JP2019009427A - 光検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】アバランシェ効果を利用しながらも、ノイズが低減された高感度の光検出素子を提供する。【解決手段】光検出素子１００Ａは、単結晶シリコンが吸収を示す波長域に含まれる第１波長の光に対して単結晶シリコンよりも高い吸収係数を有する第１材料を含有し、光子を吸収することにより正および負の電荷を生成する光電変換構造１１０と、光電変換構造１１０から正および負の電荷からなる群から選択される少なくとも一方が注入されることによって内部でアバランシェ増倍が生じる単結晶シリコン層を含むアバランシェ構造１２０と、を備える。第１材料は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットからなる群から選択される少なくとも１つを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、光検出素子に関する。

高感度の光検出素子として、アバランシェフォトダイオードが知られている。アバランシェフォトダイオードは、動作時に高電界が印加される増倍領域を含み、この増倍領域におけるアバランシェ効果を利用して、光電変換によって生成された電荷を増倍させる。特許文献１は、赤外線通信用の受光素子としてのアバランシェフォトダイオードを開示している。特許文献１に開示されるアバランシェフォトダイオードは、光電変換層として、ＩｎＧａＡｓの光吸収層を含む。非特許文献１は、増倍層としての単結晶シリコン層上に、光吸収層および導波路として機能する単結晶ゲルマニウム層を形成したＳｉ−Ｇｅアバランシェフォトダイオードを開示している。

また、アバランシェフォトダイオードは、ディスクリートデバイスとしての利用のほか、集積化によるイメージセンサへの応用も検討されている。特許文献２は、放射線撮影用の直接変換フラットパネルディテクタへのアバランシェ効果の利用を提案している。特許文献２の図１は、アモルファスＳｅを主成分とする光電変換層に隣接して配置されたアバランシェ層を有する放射線検出器を開示している。特許文献２の放射線検出器は、被写体を透過した放射線に関する強度画像を提供する。

特開２００５−３２８４３号公報 特開２０１２−１１９３７１号公報

Z. Huangら、"25 Gbps low-voltage waveguide Si-Ge avalanche photodiode"、Optica、2016年7月、vol. ３、No. ８、pp. 793-798

本開示は、アバランシェ効果を利用しながらもノイズが低減された高感度の光検出素子を提供する。

本開示の一態様に係る光検出素子は、単結晶シリコンが吸収を示す波長域に含まれる第１波長の光に対して単結晶シリコンよりも高い吸収係数を有する第１材料を含有し、光子を吸収することにより正および負の電荷を生成する光電変換構造と、前記光電変換構造から前記正および負の電荷からなる群から選択される少なくとも一方が注入されることによって内部でアバランシェ増倍が生じる単結晶シリコン層を含むアバランシェ構造と、を備える。前記第１材料は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットからなる群から選択される少なくとも１つを含む。

包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路および方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。

開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。

本開示の実施形態によれば、アバランシェ効果を利用しながらもノイズが低減された高感度の光検出素子が提供される。

図１は、第１の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す図である。 図２は、第２の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す図である。 図３は、図２に示す光検出素子をＺ軸に沿って見たときの外観の例を示す平面図である。 図４は、一般的なアバランシェフォトダイオードの電流−電圧特性を示す図である。 図５は、第２の実施形態による光検出素子の変形例のデバイス構造を示す図である。 図６は、第２の実施形態による光検出素子の他の変形例のデバイス構造を示す図である。 図７は、第３の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す図である。 図８は、第３の実施形態による光検出素子の変形例のデバイス構造を示す図である。 図９は、光電変換構造とアバランシェ構造との間に電荷輸送層を有する光検出素子のデバイス構造の一例を示す図である。 図１０は、光電変換構造とアバランシェ構造との間に電荷輸送層を有する光検出素子のデバイス構造の他の一例を示す図である。 図１１は、第３の実施形態による光検出素子の他の変形例のデバイス構造を示す図である。 図１２は、さらに他の変形例のデバイス構造を示す図である。 図１３は、一般的なＰＩＮ型のシリコンアバランシェフォトダイオードのデバイス構造を示す模式的な断面図である。 図１４は、一般的なリーチスルー型のシリコンアバランシェフォトダイオードのデバイス構造を示す模式的な断面図である。 図１５は、第４の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す図である。

（本開示の基礎となった知見）
アバランシェフォトダイオードは、電荷増倍機能により、微弱な光の入射に対しても高い信号レベルを得ることができる。しかしながら、アバランシェフォトダイオードにおいては、その構造内に電荷が捕捉され得ることが知られている。構造内に電荷が捕捉される要因は、結晶欠陥、結晶粒界または不純物などに起因するエネルギ準位の存在である。このようなエネルギ準位は、トラップとも呼ばれる。構造内に捕捉された電荷は、時間の経過により、ある確率で放出される。ある時間の経過後にトラップから放出された電荷は、トラップから放出された時刻にその場所で光電変換によって生成された電荷と区別がつかない。そのため、構造内に捕捉され、ある時間の経過後に放出された電荷が増倍領域に移動すると、光の入射から遅れたタイミングで電荷の増倍が生じてしまう。

アバランシェフォトダイオードをリニアモードで動作させた場合、構造内に捕捉された電荷が、ある時間の経過後に放出されると、アバランシェフォトダイオードからは、本来の光の入射時刻よりも遅れた時刻に、減衰した信号が出力される。本来よりも遅れて出力されるこのような信号は、アバランシェフォトダイオードのＳＮ比を低下させる要因となる。例えば、アバランシェフォトダイオードを集積することによってイメージセンサを構成した場合には、遅れて出力される信号は、残像として画像に現れてしまう。

また、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させた場合、トラップから放出された電荷が増倍領域に移動すると、増倍領域への電荷の注入をきっかけとして増倍が生じ、本来の光の入射とは異なるタイミングで出力パルスが観測される。この出力パルスは、光の入射によって生じる本来の出力パルスとは区別のつかない偽の信号である。構造内に捕捉されていた電荷のアバランシェ領域への移動に起因するこのような偽の信号は、アフターパルスと呼ばれる。ガイガーモードでは単一光子の入射であってもアバランシェ降伏状態への遷移が生じ得るので、構造内への電荷の捕捉を低減できると有益である。

本開示は、アバランシェ効果を利用しながらもノイズが低減された高感度の光検出素子を提供する。

本開示の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、以下が提供される。

［項目１］
本開示の一態様に係る光検出素子は、
単結晶シリコンが吸収を示す波長域に含まれる第１波長の光に対して単結晶シリコンよりも高い吸収係数を有する第１材料を含有し、光子を吸収することにより正および負の電荷を生成する光電変換構造と、
前記光電変換構造から前記正および負の電荷からなる群から選択される少なくとも一方が注入されることによって内部でアバランシェ増倍が生じる単結晶シリコン層を含むアバランシェ構造と
を備える。
前記第１材料は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットからなる群から選択される少なくとも１つを含む。

項目１の構成によれば、アバランシェ構造中への電荷の捕捉を抑制でき、残像およびアフターパルスの発生が抑制された高感度の光検出素子が提供される。項目１の構成によれば、第１材料を含有する光電変換構造において生成された電荷を増倍に利用するので、検出しようとする光の波長の設計の自由度が向上する。

［項目２］
項目１に記載の光検出素子において、
前記光電変換構造は、前記アバランシェ構造に直接接していてもよい。

［項目３］
項目１に記載の光検出素子は、
前記光電変換構造および前記アバランシェ構造の間に配置され、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷からなる群から選択される少なくとも一方を通過させる電荷輸送層をさらに備えていてもよい。

項目３の構成によれば、光電変換構造において生成された正および負の電荷のうちの一方を選択的にアバランシェ構造に移動させることも可能である。

［項目４］
項目１から３のいずれかに記載の光検出素子において、
第１電極と、
第２電極と、
をさらに備え、
前記アバランシェ構造は、
第１導電型の第１高濃度ドープ領域と、
第２導電型の第２高濃度ドープ領域と、
前記第１高濃度ドープ領域および前記第２高濃度ドープ領域の間に配置された低濃度ドープ領域とを含み、
前記低濃度ドープ領域の不純物濃度は、前記第１高濃度ドープ領域の不純物濃度および前記第２高濃度ドープ領域の不純物濃度よりも低く、
前記第１電極は前記第１高濃度ドープ領域に電気的に接続され、
前記第２電極は前記第２高濃度ドープ領域に電気的に接続されていてもよい。
項目４に記載の光検出素子において、
前記アバランシェ構造は、
前記低濃度ドープ領域内に位置し、かつ前記第１高濃度ドープ領域に隣接する第２導電型の中濃度ドープ領域をさらに含み、
前記中濃度ドープ領域の不純物濃度は、前記低濃度ドープ領域の不純物濃度よりも高く、前記第１高濃度ドープ領域の不純物濃度よりも低くてもよい。

［項目５］
項目１から３のいずれかに記載の光検出素子は、
第１電極と、
第２電極と、
をさらに備え、
前記アバランシェ構造の表面に垂直な断面において、
前記アバランシェ構造内の任意の点から、前記第１電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第１の直線と定義し、
前記任意の点から、前記第２電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第２の直線と定義すると、
前記アバランシェ構造内のいずれの点から延びる前記第１の直線および前記第２の直線も前記光電変換構造を横切らなくてもよい。

項目５の構成によれば、第１電極と第２電極との間に印加された電位差によって加速される電荷の移動経路が光電変換構造を横切らないので、光電変換構造中を通過する電荷を低減でき、光電変換構造中に電荷がトラップされる確率を低減することが可能である。項目５の構成によれば、特に、ガイガーモードで動作させた場合により有利にアフターパルスの発生を抑制し得る。

［項目６］
項目５に記載の光検出素子は、
前記光電変換構造に対して、前記アバランシェ構造とは反対側に位置する第３電極と、
前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極からなる群から選択される少なくとも１つに、前記光電変換構造の帯電を解消するリセット電圧を供給するリセット回路と、
をさらに備えていてもよい。

項目６の構成によれば、光電変換構造中のカウンター電荷をキャンセルし得る。

［項目７］
項目６に記載の光検出素子は、
前記光電変換構造および前記アバランシェ構造の間に配置され、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうち一方を選択的に通過させる第１電荷輸送層と、
前記光電変換構造と前記第３電極との間に位置し、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうちの他方を選択的に通過させる第２電荷輸送層と、
をさらに備え、
前記リセット回路は、前記第３電極に接続されていてもよい。

項目７の構成によれば、光電変換によって生成された正および負の電荷のうちの一方を選択的にアバランシェ構造に移動させることができる。

［項目８］
項目１から３のいずれかに記載の光検出素子は、
第１電極と、
第２電極と、
誘電体部と、
をさらに備え、
前記アバランシェ構造の表面に垂直な断面において、
前記アバランシェ構造内の任意の点から、前記第１電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第１の直線と定義し、
前記任意の点から、前記第２電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第２の直線と定義すると、
前記アバランシェ構造内の第１の点から延びる前記第１の直線および前記第２の直線からなる群から選択される少なくとも１つの直線が、前記光電変換構造を横切り、
前記誘電体部の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの直線上に位置していてもよい。

項目８の構成によれば、第１電極と第２電極との間に印加された電位差によって加速される電荷が光電変換構造を横切って移動することを抑制することが可能であり、光電変換構造中に電荷がトラップされる確率を低減することが可能である。

［項目９］
項目８に記載の光検出素子は、
前記光電変換構造に対して、前記アバランシェ構造とは反対側に位置する第３電極と、
前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極からなる群から選択される少なくとも１つに、前記光電変換構造の帯電を解消するリセット電圧を供給するリセット回路と、
をさらに備えていてもよい。

項目９の構成によれば、光電変換構造中のカウンター電荷をキャンセルし得る。

［項目１０］
項目９に記載の光検出素子は、
前記光電変換構造および前記アバランシェ構造の間に配置され、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうち一方を選択的に通過させる第１電荷輸送層と、
前記光電変換構造と前記第３電極との間に位置し、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうちの他方を選択的に通過させる第２電荷輸送層と、
をさらに備え、
前記リセット回路は、前記第３電極に接続されていてもよい。

項目１０の構成によれば、光電変換によって生成された正および負の電荷のうちの一方を選択的にアバランシェ構造に移動させることができる。

［項目１１］
項目１から１０のいずれかに記載の光検出素子において、
第１材料の吸収端は、単結晶シリコンの吸収端よりも長波長側に位置していてもよい。

項目１１の構成によれば、例えば、近赤外領域の光を検出し得る。

［項目１２］
項目１から１１のいずれかに記載の光検出素子において、
前記光電変換構造は、前記第１材料よりも深い最低空軌道準位を有する第２材料または前記第１材料よりも浅い最高被占軌道準位を有する第３材料をさらに含有していてもよい。

項目１２の構成によれば、光電変換によって生成された電荷対が、アバランシェ構造に到達する前に再結合によって消滅してしまう確率を低減させ得る。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材もしくは部の全部もしくは一部、または、ブロック図の機能ブロックの全部もしくは一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、もしくはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つまたは複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩまたはＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、あるいはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、または、ＬＳＩ内部の接合関係の再構成もしくはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

さらに、回路、ユニット、装置、部材もしくは部の全部もしくは一部の機能または操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウエアが記録されている一つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および、必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていてもよい。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。

図１は、本開示の第１の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す。なお、図１は、光検出素子を構成する各部の配置をあくまでも模式的に示しており、図１に示す各部の寸法は、必ずしも現実のデバイスにおける寸法を厳密に反映しない。このことは、本開示の他の図面においても同様である。

図１に示す光検出素子１００Ａは、概略的には、光電変換構造１１０およびアバランシェ構造１２０を有する。この例では、光電変換構造１１０は、アバランシェ構造１２０に接して配置されている。図１に示すように、光検出素子１００Ａは、第１電極１３０Ａおよび第２電極１４０をさらに有し得る。

アバランシェ構造１２０は、光電変換構造１１０からの電荷の注入によってアバランシェ増倍を生じさせる単結晶シリコン層を含む構造である。図１に示す例では、アバランシェ構造１２０は、ＰＩＮ型のシリコンアバランシェフォトダイオードと似た構成を有する。

図１３は、一般的なＰＩＮ型のシリコンアバランシェフォトダイオードのデバイス構造を参考として示す。図１３に示すＰＩＮ型アバランシェフォトダイオード７００は、カソード７３０と、高濃度Ｎ型ドープ領域７２２ｎと、低濃度ドープ領域７２４と、高濃度Ｐ型ドープ領域７２２ｐと、アノード７４０とを有する。図１３に模式的に示すように、高濃度Ｎ型ドープ領域７２２ｎは、低濃度ドープ領域７２４の表面の近傍に位置し、その一部にカソード７３０が電気的に接続される。高濃度Ｐ型ドープ領域７２２ｐは、低濃度ドープ領域７２４の高濃度Ｎ型ドープ領域７２２ｎとは反対側に位置し、アノード７４０が電気的に接続される。図１３に示すＰＩＮ型アバランシェフォトダイオード７００は、その一部がカソード７３０と高濃度Ｎ型ドープ領域７２２ｎとの間に位置する絶縁層７５０をさらに有する。絶縁層７５０は、絶縁耐圧の向上のために設けられる。

再び図１を参照する。図１に例示する構成において、アバランシェ構造１２０は、高濃度Ｎ型ドープ領域１２２ｎ、低濃度ドープ領域１２４および高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐを含む。高濃度Ｎ型ドープ領域１２２ｎ、低濃度ドープ領域１２４および高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐは、互いに不純物濃度またはドーパントの異なる、シリコン基板中の領域であり得る。ここでは、アバランシェ構造１２０中の高濃度Ｎ型ドープ領域１２２ｎ、低濃度ドープ領域１２４および高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐは、第２電極１４０から第１電極１３０Ａに向かってこの順に配置されている。なお、これらのドープ領域の導電型は、図１に示す例に限定されない。Ｎ型とＰ型とを互いに入れ替えた構成も可能である。

光電変換構造１１０は、光検出素子１００Ａに感度を持たせたい波長の光子を吸収し、電荷を発生させる機能を有する。なお、アバランシェ構造１２０は、単結晶シリコン層を含み、単結晶シリコンに代表される半導体は、機能の高低こそあれ基本的に光電変換の機能を有する。そのため、アバランシェ構造１２０も、光電変換構造１１０と同様に光の照射を受けて内部に電荷を発生させ得る。本開示の光電変換構造１１０は、単結晶シリコンが吸収を示す波長域に含まれるある波長の光に対して単結晶シリコンよりも高い吸収係数を有する第１材料を含有する点で、アバランシェ構造１２０から区別される。

第１材料は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットからなる群から選択される少なくとも１つを含む。単結晶シリコンが吸収を示す波長域に含まれるある波長の光に対して単結晶シリコンよりも高い吸収係数を示すような有機半導体の例は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）である。Ｐ３ＨＴは、波長がおよそ４５０ナノメートルから６００ナノメートルの範囲において、単結晶シリコンよりも高い吸収係数を示す。多くのフタロシアニン類およびナフタロシアニン類についても、単結晶シリコンが吸収を示す波長域内に、単結晶シリコンよりも高い吸収係数を示す波長が存在する。

半導体型カーボンナノチューブは、カイラリティと呼ばれる自由度を持ち、カイラリティに応じた異なる波長に共鳴吸収を示し、その共鳴波長においては単結晶シリコンよりも高い吸収係数を示す。例えば（９，８）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、８００ナノメートル前後および１．４５マイクロメートル前後の波長に共鳴吸収を示す。（７，６）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、６４０ナノメートル前後および１．１５マイクロメートル前後の波長に共鳴吸収を示す。したがって、例えば、検出を行おうとする光の波長に応じたカイラリティを有する単層カーボンナノチューブを用いて光電変換構造１１０を形成することにより、特定の波長に特異的に高い感度を有する光検出素子を実現可能である。

これらの例からわかるように、半導体型カーボンナノチューブは、単結晶シリコンの吸収端である１．１マイクロメートルよりも長い波長に吸収端を有し得る。したがって、例えば単結晶シリコンの吸収端よりも長波長側に共鳴吸収を示すようなカイラリティの単層カーボンナノチューブを第１材料として採用することにより、単結晶シリコンが吸収を示す波長域よりも長波長の光を受けて、光電変換により電荷を生成可能な光電変換構造を実現可能である。換言すれば、単結晶シリコンが吸収を示す波長域よりも長波長の光、例えば、近赤外線に対して感度を有する光検出素子を実現可能である。なお、本明細書では、赤外線（波長：７８０ｎｍ超）および紫外線（波長：３８０ｎｍ未満）を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。また、本明細書では、「吸収端」の用語をＸ線以外の光についても使用する。

第１材料は、単一の材料である必要はなく、複数の材料を含んでいてもよい。例えば、カイラリティの異なる複数種類の半導体型カーボンナノチューブを光電変換構造１１０中に混在させることにより、光検出素子に複数の波長範囲において感度を与えることが可能である。あるいは、可視域に高い吸収係数を持つ有機半導体と、赤外域に共鳴吸収を持つ半導体型カーボンナノチューブとを光電変換構造１１０中に混在させることにより、可視域および赤外域の双方に高い感度を有する光検出素子を得ることも可能である。

光電変換構造１１０が、第１材料よりも深い最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位を有する第２材料または第１材料よりも浅い最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位を有する第３材料をさらに含有していてもよい。有機半導体および／または半導体型カーボンナノチューブから構成された光電変換構造では、光電変換によってその内部に正および負の電荷の対が生成されても、再結合によって比較的短時間でこれらの電荷が消滅し得る。光子の入射によって生成された電荷がアバランシェ構造１２０に移動する前に再結合によって消滅してしまうと、アバランシェ構造１２０における電子雪崩が生じず、その光子の入射が検出されない。光電変換構造１１０を形成するための材料に、第１材料に加えて第２材料または第３材料をさらに含有させることにより、光電変換によって生成された電荷がアバランシェ構造１２０に到達する前に再結合によって消滅してしまう確率を低減させ得る。

光電変換構造１１０が、第１材料よりもＬＵＭＯ準位が深い第２材料をさらに含有していると、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、負の電荷が第２材料のＬＵＭＯ準位に遷移する。光電変換構造１１０が、第１材料よりもＨＯＭＯ準位が浅い第３材料をさらに含有していると、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、正の電荷が第３材料のＨＯＭＯ準位に遷移する。すなわち、第１材料に加えて第２材料または第３材料を用いることにより、半導体型カーボンナノチューブなどから効率的に例えば電子または正孔を引き抜くことができ、アバランシェ構造１２０に到達する前に再結合によって電荷対が消滅してしまう確率を低減させ得る。換言すれば、光電変換によって生成された正および負の電荷を分離して再結合確率を低減させ、光子の検出効率を向上させ得る。

第２材料の例は、Ｃ₆₀などのフラーレン、フェニルＣ₆₁酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）のようなフラーレン誘導体類、Ｐｏｌｙｅｒａ社製 ＡｃｔｉｖＩｎｋ Ｎ２２００（「ＡｃｔｉｖＩｎｋ」は米国における登録商標）などのＮ型有機半導体ポリマーである。第３材料の例は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）である。

光電変換構造１１０は、上述の第１材料、第２材料および第３材料のほかに、さらに他の材料を含有していてもよい。例えば、光電変換構造１１０を形成するための材料に、半導体型カーボンナノチューブを被覆することによって半導体型カーボンナノチューブの凝集を抑制するポリマーまたは低分子をさらに混合してもよい。半導体型カーボンナノチューブを被覆するポリマーの例は、ポリ［２−メトキシ−５−（３’，７’−ジメチルオクチルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン］（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）である。なお、上述のＰ３ＨＴ、Ｎ２２００は、半導体型カーボンナノチューブを被覆するポリマーとしても機能し得る。半導体型カーボンナノチューブを被覆する低分子の例は、コール酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウムなどである。

光電変換構造１１０は、半導体量子ドットであるコロイド量子ドットを含んでもよい。コロイド量子ドットとは、数ナノメートルから数十ナノメートル程度の大きさの結晶性半導体からなるコアを持ち、その周りを別の材料が取り囲んだ構造体である。コロイド量子ドットは溶媒への分散性を持ち、室温前後で他の半導体または金属上に塗布することができる。また、塗布後も結晶性半導体コアが、通常の結晶性半導体のように光吸収により電荷を発生させる特性を示す。コロイド量子ドットの詳細については、例えば英国王立化学会発行、Ｊｏｅｌ Ｑ． Ｇｒｉｍ， Ｌｉｂｅｒａｔｏ ＭａｎｎａおよびＩｗａｎ Ｍｏｒｅｅｌｓ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｒｅｖｉｅｗ誌２０１５年４４号５８９７−５９１４頁に記載がある。

コロイド量子ドットのコアは種々の半導体材料から構成することができるが、たとえば硫化鉛（ＰｂＳ）またはセレン化鉛（ＰｂＳｅ）をコアとして持つものは、１．１マイクロメートルよりも長い波長に有意な吸収を示し、電荷を発生させる。そのため、光電変換構造１１０にこのようなコロイド量子ドットを用いれば、単結晶シリコンの吸収端である１．１マイクロメートルよりも長い波長に感度を有する光検出素子を実現可能である。また、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）などを結晶性半導体コアとしてもつコロイド量子ドットは、可視域において単結晶シリコンよりも高い吸収係数を示す。そのため、可視域でより高い感度を有する光検出素子を実現可能である。

図１に例示する構成において、光検出素子１００Ａは、光電変換構造１１０に電気的に接続された第１電極１３０Ａと、高濃度Ｎ型ドープ領域１２２ｎに電気的に接続された第２電極１４０とをさらに有する。第１電極１３０Ａおよび第２電極１４０は、電源、信号検出回路などの要素との間の電気的な接続を得るための要素である。図１に示す例において、アバランシェ構造１２０は、第１電極１３０Ａおよび第２電極１４０の間に位置する。第１電極１３０Ａおよび第２電極１４０は、電荷増倍機能の発生に十分な高い内部電界を形成するための電圧をアバランシェ構造１２０に印加する。

図１に例示する構成において、第１電極１３０Ａは、光電変換構造１１０のアバランシェ構造１２０が配置された主面とは反対側の主面上に配置される。第２電極１４０は、アバランシェ構造１２０の光電変換構造１１０が配置された主面とは反対側の主面上に配置されている。検出対象の光は、例えば、第２電極１４０よりも光電変換構造１１０の近くに位置する第１電極１３０Ａ側から照射される。第１材料の吸収端が単結晶シリコンの吸収端よりも長波長側に位置する場合には、照射された光の一部がアバランシェ構造１２０を通過して光電変換構造１１０に到達し得るので、第２電極１４０側から光が照射されてもよい。必要に応じて、光検出素子１００Ａの光が照射される側に、赤外線を選択的に透過させるフィルタなどが配置され得る。

図１に示すように、第１電極１３０Ａが光電変換構造１１０の全面を覆う場合、第１電極１３０Ａを構成する材料としては、少なくとも検出を目的とする波長の光に対して透過性を有する材料が選択される。第１電極１３０Ａは、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）から形成される。なお、本明細書における「透明」は、検出しようとする波長範囲の光の少なくとも一部を透過することを意味し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。

第１電極１３０Ａを形成するための材料として、金およびグラフェンのように、高い電気伝導度を有し、本質的に光吸収性の材料も使用することも可能である。このような材料を用いる場合には、検出を目的とする波長の光を透過させる程度に第１電極１３０Ａを薄くすればよい。

第２電極１４０を形成するための材料としては、第１電極１３０Ａと同様の材料を用い得る。ただし、第１電極１３０Ａを形成するための材料と、第２電極１４０を形成するための材料とが共通である必要はない。なお、上述の説明から明らかなように、本明細書における「電極」は、金属電極に限定されず、透明導電性酸化物、シリサイドなどの金属−半導体化合物、または、高濃度にドープされた多結晶半導体など、導電性を有する材料から形成された構造を広く包含するように解釈される。例えば光検出素子１００Ａを単一の半導体基板に集積した構造では、半導体基板中の高濃度の不純物領域が第１電極１３０Ａおよび／または第２電極１４０として機能し得る。

本開示の実施形態においては、光電変換構造１１０が、光電変換による電荷の生成の機能を主に担い、アバランシェ構造１２０が、光電変換構造１１０で生成された電荷を増倍させる機能を担う。アバランシェ構造１２０は、アバランシェ増倍を内部に生じさせる構造として単結晶シリコン層を含み、光電変換構造１１０で生成された電荷の増倍は、基本的に単結晶シリコン層内で生じる。トラップの密度は、材料によって異なることが知られており、単結晶シリコンは、多結晶またはアモルファスのシリコンよりもトラップの密度が低く、また、ＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体と比較してトラップの密度が低い。したがって、アバランシェ構造１２０の単結晶シリコン層においてアバランシェ増倍を生じさせることにより、アバランシェ構造１２０中への電荷の捕捉を抑制でき、残像およびアフターパルスの発生を抑制し得る。

本開示の実施形態によれば、単結晶シリコン層によってアバランシェ構造１２０の機能の一部または全部が実現されるので、例えば、単一のシリコン基板に複数の光検出素子１００Ａを集積することが比較的容易である。すなわち、単一のシリコン基板を用いて、電荷の増倍機能を有する高感度のイメージセンサを実現し得る。各々がアバランシェ構造１２０を含む画素が形成されたシリコン基板にさらにトランジスタを形成することも比較的容易であり、したがって、後述のクエンチ回路などの周辺回路を同一のシリコン基板に集積することも可能である。

さらに、本開示の実施形態では、光電変換構造１１０が、単結晶シリコンとは異なる第１材料を含有する材料から構成されている。上述したように、第１材料としては、単結晶シリコンが吸収を示す波長域に含まれるある波長の光に対して単結晶シリコンよりも高い吸収係数を有する材料が選択される。したがって、光電変換構造１１０を単結晶シリコンから形成した場合と比較して、その波長の光に対して、より高い感度が得られる。その波長の光について同等の感度を得るのであれば、単結晶シリコンから形成した場合と比較して光電変換構造１１０のサイズを縮小でき、集積化に有利である。

第１材料として、単結晶シリコンの吸収端である１．１マイクロメートルよりも長波長側に吸収端を有する材料を用いることにより、バンドギャップで定まる単結晶シリコンの吸収端以上の波長を有する光に対する実質的な感度を光検出素子１００Ａに持たせることが可能になる。よく知られているように、単結晶シリコンは、間接遷移型の半導体であり、特に、近赤外領域の光に対する吸収係数が小さい。そのため、仮に単結晶シリコンで光電変換構造１１０を形成したとすると、近赤外領域に十分な感度を与えるためには光電変換構造１１０の面積または厚さを大きくする必要があり、複数の光検出素子１００Ａの集積に不利である。本開示の実施形態によれば、光電変換構造１１０の寸法を抑えながら、近赤外領域の光に対する十分な感度を得ることが可能である。

なお、化合物半導体から光電変換構造１１０を形成することによっても、近赤外領域に感度を持たせること、または、１．１マイクロメートル以上の波長の光に対して感度を持たせることは可能である。しかしながら、化合物半導体は、トラップの密度が高く、したがって、残像またはアフターパルスに起因するＳＮ比の低下が生じるおそれがある。特に、化合物半導体が多結晶である場合にはトラップの密度が増加し得る。そのため、化合物半導体が単結晶であることが望ましいものの、単結晶シリコン上にＩｎＧａＡｓのような化合物半導体の単結晶を成長させることは一般に困難である。非特許文献１に記載の技術のように、単結晶シリコン上に単結晶ゲルマニウムの層を形成することは可能ではあるが、格子定数の違いから、良好な結晶性を維持できる厚さは数原子層程度に制限され、光の吸収に十分な厚さの確保が困難である。

本開示の実施形態では、第１材料として、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブ、および半導体量子ドットからなる群から選択される少なくとも１つを含む材料を用いる。有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットは、個々の分子または粒子が半導体としての性質を示す。つまり、個々の分子または粒子が光子を吸収し、電荷対を発生させる機能を持つといえる。後述するように、本開示の実施形態によれば、エピタキシャル成長のようなプロセスを必要とすることなく、第１材料を含有する材料のアバランシェ構造１２０上への堆積または塗布によって光電変換構造１１０を得ることができる。結晶では欠陥の発生が不可避であることに対して、堆積または塗布によって光電変換構造１１０を得ることができるので、トラップの低減に有利である。

本開示の実施形態によれば、格子整合の条件を考慮する必要がないので、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウムなどの無機単結晶半導体で光電変換構造１１０を構成する場合と比較して材料の制約が小さく、検出しようとする光の波長の設計の自由度が高い。また、アバランシェ構造１２０の一部または全部を構成する単結晶シリコン層上への光電変換構造１１０の形成が容易であるので、複数の光検出素子を集積してイメージセンサを実現することも比較的容易である。

（光検出素子１００Ａの動作）
以下、光検出素子１００Ａによる光検出動作の概要を説明する。光検出素子１００Ａは、リニアモードおよびガイガーモードのいずれのモードでもノイズの低減された光検出が可能であり、特に、リニアモードでの動作に適している。リニアモードでは、降伏電圧付近であって降伏電圧を超えない逆バイアスのもとで光検出が実行される。リニアモードでは、入射した光子数に比例し、かつ、一定の増倍率で増幅された出力が得られる。したがって、本開示の光検出素子は、より高感度のデバイスとしてシリコンフォトダイオードと同様の用途に適用することができる。以下では、リニアモードでの動作を説明する。

光の検出に際しては、第１電極１３０Ａおよび第２電極１４０に不図示の電源を接続し、第２電極１４０側の電位が第１電極１３０Ａ側の電位よりも高くなるような電位差が第１電極１３０Ａと第２電極１４０との間に印加される。換言すれば、光検出素子１００Ａは、アバランシェ構造１２０に逆バイアスが印加された状態とされる。このときに印加される逆バイアスの大きさは、アバランシェ降伏が生じる電位差よりも小さい。

例えば第１電極１３０Ａ側から光が照射され、光電変換構造１１０に光が入射すると、光電変換構造１１０中の有機半導体、半導体型カーボンナノチューブまたは半導体量子ドットが光を吸収することによって、分子または粒子内部に例えば正孔−電子対が生成される。図１に例示する構成において、光電変換構造１１０は、第１電極１３０Ａと第２電極１４０との間に位置し、ここでは、第１電極１３０Ａと第２電極１４０との間に電源から電位差が与えられている。そのため、光電変換によって生成された正孔および電子には、第１電極１３０Ａと第２電極１４０との間の電界による力が働き、正孔および電子は、それぞれ、第１電極１３０Ａおよび第２電極１４０に向かって移動する。

第１の実施形態では、第１電極１３０Ａ、第２電極１４０、光電変換構造１１０およびアバランシェ構造１２０が直線状の配置を有し、アバランシェ構造１２０は、光電変換構造１１０と第２電極１４０との間、または、光電変換構造１１０と第１電極１３０Ａとの間のいずれかに位置する。したがって、光電変換によって生成された正孔および電子の一方は、第１電極１３０Ａまたは第２電極１４０に到達するまでの間にアバランシェ構造１２０を通過する。

光電変換によって生成された正孔および電子のうち、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０内に移動した電荷は、アバランシェ構造１２０内の電界によって加速され、電子雪崩を生じさせ、光検出素子１００Ａからは、巨視的な電流が出力される。なお、アバランシェ構造１２０内において光電変換により生成された電荷も、アバランシェ構造１２０内の電界によって加速され、電子雪崩を生じさせ得る。リニアモードでは、光照射により発生した電荷数にアバランシェ効果による増倍定数を掛け合わせた数の電荷が出力される。このときのゲインは、逆バイアスに応じた大きさを示し、光の照射により、照度に応じた信号強度が得られる。例えば降伏電圧付近の逆バイアスを印加しての光検出では、数百倍程度までのゲインを得ることが可能である。なお、ガイガーモードで動作させた場合には、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０内に電荷が移動することにより、降伏電流が流れる状態への遷移が生じる。

（光検出素子１００Ａの製造方法の概要）
上述の光検出素子１００Ａは、例えば以下のような手順で製造することができる。

まず、高濃度にドープされたＮ型単結晶シリコン基板を用意する。次に、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を適用して、エピタキシャル成長により、Ｎ型単結晶シリコン基板上に低濃度ドープ領域１２４および高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐを順次に形成する。低濃度ドープ領域１２４および高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐの形成により、アバランシェ構造１２０が得られる。Ｎ型単結晶シリコン基板の少なくとも一部は、アバランシェ構造１２０の高濃度Ｎ型ドープ領域１２２ｎとして機能する。なお、イオン注入または不純物拡散を適用して、単結晶シリコン基板に高濃度Ｎ型ドープ領域１２２ｎ、低濃度ドープ領域１２４および高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐを形成することによってアバランシェ構造１２０を得てもよい。その後、必要に応じてアバランシェ構造１２０の高濃度Ｎ型ドープ領域１２２ｎ側に第２電極１４０を形成する。

次に、アバランシェ構造１２０上に光電変換構造１１０を形成する。ここでは、アバランシェ構造１２０の高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐ側に光電変換構造１１０を形成する。光電変換構造１１０の形成は、第１材料を含有する材料をアバランシェ構造１２０上に堆積または塗布することによって実行され得る。フタロシアニン類、ナフタロシアニン類などの有機半導体、および、第２材料として用いることが可能なＣ₆₀など、比較的分子量の小さな分子は昇華特性を示すので、真空蒸着が可能である。Ｐ３ＨＴ、および、第２材料として用いることが可能なＰＣＢＭなどの有機半導体材料は、有機溶媒に可溶であるので、有機溶媒に分散させた後、スピンコート、ドクターブレードまたはインクジェットなどの適用により、アバランシェ構造１２０上に付与することが可能である。アバランシェ構造１２０上への付与後、有機溶媒を揮発させることにより、光電変換構造１１０を形成することができる。半導体型カーボンナノチューブは、例えば、１−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジクロロベンゼンなどの有機溶媒に分散させることにより、アバランシェ構造１２０上に塗布することができる。あるいは、Ｎ２２００またはＭＤＭＯ−ＰＰＶなどのポリマーで被覆することによって有機溶媒への分散性を向上させた後、塗布および乾燥させてもよい。コロイド量子ドットは、トルエンなどの溶媒に分散可能であり、アバランシェ構造１２０上に塗布することができる。

半導体型カーボンナノチューブは、ＣＶＤ法、アーク放電などによって合成することが可能である。なお、カーボンナノチューブの製造においては、一般に、半導体型カーボンナノチューブだけでなく金属型カーボンナノチューブも生成される。金属型カーボンナノチューブは、電荷対の再結合中心として働き得るので、半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブとを分離して半導体型カーボンナノチューブの比率を高めることにより、光検出素子１００Ａの感度を向上させ得る。コロイド量子ドットは、過飽和溶液などを利用する凝集法、物理的に粒子を細分化する分散法などで作成することが可能である。

光電変換構造１１０形成の工程は、単一の工程である必要はなく、複数の工程の組み合わせであってもよい。例えば、半導体型カーボンナノチューブをスピンコートによってアバランシェ構造１２０上に付与する工程の実行後、Ｃ₆₀を蒸着する工程をさらに実行して
もよい。

光電変換構造１１０の形成後、光電変換構造１１０上に第１電極１３０Ａを形成する。例えば、第１電極１３０Ａの材料としてＩＴＯを用いる場合には、スパッタリングなどにより第１電極１３０Ａを形成可能である。第１電極１３０Ａの材料として金などの金属を用いる場合には、蒸着などにより第１電極１３０Ａを形成可能である。第１電極１３０Ａの形成により、図１に示す光検出素子１００Ａが得られる。

（変形例）
図１に示す構成は、あくまでも例示であり、種々の改変が可能である。光検出素子は、光電変換構造１１０、アバランシェ構造１２０、第１電極１３０Ａおよび第２電極１４０以外の付加的な要素をさらに有し得る。例えば、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０への電荷の移動が可能であれば、光電変換構造１１０とアバランシェ構造１２０との間に絶縁層が配置されていてもかまわない。絶縁層は、例えばトンネル効果によって光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に電荷が移動可能な程度、例えば数ナノメートル程度に薄ければよい。絶縁層は、アバランシェ構造１２０と電極との間にも配置されてもかまわない。光電変換構造１１０と第１電極１３０Ａとの間に、第１電極１３０Ａからの光電変換構造１１０への電荷の注入を抑制するブロッキング層を配置してもよい。光検出素子は、各部を構成する要素をより強固に結合させるための接合層などをさらに有していてもよい。

アバランシェ構造１２０は、電荷の増倍が可能な、不純物濃度の異なる複数の領域を有する単結晶シリコン層を含んでいればよく、その具体的な構成は、図１に例示した構成に限定されない。アバランシェ構造１２０は、例えば、一般的なリーチスルー型のシリコンアバランシェフォトダイオードに似た構成を有していてもよい。

図１４は、一般的なリーチスルー型のシリコンアバランシェフォトダイオードのデバイス構造を参考として示す。図１４に示すリーチスルー型アバランシェフォトダイオード８００は、電極８３０、８４０と、第１導電型の高濃度ドープ領域８２２ｆと、中程度の不純物濃度を有する第２導電型の中濃度ドープ領域８２１ｓと、第２導電型の低濃度ドープ領域８２３ｓと、第２導電型の高濃度ドープ領域８２２ｓとを有する。この例では、リーチスルー型アバランシェフォトダイオード８００は、その一部が電極８３０および高濃度ドープ領域８２２ｆの間に位置する絶縁層８５０をさらに有している。高濃度ドープ領域８２２ｆは、低濃度ドープ領域８２３ｓの表面近傍に位置し、中濃度ドープ領域８２１ｓは、低濃度ドープ領域８２３ｓ内において高濃度ドープ領域８２２ｆに隣接している。第１導電型および第２導電型がそれぞれＮ型およびＰ型である場合、高濃度ドープ領域８２２ｆに接続された電極８３０がカソードとして機能し、高濃度ドープ領域８２２ｓに接続された電極８４０がアノードとして機能する。第１導電型および第２導電型がそれぞれＰ型およびＮ型である場合には、アノードおよびカソードが上記と逆転する。アバランシェ構造１２０は、リバース型のシリコンアバランシェフォトダイオードに似た構成を有していてもよい。

光電変換構造１１０のアバランシェ構造１２０に関する配置も、図１に示す例に限定されない。光電変換構造１１０は、図１に示すようにアバランシェ構造１２０よりも第１電極１３０Ａの近くに配置されてもよいし、アバランシェ構造１２０よりも第２電極１４０の近くに配置されてもよい。あるいは、アバランシェ構造１２０の内部に光電変換構造１１０を配置してもかまわない。

第１電極１３０Ａが光電変換構造１１０の全面を覆うことは必須ではなく、第１電極１３０Ａが開口部を有していてもかまわない。第１電極１３０Ａに設けられた開口部内に、少なくとも、検出しようとする波長の光を透過可能な透明部材を配置してもよい。このような透明部材は、アルミニウム酸化物、シリコン酸化物などの絶縁性材料を用いて形成することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本開示の第２の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す。参考のために、図２には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を示す矢印もあわせて示されている。本開示の第２の実施形態による光検出素子は、第１の実施形態よりもさらにアフターパルスを抑制可能であり、ガイガーモードでの動作により有利である。

図２に示す光検出素子１００Ｂと、図１を参照して説明した光検出素子１００Ａとの間の主な相違点は、光検出素子１００Ｂが、光電変換構造１１０を覆う第１電極１３０Ａに代えて、第１電極１３０Ｂを有している点である。図２に模式的に示すように、第１電極１３０Ｂおよび光電変換構造１１０は、直接に互いが接する部分を有しない。

図２に示す例では、第１電極１３０Ｂは、光電変換構造１１０と間隔をあけてアバランシェ構造１２０上に配置されており、光電変換構造１１０と第１電極１３０Ｂとの間には、誘電体部１５０ａが介在している。誘電体部１５０ａは、例えば、第１電極１３０Ｂと光電変換構造１１０との間に充填されたシリコン酸化物、シリコン窒化物などの絶縁性無機材料またはアモルファスフッ素樹脂などの絶縁性有機材料などから構成され得る。アモルファスフッ素樹脂の例は、旭硝子株式会社製のＣＹＴＯＰ（登録商標）である。誘電体部１５０ａは、空気層、または、排気されて真空に近づけられた領域であってもよい。後述するように、第２の実施形態によれば、光電変換構造１１０が第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に位置しないので、アバランシェ降伏状態においても光電変換構造１１０には電流が流れず、光電変換構造１１０における電荷の捕捉を防止し得る。結果として、アフターパルスを抑制し得る。

図３は、図２に示す光検出素子１００ＢをＺ軸に沿って見たときの外観の例を示す。図２と同様に、図３には、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を示す矢印があわせて示されている。図３に例示する構成において、第１電極１３０Ｂは、リング形状を有する。光電変換構造１１０は、第１電極１３０Ｂのリング形状の開口内に位置している。第１電極１３０Ｂおよび光電変換構造１１０の平面形状は、図３に示す形状に限定されない。例えば、第１電極１３０Ｂの外形は、図３に例示されるような円に限定されず、楕円、矩形、多角形、不定形などの他の形状であってもよい。第１電極１３０Ｂの外形と、その中央に設けられた開口の形状とが一致している必要もないし、リング形状が閉じている必要もない。例えば、第１電極１３０Ｂは、リング形状の一部に切り欠きが設けられたＣ字状などであってもよいし、第１電極１３０Ｂが、光電変換構造１１０の周囲に分散して配置された複数の部分を含んでいてもよい。光電変換構造１１０の平面形状も任意に設定可能であり、光電変換構造１１０の外形と第１電極１３０Ｂの外形とが一致している必要はない。光電変換構造１１０および第１電極１３０Ｂが、図３に示すように対称性の高い平面形状を有していると有益であり、三角形状、矩形状または六角形状などの多角形状を有していると、複数の光検出素子１００Ｂをアレイ状に配置する場合に有利である。

以下、図２を参照しながら、光電変換構造１１０、第１電極１３０Ｂおよび第２電極１４０の配置をより詳細に説明する。図２に例示する構成において、光電変換構造１１０は、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に位置していない。ここで、図２に模式的に示すように、アバランシェ構造１２０の内部に任意の点Ｐを想定し、この点Ｐと、第１電極１３０Ｂの内部に位置する点であって点Ｐに最も近い点Ｑとを結ぶ第１の直線Ｌ１を描いたとする。また、点Ｐと、第２電極１４０の内部に位置する点であって点Ｐに最も近い点Ｒとを結ぶ第２の直線Ｌ２を描いたとする。このとき、光電変換構造１１０は、第１の直線Ｌ１および第２の直線Ｌ２のいずれの上にも位置しないような配置を有する。

後に詳しく説明するように、光の検出時、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に逆バイアスが印加される点は、第１の実施形態と同様である。したがって、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に移動した電荷は、逆バイアスの印加によって第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に形成された内部電界に従って加速され、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０に向かって移動する。ただし、ここでは、光電変換構造１１０が、第１の直線Ｌ１および第２の直線Ｌ２のいずれの上にも位置しないような配置を有するので、電子雪崩のトリガとなる電荷の移動経路および電子雪崩によって生じた電荷の移動経路のいずれも、光電変換構造１１０を横切らない。つまり、光電変換構造１１０中を通過する電荷を低減でき、光電変換構造１１０中に電荷がトラップされる確率を低減可能である。したがって、例えばガイガーモードで動作させたときのアフターパルスの発生をより効果的に抑制し得る。

ガイガーモードでの光検出においては、一般的なシリコンアバランシェフォトダイオードと同様に、降伏電圧を超える逆バイアスをアバランシェ構造１２０に印加する。図２は、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に電圧供給回路１９０が接続された状態を示す。電圧供給回路１９０は、光検出時、降伏電圧を超える逆バイアスを光検出素子１００Ｂに印加する。電圧供給回路１９０は、典型的には、降伏電圧を超える逆バイアスを供給する電源を含む。電圧供給回路１９０は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、入力された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。

電圧供給回路１９０は、典型的には、降伏電圧を超えない電圧をアバランシェ構造１２０に印加可能に構成されたクエンチ回路１９２をさらに含む。クエンチ回路１９２としては、パッシブ機構およびアクティブ機構のいずれも適用可能である。例えば、パッシブ機構として、クエンチング抵抗を適用してもよい。クエンチング抵抗は、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０に直列に接続される。クエンチ回路１９２は、トランジスタなどの能動素子を含むアクティブ機構であってもよい。例えば特開２０１２−０６９９４４号公報は、アクティブ機構の一例を開示している。参考のために、特開２０１２−０６９９４４号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。クエンチ回路１９２は、アバランシェ降伏による電流を検出する検出回路をその一部に有し得る。クエンチ回路１９２は、光検出素子１００Ｂの一部であってもよい。

（光検出素子１００Ｂの動作）
以下、図２および図４を参照しながら、光検出素子１００Ｂによる光検出動作の概要を説明する。光検出素子１００Ｂは、リニアモードおよびガイガーモードのいずれによっても動作可能であるが、特に、ガイガーモードでの動作に適している。以下では、ガイガーモードによる動作を説明する。

図４は、光が照射されない状態における、一般的なアバランシェフォトダイオードの電流−電圧特性を示す。既に説明したように、アバランシェ構造１２０は、ここでは、ＰＩＮ型のシリコンアバランシェフォトダイオードと似た構成を有している。そのため、アバランシェ構造１２０も一般的なアバランシェフォトダイオードと同様の電流−電圧特性を示し得る。

（ステップ１）
図２に例示する構成において、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間には電圧供給回路１９０が接続されている。ガイガーモードでは、降伏電圧Ｖｂｒを超える逆バイアスのもとで光検出が実行される。光の検出に際し、まず、電圧供給回路１９０により、降伏電圧Ｖｂｒを超える逆バイアスがアバランシェ構造１２０に印加される。換言すれば、第１電極１３０Ｂよりも第２電極１４０を高電位とする。

図４に示すように、アバランシェフォトダイオードにおいては、降伏電圧Ｖｂｒよりも大きな逆バイアスのもとでは、アバランシェ降伏が生じる。しかしながら、電圧印加を緩やかに行うことにより、アノードとカソードとの間に電流が流れないようにしながら、アバランシェフォトダイオードに降伏電圧Ｖｂｒよりも大きな逆バイアスを印加し得る。以下では、降伏電圧よりも大きな逆バイアスが印加されながらも、アバランシェ降伏が生じていない状態を便宜的に「準安定状態」と呼ぶ。図４では、準安定状態に対応する動作点を白い矩形「□」で示している。

（ステップ２）
アバランシェ構造１２０が準安定状態にある光検出素子１００Ｂの光電変換構造１１０に、第１材料が吸収を示す波長の光が入射すると、光電変換によって正および負の電荷対、典型的には正孔−電子対が生成される。生成された正および負の電荷のいずれかは、ある確率で光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０内に進入する。

（ステップ３）
光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に進入した電荷は、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に印加された電位差によって形成される電界によって加速され、電子雪崩を生じさせる。アバランシェ構造１２０内で新たに生成された正および負の電荷は、それぞれ、第１電極１３０Ｂおよび第２電極に向かって移動する。結果として、光検出素子１００Ｂから巨視的な電流パルスが出力される。

図４のグラフ中、黒い矩形「■」により、アバランシェ降伏状態に対応する動作点を表している。準安定状態にあるアバランシェ構造１２０のアバランシェ降伏状態への遷移は、急激な遷移である。このように、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に移動した電荷は、アバランシェ構造１２０を準安定状態から、降伏電流が流れる状態に遷移させるトリガとして機能する。アバランシェ降伏によって光検出素子１００Ｂから出力される電流パルスを観測することにより、光の入射を検出することができる。クエンチ回路１９２は、このアバランシェ降伏による電流を検出し、例えば、光子を検出したことを示す信号を出力する。準安定状態からのアバランシェ状態への遷移は、単一の光子の入射によっても生じるので、準安定状態を利用した検出モードによれば、単一の光子の検出も可能である。

（ステップ４）
アバランシェ降伏が継続した状態では、光電変換構造１１０に光子がさらに入射し、光電変換によって新たに生成された電荷がアバランシェ構造１２０にさらに進入しても、この光子を検出することができない。そのため、電流パルスの検出後、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間の電位差を、降伏電流が流れないような大きさにまで縮小するクエンチが実行される。クエンチ回路１９２は、クエンチのためのバイアスを光検出素子１００Ｂに供給する。

図４においては、白い三角「△」により、クエンチ後の動作点が示されている。その後、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に降伏電圧Ｖｂｒを超える逆バイアスが再度印加されることにより、アバランシェ構造１２０の状態が準安定状態に戻される。クエンチ回路１９２として例えばアクティブ機構が適用されている場合、クエンチ回路１９２は、典型的には、降伏電圧Ｖｂｒを超える電圧を第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に印加する回路を含む。アクティブ機構は、例えば電流検出アンプの働きによって、アバランシェ構造１２０に印加する逆バイアスを、降伏電圧Ｖｂｒを上回る電圧まで上昇させ、アバランシェ構造１２０の状態を準安定状態に戻す。これにより、光検出素子１００Ｂは、検出の待機状態に復帰される。クエンチ回路１９２にパッシブ機構を適用した場合、クエンチと準安定状態への復帰とが自動的に実行される。

上述したサイクルの繰り返しにより、ガイガーモードにおける光検出が実行される。ガイガーモードにおいては、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に移動する正孔または電子の数が１つであっても、準安定状態からのアバランシェ状態への遷移が生じ得る。すなわち、準安定状態からのアバランシェ状態への遷移は、光電変換構造１１０への単一の光子の入射によっても生じ得る。このように、準安定状態を利用した検出モードによれば、単一の光子の検出が可能であり、本開示の実施形態による光検出素子は、光の検出に十分な感度を示し得る。

上述したように、第２の実施形態では、光電変換構造１１０が、第１の直線Ｌ１および第２の直線Ｌ２のいずれの上にも位置しないような配置を有する。そのため、電界に従って第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０に向かう電荷は、光電変換構造１１０を通過しない。あるいは、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０に向かう電荷のうち、光電変換構造１１０を通過する電荷の割合を低減することができる。電荷が構造中のある領域において捕捉される確率は、その領域を通過する電荷数に比例する。第２の実施形態では、光電変換構造１１０を通過する電荷が存在しないか、その割合が小さいので、光電変換構造１１０が、比較的多くのトラップが生じ得る材料から構成されていたとしても、光電変換構造１１０中に電荷が捕捉される確率が低減される。他方、降伏電流のほとんどが流れるアバランシェ構造１２０は、トラップ密度の低い単結晶シリコンから構成されているので、大量の電荷が通過しても電荷がトラップされる確率は低い。したがって、ガイガーモードで動作させた場合のアフターパルスの発生を効果的に抑制することができる。アフターパルスは、ガイガーモードを利用した光検出においてＳＮ比を悪化させる最大の要因であり、本開示の実施形態によれば、ＳＮ比の低下を抑制することが可能である。特に、本開示の実施形態によれば、可視光よりも長波長の光の検出における偽の信号を有利に低減可能である。

（変形例）
図５は、本開示の第２の実施形態による光検出素子の変形例のデバイス構造を示す。図５に示す光検出素子１００Ｃと、図２を参照して説明した光検出素子１００Ｂとの間の主な相違点は、光検出素子１００Ｃが、第３電極１６０と、リセット回路１９４とをさらに有する点である。図示するように、第３電極１６０は、光電変換構造１１０のアバランシェ構造１２０とは反対側に位置する。この例では、第３電極１６０は、光電変換構造１１０に直接に接している。ここでは、リセット回路１９４は、第３電極１６０に電気的に接続されているが、後述するように、リセット回路１９４は、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０に電気的に接続されることもある。リセット回路１９４は、上述の電圧供給回路１９０の一部であり得る。

上述したように、ガイガーモードでの動作時、アバランシェ構造１２０の準安定状態からアバランシェ状態への遷移は、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に移動する正孔または電子の数が１つであっても生じ得る。そのため、光電変換によって生成された正および負の電荷の一方がアバランシェ構造１２０に移動し、他方が光電変換構造１１０内にとどまったまま、光検出素子の状態が検出の待機状態に復帰されることがあり得る。換言すれば、光電変換構造１１０が帯電した状態で、次の検出が実行されることが起こり得る。光電変換構造１１０の帯電を解消できると、光検出への帯電の影響を回避し得るので有益である。

光電変換構造１１０の帯電は、光電変換構造１１０に残ったカウンター電荷を外部に排出させるか、または、カウンター電荷と逆符号の電荷を光電変換構造１１０に注入し再結合させることによって解消可能である。例えば、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、負の電荷がアバランシェ構造１２０に移動し、正の電荷がカウンター電荷として光電変換構造１１０に残っている状態を想定する。光電変換構造１１０に残っている電荷の極性が正である場合、光電変換構造１１０に負の電荷を注入し、カウンター電荷とは逆の極性の電荷が光電変換構造１１０に注入された状態をある程度の期間にわたって維持すれば、再結合により、光電変換構造１１０の帯電を解消することができる。

光電変換構造１１０へのこのような電荷の注入は、光電変換構造１１０と、光電変換構造１１０中のカウンター電荷とは逆の極性の電荷の供給元として機能する領域との間の電位差を調整することによって可能である。図５に示す例では、リセット回路１９４が第３電極１６０を介して光電変換構造１１０に接続されているので、リセット回路１９４から第３電極１６０に印加する電圧の調整によって、カウンター電荷とは逆の極性の電荷をリセット回路１９４から光電変換構造１１０に供給することができる。カウンター電荷と逆の極性の電荷を光電変換構造１１０に供給するリセット動作は、例えば、光子の検出ごと、すなわち、準安定状態への復帰ごとに実行され得る。リセット動作の実行は、準安定状態への復帰の前であってもよいし、クエンチと同時またはクエンチの前であってもよい。

図６は、本開示の第２の実施形態による光検出素子の他の変形例のデバイス構造を示す。図６に示す光検出素子１００Ｄも、図５に示す光検出素子１００Ｃと同様に、第３電極１６０と、リセット回路１９４とを有する。また、第３電極１６０が光電変換構造１１０のアバランシェ構造１２０とは反対側に位置する点も、図５に示す光検出素子１００Ｃと同様である。ただし、この例では、第１電極１３０Ｂが光電変換構造１１０よりも厚く、光電変換構造１１０が誘電体部１５０によって覆われている。誘電体部１５０は、第１電極１３０Ｂおよび光電変換構造１１０の間に位置する誘電体部１５０ａと、第３電極１６０および光電変換構造１１０の間に位置する誘電体部１５０ｂとを含む。

図６に例示する構成において、第３電極１６０は、誘電体部１５０上に配置され、光電変換構造１１０に直接に接していない。ただし、リセット回路１９４からの第３電極１６０へのリセット電圧の印加時、誘電体部１５０ｂがキャパシタとして機能する。そのため、第３電極１６０へのリセット電圧の印加により、キャパシタとしての誘電体部１５０ｂを介して、光電変換構造１１０の電位を調整することができる。換言すれば、第３電極１６０から光電変換構造１１０に直接に電荷を注入することなく、光電変換構造１１０中のカウンター電荷をキャンセルし得る。図５に示す構成と比較して、図６に例示される構成では、第３電極１６０と光電変換構造１１０との間における電荷の直接のやりとりが生じないので、第３電極１６０からの光電変換構造１１０への意図しない電荷の注入を抑制して、偽の信号の発生を抑制し得る。

このような構成においては、例えばアバランシェ構造１２０から、光電変換構造１１０中のカウンター電荷と逆の極性の電荷を光電変換構造１１０に供給することができる。光電変換構造１１０に負の電荷を注入したいのであれば、アバランシェ構造１２０側の電位と比較して光電変換構造１１０の電位が相対的に高くなるようなリセット電圧をリセット回路１９４から供給すればよい。光電変換構造１１０に正の電荷を注入したいのであれば、アバランシェ構造１２０側の電位と比較して光電変換構造１１０の電位が相対的に低くなるようなリセット電圧をリセット回路１９４から供給すればよい。

リセット回路１９４から第３電極１６０に供給されるリセット電圧は、第１電極１３０Ｂの電位を基準として第３電極１６０の電位が高くなるような電圧、または、第２電極１４０の電位を基準として第３電極１６０の電位が低くなるような電圧であり得る。リセット動作においては、カウンター電荷とは逆の極性の電荷が、アバランシェ構造１２０から光電変換構造１１０に供給される。あるいは、光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０にカウンター電荷が引き抜かれる。アバランシェ構造１２０は、第１電極１３０Ｂおよび第２電極１４０との接続を有するので、アバランシェ構造１２０から光電変換構造１１０に注入される電荷は、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０に接続された外部電源由来の電荷であってもよい。

第３電極１６０は、典型的には、ＩＴＯなどのＴＣＯから形成された透明電極である。第３電極１６０を形成するための材料は、ＴＣＯに限定されず、必要な感度を確保できるのであれば、例えばＡｕ薄膜などの金属膜を第３電極１６０に用い得る。この例では第３電極１６０が光電変換構造１１０の上面の全体を覆っているが、光電変換構造１１０の上面の全体を覆うことは必須ではない。

このように、リセット回路１９４は、光電変換構造１１０の帯電を解消するリセット電圧を第３電極１６０に供給する。光電変換構造１１０の帯電を除去するステップを経た後、準安定状態への復帰により、最初に光子を検出した時と同じ状態で次の光子を検出することができる。なお、リセット回路１９４は、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０に電気的に接続されてもよい。リセット回路１９４は、例えば、第２電極１４０の電位を基準として第１電極１３０Ｂの電位が高くなるようなリセット電圧を第１電極１３０Ｂおよび第２電極１４０の少なくとも一方に印加するように構成されていてもよい。すなわち、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に順バイアスを印加することによりリセット動作を実行してもよい。

リセット回路１９４は、電圧供給回路１９０と同様に、特定の電源回路に限定されない。リセット回路１９４は、クエンチ回路１９２の一部であってもよいし、電圧供給回路１９０とは独立した別個の回路であってもよい。リセット回路１９４により、光電変換構造１１０内のカウンター電荷をアバランシェ構造１２０に引き抜くような電位操作を行ってもよい。光電変換構造１１０から引き抜かれたカウンター電荷は、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０によって回収され得る。

言うまでもないが、第２の実施形態による光検出素子は、ガイガーモードによる動作だけでなく、リニアモードによる動作も可能である。リニアモードにおいても上述のリセット動作を適用することによって光電変換構造１１０の帯電を解消することができる。

（第３の実施形態）
図７は、本開示の第３の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す。第２の実施形態と同様に、第３の実施形態による光検出素子も、アフターパルスの抑制により有利な構成を有する。

図７に示す光検出素子１００Ｅと、図２を参照して説明した光検出素子１００Ｂとの間の主な相違点は、光検出素子１００Ｅのアバランシェ構造１２０が、高濃度Ｐ型ドープ領域１２２ｐに代えて、凹部１２５の設けられた高濃度Ｐ型ドープ領域１２３ｐを含み、光電変換構造１１０がこの凹部１２５の底部上に配置されている点である。なお、この例では、光電変換構造１１０の表面が誘電体部１５０ａから露出されているが、光電変換構造１１０の表面が誘電体部１５０ａから露出されていることは必須ではない。誘電体部が、検出しようとする波長の光を透過可能な材料から構成されている場合、光電変換構造１１０の表面が誘電体部に覆われていてもかまわない。

図７に例示する構成において、光電変換構造１１０は、第２の実施形態と同様に、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に位置していない。ここで、図７に模式的に示すように、アバランシェ構造１２０の内部に任意の点Ｐを想定すると、この点Ｐと、第１電極１３０Ｂの内部に位置する点であって点Ｐに最も近い点Ｑとを結ぶ第１の直線の群、および、点Ｐと、第２電極１４０の内部に位置する点であって点Ｐに最も近い点Ｒとを結ぶ第２の直線の群の中には、光電変換構造１１０を横切るような直線が含まれ得る。図７に示す直線Ｌ３は、このような直線の一例である。このとき、直線Ｌ３のように、光電変換構造１１０を横切るような直線上には、誘電体部１５０ａの少なくとも一部が位置する。

光電変換構造１１０および誘電体部１５０ａのこのような配置によれば、アバランシェ構造１２０と、第１電極１３０Ｂまたは第２電極１４０とを結ぶ最短経路上に光電変換構造１１０が位置しても、誘電体部１５０ａの少なくとも一部がその経路上に位置する。そのため、この経路に沿った電荷の移動を防止でき、電子雪崩のトリガとなる電荷、あるいは、逆バイアスの印加によって第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に形成された内部電界に従って加速された電荷が光電変換構造１１０を横切ることが回避される。つまり、光電変換構造１１０中を通過する電荷を低減でき、光電変換構造１１０中に電荷がトラップされる確率を低減可能である。結果として、高感度を得ながら、残像およびアフターパルスの発生を抑制することが可能である。

高濃度Ｐ型ドープ領域１２３ｐの凹部１２５は、例えば、エピタキシャル成長によって低濃度ドープ領域１２４および高濃度Ｐ型ドープ領域１２３ｐを形成した後、エッチングにより高濃度Ｐ型ドープ領域１２３ｐの表面の一部を除去することによって形成可能である。あるいは、シリコンの表面上にシリコン酸化膜などによるマスクのパターンを予め形成しておき、シリコンの表面のうち、マスクから露出された部分に選択的に単結晶を成長させることによっても凹部１２５を形成し得る。

（変形例）
本開示の各実施形態において、光電変換構造１１０がアバランシェ構造１２０に直接接していることは必須ではない。光電変換構造１１０およびアバランシェ構造１２０は、光電変換構造１１０において生成された電荷がアバランシェ構造１２０に移動可能な配置を有していればよく、光電変換構造１１０とアバランシェ構造１２０との間には、電荷輸送の機能を有する層などがさらに配置され得る。

図８は、本開示の第３の実施形態による光検出素子の変形例のデバイス構造を示す。図８に示す光検出素子１００Ｆは、光電変換構造１１０とアバランシェ構造１２０との間に配置された電荷輸送層１１２を有する。ここでは、光電変換構造１１０は、電荷輸送層１１２を介してアバランシェ構造１２０に電気的に接続される。

電荷輸送層１１２は、光電変換構造１１０において光電変換により生成された正および負の電荷のうちの少なくとも一方を通過させる。電荷輸送層１１２は、光電変換構造１１０内で生成された電荷がアバランシェ構造１２０に移動する伝導経路として機能する層であり、電荷輸送層１１２を構成する材料は、金属および半導体いずれであってもよい。半導体は、単結晶半導体でもよく、有機半導体であってもかまわない。

電荷輸送層１１２は、正および負の電荷のうちの一方を光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に選択的に通過させる輸送層であってもよい。例えば、電子をアバランシェ構造１２０に向けて選択的に通過させる電子輸送層を電荷輸送層１１２として用いてもよい。この場合、電荷輸送層１１２としての電子輸送層は、アバランシェ構造１２０から光電変換構造１１０への正孔の注入を抑制する正孔ブロッキング層としての機能を有することがある。電荷輸送層１１２は、正孔をアバランシェ構造１２０に向けて選択的に通過させる正孔輸送層であってもよい。電荷輸送層１１２に電子輸送層または正孔輸送層を適用することにより、正および負の電荷のうちの一方を選択的に光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に移動させることが可能である。

このような電荷輸送層は、図１、図２に例示する構成にも適用可能である。例えば、図９に示す光検出素子１００Ｇおよび図１０に示す光検出素子１００Ｈのように、光電変換構造１１０とアバランシェ構造１２０との間にさらに電荷輸送層１１２を配置してもよい。図２を参照して説明した構成と同様に、光検出素子１００Ｈの光電変換構造１１０は、アバランシェ構造１２０内の任意の点Ｐと、第１電極１３０Ｂ内の最も近い点Ｑとを結ぶ第１の直線、および、点Ｐと、第２電極１４０内の最も近い点Ｒとを結ぶ第２の直線のいずれの上にも位置しない配置を有する。したがって、光電変換構造１１０中に電荷がトラップされる確率を低減でき、ガイガーモードで動作させたときのアフターパルスの発生をより効果的に抑制し得る。

図１１は、本開示の第３の実施形態による光検出素子の他の変形例のデバイス構造を示す。図１１に示す光検出素子１００Ｉと、図７を参照して説明した光検出素子１００Ｅとの間の主な相違点は、光検出素子１００Ｉが、第１電荷輸送層１１２ｅおよび第３電極１６０を有し、第３電極１６０および光電変換構造１１０に挟まれた第２電荷輸送層１１２ｈをさらに有している点である。図示するように、第３電極１６０は、リセット回路１９４に接続されている。

光電変換構造１１０とアバランシェ構造１２０との間に位置する第１電荷輸送層１１２ｅは、電子を選択的に光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に通過させる電子輸送層であり得る。このとき、光電変換構造１１０と第３電極１６０との間に位置する第２電荷輸送層１１２ｈは、正孔を選択的に光電変換構造１１０から第３電極１６０に通過させる正孔輸送層であり得る。このような構成によれば、光電変換構造１１０において生成された正および負の電荷のうちの一方を光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に選択的に移動させることができる。この例では、電子を光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に選択的に移動可能である。

後述するように、図１１に例示する構成において、リセット回路１９４は、光検出素子１００Ｉの動作時、第３電極１６０に一定の電圧を印加するように構成される。リセット回路１９４から第３電極１６０に例えば一定の負電圧を印加することにより、光電変換構造１１０において生成された正および負の電荷のうちの他方、すなわちここでは正孔を、光電変換構造１１０から第３電極１６０に排出することができる。したがって、図１１に例示する構成によれば、光電変換構造１１０中にカウンター電荷が残ることを防止でき、上述のリセット動作を省略することが可能になる。

なお、図１１に示す例は、光電変換構造１１０において生成された正および負の電荷のうち、負の電荷を光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に選択的に移動させることが可能な構成である。第１電荷輸送層１１２ｅに正孔輸送層を適用し、第２電荷輸送層１１２ｈに電子輸送層を適用すれば、光電変換構造１１０において生成された正および負の電荷のうち、正の電荷を光電変換構造１１０からアバランシェ構造１２０に選択的に移動させることが可能である。

ここで、電子輸送層は、電子輸送層を介して光電変換構造１１０に接続された領域への光電変換構造１１０からの電子の移動は可能であるが、正孔を通過させないか、その移動の確率を大きく低減させるような特性を有する層である。電子輸送層としての第１電荷輸送層１１２ｅの材料としては、一般的な正孔ブロッキング層を形成するための材料を用いることができる。このような材料の例は、Ｃ₆₀である。光電変換構造１１０に含まれている第１材料よりも深いＨＯＭＯ準位を有し、かつ、より深いＬＵＭＯ準位を有する材料を用いて第１電荷輸送層１１２ｅを形成することにより、第１電荷輸送層１１２ｅを電子輸送層として機能させることができる。

他方、正孔輸送層は、正孔輸送層を介して光電変換構造１１０に接続された領域への光電変換構造１１０からの正孔の移動は可能であるが、電子を通過させないか、その移動の確率を大きく低減させるような特性を有する層である。正孔輸送層としての第２電荷輸送層１１２ｈの材料としては、一般的な電子ブロッキング層を形成するための材料を用いることができる。このような材料の例は、ＴＦＢである。光電変換構造１１０に含まれている第１材料よりも浅いＨＯＭＯ準位を有し、かつ、より浅いＬＵＭＯ準位を有する材料を用いて第２電荷輸送層１１２ｈを形成することにより、第２電荷輸送層１１２ｈを正孔輸送層として機能させることができる。

（光検出素子１００Ｉの動作）
第３の実施形態による光検出素子も第２の実施形態と同様に、リニアモード、ガイガーモードのいずれでも動作可能であり、特に、ガイガーモードによる動作時のアフターパルスの抑制に有利である。以下、図１１に示す光検出素子１００Ｉのガイガーモードによる動作の概要を説明する。

（ステップ１）
例えば第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間に電圧供給回路１９０を接続し、降伏電圧Ｖｂｒを超える逆バイアスをアバランシェ構造１２０に印加する。このとき、電圧印加を緩やかに行うことにより、アバランシェ構造１２０の状態を準安定状態とする。

（ステップ２）
第１材料が吸収を示す波長の光が光電変換構造１１０に入射すると、光電変換によって例えば正孔−電子対が光電変換構造１１０内に生成される。ここでは、第１電荷輸送層１１２ｅは、正孔および電子のうち、正孔のアバランシェ構造１２０への進入を抑制する一方で電子を通過させる。したがって、正孔および電子のうちの電子が選択的にアバランシェ構造１２０に移動し、アバランシェ構造１２０に移動した電子をトリガとして、準安定状態からアバランシェ降伏状態への遷移が生じる。他方、第２電荷輸送層１１２ｈは、電子の第３電極１６０への進入を抑制しながら、正孔を通過させる。

動作時、リセット回路１９４は、第３電極１６０の電位が光電変換構造１１０の電位よりも低くなるようなリセット電圧を第３電極１６０に印加する。第３電極１６０を光電変換構造１１０よりも低電位とすることにより、正孔および電子のうち、正孔を第３電極１６０によって収集することができる。換言すれば、カウンター電荷としての正孔が光電変換構造１１０に残ることを防止して、光電変換構造１１０の帯電を回避できる。

（ステップ３）
準安定状態からアバランシェ降伏状態への遷移による巨視的な電流パルスの出力を例えばクエンチ回路１９２によって検出することにより、光の入射を検出することができる。

（ステップ４）
電流パルスの検出後、クエンチ回路１９２により、第１電極１３０Ｂと第２電極１４０との間の電位差を降伏電流が流れないような大きさにまで縮小する。クエンチにより、光検出素子１００Ｉは、検出の待機状態に復帰される。このように、図１１に例示する構成によれば、リセットのためのステップを別途に設けることなく、光電変換構造１１０へのカウンター電荷の残留を防止可能である。

以上に説明したように、本開示の実施形態によれば、アバランシェ効果を利用した、高感度でありながら残像およびアフターパルスの影響が低減された光検出素子が提供される。本開示の実施形態は、上述した例に限定されず、種々の改変が可能である。図１２に示すように、図５を参照して説明した構成の光電変換構造１１０のアバランシェ構造１２０側および第３電極１６０側にそれぞれ第１電荷輸送層１１２ｅおよび第２電荷輸送層１１２ｈを配置した構成も可能である。このような構成によれば、図１１を参照して説明した構成と同様に、別途にリセットのステップを設けることなく、光電変換構造１１０の帯電を回避可能である。

（第４の実施形態）
図１５は、本開示の第４の実施形態による光検出素子の例示的なデバイス構造を示す。本実施形態では、本開示の光検出素子が集積化されてイメージセンサ１５００を構成している。

本実施形態におけるイメージセンサ１５００は、複数の画素１５３０を含む。各画素１５３０は、光電変換構造１５０１と、低濃度領域１５０６中に形成された高濃度Ｐ型ドープ領域１５０２ｐおよび高濃度Ｎ型ドープ領域１５０３ｎとを含む。この高濃度Ｐ型ドープ領域１５０２ｐ、低濃度領域１５０６および高濃度Ｎ型ドープ領域１５０３ｎがアバランシェ構造１５２０を構成する。図１５に模式的に示すように、各画素１５３０のアバランシェ構造１５２０は、半導体基板１５１１によって支持されている。

図示するように、半導体基板１５１１には、電荷蓄積部１５０９が形成されている。各画素１５３０は、高濃度Ｎ型ドープ領域１５０３ｎで捕集した電子を電荷蓄積部１５０９へ輸送するための電荷輸送経路１５０４、１５０５を含む。また、高濃度Ｐ型ドープ領域１５０２ｐで捕集した正孔を捕集するための透明電極１５０７を持つ。透明電極１５０７と光電変換構造１５０１は誘電体部１５０８により隔てられている。各画素１５３０の電荷輸送経路１５０５は、低濃度領域１５０６と半導体基板１５１１との間に介在された絶縁層１５１０により互いに絶縁されている。

本イメージセンサ１５００に含まれる各画素１５３０は、図２に示した光検出素子と同様に機能する。電荷蓄積部１５０９は画素ごとに独立しており、各電荷蓄積部１５０９に蓄積された電荷を計測することで、撮像を行うことができる。各画素１５３０の駆動方法については、独立した光検出素子の場合と基本的に同様であるので説明は省略する。

本開示の各実施形態では、アバランシェ構造１２０は、アバランシェ増倍を生じさせる単結晶シリコン層を含む。本開示の実施形態によれば、例えば単結晶シリコン基板からアバランシェ構造１２０を形成でき、したがって、アバランシェ構造１２０の全部または一部を構成する単結晶シリコン基板に、公知の半導体プロセスの適用によって、多数のトランジスタを含む制御回路、信号処理回路などを集積することも比較的容易である。例えば、アバランシェ構造１２０の全部または一部を構成する単結晶シリコン基板上にクエンチ回路を形成することも可能である。クエンチ回路には、高速で複雑な動作が要求されるので、クエンチ回路に含まれるトランジスタを、アバランシェ構造１２０の全部または一部を構成する単結晶シリコン基板と同一の単結晶シリコン基板に形成すると有利である。

本開示の実施形態に係る光検出素子は、微弱な光の検出に有用である。特に、可視光よりも長波長の光の検出においても比較的高いＳＮ比を実現し得るので、本開示の実施形態による光検出素子は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）用の受光素子などに有用である。本開示の実施形態による光検出素子は、ＴＯＦ（Time of Flight）法に基づく測距装置に適用可能であるほか、量子暗号通信装置などにも適用可能である。

１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ、１００Ｉ 光検出素子
１１０ 光電変換構造
１１２ 電荷輸送層
１１２ｅ 第１電荷輸送層
１１２ｈ 第２電荷輸送層
１２０ アバランシェ構造
１２５ 凹部
１３０Ａ、１３０Ｂ 第１電極
１４０ 第２電極
１５０、１５０ａ、１５０ｂ 誘電体部
１６０ 第３電極
１９０ 電圧供給回路
１９２ クエンチ回路
１９４ リセット回路

Claims (12)

1. 単結晶シリコンが吸収を示す波長域に含まれる第１波長の光に対して単結晶シリコンよりも高い吸収係数を有する第１材料を含有し、光子を吸収することにより正および負の電荷を生成する光電変換構造と、
   前記光電変換構造から前記正および負の電荷からなる群から選択される少なくとも一方が注入されることによって内部でアバランシェ増倍が生じる単結晶シリコン層を含むアバランシェ構造と
   を備え、
   前記第１材料は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットからなる群から選択される少なくとも１つを含む、
   光検出素子。
2. 前記光電変換構造は、前記アバランシェ構造に直接接している、
   請求項１に記載の光検出素子。
3. 前記光電変換構造および前記アバランシェ構造の間に配置され、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷からなる群から選択される少なくとも一方を通過させる電荷輸送層をさらに備える、
   請求項１に記載の光検出素子。
4. 第１電極と、
   第２電極と、
   をさらに備え、
   前記アバランシェ構造は、
   第１導電型の第１高濃度ドープ領域と、
   第２導電型の第２高濃度ドープ領域と、
   前記第１高濃度ドープ領域および前記第２高濃度ドープ領域の間に配置された低濃度ドープ領域とを含み、
   前記低濃度ドープ領域の不純物濃度は、前記第１高濃度ドープ領域の不純物濃度および前記第２高濃度ドープ領域の不純物濃度よりも低く、
   前記第１電極は前記第１高濃度ドープ領域に電気的に接続され、
   前記第２電極は前記第２高濃度ドープ領域に電気的に接続されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の光検出素子。
5. 第１電極と、
   第２電極と、
   をさらに備え、
   前記アバランシェ構造の表面に垂直な断面において、
   前記アバランシェ構造内の任意の点から、前記第１電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第１の直線と定義し、
   前記任意の点から、前記第２電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第２の直線と定義すると、
   前記アバランシェ構造内のいずれの点から延びる前記第１の直線および前記第２の直線も前記光電変換構造を横切らない、
   請求項１から３のいずれかに記載の光検出素子。
6. 前記光電変換構造に対して、前記アバランシェ構造とは反対側に位置する第３電極と、
   前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極からなる群から選択される少なくとも１つに、前記光電変換構造の帯電を解消するリセット電圧を供給するリセット回路と、
   をさらに備える、
   請求項５に記載の光検出素子。
7. 前記光電変換構造および前記アバランシェ構造の間に配置され、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうち一方を選択的に通過させる第１電荷輸送層と、
   前記光電変換構造と前記第３電極との間に位置し、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうちの他方を選択的に通過させる第２電荷輸送層と、
   をさらに備え、
   前記リセット回路は、前記第３電極に接続されている、
   請求項６に記載の光検出素子。
8. 第１電極と、
   第２電極と、
   誘電体部と、
   をさらに備え、
   前記アバランシェ構造の表面に垂直な断面において、
   前記アバランシェ構造内の任意の点から、前記第１電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第１の直線と定義し、
   前記任意の点から、前記第２電極内の前記任意の点に最も近い点まで延びる仮想的な直線を第２の直線と定義すると、
   前記アバランシェ構造内の第１の点から延びる前記第１の直線および前記第２の直線からなる群から選択される少なくとも１つの直線が、前記光電変換構造を横切り、
   前記誘電体部の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの直線上に位置する、
   請求項１から３のいずれかに記載の光検出素子。
9. 前記光電変換構造に対して、前記アバランシェ構造とは反対側に位置する第３電極と、
   前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極からなる群から選択される少なくとも１つに、前記光電変換構造の帯電を解消するリセット電圧を供給するリセット回路と、
   をさらに備える、
   請求項８に記載の光検出素子。
10. 前記光電変換構造および前記アバランシェ構造の間に配置され、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうち一方を選択的に通過させる第１電荷輸送層と、
    前記光電変換構造と前記第３電極との間に位置し、前記光電変換構造において生成された前記正および負の電荷のうちの他方を選択的に通過させる第２電荷輸送層と、
    をさらに備え、
    前記リセット回路は、前記第３電極に接続されている、請求項９に記載の光検出素子。
11. 前記第１材料の吸収端は、単結晶シリコンの吸収端よりも長波長側に位置する、
    請求項１から１０のいずれかに記載の光検出素子。
12. 前記光電変換構造は、前記第１材料よりも深い最低空軌道準位を有する第２材料または前記第１材料よりも浅い最高被占軌道準位を有する第３材料をさらに含有する、
    請求項１から１１のいずれかに記載の光検出素子。

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