JP4841834B2 - ホトダイオードアレイ - Google Patents
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Description
本発明は、ガイガーモードで動作させてフォトンカウンティングに利用されるホトダイオードアレイに関する。
例えば化学や医療などの分野において、アバランシェ（電子なだれ）増倍を利用したホトダイオードアレイをシンチレータに装着してフォトンカウンティングを行う技術がある。このようなホトダイオードアレイでは、同時に入射する複数のフォトンを弁別するため、複数に分割された受光チャンネルが共通基板上に形成されており、この受光チャンネルごとに増倍部が配置されている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。
各増倍部は、微弱な光を良好に検出するため、ガイガーモードと呼ばれる動作条件下で動作させられる。すなわち、各増倍部にはブレークダウン電圧よりも高い逆電圧が印加され、入射したフォトンによって発生したキャリアがなだれ式に増倍される現象が利用される。一方で、各受光チャンネルには増倍部からの出力信号を取り出すための抵抗が接続され、各抵抗は互いに並列接続されている。そして、各受光チャンネルに入射したフォトンは、各抵抗を介して外部に取り出された出力信号の波高値に基づいて検出される
P. Buzhan, et al.,「An Advanced Study of Silicon Photomultiplier」[online],ICFA Instrumentation BULLETIN Fall 2001 Issue,、[平成１６年１１月４日検索],〈URL： http://www.slac.stanford.edu/pubs/icfa/〉 P. Buzhan, et al.,「Silicon Photomultiplier And Its Possible applications」,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 504(2003) 48-52
P. Buzhan, et al.,「An Advanced Study of Silicon Photomultiplier」[online],ICFA Instrumentation BULLETIN Fall 2001 Issue,、[平成１６年１１月４日検索],〈URL： http://www.slac.stanford.edu/pubs/icfa/〉 P. Buzhan, et al.,「Silicon Photomultiplier And Its Possible applications」,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 504(2003) 48-52
ところで、ホトダイオードアレイをフォトンカウンティングに用いる場合には、良好な検出結果を得る上で、被検出光に対する開口率を高めて量子効率を大きくすることや、ガイガーモードでの動作によって発生する受光チャンネル間のクロストークを抑制することが重要となっている。
しかしながら、上述した従来のホトダイオードアレイでは、ガイガーモード動作時に発生する受光チャンネル間のクロストークを抑えるために各増倍部間をある程度離間させる必要が生じていた。その結果、被検出光に対する開口率の低下を招き、検出感度特性を向上させることが困難であった。
本発明は上記課題の解決のためになされたもので、ガイガーモードで動作させる場合であっても、受光チャンネル間のクロストークの発生を抑制しつつ被検出光に対する開口率を十分に確保できるホトダイオードアレイを提供することを目的とする。
上記課題の解決のため、本発明に係るホトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の受光チャンネルが半導体基板に形成されてなるホトダイオードアレイであって、半導体基板における被検出光の入射面側には、半導体基板よりも高い不純物濃度を有するアキュムレーション層が形成され、半導体基板における入射面の反対面側には、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる増倍部と、増倍部と電気的に接続されると共に、互いに並列接続される抵抗と、が受光チャンネルごとに形成され、受光チャンネル同士は、各増倍部の周囲に形成される分離部によって互いに分離されていることを特徴としている。
このホトダイオードアレイでは、各増倍部に電気的に接続される抵抗が半導体基板における光入射面の反対面側に集められて形成されている。したがって、被検出光の入射面側には抵抗が介在しないので、分離部の形成領域を除いて受光チャンネル間のギャップを狭めることが可能となる。この結果、受光チャンネル間のクロストークを分離部により抑制しつつ、被検出光に対する開口率を十分に確保することができる。さらには、被検出光の入射面側には半導体基板よりも高い不純物濃度を有するアキュムレーション層が形成されているため、半導体基板内で発生するキャリアが入射面側近傍で再結合することが抑制される。これにより、各受光チャンネルにおける高い量子効率が確保されるため、被検出光に対する実効的な開口率の向上が図られる。
また、分離部は、トレンチ溝によって形成されていることが好ましい。分離部としてトレンチ溝を採用することで幅の狭い分離部を形成することができるため、被検出光に対する開口率が一層確保される。
また、トレンチ溝内には、半導体基板よりも低い屈折率を有する低屈折率物質が形成されていることが好ましい。こうすると、ガイガーモードでの動作条件下において各増倍部で発生したプラズマ発光が低屈折率物質で反射され、隣接する受光チャンネルに到達することが抑えられる。これにより、光クロストークの発生を抑制することが可能となる。
また、低屈折率物質は、ＳｉＯ２により形成されていることが好ましい。この場合、低屈折率物質と半導体基板との間に十分な屈折率差を持たせることができる。したがって、プラズマ発光を低屈折率物質でより確実に反射させることができ、光クロストークの発生をより効果的に抑制することが可能となる。さらに、ＳｉＯ２は高い絶縁性を有しているため、電気的クロストークの発生を効果的に抑制することも可能となる。
また、トレンチ溝及び低屈折率物質は、半導体基板の入射面側から反対面側まで貫通して形成されていることが好ましい。これにより、隣接する受光チャンネル同士の分離がより確実化されるため、光クロストーク及び電気的クロストークの発生をより効果的に抑制することができる。
また、アキュムレーション層は、受光チャンネルごとに形成され、各アキュムレーション層は、半導体基板の入射面側に形成された透明電極層によって互いに電気的に接続されていることが好ましい。こうすると、各受光チャンネル同士が透明電極層によって導通され、同電位を保つことができる。さらに、この場合には、アキュムレーション層は半導体基板と透明電極層との接触抵抗を下げ、良好なコンタクトの形成を可能とする。
以上説明したように、本発明に係るホトダイオードアレイによれば、ガイガーモードで動作させる場合であっても、受光チャンネル間のクロストークの発生を抑制しつつ被検出光に対する開口率を十分に確保できる
以下、本発明に係るホトダイオードアレイの好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、「上」、「下」等の語は図面に示す状態に基づいており、便宜的なものである。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るホトダイオードアレイ１を被検出光の入射面側から見た図であり、図２はホトダイオードアレイ１を入射面の反対側から見た図である。
図１は、本発明の第１実施形態に係るホトダイオードアレイ１を被検出光の入射面側から見た図であり、図２はホトダイオードアレイ１を入射面の反対側から見た図である。
図１及び図２に示すように、ホトダイオードアレイ１は半導体基板２と、透明電極層３と、パターン配線４とを有している。半導体基板２は、一辺が１ｍｍ〜５ｍｍ程度の正方形状を有しており、マトリクス状（本実施形態では５×５）に分割された受光チャンネル１０が形成されている。各受光チャンネル１０は、一辺が５μｍ〜１００μｍ程度の正方形状とされており、格子状に形成された分離部５によって互いに分離されている。また、各受光チャンネル１０の中央部分には、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ（電子なだれ）増倍させる所定パターン（本実施形態では矩形パターン）のアバランシェ増倍部６がそれぞれ配置されている。
透明電極層３は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなり、半導体基板２の下面側（被検出光の入射面側）の全面に形成されている。この透明電極層３は、被検出光の透過を許容すると共に、アノードとして各受光チャンネル１０と電気的に接続されている。
また、パターン配線４は、受光チャンネル１０ごとに形成された電極４１及び抵抗４２と、配線４３とによって構成されており、半導体基板２の上面側（入射面側と反対面側）に形成されている。電極４１は、例えばＡｌからなり、カソードとして各受光チャンネル１０と電気的に接続されている。抵抗４２は、例えばポリシリコンからなり、電極４１を介して各受光チャンネル１０と電気的に接続されている。配線４３は、例えばＡｌからなり、各電極４１及び各抵抗４２を並列接続すると共にその出力側が増幅回路（図示しない）に接続されている。係る構成により、このホトダイオードアレイ１は、いわゆるマルチチャンネル型の光検出素子として構成されている。
次に、図３を参照して各受光チャンネル１０の詳細な構成について説明する。図３は図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
図３に示すように、各受光チャンネル１０は、上述した半導体基板２と、半導体基板２の上面側に形成されたアバランシェ増倍部６と、下面側に形成されたアキュムレーション層７とによって構成されている。また、隣接する受光チャンネル１０同士は、分離部５によって互いに分離されている。
半導体基板２は、不純物濃度の低い導電型がｐ型のＳｉからなり、厚さは２μｍ〜１００μｍとされている。アバランシェ増倍部６は、導電型がｐ型のＳｉからなるｐ型半導体層６１と、不純物濃度の高い導電型がｎ型のＳｉからなるｎ＋型半導体層６２とによって構成されている。このｐ型半導体層６１は、半導体基板２の上面側に所定の深さをもって矩形状（図１参照）に形成され、半導体基板２よりも高い不純物濃度を有している。ｎ＋型半導体層６２は、ｐ型半導体層６１の上面側にｐ型半導体層６１よりも大きい（または同形の）矩形状（図１参照）に形成され、ｐ型半導体層６１との間でｐｎ接合が形成されている。また、ｎ＋型半導体層６２の上面側には例えばＳｉＯ２からなる絶縁層８が形成されており、この絶縁層８上にパターン配線４が形成されている。そして、ｎ＋型半導体層６２は、パターン配線４のうち、カソードである電極４１と電気的に接続されている。
アキュムレーション層７は、半導体基板２よりも不純物濃度の高い導電型がｐ型のＳｉからなり、その厚さは０．５μｍ〜１．０μｍとされている。このアキュムレーション層７は、その下面に形成されたアノードとしての透明電極層３と電気的に接続している。
分離部５は、トレンチ溝５１と、このトレンチ溝５１内に形成された低屈折率物質５２とによって構成されている。トレンチ溝５１は、各アバランシェ増倍部６の周囲を完全に囲うように格子状に形成され、その溝幅は５μｍ以下とされている。また、低屈折率物質５２は、より具体的にはＳｉＯ２によって形成されており、半導体基板２よりも低い屈折率（約１．４６）を有すると共に、高い絶縁性を有する層とされている。そして、このトレンチ溝５１と低屈折率物質５２とは、半導体基板２の厚み方向に上面側から下面側まで貫通して形成されており、これにより、隣接する受光チャンネル１０，１０同士が電気的及び光学的に分離されている。
このように構成されたホトダイオードアレイ１をフォトンカウンティングに用いる場合、ガイガーモードと呼ばれる動作条件下で動作させる。このガイガーモード動作時には、電極４１及び透明電極層３を介して各受光チャンネル１０にブレークダウン電圧よりも高い逆電圧（例えば４０Ｖ以上）が印加される。この状態で下面側から各受光チャンネル１０に被検出光が入射すると、被検出光が半導体基板２内で吸収されてキャリアが発生する。発生したキャリアは半導体基板２内の電界に従って加速しながら上面側に移動し、各アバランシェ増倍部６によって１×１０６倍程度に増倍される。そして、増倍されたキャリアは抵抗４２及び配線４３を介して外部へと取り出され、その出力信号の波高値に基づいて検出される。
以上説明したように、本実施形態に係るホトダイオードアレイ１では、各アバランシェ増倍部６に電気的に接続される抵抗４２及び配線４３が半導体基板２の上面側に集められて形成されている。したがって、抵抗４２及びその配線４３が介在しない半導体基板２の下面側を被検出光の入射側とすることで、分離部５の形成領域を除いて受光チャンネル１０間のギャップを狭めることが可能となっている。この結果、ホトダイオードアレイ１では、受光チャンネル１０間に発生するクロストークを分離部５により抑制しつつ、被検出光に対する開口率を十分に確保することができる。さらには、被検出光の入射面側である半導体基板２の下面側には、半導体基板２よりも高い不純物濃度を有するアキュムレーション層７が受光チャンネル１０ごとに形成されているため、被検出光の入射によって半導体基板２内で発生するキャリアが半導体基板２の下面近傍で再結合することが抑制される。これにより、各受光チャンネル１０における高い量子効率が確保されるため、被検出光に対する実効的な開口率の向上が図られる。
また、ホトダイオードアレイ１では、隣接する受光チャンネル１０同士を分離する分離部５が、トレンチ溝５１と、このトレンチ溝５１内に形成された低屈折率物質５２とによって構成されている。この分離部５により、被検出光の入射によって半導体基板２内に生じたキャリアが隣接する受光チャンネル１０に移動して生じる電気的クロストークの発生を抑制することが可能となる。さらに、ホトダイオードアレイ１のガイガーモード動作時には各アバランシェ増倍部６にブレークダウン電圧よりも高い逆電圧が印加されるため、キャリア増倍時にプラズマ発光を伴う場合があるが、このとき発生したプラズマ発光は、低屈折率物質５２と半導体基板２との屈折率差によって同受光チャンネル１０内に反射される。これにより、隣接する受光チャンネル１０にプラズマ発光が到達することを効果的に抑えることができ、光クロストークの発生を抑制することも可能となる。なお、分離部５の形成にトレンチ溝５１を採用することで分離部５の幅を５μｍ以下で形成することができるため、受光チャンネル１０間のギャップが拡張されることは殆どなく、被検出光に対する開口率が確保される。
また、上述したクロストーク抑制効果は、低屈折率物質５２をＳｉＯ２により形成することで、一層顕著なものとなっている。すなわち、ＳｉＯ２は高い絶縁性を有しているため、電気的クロストークの発生がより効果的に抑制される。また、ＳｉＯ２の屈折率は約１．４６であり、Ｓｉからなる半導体基板２の屈折率は約３．５〜５．０であるため、低屈折率物質５２と半導体基板２との間の屈折率差が十分確保される。したがって、プラズマ発光を低屈折率物質５２でより確実に反射させることができ、光クロストークの発生がより効果的に抑制される。さらに、トレンチ溝５１及び低屈折率物質５２は、半導体基板２の上面側から下面側まで貫通して形成されているため、隣接する受光チャンネル１０同士の分離がより確実化される。このことは、ガイガーモード動作時に各アバランシェ増倍部６から全方位に放射するプラズマ発光の遮断に特に有効であり、光クロストークの抑制を一層確実なものとすることができる。
さらに、ホトダイオードアレイ１では、各受光チャンネル１０において、半導体基板２の下面側に形成されたアキュムレーション層７同士が、透明電極層３によって互いに電気的に接続されている。これにより、各受光チャンネル１０同士が透明電極層３によって導通され、同電位を保つことができる。また、アキュムレーション層７は、半導体基板２と透明電極層３との接触抵抗を下げ、良好なコンタクトの形成を可能にしている。
以上のような構成を有するホトダイオードアレイ１を製造する場合、まず、図４（ａ）に示すように、中間絶縁層１９を有する導電型がｐ型のＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を半導体基板２として用意する。次に、所定のマスク（図示しない）を用いたエッチング処理により、図４（ｂ）に示すように、格子状のトレンチ溝５１を、ＳＯＩ基板の上面から中間絶縁層１９の上面まで到達するように形成し、マトリクス状の受光チャンネル１０を形成する。さらに、例えばスパッタ法により、図４（ｃ）に示すように、このトレンチ溝５１内全体に低屈折率物質５２を埋め込み、分離部５を形成する。
次に、図５（ａ）に示すように、各受光チャンネル１０において、半導体基板２の上面側から例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加・拡散させ、この半導体基板２の上面側に所定の厚さのｐ型半導体層６１を形成する。さらに、このｐ型半導体層６１の上面側から例えばＰ（リン）などのｎ型不純物を添加・拡散させ、ｐ型半導体層６１の上面側に所定の厚さのｎ＋型半導体層６２を形成する。これにより、半導体基板２の上面側にアバランシェ増倍部６が形成される。そして、図５（ｂ）に示すように、例えば熱酸化法を用いて半導体基板２の上面に絶縁層８を形成する。なお、本実施形態においては、アバランシェ増倍部６を形成する工程を、分離部５を形成する工程よりも先に行ってもよい。
さらに、図６（ａ）に示すように、エッチング処理によってＳＯＩ基板の中間絶縁層１９及びこの中間絶縁層１９よりも下面側のシリコン層を除去し、半導体基板２の下面側を露出させる。次に、図６（ｂ）に示すように、この半導体基板２の下面側から例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加・拡散させて受光チャンネル１０ごとにアキュムレーション層７を形成し、さらに、フォトレジストを用いて絶縁層８の必要な部分に穴をあけた後、絶縁層８の上面に例えばスパッタ法または蒸着法を用いてパターン配線４を形成する。パターン配線４を形成した後、最後に各アキュムレーション層７の下面側に、例えば蒸着法によって透明電極層３を形成し、各アキュムレーション層７を互いに電気的に接続すると、図１〜図３に示したいわゆるマルチチャンネル型のホトダイオードアレイ１が完成する。
なお、本実施形態における各層には種々の変形を適用できる。例えば、各アバランシェ増倍部６におけるｐ型半導体層６１はアキュムレーション層７に到達する厚さで形成してもよく、抵抗４２は絶縁層８を介在してｎ+型半導体層６２にオーバーラップする形で形成してもよい。また、アキュムレーション層７は受光チャンネル１０ごとに形成するのではなく、図７に示すように、半導体基板２の下面側に全面的に形成したアキュムレーション層７Ａとしてもよい。さらに、各アバランシェ増倍部６の周縁部には、導電型がｎ型の半導体層からなるガードリングを形成してもよい。こうすると、ガードリングによってアバランシェ増倍部６を高電圧のリークから保護することができ、ｐｎ接合部分での均一なアバランシェ増倍を得ることができる。
［第２実施形態］
第２実施形態に係るホトダイオードアレイ２０は、図８に示すように、各アバランシェ増倍部６を構成するｎ＋型半導体層６２Ａが各受光チャンネル１０の全面に渡って形成され、周囲の分離部５と接触している点で、ｎ＋型半導体層６２が各受光チャンネル１０の中央にのみ形成されている第１実施形態と異なる。
第２実施形態に係るホトダイオードアレイ２０は、図８に示すように、各アバランシェ増倍部６を構成するｎ＋型半導体層６２Ａが各受光チャンネル１０の全面に渡って形成され、周囲の分離部５と接触している点で、ｎ＋型半導体層６２が各受光チャンネル１０の中央にのみ形成されている第１実施形態と異なる。
このホトダイオードアレイ２０においても、第１実施形態と同様に、各アバランシェ増倍部６に電気的に接続される抵抗４２及びその配線４３が半導体基板２の上面側に集められて形成されているため、半導体基板２の下面側を被検出光の入射側とすることで、分離部５の形成領域を除いて各受光チャンネル１０間のギャップを狭めることが可能となっている。この結果、受光チャンネル１０間に発生するクロストークを分離部５により抑制しつつ、被検出光に対する開口率を十分に確保することができる。さらには、被検出光の入射側である半導体基板２の下面側にはアキュムレーション層７が形成されているため、各受光チャンネル１０における高い量子効率が確保され、被検出光に対する実効的な開口率の向上が図られる。
また、ホトダイオードアレイ２０においても、第一実施形態と同様に構成された分離部５により、電気的クロストーク及び光クロストークの発生を効果的に抑制することができる。また、分離部５の形成にトレンチ溝５１を採用することで受光チャンネル１０間のギャップが拡張されることは殆どなく、被検出光に対する開口率が確保される。
さらに、ホトダイオードアレイ２０においても、各アキュムレーション層７は、透明電極層３によって互いに電気的に接続されている。これにより、各受光チャンネル１０同士が導通され、同電位を保つことができる。また、アキュムレーション層は、半導体基板２と透明電極層３との接触抵抗を下げ、良好なコンタクトの形成を可能としている。
このようなホトダイオードアレイ２０を製造する場合、まず、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示した製造工程と同様にして、半導体基板２として用意したＳＯＩ基板に分離部５及び受光チャンネル１０を形成する。
次に、図９（ａ）に示すように、半導体基板２の上面側から例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加・拡散させ、この半導体基板２の上面側に所定の厚さのｐ型半導体層６１を形成する。さらに、このｐ型半導体層６１の上面側から例えばＰ（リン）などのｎ型不純物を受光チャンネル１０の全面に添加・拡散させ、ｐ型半導体層６１の上面側に所定の厚さのｎ＋型半導体層６２Ａを形成する。これにより、半導体基板２の上面側にアバランシェ増倍部６が形成される。なお、本実施形態においては、このアバランシェ増倍部６を形成する工程を、分離部５を形成する工程よりも先に行ってもよい。
次に、図９（ｂ）に示すように、例えば熱酸化法を用いて半導体基板２の上面に絶縁層８を形成する。また、図１０（ａ）に示すように、エッチング処理によってＳＯＩ基板の中間絶縁層１９及びこの中間絶縁層１９よりも下面側のシリコン層を除去し、半導体基板２の下面側を露出させる。次に、図１０（ｂ）に示すように、この露出した半導体基板２の下面側から例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加・拡散させて受光チャンネル１０ごとにアキュムレーション層７を形成し、さらに、フォトレジストを用いて絶縁層８の必要な部分に穴をあけた後、絶縁層８の上面に例えばスパッタ法または蒸着法を用いてパターン配線４を形成する。パターン配線４を形成した後、最後に各アキュムレーション層７の下面側に例えば蒸着法によって透明電極層３を形成し、各アキュムレーション層７を互いに電気的に接続すると、図８に示したいわゆるマルチチャンネル型のホトダイオードアレイ２０が完成する。
なお、本実施形態における各層にも種々の変形を適用できる。例えば、ｐ型半導体層６１はアキュムレーション層７に到達する厚さで形成してもよく、抵抗４２は絶縁層８を介在してｎ+半導体層６２Ａにオーバーラップする形で形成してもよい。また、アキュムレーション層７は、図７に示したように、半導体基板２の下面側に全面的に形成したアキュムレーション層７Ａとしてもよい。
［第３実施形態］
第３実施形態に係るホトダイオードアレイ２２は、図１１に示すように、各アバランシェ増倍部６を構成するｐ型半導体層６１Ａ及びｎ＋型半導体層６２Ａの双方が各受光チャンネル１０の全面に渡って形成され、周囲の分離部５に接触している点で、ｐ型半導体層６１及びｎ＋型半導体層６２が各受光チャンネル１０の中央にのみ形成されている第１実施形態と異なる。
第３実施形態に係るホトダイオードアレイ２２は、図１１に示すように、各アバランシェ増倍部６を構成するｐ型半導体層６１Ａ及びｎ＋型半導体層６２Ａの双方が各受光チャンネル１０の全面に渡って形成され、周囲の分離部５に接触している点で、ｐ型半導体層６１及びｎ＋型半導体層６２が各受光チャンネル１０の中央にのみ形成されている第１実施形態と異なる。
このホトダイオードアレイ２２においても、第１実施形態と同様に、各アバランシェ増倍部６に電気的に接続される抵抗４２及びその配線４３が半導体基板２の上面側に集められて形成されているため、半導体基板２の下面側を被検出光の入射側とすることで、分離部５の形成領域を除いて各受光チャンネル１０間のギャップを狭めることが可能となっている。この結果、受光チャンネル１０間に発生するクロストークを分離部５により抑制しつつ、被検出光に対する開口率を十分に確保することができる。さらには、被検出光の入射側である半導体基板２の下面側にはアキュムレーション層７が形成されているため、各受光チャンネル１０における高い量子効率が確保され、被検出光に対する実効的な開口率の向上が図られる。
また、ホトダイオードアレイ２２においても、第一実施形態と同様に構成された分離部５により、電気的クロストーク及び光クロストークの発生を効果的に抑制することができる。また、分離部５の形成にトレンチ溝５１を採用することで受光チャンネル１０間のギャップが拡張されることは殆どなく、被検出光に対する開口率が確保される。
さらに、ホトダイオードアレイ２２においても、各アキュムレーション層７は、透明電極層３によって互いに電気的に接続されている。これにより、各受光チャンネル１０同士が透明電極層３によって導通され、同電位を保つことができる。また、アキュムレーション層は、半導体基板２と透明電極層３との接触抵抗を下げ、良好なコンタクトの形成を可能としている。
このようなホトダイオードアレイ２２を製造する場合、まず、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示した製造工程と同様にして、半導体基板２として用意したＳＯＩ基板に分離部５及び受光チャンネル１０を形成する。
次に、図１２（ａ）に示すように、半導体基板２の上面側から例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を全面に添加・拡散させ、この半導体基板２の上面側に所定の厚さのｐ型半導体層６１Ａを形成する。さらに、このｐ型半導体層６１の上面側から例えばＰ（リン）などのｎ型不純物を受光チャンネル１０の全面に添加・拡散させ、ｐ型半導体層６１の上面側に所定の厚さのｎ＋型半導体層６２Ａを形成する。これにより、半導体基板２の上面側にアバランシェ増倍部６が形成される。なお、本実施形態においても、このアバランシェ増倍部６を形成する工程を、分離部５を形成する工程よりも先に行ってもよい。
次に、図１２（ｂ）に示すように、例えば熱酸化法を用いて半導体基板２の上面に絶縁層８を形成する。図１３（ａ）に示すように、エッチング処理によってＳＯＩ基板の中間絶縁層１９及びこの中間絶縁層１９よりも下面側のシリコン層を除去し、半導体基板２の下面側を露出させる。次に、図１３（ｂ）に示すように、この露出した半導体基板２の下面側から例えばＢ（ボロン）などのｐ型不純物を添加・拡散させて受光チャンネル１０ごとにアキュムレーション層７を形成し、さらに、フォトレジストを用いて絶縁層８の必要な部分に穴をあけた後、絶縁層８の上面に例えばスパッタ法または蒸着法を用いてパターン配線４を形成する。パターン配線４を形成した後、最後に各アキュムレーション層７の下面側に例えば蒸着法によって透明電極層３を形成し、各アキュムレーション層７を互いに電気的に接続すると、図１１に示したいわゆるマルチチャンネル型のホトダイオードアレイ２２が完成する。
なお、本実施形態における各層にも種々の変形を適用できる。例えば、ｐ型半導体層６１Ａはアキュムレーション層７に到達する厚さで形成してもよく、抵抗４２は絶縁層８を介在してｎ+半導体層６２Ａにオーバーラップする形で形成してもよい。また、アキュムレーション層７は、図７に示したように、半導体基板２の下面側に全面的に形成したアキュムレーション層７Ａとしてもよい。
１，…ホトダイオードアレイ、２…半導体基板、３…透明電極層、５…分離部、６…アバランシェ増倍部（増倍部）、７…アキュムレーション層、１０…受光チャンネル、５１…トレンチ溝、５２…低屈折率物質、４２…抵抗、２０，２２…ホトダイオードアレイ。
Claims (4)
- 被検出光を入射させる複数の受光チャンネルが半導体基板に形成されてなるホトダイオードアレイであって、
前記半導体基板における前記被検出光の入射面側には、
前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有するアキュムレーション層が形成され、
前記半導体基板における前記入射面の反対面側には、
前記被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる増倍部と、
前記増倍部と電気的に接続されると共に、互いに並列接続される抵抗と、が前記受光チャンネルごとに形成され、
前記受光チャンネル同士は、トレンチ溝によって前記各増倍部の周囲に形成される分離部によって互いに分離され、
前記アキュムレーション層は、前記受光チャンネルごとに形成され、
前記各アキュムレーション層は、前記半導体基板の前記入射面側に形成された透明電極層によって互いに電気的に接続されていることを特徴とするホトダイオードアレイ。 - 前記トレンチ溝内には、前記半導体基板よりも低い屈折率を有する低屈折率物質が形成されていることを特徴とする請求項１記載のホトダイオードアレイ。
- 前記低屈折率物質は、ＳｉＯ２により形成されていることを特徴とする請求項２記載のホトダイオードアレイ。
- 前記トレンチ溝及び前記低屈折率物質は、前記半導体基板の前記入射面側から前記反対面側まで貫通して形成されていることを特徴とする請求項３記載のホトダイオードアレイ。
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