KR20190078624A - 광 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

광 검출 장치는 이차원 배열되어 있는 복수의 화소를 가지는 반도체 광 검출 소자와, 대응하는 화소로부터의 출력 신호를 처리하는 복수의 신호 처리부를 가지는 탑재 기판을 구비하고 있다. 반도체 광 검출 소자는, 화소마다, 가이거 모드로 동작하는 복수의 애벌란시 포토 다이오드와, 대응하는 애벌란시 포토 다이오드에 전기적으로 직렬 접속되어 있는 복수의 퀀칭 저항과, 복수의 퀀칭 저항에 전기적으로 접속되어 있는 관통 전극을 가지고 있다. 각 신호 처리부는 대응하는 관통 전극을 통하여 복수의 애벌란시 포토 다이오드가 전기적으로 접속되어 있음과 아울러 복수의 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호에 대응하는 신호를 출력하는 커런트 미러 회로를 가지고 있다. 탑재 기판이 가지고 있는 복수의 신호 처리부의 수는, 각 화소에서의 수광 영역의 수보다도 많다.

Description

광 검출 장치
본 발명은 광 검출 장치에 관한 것이다.
이차원 배열되어 있는 복수의 화소와, 대응하는 화소로부터의 출력 신호를 처리하는 복수의 신호 처리부를 가지는 광 검출 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 2 참조). 각 화소는 포토 다이오드를 포함하고 있다.
특허 문헌 1: 특개 2005－265607호 공보 특허 문헌 2: 특개 2006－332796호 공보
특허 문헌 1 및 2에 기재된 광 검출 장치에서는, 각 화소에서의 광 감도가 낮으므로, 미약광(예를 들어, 싱글 포톤)의 이미징이 곤란하다. 화소의 수광 면적이 큰 경우, 화소의 수광 면적이 작은 경우에 비하여, 화소에서의 광 감도가 확보된다. 그렇지만, 화소의 수광 면적이 큰 경우, 이하의 문제가 발생할 우려가 있다. 화소 사이의 피치를 좁게 하기 어려우므로, 이미징에 있어서 충분한 해상도를 확보할 수 없다. 각 화소에 있어서 배경광이 수광되기 쉬우므로, 배경광의 수광량이 크다. 검출 대상인 미약광의 수광량에 대한 배경광의 수광량의 비율이 큰 경우, 배경광의 성분을 컷하기 어렵다. 포토 다이오드에서의 PN 접합 용량이 크므로, 미약광을 수광하고 나서 신호를 출력할 때까지의 응답 속도가 늦다.
특허 문헌 1 및 2에 기재된 광 검출 장치에서는, 포토 다이오드로부터의 신호를 OP AMP 회로가 증폭하고 있다. 그렇지만, 미약광을 검출하기 위해서 OP AMP 회로의 게인이 높여진 경우, OP AMP 회로는 응답 속도의 저하 또는 공급 전력의 증가를 피할 수 없게 된다. OP AMP 회로의 응답 속도가 저하되었을 경우, 입력 신호의 상승의 가파름(steepness)이, OP AMP 회로에 접속되는 후단 회로에 정확하게 전달되지 않을 우려가 있다. OP AMP 회로의 공급 전력이 증가했을 경우, 장치 전체에서의 소비 전력이 방대해진다.
본 발명의 일 양태는 정밀도가 높고 또한 절전형으로 미약광을 검출하는 광 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태는 광 검출 장치로서, 반도체 광 검출 소자와, 반도체 광 검출 소자가 탑재되는 탑재 기판을 구비하고 있다. 반도체 광 검출 소자는 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가지고 있는 반도체 기판을 가짐과 아울러, 반도체 기판에 이차원 배열되어 있는 복수의 화소를 가지고 있다. 탑재 기판은 대응하는 화소로부터의 출력 신호를 처리하는 복수의 신호 처리부를 가지고 있다. 반도체 광 검출 소자는 화소마다, 가이거 모드로 동작하는 복수의 애벌란시 포토 다이오드와, 복수의 퀀칭 저항과, 반도체 기판을 두께 방향으로 관통하고 있는 관통 전극을 가지고 있다. 복수의 애벌란시 포토 다이오드는 반도체 기판의 제1 주면측에 마련된 수광 영역을 각각 가지고 있다. 복수의 퀀칭 저항은 반도체 기판의 제1 주면측에 배치되어 있음과 아울러, 대응하는 애벌란시 포토 다이오드에 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 관통 전극은 복수의 퀀칭 저항에 전기적으로 접속되어 있다. 복수의 애벌란시 포토 다이오드의 수광 영역은 화소마다, 이차원 배열되어 있다. 각 신호 처리부는 대응하는 관통 전극을 통하여 복수의 애벌란시 포토 다이오드가 전기적으로 접속되어 있는 커런트 미러 회로를 가지고 있다. 커런트 미러 회로는 복수의 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호에 대응하는 신호를 출력한다. 탑재 기판이 가지고 있는 복수의 신호 처리부의 수는, 각 화소에서의 수광 영역의 수보다도 많다.
본 일 양태에 따른 광 검출 장치에서는, 반도체 광 검출 소자가 이차원 배열되어 있는 화소마다, 가이거 모드로 동작하는 복수의 애벌란시 포토 다이오드를 가지고 있다. 복수의 신호 처리부의 수는 각 화소의 수광 영역의 수보다도 많다. 본 일 양태에 따른 광 검출 장치에서는, 각 애벌란시 포토 다이오드의 내부 증배 기능에 의해, 일반적인 포토 다이오드가 이용된 광 검출 장치에 비하여, 각 화소에서의 광 감도가 향상된다. 따라서 본 일 양태에 따른 광 검출 장치는, 이미징에서의 해상도를 향상시키기 위해서 각 화소의 수광 면적이 축소되어 있는 경우에도, 일반적인 포토 다이오드가 이용된 광 검출 장치에서는 검출되기 어려운 미약광을 검출한다.
배경광은 미약광에 대한 노이즈이다. 화소의 수광 면적이 작은 경우, 화소의 수광 면적이 큰 경우에 비하여, 미약광의 수광량에 대한 배경광의 수광량의 비율이 작으므로, 일 화소당 배경광의 성분이 적다. 또, 화소의 수광 면적이 작은 경우, 각 화소에 있어서의 애벌란시 포토 다이오드의 PN 접합 용량의 합도 작다. 따라서 가파른 상승을 가지는 출력 신호가 각 애벌란시 포토 다이오드로부터 얻어진다.
본 일 양태에 따른 광 검출 장치에서는, 각 신호 처리부가 커런트 미러 회로를 가지고 있다. 커런트 미러 회로는 OP AMP 회로에 비하여, 절전형이고 또한 응답 속도가 빨라, 입력 신호의 정보를 정확하게 전달한다. 입력 신호의 정보는, 예를 들어, 신호 파형을 포함한다. 따라서 커런트 미러 회로는 각 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호의 상승의 가파름을 정확하게 전달한다. 이들 결과, 본 일 양태에 따른 광 검출 장치는 정밀도가 높고 또한 절전형으로 미약광을 검출한다.
본 일 양태에 따른 광 검출 장치에서는, 각 신호 처리부가, 게이트 접지 회로를 가지고 있어도 되고, 커런트 미러 회로에는, 게이트 접지 회로로부터의 출력 신호가 입력되고 있어도 된다. 이 경우, 게이트 접지 회로는 대응하는 관통 전극과 커런트 미러 회로의 사이에 삽입되어 있음과 아울러, 대응하는 관통 전극을 통하여 복수의 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호가 입력된다. 게이트 접지 회로의 입력 임피던스는, 게이트 접지 회로 이외의 판독 회로의 입력 임피던스에 비해 낮다. 따라서 게이트 접지 회로는 각 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호의 상승의 가파름을 정확하게 전달한다. 이 결과, 본 형태에서는, 각 신호 처리부가 각 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호의 상승의 가파름을 보다 한층 정확하게 전달한다.
본 일 양태에 따른 광 검출 장치에서는, 각 신호 처리부가 커런트 미러 회로로부터의 출력 신호가 입력되는 콤퍼레이터를 가지고 있어도 된다. 이 경우, 원하는 펄스 파고(波高)를 가지는 신호를 콤퍼레이터에 입력된 신로로부터 얻을 수 있다.
본 발명의 일 양태는 정밀도가 높고 또한 절전형으로 미약광을 검출하는 광 검출 장치를 제공한다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 광 검출 장치를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 광 검출 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 반도체 광 검출 소자의 개략 평면도이다.
도 4는 반도체 광 검출 소자의 개략 확대도이다.
도 5는 반도체 광 검출 소자의 개략 확대도이다.
도 6은 반도체 광 검출 소자의 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 광 검출 장치의 회로도이다.
도 8은 본 실시 형태의 변형예에 따른 광 검출 장치의 회로도이다.
도 9는 탑재 기판의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 덧붙여, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시 형태에 따른 광 검출 장치의 구성을 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 따른 광 검출 장치를 나타내는 개략 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 광 검출 장치의 분해 사시도이다.
광 검출 장치(1)는, 도 1 및 도 2에 도시되는 것처럼, 반도체 광 검출 소자(10), 탑재 기판(20), 및 유리 기판(30)을 구비하고 있다. 탑재 기판(20)은 반도체 광 검출 소자(10)와 대향하고 있다. 유리 기판(30)은 반도체 광 검출 소자(10)와 대향하고 있다. 반도체 광 검출 소자(10)는 탑재 기판(20)과 유리 기판(30)의 사이에 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 반도체 광 검출 소자(10), 탑재 기판(20), 및 유리 기판(30)의 각 주면과 평행한 면이 XY축 평면임과 아울러, 각 주면과 직교하는 방향이 Z축 방향이다.
반도체 광 검출 소자(10)는 평면에서 볼 때 사각형 형상을 나타내고 있는 반도체 기판(50)을 가지고 있다. 반도체 기판(50)은 Si로 이루어지고, N형의 반도체 기판이다. 반도체 기판(50)은 서로 대향하는 주면(1Na)과 주면(1Nb)을 가지고 있다. N형은 제1 도전형의 일례이다. 제2 도전형의 일례는, P형이다.
도 2에 도시되는 것처럼, 반도체 광 검출 소자(10)는 복수의 화소 U와, 복수의 관통 전극 TE를 가지고 있다. 복수의 화소 U는 반도체 기판(50)에 행렬(行列) 모양으로 이차원 배열되어 있다. 복수의 관통 전극 TE도, 반도체 기판(50)에 행렬 모양으로 이차원 배열되어 있다. 광 검출 장치(1)는 복수의 화소 U에서 검출된 광에 대응하는 신호를 출력한다. 본 실시 형태에서는, 화소 U의 수는 「1024(32×32)」 이다. 화소 U간의 피치 WU는 행방향 및 열방향에 있어서, 10~500μm이다. 행방향이 X축 방향이고, 열방향이 Y축 방향이다.
유리 기판(30)은 서로 대향하는 주면(30a)과 주면(30b)을 가지고 있다. 유리 기판(30)은 평면에서 볼 때 사각형 형상을 나타내고 있다. 주면(30b)은 반도체 기판(50)의 주면(1Na)과 대향하고 있다. 주면(30a) 및 주면(30b)은 평탄하다. 유리 기판(30)과 반도체 광 검출 소자(10)는, 광학 접착제(OA)에 의해 광학적으로 접속되어 있다. 유리 기판(30)은 반도체 광 검출 소자(10)상에 직접 형성되어 있어도 된다.
탑재 기판(20)은 서로 대향하는 주면(20a)과 주면(20b)을 가지고 있다. 탑재 기판(20)은 평면에서 볼 때 사각형 형상을 나타내고 있다. 반도체 광 검출 소자(10)는 탑재 기판(20)에 탑재되어 있다. 주면(20a)과 주면(1Nb)이 대향하고 있다.
탑재 기판(20)은 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)를 구성하고 있다. 탑재 기판(20)은, 도 2에 도시되는 것처럼, 복수의 신호 처리부(SP)를 가지고 있다. 복수의 신호 처리부(SP)는 탑재 기판(20)의 주면(20a)측에 이차원 배열되어 있다. 각 신호 처리부(SP)는 관통 전극 TE에 대응하여 배치되어 있는 전극을 가지고 있다. 각 전극은 범프 전극 BE를 통하여, 대응하는 관통 전극 TE에 전기적으로 접속되어 있다.
반도체 기판(50)의 측면(1Nc)과 유리 기판(30)의 측면(30c)과 탑재 기판(20)의 측면(20c)은, 같은 면으로 되어 있다. 즉, 평면에서 볼 때, 반도체 기판(50)의 외연(外緣)과, 유리 기판(30)의 외연과, 탑재 기판(20)의 외연은, 일치하고 있다. 반도체 기판(50)의 외연과, 유리 기판(30)의 외연과, 탑재 기판(20)의 외연은, 일치하고 있지 않아도 된다. 예를 들어, 평면에서 볼 때, 탑재 기판(20)의 면적이 반도체 기판(50) 및 유리 기판(30)의 각 면적보다도 커도 된다. 이 경우, 탑재 기판(20)의 측면(20c)은, 반도체 기판(50)의 측면(1Nc) 및 유리 기판(30)의 측면(30c)보다도 XY축 평면 방향의 외측에 위치한다.
다음에, 도 3~도 5를 참조하여, 반도체 광 검출 소자(10)의 구성을 설명한다. 도 3은 주면(1Na)에 직교하는 방향(Z축 방향)에서 반도체 광 검출 소자(10)를 본 도면이다. 도 3에서는, 절연층 L4(도 6 참조)의 도시가 생략되어 있다. 도 4는 화소 U 및 관통 전극 TE가 형성되어 있는 영역을 나타내고 있다. 도 5는 하나의 화소 U와 당해 화소 U의 근방을 나타내고 있다.
반도체 광 검출 소자(10)는 화소 U마다, 가이거 모드로 동작하는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD와, 복수의 퀀칭 저항(21)과, 관통 전극 TE를 가지고 있다. 관통 전극 TE는 반도체 기판(50)을 두께 방향(Z축 방향)으로 관통하고 있다.
복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD는, 반도체 기판(50)에 이차원 배열되어 있다. 각 애벌란시 포토 다이오드 APD는 수광 영역 S를 가지고 있다. 수광 영역 S는 반도체 기판(50)의 주면(1Na)측에 마련되어 있다. 도 4에 도시되는 것처럼, 반도체 광 검출 소자(10)에서는, 각 화소 U가 복수의 수광 영역 S를 포함하고 있다. 복수의 수광 영역 S는, 각 화소 U에서, 이차원 배열되어 있다. 1개의 화소 U 내에서의 수광 영역 S의 피치 WS는, 행방향 및 열방향에 있어서, 10~50μm이다. 수광 영역 S1은, 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역(광 감응 영역)이다. 즉, 수광 영역 S1은, 광 검출 영역이다.
도 5에 도시되는 것처럼, 각 수광 영역 S는 Z축 방향에서 보았을 때 사각형 형상을 나타내고 있다. 반도체 기판(50)에는 홈(13)이 Z축 방향에서 보았을 때 각 수광 영역 S의 둘레 전체를 둘러싸도록 형성되어 있다. 홈(13)에 의해서 둘러싸인 영역은 수광 영역 S와 마찬가지로, Z축 방향에서 보았을 때 사각형 형상을 나타내고 있다.
반도체 광 검출 소자(10)는 화소 U마다, 복수의 전극 E1과, 전극 E2와, 전극 E3을 가지고 있다. 각 전극 E1은 대응하는 수광 영역 S에 접속되어 있다. 전극 E1은 반도체 기판(50)의 주면(1Na)측에 배치되어 있고, 수광 영역 S의 외측으로 연장되어 있다. 전극 E1은 퀀칭 저항(21)에 접속되어 있다. 전극 E1은 서로 대응하는 수광 영역 S와 퀀칭 저항(21)을 접속하고 있다. 전극 E1은 수광 영역 S에 접속되는 단부(端部)와, 퀀칭 저항(21)에 접속되는 단부를 가지고 있다.
각 퀀칭 저항(21)은 반도체 기판(50)의 주면(1Na)측에 배치되어 있다. 퀀칭 저항(21)은 수광 영역 S의 외연을 따라서 연장되어 있다. 각 퀀칭 저항(21)은 전극 E1을 통하여, 대응하는 애벌란시 포토 다이오드 APD의 수광 영역 S와 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 퀀칭 저항(21)은 패시브 퀀칭 회로를 구성하고 있다. 퀀칭 저항(21)은 전극 E1과 전극 E2에 접속되어 있다. 퀀칭 저항(21)은 전극 E1에 접속되는 단부와, 전극 E2에 접속되는 단부를 가지고 있다.
전극 E2는 Z축 방향에서 보았을 때 1개의 화소 U에 포함되는 복수의 수광 영역 S의 사이를 통과하도록, 격자 모양으로 마련되어 있다. 수광 영역 S 및 홈(13)은, Z축 방향에서 보았을 때, 전극 E2에 둘러싸여 있다. 전극 E2는 전극 E1 및 퀀칭 저항(21)을 통하여, 1개의 화소 U에 포함되는 모든 수광 영역 S와 전기적으로 접속되어 있다. 전극 E2는 전극 E3과 접속되어 있다.
전극 E3은 전극 E2로부터 연장되어 있고, 대응하는 관통 전극 TE에 전기적으로 접속되어 있다. 1개의 화소 U에 포함되는 모든 퀀칭 저항(21)은, 전극 E2 및 전극 E3에 의해서, 1개의 관통 전극 TE에 전기적으로 병렬 접속되어 있다.
복수의 관통 전극 TE는 Z축 방향에서 보았을 때, 복수의 화소 U가 이차원 배열되어 있는 영역에 위치하고 있다. 각 관통 전극 TE는 반도체 광 검출 소자(10)의 끝에 위치하고 있는 관통 전극 TE를 제외하고, 서로 이웃하는 4개의 화소 U에 둘러싸이는 영역에 배치되어 있다. 관통 전극 TE는 서로 이웃하는 4개의 화소 U 중 하나의 화소 U와 전기적으로 접속되어 있다. 관통 전극 TE 및 화소 U는 X축 및 Y축에 교차하는 방향으로, 교호로 늘어서 있다. 각 관통 전극 TE는 대응하는 화소 U에 포함되는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD(복수의 수광 영역 S)와, 전극 E1, 퀀칭 저항(21), 전극 E2, 및 전극 E3을 통하여 전기적으로 접속되어 있다.
다음에, 도 6을 참조하여, 본 실시 형태에 따른 반도체 광 검출 소자(10)의 구성을 설명한다. 도 6은 반도체 광 검출 소자(10) 및 탑재 기판(20)의 단면 구성을 나타내고 있다.
각 애벌란시 포토 다이오드 APD는 P형의 제1 반도체 영역 PA와, N형의 제2 반도체 영역 NA와, P형의 제3 반도체 영역 PB를 가지고 있다. 제1 반도체 영역 PA는 반도체 기판(50)의 주면(1Na)측에 위치하고 있다. 제2 반도체 영역 NA는 반도체 기판(50)의 주면(1Nb)측에 위치하고 있다. 제3 반도체 영역 PB는 제1 반도체 영역 PA 내에 형성되어 있다. 제3 반도체 영역 PB의 불순물 농도는, 제1 반도체 영역 PA의 불순물 농도보다도 높다. 제3 반도체 영역 PB는 수광 영역 S이다. 각 애벌란시 포토 다이오드 APD는 주면(1Na)측으로부터, 제3 반도체 영역 PB인 P＋층, 제1 반도체 영역 PA인 P층, 제2 반도체 영역 NA인 N＋층의 순으로 구성되어 있다.
반도체 기판(50)에는 제3 반도체 영역 PB를 둘러싸도록, 홈(13)이 형성되어 있다. 도 6에 도시되는 것처럼, 홈(13)은 Z축 방향으로 제1 반도체 영역 PA를 관통하여, 제2 반도체 영역 NA에 도달하고 있다. 홈(13)에는 절연층(13a)과 심재(芯材)(13b)가 배치되어 있다. 심재(13b)는 고융점 금속으로 이루어진다. 심재(13b)는, 예를 들어, 텅스텐으로 이루어진다.
반도체 광 검출 소자(10)는 화소 U마다, 전극 패드(12)와, 전극 E4를 가지고 있다. 전극 패드(12)와 전극 E4는, 관통 전극 TE에 대응해서 배치되어 있다. 전극 패드(12)는 주면(1Na)측에 위치하고 있고, 전극 E4는 주면(1Nb)측에 위치하고 있다. 전극 패드(12)는 접속부 C를 통하여, 전극 E3과 전기적으로 접속되어 있다. 전극 패드(12)는 전극 E3과 관통 전극 TE를 전기적으로 접속시키고 있다.
관통 전극 TE는 반도체 기판(50)을 두께 방향(Z축 방향)으로 관통하고 있는 관통공 TH에 배치되어 있다. 관통공 TH에는 절연층 L1, 관통 전극 TE 및 절연층 L2가 배치되어 있다. 절연층 L1은 관통공 TH의 내주면 상에 형성되어 있다. 관통 전극 TE는 절연층 L1를 통해서, 관통공 TH 내에 배치되어 있다. 절연층 L2는 관통 전극 TE의 내측에 형성된 공간에 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 관통 전극 TE는 통 모양을 나타내고 있다. 관통공 TH에 배치되는 부재는, 관통공 TH의 내주면측으로부터, 절연층 L1, 관통 전극 TE, 절연층 L2의 순으로 구성되어 있다.
제1 반도체 영역 PA, 제2 반도체 영역 NA, 제3 반도체 영역 PB, 및 홈(13) 위에는, 절연층 L3이 배치되어 있다. 퀀칭 저항(21) 및 전극 패드(12)는, 절연층 L3으로 덮여 있다. 전극 E2, E3은 절연층 L3 상에 배치되어 있고, 절연층 L4로 덮여 있다.
전극 E4는 주면(1Nb)상에, 절연층 L5를 개재하여 배치되어 있다. 전극 E4는 관통 전극 TE에 접속되는 단부와, 범프 전극 BE에 접속되는 단부를 가지고 있다. 전극 E4는 관통 전극 TE와 범프 전극 BE를 접속하고 있다. 전극 E4는 범프 전극 BE에 접속되는 영역을 제외하고, 절연층 L6으로 덮여 있다.
전극 E1, E2, E3, E4, 전극 패드(12), 및 관통 전극 TE는, 금속으로 이루어진다. 전극 E1, E2, E3, E4, 전극 패드(12), 및 관통 전극 TE는, 예를 들어, 알루미늄(Al)으로 이루어진다. 반도체 기판(50)이 Si로 이루어지는 경우에는, 전극 재료로서, 알루미늄 이외에, 예를 들어, 구리(Cu)가 이용된다. 전극 E1, E2, E3, E4, 전극 패드(12), 및 관통 전극 TE는, 일체로 형성되어 있어도 된다. 전극 E1, E2, E3, E4, 전극 패드(12), 및 관통 전극 TE는, 예를 들어, 스퍼터법에 의해 형성된다.
반도체 기판(50)의 재료에 Si가 이용되는 경우, P형 불순물에는 III족 원소(예를 들어, B)가 이용되고, N형 불순물에는 V족 원소(예를 들어, P 또는 As)가 이용된다. 반도체의 도체형인 N형과 P형이 서로 치환되어 있는 소자도, 반도체 광 검출 소자(10)와 마찬가지로, 반도체 광 검출 소자로서 기능한다. 이들 불순물의 첨가법에는, 예를 들어, 확산법 또는 이온 주입법이 이용된다.
절연층 L1, L2, L3, L4, L5, L6, 13a는, 예를 들어, SiO2, SiN, 또는 수지로 이루어진다. 절연층 L1, L2, L3, L4, L5, L6, 13a의 형성 방법에는, 열산화법, 스퍼터법, CVD법, 또는 수지 코트법이 이용된다.
탑재 기판(20)은 범프 전극 BE에 의해서 관통 전극 TE와 전기적으로 접속되어 있다. 각 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터 출력된 신호는, 전극 E1, 퀀칭 저항(21), 전극 E2, 전극 E3, 전극 패드(12), 관통 전극 TE, 전극 E4, 및 범프 전극 BE를 통하여, 탑재 기판(20)으로 안내된다.
범프 전극 BE는 도시하지 않은 UBM(Under Bump Metal)을 통해서, 전극 E4에 형성된다. UBM은 범프 전극 BE와 전기적 및 물리적으로 접속이 뛰어난 재료로 이루어진다. UBM은, 예를 들어, 무전해 도금법에 의해서 형성된다. 범프 전극 BE는, 예를 들어, 핸더 볼을 탑재하는 수법, 인쇄법, 또는 전해 도금에 의해서 형성된다. 범프 전극 BE는, 예를 들어, 땜납 또는 인듐으로 이루어진다.
다음에, 도 2 및 도 7을 참조하여, 본 실시 형태에 따른 탑재 기판의 구성을 설명한다. 도 7은 광 검출 장치(1)의 회로 구성을 나타내고 있다.
도 2에 도시되는 것처럼, 탑재 기판(20)은 복수의 신호 처리부(SP)를 가지고 있다. 복수의 신호 처리부(SP)는 탑재 기판(20)의 주면(20a)측에 이차원 배열되어 있다. 신호 처리부(SP)는 광 검출 장치(1)에 접속되는 후단(後段) 회로에 신호를 출력하는 전단(前段)층에서, 대응하는 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 신호를 처리하는 프론트엔드 회로이다.
후단 회로에서는 후단 회로가 가지는 수동 소자에 기인하여, 광 검출 장치(1)의 출력 펄스가 열화될 우려가 있다. 신호 처리부(SP)는 각 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호의 펄스 파형을 후단 회로에 전달하도록 구성되어 있다. 신호 처리부(SP)는 저임피던스이고, 또한 높은 주파수 응답을 가진다. 신호 처리부(SP)는 각 애벌란시 포토 다이오드 APD의 출력 신호의 고속 상승을 후단 회로로 전한다. 따라서 광 검출 장치(1)의 출력 펄스의 열화가 억제된다. 신호 처리부(SP)의 수는 각 화소 U가 가지는 복수의 수광 영역 S의 수보다도 많다. 본 실시 형태에서는, 신호 처리부(SP)의 수는 「1024」이고, 각 화소 U가 가지는 수광 영역 S의 수는 「12」이다.
신호 처리부(SP)는 범프 전극 BE에 전기적으로 접속되어 있는 입력단을 가지고 있다. 각 신호 처리부(SP)에는 퀀칭 저항(21), 관통 전극 TE, 및 범프 전극 BE를 통하여, 대응하는 화소 U가 가지는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호가 입력된다. 각 신호 처리부(SP)는 입력된 출력 신호를 처리한다.
각 신호 처리부(SP)는 게이트 접지 회로(31)와, 커런트 미러 회로(34)와, 콤퍼레이터(35)를 가지고 있다. 본 실시 형태에서는, 게이트 접지 회로(31) 및 커런트 미러 회로(34)는 N채널 MOS FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)를 가지고 있다.
게이트 접지 회로(31)는 서로 대응하는 관통 전극 TE와 커런트 미러 회로(34)의 사이에 삽입되어 있다. 게이트 접지 회로(31)가 가지는 FET의 드레인에는 대응하는 범프 전극 BE가 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 게이트 접지 회로(31)에는 대응하는 관통 전극 TE를 통하여, 대응하는 화소 U가 가지는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호가 입력된다. 드레인에는 범프 전극 BE와 병렬로, 정전류원(32)이 전기적으로 접속되어 있다. 게이트 접지 회로(31)가 가지는 FET의 게이트에는, 전압원(33)이 전기적으로 접속되어 있다. 게이트 접지 회로(31)가 가지는 FET의 소스에는, 커런트 미러 회로(34)의 입력 단자가 전기적으로 접속되어 있다.
커런트 미러 회로(34)는 게이트 접지 회로(31)와 전기적으로 접속되어 있다. 커런트 미러 회로(34)에는, 게이트 접지 회로(31)로부터의 출력 신호가 입력된다. 커런트 미러 회로(34)에는, 대응하는 관통 전극 TE를 통하여, 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD가 전기적으로 접속되어 있다. 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호에 대응하는 신호가, 커런트 미러 회로(34)에 입력된다. 커런트 미러 회로(34)는 입력된 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호에 대응하는 신호를 출력한다.
커런트 미러 회로(34)는 서로 쌍이 되는 N채널 MOS FET(34a, 34b)를 포함한다. FET(34a)의 드레인에 게이트 접지 회로(31)의 출력 단자가 전기적으로 접속되어 있다. FET(34a)의 드레인 및 게이트는 단락되어 있다. FET(34a)의 게이트는 FET(34b)의 게이트와 전기적으로 접속되어 있다. FET(34a) 및 FET(34b)의 소스는, 접지되어 있다. FET(34b)의 드레인은 저항(34c) 및 콤퍼레이터(35)의 입력 단자에 전기적으로 접속되어 있다. 저항(34c)은 콤퍼레이터(35)의 입력 단자와 병렬로, FET(34b)의 드레인에 전기적으로 접속되어 있다. 저항(34c)은 FET(34b)의 드레인과 전기적으로 접속되어 있는 단부와, 접지되어 있는 단부를 가지고 있다.
콤퍼레이터(35)는 제1 및 제2 입력 단자와, 출력 단자를 가지고 있다. 콤퍼레이터(35)의 제1 입력 단자는 커런트 미러 회로(34)의 출력 단자(FET(34b)의 드레인)에 전기적으로 접속되어 있다. 콤퍼레이터(35)에는 커런트 미러 회로(34)의 출력 신호가 입력된다. 콤퍼레이터(35)의 제2 입력 단자에는, 가변 전압원(36)이 전기적으로 접속되어 있다. 콤퍼레이터(35)의 전원 단자(35a)에는, 전압원이 전기적으로 접속되어 있다. 콤퍼레이터(35)는 1개의 화소 U가 가지는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호에 대응하는 디지털 신호를 출력 단자로부터 출력한다.
각 애벌란시 포토 다이오드 APD에 있어서, N형과 P형이 서로 치환되어 있는 경우, 각 신호 처리부(SP)는, 도 8에 도시된 회로 구성을 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 애벌란시 포토 다이오드 APD의 극성이 관통 전극 TE에 대해서 반전된다. 신호 처리부(SP)는 커런트 미러 회로(34)를 대신하여, 커런트 미러 회로(44)를 가지고 있다. 커런트 미러 회로(44)는 서로 쌍이 되는 P채널 MOS FET(44a, 44b)를 가지고 있다. 신호 처리부(SP)는 게이트 접지 회로(31)를 대신하여, 게이트 접지 회로(41)를 가지고 있다. 게이트 접지 회로(41)는 P채널 MOS FET를 가지고 있다.
게이트 접지 회로(41)가 가지는 FET의 드레인에는, 대응하는 범프 전극 BE가 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 게이트 접지 회로(41)에는 대응하는 관통 전극 TE를 통하여, 대응하는 화소 U가 가지는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호가 입력된다. 드레인에는 범프 전극 BE와 병렬로, 정전류원(42)이 전기적으로 접속되어 있다. 정전류원(42)과 정전류원(32)은, 전류의 방향이 반대이다. 게이트 접지 회로(41)가 가지는 FET의 게이트에는, 전압원(33)이 전기적으로 접속되어 있다. 게이트 접지 회로(41)가 가지는 FET의 소스에는, 커런트 미러 회로(44)의 입력 단자가 전기적으로 접속되어 있다.
커런트 미러 회로(44)는 게이트 접지 회로(41)와 전기적으로 접속되어 있다. 커런트 미러 회로(44)에는 게이트 접지 회로(41)로부터의 출력 신호가 입력된다. 커런트 미러 회로(44)에는 대응하는 관통 전극 TE를 통하여, 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD가 전기적으로 접속되어 있다. 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호에 대응하는 신호가, 커런트 미러 회로(44)에 입력된다. 커런트 미러 회로(44)는 입력된 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호에 대응하는 신호를 출력한다.
FET(44a)의 드레인에, 게이트 접지 회로(41)의 출력 단자가 전기적으로 접속되어 있다. FET(44a)의 드레인 및 게이트는 단락되어 있다. FET(44a)의 게이트는 FET(44b)의 게이트와 전기적으로 접속되어 있다. FET(44a) 및 FET(44b)의 소스는, 접지되어 있다. FET(44b)의 드레인은 저항(44c) 및 콤퍼레이터(35)의 입력 단자에 전기적으로 접속되어 있다. 저항(44c)은 콤퍼레이터(35)의 입력 단자와 병렬로, FET(44b)의 드레인에 전기적으로 접속되어 있다. 저항(44c)은 FET(44b)의 드레인과 전기적으로 접속되어 있는 단부와, 접지되어 있는 단부를 가지고 있다.
다시 도 7을 참조하여, 본 실시 형태에 따른 광 검출 장치(1)의 동작을 설명한다.
반도체 광 검출 소자(10)에서는, 각 애벌란시 포토 다이오드 APD가 가이거 모드로 동작한다. 가이거 모드에서는, 애벌란시 포토 다이오드 APD의 브레이크다운 전압보다도 큰 역방향 전압(역바이어스 전압)이 애벌란시 포토 다이오드 APD의 애노드와 캐소드의 사이에 인가된다. 본 실시 형태에서는, 애노드는 제1 반도체 영역 PA이고, 캐소드는 제2 반도체 영역 NA이다. 제2 반도체 영역 NA는 반도체 기판(50)의 이면(裏面)측에 배치된 전극(도시 생략)에 전기적으로 접속되어 있다. 제1 반도체 영역 PA는 제3 반도체 영역 PB를 통하여, 전극 E1에 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들어, 제1 반도체 영역 PA에는 마이너스 전위가 인가되고, 제2 반도체 영역 NA에는 플러스 전위가 인가된다. 이들 전위의 극성은 상대적인 것이다.
애벌란시 포토 다이오드 APD에 광(포톤)이 입사되면, 반도체 기판 내부에서 광전 변환이 행해져 광 전자가 발생한다. 제1 반도체 영역 PA의 PN 접합 계면의 근방 영역에 있어서, 애벌란시 증배가 행해지고, 증폭된 전자군은 전극 E1, 퀀칭 저항(21), 전극 E2, 전극 E3, 관통 전극 TE, 및 범프 전극 BE를 통하여, 탑재 기판(20)으로 흐른다. 반도체 광 검출 소자(10)의 어느 수광 영역 S에 광(포톤)이 입사되면, 발생한 광 전자가 증배되고, 증배된 광 전자에 의한 신호가 범프 전극 BE로부터 취출되어, 대응하는 신호 처리부(SP)에 입력된다. 신호 처리부(SP)는 입력된 신호에 대응하는 디지털 펄스 신호를 출력 단자로부터 출력한다.
이상 설명한 것처럼, 광 검출 장치(1)에서는, 반도체 광 검출 소자(10)가 이차원 배열되어 있는 화소 U마다, 가이거 모드로 동작하는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD를 가지고 있다. 복수의 신호 처리부(SP)의 수는, 각 화소 U의 수광 영역 S의 수보다도 많다. 광 검출 장치(1)에서는, 각 애벌란시 포토 다이오드 APD의 내부 증배 기능에 의해, 일반적인 포토 다이오드가 이용된 광 검출 장치에 비하여, 각 화소에서의 광 감도가 향상된다. 따라서 광 검출 장치(1)는 이미징에서의 해상도를 향상시키기 위해서 각 화소 U의 수광 면적이 축소되어 있는 경우에도, 일반적인 포토 다이오드가 이용된 광 검출 장치에서는 검출되기 어려운 미약광을 검출한다. 각 화소 U의 애벌란시 포토 다이오드 APD의 수는, 복수의 신호 처리부(SP)의 수보다도 적다. 광 검출 장치(1)에서는, 각 화소 U의 애벌란시 포토 다이오드 APD의 수가 복수의 신호 처리부(SP)의 수 이상인 광 검출 장치에 비하여, 하나의 커런트 미러 회로(44)에 전기적으로 접속되는 애벌란시 포토 다이오드 APD의 수가 적다. 따라서 각 커런트 미러 회로(44)의 부담이 경감된다.
배경광은 미약광에 대한 노이즈이다. 각 화소 U의 수광 면적이 작은 경우, 각 화소 U의 수광 면적이 큰 경우에 비하여, 미약광의 수광량에 대한 배경광의 수광량의 비율이 작으므로, 하나의 화소 U당 배경광의 성분이 적다. 또, 각 화소 U의 수광 면적이 작은 경우, 각 화소 U의 애벌란시 포토 다이오드 APD의 PN 접합 용량의 합도 작다. 따라서 가파른 상승을 가지는 출력 신호가 각 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터 얻어진다.
광 검출 장치(1)에서는, 각 신호 처리부(SP)가 커런트 미러 회로(34, 44)를 가지고 있다. 광 검출 장치(1)에서는, 각 애벌란시 포토 다이오드 APD가 내부 증배 기능을 가지고 있으므로, 신호 처리부(SP)에서는, OP AMP 회로에 의한 증폭이 불필요하다. 커런트 미러 회로(34, 44)는 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호에 대응하는 신호를 출력한다. 커런트 미러 회로(34, 44)는 OP AMP 회로에 비하여, 절전형이고 또한 응답 속도가 빨라, 입력 신호의 정보를 정확하게 전달한다. 입력 신호의 정보는, 예를 들어, 신호 파형을 포함한다. 따라서 커런트 미러 회로(34, 44)는 각 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호의 상승의 가파름을 정확하게 전달한다. 이 결과, 광 검출 장치(1)는 미약광을 검출하고, 또한 검출 신호의 시간 분해능이 높다.
광 검출 장치(1)에서는, 상술한 것처럼, 각 화소 U의 수광 면적이 축소되어 있는 경우에도, 일반적인 포토 다이오드가 이용된 광 검출 장치에서는 검출되기 어려운 미약광을 검출한다. 이 때문에, 광 검출 장치(1)에서는, 화소 수를 늘리는 것이 가능하다. 따라서 광 검출 장치(1)의 분해능은 높다.
광 검출 장치(1)는, 상술한 것처럼, 미약광을 정밀도가 높고 또한 절전형으로 검출한다. 광 검출 장치(1)에서는, 커런트 미러 회로(34, 44)를 가지는 신호 처리부(SP)의 수가, 각 화소 U의 수광 영역 S의 수보다도 많다. 광 검출 장치(1)에서는, 각 애벌란시 포토 다이오드 APD의 내부 증배 기능에 의해 증폭된 신호가 얻어짐과 아울러, 회로에 방대한 전류를 흘리는 일 없이 높은 주파수 응답 특성이 얻어진다. 이 결과, 광 검출 장치(1)에서는, 광 검출 특성(광 검출 감도, 시간 분해능, 공간 분해능)의 향상과 높은 다이나믹 레인지의 실현이 양립된다. 고정밀도란, 예를 들어, 신호의 S/N이 높고, 또한 미약한 신호가 검출되는 것을 의미함과 아울러, 시간 분해능이 높은 것을 의미한다.
반도체 광 검출 소자(10)에서는 복수의 화소 U가 M행 N열로 배치되어 있다. 탑재 기판(20)에서는, 복수의 신호 처리부(SP)는 화소 U의 배치에 대응하여, M행 N열로 배치되어 있다. M은 2 이상의 정수이고, N은 2 이상의 정수이다. 광 검출 장치(1)는 도 9에 도시되는 것처럼, 행 선택부(61), 열 선택부(63), 및 판독부(65)를 구비하고 있다. 행 선택부(61), 열 선택부(63), 및 판독부(65)는, 예를 들어, 탑재 기판(20)에 마련되어 있다. 신호 처리부(SP)는 행 선택부(61)로부터 제어 신호선을 통하여 수취한 제어 신호에 기초하여, 판독 신호선으로 신호를 출력한다. 신호 처리부(SP)로부터 출력된 신호는, 판독 신호선을 통해 판독부(65)에 입력된다. 행 선택부(61)는 제어부(도시하지 않음)로부터 출력되는 행 선택 신호에 기초하여, 신호를 출력하는 행을 선택하고, 선택한 행에 포함되는 신호 처리부(SP)에 제어 신호를 출력한다. 행 선택부(61)는, 예를 들어, 시프트 레지스터 또는 랜덤 억세스 디코더를 포함한다. 판독부(65)는 열 선택부(63)로부터 제어 신호선을 통하여 수취한 제어 신호에 기초하여, 신호 처리부(SP)로부터 출력된 신호를 차례로 출력한다. 열 선택부(63)는 제어부로부터 출력되는 열 선택 신호에 기초하여, 신호를 출력하는 열을 선택하고, 선택한 열의 신호를 출력하도록 판독부(65)에 제어 신호를 출력한다. 판독부(65)로부터 출력되는 신호는, 출력 포트(67)를 통하여, 탑재 기판(20)으로부터 출력된다. 열 선택부(63)는, 예를 들어, 시프트 레지스터 또는 랜덤 억세스 디코더를 포함한다. 제어부는 탑재 기판(20)에 마련되어 있어도 되고, 탑재 기판(20)과는 다른 기판에 마련되어 있어도 된다.
이상과 같이, 광 검출 장치(1)에서는, 각 화소 U로부터의 출력이 대응하는 신호 처리부(SP)를 통하여 차례로 판독되어, 광 검출 장치(1)(탑재 기판(20))로부터 출력된다. 따라서 광 검출 장치(1)는 가이거 모드로 동작하는 수광 영역 S를 가지는 이미지 센서를 구성한다. 광 검출 장치(1)는 이미지 센서로서의 공간 분해능을 유지하면서, 다이나믹 레인지를 가진다. 이것에 대해, 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD)는 다이나믹 레인지를 갖지 않는다.
각 신호 처리부(SP)는 게이트 접지 회로(31, 41)를 가지고 있다. 게이트 접지 회로(31, 41)는 관통 전극 TE와 커런트 미러 회로(34, 44) 사이에 삽입되어 있다. 게이트 접지 회로(31, 41)에는 대응하는 관통 전극 TE를 통하여, 복수의 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호가 입력된다. 커런트 미러 회로(34, 44)에는 게이트 접지 회로(31, 41)로부터의 출력 신호가 입력된다. 게이트 접지 회로(31, 41)의 입력 임피던스는, 게이트 접지 회로 이외의 판독 회로의 입력 임피던스에 비해 낮다. 따라서 게이트 접지 회로(31, 41)는 각 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호의 상승의 가파름을 정확하게 전달한다. 이 결과, 각 신호 처리부(SP)는 각 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호의 상승의 가파름을 보다 한층 정확하게 전달한다.
각 신호 처리부(SP)는 콤퍼레이터(35)를 가지고 있다. 콤퍼레이터(35)에는 커런트 미러 회로(34, 44)로부터의 출력 신호가 입력된다. 따라서 각 신호 처리부(SP)는 콤퍼레이터(35)에 입력된 신호 중, 원하는 펄스 파고를 가지는 신호를 검출한다. 콤퍼레이터(35)에 의해, 예를 들어, 다크 카운트 등의 노이즈가 적절히 제거된다. 본 실시 형태에서는, 콤퍼레이터(35)의 제2 입력 단자에는, 가변 전압원(36)이 접속되어 있다. 가변 전압원(36)에 의해, 제2 입력 단자에 인가되는 전압이 적절히 조정된다. 따라서 신호 처리부(SP)에서는, 환경광에 따라 노이즈의 펄스 파고가 변화하는 경우에도, 목적의 신호가 검출된다. 목적의 신호는 노이즈의 파고를 상회하는 파고치를 가진다.
반도체 기판(50)에는, 홈(13)이 Z축 방향에서 보았을 때 각 수광 영역 S의 둘레 전체를 둘러싸도록 형성되어 있다. 따라서 서로 이웃하는 애벌란시 포토 다이오드 APD간의 간섭이 방지된다. 예를 들어, 가이거 모드로 동작하는 애벌란시 포토 다이오드에서는, 애벌란시 증배에 이어지는 캐리어의 재결합에 의한 발광이 일어날 수 있다. 애벌란시 포토 다이오드 APD는 근처에 위치하는 애벌란시 포토 다이오드 APD가 발산한 광을 수광할 우려가 있다. 광 검출 장치(1)에서는, 홈(13)에 의해, 애벌란시 포토 다이오드 APD가 발산한 광이, 근처에 위치하는 애벌란시 포토 다이오드 APD에 전해지는 것이 억제된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 변형예에 대해 설명해 왔지만, 본 발명은 반드시 상술한 실시 형태 및 변형예로 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
예를 들어, 광 검출 장치(1)가 콤퍼레이터(35)를 구비하고 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 광 검출 장치(1)는 콤퍼레이터(35) 대신에, 인버터를 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 커런트 미러 회로(34, 44)로부터의 출력 신호가 인버터에 입력된다. 광 검출 장치(1)가 인버터를 구비하는 경우, 광 검출 장치(1)(신호 처리부(SP))는 고정된 펄스 파고 이하의 노이즈가 제거된 원하는 신호를 검출한다.
게이트 접지 회로(31, 41)는 N채널 MOS FET와 P채널 MOS FET 중 어느 것을 가지고 있어도 된다.
커런트 미러 회로(34)가 가지는 FET(34a, 34b)의 사이즈는, 서로 달라도 된다. 커런트 미러 회로(44)가 가지는 FET(44a, 44b)의 사이즈도, 서로 달라도 된다. 서로 쌍이 되는 FET(34a, 34b, 44a, 44b)의 사이즈가 상이한 경우, 각 애벌란시 포토 다이오드 APD로부터의 출력 신호의 상승의 가파름이 유지됨과 아울러, 출력이 증폭될 수 있다. FET의 사이즈는 게이트 길이를 의미한다.
상술한 실시 형태에서는, 홈(13)은 수광 영역 S마다 반도체 기판(50)에 형성되어 있다. 홈(13)의 일부는 서로 이웃하는 수광 영역 S의 사이에서 공유되어도 된다. 반도체 기판(50)에는 홈(13)이 형성되어 있지 않아도 된다. 퀀칭 저항(21), 전극 패드(12), 및 전극 E2, E3은 하나의 절연층으로 덮여 있어도 된다. 전극 E2와 전극 패드(12)가 직접적으로 접속되어 있어도 된다. 관통공 TH에 절연층 L2가 배치되어 있지 않아도 된다. 이 경우, 관통 전극 TE는 기둥체(columnar body) 모양 또는 원뿔대(truncated conical) 모양을 나타내고 있어도 된다.
상술한 실시 형태에서는, 애벌란시 포토 다이오드 APD의 하나의 층 구조가 도시되어 있지만, 애벌란시 포토 다이오드 APD의 층 구조는 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 반도체 영역 PA와 제3 반도체 영역 PB가, 서로 다른 도전형을 가지고 있어도 된다. 이 경우, PN 접합은 제1 반도체 영역 PA와 제3 반도체 영역 PB에 의해서 형성된다. 예를 들어, 제2 반도체 영역 NA는 불순물 농도가 서로 다른 복수의 반도체 영역으로 구성되어 있어도 된다. 예를 들어, 애벌란시 포토 다이오드 APD는 제1 도전형(예를 들어 P형)의 반도체 영역과, 당해 제1 도전형의 반도체 영역 내에 위치하고, 또한 당해 제1 도전형의 반도체 영역과 PN 접합을 형성하는 제2 도전형(예를 들어 N형)의 반도체 영역을 가지고 있어도 된다. 본 구성에서는 제2 도전형의 반도체 영역이, 수광 영역이다.
산업상의 이용 가능성
본 발명은 미약광을 검출하는 광 검출 장치에 이용할 수 있다.
1…광 검출 장치 10…반도체 광 검출 소자
20…탑재 기판 21…퀀칭 저항
31, 41…게이트 접지 회로 34, 44…커런트 미러 회로
35…콤퍼레이터 50…반도체 기판
1Na, 1Nb, 20a…주면 APD…애벌란시 포토 다이오드
S…수광 영역 U…화소
TE…관통 전극 SP…신호 처리부

Claims (3)

  1. 서로 대향하는 제1 주면 및 제2 주면을 가지고 있는 반도체 기판을 가짐과 아울러, 상기 반도체 기판에 이차원 배열되어 있는 복수의 화소를 가지는 반도체 광 검출 소자와,
    상기 반도체 광 검출 소자가 탑재됨과 아울러, 대응하는 상기 화소로부터의 출력 신호를 처리하는 복수의 신호 처리부를 가지는 탑재 기판을 구비하고,
    상기 반도체 광 검출 소자는, 상기 화소마다
    상기 반도체 기판의 상기 제1 주면측에 마련된 수광 영역을 각각 가지고 있음과 아울러, 가이거 모드로 동작하는 복수의 애벌란시 포토 다이오드와,
    상기 반도체 기판의 상기 제1 주면측에 배치되어 있음과 아울러, 대응하는 상기 애벌란시 포토 다이오드에 전기적으로 직렬 접속되어 있는 복수의 퀀칭 저항과,
    상기 복수의 퀀칭 저항에 전기적으로 접속되어 있음과 아울러, 상기 반도체 기판을 두께 방향으로 관통하고 있는 관통 전극을 가지고,
    상기 복수의 애벌란시 포토 다이오드의 상기 수광 영역은, 상기 화소마다에서, 이차원 배열되어 있고,
    각 상기 신호 처리부는 대응하는 상기 관통 전극을 통하여 상기 복수의 애벌란시 포토 다이오드가 전기적으로 접속되어 있음과 아울러 상,m기 복수의 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호에 대응하는 신호를 출력하는 커런트 미러 회로를 가지고,
    상기 탑재 기판이 가지고 있는 상기 복수의 신호 처리부의 수는, 각 상기 화소에서의 상기 수광 영역의 수보다도 많은 광 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각 상기 신호 처리부는 대응하는 상기 관통 전극과 상기 커런트 미러 회로의 사이에 삽입되어 있음과 아울러, 대응하는 상기 관통 전극을 통하여 상기 복수의 애벌란시 포토 다이오드로부터의 출력 신호가 입력되는 게이트 접지 회로를 추가로 가지고,
    상기 커런트 미러 회로에는 상기 게이트 접지 회로로부터의 출력 신호가 입력되는 광 검출 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    각 상기 신호 처리부는 상기 커런트 미러 회로로부터의 출력 신호가 입력되는 콤퍼레이터를 가지는 광 검출 장치.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6712215B2 (ja) * 2016-11-11 2020-06-17 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
CN109727970A (zh) * 2019-01-25 2019-05-07 北京师范大学 雪崩光电二极管阵列探测器
JP2023044287A (ja) * 2021-09-17 2023-03-30 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
CN114122171B (zh) * 2021-11-29 2023-07-28 西安邮电大学 氧化镓基日盲紫外光强度探测器及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005265607A (ja) 2004-03-18 2005-09-29 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
JP2006332796A (ja) 2005-05-23 2006-12-07 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
JP2013089918A (ja) * 2011-10-21 2013-05-13 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
US20130153975A1 (en) * 2010-09-01 2013-06-20 Siemens Aktiengesellschaft Device Having a Plurality of Photosensitive Microcells Arranged in Row or Matrix Form
JP2015081863A (ja) * 2013-10-23 2015-04-27 株式会社東芝 光検出器

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050224697A1 (en) * 2004-04-08 2005-10-13 Naoki Nishiyama Light-receiving circuit capable of expanding a dynamic range of an optical input
JP5872197B2 (ja) * 2011-07-04 2016-03-01 浜松ホトニクス株式会社 フォトダイオードアレイモジュール
JP5791461B2 (ja) 2011-10-21 2015-10-07 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
JP6021360B2 (ja) * 2012-03-07 2016-11-09 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、および撮像装置の駆動方法。
JP2014102213A (ja) * 2012-11-21 2014-06-05 Sharp Corp 受光センサおよび電子機器
JP6552850B2 (ja) * 2015-03-16 2019-07-31 株式会社東芝 光検出装置
JP6663167B2 (ja) * 2015-03-18 2020-03-11 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
US10491177B2 (en) * 2015-07-30 2019-11-26 Circuit Seed, Llc Multi-stage and feed forward compensated complementary current field effect transistor amplifiers
JP6318190B2 (ja) * 2016-04-25 2018-04-25 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
DE102016008904B4 (de) * 2016-07-22 2019-03-28 Forschungszentrum Jülich GmbH Sensorchip

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005265607A (ja) 2004-03-18 2005-09-29 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
JP2006332796A (ja) 2005-05-23 2006-12-07 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
US20130153975A1 (en) * 2010-09-01 2013-06-20 Siemens Aktiengesellschaft Device Having a Plurality of Photosensitive Microcells Arranged in Row or Matrix Form
JP2013089918A (ja) * 2011-10-21 2013-05-13 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
JP2015081863A (ja) * 2013-10-23 2015-04-27 株式会社東芝 光検出器

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EP3540773A1 (en) 2019-09-18
WO2018088478A1 (ja) 2018-05-17
CN109952649A (zh) 2019-06-28

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