JP2008103614A - Photoelectric transducer device - Google Patents

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Takuji Yoshida
卓史 吉田
Noriaki Kimura
憲明 木村
Kyoji Doi
恭二 土井
Takayoshi Yumii
孝佳 弓井
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Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact photoelectric transducer device capable of detecting an electron reaching an optical receiving plane with much better quantum efficiency and lower noise by eliminating non-detectable portions on the optical receiving plane. <P>SOLUTION: Many lenses are arranged on one-on-one basis corresponding to each of many optical receiving regions for an optical receiving plane comprising many photodiode optical receiving regions and an inactive region which is formed at each border between adjacent optical receiving regions. Each of microlens array lenses leads light going toward the corresponding optical receiving region to this optical receiving region, while it leads light coming toward the inactive region surrounding the corresponding optical receiving region to the corresponding optical receiving region. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数のフォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を備え、各フォトダイオードの受光領域に到来した光それぞれに応じた電気信号を出力する光電変換デバイスに関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device that includes a plurality of photodiodes (PD) and outputs an electrical signal corresponding to each light that has arrived at a light receiving region of each photodiode.

従来、所定の２次元領域に到来する微弱な光を検出するための手段として、ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）アレイ等が利用されている。ＰＭＴは、光電面、集束電極、電子増倍部、陽極（電子を集める電極）を真空管の中に収めた高感度の光センサであり、光電面に光が当たると、光電面から真空中に光電子が放出され、その光電子が集束電極によって電子増倍部に導かれて、2次電子放出効果によって増倍（増加）される。ＰＭＴは、この２次電子放出効果を利用して光電子を増倍（１００万倍〜１０００万倍）することにより、光センサの中でも高い像倍率を有するといった長所を有している。しかし、ＰＭＴでは、入射してくる光子数に対して、光電面で発生する光電子の割合を表す量子効率は、約２０％未満とそれほど高くなかった。このため、所定の２次元領域に到来する微弱な光子の数を計測する、いわゆるフォトンカウンティングの用途には、それほど高い精度を期待できないといった欠点を有している。   Conventionally, a PMT (Photomultiplier Tube) array or the like has been used as means for detecting weak light arriving in a predetermined two-dimensional region. A PMT is a highly sensitive photosensor in which a photocathode, a focusing electrode, an electron multiplier, and an anode (electrode for collecting electrons) are housed in a vacuum tube. Photoelectrons are emitted, the photoelectrons are guided to the electron multiplier by the focusing electrode, and are multiplied (increased) by the secondary electron emission effect. PMT has the advantage of having a high image magnification among photosensors by multiplying photoelectrons (1 million times to 10 million times) by utilizing this secondary electron emission effect. However, in the PMT, the quantum efficiency representing the proportion of photoelectrons generated on the photocathode with respect to the number of incident photons is not so high as less than about 20%. For this reason, the photon counting application for measuring the number of weak photons arriving in a predetermined two-dimensional region has a drawback that high accuracy cannot be expected.

近年、このようなＰＭＴアレイと比較して、フォトンカウンティング能力がより優れた光検出器として、シリコンフォトマルチプライヤー（ＳｉＰＭ；Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）の開発が進められている。ＳｉＰＭは、マルチピクセルフォトンカウンター（ＭＰＰＣ；Ｍｕｌｔｉ Ｐｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ）とも呼ばれ、受光面内に、量子効率の高い多数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が配列された構造をしている。ＳｉＰＭでは、配列された各ＡＰＤそれぞれが、それぞれのＡＰＤの受光領域が光子を受光したか否かの２通りのシグナルを出す。各ＡＰＤの量子効率は、ほぼ１００％であるといえ、ＡＰＤの受光領域に入射した光子に対して優れた分解能を有する。下記非特許文献には、このようなＳｉＰＭについて記載されている。
信原 岳、“新型光検出器ＭＰＰＣの開発”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１８年２月２６日、京都大学大学院理学研究科 物理学第二教室 高エネルギー物理学研究室、［平成１８年９月２２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/theses/master/nobuhara_mt.pdf＞ In recent years, a silicon photomultiplier (SiPM) has been developed as a photodetector having a photon counting capability superior to that of such a PMT array. The SiPM is also called a multi-pixel photon counter (MPPC) and has a structure in which a large number of avalanche photodiodes (APDs) with high quantum efficiency are arranged in the light receiving surface. In SiPM, each of the arranged APDs outputs two kinds of signals indicating whether or not the light receiving area of each APD has received a photon. Although the quantum efficiency of each APD is almost 100%, it has an excellent resolution for photons incident on the light receiving region of the APD. The following non-patent literature describes such SiPM.
Takeshi Nobuhara, “Development of New Photodetector MPPC”, [online], February 26, 2006, Kyoto University Graduate School of Science, Physics Department 2, High Energy Physics Laboratory, [September 2006 22 days search], Internet <URL: http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/theses/master/nobuhara_mt.pdf>

図５は、ＳｉＰＭの受光面について説明する図であり、受光面の一部を、ＡＰＤの受光領域の側から見た拡大上面図である。受光面１００には、各ＡＰＤ１０２の受光領域１０４と、隣接する複数のＡＰＤ１０２の受光領域１０４それぞれの境界線部分に設けられた、各受光領域１０４それぞれの周囲を囲む不活性領域１０６とが配置されている。この不活性領域１０６は、各ＡＰＤ素子を独立して動作させるために不可欠なものである。この不活性領域１０６には、ＡＰＤのｐｎ接合部において増幅された電荷の通り道となるクエンチング抵抗体１０８や、配列された全ピクセル（ＡＰＤ）共通の読み出しライン１１０なども配置される。このような抵抗や電極を設置するためにも、不活性領域１０６はＳｉＰＭにおいて不可欠である。   FIG. 5 is a diagram for explaining the light receiving surface of the SiPM, and is an enlarged top view of a part of the light receiving surface as viewed from the light receiving region side of the APD. On the light receiving surface 100, a light receiving region 104 of each APD 102 and an inactive region 106 surrounding each of the light receiving regions 104 provided at the boundary line portions of the light receiving regions 104 of a plurality of adjacent APDs 102 are arranged. ing. This inactive region 106 is indispensable for operating each APD element independently. In the inactive region 106, a quenching resistor 108 that becomes a path for the electric charge amplified at the pn junction of the APD, a readout line 110 common to all the arranged pixels (APD), and the like are also arranged. In order to install such resistors and electrodes, the inactive region 106 is indispensable in SiPM.

このようなＳｉＰＭでは、ＡＰＤ１０２の受光領域１０４に入射した光については、ほぼ１００％の効率で電子に変換されて増倍され、入射した光子の数に応じた信号が出力される。しかし、上述のようにＳｉＰＭの受光面には、不活性領域１０６が不可欠である。このような不活性領域１０６に到来した光子については、当然、ＡＰＤにおいて光電変換はなされない。すなわち、図５に示すようなＳｉＰＭでは、受光面の特定部分に到達した光子については、光子の到来自体、そもそも正確に検出することができないといった問題があった。結果として、従来のＳｉＰＭでは、ＳｉＰＭ装置全体としての量子効率（すなわち受光面１００に到来する光子の数に対する、光電変換されて検出された電子の数）を、１００％近くにはすることができなかった。図５に示す例では、例えば、受光面１００における受光領域１０４の面積は５０％程度であり、ＡＰＤ自体の量子効率がほぼ１００％の値が得られているにもかかわらず、ＳｉＰＭ装置全体としての量子効率は、４０％程度にしかすることができなかった。また、不活性領域１０６に入射した光が、不活性領域における何らかの効果で電子に変換されて迷走電流が生じ、光子の到来からある程度の時間をもって配線に到達するなどして、検出結果のノイズとして含まれてしまうといった問題もあった。   In such a SiPM, light incident on the light receiving region 104 of the APD 102 is converted into electrons with an efficiency of almost 100% and multiplied, and a signal corresponding to the number of incident photons is output. However, as described above, the inactive region 106 is indispensable on the SiPM light-receiving surface. As a matter of course, photoelectric conversion is not performed in the APD for the photons that have arrived at the inactive region 106. That is, the SiPM as shown in FIG. 5 has a problem that the photons that have reached a specific portion of the light receiving surface cannot be detected accurately in the first place. As a result, in the conventional SiPM, the quantum efficiency of the entire SiPM device (that is, the number of electrons detected by photoelectric conversion with respect to the number of photons arriving at the light receiving surface 100) can be made close to 100%. There wasn't. In the example shown in FIG. 5, for example, although the area of the light receiving region 104 on the light receiving surface 100 is about 50% and the quantum efficiency of the APD itself is almost 100%, the entire SiPM device is The quantum efficiency of can only be about 40%. In addition, light incident on the inactive region 106 is converted into electrons due to some effect in the inactive region, stray current is generated, and reaches the wiring after a certain time from arrival of photons. There was also a problem of being included.

本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたものであり、受光面における検出不可能部分をなくし、従来よりも遥かに優れた量子効率かつ低ノイズで、受光面に到達する電子を検出することができる、コンパクトな光電変換デバイスを提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, eliminates the non-detectable portion on the light receiving surface, and reduces the electrons that reach the light receiving surface with much better quantum efficiency and lower noise than conventional ones. An object of the present invention is to provide a compact photoelectric conversion device that can be detected.

上記問題を解決するために、本発明は、複数のフォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を備え、各フォトダイオードの受光領域に到来した光に応じた電気信号を出力する光電変換デバイスであって、前記複数のフォトダイオードの前記受光領域が配列された受光面と、前記受光面の前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを有する、前記受光面に向かって到来する光の行路を規定するマイクロレンズアレイと、を有し、前記受光面は、複数の前記受光領域と、隣接する複数の受光領域それぞれの境界線部分に設けられた、前記受光領域それぞれの周囲を囲む不活性領域と、からなり、前記マイクロレンズアレイの前記レンズそれぞれは、対応する前記受光領域に向かう光を前記対応する受光領域へと導きつつ、前記対応する受光領域の周囲を囲む前記不活性領域に向かって到来する光を、前記対応する受光領域へと導くことを特徴とする光電変換デバイスを提供する。   In order to solve the above problem, the present invention is a photoelectric conversion device that includes a plurality of photodiodes (PDs) and outputs an electrical signal corresponding to light arriving at a light receiving region of each photodiode. To the light receiving surface, comprising: a light receiving surface in which the light receiving regions of the plurality of photodiodes are arranged; and a plurality of lenses arranged in one-to-one correspondence with each of the plurality of light receiving regions of the light receiving surface. A microlens array that defines a path of incoming light, and the light receiving surface is provided at each of a plurality of the light receiving regions and a boundary portion of each of the plurality of adjacent light receiving regions. An inactive region surrounding the periphery, and each of the lenses of the microlens array receives light toward the corresponding light receiving region. While leads, the light which the arriving towards the inactive region surrounding the corresponding light-receiving region, to provide a photoelectric conversion device, characterized in that leads to the corresponding light receiving areas.

なお、前記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）であり、このアバランシェフォトダイオードをガイガー放電モードで動作させることが好ましい。   The photodiode is an avalanche photodiode (APD), and it is preferable to operate the avalanche photodiode in a Geiger discharge mode.

また、前記マイクロレンズアレイはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）レンズアレイであって、同一材料を加工することで、配列された前記複数のレンズが一括して形成されたものであることが好ましい。   The microlens array is preferably a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) lens array, in which the plurality of arranged lenses are collectively formed by processing the same material.

また、配列された前記複数のフォトダイオードは、１つの半導体基板を処理することで、前記半導体基板上に一括して形成されたものであり、前記マイクロレンズアレイは、前記複数のフォトダイオードが配列された状態の前記半導体基板に対して前記同一材料の層を形成し、前記同一材料の層を加工することで、前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを一括して形成されたものであることが好ましい。   The plurality of photodiodes arranged are collectively formed on the semiconductor substrate by processing one semiconductor substrate, and the microlens array includes the plurality of photodiodes arranged. A plurality of lenses arranged in one-to-one correspondence with each of the plurality of light receiving regions by forming a layer of the same material on the semiconductor substrate in a state of being formed and processing the layer of the same material Are preferably formed in a lump.

本発明の光電変換デバイスによれば、受光面における検出不可能部分をなくし、従来よりも遥かに優れた量子効率かつ低ノイズで、受光面に到達する電子を検出することができる。本発明によれば、複数のフォトダイオードの受光領域が配列されてなる受光面に対し、受光面の複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズからなるマイクロレンズアレイを設けただけの、非常にコンパクトな光電変換デバイスによって、このような優れた効果を得ることができる。   According to the photoelectric conversion device of the present invention, an undetectable portion on the light receiving surface can be eliminated, and electrons that reach the light receiving surface can be detected with much better quantum efficiency and lower noise than conventional ones. According to the present invention, a microlens array comprising a plurality of lenses arranged in a one-to-one correspondence with each of the plurality of light receiving areas of the light receiving surface with respect to the light receiving surface in which the light receiving areas of the plurality of photodiodes are arranged. Such an excellent effect can be obtained by using a very compact photoelectric conversion device provided with the above.

以下、本発明の光電変換デバイスについて、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光電変換デバイスの一例であるＳｉＰＭ光検出装置１０（ＳｉＰＭ１０）について説明する図であり、図１（ａ）は、ＳｉＰＭ１０の受光面１１の一部を、ＡＰＤの受光領域の側から見た拡大斜視図である。また、図１（ｂ）は、ＳｉＰＭ１０をＡ−Ａ’線で切断したときの断面図である。また、図１（ｃ）は、ＳｉＰＭ１０をＢ−Ｂ’線で切断したときの断面図である。   Hereinafter, the photoelectric conversion device of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings. FIGS. 1A to 1C are diagrams for explaining a SiPM light detection device 10 (SiPM 10) which is an example of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. It is the expansion perspective view which looked at the part from the light-receiving area side of APD. FIG. 1B is a cross-sectional view of the SiPM 10 taken along the line A-A ′. FIG. 1C is a cross-sectional view of the SiPM 10 taken along line B-B ′.

ＳｉＰＭ１０は、受光面１１内に、量子効率の高い複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ１２）の受光領域１４が配列された構造をしている。受光面１１には、各ＡＰＤ１２の受光領域１４と、隣接する複数のＡＰＤ１２の受光領域１４それぞれの境界線部分に設けられた、各受光領域１４それぞれの周囲を囲む不活性領域１６とが配置されている。この不活性領域１６は、各ＡＰＤ素子を独立して動作させるためのものである。この不活性領域１６には、ＡＰＤのｐｎ接合部において増幅された電荷の通り道となるクエンチング抵抗体１８や、配列された全ピクセル（ＡＰＤ）共通の読み出しライン２０なども配置される。本発明の一例であるＳｉＰＭ１０は、受光面１２の複数の受光領域１４それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズ３２を有する、受光面１２に向かって到来する光の行路を規定するためのマイクロレンズアレイ３０を備えて構成されている。   The SiPM 10 has a structure in which light receiving regions 14 of a plurality of avalanche photodiodes (APD 12) having high quantum efficiency are arranged in the light receiving surface 11. On the light receiving surface 11, a light receiving region 14 of each APD 12 and an inactive region 16 surrounding each of the light receiving regions 14 provided at each boundary line portion of the light receiving regions 14 of a plurality of adjacent APDs 12 are arranged. ing. This inactive region 16 is for operating each APD element independently. In the inactive region 16, a quenching resistor 18 serving as a path for the charges amplified at the pn junction of the APD, a readout line 20 common to all the arranged pixels (APD), and the like are also arranged. The SiPM 10, which is an example of the present invention, has a plurality of lenses 32 arranged in one-to-one correspondence with each of the plurality of light receiving regions 14 of the light receiving surface 12, and defines a path of light arriving toward the light receiving surface 12. The microlens array 30 is provided.

ＡＰＤ１２は、公知のアバランシェフォトダイオードであって、図示しないバイアス電圧源によってｐｎ接合部に逆バイアス電圧を印加して、電子雪崩効果のおこる直前の状態に保っておき、接合面に入射した光によって生成された電子による衝突電離がトリガとして生じる電子雪崩をもって、この入射した光を検出するものである。本実施形態のＡＰＤ１２では、入射した光子がドリフト領域２２において電子−ホール対に変換され、電子は比較的弱い電場によってｐ＋層２４とｎ＋層２６との接合部に形成された空乏層に対応するガイガー領域２８までドリフトする。このガイガー領域２８に到達した電子は、ガイガー放電によって約１０６倍に増幅され、増幅された電荷はポリシリコンからなるクエンチング抵抗１８（図１（ｂ）（ｃ）では図示せず）を経由して、アルミからなる各ＡＰＤ１２共通の読み出しライン２０を通じて、図示しない検出器によって検出電気信号として読み出される。なお、ｐｎ接合の周辺部に電界が集中し、周辺部でアバランシェ降伏が起こることを防ぐためのガードリング２９が、ガイガー領域２８を囲うように設けられている。このように、各ＡＰＤ１２は、入射フォトンによりガイガー放電を起こし増幅電荷を出力し、これら各ＡＰＤ１２における増幅電荷の総和が、共通の読み出しライン２０を通じて検出電気信号として検出される。 The APD 12 is a known avalanche photodiode, and a reverse bias voltage is applied to the pn junction by a bias voltage source (not shown) to keep the state just before the electron avalanche effect occurs, and by the light incident on the junction surface. This incident light is detected by an electron avalanche that is triggered by impact ionization by the generated electrons. In the APD 12 of the present embodiment, incident photons are converted into electron-hole pairs in the drift region 22, and electrons are generated in a depletion layer formed at the junction between the p + layer 24 and the n + layer 26 by a relatively weak electric field. Drift to the corresponding Geiger region 28. Electrons reach this Geiger region 28 is amplified to about 106 times by Geiger discharge, via the amplified charges quenching resistor 18 made of polysilicon (not shown in FIG. 1 (b) (c)) Then, it is read out as a detection electric signal by a detector (not shown) through a readout line 20 common to the APDs 12 made of aluminum. A guard ring 29 is provided so as to surround the Geiger region 28 in order to prevent an electric field from concentrating around the pn junction and causing avalanche breakdown at the periphery. In this manner, each APD 12 causes Geiger discharge by incident photons and outputs amplified charges, and the sum of the amplified charges in each APD 12 is detected as a detection electric signal through the common readout line 20.

これら複数のＡＰＤ１２は、同一の半導体製造プロセスを経て、同一の半導体基板１３上に一括して作製されたものである。同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで、複数のフォトダイオード（ＰＤ）を一括して作製することで、複数のＡＰＤの特性（増幅率など）を略同一にすることができるとともに、各ＡＰＤの配置精度を非常に高くすることができる。このような複数のＡＰＤ１２それぞれは、ある程度広い不活性領域１６によって隣りあったＡＰＤ１２と離間するとともに、ガードリング２９によって電気的に遮蔽されている。各ＡＰＤ１２の機能の孤立性を保つためにも、不活性領域１６はある程度広い必要があり、結果として、受光面１１内における受光領域１４の割合（面積の割合）は約５０％程度となっている。逆にいえば、各ＡＰＤ１２の孤立性を保つために５０％近い不活性領域が必要となっている。   The plurality of APDs 12 are collectively manufactured on the same semiconductor substrate 13 through the same semiconductor manufacturing process. By performing a semiconductor manufacturing process on the same semiconductor substrate, a plurality of photodiodes (PD) can be manufactured at once, and the characteristics (amplification factor, etc.) of the plurality of APDs can be made substantially the same. APD placement accuracy can be greatly increased. Each of such a plurality of APDs 12 is separated from the adjacent APD 12 by a somewhat wide inactive region 16 and is electrically shielded by the guard ring 29. In order to maintain the isolation of the function of each APD 12, the inactive region 16 needs to be somewhat wide. As a result, the ratio (area ratio) of the light receiving region 14 in the light receiving surface 11 is about 50%. Yes. Conversely, an inactive region close to 50% is required to maintain the isolation of each APD 12.

１つのＡＰＤ１２では、ガイガー放電モードにおいて、ガイガー領域２８（空乏層）のキャパシタンスＣｐｉｘｅｌは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓによらず一定の値をとる。よって、ガイガー領域２８に蓄えられる電荷はＶｂｉａｓに線型比例する。いま、ドリフトしてきた電子がガイガー領域２８（空乏層）に到達すると、ガイガー放電により、蓄えられた電荷はクエンチング抵抗Ｒｐｉｘｅｌを通って流れ出す。この影響により、ガイガー領域２８にかかる電圧が、一時ブレークダウン電圧Ｖ０以下に降下することで、ガイガー放電は終了する。このとき、このＡＰＤ１２からは、ガイガー放電により、Ｑｐｉｘｅｌ＝Ｃｐｉｘｅｌ・（Ｖｂｉａｓ−Ｖ０）の電荷が出力される。電荷が出力されてしまうまでに要する時間、つまりシグナル幅は、Ｃｐｉｘｅｌ×Ｒｐｉｘｅｌで決まる。このようなＡＰＤ１２が複数配列されたＳｉＰＭ１０では、全てのＡＰＤ１２が同じ増幅率をもつことで、共通の読み出しライン２０を通じて得られる検出電気信号の大きさから、光子を受光したＡＰＤ１２の数、すなわちＳｉＰＭ１０の受光面１１に入射した光量（ｐ．ｅ．）を求めることができる。本実施形態では、同一の半導体基板１３に半導体製造プロセスを施すことで、配列された複数のＡＰＤ１２を一括して形成することで作製されたものであり、全てのＡＰＤ１２の増幅率は非常に高い精度で一致している。検出電気信号の大きさ（電荷量）ＱＳｉＰＭは、ＱＳｉＰＭ＝Ｎ×Ｑｐｉｘｅｌと表すことができる。ここで、Ｎは、ガイガー放電したＡＰＤ１２の数である。 In one APD 12, in Geiger discharge mode, the capacitance C pixel Geiger region 28 (depletion layer) takes a constant value irrespective of the bias voltage V bias. Therefore, the electric charge stored in the Geiger region 28 is linearly proportional to Vbias . When the drifting electrons reach the Geiger region 28 (depletion layer), the stored charge flows out through the quenching resistor R pixel due to Geiger discharge. Due to this influence, the Geiger discharge ends when the voltage applied to the Geiger region 28 falls below the temporary breakdown voltage V 0 . At this time, a charge of Q pixel = C pixel · (V bias −V 0 ) is output from the APD 12 by Geiger discharge. The time required until the charge is output, that is, the signal width is determined by C pixel × R pixel . In the SiPM 10 in which a plurality of such APDs 12 are arranged, since all the APDs 12 have the same amplification factor, the number of APDs 12 that have received photons, that is, the SiPM 10 based on the magnitude of the detected electrical signal obtained through the common readout line 20. The amount of light incident on the light receiving surface 11 (pe) can be obtained. In the present embodiment, the same semiconductor substrate 13 is manufactured by performing a semiconductor manufacturing process to collectively form a plurality of arranged APDs 12, and the amplification factors of all the APDs 12 are very high. Matches with accuracy. The magnitude (charge amount) Q SiPM of the detected electric signal can be expressed as Q SiPM = N × Q pixel . Here, N is the number of APDs 12 that have undergone Geiger discharge.

ＳｉＰＭ１０では、このような複数のＡＰＤ１２の受光領域１４がそれぞれ配列されてなる受光面１１に対し、各受光領域１４それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズ３２を有するマイクロレンズアレイ３０が配置されている。マイクロレンズアレイ３０の各レンズ３２それぞれは、対応する受光領域１４に向かう光を対応する受光領域１４へと導きつつ（例えば、図１（ｂ）および（ｃ）に示す矢印Ｐ１およびＰ４）、対応する受光領域の周囲を囲む不活性領域１６に向かって到来する光を、対応する受光領域１４へと導く（例えば、図１（ｂ）および（ｃ）に示す矢印Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６）。図１（ｂ）および（ｃ）に示す実線の矢印は、マイクロレンズアレイ３０（の各レンズ３２）によって規定される光の行路の例を示し、破線矢印は、マイクロレンズアレイ３０（の各レンズ３２）が無かった場合の、光の行路を示している。 In the SiPM 10, a microlens array having a plurality of lenses 32 arranged in a one-to-one correspondence with each of the light receiving regions 14 with respect to the light receiving surface 11 in which the light receiving regions 14 of the plurality of APDs 12 are arranged. 30 is arranged. Each lens 32 of the microlens array 30 guides light toward the corresponding light receiving region 14 to the corresponding light receiving region 14 (for example, arrows P 1 and P 4 shown in FIGS. 1B and 1C). , The light arriving toward the inactive region 16 surrounding the corresponding light receiving region is guided to the corresponding light receiving region 14 (for example, arrows P 2 , P 3 , P 5, P 6). The solid line arrows shown in FIGS. 1B and 1C indicate examples of light paths defined by the microlens array 30 (each lens 32), and broken line arrows indicate the microlens array 30 (each lens). 32) shows the path of light when there is not.

例えば、マイクロレンズアレイ３０が無い場合、図１（ｂ）および（ｃ）に破線矢印で示すように、矢印Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６に対応する光は、受光面１１上の不活性領域１６に到達する。このような不活性領域１６に到達した光については、基本的には検出することができない。このため、受光面１２が、特定の空間領域から到来する光を検出するよう設定されていたとしても、この特定空間上の不活性領域１６に対応する部分から到来する光については、検出できないことになる。なお、不活性領域１６に到来した光子であっても、不活性領域１６における何らかの作用により、電子を生成する場合がある。しかし、このような生成電子は、迷走電流として、受光面１１上を不特定経路で走行し、例えば共通の読み出しライン２０に到達する。このようにして到達した電子は、受光面１１に光が到達してから、比較的長い不特定な時間だけ迷走している。このような不活性領域１６で生じた電子については、起因となる光子の受光面１１への到達タイミングを正確に知ることはできず、検出電気信号のノイズ成分となる。 For example, when the microlens array 30 is not provided, the light corresponding to the arrows P 2 , P 3 , P 5 , and P 6 is reflected on the light receiving surface 11 as indicated by broken line arrows in FIGS. The inactive region 16 is reached. Basically, the light reaching the inactive region 16 cannot be detected. For this reason, even if the light receiving surface 12 is set to detect light arriving from a specific space area, it cannot detect light arriving from a portion corresponding to the inactive area 16 on the specific space. become. Note that even a photon that has arrived at the inactive region 16 may generate electrons due to some action in the inactive region 16. However, such generated electrons travel as a stray current on the light receiving surface 11 along an unspecified path, and reach, for example, a common readout line 20. The electrons that have arrived in this way are strayed for a relatively long unspecified time after the light reaches the light receiving surface 11. For the electrons generated in the inactive region 16, the arrival timing of the resulting photon to the light receiving surface 11 cannot be accurately known, and becomes a noise component of the detected electric signal.

本発明の光電変換デバイスでは、マイクロレンズアレイ３０の各レンズ３２によって、受光面１１の範囲に到達する光子については、ほぼ完全に、複数のＡＰＤ１２のうちの対応するＡＰＤ１２の受光領域１４へと導くことができる。このため、受光面１１を、特定の空間領域から到来する光を検出するよう設定した場合、この特定空間から到来する光について、ほぼ完全に検出できることになる。すなわち、特定の空間領域から到来する光子について、ほぼ完全に、いずれかのＡＰＤ１２の受光領域１４へと導くことができる。そして、各ＡＰＤ１２において、高い量子効率（ほぼ１００％）で光子を電子に変換して増幅し、共通の読み出しライン２０を通じて検出電気信号を得ることができる。このように、本発明の光電変換デバイスによれば、受光面における検出不可能部分をなくし、従来よりも遥かに優れた量子効率かつ低ノイズで、受光面に到達する電子を検出することができる。本発明によれば、複数のフォトダイオードの受光領域が配列されてなる受光面に対し、受光面の複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズからなるマイクロレンズアレイを設けただけの、非常にコンパクトな光電変換デバイスによって、このような優れた効果を得ることができる。   In the photoelectric conversion device of the present invention, the photons reaching the range of the light receiving surface 11 are guided almost completely to the light receiving region 14 of the corresponding APD 12 among the plurality of APDs 12 by the lenses 32 of the microlens array 30. be able to. For this reason, when the light receiving surface 11 is set so as to detect light coming from a specific space region, the light coming from this specific space can be detected almost completely. That is, photons arriving from a specific spatial region can be almost completely guided to the light receiving region 14 of any APD 12. In each APD 12, photons can be converted into electrons and amplified with high quantum efficiency (approximately 100%), and a detection electrical signal can be obtained through a common readout line 20. Thus, according to the photoelectric conversion device of the present invention, the non-detectable portion on the light receiving surface can be eliminated, and electrons that reach the light receiving surface can be detected with much better quantum efficiency and lower noise than conventional ones. . According to the present invention, a microlens array comprising a plurality of lenses arranged in a one-to-one correspondence with each of the plurality of light receiving areas of the light receiving surface with respect to the light receiving surface formed by arranging the light receiving areas of the plurality of photodiodes Such an excellent effect can be obtained by using a very compact photoelectric conversion device provided with the above.

本実施形態のマイクロレンズアレイ３０は、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）レンズアレイであって、レンズ材料を加工することで、配列された複数のレンズを一括して形成したものである。このマイクロレンズアレイ３０は、複数のＡＰＤ１２が作製された半導体ウエハ１５（半導体基板１３に複数のＡＰＤ１２が一括して作製された状態のウエハであり、ダイジングなどによって分割される前の状態である）に対して半導体プロセスを施すことで、配列された複数のレンズ３２を一括して作製したものである。   The microlens array 30 of the present embodiment is a so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) lens array, and is formed by collectively processing a lens material to form a plurality of arranged lenses. The microlens array 30 is a semiconductor wafer 15 in which a plurality of APDs 12 are manufactured (a wafer in which a plurality of APDs 12 are manufactured in a batch on the semiconductor substrate 13 and in a state before being divided by dicing or the like). A plurality of arranged lenses 32 are collectively manufactured by applying a semiconductor process to the above.

図２（ａ）〜（ｄ）は、マイクロレンズアレイ３０の作製工程について説明する概略断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、複数のＡＰＤ１２が半導体基板１３（図２においては図示せず）上に作製された半導体ウエハ１５を用意する（図２では、ＡＰＤ１２のｎ＋層２６のみ図示している）。この半導体ウエハ１５表面に、レンズ材料である、ガラスなどの透明基板４２を貼りつけ、この透明基板４２上に、いわゆるフォトレジストなどの感光性樹脂層４４を形成する（図２（ｂ））。そして、この感光性樹脂層４４に公知のグレースケールマスク露光を施した後に現像処理を施し、感光性樹脂層をレンズ状に成型する（図２（ｃ））。グレースケールマスク露光とは、濃淡パターンを有するマスク（グレースケールマスク）を通して紫外光ランプなどによる平行光を感光性樹脂層（例えば、光硬化性樹脂層）表面に照射し、濃淡パターンを光感光深さパターン（例えば光硬化深さパターン）に変換して造形を行なう方法である。このグレースケールマスク露光では、連続的に変化する濃淡パターンにより，硬化深さ（硬化物の厚さ）が連続的に変化する造形が行なえるため，段差のない滑らかな曲面などを有する造形を行なうことができる。そして、図２（ｃ）に示す状態で、透明基板４２をエッチングするための異方性ドライエッチングを施すことで、図２（ｄ）に示すように、半導体ウエハ１５表面に、配列された複数のレンズ３２が作製される。この異方性エッチングは、基板垂直方向に透明基板４２をエッチングするものであり、感光性樹脂層４４も同時にエッチングする。このような異方性エッチングによって、エッチング開始時点での感光性樹脂層４４の形状（レンズ形状）を、透明基板４２に転写する。 2A to 2D are schematic cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the microlens array 30. FIG. First, as shown in FIG. 2A, a semiconductor wafer 15 in which a plurality of APDs 12 are formed on a semiconductor substrate 13 (not shown in FIG. 2) is prepared (in FIG. 2, the n + layer 26 of the APD 12). Only shown). A transparent substrate 42 such as glass, which is a lens material, is attached to the surface of the semiconductor wafer 15, and a photosensitive resin layer 44 such as a so-called photoresist is formed on the transparent substrate 42 (FIG. 2B). Then, the photosensitive resin layer 44 is exposed to a known gray scale mask and then developed, and the photosensitive resin layer is molded into a lens shape (FIG. 2C). Grayscale mask exposure refers to irradiating the surface of a photosensitive resin layer (for example, a photocurable resin layer) with a parallel light from an ultraviolet lamp through a mask having a grayscale pattern (grayscale mask), and exposing the grayscale pattern to a light-sensitive depth. This is a method of performing modeling by converting the thickness pattern (for example, photocuring depth pattern). In this gray scale mask exposure, since the depth of hardening (thickness of the cured product) can be continuously changed by the gradation pattern that changes continuously, the shape having a smooth curved surface without a step is formed. be able to. Then, anisotropic dry etching for etching the transparent substrate 42 is performed in the state shown in FIG. 2C, so that a plurality of arrays arranged on the surface of the semiconductor wafer 15 as shown in FIG. The lens 32 is manufactured. In this anisotropic etching, the transparent substrate 42 is etched in the direction perpendicular to the substrate, and the photosensitive resin layer 44 is also etched simultaneously. By such anisotropic etching, the shape (lens shape) of the photosensitive resin layer 44 at the time of starting etching is transferred to the transparent substrate 42.

複数のＡＰＤ１２は、同一の半導体基板１３に半導体製造プロセスを施すことで一括して形成されたものであり、半導体ウエハ１５上の所定の位置に正確に作製されている。上記グレースケールマスク露光の際は、複数のＡＰＤ１２ともに半導体ウエハ１５表面に一括して作製された、例えばアライメントマークなどの特定形状を基に、各複数のＡＰＤ１２それぞれに対応するよう露光を行なう。このため、図２（ｂ）に示す感光性樹脂層４２のレンズ形状位置は、各ＡＰD１２と非常に高精度に対応させることができ、このレンズ形状が転写されることで形成された各レンズ４２は、ＡＰＤ１２の受光領域１４と高い位置精度で対応させることができる。   The plurality of APDs 12 are collectively formed by performing a semiconductor manufacturing process on the same semiconductor substrate 13, and are accurately manufactured at predetermined positions on the semiconductor wafer 15. At the time of the gray scale mask exposure, exposure is performed so as to correspond to each of the plurality of APDs 12 based on a specific shape such as an alignment mark, which is collectively produced on the surface of the semiconductor wafer 15 together with the plurality of APDs 12. Therefore, the lens shape position of the photosensitive resin layer 42 shown in FIG. 2B can correspond to each APD 12 with very high accuracy, and each lens 42 formed by transferring this lens shape. Can correspond to the light receiving region 14 of the APD 12 with high positional accuracy.

このように、各ＡＰD１２の受光領域１４に対してレンズ４２が非常に高い位置精度で配置されているので、不活性領域１６に向かって進む光を、非常に高い位置精度で所望の位置に導くことができる。例えば、各ＡＰＤ１２に対するレンズ４２の配置精度が悪い場合、ＡＰＤの１２の受光領域１４の中にレンズ４２によって導いた光が必ず入射するよう、レンズ４２による集光領域の大きさを、受光領域１４の大きさに対してなるべく小さくする必要がある。ＡＰＤの場合、ＰＭＴのように光電面が焼け付く心配はないので、レンズ４２による集光領域の大きさをなるべく小さくしても、光の検出自体に問題が生じることはない。しかし、レンズ４２による集光領域の大きさを、受光領域１４の大きさに対してなるべく小さくするには、レンズ４２の曲率をなるべく大きくしたり（図２中の距離ｂを大きくしたり）、レンズ４２の曲率部分と受光領域１４との距離（図２中の距離ａ）をなるべく大きくする必要が生じる。この場合、結果としてＳｉＰＭ全体の大きさが大きくなる。本実施形態のように、同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで複数のＡＰＤを一括して作製し、これらＡＰＤが作製されたウエハに半導体プロセスを施すことで、配列された複数のレンズを一括して作製することで、各ＡＰDの受光領域に対してレンズを非常に高い位置精度で配置することができる。このため、レンズ４２による集光領域の大きさを、受光領域１４の大きさに対してそれほど小さくしなくても、不活性領域１６に向かって進む光を、確実に対応する受光領域へと導くことができる。このため、レンズ４２の曲率を比較的小さく（図２中の距離ｂは比較的小さく）したり、レンズ４２の曲率部分と受光領域１４との距離（図２中の距離ａ）を比較的小さくしたりして、ＳｉＰＭ全体の大きさを非常にコンパクトに構成したとしても、受光面に向かって到来する光を高精度に検出することができる。   Thus, since the lens 42 is arranged with very high positional accuracy with respect to the light receiving region 14 of each APD 12, the light traveling toward the inactive region 16 is guided to a desired position with very high positional accuracy. be able to. For example, when the arrangement accuracy of the lens 42 with respect to each APD 12 is poor, the size of the light collection region by the lens 42 is set so that the light guided by the lens 42 necessarily enters the light reception region 14 of the APD 12. It is necessary to make it as small as possible. In the case of APD, there is no concern that the photocathode will be burned unlike PMT, so that even if the size of the condensing region by the lens 42 is made as small as possible, there will be no problem in the light detection itself. However, in order to reduce the size of the condensing region by the lens 42 as much as possible with respect to the size of the light receiving region 14, the curvature of the lens 42 is increased as much as possible (the distance b in FIG. 2 is increased), It is necessary to increase the distance between the curvature portion of the lens 42 and the light receiving region 14 (distance a in FIG. 2) as much as possible. In this case, as a result, the size of the entire SiPM increases. As in the present embodiment, a plurality of APDs are manufactured collectively by performing a semiconductor manufacturing process on the same semiconductor substrate, and a plurality of arranged lenses are performed by performing a semiconductor process on the wafer on which these APDs are manufactured. Can be arranged with a very high positional accuracy with respect to the light receiving area of each APD. Therefore, the light traveling toward the inactive region 16 is surely guided to the corresponding light receiving region even if the size of the light collecting region by the lens 42 is not so small as that of the light receiving region 14. be able to. For this reason, the curvature of the lens 42 is relatively small (the distance b in FIG. 2 is relatively small), or the distance between the curvature portion of the lens 42 and the light receiving region 14 (the distance a in FIG. 2) is relatively small. Thus, even if the entire size of the SiPM is configured to be very compact, the light arriving toward the light receiving surface can be detected with high accuracy.

マイクロレンズアレイ３０（レンズ３２）の材質は特に限定されず、例えば、感光性樹脂材料（感光性樹脂層の材料）であってもよい。この場合、上記透明基板４２は設けず、半導体ウエハ１５表面に感光性樹脂層４４を直接塗布し、上記グレースケールマスク法によって感光性樹脂材料のレンズアレイを作製すればよい。なお、マイクロレンズアレイ３０の作製方法は特に限定されず、いわゆるＭＥＭＳレンズの作製方法として公知である、リフロー法やイオン拡散法、インクジェット法などを用いてもよい。なお、リフロー法とは、フォトリソグラフィーにより円柱状のフォトレジストパターンを作製した後，基板を加熱してレジストを流動させ，表面張力によりレンズ形状を作製する方法である。イオン拡散法とは、レンズ形状に合わせたマスクを形成したガラス基板にイオンを拡散させて、段階的な屈折率変化をもたせる方法である。また、インクジェット法とは、インクジェットプリンタヘッドを利用して微量の樹脂材料を所定の位置に滴下し，表面張力によりレンズ形状を作製する方法である。マイクロレンズの作製方法については、特に限定されない。   The material of the microlens array 30 (lens 32) is not specifically limited, For example, the photosensitive resin material (material of the photosensitive resin layer) may be sufficient. In this case, the transparent substrate 42 is not provided, and the photosensitive resin layer 44 may be directly applied to the surface of the semiconductor wafer 15, and a lens array of the photosensitive resin material may be manufactured by the gray scale mask method. The method for manufacturing the microlens array 30 is not particularly limited, and a reflow method, an ion diffusion method, an ink jet method, or the like, which is known as a method for manufacturing a so-called MEMS lens, may be used. Note that the reflow method is a method in which a cylindrical photoresist pattern is formed by photolithography, and then the substrate is heated to flow the resist and a lens shape is formed by surface tension. The ion diffusion method is a method in which ions are diffused on a glass substrate on which a mask matched to a lens shape is formed to cause a stepwise change in refractive index. The ink jet method is a method in which a small amount of resin material is dropped at a predetermined position using an ink jet printer head, and a lens shape is produced by surface tension. A method for manufacturing the microlens is not particularly limited.

なお、図１に示す例では、各ＡＰＤ１２の受光領域１４の形状は略正方形で示されているが、受光領域の形状は、本発明において特に限定されない。例えば、図３のように、その他の多角形（図３では略正六角形）の受光領域５４が、この受光領域５４を囲む不活性領域５６を境界線として隣接して配置されていても構わない。また、受光領域は、円形などの曲線で囲まれた形状であってもよく、形状は特に限定されない。また、受光領域は、ｐｉｎフォトダイオードなど、フォトダイオードの受光領域であればよく、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の受光領域であることに限定されない。   In the example shown in FIG. 1, the shape of the light receiving region 14 of each APD 12 is shown as a substantially square, but the shape of the light receiving region is not particularly limited in the present invention. For example, as shown in FIG. 3, other polygonal (substantially regular hexagonal in FIG. 3) light receiving areas 54 may be arranged adjacent to each other with an inactive area 56 surrounding the light receiving area 54 as a boundary line. . Further, the light receiving region may have a shape surrounded by a curve such as a circle, and the shape is not particularly limited. The light receiving region may be a light receiving region of a photodiode such as a pin photodiode, and is not limited to a light receiving region of an avalanche photodiode (APD).

また、受光面を構成する基板は、同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで複数のフォトダイオード（ＰＤ）を一括して作製されたものに限定されず、例えば、分割された１つ１つのフォトダイオードの受講領域を、同一面上に配列して構成したものであってもよい。ただし、複数のＡＰＤの特性（増幅率など）を略同一にすることができるとともに、各ＡＰＤの配置精度を非常に高くするためには、同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで、複数のフォトダイオード（ＰＤ）を一括して作製したものを用いることが好ましい。また、マイクロレンズアレイの作成方法としては、配列された複数のレンズ一括して作製することに限定されず、例えば、１つ１つのレンズを個別に作製した後、各レンズを配列してもよい。ただし、配置精度を高め、よりコンパクトな装置を実現するためには、配列された複数のレンズを一括して作製することが好ましい。   Further, the substrate constituting the light receiving surface is not limited to a substrate in which a plurality of photodiodes (PD) are manufactured at once by performing a semiconductor manufacturing process on the same semiconductor substrate. The area where two photodiodes are attended may be arranged on the same plane. However, the characteristics (amplification factors, etc.) of a plurality of APDs can be made substantially the same, and in order to make the placement accuracy of each APD very high, a plurality of APDs can be obtained by performing a semiconductor manufacturing process on the same semiconductor substrate. It is preferable to use a photo diode (PD) manufactured collectively. In addition, the method of creating the microlens array is not limited to producing a plurality of arranged lenses at once. For example, each lens may be arranged after individually producing each lens. . However, in order to improve the placement accuracy and realize a more compact device, it is preferable to manufacture a plurality of arranged lenses at once.

なお、本実施形態では、レンズの材料としてガラス基板を例示したが、レンズ材料については特に限定されず、用途に応じて適宜選択すればよい。レンズの曲率や、曲率部分と受光面との距離など、形状についても特に限定されない。例えば、図１（ｂ）および（ｃ）に示す、距離ａや距離ｂなど、用途に応じて適宜設定すればよい。なお、レンズは受光面と接触していることに限定されず、例えば、図４に断面図で示すように、レンズ６２の底面６４と受光面１１とは離間していてもよい。   In this embodiment, the glass substrate is exemplified as the lens material. However, the lens material is not particularly limited, and may be appropriately selected depending on the application. The shape such as the curvature of the lens and the distance between the curvature portion and the light receiving surface is not particularly limited. For example, what is necessary is just to set suitably according to a use, such as the distance a shown in FIG.1 (b) and (c), and the distance b. The lens is not limited to being in contact with the light receiving surface. For example, as shown in a cross-sectional view in FIG. 4, the bottom surface 64 of the lens 62 and the light receiving surface 11 may be separated from each other.

本実施形態では、共通の読み出しライン２０を通じて得られる検出電気信号の大きさから、光子を受光したＡＰＤ１２の数、すなわちＳｉＰＭ１０の受光面１１に入射した光量（ｐ．ｅ．）を求める例について説明した。本発明の光電変換デバイスの用例は特に限定されない。例えば、各受光領域それぞれに入射した光子に応じた電気信号を、各受光領域毎に分類して取得することで、受光面全体に投影された光を検出して画像情報を取得する、いわゆるカメラとして用いてもよい。本発明の光電変換デバイスでは、受光面に不活性領域があっても、受光面に向けて到来する光を余すことなくほぼ完全に検出することができるので、欠落のない完全な画像情報を取得することができる。   In the present embodiment, an example is described in which the number of APDs 12 that have received photons, that is, the amount of light incident on the light receiving surface 11 of the SiPM 10 (pe) is obtained from the magnitude of the detected electrical signal obtained through the common readout line 20. did. The example of the photoelectric conversion device of the present invention is not particularly limited. For example, a so-called camera that acquires image information by detecting light projected on the entire light-receiving surface by classifying and acquiring electric signals corresponding to photons incident on each light-receiving region for each light-receiving region. It may be used as In the photoelectric conversion device of the present invention, even if there is an inactive region on the light receiving surface, it is possible to almost completely detect light arriving toward the light receiving surface, so that complete image information without missing is obtained. can do.

本発明の光電変換デバイスでは、不活性領域に光子が入射することがなく、このような光子（受光領域以外の部分に到達した光子）に起因する雑音成分が生じることがないので、また、不活性領域を比較的広くしたとしても、受光面に到来する光をほぼ完全に受光領域に導いて検出することができるので、不活性領域を比較的広く確保することができる。このため、配線や電極やその他のデバイス等を、不活性領域に比較的自由に配置することができ、上記カメラ用途など、様々な用途に応じたチャンネル構成を実現できる。すなわち、複数のＡＰＤそれぞれにおける検出信号を、様々な形態で、出力したり信号処理することができる。   In the photoelectric conversion device of the present invention, no photon is incident on the inactive region, and no noise component due to such a photon (photon reaching a portion other than the light receiving region) is generated. Even if the active region is made relatively wide, the light arriving at the light receiving surface can be almost completely guided to the light receiving region and detected, so that the inactive region can be secured relatively wide. For this reason, wiring, electrodes, other devices, and the like can be relatively freely arranged in the inactive region, and channel configurations corresponding to various applications such as the above-described camera applications can be realized. That is, the detection signals in each of the plurality of APDs can be output and processed in various forms.

以上、本発明の光電変換デバイスについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   The photoelectric conversion device of the present invention has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and changes may be made without departing from the spirit of the present invention. is there.

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光電変換デバイスの一例であるＳｉＰＭについて説明する図であり、図１（ａ）はＳｉＰＭの受光面の拡大上面図、（ｂ）および（ｃ）はＳｉＰＭの断面図である。(A)-(c) is a figure explaining SiPM which is an example of the photoelectric conversion device of this invention, Fig.1 (a) is an enlarged top view of the light-receiving surface of SiPM, (b) and (c) are It is sectional drawing of SiPM. （ａ）〜（ｄ）は、本発明の光電変換デバイスの、マイクロレンズアレイの作製工程の一例について説明する概略断面図である。(A)-(d) is a schematic sectional drawing explaining an example of the production process of the micro lens array of the photoelectric conversion device of this invention. 本発明の光電変換デバイスの他の例について説明する図であり、他の例の受光面の上面図である。It is a figure explaining the other example of the photoelectric conversion device of this invention, and is a top view of the light-receiving surface of another example. 本発明の光電変換デバイスの他の例について説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the other example of the photoelectric conversion device of this invention. 従来の光電変換デバイスの一例であるＳｉＰＭの、受光面の拡大上面図である。It is an enlarged top view of the light-receiving surface of SiPM which is an example of the conventional photoelectric conversion device.

符号の説明Explanation of symbols

１０ ＳｉＰＭ光検出装置
１１、６６、１００ 受光面
１２、１０２ ＡＰＤ
１３ 半導体基板
１４、５４、１０４ 受光領域
１５ 半導体ウエハ
１６、５６、１０６ 不活性領域
１８、１０８ クエンチング抵抗体
２０、１１０ 読み出しライン
２４ ｐ＋層
２６ ｎ＋層
２８ ガイガー領域
３０ マイクロレンズアレイ
３２、６２ レンズ
４２ 透明基板
４４ 感光性樹脂層
６４ 底面 10 SiPM photodetector 11, 66, 100 Light-receiving surface 12, 102 APD
13 Semiconductor substrate 14, 54, 104 Light receiving region 15 Semiconductor wafer 16, 56, 106 Inactive region 18, 108 Quenching resistor 20, 110 Read line 24 p + layer 26 n + layer 28 Geiger region 30 Microlens array 32, 62 Lens 42 Transparent substrate 44 Photosensitive resin layer 64 Bottom

Claims (4)

複数のフォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を備え、各フォトダイオードの受光領域に到来した光に応じた電気信号を出力する光電変換デバイスであって、
前記複数のフォトダイオードの前記受光領域が配列された受光面と、
前記受光面の前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを有する、前記受光面に向かって到来する光の行路を規定するマイクロレンズアレイと、を有し、
前記受光面は、複数の前記受光領域と、隣接する複数の受光領域それぞれの境界線部分に設けられた、前記受光領域それぞれの周囲を囲む不活性領域と、からなり、
前記マイクロレンズアレイの前記レンズそれぞれは、対応する前記受光領域に向かう光を前記対応する受光領域へと導きつつ、前記対応する受光領域の周囲を囲む前記不活性領域に向かって到来する光を、前記対応する受光領域へと導くことを特徴とする光電変換デバイス。 A photoelectric conversion device that includes a plurality of photodiodes (PDs) and outputs an electrical signal corresponding to light arriving at a light receiving region of each photodiode,
A light receiving surface on which the light receiving regions of the plurality of photodiodes are arranged;
A plurality of lenses arranged in a one-to-one correspondence with each of the plurality of light receiving regions of the light receiving surface, and a microlens array defining a path of light arriving toward the light receiving surface,
The light receiving surface is composed of a plurality of light receiving regions and an inactive region surrounding each of the light receiving regions provided at a boundary portion of each of a plurality of adjacent light receiving regions,
Each of the lenses of the microlens array guides light traveling toward the inactive region surrounding the corresponding light receiving region while guiding light toward the corresponding light receiving region to the corresponding light receiving region. A photoelectric conversion device that leads to the corresponding light receiving region. 前記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）であり、このアバランシェフォトダイオードをガイガー放電モードで動作させることを特徴とする請求項１記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photodiode is an avalanche photodiode (APD), and the avalanche photodiode is operated in a Geiger discharge mode. 前記マイクロレンズアレイはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）レンズアレイであって、
同一材料を加工することで、配列された前記複数のレンズが一括して形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換デバイス。 The micro lens array is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) lens array,
3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the plurality of arranged lenses are collectively formed by processing the same material. 配列された前記複数のフォトダイオードは、１つの半導体基板を処理することで、前記半導体基板上に一括して形成されたものであり、
前記マイクロレンズアレイは、前記複数のフォトダイオードが配列された状態の前記半導体基板に対して前記同一材料の層を形成し、前記同一材料の層を加工することで、前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを一括して形成されたものであることを特徴とする請求項３記載の光電変換デバイス。 The plurality of photodiodes arranged are collectively formed on the semiconductor substrate by processing one semiconductor substrate,
The microlens array forms the same material layer on the semiconductor substrate in a state where the plurality of photodiodes are arranged, and processes the same material layer to each of the plurality of light receiving regions. The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein a plurality of lenses arranged in a one-to-one correspondence are formed in a lump.
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