JP2023112469A - 光検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】感度を向上させる光検出器を提供する。【解決手段】光検出器１は、第１表面１０ａ及び第２表面１０ｂを有する半導体層１０を含む半導体光検出素子２と、第１表面１０ａ上に配置された集光構造体３と、を備える。半導体層１０は、第１表面１０ａ又は第２表面１０ｂに沿って二次元に配置された複数の光検出部１１を含む。集光構造体３は、本体部３１と、金属層３６と、を含む。本体部３１は、複数の光検出部１１に対応するように配置された複数の開口３２を有し、第１表面１０ａ上に積層された複数の層３３を含む。金属層３６は、半導体光検出素子２の表面のうち複数の開口３２のそれぞれに対応する領域２ａを露出させるように複数の開口３２のそれぞれの内面３２ａを覆っている。複数の開口３２のそれぞれにおいて、金属層３６の表面３６ａは、半導体光検出素子２とは反対側に広がった形状を呈している。【選択図】図６

Description

本発明は、光検出器に関する。
二次元に配置された複数の光検出部を含む半導体光検出素子と、複数の光検出部に対応するように半導体光検出素子上に配置された複数のマイクロレンズと、を備える光検出器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１２－２５６７８２号公報
上述したような光検出器では、検出対象となる光の一部が複数のマイクロレンズのそれぞれの表面で反射されると、その分だけ、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率が低下するおそれがある。つまり、上述したような光検出器には、感度を向上させる上で改善の余地がある。
本発明は、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。
本発明の光検出器は、第１表面、及び第１表面とは反対側の第２表面を有する半導体層を含む半導体光検出素子と、第１表面上に配置された集光構造体と、を備え、半導体層は、第１表面又は第２表面に沿って二次元に配置された複数の光検出部を含み、集光構造体は、複数の光検出部に対応するように配置された複数の第１開口を有し、第１表面上に積層された複数の層を含む本体部と、半導体光検出素子の表面のうち複数の第１開口のそれぞれに対応する領域を露出させるように複数の第１開口のそれぞれの内面を覆っている金属層と、を含み、複数の第１開口のそれぞれにおいて、金属層における本体部とは反対側の表面は、半導体光検出素子とは反対側に広がった形状を呈している。
本発明の光検出器では、検出対象となる光が集光構造体に入射すると、本体部が有する複数の第１開口のそれぞれにおいて、当該光が金属層の表面によって反射される。このとき、金属層の表面が、半導体光検出素子とは反対側に広がった形状を呈しているため、集光構造体に入射した光が複数の光検出部のそれぞれに効率良く集光される。しかも、本体部が複数の層を含んでいるため、金属層の表面が集光効率の高い形状となり得る複数の第１開口を容易に且つ確実に得ることができる。よって、本発明の光検出器によれば、感度を向上させることができる。
本発明の光検出器では、複数の第１開口のそれぞれの内面は、複数の層のそれぞれを少なくとも一段とする階段状を呈していてもよい。これによれば、金属層の表面が集光効率の高い形状となり得る複数の第１開口をより確実に得ることができる。
本発明の光検出器では、複数の第１開口のそれぞれの内面において、複数の層のそれぞれにおける内側の第１面の幅は、半導体光検出素子から離れるほど大きくなっていてもよい。これによれば、金属層の表面が更に集光効率の高い形状となるため、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率をより高くすることができる。
本発明の光検出器では、複数の第１開口のそれぞれの内面において、複数の層のそれぞれにおける半導体光検出素子とは反対側の第２面の幅は、半導体光検出素子から離れるほど小さくなっていてもよい。これによれば、金属層の表面が更に集光効率の高い形状となるため、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率をより高くすることができる。
本発明の光検出器では、複数の第１開口のそれぞれの内面において、複数の層のそれぞれにおける内側の第１面が第１表面に対して成す傾斜角度は、半導体光検出素子から離れるほど大きくなっていてもよい。これによれば、金属層の表面が更に集光効率の高い形状となるため、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率をより高くすることができる。
本発明の光検出器では、複数の層のそれぞれは、第１材料からなる第１層、又は第１材料とは異なる第２材料からなる第２層であり、第１層と第２層とは、交互に積層されていてもよい。これによれば、例えば、半導体光検出素子とは反対側から第１層及び第２層の一方をエッチングする際に第１層及び第２層の他方をエッチングストッパとすることができ、金属層の表面が集光効率の高い形状となり得る複数の第１開口をより容易に得ることができる。
本発明の光検出器では、第１層は、内部応力として圧縮応力が生じる層であり、第２層は、内部応力として引張応力が生じる層であってもよい。これによれば、本体部において複数の層に生じる応力を相殺することができ、半導体光検出素子が反るのを抑制することができる。
本発明の光検出器では、第１材料は、絶縁材料であり、第２材料は、金属材料であってもよい。これによれば、半導体光検出素子とは反対側から第１層及び第２層の一方をエッチングする際に第１層及び第２層の他方をエッチングストッパとすることができると共に、本体部において複数の層に生じる応力を相殺することができる。
本発明の光検出器では、第２層は、金属層に電気的に接続されていてもよい。これによれば、金属材料からなる第２層が電気的にフローティング状態となることに起因して半導体光検出素子に悪影響が及ぶのを抑制することができる。
本発明の光検出器は、金属層の表面、及び半導体光検出素子の表面のうち複数の第１開口のそれぞれに対応する領域を覆っている保護層を更に備えてもよい。これによれば、金属層の表面、及び半導体光検出素子の表面のうち複数の光検出部のそれぞれに対応する領域が劣化するのを抑制することができる。
本発明の光検出器では、複数の光検出部のそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域及び第２導電型の第２半導体領域を含み、第２半導体領域は、複数の第１開口のそれぞれに対応するように、第１半導体領域に対して第１表面側に位置しており、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域、及び複数の第１開口のそれぞれにおける集光構造体の裾部によって囲まれた領域は、第１表面に垂直な方向から見た場合に、面取りされた複数の角部を有する多角形状を呈していてもよい。これによれば、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率を高く維持しつつ、上記複数の角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンを確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域、及び複数の第１開口のそれぞれにおける集光構造体の裾部によって囲まれた領域は、第１表面に垂直な方向から見た場合に、面取りされた四つの角部を複数の角部として有する矩形状を呈していてもよい。これによれば、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率を高く維持しつつ、上記四つの角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンを確実に抑制することができると共に、構造の単純化を図ることができる。
本発明の光検出器では、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域、及び複数の第１開口のそれぞれにおける集光構造体の裾部によって囲まれた領域は、第１表面に垂直な方向から見た場合に、面取りされた六つの角部を複数の角部として有する六角形状を呈していてもよい。これによれば、例えば、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域が矩形状を呈している場合に比べ、不感領域の割合を減少させることができる。また、例えば、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域が矩形状を呈している場合に比べ、上記六つの角部のそれぞれの内角が大きくなるため、上記六つの角部への電解集中をより確実に抑制することができる。更に、例えば、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域が矩形状を呈している場合に比べ、金属層の表面が更に集光効率の高い形状となるため、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率をより高くすることができる。以上により、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率をより高く維持しつつ、上記六つの角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンをより確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、複数の角部は、ラウンド状に面取りされていてもよい。これによれば、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率をより高く維持しつつ、上記複数の角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンをより確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、第１半導体領域及び第２半導体領域は、アバランシェフォトダイオードを構成しており、半導体光検出素子は、第１表面に形成された配線層を更に含み、配線層は、複数の光検出部に対応するように配置された複数のクエンチング抵抗と、複数の光検出部に対応するように配置された複数の第２開口を有する読出配線と、を含み、複数のクエンチング抵抗のそれぞれの一端は、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域に電気的に接続されており、複数のクエンチング抵抗のそれぞれの他端は、読出配線に電気的に接続されていてもよい。これによれば、半導体光検出素子をＳｉＰＭ（silicon photo-multiplier）として機能させることができる。ＳｉＰＭのダイナミックレンジを広くするためには、光検出部の数を増やす必要があるが、素子サイズを維持しつつ光検出部の数を増やすと、不感領域の占有率が増加して感度が低下するおそれがある。しかし、本発明の光検出器は、上述した集光構造体を備えているため、素子サイズを維持しつつ光検出部の数を増やした場合にも、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率を高くすることができる。したがって、ＳｉＰＭとして機能する半導体光検出素子において、十分なダイナミックレンジ及び十分な感度を確保することができる。
本発明の光検出器では、複数の第２開口のそれぞれは、第１表面に垂直な方向から見た場合に、面取りされた少なくとも一つの角部を有する多角形状を呈していてもよい。これによれば、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率を高く維持しつつ、複数の角部が面取りされていない場合に比べ、角部への電解集中によるブレイクダウンを抑制することができる。
本発明の光検出器では、複数のクエンチング抵抗のそれぞれは、第１表面に垂直な方向から見た場合に複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域の外縁に重なっており、複数の第１開口のそれぞれにおける集光構造体の裾部は、第１表面に垂直な方向から見た場合に、複数のクエンチング抵抗のそれぞれの一部分に重なっていてもよい。これによれば、例えば、クエンチング抵抗を光透過性材料によって形成することで、複数の光検出部のそれぞれにおける開口率を高くすることができる。
本発明の光検出器では、複数のクエンチング抵抗のそれぞれは、第１表面に垂直な方向から見た場合に複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域の外縁に重なっており、複数の第１開口のそれぞれにおける集光構造体の裾部は、第１表面に垂直な方向から見た場合に、複数の光検出部のそれぞれの第２半導体領域の外縁、及び複数のクエンチング抵抗のそれぞれの全体に重なっていてもよい。これによれば、クエンチング抵抗によって金属層に段差が形成されることで、金属層の表面が更に集光効率の高い形状となるため、複数の光検出部のそれぞれに対する集光効率をより高くすることができる。また、集光構造体の裾部がクエンチング抵抗の全体に重なっているため、集光構造体の形状安定性を向上させることができる。
本発明の光検出器では、半導体層は、複数の光検出部のそれぞれを互いに仕切るように延在するトレンチを有し、集光構造体における半導体光検出素子とは反対側の頂部、及びトレンチは、第１表面に垂直な方向から見た場合に読出配線に含まれていてもよい。これによれば、集光構造体による集光効率の向上、トレンチによるクロストーク（光学的クロストーク及び電気的クロストーク）の抑制、及び読出配線の張り出しによる電界集中の抑制の各効果をバランス良く得ることができる。
本発明の光検出器では、半導体層は、複数の光検出部のそれぞれを互いに仕切るように延在するトレンチを有し、トレンチは、第１表面に垂直な方向から見た場合に集光構造体に含まれていてもよい。これによれば、集光構造体による集光効率の向上、及びトレンチによるクロストークの抑制の各効果をバランス良く得ることができる。
本発明の光検出器では、半導体光検出素子は、第１表面に形成された配線層を更に含み、配線層は、複数の光検出部に対応するように配置された複数の環状電極を含み、複数の光検出部のそれぞれにおいて、第２半導体領域とトレンチとの間の領域は、第１表面に垂直な方向から見た場合に複数の環状電極のそれぞれに含まれており、複数の環状電極のそれぞれの内縁は、面取りされた複数の角部を有する多角形状を呈していてもよい。これによれば、第２半導体領域とトレンチとの間の領域に形成される空乏層が環状電極によって覆われるため、電界集中を抑制することができる。また、上記複数の角部への電解集中も抑制することができる。
本発明によれば、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が可能となる。
一実施形態の光検出器の側面図である。 図１に示される半導体光検出素子の平面図である。 図１に示される半導体光検出素子の一部分の平面図である。 図３に示されるIV－IV線に沿っての半導体光検出素子の一部分の断面図である。 図１に示される半導体光検出素子の回路図である。 図１に示される光検出器の一部分の断面図である。 図１に示される光検出器の製造方法を説明するための断面図である。 図１に示される光検出器の製造方法を説明するための断面図である。 図１に示される光検出器の製造方法を説明するための断面図である。 図１に示される光検出器の製造方法を説明するための断面図である。 変形例の集光構造体の一部分の断面図である。 変形例の半導体光検出素子の一部分の平面図である。
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。
［光検出器の構成］
図１に示されるように、光検出器１は、半導体光検出素子２と、集光構造体３と、保護層４と、を備えている。半導体光検出素子２は、半導体層１０と、配線層２０と、を含んでいる。半導体層１０は、第１表面１０ａ、及び第１表面１０ａとは反対側の第２表面１０ｂを有している。配線層２０は、第１表面１０ａに形成されている。集光構造体３は、配線層２０を介して第１表面１０ａ上に配置されている。以下の説明では、第１表面１０ａに垂直な方向をＺ軸方向といい、第１表面１０ａに平行な一方向をＸ軸方向といい、Ｚ軸方向及びＸ軸方向の両方向に垂直な方向をＹ軸方向という。
［半導体光検出素子の構成］
図２に示されるように、半導体層１０は、複数の光検出部１１を含んでいる。複数の光検出部１１は、第１表面１０ａ（図１参照）に沿って二次元に配置されている。半導体層１０は、例えば、シリコンからなる。配線層２０は、共通電極２１を含んでいる。共通電極２１は、Ｚ軸方向から見た場合に半導体光検出素子２の中央に位置している。共通電極２１は、例えば、Ａｌからなる。半導体光検出素子２は、例えば、矩形板状を呈している。複数の光検出部１１は、Ｚ軸方向から見た場合に共通電極２１に重ならないように、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を行方向及び列方向としてマトリックス状に配置されている。本実施形態では、各光検出部１１は、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）であり、半導体光検出素子２は、ＳｉＰＭである。ＳｉＰＭである半導体光検出素子２では、各光検出部１１において発生した電荷が共通電極２１に収集される。なお、図２では、複数の光検出部１１が一部の領域のみに図示されているが、複数の光検出部１１は、共通電極２１を除く全領域に配置されている。また、図２では、複数の光検出部１１、及び共通電極２１が、便宜上、実線で図示されている。
図３及び図４に示されるように、各光検出部１１は、Ｎ型半導体領域（第１導電型の第１半導体領域）１２と、Ｐ型半導体領域１３と、Ｐ＋型半導体領域（第２導電型の第２半導体領域）１４と、を含んでいる。Ｎ型半導体領域１２は、複数の光検出部１１に渡って延在している。Ｐ型半導体領域１３は、第１表面１０ａに沿ってＮ型半導体領域１２内に形成されており、Ｎ型半導体領域１２とＰＮ接合を構成している。Ｐ＋型半導体領域１４は、第１表面１０ａに沿ってＰ型半導体領域１３内に形成されおり、Ｎ型半導体領域１２の少なくとも一部分に対して第１表面１０ａ側に位置している。Ｐ＋型半導体領域１４は、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた四つの角部を有する矩形状を呈している。当該四つの角部は、ラウンド状に面取りされている。各光検出部１１では、Ｎ型半導体領域１２、Ｐ型半導体領域１３及びＰ＋型半導体領域１４によってアバランシェフォトダイオード１５（以下、「ＡＰＤ１５」という）が構成されている。一例として、Ｚ軸方向から見た場合におけるＰ＋型半導体領域１４の一辺の長さは１０μｍ程度であり、隣り合うＰ＋型半導体領域１４の中心間距離（ピッチ）は１５μｍ程度である。半導体層１０では、Ｐ型の不純物は、例えば、Ｂ等の３族元素であり、Ｎ型の不純物は、例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等の５族元素である。
半導体層１０は、トレンチ１０ｃを有している。トレンチ１０ｃは、各光検出部１１を互いに仕切るように延在している。トレンチ１０ｃは、第１表面１０ａに開口している。第１表面１０ａからのトレンチ１０ｃの深さは、第１表面１０ａからのＰ型半導体領域１３の深さよりも大きい。各光検出部１１において、Ｐ型半導体領域１３とトレンチ１０ｃとの間には、Ｎ型半導体領域１２の一部分が配置されている。トレンチ１０ｃの内面に沿っては、絶縁領域１６が形成されている。絶縁領域１６は、例えば、ＳｉＯ２からなる。トレンチ１０ｃ内には、金属部材１７が配置されている。金属部材１７は、例えば、Ｗからなる。一例として、トレンチ１０ｃの幅は０．５μｍ程度であり、トレンチ１０ｃの深さは４μｍ程度である。一例として、Ｐ型半導体領域１３とトレンチ１０ｃとの間の距離（すなわち、Ｐ型半導体領域１３とトレンチ１０ｃとの間に配置されたＮ型半導体領域１２の一部分の幅）は２μｍ程度である。なお、第１表面１０ａからのトレンチ１０ｃの深さは、第２表面１０ｂに達していてもよい。
配線層２０は、共通電極２１（図２参照）に加え、複数のクエンチング抵抗２２と、読出配線２３と、絶縁層２４と、を含んでいる。絶縁層２４は、例えば、ＳｉＯ２又はＳｉＮからなる複数の絶縁膜によって構成されている。複数のクエンチング抵抗２２、及び読出配線２３は、絶縁層２４内に形成されている。複数のクエンチング抵抗２２は、複数の光検出部１１に対応するように配置されている。一つの光検出部１１には、一つのクエンチング抵抗２２が対応している。クエンチング抵抗２２は、例えば、ＳｉＣｒからなる。読出配線２３は、複数の開口（第２開口）２３ａを有している。複数の開口２３ａは、複数の光検出部１１に対応するように配置されている。一つの光検出部１１には、一つの開口２３ａが対応している。換言すれば、一つのＰ＋型半導体領域１４は、Ｚ軸方向から見た場合に一つの開口２３ａに重なっている。読出配線２３は、複数の光検出部１１に渡って延在しており、共通電極２１に電気的接続されている。読出配線２３は、例えば、Ａｌからなる。トレンチ１０ｃは、Ｚ軸方向から見た場合に読出配線２３に含まれている。なお、図３では、絶縁層２４の図示が省略されている。
各光検出部１１において、Ｐ＋型半導体領域１４及びクエンチング抵抗２２は、Ｚ軸方向から見た場合に開口２３ａの内側に配置されている。開口２３ａは、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた三つの角部を有する矩形状を呈している。当該三つの角部は、ラウンド状に面取りされている。各光検出部１１において、クエンチング抵抗２２は、Ｚ軸方向から見た場合にＰ＋型半導体領域１４の外縁１４ａに重なっており、Ｚ軸方向から見た場合にＰ＋型半導体領域１４の外縁１４ａに沿って延在している。クエンチング抵抗２２の一端２２ａは、外縁１４ａの一部分の近傍において、貫通電極２５を介してＰ＋型半導体領域１４に電気的に接続されている。貫通電極２５は、例えば、Ａｌからなる。クエンチング抵抗２２の他端２２ｂは、開口２３ａのうち面取りされていない角部において、読出配線２３に電気的に接続されている。
図５は、半導体光検出素子２の回路図である。図５に示されるように、各クエンチング抵抗２２の一端２２ａは、各ＡＰＤ１５のアノードに電気的に接続されている。各クエンチング抵抗２２の他端２２ｂは、読出配線２３を介して共通電極２１に電気的に接続されている。半導体光検出素子２では、各ＡＰＤ１５がガイガーモードで動作させられる。ガイガーモードでは、ＡＰＤ１５のブレイクダウン電圧よりも大きい逆方向電圧（逆バイアス電圧）が各ＡＰＤ１５に印加される。すなわち、各ＡＰＤ１５のアノードに電位Ｖ１が印加される場合、電位Ｖ１に対して正の電位であり且つ電位Ｖ１との差がＡＰＤ１５のブレイクダウン電圧よりも大きい電位である電位Ｖ２が、各ＡＰＤ１５のカソードに印加される。各ＡＰＤ１５がガイガーモードで動作させられている状態で、任意の且つ少なくとも一つのＡＰＤ１５に光が入射すると、当該ＡＰＤ１５において光電変換が起こり、当該ＡＰＤ１５において電荷が発生する。当該ＡＰＤ１５において発生した電荷は、アバランシェ増倍によって増幅され、クエンチング抵抗２２を介して共通電極２１に収集される。共通電極２１に収集された電荷は、信号として外部の信号処理部に出力される。
［集光構造体及び保護層の構成］
図６に示されるように、集光構造体３は、本体部３１を含んでいる。本体部３１は、複数の開口（第１開口）３２を有している。複数の開口３２は、複数の光検出部１１に対応するように配置されている。一つの光検出部１１には、一つの開口３２が対応している。換言すれば、一つのＰ＋型半導体領域１４は、Ｚ軸方向から見た場合に一つの開口３２に重なっている。本体部３１は、配線層２０を介して第１表面１０ａ上に配置されており、複数の光検出部１１に渡って延在している。
本体部３１は、複数の層３３を含んでいる。複数の層３３は、配線層２０を介して第１表面１０ａ上に積層されている。各層３３は、第１層３４又は第２層３５である。本体部３１において、第１層３４と第２層３５とは、交互に積層されている。第１層３４は、絶縁材料（第１材料）からなる層であり、内部応力として圧縮応力が生じる層である。第１層３４は、例えば、ＳｉＯ２からなる。第２層３５は、金属材料（第１材料とは異なる第２材料）からなる層であり、内部応力として引張応力が生じる層である。第２層３５は、例えば、Ａｌからなる。
各開口３２の内面３２ａは、各層３３を少なくとも一段とする階段状を呈している。つまり、各開口３２の内面３２ａは、蹴上げ面に相当する複数の第１面３３ａ、及び踏み面に相当する複数の第２面３３ｂによって、構成されている。各開口３２の内面３２ａにおいて、各第１面３３ａは、各層３３における内側の面（すなわち、開口３２の中心線側に向いた面）であり、開口３２の中心線を囲むように枠状（例えば、矩形状）に延在している。各第１面３３ａの幅は、例えば、０．５μｍ程度である。各第１面３３ａが第１表面１０ａに対して成す傾斜角度は、例えば、９０度である。各開口３２の内面３２ａにおいて、各第２面３３ｂは、各層３３における半導体光検出素子２とは反対側の面であり、開口３２の中心線を囲むように枠状（例えば、矩形状）に延在している。各第２面３３ｂの幅は、例えば、０．５μｍ程度である。なお、第１面３３ａの幅とは、開口３２の中心線を含む断面での「第１表面１０ａに垂直な方向における第１面３３ａの幅」である。第１面３３ａが第１表面１０ａに対して成す傾斜角度とは、開口３２の中心線を含む断面での「層３３側における第１表面１０ａと第１面３３ａとの間の角度」である。第２面３３ｂの幅とは、開口３２の中心線を含む断面での「第１表面１０ａに平行な方向における第２面３３ｂの幅」である。
集光構造体３は、金属層３６を更に含んでいる。金属層３６は、半導体光検出素子２の表面のうち各開口３２に対応する領域２ａを露出させた状態で、本体部３１を覆っている。つまり、金属層３６は、半導体光検出素子２の表面のうち各開口３２に対応する領域２ａを露出させるように各開口３２の内面３２ａを覆っている。領域２ａは、半導体光検出素子２の表面（本実施形態では、配線層２０における半導体層１０とは反対側の表面）のうち、Ｚ軸方向から見た場合に各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４に重なっている（或いは含まれている）領域である。金属層３６は、例えば、Ａｌからなる。
各開口３２において、金属層３６における本体部３１とは反対側の表面３６ａは、半導体光検出素子２とは反対側に広がった形状を呈している。ここで、半導体光検出素子２とは反対側に広がった形状とは、半導体光検出素子２とは反対側に連続的に広がった形状だけでなく、半導体光検出素子２とは反対側に段階的に広がった形状（すなわち、開口３２の中心線に垂直な断面の面積が一定の区間を有する形状）を含む。金属層３６には、金属材料からなる各第２層３５が電気的に接続されている。なお、金属層３６は、基準電位点（例えば、接地電位点）に電気的に接続されている。
各開口３２における集光構造体３の裾部３ａによって囲まれた領域は、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた四つの角部を有する矩形状を呈している。当該四つの角部は、ラウンド状に面取りされている。各開口３２における集光構造体３の裾部３ａとは、集光構造体３のうち各領域２ａを画定する枠状の部分である。各開口３２における集光構造体３の裾部３ａは、Ｚ軸方向から見た場合に、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４の外縁１４ａ、及び各クエンチング抵抗２２の全体に重なっている。集光構造体３における半導体光検出素子２とは反対側の頂部３ｂは、Ｚ軸方向から見た場合に各光検出部１１を互いに仕切るように延在している。集光構造体３の頂部３ｂは、Ｚ軸方向から見た場合に読出配線２３に含まれている。一例として、領域２ａからの集光構造体３の高さは３μｍ程度であり、隣り合う領域２ａの間の距離は５μｍ程度ある。
保護層４は、金属層３６の表面３６ａ、及び複数の領域２ａを覆っている。保護層４は、複数の光検出部１１に渡って延在している。保護層４は、例えば、ＳｉＯ２からなる。
［光検出器の製造方法］
図７の（ａ）に示されるように、半導体光検出素子２が用意される。続いて、図７の（ｂ）に示されるように、複数の層３３０が、配線層２０を介して第１表面１０ａ上に積層される。各層３３０は、絶縁層３４０又は金属層３５０である。ここでは、絶縁層３４０と金属層３５０とが交互に積層される。
続いて、図８の（ａ）及び（ｂ）並びに図９の（ａ）に示されるように、半導体光検出素子２から離れた側から順に、各層３３０がエッチングによってパターニングされ、複数の開口３２を有する本体部３１が形成される。このとき、絶縁層３４０が第１層３４となり、金属層３５０が第２層３５となる。各層３３０のエッチングにおいては、エッチング対象の層３３０に半導体光検出素子２側から接触している層３３０がエッチングストッパとして機能する。つまり、エッチング対象の層３３０が絶縁層３４０である場合には、当該絶縁層３４０に半導体光検出素子２側から接触している金属層３５０がエッチングストッパとして機能し、エッチング対象の層３３０が金属層３５０である場合には、当該金属層３５０に半導体光検出素子２側から接触している絶縁層３４０がエッチングストッパとして機能する。
続いて、図９の（ｂ）に示されるように、半導体光検出素子２の表面のうち各開口３２に対応する領域２ａ、及び本体部３１を覆うように、金属層３６０が形成される。続いて、図１０の（ａ）に示されるように、金属層３６０のうち各領域２ａ上の部分がエッチングによって除去され、金属層３６が形成される。続いて、図１０の（ｂ）に示されるように、金属層３６の表面３６ａ、及び複数の領域２ａを覆うように、保護層４が形成される。以上により、光検出器１が製造される。
［作用及び効果］
光検出器１では、検出対象となる光が集光構造体３に入射すると、本体部３１が有する各開口３２において、当該光が金属層３６の表面３６ａによって反射される。このとき、金属層３６の表面３６ａが、半導体光検出素子２とは反対側に広がった形状を呈しているため、集光構造体３に入射した光が各光検出部１１に効率良く集光される。しかも、本体部３１が複数の層３３を含んでいるため、金属層３６の表面３６ａが集光効率の高い形状となり得る複数の開口３２を容易に且つ確実に得ることができる。よって、光検出器１によれば、感度を向上させることができる。
光検出器１では、各開口３２の内面３２ａが、各層３３を少なくとも一段とする階段状を呈している。これにより、金属層３６の表面３６ａが集光効率の高い形状となり得る複数の開口３２をより確実に得ることができる。なお、各層３３の厚さが小さくなるほど、各開口３２の形状の微細な調整が可能となり、更に、各開口３２の内面３２ａが金属層３６によって覆われることで、各開口３２において滑らかな表面３６ａの形成が可能となる。
光検出器１では、各層３３が、第１材料からなる第１層３４、又は第１材料とは異なる第２材料からなる第２層３５であり、第１層３４と第２層３５とが、交互に積層されている。これにより、例えば、半導体光検出素子２とは反対側から第１層３４及び第２層３５の一方をエッチングする際に第１層３４及び第２層３５の他方をエッチングストッパとすることができ、金属層３６の表面３６ａが集光効率の高い形状となり得る複数の開口３２をより容易に得ることができる。
光検出器１では、各第１層３４が、内部応力として圧縮応力が生じる層であり、各第２層３５が、内部応力として引張応力が生じる層である。これにより、本体部３１において複数の層３３に生じる応力を相殺することができ、半導体光検出素子２が反るのを抑制することができる。
光検出器１では、各第１層３４が絶縁材料からなり、各第２層３５が金属材料からなる。これにより、半導体光検出素子２とは反対側から第１層３４及び第２層３５の一方をエッチングする際に第１層３４及び第２層３５の他方をエッチングストッパとすることができると共に、本体部３１において複数の層３３に生じる応力を相殺することができる。
光検出器１では、金属材料からなる各第２層３５が、金属層３６に電気的に接続されている。これにより、金属材料からなる各第２層３５が電気的にフローティング状態となることに起因して半導体光検出素子２に悪影響が及ぶのを抑制することができる。
光検出器１では、保護層４が、金属層３６の表面３６ａ、及び複数の領域２ａを覆っている。これにより、金属層３６の表面３６ａ、及び複数の領域２ａが劣化するのを抑制することができる。
光検出器１では、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４、及び各開口３２における集光構造体３の裾部３ａによって囲まれた領域が、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた四つの角部を有する矩形状を呈している。これにより、各光検出部１１に対する集光効率を高く維持しつつ、上記四つの角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンを確実に抑制することができると共に、構造の単純化を図ることができる。
光検出器１では、上記四つの角部が、ラウンド状に面取りされている。これにより、各光検出部１１に対する集光効率をより高く維持しつつ、上記四つの角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンをより確実に抑制することができる。
光検出器１では、半導体光検出素子２が、ＳｉＰＭとして機能する。ＳｉＰＭのダイナミックレンジを広くするためには、光検出部１１の数を増やす必要があるが、素子サイズを維持しつつ光検出部１１の数を増やすと、不感領域の占有率が増加して感度が低下するおそれがある。しかし、光検出器１は、上述した集光構造体３を備えているため、素子サイズを維持しつつ光検出部１１の数を増やした場合にも、各光検出部１１に対する集光効率を高くすることができる。したがって、ＳｉＰＭとして機能する半導体光検出素子２において、十分なダイナミックレンジ及び十分な感度を確保することができる。
光検出器１では、読出配線２３の各開口２３ａが、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた少なくとも一つの角部を有する矩形状を呈している。これにより、各光検出部１１に対する集光効率を高く維持しつつ、四つの角部が面取りされていない場合に比べ、角部への電解集中によるブレイクダウンを抑制することができる。
光検出器１では、各クエンチング抵抗２２が、Ｚ軸方向から見た場合に各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４の外縁１４ａに重なっており、各開口３２における集光構造体３の裾部３ａが、Ｚ軸方向から見た場合に、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４の外縁１４ａ、及び各クエンチング抵抗２２の全体に重なっている。これにより、クエンチング抵抗２２によって金属層３６に段差が形成されることで、金属層３６の表面３６ａが更に集光効率の高い形状となるため、各光検出部１１に対する集光効率をより高くすることができる。また、集光構造体３の裾部３ａがクエンチング抵抗２２の全体に重なっているため、集光構造体３の形状安定性を向上させることができる。
光検出器１では、半導体層１０が、各光検出部１１を互いに仕切るように延在するトレンチ１０ｃを有しており、集光構造体３の頂部３ｂ、及びトレンチ１０ｃが、Ｚ軸方向から見た場合に読出配線２３に含まれている。これにより、集光構造体３による集光効率の向上、トレンチ１０ｃによるクロストーク（光学的クロストーク及び電気的クロストーク）の抑制、及び読出配線２３の張り出しによる電界集中の抑制の各効果をバランス良く得ることができる。また、Ｐ＋型半導体領域１４とトレンチ１０ｃとの間の領域に形成される空乏層が読出配線２３で覆われることによって電界集中を好適に抑制することができ、Ｐ＋型半導体領域１４とトレンチ１０ｃとの間の領域に形成されるＰＮ接合界面が読出配線２３で覆われることによって電界集中をより好適に抑制することができる。
ここで、各光検出部１１に対する集光効率をより高くすることができる集光構造体３の構成について説明する。各光検出部１１に対する集光効率をより高くするためには、各開口３２において金属層３６の表面３６ａの形状をＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator）形状に近付ければよい。それを実現するための集光構造体３の構成は、次のとおりである。すなわち、図１１に示されるように、各開口３２の内面３２ａにおいて、各層３３の第１面３３ａの幅Ｗ１が、半導体光検出素子２から離れるほど大きくなると、金属層３６の表面３６ａの形状がＣＰＣ形状に近付く。また、各開口３２の内面３２ａにおいて、各層３３の第２面３３ｂの幅Ｗ２が、半導体光検出素子２から離れるほど小さくなると、金属層３６の表面３６ａの形状がＣＰＣ形状に近付く。また、各開口３２の内面３２ａにおいて、各層３３の第１面３３ａが第１表面１０ａに対して成す傾斜角度θが、半導体光検出素子２から離れるほど大きくなると、金属層３６の表面３６ａの形状がＣＰＣ形状に近付く。以上の構成のうち少なくとも一つの構成が集光構造体３に適用されれば、金属層３６の表面３６ａが更に集光効率の高い形状となるため、各光検出部１１に対する集光効率をより高くすることができる。
［変形例］
本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、ＳｉＰＭとして機能する半導体光検出素子２において、各光検出部１１は、Ｎ型とＰ型とが逆の構成等、他の構成を有していてもよい。一例として、上述したＮ型半導体領域（第１導電型の第１半導体領域）１２、Ｐ型半導体領域１３及びＰ＋型半導体領域（第２導電型の第２半導体領域）１４が、それぞれ、Ｐ型半導体領域（第１導電型の第１半導体領域）、Ｎ－型半導体領域及びＮ型半導体領域（第２導電型の第２半導体領域）であってもよい。また、各光検出部１１は、Ｐ型半導体領域及びＮ型半導体領域からなるフォトダイオードを構成するものであれば、アバランシェフォトダイオードを構成するものに限定されない。また、半導体光検出素子２は、裏面入射型であってもよい。つまり、半導体層１０は、第２表面１０ｂに沿って二次元に配置された複数の光検出部１１を含んでいてもよい。その場合、第２表面１０ｂに開口するトレンチ１０ｃであって、各光検出部１１を互いに仕切るように延在するトレンチ１０ｃが、半導体層１０に形成されていてもよい。
半導体光検出素子２では、配線層２０が第１表面１０ａに形成されていなくてもよい。その場合、集光構造体３は、第１表面１０ａ上に直接配置されていてもよい。すなわち、本体部３１の複数の層３３は、第１表面１０ａ上に直接積層されていてもよい。
光検出器１では、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４、及び各開口３２における集光構造体３の裾部３ａによって囲まれた領域が、Ｚ軸方向から見た場合に、「面取りされた四つの角部を有する矩形状」以外の形状（例えば、矩形状以外の多角形状、円形状等）を呈していてもよい。各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４、及び各開口３２における集光構造体３の裾部３ａによって囲まれた領域が、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた複数の角部を有する多角形状を呈していれば、各光検出部１１に対する集光効率を高く維持しつつ、上記複数の角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンを確実に抑制することができる。その場合、読出配線２３の各開口２３ａが、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた少なくとも一つの角部を有する多角形状を呈していれば、各光検出部１１に対する集光効率をより高く維持しつつ、複数の角部が面取りされていない場合に比べ、角部への電解集中によるブレイクダウンをより確実に抑制することができる。
一例として、図１２に示されるように、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４、及び各開口３２における集光構造体３の裾部３ａ（図示省略）によって囲まれた領域は、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた六つの角部を有する六角形状を呈していてもよい。これによれば、例えば、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４が矩形状を呈している場合に比べ、不感領域の割合を減少させることができる。また、例えば、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４が矩形状を呈している場合に比べ、上記六つの角部のそれぞれの内角が大きくなるため、上記六つの角部への電解集中をより確実に抑制することができる。更に、例えば、各光検出部１１のＰ＋型半導体領域１４が矩形状を呈している場合に比べ、金属層３６の表面３６ａが更に集光効率の高い形状となるため、各光検出部１１に対する集光効率をより高くすることができる。以上により、各光検出部１１に対する集光効率をより高く維持しつつ、上記六つの角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンをより確実に抑制することができる。図１２に示される例でも、上記六つの角部がラウンド状に面取りされていれば、各光検出部１１に対する集光効率をより高く維持しつつ、上記六つの角部への電解集中によるノイズの増加及びブレイクダウンをより確実に抑制することができる。
集光構造体３において、各開口２３ａは、Ｚ軸方向から見た場合に、面取りされた少なくとも一つの角部を有する矩形状を呈していればよい。その場合、面取り形状も、ラウンド状に限定されない。また、集光構造体３において、第１層３４及び第２層３５は、互いに異なる材料からなる層であればよい。更に、集光構造体３において、各層３３は、同じ材料からなる層であってもよい。また、各開口３２の内面３２ａは、連続する複数の層３３を一段とする階段状を呈していてもよい。
各開口３２における集光構造体３の裾部３ａは、Ｚ軸方向から見た場合に、各クエンチング抵抗２２の一部分に重なっていてもよい。これによれば、例えば、クエンチング抵抗２２を光透過性材料（例えば、ポリシリコン）によって形成することで、各光検出部１１における開口率を高くすることができる。
光検出器１では、Ｚ軸方向から見た場合にトレンチ１０ｃが集光構造体３に含まれていれば、集光構造体３による集光効率の向上、及びトレンチ１０ｃによるクロストークの抑制の各効果をバランス良く得ることができる。その場合、配線層２０が、複数の光検出部１１に対応するように配置された複数の環状電極を含んでおり、各光検出部１１において、第２導電型の第２半導体領域（例えば、Ｐ＋型半導体領域１４）とトレンチ１０ｃとの間の領域が、Ｚ軸方向から見た場合に各環状電極に含まれており、各環状電極の内縁が、面取りされた複数の角部を有する多角形状を呈していてもよい。これによれば、第２半導体領域とトレンチ１０ｃとの間の領域に形成される空乏層が環状電極で覆われることによって電界集中を好適に抑制することができ、第２半導体領域とトレンチ１０ｃとの間の領域に形成されるＰＮ接合界面が環状電極で覆われることによって電界集中をより好適に抑制することができる。また、上記複数の角部への電解集中も抑制することができる。
１…光検出器、２…半導体光検出素子、２ａ…領域、３…集光構造体、３ａ…裾部、３ｂ…頂部、４…保護層、１０…半導体層、１０ａ…第１表面、１０ｂ…第２表面、１０ｃ…トレンチ、１１…光検出部、１２…Ｎ型半導体領域（第１導電型の第１半導体領域）、１４…Ｐ＋型半導体領域（第２導電型の第２半導体領域）、１４ａ…外縁、１５…ＡＰＤ、２０…配線層、２２…クエンチング抵抗、２２ａ…一端、２２ｂ…他端、２３…読出配線、２３ａ…開口（第２開口）、３１…本体部、３２…開口（第１開口）、３２ａ…内面、３３…層、３３ａ…第１面、３３ｂ…第２面、３４…第１層、３５…第２層、３６…金属層、３６ａ…表面。

Claims (21)

  1. 第１表面、及び前記第１表面とは反対側の第２表面を有する半導体層を含む半導体光検出素子と、
    前記第１表面上に配置された集光構造体と、を備え、
    前記半導体層は、前記第１表面又は前記第２表面に沿って二次元に配置された複数の光検出部を含み、
    前記集光構造体は、
    前記複数の光検出部に対応するように配置された複数の第１開口を有し、前記第１表面上に積層された複数の層を含む本体部と、
    前記半導体光検出素子の表面のうち前記複数の第１開口のそれぞれに対応する領域を露出させるように前記複数の第１開口のそれぞれの内面を覆っている金属層と、を含み、
    前記複数の第１開口のそれぞれにおいて、前記金属層における前記本体部とは反対側の表面は、前記半導体光検出素子とは反対側に広がった形状を呈している、光検出器。
  2. 前記複数の第１開口のそれぞれの前記内面は、前記複数の層のそれぞれを少なくとも一段とする階段状を呈している、請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記複数の第１開口のそれぞれの前記内面において、前記複数の層のそれぞれにおける内側の第１面の幅は、前記半導体光検出素子から離れるほど大きくなっている、請求項２に記載の光検出器。
  4. 前記複数の第１開口のそれぞれの前記内面において、前記複数の層のそれぞれにおける前記半導体光検出素子とは反対側の第２面の幅は、前記半導体光検出素子から離れるほど小さくなっている、請求項２又は３に記載の光検出器。
  5. 前記複数の第１開口のそれぞれの前記内面において、前記複数の層のそれぞれにおける内側の第１面が前記第１表面に対して成す傾斜角度は、前記半導体光検出素子から離れるほど大きくなっている、請求項２～４のいずれか一項に記載の光検出器。
  6. 前記複数の層のそれぞれは、第１材料からなる第１層、又は前記第１材料とは異なる第２材料からなる第２層であり、
    前記第１層と前記第２層とは、交互に積層されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出器。
  7. 前記第１層は、内部応力として圧縮応力が生じる層であり、
    前記第２層は、内部応力として引張応力が生じる層である、請求項６に記載の光検出器。
  8. 前記第１材料は、絶縁材料であり、
    前記第２材料は、金属材料である、請求項６又は７に記載の光検出器。
  9. 前記第２層は、前記金属層に電気的に接続されている、請求項８に記載の光検出器。
  10. 前記金属層の前記表面、及び前記半導体光検出素子の前記表面のうち前記複数の第１開口のそれぞれに対応する前記領域を覆っている保護層を更に備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の光検出器。
  11. 前記複数の光検出部のそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域及び第２導電型の第２半導体領域を含み、
    前記第２半導体領域は、前記複数の第１開口のそれぞれに対応するように、前記第１半導体領域に対して前記第１表面側に位置しており、
    前記複数の光検出部のそれぞれの前記第２半導体領域、及び前記複数の第１開口のそれぞれにおける前記集光構造体の裾部によって囲まれた領域は、前記第１表面に垂直な方向から見た場合に、面取りされた複数の角部を有する多角形状を呈している、請求項１～１０のいずれか一項に記載の光検出器。
  12. 前記複数の光検出部のそれぞれの前記第２半導体領域、及び前記複数の第１開口のそれぞれにおける前記集光構造体の前記裾部によって囲まれた前記領域は、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に、面取りされた四つの角部を前記複数の角部として有する矩形状を呈している、請求項１１に記載の光検出器。
  13. 前記複数の光検出部のそれぞれの前記第２半導体領域、及び前記複数の第１開口のそれぞれにおける前記集光構造体の前記裾部によって囲まれた前記領域は、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に、面取りされた六つの角部を前記複数の角部として有する六角形状を呈している、請求項１１に記載の光検出器。
  14. 前記複数の角部は、ラウンド状に面取りされている、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の光検出器。
  15. 前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域は、アバランシェフォトダイオードを構成しており、
    前記半導体光検出素子は、前記第１表面に形成された配線層を更に含み、
    前記配線層は、
    前記複数の光検出部に対応するように配置された複数のクエンチング抵抗と、
    前記複数の光検出部に対応するように配置された複数の第２開口を有する読出配線と、を含み、
    前記複数のクエンチング抵抗のそれぞれの一端は、前記複数の光検出部のそれぞれの前記第２半導体領域に電気的に接続されており、
    前記複数のクエンチング抵抗のそれぞれの他端は、前記読出配線に電気的に接続されている、請求項１１～１４のいずれか一項に記載の光検出器。
  16. 前記複数の第２開口のそれぞれは、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に、面取りされた少なくとも一つの角部を有する多角形状を呈している、請求項１５に記載の光検出器。
  17. 前記複数のクエンチング抵抗のそれぞれは、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に前記複数の光検出部のそれぞれの前記第２半導体領域の外縁に重なっており、
    前記複数の第１開口のそれぞれにおける前記集光構造体の前記裾部は、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に、前記複数のクエンチング抵抗のそれぞれの一部分に重なっている、請求項１５又は１６に記載の光検出器。
  18. 前記複数のクエンチング抵抗のそれぞれは、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に前記複数の光検出部のそれぞれの前記第２半導体領域の外縁に重なっており、
    前記複数の第１開口のそれぞれにおける前記集光構造体の前記裾部は、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に、前記複数の光検出部のそれぞれの前記第２半導体領域の前記外縁、及び前記複数のクエンチング抵抗のそれぞれの全体に重なっている、請求項１５又は１６に記載の光検出器。
  19. 前記半導体層は、前記複数の光検出部のそれぞれを互いに仕切るように延在するトレンチを有し、
    前記集光構造体における前記半導体光検出素子とは反対側の頂部、及び前記トレンチは、前記第１表面に垂直な前記方向から見た場合に前記読出配線に含まれている、請求項１５～１８のいずれか一項に記載の光検出器。
  20. 前記半導体層は、前記複数の光検出部のそれぞれを互いに仕切るように延在するトレンチを有し、
    前記トレンチは、前記第１表面に垂直な方向から見た場合に前記集光構造体に含まれている、請求項１１～１４のいずれか一項に記載の光検出器。
  21. 前記半導体光検出素子は、前記第１表面に形成された配線層を更に含み、
    前記配線層は、前記複数の光検出部に対応するように配置された複数の環状電極を含み、
    前記複数の光検出部のそれぞれにおいて、前記第２半導体領域と前記トレンチとの間の領域は、前記第１表面に垂直な方向から見た場合に前記複数の環状電極のそれぞれに含まれており、
    前記複数の環状電極のそれぞれの内縁は、面取りされた複数の角部を有する多角形状を呈している、請求項２０に記載の光検出器。
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