JP2021034542A - 光検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減することができる光検出装置を提供する。
【解決手段】光検出装置１Ａは、複数の受光部２２を有する光半導体素子２Ａと、光半導体素子２Ａに直接的に又は光透過性の接着層４のみを介して接合された光透過基板３と、を備える。光透過基板３における光半導体素子２Ａとは反対側の表面３ａには、屈折率が光透過基板３に向かって空気の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層５が設けられている。光半導体素子２Ａと第１屈折率変化層５との間の距離をＡとし、複数の受光部２２において隣り合う受光部２２の間の距離をＢとし、空気の屈折率に対する光透過基板３の屈折率をｎとすると、Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］が成立する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光検出装置に関する。
複数の受光部を有する光半導体素子と、光半導体素子に接合された光透過基板と、を備える光検出装置が知られている。このような光検出装置においては、光透過基板が、薄型化された光半導体素子の補強基板として機能する。
特開平１０−１２５８８３号公報
上述したような光検出装置においては、光半導体素子の薄型化と共に、複数の受光部の高密度化が進んでいる。しかし、光透過基板について十分な厚さを確保しつつ、隣り合う受光部の間の距離を小さくすると、隣り合う受光部の間で発生するクロストークが問題となる場合があった。
本発明は、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減することができる光検出装置を提供することを目的とする。
本発明の光検出装置は、複数の受光部を有する光半導体素子と、光半導体素子に直接的に又は光透過性の接着層のみを介して接合された光透過基板と、を備え、光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面には、屈折率が光透過基板に向かって空気の屈折率から光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層が設けられており、光半導体素子と第１屈折率変化層との間の距離をＡとし、複数の受光部において隣り合う受光部の間の距離をＢとし、空気の屈折率に対する光透過基板の屈折率をｎとすると、Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］が成立する。
本発明の光検出装置では、光半導体素子と第１屈折率変化層との間の距離をＡとし、隣り合う受光部の間の距離をＢとし、空気の屈折率に対する光透過基板の屈折率をｎとすると、Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］が成立する。この関係式は、光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面に入射角１°で入射した光が、隣り合う受光部のうちの一方の受光部に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子における光透過基板側の表面、及び光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面で順次反射されたときに、当該一部の光が、隣り合う受光部のうちの他方の受光部に向かって進行し得ることを意味する。つまり、本発明の光検出装置では、光透過基板に入射角１°で入射した光さえも、隣り合う受光部の間でクロストークが発生する原因になるほど、光透過基板について十分な厚さが確保され、且つ隣り合う受光部の間の距離が小さくされているといえる。ここで、本発明の光検出装置では、屈折率が光透過基板に向かって空気の屈折率から光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層が、光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面に設けられている。そのため、光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面に入射角１°で入射した光が、隣り合う受光部のうちの一方の受光部に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子における光透過基板側の表面で反射されたとしても、当該一部の光が、光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面で反射され難くなり、その結果、当該一部の光が、隣り合う受光部のうちの他方の受光部に向かって進行し難くなる。よって、本発明の光検出装置によれば、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減することができる。
本発明の光検出装置では、光半導体素子において、複数の受光部は、半導体基板における光透過基板側の表面に沿った部分に設けられており、半導体基板における光透過基板とは反対側の表面には、凹凸構造を有する第２屈折率変化層が設けられており、第２屈折率変化層の凹凸構造の屈折率は、半導体基板に向かって、半導体基板とは反対側において第２屈折率変化層に接する領域の屈折率から半導体基板の屈折率に連続的に変化していてもよい。これにより、隣り合う受光部のうちの一方の受光部に入射した光のうちの一部の光が半導体基板を透過したとしても、当該一部の光が、半導体基板における光透過基板とは反対側の表面で反射され難くなり、その結果、当該一部の光が、隣り合う受光部のうちの他方の受光部に向かって進行し難くなる。したがって、例えば半導体基板の薄型化に伴い、隣り合う受光部のうちの一方の受光部に入射した光のうちの一部の光が半導体基板を透過し得る場合にも、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減することができる。更に、隣り合う受光部のうちの一方の受光部において電荷の再結合による自己発光が生じたとしても、自己発光による光が、半導体基板における光透過基板とは反対側の表面で反射され難くなり、その結果、自己発光による光が、隣り合う受光部のうちの他方の受光部に向かって進行し難くなる。したがって、電荷の再結合による自己発光が生じ得る構成を受光部が有する場合にも、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減することができる。
本発明の光検出装置では、半導体基板における光透過基板とは反対側の表面には、第２屈折率変化層を覆う光吸収層が設けられており、第２屈折率変化層の凹凸構造の屈折率は、半導体基板に向かって光吸収層の屈折率から半導体基板の屈折率に連続的に変化していてもよい。これにより、半導体基板における光透過基板とは反対側の表面に入射した光（半導体基板を透過した一部の光や、自己発光による光等）が光吸収層によって吸収されるため、当該光が外部に出射して光半導体素子に再入射するのを防止することができる。
本発明の光検出装置では、光透過基板は、光半導体素子に接着層のみを介して接合されており、光透過基板における光半導体素子側の表面には、屈折率が光透過基板に向かって接着層の屈折率から光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第３屈折率変化層が設けられていてもよい。これにより、光透過基板における光半導体素子側の表面で光が反射され難くなるため、隣り合う受光部の間で発生するクロストークをより確実に低減することができる。
本発明の光検出装置では、光半導体素子において、複数の受光部は、半導体基板における光透過基板とは反対側の表面に沿った部分に設けられていてもよい。このように、光半導体素子が裏面入射型の構成を有する場合にも、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減することができる。
本発明の光検出装置では、半導体基板における光透過基板とは反対側の表面には、光吸収層が設けられていてもよい。これにより、半導体基板に入射した光が半導体基板を透過し得る場合にも、当該光が光吸収層によって吸収されるため、当該光が外部に出射して光半導体素子に再入射するのを防止することができる。更に、電荷の再結合による自己発光が生じ得る構成を受光部が有する場合にも、自己発光による光が光吸収層によって吸収されるため、自己発光による光が外部に出射して光半導体素子に再入射するのを防止することができる。
本発明の光検出装置では、光透過基板は、光半導体素子に接着層のみを介して接合されており、光透過基板における光半導体素子側の表面には、屈折率が光透過基板に向かって接着層の屈折率から光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第３屈折率変化層が設けられていてもよい。これにより、光透過基板における光半導体素子側の表面で光が反射され難くなるため、隣り合う受光部の間で発生するクロストークをより確実に低減することができる。
本発明の光検出装置では、光透過基板は、光半導体素子に接着層のみを介して接合されており、半導体基板における光透過基板側の表面には、屈折率が半導体基板に向かって接着層の屈折率から半導体基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第４屈折率変化層が設けられていてもよい。これにより、半導体基板における光透過基板側の表面で光が反射され難くなるため、隣り合う受光部の間で発生するクロストークをより確実に低減することができる。
本発明の光検出装置では、光透過基板は、ガラス基板であってもよい。これにより、補強基板として機能する光透過基板を容易に且つ確実に得ることができる。
本発明の光検出装置では、第１屈折率変化層は、光透過基板とは別体の層であってもよい。これにより、屈折率が連続的に変化する機能を有する第１屈折率変化層を容易に且つ確実に得ることができる。
本発明の光検出装置では、第１屈折率変化層は、光透過基板と一体的に形成されていてもよい。これにより、光検出装置の部品点数を削減することができる。
本発明によれば、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減することができる光検出装置を提供することが可能となる。
第１実施形態の光検出装置の断面図である。 光透過基板の厚さと、内部反射光が到達する距離との関係を示す模式図である。 光半導体素子と第１屈折率変化層との間の距離と、隣り合う受光部の間の距離との関係を示すグラフである。 第２実施形態の光検出装置の断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
図１に示されるように、第１実施形態の光検出装置１Ａは、光半導体素子２Ａと、光透過基板３と、を備えている。光半導体素子２Ａは、Ｚ方向において互いに対向する表面２ａ，２ｂを有している。光透過基板３は、Ｚ方向において互いに対向する表面３ａ，３ｂを有している。光透過基板３は、表面３ｂが表面２ａと向かい合った状態で、光半導体素子２Ａ上に配置されている。したがって、表面２ａは、光半導体素子２Ａにおける光透過基板３側の表面であり、表面２ｂは、光半導体素子２Ａにおける光透過基板３とは反対側の表面である。また、表面３ａは、光透過基板３における光半導体素子２Ａとは反対側の表面であり、表面３ｂは、光透過基板３における光半導体素子２Ａ側の表面である。本実施形態では、表面２ａ、表面２ｂ、表面３ａ及び表面３ｂは、互いに平行である。以下、Ｚ方向に垂直な一方向をＸ方向といい、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な方向をＹ方向という。
光半導体素子２Ａは、半導体基板２１と、複数の受光部２２と、を有している。半導体基板２１は、Ｚ方向において互いに対向する表面２１ａ，２１ｂを有している。表面２１ａは、半導体基板２１における光透過基板３側の表面であり、表面２１ｂは、半導体基板２１における光透過基板３とは反対側の表面である。半導体基板２１は、例えば、第１導電型の半導体材料によって矩形板状に形成されている。一例として、Ｘ方向における半導体基板２１の幅は１５ｍｍ程度であり、Ｙ方向における半導体基板２１の幅は１５ｍｍ程度であり、Ｚ方向における半導体基板２１の幅（すなわち、半導体基板２１の厚さ）は２０μｍ程度である。
複数の受光部２２は、半導体基板２１の表面２１ａに沿った部分に設けられている。複数の受光部２２は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってマトリックス状に配列されている。各受光部２２は、例えば、第１導電型の半導体材料からなる半導体基板２１のうち表面２１ａに沿った部分に第２導電型の領域が形成されることで構成されたフォトダイオード（ＰＮ接合に対応する部分）である。一例として、Ｘ方向における各受光部２２の幅は５０μｍ程度であり、Ｙ方向における各受光部２２の幅は５０μｍ程度である。また、一例として、Ｘ方向において隣り合う受光部２２の間の距離は１μｍ程度であり、Ｙ方向において隣り合う受光部２２の間の距離は１μｍ程度である。
光半導体素子２Ａは、光透過基板３側の表面２ａを受光面とする受光素子である。上述したように、半導体基板２１における光透過基板３側の表面２１ａに沿った部分に複数の受光部２２が設けられているから、光半導体素子２Ａは、表面入射型の受光素子である。したがって、図示は省略されているが、半導体基板２１には、複数の受光部２２と電気的に接続された複数の配線（複数の貫通配線等）が設けられており、半導体基板２１における光透過基板３とは反対側の表面２１ｂには、複数の配線と電気的に接続された複数のパッドが設けられている。なお、光半導体素子２Ａは、複数の受光部２２が複数の光検出チャネルとして機能するように構成された表面入射型の受光素子であれば、上述した構成を有するものに限定されない。
光透過基板３は、光透過性の接着層４によって光半導体素子２Ａに接合されている。本実施形態では、光透過基板３は、ガラス基板であり、例えば、矩形板状に形成されている。一例として、Ｘ方向における光透過基板３の幅は１５ｍｍ程度であり、Ｙ方向における光透過基板３の幅は１５ｍｍ程度であり、Ｚ方向における光透過基板３の幅（すなわち、光透過基板２の厚さ）は３００μｍ〜５００μｍ程度である。
接着層４は、例えば、エポキシ樹脂等からなる。一例として、Ｚ方向における接着層４の幅（すなわち、接着層４の厚さ）は５０μｍ程度である。光検出装置１Ａでは、光透過基板３が、光透過性の接着層４のみを介して光半導体素子２Ａに接合されている。なお、本明細書において、光透過基板が、光透過性の接着層のみを介して光半導体素子に接合されているとの表現は、光半導体素子と光透過基板との間に接着層のみが存在する状態、又は光半導体素子と光透過基板との間に接着層及び後述する少なくも１つの屈折率変化層のみが存在する状態を意味する。
光透過基板３の表面３ａには、第１屈折率変化層５が設けられている。第１屈折率変化層５は、屈折率が光透過基板３に向かって空気の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有している。第１屈折率変化層５の凹凸構造は、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の中心間距離で並んだ複数の凸部又は複数の凹部によって構成されており、モスアイ構造と称される場合がある。第１屈折率変化層５は、空気側から表面３ａに入射する光が表面３ａで反射されること、及び光透過基板３側から表面３ａに入射する光が表面３ａで反射されることを防止する。第１屈折率変化層５は、光透過基板３とは別体の層である。一例として、第１屈折率変化層５は、フィルム状の第１屈折率変化層５が光透過基板３の表面３ａに貼り付けられることで構成されている。
半導体基板２１の表面２１ｂには、第２屈折率変化層６が設けられている。第２屈折率変化層６は、屈折率が半導体基板２１に向かって、後述する光吸収層７の屈折率から半導体基板２１の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有している。第２屈折率変化層６の凹凸構造は、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の中心間距離で並んだ複数の凸部又は複数の凹部によって構成されており、モスアイ構造と称される場合がある。第２屈折率変化層６は、半導体基板２１側から表面２１ｂに入射する光が表面２１ｂで反射されることを防止する。第２屈折率変化層６は、半導体基板２１とは別体の層である。一例として、第２屈折率変化層６は、フィルム状の第２屈折率変化層６が半導体基板２１の表面２１ｂに貼り付けられることで構成されている。
半導体基板２１の表面２１ｂには、第２屈折率変化層６を覆う光吸収層７が設けられている。光吸収層７は、例えば、黒樹脂等からなる。光吸収層７は、半導体基板２１側から第２屈折率変化層６に入射した光を吸収する。
光透過基板３の表面３ｂには、第３屈折率変化層８が設けられている。第３屈折率変化層８は、屈折率が光透過基板３に向かって接着層４の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有している。第３屈折率変化層８の凹凸構造は、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の中心間距離で並んだ複数の凸部又は複数の凹部によって構成されており、モスアイ構造と称される場合がある。第３屈折率変化層８は、接着層４側から表面３ｂに入射する光が表面３ｂで反射されること、及び光透過基板３側から表面３ｂに入射する光が表面３ｂで反射されることを防止する。第３屈折率変化層８は、光透過基板３とは別体の層である。一例として、第３屈折率変化層８は、フィルム状の第３屈折率変化層８が光透過基板３の表面３ｂに貼り付けられることで構成されている。
光検出装置１Ａでは、光半導体素子２Ａと第１屈折率変化層５との間の距離をＡとし、複数の受光部２２において隣り合う受光部２２の間の距離をＢとし、空気の屈折率に対する光透過基板３の屈折率をｎとすると、下記式（１）が成立する。
Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］…（１）
上記式（１）は、光透過基板３の表面３ａに入射角１°で入射した光が、隣り合う受光部２２のうちの一方の受光部２２（以下、単に「一方の受光部２２」という）に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子２Ａの表面２ａ及び光透過基板３の表面３ａで順次反射されたときに、当該一部の光が、隣り合う受光部２２のうちの他方の受光部２２（以下、単に「他方の受光部２２」という）に向かって進行し得ることを意味する。なお、各受光部２２が、例えば、第１導電型の半導体材料からなる半導体基板２１に第２導電型の領域が形成されることで構成されたフォトダイオード（ＰＮ接合に対応する部分）である場合には、隣り合う受光部２２の間の距離Ｂとは、隣り合う第２導電型の領域の間の距離である。隣り合う受光部２２の間の距離Ｂを、隣り合う空乏層（光半導体素子２Ａの通常駆動時における空乏層）の間の距離と捉えてもよい。
上記式（１）について、図２を参照して詳細に説明する。図２に示される構成では、光透過基板３が光半導体素子２Ａに直接的に接合されており、光透過基板３の表面３ａに第１屈折率変化層５が設けられていない。
図２に示される構成において、光Ｌが、光透過基板３の表面３ａに入射角αで入射して光透過基板３内を屈折角βで進行し、光Ｌのうちの一部の光Ｌ１が、光半導体素子２Ａの表面２ａ及び光透過基板３の表面３ａで順次反射された場合について検討する。その場合に、空気の屈折率に対する光透過基板３の屈折率をｎとし、光透過基板３の厚さをＴとし、内部反射光が到達する距離（光Ｌが光半導体素子２Ａの表面２ａに至った位置と、光透過基板３の表面３ａで反射された一部の光Ｌ１が光半導体素子２Ａの表面２ａに至った位置との距離）をＤとすると、下記式（２）及び式（３）が成立する。
ｎ＝sinα／sinβ…（２）
Ｄ＝Ｔ×tanβ×２…（３）
上記式（２）及び式（３）より、下記式（４）が得られる。
Ｄ＝２×Ｔ×tan｛（sin−１（sinα／ｎ）｝…（４）
ここで、隣り合う受光部２２の間の距離をＢとすると、下記式（５）が成立する場合に、一方の受光部２２に向かって進行した光Ｌのうちの一部の光Ｌ１が、光半導体素子２Ａの表面２ａ及び光透過基板３の表面３ａで順次反射されることで、他方の受光部２２に向かって進行し得ることになる（以下、この状態を「隣り合う受光部２２の間でクロストークが発生し得る状態」という）。
Ｄ＞Ｂ…（５）
上記式（４）及び式（５）より、下記式（６）が得られる。
Ｔ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sinα／ｎ）｝］…（６）
光検出装置１Ａでは、接着層４が光透過基板３に比べて薄いといえるため、接着層４を光透過基板３と同一部材とみなし、上記式（６）におけるＴをＡ（光半導体素子２Ａと第１屈折率変化層５との間の距離）に置き換えることができる。また、光検出装置１Ａでは、光透過基板３に入射角α＝１°で入射した光Ｌについても、隣り合う受光部２２の間でクロストークが発生し得る状態になるほど、光透過基板３について十分な厚さを確保すること、及び隣り合う受光部２２の間の距離を小さくすることを狙っている。
以上により、光検出装置１Ａでは、上記式（１）が成立する。図３は、光半導体素子２Ａと第１屈折率変化層５との間の距離Ａと、隣り合う受光部２２の間の距離Ｂとの関係を示すグラフである。図３に示されるグラフにおいて、実線の直線は、Ａ＝Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］を示している。したがって、光検出装置１Ａにおける距離Ａ及び距離Ｂは、実線の直線よりも下側の領域の値となる。
以上説明したように、光検出装置１Ａでは、光半導体素子２Ａと第１屈折率変化層５との間の距離をＡとし、隣り合う受光部２２の間の距離をＢとし、空気の屈折率に対する光透過基板３の屈折率をｎとすると、Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］が成立する。この関係式は、光透過基板３の表面３ａに入射角１°で入射した光が、一方の受光部２２に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子２Ａの表面２ａ及び光透過基板３の表面３ａで順次反射されたときに、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行し得ることを意味する。つまり、光検出装置１Ａでは、光透過基板３に入射角１°で入射した光さえも、隣り合う受光部２２の間でクロストークが発生する原因になるほど、光透過基板３について十分な厚さが確保され、且つ隣り合う受光部２２の間の距離が小さくされているといえる。ここで、光検出装置１Ａでは、屈折率が光透過基板３に向かって空気の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層５が、光透過基板３の表面３ａに設けられている。そのため、光透過基板３の表面３ａに入射角１°で入射した光が、一方の受光部２２に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子２Ａの表面２ａで反射されたとしても、当該一部の光が、光透過基板３の表面３ａで反射され難くなり、その結果、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行し難くなる。よって、光検出装置１Ａによれば、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減することができる。
光透過基板３の表面３ａに入射した光が、一方の受光部２２に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子２Ａの表面２ａ及び光透過基板３の表面３ａで順次反射されたときに、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行するのを防止するための手段として、光透過基板３を薄くすることも考えられる。しかし、光透過基板３の薄型化は、光検出装置１Ａの耐久性の低下や、光検出装置１Ａの反り等の問題に繋がるおそれがある。そこで、光検出装置１Ａでは、光透過基板３について、そのような問題に繋がるおそれがない厚さ（すなわち、光透過基板３に入射角１°で入射した光さえも、隣り合う受光部２２の間でクロストークが発生する原因になる厚さ）を確保しつつも、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減し得る構成が実現されている。
また、光半導体素子２Ａと光透過基板３との間の領域にレンズ等の光学要素が配置されていると、当該領域に入射した光（光透過基板３を透過した光や、半導体基板２１で反射された光、自己発光による光等）が光学要素で反射されてクロストークが発生するおそれがある。光検出装置１Ａでは、光透過基板３が、光透過性の接着層４のみを介して光半導体素子２Ａに接合されており、そのようなクロストークを発生させ得る光学要素が排除されたシンプルな構成が採用されている。
また、光検出装置１Ａでは、光半導体素子２Ａにおいて、複数の受光部２２が、半導体基板２１の表面２１ａに沿った部分に設けられており、屈折率が半導体基板２１に向かって光吸収層７の屈折率から半導体基板２１の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第２屈折率変化層６が、半導体基板２１の表面２１ｂに設けられている。これにより、一方の受光部２２に入射した光のうちの一部の光が半導体基板２１を透過したとしても、当該一部の光が、半導体基板２１の表面２１ｂで反射され難くなり、その結果、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行し難くなる。したがって、例えば半導体基板２１の薄型化に伴い、一方の受光部２２に入射した光のうちの一部の光が半導体基板２１を透過し得る場合にも、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減することができる。更に、一方の受光部２２において電荷の再結合による自己発光が生じたとしても、自己発光による光が、半導体基板２１の表面２１ｂで反射され難くなり、その結果、自己発光による光が、他方の受光部２２に向かって進行し難くなる。したがって、電荷の再結合による自己発光が生じ得る構成を受光部２２が有する場合にも、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減することができる。なお、電荷の再結合による自己発光が生じ得る構成としては、例えば、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）、ＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）等の受光部の構成がある。
また、光検出装置１Ａでは、半導体基板２１の表面２１ｂに、第２屈折率変化層６を覆う光吸収層７が設けられている。これにより、半導体基板２１の表面２１ｂに入射した光（半導体基板２１を透過した一部の光や、自己発光による光等）が光吸収層７によって吸収されるため、当該光が外部に出射して光半導体素子２Ａに再入射するのを防止することができる。
また、光検出装置１Ａでは、光透過基板３が、光半導体素子２Ａに接着層４のみを介して接合されており、屈折率が光透過基板３に向かって接着層４の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第３屈折率変化層８が、光透過基板３の表面３ｂに設けられている。これにより、光透過基板３の表面３ｂで光が反射され難くなるため、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークをより確実に低減することができる。
また、光検出装置１Ａでは、光透過基板３がガラス基板である。これにより、補強基板として機能する光透過基板３を容易に且つ確実に得ることができる。
また、光検出装置１Ａでは、第１屈折率変化層５が光透過基板３とは別体の層であり、第２屈折率変化層６が半導体基板２１は別体の層であり、第３屈折率変化層８が光透過基板３とは別体の層である。これにより、屈折率が連続的に変化する機能を有する第１屈折率変化層５、第２屈折率変化層６及び第３屈折率変化層８のそれぞれを容易に且つ確実に得ることができる。
なお、屈折率が連続的に変化する機能を有する第１屈折率変化層５は、空気側から表面３ａに入射する光が表面３ａで反射されるのを防止するため、光の入射効率を向上させる機能も有する。この点では、誘電体多層膜によって構成された反射防止膜と同様である。しかし、反射防止膜は波長依存性を有するため、検出すべき光の波長に合わせて反射防止膜を設計すると、受光部２２で自己発光が生じた場合に、自己発光による光を透過させることができないおそれがある。それに対し、第１屈折率変化層５は波長依存性を有しないため、検出すべき光及び自己発光による光（波長及び出射方向を予測し得ない自己発光による光）の両方を透過させることができる。このように、第１屈折率変化層５は、「波長によらず光を透過させることができ、その結果、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを確実に低減することができる」という「当業者が予測し得ない効果」を奏する。第２屈折率変化層６及び第３屈折率変化層８についても同様である。
光検出装置１Ａの製造方法の一例は、次のとおりである。まず、それぞれが光半導体素子２Ａとなる複数の部分を含む第１ウェハ、及びそれぞれが光透過基板３となる複数の部分を含む第２ウェハを用意する。続いて、第２ウェハの両主面に、それぞれ、第１屈折率変化層５を含むフィルム及び第３屈折率変化層８を含むフィルムを貼り付ける。その一方で、第１ウェハにおいて表面２１ｂを含む主面に、第２屈折率変化層６を含むフィルムを貼り付け、光吸収層７となる層で当該フィルムを覆う。続いて、第３屈折率変化層８を含むフィルムと、第１ウェハにおいて表面２１ａを含む主面とが向かい合うように、接着層４によって第１ウェハと第２ウェハとを接合する。続いて、第１ウェハ及び第２ウェハから複数の光検出装置１Ａを切り出す。
［第２実施形態］
図４に示されるように、第２実施形態の光検出装置１Ｂは、光半導体素子２Ｂが裏面入射型の受光素子である点、及び、第２屈折率変化層６を有さず、第４屈折率変化層９を有する点で、上述した第１実施形態の光検出装置１Ａと相違している。
光半導体素子２Ｂにおいて、複数の受光部２２は、半導体基板２１の表面２１ｂに沿った部分に設けられている。複数の受光部２２は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってマトリックス状に配列されている。各受光部２２は、例えば、第１導電型の半導体材料からなる半導体基板２１のうち表面２１ｂに沿った部分に第２導電型の領域が形成されることで構成されたフォトダイオード（ＰＮ接合に対応する部分）である。
光半導体素子２Ｂは、光透過基板３側の表面２ａを受光面とする受光素子である。上述したように、半導体基板２１における光透過基板３とは反対側の表面２１ｂに沿った部分に複数の受光部２２が設けられているから、光半導体素子２Ｂは、裏面入射型の受光素子である。したがって、図示は省略されているが、半導体基板２１における光透過基板３とは反対側の表面２１ｂには、複数の受光部２２と電気的に接続された複数のパッドが設けられている。なお、光半導体素子２Ｂは、複数の受光部２２が複数の光検出チャネルとして機能するように構成された裏面入射型の受光素子であれば、上述した構成を有するものに限定されない。
光透過基板３の表面３ａには、第１屈折率変化層５が設けられている。第１屈折率変化層５は、屈折率が光透過基板３に向かって空気の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有している。第１屈折率変化層５は、光透過基板３とは別体の層である。一例として、第１屈折率変化層５は、フィルム状の第１屈折率変化層５が光透過基板３の表面３ａに貼り付けられることで構成されている。
光透過基板３の表面３ｂには、第３屈折率変化層８が設けられている。第３屈折率変化層８は、屈折率が光透過基板３に向かって接着層４の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有している。第３屈折率変化層８は、光透過基板３とは別体の層である。一例として、第３屈折率変化層８は、フィルム状の第３屈折率変化層８が光透過基板３の表面３ｂに貼り付けられることで構成されている。
半導体基板２１の表面２１ａには、第４屈折率変化層９が設けられている。第４屈折率変化層９は、屈折率が半導体基板２１に向かって接着層４の屈折率から半導体基板２１の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有している。第４屈折率変化層９の凹凸構造は、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の中心間距離で並んだ複数の凸部又は複数の凹部によって構成されており、モスアイ構造と称される場合がある。第４屈折率変化層９は、接着層４側から表面２１ａに入射する光が表面２１ａで反射されること、及び半導体基板２１側から表面２１ａに入射する光が表面２１ａで反射されることを防止する。第４屈折率変化層９は、半導体基板２１とは別体の層である。一例として、第４屈折率変化層９は、フィルム状の第４屈折率変化層９が半導体基板２１の表面２１ａに貼り付けられることで構成されている。
半導体基板２１の表面２１ｂには、光吸収層７が設けられている。光吸収層７は、例えば、黒樹脂等からなる。光吸収層７は、半導体基板２１側から表面２１ｂに入射した光を吸収する。
光検出装置１Ｂでは、上述した光検出装置１Ａと同様に、光半導体素子２Ｂと第１屈折率変化層５との間の距離をＡとし、隣り合う受光部２２の間の距離をＢとし、空気の屈折率に対する光透過基板３の屈折率をｎとすると、Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］が成立する。この関係式は、光透過基板３の表面３ａに入射角１°で入射した光が、一方の受光部２２に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子２Ｂの表面２ａ及び光透過基板３の表面３ａで順次反射されたときに、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行し得ることを意味する。つまり、光検出装置１Ｂでは、光透過基板３に入射角１°で入射した光さえも、隣り合う受光部２２の間でクロストークが発生する原因になるほど、光透過基板３について十分な厚さが確保され、且つ隣り合う受光部２２の間の距離が小さくされているといえる。ここで、光検出装置１Ｂでは、屈折率が光透過基板３に向かって空気の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層５が、光透過基板３の表面３ａに設けられている。そのため、光透過基板３の表面３ａに入射角１°で入射した光が、一方の受光部２２に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子２Ｂの表面２ａで反射されたとしても、当該一部の光が、光透過基板３の表面３ａで反射され難くなり、その結果、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行し難くなる。よって、光検出装置１Ｂによれば、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減することができる。なお、裏面入射型の受光素子である光半導体素子２Ｂにおいては、表面２ａと受光部２２との間の距離が、光半導体素子２Ｂと第１屈折率変化層５との間の距離Ａに比べて十分に小さいため、上記関係式において、表面２ａと受光部２２との間の距離を無視しても実質的に問題はない。特に、光半導体素子２Ｂの通常駆動時には空乏層が広がることからも、上記関係式において、表面２ａと受光部２２との間の距離を無視しても実質的に問題はない。
光透過基板３の表面３ａに入射した光が、一方の受光部２２に向かって進行した場合において、当該光のうちの一部の光が、光半導体素子２Ｂの表面２ａ及び光透過基板３の表面３ａで順次反射されたときに、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行するのを防止するための手段として、光透過基板３を薄くすることも考えられる。しかし、光透過基板３の薄型化は、光検出装置１Ｂの耐久性の低下や、光検出装置１Ｂの反り等の問題に繋がるおそれがある。そこで、光検出装置１Ｂでは、光透過基板３について、そのような問題に繋がるおそれがない厚さ（すなわち、光透過基板３に入射角１°で入射した光さえも、隣り合う受光部２２の間でクロストークが発生する原因になる厚さ）を確保しつつも、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減し得る構成が実現されている。
また、光半導体素子２Ｂと光透過基板３との間の領域にレンズ等の光学要素が配置されていると、当該領域に入射した光（光透過基板３を透過した光や、半導体基板２１で反射された光、自己発光による光等）が光学要素で反射されてクロストークが発生するおそれがある。光検出装置１Ｂでは、光透過基板３が、光透過性の接着層４のみを介して光半導体素子２Ｂに接合されており、そのようなクロストークを発生させ得る光学要素が排除されたシンプルな構成が採用されている。
また、光検出装置１Ｂでは、光半導体素子２Ｂにおいて、複数の受光部２２が、半導体基板２１の表面２１ｂに沿った部分に設けられている。このように、光半導体素子２Ｂが裏面入射型の構成を有する場合にも、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減することができる。
また、光検出装置１Ｂでは、半導体基板２１の表面２１ｂに、光吸収層７が設けられている。これにより、半導体基板２１に入射した光が半導体基板２１を透過し得る場合にも、当該光が光吸収層７によって吸収されるため、当該光が外部に出射して光半導体素子２Ｂに再入射するのを防止することができる。更に、電荷の再結合による自己発光が生じ得る構成を受光部２２が有する場合にも、自己発光による光が光吸収層７によって吸収されるため、自己発光による光が外部に出射して光半導体素子２Ｂに再入射するのを防止することができる。
また、光検出装置１Ｂでは、光透過基板３が、光半導体素子２Ｂに接着層４のみを介して接合されており、屈折率が光透過基板３に向かって接着層４の屈折率から光透過基板３の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第３屈折率変化層８が、光透過基板３の表面３ｂに設けられている。これにより、光透過基板３の表面３ｂで光が反射され難くなるため、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークをより確実に低減することができる。
また、光検出装置１Ｂでは、光透過基板３が、光半導体素子２Ｂに接着層４のみを介して接合されており、屈折率が半導体基板２１に向かって接着層４の屈折率から半導体基板２１の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第４屈折率変化層９が、半導体基板２１の表面２１ａに設けられている。これにより、半導体基板２１の表面２１ａで光が反射され難くなるため、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークをより確実に低減することができる。
また、光検出装置１Ｂでは、光透過基板３がガラス基板である。これにより、補強基板として機能する光透過基板３を容易に且つ確実に得ることができる。
また、光検出装置１Ｂでは、第１屈折率変化層５が光透過基板３とは別体の層であり、第３屈折率変化層８が光透過基板３とは別体の層であり、第４屈折率変化層９が半導体基板２１は別体の層である。これにより、屈折率が連続的に変化する機能を有する第１屈折率変化層５、第３屈折率変化層８及び第４屈折率変化層９のそれぞれを容易に且つ確実に得ることができる。
［変形例］
本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、光透過基板３は、光半導体素子２Ａ又は光半導体素子２Ｂに直接的に接合されていてもよい。直接的に接合する手段としては、ダイレクトボンディング（例えば、プラズマ活性化接合、表面活性化接合、原子拡散接合、陽極接合、フュージョンボンディング、親水化接合等）がある。光透過基板３が光半導体素子２Ａに直接的に接合されている場合、接着層４及び第３屈折率変化層８は不要である。なお、光半導体素子２Ａ又は光半導体素子２Ｂと光透過基板３との間の領域にレンズ等の光学要素が配置されていると、当該領域に入射した光（光透過基板３を透過した光や、半導体基板２１で反射された光、自己発光による光等）が光学要素で反射されてクロストークが発生するおそれがある。光検出装置１Ａでは、光透過基板３が光半導体素子２Ａに直接的に接合されており、そのようなクロストークを発生させ得る光学要素が排除されたシンプルな構成が採用されている。同様に、光検出装置１Ｂでは、光透過基板３が光半導体素子２Ｂに直接的に接合されており、そのようなクロストークを発生させ得る光学要素が排除されたシンプルな構成が採用されている。
また、光半導体素子２Ａ又は光半導体素子２Ｂは、複数の受光部２２が２次元に配列されたものに限定されず、複数の受光部２２が１次元に配列されたものであってもよい。また、光透過基板３は、ガラス以外の光透過性材料によって形成されていてもよい。
また、光検出装置１Ａ及び光検出装置１Ｂにおいて、第１屈折率変化層５は、例えば光透過基板３の表面３ａに凹凸構造を形成することで、光透過基板３と一体的に形成されていてもよい。光検出装置１Ａ及び光検出装置１Ｂにおいて、第３屈折率変化層８は、例えば光透過基板３の表面３ｂに凹凸構造を形成することで、光透過基板３と一体的に形成されていてもよい。光検出装置１Ａにおいて、第２屈折率変化層６は、例えば半導体基板２１の表面２１ｂに凹凸構造を形成することで、半導体基板２１と一体的に形成されていてもよい。光検出装置１Ｂにおいて、第４屈折率変化層９は、例えば半導体基板２１の表面２１ａに凹凸構造を形成することで、半導体基板２１と一体的に形成されていてもよい。これらによれば、光検出装置１Ａ及び光検出装置１Ｂの部品点数を削減することができる。
また、光検出装置１Ａには、第２屈折率変化層６、光吸収層７及び第３屈折率変化層８の少なくとも１つが設けられていなくてもよい。また、光検出装置１Ｂには、光吸収層７、第３屈折率変化層８及び第４屈折率変化層９の少なくとも１つが設けられていなくてもよい。光検出装置１Ａに第２屈折率変化層６が設けられており、且つ光検出装置１Ａに光吸収層７が設けられていない場合には、第２屈折率変化層６の凹凸構造の屈折率は、半導体基板２１に向かって、半導体基板２１とは反対側において第２屈折率変化層６に接する領域（空間、又は光吸収層７以外の他の部材）の屈折率から半導体基板２１の屈折率に連続的に変化していればよい。これにより、一方の受光部２２に入射した光のうちの一部の光が半導体基板２１を透過したとしても、当該一部の光が、半導体基板２１の表面２１ｂで反射され難くなり、その結果、当該一部の光が、他方の受光部２２に向かって進行し難くなる。したがって、例えば半導体基板２１の薄型化に伴い、一方の受光部２２に入射した光のうちの一部の光が半導体基板２１を透過し得る場合にも、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減することができる。更に、一方の受光部２２において電荷の再結合による自己発光が生じたとしても、自己発光による光が、半導体基板２１の表面２１ｂで反射され難くなり、その結果、自己発光による光が、他方の受光部２２に向かって進行し難くなる。したがって、電荷の再結合による自己発光が生じ得る構成を受光部２２が有する場合にも、隣り合う受光部２２の間で発生するクロストークを低減することができる。
なお、複数の受光部を有する光半導体素子と、光半導体素子に直接的に又は光透過性の接着層のみを介して接合された光透過基板と、を備える光検出装置においては、光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面に、屈折率が光透過基板に向かって空気の屈折率から光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層が設けられており、光半導体素子と第１屈折率変化層との間の距離をＡとすると、Ａ＞５０μｍが成立してもよい。複数の受光部において隣り合う受光部の間の距離は、近年の光半導体素子の高解像度化に伴って１μｍ以下になっており、その場合に、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減するためには、図３に示されるように、光半導体素子と第１屈折率変化層との間の距離を５０μｍ以下にしなければならない。しかし、そのための光透過基板の薄型化は、光検出装置の耐久性の低下や、光検出装置の反り等の問題に繋がるおそれがある。そこで、この光検出装置では、光透過基板について、そのような問題に繋がるおそれがない厚さ（すなわち、Ａ＞５０μｍが成立し得る厚さであって、光透過基板に入射角１°で入射した光さえも、隣り合う受光部の間でクロストークが発生する原因になる厚さ）を確保しつつも、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減し得る構成が実現される。
また、複数の受光部を有する光半導体素子と、光半導体素子に直接的に又は光透過性の接着層のみを介して接合された光透過基板と、を備える光検出装置においては、光透過基板における光半導体素子とは反対側の表面に、屈折率が光透過基板に向かって空気の屈折率から光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層が設けられており、光半導体素子と第１屈折率変化層との間の距離をＡとし、複数の受光部において隣り合う受光部の間の距離をＢとし、空気の屈折率に対する光透過基板の屈折率をｎとすると、Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin５°／ｎ）｝］が成立してもよい。この光検出装置では、光透過基板について、十分な厚さ（すなわち、光透過基板に入射角５°で入射した光が、隣り合う受光部の間でクロストークが発生する原因になる厚さ）を確保しつつも、隣り合う受光部の間で発生するクロストークを低減し得る構成が実現される。
１Ａ，１Ｂ…光検出装置、２Ａ，２Ｂ…光半導体素子、２ａ，２ｂ…表面、３…光透過基板、３ａ，３ｂ…表面、４…接着層、５…第１屈折率変化層、６…第２屈折率変化層、７…光吸収層、８…第３屈折率変化層、９…第４屈折率変化層、２１…半導体基板、２１ａ，２１ｂ…表面、２２…受光部。

Claims (11)

  1. 複数の受光部を有する光半導体素子と、
    前記光半導体素子に直接的に又は光透過性の接着層のみを介して接合された光透過基板と、を備え、
    前記光透過基板における前記光半導体素子とは反対側の表面には、屈折率が前記光透過基板に向かって空気の屈折率から前記光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第１屈折率変化層が設けられており、
    前記光半導体素子と前記第１屈折率変化層との間の距離をＡとし、前記複数の受光部において隣り合う受光部の間の距離をＢとし、前記空気の屈折率に対する前記光透過基板の屈折率をｎとすると、Ａ＞Ｂ／［２tan｛sin−１（sin１°／ｎ）｝］が成立する、光検出装置。
  2. 前記光半導体素子において、前記複数の受光部は、半導体基板における前記光透過基板側の表面に沿った部分に設けられており、
    前記半導体基板における前記光透過基板とは反対側の表面には、凹凸構造を有する第２屈折率変化層が設けられており、
    前記第２屈折率変化層の前記凹凸構造の屈折率は、前記半導体基板に向かって、前記半導体基板とは反対側において前記第２屈折率変化層に接する領域の屈折率から前記半導体基板の屈折率に連続的に変化している、請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記半導体基板における前記光透過基板とは反対側の前記表面には、前記第２屈折率変化層を覆う光吸収層が設けられており、
    前記第２屈折率変化層の前記凹凸構造の屈折率は、前記半導体基板に向かって前記光吸収層の屈折率から前記半導体基板の屈折率に連続的に変化している、請求項２に記載の光検出装置。
  4. 前記光透過基板は、前記光半導体素子に前記接着層のみを介して接合されており、
    前記光透過基板における前記光半導体素子側の表面には、屈折率が前記光透過基板に向かって前記接着層の屈折率から前記光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第３屈折率変化層が設けられている、請求項２又は３に記載の光検出装置。
  5. 前記光半導体素子において、前記複数の受光部は、半導体基板における前記光透過基板とは反対側の表面に沿った部分に設けられている、請求項１に記載の光検出装置。
  6. 前記半導体基板における前記光透過基板とは反対側の表面には、光吸収層が設けられている、請求項５に記載の光検出装置。
  7. 前記光透過基板は、前記光半導体素子に前記接着層のみを介して接合されており、
    前記光透過基板における前記光半導体素子側の表面には、屈折率が前記光透過基板に向かって前記接着層の屈折率から前記光透過基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第３屈折率変化層が設けられている、請求項５又は６に記載の光検出装置。
  8. 前記光透過基板は、前記光半導体素子に前記接着層のみを介して接合されており、
    前記半導体基板における前記光透過基板側の表面には、屈折率が前記半導体基板に向かって前記接着層の屈折率から前記半導体基板の屈折率に連続的に変化する凹凸構造を有する第４屈折率変化層が設けられている、請求項５〜７のいずれか一項に記載の光検出装置。
  9. 前記光透過基板は、ガラス基板である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光検出装置。
  10. 前記第１屈折率変化層は、前記光透過基板とは別体の層である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光検出装置。
  11. 前記第１屈折率変化層は、前記光透過基板と一体的に形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光検出装置。
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