JP2018078304A - 光検出器 - Google Patents
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Abstract
器を提供する。
【解決手段】光検出器10は、近赤外領域の少なくとも一部の光が入射する第1面15A
と第1面15Aの反対側の第2面15Bとを有し、光を検出する光検出領域140と、光
検出領域の第2面15B側に設けられ、光を反射する反射層20と、光検出領域140に
バンプ接合を介さずに直列に接続されたクエンチング抵抗32と、を備える。反射層20
は、光検出領域140とクエンチング抵抗32との間に設けられる。
【選択図】図1
Description
光に対する感度を高める技術として、空乏層の厚みを大きくする技術や、シリコン基板に
おける少なくともpn接合に対向する領域に不規則な凹凸を形成する技術などが開示され
ている。
層の厚みを大きくすると、光検出素子の微細アレイ化が困難となる。また、シリコン基板
に不規則な凹凸を形成するためには、専用の加工装置が必要であった。すなわち、従来で
は、簡易な構成で、近赤外領域の光に対する感度を向上させることは困難であった。
る感度を向上させることができる、光検出器を提供することを目的とする。
反対側の第2面とを有し、光を検出する光検出領域と、光検出領域の第2面側に設けられ
、光を反射する反射層と、光検出領域にバンプ接合を介さずに直列に接続されたクエンチ
ング抵抗と、を備える。反射層は、光検出領域とクエンチング抵抗との間に設けられる。
図1は、光検出器10Aの一例を示す図である。
40は、入射した光を検出する。第1の光検出領域140は、Siを主成分として含むp
型半導体層とSiを主成分として含むn型半導体層とを接合したpn接合を含み、フォト
ダイオードとして機能する領域である。
に、p−型半導体層14Aとp+型半導体層14Bを交互に積層させることで、pn型ダ
イオードとして構成されたアバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche
Photo Diode)である場合を説明する。第1の光検出領域140は、例えば
、ガイガーモードで駆動する。なお、第1の光検出領域140は、光を検出する機能を有
する領域であればよく、APDに限定されない。
するp型領域(図1では、p−型半導体層14A)と、によってpn接合が形成されてい
る。第1の光検出領域140は、例えば、イオン注入、拡散、またはこれらに類する技術
などの既知の技術によって形成される。これらのn型半導体基板14C(n型半導体層)
、および−p型半導体層14Aは、シリコンを主成分として含む層である。例えば、これ
らのn型半導体基板14C(n型半導体層)、および−p型半導体層14Aは、シリコン
のエピタキシャル成長や、シリコン基板への不純物のドープなどにより製造される。
2面15Bと、を有する。第1面15Aは、第1の光検出領域140の厚み方向両端面に
おける、一方の面である。第1面15Aは、第1の光検出領域140における光の入射す
る側の面である。第2面15Bは、第1の光検出領域140の厚み方向両端面における、
他方の面である。第2面15Bは、第1の光検出層12Aにおける光の出射する側の面で
ある。なお、第1の光検出領域140の厚み方向と、第1面15Aと第2面15Bの対向
方向(図1中、矢印X方向参照)と、は一致する。
n型半導体基板14C側の面を第1面15Aとしている。そして、第1の光検出領域14
0における、pn接合のp型半導体層(p−型半導体層14A、p+型半導体層14B)
側の面を第2面15Bとしている。
4A、p+型半導体層14B)側の面を、第1面15Aとしてもよい。
交差面に沿って、例えば、マトリクス状に配列した構成である。第1の光検出層12Aは
、例えば、複数の第1の光検出領域140を1画素とした画素領域を、マトリクス状に配
列させた構成である。
の間の領域には、素子分離部29が設けられている。素子分離部29は、隣接する第1の
光検出領域140が互いに電気的に干渉することを抑制する。
いる。絶縁層30は、絶縁性の材料によって構成された層である。支持基板38は、第1
の光検出層12Aを支持する基板である。支持基板38は、例えば、シリコン、ガラス、
サファイア等で構成する。
2、コンタクト層34、および配線層36が設けられている。
0は、近赤外領域の少なくとも一部の光を反射する。近赤外領域の少なくとも一部の光、
とは、近赤外領域の波長の内の、少なくとも一部の波長の光を意味する。
20は、780nm以上1100nm以下の波長領域の光を少なくとも反射することが好
ましい。
L1参照)に含まれる、近赤外領域の少なくとも一部の光を、少なくとも第1の光検出領
域140の空乏層に到達させる反射を実現するように、厚みや構成材料などを予め調整す
る。
、反射層20の上記対向方向(矢印X方向)における第1の光検出層12Aとの相対位置
、などに応じて、上記反射条件を満たすように、適宜調整すればよい。
には、反射層20は、Al、Ti、TiN、W、Mo等の一般的に半導体プロセスで使用
される金属及びその合金材料で構成する。
の領域は、近赤外領域の少なくとも一部の光を透過する材料で構成することが好ましい。
第2面15Bの少なくとも一部を覆うように設けられていればよい。また、反射層20は
、上記対向方向に直交する直交方向(図1中、矢印X方向に直交する方向)に沿って、第
1の光検出領域140の第2面15B側の全領域を覆うように設けられた形態であっても
よい。また、図1に示すように、反射層20は、第1の光検出層12Aにおける複数の第
1の光検出領域140の第2面15B側を、上記直交方向に沿って連続して覆うように設
けてもよい。
光検出領域140の第2面15B側であればよいが、第1の光検出層12Aとクエンチン
グ抵抗32との間に設けられることが好ましい。
ング抵抗32には、例えば、ポリシリコンを用いる。
電荷の通り道となる。すなわち、クエンチング抵抗32は、第1の光検出領域140を流
れる電流量を制限する。例えば、1個の光子が入射して第1の光検出領域140がガイガ
ー放電したときに、クエンチング抵抗32による電圧降下により、増幅作用が終端する。
このため、第1の光検出領域140から、パルス状の出力信号が得られることとなる。
が接続されている。配線層36は、アノード電極として機能する。
エンチング抵抗32、コンタクト層34、および配線層36と、第1の光検出領域140
と、の間に設けられている。なお、反射層20は、配線層36と、コンタクト層34と、
クエンチング抵抗32と、の少なくとも1つと、第1の光検出層12Aと、の間に設けら
れた形態であってもよい。
との間に設けることにより、クエンチング抵抗32や、クエンチング抵抗32に接続する
コンタクト層34や、配線層36、などの配線やレイアウトの自由度を向上させることが
できる。クエンチング抵抗のレイアウト自由度が増すことで、クエンチング抵抗のシート
抵抗値を下げ、加工バラツキに起因する抵抗値バラツキの低減を図ることもできる。
抵抗32、コンタクト層34、および配線層36と、の間に設けることで、配線のレイア
ウトの自由度を更に向上させることができる。また、配線のレイアウトの自由度が向上す
ることから、配線抵抗の低減や、寄生容量の低減を図ることができる。
けられている。光検出器10Aでは、電極層26は、カソード電極として機能する。電極
層26は、貫通電極42、および電極層37を介して、貫通電極44に接続されている。
2、コンタクト層34、配線層36、および電極層26は、SiPM(Silicon
Photomultipliers)として機能する。
れている。このため、電極層26における、少なくとも第1の光検出領域140に重なる
領域は、第1の光検出領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光を透過する透明電
極とすることが好ましい。
入射光L1参照)は、第1の光検出領域140に入射する。また、第1の光検出領域14
0に入射した光は、反射層20によって、第1の光検出領域140側に反射する(図1中
、反射光L2参照)。
の光検出領域140のpn接合に対して、例えば、逆バイアスの、アバランシェ降伏電圧
以上の駆動電圧が印加されている。この状態で、第1の光検出領域140に第1面15A
から光が入射することによって、第1の光検出領域140には逆バイアス方向にパルス状
の電流が流れる。そして、この電流は、電気信号として、図示を省略する信号処理回路へ
出力される。このようにして、光検出器10Aは、光を検出する。
射層20と、を備える。第1の光検出層12Aは、第1の光検出領域140を備える。第
1の光検出領域140は、光の入射する第1面15Aと、第1面15Aの反対側の第2面
15Bと、を有し、Siを主成分として含むp型半導体層とSiを主成分として含むn型
半導体層とを接合したpn接合を含む。反射層20は、第1の光検出領域140における
第1面15A側に設けられ、近赤外領域の少なくとも一部の光を反射する。
おける近赤外領域の分光感度が低いことが知られている。例えば、第1の光検出領域14
0の空乏層の厚みは、第1の光検出領域140がSiを半導体基板として用いたAPDで
ある場合、2μm〜3μmが一般的である。また、駆動電圧としての逆バイアス電圧は、
100V以下が一般的である。このような厚みの第1の光検出領域140の近赤外領域の
分光感度は、10%未満であった。また、例えば、850nmの近赤外光を90%吸収さ
せるためには、空乏層の厚みを数十μm以上(例えば、30μm以上)とする必要があっ
た。
厚みが数十μm以上であると、駆動電圧は数百V以上とする必要があった。また、空乏層
の厚みが大きくなるほど、微細アレイ化が困難となっていた。
、近赤外領域の少なくとも一部の光を反射する反射層20を備える。
射光L1の、反射層20による反射光L2が、再び第1の光検出領域140に到達するこ
ととなる。
の光検出領域140内における光路長を、反射層20を備えない構成に比べて、長くする
ことができる。
ことができる。
)の厚みや駆動電圧を調整することなく、光検出器10Aにおける、近赤外領域の光に対
する感度を向上させることができる。また、本実施の形態の光検出器10Aは、光検出器
10Aのチップサイズを大きくすること無く、また、応答特性を維持したまま、近赤外領
域の光に対する感度を向上させることができる。
抗32やコンタクト層34が配置されていないことから、第1の光検出層12Aにおける
第1の光検出領域140の開口率を、本構成を用いない場合に比べて大きくすることがで
きる。
本実施の形態では、第1の実施の形態とは異なる位置に、反射層20を配置した形態を
説明する。
12Aは、複数の第1の光検出領域140を有する。第1の光検出領域140は、n型半
導体基板14C上に、p−型半導体層14Aとp+型半導体層14Bを交互に積層させた
構成である。また、第1の光検出領域140には、n型領域(n型半導体基板14C)と
、n型領域に隣接するp型領域(p−型半導体層14A)と、によってpn接合が形成さ
れている。
の間の領域には、素子分離部29が設けられている。素子分離部29は、第1の実施の形
態と同様である。
2面15Bと、を有する。本実施の形態では、第1の光検出領域140は、pn接合のn
型半導体基板14C側の面を第2面15Bとしている。また、本実施の形態では、第1の
光検出領域140は、pn接合のp型半導体層(p−型半導体層14A、p+型半導体層
14B)側の面を第1面15Aとしている。
順に積層されている。
ト層34、および配線層36が設けられている。絶縁層30は、反射層20が設けられて
いない以外は、第1の実施の形態と同様である。
抗32が設けられている。また、絶縁層30には、クエンチング抵抗32およびコンタク
ト層34を介して、クエンチング抵抗32に接続する配線層36が設けられている。配線
層36は、貫通電極40を介して電極層26に接続されている。本実施の形態では、配線
層36および電極層26は、アノード電極として機能する。
する材料で構成されている。接着層24は、支持基板39と絶縁層30とを接着する。接
着層24もまた、第1の光検出領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光を透過す
る材料で構成されている。
ける、少なくとも、各第1の光検出領域140の各々に重なる領域は、第1の光検出領域
140の感度波長領域の少なくとも一部の光を透過する材料で構成されている。
ように、本実施の形態では、光検出器10Bにおける第1の光検出領域140は、pn接
合のn型半導体基板14C側の面を第2面15Bとしている。また、本実施の形態では、
第1の光検出領域140は、pn接合のp型半導体層(p−型半導体層14A、p+型半
導体層14B)側の面を第1面15Aとしている。このため、本実施の形態では、反射層
20は、第1の光検出領域140の第2面15B側であり、かつ、pn接合のn型半導体
基板14C側に設けられている。
、矢印X方向参照)における位置は、第1の光検出領域140の第2面15B側であり、
且つ、第1の光検出領域140を介してクエンチング抵抗32の反対側である。
反射特性を有すると共に、導電性を備えた構成とする。このため、本実施の形態では、反
射層20は、カソード電極として機能する。
用いてもよい。この場合には、反射層20は、導電性を備えない構成であってもよい。こ
のように、反射層20を電極や抵抗として機能させない構成とする場合には、反射層20
には電圧が印加されない構成となる。
の特性を備えるように構成する。具体的には、反射層20と第1の光検出領域140との
間に該電極層(カソード電極)を設ける場合、該電極層は、近赤外領域の少なくとも一部
の光を透過する透明電極とすればよい。一方、反射層20の、第1の光検出領域140と
は反対側に該電極層(カソード電極)を設ける場合、該電極層は、導電性を有する層であ
ればよく、透明電極に限定されない。
1参照)は、第1の光検出領域140に入射する。また、第1の光検出領域140に入射
した光は、反射層20によって、第1の光検出領域140側に反射する(図2中、反射光
L2参照)。
L2が、再び第1の光検出領域140に到達することとなる。この反射層20による光の
反射により、第1の光検出領域140に入射した光の該第1の光検出領域140内におけ
る光路長を、反射層20を備えない構成に比べて、長くすることができる。
制御により、第1の光検出領域140のpn接合に対して、例えば、逆バイアスの、アバ
ランシェ降伏電圧以上の駆動電圧が印加されている。この状態で、第1面15Aから光が
入射することにより、第1の光検出領域140には逆バイアス方向にパルス状の電流が流
れる。そして、この電流は、電気信号として、図示を省略する信号処理回路へ出力される
。このようにして、光検出器10Bは、光を検出する。
射層20と、を備える。第1の光検出層12Aは、第1の光検出領域140を備える。本
実施の形態では、第1の光検出領域140は、pn接合のn型半導体基板14C側の面を
第2面15Bとしている。また、本実施の形態では、第1の光検出領域140は、pn接
合のp型半導体層(p−型半導体層14A、p+型半導体層14B)側の面を第1面15
Aとしている。
すなわち、反射層20は、第1の光検出領域140に対して、クエンチング抵抗32の反
対側に配置されている。
反対側に配置した場合についても、第1の光検出領域140の第2面15B側に反射層2
0を配置することで、光検出器10Bは、第1の実施の形態と同様の効果を得ることがで
きる。
に配置することで、クエンチング抵抗32や、コンタクト層34や、配線層36などの配
線のレイアウトの自由度を向上させることができる。
第1の実施の形態では、反射層20を、配線層36とは別体として構成する場合を説明
した。
。
12Aは、複数の第1の光検出領域140を有する。第1の光検出領域140は、n型半
導体基板14C上に、p−型半導体層14Aとp+型半導体層14Bを交互に積層させた
構成である。また、第1の光検出領域140には、n型領域(n型半導体基板14C)と
、n型領域に隣接するp型領域(p−型半導体層14A)と、によってpn接合が形成さ
れている。
の間の領域には、素子分離部29が設けられている。素子分離部29は、第1の実施の形
態と同様である。
2面15Bと、を有する。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、第1の光検出
領域140は、pn接合のn型半導体基板14C側の面を第1面15Aとしている。また
、本実施の形態では、第1の光検出領域140は、pn接合のp型半導体層(p−型半導
体層14A、p+型半導体層14B)側の面を第2面15Bとしている。
ている。
けられている。また、絶縁層30には、クエンチング抵抗32およびコンタクト層34を
介して、クエンチング抵抗32に接続する配線層36が設けられている。配線層36は、
貫通電極40に接続されている。本実施の形態では、配線層36および貫通電極40は、
アノード電極として機能する。
0の構成材料および厚みは、第1の実施の形態と同様である。本実施の形態では、反射層
20は、配線層36の一部として機能する。このため、本実施の形態では、反射層20は
、導電性を更に有する。
外領域の少なくとも一部の光を反射する反射特性を有するように、該重複領域の構成材料
を調整すればよい。また、配線層36の全領域に渡って、近赤外領域の少なくとも一部の
光を反射する反射特性を有する構成としてもよい。
れている。本実施の形態では、電極層26は、第1の光検出領域140の感度波長領域の
少なくとも一部の光を透過する透明電極として構成する。電極層26は、貫通電極42に
接続されている。本実施の形態では、電極層26は、カソード電極として機能する。
1参照)は、第1の光検出領域140に入射する。また、第1の光検出領域140に入射
した光は、反射層20によって、第1の光検出領域140側に反射する(図3中、反射光
L2参照)。
L2が、再び第1の光検出領域140に到達することとなる。この反射層20による光の
反射により、第1の光検出領域140に入射した光の該第1の光検出領域140内におけ
る光路長を、反射層20を備えない構成に比べて、長くすることができる。
間には、図示を省略する信号処理回路の制御により、第1の光検出領域140のpn接合
に対して、例えば、逆バイアスの、アバランシェ降伏電圧以上の駆動電圧が印加されてい
る。この状態で、第1面15Aから光が入射することにより、第1の光検出領域140に
は逆バイアス方向にパルス状の電流が流れる。そして、この電流は、電気信号として、図
示を省略する信号処理回路へ出力される。このようにして、光検出器10Cは、光を検出
する。
射層20と、を備える。第1の光検出層12Aは、第1の光検出領域140を備える。本
実施の形態では、第1の光検出領域140は、pn接合のn型半導体基板(n型半導体基
板14C)側の面を第1面15Aとしている。また、本実施の形態では、第1の光検出領
域140は、pn接合のp型半導体層(p−型半導体層14A、p+型半導体層14B)
側の面を第2面15Bとしている。
本実施の形態では、反射層20は、配線層36の一部として配置されている。
光検出領域140の第2面15B側に反射層20を配置することで、光検出器10Cは、
第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
本実施の形態では、光検出層を積層した光検出器を説明する。
として、2層の光検出層を積層した形態を説明する。
は、上記実施の形態で説明した第1の光検出層12Aと、第2の光検出領域142を備え
た第2の光検出層12Bと、反射層20と、を備える。
含む以外は、第1の光検出層12Aと同様の構成である。第2の光検出領域142には、
第1の光検出領域140と同様に、Siを主成分とするn型半導体層と、Siを主成分と
するn型半導体層に隣接するp型半導体層と、によってpn接合が形成されている。
5Aと、第1面15Aの反対側の第2面15Bと、を有する。
第1の光検出領域140の第2面15Bと、第2の光検出層12Bに含まれる第2の検出
領域142の第2面15Bと、が同一方向を向くように積層されている。
赤外領域の少なくとも一部の光を反射する。反射層20の厚み、および構成材料は、第1
の実施の形態と同様である。
間に設けられている。
と第2の光検出層12Bとの間に設けられている。中間層50は、第1の光検出領域14
0の感度波長領域の少なくとも一部の光と、第2の光検出領域142の感度波長領域の少
なくとも一部の光と、近赤外領域の少なくとも一部の光と、を透過する材料で構成されて
いることが好ましい。第1の光検出領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光、と
は、第1の光検出領域140の感度波長領域の光の内、少なくとも一部の波長の光を意味
する。
第1の光検出領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光と、を透過する透明電極で
あることが好ましい。
0と第2の検出層12Bとの層間、および、第2の光検出層12Bと反射層20との層間
の内、屈折率差が閾値以上の層間には、反射防止層54を設けることが好ましい。反射防
止層54は、第1の光検出領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光、第2の光検
出領域142の感度波長領域の少なくとも一部の光、および近赤外領域の反射を防止する
層である。この閾値は、第1の光検出層12Aおよび第2の光検出層12Bの各々に入射
した光の少なくとも90%以上の光が、第1の光検出層12Aの第1の光検出領域140
、および第2の光検出層12Bの第2の光検出領域142の各々に到達可能となるように
、予め調整すればよい。
の層間に設ける場合には、反射防止層54は、第1の光検出領域140の感度波長領域の
少なくとも一部の光の反射を防止すると共に、近赤外領域の光の少なくとも一部を透過す
る性質を有することが好ましい。すなわち、反射防止層54と、電極層52と、を中間層
50として構成する。
で構成する。
第1の光検出層12Aに含まれる第1の光検出領域140の第1面15A、第2の光検出
層12Bに含まれる第2の光検出領域142の第1面15Aは、pn接合のn型半導体層
側の面であってもよいし、pn接合のp型半導体層(p−型半導体層14A、p+型半導
体層14B)側の面であってもよい。
Bの双方が、pn接合のn型半導体基板14C(n型半導体層)側の面を第1面15Aと
したものであってもよい。また、光検出器11に含まれる、第1の光検出層12Aおよび
第2の光検出層12Bの双方が、pn接合のp型半導体層(p−型半導体層14A、p+
型半導体層14B)側の面を第1面15Aとしたものであってもよい。
第1の光検出層12A(または第2の光検出層12B)と、pn接合のn型半導体基板1
4C側の面を第2面15Bとした第2の光検出層12B(または第1の光検出層12A)
と、を混在させて積層した積層体としてもよい。
2Bの第2面15Bと、が同一方向(図4中、矢印XA参照)を向くように、積層した構
成とすればよい。
B)の積層数は、図4に示す2層に限定されない。例えば、光検出器11に含まれる光検
出層の積層数は、3層や5層であってもよい。
2Bに含まれる第2の光検出領域142と、の内、反射層20により近い位置に配置され
た第2の光検出領域142の厚みが、第1の光検出領域140の厚みより大きいことが好
ましい。
に配置された光検出層ほど、含まれる光検出領域の厚みが大きいことが好ましい。
図5、図7〜図9では、上記実施の形態で説明した光検出器10A〜光検出器10Dを総
称する場合には、光検出器10と称して説明する。
層12Aを備えた光検出器101と、第2の光検出層12Bを備えた光検出器102と、
を積層した光検出器11である。
同様である。なお、反射層20の配置位置などが、光検出器10とは異なる場合がある。
Bと同様の構成である。光検出器102は、接着層24を備えない以外は、図2に示す光
検出器10Bと同様の構成である。
も機能する反射層20に代えて、電極層52を備えている。電極層52は、第1の光検出
領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光と、第2の光検出領域142の感度波長
領域の少なくとも一部の光と、近赤外領域の少なくとも一部の光と、を透過する透明電極
である。また、電極層52は貫通電極42に接続されている。光検出器101と、光検出
器102と、の間には、反射防止層54が設けられている。
出層12Bの双方が、第1の光検出層12Aに含まれる第1の光検出領域140および第
2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142の各々における、p型半導体層(
p−型半導体層14A、p+型半導体層14B)側の面を第1面15Aとして、積層した
構成である。
01は、光検出器101のアノード電極として機能する。光検出器102の配線層36は
、貫通電極402に接続されている。貫通電極402は、光検出器102のアノード電極
として機能する。
の間に設けられている。
102における、第1の光検出層12Aの第2面15B側に設けられている。
続されている。本実施の形態では、電極層52、反射層20および貫通電極42は、カソ
ード電極として機能する。
の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142と、を第1の光検出層12Aの第1
面14Aに平行な第3面に投影した時に、第1の光検出領域140の少なくとも一部は第
2の光検出領域142と重なる。
、図5中、矢印Y方向における位置は、第1の光検出層12Aおよび第2の光検出層12
B間で一致する。
L1参照)が入射すると、光は、まず、光検出器101の第1の光検出層12Aに含まれ
る第1の光検出領域140に入射した後に、光検出器102の第1の光検出層12Aへ至
る。
入射した光は、反射層20によって、第2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域
142を介して、第1の光検出層12Aに含まれる第1の光検出領域140へ向かって反
射する(図5中、反射光L2参照)。
含む積層体とすることで、光の入射方向の最上流側に配置された第1の光検出層12Aに
含まれる第1の光検出領域140で検出されなかった光(具体的には、光子)が、該入射
方向の下流側に配置された第2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142で順
次検出される。
に含まれる第1の光検出領域140に光子が入射し、アバランシェ増倍が生じている最中
(デットタイム)に2個目の光子が入射すると、既に増倍現象が生じているため、該第1
の光検出領域140では、2個目の光子のカウントを行うことができない。しかし、1層
目によるアバランシェ増倍中に1層目で検出されなかった光子は、光の入射方向から数え
て第2層目に配置された第2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142でカウ
ントすることが可能となる。このため、ダイナミックレンジ(光子のカウント数)を向上
させることができる。
検出領域142の第2面15B側には、反射層20が設けられている。このため、反射層
20による反射により、第1の光検出領域140および第2の光検出領域142の各々に
入射する光の光路長を、反射層20を備えない構成に比べて、長くすることができる。
に、ダイナミックレンジ(光子のカウント数)を向上させることができる。具体的には、
本実施の形態の、第1の光検出層12Aと、第2の光検出層12Bと、反射層20と、を
含む光検出器11は、第2の光検出層12Bを含まず(光検出層を積層せず)、且つ反射
層20を備えない構成に比べて、ダイナミックレンジを1.5倍以上増加させることがで
きる。また、光検出層を3層積層した場合には、ダイナミックレンジを1.67倍増加さ
せることができると考えられる。
よび第2の光検出層12Bと同様の構成)を、4層積層した光検出器11Aにおける、近
赤外領域の850nmの光の吸収量と、空乏層の厚みとの関係を示す線図である。
の空乏層では、グラフ621に示すように、近赤外領域の波長の光の吸収量は30%であ
った。そして、光の入射側から数えて2層目の光検出層の空乏層では、グラフ622に示
すように、近赤外領域の波長の光の吸収量は20%であった。また、光の入射側から数え
て3層目の光検出層の空乏層では、グラフ623に示すように、近赤外領域の波長の光の
吸収量は15%であり、4層目の光検出層の空乏層では、グラフ624に示すように、吸
収量は10%であった。なお、これらのグラフ621〜624は、1層目の光検出層から
の吸収量の累積値を示している。このため、実際の各層の吸収量は、前段のグラフによっ
て示される吸収量との差分となる。
検出層で検出されなかった光を、下流側に配置された光検出層で検出することが可能とな
るといえる。また、1層のみの光検出層で構成した場合の光検出器における近赤外領域の
波長の光の吸収量が30%であったのに比べて、光検出層の積層数が多くなるほど、光検
出器11における近赤外領域の波長の光の吸収量が、30%、50%、65%、75%と
増加した(線図60参照)。
12B)の第2面15C側に反射層20を形成することで、光子は1層目の第1の光検出
層12Aに含まれる第1の光検出領域140、2層目の第2の光検出層12Bに含まれる
第2の光検出領域142、をこの順に通過した後に、反射層20で反射され、2層目の第
2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142、1層目の第1の光検出層12A
に含まれる第1の光検出領域140をこの順に通過する。このため、光子は、実質4層の
光検出層(光検出領域)を通過することになる。よって、4層の光検出層で構成したとき
と同等の吸収効率を実現することができる。
た構成の光検出器11Aを示したが、光検出器11Aは、上述したように、3層以上の光
検出層を積層した構成であってもよい。また、積層した最下層(最も第2面側)に反射層
20を形成することで、上述したとおり、積総数の2倍の光路長としてもよい。
半導体層(p−型半導体層14A、p+型半導体層14B)側の面を第1面15Aとして
、積層した構成の光検出器11Aを示した。
体層側の面を第1面15Aとした第1の光検出層12A(または第2の光検出層12B)
と、第2の光検出領域142(または第1の光検出領域140)におけるn型半導体基板
14C側の面を第1面15Aとした第2の光検出層12B(または第2の光検出領域14
2)と、を混在させて積層した光検出器11としてもよい。
12Bを備えた光検出器103と、を積層した光検出器11である。
構成である。
も機能する反射層20に代えて、電極層52を備えている。電極層52は、第1の光検出
領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光と、第2の光検出領域142の感度波長
領域の少なくとも一部の光と、近赤外領域の少なくとも一部の光と、を透過する透明電極
である。なお、光検出器11Bでは、電極層52は、光検出器103のカソード電極とし
ても機能する。
03は、支持基板39および接着層24を備えない構成である。また、光検出器103は
、光検出器10Bにおける第1の光検出層12Aおよび絶縁層30の積層体を、図2に示
す例とは上下反転させて、光検出器101の電極層52側に配置した構成である。そして
、光検出器103は、第1の光検出層12Aに代えて、第2の光検出層12Bを備えた構
成である。このため、光検出器103では、第2の光検出領域142のpn接合における
、p型半導体層(p−型半導体層14A、p+型半導体層14B)側の面が第2面15B
となり、n型半導体基板14C側の面が第1面15Aとなっている。
の第2面15B側、すなわち、第2の光検出領域142のクエンチング抵抗32側に、反
射層20が設けられている。
を第1面15Aとした第1の光検出層12Aと、第2の光検出領域142におけるn型半
導体基板14C側の面を第1面15Aとした第2の光検出層12Bと、を積層させた構成
である。
20との間に配置されている。すなわち、反射層20は、光検出器11Bに設けられた第
1の光検出層12Aおよび第2の光検出層12Bの内、第2の光検出層12Bの第2面1
5B側に設けられている。
01は、光検出器101のアノード電極として機能する。光検出器103の配線層36は
、貫通電極402に接続されている。貫通電極402は、光検出器103のアノード電極
として機能する。
び貫通電極42は、光検出器101および光検出器103のカソード電極として機能する
。
L1参照)が入射すると、光は、まず、光検出器101の第1の光検出層12Aに含まれ
ウ第1の光検出領域140に入射した後に、光検出器103の第2の光検出層12Bに含
まれる第2の光検出領域142へ至る。
て、第2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142を介して、第1の光検出層
12Aに含まれる第1の光検出領域140側へ向かって反射する(図7中、反射光L2参
照)。
が得られると共に、ダイナミックレンジ(光子のカウント数)を向上させることができる
。
た第1の光検出層12Aと、第2の光検出領域142におけるn型半導体基板14C側の
面を第1面15Aとした第2の光検出層12Bと、を積層させた構成の光検出器11とし
てもよい。
層12Bを備えた光検出器104と、第1の光検出層12Aを備えた光検出器105と、
を積層した光検出器11である。
を用いて説明したように、第1の光検出領域140の感度波長領域の少なくとも一部の光
と、第2の光検出領域142の感度波長領域の少なくとも一部の光と、近赤外領域の少な
くとも一部の光と、を透過する透明電極であり、電極層52と同じ機能を有する。光検出
器104の配線層36は、貫通電極40としての貫通電極404に接続されている。貫通
電極404は、光検出器104の第2の光検出領域142のアノード電極として機能する
。
検出器10Cと同様の構成である。光検出器105の配線層36は、貫通電極40として
の貫通電極405に接続されている。貫通電極405は、光検出器105の第1の光検出
領域140のアノード電極として機能する。
の電極層26は、貫通電極42に接続されている。
C側の面を第1面15Aとした第1の光検出層12Aと、第2の光検出領域142におけ
るn型半導体基板14C側の面を第1面15Aとした第2の光検出層12Bとを、積層さ
せた構成である。
20との間に設けられている。すなわち、反射層20は、第1の光検出層12A及びお第
2の光検出層12Bの内、第2面15Bの方向(図4中、矢印XA方向参照)の最下流に
配置された第1の光検出層12Aの、第2面15B側に設けられている。
L1参照)が入射すると、光は、まず、光検出器105の第1の光検出層12Aに含まれ
る第1の光検出領域140に入射した後に、光検出器104の第2の光検出層12Bに含
まれる第2の光検出領域142へ至る。
入射した光は、反射層20によって、光検出器104の第2の光検出層12Bに含まれる
第2の光検出領域142を介して、光検出器105の第1の光検出層12Aに含まれる第
1の光検出領域140側へ向かって反射する(図8中、反射光L2参照)。
が得られると共に、ダイナミックレンジ(光子のカウント数)を向上させることができる
。
、および第2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142の、各々のアノード電
極に、貫通電極401、および貫通電極402、を用いた(図5参照)。しかし、第1の
光検出層12Aに含まれる第1の光検出領域140、および第2の光検出層12Bに含ま
れる第2の光検出領域142を、共通のアノード電極に接続してもよい。
1と、光検出器102と、の積層体である。なお、光検出器11Dは、光検出器101の
貫通電極401(図5参照)と、光検出器102の貫通電極402(図5参照)と、を共
通の貫通電極40とした以外は、図5の光検出器11Aと同様の構成である。なお、図9
に示すように、反射層20には保護膜27を積層してもよい。
を、共通の貫通電極40に接続して用いてもよい。
および第2の光検出層12Bの各々のアノード電極を、第1の光検出層12Aおよび第2
の光検出層12Bの各々ごとに異なる貫通電極40に接続する場合には、絶縁層30に貫
通電極40に相当する孔を、千鳥状にずらして形成することで、製造工程の簡易化を図る
ことができる。
ように、複数の貫通電極401に対応する貫通孔を千鳥配列させた絶縁層30と、複数の
貫通電極402に対応する貫通孔を千鳥配列させた絶縁層30と、を用意する。そして、
これらの2枚の絶縁層30の内、一方の絶縁層30を反転させて、他方の絶縁層30に貼
り付ける(図10(C)参照)。これにより、複数の光検出層(第1の光検出層12Aお
よび第2の光検出層12B)を積層した光検出器11を、構成することが好ましい。
、第2の光検出層12Bに含まれる第2の光検出領域142と、を第1の光検出層12A
の第1面15Aに平行な第3面に投影した時に、第1の光検出領域140の少なくとも一
部は、第2の光検出領域142と重なる場合を説明した。
12Bに含まれる第2の光検出領域142と、を第1の光検出層12Aの第1面15Aに
平行な第3面に投影した時に、第1の光検出領域140の少なくとも一部は、第2の光検
出領域142と重ならない構成であってもよい。
次に、上記実施の形態の光検出器10の製造方法を説明する。
す説明図である。
28に対して、公知の半導体製造プロセスを施すことで、第1の光検出領域140を形成
する。具体的には、まず、n型半導体基板28に、シリコンのエピタキシャル成長により
シリコンのエピタキシャル層としてp−型半導体層14Aを形成する。そして、p−型半
導体層14Aの一部がp+型半導体層14Bとなるように、不純物(例えば、ボロン)を
注入する。これによって、n型半導体基板28上に複数の第1の光検出領域140を形成
する。各第1の光検出領域140の、各第1の光検出領域140の配列方向における長さ
は、例えば、800μmである。
領域140の素子分離を行う。素子分離は、第1の光検出領域140の間の領域を、例え
ばDeep Trench Isolation構造や不純物(例えば、リン)の注入に
よるチャネルストッパー構造とすることによって行う。素子分離により、各第1の光検出
領域140の間には、素子分離部29が形成される。なお、素子分離部29は、n型半導
体基板14Cの領域にまで到達させる。
る。次に、第1の光検出領域140上に、絶縁層30を介して反射層20を形成する。
列接続したクエンチング抵抗32を形成する。次に、図14に示すように、更に絶縁層3
0を形成した後に、コンタクト層34を形成する。そして、配線層36を形成し、コンタ
クト層34を介してクエンチング抵抗32と接続させる。また、電極層37を形成する。
極を形成するための領域をパターニングする。次に、絶縁層30上に、支持基板38を形
成する(図16参照)。
参照)。
層26を形成する。また、電極層26を、貫通電極42を介して電極層37に接続させる
。そして、図19に示すように、配線層36に接続する貫通電極40と、電極層37に接
続する貫通電極44と、を形成することで、光検出器10Aを作製する。
図20〜図26は、第2の実施の形態で説明した光検出器10Bの製造方法の一例を示
す説明図である。
28に対して、公知の半導体製造プロセスを施すことで、第1の光検出領域140を形成
する。次に、各第1の光検出領域140の間に、素子分離部29を形成する(第5の実施
の形態の図11と同様)。
列接続したクエンチング抵抗32を形成する。次に、図22に示すように、更に絶縁層3
0を形成すると共に、コンタクト層34を形成する。そして、配線層36を形成し、コン
タクト層34を介してクエンチング抵抗32と接続させる。
基板39を設ける。
参照)。
層26を形成する。また、電極層26を、貫通電極40を介して配線層36に接続させる
。
形成する。これにより、光検出器10Bを作製する。
光検出層12B)を積層した光検出器11は、上記と同様の処理により製造した光検出器
10を、電極層52または反射防止層54などを介して積層することで、製造すればよい
。また、反射層20については、上述した位置に配置すればよい。なお、n型半導体基板
28については、積層後に薄層化してもよい。
提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の
形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸
脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態や
変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とそ
の均等の範囲に含まれる。
12A 第1の光検出層
12B 第2の光検出層
15A 第1面
15B 第2面
20 反射層
32 クエンチング抵抗
36 配線層
140 第1の光検出領域
142 第2の光検出領域
Claims (6)
- 近赤外領域の少なくとも一部の光が入射する第1面と前記第1面の反対側の第2面とを有
し、前記光を検出する光検出領域と、
前記光検出領域の前記第2面側に設けられ、前記光を反射する反射層と、
前記光検出領域にバンプ接合を介さずに直列に接続されたクエンチング抵抗と、
を備え、
前記反射層は、前記光検出領域と前記クエンチング抵抗との間に設けられる光検出器。 - 前記反射層は、前記第1面と前記第2面との対向方向に直交する直交方向に沿って、前記
光検出領域の前記第2面側の少なくとも一部を覆うように設けられた請求項1に記載の光
検出器。 - 前記反射層は、前記第1面と前記第2面との対向方向に直交する直交方向に沿って、前記
光検出領域の前記第2面側の全領域を覆うように設けられた請求項1に記載の光検出器。 - 前記光検出領域に接続する配線層を備え、
前記反射層は、前記第光検出領域と前記配線層との間に設けられた請求項1から3のいず
れか1項に記載の光検出器。 - 前記光検出領域は、Siを主成分として含むp型半導体層とSiを主成分として含むn型
半導体層とを接合したpn接合を含む請求項1から4のいずれか1項に記載の光検出器。 - 前記第1面は、前記第1の光検出領域における、前記pn接合の前記p型半導体層側の
面、又は、前記第1の光検出領域における、前記pn接合の前記n型半導体層側の面であ
る請求項5に記載の光検出器。
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