JP7668274B2 - 半導体光検出素子 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体光検出素子に関するものである。
特許文献１には、固体撮像素子に関する技術が開示されている。この固体撮像素子は、半導体基板の表面側に形成された光電変換を行うセンサ部を備える。半導体基板の裏面側には、赤外光に対する反射率が低い低反射膜が形成されている。特許文献２には、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）に関する技術が開示されている。このＳｉＰＭは、アバランシェフォトダイオードをそれぞれ含む複数のセルを備える。
特開２００７－３０５６７５号公報 米国特許出願公開第２０１３／００９９１００号
半導体光検出素子として、フォトダイオード等の光検出領域が半導体基板の表面に形成されたものがある。このような半導体光検出素子において、半導体基板の表面側から被検出光が入射すると、その一部は光検出領域において吸収されず、光検出領域を通過する。そして、半導体基板の裏面において反射し、再び光検出領域に達して光検出領域に吸収される。
このような被検出光の振る舞いは、次の問題を引き起こす。すなわち、光検出領域に入射後直ちに吸収される被検出光と比較して、半導体基板の裏面において反射した後に光検出領域に吸収される被検出光では、その吸収タイミングに遅延が生じる。したがって、光検出領域から出力される電荷を増幅して得られる検出信号の波形が時間的に拡がってしまい、時間分解能の低下につながる。
また、光検出領域をそれぞれ有する複数の画素（又はセル）を半導体光検出素子が備える場合、或る画素（又はセル）の半導体基板の裏面において被検出光が反射した後に、隣接する別の画素（又はセル）の光検出領域に該被検出光が吸収されると、隣接画素間（隣接セル間）でクロストークが生じてしまう。このようなクロストークは、被検出光に限らず、光検出領域において発生する光（自発光）についても生じ得る。したがって、半導体光検出素子の空間分解能及び時間分解能を高めるためには、半導体基板の裏面における光の反射を低減することが望ましい。
本発明は、半導体基板の裏面における光の反射を低減できる半導体光検出素子を提供することを目的とする。
本発明の実施形態は、半導体光検出素子である。半導体光検出素子は、被検出光が入射する主面、及び主面とは反対を向く裏面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する一又は複数の光検出領域を主面側に有する半導体基板と、半導体基板の裏面上に設けられた光吸収膜と、を備え、光吸収膜は、金属層である反射層と、反射層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた光吸収層と、を含む多層構造を有し、被検出光の波長及び光検出領域において生じる自発光の波長のうち少なくとも一方において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい。
この半導体光検出素子では、半導体基板の主面から入射した被検出光の光強度に応じた量の電荷が、光検出領域において生成される。これにより、被検出光の入射光量を電気的に検出することができる。光検出領域において吸収されなかった被検出光は、半導体基板の裏面上に設けられた光吸収膜に達する。光検出領域において自発光が生じた場合には、その自発光も同様に、光吸収膜に達する。
この半導体光検出素子の光吸収膜は、反射層、共振層、及び光吸収層を含む多層構造を有する。光吸収膜に入射した光の一部は、光吸収層において直ちに吸収される。光吸収層に吸収されなかった光は光吸収層を透過し、共振層に入る。そして、共振層に入った光は、光吸収層及び共振層の界面と、共振層及び反射層の界面との間で多重反射しつつ、光吸収層において徐々に吸収される。
したがって、この光吸収膜によれば、単層からなる光吸収膜と比較して、極めて高い吸収効率を実現できる。故に、上記の半導体光検出素子によれば、半導体基板の裏面における光の反射を効果的に低減できるので、時間分解能の低下を抑制し、また隣接画素間（隣接セル間）のクロストークを低減することができる。
本発明の実施形態による半導体光検出素子によれば、半導体基板の裏面における光の反射を低減できる。
図１は、一実施形態に係る光検出装置の部分断面図である。 図２は、光検出装置が備える半導体光検出素子の概略平面図である。 図３は、光検出装置の回路図である。 図４は、（ａ）～（ｃ）一実施形態に係る光検出装置の製造過程を説明するための図である。 図５は、（ａ）～（ｃ）一実施形態に係る光検出装置の製造過程を説明するための図である。 図６は、（ａ），（ｂ）一実施形態に係る光検出装置の製造過程を説明するための図である。 図７は、（ａ），（ｂ）一実施形態に係る光検出装置の製造過程を説明するための図である。 図８は、検証のために作製した積層体の断面構造を模式的に示す図である。 図９は、検証のために作製した積層体の断面構造を模式的に示す図である。 図１０は、クロストークを含む電圧信号波形を模式的に示すグラフである。 図１１は、サンプルを暗箱の中に配置し、コンパレータの閾値を変化させてダークカウントレートを測定した例を示すグラフである。 図１２は、実施例の各サンプルにおける逆バイアス電圧とクロストーク確率との関係を示すグラフである。 図１３は、実施例の各サンプルにおける、自発光に起因する暗電流特性を示すグラフである。 図１４は、光吸収膜の断面構造を模式的に示す図である。 図１５は、半導体基板の裏面上に光吸収膜を配置した構成を模式的に示す図である。 図１６は、第１変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図１７は、第２変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図１８は、第３変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図１９は、第４変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図２０は、第５変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図２１は、第６変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図２２は、第７変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図２３は、第８変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。 図２４は、第９変形例に係る光検出素子の構造を示す部分断面図である。
以下、添付図面を参照して、半導体光検出素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではない。
図１は、本実施形態に係る光検出装置１Ａの部分断面図である。図２は、光検出装置１Ａが備える半導体光検出素子（以下、単に光検出素子という）１０の概略平面図である。図３は、光検出装置１Ａの回路図である。
光検出装置１Ａは、図１に示されるように、光検出素子１０、ガラス基板３１、及び搭載基板３５を備えている。搭載基板３５は、光検出素子１０に対向配置されている。ガラス基板３１は、光検出素子１０に対向配置されている。光検出素子１０は、搭載基板３５とガラス基板３１との間に配置されている。
本実施形態の光検出素子１０は、フォトダイオードアレイである。光検出素子１０は、平面視において矩形状を呈する半導体基板１６を有している。半導体基板１６は、互いに反対を向く主面１６ａと裏面１６ｂとを含んでいる。主面１６ａには、被検出光が入射する。一例では、半導体基板１６はＳｉ基板またはＩｎＰ基板である。半導体基板１６の厚さ（主面１６ａと裏面１６ｂとの距離）は、例えば１μｍ以上１０００μｍ以下である。
光検出素子１０は、半導体基板１６に形成された複数の光検出領域１１を含んでいる。これらの光検出領域１１は、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する。それぞれの光検出領域１１には、クエンチング抵抗２１が直列に接続されている。一つの光検出領域１１は、光検出素子１０における一つのセルを構成している。
各光検出領域１１は、それぞれクエンチング抵抗２１と直列に接続された形で、全て並列に接続されており、電源から逆バイアス電圧が印加される。光検出領域１１からの出力電流は、後述する信号処理部３６によって検出される。図２では、構造の明確化のため、図１に示した絶縁膜４１の記載を省略している。
個々の光検出領域１１は、第二導電型（例えばｐ型）の半導体領域１４を有している。半導体領域１４は、半導体基板１６の主面１６ａ側に形成されている。半導体領域１４の平面形状は、たとえば多角形（本実施形態では、八角形）である。また、半導体基板１６は、第一導電型（例えばｎ型）の半導体領域１２を有している。半導体領域１２は、半導体基板１６において半導体領域１４を除く領域を占める。
光検出領域１１は、図２に示されるように、半導体基板１６の主面１６ａ側にそれぞれ配置された、電極２２と電極２３とを有している。電極２２は、半導体領域１４に電気的に接続されている。電極２３は、主面１６ａ側から見て、半導体領域１４の外側の半導体基板１６上に、絶縁膜４１を介して形成されている。また、光検出領域１１は、半導体基板１６の裏面１６ｂ側にそれぞれ配置された、半導体基板１６に電気的に接続された電極（図示省略）と、電極２４とを有している。電極２４は、半導体基板１６の裏面１６ｂ上に、絶縁膜４２を介して形成されている。
光検出素子１０は、個々の光検出領域１１毎に、半導体領域１４の外側の半導体基板１６上に、絶縁膜４１を介して形成されたクエンチング抵抗２１を有している。すなわち、クエンチング抵抗２１は、半導体基板１６の主面１６ａ側に配置されている。クエンチング抵抗２１は、その一方端が電極２２に接続され、その他方端が電極２３に接続されている。クエンチング抵抗２１は、これが接続される電極２２よりも抵抗率が高い。クエンチング抵抗２１は、たとえばポリシリコンからなる。クエンチング抵抗２１の形成方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。
光検出素子１０は、複数の貫通電極２６を含んでいる。貫通電極２６は、個々の光検出領域１１毎に設けられている。貫通電極２６は、主面１６ａと裏面１６ｂとの間を貫通して形成されている。すなわち、貫通電極２６は、半導体基板１６を貫通する貫通孔１５内に配置されている。貫通孔１５の内側面は、半導体基板１６の厚さ方向（すなわち主面１６ａ及び裏面１６ｂに垂直な方向）に延びている。
絶縁膜４２は、貫通孔１５内にも形成されている。貫通電極２６は、絶縁膜４２を挟んで、貫通孔１５の内側面上及び底面上に配置されている。貫通電極２６の一端は、電極２３に接続され、電極２３、クエンチング抵抗２１、及び電極２２を介して光検出領域１１の半導体領域１４と電気的に接続されている。貫通電極２６の他端は、電極２４に接続されている。
貫通電極２６は、平面視において、光検出領域１１間の領域に配置されている。本実施形態では、光検出領域１１は、第一方向にＭ行、第一方向に直交する第二方向にＮ列（Ｍ，Ｎは自然数）に２次元配列されている。貫通電極２６は、４つの光検出領域１１に囲まれる領域に形成されている。貫通電極２６は、光検出領域１１毎に設けられているため、第一方向にＭ行、第二方向にＮ列に２次元配列される。
電極２２，２３，２４及び貫通電極２６は金属からなる。電極２２，２３，２４及び貫通電極２６に用いられる金属としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｌＣｕなどの単層膜、或いはＡｌ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉなどの積層膜が挙げられる。なお、Ａ／Ｂ／Ｃとの表記は、半導体基板１６側から順にＡ層、Ｂ層及びＣ層が積層されていることを意味する。
半導体基板１６がＩｎＰ基板である場合には、電極材料としては、ＡｕＧｅ／Ｎｉなどもよく用いられる。プロセス設計にも因るが、電極２４及び貫通電極２６は一体に形成することができる。電極２２，２３，２４及び貫通電極２６の形成方法としては、スパッタ法を用いることができる。
Ｓｉを用いた場合におけるｐ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、ｎ型不純物としては、Ｎ、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体の導電型であるｎ型とｐ型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法やイオン注入法を用いることができる。
絶縁膜４１，４２の材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ又はＳｉＯＮといった絶縁性シリコン化合物、Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２といった絶縁性金属酸化物、或いは絶縁性樹脂を用いることができる。絶縁膜４１，４２の形成方法としては、絶縁膜４１，４２がＳｉＯ２からなる場合には、熱酸化法又はＣＶＤ法を用いることができる。
上述の構造の場合、ｎ型の半導体領域１２とｐ型の半導体領域１４との間に、ｐｎ接合が構成されることで、光検出領域１１としてのフォトダイオード（例えばアバランシェフォトダイオード）が形成されている。半導体領域１２は、裏面１６ｂ側に形成された電極（図示省略）と電気的に接続され、半導体領域１４は、電極２２と電気的に接続されている。クエンチング抵抗２１は、光検出領域１１に対して直列に接続されている（図３参照）。
各光検出領域１１がアバランシェフォトダイオードである場合、個々の光検出領域１１をガイガーモードで動作させる。ガイガーモードでは、光検出領域１１のブレークダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）を光検出領域１１のアノード／カソード間に印加する。すなわち、アノードには負電位Ｖ１を、カソードには正電位Ｖ２を印加する。これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。アノードはｐ型の半導体領域１４であり、カソードはｎ型の半導体領域１２である。
光検出領域１１に被検出光の光子が入射すると、半導体基板１６の内部において光電変換が行われ、光電子が発生する。半導体領域１４のｐｎ接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅されたキャリアは半導体基板１６の主面１６ａに形成された電極２２に向けて流れる。すなわち、光検出素子１０のいずれかのセル（光検出領域１１）に光子が入射すると、光電変換後に電子増倍がなされて、電流信号が電極２４から取り出される。
光検出素子１０は、光吸収膜１３を備えている。光吸収膜１３は、半導体基板１６の裏面１６ｂ上に設けられ、半導体基板１６の裏面１６ｂと絶縁膜４２との間に配置されている。光吸収膜１３は、光検出領域１１に吸収されずに透過した被検出光、及び／又は光検出領域１１において発生する自発光を吸収するために設けられている。光吸収膜１３は、光吸収層１３１、共振層１３２及び反射層１３３を含む多層構造を有する。
光吸収層１３１は、共振層１３２と半導体基板１６との間に設けられている。光吸収層１３１の厚さは、数ｎｍから数μｍの範囲内である。共振層１３２は、反射層１３３と半導体基板１６との間、具体的には反射層１３３と光吸収層１３１との間に設けられている。共振層１３２の厚さは、数ｎｍから数百μｍの範囲内である。
一例では、共振層１３２の光学厚さは、被検出光の波長λ１または光検出領域１１において生じる自発光の波長λ２の、４分の１の整数倍である。或いは、共振層１３２の光学厚さは、λ１／４又はλ２／４の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。被検出光の波長λ１は、可視域から近赤外域の範囲内であり、例えば３５０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。光検出領域１１において生じる自発光の波長λ２は、光検出領域１１がアバランシェフォトダイオードである場合、例えば７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。反射層１３３の厚さは、数十ｎｍから数ｍｍの範囲内である。
また、波長λ１及びλ２のうち少なくとも一方において、共振層１３２の内部の光透過率は、光吸収層１３１の内部の光透過率より大きい。言い換えると、共振層１３２の消衰係数は、光吸収層１３１の消衰係数より小さい。光吸収層１３１は、例えば金属により構成される。光吸収層１３１を構成する金属は、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、Ｔｉ、ＴｉＮ、及びＣｒからなる群から選択される一以上の材料を含んでもよい。一例では、光吸収層１３１はタングステンシリサイドを主に含み、一実施例ではタングステンシリサイドからなる。
共振層１３２は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮといったシリコン化合物を主に含み、一実施例ではＳｉＯ２、ＳｉＮ、又はＳｉＯＮからなる。波長λ１，λ２のうち少なくとも一方において、共振層１３２は光透過性を有してもよい。なお、光透過性を有するとは、対象波長に対して透明であること、すなわち７０％以上の光透過率を有することをいう。
また、波長λ１，λ２のうち少なくとも一方において、反射層１３３の表面の光反射率は、共振層１３２の表面の光反射率より大きい。なお、本実施形態において、「反射層の表面の光反射率」とは、反射層の共振層側の表面の光反射率をいい、「共振層の表面の光反射率」とは、共振層の光吸収層側の表面の光反射率をいう。
反射層１３３は、金属層である。反射層１３３を構成する金属は、Ａｌ、Ａｌ系合金（ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉ等）、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕからなる群から選択される一以上の材料を含んでもよい。一例では、反射層１３３はＡｌを主に含み、一実施例ではＡｌからなる。
図１に示されるように、搭載基板３５は平坦な主面３５ａを有している。搭載基板３５は、平面視において矩形形状を呈している。主面３５ａは、半導体基板１６の裏面１６ｂと対向している。搭載基板３５は、主面３５ａ上に配置された複数の電極２７を含んでいる。電極２７は、貫通電極２６に対応して配置されている。具体的には、電極２７は、主面３５ａにおける、電極２４に対向する各領域上に形成されている。
電極２４と電極２７とは、バンプ電極２５により接続されている。これにより、貫通電極２６は、電極２４及びバンプ電極２５を介して、電極２７に電気的に接続される。そして、クエンチング抵抗２１は、電極２３、貫通電極２６、電極２４、及びバンプ電極２５を介して、電極２７に電気的に接続される。電極２７は、電極２２，２３，２４及び貫通電極２６と同様の金属からなる。バンプ電極２５は、例えば半田を主に含む。
搭載基板３５は、図３に示される信号処理部３６を含んでいる。すなわち、搭載基板３５は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を構成している。各電極２７は、搭載基板３５内に形成された配線（図示省略）を介して信号処理部３６と電気的に接続されている。信号処理部３６には、各光検出領域１１からの出力信号が入力され、信号処理部３６は、各光検出領域１１からの出力信号を処理する。
信号処理部３６は、各光検出領域１１からの出力信号をデジタルパルスに変換するＣＭＯＳ回路を含んでいる。また、搭載基板３５は、各セル（光検出領域１１）に対応して、時間情報を記録する回路が含まれるように構成されている。時間情報を記録する回路としては、時間デジタル変換器（ＴＤＣ：Time to Digital Convertor）、又は、時間電圧変換器（ＴＡＣ：Time to Amplitude Convertor）などが用いられる。これにより、搭載基板３５内での配線距離の差は、時間分解能に影響を与えない。
半導体基板１６の裏面１６ｂ上には、バンプ電極２５に対応する位置に開口４３ａが形成されたパッシベーション膜４３が配置されている。搭載基板３５の主面３５ａ上には、バンプ電極２５に対応する位置に開口４４ａが形成されたパッシベーション膜４４が配置されている。
パッシベーション膜４３，４４は、例えば、ポリイミド系、フェノール系、エポキシ系等の樹脂絶縁膜、ＳｉＯ２／樹脂絶縁膜、ＳｉＮ／樹脂絶縁膜、ＳｉＯＮ／樹脂絶縁膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、又はＳｉＯＮ膜からなる。パッシベーション膜４３，４４の形成方法としては、樹脂絶縁膜の場合にはスピンコート法を用いることができ、ＳｉＯ２膜の場合にはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。
ガラス基板３１は、互いに反対を向く主面３１ａと裏面３１ｂとを有している。ガラス基板３１は、平面視において矩形状を呈している。裏面３１ｂは、半導体基板１６の主面１６ａと対向している。主面３１ａ及び裏面３１ｂは平坦である。ガラス基板３１と光検出素子１０とは、光学接着剤３２により接着され、且つ光学的に接続されている。ガラス基板３１は、光検出素子１０上に直接形成されていてもよい。
ガラス基板３１の主面３１ａ上には、別の光学接着剤を介してシンチレータ（不図示）が光学的に接続されてもよい。シンチレータからのシンチレーション光は、被検出光として、ガラス基板３１を透過し、光検出素子１０に入射する。
次に、図４～図７を参照して、上述した光検出装置１Ａの製造方法を説明する。図４～図７は、本実施形態に係る光検出装置１Ａの製造過程を説明するための図である。
まず、図４（ａ）に示されるように、半導体領域１２及び１４を有する半導体基板１６を作製する。この工程では、例えば、第一導電型の半導体基板を用意し、この半導体基板の主面側からイオン注入を行うことにより、第二導電型の半導体領域１４を複数形成する。このとき、半導体領域１４を除く他の領域が半導体領域１２となる。
次に、図４（ｂ）に示されるように、半導体基板１６の主面１６ａ上に、クエンチング抵抗２１、電極２２及び２３、並びに絶縁膜４１を形成する。この工程では、まず、絶縁膜４１の下層部分を形成する。その後、絶縁膜４１の下層部分のうち半導体領域１４上に位置する部分に開口を形成したのち、絶縁膜４１の下層部分上にクエンチング抵抗２１、電極２２及び２３を形成する。このとき、電極２２は開口を介して半導体領域１４と接続する。そして、絶縁膜４１の上層部分を形成し、この上層部分によりクエンチング抵抗２１、電極２２及び２３を覆う。
続いて、図４（ｃ）に示されるように、光学接着剤３２を間に挟んでガラス基板３１と絶縁膜４１とを互いに接着する。これにより、ガラス基板３１と光検出素子１０とが光学的に接続される。続いて、半導体基板１６の裏面１６ｂを研磨して半導体基板１６を薄化する。この工程では、例えば、機械研磨法又は化学研磨法を用いて半導体基板１６を薄化する。
そして、図５（ａ）に示されるように、半導体基板１６の裏面１６ｂ上に、光吸収膜１３を形成する。一例では、光吸収層１３１（例えばＷＳｉｘ）をスパッタにより形成し、共振層１３２（例えばＳｉＯ２）をＣＶＤにより形成し、反射層１３３（例えばＡｌＣｕ）をスパッタにより形成する。
続いて、図５（ｂ）に示されるように、光吸収膜１３及び半導体基板１６に貫通孔１５を形成する。この工程では、例えば、ドライエッチング法とウエットエッチング法とを適宜選択して貫通孔１５を形成し、電極２３が露出した時点でエッチングを停止する。なお、貫通孔１５を形成したのち、光吸収膜１３を形成してもよい。
続いて、図５（ｃ）に示されるように、半導体基板１６の裏面１６ｂ上（光吸収膜１３上）、並びに貫通孔１５の内側面上及び底面上（電極２３上）に、絶縁膜４２を形成する。そして、図６（ａ）に示されるように、絶縁膜４２のうち貫通孔１５の底面上（電極２３上）に位置する部分に、開口４２ａを形成する。この工程では、開口４２ａを、例えば電極２３が露出するまで絶縁膜４２をエッチングすることにより形成する。
続いて、図６（ｂ）に示されるように、貫通孔１５の内側面上及び底面上、並びに裏面１６ｂのうち貫通孔１５の周囲に位置する領域上に、金属膜を形成する。これにより、貫通孔１５の内側面上及び底面上に貫通電極２６が形成されるとともに、裏面１６ｂ上に電極２４が形成される。
続いて、図７（ａ）に示されるように、半導体基板１６の裏面１６ｂ上及び貫通孔１５内にパッシベーション膜４３を形成し、パッシベーション膜４３により電極２４及び貫通電極２６を覆う。そして、図７（ｂ）に示されるように、パッシベーション膜４３のうち電極２４上に位置する部分に、開口４３ａをエッチングにより形成する。その後、開口４３ａを覆うバンプ電極２５を形成する。
なお、バンプ電極２５の形成に先立って、電極２４におけるパッシベーション膜４３から露出する領域に、ＵＢＭ（Under Bump Metal）を形成する。ＵＢＭは、バンプ電極２５と電気的及び物理的に接続が優れた材料からなる。ＵＢＭの形成方法としては、無電解めっき法を用いることができる。バンプ電極２５の形成方法としては、ハンダボールを搭載する手法又は印刷法を用いることができる。
続いて、光検出素子１０と、別途用意した搭載基板３５とを互いにバンプ接続する（図１を参照）。そして、ガラス基板３１、光検出素子１０、及び搭載基板３５からなる積層体をダイシングにより切断し、個片化する。以上の工程を経て、本実施形態の光検出装置１Ａが作製される。なお、ガラス基板３１と光検出素子１０とからなる積層体をダイシングにより個片化した後に、その積層体の光検出素子１０と搭載基板３５とを互いにバンプ接続してもよい。
以上に説明した本実施形態の光検出素子１０によって得られる作用効果について説明する。本実施形態の光検出素子１０では、半導体基板１６の主面１６ａから入射した被検出光の光強度に応じた量の電荷が、光検出領域１１において生成される。これにより、被検出光の入射光量を電気的に検出することができる。光検出領域１１において吸収されなかった被検出光は、半導体基板１６の裏面１６ｂ上に設けられた光吸収膜１３に達する。光検出領域１１において自発光が生じた場合には、その自発光も同様に、光吸収膜１３に達する。
光吸収膜１３は、光吸収層１３１、共振層１３２、及び反射層１３３を含む多層構造を有する。光吸収膜１３に入射した光の一部は、光吸収層１３１において直ちに吸収される。光吸収層１３１に吸収されなかった光は光吸収層１３１を通過し、共振層１３２に入る。そして、共振層１３２に入った光は、光吸収層１３１及び共振層１３２の界面と、共振層１３２及び反射層１３３の界面との間で多重反射しつつ、光吸収層１３１において徐々に吸収される。
したがって、この光吸収膜１３によれば、単層の光吸収膜と比較して、極めて高い吸収効率を実現できる。故に、本実施形態の光検出素子１０によれば、半導体基板１６の裏面１６ｂにおける光の反射を効果的に低減できるので、時間分解能の低下を抑制し、また隣接セル間のクロストークを低減することができる。
前述したように、共振層１３２の光学厚さは、被検出光の波長λ１または光検出領域１１において生じる自発光の波長λ２の４分の１（すなわちλ１／４またはλ２／４）の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。
この場合、光吸収層１３１及び共振層１３２の界面にて反射した光の位相と、共振層１３２及び反射層１３３の界面にて反射した光の位相とが互いにπ（ｒａｄ）近くずれるので、互いに打ち消し合う。したがって、光吸収膜１３の吸収効率（消衰効率）を更に高めることができる。
前述したように、光検出領域１１は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードであってもよい。例えばこのような場合に、被検出光の光強度に応じた量の電荷を光検出領域１１において生成することができる。
また、特に光検出領域１１がアバランシェフォトダイオードである場合には、光検出領域１１において自発光（２次フォトン）が生じる。本実施形態の光検出素子１０は、光吸収膜１３を適宜設計することにより、光検出領域１１において生じる自発光によるクロストークをも低減することができる。したがって、本実施形態の光検出素子１０は、光検出領域１１がアバランシェフォトダイオードである場合に特に有効である。
本実施形態のように、光検出素子１０は、主面１６ａと裏面１６ｂとの間を貫通し、主面１６ａ側の一端が光検出領域１１と電気的に接続された貫通電極２６を備えてもよい。この場合、被検出光が入射する主面１６ａとは反対側の裏面１６ｂに搭載基板３５を配置することができ、多数の光検出領域１１が主面１６ａにおいて二次元状に並んでいる場合であっても、各光検出領域１１からの電荷（出力電流）を容易に取り出すことができる。
また、搭載基板３５と電気的に接続するためのボンディングワイヤ等の配線を主面１６ａ側に設ける必要がないので、光検出素子１０のフィルファクタを増大することができる。言い換えると、光検出素子１０のサイズを小型化することができ、小型のパッケージ内に収容することが可能になる。
また、貫通電極２６の形成容易性を高める為には、半導体基板１６を薄くするとよい（図５（ａ）を参照）。しかし、そうすると半導体基板１６の光入射面（主面１６ａ）と裏面１６ｂとの距離が短くなるので、時間分解能の低下及び隣接セル間のクロストークが生じ易くなる。本実施形態の光検出素子１０によれば、時間分解能の低下を抑制し、また隣接セル間のクロストークを低減できるので、半導体基板１６に貫通電極２６を設ける場合に特に有効である。
本実施形態のように、光検出素子１０はガラス基板３１に接合されていてもよい。この場合、半導体基板１６の機械的強度をより低くすることが許容されるので、半導体基板１６をより薄くすることが可能になる。したがって、貫通孔１５の形成が容易になるとともに、光検出素子１０の応答特性が向上する。
本実施形態によるクロストーク低減効果を検証した実施例について説明する。図８及び図９は、検証のために作製した積層体１００Ａ及び１００Ｂの断面構造を模式的に示す図である。
図８に示されるように、積層体１００Ａは、サポートガラス１０１上に、接合樹脂１０２、ＡｌとＣｕの合金層１０３、ＣＶＤ法により成膜したＳｉＯ２層１０４、ＷＳｉ層１０５、Ｓｉ層１０６、及びＳｉＯ２層１０７をこの順に積層した構造を有する。ＷＳｉ層１０５、ＳｉＯ２層１０４、及び合金層１０３は、それぞれ本実施形態の光吸収層１３１、共振層１３２、及び反射層１３３に相当する。Ｓｉ層１０６は本実施形態の半導体基板１６に相当する。図９に示されるように、積層体１００Ｂは、サポートガラス１０１上に、接合樹脂１０２、ＡｌとＣｕの合金層１０３、樹脂絶縁層１０８（フェノール系樹脂）、Ｓｉ層１０６、及びＳｉＯ２層１０７をこの順に積層した構造を有する。
これらの積層体１００Ａ及び１００Ｂにおいて、サポートガラス１０１の厚さを３００μｍ、接合樹脂１０２の厚さを１０μｍ、合金層１０３の厚さを１０００ｎｍ、ＳｉＯ２層１０４の厚さを１００ｎｍ、ＷＳｉ層１０５の厚さを２３ｎｍ、樹脂絶縁層１０８の厚さを５０００ｎｍとした。そして、Ｓｉ層１０６の厚さを２０μｍ～７０μｍの範囲内で変化させて、積層体１００Ａ及び１００Ｂそれぞれについて複数個のサンプルを作製した。
また、各積層体のＳｉ層１０６に、２６行２６列に二次元配列された複数のセル（光検出領域）としての半導体領域１１０及び配線（図示せず）を形成した。半導体領域１１０は本実施形態の半導体領域１４に相当する。各セルのサイズを一辺５０μｍとした。そして、それぞれのセルにクエンチング抵抗を形成し、電荷をまとめて出力する構成とした。出力された電荷を広帯域アンプにより電圧信号に変換し、コンパレータにより閾値以上の高さのパルスを抽出して、パルスの数をカウンタ回路によりカウントした。
図１０は、クロストークを含む電圧信号波形を模式的に示すグラフである。上記の各サンプルにおいて１つの光子が検出されると、１光子分の高さを有するパルス信号Ｇ１２が出力される。ここで、１光子分のパルス高さを１ photon equivalent（ｐ．ｅ．）と定義する。隣接セル間でクロストークが生じると、電圧信号波形には、１光子分の高さを有するパルス信号Ｇ１２に加えて、２光子分（或いはそれ以上）の高さを有するパルス信号Ｇ１１が現れる。
電圧信号に対するコンパレータの閾値を例えば０．５ｐ．ｅ．に設定すると（図中の直線Ｄ１）、これらのパルス信号Ｇ１１，Ｇ１２は、互いに区別されることなく、それぞれ１個のパルスとしてカウントされる。また、電圧信号に対するコンパレータの閾値を例えば１．５ｐ．ｅ．に設定すると（図中の直線Ｄ２）、パルス信号Ｇ１２は検出されず、パルス信号Ｇ１１のみがカウントされる。
図１１は、サンプルを暗箱の中に配置し、コンパレータの閾値を変化させて自発光のカウントレート（以下、ダークカウントレートという）を測定した例を示すグラフである。図１１において、縦軸はダークカウントレート（単位：ｃｐｓ（counts per second））を表し、横軸は閾値（単位：Ｖ）を表す。
閾値が１．０（ｐ．ｅ．）未満となる範囲Ａ１においては、全てのパルス高さのパルス信号がカウントされ、ダークカウントレートは高い値となる。そして、閾値が１．０（ｐ．ｅ．）より大きく２．０（ｐ．ｅ．）未満となる範囲Ａ２においては、１．０（ｐ．ｅ．）の高さのパルス信号がカウントされないので、ダークカウントレートは範囲Ａ１から一段階低くなる。こうして、閾値の増大に応じてダークカウントレートは段階的に減少する。
範囲Ａ１におけるダークカウントレートをＮ0.5p.e.、範囲Ａ２におけるダークカウントレートをＮ1.5p.e.とすると、クロストークの程度を表すクロストーク確率は、Ｎ0.5p.e.とＮ1.5p.e.との比（Ｎ1.5p.e.／Ｎ0.5p.e.）により算出される。このクロストーク確率が大きいほど、クロストークの程度が大きいといえる。
図１２は、実施例の各サンプルにおける逆バイアス電圧とクロストーク確率との関係を示すグラフである。図１２において、縦軸はクロストーク確率（単位：％）を表し、横軸は動作電圧に対するオーバー電圧（単位：Ｖ）を表す。図中のグラフＧ２１～Ｇ２３は、上記の積層体１００Ｂ（すなわち光吸収膜なし）の場合を示し、図中のグラフＧ２４～Ｇ２６は、上記の積層体１００Ａ（すなわち光吸収膜あり）の場合を示す。また、グラフＧ２１，Ｇ２４はＳｉ層１０６の厚さを２０μｍとした場合を示し、グラフＧ２２，Ｇ２５はＳｉ層１０６の厚さを４５μｍとした場合を示し、グラフＧ２３，Ｇ２６はＳｉ層１０６の厚さを７０μｍとした場合を示す。
図１２を参照すると、Ｓｉ層１０６が薄いほど、クロストーク確率が大きいことがわかる。このことは、半導体基板１６が薄いほどクロストークが生じ易いことを意味する。また、図１２を参照すると、積層体１００Ａ（光吸収膜あり）においては、積層体１００Ｂ（光吸収膜なし）と比較して、クロストーク確率が格段に小さいことがわかる。このことは、本実施形態において、光検出素子１０が光吸収膜１３を備えることにより、クロストークを格段に低減できることを意味する。なお、この結果は自発光に関するものであるが、被検出光に対しても同様であると考えられる。
図１３は、実施例の各サンプルにおける、自発光に起因する暗電流特性を示すグラフである。図１３において、縦軸は暗電流の大きさ（単位：Ａ）を表し、横軸は逆バイアス電圧（単位：Ｖ）を表す。図中のグラフＧ３１～Ｇ３３は、上記の積層体１００Ｂ（光吸収膜なし）の場合を示し、図中のグラフＧ３４～Ｇ３６は、上記の積層体１００Ａ（光吸収膜あり）の場合を示す。また、グラフＧ３１，Ｇ３４はＳｉ層１０６の厚さを２０μｍとした場合を示し、グラフＧ３２，Ｇ３５はＳｉ層１０６の厚さを４５μｍとした場合を示し、グラフＧ３３，Ｇ３６はＳｉ層１０６の厚さを７０μｍとした場合を示す。
図１３を参照すると、Ｓｉ層１０６が薄いほど、使用可能な逆バイアス電圧の範囲が狭い（暗電流が急激に増大するときの逆バイアス電圧が小さい）ことがわかる。このことは、半導体基板１６が薄いほど、使用可能な逆バイアス電圧の範囲が狭いことを意味する。また、図１３を参照すると、積層体１００Ａ（光吸収膜あり）においては、積層体１００Ｂ（光吸収膜なし）と比較して、使用可能な逆バイアス電圧の範囲が広い（暗電流が急激に増大するときの逆バイアス電圧が大きい）ことがわかる。
例えば、グラフＧ３１とグラフＧ３４とを比較すると、Ｓｉ層１０６の厚さが同じであっても、グラフＧ３１では５７．５Ｖ付近で暗電流が増大するが、グラフＧ３４では６１Ｖ付近で暗電流が増大する。故に、グラフＧ３４では、グラフＧ３１と比較して、使用可能な逆バイアス電圧の範囲が＋３．５Ｖ程度広い。このことは、本実施形態において、光検出素子１０が光吸収膜１３を備えることにより、自発光を効果的に吸収して使用可能な逆バイアス電圧の範囲を拡大できることを意味する。
本実施形態の光吸収膜１３の作用について、詳細に説明する。図１４は、光吸収膜１３の断面構造を模式的に示す図である。
前述したように、光吸収膜１３は、光吸収層１３１、共振層１３２、及び反射層１３３を含む多層構造を有する。光吸収膜１３に到達した光Ｌの一部は光吸収層１３１の表面において反射し、残部が光吸収層１３１の内部に入る。このとき、光吸収層１３１のシート抵抗を隣接する半導体基板１６の空間インピーダンスに一致させておけば、表面反射率はゼロとなり、光吸収層１３１の内部に全ての光Ｌが入ることになる。
光吸収層１３１の内部に入った光Ｌは、光吸収層１３１の消衰係数に基づいて計算される比率で次第に吸収されるので、光吸収層１３１が十分に厚ければ、ほとんどの光Ｌが光吸収層１３１に吸収される。しかし、光吸収層１３１を厚くすることは、すなわちシート抵抗を小さくすることに繋がり、光吸収層１３１の表面反射率が増大することとなる。したがって、本実施形態では、光吸収層１３１の厚みを制限し、一部の光Ｌが光吸収層１３１を通り抜けることを許容する。
この通り抜けた光Ｌの一部は、共振層１３２と光吸収層１３１との界面にて反射し、光吸収層１３１へ戻る。以下、この反射光を第一反射光と称する。光吸収層１３１が金属からなり、共振層１３２が誘電体からなる場合、共振層１３２のインピーダンスは光吸収層１３１のインピーダンスより大きい（換言すると、共振層１３２の屈折率は光吸収層１３１の屈折率より小さい）ので、第一反射光は、π（ｒａｄ）の位相ずれを伴わない。
また、光Ｌの残部は、該界面を通過して共振層１３２の内部に入る。共振層１３２の内部に入った光Ｌは、ほとんど減衰されることなく共振層１３２と反射層１３３との界面に達し、該界面において全反射する。以下、この反射光を第二反射光と称する。第二反射光は再び共振層１３２内部を進んで光吸収層１３１へ向かう。反射層１３３のインピーダンスは０Ωに近い（言い換えると、屈折率が無限大に近い）ので、第二反射光は、π（ｒａｄ）の位相ずれを伴う。
第二反射光が光吸収層１３１に到達したときに、第二反射光と第一反射光との位相差がπ（ｒａｄ）であれば、互いに打ち消し合う。その為には、共振層１３２の光学厚さ（換言すると、光吸収層１３１と反射層１３３との光学的間隔）が、光Ｌの波長の１／４であればよい。但し、第一反射光の電界振幅と第二反射光の電界振幅とは全く同じではないので、完全には打ち消し合わず、反射光の一部は光吸収層１３１に入射する。光吸収層１３１に入射した反射光は、光吸収層１３１において吸収される。また、第二反射光の一部は共振層１３２の内部に残り、多重反射を繰り返すが、徐々に光吸収層１３１に吸収される。こうして、光Ｌのほとんどが光吸収層１３１に吸収されることとなる。
光吸収膜１３の設計例について説明する。図１５は、半導体基板１６の裏面１６ｂ上に光吸収膜１３を配置した構成を模式的に示す図である。
本実施形態では、図１５に示されるように、光吸収膜１３の光吸収層１３１が半導体基板１６に接している。ここでは、半導体基板１６はＳｉ又はＩｎＰからなるものとする。光Ｌの波長は１．５５μｍであるものとする。光吸収層１３１はＷＳｉからなり、共振層１３２はＳｉＯ２からなり、反射層１３３はＡｌからなるものとする。
空気の特性インピーダンスは３７７Ωであり、Ｓｉ及びＩｎＰの屈折率は約３．５であるから、半導体基板１６の特性インピーダンスは３７７Ω／３．５＝１０８Ωとなる。また、タングステンシリサイド（ＷＳｉ２）の比抵抗は２．４８×１０－４Ω・ｃｍである。したがって、光吸収層１３１の好適な厚みｔは、
Figure 0007668274000001
 として算出される。
また、ＳｉＯ２の比屈折率は１．４８であるから、共振層１３２の好適な厚さは、１．５５μｍ／１．４８／４＝２６２ｎｍとして算出される。また、Ａｌの比抵抗は２．６５×１０－６Ω・ｃｍであるから、反射層１３３を例えば１μｍといった十分な厚みとすることにより、シート抵抗は０．０２６５Ωとなる。ＳｉＯ２のインピーダンスは
Figure 0007668274000002
 であるから、共振層１３２と反射層１３３との界面における反射係数は、０．９９８となる。
上記の考え方に従えば、被検出光の波長λ１、又は自発光の波長λ２に応じた光吸収膜１３の設計も容易となる。下記の表１は、被検出光の波長λ１が６００ｎｍ、８００ｎｍ、及び１０００ｎｍである場合における光吸収膜１３の設計例を示す表である。また、下記の表２は、自発光の波長λ２が７００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲内である場合における光吸収膜１３の設計例を示す表である。
Figure 0007668274000003
Figure 0007668274000004
なお、上記の設計例では、光吸収膜１３の表面に対して垂直な方向（言い換えると、光吸収膜１３の厚み方向）から光Ｌが入射することを想定しているが、光吸収膜１３の表面に対して傾斜した方向から光Ｌが入射する場合には、上記の設計に光Ｌの入射角を加味するとよい。すなわち、各層１３１～１３３の屈折率から各層１３１～１３３内における光の伝搬角度を計算し、各層１３１～１３３の厚さを、この伝搬角度を考慮した厚さとするとよい。
（変形例）
図１６は、上記実施形態の第１変形例に係る光検出素子１０Ａの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ａは、ガラス基板３１及び光学接着剤３２を備えない点において上記の光検出素子１０と相違し、その他の点において光検出素子１０と一致する。このような構造であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、本変形例のようにガラス基板３１が設けられない場合、ガラス基板３１及び光学接着剤３２による光損失（吸収及び反射）を回避でき、光検出効率を高めることができる。加えて、光学接着剤３２からのアウトガスの発生を回避できる。更には、シンチレータ又はマイクロレンズといった追加の光学部品を、光検出素子の光入射面に直接搭載することが可能になる。
図１７は、上記実施形態の第２変形例に係る光検出素子１０Ｂの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｂは、光吸収膜１３が裏面１６ｂ上に加えて貫通孔１５の内側面上及び底面上にも形成されている点において上記の光検出素子１０と相違し、その他の点において光検出素子１０と一致する。この場合、絶縁膜４２及び貫通電極２６は、光吸収膜１３を介して、貫通孔１５内に配置される。
このような構造であれば、裏面１６ｂに加えて貫通孔１５の内側面における光の反射を抑制できるので、時間分解能の低下を更に抑制し、また隣接セル間のクロストークを更に低減できる。本変形例の光検出素子１０Ｂを作製する際には、貫通孔１５を形成したのちに光吸収膜１３を形成するとよい。なお、上記実施形態のように、光吸収膜１３が裏面１６ｂのみに形成され、貫通孔１５の内側面上及び底面上には形成されない場合、製造工程が容易になり、工数を削減して低コスト化できるという利点がある。
図１８は、上記実施形態の第３変形例に係る光検出素子１０Ｃの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｃは、ガラス基板３１及び光学接着剤３２を備えない点において上記の光検出素子１０Ｂと相違し、その他の点において光検出素子１０Ｂと一致する。このような構造によれば、第１変形例及び第２変形例と同様の作用効果を奏することができる。
図１９は、上記実施形態の第４変形例に係る光検出素子１０Ｄの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｄは、貫通孔１５の内側面が、半導体基板１６の厚さ方向（すなわち主面１６ａ及び裏面１６ｂに垂直な方向）に対して傾斜している点において上記の光検出素子１０と相違し、その他の点において光検出素子１０と一致する。この場合、貫通孔１５の内径は、主面１６ａから裏面１６ｂへ近づくにしたがって拡大する。このような構造であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
図２０は、上記実施形態の第５変形例に係る光検出素子１０Ｅの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｅは、ガラス基板３１及び光学接着剤３２を備えない点において上記の光検出素子１０Ｄと相違し、その他の点において光検出素子１０Ｄと一致する。このような構造であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、ガラス基板３１が設けられないことにより、第１変形例と同様の作用効果を奏することができる。
図２１は、上記実施形態の第６変形例に係る光検出素子１０Ｆの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｆは、光吸収膜１３が裏面１６ｂ上に加えて貫通孔１５の内側面上及び底面上にも形成されている点において上記の光検出素子１０Ｄと相違し、その他の点において光検出素子１０Ｄと一致する。この場合、第２変形例と同様の作用効果を奏することができる。
図２２は、上記実施形態の第７変形例に係る光検出素子１０Ｇの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｇは、ガラス基板３１及び光学接着剤３２を備えない点において上記の光検出素子１０Ｆと相違し、その他の点において光検出素子１０Ｆと一致する。このような構造によれば、第５変形例及び第６変形例と同様の作用効果を奏することができる。
図２３は、上記実施形態の第８変形例に係る光検出素子１０Ｈの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｈは、上記実施形態のバンプ電極２５及び貫通電極２６に代えてボンディングワイヤ２８を備えており、また、上記実施形態のガラス基板３１及び光学接着剤３２に代えてガラス基板３３及び光学接着剤３４を備えている。
具体的には、半導体基板１６には貫通孔１５が形成されておらず、電極２３は、絶縁膜４１の上面に形成された開口４１ａを通じて露出している。ボンディングワイヤ２８は、複数のセルそれぞれに設けられている。そして、ボンディングワイヤ２８の一端は、開口４１ａにおいて露出した電極２３の部分と接続している。なお、ボンディングワイヤ２８の他端は、上記実施形態の搭載基板３５と同様の回路を有する図示しない回路基板と接続している。
光吸収膜１３は、半導体基板１６の裏面１６ｂの全面にわたって形成されており、半導体基板１６とは反対側の光吸収膜１３の面（すなわち、反射層１３３の表面）には、光学接着剤３４を介してガラス基板３３が接着されている。このような構造であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、貫通電極２６を形成する必要がないので、製造工程が容易になり、工数を削減して低コスト化できる。
図２４は、上記実施形態の第９変形例に係る光検出素子１０Ｊの構造を示す部分断面図である。この光検出素子１０Ｊは、ガラス基板３３及び光学接着剤３４を備えない点において上記の光検出素子１０Ｈと相違し、その他の点において光検出素子１０Ｈと一致する。このような構造であっても、第８変形例と同様の作用効果を奏することができる。また、ガラス基板３３が設けられないことにより、第１変形例と同様の作用効果を奏することができる。
半導体光検出素子は、上記実施形態及び構成例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
一つの貫通電極２６には、一つのクエンチング抵抗２１が電気的に接続されているが、これに限られない。一つの貫通電極２６に、複数のクエンチング抵抗（たとえば、４つのクエンチング抵抗）２１が電気的に接続されていてもよい。この場合、セル間で貫通電極２６の共通化が図られ、半導体基板１６に形成される貫通電極２６の数を低減できる。これにより、半導体基板１６の機械的強度の低下を抑制することができる。一つの貫通電極２６に、電気的に接続されるクエンチング抵抗の数は、「４」に限られることなく、「３」以下でもよく、また、「５」以上でもよい。
一つの貫通電極２６に複数のクエンチング抵抗２１が電気的に接続されている場合、各光検出領域１１から対応するクエンチング抵抗２１を介した貫通電極２６までの配線距離が同等であることが好ましい。この場合、セル間で貫通電極２６の共通化が図られた構成においても、時間分解能が低下するのを防ぐことができる。
半導体領域１４の形状は、上述した形状に限られることなく、他の形状（たとえば、円形状など）であってもよい。また、光検出領域１１の数（行数及び列数）や配列は、上述したものに限られない。
光検出素子１０は、複数の光検出領域１１を備えているが、これに限られない。光検出素子は、単一の光検出領域１１を備えてもよい。その場合であっても、時間分解能の低下を抑制する効果を奏することができる。
光検出装置１Ａは、複数の光検出領域１１からの出力電流をまとめて（一括して）出力する構成を備えているが、これに限られない。光検出素子は、複数の光検出領域１１（画素）からの出力電流を光検出領域１１毎に個別に出力する光検出装置に適用されてもよい。そのような光検出装置は、例えばＣＣＤなどの撮像装置として利用できる。その場合、上記実施形態の「セル」は「画素」に読み替えられ、光検出素子は隣接画素間のクロストークを低減できる。
上記実施形態による半導体光検出素子は、被検出光が入射する主面、及び主面とは反対を向く裏面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する一又は複数の光検出領域を主面側に有する半導体基板と、半導体基板の裏面上に設けられた光吸収膜と、を備え、光吸収膜は、金属層である反射層と、反射層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた光吸収層と、を含む多層構造を有し、被検出光の波長及び光検出領域において生じる自発光の波長のうち少なくとも一方において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい構成としている。
上記の半導体光検出素子において、共振層の光学厚さは、被検出光の波長の４分の１及び自発光の波長の４分の１のうちいずれか一方の整数倍を中心とする±２０％の範囲内である構成としてもよい。
この場合、光吸収層及び共振層の界面にて反射した光の位相と、共振層及び反射層の界面にて反射した光の位相とが互いにπ（ｒａｄ）近くずれるので、互いに打ち消し合う。したがって、光吸収膜の吸収効率（消衰効率）を更に高めることができる。
上記の半導体光検出素子において、一又は複数の光検出領域は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードである構成としてもよい。例えばこのような場合に、被検出光の光強度に応じた量の電荷を光検出領域において生成することができる。
また、特に光検出領域がアバランシェフォトダイオードである場合には、光検出領域において自発光が生じる。上記の半導体光検出素子では、光検出領域において生じる自発光によるクロストークをも低減することができる。したがって、上記の半導体光検出素子は、光検出領域がアバランシェフォトダイオードである場合に特に有効である。
上記の半導体光検出素子は、主面と裏面との間を貫通し、主面側の一端が光検出領域と電気的に接続された貫通電極を更に備える構成としてもよい。この場合、光が入射する主面とは反対側の裏面に配線基板等を配置することができ、多数の光検出領域が主面に並んでいる場合であっても、各光検出領域からの電荷（出力電流）を容易に取り出すことができる。
また、貫通電極の形成容易性を高める為には、半導体基板を薄くするとよい。しかし、そうすると半導体基板の光入射面（主面）と裏面との距離が短くなるので、時間分解能の低下及び隣接画素間（隣接セル間）のクロストークが生じ易くなる。上記の半導体光検出素子によれば、時間分解能の低下を抑制し、また隣接画素間（隣接セル間）のクロストークを低減できるので、半導体基板に貫通電極を設ける場合に特に有効である。
上記の半導体光検出素子において、光吸収層はタングステンシリサイドを主に含み、共振層はＳｉＯ２を主に含む構成としてもよい。この場合、吸収効率が高い光吸収膜を実現することができる。
本発明は、半導体基板の裏面における光の反射を低減できる半導体光検出素子として利用可能である。
１Ａ…光検出装置、１０，１０Ａ～１０Ｈ，１０Ｊ…光検出素子、１１…光検出領域、１２…半導体領域、１３…光吸収膜、１４…半導体領域、１５…貫通孔、１６…半導体基板、１６ａ…主面、１６ｂ…裏面、２１…クエンチング抵抗、２２，２３，２４，２７…電極、２５…バンプ電極、２６…貫通電極、２８…ボンディングワイヤ、３１…ガラス基板、３１ａ…主面、３１ｂ…裏面、３２…光学接着剤、３３…ガラス基板、３４…光学接着剤、３５…搭載基板、３５ａ…主面、３６…信号処理部、４１，４２…絶縁膜、４１ａ，４２ａ…開口、４３，４４…パッシベーション膜、４３ａ，４４ａ…開口、１００Ａ，１００Ｂ…積層体、１０１…サポートガラス、１０２…接合樹脂、１０３…合金層、１０４…ＳｉＯ２層、１０５…ＷＳｉ層、１０６…Ｓｉ層、１０８…樹脂絶縁層、１１０…半導体領域、１３１…光吸収層、１３２…共振層、１３３…反射層、Ｌ…光、Ｖ１…負電位、Ｖ２…正電位。

Claims (5)

  1. 被検出光が入射する主面、及び前記主面とは反対を向く裏面を有し、前記被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する一又は複数の光検出領域を前記主面側に有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記裏面上に設けられた光吸収膜と、
    を備え、
    前記光吸収膜は、金属層である反射層と、前記反射層と前記半導体基板との間に設けられた共振層と、前記共振層と前記半導体基板との間に設けられた光吸収層と、を含む多層構造を有し、
    前記被検出光の波長及び前記光検出領域において生じる自発光の波長のうち少なくとも一方において、前記共振層の内部の光透過率は前記光吸収層の内部の光透過率より大きく、前記反射層の表面の光反射率は前記共振層の表面の光反射率より大きい、半導体光検出素子。
  2. 前記共振層の光学厚さは、前記被検出光の波長の４分の１及び前記自発光の波長の４分の１のうちいずれか一方の整数倍を中心とする±２０％の範囲内である、請求項１に記載の半導体光検出素子。
  3. 前記一又は複数の光検出領域は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードである、請求項１または２に記載の半導体光検出素子。
  4. 前記主面と前記裏面との間を貫通し、前記主面側の一端が前記光検出領域と電気的に接続された貫通電極を更に備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
  5. 前記光吸収層はタングステンシリサイドを主に含み、前記共振層はＳｉＯ２を主に含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体光検出素子。
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