TW201933588A - 光檢測裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之光檢測裝置具備包含化合物半導體之雪崩光電二極體陣列基板10。於雪崩光電二極體陣列基板10，二維排列有以蓋革模式動作之複數個雪崩光電二極體20。電路基板50具有互相並聯連接並形成至少1個信道40之複數個輸出單元30。各輸出單元30具有被動淬滅元件31及電容元件32。被動淬滅元件31串聯連接於複數個雪崩光電二極體20之至少一者。電容元件32串聯連接於至少1個雪崩光電二極體20且並聯連接於被動淬滅元件31。

Description

光檢測裝置
本發明係關於一種光檢測裝置。
已知有一種二維排列有複數個雪崩光電二極體之光檢測裝置(例如非專利文獻1)。複數個雪崩光電二極體以蓋革模式進行動作。複數個雪崩光電二極體形成於包含化合物半導體之半導體基板。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特表2012-531753號公報
[發明所欲解決之問題]
形成於包含化合物半導體之半導體基板之複數個雪崩光電二極體以蓋革模式動作之情形時，暗脈衝及剩餘脈衝根據溫度變化而增加。若雜訊因暗脈衝及剩餘脈衝增加，則有無法適當地檢測出來自雪崩光電二極體之信號之虞。
已知，雪崩光電二極體以蓋革模式動作之情形時，為將雪崩倍增淬滅，而於雪崩光電二極體串聯配置被動淬滅元件。根據該被動淬滅元件之電阻值，決定連接於該被動淬滅元件之雪崩光電二極體內部所產生之雪崩倍增過程是否被適當地淬滅。若淬滅元件之電阻值不充分，則有因產生閉鎖電流等而未適當淬滅之情形。為了適當淬滅，需要選擇充分必要之淬滅元件之電阻值。
被動淬滅元件之電阻值愈大，串聯連接於被動淬滅元件之雪崩光電二極體之淬滅所需要之時間愈增加。若淬滅所需要之時間增加，則無法以雪崩光電二極體檢測光之死區時間增加。如此，為兼顧適當之淬滅及死區時間之減低，確保光檢測感度及光檢測時間分辨力，謀求具有最低電阻值之被動淬滅元件之電路設計。
由於被動淬滅元件之寄生電容亦對脈衝信號帶來影響，故亦謀求該寄生電容之去除。為進而提高光檢測時間分辨力，亦謀求提高脈衝信號之峰值。以滿足上述所有期望條件之方式，設計使形成於包含化合物半導體之半導體基板之複數個雪崩光電二極體以蓋革模式動作之裝置極其困難。
本發明之一態樣之目的係提供一種光檢測裝置，其於複數個雪崩光電二極體形成於包含化合物半導體之半導體基板之構成中，兼顧光檢測感度及光檢測時間分辨力之提高。
[解決問題之技術手段]
本發明之一態樣之光檢測裝置具備雪崩光電二極體陣列基板及電路基板。雪崩光電二極體陣列基板包含化合物半導體。於電路基板安裝有雪崩光電二極體陣列基板。於雪崩光電二極體陣列基板，二維排列有複數個雪崩光電二極體。複數個雪崩光電二極體以蓋革模式進行動作。電路基板具有互相並聯連接之複數個輸出單元。複數個輸出單元形成至少1個信道。各輸出單元具有被動淬滅元件及電容元件。被動淬滅元件串聯連接於複數個雪崩光電二極體之至少一者。電容元件串聯連接於至少1個雪崩光電二極體且並聯連接於被動淬滅元件。
本一態樣中，具有被動淬滅元件及電容元件之複數個輸出單元設置於與雪崩光電二極體陣列基板分開之電路基板。因此，與複數個輸出單元配置於雪崩光電二極體陣列基板之情形相比，可更擴大可形成複數個輸出單元之空間。若輸出單元設置於與雪崩光電二極體陣列基板分開之電路基板，則可減低產生於雪崩光電二極體之構成與輸出單元間之寄生電容。該情形時，亦可使用與雪崩光電二極體陣列基板分開之製造過程。因此，複數個輸出單元之設計變容易。上述光檢測裝置具有之電容元件串聯連接於至少1個雪崩光電二極體，且並聯連接於被動淬滅元件。因此，藉由電容元件之靜電電容，可提高來自串聯連接於電容元件之雪崩光電二極體之脈衝信號之峰值。因此，易檢測來自複數個雪崩光電二極體之脈衝信號，可進而提高光檢測時間分辨力。
本一態樣中，被動淬滅元件亦可藉由設置於電路基板之第1多晶矽層形成。電容元件亦可藉由設置於電路基板之第2多晶矽層、積層於第2多晶矽層上之介電質層、及積層於介電質層上之第3多晶矽層形成。第1多晶矽層於電路基板之厚度方向，形成與第2多晶矽層或第3多晶矽層相同之高度。該情形時，可以簡單之製造步驟形成上述複數個輸出單元。
[發明之效果]
根據本發明之一態樣，提供一種於複數個雪崩光電二極體形成於包含化合物半導體之半導體基板之構成中，設計容易且可確保光檢測精度之光檢測裝置。
以下，參照隨附圖式，針對本發明之實施形態進行詳細說明。另，於說明中，對同一要素或具有同一功能之要素，使用同一符號，省略重複說明。
首先，參照圖1至圖8，針對本實施形態之光檢測裝置之全體構成進行說明。圖1係本實施形態之光檢測裝置之立體圖。圖2係顯示本實施形態之光檢測裝置之剖面構成之圖。圖2中，為提高視認性而省略影線。圖3係電路基板之俯視圖。圖4係顯示雪崩光電二極體陣列基板之一部分之俯視圖。圖6係顯示本實施形態之光檢測裝置所使用之電路構成之圖。圖8係顯示電路基板之一部分之俯視圖。
光檢測裝置1如圖1所示，具備雪崩光電二極體陣列基板10及電路基板50。以下，將「雪崩光電二極體」稱為「APD」。將「雪崩光電二極體陣列基板」稱為「APD陣列基板」。電路基板50與APD陣列基板10對向配置。APD陣列基板10、電路基板50任一者於俯視時皆呈矩形狀。
APD陣列基板10包含互相對向之主面10A、主面10B及側面10C。電路基板50包含互相對向之主面50A、主面50B及側面50C。APD陣列基板10之主面10B與電路基板50之主面50A對向。與APD陣列基板10、電路基板50之各主面平行之面為XY軸平面，與各主面正交之方向為Z軸方向。
電路基板50之側面50C配置於較APD陣列基板10之側面10C靠XY軸平面方向之外側。即，於俯視時，電路基板50之面積大於APD陣列基板10之面積。亦可將APD陣列基板10之側面10C及電路基板50之側面50C設為同一平面。該情形時，於俯視時，APD陣列基板10之外緣與電路基板50之外緣一致。
亦可於APD陣列基板10之主面10A上配置玻璃基板。將玻璃基板與APD陣列基板10藉由光學接著劑光學連接。玻璃基板亦可直接形成於APD陣列基板10上。亦可將APD陣列基板10之側面10C及玻璃基板之側面設為同一平面。該情形時，於俯視時，APD陣列基板10之外緣與玻璃基板之外緣一致。又，亦可將APD陣列基板10之側面10C、電路基板50之側面50C及玻璃基板之側面設為同一平面。該情形時，於俯視時，APD陣列基板10之外緣及電路基板50之外緣與玻璃基板之外緣一致。
APD陣列基板10安裝於電路基板50。如圖2所示，APD陣列基板10與電路基板50係藉由凸塊電極25連接。具體而言，自APD陣列基板10之厚度方向觀察，APD陣列基板10如圖3所示，於配置於電路基板50之中央之安裝區域α上，以凸塊電極25連接。本實施形態中，安裝區域α具有矩形狀。
電路基板50於安裝區域α周圍具有接地線3、陰極線5及陽極線7。接地線3、陰極線5及陽極線7自安裝區域α延伸。接地線3連接於後述之接地電極63。陰極線5電性連接於安裝於安裝區域α之APD陣列基板10，用於向APD陣列基板10之電壓施加。陽極線7連接於後述之金屬層65、66，用於自APD陣列基板10之信號讀出。
APD陣列基板10具有以蓋革模式動作之複數個APD20。複數個APD20如圖4所示，自APD陣列基板10之厚度方向觀察，二維排列於該半導體基板11之光檢測區域β。光檢測區域β具有矩形狀，自APD陣列基板10之厚度方向觀察，與電路基板50之安裝區域α重疊。
APD陣列基板10具有包含化合物半導體之N型半導體基板11。半導體基板11具有形成主面10A之包含InP之基板12。於基板12上，自主面10A側向主面10B側依序形成有包含InP之緩衝層13、包含InGaAsP之吸收層14、包含InGaAsP之電場緩和層15、及包含InP之倍增層16。吸收層14亦可包含InGaAs。半導體基板11亦可由GaAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaAs、CdTe或HgCdTe等形成。
各APD20如圖2及圖4所示，自APD陣列基板10之厚度方向觀察，被絕緣部21包圍。各APD20具有藉由自主面10B側於倍增層16摻雜雜質而形成之P型主動區域22。摻雜之雜質例如為Zn(鋅)。絕緣部21例如係藉由於以濕蝕刻或乾蝕刻形成之溝槽內形成聚醯亞胺(polyimide)膜而構成。主動區域22自厚度方向觀察形成圓形狀，絕緣部21沿主動區域22之緣形成圓環狀。絕緣部21於APD陣列基板10之厚度方向，自半導體基板11之主面10B側到達基板12。
圖5係顯示本實施形態之變化例之光檢測裝置所使用之雪崩光電二極體陣列基板之一部分之圖。如圖5所示，主動區域22亦可自厚度方向觀察形成大致矩形狀。此處，所謂大致矩形狀，係角帶有圓度之矩形狀。藉此，抑制電場向主動區域22之角集中。該情形時，絕緣部21沿大致矩形狀之主動區域22之緣形成環狀。
APD陣列基板10具有絕緣層23及複數個電極墊24。絕緣層23於主面10B側覆蓋半導體基板11。電極墊24形成於每個APD20之主面10B側之半導體基板11上，連接於主動區域22。電極墊24自絕緣層23露出，通過凸塊電極25連接於電路基板50。
電路基板50如圖2所示，通過凸塊電極25，於主面50A側連接於APD陣列基板10。電路基板50具有複數個輸出單元30。複數個輸出單元30如圖6所示，互相並聯連接，形成1個信道40。複數個輸出單元30之各者串聯連接於設置於APD陣列基板10之各APD20。各輸出單元30具有互相並聯連接之被動淬滅元件31及電容元件32。被動淬滅元件31及電容元件32之任一者皆串聯連接於APD20。
圖7係用於說明本實施形態之變化例之光檢測裝置所使用之電路構成之圖。如圖7所示，亦可於電路基板50形成複數個信道40。該情形時，各信道40藉由互相並聯連接之複數個輸出單元30而形成。複數個信道40之至少一者，只要藉由互相並聯連接之複數個輸出單元30形成即可。
電路基板50具有矽基板51、及積層於矽基板51上之配線層61。如圖2所示，矽基板51自主面50B側向主面50A側依序具有P+ 層52、P－ 層53、P+ 層54。P+ 層52係藉由於P－ 層53摻雜雜質而設置。P+ 層54係藉由於P－ 層53摻雜雜質而設置。摻雜於P－ 層53之雜質例如為硼。於矽基板51與配線層61之間，例如設有利用熱氧化之元件分離步驟形成之氧化膜層60。P+ 層54自氧化膜層60露出，與配線層61接觸。
配線層61具有絕緣層62、接地電極63、電極墊64、金屬層65、66、通道67、68、69、70、多晶矽層71、72、73、及介電質層74。接地電極63、電極墊64、金屬層65、66、通孔67、68、69、70、多晶矽層71、72、73及介電質層74係於每個APD20設置。接地電極63、電極墊64及金屬層65、66形成於同一層。換言之，接地電極63、電極墊64及金屬層65、66於電路基板50之厚度方向，形成同一高度。
絕緣層62例如以SiO2 形成。接地電極63、電極墊64及金屬層65、66例如以Al、AlCu或AlSiCu等形成。接地電極63、電極墊64及金屬層65、66亦可以同一材料形成。通道67、68、69、70例如以W(鎢)形成。介電質層74例如以SiO2 或Si3 N4 形成。
配線層61被絕緣層62覆蓋。矽基板51之P+ 層54連接於自配線層61之絕緣層62向矽基板51側露出之通道67。P+ 層54通過通道67連接於接地電極63。接地電極63係以於電路基板50之厚度方向上該接地電極63配置之高度，經由絕緣層62相對於電極墊64及金屬層65、66而配置。接地電極63不直接連接於電極墊64及金屬層65、66。
電極墊64自絕緣層62露出，通過凸塊電極25連接於APD20。電極墊64如圖8所示，於主面50A側二維排列。電極墊64通過通道68連接於多晶矽層71。多晶矽層71通過通道69連接於金屬層65。電極墊64係以於電路基板50之厚度方向上該電極墊64配置之高度，經由絕緣層62相對於金屬層65、66而配置。電極墊64不直接連接於金屬層65、66。多晶矽層71包含於第1多晶矽層中。
多晶矽層71構成被動淬滅元件31。藉由上述構成，被動淬滅元件31通過凸塊電極25、電極墊64及通道68，串聯連接於APD20。即，來自APD20之脈衝信號通過凸塊電極25、電極墊64及通道68，輸入於被動淬滅元件31。輸入於被動淬滅元件31之上述脈衝信號通過被動淬滅元件31、通道69及金屬層65，自信道40輸出。
電極墊64係以於電路基板50之厚度方向上該電極墊64配置之高度，連接於金屬層66。金屬層66通過通道70連接於多晶矽層72。多晶矽層72積層於介電質層74之上。介電質層74積層於多晶矽層73之上。多晶矽層73通過未圖示之通道連接於金屬層65。多晶矽層71及多晶矽層73於電路基板50之厚度方向，形成同一高度。多晶矽層71及多晶矽層72於電路基板50之厚度方向，形成同一高度。多晶矽層72包含於第3多晶矽層中。多晶矽層73包含於第2多晶矽層中。
多晶矽層72、介電質層74及多晶矽層73構成電容元件32。藉由上述構成，電容元件32通過凸塊電極25、電極墊64及通道68，串聯連接於APD20。即，來自APD20之脈衝信號通過凸塊電極25、電極墊64及通道68，輸入於電容元件32之多晶矽層72。根據於電容元件32之多晶矽層72輸入上述脈衝信號，而自電容元件32之多晶矽層73輸出脈衝信號。自電容元件32輸出之脈衝信號通過未圖示之通道及金屬層65，自信道40輸出。
被動淬滅元件31及電容元件32之任一者皆電性連接於電極墊64及金屬層65。因此，被動淬滅元件31及電容元件32互相並聯連接。
接著，參照圖9至圖11，針對光檢測裝置1之作用效果進行說明。圖9係顯示自APD20輸出之脈衝信號。如圖9所示，來自APD20之脈衝信號26被分成快速脈衝27及再充電脈衝28。快速脈衝27係具有脈衝信號之峰值之脈衝成分。再充電脈衝28係檢測出快速脈衝27後檢測並具有較快速脈衝27更長之脈衝寬度之成分。
圖10係顯示自輸出單元30去除電容元件32，將被動淬滅元件31之電阻值設為參數，自APD20輸出之脈衝信號之波形。圖10係將縱軸之單位設為電流(A)，將橫軸之單位設為時間(s)之整數圖。資料a、b、c、d係將具有各不相同之電阻值之被動淬滅元件31設置於輸出單元30之情形之脈衝信號之資料。資料a、b、c、d依序設有具有更高電阻值之被動淬滅元件31。
如圖10所示，被動淬滅元件31之電阻值愈小，再充電脈衝28之傾斜愈陡。再充電脈衝28之傾斜愈陡，淬滅所需要之時間愈短，無法以APD20檢測光之死區時間愈短。藉由使用電阻值較大之被動淬滅元件31，可實現抑制閉鎖電流等之產生之適當的淬滅。但，電阻值愈大，死區時間愈增加。
來自連接於該被動淬滅元件31之APD20之脈衝信號之脈衝寬度亦根據被動淬滅元件31之電阻值改變。如圖10所示，被動淬滅元件31之電阻值愈大，串聯連接於被動淬滅元件31之APD20之死區時間愈增加。因此，為兼顧適當之淬滅及死區時間之減低，確保光檢測感度及光檢測時間分辨力，謀求具有最低電阻值之被動淬滅元件31之電路設計。
光檢測裝置1中，具有被動淬滅元件31及電容元件32之複數個輸出單元30設置於與APD陣列基板10分開之電路基板50。因此，與複數個輸出單元30配置於APD陣列基板10之情形相比，可更擴大可形成複數個輸出單元30之空間。因此，複數個輸出單元30之設計變容易。
由於複數個輸出單元30設置於與APD陣列基板10分開之電路基板50，故可減低產生於APD20之構成與輸出單元30間之寄生電容。亦可使用與APD陣列基板10不同之製造過程。由於可使用適於APD陣列基板10及電路基板50之各者之製造過程，故複數個輸出單元30之設計可變容易。
圖11係顯示將被動淬滅元件31設為固定值，將電容元件32之靜電電容作為參數，自APD20輸出之脈衝信號之波形。圖11係將縱軸之單位設為電流(A)，將橫軸之單位設為時間(s)之單變量圖。資料a係自輸出單元30去除電容元件32之情形之脈衝信號之資料。資料b、c、d係將具有各不相同之靜電電容之電容元件32設置於輸出單元30之情形之脈衝信號之資料。資料b、c、d依序設有具有更高靜電電容之電容元件32。
如圖11所示，藉由設置電容元件32，快速脈衝27之峰值提高。電容元件32之靜電電容愈高，快速脈衝27之峰值愈大。因此，藉由設置電容元件32，來自複數個APD20之脈衝信號之時間分辨力提高。快速脈衝27之峰值愈大，愈可容易檢測來自複數個APD20之脈衝信號。
光檢測裝置1中，具有串聯連接於至少1個APD20且並聯連接於被動淬滅元件31之電容元件32。根據上述構成，根據使用圖11說明之特性，藉由電容元件32之靜電電容，來自串聯連接於電容元件32之APD20之脈衝信號之峰值可提高。因此，易檢測來自複數個APD20之脈衝信號，可進而提高光檢測時間分辨力。光檢測裝置1可實現期望之光檢測感度及光檢測分辨力，且計數入射光子數。
於包含化合物半導體之APD陣列基板10中之複數個APD20以蓋革模式動作之構成中，可藉由減低賦予各APD20之電場強度，而抑制雜訊之影響。
光檢測裝置1具備設置於電路基板50上之多晶矽層71、73、設置於多晶矽層73上之介電質層74、及設置於介電質層74上之多晶矽層72。被動淬滅元件31係藉由多晶矽層71形成，電容元件32係藉由多晶矽層73、介電質層74及多晶矽層72形成。多晶矽層71於電路基板50之厚度方向，形成與多晶矽層72或多晶矽層73相同之高度。該情形時，可以簡單之製造步驟形成上述複數個輸出單元30。
以上，雖已對本發明之實施形態進行說明，但本發明並非限定於上述實施形態，於不脫離其主旨之範圍內可進行各種變更。
例如，亦可取代多晶矽層71，藉由金屬薄膜形成被動淬滅元件31。亦可取代多晶矽層72、73，由2個金屬層形成電容元件32。該情形時，電容元件32具有2個平行之金屬層夾著介電質層74之構成。
1‧‧‧光檢測裝置
3‧‧‧接地線
5‧‧‧陰極線
7‧‧‧陽極線
10‧‧‧APD陣列基板
10A‧‧‧主面
10B‧‧‧主面
10C‧‧‧側面
11‧‧‧半導體基板
12‧‧‧基板
13‧‧‧緩衝層
14‧‧‧吸收層
15‧‧‧電場緩和層
16‧‧‧倍增層
20‧‧‧APD
21‧‧‧絕緣部
22‧‧‧主動區域
23‧‧‧絕緣層
24‧‧‧電極墊
25‧‧‧凸塊電極
27‧‧‧快速脈衝
28‧‧‧再充電脈衝
30‧‧‧輸出單元
31‧‧‧被動淬滅元件
32‧‧‧電容元件
40‧‧‧信道
50‧‧‧電路基板
50A‧‧‧主面
50B‧‧‧主面
50C‧‧‧側面
51‧‧‧矽基板
52‧‧‧P+層
53‧‧‧P－層
54‧‧‧P+層
60‧‧‧氧化膜層
61‧‧‧配線層
62‧‧‧絕緣層
63‧‧‧接地電極
64‧‧‧電極墊
65、66‧‧‧金屬層
67、68、69、70‧‧‧通道
71、72、73‧‧‧多晶矽層
74‧‧‧介電質層
a、b、c、d‧‧‧資料
α‧‧‧安裝區域
β‧‧‧光檢測區域
圖1係一實施形態之光檢測裝置之立體圖。
圖2係顯示光檢測裝置之剖面構成之圖。
圖3係電路基板之俯視圖。
圖4係雪崩光電二極體陣列基板之光檢測區域之俯視圖。
圖5係顯示電路基板之構成之圖。
圖6係顯示光檢測裝置所使用之電路構成之圖。
圖7係顯示本實施形態之變化例之光檢測裝置所使用之電路構成之圖。
圖8係電路基板之安裝區域之俯視圖。
圖9係顯示來自雪崩光電二極體之脈衝信號之成分之圖。
圖10係顯示再充電脈衝之特性之圖。
圖11係顯示快速脈衝之特性之圖。

Claims (2)

  1. 一種光檢測裝置，其包含： 雪崩光電二極體陣列基板，其二維排列有以蓋革模式動作之複數個雪崩光電二極體，並包含化合物半導體；及 電路基板，其安裝有上述雪崩光電二極體陣列基板；且 上述電路基板包含互相並聯連接並形成至少1個信道之複數個輸出單元， 各上述輸出單元包含串聯連接於上述複數個雪崩光電二極體之至少一者之被動淬滅元件，及串聯連接於上述至少1個雪崩光電二極體且並聯連接於上述被動淬滅元件之電容元件。
  2. 如請求項1之光檢測裝置，其中 上述被動淬滅元件藉由設置於上述電路基板之第1多晶矽層而形成， 上述電容元件藉由設置於上述電路基板之第2多晶矽層、積層於上述第2多晶矽層上之介電質層、及積層於上述介電質層上之第3多晶矽層而形成， 上述第1多晶矽層於上述電路基板之厚度方向，形成與上述第2多晶矽層或上述第3多晶矽層相同之高度。
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