JP2024031352A - 光検出器、光検出システム、ライダー装置及び移動体 - Google Patents

光検出器、光検出システム、ライダー装置及び移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】応答性の向上が可能な光検出器、光検出システム、ライダー装置及び移動体を提供する。【解決手段】実施形態によれば、光検出器は、第１導電形の半導体層と、受光素子と、を含む。受光素子は、第１半導体領域と、第２半導体領域と、第３半導体領域と、第４半導体領域と、を含む。第１半導体領域は、第２導電形である。第２半導体領域は、第１半導体領域と半導体層との間に設けられる。第２半導体領域は、第１半導体領域と接する。第２半導体領域は、第１導電形である。第３半導体領域は、第２半導体領域と半導体層との間に設けられる。第３半導体領域は、第２導電形である。第４半導体領域は、第３半導体領域と半導体層との間に設けられる。第４半導体領域は、第１導電形である。第４半導体領域の第１導電形の不純物濃度は、半導体層における第１導電形の不純物濃度よりも低い。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光検出器、光検出システム、ライダー装置及び移動体に関する。
半導体領域に入射した光を検出する光検出器がある。光検出器について、応答性の向上が望まれている。
特開２０１９－１１４７２８号公報
本発明の実施形態は、応答性の向上が可能な光検出器、光検出システム、ライダー装置及び移動体を提供する。
本発明の実施形態によれば、半導体層と、受光素子と、を含む光検出器が提供される。前記半導体層は、第１導電形である。前記受光素子は、第１半導体領域と、第２半導体領域と、第３半導体領域と、第４半導体領域と、を含む。前記第１半導体領域は、第２導電形である。前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域と前記半導体層との間に設けられる。前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域と接する。前記第２半導体領域は、第１導電形である。前記第３半導体領域は、前記第２半導体領域と前記半導体層との間に設けられる。前記第３半導体領域は、第２導電形である。前記第４半導体領域は、前記第３半導体領域と前記半導体層との間に設けられる。前記第４半導体領域は、第１導電形である。前記第４半導体領域の第１導電形の不純物濃度は、前記半導体層における第１導電形の不純物濃度よりも低い。
実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。 実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。 実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。 実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。 実施形態に係る別の光検出器を例示する模式的平面図である。 実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。 実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的断面図である。 アクティブクエンチ回路を例示する模式図である。 実施形態に係るライダー装置を例示する模式図である。 ライダー装置の検出対象の検出を説明するための図である。 実施形態に係るライダー装置を備えた移動体の上面略図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
実施形態において、第１導電形は、ｐ形及びｎ形の一方である。第２導電形は、ｐ形及びｎ形の他方である。以下では、第１導電形がｐ形、第２導電形がｎ形の場合について説明する。
図１は、実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、実施形態に係る光検出器１０１は、受光素子１０（素子領域）と、半導体層２１（第１半導体層）と、を含む。この例では、光検出器１０１は、絶縁層３０と、集光部４０と、電極５０と、構造部７０と、をさらに含む。受光素子１０は、半導体層２１の上に設けられる。
なお、実施形態の説明においては、半導体層２１から受光素子１０に向かう方向をＺ軸方向（第１方向）とする。Ｚ軸方向に対して垂直な方向をＸ軸方向（第２方向）とする。Ｘ軸方向は、半導体層２２の表面に平行な方向である。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向（第３方向）とする。また、説明のために、半導体層２１から受光素子１０に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、半導体層２１と受光素子１０との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。「上」は、集光部４０が設置され、光検出器に光が入射する側に対応する。
電極５０は、例えば裏面電極である。半導体層２１は、電極５０の上に設けられ、電極５０と電気的に接続される。半導体層２１は、例えば、第１導電形の半導体基板である。半導体領域１４は、半導体層２１の上に設けられる。半導体領域１４は、例えば、第１導電形のエピタキシャル成長層の一部である。半導体領域１５は、半導体領域１４の上に設けられる。半導体領域１５は、例えば、第１導電形のエピタキシャル成長層の一部である。
受光素子１０は、第１半導体領域１１と、第２半導体領域１２と、第３半導体領域１３と、第４半導体領域１４と、を含む。第１半導体領域１１は、第２導電形である。第１半導体領域１１は、コンタクト６４と接続配線６５を介して、後述する第１配線５１と電気的に接続される。第１配線５１は、後述するパッド５５と電気的に接続される。パッド５５は、ボンディングワイヤ等を介して、外部の電子機器と電気的に接続される。
第２半導体領域１２は、第１半導体領域１１と半導体層２１との間に設けられる。第２半導体領域１２は、第１導電形である。第２半導体領域１２は、第１半導体領域１１と接する。
第３半導体領域１３は、第２半導体領域１２と半導体層２１との間に設けられる。第３半導体領域１３は、第２導電形である。
第４半導体領域１４の少なくとも一部は、第３半導体領域１３と半導体層２１との間に設けられる。第４半導体領域１４は、第１導電形である。第４半導体領域１４は、半導体層２１と接する。この例では、第４半導体領域１４は、第３半導体領域１３と、接する。第４半導体領域１４は、第３半導体領域１３と、接しなくても良い。
この例では、受光素子１０は、第５半導体領域１５をさらに含む。第５半導体領域１５の少なくとも一部は、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間に設けられる。第５半導体領域１５は、第１導電形である。第５半導体領域１５は、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３のそれぞれと接する。第５半導体領域１５は、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３のそれぞれと電気的に接続される。
第２導電形の第１半導体領域１１は、後述する第１配線５１を介して、後述するパッド５５と電気的に接続される。第２導電形の第３半導体領域１３及び第１導電形の半導体領域１２、１４、１５は、半導体層２１を介して、電極５０と電気的に接続される。
第１～第５半導体領域１１～１５は、例えば１つの半導体層２２（第２半導体層）に設けられた領域である。半導体層２２は、半導体層２１（例えば基板）の上に設けられる。半導体層２２は、半導体層２１と接し、半導体層２１と電気的に接続される。例えば、第４半導体領域１４と第５半導体領域１５とが設けられた半導体層２２中に、受光素子１０（第１半導体領域１１、第２半導体領域１２、第３半導体領域１３）が設けられる。
第１半導体領域１１と第２半導体領域１２（及び第３～第５半導体領域１３～１５の一部）とによって、フォトダイオード（画素）が形成される。フォトダイオード（受光素子１０）は、受光面１０ｆを有する。受光面１０ｆは、第１半導体領域１１の上面である。
構造部７０は、Ｚ軸方向と交差する方向において、受光素子１０と並ぶ。構造部７０は、例えば半導体層２２に設けられたトレンチの内部に配置された構造体である。構造部７０は、受光素子１０を囲む。構造部７０の平面形状（Ｚ軸方向に対して垂直なＸ－Ｙ平面における形状）は、例えば環状である。
構造部７０は、半導体層２２の各領域（第１～第５半導体領域１１～１５のそれぞれ）とは異なる材料を含む。構造部７０の屈折率は、半導体層２２の各領域の屈折率と異なる。構造部７０の屈折率は、受光素子１０の屈折率と異なる。構造部７０は、絶縁性である。トレンチ内部（構造部７０）の少なくとも一部は、空洞でもよい。
例えば、構造部７０（トレンチ）の深さは、第３半導体領域１３よりも深い。言い換えれば、構造部７０の下端のＺ軸方向における位置は、第３半導体領域１３の下端のＺ軸方向における位置と、半導体層２１（又は電極５０）のＺ軸方向における位置と、の間である。環状の構造部７０は、第３半導体領域１３を囲む。構造部７０のＺ軸方向に沿った長さ（トレンチの深さ）は、例えば５μｍ以上１０μｍ以下である。半導体層２２の厚さは、例えば３μｍ以上３０μｍ以下である。
図１の例においては、第４半導体領域１４は、部分１４ａ、部分１４ｂ及び部分１４ｃを有する。部分１４ａは、Ｚ軸方向において、第３半導体領域１３と半導体層２１との間に設けられた部分である。
部分１４ｂは、Ｘ軸方向（及びＸ－Ｙ平面内の方向）において、第３半導体領域１３と構造部７０との間に設けられた部分である。部分１４ｂは、構造部７０及び第３半導体領域１３のそれぞれと接する。部分１４ｂは、例えば環状の構造部７０の内側において第３半導体領域１３を囲む。部分１４ｂは、省略されてもよい。すなわち、第３半導体領域１３は、構造部７０と接してもよい。
部分１４ｃは、構造部７０の外側に設けられ、構造部７０と接する。部分１４ｃは、構造部７０を囲む。換言すれば、構造部７０は、部分１４ｃと部分１４ｂとの間、及び部分１４ｃと部分１４ａとの間に設けられる。
構造部７０の下端は、例えば第４半導体領域１４と接する。構造部７０の内側の部分１４ａは、半導体層２２のうちの構造部７０の下方の部分を介して、構造部７０の外側の部分１４ｃと連続する。
図１の例においては、第５半導体領域１５は、部分１５ａ、部分１５ｂ、部分１５ｃ及び部分１５ｄを含む。部分１５ａは、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間に設けられた部分である。
部分１５ｂは、第１半導体領域１１と構造部７０との間、及び、第２半導体領域１２と構造部７０と、の間に設けられた部分である。部分１５ｂは、第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び構造部７０のそれぞれと接する。部分１５ｂは、例えば環状の構造部７０の内側において第１半導体領域１１及び第２半導体領域１２を囲む。
部分１５ｃは、第３半導体領域１３と構造部７０との間に設けられる。部分１５ｃは、第３半導体領域１３及び構造部７０のそれぞれと接する。部分１５ｃは、例えば環状の構造部７０の内側において第３半導体領域１３を囲む。
部分１５ｄは、構造部７０の外側に設けられ、構造部７０と接する。部分１５ｄは、構造部７０を囲む。換言すれば、構造部７０は、部分１５ｄと部分１５ｂとの間、及び、部分１５ｄと部分１５ｃとの間に設けられる。構造部７０の外側の部分１５ｄは、構造部７０によって、構造部７０の内側の部分１５ａ、１５ｂ、１５ｃから分断され、構造部７０の内側の部分１５ａ、１５ｂ、１５ｃから離れていてもよい。
部分１５ｂ及び部分１５ｃは、省略されてもよい。すなわち、第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３のそれぞれは、構造部７０と接してもよい。
この例では、第５半導体領域１５は、第４半導体領域１４と接する。具体的には、部分１４ｂは、部分１５ｃと接し、部分１４ｃは、部分１５ｄと接する。
例えば、第３半導体領域１３の平面形状は、第１半導体領域１１の平面形状よりも広くてもよく、第２半導体領域１２の平面形状よりも広くてもよい。例えば、第３半導体領域１３のＸ軸方向に沿った長さは、第１半導体領域１１のＸ軸方向に沿った長さより長くてもよく、第２半導体領域１２のＸ軸方向に沿った長さより長くでもよい。
ただし、これに限らず、第３半導体領域１３の平面形状は、第１半導体領域１１の平面形状よりも狭く、第２半導体領域１２の平面形状よりも狭くてもよい。例えば、第３半導体領域１３のＸ軸方向に沿った長さは、第１半導体領域１１のＸ軸方向に沿った長さ以下でもよく、第２半導体領域１２のＸ軸方向に沿った長さ以下でもよい。
例えば、Ｘ－Ｙ平面において、第３半導体領域１３は、受光素子１０の中央に設けられる。例えば、Ｘ－Ｙ平面において、第３半導体領域１３の中心位置は、第１半導体領域１１の中心位置、第２半導体領域１２の中心位置、環状の構造部７０の中心位置、の少なくともいずれかと一致してもよい。
絶縁層３０は、半導体層２２の上に設けられ、例えば半導体層２２の上面に接する。集光部４０は、絶縁層３０の上に設けられ、例えば絶縁層３０の上面に接する。集光部４０は、上に凸のレンズ（例えばマイクロレンズ）である。集光部４０は、入射した光を集光可能である。すなわち、集光部４０は、入射した光の少なくとも一部を屈折させて、受光素子１０に向かって進行させる。
なお、入射光は、例えば近赤外光である。近赤外光の波長は、例えば、０．７マイクロメートル（μｍ）以上２．５μｍ以下である。ただし、実施形態において、入射光は、必ずしも近赤外光でなくてもよい。
図２は、実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。
図２は、光検出器１０１の受光素子１０の中央部における不純物濃度（図１に示した一点鎖線Ｌ１に沿った不純物濃度）を表す。図２の縦軸は、不純物濃度Ｃ（原子毎立方センチメートル（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３））であり、図２の横軸は、Ｚ軸方向における位置Ｐｚ（μｍ）である。横軸の値がゼロの位置は、受光面１０ｆの位置であり、横軸の値が大きくなるにつれて下方へ向かう。図２においては、第１導電形の不純物濃度を実線で表し、第２導電形の不純物濃度を点線で表す。
図２に表したように、第４半導体領域１４における第１導電形の不純物濃度は、半導体層２１における第１導電形の不純物濃度よりも低い。第４半導体領域１４における第１導電形の不純物濃度は、第５半導体領域１５から半導体層２１に近づくにつれて、例えば単調に増加する。第４半導体領域１４は、例えば濃度遷移領域である。
第５半導体領域１５における第１導電形の不純物濃度は、第２半導体領域１２における第１導電形の不純物濃度よりも低く、第４半導体領域１４における第１導電形の不純物濃度よりも低い。受光素子１０における第１導電形の不純物濃度は、第５半導体領域１５において極小となる。すなわち、第５半導体領域１５は、Ｚ軸方向に沿って第２半導体領域１２から半導体層２１までの範囲において、第１導電形の不純物濃度が極小（例えば最小）となる領域である。
例えば、第２半導体領域１２における第１導電形の不純物濃度分布は、ピークを有する。すなわち、この例では、第２半導体領域１２における第１導電形の不純物濃度の最大値（最大不純物濃度Ｃ１２）は、第２半導体領域１２の上端１２ｕと、第２半導体領域１２の下端１２ｄと、の間の極大値である。
半導体層２１における第１導電形の不純物濃度は、例えば１．０×１０１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上１．０×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下である。
第２半導体領域１２における第１導電形の不純物濃度は、例えば１．０×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上１．０×１０１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下である。
第５半導体領域１５における第１導電形の不純物濃度は、例えば１．０×１０１３（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上１．０×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下である。
第３半導体領域１３における第２導電形の不純物濃度は、第１半導体領域１１における第２導電形の不純物濃度よりも低い。
第１半導体領域１１における第２導電形の不純物濃度は、例えば１．０×１０１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上１．０×１０２１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下である。
第３半導体領域１３における第２導電形の不純物濃度は、例えば１．０×１０１３（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上１．０×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下である。
図２に表したように、例えば濃度Ｃｘは、濃度Ｃｐよりも高い。濃度Ｃｘは、第３半導体領域１３と第４半導体領域１４との境界における第１導電形の不純物濃度である。濃度Ｃｐは、第５半導体領域１５における第１導電形の不純物濃度である。濃度Ｃｐは、例えば受光素子１０における第１導電形の不純物濃度の極小値（例えば最小値）である。
なお、ｎ形領域とｐ形領域との境界における不純物濃度は、ｎ形領域とｐ形領域との間においてｎ形不純物濃度とｐ形不純物濃度とが同じになる位置（深さ）における不純物濃度である。言い換えれば、ｎ形領域とｐ形領域との境界においては、ｎ形不純物濃度とｐ形不純物濃度とは互いに同じである。
図２に表したように、例えば濃度Ｃｙは、濃度Ｃｘよりも高い。濃度Ｃｙは、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との境界における第１導電形の不純物濃度である。
例えば、第３半導体領域１３における第２導電形の不純物濃度分布は、ピークを有する。すなわち、この例では、第３半導体領域１３における第２導電形の不純物濃度の最大値（最大不純物濃度Ｃ１３）は、第３半導体領域１３の上端１３ｕと、第３半導体領域１３の下端１３ｄと、の間の極大値である。図２に表したように、例えば、最大不純物濃度Ｃ１３は、最大不純物濃度Ｃ１２よりも低い。
なお、各半導体領域及び半導体層における不純物濃度は、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定される。
この例では、第３半導体領域１３の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）Ｔ１３は、第２半導体領域１２の厚さＴ１２よりも薄い。例えば、第５半導体領域１５の厚さＴ１５ａ（部分１５ａの厚さ）は、第３半導体領域１３の厚さＴ１３よりも薄い。例えば、第４半導体領域１４の厚さＴ１４は、第２半導体領域１２の厚さＴ１２よりも厚い。
厚さＴ１２は、例えば１μｍ以上４μｍ以下である。厚さＴ１３は、例えば０．５μｍ以上４μｍ以下である。厚さＴ１４は、例えば１μｍ以上７μｍ以下である。厚さＴ１５ａは、例えば０μｍ以上８μｍ以下である。
光検出器１０１の構成要素の材料について説明する。
半導体層２１及び半導体層２２（第１半導体領域１１、第２半導体領域１２、第３半導体領域１３、第４半導体領域１４及び第５半導体領域１５）は、シリコン、炭化シリコン、ガリウムヒ素、及び窒化ガリウムからなる群より選択される少なくとも１つの半導体材料を含む。例えば、半導体層２１及び半導体層２２は、シリコンを含む。第１半導体領域１１及び第３半導体領域１３のそれぞれは、シリコンに例えばリン、ヒ素、又はアンチモンをｎ形不純物として注入することで得られる。第２半導体領域１２は、シリコンに例えばボロンをｐ形不純物として注入することで得られる。
半導体層２２は、例えば基板（半導体層２１）の上に形成されたエピタキシャル層である。例えば、半導体層２１の上にエピタキシャル成長によって形成された第４半導体領域１４及び第５半導体領域１５を含むエピタキシャル層に、イオン注入によって第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３を形成することができる。例えば、第１導電形の不純物の濃度が遷移する第４半導体領域１４に重なるように、第２導電形の不純物を注入することで第３半導体領域１３が形成される。例えば、エピタキシャル層のうち不純物がイオン注入されない領域を第５半導体領域１５とすることができる。
構造部７０は、半導体層２２（受光素子１０）の材料とは異なる材料を含む。具体的には、構造部７０は、絶縁材料を含む。例えば、構造部７０は、酸素及び窒素からなる群より選択される１つと、シリコンと、を含む。例えば、構造部７０は、酸化シリコン又は窒化シリコンを含む。構造部７０は、積層構造であってもよい。
集光部４０には、光透過性の材料が用いられる。例えば、集光部４０は、アクリル樹脂などの光透過性の樹脂を含む。
絶縁層３０には、例えば光透過性の材料が用いられる。例えば、絶縁層３０は、シリコンと、酸素及び窒素からなる群より選択される１つと、を含む。例えば、絶縁層３０は、酸化シリコン及び窒化シリコンの少なくともいずれかを含む。
電極５０は、例えば、チタン、タングステン、銅、金、アルミニウム、インジウム、スズからなる群より選択された少なくとも１つの金属を含む。後述する導電部６１やパッド５５及び各配線のそれぞれについても同様である。
光検出器１０１の動作を説明する。
上方から集光部４０の上面に入射した入射光は、集光部４０によって受光素子１０に向けて集光される。集光部４０の上面に入射した入射光は、集光部４０及び絶縁層３０を通過して、受光面１０ｆから受光素子１０内に入射する。
例えば、受光素子１０は、ＰｉＮダイオード又はアバランシェフォトダイオードとして機能する。受光素子１０に光が入射すると、半導体層２２で電荷が発生する。電荷が発生すると、第１半導体領域と電気的に接続された配線等（例えば後述する導電部６１、クエンチ部６３及び第１配線５１）に電流が流れる。当該配線等に流れる電流を出力として検出することで、受光素子１０への光の入射を検出できる。
導電部６１及び電極５０は、第１～第５半導体領域１１～１５に電圧を印加して受光素子を駆動させる。パッド５５及び電極５０の電位をそれぞれ制御することで、受光素子１０に電圧が印加できる。例えば、電極５０の電位を制御することで、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との間、第３半導体領域１３と第２半導体領域１２（又は第５半導体領域１５）との間、及び、第３半導体領域１３と第４半導体領域１４との間に電圧が印加できる。例えば、電極５０に、パッド５５に対して、負の電圧を印加する。これにより、第１半導体領域１１と第４半導体領域１４との間には、逆電圧が印加される。受光素子１０（第１半導体領域１１と第４半導体領域１４との間）には、降伏電圧を超える逆電圧が印加されても良い。すなわち、受光素子１０は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを含んでも良い。ガイガーモードで動作することにより、高い増倍率（換言すると高いゲイン）でパルス状の信号が出力される。これにより、光検出器の受光感度を向上できる。
例えば、受光素子１０のうち第１半導体領域１１と第２半導体領域１２とで形成されるｐｎ接合の近傍において、高電界領域が形成され、キャリアのアバランシェ増幅が発生する増倍領域が形成される。例えば、半導体層２２中の結晶欠陥が少なければ、受光素子１０内で発生した電荷は、ドリフト又は拡散によって、前記増倍領域へ移動し、増幅されて検出される。
受光素子１０内には、ｐｎ接合よって空乏層が形成される。例えば、導電部６１及び電極５０によって、受光素子１０に逆電圧を印加することにより、空乏層の上下方向の幅が広がる。
例えば、受光素子１０内において、空乏層外の電界強度は、空乏層内の電界強度よりも低い。受光素子１０内で発生した電荷の移動速度は、空乏層内よりも空乏層外において低いと考えられる。そのため、例えば、空乏層外において発生した電荷が第１半導体領域１１側（前記増倍領域）へ移動して検出されるまでの時間は、空乏層内において発生した電荷が第１半導体領域１１側（前記増倍領域）へ移動して検出されるまでの時間よりも長い場合がある。すなわち、電荷が発生した位置によって、電流として検出されるまでの時間が異なることが考えられる。電荷が空乏層外で発生した場合には、検出されるまでの時間が長く、検出される電流値に遅れた成分が生じることが考えられる。例えば、受光素子に光子が入射してから電流として検出されるまでの時間がばらつく恐れがある。例えば、光検出器を後述するTime of Flight方式のライダー装置に用いた場合、検出時間のばらつき（ジッター）は、測距精度に影響を与える可能性がある。
空乏層は、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との間のｐｎ接合面から第４半導体領域１４へ向けて広がる。前述したように、第４半導体領域１４における第１導電形の不純物濃度は比較的高い。そのため、第４半導体領域１４内には空乏層が比較的広がりにくい。第４半導体領域１４で発生した電荷が電流として検出されるまでの時間は、比較的長いことがある。
これに対して、実施形態においては、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２とのｐｎ接合に加えて、第３半導体領域１３が設けられる。これにより、検出器の応答性を向上させることができる。例えば、第４半導体領域１４へ向けて空乏層をより延ばすことができる。すなわち、空乏層の下端をより下方とすることができる。例えば、第４半導体領域１４内において空乏層が広がりやすくすることができる。例えば、空乏層内で発生した電荷は、空乏層の電界でドリフトし、短い移動時間で第１半導体領域１１側（前記増倍領域）へ移動することができる。例えば、受光素子１０内で発生した電荷が電流として検出されるまでの時間のばらつきを抑制することができる。
この例では、第３半導体領域１３は、第４半導体領域１４と接する。これにより、例えば、第４半導体領域１４中において、より下方に空乏層を形成することができる。言い換えれば、第４半導体領域１４中の空乏層を伸ばすことができる。
第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間に、第１導電形の不純物濃度が極小となる第５半導体領域１５が設けられる。第５半導体領域１５は、不純物濃度が比較的低いため、空乏化しやすい。これにより、例えば、受光素子１０における空乏層を上下方向に広くすることができる。
例えば、第３半導体領域１３の下端１３ｄにおける第２導電形の不純物濃度（図２の例において濃度Ｃｘと同じ）は、第３半導体領域１３の上端１３ｕにおける第２導電形の不純物濃度（図２の例において濃度Ｃｐと同じ）よりも高い。より深い位置における第２導電形の不純物濃度を高くすることにより、例えば、第４半導体領域１４中の空乏層をより下方に伸ばすことができる。
図２に関して述べたとおり、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との境界における第１導電形の不純物濃度Ｃｙは、第３半導体領域１３と第４半導体領域１４との境界における第１導電形の不純物濃度Ｃｘよりも高い。これにより、例えば、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との間のｐｎ接合面から第４半導体領域１４へ向けて空乏層が広がる。例えば、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との間のｐｎ接合面付近の電界が高くなり、受光素子１０内で発生した電荷が第１半導体領域１１側へ移動しやすい。
例えば、第３半導体領域１３における第２導電形の不純物濃度の最大値（濃度Ｃ１３）は、第２半導体領域１２における第１導電形の不純物濃度の最大値（濃度Ｃ１２）よりも低い。これにより、例えば、濃度Ｃｙを濃度Ｃｘよりも高くしやすい。
例えば、図１に表したように、受光素子１０の動作時に形成される空乏層Ｄの下端Ｄｄは、第４半導体領域１４内に位置する。受光素子１０の動作時に形成される空乏層Ｄの上端Ｄｕは、第１半導体領域１１内に位置する。このように空乏層は、例えば第１半導体領域１１から第４半導体領域１４まで連続して広がる。空乏層が広いことにより、例えば受光素子１０内で発生した電荷が電流として検出されるまでの時間を短くすることができる。
なお、受光素子の動作時とは、光検出器を含む製品において、受光素子が光を検出する動作を行う時である。例えば、受光素子１０の動作時においては、電極間（導電部６１と電極５０との間）に所定の電圧が印加されることで、第１半導体領域１１と第４半導体領域１４との間に電圧が印加される。受光素子１０がアバランシェフォトダイオードの場合には、当該電極間の電位差（絶対値）は、降伏電圧よりも大きな値に設定される。当該電位差は、例えば、降伏電圧よりも５Ｖ程度大きい値でよい。このように動作時の電圧が印加されたときに、空乏層Ｄの下端Ｄｄは、第４半導体領域１４内に位置する。空乏層の範囲（端部の位置）は、受光素子における不純物濃度分布と動作時の電圧条件とに基づいて、例えばシミュレーションなどの計算により見積もることができる。または、受光素子の電気容量に基づいて空乏層幅を見積もり、その空乏層幅から空乏層の範囲を見積もってもよい。
第３半導体領域１３は、Ｘ軸方向において構造部７０と並ぶ。例えば、第３半導体領域１３に形成される空乏層付近において、隣り合う受光素子１０へのキャリアの移動や二次光子の入射が、構造部７０によって抑制される。例えば、第３半導体領域１３を設けて空乏層が広がった場合でも、クロストークノイズの増大を抑制できる。
図３は、実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。
図３は、実施形態に係る光検出器１０２を表す。この例では、複数の受光素子１０、複数の構造部７０、及び、複数の集光部４０がＸ－Ｙ平面内に並ぶ。これに限らず、受光素子１０の数、構造部７０の数及び集光部４０の数は、それぞれ、１以上でよい。光検出器１０２は、第３半導体領域１３の平面形状、及び、半導体層２２の厚さにおいて、光検出器１０１と異なる。
図３に表したように、第３半導体領域１３は、複数の部分１３ａと、複数の部分１３ｂと、を含む。複数の部分１３ａのそれぞれの上に、複数の第２半導体領域１２のそれぞれが設けられる。複数の第２半導体領域１２のそれぞれの上に、複数の第１半導体領域１１のそれぞれが設けられる。部分１３ａは、例えば環状の構造部７０に囲まれた部分である。例えば、部分１３ａは、構造部７０及び第５半導体領域１５の部分１５ａと接する。
部分１３ｂは、隣り合う部分１３ａ同士の間に位置する。部分１３ｂは、例えば構造部７０の外側に設けられた部分である。例えば、部分１３ｂは、構造部７０及び第５半導体領域１５の部分１５ｄと接する。
このように、第３半導体領域１３及び第４半導体領域１４は、複数の受光素子１０に亘って延在するように設けられてもよい。構造部７０は、例えば第３半導体領域１３を貫通し、第４半導体領域１４まで達する。第３半導体領域１３の部分１３ａと部分１３ｂとは、構造部７０によって分断されていてもよい。すなわち、部分１３ｂは、部分１３ａから離れていてもよい。
図４は、実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。
図４は、光検出器１０２の受光素子１０の中央部における不純物濃度（図３に示した一点鎖線Ｌ２に沿った不純物濃度）を表す。図４は、図２と同様に、不純物濃度ＣとＺ軸方向における位置Ｐｚとの関係を表し、第１導電形の不純物濃度を実線で示し、第２導電形の不純物濃度を点線で示す。この例においても、例えば、濃度Ｃｘは濃度Ｃｐよりも高く、濃度Ｃｙは濃度Ｃｘよりも高い。
例えば、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間における第５半導体領域１５の厚さＴ１５ａ（部分１５ａの厚さ）は、第３半導体領域１３の厚さＴ１３よりも厚い。例えば、第５半導体領域１５のうち第１導電形の不純物濃度がＺ軸方向に沿って一定の領域の厚さは、第３半導体領域１３の厚さＴ１３よりも厚い。不純物濃度が比較的低い第５半導体領域１５が厚いことにより、例えば空乏層の上下方向の幅を広げることができる。第５半導体領域１５が厚いことにより、例えば感度を向上させることができる。
第５半導体領域１５の厚さＴ１５ａは、第２半導体領域１２の厚さＴ１２よりも厚くてもよいし、第４半導体領域１４の厚さＴ１４よりも厚くてもよい。この例では、第５半導体領域１５の厚さＴ１５ａは、例えば０．５μｍ以上２５μｍ以下である。
第５半導体領域１５の厚さＴ１５ａが厚い場合、第３半導体領域１３は、例えば半導体層２１の上に半導体層２２をエピタキシャル成長する際に、半導体層２２の一部に不純物をドーピングすることにより、形成してもよい。
図４の例では、第３半導体領域１３における第２導電形の不純物濃度は、第３半導体領域１３の上端１３ｕから下端１３ｄの間で、濃度が高い領域を有する。
図５は、実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。
図５は、実施形態に係る光検出器１０３を表す。光検出器１０３は、第３半導体領域１３及び第５半導体領域１５の厚さにおいて、光検出器１０１と異なる。
この例では、第３半導体領域１３は、第２半導体領域１２と接する。言い換えれば、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間に、第５半導体領域１５の一部（部分１５ａ）が設けられなくてもよい。
図６は、実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。
図６は、光検出器１０３の受光素子１０の中央部における不純物濃度（図５に示した一点鎖線Ｌ３に沿った不純物濃度）を表す。図６は、図２と同様に、不純物濃度ＣとＺ軸方向における位置Ｐｚとの関係を表し、第１導電形の不純物濃度を実線で示し、第２導電形の不純物濃度を点線で示す。この例においても、例えば、濃度Ｃｙは、濃度Ｃｘよりも高い。
例えば、濃度Ｃｘは、濃度Ｃｚよりも高い。濃度Ｃｚは、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との境界における第１導電形の不純物濃度である。不純物濃度が高く空乏化しにくい第４半導体領域１４と、第３半導体領域１３との境界において第２導電形の不純物濃度が比較的高い。これにより、例えば、第４半導体領域１４中の空乏層をより下方に伸ばすことができる。
図７は、実施形態に係る光検出器を例示する模式的断面図である。
図７は、実施形態に係る光検出器１０４を表す。光検出器１０４は、第５半導体領域１５の厚さ及び第３半導体領域１３の配置において、光検出器１０１と異なる。この例では、第３半導体領域１３は、第２半導体領域１２と接し、第４半導体領域１４から離れている。
例えば、第５半導体領域１５は、部分１５ａの代わりに、部分１５ｅを含む。部分１５ｅは、第３半導体領域１３と第４半導体領域１４との間に設けられる。部分１５ｅは、第３半導体領域１３及び第４半導体領域１４のそれぞれと接する。
図８は、実施形態に係る光検出器における不純物濃度の分布を例示する模式的グラフ図である。
図８は、光検出器１０４の受光素子１０の中央部における不純物濃度（図７に示した一点鎖線Ｌ４に沿った不純物濃度）を表す。図８は、図２と同様に、不純物濃度ＣとＺ軸方向における位置Ｐｚとの関係を表し、第１導電形の不純物濃度を実線で示し、第２導電形の不純物濃度を点線で示す。
図８に表したように、第３半導体領域１３と第４半導体領域１４との間に、第１導電形の不純物濃度が極小となる第５半導体領域１５（部分１５ｅ）が設けられる。第５半導体領域１５は、不純物濃度が低く比較的空乏化しやすい。これにより、例えば、空乏層の上下方向の幅を広げることができる。
図８の例では、濃度Ｃｗは、濃度Ｃｚよりも低い。濃度Ｃｗは、第３半導体領域１３と第５半導体領域１５との境界における第１導電形の不純物濃度である。第３半導体領域１３の下端１３ｄにおける第２導電形の不純物濃度は、上端１３ｕにおける第２導電形の不純物濃度よりも低くてもよい。
例えば、第５半導体領域１５の厚さＴ１５ｅ（部分１５ｅの厚さ）は、第３半導体領域１３の厚さＴ１３よりも厚い。第５半導体領域１５が厚いことにより、例えば感度を向上させることができる。第５半導体領域１５の厚さＴ１５ｅは、第２半導体領域１２の厚さＴ１２よりも厚くてもよいし、第４半導体領域１４の厚さＴ１４よりも厚くてもよい。
上記に限らず、実施形態において、第５半導体領域１５は、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間の部分１５ａと、第３半導体領域１３と第４半導体領域１４との間の部分１５ｅと、の両方を含んでもよい。言い換えれば、第３半導体領域１３は、第２半導体領域１２から離れ、かつ、第４半導体領域１４から離れてもよい。
図９は、実施形態に係る別の光検出器を例示する模式的平面図である。
図９に表した光検出器１０５は、図１等に関して説明した構造と同様の素子構造を複数含む。複数の当該素子構造がＸ－Ｙ平面に沿って、アレイ状に並べられる。複数の当該素子構造は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、例えば周期的に等ピッチで並ぶ。すなわち、光検出器１０５は、電極５０と、半導体層２１と、複数の受光素子１０と、複数の構造部７０と、複数の集光部４０（マイクロレンズアレイ）と、絶縁層３０と、を含む。隣り合う当該素子構造に関して、電極５０同士は連続し、半導体層２１同士は連続し、半導体層２２同士は連続し、絶縁層３０同士は連続している。
図９に示すように、光検出器１０５は、複数の第１配線５１、共通配線５４及びパッド５５（電極）をさらに含む。Ｙ軸方向に並ぶ複数の受光素子１０に、１つの第１配線５１が電気的に接続される。Ｘ軸方向に並ぶ複数の第１配線５１は、共通配線５４と電気的に接続される。共通配線５４は、１つ以上のパッド５５と電気的に接続される。パッド５５には、外部のデバイスの配線が電気的に接続される。
図１０は、実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。
図１１は、実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的断面図である。
図１０は、図９に示した光検出器１０５の領域Ｐを拡大して表す。図１０においては、集光部４０及び絶縁層３０の図示が省略されている。図１１は、図１０のＡ４－Ａ５断面を示す。
図１０に表したように、受光素子１０は、フォトダイオードＰＤを含む。フォトダイオードＰＤは、例えば、第１半導体領域１１、第２半導体領域１２、第３半導体領域１３（部分１３ａ）、第４半導体領域（部分１４ａ）及び第５半導体領域（部分１５ａ及び部分１５ｅの少なくともいずれか）によって形成される。
構造部７０は、受光素子１０（フォトダイオードＰＤ）を囲む。この例では、構造部７０は、Ｚ軸方向に沿ってみたときに、略八角形である。複数の構造部７０のそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面に沿って複数の受光素子１０のそれぞれを囲むように設けられる。例えば構造部７０のＸ－Ｙ平面における平面形状は、多角形の環状である。構造部７０は、Ｚ軸方向から見たときに、四角形でもよい。
なお、実施形態において、「環状」とは、上方から見たときの平面形状の外形が円形状である場合のみならず、多角形である場合を含む。多角形という範囲は、角が湾曲した（丸められた）多角形を含む。すなわち、多角形は、複数の辺（直線）と、辺同士を接続する曲線とを含む形状でもよい。環状という範囲は、途切れることなく連続した環状のみならず、１以上の途切れを有する円形状または多角形（例えば略Ｃ形状）であってもよい。例えば、構造部７０は、Ｚ軸方向から見たときに、受光素子１０を不連続に囲んでもよい。言い換えれば、構造部７０は、Ｚ軸方向から見たときに、完全な環状構造でなく、一部が開いている形状であってもよい。
実施形態において、「囲む」とは、ある構成要素が、別の構成要素を途切れること無く連続的に囲んでいる場合だけで無く、互いに離れて設けられた複数の前記構成要素が、前記別の構成要素の周りに並んで設けられる場合も含む。例えば、前記複数の構成要素を辿って得られる軌跡の内側に前記別の構成要素が位置する場合、前記別の構成要素は、前記複数の構成要素によって囲まれていると見なすことができる。上方から見た平面視において、１以上の途切れを有する円形状または多角形の内側に、別の構成要素が設けられる場合、前記別の構成要素は、前記円形状または前記多角形に囲まれていると見なすことができる。
構造部７０により、隣接する受光素子１０同士の間における電気的な導通及び光学的な干渉を抑制できる。例えば、構造部７０により、受光素子１０同士の間における二次光子及びキャリアの移動が抑制される。受光素子１０に光が入射し、二次光子が発生したとき、隣接する受光素子１０へ進む二次光子は、構造部７０の界面で反射、屈折される。構造部７０が設けられることでクロストークノイズを低減できる。
複数の構造部７０は、素子毎に独立して設けられる。すなわち、複数の構造部７０は、互いに物理的に接触しておらず離れている。隣り合う受光素子１０同士の間に１つの分離構造が設けられる場合に比べて、隣り合う受光素子１０同士の間において構造部７０の界面の数が増加する。界面の数の増加により、受光素子１０で二次光子が発生したとき、隣接する受光素子１０に向けて進む二次光子がより反射されやすくなる。これにより、クロストークノイズをさらに低減できる。互いに隣接する２つの構造部７０の間には、外周領域（第５半導体領域１５の部分１５ｄ）が位置する。例えば、外周領域は、Ｘ軸方向において隣り合う構造部７０同士の間をＹ軸方向に延びている。外周領域は、Ｙ軸方向において隣り合う構造部７０同士の間をＸ軸方向において延びている。
図１１に表したように、構造部７０は、第１絶縁層ＩＬ１及び第２絶縁層ＩＬ２を含んでも良い。第２絶縁層ＩＬ２は、第１絶縁層ＩＬ１と受光素子１０との間、及び第１絶縁層ＩＬ１と半導体層２１との間に設けられる。例えば、第１絶縁層ＩＬ１及び第２絶縁層ＩＬ２は酸化シリコンを含み、第２絶縁層ＩＬ２は第１絶縁層ＩＬ１に比べて緻密な構造を有する。
図１１に表したように、第４半導体領域１４は、Ｚ軸方向において半導体層２１と構造部７０との間に設けられたｐ形の半導体領域２３を含んでもよい。例えば、半導体領域２３におけるｐ形不純物濃度は、第４半導体領域１４の部分１４ａまたは部分１４ｃにおけるｐ形不純物濃度よりも高い。
クエンチ部６３は、受光素子１０に光が入射し、アバランシェ降伏が発生した際に、アバランシェ降伏の継続を抑制するために設けられる。アバランシェ降伏が発生し、クエンチ部６３に電流が流れると、クエンチ部６３の電気抵抗に応じて電圧降下が生じる。電圧降下により、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との間の電位差が小さくなり、アバランシェ降伏が停止する。これにより、次に受光素子１０へ入射した光を検出できるようになる。
この例では、クエンチ部６３として、各受光素子１０に、クエンチ抵抗が電気的に接続されている。クエンチ部６３の抵抗は、例えば、５０ｋΩ以上６ＭΩ以下である。クエンチ抵抗は、例えば半導体材料としてポリシリコンを含む。クエンチ抵抗には、ｎ形不純物又はｐ形不純物が添加されていても良い。
例えば、Ｚ軸方向から見たときに、クエンチ部６３は、フォトダイオードＰＤと異なる位置に存在する。例えば、クエンチ部６３は、Ｚ軸方向において、構造部７０又は第５半導体領域１５の部分１５ｄと並ぶ。クエンチ部６３は、導電部６１と電気的に接続される。これにより、クエンチ部６３の一端は、導電部６１を介して、第１半導体領域１１と電気的に接続される。クエンチ部６３は複数設けられ、複数のクエンチ部６３のそれぞれが、複数の第１半導体領域１１のそれぞれと電気的に接続される。クエンチ部６３の他端は、第１配線５１と電気的に接続される。
複数の導電部６１のそれぞれが、複数の受光素子１０のそれぞれに接続される。複数の導電部６１のそれぞれは、コンタクト６４及び接続配線６５を含む。クエンチ部６３は、コンタクト６４及び接続配線６５を介して第１半導体領域１１と電気的に接続され、コンタクト６６を介して第１配線５１と電気的に接続される。
コンタクト６４及び６６は、金属材料を含む。例えば、コンタクト６４及び６６は、チタン、タングステン、銅、及びアルミニウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む。コンタクト６４及び６６は、チタン、タングステン、銅、及びアルミニウムからなる群より選択された少なくとも１つの窒化物又はシリコン化合物からなる導電体を含んでも良い。
例えば、クエンチ部６３のＺ軸方向における位置は、第１半導体領域１１のＺ軸方向における位置と、第１配線５１のＺ軸方向における位置と、の間にある。１つの第１配線５１は、Ｙ軸方向に並ぶ複数のフォトダイオードＰＤと電気的に接続される。
クエンチ部６３の電気抵抗は、コンタクト６４、コンタクト６６、及び接続配線６５のそれぞれの電気抵抗よりも大きい。クエンチ抵抗は、半導体材料としてポリシリコンを含む。クエンチ抵抗には、ｎ形不純物又はｐ形不純物が添加されていても良い。
例えば、絶縁層３０は、第１～第４層３１～３４を含む。第１層～第３層３１～３３は、Ｚ軸方向において複数の受光素子１０と第４層３４との間に設けられる。第１層３１及び第２層３２は、Ｚ軸方向において複数の受光素子１０と第３層３３との間に設けられる。第１層３１は、Ｚ軸方向において複数の受光素子１０と第２層３２との間に設けられる。
コンタクト６４及び６６は、Ｘ－Ｙ平面に沿って、第１層３１、第２層３２、及び第３層３３に囲まれる。第１層３１の一部は、Ｚ軸方向において第５半導体領域１５の部分１５ｄとクエンチ部６３との間に設けられる。第１配線５１及び接続配線６５は、第４層３４に囲まれる。
図１２は、アクティブクエンチ回路を例示する模式図である。
以上で説明した各実施形態に係る光検出器では、大きな電圧降下を生じさせる抵抗体がクエンチ部６３として設けられる。各実施形態に係る光検出器において、抵抗体に代えて、制御回路及びスイッチング素子が設けられても良い。すなわち、電流を遮断するためのアクティブクエンチ回路が、クエンチ部６３として設けられる。
アクティブクエンチ回路は、図１２に示すように、制御回路ＣＣ及びスイッチングアレイＳＷＡを含む。制御回路ＣＣは、コンパレータ、制御ロジック部などを含む。スイッチングアレイＳＷＡは、複数のスイッチング素子ＳＷを含む。例えば、制御回路ＣＣ及びスイッチング素子ＳＷに含まれる回路素子の少なくとも一部は、半導体層２２の上に設けられても良いし、半導体層２２とは別の回路基板上に設けられても良い。
図１２に示すように１つの受光素子１０（素子領域）に対して１つのスイッチング素子ＳＷが設けられても良いし、複数の受光素子１０に対して１つのスイッチング素子ＳＷが設けられても良い。例えば、１つの第１半導体領域１１と第１配線５１との間に、１つのスイッチング素子ＳＷが設けられる。又は、第１配線５１にスイッチング素子ＳＷが設けられても良い。例えば、第１配線５１とパッド５５との間にスイッチング素子ＳＷが設けられてもよい。
図１３は、実施形態に係るライダー（Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＡＲ）装置を例示する模式図である。
この実施形態は、ライン光源、レンズと構成され長距離被写体検知システム（ＬＩＤＡＲ）などに応用できる。ライダー装置５００１は、対象物４１１に対してレーザ光を投光する投光ユニットＴと、対象物４１１からのレーザ光を受光しレーザ光が対象物４１１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する受光ユニットＲ（光検出システムともいう）と、を備えている。
投光ユニットＴにおいて、光源４０４は、光を発する。例えば、光源４０４は、レーザ光発振器を含み、レーザ光を発振する。駆動回路４０３は、レーザ光発振器を駆動する。光学系４０５は、レーザ光の一部を参照光として取り出し、そのほかのレーザ光をミラー４０６を介して対象物４１１に照射する。ミラーコントローラ４０２は、ミラー４０６を制御して対象物４１１にレーザ光を投光する。ここで、投光とは、光を当てることを意味する。
受光ユニットＲにおいて、参照光用光検出器４０９は、光学系４０５によって取り出された参照光を検出する。光検出器４１０は、対象物４１１からの反射光を受光する。距離計測回路４０８は、参照光用光検出器４０９で検出された参照光と光検出器４１０で検出された反射光に基づいて、対象物４１１までの距離を計測する。画像認識システム４０７は、距離計測回路４０８で計測された結果に基づいて、対象物４１１を認識する。
ライダー装置５００１は、レーザ光が対象物４１１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する光飛行時間測距法（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を採用している。ライダー装置５００１は、車載ドライブ－アシストシステム、リモートセンシング等に応用される。光検出器４１０として上述した実施形態の光検出器を用いると、特に近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、ライダー装置５００１は、人が不可視の波長帯域への光源に適用することが可能となる。ライダー装置５００１は、例えば、移動体向け障害物検知に用いることができる。
図１４は、ライダー装置の検出対象の検出を説明するための図である。
光源３０００は、検出対象となる物体６００に光４１２を発する。光検出器３００１は、物体６００を透過あるいは反射、拡散した光４１３を検出する。
光検出器３００１は、例えば、上述した本実施形態に係る光検出器を用いると、高感度な検出を実現できる。なお、光検出器４１０および光源４０４のセットを複数設け、その配置関係を前もってソフトウェア（回路でも代替可）に設定しておくことが好ましい。光検出器４１０および光源４０４のセットの配置関係は、例えば、等間隔で設けられることが好ましい。それにより、各々の光検出器４１０の出力信号を補完しあうことにより、正確な三次元画像を生成することができる。
図１５は、実施形態に係るライダー装置を備えた移動体の上面略図である。
図１５の例では、移動体は、車である。本実施形態に係る車両７００は、車体７１０の４つの隅にライダー装置５００１を備えている。本実施形態に係る車両は、車体の４つの隅にライダー装置を備えることで、車両の全方向の環境をライダー装置によって検出することができる。
移動体は、図１５に表した車以外に、ドローン、ロボットなどであっても良い。ロボットは、例えば、無人搬送車（ＡＧＶ）である。これらの移動体の４つの隅にライダー装置を備えることで、移動体の全方向の環境をライダー装置によって検出することができる。
実施形態によれば、応答性の向上が可能な光検出器、光検出システム、ライダー装置及び移動体が提供できる。
なお、本願明細書において、「垂直」は、厳密な垂直だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直であれば良い。
本願明細書において、「電気的に接続」には、直接接触して接続される場合の他に、他の導電性部材などを介して接続される場合も含む。
実施形態は、以下の構成を含んでも良い。
（構成１）
第１導電形の半導体層と、
受光素子であって、
第２導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域と前記半導体層との間に設けられ、前記第１半導体領域と接する第１導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域と前記半導体層との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第３半導体領域と前記半導体層との間に設けられ、第１導電形の不純物濃度が前記半導体層における第１導電形の不純物濃度よりも低い、第１導電形の第４半導体領域と、
を含む受光素子と、
を備えた光検出器。
（構成２）
前記受光素子と異なる屈折率を有する構造部をさらに備え、
前記第３半導体領域は、前記半導体層から前記受光素子へ向かう第１方向と直交する方向において前記構造部と並ぶ、構成１に記載の光検出器。
（構成３）
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度は、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度よりも高い、構成１または２に記載の光検出器。
（構成４）
前記第３半導体領域における第２導電形の不純物濃度の最大値は、前記第２半導体領域における第１導電形の不純物濃度の最大値よりも低い、構成１～３のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成５）
前記第３半導体領域は、前記第４半導体領域と接する、構成１～４のいずれか１つ記載の光検出器。
（構成６）
前記受光素子は、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間に設けられ、第１導電形の第５半導体領域を含み、
前記受光素子における第１導電形の不純物濃度は、前記第５半導体領域において極小となる、構成１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成７）
前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度は、前記第５半導体領域における第１導電形の不純物濃度よりも高い、構成６に記載の光検出器。
（構成８）
前記第３半導体領域は、前記第２半導体領域と接し、
前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度は、前記第３半導体領域と前記第２半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度よりも高い、構成１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成９）
前記受光素子は、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との間に設けられ、第１導電形の第５半導体領域を含み、
前記受光素子における第１導電形の不純物濃度は、前記第５半導体領域において極小となる、構成１～４のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成１０）
前記第３半導体領域の厚さは、前記第２半導体領域の厚さよりも薄い、構成１～９のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成１１）
前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間における前記第５半導体領域の厚さは、前記第３半導体領域の厚さよりも厚い、構成６または７に記載の光検出器。
（構成１２）
前記受光素子の動作時において、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界を含む範囲に形成される空乏層の端部は、前記第４半導体領域内に位置する、構成１～１１のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成１３）
前記受光素子と電気的に接続される抵抗体、又は、前記受光素子と電気的に接続されるスイッチング素子をさらに備えた、構成１～１２のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成１４）
前記受光素子は、ＰｉＮダイオード又はアバランシェフォトダイオードである、構成１～１３のいずれか１つに記載の光検出器。
（構成１５）
前記アバランシェフォトダイオードは、ガイガーモードで動作する、構成１４に記載の光検出器。
（構成１６）
構成１～１５のいずれか１つに記載の光検出器と、
前記光検出器の出力信号から光の飛行時間を算出する距離計測回路と、
を備えた光検出システム。
（構成１７）
物体に光を照射する光源と、
前記物体に反射された光を検出する構成１６に記載の光検出システムと、
を備えたライダー装置。
（構成１８）
前記光源と前記光検出器の配置関係に基づいて、三次元画像を生成する画像認識システムをさらに備える構成１７に記載のライダー装置。
（構成１９）
構成１７又は１８に記載のライダー装置を備えた移動体。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光検出器に含まれる半導体層及び受光素子などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した光検出器、光検出システム、ライダー装置、及び移動体を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光検出器、光検出システム、ライダー装置、及び移動体も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…受光素子、 １０ｆ…受光面、 １１…第１半導体領域、 １２…第２半導体領域、 １２ｄ…下端、 １２ｕ…上端、 １３…第３半導体領域、 １３ａ、１３ｂ…部分、 １３ｄ…下端、 １３ｕ…上端、 １４…第４半導体領域、 １４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…部分、 １５…第５半導体領域、 １５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ…部分、 ２１…半導体層、 ２２…半導体層、 ２３…半導体領域、 ３０…絶縁層、 ３１～３４…第１～第４層、 ４０…集光部、 ５０…電極、 ５１…第１配線、 ５４…共通配線、 ５５…パッド、 ６１…導電部、 ６３…クエンチ部、 ６４…コンタクト、 ６５…接続配線、 ６６…コンタクト、 ７０…構造部、 １０１～１０５…光検出器、 ４０２…ミラーコントローラ、 ４０３…駆動回路、 ４０４…光源、 ４０５…光学系、 ４０６…ミラー、 ４０７…画像認識システム、 ４０８…距離計測回路、 ４０９…参照光用光検出器、 ４１０…光検出器、 ４１１…対象物、 ４１２、４１３…光、 ６００…物体、 ７００…車両、 ７１０…車体、 ３０００…光源、 ３００１…光検出器、 ５００１…ライダー装置、 Ｃ１２、Ｃ１３…濃度、 ＣＣ…制御回路、 Ｃｐ、Ｃｗ、Ｃｘ、Ｃｙ、Ｃｚ…濃度、 Ｄ…空乏層、 Ｄｄ…下端、 Ｄｕ…上端、 ＩＬ１…第１絶縁層、 ＩＬ２…第２絶縁層、 ＰＤ…フォトダイオード、 Ｒ…受光ユニット、 ＳＷ…スイッチング素子、 ＳＷＡ…スイッチングアレイ、 Ｔ…投光ユニット、 Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４、Ｔ１５ａ、Ｔ１５ｅ…厚さ

Claims (19)

  1. 第１導電形の半導体層と、受光素子と、を備えた光検出器であって、
    前記受光素子は、
    第２導電形の第１半導体領域と、
    前記第１半導体領域と前記半導体層との間に設けられ、前記第１半導体領域と接する第１導電形の第２半導体領域と、
    前記第２半導体領域と前記半導体層との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
    前記第３半導体領域と前記半導体層との間に設けられ、第１導電形の不純物濃度が前記半導体層における第１導電形の不純物濃度よりも低い、第１導電形の第４半導体領域と、
    を含む、光検出器。
  2. 前記受光素子と異なる屈折率を有する構造部をさらに備え、
    前記第３半導体領域は、前記半導体層から前記受光素子へ向かう第１方向と直交する方向において前記構造部と並ぶ、請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度は、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度よりも高い、請求項１に記載の光検出器。
  4. 前記第３半導体領域における第２導電形の不純物濃度の最大値は、前記第２半導体領域における第１導電形の不純物濃度の最大値よりも低い、請求項１に記載の光検出器。
  5. 前記第３半導体領域は、前記第４半導体領域と接する、請求項１に記載の光検出器。
  6. 前記受光素子は、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間に設けられ、第１導電形の第５半導体領域を含み、
    前記受光素子における第１導電形の不純物濃度は、前記第５半導体領域において極小となる、請求項１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
  7. 前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度は、前記第５半導体領域における第１導電形の不純物濃度よりも高い、請求項６に記載の光検出器。
  8. 前記第３半導体領域は、前記第２半導体領域と接し、
    前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度は、前記第３半導体領域と前記第２半導体領域との境界における第１導電形の不純物濃度よりも高い、請求項１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
  9. 前記受光素子は、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域との間に設けられ、第１導電形の第５半導体領域を含み、
    受光素子における第１導電形の不純物濃度は、前記第５半導体領域において極小となる、請求項１～４のいずれか１つに記載の光検出器。
  10. 前記第３半導体領域の厚さは、前記第２半導体領域の厚さよりも薄い、請求項１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
  11. 前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間における前記第５半導体領域の厚さは、前記第３半導体領域の厚さよりも厚い、請求項６に記載の光検出器。
  12. 前記受光素子の動作時において、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界を含む範囲に形成される空乏層の端部は、前記第４半導体領域内に位置する、請求項１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
  13. 前記受光素子と電気的に接続される抵抗体、又は、前記受光素子と電気的に接続されるスイッチング素子をさらに備えた、請求項１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
  14. 前記受光素子は、ＰｉＮダイオード又はアバランシェフォトダイオードである、請求項１～５のいずれか１つに記載の光検出器。
  15. 前記アバランシェフォトダイオードは、ガイガーモードで動作する、請求項１４に記載の光検出器。
  16. 請求項１～５のいずれか１つに記載の光検出器と、
    前記光検出器の出力信号から光の飛行時間を算出する距離計測回路と、
    を備えた光検出システム。
  17. 物体に光を照射する光源と、
    前記物体に反射された光を検出する請求項１６に記載の光検出システムと、
    を備えたライダー装置。
  18. 前記光源と前記光検出器の配置関係に基づいて、三次元画像を生成する画像認識システムをさらに備える請求項１７に記載のライダー装置。
  19. 請求項１７に記載のライダー装置を備えた移動体。
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