化するドーピング濃度を有し、前記ｐ＋＋導電型層上に成長させたｐ導電型エピタキシャル層と、
    １０15〜１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ導電型層と、
    １０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｎ＋導電型層と、
    を備え、
    ポリシリコン抵抗部は、前記各セルの酸化ケイ素層上に配置され、前記ｎ＋導電型層と電圧分配バスとを接続し、前記各セルの間に分離部分が配置されたことを特徴とするシリコン光電子増倍管。
  3. シリコン光電子増倍管用セルであって、前記セルは、
    １０18〜１０14ｃｍ-3で徐々に変化するドーピング濃度を有するｐ導電型エピタキシャル層と、
    １０15〜１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｐ導電型層と、
    ｐ−ｎ境界部分のドナー部分を形成し、１０18〜１０20ｃｍ-3のドーピング濃度を有するｎ＋導電型層と、
    を備え、
    ポリシリコン抵抗部は、前記セルの酸化ケイ素層上に配置され、前記ｎ＋層と電圧供給バスとを接続することを特徴とするシリコン光電子増倍管用セル。
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