JP7273545B2 - 受光装置及び距離計測装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、受光装置及び距離計測装置に関する。
クエンチング抵抗と、光電変換素子の一種であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の直列接続と、の並列接続を有し、入射した光子（フォトン）の個数を計測する受光装置がある。このような受光装置は、ＡＰＤがシリコンで構成されることからＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｉｓ）と呼ばれる。このような受光装置で、隣接するＡＰＤ間でのクロストークを増大させずに、受光感度を上げることが望まれている。
特開２０１１－７１４５５号公報 特開２０１８－８８４８８号公報 特許第５３８５３１５号
本発明が解決しようとする課題は、隣接する光電変換素子間でのクロストークを増大させずに、受光感度を上げる受光装置、及び距離計測装置の提供を目的とする。
上記課題を解決するために、実施形態の受光装置は、第１電極と、前記第１電極上に設けられた半導体基板と、絶縁膜と、前記半導体基板上に設けられ、第１導電形の不純物を第１濃度で含有する第１半導体層と、前記絶縁膜と前記第１半導体層の間に設けられ、前記絶縁膜から前記第１電極に向かって延在する絶縁性物質と、前記絶縁膜に沿って設けられた第１部分、及び前記絶縁性物質に沿って設けられた第２部分を有し、第２導電形の不純物を含有する第２半導体層と、前記第１部分及び前記第２部分と接し、第１導電形の不純物を第２濃度で含有する第３半導体層と、前記絶縁膜上に設けられた第２電極と、を有する。
第１の実施形態の受光装置の構成の一例を示す平面図 第１の実施形態における受光装置のＡＰＤの一例を示す平面図 第１の実施形態における受光装置の断面図 第１の実施形態における受光装置の一部の等価回路を示す図 第１の実施形態の受光装置の画素の一例を示す平面図 第１の比較例における受光装置の画素の一例を示す平面図 第１の比較例における受光装置の断面図 第２の比較例における受光装置の断面図 第２の実施形態おける受光装置の画素の一部を模式的に示す平面図 第３の実施形態における受光装置の断面図 第４の実施形態における受光装置の断面図 第５の実施形態における距離計測装置の構成の一例を示すブロック図
以下、図面を参照して、実施形態にかかる受光素子及び距離計測装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態の説明で用いられる受光装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などはこれに限定されない。また、図中の各要素の寸法及び数は模式的なものであり、これに限定されない。
本明細書において、「Ｐ＋形」とは、導電形がＰ形であって実効的な不純物濃度が「Ｐ形」よりも高いことを示す。「実効的な不純物濃度」とは、半導体材料の導電に寄与する不純物の濃度をいい、半導体材料にドナーとなる不純物とアクセプタとなる不純物の双方が含有されている場合には、ドナーとアクセプタの相殺分を除いた分の濃度をいう。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の受光装置１の構成の一例を示す平面図である。図面上の一つの方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向と直交する一つの方向をＺ方向とする。
受光装置１は、複数の画素２１を有する。画素２１は、後述するシリコン基板１０に沿った方向に平面的に配置される。画素２１は、光電変換素子（ＡＰＤ７１）、分離要素１３０、カソード電極パッド３１、カソード配線４１を有する。図１は、画素２１やＡＰＤ７１の配置及び数を模式的に示すものであり、これに限定されない。
光電変換素子は、入射した光（光子：フォトン）によって電子正孔対を生成する。複数の光電変換素子は、例えばアバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）である。ここでは、説明の便宜上光電変換素子をＡＰＤ７１として、説明する。ＡＰＤ７１は、後述するシリコン基板１０に沿った方向に平面的に配置される。ＡＰＤ７１が矩形状の同一パターンであることにより、所定面積内により多くのＡＰＤ７１を配置することができる。
分離要素１３０は、各ＡＰＤ７１の間に設けられる。分離要素１３０は、各ＡＰＤ７１を絶縁することで、ＡＰＤ７１間のクロストークの発生を抑制する。クロストークは、光子がＡＰＤ７１（または画素２１）に入射して発生した信号が隣接する別のＡＰＤ７１（または画素２１）に影響し、隣接する別のＡＰＤ７１から光子を検出した信号が出力されることをいう。分離要素１３０として、たとえばシリコン酸化膜が用いられる。
カソード電極パッド３１は、たとえば外部電極とボンディングワイヤ（図示せず）で電気的に接続されるボンディングパッドである。画素２１及びカソード電極パッド３１は、カソード配線４１を介して電気的に接続される。
画素分離膜１３は、各画素２１の間に設けられる。画素分離膜１３は、各画素２１を絶縁することで、画素２１間のクロストークの発生を抑制する。画素分離膜１３として、たとえばシリコン酸化膜が用いられる。
ＡＰＤ７１は、光子が入射して電子正孔対を生成したときに、信号を出力する。画素２１は、ＡＰＤ７１が出力した信号を、カソード配線４１を介してカソード電極パッド３１から出力する。
図２は、第１の実施形態における受光装置１のＡＰＤ７１の一例を示す平面図である。
保護膜１４は、ＡＰＤ７１上及び分離要素１３０上に設けられる。分離要素１３０上の保護膜１４には、カソード電極膜４２及びクエンチング抵抗８１が設けられる。カソード電極膜４２は、カソード配線４１の一部である。
クエンチング抵抗８１の抵抗値は、たとえば、数百ｋΩ程度に設定される。クエンチング抵抗８１は、たとえば、多結晶シリコンによって構成される。
カソード電極膜４２は、接続部１０３を介して、クエンチング抵抗８１の一端と接続される。クエンチング抵抗８１の他端は、配線９１の一方の端部に接続される。配線９１の他方の端部は、後述するＮ形エピタキシャル層１６３に到達するビアなどの接続部１０２と接続される。ビアは、たとえば金属材料によって構成され、保護膜１４を貫通してＮ形エピタキシャル層１６３に接続される。
図３は、第１の実施形態における受光装置１の断面構造の一例を示す、図２のＡ－Ａ線の断面図である。
ＡＰＤ７１は、カソード電極膜４２、保護膜１４、分離要素１３０、Ｓｉエピタキシャル層１６、シリコン基板１０、及び金属膜１５を有する。Ｓｉエピタキシャル層１６は、シリコン基板１０上に設けられ、Ｐ形エピタキシャル層１６１、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２、及びＮ形エピタキシャル層１６３を有する。
Ｐ形エピタキシャル層１６１、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２、及びシリコン基板１０はＰ形の導電形であり、Ｎ形エピタキシャル層１６３はＮ形の導電形である。Ｐ＋形エピタキシャル層１６２のＰ形不純物濃度は、Ｐ形エピタキシャル層１６１のＰ形不純物濃度よりも高い。Ｐ形エピタキシャル層１６１のＰ形不純物濃度は、シリコン基板１０のＰ形不純物濃度よりも高い。Ｐ形エピタキシャル層１６１のＰ形不純物濃度は、例えば１０１５／ｃｍ３のオーダーあり、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２のＰ形不純物濃度は、１０１６／ｃｍ３のオーダーであり、Ｎ形エピタキシャル層１６３のＮ形不純物濃度は、１０２０／ｃｍ３のオーダーである。
金属膜１５は、シリコン基板１０のＳｉエピタキシャル層１６が設けられる面とは反対側の面に設けられる。保護膜１４は、Ｓｉエピタキシャル層１６上に設けられる。分離要素１３０は、保護膜１４とＳｉエピタキシャル層１６の間に設けられる。
シリコン基板１０は、たとえば単結晶基板を用いることができる。
金属膜１５は、ＡＰＤ７１内部に入射したが、電子正孔対を生成せずに通過した光子を反射する、反射膜としての機能を有する。金属膜１５が反射した光子によっても電子正孔対を生成できるため、ＡＰＤ７１の感度は上がる。また、金属膜１５は、各ＡＰＤ７１の共通電極としての機能を有する。金属膜１５には、たとえばアルミニウム、銅、金などが用いられる。第１の実施形態では各ＡＰＤ７１に共通の金属膜１５を設けるため、各ＡＰＤ７１にそれぞれ金属膜を設ける受光装置と比較すると、製造性の点で有利である。
保護膜１４には、たとえばシリコン酸化膜が用いられる。
分離要素１３０は、保護膜１４と接する位置から、金属膜１５方向に延在する。分離要素１３０によって、Ｓｉエピタキシャル層１６には、シリコン基板１０との界面からＺ方向の厚みが厚い部分と、薄い部分とが形成される。
分離要素１３０は、隣接するＡＰＤ７１同士を分離する。分離要素１３０は、あるＡＰＤ７１のキャリアが別の隣接するＡＰＤ７１に漏れることを防ぎ、クロストークを抑制する。隣接するＡＰＤ７１間の距離、すなわち分離要素１３０の幅Ｗ１は、ＡＰＤ７１で発生した電子と正孔が隣接するＡＰＤ７１の間で減衰して届かない程度の距離とすることができる。本明細書において、幅とは、各要素の基板面内方向（ＸＹ平面内）の長さである。
図３に示される分離要素１３０は、図１で示したようにＡＰＤ７１を囲うよう格子状につながっている。尚、分離要素１３０の形状は格子状に限定されるものではなく、ＡＰＤ７１を囲うようＡＰＤ７１の形状に合わせて適宜変更してもよい。Ｐ形エピタキシャル層１６１は、シリコン基板１０に接するように設けられる。Ｐ形エピタキシャル層１６１は、分離要素１３０の金属膜１５側の端とＰ形エピタキシャル層１６１とが接する位置から、保護膜１４方向に延在する凸部を有する。
Ｎ形エピタキシャル層１６３は、保護膜１４とＰ形エピタキシャル層１６１の間に設けられる。Ｎ形エピタキシャル層１６３は、隣接するＡＰＤ７１のＮ形エピタキシャル層１６３と分断されるように、分離要素１３０によって囲まれている。Ｎ形エピタキシャル層１６３は、保護膜１４に沿って設けられた第１部分１６４と、分離要素１３０の保護膜１４から金属膜１５に向かう方向の側壁に沿って設けられた第２部分１６５を有する。
Ｐ＋形エピタキシャル層１６２は、隣接するＡＰＤ７１のＰ＋形エピタキシャル層１６２及びＮ形エピタキシャル層１６３と分断されるように、分離要素１３０によって囲まれている。Ｐ＋形エピタキシャル層１６２は、Ｎ形エピタキシャル層１６３の第１部分１６４とＰ形エピタキシャル層１６１の凸部の間に、第１部分１６４に沿って設けられた第３部分１６６を有する。加えて、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２は、Ｎ形エピタキシャル層１６３の第２部分１６５とＰ形エピタキシャル層１６１の凸部の間に、第２の部分に沿って設けられた第４部分１６７を有する。第３部分１６６と第４部分１６７に含まれる不純物は、同じ濃度にすることも、異なった濃度にすることも可能である。第１部分１６４と第２部分１６５とが交わる部分については、第１部分１６４または第２部分１６５のいずれかの不純物濃度と同じにすることも可能である。
Ｎ形エピタキシャル層１６３とＰ＋形エピタキシャル層１６２とが接触した部分は、ＰＮ接合を形成する。ＰＮ接合層は、隣接するＡＰＤ７１のＰＮ接合層と分断されるように、分離要素１３０によって囲まれている。ＰＮ接合層は、第１部分１６４及び第３部分１６６によって構成され、保護膜１４に沿って延在するＲ１部分と、第２部分１６５と第４部分１６７によって構成され、分離要素１３０の保護膜１４から金属膜１５に向かう方向の側壁に沿って延在するＲ２部分を有する。
ＡＰＤ７１の動作について説明する。ＡＰＤ７１は、ガイガーモードで動作する。ガイガーモードにおいては、カソード（Ｎ形エピタキシャル層１６３）とアノード（シリコン基板１０）にＡＰＤ７１のブレークダウン電圧よりも高い逆バイアス電圧が印加され、ＡＰＤ７１のＰＮ接合層には高い電場が形成される。ＡＰＤ７１に注入された光子により、ＰＮ接合層で電子正孔対が生成される。電子正孔対のうち、電子はＮ形エピタキシャル層１６３側に、正孔はシリコン基板１０側に電場によってドリフトする。大きなエネルギーを持ったキャリアが結晶格子と衝突すると、新しい電子正孔対が生じるイオン化が起こる。このイオン化が連鎖的に生じる放電現象が、ガイガー放電である。
ＡＰＤ７１にガイガー放電が起こると、連鎖的なイオン化によってキャリアの数が増幅されるが、増幅には電場の強度による上限がある。このため、ガイガー放電が起こると、光量の大小に関係なく、電場の強度に応じた一定の飽和出力が発生する。ガイガー放電はクエンチング抵抗８１によって終息するため、ＡＰＤ７１は出力電流のパルスを出力する。
クエンチング抵抗８１は、ＡＰＤ７１の出力電流が流れる際に電圧低下を起こし、ＡＰＤ７１の動作電圧を下げる。ＡＰＤ７１の動作電圧の低下によって、ガイガー放電が停止する。ガイガー放電が発生した場合、クエンチング抵抗８１によってガイガー放電が止まることで、次の光子を検出することができる。
図４は、第１の実施形態の受光装置１の一部の等価回路を示す図である。各ＡＰＤ７１のアノード（シリコン基板１０）は、金属膜１５に接続される。なお、異なる画素２１に設けられたＡＰＤ７１も、同じ金属膜１５に接続される。金属膜１５は、アノード電極としての機能を有する。
それぞれの画素２１内のＡＰＤ７１のカソード（Ｎ形エピタキシャル層１６３）は、クエンチング抵抗８１を介してそれぞれの画素２１毎に設けられるカソード配線４１に接続される。カソード配線４１は、カソード電極パッド３１に電気的に接続される。
図５は、受光装置１の画素２１の一例を示す平面図である。図５の画素２１は、１６個のＡＰＤ７１ａ～７１ｐを有する。カソード電極パッド３１と金属膜１５の間に、各ＡＰＤ７１ａ～７１ｐとクエンチング抵抗８１の直列接続が、並列接続される。
画素２１が有するＡＰＤ７１ａ～７１ｐは、それぞれが光子の検出時に同じ出力電流のパルスを出力する。ＡＰＤ７１ａ～７１ｐが出力した信号は、画素２１ごとに積算された信号として、カソード電極パッド３１に出力される。例えば、図１中の画素２１が有する１６個のＡＰＤ７１ａ～ｐのうち、５個の光子がそれぞれ異なるＡＰＤ７１ｃ、７１ｄ、７１ｈ、７１ｌ、７１ｐに入射して検出された場合、当該画素２１のカソード電極パッド３１からはガイガー放電による５つのパルスが重ねあわされた信号が出力される。
つまり、各ＡＰＤ７１はガイガー放電を用いて光子が入射したことを検出するものであり、画素２１は光子を検出したＡＰＤ７１の数をもとにして、入射した光の量に応じた信号を出力するものである。なお、同じＡＰＤ７１に複数の光子が入射し、それぞれの光子が電子正孔対を生成しても、そのＡＰＤ７１からは電場の強度に応じた一定の飽和出力が発生する。このため、同じＡＰＤ７１に複数の光子が入射して電子正孔対が生成したときの出力電流は、同じＡＰＤ７１に１つの光子が入射して電子正孔対が生成したときの出力電流と同じである。
図６は、第１の比較例による受光装置８の画素２８の一例を示す平面図である。画素２８は、複数のＡＰＤ７８を有する。図７は、第１の比較例における受光装置８の断面構造の一例を示す、図６のＢ－Ｂ線における断面図である。なお、図６及び図７ではクエンチング抵抗８１やカソード電極膜４２などを省略し、Ｓｉエピタキシャル層１６の各要素の構造を示している。
図７に示すように、第１の比較例では、Ｐ形のシリコン基板１０上に、シリコン酸化膜などからなる分離要素１３０が設けられている。各ＡＰＤ７８は、保護膜１４とシリコン基板１０との間の位置に、Ｓｉエピタキシャル層１６を有する。Ｓｉエピタキシャル層１６は、Ｐ形エピタキシャル層１６１、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２、及びＮ形エピタキシャル層１６３を有する。Ｐ形エピタキシャル層１６１は、保護膜１４とシリコン基板１０との間に設けられる。Ｐ＋形エピタキシャル層１６２は、保護膜１４とＰ形エピタキシャル層１６１の間に設けられる。Ｎ形エピタキシャル層１６３は保護膜１４とＰ＋形エピタキシャル層１６２の間に設けられる。Ｐ＋形エピタキシャル層１６２は、Ｎ形エピタキシャル層１６３よりも保護膜１４に平行な方向のサイズ、つまりＸＹ平面における面積が小さい。言い換えると、Ｚ方向からみた平面図において、Ｎ形エピタキシャル層１６３はＰ＋形エピタキシャル層１６２を内部に含む。Ｐ＋形エピタキシャル層１６２とＮ形エピタキシャル層１６３の接触面にはＰＮ接合層Ｒ３が形成され、ＰＮ接合層Ｒ３は保護膜１４に沿った方向（基板面内方向）にのみ広がる。
一般に受光装置は、信号ノイズ比（ＳＮ比）を高くすることが望まれている。第１の比較例の受光装置８では、受光感度を上げるために、画素２８の面積に占めるＡＰＤ７８の面積の割合（開口率）を上げ、受光面積（ＰＮ接合層の面積）を増やすことが考えられる。受光面積を増やすには、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２を基板面内方向（ＸＹ平面内）に大きくすることになる。しかし、このようにすると、画素２８の面積を変えない場合、隣接するＡＰＤ７８間の距離、すなわちＡＰＤ７８間に配置される分離要素１３０の幅Ｗ２が小さくなる。分離要素１３０の幅Ｗ２が小さくなると、あるＡＰＤ７８で電子正孔対が発生したときに、隣接する別のＡＰＤ７８に、電子と正孔が入ってしまう。つまり、電子正孔対が発生したＡＰＤ７８に隣接する別のＡＰＤ７８で、電子と正孔を検出するクロストークが起こり、ノイズが大きくなる。その結果、開口率を上げるだけでは、受光感度を上げることはできても、ＳＮ比を高くすることはできない。このように、第１の比較例の受光装置８では、画素２８の面積を変えずに受光面積を増やし、ノイズを低減することは困難である。
簡便に比較するため、第１の比較例と実施形態の画素の面積、分離要素１３０の幅、及び基板面内方向（ＸＹ平面内）におけるＡＰＤの面積が同じ場合を考える。第１の実施形態における基板面内のＰＮ接合層（保護膜に沿って形成されるＰＮ接合層）Ｒ１部分の面積は第１の比較例のＰＮ接合層Ｒ３の面積と同等である。これに加えて、第１の実施形態は分離要素１３０に沿って、Ｒ２部分のＰＮ接合層を有する。このため、第１の実施形態の実効的なＰＮ接合層の面積は、第１の比較例よりも大きい。広い面積のＰＮ接合層を有する第１の実施形態の受光装置１は、第１の比較例の受光装置８よりも受光感度が高くなる。
図８は、第２の比較例における受光装置９の断面構造の一例を示す。なお、図８ではクエンチング抵抗８１やカソード電極膜４２などを省略し、Ｓｉエピタキシャル層１６の各要素の構造を示している。 第２の比較例におけるＡＰＤ７９では、Ｎ形エピタキシャル層１６３が、保護膜１４から所定の深さの範囲に設けられ、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２がＰ形エピタキシャル層１６１内で、前記Ｎ形エピタキシャル層１６３の側面及び下面を囲むように設けられる。ＰＮ接合層は、基板面内方向に設けられたＲ４部分、及び分離要素１３０に沿った方向に設けられたＲ５部分を有する。第２の比較例のＰＮ接合層の面積は、第１の実施形態のＰＮ接合層の面積と変わらない。しかしながら、第２の比較例の構造では、分離要素１３０に沿って設けられたＰＮ接合層Ｒ５部分の面積を大きくすると、基板面内方向のＰＮ接合層Ｒ４部分と受光面との距離が長くなり、Ｎ形エピタキシャル層１６３の厚みが増すことになる。光子はＡＰＤ７９の保護膜１４のＳｉエピタキシャル層１６とは反対側の面から入射するため、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２とＮ形エピタキシャル層１６３の厚みや、ＰＮ接合面と受光面の距離が長くなると、入射した光子が電子正孔対を形成する効率が低減してしまう。
これに対して、第１の実施形態では、ＰＮ接合層の面積を増やすために、Ｒ２部分のＰＮ接合の面積を増やしても、Ｒ１部分のＰ＋形エピタキシャル層１６２とＮ形エピタキシャル層１６３の厚みや、Ｒ１部分のＰＮ接合面と受光面の距離は影響されない。このため、Ｒ１部分のＰＮ接合は、Ｒ２部分のＰＮ接合の存在とは無関係に、目的に応じた最適な設計をすることができる。
さらに、第１の実施形態のＲ１部分とＲ２部分の不純物濃度や厚みは、別々に調整することができる。このため、例えば、Ｒ１部分のＰＮ接合層とＲ２部分のＰＮ接合層に異なる特性を持たせることができる。
このように、第１の実施形態の受光装置１は、ＡＰＤ７１が形成するＰＮ接合層の面積が大きいため、受光感度を上げることができる。また、第１の実施形態の受光装置１では、画素２１の面積を大きくしなくとも、隣接するＡＰＤ７１間の距離を確保した上で、ＰＮ接合層の面積を広げることが可能となるので、クロストークによるノイズが大きくなることを避けることができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態と、ＡＰＤ７２の平面視上の形態が異なる。
図９は、第２の実施形態における受光装置２の画素２２の一部を模式的に示す平面図である。受光装置２の画素２２は、ＡＰＤ７２を有する。図９（ａ）では、Ｐ形エピタキシャル層１６１、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２及びＮ形エピタキシャル層１６３のいずれも、角部が丸みを帯びた矩形の形状を有している。また、図９（ｂ）では、Ｐ形エピタキシャル層１６１、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２及びＮ形エピタキシャル層１６３のいずれも円形の形状を有している。なお、ここに示した形状以外にも、Ｐ形エピタキシャル層１６１、Ｐ＋形エピタキシャル層１６２及びＮ形エピタキシャル層１６３が、楕円形状や角部が丸みを帯びた多角形の形状を有していてもよい。丸みを帯びているとは、角の数が多く、実質的に各辺が滑らかにつながった多角形状を含む。なお、その他の構成について、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
第１の実施形態のように、ＡＰＤ７２の平面視上の形状が矩形状である場合には、角部において電界集中が生じる。しかし、第２の実施形態では、Ｓｉエピタキシャル層１６の形状において、角部が丸みを帯びた矩形状または円形状・楕円形状形態としたので、電界集中を第１の実施形態に比して抑制することができるという効果を、第１の実施形態の効果に加えて得ることができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第１の実施形態と、分離要素が金属膜１５側と保護膜１４側とで、異なる材料を含んでいる点が異なる。
図１０は第３の実施形態における受光装置３の断面構造の一例を示す断面図であり、図２のＡ－Ａ線での断面図に相当する。受光装置３の画素２３は、ＡＰＤ７３を有する。第３の実施形態におけるＡＰＤ７３を分離する分離要素は、保護膜側分離要素１３６及び金属膜側分離要素１３７から構成される。保護膜側分離要素１３６及び金属膜側分離要素１３７は、保護膜１４とＳｉエピタキシャル層１６の間に設けられる。
保護膜側分離要素１３６は、保護膜１４と接する位置から、金属膜１５方向に延在する。保護膜側分離要素１３６のＺ方向の長さは、第1の実施形態の分離要素１３０のＺ方向の長さと同程度とすることができる。保護膜側分離要素１３６は、Ｎ形の不純物を含む絶縁性物質を含む。
金属膜側分離要素１３７は、保護膜側分離要素１３６の金属膜１５側に設けられ、保護膜側分離要素１３６と接する位置から、金属膜１５方向に延在する。金属膜側分離要素１３７には、不純物を含まない絶縁性物質、保護膜側分離要素１３６にＰ形の不純物を含む絶縁性物質、及び保護膜側分離要素１３６と異なる濃度のＮ形不純物を含む絶縁性物質のいずれも用いることができる。絶縁性物質は、例えば酸化シリコンである。
第３の実施形態では、ＰＮ接合層よりも金属膜１５側に設けられた金属膜側分離要素１３７が隣り合ったＡＰＤ７３同士を分離することで、ＰＮ接合層から発生する電子と正孔とを隣接するＡＰＤ７３間において分離し、第1の実施形態よりもクロストークを抑制することができる。
なお、その他の構成について、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１の実施形態と、ＡＰＤ７４を分離する分離要素１３４の形状が異なる。
図１１は第４の実施形態における受光装置４の断面構造の一例を示す断面図であり、図２のＡ－Ａ線の位置の断面に相当する。受光装置４の画素２４は、ＡＰＤ７４を有する。
図１１に示すように、分離要素１３４は、保護膜１４と接する位置の幅がＷ３であり、保護膜１４と接する位置より金属膜１５側の端部付近位置の幅がＷ４となっている。幅Ｗ４は幅Ｗ３よりも広く、Ｗ３＜Ｗ４である。
分離要素１３４の幅Ｗ３の部分と幅Ｗ４の部分との間に、幅Ｗ３よりも細い部分や幅Ｗ４よりも太い部分があっても構わない。また、幅Ｗ３を分離要素１３４が保護膜１４と接する位置の幅で定義するのではなく、分離要素１３４のＺ方向の中間位置の幅と定義してもよい。
分離要素１３４が保護膜１４と接する位置の幅Ｗ３の大小は、ＡＰＤ７４が外部から光を取り込める面積と相関する。
第４の実施形態では、Ｗ３＜Ｗ４である分離要素１３４を設け、幅Ｗ３を狭くすることで、画素２４の面積を大きくしなくともＡＰＤ７４が外部から光を取り込める面積を広くし、ＡＰＤ７４の受光感度を向上させることができる。また、幅Ｗ４を太くすることで隣り合ったＡＰＤ７４同士を分離し、クロストークを抑制できる。
なお、その他の構成について、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、受光装置１を組み込んだ距離計測装置２００である。図１２は第５の実施形態の距離計測装置２００の構成の一例を示すブロック図である。
距離計測装置２００はＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）装置である。ＬＩＤＡＲ装置は、レーザ光のパルスを発射し、その光が反射して戻ってくるまでの時間を計測し、光が反射した地点までの距離を計測する。ＬＩＤＡＲ装置は、距離測定手段として利用できるだけではない。ＬＩＤＡＲ装置は、様々な方向に光を出射し、出射方向、反射地点までの距離、反射光の強度などの情報を用いた、デジタルイメージ手法に活用することができる。距離計測装置２００は、自動車やドローンに搭載してもよい。
第５の実施形態の距離計測装置２００は、例えば、第１実施形態で説明した受光装置１、計測部２０１、出力インタフェイス２０２、タイミング調整部２０３、パルス制御部２０４、レーザダイオード駆動部（ＬＤ駆動部）２０５、レーザダイオード素子（ＬＤ素子）２０６、モータ制御部２０７、光学装置２０８などを有する。なお、距離計測装置２００には、受光装置１ではなく、第２～第４の実施形態で説明した受光装置２、３、４を用いることができる。
第５の実施形態の距離計測装置２００の動作の一例について説明する。
タイミング調整部２０３は、レーザパルスを出射する方向と発光のタイミングを調整し、計測部２０１と出力インタフェイス２０２にタイミング情報を提供する。パルス制御部２０４は、タイミング調整部２０３によって調整されたタイミングに基づいて、出力光をパルスとして出力するようにＬＤ駆動部２０５に命令する。ＬＤ駆動部２０５は設定されたパルスの出力に適切な電流をＬＤ素子２０６に与え、ＬＤ素子２０６は発光する。モータ制御部２０７は、タイミング調整部２０３によって与えられたタイミング情報をもとに、そのタイミングで適当な方向にＬＤ素子２０６の出力光が出射されるように、光学装置２０８のモータ２１４の動作を制御する。光学装置２０８は、レンズ２１１、鏡２１３、モータ２１４を有する。光学装置２０８は、ＬＤ素子２０６から放たれた出力光をコリメートさせて、適当な方向に出射する。モータ２１４には鏡２１３が取り付けられ、モータ２１４が動作すると鏡２１３の角度が変わり、鏡２１３に出力光が入射及び反射する角度が変わることで、出力光の出射方向は調整される。出射角度とは、出力光が距離計測装置２００から出射した方向と所定の基準方向とがなす角である。
光学装置２０８は、出力光が測距対象地点３００に当たって反射された反射光を取り込み、反射光を受光装置１に送る。受光装置１は、反射光を検知し、反射光に含まれる光子数に応じた値の電気信号を計測部２０１に送る。計測部２０１は、タイミング調整部２０３から与えられるタイミング情報をもとに、出力光の出射角度と出力光が出射されてから反射光が検出されるまでの時間を測定し、距離計測装置２００から測距対象地点３００までの距離を計測する。出力インタフェイス２０２は、計測部２０１が計測した情報を距離計測装置２００の外部、例えば画像処理が可能なコンピュータに出力する。
第５の実施形態の距離計測装置２００は、受光感度が高く、クロストークによるノイズの小さい前述の実施形態で示した受光装置を用いているため、従来よりも正確な測距手法または正確なデジタルイメージ手法として利用できる。
上記の実施形態の受光装置１、２、３、４は、光を検出する様々な用途に利用可能である。
例えば、各実施形態の受光装置１、２、３、４は、フォトンカウンティングを実施するために用いてもよい。受光装置１は、医療診断装置（ＰＥＴ、ＣＴ、ガンマカメラ等）、産業用機器（手荷物（Ｘ線）検査機器、食品検査機器、工業（ＩＣ）計測装置、レーザースキャナ等）、バイオテクノロジー領域（蛍光分析装置、フローサイトメトリ、ＤＮＡ検査装置等）、各種分光分析領域、環境分析（石油探査、放射線検知等）などの用途に利用できる。光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉ Ｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）の代わりに用いてもよい。
例えば、各実施形態の受光装置１、２、３、４は、赤外線測距や各種センサ用途に用いてもよい。近接センサ、Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ、ジェスチャーコントロール、ホームドア、人数カウント装置、セキュリティ装置などに用いることができる。受光装置１を組み込んだＬＩＤＡＲシステムは自動車に搭載することが可能で、例えば交通状況に応じた車両速度やブレーキ系統の自動制御に利用できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、２、３、４、８、９ 受光装置
１０ シリコン基板
１３ 画素分離膜
１４ 保護膜
１５ 金属膜
１６ Ｓｉエピタキシャル層
２１、２２、２３、２４、２８、２９ 画素
３１ カソード電極パッド
４１ カソード配線
４２ カソード電極膜
６１ａ～６１ｃ 配線
７１、７２、７３、７４、７８、７９ ＡＰＤ
８１ クエンチング抵抗
９１ 配線
１０１、１０２、１０３ 接続部
１３０、１３４ 分離要素
１３６ 保護膜側分離要素
１３７ 金属膜側分離要素
１５１ アノード配線
１６１ Ｐ形エピタキシャル層
１６２ Ｐ＋形エピタキシャル層
１６３ Ｎ形エピタキシャル層
１６４ 第１部分
１６５ 第２部分
１６６ 第３部分
１６７ 第４部分
２００ 距離計測装置
２０１ 計測部
２０２ 出力インタフェイス
２０３ タイミング調整部
２０４ パルス制御部
２０５ レーザダイオード駆動部（ＬＤ駆動部）
２０６ レーザダイオード素子（ＬＤ素子）
２０７ モータ制御部
２０８ 光学装置
２１１ レンズ
２１３ 鏡
２１４ モータ
３００ 測距対象地点

Claims (7)

  1. 第１電極と、
    前記第１電極上に設けられた半導体基板と、
    絶縁膜と、
    前記半導体基板上に設けられ、第１導電形の不純物を第１濃度で含有する第１半導体層と、
    前記絶縁膜と前記第１半導体層の間に設けられ、前記絶縁膜から前記第１電極に向かって延在する絶縁性物質と、
    前記絶縁膜と前記第１半導体層の間に位置し、互いに分断されるように前記絶縁性物質に囲まれ、前記絶縁膜に沿って設けられた第１部分、及び前記絶縁性物質の前記絶縁膜から前記第１電極に向かう方向の側壁に沿って設けられた第２部分を有し、第２導電形の不純物を含有する複数の第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記第２半導体層の間に位置し、互いに分断されるように前記絶縁性物質に囲まれ、前記第１部分及び前記第２部分と接し、第１導電形の不純物を前記第１濃度よりも高い第２濃度で含有する複数の第３半導体層と、
    前記絶縁膜上に設けられ、前記第２半導体層と電気的に接続された第２電極と、を備え、
    前記絶縁性物質は、前記絶縁膜から前記第１電極に向かう方向において、少なくとも２つの異なる前記半導体基板の面内方向の幅を有し、
    前記絶縁性物質が前記第２半導体層に接している位置の第１の幅よりも、前記絶縁性物質が前記第１半導体層に接している位置の第２の幅の方が広い、
    受光装置。
  2. 第１電極と、
    前記第１電極上に設けられた半導体基板と、
    絶縁膜と、
    前記半導体基板上に設けられ、第１導電形の不純物を第１濃度で含有する第１半導体層と、
    前記絶縁膜と前記第１半導体層の間に設けられ、前記絶縁膜から前記第１電極に向かって延在する絶縁性物質と、
    前記絶縁膜と前記第１半導体層の間に位置し、互いに分断されるように前記絶縁性物質に囲まれ、前記絶縁膜に沿って設けられた第１部分、及び前記絶縁性物質の前記絶縁膜から前記第１電極に向かう方向の側壁に沿って設けられた第２部分を有し、第２導電形の不純物を含有する複数の第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記第２半導体層の間に位置し、互いに分断されるように前記絶縁性物質に囲まれ、前記第１部分及び前記第２部分と接し、第１導電形の不純物を前記第１濃度よりも高い第２濃度で含有する複数の第３半導体層と、
    前記絶縁膜上に設けられ、前記第２半導体層と電気的に接続された第２電極と、を備え、
    前記絶縁性物質の前記第２半導体層に接する部分は、前記第２半導体層に含まれる不純物を含む絶縁性の物質を含有する受光装置。
  3. さらに、前記第２電極と電気的に接続された抵抗を有する、請求項１または請求項２に記載の受光装置。
  4. 前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、平面視上、丸みを帯びた角部を有する矩形の形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の受光装置。
  5. 前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、平面視上、円形または楕円の形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の受光装置。
  6. 前記半導体基板はシリコンで形成され、
    前記半導体基板上にアバランシェフォトダイオードが形成された、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の受光装置。
  7. レーザダイオードと、
    タイミング情報を提供するタイミング調整部と、
    前記タイミング情報をもとに、前記レーザダイオードに命令し、レーザパルスを発射させるレーザダイオード駆動部と、
    前記レーザパルスの反射光を検出し、反射光の情報を提供する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の受光装置と、
    前記反射光の情報及び前記タイミング情報をもとに前記レーザパルスを発射してからその反射光を検出するまでの時間を計算し、前記レーザパルスの反射地点までの距離を計算する計測部を有する、距離計測装置。
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