JP2011003740A

JP2011003740A - 光検出装置

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Publication number: JP2011003740A
Application number: JP2009145727A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Yamamura; 和久山村; Kenichi Sato; 健一里
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: JP5297907B2

Abstract

【課題】印加電圧を増加させることなく、各フォトダイオードからの出力を増加することが可能な光検出装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１Ｎの表面上に第１反射体Ｅ２があり、光検出機能を有さないデッドスペースに第１反射体Ｅ２を設けられている。入射光を反射し、これを第２反射体によって再度反射し、各フォトダイオードに再入射させている。これにより、フォトダイオードへの最終的な入射光量を増加させることができるので、各フォトダイオードからの出力を増加することができる。信号読出配線ＴＬも、一般には金属からなるため、反射体としても機能するが、このような消極的な反射体に加えて、積極的な第１反射体Ｅ２を基板表面上に設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガイガーモードで動作する複数のフォトダイオードを有するフォトダイオードアレイを備えた光検出装置に関する。

アバランシェ・フォトダイオード（以下、ＡＰＤ）は、電圧を上げるとノイズも増えるため数百倍の増倍率が限度とされているが、ＡＰＤのブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧を加えると、１フォトンが入射しても放電現象を起こすようになる。この状態を「ガイガーモード」といい、増倍率が１００万倍程度になるので、入射したフォトンが１つであっても、これを信号としてカウントすることができる。

しかしながら、通常のＡＰＤでは、１つのＡＰＤに１つのフォトンが入射しても、複数のフォトンが入射しても、１つの信号としてカウントされ、フォトンの数を検出することはできない。

一方、フォトンカウンティング用光半導体素子「ＭＰＰＣ」（登録商標）では、ＡＰＤを小さい画素に分割し、これらの画素を２次元的に並列接続して光検出面を構成している。ＭＰＰＣでは、あるＡＰＤ画素がフォトンを検出してガイガー放電したとき、その画素のクエンチング（Quenching）抵抗の働きにより、パルス状の信号を得る。それぞれのＡＰＤ画素が各々フォトンをカウントするため、同じタイミングで複数個のフォトンが入射した時においても、総出力パルスの出力電荷量あるいは信号強度に応じて、入射したフォトン数が判明する。

このようなフォトダイオードアレイは、例えば、下記特許文献１に記載されており、優れた特性を発揮する。

国際公開第ＷＯ２００８／００４５４７号パンフレット

しかしながら、上述のＡＰＤ画素からの出力は、更に大きくすることが期待されている。単に、各ＡＰＤ画素への印加電圧を上昇させても出力は大きくなるが、この場合にはノイズが増加してしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、印加電圧を増加させることなく、各フォトダイオードからの出力を増加することが可能な光検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数のフォトダイオードを半導体基板に形成してなるフォトダイオードアレイを備えた光検出装置において、前記半導体基板上に設けられ前記フォトダイオードからの信号を読み出す信号読出線と、個々の前記フォトダイオードの周辺において前記半導体基板上に設けられ、前記信号読出線以外の金属層からなる第１反射体と、前記第１反射体によって反射された光を前記フォトダイオード方向へ再反射する金属製の第２反射体と、を備えることを特徴とする。

この光検出装置によれば、半導体基板の表面上に第１反射体があり、特に、光検出機能を有さないデッドスペースに第１反射体を設けることができるので、入射光を反射し、これを第２反射体によって再度反射し、各フォトダイオードに再入射させている。これにより、フォトダイオードへの最終的な入射光量を増加させることができるので、各フォトダイオードからの出力を増加することができる。もちろん、信号読出配線も、一般には金属からなるため、反射体としても機能するが、本発明では、このような消極的な反射体に加えて、積極的な第１反射体を基板表面上に設けたものである。

また、この光検出装置は、前記フォトダイオードアレイを収容する金属製のパッケージを備え、前記第２反射体は、前記パッケージの内面によって構成されている、ことが好ましい。

この場合、金属製のパッケージの内面によって、第２反射体を構成することができるので、他の第２反射体を別途設ける必要がなく、部品点数を少なくすることができる。もちろん、他の第２反射体を設けてもよい。

また、個々の前記フォトダイオードは、第１導電型の前記半導体基板と、前記半導体基板の一方の表面側に形成された第２導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域内に形成されこの第１半導体領域よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の第２半導体領域と、前記半導体基板に電気的に接続された第１電極と、前記第２半導体領域上に形成された表面電極と、を備え、前記第１反射体は、前記表面電極から電気的に分離していることとすることができる。

半導体基板と第１半導体領域とは、ＰＮ接合を構成しており、これに高濃度の第２半導体領域が設けられることで、フォトダイオードが形成されている。フォトダイオードのアノードとカソードには、それぞれ電極が設けられるが、一方の表面電極には、第１反射体から電気的に分離している。これにより、第１反射体は、表面電極とは明確に区別され、反射に適した箇所にこれを配置するための設計の自由度が増加している。

また、前記第１反射体と、前記表面電極との間には、隙間があり、この隙間を介して、前記第１半導体領域内部に光が入射可能とされていることが好ましい。これにより、表面側から光が入射する場合の開口率を上昇させ、フォトンの検出精度を高めることができる。

また、本発明は、複数のフォトダイオードを半導体基板に形成してなるフォトダイオードアレイを備えた光検出装置において、個々の前記フォトダイオードを取り囲むように前記半導体基板上に設けられた金属層からなる格子状又は網目状の第１反射体と、前記第１反射体によって反射された光を前記フォトダイオード方向へ再反射する金属製の第２反射体と、を備えることを特徴としてもよい。

この構造によれば、第１及び第２反射体を用いることで、反射光を有効に利用することができるので、非常に高い効率で光検出を行うことができる。また、第１反射体を信号線として共用して用いることにより、抵抗値を下げることができるので、非常に高速の信号読み出しを行うことができる。

本発明の光検出装置によれば、各フォトダイオードからの出力を増加することができる。

フォトダイオードアレイの斜視図である。図１に示したフォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印断面図（ａ）と、その回路図（ｂ）である。フォトダイオードアレイの全体の回路図である。別の実施形態にかかるフォトダイオードアレイの斜視図である。図４に示したフォトダイオードアレイのＶ−Ｖ矢印断面図である。フォトダイオードアレイをパッケージ内に収納した光検出装置の縦断面図である。別の実施形態にかかるフォトダイオードアレイの斜視図である。

以下、実施の形態に係るフォトダイオードアレイを備えた光検出装置について説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、フォトダイオードアレイの斜視図であり、図２は、図１に示したフォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印断面図（ａ）と、その回路図（ｂ）である。図３は、フォトダイオードアレイの全体の回路図である。

このフォトダイオードアレイ１０は、複数のフォトダイオードＤ１（図３参照）をＮ型（第１導電型）の半導体基板１Ｎに形成してなる。

個々のフォトダイオードＤ１は、半導体基板１Ｎの一方の表面側に形成されたＰ型（第２導電型）の第１半導体領域１ＰＡと、第１半導体領域１ＰＡ内に形成されこの第１半導体領域１ＰＡよりも高い不純物濃度を有するＰ型（第２導電型）の第２半導体領域１ＰＢとを有する。更に、フォトダイオードＤ１は、半導体基板１Ｎに電気的に接続された第１電極Ｅ１と、第２半導体領域１ＰＢ上に形成された表面電極Ｅ３とを有している。第１半導体領域１ＰＡの平面形状は四角形であり、第２半導体領域１ＰＢは第１半導体領域の内側に位置し、平面形状は四角形である。また、第１半導体領域１ＰＡの深さは、第２半導体領域１ＰＢよりも深い。なお、図１中の半導体基板１は、Ｎ型の半導体基板１Ｎと、Ｐ型の半導体領域１ＰＡ，１ＰＢの双方を含んだものを示している。

また、このフォトダイオードアレイ１０は、個々のフォトダイオードＤ１毎に、第１半導体領域１ＰＡの外側の半導体基板１Ｎ上に、絶縁層Ｌ（図２参照）を介して形成された金属層からなる第１反射体Ｅ２と、表面電極Ｅ３に、その一方端が連続し、第１半導体領域１ＰＡ上の絶縁層Ｌの表面に沿って延びた抵抗層（クエンチング抵抗）Ｒ１とを備えている。なお、図１では、構造の明確化のため、図２に示した絶縁層Ｌの記載を省略している。

また、本例の第１反射体Ｅ２は、平面形状がＬ字型の金属層からなる反射体Ｅ２１からなる。半導体基板１Ｎ上に位置する第１反射体Ｅ２１（Ｅ２）と、第１開口を有する環状の表面電極Ｅ３とは、電気的に隔離されている。すなわち、フォトダイオードＤ１のアノードとカソードには、それぞれ電極が設けられるが、一方の表面電極Ｅ３は、第１反射体Ｅ２から電気的に分離している。これにより、第１反射体Ｅ２は、表面電極Ｅ３とは明確に区別され、反射に適した箇所にこれを配置するための設計の自由度が増加している。なお、個々のフォトダイオードＤ１に接続される抵抗層Ｒ１の他方端は、必要に応じて抵抗層Ｒ１に連続した配線電極を介して、共通の信号読出線ＴＬに電気的に接続されている。

図１においては、列方向に隣接する一対のフォトダイオード（半導体領域１ＰＡの直下の領域）は、共に、抵抗層Ｒ１を介して、行方向に延びる信号読出線ＴＬに接続されており、１つの信号読出線ＴＬには、複数対のフォトダイオードが、それぞれ抵抗層Ｒ１を介して接続されている。この行方向に延びる信号線ＴＬは、列方向に沿って複数本整列しており、個々の信号線ＴＬに対しても、同様に複数対のフォトダイオードが、それぞれ、抵抗層Ｒ１を介して接続されている。図１に示される各信号線ＴＬは、最終的には全て接続され、回路的には１本の信号線ＴＬとして、図３に示すような回路を構成する。

なお、抵抗層Ｒ１とは、これが接続される表面電極Ｅ３よりも抵抗率が高く、また、第１反射体Ｅ２よりも抵抗率が高いものである。具体的には、抵抗層Ｒ１は、ポリシリコンからなり、残りの電極及び反射体は全てアルミニウムなどの金属からなる。なお、半導体基板１がＳｉからなる場合には、電極材料としては、アルミニウムの他に、ＡｕＧｅ／Ｎｉなどもよく用いられる。また、Ｓｉを用いた場合におけるＰ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、Ｎ型不純物としては、Ｎ、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。なお、半導体の導電型であるＮ型とＰ型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法やイオン注入法を用いることができる。

絶縁層Ｌの材料としては、ＳｉＯ_２又はＳｉＮを用いることができる。絶縁層Ｌの形成方法としては、これが例えばＳｉＯ_２からなる場合には、熱酸化法やスパッタ法を用いることができる。

上述の構造の場合、Ｎ型の半導体基板１ＮとＰ型の第１半導体領域１ＰＡとの間に、ＰＮ接合が構成されることで、フォトダイオードＤ１（図２（ｂ））が形成されている。半導体基板１Ｎは、基板裏面に形成された第１電極Ｅ１に電気的に接続され、第１半導体領域１ＰＡは、第２半導体領域１ＰＢを介して、表面電極Ｅ３に接続されている。抵抗層Ｒ１はフォトダイオードＤ１に対して直列に接続されている（図２（ｂ）参照）。

このようなフォトダイオードアレイにおいては、個々のフォトダイオードをガイガーモードで動作させる。ガイガーモードでは、フォトダイオードのブレークダウン電圧よりも大きな逆方向電圧をフォトダイオードのアノード／カソード間に印加する。すなわち、アノードには（−）電位Ｖ１を、カソードには（＋）電位Ｖ２を印加する。なお、これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。

なお、アノードはＰ型の半導体領域１ＰＡであり、カソードはＮ型の半導体基板１Ｎである。このフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードとして機能し、フォトダイオードに光（フォトン）が入射すると、基板内部で光電変換が行われて光電子が発生し、図２（ａ）に示したＰ型半導体領域１ＰＡのＰＮ接合界面の近傍領域ＡＶＣにおいて、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は電極Ｅ１に向けて流れる。

第１反射体Ｅ２は、第２半導体領域１ＰＢに対して、相対的に低不純物濃度の第１半導体領域１ＰＡの外側の半導体基板１Ｎの表面上に設けられている。この半導体基板１Ｎの露出面の領域は、光入射に対しては、殆ど検出に寄与しないデッドスペースであるが、本発明では、第１反射体Ｅ２が設けられているため、これに入射した光を反射し、第２反射体（金属パッケージ内面（図６参照））で再度反射することで、再反射された光を、有効にフォトダイオードに導くことができる。

また、この構造の場合、フォトダイオードＤ１の表面電極Ｅ３と、第１反射体Ｅ２を、例えばスパッタ法又は蒸着法によって、同時に形成することもできるので、製造方法が容易となるという利点もある。もちろん、パターニングはリフトオフ法で行ってもよいし、エッチング法によって行ってもよい。なお、電極に連続するポリシリコンの抵抗層Ｒ１もリフトオフ法もしくはエッチング法でパターニングすればよい。

更に、上述のように、個々のフォトダイオードＤ１に接続された抵抗層Ｒ１の他方端は、半導体基板１Ｎの表面に沿って共通の信号読出線ＴＬに電気的に接続されている。複数のフォトダイオードＤ１は、ガイガーモードで動作しており、各フォトダイオードＤ１は、共通の信号線ＴＬに接続されているので、複数のフォトダイオードＤ１に同時にフォトンが入射した場合、複数のフォトダイオードＤ１の出力は全て共通の信号線ＴＬに入力され、全体としては入射フォトン数に応じた高強度の信号として計測される。信号読出線ＴＬには、信号読み出し用の電圧降下が生じる負荷抵抗を接続してもよい。

図１に示す表面電極Ｅ３の形状は環状であって、その内側に第１開口が形成されている。表面電極Ｅ３に対して離間した第１反射体Ｅ２１と、表面電極Ｅ３との間には隙間（第２開口）が形成されている。第１反射体Ｅ２１の形状はＬ字型であり、矩形環状の表面電極Ｅ３の２辺に対向するように、Ｌ字型の第１反射体Ｅ２１が、概ねＬ字型の隙間を開けて配置してある。第１半導体領域１ＰＡ内部には、これらの第１開口及び第２開口をそれぞれ介して、光が入射可能とされている。これにより、表面側から光が入射する場合の開口率を上昇させ、フォトンの検出精度を高めることができる。

なお、上述の構造は、表面入射型のフォトダイオードアレイの構造であり、半導体基板の厚みを薄くして、裏面側の電極Ｅ１を透明電極としたり、半導体基板１Ｎの別の位置（例えば基板表面側）に配置すれば、裏面入射型のフォトダイオードアレイとして機能させることもできる。もちろん、このような変形は、他の実施形態においても適用することができる。

図４は、別の実施形態にかかるフォトダイオードアレイの斜視図である。図５は、図４に示したフォトダイオードアレイのＶ−Ｖ矢印断面図である。

この実施形態に係るフォトダイオードアレイは、図１に示したフォトダイオードアレイと比較して、第１反射体Ｅ２の形成領域のみが異なり、他の構成は、図１に示したものと同一である。なお、同図では、説明の明確化のため、表面の絶縁層Ｌの記載を省略しているが、実際には図５に示すように絶縁層Ｌが存在する。

本実施形態における第１反射体Ｅ２は、図１に示した反射体Ｅ２１と、拡張反射体Ｅ２１ｅとからなる。本体部としての反射体Ｅ２１は、図５に示した高不純物濃度の半導体基板１Ｎの直上に絶縁層Ｌを介して位置する部分である。拡張反射体Ｅ２１ｅは、Ｌ字型の反射体Ｅ２１の内側の２辺に連続し、表面電極Ｅ３のとの間に介在して、表面電極Ｅ３とは離間している。このような構造の場合も、通常の反射体Ｅ２１に加えて、拡張反射体Ｅ２１ｅが光を反射することになるので、第２反射体が、これを再反射することで、その光をフォトダイオードに入射させることができる。

図６は、フォトダイオードアレイをパッケージ内に収納した光検出装置の縦断面図である。

この光検出装置は、金属円筒の下端部が断面Ｌ字型となるように外側に折れ曲がることで、リップ部を構成したステム１６と、ステム１６の外表面に、内側表面が固定された側管としての金属製のキャップ体１５とを備えている。キャップ体１５は、管軸ＡＸを有する円筒形の一端を塞いだハット型を有しており、このキャップ体１５の頂部にはガラス製の入射窓２０が取り付けられている。ステム１６とリード（ピン）１２，１４との間には、ガラス製のハーメチックシール１７が介在しており、これらからなる容器（パッケージ）の内部は密閉状態とされている。リードピン１２は、ボンディングワイヤ１８を介して、上述のフォトダイオードアレイ１０の信号読出線ＴＬ（図１参照）に電気的に接続され、リードピン１４は、取り付け部材としての金属製の支持台１１を介して第１電極Ｅ１（図２（a）参照）に電気的に接続され、これらの間に逆バイアス電圧が印加される。

なお、支持台１１上には、フォトダイオードアレイ１０が固定される。リードピン１３は、ステム１６及びキャップ体１５に電気的に接続されている。

また、支持台１１、リードピン１２，１３，１４、ステム１６、キャップ体１５は、コバールからなる。

入射窓２０を介して、光（フォトン）２１が入射すると、これはフォトダイオードアレイ１０のいずれかの画素（フォトダイオードＤ１）の開口内に入射し、増倍されて、信号としてリード１２から取り出される。

パッケージを構成するキャップ体１５は金属からなり、その内面は第２反射体を構成している。したがって、図示の如く、フォトダイオードアレイ１０の表面に形成された第１反射体で、入射光が反射された場合においても、これは、キャップ体１５の内側の鏡面で反射され、フォトダイオードアレイ１０に再入射することができる。これにより、各フォトダイオードへの最終的な入射光量を増加させることができるので、各フォトダイオードからの出力を増加することができる。

この場合、金属製のパッケージの内面によって、第２反射体を構成することができるので、他の第２反射体を別途設ける必要がなく、部品点数を少なくすることができる。もちろん、他の第２反射体を適当な位置に設けてもよい。

なお、図１に示した信号読出配線ＴＬも、一般には金属からなるため、反射体としても機能するが、本発明では、このような消極的な反射体に加えて、積極的な第１反射体を基板表面上に設けたものである。

図７は、別の実施形態に係るフォトダイオードアレイの斜視図である。このフォトダイオードアレイは、図１における金属層からなる第１反射体の形状を、格子状とし、更に、信号線ＴＬを第１反射体Ｅ２に一体化したものであり、その他の構造及び機能は図１に示したものと同一である。このフォトダイオードアレイを備えた光検出装置は、上記と同様に、図６に示したパッケージ内に配置される。図１の信号線ＴＬから取り出される信号は、第１反射体Ｅ２に電気的に接続された電極パッドＰＡＤから取り出される。詳説すれば、図１において元々はＬ字型の反射体Ｅ２１が拡大して信号線ＴＬ及び隣接する反射体Ｅ２１と一体化することで、格子状の反射体Ｅ２が形成されている。反射体Ｅ２の形状は格子状或いは網目状であって、複数の開口を有しており、各開口内にクエンチング抵抗Ｒ１及び表面電極１５が位置している。

この構造によれば、反射体Ｅ２の反射領域が拡大することにより、十分な光の反射及びこれに伴う光の再入射を期待することができる。また、抵抗Ｒ１及び表面電極Ｅ３を、これらが設けられた平面内において、反射体Ｅ２が連続的に囲んでいるので、反射体Ｅ２のパターニングが容易であるとともに、その体積が大きいことからノイズ耐性が高くなる。また、非常に幅広の反射体Ｅ２を信号伝達部材として用いているので、抵抗値が低く、非常に高速の信号読み出しを行うことができる。

以上、説明したように、この形態の光検出装置は、複数のフォトダイオードを半導体基板に形成してなるフォトダイオードアレイを備えた光検出装置において、個々の前記フォトダイオードを取り囲むように前記半導体基板上に設けられた金属層からなる格子状又は網目状の第１反射体Ｅ２と、第１反射体Ｅ２によって反射された光をフォトダイオード方向へ再反射する金属製の第２反射体（図６のパッケージ内面）とを備えることを特徴とする。この構造によれば、上述の如く、反射光を有効に利用することができるので、非常に高い効率で光検出を行うことができ、また、反射体Ｅ２の抵抗値は低いので、非常に高速の信号読み出しを行うことができる。

本発明は、微弱光を検出するフォトダイオードアレイを備えた光検出装置に利用することができる。

１Ｎ・・・半導体基板、Ｅ２・・・第１反射体、Ｌ・・・絶縁層、１ＰＡ・・・第１半導体領域、Ｄ１・・・フォトダイオード、Ｅ１・・・第１電極、１ＰＢ・・・第２半導体領域、Ｅ３・・・表面電極、１５・・・第２反射体（パッケージ）。

Claims

複数のフォトダイオードを半導体基板に形成してなるフォトダイオードアレイを備えた光検出装置において、
前記半導体基板上に設けられ前記フォトダイオードからの信号を読み出す信号読出線と、
個々の前記フォトダイオードの周辺において前記半導体基板上に設けられ、前記信号読出線以外の金属層からなる第１反射体と、
前記第１反射体によって反射された光を前記フォトダイオード方向へ再反射する金属製の第２反射体と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
前記フォトダイオードアレイを収容する金属製のパッケージを備え、
前記第２反射体は、前記パッケージの内面によって構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
個々の前記フォトダイオードは、
第１導電型の前記半導体基板と、
前記半導体基板の一方の表面側に形成された第２導電型の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域内に形成されこの第１半導体領域よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板に電気的に接続された第１電極と、
前記第２半導体領域上に形成された表面電極と、
を備え、
前記第１反射体は、前記表面電極から電気的に分離していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
前記第１反射体と、前記表面電極との間には、隙間があり、この隙間を介して、前記第１半導体領域内部に光が入射可能とされている、ことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
複数のフォトダイオードを半導体基板に形成してなるフォトダイオードアレイを備えた光検出装置において、
個々の前記フォトダイオードを取り囲むように前記半導体基板上に設けられた金属層からなる格子状又は網目状の第１反射体と、
前記第１反射体によって反射された光を前記フォトダイオード方向へ再反射する金属製の第２反射体と、
を備えることを特徴とする光検出装置。