JP7013120B2 - 光検出装置および光検出システム - Google Patents

Description

本発明は、光電変換を行う光検出装置および光検出システムに関する。

従来、アバランシェ（電子なだれ）倍増を利用し、単一光子レベルの微弱光を検出可能な光検出装置が知られている。特許文献１では、光電変換部を構成する半導体領域のＰＮ接合領域において、単一光子に起因する光電荷がアバランシェ増幅を起こすＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）を有する画素を開示している。また、特許文献１のＳＰＡＤは、光電変換部と消滅回路（クエンチ回路）とを分離するＤＴＩ構造を配することで、一つの画素を小型化し、複数の画素を配した場合の画素間のリーク電流を抑制している。

特開２０１４－２２５６４７号公報

特許文献１に記載のＳＰＡＤは、電荷を検出する領域となるＰＮ接合領域を半導体基板の表面付近に有する。光が入射した際に半導体基板の深部で生じた電荷は、拡散によってＰＮ接合領域へ移動する。そのため、半導体基板の深部で生じた電荷は半導体基板の表面で生じた電荷に比べて、電荷の発生からＰＮ接合領域に誘起されるまでに時間がかかってしまうおそれがある。

そこで、本発明は半導体基板の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を低減することが可能な光検出装置を提供する。

本発明は、第１面と、第１面と対向する第２面とを有する半導体基板と、信号電荷を多数キャリアとする第１半導体領域と、信号電荷と反対導電型の電荷を多数キャリアとする第２半導体領域とにより構成されるＰＮ接合を有する光電変換部と、半導体基板に埋め込まれた電極と、電極および半導体基板の間に配された誘電部材とを有する埋め込み部と、を有する光検出装置であって、第２半導体領域は、第１面に対して第１半導体領域よりも深い位置に配され、埋め込み部は、第１面から、第１面に対して第１半導体領域よりも深い位置まで配され、第１半導体領域と誘電部材の第１部分が接し、第２半導体領域と誘電部材の第２部分が接し、電極には、信号電荷が電子である場合には第２半導体領域に供給される電位以上の電位が供給され、信号電荷が正孔である場合には第２半導体領域に供給される電位以下の電位が供給されることを特徴とする。

半導体基板の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を低減することが可能となる。

光検出装置のブロック図 等価回路を含む画素のブロック図 光検出装置の断面模式図 線分ＣＤにおけるエネルギーバンド図 線分ＥＧにおけるポテンシャル構造図 光応答性能説明図 光検出装置の平面模式図および断面模式図 光検出装置の平面模式図および断面模式図 光検出装置の平面模式図 光検出装置の平面模式図 光検出装置の平面模式図 光検出システムのブロック図 光検出システムのブロック図

図１から図６を用いて、本発明に適用可能な光検出装置の実施形態を説明する。各図面において同じ符号が付されている部分は、同じ素子または同じ領域を指す。

図１は、本発明の実施形態の光検出装置１０のブロック図である。光検出装置１０は、画素部１０６、制御パルス生成部１０９、水平走査回路部１０４、列回路１０５、信号線１０７、垂直走査回路部１０３を有している。

画素部１０６には、画素１００が行列状に複数配されている。一つの画素１００は、光電変換素子１０１および画素信号処理部１０２から構成される。光電変換素子１０１は光を電気信号へ変換し、変換した電気信号を画素信号処理部１０２は列回路１０５に出力する。

垂直走査回路部１０３は、制御パルス生成部１０９から供給された制御パルスを受け、各画素１００に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１０３にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられる。

信号線１０７は、垂直走査回路部１０３により選択された画素１００から出力された信号を電位信号として画素１００の後段の回路に供給する。

列回路１０５は、信号線１０７を介して各画素１００の信号が入力され所定の処理を行う。所定の処理とは入力された信号のノイズ除去や増幅などを行い、センサ外部に出力する形に変換する処理である。例えば列回路には、パラレル－シリアル変換回路を有する。

水平走査回路部１０４は、列回路１０５で処理された後の信号を出力回路１０８へ順次出力するための制御パルスを列回路１０５に供給する。

出力回路１０８は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列回路１０５から出力された信号を光検出装置１０の外部の記録部または信号処理部に出力する。

図１において画素部１０６における画素１００の配列は１次元状に配されていてもよいし、単一画素のみから構成されていてもよい。また、垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０４、列回路１０５は、画素部１０６を複数の画素列をブロックに分けて、ブロック毎に配置してもよい。また、各画素列に配してもよい。

画素信号処理部１０２の機能は、必ずしも全画素に１つずつ設けられる必要はなく、例えば複数の画素１００によって１つの画素信号処理部１０２が共有され、順次信号処理が行われてもよい。また、画素信号処理部１０２は、光電変換素子１０１の開口率を高めるために、光電変換素子１０１と異なる半導体基板に設けられていてもよい。この場合、光電変換素子１０１と画素信号処理部１０２は、画素毎に設けられた接続配線を介して接続される。垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０４、信号線１０７および列回路１０５も上記のように異なる半導体基板に設けられていてもよい。

図２に本実施形態における等価回路を含む画素１００のブロック図の一例を示す。図２において、一つの画素１００は光電変換素子１０１および画素信号処理部１０２を有する。

光電変換素子１０１は、光電変換部２０１と制御部２０２を有する。

光電変換部２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。光電変換部２０１には、例えばフォトダイオードが用いられる。

光電変換部２０１のカソードにはアノードに供給される電位ＶＬよりも高い電位ＶＨに基づく電位が供給される。そして光電変換部２０１のアノードとカソードには、光電変換部２０１がアバランシェダイオードとなるような逆バイアスがかかるように電位が供給される。このような逆バイアスの電位を供給した状態で光電変換することで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増幅を起こしアバランシェ電流が発生する。

なお、逆バイアスの電位が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモード動作となる。ガイガーモード動作を用いて単一光子レベルの微弱信号を高速検出するフォトダイオードがＳＰＡＤである。

また、光電変換部２０１のアノードおよびカソードの電位差が、光電変換部２０１に生じた電荷がアバランシェ増幅を起こす電位差以上であって降伏電圧以下の電位差である場合には、アバランシェダイオードは線形モードになる。線形モードにおいて光検出を行うアバランシェフォトダイオードをアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ぶ。本実施形態において、光電変換部２０１はどちらのアバランシェダイオードとして動作してもよい。なお、アバランシェ増幅を起こす電位差については後述する。

制御部２０２は、高い電位ＶＨを供給する電源電圧と光電変換部２０１に接続される。制御部２０２は、光電変換部２０１で生じたアバランシェ電流の変化を電圧信号に置き換える機能を有する。さらに制御部２０２は、アバランシェ増幅による信号増幅時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、光電変換部２０１に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増幅を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。制御部２０２としては、例えば抵抗素子や、アバランシェ電流の増加を検出してフィードバック制御を行うことによりアバランシェ増幅を能動的に抑制する能動クエンチ回路を用いる。

画素信号処理部１０２は、波形整形部２０３、時間・デジタル変換回路２０４（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリ２０５、選択回路２０６を有する。

波形整形部２０３は、光子レベルの信号の検出時に得られる電圧変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部２０３としては、例えばインバータ回路が用いられる。また、波形整形部２０３として、インバータを一つ用いた例を示したが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよいし、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。

波形整形部２０３から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣ２０４によってデジタル信号に変換される。

ＴＤＣ２０４には、パルス信号のタイミングの測定に、図１の垂直走査回路部１０３から駆動線２０７を介して、制御パルスｐＲＥＦ（参照信号）が供給される。ＴＤＣ２０４は、制御パルスｐＲＥＦを基準として、波形整形部２０３を介して各画素から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。

ＴＤＣ２０４の回路には、例えばバッファ回路を直列接続して遅延をつくるＤｅｌａｙ Ｌｉｎｅ方式、Ｄｅｌａｙ Ｌｉｎｅをループ状につないだＬｏｏｐｅｄ ＴＤＣ方式などを用いる。その他の方式を用いてもよいが、光電変換部２０１の時間分解能と同等以上の時間分解能を達成できる回路方式である方がよい。

ＴＤＣ２０４で得られたパルス検出タイミングを表すデジタル信号は、１つまたは複数のメモリ２０５に保持される。

選択回路２０６には、図１の垂直走査回路部１０３から駆動線２０８を介して制御パルスｐＳＥＬが供給され、メモリ２０５と信号線１０７との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２０６には、例えばトランジスタや、画素外に信号を出力するためのバッファ回路などを用いる。

メモリ２０５が複数配された場合には、選択回路２０６に複数の信号を供給することで、メモリ２０５において保持したデジタル信号を信号線１０７に出力する際に、メモリ毎に信号線１０７への出力を制御することが可能である。

なお、制御部２０２と光電変換部２０１との間や、光電変換素子１０１と画素信号処理部１０２との間にトランジスタ等のスイッチを配して、電気的な接続を切り替えてもよい。同様に、制御部２０２に供給される高い電位ＶＨまたは光電変換素子１０１に供給される低い電位ＶＬの電位の供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。

図３は本実施形態の光検出装置１０の断面模式図である。本実施形態では、光電変換部２０１で生じる電荷対のうち信号電荷として用いられる電荷の極性を第１導電型と呼ぶ。また、第１導電型と反対導電型を第２導電型と呼ぶ。本実施形態では例として、第１導電型の電荷を電子とし、第１導電型と反対導電型の第２導電型の電荷を正孔として説明する
ただし、第２導電型の電荷を電子とし、第１導電型の電荷を正孔としてもよい。

半導体基板１１は、互いに対向する第１面と第２面とを有する。例えば、第１面は半導体基板１１の表面であり、第２面は半導体基板１１の裏面である。また、本実施形態において深さ方向は、第１面から第２面に向かって深いものとする。

信号電荷が多数キャリアであるＮ型半導体領域１（第１半導体領域）は半導体基板１１の第１面側に配されている。Ｐ型半導体領域２（第２半導体領域）は、Ｎ型半導体領域１よりも半導体基板１１の第１面に対して深い位置に配されている。Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域２はＰＮ接合を構成しており、光電変換部２０１を構成する。Ｎ型半導体領域１には、Ｐ型半導体領域２に供給される電位に対して逆バイアスとなる電位が供給される。このように光電変換部２０１に逆バイアスを供給することにより、ＰＮ接合間のＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域２との間に電界が発生する。

本実施形態ではＰＮ接合を構成するＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域２との間に生じた電界が充分大きくなるように、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域２の電位差を設定する。ここで、充分大きいとは、電界の影響を受けた電子がアバランシェ増幅を起こす大きさである。つまり光電変換部２０１がアバランシェダイオード（ＡＰＤまたはＳＰＡＤ）としての動作を実現するＮ型半導体領域１およびＰ型半導体領域２の電位差である。

Ｎ型半導体領域１の不純物濃度は、ＰＮ接合間にアバランシェ増幅を起こす電位差を供給した際にＮ型半導体領域１のすべての領域が空乏化しない不純物濃度に設定する。
具体的にはＮ型半導体領域１の不純物濃度は６．０×１０^１８［ａｔｍｓ／ｃｍ^３］以上であり、Ｐ型半導体領域２の不純物濃度は５．０×１０^１６［ａｔｍｓ／ｃｍ^３］以上である。これは、半導体基板１１の第１面に接するほど空乏層領域が広がると、半導体基板１１の第１面にノイズが生じるおそれがあるからである。ただし、これらの不純物濃度に限られない。

なお、上述の光電変換部２０１がアバランシェダイオード（ＡＰＤまたはＳＰＡＤ）としての動作を実現するＮ型半導体領域１およびＰ型半導体領域２の電位差とは、具体的には、６Ｖ以上である。

上述した不純物濃度関係を考慮すると、より好ましくは、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域２の電位差が１０Ｖ以上であり、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域２の電位差は３０Ｖ以下である。このとき、例えば、Ｎ型半導体領域１には、１０Ｖ以上３０Ｖ以下の電位が供給され、Ｐ型半導体領域２には－１０Ｖ以上０Ｖ以下の電位が供給される。ただし、電位差が６Ｖ以上であれば、これらの電位には限られない。

図３においてＰ型半導体領域２は一例として同一の不純物濃度からなる領域を示した。しかしＰ型半導体領域２は、半導体基板１１の第１面側に電荷が移動するようなポテンシャル構造になるように不純物濃度の勾配を有していてもよい。

例えば、第１面に対して深い位置から、浅い位置に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度の勾配を有している場合である。このとき例えば、Ｐ型半導体領域２は、第１領域と、第１面に対して第１領域よりも深い位置に配された第２領域と、第１面に対して第１領域および第２領域よりも深い位置に配された第３領域とを有する。そして、第１領域を第１不純物濃度としたときに、第２領域は第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度となる。そして第３領域は、第１不純物濃度および第２不純物濃度よりも高い第３不純物濃度となる。ただし、第３領域は、第１不純物濃度よりも低くかつ第２不純物濃度よりも高い第３不純物濃度としてもよい。

このような構成によれば、Ｐ型半導体領域２は、半導体基板１１の第１面に電荷が移動するようなポテンシャル構造になる不純物濃度の勾配となる。また、第３領域によって、複数の画素を同一の半導体基板１１に配した際に画素に生じ得る漏れ電荷を抑制することが可能となる。さらに、ＰＮ接合におけるＰ型半導体領域２の不純物濃度が、半導体基板１１の第１面に対してＰＮ接合よりも深い領域の不純物濃度よりも高くなっている。これにより、ＰＮ接合において、空乏層幅を狭くすることでＰＮ接合間に生じる電界の強度を上げることが可能となる。

なお、第１面に対してＮ型半導体領域１よりも浅い位置であって、平面視においてＮ型半導体領域１と重なる位置にＰ型半導体領域が配されない方がよい。このような構成によれば、半導体基板１１の表面で生じた不要電荷をアバランシェ増幅することを抑制することが可能となる。

Ｐ型半導体領域３（第４半導体領域）は、Ｐ型半導体領域２と電気的に接続されている。Ｐ型半導体領域３の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域２の不純物濃度よりも高くなっている。これによりＰ型半導体領域２とコンタクトプラグ１４を接続するよりも、Ｐ型半導体領域３とコンタクトプラグ１４を接続する方が接触抵抗を低くすることが可能となる。もっとも、Ｐ型半導体領域３を配さずにＰ型半導体領域２にコンタクトプラグ１４を配してもよい。

誘電部材７とＰ型半導体領域３の間には、Ｐ型半導体領域２が配されている方がよい。仮に、Ｐ型半導体領域３と誘電部材７とが接触していると、Ｐ型半導体領域３と電極６の間に電界集中が生じるためである。

半導体基板１１に埋め込まれた電極６および誘電部材７によって埋め込み部１２が形成されている。埋め込み部１２は、半導体基板１１の第１面から、Ｎ型半導体領域１が配される深さよりも深い位置まで配される。このとき、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域２のＰＮ接合によって形成される空乏層領域よりも深い位置に埋め込み部１２が形成される。

誘電部材７は、電極６と半導体基板との間に配されている。さらに、誘電部材７の第１部分は、Ｎ型半導体領域１と接しており、誘電部材７の第２部分はＰ型半導体領域２と接している。埋め込み部１２は例えばトレンチ構造（Ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ：ＤＴＩ）によって構成される。

電極６は、例えばＮ型もしくはＰ型のドープドポリシリコンや金属材料が用いられる。誘電部材７にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、固定電荷を含む誘電膜などが用いられる。固定電荷を含む誘電膜とは、例えば、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコン（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）である。

誘電部材７に固定電荷を含む材料を用いた場合の電極６およびＰ型半導体領域２の電位差と、固定電荷を含まない材料を用いた場合の電極６およびＰ型半導体領域２の電位差が同じ場合を説明する。このとき、固定電荷を含む材料を用いれば電極６およびＰ型半導体領域２との間にかかる電界の強度をより上げることが可能である。言い換えると、電極６およびＰ型半導体領域２の間の電界の強度を所定の値に設定する場合、誘電部材７に固定電荷を含む材料を用いれば電極６およびＰ型半導体領域２の電位差を少なくすることができる。つまり、低電圧化が可能となる。

なお、電極６の材料として近赤外光または可視光を吸収または反射するような材料を用いた場合には、アバランシェ増幅が生じた際に生じる光の周辺画素への侵入を抑制することが出来る。

電極６にはＰ型半導体領域２よりも高い電位を供給する。これにより電極６とＰ型半導体領域２との間には、電界が生じる。電極６とＰ型半導体領域２との間の電界の影響をうける領域である電極６の側面の誘電部材７と接する領域を以下では埋め込み部１２の側面付近の半導体領域とよぶ。

なお、信号電荷が正孔のときには、Ｐ型半導体領域２に対応する領域はＮ型半導体領域になるため、電極６にはＰ型半導体領域２に対応するＮ型半導体領域よりも低い電位を供給する。

この電界によって図３の点線矢印で示されるように半導体基板１１の深部で生じた光電荷（電子）が、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域へ移動する。詳細な理由については図４を用いて説明する。なお、半導体基板１１の深部とは例えばＮ型半導体領域１の下部のＰ型半導体領域２であって、ＰＮ接合よりも深い位置に配されている領域（例えば前述の第２領域）である。

さらに、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に移動した電子は、Ｎ型半導体領域１に移動する。または、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域でアバランシェ増幅を起こす。理由については図５を用いて説明する。

コンタクトプラグ１４は、Ｐ型半導体領域３に接続される。コンタクトプラグ１５は電極６に接続される。コンタクトプラグ１６は、Ｎ型半導体領域１に接続される。そして、配線部５は、コンタクトプラグ１４を介してＰ型半導体領域３に電位を供給する。配線部８はコンタクトプラグ１５を介して電極６に電位を供給する。配線部４はコンタクトプラグ１６を介してＮ型半導体領域１に電位を供給する。配線部４は、図２の制御部２０２に接続される。ここでは、Ｎ型半導体領域１に電気的に接続される配線部４と電極６に電気的に接続される配線部８とを異なる配線部としたが同一の配線部とすることで、配線の数を減らすことが可能となる。

なお、ここではＮ型半導体領域１に直接コンタクトプラグ１６を接続する構成を示したが、Ｎ型半導体領域１に電気的に接続したＮ型半導体領域を配して、そのＮ型半導体領域にコンタクトプラグ１６を形成してもよい。

図４は電極６、誘電部材７およびＰ型半導体領域２のエネルギーバンド構造を示している。図４を用いて、半導体基板１１の深部で生じた電子が埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に引き寄せられる理由について説明する。

図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）は、図３の線分ＣＤに沿った領域のエネルギーバンド図の例である。図４（ａ）、図４（ｂ）は信号電荷が電子の場合（電子増幅型）のエネルギーバンド図を示し、図４（ｃ）は信号電荷が正孔の場合（正孔増幅型）のエネルギーバンド図を示す。図４において、図面の下方向を電位Ｖの正方向とする。なお、信号電荷が逆極性の場合に、数式の不等号は逆となる。

また、電位Ｖｔは電極６に供給された電位を示し、仕事関数φｔは電極６の仕事関数を示す。電位Ｖ２はＰ型半導体領域２に供給された電位を示し、仕事関数φ２はＰ型半導体領域２の仕事関数を示す。さらに差分ΔＶｅｆｆ＝（φ２－φｔ）は、電極６とＰ型半導体領域２とが接した際の真空準位の差分を示す。

図４（ａ）は、電位Ｖｔと電位Ｖ２を同電位としたときのエネルギーバンド図である。埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に電子が引き寄せられるための条件は、電極６の真空準位とＰ型半導体領域２の真空準位との差分ΔＶｅｆｆ＝（φ２－φｔ）が、正の値となることである。Ｐ型半導体領域２と電極６は、各々の仕事関数に差分があるため、真空準位に差分が生じる。埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に電子が引き寄せられるための真空準位の差分の条件は、数式１となる。
（φ２－φｔ）≧０ …数式１

数式１によれば埋め込み部１２の側面付近の半導体領域で生じた電子は、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に引き寄せられる。しかし、半導体基板１１の深部で生じた電子を埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に引き寄せるためには、電極６の電位をＰ型半導体領域２の電位よりも高くしたほうがよい。

次に電極６の電位をＰ型半導体領域２の電位よりも高くした構成を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）において、半導体基板１１の深部で生じた電子が埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に引き寄せられるための条件は、数式２である。また、数式３は数式２を変形した式である。
（Ｖｔ－φｔ）－（Ｖ２－φ２）≧０ …数式２
（Ｖ２－φ２）≦（Ｖｔ－φｔ） …数式３

数式１と数式３の条件を満たす場合には数式１のみを満たす場合よりも、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に電子が移動しやすくなる。埋め込み部１２の側面付近の半導体領域から離れた領域に生じた電荷も、電極６とＰ型半導体領域２との間に生じた電界によって引き寄せられるからである。ただし、電極６の電位をＰ型半導体領域２の電位以上にすれば、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に電子が引き寄せられるという効果を生ずる。

次に信号電荷が正孔である場合について説明する。信号電荷が正孔である場合には、Ｐ型半導体領域２に対応する領域はＮ型半導体領域となる。そのため、図３の線分ＣＤに沿った領域のエネルギーバンド図は図４（ｃ）となる。図４（ｃ）において、半導体基板１１の深部で生じた正孔が埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に引き寄せられるためには、電極６に供給される電位をＰ型半導体領域２に対応するＮ型半導体領域に供給される電位よりも低い電位とする。ただし電極６の電位をＰ型半導体領域２に対応するＮ型半導体領域の電位以下にすれば、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に正孔が引き寄せられるという効果を生ずる。

図５を用いて、半導体基板１１の深部で生じた信号電荷の移動経路を説明するためのポテンシャル構造を示す。図５は、図３に示される断面模式図の線分ＥＨにおけるポテンシャル構造図の一例である。ここでは、信号電荷である電子からみたポテンシャルを示す。なお、信号電荷が正孔である場合にはポテンシャルの向きが逆になる。図５では前述した数式３の条件を満たしているものとして説明する。図５の説明において、電位Ｖ１はＮ型半導体領域１に供給された電位を示し、仕事関数φ１はＮ型半導体領域１の仕事関数を示す。

図５は、線分ＥＧにおけるポテンシャル構造の一例である。図５において、点線１７は、数式４の条件を満たす場合の線分ＥＨのポテンシャル構造であり、実線１８は、数式５の条件を満たす場合の線分ＥＨのポテンシャル構造である。
（Ｖ２－φ２）≦（Ｖｔ－φｔ）＜（Ｖ１－φ１） …数式４
（Ｖ２－φ２）＜（Ｖ１－φ１）≦（Ｖｔ－φｔ） …数式５

また図５において、各位置（Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ）の定義および各ポテンシャルの高さ（ＸＨレベル、Ｈレベル、Ｌレベル、ＸＬレベル）の定義を以下に示す。

位置Ｅは、Ｐ型半導体領域２に属する位置であって、電極６の側面から離れた任意の位置である。位置Ｆは、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域の位置である。位置Ｇは、Ｐ型半導体領域２とＮ型半導体領域１とのＰＮ接合領域付近の位置である。位置Ｈは、Ｎ型半導体領域１に属する位置である。

ＸＨレベルのポテンシャルの高さはＰ型半導体領域２のポテンシャルの高さを示す。Ｈレベルのポテンシャルの高さは、数式４の条件を満たす場合の埋め込み部１２の側面付近の半導体領域のポテンシャルの高さを示す。Ｌレベルのポテンシャルの高さは、数式５の条件を満たす場合の埋め込み部１２の側面付近の半導体領域のポテンシャルの高さまたは数式４の条件を満たす場合のＰＮ接合領域付近のポテンシャルの高さを示す。ＸＬレベルは、Ｎ型半導体領域１のポテンシャルの高さを示す。

点線１７では、位置Ｅから位置Ｆの前までは、ほぼＸＨレベルのポテンシャルの高さとなる。位置Ｆに近づくとＸＨレベルのポテンシャルの高さが徐々に下がりＨレベルのポテンシャルの高さとなる。位置Ｆから位置Ｇの前までは、ほぼＨレベルのポテンシャルの高さとなる。位置Ｇに近づくとＨレベルのポテンシャルの高さが、急峻に下がり、Ｌレベルのポテンシャルの高さとなる。位置Ｇから位置Ｈまでに、Ｌレベルのポテンシャルの高さがＸＬレベルのポテンシャルの高さまで下がる。

点線１７のように数式４の条件を満たすとき、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域から離れたＰ型半導体領域２で発生した電子は、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に電界によって引き寄せられる。

埋め込み部１２の側面付近の半導体領域はＰ型半導体領域２によって構成されている。そのため、Ｐ型半導体領域２が不純物濃度の勾配を有している場合には、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に移動した電荷が埋め込み部１２の側面付近の半導体領域を通って、Ｎ型半導体領域１に向かって移動する。電子がＮ型半導体領域１に近づくと位置Ｆにおける電界よりも強い電界を受けてアバランシェ増幅を起こす。

なお、図５において位置Ｅのポテンシャルの高さよりも位置Ｆのポテンシャルの高さの方が低くなっている。これは、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域から離れたＰ型半導体領域２よりも埋め込み部１２の側面付近の半導体領域の方が、電界によってポテンシャルの高さが低くなることを示している。

同様に位置Ｆのポテンシャルの高さよりも位置Ｇの前のポテンシャルの高さの方が低くなっている。これは埋め込み部１２の側面付近の半導体領域において、半導体基板１１の深部の領域より浅部の領域の方が、ポテンシャルの高さが徐々に低くなることを示している。つまり、Ｐ型半導体領域２が不純物濃度の勾配を有していることを示す。

次に実線１８では、位置Ｅから位置Ｆの前までに、ＸＨレベルのポテンシャルの高さからＨレベルのポテンシャルの高さまで下がる。位置Ｆに近づくとポテンシャルの高さが急峻に下がり、Ｌレベルのポテンシャルの高さとなる。位置Ｆを過ぎると、Ｌレベルのポテンシャルの高さがＸＬレベルのポテンシャルの高さまで下がる。そして位置ＧとＨではＸＬレベルのポテンシャルの高さとなる。

実線１８のように数式５の条件を満たすとき、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に配されたＰ型半導体領域２には反転層が形成される。このとき形成される反転層はＮ型半導体領域１と電気的に接続する。特に電極６に供給される電位Ｖｔが十分大きい場合でＰ型半導体領域２との電位差が大きく強反転状態になっている場合には、反転層には高濃度の電子が集まる。そのため、実線１８の場合にはＰ型半導体領域は不純物濃度の勾配を有していなくてもよい。

前述したようにＮ型半導体領域１と誘電部材７の一部とが接している。そのため、反転層とＮ型半導体領域１とは、電気的に接続されて同電位となり、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に形成された反転層のポテンシャルの高さがＮ型半導体領域１のポテンシャルの高さと同等となる。

実線１８において半導体基板１１の第１面に対して深い位置で発生した電子は、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域から離れたＰ型半導体領域２（位置Ｅ）から埋め込み部１２の側面付近の半導体領域（位置Ｆ）に引き寄せられる。これは埋め込み部１２とＰ型半導体領域２の間に生じる電界よりも弱い電界によるものである。埋め込み部１２の側面付近の半導体領域（位置Ｆ）に近づくと、位置Ｅにおける電界よりも強い電界を受けて電荷がアバランシェ増幅を起こす。

言い換えると反転層およびＰ型半導体領域２の間に生じる強電界によって、反転層においてアバランシェ増幅がおこる。この時発生したアバランシェ電流は、反転層を介してＮ型半導体領域１に流入する。そして図２の制御部２０２に接続された配線部４を介して信号として出力される。

以上のことから数式５を満たす場合、アバランシェ増幅が起こる強電界は、半導体基板１１の第１面付近のＰＮ接合の強電界だけでなく、誘電部材７に接する、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に生じる反転層とＰ型半導体領域２との間にも生じる。

点線１７のようなバイアス条件によれば、半導体基板１１の深部で生じた電荷が半導体基板１１の第１面付近に生じたＰＮ接合に移動するまでにかかる時間を減らすことが可能となり、電荷の検出にかかる時間を減らすことが可能となる。

さらに、実線１８のようなバイアス条件によれば、埋め込み部１２の側面付近の半導体領域に誘起される反転層とＮ型半導体領域１とが電気的に接続されている。そのため、反転層とＮ型半導体領域１とが同電位となる。そして、半導体基板１１の深部で生じた電荷が半導体基板１１の第１面付近に配されたＰＮ接合に移動しなくても埋め込み部１２の側面付近の半導体領域においてアバランシェ増幅を起こすことが可能となる。そのため電荷の検出にかかる時間を点線１７よりも減らすことが可能となる。

また、実線１８の場合には強電界が反転層とＰ型半導体領域２との間に生じるため、電極６とＰ型半導体領域２との間に配された誘電部材７にかかる実効電位が（Ｖｔ－φｔ）－（Ｖ１－φ１）程度となる。このような構成によれば、誘電部材７の絶縁破壊を抑制しつつ強電界を発生させることが可能である。

なお、特開２０１４－２２５６４７号公報に記載された従来の構成では、ＰＮ接合を構成するＮ型半導体領域と、埋め込み部に含まれる誘電部材とが電気的に接していない。その場合にはＰＮ接合を構成するＰ型半導体領域と埋め込み部との間に電界をかけても半導体基板の深部に生じた電荷を、アバランシェ増幅を起こす領域であるＰＮ接合領域に効率的に引き寄せることができない。さらに、半導体基板の第１面側にあるＰＮ接合領域に生じた強電界は、半導体基板の深部において電界が弱まる。

そのため半導体基板１１の深部で発生した信号電荷は、ドリフトではなく拡散によって半導体基板をランダムに動き回り、電荷の検出に時間がかかるおそれがある。

次に図６の光検出頻度分布図を用いて、特開２０１４－２２５６４７号公報に記載された従来の構成を用いた光検出装置と、本実施形態の光検出装置１０を比較する。図６は、半導体基板１１で生じた電荷が検出されるまでの時間に対する電荷検出量を示す光応答性能（時間ばらつきに対する性能）を示したものである。図６の横軸は、光電変換素子１０１が光子を受けてから信号の検出が終了するまでの時間を示す。縦軸は光が入射した際に生じた電荷対のうち信号電荷の時間に対する電荷の検出量の統計的な確率分布を示す。

点線１９は、前述の従来の構成を用いた光検出装置の信号電荷の検出頻度分布を示し、実線２０は、本実施形態の構成を用いた光検出装置１０の信号の検出頻度分布を示す。なお図６において、最頻値でのピークの広がりは、信号のタイミングを読み取る画素信号処理部１０２の誤差等を含む。

点線１９は時刻Ｔ１にピークとなる。その後、時間がかかる方向（グラフの右側）に、頻度分布の緩やかな傾きが長く続く部分が現れる。これは、一般にＤｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｔａｉｌ（以下、ＤＴ）と呼ばれる。ＤＴは半導体基板の深部で生じた電荷が時間をかけて半導体基板１１の第１面付近に配されたＰＮ接合に到達するため、半導体基板の浅部で生じた電荷に対して大きなタイムラグを伴って検出されることに起因する。

このＤＴは、深部で電荷が発生するような波長帯域（表面照射型なら赤外光、裏面照射型なら短波長から長波長まで全て）の光を検出する際に特に顕著になる。なお、ここでは表面照射型は第１面から光が入射し、裏面照射型は第２面から光が入射するものとする。

このように点線１９では、半導体基板１１の深部で発生した信号電荷の検出に時間がかかるおそれがある。そのため、半導体基板の深部で電荷が発生する確率が無視できないような波長の光を受けた場合、受光してから信号電荷の検出が終了するまでのタイムラグが長くなってしまう場合が生じ、光検出の時間分解能が低下してしまうおそれがある。

一方、実線２０で示された頻度分布は、時刻Ｔ１よりも前の時刻である時刻Ｔ０で最頻値のピークを有する。さらに、最頻値のピークが点線１９よりも高いピークとなる。また実線２０では、ＤＴの広がり方が少ない。

これは実線２０の場合には、半導体基板１１の電荷の検出速度が、点線１９に比して速いため、点線１９において表層付近に配されたＰＮ接合領域に電荷が到達するためにかかっていた時間を減らすことができるからである。

そのため、点線１９の時刻Ｔ１以降に検出していた電荷を実線２０では、時刻Ｔ０付近で検出することが可能となり、時刻Ｔ０付近で検出する電荷の量も多くなる。

さらに実線２０では、点線１９に対して半導体基板１１の深部で生じた電荷の検出にかかる時間を減らすことが可能となり、ＤＴの広がりが抑えられる。

以上のように、本実施形態の光検出装置１０を用いることで、従来の光検出装置に比べて、半導体基板１１の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。そして、半導体基板１１の第１面で生じた電荷と半導体基板１１の深部で生じた電荷とで電荷が検出されるまでの時間のばらつきを抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では表面照射型と裏面照射型のいずれでも構わない。表面照射型の場合には赤外光が入射した場合において、半導体基板１１の第１面で生じた電荷と半導体基板１１の深部で生じた電荷との電荷が検出されるまでの時間のばらつきの抑制が顕著である。また裏面照射型の場合には、青色光が入射した場合において、半導体基板１１の第１面で生じた電荷と半導体基板１１の深部で生じた電荷とで電荷が検出されるまでの時間のばらつきの抑制が顕著となる。

（実施例１）
図７（ａ）、図７（ｂ）は、本発明の実施例１における光検出装置１０の平面模式図および断面図である。図１～６と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図７（ａ）は、本実施例の光検出装置１０の平面模式図を示す。光検出装置１０において、半導体基板１１には、Ｎ型半導体領域１、誘電部材７、電極６、Ｐ型半導体領域２、Ｐ型半導体領域３が配されている。

平面視において、Ｎ型半導体領域１は、埋め込み部１２に内包されるように配され、埋め込み部１２は、第２半導体領域２に内包されるように配されている。

図７（ａ）では、平面視において、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域２の間のすべての領域が埋め込み部１２となっている。しかし、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域２の間の一部に埋め込み部１２が設けられておらず、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域２とが埋め込み部１２が設けられていない部分で接していてもよい。

この場合、Ｎ型半導体領域１の端部とＰ型半導体領域２との間に電界集中が生じるおそれがある。そのため、Ｎ型半導体領域１の端部を構成するＮ型半導体領域１の側面および底面の一部に、ガードリングを設けた方がよい。ガードリングを設けることにより、端部に生じる電界集中を抑制することが可能である。例えば、ガードリングはＮ型半導体領域１よりも不純物濃度の低いＮ型半導体領域または素子分離部で構成される。これは以下の実施例においても同様である。

埋め込み部１２において、平面視で電極６は、２つの誘電部材７に内包されるように配されている。

平面視でＰ型半導体領域３は、Ｐ型半導体領域２に電気的に接続されるように配されている。また、Ｐ型半導体領域３は、Ｐ型半導体領域２と電気的に接続していれば半導体基板１１の第２面側に配してもよい。

なお、Ｎ型半導体領域１は本実施例のように平面視において角が丸くなるように配したほうがよい。このような形状によれば、角に生じる電界集中を抑制することが可能となる。

図７（ｂ）は、図７（ａ）の線分Ａ―Ｂに沿った光検出装置１０の断面模式図の一例である。図７（ｂ）では、図３と異なる点について説明する。

図７（ｂ）では、Ｎ型半導体領域１に対して半導体基板１１の深さ方向に配されたＰ型半導体領域２の一部を囲むように埋め込み部１２が配されている。このような構成によれば、埋め込み部１２の誘電部材７とＰ型半導体領域２が接する表面積が多くなる。そして半導体基板１１の深部で生じた電荷を引き寄せる埋め込み部１２の側面付近の半導体領域の表面積が広くなる。さらに、複数の光電変換素子１０１が配された場合に周囲の光電変換素子１０１への電荷の拡散移動を抑制することができる。このとき、画素間の電荷混色を抑制することが可能である。

図７（ｂ）において、埋め込み部１２は第１面に対して最も深い位置に配された領域である底部２４と、Ｐ型半導体領域２に接する側面と、底部２４および側面と連続した端部２５を有している。さらに底部２４および端部２５と接するようにＮ型半導体領域９（第３半導体領域）が配される。

このような構成によれば、電極６に電位を供給すると端部２５に生じる電界集中を抑制することが可能である。そして、電界集中部で不純物準位を介したトンネル電流などが増加することによる、暗信号の増加を抑制することが可能である。

本実施例の構成においても、半導体基板１１の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。

（実施例２）
図８は、本発明の実施例２における光検出装置１０の平面模式図および断面図である。図１～７と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図８（ａ）は本実施例の光検出装置の平面模式図である。図８（ａ）は、図７（ａ）に対して半導体基板１１の第１面側にＰ型半導体領域３が配されていない点で異なる。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の線分ＪＫに沿った断面模式図である。図８（ｂ）は、図７（ｂ）に対して、埋め込み部１２が半導体基板１１の第１面から、半導体基板１１の第２面まで延在して配されている点で異なる。図８（ｂ）は、電極６および誘電部材７が半導体基板１１の第１面から、半導体基板１１の第２面まで配されている。

このような構成によれば、複数の光電変換素子１０１を配した際に光電変換素子１０１毎の分離性能を向上することが可能となる。そして電荷の混色およびアバランシェ発光に起因する混色を抑制することが可能となる。

さらに図８（ｂ）は、Ｎ型半導体領域１とＰＮ接合を構成するＰ型半導体領域２に電位を供給するためのＰ型半導体領域３が半導体基板１１の第２面側に配され、コンタクトプラグ１４と配線部５が半導体基板１１の第２面に配される。そして、Ｐ型半導体領域２およびＰ型半導体領域３に供給される電位が半導体基板１１の第２面側から供給される。

このような構成によれば、Ｐ型半導体領域２に電位を供給するためのコンタクトプラグを接続するために半導体基板１１の第１面側にＰ型半導体領域３を配する必要がなくなる。そして、光電変換素子１０１の面積を小さくすることが可能であり、画素１００の集積度を高めることができる。

本実施例の構成においても、半導体基板１１の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。

（実施例３）
図９は本発明の実施例３における光検出装置１０の平面模式図である。図１～８と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図９は、図７（ａ）に対して埋め込み部１２の配置が異なる。図９では、平面視において、Ｎ型半導体領域１は凹部を有しており、Ｎ型半導体領域１はＰ型半導体領域２に内包されるように配される。さらに平面視で、凹部に埋め込み部１２の少なくとも一部が配されている。

図９では、埋め込み部１２の一部がＮ型半導体領域１に接していれば、埋め込み部１２の形状を自由に延伸して、より広い平面領域で深部の光電荷を収集することが可能である。なお、本実施例において埋め込み部１２を複数配してもよい。

本実施例の構成においても、半導体基板１１の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。本実施例は、その他の実施例にも適応することができる。

（実施例４）
図１０および図１１は本発明の実施例４における光検出装置１０の平面模式図である。図１～９と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１０において、平面で、埋め込み部１２は、Ｎ型半導体領域１に内包されるように配され、Ｎ型半導体領域１は、Ｐ型半導体領域２に内包されるように配されている。

図１１は図１０の変形であり、平面視で複数の埋め込み部１２がＮ型半導体領域１に内包される構成である。このような構成によれば、図１０に比べて、さらに半導体基板１１の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。

本実施例の構成においても、半導体基板１１の深部で生じた電荷を検出するまでにかかる時間を減らすことが可能となる。本実施例は、その他の実施例にも適応することができる。

（実施例５）
本実施例では、各実施例の光検出装置１０を用いた光検出システムの一例を説明する。図１２を用いて光検出システムの一例である不可視光検出システムおよびＰＥＴ等の医療診断システムについて説明する。図１～図１１と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１２は、不可視光検出システムの構成を説明するブロック図である。不可視光検出システムは、波長変換部１２０１、データ処理部１２０７を有し、光検出装置１０を複数有する。

照射物１２００は、不可視光となる波長帯の光を照射する。波長変換部１２０１は、照射物１２００から照射された不可視光となる波長帯の光を受光し、可視光を照射する。

波長変換部１２０１から照射された可視光が入射された光電変換部２０１は光電変換し、制御部２０２、波形整形部２０３、ＴＤＣ２０４を介して、光検出装置１０は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２０５に保持する。複数の光検出装置１０は、一つの装置として形成されていてもよいし複数の装置が配列することで形成されてもよい。

複数の光検出装置１０のメモリ２０５で保持された複数のデジタル信号は、データ処理部１２０７によって信号処理が行われる。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う。

次に不可視光検出システムの具体的な例としてＰＥＴ等の医療診断システムの構成について説明する。

照射物１２００である被験者は、生体内から放射線対を放出する。波長変換部１２０１は、シンチレータを構成し、シンチレータは、被験者から放出された放射線対が入射すると可視光を照射する。

シンチレータから照射された可視光が入射された光電変換部２０１は光電変換し、制御部２０２、波形整形部２０３、ＴＤＣ２０４を介して、光検出装置１０は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２０５に保持する。つまり、光検出装置１０は、被験者から放出された放射線対の到達時間を検出するために配され、シンチレータから照射された可視光を検出し、デジタル信号をメモリ２０５に保持する。

複数の光検出装置１０のメモリ２０５で保持されたデジタル信号は、データ処理部１２０７において信号処理される。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像を用いて画像再構成などの合成処理を行い、被験者の生体内の画像の形成を行う。

（実施例６）
本実施例では、各実施例の光検出装置１０を用いた光検出システムの一例を説明する。図１３では、本実施例では光検出システムの一例である距離検出システムついて説明する。図１～図１２と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１３を用いて、本実施例の距離検出システムのブロック図の一例を説明する。距離検出システムは、光源制御部１３０１、発光部１３０２、光学部材１３０３、光検出装置１０、距離算出部１３０９を有している。

光源制御部１３０１は発光部１３０２の駆動を制御する。発光部１３０２は、光源制御部１３０１から信号を受けた際に、撮影方向に対して短パルス（列）の光を照射する。

発光部１３０２から照射された光は、被写体１３０４に反射する。反射光は光学部材１３０３を通して、光検出装置１０の光電変換部２０１で受光し、光電変換された電荷に基づく信号が波形整形部２０３、を介してＴＤＣ２０４に入力される。

ＴＤＣ２０４は、光源制御部１３０１から得られる信号と、波形整形部２０３から入力された信号とを比較する。そして、発光部１３０２がパルス光を発光してから被写体１３０４を反射した反射光を受光するまでの時間を高精度にデジタル変換する。ＴＤＣ２０４から出力されたデジタル信号は、メモリ２０５に保持される。

距離算出部１３０９は、メモリ２０５に保持された複数回測定分のデジタル信号を元に、光検出装置から被写体までの距離を算出する。

この距離検出システムは例えば車載に適用することができる。

１ Ｎ型半導体領域
２ Ｐ型半導体領域
３ Ｐ型半導体領域
６ 電極
７ 誘電部材
１１ 半導体基板
１６ コンタクトプラグ

Claims (21)

1. 第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体基板と、
   前記半導体基板内に配され且つ信号電荷と同じ第１極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記半導体基板内に配され且つ第２極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の第２半導体領域とにより構成されるＰＮ接合を有する光電変換部と、
   前記半導体基板に埋め込まれた電極と、前記電極および前記半導体基板の間に配された誘電部材とを有する埋め込み部と、を有する光検出装置であって、
   前記第２半導体領域は、前記第１面に対して前記第１半導体領域よりも深い位置に配され、
   前記埋め込み部は、前記第１面から、前記第１面に対して前記第１半導体領域よりも深い位置まで配され、
   前記第１半導体領域と前記誘電部材の第１部分が接し、
   前記第２半導体領域と前記誘電部材の第２部分が接し、
   前記誘電部材の側面付近の前記第２半導体領域に反転層が形成されるように、前記電極には、前記信号電荷が電子である場合には前記第２半導体領域に供給される電位以上の電位が供給され、前記信号電荷が正孔である場合には前記第２半導体領域に供給される電位以下の電位が供給され、
   前記光電変換部と電源電圧との間に配され、前記第１半導体領域に供給される電位を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、クエンチ回路を含むことを特徴とする光検出装置。
2. 前記第１半導体領域に電位を供給するコンタクトプラグが、前記第１半導体領域に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記第１半導体領域に供給される電位と前記第２半導体領域に供給される電位との電位差が、６Ｖ以上にな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。
4. 前記第１半導体領域に供給される電位と前記第２半導体領域に供給される電位との電位差が、降伏電圧より大きくなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検出装置。
5. 前記第１半導体領域に供給される電位と前記第２半導体領域に供給される電位との電位差が、降伏電圧以下であることを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
6. 前記光電変換部は、アバランシェダイオードを構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光検出装置。
7. 前記埋め込み部は、
   前記ＰＮ接合によって生じる空乏層領域よりも深い位置まで配されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光検出装置。
8. 前記埋め込み部は、
   前記第１面に対して最も深い位置に配された領域である底部と、
   前記第２半導体領域に接する側面と、
   前記底部および前記側面と連続した端部と、を有し、
   前記底部および前記端部が、前記第１導電型の第３半導体領域に接していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光検出装置。
9. 前記埋め込み部は、前記第１面から前記第２面まで延在して配されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光検出装置。
10. 前記第１面に対して前記第１半導体領域よりも浅い位置であって、かつ、平面視で前記第１半導体領域と重なる位置に前記第２導電型の半導体領域が配されないことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光検出装置。
11. 前記第２半導体領域は、
    第１不純物濃度の領域である第１領域と、
    前記第１面に対して前記第１領域よりも深い位置に配され、前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度の領域である第２領域と、
    前記第１面に対して前記第１領域および前記第２領域よりも深い位置に配され、前記第１不純物濃度および前記第２不純物濃度よりも高い第３不純物濃度である第３領域と、
    を含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光検出装置。
12. 前記第１半導体領域に供給される電位Ｖ１と、前記第２半導体領域に供給される電位Ｖ２と、前記電極に供給される電位Ｖｔと、前記第１半導体領域の仕事関数φ１と、前記第２半導体領域の仕事関数φ２と、前記電極の仕事関数φｔとは、前記信号電荷が電子の場合に数式Ｃを満たし、前記信号電荷が正孔の場合に数式Ｄを満たすことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光検出装置。
    Ｖ２－φ２＜Ｖ１－φ１≦Ｖｔ－φｔ …数式Ｃ
    Ｖ２－φ２＞Ｖ１－φ１≧Ｖｔ－φｔ …数式Ｄ
13. 平面視において、
    前記第１半導体領域は、前記埋め込み部に内包されるように配され、
    前記埋め込み部は、前記第２半導体領域に内包されるように配されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光検出装置。
14. 平面視において、
    前記第１半導体領域は凹部を有し、
    前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域に内包されるように配され、
    前記凹部に、前記埋め込み部の少なくとも一部が配されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光検出装置。
15. 平面視において、
    前記埋め込み部は、前記第１半導体領域に内包されるように配され
    前記第１半導体領域は、前記第２半導体領域に内包されるように配されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光検出装置。
16. 前記第２半導体領域に電気的に接続され、前記第２導電型であって、
    前記第２半導体領域よりも不純物濃度の高い第４半導体領域が、前記第１面または前記第２面に接するように配されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光検出装置。
17. 前記誘電部材は、固定電荷を含む材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光検出装置。
18. 前記電極は、前記半導体基板に流れるアバランシェ電流に起因して発生する赤外光の少なくとも一部を吸収または反射する材料であることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光検出装置。
19. 前記第１半導体領域に電位を供給するコンタクトプラグと、前記第２半導体領域に電位を供給するコンタクトプラグと、前記電極に電位を供給するコンタクトプラグと、が前記半導体基板の前記第１面に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の光検出装置。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載の光検出装置を複数有する光検出システムであって、
    第１波長帯の光を前記第１波長帯と異なる第２波長帯の光に変換する波長変換部と、
    前記光検出装置に保持された複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う信号処理手段と、を有し、
    前記波長変換部から出力された前記第２波長帯の光が前記光検出装置に入射するように構成されていることを特徴とする光検出システム。
21. 請求項１から１９のいずれか１項に記載の光検出装置を有する光検出システムであって、
    前記光検出装置によって検出される光を発光する発光部と、
    前記光検出装置に保持されたデジタル信号を用いて距離算出を行う距離算出手段と、を有することを特徴とする光検出システム。

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