JP5963642B2 - フォトダイオードアレイ - Google Patents
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Description
本発明の態様は、フォトダイオードアレイに関するものである。
従来のフォトダイオードアレイは、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている。ＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）又はＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などのフォトダイオードアレイでは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）をマトリックス状に配置し、複数のＡＰＤを並列に接続し、ＡＰＤ出力の和を読み出す構成を有している。ＡＰＤをガイガーモードで動作させると、微弱な光（フォトン）を検出することができる。すなわち、フォトンがＡＰＤに入射した場合、ＡＰＤ内部で発生したキャリアは、クエンチング抵抗及び信号読出用の配線パターンを介して外部に出力される。ＡＰＤにおける電子雪崩の発生した画素には、電流が流れるが、画素に直列接続された数百ｋΩ程度のクエンチング抵抗において、電圧降下が発生する。この電圧降下により、ＡＰＤの増幅領域への印加電圧が低下して、電子雪崩による増倍作用は終息する。このように、１つのフォトンの入射により、１つのパルス信号がＡＰＤから出力される。
しかしながら、従来、クエンチング抵抗に接続された読出配線を介して、ＡＰＤからの信号は出力されていたが、その信号読出速度は十分ではなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、信号読出速度等の特性を向上可能なフォトダイオードアレイを提供することを目的する。
上述の課題を解決するため、本発明の態様に係るフォトダイオードアレイは、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有する光検出部を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、個々の前記光検出部は、キャリアを出力する半導体領域を有する前記アバランシェフォトダイオードと、前記半導体領域に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って前記半導体領域を囲む表面電極と、前記表面電極と読出配線とを接続するクエンチング抵抗と、を備え、前記半導体領域の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から、前記読出配線とその直下の絶縁層との間の界面までの距離ｔｂは、この基準平面から、前記表面電極とその直下の絶縁層との間の界面までの距離ｔａよりも大きく、前記読出配線は、隣接する前記アバランシェフォトダイオード間に位置していることを特徴とする。
半導体領域への光の入射に応じて発生したキャリアは、表面電極、クエンチング抵抗、読出配線を順次介して、電極パッドに至る。読出配線は、表面電極よりも上層に形成されているため、表面電極による空間的な制約が解除され、その幅等を広くすることができ、したがって、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
また、上記フォトダイオードアレイは、前記基準平面に垂直な方向から見た場合、前記読出配線は、前記表面電極の一部と重なっていることを特徴とする。
この場合には、読出配線の形成領域は、光入射に対してデッドスペースとなる表面電極上の領域を利用しているので、フォトダイオードの開口率を低下させることなく、読出配線の寸法を広げ、抵抗値を低下させることができる。
また、上記フォトダイオードアレイは、前記クエンチング抵抗上に形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層に設けられたコンタクトホールを介して、前記クエンチング抵抗に電気的に接続された補助読出配線と、前記補助読出配線上に形成された第２絶縁層と、を備え、前記読出配線は、前記第２絶縁層に設けられたコンタクトホールを介して、前記補助読出配線に電気的に接続され、且つ、前記補助読出配線に対して並行して延びて、前記補助読出配線と共に、電極パッドに接続されていることを特徴とする。
２つの読出配線を利用することにより、フォトダイオードから電極パッドに至るまでの抵抗値を低下させることができる。
また、上記フォトダイオードアレイは、前記クエンチング抵抗上に形成された絶縁層を備え、前記読出配線は、前記絶縁層に設けられたコンタクトホールを介して、前記クエンチング抵抗に電気的に接続され、且つ、前記クエンチング抵抗と電極パッドとを電気的に接続していることを特徴とする。
読出配線の設計自由度が高くなり、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
本発明の態様に係るフォトダイオードアレイによれば、信号読出速度等の特性を向上させることができる。
以下、実施の形態に係るフォトダイオードアレイについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、フォトダイオードアレイの平面図である。
このフォトダイオードアレイは、複数の光検出部１０を有する半導体基板１００を備えている。フォトダイオードアレイは、光検出部１０を二次元上に配置してなる受光領域と、半導体基板１００における受光領域の外側に設けられた電極パッドＰａｄとを備えている。電極パッドＰａｄを介して、各フォトダイオードＰＤからの信号は読み出される。本形態のフォトダイオードＰＤ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（ＡＰＤ）である。同図では、光検出部１０がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿ってマトリックス状に配置されている。半導体基板１００の厚み方向はＺ軸方向であり、ＸＹＺ軸は直交座標系を構成している。なお、図１では、３行３列の光検出部１０が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部１０の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。
個々の光検出部１０は、フォトダイオードＰＤと、接続電極３と、クエンチング抵抗４と、接続配線６を備えている。フォトダイオードＰＤの一端は接続電極３に接続され、接続電極３はクエンチング抵抗４、及び、接続配線６を順次介して、読出配線（配線パターン）５Ｂ２に接続されている。読出配線５Ｂ２は、隣接するフォトダイオードＰＤ間に位置しており、光検出部１０間の境界位置に存在している。
読出配線５Ｂ２は、格子状のパターンを構成しており、１つの開口パターン内に、１つの光検出部１０が配置されている。読出配線５Ｂ２は様々な形状のパターンを採用することができる。読出配線５Ｂ２のパターンの１つの開口内に複数の光検出部１０を配置してもよい。一列又は複数例の光検出部１０を、１つの開口パターン内に配置してもよい。
１つの光検出部１０にフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤにおいてキャリアが発生し、このキャリアが接続電極３、クエンチング抵抗４、接続配線６、読出配線５Ｂ２（接続配線５Ｂ）を順次介して、電極パッドＰａｄに到達する。したがって、フォトダイオードアレイにフォトンが入射する毎に、電極パッドＰａｄからはパルス信号が出力される。なお、複数のフォトダイオードＰＤにフォトンがそれぞれ同時に入射した場合においても、電極パッドＰａｄから遠い位置に存在するフォトダイオードＰＤからの信号は、近い位置に存在するフォトダイオードＰＤからの信号よりも、電極パッドＰａｄへの到達時間が遅くなる。すなわち、フォトダイオードＰＤの位置に応じて、信号伝達時間が異なる。
個々のフォトダイオードＰＤからの信号伝達時間が短く、信号伝達時間の面内のバラつきが少なく、且つ、出力信号が大きいほど、特性の優れたフォトダイオードアレイであると言える。前二者の特性は、信号伝達経路における時定数を減少させることで、改善することが可能である。時定数を減少させれば、信号伝達速度が速くなり、フォトダイオード毎の差分も小さくなるからである。読出配線の幅を太くすれば、時定数は小さくなる。一方、後者の特性は、各フォトダイオードにおける開口率を向上させることで、向上させることができるが、一般には、読出配線の幅を太くすれば、開口率は低下してしまう。そこで、本形態のフォトダイオードアレイでは、読出配線５Ｂ２を、接続電極３の主要部である表面電極３Ｂよりも上層側に配置することとし、読出配線の幅を広くしたとしても、開口率が低下しない構造とした。
図２は、フォトダイオードアレイの断面図、図３は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。
図２に示すように、個々の光検出部１０は、第１導電型（ｎ型）の第１半導体領域（層）１２と、第１半導体領域１２とｐｎ接合を構成する第２導電型（ｐ型）の第２半導体領域（半導体層１３及び高不純物濃度領域１４）を備え、これらは半導体基板を構成している。半導体領域１４又はその直下の領域は、そのｐｎ接合においてキャリアが発生するため、光感応領域として機能し、キャリアを出力する。ｐ型半導体に、ｎ型半導体よりも低い電位を与えると、フォトダイオードに逆バイアス電圧が印加される。相対的に負電位に引かれるキャリアは正孔であり、相対的に正電位に引かれるキャリアは電子である。逆バイアス電圧が、ＡＰＤのブレイクダウン電圧よりも大きい場合には、ＡＰＤはガイガーモードで動作する。バイアス電圧は、電極パッドＰａｄと、半導体基板（第１半導体領域１２）の裏面の全体に設けられた裏面電極２０との間に与えられる。
この第２半導体領域における高不純物濃度領域（半導体領域）１４には、第１コンタクト電極３Ａ（図３参照）が接触している。高不純物濃度領域１４は、不純物を半導体層１３内に拡散することによって形成される拡散領域（半導体領域）であり、半導体層１３よりも高い不純物濃度を有している。本例（タイプ１）では、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、第１半導体領域１２と半導体層１３との間に形成されている。
なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、（タイプ２）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３を形成し、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成して形成される。
また、ｐｎ接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、（タイプ３）の構造は、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、ｐｎ接合は、半導体層１３と半導体領域１４との界面において形成される。
もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、（タイプ４）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。
図３に示すように、半導体領域１４に第１コンタクト電極３Ａが接触し、第１コンタクト電極には、環状電極３Ｂが連続し、環状電極３Ｂは、第２コンタクト電極３Ｃを介して、クエンチング抵抗（抵抗層）４に接続される。すなわち、第１コンタクト電極３Ａ、環状の表面電極３Ｂ及び第２コンタクト電極３Ｃからなる接続電極３は、半導体領域４とクエンチング抵抗４の一方端を電気的に接続している。
図２に示すように、半導体領域１３，１４上には、第１絶縁層１６が形成され、第１絶縁層１６上には、クエンチング抵抗４が形成されている。クエンチング抵抗４と第１絶縁層１６とを覆うように第２絶縁層１７が形成されている。第１絶縁層１６及び１７には、第１コンタクト電極３Ａ（図３）が貫通するコンタクトホールが形成され、第２絶縁層１７には、第２コンタクト電極３Ｃ（図３）が貫通するコンタクトホールが形成されている。また、クエンチング抵抗４の他方端には、接続配線６が接触し、電気的に接続されている。接続配線６は、第２絶縁層１７に設けられたコンタクトホールを貫通するコンタクト電極と、第２絶縁層１７上を這う接続部分とからなり、接続部分は、補助読出配線（下層読出配線）５Ａに連続している。
また、補助読出配線５Ａ、表面電極３Ｂ、及び第２絶縁層上には、第３絶縁層１８が形成されている。第１〜第３絶縁層１６，１７，１８は、ＳｉＯ２やシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などの耐熱性の高い無機絶縁体からなる。第３絶縁層１８上には、読出配線５Ｂ２が形成されている。図３に示すように、接続配線５Ｂは、第３絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを貫通するコンタクト電極５Ｂ１と、コンタクト電極５Ｂ１に連続し、第３絶縁層１８上に位置する読出配線５Ｂ２とからなる。図３に示す例では、補助読出配線５Ａ及び読出配線５Ｂ２が、厚み方向に離間して、並行に配置されおり、双方の終端が電極パッドＰａｄに電気的に接続される。
電極パッドＰａｄは、図２における第２絶縁層１７又は第３絶縁層１８上に形成されている（図示せず）。電極パッドＰａｄが第２絶縁層１７上に形成されている場合には、読出配線５Ｂ２の終端においては、第３絶縁層１８が除去された領域上に電極パッドＰａｄが位置し、これに補助読出配線５Ａ及び読出配線５Ｂ２が接続される。電極パッドＰａｄが第３絶縁層１８上に形成されている場合には、読出配線５Ｂ２が電極パッドＰａｄに接続されると共に、補助読出配線５Ａの終端において、第３絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを介して、補助読出配線５Ａが電極パッドＰａｄに接続される。
環状の表面電極３Ｂは、第２絶縁層１７上に位置しており、且つ、Ｚ軸方向からみて、半導体領域１４の外縁上に沿って設けられている。表面電極３Ｂは、半導体領域１４の外縁（半導体領域１３との境界）に一定の電界を発生させることで、フォトダイオード出力の安定性を向上させている。
ここで、図２において、半導体領域１４の表面を含む平面を基準平面（ＸＹ平面）とした場合、この基準平面から読出配線５Ｂ２までの距離ｔｂは、この基準平面から表面電極３Ｂまでの距離ｔａよりも大きい。なぜならば、第３の絶縁層１８が、読出配線５Ｂ２と、第２絶縁層１７との間に介在しているからである。この構造により、読出配線５Ｂ２の幅の設計の自由度を、フォトダイオードの開口率を減少させることなく増加させることができる。これにより、読出配線５Ｂ２の幅を増加させ、単位長当たりの抵抗値を低下させ、また、寄生容量を低減し、信号伝達速度を向上させることができる。
なお、フォトダイオードＰＤは、半導体領域１４及び半導体領域１４の直下の領域で構成され、半導体領域１３，１２を含んでいる。読出配線５Ｂ２は、半導体領域１４（フォトダイオードＰＤ）間の領域に形成されている。読出配線５Ｂ２の幅を増加させても、半導体領域１４の露出した領域を覆うまでは、開口率の低下が生じず、信号出力を大きくすることができる。
以上、説明したように、上述のフォトダイオードアレイは、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有する光検出部１０を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、個々の光検出部１０は、キャリアを出力する半導体領域１４を有するアバランシェフォトダイオードＰＤと、半導体領域１４に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域１４を囲む表面電極３Ｂと、表面電極３Ｂと読出配線５Ｂ２とを接続するクエンチング抵抗４とを備えている。また、半導体領域１４の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から読出配線５Ｂ２までの距離ｔｂは、この基準平面から表面電極３Ｂまでの距離ｔａよりも大きく、読出配線５Ｂ２は、隣接するアバランシェフォトダイオードＰＤ間に位置している。このフォトダイオードアレイによれば、信号読出速度等の特性を向上させることができる。
なお、上記では表面電極３Ｂとして環状のものを用いたが、これは一部分が切れていてもよい。また、クエンチング抵抗４の形状は、上記では直線状に延びたものを示したが、これは種々の形状が考えられる。
図４は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。
本例のクエンチング抵抗４は、表面電極３Ｂの外側を囲むように延びており、途中で切れたリング形状を有している。クエンチング抵抗４の一方端は、接続電極３を介して、半導体領域１４に電気的に接続されている。クエンチング抵抗４の他方端は、接続配線６を介して、補助読出配線５Ａに接続され、補助読出配線５Ａは、コンタクト電極５Ｂ１を介して、読出配線５Ｂ２に電気的に接続されている。本例では、クエンチング抵抗４を長くしたため、その抵抗値を増加させることができる構造であるが、キャリアの通過経路に沿った縦断面構造は、接続配線６が水平に延びる部分を有しておらず、直接、補助読出配線５Ａの下面に接続される点を除いて、図２に示したものと同一である。
次に、様々な読出配線５Ｂ及びと補助読出配線５Ａの構造の例について説明する。
（第１例）図５は、フォトダイオードアレイ（第１例）の部分平面図、図６は、図５に示したフォトダイオードアレイ（第１例）のＶＩ−ＶＩ矢印断面図である。
第１例の構造は、図４に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離よりも小さい場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図６に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。もちろん、補助読出配線５Ａの形状に起因して、第３絶縁層１８の表面も凹凸して変形することになるが、図６においては、かかる変形については図示していない。
本例では、２つの読出配線５Ａ，５Ｂ２が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
（第２例）図７は、フォトダイオードアレイ（第２例）の部分平面図、図８は、図７に示したフォトダイオードアレイ（第２例）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印断面図である。
第２例の構造は、図４に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離に近接した場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２よりも狭い幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図８に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。もちろん、補助読出配線５Ａの形状に起因して、第３絶縁層１８の表面も凹凸して変形することになるが、図８においては、かかる変形については図示していない。
本例では、２つの読出配線５Ａ，５Ｂ２が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。更に、読出配線５Ｂ２の幅が広いため、配線抵抗を大きく低下させることができる。
なお、上述の第１例及び第２例において、第３絶縁層１８の厚みを十分に厚くした場合（１μｍ〜５μｍ）には、又は、表面を研磨して平坦化した場合には、読出配線５Ｂは平坦面上に形成されることになるため、表面の段差に起因する断線が抑制されるという効果がある。なお、表面電極３Ｂ及び補助読出配線５Ａの厚みは、共に、０．６μｍ〜３．０μｍである。
（第３例）図９は、フォトダイオードアレイ（第３例）の部分平面図であり、図１０は、図９に示したフォトダイオードアレイ（第３例）のＸ−Ｘ矢印断面図である。
第３例の構造は、図４に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離（外縁間の離間距離の最小値）よりも大きい場合である。読出配線５Ｂ２の幅は、隣接する表面電極３Ｂの内縁間の離間距離の最小値以下である。
なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２よりも狭い幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚い、又は、表面研磨が行われているため、図１０に示すように、第３絶縁層１８の表面が平坦化されている。
本例では、２つの読出配線５Ａ，５Ｂ２が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、読出配線５Ｂ２の幅が著しく広くなったため、配線抵抗が更に低くなっている。
次に、上述の補助読出配線５Ａを実質的に省略した例について説明する。
図１１は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。図４に示した構造との相違点は、補助読出配線５Ａが、直接的には電極パッドに接続されておらず、接続配線６とコンタクト電極５Ｂ１を接続するためのみに用いられている点であり、その他の点は、同一である。すなわち、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２を介することなく、電極パッドには電気的に接続されていない。かかる構造を用いた例について、以下説明する。
（第４例）図１２は、フォトダイオードアレイ（第４例）の部分平面図であり、図１３は、図１２に示したフォトダイオードアレイ（第４例）のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ矢印断面図である。
第４例の構造は、図１１に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離よりも小さい場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、電極パッドに至る途中で途切れている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図１３に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。補助読出配線５Ａは実質的に存在しないので、これに起因する凹凸は第３絶縁層１８の表面には実質的にはない。
本例では、読出配線５Ｂ２が上層を通っているので、その厚みや幅を自由に設計することができ、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
（第５例）図１４は、フォトダイオードアレイ（第５例）の部分平面図であり、図１５は、図１４に示したフォトダイオードアレイ（第５例）のＸＶ−ＸＶ矢印断面図である。
第５例の構造は、図１１に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離に近接した場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、電極パッドに至る途中で途切れている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図１５に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。補助読出配線５Ａは実質的に存在しないので、これに起因する凹凸は第３絶縁層１８の表面には実質的にはない。
本例では、読出配線５Ｂ２の幅が広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線５Ａは実質的に存在しないので、これに起因する第３絶縁層１８の段差がなく、この段差に起因する読出配線５Ｂ２の断線が抑制されるという効果がある。
なお、上述の第４例及び第５例において、第３絶縁層１８の厚みを十分に厚くし、又は、表面を研磨して、その表面を平坦化することができる。平坦化が可能となる第３絶縁層１８の厚みの範囲及び表面電極３Ｂの厚みの範囲は、第２例に記載の場合と同一である。
（第６例）図１６は、フォトダイオードアレイ（第６例）の部分平面図であり、図１７は、図１６に示したフォトダイオードアレイ（第６例）のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印断面図である。
第６例の構造は、図１１に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離（外縁間の離間距離の最小値）よりも大きい場合である。読出配線５Ｂ２の幅は、隣接する表面電極３Ｂの内縁間の離間距離の最小値以下である。
なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、電極パッドに至る途中で途切れている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚い、又は、表面研磨が行われているため、図１７に示すように、第３絶縁層１８の表面が平坦化されている。
本例では、読出配線５Ｂ２の幅が十分に広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線５Ａは実質的に存在せず、また、第３絶縁層１８の表面は平坦化されているので、第３絶縁層１８の段差がなく、この段差に起因する読出配線５Ｂ２の断線が抑制されるという効果がある。
（第７例）図１８は、フォトダイオードアレイ（第７例）の部分平面図であり、図１９は、図１８に示したフォトダイオードアレイ（第７例）のＸＩＸ−ＸＩＸ矢印断面図である。
第７例の構造は、第６例の構造において、読出配線５Ｂ２の幅を狭くする代わりに、半導体領域１４の離間距離を狭くし、フォトダイオードの開口率を向上させたものである。その他の点は、第６例と同一である。なお、いずれの例においても、コンタクト電極５Ｂ１は、クエンチング抵抗４で囲まれた領域の外側に設けられていてもよい、
本例では、読出配線５Ｂ２の幅が十分に広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線５Ａは実質的に存在せず、また、第３絶縁層１８の表面は平坦化されているので、第３絶縁層１８の段差がなく、この段差に起因する読出配線５Ｂ２の断線が抑制されるという効果がある。また、フォトダイオードの開口率が向上しているため、出力信号が大きくなるという利点がある。
なお、上述のいずれの構造においても、半導体基板の構造として、図２０に示す構造も採用することができる。
図２０は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。同図では、上記のフォトダイオードアレイと比較して、変更される点のみを実線で示しており、残りを一点鎖線で示している。
この構造は、上述のタイプ１〜タイプ４の構造において、半導体領域１４の直下に半導体領域１５を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。半導体領域１５は、半導体領域１４と同一の導電型、又は、異なる導電型を有している。同一の導電型を有するものを（タイプ１Ｓ）〜（タイプ４Ｓ）とし、異なる導電型を有するものを（タイプ１Ｄ）〜（タイプ４Ｄ）とする。なお、半導体領域１５における不純物濃度は、半導体領域１４の不純物濃度よりも小さい。また、ｐ型の不純物としては、Ｂ（ボロン）を採用することができ、ｎ型の不純物としてはＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）又はＳｂ（アンチモン）を採用することができる。
なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は以下の通りである。
（タイプ１）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ２）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ３）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ４）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ１Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ１Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ１）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ２）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ３）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ４）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ１Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ１Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
なお、上述の例では、最下部の半導体領域１２は、厚みの大きな半導体基板を構成するものであるが、光検出部１０は、この下に更に半導体基板を備えていてもよく、この場合は、半導体領域１２は、かかる付加的な半導体基板よりも薄い厚みを有することとなる。
また、半導体領域１３は、半導体領域１２上にエピタキシャル成長法において形成することができるが、基板に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することとしてもよい。半導体領域１４，１５は、半導体領域１３に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することができる。
図２１は、フォトダイオードアレイの平面図である。本例は、図３に示したタイプの構造の電極パターンを有している。表面には、格子状の読出電極５Ｂ２が形成されており、格子の１つ毎の開口内に光検出部１０が位置している。
個々の光検出部１０は、半導体領域１４（図３参照）に接続された接続電極３を有しており、接続電極３は、クエンチング抵抗４を介して、読出配線５Ｂ２に接続されている。このフォトダイオードアレイのキャリアの進行経路に沿った縦断面構造は、図２に示したものであるが、上述のタイプ１〜４（タイプ１Ｓ〜４Ｓ，１Ｄ〜４Ｄ）の構造を採用することも可能である。また、上層の読出配線５Ｂ２は必須であるが、下層の補助読出配線５Ａは、用いてもよいが、省略することも可能である。すなわち、読出配線５Ｂ２及び補助読出配線５Ａの構造として、上述の第１例〜第７例の構造を適用することが可能である。
また、読出配線５Ｂ２の１つの開口内に、複数の光検出部１０を有することも可能である。
図２２は、このようなフォトダイオードアレイの表面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す図であり、図２３は、フォトダイオードアレイの断面（ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ矢印断面）のＳＥＭ写真を示す図である。なお、本例は、第５例の構造を示すものであり、補助読出電極５Ａは実質的に用いていない。
図２２では、第３絶縁層１８の表面形状の変化によって、表面電極３Ｂに接続されたクエンチング抵抗４が存在している旨が観察され、クエンチング抵抗４に併設して読出配線５Ｂ２が延びている旨が観察される。図２３では、表面電極３Ｂよりも上層に読出電極５Ｂ２が存在している旨が示されている。
図２４は、フォトダイオードアレイの一部の平面図である。本例は、図４に示したタイプの構造の電極パターンを有している。表面には、長方形の開口を有する格子状の読出電極５Ｂ２が形成されており、格子の１つ毎の開口内に複数の光検出部１０が位置している。本構造は、第２例のフォトダイオードアレイを示すものである。
個々の光検出部１０は、キャリアを出力する半導体領域１４を有するアバランシェフォトダイオードを有しており、表面電極３Ｂは、半導体領域１４に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域１４を囲んでいる。表面電極３Ｂと読出配線５Ｂ２とはクエンチング抵抗４によって、接続されている。
縦方向に延びる１本の読出配線５Ｂ２には、横方向に隣接する２つの光検出部１０が、共通の接続配線（コンタクト電極）６を介して、接続されており、これらの光検出部１０は、当該読出配線５Ｂ２の縦方向中心軸に対して線対称の構造を有している。これにより、読出配線５Ｂ２の数を減らすことができる。
図２５は、図２４に示したフォトダイオードアレイ（第２例）のＸＸＶ−ＸＸＶ矢印断面図である。
半導体層１２上に、半導体領域１３が形成されており、半導体領域１３上に、第１絶縁層１６が形成されている。第１絶縁層１６上にはクエンチング抵抗４が形成され、これらの上に第２絶縁層１７が形成されている。第２絶縁層１７のコンタクトホールを介して、補助読出配線５Ａが第２絶縁層１７上に設けられており、補助読出配線５Ａ上に第３絶縁層１８が形成されている。第３絶縁層１８に設けられたコンタクトホール内には、コンタクト電極５Ｂ１が設けられており、下層の補助読出配線５Ａと上層の読出配線５Ｂ２を物理的及び電気的に接続している。
なお、補助読出配線５Ａの終端位置にコンタクト電極５Ｂ１が位置し、これより出力側の補助読出配線５Ａが省略されている場合には、本例は上述の第５例のフォトダイオードアレイとなる。なお、本例の配線接続構造は、第１例〜第７例のいずれの構造にも適用することが可能である。
なお、補助配線電極５Ａを備えない場合、コンタクト電極５Ｂ１を、クエンチング抵抗４の直上に配置して、クエンチング抵抗４と読出配線５Ｂ２とをコンタクト電極５Ｂ１によって直接的に接続することも可能である。このように、補助読出配線５Ａを完全に省略する構造も可能である。
いずれの構造においても、また、いずれの例においても、上述のフォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗４上に形成された絶縁層１８を備えており、読出配線５Ｂ２は、絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗４に電気的に接続され、且つ、クエンチング抵抗４と電極パッドＰａｄとを電気的に接続している。
次に、上述のフォトダイオードアレイの構成材料ついて説明する。
半導体基板を構成する半導体領域１２，１３，１４の構成材料は、上述の通りＳｉであり、所望の不純物を含有している。絶縁層１６，１７，１８の構成材料は、それぞれＳｉＯ２又はシリコン窒化物である。接続電極３、接続配線６、補助接続配線５Ａ、接続配線５Ｂ（読出配線５Ｂ２，コンタクト電極）及び電極パッドＰａｄの構成材料は、それぞれ金属であり、好ましくはＡｌ、Ｃｕ，Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ又はＦｅなどの金属、またはこれらのうち２種以上を含む合金である。クエンチング抵抗４の構成材料は、読出配線５Ｂ２よりも高抵抗率の材料であり、ポリシリコン、ＳｉＣｒ、ＮｉＣｒ又はＴａＮｉである。
なお、上述のＳＥＭ写真は、絶縁層１６，１７，１８の構成材料としてＳｉＯ２を用い、接続電極３、接続配線６、補助接続配線５Ａ、接続配線５Ｂ（読出配線５Ｂ２，コンタクト電極）及び電極パッドＰａｄの構成材料としてＡｌを用い、クエンチング抵抗４の構成材料としてポリシリコンを用いた例である。
次に、図２を再び参照して、上述のフォトダイオードアレイの製造方法について説明する。
まず、半導体領域（半導体基板）１２上に、エピタキシャル成長法又は不純物拡散法或いはイオン注入法により、半導体領域１３を形成する。なお、好適には半導体領域１２は、ＣＺ法又はＦＺ法により形成された（１００）Ｓｉ半導体基板であるが、他の面方位を有する半導体基板を用いることもできる。Ｓｉエピタキシャル成長法を用いる場合には、例えば、原材料として、気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）と三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）を用い、成長温度１２００℃において、基板表面上にこれらのガスを流す。不純物拡散法の場合には、半導体領域１３の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１２内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１３の導電型に対応する不純物を半導体領域１２内にイオン注入する。
次に、半導体領域１３の表面側の領域に、半導体領域１４を形成する。これには不純物の拡散法又はイオン注入法を用いることができる。例えば、拡散法において、不純物原材料として、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いる場合には、拡散温度を１２００℃に設定することができる。半導体領域１４の形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、半導体領域１３上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、不純物の添加を行う。なお、不純物の添加は、格子状の配線パターン３Ｃを形成した後、これをマスクとして、絶縁層１６を介して、イオン注入法により行ってもよい。
次に、半導体基板上に絶縁層１６を形成する。絶縁層１６は、Ｓｉ熱酸化法を用いて形成することができる。酸化温度は例えば１０００℃である。これにより、半導体領域１３及び１４の表面が酸化され、ＳｉＯ２からなる絶縁層１６が形成される。絶縁層１６の形成にはＣＶＤ法を用いることもできる。
次に、絶縁層１６における所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、抵抗材料をレジストの開口内に堆積し、開口内にクエンチング抵抗４を形成し、レジストを除去する。抵抗材料は、これをターゲットとするスパッタ法を用いて堆積することができる。例えば、抵抗材料としては、シリコンを用いて、ポリシリコンのクエンチング抵抗４を形成する。
次に、絶縁層１６上に絶縁層１７を形成する。絶縁層１７は、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。プラズＣＶＤ法を用いる場合、原材料ガスとして、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガスを用い、成長温度を２００℃程度に設定して絶縁層１７の成長を行う。絶縁層１７の厚みは、その表面が平坦化される厚みに設定されることが好ましく、絶縁層１６の表面から配線パターン３Ｃの上面までの高さよりも大きいことが好ましい。これにより、ＳｉＯ２からなる絶縁層１７が形成される。
次に、絶縁層１７及び絶縁層１６における半導体領域１４上の位置に、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１７上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層１７及び絶縁層１６をエッチングする。エッチング法としては、ドライエッチング法の他、ＨＦ水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。
次に、絶縁層１７上に、所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、レジストの開口内に堆積し、開口内に、蒸着法により、第１コンタクト電極３Ａ、表面電極３Ｂ、第２コンタクト電極３Ｃ、接続配線６及び補助読出電極５Ａを同時に形成し、これらの形成後にレジストを除去する。蒸着材料として、本例では、アルミニウムを用いるが、スパッタ法などを用いることも可能である。
次に、絶縁層１７上に絶縁層１８を形成する。絶縁層１８の形成方法は、絶縁層１７と同一である。
しかる後、絶縁層１８の所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、絶縁層１８をエッチングして、コンタクトホールを形成し、形成後にレジストを除去する。コンタクトホール形成時のエッチング方法は、ドライエッチング法の他、ＨＦ水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。このコンタクトホール内に、コンタクト電極５Ｂ１を形成し、これと同時にコンタクト電極５Ｂ１に連続する読出配線５Ｂ２を形成する。
コンタクト電極５Ｂ１及び読出配線５Ｂ２の形成においては、まず、絶縁層１８の所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクの開口内に、コンタクト電極５Ｂ１及び読出配線５Ｂ２を堆積する。堆積方法は、蒸着方法又はスパッタ法を用いることができる。
なお、図２０に示す構造の光検出部を製造する場合、半導体領域１４の形成前に、半導体領域１５を不純物拡散法又はイオン注入法を用いて、半導体領域１３の表面側に形成しておけばよい。不純物拡散法の場合には、半導体領域１５の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１３内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１５の導電型に対応する不純物を半導体領域１３内にイオン注入する。
また、図１に示した電極パッドＰａｄは、これを第２絶縁層１７上に形成する場合には、レジストのパターニングにより、表面電極３Ｂと同時にこれを形成することができる。また、電極パッドＰａｄを、第３絶縁層１８上に形成し、これに補助読出配線５Ａを接続する場合には、第３絶縁層１８に、補助読出配線５Ａと電極パッドＰａｄとを接続するためのコンタクトホールを形成した後、読出配線５Ｂ２の形成と同時に、コンタクトホール内にコンタクト電極と電極パッドＰａｄを同時に形成すればよい。
なお、上述の実施形態の場合、クエンチング抵抗４の平面形状は環状であったが、これはリングの一部の形状、スパイラル形状であってもよい。
次に、上述の第５例（図１４及び図１５）の構造のフォトダイオードアレイを試作した場合の効果について説明する。製造条件は、以下の通りである。
製造条件は、以下の通りである。
（１）構造
（１−１）半導体領域１２：
導電型：ｎ型（不純物：Ｓｂ（アンチモン））
不純物濃度：５.０×１０１１ｃｍ−３
厚み：６５０μｍ
（１−２）半導体領域１３：
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１４ｃｍ−３
厚み：３０μｍ
（１−３）半導体領域１４
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１８ｃｍ−３
厚み：１０００ｎｍ
（１−４）絶縁層１６：ＳｉＯ２（厚み：１０００ｎｍ）
（１−５）絶縁層１７：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
（１−６）絶縁層１８：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
（１−７）接続電極３：（アルミニウム（Ａｌ））
（１−８）クエンチング抵抗４（ポリシリコン）
形状：図２１に示す形状
厚み：５００ｎｍ
幅：２μｍ
長さ：１００μｍ
抵抗値：５００ｋΩ
（１−９）光検出部１０
１つの光検出部１０の面積Ｓ：２０２５μｍ２
隣接する光検出部１０の中心間の間隔Ｘ：５０μｍ
受光領域内のフォトダイオード数（Ｘ軸方向＝１００個×Ｙ軸方向１００個）
受光領域のＸ軸方向寸法：５ｍｍ
受光領域のＹ軸方向寸法：５ｍｍ
（１−１０）読出配線５Ｂ２
幅：５μｍ
Ｘ軸方向の配線の本数：１０１本
Ｙ軸方向の配線の本数：１０１本
１つの開口内に存在する光検出部１０の数：１
（１−１）半導体領域１２：
導電型：ｎ型（不純物：Ｓｂ（アンチモン））
不純物濃度：５.０×１０１１ｃｍ−３
厚み：６５０μｍ
（１−２）半導体領域１３：
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１４ｃｍ−３
厚み：３０μｍ
（１−３）半導体領域１４
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１８ｃｍ−３
厚み：１０００ｎｍ
（１−４）絶縁層１６：ＳｉＯ２（厚み：１０００ｎｍ）
（１−５）絶縁層１７：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
（１−６）絶縁層１８：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
（１−７）接続電極３：（アルミニウム（Ａｌ））
（１−８）クエンチング抵抗４（ポリシリコン）
形状：図２１に示す形状
厚み：５００ｎｍ
幅：２μｍ
長さ：１００μｍ
抵抗値：５００ｋΩ
（１−９）光検出部１０
１つの光検出部１０の面積Ｓ：２０２５μｍ２
隣接する光検出部１０の中心間の間隔Ｘ：５０μｍ
受光領域内のフォトダイオード数（Ｘ軸方向＝１００個×Ｙ軸方向１００個）
受光領域のＸ軸方向寸法：５ｍｍ
受光領域のＹ軸方向寸法：５ｍｍ
（１−１０）読出配線５Ｂ２
幅：５μｍ
Ｘ軸方向の配線の本数：１０１本
Ｙ軸方向の配線の本数：１０１本
１つの開口内に存在する光検出部１０の数：１
（２）製法条件
・半導体領域１２：ＣＺ法（（００１）Ｓｉ半導体基板）
・半導体領域１３：Ｓｉエピタキシャル成長法（原材料：気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）、成長温度１２００℃）
・半導体領域１４：不純物の熱拡散法（不純物原材料：ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、拡散温度１２００℃）
・絶縁層１６：（Ｓｉ熱酸化法：酸化温度（１０００℃））
・クエンチング抵抗４：スパッタ法（ターゲット材料：Ｓｉ）
・絶縁層１７：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・第１コンタクト電極３Ａ、表面電極３Ｂ、第２コンタクト電極３Ｃ、接続配線６、補助読出配線５Ａ、電極パッドＰａｄ：蒸着法（原料：アルミニウム）
・絶縁層１８：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・コンタクト電極５Ｂ１、読出配線５Ｂ２：蒸着法（原料：アルミニウム）
・半導体領域１２：ＣＺ法（（００１）Ｓｉ半導体基板）
・半導体領域１３：Ｓｉエピタキシャル成長法（原材料：気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）、成長温度１２００℃）
・半導体領域１４：不純物の熱拡散法（不純物原材料：ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、拡散温度１２００℃）
・絶縁層１６：（Ｓｉ熱酸化法：酸化温度（１０００℃））
・クエンチング抵抗４：スパッタ法（ターゲット材料：Ｓｉ）
・絶縁層１７：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・第１コンタクト電極３Ａ、表面電極３Ｂ、第２コンタクト電極３Ｃ、接続配線６、補助読出配線５Ａ、電極パッドＰａｄ：蒸着法（原料：アルミニウム）
・絶縁層１８：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・コンタクト電極５Ｂ１、読出配線５Ｂ２：蒸着法（原料：アルミニウム）
実施例に係るフォトダイオードアレイの特性を、以下のように評価した。
図２６は、基点となる各フォトダイオード（画素）から電極パッドまでの距離と、キャリアの信号伝達時間の基準からの差ｔｐ（ｐｓ）を示すグラフ（実施例）である。時間差ｔｐは基準時刻からの伝達時間である。基点となるフォトダイオードの周囲には５個のフォトダイオードが配置されており、Ｘ軸方向の基点の数は１２個、Ｙ軸方向の基点の数は１８個であり、同グラフでは各基点の周囲のフォトダイオード出力の平均値を１つのデータとして示している。
フォトダイオードのチップは５ｍｍ×５ｍｍの寸法を有しており、グラフにおける最も手前側の位置をＸＹ平面における原点として、受光領域のＸ軸方向には１００個、Ｙ軸方向には１００個のフォトダイオードが配置されている。電極パッドＰａｄは、同グラフの右に存在するＰａｄの位置に設けられている。
各フォトダイオードから電極パッドまでの信号伝達時間の差ｔｐ（ｐｓ）は、電極パッドＰａｄから遠くなるほど長くなる傾向にあるが、時間差ｔｐは、全て１６０ｐｓ以下と短く、また、面内バラつきも小さい。
図２７は、各フォトダイオードから電極パッドまでの距離と、キャリアの信号伝達時間の基準からの差ｔｐ（ｐｓ）を示すグラフ（比較例）である。比較例では、上述の第１例において、下層の補助読出配線５Ａのみを信号伝達に用いた例であり、上層の読出配線５Ｂ２は形成されていない。比較例における補助読出配線５Ａの１本の幅は２μｍである。
各フォトダイオードから電極パッドまでの信号伝達時間の差ｔｐ（ｐｓ）は、電極パッドＰａｄから遠くなるほど長くなる傾向にあるが、時間差ｔｐは、過半数が１６０ｐｓを超えており、最大で３００ｐｓを超え、また、面内バラつきも大きい。
図２８は、電圧Ｖoverと、出力パルス到着時間のバラつきを示すＦＷＨＭ（ｐｓ）の関係を示すグラフであり、図２９は、到着時間ｔβ（ｐｓ）とカウント数の関係を示すグラフである。
フォトダイオードをガイガーモードで動作させるため、フォトダイオードのブレイクダウン電圧（７０Ｖ）よりも電圧Ｖoverだけ大きな逆バイアス電圧（７０＋Ｖover）を各フォトダイオードに与える。この超過電圧Ｖoverが１．５〜４Ｖ（逆バイアス電圧＝７１．５Ｖ〜７４Ｖ）の場合に、実施例では、半値全幅（ＦＷＨＭ）は、２００ｐｓ以下となり、最小で１３０ｐｓまで小さくなる一方、比較例では２２０ｐｓ以上である。なお、このＦＷＨＭの測定法は、以下の通りである。
まず、各フォトダイオードアレイに、レーザ光を全面照射する。この場合、各フォトダイオードから、フォトン入射に対応する複数のパルス信号が出力される。フォトダイオードは面内に分布しているため、同時にレーザ光が各フォトダイオードに入射した場合においても、若干の時間的な広がりを有して、電極パッドに到達する。図２９は、レーザ光出射タイミングから、キャリアが電極パッドに到達するまでの時間ｔβ毎のパルス信号のカウント数（パルス数）をヒストグラムにしたグラフである。到達時間ｔβが２０４０（ｐｓ）近傍のパルス数が一番大きく、この時間をピークとして、到達時間は正規分布している。このグラフのＦＷＨＭが小さいほど、到達時間のバラつきが少ない。
実施例のフォトダイオードアレイでは、ＦＷＨＭが十分に小さいので、面内の到達時間ｔβのバラつきが、比較例よりも十分に抑制されていることが分かる。
なお、図２６及び図２７のグラフは、以下の図３０及び図３１の方法を用いて求められる。
図３０は、レーザビーム照射について説明する図であり、図３１は、レーザ光出射タイミングからキャリアが電極パッドに到達するまでの時間ｔα（ｎｓ）と出力ＯＵＴ（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（シミュレーション）である。
図３０に示すように、直径１ｍｍのレーザビームを、電極パッドから遠い位置Ａ、中間の位置Ｂ、近い位置Ｃに存在する実施例のフォトダイオード群に照射し、レーザビームを同図の矢印で示す横方向（Ｘ軸方向）に沿って走査する。走査後の遠い位置Ａ、中間の位置Ｂ、近い位置Ｃからの出力の平均値が図３１のグラフに示される。
この場合、図３１に示すように、出力パルス電圧を示す出力ＯＵＴ（ａ．ｕ．）が、時間ｔα（ｎｓ）の増加に伴って増加し、ｔα＝２．５ｎｓ以上では一定値に飽和している。出力ＯＵＴが、閾値（threshold）＝０．５以上となる立ち上がりの時間ｔαは、１．４ｎｓである。
図２６及び図２７は、図３１のシミュレーション図に相当する出力パルスを実際に測定し、パッドから最も近い位置Ｃの時間ｔαを基準とした場合の、各レーザ照射位置におけるパルスの時間遅れをマッピングしたものである。なお、このマッピングは閾値における時間ｔαを用いて行った。
以上、説明したように、上述の実施形態に係るフォトダイオードアレイは、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有する光検出部を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、個々の光検出部１０は、キャリアを出力する半導体領域１４を有するアバランシェフォトダイオードＰＤと、半導体領域１４に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域１４囲む表面電極３Ｂと、表面電極３Ｂと読出配線５Ｂ２とを接続するクエンチング抵抗４と、を備え、半導体領域１４の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から読出配線５Ｂ２までの距離ｔｂは、この基準平面から表面電極３Ｂまでの距離ｔａよりも大きく、読出配線５Ｂ２は、隣接するアバランシェフォトダイオードＰＤ（半導体領域１４）間に位置している。
半導体領域１４への光の入射に応じて発生したキャリアは、表面電極３Ｂ、クエンチング抵抗４、読出配線５Ｂ２を順次介して、電極パッドＰａｄに至る。読出配線５Ｂ２は、表面電極３Ｂよりも上層に形成されているため、表面電極３Ｂによる空間的な制約が解除され、その幅等を広くすることができ、したがって、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
また、上記フォトダイオードアレイは、基準平面に垂直な方向から見た場合、読出配線５Ｂ２は、表面電極３Ｂの一部と重なっている（第３例、第６例、第７例）。この場合には、読出配線５Ｂ２の形成領域は、光入射に対してデッドスペースとなる表面電極３Ｂ上の領域を利用しているので、フォトダイオードの開口率を低下させることなく、読出配線５Ｂ２の寸法を広げ、抵抗値を低下させることができる。
また、上記フォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗４上に形成された第１絶縁層１７と、第１絶縁層１７に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗４に電気的に接続された補助読出配線５Ａと、補助読出配線５Ａ上に形成された第２絶縁層１８と、を備え、読出配線５Ｂ２は、第２絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを介して、補助読出配線５Ａに電気的に接続され、且つ、補助読出配線５Ａに対して並行して延びて、補助読出配線５Ａと共に、電極パッドＰａｄに接続されている（第１例、第２例、第３例）。
２つの読出配線を利用することにより、フォトダイオードから電極パッドＰａｄに至るまでの抵抗値を低下させることができる。
また、上記フォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗４上に形成された絶縁層１８を備え、読出配線５Ｂ２は、絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗４に電気的に接続され、且つ、クエンチング抵抗４と電極パッドＰａｄとを電気的に接続している（第１例〜第７例）。また、補助読出配線５Ａは直接的には電極パッドに接続されていなくてもよい（第４例〜第７例）。これら場合、読出配線５Ｂ２の設計自由度が高くなり、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
なお、クエンチング抵抗４の抵抗値は１００〜１０００ｋΩが好適である。フォトダイオードの半導体領域１４から電極パッドに至るまでの配線の抵抗値は、低いほど好ましいが、２０Ω以下が好適であり、更に好適には５Ω以下である。
１４…半導体領域、３Ｂ…表面電極、５Ｂ２…読出配線、５Ａ…補助読出配線、４…クエンチング抵抗。
Claims (4)
- 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有する光検出部を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、
個々の前記光検出部は、
キャリアを出力する半導体領域を有する前記アバランシェフォトダイオードと、
前記半導体領域に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って前記半導体領域を囲む表面電極と、
前記表面電極と読出配線とを接続するクエンチング抵抗と、
を備え、
前記半導体領域の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から、前記読出配線とその直下の絶縁層との間の界面までの距離ｔｂは、この基準平面から、前記表面電極とその直下の絶縁層との間の界面までの距離ｔａよりも大きく、
前記読出配線は、隣接する前記アバランシェフォトダイオード間に位置している、
ことを特徴とするフォトダイオードアレイ。 - 前記基準平面に垂直な方向から見た場合、前記読出配線は、前記表面電極の一部と重なっていることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
- 前記クエンチング抵抗上に形成された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層に設けられたコンタクトホールを介して、前記クエンチング抵抗に電気的に接続された補助読出配線と、
前記補助読出配線上に形成された第２絶縁層と、
を備え、
前記読出配線は、前記第２絶縁層に設けられたコンタクトホールを介して、前記補助読出配線に電気的に接続され、且つ、前記補助読出配線に対して並行して延びて、前記補助読出配線と共に、電極パッドに接続されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオードアレイ。 - 前記クエンチング抵抗上に形成された絶縁層を備え、
前記読出配線は、前記絶縁層に設けられたコンタクトホールを介して、前記クエンチング抵抗に電気的に接続され、且つ、前記クエンチング抵抗と電極パッドとを電気的に接続している、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオードアレイ。
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