JP2016530722A - マルチピクセル型アバランシェ光ダイオード - Google Patents

Abstract

光信号の内部増幅に、また微弱光信号、ガンマ線、および核粒子の検出の使用に動作可能な、半導体アバランシェ光ダイオードおよびその製造方法が提供される。マルチピクセル型アバランシェ光ダイオード装置は、半導体層、半導体層とｐｎ接合部を形成する複数の半導体領域（ピクセル）、誘電層により半導体層から分離された共通導電グリッド、および該半導体領域を共通導電グリッドと連結された個々の微小抵抗器を備えることができる。記載されたシステムおよび方法は、高い信号増幅における光クロストークおよびマルチピクセル型アバランシェ光ダイオードの特殊容量を低減し、さらにその光応答速度を向上させる働きをすることができる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年８月１３日に出願された米国特許仮出願第６１／８６５，５０３号の利益を主張し、本出願はその全体がすべての目的に対して参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、半導体装置に関し、より詳細には、光信号の内部増幅を有する半導体アバランシェ光ダイオードに関する。

感光性半導体装置は、光情報の検出および処理のために多くの科学装置および家庭内装置に使用される。このような装置のキー要素は、光情報を電気信号に変換する光ダイオードである。感光性および高速応答時間は光ダイオードの基本的な作動パラメータである。従来、真空光電子倍増管はこのような光装置に使用される。しかし半導体光電子倍増管またはマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード（ＭＡＰＤ）（マルチピクセル型光子計測装置（ＭＰＰＣ）もしくはシリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）とも呼ばれる）も開発されており、これらは真空光電子倍増管に取って代わる。

例えばロシア特許第１７０２８３１号は、その上に小さい独立ｐｎ接合部（ピクセル）のマトリクスが形成されるシリコン基板表面を教示している。基板の残留表面は誘電層（二酸化ケイ素）で充填される。ピクセルおよび誘電層の両方の表面上に、約１０^７オームｃｍの抵抗率の薄い抵抗層および半透明の金属層（電解電極）が形成される。光電子のアバランシェ増幅は、小さい従属ｐｎ接合部（ピクセル）内で実行される。アバランシェ電流は、ピクセルの感応面を完全に覆う抵抗層を通って電解電極に流れる。しかし抵抗層および電解電極の両方の透明性が低いため、この装置が可視スペクトルにおいて低い量子効率を提供するので、この装置は不充分である。

米国特許第５，８４４，２９１号は、ある程度の抵抗率をもつ炭化ケイ素を含み、その上に抵抗層が配置されるｎ型伝導性のシリコン基板表面、誘電層、およびｐ型伝導性のエピタキシャルシリコン層を教示している。誘電層の内側にｎ型伝導性の高ドープ領域が形成され、１つの側面から抵抗層と電気接触し、別の側面からエピタキシャル層と電気接触する。その中で光電子が生成される感光層は、異質物質（すなわち誘電層および抵抗層）の表面上に成長したエピタキシャル層である。この装置も、誘電体表面上にシリコンエピタキシャル層が成長する複雑さのために不充分である。

ロシア特許第２１０２８２０号は、半導体層表面上に形成された１０μ〜１００μの大きさを特徴とする小型のｐｎ接合部（ピクセル）のアレイを含むＭＡＰＤ装置を教示している。ピクセルは、電荷結合を防ぐために必要なある特定の間隔（約１０μ）で配置される。各ピクセルは、１０^５〜１０^６Ωの抵抗を有する個々の微小抵抗器により共通導電グリッドに接続される。ピクセルの大きさが小さいため、ＭＡＰＤは過電圧モード（すなわち耐圧を超える）で機能できる。次いでピクセルの感度領域における光電子（または暗黒電子）の発生により自己消滅するアバランシェ過程が始まる。この過程はガイガーモード放電に似ている。

アバランシェ過程は、個々の微小抵抗器に起因してピクセルの電位が耐圧より降下すると消滅し、これによりアバランシェ過程中に電圧源からピクセルを荷電できない。結果として、高速光応答（すなわち振幅の半分の高さにおけるパルス幅が約１０ｎｓである）と信号の高いアバランシェ増幅（約１０^６）の独自の組合せが達成される。作動するピクセルからの信号は共通導電グリッドに加えられ、これは線形のＭＡＰＤ光応答を提供する。２つ以上の光子が１つのピクセルに当たる可能性がわずかである限り、その応答は線形のままである。

しかし、一部の与えられた課題は、高速光応答（約１ｎｓ）およびより大きい感度領域（少なくとも１０ｍｍ^２以上）を有するＭＡＰＤ装置を必要とする。感度領域を増加させることにより、公知のＭＡＰＤ装置の高い特殊容量のためにその光応答が伸びる。加えて、公知のＭＡＰＤ装置内の光信号の高い増幅により望ましくない効果、すなわち光クロストークがもたらされる。この効果は、半導体のアバランシェ領域内の光学光子のさらなる放射によって付随される、高いアバランシェ増幅（約１０^６）の光信号と接続される。これらの光子はＭＡＰＤ装置の隣接ピクセルに吸収され、アバランシェ過程の誤開始を引き起こす。クロストーク効果を阻止するために、アバランシェ増幅率は１０^５未満に低減されるべきであるが、この低い増幅率は単一の光電子検出モードで機能するためには充分ではない。

上記を考慮して、従来の感光性半導体システムの前述の障害および欠陥を克服するために、改良されたマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード（ＭＡＰＤ）システムおよび方法が必要とされている。

一実施形態は、半導体層と、該半導体層とｐｎ接合部を形成する複数の半導体領域と、誘電層により該半導体層から分離された共通導電グリッドと、該半導体領域を共通導電グリッドと連結させる個々の微小抵抗器とを有し、該半導体領域の表面の一部の上で、個々のエミッタはそれぞれ該半導体領域と電位障壁を形成することによって区別され、個々のエミッタは第２の個々の微小抵抗器のそれぞれを用いて追加の導電グリッドに連結される、マルチピクセル型アバランシェ光ダイオードを含む。

一態様では、個々のエミッタは半導体領域と同じ材料を有するが、反対型の伝導性を有する。

別の態様では、個々のエミッタは半導体領域に対してワイドギャップ半導体である。

さらなる態様では、個々のエミッタは金属材料を含む。

一層さらなる態様では、半導体層は半導体基板の表面上に形成される。

一態様では、半導体層は半導体基板の表面上に形成され、個々のエミッタは半導体領域と同じ材料を有するが、反対型の伝導性を有する。

別の態様では、半導体層は半導体基板の表面上に形成され、個々のエミッタは半導体領域に対してワイドギャップ半導体を含む。

さらなる態様では、半導体層は半導体基板の表面上に形成され、個々のエミッタは金属材料を含む。

一態様では、半導体層は誘電体基板の表面上に形成される。

別の態様では、半導体層は誘電体基板の表面上に形成され、個々のエミッタは半導体領域と同じ材料を含むが、反対型の伝導性を有する。

さらなる態様では、半導体層は誘電体基板の表面上に形成され、個々のエミッタは半導体領域に対してワイドギャップ半導体を含む。

一層さらなる態様では、半導体層は誘電体基板の表面上に形成され、個々のエミッタは金属材料を含む。

一実施形態では、マルチピクセル型アバランシェ光ダイオードは、半導体層と、半導体層内に配置され、半導体層とｐｎ接合部を画定する複数の半導体領域と、半導体層および複数の半導体領域によって画定された表面上に配置された誘電層と、誘電層上に配置され、誘電層により半導体層から分離された共通導電グリッドと、誘電層を通って延在し、それぞれの半導体領域を共通導電グリッドと作動可能に連結させる複数の第１の微小抵抗器と、誘電層を通って延在し、それぞれの半導体領域に作動可能に連結されたそれぞれのエミッタを介して、それぞれの半導体領域を第２の導電グリッドと作動可能に連結させる、複数の第２の微小抵抗器であって、エミッタはそれぞれの半導体領域でそれぞれの電位障壁を形成する、複数の第２の微小抵抗器とを含む。

マルチピクセル型アバランシェ光ダイオード（ＭＡＰＤ）装置の断面を示すために一部が取り除かれた、ＭＡＰＤ装置の斜視図である。

図は一定の縮尺で描かれてはおらず、類似の構造または機能の要素は、すべての図を通して例示目的のために同様の参照番号によって概ね表されていることに留意されたい。また、図は好ましい実施形態の説明を容易にすることを意図するに過ぎないことにも留意されたい。図は記載された実施形態のあらゆる態様を示すものではなく、また本開示の範囲を限定するものではない。

現在入手可能なシステムは不充分であるので、微弱光信号、ガンマ線、および核粒子の検出のためにマルチピクセル型アバランシェ光ダイオードが望ましいことを証明し、高い信号増幅（約１０^６以上）における光クロストークを低減し、特殊容量を低減し、光応答速度を向上させるなどの広範囲の利益に対する基礎を提供することができる。この結果から、図１に示されたような開示されたマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード（ＭＡＰＤ）１００により、本明細書に開示された一実施形態に従って達成することができる。

図１は、ＭＡＰＤ装置１００の断面を示すために一部１０５が取り除かれた、ＭＡＰＤ装置１００の斜視図を示す。ＭＡＰＤ装置１００は、半導体層１によって画定されたスロット１１０内に配置された複数の半導体領域２を含む、実質的に平坦な半導体層１を備える。例えば一部の実施形態では、図１に描かれたように、スロット１１０および半導体領域２は実質的に矩形で細長く、半導体層１の頂面と同じ厚さを有することができる。半導体領域２および半導体層１はそれぞれのｐｎ接合部１１５を画定する。

実質的に平坦な誘電層５を半導体層１および半導体領域２の上に配置することができる。各半導体領域２は、誘電層５を通って延在して半導体領域２を導電グリッド４と連結させる、第１の微小抵抗器３を含むことができる。微小抵抗器３および共通導電グリッド４は、誘電層５の頂面に沿って延在することができ、誘電層５は、誘電層５を通って延在し半導体領域２と接触する微小抵抗器３の部分を除いて、微小抵抗器３および共通導電グリッド４を半導体領域２から実質的に隔離させてもよい。

加えてエミッタ６を半導体領域２の一部の上に配置し、誘電層５を通って延在する第２の微小抵抗器８により導電グリッド７に作動可能に連結させることができる。微小抵抗器８および導電グリッド７は誘電層５の頂面に沿って延在することができ、誘電層５は、誘電層５を通って延在し半導体領域２と接触する微小抵抗器８の部分を除いて、微小抵抗器８および導電グリッド７を半導体領域２から実質的に隔離させてもよい。

加えてＭＡＰＤ装置１００は、半導体層１にバイアスをかける働きをする接触領域９を含むことができる。例えば接触領域９は誘電層５を通って延在し、半導体層１に接触することができる。

様々な実施形態では、半導体層１は、所望の直径および厚さを有する半導体基板または誘電体基板上に成長したエピタキシャル半導体層によって画定された、均一の半導体板（基板）を備えることができる。図１に描かれたＭＡＰＤ装置１００の例示的構造および構成を成長させる、構築させる、または別法によりフォトリソグラフィを含むあらゆる適切な手法で生成させてもよい。

一部の実施形態では、エミッタ６は半導体領域２と同じ材料を備えることができるが、反対型の伝導性を有する。換言すると、個々のエミッタ６と半導体領域２との間の電位障壁は、同質のｐｎ接合部１１５を画定することができる。

さらなる実施形態では、個々のエミッタ６は、半導体領域２に対してワイドギャップ半導体を備えることができる。換言すると、個々のエミッタ６と半導体領域２との間の電位障壁は、異質のｐｎ接合部１１５を画定することができる。

他の実施形態では、個々のエミッタ６は適切な金属材料を備えることができる。換言すると、個々のエミッタ６と半導体領域２との間にショットキー障壁を形成することができる。

ＭＡＰＤ装置１００のある作動モードでは、一部の実施形態によれば、共通導電グリッド４および追加の導電グリッド７の両方に対して負のバイアスを半導体層１にかけることができる。小さい大きさを有する実施形態では、半導体領域２（またはピクセル）はガイガーモードで機能することができ、ガイガーモードではバイアスは耐圧特性をΔＵ＝２Ｖだけ超えてもよい。ガイガーモードのアバランシェ過程は、ピクセル２における単一の光電子の存在によって開始することができ、これにより個々の微小抵抗器３および／または８における電位降下はΔＵが２Ｖまで増加する。同時にピクセル２の電位は同じ値だけ低減する。

ΔＶが２Ｂに電位降下することより、半導体領域２と個々のエミッタ６との間の電位障壁を完全に開くことができる。一部の実施形態では、これは個々のエミッタ６を通って流れる高電流の結果として可能になる。パルス電流を追加の個々の微小抵抗器３および／または８によって制限することができる。ピクセル２の電位が個々の微小抵抗器３および／または８を介して電荷することにより前の値に達すると、パルス電流のスイッチを切ることができる。

したがって、ＭＡＰＤ装置１００内の光信号は微小トランジスタ１２０内で（すなわち「個々のエミッタ６−半導体領域２−半導体層１」からなる構造内で）再度増幅される。増幅された信号は追加の導電グリッド７の電気回路に接続された外部負荷抵抗において検出される。信号の増幅率の完全値はＭ_０＝Ｍ_ａｖ*Ｍ_ｔｒと定義され、式中Ｍ_ａｖはアバランシェ過程の増幅率であり、Ｍ_ｔｒは微小トランジスタ１２０の増幅率である。

したがって低いアバランシェ増幅率（例えばＭ_ａｖ＝１０^５）を有する、光信号の必要な高い増幅率（例えばＭ_０＝１０^６）が受領される。一部の実施形態では、その増幅率においてクロストークは非常に低い。ここでは個々の微小トランジスタ１２０は増幅率Ｍ_ｔｒ＝１０を提供する。光信号の立ち上がり時間を低容量の微小トランジスタ１２０によって改善させることができる。例えば一実施形態では、ピクセル２は５０μｍ×５０μｍであることが可能であり、微小トランジスタ１２０の大きさは５μｍ×５μｍを超えない。

一部の実施形態では、マルチピクセル型アバランシェ検出器１００を以下のように組み立てることができる。半導体層１の表面上に（例えば比抵抗２Ωｘｃｍのｎ型伝導性のシリコン層）約０．１μｍ厚さを有する二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の誘電層５を温度１１００℃の熱酸化によって形成することができる。フォトリソグラフィを使用して二酸化ケイ素の誘電層５に１０μｍの間隔で４０μｍｘ４０μｍの大きさの窓を開けることができる。ｐ型半導体領域（すなわちｐｎ型接合部１１５のピクセル２）を形成するために、投与量０．６ｘ１０^１４イオン／ｃｍ^２、エネルギー７０ｋｅＶのホウ素イオンを開いた窓領域にドープすることができる。一部の実施形態では、各ピクセル２の小部分をドープすることによりエミッタ６を形成することができる。例えば約５μｍｘ５μｍの領域に投与量９ｘ１０^１４イオン／ｃｍ^２、エネルギー１００ｋｅＶを有するリン酸イオンをドープすることができる。投与量３ｘ１０^１４イオン／ｃｍ^２、エネルギー７０ｋｅＶを有するホウ素イオンによりピクセル２の一部をさらにドープすることによってピクセル２（すなわちｐ型シリコン領域）に接触する領域を形成することができる。微小抵抗器３および／または８は、抵抗約２０ｋΩ／スクエアの非晶質シリコンを含むことができ、気相から化学蒸着を使用して生成することができる。共通導電グリッド４および追加の導電グリッド７のどちらも金属アルミニウムの熱蒸着によって形成することができる。

様々な実施形態において、本明細書に記載されたこのようなシステムおよび方法は低レベルの光クロストークおよび高速光応答を生成できる。したがって本明細書に記載されたＭＡＰＤ装置１００は、高エネルギー物理学、線量計、医療用陽電子放射走査装置、および他の適切な分野に使用できる。

記載された実施形態は様々な修正形態および代替形態の影響を受けやすく、それらの具体例が図に例証として示され、本明細書に詳細に記載されている。しかし記載された実施形態は開示された特定の形または方法に限定されるものではないが、反対に本開示はすべての修正形態、等価物、および代替形態を網羅することを理解されたい。

Claims (13)

1. マルチピクセル型アバランシェ光ダイオードであって、
   半導体層と、
   前記半導体層とｐｎ接合部を形成する複数の半導体領域と、
   誘電層により前記半導体層から分離された共通導電グリッドと、
   前記半導体領域を前記共通導電グリッドと連結させる個々の微小抵抗器と
   を備え、
   前記半導体領域の表面の一部の上で、個々のエミッタはそれぞれ前記半導体領域と電位障壁を形成することによって区別され、前記個々のエミッタは第２の個々の微小抵抗器のそれぞれを用いて追加の導電グリッドに連結されている、
   マルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
2. 前記個々のエミッタが、半導体領域と同じ材料で実行されるが、反対型の伝導性を有する、請求項１に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
3. 前記個々のエミッタが、前記半導体領域に対してワイドギャップ半導体で実行される、請求項１に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
4. 前記個々のエミッタが、金属材料で実行される、請求項１に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
5. 前記半導体層が、半導体基板の表面上に形成される、請求項１に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
6. 前記個々のエミッタが、半導体領域と同じ材料で実行されるが、反対型の伝導性を有する、請求項５に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
7. 前記個々のエミッタが、前記半導体領域に対してワイドギャップ半導体で実行される、請求項５に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
8. 前記個々のエミッタが、金属材料で実行される、請求項５に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
9. 前記半導体層が、誘電体基板の表面上に形成される、請求項１に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
10. 前記個々のエミッタが、半導体領域と同じ材料で実行されるが、反対型の伝導性を有する、請求項９に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
11. 前記個々のエミッタが、前記半導体領域に対してワイドギャップ半導体で実行される、請求項９に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
12. 前記個々のエミッタが、金属材料で実行される、請求項９に記載のマルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。
13. マルチピクセル型アバランシェ光ダイオードであって、
    半導体層と、
    前記半導体層内に配置され、前記半導体層とｐｎ接合部を画定する複数の半導体領域と、
    前記半導体層および前記複数の半導体領域によって画定された表面上に配置された誘電層と、
    前記誘電層上に配置され、前記誘電層により前記半導体層から分離された共通導電グリッドと、
    前記誘電層を通って延在し、それぞれの半導体領域を前記共通導電グリッドと作動可能に連結させる複数の第１の微小抵抗器と、
    前記誘電層を通って延在し、それぞれの半導体領域に作動可能に連結されたそれぞれのエミッタを介して、それぞれの半導体領域を第２の導電グリッドと作動可能に連結させる、複数の第２の微小抵抗器であって、前記エミッタがそれぞれの半導体領域でそれぞれの電位障壁を形成する、複数の第２の微小抵抗器と
    を備える、マルチピクセル型アバランシェ光ダイオード。

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