JP2016187041A - フォトダイオードアレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】 特性の高いフォトダイオードアレイを提供する。
【解決手段】 このフォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードを配列してなるフォトダイオードアレイにおいて、絶縁膜１６上に設けられた複数の信号導線３（３ａ）と、基板の光入射面上に、絶縁膜１６を介して、個々の信号導線３（３ａ）に対応して配置され、それぞれのアバランシェフォトダイオードと信号導線３（３ａ）とを接続する複数の抵抗４とを備え、アバランシェフォトダイオードの光検出チャンネル１０は、マトリクス状に配置され、複数の信号導線３（３ａ）は、第１信号導線と、第２信号導線と、を備え、第１信号導線は、隣接する光検出チャンネル１０間に位置し、これらの双方に接続され、第２信号導線は、隣接する別の光検出チャンネル１０間に位置し、これらの双方に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、フォトダイオードアレイに関する。
例えば化学や医療などの分野において、アバランシェ（電子なだれ）増倍を利用したフォトダイオードアレイをシンチレータに装着してフォトンカウンティングを行う技術がある。このようなフォトダイオードアレイでは、同時に入射する複数のフォトンを弁別するため、複数に分割された光検出チャンネルが共通基板上に形成されており、この光検出チャンネルごとに増倍領域が配置されている（例えば、非特許文献１、２及び特許文献１参照）。
特開平１１−４６０１０号公報
P.Buzhan,et al.,「AnAdvanced Studyof Silicon Photomultiplier」[online],ICFAInstrumentationBULLETINFall2001 Issue,、[平成１６年１１月４日検索],〈URL：http://www.slac.stanford.edu/pubs/icfa/〉 P.Buzhan,et al.,「SiliconPhotomultiplierAnd Its Possible applications」,NuclearInstrumentsand Methods in Physics Research A 504(2003)48-52
従来のフォトダイオードアレイは、特性が十分ではない。本発明は上記問題点を解消するためになされたものであり、特性の高いフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
第１の発明に係るフォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードを配列してなるフォトダイオードアレイにおいて、前記アバランシェフォトダイオードが形成された基板と、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた複数の信号導線と、前記基板の光入射面上に、前記絶縁膜を介して、個々の前記信号導線に対応して配置され、それぞれの前記アバランシェフォトダイオードと前記信号導線とを接続する複数の抵抗と、を備え、それぞれの前記アバランシェフォトダイオードの光検出チャンネルは、マトリクス状に配置されており、複数の前記信号導線は、第１信号導線と、第２信号導線と、を備え、前記第１信号導線は、隣接する光検出チャンネル間に位置し、これらの双方に接続され、前記第２信号導線は、隣接する別の光検出チャンネル間に位置し、これらの双方に接続されていることを特徴とする。信号導線が光検出チャンネル間に設けられ、これが光検出面上を横切ることが抑制されており、開口率は向上される。
第２の発明に係るフォトダイオードアレイにおいて、前記基板は、基板部材と、前記基板部材と前記アバランシェフォトダイオードのｐｎ接合との間に設けられアフターパルスを抑制するための別の絶縁膜と、を備えることを特徴とする。
なお、フォトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有する基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、前記基板と、前記基板の第１導電型の前記半導体層上に形成され、前記被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と前記各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のエピタキシャル半導体層と、前記第１導電型のエピタキシャル半導体層中に形成され、当該エピタキシャル半導体層との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型の拡散領域と、２つの端部を有し、前記光検出チャンネルごとに設けられ、一方の前記端部を介して前記エピタキシャル半導体層中の前記第２導電型の拡散領域と電気的に接続されると共に他方の前記端部を介して信号導線の読み出し部に接続される複数の抵抗と、前記エピタキシャル半導体層上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜と、を備え、前記抵抗は、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間に介在し、前記信号導線は、前記第２の絶縁膜上に設けられていることを特徴とすることができる。
また、フォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードを配列してなるフォトダイオードアレイにおいて、前記アバランシェフォトダイオードはエピタキシャル半導体層を含んでおり、前記アバランシェフォトダイオードに一端が電気的に接続され、その光入射面上に配置された抵抗と、前記抵抗の他端に接続された信号導線の読み出し部と、を備え、前記エピタキシャル半導体層上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜と、を備え、前記抵抗は、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間に介在し、前記信号導線は、前記第２の絶縁膜上に設けられていることができる。また、フォトダイオードアレイでは、隣接する前記アバランシェフォトダイオード間にはガードリングが介在していないことを特徴とすることができる。また、フォトダイオードアレイでは、前記信号導線は、前記光検出チャンネルから出力された信号を運ぶ前記読み出し部と、前記抵抗と前記読み出し部とを接続する接続部と、前記光検出チャンネルの外周を囲むように配線されるチャンネル外周部と、を備えることを特徴とすることができる。また、フォトダイオードアレイでは、前記抵抗は、前記チャンネル外周部の周囲を囲むように配置されていることができる。また、フォトダイオードアレイでは、前記信号導線は、アルミニウムからなり、前記第２の絶縁膜は、窒化シリコンからなることを特徴とすることができる。また、フォトダイオードアレイは、前記抵抗はポリシリコンからなり、前記第１の絶縁膜は、酸化シリコンからなることを特徴とすることができる。
本発明によれば、特性の高いフォトダイオードアレイを提供することができる。
図１は第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの上面を概略的に示す図である。 図２は第１実施形態に係るフォトダイオードアレイのII−II矢印断面の一部を示す図である。 図３は各光検出チャンネルと信号導線及び抵抗との接続関係を概略的に説明するための図である。 図４は第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの第１変形例の断面図である。 図５は第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの第２変形例の断面図である。 図６は第２実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図７は第３実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構造を概略的に説明するための図である。 図８は第４実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図９は図２に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図１０は図４に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図１１は図５に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図１２は図６に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図１３は図７に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図１４は図８に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図である。 図１５は半導体層１２の近傍の断面図である。
以下、添付図面を参照して、好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードアレイ１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るフォトダイオードアレイ１の上面を概略的に示す図である。図２は、図１に示したフォトダイオードアレイ１のII−II矢印断面の一部を示す図である。
フォトダイオードアレイ１は、基板２上に複数の半導体層及び絶縁層が積層されてなる。図１に示すようにフォトダイオードアレイ１は、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネル１０がマトリクス状（本実施形態では４×４）に形成されてなるフォトンカウンティング用マルチチャンネルアバランシェフォトダイオードである。フォトダイオードアレイ１の上面側には、信号導線３、抵抗４、及び電極パッド５が設けられている。基板２は、例えば一辺が１ｍｍ程度の正方形状である。各光検出チャンネル１０は、例えば、正方形状である。
信号導線３は、各光検出チャンネル１０から出力された信号を運ぶ読み出し部３ａと、各抵抗４と読み出し部３ａとを接続する接続部３ｂと、各光検出チャンネル１０の外周を囲むように配線されるチャンネル外周部３ｃとからなる。読み出し部３ａは、当該読み出し部３ａを挟んで隣接する２つの列に配置された光検出チャンネル１０それぞれと接続されており、その一端において電極パッド５と接続されている。また、本実施形態ではフォトダイオードが４×４のマトリクス状に配置されているため、フォトダイオードアレイ１上には２本の読み出し部３ａが配線されており、これらは電極パッド５に対して双方とも接続される。信号導線３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる。
抵抗４は、一方の端部４ａ及びチャンネル外周部３ｃを介して光検出チャンネル１０ごとに設けられており、他方の端部４ｂ及び接続部３ｂを介して読み出し部３ａに接続される。同一の読み出し部３ａに接続される複数（本実施形態では８つ）の抵抗４は、当該読み出し部３ａに対して接続される。抵抗４は、例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる。
次に、図２を参照してフォトダイオードアレイ１の断面構成について説明する。図２に示すように、フォトダイオードアレイ１は、導電型がｎ型（第１導電型）の半導体層を有する基板２と、基板２上に形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ−型半導体層１３と、ｐ−型半導体層１３上に形成された導電型がｐ型のｐ＋型半導体層１４と、保護膜１６と、ｐ−型半導体層１３に形成された導電型がｎ型（第１導電型）の分離部２０と、保護膜１６上に形成された上記の信号導線３及び抵抗４とを備える。被検出光は、図２の上面側から入射される。
基板２は、基板部材Ｓと、基板部材Ｓ上に形成された絶縁膜１１と、絶縁膜１１上に形成されたｎ＋型半導体層１２とを有する。基板部材Ｓは、例えばＳｉ（シリコン）からなる。絶縁膜１１は、例えばＳｉＯ２（酸化シリコン）からなる。ｎ＋型半導体層１２は、例えばＳｉからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。
ｐ−型半導体層１３は、不純物濃度が低い導電型がｐ型のエピタキシャル半導体層である。ｐ−型半導体層１３は、基板２との界面でｐｎ接合を構成する。ｐ−型半導体層１３は、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍する増倍領域ＡＭを各光検出チャンネル１０に対応して複数有する。ｐ−型半導体層１３の厚さは、例えば３μｍ〜５μｍである。ｐ−型半導体層１３は、例えばＳｉからなる。
ｐ＋型半導体層１４は、各光検出チャンネル１０の増倍領域ＡＭに対応して、ｐ−型半導体層１３上に形成されている。すなわち、半導体層の積層方向（以下、単に積層方向という）でｐ＋型半導体層１４の下方に位置するｐ−型半導体層１３の基板２との界面近傍の領域が増倍領域ＡＭである。ｐ＋型半導体層１４は、例えばＳｉからなる。
分離部２０は、複数の光検出チャンネル１０の間に形成され、各光検出チャンネル１０を分離する。すなわち、分離部２０は、各光検出チャンネル１０と１対１に対応してｐ−型半導体層１３に増倍領域ＡＭが形成されるように形成される。分離部２０は、各増倍領域ＡＭの周囲を完全に囲うように基板２上において２次元格子状に形成される。分離部２０は、積層方向でｐ−型半導体層１３の上面側から下面側まで貫通して形成されている。分離部２０の不純物は例えばＰからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。なお、分離部２０を拡散により形成すると、長い熱処理時間が必要となるため、ｎ＋型半導体層１２の不純物がエピタキシャル半導体層へ拡散して、ｐｎ接合の界面がせり上がることが考えられる。このせり上がり防止のため、分離部２０にあたる領域の中央付近をトレンチエッチングした後、不純物の拡散を行って分離部２０を形成してもよい。詳細は他の実施形態で説明するが、このトレンチ溝には、光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を吸収、又は反射する物質で埋めることによる遮光部を形成して、なだれ増倍による発光が隣接する光検出チャンネルに影響を及ぼして生じるクロストークを防止することもできる。
ｐ−型半導体層１３、ｐ＋型半導体層１４、及び分離部２０は、フォトダイオードアレイ１の上面側において平面を形成し、これらの上には保護膜１６が形成されている。保護膜１６は、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層によって形成される。
保護膜１６上には、信号導線３及び抵抗４が形成されている。信号導線３の読み出し部３ａ及び抵抗４は、分離部２０の上方に形成されている。
なお、信号導線３がアノードとして機能し、カソードとして、図示は省略するが基板２の下面側（絶縁層１１を有していない側）の全面に透明電極層（例えばＩＴＯ（Indium TinOxide）からなる層）を備えていてもよい。あるいは、カソードとして、電極部を表面側に引き出されるように形成してもよい。
ここで、図３を参照して、各光検出チャンネル１０と信号導線３及び抵抗４との接続関係を説明する。図３は、各光検出チャンネル１０と信号導線３及び抵抗４との接続関係を概略的に説明するための図である。図３に示されるように、各光検出チャンネル１０のｐ＋型半導体層１４と信号導線３（チャンネル外周部３ｃ）とは直接接続されている。これにより、信号導線３（チャンネル外周部３ｃ）とｐ−型半導体層１３とは電気的に接続される。また、ｐ−型半導体層１３と抵抗４の一端部４ａとは、信号導線３（チャンネル外周部３ｃ）を介して接続され、抵抗４は他の一端部４ｂがそれぞれ接続部３ｂを介して読み出し部３ａに対して接続される。
このように構成されたフォトダイオードアレイ１をフォトンカウンティングに用いる場合、ガイガーモードと呼ばれる動作条件下で動作させる。このガイガーモード動作時には、各光検出チャンネル１０にブレークダウン電圧よりも高い逆電圧（例えば５０Ｖ以上）が印加される。この状態で上面側から各光検出チャンネル１０に被検出光が入射すると、被検出光が各光検出チャンネル１０において吸収されてキャリアが発生する。発生したキャリアは各光検出チャンネル１０内の電界に従って加速しながら移動し、各増倍領域ＡＭで増倍される。そして、増倍されたキャリアは抵抗４を介して信号導線３により外部へと取り出され、その出力信号の波高値に基づいて検出される。フォトンを検出したチャンネルからは何れも同量の出力が得られるので、全チャンネルからの総出力を検出することでフォトダイオードアレイ１のうちのいくつの光検出チャンネル１０から出力があったかがカウントされる。したがって、フォトダイオードアレイ１では、被検出光の一回の照射によって、フォトンカウンティングがなされる。
フォトダイオードアレイ１では、ｐｎ接合は、基板２のｎ＋型半導体層１２と当該基板２のｎ＋型半導体層１２上に形成されたエピタキシャル半導体層であるｐ−型半導体層１３とによって構成されている。また、増倍領域ＡＭはｐｎ接合が実現されているｐ−型半導体層１３に形成され、各増倍領域ＡＭの各光検出チャンネル１０への対応は光検出チャンネル１０間に形成された分離部２０によって実現されている。ｐｎ接合面は、ｎ＋型半導体層１２とｐ−型半導体層１３との界面と、分離部２０とｐ−型半導体層１３との界面とから構成されており、高濃度不純物領域が凸となり電界が高くなる領域が存在しなくなっている。したがって、フォトダイオードアレイ１は、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイ１では各光検出チャンネル１０のｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイ１はその開口率を格段に高くすることが可能となる。
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイ１では検出効率を大きくすることも可能となる。
また、各光検出チャンネル１０間は分離部２０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
また、ガイガーモードで動作させ、フォトンが入射された光検出チャンネルと入射しないチャンネルとの間で電圧差が大きくなった場合にも、光検出チャンネル１０間には分離層２０が形成されているため、十分にチャンネル間を分離することができる。
フォトダイオードアレイ１では、信号導線３の読み出し部３ａが分離部２０の上方に形成されている。そのため、信号導線３が増倍領域ＡＭ上方、すなわち光検出面上を横切ることが抑制されるため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。また、フォトダイオードアレイ１では、抵抗４も分離部２０の上方に形成されているため、開口率はさらにより一層向上される。
また、ｎ型の半導体基板を用い、その上にｐ型のエピタキシャル半導体層を形成した場合、ｎ型の半導体基板で発生したホールの一部が遅れて増倍領域に入りアフターパルスとなってしまうという問題が発生することを本願発明者はアフターパルスの波長依存性から見出した。こうした問題に対し、フォトダイオードアレイ１では、例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜１１を基板部材Ｓとｎ＋型半導体層１２との間に有することで、基板部材Ｓとｎ＋型半導体層１２とを完全に分離することができるため、アフターパルスを抑制することが可能となる。
なお、本実施形態における分離部２０には種々の変形を適用することができる。図４は、本実施形態に係るフォトダイオードアレイ１の第１変形例の断面図である。第１変形例に係るフォトダイオードアレイでは、複数（本変形例では２つ）の分離部２０が光検出チャンネル１０の間に形成されている。
図５は、本実施形態に係るフォトダイオードアレイ１の第２変形例の断面図である。第２変形例に係るフォトダイオードアレイでは、分離部２０が、積層方向でｐ−型半導体層１３の上面側から下面側まで貫通することなく上面（被検出光入射面）近傍にのみ形成されている。
また、上記実施形態では、エピタキシャル半導体層を第２導電型としたが、エピタキシャル半導体層を第１導電型として、当該半導体層中に第２導電型の拡散領域を設けて、第１導電型のエピタキシャル半導体層と第２導電型の拡散領域とでｐｎ接合を構成してもよい。
（第２実施形態）
図６を参照して、第２実施形態に係るフォトダイオードアレイ３０の構成について説明する。図６は、第２実施形態に係るフォトダイオードアレイ３０の断面図である。第２実施形態に係るフォトダイオードアレイ３０は、分離部２０が遮光部を有している点で第１実施形態に係るフォトダイオードアレイ１と異なる。
図６に示すように、分離部２０は、光検出チャンネル１０によって検出される被検出光の波長帯域（可視から近赤外）の光を吸収する物質からなる遮光部２２を含む。遮光部２２は、ｐ−型半導体層１３の上面側から下面側に向かって伸びる芯のように分離部２０内に埋め込まれて形成されている。遮光部２２は、例えばホトレジスト内に黒色の染料や絶縁処理したカーボンブラック等の顔料を混入させた黒色ホトレジストやタングステン等の金属からなる。ただし、遮光部２２を構成する物質が絶縁物質でない場合（例えば、タングステン等の金属）には、ＳｉＯ２等の絶縁膜で当該遮光部２２を被膜する必要がある。なお、第１実施形態でも述べているが、分離部２０を拡散により形成すると、長い熱処理時間が必要となるため、ｎ＋型半導体層１２の不純物がエピタキシャル半導体層へ拡散して、ｐｎ接合の界面がせり上がることが考えられる。このせり上がり防止のため、分離層２０にあたる領域の中央付近をトレンチエッチングした後、不純物の拡散を行って分離部２０を形成してもよい。図６において示すように、不純物拡散を行った後は、ｎ＋型半導体層１２と分離部２０がつながった形となる。残るトレンチ溝には、上述のように光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を吸収する物質（後述するように、光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を反射する物質でもよい）で埋めることによる遮光部を形成して、なだれ増倍による発光が隣接する光検出チャンネルに影響を及ぼして生じるクロストークを防止することもできる。
フォトダイオードアレイ３０でも、フォトダイオード１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイ３０でも各光検出チャンネル１０のｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイ３０はその開口率を高くすることが可能となる。
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイ３０では検出効率を大きくすることも可能となる。
また、各光検出チャンネル１０間は分離部２０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
フォトダイオードアレイ３０でも、信号導線３の読み出し部３ａが分離部２０の上方に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
さらに、フォトダイオードアレイ３０でも、絶縁膜１１を基板部材Ｓとｎ＋型半導体層１２との間に有するため、アフターパルスを抑制することが可能となる。
また、各分離部２０は、光検出チャンネル１０によって検出される被検出光の波長帯域の光を吸収する物質からなる遮光部２２を含む。したがって、被検出光は遮光部で吸収されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。さらに、遮光部２２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネル１０に影響を与えないように、光検出チャンネル１０によって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を吸収する物質からなるので、クロストークの発生を良好に抑制することが可能になる。
なお、遮光部２２は、可視から近赤外の光を吸収する物質に限らず、可視から近赤外の光を反射する物質であってもよい。この場合であっても、被検出光は遮光部で反射されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。さらに、遮光部２２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネル１０に影響を与えないように、光検出チャンネル１０によって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を反射する物質からなるので、クロストークの発生を良好に抑制することが可能になる。
また、遮光部２２は、可視から近赤外の光を吸収又は反射する物質に限らず、光検出チャンネル１０によって検出される被検出光の波長帯域の光を吸収又は反射する物質であればよい。ただし、遮光部２２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネル１０に影響を与えないように、光検出チャンネル１０によって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を吸収又は反射する物質からなることが好ましい。
なお、遮光部２２は、分離部２０よりも低い屈折率の物質からなっていてもよい。これらの場合であっても、光は遮光部で反射されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。
（第３実施形態）
図７を参照して、第３実施形態に係るフォトダイオードアレイ４０の構成について説明する。図７は、第３実施形態に係るフォトダイオードアレイ４０の断面構造を概略的に説明するための図である。第３実施形態に係るフォトダイオードアレイ４０は、信号導線３が窒化シリコン膜上に形成されている点で第１実施形態に係るフォトダイオードアレイ１と異なる。
図７に示すように、フォトダイオードアレイ４０は、導電型がｎ型（第１導電型）の半導体層を有する基板２と、基板２上に形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ型半導体層１５と、ｐ型半導体層１５上に形成された導電型がｐ型のｐ＋型半導体層１４と、保護膜１６ａ、１６ｂと、ｐ型半導体層１５に形成された導電型がｎ型（第１導電型）の分離部２０と、アルミニウムからなる信号導線３と、例えばＰｏｌｙ−Ｓｉからなる抵抗４とを備える。被検出光は、図７の上側から入射される。
基板２は、ｎ＋型の基板部材Ｓと、基板部材Ｓ上に形成されたｎ型半導体層１２とを有する。
ｐ型半導体層１５は、不純物濃度がｐ＋型半導体層１４より低い導電型がｐ型のエピタキシャル半導体層である。ｐ型半導体層１５は、基板２のｎ型半導体層１２との界面でｐｎ接合を構成する。ｐ型半導体層１５は、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍する増倍領域ＡＭを各光検出チャンネル１０に対応して複数有する。ｐ型半導体層１５は、例えばＳｉからなる。
ｐ型半導体層１５、ｐ＋型半導体層１４、及び分離部２０は、フォトダイオードアレイ４０の上面側において平面を形成し、これらの上には保護膜１６ａ、１６ｂが形成されている。保護膜１６ａは酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）からなる絶縁膜によって、保護膜１６ｂは窒化シリコン（ＳｉＮ膜あるいはＳｉ３Ｎ４膜）からなる絶縁膜によってそれぞれ形成される。
図７に示されるように、分離部２０上に、保護膜１６ａ、抵抗４、保護膜１６ｂ、及び信号導線３がこの順で積層されている。具体的には、分離部２０上に保護膜１６ａが積層されている。保護膜１６ａ上には、抵抗４が積層されている。保護膜１６ａ及び抵抗４上には、保護膜１６ｂが各抵抗４の一部を除いて積層されている。保護膜１６ｂ及び保護膜１６ｂがその上に積層されていない抵抗４の一部の上には、信号導線３が電気的接続のため、積層されている。具体的には、抵抗４間には信号導線３の読み出し部３ａが、抵抗４上には電気的接続のため、接続部３ｂ又はチャンネル外周部３ｃへの電気的接続としての信号導線３がそれぞれ積層される。
さらに、図７に示されるように、ｐ＋型半導体層１４上には一部を除いて保護膜１６ｂが積層されている。保護膜１６ｂが積層されていないｐ＋型半導体層１４の当該一部の上及びｐ＋型半導体層１４上に積層された保護膜１６ｂの一部の上には、電気的接続のために信号導線３のチャンネル外周部３ｃが積層されている。
フォトダイオードアレイ４０でも、フォトダイオード１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイ４０でも各光検出チャンネル１０のｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイ４０はその開口率を高くすることが可能となる。
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイ４０では検出効率を大きくすることも可能となる。
また、光検出チャンネル１０間は分離部２０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
フォトダイオードアレイ４０でも、信号導線３の読み出し部３ａが分離部２０の上方に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
信号導線３は、アルミニウムからなるため、例えば酸化膜上に形成された場合、高電圧の印加によってアルミニウムがその下の膜に染みこんでしまうという問題が発生する。こうした問題に対し、フォトダイオードアレイ４０では、信号導線３は窒化シリコン膜からなる保護膜１６ｂ上に形成されている。そのため、フォトダイオードアレイ４０に高電圧を印加したとしても、アルミニウムがその下の膜（保護膜１６ｂ）に染みこむことが抑制される。
加えて、信号導線３の読み出し部３ａの下には、保護膜１６ｂと保護膜１６ａもしくは抵抗４が積層されている。そのため、高電圧の印加によってアルミニウムが分離部２０及びｐ型半導体層１５に染みこむことが良好に抑制されている。
このように、フォトダイオードアレイ４０では、高電圧を印加した場合であっても、アルミニウムが光検出チャンネル１０及び分離部２０に侵入することが好適に抑制される。
例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる抵抗４は保護膜１６ａ上に形成されるとともに、当該抵抗４上には保護膜１６ｂ及び信号導線３が形成されている。
なお、ｎ型半導体層１２の代わりにｐ型の半導体層を用いてもよい。この場合、当該ｐ型の半導体層とｎ＋型の基板部材Ｓ（基板２）との間でｐｎ接合が構成され、このｐ型の半導体層において増倍部ＡＭが形成されることとなる。
（第４実施形態）
図８を参照して、第４実施形態に係るフォトダイオードアレイ５０の構成について説明する。図８は、第４実施形態に係るフォトダイオードアレイ５０の断面図である。第４実施形態に係るフォトダイオードアレイ５０は、分離部２０を備えていない点で第１実施形態に係るフォトダイオードアレイ１と異なる。
図８に示すように、ｐ−型半導体層１３は複数の増倍領域ＡＭを、各増倍領域ＡＭと各光検出チャンネル１０とが互いに対応するように有する。各光検出チャンネル１０間には、信号導線３及び抵抗４が形成されている。
フォトダイオードアレイ５０でも、フォトダイオード１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイ５０でも各光検出チャンネル１０のｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイ５０はその開口率を高くすることが可能となる。さらに、フォトダイオードアレイ５０は、分離部を有さないことにより、より一層高い開口率を示すことができる。
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイ５０では検出効率を大きくすることも可能となる。
フォトダイオードアレイ５０では、信号導線３の読み出し部３ａが各光検出チャンネル１０間に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
さらに、フォトダイオードアレイ５０でも、絶縁膜１２を基板部材Ｓとｎ＋型半導体層１２との間に有するため、アフターパルスを抑制することが可能となる。
以上、本発明の好適な実施形態及び変形例について説明したが、本発明は上記実施形態及び変形例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、フォトダイオードアレイに形成される光検出チャンネルの数は、上記実施形態における数（４×４）に限定されない。光検出チャンネル１０間に形成される分離部２０の数も、上記実施形態及び変形例で示した数に限られず、例えば３つ以上であってもよい。また、信号導線３は、分離部２０の上方に形成されていなくてもよい。抵抗４も分離部２０の上方に形成されていなくてもよい。また、各層等は、上記実施形態及び変形例で例示したものに限られない。
また、ｎ型半導体層１２の下にｎ型の半導体からなるバッファ層を用いてもよい。また、ｎ型半導体層１２の代わりにｐ型の半導体層を用い、この下にｎ型の半導体からなるバッファ層を用いても良い。この場合、当該ｐ型の半導体層とｎ型のバッファ層との間でｐｎ接合が構成され、このｐ型の半導体層において増倍部ＡＭが形成されることとなる。更に、第３実施形態のように絶縁膜１１の無い場合には、ｎ型半導体層１２の代わりにｐ型の半導体層を用い、この下にｐ型の半導体からなるバッファ層を用いても良い。この場合、当該ｐ型のバッファ層とｎ＋型の基板部材Ｓ（基板２）の間でｐｎ接合が構成され、このｐ型のバッファ層において増倍部ＡＭが形成されることとなる。
上述のフォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオード（検出チャネル１０のｐｎ接合からなる）を二次元状に配列してなり、アバランシェフォトダイオードは、結晶性の高いエピタキシャル半導体層１３を含んでいる。上述のフォトダイオードアレイは、アバランシェフォトダイオードの一端（アノード）が電気的に接続され、アバランシェフォトダイオードの光入射面上に配置された抵抗４と、抵抗４の他端に接続された信号導線３と、を備えており、隣接するアバランシェフォトダイオード間にはガードリングが介在していない。この構造では、ガードリングを備えていないので、検出チャネルの開口面積を大きくすることができる。
図９は図２に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図、図１０は図４に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図、図１１は図５に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図、図１２は図６に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図、図１３は図７に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図、図１４は図８に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面図である。これらの基本的な平面構成と接続関係は、図１に示したものと同一である。
上述のように、図９から図１４に示した構造では、図２、図４、図５、図６、図７、図８のｐ型半導体層１３又はｐ型半導体層１５に代えて、ｎ型半導体層Ｒ１３又はＲ１５を用いている。この場合、ｐｎ接合は、低濃度のｎ型半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）とｐ型半導体層１４との界面に形成され、ｐｎ接合から空乏層がｎ型半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）に向けて広がり、空乏層に対応して増倍領域ＡＭがｐｎ接合界面からｎ型半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）に向かって形成されている。他の構造と作用は、上述のものと同一である。
これらのフォトダイオードアレイ１は、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネル１０がｎ型半導体層１２を有するｎ型の基板２に形成されてなる。被検出光を入射させる複数の光検出チャンネル１０が、第１導電型のｎ＋型である半導体層１２（Ｓ）を有する基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、基板２と、基板２の第１導電型の半導体層１２上に形成され、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域ＡＭを当該各増倍領域ＡＭと各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のｎ−型であるエピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）と、第１導電型のエピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）中に形成され、当該エピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型のＰ＋型である拡散領域１４と、２つの端部を有し、光検出チャンネル１０ごとに設けられ、一方の端部４ａを介してエピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）中の第２導電型の拡散領域１４と電気的に接続されると共に他方の端部４ｂを介して信号導線３に接続される複数の抵抗４とを備えている。
抵抗４は、図１に示したように、一方の端部４ａ及びチャンネル外周部３ｃを介して光検出チャンネル１０ごとに設けられており、他方の端部４ｂ及び接続部３ｂを介して読み出し部３ａに接続される。同一の読み出し部３ａに接続される複数の抵抗４は、当該読み出し部３ａに対して接続される。
これらのフォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、基板上の第１導電型のエピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）と当該エピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）中に形成された第２導電型のエピタキシャル半導体層１４とによって構成されている。また、増倍領域ＡＭはｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域ＡＭはこのエピタキシャル半導体層Ｒ１３（又はＲ１５）にある。
図１５は半導体層１２の上に設けられるバッファ層１２Ｘを示す断面図である。バッファ層１２Ｘは、ｎ型の半導体層からなる。ｎ型半導体層１２の上にｎ型の半導体からなるバッファ層１２Ｘを用いてもよい。また、ｎ型半導体層１２の上に、ｐ型の半導体からなるバッファ層１２Ｘを用いても良い。この場合、当該ｎ型の半導体層１２とｐ型のバッファ層１２Ｘとの間でｐｎ接合が構成され、このｐ型のバッファ層において増倍部ＡＭが形成されることとなる。更に、第３実施形態のように絶縁膜１１の無い場合には、ｎ型半導体層１２の代わりにｐ型の半導体層を用い、この上にｐ型の半導体からなるバッファ層を用いても良い。この場合、当該ｐ型の半導体層とｎ＋型の基板部材Ｓ（基板２）の間でｐｎ接合が構成され、このｐ型の半導体層において増倍部ＡＭが形成されることとなる。
以上の説明は以下の通りである。
従来から各増倍領域は、微弱な光を良好に検出するため、ガイガーモードと呼ばれる動作条件下で動作させられる。すなわち、各増倍領域にはブレークダウン電圧よりも高い逆電圧が印加され、入射したフォトンによって発生したキャリアがなだれ式に増倍される現象が利用される。各光検出チャンネルには増倍領域からの出力信号を取り出すための抵抗が接続され、各抵抗は互いに並列接続されている。各光検出チャンネルに入射したフォトンは、各抵抗を介して外部に取り出された出力信号の波高値に基づいて検出される。
ここで、フォトダイオードアレイをフォトンカウンティングに用いる場合には、良好な検出結果を得る上で、被検出光に対する開口率を高めて検出効率を大きくすることが重要となっている。
しかしながら、例えば非特許文献１及び２に記載されたリーチスルー型のフォトダイオードアレイでは、各フォトダイオードのｐｎ接合が、各光検出チャンネルごとに表面に形成された半導体層によって実現されている。そのため、ｐｎ接合を実現する各フォトダイオードの半導体層外周縁部にはエッジブレークダウンを防ぐためのガードリングが必要となり、その結果被検出光に対する開口率が低く抑えられてしまう。また、このように開口率が低く抑えられたフォトダイオードアレイでは、検出感度特性を向上させることは困難である。また、なだれ増倍によって光が発生するので、これが隣の光検出チャンネルに吸収されることでクロストークが生じることも問題になる。
上述のフォトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有する基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、基板と、基板の第１導電型の半導体層上に形成され、当該半導体層との界面でｐｎ接合を構成するとともに、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第２導電型のエピタキシャル半導体層と、２つの端部を有し、光検出チャンネルごとに設けられ、一方の端部を介してエピタキシャル半導体層と電気的に接続されると共に他方の端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備えることを特徴とする。
上記フォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、基板の第１導電型の半導体層と当該半導体層上に形成されたエピタキシャル半導体層とによって構成されている。また、増倍領域はｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域はこのエピタキシャル半導体層にある。したがって、上記フォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さず、ガードリングを設ける必要がない。そのため、上記フォトダイオードアレイはその開口率を高くすることが可能となる。
上述のフォトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有する基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、基板と、基板の第１導電型の半導体層上に形成され、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のエピタキシャル半導体層と、第１導電型のエピタキシャル半導体層中に形成され、当該エピタキシャル半導体層との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型の拡散領域と、２つの端部を有し、光検出チャンネルごとに設けられ、一方の端部を介してエピタキシャル半導体層中の第２導電型の拡散領域と電気的に接続されると共に他方の端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備えることを特徴とする。
上記フォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、基板上の第１導電型のエピタキシャル半導体層と当該半導体層中に形成された第２導電型のエピタキシャル半導体層とによって構成されている。また、増倍領域はｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域はこのエピタキシャル半導体層にある。したがって、上記フォトダイオードアレイは、ガードリングを設けていない。そのため、上記フォトダイオードアレイはその開口率を高くすることが可能となる。
エピタキシャル半導体層の各増倍領域と各光検出チャンネルとが互いに対応するように、複数の光検出チャンネルの間に形成される第１導電型の分離部をさらに備えることが好ましい。すなわち、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有する基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、基板と、基板の第１導電型の半導体層上に形成され、基板との界面でｐｎ接合を構成するとともに、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる増倍領域を有する第２導電型のエピタキシャル半導体層と、２つの端部を有し、光検出チャンネルごとに設けられ、エピタキシャル半導体層と一方の端部を介して電気的に接続されると共に他方の端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、エピタキシャル半導体層の増倍領域が各光検出チャンネルに対応して複数形成されるように、複数の光検出チャンネルの間に形成される第１導電型の分離部と、を備えることが好ましい。
この場合、各チャンネル間に形成された分離部によって各増倍領域と各光検出チャンネルとの対応が具現化されている。そのため、やはりガードリングを設ける必要がなく、開口率を高くすることが可能である。また、光検出チャンネル間に分離部が形成されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
分離部は、光検出チャンネルによって検出される波長帯域の光を吸収又は反射する物質からなる遮光部を含むことが好ましい。これらの場合、光が遮光部で吸収あるいは反射されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。さらに、遮光部は、なだれ増倍によって発生する光が、隣接する光検出チャンネルに影響を与えないように、光検出チャンネルによって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を吸収または反射する物質からなることが好ましい。これにより、クロストークの発生を良好に抑制することが可能になる。
信号導線は、分離部の上方に形成されていることが好ましい。この場合、信号導線が光検出面上を横切ることが抑制されるため、開口率はより一層向上する。
信号導線は、アルミニウムからなり、窒化シリコン膜上に形成されていることが好ましい。この場合、フォトダイオードアレイに高電圧を印加したとしても、アルミニウムがその下の膜に染みこむことが抑制される。尚、ここで言う「染み込む」とは拡散・侵入するという意味であり、以後も同じ意味で使っている。また、この場合、抵抗は例えばポリシリコンからなり、抵抗は酸化シリコン膜上に形成されるとともに、当該抵抗上には窒化シリコン膜及び信号導線が形成されていることが好ましい。
以上、説明したように、上述のフォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオード（光検出チャンネル１０）を配列してなるフォトダイオードアレイにおいて、アバランシェフォトダイオードが形成された基板と、基板上に形成された絶縁膜１６（保護膜）と、絶縁膜１６上に設けられた複数の信号導線３（３ａ）と、基板の光入射面上に、絶縁膜１６を介して、個々の信号導線３（３ａ）に対応して配置され、それぞれのアバランシェフォトダイオードと信号導線３（３ａ）とを接続する複数の抵抗４と、を備え、それぞれのアバランシェフォトダイオードの光検出チャンネル１０は、マトリクス状に配置されており、複数の信号導線３（３ａ）は、第１信号導線と、第２信号導線と、を備え、第１信号導線は、隣接する光検出チャンネル１０間に位置し、これらの双方に接続され、第２信号導線は、隣接する別の光検出チャンネル１０間に位置し、これらの双方に接続されている。
また、上記フォトダイオードアレイにおいて、基板は、基板部材Ｓと、基板部材Ｓとアバランシェフォトダイオードのｐｎ接合との間に設けられアフターパルスを抑制するための別の絶縁膜１１とを備えている。
本発明は、被検出光に対して開口率の高いフォトダイオードアレイとして利用可能である。
１，３０，４０，５０…フォトダイオードアレイ、２…基板、３…信号導線、４…抵抗、５…電極パッド、１０…光検出チャンネル、１１…絶縁膜、１２…ｎ＋型半導体層、１３…ｐ−型半導体層、１４…ｐ＋型半導体層、１５…ｐ型半導体層、１６…保護膜、２０…分離部、２２…遮光部、Ｓ…基板部材、ＡＭ…増倍領域、Ｒ１３…ｎ型半導体層、Ｒ１５…ｎ型半導体層。

Claims (2)

  1. ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードを配列してなるフォトダイオードアレイにおいて、
    前記アバランシェフォトダイオードが形成された基板と、
    前記基板上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に設けられた複数の信号導線と、
    前記基板の光入射面上に、前記絶縁膜を介して、個々の前記信号導線に対応して配置され、それぞれの前記アバランシェフォトダイオードと前記信号導線とを接続する複数の抵抗と、
    を備え、
    それぞれの前記アバランシェフォトダイオードの光検出チャンネルは、マトリクス状に配置されており、
    複数の前記信号導線は、
    第１信号導線と、
    第２信号導線と、
    を備え、
    前記第１信号導線は、隣接する光検出チャンネル間に位置し、これらの双方に接続され、
    前記第２信号導線は、隣接する別の光検出チャンネル間に位置し、これらの双方に接続されている、
    ことを特徴とするフォトダイオードアレイ。
  2. 前記基板は、
    基板部材と、
    前記基板部材と前記アバランシェフォトダイオードのｐｎ接合との間に設けられアフターパルスを抑制するための別の絶縁膜と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
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