JP2019016769A - 光電変換素子及び光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板を用いた光電変換素子における高感度化、低ノイズ化、低消費電力化、高解像度化、分光感度の長波長化、外乱光の低減、或いは画素間クロストークの影響を受けにくい構造を実現する。【解決手段】集積回路が形成されたシリコン基板の側端部を受光面とする光電変換領域にゲルマニウムをドープし、さらに光電変換領域の周囲に金属反射膜を配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、Ｘ線等の放射線、或いは近赤外光等の検出に好適な光電変換素子とこれを用いた光学測定装置に関する。

特許文献１には、半導体基板面に垂直な厚み方向に面する半導体基板側面部からＸ線を入射させ、Ｘ線が半導体基板内部を半導体基板面に平行な方向に進む間に光電変換を行うことにより、入射Ｘ線を効率的に光電変換させる分光解析例が開示されている。同様に特許文献２には、半導体基板の側面部から可視光或いは赤外光を入射させ、赤外光等が半導体基板内部を半導体基板面に平行な方向に進む間に光電変換を行わせることにより分光解析する例が開示されている。デジタルカメラ等のように、可視光のみを対象とする場合には、半導体撮像素子を構成する半導体基板面に対し、垂直或いはある入射角度をもって半導体基板表面にレンズからの光を照射している。可視光波長の場合は、半導体基板面に垂直な方向、即ち半導体基板深さ方向約５ミクロンメータ（μｍ）の範囲内において光電変換が可能だからである。これに対し、近赤外光、Ｘ線等では、上記基板深さ方向をより深く、例えば、数十μｍから数百μｍ程度の深さを必要としていた。

特許文献３には、半導体基板面に垂直な半導体基板側面部からＸ線或いは近赤外光（ＮＩＲ）等を入射させ電気信号として検出する場合に好適な光電変換素子の構造とその製造方法が開示されている。また、これを用いたコンピュータトモグラフィー装置等が特許文献４に開示されている。さらに、特許文献５は集積回路が形成された半導体基板面に対し垂直方向の半導体基板の側面部を受光面とする半導体撮像素子であって半導体基板面上、或いは側面部上に光源部を配置した撮像モジュールとこれを用いた撮像装置を開示している。

他方、光電変換素子材料にシリコン基板を使用する場合、その物性上の制約から９００ナノメータ（ｎｍ）以上の長波長光、或いはＸ線等の高エネルギー光に対する感度が必ずしも十分ではなかった。特許文献６には、赤外光の検出のためにフォトダイオードにシリコンゲルマニウムフォトダイオードを採用することを開示しているが、シリコンゲルマニウムフォトダイオードの具体的な構造については何ら示されていない。また、特に近赤外光のように可視光に比べ、長波長領域では隣接する画素への電荷混入（クロストーク）が無視できなくなり、例えば、タイムオブフライト（ＴＯＦ)方式の測距装置では測定結果の誤差要因のひとつとなっている。特許文献７には、フォトダイオードとマイクロレンズ間の中間層を屈折率の小さな物質により各画素間を分離し、マイクロレンズで光路を変更された入射光を上記分離された境界において全反射させることにより感度低下を防止する構造が開示されている。即ち、各画素の上部を光導波路構造とすることにより、入射光をより多くそれぞれのフォトダイオードに導き入れる構造であるが、シリコン基板深部における画素間のクロストークについては有効な解決方法が見出されていない。

特開昭５５−１４４５７６ 特開２０１１−２０５０８５ ＷＯ２０１６／１１４３７７ 特開２０１６−１０７０６２ 特開２０１７−２０１６８７ 特開２０１６−１２６４７２ 特開平６−５３４５１

本発明の目的は、半導体材料、例えばシリコン基板を用いた光電変換素子における高感度化、低ノイズ化、高速読み出し、低消費電力化、高解像度化、分光感度の長波長化、及び外乱光やクロストークの低減を可能にすることであり、さらにこれを用いた小型かつ高精度の光学測定装置を実現することである。

本発明の光電変換素子は、シリコン基板の側端部を受光面とする光電変換領域を有し、光電変換領域にゲルマニウムを含むシリコンゲルマニウム領域を設ける。シリコンゲルマニウム領域は、シリコン基板の厚さ方向におけるゲルマニウムの最大濃度ピークの位置がシリコン基板の中心付近に位置する構造とする。

さらに本発明に係る光電変換素子は、光電変換領域を形成する高濃度不純物領域にヒ素、アンチモン、ガリウム又はインジウムのいずれかを含む。

さらに本発明に係る光電変換素子は、シリコン基板の厚さが、好ましくは５μｍ以上かつ２０μｍ以下であって、光電変換領域を取り囲む素子分離領域の下部がシリコン基板の集積回路が形成された面とは反対側の裏面側に形成された高濃度不純物層に接触する深さまで延在して形成されている。

さらに本発明に係る光電変換素子は、光電変換部領域を取り囲む素子分離領域の内部であって素子分離領域の上部から下部に向かって、モリブデン（Ｍｏ）等の原子番号が４２以上の重金属材料を含む金属遮光膜、好ましくはタングステンを含む金属遮光膜が埋め込まれている。

さらに本発明に係る光電変換素子は、受光面の上部にＸ線の透過を制御するコリメータ層を積層した構造からなる。

本発明に係る光電変換素子は、シリコン基板の側端部を受光面とする光電変換領域を有し、好ましくはシリコン基板の厚さが５μｍ以上かつ２０μｍ以下であって、光電変換領域を取り囲む素子分離領域の下部がシリコン基板の集積回路が形成された面とは反対側の裏面側まで延在して形成され、かつ光電変換領域を取り囲む素子分離領域の内部であって素子分離領域の上部から下部に向かって金属反射膜、好ましくはアルミニウム、銅、又は金のいずれかを含む金属反射膜を埋め込んだ構造とする。

さらに本発明に係る光電変換素子は、受光面の上部にマイクロレンズ又は光導波路、或いはこれらを組み合わせた光学部材を積層した構造とする。

さらに本発明に係る光電変換素子は、光学部材のシリコン基板厚さ方向の寸法が光電変換素子のシリコン基板厚さ方向の寸法よりも大きい構造とする。

さらに本発明に係る光電変換素子は、光学部材における光学中心線のシリコン基板厚さ方向における位置が、シリコン基板の表面からシリコン基板の厚さの１／２に相当する距離との間に位置するように光学部材が配置されている。

さらに本発明に係る光電変換素子は、光学部材が、シリコン基板の側端部の受光面に沿うように積層されたレンチキュラーレンズとする。

本発明に係る光電変換素子は、光電変換領域にゲルマニウムを含むシリコンゲルマニウム領域がシリコン基板面に平行な方向に沿って延在し、シリコン基板厚さ方向におけるゲルマニウムの最大濃度ピークの位置が、光学部材のシリコン基板厚さ方向における光学中心の位置が実質的に一致した構造である。

さらに本発明に係る光電変換素子は、受光面と光電変換領域との間であって、受光面から半導体基板の内部に向かって、好ましくは１μｍ以上かつ２０μｍ以下の幅であって、シリコン基板の内部領域にボロンを含むｐ型高濃度不純物領域、又はリンを含むｎ型高濃度不純物領域を配置する。

さらに本発明に係る光電変換素子は、シリコン基板の二以上の側端部を受光面とする。

さらに本発明に係る光電変換素子は、平面視座上、光電変換領域の幅が受光面からシリコン基板の内部方向に向かって狭く形成されている。

さらに本発明に係る光電変換素子は、シリコン基板の内部に形成された光電変換領域の上部側及び下部側のシリコン基板上に金属反射膜、好ましくはアルミニウム、銅、又は金のいずれかを含む金属反射膜を積層した構造とする。

さらに本発明に係る光電変換素子は、受光面と相対する位置にある素子分離領域の形状が平面視座上、受光面とは非平行に形成されている。

さらに本発明に係る光電変換素子においては、画素間にある素子分離領域の形状が、Ｘ−Ｙ平面視座上、受光面からシリコン基板の内部方向に向かって光電変換領域の幅を狭めるように形成されている。

さらに本発明に係る光電変換素子は、受光面上に開口部を有する金属反射膜、及び該開口部に入射光を導き入れる光学部材を開口部上に積層した構造とする。

本発明に係る光電変換素子は、２枚の平行かつ対向する半透明反射膜からなる波長フィルターを有する。

２枚の半透明反射膜がアルミニウム、銅、或いは金を含む金属反射膜であって、かつ２枚の半透明反射膜に挟まれた媒質がシリコン又はシリコン酸化膜からなる波長フィルターを有する光電変換素子とする。

本発明に係る積層型光電変換素子は、二以上の上記光電変換素子をシリコン基板厚さ方向に積層した構造からなる。

本発明に係る光学測定装置は、上記光電変換素子を使用した光学測定装置であって、光電変換素子のライン状に並ぶ複数の受光窓上に複数本の光ファイバーがそれぞれ装着され、かつ該複数本の光ファイバーを束ねた光ファイバーケーブルの他端が一又は複数の二次元受光面となるように複数本の光ファイバーを並べ替えて形成した二次元受光面を有する。

さらに本発明に係る測距装置は、光学測定装置の測定タイミングに同期して発光する光源部とを有する。

さらに本発明に係る測距装置は、光ファイバーケーブルの他端が形成するライン状受光部又は二次元受光面を空間的に離れた位置に二以上有し、かつ二以上の受光面から送られてきた光情報を単一の光電変換素子において検出し読み出す構造からなる測距装置とする。

近年、光源として近赤外光（NIR）を医療分野や車載、工業用途等に活用することが検討されている。近赤外光（ＮＩＲ）の波長域が「生体の窓」と呼ばれるように、他の波長域に比べ人体組織を比較的透過し易いためであり、また人間の目にダメージを与えにくいと考えられているからである。本発明により、近赤外光（ＮＩＲ）に対する感度の向上、ラインセンサと同等の高速読み出しの実現、隣接する画素間におけるクロストークの解消、太陽や人工的照明光、その他の外乱光や背景光等の影響を抑制したので、例えば、測距誤差の極めて少ない高精度距離計測装置等が実現する。また、本発明の光電変換素子を用いることにより、高解像度、高速読み出し、低被ばく線量、或いは高い耐久性や信頼性等を実現した各種Ｘ線画像診断機器やＸ線計測装置等が実現する。

（ａ）は本発明に係る光電変換素子１００の斜視図とその三次元座標軸であり、（ｂ）は光電変換素子１００の回路ブロックを説明するためのＸ−Ｙ平面図である。 （ａ）は図１（ａ）における破線矢印Ａ−Ａ’の位置における光電変換素子１００の断面図である。（ｂ）は光電変換素子１００の分光スペクトル図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０１の断面図であり、（ｂ）は光電変換素子１０１の変形例に係る光電変換素子１０２の構造を説明するためのＸ−Ｙ平面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０３の断面図であり、（ｂ）は光電変換素子１０３の分光スペクトル図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０４の要部Ｘ−Ｙ平面図である。（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ’部における断面図であり、（ｃ）は同じくＣ−Ｃ’部における断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０５のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０６のＹ−Ｚ面から見た要部断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０７の要部Ｘ−Ｙ平面図であり、（ｂ）は光電変換素子１０７の変形例に係る光電変換素子１０８の要部Ｘ−Ｙ平面図であり、（ｃ）は、同じく光電変換素子１０８のマイクロレンズ６１のＹ−Ｚ面から見た断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０９のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１０のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｃ）は光電変換素子１０９をZ軸方向に積層した積層型光電変換素子１２０の斜視図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１２の要部Ｘ−Ｙ平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示したＤ−Ｄ’部におけるＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｃ）は光電変換素子１１２を入射光側のＹ軸方向から見た場合の要部断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１３のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は光電変換素子１１３を入射光側のＹ軸方向から見た場合の要部Ｘ−Ｚ平面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１４の要部Ｘ−Ｙ平面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１５の要部Ｘ−Ｙ平面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１６のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は波長フィルター４４の透過分光スペクトル図である。 （ａ）は光学測定装置２００の構成を示す平面図である。（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１１に複数本の光ファイバーを接続した構造を説明するためのＸ−Ｙ平面図である。（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ光ファイバー受光面５５−１、及び５５−２の形状を説明するための平面図である。

本発明の第一の実施例に係る光電変換素子１００について説明する。図１（ａ）に、光電変換素子１００の斜視図と三次元座標軸を示す。光電変換素子１００の構造を説明するため、三次元座標軸を定義する。集積回路が形成されたシリコン基板面をＸーＹ平面とし、該シリコン基板面に対し垂直方向、即ちシリコン基板１の厚さ方向をＺ軸と規定する。Ｘ−Ｚ平面に面するシリコン基板１の側面部には、入射光を検出するための受光窓５が複数配置されている。以下、受光窓５が配置されたシリコン基板１の側面部を受光面と呼ぶことにする。

図１（ａ）に示す破線矢印Ａ−Ａ’の位置における光電変換素子１００のＹ−Ｚ面における断面構造を図１（ｂ）に示す。光電変換素子１００は、例えば、ｐ型のシリコン基板（１）に形成され、高濃度ｎ型不純物が導入された領域７により光電変換を行うｐｎフォトダイオードを構成している。入射光２が、シリコン基板１の側面から入射すると、ｐｎフォトダイオード部において光信号が電気信号に変換される。図示するように、光電変換を可能にするｎ型不純物領域７は、シリコン基板側面部近傍からＹ軸（図面下）方向かつシリコン基板表面に沿って延在して形成されている。本構造により、高濃度ｎ型不純物領域７の延在距離を回路設計パターン、及びフォトリソグラフィー工程によって容易に設計及び製造することができるので、例えば、入射光波長によって最適な光電変換効率を得ることができる。可視光波長(例えば、波長４００〜７００ｎｍ）の場合には、高濃度ｎ型不純物領域７の延在距離は４μｍ程度あれば十分であるが、例えば、近赤外光(波長７００〜１３００ｎｍ）の場合には、ｎ型不純物領域７の延在距離は１０μｍ以上、例えば、５０〜１００μｍ程度必要になる。高濃度ｎ型不純物領域７の基板深さ（Ｚ軸）方向の延在距離を４μｍ程度に設定することは、通常の半導体素子の製造工程、即ち、不純物の熱拡散法やイオン注入法により容易に実現可能であるが、高濃度ｎ型不純物領域７の基板深さ（Ｚ軸）方向の延在距離を１０μｍ以上に設定することは、長時間かつ高温の熱拡散工程、或いは高加速電圧のイオン注入装置が必要になる。また、仮にこのような深いｎ型不純物領域７を形成できたとしても、数十乃至１００ボルト（ｖ）程度の高駆動電圧が必要となる。

図１（ｂ）に示すように、受光窓５が並ぶ受光面の表面は薄いシリコン酸化膜３で被覆してもよい。機械的、熱的損傷に伴う結晶欠陥を減少させ、かつ外部からの重金属や反応性化学物質等の汚染から光電変換素子１００を保護することができる。さらに、図示していない反射防止膜を積層することにより感度を向上させることもできる。同図中、４は外部回路との電気的接点をとるための入出力端子（コンタクトパッド）であり、回路ブロック９は光電変換部となるｐｎフォトダイオードからの信号電荷を読みだすための信号読み出し走査回路、回路ブロック１１は光電変換素子１００素子内部において必要な制御信号を供給するためのタイミングパルス発生回路（ＴＧ）、回路ブロック１３はデジタル化された画像信号を処理するためのデジタル信号処理回路（ＤＳＰ）、回路ブロック１５は読みだされた電気信号をデジタル変換するためのＡＤ変換回路（ＡＤＣ）、回路ブロック１７は外部素子と通信するためのインターフェース回路（Ｉ／Ｆ）である。信号読み出し走査回路９には、後述するようにフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ)、サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）等のノイズ除去回路が各光電変換部の近傍に設けられている。そのため、微弱な光電荷を検出可能であり、かつ単一半導体基板上に集積化できるため、光電変換部における感度バラツキを最小限に抑制することができる。同様に、オンチップＡＤＣ及びＤＳＰにより、高速、低ノイズかつ低消費電力のデジタル信号出力が得られる。

このように、シリコン基板側面部を受光面とすることにより、入射光の侵入距離が、例えば、数十μｍ以上であっても高い光電変換効率が得られ、かつ高電圧駆動を必要としない。また、シリコン基板を用いた場合であっても近赤外光等に対し高い検出感度が得られ、ＴＧ，ＡＤＣ或いはＤＳＰ等の周辺回路のオンチップ化を容易にし、撮像素子毎或いは画素群毎に並列ＡＤ変換が可能になり、信号処理の高速化と駆動周波数の低減による消費電力或いは発熱量の低減が実現する。また、従来、近赤外検出器として個別のフォトトランジスタ素子を複数組み合わせて使用する場合とは異なり、隣接する複数の画素が同一の光電変換素子の側面に形成されているので、検出器（画素）間の感度バラツキを最小限にすることができる。従来、不純物の高温かつ長時間の熱拡散工程、或いは高エネルギーイオン注入装置を必要とした基板厚さ方向に深い光電変換領域の形成が容易になり、さらにフォトリソグラフィー、即ちマスクデザインにより、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向における光電変換領域の長さを自由に設定することができる。また、図示するように上記回路ブロック（１１等）は、光電変換領域を挟んで受光面側とは反対側の領域に形成されているので、従来のシリコン基板面に入射する光を検出する構造とは異なり、回路ブロックが入射光その他の迷光による誤動作やノイズの原因を受けにくいという効果もある。

図２（ａ）及び（ｂ）を用いて、第一の実施例についてさらに詳しく説明する。図２（ａ）は、図１（ａ）における破線矢印Ａ−Ａ’部で示す部位における断面構造図であり、図２（ｂ）は、光電変換素子１００、及び従来のシリコンフォトダイオードの分光感度スペクトルである。図２（ａ）に示すように、本実施形態では、シリコン基板１の内部に形成した光電変換領域、即ち半導体基板１（例えばｐ型シリコン基板）と高濃度不純物領域７（例えばｎ型）が構成するフォトダイオード領域にゲルマニウムを含むシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）領域６が形成されており、その分布は基板面に平行な方向、即ち入射光方向に沿って延在している。同図の右側に、Ｓｉ基板厚さ方向（Ｚ軸方向）におけるゲルマニウム含有量（Ｃｏｎｃ．)の分布を示す。ゲルマニウムの濃度は、必ずしもＳｉ基板厚さ方向に均一である必要はなく、図示するようにＳｉ基板厚さ方向の中心付近に最大濃度ピークを設定すればよい。入射光は、同図の左側からＳｉ基板面に入射するためである。このような濃度分布は、ゲルマニウムイオンのイオン注入とその後の熱拡散工程等により容易に形成できるメリットがあり、かつ殆どの入射光が高濃度ゲルマニウムを有するＳｉＧｅ領域６を通るので、光電変換素子１００の分光感度スペクトルを長波長側に拡大することができる。なお、図２（ａ）における３９は読み出しゲート電極、３５はリセット端子、３７は浮遊拡散層（フローティングディフュージョン又はＦＤとも呼ぶ）、４３はリセットドレイン、４１はソースフォロアアンプ（ＳＦＡ)である。

図２（ｂ）は、入射光波長（λ）に対する光電変換素子１００の相対的分光感度（Ｒ．Ｓ．）スペクトル（図中のＳｉＧｅ−ＰＤで示す実線）である。同様に、従来のＳｉフォトダイオードの相対的分光感度スペクトル（図中のＳｉ−ＰＤで示す破線）の一例である。ここで、Ｓｉフォトダイオードの分光感度スペクトルは、ディスクリート部品であるフォトダイオードによるものである。これに対し光電変換素子１００の分光感度スペクトルにおいては、半導体基板１の内部に形成したシリコンゲルマニウム（ＳｉxＧｅ1-x）領域６におけるゲルマニウムの含有量を５０％（ｘ＝０．５）時の吸光係数、及び入射光(図２(a)における破線矢印）の進行方向におけるシリコンゲルマニウム領域６の長さを５０μｍと仮定したものである。シリコン単体（Ｓｉ−ＰＤ）では、波長９００ｎｍ（ナノメータ）よりも波長が長くなると急激に分光感度が低下する傾向があり、近赤外領域で使用する場合には必ずしも十分な分光感度とは言えなかった。これに対し本実施例（ＳｉＧｅ−ＰＤ）では、シリコン基板内に形成された光電変換領域に入射光方向に沿って、ゲルマニウム原子が分布しているため、長波長側の分光感度が１０００ｎｍ以上、例えば１１００ｎｍ付近まで拡大していることが分かる。本実施例では、主に近赤外光の感度向上を目的に説明したが、シリコンゲルマニウムからなる光電変換領域は、Ｘ線検出感度の改善効果も有する。ゲルマニウムの原子番号は３２であり、シリコンの原子番号１４よりも大きいからである。

一方、さらに近赤外光及びＸ線検出感度を向上させるための手段について説明する。第二の実施例に係る光電変換素子１０１の要部断面構造を図３（ａ）に、Ｘ−Ｙ平面構造を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）の断面構造図は、図２（ａ）と同じく、Ｙ−Ｚ平面に平行な断面図である。光電変換素子１００と同様に、半導体基板１の内部に形成した光電変換領域の近傍にゲルマニウムを含むシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）領域が形成されていてもよい。光電変換領域のフォトダイオードを構成するｎ型の高濃度不純物領域７には、一般にリン（Ｐ）がドープされている。Ｚ軸方向に深い不純物分布を形成することが容易だからである。これに対し、本実施例ではｎ型高濃度不純物領域にリン（Ｐ）よりも原子番号の大きな元素を使用する。即ち、シリコン基板（又はウェル）がｐ型の場合には、ヒ素（Ａｓ)又はアンチモン（Ｓｂ)を使用する。同図の右側に、Ｓｉ基板厚さ方向（Ｚ軸方向）におけるヒ素（Ａｓ）又はアンチモン（Ｓｂ）含有量（Ｃｏｎｃ．)の分布を示す。ヒ素又はアンチモンの濃度は、Ｓｉ基板厚さ方向に均一である必要はなく、図示するように入射光２の通過する領域に分布していればよい。このような濃度分布は、ヒ素又はアンチモンイオンのイオン注入とその後の熱拡散工程等により容易に形成できるメリットがある。なお、シリコン基板（又はウェル）がｎ型の場合には、ｐ型高濃度不純物領域としてガリウム（Ｇａ)又はインジウム（Ｉｎ)を使用する。従来、深いフォトダイオード形成に好適であったボロン（B）よりも原子番号が大きいからである。このように光電変換素子１０１においては、X線に対する分光感度スペクトルを高感度化、或いはより高エネルギー側に拡大することができ、また近赤外光対する分光感度スペクトルを高感度化、或いはより長波長側に拡大することができる。

図３（ｂ）は、第二の実施例における光電変換素子１０１の他の変形例に係る光電変換素子１０２のＸ−Ｙ平面図である。従来、Ｘ線検出器とＸ線が透過する被写体との間にコリメータを配置することにより、斜め方向に入射する不要Ｘ線を遮蔽する方策が取られている。他方、上記実施例に係る光電変換素子のように、シリコン基板を使用したモノリシックなＸ線検出可能な光電変換素子が実現すると、画素の微細化も容易になる。これに対し、コリメータの微細加工には限界があるため、本発明に係る光電変換素子１０１の解像度を十分生かせない場合も考えられる。これを解決るため、図３（ｂ）に示す光電変換素子１０２においては、受光窓が並ぶ受光面上にコリメータ部材４５が直接積層された構造を有している。半導体基板１とコリメータ４５は、図示していない支持体と一体形成されており、コリメータ部材４５は、例えば、タングステン原子を含む気相成長薄膜であり、そのＹ軸方向の長さは、例えば、１０ミクロンメータ以上３ミリメータ以下に設定することができる。本構造により、半導体基板からなる光電変換素子においても、Ｘ線像に対する高解像度化と低偽信号（高画質化）を両立させることが容易になり、コリメータを外付けする負荷も解消することができる。

図４（ａ）及び（ｂ）を用い、第三の実施例について説明する。図４（ａ）は、図１（ａ）における破線矢印Ａ−Ａ’部で示す部位における断面構造図と同様に、光電変換素子１０３の要部断面構造であり、図４（ｂ）は、光電変換素子１００、及び本実施例に係る光電変換素子１０２の分光感度スペクトルである。図４（ａ）に示すように、本実施形態では、シリコン基板１の内部であって、入射光２が照射される受光面側からシリコン基板１の内部（図面上右）方向に長さＬの高濃度不純物領域３３が形成されている。光電変換領域を形成する高濃度不純物領域７は、高濃度不純物領域３３よりもさらにシリコン基板１の内部（図面上右）方向に位置するように形成されている。高濃度不純物領域３３の延在距離Ｌは、例えば、１μｍ以上かつ２０μｍ以下である。また、シリコン基板１がｐ型の半導体基板であれば、高濃度不純物領域３３はボロン（Ｂ）を含むｐ型高濃度不純物領域であり、シリコン基板１がｎ型の半導体基板であれば、高濃度不純物領域３３はリン（Ｐ）を含むｎ型高濃度不純物領域である。

図４（ｂ）は、入射光波長（λ）に対する光電変換素子１０３の相対的分光感度（Ｒ．Ｓ．）スペクトルである。即ち、高濃度不純物領域３３の延在距離Ｌ２が１０μｍの場合の相対的分光感度スペクトル（Ｌ２で示す実線）であり、同様に、光電変換素子１００における側面部高濃度不純物領域２１の延在距離Ｌ１が０．０５μｍの場合の相対的分光感度スペクトル（Ｌ１で示す破線）である。本実施例における光電変換素子１０３の分光スペクトル（実線）が示すように、入射光波長８００ｎｍよりも短波長側で急激に感度が減衰している。言い換えると、光電変換素子１０３は紫外光や可視光の検出感度を減衰させるローパスフィルタの機能を有している。そのため例えば、光電変換素子１０３を用いることにより、測定環境下における可視光等を含む外乱光の影響を受けにくい近赤外光検出装置を実現することができる。

図５（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）を用い第四の実施例について説明する。図５（ａ）は、例えば、Ｘ線検出に好適な光電変換素子１０４のＸ−Ｙ平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＢ−Ｂ’部における断面構造図であり、図５（ｃ）は同じく図５（ａ）におけるＣ−Ｃ’部の断面構造図である。光電変換素子１０４は、上述の光電変換素子１００乃至１０２と同様に、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む領域（図５（ｂ）及び（ｃ）における破線で示した領域６）であって、そのＺ軸方向における位置は、シリコン基板１のほぼ中央付近にある。入射光２に対する光電変換効率を最大にするためである。シリコン基板のＺ軸方向における厚さ（ｄ）は、好適には、５〜２０μｍであり、使用するシリコン基板１の高抵抗化が避けられ、かつ素子分離領域（８−１、８−２）の形成を容易にすることができる。素子分離領域８−１、８−２は、半導体基板裏面の高濃度（ｐ型）不純物層２５に接触する程度の深さに形成され、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ)と同様に、素子分離領域に相当するシリコン基板に溝を掘り、そこにＳｉＯ2などのＣＶＤ酸化膜を埋め込んだ構造である。

さらに本実施例では、画素間の素子分離領域（８−１）、及び画素と画素信号走査読み出し回路部との間、即ち、受光面と対抗する位置にある素子分離領域（８−２）のいずれにおいても素子分離領域内部に原子番号が４２（モリブデン）以上の重金属を含む遮光膜１０が埋め込まれた構造を有する。より好適には、例えば、タングステンを含む遮光膜が使用される。Ｘ線に対する遮蔽効果が高いからである。図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように、素子分離領域８−１、８−２、及び遮光膜１０は、光電変換素子１０４の裏面に形成された遮光膜３１に到達する深さまでＺ軸方向に埋め込まれた構造を特徴としている。本構造により、図５（ｂ）に示すように、例えば、入射Ｘ線が光電変換領域を超えて画素信号走査読み出し回路部側に侵入するリスクを低減することができる。同様に図５（ｃ）に示すように、入射Ｘ線の一部が隣接画素に漏洩するリスクを低減することができる。なお、例えばタングステンを含む遮光膜１０によるＸ線の遮蔽効果を得るため、タングステンを含む遮光膜１０の膜厚を例えば１００μｍ以上に厚膜化する必要が無い。遮光膜の延在方向と入射光２（例えば、Ｘ線）の入射方向が、いずれも図５（ａ）のＹ軸方向に沿っているからである。本構造により、入射Ｘ線が隣接画素に到達するリスクを軽減し、かつ隣接する光電変換領域間における信号電荷の漏洩（クロストーク）を抑制することができる。これに対し、従来、光電変換素子（シリコン基板面に対し垂直方向に入射する構造）において、Ｘ線や近赤外光（ＮＩＲ)の感度を高めるため基板厚さ方向に光電変換領域を拡台すると、逆に基板深部において発生した信号電荷が隣接する画素に漏洩するリスクが高まるというジレンマがあった。しかし、本実施例の構造においては、素子分離領域の構造と光電変換領域の構造が背反することなく実現可能でありまた製造方法も容易である。その結果、Ｘ線、及び近赤外光等の長波長光入射時においても隣接画素間におけるクロストークを効果的に抑制できるという特段の効果を奏するものである。

図６（ａ）及び（ｂ）を用い、第五の実施例に係る光電変換素子１０５と１０６の構造を説明する。図６（ａ）は、Ｘ軸方向から見た光電変換素子１０５のＹ−Ｚ面に平行な要部断面図である。光電変換素子１０５は、上述の光電変換素子１００又は１０１と同様に、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む領域（破線で示した領域６）であって、そのＺ軸方向における位置は、シリコン基板１のほぼ中央付近にある。本実施例ではさらにマイクロレンズ等の光学部材を積層する構造を開示する。光学部材４７は、凸形のマイクロレンズであり、光学部材４９は、凹形のマイクロレンズであり、光学部材５１は、互いの屈折率が異なる部材５１−１と５１−２から構成される光導波路である。マイクロレンズ等に使用する材料は、入射光の波長等考慮して選択されるが、特に屈折率の波長依存性に留意すべきである。本実施例ではこれら三種類の光学部材をすべて使用した例を図示しているが、光路計算等に基づきいずれかを適宜選択すればよい。好ましくは、マイクロレンズの中心部（図中のＣＬで示す位置）を通った入射光は、半導体基板の厚さ（Ｚ軸）方向において、半導体基板表面から距離ｄ１だけ離れた位置を通過するようにマイクロレンズが配置されている。ここで、ｄ１は、光電変換素子１０５のＺ軸方向の厚さｄの約１／２である。

入射光を効率的に集光することにより感度を向上させることができる点は、従来の光電変換素子上のマイクロレンズの効果と類似するが、本構造ではさらに以下に説明するような特段の効果を奏する。即ち、従来の光電変換素子においては、入射光が同図のＺ軸方向上部から入射し光電変換領域７を通過し、半導体基板底面方向に向かう。しかし、特に７００ｎｍ以上の長波長光の場合には、シリコン基板を用いるとシリコン基板の厚さｄ及び光電変換領域７の深さを拡大することにより感度を確保せざるを得なかった。そうすると、製造工程は汎用のＣＭＯＳ製造工程とは異なる技術及び高抵抗基板等の特殊材料の導入が必要になり、また駆動電圧の増大が避けられない。既に説明した通り、光電変換領域７の深さを深く形成しても、逆に隣接する光電変換領域間においてクロストークが増加するという弊害を生ずる。これに対し、本実施例では、入射光は、光電変換領域近傍であってＸ−Ｙ平面に平行な方向に延在するシリコンゲルマニウム領域６のみを貫通するように同図左側から右方向に進むので、シリコン基板の厚さｄをさらに拡大するまでもなく、効率的な光電変換と長波長光感度の向上が同時に達成可能である。シリコンゲルマニウム領域６の上記入射光方向の長さを例えば５〜１００μｍの範囲に設定し、製造することは通常のパターニング（リソグラフィー）で解決できるからである。

図６（ｂ）は、上記光電変換素子１０５の変形例に係る光電変換素子１０６をＸ軸方向から見た場合の要部断面図である。本実施例では、マイクロレンズ等の光学部材のＺ軸方向における光学中心の位置（ＣＬ)、即ち、光電変換素子表面からの距離ｄ２が光電変換素子の厚さｄの１／２よりも小さい（ｄ２＜ｄ１）ことを特徴としている。本構造により、ＳｉＧｅ形成領域６をＺ軸方向においてより浅く形成できるため、イオン注入時のＧｅイオンの加速エネルギーを下げること、熱処理工程の低温化或いは短時間化が可能になる。また、図示するように、マイクロレンズ等の集光光学系により入射光の光束を細く絞ることにより、Ｇｅイオンが最も高濃度に分布している領域を狙って集中的に照射させることができる。本構造により、シリコン基板等の半導体基板自体の厚さｄもさらに薄くすることが可能になり、その結果、素子分離領域８−２の形成、即ち素子分離領域８−２のＺ軸方向のシャロー化も可能になり、クロストーク等のさらなる改善効果、及び近赤外光等の長波長光に対する感度改善も同時に実現する。本実施例では、マイクロレンズ４７の直径が光電変換素子の厚さｄとほぼ同等であるが、さらに感度を向上させるため、後述するようにマイクロレンズ４７の直径を光電変換素子の厚さｄよりも大きく設定しても良い。

図７（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）を用い、第六の実施例に係る光電変換素子１０７と１０８の構造を説明する。図７（ａ）は、光電変換素子１０７をＺ軸方向から見たＸ−Ｙ平面図である。光電変換領域等は、上述の光電変換素子１００又は１０１等と同様であるが、シリコン基板の側面部には、マイクロレンズ４７、及び４９が形成されている。説明のため、敢えてマイクロレンズを有しない受光部を一か所図示している。なお、シリコン基板の側面部には、さらに遮光膜５９が隣接する受光窓間に積層されている。マイクロレンズを有している受光部に入射する光の殆どは光電変換領域を構成する高濃度不純物領域７の延在（Ｙ軸）方向に沿って進むため、隣接する光電変換領域に侵入するリスクが低い。他方、図示するように、マイクロレンズを有しない受光部では、Ｙ軸方向とは異なる入射角で侵入した入射光、特に７００ｎｍ以上の長波長光の場合、入射光が大きく減衰することなく隣接する複数の光電変換領域において光電荷を発生させるリスクが高くなり、クロストークを増大させる。光電変換領域或いは空乏層領域の近傍において発生した光電荷については、素子分離領域８−１によって隣接する光電変換領域に漏洩することを防止することができる。光学部材、例えば凸形のマイクロレンズ４７、及び凹型のマイクロレンズ４９を組み合わせることにより、入射光の広がりを抑制、或いは絞り、さらに平行な光束形状とすることにより、隣接する光電変換領域への入射光そのものの漏洩も抑制しているため、近赤外光等の長波長光の感度改善とクロストークの抑制の双方を同時に実現する。

図７（ｂ）は、他の実施例に係る光電変換素子１０８をＺ軸方向から見たＸ−Ｙ平面図である。シリコン基板の側面部には、図７（ａ）と同様にマイクロレンズ６１が形成されている。また図７（ａ）と同様、遮光膜５９がシリコン基板とマイクロレンズ６１の間に配置されている。本実施例におけるマイクロレンズ６１は、半球状或いはドーム形状ではなく、レンチキュラーレンズ（かまぼこ型）である。図７（ｃ）は、マイクロレンズ６１をＸ軸方向から見た断面図である。このように、マイクロレンズ６１は連続する一本の棒状のレンズ形状でるため、マイクロレンズの加工、成型、装着が極めて容易になるという効果を奏する。なお、後述するように、複数の光電変換素子１０８をＺ軸方向に積層した積層型光電変換素子（図８（ｃ））である場合には、マイクロレンズ６１の取り付け方向は、図７（ｂ）と同じでもよく、また９０°異なるＺ軸方向に平行な方向に装着してもよい。

図８（ａ）に、第七の実施例に係る光電変換素子１０９をＸ軸方向から見たＹ−Ｚ面に平行な要部断面図をしめす。光電変換領域等の構造は、上述の光電変換素子１００又は１０１等と同様であるが、積層された光学部材４７は、凸形のマイクロレンズであり、光学部材５２は、凸形のマイクロレンズ４７とシリコン基板１との間に置かれたテーパ構造の光導波路である。本実施例では、マイクロレンズ４７の直径ｄ３が、シリコン基板の厚さｄよりも大きいため、さらに感度を向上させることができる。マイクロレンズ４７の形状は、後述するようにレンチキュラー構造であっても良い。同図面に垂直な（Ｘ軸）方向において隣接する複数の受光窓の配列ピッチを考慮する必要が無いためである。

図８（ｂ）に、第八の実施例に係る光電変換素子１１０をＸ軸方向から見たＹ−Ｚ面に平行な要部断面図を示す。光電変換領域等の構造は、上述の光電変換素子１００又は１０１等の場合と同様である。光学部材５３は、光導波路であってフレキシブルな光ファイバーが光電変換素子１１０に一体的に取り付けられている。本構造により、検出すべき光信号に対し、自由に光ファイバーの先端を近づけ、或いは方向を変更することができる。そのため、外光の影響を受けにくく、しかも一つの光電変換素子を用い、多数チャンネルの光信号の同時計測を高精度に行うことができる。

図８（ｃ）に第九の実施例に係る、積層型光電変換素子１２０の斜視図を示す。積層型光電変換素子１２０は、図８（ｂ）における光電変換素子１１０を３層（１１０−１、１１０−２、１１０−３）重ねた構造であり、各光電変換素子の受光面には、光ファイバー５３が直線状に並んだ帯状の光ファイバーケーブル５４−１、５４−２、及び５４−３がそれぞれ取り付けられている。なお、後述するように（例えば図１３（ｂ））、受光面が各光電変換素子の二以上の側面部に二以上の光ファイバーケーブルを取り付けても良い。本構造により、光ファイバー５３の本数或いはチャネル数を飛躍的に増大させることができ、後述するように、一次元（ライン状）の受光面からなる光電変換素子であっても、二次元（エリア）の光情報を高速に検出及び信号処理が可能になる。

図９（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）を用い第十の実施例について説明する。図９（ａ）は、光電変換素子１１２のＸ−Ｙ平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるＤ−Ｄ’部における断面構造図であり、図９（ｃ）は、光電変換素子１１２を受光面側（Ｙ軸方向）から見た場合の断面構造図である。光電変換素子１１２は、上述の光電変換素子１００乃至１０２と同様に、例えば、シリコン基板１の内部にゲルマニウム（Ｇｅ）をドープした領域を有している（図９（（ｂ）及び（ｃ）における破線で示した領域６）。本実施例は、光電変換素子１１２の上面に反射膜３２を積層している。図９（ａ）では、構造を説明するために敢えて反射膜３２の一部を除去し、光電変換領域７、素子分離領域８−１が見えるように描かれている。反射膜３２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ)、銅（Ｃｕ)、又は金（Ａｕ)を含む金属反射膜である。さらに、画素間の素子分離領域８−１及び画素部と画素信号走査読み出し回路部との間の素子分離領域８−２の内部にも同様の金属反射膜１０−１及び１０−２が埋め込まれている。

図９（ｂ）に示すように、素子分離領域８−２は、例えばトレンチアイソレーションであって、シリコン基板１に溝を形成し、その側壁をＣＶＤシリコン酸化膜等で被覆し、金属反射膜１０−２を埋め込んだ構造である。また、図（ｃ）に示すように、素子分離領域８−１は、同様にトレンチアイソレーションであって、シリコン基板１に溝を形成し、その側壁をＣＶＤシリコン酸化膜等で被覆し、金属反射膜１０−１を埋め込んだ構造である。さらに、光電変換素子１１２の底部にも金属反射膜からなる遮光膜３１が積層されている。そして、上記の金属反射膜１０−１及び１０−２は、その端部において金属反射膜（遮光膜）３２及び３１と接触している。本構造により、入射光２が光電変換素子１１２の受光面に入射すると、光電変換領域において吸収されなかった光は、図（ｂ）内の破線矢印及び図（ｃ）に示すように、金属反射膜３２，３１、１０−２、１０−１の表面において反射される。その結果、これらの金属反射膜により囲まれた光電変換領域内部において入射光が多重反射し実効的な光電変換領域内の光路長を延長する効果が得られるため、特に吸光係数が低下する近赤外領域における光電変換効率を増大させ高感度化することができる。言い換えると、同じ感度を得るために必要な光電変換領域の面積、即ち高濃度不純物領域７のＹ軸方向における延在距離を短縮することができるため、フォトダイオード部の容量を減少させ光電荷の読み出し速度を高速化することができる。

図１０は、光電変換素子１１２の変形例に係る光電変換素子１１３のＸ軸方向から見た要部断面構造図（ａ）、及びＹ軸方向から受光面を見たときのＸ−Ｚ平面図である。図１０（ａ）に示すように、光電変換素子１１２と同様に、高濃度不純物領域７からなる光電変換領域７の周囲は金属反射膜３１、３２、１０−２及び１０−１（図示せず）により囲まれている。さらに本実施例では、受光面上に開口部３６を有する金属反射膜３４が積層されている。本実施例では、マイクロレンズ４７等により集光された入射光２が金属遮光膜３４の開口部３６を通り、光電変換素子１１３の光電変換領域内に入る。図１０（ｂ）に示すように、金属反射膜３４に形成された開口部３６の形状はマイクロレンズ４７の特性に応じて最適化することができる。本実施例では、開口部３６は、長方形であるが円形であってもよい。本構造により、光電変換素子１１２における効果、即ち金属遮光膜３１、３２、１０−２及び１０−１の表面における入射光の反射に加え、さらに金属反射膜３４による入射光の反射が加わる。図（ａ）の破線矢印で示すように、金属反射膜１０−２において反射した入射光はさらに金属反射膜３４の表面で再度反射することにより、光電変換領域内部を繰り返し通過し減衰することになる。このように、光電変換領域内部における多重反射を繰り返すことにより、光電変換素子１１２の場合に比べさらに高感度化が可能になる。

図１１（ａ）、及び（ｂ）を用い、第十一、及び第十二の実施例について説明する。図１１（ａ）は、光電変換素子１１４のＸ−Ｙ平面図である。主として、上記光電変換素子１１２、或いは１１３と異なる部分について説明する。光電変換素子１１２、１１３においては、画素部と画素信号走査読み出し回路部との間の素子分離領域内部の金属反射膜１０−２は、受光面と対向するようにＸ−Ｙ平面視座上、平行に配置されていたが（図９（ａ）、（ｂ））、本実施例では、図１１（ａ）に示すように金属反射膜１０−２に替えて受光面に対しＸ−Ｙ平面視座上、非平行になるように角度を持たせた２種類の金属反射膜１０−３、及び１０−４を設けたことを特徴とする。例えば、金属反射膜１０−３、１０−４は、Ｘ軸に対しそれぞれ１３５度と４５度の角度を持たせている。本構造により、入射光２が上記画素部と画素信号走査読み出し回路部との間の素子分離領域内の金属反射膜（１０−３、１０−４）によって反射し、再び開口部３６から外部に戻される入射光成分を減少させることができるのでさらに感度が向上する。

図１１（ｂ）は、光電変換素子１１５のＸ−Ｙ平面図である。主として、上記光電変換素子１１２、或いは１１３と異なる部分について説明する。光電変換素子１１５には、マイクロレンズ４７が積層され、マイクロレンズ４７を通過した入射光が光電変換領域７−１に入射する。なお、１８−１、１８−２、１８−３は、周辺回路ブロックである。光電変換素子１１２、１１３においては、画素間の素子分離領域内部の金属反射膜１０−１は、互いに対向するようにＸ−Ｙ平面視座上、Ｙ軸方向に平行に配置されていたが（図９（ａ）、（ｃ））、本実施例では、図１１（ｂ）に示すように金属反射膜１０−１に替え、Ｘ−Ｙ平面視座上、互いに非平行になるように角度を持たせた２種類の金属反射膜１０−５、及び１０−６を設け、さらに入射光が光電変換領域７−１の内部に進むにつれ光電変換領域の幅がＸ−Ｙ平面視座上細くなり、幅の狭い光電変換領域７−２につながったロート状の形状であること特徴としている。本構造により、隣接する画素間におけるクロストークを抑制し、光路長を短くすることなくフォトダイオード容量を小さくすることができる。また、周辺回路ブロック１８−１、１８−２等を光電変換領域間にも配置できるので、光電変換素子の小型化も可能になる。

図１２（ａ）、及び（ｂ）は、それぞれ第十三の実施例に係る光電変換素子１１６の要部断面図、及び波長フィルター４０の透過率分光スペクトル図である。光電変換素子１１６は、上述の光電変換素子１００乃至１０２等と同様に、例えば、シリコン基板１の内部にゲルマニウム（Ｇｅ）をドープした領域６を有している（図１２（（ａ）における破線で囲まれた領域）。本実施例ではさらに、受光面上に波長フィルター４０がモノリシックに形成されている。波長フィルター４０は、光入射面に形成された反射膜４４、及び反射膜４４と平行に形成された反射膜４６が平行に配置され、これら２枚の反射膜４４と４６により媒質部４２（幅Ｌ３）が挟まれた構造をしている。このように対抗する反射面の多重干渉を利用することにより、周期的な透過ピークを有しかつ半値幅の狭い透過光（２−１）が得られる。言い換えると、特定波長域を通過させるバンドパスフィルターを構成している。好適には、反射膜４４と４６は、その反射率が５０％以上かつ１００％未満である。反射率が高くなると、透過率Ｔ（％）のピークスペクトルは鋭くなるが、その半値幅が狭くなり、光電変換素子１１６の感度も低下する傾向にある。媒質部４２は、例えば、近赤外光を前提とした場合、シリコン基板１、或いはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が好適である。近赤外光に対する吸収係数が小さいためであり、またシリコン半導体製造プロセスにおいて広く使われている材料だからである。後述するように、媒質の種類、２枚の反射膜間の距離Ｌ3、及び反射膜４４、４６の反射率等により、波長フィルター４０の分光透過率のスペクトル形状を変えることができる。

図１２（ｂ）は、媒質がシリコンであって距離Ｌ３が０．００１ｍｍ、反射膜４４、４６の反射率が７０％の場合の波長フィルター４０の透過率の分光スペクトル図の一例である。光電変換素子１１６を用いれば、発光ダイオード光源と組み合わせたタイムオブフライト（ＴＯＦ）方式の高速・高精度の測距装置が可能になる。例えば、図（ｂ）に示すように、フィルター４０の透過率が高い波長λ１（８０５ｎｍ）、或いは波長λ2（９１０ｎｍ）と同等の波長の光を出射する発光ダイオードを用いることにより、これら以外の波長域にある背景光や迷光の影響を受けにくい測距装置が得られる。また、波長フィルター４０は、光電変換素子１１６のシリコンウエーハレベルにおける製造工程内において一体的に形成可能であり、かつそのフィルター特性は、反射膜の反射率（Ｔ％）、媒質の種類、２枚の反射膜間の距離（Ｌ３）等の調整により容易にかつ精密に設計、製造可能であるという特段の効果を奏する。

図１３（ａ）は、第十四の実施例に係る光学測定装置であって、光電変換素子１１０と光学系を組み合わせた光学測定装置２００の平面的な模式図である。光電変換素子１１０の受光面には後述する複数の光ファイバー５３を多チャンネル束ねた光ファイバーケーブル５４が２系統装着されている。光ファイバーケーブル５４の他の一端は、光ファイバー受光面５５に接続している。この光ファイバー受光面５５は、必ずしも光電変換素子１１０のように一直線上に並んでいる必要は無く、例えば、ｍ×ｎチャンネル（ｍ、ｎは２以上の整数）の二次元的受光面とすることができる。本構成により、レンズ光学系５７を用い、光ファイバー受光面（５５）上に二次元被写体像を結像することができる。また、図示するように、受光面５５と光学系５７を二系統以上設けることも容易であり、広角度、ステレオ、或いは多点測距も可能である。本構造により、時間、空間、エネルギー分解能に優れた光学測定装置、例えば、タイムオブフライト（ＴＯＦ）法に基づく高精度の多方向、或いは３６０度の距離計測装置を実現することができる。

図１３（ｂ）は、光電変換素子１１０の変形例であり、また図１３（ａ）における光電変換素子として使用する場合に好適な光電変換素子１１１の構造図である。光電変換素子１１０においては、受光面が矩形のシリコン基板の一側面部のみに形成されていたが、光電変換素子１１１においては、矩形のシリコン基板の二側面部に受光面が形成されている。そのため、電荷読み出し回路部も二系統（９ーＬ，９ーＲ）設け、その他の回路含む周辺回路ブロック１９に接続している。本構造により、光ファイバー５３の本数が増加した場合においても光電変換素子の形状が極端に細長くなることを避けることができ、また光ファイバー５３を左右に分けて接続することができるので、例えば、２系統の受光面５５、及び光学系５７と組み合わせる場合に好適である。さらに、離れた場所にある複数の受光面５５（図１３（ａ）等）からの信号を単一の光電変換素子１１１により検出し、周辺回路ブロック１９内の同一の信号処理回路を共有することにより、複数の受光面（５５）間の相関演算等の画像信号処理を高速かつ高精度に実行することができる。なお、四角形のシリコン基板の三又は四側面部を光ファイバー５３に対する受光面とすることもできる。

図１３（ｃ）、（ｄ）を用い、図１３（ａ）における受光面５５と光ファイバーケーブル５４、及び光電変換素子１１０との関係をさらに詳しく説明する。図１３（ｃ）に示すように、受光面５５−１は、四角形であり、その中に多数の光ファイバー（５３−１）が束ねられて格納されている。破線で示された円５８−１は、集光光学系５７による結像面である。これに対し、図１３（ｄ）における受光面５５−２は、円形であり、その中に多数の光ファイバー（５３−２）が束ねられて格納されている。破線で示された円５８−２は、集光光学系５７による結像面である。このように、受光面５５−２と結像面５８−２は共に円形かつその直径がほぼ等しいので、同じ解像度、即ち光ファイバーの本数が同一の場合には、受光面５５の小型化が可能になるので、特に体内に挿入する場合等に好適である。

本願発明により、シリコン基板側面部を受光面とする光電変換素子の高感度化、特にＸ線等の高エネルギー線、及び近赤外光等の長波長光に対する高感度化、及び外乱光やノイズの影響を受けにくい構造を実現したので、医療分野、車載用途、その他工業計測分野等への幅広い応用が期待される。

１・・・半導体基板、２・・・受光部への入射光、２−１・・・波長フィルターを通過した光、３・・・半導体基板側面部の絶縁膜層、4・・・入出力端子、５・・・受光窓、６・・・ＳｉＧｅ領域、７、７−１、７−２・・・光電変換領域における高濃度不純物領域、８、８−１，８−２・・・素子分離領域、９・・・電荷読み出し回路部、１０、１０−１、１０−２、１０−３、１０−４、１０−５、１０−６・・・金属を埋め込んだ素子分離領域、１１・・・タイミングパルス発生回路、１３・・・デジタル信号処理回路、１５・・・ＡＤ変換回路、１７・・・インターフェース回路、１８−１、１８−２、１８−３・・・周辺回路ブロック、１９・・・周辺回路部、２１・・・半導体基板側面部の高濃度P型半導体領域、２３・・・光電変換領域表面の高濃度P型半導体領域、２５・・・半導体基板裏面の高濃度不純物領域、２７・・・半導体基板表面部の絶縁膜層、３１・・・半導体基板裏面の遮光膜層、３２・・・半導体基板上面部の遮光膜、３３・・・受光面側からシリコン基板内部に向かって形成された高濃度不純物領域、３４・・・半導体基板側面部の開口部を有する遮光膜、３５・・・リセット端子、３６・・・開口部、３７・・・浮遊拡散層，３９・・・読み出しゲート、４０・・・波長フィルター部、４１・・・ソースフォロアアンプ、４２・・・２枚の反射膜４４と４６に挟まれた媒質部、４３・・・リセットドレイン、４４・・・光入射面に形成された反射膜、４５・・・コリメータ、４６・・・反射膜４４と平行に形成された反射膜、４７・・・凸レンズ、４９・・・凹レンズ、５１・・・光導波路、５１−１、５１−２・・・それぞれ屈折率が異なる光導波路部材、５２・・・他の光導波路の一例、５３、５３−１、５３−２・・・光ファイバー、５４、５４−１、５４−２、５４−３・・・光ファイバーケーブル、５５、５５−１、５５−２・・・光ファイバーケーブル受光面、５７・・・集光光学系、５８−１、５８−２・・・集光光学系による投影画像領域、５９・・・半導体基板側面部の受光窓以外を被覆する遮光膜、６１・・・レンチキュラーレンズ、１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６・・・本発明に係る光電変換素子、１２０・・・本発明に係る積層型光電変換素子、２００・・・光学測定装置

（ａ）は本発明に係る光電変換素子１００の斜視図とその三次元座標軸であり、（ｂ）は光電変換素子１００の回路ブロックを説明するためのＸ−Ｙ平面図である。 （ａ）は図１（ａ）における破線矢印Ａ−Ａ’の位置における光電変換素子１００の断面図である。（ｂ）は光電変換素子１００の分光スペクトル図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０１の断面図であり、（ｂ）は光電変換素子１０１の変形例に係る光電変換素子１０２の構造を説明するためのＸ−Ｙ平面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０３の断面図であり、（ｂ）は光電変換素子１０３の分光スペクトル図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０４の要部Ｘ−Ｙ平面図である。（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ’部における断面図であり、（ｃ）は同じくＣ−Ｃ’部における断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０５のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０６のＹ−Ｚ面から見た要部断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０７の要部Ｘ−Ｙ平面図であり、（ｂ）は光電変換素子１０７の変形例に係る光電変換素子１０８の要部Ｘ−Ｙ平面図であり、（ｃ）は、同じく光電変換素子１０８のマイクロレンズ６１のＹ−Ｚ面から見た断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１０９のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１０のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｃ）は光電変換素子１１０をＺ軸方向に積層した積層型光電変換素子１２０の斜視図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１２の要部Ｘ−Ｙ平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示したＤ−Ｄ’部におけるＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｃ）は光電変換素子１１２を入射光側のＹ軸方向から見た場合の要部断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１３のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は光電変換素子１１３を入射光側のＹ軸方向から見た場合の要部Ｘ−Ｚ平面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１４の要部Ｘ−Ｙ平面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１５の要部Ｘ−Ｙ平面図である。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１６のＹ−Ｚ面から見た要部断面図であり、（ｂ）は波長フィルター４０の透過分光スペクトル図である。 （ａ）は光学測定装置２００の構成を示す平面図である。（ｂ）は本発明の他の実施例に係る光電変換素子１１１に複数本の光ファイバーを接続した構造を説明するためのＸ−Ｙ平面図である。（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ光ファイバー受光面５５−１、及び５５−２の形状を説明するための平面図である。

Claims (26)

1. シリコン基板の集積回路が形成された面をＸ−Ｙ平面、前記Ｘ−Ｙ平面に垂直な前記シリコン基板の厚さ方向をＺ軸と定義した場合、前記シリコン基板の側端部を受光面とする光電変換領域を有し、該光電変換領域にゲルマニウムを含むシリコンゲルマニウム領域が前記Ｘ−Ｙ平面に平行な方向に沿って延在し、かつ前記Ｚ軸の方向におけるゲルマニウムの最大濃度ピークの位置が前記Ｚ軸の方向における前記シリコン基板の中心付近に位置していることを特徴とする光電変換素子。
2. 前記光電変換領域を形成する高濃度不純物領域にヒ素、アンチモン、ガリウム又はインジウムのいずれかを含む請求項１に記載の光電変換素子。
3. 前記光電変換領域を取り囲む素子分離領域の下部が前記シリコン基板の前記集積回路が形成された面とは反対側の裏面側まで延在して形成されている請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
4. 前記シリコン基板の前記Ｚ軸の方向における厚さが５ミクロンメータ以上かつ２０ミクロンメータ以下である請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
5. 前記光電変換部領域を取り囲む素子分離領域の内部であって前記Ｚ軸の方向に前記素子分離領域の上部から下部に向かって原子番号が４２以上の重金属を含む金属遮光膜が埋め込まれている請求項３又は請求項４に記載の光電変換素子。
6. 前記金属遮光膜にタングステンを含む請求項５に記載の光電変換素子。
7. 前記受光面の上部にＸ線の透過を抑制するコリメータ層を積層した請求項1乃至請求項６のいずれか一項に記載の光電変換素子。
8. シリコン基板の集積回路が形成された面をＸ−Ｙ平面、前記シリコン基板の厚さ方向をＺ軸と定義した場合、前記シリコン基板の側端部を受光面とする光電変換領域を有し、前記光電変換領域を取り囲む素子分離領域の下部が前記シリコン基板の前記集積回路が形成された面とは反対側の裏面側まで延在して形成され、かつ前記光電変換領域を取り囲む素子分離領域の内部であって前記Ｚ軸の方向に前記素子分離領域の上部から下部に向かって金属反射膜を埋め込んだ光電変換素子。
9. 前記シリコン基板の前記集積回路が形成された面の上側であって少なくとも前記光電変換領域と前記電変換領域を取り囲む素子分離領域の上部、及び前記集積回路が形成された面とは反対側の裏面上であって少なくとも前記光電変換領域と前記光電変換領域を取り囲む素子分離領域の上部に金属反射膜を積層した請求項８に記載の光電変換素子。
10. 前記受光面上に開口部を有する金属反射膜が積層された請求項８又は請求項９に記載の光電変換素子。
11. 前記金属反射膜がアルミニウム、銅、又は金のいずれかを含む請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の光電変換素子。
12. 前記受光面と対向する位置にあり画素部と画素信号読み出し走査回路間の素子分離領域の形状が、Ｘ−Ｙ平面視座上、前記受光面と非平行である請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光電変換素子。
13. 画素間にある素子分離領域の形状が、Ｘ−Ｙ平面視座上、前記受光面から前記シリコン基板の内部方向に向かって前記光電変換領域の幅を狭めるロート状である請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載の光電変換素子。
14. 前記受光面の上部側にさらにマイクロレンズ又は光導波路、或いはこれらを組み合わせた光学部材を積層した請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光電変換素子、或いは請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
15. 前記光学部材の前記Ｚ軸の方向の寸法が前記光電変換素子の前記Ｚ軸の方向の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の光電変換素子。
16. 前記光学部材における光学中心線の前記Ｚ軸の方向における位置が、前記シリコン基板の表面から前記シリコン基板の厚さの１／２に相当する距離との間に位置するように前記光学部材が配置されている請求項１４又は請求項１５に記載の光電変換素子。
17. 前記光学部材が、前記シリコン基板の側端部の前記受光面に沿うように積層されたレンチキュラーレンズである請求項１４乃至請求項１６のいずれか一項に記載の光電変換素子。
18. 前記光電変換領域にゲルマニウムを含むシリコンゲルマニウム領域が前記Ｘ−Ｙ平面に平行な方向に沿って延在し前記Ｚ軸の方向におけるゲルマニウムの最大濃度ピークの位置が、前記光学部材の前記Ｚ軸の方向における光学中心の位置が実質的に一致していることを特徴とする請求項１４乃至請求項１７のいずれか一項に記載の光電変換素子。
19. 前記受光面と前記光電変換領域との間であって、前記受光面から前記半導体基板の内部に向かって１ミクロンメータ以上かつ２０ミクロンメータ以下の前記シリコン基板の内部領域にボロンを含むｐ型高濃度不純物領域、又はリンを含むｎ型高濃度不純物領域を有する請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載の光電変換素子。
20. 前記シリコン基板の二以上の側端部を受光面とする請求項１乃至請求項１９のいずれか一項に記載の光電変換素子。
21. シリコン基板の集積回路が形成された面をＸ−Ｙ平面、前記Ｘ−Ｙ平面に垂直な前記シリコン基板の厚さ方向をＺ軸と定義した場合、前記シリコン基板の側端部側に受光面を有する光電変換領域を有する光電変換素子において、前記受光面上であって光入射面に形成された反射膜、及び反射膜と平行に形成された反射膜が平行に配置され、かつこれら２枚の反射膜により媒質が挟まれた構造からなる波長フィルターを有する光電変換素子。
22. 前記２枚の反射膜がアルミニウム、銅、或いは金を含む金属反射膜であって、かつ前記媒質がシリコン又はシリコン酸化膜からなる請求項２１に記載の光電変換素子。
23. 請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の光電変換素子、或いは請求項１６乃至請求項２２のいずれか一項に記載の光電変換素子を二以上前記Ｚ軸方向に積層した積層型光電変換素子。
24. 請求項１乃至請求項２３のいずれか一項に記載の光電変換素子を使用した光学測定装置であって、該光電変換素子の受光面の上方に複数本の光ファイバーが装着され、かつ該複数本の光ファイバーを束ねた光ファイバーケーブルの他端が一又は複数のライン状受光面又は二次元受光面となるように該複数本の光ファイバーを並べ替えて形成した前記ライン状受光面又は二次元受光面を有する光学測定装置。
25. 請求項２４に記載の光学測定装置と該光学測定装置の測定タイミングに同期して発光する光源部とを有する光学測距装置。
26. 前記光ファイバーケーブルの他端が形成する前記ライン状受光部又は二次元受光面を空間的に離れた位置に二以上有し、かつ単一の前記光電変換素子を共有する構造を特徴とする請求項２４に記載の測距装置。