JP5092251B2 - 光検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、受光素子を、複数個、配置した光検出装置に関するものである。
イメージセンサへの関心が高まるにつれ、受光素子間の光のクロストーク（受光素子への入射光の隣接素子への混入）による画像乱れが問題とされている（非特許文献１）。図２３に示すように、光検出装置１５０における各受光素子のｐ部電極１０７およびｎ部電極１０６は、マルチプレクサ１３５へとＩｎ半田１３４により電気的に接続され、画像形成のために信号処理される。この構造においてクロストークとは、次のような現象に対応する。すなわち、図２４に示すように、１つの受光素子１１０に入射した光は、その受光素子１１０の受光箇所１１６で受光され、電流に変換されるが、実装面側の受光素子の中央部に位置するｐ部電極１０７に反射され、隣の電極でも受光を生じてしまう。図２４に示す光検出装置１５０では、受光素子１１０がエピダウン実装された場合であるが、クロストークの現象はエピアップ実装された場合でも、同じように生じる。ここで、受光装置は、ＩｎＰ基板１０１のトップ面には反射防止膜（ＡＲ膜）が配置され、ボトム側、すなわち実装側にはｎ型ＩｎＰバッファ層１０２／受光層１０３／ＩｎＰ窓層１０４／ｐ部電極１０７およびＳｉＮ保護膜１１２が形成されている。図２５はエピアップ実装の受光素子１１０を備える光検出装置１５０を示すが、この光検出装置でも、１つの受光素子１１０で受光された光が、隣の受光素子でも受光されるというクロストークが生じる。このようなクロストークの結果、隣り合う受光素子（画素）で信号電流が発生し、解像度が劣化し、問題とされる。図２４に示す光検出装置１５０については、本発明の実施の形態において詳しく説明する。上記の光検出装置では、アレイ化された受光素子のピッチを小さくするほど、解像度の劣化は顕著となる。このため一定の大きさのセンサ部において画素数を増やすことができず、また画素数を増やす場合にはチップサイズを大きくする必要があり、コスト増をもたらし、また小型化に逆行する。
上記の画素間の光のクロストークを低減するために、受光素子間に分離溝を設けて金属膜を配置して、受光素子間を金属膜で遮断する構造が提案されている（特許文献１）。また、クロストークとは直接的な関連性はないが、近赤外帯域の受光素子のアレイ構造において、集積回路上に受光素子を集積配列することで、受光面積を拡大して感度を上げる提案がなされている（特許文献２）。
石原正敏ら，"近赤外ＩｎＧａＡｓイメージセンサとその応用"電気学会光応用・視覚研究会資料 JN:Z0953A Vol.LAV-00 No.7-13;Page.31-36;(2000/10/26)
特開２００５−１２３２１７号公報
特開平１１−３５４７６２号公報
しかしながら、受光素子間に分離溝と金属膜とを設ける構造では、光のクロストークに対して一定の効果はあるが、半導体基板の部分は光が自由に伝播できるため、半導体基板を介して多重反射した光が隣り合う受光素子に混入する。このため、クロストークを十分に抑制することはできない。また、上記構造では、受光素子間に絶縁膜を設け、その上に金属膜を形成するので、絶縁膜に要求される品質の信頼性（信頼性要求度）は非常に高いものとなる。このため、たとえばその絶縁膜中にピンホールのようなものが存在するだけで電気的短絡を生じ、受光素子として機能しなくなる。ひいては歩留まり低下やコスト増への影響も無視できなくなる。また、集積回路上に受光素子を集積配列した構造においては、受光素子間は分離されるが、散乱光は自由に通過できるためクロストークの解決にはならない。
上記のクロストークが生じると、各画素間の解像度が劣化する。受光素子間ピッチを小さくするほど、クロストークの増加は顕著になり、画素数を限られたサイズ内に配置することが困難になる。また、受光素子間ピッチを大きくして画素数を増やすと、上述のようにチップサイズが大きくなり、コスト増を招く。
本発明は、光のクロストークを抑制する機構を備えた光検出装置を提供することを目的とする。
共通の半導体基板にエピタキシャル成長した受光層を含みそれぞれにエピタキシャル側電極を形成した受光素子が、複数個、前記共通の半導体基板上に配置された光検出装置である。この光検出装置は、受光素子が半導体基板裏面を光入射面とするようにエピダウン実装されており、受光素子の間を分離する素子分離溝と、リング状のエピタキシャル側電極（以下、エピ側電極）と、各受光素子に共通の一つのｎ部電極と、エピタキシャル側表面を被覆するＳｉＮ保護膜と、を備える。そして、入射光をその受光素子へ向かうものに限定して集光する入射側限定集光部を備え、該入射側限定集光部が、半導体基板裏面に接して位置する、反射防止（ＡＲ）膜と多層膜とを組み合わせたＡＲ多層膜であることを特徴とする。
上記構成では、リング状のエピ側電極と、入射側限定集光部とが備えられる。これにより、（Ｒ1）エピ側電極部が光入射側と反対側に配置されるエピダウン実装の場合、受光素子を囲むようなリング状のエピ側電極は、その受光層を通過してきた光を、隣接する受光素子の受光層に到達するような経路をとる反射光を生じない。このため、クロストークを抑制することができる。また、入射側限定集光部は、その受光素子の光入射側において、入射してきた光を限定集光してそこの受光層に向かわせ、隣接する受光素子の受光層へ向かう光を少なくする。本発明では、この入射側限定集光部をＡＲ膜と多層膜とを組み合わせることで構成する。このＡＲ膜と多層膜との組み合わせ（ＡＲ多層膜）は、光入射面である半導体基板裏面において、入射角が所定の角度を超える入射光を反射し、所定の角度以下の入射光をその受光素子内の受光層に集まるようにする。このため、受光層よりも入射側では、入射側限定集光部（ＡＲ膜と多層膜との組み合わせ）により、その受光素子の受光層にのみ向かう光を多くすることができる。また受光層よりも後側においては、たとえばエピダウン実装の場合（Ｒ１の場合）、リング状のエピ側電極により隣の受光素子に受光される光を抑えることができる。
また、上記の光検出装置はエピダウン実装されており、光入射側と反対側のエピタキシャル層側に、リング状のエピ側電極を設けた構成とすることができる。これにより、実装面側において、リング状のエピ側電極は、隣の受光素子の受光層へ光を散乱することを防止することができる。ここで、「光入射側と反対側」とは、実装側のことをさす。
ＡＲ多層膜における多層膜を酸化ケイ素（ＳｉＯ ２ ）とアモルファスシリコンとの繰り返し多層膜とすることができる。これにより既存の設備を用いて簡単にＡＲ多層膜を形成することができ、クロストークをより確実に抑制することができる。
ＡＲ多層膜における多層膜を酸化ケイ素（ＳｉＯ ２ ）とアモルファスシリコンとの繰り返し多層膜とすることができる。これにより既存の設備を用いて簡単にＡＲ多層膜を形成することができ、クロストークをより確実に抑制することができる。
参考としてに挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の光検出装置はエピアップ実装されており、光入射側にリング状のエピ側電極を備え、半導体基板の裏面に（すなわち実装側に）、さらに、複数個の受光素子に対応する領域を囲むようにリング状の基板側電極が設けられる構成としてもよい。これにより、光入射側でエピ側電極により隣の受光素子へ向かう光を抑制し、実装面側でも基板側電極による隣の受光素子への散乱を抑制することができる。
上記の受光層から見て光入射側と反対側に位置して光入射側からの光を受光素子外に放出し易くするための放出手段を備え、その放出手段がＳｉＮ保護膜に接して位置する反射防止膜とすることができる。これにより、受光素子の実装側の面の保護膜と外気との界面で光が反射され、隣の受光素子の受光層に光が拡散してゆくのを抑制することができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の受光素子のエピタキシャル層表面にレンズを配置することができる。この構成により、上記保護膜と外気との界面で光が反射され、隣の受光素子の受光層へと拡散してゆくのを防止することができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の受光素子がエピダウン実装されており、入射側限定集光部が、受光素子の半導体基板の光入射面において、当該受光素子に設けられた凹部領域である構成とすることができる。これにより、受光素子に対して、より垂直（凹部の深さ方向）に近い向きの光を集光しやすくなる。より垂直に近い向きの光は、入射側の保護膜と外気との界面で反射されにくいので、隣の受光素子の受光層に混入してゆきにくくなる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の受光素子の半導体基板の光入射面において、凹部領域の底面以外の露出面を、光を透過させない光遮断層で覆うことができる。この構成により、凹部のサイズ（平面サイズおよび深さ）で決まる角度よりも垂直に近い角度の光に限定して集光することができ、一層確実に隣の受光素子へと拡散してゆく光を抑制することができる。
本発明とは関係なく、参考として挙げられる構成として次の事項がある（本段落内）。：上記の光遮断層を金属膜とすることができる。この構成により、容易に光遮断層を金属膜により実現することができる。金属膜としては光を透過しないものであれば何でもよい。たとえば、一般的な成膜装置で形成が容易である、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔなどを含む単層膜（単一金属膜もしくは合金膜）、または、これら膜の積層膜を用いることができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記光遮断層を光吸収膜としてもよい。この構成により、上記の場合よりも厳密に、凹部のサイズで決まる角度より垂直に近い光のみを入れるようにできる。光吸収膜としては光を吸収するものであれば何でもよい。たとえば、受光する光の波長よりもバンドギャップ波長が大きい半導体膜や半導体粉末、黒体となるような膜、たとえばカーボン膜等を挙げることができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の光遮断層を光反射膜とすることができる。この構成により、光遮断膜を容易に実現することができる。光反射膜としては光を反射するものであれば何でもよい。たとえばＳＷＩＲ光に対しては、ＳｉとＳｉＯ２とからなる多層膜、Ａｌ２Ｏ３とＳｉとからなる多層膜などを挙げることができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の受光素子の半導体基板の光入射面において、凹部領域の底面以外の露出面が、光を透過させないように加工処理が施される構成にしてもよい。これにより、新たに膜を設けなくても、光遮断層を設けた場合と同様の効果を得ることができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の凹部領域に、光入射側で屈折率が高く、底面側で屈折率が高くなるような、屈折率傾斜層を埋め込むことができる。この構成により、外気から受光素子へとかけて屈折率が高くなっているので、入射光は屈折率傾斜部でより垂直方向へと屈折し、隣の受光素子へと向かう光を抑制することができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の入射側限定集光部が、受光素子の光入射面に位置する光学素子で構成されてもよい。これにより、光学素子により隣の受光素子の受光層へ向かう光を抑制することができる。
本発明とは関係なく、参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の光学素子をレンズとすることができる。この構成により、レンズという簡単な光学素子により入射光をその受光素子の受光層へと向かわせることができる。
参考として挙げられる構成として次の事項がある（本段落内）。：上記の光学素子を回折格子としてもよい。この構成によれば、回折格子の構成要素を使用目的に適合するように変えることにより、さらに確実に垂直成分に近い光にして入射することができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の光学素子をフォトニック結晶を有する構成にしてもよい。これにより、受光素子自体を加工することになり、さらに確実に垂直成分に近い光にして入射することができる。
上記の入射側限定集光部を、多層膜の構造を有する光学部品とすることができる。この多層膜構造は、受光素子に対する入射角が所定の角度を超える入射光を反射し、その所定角度以下の入射光を、受光層へ集まるようにする。これにより、凹部の形成や、その凹部への成膜処理などを行うことなく、上記所定角よりも垂直に近い角度の光しか、入ってゆかないようにできる。上記の境目の所定角は、上記多層膜構造を構成する材料の特性に依存して変わるし、また、この多層膜構造に接するもの（空気または受光素子本体を構成するエピタキシャル膜）の材質（とくに屈折率）によっても変化する。
また、上記の光学部品を、光入射面に位置する多層膜構造の反射防止膜とすることができる。この構成により、容易に、凹部のサイズで決まる角度よりも垂直に近い角度の光しか、入ってゆかないようにできる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の光学部品を、光入射面と受光層との間に設けられたエピタキシャル多層膜とすることができる。この構成により、非常に低い製造コスト増加により、容易に、凹部のサイズで決まる角度よりも垂直に近い角度の光しか、入ってゆかないようにできる。この場合、エピタキシャル多層膜の成長時間や、材料コストが、上記エピタキシャル多層膜を設けない場合よりも少し上昇する程度である。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の受光素子はエピダウン実装され、多層膜の構造を有する光学部品としてエピタキシャル多層膜が、半導体基板の入射面と、半導体基板上に形成されたバッファ層との間に形成される構成とすることができる。これにより、さらに容易に凹部のサイズで決まる角度よりも垂直に近い角度の光しか、入ってゆかないようにできる。フリップチップ実装の場合には、上記エピタキシャル多層膜は、光による電流が流れない場所に位置するので、受光素子抵抗等に影響を与えることなく、クロストークを低いコストで抑制することができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の受光素子はエピダウン実装され、多層膜の構造を有する光学部品としてエピタキシャル多層膜が、半導体基板上に形成されたバッファ層である構成としてもよい。これによれば、受光層の結晶性を高めるためのバッファ層と、クロストーク抑制の反射防止膜と、２つの機能を備えることで、製造コスト増を極力抑えることができる。
参考として挙げられる構成として次のものがある（本段落内）。：上記の受光素子はエピダウン実装され、多層膜の構造を有する光学部品としてエピタキシャル多層膜を、半導体基板上に形成されたバッファ層と、そのバッファ層上の受光層との間に形成することができる。この構成によれば、エピタキシャル多層膜を受光層の直上に設けるので、バッファ層や、バッファ層と半導体基板との間に設ける場合よりも、より広い入射角の光を受光層に入射することができる。
また、上記のすべての光検出装置において、波長域１．０μｍ〜３．０μｍの光を検出するために用い、半導体基板をＩｎＰ基板で構成し、受光層のバンドギャップ波長を１．６５μｍ〜３．０μｍの範囲内とし、その受光層を、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓの少なくとも１つから構成してもよい。これにより、クロストークの少ないＳＷＩＲ用の検出素子を実現することができる。
（参考例として挙げる実施の形態１）
図１は、参考例として挙げる実施の形態１の光検出装置を示す図である。この光検出装置５０において、ＩｎＰ基板５１のトップ側にＡＲ膜１３が配置され、ボトム側すなわち実装側に受光層３を含むエピタキシャル層が形成されている。ｐ部電極は、リング状でも三日月状でもよいが、ここではリング状ｐ部電極７が、ＳｉＮ保護膜１２から露出するように形成されている。ｐ部電極７からは配線電極３３が引き出されており、このためｐ部電極７およびｎ部電極６は、Ｉｎ半田３４を介在させてマルチプレクサ３５の配線に接続される。各受光素子１０からの信号は、マルチプレクサ３５によって画像形成のために処理される。図２は、本発明の実施の形態１の受光素子アレイを説明するための図である。以後の説明では、マルチプレクサおよびＩｎ半田等はクロストークにほとんど関係しないため省略して、受光素子アレイ内での現象について説明する。このため検出装置５０を受光素子アレイと呼ぶことがある。図３は、図２の受光素子アレイ５０のうちの１つの受光素子を示す図である。図２において、受光素子アレイ５０の受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板５１に設けられている。各受光素子で入射光を受光することにより生じた電流信号は、たとえば実装基板を兼ねたマルチプレクサに送られ、画像形成の処理がなされ画像が形成される。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図２に示す受光素子アレイ５０は９万画素のものである。図３に示す受光素子１０は、ＩｎＰ基板５１の上に形成された複数のエピタキシャル層を有し、エピタキシャル層側にｐ部領域９が配置されている。このｐ部領域９はリング状でも三日月状でもよいが、ここではリング状のものを示している。ｐ部領域９はＳｉＮ保護膜１２中に形成され電極配線３３に電気的に接続され、さらにこの電極配線３３はＩｎ半田３４を介在させてマルチプレクサの配線に接続される。本実施の形態は、ｐ部電極７が、上記のようなリング形状を有する点に特徴がある。
図１は、参考例として挙げる実施の形態１の光検出装置を示す図である。この光検出装置５０において、ＩｎＰ基板５１のトップ側にＡＲ膜１３が配置され、ボトム側すなわち実装側に受光層３を含むエピタキシャル層が形成されている。ｐ部電極は、リング状でも三日月状でもよいが、ここではリング状ｐ部電極７が、ＳｉＮ保護膜１２から露出するように形成されている。ｐ部電極７からは配線電極３３が引き出されており、このためｐ部電極７およびｎ部電極６は、Ｉｎ半田３４を介在させてマルチプレクサ３５の配線に接続される。各受光素子１０からの信号は、マルチプレクサ３５によって画像形成のために処理される。図２は、本発明の実施の形態１の受光素子アレイを説明するための図である。以後の説明では、マルチプレクサおよびＩｎ半田等はクロストークにほとんど関係しないため省略して、受光素子アレイ内での現象について説明する。このため検出装置５０を受光素子アレイと呼ぶことがある。図３は、図２の受光素子アレイ５０のうちの１つの受光素子を示す図である。図２において、受光素子アレイ５０の受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板５１に設けられている。各受光素子で入射光を受光することにより生じた電流信号は、たとえば実装基板を兼ねたマルチプレクサに送られ、画像形成の処理がなされ画像が形成される。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図２に示す受光素子アレイ５０は９万画素のものである。図３に示す受光素子１０は、ＩｎＰ基板５１の上に形成された複数のエピタキシャル層を有し、エピタキシャル層側にｐ部領域９が配置されている。このｐ部領域９はリング状でも三日月状でもよいが、ここではリング状のものを示している。ｐ部領域９はＳｉＮ保護膜１２中に形成され電極配線３３に電気的に接続され、さらにこの電極配線３３はＩｎ半田３４を介在させてマルチプレクサの配線に接続される。本実施の形態は、ｐ部電極７が、上記のようなリング形状を有する点に特徴がある。
図４は、エピダウン実装（フリップチップ実装）の受光素子１０を備える光検出装置５０を説明する断面図である。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、そのＩｎＰ基板に形成した素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ受光層３／ＩｎＰ窓層４／ｐ部電極７および保護膜１２が形成されている。またマルチプレクサへの接続のための電極配線は、本図を含めて以後の受光素子の図では、省略してある。エピダウン実装における光入射側のＩｎＰ基板５１の表面には、反射防止膜（ＡＲ膜:Anti-Reflection）１３が設けられている。ＩｎＰの屈折率は３以上と大きいため、入射光は受光素子に入射する際、少し屈折する。ｐ型領域９は、ＩｎＰ窓層４から受光層３内にまで形成されている。また、ｎ部電極６がｎ型ＩｎＰバッファ層２に設けられている。エピ側電極であるｐ部電極７は、上述のように、実装面側に位置するｐ型領域９に接してリング状に形成されている。
なお、上記の受光素子では、半導体基板にＩｎＰ基板を、バッファ層にＩｎＰ層を、受光層にＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層を、また、窓層にＩｎＰ層を、それぞれ用いる例を挙げたが、本発明の性格上、受光素子の構成材料は何であってもよく、上記の例に限定されない。これから説明する、本実施の形態以外においては、とくに断らない限り、受光素子の構成材料は何であってもよい。また、受光対象の光の波長域はどのようなものでもよい。
上記受光素子は次の作製方法によって作製する。たとえば２インチ角のＳドープｎ型ＩｎＰ基板１にｎ型ＩｎＰバッファ層２（ｄ＝２μｍ）、Ｓｉを微量ドープしたＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層３（キャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３、ｄ＝３μｍ）、ノンドープＩｎＰ窓層４（ｄ＝１．５μｍ）をＯＭＶＰＥ(Organometallic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長）法により、順次、エピタキシャル成長する。エピタキシャル成長温度は５２０℃とする。原料には、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、ターシャリブチルホスフィン（ＴＢＰ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、テトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を用いる。
図４に示す光検出装置５０では、受光層のｐ型領域９に、垂直に近い入射角で入ってきた光は、受光層内の受光箇所１６で受光され、リング状のエピ側電極であるｐ部電極７のリング内側を通り抜ける。このため、ｐ部電極７で反射されて隣の受光素子に混入しにくくなる。しかし、大きく傾いた入射角で入射する光は、一度、その受光素子１０の受光箇所１６で受光されたのち、隣の受光素子に、そのｐ型領域９をかすめるように混入し、たとえば裏面（エピ面）で反射される。そして裏面で反射された光は、その隣の受光素子の受光箇所１６で受光される場合を生じる。このため、図４に示す受光素子の場合、クロストークは確実に改善されるが、未だ改良の余地がある。
（参考例として挙げる、図４の光検出装置に対する改良例１）
図５は、図４に示す参考例として挙げる実施の形態１の光検出装置の改良例１を示す図である。参考例として挙げる改良例１の光検出装置５０は、エピタキシャル層側の保護膜１２の上にさらに、放出手段であるＡＲ膜１３ｂを設けた点に特徴がある。この光入射側と反対側の面（実装側、またはエピダウン実装のエピ面）に配置したＡＲ膜１３ｂのために、大きく傾いた入射角で入射する光は、一度、その受光素子１０の受光箇所１６で受光されたのち、隣の受光素子に、そのｐ型領域９をかすめるように混入したとしても、裏面で反射されずに、その裏面を通過する。このため、図４に示す光検出装置に比べて、裏面での反射がないので、クロストークをより確実に抑えることができる。
図５は、図４に示す参考例として挙げる実施の形態１の光検出装置の改良例１を示す図である。参考例として挙げる改良例１の光検出装置５０は、エピタキシャル層側の保護膜１２の上にさらに、放出手段であるＡＲ膜１３ｂを設けた点に特徴がある。この光入射側と反対側の面（実装側、またはエピダウン実装のエピ面）に配置したＡＲ膜１３ｂのために、大きく傾いた入射角で入射する光は、一度、その受光素子１０の受光箇所１６で受光されたのち、隣の受光素子に、そのｐ型領域９をかすめるように混入したとしても、裏面で反射されずに、その裏面を通過する。このため、図４に示す光検出装置に比べて、裏面での反射がないので、クロストークをより確実に抑えることができる。
（参考例として挙げる、図４の光検出装置に対する改良例２）
図６は、図４に示す参考例として挙げる実施の形態１の光検出装置の改良例２を示す図である。参考例として挙げる改良例２の光検出装置５０は、リング状のエピ側電極７のリング内側に、放出手段であるレンズ２１を配置した点に特徴がある。この光入射側と反対側の面に配置したレンズ２１のために、大きく傾いた入射角で入射する光は、一度、その受光素子１０の受光箇所１６で受光されたのち、隣の受光素子に、そのｐ型領域９をかすめるように混入したとしても、裏面で反射されずにレンズ２１の領域を通って抜け出る。このため、図４に示す光検出装置に比べて、裏面での反射がないので、クロストークをより確実に抑えることができる。
図６は、図４に示す参考例として挙げる実施の形態１の光検出装置の改良例２を示す図である。参考例として挙げる改良例２の光検出装置５０は、リング状のエピ側電極７のリング内側に、放出手段であるレンズ２１を配置した点に特徴がある。この光入射側と反対側の面に配置したレンズ２１のために、大きく傾いた入射角で入射する光は、一度、その受光素子１０の受光箇所１６で受光されたのち、隣の受光素子に、そのｐ型領域９をかすめるように混入したとしても、裏面で反射されずにレンズ２１の領域を通って抜け出る。このため、図４に示す光検出装置に比べて、裏面での反射がないので、クロストークをより確実に抑えることができる。
（参考例として挙げる実施の形態２）
図７は、参考例として挙げる実施の形態２における、光検出装置を示す断面図である。この光検出装置５０は、エピダウン実装（フリップチップ実装）の受光素子１０のアレイを備える。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、ＩｎＰ基板５１に設けられた素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。本実施の形態では、エピダウン実装における光入射側のＩｎＰ基板５１の表面において、受光素子の中央部に凹部２２が設けられ、その凹部の底面にＡＲ層２３が設けられている点に特徴がある。この凹部２２が、入射側限定集光部である。ｎ部電極６はｎ型ＩｎＰバッファ層２に設けられ、フリップチップ実装を可能にしている。またエピ側電極であるｐ部電極７は、実施の形態１と同様に、実装面側のｐ型領域９に接してリング状に形成されている。
図７は、参考例として挙げる実施の形態２における、光検出装置を示す断面図である。この光検出装置５０は、エピダウン実装（フリップチップ実装）の受光素子１０のアレイを備える。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、ＩｎＰ基板５１に設けられた素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。本実施の形態では、エピダウン実装における光入射側のＩｎＰ基板５１の表面において、受光素子の中央部に凹部２２が設けられ、その凹部の底面にＡＲ層２３が設けられている点に特徴がある。この凹部２２が、入射側限定集光部である。ｎ部電極６はｎ型ＩｎＰバッファ層２に設けられ、フリップチップ実装を可能にしている。またエピ側電極であるｐ部電極７は、実施の形態１と同様に、実装面側のｐ型領域９に接してリング状に形成されている。
図７に示す光検出装置５０では、受光層のｐ型領域に垂直に近い入射角で入ってきた光は、凹部２２の底面のＡＲ膜２３を通り、受光層内の受光箇所１６で受光され、リング状電極７のリング内側または外側を通り抜ける。このため、ｐ部電極で反射されて隣の受光素子に混入することが生じにくくなる。しかし、大きく傾いた入射角で入射する光は、凹部２２の側壁面に当たり反射し、または側壁面から入射する。反射した光のうち凹部の底面のＡＲ膜２３を通り抜ける光は、その受光素子の受光箇所で受光され、そのまま通り抜ける場合が多い。一方、側壁面で屈折して入射した光は隣の受光素子で受光され、クロストークを生じる。このため、図７に示す受光素子の場合、クロストークは大きく改善されるが、未だ改良の余地はある。
（参考例として挙げる、図７の光検出装置に対する改良例１）
図８は、図７に示す参考例として挙げる実施の形態２の光検出装置の改良例１を示す図である。参考例として挙げる改良例１の光検出装置５０は、ＩｎＰ基板５１の凹部２２の側壁面と頂面（底面以外の露出面）を光を通さない光遮断膜２４で覆った点に特徴がある。光遮断膜２４は、ＨＲ（高反射膜：High
Reflection）でも、金属膜でも、また光吸収膜でもよい。凹部の底面以外の露出面を覆う光遮断膜２４のために、大きく傾いた入射角で入射する光は、たとえば凹部２２の側壁面において、光遮断膜２４たとえば反射膜または金属膜に反射され、凹部の底面のＡＲ膜２３を通過し、その受光素子において受光され、そのまま通り抜ける。このため、大きく傾いた入射光であっても、凹部２２の側面から隣の受光素子に向かわず、その受光素子で受光されるので、図７に示す光検出装置に比べて、クロストークをより確実に抑えることができる。金属膜としては光を透過しないものであれば何でもよい。たとえば、一般的な成膜装置で形成が容易である、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔなどを含む単層膜（単一金属膜もしくは合金膜）、または、これら膜の積層膜を用いることができる。光吸収膜としては光を吸収するものであれば何でもよい。たとえば、受光する光の波長よりもバンドギャップ波長が大きい半導体膜や半導体粉末、黒体となるような膜、たとえばカーボン膜等を挙げることができる。また、光反射膜としては光を反射するものであれば何でもよい。たとえばＳＷＩＲ光に対しては、ＳｉとＳｉＯ２とからなる多層膜、Ａｌ２Ｏ３とＳｉとからなる多層膜などを挙げることができる。
図８は、図７に示す参考例として挙げる実施の形態２の光検出装置の改良例１を示す図である。参考例として挙げる改良例１の光検出装置５０は、ＩｎＰ基板５１の凹部２２の側壁面と頂面（底面以外の露出面）を光を通さない光遮断膜２４で覆った点に特徴がある。光遮断膜２４は、ＨＲ（高反射膜：High
Reflection）でも、金属膜でも、また光吸収膜でもよい。凹部の底面以外の露出面を覆う光遮断膜２４のために、大きく傾いた入射角で入射する光は、たとえば凹部２２の側壁面において、光遮断膜２４たとえば反射膜または金属膜に反射され、凹部の底面のＡＲ膜２３を通過し、その受光素子において受光され、そのまま通り抜ける。このため、大きく傾いた入射光であっても、凹部２２の側面から隣の受光素子に向かわず、その受光素子で受光されるので、図７に示す光検出装置に比べて、クロストークをより確実に抑えることができる。金属膜としては光を透過しないものであれば何でもよい。たとえば、一般的な成膜装置で形成が容易である、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔなどを含む単層膜（単一金属膜もしくは合金膜）、または、これら膜の積層膜を用いることができる。光吸収膜としては光を吸収するものであれば何でもよい。たとえば、受光する光の波長よりもバンドギャップ波長が大きい半導体膜や半導体粉末、黒体となるような膜、たとえばカーボン膜等を挙げることができる。また、光反射膜としては光を反射するものであれば何でもよい。たとえばＳＷＩＲ光に対しては、ＳｉとＳｉＯ２とからなる多層膜、Ａｌ２Ｏ３とＳｉとからなる多層膜などを挙げることができる。
（参考例として挙げる、図７の光検出装置に対する改良例２）
図９は、図７に示す参考例として挙げる実施の形態２の光検出装置の改良例２を示す図である。参考例として挙げる改良例２の光検出装置５０は、ＩｎＰ基板５１の凹部２２に、”光入射側で屈折率が高く、底面側で屈折率が高くなるような、屈折率傾斜層２５”が埋め込まれている点に特徴を有する。凹部の底面以外の露出面である、側壁面および頂面が光遮断層２４で覆われている点は、図８の改良例１と同じである。したがって、本改良例２は、上記改良例１に対する改良例でもある。
図９は、図７に示す参考例として挙げる実施の形態２の光検出装置の改良例２を示す図である。参考例として挙げる改良例２の光検出装置５０は、ＩｎＰ基板５１の凹部２２に、”光入射側で屈折率が高く、底面側で屈折率が高くなるような、屈折率傾斜層２５”が埋め込まれている点に特徴を有する。凹部の底面以外の露出面である、側壁面および頂面が光遮断層２４で覆われている点は、図８の改良例１と同じである。したがって、本改良例２は、上記改良例１に対する改良例でもある。
上記の屈折率傾斜層２５で凹部２２を埋め込むことにより、大きく傾いた入射角で入射する光は、屈折率傾斜層２５の作用により、垂直方向に近づくように伝播方向を変える。これは、屈折率を底部に向かうほど高くしたことの当然の作用である。また、入射の際から垂直に近い進行方向の光は、進行方向を少し垂直方向に近づけながら伝播する。そして、その受光素子において受光される。このため、大きく傾いた入射光であっても、屈折率傾斜層に入射すると、進行方向を垂直に近づけるようになり、したがって隣の受光素子に向かわない。このため、その受光素子で受光されるので、図７に示す光検出装置に比べて、クロストークをより確実に抑えることができる。
上記の屈折率傾斜層の構造としては、光をあまり吸収しない、屈折率の異なる層の組み合わせであれば何でもよい。たとえば、ＳＷＩＲ用受光素子に用いるＩｎＰへの光の入射の場合、つぎの屈折率傾斜層の構成を挙げることができる（図１０参照）：
（屈折率傾斜層Ｒ１）；（空気：外部）／ＳｉＯ２（屈折率１．５）／ＳｉＯＮ（屈折率１．８）／（ＩｎＰ：受光素子基板）
（屈折率傾斜層Ｒ２）；（空気：外部）／エポキシ樹脂（屈折率１．６）／ＳｉＯＮ（屈折率１．８）／（ＩｎＰ：受光素子基板）
屈折率傾斜層Ｒ１の場合、受光素子に対し６０°の角度θ（基準垂直線となす角）で入射した光は、ＳｉＯ２中では３５°、ＳｉＯＮ中では２９°、そしてＩｎＰ中では１７°と、より垂直に変換される。また、屈折率傾斜層Ｒ２の場合では、受光素子に対し６０°の角度θで入射した光は、エポキシ樹脂中では３３°、ＳｉＯＮ中では２９°、そしてＩｎＰ中では１７°と、やはり垂直に近づけることができる。この結果、上記の屈折率傾斜層２５を用いることにより、クロストークを抑制することが可能となる。
（屈折率傾斜層Ｒ１）；（空気：外部）／ＳｉＯ２（屈折率１．５）／ＳｉＯＮ（屈折率１．８）／（ＩｎＰ：受光素子基板）
（屈折率傾斜層Ｒ２）；（空気：外部）／エポキシ樹脂（屈折率１．６）／ＳｉＯＮ（屈折率１．８）／（ＩｎＰ：受光素子基板）
屈折率傾斜層Ｒ１の場合、受光素子に対し６０°の角度θ（基準垂直線となす角）で入射した光は、ＳｉＯ２中では３５°、ＳｉＯＮ中では２９°、そしてＩｎＰ中では１７°と、より垂直に変換される。また、屈折率傾斜層Ｒ２の場合では、受光素子に対し６０°の角度θで入射した光は、エポキシ樹脂中では３３°、ＳｉＯＮ中では２９°、そしてＩｎＰ中では１７°と、やはり垂直に近づけることができる。この結果、上記の屈折率傾斜層２５を用いることにより、クロストークを抑制することが可能となる。
（参考例として挙げる、図７の光検出装置に対する改良例３）
図１１は、図７に示す参考例として挙げる実施の形態２の光検出装置の改良例３を示す図である。参考例として挙げる改良例３の光検出装置５０は、ＩｎＰ基板５１の凹部２２の側壁面と頂面（底面以外の露出面）を、光を透過させないようにした加工処理層２６で覆った点に特徴がある。加工処理層２６は、光を透過させない加工処理が施された層である。微細な凹凸が一面に形成される不透明化処理など、どのような処理であってもよい。たとえば、加工処理層２６の加工処理方法としては、ダイサーや細かい砥石のようなもので機械加工することにより表面を微細に凹凸化させる方法、材質によるがウエットエッチングやＲＩＥ（反応性イオンエッチング）による凹凸化方法、または熱処理により表面を酸化し、もしくは変質させる凹凸化方法を挙げることができる。たとえば、ＳＷＩＲ用受光素子の基板として用いられるＩｎＰ基板の場合、熱処理により表面のＰを部分的に脱離して凹凸化する方法が可能である。凹部の底面以外の露出面を覆う加工処理層２６のために、大きく傾いた入射角で入射する光は、たとえば凹部２２の側壁面を通過することができない。このため、大きく傾いた入射光は、凹部２２の側壁面を通過できず、したがって隣の受光素子に向かわない。このため、図７に示す光検出装置に比べて、クロストークをより確実に抑えることができる。
図１１は、図７に示す参考例として挙げる実施の形態２の光検出装置の改良例３を示す図である。参考例として挙げる改良例３の光検出装置５０は、ＩｎＰ基板５１の凹部２２の側壁面と頂面（底面以外の露出面）を、光を透過させないようにした加工処理層２６で覆った点に特徴がある。加工処理層２６は、光を透過させない加工処理が施された層である。微細な凹凸が一面に形成される不透明化処理など、どのような処理であってもよい。たとえば、加工処理層２６の加工処理方法としては、ダイサーや細かい砥石のようなもので機械加工することにより表面を微細に凹凸化させる方法、材質によるがウエットエッチングやＲＩＥ（反応性イオンエッチング）による凹凸化方法、または熱処理により表面を酸化し、もしくは変質させる凹凸化方法を挙げることができる。たとえば、ＳＷＩＲ用受光素子の基板として用いられるＩｎＰ基板の場合、熱処理により表面のＰを部分的に脱離して凹凸化する方法が可能である。凹部の底面以外の露出面を覆う加工処理層２６のために、大きく傾いた入射角で入射する光は、たとえば凹部２２の側壁面を通過することができない。このため、大きく傾いた入射光は、凹部２２の側壁面を通過できず、したがって隣の受光素子に向かわない。このため、図７に示す光検出装置に比べて、クロストークをより確実に抑えることができる。
（参考例として挙げる実施の形態３）
図１２〜図１４は、参考例として挙げる実施の形態３における、光検出装置を示す断面図である。この光検出装置５０は、エピダウン実装（フリップチップ実装）の受光素子１０のアレイを備える。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。本実施の形態では、エピダウン実装における光入射面であるＩｎＰ基板５１の表面に、入射側限定集光部である光学素子が配置される点に特徴を有する。光学素子は、図１２の光検出装置の場合はレンズ２７であり、図１３の場合は回折格子２８であり、図１４の場合はフォトニック結晶２９が配置されている。ｎ部電極６はｎ型ＩｎＰバッファ層２に設けられ、またエピ側電極のｐ部電極５は、実施の形態２と同様に、実装面側のｐ型領域９に接してリング状に形成されている。
図１２〜図１４は、参考例として挙げる実施の形態３における、光検出装置を示す断面図である。この光検出装置５０は、エピダウン実装（フリップチップ実装）の受光素子１０のアレイを備える。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。本実施の形態では、エピダウン実装における光入射面であるＩｎＰ基板５１の表面に、入射側限定集光部である光学素子が配置される点に特徴を有する。光学素子は、図１２の光検出装置の場合はレンズ２７であり、図１３の場合は回折格子２８であり、図１４の場合はフォトニック結晶２９が配置されている。ｎ部電極６はｎ型ＩｎＰバッファ層２に設けられ、またエピ側電極のｐ部電極５は、実施の形態２と同様に、実装面側のｐ型領域９に接してリング状に形成されている。
図１２〜図１４に示す光検出装置５０では、垂直に近い入射角の光は、そのまま進み、その受光層内の受光箇所１６で受光される。また、大きく傾いた入射角で入射する光は、光学素子２７，２８，２９の有する光学機能に基づき、その光の伝播方向を垂直方向へと光学的に変更する。このため、多少入射角度の大小があっても、これら入射光はいずれもその受光素子で受光されるのでクロストークをより確実に抑えることができる。
（実施の形態４）
図１５は、本発明の実施の形態４における、光検出装置を示す断面図である。この光検出装置５０は、エピダウン実装（フリップチップ実装）の受光素子１０のアレイを備える。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。本実施の形態では、エピダウン実装における光入射側のＩｎＰ基板５１の表面に、大きく傾いた入射光を反射して通さないＡＲ多層膜（ＡＲ膜＋多層膜）３１が設けられている点に特徴がある。このＡＲ多層膜３１が、入射側限定集光部である。受光素子５０に光を効率よく入れるために、ＡＲ膜は必要とされるが、このＡＲ膜に多層膜を加えることにより、入射角による光の選別を精度よく行うことができる。たとえば、（Ｓ1）ＡＲ膜なし、（Ｓ2）ＡＲ膜のみ、（Ｓ3）ＡＲ多層膜、の各場合について、どの程度斜めに傾いた入射光線を除くことができるかを、まとめて表１に示す。
図１５は、本発明の実施の形態４における、光検出装置を示す断面図である。この光検出装置５０は、エピダウン実装（フリップチップ実装）の受光素子１０のアレイを備える。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。本実施の形態では、エピダウン実装における光入射側のＩｎＰ基板５１の表面に、大きく傾いた入射光を反射して通さないＡＲ多層膜（ＡＲ膜＋多層膜）３１が設けられている点に特徴がある。このＡＲ多層膜３１が、入射側限定集光部である。受光素子５０に光を効率よく入れるために、ＡＲ膜は必要とされるが、このＡＲ膜に多層膜を加えることにより、入射角による光の選別を精度よく行うことができる。たとえば、（Ｓ1）ＡＲ膜なし、（Ｓ2）ＡＲ膜のみ、（Ｓ3）ＡＲ多層膜、の各場合について、どの程度斜めに傾いた入射光線を除くことができるかを、まとめて表１に示す。
表１に示すように、（Ｓ1）ＡＲ膜がない場合、または（Ｓ2）ＡＲ膜のみの場合、においては、入射角６０°の光を、それぞれ７３％または８０％透過するのに比して、（Ｓ3）ＡＲ多層膜の場合にはこれを３０％とすることができ、この結果、ＡＲ多層膜を用いることによりクロストークをより確実に抑制することができる。なお、ｎ部電極６はｎ型ＩｎＰバッファ層２に設けられ、またエピ側電極のｐ部電極５は、実施の形態２と同様に、実装面側のｐ型領域９に接してリング状に形成されている。
図１５に示す光検出装置５０では、受光層のｐ型領域に垂直に近い入射角で入ってきた光は、ＡＲ多層膜３１を通り、受光層内の受光箇所１６で受光され、リング状電極７の内側または外側を通り抜ける。このため、ｐ部電極で反射され、隣の受光素子に混入することが生じにくくなる。また、大きく傾いた入射角で入射する光は、ＡＲ多層膜３１で反射されＩｎＰ基板５１内に入ることはない。このため、入射角が垂直に近い光のみが、ＩｎＰ基板５１内に入り、その受光素子の受光層に向かう。この結果、クロストークは大きく改善される。本実施の形態におけるＡＲ多層膜の作用は、実施の形態２における凹部の作用と類似しているが、凹部を形成する工数と比べて、より簡易な方法である多層膜の形成により、上記作用を実現することができる。
（参考例として挙げる、図１５の光検出装置の変形例１〜３）
図１６〜図１８は、図１５に示した本発明に係る光検出装置の参考例である変形例１〜３を示す図である。これら参考例として挙げる変形例１〜３では、図１５におけるＡＲ多層膜３１を、エピタキシャル多層膜で代替した点に特徴を有する。図１６の変形例１では、ＩｎＰ基板５１とＩｎＰバッファ層２との間に位置するエピタキシャル多層膜３１ａに、ＡＲ多層膜の機能を持たせたものである。また、図１７の変形例２では、ＩｎＰ基板５１上のバッファ層３１ｂをエピタキシャル多層膜で構成して、ＡＲ多層膜の機能を持たせている。また、図１８の変形例３では、ＩｎＰバッファ層２と受光層３との間に位置するエピタキシャル多層膜３１ｃにより、ＡＲ多層膜３１を代替する。上記の変形例１〜３の光検出装置では、ＩｎＰ基板５１上に受光層３を含むエピタキシャル膜を積層する処理の際に、上記エピタキシャル多層膜３１ａ，３１ｂ，３１ｃを容易に形成することができる利点を有する。エピタキシャル多層膜としては、光の吸収がそれほど大きくなく、基板や受光層との格子定数差もそれほど大きくなければ何でもよい。たとえば、ＳＷＩＲ光を対象としたＩｎＰ基板上のＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの受光層を有する受光素子を対象にする場合、受光波長にもよるが、（ＥＰ1）ＩｎＧａＡｓ、（ＥＰ2）ＧａＩｎＮＡｓ、（ＥＰ3）ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓにＡｌまたはＰを添加したもの、（ＥＰ4）ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓと、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓにＡｌまたはＰを添加したものとの組み合わせ、（ＥＰ5）ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓに添加量の異なるＡｌまたはＰを添加したもの同士の組み合わせ、等を挙げることができる。
図１６〜図１８は、図１５に示した本発明に係る光検出装置の参考例である変形例１〜３を示す図である。これら参考例として挙げる変形例１〜３では、図１５におけるＡＲ多層膜３１を、エピタキシャル多層膜で代替した点に特徴を有する。図１６の変形例１では、ＩｎＰ基板５１とＩｎＰバッファ層２との間に位置するエピタキシャル多層膜３１ａに、ＡＲ多層膜の機能を持たせたものである。また、図１７の変形例２では、ＩｎＰ基板５１上のバッファ層３１ｂをエピタキシャル多層膜で構成して、ＡＲ多層膜の機能を持たせている。また、図１８の変形例３では、ＩｎＰバッファ層２と受光層３との間に位置するエピタキシャル多層膜３１ｃにより、ＡＲ多層膜３１を代替する。上記の変形例１〜３の光検出装置では、ＩｎＰ基板５１上に受光層３を含むエピタキシャル膜を積層する処理の際に、上記エピタキシャル多層膜３１ａ，３１ｂ，３１ｃを容易に形成することができる利点を有する。エピタキシャル多層膜としては、光の吸収がそれほど大きくなく、基板や受光層との格子定数差もそれほど大きくなければ何でもよい。たとえば、ＳＷＩＲ光を対象としたＩｎＰ基板上のＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの受光層を有する受光素子を対象にする場合、受光波長にもよるが、（ＥＰ1）ＩｎＧａＡｓ、（ＥＰ2）ＧａＩｎＮＡｓ、（ＥＰ3）ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓにＡｌまたはＰを添加したもの、（ＥＰ4）ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓと、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓにＡｌまたはＰを添加したものとの組み合わせ、（ＥＰ5）ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓに添加量の異なるＡｌまたはＰを添加したもの同士の組み合わせ、等を挙げることができる。
（参考例として挙げる、実施の形態５）
図１９は、参考例として挙げる実施の形態における光検出装置を示す図である。これまで説明した実施の形態１〜４では、エピダウン実装された受光素子を備える光検出装置であったが、本実施の形態では、光入射側にエピタキシャル層を配置したエピトップ実装された受光素子を備える光検出装置である点に特徴がある。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、ＩｎＰ基板５１に設けられた素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。ｐ型領域９は、ＩｎＰ窓層４から受光層３内にまで形成されている。エピ側電極であるｐ部電極７はリング状であり、そのリング内側にレンズ２１ｔが設けられている。また、エピ側電極と対をなす基板側電極であるｎ部電極６ｒが、ｎ型ＩｎＰ基板５１の裏面に、複数の受光素子に対応する領域をリング内側に囲むようにリング状に設けられている。ＩｎＰ基板５１の裏面には、放出手段であるＡＲ膜１３ｂが配置されている。また、エピ側表面には、ｐ型不純物を拡散法により導入する際に用いた拡散マスク５が残っている。
図１９は、参考例として挙げる実施の形態における光検出装置を示す図である。これまで説明した実施の形態１〜４では、エピダウン実装された受光素子を備える光検出装置であったが、本実施の形態では、光入射側にエピタキシャル層を配置したエピトップ実装された受光素子を備える光検出装置である点に特徴がある。受光素子１０は、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１上に形成され、ＩｎＰ基板５１に設けられた素子分離溝１７によって隣の受光素子と分離されている。各受光素子ごとに、ＩｎＰ基板側から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２が形成されている。ｐ型領域９は、ＩｎＰ窓層４から受光層３内にまで形成されている。エピ側電極であるｐ部電極７はリング状であり、そのリング内側にレンズ２１ｔが設けられている。また、エピ側電極と対をなす基板側電極であるｎ部電極６ｒが、ｎ型ＩｎＰ基板５１の裏面に、複数の受光素子に対応する領域をリング内側に囲むようにリング状に設けられている。ＩｎＰ基板５１の裏面には、放出手段であるＡＲ膜１３ｂが配置されている。また、エピ側表面には、ｐ型不純物を拡散法により導入する際に用いた拡散マスク５が残っている。
図１９に示すエピトップ受光素子の光検出装置５０では、仮にエピ側のｐ部電極７が、たとえば入射面における各受光素子の中央部に位置した場合、垂直に近い範囲の入射角で受光素子に入射してくる光であっても、その中央部のｐ部電極７により散乱されやすい。このため、その受光素子の電気信号に寄与するはずの光を受けることができない。また、上記の散乱により、隣の受光素子に混入する光も多く発生する。これに比べて、図１９に示す光検出装置のｐ部電極７では、入射面においてその受光素子の中央部を囲むようにリング状なので、上記垂直に近い範囲の入射光は、その受光素子に入り受光され、また隣の受光素子に混入する光も大きく限定される。
さらに、図１９に示す光検出装置では、リング状のｐ部電極７の内側にレンズ２１ｔが配置されるため、斜めに入射された光は、より垂直に近い光へと進路を変更され、クロストークの発生要因を減ずる方向に作用する。また、ＩｎＰ基板５１の、入射面と反対側の裏面に設けられた基板側電極であるｎ部電極６ｒは、複数の受光素子の領域に対応する領域を囲むようにリング状に形成されるので、ＩｎＰ基板５１の裏面での反射により隣の受光素子に混入する光を生じることがない。また、ＩｎＰ基板５１の裏面を被覆するＡＲ膜１３ｂにより、ＩｎＰ基板５１の裏面による反射も排除される。上記のように、エピアップ実装の場合でも、エピ側電極のｐ部電極７を、受光素子の中央部を囲むようにリング状にすることは、クロストークを抑制する上で有効である。また同様に、エピアップ実装の場合でも、上記リング状のｐ部電極のリング内側に、レンズ等の光学素子を配置することも、クロストーク抑制に有効である。
本発明の構成を部分的に共有する参考例として図２０に示す光検出装置を、受光素子を、ピッチ２５μｍで図２に示すように配置して作製した。また、比較例として図２４に示す光検出装置を、同様の受光素子のピッチ条件で製作して、クロストークの測定を行った。参考例では、図２０に示すように、光入射側に、入射側限定集光部である光学素子のレンズ２７を設け、実装側にリング状のエピ側電極（ｐ部電極）７を設けた点に特徴を有する。レンズ２７はＡＲ膜１３の上に配置されている。ＩｎＰ基板５１の上に順に、ＩｎＰバッファ層２／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ｓ受光層３／ＩｎＰ窓層４／保護膜１２／レンズ２１が形成されている。レンズ２１は、放出手段に対応する。また、図２４に示す比較例の光検出装置１５０では、同様に、ＩｎＰ基板１５１の上に、ＩｎＰバッファ層１０２／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ｓ受光層１０３／ＩｎＰ窓層１０４／保護膜１１２が形成されている。光入射面のＩｎｐ基板１５１の裏面にはＡＲ膜１１３が配置されている。エピ側電極のｐ部電極１０７は、各受光素子１１０の領域の中央部にパッチ状に設けられている。また、ｎ部電極１０６は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２に接続され、フリップチップ実装（エピダウン実装）が実現されている。各受光素子１１０は、素子分離溝１１７により分離されている。また、比較用の参考のためにあげておく、図２５に示すエピアップ実装の従来例については、実施例で作製しなかったが、エピ側電極のｐ部電極１０７が各受光素子の領域の中央部に突き出るように形成され、またｎ部電極１０６がＩｎＰ基板１５１の裏面にわたって形成される点で、図２４の構造と相違するだけで、他の部分の形状は類似している。
（クロストーク測定結果）
図２１は、上記本発明の構成を部分的に共有する参考例のクロストーク測定結果を示す図であり、また図２２は比較例の測定結果を示す図である。図２２の比較例の測定結果では、中央の受光素子の両隣に緩やかに尾を引く出力を有し、クロストークが大きいことを示す。一方、本発明の構成を部分的に共有する参考例では、中央の受光素子は、両隣に対して受光の重なりはあるものの、中央の受光素子から遠ざかるにつれ急峻に出力が低下しており、重なりは無視できるレベルである。
図２１は、上記本発明の構成を部分的に共有する参考例のクロストーク測定結果を示す図であり、また図２２は比較例の測定結果を示す図である。図２２の比較例の測定結果では、中央の受光素子の両隣に緩やかに尾を引く出力を有し、クロストークが大きいことを示す。一方、本発明の構成を部分的に共有する参考例では、中央の受光素子は、両隣に対して受光の重なりはあるものの、中央の受光素子から遠ざかるにつれ急峻に出力が低下しており、重なりは無視できるレベルである。
上記のように、本発明の構成を部分的に共有する参考例では、入射光を垂直方向付近のものに限定し、より垂直に受光層に向かうように集光すること、および受光されなかった光を素子外により多く放出することにより、クロストーク特性に優れた、高い分解能、または鮮明な画像の得られる光検出装置を得ることができる。なお、例示しなかったが、上記の実施例以外の本発明の実施の形態に基づく光検出装置は、その構造に応じて効果の差はあるものの、いずれの光検出装置においても、上記比較例の光検出装置よりも優れたクロストーク特性を示す。
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明の光検出装置は、リング状のエピ側電極および入射側限定集光部のうち、少なくとも一方を備える受光素子を配列するので、一つの受光素子で受光されたあと隣の受光素子に混入してそこで受光されるような経路を、制限することができ、また大きく傾斜して受光素子に入射してくる光を除外することができ、この結果、光検出装置のクロストーク特性を大幅に改善することができる。
２ ＩｎＰバッファ層、３ 受光層、４ ＩｎＰ窓層、５ 拡散マスク、６ ｎ部電極、６ｒ リング状ｎ部電極、７ ｐ部電極、９ ｐ型領域、１０ 受光素子、１２ ＳｉＮ保護膜、１３ ＡＲ膜、１３ｂ 実装側ＡＲ膜、１５ ｐｎ接合、１６ 受光箇所、１７ 素子分離溝、２１ リング状電極内側レンズ、２１ｔ トップ側のリング状電極内側レンズ、２２ 凹部、２３ 凹部底面のＡＲ膜、２４ 光遮断膜、２５ 屈折率傾斜層、２６ 加工処理層、２７ 光学素子（レンズ）、２８ 光学素子（回折格子）、２９ 光学素子（フォトニック結晶）、３１ ＡＲ多層膜、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ エピタキシャル多層膜、３３ 配線電極、３４ ＩｎＰ半田、３５ マルチプレクサ、５０ 受光素子アレイ、５１ ＩｎＰ基板。
Claims (3)
- 共通の半導体基板にエピタキシャル成長した受光層を含みそれぞれにエピタキシャル側電極を形成した受光素子が、複数個、前記共通の半導体基板上に配置された光検出装置であって、
前記受光素子は前記半導体基板裏面を光入射面とするようにエピダウン実装されており、
前記受光素子の間を分離する素子分離溝と、リング状の前記エピタキシャル側電極と、各受光素子に共通の一つのｎ部電極と、前記エピタキシャル側表面に接して位置するＳｉＮ保護膜と、を備え、
入射光をその受光素子へ向かうものに限定して集光する入射側限定集光部を備え、該入射側限定集光部が、前記半導体基板裏面に接して位置する、反射防止（ＡＲ）膜と多層膜とを組み合わせたＡＲ多層膜であることを特徴とする、光検出装置。 - 前記ＡＲ多層膜における多層膜が酸化ケイ素（ＳｉＯ ２ ）とアモルファスシリコンとの繰り返し多層膜であることを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置。
- 前記受光層から見て光入射側と反対側に位置して光入射側からの光を前記受光素子外に放出し易くするための放出手段を備え、該放出手段が前記ＳｉＮ保護膜に接して位置する反射防止膜であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光検出装置。
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