JP6524353B2 - アバランシェ光検出器 - Google Patents

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Description

本発明は、光検出器に関し、より具体的には、比較的微弱な光信号を受信してこの信号を検出するアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）に関する。そのようなＡＰＤは、通信システム、環境モニタシステム、並びに医学、生物学、ロボット工学などで広範囲にわたって使用されている。
従来のアバランシェ型ＰＤは、様々な半導体材料から構成されるいくつかの層で覆われた半導体基板を含み、この群のアバランシェ型ＰＤは、信号光子を吸収し、次に、電子又は正孔のような自由電荷キャリアを生成する光変換器を形成する。更に、光によって生成されたこれらの電荷キャリアは、キャリアのアバランシェ増倍に十分な強度を有する電界の領域を生成するアバランシェ増幅器を形成する別の群の層内に移動する。
従って、ＡＰＤは、信号光子を電子に変換する光変換器と、光電流を標準的な半導体増幅器によって記録することができるように光電流を増幅するアバランシェ増幅器とを含む。
閾値感度は、ＡＰＤに関する主要パラメータのうちの１つであり、閾値感度は、光変換器及びアバランシェ増幅器の両方の特性によって定められる。例えば、閾値感度は、主として光キャリアのアバランシェ増倍に必要な強電界に起因するアバランシェ増幅器の背景電流又はノイズ電流によって有意に制限される場合がある。
アバランシェ増幅器の背景電流を低減し、従って、ＡＰＤの閾値感度を改良するために、アバランシェ増幅器の領域は、光変換器のものと比べて小さくなっている。
この手法は、アバランシェ増幅器が同じ基板上の光変換器の近くに位置し、光変換器がアバランシェ増幅器よりも広い領域を有する場合にＡＵ２０１４２０１７０８（Ａｌ）及びＵＳ ９，０３５，４１０のＡＰＤの実施形態を用いて実施されている。
この公報では、光変換器とアバランシェ増幅器の間の電気接続は、導電性ジャンパを用いて行われており、すなわち、この接続は、このデバイスの主要な半導体部品である光変換器及びアバランシェ増幅器に対して外部にある。
従来技術は、いくつかの欠点を有する。単一半導体構造内部ではなく、外部回路経由で光変換器からアバランシェ増幅器に光キャリアを伝導する方法は、過度のノイズ（ノイズ電流）に露出される傾向があり、それによって微弱な信号に対するデバイスの感度、すなわち、デバイスの閾値感度が著しく低下する。
ＡＵ２０１４２０１７０８（Ａｌ） ＵＳ ９，０３５，４１０
従って、高い閾値感度を有し、光変換器からアバランシェ増幅器への光キャリア伝導の処理に影響を与える過度のノイズ又は背景電流によって制限されないＡＰＤを提供することが望ましい。
従って、本発明は、従来技術の欠点のうちの１又は２以上を実質的に解決するアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）に関する。
一実施形態では、ＡＰＤは、信号を自由電荷キャリアに復調するための光変換器と、これらのキャリアのための少なくとも１つのアバランシェ増幅器とを含み、光変換器及びアバランシェ増幅器の両方は、同じ基板上で隣同士に位置し、増幅器は、２つの層、すなわち、接触層及び乗算器層を含む。乗算器層は、光変換器と同じ導電型の半導体から作られる。第１の電極は、アバランシェ増幅器の接触層上に配置され、第２の電極は、導電性基板上に配置される。
アバランシェ増幅器の乗算器層は、光変換器と同じ半導体から製作することができる。アバランシェ増幅器は、乗算器層及び接触層によって形成されたＰ／Ｎ接合とすることができる。
コレクター層は、光変換器と乗算器層の間の間隙が存在する状態で、光変換器の上面に配置することができ、コレクター層は、光変換器と同じ導電型の半導体から製作することができ、コレクター層が製作される半導体のドーピング密度は、光変換器のものよりも高い必要がある。
コレクター層及び光変換器の両方のいずれか、又はコレクター層、光変換器の両方、及びアバランシェ増幅器は、全て同じ半導体から製作することができる。
第１の電極に面するアバランシェ増幅器の接触層の面は、コレクター層の上面と連続するものとすることができる。アバランシェ増幅器の乗算器層及び接触層の両方は、合理的にメサ構造として形成することができる。
ＡＰＤはまた、コレクター層及び光変換器の上面に位置してアバランシェ増幅器の外側面に当接する誘電体層を含むことができ、誘電体層の上面は、アバランシェ増幅器の接触層の上面と連続するものであり、第１の電極は、アバランシェ増幅器の接触層及び誘電体層の上面に配置することができ、更に、この第１の電極は、透明とすることができる。
アバランシェ増幅器は、光変換器の上面の下に配置することができ、変換器とアバランシェ増幅器の接触層及び第１の電極との間の間隙が存在しなければならない。この場合に、増幅器と変換器の間の間隙は、光変換器及びコレクター層の面を覆う誘電材料で充填することができ、追加の透明電極は、第１の電極及び誘電材料の上面に配置することができる。
更に、ＡＰＤは、アバランシェ増幅器の接触層と第１の電極の間に配置された高抵抗材料層を含むことができる。
複数のアバランシェ増幅器が使用される場合に、これらの増幅器の第１の電極の各々は、合理的に互いに電気的に接続することができる。
本発明の更に別の特徴及び利点は、以下の説明に示されており、この説明から部分的に明らかになり、又は本発明の実施によって学習することができる。本発明の利点は、本明細書の説明及び本発明の特許請求の範囲、並びに添付図面において具体的に指摘される構造によって実現され、かつ達成されることになる。
上述の概略的な説明及び以下の詳細説明は、いずれも例示及び説明のためのものであり、主張する本発明の更なる説明を提供することを意図したものであることを理解しなければならない。
本発明の更なる理解をもたらすために包含され、本明細書に組み込まれ、かつその一部分を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示すものであり、説明内容と共に本発明の原理を説明するのに有用である。
信号を自由電荷キャリアに復調するための光変換器と、これらのキャリアのためのアバランシェ増幅器とを含む本発明のＡＰＤの実施形態の断面図であり、これら光変換器及び増幅器の両方は、同じ基板上で隣同士に位置し、この増幅器は、接触層、及び基板に面して変換器に当接する乗算器層から構成され、それに応じて、２つの電極が、増幅器の接触層上及び基板上に配置される。 信号を自由電荷キャリアに復調するための光変換器と、これらのキャリアのためのアバランシェ増幅器とを含む本発明のＡＰＤの別の実施形態の断面図であり、これら光変換器及び増幅器の両方は、同じ基板上で隣同士に位置し、この増幅器は、接触層、基板に面する乗算器層、及びこの増倍層と変換器に当接する基板の間に配置されたバッファ層から構成され、それに応じて、２つの電極が、増幅器の接触層上及び基板上に配置される。 コレクター層と乗算器層の間の間隙が存在するようにコレクター層が光変換器の上面に位置する場合の本発明のＡＰＤの第３の実施形態の断面図である。 作図された隠れたチャネルを有する本発明のＡＰＤの第３の実施形態の断面図である。 電極に面するアバランシェ増幅器の接触層がコレクター層の上面と連続するものである場合の本発明のＡＰＤの第４の実施形態の断面図である。 アバランシェ増幅器が光変換器の上面の下に位置する場合の本発明のＡＰＤの第５の実施形態の断面図である。 アバランシェ増幅器が光変換器の上面の下に位置付けられ、この増幅器と光変換器の間の間隙が誘電材料で充填され、この誘電材料が同様に光変換器及びコレクター層の面を覆い、更に、追加の透明電極が第１の電極及び誘電材料の上面に配置される場合の本発明のＡＰＤの第６の実施形態の断面図である。 コレクター層及び光変換器の上面に位置する誘電体層がアバランシェ増幅器の外側面に当接する状態で、この増幅器が光変換器の上面の上に位置し、更に透明電極が増幅器の接触層及び誘電体層の上面に配置される場合の本発明のＡＰＤの第７の実施形態の断面図である。 高抵抗材料層がアバランシェ増幅器の接触層と第１の電極の間に配置される場合の本発明のＡＰＤの第８の実施形態の断面図である。
ここで、その例が添付図面に示されている本発明の実施形態を詳細に参照する。
これらの図面は、以下の参照符号を有する。
１−基板
２−光変換器
３−アバランシェ増幅器
４−接触層
５−乗算器層
６−第１の電極
７−第２の電極
８−コレクター層
９−コレクターと乗算器層の間の間隙
１０−誘電体層
１１−透明電極
１２−絶縁間隙
１３−誘電材料
１４−高抵抗材料層
１５−バッファ層
１６−コレクター層８の下の隠れたチャネル
１００−記録された光
本文中及び図中では、これらの構成要素は、以下の意味を有し、例えば、３０６の場合に、３は、図番号であり、０６は、上述のリストからの構成要素番号である。
図１は、信号を自由電荷キャリアに復調するための光変換器１０２と、これらのキャリアのためのアバランシェ増幅器１０３とを含む主張するＡＰＤの実施形態の断面図を示しており、これら光変換器及び増幅器の両方は、同じ導電性基板１０１上で隣同士に位置し、この増幅器は、接触層１０４と、基板１０１に面して変換器１０２に当接する乗算器層１０５とを含み、それに応じて、２つの電極１０６及び１０７が、増幅器の接触層１０４上及び基板１０１上に配置される。
そのようなＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ＋型シリコン基板１０１と、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された光変換器１０２と、２つの層を有するアバランシェ増幅器１０３とを含むデバイスであり、これら２つの層は、エピタキシよって１０14ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された５μｍから７μｍの厚みの乗算器層１０５、及び１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．５μｍから１．０μｍの深さの拡散によって製造された接触層１０４である。２つの電極は、例えば、０．５μｍから１．０μｍのアルミニウム層、アルミニウム及びシリコン層、又は０．０５μｍから１．０μｍの厚みを有するＭｏ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｌ膜の２又は３以上の層であり、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、電極１０７は、基板上に配置され、電極１０６は、アバランシェ増幅器の接触層上に配置される。
光検出器のための材料の選択は、記録される光の望ましい波長によって決定される。１μｍから５μｍの範囲の赤外線放射の場合に、光変換器の好ましい材料は、半導体Ａ3Ｂ5群、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、又は他の狭帯域型である。アバランシェ増幅器１０３に関しては、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、又は光変換器材料と技術的に互換性のあり、この材料に近い格子定数を有し、光変換器半導体の場合よりも広い帯域を有する他の材料が好ましい。光変換器及びアバランシェ増幅器との互換性のある材料の対の例は、増幅器のためのＩｎＰ及び光変換器のためのＩｎＧａＡｓＰである。シリコンは、可視波長に使用することができる。０．４μｍよりも短い波長に対しては、広いバンドギャップ材料、例えば、ＳｉＣが好ましい。この場合に、シリコンに関しては、アバランシェ増幅器は、光変換器と同じ材料から製作することができる。
電極１０７に対する正の電圧が、電極１０６に印加され、この電圧が、アバランシェ増幅器の乗算器層１０５内の衝突電離を引き起こす程度に大きい場合に、自由電荷キャリアの増倍が、この乗算器層において開始され、電界は、アバランシェ増幅器１０３から当接光変換器１０２まで通過する。
光変換器の面１０２に到達する信号光１００は、この光変換器層によって吸収され、自由電荷キャリア電子及び正孔が、この層において生成される。次に、光変換器１０２によって吸収された光（すなわち、光電子）によって生成された自由電子は、アバランシェ増幅器１０３から通過した電界によって取り込まれ、アバランシェ乗算器層１０５までドリフトし、この乗算器層において増倍され、ＡＰＤ出力信号が生成され、その一方、正孔は、基板１０１内に移動する。光変換器１０２の非空乏領域において光によって生成された光電子は、光変換器内の自由電子濃度勾配よって引き起こされる拡散に起因して光変換器の空乏領域に収集される。
一般的に、光変換器は、１０μｍの幅よりも狭く、それは、より広い光変換器が、光キャリアのより長い拡散収集に起因した性能損失、並びにより大きい再結合損失を受けるためである。
図２は、信号を自由電荷キャリアに復調するための光変換器２０２と、これらのキャリアのためのアバランシェ増幅器２０３とを含む主張するＡＰＤの実施形態の断面図を示しており、これら光変換器及び増幅器の両方は、同じ導電性基板２０１上で隣同士に位置し、この増幅器は、接触層２０４、基板２０１に面する乗算器層２０５、及びこの乗算器層２０５と変換器２０２に当接する基板２０１との間に配置されたバッファ層２１５を含み、それに応じて、２つの電極２０６及び２０７が、増幅器の接触層２０４上及び基板２０１上に配置される。
そのようなＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ＋型シリコン基板２０１と、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された光変換器２０２と、２つの層を含むアバランシェ増幅器２０３とを含むデバイスであり、これら２つの層は、エピタキシよって１０14ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された５μｍから７μｍの厚みの乗算器層２０５、及び１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．５μｍから１．０μｍの深さの拡散によって製造された接触層２０４である。５μｍから７μｍの厚みのバッファ層２１５は、エピタキシよって１０14ｃｍ-3から１０16ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作される。アルミニウム膜である２つの電極は、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、電極２０７は、基板上に配置され、電極２０６は、アバランシェ増幅器の接触層上に配置される。
アバランシェ増幅器が、シリコンではなくＩｎＰのような別の半導体材料から製作される場合に、バッファ層は、通常、アバランシェ層と同じ材料から製作されるが、逆の導電型で製作される。
電極２０７に対する正の電圧が、電極２０６に印加される場合に、この電圧は、直列に接続したアバランシェ増幅器２０３及びその下のバッファ層２１５に印加され、これらの領域において電界が誘導される。これらの層が、例示的パラメータに従って実施される場合に、この電界の強度は、乗算器層２０５における自由電荷キャリアのアバランシェ増倍をトリガし、バッファ層２１５を完全に空乏化するのに十分である。その一方、この電界は、バッファ層２１５からこのバッファ層の側面のそばに位置する光変換器２０２に通過し、従って、空乏領域が、これらの領域に形成される。
光変換器２０２に到達する信号光１００は、吸収され、自由電荷キャリア、すなわち、電子及び正孔が、この光変換器において生成される。次に、光変換器２０２の空乏領域において光によって生成された自由電子（すなわち、光電子）は、電界によって取り込まれ、バッファ層２１５に向けてかつアバランシェ乗算器層２０５に向けて前方にドリフトし、この乗算器層において増倍され、ＡＰＤ出力信号が生成され、その一方、正孔は、基板２０１内に移動する。光変換器２０２の空乏領域の外側で光によって生成された光電子は、拡散に起因して光変換器の空乏領域に収集される。
図３Ａは、コレクター層３０８とアバランシェ増幅器３０３の乗算器層３０５との間の間隙３０９が存在するように、コレクター層３０８が光変換器３０２の上面に位置する主張するＡＰＤの第３の実施形態の断面図である。
コレクター層３０８は、光変換器３０２の面の近くの少数キャリアの面振動を抑制すること、並びに面ポテンシャルを安定化させることに使用され、更に、光変換器３０２において光によって生成される光キャリアのアバランシェ増幅器３０３における収集効率を高めることに使用される。
コレクター層を有するＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ＋型シリコン基板３０１を含むデバイスであり、光変換器３０２が、この基板上に位置し、この光変換器は、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作される。コレクター層３０８は、１０17ｃｍ-3から１０19ｃｍ-3の面濃度でのＢ、Ａｌ、Ｉｎ、又はＧａのような同じ導電型のドーパントを使用してシリコン光変換器３０２の０．２μｍから０．５μｍの深さのイオンドーピングによって製作することができる。コレクター層３０８とアバランシェ増幅器３０３の乗算器層３０５との間に０．４μｍから０．７μｍの幅の間隙３０９が存在し、この増幅器は、２つの層、すなわち、エピタキシよって１０14ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された５μｍから７μｍの厚みの乗算器層３０５と、１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．５μｍから１．０μｍの深さの拡散によって製造された接触層３０４とを含む。例えば、アルミニウム膜である２つの電極は、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、電極３０７は、基板上に配置され、電極３０６は、アバランシェ増幅器の接触層上に配置される。
電圧が、ＡＰＤの電極に印加される場合に、変換器３０２の電界によって取り込まれた光電子は、アバランシェ増幅器３０３において増倍される（図１に関するものと同様）。図１との相違点は、光容器の面上に位置するコレクター層が存在し、この層が、光変換器３０２から移動する光キャリアのアバランシェ増幅器３０３における収集効率を高めることである。
コレクター層３０８によって生成された光変換器３０２内の垂直方向ドーパント濃度勾配は、アバランシェ増幅器３０３から通過する電界が、ポテンシャル電子井戸（隠れたチャネル）をコレクター層３０８の下に位置する変換器の空乏領域内に形成させるようにする。隠れたチャネル３１６は、図３Ｂに示されている。光変換器において光によって生成された光電子は、電子井戸に収集され、ここで、このチャネルに沿ってアバランシェ増幅器に向けられた掃引電界が存在し、それによって光電子の収集効率、及び変換器から増幅器への光電子のドリフト速度が高まる。
また、コレクター層３０８を有するＡＰＤは、変換器における電子と正孔との逆電流が分離し、それによってより少ない光キャリア再結合がもたらされるという点で機能的に特徴付けられる。アバランシェ増倍中に生成された正孔は、変換器の面、すなわち、コレクター層に沿ってドリフトし、その一方、電子は、主としてこの層の下の隠れたチャネル３１６を通ってドリフトする（図３Ｂを参照）。
間隙３０９は、コレクター層と、アバランシェ増幅器３０３に隣接する変換器の縁部との間の０．５μｍから１．０μｍの幅のマージンであり、その最小幅は、アバランシェ増幅器に隣接するコレクター層の縁部上の電荷キャリアのスプリアス振動増加によって決定され、その一方、この間隙の最大幅は、この間隙が過度に広い場合に、隠れたチャネルを離れた光電子が電界によって光変換器の上面に押圧され、従って、この光電子が、増倍が最も効率的である領域の外側のアバランシェ層に到着する時に、コレクター層３０８の効率が低下するという事実によって決定される。間隙幅が最適である場合に、光電子は、コレクター層の厚み及びドーピングによって決定される隠れたチャネルの深さでアバランシェ増幅器に注入され、従って、光電子は、増倍が最も効率的である領域に到着する。
図４に示されているＡＰＤの実施形態は、電極４０６に面するアバランシェ増幅器の接触層４０４がコレクター層４０８の上面と連続するものである状態での接触層を有する。そのような平面構造は、ＡＰＤを製造することをより容易にし、ＡＰＤ製造及びパッケージングに好ましい実施形態である。
図４に示されているＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ＋型シリコン基板４０１を含むデバイスであり、光変換器４０２が、この基板上に位置し、この光変換器は、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作される。コレクター層４０８は、１０17ｃｍ-3から１０19ｃｍ-3の面濃度での同じ導電型のドーパントを使用して、シリコン光変換器４０２の０．１μｍから１．０μｍの深さのイオンドーピングによって製作することができる。アバランシェ増幅器４０３の乗算器層４０５の上面は、コレクター層４０８と同じレベルに位置する。間隙３０９と類似の間隙４０９が、コレクター層４０８とアバランシェ増幅器４０３の乗算器層４０５との間に存在し、この増幅器は、２つの層、すなわち、エピタキシよって１０15ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された２μｍから７μｍの厚みの乗算器層４０５と、１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．２μｍから１．０μｍの深さの拡散によって製造された接触層４０４とを含む。アルミニウム膜である２つの電極は、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、電極４０７は、基板上に配置され、電極４０６は、アバランシェ増幅器の接触層上に配置される。これらの電極の両方は、例えば、アルミニウム膜である。
電極４０７に対する正の電圧が、電極４０６に印加され、この電圧が、アバランシェ増幅器の乗算器層４０５における衝突電離を引き起こす程度に大きい場合に、自由電荷キャリアの増倍が、この乗算器層において開始される。その一方、この電界は、光キャリアの空乏領域、すなわち、アバランシェ増幅器４０３の下に位置する領域から光変換器層４０２内の領域まで通過し、光電子のための隠れたチャネルが、コレクター層４０８の下に形成される。光変換器の開放領域において光信号１００によって生成された光電子は、隠れたチャネルに収集され、掃引電界によって引きつけられて隠れたチャネルに沿って乗算器層４０５に向けてドリフトする。
コレクター層４０８は、増幅器の接触層４０４よりも厚いとすることができ、その場合に、光電子は、コレクター層４０８の下の隠れたチャネルから直接アバランシェ乗算器層４０５に到着する。
また、隠れたチャネルの深さが、接触層４０４の厚みよりも浅い場合に、このチャネルを離れた光キャリアは、間隙領域４０９において接触層４０４の縁部から水平に伝播する電界で増倍することができる。
図５は、アバランシェ増幅器が光変換器の上面の下に位置する場合の本発明のＡＰＤの実施形態の断面図である。図６は、アバランシェ増幅器が光変換器の上面の下に位置付けられ、この増幅器と光変換器の間の間隙が誘電材料で充填され、この誘電材料が同様に光変換器及びコレクター層の面を覆い、更に、追加の透明電極が第１の電極及び誘電材料の上面に配置される場合の本発明のＡＰＤの実施形態の断面図である。
図５及び図６に示されているＡＰＤの実施形態は、それに応じたアバランシェ増幅器５０３及び６０３を有し、これらの増幅器の両方は、１つの側で絶縁間隙５１２及び６１２によってコレクター層５０８及び６０８、並びに光変換器５０２及び６０２から切り離される。従って、バッファ層５１５及び６１５は、アバランシェ増幅器５０３及び６０３と基板５０１及び６０１の間に配置される。図６に示されているＡＰＤは、誘電材料６１３の面が第１の電極６０６の上面に適合するように、絶縁間隙６１２が誘電材料６１３によって充填される点で異なっている。透明電極６１１が、第１の電極６０６及び誘電材料６１３の上面に存在し、それによってアバランシェ増幅器のマトリックスを基板６０１上に生成することが可能になる。
図５に示されているＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ型シリコン基板５０１を含むデバイスであり、光変換器５０２が、この基板上に位置し、この光変換器は、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ＋型シリコンから製作される。コレクター層５０８は、１０17ｃｍ-3から１０19ｃｍ-3の面濃度での同じ導電型のドーパントを使用してシリコン光変換器５０２の０．１μｍから１．０μｍの深さのイオンドーピングによって製作することができる。増幅器５０３は、１つの側で０．２μｍから１．０μｍの幅の絶縁間隙５１２によってコレクター層５０８及び光変換器５０２から分離している。好ましい間隙幅の値は、約０．８μｍ（±０．１μｍ）である。
増幅器は、２つの層、すなわち、エピタキシよって１０15ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された０．２μｍから５μｍの厚みの乗算器層５０５と、１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．２μｍから１．０μｍの深さの拡散によって製造された接触層５０４とを含む。５μｍから７μｍの厚みのバッファ層５１５は、エピタキシよって１０14ｃｍ-3から１０16ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作される。２つの電極は、０．５μｍから１．０μｍのアルミニウム層、アルミニウム及びシリコン層、又は０．０５μｍから１．０μｍの厚みを有するＭｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ膜の２又は３以上の層であり、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、電極５０７は、基板上に配置され、電極５０６は、アバランシェ増幅器の接触層上に配置される。
絶縁間隙５１２は、異方性エッチングによって（及び可能な場合に、この絶縁間隙の下縁部を丸めるための等方性エッチングにより）シリコンから製作することができる。縁部の丸め半径は、強電界領域におけるシリコン内の自由電荷キャリアのスプリアス振動を抑制するために０．２μｍより大きくしなければならない。
電極５０７に対する正の電圧が、電極５０６に印加される場合に、この電圧は、直列に接続したアバランシェ増幅器５０３及びその下のバッファ層５１５に印加され、これらの領域において電界が誘導される。これらの層が、例示的パラメータに従って実施される場合に、この電界の強度は、乗算器層５０５における自由電荷キャリアのアバランシェ増倍をトリガしてバッファ層５１５を完全に空乏化するのに十分である。その一方、この電界は、バッファ層５１５からこのバッファ層の側面のそばに位置する光変換器５０２に通過し、従って、空乏領域が、これらの領域に形成されながら、更に、光電子のための隠れたチャネルが、コレクター層５０８の下に形成される（図３ａを参照）。
光変換器５０２に到達する信号光１００は、吸収されて自由電荷キャリア、すなわち、電子及び正孔がこの光変換器において生成される。光変換器５０２において光によって生成された光電子は、隠れたチャネルに収集され、この隠れたチャネルに沿ってアバランシェ増幅器５０３に向けてドリフトする。光電子は、隠れたチャネルを離れた後、バッファ層５１５から通過している掃引電界によって取り込まれ、このバッファ層においてドリフトしてバッファ層を通過してアバランシェ乗算器層５０５に到着し、この乗算器層において増倍され、ＡＰＤ出力信号が生成され、その一方、正孔は、基板５０１内に移動する。
間隙５１２は、変換器−間隙干渉に従ってバッファ層５１５に向けられたポテンシャル勾配に起因して、隠れたチャネルを離れた光電子をドリフトするためのポテンシャル障壁になり得ないことに注意されたい。
光変換器５０２の下部において光によって生成された光電子は、バッファ層５１５から通過している掃引電界によって直接取り込むことができる。光変換器５０２の空乏領域の外側で光によって生成された光電子は、拡散に起因して光変換器の空乏領域に収集される。
図６に示されているＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ＋型シリコン基板６０１を含むデバイスであり、光変換器６０２が、この基板上に位置し、この光変換器は、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作される。コレクター層６０８は、１０17ｃｍ-3から１０19ｃｍ-3の面濃度での同じ導電型のドーパントを使用して、シリコン光変換器６０２の０．１μｍから０．５μｍの深さのイオンドーピングによって製作することができる。
アバランシェ増幅器６０３は、２つの層、すなわち、エピタキシよって１０15ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された５μｍから７μｍの厚みの乗算器層６０５と、１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．５μｍから１．０μｍの深さの拡散によって製造された接触層６０４とを含む。５μｍから７μｍの厚みのバッファ層６１５は、エピタキシよって１０14ｃｍ-3から１０16ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作される。アバランシェ増幅器６０３の外側面は、図５の間隙５１２に対するもののようなパラメータを有して誘電材料６１３で充填された絶縁間隙６１２によってコレクター層６０８及び光変換器６０２から分離している。この材料は、例えば、ＳiＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、酸窒化物、又は多層ＳiＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、酸窒化物、ホウ素ケイ酸塩、ホウ素リンケイ酸塩、リンケイ酸塩などとすることができる。誘電材料６１３は、コレクター層６０８及び接触層６０４の面上に位置し、誘電体層６１３の上面は、第１の電極６０６の面に適合する。透明電極６１１が、第１の電極６０６及び誘電体層６１３の上面に存在し、この透明電極は、例えば、２０ｎｍよりも小さい幅を有し、ＩＴＯ、ＺｎＯ、又はＮｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ又はＡｕから製作される。２つの接点が、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、０．５μｍから１．０μｍのアルミニウム膜、アルミニウム及びシリコン層、又は０．０５μｍから１．０μｍの厚みを有するＭｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ膜の２又は３以上の層である電極６０７が、基板上に配置され、例えば、モリブデン、又はＮｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ又はＡｕの２又は３以上の層である別の接点が、透明電極６０６に接触する。
絶縁間隙６１２を誘電材料（例えば、ＳｉＯ2）で充填することは、従来のプレーナ技術に起因してＡＰＤを製造することを実質的により容易にし、更に、シリコン面を不動態化してそれを安定化する。
また、光変換器６０２の誘電体カバー層６１３は、光変換器の半導体面を不動態化してそれを保護し、更に、反射防止コーティングを提供し、それによって変換器への光入力が改良される。
ＡＰＤの全面にわたって配置された単一透明電極６１１は、ＡＰＤを製造することをより容易にし、マトリックス型構造でＡＰＤを達成することを可能にし、この構造では、複数のアバランシェ増幅器６０３が、単一光変換器に浸漬され、この単一電極６１１によって電力を供給される。
図５に示されているＡＰＤと図６に示されているＡＰＤの間に実質的な機能的相違はなく、後者は、誘電材料６１３を含む。更に、この材料は、光変換器６０２、バッファ層６１５、及びアバランシェ増幅器６０３が製作される半導体の開放面の不動態化に起因してＡＰＤ性能の安定性を高めると共に、更に、信号光が存在しない場合に、これらの半導体における自由電荷キャリアの面振動を抑制する。
ＡＰＤが、１よりも多いアバランシェ増幅器６０３を用いて実施される場合に、これらの増幅器の間に配置された誘電材料６１３は、いわゆる「光結合」に起因した寄生ノイズを有意に抑制し、すなわち、１つの増幅器におけるアバランシェ増倍中に高温電荷キャリアによって放射された光子が、別の増幅器におけるアバランシェ増倍をトリガすることに注意されたい。誘電材料（例えば、ＳｉＯ2）、及び増幅器が製作される半導体（例えば、シリコン）は、異なる屈折率を有するので、これらは、光結合光子のための追加の反射境界を生成する。
図６に示されているＡＰＤは、このＡＰＤが、その面上に配置された透明電極６１１を含み、この電極が、１００オーム毎スクウェアより小さい抵抗を有するあらゆる導電材料（例えば、ＩＴＯ）から製作することができ、信号光１００に対して透明である点で、図５に示されているものと異なる。ＡＰＤの上面全体にわたって配置された単一透明電極６１１は、マトリックス型構造でＡＰＤを達成することを可能にし、この構造では、複数のアバランシェ増幅器６０３が、電極６１１の下で単一光変換器６０２上に等間隔で配置され、各増幅器が、光変換器の当接領域において光によって生成された光キャリアを増倍する。
コレクター層６０８が、高ドーピング密度、すなわち、０．１μｍの厚みの層に対して１０17ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有する場合に、このコレクター層は、光変換器の上に配置された透明電極６１１によって生成された垂直電界を遮蔽し、この電界が変換器の内部を通過できないようにする。この場合に、光キャリアは、図５に説明した通りに、変換器から収集されてアバランシェ増幅器６０３に移動する（上記参照）。
コレクター層６０８が、低ドーピング密度、すなわち、１０16ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3の間のドーピング密度を有する場合に、透明電極６１１によって生成された垂直電界は、コレクター層６０８を通過して誘電体層６１０の下に位置する光変換器６０９に進む。光変換器内の深いところで光によって生成された光キャリアは、垂直電界によって移動し、次に、コレクター層６０８に押圧され、この光キャリアは、下部の隠れたチャネルに収集され、次に、増幅器の下で変換器の領域から生じる水平方向掃引電界によって駆動され、隠れたチャネルに沿って増幅器に向けてドリフトする（図５参照）。
光変換器７０２の上面の上に位置するアバランシェ増幅器７０３を含むＡＰＤの実施形態の断面が図７に示されており、この増幅器は、コレクター層７０８の上面に位置する誘電体層７１０が増幅器７０３の外側面に当接する状態で増幅器を基板７０１から切り離すバッファ層７１５上に位置し、この実施形態はまた、増幅器の接触層７０４及び誘電体層７１０の上面に配置された透明電極７１１を含む。
図７に示されているＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ＋型シリコン基板７０１を含むデバイスであり、光変換器７０２が、この基板上に位置し、この光変換器は、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作される。コレクター層７０８は、１０16ｃｍ-3から１０19ｃｍ-3の面濃度での同じ導電型のドーパントを使用して、シリコン光変換器７０２の０．１μｍから１．０μｍの深さのイオンドーピングによって製作することができる。アバランシェ増幅器７０３は、この増幅器を基板７０１から切り離すバッファ層７１５の上に位置する。増幅器７０３は、２つの層、すなわち、エピタキシよって１０15ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された０．２μｍから５μｍの厚みの乗算器層７０５と、１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．１μｍから０．５μｍの深さの拡散によって製造された接触層７０４とを含む。コレクター層７０８の面上に位置する誘電材料７１０が存在し、この誘電体層の上面は、第１の電極７０６の面に適合する。透明電極７１１が、第１の電極７０６及び誘電体層７１０の上面に存在し、この透明電極は、例えば、２０ｎｍよりも小さい厚みを有し、インジウム及びスズＩＴＯ酸化物、ＺｎＯ酸化物、又は極薄Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ又はＡｕ膜から製作することができる。
２つの接点が、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、これらの接点は、典型的に、０．５μｍから１．０μｍの幅を有するＡｌ又はＡｌ及びＳｉ、又は０．０５μｍから１．０μｍの幅を有するＭｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌの層である電極７０７、及びＭｏ、又はＮｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ又はＡｕの層から構成される透明電極７１１との接点である。
バッファ層７１５は、アバランシェ増幅器７０３よりも０．５μｍから１．０μｍ広く、この増幅器に隣接するコレクター層の縁部が強電界領域から離れ、それ以外の場合にスプリアス振動が生じる可能性がある。
電極７０７に対する正の電圧が電極７０６に印加される場合に、この電圧は、直列に接続したアバランシェ増幅器７０３及びその下のバッファ層７１５に印加され、これらの領域において電界が誘導される。これらの層が、例示的パラメータに従って実施される場合に、この電界の強度は、乗算器層７０５における自由電荷キャリアのアバランシェ増倍をトリガしてバッファ層７１５を完全に空乏化するのに十分である。その一方、この電界は、バッファ層７１５からこのバッファ層の側面のそばに位置する光変換器７０２に通過し、従って、空乏領域が、これらの領域に形成されながら、更に、光電子のための隠れたチャネルがコレクター層７０８の下に形成される（図２を参照）。
光変換器７０２に到達する信号光１００は、吸収されて自由電荷キャリア、すなわち、電子及び正孔がこの光変換器において生成される。光変換器７０２において光によって生成された光電子は、隠れたチャネルに収集され、この隠れたチャネルに沿ってアバランシェ増幅器７０３に向けてドリフトする。光電子は、隠れたチャネルを離れた後、バッファ層７１５に到着し、更に、アバランシェ乗算器層２０５に到着し、この乗算器層において増倍されてＡＰＤ出力信号が生成され、その一方、正孔は、基板７０１内に移動する。光変換器７０２の空乏領域の外側で光によって生成された光電子は、拡散に起因して光変換器の空乏領域に収集される。
図２に示されているＡＰＤと図７に示されているＡＰＤの間にそれほど大きい機能的相違はなく、後者は、誘電体層７１０を含む。更に、この層は、光変換器７０２、バッファ層７１５、及びアバランシェ増幅器７０３が製作される半導体の開放面の不動態化に起因してＡＰＤ性能の安定性を高めると共に、更に、信号光が存在しない場合に、これらの半導体における自由電荷キャリアの面振動を抑制する。
ＡＰＤが、１よりも多いアバランシェ増幅器７０３を用いて実施される場合に、これらの増幅器の間に配置された誘電体層７１０は、いわゆる「光結合」に起因した寄生ノイズを有意に抑制し、すなわち、１つの増幅器におけるアバランシェ増倍中に高温電荷キャリアによって放射された光子が、別の増幅器におけるアバランシェ増倍をトリガすることに注意されたい。誘電材料（例えば、ＳｉＯ2）、及び増幅器が製作される半導体（例えば、シリコン）は、異なる屈折率を有するので、これらは、光結合光子のための追加の反射境界を生成する。
ＡＰＤの上面全体にわたって配置された単一透明電極７１１は、マトリックス型構造でＡＰＤを達成することを可能にし、この構造では、複数のアバランシェ増幅器７０３が、電極７１１の下で単一光変換器７０２上に等間隔で配置され、各増幅器が、光変換器の当接領域において光によって生成された光キャリアを増倍する。
図８に示されているＡＰＤ８０３の実施形態は、両方が同じ導電性基板８０１上で隣同士に位置する光変換器８０２及びアバランシェ増幅器８０３を含み、この増幅器は、接触層８０４及び乗算器層８０５を含む。アバランシェ増倍が生じている時に負のフィードバックを与え、１０5又はそれよりも大きい増倍率を提供するように設計された高抵抗材料層８１４が、接触層８０４の面上に存在する。２つの電極が、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、モリブデン膜である第１の電極８０６は、アバランシェ増幅器８０３の高抵抗材料層８１４上に配置され、アルミニウム膜である第２の電極８０７は、基板８０１上に配置される。
そのようなＡＰＤの例は、１０18ｃｍ-3よりも大きいドーピング密度を有するｐ＋型シリコン基板８０１と、エピタキシによって１０13ｃｍ-3から１０15ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された光変換器８０２と、２つの層を含むアバランシェ増幅器８０３とを含むデバイスであり、これら２つの層は、エピタキシによって１０15ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のドーピング密度を有するｐ型シリコンから製作された０．２μｍから０．５μｍの厚みの乗算器層８０５、及び１０18ｃｍ-3よりも大きい密度を有するｎ型ドーパントの０．５μｍから１．０μｍの深さの拡散によって製造された接触層８０４である。１５００オームセンチメートルよりも大きい抵抗率を有するＳｉＯＣ、ＳｉＣ、又はポリシリコンから製作された高抵抗材料層８１４が、接触層８０４の面上に存在する。２つの電極が、ＡＰＤを外部回路に接続するのに使用され、モリブデン膜である第１の電極８０６は、アバランシェ増幅器８０３の高抵抗材料層８１３上に配置され、アルミニウム膜である第２の電極８０７は、基板８０１上に配置される。
図１に示されているＡＰＤと図８に示されているＡＰＤの間の主な機能的相違点は、後者が、高抵抗層８１４に起因していわゆる「ガイガーモード」で作動させることができる点であり、これは、ある一定の実装形態に対して重要である場合がある。
このように本発明の異なる実施形態を説明したが、当業者には、説明した方法及び装置のある一定の利点が達成されたことが明らかであるはずである。本発明の様々な修正、適応、及び代替実施形態は本発明の範囲及び精神の範囲内で行うことができることも認めるべきである。本発明は、以下の特許請求の範囲によって更に定められる。
２０１ 基板
２０２ 光変換器
２０３ アバランシェ増幅器
２０５ 乗算器層
２０６ 第１の電極

Claims (24)

  1. アバランシェ光検出器（ＡＰＤ）であって、
    信号を自由電荷キャリアの電流に変換するための光変換器と、
    前記電流のための少なくとも１つのアバランシェ増幅器と、
    を含み、
    前記光変換器及び前記アバランシェ増幅器は、同じ基板上で隣同士に位置付けられ、かつ互いに直接に接触しており、
    前記アバランシェ増幅器は、接触層及び乗算器層を含み、
    前記乗算器層は、前記光変換器と同じ導電型の半導体から作られ、かつ１つの側で該光変換器に当接する前記基板に面しており、
    第１の電極が、前記アバランシェ増幅器の前記接触層上にあり、一方で第２の電極が、前記基板の底面上にある、
    ことを特徴とするアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）。
  2. アバランシェ光検出器（ＡＰＤ）であって、
    信号を自由電荷キャリアの電流に変換するための光変換器と、
    前記電流のための少なくとも１つのアバランシェ増幅器と、
    を含み、
    前記光変換器及び前記アバランシェ増幅器は、同じ基板上で隣同士に位置付けられ、
    前記アバランシェ増幅器は、接触層及び乗算器層、及び前記基板と該乗算器層の間のバッファ層を含み、
    前記バッファ層は、前記光変換器に当接し、かつそれと直接に接触しており、
    前記バッファ層は、前記光変換器と同じ導電型の半導体から作られ、
    第１の電極が、前記アバランシェ増幅器の前記接触層上にあり、第２の電極が、前記基板の底面上にある、
    ことを特徴とするアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）。
  3. 前記アバランシェ増幅器の前記乗算器層は、前記光変換器と同じ半導体から作られることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＡＰＤ。
  4. 前記バッファ層は、前記乗算器層及び光変換器と同じ半導体から作られることを特徴とする請求項２に記載のＡＰＤ。
  5. 前記バッファ層は、前記光変換器と同じ厚みを有することを特徴とする請求項２又は請求項４に記載のＡＰＤ。
  6. 前記アバランシェ増幅器は、前記乗算器層と前記接触層とによって形成されたＰ／Ｎ接合であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
  7. 前記光変換器の上面上のコレクター層、及び該コレクター層と前記アバランシェ増幅器の間の間隙を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
  8. 前記コレクター層は、前記光変換器と同じ導電型の半導体から作られることを特徴とする請求項７に記載のＡＰＤ。
  9. 前記コレクター層のドーピングレベルが、前記光変換器のドーピングレベルよりも高いことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のＡＰＤ。
  10. 前記コレクター層は、前記光変換器と同じ半導体から作られることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
  11. 電極に面する前記アバランシェ増幅器の前記接触層の面が、前記コレクター層及び光変換器の上面との連続体であることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
  12. 前記アバランシェ増幅器は、前記光変換器及びコレクター層の上面の下にあり、かつ該光変換器、該アバランシェ増幅器の前記接触層及び前記第１の電極の間に電気接続を形成しないことを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
  13. 前記アバランシェ増幅器は、前記光変換器及びコレクター層の上面の下に位置付けられ、かつ該コレクター層と該光変換器の間に電気接続を形成しないことを特徴とする請求項７に記載のＡＰＤ。
  14. 前記アバランシェ増幅器は、前記コレクター層の上面の下に位置付けられ、かつ該コレクター層との電気接続を形成しないことを特徴とする請求項７に記載のＡＰＤ。
  15. 前記アバランシェ増幅器と前記光変換器の間の誘電材料層を更に含むことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載のＡＰＤ。
  16. 前記アバランシェ増幅器と前記コレクター層の間の誘電材料層を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のＡＰＤ。
  17. 前記誘電材料層は、前記光変換器及びコレクター層の面を覆うことを特徴とする請求項１５に記載のＡＰＤ。
  18. 前記誘電材料層は、前記コレクター層の面を覆うことを特徴とする請求項１６に記載のＡＰＤ。
  19. 前記第１の電極と前記誘電材料層との上面上の追加の透明電極を更に含むことを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載のＡＰＤ。
  20. 前記アバランシェ増幅器の前記接触層の上面が、前記光変換器及びコレクター層の上面の上方にあることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
  21. 前記光変換器と前記コレクター層との上面上にあり、かつ前記アバランシェ増幅器の外側面に当接する追加の誘電体層を更に含むことを特徴とする請求項２０に記載のＡＰＤ。
  22. 前記第１の電極は、透明であり、かつ前記アバランシェ増幅器の前記接触層と前記誘電体層との上面上に置かれることを特徴とする請求項２１に記載のＡＰＤ。
  23. 前記アバランシェ増幅器の前記接触層と前記第１の電極の間の追加の高抵抗材料層を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
  24. 前記アバランシェ増幅器の第１の電極が、互いに電気的に接続されることを特徴とする請求項１から請求項２３のいずれか１項に記載のＡＰＤ。
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